JP2507370B2

JP2507370B2 - 試料面位置測定装置

Info

Publication number: JP2507370B2
Application number: JP61287135A
Authority: JP
Inventors: 徹東条; 光雄田畑; 力伊藤; 徳久大岩; 達彦東木; 進高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-02
Filing date: 1986-12-02
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JPS63140531A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、半導体ウェハ等の試料の表面位置を非接触
で精度良く測定する装置に係わり、特に試料表面に対し
て斜め方向から光を照射し、その反射光を検出して位置
測定を行う試料面位置測定装置に関する。

（従来の技術）従来、電子ビーム露光装置やステッパ等の半導体製造
装置では、ウェハ表面の高さ位置を正確に測定する必要
がある。即ち、電子ビーム露光装置では、電子線の焦点
をウェハに合わせるために、ウェハ面の高さを測定する
ことが必要である。同様に、ステッパでは、投影レンズ
の焦点をウェハに合わせるために、ウェハ面の高さを測
定することが必要である。このため、電子線レジスト或
いは光露光レジストを感光させない波長（例えば600nm
以上）を用いて、ウェハ表面の高さ測定が行われる。

半導体製造装置では、ウェハ表面に対し斜め方向から
の光を照射して、その反射光の位置からウェハ表面の高
さを測定する方法が実施されている。しかし、この方法
では、ウェハ面（或いはマスク面でも同様）にパターン
が描かれていて、場所によって光の強度或いは強度分布
が異なる場合には、検出器に入る光の強度或いは強度分
布が異なる。そしてこの場合、ウェハ表面の高さ位置測
定の精度低下を起こし、正確な位置測定ができないと云
う問題が生じる。

この問題を解決するものとして、特開昭56−2632号公
報や特開昭57−139607号公報等に開示された位置測定装
置が挙げられる。特開昭56−2632号では、反射光の強度
変化を、割算器を通して規格化することにより補正して
いる。即ち、第５図に示す如く光源51から放射された光
をレンズ52によりスポット状に集束し、これを試料面50
上に照射する。試料面50からの反射光をレンズ53によっ
て検出器54上に結像させる。検出器54としては、２つの
出力a,bが得られる２分割検出器や半導体位置検出素子
（PSD）等が用いられる。検出器54の出力a,bは減算器55
により減算されると共に、加算器56により加算される。
そして、割算器57により減算器55の出力（ａ−ｂ）を加
算器56の出力（ａ＋ｂ）で規格化することによって、上
記問題を防いでいる。

また、特開昭57−139607号では、検出器に入る光量が
常に予め設定された基準値に等しくなるように光源に帰
還を施すことによって誤差を少なくしている。即ち、第
６図に示すように検出器54における光量（ａ＋ｂ）を検
出して、増幅器58により増幅させ、設定された基準値と
比較してその差が０となるように、光源51で半導体レー
ザの励起電流に帰還して検出面50における反射光量が常
に一定となるように制御するものである。さらに、割算
器57によって、（ａ−ｂ）の信号を規格化して、光量の
変動による測定誤差を低減させている。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問
題があった。即ち、前者の例では、試料面における反射
率の変化が非常に大きい場合（実際に数10倍の差があ
る）、割算器に入る（ａ＋ｂ）の光量信号が非常に小さ
くなり、割算器の精度が低下し、逆に誤差が大きくなる
虞れがある。光量が小さい時に割算器に入る電圧を最適
にすると、反射率が高い場合、割算器に入力する電圧が
オーバフローしてしまい、これも誤差が生じ測定不能と
なる。つまり、割算器の入力可能なダイナミックレンジ
が反射率の変化のダイナミックレンジよりも小さいため
に、この方法では誤差の低減が不可能であった。

また、後者の場合、光源へ検出器に入射する光量の変
化を帰還することによって、結果的に検出器に入射する
光量を略一定させることができ、割算器で生じる誤差を
少なくすることができる。また、帰還が正確に行われて
いれば、割算器を通して規格化しなくても位置測定がで
きる。しかし、実際にこの技術を用いて光源のパワーを
変化させた場合、光源の輝点が動いてしまい、結果的に
検出器上での光束が動いたり、光束内光量分布が変化し
てしまい、測定誤差が生じることが実験的に確められて
いる。さらに、光源でのパワーの変化は、その部分での
発熱量の変化となり、熱的バランスが試料面の反射率に
よって変化し、部材の変形による測定誤差が生じる。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来装置では、試料表面の反射率の変化が
割算器の入力可能なダイナミックレンジよりも大きい場
合、割算器によって規格化しても十分な測定精度を得る
ことはできなかった。さらに、入射光量の変化を光源側
に帰還する構成では、光源の輝点が動き検出器上での光
束が動いてしまい、これが測定誤差を招く要因となって
いた。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、試料面の反射面の変化が大きくても
該反射率の変化に起因する測定誤差を少なくすることが
でき、測定精度の向上をはかり得る試料面位置測定装置
を提供することにある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の骨子は、検出器の出力信号を可変利得増幅回
路により増幅して入射光量及び入射光位置に相当する信
号を求め、入射光量に相当する信号が一定となるように
該増幅回路の増幅度を制御することにある。

即ち本発明は、試料の表面に斜め方向から光を照射し
て該表面に光のスポット或いはスリット像を形成し、前
記試料の表面で反射されたスポット或いはスリット像を
検出器上に形成し、該検出器における像の位置から入射
光量及び入射光位置に相当する信号を求め、割算器等に
より入射光量に相当する信号で入射光位置に相当する信
号を規格化し、この規格化した信号に基づいて試料の表
面の位置を測定する位置測定装置において、前記検出器
の出力信号を可変利得増幅回路によって増幅し、且つ入
射光量に相当する信号が常に一定となるように該増幅回
路の増幅度を制御するようにしたものである。

（作用）上記構成であれば、試料面からの反射光量の変化に拘
らず、割算器に入力する電圧を常に最適な電圧（一定
値）とすることができるので、割算器による割算処理を
効果的に行うことができ、測定誤差の発生を招くことな
く位置信号を規格化することが可能となる。また、光源
側にフィードバックをかけるものとは異なり、光源のパ
ワーを一定としているので、熱的変動に起因する測定誤
差はなくなる。さらに、光源での輝点の移動，光束内光
量分布の変化等もなくなり、測定誤差要因を少なくする
ことが可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明す
る。

第１図は本発明の一実施例に係わる試料面位置測定装
置を示す概略構成図である。半導体レーザ等の光源11か
ら放出された光はアパーチャ12により整形され、レンズ
13により集光されて試料面10上にスポット光として照射
される。試料面10からの反射光は、レンズ14により再度
集光され検出器15上に結像される。検出器15は一般に良
く知られているPSDであり、このPSDではそれぞれの端子
から、入射光量及び位置に比例した信号a,bが出力され
る。従って、信号ａとｂとの差を取ることにより、検出
器15上のスポットの位置を知ることが可能である。

検出器15の各出力信号a,bは、後述する可変利得増幅
回路16に供給される。この増幅回路16では、a,bの信号
を増幅してａ′,b′の信号を得ると共に、（ａ′−
ｂ′）の信号及び（ａ′＋ｂ′）の信号を出力する。そ
して、これらの信号は割算器17に供給され、割算器17に
より（ａ′−ｂ′）／（ａ′＋ｂ′）の演算がなされ、
この演算結果に基づいて試料面10の高さ位置が測定され
る。また、（ａ′＋ｂ′）の信号は増幅回路16の増幅器
に帰還され、これにより増幅回路16の増幅度が制御され
るものとなっている。また、光源11に供給される電圧
は、常に一定で光源の仕様を満足する範囲内で最大の電
圧が、一定或いは任意の周波数でオン／オフさせて供給
されている。

さて、検出器15からの２つの出力信号a,bを独立した
増幅器で増幅すると、２つの増幅器の増幅率を完全に一
致させることは不可能なので、誤差を生じることにな
る。そこで本実施例では、第２図に示す構成によって誤
差を低減している。

第２図は前記可変利得増幅回路16の具体的構成を示す
ブロック図であり、第３図はこの回路16の主要部の動作
を示す信号波形図である。可変利得増幅回路16は、第１
のスイッチ群（SW）21,22,オートゲインコントロール部
（AGC）23,24,増幅器（AMP）25,26,第２のスイッチ群
（SW）27,28,ローパスフィルタ（LPF）29,30,減算器31,
加算器32及び比較器（CMP）33等から構成されている。

前記検出器15の出力信号a,bはそれぞれSW21,22に供給
される。SW21はMOSゲート21a,21bからなるもので、ゲー
ト21aを介して信号ａが、ゲート21bを介して信号ｂがAG
C23に供給される。同様にSW22はゲート22a,22bからなる
もので、ゲート22aを介して信号ｂが、ゲート22bを介し
て信号ａがAGC24に供給される。ここで、SW21,22の各ゲ
ートには、一定周期で“H",“L"を繰返すゲートコント
ロール信号ｃが与えられている。そして、信号ｃが“H"
の時はゲート21a,22aがオンとなり、信号ｃが“L"の時
はゲート21b,22bがオンとなる。従って、SW21,22で得ら
れる出力は、a,bの信号が交互に入ったものとなる。

AGC23,24の各出力信号は、AMP25,26で増幅されたのち
第２のSW27,28にそれぞれ供給される。SW27はゲート27
a,27bからなるもので、ゲート27aを介してAMP25の出力
が、ゲート27bを介してAMP26の出力がLPF29に供給され
る。SW28はゲート28a,28bからなるもので、ゲート28aを
介してAMP26の出力が、ゲート28bを介してAMP25の出力
がLPF30に供給される。

ここで、前記信号ｃが“H"の時はゲート27a,28aがオ
ンとなり、信号ｃが“L"の時はゲート27b,28bがオンと
なる。つまり、SW27,28はSW21,22と同期して切換えられ
るので、結果的にSW27は信号ａを増幅した信号ａ′を出
力し、SW28は信号ｂを増幅した信号ｂ′を出力すること
になる。

上記のようにａ′,b′の信号は、それぞれAGC23,AMP2
5を通ったものと、AGC24,AMP26を通ったものとの合成さ
れた信号である。この場合、第１の可変利得増幅器を構
成するAGC23及びAMP25のグループと、第２の可変利得
増幅器を構成するAGC24及びAMP26のグループとの増幅
率を一致させることは困難である。このため、信号
ａ′,b′には、グループを通ったレベルV₁とを通っ
たレベルV₂とで差がでる。本実施例では、これをLPE29,
30に通して平均化することにより、グループとグル
ープの影響が等価的に入った信号ａ′,b′が得られる。

信号ａ′,b′は減算器31及び加算器32にそれぞれ供給
される。減算器31ではこれらの信号の差（ａ′−ｂ′）
が演算され、この差信号は前記割算器17に供給される。
また、加算器32では、上記信号ａ′,b′の和（ａ′＋
ｂ′）が演算され、この和信号は割算器17に供給される
と共に、CMP33に供給される。CMP33では上記入力した信
号（ａ′＋ｂ′）と基準信号Ｒとを比較して、これらが
一致するようにAGC23,24のゲインを制御する。これによ
り、試料面10の反射率の変化による和の信号（ａ′＋
ｂ′）を一定のレベルに保つことが可能となる。

かくして本実施例によれば、試料面10の反射率に大き
な変化が生じても、検出器15への入射光量に相当する和
信号（ａ′＋ｂ′）を常に一定に保持することができ
る。さらに、割算器17により（ａ′−ｂ′）／（ａ′＋
ｂ′）の演算を行うことにより、検出器15への入射位置
に相当する差信号（ａ′−ｂ′）を正規化した信号を得
ることができ、この信号に基づいて試料面10の高さ位置
を測定することができる。

そしてこの場合、（ａ′＋ｂ′）の信号が一定に保持
されるので、割算器17における演算処理を効果的に行う
ことができ、割算器17への入力電圧の低下に起因する測
定誤差の発生を未然に防止することができる。また、光
源側にフィードバックをかけるものとは異なり、光源の
パワーを一定に保持しているので、輝点の移動や光束内
分布の変化に起因する測定誤差の発生を未然に防止する
ことができる。従って、試料面10の高さ位置を高精度に
測定することができ、電子ビーム露光装置やステッパ等
に適当して絶大なる効果が得られる。

また、本実施例では２系統の可変利得増幅器（AGC23,
AMP25とAGC24,AMP26）を用いているが、第１及び第２の
スイッチ群（SW21,22,27,28）により２つの増幅器を交
互に通して信号ａ′,b′を得るようにしているので、増
幅器の特製の違いによる測定誤差もなくすことができ
る。換言すれば、２つの可変利得増幅器の特性を完全に
一致させる必要はなく、増幅器の設計の自由度を増すこ
とができる。

第４図は本発明の他の実施例の要部構成を示すブロッ
ク図である。なお、第２図と同一部分には同一符号を付
して、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、増幅
器を１個として構成の簡略化をはかったことにある。即
ち、前記検出器15の出力信号a,bは第１のスイッチ群41
によりいずれかが選択されてAGC42に供給される。AGC42
に供給された信号は、AMP43により増幅されたのち、第
２のスイッチ群44によりラッチ回路（LAT）45,46の一方
に供給される。ここで、スイッチ群41,44はコントロー
ル信号ｃにより同期して駆動されるので、信号ａを増幅
した信号ａ′はLAT45に、信号ｂを増幅した信号ｂ′はL
AT48に与えられる。LAT45,46にラッチされた信号はコン
トロール信号ｃの１周期に同期して減算器31及び加算器
32に供給される。従って、１周期毎に減算出力及び加算
出力が得られる。そして、加算出力をCMP33に供給して
フィードバック制御を行うことは先の実施例と同様であ
る。

このような構成であっても、先の実施例と同様の効果
が得られる。またこの実施例ではAGC,AMPの個数が１個
で済み、さらにLPFが不要となるので、回路構成の簡略
化をはかり得る等の利点がある。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるもので
はない。実施例では検出器の出力信号a,bを直流的なも
のに限って説明したが、例えば光源にオン／オフの変調
を掛け、a,bの信号が振動している場合においても、本
発明は適用可能である。さらに、入射光を振動させ、試
料面上の反射率の差により生じる測定誤差の低減を行う
ような場合でも同様である。この場合、入射光振動周波
数と同期或いは整数倍のクロックでスイッチ群を切換え
る必要がある。

また、検出器はPSDに限るものではなく、２分割検出
器であってもよい。さらに、リニア型ポジションセンサ
に限るものではなく、X,Y位置を測定できるエリア型ポ
ジションセンサを用いた場合にも適用可能である。ま
た、スイッチ群としては、MOSゲートに何等限定される
ものではなく、制御信号によって切換え可能なものであ
ればよい。さらに、フィルタの代りには入力信号を平均
化するものであれば用いることが可能である。その他、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、試料面の反射率
の変化が大きくても該反射率の変化に起因する測定誤差
を低減することができ、さらに光源側にフィードバック
をかけるものとは異なり、輝点移動に伴う測定誤差の発
生等を未然に防止することができる。従って、試料表面
の位置を高精度に測定することができ、半導体装置の製
造分野における有用性は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる試料面位置測定装置
を示す概略構成図、第２図は上記実施例の可変利得増幅
回路の構成を示すブロック図、第３図は上記実施例の主
要部の動作を説明するための信号波形図、第４図は本発
明の他の実施例の要部構成を示すブロック図、第５図及
び第６図はそれぞれ従来装置を示す概略構成図である。 10……試料面、11……光源、12……アパーチャ、13,14
……レンズ、15……検出器、16……可変利得増幅回路、
17……割算器、21,22,27,28,41,44……スイッチ群、23,
24,42……オートゲインコントロール部、25,26,43……
増幅器、29,30……ローパスフィルタ、31……減算器、3
2……加算器、33……比較器、45,46……ラッチ回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２６Ｂ (72)発明者伊藤力川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者大岩徳久川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者東木達彦川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者高橋進東京都板橋区蓮沼町75番１号東京光学機械株式会社内 (56)参考文献特開昭62−195504（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−24014（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−139607（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−2632（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料の表面に対し斜め方向から光を照射し
て該表面に光のスポット或いはスリット像を形成し、前
記試料の表面で反射されたスポット或いはスリット像を
検出器上に形成し、該検出器における像の位置から試料
の表面の位置を測定する位置測定装置において、前記検
出器の出力信号を可変利得増幅回路によって増幅し、且
つ入射光量に相当する信号が常に一定となるように該増
幅回路の増幅度を制御したことを特徴とする試料面位置
測定装置。
【請求項２】前記検出器は、入射光量及び入射光位置に
比例した２つの信号a,bを出力する２分割検出器或いは
半導体位置検出素子であり、（ａ＋ｂ）の信号は入射光
量を示し、（ａ−ｂ）の信号は試料表面の位置を示すも
のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
試料面位置測定装置。
【請求項３】前記増幅回路は、（ａ＋ｂ）の信号を処理
した値（ａ′＋ｂ′）が常に一定となるように、前記検
出器の出力信号a,bをそれぞれ増幅するものであること
を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の試料面位置測
定装置。
【請求項４】前記試料表面の位置を測定する手段は、前
記増幅回路により増幅して得られる信号ａ′,b′の和
（ａ′＋ｂ′）及び差（ａ′−ｂ′）を入力し、割算器
により（ａ′＋ｂ′）の信号で（ａ′−ｂ′）の信号を
規格化し、この規格化した信号（ａ′−ｂ′）／（ａ′
＋ｂ′）に基づいて前記試料表面の位置を求めるもので
あることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の試料
面位置測定装置。
【請求項５】前記増幅回路は、前記検出器の出力信号a,
bを２つの出力ラインに一定の周期で交互に取出す第１
のスイッチ群と、このスイッチ群の各出力ラインに取出
された信号をそれぞれ増幅する２つの可変利得増幅器
と、これらの増幅器の各出力信号を第１のスイッチ群に
同期して２つの出力ラインに交互に取出し、該ラインの
一方に信号ａを増幅した信号ａ′を他方に信号ｂを増幅
した信号ｂ′を取出す第２のスイッチ群と、この第２の
スイッチ群の各出力ラインに取出された信号ａ′,b′を
入力して該信号の差（ａ′−ｂ′）を求める減算回路
と、上記信号ａ′,b′を入力して該信号の和（ａ′＋
ｂ′）を求める加算回路と、この加算回路の出力信号
（ａ′＋ｂ′）と基準信号とを比較し、その比較結果に
基づいて前記増幅器の増幅率を可変する比較器とを備え
たものであることを特徴とする特許請求の範囲第３項又
は第４項記載の試料面位置測定装置。
【請求項６】前記増幅回路は、前記検出器の出力信号a,
bを一定の周期で交互に選択するスイッチ群と、このス
イッチ群で選択された信号を増幅する可変利得増幅器
と、スイッチ群の切換えに同期して信号a,bに相当する
各増幅信号ａ′及びｂ′を順次ラッチするラッチ回路
と、ラッチされた信号に基づいて差信号（ａ′−ｂ′）
を求める減算器と、上記ラッチされた信号に基づいて和
信号（ａ′＋ｂ′）を求める加算回路と、この加算回路
の出力信号（ａ′＋ｂ′）と基準信号とを比較し、その
比較結果に基づいて増幅器の増幅率を可変する比較器と
を備えたものであることを特徴とする特許請求の範囲第
３項又は第４項記載の試料面位置測定装置。