JP2518301B2

JP2518301B2 - 間隔測定装置

Info

Publication number: JP2518301B2
Application number: JP62226641A
Authority: JP
Inventors: 賢一児玉
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-09-11
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPS6469901A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、静電容量方式の間隔測定装置にかかるも
のであり、特に、半導体製造装置等における微小間隔測
定に好適な間隔測定装置に関するものである。

［従来の技術］従来の間隔測定装置としては、例えば、第９図に示す
ものがある。

同図において、測定に使用する平板電極10は、被測定
物体12の近傍に配置されており、この平板電極10には、
発振器OS₁から高周波電場が印加されるようになってい
る。

この平板電極10と発振器OS₁と間には電流計AMが接続
されており、これに接続された測定器14と電流計AMとに
よって、平板電極10に流れ込む交流電流の大きさが測定
されるようになっている。そして、かかる電流の測定結
果は、演算回路16に入力されるように接続されており、
この演算回路16における演算処理によって平板電極10と
被測定物体12との間隔ｘの測定が行われる。

なお、誘電体薄膜18については後述する。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら以上のような従来の装置においては、被
測定物体12が金属のように高い導電率を示すような通常
の場合は、平板電極10と被測定物体12との間隔ｘを一様
に測定でき、格別の問題は生じない。

しかし、被測定物体12が半導体のように導電率の低い
材質である場合には、間隔ｘを正しく測定することがで
きないという不都合がある。このため、半導体製造装置
等における半導体ウエハなどに対する問題測定には不適
当であった。

以上の点について、第９図および第10図を参照しなが
ら説明すると、以下の通りである。

なお、以下の説明では、表面上にレジストが塗布され
た半導体ウエハに対する間隔測定を行う場合を想定する
ものとする。

この場合には、半導体ウエハが被測定物体12に該当
し、レジストは誘電体薄膜18に該当する。そして、この
被測定物体12の表面近傍に、上述した平板電極10が平行
に配置される。更に、この平板電極10には、上述したよ
うに、発振器OS₁によって周波数ω_１の高周波電場が印
加される。

これによって、仮にある瞬間平板電極10の表面上に
「＋」の電荷が帯電したとすると、被測定物体12の表面
上には「−」の電荷が帯電することとなる。また、両者
の間に挟まれた誘電体薄膜18では、第９図に示すように
分極が生じる。

ここで、平板電極10と被測定物体12との間隔ｘに対し
て、平板電極10の面積Ｓが十分に大きいと仮定する。こ
の場合の平板電極10上の総電荷量Ｑは、平板電極10と被
測定物体12の間の電圧をＶとすると、次の（１）式のよ
うになる。

なお、この式で、ｄは誘電体薄膜18の厚さ、ε_ｏは真
空中の誘電率、ε_ｒは誘電体薄膜18の被誘電率である。

従って、この（１）式から平板電極10と被測定物体12
との間の誘電容量Ｃは、（２）式のように求められる。

次に、平板電極10に流れ込む電流の値を計算するため
に、第10図に示す等価回路を導入することとする。

同図中の点線で囲った部分が、第９図における平板電
極10,被測定物体12,および誘電体18の部分に相当する。

かかる等価回路中、コンデンサC_Nは上述した（２）式
で与えられる静電容量Ｃを有し、抵抗R_Eは被測定物体12
の導電率等によって定まる抵抗値Ｒを有するものとす
る。

また、発振器OS₁の基準電位と被測定物体12の基準電
位との間には、通常ある一定の電位差が生じていると考
えられるので、この電位差を等価的に起電力V_Oの定電圧
電源P_Sで表すこととする。

発振器OS₁を出力電圧には、周波数ω_１の高周波成分
が含まれているので、コンデンサC_Nに印加される電圧Ｖ
は、（３）式のように表わせる。

Ｖ＝V₁sin ω₁t−V_O−Ｒ・（dQ/dt） …（３）ここで、V₁は高周波成分の振幅であり、ｔは時間であ
る。

上述した電流計AMを流れる電流をＩとすると、
（２），（３）式から、が得られ、更にこれを変形すると、（４）式のような微
分方程式が得られる。

そして、この（４）式を解くと、（５）式のようにな
る。

ここで、φ＝tan^-1｛1/（w₁RC）｝であり、αは積分
定数である。

この装置の測定では、ｔ≫０の場合について考えれば
よいから、α exp｛１−／（RC）・ｔ｝０となり、
（５）式の右辺は、（６）式のように、第１項のみとな
る。

更に、電流Ｉの振幅をI₁とすると、該（６）式から、となり、この（７）式を1/Cについて解くと、（８）式
のようになる。

次に、以上の（２），（８）式からＣを消去すると、
求めたい間隔ｘの値が、（９）式のようにI₁の関数とし
て求められる。

ｘ＝ε_０・Ｓ（ω₁ ²・V₁ ²/I₁ ²−ω₁ ²・R²）^1/2 ＋（１−1/ε_ｒ）ｄ …（９）従って、第９図の装置において、電流計AMで検出した
電流の振幅成分I₁を測定器14によって求めるとともに、
演算回路16で（９）式のような演算を行なうことによ
り、平板電極10と被測定物体12の間隔ｘを知ることがで
きる。

なお、かかる（９）式から明らかなように、右辺の第
２項が誘電体薄膜18の存在による誤差となるが、予めｄ
およびε_ｒの値を求めておくようにすれば、計算により
補正することが可能である。

しかしながら、該（９）式の第１項中には、被測定物
体12の抵抗値Ｒが含まれている。このことは、従来装置
によって求められる間隔ｘの値が、被測定物体12の抵抗
値、すなわち材質等に依存する値であり、異なる導電率
の材質に対しては同一の間隔測定値を得ることができな
いこととなる。

以上のように、従来の装置では、被測定物体12の導電
率によって測定間隔ｘが変化するという不都合がある。

この発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてな
されたもので、被測定物体の導電率にかかわらず、間隔
ｘを良好に測定することができる簡易な構成の間隔測定
装置を提供することをその目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］この発明は、測定すべき間隔によって形成された静電
容量に高周波電圧を印加したときに流れる電流値を、第
１の回路状態で測定する第１の測定手段と；前記第１の
回路状態と条件が異る第２の回路状態において、前記電
流値を測定する第２の測定手段と；これら第１及び第２
の測定手段によって測定された各電流値を利用して、被
測定物体の導電率によって定まるパラメータを含まない
形で表された演算式に基づいて、前記間隔を算出する演
算手段とを備えたことを特徴とするものである。

この発明の一つの態様によれば、前記第１の測定手段
は、第１の周波数の高周波電圧によって測定を行い、前
記第２の測定手段は、第２の周波数の高周波電圧によっ
て測定を行う。

更に別の態様によれば、前記第１の測定手段は、第１
の容量のコンデンサを前記平板電極と直列に接続して測
定を行い、前記第２の測定手段は、第２の容量のコンデ
ンサを前記平板電極と直列に接続して測定を行う。

［作用］この発明によれば、被測定物体表面と平板電極とによ
って形成された測定間隔を含む回路に流れる高周波電流
値は、第１及び第２の条件の異る状態で、第１及び第２
の測定手段によって各々測定される。

測定された結果は演算手段に各々入力され、これによ
る演算によって該間隔の算出が行われる。このときに使
用される間隔を求める演算式は、被測定物体の導電率に
って定まるパラメータを含まない形で表現される。

［実施例］以下、この発明の実施例を、添付図面を参照しながら
詳細に説明する。なお、上述した従来技術と同様の部分
には、同一の符号を用いることとする。

第１実施例まず、第１図および第２図を参照しながら、この発明
の第１実施例について説明する。

第１図において、誘電体薄膜18が表面上に形成された
被測定物体12の近傍には、平行となるように平板電極10
が配置されており、この平板電極10には、直列に接続さ
れた発振器OS₁,OS₂によって、周波数ω₁,ω_２の高周波
電場が印加されるようになっている。

また、電流計AMの出力側には、測定器14の他に、測定
器20が接続されており、これらの測定器14,20によっ
て、電流計AMによって検出された交流電流中の周波数ω
₁,ω_２の成分の振幅が各々測定されるようになってい
る。

これらの測定器14,20の測定出力側は、演算回路22に
接続されている。この演算回路22は、入力データ、格納
データを利用して、間隔ｘを算出するものである。

このような装置の等価回路は、上述した第10図と同様
に考えることができるので、第２図のように表わすこと
ができる。

次に、以上のように構成された装置の動作について説
明する。

発振器OS₁,OS₂の出力電圧波形を、それぞれV₁sin ω₁
t,V₂sin ω₂t（V₁,V₂:高周波成分の振幅）とすると、第
２図中のコンデンサC_Nに印加される電圧Ｖは（10）式の
ようになる。

Ｖ＝（V₁sinω₁t＋V₂sin ω₂t） −V_O＋Ｒ・（dQ/dt） …（10）ここで、Ｑは、コンデンサC_Nに蓄積された電荷量であ
る。

他方、演流計AMを流れる電流をＩとすると、上述した
場合と同様の計算を行なって、次の（11）式を得ること
ができる。

なお、ここで、φ_１＝tan^-1｛1/（w₁RC）｝であり、
φ_２＝tan^-1｛1/w₂RC）｝である。

以上の式で表われる電流Ｉ中に含まれる周波数ω₁,ω
_２の各成分の電流振幅を各々I₁,I₂とすると、以下の（1
2・ａ），（12・ｂ）式のようになる。

これらの（12・ａ），（12・ｂ）式から被測定物体12
の抵抗値Ｒを消去するとともに、1/Cについて解くと、
次の（13）式のようになる。

更に、以上の（２），（13）式よりＣを消去すると
（14）式のようになり、求めたい間隔ｘが被測定物体12
の抵抗値Ｒを含まない関数として与えられる。

すなわち、第１図の装置で電流計AMによって検出され
た電流の中から、周波数ω₁,ω_２の各成分の振幅を測定
器14,20により各々測定し、更に演算回路22で（14）式
の演算を行なえば、平板電極10と被測定物体12との間隔
ｘを求めることができる。

この場合において、上述した（14）式は被測定物体12
の抵抗値Ｒを含まない。したがって、被測定物体12の導
電率ないし材質にかかわらず、平板電極10と被測定物体
12との間隔ｘを正確に測定することが可能となる。

第１実施例の応用例次に、以上のような第１実施例の応用例について、説
明する。

（１）縮小投影露光装置への応用例第３図には、半導体製造プロセスで用いられる縮小投
影型露光装置に、上述した第１実施例を適用した場合の
応用例が示されている。

同図において、その表面にレジストが塗布されたウエ
ハＷがセットされているステージ30は、モータ32によっ
て矢印Ｘ方向に移動可能に構成されており、更にステー
ジ30が設けられたステージ34は、モータ36によって矢印
Ｙ方向に移動可能に構成されている。すなわち、ウエハ
Ｗは、ステージ30,34によってX,Y方向に移動可能となっ
ている。

次に、ウエハＷ上には、縮小投影レンズT,レティクル
Ｒが配置されている。そして、該レティクルＲの回路パ
ターンＰが証明光源38から出力された露光用照明光によ
って、ウエハＷ上の所定位置に縮小パターンPRとして投
影されるようになっている。

かかるパターンの投影は、ウエハＷを移動させて、碁
板の目状に複数ケ所に順次行われる。

以上のような投影露光時において、レティクルＲのパ
ターンＰを、ウエハＷ上に解像性良く投影するために
は、縮小投影レンズＴの焦点深度内にウェハＷ上のレジ
スト塗布面が位置しなければならない。

しかし、この焦点深度は通常数μｍ程度と大変浅く、
ウェハＷの表面にそりや凹凸があると、焦点深度内から
レジスト塗布面がはずれてしまう恐れがある。

そこで、第１実施例における平板電極10を縮小投影レ
ンズＴの近傍に配置して、ウェルＷのレジスト塗布面と
の間隔を測定回路40で測定することとする。この測定回
路40には、第１図に示した発振器OS₁,OS₂、電流計AM、
測定器14,20、演算回路22が各々含まれている。

平板電極10の位置と、縮小投影レンズＴの焦点深度と
の相対的な位置関係が既知であるとすると、該平板電極
10とウェハＷとの間隔ｘを求めることによって、レジス
ト塗布面の各部を露光位置で縮小投影レンズＴの焦点深
度内に正しく設定することが可能となる。

この例では、ウェハＷの上面にAlやポリS_i等の導電性
薄膜が形成されていても、誤差を生じることがなく間隔
ｘの測定を行うことができ、良好に縮小投影レンズＴの
焦点深度内にウェハＷ上のレジスト塗布面を位置させる
ことができる。

また、上述した（14）式から分かるように、PSG,SiN,
レジスト等の誘電体薄膜が形成されていても、それらの
被誘電率と膜厚が解れば誘電体薄膜の存在によって生ず
る誤差を補正することも可能である。

更に、ウェハＷのレジスト塗布面の光学的状態に全く
左右されずに正確な測定が可能であり、光学的手法に比
べて検出部分が大変小型化できるので、場所を取らない
といった利点もある。

（２）近接露光装置への応用例次に、第４図および第５図を参照しながら、半導体製
造プロセスで用いられる近接露光装置への適用例につい
て説明する。このような近接露光は、例えばＸ線露光装
置で行われる。

第４図において、マスクＭの下面側に形成された転写
用回路パターン42は、レジスト44が表面に塗布されたウ
ェハＷ上に、紫外線またはＸ線など照明光46によって投
影転写されるようになっている。

このような場合において、回路パターン42面とウェハ
Ｗのレジスト塗布面との微小な間隔ｘが正しく設定され
ていないと、間隔ｘが狭すぎて両者が接触したり、逆に
間隔ｘが拡がり過ぎて回折の影響で大きくなったりする
という不都合がある。

また、照明光46として発散Ｘ線源が用られる場合に
は、間隔ｘの変化に伴って転写パターンに倍率誤差が生
じてしまうという不都合がある。

そこで、マスクＭの下面側に回路パターン42と電気的
に独立した電極パターン48を形成するとともに、これに
対して発振器OS₁,OS₂、電流計AM、測定器14,20、演算回
路22を含む測定回路を接続して、間隔ｘを測定する。

第５図には、上述した電極パターン48の具体的な配置
例が示されている。この図において、マスク基板MB上に
は、その中央に露光領域MDが設けられており、この中に
回路パターン42が形成されている。

この例では、かかる露光領域MDの周囲に、電極パター
ン48A〜48Cが電気的に独立して各々配置されている。

この例によれば、上述した応用例のほかに、複数個の
電極パターンを配置し、各々において間隔ｘを測定する
ことによって、マスクＭとウェハＷとの間の平行度を知
ることが可能となる。

また電極パターン48A〜48Cを露光領域外に配置できる
ので、露光領域に対する制約がないといった利点もあ
る。

（３）対物レンズユニットへの応用例次に、第６図を参照しながら、顕微鏡等の対物レンズ
ユニットへの適用例について説明する。

同図において、二枚のレンズL₁,L₂を有する対物レン
ズユニット50は、図の矢印Ｆ方向に上下動して、試料52
の表面にその焦点が合うようになっている。これによっ
て、試料52の表面が観察されるようになっている。

ところで、このような対物レンズユニット50において
高倍の対物レンズが使用される場合には、その作動距離
が小さくなり、試料52と接触して対物レンズユニット50
や試料52が破損したり、レンズ面が汚れたりすることが
しばしば起こる。

そこで、この例では、対物レンズユニット50の先端部
分に電極54を設け、これに第３図の応用例と同様の測定
回路56を接続して、試料52と電極54の間隔を測定するこ
ととしている。

この測定結果を利用して対物レンズユニット50の先端
と試料52の方面との間隔を制御することにより、上述し
た接触による不都合の防止を行なうことができる。

第２実施例次に、第７図および第８図を参照しながら、この発明
の第２実施例について説明する。なお、上述した第１実
施例と同様の部分には、同一の符号を用いることとす
る。

この第２実施例は、上述した第１実施例と比較して、
発振器としてはOS₁のみが設けられており、また、平板
電極10と電流計AMの間には、コンデンサC_S1,C_S2の切り
換えスイッチSWが付加されている。

電流計AMの検出主力側は、測定器60を介して演算回路
62に接続されている。

更に、以上のような装置の等価回路は、上記実施例と
同様に第８図のようになる。

この等価回路を参照しながらこの実施例の作用につい
て説明する。まず初めに、切り換えスイッチSWによって
コンデンサC_S1が回路が接続されているものとする。

コンデンサC_S1の容量をC₁とすると、第１実施例で示
した（４）式に相当する微分方程式は、次の（15）式の
ようになる。

この（15）式を（４）式と同様に解いて、更に、回路
中を流れる電流の振幅をI_S1とすると、（８）式に相等
する式は（16）式のようになる。

次に、切り換えスイッチSWをコンデンサC_S2側に切換
接続したとする。このとき、コンデンサC_S2の容量を
C₂、回路中を流れる電流の振幅をI_S2とすると、上述し
た場合と全く同様にして（17）式が得られる。

これら（16）、（17）式に被測定物体12の抵抗値Ｒを
消去するとともに1/Cについて解くと、（18）式をよう
になる。

そして、（２）、（18）式よりＣを消去すると、次の
（19）式が得られる。

この（19）式も、第１実施例の（14）式と同様に、被
測定物体12の抵抗値Ｒを式中に含まない。

従って、まず、切り換えスイッチSWの切り換えを行な
いながら、それと同期してコンデンサC_S1に接続が行な
われた時の電流の振幅I_S1と、コンデンサC_S2に接続が行
われた時の電流の振幅I_S2とを、測定器60によって測定
する。

そして更に、演算回路62によって（19）式の演算を行
なうと、平板電極10と被測定物体12との間隔ｘを、被測
定物体12の材質にかかわらず正確に測定することができ
る。

なお、以上の第２実施例が、上述した第３図〜第６図
の応用例に対しても適用できることは言うまでもない。

他の実施例なお、この発明は何ら上記実施例に限定されるもので
はなく、例えば、第１実施例では、平板電極に周波数の
異なる二つの高周波電場を同時に印加しているが、両者
を短時間ずつ交互に印加し、これに同期して電流の測定
及び演算を行なうようにしてもよい。

また、上述したように、この発明は検出部分が大変簡
易な構成となっているため、小型化が容易である。従っ
て、ロボットの腕等の接近センサなどに適用することも
できる。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、被測定物体
の導電率にかかわらず、簡易な構成で間隔ないし距離を
良好に測定することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示す構成図、第２図は
第１図の装置の等価回路を示す回路図、第３図ないし第
６図は第１実施例の応用例を示す説明図、第７図は第２
実施例を示す構成図、第８図は第７図の装置の等価回路
を示す回路図、第９図は従来の装置例を示す構成図、第
10図は第９図の装置の等価回路を示す回路である。［主要部分の符号の説明］ 10……平板電極12……被測定物体、18……誘電体薄膜、
30,34……ステージ、40,56……測定回路、44……レジス
ト、48,48A,48B,48C…電極パターン、50……対物レンズ
ユニット、52……試料、Ｍ……マスク、Ｒ……レティク
ル、Ｔ……縮小投影レンズ、Ｗ……ウェハ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物体の表面とこの上に配置した平板
電極との間隔を、該間隔によって形成される静電容量に
高周波電圧を印加したときに流れる電流値に基づいて測
定する間隔測定装置において、第１の回路状態において、前記電流値を測定する第１の
測定手段と、前記第１の回路状態と条件が異なる第２の回路状態にお
いて、前記電流値を測定する第２の測定手段と、これら第１及び第２の測定手段によって測定された各電
流値を利用して、被測定物体の導電率によって定まるパ
ラメータを含まない形で表された演算式に基づいて、前
記間隔を算出する演算手段と、を備えたことを特徴とする間隔測定装置。
【請求項２】前記第１の測定手段は、第１の周波数の高
周波電圧によって測定を行い、前記第２の測定手段は、
第２の周波数の高周波電圧によって測定を行うことを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の間隔測定装置。
【請求項３】前記第１の測定手段は、第１の容量のコン
デンサを前記平板電極と直列に接続して測定を行い、前
記第２の測定手段は、第２の容量のコンデンサを前記平
板電極と直列に接続して測定を行うことを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載の間隔測定装置。