JP2626077B2 - 間隔測定方法 - Google Patents

間隔測定方法

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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は2つの物体間の間隔を高精度に測定する間隔
測定方法に関し、例えば半導体製造装置において、マス
クとウエハとの間隔を測定し、所定の値に制御するとき
に好適なものである。
(従来の技術) 従来より半導体製造装置においては、マスクとウエハ
との間隔を間隔測定装置等で測定し、所定の間隔となる
ように制御した後、マスク面上のパターンをウエハ面上
に露光転写している。これにより高精度な露光転写を行
っている。
本出願人は先の特願昭63−32206号において、マスク
等の第1物体とウエハ等の第2物体を対向配置し、該第
1物体と第2物体の間隔を1つの光束を用いて高精度に
検出することのできる間隔測定装置を提案した。
第6図は特願昭63−33206号で提案した間隔測定装置
の要部概略図である。
同図においては半導体レーザーLDからの光束1(波長
λ=830nm)をマスク2面上の第1フレネルゾーンプレ
ート(以下FZPと略記する)4面上の点Aに入射させて
いる。そして第1のFZP4からの角度θ1で回折する所定
次数の回折光をウエハ3面上の点B(ウエハ3が位置P2
にあるときは点C)で反射させている。このうち反射光
31はウエハ3がマスク2に近い位置P1に位置していると
きの反射光、反射光32はウエハ3が位置P1から距離dG
け変位した位置P2にあるときの反射光である。
次いでウエハ3からの反射光を第1物体2面上の第2
のFZP5面上の点D(ウエハ3が位置P2にあるときは点
E)に入射させている。
尚、第2のFZP5は入射光束の入射位置に応じて出射回
折光の射出角を変化させる光学作用を有している。
そして第2のFZP5から角度θ2で回折した所定次数の
回折光61(ウエハ3が位置P2にあるときは回折光62)を
集光レンズ7を介して受光手段8面上に導光している。
そして、このときの受光手段8面上における入射光束
61(ウエハ3が位置P2にあるときは入射光束62)の重心
位置を用いてマスク2とウエハ3との間隔を信号処理回
路9で演算し求めている。
ここで光束の光強度分布の重心とは光束断面内におい
て、断面内各点のその点からの位置ベクトルにその点の
光強度を乗算したものを断面全面で積分したときに積分
値が0ベクトルになる点のことであるが、代表点として
光強度がピークとなる点の位置をとってもよい。
本実施例ではマスク2面上に設けた第1,第2のFZP4,5
は予め設定された既知のピッチで構成されており、それ
らに入射した光束の所定次数(例えば±1次)の回折光
の回折角度θ1,θ2は予め求められている。
以上のような構成においてマスク(第1物体)とウエ
ハ(第2物体)の間隔を高精度に求めている。
(発明が解決しようとする問題点) 本発明は本出願人が先に提案した特願昭63−33206号
の間隔測定装置において、第1物体面上に形成した第1
物理光学素子と第2物理光学素子の屈折力を適切に設定
することにより第1物体(マスク)と第2物体(ウエ
ハ)の間隔を更に高精度に測定することのできる間隔測
定方法の提供を目的とする。
(問題点を解決するための手段) 一部に第1物理光学素子と第2物理光学素子とを設け
た第1物体と第2物体とを対向配置し、該第1物体面上
の第1物理光学素子に光束を入射させ、該第1物理光学
素子からの所定次数の回折光を該第2物体面で反射させ
た後、該第1物体面上の該第2物理光学素子に入射さ
せ、該第2物理光学素子からの所定次数の回折光を受光
手段面上に導光し、該受光手段面上における回折光の入
射位置を検出することにより、該第1物体と該第2物体
との間隔を求める間隔測定方法において、該第2物理光
学素子からの射出光束が該受光手段面で幾何光学的に結
像するように該第1物理光学素子と該第2物理光学素子
の屈折力を設定したことである。
(実施例) 第1図(A)は本発明を半導体製造装置のマスクとウ
エハとの間隔を測定する装置に適用した場合の一実施例
の光学系の概略図、第1図(B)は同図(A)の一部分
の光路を示す要部概略図である。
同図において1は例えばHe−Neレーザーや半導体レー
ザーLD等からの光束、2は第1物体で例えばマスク、3
は第2物体で例えばウエハであり、マスク2とウエハ3
は第2図に示すように最初に間隔d0を隔てた位置P1に対
向配置されている。4,5は各々マスク2面上の一部例え
ばクライブライン内に設けた第1,第2物理光学素子で、
これらの物理光学素子4,5は例えば回折格子やゾーンプ
レートフルネルレンズ等から成っている。
8は受光手段であり、例えばラインセンサーやPSD等
から成り、入射光束の重心位置を検出している。9は信
号処理回路であり、受光手段8からの信号を用いて受光
手段8面上に入射した光束の重心位置を求め、後述する
ようにマスク2とウエハ3との間隔を演算し求めてい
る。
10は光プローブであり、受光手段8、そして必要に応
じて信号処理回路9を有しており、マスク2やウエハ3
とは相対的に移動可能となっている。
本実施例においては半導体レーザーLDからの光束1
(波長λ=830nm)をマスク2面上の第1物理光学素子
であるフレネルゾーンプレート(以下FZPと略記する)
4面上の点Aに入射させている。そして第1のFZP4から
の角度θ1で回折する所定次数の回折光をウエハ3面上
の点B(ウエハ3が位置P2にあるときは点C)で反射さ
せている。このうち反射光31はウエハ3がマスク2に近
い基準位置P1に位置しているときの反射光、反射光32は
ウエハ3が位置P1から距離dGだけ変位した位置P2にある
ときの反射光である。
次いでウエハ3からの反射光を第1物体2面上の第2
のFZP5面上の点D(ウエハ3が位置P2にあるときは点
E)に入射させている。
尚、第2のFZP5は入射光束の入射位置に応じて出射回
折光の射出角を変化させる光学作用を有している。
そして第2のFZP5から角度θ2で回折した所定次数の
回折光61(ウエハ3が位置P2にあるときは回折光62)を
受光手段8面上に導光している。
そして、このときの受光手段8面上における入射光束
61(ウエハ3が位置P2にあるときは入射光62)の重心位
置を用いてマスク2とウエハ3との間隔を演算し求めて
いる。
本実施例ではマスク2面上に設けた第1,第2のFZP4,5
は予め設定された既知のピッチで構成されており、それ
らに入射した光束の所定次数(例えば±1次)の回折光
の回折角度θ1,θ2は予め求められている。
今、第2のFZP5の焦点距離をfM2(μm)、(但しfM2
は正又は負のどちらとも適用可能)、第2のFZP5から受
光手段8面に相当する光束評価面(以下符号を便宜上
「8」と用いる。)までの距離をlとすると、この場
合、基準位置P1からウエハ3が距離dGだけ変位したとき
の受光手段8面上での重心位置移動量Sは で与えられる。ウエハ3が基準位置P1にあるときの重心
位置(基準点)を予め求めておき、間隔測定時に重心位
置の基準点からのずれを求めて、これを重心位置移動量
Sとして上式に代入することにより、ウエハ3の位置P1
からの間隔ずれ量dGが求められる。
尚、位置P1にあるときのマスク・ウエハ間隔d0は予め
他の間隔測定手段により求めておく。
尚、本実施例において第2のFZP5と受光手段8との間
に集光レンズを配置して光束を受光手段8面上に集光す
るようにしても良く、又受光手段8の後方に集光レンズ
を配置し、集光レンズからの光束を受光手段8面上にリ
レー的に導光するようにしても良い。
今、第1図(B)第2のFZP5の焦点距離をfM2(μ
m)、(但しfM2は正又は負のどちらとも適用可能)、
第2のFZP5から受光手段8面に相当する光束評価面(以
下符号を便宜上「8」と用いる。)までの距離をl、第
2のFZP5面上での光束径をω、光束評価面8上での光
束径をωとし第2のFZP5に平行光束が入射したとする
と光束径ωは幾何光学的には となる。l≫fM2の場合には光束径ωが非常に増大し
てくる。
そこで本実施例では光束評価面8上での光束径ω
なるべく小さくなり光束の重心位置が受光手段8により
高精度に検出するようにマスク2とウエハ3が予め設定
した間隔dとなったときに第1図(C)に示すように第
2のFZP5からの光束が光束評価面8上で一点に結像する
ように第1,第2のFZP4,5の屈折力を設定している。
具体的には第1のFZPの焦点位置をfM1(<0)(μ
m)としたとき となるように各要素を設定している。
但し、光束径ωが小さくなり、測定用の光束の波長
程度に小さくなる場合には光束径を波動光学的に取扱う
ことが必要となってくる。
この場合は第3図に示すように第2のFZP5における光
束の波面の曲率半径をR1、FZP5から距離x1の位置Q1をビ
ームウエストとして、その径をω、ビームウエストの
点Q1から光束評価面8までの距離をx2、光束評価面8上
の光束径をω′、光束評価面8での波面の曲率半径を
R2とし、光束がガウシャン分布をしているとすると となる。(a),(b),(c),(d)より曲率半径
R1を変化させて光束径ωを求めるとR1=lの場合、即
ち、略幾何光学的集光位置に光束評価面8がある場合に
光束径ωは最小となる。
例えばl=20000μm、ω=20,50,100,200μmのと
きの光束径ωの値を表−1に示す。
表−1から明らかのようにR1=lのときに光束径ω
が最小となる。そこで本実施例において受光手段8面上
での光束径ωの拡がりを波動光学的に取扱う場合には
R1≒lとなるように焦点距離fM1を設定している。
第4図(A),(B)は本発明の第2実施例の光路を
展開したときの要部概略図である。161は光束でる。尚
ウエハ3は省略している。同図(A)は第1物体2の入
射側の第1のFZP4と出射側の第2のFZP5の双方を収斂性
の凸レンズ作用を有するように構成した場合を示してい
る。
又、同図(B)は入射側の第1のFZP4を凸レンズ作
用、出射側の第2のFZP5を発散性の凹レンズ作用を有す
るように構成した場合を示している。いずれの場合も第
1図(A)で示した実施例と同様の効果を得ることがで
きる。
第5図(A),(B),(C)は本発明の第3実施例
の光路を展開したときの要部概略図である。本実施例は
第1物体2の入射側の第1のFZP4に種々の状態の光束が
入射した場合を示している。
同図(A)は第1のFZP4に収斂性の光束が入射した場
合であり、このとき第1のFZP4は凹レンズの作用をし、
第2のFZP5は凸レンズの作用をしている。
同図(B)は第1のFZP4に発散性の光束が入射した場
合であり、このとき第1のFZP4は凹レンズの作用をし、
第2のFZP5は凸レンズの作用をしている。
同図(C)は第1のFZP4に平行光束が入射した場合で
あり、このとき第1のFZP4は凹レンズの作用をし、第2
のFZP5は凸レンズの作用をしている。ここで162は光束
の波面を表わしている。
尚、本実施例では同図(C)に示すように波面収差を
有した光束が入射してきた場合には、該波面収差を打ち
消すように第1又は第2のFZPの形状を設定している。
このようにFZPに入射光束の収差を補正させることも可
能である。
(発明の効果) 本発明によれば第1物体面に前述のような光学的作用
を有する第1,第2物理光学素子を設けることにより、受
光素子面における光束径を小さくし、受光素子による入
射光束の重心位置の検出の際のS/N比を向上させること
ができ、第1物体と第2物体との間隔を高精度に測定す
ることのできる、特に半導体製造装置に好適な間隔測定
方法を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(A)は本発明の実施例の要部概略図、第1図
(B),(C)は第1図(A)の一部分との拡大模式
図、第2図は第1図(A)の第1物体面上の第1,第2物
理光学素子の説明図、第3図は本発明において第1物体
面上の第2物理光学素子から射出する光束を物理光学的
に取扱ったときの説明図、第4図(A),(B),第5
図(A),(B),(C)は各々本発明に係る物理光学
素子の他の実施例の説明図、第6図は本発明と関連する
他の発明の要部概略図である。 図中、1は光束、LDはレーザ、2は第1物体、3は第2
物体、4は第1物理光学素子、5は第2物理光学素子、
8は受光手段、9は信号処理回路、10は光ブローブであ
る。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一部に第1物理光学素子と第2物理光学素
    子とを設けた第1物体と第2物体とを対向配置し、該第
    1物体面上の第1物理光学素子に光束を入射させ、該第
    1物理光学素子からの所定次数の回折光を該第2物体面
    で反射させた後、該第1物体面上の該第2物理光学素子
    に入射させ、該第2物理光学素子からの所定次数の回折
    光を受光手段面上に導光し、該受光手段面上における回
    折光の入射位置を検出することにより、該第1物体と該
    第2物体との間隔を求める間隔測定方法において、該第
    2物理光学素子からの射出光束が該受光手段面で幾何光
    学的に結像するように該第1物理光学素子と該第2物理
    光学素子の屈折力を設定したことを特徴とする間隔測定
    方法。
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