JP2931082B2 - 微小変位測定方法およびその装置 - Google Patents
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
- G01J9/04—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by beating two waves of a same source but of different frequency and measuring the phase shift of the lower frequency obtained
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回折格子を用いて物体の微小な変位の測定
を行う方法およびそのための装置に関する。
を行う方法およびそのための装置に関する。
従来、半導体素子の製造には、ウェハを順次ステップ
移動させながら縮小投影露光を行うステッパが用いられ
ている。半導体素子は、ウェハ上の回路パターンとマス
ク上の回路パターンとを順次重ね合わせて露光すること
によって製造される。近年、この回路パターンはますま
す微細化、高密度化されているので、ウェハとマスク
は、より高精度にアライメントされる必要があり、この
ためには、まず、ウェハ上の回路パターンの位置を高精
度に測定する必要がある。このための１つの方法とし
て、例えば特開昭61−215905号公報、特開昭62−274216
号公報に開示されているようなヘテロダイン干渉を用い
る方法が知られている。以下、この方法を用いた微小変
位測定装置の一例を第８図により説明する。図におい
て、１は二波長直交偏光レーザ、２はハーフミラー、３
は偏光ビームスプリッタ、４はミラー、５はコリメータ
レンズ、６は縮小レンズ、７は回折格子、8a、8bは偏光
板、9a、9bは光検出器、10は検出信号処理部である。
移動させながら縮小投影露光を行うステッパが用いられ
ている。半導体素子は、ウェハ上の回路パターンとマス
ク上の回路パターンとを順次重ね合わせて露光すること
によって製造される。近年、この回路パターンはますま
す微細化、高密度化されているので、ウェハとマスク
は、より高精度にアライメントされる必要があり、この
ためには、まず、ウェハ上の回路パターンの位置を高精
度に測定する必要がある。このための１つの方法とし
て、例えば特開昭61−215905号公報、特開昭62−274216
号公報に開示されているようなヘテロダイン干渉を用い
る方法が知られている。以下、この方法を用いた微小変
位測定装置の一例を第８図により説明する。図におい
て、１は二波長直交偏光レーザ、２はハーフミラー、３
は偏光ビームスプリッタ、４はミラー、５はコリメータ
レンズ、６は縮小レンズ、７は回折格子、8a、8bは偏光
板、9a、9bは光検出器、10は検出信号処理部である。
二波長直交偏光レーザ１からは、波長が互いに僅かに
異なり、かつ偏光方向が互いに直交するコヒーレント光
が出射される。これらの光はハーフミラー２を透過し、
偏光ビームスプリッタ３によって波長λ１と波長λ２の
光に分離される。これら偏光ビームスプリッタ３、ミラ
ー４およびコリメータレンズ５は、これらの光が光路11
1、112を介し、縮小レンズ６によって、それぞれ１次回
折角θで、しかも平行ビームで入射するように構成され
ている。回折格子７によって発生する波長λ１の１次回
折光と波長λ２の１次回折光とは、それぞれ回折格子７
の面に垂直な光路121、122へ進む。この光路121と122は
実質的には同じ光路であり、偏光板8aを介して光検出器
9aにより、ヘテロダイン干渉信号Imが測定される。この
ヘテロダイン干渉信号Imは、次式で表される。
異なり、かつ偏光方向が互いに直交するコヒーレント光
が出射される。これらの光はハーフミラー２を透過し、
偏光ビームスプリッタ３によって波長λ１と波長λ２の
光に分離される。これら偏光ビームスプリッタ３、ミラ
ー４およびコリメータレンズ５は、これらの光が光路11
1、112を介し、縮小レンズ６によって、それぞれ１次回
折角θで、しかも平行ビームで入射するように構成され
ている。回折格子７によって発生する波長λ１の１次回
折光と波長λ２の１次回折光とは、それぞれ回折格子７
の面に垂直な光路121、122へ進む。この光路121と122は
実質的には同じ光路であり、偏光板8aを介して光検出器
9aにより、ヘテロダイン干渉信号Imが測定される。この
ヘテロダイン干渉信号Imは、次式で表される。
Im＝Amcos｛（ω１−ω２）ｔ＋４πε/P｝ ……（１） ここで、Amはヘテロダイン干渉信号の振幅、ω１、ω２
はそれぞれ波長λ１、λ２の角周波数、ｔは時間、Ｐは
回折格子７のピッチ、εは回折格子７の移動量である。
このヘテロダイン干渉信号Imは、回折格子７の移動量ε
の情報を含んでいるので、以下測定信号と呼ぶことにす
る。回折格子７の移動量εを求めるには、測定信号Imの
位相から時間項（ω１−ω２）ｔを引いてやればよい。
そして、この時間項は、別途、基準信号として測定す
る。すなわち、ハーフミラー２で反射された光を偏光板
8bを介して光検出器9bによって測定されるヘテロダイン
干渉信号Isは Is＝Ascos｛（ω１−ω２）ｔ｝ ……（２） で表され、これが基準信号となる。ここで、Asは基準信
号の振幅である。
はそれぞれ波長λ１、λ２の角周波数、ｔは時間、Ｐは
回折格子７のピッチ、εは回折格子７の移動量である。
このヘテロダイン干渉信号Imは、回折格子７の移動量ε
の情報を含んでいるので、以下測定信号と呼ぶことにす
る。回折格子７の移動量εを求めるには、測定信号Imの
位相から時間項（ω１−ω２）ｔを引いてやればよい。
そして、この時間項は、別途、基準信号として測定す
る。すなわち、ハーフミラー２で反射された光を偏光板
8bを介して光検出器9bによって測定されるヘテロダイン
干渉信号Isは Is＝Ascos｛（ω１−ω２）ｔ｝ ……（２） で表され、これが基準信号となる。ここで、Asは基準信
号の振幅である。
従って、検出信号処理部10によって、光検出器9a、9b
で検出した２つのヘテロダイン干渉信号の位相差を求め
れば、回折格子７のピッチＰから回折格子７の移動量ε
が求められる。この方法では、光の位相を検出するの
で、合わせマーク像の光強度分布を検出する従来の方式
と比べ、照明光の分布や光学系の解像度によらず高精度
の位置検出を行うことができる。
で検出した２つのヘテロダイン干渉信号の位相差を求め
れば、回折格子７のピッチＰから回折格子７の移動量ε
が求められる。この方法では、光の位相を検出するの
で、合わせマーク像の光強度分布を検出する従来の方式
と比べ、照明光の分布や光学系の解像度によらず高精度
の位置検出を行うことができる。
〔発明が解決しようとする課題〕 ところで、ヘテロダイン干渉方式は、光の位相を検出
するので、途中の光路の空気の密度によって、検出した
干渉信号が誤差をもつ。第８図の装置の場合、光学系の
中で波長λ１とλ２の光は、それぞれが光路111と112を
通るとき最も離れる。このとき、空気の密度が場所によ
って異なる場合、屈折率も異なるので、光路111を通っ
た光と光路112を通った光に位相差が生じ、光検出器9a
で検出されるヘテロダイン干渉信号Imは次式のようにな
る。
するので、途中の光路の空気の密度によって、検出した
干渉信号が誤差をもつ。第８図の装置の場合、光学系の
中で波長λ１とλ２の光は、それぞれが光路111と112を
通るとき最も離れる。このとき、空気の密度が場所によ
って異なる場合、屈折率も異なるので、光路111を通っ
た光と光路112を通った光に位相差が生じ、光検出器9a
で検出されるヘテロダイン干渉信号Imは次式のようにな
る。
Im＝Am cos｛（ω１−ω２）ｔ＋４πε/P＋γ｝ ……（３） ここで、γは空気の密度分布によって生じる位相差であ
り、式（２）に示した基準信号から回折格子７の移動量
εを求める上での誤差となる。
り、式（２）に示した基準信号から回折格子７の移動量
εを求める上での誤差となる。
ステッパは、温度を一定に保つために空気の流れのあ
るチャンバに入れられているが、空気の流れが物体から
剥離すると密度の異なる渦が発生し、これが光路111、1
12を横切ると測定誤差が発生する。この誤差は、常に再
現性良くウェハ上の回路パターンの位置を測定する上で
の課題となる。
るチャンバに入れられているが、空気の流れが物体から
剥離すると密度の異なる渦が発生し、これが光路111、1
12を横切ると測定誤差が発生する。この誤差は、常に再
現性良くウェハ上の回路パターンの位置を測定する上で
の課題となる。
本発明の目的は、上記従来技術のもつ課題を解決し、
空気の密度分布の影響を低減した微小変位測定方法およ
びその装置を提供することにある。
空気の密度分布の影響を低減した微小変位測定方法およ
びその装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、回折格子に入射
させない波長λ１および波長λ２のコヒーレント光を合
成して基準信号を生成し、波長λ１のコヒーレント光を
回折格子の１次回折角の約1/2の角度で入射させたとき
に発生する１次回折光と、このとき発生する正反射光の
反射方向と逆向きに波長λ２のコヒーレント光を入射さ
せたときに発生する正反射光とを合成して測定信号を生
成し、これらの信号の位相差から回折格子の移動量を測
定するようにしたものである。
させない波長λ１および波長λ２のコヒーレント光を合
成して基準信号を生成し、波長λ１のコヒーレント光を
回折格子の１次回折角の約1/2の角度で入射させたとき
に発生する１次回折光と、このとき発生する正反射光の
反射方向と逆向きに波長λ２のコヒーレント光を入射さ
せたときに発生する正反射光とを合成して測定信号を生
成し、これらの信号の位相差から回折格子の移動量を測
定するようにしたものである。
上記構成により、基準信号I0および測定信号I1は次式
のようになる。
のようになる。
I0＝A0cos｛（ω１−ω２）ｔ＋γ01−γ02｝ ……（４） I1＝A1cos｛（ω１−ω２）ｔ＋２πε/P＋γ11−γ12｝ ……（５） ここで、γ01、γ02は、それぞれ基準信号を生成する波
長λ１、λ２の光が進む光路の空気の屈折率によって生
じる位相項であり、γ11、γ12は、それぞれ測定信号を
生成する波長λ１、λ２の光が進む光路の空気の屈折率
によって生じる位相項である。本発明では、測定信号を
生成する波長λ１、λ２の光路のなす角が、従来方式の
２つの１次回折光のなす角の約1/2となるため、これら
の光路は互いに接近しており、γ11＝γ12と見なせる。
また、基準信号を生成する波長λ１、λ２の光路も極め
て接近しているため、γ01＝γ02と見なせる。従って、
式（４）と（５）において、ほぼγ01−γ02＝０、γ11
−γ12＝０となり、空気の密度分布の影響を受けにくい
微小変位測定方法および装置を実現できる。
長λ１、λ２の光が進む光路の空気の屈折率によって生
じる位相項であり、γ11、γ12は、それぞれ測定信号を
生成する波長λ１、λ２の光が進む光路の空気の屈折率
によって生じる位相項である。本発明では、測定信号を
生成する波長λ１、λ２の光路のなす角が、従来方式の
２つの１次回折光のなす角の約1/2となるため、これら
の光路は互いに接近しており、γ11＝γ12と見なせる。
また、基準信号を生成する波長λ１、λ２の光路も極め
て接近しているため、γ01＝γ02と見なせる。従って、
式（４）と（５）において、ほぼγ01−γ02＝０、γ11
−γ12＝０となり、空気の密度分布の影響を受けにくい
微小変位測定方法および装置を実現できる。
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。第
１図は該実施例の微小変位測定装置の概略構成を示す斜
視図である。
１図は該実施例の微小変位測定装置の概略構成を示す斜
視図である。
第１図において、垂直方向の偏光をもつ直線偏光レー
ザ光源11から出射された光は、ハーフミラー21およびミ
ラー22によって２光束に分割され、AO変調器（音響光学
変調器）31、32にそれぞれ入射する。このAO変調器31、
32には、それぞれ駆動周波数f1、f2が入力されており、
入射した光の周波数を入力された周波数だけシフトさせ
る。すなわち、AO変調器31からは、波長λ１のビームLB
11が出射され、AO変調器32からは、波長λ２のビームLB
12が出射される。ビームLB11とLB12とは、ハーフミラー
41、42により、ビームLB21と31、ビームLB22と32にそれ
ぞれ２分割される。ビームLB21は、ハーフミラー23を透
過することにより、またビームLB22は、ミラー24とハー
フミラー23で反射することにより、それぞれが同一の光
路を進み、光検出器91によりヘテロダイン干渉信号が検
出され、これが基準信号となる。一方、波長λ１のビー
ムLB31と波長λ２のビームLB32とは、偏光ビームスプリ
ッタ43にＳ偏光で入射するために、ほとんどが反射さ
れ、1/4波長板51に入射後、円偏光となり、コリメータ
レンズ52に入射する。このうち、波長λ１のビームLB31
は、ミラー53を介して光路131を進み、縮小レンズ６を
介して光路141を進み、ウェハ上の回折格子７に所定の
角度（後述）で、しかも平行ビームとなって入射する。
そして、回折格子７で発生する波長λ１の１次回折光
は、元の光路141を戻り、正反射光は光路142へ進む。同
様に、波長λ２のビームLB32は、ミラー53を介して光路
132を進み、縮小レンズ６を介して光路142を進み、ウェ
ハ上の回折格子７に所定の角度（後述）で入射する。そ
して、回折格子７で発接する波長λ２の１次回折光は、
元の光路142を戻り、正反射光は光路141へ進む。波長λ
１の１次回折光と波長λ２の正反射光とは、縮小レンズ
６を介して光路131を戻り、波長λ２の１次回折光と波
長λ１の正反射光とは、光路132を戻る。これらの光
は、ミラー53およびコリメータレンズ52を介して1/4波
長板51によって、入射時と直交する方向の直線偏光に変
換され、偏光ビームスプリッタ43にＰ偏光で入射し、ほ
とんどが透過する。この後、波長λ１の１次回折光と波
長λ２の正反射光とは、光路151を進み、光検出器92に
よってヘテロダイン干渉信号が検出され、これが第１の
測定信号となる。一方、波長λ２の１次回折光と波長λ
１の正反射光とは、光路152を進み、光検出器93によっ
てヘテロダイン干渉信号が検出され、これが第２の測定
信号となる。これら第１および第２の測定信号と前述の
基準信号とは、制御処理回路100に送られる。制御処理
回路100は、これらの信号の位相差を算出し、これを変
位量に換算することにより、回折格子７の微小変位量を
出力する。
ザ光源11から出射された光は、ハーフミラー21およびミ
ラー22によって２光束に分割され、AO変調器（音響光学
変調器）31、32にそれぞれ入射する。このAO変調器31、
32には、それぞれ駆動周波数f1、f2が入力されており、
入射した光の周波数を入力された周波数だけシフトさせ
る。すなわち、AO変調器31からは、波長λ１のビームLB
11が出射され、AO変調器32からは、波長λ２のビームLB
12が出射される。ビームLB11とLB12とは、ハーフミラー
41、42により、ビームLB21と31、ビームLB22と32にそれ
ぞれ２分割される。ビームLB21は、ハーフミラー23を透
過することにより、またビームLB22は、ミラー24とハー
フミラー23で反射することにより、それぞれが同一の光
路を進み、光検出器91によりヘテロダイン干渉信号が検
出され、これが基準信号となる。一方、波長λ１のビー
ムLB31と波長λ２のビームLB32とは、偏光ビームスプリ
ッタ43にＳ偏光で入射するために、ほとんどが反射さ
れ、1/4波長板51に入射後、円偏光となり、コリメータ
レンズ52に入射する。このうち、波長λ１のビームLB31
は、ミラー53を介して光路131を進み、縮小レンズ６を
介して光路141を進み、ウェハ上の回折格子７に所定の
角度（後述）で、しかも平行ビームとなって入射する。
そして、回折格子７で発生する波長λ１の１次回折光
は、元の光路141を戻り、正反射光は光路142へ進む。同
様に、波長λ２のビームLB32は、ミラー53を介して光路
132を進み、縮小レンズ６を介して光路142を進み、ウェ
ハ上の回折格子７に所定の角度（後述）で入射する。そ
して、回折格子７で発接する波長λ２の１次回折光は、
元の光路142を戻り、正反射光は光路141へ進む。波長λ
１の１次回折光と波長λ２の正反射光とは、縮小レンズ
６を介して光路131を戻り、波長λ２の１次回折光と波
長λ１の正反射光とは、光路132を戻る。これらの光
は、ミラー53およびコリメータレンズ52を介して1/4波
長板51によって、入射時と直交する方向の直線偏光に変
換され、偏光ビームスプリッタ43にＰ偏光で入射し、ほ
とんどが透過する。この後、波長λ１の１次回折光と波
長λ２の正反射光とは、光路151を進み、光検出器92に
よってヘテロダイン干渉信号が検出され、これが第１の
測定信号となる。一方、波長λ２の１次回折光と波長λ
１の正反射光とは、光路152を進み、光検出器93によっ
てヘテロダイン干渉信号が検出され、これが第２の測定
信号となる。これら第１および第２の測定信号と前述の
基準信号とは、制御処理回路100に送られる。制御処理
回路100は、これらの信号の位相差を算出し、これを変
位量に換算することにより、回折格子７の微小変位量を
出力する。
ここで、回折格子７の変位量εと、基準信号と第１の
測定信号の位相差との関係を、第２図を用いて説明す
る。
測定信号の位相差との関係を、第２図を用いて説明す
る。
まず、第２図（ａ）により、回折格子７の変位に伴う
波長λ１の１次回折光の位相変化について考える。波長
λ１のコヒーレント光が光路141aを進み、回折格子７に
対しθ′の角度で入射すると、１次回折光は元の光路14
1aを戻る。ただし、θ′は次式を満たす。
波長λ１の１次回折光の位相変化について考える。波長
λ１のコヒーレント光が光路141aを進み、回折格子７に
対しθ′の角度で入射すると、１次回折光は元の光路14
1aを戻る。ただし、θ′は次式を満たす。
sinθ′＝λ1/2P ……（６） P:回折格子７のピッチ 一方、１次回折角θは次式 sinθ＝λ1/P ……（６′） を満たすから、入射角θ′は、次式のように、１次回折
角の約半分となる。
角の約半分となる。
θ′≒λ1/2P≒θ/2 ……（６″） ここで、回折格子７がε移動したとき、その回折格子７
の位置を破線で表す。このときの入射光および１次回折
光の光路である光路141bと、元の光路141aとの光路長差
は、２▲▼となり、 ２▲▼＝２εsinθ′＝２ελ1/2P＝ελ1/P ……（７） と表すことができ、回折格子７がε移動したときの１次
回折光の位相変化φ１は、 φ１＝２πε/P ……（８） となる。
の位置を破線で表す。このときの入射光および１次回折
光の光路である光路141bと、元の光路141aとの光路長差
は、２▲▼となり、 ２▲▼＝２εsinθ′＝２ελ1/2P＝ελ1/P ……（７） と表すことができ、回折格子７がε移動したときの１次
回折光の位相変化φ１は、 φ１＝２πε/P ……（８） となる。
次に、第２図（ｂ）により、波長λ２の正反射光の位
相変化について考える。波長λ２のコヒーレント光が光
路142aを進み、回折格子７に対し−θ′の角度で入射す
ると、正反射光は、反射角θ′で光路141aへ進む。ここ
で、上記と同様に、回折格子７がε移動したときの回折
格子７の位置を破線で表す。このとき、入射光路は、14
2b、反射光路は141bとなり、移動前後の光路長差は、▲
▼−▲▼となる。ところが、入射角と反射角
は等しいので、▲▼−▲▼＝０となる。従っ
て、回折格子７がε移動したときの正反射光の位相変化
φ０も０になる。
相変化について考える。波長λ２のコヒーレント光が光
路142aを進み、回折格子７に対し−θ′の角度で入射す
ると、正反射光は、反射角θ′で光路141aへ進む。ここ
で、上記と同様に、回折格子７がε移動したときの回折
格子７の位置を破線で表す。このとき、入射光路は、14
2b、反射光路は141bとなり、移動前後の光路長差は、▲
▼−▲▼となる。ところが、入射角と反射角
は等しいので、▲▼−▲▼＝０となる。従っ
て、回折格子７がε移動したときの正反射光の位相変化
φ０も０になる。
基準信号の位相は、回折格子７の変位とは無関係に一
定であり、従って、回折格子７が変位したときの第１の
測定信号と基準信号の位相差Δφは、 Δφ＝φ１−φ２＝２πε/P ……（９） となる。
定であり、従って、回折格子７が変位したときの第１の
測定信号と基準信号の位相差Δφは、 Δφ＝φ１−φ２＝２πε/P ……（９） となる。
また、この場合の位相の測定レンジは、−２π＜Δφ
＜２πであるので、変位量の測定レンジは、−Ｐ＜ε＜
Ｐである。これに対し、従来例の測定レンジは、式
（１）より、−P/2＜ε＜P/2であることを考えると、本
発明の方式によれば、測定レンジが２倍に広がるという
長所がある。
＜２πであるので、変位量の測定レンジは、−Ｐ＜ε＜
Ｐである。これに対し、従来例の測定レンジは、式
（１）より、−P/2＜ε＜P/2であることを考えると、本
発明の方式によれば、測定レンジが２倍に広がるという
長所がある。
次に、合わせマーク上にレジストが存在する場合の変
位量εの測定方法について説明する。まず、第３図に示
すように、合わせマークである回折格子７の上に対称な
分布をもつレジスト71が存在する場合について考える。
この場合、レジスト71内の多重反射について考慮する必
要があり、第１の測定信号と基準信号の位相差Δφａは Δφａ＝２πε/P＋ｅ ……（10） となる。ただし、ｅはレジスト71による多重反射によっ
て生じる１次回折光と正反射光の位相差である。すなわ
ち、回折格子７上にレジスト71が存在する場合には、第
１の測定信号と基準信号の位相差にオフセットｅが加算
される。このオフセットを除く方法について、以下に述
べる。
位量εの測定方法について説明する。まず、第３図に示
すように、合わせマークである回折格子７の上に対称な
分布をもつレジスト71が存在する場合について考える。
この場合、レジスト71内の多重反射について考慮する必
要があり、第１の測定信号と基準信号の位相差Δφａは Δφａ＝２πε/P＋ｅ ……（10） となる。ただし、ｅはレジスト71による多重反射によっ
て生じる１次回折光と正反射光の位相差である。すなわ
ち、回折格子７上にレジスト71が存在する場合には、第
１の測定信号と基準信号の位相差にオフセットｅが加算
される。このオフセットを除く方法について、以下に述
べる。
本発明では、第２の測定信号も同時に測定することが
でき、この情報を利用することができる。すなわち、第
２の測定信号と基準信号の位相差Δφｂは、 Δφｂ＝−２πε/P＋ｅ ……（11） となる。従って、ΔφａとΔφｂの差をとれば、式（1
0）と式（11）から、 Δφａ−Δφｂ＝４πε/P ……（12） となり、オフセットｅを除くことができる。ここで、第
１および第２の測定信号の位相をそれぞれφａ、φｂ、
基準信号の位相をφｃとすれば、 Δφａ−Δφｂ＝φａ−φｃ−（φｂ−φｃ）＝φａ−φｂ ……（13） であるから、第１および第２の測定信号の位相だけか
ら、回折格子７の変位量εを求めることができる。この
ように、第２の測定信号を測定すれば、基準信号は不必
要となり、従って、第１図に示したハーフミラー41、4
2、23、ミラー24、光検出器91を省略することができ
る。
でき、この情報を利用することができる。すなわち、第
２の測定信号と基準信号の位相差Δφｂは、 Δφｂ＝−２πε/P＋ｅ ……（11） となる。従って、ΔφａとΔφｂの差をとれば、式（1
0）と式（11）から、 Δφａ−Δφｂ＝４πε/P ……（12） となり、オフセットｅを除くことができる。ここで、第
１および第２の測定信号の位相をそれぞれφａ、φｂ、
基準信号の位相をφｃとすれば、 Δφａ−Δφｂ＝φａ−φｃ−（φｂ−φｃ）＝φａ−φｂ ……（13） であるから、第１および第２の測定信号の位相だけか
ら、回折格子７の変位量εを求めることができる。この
ように、第２の測定信号を測定すれば、基準信号は不必
要となり、従って、第１図に示したハーフミラー41、4
2、23、ミラー24、光検出器91を省略することができ
る。
次に、第４図のように、回折格子７上のレジスト72の
分布が非対称の場合について考える。レジストは回転塗
布されるので、回折格子７に対してレジストの分布は、
このように非対称になることが多い。このような場合、
式（13）におけるφａ−φｂは、 φａ−φｂ＝４πε/P＋ｇ ……（14） となる。ただし、ｇはレジスト72の分布が非対称なため
に生じた、第１および第２の測定信号を生成する１次回
折光の位相差を表す。このｇは、回折格子７の変位量ε
を求める上でオフセット誤差となる。そこで、ｇを間接
的に測定し、これを式（14）に代入することによって正
確な変位量εの値を求める方法について、以下に説明す
る。
分布が非対称の場合について考える。レジストは回転塗
布されるので、回折格子７に対してレジストの分布は、
このように非対称になることが多い。このような場合、
式（13）におけるφａ−φｂは、 φａ−φｂ＝４πε/P＋ｇ ……（14） となる。ただし、ｇはレジスト72の分布が非対称なため
に生じた、第１および第２の測定信号を生成する１次回
折光の位相差を表す。このｇは、回折格子７の変位量ε
を求める上でオフセット誤差となる。そこで、ｇを間接
的に測定し、これを式（14）に代入することによって正
確な変位量εの値を求める方法について、以下に説明す
る。
レジストの非対称性が、第４図に示すように、回折格
子７の凹部の中心線に対するレジスト凹部の中心線のシ
フト量δで表せるものとする。シフト量δがある場合の
第１の測定信号を生成する１次回折光（以下、第１の１
次回折光と記す）の位相g1と、第２の測定信号を生成す
る１次回折光（以下、第２の１次回折光と記す）の位相
g2の値は、例えば「ジャーナル・オブ・ザ・オプティカ
ル・ソサイエティ・オブ・アメリカ、Ａ、第５巻、第８
号、1988年、第1270頁から第1280頁（J.Opt.Soc.Am.A,V
ol.5,No.8（1988）,pp.1270−1280）」に記載されてい
る方法により計算することができる。計算結果の一例を
第５図に示す。第５図は、レジストのシフト量に対する
第１および第２の１次回折光の位相g1、g2の関係を示し
たもので、シフト量が大きくなると位相g1とg2の差が大
きくなることを示している。ここで、シフト量に対する
第１および第２の１次回折光の強度Ia、Ibの関係を同様
に計算した結果を第６図に示す。第６図においても、シ
フト量が大きくなると、第１および第２の１次回折光の
強度IaとIbの差は大きくなる。このように、位相g1、g2
の差と、第１および第２の１次回折光の強度の差には相
関がある。従って、２つの１次回折光の強度差を測定す
ることによりｇ（＝g1−g2）を間接的に測定することが
できる。第７図に、２つの１次回折光の強度差とｇとの
関係を示す。図は、縦軸にはｇ、横軸には次式で表され
る２つの１次回折光の強度差Ｓをとってある。
子７の凹部の中心線に対するレジスト凹部の中心線のシ
フト量δで表せるものとする。シフト量δがある場合の
第１の測定信号を生成する１次回折光（以下、第１の１
次回折光と記す）の位相g1と、第２の測定信号を生成す
る１次回折光（以下、第２の１次回折光と記す）の位相
g2の値は、例えば「ジャーナル・オブ・ザ・オプティカ
ル・ソサイエティ・オブ・アメリカ、Ａ、第５巻、第８
号、1988年、第1270頁から第1280頁（J.Opt.Soc.Am.A,V
ol.5,No.8（1988）,pp.1270−1280）」に記載されてい
る方法により計算することができる。計算結果の一例を
第５図に示す。第５図は、レジストのシフト量に対する
第１および第２の１次回折光の位相g1、g2の関係を示し
たもので、シフト量が大きくなると位相g1とg2の差が大
きくなることを示している。ここで、シフト量に対する
第１および第２の１次回折光の強度Ia、Ibの関係を同様
に計算した結果を第６図に示す。第６図においても、シ
フト量が大きくなると、第１および第２の１次回折光の
強度IaとIbの差は大きくなる。このように、位相g1、g2
の差と、第１および第２の１次回折光の強度の差には相
関がある。従って、２つの１次回折光の強度差を測定す
ることによりｇ（＝g1−g2）を間接的に測定することが
できる。第７図に、２つの１次回折光の強度差とｇとの
関係を示す。図は、縦軸にはｇ、横軸には次式で表され
る２つの１次回折光の強度差Ｓをとってある。
Ｓ＝（Ia−Ib）／（Ia＋Ib） ……（15） Iaには、第１図において光検出器92で検出されるヘテ
ロダイン干渉信号の振幅を代入し、Ibには、光検出器93
で検出されるヘテロダイン干渉信号の振幅を代入すれば
よい。制御処理回路100は、Ia、Ibから式（15）により
Ｓを計算し、あらかじめ求めたＳとｇとの関係からｇを
計算し、これを式（14）に代入することにより、正確な
変位量εを算出することができる。
ロダイン干渉信号の振幅を代入し、Ibには、光検出器93
で検出されるヘテロダイン干渉信号の振幅を代入すれば
よい。制御処理回路100は、Ia、Ibから式（15）により
Ｓを計算し、あらかじめ求めたＳとｇとの関係からｇを
計算し、これを式（14）に代入することにより、正確な
変位量εを算出することができる。
以上に示した手順によれば、レジストの分布が合わせ
マークである回折格子に対して非対称になる場合も、正
確な変位量を測定することができる。２つの１次回折光
の強度差からレジストの非対称性による誤差を補正する
方法に関しては、例えば特願平１−242904号公報に記載
されている方法がある。しかし、本発明によれば、ヘテ
ロダイン干渉信号の検出と１次回折光の強度の検出とを
１つの光検出器で行うことができ、上記公報に記載され
ている方法に比べて、信号処理系が簡略化できるという
効果がある。
マークである回折格子に対して非対称になる場合も、正
確な変位量を測定することができる。２つの１次回折光
の強度差からレジストの非対称性による誤差を補正する
方法に関しては、例えば特願平１−242904号公報に記載
されている方法がある。しかし、本発明によれば、ヘテ
ロダイン干渉信号の検出と１次回折光の強度の検出とを
１つの光検出器で行うことができ、上記公報に記載され
ている方法に比べて、信号処理系が簡略化できるという
効果がある。
測定した変位量εは、制御処理回路100によってレチ
クル８に対するウェハ73のアライメント基準位置からの
ずれ量に換算され、このずれ量を基に駆動部74を制御し
てステージ75を移動させる。このようにして、レチクル
８上の回路パターンは、ウェハ73上の所望の位置に転写
できる。
クル８に対するウェハ73のアライメント基準位置からの
ずれ量に換算され、このずれ量を基に駆動部74を制御し
てステージ75を移動させる。このようにして、レチクル
８上の回路パターンは、ウェハ73上の所望の位置に転写
できる。
なお、本発明は、第１図において、縮小レンズ６を介
さず、コリメータレンズ52から直接に回折格子７に波長
λ１の光を入射させることにより、プロキシミティを露
光装置や電子ビーム描画装置の微小変位測定に適用する
こともできる。
さず、コリメータレンズ52から直接に回折格子７に波長
λ１の光を入射させることにより、プロキシミティを露
光装置や電子ビーム描画装置の微小変位測定に適用する
こともできる。
本発明によれば、ヘテロダイン干渉を用いた微小変位
の測定において、測定信号を生成する波長λ１、λ２の
光路のなす角が従来方式での２つの１次回折光のなす角
の約1/2となるため、これらの光路は互いに接近してお
り、また、基準信号を生成する光路も極めて接近してい
るため、微小変位測定における空気の密度分布の影響を
低減できるという効果がある。また、第１および第２の
測定信号を同時に検出することが可能であり、この場合
には、基準信号を省略することができる。さらに、第１
および第２の１次回折光の強度を別々に測定することが
できるので、この測定値から回折格子上のレジスト分布
が非対称な場合の測定変位量を補正することができ、常
に正確な変位量を測定することができる。
の測定において、測定信号を生成する波長λ１、λ２の
光路のなす角が従来方式での２つの１次回折光のなす角
の約1/2となるため、これらの光路は互いに接近してお
り、また、基準信号を生成する光路も極めて接近してい
るため、微小変位測定における空気の密度分布の影響を
低減できるという効果がある。また、第１および第２の
測定信号を同時に検出することが可能であり、この場合
には、基準信号を省略することができる。さらに、第１
および第２の１次回折光の強度を別々に測定することが
できるので、この測定値から回折格子上のレジスト分布
が非対称な場合の測定変位量を補正することができ、常
に正確な変位量を測定することができる。
第１図は本発明による微小変位測定装置の一実施例の概
略構成を示す斜視図、第２図は回折格子と光路を示した
説明図、第３図は回折格子上の対称なレジスト分布を示
す説明図、第４図は回折格子上の非対称なレジスト分布
を示す説明図、第５図はレジストシフト量と第１および
第２の１次回折光の位相との関係を示したグラフ、第６
図はレジストシフト量と第１および第２の１次回折光の
強度との関係を示したグラフ、第７図は第１および第２
の１次回折光の強度差と位相差との関係を示したグラ
フ、第８図は従来の微小変位測定装置の一例を示す概略
構成図である。 符号の説明 ６……縮小レンズ、７……回折格子 11……直線偏光レーザ光源 31、32……AO変調器 43……偏光ビームスプリッタ 51……1/4波長板、52……コリメータレンズ 91、92、93……光検出器 100……制御処理回路
略構成を示す斜視図、第２図は回折格子と光路を示した
説明図、第３図は回折格子上の対称なレジスト分布を示
す説明図、第４図は回折格子上の非対称なレジスト分布
を示す説明図、第５図はレジストシフト量と第１および
第２の１次回折光の位相との関係を示したグラフ、第６
図はレジストシフト量と第１および第２の１次回折光の
強度との関係を示したグラフ、第７図は第１および第２
の１次回折光の強度差と位相差との関係を示したグラ
フ、第８図は従来の微小変位測定装置の一例を示す概略
構成図である。 符号の説明 ６……縮小レンズ、７……回折格子 11……直線偏光レーザ光源 31、32……AO変調器 43……偏光ビームスプリッタ 51……1/4波長板、52……コリメータレンズ 91、92、93……光検出器 100……制御処理回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉山 秀司 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日 立製作所那珂工場内 (72)発明者 佐瀬 善光 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日 立製作所那珂工場内 (56)参考文献 特開 平４−177103（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−202602（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01B 9/00 - 9/10 H01L 21/30 H01L 21/66 - 21/68
Claims (9)
- 【請求項１】波長が互いに僅かに異なる第１の波長の光
と第２の波長の光とをヘテロダイン干渉させて基準信号
を生成するとともに、位置検出すべき物体の上に形成さ
れた回折格子に、所定の角度で、前記第１の波長の光を
入射したときに発生する回折光と、このとき発生する第
１の正反射光の反射方向と逆向きに前記第２の波長の光
を入射したときに発生する第２の正反射光とをヘテロダ
イン干渉させて測定信号を生成し、前記基準信号と前記
測定信号より求められる位相差から前記物体の微小変位
を測定することを特徴とする微小変位測定方法。 - 【請求項２】請求項１に記載の微小変位測定方法におい
て、前記所定の角度が、１次回折角の約半分であること
を特徴とする微小変位測定方法。 - 【請求項３】位置検出すべき物体の上に形成された回折
格子に、所定の角度で、第１の波長の光を入射したとき
に発生する第１の回折光と、このとき発生する第１の正
反射光の反射方向と逆向きに、前記第１の波長と僅かに
異なる第２の波長の光を入射したときに発生する第２の
正反射光とをヘテロダイン干渉させて第１の測定信号を
生成し、前記第２の波長の光を入射したときに発生する
第２の回折光と、前記第１の正反射光とをヘテロダイン
干渉させて第２の測定信号を生成し、前記第１の測定信
号と前記第２の測定信号より求められる位相差から前記
物体の微小変位を測定することを特徴とする微小変位測
定方法。 - 【請求項４】請求項３に記載の微小変位測定方法におい
て、前記所定の角度が、１次回折角の約半分であること
を特徴とする微小変位測定方法。 - 【請求項５】請求項３または４に記載の微小変位測定方
法において、前記第１の測定信号と前記第２の測定信号
の振幅の差から微小変位測定量を補正することを特徴と
する微小変位測定方法。 - 【請求項６】物体上に固設された回折格子と、波長が互
いに僅かに異なる第１の波長の光と第２の波長の光を発
生する光源と、前記第１の波長の光と前記第２の波長の
光とをヘテロダイン干渉させて基準信号を生成する手段
と、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光を前記回
折格子にそれぞれ所定の角度で入射させる手段と、前記
回折格子から発生する前記第１の波長の回折光と前記第
２の波長の正反射光とをヘテロダイン干渉させて測定信
号を生成する手段と、前記基準信号の時間変化を測定す
る第１の光検出手段と、前記測定信号の時間変化を測定
する第２の光検出手段と、前記第１および第２の光検出
手段によって検出された前記基準信号と前記測定信号の
位相差を算出、処理して前記物体の変位に換算する信号
処理回路を具備することを特徴とする微小変位測定装
置。 - 【請求項７】請求項６に記載の微小変位測定装置におい
て、前記所定の角度が、１次回折角の約半分であること
を特徴とする微小変位測定装置。 - 【請求項８】物体上に固設された回折格子と、波長が互
いに僅かに異なる第１の波長の光と第２の波長の光を発
生する光源と、前記第１の波長の光と前記第２の波長の
光を前記回折格子にそれぞれ所定の角度で入射させる手
段と、前記回折格子から発生する前記第１の波長の回折
光と前記第２の波長の正反射光とをヘテロダイン干渉さ
せて第１の測定信号を生成する手段と、前記回折格子か
ら発生する前記第２の波長の回折光と前記第１の波長の
正反射光とをヘテロダイン干渉させて第２の測定信号を
生成する手段と、前記第１の測定信号の時間変化を測定
する第１の光検出手段と、前記第２の測定信号の時間変
化を測定する第２の光検出手段と、前記第１及び第２の
光検出手段によって検出された前記第１の測定信号と前
記第２の測定信号の位相差を算出、処理して前記物体の
変位に換算する信号処理回路を具備することを特徴とす
る微小変位測定装置。 - 【請求項９】請求項８に記載の微小変位測定装置におい
て、前記所定の角度が、１次回折角の約半分であること
を特徴とする微小変位測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2314277A JP2931082B2 (ja) | 1990-11-21 | 1990-11-21 | 微小変位測定方法およびその装置 |
| US07/789,006 US5164789A (en) | 1990-11-09 | 1991-11-07 | Method and apparatus for measuring minute displacement by subject light diffracted and reflected from a grating to heterodyne interference |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2314277A JP2931082B2 (ja) | 1990-11-21 | 1990-11-21 | 微小変位測定方法およびその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04186116A JPH04186116A (ja) | 1992-07-02 |
| JP2931082B2 true JP2931082B2 (ja) | 1999-08-09 |
Family
ID=18051428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2314277A Expired - Fee Related JP2931082B2 (ja) | 1990-11-09 | 1990-11-21 | 微小変位測定方法およびその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2931082B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1994018522A1 (en) * | 1993-02-15 | 1994-08-18 | Sortec Corporation | Method for detecting positional shift and gap |
| JP2013145863A (ja) * | 2011-11-29 | 2013-07-25 | Gigaphoton Inc | ２光束干渉装置および２光束干渉露光システム |
| CN113448189B (zh) * | 2020-03-26 | 2022-11-15 | 上海微电子装备（集团）股份有限公司 | 一种对准系统及光刻机 |
-
1990
- 1990-11-21 JP JP2314277A patent/JP2931082B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04186116A (ja) | 1992-07-02 |
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|---|---|---|---|
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