JP3548665B2 - Position measuring device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工対象物の表面を加工する加工機や測定対象物の表面状態等を測定する測定機械において、対象物の位置の制御等の目的に利用される位置測定装置に関する。
また、本発明は位置測定装置を適用した電子線描画装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体露光装置では、あらかじめ作成された原画パターン（レチクル又はマスク）上の所望の回路パターンを、ウエハ上の露光領域に位置合わせした後、転写を行ってきた。この転写装置は高精度な縮小露光投影装置であり、転写される側のウエハ全面に露光できるように、ウエハ側は高精度なＸＹステージに固定されている。このウエハ光学系に対し、ステップ＆リピートするための掲記転写装置はステッパと呼ばれている。
近年のＬＳＩの高集積化により、半導体装置に要求される回路線幅は益々狭くなってきている。ステッパの縮小率は、従来１／５が主流であったが、これまでの波長限界から１μｍ以下のパターンは解像できないと言われてきた。しかし、光学系・照明系の改良やレチクル上での光の位相を調整する位相シフトマスク等の出現により、サブμｍオーダーのパターンを解像するに至っている。解像度の向上に伴って、縮小レンズの焦点深度は浅くなり、また、あらかじめ作成された原画パターンをウエハ上に転写する精度は、いっそう厳しい値が要求されるようになってきている。このため、ステッパのアライメント光学系に対して、試料の試料面方向及び焦点方向の位置を高精度に検出することが要求されている。
【０００３】
位相シフトマスクは前記原画パターン上の露光光透過部を通過する光の位相即ち透過部の光路長を、基板の厚さをエッチングすることにより減少させ、あるいは、屈折率の異なる材料を付加する等の手法で変化させるものである。したがって、位相シフトマスクの作製には、特定の光透過部の基板を厚さ方向に掘り込み、選択的に光路長を変化させる方法や、または、あらかじめパターンが描かれた基板に再度レジストを塗付し、光透過部の位相を部分的に変化させるための材料を付加した後不要部分のエッチングを行う方法が採られる。いずれの場合においても、前記パターン描画装置を用いて、所定の位置のレジストを高精度に感光させる必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
マスク上の位置合わせマークの検出に先立って、露光ビームの位置はステージ上に設けられたマーク等を用いて測定されかつ校正される。ステージの位置はレーザー干渉計により高精度にモニターされるので、レーザー干渉計の座標系を基準としてビームの位置及び変位を測定することが可能となる。
ところが、電子線露光装置では、鏡筒内部に汚れが付着すると、チャージアップのために電子ビームにドリフトが生じ、測定値が変動する。マスク上のマーク位置の測定はステージ上のマークを介した間接測定であるため、測定値に変動が生じた場合には、その原因はビームドリフトであるのか、或いは、マークそのものが変位しているためであるのかを区別することが出来ないという課題があった。
【０００５】
電子ビーム描画装置やステッパにおいて、ドリフトによる影響を受けずにマーク位置を精度良く測定するための手段として、レーザー光を用いた測定光学系を設けた装置を用いる方法が考えられる。
しかし、電子ビーム描画装置やステッパでは、高精度な測定が要求されるため、複数のレーザー光を所定の回折パターンに照射し、ここで回折した回折光から位置情報を得るタイプでは、各レーザ光を照射する位置を厳密に一致させるなどの調整が必要となる。
特に、電子ビーム描画装置において採用する場合には、対象物は真空に減圧されたチャンバー内に配置される一方光源部などは、チャンバー外に配置される。そのため、チャンバーが大気圧の場合に所定の照射条件を満足していても、実際に測定が必要となるチャンバーが真空に減圧された際には所定の照射条件が崩れてしまうことが多い。
【０００６】
また、対象物に平行な平面のみならず、これの法線方向の位置測定も行う場合には少なくとも３本のレーザ光束を所定の条件で照射する必要が生じる。
このように複数の測定光束を所定の条件で位置合わせ用パターンを照射できるように調節する装置の提供が望まれていた。
【０００７】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、
（１）位置測定に必要とされる複数の光束を対象物面において所定の条件で照射する際に、それらを所定の条件で照射するように調整する調整光学系を有する位置測定装置を提供することにある。
（２）複数のレーザ光束で、所定の位置測定用パターンを照射するように平面方向で位置調整を行い、かつそのビームウエスト位置が位置測定用パターンと一致する様な条件で照射するように調整することができる位置測定装置を提供することにある。
（３）対象物の位置を正確に測定することができる位置測定装置を備えた小型で高精度な電子線描画装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決する手段】
本発明は、コヒーレント光束を発する光源部からの光束を複数の測定用照明光束に分離する光束分割部とを有し、第１入射角度で照射される第１測定用照明光束及び第２測定用照明光束と、第１入射角度とは異なる第２入射角度で照射される第３測定用照明光束とを形成し、該複数の測定用照明光束を平行となるようにする照明光学系と、
前記照明光学系から受け取った前記複数の測定用照明光束を平行となるようにする部分を有し、この平行となった部分において、前記複数の測定用照明光束を平行移動させるための光束シフト部及び複数の測定用照明光束のビームウエスト位置を変更するビームウエスト位置変更部を配置し、これらの第１測定用照明光束、第２測定用照明光束及び第３測定用照明光束を受け取る前記補正光学系は、その光軸を挟んで前記第１測定用照明光束及び第２測定用照明光束を配置し、前記第３測定用照明光束をこれらよりも周辺位置に配置し、前記補正光学系での第３測定用照明光束の光路中に、その第３測定用照明光束が前記２次元パターンに照射する入射角度を変化するように光軸と直交方向に回転軸を有する平行平面板が配置された補正光学系と、
前記複数の測定用照明光束を、位置の測定をすべき対象物に設けられている位置合わせ用パターンに照射する照射光学系と、
前記照射光学系によって前記複数の測定用照明光束で照射された位置合わせ用パターンからの回折光を受光する受光光学系と、
前記受光光学系で受光した回折光を受光し測定用干渉信号を形成する受光部と、
測定用干渉信号の位相に基づき対象物の位置の測定を行う信号処理部と、を有することを特徴とする位置測定装置である。
【０００９】
本発明はまた、前記光束シフト部は、互いに光軸周りに回動可能に設けられた少なくとも一対のプリズムを備え、そのプリズムの交叉角度を変更することにより照射位置の移動距離を調整し、そのプリズムの交叉角度の２等分線方向を変えることにより測定用照明光束の照射位置の移動方向を調整するように構成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、小型で高精度な位置測定装置を実現することができる。
【００１０】
本発明はまた、前記ビームウエスト位置変更部は、少なくとも凸レンズ及び凹レンズを有し、前記凸レンズと凹レンズとの間の間隔を変えることにより、前記複数の測定用照明光束のビームウエスト位置を変化させるように構成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、小型で高精度な位置測定装置を実現することができる。
【００１１】
本発明はまた、前記照明光学系は、前記光源部の発するコヒーレント光束から第１周波数の第１測定用照明光束、及び、この第１周波数と周波数が異なる第２周波数の第２測定用照明光束を形成する周波数シフターと、この第１測定用照明光束を分離して第１平面位置測定用光束及び第１法線方向測定用照明光束を形成し、第２測定用照明光束を分離して第２平面位置測定用光束及び第２法線方向測定用照明光束を形成する光束分離部を備え、前記照射光学系は、位置合わせ用パターンとして２次元パターンを照射するものであり、
前記受光光学系は、第１測定用照明光束と第２測定用照明光束の前記２次元パターンによる高次回折光と０次回折光の組み合わせ及び高次回折光同士の組み合わせのいずれか一つの周波数が異なる回折光の組み合わせを受け取るように構成され、前記受光部は、第１測定用照明光束と第２測定用照明光束の前記２次元パターンによる高次回折光と０次回折光の組み合わせ及び高次回折光同士の組み合わせのいずれか一つの周波数が異なる回折光の組み合わせから前記対象物の２次元パターンを設けた平面内での位置測定を行う平面位置測定用干渉信号を形成し、第１測定用照明光束又は第２測定用照明光束の０次回折光と前記第３測定用照明光束の０次回折光との組合せから前記対象物の法線方向の位置測定を行う法線方向位置測定用干渉信号を形成するように構成され、
前記信号処理部は、前記平面位置測定用干渉信号の位相に基づき対象物の平面方向の位置測定を行い、法線方向測定用干渉信号の位相に基づき対象物の法線方向の位置測定を行うように構成されていることを特徴とする。
このように構成することにより、小型で高精度な位置測定装置を実現することができる。
【００１２】
本発明はまた、電子線描画装置において、電子線描画装置の構成部品の取付け位置及びそれらの最大作動範囲をさけるように配置されている上記の本発明の位置測定装置を備え、位置測定装置は対象物の位置を測定するための位置測定用光束を照射するための照明側光学部材と、対象物からの反射回折光を受光して対象物の位置を測定するための受光側光学部材とを有し、照明側光学部材から照射して受光側光学部材に入射される光束が、電子線描画装置の構成部品の取付け位置及びそれらの最大作動範囲をさけて透過することができるように、照明側光学部材及び受光側光学部材が電子線描画装置に配置されている構成である。
【００１３】
この構成により、加工すべき対象物の位置を精確に測定することができ、電子線描画装置により極めて高い精度で加工対象物を加工することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。
本発明の位置測定装置は、図１に示すように、照明光学系１００と、補正光学系２００と、照射光学系３００と、受光光学系４００とを備える。
〔１〕 照明光学系１００
図１及び図１の部分拡大図である図１６から図１８を参照すると、光源１は照明光束となるコヒーレント光を発する光源であり、波長λ＝６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光源である。光源１から照射される干渉性の強いコヒーレントであるレーザー光は、リレーレンズ１０２を介してビームスプリッター１０３で、第１照明光束１０４と第２照明光束１０５とに分岐される。
【００１５】
第１照明光束１０４はリレーレンズ１０６を介して第１周波数シフター１０８に導かれ、第１周波数シフター１０８は第１照明光束１０４を変調して第１測定用照明光束１１０を形成する。第２照明光束１０５はリレーレンズ１０７を介して第２周波数シフター１０９に導かれ、第２周波数シフター１０９は第２照明光束１０５を変調して第２測定用照明光束１１１を形成する。
音響光学素子（ＡＯＭ）を周波数シフターとして用いるのが好ましい。第１測定用照明光束１１０の周波数シフターによる変調周波数は８０．０５ＭＨｚであり、第２測定用照明光束１１１の周波数シフターによる変調周波数は８０．０６２５ＭＨｚである。周波数シフター１０８、１０９により、周波数が互いに僅かに異なる第１測定用照明光束１１０及び第２測定用照明光束１１１が形成される。この場合に、第１測定用照明光束１１０と第２測定用照明光束１１１の周波数の差Δｆは１２．５ＫＨｚとなる。第１測定用照明光束１１０と第２測定用照明光束１１１を互いに重ね合わせて、干渉させると、その干渉結果の強度は、周波数Δｆのうなり（ビート信号）になる。
【００１６】
ビームスプリッター１１２は、第１測定用照明光束１１０を第１平面位置測定用照明光束１１４と第１法線方向測定用照明光束１１５とに分岐させる。
ビームスプリッター１１３は、第２測定用照明光束１１１を第２平面位置測定用照明光束１１６と第２法線方向測定用照明光束１１７とに分岐させる。
第１平面位置測定用照明光束１１４、第１法線方向測定用照明光束１１５、第２平面位置測定用照明光束１１６、第２法線方向測定用照明光束１１７は、それぞれリレーレンズ１１８、１１９、１２０、１２１を介して調整光学系２００に、その光軸に対して互いに平行な光束として導かれる。
但し、第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７は、それぞれ第１平面位置測定用照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光束１１６とは別個の測定用照明光束から分岐させることも可能である。
【００１７】
ここで、照明光学系１００において、リレーレンズ１０２、１０６、１０７により光源１と第１周波数シフター１０８及び第２周波数シフター１０９は共役関係となる。
〔２〕 調整光学系２００
調整光学系２００は、図２から図４に示すように、第１平面位置測定用照明光束１１４、第１法線方向測定用照明光束１１５、第２平面位置測定用照明光束１１６及び第２法線方向測定用照明光束１１７を、所定の照射条件に適合するように補正を施す光学系である。その補正には、第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７の照射角度を第１平面位置測定用照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光束１１６に対して調整を行う照射角度調整、これら４本の照明光束１１４〜１１７が照射する対象物上の平面位置を調整する平面位置調整、及び、これら４本の照明光束１１４〜１１７のビームウエスト位置が対象物１０上に来るように調整するビームウエスト位置調整の３種類がある。
【００１８】
第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７の照射角度調整は、それぞれの光路に挿入されている平行平面板２０１、２０２を光軸と直交する回転軸を中心に回転させることにより行われる。第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７は、平行平面板２０１、２０２の回転により鉛直方向に平行移動し、その結果、後述する投影レンズによる照射角度が変化する。ここで、「鉛直方向」とは、４本の照明光束１１４〜１１７を含むような面に対して垂直な方向をいう。
４本の測定用照明光束１１４〜１１７は、それぞれの光路で２つのミラー（図示せず）により光束の間隔を狭くされ、頂角の等しい一組のウエッジプリズム２０３、２０４に入射する。
【００１９】
４本の測定用照明光束１１４〜１１７の平面位置の調整は、水平方向を調整のための中心軸として、ウエッジプリズム２０３、２０４の交差角度の調整及び交差中心方向の調整により行われる。
調整前の位置からの距離は、ウエッジプリズム２０３、２０４の交差角度を調整することによって決定される。又、調整前からの変化の方向はウエッジプリズム２０３、２０４が交差する中心方向を調整することにより決定される。このようにして調整を行うことにより、４本の測定用照明光束１１４〜１１７の平面位置の調整を上下左右の任意の方向で行うことができる。
４本の測定用照明光束１１４〜１１７は、ウエッジプリズム２０３、２０４で平面位置調整を行った後、フォーカスレンズ２０５、２０６に入射する。
【００２０】
フォーカスレンズ２０５、２０６は、その間隔が変化することにより、各光束が光軸と平行であるという条件を維持しつつ、各光束と光軸との間隔を変更できるように構成されており、４本の測定用照明光束１１４〜１１７のビームウエストが対象物１０上に来るように、ビームウエストの位置を光軸方向に調整することができる。
本発明の実施の形態では、光源側にある調整レンズ２０５は平凸レンズで形成され、対象物側の調整レンズ２０６は平凹レンズ２０６で形成されている。
従って、フォーカスレンズ２０５と２０６との間の間隔を広げると、ビームウエストの位置が光源側に近づくように変化する。
但し、光源１のある側のフォーカスレンズ２０５を平凹レンズ２０６で形成し、対象物１０のある側のフォーカスレンズ２０６を平凸レンズで形成することも可能である。
【００２１】
このように、光軸付近に第１平面位置測定用照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光束１１６を配置し、これらを基準として照射角度の調整を行う第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７を周辺に（両脇に）配置することにより、照射角度調整を行う光学素子である平行平面板２０１、２０２をそれらの光路中に配置しかつ光軸と直交する回転軸を中心に回転可能とする機構を組み込みやすくすることができる。
〔２−１〕 マニュアル調整
上述した調整光学系２００のビームの調整方法について説明する。以下では、位置を優先した調整方法について説明する。
初期状態では、ウエッジプリズム２０３、２０４は１８０度回転されたように反対方向を向いて配置され、見掛け上、プリズムのパワーがない状態とされている。また、調整レンズ２０５と２０６は両者の間隔が略ゼロとなるように配置され、パワーがない状態であることとする。
【００２２】
この位置を優先した調整方法においては、ウエッジプリズム２０３、２０４を用いて初期状態でのビームの照射位置を本来照射したいマーク１２上に移動させ、次に調整レンズ２０５及び２０６を用いて、４本の測定用照明光束１１４〜１１７のビームウエストが対象物１０上に来るようにビームウエスト位置を調整する。
具体的にいえば、ビームの移動方向は、ウエッジプリズム２０３、２０４の交叉角度の２等分線方向と一致するので、初期状態におけるビーム照射位置を基準として、ビームを照射したいマーク１２の方向とウエッジプリズム２０３、２０４の交叉角度の２等分線方向が一致するように両プリズムを回転させる。
次に、ビームの移動距離は、ウエッジプリズム２０３、２０４の交叉角度が１８０度から０度に近づくにつれてビームの移動距離が大きくなるので、ウエッジプリズム２０３、２０４の交叉角度の２等分線方向を維持したまま互いのウエッジプリズム２０３、２０４の交叉角度を調整することにより、対象物１０上の２次元パターン１２上を照射するように調整することができる。
【００２３】
このように、４本の測定用照明光束１１４〜１１７のビーム位置を対象物１０上の２次元パターン１２上に来るように調整したあと、干渉信号の強度が最大となるなどの影響要素に基づき、ビームウエスト位置を対象物１０上の２次元パターン１２上になるように調整レンズ２０５と２０６との間の間隔を調整する。
本発明の実施の形態では、光源１のある側の調整レンズ２０５を平凸レンズで形成し、対象物１０のある側の調整レンズ２０６を平凹レンズ２０６で形成したので、調整レンズ２０５と調整レンズ２０６との間の間隔を広げるにつれて、ビームウエスト位置は光源側に近づく。
〔３〕 照射光学系３００
照射光学系３００は、図２から図４に示すように、折り返しミラー３０１、３０２及び照射レンズ３０３を備え、第１平面位置測定用照明光束１１４、第２平面位置測定用照明光束１１６、第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７の４本の光束を対象物１０上の２次元パターン１２上に一点に照射する。
【００２４】
このとき照射光学系３００は、上記補正光学系２００によって所定の補正がされた結果、第１平面位置測定用照明光束１１４、第２平面位置測定用照明光束１１６をいっしょに、対象物１０を含む平面の法線に対して入射角θ１で照射し、第１法線方向測定用照明光束１１５を入射角θ１とは異なる入射角θ２で照射し、第２法線方向測定用照明光束１１７をθ１及びθ２とは異なる入射角θ３で照射する。
照射レンズ３０３を含む照射光学系３００は、ビームウエスト位置調整用の調整レンズ２０５及び調整レンズ２０６が作用しない状態で、すなわち、調整レンズ２０５と調整レンズ２０６とが互いに接触した状態で、ビームウエスト位置がビームウエスト位置調整範囲の最遠点となるように設定されている。
【００２５】
ビームウエスト位置調整用の調整レンズ２０５と調整レンズ２０６との間の間隔を適当に定めることにより、対象物１０上に測定照明光束のビームウエストが来るように調整することができる。種々の調整が終了した時点で、光源１、周波数シフター１０８、１０９及び対象物１０はすべて共役関係を形成する。
対象物１０上の２次元回折パターン１２は市松格子より形成される。この市松格子はＸ方向及びＹ方向に、それぞれ等しいピッチｄを持つ。
対象物１０上の市松格子に入射した４本の測定用照明光束は、この市松格子により反射し、回折する。
今、第１平面位置測定用照明光束１１４のみに注目すると、入射角θと１次光回折光のＸ方向の回折角θｘ及びＹ方向の回折角θｙとの関係は次式で与えられる。
【００２６】
ｓｉｎθｘ＝±λ／ｄ （１）
ｓｉｎθｙ＝ｓｉｎθ±λ／ｄ （２）
（１）式及び（２）式を満たす第１平面位置測定用照明光束の正反射光（回折０次光）、回折１次光のマッピングを、図５及び図６に示す。（２次以上の高次に関しては省略してある。）
図５は対象物１０上の２次元パターン１２に第１平面位置測定用照明光束１１４が、２次元パターン１２の法線１２Ｔに対して角度θで入射した状態を示す。
図６は対象物１０上の２次元パターン１２に４本の測定用照明光束１１４〜１１７が入射した状態を示す。
図７及び図８に示すように、第１平面位置測定用照明光束１１４、第２平面位置測定用照明光束１１６、第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７は、対象物面法線を軸とし互いに僅かな角度＋α回転させた方向から入射されているので、それぞれの０次光、回折１次光は、他の測定用照明光束の０次光、回折１次光と重ならずに、分離して単独に取り出すことが可能である。
【００２７】
また入射角に関しては、図８に示すように、第１平面位置測定用照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光束１１６は入射角θ１で、第１法線方向測定用照明光束１１５は入射角θ２で、第２法線方向測定用照明光束１１７は入射角θ３で、それぞれ対象物１０上の２次元回折パターン１２に照射される。
図９は、第１平面位置測定用照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光束１１６の０次光及び回折１次光と第１法線方向測定用照明光束１１５及び第２法線方向測定用照明光束１１７の０次光のマッピングである。
本発明の実施の形態においては、図５、図６及び図９に示すように、回折光マッピングが反射回折となっているため、Ｘ軸の正方向は図中で左方向であり、Ｙ軸の正方向は図中で下方向であって、一般の座標系とは異なっている。
【００２８】
受光光学系４００は、図１０、図１１及び図１９に示すように、前記２次元パターン上の反射点から拡がる回折光を受光するように配置される。しかし、電子ビーム描画装置やステッパなどでは描画光学系や投影光学系などの装置の部材７１０がスペースの大半を占めており、受光光学系のためのスペースは限られることが多い。
従って、受光光学系全体の大きさを決める回折角が小さくでき、かつ受光部での各回折光の分岐、重ね合わせが容易になるよう互いに適度な間隔が保たれている配置が要求される。また、照射光学系側も受光光学系側と同様に、装置の部材によりそのスペースは限られている。
受光光学系側で０次光のＹ方向回折角は入射角と同じくθである。１次回折光のＹ方向回折角θｙについて（２）式を参照すると、複合のマイナスの式を満たすθｙはθよりも小さい値になる。つまり、−１次回折光は０次光に対し描画光学系や投影光学系など装置の部材側に現れるため、それらの部材により遮られる傾向がある。
【００２９】
この場合には、受光光学系側と照射光学系側での光束の通過位置は非対称となり、−１次光が装置本来の部材に遮られないように設定すると、入射側により入射角θを大きくとりデットゾーンを設けることとなる。
また、入射角θを大きくすると反射回折光の各偏光成分（Ｓ偏光、Ｐ偏光）の回折効率の差も大きくなり、受光部での重ね合わせ干渉性に影響を及ぼす。ところが（２）式の複合のプラスの式を満たすθｙはθよりも大きく、＋１次回折光は０次光に対し対象物側に現れる。
したがって０次光が部材に遮られていなければ、＋１次光も装置の部材７１０にさえぎられることは無い。よって＋１次光を用いれば入射角θは部材に遮られない範囲で最小の値にでき、偏光成分による回折効率の差を小さくできる。
【００３０】
（２）式の複合のプラスの式と（１）式を同時に満たす１次回折光は、Ｘ方向に＋１次、Ｙ方向に＋１次の回折光とＸ方向に−１次、Ｙ方向に＋１次の回折光である。これらは互いに隣り合う象限（（Ｘ、Ｙ）象限及び（−Ｘ、Ｙ）象限）に含まれており、これらの光線を用いることで受光側光学系の省スペース化にも貢献できる。
図１４は、位置合わせマークで回折された回折光のうち、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の測定に用いる回折光マッピングを示す。
ここで、ｆ１（０）は第１平面位置測定用照明光束１１４が位置合わせマークで回折されたあとの０次の回折光であり、ｆ２（０）は第２平面位置測定用照明光束１１６が位置合わせマークで回折されたあとの０次の回折光である。
【００３１】
ｆ１（Ｘ，Ｙ）は第１平面位置測定用照明光束１１４が位置合わせマークで回折されたあとのＸ方向が＋１次でＹ方向が＋１次の回折光である。
ｆ１（−Ｘ，Ｙ）は第１平面位置測定用照明光束１１４が位置合わせマークで回折されたあとのＸ方向が−１次でＹ方向が＋１次の回折光である。
ｆ２（Ｘ，Ｙ）は第２平面位置測定用照明光束１１６が位置合わせマークで回折されたあとのＸ方向が＋１次でＹ方向が＋１次の回折光である。
ｆ２（−Ｘ，Ｙ）は第２平面位置測定用照明光束１１６が位置合わせマークで回折されたあとのＸ方向が−１次でＹ方向が＋１次の回折光である。
ｆ１’（０）は第１法線方向測定用照明光束１１５が位置合わせマークで回折されたあとの０次の回折光である。
【００３２】
ｆ２’（０）は第２法線方向測定用照明光束１１７が位置合わせマークで回折されたあとの０次の回折光である。
受光光学系を小さくするためのもう一つの方法は、対物レンズ４１０の径を小さくすることである。レンズ径を小さくするためには、０次光と１次光の回折角の差を小さくすればよい。回折角の差を小さくする方法として、（１）式、（２）式より２次元回折パターンのピッチを大きくする、または光源波長λを小さくすることが挙げられる。
通常回折パターンのピッチは数μｍ〜数十μｍ程度である。このときλ＝６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光源を用いると、回折角を十分小さくすることができる。また対象物面上にはレジストが塗布されていることが多いが、この波長はレジストを感光しない程度に十分長い波長である。
【００３３】
さらに対物レンズ４０１の光軸と対象物の法線との成す角βを、第１照明光束の０次光と対象物の法線との成す角をθ、第１照明光束の＋１次回折光のＹ方向の回折角をθｙとして次式で与えられるようにする。
β＝（θ＋θｙ）／２
これは０次光と回折１次光の中間の角度で、この光軸を取ることにより対象物から遠い位置に配置しても、レンズ径を小さくできる。また対象物上の反射点から対物レンズまでの距離が長いほど各回折光の間隔が広くなり、受光部での各回折光の分岐、重ね合わせ干渉が容易になるという利点もある。
図１０は、投光光学系及び受光光学系の例で、波長λ＝６３３ｎｍ、第１平面位置測定用照明光束１１４及び第２平面位置測定用照明光束１１６の入射角θ＝７０°、回折格子ピッチｄ＝２０μｍ、照射レンズ３０３の焦点距離は１３３ｍｍ、受光側対物レンズの焦点距離は２２０ｍｍである。
【００３４】
照射レンズ３０３に入射する４本の照明光束は互いに平行で間隔が３ｍｍであるから、この間隔は受光側対物レンズ４０１を通過した後に約５ｍｍとなる。
また、１次光の回折角に関しては、（１）式及び（２）式を用いて、θｘ＝１．８°、θｙ＝７６．２５°となる。受光側対物レンズ４０１の光軸の角度βは７３°で、このときレンズ径はφ４０ｍｍとなり、４本の照明光束を部材７１０に衝突することなく透過させることができる。
受光側対物レンズ４０１は、対象物１０上の反射点から１焦点距離分の位置に配置され、対象物１０上の反射点から拡がる多数の反射回折光を互いに平行にする役割を担う。受光側対物レンズ４０１により互いに平行にされた各回折光は、折り返しミラー４０２、４０３により受光部に導かれ、さらに折り返しミラー４０４、４０５により、０次光及び１次光は同一平面内に納められる。
【００３５】
次に、受光部５００の構成の詳細を図１２に示す。受光部は前記受光光学系４００で受光した回折光の内で、隣り合う象限、ここでは（＋Ｘ、＋Ｙ）象限及び（−Ｘ、＋Ｙ）象限に含まれる第１平面位置測定用照明光束１１４と第２平面位置測定用照明光束１１６の前記２次元パターンによる高次回折光と０次光の組み合わせ及び高次回折光同士の組合せのいずれか一つの異なる周波数の回折光の組み合わせから、対象物を含む平面内での位置測定用干渉測定信号を形成する。
対象物を含む平面内のＸ方向の位置測定用干渉測定信号は、第１平面位置測定用照明光束１１４の前記２次元パターンによる回折光の内で、Ｘ方向に−１次、Ｙ方向に＋１次の回折光５１２と、第２平面位置測定用照明光束１１６の前記２次元パターンによる回折光の内、Ｘ方向に＋１次、Ｙ方向に＋１次の回折光５１４をビームスプリッター５３０で重ね合わせて形成する。Ｘ位置測定用干渉信号をフォトセンサ５５０で受光する。
【００３６】
対象物を含む平面内のＹ方向の位置測定用干渉測定信号は、第１平面位置測定用照明光束１１４の前記２次元パターンによる回折光の内で、Ｘ方向に＋１次、Ｙ方向に＋１次の回折光５１１と、ビームスプリッター５３１で第２平面位置測定用照明光束１１６の０次光５１３から分岐された光線を、ビームスプリッター５３２で重ね合わせ形成する。Ｙ位置測定用干渉測定信号はフォトセンサ５５１で受光する。
対象物を含む平面の法線方向、即ちＺ方向を照射角度θ２で照射した際に得られる第１Ｚ方向位置測定用干渉測定信号は、第２平面位置測定用照明光束１１６の０次光５１３からビームスプリッター５３３で分岐された光線と、第１法線方向測定用照明光束１１５の０次光５１７をビームスプリッター５３４で重ね合わせ形成する。Ｚ位置測定用干渉信号はフォトセンサ５５２で受光する。
【００３７】
対象物を含む平面の法線方向、即ちＺ方向を照射角度θ３で照射した際に得られる第２Ｚ方向位置測定用干渉測定信号は、第１平面位置測定用照明光束１１６の０次光５１０からビームスプリッター５３５で分岐された光線と、第２法線方向測定用照明光束１１５の０次光５１６をビームスプリッター５３６で重ね合わせて形成する。Ｚ位置測定用干渉信号はフォトセンサ５５３で受光する。
受光部ではさらに、第１平面位置測定用照明光束１１４の０次光５１０と第２平面位置測定用照明光束の０次光５１３をミラー５３７を介してビームスプリッター５３８で重ね合わせて、Ｘ位置測定用干渉基準信号兼Ｚ位置測定用基準信号を形成する。Ｘ位置測定用干渉基準信号兼Ｚ位置測定用干渉基準信号は、フォトセンサ５５４で受光する。
【００３８】
また、第１平面位置測定用照明光束１１４の０次光５１０からビームスプリッター５３９で分岐された光線と、第２平面位置測定用照明光束１１６の２次元パターンによる回折光の内で、Ｘ方向に−１次、Ｙ方向に＋１次の回折光５１５をビームスプリッター５４０で重ね合わせ、Ｙ位置測定用干渉基準信号を形成する。Ｙ位置測定用干渉基準信はフォトセンサ５５５で受光する。
各干渉測定信号及び干渉基準信号は僅かに異なる周波数のを持つ二つの光線の重ね合わせ干渉、即ちヘテロダイン干渉によるうなり（ビート信号）である。第１平面位置測定用照明光束及び第１法線方向測定用照明光束（両者を以下「第１測定光束」という）の周波数をｆ１、第２平面位置測定用照明光束及び第２法線方向測定用照明光束の周波数（両者を以下「第２測定光束」という）をｆ２とする。
【００３９】
各光束の２次元回折パターンによる多数の回折光の内、ある回折光の複素振幅を、それぞれ、
ａ１＝Ａ１＊ｅｘｐ［−ｉ（２πｆ１ｔ＋φ１）］
ａ２＝Ａ２＊ｅｘｐ［−ｉ（２πｆ２ｔ＋φ２）］
で表すとする。ただしφ１は第１照明光束の初期位相、φ２は第２照明光束の初期位相、ｔは時間である。
これらの光線を重ね合わせた強度信号は、
Ｉ ＝Ａ１＊Ａ１＋Ａ２＊Ａ２＋２Ａ１＊Ａ２＊ｃｏｓ［２πΔｆｔ＋（φ１−φ２）］
となる。ただしΔｆ＝ｆ１−ｆ２である。
【００４０】
これは周波数がΔｆのビート信号で、その位相成分は、
φ１−φ２ （３）
である。
第１照明光束または第２照明光束の対象物上の２次元パターンによる多数の高次回折光の内、Ｘ方向に＋１次、Ｙ方向に＋１次の回折光に注目する。２次元回折パターンを含む対象物がＸ方向にΔＸ、Ｙ方向にΔＹ変位したときこの回折光の位相は、第１照明光束及び第２照明光束のいずれの場合においても、
２π（ΔＸ＋ΔＹ）／ｄ＝φｘ＋φｙ
だけ変化する。ここでｄは２次元回折パターンのピッチである。また対象物のＺ方向の移動に対しても位相は変化するので、その値をφｚとする。
【００４１】
したがって、対象物がＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に変化したときの、この回折光の位相変化量は、
φｘ＋φｙ＋φｚ （４）
である。
Ｘ方向に−１次、Ｙ方向に＋１次の回折光の場合はφｘの符号が変わり、対象物のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の変位に対する位相変化量は、
−φｘ＋φｙ＋φｚ （５）
となる。
０次光は対象物のＸ方向、Ｙ方向の変位に対しては位相は変化せず、Ｚ方向の変位に対してのみ位相変化する。ただし、第１照明光束及び第２照明光束のうち法線方向測定用照明光束は、入射角の違いから対象物のＺ方向の変位ΔＺ対しての位相変化量が異なる。
【００４２】
対象物のＺ方向の変位に対する第１照明光束の位相変化量φｚ及び対象物のＺ方向の変位に対する第２照明光束の位相変化量φｚ’は、
φｚ ＝４πΔＺ／λ＊ｃｏｓθ１ （６）
φｚ’＝４πΔＺ／λ＊ｃｏｓθ２ （７）
で与えられる。
Ｘ位置測定用干渉測定信号の位相成分は、（３）式のφ１に（４）式を代入し、φ２に（５）式を代入して、
（φｘ＋φｙ＋φｚ）−（−φｘ＋φｙ＋φｚ）＝２φｘ （８）
となる。
Ｘ位置測定用干渉基準信号の位相成分は、（３）式のφ１、φ２に（６）式を代入して、
φｚ−φｚ＝０ （９）
となる。
【００４３】
したがって、Ｘ位置測定用干渉測定信号の（８）式とＸ位置測定用干渉基準信号の（９）式はＹ方向の位置情報を等しく含み（この場合０）、（８）式と（９）式の差をとれば２φｘとして、対象物を含む平面内のＸ方向の位置情報が得られる。
Ｙ位置測定用干渉測定信号の位相成分は、（４）式及び（６）式より、
（φｘ＋φｙ＋φｚ）−φｚ＝φｘ＋φｙ （１０）
である。
Ｙ位置測定用干渉基準信号の位相成分は、（５）式及び（６）式より、
φｚ−（−φｘ＋φｙ＋φｚ） ＝φｘ−φｙ （１１）
である。
【００４４】
したがって、Ｙ位置測定用干渉測定信号の（９）式とＹ位置測定用干渉基準信号の（１０）式は、Ｘ方向の位置情報を等しく含み、（９）式と（１０）式の差をとれば２φｙとして、対象物を含む平面内のＹ方向の位置情報が得られる。
また、第１Ｚ位置測定用干渉測定信号の位相成分は、（６）式及び（７）式より、
φｚ’−φｚ＝４π（ｃｏｓθ２−ｃｏｓθ１）／λ＊ΔＺ （１２）
となり、また、第２Ｚ位置測定用干渉測定信号の位相成分は、（６）式及び（７）式より、
φｚ’−φｚ＝４π（ｃｏｓθ３−ｃｏｓθ１）／λ＊ΔＺ （１３）
となり、これはΔＺに比例した値である。
【００４５】
Ｚ位置測定用干渉基準信号（兼Ｘ位置測定用干渉基準信号）の位相成分は、式（９）より０である。
したがって、 （１２）式と （９）式の差をとれば、Ｚ方向 （対象物を含む平面の法線方向）の位置情報がそのまま （１２）式として得られる。
第１Ｚ位置測定用干渉信号とＺ位置測定用干渉基準信号との位相差Φｚ１（ΔＺ）及び第２Ｚ位置測定用干渉信号とＺ位置測定用干渉基準信号との位相差Φｚ２（ΔＺ）は、（１２）式及び（１３）式より、それぞれ、
Φｚ１（ΔＺ）＝４π（ｃｏｓθ１−ｃｏｓθ２）／λ＊ΔＺ
Φｚ２（ΔＺ）＝４π（ｃｏｓθ１−ｃｏｓθ３）／λ＊ΔＺ
で与えられる。ここでは、Ｚ位置測定用干渉基準信号からＺ位置測定用干渉信号を引くこととする（つまり括弧の中の符号が反転する）。
【００４６】
いま、第１Ｚ位置測定用干渉信号の検出ストロークをＺ１、第２Ｚ位置測定用干渉信号の検出ストロークをＺ２とする（Ｚ１＞Ｚ２）。
ΔＺ＝Ｚ１で、Φｚ１（ΔＺ）＝２π、
ΔＺ＝Ｚ２で、Φｚ２（ΔＺ）＝２π
となるから、
Φｚ１（ΔＺ）＝２π／Ｚ１＊ΔＺ （ａ）
Φｚ２（ΔＺ）＝２π／Ｚ２＊ΔＺ （ｂ）
と表せられる。図１３の左側の波形中、実線は（ａ）式の信号を示し、点線は（ｂ）式の信号を示している。
Φｚ２（ΔＺ）とΦｚ１（ΔＺ）の差、つまり（ｂ）式と（ａ）式の差をとると、
【００４７】
（ａ）式、（ｂ）式と（ｃ）式の形を見比べると、（ｃ）式は検出ストロークがＺ１＊Ｚ２／（Ｚ１−Ｚ２）のＺ位置測定用干渉信号を表していると考えることができる。この（ｃ）式の信号は、図１３右側の波形として示してある。
式よりθ２＝７０．３９°、θ３＝７０．４８°とすれば、Ｚ１＝ ５０μｍ、Ｚ２＝４０μｍとなる。これらを（ｃ）式に代入すると、
ΔΦ（ΔＺ）＝２π／２００μｍ＊ΔＺ
となる。したがってストロークが２００μｍのＺ位置測定用干渉信号が得られる。このときサンプル数は、ストロークが５０μｍで分解能が２５ｎｍのときの２０００に等しい。つまり、分解能が２５ｎｍ、サンプル数２０００のまま検出ストローク、すなわち検出可能な範囲を２００μｍに拡大することができる。
【００４８】
いま、各方向の位置測定用干渉基準信号を便宜上、Ｘ方向が式（９）式、Ｙ方向が（１１）式、Ｚ方向が（９）式としたが、これをＸ方向が（８）式、Ｙ方向が（１０）式、Ｚ方向が（１２）式としても符号が反転するだけで、各方向の位置情報を得ることができる。
（１３）式より、所望のＺ検出ストロークを得るための第１法線方向測定照明光束の入射角θ２が求まる。
例えば、（１２）式において５０μｍの検出ストロークが得たい場合、左辺に２π、右辺のΔＺに５０μｍを代入する。
ただし、θ２の値はθ１よりも大きく、つまり、第１照明光束よりも対象物側にとりたいので、第２Ｚ位置測定用干渉基準信号から第１Ｚ位置測定用干渉基準信号を引くと、
２π＝４π（ｃｏｓ７０°−ｃｏｓθ２）／６３３ｎｍ×５０μｍ
これより、θ２＝７０．３９°を得る。
【００４９】
信号処理部６００は、位置測定用干渉測定信号の位相に基づき対象物を含む平面内及び対象物を含む平面の法線方向の位置を求める。Ｘ方向の位置測定用干渉測定信号はフォトセンサ５５０で受光し、Ｘ位置測定用干渉基準信号はフォトセンサ５５４で受光する。フォトセンサ５５０とフォトセンサ５５４で受光した信号の位相差を位相計６１０で測定する。
Ｙ位置測定用干渉測定信号はフォトセンサ５５１で受光し、Ｙ位置測定用干渉基準信号はフォトセンサ５５５で受光する。フォトセンサ５５１とフォトセンサ５５５で受光した信号との位相差を位相計６１１で測定する。
第１Ｚ方向位置測定用干渉測定信号は、フォトセンサ５５２で受光し、Ｚ位置測定用基準信号はフォトセンサ５５４で受光する。
【００５０】
フォトセンサ５５２で受光した信号とフォトセンサ５５４で受光した信号との位相差を位相計６１２で測定する。
第２Ｚ方向位置測定用信号は、フォトセンサ５５３で受光し、Ｚ方向位置測定用基準信号はフォトセンサ５５４で受光する。
フォトセンサ５５３で受光した信号とフォトセンサ５５４で受光した信号との位相差を位相計６１３で測定する。
演算処理部６２０は、位相計６１０の位相差に基づき対象物を含む平面内のＸ方向の位置を求め、位相計６１１の位相差に基づき対象物を含む平面内のＹ方向の位置を求め、そして、位相計６１２及び６１３の位相差に基づき対象物を含む平面内のＺ方向の位置を求める。演算処理部６２０で、対象物のＸＹＺ変位に対し、各方向の変位成分を独立に測定することが可能となり、これにより、対象物の位置合わせを初めとする種々の制御を行うことができる。
〔４〕 本発明の位置測定装置の適用
本発明の位置測定装置は、例えば、電子線描画装置のような荷電粒子線装置、及び、半導体露光装置などの対象物の位置合わせを正確に行うことを必要とする装置に適用することができる。
【００５１】
ここで、電子線描画装置を一例にとって説明する。図１５を参照すると、電子線描画装置は、電子線を発生する電子銃、電子ビームの向きを変更するＸ方向走査電極及びＹ方向走査電極などを内蔵した電子光学系７３０と、使用の際において真空状態とされるチャンバー内に配置される描画対象物７３２を載置可能とし、その水平面内のＸ、Ｙ方向及び法線方向であるＺ方向に移動可能とするステージ７３４とを備える。
そして、本発明の位置測定装置の照明光学系１００、補正光学系２００及び照射光学系３００を含む照明側光学筐体７４０と、受光光学系４００を含む受光側光学筐体７４２をステージ７３４の両側に配置する。照明側光学筐体７４０及び受光側光学筐体７４２は、電子光学系７３０等の電子線描画装置の各構成部品の取付け位置及びそれらの最大作動範囲をさけるように配置されている。そして、照明側光学筐体７４０から照射して受光側光学筐体７４２に入射される光束が、電子光学系７３０等の電子線描画装置の各構成部品の取付け位置及びそれらの最大作動範囲をさけて透過することができるように、照明側光学筐体７４０及び受光側光学筐体７４２は配置されている。
【００５２】
電子線描画装置は、制御回路からの種々の信号に応じて、電子光学系及びステージが所定の動作を行い描画対象物となるマスクやウエハなどに所定のパターンを電子線によって形成するものである。
具体的には、本発明の位置測定装置を適用した電子線描画装置により、エンコーダのパターン、位相シフトマスク等の半導体製造用マスクを加工することができる。
また、本発明の位置測定装置を適用した半導体露光装置により、半導体ウェハ、半導体製造用マスクを加工することができる。
【００５３】
【発明の効果】
（１）本発明によれば、照明光学系から受け取った複数の測定用照明光束を、平行移動させるための光束シフト部及び複数の測定用照明光束のビームウエスト位置を変更するビームウエスト位置変更部を配置した補正光学系を設けることにより、複数の測定用照明光束を位置合わせ用パターンに適切に照射し、かつそのビームウエスト位置が測定用パターン位置と一致する様な条件で照射するように測定照明光束を調整することができる。
（２）本発明により、小型で高性能な位置測定装置を適用した半導体露光装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置測定装置の実施の形態の光学系を示す概略図である。
【図２】本発明の位置測定装置の実施の形態の調整光学系及び照射光学系を示す斜視図である。
【図３】本発明の位置測定装置の実施の形態の調整光学系及び照射光学系を示す平面図である。
【図４】本発明の位置測定装置の実施の形態の調整光学系及び照射光学系を示す側面図である。
【図５】本発明の位置測定装置の実施の形態における対象物上の２次元回折パターンによる第１平面位置測定用照明光束の回折光マッピングである。
【図６】本発明の位置測定装置の実施の形態における対象物上の２次元回折パターンに測定用照明光束が入射した状態を示す斜視図である。
【図７】本発明の位置測定装置の実施の形態における対象物上の２次元回折パターンに測定用照明光束が入射した状態を示す平面図である。
【図８】本発明の位置測定装置の実施の形態における対象物上の２次元回折パターンに測定用照明光束が入射した状態を示す側面図である。
【図９】本発明の位置測定装置の実施の形態における対象物上の２次元回折パターンによる平面位置測定用照明光束と法線方向測定用照明光束の回折光マッピングである。
【図１０】本発明の位置測定装置の実施の形態における平面位置測定用照明光束と法線方向測定用照明光束及びその回折光との装置部材との位置関係を示す側面図である。
【図１１】本発明の位置測定装置の実施の形態における平面位置測定用照明光束と法線方向測定用照明光束及びその回折光との装置部材との位置関係を示す平面図である。
【図１２】本発明の位置測定装置の実施の形態の受光光学系の構成を示す概略ブロック線図である。
【図１３】本発明の位置測定装置の実施の形態の信号波形図である。
【図１４】本発明の位置測定装置の実施の形態における位置合わせマークで回折された回折光のうち、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の測定に用いる回折光マッピングである。
【図１５】本発明の位置測定装置を適用した電子線描画装置の実施の形態の概略部分断面図である。
【図１６】本発明の位置測定装置の実施の形態の図１の照明光学系の部分の部分拡大図である。
【図１７】本発明の位置測定装置の実施の形態の図１の対象物の部分の部分拡大図である。
【図１８】本発明の位置測定装置の実施の形態の図１の受光光学系の部分の部分拡大図である。
【図１９】本発明の位置測定装置の実施の形態の図１１の対象物の部分の部分拡大図である。
【符号の説明】
１ 光源
１０ 対象物
１２ ２次元回折パターン
１００ 照明光学系
１０２ リレーレンズ
１０３ ビームスプリッター
１０４ 第１照明光束
１０５ 第２照明光束
１０６、１０７ リレーレンズ
１０８ 第１周波数シフター
１０９ 第２周波数シフター
１１０ 第１測定用照明光束
１１１ 第２測定用照明光束
１１２、１１３ ビームスプリッター
１１４ 第１平面位置測定用照明光束
１１５ 第１法線方向測定用照明光束
１１６ 第２平面位置測定用照明光束
１１７ 第２法線方向測定用照明光束
２００ 補正光学系
２０１、２０２ 平行平面板
２０３、２０４ ウエッジプリズム
２０５、２０６ フォーカスレンズ
３００ 照射光学系
３０１、３０２ 折り返しミラー
３０３ 照射レンズ
４００ 受光光学系
４０１ 受光側対物レンズ
４０２〜４０５ 折り返しミラー
５００ 受光部
５１２ 第１平面位置測定用照明光束の（−１、＋１）次回折光
５１４ 第２平面位置測定用照明光束の（＋１、＋１）次回折光
５１５ 第２平面位置測定用照明光束の（−１、＋１）次回折光
５１１ 第１平面位置測定用照明光束の（＋１、＋１）次回折光
５１０ 第１平面位置測定用照明光束の０次光
５１３ 第２平面位置測定用照明光束の０次光
５１７ 第１法線方向測定用照明光束の０次光
５１６ 第２法線方向測定用照明光束の０次光
５５０〜５５５ フォトセンサ
６００ 信号処理部
６１０ 位相計（Ｘ）
６１１ 位相計（Ｙ）
６１２ 位相計（Ｚ１）
６１３ 位相計（Ｚ２）
６２０ 演算処理部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a position measuring device used for the purpose of controlling the position of an object in a processing machine for processing the surface of an object to be processed or a measuring machine for measuring the surface state of the object to be measured.
Further, the present invention relates to an electron beam lithography apparatus to which the position measurement device is applied.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor exposure apparatus, a desired circuit pattern on an original pattern (reticle or mask) created in advance has been transferred to an exposure area on a wafer after being positioned. This transfer device is a high-precision reduction exposure projection device, and the wafer side is fixed to a high-precision XY stage so that the entire surface of the wafer to be transferred can be exposed. A posting and transferring apparatus for performing step & repeat on the wafer optical system is called a stepper.
With the recent increase in the degree of integration of LSIs, the circuit line width required for semiconductor devices has become increasingly smaller. Conventionally, the reduction ratio of a stepper is 1/5, but it has been said that a pattern of 1 μm or less cannot be resolved due to the wavelength limit so far. However, improvements in optical systems and illumination systems, and the emergence of phase shift masks and the like for adjusting the phase of light on a reticle have resulted in the resolution of sub-μm-order patterns. With the improvement in resolution, the depth of focus of the reduction lens has become shallower, and the accuracy of transferring an original image pattern created in advance onto a wafer has been required to have a stricter value. Therefore, it is required that the alignment optical system of the stepper detect the position of the sample in the sample surface direction and the focus direction with high accuracy.
[0003]
The phase shift mask reduces the phase of light passing through the exposure light transmitting portion on the original pattern, that is, the optical path length of the transmitting portion, by etching the thickness of the substrate, or adding a material having a different refractive index. It is changed by the method described above. Therefore, when manufacturing a phase shift mask, a method in which a substrate of a specific light transmitting portion is dug in the thickness direction and the optical path length is selectively changed, or a resist is applied again to a substrate on which a pattern has been drawn in advance. Then, a method of adding a material for partially changing the phase of the light transmitting portion and then etching the unnecessary portion is adopted. In any case, it is necessary to expose the resist at a predetermined position with high precision using the pattern drawing apparatus.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Prior to the detection of the alignment mark on the mask, the position of the exposure beam is measured and calibrated using a mark or the like provided on the stage. Since the position of the stage is monitored with high precision by the laser interferometer, the position and displacement of the beam can be measured with reference to the coordinate system of the laser interferometer.
However, in the electron beam exposure apparatus, if dirt adheres to the inside of the lens barrel, the electron beam drifts due to charge-up, and the measured value fluctuates. Since the measurement of the mark position on the mask is an indirect measurement through the mark on the stage, if the measurement value fluctuates, the cause may be beam drift or the mark itself is displaced. There was a problem that it was not possible to distinguish whether it was due to a reason.
[0005]
As a means for accurately measuring the mark position without being affected by drift in an electron beam writing apparatus or a stepper, a method using a device provided with a measurement optical system using laser light can be considered.
However, electron beam lithography systems and steppers require high-precision measurement. Therefore, in the type that irradiates a plurality of laser beams onto a predetermined diffraction pattern and obtains positional information from the diffracted beams, each laser beam is used. It is necessary to make adjustments such as strictly matching the positions where the light is irradiated.
In particular, when employed in an electron beam lithography apparatus, the object is placed in a chamber that is evacuated to a reduced pressure, while the light source unit and the like are placed outside the chamber. For this reason, even if the chamber satisfies the predetermined irradiation conditions when the chamber is at atmospheric pressure, the predetermined irradiation conditions often collapse when the chamber that actually needs to be measured is reduced to a vacuum.
[0006]
Further, when performing not only a plane parallel to the object but also a position measurement in a normal direction thereof, it is necessary to irradiate at least three laser beams under predetermined conditions.
Thus, it has been desired to provide an apparatus that adjusts a plurality of measurement light beams so that the alignment pattern can be irradiated under predetermined conditions.
[0007]
[Object of the invention]
Therefore, an object of the present invention is to
(1) Provided is a position measuring device having an adjustment optical system that adjusts a plurality of light beams required for position measurement to irradiate them under predetermined conditions when irradiating the object surface under predetermined conditions. It is in.
(2) Position adjustment is performed in the plane direction so as to irradiate a predetermined position measurement pattern with a plurality of laser beams, and adjustment is performed so that the beam waist position coincides with the position measurement pattern. It is an object of the present invention to provide a position measuring device which can perform the position measurement.
(3) An object of the present invention is to provide a small and high-accuracy electron beam lithography system including a position measurement device capable of accurately measuring the position of an object.
[0008]
[Means to solve the problem]
The present invention has a light beam splitting unit that separates a light beam from a light source unit that emits a coherent light beam into a plurality of measurement illumination light beams, and a first measurement illumination light beam and a second measurement light beam that are irradiated at a first incident angle. An illumination optical system that forms an illumination light beam and a third measurement illumination light beam emitted at a second incident angle different from the first incident angle, and makes the plurality of measurement illumination light beams parallel;
A light beam shifting unit for parallelly moving the plurality of measurement illumination light beams in a portion having a portion for making the plurality of measurement illumination light beams received from the illumination optical system parallel; And a beam waist position changing unit for changing a beam waist position of the plurality of measurement illumination light beams, and the correction optics receiving the first measurement illumination light beam, the second measurement illumination light beam, and the third measurement illumination light beam. The system arranges the first measurement illumination light beam and the second measurement illumination light beam with the optical axis interposed therebetween, arranges the third measurement illumination light beam at a peripheral position more than these, and uses the correction optical system. A parallel plane plate having a rotation axis in a direction orthogonal to the optical axis is arranged in the optical path of the third measurement illumination light beam so as to change an incident angle at which the third measurement illumination light beam irradiates the two-dimensional pattern. Correction optics And,
An irradiation optical system that irradiates the plurality of measurement illumination light beams to a positioning pattern provided on an object whose position is to be measured,
A light receiving optical system that receives diffracted light from the alignment pattern irradiated with the plurality of measurement illumination light beams by the irradiation optical system,
A light receiving unit that receives the diffracted light received by the light receiving optical system and forms a measurement interference signal;
A signal processing unit for measuring the position of the object based on the phase of the measurement interference signal.
[0009]
According to the present invention, the light beam shift unit includes at least a pair of prisms provided so as to be rotatable about the optical axis with each other, and adjusts a moving distance of an irradiation position by changing a crossing angle of the prisms. It is characterized in that the moving direction of the irradiation position of the measurement illumination light beam is adjusted by changing the direction of the bisector of the crossing angle of the prism.
With such a configuration, a small and highly accurate position measuring device can be realized.
[0010]
In the present invention, the beam waist position changing section may include at least a convex lens and a concave lens, and change a beam waist position of the plurality of measurement illumination light beams by changing an interval between the convex lens and the concave lens. It is characterized by comprising.
With such a configuration, a small and highly accurate position measuring device can be realized.
[0011]
In the present invention, the illumination optical system may further include a first measurement illumination light beam having a first frequency from the coherent light beam emitted by the light source unit, and a second measurement illumination light beam having a second frequency different from the first frequency. And a frequency shifter that forms the first measurement illumination light flux to form a first plane position measurement light flux and a first normal direction measurement illumination light flux, and a second measurement illumination light flux to separate the first measurement illumination light flux. A light beam separating unit that forms a two-plane position measurement light beam and a second normal direction measurement illumination light beam, wherein the irradiation optical system irradiates a two-dimensional pattern as a positioning pattern;
The light-receiving optical system may be configured to diffract one of a combination of a higher-order diffracted light and a zero-order diffracted light and a combination of the higher-order diffracted lights based on the two-dimensional pattern of the first measurement illumination light flux and the second measurement illumination light flux. The light receiving unit is configured to receive a combination of light, a combination of a high-order diffracted light and a zero-order diffracted light by the two-dimensional pattern of the first measurement illumination light flux and the second measurement illumination light flux, and a combination of the high-order diffracted lights. A plane position measurement interference signal for performing position measurement in a plane provided with a two-dimensional pattern of the object is formed from a combination of diffracted lights having different frequencies of any one of the above, and the first measurement illumination light beam or the second measurement light beam is used. A normal-direction position measuring interference signal for measuring the position of the object in the normal direction from a combination of the 0th-order diffracted light of the measuring illumination light beam and the 0th-order diffracted light of the third measuring illumination light beam. It is configured to form a
The signal processing unit performs position measurement in the plane direction of the object based on the phase of the plane position measurement interference signal, and performs position measurement in the normal direction of the object based on the phase of the normal direction measurement interference signal. It is characterized by having such a configuration.
With such a configuration, a small and highly accurate position measuring device can be realized.
[0012]
The present invention also provides, in an electron beam lithography apparatus, the position measurement apparatus of the present invention described above, which is arranged so as to avoid mounting positions of components of the electron beam lithography apparatus and their maximum operating ranges. An illumination-side optical member for irradiating a position measurement light beam for measuring the position of the object, and a light-receiving side optical member for receiving the reflected diffraction light from the object and measuring the position of the object. The illumination so that the light beam emitted from the illumination-side optical member and incident on the light-receiving side optical member can pass through the mounting positions of the components of the electron beam lithography apparatus and their maximum operating ranges. This is a configuration in which a side optical member and a light receiving side optical member are arranged in an electron beam drawing apparatus.
[0013]
With this configuration, the position of the object to be processed can be accurately measured, and the object to be processed can be processed with extremely high accuracy by the electron beam drawing apparatus.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the position measuring device of the present invention includes an illumination
[1] Illumination
Referring to FIG. 1 and FIGS. 16 to 18, which are partially enlarged views of FIG. 1, the
[0015]
The first
It is preferable to use an acousto-optic element (AOM) as the frequency shifter. The modulation frequency of the first measurement
[0016]
The
The
The first plane position measurement
However, the first normal direction measurement
[0017]
Here, in the illumination
[2] Adjustment
As shown in FIGS. 2 to 4, the adjustment
[0018]
The irradiation angles of the first normal direction measurement
The four measurement illumination light beams 114 to 117 are narrowed in their optical paths by two mirrors (not shown), and are incident on a pair of
[0019]
Adjustment of the plane positions of the four measurement illumination light beams 114 to 117 is performed by adjusting the intersection angle of the
The distance from the position before the adjustment is determined by adjusting the intersection angle between the
The four measurement illumination light beams 114 to 117 are incident on the
[0020]
The
In the embodiment of the present invention, the
Therefore, when the distance between the
However, it is also possible to form the
[0021]
As described above, the first plane position measurement
[2-1] Manual adjustment
A method for adjusting the beam of the adjustment
In the initial state, the
[0022]
In the adjustment method giving priority to this position, the irradiation position of the beam in the initial state is moved to the
More specifically, since the moving direction of the beam coincides with the direction of the bisector of the intersection angle of the
Next, the moving distance of the beam increases as the crossing angle of the
[0023]
After the beam positions of the four measurement illumination light beams 114 to 117 are adjusted to be on the two-
In the embodiment of the present invention, the
[3] Irradiation
The irradiation
[0024]
At this time, the irradiation
The irradiation
[0025]
By appropriately setting the distance between the
The two-
The four measurement illumination light beams incident on the checkered grating on the
Now, focusing only on the first plane position measurement
[0026]
sin θx = ± λ / d (1)
sin θy = sin θ ± λ / d (2)
FIGS. 5 and 6 show mapping of specularly reflected light (zero-order diffracted light) and first-order diffracted light of the illumination light flux for the first plane position measurement satisfying the expressions (1) and (2). (Higher orders of second and higher are omitted.)
FIG. 5 shows a state in which the first plane position measurement
FIG. 6 shows a state in which four measurement illumination light beams 114 to 117 are incident on the two-
As shown in FIGS. 7 and 8, a first plane position measurement
[0027]
As for the incident angle, as shown in FIG. 8, the first plane position measurement
FIG. 9 shows the 0th-order light and the 1st-order diffracted light of the first plane position measurement
In the embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 5, 6, and 9, since the diffracted light mapping is the reflection diffraction, the positive direction of the X axis is the left direction in the figure, and the Y axis is the Y axis. Is a downward direction in the figure, which is different from a general coordinate system.
[0028]
As shown in FIGS. 10, 11, and 19, the light receiving
Therefore, an arrangement is required in which the diffraction angle that determines the size of the entire light receiving optical system can be reduced, and an appropriate interval is maintained between the light receiving sections so that the diffracted light beams can be easily branched and superimposed on each other. Also, the space on the irradiation optical system side is limited due to the members of the device, similarly to the light receiving optical system side.
On the light receiving optical system side, the diffraction angle of the zero-order light in the Y direction is θ as in the incident angle. Referring to the expression (2) for the diffraction angle θy in the Y direction of the first-order diffracted light, θy that satisfies the compound negative expression is a value smaller than θ. That is, since the -1st-order diffracted light appears on the member side of the apparatus such as the drawing optical system and the projection optical system with respect to the 0th-order light, it tends to be blocked by these members.
[0029]
In this case, the passing position of the light beam on the light receiving optical system side and the irradiation optical system side is asymmetric, and if the −1st-order light is set so as not to be blocked by the original members of the device, the incident angle θ is increased by the incident side. A dead zone will be provided.
When the incident angle θ is increased, the difference between the diffraction efficiencies of the polarization components (S-polarized light and P-polarized light) of the reflected diffracted light also increases, which affects the superposition interference at the light receiving unit. However, θy that satisfies the complex plus expression of Expression (2) is larger than θ, and the + 1st-order diffracted light appears on the object side with respect to the 0th-order light.
Therefore, if the 0th-order light is not blocked by the member, the + 1st-order light will not be blocked by the
[0030]
The first-order diffracted light that simultaneously satisfies the combined positive expression of Expression (2) and Expression (1) is a + 1st-order diffracted light in the X direction, a + 1st-order diffraction light in the Y direction, a −1st-order in the X direction, and a + 1st-order in the Y direction. Is the diffracted light. These are included in quadrants adjacent to each other ((X, Y) quadrant and (-X, Y) quadrant), and use of these light rays can contribute to space saving of the light receiving side optical system.
FIG. 14 shows a diffracted light mapping used for measurement in the X, Y, and Z directions of the diffracted light diffracted by the alignment mark.
Here, f1 (0) is the 0th-order diffracted light after the first plane position measurement
[0031]
f1 (X, Y) is a + 1st-order diffracted light in the X direction and a + 1st-order in the Y direction after the first plane position measurement
f1 (−X, Y) is a first-order diffracted light in the X direction and a + 1st order in the Y direction after the first plane position measurement
f2 (X, Y) is a + 1st order diffracted light in the X direction and a + 1st order in the Y direction after the second plane position measuring
f2 (−X, Y) is a first-order diffracted light in the X direction and a + 1st order in the Y direction after the second plane position measuring
f1 ′ (0) is the 0th-order diffracted light after the first normal direction measurement illumination
[0032]
f2 ′ (0) is the zero-order diffracted light after the second normal direction measurement
Another method for reducing the size of the light receiving optical system is to reduce the diameter of the objective lens 410. In order to reduce the lens diameter, the difference between the diffraction angles of the zero-order light and the first-order light may be reduced. As a method of reducing the difference between the diffraction angles, there is a method of increasing the pitch of the two-dimensional diffraction pattern or reducing the light source wavelength λ according to the expressions (1) and (2).
Usually, the pitch of the diffraction pattern is about several μm to several tens μm. At this time, if a He-Ne laser light source with λ = 633 nm is used, the diffraction angle can be made sufficiently small. In addition, a resist is often applied on the surface of the object, but this wavelength is long enough not to expose the resist.
[0033]
Further, the angle β between the optical axis of the
β = (θ + θy) / 2
This is an intermediate angle between the 0th-order light and the 1st-order diffracted light. By taking this optical axis, the lens diameter can be reduced even if it is located far from the object. Further, as the distance from the reflection point on the object to the objective lens becomes longer, the interval between the respective diffracted lights becomes wider, and there is also an advantage that branching of the diffracted lights at the light receiving section and superposition interference become easier.
FIG. 10 shows an example of a light projecting optical system and a light receiving optical system. The wavelength λ is 633 nm, the incident angle θ of the first plane position measurement
[0034]
Since the four illumination light beams incident on the
The diffraction angles of the first-order light are expressed as θx = 1.8 ° and θy = 76.25 ° using Expressions (1) and (2). The angle β of the optical axis of the light receiving side
The light receiving side
[0035]
Next, details of the configuration of the
The interference measurement signal for position measurement in the X direction in the plane including the target object is −1 order in the X direction and +1 in the Y direction among the diffracted light of the first plane position measurement
[0036]
The interference measurement signal for position measurement in the Y direction in the plane including the object is + 1st order in the X direction and + 1st order in the Y direction among the diffracted light of the first plane position measurement
The first Z-direction position measurement interference measurement signal obtained when the normal direction of the plane including the target object, that is, the Z direction is irradiated at the irradiation angle θ2, is obtained from the zero-
[0037]
The second Z-direction position measurement interference measurement signal obtained when the normal direction of the plane including the target object, that is, the Z direction is irradiated at the irradiation angle θ3, is obtained from the zero-
The light receiving unit further superimposes the zero-
[0038]
Further, in the X direction, of the light beam branched by the
Each interference measurement signal and interference reference signal is a beat (beat signal) due to superposition interference of two beams having slightly different frequencies, ie, heterodyne interference. The frequency of the first plane position measurement illumination light beam and the first normal direction measurement illumination light beam (both are hereinafter referred to as "first measurement light beam") is f1, the second plane position measurement illumination light beam and the second normal direction measurement. The frequency of the illumination light beam for use (both are hereinafter referred to as “second measurement light beam”) is f2.
[0039]
The complex amplitude of a certain diffracted light out of a large number of diffracted lights by the two-dimensional diffraction pattern of each light flux is
a1 = A1 * exp [-i (2πf1t + φ1)]
a2 = A2 * exp [-i (2πf2t + φ2)]
Let it be represented by Where φ1 is the initial phase of the first illumination light flux, φ2 is the initial phase of the second illumination light flux, and t is time.
The intensity signal of these rays superimposed is
I = A1 * A1 + A2 * A2 + 2A1 * A2 * cos [2πΔft + (φ1−φ2)]
It becomes. However, Δf = f1−f2.
[0040]
This is a beat signal whose frequency is Δf, and its phase component is
φ1-φ2 (3)
It is.
Attention is paid to the + 1st-order diffracted light in the X direction and the + 1st-order diffracted light in the Y direction among the many higher-order diffracted lights of the first illumination light flux or the second illumination light flux by the two-dimensional pattern on the object. When the object including the two-dimensional diffraction pattern is displaced by ΔX in the X direction and ΔY in the Y direction, the phase of the diffracted light is equal to either the first illumination light flux or the second illumination light flux.
2π (ΔX + ΔY) / d = φx + φy
Only change. Here, d is the pitch of the two-dimensional diffraction pattern. Also, since the phase changes with respect to the movement of the object in the Z direction, the value is set to φz.
[0041]
Therefore, when the object changes in the X, Y, and Z directions, the amount of phase change of the diffracted light is
φx + φy + φz (4)
It is.
The sign of φx changes in the case of the −1st order diffracted light in the X direction and the + 1st order diffracted light in the Y direction.
-Φx + φy + φz (5)
It becomes.
The phase of the zero-order light does not change with respect to the displacement of the object in the X and Y directions, but changes only with respect to the displacement in the Z direction. However, the illumination light flux for normal direction measurement among the first illumination light flux and the second illumination light flux has a different phase change amount with respect to the displacement ΔZ in the Z direction of the object due to a difference in the incident angle.
[0042]
The phase change amount φz of the first illumination light beam with respect to the displacement of the object in the Z direction and the phase change amount φz ′ of the second illumination light beam with respect to the displacement of the object in the Z direction are:
φz = 4πΔZ / λ * cosθ1 (6)
φz ′ = 4πΔZ / λ * cos θ2 (7)
Given by
The phase component of the X position measurement interference measurement signal is obtained by substituting equation (4) into φ1 of equation (3) and substituting equation (5) into φ2,
(Φx + φy + φz) − (− φx + φy + φz) = 2φx (8)
It becomes.
The phase component of the X position measurement interference reference signal is obtained by substituting equation (6) into φ1 and φ2 in equation (3),
φz−φz = 0 (9)
It becomes.
[0043]
Therefore, equation (8) of the X-position measurement interference measurement signal and equation (9) of the X-position measurement interference reference signal equally include the position information in the Y direction (0 in this case), and equations (8) and (9). By taking the difference between the expressions, the position information in the X direction in the plane including the object can be obtained as 2φx.
From the equations (4) and (6), the phase component of the Y position measurement interference measurement signal is
(Φx + φy + φz) −φz = φx + φy (10)
It is.
From the equations (5) and (6), the phase component of the Y position measurement interference reference signal is
φz − (− φx + φy + φz) = φx−φy (11)
It is.
[0044]
Therefore, the expression (9) of the interference measurement signal for Y position measurement and the expression (10) of the interference reference signal for Y position measurement include position information in the X direction equally, and the difference between the expressions (9) and (10) is obtained. Then, as 2φy, position information in the Y direction on the plane including the target object can be obtained.
Further, the phase component of the first Z position measurement interference measurement signal is given by the following equations (6) and (7).
φz′−φz = 4π (cos θ2−cos θ1) / λ * ΔZ (12)
And the phase component of the second Z position measurement interference measurement signal is obtained from the equations (6) and (7).
φz′−φz = 4π (cos θ3−cos θ1) / λ * ΔZ (13)
Which is a value proportional to ΔZ.
[0045]
The phase component of the Z position measurement interference reference signal (also X position measurement interference reference signal) is 0 according to equation (9).
Therefore, if the difference between Expressions (12) and (9) is calculated, the position information in the Z direction (the normal direction of the plane including the object) can be obtained as Expression (12).
The phase difference Φz1 (ΔZ) between the first Z position measurement interference signal and the Z position measurement interference reference signal and the phase difference Φz2 (ΔZ) between the second Z position measurement interference signal and the Z position measurement interference reference signal are ( From equations 12) and (13),
Φz1 (ΔZ) = 4π (cos θ1−cos θ2) / λ * ΔZ
Φz2 (ΔZ) = 4π (cos θ1-cos θ3) / λ * ΔZ
Given by Here, the Z position measurement interference signal is subtracted from the Z position measurement interference reference signal (that is, the sign in parentheses is inverted).
[0046]
Now, let us say that the detection stroke of the first Z position measurement interference signal is Z1, and the detection stroke of the second Z position measurement interference signal is Z2 (Z1> Z2).
ΔZ = Z1, Φz1 (ΔZ) = 2π,
ΔZ = Z2, Φz2 (ΔZ) = 2π
Because
Φz1 (ΔZ) = 2π / Z1 * ΔZ (a)
Φz2 (ΔZ) = 2π / Z2 * ΔZ (b)
It can be expressed as In the waveform on the left side of FIG. 13, the solid line indicates the signal of equation (a), and the dotted line indicates the signal of equation (b).
Taking the difference between Φz2 (ΔZ) and Φz1 (ΔZ), that is, the difference between equations (b) and (a),
[0047]
Comparing the expressions (a), (b) and (c), it is considered that the expression (c) represents the Z position measurement interference signal having a detection stroke of Z1 * Z2 / (Z1-Z2). be able to. The signal of equation (c) is shown as a waveform on the right side of FIG.
Assuming that θ2 = 70.39 ° and θ3 = 70.48 ° from the equation, Z1 = 50 μm and Z2 = 40 μm. Substituting these into equation (c) gives
ΔΦ (ΔZ) = 2π / 200 μm * ΔZ
It becomes. Therefore, an interference signal for Z position measurement having a stroke of 200 μm is obtained. At this time, the number of samples is equal to 2000 when the stroke is 50 μm and the resolution is 25 nm. That is, the detection stroke, that is, the detectable range can be expanded to 200 μm while the resolution is 25 nm and the number of samples is 2000.
[0048]
Here, for convenience, the interference reference signal for position measurement in each direction is represented by Expression (9) in the X direction, Expression (11) in the Y direction, and Expression (9) in the Z direction. Even when the expression, the Y direction is expression (10), and the Z direction is expression (12), position information in each direction can be obtained only by reversing the sign.
From the equation (13), the incident angle θ2 of the first normal direction measurement illumination light beam for obtaining the desired Z detection stroke is obtained.
For example, when it is desired to obtain a detection stroke of 50 μm in Expression (12), 2π is substituted for the left side and 50 μm is substituted for ΔZ on the right side.
However, the value of θ2 is larger than θ1, that is, since the value of θ2 is desired to be closer to the object than the first illumination light flux, when the first Z position measurement interference reference signal is subtracted from the second Z position measurement interference reference signal,
2π = 4π (
Thus, θ2 = 70.39 ° is obtained.
[0049]
The
The Y position measurement interference measurement signal is received by the
The first Z-direction position measurement interference measurement signal is received by the
[0050]
A phase difference between a signal received by the
The second Z-direction position measurement signal is received by the
The phase difference between the signal received by the
The
[4] Application of the position measuring device of the present invention
The position measuring apparatus of the present invention can be applied to, for example, a charged particle beam apparatus such as an electron beam lithography apparatus, and an apparatus such as a semiconductor exposure apparatus that requires accurate positioning of an object. .
[0051]
Here, an electron beam drawing apparatus will be described as an example. Referring to FIG. 15, an electron beam lithography apparatus includes an electron
Then, the illumination
[0052]
In an electron beam lithography apparatus, an electron optical system and a stage perform a predetermined operation in accordance with various signals from a control circuit to form a predetermined pattern on a mask or a wafer to be a drawing target by an electron beam. .
Specifically, an electron beam drawing apparatus to which the position measuring device of the present invention is applied can process a semiconductor manufacturing mask such as an encoder pattern and a phase shift mask.
Further, a semiconductor wafer and a mask for manufacturing a semiconductor can be processed by a semiconductor exposure apparatus to which the position measuring apparatus of the present invention is applied.
[0053]
【The invention's effect】
(1) According to the present invention, a light beam shift unit that translates a plurality of measurement illumination light beams received from an illumination optical system and a beam waist position change unit that changes the beam waist position of the plurality of measurement illumination light beams. By arranging a correction optical system with a laser beam, it is possible to irradiate a plurality of measurement illuminating light beams onto the alignment pattern appropriately, and irradiate the beam under the condition that the beam waist position coincides with the measurement pattern position. The illumination light flux can be adjusted.
(2) According to the present invention, a semiconductor exposure apparatus to which a small and high-performance position measuring apparatus is applied can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an optical system according to an embodiment of a position measuring device of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an adjustment optical system and an irradiation optical system according to the embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing an adjustment optical system and an irradiation optical system according to the embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 4 is a side view showing an adjustment optical system and an irradiation optical system according to the embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 5 is a diffraction light mapping of a first plane position measurement illumination light beam based on a two-dimensional diffraction pattern on an object in the embodiment of the position measurement device of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing a state in which a measurement illumination light beam is incident on a two-dimensional diffraction pattern on an object in the embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 7 is a plan view showing a state in which a measurement illumination light beam is incident on a two-dimensional diffraction pattern on an object in the embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 8 is a side view showing a state in which a measurement illumination light beam is incident on a two-dimensional diffraction pattern on an object in the embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 9 is a diffracted light mapping of an illumination light beam for measuring a planar position and an illumination light beam for measuring a normal direction by a two-dimensional diffraction pattern on an object in the embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 10 is a side view showing a positional relationship between an illumination light beam for measuring a planar position, an illumination light beam for measuring a normal direction, and its diffracted light in the embodiment of the position measurement device of the present invention and a device member.
FIG. 11 is a plan view showing a positional relationship between an illumination light beam for planar position measurement, an illumination light beam for normal direction measurement, and its diffracted light in the embodiment of the position measurement device of the present invention and a device member.
FIG. 12 is a schematic block diagram illustrating a configuration of a light receiving optical system according to an embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 13 is a signal waveform diagram of the position measuring device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating a diffracted light mapping used for measurement in the X, Y, and Z directions of the diffracted light diffracted by the alignment mark in the embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 15 is a schematic partial sectional view of an embodiment of an electron beam lithography apparatus to which the position measuring device of the present invention is applied.
FIG. 16 is a partially enlarged view of the illumination optical system shown in FIG. 1 according to the embodiment of the position measuring device of the present invention.
FIG. 17 is a partially enlarged view of a portion of the object in FIG. 1 according to the embodiment of the position measuring device of the present invention.
18 is a partially enlarged view of a portion of the light receiving optical system of FIG. 1 according to the embodiment of the position measuring device of the present invention.
19 is a partially enlarged view of a portion of the object shown in FIG. 11 according to the embodiment of the position measuring device of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 light source
10 Objects
12 Two-dimensional diffraction pattern
100 Illumination optical system
102 relay lens
103 beam splitter
104 First illumination light flux
105 Second illumination light flux
106, 107 relay lens
108 1st frequency shifter
109 Second frequency shifter
110 Illumination luminous flux for first measurement
111 Illumination light flux for second measurement
112, 113 Beam splitter
114 Illumination light flux for first plane position measurement
115 Illumination luminous flux for first normal direction measurement
116 Illumination light flux for second plane position measurement
117 Illumination beam for second normal direction measurement
200 correction optical system
201, 202 Parallel plane plate
203, 204 Wedge prism
205, 206 Focus lens
300 Irradiation optical system
301, 302 Folding mirror
303 irradiation lens
400 light receiving optical system
401 Objective lens on the receiving side
402-405 folding mirror
500 light receiving section
512 (−1, +1) th order diffracted light of illumination light flux for first plane position measurement
514 (+1, +1) -order diffracted light of illumination light beam for second plane position measurement
515 (−1, +1) th order diffracted light of illumination light beam for second plane position measurement
511 (+1, +1) th order diffracted light of illumination light flux for first plane position measurement
510 0th-order light of illumination light flux for first plane position measurement
513 0th-order light of illumination light beam for second plane position measurement
517 Zero-order light of illumination light flux for first normal direction measurement
516 Zero-order light of illumination light beam for second normal direction measurement
550-555 Photo sensor
600 signal processing unit
610 Phase meter (X)
611 Phase meter (Y)
612 Phase meter (Z1)
613 Phase meter (Z2)
620 arithmetic processing unit
Claims (5)
前記照明光学系から受け取った前記複数の測定用照明光束を平行となるようにする部分を有し、この平行となった部分において、前記複数の測定用照明光束を平行移動させるための光束シフト部及び複数の測定用照明光束のビームウエスト位置を変更するビームウエスト位置変更部を配置し、これらの第１測定用照明光束、第２測定用照明光束及び第３測定用照明光束を受け取る前記補正光学系は、その光軸を挟んで前記第１測定用照明光束及び第２測定用照明光束を配置し、前記第３測定用照明光束をこれらよりも周辺位置に配置し、前記補正光学系での第３測定用照明光束の光路中に、その第３測定用照明光束が前記２次元パターンに照射する入射角度を変化するように光軸と直交方向に回転軸を有する平行平面板が配置された補正光学系と、
前記複数の測定用照明光束を、位置の測定をすべき対象物に設けられている位置合わせ用パターンに照射する照射光学系と、
前記照射光学系によって前記複数の測定用照明光束で照射された位置合わせ用パターンからの回折光を受光する受光光学系と、
前記受光光学系で受光した回折光を受光し測定用干渉信号を形成する受光部と、
測定用干渉信号の位相に基づき対象物の位置の測定を行う信号処理部と、を有することを特徴とする位置測定装置。A light beam splitting unit that separates a light beam from a light source unit that emits a coherent light beam into a plurality of measurement illumination light beams, and a first measurement illumination light beam and a second measurement illumination light beam that are irradiated at a first incident angle; An illumination optical system that forms a third measurement illumination light beam emitted at a second incident angle different from the first incident angle, and makes the plurality of measurement illumination light beams parallel;
A light beam shifting unit for parallelly moving the plurality of measurement illumination light beams in a portion having a portion for making the plurality of measurement illumination light beams received from the illumination optical system parallel; And a beam waist position changing unit for changing a beam waist position of the plurality of measurement illumination light beams, and the correction optics receiving the first measurement illumination light beam, the second measurement illumination light beam, and the third measurement illumination light beam. The system arranges the first measurement illumination light beam and the second measurement illumination light beam with the optical axis interposed therebetween, arranges the third measurement illumination light beam at a peripheral position more than these, and uses the correction optical system. A parallel plane plate having a rotation axis in a direction orthogonal to the optical axis is arranged in the optical path of the third measurement illumination light beam so as to change an incident angle at which the third measurement illumination light beam irradiates the two-dimensional pattern. Correction optics And,
An irradiation optical system that irradiates the plurality of measurement illumination light beams to a positioning pattern provided on an object whose position is to be measured,
A light receiving optical system that receives diffracted light from the alignment pattern irradiated with the plurality of measurement illumination light beams by the irradiation optical system,
A light receiving unit that receives the diffracted light received by the light receiving optical system and forms a measurement interference signal;
A position measurement device comprising: a signal processing unit that measures a position of an object based on a phase of a measurement interference signal.
前記受光光学系は、第１測定用照明光束と第２測定用照明光束の前記２次元パターンによる高次回折光と０次回折光の組み合わせ及び高次回折光同士の組み合わせのいずれか一つの周波数が異なる回折光の組み合わせを受け取るように構成され、前記受光部は、第１測定用照明光束と第２測定用照明光束の前記２次元パターンによる高次回折光と０次回折光の組み合わせ及び高次回折光同士の組み合わせのいずれか一つの周波数が異なる回折光の組み合わせから前記対象物の２次元パターンを設けた平面内での位置測定を行う平面位置測定用干渉信号を形成し、第１測定用照明光束又は第２測定用照明光束の０次回折光と前記第３測定用照明光束の０次回折光との組合せから前記対象物の法線方向の位置測定を行う法線方向位置測定用干渉信号を形成するように構成され、
前記信号処理部は、前記平面位置測定用干渉信号の位相に基づき対象物の平面方向の位置測定を行い、法線方向測定用干渉信号の位相に基づき対象物の法線方向の位置測定を行うように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の位置測定装置。A frequency shifter configured to form a first measurement illumination light beam having a first frequency from a coherent light beam emitted by the light source unit and a second measurement illumination light beam having a second frequency different from the first frequency. And separating the first measurement illumination light beam to form a first plane position measurement light beam and a first normal direction measurement illumination light beam, and separating the second measurement illumination light beam to form a second plane position measurement light beam. A light beam separation unit that forms a light beam and a second normal direction measurement illumination light beam, wherein the irradiation optical system irradiates a two-dimensional pattern as a positioning pattern;
The light-receiving optical system may be configured to diffract one of a combination of a higher-order diffracted light and a zero-order diffracted light and a combination of the higher-order diffracted lights based on the two-dimensional pattern of the first measurement illumination light flux and the second measurement illumination light flux. The light receiving unit is configured to receive a combination of light, a combination of a high-order diffracted light and a zero-order diffracted light by the two-dimensional pattern of the first measurement illumination light flux and the second measurement illumination light flux, and a combination of the high-order diffracted lights. A plane position measurement interference signal for performing position measurement in a plane provided with a two-dimensional pattern of the object is formed from a combination of diffracted lights having different frequencies of any one of the above, and the first measurement illumination light beam or the second measurement light beam is used. A normal-direction position measuring interference signal for measuring the position of the object in the normal direction from a combination of the 0th-order diffracted light of the measuring illumination light beam and the 0th-order diffracted light of the third measuring illumination light beam. It is configured to form a
The signal processing unit performs position measurement in the plane direction of the object based on the phase of the plane position measurement interference signal, and performs position measurement in the normal direction of the object based on the phase of the normal direction measurement interference signal. The position measuring device according to claim 1, wherein the position measuring device is configured as follows.
該電子線描画装置の構成部品の取付け位置及びそれらの最大作動範囲をさけるように配置されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の位置測定装置を備え、
前記位置測定装置は対象物の位置を測定するための位置測定用光束を照射するための照明側光学部材と、前記対象物からの反射回折光を受光して前記対象物の位置を測定するための受光側光学部材とを有し、
前記照明側光学部材から照射して前記受光側光学部材に入射される光束が、前記電子線描画装置の構成部品の取付け位置及びそれらの最大作動範囲をさけて透過することができるように、前記照明側光学部材及び前記受光側光学部材が前記電子線描画装置に配置されていることを特徴とする電子線描画装置。In an electron beam drawing apparatus,
The position measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the position measuring device is arranged so as to avoid a mounting position of components of the electron beam lithography device and a maximum operation range thereof.
The position measurement device is an illumination-side optical member for irradiating a position measurement light beam for measuring the position of the object, and receives the reflected diffraction light from the object to measure the position of the object. Having a light receiving side optical member,
The luminous flux emitted from the illumination-side optical member and incident on the light-receiving side optical member can transmit through the mounting positions of the components of the electron beam writing apparatus and their maximum operating ranges, An electron beam drawing apparatus, wherein an illumination side optical member and the light receiving side optical member are arranged in the electron beam drawing apparatus.
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