JPH01257208A - 間隔測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ＜Ｓｘ上の利用分デ？） 未発１５１は２つの物体間の間隔を高精度に測定する間
隔測定装置に関し、例えば半導体製ＩＸ！装置において
マスクとウェハとの間隔を測定し、所定のイ１に制σ−
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ェハとの
間隔を間隔測定装と等で測定し、所定の間隔となるよう
に制御した後、マスク首玉のパターンをウェハ面上に露
光転写している。これにより高精度な露光転写を行なっ
ている。

第１１図は特開昭６１−１１１４０２号公報で提案され
ている間隔測定装置の概略図である。同図においては第
１ｅＩ体としてのマスクＭと第２物体としてのウェハＷ
とを対向配置し、レンズＬ１によって光束をマスクＭと
ウェハＷとの間の点Ｐ５に集光させている。このとき光
束はマスクＭ面−ｌ；とウェハＷ面上で各々反射し、レ
ンズＬ２を介してスクリーンＳ面上の点ｐ、、ｐ、に集
束投影されている。マスクＭとウェハＷとの間隔はスク
リーンＳ面上の光束の集光点Ｐｗ、Ｐｗとの間隔を検出
すること辷より測定している。

しかしながら同図に示す装置は２例えばマスクＭが点線
で示すように傾いた場合、スクリーンＳ面上の集光点Ｐ
工か点Ｐ８に変化してしまい測定誤差となってくる。こ
のことはウェハＷが傾いた場合も同様である。

又、同装置では光束をレンズＬ１で点Ｐｓに集光し、更
にレンズＬ２によってスクリーンＳ面とに集光させてい
る。この為、マスクＭとウェハＷに対するレンズＬ１．
Ｌ２を含む光プローグとの相対的な位この変動が狭い範
囲に限られてしまい１例えば光プローグが上下方向に移
動するとスクリーンＳ面上の光束の投影位殿と間隔が変
化し、測定誤差の原因となってくる。

更に光束を斜入射させ、反射光を斜め方向から取り出し
ている為、測定装置全体が大型化し、又露光毎に光プロ
ーグを大きく移動させねばならず、スルーブツトを低下
させる原因となっている。

（発ＩＩか解決しようとする問題点） 木ｆ６１Ｊ１はマスクとウェハに相当する第１Ｑ体と第
２物体とを対向配置して両者の間隔をＡｌ１定する際１
例えば第１物体と第２物体に対する光プローグが多少移
動しても常に高精度な測定が可俺な間隔測定装置の提供
を目的とする。

（問題点を解決するための１段） 部に物理光学素子を設けた第１物体と第２物体の２つの
物体を対向配置し、該第１物体面りと第２物体面玉に設
けた物理光学素子に各々光束を入射させ、該２つの物理
光学未了−からの反射光と所定次数の回折光又は所定次
数の少なくとも２つの回折光を受光ｆ段面上に導光し、
該受光ｒ段面上における２つの光束の位置を検出するこ
とにより該第１物体と第２物体との間隔を求めたことで
ある。

（天施例） 第１１″Ａは本発明を半導体製造装置のマスクとウェハ
との間隔を測定する装置に適用した場合の第１実施例の
光学系の概略図である。

同図において、ｌはビームスプリッタ−１２は第１ｓ体
で例えばマスク、３は第２物体で例えばウェハであり、
マスク２とウェハ３は間隔Ｇｌを隔てて対向配置されて
いる。Ｚｌはウェハ３面上の一部に設けた物理光学素子
、Ｚ２はマスク２面上の一部に設けた物理光学素子で、
これらの物理光学素子Ｚ１．Ｚ２は例えば回折格子やゾ
ーンプレート等から成っている。４は受光ｆ−１２で、
ラインセンサー等から成り、入射光束の位置を検出して
いる。光束の位置は、例えば光分布がＩ　（ｘ）で表わ
されるとき ｆ　Ｉ　（ｘ）　・ｘｄｘ／月（ｘ）　ｄｘから求める
。５は信号処理回路であり、受光手段４からの信号を用
いて受光手段４面１に入射した光束の位置を求め、！＆
述するようにマスク２とウェハ３との間隔Ｇｌを演算し
求めている。

６は光プローグであり、ビームスプリフタ−１，受光手
段４そして信号処理回路５を有しており、マスク２やウ
ェハ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レーザー光［ＬＺからの光束１１を
ビームスプリッタ−１で反射させた後。

マスク２を通過させウェハ３面上の物理光学素子ｚ１に
垂直に入射させている。そして物理光学素子Ｚｌからの
反射充交２をマスク２とビームスプリッタ−１を介して
受光手段４面上の点１１に略垂直に入射させている。

一方つエへ３面上の物理光学素子２１によって所定の角
度Ｏ１で回折された所定次数の回折先見３をマスク２面
上の物理光学素子Ｚ２に入射させている。そして物理光
学素子ｚ２によってマスク２から略垂直に（光束見２と
平行に）回折された所定次数の回折先見４を受光手段４
面上の点１２に略垂直に入射させている。

本実施例ではマスク２とウェハ３面上に設けた物理光学
素子２２．２１は予め設定された既知のピッチの回折格
子やゾーンプレート等から構成されており、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Ｏ１は予め求められている。

信号処理回路５は受光手段４面上に入射した光束Ｑ２と
光束交４に関する光情報を各々読み込み位置を求めてい
る。そして光束見２と光束見４との位置の間隔Ｄ１を求
めている。

そして信号処理回路５により間隔ＤＩと先のウェハ３面
Ｆの物理光学素子ｚ１からの既知の回折角度Ｏ１よりマ
スク２とウェハ３との間隔Ｇｌを Ｇ　ｌ　＝　Ｄ　ｌ　／　ｔ　ａ　ｎ　Ｏｌ　・　・　
・　・　・　・　・　　（ｌ　）式より求めている。

第２図は第１図に示す実施例においてウェハ３が僅かな
角度α傾いたとき受光手段４面１に入射する２つの光束
間隔の測定誤差を示す説明図である。

同図において、Ｌ２．Ｌ３、Ｌ４は各々光束であり、第
１図の光束Ｑ２．１３．１１４に各々対応している。同
図に示すようにウェハ３が角度αだけ傾くと、光束交２
の物理光学素子２１面上からの反射光Ｌ２は光束交２に
比べて角度２αだけ傾いて反射し、受光手段４面上の点
２１に入射する。又、物理光学素子Ｚｌからの回折光Ｌ
３は光束見３よりも角度２α傾いて回折され、マスク２
面上の物理光学素子Ｚ２に入射する。そして物理光学素
子Ｚ２からの回折光Ｌ４も光束交２に比べて角度２αた
け傾いて回折される。

即ち、物理光学素子Ｚ２より角度２α傾いて射出し受光
ｆ段４面上の点２２に入射する。

このように本実施例では光束文２、交４との間隔ＤＩか
ウェハ３が角度α傾いた為に光束Ｌ２゜Ｌ４との間隔に
変化するが、このときの間隔Ｄ１１は間隔ＤＩと等しく
なり、何んら誤差は発生しない。

又、物理光学素子としての回折格子で発生する回折光の
回折方向は透過光に対して一定方向となるのでマスク２
が僅かに傾いても回折光の方向は全んど影響を受けない
。

従って１本実施例においてはマスク２又はウェハ３が多
少傾いても全んと測定誤差は発生しない。

又１本実施例では光束見２は間隔Ｄ１の基準として作用
しており、光束見４との間に一定の情報を保持して光プ
ローグ６に達するので光プローグ６が上下方向や左右方
向に動いても間隔ＤＩに関する情報は全んど変化するこ
となく伝達される等の特長を有している。

第３．第４、第５図は各々本発明の第２．第３、第４実
施例の光学系の概略図である。

同図において第１図に示した要素と同一要素には同符号
を付しである。

第３図に示す第２実施例ではレーザーからの光束ｉｔを
マスク２を通過させウェハ３面上の物理光学素子Ｚ３に
入射させている。そして物理光学素子ｚ３からの反射充
交２をマスク２面上の物理光学素子ｚ４に入射させ、こ
のとき角度０２で回折する所定次数の回折充交６を受光
手段４に入射させている。

一方、ウェハ３面上の物理光学素子Ｚ３で前述の回折先
見６と同じ角度０２で回折する所定次数の回折充交５を
受光手段４面上に入射させている。このとき２つの回折
先立５、交６はその間隔Ｄ２を保ちながら受光手段４面
上に入射している。信号処理回路５は光束交５と光束１
Ｂとの位置の間隔Ｄ２を求め１次いでマスク２とウェハ
３との間隔Ｇ２を Ｇ２＝Ｄ２／１ａｎ０２・・・・・・・（２）式より求
めている。

本実施例では光束皇５、交６はお互いに間隔Ｄ２の基準
として作用しており、マスク２又はウェハ３が傾いたと
きの測定誤差は第１実施例と同様になく、又光プローグ
６が上下方向、左右方向に移動したときの情報も第１実
施例と同様に正確に伝達されている。

第４図に示す第３実施例ではレーザーからの光束１１を
ウェハ３面上の物理光学素子Ｚ５に入射させている。こ
のとき、ウェハ３で反射した光束交２とＩＬ２の進行に
伴って物理光学素子ｚ６により角度θ４で回折した回折
光１８を各々受光手段４面の点４１、点４２に入射させ
ている。又、光束交ｌをウェハ３面上の物理光学素子ｚ
５に入射させたとき物理光学素子Ｚ５により角度θ３で
回折した所定次数の回折充交７を受光手段４面上の点４
３に入射させている。

同図に示すように受光手段４面上における光束１２と光
束Ｊ１８との間隔をＤ３、光束！Ｌ２と光束交７との間
隔をＤ４、受光手段４とマスク２との間隔なＧ３．受光
手段４とウェハ３との間隔を０４とするとマスク２とウ
ェハ３との間隔Ｇ５は ６５−Ｇ４　−　　Ｇ３　　■ （Ｄ４　　／ｌａｎ　　θ　３　　）　　−（Ｄ３　　
／ｌａｎ　　θ　４　　）・（３）式より求めることが
できる。

本実施例では反射充交２が間隔Ｄ３、Ｄ４の基準として
作用しており、マスク２又はウェハ３が傾いたときの測
定誤差は第１実施例と同様になく、又光プローグ６が上
下方向に移動して間隔Ｇ３．Ｇ４が変化しても、その差
Ｇ５は常に一定であり、更に光プローグ６が左右に移動
しても間ＦＩＡＧ５に関する情報は変化しない等の特長
を有している。

第５図に示す第４実施例では第１−の第１実施例におい
て光プローグ６内の受光手段４の前方にレンズ７を配置
し、レンズ７により２つの光束見２，１４の間隔を変化
させて（特に拡大させて）受光手段４面上に入射させた
場合である。

このように２つの光束見２、交４の間隔を拡大すること
により測定精度の向上を図っている。

この他の作用及び効果等については第１実施例と同様で
ある。

第６〜第１０図は各々未発■４の第５〜第９実施例の概
略図である。

同図において（Ａ）はマスク２とウェハ３に入射する光
束１１とマスク２又はウェハ３面上の物理光学素子から
の回折光を示す斜視図、同図（Ｂ）はマスク２とウェハ
３面上に設けた物理光学素子の説明図、同図（Ｃ）は同
図（Ａ）の側面図、同図（Ｄ）は同図（Ａ）の正面図で
ある。

第５〜第９実施例ではいずれも光束見ｌをマスク２に対
して斜入射させることにより露光毎の光プローグ６の移
動量を０か極めて少なくすることによりスループットの
向上を図っている。

第６図に示す第５実施例ではマスク２面上の物理光学素
子Ｚ７に光束立ｌを斜入射させ、このとき物理光学素子
ｚ７からの回折光Ｊ１９をウェハ３面上の物理光学素子
Ｚ８に入射させている。そして物理光学素子ｚ８からの
反射光ＩＬｌＯを不図示の受光手段に入射させている。

又、物理光学素子ｚ８からの回折光１１１をマスク２面
上の物理光学素子ｚ９に入射させ、物理光学素子ｚ９か
らの回折光１１２を受光手段に入射させている。そして
光束見１０．交１２との間隔を求めている。

本実施例においては光束Ｊｌｌと不図示の受光手段へ入
射する光束１１０．Ｊ１１２はマスク２とマスク２に対
して垂直な平面によって仕切られた４つの空間のうちの
１つの空間内を進行するように各要素を設定している。

本実施例において光束１１０．１１２の受光手段に入射
した後の動作については第１図の第１実施例と同様であ
る。

第７図のｗＳ６実施例は第３図の第１実施例を応用した
ものである。

同図において光束Ｍｌはマスク２面上の物理光学素子２
１０によって回折され回折光Ｑ１３を発生する。光束Ｉ
Ｌ１３はウェハ３面上の物理光学素子Ｚｌｌに入射する
。物理光学素子Ｚｌｌからの反射充交１４はマスク２面
上の物理光学素子ＺｌＯで回折され回折光１１６を発生
する。一方、物理光学素子Ｚｌｌで回折された回折先見
１５はマスク２を通過する。そして光束１１６．Ｊ１１
５は間隔を保ちながら不図示の受光手段に入射する。

この他は第３図の第２実施例と同様である。

第８図の第７実施例は第３図の第２実施例を応用したも
のである。

同図において光束Ｑｌはマスク２面上の物理光学素子２
１２に入射し１回折され回折光１１７を発生する。光束
ｇＬ１７はウェハ３面上の物理光学素子２１３に入射す
る。物理光学素子２１３からの反射光Ｑ１８はマスク２
面上の物理光学素子２１２で回折され回折光Ｑ２０を発
生する。一方、ウェハ３面１の物理光学素子ｚ１３に入
射した光東１１７は回折され回折光り１９を発生する。

そして光束１１９．１２０は間隔を保ちながら受光手段
に入射する。

本実施例では受光手段の受光面の方向は第３図の第２実
施例の場合に比べて９０度回転した方向に設定されてい
る。この他は第２実施例と同様である。

第９図の第８実施例はＷＡ３図の第２実施例を応用した
ものである。

同図において光束１１をマスク２面上の物理光学素子２
１４に入射させ、物理光学素子２１４からの回折光１２
１をウェハ３面上の物理光学素子２１５に角度θ７で入
射させている。物理光学素子２１５からの反射先見２２
をマスク２面上の物理光学素子２１６で回折させ回折充
交２４を発生させている。又、物理光学素子２１５に於
て角度θ２で回折する回折先立２３を発生させている。

そして光束１２３、交２４を不図示の受光手段に間隔Ｄ
２で入射させている。このときマスク２とウェハ３との
間隔Ｇ６は同図の間隔Ｇ２を（２）式から求めて Ｇ６＝Ｇ２　・ｃｏｓ　（０７） ＝Ｄ２・ｃｏｓ　（（＋７）／ｊａｎ　（０２）となる
。

第１Ｏ図の第９実施例は第４図の第３実施例を応用した
ものである。

同図において光束９．１をマスク２面上の物理光学素子
Ｚ１７に入射させ、物理光学素子Ｚ１７からの回折光９
．２５をウェハ３面上の物理光学素子Ｚ１９に角度０８
で入射させている。

物理光学素子Ｚ１９からの反射先見２６をマスク２面上
の物理光学素子Ｚ１８に入射させ１回折充交２８を発生
させている。又、ウェハ３面上の物理光学素子２１９に
入射した光束見２５から角度０３で回折する回折光１２
７を発生させている。そして光束交２６．見２７．交２
８を各々不図示の受光手段に入射させている。

このときマスク２とウェハ３との間隔Ｇ７は同図の間隔
Ｇ５を（３）式から求めて Ｇ７−　Ｇ５ｃｏｓ（θ８） ＝　（Ｄ４／１ａｎ（θ３）　　−Ｄ３／１ａｎ（θ４
））　ｃｏｓ　　θ８となる。

以上は本発明に係る代表的な実施例を示したが、この他
にも種々の変形例が適用可能である。

（発明の効果） 本発明によれば第１物体面上と第２物体面上に各々設け
た物理光学素子からの回折光又は反射光（透過光）を利
用することにより、第１ｖｓ体及び第２物体が多少類い
ても又、被測定物と光プローグとの相対的な位置が多少
変化しても、常に高精度な例えばサブミクロン以下の間
隔測定が可能な特に半導体製造装置に好適な間隔測定装
置を達成することができる。

又、露光時の光プローグの移動量が０か僅かな量である
為スループットの向上を図ることのできる間隔測定装置
を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学系の概略図、第２図は
第１図のウェハが傾いたときの説明図。 第３、第４．第５図は本発明の第２．第３、第４実施例
の光学系の概略図である。第６〜第１０図は各々本発明
の第５〜第９実施例の説明図、第６〜第１Ｏ図において
（Ａ）は光束Ｑｌと回折光との関係を示す模式図、（Ｂ
）はマスクとウニ八面上の物理光学素子の説明図、（Ｃ
）は同図（Ａ）の側面図、（Ｄ）は同図（Ａ）の正面図
である。第１１図は従来の間隔測定！ａ置の概略図であ
る。 図中、ｌはビームスプリッタ−１２は第１物体、３は第
２物体、４は受光手段、５は信号処理回路、６は光プロ
ーグ、Ｚｌ−２１９は物理光学素子、見ｌ〜５Ｌ２８は
光束である。 第　　　４　　　図 第　　　　６　　　　目 （Ａ）　　　　　　　（Ｂ） （Ｃ）　　　　　　　　　（Ｄ） 嶋　　　７　　　　図 （Ｃ）　　　　　　　（Ｄ） 第　　　　８　　　　図 （Ａ）　　　　　　　　　（Ｂ） コ （Ｃ）　　　　　　　　（Ｄ） Ｏ３ 第　　　　９　　　　口 （Ａ）（Ｂ） （Ｃ）　　　　　　　（Ｄ） 第　　　１０　　　（２） （Ａ）　　　　　　　（Ｂ） （Ｃ）　　　　　　　（Ｄ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一部に物理光学素子を設けた第１物体と第２物体
   の２つの物体を対向配置し、該第１物体面上と第２物体
   面上に設けた物理光学素子に各々光束を入射させ、該２
   つの物理光学素子からの反射光と所定次数の回折光又は
   所定次数の少なくとも２つ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２つの光束の位置を検出
   することにより該第１物体と第２物体との間隔を求めた
   ことを特徴とする間隔測定装置。
2. （２）前記第１物体面への入射光と前記受光手段への反
   射光若しくは回折光を該第１物体面と該第１物体面に対
   して垂直な平面とによって仕切られた４つの空間内のう
   ちの１つの空間内を通過するように各要素を設定したこ
   とを特徴とする請求項１記載の間隔測定装置。