JPH021512A - 間隔測定装置及び間隔測定方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は２つの物体間の間隔を高精度に測定する間隔測
定装置に関し、例えば半導体製造装置において、マスク
とウェハとの間隔を測定し、所定の値に制御するときに
好適なものである。

（従来の技術） 従来より半導体製造装置においては、マスクとウェハと
の間隔を間隔測定装置等で測定し、所定の間隔となるよ
うに制御した後、マスク面上のパターンをウニ八面上に
露光転写している。これにより高蹟度な露光転写を行っ
ている。

第５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＄いては第１
物体としてのマスク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Ｐｓに集光させている。

このとき光束はマスクＭ面上とウェハ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ｐｗ、ｐ
Ｍ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ｐ、、ｐＭとの間隔
を検出することにより測定している。

同図に示す装置ではマスクとウェハからの反射光束は各
々マスクのみ、又はウェハのみの位置情報しか有してい
ない。この為、マスクとウェハの間隔を測定する為には
各々の位置情報を有した２つの光束を検出する必要があ
った。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明はマスクとウェハに相当する第１物体と第２物体
とを対向配置して両者の間隔を測定する際、１つの光束
に双方の物体の位置情報を持たせるようにし、これによ
り第１物体と第２物体の間隔を簡易な構成により高鯖度
に求めることのできる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手段） 本発明は、双方共に板状の第１物体と第２物体とを対向
配置し、投光手段からの光束を該第１物体と第２物体の
双方で偏向させた後、受光手段面一トに導光し、該受光
手段面上における該光束の入射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
している。

特に本発明では、前記第１物体面上には第１と第２の２
つの物理光学素子が設けられており、前記投光手段から
の光束が該第１物体の第１物理光学素子で偏向し、前記
第２物体で反射した後、該第１物体の第２物理光学素子
で偏向し、該受光手段面上の該第１物体と第２物体の間
隔量に応じた位置に入射するように各要素が設定されて
いることを特徴としている。

又第１物体としてマスク、第２物体としてウェハな用い
、該マスクとウェハとを対向配置し、投光手段からの光
束を該マスクとウェハに入射させ、該マスクとウェハの
双方によって偏向された光束を受光手段面上に導光し、
該受光手段面上への入射位置を検出することにより該マ
スクとウェハとの間隔を求めるようにしたことを特徴と
している。

（実施例） 第１図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。

第２図は第１図の第１物体と第２物体近傍の拡大模式図
である。

第１図、第２図において１は光束で例えばＨ６Ｎ、、レ
ーザーや半導体レーザー等からの光束、２は板状の第１
物体で例えばマスク、３は板状の第２物体で例えばウェ
ハである。４，５は各々マスク２面上の一部に設けた第
１．第２物理光学素子で、これらの物理光学素子４．５
は例えば回折格子やゾーンプレート等から成っている。

７は集光レンズであり、その焦点距踵はｆＳであり、６
３は集光レンズ７の光軸である。

８は受光手段で集光レンズ７の焦点位置に配置されてお
り、ラインセンサーやＰＳＤ等から成り、入射光束の重
心位置を検出している。９は信号処理回路であり、受光
手段８からの信号を用いて受光手段８面上に入射した光
束の重心位置を求め、後述するようにマスク２とウェハ
３との間隔ｄｏを演算し求めている。

１０は光プローブであり、集光レンズ７や受光手段８、
そして必要に応じて信号処理回路９を有しており、マス
ク２やウェハ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半導体レーザーＬＤ力）らの光束１
（波長λ＝８３０ｎｍ　）をマスク２面上の第１フレネ
ルゾーンプレート（以下ＦＺＰと略記する）４面上の点
Ａに垂直に入射させている。そして第１のＦＺＰ４から
の角度θ１で偏向する、即ち回折する所定次数の回折光
をウエノＸ３面上の点Ｂ　（Ｃ）で偏向、即ち反射させ
ている。このうち反射光３１はウェハ３かマスク２との
間隔ｄ、の位置Ｐ１に位置しているときの反射光、反射
光３２はウェハ３が位置Ｐ１から距離ｄａだけ変位して
、位置Ｐ２にあるときの反射光である。

次いでウェハ３からの反射光を第１物体２面上の第２の
ＦＺＰ５面上の点Ｄ（ウェハ３が位置Ｐ２にあるときは
点Ｅ）に入射させている。

尚、第２のＦＺＰ５は集光レンズのように入射光束の入
射位置に応じて出射回折光の射出角を変化させる光学作
用を有している。

そして第２のＦＺＰ５から角度θ２で回折した所定次数
の回折光６１（ウェハ３が位置Ｐ２にあるときは回折光
６２）を集光レンズ７を介して受光手段８面上に導光し
ている。

そして、このときの受光手段８面上における入射光束６
１（ウェハ３が位置Ｐ２にあるときは回折光６２）の重
心位置を検出してマスク２とウェハ３との間隔を演算し
求めている。

本実施例ではマスク２面上に設けた第１．第２のＦＺＰ
４，５は予め設定された既知のピッチで構成されており
、それらに入射した光束の所定次数（例えば±１次）の
回折光の回折角度θ１゜θ２は予め求められている。

第３図はマスク２面上の第１．第２のＦＺＰ４．５の機
能及びマスク２とウェハ３との間隔との関係を示す説明
図である。

第３図（Ａ）は物理光学素子４，５の上面図、第３図（
Ｂ）は物理光学素子４．５を通過する光路をＢ方向から
見た説明図、第３図（Ｃ）は同じくＡ方向から見た説明
図である。

本実施例においては、第１のＦＺＰ４は単に入射光を折
り曲げる作用をしているが、この他収東、又は発散作用
を持たせるようにしても良１／Ｎ。

同図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）に示すように第２
のＦＺＰ５は場所によって回折方向か少しずつ変えられ
る構成になっており、例えば点１１はマスク２とウェハ
３との間隔が１００μｍのときの出射光束の重・６透過
点でマスク２とウェハ３との間隔が増すにつれて出射光
束の透過点は同図（Ａ）において右方に移動し、間隔が
２００μｍになったときは点１２を透過するように設定
している。

ＦＺＰのパターンは同図（Ａ）において爪方向には収束
、発散のパワーを持たせていないが光束の拡がりを調整
する為に持たせても良い。

本実施例では爪方向に対しては第１図に示すように出射
角度５°方向に距離ｆＭ＝１０００μｍの位置に集光す
るように第２のＦＺＰ５に収束のノ＼ワーを持たせてい
る。

尚、第３図においてマスク２とウエノ＼３との間隔測定
範囲を例えば１００μｍ〜２００μｍとした場合には、
これに対応させて第１．第２のＦＺＰ４．５の領域の大
きさを設定すれば良し）。

次に第１図を用いてマスク２とウェハ３との間隔を求め
る方法について説明する。

第１図に示すように回折光６１と回折光６２との交点Ｆ
からマスク２までの距離なｆＭとするとＡＤ　　＝　　
２ｄ、ｔａｎ　　θ１　。

八Ｅ　　”　　２（ｄｏ　　＋　　ｄａ）ｊａｎθ　Ｉ
　。

＋’＋　ｄＭ　”　ＤＥ　−ＡＥ　−ＡＤ　−２ｄａｔ
ａｎθｌ　　−−−−−−（１）ｄＭ　−２・ｆＭ・　
しａｎθ　２　　’　　　　　　　　　　　　　　　　
−−−・・−（２）である。間隔がｄｏからｄ６だけ変
化したときの受光手段８面上における入射光の動き量Ｓ
はＳ　　＝　　　２・ｆｇ−ｔａｎθ２　　　　　　　
　　　　　　　　　　−−−−−−　（３）従って（１
）　、　（２）　、　（：ｌ）式よりとなる。

マスク２とウェハ３の単位ギャップ変化量に対する受光
手段８面上の入射光束のずれ量ΔＳ、即ち感度ΔＳは となる。

本実施例では受光手段８面上の入射光束の位置ずれＳを
検出することにより、（４）式より距離ｄ、を求め、こ
の値ｄＧよりマスク２に対するウェハ３の所定間隔位置
Ｐ１からの間隔ずれ量を求め、これによりマスク２とウ
ェハ３との間隔を測定している。

マスク設置後、最初にマスク２とウェハ３は例えば第１
図に示すように基準となる間隔ｄ。を隔てて対向配置さ
れている。このときの間隔ｄ。は例えばＴＭ−２３ＯＮ
　（商品名：キヤノン株式会社製）等の装置を用いて測
定されている。

本実施例では第１のＦＺＰ４に入射光を折り曲げる偏向
作用を持たせることで以下の様な効果を得ている。

第１のＦＺＰ４からの出射光の角度θ１は（５）式から
れかる様に感度ΔＳを設定する為のパラメータとなる。

第１のＦＺＰ４が無くマスクの透過光を使用する状態で
はこの角度θ１はマスクへの入射光の入射角、即ち光源
側の投射方向に一致する。この場合、投光手段の配置は
感度ΔＳを考慮して制約を受ける。折り曲げ偏向作用を
有する第１のＦＺＰ４を設けることで投光手段からの入
射角をどれだけに設計しても第１のＦＺＰ４の方で出射
角を角度θ１にする様に簡単に調整でき、これにより投
光手段側の自由度を増している。

又本実施例では第１のＦＺＰ４に入射する光束の大きさ
を第１のＦＺＰ４の大きさより大きくすることにより、
入射光がマスク面方向に多少変動しても第１のＦＺＰ４
からの出射する光束の状態が変化しないようにしている
。

本実施例における感度ΔＳは集光レンズ７の焦点距Ｋ　
ｆ　ｓを３０＋ｍｍとすると（５）式よりとなり、マス
ク２とウェハ３との間隔１μｍ当たりの変化に対して、
受光手段８面上の光束は１５μｍ移動することになる。

受光手段８として位置分解能が０．３μｍのＰＳＤを用
いると、原理的には０．０２μｍの分解能でマスク２と
ウェハ３の間隔を測定することが可能となる。

本実施例ではウェハ３の１つの位置に対する第２物理光
学素子５からの回折光は、光軸６３に対して特定の角度
をもって集光レンズ７に入射し、受光手段８が集光レン
ズ７の焦点位置に設置されているので光プローブ１０を
光軸６３上の、どの位置に設置しても、又、光軸と垂直
方向に多少ズしていても受光手段８への入射光位置は不
変である。これにより光プローブの変動に伴う測定誤差
を軽減させている。

但し、光プローブ１０の位置誤差がある程度許容されて
いる場合や位置誤差が生じても別手段で補正される場合
には、受光手段８は集光レンズ７の焦点位置に厳密に設
置される必要はない。

尚、第１図の実施例において集光レンズ７を用いずに第
４図（Ａ）、（Ｂ）に示すように構成しても第１図の実
施例に比べて受光手段８に入射する光束が多少大きくな
るが本発明の目的な略達成することができる。

第４図（Ａ）は第１図の実施例において集光レンズ７を
省略したときの第２の実施例の概略図である。

第４図（Ｂ）は第４図（Ａ）の実施例におけるマスク２
面上の物理光学素子５を入射光束に対して一定方向に出
射させる光学作用を有し、集光作用を有さない様な作用
をもつものに置き換えた第３の実施例を示している。具
体的には物理光学素子３５、そして平行等間隔な線状格
子よりなる回折格子等が用いられる。この場合も第４図
（Ａ）の第２実施例と同様、本発明の目的を略達成する
ことができる。

尚、第４図（Ｂ）に示す第３実施例において回折格子５
を省略し、ウェハ３から反射した光束がマスク２を透過
する様にし、この透過光を受光する位置に受光手段を配
置するようにしても良い。

又第４図（Ａ）　、　（Ｂ）の入射側の回折格子４を省
略し、光源ＬＤからの入射光束がマスク２に入射する前
からマスク面法線に対して傾斜している様に構成しても
良い。

更に第４図（Ａ）　、　（Ｂ）において、ウェハ３上に
回折格子を形成し、回折格子４からの回折光を該回折格
子で回折させて回折格子５の方向に導光する様に構成し
ても良い。

第６図は本発明を半導体焼付装置のＸ線ミラー縮小光学
系に適用した場合の第４実施例の光路図である。

図中、１０１は透過型マスク、１０２は縮小光学系のフ
ォーカス位置にあるときのウェハ、　１０２′１０２　
”はデフォーカス位置にあるときのウェハ、１０３はＸ
線ミラー縮小光学系、１０４はマスク面に設けられた等
間隔な線状回折格子、＋０５は受光レンズ、１０６は光
電変換素子（Ｇ（：Ｄ）　、　＋１０は入射光束、Ｉｌ
ｌ、　ＩＩＩ”　、Ｉｌｌ”は各々ウェハＩ０２゜１０
２’　、　１０２　”で反射した戻り光束である。

同図において矢印方向からマスク１０１に入射したＸ線
は光学系の線１０３ａに沿って進み、Ｘ線ミラー縮小光
学系１０３を介した後、ウェハ１０２面上に照射される
。これによってマスク１０１面上のパターンをウェハ１
０２面上に転写している。

一方、間隔測定用の光束１１０はＸ線ミラー縮小光学系
１０３を通過後、ウェハ１０２で反射し、元の光路を逆
光してマスク１０１面上に設けた回折格子１０４に入射
する。このときウェハ１０２のデフォーカス位置（１０
２’　、　１０２″）に応じてマスク１０１の回折格子
１０４上で戻り光束の入射位置がズレる。

このときの光束の充電変換素子＋０６上での入射位置変
動量はウェハ位置変動量と実質上比例関係にある。マス
クが正しく取り付けられているとするとＸ線ミラー縮小
光学系１０３のフォーカス位置は、例えば該光学系１０
３から所定距離下の位置という様に予め求められる。こ
の為、他のウェハ位置検出手段によりウェハとフォーカ
ス位置に合わせておいて、このときの光電変換素子１０
６上の光束入射位置を基準位置として、この基準位置か
らの光束のずれを求めることによりデフォーカス量を求
めている。この他の基準位置の求め方としては、ためし
焼きによってフォーカス位置を求め、この位置での光束
入射位置から求めても良い。

受光レンズ１０５は回折格子１０４上からの戻り光束を
光電変換素子１０６上に照射させる。充電変換素子１０
６はスポットの左右光量の差をとる信号処理を行う。こ
のときの差信号からウェハの位置が検出される。そして
このときの差信号の符号に基づき不図示のウェハステー
ジを縮小光学系の光軸方向に移動制御してフォーカス調
整を行フている。

又、マスク１０１を反射型マスクとした場合は、入射光
束とセンサ一部（受光レンズと光電変換素子）はマスク
のＸ線出射側に設置する。

第７図は本発明を半導体焼付装置の紫外線縮小光学系に
適用した場合の第５実施例の光路図である。

図中、１０１はマスク、１０２は縮小光学系のフォーカ
ス位置にあるときのウェハ、　１０２′１０２　”はデ
フォーカス位置にあるときのウェハ、１０３ａは紫外線
縮小光学系、１０４はマスクｌｏｔ上に設けられた回折
格子、１０５は受光レンズ、１０６は光電変換素子、＋
１０は入射光束で　１１１１１１　’　、Ｉｌｌ”は各
々ウェハか１０２．１０２′、１０２”で示される位置
にあるときに反射された戻り光束である。

入射光束１１０の波長が例えば焼付は用の紫外線と同じ
であればマスクｌＯ１とウェハ１０２が正しく兵役の位
置にある場合、即ちウェハ１０２がフォーカス位置にあ
る場合には戻り光束のマスク１０１面上の位置は不図示
の光源からの入射位置に一致する。

しかしながら同じであれば色収差の分だけ入射位置から
ずれた位置に戻ることになる。この場合は、その位置を
合焦時の戻り光束の入射位置と定めている。尚、この位
置に光束を光電変換素子１０６方向に偏向するようにし
た回折格子を設けても良い。

本実施例ではＴＴＬ方式、即ち間隔測定用光束を縮小光
学系に通して間隔測定を行なう方式を用いているので、
間隔測定用光束と焼付は月光の波長を等しくすることに
より、熱等によって縮小光学系の焦点距離が変化しても
マスクとウェハとが合焦状態にあるときの充電変換素子
上の位置を常に一定に保持することができるという特長
を有している。

尚、第６図と第７図に示す実施例においてはウェハの傾
きにより間隔検出誤差は生じないという特長がある。

第８図は本発明を半導体焼付装置の同じく紫外線縮小光
学系に適用した場合の第６実施例の光路図である。同図
において第７図に示す要素と同一要素には同符番を付し
ている。

本実施例では受光レンズ１０５は縮小光学系１０３に入
射しないウェハ１０２からの直接の戻り光束を光電変換
素子１０６上に照射する。プロセス上でウェハの傾きを
既に除去しである場合は、この構成で共役関係を維持で
きるが、ウェハに傾きが発生すると誤差が発生する。こ
れはセンサ一部１０９を第９図のようにしてウェハ傾き
量を検知して補正することが可能である。

図中、１０７はハーフミラ−１０８は光束位置が検知出
来るタイプの充電変換素子（例えばｐｓＤ、ＣＣＤ等）
とし、受光レンズ１０５の焦点位置に設置されている。

このような系ではウェハに傾きのない状態で光束１１１
が光束１１１’、Ｉｌ！”のようにシフトしても光電変
換素子１０８面上では光束１１２は常にある一点に到達
する。しかしながらウェハが傾いたことによって光束１
１１の角度が変化したときの光束１１２の光電変換素子
１０８面上への到達点はく角度変化量（ｒｄ）　＞　ｘ
　＜受光レンズ焦点距離〉、即ち図中のΔＸだけシフト
する。このシフト量ΔＸを用いて光電変換素子１０６上
の光束位置を正しく補正することができる。ウェハの同
じ傾き量による光束Ｉｌｌの光電変換素子１０８上での
移動量ΔＸ′とΔＸとは比例関係にあるので、この比例
関係の比例定数、即ちΔＸ’＝Ｋ・ΔＸとなる定数Ｋを
予め求めておき、光電変換素子１０６上の光束の移動量
ＳからＫ・ΔＸを減算しした量、即ち（Ｓ−Ｋ・ΔＸ）
を真の移動量ｓの値として（４）式を使って計算を行な
ってデフォーカス量を求めることにより傾きに影響され
ずに正しいデフォーカス量の値を得ることができる。

（発明の効果） 本発明によれば投光手段からの１つの光束を第１＃Ｊ体
と第２物体の双方で各々偏向させ双方の位置情報を有す
るようにして受光手段に導光し、該受光手段への入射位
置を検出して、該第１物体と第２物体との間隔を検出す
るようにし、これにより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、本発明は第１物体面上に第１．第２物理光学素子を
設け、これら第１．第２物理光学素子からの偏向された
回折光を利用することにより、被測定物と光のプローブ
との相対的な位置が多少変化しても、高精度に間隔測定
をすることができる等の特長を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の光学系の概略図、第２図
は第１図のマスクとウェハに入射する光束の光路の説明
図、第３図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（（：）は第１図
のマスク面上の物理光学素子の機能を示す説明図、第４
図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明の第２．第３実施例の一
部分の概略図、第５図は従来の間隔測定装置の光学系の
概略図、第６．第７．第８図は各々本発明の第４．第５
．第６実施例の概略図、第９図は第８図の一部分の一変
形例である。 図中、１は光束、２，１０１はマスク、３，１０２はウ
ェハ、４，１０４は第１物理光学素子、５は第２物理光
学素子、６１．６２は回折光、７，１０５は集光レンズ
、８．１０６は受光手段、９は信号処理回路、１０は光
プローブである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）双方共に板状の第１物体と第２物体とを対向配置
   し、投光手段からの光束を該第１物体と第２物体の双方
   で偏向させた後、受光手段面上に導光し、該受光手段面
   上における該光束の入射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物体面上には第１と第２の２つの物理光
   学素子が設けられており、前記投光手段からの光束が該
   第１物体の第１物理光学素子で偏向し、前記第２物体で
   反射した後、該第１物体の第２物理光学素子で偏向し、
   該受光手段面上の該第１物体と第２物体の間隔量に応じ
   た位置に入射するように各要素が設定されていることを
   特徴とする請求項１記載の間隔測定装置。
3. （３）マスクとウェハとを対向配置し、投光手段からの
   光束を該マスクとウェハに入射させ、該マスクとウェハ
   の双方によって偏向された光束を受光手段面上に導光し
   、該受光手段面上への入射位置を検出することにより該
   マスクとウェハとの間隔を求めるようにしたことを特徴
   とする間隔測定方法。
4. （４）一部に第１物理光学素子と第２物理光学素子とを
   設けたマスクとウェハとを対向配置し、該マスク面上の
   第１物理光学素子に投光手段から光束を入射させ、該第
   １物理光学素子からの所定次数の回折光を該ウェハ面で
   反射させ、次いで該マスク面上の第２物理光学素子に入
   射させ、該第２物理光学素子からの所定次数の回折光を
   受光手段面上に導光し、該受光手段面上における回折光
   の入射位置を検出することにより該マスクとウェハとの
   間隔を求めたことを特徴とする間隔測定方法。