JPH02167413A - 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】 （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っ
ている。

第１２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
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Ｐ８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ＰＷ、ＰＭとの間隔
を検出することにより測定している。

（発明が解決しようとしている問題点）しかしながら、
同図に示す装置はマスクＭとウェハＷとが平行であれば
双方の間隔を正しく測定することができるが一方が傾い
て、例えばマスクＭが点線で示す如く傾いて非平行とな
った場合には、スクリーン面Ｓ面での光束の入射点は点
ＰＭより点ＰＮへと変化し、測定誤差の原因となってく
る。

本願は前述従来例の欠点に鑑み、常に高精度な間隔測定
を可能にする間隔測定装置を提供する事を目的とする。

（問題点を解決する為の手段） 本発明は第１物体と第２物体との間隔変化に応じて、逆
の方向に位置変化をおこす２本の光束を利用して常に高
精度な間隔測定を可能にしている。

具体例として後述する実施例に示す様に、マスクとウェ
ハに相当する物理光学素子を設けた第１物体と第２物体
とを対向配置し、該第１物体上の物理光学素子に光束を
入射させ、該物理光学素子によって所定方向に偏向した
光を該第２物体面で反射させた後、受光手段面上に導光
し、該受光手段面上における光の入射位置を検出するこ
とにより、第１物体と第２物体との間隔を求める際、間
隔の増減に対応する受光面上の光束位置の移動方向が互
いに反対となる２組の波面変換機能を有する物理光学素
子を用い、該第１物体と第２物体との間隔を求めるよう
にする。

第１の測定系においては、例えば、間隔が増加すれば検
出面上の光束位置が右に移動するとき、第２の測定系に
おいては、間隔が増減すると検出面上の光束位置が左に
移動するように光学系を設定する。

両者の間隔に対する検出面上の移動量の絶対値を同じに
なるように光学系を設定しておけば、第２物体に相当す
るウェハが傾いた場合において、傾きに対応する検出面
上の移動量は方向も含めて、同一とすることができる。

すなわち、間隔に対応する移動量は第１．第２の測定系
で方向が反対で傾きに対応する移動量は同じとなる。そ
こで第１系と第２系の移動量の差をとれば、傾きに対応
する移動量は相殺され、間隔に対応する移動量のみ倍の
感度で測定されることになる。

（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一実施例の光学系
の概略図、第２図は同物理光学素子周辺の斜視図である
。

同図において】、１′は例えばＨｅ−Ｎｅレーザーや半
導体レーザー等からの光束、２，２′は第１物体で例え
ばマスク、３．３’は第２物体で例えばウェハであり、
マスク２とウェハ３は第２図に示すように間隔ｄ。を隔
てて対向配置されている。４と４′、５と５′は各々マ
スク２面上の一部に設けた第工、第２物理光学素子で、
これらの物理光学素子４、４’　、　　５．　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，
７′は集光レンズであり、その焦点距離はｆｓである。

８．８′は受光手段で集光レンズ７．７′の焦点位置に
配置されており、ラインセンサーやＰＳＤ等から威り、
入射光束のセンサ面内での重心位置を検出している。

ここで光束の重心とは光束断面内において、断面円各点
のその点からの位置ベクトルにその点の光強度を乗算し
たものを断面全面で積分したときに積分値が０ベクトル
になる点のことであるが、別な例として光強度がピーク
となる点の位置を検出してもよい。

９は信号処理回路であり、受光手段８，８′からの信号
を用いて受光手段８，８′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
ｄ。を演算し求めている。

１０は光ピツクアップであり、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
。

第１図に示す上下２系統の測定系は、紙面上両系の投光
系の光軸から等距離にある直線に関し対称な系を構成す
る。構成がほぼ同一なので以下図の下の系をもとに詳説
する。

本実施例においては半導体レーザーＬＤからの光束１（
波長λ＝８３０ｎｍ）をマスク２面上の第１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θ、で回折する所定次数の回折光をウェハ３面上の点
Ｂ　（Ｃ）で反射させている。

このうち反射光３１はウェハ３がマスク２に近い位置Ｐ
Ｌ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ｄ。だけ変位した位置Ｐ２にあると
きの反射光である。

次いでウェハ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（位置Ｐ２の時はＥ）に入射させて
いる。

尚、第２のＦＺＰ５は入射光束の入射位置に応じて出射
回折光の射出角を変化させる光学作用を有している。

そして第２のＦＺＰ５から角度θ２で回折した所定次数
の回折光６１（位置Ｐ２の時は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（位置Ｐ２の時は６２）の重心位置を用いてマスク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ＦＺＰ４における回折角度θ１及びＦＺＰ５の
所定入射位置における回折角度θ２は予め求められてい
る。

次に、第３図に示す光路図を用いて、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。

入射光ｌはマスク２上入射側物理光学素子４に入射し、
Ａ点で一θ１方向へ回折される。今、ウェハ３ｇｏがマ
スク２からギャップｇ。の位置にあった時、上記回折光
は０点で反射され、再びマスク面２上出射側物理光学素
子５上の点Ｅで回折され、受光系の光軸方向へ進むよう
に配置する。すなわち、距離ｆＭの点Ｆを通るようにＥ
点からＡ点間隔ｄを設定する。

又、マスク２．ウェハ３ｇ間のギャップが任意のｇの時
はＢ点で反射され、ｇがどの様な値でも常に物理光学素
子５のＤ点でＦを通る様に回折される光６１となる。さ
らに、ウェハ３ｇがＢ点でβだけ傾いたとして、Ｂ点で
反射され物理光学素子５の０８点で回折されＦβ点を通
る光６１βになったとすれば、以下に示す関係式が成立
し、物理光学素子５を出射する光の受光系光軸とのなす
角θ２βはギャップｇ。１ｇ％入射側物理光学素子４の
出射角θ１、出射側物理光学素子５の焦点距離ｆＭ及び
ウェハ３βの傾きβで決められる。

角度及び長さの向きを図のようにとると、Ｆ４Ｆ＋ＥＤ
６−−ｆＭｔａｎ０２Ｂ　＝　１２−ｆ　Ｍｔａｎ２β
’　　　・（１）Ｄ　４Ｄ−ｄｖｚ　−４２−−（ｇｔ
ａｎ　（θ１＋２β）　−ｇｔａｎθ１１　・（２）又
、傾きによるＥ点における人出射角の変化は、２β’　
＝ｃｏｓθ１２β　　　　　　　・・・（３）一方、ｄ
＝−２ｇｏ　ｔａｎθ１ よって、 ｄＭ２＝　ｄ　＋　２ｇｔａｎθ、＝　２　（ｇ　ｇｏ
）　ｔａｎθＩ　　　”’（４）以上（１）、（２）、
（３）、（４）よりｔａｎθ２βを求めると、 ｔａｎθ２β＝　−−［２（ｇ−ｇ　ｏ　）　ｔａｎθ
、＋ｇ（ｔａｎ（θ１＋２β）Ｍ ｔａｎθ＋　ｌ　　ｆ　Ｍｔａｎ　（２βＣＯＳθ、）
］　　−（５）ここでセンサー面上のスポットの動きＳ
ｌを考えると、 Ｓｌ　＝ｆ５　　ｔａｎ　　θ２β Ｓ ２−　［（ｇ Ｍ ｇ　Ｏ）　ｔａｎθ１＋β（ｇ（１＋ｔａｎ”θ１）ｆ
Ｍｃｏｓθ　１）コ ・・・（６） 但し、β（１としｔａｎ　（Ｃβ）二Ｃβとした。

（６）式から、ウェハの傾きがない場合はスポットの動
きＳ、は Ｓ Ｓ、＝２−Δｇｔａｎθ１　　　　　　　　　　　　”
’（ｅ）’Ｍ 但しΔｇ三ｇ。−ｇ Ｓ となり、ギャップ変化量Δｇに２−　ｔａｎθ１倍のＭ 倍率で受光手段面上を移動することになる。今、ｆ５　
＝６０ｍｍ、ｆ　Ｍ＝１ｍｍ、ｔａｎθ１＝１とすれば
倍率Ｑ＝６０となり、マスク２とウェハ３との間隔１μ
ｍ当たりの変化に対して、受光手段８面上の光束は６０
μｍ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０．００
５μｍ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。

具体的には他の間隔検出手段、例えばあらかじめマスク
を通して光学顕微鏡でマスク、ウェハ各々にピントを合
わせて顕微鏡の鏡筒の上げ下げ量をマ 測長するなどして測られ妻面間隔ｇＲが既知のマスク、
ウェハに対して本装置で光束を照射し、この時のセンサ
ー面上への光束入射位置を基準位置として記憶しておき
、間隔検出時のスポット位置の基準位置からのずれを求
め、これをＳｌとして（６）′式に代入して現在のマス
ク、ウェハ間隔のｇＲからのずれΔｇを求める事により
間隔が測定される。

ここで、ウェハの傾きβに対する影響を考えると、ギャ
ップ換算すれば（６）式よりウニ／”を傾きβにおける
ギャップ計測誤差量、即ちエラーギャップ量εｇは プロキシミテイ型の半導体露光装置の場合βは１Ｏ−４
ｒａｄ程度が最大と考えられ、又ｇも１００μｍ以下が
通常なので、β＝１０−’ｒａｄ、　ｇ＝１００　μｍ
とすれば、 εｇ　＝　１０　’　Ｘ　（１００Ｘ（１＋１）−１０
００Ｘ　　　　］二〇、０５　　［μｍ］ このような傾きによる誤差は第１図に示すように上下２
系統の光学系を構成し、ウェハ傾きβの影響が互いに逆
向きになるように設定し、それぞれの光束のスポットの
動き量の差を受光手段８，８′からの信号に基づき信号
処理回路９で検出し、このスポットの動き量に基づいて
間隔を検出する様にした本発明の実施例によって軽減さ
れる。以下にこれを詳細に述べる。

先に求めたのと同様に第１図上の系では、受光手段面上
のスポットの動きＳ、／は次のようになる。

ｓ Ｓ＋　　−２［−（ｇ’　　ｇｏ）ｔａｎθ。

Ｍ ＋β［ｇ’　（１＋ｔａｎ２θ、）−ｆＭｃｏｓθ１）
］ここで、第４図に示すように入射位置をｋだけずらし
て構威し、下の系のギャップｇ１でβ傾いたとすれば、 ギャップの差は、 ｇ　＋　　　ｇ　１−［ｇ　１ｔａｎ　（−θ＋）＋ｋ
　ｇ１′ｔａｎ（θ、　）　）　ｔａｎβ（１−ｔａｎ
βｔａｎθ１）　ｇ　１＋ｋｔａＨβセンサ一面上のス
ポットの動きの差ΔＳを求めると、Δｓ＝ｓ、−ｓ、’ Ｍ ＋β（（ｇ　＋　　ｇ　１’　）　（１＋ｔａｎ２θ１
））］＝−２−［２（Ｇ−ｇ　ｏ）　ｔａｎθ、＋βｈ
（β＋　ｇ　ｌ　＋　ｋ）Ｍ （１＋ｔａｎ２θ、）］　　　　　　　　　　　・・・
（７）よって、 第（６）式と第（７）式を比較するとわかるように、第
１図の実施例では２つの測定点の平均ギャップが、一系
統と比較し、２倍の感度で評価できる。

即ち、ウェハの傾きがない場合のスポットの動きの差は Ｓ Δ５＝４−Δｇ　ｔａｎθ。

Ｍ ・・・（７）′ （ｇ　１＝ｇ　１”ｇ＋　　Δｇ三ｇｏ　−ｇ）となり
ギャップ変動量に対する受光手段面上でのｓ スポットの変動量の倍率即ち感度θは４−　ｔａｎθ１
Ｍ 倍となる。この場合の△Ｓには各センサー毎に前述の様
に求めた基準位置からのそれぞれの重心位置のずれ量同
士の差が代入されて間隔が求められる。

先はどと同様にｆｓ＝３０ｍｍ、　ｆＭ＝１ｍｍ、　ｔ
ａｎθ１１とすればθ＝１２０倍となり、原理的に０．
００２５μｍの分解能でマスク２とウェハ３の間隔を測
定することができる。ウェハの傾きβに対する影響（エ
ラーギャップ量ε’ｇ）は（７）式より先はどと同様に
β＝１０−’ｒａｄ、　　ｇ＝１００　μｍ、とすると
、 〜　（２００−ｋ）ＸＩＯ−’ に−１０００μｍとすれば εｇ　　＝−０，０００００８［μｍ］となり、充分小
さく無視してもよいことがわかる。

この様な２系統の光学系によるスポットの動き量の差は
マスク、ウェハ間隔の変動に対応し、ウェハの傾きには
ほとんど影響されないので、このスポラトの動き量の差
を見ることで高精度なギャップ変動測定が可能になる。

第５図は本発明による第２の実施例で、（ａ）はマスク
面上物理光学素子の配置、（ｂ）は光学系の概略配置を
示す図である。２系統の測定系の共有化をはかったもの
で、入射側の物理光学素子（入射マーク）４．４’　　
を隣接し、同一投光系からの入射光を１、ｌ′　とし、
入射マーク４．４′へ投光し、出射側の物理光学素子（
出射マーク）５．５’　からの出射光６２　ｐ＋　、　
　６２　Ｐ２　、　６２　ｐ＋　　、　　６２　Ｐ２　
　を集光レンズ７で受光し、受光手段８で検出する。マ
スク２゜ウェハ３の間のギヤツブ位置Ｐ３．Ｐ２間を測
定する場合に、本実施例ではギャップの測定レンジが最
小の位置Ｐ１のとき両系による検出面８上のスポット位
置が一致するように設定しである。ギャップ変動に伴な
いＰ２の位置ではスポット位置が８２゜Ｓ２　と変化し
、両者のスポット間隔を測定すれば前記第１の実施例と
同様の計測が行える。

具体的には他の間隔検出手段、例えばあらかじめマスク
を通して光学顕微鏡でマスク、ウェハ各々にピントを合
わせて顕微鏡の鏡筒の上げ下げ量を測長するなどして測
られ奉面間隔ｇＲが既知のマスク、ウェハに対して本装
置で光束を照射し、この時のセンサー面上でのスポット
間隔を基準間隔として記憶し、間隔測定時にスポット間
隔を検出してこれの基準間隔からのずれを（７）′式の
ΔＳに代入して、マスク、ウェハ間隔のｇＲからのずれ
６ｇを算出する事により間隔測定を行っている。

第６図は本発明による第３の実施例で（ａ）はマスク面
上アライメントマーク配置図、（ｂ）は光路の概略を示
す図である。

２系統のマークをギャップ変動によってビームが移動す
る方向と直交方向に隣接して配置したものである。計測
系、及び計測感度等は前述実施例と同様である。

第７図は本発明による第４の実施例で２系統のマークを
重ねて配置したものである。

第８図は本発明による第５の実施例で入射側のマーク４
，４′　　のみ重ねて配置したものである。

第９図は本発明による第６の実施例で入射側のマーり４
は入射面と平行な直線格子から構成され、±１次回折光
がそれぞれ入射面に関し対称な方向へ回折し、それぞれ
出射マーク５，５′　へ向う配置をとっている。（ａ）
に入射面内射影光路、（ｂ）にマスクと平行な面射影光
路、（Ｃ）にマーク配置図を示す。

第１Ｏ図は本発明による第７の実施例で、（ａ）にマー
ク配置図、（ｂ）に光路図の概略を示す。本実施例は入
射マーク４によって入射光１が回折されウェハ３で反射
されたのち、マスク２上出射マーク５゜５“により２つ
の回折光６２．６２’　に分割されたものを受光レンズ
７で集光し、センサ８でそのスポット光の位置ずれの差
Ｓ、−Ｓ、　　からマスク２゜ウェハ３間のギャップを
測定するものである。このとき、出射マーク５は前記説
明と同様に出射光束中心はマスク２から受光系へｆＭの
距離の点Ｆを通るように設計されているが、出射マーク
５″　は出射光束中心マスク２からウェハ側に同距離の
点Ｆ“を起点として発散する形になるように設計されて
いる。

後者系におけるマスク２．ウェハ３間のギャップと受光
手段面上のスポット光の動きについて、ウェハの傾きも
含めて第１１図で説明する。

入射光ｌはマスク２上入射側物理光学素子４に入射し、
Ａ点で−θ、方向へ回折される。今、ウェハ３ｇｏがキ
ャップｇ。の位置にあった時、上記回折光は０点で反射
され、再びマスク面２上出射側物理光学素子５′上の点
Ｅで回折され、受光系の光軸方向へ進む配置をとる。

ギャップｇにウェハ３が移動した場合の出射側物理光学
素子５“上の回折点をＤ“とすれば、受光系光軸上の点
Ｆ“を通る直線の方向（光軸と−θ２傾いた方向）へ回
折させることになる。

ここでウェハ面３ｇがβだけ傾いたとすれば、出射側物
理光学素子５″上の回折点はＤβ　となり、Ｆβ“を通
る直線の方向（光軸と−０２β′傾いた方向）へ回折さ
れる。

第１１図に示すパラメータでこれらの関係を式で示すと
以下のようになる。

ＦβＦ＋７＝＝　１　ＭＮ　ｔａｎθ２β１！　−ｆ　
Ｍ　ｔａｎ２β“　　　−（１１）Ｄβ　Ｄ　−６Ｍ２
−ｌ ＝−［ｇｔａｎ（θ１＋２β）−ｇｔａｎθ１１　　　
・（１２）又、ウェハ傾きによるＥ点における入射角の
変化は、 ２β”　＝＝ｃｏｓθ、２β　　　　　　　　　　・・
・（１３）一方向　ｄ＝−２ｇ　（、ｔａｎθ。

よって、 ｄＭ　２＝　ｄ　＋　２ｇｔａｎθ＋＝２（ｇ　　ｇｏ
）ｔａｎθｌ　　　　　・（１４）以上（１１）〜（１
４）式よりｔａｎθ２β“を求めると、ｓ　、　Ｎ ｆ５　ｔａｎθ２β ｆＭ＃ＣＯ３０１）］ ・・・（１６） ここでｆＭ″ ｆＭとなるように２つの系を設定 すれば、 ＋ｆ　ｙ　ｃｏｓθ１）］ ・・・（１７） ここでセンサー面上のスポットの動きＳｌを考え ると、 と仮定すれば、 以上より受光系のセンサー面上の移動量の差Ｓ１３　、
　Ｎを求めると、（６）式、（１７）式よりＳ ２−［（ｇ ｆ。

ｇ　ｏ）　ｔａｎθ、＋β（ｇ（１＋ｔａｎ２θ１）−
ｆ　Ｍ　ＣＯＳθ、］］ ｓ ２−［（ｇ １Ｍ ｇｏ）ｔａｎθｌ＋β［ｇ　（１＋ｔａｎ　２θ１）＋
ｆ　Ｍｃｏｓθ、）］ Ｓ ２−［２（ｇ １Ｍ ｇｏ）ｔａｎθ１＋２βｇ（１＋ｔａｎ”θ１）］・・
・（１８） ウェハ傾きβがない場合は（１８）式は、Ｓ となりギャップ変化量Δｇに対し、４−　ｔａｎθ１倍
ｆ。

の倍率でセンサー面上を移動することになる。これは単
独の系の２倍の感度があることになる。

次にウェハの傾きβに対する影響を考える。（１８）式
のβによる誤差εβ をギャップ換算すれば β＝１０＝ｒａｄ、ｇ＝１００　μｍ、ｔａｎθ、＝１
とすれば、 εＢ　　　＝１０−’Ｘ１００Ｘ２＝０．０２［μｍ］
となり、充分小さ（無視できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように間隔の増減に対応する受光面上の光
束位置の移動方向が互いに反対となる２組の光束を用い
る事でウェハの傾き量を補正し、かつ、間隔測定感度を
増加することができ、高精度の間隔測定を行うことが可
能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による第１の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説明
図。 第３図、第４図は第１図の間隔計測量算出用詳細光路図
。 第５図は本発明による第２の実施例概略図。 第６図は本発明による第３の実施例のマーク近傍光路図
及びマーク配置。 第７図、第８図は本発明による第４．第５の実施例のマ
ーク配置図。 第９図は本発明による第６の実施例のマーク近傍光路図
及びマーク配置図。 第１０図は本発明による第７の実施例の概略図。 第１１図は第１０図の間隔計測量算出用詳細光路図。 第１２図は従来例。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第一物体と第二物体との間隔を検出する装置で、 第一物体あるいは第二物体の方向に光を出射する光源手
   段と、 第一受光面を有し、前記光源手段より出射され第一物体
   および第二物体によって偏向されて前記第一受光面へ入
   射してかつ第一物体と第二物体との間隔の変化に応じて
   前記入射位置がある方向に変化する第一光束の前記第一
   受光面への入射位置を検出する第一検出手段と、 第二受光面を有し、前記光源手段より出射され第一物体
   および第二物体によって偏向されて前記第二受光面へ入
   射してかつ第一物体と第二物体との間隔の変化に応じて
   前記入射位置が前記第一光束と逆の方向に変化する第二
   光束の前記第二受光面への入射位置を検出する第二検出
   手段と、 前記第一検出手段と第二検出手段の検出結果に基づき第
   一物体と第二物体との間隔を測定する手段とを有し、該
   検出により第一物体と第二物体との傾き変動の影響を受
   けない間隔測定が成されることを特徴とする間隔測定装
   置。