JPH04186116A - 微小変位測定方法およびその装置 - 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、回折格子を用いて物体の微小な変位の測定を
行う方法およびそのための装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体素子の製造には、ウェハを順次ステップ移
動させながら縮小投影露光を行うステッパが用いられて
いる。半導体素子は、ウェハ上の回路パターンとマスク
上の回路パターンとを順次重ね合わせて露光することに
よって製造される。

近年、この回路パターンはますます微細化、高密度化さ
れているので、ウェハとマスクは、より高精度にアライ
メントされる必要があり、このためには、まず、ウェハ
上の回路パターンの位置を高精度に測定する必要がある
。このための１つの方法として、例えば特開昭６１−２
１５９０５号公報、特開昭６２−２７４２１６号公報に
開示されているようなヘテロダイン干渉を用いる方法が
知られている。以下、この方法を用いた微小変位測定装
置の一例を第８図により説明する。図において、１は三
波長直交偏光レーザ、２はハーフミラ−１３は偏光ビー
ムスプリッタ、４はミラー、５はコリメータレンズ、６
は縮小レンズ、７は回折格子、８ａ、８ｂは偏光板、９
ａ、９ｂは光検出器、１０は検出信号処理部である。

三波長直交偏光レーザ１からは、波長が互いに僅かに異
なり、かつ偏光方向が互いに直交するコヒーレント光が
出射される。これらの光はハーフミラ−２を透過し、偏
光ビームスプリッタ３によって波長λ１と波長λ２の光
に分離される。これら偏光ビームスプリッタ３、ミラー
４およびコリメータレンズ５は、これらの光が光路１１
１．１１２を介し、縮小レンズ６によって、それぞれ１
次回折角Ｏで、しかも平行ビームで入射するように構成
されている。回折格子７によって発生する波長λ１の１
次回折光と波長λ２の１次回折光とは、それぞれ回折格
子７の面に垂直な光路１２１．１２２へ進む。この光路
１２１と１２２は実質的には同じ光路であり、偏光板８
ａを介して光検出器９ａにより、ヘテロダイン干渉信号
■、が測定される。このヘテロダイン干渉信号工。は、
次式％式％ ここで、Ａ＋ｌ＋はヘテロダイン干渉信号の振幅、ω１
、ω２はそれぞれ波長λ□、λ２の角周波数、ｔは時間
、Ｐは回折格子７のピッチ、Ｅは回折格子７の移動量で
あるにのヘテロダイン干渉信号■□は、回折格子７の移
動量εの情報を含んでいるので、以下測定信号と呼ぶこ
とにする。回折格子７の移動量εを求めるには、測定信
号■□の位相から時間項（ω、□−ωｚ）ｔを引いてや
ればよい。そして、この時間項は、別途、基準信号とし
て測定する。

すなわち、ハーフミラ−２で反射された光を偏光板８ｂ
を介して光検出器９ｂによって測定されるヘテロダイン
干渉信号Ｔ９は １、＝Ａｓｃｏｓ　（（ω□−ω２）ｔ）　　・・・・
・・・・・・・・・・・・・・（２）で表され、これが
基準信号となる。ここで、Ａｓは基準信号の振幅である
。

従って、検出信号処理部］Ｏによって、光検出器９ａ、
９ｂで検出した２つのヘテロダイン干渉信号の位相差を
求めれば、回折格子７のピッチＰから回折格子７の移動
量εが求められる。この方法では、光の位相を検出する
ので、合わせマーク像の光強度分布を検出する従来の方
式と比べ、照明光の分布や光学系の解像度によらず高精
度な位置検出を行うことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、ヘテロダイン干渉方式は、光の位相を検出す
るので、途中の光路の空気の密度によって、検出した干
渉信号が誤差をもつ。第８図の装置の場合、光学系の中
で波長λ１とλ２の光は、それぞれが光路１１１と１１
２を通るとき最も離れる。このとき、空気の密度が場所
によって異なる場合、屈折率も異なるので、光路１１１
を通った光と光路１１２を通った光に位相差が生じ、光
検出器９ａで検出されるヘテロダイン干渉信号■□は次
式のようになる。

ｌｍ＝Ａｍ　ＣＯ３（（（１１□−ω２）ｔ＋４　Ｋ　
Ｅ／Ｐ＋７）　−＝　（３）ここで、γは空気の密度分
布によって生じる位相差であり、式（２）に示した基準
信号から回折格子７の移動量εを求める上での誤差とな
る。

ステッパは、温度を一定に保つために空気の流れのある
チャンバに入れられているが、空気の流れが物体から剥
離すると密度の異なる渦が発生し、これが光路１１１．
１１２を横切ると測定誤差が発生する。この誤差は、常
に再現性良くウェハ上の回路パターンの位置を測定する
上での課題となる。

本発明の目的は、上記従来技術のもつ課題を解決し、空
気の密度分布の影響を低減した微小変位測定方法および
その装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、回折格子に入射さ
せない波長λ、および波長λ２のコヒーレント光を合成
して基準信号を生成し、波長λ□のコヒーレント光を回
折格子の１次回折角の約１／２の角度で入射させたとき
に発生する１次回折光と、このとき発生する正反射光の
反射方向と逆向一８＝ きに波長λ２のコヒーレント光を入射させたときに発生
する正反射光とを合成して測定信号を生成し、これらの
信号の位相差から回折格子の移動量を測定するようにし
たものである。

〔作用〕

上記構成により、基準信号■ｏおよび測定信号■１は次
式のようになる。

１、＝ＡｏｃＯ８（（ω□−ω２）ｔ＋Ｙｏｔ−γｏｚ
）　　・””（４）Ｉ、＝Ａ１ｃｏｓ　（（ω、−ω２
）　ｔ＋２ｚ　Ｅ　／Ｐ＋Ｙ１ｘ−γ１２）・・（５） ここで、γ。０、γ。２は、それぞれ基準信号を生成す
る波長λ１、λ２の光が進む光路の空気の屈折率によっ
て生じる位相項であり、γ１１、γ、２は、それぞれ測
定信号を生成する波長λ４、λ２の光が進む光路の空気
の屈折率によって生じる位相項である。本発明では、測
定信号を生成する波長λ１、λ２の光路のなす角が、従
来方式の２つの１次回折光のなす角の約１／２となるた
め、これらの光路は互いに接近しており、γ１１−γ、
２と見なせる。

また、基準信号を生成する波長λいλ２の光路も−１０
〜 極めて接近しているため、γ。□＝γ。２と見なせる。

従って、式（４）と（５）において、はぼγ。□−γ。

２−０、γ１□−γ、２−０となり、空気の密度分布の
影響を受けにくい微小変位測定方法および装置を実現で
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。第１
図は該実施例の微小変位測定装置の概略構成を示す斜視
図である。

第１図において、垂直方向の偏光をもつ直線偏光レーザ
光源１１から出射された光は、ハーフミラ−２１および
ミラー２２によって２光束に分割され、ＡＯ変調器（音
響光学変調器）３１．３２にそれぞれ入射する。このＡ
Ｏ変調器３１．３２には、それぞれ駆動周波数ｆ１、ｆ
２が入力されており、入射した光の周波数を入力された
周波数だけシフトさせる。すなわち、ＡＯ変調器３１か
らは、波長λ、のビームＬＢＩＩが出射され、ＡＯ変調
器３２からは、波長λ２のビームＬＢ１２が出射される
。ビームＬＢＩＩとＬ　Ｂ　１２とは、ハーフミラ−４
１，４２により、ビームＬＢ２１と３１、ビームＬＢ２
２と３２にそれぞれ２分割される。ビームＬＢ２１は、
ハーフミラ−２３を透過することにより、またビームＬ
Ｂ２２は、ミラー２４とハーフミラ−２３で反射するこ
とにより、それぞれが同一の光路を進み、光検出器９１
によりヘテロダイン干渉信号が検出され、これが基準信
号となる。一方、波長λ□のビームＬＢ３１と波長λ２
のビームＬＢ３２とは、偏光ビームスプリッタ４３にＳ
偏光で入射するために、はとんどが反射され、１／４波
長板５１に入射後、円偏光となり、コリメータレンズ５
２に入射する。このうち、波長λ、のビームＬＢ３１は
、ミラー５３を介して光路１３１を進み、縮小レンズ６
を介して光路１４１を進み、ウェハ上の回折格子７に所
定の角度（後述）で、しかも平行ビームとなって入射す
る。そして、回折格子７で発生する波長λ１の１次回折
光は、元の光路１４］−を戻り、正反射光は光路１４２
へ進む。同様に、波長λ２のビームＬＢ３２は、ミラー
５３を介して光路＝１１− １３２を進み、縮小レンズ６を介して光路１４２を進み
、ウェハ上の回折格子７に所定の角度（後述）で入射す
る。そして、回折格子７で発生する波長λ２の１次回折
光は、元の光路１４２を戻り、正反射光は光路１４１へ
進む。波長λ１の１次回折光と波長λ２の正反射光とは
、縮小レンズ６を介して光路１３１を戻り、波長λ２の
１次回折光と波長λ１の正反射光とは、光路１３２を戻
る。

これらの光は、ミラー５３およびコリメータレンズ５２
を介して１／４波長板５１によって、入射時と直交する
方向の直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４３
にＰ偏光で入射し、はとんどが透過する。この後、波長
λ、の１次回折光と波長λ２の正反射光とは、光路］５
１を進み、光検出器９２によってヘテロダイン干渉信号
が検出され、これが第１の測定信号となる。一方、波長
λ２の１次回折光と波長λ、の正反射光とは、光路１５
２を進み、光検出器９３によってヘテロダイン干渉信号
が検出され、これが第２の測定信号となる。これら第１
および第２の測定信号と前述の一１３＝ 基準信号とは、制御処理回路１００に送られる。

制御処理回路１００は、これらの信号の位相差を算出し
、これを変位量に換算することにより、回折格子７の微
小変位量を出力する。

ここで、回折格子７の変位量εと、基準信号と第１の測
定信号の位相差との関係を、第２図を用いて説明する。

まず、第２図（ａ）により、回折格子７の変位に伴う波
長λ、の１次回折光の位相変化について考える。波長λ
１のコヒーレント光が光路１４１ａを進み、回折格子７
に対しθ′の角度で入射すると、１次回折光は元の光路
１４１ａを戻る。ただし、θ′は次式を満たす。

５ｉｎＯ’＝λ、／２Ｐ　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（６）Ｐ：回折格子７のピッチ 一方、１次回折角θは次式 ％式％（６） を満たすから、入射角θ′は、次式のように、１次回折
角の約半分となる。

θ′＃λ、／２Ｐ：θ／２　・・・・・・・・・・・（
６＃）ここで、回折格子７がε移動したとき、その回折
格子７の位置を破線で表す。このときの入射光および１
次回折光の光路である光路１４１ｂと、元の光ｌ＆１４
１　ａとの光路長差は、２而となり、２配＝　２　Ｅ　
ｓｉｎθ′＝２ελ１／２Ｐ＝ελ１／Ｐ　−（７）と
表すことができ、回折格子７がε移動したときの１次回
折光の位相変化φ１は、 φ□＝２πε／Ｐ　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・　（８）となる。

次に、第２図（ｂ）により、波長λ２の正反射光の位相
変化について考える。波長λ２のコヒーレント光が光路
１４２ａを進み、回折格子７に対し一〇′の角度で入射
すると、正反射光は、反射角θ′で光路１４１ａへ進む
。ここで、上記と同様に、回折格子７がε移動したとき
の回折格子７の位置を破線で表す。このとき、入射光路
は、１４２ｂ、反射光路は１４１ｂとなり、移動前後の
光路長差は、δ〒−「「となる。ところが、入射角と反
射角は等しいので、ＧＥ−ＦＥ’＝０となる。従って、
回折格子７がε移動したときの正反射光の位相変化φ。

もＯになる。

基準信号の位相は、回折格子７の変位とは無関係に一定
であり、従って、回折格子７が変位したときの第１の測
定信号と基準信号の位相差Δφは、Δφ＝φ１−φ。＝
２πｐ／Ｐ　　・　・・・・・・・　（９）となる。

また、この場合の位相の測定レンジは、−２πくΔφく
２πであるので、変位量の測定レンジは、−Ｐ　＜　ｔ
　＜　Ｐである。これに対し、従来例の測定レンジは、
式（１）より、−Ｐ／２＜ε＜Ｐ／２であることを考え
ると、本発明の方式によれば、測定レンジが２倍に広が
るという長所がある。

次に、合わせマーク上にレジストが存在する場合の変位
量εの測定方法について説明する。まず、第３図に示す
ように、合わせマークである回折格子７の上に対称な分
布をもつレジスト７１が存在する場合について考える。

この場合、レジスト７１内の多重反射について考慮する
必要があり、第１の測定信号と基準信号の位相差Δφ８
はΔφ、＝２πｔ／Ｐ＋ｅ　　−・−−（１０）となる
。ただし、ｅはレジス１−７１による多重反射によって
生じる１次回折光と正反射光の位相差である。すなわち
、回折格子７上にレジス１−７１が存在する場合には、
第１の測定信号と基準信号の位相差にオフセットｅが加
算される。このオフセットを除く方法について、以下に
述べる。

本発明では、第２の測定信号も同時に測定することがで
き、この情報を利用することができる。

すなわち、第２の測定信号と基準信号の位相差Δφｂは
、 Δφｂ＝＝−２πε／　Ｐ　＋　ｅ　　・・・・・・・
・・・・・・・（１１）となる。従って、Δφ８とΔφ
ｂの差をとれば、式（１０）と式（１１）から、 Δφう−Δφｂ＝４πｔ／Ｐ　　・・・・・・・・・・
・・・・（１２）となり、オフセットｅを除くことがで
きる。ここで、第１および第２の測定信号の位相をそれ
ぞれφ８、φし、基準信号の位相をφ。とすれば、Δφ
う−Δφｂ＝φ８−φ。−（φｂ−φｃ）＝φ８−φｂ
・・・（１３）であるから、第１および第２の測定信号
の位相だけから、回折格子７の変位量εを求めることか
できる。このように、第２の測定信号を測定すれば、基
準信号は不必要となり、従って、第１図に示したハーフ
ミラ−４１，４２，２３、ミラー２４、光検出器９１を
省略することができる。

次に、第４図のように、回折格子７上のレジスト７２の
分布が非対称の場合について考える。レジストは回転塗
布されるので、回折格子７に対してレジストの分布は、
このように非対称になることが多い。このような場合、
式（１３）におけるφ２−φｂは、 φ、−φｂ＝４πｔ／Ｐ＋ｇ　　　・・・・・・・・・
（１４）となる。ただし、ｇはレジスト７２の分布が非
対称なために生した、第１および第２の測定信号を生成
する１次回折光の位相差を表す。このｇは、回折格子７
の変位量εを求める上でオフセット誤差となる。そこで
、ｇを間接的に測定し、これを式（１４）に代入するこ
とによって正確な変位量εの値を求める方法について、
以下に説明する。

レジストの非対称性が、第４図に示すように、回折格子
７の凹部の中心線に対するレジストの凹部の中心線のシ
フト量δで表せるものとする。シフト量δがある場合の
第１の測定信号を生成する１次回折光（以下、第１の１
次回折光と記す）の位相ｇ１と、第２の測定信号を生成
する１次回折光（以下、第２の１次回折光と記す）の位
相ｇ２の値は、例えば「ジャーナル・オブ・ザ・オプテ
ィカル・ソサイエティ・オブ・アメリカ、Ａ、第５巻、
第８号、１９８８年、第１２７０頁から第１２８０頁（
Ｊ、　Ｏｐｔ、　Ｓｏｃ、　Ａｍ、　Ａ、　Ｖｏｌ、５
．　Ｎｏ、８（１９８８）、　ｐｐ、１２７０−１２８
０）Ｊに記載されている方法により計算することができ
る。計算結果の一例を第５図に示す。第５図は、レジス
トのシフト量に対する第１および第２の１次回折光の位
相ｇ１、ｇ２の関係を示したもので、シフト量が大きく
なると位相ｇ□とｇ２の差が大きくなることを示してい
る。ここで、シフト量に対する第１および第２の１次回
折光の強度Ｉａ、Ｉｂの関係を同様に計算した結果を第
６図に示す。第６図においても、シフト量が大きくなる
と、第１および第２の１次回折光の強度工。とＩｂの差
は大きくなる。このように、位相ｇ１、ｇ２の差と、第
１−および第２の１次回折光の強度の差には相関がある
。従って、２つの１次回折光の強度差を測定することに
よりｇ（＝ｇよ−ｇｚ）を間接的に測定することができ
る。

第７図に、２つの１次回折光の強度差とｇとの関係を示
す。図は、縦軸にはｇ、横軸には次式で表される２つの
１次回折光の強度差Ｓをとっである。

Ｓ”　（Ｉ−−Ｉｂ）　／　（Ｌ＋Ｉｈ）　　　・・（
１，５）■、には、第１図において光検出器９２で検出
されるヘテロダイン干渉信号の振幅を代入し、Ｉｂには
、光検出器９３で検出されるヘテロダイン干渉信号の振
幅を代入すればよい。制御処理回路１００は、■。、Ｉ
ｂから式（１５）によりＳを計算し、あらかじめ求めた
Ｓとｇとの関係からｇを計算し、これを式（１４）に代
入することにより、正確な変位量εを算出することがで
きる。

以上に示した手順によれば、レジストの分布か合わせマ
ークである回折格子に対して非対称になる場合も、正確
な変位量を測定することができる。

２つの１次回折光の強度差からレジストの非対称性によ
る誤差を補正する方法に関しては、例えば特開平１−２
４２９０４号公報に記載されている方法がある。しかし
、本発明によれば、ヘテロダイン干渉信号の検出と１次
回折光の強度の検出とを１つの光検出器で行うことがで
き、上記公報に記載されている方法に比べて、信号処理
系が簡略化できるという効果がある。

測定した変位量εは、制御処理回路１００によってレチ
クル８に対するウェハ７３のアライメント基準位置から
のずれ量に換算され、このずれ量を基に駆動部７４を制
御してステージ７５を移動させる。このようにして、レ
チクル８上の回路パターンは、ウェハ７３上の所望の位
置に転写できる。

なお、本発明は、第１図において、縮小レンズ６を介さ
ず、コリメータレンズ５２から直接に回折格子７に波長
λ１の光を入射させることにより、プロキシミテイ露光
装置や電子ビーム描画装置の微小変位測定に適用するこ
ともできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ヘテロダイン干渉を用いた微小変位の
測定において、測定信号を生成する波長λ３、λ２の光
路のなす角が従来方式での２つの１次回折光のなす角の
約１／２となるため、これらの光路は互いに接近してお
り、また、基準信号を生成する光路も極めて接近してい
るため、微小変位測定における空気の密度分布の影響を
低減できるという効果がある。また、第１および第２の
測定信号を同時に検出することが可能であり、この場合
には、基準信号を省略することができる。さらに、第１
および第２の１次回折光の強度を別々に測定することが
できるので、この測定値から回折格子上のレジスト分布
が非対称な場合の測定変位量を補正することができ、常
に正確な変位量を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による微小変位測定装置の一実施例の概
略構成を示す斜視図、第２図は回折格子と光路を示した
説明図、第３図は回折格子上の対称なレジスト分布を示
す説明図、第４図は回折格子上の非対称なレジスト分布
を示す説明図、第５図はレジストシフト量と第１および
第２の］−次回指光の位相との関係を示したグラフ、第
６図はレジストシフト量と第１および第２の１次回折光
の強度との関係を示したグラフ、第７図は第１および第
２の１次回折光の強度差と位相差との関係を示したグラ
フ、第８図は従来の微小変位測定装置の一例を示す概略
構成図である。 符号の説明 ６・縮小レンズ　　　　７・・・回折格子１１・・・直
線偏光レーザ光源 ３１．３２　・ＡＯ変調器 ４３・・・偏光ビームスプリッタ ５１・・１／４波長板　　５２・・・コリメータレンズ
９１．９２．９３・光検出器 １００・・・制御処理回路 １Ａ１゜ ７　　　　Ｃ’ｌ＋、に＋久Ｌ ｌ　−は」イ１ｌ＝ｌ’υ−Ｊ （ｂ） 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、波長が互いに僅かに異なる第１の波長の光と第２の
   波長の光とをヘテロダイン干渉させて基準信号を生成す
   るとともに、位置検出すべき物体の上に形成された回折
   格子に、所定の角度で、前記第１の波長の光を入射した
   ときに発生する回折光と、このとき発生する第１の正反
   射光の反射方向と逆向きに前記第２の波長の光を入射し
   たときに発生する第２の正反射光とをヘテロダイン干渉
   させて測定信号を生成し、前記基準信号と前記測定信号
   より求められる位相差から前記物体の微小変位を測定す
   ることを特徴とする微小変位測定方法。 ２、請求項１に記載の微小変位測定方法において、前記
   所定の角度が、１次回折角の約半分であることを特徴と
   する微小変位測定方法。 ３、位置検出すべき物体の上に形成された回折格子に、
   所定の角度で、第１の波長の光を入射したときに発生す
   る第１の回折光と、このとき発生する第１の正反射光の
   反射方向と逆向きに、前記第１の波長と僅かに異なる第
   ２の波長の光を入射したときに発生する第２の正反射光
   とをヘテロダイン干渉させて第１の測定信号を生成し、
   前記第２の波長の光を入射したときに発生する第２の回
   折光と、前記第１の正反射光とをヘテロダイン干渉させ
   て第２の測定信号を生成し、前記第１の測定信号と前記
   第２の測定信号より求められる位相差から前記物体の微
   小変位を測定することを特徴とする微小変位測定方法。 ４、請求項３に記載の微小変位測定方法において、前記
   所定の角度が、１次回折角の約半分であることを特徴と
   する微小変位測定方法。 ５、請求項３または４に記載の微小変位測定方法におい
   て、前記第１の測定信号と前記第２の測定信号の振幅の
   差から微小変位測定量を補正することを特徴とする微小
   変位測定方法。 ６、物体上に固設された回折格子と、波長が互いに僅か
   に異なる第１の波長の光と第２の波長の光を発生する光
   源と、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光とをヘ
   テロダイン干渉させて基準信号を生成する手段と、前記
   第１の波長の光と前記第２の波長の光を前記回折格子に
   それぞれ所定の角度で入射させる手段と、前記回折格子
   から発生する前記第１の波長の回折光と前記第２の波長
   の正反射光とをヘテロダイン干渉させて測定信号を生成
   する手段と、前記基準信号の時間変化を測定する第１の
   光検出手段と、前記測定信号の時間変化を測定する第２
   の光検出手段と、前記第１および第２の光検出手段によ
   って検出された前記基準信号と前記測定信号の位相差を
   算出、処理して前記物体の変位に換算する信号処理回路
   を具備することを特徴とする微小変位測定装置。 ７、請求項６に記載の微小変位測定装置において、前記
   所定の角度が、１次回折角の約半分であることを特徴と
   する微小変位測定装置。 ８、物体上に固設された回折格子と、波長が互いに僅か
   に異なる第１の波長の光と第２の波長の光を発生する光
   源と、前記第１の波長の光と前記第２の波長の光を前記
   回折格子にそれぞれ所定の角度で入射させる手段と、前
   記回折格子から発生する前記第１の波長の回折光と前記
   第２の波長の正反射光とをヘテロダイン干渉させて第１
   の測定信号を生成する手段と、前記回折格子から発生す
   る前記第２の波長の回折光と前記第１の波長の正反射光
   とをヘテロダイン干渉させて第２の測定信号を生成する
   手段と、前記第１の測定信号の時間変化を測定する第１
   の光検出手段と、前記第２の測定信号の時間変化を測定
   する第２の光検出手段と、前記第１および第２の光検出
   手段によって検出された前記第１の測定信号と前記第２
   の測定信号の位相差を算出、処理して前記物体の変位に
   換算する信号処理回路を具備することを特徴とする微小
   変位測定装置。 ９、請求項８に記載の微小変位測定装置において、前記
   所定の角度が、１次回折角の約半分であることを特徴と
   する微小変位測定装置。