JPH04315904A - 試料面位置測定装置 - 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】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエハあるいは
マスク等の試料の表面位置を非接触で測定す試料面位置
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子ビーム露光装置や縮小投影露
光装置などの半導体製造装置では、ウエハ表面の高さを
、また、マスクやウエハの検査装置等では、やはりマス
クやウエハの表面の高さを正確に測定する必要である。 前者を例にとれば、電子ビーム露光装置では電子ビーム
の焦点深度以内に、縮小投影露光装置では投影レンズの
焦点深度以内にウエハの表面を位置決めし、描画あるい
は転写を行うために、ウエハの表面を正確に測定するこ
とが必要となるからである。さらにこのためには、電子
線レジスト或いは光露光レジストを感光させない波長（
例えば６００ｎｍ以上の波長）を用いて、ウエハの表面
の高さ測定が必要となる。

【０００３】半導体製造装置では、ウエハ表面に対して
斜め方向から光を照射してその反射光の位置からウエハ
の高さを測定する方法が実施されている。しかし、この
方法では、ウエハ面（或いはマスク面でも同様）にパタ
ーンが描かれていて場所によって反射光の光の強度或い
は反射光の光束内強度分布が異なる場合にはウエハ表面
の高さ位置測定の精度低下を生じ、正確な位置測定がで
きないという問題がある。これらの問題を解決する方法
として特開昭５６−２６３２号公報、特開昭５７−１３
９６０７号公報や米国特許第（ＵＳＰ）４，６９８，５
１３に開示された位置測定装置などがあげられるが、こ
れらにおいても測定誤差の発生は認められる。

【０００４】最近、図９に示すような共焦点法と呼ばれ
る技術が、例えばレーザ顕微鏡等に応用され実用化され
ているが、この共焦点法を用いてウエハ面の高さ方向の
位置を測定することが考えられる。しかし、この共焦点
法は測定可能な範囲が数μｍと小さく、このような方法
を装置に組み込んだ場合、測定範囲を越えた場合には何
らかの方法で測定レンジを広げるようなことが必要であ
る。さらに、半導体製造装置の一つであるＸ線露光装置
で採用されているウエハやマスクの高さ方向の測定に、
斜め方向から２本の光束を特別に製作した回折格子状マ
ークに照射してマークから反射される０次反射光以外の
回折光の一部を同軸で回折させるようにし、その同軸反
射回折光を光ヘテロダイン測定して高さ方向を測定する
ことが文献（Ｍ．ＳＵＺＵＫＩ，Ａ．Ｕｎｅ：Ａｎ　ｏ
ｐｔｉｃａｌ−ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ　ａｌｉｇｎｍｅ
ｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｑｕａｒｔｅｒ−
ｍｉｃｒｏｎ　ｘ−ｒａｙ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ（６），Ｎｏ
ｖ／Ｄｅｃ１９８９，１９７１．）　に報告されている
。しかし、このような方法では測定面に必ず特殊なマー
ク（回折格子等）を必要とし、あらゆる場所でのウエハ
面の測定は困難である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の位置
測定装置では、試料表面の反射率の変化などの問題によ
って測定精度が高くとれないといった問題、測定精度が
良い方法では測定の可能な範囲が非常に小さい問題など
があった。

【０００６】本発明は上記事情を考慮して成されたもの
で、その目的とするところは、試料面の反射率の影響を
受けない、さらに測定範囲が十分に大きく取れ、特殊な
マーク等を必要としない試料面位置測定装置を提供する
ことにある。 ［発明の構成］

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、基本的
には先の文献（Ｍ．ＳＵＺＵＫＩ，Ａ．Ｕｎｅ：Ａｎ　
ｏｐｔｉｃａｌ−ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ　ａｌｉｇｎｍ
ｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｑｕａｒｔｅｒ
−ｍｉｃｒｏｎｘ−ｒａｙ　ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ（６），Ｎｏ
ｖ／Ｄｅｃ１９８９，１９７１．）　の技術をベースと
しているが、特殊なマークを必要とすることなく、十分
に実用性のある試料面位置測定装置としている。まず、
本発明の実施例で説明している方法で反射光は２光束で
ある状態を作りだし、光の位相を測定する方式を採用し
ている。このために光ヘテロダインを採用する。また、
特殊なマークを必要としないために、正反射光をそれぞ
れ測定するものとする。

【０００８】すなわち本発明は、所定の光束を試料面に
照射する照射光学系と、前記照射された光束が試料面で
正反射し、この正反射光のうち反射角度が異なる２光束
を受光し、この２光束に含まれる周波数の異なる２つの
光の波動の干渉により生じるうなりの位相を検出するこ
とで試料面の位置を検出する反射検出光学系と、を具備
することを特徴としている。

【０００９】

【作用】上記構成であれば、正反射の角度の異なる２光
束を受光し、この角度の差から試料面が高さ方向に変位
した時、光路差が発生することにより２光束の位相が変
化する。この量を測定することで特殊なマークを必要と
することのない位置測定装置が構成できる。

【００１０】また、光ヘテロダインを採用した位相測定
のため試料面からの反射光量の変化に依存しない位置測
定が可能となる。これによって従来発生していた測定誤
差の発生を招くことのない信号が取れる。また上述した
ように正反射光を測定しているため試料面に特殊なマー
クを設ける必要がなく、原理的にはあらゆる試料面の測
定が可能となる。測定の範囲は２光束の受光の角度差（
斜め入射の角度差）を適当に変更することによっていか
ようにも設定することができ、様々な装置の要求に合わ
せる事ができ、より実用性の高い位置測定装置を提供す
ることができる。

【００１１】

【実施例】以下本発明の詳細を図示の実施例によって説
明する。図１は本発明の一実施例に関わる試料面測定装
置を示す概略構成図である。

【００１２】レーザ等の光源１から放出された光を偏向
ビームスプリッタ２によって分離し、それぞれＢｒａｇ
ｇ　セル（超音波光変調素子）あるいはＡＯＭ（音響光
学変調素子）３、４を通してｆ１　，ｆ２　の周波数偏
移（シフト）を与える。図１中矢印の方向がその偏向方
向を示している。それぞれのｆ１　，ｆ２　の光束は偏
向ビームスプリッタ５とハーフミラー６、ミラー７によ
って一方は、ｆ１　とｆ２　とが混合され、他方がｆ２
　のみの２光束に再編成される。この２本の光束は適当
な光学素子８によって、ある決められた入射角度θ１　
と入射角度差Δθを持って試料面９に斜め方向から照射
される。

【００１３】この２光束の正反射光は光の反射の法則に
したがって反射し、図に示したように入射角度差Δθを
持って分離したものとなる。入射角度θ１　の反射光束
の途中に偏向ビームスプリッタ１２を挿入し、ｆ１の偏
向光を反射、および１／２波長板１０によって偏向面を
９０度回転させ、コーナキューブ１１、ハーフミラー１
６ａによって一部の光を入射角度θ１　の反射光に戻す
。これによって波動の干渉により生じるうなりを光電素
子１３ａによって測定することができる。

【００１４】一方入射角度θ１　＋Δθの反射光の一部
にハーフミラー１６ｂを挿入し、先の偏向面を９０度回
転させた光を干渉させる。これによって光電素子１３ｂ
でｆ１−ｆ２　の波動の干渉を測定することができる。 これらの信号の位相差を位相計１４を用いて測定するこ
とによって、位相差に比例した試料面位置を知ることが
できる。

【００１５】ここで、例えば図２に示すようにそれぞれ
の入射光の入射角度をθ１　、θ２　として試料面がｚ
だけ変位したとすると、それぞれ２光束の光路差は次の
ように求めることができる。θ１　の入射角の光束に関
しては、原点Ｏ（２光束の集光位置）から試料面がｚ変
位したときの反射光に垂線を引くことによって、ＯＡ−
ＡＢ間が光路長変化であることがわかる。ＯＡの光路長
は、ｚ／ｃｏｓθ１　、ＡＢの光路長はｚｃｏｓ２θ１
　／ｃｏｓθ１　であるので全体の光路長は 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２ｚｃｏｓ
θ１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・　　（１）で表される。θ２　の入射角の光束に関し
ては同様にして、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２ｚｃｏｓ
θ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・　　（２）と求めることができる。この２光束の相対
的な光路差は、上記式（１）、（２）の差 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２ｚ（ｃｏ
ｓθ１　−ｃｏｓθ２　）　　　　・・・　　（３）で
求めることができ、２光束の位相差は４πｚ（ｃｏｓθ
１　−ｃｏｓθ２　）／λ　　　　（４）となる。なお
、λは光の波長である。

【００１６】式（４）からわかるように、（ｃｏｓθ１
　−ｃｏｓθ２　）／λの値を適当に設定することによ
ってｚの測定範囲で位相差が２π変化するように調整す
ることができる。図３は式（４）で求められる位相変化
特性である。これが本発明の位置測定装置の基本的な原
理と実施例である。本発明は上述した方法以外にも様々
な実施例が考えられる。以下に、本発明の変形例を説明
する。

【００１７】例えば入射光でｆ１　、ｆ２　の干渉光束
を作らずに、図４に示すように反射光側でミラー１７、
ハーフミラー１８を用いて干渉させ、光電検出器１３を
一個にしてｆ１　−ｆ２　の信号を測定する方法が実現
できる。 この場合、基準となるｆ１　−ｆ２　の信号が必要であ
るが、この基準信号と検出信号の位相差を測定して試料
面の高さ方向の変位を測定することができる。この基準
となるｆ１　−ｆ２　の信号は図４で示すようにＢｒａ
ｇｇ　セル（超音波光変調素子）３、４の電気信号を取
りだし、位相計１４に入力させても良いし、また、図５
に示したように入射光学系側でハーフミラー２０、２１
を用いてｆ１　，ｆ２　の光を干渉させ、これを測定し
、基準信号としても良い。このような方法でも先に式で
示した出力と同様な結果が得られる。

【００１８】また、図４、５で示した実施例の場合、測
定範囲の選定によってはΔθの角度が小さく、現実的に
２光束が完全に分離しにくい場合が考えられる。このよ
うな場合には、入射光側の片側の光束に偏向板を挿入し
、一方の光束を他方の光束と偏向方向を変えておく、反
射光側で偏向ビームスプリッタによって２光束を分離し
、再度偏向板を用いて偏向方向を一致させ、再度重ね合
せる方法が考えられる。この偏向とは、例えば光をＰ波
、Ｓ波のように変更するような場合であって、このよう
な偏向を利用した分離方法によって１度以下のΔθの角
度でも容易に分離、重ね合せができる。現実問題として
、非常に高精度な位置測定を実施する場合には、角度差
Δθは１０度以内、さらに望ましくは、１度前後が望ま
しく、この様に上記偏向という概念は、本発明を実施す
る上で有用である。

【００１９】以上の実施例は、光を試料面の斜め方向か
ら照射する場合について述べたが、多くの場合試料面を
観察するためにその上面に観察用のレンズなどが設置さ
れている場合がある。この様な場合、前述の斜め入射の
入射角度を大きくして、本発明の試料面位置測定装置を
構成することも可能であるが、図６に示したように例え
ば２光束をミラー２５で垂直に対物レンズ２６に入射さ
せて光束を通すＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｔｈｅ　Ｌｅ
ｎｓ）方式も可能である。また、入射光の１本は傾いて
いる必要はなく試料面に対して垂直でも良く、他の１本
が傾いていれば良い。要するに試料面に対して傾いた光
束を含んだ２本の光束を試料面に入射させ、その正反射
光を測定し、それぞれの光束が通る光路差を測定（実施
例の場合それぞれの光の位相差を何等かの方法で測定）
すれば良く、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な実
施例が考えられる。

【００２０】なお、上述した実施例では２本の光束に適
当な入射角度差Δθをつける光学素子８の詳しい記述を
していないが、これは例えば図７に示すように光学素子
８として２つのミラー２７ａ，２７ｂを用いることによ
って、２光束を試料面上に対して斜めに反射させ、試料
面上に入射角度差Δθで集光する光束を作り出すことが
できる。この場合２光束を平行光で入射させ、レンズ２
８の焦点位置に試料面を置くようにする。平行光の間隔
を、例えばこの場合ミラー２７ａ，２７ｂの間隔をミラ
ー駆動機構３０によって動かすことで容易に入射角度差
Δθの設定、微調整を行うことができる。このミラー駆
動機構３０を設けることで前述した角度差Δθを現実的
な、例えば１０度以内程度に微調整できる。

【００２１】また、レンズを用いた場合試料面上では球
面波となって集光するが、反射光側に同様なレンズを設
けることによって検出器で測定するあるいは干渉させる
部分では平行光を作り出すことができる。さらに球面波
状の２光束を適当な角度でレンズに入射させることによ
ってレンズの出射光を平行光とし集光させることも可能
である。別の方法として図８に示すように１対のミラー
２９ａ，２９ｂによって簡単に２光束の集光光を作り出
す事ができるし、プリズムなど様々な光学素子を用いて
２光束およびその角度差Δθをつける方法が考えられる
。

【００２２】さらに、本発明は次のような場合にも実施
可能であって、前述の実施例の概念を拡張して、Δθの
角度全体で集光する１本の光を照明光学系で作り出し（
１本の光束の場合には、すでに周波数偏移ｆ１　，ｆ２
　された光）、反射光をプリズム等の適当な方法で角度
差Δθの２光束に分離し（例えば１本の光束の端部をそ
れぞれ分離することで角度差Δθの２光束が得られる）
、その光束を干渉させて位置測定することも可能である
。

【００２３】なお、、微細な像をレンズによって観察し
ようとする場合、最近の傾向として波長の短い光を用い
て観察することが盛んに行われている。このような装置
では、オートフォーカス用に観察光とは異なった光を用
いて試料面を性格に測定することが要求される場合が多
い。観察光に対して色収差補正されたレンズに、観察光
とは異なった光を通すことで様々な問題が生じる。この
ような場合、非常に細く絞った光束をレンズに通すこと
で色収差の問題を比較的簡単に解決することができる。 上述したような条件で試料面を測定するのにも、本発明
の技術が使用できる。さらに２光束の角度差Δθを適当
に変更することによって（角度差Δθが小さい場合には
、一方の光に対して他方の光を偏向できるような機構を
設けることによって）、測定範囲をいかようにも設定す
ることができ、様々な装置の要求に合わせてより実用性
の高い位置測定装置を提供することができるなど本発明
は工業上の利点が多い。

【００２４】

【発明の効果】光ヘテロダインにより反射光の位相を測
定しているため、試料面からの反射光量の変化に依存し
ない位置測定が可能となり、従来発生していた測定誤差
の発生を招くことのない信号が取れる。さらに反射０次
光（正反射光）を測定しているため試料面に特殊なマー
クを設ける必要がなく、原理的にはあらゆる試料面の測
定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の試料面位置測定装置の一実施例を説明
した概略構成図。

【図２】本発明の測定原理を説明するための説明図。

【図３】本発明の試料面測定装置により得られる出力特
性の一例を示す特性図。

【図４】本発明の試料面位置測定装置の他の実施例を説
明した概略構成図。

【図５】本発明の試料面位置測定装置の他の実施例を説
明した概略構成図。

【図６】本発明の試料面位置測定装置の光学系部分の変
形例を説明した概略構成図。

【図７】本発明の試料面位置測定装置の光学系部分の変
形例を説明した概略構成図。

【図８】本発明の試料面位置測定装置の光学系部分の変
形例を説明した概略構成図。

【図９】従来の共焦点法の簡単な光学構成を説明した図
。

【符号の説明】

１　　　　光源 ２　　　　偏向ビームスプリッタ ３　　　　Ｂｒａｇｇ　セル ４　　　　Ｂｒａｇｇ　セル ５　　　　偏向ビームスプリッタ ６　　　　ハーフミラー ７　　　　ミラー ８　　　　光学素子 ９　　　　試料面 １０　　１／２波長板 １１　　コーナーキューブ １３，１３ａ，１３ｂ　　光電検出器 １４　　位相計

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料の表面に対し可干渉性のある光を照射
   して、前記試料面の表面で反射された光を検出器に導き
   試料面の位置を測定する試料面位置測定装置において、
   所定の光束を前記試料面に照射する照射光学系と、前記
   照射された光束が前記試料面で正反射し、この正反射光
   のうち反射角度が異なる２光束を受光し、この２光束に
   含まれる周波数の異なる２つの光の波動の干渉により生
   じるうなりの位相を検出することで前記試料面の位置を
   検出する反射検出光学系と、を具備することを特徴とす
   る試料面位置測定装置。
2. 【請求項２】前記照明光学系は周波数が異なる２つの光
   束をそれぞれ異なった入射角で前記試料面に入射させる
   光学系を具備し、前記反射検出光学系は、前記２つの入
   射光のそれぞれの正反射光をお互いに干渉するように重
   ね合せる光学手段と、前記正反射光の２光束の波動の干
   渉により生じるうなりと等しい周波数を持つ基準となる
   信号と前記正反射光の２光束の波動の干渉により生じる
   うなりの信号との位相差を測定する測定手段と、を具備
   していることを特徴とする請求項１記載の試料面位置測
   定装置。
3. 【請求項３】前記照明光学系は、２本の光束をそれぞれ
   異なった入射角で試料面に入射させる光学系を具備し、
   少なくともそのうちの１光束は周波数がわずかに異なる
   波動が混在しているものであり、前記反射検出光学系は
   、前記それぞれの正反射光をお互いに干渉するように重
   ね合わせる光学手段と、２光束の波動の干渉により生じ
   るうなりを測定する２つの検出器と、これらの各々の検
   出器からの信号の位相差を測定する測定回路と、を具備
   していることを特徴とする請求項１記載の試料面位置測
   定装置。
4. 【請求項４】前記２光束は偏向手段を用いてそれぞれ異
   なる偏向方向あるいは回転方向を持つように偏向され、
   それぞれの正反射光を偏向分離手段で分離した後に前記
   反射検出光学系に導くように構成したことを特徴とする
   請求項２または請求項３に記載の試料面位置測定装置。
5. 【請求項５】前記試料面上に入射する２光束の入射角度
   差を調整可能な入射角度変更機構を設けたことを特徴と
   する請求項２または請求項３に記載の試料面位置測定装
   置。