JPH06137830A

JPH06137830A - 干渉計測方法及び干渉計測装置

Info

Publication number: JPH06137830A
Application number: JP4309700A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsumoto; 隆宏松本; Koichi Chitoku; 孝一千徳; Tetsushi Nose; 哲志野瀬; Kenji Saito; 謙治斉藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 1994-05-20
Also published as: US5465148A

Abstract

(57)【要約】【目的】自動化及び光学系のセッティングを容易に
し、計測精度を向上した干渉計測方法及び干渉計測装置
を提供することににある。【構成】ゼーマンレーザー光源５１の光路上にはレン
ズ５２、サバール板５３、レンズ５４、５５、被測定物
が順次に配列され、被測定物はマスク５６上の回折格子
５７とウエハ５８上の回折格子５９によって構成されて
いる。回折光の光路上にはミラー６０、６１、レンズ６
２、６７、サバール板６３、６８、偏向板６４、６９、
レンズ６５、７０、光電検出器６６、７１が順次に配列
され、光電検出器６６、７１の出力は位相差計７２に接
続され、２つのビート信号間の位相差を検出する。ここ
で、サバール板５３によって光束を２つに分離し、回折
格子５７、５９によって回折を起こした後にサバール板
６３、６８によって再び合成することにより、２光束が
同一光路上を通り、測定精度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばマスクとウエハ
の位置合わせ装置、重ね合わせ精度測定装置、或いは表
面形状測定装置等に適用される干渉計測方法及び干渉計
測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１６は第１の従来例の構成図であり、
特開昭６４−８２６２４号公報に示されている直線回折
格子を位置合わせマークに用いた光ヘテロダイン法によ
る位置合わせ装置である。２波長直線偏光レーザー光源
１の光路上には回折格子２、ミラー３が配列され、ミラ
ー３の反射方向には照明光学系４が設けられている。照
明光学系４の透過方向にはマスクステージ５上に配置さ
れたマスク６及びウエハステージ７上に配置されたウエ
ハ８が設けられ、照明光学系４からの光束がＮＡ（Nume
rical Aperture）によって規定される角度でマスク６上
に形成された回折格子９、及びウエハ８上に形成された
回折格子１０に入射するようになっている。

【０００３】更に、回折格子９、１０の反射方向には偏
光ビームスプリッタ１１が設けられ、偏光ビームスプリ
ッタ１１の反射方向にはナイフエッジ１２及び検出手段
１３が設けられ、回折格子９からの回折光がナイフエッ
ジ１２により遮断され、検出手段１３には入射しないよ
うになっている。偏光ビームスプリッタ１１の透過方向
にはナイフエッジ１４及び検出手段１５が設けられ、回
折格子１０からの回折光がナイフエッジ１４によって遮
断され、検出手段１５には入射しないようになってい
る。また、検出手段１３、１５の出力は位相差計１６に
接続され、位相差計１６の出力はウエハステージ駆動回
路１７及びマスクステージ駆動回路１８に接続されてい
る。更に、ウエハステージ駆動回路１７の出力はウエハ
ステージ７に接続され、マスクステージ駆動回路１８の
出力はマスクステージ５に接続されている。

【０００４】２波長直線偏光レーザー光源１から出射さ
れた光束L1は回折格子２に入射し、回折格子２からの回
折光L2、L3、L4はミラー３によって偏向される。０次回
折光L3、＋１次回折光L2、−１次回折光L4は照明光学系
４を通過後に、何れか１つの回折光は遮断され、他の２
つの回折光のうち１つはλ／２板によって偏光方向を変
換され、回折格子９、１０に照射される。回折格子１０
により反射回折された回折光L5と、回折格子９によって
反射回折された回折光L6とは、進行方向は同一である
が、回折格子１０と回折格子９の位置が図１７に示すよ
うにｙ方向にずれているために、重なり合わずに僅かに
分離している。

【０００５】回折光L5は偏光ビームスプリッタ１１によ
って２分割されるが、透過光はナイフエッジ１４によっ
て遮断されるため検出されず、反射光のみが検出手段１
３によって検出される。同様に、回折光L6は透過光のみ
が検出手段１５によって検出される。検出手段１３、１
５の出力から位相差計１６によってそれぞれのビート信
号間の位相差が検出される。

【０００６】図１８、図１９はマスク６とウエハ８の位
置合わせを行う場合の第１の従来例の説明図であり、周
波数f1の光束の−１次回折光と周波数f2の光束の＋１次
回折光の合成光Emは次式で表される。 Em＝A1・exp{ｉ・(２π・f1・t −δm )}＋A2・exp{ｉ・(２π・f2・ｔ＋δm) } …(1)

【０００７】ここで、δm は回折格子９における基準と
なる位置に対するｘ方向への変位であり、δm ＝２π・
ΔＸm ／Ｐである。なお、Ｐは回折格子９、１０のピッ
チである。

【０００８】式(1) で表される合成光Emの光強度Imは、
次式で表される。 Im＝｜Em｜² ＝A1² ＋A2² ＋２A1・A2・cos{２π・(f1−f2)・ｔ−２δm} … (2)

【０００９】式(2) で与えられる光ビート信号の位相
は、回折格子９がΔＸm だけ移動する際に発生する式
(2) の第３項で表される成分の変化分４π・ΔＸm ／Ｐ
だけ変化する。

【００１０】回折格子９、１０のピッチＰの値は既知で
あるため、光ビート信号の位相変化を検出することによ
り、回折格子１０の移動量ΔＸm を検出することができ
る。

【００１１】同様に、ウエハ８上の回折格子１０の移動
量ΔXwも検出することができる。第２の検出手段１で検
出する光ビート信号Iwは、周波数f1の光束の＋１次回折
光と周波数f2の光束の−１次回折光の合成光の光強度で
あり、次式で表される。 Iw＝Ａ₁ ²＋Ａ₂ ²＋２A1・A2・cos{２π・(f1−f2)・ｔ−２δw} …(3) ここで、δw ＝２π・ΔXw／Ｐである。

【００１２】また、式(2) で表される検出手段１３で検
出される光ビート信号と、式(3) で表される検出手段１
５で検出される光ビート信号の位相差Δφは次式で表さ
れる。 Δφ＝４π・(ΔＸm −ΔXw）／Ｐ …(4)

【００１３】このように、マスク回折光のビート信号と
ウエハ回折光のビート信号との位相差を検出し、位相差
が０となるようにウエハステージ駆動回路１７、マスク
ステージ駆動回路１８によってマスクステージ５とウエ
ハステージ７を相対駆動し、マスクとウエハの精密な位
置合わせを行う。

【００１４】また、露光装置として組み上げられた装置
の位置合わせ性能を実際に計測、評価するためには、従
来ではマスク上に形成された微細なパターンをウエハ上
に重ね合わせ焼き付けし、ウエハ上のパターンにおける
ずれ量の測定を行うことによりなされている。例えば図
１８に示すように、所謂バーニアパターンをウエハ上に
露光形成し、そのずれ量を顕微鏡等により拡大観察する
ことにより、バーニア計測を行う方法が従来からよく知
られている。

【００１５】即ち、図２０、図２１、図２２はウエハ上
に露光された例えばレジストパターンの説明図であり、
斜線の部分にレジストが存在している。なお、これらは
ｘ軸方向のずれのみを計測する手段を示している。この
とき、パターン２１とパターン２２は互いにバーニアを
構成しており、バーニアの１目盛は０．０５５μｍに相
当する。先ず、第２のマスク（レチクル）でウエハ上に
露光しパターン２１を形成する。次に、レジストを塗布
し、パターン２２が設けられている第２のマスク（レチ
クル）をウエハに対してアライメントした後に露光し、
パターン２２を形成する。

【００１６】その後に、アライメントをとった結果、ど
の程度の誤差で第１のマスク（レチクル）と第２のマス
ク（レチクル）の重ね合わせがなされたかを、パターン
２１、２２が共に焼き付けられた図２０に示すようなウ
エハ上のバーニアパターンを顕微鏡によって拡大観察し
て読み取り計測する。例えば、図２０〜図２２において
は、パターン２１のピッチを７．９５μｍ、パターン２
２のピッチを８．００μｍとすればよい。

【００１７】また、図２３は第３の従来例の構成図であ
り、光ヘテロダイン法を応用した表面形状測定装置であ
る。光源２５の光路上には、コリメータレンズ２６、偏
光ビームスプリッタ２７、音響光学素子２８、音響光学
素子２９、ビームスプリッタ３０、ミラー３１が順次に
配列されている。また、偏光ビームスプリッタ２７の反
射方向には、ビームスプリッタ３２、偏光ビームスプリ
ッタ３３、λ／４板３４、対物レンズ３５、試料台３６
が順次に配列され、試料台３６上には被測定物Ｓが配置
されている。更に、ビームスプリッタ３０、３２の反射
方向には偏光ビームスプリッタ３７が設けられ、合成さ
れた２光束の光路上には光電検出器３８が設けられてい
る。また、ミラー３１、偏光ビームスプリッタ３３の反
射方向には偏光ビームスプリッタ３９が設けられ、合成
された２光束の光路上には偏光板４０、光電検出器４１
が配列されている。

【００１８】光源２５から出射された光束は、偏光ビー
ムスプリッタ２７によって偏光成分の違いにより分離さ
れ、一方の光束は音響光学素子２８、２９によって周波
数変調され、ビームスプリッタ３０によって２分割され
る。この反射光束は偏光ビームスプリッタ３７により偏
光ビームスプリッタ２７、ビームスプリッタ３２を反射
した光束と合成され、光電検出器３８によって検出され
参照ビート信号を生成する。

【００１９】また、ビームスプリッタ３２を透過した光
束は偏光ビームスプリッタ３３、λ／４板３４を透過
し、対物レンズ３５によって集光され被測定物Ｓの表面
に照射する。表面で反射された光束は再度対物レンズ３
５を透過する。このとき、この光束はλ／４板３４を２
回透過することにより、偏光方向を９０度回転し偏光ビ
ームスプリッタ３３を反射する。この光束とビームスプ
リッタ３０を透過した光束とは偏光ビームスプリッタ３
９によって合成され、偏光板４０によって偏光方向を揃
えられて干渉する。この干渉信号は光電検出器４１によ
って検出され、計測ビート信号が得られる。参照ビート
信号と計測ビート信号の位相差に基づいて、被測定物Ｓ
の表面の凹凸形状を計測している。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら第１の従
来例では、測定の自動化が簡単になるが、実用レベルに
おいてできるだけ小さくする必要がある各回折格子それ
ぞれからの回折光を分離して、別々のセンサに導くよう
にしても回折光に広がりを生じ、ナイフエッジ位置で重
なり、クロストークによる誤差が生ずるという問題があ
る。

【００２１】また、第２の従来例においては測定を自動
化することが困難であり、人手が掛かる問題点がある。

【００２２】更に、第３の従来例では干渉する２光束の
光路が共通でない部分が多く、空気擾乱など外乱の影響
を受け易いため、所望の精度が得られないという問題点
がある。

【００２３】本発明の目的は、上述の従来例の欠点を克
服し、自動化及び光学系のセッティングを容易にし、計
測精度を向上した干渉計測方法及び干渉計測装置を提供
することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの第１発明に係る干渉計測方法は、サバール板と測定
対象面とを共役に配置する光学系構成を有し、互いに周
波数が異なり偏光面が直交する２光束を前記サバール板
に入射し、前記測定対象面に対して前記２光束のビーム
スポットを僅かに離れた位置に形成し、測定対象物から
反射、回折、屈折、散乱のうち少なくとも何れかによる
光束を再度測定対象面と共役に設けた前記サバール板又
は他のサバール板により合成し、干渉させてビート信号
を形成し、該ビート信号の位相に基づいて前記２つのビ
ームスポット位置間での測定対象物の相対的情報を検出
することを特徴とする。

【００２５】また、第２発明に係る干渉計測装置は、周
波数が僅かに異なり偏光面が直交する直線偏光の２光束
を発生する手段と、サバール板と、前記サバール板と被
測定物とが光学的に関して共役に配置した第１の結像光
学系から成る投光系と、第２の結像光学系から成る受光
系と、偏光板と、干渉光を電気信号に変換しビート信号
を発生する光電変換素子と、前記ビート信号の位相情報
或いは周波数情報を検出する手段とを有することを特徴
とする。

【００２６】

【作用】本発明における干渉計測方法及び干渉計測装置
は、周波数が僅かに異なり偏光面が直交する２光束をサ
バール板により分離し、測定対象物からの反射光、回折
光、屈折光、散乱光等を再度測定対象面とレンズに関し
て共役の位置に設けられたサバール板によって合成した
後に干渉させることにより、２光束の光路を共通なもの
とする。

【００２７】

【実施例】本発明を図１〜図１５に図示の実施例に基づ
いて詳細に説明する。図１は第１の実施例の構成図であ
り、遠紫外光、Ｘ線等を用いるプロキシミティ露光方式
の半導体製造装置の位置合わせ部を示している。マスク
及びウエハ上に設けられた回折格子から成るアライメン
トマークを用いて、マスクとウエハの位置合わせを行
う。

【００２８】ゼーマンレーザー光源５１の光路上には、
レンズ５２、サバール板５３、レンズ５４、レンズ５
５、被測定物が順次に配列され、被測定物はマスク５６
上に形成された回折格子５７とウエハ５８上に形成され
た回折格子５９とから構成されている。なお、サバール
板５３は例えば水晶、方解石のような単軸結晶体を光軸
に対して切断し、厚さが等しい２枚の平行平板を主断面
が互いに直交するように貼り合わせたものである。

【００２９】また、サバール板５３とマスク５６及びウ
エハ５８とはレンズ５４、５５に関して共役となるよう
に配置されている。更に、回折格子５９の上方にはミラ
ー６０、６１が設けられ、ミラー６０の反射方向にはレ
ンズ６２、サバール板６３、偏光板６４、レンズ６５、
光電検出器６６が順次に配列されている。

【００３０】同様に、ミラー６１の反射方向にはレンズ
６７、サバール板６８、偏光板６９、レンズ７０、光電
検出器７１が順次に配列されている。このとき、サバー
ル板６３、６８とマスク５６及びウエハ５８はレンズ５
５とレンズ６２、６７に関して共役となるようにされて
いる。また、光電検出器６６、７１の出力はロックイン
アンプ等の位相差計７２に接続され、位相差計７２の出
力は演算器７３に接続されている。更に、演算器７３の
出力は駆動ドライバ７４を介してアクチュエータ７５、
７６に接続され、マスク５６、ウエハ５８をそれぞれ駆
動するようになっている。図２はサバール板５３の説明
図であり、入射したＰ偏光及びＳ偏光の光束を出射口に
おいて、Ｐ偏光とＳ偏光の光束に分離するようになって
いる。この分離距離はサバール板５３の厚さによって決
定され、通常では分離距離は数１００μｍ程度である。

【００３１】ゼーマンレーザー光源５１は周波数f1のＰ
偏光と周波数f2のＳ偏光とを出射し、レンズ５２によっ
て集光されサバール板５３に入射し、Ｐ偏光及びＳ偏光
の光束に分離される。サバール板５３を出射した光束
は、結像光学系を構成するレンズ５４、レンズ５５を透
過して回折格子５７、５９に入射し、図３に示すように
周波数が異なり偏光方向が直交する光束のビームスポッ
トB1、B2が形成される。

【００３２】例えば、サバール板５３に入射する光束の
ビームスポットの直径が４００μｍ、分離距離が５００
μｍ、結像光学系が１／５倍である縮小光学系を用いる
と、回折格子５７、５９上のビームスポットB1、B2の直
径は８０μｍ、２つのビームスポットB1、B2の間隔は１
００μｍとなる。この場合には、回折格子５７、５９の
Ｙ方向の間隔を１００μｍに設定すればよい。

【００３３】なお、図１においては回折格子５７、５９
の内部にビームスポットが入る例を示している。ビーム
スポットB1、B2が回折格子５７、５９の外部にまではみ
出るように形成されるような場合においても、例えば回
折格子５７に入射すべき光束が回折格子５９に入射する
ようなクロストークが発生しなければ問題はないが、光
量のロスが生ずるため図３に示すようにビームスポット
B1、B2が回折格子５７、５９の内部に形成される方が望
ましい。

【００３４】回折格子５７、５９によって回折された±
１次回折光は、レンズ５５によって集光され、それぞれ
＋１次光はミラー６０に、−１次光はミラー６１によっ
て偏向された後に、それぞれレンズ６２、６７を透過し
てそれぞれサバール板６３、６８に入射する。そして、
図４に示すように各次数毎に回折格子５７からの回折光
と回折格子５９からの回折光とがサバール板６３、６８
によって合成される。その後に、これらの光束は偏光板
６４、６９によって偏光方向を揃えられ、レンズ６５、
７０によって集光され、光電検出器６６、７１によって
光電検出される。

【００３５】このとき、光電検出器６６によって検出さ
れる＋１次回折光のビート信号の交流成分I(+1) は次式
のように表される。 I(+1) ＝Ａ・ cos{(ω2 −ω1)・ｔ＋（φb −φa)＋（φ2 −φ1)} …(5 )

【００３６】ここで、Ａは振幅、ω1 、ω2 は角周波数
であり、ω1 ＝２π・f1、ω2 ＝２π・f2である。ま
た、φa は回折格子５７の基準位置からのＸ方向の移動
量Xaに伴って回折格子５７の＋１次回折光が受ける位相
付加量であり、φa ＝２π・Xa／Ｐである。同様に、φ
b は回折格子５９の基準位置からのＸ方向移動Xbに伴っ
て回折格子５９の＋１次回折光が受ける位相付加量であ
り、φb ＝２π・Xb／Ｐである。更に、φ1 、φ2 はそ
れぞれ周波数f1、f2の光束の初期位相である。

【００３７】同様に、光電検出器７１で検出される回折
格子５７及び回折格子５９の−１次回折光のビート信号
の交流成分I(-1) は次式のように表される。 I(-1) ＝Ｂ・cos {(ω2 −ω1)・ｔ＋（φ_b'−φ_a'）＋（φ2 −φ1)} …(6 )

【００３８】ここで、Ｂは振幅、φa'は回折格子５７の
Ｘ方向の移動量Xaに伴って回折格子５７の−１次回折光
が受ける位相付加量であり、φa'＝−２π・Xa／Ｐであ
る。また、φb'は回折格子５９のＸ方向移動Xbに伴って
回折格子５９の−１次回折光が受ける位相付加量であ
り、φb'＝−２π・Xb／Ｐである。

【００３９】式(5) 、式(6) で表される２つのビート信
号間の位相差は位相差計７２で検出され、次式のように
なる。 Δφ＝（φb −φa ）−（φb'−φa'）＝４π・(Xb−Xa）／Ｐ …(7)

【００４０】即ち、初期位相φ1 、φ2 は打ち消され、
位相差Δφは図５に示すように回折格子５７、５９のＸ
方向の相対ずれ量ΔＸ＝Xb−Xaに比例した値となる。従
って、位相差計７２の位相差出力Δφから演算器７３に
より次の演算を行うことにより、回折格子５７、５９の
Ｘ方向の相対ずれ量ΔＸを求めることができる。 ΔＸ＝Δφ・Ｐ／（４π)・・・(8)

【００４１】このように、位置ずれを検出した後に、そ
の値に基づいて駆動ドライバ７４を介してアクチュエー
タ７５、７６を駆動し、マスク５６及びウエハ５８の少
なくとも一方を移動し、ずれ量が許容値以下になるよう
にすることにより、マスク５６とウエハ５８の位置合わ
せを高精度に行うことができる。

【００４２】本実施例ではＸ方向のみについて説明した
が、Ｙ方向のアライメントについても、図６に示すよう
にＸ方向アライメントマークと直交する方向に他のアラ
イメントマークをマスク５６とウエハ５８とにそれぞれ
設け、更に他の光学系をＸ方向検出用と直交する方向に
設けることにより、Ｘ方向と同様に行うことができる。

【００４３】また、本実施例では±１次回折光を測定に
用いたが、２次、３次等の高次の回折光を用いてもよ
く、±ｎ次回折光を用いた場合に、位相差計７２によっ
て検出される位相差の感度はｎ倍、ダイナミックレンジ
は１／ｎとなる。

【００４４】図７は第２の実施例の構成図であり、２回
の露光により焼き付けられた２つの焼き付け重ね合わせ
評価パターン間の位置ずれを、高精度に検出し評価する
焼き付け重ね合わせ評価装置である。なお、図１と同一
の符号は同一の部材を示している。ゼーマンレーザー光
源５１からレンズ５５の透過方向にはウエハ７７が配置
され、ウエハ７７上には回折格子７８、７９が別々の焼
き付けプロセスを経て形成されている。このとき、サバ
ール板５３とウエハ７７はレンズ５４、５５に関して共
役となるように設置されている。

【００４５】ゼーマンレーザー光源５１から出射された
光束はレンズ５２を介してサバール板５３に入射し、２
光束に分離された後に回折格子７８、７９に入射する。
そして、回折格子７８、７９には周波数が異なり偏光面
が直交する光束のビームスポットB3、B4が形成される。

【００４６】なお、第１の実施例と同様に、ビームスポ
ットB3、B4が回折格子７８、７９の外部まではみ出すよ
うに形成される場合においても、回折格子７８に入射す
べき光束が回折格子７９に入射するようなクロストーク
が発生しなければ問題はないが、光量のロスが生ずるた
め、図８に示すようにビームスポットB3、B4が回折格子
７８、７９の内部に形成される方が好ましい。

【００４７】以後、第１の実施例と同様の手順に従っ
て、２つのビート信号の位相差を位相差計７２で検出
し、式(8) で表される演算を演算器１２において行うこ
とにより、２つの回折格子７８、７９の相対ずれ量を求
めることができる。更に、上述の原理に基づいて、第１
回目に焼き付けられたパターンと第２回目に焼き付けら
れたパターンとのずれ量を求めることにより、半導体露
光装置の焼き付け重ね合わせ評価を行うことができる。

【００４８】図９は第３の実施例を示す構成図であり、
表面形状測定装置である。レーザー光源８１の光路上に
は偏光ビームスプリッタ８２、周波数変調器８３、ミラ
ー８４が順次に配列され、偏光ビームスプリッタ８２の
反射方向には周波数変調器８５、ミラー８６が配列され
ている。ミラー８４、８６の反射方向には偏光ビームス
プリッタ８７が設けられ、偏光ビームスプリッタ８７か
らの合成光路上にはハーフミラー８８、レンズ８９、サ
バール板９０、レンズ９１、ＸＹステージ９２が順次に
配列されている。このとき、サバール板９０と被測定物
Ｓとはレンズ９１に関して共役となるように設置されて
いる。

【００４９】また、ＸＹステージ９２上には被測定物Ｓ
が配置され、ＸＹステージ９２はモータ等の駆動装置９
３に接続されている。更に、ハーフミラー８８の反射方
向にはレンズ９４、偏光板９５、光電検出器９６が順次
に配列されている。また、ハーフミラー８８に対して光
電検出器９６の反対方向には、レンズ９７、偏光板９
８、光電検出器９９が順次に配列され、光電検出器９
６、９９の出力は増幅器１００、１０１をそれぞれ介し
て信号処理装置１０２に接続されている。

【００５０】図１０はこのような信号処理装置１０２の
構成図であり、増幅器１００の出力はダブラ１０３を介
してカウンタ１０４に接続され、増幅器１０１の出力は
ダブラ１０５を介してカウンタ１０６に接続されてい
る。更に、カウンタ１０４、１０６の出力は減算器１０
７に接続され、減算器１０７の出力は計算機１０８に接
続されている。

【００５１】レーザー光源８１から出射された光束は偏
光ビームスプリッタ８２によって２光束に分離され、周
波数変調器８３、８５によって僅かに異なる周波数f1、
f2の光束にそれぞれ周波数変調される。その後に、偏光
ビームスプリッタ８７によって再び合成され、周波数f1
のＰ偏光と周波数f2のＳ偏光の２光束が同一光路上を通
るようになる。これらの光束はハーフミラー８８によっ
て２分割され、反射光はレンズ９４によって集光され、
偏光板９５によって偏光面を揃えられた後に干渉し、発
生した周波数（f2−f1）のビート信号が光電検出器９６
によって検出される。このビート信号は増幅器１００に
よって増幅され、参照ビート信号として信号処理装置１
０２に入力される。

【００５２】また、ハーフミラー８８を透過した光束
は、レンズ８９によって集光されサバール板９０に入射
する。サバール板９０に入射した光束は、図２に示すよ
うに周波数f1のＰ偏光と周波数f2のＳ偏光とに分割さ
れ、図１１に示すように被測定物Ｓの表面にビームウエ
ストが入射して２つのスポットB5、B6が形成される。被
測定物Ｓの表面の反射光はレンズ９１を介してサバール
板９０に入射し、周波数f1、f2の光束は再び合成され同
一光路上を通るようになる。この光束はレンズ８９によ
り平行光となり、ハーフミラー８８を反射した後にレン
ズ９７により集光される。更に、この光束は偏光板９８
により偏光方向を揃えられて干渉を起しビート信号を発
生する。

【００５３】このビート信号には、図１１に示すように
ビームスポットB5、B6の位置間での被測定物Ｓの表面の
相対的凹凸形状の情報が位相変化量として現れる。この
ビート信号は光電検出器９９によって検出され、増幅器
１０１によって増幅され、計測ビート信号として信号処
理装置１０２に入力される。被測定物Ｓは駆動装置９３
からＸＹステージ９２を駆動することによって移動し、
被測定物Ｓを反射した周波数f1の計測ビームはドップラ
ーシフトfd1 を受け周波数はf1＋fd1 となる。このドッ
プラーシフトfd1 は図１１の領域B5における凹凸による
光路長変化に伴う単位時間当りの計測ビームの位相変化
に相当する。同様に、周波数f2の計測ビームはドップラ
ーシフトfd2 を受け、周波数はf2＋fd2 となる。このド
ップラーシフトfd2 は領域B6における位相変化に相当す
る。

【００５４】従って、計測ビート信号は２つの計測ビー
ムの周波数の差、即ち（f1−f2）−（fd1 −fd2 ）のビ
ート周波数となる。これらの信号のうち、参照ビート信
号はダブラ１０３、カウンタ１０４に入力され、計測ビ
ート信号はダブラ１０５、カウンタ１０６に入力された
後に、減算器４９により２つのビート周波数の差が求め
られる。

【００５５】ここで、ＸＹステージ９２を図１１に示す
Ｙ方向に速度Ｖで移動させ、Vz1 をＸＹステージ９２の
移動に伴う被測定物Ｓの表面における領域B5の凹凸のＺ
方向の変位速度、Vz2 を領域B6の凹凸のＺ方向の変位速
度とすると、領域B5、B6が受ける周波数シフトは次式で
表される。 fd1 ＝Vz1 ・(２／λ）＝（ΔZ1／Δｔ）・(２／λ) …(9) fd2 ＝Vz2 ・(２／λ）＝（ΔZ2／Δｔ）・(２／λ) …(10)

【００５６】ここで、ΔZ1、ΔZ2は領域B5、B6のＺ方向
の変位量、λは波長である。従って、領域B5、B6のＺ方
向の変位差ΔＺは計算機１０８によって減算器１０７の
出力Ｎから求めることができ、次式のようになる。 ΔＺ＝ΔZ2−ΔZ1＝（λ／２）・(fd2 −fd1)・dt ＝（λ／２）・Ｎ …(11)

【００５７】式(11)からはＺ方向の分解能はλ／２とな
るが、ダブラ１０３、１０５によりλ／１２８程度の分
解能を得ることができる。

【００５８】このように、被測定物ＳをＸＹステージ９
２により駆動し、測定を行う全ての位置でΔＺを干渉計
等の方法により検出した被測定物Ｓの位置情報を計算機
１０８に入力することにより、表面の凹凸を測定するこ
とができる。

【００５９】なお、表面の凹凸はビームスポット内の平
均値となるため、横方向の分解能を上げるためには、ビ
ームスポットB5、B6の径を小さくすることが望ましい。

【００６０】図１２は第４の実施例の構成図であり、ゼ
ーマンレーザー光源１１１の光路上にはハーフミラー１
１２、ミラー１１３が順次に近接して配列されている。
ハーフミラー１１２、ミラー１１３の反射方向にはレン
ズ１１４、サバール板１１５、レンズ１１６、レンズ１
１７、ウエハ１１８が順次に配列され、ウエハ１１８上
には回折格子１１９、回折格子１２０が形成されてい
る。このとき、サバール板１１５はレンズ１１４の焦点
位置に設置され、サバール板１１５と回折格子１１９、
１２０はレンズ１１６、１１７に関して共役となるよう
に設置されている。

【００６１】ウエハ１１８の上方にはミラー１２１、１
２２が設けられ、それぞれ＋１次回折光、−１次回折光
を偏向するようになっている。ミラー１２１の反射方向
にはレンズ１２３、サバール板１２４、偏光板１２５、
レンズ１２６、及び例えばアバランシュフォトダイオー
ド等の光電検出器１２７が順次に配列され、同様にミラ
ー１２２の反射方向にはレンズ１２８、サバール板１２
９、偏光板１３０、レンズ１３１、光電検出器１３２が
順次に配列されている。なお、偏光板１２５、１３０は
直交した偏光方向に対して偏光軸を４５°の角度に設定
されている。また、光電検出器１２７、１３２の出力
は、ロックインアンプ等の位相差計１３３に接続されて
いる。

【００６２】ゼーマンレーザー光源１１１は周波数f1の
Ｐ偏光と周波数f2のＳ偏光の光束を出射し、この光束は
波長が６３２８オングストローム、周波数差Δｆ＝｜f1
−f2｜が０．１〜２ＭＨｚである。この光束はハーフミ
ラー１１２、１１３によって２光束L11 、L12 に２分割
され、レンズ１１４によって集光されて光束L13 、L14
となりサバール板１１５に入射する。光束L13 、L14 は
図１３に示すようにＰ偏光又はＳ偏光のみを有する光束
に分離され、光束L13 は光束L15 、L16 に分離され、光
束L4は光束L17 、L18 に分離される。このとき、光束L1
5 、L16 、L17、L18 は回折格子１１９、１２０によっ
て回折され、光束L15 、L16 は光束L19、L20 となり、
光束L17 、L18 は光束L21 、L22 となって再びレンズ１
１７に入射する。

【００６３】図１４はこのような回折格子１１９、１２
０による回折の説明図である。光束L19 、L20 はミラー
１２１によって偏向され、レンズ１２３を介してサバー
ル板１２４に入射し、図１５に示すように再び合成さ
れ、偏光板１２５によって偏光方向を揃えられた後に干
渉を起し、レンズ１２６で集光され光電検出器１２７に
よって検出される。同様に、光束L21 、L22 はミラー１
２２、レンズ１２８を介してサバール板１２９によって
合成され、偏光板１３０によって偏光面を揃えられて干
渉し、光電検出器１３２によって検出される。光電検出
器１２７、１３２の出力を位相差計１３３に入力して位
相差を検出することにより、ウエハ１１８上の回折格子
１１９、１２０のＸ方向の位置ずれを高精度に測定する
ことができる。

【００６４】なお、サバール板１２４、１２９は個別と
なっているが、１個のサバール板を用いてもよい。ま
た、本実施例はウエハ１１８上の複数の回折格子の位置
ずれについて説明したが、例えばマスクとウエハのよう
な２物体間の位置ずれについても同様に適用することが
できる。

【００６５】また、本発明の応用例で示した半導体製造
装置の位置合わせ装置や重ね合わせ評価装置において
は、回折格子の内部にビームスポットを収めることがで
きるため、例えばＩＣパターン等からの不要散乱光の影
響を受けない等の効果がある。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る干渉計
測方法及び干渉計測装置は、サバール板により周波数の
異なる２光束の光軸を僅かにずらし、この２光束をサバ
ール板により再び合成して干渉させる干渉計を構成する
ことにより、２光束が共通の光路上を通るようになるた
め、空気擾乱等の外乱の影響を受け難くなり、更に高精
度な測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の構成図である。

【図２】サバール板の光線分離の説明図である。

【図３】マスクとウエハの平面図である。

【図４】サバール板の光線合成の説明図である。

【図５】回折格子の位置ずれとビームスポットの説明図
である。

【図６】マスク、ウエハ部の拡大図である。

【図７】第２の実施例の構成図である。

【図８】マスクとウエハの平面図である。

【図９】第３の実施例の構成図である。

【図１０】信号処理部の構成図である。

【図１１】ビームスポットの説明図である。

【図１２】第４の実施例の構成図である。

【図１３】サバール板の分離機能の説明図である。

【図１４】ウエハ上の回折格子の光束の説明図である。

【図１５】サバール板の合成機能の説明図である。

【図１６】従来例の構成図である。

【図１７】光束の分離の説明図である。

【図１８】従来例による回折格子による回折の説明図で
ある。

【図１９】回折格子の平面図である。

【図２０】２つのパターンの重なった状態の平面図であ
る。

【図２１】パターンの平面図である。

【図２２】パターンの平面図である。

【図２３】従来例の構成図である。

【符号の説明】

５１、１１１ゼーマンレーザー光源５３、６３、６８、９０、１１５、１２４、１２９サ
バール板５６マスク５７、５９、７８、７９、１１９、１２０回折格子５８、７７、１１８ウエハ６４、６９、９５、９８、１２５、１３０偏光板６６、７１、９６、９９、１２７、１３２光電検出器７２、１３３位相差計７３演算器８１レーザー光源８２、８７偏光ビームスプリッタ８３、８５周波数変調器９２ＸＹステージ１０２信号処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斉藤謙治東京都大田区下丸子三丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サバール板と測定対象面とを共役に配置
する光学系構成を有し、互いに周波数が異なり偏光面が
直交する２光束を前記サバール板に入射し、前記測定対
象面に対して前記２光束のビームスポットを僅かに離れ
た位置に形成し、測定対象物から反射、回折、屈折、散
乱のうち少なくとも何れかによる光束を再度測定対象面
と共役に設けた前記サバール板又は他のサバール板によ
り合成し、干渉させてビート信号を形成し、該ビート信
号の位相に基づいて前記２つのビームスポット位置間で
の測定対象物の相対的情報を検出することを特徴とする
干渉計測方法。
【請求項２】前記測定対象物を第１、第２の回折格子
で構成し、前記相対的情報が前記第１、第２の回折格子
の相対的位置ずれ量に伴うものとした請求項１に記載の
干渉計測方法。
【請求項３】前記相対的情報が前記２つのビームスポ
ット間の相対的な高さの差に伴うものとした請求項１に
記載の干渉計測方法。
【請求項４】周波数が僅かに異なり偏光面が直交する
直線偏光の２光束を発生する手段と、サバール板と、前
記サバール板と被測定物とが光学的に関して共役に配置
した第１の結像光学系から成る投光系と、第２の結像光
学系から成る受光系と、偏光板と、干渉光を電気信号に
変換しビート信号を発生する光電変換素子と、前記ビー
ト信号の位相情報或いは周波数情報を検出する手段とを
有することを特徴とする干渉計測装置。
【請求項５】前記２光束を発生する手段をゼーマンレ
ーザー光源とした請求項４に記載の干渉計測装置。
【請求項６】前記２光束を発生する手段を、レーザー
光源と、少なくとも１つの偏光ビームスプリッタと、少
なくとも１つの周波数シフト手段とで構成した請求項４
に記載の干渉計測装置。
【請求項７】前記被測定物が２つの回折格子であり、
前記２つの回折格子の内部に前記２光束のビームスポッ
トが入射するように前記サバール板及び前記結像光学系
とを設け、前記２つの回折格子からの回折光を前記サバ
ール板に集光するようにした前記第２の結像光学系を有
した請求項４に記載の干渉計測装置。