JPH07122573B2

JPH07122573B2 - パタ−ン検出装置

Info

Publication number: JPH07122573B2
Application number: JP15111286A
Authority: JP
Inventors: 宗樹浜島; 欣也加藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1995-12-25
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: JPS638510A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、パターン検出装置に関するものであり、特に
半導体装置等の製造工程において使用されるフォトレジ
ストのパターンのエッジ位置や幅などの認識に好適なエ
ネルギビームを用いたパターン位置検出装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

ICやLSI等の半導体装置の製造に使われる半導体ウエハ
においては、製造プロセス中に各種処理を受けるが、特
に所望の特性を十分確保するためには、プロセス中の回
路パターン等の線幅や寸法等を正確に管理することが重
要である。このためには、パターンを高精度に検出する
パターン検出装置が必要である。

従来、この種の装置として、プローブ光としてのレーザ
ビームでウエハを走査し、該レーザビームがパターンの
エッジを走査した時に発生する散乱光を検出して、該エ
ッジの位置を検出するものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところがこのような装置によって、フォトレジストから
成るパターンを検出する場合、検出用のレーザビームに
該フォトレジスト部分が感光して損傷（初期の機能を果
たせなくなる変質、破壊）する事故が起こり得た。また
装置の検出精度を向上させるために採用される方策が、
この損傷事故発生の可能性をより高めることになった。
すなわち、検出精度向上のためには、HeCdレーザやArレ
ーザ等を使用してレーザビームの波長を短くする方策
や、ビームを光学系により集光してビーム径（プローブ
径）を微小にする方策が採用されるが、前者の方策によ
りビームの波長がフォトレジストの感光波長域に入り、
後者の方策によりフォトレジストに照射されるビームの
エネルギ密度が高まるので、フォトレジストの感光によ
る変質の度合が強まり、損傷事故がより増大することと
なった。

本発明の目的は、パターンを形成するフォトレジスト等
の感応物質を損傷させることなく、高精度のパターン検
出が可能な検出装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するために本発明は以下のような構成を
有するものである。

すなわち、被検物に第１エネルギビームを照射する第１
照射手段と；該被検物のうち該第１エネルギビームが照
射された被照射部分から出る第２エネルギビームを受
け、該被照射部分のパターンを検出する検出手段とを有
するパターン検出装置において、前記被検物に第３エネルギビームを照射する第２照射手
段と、該被検物のうち該第３エネルギビームが照射された被照
射部分から出る第４エネルギビームを受けて、該第３エ
ネルギビームの被照射部分が前記１次エネルギビームに
感応する部分であるか否かを判別する判別手段と、該判別手段の出力を受けて、前記第１エネルギビームが
前記感応部分を照射する際に該第１エネルギビームを制
御して、該第１エネルギビームにより該感応部分が損傷
することを防止する制御手段とを有することを特徴とす
るものである。

〔作用〕

このような構成により、感応物質（フォトレジスト等）
により形成されたパターンとそうでないパターンとが自
動的に判別され、感応物質により形成されたパターンに
はこれを損傷させるような態様でエネルギビーム（レー
ザビーム等）が照射されることが防止されるものであ
る。

〔実施例〕

以下、本発明にかかるパターン位置検出装置の一実施例
を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

第１図には、本発明の一実施例のうち、光学的装置の配
置が示されている。この図において、レーザビーム源10
は短波長のレーザビーム（コヒーレント光）を発生す
る。レーザビームは、シャッタ11の開放時にのみこれを
通過する。そのレーザビームの径はビームエキスパンダ
ーを構成するレンズ12、14によって拡大される。レンズ
12と14との間にはレーザビームを一次元に走査するため
のミラー一体移動部（走査部）16が設けられる。走査部
16はレーザビームの光路長を変えることなく、レーザビ
ームの光軸を平行にシフトさせる。また、レーザ干渉計
やリニアエンコーダ等で構成された走査量モニター18
は、走査部16の移動量を読み取るものである。

次に、前記レンズ12とレンズ14との間にはハービングガ
ラス20が挿入されている。このハービングガラス20は、
レーザビームの走査位置をシフトさせるもので、パルス
モータ、DCモータ等の駆動ユニット22によって入射レー
ザビームに対する角度が変化するようになっている。な
お、この変化の程度すなわちレーザビームのシフト量
は、ポテンショメータ24によって検出し得るように構成
されている。

レンズ14を通過したレーザビームは、ハーフミラー（ハ
ーフプリズム）26を透過した後、像回転プリズム28を経
て、ダイクロイックミラー30で反射されて、対物レンズ
32に入射する。ダイクロイックミラー30はレーザビーム
を反射し、それよりも長波長の光を透過するような分光
特性を有する。対物レンズ32に入射したレーザビームは
集光されて、ステージ34に載置されたウエハ（被検試
料）Ｗ上に（微小な）スポット光として結像される。こ
のレーザスポット光は走査部16の移動と共にウエハＷ上
を一次元的に走査し、またはその走査位置がハービング
ガラス20の駆動によってシフトする。すなわち、走査部
16及びハービングガラス20により、レーザスポット光は
ウエハＷ上を２次元的に走査することとなる。

ウエハＷ上に微小な凹凸の段差、所謂パターンのエッジ
が形成されていて、スポット光がそのエッジを横切る
と、エッジからは散乱光（あるいは段差による回折光）
が生じる。その散乱光の大部分は対物レンズ32の開口数
（NA）が決まる立体角以上の角度で発生するので、対物
レンズ32にはほとんど戻らない。そこでそれら散乱光は
対物レンズ32の周囲に環状に設けられた光電検出器42に
集光される。

レーザビームがウエハＷ上に照射されている時、ウエハ
Ｗからの反射光は対物レンズ32、ダイクロイックミラー
30、像回転プリズム28を通り、ハーフミラー26で直角に
反射された後、ハーフミラー44で直角に反射され、レン
ズ46に入射する。レンズ46を通過した反射光は絞り47の
開口の中心で結像する。絞り47は、反射光以外の迷光を
遮断する機能を果たす。絞り47を通過した反射光は、絞
り50を介してシリコンフォトダイオード（SPD）等の検
出器52で検出される。この光電検出器52は反射光の量に
応じた光電信号を出力する。絞り50は、対物レンズ32の
瞳と共役な位置に置かれ、これにより反射光の０次光成
分のみが反射光検出器52により検出されるようになって
いる。またレンズ32の瞳位置は走査部16によるレーザビ
ームの振れ中心となっている。

ウエハＷ上にフォトレジスト層のパターンが形成されて
いると、短波長のレーザビームに励起されて、そのパタ
ーンから螢光（あるいはリン光）が発生する。その螢光
は通常、600nm付近にスペクトルのピークを持つ波長500
〜700nmの可視光であり、レーザビームの波長よりも長
い。そのためパターンからの螢光は対物レンズ32を通っ
た後、ダイクロイックミラー30を透過して、ハーフミラ
ー（ハーフプリズム）56、レンズ54、ダイクロイックミ
ラー58、及びミラー60を経て、レーザビームの波長域の
光をカットするフィルター62を透過してフォトマルチプ
ライヤー等の光電検出器64に至る。

ダイクロイックミラー58は、ウエハＷからの螢光と観察
用の照明光とを分離するものである。従って照明系66か
らの可視照明光は、ダイクロイックミラー58で反射さ
れ、レンズ54を介してハーフミラー56で反射され、ダイ
クロイックミラー30を透過した後対物レンズ32に入射
し、ウエハＷ上の観察領域を落射照明する。この状態の
場合、照明系66からの光は、直接光電検出器64に入射し
ないようにダイクロイックミラー58によって阻止され
る。

また、ウエハＷから戻って来た可視光は対物レンズ32、
ダイクロイックミラー30、レンズ15、及びミラー19を介
してITV等から成る撮像装置68に至る。撮像装置68は不
図示のCRT上にウエハＷ上の観察領域を表示する。

ハーフミラー44を透過した反射光は、自動焦点調節部95
に入射する。該調節部95は、レーザビームスポットのウ
エハＷ上における合焦状態を検出し、合焦するまで対物
レンズ32またはステージ34を光軸方向に移動させる装置
である。このような装置の具体的構成は、米国特許第45
77095号等で公知であるので説明は省略する。

以上のように、本実施例ではウエハＷ上に形成された種
々のパターンを、レーザーによるパターンのエッジから
の散乱光と、レーザーによるパターンからの反射光と、
パターンからの螢光（リン光）との３種の光情報を、光
電変換手段42、52、64によってそれぞれ別個に取り出し
て、検出するような構成となっている。このため、それ
ら３種の光情報とスポット光の走査量（位置）情報とに
よりフォトレジストのパターン、ポリシリコンのパター
ン等の種々のパターンのエッジ検出、パターン位置検
出、線幅や寸法の計測が多角的に行われることになる。
尚、螢光を検出するためのレーザビーム源としては、波
長325nm又は442nmのHeCdレーザや、波長488nmのArレー
ザ等が利用できる。この様なレーザビームの照射によっ
て螢光性を示すものは、ウエハプロセスの中ではフォト
レジスト以外にも窒化膜（SiN、Si₃N₄）、PSG（リンガ
ラス）やポリイミド等があるが、本実施例ではフォトレ
ジストによるパターンの計測を扱うものとする。

次に、上記実施例の信号処理回路について説明する。第
２図には、かかる回路の一例が示されている。なお、第
１図に示した装置と同一の構成部分については同一の符
号を用いることとする。

第２図において、装置全体の動作や信号処理は、マイク
ロコンピュータやミニコンピュータ等で構成されるホス
トCPU70によって統括制御される。３つの光電検出器4
2、52、64からの光電信号は、CPU70の指令に応答して、
そのうち２つの信号を任意に選択するようなアナログマ
ルチプレクサ（以下「MPX」を呼ぶ）回路72に入力され
る。選択された２つの光電信号は、夫々割算器（以下
「DIV」とする）74、76に分子として入力される。DIV7
4、76の各分母としては、CPU70からのデジタル的な指令
値をアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換器
（以下「DAC」とする）78、80の出力信号が印加され
る。このため、２つの光電信号の夫々は処理に最適なレ
ベルになるようにゲイントコントロールされる。

DIV74、76からの光電信号は夫々サンプルホールド回路
（以下「SH」と呼ぶ）82、84に入力された後、更にアナ
ログ・デジタル変換器（以下「ADC」と呼ぶ）86、88に
入力される。これらSH82、84のサンプリング動作とADC8
6、88の変換動作は、走査量モニター18から単位走査量
毎に出力される時系列的なパルス信号SPに応答して行な
われる。すなわち、ウエハＷ上のスポット光の単位移動
量（例えば0.01μｍ）毎に光電信号の大きさをサンプリ
ングして、それをデジタル値に変換する。尚、パルス信
号SPは、ホストCPU70からの指令に応答して開閉するゲ
ート回路90を介してSH82、84、ADC86、88に印加され
る。ADC86、88で変換され光電信号のデジタル値は、そ
れぞれランダム・アクセス・メモリ（RAM）92、94に番
地順に記憶される。RAM92、94のアクセス番地はパルス
信号SPに応答して順次更新されるような構成になってお
り、RAM92、94には、例えば特開昭59−187208号公報に
開示されているように、光電信号の走査位置に対応した
波形が記憶される。

こうしてRAM92、94に記憶された光電信号の波形データ
は、CPU70に読み込まれて各種処理を経て、パターンの
位置やエッジの位置等が検出される。その検出の１つの
手法は特開昭59−187208号公報に詳しく開示されている
ので、ここでは説明を省略する。またCPU70には、走査
部16、ハービングガラス20の駆動ユニット22、及びポテ
ンショメータ24が各々接続されており、走査部16及び駆
動ユニット22の駆動制御が行なわれるとともに、ポテン
ショメータ24によってレーザビームのシフト量が検出し
得るようになっている。

ステージ駆動部340は、ステージを駆動する装置と、ス
テージの移動量および移動方向に対応した信号を出力す
るエンコーダとを含む。そのエンコーダの出力はCPU70
に送られ、CPU70はステージ駆動部340の駆動を制御す
る。

自動焦点調節部95は、ホストCPU70からの信号をを受け
て、動作を開始し、焦点調節が完了すると動作を停止す
ると共に、その旨の信号をCPU70に送る。

MPX201、SH202、ADC203、スレーブCPU204、レーザシャ
ッタ駆動部110、減光フィルタ駆動部130は、レーザビー
ムが照射されている部分がフォトレジストであるか否か
を判別し、フォトレジストであると、その損傷を防止す
るように、レーザシャッタ11またはそれに隣接して配置
された可変減光フィルタ13を制御する。以下これらにつ
き詳述する。

MPX201は、反射光検出器52と螢光検出器64との出力を受
け、スレーブCPU204の選択信号に応じて、何方かの出力
を択一的にSH202に送る。SH202のサンプリング動作とAD
C203の変換動作は、CPU204からの時系列的なパルス信号
に同期して行なわれる。

スレーブCPU204は、反射光検出器52または螢光検出器64
の出力に対応したADC203の出力を受けて、現在レーザビ
ームが照射されている部分がフォトレジストであるか否
かを判断する。螢光検出器64の出力によりフォトレジス
ト部が判別できることは上記したとおりである。

反射光の検出によりフォトレジスト部が判別できるのは
次の理由による。すなわち、フォトレジストのような感
光材は光を多く吸収して感光し、螢光を発するので、反
射率は低い。従ってウエハＷ上に数種のパターンが混在
している場合、最も反射光検出器52の出力が低い箇所
は、フォトレジストであると判別することができる。

またレーザスポットがフォトレジスト上にあるとき、レ
ジストは時間が経過に伴う化学変化により変質して屈折
率が変わるため反射率が変化する。そのため、反射光検
出器52の出力信号は、時間経過に伴い第14図に示すよう
に変化する。このことに着目して、反射率が経時的に変
化するか否かにより、スポットの照射部分がフォトレジ
ストであるか否かを判別することができる。

このように反射率が低いこと、あるいは反射率が経時的
に変化することの一方、または双方をもって、スポット
照射部分がフォトレジストであるか否かを判別すること
ができる。

レーザビームが照射されている部分がフォトレジストで
あると判断されると、シャッタ駆動部110に駆動信号を
送りシャッタ11を閉成してレーザビームを遮断するか、
またはフィルタ駆動130に駆動信号を送り可変減光フィ
ルタ13の透過率を低下させてその強度を減衰させる。こ
の可変減衰フィルタ13としては、例えば複数枚のNDフィ
ルタをレーザビーム内に適宜挿入、退避する構成が挙げ
られる。

第３図ないし第６図は、本実施例の動作を示すフローチ
ャートである。第３図は測定動作全体を示すゼネラルフ
ローチャート、第４図は測定のアルゴリズムを示すフロ
ーチャート、第５図はエッジ測定が正常になされたか否
かを判断するためのアルゴリズムを示すフローチャー
ト、そして第５図はフォトレジスト部分の損傷を防止す
るための一連の動作を示すフローチャートがそれぞれ説
明されている。以下これらのフローチャートに従って本
実施例の動作の説明を行う。

第３図のステップS31において、測定動作が開始される
と、CPU70は、ステップS32に移行し、ウエハＷ上の所望
のパターン、例えば配線用の線状パターン（凸状）が対
物レンズ32による観察視野の中央に位置するように、ス
テージ34の位置を調整する。そして、スポット光の走査
軌道がその線状パターンと直交するように像回転プリズ
ム28の回転位置を調整する。

次にCPU70は、ステップS33に移り、スレーブCPU204を介
して、シャッタ駆動部110を動作させ、シャッタ11を開
放させる動作を行う。

これが完了すると、CPU70はステップS34に進み、自動焦
点調節部95を起動し、レーザビームによるスポットをウ
エハＷ上で合焦させる。

つづいてステップS35で、自動焦点調節動作を含む一連
の測定動作に異常が発生しているか否かのチェックを行
う。

このステップS35で肯定結果が得られると、すなわち装
置の動作に異常が発生していると、ステップS42に移
り、直ちに測定動作を中断させ、その旨の警告動作を行
う。

ステップS35で否定結果が得られると、すなわち装置の
動作が正常であると、ステップS36に移り、CPU70は、第
３図のゲインコントロールに使用されるDIV74、76に固
定値を出力する。これによって、信号のゲインを一定と
した後、レーザスポット走査を一回のみ行い、測定パタ
ーンの信号をデジタル化して、RAM92、94に格納する。
この処理は、第４図のステップS1、S2に相当するもので
ある。そのデジタルデータをモニタすることによってパ
ターンの信号レベルを測定する（ステップS36）。

その後CPU70は、ステップS37に移って、ステップS36の
測定結果に応じてスレーブCPU204を介して、フィルタ駆
動部130を動作させ、減光フィルタ13透過率を制御す
る。これによりレーザビームの強度がパターン測定に適
したレベルに調定される。このようにレーザビームの強
度が制御されるので、上記DIV74、76とDAC78、80とによ
るオートゲインコントロールと同様の効果をもたらすこ
とができる。

ステップS38において、後に詳述するパターン測定動作
が行われる。

測定動作が完了すると、CPU70はステップS39に進み、ス
レーブCPU204を介して、シャッタ駆動部110を動作さ
せ、シャッタ11を閉成させ、レーザビームを遮断する動
作を行う。

そして、ステップS40においてパターンの測定が全て終
了したか否かの判断を行い、否定結果が得られるとステ
ップS32に戻り、肯定結果が得られるとステップS41に進
んで測定動作を終了させる。

次にパターンの測定動作（ステップS38）を説明する。

CPU70には外部（オペレータ）から被検物の材質等の情
報を入力するための機能が備えられており、CPU70から
は、測定するパターンの形状、材質に応じて、どの光電
信号を使うかを選択するための指令をMPX回路72に出力
される。例えばパターンの材質が金属（アルミニウム
等）の場合は、散乱光又は正反射光を用いて測定するの
が望ましく、フォトレジストの場合はいずれを用いても
測定できるが、特に螢光とその他の１つ（散乱光と正反
射光のいずれか一方）とを用いて測定すると、計測精度
が著しく向上する。そこで以下の説明では、正反射光と
螢光とを用いてフォトレジストによる線状パターンの幅
を測定するものとする。従ってCPU70は光電検出器52と6
4の各光電信号がDIV74、76に入力するようにMPX回路72
を制御する。

そしてCPU70はゲート回路90を開き、スポット光が走査
開始点から線状パターンを横切るまで走査部16を駆動さ
せる。なお、ハービングガラス20は、適当な位置に保持
される。これによって、RAM92、94の夫々には第７図
（Ａ）、（Ｂ）のような波形データが記憶される。

この場合、スポット光の走査軌道上には、第８図に示す
ように測定すべき線状フォトレジストパターンPP以外に
ポリシリコン、又は金属によるパターンPMが形成されて
いたものとする。この場合ウエハＷ上のパターンで螢光
を発生するものはフォトレジスト（有機物）層だけであ
り、螢光による波形データ中で強度の大きい部分を調べ
ることにより、線状パターンPPを識別することができ
る。

第７図（Ａ）に示すように、スポット光LSがパターンP
M、PPをｘ方向に走査する（第８図（Ａ）参照）と、RAM
92に記憶された正反射光による光電信号の波形中には、
パターンPM、PPの夫々のエッジでの変化に応じてピーク
とボトムとが現われる。

一方、第７図（Ｂ）に示すように、RAM94に記憶された
螢光による光電信号の波形中には、フォトレジストのパ
ターンPPのみによる単純な立上り、立下りを判ったレベ
ル変化が現われる。

フォトレジストのパターンの場合、パターンのすそ野
（底部）付近の線幅を計測することが重要であるが、螢
光による信号波形は、第８図（Ｂ）に示したフォトレジ
ストのパターンPPの断面構造を忠実に反映したものとな
り、第７図（Ｂ）のように、その信号波形のバックグラ
ンドノイズよりもわずかに高く、最大値よりも十分に低
いところに、スライスレベルV_Sを設定すれば、パターン
PPの両端の段差エッジにおけるすそ野部分の位置x₁、x₂
が正確に求まる。

そこでCPU70は、以上のようような光電信号の選択、レ
ーザビームの走査の開始、パラメータ（例えばレーザビ
ームの走査回数Ｎ）の初期化を行なった後（第４図ステ
ップS1）、RAM94から第６図（Ｂ）に示すような信号波
形データを読み込み（同図ステップS2）、スライスレベ
ルV_Sとの比較を行なって、位置x₁、x₂を検出する（同図
ステップS3）。この位置x₁、x₂は、走査開始点の位置x₀
に対応するRAM94の番地AD₀から、位置x₁、x₂の夫々に対
応する番地AD₁、AD₂までの番地数の差と単位走査量（例
えば0.01μｍ）とから算出される。ただし螢光のみによ
る線幅計測だけでよい場合は、位置x₁、x₂を求めること
なく、番地AD₂とAD₁との間の番地数と単位走査量との積
を求めるだけでよい。

位置x₁、x₂が検出されると、CPU70は読み込んだRAM92に
記憶された正反射光による波形データ中で位置x₁とx₂に
対応した区間L₀選び出し、その区間L₀（又はその両脇近
傍）の波形から、パターンＰの段差エッジの位置又はエ
ッジとエッジの間隔（線幅）を検出する（同図ステップ
S4参照）。

次に、以上の検出が正常に行われたか否かについて第５
図に示すフローチャートに基づいて判断される（第４図
ステップS5）。

まず、RAM92に格納されているデータを逐次処理し、立
ち上がり開始位置X_aを求める（ステップS51）。例え
ば、X_i+1−x_i＞α（αは十分大きな値）なる点X_iをX_aと
する。

次に、立ち上がり終了位置X_bを求める（ステップS5
2）。例えば、X_i+1−X_i＜０かつ|X_i−X_i+n|＜β（ｎは
５以上、βは十分小さい値）なる点X_iをX_bとする。

次に、該X_bの直前のピーク点X_pを求める（ステップS53
参照）。例えば、X_i−X_i-1＜０、X_i+1−X_i＜０なる点X_i
をX_pとする。これらX_a、X_b、X_pの例を示すと、第９図の
如くである。

次に、〔X_a、X_p〕を処理区間として、この区間内の全デ
ータを数値微分する（ステップS54）。具体的には、X_i
−X_i-1を求める。そして、この微分データが全て正か否
かを判断することにより（ステップS55）、エッジ検出
にエラーがあったか否かを判定する。

例えば、グレインの影響がない場合には、反射光の信号
波形が第10図（Ａ）に示すようになる。従って微分デー
タは同図（Ｂ）に示すように正となり、エッジ検出は正
常に行なわれることとなる（ステップS56）。

他方、グレインの影響があって、反射光の信号波形が第
11図（Ａ）に示すような場合には、微分データが同図
（Ｂ）に示すように全て正とならず、エッジ検出にエラ
ーが生ずることとなる（ステップS57）。

グレインの影響のない反射光波形の場合は、エッジ検出
は正常に行なわれ、エッジ位置P1、P2が計算される（第
４図ステップS6）。そして、正常に測定された走査回数
がＫ＝Ｋ＋１としてカウントされるとともに、所定の係
数Ｃに対しＣ（P₂−P₁）が算出され、線幅Wkが計算され
る（同図ステップS7）。

反射光にグレインの影響がある場合には、第５図で説明
したように、ステップS5でエッジが正常に検出されてい
ないものと判断され（第５図ステップS55、S57）、上述
のステップS6、S7の処理が飛ばされる。

次にCPU70によって駆動ユニット22が駆動され、ハービ
ングガラス20が所定量回転する。このため、第12図の矢
印で示すように、レーザビームのスポットがＸ方向の走
査方向と垂直のＹ方向にシフトし、異なる位置でそのス
ポットの走査が行なわれることとなる（第４図ステップ
S8）。このとき、RAM92はクリアされ、シフトとした走
査によって反射光により信号データが新たに書込まれ
る。

そして再びエッジ検出を行ない、線幅を算出し、ハービ
ングガラス20の駆動を行なって、走査位置シフトさせる
という処理（同図ステップS2ないしS8）がｎ回繰り返さ
れる。ｎ回の走査を終了したら（同図ステップS9）、正
常に測定されたＫ回分のデータのを算出して、これを線幅寸法値とする。このようにして
パターン上のグレインの影響を排除し、別言すれば反射
光の信号波形が第２図（Ａ）に示すような状態のみでエ
ッジ検出を行い、かつ、エッジ位置の細かいばらつきを
平均化させて測定が実行される。

このようにすれば、グレインによる影響も回避し得る
し、また、同じ部分を２回以上走査しないので、フォト
レジストの変質も防止することができ、かつ、エッジ位
置の微細なばらつきがある場合には、これを平均化し安
定した高い再現性をもつ線幅測定を行うことができる。

なお、反射光のかわりに、散乱光を使用する場合には、
MPX回路72により光電検出器42からの光電信号の波形をR
AM92に記憶すればよい。また、第５図では、信号波形の
立ち上り部分についてエラー検出する場合を示したが、
立ち下がりの場合についても同様である。

次に、第６図を参照しながら、レーザビームによるフォ
トレジストの損傷を防止する動作について説明する。

スレーブCPU204は、反射光あるいは螢光の検出により、
ビームがフォトレジスト上にあるか否かを常時モニタし
ている。そして、フォトレジスト上にあることを検知す
ると、CPU70にその旨の割り込み信号を送る（ステップS
61）。

この信号を受けてCPU70は、フォトレジスト上にビーム
が照射されていることを知り、まずレーザスポットがＸ
方向に走査されているかどうかを判断する（ステップS6
2）。これは、ステップS38の測定動作を行れているかど
うか、あるいはステップS36のパターン信号測定ための
一回のみのレーザ走査を行っているかどうかを意味す
る。

走査されている場合は、CPU70はCPU204に指令を送り、C
PU204にフィルタ駆動部130を動作させることにより減光
フィルタ13の透過率を制御する。この透過率は、レーザ
スポットが停止しているとフォトレジストが損傷する可
能性が高いが、走査されている場合には損傷を受けない
程度の値に設定されている。

さらにCPU70は、レーザスポットがフォトレジストの同
一箇所を繰り返しＸ方向に走査されているかどうかを判
断する（ステップS64）。繰り返し走査するか否かは、
予め使用者によりCPU70へ入力される。どちらにするか
は、平均化効果により測定値の再現精度を向上させる
か、またはスループットの向上いずれを重視するかによ
って決定される。

繰り返し走査されている場合、CPU70は、この走査によ
りフォトレジストが大きな損傷を受け、その線幅寸法値
が減少しているかどうかを判断する（ステップS65）。
この判断は、CPU70が上記測定動作でフォトレジストの
線幅寸法値を繰り返し測定してその変化を検出すること
により行われる。

寸法値が変化している場合には、フォトレジストが既に
損傷を受けているので、測定箇所を変更するか、あるい
は測定を中断するかを、予めCPU70に入力された情報に
よって判断する（ステップS66）。第12図のようなパタ
ーンの場合、エッジによるばらつきを平均化させるた
め、あるいは損傷を受けた箇所を回避して測定するた
め、レーザスポットをＹ方向にシフトさせることが有効
である。ところがコンタクトホールと呼ばれる円形相当
のパターン測定においては、円の直径を測定する必要が
あるため、Ｙ方向にシフトさせるができない。従って、
これに基づいてＹ方向にシフトさせるか否かが使用者に
よって決定されている。

測定箇所を変更する場合にはＹ方向にシフトさせ（ステ
ップS67）、引き続きＸ方向にレーザスポットを走査し
て測定を続行する（ステップS68）。このステップS67、
S68は、第４図で説明したステップS8と同様の処理であ
る。

そして、繰り返し測定回数が予めCPU70に入力された所
定値に到達したか否かを判断する（ステップS69）。こ
の判断は、第４図のステップS9に相当する。

ステップS65で線幅値が変化していない場合は、フォト
レジストへの損傷は殆どないものと判断され、ステップ
S69へ飛ぶ。

所定値に達している場合は、第４図のステップS10と同
様に平均線幅を計算し（ステップS70）、測定動作を終
了し、第３図のステップS36のパターン走査に戻り、ス
テップS37にてフィルタ13の制御を行うか、あるいはス
テップS38のパターン測定処理に戻り、ステップS39に進
む（ステップS71）。

ステップS69で測定回数が所定値に達していない場合に
は、Ｘ方向のスポット走査を繰り返し、測定を続行し
（ステップS72）、ステップS65に戻る。

ステップS64で繰り返し走査を行わない場合、あるいは
ステップS66でレーザスポットをＹ方向にシフトさせな
い場合は、ステップS71に飛び、測定動作を終了する。

次にステップS62で、フォトレジストの検出を行い、レ
ーザスポットが走査中でない場合は、レーザビームが自
動焦点調節動作（具体的にはステップS33、S44）を行っ
ているかどうかを判断する（ステップS73）。

ステップS73で調節中でないと判断された場合には、レ
ーザスポットがフォトレジスト上で合焦あるいはそれに
近い状態であることを意味しており、エネルギ密度の高
いスポットがレジスト上で集光しており、レジストを損
傷させる可能性が高い。従って、このときは直ちに、CP
U70が、CPU204を介してシャッタ駆動部110を動作させ、
レーザビーム中にレーザシャッタ11を挿入させる（ステ
ップS74）。

そしてCPU70は、エラーフラグを内蔵のRAMに立てて本処
理を終了し、第３図のステップS34に戻り、ステップS35
にてエラーと判断される。

ステップS73で自動焦点調節中と判断された場合、CPU70
は、その焦点調節動作を一時中断させる（ステップS7
6）。

CPU70は、レーザスポットをＸ方向あるいはＹ方向に操
作させ、それと同時にフォトレジスト上にスポットがな
いかどうかをCPU204に検知させ、CPU70にその旨の情報
を送るように指令する。そしてシャッタ70はその走査の
駆動中にCPU204からフォトレジストでないことの判別情
報が知らされると、その位置でレーザスポットを停止さ
せる。フォトレジストでないことの判断は、CPU70自身
が反射光検出器52あるいは螢光検出器64の出力をモニタ
することにより行っても良い（ステップS78）。これに
より焦点検出時のスポット照射によるフォトレジストの
損傷が防止される。

この動作により、フォトレジストでない位置が検知され
た場合は、第３図の自動焦点調節動作を再開させ（ステ
ップS79）、調節動作完了後、本処理を終了する。

ステップS77におけるレーザスポットの走査範囲内でフ
ォトレジストでない位置が検知されなかった場合は、ス
テップS74に飛び、シャッタ11をレーザビーム中に挿入
し、ステップS75でエラーフラグを立てて、ステップS75
で本処理を終了する。そして第３図のステップS35でエ
ラーと判断される。

以上、本発明をパターンの線幅等を測定する装置に適用
した実施例を説明したが、本発明はこれに限るものでは
なく、パターンの検出を必要とする装置であれば、どん
なものにでも利用できる。例えば半導体素子製造用の露
光装置におけるアライメントマークの検出等に応用でき
る。

さらに本実施例のようにスポット光を走査する代わり
に、ステージ34を移動させるような構成とし、走査量モ
ニター18の代わりにステージ34の位置、あるいは移動量
を検出する光波干渉側長器を設けても全く同様の効果が
得られる。

また本実施例では、パターンの検出のために使用され、
検出対象に損傷を与えるビームしてレーザビームを採用
したが、本発明はこれに限らず、パターン検出のために
使用でき、検出対象に損傷を与えるものであれば、他の
エネルギビームでも良い。例えば電子ビーム、イオンビ
ームが挙げられる。

またパターン検出用のエネルギビームにより損傷を受け
うる測定対象（感応物質）としては、フォトレジスト以
外の感光物質、例えば、光磁気物質、窒化膜等が挙げら
れ、感熱物質も考えられる。

本実施例では、測定用のエネルギビームと、感応物質を
判別するためのエネルギビームとが同一のレーザビーム
であり、構成が簡単となる効果を有するものであった
が、本発明はこれに限らず、測定用と感応物質判別用と
が別個のビームでなされたものも含むである。例えば、
電子ビームによりフォトレジストを測定あるいは観察す
る場合、過度に電子ビームが照射されると損傷を受ける
ことがある。この場合にフォトレジストを本実施例と同
様のレーザビームの照射により判別し、電子ビームの照
射をこの判別情報に応じて弱めることによって、フォト
レジストの損傷を未然に防ぐことができる。

またフォトレジストのパターンの寸法を電子ビームの繰
り返し走査によって測定する場合、第６図のステップS6
5ないしS70までと同様の動作でフォトレジストに大きな
損傷を与えることなく測定を実行することができる。

次に本発明の第２の実施例を第14図、第15図により説明
する。第14図は螢光検出系の光学系の配置図であり、第
15図はその第14図の光学系に対応した信号処理系の回路
ブロック図である。第１図に示したダイクロイックミラ
ー58を第14図に示すような切換ミラー58aに交換され、
ミラー60からの螢光は、ハーフミラー100によって２分
割され、透過した螢光は光学的なバンドパスフィルター
102によって分光された後、フォトマルチプライヤ（以
下、フォトマルと呼ぶ）104に受光される。一方、ハー
フミラー100で反射された螢光は、次のハーフミラー106
によって２分割され、ここで反射した螢光はバンドパス
フィルター108によって分光された後、フォトマル110に
受光される、ハーフミラー106を透過した螢光は、ミラ
ー112で反射された後、バンドパスフィルター114で分光
されてフォトマル116に受光される。尚、ミラー112、バ
ンドパスフィルター114、フォトマル116は、場合によっ
ては不要である。ここでバンドパスフィルター102、10
8、114は互いに異なる波長帯域を有し、螢光を２つある
いは３つの帯域に分光するものである。これは、ウエハ
Ｗ上で発生する螢光をフォトレジストからの螢光と、そ
の他の物質、例えばゴミや欠陥からの螢光とに分離して
別々に検出するためである。例えば波長325nmのHe−Cd
レーザを用いた場合フォトレジストによる螢光は550〜6
50nmのバンドパスフィルター102で検出し、ゴミによる
螢光は400〜500nmのバンドパスフィルター108で検出す
ることができる。またあらゆる螢光を検出するときは、
バンドパスフィルター114を波長域400〜750nmにする。
更に別の螢光物質がある場合はその波長に合わせて分光
すればよい。このようにすると、フォトレジストからの
螢光のみを確実に検出することができ、散乱光や正反射
光で測定を行う場合、ゴミによって散乱光強度や、正反
射光強度が変化しても、測定すべきパターンとゴミとを
弁別して検出することが可能となる。そのため測定の
際、ゴミからの螢光を検出した場合は、その測定を無効
とし、ステージ34を移動させたり、レーザビームのスポ
ットを走査線と交わる方向にシフトさせたりして、ゴミ
のない所で再度測定を実行するというようなことができ
る。

またゴミからの螢光を検知した場合は、第６図のフロー
チャートに示したフォトレジストの損傷防止策（ステッ
プS63、S67、S77）は不要なので行わないようにする。

第15図に示すように、光電検出器52、42、104、110、11
6からの各光電信号は、第３図中のMPX回路72と同様のア
ナログ・マルチプレクサ（MPX）回路120に入力する。MP
X回路120はそれら５つの光電信号から任意の３つの光電
信号を選び出し、それぞれ割算器、サンプルホールド回
路、アナログデジタル変換器及びRAMを有する信号波長
検出ユニットCH₁、CH₂、CH₃に出力する。MPX回路120
は、CPU70からの指令でどの光電信号を選択するかを決
定する。例えばユニットCH₁に正反射光による信号波形
を記憶し、ユニットCH₂に散乱光による信号波形を記憶
し、そしてユニットCH₃にフォトレジストからの螢光（5
50nm〜650nm）による信号波形を記憶する。そしてユニ
ットCH₃の信号波形を基準にユニットCH₁、CH₂の信号波
形を調べることによって、より多角的にパターンエッジ
の位置や線幅、寸法等が検出できる。またユニットC
H₁、CH₂、CH₃の夫々に分光された螢光による信号波形を
記憶すれば、フォトレジストによるパターンの検出、ゴ
ミ等の付着の有無の検出、及びそれ以外の有機物質の存
在等の検出が可能となる。尚、ウエハＷ上で発生する螢
光は、３つに分光する以外に、必要に応じて１つ又は４
つに増減させてもよい。また信号波形検出ユニットも３
つである必要はなく、２つであってもよい。

〔発明の効果〕

このような構成により、感応物質によれ形成さられたパ
ターンとそうでないパターンとが自動的に判別され、感
応物質により形成されたパターンにはこれを損傷させる
ような態様でエネルギビームが照射されることが防止さ
れるので、フォトレジスト等の感応物質を損傷させるこ
となく、高精度のパターン検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるパターン位置検出装置の一実施
例のうち、光学的部分を示す配置構成図、第２図は同実
施例の電気的構成部分を示す回路ブロック図、第３図は
同実施例の全体的な動作を示すフローチャート、第４図
はパターン検出のアルゴリズムの一例を示すフローチャ
ート、第５図はエッジ検出のエラーを判断するアルゴリ
ズムの一例を示すフローチャート、第６図はフォトレジ
ストの損傷を回避する動作を示すフローチャート、第７
図は反射光及び螢光によるエッジ検出を示す線図、第８
図はパターンの一例を示す説明図、第９図はエラー検出
の手順の説明図、第10図及び第11図はエラー判断の例を
示す線図、第12図はハービングガラスの作用を説明図、
第13図はフォトレジストの反射率の経時変化を示す線
図、第14図及び第15図は本発明の他の実施例の主要部分
を示すブロック図である。主要部分の符号の説明 10……レーザビーム源、16……走査部、18……走査量モ
ニター、20……ハービングガラス、22……駆動ユニッ
ト、24……ポテンショメータ、34……ステージ、42、5
2、64……光電検出器、70……CPU、72……マルチプレク
サ回路、Ｗ……ウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物に第１エネルギビームを照射する第
１照射手段と；該被検物のうち該第１エネルギビームが
照射された被照射部分から出る第２エネルギビームを受
け、該被照射部分のパターンを検出する検出手段とを有
するパターン検出装置において、前記被検物に第３エネルギビームを照射する第２照射手
段と、該被検物のうち該第３エネルギビームが照射された被照
射部分から出る第４エネルギビームを受けて、該第３エ
ネルギビームの被照射部分が前記第１エネルギビームに
感応する部分であるか否かを判別する判別手段と、該判別手段の出力を受けて、前記第１エネルギビームが
前記感応部分を照射する際に該第１エネルギビームを制
御して、該第１エネルギビームにより該感応部分が損傷
することを防止する制御手段とを有することを特徴とす
るパターン検出装置。
【請求項２】前記第１照射手段と前記第２照射手段とは
兼用され、前記第１エネルギビームと前記第３エネルギ
ビームとは同一のビームであることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のパターン検出装置。