JPH07218224A

JPH07218224A - 光学式距離測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH07218224A
Application number: JP6030954A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakatani; 宏中谷
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1994-02-02
Filing date: 1994-02-02
Publication date: 1995-08-18

Abstract

(57)【要約】【目的】光学式距離測定方法において、光軸のずれや
傾きに基づく測定誤差をなくす。【構成】光学式距離測定方法では、マークＭ₁，Ｍ₂等
の対象物の画像をＣＣＤセンサ等に拡大投影して検知
し、センサ出力を信号処理してマーク間距離を測定する
が、光軸が理想光軸ｉに対してａ，ｂのようにずれた
り、傾いたりすると、測定誤差が生ずる。そこで、０°
位置にて光軸ａ，ｂを切換えてマーク間距離Ｌ_a，Ｌ_bを
それぞれ測定すると共に、１８０°位置にて光軸ａ，ｂ
を切換えてマーク間距離Ｌ_a’，Ｌ_b’をそれぞれ測定
し、理想光軸ｉを用いて計算されるマーク間距離Ｌ
_i（＝Ｌ_i’）と等しい測定値をＬ_a、Ｌ_a’、Ｌ_b、Ｌ_b’
の演算により求める。この方法は、下地に対するレジス
トパターンのずれ量を正確に測定するのに有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レジストパターンの
重ね合わせずれ量の測定等に用いるに好適な光学式距離
測定方法及び装置に関し、特に０°位置にて第１及び第
２の光軸を切換えて求めた第１及び第２の測定値と１８
０°位置にて第１及び第２の光軸を切換えて求めた第３
及び第４の測定値とを演算して光軸のずれや傾きに基づ
く誤差のない測定値を求めるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体デバイス等の製造プロセ
スにあっては、フォトリソグラフィ処理により半導体ウ
エハの上面にレジストパターンを形成した後、レジスト
パターンをマスクとして選択エッチング処理を行なうこ
とにより接続孔又は配線層等を形成することが広く行な
われている。フォトリソグラフィ処理では、半導体ウエ
ハ上に形成されている下地パターンに重ね合わせてレジ
ストパターンを形成するが、このときの重ね合わせ精度
が低いと歩留り低下を招くので、高い重ね合わせ精度が
要求される。

【０００３】従来、下地パターンに対するレジストパタ
ーンのずれ量を測定する手段としては、図１２に示すよ
うな光学式距離測定装置が使用されていた。

【０００４】図１２において、ステージ１は、Ｘ
（縦）、Ｙ（横）、Ｚ（高さ）及びθ（回転）方向に調
整可能なもので、その上面には、半導体ウエハ等の被測
定ウエハ２がセットされる。ウエハ２には、ハロゲンラ
ンプ等の光源３から測定用の光がハーフミラー４、対物
光学系５を介して照射され、ウエハ２上の測定マーク等
の対象物の画像は、対物光学系５、ハーフミラー４を介
して画像センサ６に拡大結像される。

【０００５】ウエハ２上の測定マークとしては、図１３
に例示したように離間配置されたＩ字状のマークＭ₁，
Ｍ₂が用いられる。図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、マーク構
造の具体例を示すもので、（Ａ）〜（Ｃ）において、７
は、ウエハ２上に形成されたＳｉＯ₂等の絶縁膜であ
り、マークＭ₂は、いずれもレジスト層からなってい
る。マークＭ₁は、（Ａ）の例では、ウエハ表面に形成
された配線材層によって表現され、（Ｂ）の例では、ウ
エハ表面に形成された凹部によって表現され、（Ｃ）の
例では、ウエハ表面に形成された配線材層に基づく凸部
によって表現される。

【０００６】画像センサ６の出力は、例えばマイクロコ
ンピュータに供給される。マイクロコンピュータは、セ
ンサ６の出力を公知の方法で信号処理することによりマ
ークＭ₁−Ｍ₂間距離及び重ね合わせずれ量を算出する。
例えば、図１３に示すように下地マークＭ₁のエッジ位
置をｌ₁，ｌ₂とし、レジストマークＭ₂のエッジ位置を
ｒ₁，ｒ₂とすると、マークＭ₁−Ｍ₂間距離の測定値Ｌ
は、次の数１の式により求められる。

【０００７】

【数１】また、マークＭ₁−Ｍ₂間距離の設計値をｄとすると、重
ね合わせずれ量δは、δ＝Ｌ−ｄなる式で求められる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術によ
ると、光学系が厳密に調整されていないとき、光軸のず
れや傾きに基づいて測定マークに左右非対称な影が生ず
るため、測定値Ｌに誤差が含まれることになる。このよ
うな測定誤差を減らすには、測定前に光学系を厳密に調
整すればよいが、調整作業には、多大な時間と労力を要
する。

【０００９】この発明の目的は、光軸のずれや傾きに基
づく測定誤差をなくすことができる新規な光学式距離測
定方法を提供すると共に、この測定方法を実施するに好
適な光学式距離測定装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る光学式距
離測定方法は、回動自在なステージ上に被測定ウエハを
セットし、照明系及び結像系を用いて前記ウエハ上の離
間した対象物の画像を画像センサに拡大結像させ、前記
画像センサの出力を信号処理することにより前記対象物
間の距離を測定する光学式距離測定方法であって、前記
ウエハが第１の回動位置をとるように前記ステージを調
整した状態で前記照明系の第１の光軸を用いて前記対象
物間の距離を測定して第１の測定値を得るステップと、
前記ウエハが前記第１の回動位置をとるように前記ステ
ージを調整した状態で前記照明系の第２の光軸を用いて
前記対象物間の距離を測定して第２の測定値を得るステ
ップと、前記ウエハが前記第１の回動位置とは１８０°
異なる第２の回動位置をとるように前記ステージを調整
した状態で前記第１の光軸を用いて前記対象物間の距離
を測定して第３の測定値を得るステップと、前記ウエハ
が前記第２の回動位置をとるように前記ステージを調整
した状態で前記第２の光軸を用いて前記対象物間の距離
を測定して第４の測定値を得るステップと、前記照明系
が理想的な光軸を有するものとして計算される前記対象
物間の距離に等しい測定値を前記第１乃至第４の測定値
の演算により求めるステップとを含むことを特徴とする
ものである。

【００１１】また、この発明に係る光学式距離測定装置
は、被測定ウエハをセットするための回動自在なステー
ジと、このステージにセットされた被測定ウエハに測定
用の光を照射する照明系であって、択一的に使用可能な
第１及び第２の光軸を有するものと、画像センサと、前
記ステージにセットされた被測定ウエハ上の離間した対
象物の画像を前記画像センサに拡大結像させる結像系
と、前記画像センサの出力を信号処理して前記対象物間
の距離を測定する測定手段とを備えたものである。

【００１２】

【作用】この発明の光学式距離測定方法によれば、理想
光軸を用いて計算される対象物間距離に等しい測定値を
第１〜第４の測定値の演算により求めるようにしたの
で、得られる測定値には、光軸のずれや傾きに基づく誤
差が含まれない。

【００１３】また、この発明の光学式距離測定装置によ
れば、回動自在なステージを用いて第１及び第２の回動
位置を設定すると共に第１及び第２の光軸を択一的に使
用することにより第１〜第４の測定値を容易に求めるこ
とができる。

【００１４】

【実施例】図１（Ａ），（Ｂ）は、この発明の光学式距
離測定方法の原理を説明するためのもので、（Ａ）は正
測定ステップを、（Ｂ）は反測定ステップをそれぞれ示
す。

【００１５】正測定ステップ（Ａ）では、被測定ウエハ
を０°位置に位置決めした状態で光軸ａ，ｂを切換えて
ウエハ上のマークＭ₁−Ｍ₂間距離を測定する。また、反
測定ステップ（Ｂ）では、被測定ウエハを０°位置に対
して１８０°回転させた位置に位置決めした状態でウエ
ハ上のマークＭ₁−Ｍ₂間距離を測定する。光軸ａ及びｂ
は、ずれや傾きのない理想光軸ｉからそれぞれ右側及び
左側に傾斜した光軸である。

【００１６】図１（Ａ）に示される各種の符号を説明す
ると、次の通りである。

【００１７】ｌ₁，ｌ₂：理想光軸ｉを用いたときのマー
クＭ₁のエッジ位置ｒ₁，ｒ₂：理想光軸ｉを用いたときのマークＭ₂のエッ
ジ位置ｌ_a：光軸ａを用いたときのマークＭ₁のエッジ位置ｒ_a：光軸ａを用いたときのマークＭ₂のエッジ位置ｌ_b：光軸ｂを用いたときのマークＭ₁のエッジ位置ｒ_b：光軸ｂを用いたときのマークＭ₂のエッジ位置Ｌ_i：理想光軸ｉを用いたものとして計算されるマーク
Ｍ₁−Ｍ₂間距離Ｌ_a：光軸ａを用いて測定されるマークＭ₁−Ｍ₂間距離
の測定値Ｌ_b：光軸ｂを用いて測定されるマークＭ₁−Ｍ₂間距離
の測定値また、図１（Ｂ）に示される各種の符号を説明すると、
次の通りである。

【００１８】ｌ₁’，ｌ₂’：理想光軸ｉを用いたときの
マークＭ₂のエッジ位置ｒ₁’，ｒ₂’：理想光軸ｉを用いたときのマークＭ₁の
エッジ位置ｌ_a’：光軸ａを用いたときのマークＭ₂のエッジ位置ｒ_a’：光軸ａを用いたときのマークＭ₁のエッジ位置ｌ_b’：光軸ｂを用いたときのマークＭ₂のエッジ位置ｒ_b’：光軸ｂを用いたときのマークＭ₁のエッジ位置Ｌ_i’：理想光軸ｉを用いたものとして計算されるマー
クＭ₁−Ｍ₂間距離Ｌ_a’：光軸ａを用いて測定されるマークＭ₁−Ｍ₂間距
離の測定値Ｌ_b’：光軸ｂを用いて測定されるマークＭ₁−Ｍ₂間距
離の測定値マークＭ₁−Ｍ₂間距離Ｌ_iは、次の数２の式により求め
られる。

【００１９】

【数２】また、マークＭ₁−Ｍ₂間距離Ｌ_i’は、次の数３の式に
より求められる。

【００２０】

【数３】理想光軸ｉを用いた場合、マークＭ₁−Ｍ₂間距離は、正
測定ステップ（Ａ）と反測定ステップ（Ｂ）とで等しい
から、次の数４の式が得られる。

【００２１】

【数４】Ｌ_i＝Ｌ_i’ 正測定ステップ（Ａ）において、測定値Ｌ_aは、次の数
５の式により求められる。

【００２２】

【数５】また、反測定ステップ（Ｂ）において、測定値Ｌ_a’
は、次の数６の式により求められる。

【００２３】

【数６】光軸ａを用いた場合の測定値差Ｌ_a−Ｌ_a’は、数４の関
係を考慮すると、次の数７の式で表わされる。

【００２４】

【数７】ここで、ｒ_a−ｒ₁＝ｌ_a’−ｌ₁’、ｌ_a−ｌ₁＝ｒ_a’−
ｒ₁’の関係を考慮すると、数７の測定値差は、次の数
８の式で表わされる。

【００２５】

【数８】Ｌ_a−Ｌ_a’＝（ｒ_a−ｒ₁）−（ｌ_a−ｌ₁）一方、正測定ステップ（Ａ）において、測定値Ｌ_bは、
次の数９の式で求められる。

【００２６】

【数９】また、反測定ステップ（Ｂ）において、測定値Ｌ_b’
は、次の数１０の式で求められる。

【００２７】

【数１０】光軸ｂを用いた場合の測定値差Ｌ_b−Ｌ_b’は、数４の関
係を考慮すると、次の数１１の式で表わされる。

【００２８】

【数１１】ここで、ｒ_b−ｒ₂＝ｌ_b’−ｌ₂’、ｌ_b−ｌ₂＝ｒ_b’−
ｒ₂’の関係を考慮すると、数１１の測定値差は、次の
数１２の式で表わされる。

【００２９】

【数１２】Ｌ_b−Ｌ_b’＝（ｒ_b−ｒ₂）−（ｌ_b−ｌ₂）図２は、正測定ステップ（Ａ）におけるマークＭ₂と光
軸ａとの関係を示すもので、図１と同様の部分には同様
の符号を付してある。ｈ₁及びｈ₂は、それぞれマークＭ
₁及びＭ₂の高さを表わし、θ_aは、理想光軸ｉに対する
光軸ａの傾斜角を表わす。

【００３０】数８の式を簡略化するため、図２の関係を
考慮すると、次の数１３の式が得られる。

【００３１】

【数１３】ここで、ｈ₁／ｈ₂＝ｋとすると、次の数１４の式が得ら
れる。

【００３２】

【数１４】ｌ_a−ｌ₁＝ｋ（ｒ_a−ｒ₁）数１４の式を考慮すると、数８の式は、次の数１５に示
すようになる。

【００３３】

【数１５】同様にして数１２の式を簡略化すると、次の数１６の式
が得られる。

【００３４】

【数１６】Ｌ_b−Ｌ_b’＝（１−ｋ）（ｒ_b−ｒ₂）数１５及び数１６の式より次の数１７の式が得られる。

【００３５】

【数１７】同様にして、次の数１８の式が得られる。

【００３６】

【数１８】図３は、正測定ステップ（Ａ）におけるマークＭ₂と光
軸ａ，ｂとの関係を示すもので、図１，２と同様の部分
には同様の符号を付してある。θ_bは、理想光軸ｉに対
する光軸ｂの傾斜角を表わす。

【００３７】図３の関係を考慮すると、次の数１９の式
が得られる。

【００３８】

【数１９】数１９の式を考慮すると、数１７の式は、次の数２０に
示すようになる。

【００３９】

【数２０】数２０の式は、異なる照明系光軸ａ，ｂを用いて各々正
反測定ステップにより測定値Ｌ_a，Ｌ_a’，Ｌ_b，Ｌ_b’を
求め、測定値差の比（Ｌ_a−Ｌ_a’）／（Ｌ_b−Ｌ_b’）を
とれば、その比の値は、ｔａｎθ_a／ｔａｎθ_b（理想光
軸ｉに対する光軸ａの傾斜角の正接／理想光軸ｉに対す
る光軸ｂの傾斜角の正接）に等しいことを表わしてい
る。

【００４０】同様にして数１８，１９より次の数２１の
式が得られる。

【００４１】

【数２１】次に、理想光軸ｉを用いたものとして計算されるマーク
Ｍ₁−Ｍ₂間距離Ｌ_iを、Ｌ_a，Ｌ_b，ｔａｎθ_a，ｔａｎθ
_bによって記述すると、次の数２２に示すようになる。

【００４２】

【数２２】同様にして次の数２３の式が得られる。

【００４３】

【数２３】数２２の式中のｔａｎθ_b／ｔａｎθ_a及び数２３の式中
のｔａｎθ_a／ｔａｎθ_bは、前掲の数２１及び数２０の
式によりそれぞれ求められる。従って、数２０で求めた
ｔａｎθ_a／ｔａｎθ_bの値を数２３の式に代入して数２
３の式によりＬ_iを演算により求めるか又は数２１で求
めたｔａｎθ_b／ｔａｎθ_aの値を数２２の式に代入して
数２２の式によりＬ_iを演算により求めるかすれば、光
軸のずれや傾きによる誤差のない測定値が得られること
になる。

【００４４】図４は、上記した測定方法を実施するに好
適な光学式距離測定装置の光学系を示すものである。

【００４５】ＸＹＺθステージ１０上には、真空チャッ
ク等により被測定ウエハ１２が固定的にセットされる。
ハロゲンランプ等の照明装置１４から発生される測定用
の光は、照明系開口絞り１６、瞳投影レンズ１８、ハー
フミラー２０、対物レンズ２２等を介してウエハ１２の
上面に照射される。

【００４６】オートフォーカス用光源２４から発生され
た光は、ハーフミラー２６、ハーフミラー２０及び対物
レンズ２２を介してウエハ１２の上面に照射される。ウ
エハ１２から反射されたオートフォーカス用の光は、ハ
ーフミラー２８を介してオートフォーカス用センサ３０
にて検知される。後述する制御系では、センサ３０の出
力に基づいてステージ１０の位置を制御して自動的に焦
点合わせを行なう。

【００４７】ウエハ１２から反射された測定用の光は、
結像系開口絞り３２を介して画像センサ３４に入射す
る。センサ３４は、一例としてＣＣＤ（チャージ・カッ
プルド・デバイス）センサからなるもので、図５に示す
ように結像用レンズ３４ＡによりＣＣＤアレイ３４Ｂ上
にウエハ面上の測定マーク等の対象物の画像を拡大結像
させるようになっている。

【００４８】図５は、図４の光学系における光軸変更動
作を説明するためのもので、図４と同様の部分には同様
の符号を付してある。

【００４９】照明系開口絞り１６は、２つの開口位置１
６ａ及び１６ｂを択一的に設定可能になっており、開口
絞り１６からの光は、瞳投影レンズ１８、視野絞り１
９、ハーフミラー２０及び対物レンズ２２を介してウエ
ハ面１２Ａに照射される。開口位置１６ａを設定する
と、光は実線で示すようにウエハ面１２Ａに照射され、
光軸ａを用いた測定が可能になる。また、開口位置１６
ｂを設定すると、光は破線で示すようにウエハ面１２Ａ
に照射され、光軸ｂを用いた測定が可能になる。

【００５０】図６は、開口絞り１６の一例を示すもので
ある。案内枠４０は、電磁シャッタ４２を上下動自在に
保持するもので、その一方側から照明装置１４により照
明される。案内枠４０の他方側には、光軸ａ用の開口部
４４ａ及び光軸ｂ用の開口部４４ｂを有する円板４４が
設けられている。

【００５１】電磁シャッタ４２を上方向Ｐに移動させて
開口部４４ｂを閉じ且つ開口部４４ａを開くと、光軸ａ
を用いた測定が可能になる。また、電磁シャッタ４２を
下方向Ｑに移動させて開口部４４ａを閉じ且つ開口部４
４ｂを開くと、光軸ｂを用いた測定が可能になる。

【００５２】図７は、開口絞り１６の他の例を示すもの
である。円板４６の中央部には、楕円形の開口部４６Ａ
が斜めに延長するように設けられている。円板４６の一
方側には、開口部４６Ａの延長方向に沿って電磁シャッ
タ４８が移動自在に設けられており、円板４６の一方側
は、照明装置１４により照明される。電磁シャッタ４８
には、円板４６の開口部４６Ａに対応して比較的小さい
開口部４８Ａが設けられている。

【００５３】電磁シャッタ４８を斜め下方向Ｒに移動さ
せて開口部４８Ａを開口部４６Ａの下部に合わせると、
光軸ａを用いた測定が可能になる。また、電磁シャッタ
４８を斜め上方向Ｓに移動させて開口部４８Ａを開口部
４６Ａの上部に合わせると、光軸ｂを用いた測定が可能
になる。

【００５４】図８は、図４の光学系を制御するための制
御系を示すもので、この制御系は、各種の制御処理がマ
イクロコンピュータを用いて行なわれるようになってい
る。

【００５５】バス５０には、ＣＰＵ（中央処理装置）５
２、プログラムメモリ５４、ワーキングメモリ５６、光
軸切換制御装置５８、ステージ制御装置６０、センサ群
６２等が接続されている。

【００５６】ＣＰＵ５２は、メモリ５４にストアされた
プログラムに従って各種の制御処理を実行するもので、
この発明の測定方法に関係する処理については図１０，
１１を参照して後述する。

【００５７】ワーキングメモリ５６は、ＲＡＭ（ランダ
ム・アクセス・メモリ）からなるもので、ＣＰＵ５２に
よる各種処理に際してレジスタ等として使用される記憶
領域を含んでいる。

【００５８】光軸切換制御装置５８は、ＣＰＵ５２の指
示に従って開口絞り１６の開口位置を光軸ａ用又は光軸
ｂ用に切換制御するものである。

【００５９】ステージ制御装置６０は、ＣＰＵ５２の指
示に従ってステージ１０をＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向に位置制
御するものである。

【００６０】センサ群６２は、オートフォーカス用のセ
ンサ３０、画像センサ３４等を含むものである。ＣＰＵ
５２は、センサ３０の出力に基づいてステージ制御装置
６０に指示を与えることにより自動焦点合わせ処理を行
なうと共に、センサ３４の出力を信号処理してマーク間
距離及び重ね合わせずれ量を算出する。

【００６１】図９は、被測定ウエハ１２上に形成される
重ね合わせずれ量測定用のマークパターンの一例を示す
ものである。この例では、下地マークＭ₁₁及びレジスト
マークＭ₁₂は、いずれもＬ字状をなしており、図１３，
１４で前述したと同様にして形成されるものである。

【００６２】マークＭ₁₁，Ｍ₁₂について、ｘ方向のエッ
ジ位置を図示のようにｘ₁〜ｘ₄とすると共に、ｙ方向の
エッジ位置を図示のようにｙ₁〜ｙ₄とすると、図１のｌ
₁，ｌ₂，ｒ₁，ｒ₂に対し、ｘ₁，ｘ₂，ｘ₃，ｘ₄をそれぞ
れ対応させると共に、ｙ₁，ｙ₂，ｙ₃，ｙ₄をそれぞれ対
応させることができる。そして、図１のＬ_a，Ｌ_a’，Ｌ
_b，Ｌ_b’に対応するｘ方向の測定値Ｌ_ax，Ｌ_ax’，
Ｌ_bx，Ｌ_bx’を求めた上で数２２又は数２３の式により
図１のＬ_iに対応するｘ方向の測定値Ｌ_ixを求めること
ができる。また、図１のＬ_a，Ｌ_a’，Ｌ_b，Ｌ_b’に対応
するｙ方向の測定値Ｌ_ay，Ｌ_ay’，Ｌ_by，Ｌ_by’を求め
た上で数２２又は数２３の式により図１のＬ_iに対応す
るｙ方向の測定値Ｌ_iyを求めることができる。

【００６３】マークＭ₁₁−Ｍ₁₂間距離のｘ及びｙ方向の
設計値をそれぞれｄ_x，ｄ_yとすると、ｘ及びｙ方向の重
ね合わせずれ量δ_x及びδ_yは、次の数２４の式で表わさ
れる。

【００６４】

【数２４】δ_x＝Ｌ_ix−ｄ_x δ_y＝Ｌ_iy−ｄ_y 次に、図１０を参照して重ね合わせずれ量測定ルーチン
の一例を説明する。

【００６５】まず、ステップ７０では、ステージ１０上
に被測定ウエハ１２をロードする。このとき、自動焦点
合わせ処理を行なう。そして、ステップ７２に移る。

【００６６】ステップ７２では、数２２の式中のｔａｎ
θ_b／ｔａｎθ_aに相当する値がメモリ５６内にあるか判
定する。この判定結果が否定的（Ｎ）であればステップ
７４に移り、ウエハを１８０°回転させる。そして、ス
テップ７６に移る。

【００６７】ステップ７６では、光軸ａのシャッタを開
く。そして、ステップ７８に移り、測定値Ｌ_ax’，
Ｌ_ay’を求め、メモリ５６に書込む。この後、ステップ
８０で光軸ａのシャッタを閉じ且つ光軸ｂのシャッタを
開いてから、ステップ８２に移る。

【００６８】ステップ８２では、測定値Ｌ_bx’，Ｌ_by’
を求め、メモリ５６に書込む。そして、ステップ８４で
ウエハを１８０°回転させて０°位置を設定する。

【００６９】次に、ステップ８６では、光軸ａのシャッ
タを開き且つ光軸ｂのシャッタを閉じる。そして、ステ
ップ８８に移り、測定値Ｌ_ax，Ｌ_ayを求め、メモリ５６
に書込む。この後、ステップ９０に移る。

【００７０】ステップ９０では、光軸ａのシャッタを閉
じ且つ光軸ｂのシャッタを開く。そして、ステップ９２
に移り、測定値Ｌ_bx，Ｌ_byを求め、メモリ５６に書込
む。

【００７１】次に、ステップ９４では、数２２の式中の
ｔａｎθ_b／ｔａｎθ_aに相当する値がメモリ５６内にあ
るか判定する。この判定結果が否定的（Ｎ）であればス
テップ９６に移り、数２１の式によりｔａｎθ_b／ｔａ
ｎθ_aに相当する値を求める。この場合、ｘ方向につい
ては、ステップ７８，８２，８８，９２で求めた
Ｌ_ax’，Ｌ_bx’，Ｌ_ax，Ｌ_bxを用いて計算を行ない、ｙ
方向については、ステップ７８，８２，８８，９２で求
めたＬ_ay’，Ｌ_by’，Ｌ_ay，Ｌ_byを用いて計算を行な
う。そして、計算により得られた値をメモリ５６に書込
む。この後、ステップ９８に移る。

【００７２】ステップ９８では、ステップ９６で求めた
ｔａｎθ_b／ｔａｎθ_aに相当する値を用いて数２２の式
により測定値Ｌ_ix，Ｌ_iyを計算し、得られた値をメモリ
５６に書込む。そして、ステップ１００に移る。

【００７３】ステップ１００では、ステップ９８で求め
たＬ_ix，Ｌ_iyの値と予めメモリ５６に書込んである設計
値ｄ_x，ｄ_yとに基づいて数２４の式により重ね合わせず
れ量δ_x，δ_yを計算し、得られた値をメモリ５６に書込
む。そして、ステップ１０２に移る。

【００７４】ステップ１０２では、ウエハ内の所定の複
数ｎの測定点について測定が完了したか判定する。この
判定結果が否定的（Ｎ）であればステップ７２に戻り、
それ以降の処理を上記したと同様に繰返す。この場合、
ステップ７２では、先にステップ９６でメモリ５６にｔ
ａｎθ_b／ｔａｎθ_aに相当する値を書込んであるため、
判定結果が肯定的（Ｙ）となり、ステップ７４〜８４を
経ずにステップ８６に移る。同様にしてステップ９４の
判定結果も肯定的（Ｙ）となり、ステップ９６を経ずに
ステップ９８に移る。すなわち、最初の１回だけｔａｎ
θ_b／ｔａｎθ_aに相当する値を求め、２回目以降は、１
回目に求めた値を流用してＬ_ix，Ｌ_iy，δ_x，δ_yの計算
を行なうことにより測定時間を短縮している。

【００７５】ｎ点すべてについて測定が完了すると、ス
テップ１０２の判定結果が肯定的（Ｙ）となり、ステッ
プ１０４に移る。ステップ１０４では、ｎ点すべてにつ
いて重ね合わせずれ量δ_x，δ_yが許容される上限値δ₀
以下か判定する。この判定結果が肯定的（Ｙ）であれば
ステップ１０６でウエハをステージ１０から外してウエ
ハホルダＡにセットする。また、ステップ１０４の判定
結果が否定的（Ｎ）であればステップ１０８でウエハを
ステージ１０から外してウエハホルダＢにセットする。

【００７６】ステップ１０６，１０８の処理が終ったと
きは、ステップ１１０に移り、所定の複数ｍ枚のウエハ
について測定が完了したか判定する。この判定結果が否
定的（Ｎ）であればステップ７０に戻り、それ以降の処
理を上記したと同様に繰返す。この場合も、ステップ７
２，９４の判定結果が肯定的（Ｙ）となり、測定時間が
短縮される。

【００７７】ｍ枚のウエハについて測定が完了すると、
ステップ１１０の判定結果が肯定的（Ｙ）となり、測定
ルーチンがエンドとなる。

【００７８】ウエハホルダＡのウエハは良品であり、ウ
エハホルダＢのウエハは不良品である。通常、ウエハホ
ルダＢのウエハについては、上面のレジスト層を除去し
た後再度レジストを塗布してホトリソグラフィ処理を行
なう。そして、再度測定を行ない、良品と不良品に分け
る。

【００７９】上記した測定ルーチンでは、数２１，２２
の式を用いたが、その代りに数２０，２３の式を用いて
もよいこと勿論である。

【００８０】なお、この発明は、重ね合わせずれ量の測
定に限らず、離間配置された対象物の間の距離を光学的
に正確に測定したい場合に応用することができる。

【００８１】

【発明の効果】以上のように、この発明の光学式距離測
定方法によれば、光軸のずれや傾きに基づく誤差のない
測定値が得られるので、測定前に厳密に光学系を調整し
なくてよく、正確且つ迅速な測定が可能になる効果があ
る。

【００８２】また、この発明の光学式距離測定装置によ
れば、ステージが回動自在であると共に第１及び第２の
光軸が択一的に使用可能であるので、この発明の測定方
法を簡単に実施できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光学式距離測定方法における正反
測定ステップを示す断面図である。

【図２】正測定ステップにおける光軸ａとマーク
Ｍ₁，Ｍ₂との関係を示す断面図である。

【図３】正測定ステップにおける光軸ａ，ｂとマーク
Ｍ₂との関係を示す断面図である。

【図４】この発明の一実施例に係る距離測定装置の光
学系を示す側面図である。

【図５】図４の光学系における光軸変更動作を説明す
るための光路図である。

【図６】照明系開口絞りの一例を示す斜視図である。

【図７】照明系開口絞りの他の例を示す斜視図であ
る。

【図８】図４の光学系を制御するための制御系を示す
ブロック図である。

【図９】重ね合わせずれ量測定用のマークパターンの
一例を示す上面図である。

【図１０】重ね合わせずれ量測定ルーチンの一部を示
すフローチャートである。

【図１１】図１０のルーチンの残部を示すフローチャ
ートである。

【図１２】従来の光学式距離測定装置を示す概略構成
図である。

【図１３】従来の重ね合わせずれ量測定用のマークパ
ターンを示す上面図である。

【図１４】マーク構造の３つの具体例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

ｉ：理想光軸、ａ，ｂ：傾斜した光軸、Ｍ₁，Ｍ₂：測定
マーク、Ｌ_i：理想光軸を用いて０°位置で計算したマ
ーク間距離、Ｌ_a：光軸ａを用いて０°位置で測定した
マーク間距離、Ｌ_b：光軸ｂを用いて０°位置で測定し
たマーク間距離、Ｌ_i’：理想光軸を用いて１８０°位
置で計算したマーク間距離、Ｌ_a’：光軸ａを用いて１
８０°位置で測定したマーク間距離、Ｌ_b’：光軸ｂを
用いて１８０°位置で測定したマーク間距離、１０：Ｘ
ＹＺθステージ、１２：被測定ウエハ、１４：照明装
置、１６：照明系開口絞り、１８：瞳投影レンズ、２
０：ハーフミラー、２２：対物レンズ、３２：結像系開
口絞り、３４：画像センサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回動自在なステージ上に被測定ウエハを
セットし、照明系及び結像系を用いて前記ウエハ上の離
間した対象物の画像を画像センサに拡大結像させ、前記
画像センサの出力を信号処理することにより前記対象物
間の距離を測定する光学式距離測定方法であって、前記ウエハが第１の回動位置をとるように前記ステージ
を調整した状態で前記照明系の第１の光軸を用いて前記
対象物間の距離を測定して第１の測定値を得るステップ
と、前記ウエハが前記第１の回動位置をとるように前記ステ
ージを調整した状態で前記照明系の第２の光軸を用いて
前記対象物間の距離を測定して第２の測定値を得るステ
ップと、前記ウエハが前記第１の回動位置とは１８０°異なる第
２の回動位置をとるように前記ステージを調整した状態
で前記第１の光軸を用いて前記対象物間の距離を測定し
て第３の測定値を得るステップと、前記ウエハが前記第２の回動位置をとるように前記ステ
ージを調整した状態で前記第２の光軸を用いて前記対象
物間の距離を測定して第４の測定値を得るステップと、前記照明系が理想的な光軸を有するものとして計算され
る前記対象物間の距離に等しい測定値を前記第１乃至第
４の測定値の演算により求めるステップとを含むことを
特徴とする光学式距離測定方法。
【請求項２】被測定ウエハをセットするための回動自在
なステージと、このステージにセットされた被測定ウエハに測定用の光
を照射する照明系であって、択一的に使用可能な第１及
び第２の光軸を有するものと、画像センサと、前記ステージにセットされた被測定ウエハ上の離間した
対象物の画像を前記画像センサに拡大結像させる結像系
と、前記画像センサの出力を信号処理して前記対象物間の距
離を測定する測定手段とを備えた光学式距離測定装置。