JPH09203615A - Method and apparatus for measuring depth - Google Patents

Method and apparatus for measuring depth

Info

Publication number
JPH09203615A
JPH09203615A JP8012879A JP1287996A JPH09203615A JP H09203615 A JPH09203615 A JP H09203615A JP 8012879 A JP8012879 A JP 8012879A JP 1287996 A JP1287996 A JP 1287996A JP H09203615 A JPH09203615 A JP H09203615A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pattern
light
depth
inspected
order diffracted
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP8012879A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naomasa Shiraishi
直正 白石
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP8012879A priority Critical patent/JPH09203615A/en
Priority to US08/786,151 priority patent/US5982489A/en
Publication of JPH09203615A publication Critical patent/JPH09203615A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To highly accurately measure a depth (difference in stages) of a recess of a pattern to be inspected in which protrusions and recesses appear periodically. SOLUTION: ±1-order diffraction light beams Lp, Lm generated by a laser light source 1, a reference grating 5 or the like are shed symmetrically on a periodically stepped pattern 9 on a wafer 8, and a combined flux DB including normally reflected light of the diffraction light Lp generated from the pattern 9 in parallel and -1-order diffraction light of the diffraction light Lm, and a combined flux DA including normally reflected light of diffraction light Lm generated in parallel and +1-order diffraction light of the diffraction light Lp are received by photoelectric detectors 11B, 11A, respectively. A depth of a recess of the periodically stepped pattern 9 is calculated based on detection signals SA, SB output from the photoelectric detectors 11A, 11B when the pattern 9 is scanned in an X-direction via a wafer stage 10, wavelengths of their diffraction light, a ratio in widths in the X-direction of the recess and a protrusion of the pattern 9 or the like.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、周期的な凹凸のパ
ターンの凹部の深さ又は段差を測定するための深さ測定
方法及び深さ測定装置に関し、特に例えば半導体素子等
におけるトレンチ構造やアライメントマーク等の微細な
溝状パターンの深さ又は段差を測定する際に使用して好
適なものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a depth measuring method and a depth measuring apparatus for measuring a depth or a step of a concave portion of a pattern of periodic unevenness, and particularly to a trench structure or an alignment in a semiconductor device or the like. It is suitable for use when measuring the depth or step of a fine groove-shaped pattern such as a mark.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば半導体素子は、ウエハ上に多層の
回路パターンを所定の位置関係で積み重ねることによっ
て形成され、各層の回路パターンを形成するためのフォ
トリソグラフィ工程では、露光装置によってマスクとし
てのレチクルのパターン像が所定の倍率でウエハ上のフ
ォトレジスト層に転写される。そして、露光装置によっ
てウエハの2層目以降にレチクルのパターンを転写する
際には、それまでの工程でウエハ上に形成されているア
ライメントマークの位置を検出し、この検出結果に基づ
いてレチクルのパターンとウエハの各ショット領域に既
に形成されているパターンとの位置合わせ(アライメン
ト)を行った上で、所謂重ね合わせ露光が行われる。
2. Description of the Related Art For example, a semiconductor element is formed by stacking a multilayer circuit pattern on a wafer in a predetermined positional relationship. In a photolithography process for forming a circuit pattern of each layer, a reticle as a mask is exposed by an exposure apparatus. Pattern image is transferred to the photoresist layer on the wafer at a predetermined magnification. Then, when the pattern of the reticle is transferred to the second and subsequent layers of the wafer by the exposure apparatus, the position of the alignment mark formed on the wafer in the steps up to that time is detected, and the reticle of the reticle is detected based on this detection result. So-called overlay exposure is performed after the alignment between the pattern and the pattern already formed in each shot area of the wafer.

【0003】従来のウエハ上のアライメントマークは、
通常計測方向に沿ってウエハ上に所定ピッチで形成され
た凹凸のパターンである。以下では、そのように所定方
向に周期的に配列された凹凸のパターンを溝状パターン
とも呼び、その溝状パターンの内で凹凸のピッチが小さ
い微細なパターンを微細溝状パターンとも呼ぶ。このよ
うな微細溝状パターンよりなるアライメントマークを例
えば所定の帯域幅の照明光を用いる撮像方式のアライメ
ントセンサで検出する場合には、そのアライメントマー
クの像の内で凸部と凹部との境界部に対応する部分が例
えば暗線となるため、その暗線の位置を検出することが
できる。また、アライメントセンサの中には、回折格子
状の微細溝状パターンよりなるアライメントマークに対
してレーザビームのような光ビームを照射して、そのパ
ターンからの回折光を検出し、この回折光の強度に基づ
いて位置検出を行うレーザ・ステップ・アライメント方
式(LSA方式)や、そのパターンに対して2方向から
可干渉な光ビームを照射し、そのパターンから平行に射
出される1対の回折光を光電変換して得られるビート信
号の位相に基づいて位置検出を行う2光束干渉方式(L
IA方式)のように、微細溝状パターンからの所定の方
向への回折光に基づいて位置検出を行うセンサもある。
A conventional alignment mark on a wafer is
It is a pattern of irregularities formed at a predetermined pitch on the wafer along the normal measurement direction. In the following, such an uneven pattern periodically arrayed in a predetermined direction is also referred to as a groove pattern, and a fine pattern having a small uneven pitch among the groove patterns is also referred to as a fine groove pattern. When detecting an alignment mark composed of such a fine groove-shaped pattern by, for example, an alignment sensor of an imaging method using illumination light of a predetermined bandwidth, the boundary portion between the convex portion and the concave portion in the image of the alignment mark is detected. Since the portion corresponding to is a dark line, for example, the position of the dark line can be detected. In addition, in the alignment sensor, a light beam such as a laser beam is irradiated to an alignment mark formed of a fine groove-shaped pattern of a diffraction grating, and diffracted light from the pattern is detected. Laser step alignment method (LSA method) that detects the position based on the intensity, or a pair of diffracted light emitted parallel to the pattern by irradiating the pattern with coherent light beams from two directions. The two-beam interference method (L
(IA method), there is also a sensor that performs position detection based on diffracted light from a fine groove pattern in a predetermined direction.

【0004】例えば、このように微細溝状パターンから
の所定の方向への回折光に基づいて位置検出を行う場合
には、そのパターンの凹部の深さ、即ち凸部と凹部との
段差によって発生する回折光の強度が大きく変化し、場
合によっては得られる検出信号のSN比が悪化すること
もある。従って、そのパターンの深さが所定の範囲内に
収まるように製造工程を管理する必要があるが、そのた
めにはそのパターンの深さを正確に測定する必要があ
る。
For example, when position detection is performed based on the diffracted light from the fine groove pattern in a predetermined direction in this way, it is caused by the depth of the concave portion of the pattern, that is, the step between the convex portion and the concave portion. The intensity of the diffracted light to be changed greatly changes, and the SN ratio of the obtained detection signal may deteriorate in some cases. Therefore, it is necessary to control the manufacturing process so that the depth of the pattern falls within a predetermined range, but for that purpose, it is necessary to accurately measure the depth of the pattern.

【0005】また、ウエハ上のアライメントマーク以外
にも、溝状パターンの凹部の深さを正確に管理する必要
のある場合には、前提としてその深さを正確に測定する
必要がある。従来より、微細溝状パターンの深さ(段
差)の測定方法としては、その微細溝状パターン及びそ
の周囲に多波長の光束を照射し、その正反射光を受光
し、そのスペクトル分布より深さを算出する方法が使用
されている。
In addition to the alignment mark on the wafer, when it is necessary to accurately control the depth of the recess of the groove pattern, it is necessary to measure the depth accurately. Conventionally, the depth (step) of a fine groove pattern has been measured by irradiating the fine groove pattern and its surroundings with a multi-wavelength light beam, receiving the specular reflection light, and measuring the depth from the spectral distribution. The method of calculating is used.

【0006】これは、その微細溝状パターンの底部(凹
部)からの反射光と上面(周囲)からの反射光とが干渉
し、両反射光の光路差(深さの2倍)に伴う位相差によ
り、特定の波長の反射光が強くあるいは弱くなることを
利用したものである。
This is because the reflected light from the bottom (recess) of the fine groove-shaped pattern interferes with the reflected light from the upper surface (surrounding), and is caused by the optical path difference (twice the depth) of both reflected lights. It utilizes that the reflected light of a specific wavelength becomes strong or weak due to the phase difference.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来の技術においては、溝状パターンの凹部、及び
その周囲の部分からの反射光の強度に依存した検出を行
うため、得られる検出信号のSN比があまり良くないと
いう不都合があった。また、その溝状パターンの材質
が、検出光の波長域内で反射率が変化する材質であると
きには、波長に対する材質固有の反射率変化が上記の深
さ変化に伴う反射率変化に影響を及ぼすため、深さの検
出精度が著しく低下するという不都合がある。
However, in the conventional technique as described above, since the detection is performed depending on the intensity of the reflected light from the concave portion of the groove-shaped pattern and the peripheral portion thereof, the obtained detection signal is not detected. There was the inconvenience that the SN ratio was not very good. Further, when the material of the groove-shaped pattern is a material whose reflectance changes within the wavelength range of the detection light, the reflectance change peculiar to the material with respect to the wavelength affects the reflectance change accompanying the depth change described above. However, there is an inconvenience that the accuracy of depth detection is significantly reduced.

【0008】これに関して、予め、材質固有の反射率変
化を測定装置に入力しておいて補正することも考えられ
る。しかしながら、被測定物の表面に自然酸化膜や段差
(堀込み)形成のためのエッチングマスク用の薄膜が存
在すると、薄膜干渉効果により波長の変化と共に反射率
が変動するため、このような補正は困難である。本発明
は斯かる点に鑑み、例えば微細溝状パターンのように周
期的に凹凸を繰り返す被検パターンの凹部の深さ(段
差)を高精度に測定できる深さ測定方法を提供すること
を目的とする。
[0008] In this regard, it is possible to input the change in reflectance peculiar to the material to the measuring device in advance and correct it. However, if there is a natural oxide film or a thin film for an etching mask for forming a step (derivation) on the surface of the object to be measured, the reflectance fluctuates with the change in wavelength due to the thin film interference effect, so such correction is not possible. Have difficulty. In view of such a point, the present invention aims to provide a depth measuring method capable of highly accurately measuring the depth (step) of a concave portion of a pattern to be tested in which irregularities are periodically repeated such as a fine groove pattern. And

【0009】更に、本発明はそのような深さ測定方法を
実施できる深さ測定装置を提供することをも目的とす
る。
A further object of the present invention is to provide a depth measuring device capable of carrying out such a depth measuring method.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明による深さ測定方
法は、基板(8)上で所定方向(X方向)に周期的に凹
凸を繰り返すように形成された被検パターン(9)の凹
部の深さを光学的に測定する深さ測定方法において、被
検パターン(9)の周期をPとしたとき、被検パターン
(9)上に可干渉な第1及び第2の光ビーム(Lp,L
m)を照射することによって、被検パターン(9)上に
その所定方向に振幅分布の周期が2P/N(Nは自然
数)となる干渉縞を形成し、第1の光ビーム(Lp)に
よる被検パターン(9)からの正反射光と第2の光ビー
ム(Lm)による被検パターン(9)からのN次回折光
とを合成してなる第1の合成光束(DB)と、第2の光
ビーム(Lm)による被検パターン(9)からの正反射
光と第1の光ビーム(Lp)による被検パターン(9)
からのN次回折光とを合成してなる第2の合成光束(D
A)とを受光し、被検パターン(9)とその干渉縞とを
その所定方向に相対的に走査したときに得られる第1及
び第2の合成光束(DB,DA)の光電変換信号と、第
1及び第2の光ビーム(Lp,Lm)の波長とに基づい
て被検パターン(9)の凹部の深さを算出するものであ
る。
According to the depth measuring method of the present invention, a concave portion of a pattern (9) to be inspected is formed on a substrate (8) so that irregularities are periodically repeated in a predetermined direction (X direction). In the depth measuring method for optically measuring the depth of the pattern, when the period of the pattern to be measured (9) is P, the first and second light beams (Lp , L
By irradiating m), an interference fringe having a period of amplitude distribution of 2P / N (N is a natural number) is formed on the test pattern (9) in the predetermined direction, and the pattern is formed by the first light beam (Lp). A first combined light flux (DB) obtained by combining the regular reflection light from the test pattern (9) and the Nth-order diffracted light from the test pattern (9) by the second light beam (Lm); Regular reflection light from the pattern to be inspected (9) by the light beam (Lm) and the pattern to be inspected (9) by the first light beam (Lp)
The second combined light flux (D
A) and the photoelectric conversion signals of the first and second combined light fluxes (DB, DA) obtained when the pattern to be measured (9) and its interference fringes are relatively scanned in the predetermined direction. , And the depths of the concave portions of the test pattern (9) are calculated based on the wavelengths of the first and second light beams (Lp, Lm).

【0011】斯かる本発明によれば、例えば自然数Nが
1の場合には、周期Pの被検パターン(9)上に2つの
光ビームによって振幅分布のピッチが2Pの干渉縞が形
成される。その結果、被検パターン(9)から発生する
反射光、及び回折光の内、第1の光ビーム(Lp)の正
反射光(0次回折光)と、第2の光ビーム(Lm)の1
次回折光とは同一方向に回折して、相互に干渉し合う第
1の合成光束(DB)となる。同様に、第2の光ビーム
(Lm)の正反射光と、第1の光ビーム(Lp)の1次
回折光とも同一方向に回折して、相互に干渉し合う第2
の合成光束(DA)となる。
According to the present invention, for example, when the natural number N is 1, interference fringes having an amplitude distribution pitch of 2P are formed by two light beams on the test pattern (9) having the period P. . As a result, of the reflected light and the diffracted light generated from the test pattern (9), the regular reflected light (0th-order diffracted light) of the first light beam (Lp) and the second light beam (Lm) are
The second-order diffracted light is diffracted in the same direction and becomes a first combined light flux (DB) that interferes with each other. Similarly, the specularly reflected light of the second light beam (Lm) and the first-order diffracted light of the first light beam (Lp) are also diffracted in the same direction and interfere with each other.
Is a combined luminous flux (DA).

【0012】これらの干渉は、発生した0次回折光(正
反射光)及び1次回折光の相互の位相差に基づいて生じ
るものであり、逆に、これらの合成光束の強度変化よ
り、0次回折光と1次回折光との相互の位相差を求める
ことができる。更には、0次、及び1次の両回折光は、
前述の周期的段差パターンとしての被検パターン(9)
の反射率、凸部と凹部との幅の比、段差量(光の位相
差)等に応じて発生し、且つ強度差や位相差が生じるも
のなので、第1の合成光束(DB)の強度変化に対応す
る信号と第2の合成光束(DA)の強度変化に対応する
信号との位相差から、その被検パターン(9)の凹部の
深さを高精度に求めることができる。
These interferences occur due to the mutual phase difference between the generated 0th-order diffracted light (regularly reflected light) and the 1st-order diffracted light. The mutual phase difference between the first-order diffracted light and the first-order diffracted light can be obtained. Furthermore, both the 0th and 1st order diffracted light are
The pattern to be inspected as the above-mentioned periodic step pattern (9)
Of the first combined light flux (DB), because the intensity difference and the phase difference are generated in accordance with the reflectance, the ratio of the width between the convex portion and the concave portion, the step amount (phase difference of light), and the like. From the phase difference between the signal corresponding to the change and the signal corresponding to the change in the intensity of the second combined light flux (DA), the depth of the concave portion of the test pattern (9) can be obtained with high accuracy.

【0013】また、自然数Nの値が2以上の場合には、
上述の1次回折光の代わりに2次以上のN次回折光が使
用されるが、この場合でも1次回折光を使用する場合と
同様に深さを算出できる。次に、本発明において、被検
パターン(9)の凹部の深さを算出する際に、第1及び
第2の合成光束(DB,DA)の光電変換信号の位相及
びコントラストと、第1及び第2の光ビーム(Lp,L
m)の波長と、被検パターン(9)の形状としての被検
パターン(9)の凹部及び凸部のその所定方向への幅の
比とを用いることが望ましい。この場合、特に被検パタ
ーン(9)の凹部及び凸部のその所定方向への幅の比は
設計値を用いても十分な精度が得られるため、その深さ
を高精度に算出できる。
When the value of the natural number N is 2 or more,
Second-order or higher-order N-th order diffracted light is used instead of the above-mentioned first-order diffracted light, and in this case, the depth can be calculated as in the case of using the first-order diffracted light. Next, in the present invention, when calculating the depth of the concave portion of the test pattern (9), the phase and contrast of the photoelectric conversion signals of the first and second combined light fluxes (DB, DA), the first and the second Second light beam (Lp, L
It is desirable to use the wavelength m) and the ratio of the width of the concave portion and the convex portion of the test pattern (9) as the shape of the test pattern (9) in the predetermined direction. In this case, in particular, the ratio of the widths of the concave portions and the convex portions of the test pattern (9) in the predetermined direction can be sufficiently accurate even if the design value is used, and therefore the depth can be calculated with high accuracy.

【0014】また、本発明による深さ測定装置は、基板
(8)上で所定方向に周期的に凹凸を繰り返すように形
成された被検パターン(9)の凹部の深さを光学的に測
定する深さ測定装置において、被検パターン(9)の周
期をPとしたとき、被検パターン(9)上にその所定方
向に振幅分布の周期が2P/N(Nは自然数)の干渉縞
を形成すべく、被検パターン(9)上に可干渉な第1及
び第2の光ビームを照射する送光光学系(1〜7)と、
その第1の光ビームによる被検パターン(9)からの正
反射光とその第2の光ビームによる被検パターン(9)
からのN次回折光とを合成してなる第1の合成光束(D
B)を受光する第1の光電変換素子(11B)と、その
第2の光ビームによる被検パターン(9)からの正反射
光とその第1の光ビームによる被検パターン(9)から
のN次回折光とを合成してなる第2の合成光束を受光す
る第2の光電変換素子(11A)と、被検パターン
(9)とその干渉縞とをその所定方向に相対的に走査す
る相対走査手段(10)と、この相対走査手段によって
被検パターン(9)とその干渉縞とを相対的に走査した
ときに第1及び第2の光電変換素子(11B,11A)
から出力される光電変換信号と、それら第1及び第2の
光ビームの波長とに基づいて被検パターン(9)の凹部
の深さを算出する深さ算出手段(12)と、を有するも
のである。斯かる本発明の深さ測定装置によって上述の
深さ測定方法が実施できる。
Further, the depth measuring apparatus according to the present invention optically measures the depth of the concave portion of the pattern (9) to be inspected, which is formed on the substrate (8) so that irregularities are periodically repeated in a predetermined direction. In the depth measuring device, when the period of the pattern to be inspected (9) is P, an interference fringe having an amplitude distribution period of 2P / N (N is a natural number) in the predetermined direction on the inspected pattern (9). A light-transmitting optical system (1 to 7) for irradiating the pattern (9) to be inspected with the coherent first and second light beams to be formed;
Specular reflection light from the test pattern (9) with the first light beam and the test pattern (9) with the second light beam
The first combined light flux (D
B) from the first photoelectric conversion element (11B), the regular reflection light from the test pattern (9) by the second light beam and the test pattern (9) by the first light beam. A second photoelectric conversion element (11A) that receives a second combined light flux formed by combining the Nth-order diffracted light, a pattern to be inspected (9), and their interference fringes, which relatively scan in a predetermined direction. The scanning means (10) and the first and second photoelectric conversion elements (11B, 11A) when the pattern to be measured (9) and its interference fringes are relatively scanned by the relative scanning means.
And a depth calculation means (12) for calculating the depth of the concave portion of the test pattern (9) on the basis of the photoelectric conversion signals output from the photoelectric conversion signals and the wavelengths of the first and second light beams. Is. The above-described depth measuring method can be implemented by the depth measuring device of the present invention.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。本例は、露光装置にお
いて位置合わせに使用される半導体ウエハ上のアライメ
ントマークの凹部の深さ(段差)を測定するための、光
学式の深さ測定装置に本発明を適用したものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this example, the present invention is applied to an optical depth measuring device for measuring the depth (step) of a concave portion of an alignment mark on a semiconductor wafer used for alignment in an exposure apparatus.

【0016】図1は本例の光学式の深さ測定装置を概念
的に表す構成図であり、この図1において、レーザ光源
1より射出されたコヒーレントな光束LSは、ミラー2
を経て参照格子3に入射する。参照格子3からは0次回
折光(直進光)L0、+1次回折光Lp、−1次回折光
Lm、及び2次以上の回折光が発生する。これらの光束
はコリメータレンズ4を経て、互いに平行な光路に沿っ
て空間フィルタ5に至り、空間フィルタ5にて±1次回
折光Lp,Lm以外の光束は遮光される。
FIG. 1 is a block diagram conceptually showing the optical depth measuring apparatus of this embodiment. In FIG. 1, the coherent light beam LS emitted from the laser light source 1 is reflected by a mirror 2.
And then enters the reference grating 3. The reference grating 3 generates 0th-order diffracted light (straight-ahead light) L0, + 1st-order diffracted light Lp, −1st-order diffracted light Lm, and diffracted light of the 2nd-order or more. These light fluxes pass through the collimator lens 4 and reach the spatial filter 5 along mutually parallel optical paths, and the spatial filter 5 shields light fluxes other than the ± first-order diffracted lights Lp and Lm.

【0017】空間フィルタ5を通過した±1次回折光L
p,Lmの内でハーフミラー6を透過した光束(この光
束も「±1次回折光Lp,Lm」と呼ぶ)は、集光レン
ズ7により被検物としての半導体ウエハ(以下、単に
「ウエハ」という)8上のアライメントマーク9に所定
の交差角で対称に照射される。以下では、集光レンズ7
の光軸AXに平行にZ軸を取り、Z軸に垂直な平面内で
図1の紙面に平行にX軸を、図1の紙面に垂直にY軸を
取って説明する。
± first-order diffracted light L which has passed through the spatial filter 5
A light beam that has passed through the half mirror 6 among p and Lm (this light beam is also referred to as “± first-order diffracted light Lp, Lm”) is a semiconductor wafer (hereinafter, simply referred to as “wafer”) as an object to be inspected by the condenser lens 7. The alignment mark 9 on the (8) is symmetrically irradiated at a predetermined intersection angle. In the following, the condenser lens 7
In the following description, the Z axis is taken parallel to the optical axis AX, the X axis is taken parallel to the plane of FIG. 1 in the plane perpendicular to the Z axis, and the Y axis is taken perpendicular to the plane of FIG.

【0018】このとき、本例のウエハ8は、ウエハステ
ージ10上に保持され、ウエハステージ10はX方向、
Y方向にステッピングしてウエハ8を位置決めすると共
に、ウエハ8のZ方向の位置(焦点位置)を調整する。
ウエハステージ10の上端に固定された移動鏡、及び外
部のレーザ干渉計14によってウエハステージ10のX
座標、及びY座標が常時0.01μm程度の分解能で計
測されると共に、ウエハステージ10の回転角(ヨーイ
ング)も計測され、計測結果が装置全体の動作を統轄制
御する主制御系13に供給されている。主制御系13で
は、供給された計測結果及びウエハ8の目標位置に基づ
いて、ウエハステージ駆動系15を介してウエハステー
ジ10の位置決め動作を制御する。
At this time, the wafer 8 of this example is held on the wafer stage 10, and the wafer stage 10 moves in the X direction.
The wafer 8 is positioned by stepping in the Y direction, and the position (focus position) of the wafer 8 in the Z direction is adjusted.
A movable mirror fixed to the upper end of the wafer stage 10 and an X-ray of the wafer stage 10 by an external laser interferometer 14.
The coordinates and the Y coordinate are constantly measured with a resolution of about 0.01 μm, the rotation angle (yaw) of the wafer stage 10 is also measured, and the measurement result is supplied to the main control system 13 that controls the operation of the entire apparatus. ing. The main control system 13 controls the positioning operation of the wafer stage 10 via the wafer stage drive system 15 based on the supplied measurement result and the target position of the wafer 8.

【0019】さて、本例のウエハ8上のアライメントマ
ーク9は、X方向に所定ピッチで凹凸を繰り返すように
形成されたX軸用の被検パターンであり、以下ではアラ
イメントマーク9を「周期的段差パターン9」と呼ぶ。
このとき、±1次回折光Lp,Lmは、光軸AXに関し
てX軸に平行な方向に対称に入射角θで周期的段差パタ
ーン9上で交差するように照射され、周期的段差パター
ン9上にX方向に所定ピッチの干渉縞が形成される。即
ち、コリメータレンズ4及び集光レンズ7よりなる光学
系に関して、参照格子3の配置面と周期的段差パターン
9の形成面とは共役である。その周期的段差パターン9
のX方向への周期(ピッチ)をP、光束LSの波長をλ
とすると、±1次回折光Lp,Lmの入射角θは次式を
満たすように設定されている。
The alignment mark 9 on the wafer 8 of this example is a pattern to be inspected for the X axis, which is formed by repeating irregularities at a predetermined pitch in the X direction. It is called a step pattern 9 ".
At this time, the ± first-order diffracted lights Lp and Lm are irradiated so as to intersect symmetrically in the direction parallel to the X axis with respect to the optical axis AX at the incident angle θ on the periodic step pattern 9, and the periodic step pattern 9 is irradiated. Interference fringes having a predetermined pitch are formed in the X direction. That is, in the optical system including the collimator lens 4 and the condenser lens 7, the arrangement surface of the reference grating 3 and the formation surface of the periodic step pattern 9 are conjugate. The periodic step pattern 9
The period (pitch) in the X direction is P, and the wavelength of the light flux LS is λ
Then, the incident angles θ of the ± first-order diffracted lights Lp and Lm are set to satisfy the following equation.

【0020】sin θ=λ/(2・P) (1) この場合、±1次回折光Lp,Lmによって周期的段差
パターン9上に形成される干渉縞の振幅分布のX方向へ
の周期は2Pとなる。(1)式を満たすための入射角θ
の調整は、例えば参照格子3の周期(ピッチ)を変更す
るか、又はコリメータレンズ4若しくは集光レンズ7の
焦点距離を変更することによって行う。後者の焦点距離
の調整を連続的に容易に行うためには、コリメータレン
ズ4、及び集光レンズ7よりなる光学系をズームレンズ
系としておくとよい。
Sin θ = λ / (2 · P) (1) In this case, the period in the X direction of the amplitude distribution of the interference fringes formed on the periodic step pattern 9 by the ± first-order diffracted lights Lp and Lm is 2P. Becomes Incident angle θ to satisfy equation (1)
Is adjusted by, for example, changing the cycle (pitch) of the reference grating 3 or changing the focal length of the collimator lens 4 or the condenser lens 7. In order to continuously and easily adjust the focal length in the latter case, the optical system including the collimator lens 4 and the condenser lens 7 may be a zoom lens system.

【0021】(1)式の入射角θの条件が満たされる
と、周期的段差パターン9から発生する正反射光(0次
回折光)、及び1次以上の回折光の内で、参照格子3か
ら発生した−1次回折光Lmの正反射光と、参照格子3
から発生した+1次回折光Lpの+1次回折光とは、周
期的段差パターン9から同一方向に射出されて相互に干
渉し合う第1の合成光束DAとなる。同時に、参照格子
3から発生した+1次回折光Lpの正反射光と、参照格
子3から発生した−1次回折光Lmの−1次回折光と
は、周期的段差パターン9から同一方向に射出されて相
互に干渉し合う第2の合成光束DBとなる。
When the condition of the incident angle θ of the expression (1) is satisfied, the regular reflection light (0th order diffracted light) generated from the periodic step pattern 9 and the diffracted light of the 1st or higher order are extracted from the reference grating 3. The generated specularly reflected light of the −1st order diffracted light Lm and the reference grating 3
The + 1st-order diffracted light of the + 1st-order diffracted light Lp generated by the above becomes the first combined light beam DA which is emitted from the periodic step pattern 9 in the same direction and interferes with each other. At the same time, the specularly reflected light of the + 1st-order diffracted light Lp generated from the reference grating 3 and the −1st-order diffracted light of the −1st-order diffracted light Lm generated from the reference grating 3 are emitted from the periodic step pattern 9 in the same direction and are mutually crossed. The second combined light flux DB interferes with each other.

【0022】これらの合成光束DA及びDBは、それぞ
れ+1次回折光Lp及び−1次回折光Lmの光路を逆に
進んで集光レンズ7を経て、互いに平行な光路に沿って
ハーフミラー6に至り、ハーフミラー6で反射された光
束(この光束も「合成光束DA及びDB」と呼ぶ)は、
それぞれフォトダイオード等からなる光電検出器11A
及び11Bに入射する。そして、光電検出器11A及び
11Bにおいてそれぞれ合成光束DA及びDBを光電変
換して得られた検出信号SA及びSBが、段差測定部1
2に供給される。また、段差測定部12には、予め主制
御系13から深さの算出に必要な情報が供給されてい
る。
The combined light fluxes DA and DB travel in opposite directions on the optical paths of the + 1st-order diffracted light Lp and the -1st-order diffracted light Lm, pass through the condenser lens 7, and reach the half mirror 6 along the mutually parallel optical paths. The light flux reflected by the half mirror 6 (this light flux is also called “combined light flux DA and DB”)
Photoelectric detectors 11A each consisting of a photodiode or the like
And 11B. Then, the detection signals SA and SB obtained by photoelectrically converting the combined luminous fluxes DA and DB in the photoelectric detectors 11A and 11B are the step measuring unit 1.
2 is supplied. Further, the step measuring unit 12 is previously supplied with information necessary for calculating the depth from the main control system 13.

【0023】この状態で主制御系13は、ウエハステー
ジ駆動系15を介してウエハステージ10をX方向に一
定速度で走査し、この際にレーザ干渉計14によって所
定のサンプリング周波数で継続して計測されるウエハス
テージ10のX座標、Y座標の情報を逐次段差測定部1
2に供給する。これに応じて段差測定部12では、後述
のようにウエハステージ10が走査されている期間の検
出信号SA,SB、及びウエハステージ10のX座標等
を用いて周期的段差パターン9の凹部の深さ(段差)を
算出し、算出結果を主制御系13を介して外部のホスト
コンピュータ等に供給する。その算出結果は例えば周期
的段差パターン9を形成する工程にフィードバックされ
て、その工程での周期的段差パターンの深さが調整され
る。
In this state, the main control system 13 scans the wafer stage 10 in the X direction at a constant speed via the wafer stage drive system 15, and at this time, the laser interferometer 14 continuously measures at a predetermined sampling frequency. The information of the X-coordinate and the Y-coordinate of the wafer stage 10 to be sequentially transferred is sequentially measured by the step measuring unit 1.
Feed to 2. In response to this, the level difference measuring unit 12 uses the detection signals SA and SB during the period in which the wafer stage 10 is scanned, the X coordinate of the wafer stage 10, and the like, as will be described later, and the depth of the concave portion of the periodic level difference pattern 9 is increased. The height (step) is calculated, and the calculation result is supplied to an external host computer or the like via the main control system 13. The calculation result is fed back to, for example, the step of forming the periodic step pattern 9, and the depth of the periodic step pattern in that step is adjusted.

【0024】次に、本例において、検出信号SA,SB
及びその他の情報より周期的段差パターン9の凹部の深
さ(段差)を求めるための算出原理、及びその算出方法
の一例につき図1〜図4を参照して説明する。先ず、周
期的段差パターン9からの正反射光(0次回折光)と1
次回折光との間には、そのパターンの段差等を原因とす
る位相差があるが、更に参照格子3と周期的段差パター
ン9とのX方向への位置ずれ(±1次回折光Lp,Lm
により形成される干渉縞と周期的段差パターン9との位
置ずれ)に伴う位相差も生じている。従って、合成光束
DA,DBの光強度、ひいては検出信号SA,SBの強
度は、参照格子3と周期的段差パターン9との相対的な
位置関係を変えること、例えばウエハステージ10を周
期的段差パターン9の周期方向(X方向)に走査するこ
とによっても変化する。
Next, in the present example, the detection signals SA, SB
Also, a calculation principle for obtaining the depth (step) of the concave portion of the periodic step pattern 9 from the above and other information, and an example of the calculation method will be described with reference to FIGS. First, the regular reflection light (0th-order diffracted light) from the periodic step pattern 9 and 1
Although there is a phase difference due to a step or the like of the pattern with respect to the second-order diffracted light, the positional deviation of the reference grating 3 and the periodic step pattern 9 in the X direction (± first-order diffracted light Lp, Lm
A phase difference is also generated due to the positional deviation between the interference fringes formed by the above and the periodic step pattern 9. Therefore, the light intensities of the combined luminous fluxes DA and DB, and thus the intensities of the detection signals SA and SB, are changed by changing the relative positional relationship between the reference grating 3 and the periodic step pattern 9, for example, by setting the wafer stage 10 to the periodic step pattern. It is also changed by scanning in the period direction of 9 (X direction).

【0025】図2は、そのようなウエハステージ10の
走査に伴う検出信号SA,SBの強度変化の一例を示
し、図2(a)及び(b)において、横軸はウエハステ
ージ10のX方向の位置であり、縦軸はそれぞれ検出信
号SA及びSBの強度である。本例の周期的段差パター
ン9のX方向への周期はPであるため、図2に示すよう
に、検出信号SA及びSBは共にウエハステージ10の
X方向の位置に関して周期Pの正弦波となるが、検出信
号SA及びSBがそれぞれ最大強度Amax 及びB max
なるときのウエハステージ10の位置、即ち、周期的段
差パターン9の位置は通常一致しない。そこで、検出信
号SA及びSBがそれぞれ最大強度Amax及びBmax
なるときのウエハステージ10(周期的段差パターン
9)のX方向への位置の差(位置ずれ量)を2・ΔXと
する。ΔXは長さのディメンジョンを持つが、これを正
弦波の周期Pを2π[rad]とする変換式を用いて角
度(位相)δ[rad]で表すと、次のようになる。
FIG. 2 shows such a wafer stage 10.
An example of intensity change of the detection signals SA and SB due to scanning is shown.
2 (a) and 2 (b), the horizontal axis represents the wafer stage.
Position in the X direction, the vertical axis indicates the detection signal.
It is the strength of No. SA and SB. The periodic step pattern of this example
Since the cycle of the channel 9 in the X direction is P, as shown in FIG.
In addition, the detection signals SA and SB are both of the wafer stage 10
A sine wave with a period P is generated for the position in the X direction.
No. SA and SB are maximum intensity A respectivelymaxAnd B maxWhen
Position of the wafer stage 10 when
The positions of the difference pattern 9 usually do not match. Therefore, the detection signal
No. SA and SB are maximum intensity A respectivelymaxAnd BmaxWhen
Wafer stage 10 (periodic step pattern
The position difference (position shift amount) of 9) in the X direction is 2 · ΔX
I do. ΔX has a dimension of length, but correct this
The angle is calculated using the conversion formula that sets the period P of the chord wave to 2π [rad].
The degree (phase) δ [rad] is as follows.

【0026】δ=2π・ΔX/P (2) この(2)式の位相δを用いて、検出信号SA及びSB
の位相差は2δで表される。この位相差2δは、周期的
段差パターン9の段差量や、凸部と凹部との各幅に依存
すること、及びそれら検出信号SA,SBの位相差2δ
と、周期的段差パターン9の凸部と凹部との各幅とか
ら、逆に周期的段差パターン9の凹部の深さ(段差)を
測定することが可能であることが本願発明者による解析
によって判明した。以下、具体的に説明する。
Δ = 2π · ΔX / P (2) Using the phase δ of the equation (2), the detection signals SA and SB
The phase difference of is represented by 2δ. This phase difference 2δ depends on the step amount of the periodic step pattern 9 and each width of the convex portion and the concave portion, and the phase difference 2δ between the detection signals SA and SB.
According to the analysis by the inventor of the present application, it is possible to measure the depth (step) of the concave portion of the periodic step pattern 9 conversely from the above, and the widths of the convex portion and the concave portion of the periodic step pattern 9. found. Hereinafter, a specific description will be given.

【0027】図3は、図1の周期的段差パターン9の拡
大図であり、この図3に示すように、周期的段差パター
ン9は、凹部9aと凸部9bとをX方向に周期Pで配列
したパターンである。更に、凹部9aのX方向の幅は
a、凸部9bのX方向の幅はb(P=a+b)であり、
凹部9aの深さ、即ち凹部9aと凸部9bとの段差はd
であるとする。また、凹部9a及び凸部9bの振幅反射
率はそれぞれφa 及びφ b であるとする。なお、このと
きの振幅反射率φa ,φb は、周期的段差パターン9の
深さ方向に(図3のZ方向に)同一の面内(基準面内)
での反射光の振幅を表すものとする。例えば、この基準
面を周期的段差パターン9の凸部9bの表面とすれば、
凹部9aでの振幅反射率φa は、その凹部9aの表面で
の振幅反射率に、段差dの往復光路差(位相差)に相当
する因子であるexp(4πid/λ)を掛けたものとな
る。また、後述する例外を除いては、この位相差4πd
/λ(=ωとする)こそが振幅反射率φa とφb との位
相差の全てであり、φa とφbとの位相差ωが求まれ
ば、段差量dを求めることができる。
FIG. 3 is an enlarged view of the periodic step pattern 9 of FIG.
FIG. 3 is a large diagram, and as shown in FIG.
The concave portion 9a and the convex portion 9b are arranged at a cycle P in the X direction.
It is a pattern. Further, the width of the recess 9a in the X direction is
a, the width of the convex portion 9b in the X direction is b (P = a + b),
The depth of the concave portion 9a, that is, the step between the concave portion 9a and the convex portion 9b is d.
And Also, the amplitude reflection of the concave portion 9a and the convex portion 9b
The rate is φaAnd φ bAnd In addition,
Amplitude reflectance φa, ΦbOf the periodic step pattern 9
In the same plane in the depth direction (Z direction in FIG. 3) (in the reference plane)
It represents the amplitude of the reflected light at. For example, this criterion
If the surface is the surface of the convex portion 9b of the periodic step pattern 9,
Amplitude reflectance φ at recess 9aaOn the surface of the recess 9a
Equivalent to the round-trip optical path difference (phase difference) of the step d
Multiplied by exp (4πid / λ) which is the factor
You. In addition, with the exception of the below-mentioned, this phase difference 4πd
/ Λ (= ω) is the amplitude reflectance φaAnd φbPlace with
It is all of the phase difference, φaAnd φbThe phase difference ω with
Thus, the step amount d can be obtained.

【0028】一般に、図3中の凹部9a、凸部9bのそ
れぞれから発生する回折光の回折方向に対する振幅分布
は、sinc関数として表される。例えば、幅aの凹部9a
から周期的段差パターン9の周期方向(X方向)に対し
て回折角Θで発生する回折光の振幅分布を、その回折角
Θの次数に対応する変数uの関数ψA(u)で表すと、
次のようになる。
Generally, the amplitude distribution of the diffracted light generated from each of the concave portion 9a and the convex portion 9b in FIG. 3 in the diffraction direction is expressed as a sinc function. For example, a recess 9a having a width a
When the amplitude distribution of the diffracted light generated at the diffraction angle Θ with respect to the periodic direction (X direction) of the periodic step pattern 9 is represented by the function ψA (u) of the variable u corresponding to the order of the diffraction angle Θ,
It looks like this:

【0029】 ψA(u)=φa ・sin(πau)/(πu) (3) ここで、回折次数に対応する変数uは回折角Θに対し
て、回折光の波長λを用いて次の関係にある。 u=sin Θ/λ (4) 同様に、幅bの凸部9bから発生する回折光の振幅分布
ψB(u)は、次のようになる。
ΨA (u) = φ a · sin (πau) / (πu) (3) Here, the variable u corresponding to the diffraction order is calculated as follows using the wavelength λ of the diffracted light with respect to the diffraction angle Θ. Have a relationship. u = sin Θ / λ (4) Similarly, the amplitude distribution ψB (u) of the diffracted light generated from the convex portion 9b having the width b is as follows.

【0030】 ψB(u)=φb ・sin(πbu)/(πu) (5) これらの振幅分布ψA(u)及びψB(u)は、0次回
折光(u=0)では、それぞれa・φa 、及びb・φb
となる。そして、図3に示す如く凹部9a、及び凸部9
bを周期(ピッチ)PでX方向に周期的に配列してなる
周期的段差パターン9からの、回折角Θの回折光の振幅
分布ψ(u)は次のようになる。
ΨB (u) = φ b · sin (πbu) / (πu) (5) These amplitude distributions ψA (u) and ψB (u) are respectively a · in the 0th-order diffracted light (u = 0). φ a and b ・ φ b
Becomes Then, as shown in FIG. 3, the concave portion 9a and the convex portion 9
The amplitude distribution ψ (u) of the diffracted light with the diffraction angle Θ from the periodic step pattern 9 in which b is periodically arranged in the X direction at the pitch (pitch) P is as follows.

【0031】 ψ(u)={ψA(u)+ψB(u)・exp(πiPu)}・Pir(u) (6) 但し、(6)式中の関数Pir(u)は、周期的段差パター
ン9のX方向への繰り返しの回数(2以上の整数)をm
として、次式で表される。 Pir(u)=sin(mπPu)/sin(πPu) (7) なお、(6)式の導出に際し、凹部9aの中心を回折光
の位相の基準としたが、勿論凸部9bの中心を基準とし
ても構わない。
Ψ (u) = {ψA (u) + ψB (u) · exp (πiPu)} · Pir (u) (6) However, the function Pir (u) in the expression (6) is a periodic step pattern. The number of repetitions of 9 in the X direction (an integer of 2 or more) is m
Is represented by the following equation. Pir (u) = sin (mπPu) / sin (πPu) (7) When deriving equation (6), the center of the concave portion 9a was used as the reference of the phase of the diffracted light, but of course the center of the convex portion 9b was used as the reference. It doesn't matter.

【0032】(6)式中の関数Pir(u)は、回折格子の
「周期項」と呼ばれるものであり、周期的段差パターン
9の繰り返し数mが大きければ、変数uがj次回折光に
相当する位置、即ちu=j/P(jは整数)となる位置
でのみ0でない値mを持ち、それ以外では殆ど0にな
る。本例においては、周期的段差パターン9からの0次
回折光及び1次回折光のみを使用するので、関数Pir
(u)を一定値としてよい。また、(6)式中の関数exp
(πiPu)は0次回折光(u=0)においては1とな
り、±1次回折光(u=±1/P)においては−1とな
る。
The function Pir (u) in the equation (6) is called the "periodic term" of the diffraction grating, and if the repetition number m of the periodic step pattern 9 is large, the variable u corresponds to the j-th order diffracted light. Has a non-zero value m only at the position where u = j / P (j is an integer), and becomes almost 0 at other positions. In this example, since only the 0th-order diffracted light and the 1st-order diffracted light from the periodic step pattern 9 are used, the function Pir
(u) may be a constant value. Also, the function exp in equation (6)
(πiPu) becomes 1 in the 0th order diffracted light (u = 0) and becomes −1 in the ± 1st order diffracted light (u = ± 1 / P).

【0033】これより、図3に示す如き周期的段差パタ
ーン9から発生する0次回折光の振幅ψ0 、及び1次回
折光の振幅ψ1 はそれぞれ次のようになる。 ψ0 =a・φa +b・φb (8) ψ1 =a’・φa −b’・φb (9) 但し、係数a’及びb’はそれぞれ次のように表され
る。
From this, the amplitude ψ 0 of the 0th-order diffracted light and the amplitude ψ 1 of the 1st- order diffracted light generated from the periodic step pattern 9 as shown in FIG. 3 are as follows. ψ 0 = a · φ a + b · φ b (8) ψ 1 = a ′ · φ a −b ′ · φ b (9) However, the coefficients a ′ and b ′ are respectively expressed as follows.

【0034】 a’=P・sin(πa/P)/π (10) b’=P・sin(πb/P)/π (11) このように、回折光の振幅ψ0 ,ψ1 が振幅反射率
φa ,φb から導出される過程を複素平面の極座標で表
示したものが図4である。即ち、図4(a)〜(c)の
横軸は実数部を表すRe軸(実軸)、縦軸は虚数部を表
すIm軸(虚軸)であり、図4では簡略化するために振
幅反射率φa を実数としてRe軸上に表示している。し
かしながら、振幅反射率φa ,φb 間の位相差(前述の
如くωとされている)が不変であれば、振幅反射率φa
を一般的な複素数としても導かれる結果は変わらない。
A ′ = P · sin (πa / P) / π (10) b ′ = P · sin (πb / P) / π (11) Thus, the amplitudes ψ 0 and ψ 1 of the diffracted light are amplitudes. FIG. 4 shows the process derived from the reflectances φ a and φ b in polar coordinates on the complex plane. That is, the horizontal axis of FIGS. 4A to 4C is the Re axis (real axis) representing the real part, and the vertical axis is the Im axis (imaginary axis) representing the imaginary part. The amplitude reflectance φ a is shown as a real number on the Re axis. However, if the phase difference between the amplitude reflectances φ a and φ b (defined as ω as described above) is unchanged, the amplitude reflectance φ a
The result that is derived by using as a general complex number does not change.

【0035】そして、図4(a)は、振幅反射率φa
φb より(8)式によって0次回折光の振幅ψ0 が決定
されることを表し、図4(b)は、振幅反射率φa ,φ
b より(9)式によって1次回折光の振幅ψ1 が決定さ
れることを表す。この場合、振幅反射率φa と振幅反射
率φb との間の位相差はωとされている。また、図4
(c)は、図4(a)及び(b)により得られた振幅ψ
0 ,ψ1 を同一の複素平面(極座標)上に表示したもの
であり、図4(c)中の位相δは、図2の検出信号SA
及びSBにそれぞれ対応する合成光束DA及びDBの光
量変化の位相差2δの1/2の量である。その位相δ
は、図2に示す検出信号SA及びSBの位置ずれ量2・
ΔXを測定した後、(2)式より算出することができ
る。
FIG. 4A shows the amplitude reflectance φ a ,
It is shown that the amplitude ψ 0 of the 0th-order diffracted light is determined by the formula (8) from φ b . FIG. 4B shows the amplitude reflectances φ a and φ.
From b, it is shown that the amplitude ψ 1 of the first-order diffracted light is determined by the expression (9). In this case, the phase difference between the amplitude reflectance φ a and the amplitude reflectance φ b is ω. FIG.
(C) shows the amplitude ψ obtained from FIGS. 4 (a) and (b).
0 and ψ 1 are displayed on the same complex plane (polar coordinates), and the phase δ in FIG. 4C is the detection signal SA of FIG.
, And SB, which are 1/2 of the phase difference 2δ of the change in the light amount of the combined light beams DA and DB, respectively. Its phase δ
Is the amount of positional deviation 2 between the detection signals SA and SB shown in FIG.
After measuring ΔX, it can be calculated from the equation (2).

【0036】また、振幅ψ1 とψ0 との大きさの比(|
ψ1 |:|ψ0 |)についても、上記の回折光を光電変
換して得られる信号から測定することが可能である。即
ち、図2の検出信号SA,SBの最大値Amax ,Bmax
は振幅ψ0 とψ1 とが同位相で加算された状態での強度
であり、検出信号SA,SBの最小値Amin ,Bmin
振幅ψ0 とψ1 とが逆位相で加算された状態での強度で
あるから、次のようになる。
Further, the ratio of the magnitudes of the amplitudes ψ 1 and ψ 0 (|
ψ 1 |: | ψ 0 |) can also be measured from a signal obtained by photoelectrically converting the diffracted light. That is, the maximum values A max and B max of the detection signals SA and SB in FIG.
Is the intensity when the amplitudes ψ 0 and ψ 1 are added in the same phase, and the minimum values A min and B min of the detection signals SA and SB are obtained by adding the amplitudes ψ 0 and ψ 1 in the opposite phase. Since it is the strength in the state, it becomes as follows.

【0037】 Amax =Bmax =(|ψ0 |+|ψ1 |)2 (12) Amin =Bmin =(|ψ0 |−|ψ1 |)2 (13) また、(12)式、(13)式が成立しているため、検
出信号SA及びSBのコントラストγは、共通に次のよ
うに定義される。 γ=(Amax −Amin)/(Amax +Amin) (14)
A max = B max = (│ψ 0 │ + │ψ 1 │) 2 (12) A min = B min = (│ψ 0 │-│ψ 1 │) 2 (13) Also, (12) Since the expressions (13) are established, the contrast γ of the detection signals SA and SB is commonly defined as follows. γ = (A max −A min ) / (A max + A min ) (14)

【0038】この(14)式に(12)式、(13)式
を代入することによって、コントラストγは次のように
なる。 γ=2・|ψ0 |・|ψ1 |/(|ψ0 |2+|ψ1 |2) (15) 従って、コントラストγを測定して、振幅ψ1 の絶対値
と振幅ψ0 の絶対値との比の値βを含む次の(16)式
を(15)式に代入することによって、その比の値βは
(17)式のように表される。
By substituting the equations (12) and (13) into the equation (14), the contrast γ becomes as follows. γ = 2 · | ψ 0 | · | ψ 1 | / (| ψ 0 | 2 + | ψ 1 | 2 ) (15) Therefore, the contrast γ is measured, and the absolute value of the amplitude ψ 1 and the amplitude ψ 0 By substituting the following expression (16) including the value β of the ratio with the absolute value into the expression (15), the value β of the ratio is expressed as the expression (17).

【0039】 |ψ1 |=β・|ψ0 | (16) β={1±(1−γ2)1/2 }/γ (17) (17)式中の±の符号は一義的には決定できないが、
一般に1次回折光の強度は0次回折光よりも弱いので、
−の符号が採用される。但し、後述のように+の符号を
採用する場合もある。そして、位相δ、及び(17)式
より決定した比の値βを用いて、次式より振幅ψ1 を表
すことができる。
| Ψ 1 | = β · | ψ 0 | (16) β = {1 ± (1-γ 2 ) 1/2 } / γ (17) The sign of ± in the equation (17) is unique. Can't decide,
Generally, the intensity of the 1st-order diffracted light is weaker than that of the 0th-order diffracted light,
The minus sign is adopted. However, as will be described later, a + sign may be used in some cases. Then, using the phase δ and the value β of the ratio determined by the equation (17), the amplitude ψ 1 can be expressed by the following equation.

【0040】 ψ1 =β・ψ0 ・exp(iδ) (18) 以上のように位相δ及び比の値βが求められると、上記
の振幅反射率から回折光の振幅を導出した過程を逆に辿
ることによって、回折光の振幅から周期的段差パターン
9の凹部9a、凸部9bの振幅反射率φa ,φb を求め
ることができる。具体的には、既知となったパラメータ
に基づいて、(8)式、(9)式からなる連立方程式を
解けばよい。
Ψ 1 = β · ψ 0 · exp (iδ) (18) When the phase δ and the value β of the ratio are obtained as described above, the process of deriving the amplitude of the diffracted light from the amplitude reflectance is reversed. The amplitude reflectances φ a and φ b of the concave portions 9a and the convex portions 9b of the periodic step pattern 9 can be obtained from the amplitude of the diffracted light by tracing Specifically, the simultaneous equations of the equations (8) and (9) may be solved based on the known parameters.

【0041】一般に、半導体集積回路の加工において、
段差測定すべき段差量の加工制御性に比べてパターン線
幅の制御性は優れている。従って、図3に示す周期的段
差パターン9の凹部9a、凸部9bの幅a,bはそれぞ
れほぼ設計値通りとなっており、その設計値を既知の値
として使用できる。同様に、(10)式、(11)式よ
り係数a’,b’も既知の値となる。このため、(8)
式、(9)式からなる連立方程式中で未知の変数(測定
されていない変数)は振幅反射率φa ,φb のみであ
り、その連立方程式はφa ,φb について解くことがで
きる。その結果、振幅反射率φa ,φb は次のように表
される。なお、振幅ψ1 には(18)式が代入される。
Generally, in processing a semiconductor integrated circuit,
The controllability of the pattern line width is superior to that of the processing controllability of the step difference to be measured. Therefore, the widths a and b of the concave portions 9a and the convex portions 9b of the periodic step pattern 9 shown in FIG. 3 are almost the designed values, and the designed values can be used as known values. Similarly, the coefficients a'and b'become known values from the expressions (10) and (11). Therefore, (8)
The unknown variables (variables that have not been measured) in the simultaneous equations of Equations (9) are amplitude reflectances φ a and φ b , and the simultaneous equations can be solved for φ a and φ b . As a result, the amplitude reflectances φ a and φ b are expressed as follows. The equation (18) is substituted for the amplitude ψ 1 .

【0042】 φa =(b'・ψ0 +b・ψ1)/(a・b’+a'・b) (19) φb =(a'・ψ0 −a・ψ1)/(a・b’+a'・b) (20) (19)式、(20)式中で、振幅ψ0 の位相は既知で
はないが、最終結果として振幅反射率φa とφb との位
相差(=ω)が分かればよいので、振幅ψ0 の位相(図
4で振幅ψ0 がRe軸となす角度)は任意の値であって
構わない。
Φ a = (b ′ · ψ 0 + b · ψ 1 ) / (a · b ′ + a ′ · b) (19) φ b = (a ′ · ψ 0 −a · ψ 1 ) / (a · b ′ + a ′ · b) (20) In the equations (19) and (20), the phase of the amplitude ψ 0 is not known, but as a final result, the phase difference between the amplitude reflectances φ a and φ b (= Since it is sufficient to know ω), the phase of the amplitude ψ 0 (the angle formed by the amplitude ψ 0 with the Re axis in FIG. 4) may be any value.

【0043】従って、それらの(19)式、(20)式
から、振幅反射率φa ,φb の値(複素数)が求められ
る。そして、振幅反射率φa ,φb の実数部、虚数部か
ら両者それぞれの位相ωa ,ωb が求められる。即ち、
振幅反射率φa の実数部及び虚数部をそれぞれRe(φ
a)及びIm(φa)として、振幅反射率φb の実数部及び
虚数部をそれぞれRe(φb)及びIm(φb)とすると、
位相ωa ,ωb はそれぞれ次のように表される。
Therefore, the values (complex numbers) of the amplitude reflectances φ a and φ b can be obtained from the equations (19) and (20). Then, the respective phases ω a and ω b are obtained from the real number part and the imaginary number part of the amplitude reflectances φ a and φ b . That is,
Let the real and imaginary parts of the amplitude reflectance φ a be Re (φ
As a) and Im (phi a), when the real part and the imaginary part of the amplitude reflectance phi b respectively and Re (φ b) and Im (φ b),
The phases ω a and ω b are represented as follows.

【0044】 ωa =tan-1{Im(φa)/Re(φa)} (21) ωb =tan-1{Im(φb)/Re(φb)} (22) そして、2つの位相ωa ,ωb の差(ωb −ωa )がω
として算出され、この位相差ωが振幅反射率φa ,φb
の位相差となる。また、上述のように図3の周期的段差
パターン9の段差dと、その位相差ωとの間には、通常
は(4πd/λ=ω)の関係があるため、その位相差よ
り段差dが算出される。以上が本例での段差dの算出原
理である。
Ω a = tan −1 {Im (φ a ) / Re (φ a )} (21) ω b = tan −1 {Im (φ b ) / Re (φ b )} (22) and 2 The difference between the two phases ω a and ω bb −ω a ) is ω
And this phase difference ω is the amplitude reflectance φ a , φ b
It becomes the phase difference of. Further, as described above, since the step d of the periodic step pattern 9 of FIG. 3 and the phase difference ω usually have a relation of (4πd / λ = ω), the step d Is calculated. The above is the calculation principle of the step d in this example.

【0045】次に、その段差dを算出する手順の一例に
つき説明する。先ず、図1のウエハステージ10を前述
の如く周期的段差パターン9の周期方向(X方向)に走
査し、これに伴って光電検出器11A,11Bでそれぞ
れ合成光束DA,DBを光電変換して得られる検出信号
SA,SBを段差測定部12に取り込む。同時に、レー
ザ干渉計14で計測されるウエハステージ10のX座
標、Y座標も主制御系13を介して段差測定部12に取
り込む。段差測定部12では、図2に示した如き、ウエ
ハステージ10の位置Xと検出信号SA,SBとの関係
に基づいて、内部の位相差検出部により検出信号SA,
SBの位置ずれ量2・ΔXを求め、この位置ずれ量と
(2)式とを用いて検出信号SA,SBの位相差2δを
算出する。
Next, an example of a procedure for calculating the step d will be described. First, the wafer stage 10 of FIG. 1 is scanned in the periodic direction (X direction) of the periodic step pattern 9 as described above, and along with this, the photoelectric detectors 11A and 11B photoelectrically convert the combined luminous fluxes DA and DB, respectively. The obtained detection signals SA and SB are taken into the step measuring unit 12. At the same time, the X-coordinate and Y-coordinate of the wafer stage 10 measured by the laser interferometer 14 are also taken into the step measuring unit 12 via the main control system 13. In the step measuring unit 12, as shown in FIG. 2, based on the relationship between the position X of the wafer stage 10 and the detection signals SA and SB, the internal phase difference detection unit detects the detection signals SA and SB.
The positional deviation amount 2 · ΔX of SB is obtained, and the phase difference 2δ between the detection signals SA and SB is calculated using this positional deviation amount and the equation (2).

【0046】更に、段差測定部12では、内部のピーク
ホールド部及びボトムホールド部により図2に示すよう
に、検出信号SA,SBの最大値Amax ,Bmax 及び最
小値Amin ,Bmin を検出し、これらの内の最大値A
max 及び最小値Amin を(14)式に代入して検出信号
SA,SBのコントラストγを算出する。なお、両検出
信号のコントラストは周期的段差パターン9に余程の非
対称性がない限り等しいが、仮に両検出信号SA,SB
のコントラストが異なる場合には、(14)式において
最大値Amax 及び最小値Amin の代わりにそれぞれ最大
値Bmax 及び最小値Bmin を代入して検出信号SBのコ
ントラストを求め、得られた2つのコントラストの平均
値を新たにコントラストγとすればよい。
Further, in the step measuring section 12, the internal peak hold section and the bottom hold section, as shown in FIG. 2, determine the maximum values A max , B max and the minimum values A min , B min of the detection signals SA, SB. Detect and maximum of these A
The contrast γ of the detection signals SA and SB is calculated by substituting the max and the minimum value A min into the equation (14). It should be noted that the contrasts of both detection signals are equal unless the periodic step pattern 9 has a great degree of asymmetry.
If the contrasts are different, the maximum value B max and the minimum value B min are substituted for the maximum value A max and the minimum value A min in the equation (14) to obtain the contrast of the detection signal SB. The average value of the two contrasts may be newly set as the contrast γ.

【0047】更に段差測定部12は、そのコントラスト
γを(17)式に代入して、1次回折光の振幅ψ1 と0
次回折光の振幅ψ0 との大きさの比の値βを求め、これ
と上記の位相差δとを(18)式に代入して、振幅ψ1
と振幅ψ0 との正確な(複素数としての)関係を求め
る。また、予め例えばオペレータがコンソール(不図
示)及び主制御系13を介して段差測定部12に、周期
的段差パターン9の凹部9a、凸部9bの各幅a,b、
周期的段差パターン9の周期P、及び光束LSの波長λ
の値を入力しておく。そして、段差測定部12では、入
力された幅a,b及び周期Pを(10)式、(11)式
に代入して係数a’,b’の値を算出し、算出された係
数a’,b’を(19)式、(20)式に代入して振幅
反射率φa ,φb の値(複素数)を算出する。更に、
(21)式、(22)式より振幅反射率φa ,φb のそ
れぞれの位相ωa ,ωb を求め、その位相差ω(=ωb
−ωa)を算出する。
Further, the step difference measuring unit 12 substitutes the contrast γ into the equation (17) to obtain the amplitudes ψ 1 and 0 of the first-order diffracted light.
The value β of the magnitude ratio to the amplitude ψ 0 of the next-order diffracted light is obtained, and this value and the above-mentioned phase difference δ are substituted into the equation (18), and the amplitude ψ 1
Find the exact (complex number) relationship between and the amplitude ψ 0 . In addition, for example, an operator previously sets a width (a, b) of each of the concave portions 9a and the convex portions 9b of the periodic step pattern 9 on the step measuring portion 12 via a console (not shown) and the main control system 13.
The period P of the periodic step pattern 9 and the wavelength λ of the light flux LS
Enter the value of. Then, in the level difference measuring unit 12, the input widths a and b and the period P are substituted into the equations (10) and (11) to calculate the values of the coefficients a ′ and b ′, and the calculated coefficient a ′. , B ′ are substituted into the equations (19) and (20) to calculate the values (complex numbers) of the amplitude reflectances φ a and φ b . Furthermore,
(21), (22) an amplitude reflectance from the equation phi a, the respective phases of phi b omega a, obtains the omega b, the phase difference omega (= omega b
−ω a ) is calculated.

【0048】この位相差ωは、前述の如く周期的段差パ
ターン9の段差dの往復光路差(位相差)に相当するも
のであり、ω=4πd/λ、即ち、次の関係より段差測
定部12では最終的に段差dを求める。 d=ω・λ/(4π) (23) ところで、本例においては、検出される位相差ωは0か
ら2π[rad]の範囲内の値であり、段差dは0から
λ/2までの範囲内の値となる。そのため、段差dがλ
/2以上の周期的段差パターン、例えば段差dが実際に
は0.7λの周期的段差パターンに対しては、その段差
が0.2λ(=0.7λ−λ/2)であると測定される
ことになる。しかしながら、その測定誤差λ/2(0.
2λと0.7λとの違い)は従来の深さ測定装置におい
ても十分に判別可能な量であり、例えば従来の深さ測定
装置にて大まかな深さ測定を行い、段差dが例えば0.
7λ±10%程度であると判明した後に、本例の測定装
置を用いて精密な測定を行う方法等により、λ/2の測
定誤差の問題を解決することができる。
This phase difference ω corresponds to the reciprocal optical path difference (phase difference) of the step d of the periodic step pattern 9 as described above, and ω = 4πd / λ, that is, the step difference measuring unit according to the following relationship. In step 12, the step d is finally obtained. d = ω · λ / (4π) (23) By the way, in this example, the detected phase difference ω is a value within the range of 0 to 2π [rad], and the step d is from 0 to λ / 2. It will be a value within the range. Therefore, the step d is λ
For a periodic step pattern of ½ or more, for example, a step pattern where the step d is actually 0.7λ, the step is measured as 0.2λ (= 0.7λ−λ / 2). Will be. However, the measurement error λ / 2 (0.
The difference between 2λ and 0.7λ is an amount that can be sufficiently discriminated by the conventional depth measuring device. For example, a rough depth measurement is performed by the conventional depth measuring device, and the step d is, for example, 0.
After it is found to be about 7λ ± 10%, the problem of the measurement error of λ / 2 can be solved by a method of performing precise measurement using the measuring apparatus of this example.

【0049】即ち、(23)式を発展させると、整数k
(k=0,1,2,…)を用いて、段差dは一般に次の
ように表される。 d=(2π・k+ω)・λ/(4π) (24) そこで、先ず大まかな深さ測定を行って、その整数kの
値k0 、及び位相差ωの値ω0 を決定する。その後、本
例の深さ測定装置を用いて、位相差ωの値ω1を決定す
る。このとき、位相差ω1 が0又は2πの近傍のときに
は、最初に求めた位相差ω0 と位相差ω1 とがほぼ2π
程度異なる場合がある。このような場合、例えば位相差
ω1 が2πに近く、位相差ω0 が0に近いときには、整
数k0 の代わりに、整数(k0 −1)を(24)式の整
数kに代入し、逆に位相差ω1 が0に近く、位相差ω0
が2πに近いときには、整数k0 の代わりに、整数(k
0+1)を(24)式の整数kに代入することによっ
て、正確に深さ測定が行われる。
That is, when the equation (23) is developed, an integer k
Using (k = 0,1,2, ...), the step d is generally expressed as follows. d = (2π · k + ω) · λ / (4π) (24) Then, a rough depth measurement is first performed to determine the value k 0 of the integer k and the value ω 0 of the phase difference ω. Then, the value ω 1 of the phase difference ω is determined using the depth measuring device of this example. At this time, when the phase difference ω 1 is near 0 or 2π, the phase difference ω 0 initially obtained and the phase difference ω 1 are almost 2π.
It may be different. In such a case, for example, close to the phase difference omega 1 is 2 [pi, when the phase difference omega 0 is close to 0, instead of the integer k 0, integer (k 0 -1) (24) is substituted into integer k of Formula , On the contrary, the phase difference ω 1 is close to 0, and the phase difference ω 0
Is close to 2π, instead of the integer k 0 , the integer (k
By substituting 0 + 1) into the integer k in equation (24), accurate depth measurement is performed.

【0050】ところで、図3に示す周期的段差パターン
9の凹部9a、凸部9bの振幅反射率φa ,φb の「大
きさ」は周期的段差パターン9の材質(反射率)により
異なってくるが、本例においては振幅反射率φa ,φb
の「大きさ」(反射率)には無関係に、それらの位相差
ωのみに基づいて段差量dを求めることができる。従っ
て、周期的段差パターン9の凹部9aと凸部9bとで材
質が異なるようなパターンであっても、正確に段差を測
定することができる。また、仮に周期的段差パターン9
の凹部9aと凸部9bとの材質が相互に異なる位相変化
を反射光に与える材質(複素屈折率を有する材質)であ
ると、この位相変化がパターンの段差測定精度を悪化さ
せるが、その量は一般に極めて僅かであり、問題となる
程の量ではない。勿論、より厳密には凹部と凸部との材
質(通常既知である)の複素屈折率からこの位相変化を
算定し、測定された位相差(パターン段差)の補正を行
うことも可能である。
The "size" of the amplitude reflectances φ a and φ b of the concave portions 9a and the convex portions 9b of the periodic step pattern 9 shown in FIG. 3 differs depending on the material (reflectance) of the periodic step pattern 9. However, in this example, the amplitude reflectances φ a and φ b
Irrespective of the "magnitude" (reflectance) of the above, the step amount d can be obtained based only on the phase difference ω. Therefore, even if the material of the concave portions 9a and the convex portions 9b of the periodic step pattern 9 is different, the step can be accurately measured. Also, suppose that the periodic step pattern 9
If the material of the concave portion 9a and the material of the convex portion 9b are materials that give different phase changes to the reflected light (materials having a complex index of refraction), this phase change deteriorates the step measurement accuracy of the pattern. Is generally very small and not a problematic amount. Of course, more strictly, it is also possible to calculate this phase change from the complex refractive index of the material (usually known) of the concave portion and the convex portion and correct the measured phase difference (pattern step).

【0051】更に本例においては、検出光束が単色であ
ることから、当然ながら従来の深さ測定装置で問題とな
っていた被検パターンの反射スペクトルの問題は全くな
く、どのような材質の被検パターンについても高精度な
深さ測定が可能となる。また、上述の実施の形態では、
被検パターンの一例として、図3の周期的段差パターン
9の如く凹部9aと凸部9bとの境界(側壁)が垂直な
パターンを示したが、その側壁にテーパ(傾斜)のある
ようなパターンであっても勿論高精度な測定が可能であ
る。この場合、図1の段差測定部12に入力する凹部、
凸部の各幅a,bは(a+b=P)を満たす値ではなく
なるが、上述の実施の形態と同様にこれらの幅a,bの
値に基づいてパターンの段差を算出すればよい。
Further, in the present example, since the detected light flux is monochromatic, naturally there is no problem of the reflection spectrum of the pattern to be inspected, which has been a problem in the conventional depth measuring apparatus. It is possible to measure the depth of the inspection pattern with high accuracy. In the above-described embodiment,
As an example of the pattern to be inspected, a pattern in which the boundary (sidewall) between the concave portion 9a and the convex portion 9b is vertical as in the periodic step pattern 9 in FIG. 3 is shown. However, of course, highly accurate measurement is possible. In this case, the concave portion input to the step measuring unit 12 in FIG.
The respective widths a and b of the convex portion are not values satisfying (a + b = P), but the step difference of the pattern may be calculated based on the values of these widths a and b as in the above-described embodiment.

【0052】また、被検パターンの凹部に非対称性(テ
ーパ等)が存在する場合には、図2に示した例とは異な
って、合成光束DA,DBを光電変換した検出信号S
A,SBのコントラストは一致しなくなるが、両者の平
均値を採用することで非対称性の無いパターンと同程度
に高精度な深さ測定が可能となる。なお、上述の実施の
形態では、周期Pの被検パターン上に2光束を照射する
ことによって、計測方向に対して周期が2Pの干渉縞を
形成している。しかしながら、周期Pの被検パターン上
に2光束を照射することによって、計測方向に対して振
幅分布の周期が2P/N(Nは2以上の整数)の干渉縞
を形成してもよい。この場合、その2光束を第1及び第
2の光ビームとすると、第1の光ビームのその被検パタ
ーンからの正反射光(0次回折光)と、第2の光ビーム
のその被検パターンからのN次回折光とが平行に発生し
て相互に干渉する第1の合成光束となり、第2の光ビー
ムのその被検パターンからの正反射光と、第1の光ビー
ムのその被検パターンからのN次回折光とが平行に発生
して相互に干渉する第2の合成光束となる。従って、0
次回折光と1次回折光との合成光束を使用する場合と同
様に、深さ検出を行うことができる。
Further, when the concave portion of the test pattern has asymmetry (taper or the like), unlike the example shown in FIG. 2, the detection signal S obtained by photoelectrically converting the combined light fluxes DA and DB is obtained.
Although the contrasts of A and SB do not match, the use of the average value of both makes it possible to measure the depth as accurately as a pattern without asymmetry. In addition, in the above-described embodiment, by irradiating the test pattern having the period P with two light fluxes, the interference fringes having the period of 2P in the measurement direction are formed. However, by irradiating the test pattern with the period P with two light fluxes, interference fringes having an amplitude distribution period of 2P / N (N is an integer of 2 or more) in the measurement direction may be formed. In this case, assuming that the two light fluxes are the first and second light beams, the regular reflection light (0th order diffracted light) from the test pattern of the first light beam and the test pattern of the second light beam. And the N-th order diffracted light from the light beam form a first combined light beam that interferes with each other, and the regular reflection light from the test pattern of the second light beam and the test pattern of the first light beam. The second combined light flux is generated in parallel with the Nth-order diffracted light from and is interfered with each other. Therefore, 0
The depth can be detected in the same manner as in the case of using the combined light flux of the second-order diffracted light and the first-order diffracted light.

【0053】このように本発明は上述の実施の形態に限
定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成
を取り得る。
As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

【0054】[0054]

【発明の効果】本発明の深さ測定方法によれば、それぞ
れ被検パターンからの回折光よりなる第1及び第2の合
成光束の光電変換信号と、検出用の光ビームの波長と、
その被検パターンの形状とに基づいてその被検パターン
の凹部の深さを算出しているため、微細溝状パターンの
ように周期的に凹凸を繰り返す被検パターンの凹部の深
さ(段差)を高精度に測定できる利点がある。特に、本
発明によって、材質固有の性質により又は薄膜干渉によ
り、反射率が波長と共に変化するような被検パターンに
対しても、その凹部の深さ(段差量)を正確に測定でき
る。
According to the depth measuring method of the present invention, the photoelectric conversion signals of the first and second combined light fluxes, which are the diffracted light from the pattern to be inspected, respectively, and the wavelength of the light beam for detection,
Since the depth of the recess of the test pattern is calculated based on the shape of the test pattern, the depth of the recess (step) of the test pattern in which unevenness is periodically repeated like a fine groove pattern. Has the advantage that it can be measured with high accuracy. In particular, according to the present invention, the depth (step amount) of the concave portion can be accurately measured even in the case of a test pattern whose reflectance changes with wavelength due to properties peculiar to the material or thin film interference.

【0055】また、その被検パターンの凹部の深さを算
出する際に、第1及び第2の合成光束の光電変換信号の
位相及びコントラストと、第1及び第2の光ビームの波
長と、その被検パターンの凹部及び凸部の所定方向(計
測方向)への幅の比とを用いる場合には、通常それら凹
部及び凸部の計測方向の幅の加工は正確に行うことがで
きるため、それらの幅としては設計値を使用することに
よって正確に深さを算出できる。
When calculating the depth of the concave portion of the test pattern, the phases and contrasts of the photoelectric conversion signals of the first and second combined light beams, the wavelengths of the first and second light beams, and When using the ratio of the widths of the recesses and protrusions of the test pattern in the predetermined direction (measurement direction), usually the processing of the widths of the recesses and protrusions in the measurement direction can be performed accurately. The depth can be accurately calculated by using the design value as the width.

【0056】また、本発明の深さ測定装置によれば、本
発明の深さ測定方法を実施できる利点がある。
Further, the depth measuring apparatus of the present invention has an advantage that the depth measuring method of the present invention can be carried out.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態の一例で使用される深さ測
定装置を示す一部を断面とした構成図である。
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a depth measuring device used in an example of an embodiment of the present invention.

【図2】図1の測定装置で得られる検出信号SA,SB
の一例を示す波形図である。
FIG. 2 is a detection signal SA, SB obtained by the measuring device of FIG.
It is a waveform diagram showing an example.

【図3】図1の周期的段差パターン9の段差構造を示す
拡大断面図である。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a step structure of the periodic step pattern 9 of FIG.

【図4】その実施の形態において、振幅反射率φa ,φ
b から回折光の振幅ψ0 ,ψ1が導出される過程を複素
平面の極座標で示す説明図である。
FIG. 4 shows the amplitude reflectances φ a and φ in the embodiment.
It is explanatory drawing which shows the process which the amplitude (psi) 0 , (psi) 1 of diffracted light is derived from b by the polar coordinate of a complex plane.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザ光源 3 参照格子 4 コリメータレンズ 5 空間フィルタ 6 ハーフミラー 7 集光レンズ 8 ウエハ(半導体ウエハ) 9 周期的段差パターン 10 ウエハステージ 11A,11B 光電検出器 12 段差測定部 13 主制御系 1 Laser Light Source 3 Reference Lattice 4 Collimator Lens 5 Spatial Filter 6 Half Mirror 7 Condensing Lens 8 Wafer (Semiconductor Wafer) 9 Periodic Step Pattern 10 Wafer Stage 11A, 11B Photoelectric Detector 12 Step Difference Measuring Section 13 Main Control System

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上で所定方向に周期的に凹凸を繰り
返すように形成された被検パターンの凹部の深さを光学
的に測定する深さ測定方法において、 前記被検パターンの周期をPとしたとき、前記被検パタ
ーン上に可干渉な第1及び第2の光ビームを照射するこ
とによって、前記被検パターン上に前記所定方向に振幅
分布の周期が2P/N(Nは自然数)の干渉縞を形成
し、 前記第1の光ビームによる前記被検パターンからの正反
射光と前記第2の光ビームによる前記被検パターンから
のN次回折光とを合成してなる第1の合成光束と、前記
第2の光ビームによる前記被検パターンからの正反射光
と前記第1の光ビームによる前記被検パターンからのN
次回折光とを合成してなる第2の合成光束とを受光し、 前記被検パターンと前記干渉縞とを前記所定方向に相対
的に走査したときに得られる前記第1及び第2の合成光
束の光電変換信号と、前記第1及び第2の光ビームの波
長とに基づいて前記被検パターンの凹部の深さを算出す
ることを特徴とする深さ測定方法。
1. A depth measuring method for optically measuring a depth of a concave portion of a pattern to be inspected formed so that irregularities are periodically repeated in a predetermined direction on a substrate, wherein a period of the pattern to be inspected is P By irradiating the test pattern with the coherent first and second light beams, the cycle of the amplitude distribution in the predetermined direction is 2P / N (N is a natural number). Interference fringes are formed, and the specular reflection light from the pattern to be inspected by the first light beam and the Nth order diffracted light from the pattern to be inspected by the second light beam are combined. The light flux, the specularly reflected light from the test pattern by the second light beam, and the N from the test pattern by the first light beam.
The first and second combined light beams obtained when a second combined light beam formed by combining the second-order diffracted light is received and the pattern to be measured and the interference fringes are relatively scanned in the predetermined direction. The depth measuring method, wherein the depth of the concave portion of the pattern to be inspected is calculated based on the photoelectric conversion signal and the wavelengths of the first and second light beams.
【請求項2】 請求項1記載の深さ測定方法であって、 前記被検パターンの凹部の深さを算出する際に、 前記第1及び第2の合成光束の光電変換信号の位相及び
コントラストと、前記第1及び第2の光ビームの波長
と、前記被検パターンの凹部及び凸部の前記所定方向へ
の幅の比とを用いることを特徴とする深さ測定方法。
2. The depth measuring method according to claim 1, wherein the phase and the contrast of the photoelectric conversion signals of the first and second combined light fluxes are used when calculating the depth of the concave portion of the test pattern. And a wavelength ratio of the first and second light beams and a ratio of widths of the concave portion and the convex portion of the test pattern in the predetermined direction are used.
【請求項3】 基板上で所定方向に周期的に凹凸を繰り
返すように形成された被検パターンの凹部の深さを光学
的に測定する深さ測定装置において、 前記被検パターンの周期をPとしたとき、前記被検パタ
ーン上に前記所定方向に振幅分布の周期が2P/N(N
は自然数)の干渉縞を形成すべく、前記被検パターン上
に可干渉な第1及び第2の光ビームを照射する送光光学
系と、 前記第1の光ビームによる前記被検パターンからの正反
射光と前記第2の光ビームによる前記被検パターンから
のN次回折光とを合成してなる第1の合成光束を受光す
る第1の光電変換素子と、 前記第2の光ビームによる前記被検パターンからの正反
射光と前記第1の光ビームによる前記被検パターンから
のN次回折光とを合成してなる第2の合成光束を受光す
る第2の光電変換素子と、 前記被検パターンと前記干渉縞とを前記所定方向に相対
的に走査する相対走査手段と、 該相対走査手段によって前記被検パターンと前記干渉縞
とを相対的に走査したときに前記第1及び第2の光電変
換素子から出力される光電変換信号と、前記第1及び第
2の光ビームの波長とに基づいて前記被検パターンの凹
部の深さを算出する深さ算出手段と、を有することを特
徴とする深さ測定装置。
3. A depth measuring device for optically measuring a depth of a concave portion of a pattern to be inspected, which is formed on a substrate such that irregularities are periodically repeated in a predetermined direction. , The period of the amplitude distribution in the predetermined direction is 2P / N (N
Is a natural number), and a light-transmitting optical system for irradiating the pattern to be inspected with coherent first and second light beams to form an interference fringe, and a pattern from the pattern to be inspected by the first light beam. A first photoelectric conversion element for receiving a first combined light flux obtained by combining regular reflection light and N-th order diffracted light from the pattern to be inspected by the second light beam; A second photoelectric conversion element for receiving a second combined light flux obtained by combining regular reflection light from the pattern to be inspected and N-th order diffracted light from the pattern to be inspected by the first light beam; Relative scanning means for relatively scanning the pattern and the interference fringes in the predetermined direction, and the first and second relative scanning means for relatively scanning the test pattern and the interference fringes. Photoelectric conversion signal output from photoelectric conversion element And a depth calculation means for calculating the depth of the recess of the pattern to be measured based on the wavelengths of the first and second light beams.
JP8012879A 1996-01-29 1996-01-29 Method and apparatus for measuring depth Withdrawn JPH09203615A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8012879A JPH09203615A (en) 1996-01-29 1996-01-29 Method and apparatus for measuring depth
US08/786,151 US5982489A (en) 1996-01-29 1997-01-21 Method and apparatus for measuring depth of a depression in a pattern by light interference from crossed light beams

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8012879A JPH09203615A (en) 1996-01-29 1996-01-29 Method and apparatus for measuring depth

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09203615A true JPH09203615A (en) 1997-08-05

Family

ID=11817709

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8012879A Withdrawn JPH09203615A (en) 1996-01-29 1996-01-29 Method and apparatus for measuring depth

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH09203615A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102914952A (en) * 2011-08-04 2013-02-06 上海微电子装备有限公司 Position adjusting device of reference grating of aligning system and adjusting method thereof
JP2019168507A (en) * 2018-03-22 2019-10-03 東芝メモリ株式会社 Quality control method of position measurement light source, and semiconductor manufacturing apparatus

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102914952A (en) * 2011-08-04 2013-02-06 上海微电子装备有限公司 Position adjusting device of reference grating of aligning system and adjusting method thereof
JP2019168507A (en) * 2018-03-22 2019-10-03 東芝メモリ株式会社 Quality control method of position measurement light source, and semiconductor manufacturing apparatus

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4789393B2 (en) Overlapping alignment mark design
JP2658051B2 (en) Positioning apparatus, projection exposure apparatus and projection exposure method using the apparatus
KR100363034B1 (en) Grid-Grid Interference Accounting Device
KR100254024B1 (en) Method of position detection and method and apparatus of printing patterns by use of the position detection method
JPS62153704A (en) Method of optically deciding surface profile
JPH08250391A (en) Position detecting mark and position detecting method
KR20010049931A (en) Multi-channel grating interference alignment sensor
US5754300A (en) Alignment method and apparatus
US5982489A (en) Method and apparatus for measuring depth of a depression in a pattern by light interference from crossed light beams
US7349102B2 (en) Methods and apparatus for reducing error in interferometric imaging measurements
US4626103A (en) Focus tracking system
JPS61215905A (en) Position detecting device
US6950194B2 (en) Alignment sensor
JPH09203615A (en) Method and apparatus for measuring depth
JPH09152309A (en) Method and device for position detection
JP3550605B2 (en) Position detection method, exposure method using the same, semiconductor device using the exposure method, method for manufacturing liquid crystal display element or thin-film magnetic head, position detection apparatus, and exposure apparatus having the same
JPH07134013A (en) Surface shape measuring method and projection aligner
JPH10270347A (en) Method and device for detecting alignment offset
JPH09218018A (en) Depth measuring method and apparatus
JPH09229628A (en) Position sensing method and device
JPH0582729B2 (en)
JP3555666B2 (en) Position detection method and apparatus, and exposure method and apparatus
JPH08321452A (en) Method for evaluating alignment result and alignment equipment using the method
JPH09275067A (en) Position detection method/device
JPH09219362A (en) Position sensing method and its device

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20030401