JPH10261573A - 光学式位置測定器を搭載した露光装置及び加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レジストへのダメージやドリフトの影響がな
く、試料面のｘｙｚ方向の位置を同時にかつ正確に測定
することができ、加工精度の向上をはかる。 【解決手段】 光源１から出射されたレーザ光をビーム
スプリッタ２で分け、ＡＯＭ３，４に供給して微小量異
なる周波数ｆ₁ ，ｆ₂ で変調し、ＡＯＭ３から出射され
た光束５をビームスプリッタ６でさらに分け、光束５，
７，８を試料９の測定面に照射する。試料で反射又は回
折した光を重ね合わせてセンサ１６，１７に導き、周波
数の異なる２つの光の波動の干渉により生じるうなりの
信号の位相差を位相計１８で測定することにより、測定
面の位置を高さ又は並進方向に検出する。このような光
学式位置測定器を用いることにより、試料面からの反射
光量の変化に依存せず、レジストへのダメージやドリフ
トの影響がなく、加工装置の構成を複雑にすることなく
高精度な加工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハ或い
はマスクなどの試料のｘｙｚ方向の３方向位置を非接触
で測定する光学式位置測定器（ＸＹＺセンサ）を搭載し
た露光装置及び加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの高集積化に伴い、半導体
装置に要求される回路線幅は益々狭くなってきている。
これらの半導体装置を作成するには、従来所望の回路パ
ターンが形成された数十種類の原画パターン（レチクル
或いはマスク）を、ウェハ上の露光領域に高精度に位置
合わせした後に転写する方法と、ウェハに直接パターン
を描画する方法とが主流である。また、ウェハ等には各
種プロセスを経て微細加工が実行される。

【０００３】このような分野で使用される装置には、例
えばマスク用電子ビーム露光装置，レーザ露光装置，ス
テッパ，電子ビーム直接描画装置等がある。この種の装
置では、試料面の加工ビームの光軸方向と同方向（ｚ方
向）の変動を高精度に測定する必要がある。これは、加
工ビームの焦点を試料面に正確に合わせる必要があるた
めである。また、試料面の正確な位置測定のためにマー
クを用いて加工ビームの光軸方向の法線方向（ｘ，ｙ）
を測定する必要がある。

【０００４】従来、これらの測定は独立に且つ別々に実
現されていた。即ち、ステッパにおいてはマークの位置
は半導体素子の周辺に設置されているため、位置測定は
周辺で、素子パターンの転写のためのフォーカス位置測
定（ｚ方向）は素子の中央で行われていた。また、電子
ビーム露光装置においては、多くはこのようなマーク位
置測定は電子ビームを用いて位置測定することが一般に
行われている（特開昭５８−２２３３２６号公報）。

【０００５】しかし、近年の電子ビームの加速電圧の高
加速化によってレジストの損傷が著しく、電子ビームで
の高精度測定そのものが疑問視されている。また、電子
ビームはチャージアップによってドリフトが発生し正確
な位置測定が難しいという問題もある。このようなこと
から光学式での測定技術の開発が期待されている。

【０００６】ｚ方向を測定できる技術として、例えば特
開平４−３１５９０４号公報等があるが、ｘｙ方向の測
定を同時に達成した測定器を搭載した装置は報告されて
いない。そもそも、上述した半導体製造装置では、ｘｙ
方向とｚ方向を同時に測定しなければそれぞれの位置を
正確に測定できないという問題が生じている。何故な
ら、現在開発されているこの種の光学式ｘｙ測定器はマ
ークのｚ方向の位置変化に対して変化することが知られ
ているからである。

【０００７】一方、特公平７−８２９８７号公報で示さ
れた電子ビーム描画装置では、光学的にマークの位置を
求めることができる光学的検出器を搭載し、電子ビーム
での位置測定が不可能なときは光学的位置検出器でのデ
ータを基に位置合わせを実行し、描画を進めることが提
案されている。

【０００８】しかし、上記の提案は本発明とは目的も構
成も異なり、さらにｚ方向の測定も同時にできる光学式
ｘｙｚ検出器を搭載しておらず、ｘｙ方向の位置を求め
た際のｚ方向の位置が正確に求められる記述は無い。こ
のため、ｚ依存性の影響をキャンセルすることができず
位置測定が正確ではないという問題が生じる。また、電
子ビーム描画装置やステッパにおいて、マークの位置を
精度良く測定するためには、電子ビーム又は露光光を照
射する位置で測定を行う必要があるため、光学系の配置
が難しい、装置が複雑になるといった問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、電子
ビーム露光装置等のように試料面にビームを照射する装
置においては、試料面の高さ位置（ｚ位置）及び水平位
置（ｘｙ位置）を正確に測定する必要があるが、従来の
位置測定装置では、試料面の位置測定を行うための構造
が複雑になったり、処理が繁雑化し、電子ビームによる
レジストへのダメージやビームドリフトの影響を受けて
精度が低下するという問題があった。

【００１０】また、上記の問題は、集束イオンビームを
用いて試料表面を直接加工するイオンビーム加工装置等
についても同様に言えることである。本発明は、上記の
事情を考慮して成されたもので、その目的とするところ
は、試料面のｘｙｚ方向の位置を同時にかつ正確に測定
することができ、露光精度或いは加工精度の向上をはか
り得る、光学式位置測定器を搭載した露光装置及び加工
装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、次のような構成を採用している。即ち本発
明は、試料面の位置を光学的に測定する光学式位置測定
器を搭載し、この測定器による測定結果に基づき、試料
面に光又は荷電ビームを照射して所望パターンを露光す
る露光装置において、前記光学式位置測定器は、少なく
とも可干渉性のある光を試科面に照射する投光手段と、
前記試料面の表面で反射又は回折した光を検出器に導く
受光手段と、この受光手段からの信号をｘｙｚ方向の信
号に変換する制御手段とを具備してなり、前記試料面の
１個のマークからｘｙｚ方向を同時に検出するものであ
ることを特徴とする。

【００１２】また本発明は、試料面の位置を光学的に測
定する光学式位置測定器を搭載し、この測定器による測
定結果に基づき、試料面に光又は荷電ビームを照射して
所望パターンを加工する加工装置において、前記光学式
位置測定器は、少なくとも可干渉性のある光を試科面に
照射する投光手段と、前記試料面の表面で反射又は回折
した光を検出器に導く受光手段と、この受光手段からの
信号をｘｙｚ方向の信号に変換する制御手段とを具備し
てなり、前記試料面の１個のマークからｘｙｚ方向を同
時に検出するものであることを特徴とする。

【００１３】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 前記１個のマークを用いて行われるｘｙｚ方向の測
定は、ビームの露光中心（又は加工中心）又はその近傍
によって実施され、ビームでの露光中（又は加工中）も
同時に測定できる配置であること。

【００１４】(2) １個のマークを用いて行われるｘｙｚ
方向の測定は、ビームの露光中心（又は加工中心）又は
その近傍によって実施され、ビームでの露光中（又は加
工中）も同時に測定できる配置であること。

【００１５】(3) 基板上に特殊マークを２次元状に配置
してビームで露光した後、その基板上に露光されたマー
ク位置を上記ＸＹＺセンサと露光装置或いは加工装置に
搭載された位置測定器とを用いて測定することにより
（即ち上記ＸＹＺセンサの出力を用いて）、描画精度或
いは加工精度を測定することが可能なこと。

【００１６】また、光学式位置測定器の望ましい実施形
態としては次のものがあげられる。 (1) 試料の測定面に可干渉性のある光を少なくとも２本
照射する手段と、前記試料の測定面で反射又は回折した
光を検出器に導く手段と、検出器に導かれた２光束に含
まれる周波数の異なる光の波動の干渉により生じるうな
りの位相を検出する手段とを具備し、前記試料の測定面
における法線方向の位置又は前記試料の測定面内で互い
に直交する２方向の変位を検出することを特徴とする。

【００１７】(2) 測定面に回折光を２次元分布させる回
折格子が形成された試料に、測定面と平行な変位検出方
向のうちの一方と試料の測定面における法線方向とが成
す面に対し、互いに異なる方向から少なくとも２本の光
束を入射させるとともに、前記２本の光束に対し試料の
測定面の法線方向に異なる角度で少なくとも１本の光束
を入射させる試料面照射手段と、前記試料の測定面上に
設けられた回折格子から生じる反射回折光のうち任意の
２光束を組み合わせて互いに干渉するように重ね合わせ
る光学手段と、前記２光束の波動の干渉により生じるう
なりと等しい周波数を有する基準信号と前記２光束の波
動の干渉により生じるうなりの信号との位相差を測定す
る測定手段とを具備し、前記試料の測定面の法線方向の
位置及び試料の測定面内で互いに直交する２方向の変位
を検出することを特徴とする。

【００１８】(3) 試料の測定面に可干渉性のある光を少
なくとも２本照射する手段と、前記試料の測定面で反射
又は回折した光を検出器に導く手段と、検出器に導かれ
た２光束に含まれる周波数の異なる光の波動の干渉によ
り生じるうなりの位相を検出する手段とを具備し、荷電
粒子ビームを用いたパターン描画装置内に設けられた試
料を移動させるためのステージの位置、又はこのステー
ジに載置された試料の測定面の位置を検出することを特
徴とする試料面位置測定装置。

【００１９】(4) 微小量異なる周波数で変調された少な
くとも２本の可干渉性のある光ビームを生成する第１の
ステップと、前記少なくとも２本の光ビームを試料の測
定面に照射する第２のステップと、前記試料の測定面で
反射又は回折した少なくとも２本の光ビームを受光する
第３のステップと、前記第３のステップで受光した光ビ
ームの光学的演算を行って選択的に重ね合わせる第４の
ステップと、前記第４のステップで光学的演算を施した
光信号を電気信号に変換する第５のステップと、前記第
５のステップで変換された電気信号と基準信号との位相
差を演算する第６のステップとを具備し、前記試料の測
定面における法線方向の位置又は前記試料の測定面内で
互いに直交する２方向の変位を検出することを特徴とす
る。

【００２０】（作用）本発明は、基本的には本発明者ら
が既に提案した技術（特願平８−１８３５５４号）をベ
ースにしているが、試料面上に位置合わせマーク１個を
設け、少なくとも３本の可干渉光束を照射し、その反射
回折光を取り出し、各々の光の位相差を測定する方式を
採用している。このために、検出方法として光ヘテロダ
インを採用する。主な光学構成は大気中に置かれ、真空
中に測定用光束が導かれる構造となっている。

【００２１】また、大気中での測定用光束の光軸調整が
可能なようになっている。さらに、ｘｙｚの測定と描画
／加工ビームを用いたｘｙ方向の位置測定が同時に行わ
れることができるような構成になっているため、本検出
器のｘｙ方向の校正が容易にできる。その結果（補正値
などの）を蓄える装置を設けることで常に正確なｘｙ方
向の位置測定が可能となる。

【００２２】上記構成であれば、試料面が高さ方向に変
位したときでも正確なｘｙ方向の位置測定が可能とな
る。光源にレーザ光を採用しているため、チャージアッ
プによるドリフトを生じず、安定したｘｙｚ方向の位置
信号を得ることが可能となり、従来では不可能であった
電子ビーム（加工ビーム）のドリフトを正確に測定する
ことが可能となる。

【００２３】また、マークが１個であること、同時に全
てを測定できることから、加工ビームやｘｙｚ出力の校
正が容易にかつ正確に行える。さらに、描画結果のマー
ク配列を正確に読みとることができるため、正確な描画
精度（加工精度）を測定することができるようになる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。 （第１の実施形態）図１は本発明の第１の実施形態に係
わる光学式位置測定器（ＸＹＺセンサ）を説明するため
のもので、（ａ）はレーザ光の照射側の概略構成図、
（ｂ）は試料の測定面の高さを測定する場合の受光側の
概略構成図である。図２は図１（ａ）（ｂ）における試
料の測定面への入射光と反射光の関係を詳細に示す斜視
図である。

【００２５】図１（ａ）において、１はレーザ光を発生
する光源で、この光源１から出射された干渉性の強いレ
ーザ光は、ビームスプリッタ（ハーフミラー）２で第１
の光路と第２の光路とに分けられる。分けられた各光束
は音響光学変調素子（ＡＯＭ）３、４によってそれぞれ
微小量異なる周波数ｆ₁ ，ｆ₂ で変調される。ＡＯＭ３
から出射された光束５はビームスプリッタ６でさらに分
けられ、第３の光束７を得るようになっている。これら
３本の光束５、７、８は、図示しない折り返しミラーと
レンズを介し、その内の２光束５、８が試料９の測定面
に対して所定の角度θ₁ で、光束７はこれらの光束５、
８と入射角度差Δθをもって試料９の測定面に斜め方向
から照射される（図２参照）。なお、光束５と７、８は
互いに試料９の測定面に平行な変位検出方向のうち一方
の変位方向と試料９における測定面の法線方向が成す面
に対し対称な方向から角度αにて入射する。この２光束
７、８の正反射光１２、１０は図示するように高さ方向
に出射角度差Δθをもって分離したものとなる。一方、
光束５と８の正反射光１１、１０は高さ方向に等しい出
射角度で、試料９の測定面に平行な方向に角度差２αを
もって分離したものとなる。

【００２６】図１（ｂ）に示すように、試料９の測定面
で反射された２光束１０、１１と１０、１２をハーフミ
ラー１３、１４、１５を用いてそれぞれ重ね合わせるこ
とにより、波動の干渉により生じるうなりをセンサ１６
（これが高さ検出信号となる）とセンサ１７（これが基
準信号となる）で測定することが可能となる。これらの
信号の位相差を位相計１８を用いて測定し、変位信号を
得ることにより、位相差に比例した試料９の表面の高さ
を知ることができる。

【００２７】試料９の測定面が高さＺだけ変位したとき
の２つの信号間の位相変化φは、 φ＝４πＺ（ｃｏｓθ₁ −ｃｏｓ（θ₁ ＋Δθ））／λ …（１） と表される（λはレーザ光の波長）。

【００２８】なお、図２における試料９の測定面の光束
照射位置には、回折光を２次元分布させる回折格子が位
置合わせマークＭとして配置されているが、高さ検出に
必要な光束は正反射光のみなので、高さ検出のみの場合
にはマークＭは不要である。

【００２９】図３は、上式（１）で求められる位相変化
特性を示している。式（１）から分かるように、（ｃｏ
ｓθ₁ −ｃｏｓ（θ₁ ＋Δθ））／λの値を適当に設定
することにより、任意のＺの測定範囲で位相差が２π変
化するように調整することができる。具体的には入射角
度差Δθを調整することにより、Ｚの測定範囲を変化で
きる。よって、試料９の測定面に入射する光束５、８
と、入射角度が試料９の測定面の法線方向に異なる光束
７の法線方向の入射角度差Δθを調整する入射角度変更
機構を設ければ、高さＺの測定範囲を自由に設定でき
る。

【００３０】また、位相差信号は基準信号、測定信号共
に試料９の表面に入射した光を用いて得ているので、試
料９の表面にレジストが塗布されるなどして表面状態が
変化した場合でも、この変化による光路長変化はどちら
の信号にも同じだけ影響する。従って、表面状態の影響
を受けることなく試料９の測定面の高さの変化のみを検
出することができる。

【００３１】一方、試料９の測定面と平行な方向の位置
検出を行うためには、測定面上の光束照射位置に図２に
示したような回折格子（マークＭ）を設け、この格子を
利用して変位を検出する。

【００３２】図４は、上記格子によって得られる回折光
分布を示すもので、図２における矢印１７の方向から観
察した状態を示している。図２中の座標系に基づき、
Ｘ，Ｙ方向の回折格子のピッチをＰ_x ，Ｐ_y とする。そ
して、光束１０、１１のＸ方向とＹ方向のｎ次の回折角
をそれぞれθ_x ，θ_y とすれば、 ｓｉｎθ_x ＝±λ／Ｐ_x …（２） ｓｉｎθ₁ −ｓｉｎθ_y ＝±λ／Ｐ_y …（３） と表される。

【００３３】ここで、Ｘ方向の入射角をα（≠θ_x ）と
設定すれば、互いの反射回折光（正反射光を含む）は重
ならず、独立に取り込むことが可能になる。得られた回
折光のうち、１次の回折光に注目する。Ｘ，Ｙ方向のマ
ークＭの変位をそれぞれΔｘ，Δｙとすれば、Ｘ，Ｙ方
向変位に対する回折光の位相変化φ_x ，φ_y はそれぞ
れ、 φ_x ＝２πΔｘ／Ｐ_x …（４） φ_y ＝２πΔｙ／Ｐ_y …（５） と表される。また、高さＺが変化することによっても位
相が変化する（φ_z ）。

【００３４】例えば、Ｘ方向に−１次、Ｙ方向に１次の
回折光２１について、マークＭの変位に比例した位相変
化φ（−１，１）は、 φ（−１，１）＝φ_x ＋φ_y ＋φ_z ＝−２πΔｘ／Ｐ_x ＋２πΔｙ／Ｐ_y ＋φ_z …（６） のように表される。この回折光は周波数ｆ₂ で変調され
ているので、位相変化を便宜上、ｆ₂ （−ｘ，ｙ，ｚ）
と表す。例えば、この回折光２１とｆ₁ ´（ｚ）で表さ
れる回折光１０とを重ね合わせ、うなりの信号を生成す
ると、回折光１０、２１共に、Ｚの変化に対する位相変
化φ_z が等しいため、マークＭの変位による位相変化φ
_b は、 φ_b ＝φ_x ＋φ_y ＝−２πΔｘ／Ｐ_x ＋２πΔｙ／Ｐ_y …（７） となり、Δｘ，Δｙのみの関数となる。

【００３５】しかし、このままではＸ，Ｙ方向どちらに
変位しても位相が変化し、変位信号として適当でない。
そこで、回折光１０と２１を重ね合わせることにより生
じるうなりの信号に加えて、回折光１１と２０を重ね合
わせることにより生じるうなりの信号を生成する。

【００３６】即ち、図５に示すように、回折光１０と２
１をハーフミラー１３によって重ね合わせてセンサ１６
に供給すると共に、回折光１１と２０をハーフミラー１
４によって重ね合わせてセンサ１７に供給し、これらセ
ンサ１６、１７の出力信号を位相計１８に供給して変位
信号を生成する。センサ１６から出力されるうなりの信
号２２の位相φ₁ とセンサ１７から出力されるうなりの
信号２３の位相φ₂ の位相差Δφは、 Δφ＝φ₁ −φ₂ ＝４πΔｙ／Ｐ_y …（８） となり、位相計１８によってＹ方向の変位のみを検出で
きることになる。

【００３７】上記と同様に図６に示すような組み合わせ
で回折光を合成し、センサ１６，１７，２４，２５，２
６でうなりの信号を取り出し、位相計１８，２７，２８
にて位相差を検出することによりＸ，Ｙ，Ｚの変位をそ
れぞれ独立に測定することが可能となる。

【００３８】即ち、回折光ｆ₂ （−ｘ，ｙ，ｚ）の光束
２１と回折光ｆ₁ （ｚ）の光束１２をビームスプリッタ
（ハーフミラー）３０で分けた光束とを合成部３１で重
ね合わせ、波動の干渉により生ずるうなりをセンサ１６
で測定する。回折光ｆ₂ （ｚ）の光束１１と回折光ｆ₁
（ｚ）の光束１２とを合成部３２で重ね合わせ、波動の
干渉により生ずるうなりをセンサ２５で測定する。ま
た、回折光ｆ₂ （ｘ，ｙ，ｚ）の光束３３と回折光ｆ₁
（−ｘ，ｙ，ｚ）の光束３４とを合成部３５で重ね合わ
せ、波動の干渉により生ずるうなりをセンサ２４で測定
する。

【００３９】回折光ｆ₁ ´（ｚ）の光束１０と回折光ｆ
₂ （ｚ）の光束１１をハーフミラー３６で分けた光束と
を合成部３７で重ね合わせ、波動の干渉により生ずるう
なりをセンサ２６で測定する。更に、回折光ｆ₁ （ｘ，
ｙ，ｚ）の光束２０と回折光ｆ₂ （ｚ）の光束１１をハ
ーフミラー３８で分けた光束とを合成部３９で重ね合わ
せ、波動の干渉により生ずるうなりをセンサ１７で測定
する。

【００４０】そして、位相計２７によって上記センサ２
５から出力されるうなりの信号と上記センサ２４から出
力されるうなりの信号の位相差を測定すると、Ｘ方向の
変位信号（−２ｘ）が得られる。また、位相計１８によ
って上記センサ１６から出力されるうなりの信号と上記
センサ１７から出力されるうなりの信号の位相差を測定
すると、Ｙ方向の変位信号（−２ｙ）が得られる。同様
に、位相計２８によって上記センサ２６から出力される
うなりの信号と上記センサ２５から出力されるうなりの
信号の位相差を測定すると、Ｚ方向の変位信号（Δｚ）
が得られる。

【００４１】このような構成によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚの変
位をそれぞれ独立に測定することができる。よって、電
子ビーム描画装置やステッパにおいて、簡単な構造でス
テージに載置された試料の測定面の位置測定やステージ
の位置検出を行うことができ、しかも電子ビームによる
レジストへのダメージやビームドリフトの影響のない高
精度な試料面位置測定装置及び測定方法が得られる。

【００４２】（第２の実施形態）図７は、本発明の第２
の実施の形態に係わる試料面位置測定器の概略構成を示
すブロック図である。光源１から出射されたレーザ光
は、ビームスプリッタ２で第１の光路と第２の光路とに
分けられ、音響光学変調素子（ＡＯＭ）３，４にそれぞ
れ供給されて微小量異なる周波数ｆ₁ ，ｆ₂ で変調され
る。上記ＡＯＭ３，４から出射された光束はそれぞれ、
折り返しミラーやレンズ等の光学素子２９を介して試料
９の測定面に照射される。

【００４３】試料９の測定面で反射された光束はハーフ
ミラー１３で重ね合わされ、波動の干渉により生じるう
なりがセンサ１６で測定される。そして、上記センサ１
６によるうなりの信号と上記ＡＯＭ３，４の駆動電気信
号とが位相計１８に入力され、変位信号を得るようにな
っている。

【００４４】この第２の実施の形態では、出射光学系側
で周波数ｆ₁ ，ｆ₂ の干渉光束を生成せずに、ＡＯＭ
３，４の駆動電気信号を取り出して基準信号として位相
計１８に入力し、変位信号を得るようにしている。この
ような構成並びに方法であっても第１の実施形態と同様
な位置測定が行える。

【００４５】（第３の実施形態）図８は、本発明の第３
の実施の形態に係わる試料面位置測定装置の概略構成を
示すブロック図である。この第３の実施の形態にあって
は、入射光学系側でハーフミラー４０、４１を用いて周
波数ｆ₁ ，ｆ₂ の光を干渉させ、これを測定することに
より基準信号としている。そして、この基準信号とセン
サ１６で検出したうなりの信号とを位相計１８に入力し
て変位信号を得るようにしている。このような構成並び
に方法でも前述した各実施の形態と同様な作用効果が得
られる。

【００４６】なお、第１〜第３の実施形態において、図
１、７、８の構成では、測定範囲や光学系の設置角度の
選定によっては互いの光束の分離角度が小さく、２光束
が完全に分離し難いことが考えられる。このような場合
には、入射光側の片側の光束に偏光板を挿入し、一方の
光束を他方の光束と偏光方向を変えておくと良い。そし
て、反射光側で偏光ビームスプリッタによって２光束を
分離し、再度偏光板を用いて偏光方向を一致させ、再度
重ね合わせる。ここでの偏光とは、例えばＰ波、Ｓ波の
ように偏光するような場合であって、このような偏光を
利用した分離方法によって１度以下の分離角度でも容易
に互いの光束の分離や重ね合わせが可能となる。

【００４７】（第４の実施形態）図９は、本発明の第４
の実施形態に係わる光学式ＸＹＺセンサを搭載した電子
ビーム露光装置を示す概略構成図である。

【００４８】図中５１は投光部である。この投光部５１
の詳しい内容は第１〜第３の実施形態で説明した通りで
ある。ここでは図示しないが簡単にその原理を説明す
る。投光部は干渉性の強いレーザ光，ビームスプリッタ
等で少なくとも３本光束に分割される。分けられた各光
束は音響光学変調素子（ＡＯＭ）でそれぞれ微小量異な
る周波数ｆ１（２本の光束），ｆ２（１本の光束）で変
調される。３本の光束はほぼ入射角度θを持って試料面
５９に斜め方向から照射される。試料面上にマーク５３
が形成されている。マーク５３からの反射光や回折光は
受光部５２に導かれる。

【００４９】反射光や回折光はハーフミラーを用いて重
ね合わせることにより（ｆ１とｆ２との重ね合わせ）、
波動の干渉により生じるうなりをセンサーで測定するこ
とが可能となる。基準となるうなりの信号とこの信号の
位相差を位相計５５を用いて測定することにより、位相
差に比例した試料面位置（ｘ，ｙ，ｚ）を知ることがで
きる。なお、高さ（ｚ）検出に必要な光束は正反射光の
みなので、特にそのためのマークは必要としない検出原
理となつている。

【００５０】投光部５１から送り出された光束や受光部
５２で受け取る光束の大気側と真空側とのインターフェ
イスは、ガラス５４の真空シールを通して行われる。こ
のような構成で、特殊マーク５３を丁度加工ビームが照
射される位置に置くことによって、加工ビームで測定し
たｘｙ方向位置とｘｙｚ検出器で測定した位置とを同時
に、且つ加工ビームのドリフトを無視できるような短時
間で測定することができる。

【００５１】図１０はこのような特殊マークの一例を示
す。中央に図中で拡大して示したような２次元マーク７
１を形成し、周辺に図のように線状のマーク７２を設け
る。マークの大きさは２次元マーク７１で数１００ｕｍ
程度（Ａで示す）で、線状マーク７２は外形寸法で１ｍ
ｍ弱（Ｂで示す）の大きさである。この線状マーク７２
はマークの粗合わせに用いるためのもので、その大きさ
は自由に変更して使用してもかまわない。

【００５２】２次元マーク７１の大きさも照射ビーム形
状に応じてその大きさを変更できるものである。また、
線状マーク７２は単なる１本のパターンであっても良い
し、２次元マーク７１と同じようなマークであっても良
い。このような形状は粗合わせのアルゴリズムに依存す
るため、パターン形状や全体の形そのものは問題ではな
い。要するに、粗合わせ用のパターンと位置測定の２次
元パターンとが混在しているパターンであれば目的は達
せられる。

【００５３】テーブル上、或いは試料面上に置かれたマ
ークは最初テーブルのｘｙ方向のスキャンによつて光学
式検出器で図のような位置７３，７４，７５，７６のス
キャンによって粗い位置の測定が行われる。この揚合、
スキャン回数やスキャン位置など紘特に必要に応じて適
当に変更して構わないし、その時に使用するセンサもＸ
ＹＺ検出器に用いたセンサの光量測定や回折光の強度測
定結果を基にして求めても良い。そのような方法は色々
考えられる。

【００５４】次いで、その情報をもとに中央のマーク７
１で正確な位置測定（ｘ１，ｙ１，ｚ１）が行われる。
テーブル上での測定ではレジスト等の塗布が行われてい
ないために、高加速化された電子ビームの照射が許され
る。ＸＹＺ検出器での測定と並行して、例えば図１０の
位置７７，７８，７９，８０の電子ビームの偏向によっ
て、電子ビームによるｘｙ方向の位置測定（ｘ２，ｙ
２）が短時間でなされる。一般的には反射電子検出器を
用いて適当な信号処理を行いマーク中心が求められる。

【００５５】このような測定、即ち現在のｚ方向の高さ
ｚ１に対する光学検出器でのＸ方向及びＹ方向の位置
と、電子ビーム計測によるＸ方向及びＹ方向の位置とか
ら、ｘ２−ｘ１，ｙ２−ｙ１（ｆｏｒ ｚ１）に相当す
る差を適当な方法で記憶させておく。極めて短時間で行
われるため、相互の位置の相関を正確に求めることがで
きる。

【００５６】次いで、ｚ２に対する同様な測定結果を同
様に求める。このような測定はテーブル上に段差（Δ
ｚ）を設けたマークを準備しておくと都合がよい。即
ち、ｘ２−ｘ１，ｙ２−ｙ１（ｆｏｒ ｚ２）に相当す
る情報を計測する。これらの関係から、ｚ方向依存性を
持った両者の位置合わせに必要な数値を求めることがで
きる。光学的検出器或いは電子ビーム位置制御にそれら
の捕正に必要な位置を記億させることで、両者の位置合
わせが完璧なものとなる。

【００５７】次に、試料面に図１１に示すような位置関
係で特殊マークに相当するマーク群を描画或いは加工す
る。処理を終えてきた試料を再びテーブル上に搭載し、
光学式ＸＹＺセンサでマークの位置測定をｚ方向の補正
を加えて正確に行う。このようなマーク位置の測定（ｘ
ｉｊ，ｙｉｊ）から、様々なｍｅｔｒｏｌｏｇｙ的な手
法によって正確な描画、加工精度を評価することができ
る。

【００５８】このように本実施形態では、位置測定用の
光源にレーザ光を採用しているため、チャージアップに
よるドリフトを生じず、レジストに対するダメージもな
く安定した信号を得ることが可能となる。本構成の光学
系により、試料面の位置を高さ及び並進方向を同時に検
出することができるので、高さ方向の情報を基に正確な
ｘｙ方向位置を算出でき、これまでにない高精度でマー
クの位置を測定することができる。

【００５９】これによって、従来では不可能であった電
子ビームのドリフトそのものを正確に測定することがで
きるようになった。また、従来では試料面一面に製作さ
れたマーク群を電子ビームによって計測し描画精度の測
定に使用していたが、本実施形態では１つのマークを基
に描画精度測定が極めて正確に行えるようになった。従
って、装置構成を複雑にすることなく、高精度の位置検
出が可能となる。

【００６０】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態では電子ビーム露光装置
を例に取り説明したが、これに限らずレーザ露光装置，
ステッパ，電子ビーム直接描画装置に適用することもで
きる。また、集束イオンビームを用いて試料表面をエッ
チング或いは試料表面に薄膜を形成するイオンビーム加
工装置に適用することも可能である。その他、本発明の
要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが
できる。

【００６１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、光
学式位置測定器を、少なくとも可干渉性のある光を試科
面に照射する投光手段と、試料面の表面で反射又は回折
した光を検出器に導く受光手段と、受光手段からの信号
をｘｙｚ方向の信号に変換する制御手段とで構成するこ
とにより、試料面のｘｙｚ方向の位置を同時にかつ正確
に測定することができ、これを搭載した装置の露光精度
或いは加工精度の向上をはかることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係わる光学式位置測定器を説
明するための概略構成図。

【図２】図１における試料の測定面への入射光と反射光
の関係を詳細に示す斜視図。

【図３】試料面の高さ測定により得られる位相変化特性
を示す図。

【図４】図１及び図２に示す光学式位置測定器で得られ
た回折光分布を示す図。

【図５】Ｙ方向の変位を検出する場合の受光側の概略構
成図。

【図６】Ｘ，Ｙ，Ｚ３方向の変位を検出する場合の受光
側の概略構成図。

【図７】第２の実施形態に係わる光学式位置測定器を説
明するための概略構成図。

【図８】第３の実施形態に係わる光学式位置測定器を説
明するための概略構成図。

【図９】第４の実施形態に係わる光学式ＸＹＺセンサを
搭載した電子ビーム露光装置を示す概略構成図。

【図１０】第４の実施形態で使用した特殊マークの一例
を示す図。

【図１１】基板上に描かれたマーク群を示す図。

【符号の説明】

１…光源 ２，６，１３，１４，１５…ビームスプリッタ（ハーフ
ミラー） ３，４…音響光学変調素子（ＡＯＭ） ５，７，８…入射光束 ９…試料 １０，１１，１２…出射光束 １６，１７，２４，２５，２６…センサ １８，２７，２８…位相計 ２０，２１…回折光 ２２，２３…うなりの信号 ２９…光学素子 ５１…投光部 ５２…受光部 ５３…マーク ５４…ガラス真空シール ５５…位相計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 晋 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社ト プコン内 (72)発明者 鈴木 等 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社ト プコン内 (72)発明者 阿部 和夫 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社ト プコン内 (72)発明者 渡辺 真也 東京都板橋区蓮沼町75番１号 株式会社ト プコン内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料面の位置を光学的に測定する光学式位
   置測定器を搭載し、この測定器による測定結果に基づ
   き、試料面に光又は荷電ビームを照射して所望パターン
   を露光する露光装置において、 前記光学式位置測定器は、少なくとも可干渉性のある光
   を試科面に照射する投光手段と、前記試料面の表面で反
   射又は回折した光を検出器に導く受光手段と、この受光
   手段からの信号をｘｙｚ方向の信号に変換する制御手段
   とを具備してなり、前記試料面の１個のマークからｘｙ
   ｚ方向を同時に検出するものであることを特徴とする露
   光装置。
2. 【請求項２】試料面の位置を光学的に測定する光学式位
   置測定器を搭載し、この測定器による測定結果に基づ
   き、試料面に光又は荷電ビームを照射して所望パターン
   を加工する加工装置において、 前記光学式位置測定器は、少なくとも可干渉性のある光
   を試科面に照射する投光手段と、前記試料面の表面で反
   射又は回折した光を検出器に導く受光手段と、受光手段
   からの信号をｘｙｚ方向の信号に変換する制御手段とを
   具備してなり、前記試料面の１個のマークからｘｙｚ方
   向を同時に検出するものであることを特徴とする加工装
   置。