JPS5842405B2 - 間隙測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は２つの平板の間隙を測定する間隙測定装置に関
する。

例えばフォトマスクを用いたＩＣ。ＬＳＩのパターン焼
付法のうち、プロキシミテイ法とコンタクト法において
はフォトマスクとウェハの間隙の測定とその制御が重要
な問題の１つとなる。

即ち、プロキシミテイ法では、マスクとウェハのアライ
メント及び露光の間、コンタクト法ではアライメントを
行なう間、マスクとウェハの間隙を数μｍ〜数＋μｍの
設定値に保たねばならない。

アライメント時に設定間隔よりもマスクとウェハが接近
しすぎると、マスクとウェハが接触する危険性が高くな
り、ウェハだけでなく、マスクをも痛めることがあり、
また間隙が太きすぎると、マスクとウェハのパターンが
同時にアライメント用顕微鏡の焦点深度内に入ることが
できなくなったり、間隙の場所むらが起ったりして、ア
ライメントに誤差が生じやすい。

またプロキシミテイ法においては露光焼付時にマスクと
ウェハの間隙が所定値を越えると回折現象が顕著になり
、パターンが正確に焼付けされない。

また、回折効果が著しく小さい短波長の電磁波での焼付
けにおいてもマスクとウェハの間隙に場所ムラができる
と焼付けされたパターンとマスクのパターンの間に誤差
を生じる。

ウェハやマスクに接触子を当てる方法では接触部分に傷
をつける恐れがあるので、この間隙測定は非接触で行な
うことが望ましい。

従来、このような間隙の非接触測定は、空気マイクロメ
ータや静電容量の変化を利用した方法や、あるいは光学
的には平行光線をマスクとウェハに対して斜めに入射さ
せて、マスクとウェハによって反射された光線の位置ず
れ量を測定したりしてなされてきた。

これらの方法のうち、第１と第２の者は測定器の指示値
と間隙量を較正する必要がある。

第３の方法では、光線の横ずれにより測定するが、これ
は原理的に較正の必要はないが、測定感度を上げようと
すれば入射角が大きくなり、測定光学系が大きくなるこ
とは避けられない。

現在用いられているウェハの直径は最大の大きさで５イ
ンチであり、その場合でも測定点は最低３点は必要であ
るから測定センサが大きくなると装置化が困難になる。

本発明の目的は、較正が不要で、大きな測定センサを必
要とせず、構造が簡単で、安定な間隙測定が可能となる
間隙測定装置を提供することである。

次に、本発明の実施例を図に基いて説明する。

第１図は第１実施例を表わし、第１図Ａはマスク１とウ
ェハ２の間隙を測定する為のフレネル輪帯板３をマスク
１に取りつけた実施例の平面図で第１図Ｂはその断面図
である。

第１図において、フレネル輪帯板３は、同心円の内から
ｎ番目の輪帯の半径ｒｎが で表わされるような円で区切られる領域を、中心から交
互に光の透過部分３ａと不透過部分３ｂに分けたもので
ある。

中心を光が透過する部分３ａで形成したものとしないも
の２種類があるが、本発明に利用するのは中心を透過部
分３ａにした方である。

尚、第１図においてｒｌは透過部分３ａの中心から第１
の不透過部分の内周までの半径を示す不透過部分３ｂの
形成は、マスク１上にクロムを一様に０．３μ厚に蒸着
し、透過部分３ａを除去して行われる。

フレネル輪帯板３のレンズ作用は古くから知られており
、１つの輪帯板に対し、理論上無限側の焦点が存在する
。

その焦点距離は、である。

ただし、λは光の波長である。輪帯の数、即ち、ｎの最
大値をＮとおくとＮが１０程度以上であれば結像作用が
あることが確かめられているが平行光を収光し、スポッ
トとしたのを観測するだけならばＮく１０のときでも可
能である。

また、１次の焦点が最もはっきり観測さへ高次の焦点に
なるに従ってぼやけてくる。

Ｎ〜１０程度で３次の焦点までは明瞭に観測される。

第１図Ｂにおいて、マスク上方からの平行光または平行
に近い入射光でもって、マスク１の回路パターン（不図
示）と同一面に形成されたフレネル輪帯°板３を照明す
る。

フレネル輪帯板３の透過部３ａを透過した光線は（２）
弐〜（５）式で表わされる各次数の焦点距離を持つ焦点
例えば１次焦点（不図示）、３決然点４，５次焦点５に
収束していくが、焦点距離がマスク１とウェハ２との間
隙より長い場合滑らかなウェハ２表面によって反射され
る。

反射の際、光量の減少を多少伴うが、光線は鏡面で反射
する場合と同じ場所を通過し、各次の焦点を空間中に結
ぶ。

開口数の大きな、即ち焦点深度の浅い対物レンズをつけ
た顕微鏡（不図示）でマスク１上からフレネル輪帯板３
を観察すると、焦点がフレネル輪帯板３と同一内面にあ
るとき、即ち、焦点距離が間隙の丁度２倍になったとき
明るい光点４が第１図Ａの如くフレネル輪帯板３の中心
に見える。

更に詳述すると、ＩＣ，ＬＳＩのパターン焼付の時のよ
う？（１０μｍ前後の間隙を測定する場合、フレネル輪
帯板３は間隙の２倍の２０μｍ前後の焦点距離を必要と
する。

前述したように１次の焦点が最も明瞭であるのでできる
だけこれを用いたいが、波長０．５４６μｍ（水銀のｅ
線）の光で観測する場合ｆ１＝２０μｍとすると（２）
式よりｒｌ ＝３．３μｍとなり、Ｎ＝１０とすると最
も外側の輪帯の幅は（１）式よりｒ、。

−ｒｇ ＝＝Ｑ、 ５３μｍとなり、現在のマスクパタ
ーン形成技術ではほぼ限界的な大きさである。

そこで、１次の焦点を利用する場合より輪帯の幅が広く
なりうる３次の焦点を利用することを考える。

波長を０．５４６μｍｆ３＝２０μｍとすると、（３）
式よりｒ１＝＝５．７μｍとなり、Ｎ＝１０とすると（
１）式よりｒｌＯｒ９＝０．９１μｍであってやはり技
術的な限界値ではあるが、１次焦点を利用するのに比べ
れば形成は容易である。

このような微細なパターンの形成技術は現在発達の段階
にあり、フレネル輪帯板３の透過部３ａまたは不透過部
３ｂの帯を実際に形成した場合、その幅が設計値より多
少太くなったり細くなったりすることがある。

このような幅の多少の増減は帯の縁が両側に均等に増減
する場合、焦点距離に影響を与えず、収束された光点の
コントラストを減少させるだけである。

もちろん、数１０μｍ以上の間隙を測定する場合には１
次の焦点を用いた方が明るい光点を見ることができて望
ましい。

３次の焦点を利用する場合、マスク１に対してウェハ２
を離れた位置から近づけていくと最初に１次の焦点の光
点が見え、次に３次の焦点の光点が見える。

３次の焦点の焦点距離を設定する間隙の２倍にしておけ
ば３次の焦点が見えるときに間隙が設定値であることが
わかる。

次に第２の実施例を第２図に基いて説明する。

第１図の如くフレネル輪帯板が１個の場合、間隙が丁度
焦点距離の半分になった時はわかるが、その前後では測
定できない。

そこで大きさの異なるフレネル輪帯板を複数個、例えば
第２図の如く８個を１組の輪帯列１３として同一マスク
１１面上に形成して用いる。

第２図Ａはフレネル輪帯列１３の平面図であり、同図Ｂ
のマスク１１の下面に輪帯列１３が形威されている。

最も大きい輪帯板１３−８しか正確に図示していない力
入他の円で表示されたものも輪帯板である。

いま、３次の焦点を用いるものとして、その焦点が光点
として観測されるときのウェハ１２面の位置を破線で示
す。

この破線とウェハ１２表面の交点とその近くで光点１６
が明るく見える。

例えば第２図Ｂの場合、６番目の輪帯板１３−６の中心
が最も明るく見える。

次に５番目の輪帯板の中心が明るい。この最も明るく見
える輪帯板の焦点距離はあらかじめわかっているのでそ
れから間隙がわかる。

このようにして輪帯列１３の中の中心の最も明るい輪帯
板を見出すことによって間隙を測定できる。

第３の実施例を第３図に基いて説明する。

第３図において、フレネル帯板は円形から直線状に変形
させたものであり、第３図の帯板２３−８の如く直線状
の帯より戒っている。

対称の中心線から各線までの距離をｒとすれば、その距
離が（１）式で表わすことが可能な帯の組合せであり、
円筒レンズと同じ働きをする。

ＩＣ，ＬＳＩのパターンは互いに直交する２つの方向を
持った直線群により形成されるので、フレネル帯板２３
−８も直線的な方が形威しやすい場合が多い。

この直線状のフレネル帯板２３−８を１次元フレネル帯
板と呼ぶことにする。

１次元フレネル帯列２３のうち、最も大きなもの２３−
８しか正確に図示していないが、他の小さなものも帯板
であり、焦点距離が異なるだけである。

この１次元フレネル帯板の帯の向きは必ずしも第３図の
ように各中心線と平行になっている必要はなく、第４図
の帯板２３’ −８のようであってもよい。

即ち１つの帯板内の帯群が同一方向さえ向いていれば帯
列中の他の帯板の方向がどちらを向いていてもよい。

また、第２゜第３の実施例に用いるフレネル輪帯板の輪
帯列または１次元フレネル帯板の帯列は、間隙が一定と
みなせる領域内に局在していればよく、１組の輪帯列又
は帯列のうちで帯板の配列のし方に制限はない。

ウェハとマスクの間隙は１００μｍＸ１００μｍ程度の
大きさの領域では一定とみなすことができ、この領域内
に輪帯列又は帯列を形成することは容易である。

次に第４実施例を第５図に基いて説明する。

第４の実施例は、第２．第３の実施例のように、離散的
な焦点距離をもつ複数個のフレネル帯板から威る帯列を
利用するものではなく、第５図Ａの如く１つの帯列の場
所により焦点距離が連続的に変化するような変形された
フレネル帯板３３を用いるものである。

即ち、これ（も第４図に示したような１次元フレネル帯
列２３′を大きさ順に一列に並べ、隣合う帯板の帯同志
を連結したものと考えられる。

この時、最大の帯板と最小の帯板の間にある帯板の個数
を無限に大きくしていくと、その極限においては最大の
帯板の焦点距離と最小の帯板の焦点距離の間の焦点距離
をもつ連続焦点の１次元フレネル帯板ができあがる。

たとえば、３次の焦点を用いて測定する場合、３次の焦
点だけに注目すると、光点がマスクのパターン面にある
ときの第５図Ｂの如くウェハ３２表面位置は破線のよう
になり、この破線がウェハ３２表面と交わる点とその近
くでは第５図Ａに対応する位置に光点３６が観測される
。

この光点３６はＸ状に交わった線の交点のように見える
。

この連続焦点１次元フレネル帯板３３の帯の延び方向の
大きさは間隙即ち、マスク３１とウェハ３２の平行度が
一定とみなせる領域内に入っていればよい。

第１〜第４の実施例に示したフレネル輪帯列またはそれ
を変形した１次元フレネル帯板の帯列をマスクのパター
ン面に少なくとも３箇所に形成すればマスクとウェハの
間隙測定ができる。

本発明を用いる場合、フレネル輪帯列または１次元フレ
ネル帯列の投影されるウェハ表面は焼付用パターンの形
成されていない滑らかな面であることが望ましい。

通常ＩＣ、ＬＳＩの製造では数種のマスクによりパター
ン焼付けが行なわれ、ある１枚のマスクを焼付ける前に
以前に焼付けされたフレネル輪帯板又は１次元フレネル
帯板の帯列、即ちフレネル帯列のパターンがある。

そこで各マスクにおけるフレネル帯列の位置をマスク毎
に異ならせておけば、それぞれのマスクでの焼付は時に
は滑らかなウェハ面を用いて光点の検出ができて都合が
良い。

また、上述の実施例ではフレネル帯板の焦点距離を間隙
の２倍にし、ウェハで１度反射した光点をマスク上で結
像させてこれを検出したが、焦点距離と間隙を等しくシ
、即ちウェハ上に光点を結像させてこれを検出してもよ
い。

上述の実施例ではマスクとウェハの間隙測定を例に挙げ
て説明したが、他の互いに平行な２平面をもって近接す
る２つの物件の間隙を測定する場合、周平面が滑らかで
少なくとも一方の物体が透明であればいかなる材料から
成る物体の間隙測定にも本発明は利用できる。

また、本実施例ではクロムマスクを対象として、説明し
たのでフレネル輪帯板または１次元フレネル帯板、即ち
フレネル帯板は透過部と完全不透過部から形成されるが
、不透過部が必ずしも完全に光をさえぎらなくてもよく
、シースルーマスクのような材質で形威されていてもよ
い。

或は、不透過とする代りに、πだけ光の位相を透過部と
異ならせるようにすれば単に不透過部分とする場合に比
べて焦点の強度が４倍大きいことが知られていλ るので、７板となる薄膜を形成してもよい。

尚、上記実施例ではウェハで一旦反射された光点をマス
クの下面に結像されたものをマスクの上面側から光学顕
微鏡で検出していた。

一般的にはマスクの下面に焼付用パターンが形成されて
おり、通常のアライメント作業においてはマスクの下面
とウェハの上面の間の間隙を測定する方が都合が良い。

従って上記実施例ではマスクの下面に光点を結像させた
が、一般的な、２枚の平板の間隙測定では、必ずしも平
板の対向する側面上に光点を結像させる必要はない。

また２枚共に透明な部材でできた平板の間隙測定では、
前記のウェハに対応する平板の表面上にできた光像をそ
の平板を透過した光線によって観察してもよい。

以上、本発明によると、マスクにフレネル帯板を形成す
ることを除けば、測定光学系として開口数の大きい対物
レンズを用いた光学顕微鏡を利用するだけでよく、装置
が非常に簡単である。

さらに、設定間隙の１倍又は２倍の焦点距離の前後の焦
点距離をもつフレネル帯板をマスクのパターン面に形威
し、フレネル帯板に入射してくる照明と顕微鏡の焦点深
度が浅いことを利用し、単色光でマスクのパターン面又
はウェハ面を観測することによって間隙が測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の平面と断面を示す図で
あり、第２図は本発明の第２の実施例の平面と断面を示
す図であり、第３図は本発明の第３の実施例の平面図で
あり、第４図は第３図に図示の第３の実施例の変形例の
平面図であり、第５図は本発明の第４の実施例の平面と
断面を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも一方が光を透過する材料から戒る第１平
   板と第２平板との間隙を測定する装置において、入射光
   をそれ自身の固有の焦点上に収れんさせるフレネル帯板
   を光透過性の一方の平板上に設け、両平板を相対的に移
   動させながら該フレネル帯板によって形成された光像の
   他方の平板上での結像状態、または該他方の平板により
   反射された該光像の該一方の平板上での結像状態を検出
   する検出手段を設け、フレネル帯板固有の焦点距離から
   第１平板と第２平板の間隙を測定することを特徴とする
   間隙測定装置。