JPS59116007A - 表面の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、干渉計による表面測定法に関するものである
。

〔従来技ｉｌＴ　：１ 多くの技（１′ｉ的、ｒ１学的用途て（−［、表面のト
ポグラフイ−と構造を、高い解像力で検査し評価しなけ
ればならない。特に重要なのは、マスク締部の位置を、
細分の１マイクロメートルまで精密に決定しなければな
らない、フォトリソグラフの用途である。

このように高い精度を必要とするため、この種の用途に
は光学的方法、とりわけ、干渉計による方法が、特に適
している。したかつて、例えばヨーロッパ特許出願明細
書第２１１４８号には、縁部の位置を、より一般的にい
えば表面のトポグラフィ−を検査するのに使用できる干
渉計による測定法か記載されている。実際の測定信号は
、高感度位相測定法を用いて、互に干渉しあう重ね合わ
された光束から導かれる。しかしこの方法は、高ざの差
がなく、同一平面上の散乱能が構造体となる諸点として
表わされるような構造をもつ表面の試験には、不適当で
ある。ドイツ特許出願公開明細書第２５１８０４７号に
記載されている、もう一つの干渉計による表面♂１１定
法についても、同じことがいえる。

平滑な表面を検査する場合、先行技術ては、反射光また
は散乱光の位相ｄ１す定てはなくて、強度測定を行う。

かかる試験中に試験システムの光軸に体する各点の距離
または絶対位置を測定すべき場合、先行技術によれば、
試験光束と被験表面を相対的に、移動することが必要で
ある。

強度測定のもう一つの欠点は、評価の際の制度が限定さ
れていることである。強度信号の絶対値は、一方では、
多くの場合正確にはわがっていない複数のパラメータに
依存しており、他方ではこれらの信号が高度に非線形で
あることが多いということによって左右される。例えば
、縁部が交差する場合に反射または散乱される光線を測
定すると、出力信号は階段上であり、あるいは暗視野測
定器の場合にはパルスの形をとる。一般に、このように
して得られた曲線上の特定の点を用いて、その縁部の厳
密な位置を定義する。しかしこの点の位置は、正確には
決定出来ず、或は、後で信号処理を施した後でしが決定
できず、この点と縁部の実際の位置が一散するのは、理
想的な条件の場合だけである。

〔発明の目的及び概要〕 従って光学測定システムと被験表面を相対的に移動させ
ずに、平面上の散乱点の位置を極めて、正確にタリ定す
ることができる、上記の種類の新規な測定方法を提供す
ることが、本発明の目的である。ざらに、この方法を実
施するための、余り精巧でなく安価な装置か提供される
。

ここに提供するタリ定法によれば、散乱構造（たとえば
、光学特性の異なる二つの領域の間のパ縁部″）を光軸
に対照的に入射する二本の光束で照射する。二本の入射
光束によって散乱構造で形成される散乱波は散乱エレメ
ントの光軸からの距離に正比例する。相互位相差をもっ
ている。当該技術で知られている、二つの散乱波間の位
相差を測定するための高感度の測定方法を用いると、こ
の距離を極めて高い精度で決定することができる。

その結果得られる出力信号は、厳密に線形であり、した
かつて正確に解釈することができる。

この方法を実施するために使用される測定器は、暗視野
照射の原理にもとづいて動作し、（直接反射光ではなく
）散乱構造で散乱きれる光りのみを位相測定のために評
価するものである。この測定器の構造は比較的単純であ
る。

本発明の方法によれば、光学系と被タリ定表面蓚相対的
に移動きせることなく、散乱物体の光軸に対する絶対位
置を極めて正確に測定することが可能になる。この方法
の実施および測定器の製造にかかる費用は、僅かであり
、誤差発生源の影響もやはり僅かであり、しかも測定速
度は大きい。いくつかの光学的パラメーター（例えば使
用する光束の開口角度等）を変えるだけで、この測定器
を複数の測定作業に適合させることができる。制御シス
テムを追加すると、この測定方法を例えばフォトリソグ
ラフ・マスク用など、極めて高精度の位置決めシステム
の基礎として用いることができる。

〔実施例〕

第１図は、物体の表面３にｙ軸（光学系の軸）θ に関して対称的に−の角度で入射する、互にコヒーレン
トな２つの平面波（光束１および２）を示すものである
。散乱点は、表面３上のｙ軸がら、距離Ｘの所に存在す
ると仮定する。二つの平面波１および２の相対位相位置
は、点０（ｘ−ｙ座標系の原点）で値がＯとなるように
調整されているものと仮定する。散乱点Ｘから放射され
、光束１および２中の２本の光線Ｓ１およびＳ２によっ
て生成される球面波は、第１図に示した幾何学的条件に
もとづき、点Ｏでの位相と、下記の値だけ異なる。

である。） すなわち、Ｘ点で散乱される球面波の全位相差は、その
２倍、つまり下記の値になる。

二つの散乱された球面波では、この位相差は観察の方向
と場所には無関係となる。

位相差測定では、Δｅ＝ｂ・１０−３πという高い解像
力をもつ高感度のタリ定方法が、先行技術で知られてい
る。二つの光束の重なり角がθ＝７°のとき、λ＝０．
６３マイクロメートルの波長をもつヘリウム・ネオン・
レーザを使用するとすれば、ｙ軸に対する散乱点Ｘの相
対位置を決定する際の測定精度は マイクロメ−１・ルとなる。

重なり角θを大きくすると、測定精度をざらに高めるこ
と力くできる。

互に垂直に偏光きれた二つの光束の位相差を正確に測定
する方法が、ヨーロッパ特許出願第１］７０８号に記載
されている。２本の光束（この場合は表面を照射するた
めに用いられる）が生成きれ複屈折光学素子によって再
結合される。位相差自体は、電気光学的補正によって求
められる。最新の動的干渉計による同様の位相差測定方
法も、知られている。

Ｘ値がπを上回らない限り、位相差Δｅと光軸からの距
１−ＩＩｔｘの間には、一義的な従属関係が成立する。

Ｘ値がπを越える場合は、 λ の周期をもつ鋸歯状曲線（第５Ｂ図）が得られる。

多くの用途では、例えばフォトリソグラフィ・プロセス
におけるフ副トマスクおよび半導体ウェハの線幅測定に
は、この多値性は望ましくない。

表面を相対的に移動させることによって、鋸歯状曲線が
最初から得られる場合にのみ、光軸からの距離の一義的
な値を求めることがてきる。この望ましくない多値性は
、回折を抑制した光束径路を用いることによって除かれ
る。

第２図は、実際に好んで用いられる回折抑制光束径路を
示したものである。この径路中て、重ね合わされた光束
か収束され、その結果化じる重ね合ねされた視野（焦点
）の直径りは、方程式２の単−域より小きくなる。回折
理論によれ（ｆこの直径りの値は であり、従ってエアリ−の縁板を形成するので、このた
めに必要な条件は、開口角度Ｏの収束されたレーザ光線
の焦点で得られる（Ｎ、Ａは光学系２０の開口数である
）。

第２図に示した光束曲線の場合、互に垂直に偏光された
二つの部分光束２１と２２は光軸に沿って互に接し、両
部分光束の中心軸か角度Ｏをなして、開口角度Φで被試
験表面３上に収束される。

この光束は、比較的小きく、従って角度Φも比較的小ざ
いので、平面入射波にもとづく散乱された球面波の位相
差に関して第１図について行った説明が、この場合にも
あてはまる。

第２図にもとづり６１ｊ定器中で、焦点Ｏの中心での位
相差かＯとなるように、光束か対照的に案内される場合
、回折円盤の縁部に反って測定した位相差は、それぞれ
−πおよび＋πとなる。すなわち、焦点を横切って移動
する縁部は、二つの散乱波の位相差を直線的に一πから
＋πへと変化させ、測定値△ｅ−Ｏは焦点の縁部の中心
位置を極めて精確に示す。信号曲線（第５Ａ図）が、直
線的であるため、この中心位置からの偏位は、極めて精
確に決定できる。即ち、技術的に検出されるカフ偉力は
約３・１Ｏ−３Ｄである。位相測定は極めて速＜　（０
，１ミリ秒以下）実施できるので、細度も」り定し平均
値を求めることによって、さらに高い精度を得ることが
できる。

光軸に関して対象的に伸びる二つの光束は、被験表面の
凹凸や高度差によって位相差か生じ、散乱球面波の結果
として生成される測定しんこうを偽造することを防止す
る。

第３Ａ図は、実際に使用されている測定器の更正の概略
図である。位相差は、前述の電気光学的７１ｕ正法を用
いて、散乱光中てのみ測定される。被験表面３を照射す
るレーザー光３０は、入／２板３】、偏光子３２、電気
光学的位相変調器３３とレンズ３４を通ってウラストン
・プリズム３５に入射し、ここで二つの互に垂直に偏光
された部分光束（粗いｉ：”を線部）に分割され、反射
ダイアフラム３６と収斂レンズ３７（例えば、顕微鏡対
物レンズ）を通って表面３に入射する。表面３の散乱構
造から放射する光（密な１」線部の光束３８ａ、３８ｂ
）は、反射ダイアフラム３６を経て偏光子３９および光
検出器４０に向かい、そこでその位相差が周知の方法で
検査される。第３Ｂ図（平面図）および第３Ｃ図（側面
図）から分るように、反射ダイアフラム３６は、入射光
および表面３ｈ・らの主反射光を通す、楕円形開口部を
もつ。測定光は、斜線を施した反射面によって光検出器
４０上に偏向きれる。第３Ａ図にもとづく測定器は、こ
れで照射光から伺の干渉も受けずに暗視野観測を可能に
する。このような効果かえられるのは、反射ダイアフラ
ム３６が収斂レンズ３７の後方焦点面上に配置され、従
ってレンズ３７と表面を経てそれ自身の上に結像される
場合である。

第４Ａ図は、表面で散乱した光をどのようにすれば光検
出器４０のみに当てることができるかについてのもう一
つの方法を示したものである。この目的のために、第４
Ｂ図および第４Ｃ図に拡大して示した相補ダイアフラム
５０Ａと５０Ｂを使用する。斜線を施した部分は不透明
である。ダイアフラム５０ａは収斂レンズ３７の後方焦
点面内の照射光束径路中に置き、ダイアフラム５０ｂは
、第４図の反射ダイアフラム３６の代りをする半反射鏡
５１の後方の評価すべき光束の径路に置く。第５図にも
とづくθり定器は、反射ダイアフラムの楕円開口部を必
要としないが、分光鏡て光損失か起こる。

第５Ａ図わよび第５Ｂ図は、上述の装置で得られた測定
曲線を示したものである。第５Δ図で使用した測定点は
、回折が制限きれていないので、光軸の下方て散乱点を
通る場合には、鋸歯状曲線が得られる。方程式（４）を
満足する回折制限測定器では、第５Ｂ図に概略的に示し
たような、位相差が光軸からの距離の関数として単調増
大する、一義的測定信号が得られる。こσ場合、敗乱体
の光軸からの距離の絶対値を、相対移動なしに決定する
ことかできる。そのための唯一の前提条件は、散乱要素
に収束光点か当たるということである。

線幅測定または二線間の距離の測定のためには、焦点の
下方て表面３を通過させる。二つの縁部の距離は、テー
ブルの移動距離と干渉計による位相ＩＩＩ定信号との和
から導かれる。

位相感応性評価による上記の暗視野干渉法では、精巧な
手段を必要とせずに、平坦な表面上の散乱構造の絶対位
置を非常に大きな精度で測定することが可能である。こ
れらの利点は、−１ｉ１２的に使われている強度測定の
代わりに位相測定を初めて採用したことによるものであ
る。散乱要素の位置の測定精度は、光学系の解像力の３
００倍にも増大した。

ここに述べたｄ！す定力法は、散乱要素をもつ全ての表
面に適用できる。散乱要素としては縁部、粗面、光学的
に異なる表面間の境界領域等が含まれる。重要な応用分
野は、現代のフォトリソグラフィ工程で生じる、高度差
は僅かであるが強い散乱特性を示す２．いわゆるレジス
ト・エツジである。

上述の方法のもう一つの応用分野は、縁部および類似の
散乱構造の直線性試験である。このためには、表面をエ
ツジ方向に移動して、エツジでは、位相方向に影響を与
えるのみで光軸からの距離は変化しないようにする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ここに提案する発明の詳細な説明するための
、散乱性表面上で重ね合わされた二つのコヒーレントな
平面波の概略図である。 第２図は、散乱表面の収束照射のための光束径路の概略
図である。 第３Ａ図は、第１図にもとづく測定方法を実施するため
の測定器における、光束径路の原理を示したものである
。 第３Ｂ図、第３Ｃ図は、散乱光用の反射鏡の平面図およ
び側面図である− 第４Δ図、第４Ｂ図、第４ｃ図は、第１図にもとづく測
定方法を実現するための測定器のもう一つの実施例およ
びそこで用いる相補ダイアフラムを示したものである。 第５Ａ図、および第４５８図は、エツジ形構造の　　。 操作中に本発明によって得られた線形出力信号の例であ
る。 １．２−・　入射光束、ｓｌ、ｓ２・　光線、３・・・
被験表面、２０・・・光学系、２１．２２・−・端光さ
れた部分光束、３０・　・レー／−１３１・−λ／２板
、３２・・偏光学、３３・・・・電気光学的位相変調器
、３４・・・レンズ、３５・・・ウラストン・プリズム
、３６・・反射ダイアフラム、３７・・収斂レンズ、３
８ａ、ｂ・・・・反射光束、３９　　偏光学、４０・・
・光検出器、４２・　楕円開口部、５０ａ、ｂ・・・・
相補ダイアフラム、５１・・・半反射鏡。 出願人　　　　　インターナショナル・ビジヤス・マシ
ーンメ・コーポレーション代理人　　弁、埋土　　岡　
　１）　次　　生（外１名） ＦＩＧ、　３　Ａ ＦＩＧ、　３　Ｃ ＦＩＧ、　４Ａ ＦＩＧ、　４８ ＦＩＧ、　４　Ｃ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互に傾き、互に垂直な偏光方向をもつ２木の光束を表面
   に当て、該表面から放射される偏光方向の異なる光波の
   位相差を測定する表面の測定方法であって、上記位相差
   を上記表面で拡散散乱されり光の２つの惰先方向を測定
   することによって求める事を特徴とする表面の１ｊＩｌ
   ｌ定方法。