JPS59128404A

JPS59128404A - 間隙検出装置

Info

Publication number: JPS59128404A
Application number: JP331683A
Authority: JP
Inventors: Junji Hazama; 間　潤治; Kinya Kato; 欣也加藤; Shoichi Tanimoto; 昭一谷元; Hisao Izawa; 伊沢　久男
Original assignee: Nikon Corp; Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1983-01-14
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1984-07-24

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】本発明は、少なくとも一方が透明な２つの平板の間隙を
検出する装置に関するものである。更に詳しくは、本発
明は、例えば半導体装置を作るためのプロキシミテイ露
光装置において、マスクとウェハとの間隙を検出する場
合に適用して有効な間隙検出−装置に−青す第１−の−
である。

従来よ多間隙（ギャップ）を検出する装置としては、静
電容量の変化を検出する、ものや、光学的な結像状態を
検出するもの等が考えられている。

しかしながら、プロキシミテイ露光装置のように、マス
クとウェハとの間隙が１０〜２０μｍ程度になると、従
来の光学的な検出方法では、間隙が狭いために検出不可
だったシ、検出精度が低かったシした８ことにおいて、本発明は、従来技術における前記したよ
うな欠点を解決し、高精度で２つの平板間の間隙を検出
できる装置を提供しようとするものである。

本発明に係る装置は、２つの平板の略垂直な方向に所定
間隙だけ離れて結像する第１．第２光束を射出する光束
射出手段と、各平板の第１．第２光束の結像状態を別個
に検出する第１．第２の検出手段と、光束射出手段と各
平板とを相対的に移動させる手段と、第１．第２の検出
手段からの信号の出力順序を判別する手段とを含んで構
成した点に特徴がある。

第１図は本発明に係る装置の一例を示す全体構成図であ
る。この図において、レーザ光源１からのレーザ光は、
光束形成手段２によって断面が帯状の光束に拡大され、
ミラー６で反射きれて２光束手段４に入射する。この２
光束手段４は、例えば結晶軸の方向を互いに直角にして
貼９合せた２枚の水晶板による２重焦点素子が使用可能
である。

これらは、結像位置が所定間隔ｇだけ離れた第１゜第２
の光束を射出する光束射出手段を構成している。

２光束化手段４を射出しだ第１．第２のレーザ光束は、
互いに偏光方向が直交する２つの光束であって、この２
つの光束はハーフミラ−５で反射され、対物レンズ６で
収束される。ここで、対物レンズ６を射出する第１．第
２の光束を、各々ＢＭ。

ＢＷとすると、光束ＢＭと光束ＢＷの結像位置は、対物
レンズ６の光軸に沿って、予じめ定められた間隙ｇとな
る。すなわち、マスクＭとウェハＷとが、ギャップｇで
対向すると、マスクＭ、ウェハＷ上に各々光束ＢＭとＢ
Ｗによるスポット光が結像する−このため、対物レンズ
６の焦点深度がギャップｇよりも小さくなるように、そ
の開口数は大きく定められている１、さて、マスクＭやウェハＷ上で反射された光情報は、対
物レンズ乙に逆入射し、ハーフミラ−５を一透過して、
偏光ビームスプリッタ７に達する。

この偏光ビームスプリッタ７は、マスクＭとウェハＷか
らの光情報を偏光によって２つに分離して、各々第１．
第２の光電検出器８，９に導びかれる。

光電検出器８の受光面は、光束ＢＭの結像位置と共役に
定められ、また、光電検出器９の受光面は光束ＢＷの結
像位置と共役に定められている。これらの第１．第２の
光電検出器８，９としては、マスクＭやウェハＷ上のス
ポット光の大きさを検出することができる例えば１次元
イメージセンサが使用される。

ウェハＷは、ベース２０上を２次元移動可能なステージ
２１によって、図中紙面内の左右方向と、紙面と垂直な
方向に移動される。また、ステージ２１上には、駆動手
段２２が設けられ、ウェハＷを載置するウェハホールダ
２３を上下動させる。

また、ベース２０には、コラム２４が設けられ、このコ
ラム２４には、マスクＭを保持するマスクホールダ２６
が設けられている。ウェハポールダ２３は、マスクＭと
ウェハＷとのギャップを設定するために上下動する。ま
た、この実施例においては、対物レンズ６がベース２ｏ
やマスクＭに対して光軸方向に上下動可能となっている
。これによって、マスクホールダ２６とウェハホールダ
２３とを一体に上下動させて焦点合せするよりも制御を
簡単にできるようにしである。

第２図は、対物レンズ６の上下動機構の一例を示す説明
図である。この図において、モータ３０の回転を送シネ
シロ１に伝える。送シネシロ１の回転によって、対物レ
ンズ６が上下動する。また、対物レンズ６の移動量は、
送りネジ６１の回転数を検出するエンコーダ６２のパル
ス出力によって求められる。

第６図及び第４図は、対物レンズ乙によって結像された
スポット光とマスクＭ、ウェハＷ上に設けられた各マー
クとの関係を説明するだめの説明図である。

第３図（、）は第１図の正面拡大図、第６図（静は第１
図を横から見た拡大図、第４図は対物レンズ乙の視野６
ａ内でのスポット光と各マークの配置を示す。

これらの図において、第１の光束ＢＭ、第２の光束ＢＷ
は、それぞれ対物レンズ乙の光軸と光束の中心とが一致
する工うに対物レンズ６から出射する。光束ＢＷによる
帯状のスポット光ＷＳは、マスクＭの透明部分を通って
ウエノ・Ｗ上に形成された、幅５μｍ、長さ１００μｍ
程度の格子状パターンのマーク４０を照射する。

一方、光束ＢＭによる帯状のスポット光ＭＳは、対物レ
ンズ６の光軸上でスポット光ＷＳの上方に間隙ｇだけ離
れた位置に結像し、マスクＭに形成された幅５μｍ、長
さ１００μｍ程度の格子状パターンのマーク４１を照射
する。ここで、スポット光ＷＳとスポット光ＭＳは、互
いに平行となるように定められ、その長手方向はマーク
４０．４１の格子の配列方向とも一致している。寸だ、
スポット光ＷＳ、ＭＳの幅は、マーク４０．４１の幅と
はｙ等しく定められている。＼なお、これらのマーク４０．４１は各スポット光ＭＳ、
ＷＳでアライメントするだめのキーパターンであり、マ
ーク４０と、マーク４１が重畳して位置したとき、マス
クＭ上の回路パターンとウェハＷ上の回路パターンとが
整合するように定められている。また、マスクＭには、
マーク４１と平行なエツジを肴する反射部４２が形成さ
れている。このマーク４１と反射部４２のエツジの間隔
は、対物レンズ６の開口数と、間隙ｇとによって決まる
光束ＢＷの光路を遮蔽しないように定められている。ま
た、反射部４２は、マスクＭからの反射光を得るために
設けられたものであるが、この反射部４２はマスクＭの
回路パターン中の一部を利用してもよい。

第５図は光電検出器８，９か鋏の信号を入力し、間隙の
大きさを判別する判別手段の一例を示す構成ブロック図
である。ここでは、各光電検出器８゜９として一次元イ
メージセンサを使用した場合を例示する。

この図において、−次元イメージセンサ８の出力信号は
、スポット光ＭＳの大きさを検出するスポットサイズ検
出回路１００に印加される。なお、−次元イメージセン
サ８は、その各受光素子の配列方向とスポット光の長手
方向とが直交するように配置されている。スポ、ット光
Ｍ　’Ｓが、マスクＭ上の例えばクロム、金等の反射部
４２に正確に結像すると、−次元イメージセンサ８の受
光面上でも、スポット光が正確に結像する。、この場合
、受光面上のスポット像の幅が最小となる。また、スポ
ット光ＭＳがボケると、受光面上のスポット像の幅は広
がる。それ故に、スポットサイズ検出回路１００は、−
次元イメージセンサ８の各受光素子のうち、所定値以上
の光電信号を出力している受光素子の数を計数して、計
数値が最小になったとき、検出信号Ｓ１を出力して、ス
ポット光ＭＳがマスクＭに合焦していることを検出する
。

ウェハＷ上のスポット光ＷＳについても、全く同様に一
次元イメでジセンサ９の出力信号を入力するスポットサ
イズ検出回路１０１によって、合焦検出がなされ、スポ
ット光ＷＳがウエノ・Ｗ上に結像すると、検出信号Ｓ２
が出力される。

これらの検出信号Ｓ、、Ｓ２は、インターフェース回路
１０２（以下ＩＦ１０２と略す）を介して、マイクロコ
ンピュータ１０３（以下マイコン１０３と略す）に入力
される。

マイコン１０６は周知の通シ、装置の動作制御のための
情報や、各種外部情報を記憶するＲＡＭ。

ＲＯＭ等の記憶回路と、それらの情報に基づいて演算処
理したり、比較判断を行なうだめの中央演算処理回路等
を含んでいる。また、マイコン１０６は、ＩＦ１０２を
介して第１図の駆動手段２２へ駆動情報Ｓ、を出力する
とともに、駆動手段２２からウェハホルダ２６の上下動
の移動量情報Ｓ４を入力する。更に、マイコン１０３は
、ＩＦ１０２を介して第２図のモータ６０を駆動させる
駆動信号Ｓ５を出力するとともに、エンコーダ６２のパ
ルス出力に基づく対物レンズ乙の位置情報Ｓ６を入力す
る。

このように構成した装置の動作を、次に第６図及び第７
図を参照しながら説明する。なお、第６図及び第７図に
おいて、検出信号Ｓ、、Ｓ、を表わすグラフの縦軸は対
物レンズ６の移動位置に対応している。ここで、第６図
は、マスクＭとウエノ・Ｗの間隙が所定値よシも小さい
場合を示し、第７図は所定値よりも大きい場合を示す。

まず、第６図の場合、マスクＭとウエノ・Ｗの間隙をｄ
とすれば′、２つのスポット光ＷＳ、ＭＳの間隙ｇは、
ｇ＞ｄである。

第１の光束Ｂｂｆ、第２の光束ＢＷは、はじめマスクＭ
の透明部を照射する。そして、対物レンズ６卆マスクＭ
Ｏ−上方から下方へ移動するようにモータ６０を駆動す
る１、光束ＢＷのスポット光ＷＳがウェハＷ上に合焦子
ると、スポットサイズ検出回路１０１は、対物レンズ乙
の位置Ｐ１で検出信号Ｓ２を出力する。マイコン１０６
は、この検出信号Ｓ２の入力によって、位置情報Ｓ６を
読み込み、位置Ｐ、を記憶する。

更に、対物レンズ６が降下すると、光束ＢＭのスポット
光ＭＳがウエノ・Ｗ上に合焦し、位置Ｐ２で検出信号Ｓ
ｌが出力される。マイコン１０６は、この位置Ｐ、を記
憶する。なお、位置Ｐ１と、Ｐ２の差分は間隙ｇと同一
である。次に、スポット光ＭＳ。

ＷＳが、マスクＭの反射部４２上に結像するように第１
．第２の光束ＢＭ、ＢＷを偏芯させる。これは、例えば
第１図におけるミラー３を微小可傾けて行なわれる。

そして、対物レンズ６を下方から上方へ移動させる。そ
うすると、スポット光ＭＳが反射部４２に結偉し、その
位置Ｐ３で、スポットサイズ検出回路１００は、検出信
号Ｓ１を出力する。更に、対物レンズ６を上昇させると
、位置Ｐ４でスポット光ＷＳが反射部４２に結像し、検
出信号Ｓ２が出力される。

そこで、マイコン１０３は、その２つの位置Ｐ３＋Ｐ４
を記憶する。なお、位置Ｐ３とＰ４の差分は、間隙ｇと
等しい。ここで、マイコン１０６は、第２の光束ＢＷの
スポット光ＷＳによる位置”１　＋　”４　＋第１の光
束ＢＭのスポット光ＭＳによる位置Ｐ２．　Ｐ３をそれ
ぞれ対応付けて記憶する。

そして、マイコン１０６は、記憶した位置Ｐ１〜あるか
否か判別する。ここで・位置Ｐ２は・３ボ２ト光ＭＳが
ウエノ・Ｗ上に結像した場合、位置Ｐ４はスポット光Ｗ
ＳがマスクＭ上に結像した場合であって、本来の間隙検
出用の情報としては、不必要なものである。よって、マ
イコン１０６は、位置Ｐ、とＰ、の情報から、Ｐ、＜　
Ｐｓの比較、すなわち、Ｐｌ−Ｐ、の演算を行なう。こ
の結像Ｐ、−Ｐ、（０であるから、マイコン１０６は、
距離ｄが間隙ｇｊＪも小さいと判断し、ｄとｇの差分が
ｌ　Ｐ、　−ｐ！’−１であることも検出する。

これによって、マイコン１０６は、ＨＰ、　　ｐｓｌの
値だけウエハホールダ２６をマスクＭから離す方向に移
動させるだめの駆動情報ｓ３を出力する、このようにし
て、マスクＭとウェハＷとの距離ｄは、間隙ｇと等しく
設定される。

第７図の場合（ｄ＞Ｈの場合）は次の通りとなる。対物
レンズ６を上下方向に同様に走査して、各検出信号Ｓ、
、Ｓ２に応答して、マイコン１０３は、位置Ｐ、　−Ｐ
、を記憶する。このよりなｄ＞ｇの場合、Ｐ４　＜　Ｐ
ｓ　＜　ＰＩ　＜　Ｐ２となる。そこで、マイコン１０
３は、ｐ、−ｐ３＞ｏからｄ＞ｇを検出し、更にその差
分１ｐ、ｐｓｌを検出してウェハＷがマスクＭにＨＰ、
　　ｐｓｉだけ接近するように駆動情報Ｓ、を出力する
。

以上のようにして、マスクＭとウェハＷとがいがなる距
離で離れていたとしても、対物レンズ６の上下方向の走
査のみで、所定の間隙ｇからのずれ量と、そのずれの方
向（狭いか広いか）を高精度で検出することができる。

第８図は、本発明に係る装置の第２の実施例を説明する
ための説明図である。この実施例においては、第１の光
束ＢＭと第２の光束ＢＷとを予じめ偏心させて、スポッ
ト光ＭＳとＷＳとが重ならないようにし、高速で間隙検
出が行なえるようにしたものである。なお、これらの光
束ＢＭ、ＢＷは、第１図に示した実施例と同様に同一の
対物レンズから射出するようにしてもよいし、２つの対
物レンズから独立に射出するようにしてもよい。

第２の光束ＢＷは、マスクＭの透明部を通ってウェハＷ
を照射するようにし、光束ＢＷに対して偏芯した第１の
光束ＢＭは、マスクＭの反射部４２を照射するようにす
る。ここで、第１．第２の光束のスポラ）ＭＳ、ＷＳの
結像位置は、間隙ｇに定められている。

この状態で、対物レンズを上方から下方へ移動させると
、スポット光ＷＳがウェハＷ上に結像し、その時の対物
レンズの位置ｐｗで、検出信号Ｓ１が出力される。さら
に、対物レンズを降下させると、スポット光ＭＳが反射
部４２上に結像し、位置ｐｗで検出信号Ｓ、が出力され
る。

マイコン１０６は、位置ｐｗとＰＭ及び検出信号Ｓ、、
Ｓ、の出力順序とに基づいて、距離ｄが間隙ｇに対して
狭いか広いかを検出し、その差分を検出する。

第８図の場合、Ｐ　Ｗ（Ｐ　Ｍであるから、ｄｉｇとし
て検出される。

この第２の実施例によれば、対物レンズとマスクＭ、ウ
ェハＷとを相対的に一方向に移動させるのみで、間隙検
出ができるので、第１図に示す実施例に比べて高速な処
理が達成され得る。

なお、上記の各実施例において、マスクＭとウェハＷと
を予じめ間隙ｇよシも広く（又は狭く）なるように配置
した後、対物レンズ６を上下動させて、マスクＭとウェ
ハＷとの間隔を検出してもよい。この場合、判別手段は
、間隔ｄが間隙ｇに対して広いか狭いかを判別する必要
はなく、間隔ｄ°のｇに対するずれ量のみを判別すれば
よい。

壕だ、上記の各実施例では、スポット光ＭＳ。

ＷＳは、帯状の細長いスポットとしたが、普通の円形ス
ポットでもよい。また、スポット光のマスクＭやウェハ
Ｗへの合焦検出は、スポットサイズ検出回路１００，１
０１によって行なったが、合焦したとき検出信号を出力
する検出手段で返れば、スポットサイズの検出に限るも
のではない。また、第１．第２の光束ＢＭ、ＢＷは、マ
スクＭやウェハＷに垂直に入射させたが、必ずしも垂直
である必要はなく、２つの光束ＢＭ、ＢＷの結像位置が
、マスクＭやウェハＷの面と垂直な方向に所定間隔だけ
離れてさえいれば、２つの光束ＢＭ、ＢＷの入射角度は
任意に定め得る。

以上説明したように、本発明によれば、２つのスポット
光を対向する２つの平板の各々に結像させ、その結像状
態を別個に検出するようにしたもので、高精度で微小間
隙を検出することのできる装置が実現できる。また、光
学手段と２つの平板とを相対的に移動させて、別個に検
出した２つの検出信号の出力順序を判別するようにした
もので、両平板の局所的な領域を両平板の間隙を変える
ことなく、高精度で、かつ高速で検出できる。このため
、複数の局所領域での間隙を検出しておいて゛、両平板
の平行度や傾き等を直ちに修正することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の一例を示す全体構・　　成
因、第２図は第１図における対物レンズの上下機構の説
明図、第６図及び第４図は結像されたスポット光とマス
ク、ウェハに設けられた各マークとの関係を説明するた
めの説明図、第５図は判別手段の一二例を示す構成ブロ
ック図、第６図及び第７図は動作説明図、第８図は本発
明の第２の実施例を説明するための説明図である。１・・・レーザ光源、２・・・光束形成手段、４・・・
２光束手段、６・・・対物し・ンズ、７・・・偏光ビー
ムスプリッタ、８，９・・・光電変換器、ＢＭ・・・第
１光束、ＢＷ・・・第２光束、Ｍ・・・マスク、Ｗ・・
・ウェハ。代理人　弁理士　木　村　三　朗７１厘７２図士３図才４図 ″）＝５図ｆ′６図　　　　　　　オフ図７８図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも一方が光透過性の第１平板と第２平板
とを対向させ、両平板の間隙を検出する装置において、前記両平板と略垂直な方向に所定間隔だけ離れて結像す
る第１及び第２光束を射出する光束射出、手段と；該第
１及び第２光束を光透過性の平板から入射したとき、該
第１光束の結像位置が前記第１平板と略一致したとき第
１検出信号を出力し、第２光束の結像位置が第２平板と
略一致したとき第２検出信号を出力する検出手段と；前
記光束射出手段と両平板とを相対的に移動させたときに
発生する前記第１検出信号及び第２検出信号の出力順序
に基づいて両平板の間隙の大きさを判別する判別手段と
を備えたことを特徴とする間隙検出装置。
（２）前記光束射出手段は、第１・、第２光束をその光
軸が互いに異なるように射出し、該第１光束は光透過性
の第１平板に形成された光反射部を照射し、第２光束は
第１平板を透過して第２平板を照射することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の間隙検出装置。