JPS6037403B2

JPS6037403B2 - 間隙検出装置

Info

Publication number: JPS6037403B2
Application number: JP20021782A
Authority: JP
Inventors: 昭一谷元
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1982-11-15
Filing date: 1982-11-15
Publication date: 1985-08-26
Also published as: JPS5892805A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は平板の間隙を測定するための間隙検出装置に関
する。

例えばフオトマスクを用いたＩＣ，偽１のパターン焼付
法のうち、プｏキシミティ法とコンタクト法においては
フオトマスクとウヱ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、プロキシミティ法では、マス
クとゥェハのアラィメント及び露光の間、コンタクト法
ではフライメントを行なう間、マスクとウェハの間隙を
数〃の〜数十ム肌の設定値に保たねばならない。アラィ
メント時に設定間隔よりもマスクとウヱハが接近しすぎ
ると、マスクとゥェハが接触する危険性が高くなり、ウ
ヱハだけでなく、マスクをも痛めることがあり、また間
隙が大きすぎると、マスクとウエ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、すなわち傾きが起ったり
して、アラィ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霧光焼付時にマスクとゥェハの間隙
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４・さ
し、短波長の電磁波での焼付けにおいてもマスクとウェ
ハの傾きが生じ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。ウヱ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、
この間隙や傾きの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鮫正す
る必要がある。また、第３の方法では、光線の横ずれに
より測定するが、これは原理的に鮫正の必要はないが、
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、鮫正が不要で、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検出装置
を提供することである。

次に、本発明の実施例を図に塞いて説明するが、その前
に２つの平板の間隙をフレネル帯板を用いて測定するこ
とについて第１図に基づき説明する。

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
レネル論帯板３をマスク１に取りつけた平面図で第１図
Ｂはその断面図である。第１図において、フレネル論帯
板３は、同じ円の内からｎ番目の輪帯の半径ｍがｍ＝ｒ
，ノｎ，ｎ＝１，２，３ ………‘１｝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ｒ，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０．３山厚に蒸着し、透過部分３ａを除去して行
なわれる。

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、理論上無限個の焦点が存在する
。その焦点距離は、ｆ．＝千仙‐．・・．．・・…
・ち＝寿．・・．・・．・・．・・．・・．・・．
・・．・…乍＝馬．・・．・・．・…．・．．・．
．・．．・．．・り−．＝（；生六 ‐‐‐‐‐‐‐
‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‘５’である。

ただし、入は光の波長である。輸帯の数、即ち、ｎの最
大値をＮとおくとＮが１狼蔓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ミ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れ、高次の篤則
こ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つて、マ
スク１の回路パターン（不図示）と同一面に形成された
フレネル論帯板３を照明する。フレネル論帯板３の透過
部３ａを透過した光線は■式〜畑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次
焦点４，５次焦点５に収束していくが、焦点距離がマス
ク１とゥェハ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。関口数の大きな、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
レネル論帯板３と同一面内にあるとき、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
の如くフレネル論帯板３の中心に見える。更に詳述する
と、ＩＣ，ＢＩのパターン焼付の時のように、１０仏肌
前後の間隙を測定する場合、フレネル論帯板３は間隙の
２倍の２０仏肌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０．５４６仏肌（水銀のｅ
線）の光で観測する場合、ｆ，：２０ム肌とすると（２
｝式よりｒ，＝３．３仏のとなり、Ｎ＝１０とすると最
も外側の輪帯の幅は‘１）式よりｒ，ｏ−ｒ９＝０．５
３ムのとなり、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、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０．５４６ム肌，ｆ３：２０山肌と
すると、｛３｝式よりｒ，＝５．７一肌となり、Ｎ＝１
０とすると｛１｝式よりｒ，ｏ−ｒ９＝０．９１山肌で
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
減は帯の緑が両側に均等に増減する場合、焦Ｖ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１０ム仇以上の間隙を測
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次の焦点の光線が見え、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次の倉美点が見えるときに間隙が設定値であること
がわかる。

次に本発明の第１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、その点の間隙はわかるが、
その前後では検出できない。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はフレネル論帯列１３の平面図であり、同図
Ｂのマスク１１の下面に輪帯列１３が形成されている。
最も大きい輪帯板１３−８しか正確に図示していないが
、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
されるときのゥェハ１２面の位置を破線で示す。今、同
図Ｂのようにマスク１１とウェハ１２が平行だとすると
、この破線とゥヱハ１２表面の交点とその近くで光点１
６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の中で中心の最も
明るい輪帯板を見出すことによって間隙が測定できる。
第２の実施例を第３，４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２３一８の如く直線状の帯より
成っている。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‘ｌｉ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に，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２３一８も直線的な
方が形成しやすい場合が多い。この直線状のフレネル帯
板２３一８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２３一８
しか正確に図示してないが、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。次に第３実施例
を第５図に基いて説明する。

第３の実施例は、第１第２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成る帯列を利
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、これは、第
４図に示したような１次元フレネル帯板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４・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３１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、マスク３１とウェハ３２が平
行だとするとこの破線がウェハ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。そこで、この光点３６の結像状態を観測するこ
とによってマスク３１とウェハ３２の間隙が測定できる
。第１〜３の実施例に示したフレネル論帯列またはそれ
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、フレネル論帯列または１次元フレ
ネル帯板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，瓜１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枚のマスクを暁付ける前に以前に
競付けされたフレネル論帯板又は１次元フレネル帯板の
帯列、即ちフレネル帯板のパターンがある。そこで各マ
スクにおけるフレネル帯板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暁付け時には滑らかな
ゥ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、ウヱハで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し、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検出を例に挙げ
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つの物体の間隙を検出する場合、両平面が滑らかで
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
成る物体の間隙検出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成されていてもよ
い。

或は、不透過とする代りに、中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るので、
今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、通常のアラィ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検出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枚の平板の間隙検出では、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検出では、
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、検出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、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成し、
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検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いるフレネル帯板の平面と断面を示
す図であり、第２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３図は本発明の第２の実施例の平
面図であり、第４図は第３図に図示の第２の実施例の変
形例の平面図であり、第５図は本発明の第３の実施例の
平面と断面を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕フレネル帯板・・・３，１
３，２３，２３′，３３。フｒ了図才２図オ３図才４図矛５図

Claims

【特許請求の範囲】

１光を通過する第１平板と、これに対向した第２平板
との間隙を検出する装置において、前記第１平板への
入射光をそれ自身の固有の焦点上に収れんさせるととも
に、互いに異なる焦点距離を有する実質的に複数のフレ
ネル帯板を前記第１平板上に設け、該第１平板と前記第
２平板とを間隙が変わる方向に相対的に移動させながら
、前記実質的に複数のフレネル帯板によつて形成された
光像の結像状態を検出する検出手段を設け、前記実質的
に複数のフレネル帯板の夫々に個有の焦点距離から、前
記第１平板と第２平板との様々な間隙を検出することを
特徴とする間隙検出装置。