JPS61111402A

JPS61111402A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPS61111402A
Application number: JP23236284A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kodama; 賢一児玉
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1984-11-06
Filing date: 1984-11-06
Publication date: 1986-05-29

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】（発明の技術分野）本発明は、位置検出装置にかかるものであり、例えば半
導体デバイスの製造工程などにおいて、基板表面の高さ
位置を測定する位置検出装置に関するものであって、露
光装置におけるマスクとウェハとの間隔測定などに応用
可能なものである。

（発明の背景）従来集積回路（ＩＣ）などの製造工程におけるマスクと
ウェハ等の間隔の検出方法としては、例えばマスク及び
ウェハを顕微鏡で各々観察し、それぞれの表面に対して
交互に焦点を合わせ、その時の顕微鏡とマスク表面及び
顕微鏡とウニ八表面との相対的な位置関係からマスクと
ウニへの間隔の検出を行うものがある。すなわち、マス
ク及びウェハあるいは顕微鏡のいずれかを移動させて両
者の間隔を変化させて相互の焦点位置における距離差を
求めることによってマスクとウェハとの間隔を検出する
。

以上のような間隔検出を行うにあたっては、焦点位置の
検出が重要であるが、この焦点位置検出方法としては、
次のような２つの方法がある。まず第１の方法は、顕微
鏡でマスクあるいはウニへ表面上に微小なスポット光を
形成し、これと共役な像の大きさが最小になる位置をナ
イフェツジを利用して検出する方法である。第２の方法
は、前述した像の大きさが最小になる位置を、結像位置
に固定された微小な光電素子（あるいはスリット）！′
１″ｆ６”４″“−１”２ゝに７ｚ６．に５１Ｃｉるこ
と罠よって検出する方法である。

しかしながら、第１のナイフェツジを利用する方法では
、ナイフェツジの配置が検出精度に微妙に影響するとと
もに、光源としてレーザ光を用いた場合には、ナイフェ
ツジによってフレネル回折が生じ検出誤差の原因となる
という不都合がある。

また、第２の光１！素子を利用する方法では、光電素子
の出力から焦点位置を判断するため、炸点のずれている
方向を判別することができない。このため、焦点位置で
ある光電素子の出力最大の点を通りすぎろように、別言
すれば山登りの如くの操作を行って伸点位置を検出する
必要があり、時間がかかるという不都合がある。更に、
いずれの方法においても顕微鏡とマスクあるいはウェハ
との間隔を予め定められた特定の値にしか設定できない
という欠点もある。

（発明の目的）本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、マス
クあるいはウェハなどの位置を高精度に短時間で検出す
ることができる位置検出装置を提　　供することをその
目的とするものである。

（発明の概要）本発明による位置検出装置は、所定の仮想的な基準面（
ｒｐ）上に結像（集光点Ｐｓ、ｑｓ、ｒｓ　）Ｌ得る収
束光束（レーザービームＬＡ）を、対象物（マスク１．
ウェハ２）の被測定面に斜め方向から照射する投光手段
（レンズＬ１．Ｌ３，７．プリズム４）と、前記収束光
束の前記被測定面からの反射光束を結像する光学部材（
レンズＬ２’、Ｌ４゜８、プリズム５）を含むとともに
、前記対象物が前記基準“面と垂直な方向に移動したと
き、前記反射光束の結像点が前記光学部材の光軸と略垂
直な結像面上をその移動量に応じた量だけ動くように、
前記反射光束を屈折させる結像屈折光学系と、前記反射
光束の結像点の前記結像面上での位置を光電的に検出す
る光電検出手段（受光素子６，９゜１１．１２，２０）
とを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、対象物の移動量が反射光束の結像点の
移動量に対応する。この移動量を検知することによって
対象物の位置検出が行なわれる。

（実施例）以下、本発明にかかる位置検出装置を、添付図面を参照
しながら詳細に説明する。

まず第１図を参照しながら、本発明の基本的な原理を説
明する。第１図において、半透明部分と不透明部分とに
よって所定のパターンが形成されたマスク１の下側には
、ウェハ２が配置されている。マスク１の左斜上方には
、レンズＬ１が配置されており、右斜上方には、レンズ
Ｌ２が配置されている。

レーザビームＬＡは、レンズＬＩＫより集光されてマス
ク１に矢印ＦＡの如く入射する。このレーザビームＬＡ
は、マスク１０半透明部分を透過し、マスク１とウェハ
２の間に仮想的に定めた基準面ｒｐ上の集光点Ｐｓで収
束した後ウェハ２に達する。レーザビームＬＡは、マス
ク１で矢印ＦＢの如く一部は反射されレンズＬ２に入射
する。またレーザビームＬＡは、ウェハ２で矢印ＦＣ−
の如く反射されレンズＬ２に入射する。このレーザビー
ムＬＡのマスク４１による反射によって集光演Ｐｓの像
Ｐｍが形成され、レーザビームＬＡのウェハ２による反
射によって集光点Ｐｓの像Ｐ−ｗ−が形成される。これ
らの像Ｐｍ、ＰＷは、レンズＬ２によって拡大されて適
宜のスクリーン３すなわち結像面上（（投影される。

この場合において、マスク１とウェハ２との間隔が変化
すると、集光点Ｐｓを含み、基準面ｒｐと垂直な軌跡Ｓ
ｌ上で像Ｐｍ、Ｐ／ｗ′の間隔が変化することとなり、
このため、スクリーン３上の軌跡Ｓ２上の拡大された像
（拡大像）ＰＭ、ＰＷの間隔も変化することとなる。従
って、スクリーン３上における拡大像ＰＭ、Ｐｗの間隔
から、マスク１とウェハ２との間隔を求めることができ
る。

詳述すると、マスク１とウェハ２の間隔は、通常数十μ
ｍ程度と狭く、像Ｐｍ、Ｐｖを分離できるほど細い平行
ビームを実現するのは困難である。このため、レーザビ
ームＬＡがレンズＬ１で収束（結像）されてマスク１に
入射するようになっている。

１　１ゞ・集光点２゛０大きさ”１・ｘ　ｘ　ｐ　ｊと
′”パ２の必要とされる間隔よりも十分小さいことが望
ましい。マスク１あるいはウェハ２がレーザビームＬＡ
、レンズＬ１に対して上下動（基準面ｒｐと垂直な方向
に移動）すると、像Ｐｍ、ＰＩは、マスク１あるいはウ
エノ・２０表面に対して垂直な動静Ｓｌ上を移動する。

このため、拡大像Ｐ’Ｍ、ＰＷは、レンズＬ２０光軸に
対して傾いたスクリーン３上の軌跡Ｓ、上を移動するこ
ととなるう以上のようにしてマスク１とウエノＳ２の位置を検出し
、両者の間隔を測定することができる。しかしながら、
レンズＬ２の光軸とスクリーン３の傾きは、レーザビー
ムＬＡの傾きとレンズＬ２の拡大率で決定されるが、光
学系の縦倍率は横倍率の２乗であることから、拡大率を
高くするほどスクリーン３は光軸忙対して平行に近くな
る。このため、拡大率を高くすると、拡大像ＰＭ、Ｐｗ
の位置を正確に渭１定するのが困難になるという不都合
がある。以下に示す実施例は、かかる点に対しても配慮
されたものである。

次に、第２図を参照しながら、本発明の第１実施例につ
いて説明する。この実施例では、プリズムを使用するこ
とによって拡大像の位置を正確に測定できるようＫなっ
ている。第２図において、マスク１の左斜上方には、レ
ンズＬ３．プリズム４が各々配置されており、右斜上方
には、結像屈折光学系としてのプリズム５．レンズＬ４
及び光電検出手段としての光電素子６が各々配置されて
いる。光電素子６は、光ポジションセンナ、リニアアレ
イなどによって構成され、レンズＬ４の光軸と垂直な結
像面Ｓ３上に配置されている。

レンズＬ６に入射した平行なレーザビームＬＡは、プリ
ズム４によって光軸が曲折され、マスク１の半透明部分
を透過してマスク１とウェハ２との間（必らずしもその
必要はない）に定めた基準面ｒｐ上で焦点を結ぶように
、レンズＬ３．プリズム４の送光系が設定されている。

このため、上述したように、集光点ｑｓのマスク１及び
ウエノ・２の表面反射による像ｑｍ、ｑｗ’が各々形成
される。これらの像ｑ　ｍ、　ｑ　ｗを形成した反射光
束ＦＥ、ＦＦは、プリズム５を通り、レンズＬ４によっ
て再び結像され、光電素子６上に拡大像ＱＭ、ＱＷが形
成される。このとき、プリズム４，５の頂角、傾き、屈
折率などを適当な値に設定すると、像ｑｍ、ｑｍの軌跡
Ｓｌと拡大像ＱＭ、ＱＷの結像面Ｓ３とを平行にし、か
つレンズＬ３に垂直に入射するレーザビームＬＡの光軸
を、レンズ上４０光軸に平行（又は一致）させることが
可能となるう以上のように光軸が平行又は一致した状態においてレン
ズＬ４から見ると、像ｑｍｔｑ’Ｗ’は、あたかもＱＭ
、ｑＷの位置にあるかの如く観察される。

これらの虚像ＱＭ、ｑＷは、マスク１あるいはウェハ２
が上下動しても、レンズＬ４０光軸付近を、この光軸と
垂直の方向すなわち軌跡Ｓ１方向に移動するのみである
。このため、虚像ｑＭ、ｑＷの縦方向すなわちレンズＬ
４の光軸方向に対する動きがなく、拡大像ＱＭ、ＱＷの
動きも、レンズ上４０光軸に対して垂直の方向すなわち
結像面Ｓ３の上下方向のみとなる。この結像面Ｓ３に受
光面が一致するように受光素子６が配置されているため
、拡大像Ｑ、Ｍ、ＱＷの間隔を測定することができる。

かかる場合において、マスーク１とウェハ２との間隔を
ｑとすると、像ｑｍとｑ豐との間隔は２ｑとなり、更に
レンズＬ４による像の拡大率をｋとすると、拡大像ＱＭ
とＱＷとの間隔は、２ｑ、にとなる。

そこで上記のように、マスク１又はウェハ２の上下動に
より、拡大像ＱＭ、ＱＷをレンズ上４０光軸と垂直な結
像面Ｓ３上で上下動させるためのプリズム５の具体例に
ついて説明する。

第６図は頂角α、屈折率ｎのプリズム５の断面を示す。

第６図においては説明を簡単にするため、直交座標系ｘ
９．ｙのＸ軸がプリズム５のＡ１面（入射面）上にあり
、かつＡ１面がｘ　−７面に垂直な２次元モデルとして
表わしである。

更に、第２図中の像ｑｍ又はｑ／ＶＶ’に相当する適当
な点光源Ｏを設け、この点光源Ｏからの光束Ｂ（反射光
束ＦＥ又はＦＦ）がＡ１面に対して比較的大きな角度で
入射するような場合を考える。そこで点光源Ｏの座標を
（ｘ、ｙ）とし、この点光源Ｏをプリズム５のＡ２．Ａ
１面を通して見たときの見か、　　１ｊｌｏ、ａ’ｋＯ
’、ｔｕｂ、％°ＡＯ’Ｏｉ″＊’ｋ（Ｘ’、Ｙ’）と
すると、この座標（Ｘ／　、Ｙ／　）は次のように表わ
される。

次に、第２図中の像ｑｍ又はｑ／ｗ′が基準面と垂直な
軌跡Ｓｌに沿って移動することに対応して、点光源Ｏが
基準面と垂直な線Ｔ上を動くものとする。

線ＴはＸ軸に対してθだけ傾いているものとすると、点
光源０の座標値ＸとＹの関係（線Ｔの式）は次のように
表わされる。

Ｙ＝−θ・Ｘ＋Ｃ・・・（３）（ただし、Ｃは□定数）・　そこで式（１）　ｌ　（２）　）　（３）からＸ、
Ｙを消去すると点０′の座標値Ｘ′、Ｙ′の関係が次の
ように表わされる。

Ｙ’　＝Ｋ　−Ｘ’　＋Ｍ　　・・・（４）式（４）は
点Ｏ′の移動軌跡、すなわち線Ｔ′を表わすもので、Ｋ
がその傾きである、これは点光源０が線Ｔ上を移動する
とき、点ＯがＸ軸に対してθ′だけ傾いたＭＴ／上を移
動することを意味する。すなわち、−θ′二にである。

第２図でも説明したように軌跡Ｓ１と結像面Ｓ３とを平
行にするためには、線ＴとＴ′とが平行になればよいか
ら、−〇Ｉ＝−〇である。よって、これを満足するため
には式（５）から次の関係が成り立てばよい。

従って、第２図において、プリズム５０頂角αと屈折率
ｎ、及びＡ１面の軌跡ｓｌ　に対する傾きθとを式（７
）のような関係に定めれば、拡大像ＱＭ。

Ｑｗ　（あるいは見かけ上の像ｑＭ　、ｑｗ）は像ｑ　
ｍ　。

ｑ／Ｗ’の軌跡Ｓ１と平行、すなわちレンズＬ４の光軸
と垂直な結像面Ｓ３上を移動することＫなる。

第４図は第２図に対応してウェハ２のみを示す配置図で
あり、プリズム４と５を基準面ｒｐ（あるいはウェハ２
の表面）と垂直で、レーザビームＬＡの集光点ｑｓを含
む面に対して面対称に配置すると、レーザビームＬＡの
光軸１１をレンズＬ４の光軸１２　と平行（又は一致）
させることができる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

この実施例では、第５図に示すように、プリズムを使用
せず、そのかわりに偏心光学系を使用している。第５図
において、レンズ７．８は、破線部分をも含めたレンズ
の一部分を切り取ったものである。レンズ７．８は、マ
スク１の上方に適宜の間隔をおいて配置されているが、
その光軸ＡＸは、はぼマスク１あるいはウェハ２の表面
あるいはその延長上にあり、好ましくは、集光点ｒｓを
含む基準面に一致させるようにする。レンズ８の右方に
は、受光素子９が配置されている。この受光素子９の受
光面は、前記光軸ＡＸに対して垂直となっている。

平行なレーザビームＬＡは、レンズ７によってマスク１
の半透明部分を通過し、マスク１とウェハ２の近傍に平
行に位置する基準面上に焦点を結ぶ。このとき、マスク
１及びウェハ２の表面でレーザビームＬＡの一部が反射
される。これによって、集光点ｒｓのマスク１及びウェ
ハ２による像ｒｍ、ｒ’ｗが各々形成される。これらの
像ｒｍ、ｒ”Ｗは、マスク１あるいはウェハ２が移動し
たときに、レンズ８の光軸ＡＸに対して垂直な方向にの
み動く。従って、受光素子９の受光面上においても、拡
大像ＲＭ、Ｒｗは垂直方向に動くこととなる。この場合
においても、上述した実施例と同様に、マスク１とウェ
ハ２の間隔をｑ、レンズ８による像の拡大率をＫとする
と、拡大像ＲＭとＲｗの間隔は、２ｑ−にとなる。

以上のよ５に、第１及び第２実施例によれば、拡大像Ｑ
ＭとＱｗ　（あるいはＲＭとＲｗ　）の間隔を測定する
ことによって、マスク１とウェハ２の絶対的な間隔をレ
ンズ系の縦倍率の影響を受けることなく検出することが
できる。

次に、本発明の第６実施例についぞ説明する。

この実施例では、第２図又は第５図に示した実施例に対
し、第６図に示すように更に反射鏡１０を設げた構成と
なっている。

通常マスク１０半透明部分とウエノ・２０表面とのレー
ザビームＬＡの反射率は大きく異なっている。このため
、両者からの反射ビームを同一の受光素子で検出する場
合、電気的な感度の関係から強度の低い反射ビームに対
して検出誤差を生じやすい。しかしこの実施例では、マ
スク１及びウェハ２による反射ビームを反射鏡１０によ
って分離し、異なる受光素子１１．１２に入力するよう
にしている。このため、反射ビームの強度に応じて電気
系の利得を選択することができるので、高いＳ／Ｎ比を
得ることが可能となる。

次Ｋ、第７図を参照しながら、本発明の第４実施例につ
いて説明する。この実施例では、マスク１とウェハ２と
の間隔をあらかじめ定めた指令値に制御するものである
。なお、光学系の構成は、第１実施例、あるいは第３実
施例と同様である。

この第７図において、ポジションセンサー、又−はりニ
アフォトアレイ等の受光素子１１．１２は、処理回路１
３．１４に各々接続されており、処理回路１３．１４は
、減算器１５に接続されている。この減算器１５は、更
に他の減算器１６に接続されており、この減算器１６に
は、マスク１とウェハ２の間隔の指令値Ｓが入力されて
いる。

他方、ウェハ２は、ウェハステージ１７上に載置されて
おり、ウェハステージ１７は、駆動系１８によって上下
動可能となっている。この駆動系１８は、減算器１６の
出力に基づいて動作する。

次に、上記実施例の動作について説明する。マスク１と
ウェハ２の位置に対応してレーザビームＬＡが受光素子
１１．１２に入射すると、マスク１の基準面に対する位
置と、ウェハ２の基準面に対する位置との各々に対応す
る電気信号が処理回路１３．１４に各々入力される。処
理回路１３．ｌでは、入力信号に基づいて位置信号への
換算が行なわれ、これが減算器１５に各々入力される。

減算器１５では、ウェハ２の位置からマスク１の位置を
減算してそれらの間隔が求められ、出力される。

このマスク１とウェハ２の間隔と、あらかじめ設定され
た指令値Ｓとの減算が減算器１６で行なわれ、この結果
に基づいて駆動系１８が動作し、ウェハ２が上下動して
間隔の調整がリアルタイムに行なわれる。

以上の実施例では、マスク１とウェハ２との間隔と指令
値Ｓとの大小を判断するため、高い応答性が得られるの
みならず、指令値Ｓを任意の値に設定することによって
広範囲にマスク１とウェハ２の間隔を制御できろという
利点がある。なお、ウェハ２を移動させるかわりに１マ
スク１を移動させてもよいことは言うまでもない。−１
：１こ、第５図に示す実施例に対しても上記制御系を適
用することができる。

次に、第８図を参照しながら、本発明の第５実施例につ
いて説明する。この実施例では、マスクとウェハの位置
あるいは間隔ではなく、ウエノ・２の傾き、平面度ある
いはウエノ・２上の上方に設けた対物レンズに関する無
点検出を行うことができる。

第８図において、光学系は、第２図の実施例と同様であ
る。ウェハ２は、水平方向に非常に滑らかに移動可能な
ウェハステージ１９上に載置されている。また光電素子
２０の出力は、処理回路２１に入力されるように接続さ
れ、位置信号に変換されて出力されるようになっている
。

次に、その動作を説明すると、まずウェハステージ１９
によりウェハ２を移動させる。このとき例えばウェハ２
に凹凸や傾きがあるとすると、受光素子２０上で像の位
置が動くこととなる。これが受光素子によって検知され
、ウェハ２の表面のレーザビームＬＡのスポット光が照
射された部分の高さ方向の位置の変化として検知される
ことと！　なるっこれをウェハ２を移動させながら連続
して行うことによりウェハの凹凸や傾きを判断すること
ができる。なお、上記実施例と同様に、光学系として第
５図に示すものを用いてもよい。

上記実施例では、マスクとウニ・・の間隔の測定を中心
として説明したが、本発明は何らこれに限定されるもの
ではなく、位置の検出手段として広く応用し得るもので
ある。

なお、受光素子としては、−次元半導体装置検出器や一
次元ＣＣＤなどを用いることができるが、マスクとウェ
ハとが所定の間隔にあるか否かのみを判断するのであれ
ば、二分割半導体受光素子を用いてもよい。また、光源
としては、レーザビームである必要はなく、スリットあ
るいはピンホールなどの像を結像できる光束であっても
よく、レーザビームの投射側の光学系は、プリズム４や
レンズ７の偏心光学系等を設けることなく、第１図のよ
うなままでもよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明による位置検出装置によれ
ば、対象物の位置変化が光学系の縦倍率の影響を受ける
ことなくビー全スポット（結像点）の位置変化に変換さ
れるので、かかる対象物の１位置を高精度に短時間で検
出することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的な原理を示す説明図、第２図は
本発明の第１実施例を示す説明図、第３図はプリズムに
よる点光源のみかけ上の軌跡及びプリズムの形状と配置
を計算するための説明図、第４図は２個のプリズムによ
る入射ビームと射出ビームの光軸を平行にするための幾
何学的な配置を示す説明図、第５図は本発明の第２実施
例を示す説明図、第６図は本発明の第３実施例を示す説
明図、第７図は本発明の第４実施例を示す説明図、第８
図は本発明の第５実施例を示す説明図である。１・・・マスク、２・・・ウェハ、４．５・・・プリズ
ム、６゜９．１１，１２，２０・・・受光素子、７．８
・、Ｌｌ　、Ｌ２．Ｌ３．Ｌ４・・・レンズ、ＬＡ・・
・レーザビーム。代理人　弁理士　木　村　三　朗第２図ｔＡ第３図第４図第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定面を有する対象物を、該被測定面が所定の
基準面と略平行になるように配置し、前記対象物の前記
基準面と垂直な方向の位置を検出する装置において、前記基準面上に結像し得る収束光束を、前記被測定面に
斜め方向から照射する投光手段と、前記収束光束の前記
被測定面からの反射光束を結像する光学部材を含み、前
記対象物が前記基準面と垂直な方向に移動したとき、前
記反射光束の結像点が前記光学部材の光軸と略垂直な結
像面上をその移動量に応じた量だけ動くように、前記反
射光束を屈折させる結像屈折光学系と、前記反射光束の結像点の前記結像面上での位置を光電的
に検出する光電検出手段とを備えたことを特徴とする位
置検出装置。
（２）前記結像屈折光学系は、前記光学部材としての結
像レンズと、該結像レンズの光軸を屈折させるプリズム
とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
装置。
（３）前記結像屈折光学系は、前記光学部材としての結
像レンズを有し、前記反射光束を屈折させるために、該
結像レンズは前記反射光束が偏心して入射するように設
けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の装置。