JPS62190410A - 試料面位置測定装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、試料面の高さ等を光学的に測定する試料面位
置測定装置に係わり、特に半導体製造装置におけるウェ
ハやマスク等の試料面の高さを測定するのに適した試料
面位置測定装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ＬＳＩ製造装置１例えば電子ビーム露光装置において、
半導体ウェハやマスク基板等の試料にパターンを描画形
成する場合、試料の反フその他の要因によシ試料表面の
高さく光学系に対する距離）が変動すると、描画パター
ンに誤差が生じる。そこで従来、試料の高さ方向の変動
量を測定し、該変動量に応じてその補正全行う方法全採
用している。

試料面高さ測定装置としては、第５図に示す如く光学的
手法全利用したものがある（特開昭５６−２６３．２号
令報）。この装置では、レーザ光源りから放射され次光
をレンズＬ□によりスポット状に集束して試料面上に照
射し、その反射光をレンズＬ２によって検出器り上に結
像させる。そして、この検出器りの検出出力を演算処理
することによって、試料表面の高さ位置を測定している
。

しかしながら、この種の測定装置にあっては次のような
問題があっ之。即ち、試料面上に照射された光束内で、
第６図に示す如く試料７０の表面に反射率の高い部分７
１と反射率の低い部分７２とがあると、反射率の差異に
よる光束内光量分布に測定誤差を生じる。例えば、最近
多くの所で使用されている光１その重心位置全測定する
ＰＳＤ（半導体装置検出素子゛）を検出器に使用した場
合、第７図（ａ）に示す如き光量分布の差によって、同
図（ｂ）に示す如く重心位置が変ルカしてしまい、測定
誤差を生じる。

また１例えば先覚顕微鏡等で良く知られている振動スリ
ット法による位置検出手段においても同様なことが言え
、光束内光量分布の不均一性が測定誤差を招くことにな
る。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情を考慮してなされ念もので、その目的
とするところは、被測定面の反射率の差によって生じる
測定誤差全低減することができ、かつ反射光を効率よく
受光素子入射させ測定精度の向上をはかり得る試料面位
置測定装置を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、反射光の光束内光量分布による測定誤
差を低減する之めに、入射光全振動させてその誤差を平
均化するとともに、反射光学系の一部に円筒レンズある
いは円筒ミラーを入れ、受光素子に効率よく反射光の望
ましくは全部を入射させ測定精度を向上させることにあ
る。即ち５本発明は試料面の位ｌｔヲ測定する装置にお
いて、被測定試料の表面に対し、斜め方向から集束光を
照射する元服明部と、試料面で反射した反射光を半導体
装置検出器に結像させる光学系とを備え、該光学系の一
部に円筒レンズあるいは円筒ミラーを用いて々るもので
、前記該集束光にスポット状集束光を用いて入射光を振
動させた場合においても。

該集束光にスリット状の集束光を用いて測定した場合に
おいても効率よく反射光を受光できるようにしてなるも
のである。また、入射光の振動方向も従来の一方向とは
限らず、スポット光を用いた場合、任意の方向に撮動さ
せ、多くの点での測定データを平均化するようにしたも
のである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、試料表面に入射するスポット状の入射
光を２軸方向に撮動させ、試料面上での多数の測定点を
平均化しているので、従来装置に比して試料面の反射率
の差異等に起因する測定誤差を大幅に低減するこ゛とが
できる。さらに、従来装置に比して入射光を撮動させる
傳成、例えば振動ミラーを付加するのみで容易に実現で
きる等の利点がある。また、試料表面からの反射光を円
筒レンズ上用いて集光して検出器に導く念め感度が高く
測定精度の位置装置を提供することができる。

〔発明の実施例〕

以下本発明の詳細を図面を参照し々から説明する。

第１図は本発明の一実施例として試料面高さ測定装置を
示す饋略構成図である。なお、この実施例では電子ビー
ム露光装置の試料室に配置され。

試料室内の試料面の高さを測定するものとした。

図中１０は電子ビーム露光装置の試料室を形成する真空
容器であり、この容６１０の土壁には電子ビーム光学鏡
筒（以下ＥＯ８と略記する）２０が取付けられている。

ＥＯ８２０は電子銃、各種レンズ及び各種偏向系等から
なるもので、このＥＯ８２０からの電子ビームは容器１
０内に配置され之被測定物としての試料３０上に照射さ
れるものとなっている。ＥＯ８２０の左右には、本実施
例に係わる試料面高さ測定装置を構成する照射係４０及
び受光系５０がそれぞれ設けられている。照射系４０は
、レーザ光源４１．スリット４２５反射ミラー４３．４
４．集束レンズ４５１反射ミラー（振動ミラー）４６、
振動器４７及び駆動回路４８等から構成されている。レ
ーザ光源４１から放射された光はスリットあるいは円形
穴４２を通過し、反射ミラー４３．４４で反射され、集
束レンズ４５により集束されて撮動ミラー４６に照射さ
れる。そして、振動ミラー４６で反射された集束光４９
が前記試料３０の表面に照射されるものとなっている。

ここで、上記集束光４９が試料３０に対する入射光とな
る。

試料面上の入射スリット像９９は第９図に示すように、
例えば試料面の直交パターン１００（す々わち反射率の
変化をも念らすパターン）に対して４５°の傾きをもっ
て照射される。この場合４５°以外の角度でも良い。

振動ミラー４６は例えば圧電素子からなる撮動器４７に
取付けられており、振動器４７は、駆動回路４８により
ｍ動されるものとなっている。ここで、振動ミラー４６
の振動数は試料面高さ変動測定周波数より十分高い周波
数である。ｉ念、振動振幅は後述するＰＳＤ等の光検出
器の受光面の長さ或いは誤差を低減させる割合い等に応
じて定めればよい。

一方、受光系５０は１反射ミラー５１、集束レンズ５２
、円筒レンズ１００、光検出器として公知のラテラル光
効果を用いた半導体装置検出器（ＰＳＤ）５３．加算器
５４．減算器５５．除算器５６、平均化処理回路５７及
び位置測定回路５８等から構成されている。前記試料３
ｏの表面への入射光４９の照射による反射光５９は２反
射ミラー５１で反射され集束レンズ５２を介してＰＳＤ
５３の受光面に結像される。ＰＳＤ５３は半導体基板上
に抵抗性′Ｒ膜を形成すると共に、該薄膜の両端に出力
端子を設け、半導体基板を接地したもので、光スポット
の抵抗性薄膜照射位置の変位により一対の出力端子から
アンバランスな信号力出力される。、ＰＳＤ５３の検出
信号は、加算器５４゜減貢器５５及び除算器５６等から
なる信号処理回路により信号処理されて平均化処理回路
５７に入力される。平均化処理回路５７は上記入力した
信号を例えばローパスフィルタ全通して平均化するもの
であり、゛この平均化された信号（位置信号）は位置測
定回路５８に供給される。位置測定回路５８は、上記入
力した位置信号に応じて前記試料３０の表面高さ位置全
演算するものとなっている。

入射集束光に略スポットビームを用いた場合、従来では
第２図（ａ）（試面面３０を真上から見比状態を示して
いる。）に示すように振動方向は試料面の高さ方向に影
響する方向、（図ではＸ方向）のみに撮っていた。しか
し、さらに平均化効果全期待するため、第２図（ｂ）　
Ｋ示すようにＹ方向にも振れるようにしくある。すなわ
ち、Ｙ方向にある根＠Ａで高速に振動させるとともにＸ
方向に振幅Ｂで比較的低速で撮動させる。あるいは逆に
振幅Ｂで高速にふり振幅Ａで低速にふってもよいし、第
２図（Ｃ）に示すようにＸＹ軸とは異なる角度で直線撮
動させてもよい。このよちに撮動させ念場合、検出器側
の円筒レンズによってＹ方向のふれは集束され１点に集
まり検出器の受光面からはずれることはなくよシ大きな
面での位置データの平均化が図られ精度が向上する。従
ってＰＳＤ５３及び信号処理回路５４〜５６で得られる
検出出力は従来と同様第３図の曲線１に示す如く前記撮
動ミラー４６の振動数及び振幅に相当するｓｉｎ波とな
る。

このとき、途中で反射率に差のある所全光束が通った場
合１図中破線で示したような誤差信号が生じる。しかし
、その信号を１例えば一番簡単な方法としてフィルター
全通して平均化することによって、線２として示される
ように誤差信号は振動振幅全体に亘って平均化されるこ
とになり、入射光を振動させない時に比べて大幅に誤差
が低減することになる１、即ち、入射光４９の入射角ｔ
−２軸方向搗動させ試料面上で多数の測定点を平均化さ
せることにより、従来の方式によるものより測定誤差が
大幅に低減されることになる。

入射集束光にスリットを用いた場合、（第４図（ａ））
それ自体がＹ方向にビームを振動きせているのと同様な
効果が得られる之め、もはやＹ方向に振動させる必要は
なくな！１１図に示すようにＸ方向に振動させるのみで
十分である。この場合、従来では円筒レンズが具備され
ていなかったため。

反射スリット光の長手方向全部の情報が検出器に入らず
、まな光二計が小さいという面でも精度が向上しなかっ
た。しかし、円筒レンズによりすべての情報が取れるた
め、測定精度の向上が図れる。

このように本発明によれば、スポットビームを用い次場
合、入射光を任意の方向に振動させることによって、あ
るいはスリットビームを用いた場合長手方向と直交方向
に摂動させることによって広範囲にわ念る位置情報の測
定を行ない、その反射光を円筒レンズによって集約する
ようにして測定することにより精度のよい試料面位置測
定が可能である。

なお１本発明は上述し九各実施例に限定されるものでは
ない５例えば、前記試料面上に入射する入射光はスリッ
ト状の集束光に限るものではなく。

円形スポット状であっ七もよい、ま念試料表面に入射す
る入射光全振動させる手段として、入射角を機械的に振
動する以外に、例えば音響的手段音用い恵方法、ま之電
圧を印加することにより光の偏向面の透過率と屈折率が
異なるようなものを用いても・よい。機械的な駆動方法
としても圧電素子を用いた！り、　！磁的なものを使用
してもよい。また、入射角を振動させる代りに、入射光
位置を平行移動することによって振動させることも可能
である。さらに、平均化処理回路は、前記除算器の前段
若しくは加減算器の前後に設置してもよい。

また、実施例では試料面の高さ測定について説明したが
、本発明は位置測定に広く利用することが可能である。

また、信号処理については一番簡単な方法としてローパ
スフィルターを通して平均化する方法を述べ次が、他の
方法であってもよいのは勿論である。さらに、振動振幅
は大きい程平均化効果が大きく誤差全低減できるが、装
置の仕様に応じて適宜定めればよい。まな、振動波形は
正弦波に限るものでは々く、三角波、鋸歯状波等に適宜
変更可能である。さらに、光源は連続点灯でも、変調さ
れていてもよい。また、前記位置測定回路は必ずしも必
要はなく、例えば前記平均化処理回路の出力を直接高さ
制御機簿に送ることもできる。その他、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例として試料面高さ測定装置を
示す概略構成図、第２図は入射光の振動方向を示す説明
図、第３図は第１図の実施例の作用を示すための信号波
形図、第４図は位置情報を集約させるための円筒レンズ
を用いた時の光学作用を示す説明図、第５図は従来の測
定装置金示す概略構成図、第６図は測定誤差が生じる原
因を示す説明図、第７図はＰＳＤを用い念時の誤差発生
機Ｗｔを示す図である。 １０・・・真空容器、２０・・・電子光学鏡筒、　３０
・・・試料、４０・・・照射系、４１・・・レーザ光源
、　　４５．５２・・・集束レンズ、　４６，５１・・
・反射ミラー（振動ミラー）、４７゜６１・・・振動？
％、４８・・・駆動回路％　５３・・・検出器（ＰＳＤ
）５４．５５．５６・・・信号処理回路、５７・・・平
均化処理回路、５８・・・位置測定回路、１００・・・
円筒レンズ。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　竹　花　喜久男 第　　ｌ　図 Ｙ 第　　２　図 第　　３　図 第　　５　　図 ７ハ −ｗ−１ 第　　７　図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料の表面に対し、斜め方向から入射集束光を照
   射させ、その反射光をラテラル光効果を利用した半導体
   装置検出素子を用いた検出器に集光させて前記試料面の
   位置を測定する位置測定装置において、前記入射集束光
   に略スポット状の光を用い該入射光を振動子によって前
   記被測定面上で直交する２方向に振動させると共に、前
   記反射光の結像光学系の一部に円筒レンズ、あるいは円
   筒ミラーを用いて該反射光を前記検出器に集光させたこ
   とを特徴とする試料面位置測定装置。
2. （２）上記振動方向は、その１軸が試料面の位置測定誤
   差に影響しない方向、他軸が位置測定誤差に影響する方
   向であり、それぞれの方向の振動数、振幅は一致してい
   ないことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の試料
   面位置測定装置。
3. （３）振動は直線振動を行なうが、上記のそれぞれの軸
   とは傾いていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の試料面位置測定装置。
4. （４）試料の表面に斜め方向から入射集束光を照射させ
   、この反射光をラテラル光効果を利用した半導体装置検
   出素子を用いた検出器に集光し、前記試料面の位置を測
   定する試料面位置測定装置において、 前記入射集束光にスリット状の光を用い、該入射光を振
   動子によって振動させると共に、前記反射光の結像光学
   系の一部にスリット状の光を集束させるように円筒レン
   ズ、もしくは円筒ミラーを用いたことを特徴とする試料
   面位置測定装置。