JPS63140531A

JPS63140531A - 試料面位置測定装置

Info

Publication number: JPS63140531A
Application number: JP61287135A
Authority: JP
Inventors: Toru Tojo; 東条　徹; Mitsuo Tabata; 光雄田畑; Tsutomu Ito; 力伊藤; Norihisa Oiwa; 徳久大岩; Tatsuhiko Azumagi; 達彦東木; Susumu Takahashi; 進高橋
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Optical Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Optical Co Ltd
Priority date: 1986-12-02
Filing date: 1986-12-02
Publication date: 1988-06-13
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JP2507370B2

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】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は、半導体ウニ／％等の試料の表面位置を非接触
で精度良く測定する装置に係わり、特に試料表面に対し
て斜め方向から光を照射し、その反射光を検出して位置
測定を行う試料面位置測定装置に関する。

（従来の技術）従来、電子ビーム露光装置やステッパ等の半導体製造装
置では、ウェハ表面の高さ位置を正確に測定する必要が
ある。即ち、電子ビーム露光装置では、電子線の焦点を
ウェハに合わせるために、ウェハ面の高さを測定するこ
とが必要である。同様に、ステッパでは、投影レンズの
焦点をウェハに合わせるために、ウェハ面の高さを測定
することが必要である。このため、電子線レジスト或い
は光露光レジストを感光させない波長（例えば６００ｒ
ｖ以上）を用いて、ウェハ表面の高さ測定が行われる。

半導体製造装置では、ウェハ表面に対し斜め方向からの
光を照射して、その反射光の位置からウェハ表面の高さ
を測定する方法が実施されている。

しかし、この方法では、ウェハ面（或いはマスク面でも
同様）にパターンが描かれていて、場所によって光の強
度或いは強度分布が異なる場合には、検出器に入る光の
強度或いは強度分布が異なる。

そしてこの場合、ウェハ表面の高さ位置測定の精度低下
を起こし、正確な位置測定ができないと云う問題が生じ
る。

この問題を解決するものとして、特開昭５６−２Ｂ３２
号公報や特開昭５７−１３９Ｅｉ０７号公報等に開示さ
れた位置測定装置が挙げられる。特開昭５Ｇ−２［ｉ３
２号では、反射光の強度変化を、割算器を通して規格化
することにより補正している。即ち、第５図に示す如く
光源５１から放射された光をレンズ５２によりスポット
状に集束し、これを試料面５０」二に照射する。試料面
５０からの反射光をレンズ５３によって検出器５４−１
−に結像させる。検出器５４としては、２つの出力ａ、
ｂが得られる２分割検出器や半導体装置検出素子（Ｐ　
Ｓ　Ｄ）等が用いられる。検出Ｓ５４の出力ａ、ｂは減
算器５５により減算されると共に、加算器５６により加
算される。そして、割算器５７により減算器５５の出力
（ａ　−ｂ）を加算器５６の出力（ａ　＋　ｂ）で規格
化することによって、上記問題を防いでいる。

また、特開昭５７−１３９８０７号では、検出器に入る
光量が常に予め設定された基準値に等しくなるように光
源に帰還を施すことによって誤差を少なくしている。即
ち、第６図に示すように検出器５４における光量（ａ＋
ｂ）を検出して、増幅器５８により増幅させ、設定され
た基準値と比較してその差がＯとなるように、光源５１
である半導体レーザの励起電流に帰還して検出面５０に
おける反射光はが常に一定となるように制御するもので
ある。さらに、割算器５７によって、（ａ−’ｂ）の信
号を規格化して、光量の変動による測定誤差を低減させ
ている。

しかしながら、この種の装置にあっては次のような問題
があった。即ち、前者の例では、試料面における反射率
の変化が非常に大きい場合（実際に数１０倍の差がある
）、割算器に入る（ａ＋ｂ）の光量信号が非常に小さく
なり、割算器の精度が低下し、逆に誤差が大きくなる虞
れがある。光量が小さい時に割算器に入る電圧を最適に
すると、反射率が高い場合、割算器に入力する電圧がオ
ーバフローしてしまい、これも誤差が生じ測定不能とな
る。つまり、割算器の入力可能なダイナミックレンジが
反射率の変化のダイナミックレンジよりも小さいために
、この方法では誤差の低減が不可能であった。

また、後者の場合、光源へ検出器に入射する光量の変化
を帰還することによって、結果的に検出器に入射する光
量を略一定させることができ、割算器で生じる誤差を少
なくすることができる。また、帰還が正確に行われてい
れば、割算器を通して規格化しなくても位置測定ができ
る。しかし、実際にこの技術を用いて光源のパワーを変
化させた場合、光源の輝点が動いてしまい、結果的に検
出器上での光束が動いたり、光束内光量分布が変化して
しまい、測定誤差が生じることが実験的に確められてい
る。さらに、光源でのパワーの変化は、その部分での発
熱量の変化となり、熱的バランスが試料面の反射率によ
って変化し、部材の変形による測定誤差が生じる。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来装置では、試料表面の反射率の変化が割
算器の入力＋１Ｊ能なダイナミックレンジよりも大きい
場合、割算器によって規格化しても十分なＭ１定精度を
得ることはできなかった。さらに、入射光量の変化を光
源側に帰還する構成では、光源の輝点が動き検出器［−
での光束が動いてしまい、これが測定誤差を招く要因と
なっていた。

本発明は」ユ記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、試料面の反射率の変化が大きくても
該反射率の変化に起因するＡ１１ｔ定誤差を少なくする
ことができ、測定精度の向上をはかり得る試料面位置測
定装置を提供することにある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の骨子は、検出器の出力信号を可変利得増幅回路
により増幅して入射光量及び入射光位置に相当する信号
を求め、入射光量に相当する信号が一定となるように該
増幅回路の増幅度を制御することにある。

即ち本発明は、試料の表面に斜め方向から光を照射して
該表面に光のスポット或いはスリット像を形成し、前記
試料の表面で反射されたスポット或いはスリット像を検
出器りに形成し、該検出器における像の位置から入射光
量及び入射光位置に相当する信号を求め、割算器等によ
り入射光量に相当する信号で入射光位置に相当する信号
を規格化し、この規格化した信号に基づいて試料の表面
の位置を測定する位置測定装置において、前記検出器の
出力信号を可変利得増幅回路によって増幅し、且つ入射
光量に相当する信号が常に一定となるように該増幅回路
の増幅度を制御するようにしたものである。

（作用）上記構成であれば、試料面からの反射光量の変化に拘ら
ず、割算器に入力する電圧を常に最適な電圧（一定値）
とすることができるので、割算器による割算処理を効果
的に行うことができ、測定誤差の発生を招くことなく位
置信号を規格化することが１１■能となる。また、光源
側にフィードバックをかけるものとは異なり、光源のパ
ワーを一定としているので、熱的変動に起因する測定誤
差はなくなる。さらに、光源での輝点の移動、光束内光
量分布の変化等もなくなり、測定誤差要因を少なくする
ことが可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる試料面位置測定装置
を示す概略構成図である。半導体レーザ等の光源１１か
ら放出された光はアパーチャ１２にょり整形され、レン
ズ１３により集光されて試料１ＩｉｌｉｌＯ上にスポッ
ト光として照射される。試料面１０からの反射光は、レ
ンズ１４により再度集光され検出器１５上に結像される
。検出器１５は一般に良く知られているＰＳＤであり、
このＰＳＤではそれぞれの端子から、入射光量及び位置
に比例した信号ａ。

ｂが出力される。従って、信号ａとｂとの差を取ること
により、検出ｒＡ１５１−のスポットの位置を知ること
が１′１１能である。

検出器１５の各出力信号ａ、ｂは、後述する可変利得増
幅回路ＩＢに供給される。この増幅回路１Ｂでは、ａ、
ｂの信号を増幅してａ“、ｂ゛の信号を１りると共に、
（ａ　”−ｂ　”）の信号及び（ａ　’＋ｂ　’）の信
号を出力する。そして、これらの信号は割算器１７に供
給され、割算器！７により　（ａ　’−ｂ　’）／（ａ
　’＋ｂ’）の演算がなされ、この演算結果に基づいて
試料面ＩＯの高さ位置が測定される。また、（ａ゛＋ｂ
’）の信号は増幅回路１６の増幅器に帰還され、これに
より増幅回路１６の増幅度が制御されるものとなってい
る。また、光源１１に供給される電圧は、常に一定で光
源の仕様を満足する範囲内で最大の電圧が、一定或いは
任意の周波数でオン／オフさせて供給されている。

さて、検出器Ｉ５からの２つの出力信号ａ、ｂを独ｑし
た増幅器で増幅すると、２つの増幅器の増幅率を完全に
一致させることは不可能なので、誤差を生じることにな
る。そこで本実施例では、第２図に示す構成によって誤
差を低減している。

第２図は前記可変利得増幅回路１６の具体的構成を示す
ブロック図であり、第３図はこの回路１Ｂの主要部の動
作を示す信号波形図である。可変利得増幅回路１６は、
第１のスイッチ群（Ｓ　Ｗ）　２１．２２　。

オートゲインコントロール部（Ａ　Ｇ　Ｃ）　２３，２
４　。

増幅Ｄ　（ＡＭＰ）　２５．２Ｇ　、　’Ｊ２ノスイッ
チ群（Ｓ　Ｗ）　２７．２８　、　　ローパスフィルタ
（Ｌ　Ｐ　Ｆ）２９．３０　、減算器３１．加算Ｗ３２
及び比較器（ＣＭＰ）３３等から構成されている。

前記検出器１５の出力信号ａ、ｂはそれぞれ５Ｗ２１．
２２に供給される。５Ｗ２１はＭＯＳゲート２１ａ。

２１ｂからなるもので、ゲー）　２１ａを介して信号ａ
が、ゲート２１ｂを介して信号すがＡＧＣ２３に供給さ
れる。同様に５Ｗ２２はゲート２２ａ、２２ｂからなる
もので、ゲート２２ａを介して信号すが、ゲート２２ｂ
を介して信号ａがＡ　Ｇ　Ｃ２４に供給される。ここで
、５Ｗ２１．２２の各ゲートには、一定周期で“Ｈｓ、
“Ｌ”を繰返すゲートコントロール信号Ｃが与えられて
いる。そして、信号Ｃが”Ｈ”の時はゲート２１ａ、２
２ａがオンとなり、信号Ｃが“Ｌ。

の時はゲート２１ｂ、２２ｂかオンとなる。従って、５
Ｗ２１．２２で得られる出力は、ａ、ｂの信号が交互に
入ったものとなる。

Ａ　Ｇ　Ｃ２３，２４の各出力信号は、Ａ　Ｍ　Ｐ　２
５．２ｆｔで増幅されたのち第２のＳ　Ｗ２７．２８に
それぞれ供給される。５Ｗ２７はゲート２７ａ、２’７
ｂからなるもので、ゲート２７ａを介してＡ　Ｍ　Ｐ　
２５の出力が、ゲート２７ｂを介してＡ　Ｍ　Ｐ　２Ｂ
の出力がＬＰＦ２９に供給される。５Ｗ２８はゲート２
８ａ、　２８ｂからなるもので、ゲ−）２８ａを介して
Ａ　Ｍ　Ｐ　２Ｂの出力が、ゲート２８ｂを介してＡ　
Ｍ　Ｐ　２５の出力がＬ　Ｐ　Ｆ　３０に供給される。

ここで、前記信号Ｃが“Ｈｏの時はゲート２７ａ。

２８ａがオンとなり、信号Ｃが“Ｌ”の時はゲート２７
ｂ、２８ｂがオンとなる。つまり、５Ｗ２７．２８は５
Ｗ２１．２２と同期して切換えられるので、結果的に５
Ｗ２７は信号ａを増幅した信号ａ°を出力し、ＳＷ２ｇ
は信号をを増幅した信号ｂ°を出力することになる。

上記のようにａ　’、ｂ　’の信号は、それぞれＡＧＣ
２３，ＡＭＰ２５を通ったものと、Ａ　Ｇ　Ｃ２４゜Ａ
　Ｍ　Ｐ　２Ｂを通ったものとの合成された信号である
。

この場合、第１のｎＩ変利得増幅器を構成するＡ　Ｇ　
Ｃ２３及びＡＭＰ２５の■グループと、第２のり変利得
増幅器を構成するＡ　Ｇ　Ｃ２４及びＡ　Ｍ　Ｐ　２Ｂ
の■グループとの増幅率を一致させることは困難である
。このため、信号ａ　’、ｂ　’には、■グループを通
ったレベルｖ１と■を通ったレベルＶ２とで差がでる。

本実施例では、これをＬ　Ｐ　Ｆ　２９．３０に通して
平均化することにより、■グループと■グループの影響
が等価的に入った信号ａ　’、ｂ　’が得られる。

信号ａ　’、ｂ　’は減算器３１及び加算器３２にそれ
ぞれ供給される。減算器３１ではこれらの信号の差（ａ
　’−ｂ　’）が演算され、この差信号は前記割算器１
７に供給される。また、加算器３２では、上記信号ａ　
’、ｂ　’の和（ａ　’＋ｂ　’）が演算され、この和
信号は割算Ｗ１７に供給されると共に、ＣＭ　Ｐ　３３
に供給される。ＣＭ　Ｐ　３３では上記入力した信号（
ａ°＋ｂ’）と基準信号Ｒとを比較して、これらが一致
するようにＡ　Ｇ　Ｃ２３，２４のゲインを制御する。

これにより、試料面１０の反射率の変化による和の信号
（ａ　’＋ｂ　’）を一定のレベルに保つことが可能と
なる。

かくして本実施例によれば、試料面ｌＯの反射率に大き
な変化が生じても、検出器１５への入射光量に相当する
和信号（ａ　”＋ｂ　’）を常に一定に保持することが
できる。さらに、割算器１７により　（ａｏ−ｂ　’）
／（ａ　’＋ｂ　’）の演算を行うことにより、検出器
１５への入射光位置に相当する差信号（ａ　’−ｂ　’
）を正規化した信号を得ることができ、この信号に基づ
いて試料面ｌＯの高さ位置を測定することができる。

そしてこの場合、　（ａ　’＋ｂ　’）の信号が一定に
保持されるので、割算器１７における演算処理を効果的
に行うことができ、割算器１７への入力端子の低下に起
因する測定誤差の発生を未然に防止することができる。

また、光源側にフィードバックをかけるものとは異なり
、光源のパワーを一定に保持しているので、輝点の移動
や光束内分布の変化に起因する測定誤差の発生を未然に
防止することができる。従って、試料面１０の高さ位置
を高精度に測定することができ、電子ビーム露光装置や
ステッパ等に適用して絶大なる効果が得られる。

また、本実施例では２系統の一１変利得増幅器（ＡＧＣ
２３，ＡＭＰ２５とＡＧＣ２４，ＡＭＰ２Ｂ）　　を用
いているが、第１及び第２のスイッチ群（ＳＷ２１．２
２．２７．２８　）により２つの増幅器を交互に通して
信号ａ　’　＊　ｂ　’を得るようにしているので、増
幅器の特性の違いによる■１定誤差もなくすことができ
る。換言すれば、２つの可変利得増幅器の特性を完全に
一致させる必要はなく、増幅器の設計の自由度を増すこ
とができる。

第４図は本発明の他の実施例の要部構成を示すブロック
図である。なお、第２図と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、増幅器
を１個として構成の簡略化をはかったことにある。即ち
、前記検出器１５の出力信号ａ、ｂは第１のスイッチ群
４１によりいずれかが選択されてＡ　Ｇ　Ｃ４２に供給
される。ＡＧＣ４２に供給された信号は、ＡＭＰ４３に
より増幅されたのち、第２のスイッチ群４４によりラッ
チ回路（ＬＡＴ）４５．４６の一ガに供給される。ここ
で、スイッチ群４１．４４はコントロール信号Ｃにより
同期して駆動されるので、信号ａを増幅した信号ａ“は
ＬＡＴ４５に、信号をを増幅した信号ｂ°はＬＡＴ４Ｇ
に与えられる。

Ｌ　Ａ　Ｔ　４５．４８にラッチされた信号はコントロ
ール信号Ｃの１周期に同期して減算器３１及び加算器３
２に供給′される。従って、１周期毎に減算出力及び加
算出力が得られる。そして、加算出力をＣＭＰ３３に供
給してフィードバック制御を行うことは先の実施例と同
様である。

このような構成であっても、先の実施例と同様の効果が
得られる。またこの実施例ではＡＧＣ。

ＡＭＰの個数が１個で済み、さらにＬＰＦが不要となる
ので、回路構成の簡略化をはかり得る等の利点がある。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。実施例では検出器の出力信号ａ。

ｂを直流的なものに限って説明したが、例えば光源にオ
ン／オフの変調を掛け、ａ、ｂの信号が振動している場
合においても、本発明は適用１■能である。さらに、入
射光を振動させ、試料面上の反射率の差により生じる測
定誤差の低減を行うような場合でも同様である。この場
合、入射光振動周波数と同期成いは整数倍のクロックで
スイッチ群を切換える必要がある。

また、検出器はＰＳＤに限るものではなく、２分割′検
出器であってもよい。さらに、リニア型ポジションセン
サに限るものではなく、Ｘ、Ｙ位置を測定できるエリア
型ポジションセンサを用いた場合にも適用可能である。

また、スイッチ群としては、ＭＯＳゲートに同等限定さ
れるものではなく、制御信号によって切換え可能なもの
であればよい。さらに、フィルタの代りには入力信号を
平均化するものであれば用いることが可能である。

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。

［発明の効果］以１−詳述したように本発明によれば、試料面の反射率
の変化が大きくても該反射率の変化に起因する測定誤差
を低減することができ、さらに光源側にフィードバック
をかけるものとは異なり、輝点移動に伴う測定誤差の発
生等を未然に防止することができる。従って、試料表面
の位置を高精度に測定することができ、″Ｉ６導体装置
の製造分野におけるａ用件は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる試料面位置測定装置
を示す概略構成図、第２図は上記実施例の可変利得増幅
回路の構成を示すブロック図、第３図は上記実施例の主
要部の動作を説明するための信号波形図、第４図は本発
明の他の実施例の要部構成を示すブロック図、第５図及
び第６図はそれぞれ従来装置を示す概略構成図である。１０・・・試料面、１１・・・光源、１２・・・アパー
チャ、１３゜１４・・・レンズ、１５・・・検出器、１
６・・・＋ｉＪ変利得増幅回路、１７・・・割算器、２
１．２２．２７．２ｇ、　４１．４４・・・スイッチ群
、２３．２４．４２・・・オートゲインコントロール部
、２５、２６．４３・・・増幅器、２９．３０・・・ロ
ーパスフィルタ、３１・・・減算器、３２・・・加算器
、３３・・・比較器、４５．４８・・・ラッチ回路。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図第２図第３図（１）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試料の表面に対し斜め方向から光を照射して該表
面に光のスポット或いはスリット像を形成し、前記試料
の表面で反射されたスポット或いはスリット像を検出器
上に形成し、該検出器における像の位置から試料の表面
の位置を測定する位置測定装置において、前記検出器の
出力信号を可変利得増幅回路によって増幅し、且つ入射
光量に相当する信号が常に一定となるように該増幅回路
の増幅度を制御したことを特徴とする試料面位置測定装
置。
（２）前記検出器は、入射光量及び入射光位置に比例し
た２つの信号ａ、ｂを出力する２分割検出器或いは半導
体装置検出素子であり、（ａ＋ｂ）の信号は入射光量を
示し、（ａ−ｂ）の信号は試料表面の位置を示すもので
あ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。
（３）前記増幅回路は、（ａ＋ｂ）の信号を処理した値
（ａ’＋ｂ’）が常に一定となるように、前記検出器の
出力信号ａ、ｂをそれぞれ増幅するものであることを特
徴とする特許請求の範囲第２項記載の試料面位置測定装
置。
（４）前記試料表面の位置を測定する手段は、前記増幅
回路により増幅して得られる信号ａ’、ｂ’の和（ａ’
＋ｂ’）及び差（ａ’−ｂ’）を入力し、割算器により
（ａ’＋ｂ’）の信号で（ａ’−ｂ’）の信号を規格化
し、この規格化した信号（ａ’−ｂ’）／（ａ’＋ｂ’
）に基づいて前記試料表面の位置を求めるものであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の試料面位置
測定装置。
（５）前記増幅回路は、前記検出器の出力信号ａ、ｂを
２つの出力ラインに一定の周期で交互に取出す第１のス
イッチ群と、このスイッチ群の各出力ラインに取出され
た信号をそれぞれ増幅する２つの可変利得増幅器と、こ
れらの増幅器の各出力信号を第１のスイッチ群に同期し
て２つの出力ラインに交互に取出し、該ラインの一方に
信号ａを増幅した信号ａ’を他方に信号をを増幅した信
号ｂ’を取出す第２のスイッチ群と、この第２のスイッ
チ群の各出力ラインに取出された信号ａ’、ｂ’を入力
して該信号の差（ａ’−ｂ’）を求める減算回路と、上
記信号ａ’、ｂ’を入力して該信号の和（ａ’＋ｂ’）
を求める加算回路と、この加算回路の出力信号（ａ’＋
ｂ’）と基準信号とを比較し、その比較結果に基づいて
前記増幅器の増幅率を可変する比較器とを備えたもので
あることを特徴とする特許請求の範囲第３項又は第４項
記載の試料面位置測定装置。
（６）前記増幅回路は、前記検出器の出力信号ａ、ｂを
一定の周期で交互に選択するスイッチ群と、このスイッ
チ群で選択された信号を増幅する可変利得増幅器と、ス
イッチ群の切換えに同期して信号ａ、ｂに相当する各増
幅信号ａ’及びｂ’を順次ラッチするラッチ回路と、ラ
ッチされた信号に基づいて差信号（ａ’−ｂ’）を求め
る減算器と、上記ラッチされた信号に基づいて和信号（
ａ’＋ｂ’）を求める加算回路と、この加算回路の出力
信号（ａ’＋ｂ’）と基準信号とを比較し、その比較結
果に基づいて増幅器の増幅率を可変する比較器とを備え
たものであることを特徴とする特許請求の範囲第３項又
は第４項記載の試料面位置測定装置。