JPH03216505A - 間隔測定装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は２つの物体間の間隔を高精度に測定する間隔測
定装置に関し、例えば半導体製造装置において、マスク
とウェハとの間隔を測定し、所定の値に制御するときに
好通なものである。

〔従来の技術〕

従来より半導体製造装置においては、マスクとウェハと
の間隔を間隔測定装置等で測定し、所定の間隔となるよ
うに制御した後、マスク面上のパターンをウエ八面上に
露光転写している。これにより高精度な露光転写を行っ
ている。

第８図は特開昭６１−１１１４０２号公報で提案されて
いる間隔測定装置の概略図である。同図においては第１
物体としてのマスクＭと第２物体としてのウェハＷとを
対向配置し、レンズＬ１によって光束をマスクＭとウェ
ハＷとの間の点Ｐ５に集光させている。

このとき光束はマスクＭ面上とウェハＷ面上で各々反射
し、レンズＬ２を介してスクリーンＳ面上の点Ｐｗｖ”
＋に集束投影されている。マスクＭとウェハＷとの間隔
はスクリーンＳ面上の光束の集光点Ｐ。とＰうどの間隔
を検出する事により測定している。

（発明か解決しようとしている問題点）しかしながら、
この様な装置では例えばスクリーンＳ面が傾き変動を起
こした場合、集光点Ｐ８、ＰＭの間隔も変化する為測定
値に誤差が発生する。

又、マスクに対してウェハが傾いた場合も同様である。

本発明はマスクとウニ八を対向配置して両者の間隔を測
定する際に特に受光手段とマスクとの相対位置または角
度変動及びマスクとウェハとの相対角度変動に影響され
ずに高精度な測定を可能にする間隔測定装置を提供する
事を目的とする。

（問題点を解決する為の手段及び作用）本発明は、マス
クとウェハとの間隔を測定する装置で、マスクの方向に
光束を照射する光源手段と、前記光源手段から出射され
てマスクとウェハによって偏向された、マスクとウェハ
との相対位置の変動によって所定面への入射位置が変化
する第一光束の該入射位置を検出する第一光検圧手段と
、前記光源手段から出射されてマスク上で偏向された、
マスクと前記第一光検出手段との相対位置あるいは相対
角度の変動に応じて所定面への入射位置が変化する第二
光束の該入射位置を検出する第二光検出手段と、前記光
源から出射されてウェハ上で偏向された、ウェハと前記
第一光検出手段との相対位置あるいは相対角度の変動に
応して所定面への入射位置が変化する第三光束の該入射
位置を検出する第三光検出手段と、前記第一光検出手段
と第二光検出手段と第三光検出手段との検出結果によっ
てマスクとウニ八との間隔を検出する間隔検出手段とを
設けた事により、マスクに対して検出手段が相対的に角
度変動、位置変動を発生しても、この変動の影響を受け
ない様にし、同時にマスク、ウエ八間に角度変動が生じ
ても、この影響を受けない様にして、精密な間隔測定を
可能にしている。

〔実施例〕

第１図は、本発明の実施例の要部概略斜視図である。

第２図、第３図は各々本実施例の測定系と補正系の光学
系の原理図である。

尚、本実施例において測定系とは第１物体と第２物体の
主に間隔を測定する系であり、補正系とは物体面に対し
、照明系及び受光手段の相対位置、相対的姿勢、あるい
はウエ八の相対的姿勢が変動した時の測定誤差を補正す
る為の系をいう。

第２図、第３図において１ａ、１ｂは例えばＨｅ−Ｎｅ
レーザーや半導体レーザー等の光源ＬＤからの光束で、
このうち光束１ａは測定系、光束１ｂは補正系のもので
ある。

２は第１物体でここではマスク、３は第２物体でここで
はウニ八であり、マスク２とウェハ３は例えば￥Ｓ１図
に示すように間隔ｄ０を隔てて対向配置されている。４
ａ，５ａは各々マスク２面上の一部に設けた測定系の入
射用と出射用の物理光学素子で、これらの物理光学素子
４ａ、５ａは例えは回折格子やゾーンプレート等から成
っており、３０ｘ３０　（μｍ）、３０ｘ６０　（μｍ
）程度の寸法を有している。

同様に４ｂ、５ｂは補正系の物理光学素子てあり、例え
ば３０Ｘ３０　（μｍ）の寸法を有している。

測定系の圧射用の物理光学素子５ａは光束の入射位置に
より射出光束の偏向角が異なり、この場合は平行な入射
光束を１０００μｍの位置に集光させる屈折力を有して
いる。

４１は測定系と補正系兼用の集光レンズであり、その焦
点距離はｆ１である。例えばｆａ＝３０ｍｍ程度である
。

８ａは測定系、８ｂと８０は補正系の受光手段で各々集
光レンズ４１の焦点位董に配置されており、ラインセン
サーやＰＳＤ等から成り、入射光束の位置を検出してい
る。受光手段８ａ、８ｂ、８Ｃの素子配列方向はいずれ
もＸ方向である。９ａは信号処理回路であり、受光手段
８ａ，８ｂ、８ｃからの信号を用いて受光千段８ａ、８
ｂ、８０面上に入射した光束の位置を求めている。

１０は光ビックアップヘッドであり、集光レンズ４１や
受光手段８ａ、８ｂ，８ｃそして必要に応じて信号処理
回路９ａを有しており、マスク２やウェハ３とは相対的
に移動可能となっている。

次に、第２図に示す測定系の機能について説明する。

尚同図においてはマスク２とウェハ３が正しく平行に配
置されているものとしている。

本実施例においては半導体レーザーＬＤからの光束１ａ
（波長λ＝８　３　０　ｎｍ）をマスク２面上の等間隔
直線格子のグレーテイング４８面上の点Ａに垂直に入射
させている。そして第１の物理光学素子４ａからの主光
線が角度θ１で回折する所定次数の回折光をウェハ３面
上の点Ｂ（ウェハ３が位置Ｐ２にある時はＣ）で反射さ
せている。このうち反射光３１はウェハ３がマスク２に
近い位置Ｐ１に位置しているときの反射光、反射光３２
はウェハ３が位置Ｐ１からの距ｍ　ｄａだけ変位したと
きの位置Ｐ２の反射光である。位置Ｐ２にある時のウェ
ハ３とその時の光路は２点鎖線で示してある。

次いでウェハ３からの反射光を第１物体２面上のオファ
クシス型フレネルゾーンプレート（以下ＦＺＰと呼ぶ）
５ａ面上の点Ｄ　（Ｅ）に入射させている。

尚、ＦＺＰ５ａは入射光束の入射位置に応じて出射回折
光の射出角を変化させる光学作用を有している。

モしてＦＺＰ５ａからの角度θ２で回折した所定次数の
回折光６１　（６２）を集光レンズ７ａを介して受光手
段８８面上に導光している。

そして、このときの受光手段８８面上における入射光束
６１　（６２）の位置を検出することによりマスク２と
ウェハ３との間隔を後述する様に演算し求めている。

本実施例ではマスク２面上に設けた第１、第２の物理光
学素子４ａ、５ａは予め設定された既知のピッチで構成
されており、それらに入射した光束の所定次数（例えば
±１次）の回折光の回折角度θ１、θ２は予め求められ
ている。

次に第２図を用いてマスク２とウェハ３との間隔を求め
る方法について説明する。

第２図に示すように回折光６１と回折光６２との交点Ｆ
からマスク２までの距離を（すなわち出射用物理光学素
子の焦点距１１）をｆＭとすると、ＡＤ＝２ｄｏｔａｎ
θＩ ＡＥ＝２　（ｄｏ＋ａｏ）ｔａｎθ１ ・゜・ｄ　Ｍ　＝　Ｄ　Ｅ　＝　Ａ　Ｅ　　Ａ　Ｄ＝２
ｄ．ｔａｎθ１　　　　−（　１）また、 ｄＭ　＝２　・　ｆ１ｌ　−　ｔａｎθ２　　　　　　
・（　２　）である。受光手段８ａ面上における入射光
の動き量Ｓは Ｓ＝２　　・　ｆ． ・　ｔａｎ　　θ　２ ・・・　（３） 従って（１）、 （２）、（３）式より となる。

マスク２とウェハ３の単位ギャップ変化量に対する受光
手段８ａ面上の入射光束のずれ量ΔＳ、即ち感度ΔＳは となる。

本実施例ではマスクから、マスク、ウエ八間隔変動があ
っても出射角一定の回折光束２２をマスクの物理光学素
子４ｂより出射し、この光束を参照光束として該参照光
束のセンサ上での重心位置を基準とし、これと光束６１
（６２）のセンサ上での重心位置とのＸ方向に沿った間
隔を求め、この間隔のウェハがマスク、ウエ八適正間隔
ｄＲに対応する位置、例えばＰ１にある時の両光束のＸ
方向の重心位置間隔（基準間隔）からのずれをＳとして
（４）式に代入してウェハの適正間隔位置Ｐ，からの間
隔変動ｄ。を求めて間隔検出を行なっている。ここで通
正間隔値ｄｉの時の光束６１　（８２）と２２とのＸ方
同重心間隔は例えばマークの設計値より求めておく事が
できる。

本実施例における感度ΔＳは集光レンズ７ａの焦点距＠
ｆ．を３０ｍｍ，ｄｏ　＝５０μｍ，ｄｌ．ｌ＝３０μ
ｍ，ｆＭ＝１０００μｍとすると（５）式より となり、マスク２とウェハ３との間隔１μｍ当たりの変
化に対して、受光手段８８面上の光束は１８μｍ移動す
ることになる。受光千段８ａとして位置分解能が０．３
μｍのＰＳＤを用いると、原理的には０．０２μｍ以下
の分解能でマスク２とウェハ３の間隔を測定することが
可能となる。

本実施例では、測定系の受光千段８ａの直前に集光レン
ズ７ａを配置しているが、必ずしも、集光レンズ７ａを
設定しなくてもよく、その場合には、マスク２面上の物
理光学素子５ａから受光千段８ｂまでの距離を℃１とす
ると、（３）、（４）、（５）式においてｆ．＝ｉａと
おいて、入射光の動き量Ｓおよび、感度ΔＳを求めてお
くことができる。

次に補正系について説明する。

補正系用物理光学素子４ｂ、５ｂはいずれも等間隔直線
格子から成るグレーティングである。

半導体レーザーＬＤから出射した光束はマスクム ２面上グレーテイング４ｂに第１図に示すようにマスク
２面法線に対し、所定の角度で斜入射し、そこで発生す
る透過、反射回折光のうち、＋１次反射回折光２２は不
図示の光ピックアップヘット内の受光千段８ｂに入射す
る。グレーテイング４ｂのパターンは矩形の間隔測定用
のマーク領域の長手方向をＸ軸、矩手方向をＹ軸とする
直交座標系において、Ｘ軸と角度φで交差する斜め直線
格子である。

グレーテイング４ｂで＋１次透過回折した光束２５′は
ウェハ３面上物理光学素子５ｂに入射し、そこで更に反
射、回折作用を受ける。

このうち、ウエ八面上で−１次で反射、回折し、マスク
面を０次で透過した光束２５は光ビックアップヘッド内
の第２の補正光用受光手段８Ｃに入射する。物埋光学素
子５ｂは４ｂと同様直線格子であり、上記ＸＹ座標系と
それぞれ平行に定義されたウェハ３面上の直交座標系Ｘ
’　Ｙ’軸において、例えばＸ′軸とφ′の角度で交差
するようなパターンである。

以上の補正光の光路２２、２５をｉｓ図（Ａ）、（Ｂ）
でそれぞれＸＺ断面、ＹＺ断面内で示してある。

第６図（Ａ）に示す如く、参照光束受光手段８ｂ、８ｃ
の光束位置検出方向はＸ軸と平行であり、また測定光受
光手段８ａの光束位置検出方向と一致している。

次に補正系の参照光束２２、２５の機能について説明す
る。

まず、第３図に示す参照光束２２の機能について説明す
る。

光束１ｂはマスク２面上の入射用の物理光学素子４ｂに
入射している。

物理光学素子４ｂは平行な入射光束を入射位置によらず
入射角に応じ一定の偏向角で射出させるザーＬＤからの
光束ｔｂ（ここではマスクに入射するまで光束１ａと同
一であるが、別々の光源からの光束でも良く、その場合
波長は間隔測定光と同じでよい）をマスク２面上のグレ
ーテイング４ｂに垂直に入射させている。補正系におい
ては、グレーテイング４ｂで反射した１次回折光を受光
千段８ｂ面上に集光レンズ７ｂを介して導光している。

ｑ ′ｔＳＳ図中破線で示してあるのは実線の位置から光ビ
ックアップヘッド１０が姿勢変化なしに位置変動を起こ
した時の光束と各部材の状態であり、この時の各部材の
符番は元の符番にダッシュ記号を付してある。この図か
らわかる様に光ビツクアップヘッド１０が平行移動する
ど参照光束２２の受光手段８ｂ上への入射位置も８ｂｌ
から８ｂ，へ変化する。８ｂ２″は光ピックアップヘッ
ド１０の実線位置での８ｂ，の位置を示す。

この時の平行移動による光束２２の移動量をｘ１とする
。この場合、同じ光ピックアップヘッド１０内の受光手
段８ａに入射する信号光束６１（６２）は、同様に、ｘ
１だけ移動する事は容易に理解されるであろう。従って
光ビックアップヘッド１０が平行移動しただけでは受光
手段８ａ上の光束６１（６２）と受光手段８ｂ上の光束
２２のＸ方向に沿った間隔は変化しない。

第５図において破線で示す２′　　２４はマスク交換等
で元の実線の状態からマスク２が角度βだけ傾いた時の
それぞれマスクと参照光束を示す。

この図からわかる様に光ビックアップヘッド１０に対し
マスクが傾けば参照光束の受光手段８ｂ上入射位置は８
ｂ１′から８ｂ２′へ変化する。

この傾きによる光束の移動量をＸｂとする。この場合受
光手段８ａ上に入射する信号光束６１（６２）は、βが
充分小さな範囲であり、又マスク２から集光レンズ７ａ
、７ｂへの光路長が等しければ、同様にＸ，だけ穆動ず
る。従ってマスクが傾いただけの場合も受光手段８ａ上
の光束６１（６２）と受光手段８ｂ上の光束２２のＸ方
向に沿った間隔は変化しない。

マスクがＸ方向に穆勅しても、光ビックアップヘッドが
傾いても同様に両光束のＸ方向間隔の変動を起こさない
。

従って前述した様に光束６１（６２）と２２とのＸ方向
に沿った間隔を求め、これを（４）式に代入してマスク
、ウエ八間隔を求める事によって、上述の変動要因の影
響を受けずにマスク、ウエ八間隔測定ができる。

このように複数の露光プロセスにおいて、マスクの交換
、光ピックアップヘッドの移動を伴なう工程が存在する
と、（たとえマスク２、ウェハ３間隔が適正間隔値に合
っていても）測定系の受光手段８ａの光束入射位置から
だけで間隔測定するのでは正確な間隔測定値が得られな
いが、本実施例に示すような（間隔）測定用基準点位置
を示す参照光束２２を用いることによって、高精度な間
隔測定が行なえるようになった。

同様に、光ビックアップヘッド１０とマスク２面の相対
的位置の変動のみならず、複数の露光プロセス間に、相
対的角度（姿勢）変動が起こったとしても本実施例に示
す参照光束の受光千段８ｂへの入射位置を基準点とする
ことにより、上記変動による測定光の間隔測定誤差を相
殺して高精度化が図られる。

参照光束２２は上述のように測定用光束６１（６２）と
この先束２２とのＸ方向間隔を検出する事により光源Ｌ
Ｄ、受光千段８ａ、８ｂ，８ｃなどを納めた光ビックア
ップヘッド１０の移動や、マスク交換に伴なうヘッドと
マスクとの相対的位置、角度（姿勢）変動に帰因する間
隔測定誤差を防止することができる。

例えば測定光の受光手段８ａの中心と参照光２２の受光
手段８ｂの中心が一致するように予め調整しておくと、
参照光束の入射位置を基準点とし、参照光と同一検出方
向（ここではＸ方向）に計測した測定光の受光手段８ａ
上の入射位置と基準点とのＸ方向間隔を求めることによ
りマスク面、ヘッド間の相対的変動に影響を受けずに、
間隔測定を行なうことができる。

参照光束２５は、マスク面２とウェハ面３の相対的傾き
変動によって生じる間隔測定誤差を補正するためのもの
であり、マスク面上物理光学素子４ｂで１次透過回折し
た光束がウェハ面に垂直に入射し、物理光学素子５ｂで
ｙｚ面内で−１次反射回折した光束である。該光束２５
は、マスク面で更に０次で透過しヘッド１０内の受光手
段８Ｃで到達し、そこで、入射位置を測定光と同一方向
に検出する。

但し、上記参照光束２５は必ずしもウエ八面に垂直に入
射′する必要はなく、例えばセンサの光強度重心位置検
出分解能をΔＳ、またマスク、ウエ八間の間隔変ａ（基
準設定値に対する）の計測レンジをΔＰとおくと、以下
の条件をみたせば良い。

２　Δ　Ｐｔａｎ　　θ　　　〈α・　　Δ　Ｓここに
θはウエ八面へのＸＺ面内入射角、αは０くα〈１をみ
たす定数で、例えばα＝０　１とすれば十分である。

即ち、上式を満たすようなθであればマスク、ウェハの
間隔変動が生じても、参照光２５のセンサ上入射位置は
実質的に一定とみなすことができ、マスク、ウェハ間の
相対傾ぎ補正機能を保つことができる。

次にマスク面を基準面としたとき、複数回にわたる焼き
付け、露光プロセスのアライメントヘッドの移動に伴な
って、マスク面への照射光束１ａ、１ｂの投光角度（マ
スク面法線と主光線ベクトルのなす角度）が変動する場
合について説明する。

このような条件下では第１参照光束２２と第２参照光束
２５のセンサ上Ｘ方向間隔は、一般的に第６図（Ｃ）に
破線で示した光束２５の動ぎからわかる様にマスク面に
対するウェ八面の傾斜によって生じる信号光のセンサ上
重心位置のＸ方向移動も加わる為、マスクに対してウェ
ハが平行な時の間隔値即ち基準値にならない。ここて第
６図（Ｄ）は第６図（Ｃ）の側面図である。このように
マスク面に対し、投光角度とウェ八面の傾きがいずれも
設計値（理想値）からずれる場合には、第１、第２参照
光束２２、２５間のセンサ上Ｘ方向重心位置の間隔はセ
ンサ上基準間隔値と一致しない。

このような場合の測定手順としては、例えば先ず、第１
参照光束２２と第２参照光束２５のセンサ面上Ｘ方向重
心位置の相対距離が基準値となるようにウェハステージ
を駆動してウエ八面がマスク面に対して平行となるよう
に、ウェハ面の傾きを調整する。

この基準値としては例えば間隔検出用の各マーク設計の
際光線追跡シュミレーションによってあらかじめ求めた
値を通用する。

これは第１、第２参照光がそれぞれマスク、ウェハ面上
でｚｙ面内でのみ回折の作用を受けるようにマークのパ
ターン形状が定められている場合には、第６図に示すよ
うな光路系においては、センサ面上、第１，３４２参照
先の相対重心距離はマスク面に対するウニ八面の相対傾
斜か支配的な要因となることに基づいている。

次に第１参照光束２２と間隔信号光束６１とがセンサ上
で所定の相対重心距離となるようにマスク、ウエ八間の
間隔を制御すればよい。

そのｖＩＡ第１、第２参照光のセンサ上Ｘ方向相対重心
距離が、先に設定した基準値に保持されるようにするの
はいうまでもない。

〔発明の効果］ 本発明によればマスクとウェハの相対的な面間隔を測定
する際、前述の性質の物理光学素子を有する測定系と補
正系を利用することによりマスクが多少傾いた場合であ
っても双方の間隔を高精度に測定することができ更にセ
ンサ位置が測定毎に変動しつる系においても間隔の高精
度な測定を達成することができる。又、ウェハが傾斜し
た場合にも正確さをたもつ事が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の概略斜視図、第２図、第３図
は測定系、補正系の光学系の概略図、 第４図は第３図の補正系のピックアップ位置が変動した
場合の説明図、 第５図は第３図の補正系のマスクが傾いた場合の説明図
、 第６図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は光路の説明図、 第７図は従来例の説明図である。 図中２はマスク、３はウェハ、ＬＤは光源、４ａ，４ｂ
は入射用の物理光学素子、５ａ，５ｂは射出用の物理光
学素子、７ａ，７ｂは集光レンズ、８ａ，８ｂは受光手
段、９ａ，９ｂは信号処理回路である。 ｌｍ．，，

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）マスクとウェハとの間隔を測定する装置で、 マスクの方向に光束を照射する光源手段と、前記光源手
   段から出射されてマスクとウェハによって偏向された、
   マスクとウェハとの相対位置の変動によって所定面への
   入射位置が変化する第一光束の該入射位置を検出する第
   一光検出手段と、 前記光源手段から出射されてマスク上で偏向された、マ
   スクと前記第一光検出手段との相対位置あるいは相対角
   度の変動に応じて所定面への入射位置が変化する第二光
   束の該入射位置を検出する第二光検出手段と、 前記光源から出射されてウェハ上で偏向された、ウェハ
   と前記第一光検出手段との相対位置あるいは相対角度の
   変動に応じて所定面への入射位置が変化する第三光束の
   該入射位置を検出する第三光検出手段と、 前記第一光検出手段と第二光検出手段と第三光検出手段
   との検出結果によってマスクとウェハとの間隔を検出す
   る間隔検出手段とを有することを特徴とする間隔測定装
   置。