JPH0431703A - 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鯖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
好適なものである。

（従来の技＃ｒ） 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ニ八面上に
露光転写している。これにより高鯖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（センサー）Ｓ面上
の点ｐ、、ｐ、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、、
ＰＭとの間隔を検出することにより測定している。

（発明か解決しようとする問題点） しかしながら、第８図に示す装置はウェハＷに傾き誤差
があると光束のスクリーン（センサー）８面への入射位
置に誤差が生じマスクＭとウェハＷとの間隔検出精度が
低下してくるという問題点かあった。本発明はマスクと
ウェハに相当する第１物体と第２物体とを対向配置して
両者の間隔を測定する際、例えば第１物体と第２物体の
間隔を精度良く検出できる間隔測定装置の提供を目的と
する。

（問題点を解決するための手段） 本発明の間隔測定装置は、波面変換素子を設けた第１物
体と第２物体とを対向配置し、該第１物体上の波面変換
素子に光源手段から複数の波長の光束を同時又は順次照
射し、該波面変換素子によって所定方向に偏向した光を
該第２物体面で反射させた後、受光手段面上に導光し、
該受光手段面上における少なくとも２つの波長の光の入
射位置を個別に検出することにより、該第１物体と第２
物体との間隔を求めたことを特徴としてい束、２は板状
の第１物体で例えばマスク、３は板この他本発明ては、
一部に第１波面変換素子と第２波面変換素子とを設けた
第１物体と第２物体とを対向配置し、該第１物体面上の
第１波面変換素子に光源手段から複数の波長の光束を同
時又は順次照射し、該第１波面変換素子からの所定次数
の回折光を該第２物体面で反射させた後、該第１物体面
上の第２波面変換素子に入射させ、該第２波面変換素子
からの所定次数の回折光を受光手段面上に導光し、該受
光手段面上における少なくとも２つの波長の回折光の入
射位置を個別に検出することにより、該第１物体と第２
物体との間隔を求めたことを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明を半導体製造装置のマスクとウェハとの
間隔を測定する装置に適用した場合の一実施例の光学系
の概略図である。第２図は第１図の第１物体と第２物体
近傍の拡大模式図である。第１．第２図において１は例
えばＨａ−Ｎ　ｅレーザーや半導体レーザー等の光源か
らの光状の第２物体で例えばウェハであり、マスク２と
ウェハ３は第２図に示すように間隔ｄ０を隔てて対向配
置されている。４，５は各々マスク２面上の一部に設け
た第１．第２波面変換素子である。

波面変換素子としては例えば回折格子、グレーティング
レンズ、フレネルゾーンプレート等の物理光学素子が適
用可能である。以上、波面変換素子を物理光学素子と称
することにする。７は集光レンズであり、その焦点距離
は第８である。

８は受光手段で集光レンズ７の焦点位置に配置されてお
り、ラインセンサーやＰＳＤ等から成り、入射光束の重
心位置を検出している。９は信号処理回路であり、受光
手段８からの信号を用いて受光手段８面上に入射した光
束の重心位置を求め、後述するようにマスク２とウェハ
３との間隔ｄｏを演算し求めている。

１０は光プローブであり、集光レンズ７や受光手段８、
そして必要に応じて信号処理回路９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。１
０１は波長モニターであり、光源ＬＤからの発振波長を
検出している。

本実施例においては半導体レーザーＬＤを光源として用
い、その注入電流を注入電流制御手段１７で制御するこ
とにより、波長モニター１０１で発振波長を監視しつつ
、発振波長の異なる複数の波長の光束を同時又は順次放
射している。光源ＬＤと注入電流制御手段１７は光源手
段１０２の一要素を構成している。

光源ＬＤからの光束１（中心波長λ＝　８３０ｎｍ　）
をマスク２面上の第１フレネルゾーンプレート（以下Ｆ
ＺＰと略記する）４面上の点Ａに紙面と平行な平面内で
垂直に入射させている。そして第１のＦＺＰ４からの角
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（Ｃ）（ウェハ３とマスク２との間隔がｄｏのときは
点Ｂで、（ｄｏ　＋ｄ、）のときは点Ｃで反射）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（間隔ｄ。）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から距離ｄ６たけ
変位したときの反射光である。

次いでウェハ３からの反射光を第１物体２面上の第２の
ＦＺＰ５面上の点Ｄ　（Ｅ）に入射させている。尚、第
２のＦＺＰ５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。

そして第２のＦＺＰ５から角度θ２て回折した所定次数
の回折光（６１，６２）を集光レンズ７を介して受光手
段８面上に導光している。

そして、このときの受光手段８面上における入射光束（
６１，６２）の重心位置を用いてマスク２とウェハ３と
の間隔を演算し求めている。

本実施例ではマスク２面上に設けた第１．第２のＦＺＰ
４，５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θ１θ２は中心波長λに対応して予め
求められている。

第３図はマスク２面上の第１．第２のＦＺＰ４．５の機
能及びマスク２とウェハ３との間隔との関係を示す説明
図である。

同図（Ａ）は第１．第２ＦＺＰ４，５の上面図、同図（
Ｂ）は第１．第２ＦＺＰ４，５を通過する光束のＢ方向
から見た図、同図（Ｃ）は同じく六方向から見た図であ
る。

本実施例においては、第１のＦＺＰ４に入射光を折り曲
げる作用をしているが、この他収束、又は発散作用を持
たせるようにしても良い。

同図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）に示すように第２
のＦＺＰ５は場所によって回折方向が少しずつ変えられ
る構成になっており、例えば点１１はマスク２とウェハ
３との間隔か１００μｍのときの出射光束の重心透過点
でマスク２とウェハ３との間隔が増すにつれて出射光束
の透過点は同図（Ａ）において右方に移動し、間隔が２
００μｍになったときは点１２を透過するように設定し
ている。

ＦＺＰのパターンは同図（Ａ）においてＡ方向には収束
、発散のパワーを持たせていないが光束の拡がりを調整
する為に持たせても良い。

本実施例ではＢ方向に対しては第１図に示すように出射
角度５°方向に距１１ｆＭ＝ＩｏＯＱμｍの位置に集光
するように収束のパワーを持たせている。

尚、第３図においてマスク２とウェハ３との間隔測定範
囲を例えば１００μｍ〜２００μｍとした場合には、こ
れに対応させて第１．第２のＦＺＰ４．５の領域を設定
すれば良い。

次に第１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１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ｆＭとするとＡＤ　　−２ｄ
ｏｔａｎ　　θ１　。

ＡＥ　＝　２（ｄｏ　＋　ｄＧ）ｔａｎθ１゜−’−ｔ
ｖ　−ＤＥ　−ＡＥ　−ＡＤ　＝　２ｄａｔａｎθｒ　
　−−−−−−ｍｄＭ−２・ｆ’ｖ・ｔａｎθ２　　　
　　　　−・・−（２）である。受光手段８面上におけ
る入射光の動き量Ｓは Ｓ　−２・ｆｓ−ｔａｎθ２　　　　　　　　　　−・
−・（３）従って（１）　、　（２）　、　（３）式よ
りｆｓ Ｓ　＝　　２・ｄ、・−・ｔａｎθＩ　　　　　　　　
−−−−−−（４）九 となる。

本実施例ではマスクＭとウェハＷとの間隔（キャップ）
検出用の光束として光源手段１０２より波長の異なる複
数の光束、例えばλ８．λ２（λ１≠λ２）の２つの光
束を同時に又は順次放射している。

これによりマスクＭ面上の第２のＦＺＰ５に対して実効
的な焦点路１１　ｔ　ｖが異なる２つの状態を作り出し
ている。そして各々の波長λ１．λ２に対応する受光手
段８面上への間隔信号光束の入射位置Ｓ、、Ｓ、を検出
し、それらの入射位置の差ｓ　（Ｓ＝Ｓ、−Ｓ２　）か
らマスクＭとウェハＷとの間隔を検出している。

ここで波長λにおけるマスクＭ面上の第２のＦＺＰ５の
焦点距離をｆ、マスクＭとウェハＷとの間隔をｇ、ウェ
ハＷから交点Ｆまでの距離をａとすると ａ＝ｆ＋ｇ となる。従って波長λにおける光束重心ずれ量の間隔変
動量ｄ６に対する倍率Ａは である。

次に光源の波長を＾、グレーティングレンズの輪帯の半
径をｒ、（ｍは輪帯番号）とすると、焦点距離ｆとのあ
いだに、 ｒ、’＋ｆ’　−ｆ＝ｍλ の関係が成り立ち、これよりｆは となる。

アライメント光束の波長がΔλ変化したとすると焦点距
離ｆ′は となる。

即ち波長λ１に対応する第２のＦＺＰ５の焦点距離をｆ
Ｍ＋とし、同様に波長λ２に対応する第２のＦＺＰ５の
焦点距離をｆＭ２とすると・・・・・・（ａ） （但しｆＭｌ≠　第２２） となる。

・・・・・・（ｂ） （ｆｓ＋、ｆｓ２は波長λ１．λ２に対応する集光レン
ズ７の実効焦点距離） となる。

即ち２つの波長λ１とλ２との波長差か大きいとき、例
えばＳ≧２．０ａ以上あるときは同時に又波長差が小さ
く、例えばＳ＜２．０ａ以下のときは順次放射するよう
にしている。ここにａは各波長でのセンサー上スポット
径のいずれか大きい方を示す。

本実施例では半導体レーザな注入電流制御手段１７によ
り波長モニター１０１で監視しつつ発振波長を１０％変
調して用いた。即ちλ２＝１．１λ１　（＾、　　＝０
．８３０　　μｍ）。

ここてｆ　Ｍ＋　＝　２１４．７２３　　（μｍ　）と
するとｆＭ２１９５．１２４　　（μｍ）となる。

又、第３図（Ａ）に示す入射側の第１のＦＺＰ４の六方
向の格子どツチＰＡをｔａｎθＩ（λ１）＝０．５７７
　　（θ１（λ、）−３０°）となるようにするとＰ、
＝１．６６μｍ、このとき　ｔａｎθ１（λ２）　＝　
０．６５９（θ１（λ２）−３３，３７°）　、　ｆ　
ＳＩ＝　ｆ　５２＝３０．０（ｍｍ）とすると波長λ１
．λ２の光束を間隔（ギャップ）検出用のマークに照射
したときの受光手段８面上で光束の入射位置の変化Ｓは ５＝２０．７０４ｄＧ 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８面上の光束は１５μｍ移動する
ことになる。受光手段８として位置分解能か０．３μｍ
のＰＳＤを用いると、原理的に０．０２μｍ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
。

従ってマスク２とウェハ３とがｙ方向にギャップ変動の
ない状態、即ちΔσ＝０の時に、波長が変化しても受光
手段８面上での光束の重心位置が変動しない（即ちΔδ
′＝０となる）ようにマスク及びウェハのグレーティン
グレンズを設計しておけば、Δδ′はマスクとウェハと
のギャップ量に比例することになる。よって予めλ、Δ
λ１ｇの値を設定し、ｆ、Ｓの値を求めてΔＳの値を算
出しておくことにより、Δδ′の値を受光手段８の検出
結果より求め（ａ）又は（ｂ）式に代入して簡単にマス
ク、ウニ八間隔Δσを検出できる。

又、この時波長をΔλたけ変動させた時の光束重心位置
移動方向はマスク、ウェハのギャップ変動方向、即ちΔ
δ′の正負に対応しており、予めこの対応関係を求めて
おけば、波長変動時の光束重心位置移動方向からギャッ
プ変動方向も検出することができる。

ここでΔσ＝０の時のΔδ′は必ずしも０でなくてもよ
く、Δσ＝０の時のΔδ′の絶対値及び波長変動時の光
束重心位置移動方向を予め求めておけば、間隔検出時の
Δδ′の値とΔσ＝０の時のΔδ′の値の差分を（ａ）
又は（ｂ）式に代入してマスク、ウニへ間のギャップ量
を求めることができる。キャップ設定は第１の方法とし
てはマスク、ウニへ間のキャップ量Δ０に対する前述波
長変更時の光束重心位置移動量Δδ′の関係式、即ち（
ａ）又は（ｂ）式を予め求めておき、ギャップ検出時に
光源から所定の２波長の光束を順次出射させてそれぞれ
の波長における光束重心位置を受光手段８で検出して光
束重心位置移動量Δδ′を求め、このΔδ′の値から（
ａ）又は（ｂ）式を用いて双方の物体間のギャップ量Δ
σを求め、そのときのギャップ量Δσに相当する量だけ
第１物体若しくは第２物体をＺ方向に移動させる。

第２の方法としてはギャップ検出時に光源から所定の２
波長の光束を順次出射させて受光手段８で得られた光束
重心位置からΔδ′とギャップ量Δσを打ち消す方向を
検出し、その方向にΔδ′に見合った所定量だけ第１物
体若しくは第２物体をＺ方向に移動させ、移動が終われ
ばその時点で再び所定の２波長の光束を順次出射させて
Δσが許容範囲になるまで上述の検出、移動を縁り返し
て行う。以上のＣＰＵの位置合わせ手順を、それぞれ第
５図（１）　、　（２）に示す。

上述実施例のようにすることで検出面上にアライメント
光束の重心位置検出のための基準点、即ちΔσ＝０のと
きの受光面上の光束重心位置を求めてあく必要がなく、
光源の波長を変調又は選択的にシフトすることにより、
被測定物体間の相対ギャップ量を簡単に検出することが
できる。

又、ウェハ２が傾いた場合、この傾きによる検出面上で
の光束重心位置移動量分は光源の波長を変化させても変
化しないのでΔδ′に変化はない。これは光束照射手段
や検出手段に位置の変化があっても同様でる。従ってΔ
δ′を検出することによりウェハの傾き、光束照射手段
や検出器の位置変化の影響を受けない検出ができる。

本実施例では光源として半導体レーザな用い、注入電流
を制御することにより、発振波長を変調した。この結果
、１つの光束の重心位置の変動を検出するだけで、相対
間隔変動量の絶対値を検出することかでき、波長の異な
る２光束を別光源から発生させる場合の２光束間の相対
位置ずれ等を問題にせずにすむ。

本実施例ではウェハ３の１つの位置に対する第２のＦＺ
Ｐ５からの回折光は光軸６３に対して特定の角度をもっ
て集光レンズ７に入射し、受光手段８か集光レンズ７の
焦点位置に設置されているので光プローブ１０を光軸６
３上の、どの位置に設置しても、又光軸と垂直方向に多
少ズしていても受光手段８への入射光位置は不変である
。これにより光プローブの変動に伴う測定誤差を軽減さ
せている。

但し、光プローブ１０の位置誤差がある程度許容されて
いる場合には、受光手段８は集光レンズ７の焦点位置に
厳密に設置される必要はない。

尚、第１図の実施例において集光レンズ７を用いずに第
４図（Ａ）　、　（Ｂ）に示すように構成しても第１図
の実施例に比べて受光手段８に入射する光束が多少大き
くなるが本発明の目的な略達成することができる。

第４図（Ａ）は第１図の実施例において集光レンズ７を
省略したときの実施例の概略図である。

第４図（Ｂ）は第４図（Ａ）の実施例におけるマスク２
面上のＦＺＰ　（物理光学素子）５を入射光束に対して
一定方向に出射させる光学作用を有し、集光作用を有さ
ないような作用をもつものに置き換えた実施例を示して
いる。具体的にはＦＺＰ　（物理光学素子）５、そして
平行等間隔な線状格子よりなる回折格子等が用いられる
。この場合も第４図（Ａ）の実施例と同様、本発明の目
的を略達成することができる。

尚、第４図（Ｂ）に示す実施例においてＦＺＰ（回折格
子）５を省略し、ウェハ３から反射した光束がマスク２
を透過するようにし、この透過光を受光する位置に受光
手段を配置するようにしても良い。

又、第４図（Ａ）　、　（Ｂ）の入射側のＦＺＰ　（回
折格子）４を省略し、光源ＬＤからの入射光束がマスク
２に入射する前からマスク面法線に対して傾斜している
ように構成しても良い。

更に第４図（Ａ）　、　（Ｂ）においてウェハ３上に回
折格子を形成し、ＦＺＰ　（回折格子）４からの回折光
を該ＦＺＰ　（回折格子）で回折させてＦＺＰ（回折格
子）５の方向に導光するように構成しても良い。

本発明による第２の実施例を適用した半導体露光装置の
要部斜視図を第６図に示す。第１図と同一部材は同一符
号で示しである。主な構成要素は第１実施例と同じであ
るが、本実施例ではアライメントヘッド内に光源として
発振中心波長の異なる２つの半導体レーザ１０−１．１
０−２を設けた。半導体レーザ１０−１．１０−２から
の光束はハーフミラ−１２ａにより出射した時に主光線
が重なるように光路調整されている。６００はステージ
でステージドライバー６０１でＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動し
ている。６０２はウェハチャックである。

ＣＰＵ９は前述の実施例で説明した波長変更の際に点灯
する半導体レーザを切り換える。即ち交互に点灯させる
（同時でも良い）ことにより照射用光束の波長変更を実
行している。これはそれぞれの半導体レーザの前にシャ
ッタを設け、交互にシャッタを開閉するように制御して
も良い。

半導体レーザ１０−１の中心波長は８３０ｎｍ、半導体
レーザ１０−２の中心波長は７８０ｎｍで、グレーティ
ングレンズの設計方程式は波長が８０５ｎｍのアライメ
ント光に適用すると仮定して、パラメータの設定を行っ
た。このとき波長変調率はΔλ／λ＝６．２ｘｌＯ−２
マスク２のグレーティングレンズ５の焦点距離ｆ、マス
ク、ウニ八間隔ｇは第１実施例と同じとし、波長８０５
ｎｍの光束に対し、グレーティングレンズ系のギャップ
検出倍率Ａが８０．６になるとすると、倍率変動幅ΔＡ
は５．３３となる。

本発明に係る第３の実施例を適用した半導体露光装置の
要部斜視図を第７図に示す。本実施例では光源として、
白色光源７０３を用い、波長選択手段として回折格子１
３及びスリット板１４をアライメントヘット７０６内に
設定している。回折格子１３は入射光束に対し、その入
射角を変化させることにより各波長毎に回折光の出射角
が変動する。回折光を受光可能な所定位置にスリット・
どンホール等を設けたスリット板１４を配置し、回折格
子１３を入射角が変化するように回転させることによっ
てスリット板１４を通過する光束の波長を変化させるこ
とができる。従ってＣＰＵ９は前述の実施例で説明した
波長変更の際に、回折格子１３を所定の角度回転させる
ことによって照射用光束の波長変更を実行している。

本実施例のようにコヒーレンシーの低い光源を用いるこ
とにより、ウェハ３面上のレジスト表面粗をマスク、ウ
ェハ上のアライメントマークのエツジからの散乱光等の
要因により発生する受光面８ａ上のスペックルなどの不
要光を抑えることができる。

尚、波長選択手段としては回折格子を用いることに限定
されることなく、例えばプリズム、色フィルターなどを
用いてもよい。又波長選択手段は光源７０３のすぐ後で
はなく、受光手段８の検出面８ａの直前に配置し、白色
光をグレーティングに照射し、グレーティングレンズ５
で回折された光束を波長選択手段によって検出したい波
長のみ検出面上に入射させるように制御してもよい。

この場合スリット板１４はマスク、ウェハいずれによっ
て光束の出射角が変動しても、マスクとウェハとが所定
の位置ずれ範囲内にあれば、検出用の波長の光が遮光さ
れないようにスリットの大きさを設定しておく。

（発明の効果） 本発明によれば第１物体面上に前述のような波面変換素
子を設け、これに異なる波長成分有する複数の光束を照
射し、該波面変換素子によって偏向された光束を利用す
ることにより、第２物体が第１物体に対して傾いても、
又光源手段からの光束照射や受光手段等に位置変化が生
じても検出誤差の発生を少なくした高精度な間隔測定が
可能な特に半導体製造装置に好適な間隔測定装置を達成
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の光学系の概略図、第２図は
第１図のマスクとウェハに入射する光束の説明図、第３
図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）はマスク面上の物理
光学素子の機能を示す説明図、第４図（Ａ）　、　（Ｂ
）は本発明の他の一実施例の一部分の概略図、第５図は
本発明に係る間隔設定の手順を示すフローチャート図、
第６．第７図は各々本発明の一実施例の概略図、第８図
は従来の間隔測定装置の概略図である。 図中、１は光束、２はマスク、３はウェハ、４．１０４
は第１物理光学素子、５は第２物理光学素子、６１．６
２は回折光、７，１０５は集光レンズ、８，１０６は受
光手段、９は信号処理回路、１０は光プローブ、１５は
コリメーターレンズ、１６はハーフミラ−１１７は注入
電流制御手段、ＬＤは光源である。 入・入１１人？ へ−ｍ− ゝ＼、 ／ （Ａ） 翳 第５図 霞 （Ｂ） 第 第 図 第 図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）波面変換素子を設けた第１物体と第２物体とを対
   向配置し、該第１物体上の波面変換素子に光源手段から
   複数の波長の光束を同時又は順次照射し、該波面変換素
   子によって所定方向に偏向した光を該第２物体面で反射
   させた後、受光手段面上に導光し、該受光手段面上にお
   ける少なくとも２つの波長の光の入射位置を個別に検出
   することにより、該第１物体と第２物体との間隔を求め
   たことを特徴とする間隔測定装置。
2. （２）一部に第１波面変換素子と第２波面変換素子とを
   設けた第１物体と第２物体とを対向配置し、該第１物体
   面上の第１波面変換素子に光源手段から複数の波長の光
   束を同時又は順次照射し、該第１波面変換素子からの所
   定次数の回折光を該第２物体面で反射させた後、該第１
   物体面上の第２波面変換素子に入射させ、該第２波面変
   換素子からの所定次数の回折光を受光手段面上に導光し
   、該受光手段面上における少なくとも２つの波長の回折
   光の入射位置を個別に検出することにより、該第１物体
   と第２物体との間隔を求めたことを特徴とする間隔測定
   装置。
3. （３）前記第２波面変換素子はピッチが空間的に変調さ
   れたグレーティング素子であることを特徴とする請求項
   ２記載の間隔測定装置。
4. （４）前記光源手段からは複数の波長の光束間の波長差
   が大きいときは同時に、波長差が小さいときは順次照射
   するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の
   間隔測定装置。