JPH0465619A

JPH0465619A - パターン位置測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH0465619A
Application number: JP2178229A
Authority: JP
Inventors: Taro Ototake; 乙武　太朗; Yasuko Maeda; 前田　康子; Takakazu Ueki; 隆和植木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-07-05
Filing date: 1990-07-05
Publication date: 1992-03-02
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JP2712772B2; US5386294A

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、マスク、レチクル等の試料に形成されたパタ
ーンの位置を計測するパターン位置測定装置に関・する
。

〔従来の技術］従来、ステージ上に吸着されたマスク、レチクル等の試
料表面に形成されたパターンの位置を計測するに際し、
試料の撓みによるパターンの位置計測誤差を補正するこ
とが行なわれている。

例えば、特開昭６１−２３３３１２号公報には、試料表
面に形成されたパターンのエツジを検出する毎に、その
位置での試料表面の勾配を算出し、パターンエツジの位
置を補正しているパターン位置測定装置が記載されてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の技術では、パターンエ
ツジを測定する毎に、測定点及びその前後の間隔を測定
することにより、試料の測定点での勾配を求めて撓みを
補正しているので、測定点が多数の場合には、測定時間
が大幅に増大し、装置のスループットが低下するという
問題点があった。

本発明は、装置のスルーブツトを向上させたパターン位
置測定装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決する為の手段〕

本発明は、ステージ上に載置した試料のパターンエツジ
を検出することにより、パターンの位置を求めるパター
ン位置検出装置において、前記ステージ上の試料の高さ
を所定間隔で測定することにより、試料全表面の撓みを
検出する撓み検出手段と、パターンエツジを検出したと
ころの試料表面の勾配を前記撓み検出手段の出力から演
算する勾配演算手段と、前記勾配演算手段の出力に基づ
いてパターンエツジの位置を補正する補正手段と、を有
することを特徴とするパターン位置検出装置である。

〔作用〕

本発明では、パターンエツジを検出することにより、パ
ターンの位置を求める前に、撓み検出手段により試料全
表面の撓みを検出しているので、パターンエツジを検出
する毎に、エツジの位置近辺の試料表面高さを測定する
ことが不用となり、撓み検出の為の測定回数が従来の構
成と比較して格段に少なくなる。

〔実施例］以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して詳細に説
明する。

第１図（ａ）は本発明に係るパターン位Ｗ測定装置の斜
視図であり、第１図（ｂ）は第１閲（ａ）で用いる主制
御装置２０のフローチャートである。所定の原画パター
ンが形成されたマスク、レチクル等の試料１０はＸＹス
テージ１５上に載置され、そのパターン像は対物レンズ
１１によって拡大され、光学装置１２内の所定の位置に
結像される。この光学装置１２内にはレーザ光源が設け
られ、対物レンズ１１を介して試料ｌＯ上にレーザスポ
ットを投射する。一般にマスクやレチクルのパターンは
微小な凹凸のエツジを有するので、スポット光を相対走
査すると、エツジ部で散乱又は回折光が生しる。対物レ
ンズ１１の周囲に設けられた４つの受光素子５０ａ、５
０ｂ、５１ａ、５１ｂは、その散乱光等を受光するエツ
ジ検出手段として機能する。このエツジ検出の方式は詳
しくは特公昭５６−２５９６４号公報に開示されている
ので説明は省略する。また、光学装置１２は対物レンズ
１１をＺ方向に上下動させることにより、自動的に合焦
できる焦点検出手段（オートフォーカス）を備えている
。この焦点検出手段には例えば実公昭５７−４４３２５
号公報記載の手段を用いることができ、試料１０表面の
高さも検出することができる。ここで、焦点検出手段に
おける合焦位置の検出について簡単に説明する。まず、
試料１０上に対物レンズ１１を介して前述のレーザ光源
からのレーザ光をスポット状（又はスリント状）に結像
させ、試料１０からの反射光を対物レンズ１１を介して
再結像させるとともに、所定の合焦面を中心としてピン
ホール（又はスリット）の位置を光軸方向（Ｚ方向）に
単振動させ、さらにピンホール（又はスリット）の透過
光を受光して得られた出力信号を単振動の周波数で同期
検波（同期整流）する。その結果、第２図に示すような
Ｚ方向の位置に対する電圧値がＳ字状に変化するＳカー
ブ信号が得られる。

このＳカーブ信号は合焦位置ｄ０の前後の小区間でデフ
ォーカス量ｄと電圧（直■とが線形性を有し、又合焦位
置ｄ０で電圧値Ｖが零となる特性を有しているので、Ｓ
カーブ信号に基づいて容易に合焦位置ｄ０に対する試料
１０の２方向の高さ、すなわち試料１０を載置して２次
元移動するＸＹステージ１５の理想的な移動水平面と、
試料１０のパターン面との間隔が検出できる。試料１０
が載置されたＸＹステージ１５はモータ等を有する駆動
装置１５０によりＸＹ平面（水平面）を２次元移動する
。尚、ＸＹステージ１５は、該ステージの形成するＸＹ
移動平面（水平面）の理想水平面に対する誤差が、試料
ｌＯの撓みに比べて十分小さくなるように、高精度に製
作されている。

Ｘ軸周及びＹ軸用の干渉計システム１４ａ、１４ｂはＸ
Ｙステージ１５の上面端部に固定された移動鏡１３ａ、
１３ｂの反射面に測長用のレーザビームを照射して、ｘ
Ｙステージ１５の位置、すなわち対物レンズ１１の光軸
上にある試料１０表面のＸＹ平面における位置（座標値
）を検出し、該検出した位置を示す位置信号を出力し、
この位置信号は主制御装置２０に入力される。

主制御装置Ｆ２０は光学系１２の焦点検出手段からの合
焦状態に応じた信号と、Ｘ軸周及びＹ軸用の干渉計シス
テム１４ａ、１４ｂからの位置信号と、受光素子５０ａ
、５０ｂ、５１ａ、５１ｂからのエツジ検出信号とを入
力し、駆動装置１５０、表示装置２１に制御信号を入力
せしめる。そして、主制御装置２０は、以下に示す５つ
の機能を備えている。

第１の機能、は、Ｘ軸用干渉計システム１４ａ、Ｙ軸周
干渉計システム１４ｂからのＸ軸、Ｙ軸それぞれの位置
信号をモニターしつつ、駆動装置１５０に制御信号を入
力させてステージ１５を所定間隔で２次元的にステップ
移動させ、ステージ１５の各停止位置において、光学装
置１２の焦点検出手段の出力信号（オートフォーカス作
動前の出力）を読み込み、合焦位置ｄ０　（電圧値零）
からのずれによって、試料１０表面の２方向高さ位置を
検出し、干渉計システム１４ａ、１４ｂからの位置信号
の表す座標位置（この位置は、試料１０表面の対物レン
ズ１１の光軸上の位置に対応している。）と共に記憶す
る、試料１０表面の高さ検出機能である。

第２の機能は、第１の機能により所定間隔で求めたステ
ージ１５の位置と試料１０表面の高さ位置との関係から
、所定間隔の間（測定点間）を補完し、試料１０表面の
撓み形状を夏出し、ステージの位置と共に記憶する撓み
形状算出機能である。

第３の機能は、撓み形状算出機能により算出した試料全
表面の撓み形状に基づいて、受光素子５０ａ、５０ｂ、
５１ａ、５１ｂからエツジ信号が出力されたときの試料
１０表面の勾配を算出する勾配算出機能である。

第４の機能は、受光素子５０ａ、５０ｂ、５１ａ、５１
ｂからエツジ信号が出力されたときのステージの位置信
号から、第３の機能である勾配算出機能により算出した
勾配に基づいて、勾配に応じた量だけ補正することによ
り、撓みのない状態における試料１０表面のエツジの座
標値を求める補正機能である。

第５の機能は、補正機能により補正された座標値を読み
込み、複数の座標値がらパターンエツジ間の距離を演算
する距離演算機能である。

次に、第１図（ａ）の実施例に係るパターン位置測定装
置の動作を第１図（ｂ）に示した主制御装置２０のフロ
ーチャートと共に説明する。

主制御装置２０は、不図示の入力装置からの測定開始指
令により、ＸＹステージ１５が初期位置にくるように、
Ｘ軸周、Ｙ軸用それぞれの干渉計システム１４ａ、１４
ｂからのステージ位置信号をモニターしつつ、ステージ
位置信号が初期位置を表わす信号になるまで、駆動装置
１５０に駆動指令を行なう（ステップ１００）。

その結果、例えば第３図に示した試料１０上の点３１ａ
が光学装置１２の対物レンズ１１の光軸上にくる。主制
御装置２０は、光学装置１２の焦点検出手段のオートフ
ォーカスが働（前の出力電圧を読み取ることにより、試
料１０表面の高さ位置Ｈ３１ｍを測定し、点３１ａに対
応のステージ位置と共に記憶する（ステップ１０１）。

主制御装置２０は、順次試料ｌＯ上の点３１ｂ〜３１ｚ
における試料１０表面の高さ位置Ｈ１１１〜Ｈ３１２を
それぞれの点でのステージ位置と共に記憶する（ステッ
プ１０２）。

次いで主制御装置２０は、Ｘ方向に並んだ点３１ａ〜３
１ｅの高さ位置とステージ位置とのデータから、Ｘ方向
のライン３２ａにおける撓み形状を、Ｚ　＝ａ　Ｉ　Ｘ　’　＋　ａ　ｚ　Ｘ　’　＋　、８
３　Ｘ　”　＋　ａ　ａ　Ｘ　＋　８５なる４次式で近
位する。ｚ、Ｘの５つのデータに対して未知数ａ、４　
ａ、は５つであるから上記４次式は一義的に定まる。

このようにして、順次、Ｘ方向の点３１ｆ〜点３１ｊ、
Ｘ方向の点３１に〜点３１Ｐ、Ｘ方向の点３１ｑ＝−点
３１ｕＳＸ方向の点３１ｖ〜点３１２に対しても撓み形
状の４次式を求める。

−さらに、Ｘ方向に並んだ点３１ａ〜３１ｖに対しても
同様にＸ方向のライン３２ｂにおける撓み形状を、ｚ＝ｂ、Ｙ’＋ｂ、Ｙ３−１−ｂ、Ｙ”＋ｂａＹ＋ｂｓ
なる４次式で近似する。

同様に、順次、Ｘ方向の点３１ｂ〜３１ｗ、Ｙ方向の点
３１ｃ　〜３１ｘ、Ｙ方向の点３１ｄ〜３１ｙ、Ｙ方向
の点３１ｅ〜３１ｚに対しても撓み形状の４次式を求め
る。

この結果、第４図に示したように、試料ｌＯ全表面の撓
み形状が得られる〔ステップ１０３〕。

次に、主制御装置２０はステージ１５を初期位置に戻し
た後、初期位置から順次移動させるように駆動装置１．
５０を制御して、パターンのエツジを検出する（ステッ
プ１０４）、そして、受光素子５０ａ、５０ｂ、５１ａ
、５１ｂから工・７ジ信号が出力されたときの両干渉計
システム１４ａ、１４ｂの出力から、エツジ信号が出力
されたときのステージ１５の位置を読み取る。いま、第
３図の位置３３ａと位置３３ｂでエツジ信号が出力され
たとすれば、その位置３３ａ、３３ｂの位置に対応した
ステージ１５の位１が読み取られ、記憶される。

主制御回路２０は、まず、位置３３ａのＸ座標値に等し
いＸ座標値を持ち、先に求めた４次近似式のうち、位１
３３ａに隣接した近似式上の点３３ｃ、３３ｄにおける
Ｘ方向の勾配θ、ｔ３、θ８４を算出する。この勾配θ
ゆ１、θＸ４は、先に算出した４次近似式を微分し、Ｘ
座標値を代入することにより得ることができる。

パターンエツジの位置３３ａと点３３ｃ、３３ｄの位置
関係が第３図に示すものであった場合、パターンエツジ
の位置３３ａでのＸ方向の勾配θ８、は、比例配分によ
り、θｘ１＝（ｌｘ　θ。＋ｌθＸ４）　／　ｉ、　＋
ｅｔ　）として算出できる。

他のパターンエツジの位置３３ｂでのＸ方向の勾配θ！
２についても同様に算出する。

更に、Ｘ方向の勾配θＹ１、θ、２についても同様にし
て算出する。次いで、パターンエツジの位置３３ａ及び
３３ｂにおける補正量−ｔθＸ１、（ただし、Ｌは試料
３０の厚み）を算出し、干渉計システム１４ａ、１４ｂ
が検出したパターンエツジの位置の座標値を補正する。

ここで、パターンエツジの位置３３ａ及び３３ｂの位置
するＸ方向のライン３２ｃにおける撓み形状が第５図に
示すように点０を中心として円弧状のものとみなす。

補正量は、中立面３０’が伸び縮みせず、中立面３０′
が変形することによる試料１０の寸法変化量が微小であ
るので無視でき、勾配から直ちに求めることができる。

パターンエツジの位置３３ａと３３ｂとの間の距離は試
料１０を理想平面の状態に置いた場合に比べて、−１（
０，１−０８□）の誤差を含んでいることになる。ただ
し、θｘ１、θ。は第３図に示すように試料１０の傾き
が右上りのときは正、左上りのときは負となる。この場
合、パターンエツジの位置３３ａと３３ｂとの間の距離
は勾配の差θ□−θ。が正であれば長く計測され、θ□
−θ。が負であれば短かく計測されることになる。また
、試料１０が水平面に対し傾いていても、誤差はθ０．
とθ、７の差から演算されるので、傾きはキャンセルさ
れることになる。Ｘ方向の座標の補正値についても同様
に考えればよい。

このようにして求めた座標の補正値は、試料１０表面が
撓んでいない場合の座標値に極めて近いものである。

従って、主制御装置２０は、受光素子５０ａ、５０ｂ、
５１ａ、５１ｂのエツジ信号が生したときの干渉計シス
テム１４ａ、１４ｂの座標値を上述の如き補正した座標
値に基づいて、工、ジ間隔等を求め、表示装置２１に表
示せしめる（ステップ１０７）。

本実施例では、水平面と試料１０表面との間隔を２５点
で検出したが、検出する位置の数はこれに限るものでは
なく、撓みの近位誤差を小さくしたい場合には数を増や
せばよい。なお、この場合には、近似式の次数を増す必
要がある。また、撓みの近似式は高次式に限るものでは
なく、任意の式を用いることができる。更に、撓みの近
値方法として、ｚ＝ｆ　（ｘ、ｙ）なる適当な関数で曲
面を近位してもよい。この場合には、パターンエツジの
位置がどこにあっても実施例のように比例配分を用いる
必要はなく、前記関数を微分し、ＸＹ座標値を代入する
ことにより、即座に勾配を求めることができる。

また、本実施例では、焦点検出手段が出力する信号に基
づいて試料１０表面の高さを検出したが、これに限るも
のではない０例えば、対物レンズ１１の上下動量、をエ
ンコーダ、干渉計又はポテンショメータ等の手段により
読取れるようにしてもよい、また、対物レンズ１１の上
下動量でなくＸＹステージ１５の上にＺ方向に上下動す
るＺステージを設け、このＺステージの上下動量を読取
るようにしてもよい。

また、他のエツジ検出手段としては、対物レンズ１１に
よって結像されたパターンエツジの像を、振動スリ７ト
等を用いて走査する光電顕微鏡が使えることは言うまで
もない。

被測定試料の撓みは実施例に示した円弧状のものに限ら
ず、どのような形に変形しても、パターンの位置を補正
できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、試料表面の撓みを補正す
ることができるばかりでなく、あらかじめ試料の複数の
位置でのパターン面（表面）の高さを検出し、撓み形状
を求めているので、計測すべきパターン位置毎にその近
辺での撓み形状を求めるための測定をする必要がなく、
計測点が多数の場合にも装置のスループットの低下を最
小限に押えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ　、、）は、本発明に係るパターン位Ｗｌ−
定装置の斜視図であり、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）
で用いる主制御装置２０のフローチャート、第２図は、
焦点検出手段にて得られるＳカーブ信号の波形図、第３
図は、試料の撓みの測定位置及び勾配を求める手順を説
明する図、第４図は、近位により得られる試料表面の撓
み形状の一例を示す説明図、第５図は、試料の撓みの一
例を示す説明図、である。〔主要部分の符号の説明〕１２・・・・・・光学装置、１４ａ・・・・−Ｘ軸周干渉針システム、１４ｂ−・・
・・・Ｙ軸周干渉計システム、２０・・・・・・主制御
装置、３１ａ〜３１ｚ・・・・・・高さ測定点、５０ａ、５０
　ｂ、　５１　ａ、　５　ｌ　ｂ・・・−・・受光素子
。出１人　株式会社　ニコン

Claims

【特許請求の範囲】ステージ上に載置した試料のパターンエッジを検出する
ことにより、パターンの位置を求めるパターン位置検出
装置において、前記ステージ上の試料の高さを所定間隔で測定すること
により、試料全表面の撓みを検出する撓み検出手段と、パターンエッジを検出したところの試料表面の勾配を前
記撓み検出手段の出力から演算する勾配演算手段と、前記勾配演算手段の出力に基づいてパターンエッジの位
置を補正する補正手段と、を有することを特徴とするパターン位置検出装置。