JPH1019511A - 測長方法及び位置計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱による計測誤差を軽減した測長方法及びこ
れを用いた位置計測装置を提供すること。 【解決手段】 測定対象物（１４，１４ａ）の温度を検
出し、この検出された温度に基づいて、測定対象物（１
４）に対する反射部材（２４，２６）の反射面の変位量
（△Ｘ，△Ｙ）を求める。そして、求められた変位量
（△Ｘ，△Ｙ）に基づいて、予め計測された測定対象物
（１４，１４ａ）の位置（ＬＸ，ＬＹ）を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定対象物の位置
を測定する測長方法に関し、特に、移動可能なステージ
上に載置された試料の位置を所定の光学系を基準に計測
する位置計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定対象物の位置を光学的に計測する光
学測定技術の分野において、干渉計が多く利用されてい
る。干渉計においては、例えば、計測用の１本の光束を
２本に分割し、分割した光をそれぞれ異なる方向に導
き、２つの反射鏡で反射した光を再び合成する。そし
て、これら２本の光の合成によって生じる干渉縞を検出
することによって、２つの反射鏡が設置された部材間の
相対的な位置の変位を計測できるようになっている。こ
のような干渉計システムは、半導体デバイスの製造、及
び検査工程においても頻繁に使用される。

【０００３】マスクに形成されたパターンを感光基板上
に転写する露光工程においては、露光作業に先立ち、パ
ターン計測装置によってマスク上に形成されたパターン
の座標を計測する。このようなパターン計測装置におい
ては、計測対象となるマスクを移動可能なステージ上に
載置し、対物レンズ等の光学系から照射される光でマス
ク上のパターンを走査することによってパターンの位置
（座標）を計測する。この時、２次元平面内で移動する
マスクの位置は、干渉計によって正確に計測される。

【０００４】図５は、従来のパターン計測装置の概略構
成を示す。この装置は、基板１１０上に形成されたパタ
ーン１１０ａの位置（座標）を計測するものであり、パ
ターン計測用のレーザ光を射出する光学装置１１２と、
光学装置１１２から射出されたレーザ光をスポットとし
て基板１１０上に投射する対物レンズ１１４と、基板１
１０のパターン１１０ａのエッジ部分で発生する散乱光
を受光する受光素子１１６ａ，１１６ｂとを備えてい
る。基板１１０は、紙面に垂直な面内に移動可能なステ
ージ１１８上に載置されている。ステージ１１８上の端
部には、干渉計本体１２０から射出されるレーザ光を反
射する移動鏡１２２が固定されている。また、対物レン
ズ１１４の外周（鏡筒の外周）には、干渉計本体１２０
から射出されるレーザ光を反射する参照鏡１２４が固定
されている。

【０００５】上記のような構成のパターン計測装置にお
いては、ステージ１１８を駆動することにより、対物レ
ンズ１１４を介して照射されるレーザスポットを基板１
１０のパターン１１０ａで走査する。そして、パターン
１１０ａのエッジ部分で生じる散乱光を受光素子１１６
ａ，１１６ｂによって受光する。この時、基板１１０の
位置は、干渉計本体１２０によってモニターされている
ため、受光素子１１６ａ，１１６ｂに受光された散乱光
の信号からパターン１１０ａの位置が自動的に計測され
る。

【０００６】干渉計本体１２０においては、１本のレー
ザ光をビームスプリッタ（図示せず）によって２本に分
割し、分割した２本のレーザ光を移動鏡１２２及び参照
鏡１２４にそれぞれ照射する。そして、移動鏡１２２と
参照鏡１２４で反射した光を再び合成し、合成された光
の干渉縞を観察することによって、基板ステージ１１８
の位置を計測するようになっている。すなわち、干渉計
本体１２０から参照鏡１２４までの距離と、干渉計本体
１２０から移動鏡１２２までの距離との相対的な変化に
基づいて、対物レンズ１１４の光軸上にあるパターン１
１０ａの位置を計測する。このように、基板１１０のパ
ターン１１０ａの位置は、対物レンズ１１４の光軸を基
準として測定するため、参照鏡１２４の反射面と対物レ
ンズ１１４の光軸との距離は、常に一定であることが重
要となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の方法によると、何らかの影響で対物レンズ
１１４の温度が変化すると、対物レンズ１１４の鏡筒及
び参照鏡１２４の熱膨張又は収縮によって、参照鏡１２
４の反射面と対物レンズ１１４の光軸との間隔が変化し
てしまう。その結果、干渉計本体１２０によって計測さ
れるパターン１１０ａの位置に誤差成分が混入すること
になる。

【０００８】本発明は上記のような状況に鑑みて成され
たものであり、熱による計測誤差を軽減した測長方法及
びこれを用いた位置計測装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の測長方法においては、測定対象物（１４，
１４ａ）の温度を検出し、この検出された温度に基づい
て、測定対象物（１４）に対する反射部材（２４，２
６）の反射面の変位量（△Ｘ，△Ｙ）を求める。そし
て、求められた変位量（△Ｘ，△Ｙ）に基づいて、測定
された測定対象物（１４，１４ａ）の位置（ＬＸ，Ｌ
Ｙ）を補正する。このような測長方法においては、測定
対象物（１４，１４ａ）の温度を複数の位置で検出し、
これら複数の位置で検出された温度に基づいて、変位量
（△Ｘ，△Ｙ）を算出しても良い。

【００１０】また、移動可能なステージ（２０）上に載
置された試料（１０，１０ａ）の位置を所定の光学系
（１４）を基準に計測する本発明の位置計測装置は、光
学系（１４，１４ａ）に固定された第１の反射部材（２
４，２６）と；ステージ（２０）上に固定された第２の
反射部材（２８，３０）と；第１及び第２の反射部材
（２４，２６，２８，３０）に対して計測用の光を照射
し、当該第１及び第２の反射部材（２４，２６，２８，
３０）で反射した光に基づいて光学系（１４）に対する
試料（１０，１０ａ）の相対的な位置を計測する計測手
段（３２，３４）と；光学系（１４，１４ａ）の温度を
検出する温度センサ（３５）と；温度センサ（３５）の
検出結果に基づいて光学系（１４）の光軸に対する第１
反射部材（２４，２６）の反射面の変位量（△Ｘ，△
Ｙ）を求める演算手段（３６ａ，３８ａ）と；その変位
量（△Ｘ，△Ｙ）に基づいて、計測された試料（１０，
１０ａ）の位置（ＬＸ，ＬＹ）を補正する補正手段（３
６ｂ，３８ｂ）とを備えている。

【００１１】上記のような位置計測装置において、複数
の温度検出部（５０ａ〜５０ｇ）によって、光学系（１
４，１４ａ）の温度を検出し、演算手段（３６ａ，３８
ａ）によって、これら複数の温度検出部（５０ａ〜５０
ｇ）による複数の検出結果に基づいて、第１反射部材
（２４，２６）の反射面の変位量を算出するように構成
しても良い。

【００１２】

【作用及び効果】上述した本発明の測長方法において
は、まず、測定対象物（１４，１４ａ）の温度を検出
し、この検出された温度に基づいて、測定対象物（１
４）に対する反射部材（２４，２６）の反射面の変位量
（△Ｘ，△Ｙ）を求める。例えば、測定対象物（１４
ａ）の温度に基づき、当該測定対象物（１４ａ）の熱膨
張に起因する変位（膨張量）（△Ｘ１，△Ｙ１）を求め
る。また、これと同時に、反射部材（２４，２６）の変
位（△Ｘ２，△Ｙ２）を求める。更に、これらの変位量
の和（△Ｘ１＋△Ｘ２，△Ｙ１＋△Ｙ２）として、測定
対象物（１４）に対する反射部材（２４，２６）の反射
面の変位量（△Ｘ，△Ｙ）を求める。そして、その変位
量（△Ｘ，△Ｙ）に基づいて、実際に測定された測定対
象物（１４，１４ａ）の位置（ＬＸ，ＬＹ）を補正し、
補正後の計測値（ＬＸ＋△Ｘ，ＬＹ＋△Ｙ）を得る。こ
れのように最終的に求められた位置情報（ＬＸ＋△Ｘ，
ＬＹ＋△Ｙ）は、温度変化による誤差分をキャンセルし
た正確な情報となる。

【００１３】また、上述した本発明の位置計測装置にお
いては、例えば、温度センサ（３５）により対物レンズ
鏡筒（１４ａ）のような基準となる光学系の温度を測定
する。演算手段（３６ａ，３８ａ）は、温度センサ（３
５）の出力信号に基づき、対物レンズ鏡筒（１４ａ）自
体の熱膨張に起因する変位（膨張量）（△Ｘ１，△Ｙ
１）と、第１の反射部材（２４，２６）自体の熱膨張に
起因する変位（厚さの変化量）（△Ｘ２，△Ｙ２）とを
求める。更に、これらの変位量の和（△Ｘ１＋△Ｘ２）
を求め、これを対物レンズ（１４）の光軸に対する第１
の反射部材（２４，２６）の反射面の変位量（△Ｘ，△
Ｙ）とする。そして、補正手段（３６ｂ，３８ｂ）にお
いては、このように求められた第１の反射部材（２４，
２６）の反射面の変位量（△Ｘ，△Ｙ）に基づいて、干
渉計等によって実際に計測された試料の位置（ＬＸ，Ｌ
Ｙ）を補正し、補正後の位置情報（ＬＸ＋△Ｘ，ＬＹ＋
△Ｙ）を試料の実際の位置として採用する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を以下
に示す実施例に基づいて説明する。本実施例は、レチク
ル等の基板に形成されたパターンの座標を計測するパタ
ーン位置測定装置に本発明を適用したものである。

【００１５】

【実施例】図１は、本実施例にかかるパターン位置測定
装置の全体の構成を示し、図２は当該装置の要部の構成
のみを示す。本実施例のパターン位置測定装置は、基板
１０上にクロム等で形成されたパターン１０ａの位置
（座標）を測定するものであり、測定用の光を照射する
照明系（１２，１４）と、基板１０からの散乱光を受光
する受光系（１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ）と、基
板１０が載置されたステージ２０を駆動するステージ駆
動装置２２と、ステージ２０（基板１０）の位置を計測
する干渉計システム（２４，２６，２８，３０，３２，
３４）と、制御系（３５，３６，３８，４０）と、測定
結果を表示する表示装置４２とを備えている。

【００１６】照明系（１２，１４）は、測定用のレーザ
光を出力する光学装置１２と、光学装置１２から射出さ
れたレーザ光をスポットとして基板１０上に導く対物レ
ンズ１４とから構成されている。対物レンズ１４は、レ
ンズ鏡筒１４ａ内に配置されている。

【００１７】測定対象となる基板１０としては、例え
ば、半導体の露光工程に使用されるレチクル等のマスク
や、そのマスクのパターンが露光されたウエハ等の感光
基板を対象とすることができる。基板１０が載置された
ステージ２０は、主制御装置４０に制御されるステージ
駆動装置２２によって、ＸＹ２次元平面内で移動可能に
構成されている。そして、ステージ２０の移動により、
対物レンズ１４から射出されるレーザスポットを基板１
０の表面（パターン１０ａ）で走査するようになってい
る。

【００１８】基板１０からの散乱光を受光する受光系
（１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ）は、基板１０を斜
め上方から覗くように配置されており、レーザ光と基板
１０との相対的な走査によって、パターン１０ａのエッ
ジ部分で発生する散乱光又は回折光を受光する。そし
て、受光した光の強度に応じた電気信号を主制御装置４
０に対して供給するようなっている。

【００１９】本実施例の干渉計システム（２４，２６，
２８，３０，３２，３４）は、対物レンズ１４のレンズ
鏡筒１４ａの外周部に固定された参照鏡２４，２６と、
ステージ２０上の２辺端部に固定された長尺状の移動鏡
２８，３０と、干渉計本体３２，３４とから構成されて
いる。参照鏡２４と２６は、対物レンズ１４の光軸方向
（高さ方向）の位置が互いに等しくなるように配置され
ている。

【００２０】干渉計本体３２内には、図示しないレーザ
光源が設けられており、このレーザ光源から射出された
レーザ光をビームスプリッタ等の分光器（図示せず）に
よって２つの光に分割し、分割した光を参照鏡２４と移
動鏡２８に対して投射する。そして、参照鏡２４と移動
鏡２８で反射したレーザ光を再び干渉計本体３２内で合
成し、合成された光の干渉縞に基づいて、参照鏡２４と
移動鏡２８の相対的な位置変化、すなわち、ステージ２
０のＸ方向の移動量を計測するようになっている。更に
正確には、参照鏡２４と移動鏡２８の相対的な位置の変
位に基づいて、対物レンズ１４の光軸上に存在するパタ
ーン１０ａのＸ方向の位置を計測する。この様に計測さ
れたＸ軸方向の位置情報は、補正装置３６に入力され
る。

【００２１】同様に、干渉計本体３４内には、図示しな
いレーザ光源が設けられており、このレーザ光源から射
出されたレーザ光をビームスプリッタ等の分光器（図示
せず）によって２つの光に分割し、分割した光を参照鏡
２６と移動鏡３０に対して投射する。そして、参照鏡２
６と移動鏡３０で反射したレーザ光を干渉計本体３４内
で再び合成し、合成された光の干渉縞に基づいて、参照
鏡２６と移動鏡３０の相対的な位置の変位、すなわち、
ステージ２０のＹ方向の移動量を計測するようになって
いる。更に正確には、参照鏡２６と移動鏡３０の相対的
な位置の変位に基づいて、対物レンズ１４の光軸上に存
在するパターン１０ａのＹ方向の位置を計測する。この
様に計測されたＹ軸方向の位置情報は、補正装置３８に
入力される。

【００２２】上記のような２方向の干渉計システム（３
２，３４）によって、対物レンズ１４から投射されるレ
ーザスポット上におけるパターン１０ａのＸＹ平面上で
の座標値が求まる。

【００２３】レンズ鏡筒１４ａの外周には、温度センサ
３５が設置され、レンズ鏡筒１４ａの温度を検出する。
温度センサ３５の検出結果は、出力信号として補正装置
３６及び３８にそれぞれ供給される。なお、温度センサ
３５の設置位置は、参照鏡２４，２６の近傍で、レンズ
鏡筒１４ａの外枠の内側に若干挿入された状態で設置す
ることが望ましい。

【００２４】図３は、補正装置３６及び３８を中心とし
た本実施例の制御系の構成を示す。補正装置３６は、温
度センサ３５に接続された演算部３６ａと、主制御装置
４０に接続された補正部３６ｂとから構成されている。
演算部３６ａは、温度センサ３５の出力信号、すなわ
ち、レンズ鏡筒１４ａの温度に基づき、レンズ鏡筒１４
ａ自体の熱膨張に起因する当該鏡筒１４ａのＸ軸方向の
変位（膨張量）△Ｘ１と、参照鏡２４のＸ軸方向の変位
△Ｘ２とを求める。更に、これらの変位量の和（△Ｘ１
＋△Ｘ２）として、対物レンズ１４の光軸に対する参照
鏡２４の反射面の変位量（△Ｘ＝△Ｘ１＋△Ｘ２）を求
める。そして、このように求められた参照鏡２４の反射
面の変位量（△Ｘ）を補正部３６ｂに供給する。補正部
３６ｂは、演算部３６ａからのデータ（△Ｘ）に基づい
て、干渉計本体３２の計測値（ＬＸ）を補正し、補正後
の位置情報（ＬＸ＋△Ｘ）を主制御装置４０に供給す
る。

【００２５】補正装置３８も同様に、温度センサ３５に
接続された演算部３８ａと、主制御装置４０に接続され
た補正部３８ｂとから構成されている。演算部３８ａ
は、温度センサ３５の出力信号、すなわち、レンズ鏡筒
１４ａの温度から、レンズ鏡筒１４ａ自体の熱膨張によ
る当該鏡筒１４ａのＹ軸方向の変位△Ｙ１と、参照鏡２
６のＹ軸方向の変位△Ｙ２とを求める。そして、これら
の変位量の和（△Ｙ１＋△Ｙ２）として、対物レンズ１
４の光軸に対する参照鏡２６の反射面の変位量（△Ｙ＝
△Ｙ１＋△Ｙ２）を求める。そして、このように求めら
れた参照鏡２６の反射面の変位量（△Ｙ）を補正部３８
ｂに供給する。補正部３８ｂは、演算部３８ａからのデ
ータ（△Ｙ）に基づいて、干渉計本体３４の計測値（Ｌ
Ｙ）を補正し、補正後の位置情報（ＬＹ＋△Ｙ）を主制
御装置４０に供給する。

【００２６】主制御装置４０は、補正装置３６，３８を
介して干渉計本体３２，３４から供給される、位置情報
（ＬＸ＋△Ｘ），（ＬＹ＋△Ｙ）と、受光素子１６ａ，
１６ｂ，１８ａ，１８ｂからの信号に基づいて、基板１
０のパターン１０ａのパターン間の距離を求め、これを
表示装置４２に表示する。

【００２７】次に、上記のように構成された本実施例の
パターン位置計測装置の全体的な動作について説明す
る。パターン計測を開始する前に、まず、対物レンズ１
４の光軸を基板１０上のある基準点に合わせ、その時点
での干渉計本体３２，３４による計測値をゼロにする、
所謂キャリブレーションを行う。その後、ステージ２０
を駆動装置２２によってＸＹ方向に駆動することによっ
て、対物レンズ１４を介して光学装置１２から出力され
るレーザスポットを、基板１０の表面で走査する。レー
ザスポットがパターン１０ａで走査されると、パターン
１０ａのエッジ部分で散乱光（又は回折光）が発生し、
その散乱光を受光素子１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ
で受光する。

【００２８】この時、干渉計本体３２，３４では、基板
１０（移動鏡２８，３０）と対物レンズ１４（参照鏡２
４，２６）のＸＹ方向の相対的な変位量を計測してい
る。計測された位置情報は、上述した補正装置３６，３
８によって補正された後に、主制御装置４０に供給され
る。主制御装置４０では、このように補正装置３６，３
８を介して干渉計本体３２，３４から供給される補正後
の位置情報と、受光素子１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８
ｂからの検出信号に基づいて、基板１０のパターン１０
ａのパターン間の距離を求め、表示装置４２に表示す
る。

【００２９】以上説明したように、本実施例において
は、温度センサ３５による対物レンズ１４のレンズ鏡筒
（１４ａ）の温度変化による、対物レンズ１４の光軸に
対する参照鏡２４，２６の反射面の変位量に基づいて、
干渉計本体３２，３４による基板１０上のパターン１０
ａの計測値を補正している。このため、対物レンズ１４
（レンズ鏡筒１４ａ）の温度の変化によるパターン１０
ａの計測値の誤差をキャンセルすることができる。

【００３０】図４は、上記実施例を改良した本発明の他
の実施例を示す。本実施例は、上記実施例に使用される
温度センサの数を複数にしたものであり、対物レンズ１
４のレンズ鏡筒１４ａの外周に複数の温度センサ５０ａ
〜５０ｇを設置している。なお、他の構成については上
記実施例と同様である。補正装置３６，３８は、温度セ
ンサ５０ａ〜５０ｇからの検出値の平均値を求め、その
平均値に基づいてレンズ鏡筒１４ａと参照鏡２４，２６
の熱膨張又は収縮による変位量を求める。その他の動作
については、上記実施例と同様であるため、重複した説
明は省略する。この実施例によれば、１つの温度センサ
が何らかのノイズ成分を含んでいたとしても、全体とし
て平均化された温度情報が得られ、レンズ鏡筒１４ａの
温度をより正確に測定することができる。

【００３１】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
く、特許請求の範囲に示された本発明の技術的思想とし
ての要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、補正装置３６，３８は、それぞれ干渉計本体３
２，３４に内蔵させても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例にかかるパターン位置
測定装置の構成を示す概念図（斜視図）である。

【図２】図２は、図１に示すパターン位置測定装置の要
部の構成を示す拡大側面図である。

【図３】図３は、図１に示すパターン位置測定装置の実
施例の制御系の構成を示すブロック図である。

【図４】図４は、本発明の他の実施例の要部を示す説明
図（正面図）である。

【図５】図５は、従来のパターン位置測定装置の要部の
構成を示す側面図である。

【符号の説明】

１０・・・基板 １２・・・光学装置 １４・・・対物レンズ １４ａ・・・レンズ鏡筒 １６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ・・・受光素子 ２０・・・ステージ ２４，２６・・・参照鏡 ２８，３０・・・移動鏡 ３２，３４・・・干渉計本体 ３５，５０ａ〜５０ｇ・・・温度センサ ３６，３８・・・補正装置 ３６ａ，３８ａ・・・演算部 ３６ｂ，３８ｂ・・・補正部 ４０・・・主制御装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定対象物に固定された反射部材に対して
   検出用の光を照射し、前記反射部材で反射した光を受光
   することによって、前記光の方向における前記測定対象
   物の位置を測定する測長方法において、 前記測定対象物の温度を検出し；前記検出された温度に
   基づいて、前記測定対象物に対する前記反射部材の反射
   面の変位量を求め；前記求められた変位量に基づいて、
   前記測定された前記測定対象物の位置を補正することを
   特徴とする測長方法。
2. 【請求項２】前記温度を前記測定対象物の複数の位置で
   検出し、 前記複数の位置で検出された温度に基づいて、前記変位
   量を算出することを特徴とする請求項１に記載の測長方
   法。
3. 【請求項３】移動可能なステージ上に載置された試料の
   位置を所定の光学系を基準に計測する位置計測装置にお
   いて、 前記光学系に固定された第１の反射部材と；前記ステー
   ジ上に固定された第２の反射部材と；前記第１及び第２
   の反射部材に対して計測用の光を照射し、当該第１及び
   第２の反射部材で反射した光に基づいて前記光学系に対
   する前記試料の相対的な位置を計測する計測手段と；前
   記光学系の温度を検出する温度センサと；前記温度セン
   サの検出結果に基づいて前記光学系の光軸に対する前記
   第１反射部材の反射面の変位量を求める演算手段と；前
   記変位量に基づいて、前記計測された前記試料の位置を
   補正する補正手段とを備えたことを特徴とする位置計測
   装置。
4. 【請求項４】対物レンズを介して照射される第１の光を
   用い、移動可能なステージ上に載置された基板に形成さ
   れたパターンを計測するシステムに使用され、前記対物
   レンズに対する前記基板の位置を計測する位置計測装置
   において、 前記対物レンズに固定された第１の反射部材と；前記ス
   テージ上に固定された第２の反射部材と；前記第１及び
   第２の反射部材に対して計測用の第２の光を照射し、当
   該第１及び第２の反射部材で反射した前記第２の光に基
   づいて前記対物レンズに対する前記基板の相対的な位置
   を計測する計測手段と；前記対物レンズの温度を検出す
   る温度センサと；前記温度センサの検出結果に基づいて
   前記対物レンズの光軸に対する前記第１反射部材の反射
   面の変位量を求める演算手段と；前記変位量に基づい
   て、前記計測された前記基板の位置を補正する補正手段
   とを備えたことを特徴とする位置計測装置。
5. 【請求項５】前記温度センサは、複数の温度検出部から
   構成され、 前記演算手段は、前記複数の温度検出部による複数の検
   出結果に基づいて、前記変位量を算出することを特徴と
   する請求項３又は４に記載の位置計測装置。