JP3003671B2 - 試料表面の高さ検出方法及びその装置 - Google Patents
試料表面の高さ検出方法及びその装置Info
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- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面の高さを
光学的に検出する方法及びその装置に関する。
光学的に検出する方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の半導体ウエハ等の表面の傾き検出
装置は第１の公知例である特開昭６１−１７０６０５号
公報に記載のよう図８のレーザダイオード２を出射した
光をレンズ１４により指向性のビームとしウエハ４に上
方より照射し、反射光を２次元位置検出器２０で位置検
出するものである。
装置は第１の公知例である特開昭６１−１７０６０５号
公報に記載のよう図８のレーザダイオード２を出射した
光をレンズ１４により指向性のビームとしウエハ４に上
方より照射し、反射光を２次元位置検出器２０で位置検
出するものである。
【０００３】また計測対象を光学的多層構造物体に限ら
ず一般的対象の距離（高さ）及び傾き計測装置は第２の
公知例である図９の特開昭６２−２１８８０２号公報に
示されている。この公知例では傾きについては垂直に入
射し、第１の公知例と同様第２の受光器で求められ、距
離（被測定物６の面に垂直方向）は第１の光路９により
入射角６０°程度で照射されたスポットを第１の検出器
上に結像し、その結像位置から求めている。
ず一般的対象の距離（高さ）及び傾き計測装置は第２の
公知例である図９の特開昭６２−２１８８０２号公報に
示されている。この公知例では傾きについては垂直に入
射し、第１の公知例と同様第２の受光器で求められ、距
離（被測定物６の面に垂直方向）は第１の光路９により
入射角６０°程度で照射されたスポットを第１の検出器
上に結像し、その結像位置から求めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は半導体
ウエハ等ウエハ表面上に薄膜構造で形成されたパターン
や、その上にフォトレジストを１〜数μｍの厚さで塗布
されたものに適用すると照射光は被測定物の表面で反射
するだけでなく、屈折して層構造の内部にも入射し、下
地層で反射した光が、再び表面を通り、上記の最上面で
反射した光に重畳される。この際最上面と下地面で反射
した光は互に干渉しあい、膜の厚さと照射光の入射角度
の微小な変化に対し干渉強度が大きく変化する。図８や
図９の距離を検出する系のように斜めより照射すると図
４に示すように被測定物体からの反射光の分布は入射時
の分布（例えばガウス分布）とは異なったものとなり、
しかも、被測定物体の層構造や、それを構成する物質の
光学定数により分布は異って来る。この結果、被測定物
が異なるたびに測定データにオフセットが発生し、正確
な絶対値測定が困難になる。また図９の傾き検出では垂
直に照射しているが、傾きや高さ検出を半導体露光装置
や、半導体パターン検査装置に適用しようとすると、露
光光学系や検出光学系と照射光学系が重なり、光学系の
構成が難しくなる。
ウエハ等ウエハ表面上に薄膜構造で形成されたパターン
や、その上にフォトレジストを１〜数μｍの厚さで塗布
されたものに適用すると照射光は被測定物の表面で反射
するだけでなく、屈折して層構造の内部にも入射し、下
地層で反射した光が、再び表面を通り、上記の最上面で
反射した光に重畳される。この際最上面と下地面で反射
した光は互に干渉しあい、膜の厚さと照射光の入射角度
の微小な変化に対し干渉強度が大きく変化する。図８や
図９の距離を検出する系のように斜めより照射すると図
４に示すように被測定物体からの反射光の分布は入射時
の分布（例えばガウス分布）とは異なったものとなり、
しかも、被測定物体の層構造や、それを構成する物質の
光学定数により分布は異って来る。この結果、被測定物
が異なるたびに測定データにオフセットが発生し、正確
な絶対値測定が困難になる。また図９の傾き検出では垂
直に照射しているが、傾きや高さ検出を半導体露光装置
や、半導体パターン検査装置に適用しようとすると、露
光光学系や検出光学系と照射光学系が重なり、光学系の
構成が難しくなる。
【０００５】上述の光学的多層物体の干渉による測定誤
差の発生は特に干渉方式により被測定物の表面の傾きや
高さを測定する場合に顕著に問題となる。干渉方式の場
合被測定物の表面で反射した光と参照光とで発生する干
渉縞から反射光の波面の傾きや位相を求め、これが被測
定物の傾きや高さを表わすことになる。しかし多層構造
物の場合、図４に示すように被測定物に０〜８５°程度
の通常の入射角度で入射すると多層構造物体の表面や内
部の各層間で反射した光が干渉し、被測定物反射直後の
光の振幅や位相は各層の厚さや、その場所による変化に
より大きく変化を受ける。この結果参照光を重畳して得
る干渉縞は正確な正弦波形とならず、大きな誤差を発生
してしまう。
差の発生は特に干渉方式により被測定物の表面の傾きや
高さを測定する場合に顕著に問題となる。干渉方式の場
合被測定物の表面で反射した光と参照光とで発生する干
渉縞から反射光の波面の傾きや位相を求め、これが被測
定物の傾きや高さを表わすことになる。しかし多層構造
物の場合、図４に示すように被測定物に０〜８５°程度
の通常の入射角度で入射すると多層構造物体の表面や内
部の各層間で反射した光が干渉し、被測定物反射直後の
光の振幅や位相は各層の厚さや、その場所による変化に
より大きく変化を受ける。この結果参照光を重畳して得
る干渉縞は正確な正弦波形とならず、大きな誤差を発生
してしまう。
【０００６】本発明の目的は上記従来の課題を解決し、
半導体ウエハ等の物体の高さを被測定物体の構造や光特
性に関係なく、正確に測定することができるようにした
試料表面の高さ検出方法及びその装置を提供することに
ある。
半導体ウエハ等の物体の高さを被測定物体の構造や光特
性に関係なく、正確に測定することができるようにした
試料表面の高さ検出方法及びその装置を提供することに
ある。
【０００７】また、本発明の目的は露光装置や、検査装
置に実装容易にすることにある。
置に実装容易にすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては被測定物体の表面に、比較的指向
性の高い光を、その主光線の入射角が８５°以上になる
ように斜めより照射する。入射角度が８５°以上になる
と図５，図６に示すように入射光の振幅に対する反射光
の振幅の比は小さくなり、ほとんどの光が表面で反射
し、内部への入射は僅かになる。更に照射する光の振幅
をＳ偏光にすると表面での反射は益々大きくなり、主光
線の入射角は８２°以上であればよい。
に、本発明においては被測定物体の表面に、比較的指向
性の高い光を、その主光線の入射角が８５°以上になる
ように斜めより照射する。入射角度が８５°以上になる
と図５，図６に示すように入射光の振幅に対する反射光
の振幅の比は小さくなり、ほとんどの光が表面で反射
し、内部への入射は僅かになる。更に照射する光の振幅
をＳ偏光にすると表面での反射は益々大きくなり、主光
線の入射角は８２°以上であればよい。
【０００９】被測定物体に入射する照射光の正反射の方
向は被測定物体の傾きαに対し２αとなる。この正反射
光をほぼ垂直に反射させ元の光路に戻し、再び被測定物
に入射させると、図１２に示すように正反射光は４αと
なる。即ち被測定物の傾きの４倍の傾きが正反射光に生
じることになる。
向は被測定物体の傾きαに対し２αとなる。この正反射
光をほぼ垂直に反射させ元の光路に戻し、再び被測定物
に入射させると、図１２に示すように正反射光は４αと
なる。即ち被測定物の傾きの４倍の傾きが正反射光に生
じることになる。
【００１０】更に本発明では傾きや高さを検出する方法
として干渉を用いる場合、前述した干渉法を用いる従来
の課題に対し、表面での反射を大きくすることにより正
反射光の振幅や位相はほとんど表面の情報を表わすこと
になり、内部の層の厚さやパターン段差の影響を受けな
くなる。
として干渉を用いる場合、前述した干渉法を用いる従来
の課題に対し、表面での反射を大きくすることにより正
反射光の振幅や位相はほとんど表面の情報を表わすこと
になり、内部の層の厚さやパターン段差の影響を受けな
くなる。
【００１１】被測定物体に入射する光の振幅をＳ偏光、
Ｐ偏光に対しＡS，ＡPとすると、屈折率ｎの物体の表面
で反射及び屈折する光の振幅ＲS，ＲPおよびＤS，ＤPは
入射角θ、屈折角ψ（ｓｉｎψ＝ｓｉｎθ／ｎ）に対
し、以下の式で与えられる。
Ｐ偏光に対しＡS，ＡPとすると、屈折率ｎの物体の表面
で反射及び屈折する光の振幅ＲS，ＲPおよびＤS，ＤPは
入射角θ、屈折角ψ（ｓｉｎψ＝ｓｉｎθ／ｎ）に対
し、以下の式で与えられる。
【００１２】
【数１】
【００１３】
【数２】
【００１４】
【数３】
【００１５】
【数４】
【００１６】Ｓ偏光では入射角が０°から６０°、Ｐ偏
光では０°から７５°程度までは表面反射光より透過光
の方が大きく、下地の多層構造の境界からの反射光より
表面反射光との間で振幅の大きな干渉が発生する。入射
角が上記値から８５°程度までは表面反射光の振幅の方
が大きくなるが、正確な測定を実施するには不十分な条
件である。以下にその理由を示す。
光では０°から７５°程度までは表面反射光より透過光
の方が大きく、下地の多層構造の境界からの反射光より
表面反射光との間で振幅の大きな干渉が発生する。入射
角が上記値から８５°程度までは表面反射光の振幅の方
が大きくなるが、正確な測定を実施するには不十分な条
件である。以下にその理由を示す。
【００１７】図３に示すように入射角θで入射した振幅
Ａの光は屈折角ψ、振幅Ｄで屈折し、下地で振幅反射率
Ｒbで反射すると、この反射光の振幅はＤ・Ｒbとなる。
ここで入射光Ａの振幅を１とするとＤは振幅透過率にな
る。従って下地で反射した光が表面を通過するとその振
幅はＲb・Ｄ2となる。他方振幅Ａ（＝１）で入射した光
は表面で反射しその振幅はＲとなる。ここでＲやＤは入
射光の偏光がＳかＰかでＲS，ＤS及びＲP，ＤPで表わせ
ば上記（数１）〜（数４）が成立する。表面で反射した
光Ｒ0と下地で反射した光Ｒ1は層の厚さｄが薄いと重な
り、その結果次式で示す複素振幅ＡRの光となる。
Ａの光は屈折角ψ、振幅Ｄで屈折し、下地で振幅反射率
Ｒbで反射すると、この反射光の振幅はＤ・Ｒbとなる。
ここで入射光Ａの振幅を１とするとＤは振幅透過率にな
る。従って下地で反射した光が表面を通過するとその振
幅はＲb・Ｄ2となる。他方振幅Ａ（＝１）で入射した光
は表面で反射しその振幅はＲとなる。ここでＲやＤは入
射光の偏光がＳかＰかでＲS，ＤS及びＲP，ＤPで表わせ
ば上記（数１）〜（数４）が成立する。表面で反射した
光Ｒ0と下地で反射した光Ｒ1は層の厚さｄが薄いと重な
り、その結果次式で示す複素振幅ＡRの光となる。
【００１８】
【数５】
【００１９】但しここでλは測定に用いる光の波長であ
る。
る。
【００２０】図３に示す膜の厚さｄは僅かな変化（波長
の１桁下の長さの変化）に対しても（数５）からＡRの
位相が変化することが分る。そこで入射角θとＲ，Ｄの
関係はＳ及びＰ偏光に対しそれぞれ図５及び図６に示す
通りであり、このグラフから更に分り易くするためノイ
ズ成分となる（数５）の第１項に対する第２項の振幅比
Ｒb・Ｄ2／Ｒを求めれば、測定に及ぼす誤差の程度を評
価することができる。そこで最悪のケースとしてＲb＝
１の場合を考え、Ｄ2／Ｒを入射角度θに対し、また２
つの偏光に対して求めたものが図７である。Ｄ2／Ｒは
各種検出方法において雑音（誤差）成分となるため、こ
の値を５％以下に保つには８５°以上の入射角にする必
要があることが分る。またＳ偏光状態で入射すれば更に
雑音が小さくなり、上記値を５％以下に保つには、図７
からも分るように、８２°以上であればよいことが(数
１)と(数２)とから求められる。
の１桁下の長さの変化）に対しても（数５）からＡRの
位相が変化することが分る。そこで入射角θとＲ，Ｄの
関係はＳ及びＰ偏光に対しそれぞれ図５及び図６に示す
通りであり、このグラフから更に分り易くするためノイ
ズ成分となる（数５）の第１項に対する第２項の振幅比
Ｒb・Ｄ2／Ｒを求めれば、測定に及ぼす誤差の程度を評
価することができる。そこで最悪のケースとしてＲb＝
１の場合を考え、Ｄ2／Ｒを入射角度θに対し、また２
つの偏光に対して求めたものが図７である。Ｄ2／Ｒは
各種検出方法において雑音（誤差）成分となるため、こ
の値を５％以下に保つには８５°以上の入射角にする必
要があることが分る。またＳ偏光状態で入射すれば更に
雑音が小さくなり、上記値を５％以下に保つには、図７
からも分るように、８２°以上であればよいことが(数
１)と(数２)とから求められる。
【００２１】被測定物体表面で２度反射させる方法は前
述した様に傾きと高さの検出感度を向上させることにな
り、精度の高い測定を可能にする。
述した様に傾きと高さの検出感度を向上させることにな
り、精度の高い測定を可能にする。
【００２２】また干渉法による検出では下地面からの反
射光は干渉パターンに重畳し干渉縞のピッチや位相を乱
すが、８５°以上の入射によりまた更にＳ偏光を用いる
ことにより前述した通りほとんどこの影響を除くことが
可能となり、精度の高い検出が可能となる。更にこの干
渉測定に用いる参照光の光路を測定光とほぼ同一の光路
にすることにより空気のゆらぎ等の測定環境の影響をほ
とんど受けない安定で高精度の測定を実現する。
射光は干渉パターンに重畳し干渉縞のピッチや位相を乱
すが、８５°以上の入射によりまた更にＳ偏光を用いる
ことにより前述した通りほとんどこの影響を除くことが
可能となり、精度の高い検出が可能となる。更にこの干
渉測定に用いる参照光の光路を測定光とほぼ同一の光路
にすることにより空気のゆらぎ等の測定環境の影響をほ
とんど受けない安定で高精度の測定を実現する。
【００２３】上述の傾き及び高さ測定方法を半導体露光
装置に適用すると、露光光学系との空間的干渉がなく、
しかも上記のように高精度にウエハの露光部分の傾きと
高さを検出することが可能なため、この検出値から、ウ
エハの傾きや高さを制御し、露光結像面にウエハの表面
を精密に合せることができ、サブミクロンパターンを露
光領域全面に亘り、正確に焼付けることが可能となる。
装置に適用すると、露光光学系との空間的干渉がなく、
しかも上記のように高精度にウエハの露光部分の傾きと
高さを検出することが可能なため、この検出値から、ウ
エハの傾きや高さを制御し、露光結像面にウエハの表面
を精密に合せることができ、サブミクロンパターンを露
光領域全面に亘り、正確に焼付けることが可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１に
示す。図１は半導体露光装置の露光状態にありウエハの
露光領域の傾きを検出するものである。８１は露光照明
系、９はレチクルであり、８は縮小露光レンズであり、
レチクル９のパターンがウエハ４上に露光される。この
際ウエハ表面に塗布されたフォトレジストの面は、ウエ
ハのうねり、厚さむら、ウエハチャックの平面性等によ
り必ずしも平面でない。そこで１の半導体レーザから出
射したレーザ光をコリメートレンズ１１により細い平行
ビームとし、ミラー１３を介しウエハのレジスト表面の
しかも露光領域に８５°以上の入射角で入射する。反射
した光はミラー２１０、集光レンズ２０により、光位置
検出器３′上に集光させ、その集光位置を検出する。露
光領域がα傾いていると正反射光は２α傾くため集光レ
ンズの焦点距離をｆとすると光位置検出器の集光スポッ
トは２αｆずれる。従って、検出された信号は処理回路
５′に送られ、ウエハチャックを搭載したチルト機構を
駆動し、レチクルパターン像面にウエハ上のフォトレジ
スト面が一致する様に制御される。
示す。図１は半導体露光装置の露光状態にありウエハの
露光領域の傾きを検出するものである。８１は露光照明
系、９はレチクルであり、８は縮小露光レンズであり、
レチクル９のパターンがウエハ４上に露光される。この
際ウエハ表面に塗布されたフォトレジストの面は、ウエ
ハのうねり、厚さむら、ウエハチャックの平面性等によ
り必ずしも平面でない。そこで１の半導体レーザから出
射したレーザ光をコリメートレンズ１１により細い平行
ビームとし、ミラー１３を介しウエハのレジスト表面の
しかも露光領域に８５°以上の入射角で入射する。反射
した光はミラー２１０、集光レンズ２０により、光位置
検出器３′上に集光させ、その集光位置を検出する。露
光領域がα傾いていると正反射光は２α傾くため集光レ
ンズの焦点距離をｆとすると光位置検出器の集光スポッ
トは２αｆずれる。従って、検出された信号は処理回路
５′に送られ、ウエハチャックを搭載したチルト機構を
駆動し、レチクルパターン像面にウエハ上のフォトレジ
スト面が一致する様に制御される。
【００２５】この際半導体レーザ出射光１６１′がウエ
ハ面にＳ偏光で入射するように半導体レーザを配置すれ
ば前述したごとくより正確な傾き検出が可能になる。図
１の実施例では光位置検出器３′はｘ，ｙ両方向を検出
するタイプであり、一つの検出系で２方向の傾きを求め
ることができる。
ハ面にＳ偏光で入射するように半導体レーザを配置すれ
ば前述したごとくより正確な傾き検出が可能になる。図
１の実施例では光位置検出器３′はｘ，ｙ両方向を検出
するタイプであり、一つの検出系で２方向の傾きを求め
ることができる。
【００２６】図１で紙面と垂直な方向に第２の検出系を
設け、ｘとｙの方向の傾きを別々に検出してもよい。ま
た光源は比較的指向性の高い光をウエハに照射できれば
半導体レーザに限らない。
設け、ｘとｙの方向の傾きを別々に検出してもよい。ま
た光源は比較的指向性の高い光をウエハに照射できれば
半導体レーザに限らない。
【００２７】図２は本発明の一実施例であり、図１と同
一番号は同一物を表す。半導体レーザ１を出射した光は
入射角８５°以上でウエハに入射し集光レンズ１１′に
より光源像がウエハ上の露光領域内に形成される。反射
した光はミラー２１０、レンズ２１，２２により光位置
検出器３′′上に集光される。ウエハ表面が露光光学系
のレジストパターン結像位置にあれば光位置検出器
３′′の中心に、上下にずれれば光位置検出器３′′の
中心から左右にずれるため、光位置検出器３′′の検出
信号を処理回路５′に送り、ウエハ上下テーブルを駆動
制御すれば、常に正しい焦点合せが可能となる。レーザ
光の偏光をウエハ面にＳ偏光で入射するように構成すれ
ばより正確にフォトレジスト表面の高さを求めることが
可能となる。
一番号は同一物を表す。半導体レーザ１を出射した光は
入射角８５°以上でウエハに入射し集光レンズ１１′に
より光源像がウエハ上の露光領域内に形成される。反射
した光はミラー２１０、レンズ２１，２２により光位置
検出器３′′上に集光される。ウエハ表面が露光光学系
のレジストパターン結像位置にあれば光位置検出器
３′′の中心に、上下にずれれば光位置検出器３′′の
中心から左右にずれるため、光位置検出器３′′の検出
信号を処理回路５′に送り、ウエハ上下テーブルを駆動
制御すれば、常に正しい焦点合せが可能となる。レーザ
光の偏光をウエハ面にＳ偏光で入射するように構成すれ
ばより正確にフォトレジスト表面の高さを求めることが
可能となる。
【００２８】図１０は本発明の一実施例であり、図１と
同一部品番号は同一物を表わしている。コリメートレン
ズ１１により得られた平行光はビームスプリッタ１９′
を通り、ウエハのフォトレジスト面に８５°以上の入射
角例えば８７°で入射する。正反射した光は平面鏡１４
にほぼ垂直に入射し、反射光は再びフォトレジスト面で
正反射し、ビームスプリッタ１９′で反射され集光レン
ズ２０により光位置検出器３′上に集光され、集光スポ
ットの位置が検出される。ウエハへの入射角を８７°と
し図１１に示すようにＳ偏光１６Sになる様にすると図
７に示すようにＤS2／ＲSは０．００６５、即ち０．６
５％となり、ほとんどフォトレジスト内に入る光１６２
１は無視できるようになり、図１１に示すように下地層
が凸凹しているも、その影響は全くほとんど受けず、平
行光のまま正反射する。従って光位置検出器３′には集
光度の高い鋭いスポット光が得られる。更に本実施例で
は図１２に示すように平面鏡１４で垂直に反射され、再
びウエハに入射するため、ウエハが４から４′にαだけ
傾くと、最終的に光位置検出器に戻って来る光は４α傾
くことになり、図１の実施例に比べ２倍高い感度で光位
置を検出することが可能となる。この結果Ｓ／Ｎ、感度
とも従来に比べ非常に優れた傾き検出が可能となる。
同一部品番号は同一物を表わしている。コリメートレン
ズ１１により得られた平行光はビームスプリッタ１９′
を通り、ウエハのフォトレジスト面に８５°以上の入射
角例えば８７°で入射する。正反射した光は平面鏡１４
にほぼ垂直に入射し、反射光は再びフォトレジスト面で
正反射し、ビームスプリッタ１９′で反射され集光レン
ズ２０により光位置検出器３′上に集光され、集光スポ
ットの位置が検出される。ウエハへの入射角を８７°と
し図１１に示すようにＳ偏光１６Sになる様にすると図
７に示すようにＤS2／ＲSは０．００６５、即ち０．６
５％となり、ほとんどフォトレジスト内に入る光１６２
１は無視できるようになり、図１１に示すように下地層
が凸凹しているも、その影響は全くほとんど受けず、平
行光のまま正反射する。従って光位置検出器３′には集
光度の高い鋭いスポット光が得られる。更に本実施例で
は図１２に示すように平面鏡１４で垂直に反射され、再
びウエハに入射するため、ウエハが４から４′にαだけ
傾くと、最終的に光位置検出器に戻って来る光は４α傾
くことになり、図１の実施例に比べ２倍高い感度で光位
置を検出することが可能となる。この結果Ｓ／Ｎ、感度
とも従来に比べ非常に優れた傾き検出が可能となる。
【００２９】図１３は本発明の一実施例であり、図２と
同一番号は同一物を表す。集光レンズ１１′で得られた
集光ビームはウエハ上の照射位置Ａでほぼ集光する。入
射角度は８５°以上である。正反射光はコリメートレン
ズ１４１により平行光にされ、平面鏡１４にほぼ垂直に
入射する。反射光は往路とほぼ同一光路を通り、ウエハ
上でほぼ集光し、再び反射し、ビームスプリッタ１２を
通過し、集光レンズ２２により光位置検出器３′′上に
集光される。図１４は実線で示したウエハの表面（反射
面Σ）４が点線の４′（反射面Σ）に変化した場合のウ
エハ近傍の集光点の位置を説明している。反射面がΣの
時には往路、復路ともＡ点に集光する場合について考え
る。反射面がΣ′の時にはΣ′面が鏡面となり、往路の
Ａ点はＡ′点に鏡像を作る。このＡ′点から出た光はレ
ンズ１４１平面鏡１４により、復路ではＡ′′に集光す
る。この集光点はΣ′が鏡面となりＡ′′′にＡ′′点
の鏡像を作る。従って復路からはあたかもＡ′′′から
光が出射するごとく集光レンズ２２入射し、光位置検出
器３′′にはＡ′′′の像位置に光が集光する。Σと
Σ′の距離、即ちウエハの上下移動量をΔｈとすると
同一番号は同一物を表す。集光レンズ１１′で得られた
集光ビームはウエハ上の照射位置Ａでほぼ集光する。入
射角度は８５°以上である。正反射光はコリメートレン
ズ１４１により平行光にされ、平面鏡１４にほぼ垂直に
入射する。反射光は往路とほぼ同一光路を通り、ウエハ
上でほぼ集光し、再び反射し、ビームスプリッタ１２を
通過し、集光レンズ２２により光位置検出器３′′上に
集光される。図１４は実線で示したウエハの表面（反射
面Σ）４が点線の４′（反射面Σ）に変化した場合のウ
エハ近傍の集光点の位置を説明している。反射面がΣの
時には往路、復路ともＡ点に集光する場合について考え
る。反射面がΣ′の時にはΣ′面が鏡面となり、往路の
Ａ点はＡ′点に鏡像を作る。このＡ′点から出た光はレ
ンズ１４１平面鏡１４により、復路ではＡ′′に集光す
る。この集光点はΣ′が鏡面となりＡ′′′にＡ′′点
の鏡像を作る。従って復路からはあたかもＡ′′′から
光が出射するごとく集光レンズ２２入射し、光位置検出
器３′′にはＡ′′′の像位置に光が集光する。Σと
Σ′の距離、即ちウエハの上下移動量をΔｈとすると
【００３０】
【数６】
【００３１】となり、復路の発光点位置はウエハの変位
量の４倍（４Δｈ）シフトする（図１４参照）。この結
果図２の実施例に比べ２倍の変位量が光位置検出器
３′′で検出される。この結果高感度でＳ／Ｎの高い高
さ検出が可能となる。
量の４倍（４Δｈ）シフトする（図１４参照）。この結
果図２の実施例に比べ２倍の変位量が光位置検出器
３′′で検出される。この結果高感度でＳ／Ｎの高い高
さ検出が可能となる。
【００３２】図１５は本発明の一実施例図である。図１
と同一番号は同一物を表わしている。レーザ等可干渉性
光源１を出射した光はコリメータレンズ１１により平行
光１５となりプリズム１０に入射する。プリズム１０は
入射光１５を２つの平行ビーム１６と１７に分離する。
この２つの平行ビームは０点で重なる様に互に一定の角
度θ0−θ1が付いている。一方の平行ビーム１６はウエ
ハに入射角θ1で入射し、他方は参照光でありウエハに
立てた垂線に対しθ0（＞９０°）の角度でウエハには
照射せずに進む。
と同一番号は同一物を表わしている。レーザ等可干渉性
光源１を出射した光はコリメータレンズ１１により平行
光１５となりプリズム１０に入射する。プリズム１０は
入射光１５を２つの平行ビーム１６と１７に分離する。
この２つの平行ビームは０点で重なる様に互に一定の角
度θ0−θ1が付いている。一方の平行ビーム１６はウエ
ハに入射角θ1で入射し、他方は参照光でありウエハに
立てた垂線に対しθ0（＞９０°）の角度でウエハには
照射せずに進む。
【００３３】ウエハで反射した平行ビーム１６は平面鏡
１４にほぼ垂直に入射し、再びウエハに入射し、往路を
逆に辿り、ビームスプリッタ１２で反射し、レンズ２１
と２２を通過後平行ビームとなり、一次元センサ３に入
射する。他方参照光は０点から直接平面鏡１４にほぼ垂
直に入射し、反射後往路を逆に辿り、同じく一次元セン
サ３に入射し、ウエハで反射させた一方のビームとの間
で干渉縞を発生する。
１４にほぼ垂直に入射し、再びウエハに入射し、往路を
逆に辿り、ビームスプリッタ１２で反射し、レンズ２１
と２２を通過後平行ビームとなり、一次元センサ３に入
射する。他方参照光は０点から直接平面鏡１４にほぼ垂
直に入射し、反射後往路を逆に辿り、同じく一次元セン
サ３に入射し、ウエハで反射させた一方のビームとの間
で干渉縞を発生する。
【００３４】ウエハで反射させた光の復路にはピンホー
ル２３と、楔ガラス２６が配置されている。ピンホール
２３は、参照光路にもあり、光学部品の裏面で反射した
ノイズ光を除去する役割を担っている。他方楔ガラス２
６はウエハで反射した光を屈折させることにより、一次
元センサ上でウエハ照射位置を結像させるとともに、参
照光と重なるようにしている。一次元センサ上にはセン
サのアレイ方向Ｘに対し図１６図の実線で示されるよう
な強度の干渉縞が検出されている。ウエハ照射位置（Ｘ
＝０）を中心にウエハが点線で示されるようにΔθ傾く
と、検出される干渉縞は図１６の点線のようになる。即
ちＸ＝０での強度はほとんど変化しないが、縞のピッチ
ＰからＰ′に変化する。即ちピッチＰと傾きΔθの関係
は干渉縞の強度Ｉ（Ｘ）が（数７）で与えられるため、
この式から（数８）で求められる。
ル２３と、楔ガラス２６が配置されている。ピンホール
２３は、参照光路にもあり、光学部品の裏面で反射した
ノイズ光を除去する役割を担っている。他方楔ガラス２
６はウエハで反射した光を屈折させることにより、一次
元センサ上でウエハ照射位置を結像させるとともに、参
照光と重なるようにしている。一次元センサ上にはセン
サのアレイ方向Ｘに対し図１６図の実線で示されるよう
な強度の干渉縞が検出されている。ウエハ照射位置（Ｘ
＝０）を中心にウエハが点線で示されるようにΔθ傾く
と、検出される干渉縞は図１６の点線のようになる。即
ちＸ＝０での強度はほとんど変化しないが、縞のピッチ
ＰからＰ′に変化する。即ちピッチＰと傾きΔθの関係
は干渉縞の強度Ｉ（Ｘ）が（数７）で与えられるため、
この式から（数８）で求められる。
【００３５】
【数７】
【００３６】
【数８】
【００３７】上記（数７）でＭはウエハ上の照射位置を
一次元センサに結像する倍率であるが、話を簡単にする
ため楔ガラスの楔角は０度と仮定している（楔ガラスが
ない場合）。
一次元センサに結像する倍率であるが、話を簡単にする
ため楔ガラスの楔角は０度と仮定している（楔ガラスが
ない場合）。
【００３８】また（数７）のcosineの中の第２項はウエ
ハ面がΔＺ変化した時の干渉縞の変化を表わしており、
図１７に示すごとくウエハ面がΔＺ変化すると干渉縞の
ピッチは変化せず位相がシフトする。従って本実施例で
は一次元センサ３で得られた干渉縞を処理回路５に送
り、ここで干渉縞ピッチと位相を求め得ることにより、
ウエハ面の高さと傾きが同時に求められることになる。
また本実施例では入射角度θ1を８７〜８９度に取るこ
とも可能であり、Ｓ偏光を照射光に用いれば図７からも
明らかなように下地多層構造の影響はほとんど受けず
に、傾きと高さを正確に求めることが可能となる。また
本実施例では参照光はウエハ照射光とほとんど同一の光
路を通っており、また使用光学部品もまたウエハ面での
反射を除き総て共通のため、空気のゆらぎ等の影響をほ
とんど受けずに安定な測定を実現することができる。
ハ面がΔＺ変化した時の干渉縞の変化を表わしており、
図１７に示すごとくウエハ面がΔＺ変化すると干渉縞の
ピッチは変化せず位相がシフトする。従って本実施例で
は一次元センサ３で得られた干渉縞を処理回路５に送
り、ここで干渉縞ピッチと位相を求め得ることにより、
ウエハ面の高さと傾きが同時に求められることになる。
また本実施例では入射角度θ1を８７〜８９度に取るこ
とも可能であり、Ｓ偏光を照射光に用いれば図７からも
明らかなように下地多層構造の影響はほとんど受けず
に、傾きと高さを正確に求めることが可能となる。また
本実施例では参照光はウエハ照射光とほとんど同一の光
路を通っており、また使用光学部品もまたウエハ面での
反射を除き総て共通のため、空気のゆらぎ等の影響をほ
とんど受けずに安定な測定を実現することができる。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体回路製作過程での様々の多層構造からなるウエハ等
光学的多層物体の傾きもしくは高さを多層構造に影響さ
れずに正確に測定することが可能となり、半導体露光装
置に於る焦点合せ及びウエハ面の結像面への合せ込みの
ための傾き制御を正確に実行することが可能となり、
０．８μｍ以下、特に０．５μｍ近傍以下の線幅回路パ
ターンの露光に用いられる高ＮＡｉ線縮小露光装置や、
エキシマレーザ縮小露光装置で発生すると予想される浅
い焦点深度に伴なう、露光焦点マージンの減少に対し、
極めて顕著な効果を発揮する。
導体回路製作過程での様々の多層構造からなるウエハ等
光学的多層物体の傾きもしくは高さを多層構造に影響さ
れずに正確に測定することが可能となり、半導体露光装
置に於る焦点合せ及びウエハ面の結像面への合せ込みの
ための傾き制御を正確に実行することが可能となり、
０．８μｍ以下、特に０．５μｍ近傍以下の線幅回路パ
ターンの露光に用いられる高ＮＡｉ線縮小露光装置や、
エキシマレーザ縮小露光装置で発生すると予想される浅
い焦点深度に伴なう、露光焦点マージンの減少に対し、
極めて顕著な効果を発揮する。
【図１】各々本発明の一実施例を示す装置構成図。
【図２】各々本発明の一実施例を示す装置構成図。
【図３】本発明の原理説明のための図。
【図４】従来の課題を説明する図。
【図５】本発明の原理と効果を説明する特性図。
【図６】本発明の原理と効果を説明する特性図。
【図７】本発明の原理と効果を説明する特性図。
【図８】従来技術を説明するための図。
【図９】従来技術を説明するための図。
【図１０】本発明の他の一実施例を示す構成図。
【図１１】図１０の実施例を説明するための図。
【図１２】図１０の実施例を説明するための図。
【図１３】更に本発明の他の一実施例図を示す構成図。
【図１４】図１３に示す実施例を説明するための図。
【図１５】更に本発明の他の一実施例を示す構成図。
【図１６】図１４に示す実施例を説明するための図。
【図１７】図１４に示す実施例を説明するための図であ
る。
る。
１…光源、 １１…コリメートレンズ、 １
１′…集光レンズ、２０…集光レンズ、 ２１，２２
…レンズ、１３，１４，２１０…ミラー、 １６，
１９…ハーフミラー、３…一次元センサ、 ３′，
３′′…光位置検出器、 ４…ウエハ、５，５′…
処理回路、 ７…ステージ、 ８…縮小露光レ
ンズ、８１…照明、 ９…リチクル。
１′…集光レンズ、２０…集光レンズ、 ２１，２２
…レンズ、１３，１４，２１０…ミラー、 １６，
１９…ハーフミラー、３…一次元センサ、 ３′，
３′′…光位置検出器、 ４…ウエハ、５，５′…
処理回路、 ７…ステージ、 ８…縮小露光レ
ンズ、８１…照明、 ９…リチクル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｐ (56)参考文献 特開 昭58−113706（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−101112（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−136311（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−140419（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−74338（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/027 G01B 11/00 G03F 7/20 G03F 9/02
Claims (13)
- 【請求項１】試料の表面に該表面の法線方向に対して８
５度以上の入射角度で光を照射し、該光が照射された個
所の前記試料表面の像を検出器上に結像させ、該結像さ
せた前記試料表面の像を前記検出器で検出し、該検出し
た前記試料表面の像に基づいて前記試料表面の高さを検
出することを特徴とする試料表面の高さ検出方法。 - 【請求項２】試料の表面に該表面の法線方向に対して８
５度以上の入射角度で光を照射し、該照射による前記表
面からの反射光を検出器上に集光させ、該集光させた反
射光を前記検出器で検出し、該検出した反射光に基づい
て前記試料表面の高さを検出することを特徴とする試料
表面の高さ検出方法。 - 【請求項３】前記試料の表面に照射する光がレーザ光で
あることを特徴とする請求項１または２に記載の試料表
面の高さ検出方法。 - 【請求項４】試料の表面にＳ偏光させた光を該表面の法
線方向に対して８２度以上の入射角度で照射し、該光が
照射された個所の前記試料表面の像を検出器上に結像さ
せ、該結像させた前記試料表面の像を前記検出器で検出
し、該検出した前記試料表面の像に基づいて前記試料表
面の高さを検出することを特徴とする試料表面の高さ検
出方法。 - 【請求項５】試料の表面に該表面の法線方向に対して８
２度以上の入射角度でＳ偏光させた光を照射し、該照射
による前記表面からの反射光を検出器上に集光させ、該
集光させた反射光を前記検出器で検出し、該検出した反
射光に基づいて前記試料表面の高さを検出することを特
徴とする試料表面の高さ検出方法。 - 【請求項６】前記試料表面の前記光を照射する個所が、
前記光に対して透明な材料で構成されていることを特徴
とする請求項１、２、４または５の何れかに記載の試料
表面の高さ検出方法。 - 【請求項７】試料を載置する載置手段と、該載置手段に
載置した試料の表面に該表面の法線方向に対して８５度
以上の入射角度で光を照射する照射手段と、該照射手段
により光が照射された個所の前記試料表面の像を検出す
る検出手段と、該検出手段で検出した前記像の信号に基
づいて前記試料表面の高さを算出する表面高さ算出手段
とを備えたことを特徴とする試料表面の高さ検出装置。 - 【請求項８】試料を載置する載置手段と、該載置手段に
載置した試料の表面に該表面の法線方向に対して８５度
以上の入射角度で光を照射する照射手段と、該照射手段
により前記試料の表面に照射された光の反射光を集光す
る集光手段と、該集光手段で集光された前記反射光を検
出する検出手段と、該検出手段で検出した前記反射光の
信号に基づいて前記試料表面の高さを算出する表面高さ
算出手段とを備えたことを特徴とする試料表面の高さ検
出装置。 - 【請求項９】前記照射手段がレーザ光源部を有し、前記
試料表面に前記レーザ光源部から発射したレーザ光を照
射することを特徴とする請求項７または８に記載の試料
表面の高さ検出装置。 - 【請求項１０】試料を載置する載置手段と、該載置手段
に載置した試料の表面に該表面の法線方向に対して８２
度以上の入射角度でＳ偏光させた光を照射する照射手段
と、該照射手段により光が照射された個所の前記試料表
面の像を検出する検出手段と、該検出手段で検出した前
記像の信号に基づいて前記試料表面の高さを算出する表
面高さ算出手段とを備えたことを特徴とする試料表面の
高さ検出装置。 - 【請求項１１】試料を載置する載置手段と、該載置手段
に載置した試料の表面に該表面の法線方向に対して８２
度以上の入射角度でＳ偏向させた光を照射する照射手段
と、該照射手段により前記試料の表面に照射された光の
反射光を集光する集光手段と、該集光手段で集光された
前記反射光を検出する検出手段と、該検出手段で検出し
た前記反射光の信号に基づいて前記試料表面の高さを算
出する表面高さ算出手段とを備えたことを特徴とする試
料表面の高さ検出装置。 - 【請求項１２】前記検出手段が、像を検出する像検出器
を有することを特徴とする請求項７、８、１０または１
１の何れかに記載の試料表面の高さ検出装置。 - 【請求項１３】前記像検出器が、一次元センサであるこ
とを特徴とする請求項１２に記載の試料表面の高さ検出
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10150922A JP3003671B2 (ja) | 1998-06-01 | 1998-06-01 | 試料表面の高さ検出方法及びその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10150922A JP3003671B2 (ja) | 1998-06-01 | 1998-06-01 | 試料表面の高さ検出方法及びその装置 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8097987A Division JP2861927B2 (ja) | 1996-04-19 | 1996-04-19 | 光学的多層物体の傾きもしくは高さの検出方法及びその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH116714A JPH116714A (ja) | 1999-01-12 |
| JP3003671B2 true JP3003671B2 (ja) | 2000-01-31 |
Family
ID=15507348
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10150922A Expired - Fee Related JP3003671B2 (ja) | 1998-06-01 | 1998-06-01 | 試料表面の高さ検出方法及びその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3003671B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101868218B1 (ko) * | 2005-07-08 | 2018-06-15 | 가부시키가이샤 니콘 | 면 위치 검출 장치, 노광 장치 및 노광 방법 |
| JP2010271603A (ja) * | 2009-05-25 | 2010-12-02 | Nikon Corp | 面位置検出装置、パターン形成装置、面位置検出方法、パターン形成方法及びデバイス製造方法 |
-
1998
- 1998-06-01 JP JP10150922A patent/JP3003671B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH116714A (ja) | 1999-01-12 |
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Legal Events
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