JPH0587530A

JPH0587530A - 干渉計測装置

Info

Publication number: JPH0587530A
Application number: JP3276951A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsumoto; 隆宏松本; Toshihiko Tsuji; 俊彦辻; Tetsushi Nose; 哲志野瀬; Minoru Yoshii; 実吉井; Kenji Saito; 謙治斉藤; Koichi Chitoku; 孝一千徳
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-09-27
Filing date: 1991-09-27
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】振動や空気の揺らぎの影響をなくして正確な
測定を行う。【構成】光源２０からの出射される異なる周波数の２
つの可干渉光はビームスプリッタ２１に入射し、その反
射方向に配置されたグラントムソンプリズム２２、光検
出器２４により干渉による基準光ビート信号が得られ、
信号処理制御部２５に入力する。ビームプリッタ２１の
透過方向には偏光ビームスプリッタ部２７ａ、反射部２
７ｂ、２７ｃを有するプリズム２７が設けられ、光束は
偏光方向によって２つの偏光光に分離され、マスク２
８、ウエハ２９上の回折格子３１、３３に照射される。
反射光はグラントムソンプリズム３５、光検出器３７に
より、回折光の干渉による回折光ビート信号が得られ、
信号処理制御部２５に入力される。信号処理制御部２５
において、基準光ビート信号と回折光ビート信号の位相
差が求められ、回折格子３１、３３の位置ずれが検出さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体製造用の
露光装置の位置合わせ装置、或いは半導体パターンの重
ね合わせ精度の計測等に用いられる干渉計測装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体製造用の露光装置におい
て、高精度なマスクとウエハの位置合わせ方法として、
特開昭６２−５８６２８号公報に開示されている光ヘテ
ロダイン法によるものが提案されている。

【０００３】図１１はこの従来の位置合わせ装置の構成
図である。２周波数直線偏光レーザー光源１から発生し
た光束の一部を、ビームスプリッタ２を介して取り出
し、集光レンズ３を介して光検出器４で検出して基準ビ
ート信号として、信号処理制御部５に入力する。一方、
レーザー光源１から発した光の一部は、ビームスプリッ
タ２、ミラー６を介して偏光ビームスプリッタ７に入射
する。この偏光ビームスプリッタ７により、それぞれ水
平成分或いは垂直成分のみを有する僅かに異なる周波数
の直線偏光光束に分割され、それぞれミラー８、９を介
して所定の入射角でマスク１０上の透過型回折格子１
１、及びウエハ１２上の反射型回折格子１３に入射す
る。そして、回折格子１１、１３から得られた回折光を
ミラー１４、集光レンズ１５を介して光検出器１６によ
り検出し、回折光ビート信号として信号処理制御部５に
入力する。信号処理制御部５では、基準ビート信号と回
折光ビート信号との位相差を検出して、この位相差が零
となるようにマスクステージ１７及びウエハステージ１
８を相対移動させて、マスク１０とウエハ１２の精密な
位置合わせを行う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例では、２枚のミラー８、９を用いて僅かに異なる周
波数f1、f2の光束を分離して、格子ピッチにより決定さ
れる特定の２方向から回折格子１１、１３に照射してお
り、その回折光を同一方向に回折させるためには、ミラ
ー８、９の調整が極めて困難である。更に、分離された
異なる周波数f1、f2の光束が空気中の異なる光路を通る
ため、マスク１０とウエハ１２の相対ずれ量に伴う位相
差に、光路中の変動要因であるミラー８、９の振動、空
気の揺らぎ等によって生ずる位相差が誤差として加わ
り、マスク１０とウエハ１２の位置合わせを正確に行う
ことは、実用上なかなか困難とされている。

【０００５】本発明の目的は、振動、空気の揺らぎ等に
よる誤差が少なく、測定精度が良好な干渉計測装置を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明に係る干渉計測装置は、僅かに周波数が異な
る２つの可干渉光を発生する光源部と、該光源から出射
した光束を互いに周波数が異なる２光束に分離するビー
ムスプリット部及びこれら２つの光束を回折格子に所定
角度で入射させるための反射部を有する光学素子から成
る照明手段と、前記回折格子により回折された回折光を
干渉させてビート信号を発生させる手段と、前記ビート
信号の位相状態を検出する位相検出手段とから成ること
を特徴とするものである。

【０００７】

【作用】本発明に係る干渉計測装置によれば、僅かに周
波数が異なる２つの可干渉光を光源部から出射し、２光
束に分離するビームスプリット部及びこれらの２光束を
測定対象物に所定角度で照射させるためのミラー部を併
せ持つ光学素子を照明手段に用いて、振動、空気の揺ら
ぎの影響を少なくする。

【０００８】

【実施例】本発明を図１〜図１０に図示の実施例に基づ
いて詳細に説明する。図１は第１の実施例を示し、半導
体露光装置の位置合わせ装置に応用したものである。２
周波直線偏光光源２０からの出射される光束の光路には
ビームスプリッタ２１が設けられ、ビームスプリッタ２
１による反射方向にはグラントムソンプリズム２２、レ
ンズ２３、光検出器２４が配置され、光検出器２４の出
力は信号処理制御部２５に接続されている。また、ビー
ムプリッタ２１の透過方向には、ミラー２６、プリズム
２７が設けられている。プリズム２７は偏光ビームスプ
リッタ部２７ａ、反射部２７ｂ、２７ｃを有しており、
プリズム２７を通過した光束はマスク２８、ウエハ２９
に照射される。マスクステージ３０上のマスク２８には
回折格子３１が設けられており、ウエハステージ３２上
のウエハ２９には回折格子３３が設けられている。

【０００９】回折格子３１、３３の反射方向の光路には
ミラー３４、グラントムソンプリズム３５、レンズ３
６、光検出器３７が配置され、光検出器３７の出力は信
号処理制御部２５に接続されている。また、信号処理制
御部２５からはマスクステージ３０、ウエハステージ３
２の指令信号が出力されている。

【００１０】２周波直線偏光光源２０から発せられた周
波数f1、f2の光束は、ビームスプリッタ２１により２岐
に分割される。反射した光束はグラントムソンプリズム
２２でその偏光面が揃えられ干渉する。この干渉光はレ
ンズ２３で集光され光検出器２４で基準ビート信号とし
て光電検出される。

【００１１】他方、ビームスプリッタ２１を透過した光
束は、ミラー２６により偏向されプリズム２７に入射す
る。プリズム２７の偏光ビームスプリッタ部２７ａによ
りｐ偏光の周波数f1の光束L1は透過し、ｓ偏光の周波数
f2の光束L2は反射される。周波数f1の光束L1は反射部２
７ｂで偏向され、マスク２８上の回折格子３１を透過回
折し、ウエハ２９上の回折格子３３に所定角度で入射す
る。また、周波数f2の光束L2は反射部２７ｃにより偏向
され、同様にマスク２８上の回折格子３１を透過回折
し、ウエハ２９上の回折格子３３に所定角度で入射す
る。

【００１２】回折格子３３からの２つの回折光は共にｚ
軸の正方向に反射回折し回折格子３１を透過する。２つ
の回折光はミラー３４で偏向され、グラントムソンプリ
ズム３５でその偏光方向が揃えられ干渉する。この回折
干渉光はレンズ３６により集光され、光検出器３７にお
いて回折光ビート信号として光電検出される。

【００１３】光検出器２４で検出される基準ビート信号
IRは、Ａ、Ｂを周波数f1、f2の光束の振幅、φ1 、φ2
を初期位相とすると、次の(1) 式のように表すことがで
きる。 IR＝Ａ² ＋Ｂ² ＋２Ａ・Ｂ cos{ ２π（f1−f2）ｔ＋（φ1 −φ2)} …(1)

【００１４】また、光検出器３７で検出される回折光ビ
ート信号ISは、次の(2) 式のように表すことができる。 IS＝Ａ² ＋Ｂ² ＋２Ａ・Ｂ cos{ ２π（f1−f2）ｔ＋（φ1 −φ2)＋φmw｝ …(2)

【００１５】ここで、φmwは回折格子３１の基準位置か
らの位置ずれ量ΔXmと回折格子３３の基準位置からの位
置ずれ量ΔXwに伴う位相変化量であり、ｐを回折格子３
１、３３のピッチとし、回折格子３１、３３で回折され
る次数を±１次とすると、 φmw＝４π（ΔXm−ΔXw）／ｐである。

【００１６】(1)、 (2)式で表される２つのビート信号
の位相差をとると、光束の初期位相は相殺されて、マス
ク２８とウエハ２９の相対ずれに伴う位相差分φmwが検
出できる。この位相差分φmwが零になるように、マスク
ステージ３０とウエハステージ３２を微小量移動させ
て、位置合わせを高精度に行うことができる。

【００１７】本方式では、偏光ビームスプリッタ部２７
ａ、反射部２７ｂ、２７ｃを有するプリズム２７を用い
ているため、光学系のセッティングが容易であり、更に
周波数f1、f2の光束を分離した後に出射するので、空気
の揺らぎ、振動の影響を軽減できるなどの効果がある。

【００１８】図２は第２の実施例を示し、半導体露光装
置の位置合わせ装置に応用したものであり、図１と同一
の部材は同一の符号を付している。光源２０の出射方向
にはミラー２６、プリズム２７が配置され、回折格子３
１、３３の反射光の光路にはミラー３４、グラントムソ
ンプリズム３５が配置されている。グラントムソンプリ
ズム３５の出射方向の片側にはレンズ４０、光検出器４
１が配置され、光検出器４１の出力は信号処理制御部２
５に接続されている。また、グラントムソンプリズム３
５の出射方向の他側にはミラー４２、レンズ３６、光検
出器３７が設けられ、光検出器３７の出力は信号処理制
御部２５に接続されている。

【００１９】２周波直線偏光光源２０から発せられた周
波数f1、f2の光束は、ミラー２６により偏向されプリズ
ム２７に入射する。プリズム２７においては、図１の実
施例と同様に、偏光ビームスプリッタ部２７ａによりｐ
偏光の周波数f1の光束L1は透過し、ｓ偏光の光の周波数
f2の光束L2は反射される。周波数f1の光束L1は反射部２
７ｂで偏向され、マスク２８上の回折格子３１、及びウ
エハ２９上の回折格子３３に所定角度で入射する。ま
た、周波数f2の光束L2は反射部２７ｃで偏向され、同様
にマスク２８上の回折格子３１、及びウエハ２９上の回
折格子３３に所定角度で入射する。回折格子３１、回折
格子３３はｙ方向に僅かにずれているため、それぞれの
回折格子３１、３３からの回折光は同一方向に回折され
るが、ｙ方向に関して僅かに分離されている。

【００２０】それぞれの回折光をミラー３４で偏向し、
グラントムソンプリズム３５を通して偏光面を揃えて干
渉させる。その後に、ミラー４２により回折格子３１か
らの回折光と回折格子３３からの回折光に分離する。回
折格子３１からの回折光はレンズ４０で集光され、光検
出器４１で光電検出される。他方、回折格子３３からの
回折光はミラー４２で偏向された後に、レンズ３６で集
光され光検出器３７で光電検出される。

【００２１】光検出器４１で検出される回折光ビート信
号Imは、Ａ、Ｂを周波数f1、f2の光束の振幅、φ1 、φ
2 を初期位相とすると、次の(3) 式のように表すことが
できる。 Im＝Ａ² ＋Ｂ² ＋２Ａ・Ｂ cos{ ２π(f1 −f2) ｔ＋（φ1 −φ2)＋φm} …(3)

【００２２】ここで、φm は回折格子３１の基準位置か
らの位置ずれ量ΔXmに伴う位相変化量であり、ｐを回折
格子１１のピッチとすると、φm＝２π・ΔXm／ｐであ
る。

【００２３】また、光検出器３７で検出される回折ビー
ト信号Iwは、次の(4) 式のように表すことができる。 Iw＝Ａ² ＋Ｂ² ＋２Ａ・Ｂ cos{ ２π（f1−f2）ｔ＋（φ1 −φ2)＋φw} …(4)

【００２４】ここで、φw は回折格子３３の基準位置か
らの位置ずれ量ΔXwに伴う位相変化量であり、ｐを回折
格子１３のピッチとすると、φw＝ΔXw／ｐである。

【００２５】(3)、(4) 式で表される２つのビート信号I
m、Iwの位相差をとると、光束の初期位相は相殺され
て、マスク２８とウエハ２９の相対ずれに伴う位相差分
Δφ＝φm −φw が検出できる。この位相差分Δφが零
になるように、マスクステージ３０とウエハステージ３
２を微小量移動させて位置合わせを高精度に行うことが
できる。

【００２６】図３は第３の実施例を示し、半導体製造装
置の重ね合わせ精度の測定装置に応用したものである。
２周波直線偏光レーザー光源５０からの光束の出射方向
にはミラー５１、コリメータレンズ５２、プリズム２７
が配置され、プリズム２７の出射方向には図４に示すよ
うな回折格子５３、５４を有するウエハ５５が置かれて
いる。ウエハ５５からの光束の反射方向にはミラー５
６、レンズ５７、グラントムソンプリズム５８、図５に
示すようにガラス部５９ａとミラー部５９ｂを有するエ
ッジミラー５９、レンズ６０、光検出器６１が配置さ
れ、光検出器６１の出力は位相差計６２を経て演算器６
３に接続されている。また、エッジミラー５９の反射方
向にはレンズ６４、光検出器６５が配置され、光検出器
６５の出力は位相差計６２に接続されている。

【００２７】２周波直線偏光レーザー光源５０から発し
た周波数f1のｓ偏光光、周波数f2のｐ偏光光はミラー５
１により偏向され、コリメータレンズ５２を介してプリ
ズム２７に入射する。図６に示すようにプリズム２７の
偏光ビームスプリッタ部２７ａでｓ偏光の周波数f1の光
束は反射し、ｐ偏光の周波数f2の光束は透過し、それぞ
れ反射部２７ｂ、２７ｃで偏向され、図７に示すように
プリズム２７から出射してウエハ５５上の回折格子５
３、５４に入射し回折光となる。

【００２８】ウエハ５５上の回折格子５３、５４はウエ
ハ５５上に別々の焼き付けプロセスを経て形成された隣
接する２つの等間隔直線回折格子であり、ピッチは共に
等しくｐである。回折格子５３、５４間には、図４に示
すようにｘ方向に焼き付けときの位置ずれΔｘが生じて
いる。このとき、回折格子５３による周波数f1の左側入
射光の１次回折光Ea(f1)、及び周波数f2の右側入射光の
−１次回折光Ea(f2)の複素振幅表示は、次の(5) 、(6)
式のようになる。 Ea(f1)＝Ａ exp{ ｉ（ω1 ｔ＋φ1 ＋φa)} …(5) Ea(f2)＝Ｂ exp{ ｉ（ω2 ｔ＋φ2 −φa)} …(6)

【００２９】ここで、Ａ、Ｂは振幅、ω1 、ω2 は角周
波数、φ1 、φ2 は光源５０から出射した光束の初期位
相、φa ＝２πXa／ｐであり、Xaは基準位相からの回折
格子５３のｘ方向へのずれ量を表している。

【００３０】また、回折格子５４による周波数f1の左側
入射光の１次回折光Eb(f1)、及び周波数f2の右側入射光
の−１次回折光Eb(f2)の複素振幅表示は、次の(7) 、
(8) 式のようになる。 Eb(f1)＝Ａ exp{ ｉ（ω1 ｔ＋φ1 ＋φb)} …(7) Eb(f2)＝Ｂ exp{ ｉ（ω2 ｔ＋φ2 −φb)} …(8)

【００３１】ここで、φb ＝２πXb／ｐであり、Xbは基
準位置からの回折格子５４のｘ方向へのずれ量を表して
いる。

【００３２】回折格子５３、５４で回折された光束はミ
ラー５６で偏向され、レンズ５７、グラントムソンプリ
ズム５８を通り、グラントムソンプリズム５８により回
折光の偏光面が揃えられ干渉する。それぞれの干渉光Ea
(f1)とEa(f2)及びEb(f1)とEb(f2)の強度変化Ia、Ib、つ
まりビート信号は次の(9) 、(10)式のようになる。 Ia＝Ａ² ＋Ｂ² ＋２Ａ・Ｂ cos{(ω1 −ω2)ｔ＋（φ1 −φ2)＋２φa} …(9) Ib＝Ａ² ＋Ｂ² ＋２Ａ・Ｂ cos{(ω1 −ω2)ｔ＋（φ1 −φ2)＋２φb} …(10)

【００３３】なお、２つの回折干渉光の分離は次のよう
にして行えばよい。即ち、２つの回折干渉光は空間的に
僅かに離れているため、エッジミラー５９を用いて、図
５に示すガラス部５９ａとミラー部５９ｂの境界線Ｌ
が、２つの回折格子５３、５４の回折光間の中心に至る
ように設定して、回折格子５３からの回折光はエッジミ
ラー５９で反射させてレンズ６４を介して光検出器６５
に導き、他方の回折格子５４からの回折光はエッジミラ
ー５９を透過させてレンズ６０を介して光検出器６１に
導く。

【００３４】光検出器６５、６１で検出されたビート信
号は位相差計６２に導入され、その位相差を検出する。
位相差をΔφとすると、Δφは次の(11)式となる。 Δφ＝２（φa −φb)＝４π（Xa−Xb）／ｐ …(11)

【００３５】即ち、回折格子５３、５４のｘ方向の相対
ずれ量Δｘは、次の(12)式となる。 Δｘ＝Xa−Xb＝Δφ・ｐ／４π …(12)

【００３６】従って、位相差計６２の出力Δφを演算器
６３に導入して、(12)式の演算をすることにより、回折
格子５３、５４の相対ずれ量を求めることができる。

【００３７】このようにして、第１回目に焼き付けられ
た格子パターンと第２回目に焼き付けられた格子パター
ンとのずれ量を求めることにより、半導体露光装置の位
置合わせ精度、つまり第１回目と第２回目の焼き付けよ
り形成された実素子パターン間のずれ量を検出すること
ができる。

【００３８】以下に、プリズム２７以外の構成をしたプ
リズムの実施例について述べる。図８は他の実施例に係
るプリズム７０の斜視図を示している。半導体重ね合わ
せ精度測定装置の照明部である光源５０から発せられた
僅かに異なる周波数f1のｓ偏光、周波数f2のｐ偏光の光
束はプリズム７０に入射し、反射部７０ａで反射され、
偏光ビームスプリッタ部７０ｂに４５度の角度で入射す
るようになっている。偏光ビームスプリッタ部７０ｂに
より、周波数f1のｓ偏光光は反射され、更に反射部７０
ｃで偏向されウエハ５５上の回折格子５３、５４に所定
角度で入射する。他方、偏光ビームスプリッタ部７０ｂ
を透過した周波数f2のｐ偏光光は、反射部７０ｄで偏向
されウエハ５５上の回折格子５３、５４に所定の角度で
入射する。

【００３９】図９は更に他の実施例に係るプリズム７１
の正面図を示している。光源５０から発せられた僅かに
異なる周波数f1のｓ偏光光、周波数f2のｐ偏光光は、プ
リズム７１に入射し反射部７１ａで反射され、偏光ビー
ムスプリッタ部７１ｂに４５度の角度で入射するように
なっている。偏光ビームスプリッタ部７１ｂにより、周
波数f1のｓ偏光光は反射され、更に反射部７１ｃで偏向
されウエハ５５上の回折格子５３、５４に所定角度で入
射するようになっている。他方、偏光ビームスプリッタ
部７１ｂを透過した周波数f2のｐ偏光光は反射部７１ｄ
で偏向され、ウエハ５５上の回折格子５３、５４に所定
角度で入射する。

【００４０】図１０は他の実施例のプリズム７２の正面
図を示している。プリズム７２は三角プリズム７３、ウ
ォラストンプリズム７４、及び三角プリズム７５、７６
から成り、光源５０から発せられた僅かに異なる周波数
f1のｓ偏光光、周波数f2のｐ偏光光はプリズム７３に入
射し、反射部７３ａで反射され、ウォラストンプリズム
７４の偏光ビームスプリッタ部７４ａに入射する。偏光
ビームスプリッタ部７４ａにより、周波数f1のｓ偏光光
と周波数f2のｐ偏光光に分離され、更に周波数f1の偏光
光はプリズム７５の反射部７５ａ、７５ｂで反射し、ウ
エハ５５上の回折格子５３、５４に所定角度で入射す
る。また、周波数f2の偏光光もプリズム７６の反射部７
６ａ、７６ｂで反射して、ウエハ５５上の回折格子５
３、５４に所定の角度で入射する。

【００４１】このように、プリズム７０、７１、７２を
照明部に用いることにより、図１の第１の実施例のミラ
ー５１が不要になり、しかもウエハ面とレーザー光源を
平行に置くことができ、光学系の設定が更に容易にな
る。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る干渉計
測装置は、例えば光ヘテロダイン干渉法を用いた半導体
位置合わせ装置や、半導体重ね合わせ精度測定装置等に
おいて、照明部に例えば光源部から発せられた異なる周
波数の光束を分離するビームスプリッタ部と２つの光束
を測定対象物に所定角度で入射させるための反射部とを
合わせ持つ光学素子を用いることにより、空気の揺ら
ぎ、振動の影響が少なくなると共に光学系の設定が容易
になる等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の構成図である。

【図２】第２の実施例の構成図である。

【図３】第３の実施例の構成図である。

【図４】回折格子の平面図である。

【図５】エッジミラーの正面図である。

【図６】プリズムの斜視図である。

【図７】回折光の説明図である。

【図８】プリズムの斜視図である。

【図９】プリズムの正面図である。

【図１０】プリズムの正面図である。

【図１１】従来の位置合わせ装置の構成図である。

【符号の説明】

１１、１３、５３、５４回折格子２０２周波直線偏光光源２１ビームスプリッタ２２、３５、５８グラントムソンリズム２４、３７、４１、６１、６５光検出器２５信号処理制御部２７、７０、７１、７２プリズム２８マスク２９、５５ウエハ３０マスクステージ３２ウエハステージ５０２周波直線偏光レーザー光源５９エッジミラー６２位相差計６３演算部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/027 (72)発明者吉井実東京都大田区下丸子三丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者斉藤謙治東京都大田区下丸子三丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者千徳孝一東京都大田区下丸子三丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】僅かに周波数が異なる２つの可干渉光を
発生する光源部と、該光源から出射した光束を互いに周
波数が異なる２光束に分離するビームスプリット部及び
これら２つの光束を回折格子に所定角度で入射させるた
めの反射部を有する光学素子から成る照明手段と、前記
回折格子により回折された回折光を干渉させてビート信
号を発生させる手段と、前記ビート信号の位相状態を検
出する位相検出手段とから成ることを特徴とする干渉計
測装置。