JPH07134013A - Surface shape measuring method and projection exposure apparatus - Google Patents

Surface shape measuring method and projection exposure apparatus

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JPH07134013A
JPH07134013A JP5156847A JP15684793A JPH07134013A JP H07134013 A JPH07134013 A JP H07134013A JP 5156847 A JP5156847 A JP 5156847A JP 15684793 A JP15684793 A JP 15684793A JP H07134013 A JPH07134013 A JP H07134013A
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JP
Japan
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phase
surface shape
interference fringe
wafer
measuring method
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Application number
JP5156847A
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Japanese (ja)
Inventor
Ken Fujii
憲 藤井
Ryuichi Funatsu
隆一 船津
Ryunosuke Tsuboi
竜之介 坪井
Yasuhiko Nakayama
保彦 中山
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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  • 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)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 干渉光学系を用いる半導体ウエハの表面形状
及び高さ、傾き計測方法とその装置の精度と計測速度を
向上する。 【構成】 ウエハからのレ−ザ反射光と参照光の干渉に
より得られる干渉縞信号波形をテンプレート正弦波とパ
ターンマッチングし、その位相差変化から全検出領域に
おける位相を検出する。さらに上記位相の位相飛びを補
正して位相を正しく接続し、上記位相情報の回帰計算に
よりウエハ表面の高さと傾きを求め、ウエハステ−ジの
位置、姿勢を制御する。。 【効果】 パターン線幅0.5μm以下、段差1μm程
度の構造を有するLSIの表面形状を露光の焦点深度が
1μm以下の場合においても、周辺部を含めて高解像度
で露光することができる。
(57) [Abstract] [Purpose] To improve the accuracy and measurement speed of a method and apparatus for measuring the surface shape and height of a semiconductor wafer using an interference optical system and its apparatus. [Structure] An interference fringe signal waveform obtained by interference between laser reflected light from a wafer and reference light is pattern-matched with a template sine wave, and the phase in the entire detection region is detected from the phase difference change. Further, the phase jump of the phase is corrected to connect the phases correctly, the height and the inclination of the wafer surface are obtained by the regression calculation of the phase information, and the position and orientation of the wafer stage are controlled. . [Effect] The surface shape of an LSI having a structure with a pattern line width of 0.5 μm or less and a step of about 1 μm can be exposed with high resolution including the peripheral portion even when the exposure depth of focus is 1 μm or less.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光干渉を利用する表面形
状の計測装置に係り、とくに、0.5μm線幅以下の回
路パターンを有するウエハの表面形状計測方法および投
影露光装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface shape measuring apparatus utilizing optical interference, and more particularly to a wafer surface shape measuring method and a projection exposure apparatus having a circuit pattern having a line width of 0.5 .mu.m or less.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体集積回路の露光装置においては、
例えば1μm程度の段差構造を有する20mm角程度の
露光領域全体にわたって0.5μm以下の線幅パターン
をばらつきの少なく、忠実に露光できることが要求され
ている。しかし、パタ−ンの微細化に伴い露光投影レン
ズのNA(開口数)を高くする必要上、結像範囲(焦点
深度)が±1μm以下と狭くなり、ウエハのフォトレジ
スト表面にパターン像を正確に結像することが重要にな
っている。このため、ウェハ表面の凹凸形状を正確に計
測してウェハの傾き及び高さを調節することが行われて
いる。
2. Description of the Related Art In an exposure apparatus for semiconductor integrated circuits,
For example, it is required to faithfully expose a line width pattern of 0.5 μm or less over the entire exposure area of about 20 mm square having a step structure of about 1 μm with little variation. However, as the pattern becomes finer, the NA (numerical aperture) of the exposure projection lens must be increased, which narrows the image formation range (depth of focus) to ± 1 μm or less, and the pattern image can be accurately formed on the photoresist surface of the wafer. It is important to form an image at. Therefore, the uneven shape of the wafer surface is accurately measured to adjust the tilt and height of the wafer.

【0003】特開平3−40417号公報には、可干渉
光をウェハ上に斜め入射し、ウエハからの反射光と上記
可干渉光源から作った参照光から得られる干渉縞を1次
元アレイセンサにより検出し、この干渉縞信号のピッチ
と位相の変化を高速フーリエ変換(FFT)により検出
して、ウェハ表面の傾きと高さを求めることが開示され
ている。
In Japanese Patent Laid-Open No. 3-40417, coherent light is obliquely incident on a wafer, and interference fringes obtained from reflected light from the wafer and reference light generated from the coherent light source are detected by a one-dimensional array sensor. It is disclosed that the pitch and the phase of the interference fringe signal are detected and detected by Fast Fourier Transform (FFT) to obtain the tilt and height of the wafer surface.

【0004】また、特開平2−280313号公報に
は、上記可干渉光をウェハに85度以上の入射角度で斜
め入射してウェハ表面の傾きと高さの検出精度を高める
ことが開示されている。また、特開平2−99804号
公報には、レ−ザ光を傾斜角1〜20度で試料上に入射
し、その反射光と上記レ−ザ光の強度分布から反射光の
レ−ザ光強度変動を補正してウェハ表面のスリットパタ
−ン部を検出することが開示されている。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2-280313 discloses that the above coherent light is obliquely incident on the wafer at an incident angle of 85 degrees or more to enhance the accuracy of detecting the inclination and height of the wafer surface. There is. Further, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-99804, laser light is made incident on a sample at an inclination angle of 1 to 20 degrees, and the reflected light and the laser light intensity distribution of the above laser light indicate the laser light of the reflected light. It is disclosed that the slit pattern portion on the wafer surface is detected by correcting the intensity fluctuation.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記段差を有するウエ
ハの表面形状計測においては検出領域を細分化して高速
フーリエ変換を行う必要があるため、各領域内のデータ
点数が少ないと演算誤差が増大し、また、分割領域毎に
演算を行うため演算時間が長いという問題があった。ま
た、干渉強度の大きな部分ほど高さ・傾き検出に大きな
重みがかかるため段差構造の計測が困難であった。本発
明の目的は、上記の問題を解決してウェハ上の段差構造
を正確かつ高速に計測することのできる表面形状計測方
法を提供することにある。
In measuring the surface shape of a wafer having a step as described above, it is necessary to subdivide the detection region and perform the fast Fourier transform. Therefore, if the number of data points in each region is small, the calculation error increases. Further, there is a problem that the calculation time is long because the calculation is performed for each divided area. In addition, since the height / tilt detection is more heavily weighted in a portion having a higher interference intensity, it is difficult to measure the step structure. An object of the present invention is to provide a surface shape measuring method which can solve the above-mentioned problems and can measure a step structure on a wafer accurately and at high speed.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、可干渉光を検出光と参照光に2分して検出光を所定
の角度で被検物に照射し、反射光と参照光を干渉して得
られる干渉縞信号より被検物の表面形状を検出する表面
形状計測方法において、上記干渉縞信号強度の波形パタ
ーンをパターンマッチング法により検出してその位相情
報から被検物の表面形状を計測する。このため、上記波
形パターンをテンプレート正弦波信号と比較し、ゴール
シーキングにより上記両波形のマッチング誤差の2乗和
を最小にする。
In order to solve the above-mentioned problems, coherent light is divided into detection light and reference light, and the detection light is applied to a test object at a predetermined angle to reflect light and reference light. In the surface shape measuring method for detecting the surface shape of the object to be inspected from the interference fringe signal obtained by interfering with the interference fringe signal, the surface pattern of the object to be inspected is detected from the phase information by detecting the waveform pattern of the interference fringe signal intensity by the pattern matching method. Measure the shape. Therefore, the waveform pattern is compared with the template sine wave signal, and goal seeking seeks to minimize the sum of squares of the matching errors of the both waveforms.

【0007】また、三角関数の線形回帰分析を用いて上
記パターンマッチングを行う。さらに、逆三角関数を用
いて上記干渉縞信号の位相情報を粗検出する。また、上
記波形パターンの位相情報の中の互いに隣り合う位相デ
ータの差分を所定のしきい値と比較して位相の不連続部
を検出し、この位相の不連続部を補正して接続する。
Further, the pattern matching is performed using linear regression analysis of trigonometric functions. Further, the phase information of the interference fringe signal is roughly detected using an inverse trigonometric function. Further, the difference between adjacent phase data in the phase information of the waveform pattern is compared with a predetermined threshold value to detect a phase discontinuity, and the phase discontinuity is corrected and connected.

【0008】また、投影露光装置に上記表面形状計測方
法により上記検出干渉縞信号の位相情報を検出する手段
と、上記位相情報の範囲を指定する手段と、該位相情報
範囲のウェハ表面の高さ及び傾きを演算する手段と、こ
の演算結果に基づいてウェハ表面の高さ及び傾きを調節
する手段を備えるようにし、さらに、上記検出干渉縞信
号の位相情報の線形回帰分析を用いて上記ウェハ表面の
高さ及び傾きを演算するようにする。
In the projection exposure apparatus, the means for detecting the phase information of the detected interference fringe signal by the surface shape measuring method, the means for designating the range of the phase information, and the height of the wafer surface in the phase information range. And a means for calculating the inclination, and means for adjusting the height and the inclination of the wafer surface based on the calculation result, and further, the wafer surface using the linear regression analysis of the phase information of the detected interference fringe signal. To calculate the height and slope of the.

【0009】[0009]

【作用】上記干渉縞信号強度の波形パターンはテンプレ
ート正弦波信号等とパターンマッチングそのマッチング
誤差はゴールシーキングにより最小にされる。被検物の
表面形状はマッチング波形の位相情報から算出される。
The waveform pattern of the interference fringe signal intensity is pattern-matched with the template sine wave signal or the like, and the matching error is minimized by goal seeking. The surface shape of the test object is calculated from the phase information of the matching waveform.

【0010】上記パターンマッチングは三角関数の線形
回帰分析によっても行われる。また、上記干渉縞信号の
位相情報の粗検出は逆三角関数を用いて行なわれる。ま
た、上記位相の不連続部は波形パターンの位相情報の中
の互いに隣り合う位相データの差分を所定のしきい値と
比較して検出され、位相不連続の補正に利用される。
The pattern matching is also performed by linear regression analysis of trigonometric functions. Further, the rough detection of the phase information of the interference fringe signal is performed by using an inverse trigonometric function. Further, the phase discontinuity is detected by comparing the difference between mutually adjacent phase data in the phase information of the waveform pattern with a predetermined threshold value, and is used for correcting the phase discontinuity.

【0011】また、投影露光装置は上記検出干渉縞信号
の位相情報を検出する手段と、上記位相情報の範囲を指
定する手段と、該位相情報範囲のウェハ表面の高さ及び
傾きを演算する手段と、この演算結果に基づいてウェハ
表面の高さ及び傾きを調節する手段を備え、さらに、上
記検出干渉縞信号の位相情報の線形回帰分析を用いて上
記ウェハ表面の高さ及び傾きを演算し、これらを補正す
る。
In the projection exposure apparatus, the means for detecting the phase information of the detected interference fringe signal, the means for designating the range of the phase information, and the means for calculating the height and inclination of the wafer surface within the phase information range. And a means for adjusting the height and inclination of the wafer surface based on the calculation result, and further, calculating the height and inclination of the wafer surface using linear regression analysis of the phase information of the detected interference fringe signal. , Correct these.

【0012】[0012]

【実施例】図1は本発明による表面形状計測方法に用い
る投影露光装置の構成図である。可干渉性のレーザ光源
1からのレーザ光をコリメータ11により所望のビーム
径にし、ビームスプリッタ10により2分割してその一
方(検出光16)をウェハ4に入射角θ1でで照射し、
他方を干渉縞発生用の参照光17とする。検出光16と
参照光17は近接した光路を通って折返し平面鏡14に
より折り返され再び元の光路を戻ってビームスプリッタ
12により検出光路に導かれる。すなわち、ウェハ4か
らの反射ビーム26”と参照光27”はレンズ21、2
2、ピンホール23を通過してCCD等の1次元アレイ
センサ3上で重ねられ、ここで形成される干渉縞の光強
度が1次元アレイセンサ3により検出される。
1 is a block diagram of a projection exposure apparatus used in a surface shape measuring method according to the present invention. The laser beam from the coherent laser light source 1 is made into a desired beam diameter by the collimator 11 and is divided into two by the beam splitter 10 and one of the beams (detection light 16) is irradiated onto the wafer 4 at an incident angle θ 1 .
The other is the reference light 17 for generating interference fringes. The detection light 16 and the reference light 17 are returned by the folding plane mirror 14 after passing through the optical paths that are close to each other, return to the original optical path again, and are guided to the detection optical path by the beam splitter 12. That is, the reflected beam 26 ″ from the wafer 4 and the reference beam 27 ″ are reflected by the lenses 21, 2
2. After passing through the pinhole 23, the light is superimposed on the one-dimensional array sensor 3 such as a CCD, and the light intensity of the interference fringes formed here is detected by the one-dimensional array sensor 3.

【0013】処理回路5’はパターンマッチング法によ
り上記干渉縞信号の位相変化を検出してウエハ4の表面
形状を算出し、これよりウェハ面の高さや傾き等を求め
てステージ7の高さ・傾きを調節し、レティクル9の結
像面を正確にウェハ表面に一致させる。この結果、露光
領域全面において微細パターンを高解像度で露光するこ
とができる。なお、上記光学検出系はウエハ4の面のX
及びY方向について設けられるが、図1ではすX方向の
光学検出系100Xのみを示している。
The processing circuit 5'detects the phase change of the interference fringe signal by a pattern matching method to calculate the surface shape of the wafer 4, and from this, obtains the height and inclination of the wafer surface to determine the height of the stage 7. The tilt is adjusted so that the image plane of the reticle 9 exactly matches the wafer surface. As a result, the fine pattern can be exposed with high resolution over the entire exposure area. In addition, the above optical detection system is the X
, And the Y direction, but FIG. 1 shows only the optical detection system 100X in the X direction.

【0014】図2の実線は上記ウェハ表面形状に応じて
得られる干渉縞信号の波形例である。縦軸は上記干渉光
学検出系により検出された干渉縞の信号強度、横軸は一
次元アレイセンサの画素座標であり、CCD検出器の画
素アドレスiに対応する。本発明では、上記実線の干渉
縞信号を点線で示したパターンマッチング用テンプレー
トの正弦波信号[Asin(2πi/p)+Ao]と比較し、ゴ−ルシ
ーキング法により両信号間の位相差φ(j)の2乗和を
最小にする。干渉縞信号は元来正弦波であるので、この
パターンマッチングにより上記位相差の雑音等による誤
差成分は最小にできるのである。
The solid line in FIG. 2 is an example of the waveform of the interference fringe signal obtained according to the wafer surface shape. The vertical axis represents the signal intensity of the interference fringes detected by the interference optical detection system, and the horizontal axis represents the pixel coordinates of the one-dimensional array sensor, which corresponds to the pixel address i of the CCD detector. In the present invention, the solid line interference fringe signal is compared with the sine wave signal [Asin (2πi / p) + Ao] of the pattern matching template shown by the dotted line, and the phase difference φ between the two signals is obtained by the Gol seeking method. Minimize the sum of squares of (j). Since the interference fringe signal is originally a sine wave, the pattern matching can minimize the error component due to the noise of the phase difference.

【0015】また、ウエハ表面の高さは上記位相差φ
[j]より求めることができる。すなわち、検出光16
の波長をλ、そのウエハ4に対する入射角をθ1とする
と、ウエハ表面の高さΔZ[j]は ΔZ[j]=(λ/8πcosθ1)φ[j] (1) より求まる。また、ウエハ表面の傾きは上記ΔZ[j]
の変化率より算出することができる。
Further, the height of the wafer surface is the above phase difference φ.
It can be obtained from [j]. That is, the detection light 16
Is λ and the incident angle on the wafer 4 is θ 1 , the wafer surface height ΔZ [j] can be obtained from ΔZ [j] = (λ / 8πcos θ 1 ) φ [j] (1). The inclination of the wafer surface is ΔZ [j] above.
It can be calculated from the rate of change.

【0016】例えば、λ=633nm、θ1=88°の
場合、ΔZ[j]=0.72(μm/rad)×φ
[j]となるので、0.01μmの高さ検出精度を得る
ためには位相φ[j]を0.014rad(0.8°)程
度の精度で求めればよいことになる。また、このときの
傾き検出精度は検出領域長20mmに対して、0.01
μm/20mm=0.5μradとなる。
For example, when λ = 633 nm and θ 1 = 88 °, ΔZ [j] = 0.72 (μm / rad) × φ
Therefore, in order to obtain the height detection accuracy of 0.01 μm, the phase φ [j] should be obtained with the accuracy of about 0.014 rad (0.8 °). Further, the inclination detection accuracy at this time is 0.01 for a detection area length of 20 mm.
μm / 20 mm = 0.5 μrad.

【0017】図3は上記表面形状の計測および算出処理
のフローチャートである。1次元アレイセンサ3に入射
するウエハ4からの反射光は参照光と干渉してその位相
変化がウエハ4の表面形状に対応する干渉縞信号を発生
する。そこで、まずA/D変換51により1次元アレイ
センサ3の各画素から得られる干渉縞信号をディジタル
信号に変換し、位相検出回路52により干渉縞信号の各
周期毎の位相変化を求める。なお、この干渉縞信号の位
相を求める方法については図5、図6を用いて後述す
る。
FIG. 3 is a flowchart of the surface shape measurement and calculation process. The reflected light from the wafer 4 incident on the one-dimensional array sensor 3 interferes with the reference light to generate an interference fringe signal whose phase change corresponds to the surface shape of the wafer 4. Therefore, first, the A / D converter 51 converts the interference fringe signal obtained from each pixel of the one-dimensional array sensor 3 into a digital signal, and the phase detection circuit 52 obtains the phase change of each cycle of the interference fringe signal. A method of obtaining the phase of this interference fringe signal will be described later with reference to FIGS.

【0018】また、上記干渉縞信号より位相を求める場
合には位相が2nπ毎に不連続に変化する位相飛び現象
が現れるため、位相飛び接続回路53によりこの位相飛
びを補正して連続する位相変化が得られるようにする。
なお、この位相飛びの接続方法については図7を用いて
後述する。上記のようにして求めた干渉縞信号の位相変
化は被検物の表面形状の計測データとしてCRT等の表
示回路またはプリンタ54に表示される。
Further, when the phase is obtained from the interference fringe signal, a phase jump phenomenon in which the phase changes discontinuously every 2nπ appears. Therefore, the phase jump connection circuit 53 corrects this phase jump and a continuous phase change occurs. To get
Note that this phase jump connection method will be described later with reference to FIG. 7. The phase change of the interference fringe signal obtained as described above is displayed on the display circuit such as a CRT or the printer 54 as the measurement data of the surface shape of the test object.

【0019】図4はステージ7上のウェハ4の面の高さ
および傾きを調節する処理のフローチャートである。図
3と同様にして干渉縞信号のA/D変換、位相検出、位
相飛び接続等を行った後、この位相情報からウェハ面の
高さや凹凸の回帰直線を算出して結像面からのウェハ面
の高さのずれや傾き等を求め、これをウェハを搭載する
ステ−ジ7の駆動信号に変換してステ−ジ7の駆動機構
を制御し、ウェハ面の高さのずれと傾きを最小にする。
なお、上記回帰直線よりウェハ表面の高さ・傾きを求め
る方法については図8を用いて後述する。
FIG. 4 is a flow chart of a process for adjusting the height and inclination of the surface of the wafer 4 on the stage 7. After performing A / D conversion, phase detection, phase jump connection, etc. of the interference fringe signal in the same manner as in FIG. 3, the regression line of the height of the wafer surface and the unevenness is calculated from this phase information and the wafer from the image plane is calculated. The deviation and inclination of the surface height are calculated, and this is converted into the drive signal of the stage 7 on which the wafer is mounted to control the drive mechanism of the stage 7 to determine the deviation and inclination of the wafer surface. Minimize.
The method of obtaining the height and inclination of the wafer surface from the regression line will be described later with reference to FIG.

【0020】図5は上記干渉縞の位相をパターンマッチ
ングによりゴールシーキングして検出する方法のフロー
チャートである。まず、1次元アレイセンサ(CCD)
3のアドレスi=(j±w)の範囲内の(2w+1)個
の干渉縞信号データに対して以下の演算を行う。なお、
上記(2w+1)の範囲が大きすぎると前記パターンマ
ッチング誤差が増大するので、干渉縞信号のピッチ(周
期)をpとして、(2w+1)=(p+2)程度に選ぶ
ようにする。
FIG. 5 is a flow chart of a method for detecting the phase of the interference fringe by goal seeking by pattern matching. First, one-dimensional array sensor (CCD)
The following calculation is performed on (2w + 1) pieces of interference fringe signal data within the range of address i = (j ± w) of 3. In addition,
If the range of (2w + 1) is too large, the pattern matching error increases. Therefore, the pitch (cycle) of the interference fringe signal is set to p, and it is selected to be about (2w + 1) = (p + 2).

【0021】次いで、上記i=(j±w)範囲内の干渉
縞信号の最大値Smaxと最小値Sminを求め、これらより
テンプレート正弦波の振幅AとオフセットAoを求め
る。また,i=jにおける干渉縞信号データS[j],
S[j+1]及びA,Aoから図5に示すようにして位相角
粗検出値φc[j]を求める。
Next, the maximum value Smax and the minimum value Smin of the interference fringe signal within the above i = (j ± w) range are obtained, and the amplitude A and the offset Ao of the template sine wave are obtained from these. Further, the interference fringe signal data S [j] at i = j,
The phase angle rough detection value φc [j] is obtained from S [j + 1] and A, Ao as shown in FIG.

【0022】次いで、上記(j±w)範囲内において、
位相角粗検出値φc[j]からの偏差分Δφ[j]をゴール
シーキングにおける変数としてテンプレート正弦波St
[i]の値を求め、干渉縞信号とテンプレート正弦波の二
乗誤差の和E[j]を計算して評価関数とする。なお、St
[i]の干渉縞ピッチpには投影露光装置における結像面
のような検出の基準面検出時の干渉縞信号のピッチを設
定して、最終の位相検出結果がこの基準面に対する傾き
として得られるようにする。
Next, within the above (j ± w) range,
The deviation Δφ [j] from the phase angle coarse detection value φc [j] is used as a variable in goal seeking as a template sine wave St.
The value of [i] is calculated, and the sum E [j] of the squared error of the interference fringe signal and the template sine wave is calculated and used as the evaluation function. In addition, St
For the interference fringe pitch p of [i], the pitch of the interference fringe signal at the time of detecting the reference plane such as the image plane in the projection exposure apparatus is set, and the final phase detection result is obtained as the inclination with respect to this reference plane. To be able to

【0023】上記ゴールシーキング法では、テンプレー
ト正弦波が干渉縞信号に最適にマッチングするΔφ[j]
の値を所定の位相角精度で算出する。このとき評価関数
E[j]の値は最小となる。図5においては、p,φc
[j],Δφ[j]から最終的にφf[j]と位相角精検出値φ
[j]を求めている。なお、最後の式はφf[j]から2nπ
の不定性を除いて、−π≦φ[j]<π とするための操
作である。
In the above goal seeking method, Δφ [j] in which the template sine wave optimally matches the interference fringe signal.
Is calculated with a predetermined phase angle accuracy. At this time, the value of the evaluation function E [j] becomes the minimum. In FIG. 5, p, φc
From [j] and Δφ [j], finally φf [j] and phase angle precision detection value φ
Seeking [j]. The last equation is 2nπ from φf [j]
This is an operation for setting −π ≦ φ [j] <π except for the indeterminacy of.

【0024】次に位相角検出中心i=jに対する干渉縞
信号の位相角を計算した後、kアドレス分だけ位相角検
出中心を移動して、i=j’=j+kにおける干渉縞の
位相角精検出値φ[j']=φ[j+k]をφ[j]を同様にして求
める。すなわち図2において、位相角検出中心jを中心
として(2w+1)=11個のアドレス範囲で点線のテ
ンプレート正弦波に対する実線の干渉縞信号の位相角精
検出値φ[j]を求めた後、j+9=j’を中心とした範
囲についてテンプレート正弦波に対する干渉信号の位相
角精検出値φ[j']を求める。
Next, after calculating the phase angle of the interference fringe signal with respect to the phase angle detection center i = j, the phase angle detection center is moved by k addresses, and the phase angle of the interference fringe at i = j '= j + k is precisely adjusted. The detected value φ [j '] = φ [j + k] is obtained in the same manner as φ [j]. That is, in FIG. 2, after the phase angle precise detection value φ [j] of the solid line interference fringe signal with respect to the dotted template sine wave is obtained in the address range of (2w + 1) = 11 with the phase angle detection center j as the center, j + 9 The phase angle precision detection value φ [j '] of the interference signal with respect to the template sine wave is obtained for the range centered around = j'.

【0025】検出中心位置の間隔kは表面形状測定に必
要な分解能と演算処理時間の兼ね合いで決定すればよ
く、たとえば干渉縞のピッチと同程度の値とする。その
後、位相角検出中心位置をCCDアドレス上の所望の範
囲にわたってkアドレス分ずつ変更しながら、各検出中
心位置に対応する位相角精検出値を順次求める。
The distance k between the detection center positions may be determined in consideration of the resolution required for the surface shape measurement and the calculation processing time. For example, the interval k is set to a value similar to the pitch of the interference fringes. After that, the phase angle precision detection value corresponding to each detection center position is sequentially obtained while changing the phase angle detection center position by k addresses over a desired range on the CCD address.

【0026】図6は図3および図4に示した位相検出回
路52が行う干渉縞位相の他の検出方法を説明するフロ
ーチャートである。ここでは三角関数の線形回帰分析を
用いたパターンマッチングを利用する。まず、図5の場
合と同様に位相角検出中心位置jをCCDアドレス上の
所望の範囲にわたって間隔kずつ増し、各々のjについ
て位相角精検出値を求め、次いで粗検出を行わずに正弦
波パターンマッチングを三角関数の線形回帰分析により
行って位相角精検出する。
FIG. 6 is a flow chart for explaining another method of detecting the interference fringe phase performed by the phase detection circuit 52 shown in FIGS. Here, pattern matching using linear regression analysis of trigonometric functions is used. First, as in the case of FIG. 5, the phase angle detection center position j is increased by an interval k over a desired range on the CCD address, the phase angle fine detection value is obtained for each j, and then the sine wave is detected without performing rough detection. Pattern matching is performed by linear regression analysis of trigonometric functions to detect the phase angle.

【0027】図6において、x1[i]=sin(2πi/
p),x2[i]=cos(2πi/p)と置くと干渉縞信号
はS[i]=b11[i]+b22[i]+Aoとなるので、x
1[i],x2[i]を独立変数として線形回帰分析を行うこと
ができ、そのとき求められる回帰係数b1,b2から、位
相角精検出値φ[j]を求めることができる。この位相検
出方法では演算アルゴリズムが簡単なため計算時間が短
いので高速に被検物の表面形状を計測できるという効果
が得られる。
In FIG. 6, x 1 [i] = sin (2πi /
p), x 2 [i] = cos (2πi / p), the interference fringe signal is S [i] = b 1 x 1 [i] + b 2 x 2 [i] + Ao, so x
Linear regression analysis can be performed using 1 [i] and x 2 [i] as independent variables, and the phase angle precision detection value φ [j] can be obtained from the regression coefficients b 1 and b 2 obtained at that time. . In this phase detection method, since the calculation algorithm is simple and the calculation time is short, it is possible to obtain the effect that the surface shape of the test object can be measured at high speed.

【0028】図7は図3および図4に示した位相飛び接
続回路53が行う上記位相角精検出値の不連続な位相飛
びを接続処理する方法を示すフローチャートである。図
5または図6における位相角検出演算の後に、同じ位相
角検出中心位置jの各々について位相変化量を位相飛び
判定しきい値と比較し、その結果に従って位相飛びの接
続処理演算を行い、検出中心位置jに対する被検物表面
の高さ検出値ΔZ[j]を求める。
FIG. 7 is a flow chart showing a method for connecting the discontinuous phase jump of the phase angle fine detection value, which is performed by the phase jump connection circuit 53 shown in FIGS. 3 and 4. After the phase angle detection calculation in FIG. 5 or FIG. 6, the phase change amount is compared with the phase jump determination threshold value for each of the same phase angle detection center position j, and the phase jump connection processing operation is performed according to the result and the detection is performed. The height detection value ΔZ [j] of the surface of the test object with respect to the center position j is obtained.

【0029】図8は図4に示した高さ・傾き演算回路5
5が行う被検物の高さ・傾きを求める方法のフローチャ
ートである。いま、ウェハ4の表面形状を図9のΔZ
[j]とすると、まず、演算範囲を適切に設定する。図9
では検出全領域をこの演算範囲に設定している。この演
算範囲に対して図8に示したΔZ[j]に係る最小二乗法
による線形回帰分析を行い、回帰係数b1と切片boを求
める。この結果、図9の点線で示した回帰直線が求めら
れる。
FIG. 8 shows the height / tilt calculation circuit 5 shown in FIG.
5 is a flowchart of a method for obtaining the height / inclination of the object to be inspected by the method 5. Now, assume that the surface shape of the wafer 4 is ΔZ in FIG.
If [j] is set, first, the calculation range is appropriately set. Figure 9
Then, the whole detection area is set to this calculation range. A linear regression analysis by the least squares method relating to ΔZ [j] shown in FIG. 8 is performed on this calculation range, and a regression coefficient b 1 and an intercept bo are obtained. As a result, the regression line shown by the dotted line in FIG. 9 is obtained.

【0030】この回帰分析の結果を用いて図8の式より
被検物の高さ検出値ΔZcと傾き検出値δを求め、これ
ら検出値に応じてウェハステージの高さ・傾き駆動機構
を調節する。また、表面形状ΔZ[j]が図9と同一な部
分に対しては、図10に示すように中央の溝部分を除い
た左右の平坦な部分の2箇所を演算範囲と設定して回帰
分析を行う。この結果、回帰直線は左右の平坦部分に一
致するので、例えば、左右の平坦部分にとくに高解像度
の要求されるウェハプロセスにおいては、中央の溝部分
よりも左右の平坦部分に焦点面を合わせ込むことができ
るので大きな解像度余裕を得ることができる。
Using the results of this regression analysis, the height detection value ΔZc and tilt detection value δ of the object to be measured are obtained from the equations in FIG. 8, and the height / tilt drive mechanism of the wafer stage is adjusted according to these detection values. To do. In addition, for the portion where the surface shape ΔZ [j] is the same as that in FIG. 9, the regression analysis is performed by setting the two left and right flat portions excluding the central groove portion as the calculation range as shown in FIG. I do. As a result, since the regression line coincides with the left and right flat portions, for example, in a wafer process that requires particularly high resolution for the left and right flat portions, the focal plane is aligned with the left and right flat portions rather than the central groove portion. Therefore, a large resolution margin can be obtained.

【0031】図8に示した方法により、各種プロセスに
おける段差の表面形状を予め計測してプロセス毎のパタ
ーンの構造及び解像要求に応じた高さ・傾き演算領域を
設定するので、解像度がとくに要求される露光部分に対
して最良の焦点裕度を得て高さ・傾きを調節することが
できるのである。
According to the method shown in FIG. 8, the surface shape of the steps in various processes is measured in advance and the height / tilt calculation region according to the pattern structure and the resolution request for each process is set, so that the resolution is particularly high. The height and tilt can be adjusted by obtaining the best focus latitude for the required exposed portion.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明により、レーザ光の干渉縞信号の
強度分布に影響されることなく、半導体ウエハ等の被検
物の表面形状を0.01μm程度の精度で、また、1回
のスキャン当たり0.5〜数msで計測できる表面形状
計測方法を提供することができる。また、この計測方法
により0.5μm以下のパターン線幅および1μm程度
の深い段差構造を精度よく高速に計測できるので、露光
の焦点深度が1μm以下と浅い場合においても周辺部も
含むウェハ全面を高解像度で確実に露光する投影露光装
置を提供することができ、LSIの性能と信頼性を高
め、同時に歩留まりを向上するこができる。
According to the present invention, the surface shape of an object to be inspected such as a semiconductor wafer can be scanned with a precision of about 0.01 μm and in a single scan without being affected by the intensity distribution of the interference fringe signal of laser light. It is possible to provide a surface shape measuring method capable of measuring in 0.5 to several ms. In addition, since the pattern line width of 0.5 μm or less and the deep step structure of about 1 μm can be accurately measured at high speed by this measuring method, even if the depth of focus of exposure is as shallow as 1 μm or less, the entire surface of the wafer including the peripheral portion can be made high. It is possible to provide a projection exposure apparatus that reliably exposes at a resolution, and it is possible to improve the performance and reliability of the LSI and at the same time improve the yield.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による投影露光装置実施例の構成図であ
る。
FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a projection exposure apparatus according to the present invention.

【図2】本発明の表面形状計測方における干渉縞とテン
プレ−トの波形図である。
FIG. 2 is a waveform diagram of interference fringes and a template in the surface shape measuring method of the present invention.

【図3】本発明による干渉縞位相の検出手順図である。FIG. 3 is a diagram showing a procedure of detecting an interference fringe phase according to the present invention.

【図4】本発明によるウェハの高さ・傾き計測とその調
節手順図である。
FIG. 4 is a diagram showing a wafer height / tilt measurement and adjustment procedure thereof according to the present invention.

【図5】図3、図4における干渉縞位相の算出方法を示
すフローチャートである。
5 is a flowchart showing a method of calculating an interference fringe phase in FIGS. 3 and 4. FIG.

【図6】図3、図4における干渉縞位相を三角関数の線
形回帰分析により求める方法のフローチャートである。
6 is a flowchart of a method for obtaining the interference fringe phase in FIGS. 3 and 4 by linear regression analysis of trigonometric functions.

【図7】図3、図4における干渉縞の位相飛びを接続処
理方法を示すフローチャートである。
FIG. 7 is a flow chart showing a connection processing method for phase jump of interference fringes in FIGS. 3 and 4.

【図8】図4におけるウエハの高さ・傾きを最小二乗法
による線形回帰分析により演算する方法のフローチャー
トである。
8 is a flowchart of a method for calculating the height and inclination of the wafer in FIG. 4 by linear regression analysis by the least square method.

【図9、10】ウエハ表面の高さ検出値とその回帰直線
を示す波形図である。
9 and 10 are waveform charts showing the height detection value of the wafer surface and its regression line.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…レーザ光源、3…1次元アレイセンサ、4…ウェ
ハ、5’…処理回路、7…ステージ、8…縮小投影レン
ズ、9…レティクル、10、12…ビームスプリッタ、
81…露光照明系、100X…光学検出系、51…A/
D変換器、52…位相検出回路、53…位相飛び接続回
路、55…高さ・傾き演算回路。
1 ... Laser light source, 3 ... One-dimensional array sensor, 4 ... Wafer, 5 '... Processing circuit, 7 ... Stage, 8 ... Reduction projection lens, 9 ... Reticle, 10, 12 ... Beam splitter,
81 ... Exposure illumination system, 100X ... Optical detection system, 51 ... A /
D converter, 52 ... Phase detection circuit, 53 ... Phase jump connection circuit, 55 ... Height / inclination calculation circuit.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 保彦 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yasuhiko Nakayama 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Incorporated company, Hitachi, Ltd.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 可干渉光を検出光と参照光に2分して検
出光を所定の角度で被検物に照射し、反射光と参照光を
干渉して得られる干渉縞信号より被検物の表面形状を検
出する表面形状計測方法において、上記干渉縞信号強度
の波形パターンの位相情報をパターンマッチング法によ
り検出し、上記波形パターンの位相情報から被検物の表
面形状を計測するようにしたことを特徴とする表面形状
計測方法。
1. Coherent light is divided into detection light and reference light, the detection light is applied to a test object at a predetermined angle, and the test is performed from an interference fringe signal obtained by interfering the reflected light and the reference light. In the surface shape measuring method for detecting the surface shape of the object, the phase information of the waveform pattern of the interference fringe signal strength is detected by a pattern matching method, and the surface shape of the object is measured from the phase information of the waveform pattern. A surface shape measuring method characterized by the above.
【請求項2】 請求項1において、上記干渉縞信号強度
の波形パターンをテンプレート正弦波信号と比較し、ゴ
ールシーキングにより上記両波形のマッチング誤差の2
乗和を最小にするようにしたことを特徴とする表面形状
計測方法。
2. The method according to claim 1, wherein the waveform pattern of the interference fringe signal intensity is compared with a template sine wave signal, and two of the matching errors of the two waveforms due to goal seeking are detected.
A surface shape measuring method characterized by minimizing the sum of multiplications.
【請求項3】 請求項1において、三角関数の線形回帰
分析を用いて上記パターンマッチングをするようにした
ことを特徴とする表面形状計測方法。
3. The surface shape measuring method according to claim 1, wherein the pattern matching is performed using linear regression analysis of trigonometric functions.
【請求項4】 請求項2において、逆三角関数を用いて
上記干渉縞信号の位相情報を粗検出することを特徴とす
る表面形状計測方法。
4. The surface shape measuring method according to claim 2, wherein the phase information of the interference fringe signal is roughly detected using an inverse trigonometric function.
【請求項5】 請求項1において、上記波形パターンの
位相情報の中の互いに隣り合う位相データの差分を所定
のしきい値と比較して位相の不連続部を検出し、この位
相の不連続部を補正して接続するようにしたことを特徴
とする表面形状計測方法。
5. The phase discontinuity is detected by comparing the difference between adjacent phase data in the phase information of the waveform pattern with a predetermined threshold value and detecting the phase discontinuity. A surface shape measuring method characterized in that parts are corrected and connected.
【請求項6】 投影露光装置において、請求項1に記載
の表面形状計測方法により上記検出干渉縞信号の位相情
報を検出する手段と、上記位相情報の範囲を指定する手
段と、該位相情報範囲のウェハ表面の高さ及び傾きを演
算する手段と、この演算結果に基づいてウェハ表面の高
さ及び傾きを調節する手段を備えたことを特徴とする投
影露光装置。
6. In a projection exposure apparatus, means for detecting phase information of the detected interference fringe signal by the surface shape measuring method according to claim 1, means for designating a range of the phase information, and the phase information range. And a means for calculating the height and inclination of the wafer surface, and a means for adjusting the height and inclination of the wafer surface based on the calculation result.
【請求項7】 請求項6において、上記検出干渉縞信号
の位相情報の線形回帰分析を用いて上記ウェハ表面の高
さ及び傾きを演算するようにしたことを特徴とする投影
露光装置。。
7. The projection exposure apparatus according to claim 6, wherein the height and inclination of the wafer surface are calculated by using linear regression analysis of phase information of the detected interference fringe signal. .
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