JPH0820208B2

JPH0820208B2 - 位置測定方法

Info

Publication number: JPH0820208B2
Application number: JP60059529A
Authority: JP
Inventors: 徹東条; 光雄田畑
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-03-26
Filing date: 1985-03-26
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPS61218902A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、被測定物の位置を光学的に測定する位置測
定方法に係わり、特に被測定物面の高さを測定するのに
適した位置測定方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

LSI製造装置、例えば電子ビーム露光装置において、
半導体ウエハやマスク基板等の試料にパターンを描画形
成する場合、試料の反りその他の要因により試料表面の
高さ（光学系に対する距離）が変動すると、描画パター
ンに誤差が生じる。そこで従来、試料の高さ方向の変動
量を測定し、該変動量に応じてその補正を行う方法を採
用している。

被測定物としての試料表面の高さ測定装置としては、
第６図に示す如く光学的手法を利用したものがある（特
開昭56-2632号公報）。この装置では、レーザ光源Ｌか
ら放射された光レンズL₁によりスポツト状に集束して試
料面上に照射し、その反射光をレンズL₂によつてラテラ
ル光効果を用いた半導体位置検出器Ｄ上に結像させる。
そして、この検出器Ｄの検出出力を演算処理することに
よつて、試料表面の高さ位置を測定している。

しかしながら、この種の測定装置にあつては次のよう
な問題があつた。即ち、試料面上に照射された光束内
で、第７図に示す如く試料70の表面に反射率の高い部分
71と反射率の低い部分72とがあると、反射率の差異によ
る光束内光量分布にアンバランスが生じ測定誤差を生じ
る。例えば、最近多くの所で使用されている光量の重心
位置を測定するPSD（半導体位置検出素子）を検出器に
使用した場合、第８図（ａ）に示す如き光量分布の差に
よつて、同図（ｂ）に示す如く重心位置が変動してしま
い、測定誤差を生じる。また、例えば光電顕微鏡等で良
く知られている振動スリツト法による位置検出手段によ
つても同様なことが言え、光束内光量分布の変化によつ
て測定誤差を生じることになる。

このような誤差を低減させる方法の１つとしてスリツ
ト状の入射光を被測定面上のパターン（多くの場合直交
している）に対して傾けて照射する特開昭56-42205号公
報に述べられている方法がある。この方法によると直交
パターンに対して45°傾けることが最大の効果が得られ
る。

しかしながら、半導体ICパターンでは直交パターンの
他に任意の傾きをもつたパターンを作る場合も多く、上
記方法では十分に測定誤差を低減することができなかつ
た。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、被測定面の反射率の差によつて生じ
る測定誤差を低減することができ、測定精度の向上をは
かり得る位置測定方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、反射光の光束内光量分布の変化によ
る測定誤差を低減するために、入射光を振動させてその
誤差を平均化することにある。

即ち本発明は、被測定物の表面に対し斜め方向から集
束光をパターンに傾けて照射し、被測定物の表面で反射
された反射光を光検出器で検出して前記表面の位置を測
定する位置測定方法において、前記被測定物の表面に入
射する入射光を振動し、該振動によつて或いは被測定物
表面上のパターン若しくは反射率の差によつて変動する
前記光検出器の検出信号を平均化処理するようにしたも
のである。

また、本発明は上記構成に加え、前記被測定物表面か
らの反射光を振動して、入射光の振動に起因する検出器
上での反射光の位置変動をなくすようにしたものであ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、被測定物表面に入射するパターンに
傾けて照射された入射光を振動させ、被測定物表面上で
の多数の測定点を平均化しているので、従来方法に比し
て被測定物表面の反射率の差異等に起因する測定誤差を
大幅に低減することができる。さらに、従来方法に比し
て入射光を振動させる構成、例えば振動ミラーを付加す
るのみで容易に実現できる等の利点がある。また、被測
定物表面からの反射光をも振動させることにより、入射
光の振動によるダイナミツクレンジの縮小を防ぐことが
できる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例に於いて用いる試料面高さ
測定装置を示す概略構成図である。なお、この実施例で
は電子ビーム露光装置の試料室に配置され、試料室内の
試料面の高さを測定するものとした。図中10は電子ビー
ム露光装置の試料室を形成する真空容器であり、この容
器10の上壁には電子ビーム光学鏡筒（以下EOSと略記す
る）20が取付けられている。EOS20は電子銃，各種レン
ズ及び各種偏向系等からなるもので、このEOS20からの
電子ビームは容器10内に配置された被測定物としての試
料30上に照射されるものとなつている。

EOS20の左右には、本実施例に係わる試料面高さ測定
装置を構成する照射系40及び受光系50がそれぞれ設けら
れている。照射系40は、レーザ光源41,スリツト42,反射
ミラー43,44,集束レンズ45,反射ミラー（振動ミラー）4
6,振動器47及び駆動回路48等から構成されている。レー
ザ光源41から放射された光はスリツト42を通過し、反射
ミラー43,44で反射され、集束レンズ45により集束され
て振動ミラー46に照射される。そして、振動ミラー46で
反射された集束光49が前記試料30の表面に照射されるも
のとなつている。ここで、上記集束光49が試料30に対す
る入射光となる。

試料面上の入射スリツト像99は第９図に示すように、
例えば試料面の直交パターン100（すなわち反射率の変
化をもたらすパターン）に対して45°の傾きをもつて照
射される。この場合45°以外の角度でも良い。

振動ミラー46は圧電素子からなる振動器47に取付けら
れており、振動器47は駆動回路48により振動されるもの
となつている。ここで、振動ミラー46の振動数は試料面
高さ変動測定周波数より十分高い周波数である。また、
振動振幅は後述するPSO等の光検出器の受光面の長さ或
いは誤差を低減させる割合い等に応じて定めればよい。

一方、受光系50は、反射ミラー51,集束レンズ52,光検
出器として公知のラテラル光効果を用いた半導体位置検
出器（PSD）53,加算器54,減算器55,除算器56,平均化処
理回路57及び位置測定回路58等から構成されている。前
記試料30の表面への入射光49の照射による反射光59は、
反射ミラー51で反射され集束レンズ52を介してPSD53の
受光面に結像される。PSD53は半導体基板上に抵抗性薄
膜を形成すると共に、該薄膜の両端に出力端子を設け、
半導体基板を接地したもので、光スポツトの抵抗性薄膜
照射位置の変位により一対の出力端子からアンバランス
な信号が出力される。PSD53の検出信号は、加算器54,減
算器55及び除算器56等からなる信号処理回路により信号
処理されて平均化処理回路57に入力される。平均化処理
回路57は上記入力した信号を例えばローパスフイルタを
通して平均化するものであり、この平均化された信号
（位置信号）は位置測定回路58に供給される。位置測定
回路58は、上記入力した位置信号に応じて前記試料30の
表面高さ位置を演算するものとなつている。

このような構成であれば、スリツト状の入射光をパタ
ーンに対して傾けて照射する効果と入射光を振動させる
効果とが総合され、非常に誤差の少ない位置検出装置を
提供できる。すなわち、第10図に示すようにスリツト状
の入射光101をパターン102に対して傾けて照射する効果
は、例えば照射光でのスリツト幅をW,スリツト長さをｌ
としてl/W＝10の場合について測定誤差を計算すると第1
1図のθ＝０°にたいして、第12図のθ＝45°と低減す
る。さらにPSD53及び信号処理回路54,〜,56で得られる
検出出力は第２図の曲線１に示す如く前記振動ミラー46
の振動数及び振幅に相当するsin波となる。このとき、
途中で反射率に差のある所を光束が通つた場合、図中破
線で示したような誤差信号が生じる。しかし、その信号
を、例えば一番簡単な方法としてフイルターを通して平
均化することによつて、線２として示されるように誤差
信号は振動振幅全体に亙つて平均化されることになり、
入射光を振動させない時に比べて大幅に誤差が低減する
ことになる。即ち、入射光49の入射角を振動させ試料面
上で多数の測定点を平均化させることにより、従来の方
式によるものより測定誤差が大幅に低減されることにな
る。

このように本実施例によれば、パターンにたいして傾
けた入射光49を振動させることにより試料面の反射率の
差異等に起因する測定誤差を大幅に低減することができ
る。このため、試料面の高さ測定を高精度に行うことが
できる。また、従来装置に比して、ミラー46を振動する
機構を設けるのみの簡易な構造で実現できる等の利点が
ある。

第３図は本発明の他の実施例で用いる装置の概略構成
図である。なお、第１図と同一部分には同一符号を付し
て、その詳しい説明は省略する。この実施例が先に説明
した実施例と異なる点は、照射系側のミラー46のみなら
ず、受光系側のミラー51も振動するようにしたことにあ
る。即ち、ミラー51は振動器61に取付けられており、こ
の振動器61は前記駆動回路48により駆動されるものとな
つている。ここで、ミラー51の振動は、前記ミラー46の
振動とは正確に逆位相である。また、光学倍率をキヤン
セルするようにその振動振幅は、入射光49の振動による
PSD53上での光束の振動が生じないように調整されてい
る。つまり、入射光49の振動が生じても、受光側の反射
光59のPSD53上での位置は変動しないものとなつてい
る。

このような構成であれば、入射光49の振動によるもの
は反射光59の補正によつてキヤンセルされ、実際の試料
面の高さ方向による光束の移動は入射光49の振動成分と
異なるため、PSD53上には光束の移動として現われてく
ることになる。即ち、反射光59を振動させない場合第４
図（ａ）に示す如く検出出力に入射光49の振動成分が現
われるが、反射光59を振動させた場合同図（ｂ）に示す
如く入射光49の振動成分は現われないことになる。従つ
て、PSD53上での光束の移動は、実際の試料面の高さ変
動によるもののみとなり、検出器の測定ダイナミツクレ
ンジが拡大することになる。また、その分だけ、小さな
検出器を用いることが可能となり、検出器の分解能が上
がることになる。

ここで、前記第１図に示す装置では、入射光49の振動
により検出器（PSD）側で光束が第５図に示す如く変動
してしまう。なお、第５図中53aはPSD53の受光面、59a
は反射光59の結像光束を示している。これらは検出器か
ら後の信号処理回路によつてフイルター等を通して平均
化し、正確な位置座標として算出しているが、検出器側
の光束は試料面高さ方向の変位感度を稼ぐためには、光
学倍率によつて拡大する必要がある。この場合、入射光
49を微小に振動させても検出器の測定範囲内全体に光束
が振動してしまう。大型の検出器を用いるとこの点はカ
バーできるが、この場合測定分解能が低下する虞れがあ
るので、むやみに大きな検出器を用いることはできな
い。このような理由から、測定のダイナミツクレンジを
大きくすることは難しくなるのである。

これに対し本実施例では、反射光59を上記入射光49の
振動と同期して逆位相に振動することにより、入射光49
を振動しても、検出器の測定範囲内で光束が移動するこ
とはないのである。従つて本実施例によれば、先の実施
例と同様な効果は勿論のこと、測定のダイナミツクレン
ジを拡大することができ、その効果は絶大である。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるもので
はない。例えば、前記試料面上に入射する入射光はスリ
ツト状の集束光に限るものではなく、円形スポツト状で
あつてもよい。また、試料表面に入射する入射光を振動
させる手段として、入射角を機械的に振動する以外に、
例えば音響的手段を用いた方法、また電圧を印加するこ
とにより光の偏向面の透過率と屈折率が異なるようなも
のを用いてもよい。機械的な駆動方法としても圧電素子
を用いたり、電磁的なものを使用してもよい。また、入
射角を振動させる代りに、入射光位置を平行移動するこ
とによつて振動させることも可能である。さらに、平均
化処理回路は、前記除算器の前段若しくは加減算器の前
後に設置してもよい。

また、実施例では試料面の高さ測定について説明した
が、本発明は位置測定に広く利用することが可能であ
る。また、信号処理については一番簡単な方法としてロ
ーパスフイルターを通して平均化する方法を述べたが、
他の方法であつてもよいのは勿論である。さらに、振動
振幅は大きい程平均化効果が大きく誤差を低減できる
が、装置の仕様に応じて適宜定めればよい。また、振動
波形は正弦波に限るものではなく、三角波，鋸歯状波等
に適宜変更可能である。さらに、光源は連続点灯でも、
変調されていてもよい。また、前記位置測定回路は必ず
しも必要はなく、例えば前記平均化処理回路の出力を直
接高さ制御機構に送ることもできる。その他、本発明の
要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で用いる試料面高さ測定装置
を示す概略構成図、第２図は上記実施例の作用を説明す
るための信号波形図、第３図は本発明の他の実施例で用
いる装置を示す概略構成図、第４図は上記他の実施例の
作用を説明するための信号波形図、第５図は入射光を振
動した場合の問題点を説明するための模式図、第６図乃
至第８図はそれぞれ従来方法の問題点を説明するための
図、第９図及び第10図はパターンに対し入射光が傾斜し
た場合の説明図、第11図及び第12図は各々本発明の効果
を示す特性図である。 10……真空容器、20……電子光学鏡筒、30……試料、40
……照射系、41……レーザ光源、45,52……集束レン
ズ、46,51……反射ミラー（振動ミラー）、47,61……振
動器、48……駆動回路、53……検出器（PSD）、54,55,5
6……信号処理回路、57……平均化処理回路、58……位
置測定回路、100,102……試料面パターン、99,101……
試料面上の入射スリツト像。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光束内において、反射率が異なる領域
を有する平板状の試料表面に対し、斜め方向から前記入
射光束を照射すると共に、前記試料の表面状態を平均化
して表面位置を検出するために前記試料の表面に入射す
る入射光の照射位置を試料面高さ変動周波数と分離した
周波数で変動せしめ、前記光の照射により前記試料表面
で反射された一光を検出し、前記試料表面の所定方向に
対する位置に応じた信号を得るとともに、この信号に対
して、前記入射光の変動に起因して生じる変動成分及び
前記試料の表面の反射率の差異に起因して生じる測定誤
差成分を一括して取除くために平均化処理して前記所定
方向に対応した前記試料表面の位置信号を得ることを特
徴とする位置測定方法。
【請求項２】前記光検出に、ラテラル光効果を用いた半
導体位置検出素子を用いたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の位置測定方法。
【請求項３】前記入射光の照射位置を変動させるため
に、駆動源として圧電素子を用い、この圧電素子により
前記照射された光を反射して前記試料表面に照射するた
めのミラーの位置を変動させることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の位置測定方法。
【請求項４】前記検出信号を平均化処理するために、ロ
ーパスフィルタを用いたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の位置測定方法。
【請求項５】平板状の試料の表面に対し斜め方向から入
射光束を前記平板状の試料のパターンに対して傾けて照
射するとともに、前記試料の表面状態を平均化して表面
位置を検出するために前記試料の表面に入射する入射光
の照射位置を変動せしめ、また、この変動された前記光
の照射により前記試料表面で反射された反射光に対し、
前記入射光の変動に起因して生じる変動成分を取除くた
めに前記変動と逆位相となるように前記反射光を変動さ
せ、この変動により変動される前記反射光を検出し、前
記試料表面の所定方向に対する位置に応じた信号を得
て、この信号に対して、前記試料の表面の反射率の差異
に起因して生じる測定誤差成分を平均化処理して前記所
定方向に対応した前記試料表面の位置信号を得ることを
特徴とする位置測定方法。
【請求項６】前記光検出に、ラテラル光効果を用いた半
導体位置検出素子を用いたことを特徴とする特許請求の
範囲第５項記載の位置測定方法。
【請求項７】前記入射光を変動させるために、駆動源と
して圧電素子を用い、この圧電素子により前記照射され
た光を反射して前記試料表面に照射するミラーの位置を
変動させることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
の位置測定方法。
【請求項８】前記反射光を変動させるために、駆動源と
して圧電素子を用い、この圧電素子により前記試料表面
からの反射光を反射させるミラーの位置を変動させるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の位置測定方
法。
【請求項９】前記平均化処理するために、ローパスフィ
ルタを用いたことを特徴とする特許請求の範囲第５項記
載の位置測定方法。
【請求項１０】前記反射光を変動させる際の振動振幅
は、前記入射光の変動により前記光を検出する際には受
光される反射光の位置が変動しないように調整されてい
ることを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の位置測
定方法。