JPS61218902A

JPS61218902A - 位置測定方法

Info

Publication number: JPS61218902A
Application number: JP5952985A
Authority: JP
Inventors: Toru Tojo; 東条　徹; Mitsuo Tabata; 光雄田畑
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-03-26
Filing date: 1985-03-26
Publication date: 1986-09-29
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: JPH0820208B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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〕

Ｌ８Ｉ製造装置、例えば電子ビーム露光装置において、
半導体ウェハやマスク基板等の試料にパタｉンを描画形
成する場合、試料の反９その他の要因によυ試料表面の
高さく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、誼変動食に応じてその補正を行う方法を採
用しているＯ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
りから放射された光をレンズＬ１によりスポット状に集
束して試料面上忙照射し、その反射光をレンズＬ、によ
ってラテラル光効果を用いた半導体装置検出器り上に結
像させる。そして、この検出器りの検出出力を演算処理
することによって、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っては次のような
問題があった。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７００表面に反射率の高い部分７
１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Ｐ８Ｄ　（半導体装置検出素子４）ｔ
−検出器に使用した場合、第８図（ａ）に示す如き、光
量分布の差によって、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。−！た、例えば光
竜顕微鏡等で良く知られている振動スリット法による位
置検出手段によっても同様なことが言え、光束内光量分
布の変化によって測定誤差を生じることになこのような
誤差を低減させる方法の１つとしてスリット状の入射光
を被測定面上のパターン（多くの場合直交している）Ｋ
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ったパターンを作る場合も多く、上
記方法では十分圧測定誤差を低減することができなかっ
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□反射率の差によって生じ
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〕

本発明の骨手は、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部門表面の２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、該撮動によって或いは被測定物
表面上のパターン若しくは反射率の差によって変動する
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ノくターンに
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妙、入射
光の振動によるダイナミッ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の土壁には電子ビーム光学鏡筒（以下ＢＯ８と略
記する）２０が取付けられている。ＢＯ８２０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Ｂ
Ｏ３２０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ってい
る。

ｇｏｓ２０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
ット４２９反射ミラー４３．４４．集束レンズ４５、反
射ミラー（振動ミラー）４６．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
れた光はスリット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
となっている。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ット像９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
って照射される。この場合４５６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
るものとなっている。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
装置検出器（Ｐ８Ｄ）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Ｐ　８　Ｄ　５３の受光面
に結像される。Ｐ８Ｄ５３は半導体基板上に抵抗性薄膜
を形成すると共に、咳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、光スポットの抵抗性薄膜照
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。

Ｐ８Ｄ　５３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ィルタを通
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
０表面高さ位置を演算するものとなっている。

このような構成であれば、スリッ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ット状
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ット幅をＷ、スリット
長さをｊとしてｌ／Ｗ　＝　１０の場合について測定誤
差を計算すると第１１図のθ＝００にたイシテ、第１２
図ｆ）ａ＝４５”　ト低減する。さら１ｃＰ８Ｄ５３及
び信号処理回路９．〜。

５６で得られる検出出力は第２図の曲線ｌ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
通った場合、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
ィルターを通して平均化することくよって、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りて平均化
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Ｋ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Ｋ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Ｋ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図唸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、照射系側のミラー捕のみならず
、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
ものとなっている。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
倍率をキャンセルするようＫその振動振幅は、入射光４
９の振動によるＰ８Ｄ　５３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５９０Ｐ８Ｄ　５３上での位
置は変動しないものとなっている。

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の補正によってキャンセルされ、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、ＰａＤ５３上には光束の移動として現
われてくることｋなる。即ち、反射光５９を振動させな
い場合第４図（ａ）　Ｋ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Ｋなる。従って、Ｐ８Ｄ　５３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ッ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ｋ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（Ｐ８Ｄ）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Ｐ８Ｄ５３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ってフィルター
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、光学倍率によっ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
範囲内金体に光束が振動してしまう。大盤の検出器を用
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
ミッ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Ｋ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。従っ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、測定のダイナミック
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ッ
ト状の集束光に限るものではなく、円形スポット状であ
ってもよい。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
Ｋ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Ｋ、入射光位置を平行容
重することによっ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
スフィルターを通して平均化する方法を述べたが、他の
方法であっ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図は上記能の実施例の
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だめの模式図、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、旬・・・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（Ｐ１３Ｄ）、５４．５５．５６・
・・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−ン
、９９．１０１・・・試料面上の入射スリット像。（７３１７）　　代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（
ほか１名）第１図第２図第４図５３ａ第６図トｗ−４第８図第９図第１０図パターンエツジ°イを量　−％／ｗ第１１図第１２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定物の表面に対し斜め方向からスリット状の
集束光を被測定面上のパターンに対して傾けて照射する
と共に上記被測定物の表面に入射する入射光を振動せし
め、前記光照射により被測定物の表面で反射された反射
光を検出して前記振動によつて変化する前記被測定物の
位置に応じた信号を得て、この検出信号を平均化処理す
ることを特徴とする位置測定方法。
（２）前記光検出に、ラテラル光効果を用いた半導体装
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。
（３）前記入射光を振動するために、駆動源として圧電
素子を用い、この圧電素子により集束光を反射して前記
被測定物表面に照射するミラーを振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。
（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。
（５）被測定物の表面に対し斜め方向からスリット状の
集束光を被測定面上のパターンに対して傾けて照射する
と共に、上記被測定物の表面に入射する入射光を振動せ
しめ、また前記光照射により被測定物の表面で反射され
た反射光を振動させて上記振動された反射光を検出して
前記被測定物の位置に応じた信号を得て、この検出信号
を平均化処理することを特徴とする位置測定方法。
（６）前記光検出に、ラテラル光効果を用いた半導体装
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。
（７）前記入射光を振動するために、駆動源として圧電
素子を用い、この圧電素子により集束光を反射して前記
被測定物表面に照射するミラーを振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。
（８）前記反射光を振動するために、駆動源として圧電
素子を用い、この圧電素子により前記被測定物表面から
の反射光を反射して光検出部に照射するミラーを振動さ
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。
（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。
（１０）前記入射光及び反射光の振動は、相互に逆位相
であ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。
（１１）前記反射光の振動振幅は、前記入射光の振動に
より前記光検出部上で反射光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。