JP2712772B2

JP2712772B2 - パターン位置測定方法及び装置

Info

Publication number: JP2712772B2
Application number: JP2178229A
Authority: JP
Inventors: 太朗乙武; 康子前田; 隆和植木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-07-05
Filing date: 1990-07-05
Publication date: 1998-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: US5386294A; JPH0465619A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、マスク、レチクル等の試料に形成されたパ
ターンの位置を計測するパターン位置測定装置に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、ステージ上に吸着されたマスク、レチクル等の
試料表面に形成されたパターンの位置を計測するに際
し、試料の撓みによるパターンの位置計測誤差を補正す
ることが行なわれている。

例えば、特開昭61−233312号公報には、試料表面に形
成されたパターンのエッジを検出する毎に、その位置で
の試料表面の勾配を算出し、パターンエッジの位置を補
正しているパターン位置測定装置が記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の技術では、パターン
エッジを測定する毎に、測定点及びその前後の間隔を測
定することにより、試料の測定点での勾配を求めて撓み
を補正しているので、測定点が多数の場合には、測定時
間が大幅に増大し、装置のスループットが低下するとい
う問題点があった。

本発明は、装置のスループットを向上させたパターン
位置測定装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決する為の手段〕

本発明は、ステージ上に載置した試料のパターンエッ
ジを検出することにより、パターンの位置を求めるパタ
ーン位置検出装置において、前記ステージ上の試料の高
さを所定間隔で測定することにより、試料全表面の撓み
を検出する撓み検出手段と、パターンエッジを検出した
ところの試料表面の勾配を前記撓み検出手段の出力から
演算する勾配演算手段と、前記勾配演算手段の出力に基
づいてパターンエッジの位置を補正する補正手段と、を
有することを特徴とするパターン位置検出装置である。

〔作用〕

本発明では、パターンエッジを検出することにより、
パターンの位置を求める前に、撓み検出手段により試料
全表面の撓みを検出しているので、パターンエッジを検
出する毎に、エッジの位置近辺の試料表面高さを測定す
ることが不用となり、撓み検出の為の測定回数が従来の
構成と比較して格段に少なくなる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して詳細に
説明する。

第１図（ａ）は本発明に係るパターン位置測定装置の
斜視図であり、第１図（ｂ）は第１図（ａ）で用いる主
制御装置20のフローチャートである。所定の原画パター
ンが形成されたマスク、レチクル等の試料10はXYステー
ジ15上に載置され、そのパターン像は対物レンズ11によ
って拡大され、光学装置12内の所定の位置に結像され
る。この光学装置12内にはレーザ光源が設けられ、対物
レンズ11を介して試料10上にレーザスポットを投射す
る。一般にマスクやレチクルのパターンは微小な凹凸の
エッジを有するので、スポット光を相対走査すると、エ
ッジ部で散乱又は回折光が生じる。対物レンズ11の周囲
に設けられた４つの受光素子50a、50b、51a、51bは、そ
の散乱光等を受光するエッジ検出手段として機能する。
このエッジ検出の方式は詳しくは特公昭56−25964号公
報に開示されているので説明は省略する。また、光学装
置12は対物レンズ11をＺ方向に上下動させることによ
り、自動的に合焦できる焦点検出手段（オートフォーカ
ス）を備えている。この焦点検出手段には例えば実公昭
57−44325号公報記載の手段を用いることができ、試料1
0表面の高さも検出することができる。ここで、焦点検
出手段における合焦位置の検出について簡単に説明す
る。まず、試料10上に対物レンズ11を介して前述のレー
ザ光源からのレーザ光をスポット状（又はスリット状）
に結像させ、試料10からの反射光を対物レンズ11を介し
て再結像させるとともに、所定の合焦面を中心としてピ
ンホール（又はスリット）の位置を光軸方向（Ｚ方向）
に単振動させ、さらにピンホール（又はスリット）の透
過光を受光して得られた出力信号を単振動の周波数で同
期検波（同期整流）する。その結果、第２図に示すよう
なＺ方向の位置に対する電圧値がＳ字状に変化するＳカ
ーブ信号が得られる。

このＳカーブ信号は合焦位置d₀の前後の小区間でデフ
ォーカス量ｄと電圧値Ｖとが線形性を有し、又合焦位置
d₀で電圧値Ｖが零となる特性を有しているので、Ｓカー
ブ信号に基づいて容易に合焦位置d₀に対する試料10のＺ
方向の高さ、すなわち試料10を載置して２次元移動する
XYステージ15の理想的な移動水平面と、試料10のパター
ン面との間隔が検出できる。試料10が載置されたXYステ
ージ15はモータ等を有する駆動装置150によりXY平面
（水平面）を２次元移動する。尚、XYステージ15は、該
ステージの形成するXY移動平面（水平面）の理想水平面
に対する誤差が、試料10の撓みに比べて十分小さくなる
ように、高精度に製作されている。

Ｘ軸用及びＹ軸用の干渉計システム14a、14bはXYステ
ージ15の上面端部に固定された移動鏡13a、13bの反斜面
に測長用のレーザビームを照射して、XYステージ15の位
置、すなわち対物レンズ11の光軸上にある試料10表面の
XY平面における位置（座標値）を検出し、該検出した位
置を示す位置信号を出力し、この位置信号は主制御装置
20に入力される。

主制御装置20は光学系12の焦点検出手段からの合焦状
態に応じて信号と、Ｘ軸用及びＹ軸用の干渉計システム
14a、14bからの位置信号と、受光素子50a、50b、51a、5
1bからのエッジ検出信号とを入力し、駆動装置150、表
示装置21に制御信号を入力せしめる。そして、主制御装
置20は、以下に示す５つの機能を備えている。

第１の機能は、Ｘ軸用干渉計システム14a、Ｙ軸用干
渉計システム14bからのＸ軸、Ｙ軸それぞれの位置信号
をモニターしつつ、駆動装置150に制御信号を入力させ
てステージ15を所定間隔で２次元的にステップ移動さ
せ、ステージ15の各停止位置において、光学装置12の焦
点検出手段の出力信号（オートフォーカス作動前の出
力）を読み込み、合焦位置d₀（電圧値零）からのずれに
よって、試料10表面のＺ方向高さ位置を検出し、干渉計
システム14a、14bからの位置信号の表す座標位置（この
位置は、試料10表面の対物レンズ11の光軸上の位置に対
応している。）と共に記憶する、試料10表面の高さ検出
機能である。

第２の機能は、第１の機能により所定間隔で求めたス
テージ15の位置と試料10表面の高さ位置との関係から、
所定間隔の間（測定点間）を補完し、試料10表面の撓み
形状を算出し、ステージの位置と共に記憶する撓み形状
算出機能である。

第３の機能は、撓み形状算出機能により算出した試料
全表面の撓み形状に基づいて、受光素子50a、50b、51
a、51bからエッジ信号が出力されたときの試料10表面の
勾配を算出する勾配算出機能である。

第４の機能は、受光素子50a、50b、51a、51bからエッ
ジ信号が出力されたときのステージの位置信号から、第
３の機能である勾配算出機能により算出した勾配に基づ
いて、勾配に応じた量だけ補正することにより、撓みの
ない状態における試料10表面のエッジの座標値を求める
補正機能である。

第５の機能は、補正機能により補正された座標値を読
み込み、複数の座標値からパターンエッジ間の距離を演
算する距離演算機能である。

次に、第１図（ａ）の実施例に係るパターン位置測定
装置の動作を第１図（ｂ）に示した主制御装置20のフロ
ーチャートと共に説明する。

主制御装置20は、不図示の入力装置からの測定開始指
令により、XYステージ15が初期位置にくるように、Ｘ軸
用、Ｙ軸用それぞれの干渉計システム14a、14bからのス
テージ位置信号をモニターしつつ、ステージ位置信号が
初期位置を表わす信号になるまで、駆動装置150に駆動
指令を行なう（ステップ100）。

その結果、例えば第３図に示した試料10上の点31aが
光学装置12の対物レンズ11の光軸上にくる。主制御装置
20は、光学装置12の焦点検出手段のオートフォーカスが
働く前の出力電圧を読み取ることにより、試料10表面の
高さ位置H_31aを測定し、点31aに対応のステージ位置と
共に記憶する（ステップ101）。

主制御装置20は、順次試料10上の点31b〜31zにおける
試料10表面の高さ位置H_31b〜H_31zをそれぞれの点でのス
テージ位置と共に記憶する（ステップ102）。

次いで主制御装置20は、Ｘ方向に並んだ点31a〜31eの
高さ位置とステージ位置とのデータから、Ｘ方向のライ
ン32aにおける撓み形状を、ｚ＝a₁X⁴＋a₂X³＋a₃X²＋a₄X＋a₅ なる４次式で近似する。ｚ、Ｘの５つのデータに対して
未知数a₁〜a₅は５つであるから上記４次式は一義的に定
まる。

このようにして、順次、Ｘ方向の点31f〜点31j、Ｘ方
向の点31k〜点31p、Ｘ方向の点31q〜点31u、Ｘ方向の点
31v〜点31zに対しても撓み形状の４次式を求める。

さらに、Ｙ方向に並んだ点31a〜31vに対しても同様に
Ｙ方向のライン32bにおける撓み形状を、ｚ＝b₁Y⁴＋b₂Y³＋b₃Y²＋b₄Y＋b₅ なる４次式で近似する。

同様に、順次、Ｙ方向の点31b〜31w、Ｙ方向の点31c
〜31x、Ｙ方向の点31d〜31y、Ｙ方向の点31e〜31zに対
しても撓み形状の４次式を求める。

この結果、第４図に示したように、試料10全表面の撓
み形状が得られる（ステップ103）。

次に、主制御装置20はステージ15を初期位置に戻した
後、初期位置から順次移動させるように駆動装置150を
制御して、パターンのエッジを検出する（ステップ10
4）。そして、受光素子50a、50b、51a、51bからエッジ
信号が出力されたときの両干渉計システム14a、14bの出
力から、エッジ信号が出力されたときのステージ15の位
置を読み取る。いま、第３図の位置33aと位置33bでエッ
ジ信号が出力されたとすれば、その位置33a、33bの位置
に対応したステージ15の位置が読み取られ、記憶され
る。

主制御回路20は、まず、位置33aのＸ座標値に等しい
Ｘ座標値を持ち、先に求めた４次近似式のうち、位置33
aに隣接した近似式上の点33c、33dにおけるＸ方向の勾
配θ_X3、θ_X4を算出する。この勾配θ_X3、θ_X4は、先に
算出した４次近似式を微分し、Ｘ座標値を代入すること
により得ることができる。

パターンエッジの位置33aと点33c、33dの位置関係が
第３図に示すものであった場合、パターンエッジの位置
33aでのＸ方向の勾配θ_X1は、比例配分により、θ_X1＝
（l₂ θ_X3＋l₁ θ_X4）／（l₁＋l₂）として算出できる。

他のパターンエッジの位置33bでのＸ方向の勾配θ_X2
についても同様に算出する。

更に、Ｙ方向の勾配θ_Y1、θ_Y2についても同様にして
算出する。次いで、パターンエッジの位置33a及び33bに
おける補正量（ただし、ｔは試料30の厚み）を算出し、干渉計システ
ム14a、14bが検出したパターンエッジの位置の座標値を
補正する。ここで、パターンエッジの位置33a及び33bの
位置するＸ方向のライン32cにおける撓み形状が第５図
に示すように点０を中心として円弧状のものとみなす。

補正量は、中立面30′が伸び縮みせず、中立面30′が
変形することにより試料10の寸法変化量が微小であるの
で無視でき、勾配から直ちに求めることができる。パタ
ーンエッジの位置33aと33bとの間の距離は試料10を理想
平面の状態に置いた場合に比べて、の誤差を含んでいることになる。ただし、θ_X1、θ_X2は
第３図に示すように試料10の傾きが右上りのときは正、
左上りのときは負となる。この場合、パターンエッジの
位置33aと33bとの間の距離は勾配の差θ_X1−θ_X2が正で
あれば長く計測され、θ_X1−θ_X2が負であれば短かく計
測されることになる。また、試料10が水平面に対し傾い
ていても、誤差はθ_X1とθ_X2の差から演算されるので、
傾きはキャンセルされることになる。Ｙ方向の座標の補
正値についても同様に考えればよい。

このようにして求めた座標の補正値は、試料10表面が
撓んでいない場合の座標値に極めて近いものである。

従って、主制御装置20は、受光素子50a、50b、51a、5
1bのエッジ信号が生じたときの干渉計システム14a、14b
の座標値を上述の如き補正した座標値に基づいて、エッ
ジ間隔等を求め、表示装置21に表示せしめる（ステップ
107）。

本実施例では、水平面と試料10表面との間隔を25点で
検出したが、検出する位置の数はこれに限るものではな
く、撓みの近似誤差を小さくしたい場合には数を増やせ
ばよい。なお、この場合には、近似式の次数を増す必要
がある。また、撓みの近似式は高次式に限るものではな
く、任意の式を用いることができる。更に、撓みの近似
方法として、ｚ＝ｆ（ｘ、ｙ）なる適当な関数で曲面を
近似してもよい。この場合には、パターンエッジの位置
がどこにあっても実施例のように比例配分を用いる必要
はなく、前記関数を微分し、XY座標値を代入することに
より、即座に勾配を求めることができる。

また、本実施例では、焦点検出手段が出力する信号に
基づいて試料10表面の高さを検出したが、これに限るも
のではない。例えば、対物レンズ11の上下動量をエンコ
ーダ、干渉計又はポテンショメータ等の手段により読取
れるようにしてもよい。また、対物レンズ11の上下動量
でなくXYステージ15の上にＺ方向に上下動するＺステー
ジを設け、このＺステージの上下動量を読取るようにし
てもよい。

また、他のエッジ検出手段としては、対物レンズ11に
よって結像されたパターンエッジの像を、振動スリット
等を用いて走査する光電顕微鏡が使えることは言うまで
もない。

被測定試料の撓みは実施例に示した円弧状のものに限
らず、どのような形に変形しても、パターンの位置を補
正できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、試料表面の撓みを補正
することができるばかりでなく、あらかじめ試料の複数
の位置でのパターン面（表面）の高さを検出し、撓み形
状を求めているので、計測すべきパターン位置毎にその
近辺での撓み形状を求めるための測定をする必要がな
く、計測点が多数の場合にも装置のスループットの低下
を最小限に押えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明に係るパターン位置測定装置の
斜視図であり、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）で用いる
主制御装置20のフローチャート、第２図は、焦点検出手
段にて得られるＳカーブ信号の波形図、第３図は、試料
の撓みの測定位置及び勾配を求める手順を説明する図、
第４図は、近似により得られる試料表面の撓み形状の一
例を示す説明図、第５図は、試料の撓みの一例を示す説
明図、である。〔主要部分の符号の説明〕 12……光学装置、 14a……Ｘ軸用干渉計システム、 14b……Ｙ軸用干渉計システム、 20……主制御装置、 31a〜31z……高さ測定点、 50a、50b、51a、51b……受光素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−233312（ＪＰ，Ａ) 特開平２−124415（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−14611（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ステージ上にほぼ水平に載置された試料の
パターンの位置を測定する方法において、前記試料上の複数点の各々での高さ位置を測定し、該測
定された複数の高さ位置に基づいて前記試料全面の撓み
を検出する第１工程と；前記検出された撓みに基づいて前記試料上の所定の測定
点でのパターン面の勾配を算出する第２工程と；該算出された勾配に基づいて前記測定点でのパターン位
置を補正する第３工程とを含むことを特徴とするパター
ン位置測定方法。
【請求項２】前記第１工程は、前記複数の高さ位置を用
いて、前記試料の座標位置を変数とする前記試料の高さ
位置の関数で前記試料全面の撓みを近似し、前記第２工程は、前記関数を微分して前記測定点の座標
位置を代入することにより前記勾配を算出することを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項３】ステージ上にほぼ水平に載置された試料の
パターンの位置を測定する装置において、前記試料上の複数点の各々での高さ位置を測定して、前
記試料全面の撓みを検出する撓み検出手段と；前記検出された撓みに基づいて、前記試料上の所定の測
定点でのパターン面の勾配を算出する演算手段と、前記算出された勾配に基づいて前記測定点でのパターン
位置を補正する補正手段とを備えたことを特徴とするパ
ターン位置検出装置。