JP3368015B2

JP3368015B2 - 光ヘテロダイン干渉計測装置

Info

Publication number: JP3368015B2
Application number: JP28019293A
Authority: JP
Inventors: 孝一千徳; 隆宏松本; 謙治斉藤; 哲志野瀬; 俊彦辻; 実吉井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-11-20
Filing date: 1993-10-12
Publication date: 2003-01-20
Anticipated expiration: 2018-01-20
Also published as: JPH06207808A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばマスクとウエハ
の位置合わせ等に用いられる光ヘテロダイン干渉計測装
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号公報に示すような光ヘテロダ
イン法によるものが提案されている。

【０００３】図２７は従来例の構成図であり、２周波数
直線偏光レーザー光源１の光路上にはビームスプリッタ
２が設けられ、ビームスプリッタ２の反射方向には集光
レンズ３、光電検出器４が順次に配列されている。ま
た、ビームスプリッタ２の透過方向の光路上にはミラー
５を介して、偏光ビームスプリッタ６が設けられてい
る。偏光ビームスプリッタ６の透過方向にはミラー７が
設けられ、反射方向にはミラー８が設けられ、それぞれ
の光束がマスクステージ９の下面に配置されたマスク１
０上の透過型回折格子１１、及びウエハステージ１２の
上面に配置されたウエハ１３上の反射型回折格子１４に
入射するようになっている。

【０００４】更に、マスク１０、ウエハ１３の垂直上方
向にはミラー１５が設けられ、ミラー１５の反射方向に
は集光レンズ１６、光電検出器１７が配列されている。
また、光電検出器４、１７の出力は信号処理制御部１８
に接続され、信号処理制御部１８の出力はマスクステー
ジ９、ウエハステージ１２に接続されている。

【０００５】２周波数直線偏光レーザー光源１から出射
された光束は、ビームスプリッタ２によって２分割さ
れ、一方は集光レンズ３を介して光電検出器４によって
検出され、基準ビート信号として信号処理制御部１８に
入力される。また、他方の光束はミラー５を介して偏光
ビームスプリッタ６に入射し、水平成分のみ又は垂直成
分のみを有する僅かに周波数の異なる２つの直線偏光に
分割される。分割された２光束はそれぞれミラー７、８
を介して、所定の入射角で透過型回折格子１１に入射す
る。透過型回折格子１１によって透過回折され、反射型
回折格子１４によって反射回折された回折光は、ミラー
１５、集光レンズ１６を介して光電検出器１７によって
検出され、回折光ビート信号として信号処理制御部１８
に入力される。信号処理制御部１８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、この位相差がな
くなるようにマスクステージ９、ウエハステージ１２を
駆動することにより、マスク１０とウエハ１３の精密な
位置合わせを行っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来例で
は、２周波数直線偏光レーザー光源１から出射された光
束を偏光ビームスプリッタ６により２光束に分離する際
に漏れ込み光が生じ、この漏れ込み光が測定精度に影響
を与える等の問題がある。

【０００７】偏光ビームスプリッタ６で偏光面の違いに
より分離された２光束は、左右の斜め上方からマスク１
０上の透過型回折格子１１を照射し、この回折光はウエ
ハ１３上の反射型回折格子１４を照射する。これら左右
からの照射光は次式に示すようになる。 u1＝Ａ・expｉ・(ω1 ・ｔ＋φ1) …(1) u2＝Ｂ・expｉ・(ω2 ・ｔ＋φ2) …(2)

【０００８】しかし、偏光ビームスプリッタ６において
漏れ込み光が生ずるため、それぞれの偏光状態の光束は
１つの周波数成分の光束と対応していない。即ち、２つ
の回折格子に照射される光束u1、u2を厳密に表すと次式
のようになる。 u1＝Ａ・expｉ・(ω1 ・ｔ＋φ1)＋α・expｉ・(ω2 ・ｔ＋φ2) …(3) u2＝Ｂ・expｉ・(ω2 ・ｔ＋φ2)＋β・expｉ・(ω1 ・ｔ＋φ1) …(4)

【０００９】ここで、α、βは振幅であり、光束u1、u2
は回折格子１１、１４に照射され、得られた回折光を干
渉させ光電変換すると次式のようになる。Ｉ＝ρ・cos{(ω1 −ω2)・ｔ＋（φ2 −φ1)＋Δφ｝ …(5) tan(Δφ）＝sin(φm −φu)／｛cos(φm −φu)＋（α／Ｂ＋β／Ａ)} … (6)

【００１０】ここで、φm はマスク１０の基準位置から
のずれ量に相当する位相量、φu はウエハ１３の基準位
置からのずれ量に相当する位相量である。式(6) の（α
／Ｂ＋β／Ａ）が偏光ビームスプリッタ６における漏れ
込み光によって生ずる項であり、この（α／Ｂ＋β／
Ａ）のためにマスク１０とウエハ１３の相対位置ずれ量
とこれに相当する位相量の変化とが非線形な関係とな
る。

【００１１】本発明の目的は、光束に含まれた漏れ込み
光による誤差を軽減し、高精度の測定を可能とした光ヘ
テロダイン干渉計測装置を提供することにある。

【００１２】本発明の他の目的は、上記光ヘテロダイン
干渉計測技術を用いた露光装置やデバイス製造装置を提
供することにある。

【００１３】本発明の更なる目的は、以下の実施例の記
載の中で明らかにされる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る光ヘテロ
ダイン干渉計測装置は、互いに偏光方向と周波数とが異
なる２光束を含む干渉光を供給する手段と、前記２光束
を分離する偏光ビームスプリッタと、前記分離された２
光束を第１、第２の回折格子に入射させる入射手段と、
前記第１の回折格子からの回折光を用いて生成した第１
の干渉光を光電変換して第１のビート信号を生成する第
１の光電検出手段と、前記第２の回折格子からの回折光
を用いて生成した第２の干渉光を光電変換して第２のビ
ート信号を生成する第２の光電検出手段と、前記第１、
第２のビート信号の位相差を検出することで前記第１、
第２の回折格子の相対位置ずれ量を求める位相差検出手
段とを有し、前記入射手段は前記２光束の一方の光束に
漏れこんだ他方の光束が前記第１、第２回折格子に入射
することを遮光する光学手段を有することを特徴とす
る。

【００１５】また、請求項５に係る光ヘテロダイン干渉
計測装置は、互いに周波数が異なる２光束を供給する生
成手段と、前記２光束を被測定物に入射させる手段と、
前記被測定物からの光を用いて生成した第１、第２の干
渉光を光電変換して第１、第２のビート信号を生成する
第１、第２の光電検出手段と、前記第１、第２のビート
信号の位相差を検出する位相差検出手段と、前記２光束
の少なくとも一方の前記被測定物への入射位置を変化さ
せることによって、前記第１、第２のビート信号の少な
くとも一方の位相をシフトさせる位相シフト手段と、前
記位相差検出手段により検出される複数の前記位相差を
平均化する演算処理手段とを有することを特徴とする。
更に、請求項６に係る光ヘテロダイン干渉計測装置は、
互いに周波数が異なる２光束を供給する生成手段と、前
記２光束を被測定物に入射させる手段と、前記被測定物
からの光を用いて生成した第１、第２の干渉光を光電変
換して第１、第２のビート信号を生成する第１、第２の
光電検出手段と、前記第１、第２のビート信号の位相差
を検出する位相差検出手段と、前記２光束の光路長差を
変化させることによって、前記第１、第２のビート信号
の少なくとも一方の位相をシフトさせる位相シフト手段
と、前記位相差検出手段により検出される複数の前記位
相差を平均化する演算処理手段とを有することを特徴と
する。

【００１６】

【作用】請求項５に係る光ヘテロダイン干渉計測装置
は、回折格子による回折光を用いて位置ずれを検出し、
光束を入射させる際に漏れ込んだ光束を遮光し、測定精
度を向上させる。

【００１７】請求項５、６に係る光ヘテロダイン干渉計
測装置は、ビート信号の位相をシフトすることにより、
漏れ込み光による誤差を減少する。

【００１８】

【実施例】本発明を図１〜図２６に図示の実施例に基づ
いて詳細に説明する。図１は第１の実施例の構成図であ
り、半導体露光装置の位置合わせ装置部に応用したもの
である。２周波数直線偏光レーザー光源４１の光路上に
は、ミラー４２、コリメータレンズ４３、光学素子４４
が順次に配列されている。光学素子４４の２周波直線偏
光レーザー光源４１の光路上には、偏光ビームスプリッ
タ面４４ａが設けられている。また、偏光ビームスプリ
ッタ４４ａの透過方向にはミラー４４ｂを介して偏光ビ
ームスプリッタ面４４ｃが設けられている。更に、偏光
ビームスプリッタ面４４ａの反射方向には偏光ビームス
プリッタ面４４ｄが設けられ、偏光ビームスプリッタ面
４４ｄの反射方向にはダミープリズム４４ｅが設けられ
ている。

【００１９】また、偏光ビームスプリッタ面４４ｃ及び
ダミープリズム４４ｅの透過方向には、図２に示すよう
にマスク４５上の回折格子４６及びウエハ４７上の回折
格子４８が配置されている。マスク４５の垂直上方には
ミラー４９、５０が設けられ、ミラー４９の反射方向に
はレンズ５１、偏光板５２、光電検出器５３が順次に配
列されている。同様に、ミラー５０の反射方向にはレン
ズ５４、偏光板５５、光電検出器５６が順次に配列さ
れ、光電検出器５３、５６の出力は位相差検出器５７に
接続されている。更に、位相差検出器５７の出力は位置
コントローラ５８に接続され、位置コントローラ５８の
出力はアクチュエータ５９、６０に接続され、アクチュ
エータ５９、６０によってマスク４５及びウエハ４７を
駆動するようになっている。

【００２０】２周波数直線偏光レーザー光源４１は周波
数がf1であるＰ偏光の光束と、周波数がf2であるＳ偏光
の光束とを出射する。このとき、２光束は互いに直交し
周波数が僅かに異なるものとする。この２光束はミラー
４２によって偏向され、コリメータレンズ４３によって
集光された後に光学素子４４に入射する。Ｐ偏光の光束
は偏光ビームスプリッタ面４４ａを透過し、ミラー４４
ｂで偏向された後に偏光ビームスプリッタ面４４ｃを透
過してＰ偏光の光束L11 となる。また、Ｓ偏光の光束は
偏光ビームスプリッタ面４４ａ、４４ｄで偏向された後
に、ダミープリズム４４ｅを透過してＳ偏光の光束L12
となる。

【００２１】このとき、Ｐ偏光の光束L11 は偏光ビーム
スプリッタ面を２回透過することによって、Ｓ偏光の光
束L12 は偏光ビームスプリッタ面を２回反射することに
よって、それぞれに含まれる漏れ込み光が軽減される。
偏光ビームスプリッタ面を２回透過又は反射して、光学
素子４４から出射された光束L11 、L12 は、それぞれ次
式のようになる。 u1＝Ａ・exp｛ｉ・(ω1・ｔ−φ1)} ＋α・exp｛ｉ・(ω2・ｔ−φ2)} …(7) u2＝Ｂ・exp｛ｉ・(ω2・ｔ−φ2)} ＋β・exp｛ｉ・(ω1・ｔ−φ1)} …(8)

【００２２】ここで、Ａ、Ｂ及びα、βは振幅、ω1 、
ω2 は角周波数であり、ω1 ＝２πf1、ω2 ＝２π・f
2、φ1 、φ2 は初期位相である。式(7) 、(8) の第２
項は漏れ込み光を表している。

【００２３】光学素子４４からのＰ偏光の光束L11 は回
折格子４６、４８に対して、−１次回折光が垂直上方に
回折されるように照射する。同様に、Ｓ偏光の光束L12
は回折格子４６、４８に対して、＋１次回折光が垂直上
方に回折されるように照射する。ここで、回折次数の符
号は０次回折光を中心として、時計廻りに回折する光束
をプラス、反時計廻りに回折する光束をマイナスとす
る。

【００２４】光束L11 は回折格子４６、４８によって回
折され、ミラー４９によって偏向され、レンズ５１によ
って集光された後に偏光板５２によって偏光面を揃えら
れ、光電検出器５３によって検出される。同様に、光束
L12 は回折格子４６、４８によって回折され、ミラー５
０、レンズ５４を介して偏光板５５によって偏光面を揃
えられた後に、光電検出器５６によって検出される。光
電検出器５３、５６からの出力を変換すると、それぞれ
の回折格子４６、４８の基準位置からのずれ量に相当す
る位相量を含むビート信号I1、I2が得られる。ここで、
ビート信号I1及び位相量φm は次式のようになる。 I1＝ρ1 ・cos{(ω2 −ω1)・ｔ＋（φ2 −φ1)＋φm} …(9) tan(φm)＝sin(４πXm／Ｐ）／{cos（４π・Xm／Ｐ）＋（α／Ｂ＋β／Ａ)} …(10)

【００２５】同様に、ビート信号I2及び位相量φ_u は次
式のようになる。 I2＝ρ2・ cos{(ω2 −ω1)ｔ＋（φ2 −φ1)＋φu} …(11) tan(φu)＝sin(４π・Xu／Ｐ）／{cos（４π・Xu／Ｐ）＋（α／Ｂ＋β／Ａ )} …(12)

【００２６】ここで、Xmはマスク４５上の回折格子４６
の基準位置からのずれ量、φm はずれ量Xmに対応する位
相量、Xuはウエハ４７上の回折格子４８の基準位置から
のずれ量、φu はずれ量Xuに対応する位相量である。

【００２７】これらの２つのビート信号を位相差検出器
５７に入力すると、２つのビート信号間の位相差Δφ＝
２（φm −φu)が得られ、これによりマスク４５とウエ
ハ４７との相対位置ずれ量を求めることができる。式(1
0)、(12)で表される漏れ込み光の影響により発生する非
線形誤差は、光学素子４４において光束L11 、L11 が偏
光ビームスプリッタ面を２回反射或いは透過することに
より軽減されている。この相対位置ずれ量をマスク４５
とウエハ４７の位置コントローラ５８に入力し、マスク
４５及びウエハ４７のアクチュエータ５９、６０にフィ
ードバックを掛けることにより、マスク４５とウエハ４
７の相対位置合わせを高精度に行うことができる。

【００２８】なお、図１におけるミラー４９、５０を図
３、図４に示すように１つのミラー４４ｆに置き換え、
ミラー４４ｆを図５に示すように光学素子４４に貼付し
てもよい。

【００２９】図６は第２の実施例の構成図であり、ウエ
ハ上に重ね焼きされた回路パターンの重ね合わせ状態を
検査する装置である。なお、図１と同一の符号は同一の
部材を示している。光学素子４４からの２光束のそれぞ
れの光路上にはウエハ６１が配置され、ウエハ６１上に
は回折格子６２、６３が形成されている。図７はこのよ
うなウエハ６１の配置図を示している。

【００３０】光学素子４４からのＰ偏光の光束L11 は回
折格子６２、６３に対して、−１次回折光が垂直上方に
回折されるように照射する。同様に、Ｓ偏光の光束L12
は回折格子６２、６３に対して、＋１次回折光が垂直上
方に回折されるように照射する。光束L11 、L12 は回折
格子６２、６３によって回折され、第１の実施例と同様
に光電検出器５３、５６によって検出される。この結果
得られるビート信号I3、I4及び位相量φa 、φb は次の
ようになる。 I3＝ρ3 ・ cos{(ω2 −ω1)・ｔ＋（φ2 −φ1)＋φa} …(13) tan(φa)＝sin(４π・Ｘa ／Ｐ）／{cos( ４π・Ｘa ／Ｐ）＋（α／Ｂ＋β ／Ａ)} …(14) I4＝ρ4 ・ cos{(ω2 −ω1)・ｔ＋（φ2 −φ1)＋φb} …(15) tan(φ_b)＝sin(４πＸb ／Ｐ）／{cos( ４π・Ｘb ／Ｐ）＋（α／Ｂ＋β／Ａ)} …(16)

【００３１】ここで、Xaはウエハ６１上の回折格子６２
の基準位置からのずれ量、φa はずれ量Xaに対応する位
相量、Xbはウエハ６１上の回折格子６３の基準位置から
のずれ量、φb はずれ量Xbに対応する位相量である。

【００３２】これらの２つのビート信号を位相差検出器
１９に入力すると、２つのビート信号間の位相差Δφ＝
２（φb −φa)が検出され、ウエハ６１上の回折格子６
２、６３の相対位置ずれ量、即ち回路パターンの相対ず
れ量を高精度に求めることができる。式(14)、(16)で表
されるクロストークにより発生する非線形誤差は、光学
素子４４において光束L11 、L12 が偏光ビームスプリッ
タ面を２回反射或いは透過することにより軽減されてい
る。

【００３３】また、図６において各回折格子からの回折
光を偏向させるミラー４９、５０を、図３に示すような
１つのミラー４ｆに置き換え、それを図５に示すように
光学素子４４に貼付してもよいのは第１の実施例と同様
である。

【００３４】図８は第３の実施例の構成図であり、半導
体露光装置部に応用したものである。コリメータレンズ
４３の透過方向には光学素子６６が設けられ、光学素子
６６に設けられた偏光ビームスプリッタ面６６ａによっ
て光束L11 、L12 を２分割するようになっている。更
に、偏光ビームスプリッタ面６６ａの透過方向にはミラ
ー６６ｂが設けられ、反射方向にはミラー６６ｃが設け
られている。また、ミラー６６ｂの反射方向にはＰ偏光
のみを透過する偏光板６７が設けられ、偏光板６７の透
過方向にはマスク４５、ウエハ４７が配置されている。
同様に、ミラー６６ｃの反射方向にはＳ偏光のみを透過
する偏光板６８が設けられている。

【００３５】このような構成にすることによっても、光
束L11 、L12 に含まれた漏れ込み光を軽減することがで
き、以後は第１の実施例と同様の手順に従ってマスク４
５とウエハ４７の相対位置合わせを高精度に行うことが
できる。

【００３６】また、図８において各回折格子からの回折
光を偏向するミラー４９、５０を図３に示す１つのミラ
ー４４ｆに置き換え、ミラー４４ｆを図９に示すように
光学素子６６に貼付してもよい。更に、図１０、図１１
に示すように偏光板６７、６８を光学素子６６に貼付し
てもよい。

【００３７】図１２は第４の実施例の構成図であり、図
８と同一の符号は同一の部材を示している。第３の実施
例と同様に、光束L11 、L12 はミラー６６ｂの透過方向
に設けられた偏光板６７及びミラー６６ｃの透過方向に
設けられた偏光板６８をそれぞれ介して回折格子６２、
６３によって回折されるため、光束L11 、L12 に含まれ
た漏れ込み光を軽減することができる。以後は第２の実
施例と同様の手順に従って、ウエハ６１上の回折格子６
２、６３の相対位置ずれ量、即ち回路パターンの相対ず
れ量を高精度に求めることができる。

【００３８】また、図１２においてミラー４９、５０を
図３に示す１つのミラー４４ｆに置き換え、ミラー４４
ｆを図９に示すように光学素子４に貼付してもよい。更
に、図１０、図１１に示すように偏光板２５、２６を光
学素子４に貼付してもよいのは第３の実施例と同様であ
る。

【００３９】図１３は第５の実施例の構成図であり、光
源から出射された偏光面が互いに直交し、周波数が僅か
に異なる光束L11 、 L12 に分割する部分を示している。
第１〜第４の実施例における光束L11 、L12 の分割は、
図１、図５、図９〜図１１に示すように偏光ビームスプ
リッタ面、偏光ビームスプリッタ、ミラー、偏光板等の
光学素子の一部或いは全部を一体化した光学素子により
行っている。本実施例では、図１３に示すように偏光ビ
ームスプリッタ７１で２分割した光束L11 、光束L12 を
偏光ビームスプリッタ７２、７３を通し、ミラー７４、
７５で偏向するように光学素子を配置してもよい。

【００４０】更に、図１４に示すように偏光ビームスプ
リッタ７６で２分割した光束L11 、L12 を偏光板６７、
６８を透過させ、ミラー７７、７８で偏向する光学系の
配置をとることによっても、漏れ込み光の影響を受けな
い高精度な測定が可能となる。また、図１５に示すよう
に偏光ビームスプリッタ７１、７２、７３を一体化して
もよく、更に図１６に示すように偏光ビームスプリッタ
７６と偏光板６７、６８を一体化してもよい。

【００４１】図１７は第６の実施例の構成図を示し、マ
スク及びウエハに形成されたアライメントマークによっ
て位置合わせを行う遠紫外光、Ｘ線等を用いたプロキシ
ミティ露光方式半導体製造装置の位置合わせ部を示して
いる。ゼーマンレーザー光源８１の光路上には，偏光ビ
ームスプリッタ８２、８３、ミラー８４が設けられ偏光
ビームスプリッタ８２の反射方向にはミラー８５が設け
られている。また、ミラー８５の反対方向には位相シフ
ト手段８６、ミラー８７が順列に配列され、ミラー８７
による反射によって光束が偏光ビームスプリッタ８３に
垂直に入射するようにされている。

【００４２】更に、ミラー８４の反対方向には偏光ビー
ムスプリッタ１０２が設けられ、偏光ビームスプリッタ
１０２の反射方向にはミラー１０３、透過方向にはミラ
ー１０４が設けられている。ミラー１０３の反射方向に
は、アクチュエータ１０５により駆動される平行平板１
０６が図１８に示すように回転可能に設けられ、駆動ド
ライバ１０７に接続されている。ミラー１０３、１０４
の反射方向には被測定物Ｓが配置され、ミラー１０３、
１０４からの光束を被測定物Ｓに対して垂直上方に回折
するようになっている。

【００４３】また、被測定物Ｓはマスク１０８及びウエ
ハステージ１０９上に設けられたウエハ１１０によって
構成され、マスク１０８、ウエハ１１０上にはそれぞれ
アライメントマーク１１１、１１２が形成されている。
更に、マスク１０８には駆動ドライバ１１３に接続され
たアクチュエータ１１４が連結され、ウエハステージ１
０９には駆動ドライバ１１５に接続されたアクチュエー
タ１１６がそれぞれ連結され、マスク１０８、ウエハ１
１０がＸ軸方向に自在に移動できるようになっている。
被測定物Ｓの垂直上方にはミラー１１７が設けられ、ミ
ラー１１７の反射方向の光路上にはレンズ１１８、偏光
板１１９、エッジミラー１２０、レンズ１２１、光電検
出器１２２が順次に配列されている。

【００４４】このとき図１９に示すように、被測定物Ｓ
とエッジミラー１２０とがレンズ１１８に対して、また
エッジミラー１２０と光電検出器１２２とがレンズ１２
１に対してそれぞれ共役となるように各部材が設けられ
ている。更に、エッジミラー１２０の反射方向にはレン
ズ１２３が設けられ、レンズ１２３に対してエッジミラ
ー１２０と共役となる位置には光電検出器１２４が設け
られている。光電検出器１２２、１２４の出力は位相差
検出器１２５に接続され、位相差検出器１２５の出力は
演算処理装置１２６に接続されている。

【００４５】ゼーマンレーザー光源１０１から出射され
た互いに直交する偏光状態の光束は、偏光ビームスプリ
ッタ１０２によって周波数がf1であるＳ偏光の光束と、
周波数がf2であるＰ偏光の光束とに２分割される。周波
数f1の光束はミラー１０３を介して平行平板１０６を透
過し、アライメントマーク１１１、１１２にビームスポ
ットを走査する。また、周波数f2の光束はミラー１０４
を反射した後に、同様にアライメントマーク１１１、１
１２に照射される。アライメントマーク１１１、１１２
のそれぞれから出射する次数の絶対値が同じで、次数の
符号と周波数の異なる回折光、例えばＰ偏光光の＋１次
光とＳ偏光光の−１次光は同一光路を通り、ミラー１１
７で偏向された後にレンズ１１８、偏光方向を揃えるた
めの偏光板１１９を透過する。

【００４６】ここで、アライメントマーク１１１からの
回折光はエッジミラー１２０を透過し、レンズ１２１で
集光された後に光電検出器１２２によって検出され、ア
ライメントマーク１１２からの回折光はエッジミラー１
２０を反射し、レンズ１２３で集光された後に光電検出
器１２４によって検出される。なお、アライメントマー
ク１１１、１１２からの回折光の分離の方法は、レンズ
１１８に関してウエハ１０８と共役な位置に置いたエッ
ジミラー１２０により次のようにして行う。

【００４７】エッジミラー１２０の位置にはアライメン
トマーク１１１、１１２が結像し、これらの２つのアラ
イメントマーク１１１、１１２の間にエッジミラー１２
０のエッジ部分が至るようにエッジ位置を設けることに
より、アライメントマーク１１１の回折光はエッジミラ
ー１２０を透過し、アライメントマーク１１２の回折光
はエッジミラー１２０で反射するために、２つの回折光
が分離される。更に、マスク１０８及びウエハ１１０と
光電検出器１２２及び光電検出器１２４とがそれぞれ共
役となっているため、マスク１０８及びウエハ１１０の
チルトに対して強い系となっている。

【００４８】本実施例では、偏光ビームスプリッタ１０
２の洩れ込み光の影響を除去するために、ゼーマンレー
ザー光源８１と偏光ビームスプリッタ１０２の間に位相
シフト手段８６が設けてられている。ゼーマンレーザー
光源８１は互いに直交するＰ偏光で周波数がf1、Ｓ偏光
で周波数f2である２光束を出射し、これらの光束は偏光
ビームスプリッタ８２に入射し、その偏光状態によって
周波数f1の光束は透過し、周波数f2の光束は反射する。
反射した周波数f2の光束はミラー８５を経て位相シフト
手段８６により所定量だけ位相をシフトされ、ミラー８
７を経て偏光ビームスプリッタ８３に入射する。また、
偏光ビームスプリッタ８２を透過した周波数f1の光束も
偏光ビームスプリッタ８３に入射して、周波数f1、f2の
２光束は同一光路上を通り、ミラー８４を介して偏光ビ
ームスプリッタ１０２に入射する。

【００４９】光電検出器１２２で検出されるビート信号
Imは、±１次の回折光を用いると次式のようになる。 Im＝Am・ cos{(ω1 −ω2 ）・ｔ＋Δφm)} …(17) tan(Δφm)＝sin(４π・ΔXm／Ｐ−Δθ）／{cos( ４π・ΔXm／Ｐ−Δθ）＋（α／Ｂ＋β／Ａ)} …(18)

【００５０】ここで、Amは振幅、α、βは偏光ビームス
プリッタ１０２のＡ、Ｂに対するクロストーク量、Δθ
は位相シフト手段によりシフトされた位相量、ΔXmはア
ライメントマーク１１１の基準線からのずれ量、Ｐはア
ライメントマークの回折格子のピッチである。

【００５１】また、光電検出器１２４によって検出され
るビート信号Iwは、同様に±１次の回折光を用いると次
式のようになる。 Iw＝Aw・ cos{(ω1 ーω2 ）・ｔ＋Δφw)} …(19) tan(Δφw)＝sin(４π・ΔXw／Ｐ−Δθ）／{cos（４π・ΔXw／Ｐ−Δθ）＋（α／Ｂ＋β／Ａ)} …(20)

【００５２】ここで、Awは振幅、ΔXwはアライメントマ
ーク１１２の基準線からのずれ量である。

【００５３】(18)式と(20)式で示されるビート信号の位
相差Δφm ーΔφw を位相差検出器１２５で検出する。
このとき、位相シフト量Δθn に対する位相差Δφm ー
Δφw は図２０に示されるように正弦的に変化する。各
位相差を演算処理装置１２６に入力して平均化処理を行
うことにより、偏光ビームスプリッタ１０２の漏れ込み
光の影響による位置合わせの精度の劣化を防止し、マス
ク１０８とウエハ１１０の相対的な位置ずれをより高精
度に検出することができる。

【００５４】即ち、マスクとウエハの位置ずれ量ΔX を
Ｎ回の位相差測定値から、以下のように求めることがで
きる。 Δφ(n) ＝Δφm(n)−Δφw(n) (n＝1,2,3・・・N) ・・・(21) ΔX ＝（Ｐ／４π）・（１／Ｎ）ΣΔφ(n) ・・・(22)

【００５５】なお、位置ずれを検出した後に、ΔX に基
づいて駆動ドライバ１１３、１１５によって位置ずれ量
が許容以下になるようにマスク１０８及びウエハ１１０
を移動する。

【００５６】本実施例ではＸ方向のみについて説明した
が、Ｙ方向のアライメントについても、Ｘ方向アライメ
ントマークと直交する方向にアライメントマークをマス
ク１０８とウエハ１１０とにそれぞれ設け、光学系もＸ
方向検出用と直交する方向に設けることにより、Ｘ方向
と同様にマスク１０８とウエハ１１０の位置合わせを行
うことができる。

【００５７】また、位相差検出器１２５の積分時間を或
る程度長めに設定し、その積分時間内に位相を数回シフ
トしてもよく、この場合の演算処理装置１２６は位相を
被測定物の変位に換算する演算だけでの機能でよい。

【００５８】図２０は偏光ビームスプリッタ８４におけ
る反射及び透過の漏れ込み量を共に０．１％とした場合
に、位相シフト手段８６の位相シフト量と位相差検出器
１２５の出力の関係のグラフ図である。位相シフト手段
８６がない場合における測定誤差は図２０における振幅
に相当するが、本実施例のようにビート信号を形成する
光束対の２つの光束のうちの一方又は双方の位相をシフ
トし、２つのビート信号の位相差を数回測定し平均化処
理することにより真の変位量に近付き、精度が向上す
る。

【００５９】なお、図２１は位相シフト手段８６の具体
例を示す構成図であり、ミラー８５からの光路上には固
定三角ミラー８６ａが設けられ、固定三角ミラー８６ａ
の反射方向には可動式コーナキューブミラー８６ｂが設
けられている。可動式コーナキューブミラー８６ｂはア
クチュエータ８６ｃを有し、駆動装置８６ｄによって制
御されるようになっている。可動式コーナキューブミラ
ー８６ｂを微小量駆動して光路長を変え、位相をシフト
している。

【００６０】図２２は第７の実施例の構成図を示し、第
６の実施例と同様にマスク及びウエハに形成されたアラ
イメントマークによって位置合わせを行う遠紫外光、Ｘ
線等を用いたプロキシミティ露光方式半導体製造装置の
位置合わせ部を示している。ゼーマンレーザー光源８１
の光路上にはミラー８４、偏光ビームスプリッタ１０２
が設けられ、偏光ビームスプリッタ１０２の反射方向に
はミラー１０３、透過方向にはミラー１０４が設けられ
ている。なお、他の構成については、第６の実施例と同
様である。

【００６１】本実施例のビート信号の位相シフト手段に
ついては、図１８に示すように平行平板１０６が回転す
ると、入射したビームは平行方向にシフトし、図２３に
示すようにアライメントマーク１１１、１１２に対し
て、B1からB2の方向にビームスポットが動く。このと
き、アライメントマーク１１１、１１２に入る光の波面
がビームスポットが動いた量だけ変化するために、最終
的な光電検出器１２２、１２４で光電検出されるビート
信号の位相がシフトされる。

【００６２】光電検出器１２２で検出されるビート信号
Imは、±１次の回折光を用いると次式のようになる。 Im＝Am・ cos{(ω1 −ω2 ）・ｔ＋Δφm)} …(23) tan(Δφm)＝sin(４π・ΔXm／Ｐ＋Δθ）／{cos( ４π・ΔXm／Ｐ＋Δθ）＋（α／Ｂ＋β／Ａ)} …(24)

【００６３】ここで、Amは振幅、α、βは偏光ビームス
プリッタ１０２のＡ、Ｂに対するクロストーク量、Δθ
は位相シフト手段によりシフトされた位相量、ΔXmはア
ライメントマーク１１１の基準線からのずれ量、Ｐはア
ライメントマークの回折格子のピッチである。

【００６４】また、光電検出器１２４によって検出され
るビート信号Iwは、同様に±１次の回折光を用いると次
式のようになる。 Iw＝Aw・ cos{(ω1 ーω2 ）・ｔ＋Δφw)} …(25) tan(Δφw)＝sin(４π・ΔXw／Ｐ＋Δθ）／{cos（４π・ΔXw／Ｐ＋Δθ）＋（α／Ｂ＋β／Ａ)} …(26)

【００６５】ここで、Awは振幅、ΔXwはアライメントマ
ーク１１２の基準線からのずれ量である。

【００６６】(24)式と(26)式で示されるビート信号の位
相差Δφm ーΔφw を位相差検出器１２５で検出する。
このとき、位相シフト量Δθに対する位相差Δφm ーΔ
φwは図２０に示されるように正弦的に変化する。各位
相差を演算処理装置１２６に入力して平均化処理を行う
ことにより、偏光ビームスプリッタ１０２の漏れ込み光
の影響による位置合わせの精度の劣化を防止し、マスク
１０８とウエハ１１０の相対的な位置ずれをより高精度
に検出することができる。

【００６７】即ち、マスクとウエハの位置ずれ量ΔX を
Ｎ回の位相差測定値から、以下のように求めることがで
きる。 Δφ(n) ＝Δφm(n)−Δφw(n) (n＝1,2,3・・・N) ・・・(27) ΔX ＝（Ｐ／４π）・（１／Ｎ）ΣΔφ(n) ・・・(28)

【００６８】なお、位置ずれを検出した後に、ΔX に基
づいて駆動ドライバ１１３、１１５によって位置ずれ量
が許容以下になるようにマスク１０８及びウエハ１１０
を移動する。

【００６９】本実施例ではＸ方向のみについて説明した
が、Ｙ方向のアライメントについても、Ｘ方向アライメ
ントマークと直交する方向にアライメントマークをマス
ク１０８とウエハ１１０とにそれぞれ設け、光学系もＸ
方向検出用と直交する方向に設けることにより、Ｘ方向
と同様にマスク１０８とウエハ１１０の位置合わせを行
うことができる。

【００７０】図２４は第８の実施例の構成図であり、２
回の露光で焼き付けられた２つの焼き付け重ね合わせ評
価パターン間の位置ずれを高精度に検出し、評価する焼
き付け重ね合わせ評価装置である。なお、図１７と同一
の符号は同一の部材を示している。ウエハ１１０上には
別々の焼き付けプロセスを経て形成された回折格子１２
８、１２９が隣接して設けられている。ゼーマンレーザ
ー光源８１から出射された互いに直交する偏光状態の光
束は、偏光ビームスプリッタ１０２によって周波数がf1
であるＳ偏光の光束と、周波数がf2であるＰ偏光の光束
とに２分割される。

【００７１】周波数f1の光束はミラー１０３を介して回
折格子１２８、１２９に照射され、周波数f2の光束はミ
ラー１０４で偏向され、同様に回折格子１２８、１２９
に照射される。このとき、回折格子１２８、１２９から
の回折光は同一光路上を通り、ミラー１１７で偏向され
た後にレンズ１１８、偏光板１１９を透過する。回折格
子１２８からの回折光はエッジミラー１２０を透過し、
レンズ１２１で集光されセンサ１２２によって検出され
る。また、回折格子１２９からの回折光はエッジミラー
１２０で反射され、レンズ１２３で集光されセンサ１２
４によって検出される。なお、回折格子１２８、１２９
からの回折光の分離の方法は、第７の実施例と同様に行
う。

【００７２】ビート信号の位相をシフトする場合には、
駆動ドライバ１１５によりウエハステージ１０９をずれ
検出方向に微小移動し、ビームスポットに対する回折格
子１２８、１２９の位置を変化させる。このとき、回折
格子１２８、１２９に入射する光の波面が同じ量だけ変
化するために、最終的に光電検出器１２２、１２４で光
電検出されるビート信号の位相がシフトされることにな
る。

【００７３】光電検出器１２４で検出されるビート信号
I1は、±１次の回折光を用いると次式のようになる。 I1＝A1・cos {( ω1 −ω2)・ｔ＋Δφ1) …(29) tan(Δφ1)＝sin(４π・ΔX1／Ｐ＋Δθ）／{cos（４πΔX1／Ｐ＋Δθ）＋（α／Ｂ＋β／Ａ)} …(30)

【００７４】ここで、A1は振幅、Δθは位相シフト手段
によりシフトされた位相分、ΔX1は回折格子１２８の基
準線からのずれ量、Ｐは回折格子１２８、１２９のピッ
チである。また、演算処理装置１２６で検出されるビー
ト信号I2は、±１次の回折光を用いると次式のようにな
る。 I2＝A2・ cos{( ω1 ーω2)・ｔ＋Δφ2)} …(31) tan(Δφ2)＝sin(４π・ΔX2／Ｐ＋Δθ）／{cos（４π・ΔX2／Ｐ＋Δθ）＋（α／Ｂ＋β／Ａ)} …(32)

【００７５】ここで、A2は振幅、ΔX2は回折格子１２８
の基準線からのずれ量である。式(30)、(32)で示される
ビート信号の位相差Δφ1 ーΔφ2 は、位相差検出器１
２５によって検出される。このとき、位相シフト量Δθ
に対する位相差Δφ1ーΔφ2 は図２０のように正弦的
に変化する。各位相差を演算処理装置１２６に入力して
平均化処理することにより、偏光ビームスプリッタ１０
２の漏れ込み光の影響による２つの回折格子１２８、１
２９の相対的な位置ずれに対して、位相差が非線形にな
って、位置ずれの検出精度が劣化するという問題を解決
することができる。すなわち回折格子１２８と回折格子
１２９の位置ずれ量ΔX をＮ回の位相差測定値から、以
下のように求めることができる。 Δφ(n) ＝Δφm(n)−Δφw(n) (n＝1,2,3・・・N) ・・・(33) ΔX ＝（Ｐ／４π×１／Ｎ）ΣΔφ(n) ・・・(34)

【００７６】非線形誤差はウエハの移動に応じて周期的
に変化し、回折格子のピッチがＰで±１次回折光を利用
した場合には、ウエハの移動量Ｐ／２の周期を持ってい
る。従って、或る位置で位相差を検出し、Ｘ方向にＰ／
４だけ移動させて第２の位相差を検出して、これらの平
均値を得るようにしてもよく、スループットを低下させ
ずに効果的に非線形誤差を低減することができる。

【００７７】このように、１回目に焼き付けられたパタ
ーンと２回目のパターンのずれ量を求めることにより、
半導体露光装置の焼き付け重ね合わせ評価を行うことが
できる。

【００７８】なお、本実施例ではＸ方向のみについて説
明したが、Ｙ方向のずれ検出についても、第７の実施例
と同様に行うことができる。また、第６〜第８の実施例
においてはそれぞれ別の位相シフト手段の例を示した
が、例えば第６の実施例で示した位相シフト手段は第８
の実施例の装置でも利用可能であり、位相シフト手段と
装置の組み合せはその他種々に応用することができる。
更に、実施例では被測定物Ｓに照射する前に、偏光ビー
ムスプリッタにより分離する方法のみを示したが、被測
定物から反射、回折等された後の光束を偏光ビームスプ
リッタにより分離する方法に関しても同様に応用でき
る。

【００７９】次に上記説明した露光装置を利用したデバ
イスの製造方法の実施例を説明する。図２５はＩＣやＬ
ＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気
ヘッド、マイクロマシン等の微小デバイスの製造のフロ
ーチャート図を示す。ステップ１（回路設計）では半導
体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製
作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作
する。一方、ステップ３（ウエハプロセス）は前工程と
呼ばれ、用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフ
ィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次の
ステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４
によって作成されたウエハを用いて半導体チップ化する
工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディ
ング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を
含んでいる。ステップ６（検査）ではステップ５で作成
された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト
等の検査を行う。このような構成を経て半導体デバイス
が完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【００８０】図２６は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーチャート図を示す。ステップ１１（酸化）ではウエハ
の表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエ
ハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）
ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ
１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。
ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光材を塗
布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装
置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光す
る。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像す
る。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト
像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥
離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取
り除く。こららのステップを繰り返し行うことによっ
て、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。本実
施例の製造方法を用いれば、従来は製造が困難であった
高集積度の半導体デバイスを製造することができる。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に係る光ヘ
テロダイン干渉計測装置は、漏れ込み光が含まれる光束
の光路上に、これを遮光する光学部材を配することによ
って、ビート信号に含まれる漏れ込み光の量を軽減する
ことができ、漏れ込み光による非線形誤差の影響を受け
ない高精度な測定が可能となる。

【００８２】また、請求項５、６に係る光ヘテロダイン
干渉計測装置は、漏れ込み光がある場合においても、ビ
ート信号の位相をシフトすることにより、非線形誤差を
取り除くことができると共に、振動等の他の誤差要因も
除去することができ、高精度な測定が可能となる。

【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】マスク、ウエハ、回折格子の位置関係の配置図
である。

【図３】側面図である。

【図４】側面図である。

【図５】光学素子の構成図である。

【図６】第２の実施例の構成図である。

【図７】ウエハ、回折格子の配置図である。

【図８】第３の実施例の構成図である。

【図９】光学素子の構成図である。

【図１０】光学素子の構成図である。

【図１１】光学素子の構成図である。

【図１２】第４の実施例の構成図である。

【図１３】光学素子の配置図である。

【図１４】光学素子の配置図である。

【図１５】光学素子の配置図である。

【図１６】光学素子の配置図である。

【図１７】第６の実施例の構成図である。

【図１８】位相シフト手段の説明図である。

【図１９】回折光の分離手段の説明図である。

【図２０】位相シフト量に対する２つのビート信号間の
位相差の変化の関係のグラフ図である。

【図２１】位相シフト手段の構成図である。

【図２２】第７の実施例の構成図である。

【図２３】アライメントマークとビームスポットの関係
の説明図である。

【図２４】第８の実施例の構成図である。

【図２５】半導体デバイスの製造フローチャート図であ
る。

【図２６】ウエハプロセスの詳細なフローチャート図で
ある。

【図２７】従来例の構成図である。

【符号の説明】

４１２周波数直線偏光レーザー光源４４、６６光学素子４４ａ、４４ｃ、４４ｄ偏光ビームスプリッタ面４５、１０８マスク４６、４８、６２、６３、１２８、１２９回折格子４７、６１、１１０ウエハ５２、５５、１１９偏光板５３、５６、１２２、１２４光電検出器５７、１２５位相差検出器５８位置コントローラ５９、６０、１０５アクチュエータ８１ゼーマンレーザー光源８２、８３、１０２偏光ビームスプリッタ８６位相シフト手段１０６平行平板１１１、１１２アライメントマーク１２０エッジミラー１２６演算処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野瀬哲志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)発明者辻俊彦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 (56)参考文献特開平５−302809（ＪＰ，Ａ) 特開平４−212002（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/00 - 11/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに偏光方向と周波数とが異なる２光
束を含む干渉光を供給する手段と、前記２光束を分離す
る偏光ビームスプリッタと、前記分離された２光束を第
１、第２の回折格子に入射させる入射手段と、前記第１
の回折格子からの回折光を用いて生成した第１の干渉光
を光電変換して第１のビート信号を生成する第１の光電
検出手段と、前記第２の回折格子からの回折光を用いて
生成した第２の干渉光を光電変換して第２のビート信号
を生成する第２の光電検出手段と、前記第１、第２のビ
ート信号の位相差を検出することで前記第１、第２の回
折格子の相対位置ずれ量を求める位相差検出手段とを有
し、前記入射手段は前記２光束の一方の光束に漏れこん
だ他方の光束が前記第１、第２回折格子に入射すること
を遮光する光学手段を有することを特徴とする光へテロ
ダイン干渉計測装置。
【請求項２】前記第１、第２の回折格子はそれぞれマ
スク、ウエハに形成されていることを特徴とする請求項
１に記載の光へテロダイン干渉計測装置。
【請求項３】前記第１、第２回折格子は、ウエハに形
成されていることを特徴とする請求項１に記載の光へテ
ロダイン干渉計測装置。
【請求項４】前記ビームスプリッタ、前記入射手段及
び前記光学手段は、一体化された光学素子であることを
特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の
光へテロダイン干渉計測装置。
【請求項５】互いに周波数が異なる２光束を供給する
生成手段と、前記２光束を被測定物に入射させる手段
と、前記被測定物からの光を用いて生成した第１、第２
の干渉光を光電変換して第１、第２のビート信号を生成
する第１、第２の光電検出手段と、前記第１、第２のビ
ート信号の位相差を検出する位相差検出手段と、前記２
光束の少なくとも一方の前記被測定物への入射位置を変
化させることによって、前記第１、第２のビート信号の
少なくとも一方の位相をシフトさせる位相シフト手段
と、前記位相差検出手段により検出される複数の前記位
相差を平均化する演算処理手段とを有することを特徴と
する光ヘテロダイン干渉計測装置。
【請求項６】互いに周波数が異なる２光束を供給する
生成手段と、前記２光束を被測定物に入射させる手段
と、前記被測定物からの光を用いて生成した第１、第２
の干渉光を光電変換して第１、第２のビート信号を生成
する第１、第２の光電検出手段と、前記第１、第２のビ
ート信号の位相差を検出する位相差検出手段と、前記２
光束の光路長差を変化させることによって、前記第１、
第２のビート信号の少なくとも一方の位相をシフトさせ
る位相シフト手段と、前記位相差検出手段により検出さ
れる複数の前記位相差を平均化する演算処理手段とを有
することを特徴とする光ヘテロダイン干渉計測装置。
【請求項７】前記被測定物は第１、第２の回折格子で
あることを特徴とする請求項５又は６に記載の光ヘテロ
ダイン干渉計測装置。
【請求項８】前記第１、第２の回折格子は第１、第２
基板にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項
７に記載の光へテロダイン干渉計測装置。
【請求項９】前記第１、第２回折格子は同一基板に形
成されていることを特徴とする請求項７に記載の光へテ
ロダイン干渉計測装置。
【請求項１０】前記演算処理手段は前記複数の前記位
相差を加算平均することを特徴とする請求項５〜９の何
れか１つの請求項に記載の光ヘテロダイン干渉計測装
置。
【請求項１１】請求項１〜１０の何れか１つの請求項
に記載のヘテロダイン干渉計測装置を設けたことを特徴
とする露光装置。
【請求項１２】請求項１１に記載の露光装置を用いて
マスクのパターンをウエハに露光する段階と、該ウエハ
を現像する段階とを有することを特徴とするデバイス製
造方法。