JP2006114648A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学手段を大気雰囲気状態に保ちながら光学手段を空冷することが可能な光学装置を提供する。
【解決手段】 真空中に設けられる対象（ＣＡ）を光学的に検査する光学装置であって、内部を真空に保つ真空チャンバ（４）と、光学手段（１〜３）と、光学手段（１〜３）を包囲し当該光学手段（１〜３）からの光を透過させる窓を備え、光学手段（１〜３）周囲の空間と真空チャンバ（４）外の空間とを連通させる包囲部材（１１、２１、３１）と、を備え、包囲部材（１１、２１、３１）には、真空チャンバ（４）外の空気を光学手段（１〜３）に導入する空気導入路（５０）と光学手段（１〜３）内の空気を真空チャンバ（４）外に排出する空気排出路（５２）が形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体製造等に用いられる光学的な位置の検出装置に係り、特に、真空チャンバ内で使用するために適する光学装置の構造に関する。

半導体装置の製造過程では、マスクを利用してシリコンウェハ上にチップのパターンを露光あるいはイオン注入等の処理を施すに際して、マスクのチップ領域を正しい位置に配置させるために、位置を検出するための検出装置が用いられている。例えば、特開昭６２−９８６２１号公報には、マスクのチップ領域に対して斜めに射出された光を撮影し位置を検出する微小間隙設定装置の一例が開示されている（特許文献１）。

このような検出装置は、露光前に、照明装置から光をマスク上のアライメントマークに射出し、その光を対応する撮像装置で撮影して、マークの位置ずれからマスクのウェハに対するＸ／Ｙ軸方向への二次元的な位置ずれや、マスク面とウェハ面との間隙（Ｚ方向）を検出していた。

このような斜方検出法によれば、露光のための露光光の光軸上に位置合わせのための手段を配置しなくて済むため、露光中に位置検出手段を待避する必要が無くなり、露光中でもアライメントが可能となり、スループットを向上させることができるという特長があった。現在大量生産により安価に入手可能なハロゲンランプ等の光源やＣＣＤ等の撮像素子は大気雰囲気で使用されるものであるが、真空チャンバ内に配置して使用することが可能に設計されたものもある。
特開昭６２−９８６２１号公報

しかしながら、真空チャンバ内に配置可能な光源や撮像素子等の光学手段を用いた場合、これら光学手段を真空チャンバ内に配置すると、光源などが発熱源となって機器に悪影響を及ぼす恐れがある。そこで、光源などの発熱源を真空チャンバ外に配置し、光源からの光をライトガイドを介して真空チャンバ内に導入する構成を採用することも可能であるが、光源などをチャンバ外に配置したのでは、効率が悪くなるとともに、より大きな光源が必要となり、スペースの確保が困難になるとともに、コストアップやメンテナンス性の悪化を招くことになる。

一方、真空チャンバ内の発熱源に対して、水冷配管などを施し、発熱源を冷却する構成を採用することもできる。しかし、このような構成を採用したのでは、水冷配管などの設備が必要になり、コストアップとなる。しかも、水冷配管用のフィードスルーを用意するなど設計ロードがかかる上に、装置のスペースの確保が困難となる。

そこで、本発明は、光学手段を大気雰囲気状態に保ちながら光学手段の発熱を抑制することが可能な光学装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、真空チャンバ内に設けられる対象を光学的に検出する光学装置であって、照明装置と、前記照明装置を包囲し当該照明装置からの光を透過させる窓を備え、当該照明装置周囲の空間と前記真空チャンバ外の空間とを連通させる包囲部材と、を備え、前記包囲部材には、真空チャンバ外の空気を前記照明装置に導入する空気導入路と前記照明装置内の空気を真空チャンバ外に排出する空気排出路が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、照明装置の周囲は真空チャンバ外と連通し、真空チャンバ外の空気によって照明装置が冷却されるため、大気雰囲気下で照明装置を使用できるとともに、照明装置を真空チャンバ外の空気によって冷却することができる。

なお、本発明において「真空」とは、大気雰囲気より少ない気圧の状態をいい、空気以外のガスを含んでいる場合も含む。

また「光学装置」とは、光学的作用を利用する装置を含む広い概念であり、位置等の検出装置、光学式検査装置、露光装置、イオン注入装置、その他光の入射や射出を行いうる構造を備えたものを含む。

ここで、照明装置としては、安価な光源、例えばハロゲンランプ等を使用可能であるが、発光ダイオードであることは好ましい。光源が発光ダイオードである場合には、ランプに比べ、交換の必要性が少ないため保守が容易である。つまり、包囲部材を取り外しできないように密閉構造とすることも可能である。また発光ダイオードは、必要な期間のみ発光させればよく発熱量が少ないため、故障が少なく、省エネルギーであり、またエネルギー損失が少ないため、照射部への加熱も抑制されるという利点もある。

例えば、包囲部材は、照明装置を収容するハウジングと、一端がハウジングに取り付けられ、他端が真空チャンバの壁面に設けられた貫通孔に取り付けられた、少なくとも一部に可撓性を有する中空の連結部材と、を備えていてもよい。このような構成によれば、連結部材の可撓性によって真空チャンバが吸引による気圧の変化により変形しても照明装置の位置に影響を与えない。さらに照明装置を可動に構成できる。また包囲部材は真空チャンバ内を移動可能であるため、照明装置を大気雰囲気に保ちながら真空チャンバ内の適当な位置に移動させることが可能である。特に、連結部分の可撓性を有する部分にベローズを含むように構成すれば、ベローズの伸縮の程度が弾性変形等に比べて大きいため長手方向や曲げ方向に自在に光学手段の位置を変更可能であり、真空チャンバ内における移動範囲を広範にすることができる。

本発明は、真空チャンバ内に設けられる対象を光学的に検出する光学装置であって、撮像装置と、前記撮像装置を包囲し前記対象からの光を透過させる窓を備え、当該撮像装置周囲の空間と前記真空チャンバ外の空間とを連通させる包囲部材と、を備え、前記包囲部材には、真空チャンバ外の空気を前記撮像装置に導入する空気導入路と前記撮像装置内の空気を真空チャンバ外に排出する空気排出路が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、撮像装置の周囲は真空チャンバ外と連通し、真空チャンバ外の空気によって撮像装置が冷却されるため、大気雰囲気下で使用できるため安価な撮像素子を撮像装置として使用できるとともに、撮像装置を真空チャンバ外の空気によって冷却することができる。なお、このような撮像素子としてはＣＣＤ（Charge Coupled Device）が使用可能であるが、これに限られない。また、撮像装置は真空チャンバ外壁より内側に配置可能であるため対象との距離を短くでき、光損失を最小限に抑えることができる。

ここで包囲部材は、撮像装置を収容するハウジングと、一端がハウジングに取り付けられ、他端が真空チャンバの壁面に設けられた貫通孔に取り付けられた、少なくとも一部に可撓性を有する連結部材と、を備えるようにしてもよい。このような構成によれば、連結部材の可撓性によって真空チャンバが吸引による気圧の変化により変形しても照明装置の位置に影響を与えない。また撮像装置を可動に構成できる。特に前記連結部材は、可撓性を有する部分にべローズを含むことは好ましい。このような構成によれば、連結部分の可撓性を有する部分にベローズを含むように構成すれば、ベローズの伸縮の程度が弾性変形等に比べて大きいため長手方向や曲げ方向に自在に光学手段の位置を変更可能であり、真空チャンバ内における移動範囲を広範にすることができる。

なお、本発明の光学装置は、例えば半導体製造等に用いられる製造装置の露光装置やイオン注入装置の一部に組み込んで利用する事が可能である。

以上説明したように、本発明によれば、照明装置や撮像装置等の光学装置の周囲は真空チャンバ外と連通しているため、大気雰囲気下で使用できる安価な光学装置を使用できるとともに、真空チャンバ外の大気を利用して光学装置を冷却することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の実施形態は、本発明の光学装置を例えばイオン注入装置や露光装置等の半導体製造装置における位置検出装置に適用したものである。

図１に、本実施形態に係る位置検出装置の概略図を示す。図２に、図１におけるＡ−Ａ切断面における断面図を示す。図１に示すように、当該半導体製造装置は、真空チャンバ４に、照明系１Ａ〜Ｃ、撮像系２Ａ〜Ｃ及びセンサ系３を備えている。照明系１Ａ〜Ｃ、撮像系２Ａ〜Ｃ及びセンサ系３は、真空中に設けられる対象を光学的に検出するための光学装置であって、少なくともその一部を周囲の空間と真空チャンバ４０外の空間とを連通させる包囲部材に囲まれている。照明系１Ａ及び撮像系２Ａ、照明系１Ｂ及び撮像系２Ｂ、照明系１Ｃ及び撮像系２Ｃはそれぞれ対になって、ステンシルマスク及びシリコンウェハのそれぞれに付与されているアライメントマークの位置検出を行うようになっている。

真空チャンバ４は、シリコンウェハの露光やイオン注入を行うためのプロセス室となっており、真空チャンバ外壁４０内部に、照明系１Ａ〜Ｃ、撮像系２Ａ〜Ｃ、及びセンサ系３を配置するセンサ台４１を備えている。センサ台４１には検出対象となるステンシルマスクを臨むための開口４２が設けられている。

図２に示すように、センサ台４１の下方には、ステンシルマスクＭを吸引し三次元方向に移動可能なマスクチャック４３、及びマスクチャック４３の下方においてシリコンウェハＷを載置し三次元方向に移動可能なウェハステージ４４を備えている。ウェハステージ４４及びマスクチャック４３は、それぞれ、例えば、ステップモータ等の動力手段と送り螺子や案内装置、回転テーブル等の機構手段とを備え、駆動パルスに対応する移動量だけステージを任意の方向、すなわち図面左右のＸ軸方向、図面奥行き方向のＹ軸方向、図面上下のＺ軸方向に搬送したりステージの回転角を変更したりすることが可能に構成されている。

また、マスクチャック４３またはウェハステージ４４の少なくとも一方は、さらに別の微動機構を備えており、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向及び各軸周りに微動可能に構成されている。このような微動機構は、例えば圧電素子、複数組のモータと送り螺子とからなる機構等によって実現される。

図１では、マスクチャック４３に吸引されたステンシルマスクＭ上のチップ領域ＣＡが開口４２を通して見えている。このステンシルマスクＭ及びシリコンウェハＷは露光等の処理時に当該プロセス室に搬入されるものである。図１における矢印はウェハやマスクの搬入口を示してある。

各照明系１Ａ〜Ｃの光源部１００（後述する）内部空間は、可撓性を有するベローズ１１により真空チャンバ外壁４０の外部と連通している。すなわち、ベローズ１１の一端は各照明系１Ａ〜Ｃの光源部１００のハウジングに設けられた貫通孔を塞ぐように取り付けられ、その他端は真空チャンバ外壁４０に設けられた貫通孔４０１を塞ぐように取り付けられ、照明系１の光源部１００の内部空間が真空チャンバ外部と挿通するようになっている。ベローズ１１内部には照明系１へ電力を供給するための配線１２が挿通している。

各撮像系２Ａ〜Ｃの撮像部２１０（後述する）内部空間は、可撓性を有するベローズ２１により真空チャンバ外壁４０の外部と連通している。すなわち、ベローズ２１の一端は各撮像系２Ａ〜Ｃの撮像部２１０ハウジングに設けられた貫通孔を塞ぐように取り付けられ、その他端は真空チャンバ外壁４０に設けられた貫通孔４０２を塞ぐように取り付けられ、撮像系２の撮像部２１０内部空間が真空チャンバ外部と挿通するようになっている。

ベローズ２１内部には撮像系２へ電力を供給し撮像した画像信号を取り出すための配線２２が挿通している。当該実施形態では、撮像系２を可動にしたため、真空チャンバ４内における可動範囲を大きくするためべローズ２１を照明系１のベローズ１１に比べ長めにしてある。

センサ系３の内部空間も、可撓性を有するベローズ３１により真空チャンバ４の外部と連通している。すなわち、ベローズ３１の一端は機密性を有するセンサハウジング３４に設けられた貫通孔を塞ぐように取り付けられ、その他端は真空チャンバ外壁４０に設けられている貫通孔４０３を塞ぐように取り付けられ、センサハウジング３４の内部空間が真空チャンバ外部と挿通するようになっている。ベローズ３１内部にはセンサ系３へ電力を供給し、検出結果の電気信号を取り出すための配線３２（配線３２１、３２２、３２３）が挿通している。

なお、ベローズ１１、２１、及び３１としては、真空チャンバ等の配管用として通常用いられる蛇腹状の金属ベローズを用いているが、真空中での使用が可能であって、必要とされる可撓性等に対する要求を満たすものであれば、他の可撓体構造を備えていてもよい。

ここで本発明の特徴である冷却系について説明する。図3は本発明の冷却系を中心に説明するための図で、後で説明する照明系、撮像系、センサ系等に関する部分については簡略化して示している。各べローズ１１、２１、３１と照明系１、撮像系２、センサ系３、真空チャンバ外壁４０との接合部には、例えば、図３に示すように、Ｏリング５０１、５０２が付され、真空チャンバ４内部に空気が漏えいしないよう、気密性を保つようになっている。

また、各ベロース１１、２１、３１内には、図３に示すように、真空チャンバ４外の空気（正圧のエア）を発熱源としての照明系（照明装置）１Ａ、１Ｂ、１Ｃと撮像系（撮像装置）２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよびセンサ系３に導入する空気導入路としてのチューブ５０が空冷系の一要素としてそれぞれ挿入されているとともに、例えば可撓性のあるチューブ又はパイプ５０の周囲には、照明系（照明装置）１Ａ、１Ｂ、１Ｃと撮像系（撮像装置）２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよびセンサ系３内の空気を真空チャンバ４外に排出する空気排出路としての空間部５２が形成されている。

チューブ５０は、配線１２、２２、３２とともにベローズ１１、２１、３１内に挿入されており、その一端側が真空チャンバ外壁４０の貫通孔４０１、４０２、４０３から真空チャンバ外壁４０の外側に突出され、他端側が照明系（照明装置）１Ａ、１Ｂ、１Ｃを構成するそれぞれの光源部100と撮像系（撮像装置）２Ａ、２Ｂ、２Ｃを構成するそれぞれの撮像部210およびセンサ系３内に挿入されている。真空チャンバ４外の空気（正圧のエア）がチューブ５０を介して照明系（照明装置）１Ａ、１Ｂ、１Ｃと撮像系（撮像装置）２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよびセンサ系３内にそれぞれ導入されると、導入された空気によって照明系（照明装置）１Ａ、１Ｂ、１Ｃと撮像系（撮像装置）２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよびセンサ系３内が冷却されるとともに、内部の空気が各ベローズ１１、２１、３１内の空間部５２を介して貫通孔４０１、４０２、４０３から真空チャンバ４外に排出される。図示しない空気の供給系は、クリーンルームで通常使用されているものでよく、これにチューブ50が接続されることにより、前記正圧のエアが供給される。

このように、照明系（照明装置）１Ａ、１Ｂ、１Ｃと撮像系（撮像装置）２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよびセンサ系３内を大気の雰囲気とした状態で、真空チャンバ４外の空気を照明系（照明装置）１Ａ、１Ｂ、１Ｃと撮像系（撮像装置）２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよびセンサ系３内に導入して冷却すると、真空チャンバ４外の空気を照明系（照明装置）１Ａ、１Ｂ、１Ｃと撮像系（撮像装置）２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよびセンサ系３内の空気による熱伝導を利用することができ、真空チャンバ４外の空気を照明系（照明装置）１Ａ、１Ｂ、１Ｃと撮像系（撮像装置）２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよびセンサ系３内を効率よく冷却することができる。

また、真空チャンバ４外の空気である正圧エアを冷却に用いているので、チューブ５０を各ベローズ１１、２１、３１内に挿入するだけでよく、設備費が上昇するのを抑制することができるとともに、冷却系を設計するにも、パイプ５０の配置を考慮するだけでよく、設計ロードの負担を軽減することができる。

さらに、水冷を採用する場合に比べ、空気がリークしても、水がリークしたときよりも被害を軽減することができ、リスクを回避することができる。

一方、本実施形態では、撮像系２のみを可動に構成してるが、撮像系２と真空チャンバ４０との接続にのみ可撓性を有するベローズ２１を用いるのではなく、組み立ての容易さや使用時における真空チャンバ４０の変形への対応を鑑み、本実施形態では照明系１やセンサ系３についても可撓性を有するベローズ１１及び３１を使用している。また各ベローズはアコーディオン状（ふいご状）の伸縮構造となっているため、長手方向及び曲げ方向に特に優れた可撓性を示すようになっている。

さらに、具体的な構造を説明する。図４に示すように、照明系１Ａ〜Ｃは、ステージ１３に光源部１００と光学部１１０とに分離されている。一点鎖線は射出光Ｌを示している。なお、図４では照明系１Ａを示しているが、照明系１Ｂ及び１Ｃについても、ベローズ１１の接続箇所が異なる点を除き、照明系１Ａと同様の構成になっている。

光源部１００は、内部に発光ダイオード１０７を収納する本体１０１、ボルト１０８により本体に取り付けられた後蓋１０２及び前蓋１０３によりハウジングが形成されている。前蓋１０３には開口１０４が設けられ、開口１０４にはガラス製の透光窓１０５が配置されており、発光ダイオード１０７から射出された光を外部に透過するようになっている。後蓋１０２及び透光窓１０５の周囲は、Ｏリング１０６により密封され内部の気密性を保つことができるようになっている。光源部１００には、図示しないベローズ１１が接続されて真空チャンバ４の外部と連通しており、内部が大気圧に保たれている。

光学部１１０は、本体１１１、ボルト１２１により本体１１１に取り付けられた前蓋１１３を備えている。光の入射側では、スペーサ１１８を介して適正な光学位置にレンズ１１９が配置され、レンズ押さえ１１２により締結されている。前蓋１１３には開口１１４が設けられ、ガラス等の透光窓１１５が配置されており、光を射出するようになっている。本体１１０の内部には全反射ミラー１１６が配置され、レンズ１１９経由で入射した光を透光窓１１５から射出するようになっている。本体１１１には気抜き孔１２０ａ及びｂが設けられている。これらの気抜き孔１２０ａ及びｂにより光学部１１０内部も真空に保たれるようになっている。

なお、透光窓１１５は、全反射ミラー１１６等の汚れを防止するために有効であるが必須の構成ではなく設けなくてもよい。透光窓１１５を設けない場合には、当該窓を取り付けるための前蓋１１３、周囲の空間を真空チャンバ４０内と連通するための気抜き孔１２０ｂも不要となる。

このような照明系１の構成によれば、ベローズ１１内の配線１２から供給された電力により発光ダイオード１０７が発光し、その光Ｌが透光窓１０５を経由して光学部１１０に入射する。光学系１１０において、レンズ１１９を透過した光Ｌは全反射ミラー１１６で反射されて透光窓１１５を透過し、ステンシルマスクＭへと射出される。光源部１００の内部空間は大気圧に保たれているため、発光ダイオード１０７は大気圧下でしか使用できない汎用性の高い安価な発光ダイオードを利用できる。同様に、大気圧に保たれるベローズ１１内の空間も大気圧に保たれているため、配線１２についても大気圧下で使用されるものを利用可能であり、特殊で高価な材料を用いた配線を使用する必要がない。

また当該照明系１の構成によれば、光源部が真空チャンバ内の真空な領域とは隔絶されているため、発光ダイオードから排出されるアウトガスによる真空チャンバ内の真空度低下のおそれはない。

さらに、発光ダイオード107はもともと発熱は小さいが皆無ではなく、光源部100のまわりを真空環境で囲まれており、何も対策を施さないと、次第に光源部100内の温度上昇があるところ、本実施の形態ではチューブ50を通して光源部100の内部に空気が導入されることにより、温度上昇を抑制できる。なお、光源部１００と光学部１１０とを一体化して構成し、内部の空間全部を大気圧に保持してもよい。このようにすれば気抜き孔１２０が不要になり、レンズ１１９や本体１１１内部の接着剤、塗料から発生するアウトガスを、ベローズ１１経由で外部に排出可能である。

図５に示すように、撮像系２Ａ〜Ｃは、二軸ステージ２３に載置された光学部２００と撮像部２１０とに分離されている。一点鎖線は入射光Ｌを示している。なお、図５では撮像系２Ａを示しているが、撮像系２Ｂ及び２Ｃについても撮像系２Ａと同様の構成になっている。

撮像系２を載置するステージ２３は、例えば、ステップモータ等の動力手段と送り螺子や案内装置等の機構手段とを備え、駆動パルスに対応する移動量だけステージを任意の方向、すなわち図面左右のＸ軸方向、図面奥行き方向のＹ軸方向に動かすことが可能になっている。

光学部２００は、全反射ミラー２０６が内部に設けられた本体２０１により、光路を変更可能になっている。光の入射側では、スペーサ２０４を介して適正な光学位置にレンズ２０３が配置され、レンズ押さえ２０２により締結されている。光の射出側には、スペーサ２０９を介して適正な位置にレンズ２０８が配置され、レンズ押さえ２０７により締結されている。本体２０１には気抜き孔２０５が設けられ、本体２０１内部が真空に保たれるようになっている。なお、図５では図示が省略されているが、レンズ２０３と２０８との距離は所定の構造により変更調整が可能に構成されている。

撮像部２１０は、撮像素子であるＣＣＤ２１１を収納する本体２１２、ボルト２１８により本体２１２に取り付けられた前蓋２１３及び後蓋２１７を備えている。前蓋２１３には本体２１２の空洞と連通する開口が設けられ、開口には透過窓２１４が設けられ光学部２００から入射した光をＣＣＤ２１１に導くようになっている。透過窓２１４及び後蓋２１７の周囲はＯリング２１６により密封され、撮像部２１０内部を大気圧に保つことが可能になっている。撮像部２１０には、図示しないベローズ２１が接続されて真空チャンバ４の外部と連通しており、内部が大気圧に保たれている。

このような撮像系２の構成によれば、ステンシルマスクＭからの光Ｌは光学部２００に入射し、レンズ２０３を透過して全反射ミラー２０６により反射され光軸方向が変えられた後、レンズ２０８を透過して撮像部２１０に入射する。撮像部２１０において、光Ｌは透光窓２１４を透過してＣＣＤ２１１に入射する。ＣＣＤ２１１に入射した光が電気信号に変換され、ベローズ２１内を挿通する配線２２を経由して真空チャンバ４外部に取り出される。

ここでステージ２３を駆動することにより、チップの大きさに合わせて、ステンシルマスクＭのチップ領域ＣＡ周辺に設けられた開口部からシリコンウェハＷ上のアライメントマークが正しく望めるように撮像系２全体を移動させることが可能である。撮像部２１０の内部空間は大気圧に保たれているため、大気圧でしか使用できない安価なＣＣＤを利用できる。またＣＣＤは真空チャンバ内の真空な領域とは隔絶されているので、ＣＣＤから排出されるアウトガスによる真空チャンバ内の真空度低下のおそれはない。同様に、大気圧に保たれるベローズ２１内の空間も大気圧に保たれているため、配線２２についても大気圧下で使用されるものを利用可能であり、特殊で高価な材料を用いた配線を使用する必要がない。

さらに、ＣＣＤ211に通電することにより、わずかではあるが発熱があり、撮像部210のまわりを真空環境で囲まれており、何も対策を施さないと、やはり次第に撮像部210内の温度上昇があるところ、本実施の形態では、チューブ50を通して撮像部210内部に空気が導入されることにより、温度上昇を抑制できる。

なお、光学部２００と撮像部２１０とを一体化して構成し、内部の空間全部を大気圧に保持してもよい。このようにすれば気抜き孔２０５が不要になり、レンズ２０３・２０８や本体２０１内部の接着剤、塗料から発生するアウトガスを、ベローズ２１経由で外部に排出可能である。

また、本実施形態では、撮像系２のみを二軸ステージ２３で移動させチップ領域ＣＡの大きさに応じて撮像系２の位置を変更可能に構成したが、照明系１を移動可能にしたり双方を移動可能にしたりするように構成することも可能である。またいずれも固定してよい場合には可動ステージは不要となる。さらに、照明系１Ａ〜１Ｃの光源部及び撮像系２Ａ〜Ｃの撮像部のいずれか一方のみを上述したような構成とし、他方を従来と同様の構成、すなわち真空対応の光源若しくはＣＣＤを真空チャンバ４内に設けるか、または大気圧用の光源若しくはＣＣＤを真空チャンバ４の外壁より外側（すなわち大気中）に配置するように構成してもよい。

図６に示すように、センサ系３は、気密性を有するセンサハウジング３４内部にグローバルアライメント用センサ３０Ａ・Ｂ及びレーザ変位計３３を収納している。当該センサ系３の下面のセンサ台４１には開口４５が設けられ、センサハウジング３４が取り付けられている。センサハウジング３４には、センサハウジング３４内の気密性を保ちながら光を透過可能になっている透過窓３６ａ及びｂが設けられている。すなわち、レーザ変位計３３用の透過窓３６ａは蓋３５ａにより、グローバルアライメント用センサ３０Ａ・Ｂ用の透過窓３６ｂは蓋３５ｂにより、それぞれＯリングを介してセンサハウジング３４に取り付けられている。透過窓３６ａと３６ｂは、前述した透過窓１０５や２１４と同様に、ハウジング内部の気密性を保つようにした状態でボルトによりセンサハウジング３４に取り付けられている。

図７に示すように、グローバルアライメント用センサ３０（３０Ａ及び３０Ｂ）は、本体３０１、後蓋３０２、及び前蓋３０３によりハウジングを形成しており、内部に発光ダイオード３０４、ＣＣＤ３０５、ハーフミラー３０６、スペーサ３０８により適正な光学距離に保たれたレンズ３０７を備えている。

この構成により、ベローズ３１内に敷設された配線３２１経由で真空チャンバ４の外部から供給された電力により発光ダイオード３０４が発光すると、その光Ｌはハーフミラー３０６を透過し、開口３０９から透過窓３６ｂを透過しステンシルマスクＭまたはシリコンウェハＷの所定箇所に設けられているグローバルアライメントマーク（各々２箇所に設けられている）に射出される。それらからの反射光は再び透過窓３６を経由して当該センサ３０に入射し、今度はハーフミラー３６によって異なる方向に反射され、レンズ３０７を透過し、ＣＣＤ３０５によって撮像され電気信号に変換される。この電気信号は再び配線３２２によってベローズ３１内を通して真空チャンバ４外部に取り出される。この電気信号に基づきステンシルマスクＭとシリコンウェハＷとの大まかな位置合わせが行われる。

図２に示すように、レーザ変位計３３は、発光ダイオード３３、レンズ３３２・３３３、ラインセンサ３３４を備えている。この構成により、レーザ変位計３３は、反射光の有無や反射面の高さを検出可能となっており、シリコンウェハＷやステンシルマスクＭの有無を判定したりウェハＷ上面やステンシルマスク上面の高さを測定したりすることができる。この測定を露光等の当初に行うことで、シリコンウェハＷやステンシルマスクＭの搬入、ウェハステージ４４のＺ軸方向の調整を行うことができる。

なお、グローバルアライメント用センサ３０Ａ及び３０Ｂからの配線３２２及びレーザ変位計３３からの配線３２１及び３２３（図示せず）は、ベローズ３１内を経由して真空チャンバ４の外部へ引き出されている。

ここでグローバルアライメント用センサ３０やレーザ変位計３３は、内部の空間がセンサハウジング３４の空間と挿通しており、センサハウジング３４内の空間はベローズ３１経由で真空チャンバ４の外部と挿通しているため、大気圧に保たれている。このため、発光ダイオード３０４・３３１、ＣＣＤ３０５、ラインセンサ３３４は、大気圧中で使用される安価なものが使用可能である。これらの部材は真空チャンバ４内の真空な領域とは隔絶されているため、アウトガスが発生したとしても真空チャンバ内の真空度低下のおそれはない。同じく、これらから真空チャンバ外へ引き出される配線についても気圧下で使用されるものを利用可能であり、特殊で高価な材料を用いた配線を使用する必要がない。さらにグローバルアライメント用センサ30やレーザ変位計33は、通電することによりわずかではあるが発熱があり、センサ系3のまわりを真空環境で囲まれており、何も対策を施さないとやはり次第に温度上昇があるところ、本実施の形態では、チューブ50を通して、センサ系3内に空気が導入されることにより、温度上昇を抑制できる。

上記構成において、シリコンウェハの搬入時には、シリコンウェハＷは図示しないアームにより搬入されウェハステージ４４に載置される。一方、ステンシルマスクＭはマスクチャック４３に吸引されプリアライメントされてシリコンウェハＷ上に配置される。

次いで、図２に示すように、マスクチャック４３またはウェハステージ４４は、搬入位置Ｐ１にまで搬入されセンサ系３の下方に配置される。レーザ変位計３３からは所定の波長のレーザ光が透光窓３６及び開口４５を介してステンシルマスクＭ上またはウェハＷ上の所定位置に射出され、その反射光の有無に基づいて、ステンシルマスクＭやウェハＷの有無が判断される。ステンシルマスクＭやウェハＷが存在しないと判断された場合には、それらの搬入が行われる。またレーザ変位計３３では反射面の高さによりウェハＷ上面までの距離が求められ、その測定距離に基づき適正な距離にウェハステージ４４が駆動される。また、グローバルアライメント用センサ３０により、マスクＭのおおよその二次元位置が定められる。

すなわち、露光イオン注入等の処理時のアライメント調整に際してステンシルマスクＭのチップ領域ＣＡ周囲の開口からシリコンウェハＷ上のアライメントマークが正しく望めるようにグローバルアライメントの観測結果に基づきウェハステージ４４またはマスクチャック４３が駆動され、二次元方向の大まかなアライメントが行われる。

次いで、処理位置Ｐ２まで、ステンシルマスクＭはマスクチャック４３とともに図示しない駆動機構により、また、ウェハＷはウェハステージ４４によって移動させられ、露光あるいはイオン注入等の処理が始められる。処理位置Ｐ２まで移動されたマスクＭのチップ領域ＣＡには、照明系１から光が射出され、そのチップ領域ＣＡの周囲に設けられた複数の開口部は撮像系２によって撮影される。そしてその開口部を通して望めるウェハＷの周囲に設けられたアライメントマークの位置ずれによって、ステンシルマスクＭに対するウェハＷの位置ズレ量が求められ、その空間位置が正しくなるようにマスクチャック４３またはウェハＷが微動機構により位置決めされることにより、正しい露光が可能になる。

以上、本実施形態によれば、照明系１、撮像系２、及びセンサ系３の周囲の空間は真空チャンバ４外と連通しているため、外部の大気雰囲気と同様の状態になっており、大気雰囲気下で使用せざるを得ない安価な光学手段（光源、撮像素子等）を使用できる。また、照明系１、撮像系２、及びセンサ系３を真空チャンバ４の外壁より内側に配置可能であるため、ステンシルマスクとの距離を短くでき、光損失を最小限に抑えることができる。さらに、照明系１、撮像系２、及びセンサ系３は配線１２、２２、３２の部分も含めてベローズ１１、２１、３１を介して真空チャンバ４外の空間と連通しているため、照明系１、撮像系２、及びセンサ系３の内部の接着剤や塗料、配線材料等から発生したアウトガスが外部に排出され、真空チャンバ４内に漏れ出ることがない。さらにまた、照明系１、撮像系２、及びセンサ系３が真空チャンバ４から独立して配置されているので、真空チャンバ外部にこれら光学装置を取り付けた場合に比べ、真空チャンバと光学装置との相対位置を制御する必要が無くなる。さらに真空チャンバが吸引による気圧の変化により変形しても光学装置の位置に影響を与えない。

本実施形態では、光源として発光ダイオード１０７や３０１を使用しているので、ハロゲンランプ等に比べ、交換の必要性が少ないため保守が容易である。また発光ダイオードは、必要な期間のみ発光させればよく発熱量が少ないため、故障が少なく、省エネルギーであり、またエネルギー損失が少なく、被照射部に対する加熱も抑制されるという利点もある。

また本実施形態によれば、包囲部材として、照明系１、撮像系２、及びセンサ系３を収容するハウジングをベローズ１１、２１、３１により真空チャンバ外壁４０の貫通孔４０１〜４０３に取り付けたので、ベローズの可撓性によって光学装置（特に、撮像系）を可動に構成できる。

また本実施形態によれば、光学装置を外部と連通するために伸縮自在なベローズ１１、２１、３１が設けられているので、長手方向に自在に光学手段の位置を変更可能であり、真空チャンバ内における移動範囲を広範にすることができる。
さらに、特に本実施の形態によればチューブ50を通して光源部、撮像部及びセンサ系の内部に冷却のための空気を導入したのでそれぞれの内部の温度上昇を効果的に抑制できる。

なお、本発明の連結部材に相当する構成としてベローズを用いたが、連結部の可撓性を必要としていない場合には可撓性の低いパイプで代用してもよい。また多少の可撓性を必要とする場合には、このような可撓性の低いパイプと可撓性の高いベローズとの組合せを用いてもよい。

本発明に係る光学装置を利用する位置検出装置を含む真空チャンバの平面図である。 図１におけるＡ−Ａ切断面における位置検出装置の断面図である。 本実施形態に係る空冷系の断面図である。 本実施形態に係る照明系の断面図である。 本実施形態に係る撮像系の断面図である。 本実施形態に係るセンサ系の断面図である。 本実施形態に係るグローバルアライメント用センサの断面図である。

符号の説明

ＣＡ…チップ領域、Ｍ…ステンシルマスク、Ｗ…ウェハ、１、１Ａ〜Ｃ…照明系、２、２Ａ〜Ｃ…撮像系、３…センサ系、１１、２１、３１…ベローズ（連結部材）、４…真空チャンバ、４０…真空チャンバ外壁、４０１〜４０３…貫通孔
５０…パイプ、５２…空間部

Claims (7)

1. 真空チャンバ内に設けられる対象を光学的に検出する光学装置であって、
   照明装置と、
   前記照明装置を包囲し当該照明装置からの光を透過させる窓を備え、当該照明装置周囲の空間と前記真空チャンバ外の空間とを連通させる包囲部材と、を備え、
   前記包囲部材には、真空チャンバ外の空気を前記照明装置に導入する空気導入路と前記照明装置内の空気を真空チャンバ外に排出する空気排出路が形成されていることを特徴とする光学装置。
2. 前記照明装置は、発光ダイオードである、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記包囲部材は、
   前記照明装置を収容するハウジングと、
   一端が前記ハウジングに取り付けられ、他端が前記真空チャンバの壁面に設けられた貫通孔に取り付けられた、少なくとも一部に可撓性を有する中空の連結部材と、を備え、前記連結部材内に前記空気導入路と前記空気排出路が形成されてなる、請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記連結部材は、可撓性を有する部分にベローズを含む、請求項３に記載の光学装置。
5. 真空チャンバ内に設けられる対象を光学的に検出する光学装置であって、
   撮像装置と、
   前記撮像装置を包囲し前記対象からの光を透過させる窓を備え、当該撮像装置周囲の空間と前記真空チャンバ外の空間とを連通させる包囲部材と、を備え、
   前記包囲部材には、真空チャンバ外の空気を前記撮像装置に導入する空気導入路と前記撮像装置内の空気を真空チャンバ外に排出する空気排出路が形成されていることを特徴とする光学装置。
6. 前記包囲部材は、
   前記撮像装置を収容するハウジングと、
   一端が前記ハウジングに取り付けられ、他端が前記真空チャンバの壁面に設けられた貫通孔に取り付けられた、少なくとも一部に可撓性を有する連結部材と、を備え、前記連結部材内に前記空気導入路と前記空気排出路が形成されてなる、請求項５に記載の光学装置。
7. 前記連結部材は、可撓性を有する部分にベローズを含む、請求項６に記載の光学装置。
   
   

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