JP2518171B2 - 照明用フアイバ−束検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、照明光学系中に使用されるフアイバー束の
検査装置、特にテレセントリツク照明光学系に好適な照
明用フアイバー束の検査装置に関する。

〔発明の背景〕

光学測定装置や光学式位置検出装置等においては、被
検物体面での光軸方向の焦点ずれが観察面やセンサ等の
受光面で、光軸に直角な方向の位置ずれとなつて計測を
狂わす原因となる。これを防ぐためには、その光学系を
テレセントリツク光学系に構成し、その対物レンズの被
検物体側を主光線が光軸に平行となるようなテレセント
リツクに設定することが従来からよく行われている。こ
の場合、被検物体を照明する照明光としては、主光線が
光軸に平行な光束が用いられ、その照明光による光源像
が対物レンズの瞳面に形成されるように構成されてい
る。しかしその際光源像に部分的に輝度ムラが有ると、
対物レンズの瞳面で照明の光量重心が光軸から偏るた
め、対物レンズの被検物体側での実質的主光線が光軸か
ら傾いてしまい測定を狂わす欠点が有る。

また一方、被検物から充分離れた適当な位置に照明光
源を設置するために、フアイバー束を介してその照明光
源からの光を被検物へ導くように構成された照明光学系
も公知である。しかし、これに使用されるフアイバー束
は、従来、その一端に結像された光源像からの光束を単
に射出面に導く機能のみで必要十分とされており、入射
面でのフアイバー繊維の配列と射出面でのそれとの関係
は実質的に何ら考慮されることが無かつた。その為、こ
のフアイバー束を前述のテレセントリツク照明光学系に
使用すると、照明光源に輝度ムラが有つたりフアイバー
束の一方の端面に入る光の照度が半径方向に変化する
等、その照度分布が偏つている場合には、他端から射出
された光は光量ムラを生じ、対物レンズの被検物体側に
おいて実質的主光線が光軸から傾いてしまい、テレセン
トリツク効果が失われる欠点が有つた。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来のテレセントリツク照明光学系の
欠点を解決するために用いられる照明ムラを除去可能な
特殊照明用フアイバー束の極めて簡便な検査装置を提供
することを目的とする。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために本発明は、複数のオプチ
カルフアイバーをランダムに束ねて形成された照明用フ
アイバー束の一方の入射端面に所定の光量分布を有する
光束を入射させる光源装置と、そのフアイバー束を通過
した光束を射出する他方の射出端面を走査し且つその射
出端面から射出される光束の一部を通過させる開口を有
する絞り手段と、その開口を通過した光束を受光して光
強度に応じた検出信号を出力する測光手段とを具備し、
絞り手段の走査に従つて測光手段が射出端面における射
出光束の光量分布に応じた信号を出力するように構成す
ることを技術的要点とするものである。

〔実施例〕

第１図は計測状態を示す本発明の実施例装置の断面
図、第２図は第１図の実施例中に設けられた開口絞りの
平面図、第３図は第１図の実施例装置で計測された光量
ムラを示す線図である。

第１図において、電源１から供給される電流によつて
点灯する光源２の光は集光レンズ３によつて、後で詳し
く述べられるランダム・フアイバー束20の一端20aに入
射され、その光は他方の射出端20bから射出される。ラ
ンダム・フアイバー束20の射出端部20cは固定の保持金
具４によつて保持されている。回転鏡筒５の一端はこの
保持金具４によつて回転可能に支持され、回転鏡筒５の
内部には、第２図に示すように扇形の開口6aを有する絞
り板６と集光レンズ７とシリコンフオトダイオード（SP
D）から成る第１受光素子８とが設けられている。な
お、絞り板６の開口6aを通過した光束はすべて集光レン
ズ７により第１受光素子８上に集光され、その受光素子
８の出力は増幅器９によつて増幅された後デジタル・ボ
ルトメータ10によつて表示される。

また、測定中に照明光量が変化すると、測定値が変動
するので、その光量変化は、第２受光素子11によつて検
出され、その検出出力に基づいてデジタル・ボルトメー
タ10に示された測定値が補正できるように構成されてい
る。なおまた、ランダム・フアイバー束20の入射端面20
aに近接して、光軸に直角な方向に偏心移動可能な開口
を有する遮光板12が設けられ、照明光の一部を遮断でき
るように構成されている。

第１図に示す実施例は上記の如く構成されているの
で、光源２を点灯すると、照明光は集光レンズ３によつ
てランダム・フアイバー束（被検物）20の入射端面20a
上に集光される。その際、その照明光の一部は絞り板12
によつてカツトされ、入射端面20a上での光量分布は偏
つたものとなる。次に、ランダム・フアイバー束20の射
出端部20cを保持金具４に取り付け、回転鏡筒５を回転
する。この回転鏡筒５の回転により開口絞り６が回転
し、その開口6aは、ランダム・フアイバー束20の射出端
面20bを回転走査する。従つて、もしその射出端面20bの
光量分布にムラが有つた場合には、回転鏡筒５が一回転
する間に、例えば第３図の実線曲線で示すような出力変
化がデジタル・ボルトメータ10に示される。また、もし
射出端面20bの光量ムラが少ないときは、第３図中で破
線にて示すようにほぼ平坦な曲線のような測定値が示さ
れる。それ故、このように、入射端面20aに入射する照
明光の光量分布に偏りが有つても射出端面20bでの光量
分布がほぼ平坦になるようなオプチカルフアイバー束を
テレセントリツク光学系中に用いれば、照明光源１の輝
度が一様で無く、また、その光量分布が偏つてランダム
・フアイバー束20に入射しても、完全なテレセントリツ
ク照明を行うことができる。

第１図に示すランダム・フアイバー束20は、複数のオ
プチカルフアイバーを束ねて、一方の端面のフアイバー
の並びと、他方の端面のフアイバーの並びとを違えて互
いに不規則な並びとなるように縒り合わせて形成したも
ので、第４図にその一例を示す。この第４図におけるラ
ンダム・フアイバー束20は直径δ＝0.1mm〜0.3mm程度の
オプチカルフアイバーを多数集めて直径Φ＝5mm〜10mm
程度になし、その両端面のフアイバーＡ、Ｂ、Ｃ……の
並びが第４図に示すように互いにランダムになるように
縒つて形成し、その両端を金属等の結束管21によつて圧
着結束させたものである。そのフアイバーＡ、Ｂ、Ｃ…
…縒り方が悪く、両端面でのフアイバーの並びがほぼ一
致しているかまたは偏りが有る場合には、第３図の実線
にて示すように受光素子８（第１図参照）の出力が大き
く変動する。しかし、その縒り方が良好で、第４図に示
すように、入射端面20a側のフアイバーＡ、Ｂ、Ｃ……
の並びに対し、射出端面20b側でそれぞれのフアイバー
の切口がその射出端面の全面に分散するように偏り無く
均一に分散形成されていると、射出端面20bにおける光
量分布は、第３図の点線に示すようにほぼ平坦なものと
なり、一様な照明光に変えることができる。

なお、ランダム・フアイバー束20の両端に設けられた
結束管21により、フアイバーＡ、Ｂ、Ｃ……はバラバラ
にならず、ランダム状態で強固に維持されるから、取扱
いが容易で、上記の検査装置や後で詳しく説明されるテ
レセントリツク光学系中に取り付けるのに極めて好都合
である。なおまた、ランダム・フアイバー束20の全長が
比較的短く且つフアイバー自身の直径が比較的太い場合
には、柔軟性を持たせるために、数10ミクロン程度の細
いオプチカルフアイバーを複数本束ねて、第５図に示す
ように直径δ＝0.2mm〜0.3mm程度の単位フアイバー束を
作り、これを多数集めて第４図に示すようなランダム・
フアイバー束20に形成してもよい。

第６図は、射出端側が２つに分岐されたランダム・フ
アイバー束30を検査する本発明の第２実施例を示す断面
図で、検査装置本体４〜８は同一のものを２組使用する
が、説明の都合上一方の検査装置本体には４〜８、他方
の検査装置本体には４′〜８′の符号を付して区別して
ある。その他、第１図と同じ機能を有する部材には第１
図のそれと同じ符号を付し、その詳しい構成については
説明を省略する。

２組の検査装置本体４〜８、４′〜８′の受光素子
８、８′の出力は、それぞれ増幅器９、９′によつて増
幅された後、差動増幅器12によつて両出力の差が取り出
され、デジタル・ボルトメータ10により測定値が表示さ
れる。この場合、２組の検査装置本体４〜８および４′
〜８′のうち一方は固定され、他方を回転して、分岐さ
れた２つの射出端面のうちの一方の光量を基準として回
転測定する側の他方の射出端面の光量分布状態が測定さ
れる。従つて、測定中にランブ２の光量に時間変化が生
じても、フアイバー束分岐の両端30A、30Bでの光量に対
する出力差をとつているため、正しい測定値が得られ
る。これにより高精度の光量ムラの測定が可能となる。

第７図および第９図は、第１図の実施例装置によつて
検査されたランダム・フアイバー束（被検物）20を有す
るテレセントリツク照明光学系を備えた光学測定機およ
び半導体製造用投影型露光装置の光学系配置図である。
第７図の落射照明型光学測定機の光学系配置図におい
て、光源101からの光は、集光レンズ102および凹面鏡10
3によつて、ランダム・フアイバー束20の入射端面20aに
集光される。この場合、光源101が集光レンズ102の光軸
に一致した位置に置かれているときは第８図において曲
線Ａにて示す如く一般入射端面20aの中心において最大
の光量となり、周辺に至るに従つて光量が減少する光量
分布を示すが、光源101が集光レンズ102の光軸から偏つ
て取り付けられると、例えば第８図中で破線Ｂにて示す
ように、偏つた光量分布を示す。しかし、ランダム・フ
アイバー束20の射出端面20bにおいては、その光量分布
は均等化され、実線Ａの入射光分布はＡ′にて示す如
く、また破線Ｂの入射光分布はＢ′にて示す如く射出端
面20bにおいてはいずれも偏りの無い平坦なものとな
る。

そのランダム・フアイバー束20の射出端面20bに近接
した開口絞り104を通して射出された光は、照明系レン
ズ105によつて集光されて平行光束となり、半透過プリ
ズム106で対物レンズ光軸に沿つて反射され、第２対物
レンズ107を通過した後、第１対物レンズ108内の絞り10
9の位置（第１対物レンズ108の瞳の位置）に集光して、
射出端面20bの像がその瞳位置に形成される。さらにそ
の光は再び平行光束となつて第１対物レンズ108から被
検物体110に投射される。従つて、その被検物体110は、
光量分布に偏りの無い極めて一様な照明光によつて第７
図中で上方から照明されることになる。その照明範囲は
視野絞り111によつて定められる。また、その照明光に
よつて照明された被検物体110からの反射光は第１対物
レンズ108の瞳位置（絞り109の位置）を通過するが、そ
の絞り109を通つて被検物体110の像を形成する光束の主
光線は瞳中心を通り物体側において光軸と平行になる。
従つて、完全なテレセントリツク機能を果す、測定誤差
の無い測定機を得ることができる。

第９図は、縮小投影型露光装置のアライメント用照明
光学系中にランダム・フアイバー束を用いたもので、超
高圧水銀灯201から発した光は楕円反射鏡202によりロー
タリーミラーシヤツタ203の反射面上に集光され、この
ロータリーミラーシヤツタ203に設けられた開口を通過
した後、コリメータレンズ204、フライアイレンズにて
構成されたオプチカルインテグレータ205およびコンデ
ンサーレンズ206を介して投影原板のレチクル207を照明
し、その照明されたレチクル207上のパターン像を縮小
投影レンズ208によつてウエハ209上に形成して焼付露光
を行うように構成されている。

一方、ロータリーミラーシヤツタ203で反射され、ア
ライメント光学系の第１集光レンズ210に入射する光束
は、ランダム・フアイバー束20の入射端面20a上に集光
される。その入射端面20aに集光される照明光束は、超
高圧水銀灯201の一方の電極によつてその中央部分の光
線がカツトされるため、光源像のベストフオーカス状態
以外では第10図（Ａ）に示すように、中心において光量
が極端に低下した部分を有する曲線Ｉの如き光量分布を
示す。しかし、ランダム・フアイバー束20の射出端面20
bにおいては、平均化され曲線IIに示すように平坦な光
量分布となつて射出される。射出端面20bから射出され
た照明光は、第２集光レンズ211、視野絞り212、半透過
鏡213、第２アライメント対物レンズ215、第１アライメ
ント対物レンズ214、移動ミラー216を介してレチクル20
7上のアライメントマークＰを照明し、さらに縮小投影
レンズ208を介してウエハ209上のアライメントマークＱ
を照明する。また、レチクル207およびウエハ209上の双
方のアライメントマークＰおよびＱは互いに重畳され
て、アライメント対物レンズ214、215により、半透過鏡
213の後方に配置されたITV撮像管217上に結像され、レ
チクル207上のアライメントマークＰに対するウエハ上
のアライメントマークＱの正確な位置合せが、そのITV
撮像管217を介して確認される。

なお、両アライメントマークＰおよびＱを照明する照
明光学系において、ランダム・フアイバー束20の射出端
面20bの像が縮小投影レンズ208の瞳208aの位置に形成さ
れるように各レンズ211、214、215は配置され、レチク
ル207に対してはいわゆるケーラー照明がなされ、ウエ
ハ209に対してはテレセントリツクな照明がなされるよ
うに構成されている。また、レチクル207が異なる大き
さのものと交換され、レチクル上のアライメントマーク
の位置が点Ｐの位置から点Ｐ′の位置に変えられても、
アライメントが可能なように、第１アライメント対物レ
ンズ214と移動ミラー216はレチクル207の面に平行なア
ライメント光軸Ｙに沿つて破線にて示す如く移動可能に
構成されている。この場合第１アライメント対物レンズ
214と第２アライメント対物レンズ215との間の光束は平
行光束である。

この第１アライメント対物レンズ214と移動ミラー216
との移動により、点Ｐ′上のアライメントマークとウエ
ハ209上の点Ｑ′上に在るアライメントマークとを重畳
して観察可能となるが、この場合、レチクル207上のＰ
点およびＰ′点と投影レンズ208の瞳208aの中心とを通
る主光線の投影光軸Ｘに対する角度はθからθ′に変化
する。従つて、ウエハ209上の異なる点ＱおよびＱ′を
照明するために瞳208aを通過する光束は、ランダム・フ
アイバー束20の射出端面20bでは互いに異なる位置Ｒ、
Ｒ′を通る。いま、射出端面20bにおける瞳208aの射影
を第10図（Ｂ）に示すようにＬ、Ｌ′とすれば、ウエハ
209上のＱ点はＬの範囲を通過する光によつて照明さ
れ、Ｑ′点はＬ′の範囲を通過する光によつて照明され
る。

そこで、ランダム・フアイバー束20を構成するフアイ
バーの並びが第４図に示すようにランダム配列になつて
いれば、たとえ入射端面20aにおいて第10図（Ａ）中の
曲線Ｉにて示すように光量分布が一様で無くても射出端
面20bにおいては曲線IIにて示す如くほぼ一様に平坦な
ものとなるので、投影レンズ208の瞳208aを通過する光
束の光量分布は、第１対物レンズ214と共に移動ミラー2
16を移動しても偏ることは無い。従つて、その照明光束
の主光線は、ウエハ209側において常に投影光軸に対し
て平行となり、正しいテレセントリツク照明が行われ
る。

しかし、ランダム・フアイバー束20が制作不良などに
よりその両端面でのフアイバーの並びがランダムに配列
されず、入射光の光量分布と射出光の光量分布にあまり
差が無いか、大きな偏りの有るときは、ランダム・フア
イバー束20の射出端面20bからは、例えば第10図（Ａ）
中で曲線Ｉに示すように、中央部分において高く、周辺
部において低い山形状の光量分布の光束が射出されるこ
とになる。この場合、射出端面20bの範囲Ｌを通つてウ
エハ209上のＱ点を照明する光束の瞳面での光量分布
と、範囲Ｌ′を通つてウエハ209上のＱ′点を照明する
光束の光量分布とは第10図（Ａ）に示す如く異なる。例
えば、範囲Ｌ′内では、光量が範囲Ｌ′の中心Ｒ′に対
して非対称に分布され、その光量重心の位置は範囲Ｌ′
の中心Ｒ′から偏つたものとなる。従つて、投影レンズ
208の瞳208aの位置においてもＱ′点を照明する光束の
光量重心が瞳208aの中心から偏つてしまう。そのため、
投影レンズ208の瞳208aを通る実質的主光線は瞳208aの
中心を通らず、ウエハ209側において投影光軸Ｘと平行
にならない。すなわち、テレセントリツク照明が行われ
ないことになり、ウエハ209と投影レンズ208との間に焦
点調節誤差が有ると、アライメントの精度が狂うことに
なる。その為、常に正しい、テレセントリツク照明を行
うためには、アライメントマークの位置が異なるレチク
ル207に交換する際に、その都度フアイバー束20の射出
端面を移動するかまたは光源201と楕円鏡202の位置を変
えて、瞳208aを通る照明光束の光量分布が瞳中心に対し
て対称的になるように調整しなければならない。

しかし、本発明の実施例に示す検査装置を用いてフア
イバー束の射出端面側での光量分布を測定検査し、その
光量分布にムラの無いものを上記の投影型露光装置の照
明光学系中に用いれば、レチクルや光源の交換の際に、
光源やフアイバー束の位置調整を行うこと無く、テレセ
ントリツクな照明を正しく行うことが可能となる。

上記の第１図に示す実施例において、絞り６、集光レ
ンズ７および受光素子８は一体に回転するように構成さ
れ、絞り６の開口6aと受光素子８の実質的受光面との関
係位置は鏡筒５が回転変位しても不変である。従つて、
鏡筒の回転による測光誤差が全く生じないから、正しい
光量分布を測定できる。なお、絞り６の開口6aは扇形に
形成されているが、これを円形となし、鏡筒５と共に、
ランダム・フアイバー束20の射出端面20bに沿つて自由
に摺動するように構成してもよい。また、光源２または
集光レンズ３を照明光軸に対して、偏心させ、ランダム
・フアイバー束20の入射端面20aでの光量分布を偏らせ
るように構成すれば、遮光板12は設けなくてもよい。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、所定の開口を有する開
口絞り（絞り手段）によりランダム・フアイバー束の射
出端面を走査し、その開口を通過する光束の光量を受光
素子によつて測光してその射出端面における射出光束の
光量分布を測定できるようにしたから、簡単な操作で、
ランダム・フアイバー束の両端におけるオプチカルフア
イバーの並びの不規則性の程度を検査することができ
る。

なお、この検査装置によつて検査された射出光束の光量
分布が一様なランダム・フアイバー束を光学機器のテレ
セントリツク照明光学系中に用いれば、正しいテレセン
トリツク照明を容易に行うことが可能となるという利点
が有る。

【図面の簡単な説明】

第１図は被検物のランダム・フアイバー束を装着した状
態を示す本発明の実施例の断面図、第２図は第１図の実
施例の要部をなす開口絞りの平面図、第３図は第１図に
示す実施例装置によつて測定された光量分布出力線図、
第４図は第１図に示す実施例装置によつて検査されるラ
ンダム・フアイバー束の斜視図、第５図は第４図に示す
ランダム・フアイバー束を構成する単位フアイバー束の
斜視図、第６図は分岐フアイバー束を装着した状態を示
す本発明の第２の実施例を示す断面図、第７図は、第１
図に示す実施例装置によつて検査されたランダム・フア
イバー束が配設されたテレセントリツク照明光学系を有
する光学測定機の光学系配置図、第８図は、第７図にお
けるランダム・フアイバーの入射端面と射出端面におけ
る光量分布を示す説明図、第９図は第１図に示す実施例
装置によつて検査されたランダム・フアイバー束が配置
されたアライメント用テレセントリツク照明光学系を備
えた投影型露光装置の光学系配置図、第10図は第９図に
示すランダム・フアイバー束の入射端面と射出端面とに
おける光量分布を示す説明図で（Ａ）はその光量分布
図、（Ｂ）は実際に利用される光束の範囲を示す平面図
である。 〔主要部分の符号の説明〕 ２……光源（光源装置） ３……集光レンズ（光源装置） ６……絞り板（絞り手段） 6a……開口（絞り手段） ７……集光レンズ（測光手段） ８……受光素子（測光手段） 20、30……ランダム・フアイバー束（照明用フアイバー
束）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 諸井 明彦 東京都品川区西大井１丁目６番３号 日 本光学工業株式会社大井製作所内 (56)参考文献 特開 昭58−167939（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−177421（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のオプチカルフアイバーをランダムに
   束ねて形成された照明用フアイバー束の一方の入射端面
   に不均一の光量分布を有する光束を入射させる光源装置
   と、前記照明用フアイバー束の他方の射出端面から射出
   される光束の一部を通過させ且つ該射出端面を走査可能
   な開口を有する絞り手段と、前記開口を通過した光束を
   受光して光強度に応じた検出信号を出力する測光手段と
   を具備し、 前記絞り手段は回転走査可能に構成され、 前記絞り手段の前記回転走査に従つて前記測光手段は、
   前記射出端面における射出光束の光量分布に応じた信号
   を出力し、これにより前記照明用フアイバー束のランダ
   ム性を検査可能であることを特徴とする照明用フアイバ
   ー束検査装置。