JPH0387604A - 光量制御装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野） 本発明は光量制御装置、特にマスクとウェハの位置関係
を両者に形成されているアライメントマークを光電検出
することにより測定する位置検出装置等の高精度光学測
定装置において、発光素子から光学系を介して光電変換
素子に入射する光の量を制御する光量制御装置に関する
。

（従来の技術） 従来、高精度光学測定装置の光量調節は、発光素子（例
えば、半導体レーザ等の光源）の発光出力、即ち発光強
度をアナログ的に可変して光電変換素子に入射させるこ
とにより行っていた。

第９図は、従来の光学測定装置の構成の一例を示す概略
ブロック図である。同図において、１０１は発光素子で
ある半導体レーザ、１０２は半導体レーザ１０１を駆動
するＬＤドライバ、１０３は半導体レーザ１０１の発光
出力を調節する光出力調節器、１０４は高精度光学測定
を行う光学系、１０５は、光学系１０４を通過した光束
を受光するＣＯＤ等の蓄積型のラインセンサ、１０６は
、ラインセンサ１０５により光電変換された電気信号を
処理する信号処理部である。Ｓはラインセンサ１０５に
入射する光束の強度分布をボす。

半導体レーザ１０１は、光出力調節器１０３により設定
された出力となるようにＬＤドライバ１０２により駆動
される。そして、半導体レーザ１０１より発光した光束
は、光学系１０４を通過して光学情報（例えば、位置情
報）を持った光束となり、ラインセンサ１０５により光
電変換される。ラインセンサ１．０５の出力は信号処理
部１０６で処理され、各種の電気的な情報（例えば、位
置情報）となる。

かかる光学測定装置において、ラインセンサ１０５に入
射する光量が少ない場合は、ラインセンサ１０５により
光電変換された電気信号の振幅が小さくなり電気的ノイ
ズ等によりＳ／Ｎが悪化し、信号処理部１０６の処理結
果の精度が悪化する。また、逆にラインセンサ１０５に
入射する光量が多い場合は、ラインセンサ１０５により
光電変換された電気信号が飽和してしまい、やはり信号
処理部１０６の処理結果の精度が悪化する。

そのため、従来このような測定系では、光学系の透過率
、反射率、屈折率および回折効率等が変化して、適切な
光量が得られない場合は、光源である発光素子の発光出
力即ち発光強度をアナログ的に可変して光電変換素子に
入射する光量を最適になるように制御していた。

〔発明が解決しようとしている問題点〕しかしながら、
従来の方式では、半導体レーザ１０１に流す電流を変化
させてその発光出力をアナログ的に変化させていたため
、発熱等により発振モードや発振波長、コヒーレント長
、発光点位置および発光点形状等が変化してしまうとい
う問題点があった。そして、光学系の透過率や反射率、
屈折率、回折効率等がそれらの影響を受け、高精度光学
測定装置では重大な問題となる。

本発明の目的は、上述の従来形における問題点に鑑み、
光源となる半導体レーザに発振モードや発振波長、コヒ
ーレント長、発光点位置、発光点形状等の変化を生じさ
せることなく、光量調節を行うことができ、これにより
光学系の透過率や反射率、屈折率、回折効率等に対する
影響を無くして、高精度の光学測定を可能とする光量調
節装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明は、光電変換素子に入
射する光の量の制御を半導体レーザの点灯時間を調整す
ることにより行うと共に、半導体レーザの点灯タイミン
グを、半導体レーザが点灯してから熱的に安定するのに
必要な時間だけ、光電変換素子の検出開始タイミングよ
り早くしている。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例に係わる光量制御装置を用い
た位置検出装置の概略ブロック図である。この位置検出
装置はマスク１５と半導体ウェハ１６のアライメントの
ために用いられる。半導体製造工程では、マスク側アラ
イメントマーク１５ａとウェハ側アライメントマーク１
６ａを光電検出することによりマスク１５とウェハ１６
の相対位置関係を調整した後、マスク１５を介してウェ
ハ１６を所定の露光エネルギー、例えば紫外線、エキシ
マレーザ光、ＳＯＲ光等で露光することにより、マスク
１５に形成されている半導体素子用パターンをウェハ１
６に焼付ける。

同図において、１は発光素子である半導体レーザ、２は
半導体レーザ１を駆動するＬＤドライバ、３はアライメ
ントマーク１５ａ、１６ａを光電検出するためのピック
アップ光学系で、半導体レーザ１、半導体レーザ１から
のレーザ光束を平行光にするコリメータレンズ１２、コ
リメータレンズ１２からの光束をアライメントマーク１
５ａ、１６ａの方向に反射して照明光１４とすると共に
アライメントマーク１５ａ、ｌｅａで回折されたマーク
位置情報光１７を透過するハーフくラー１３、ハーフミ
ラ−１３を透過した情報光１７を光電変換するＣＯＤ等
の蓄積型ラインセンサ４を有している。アライメント１
５ａ、１６ａはそれぞれフレネルゾーンプレートで形成
されており、そのＸＹ平面内での相対位置関係に応じて
情報光１７がラインセンサ４の受光面に入射する位置を
変化させる。なお、ピックアップ光学系３は、例えば、
１９８８年２月１６日に本件発明者と一部共通な発明者
によって提案された特願昭８３−３３２０３号　　　　
　　　　　に示されるようなものである。

５はラインセンサ４の蓄積時間等のタイよングを作り、
これに応じてラインセンサ４を駆動するラインセンサド
ライバ、６はラインセンサ４の出力（ラインセンサ４を
構成する各受光素子からの画素信号）を処理し、例えば
情報光１７のラインセンサ４の受光面における強度分布
の重心を周知の方法により計算する信号処理部、７はＬ
Ｄドライバ２とラインセンサドライバ５の同期をとり、
更に半導体レーザ１の点灯と消灯を制御するタイミング
制御部、８はタイミング制御部７による動作制御タイミ
ングを設定するタイミング設定器である。信号処理部６
はラインセンサ４の受光面（Ｙ方向に配列されている多
数の受光素子によって構成されている）に入射する情報
光の強度分布の重心位置を求めた後、この重心位置デー
タに基づいてマスク１５とウェハ１６のＸＹ面における
相対位置ずれ量を演算する。第１図のアライメントマー
ク１５ａ、１６ａからはマスク１５とウェハ１６のＹ方
向に関する相対位置ずれ量を求めることができるが、例
えば、その詳細は前述の特願昭６３−３３２０３号（Ｃ
ＦＥＯ８４３）で説明されている。なお、第１図におい
て、Ｓは情報光１７のラインセンサ４の受光面における
強度分布の一例を示している。

位置検出装置は、第２図に示す如く、ピックアップ光学
系３　（３Ｕ、３Ｄ、３Ｌ、３Ｒ）をマスク１５の周囲
に等間隔に４つ有している。ピックアップ光学系３Ｌ、
３ＲはＸ軸方向に沿って配置され、ピックアップ光学系
３Ｕ、３ＤはＹ軸方向に沿って配置されている。各ピッ
クアップ光学系は、第３図に示す如く、マスク１５とウ
ェハ１６のそれぞれに形成されている各ピックアップに
対応するアライメントマーク１５ａ、１６ａを充電検出
する。ピックアップ光学系３Ｌ、３Ｒは対応するアライ
メントマーク１５ａ、１６ａの光電検出によりマスク１
５とウェハ１６のＹ方向の相対位置ずれ量を測定し、ピ
ックアップ光学系３Ｕ、３Ｄは対応するアライメントマ
ーク１５ａ、１６ａの光電検出によりマスク１５とウェ
ハ１６のＸ方向の相対位置ずれ量を測定するために用い
られる。

マスク１５の４つのアライメントマーク１５ａはマスク
１５に形成されている半導体素子製造用パターン部１５
ｂの周囲に等間隔で配置されている。詳細には、略正方
形のパターン部１５ｂの各辺に沿ってパターン１５ｂの
外側に一つづつ配置されている。また、各ピックアップ
光学系３Ｌ。

３Ｒ１３υ、３Ｄはそれぞれ独立にＸＹ平面に沿って移
動できるようにＸＹステージ２１Ｌ。

２１Ｒ，２１Ｕ、２１Ｄのそれぞれに支持されている。

他は第１図と同′ＰＪなので、ここでは説明を繰り返さ
ない。

第６図はこの装置の動作タイミングを示している。各ピ
ックアップ光学系３Ｌ、３Ｒ，３Ｌ］。

３Ｄの後述する各タイミングは、タイくング制御部７に
よって同期がとられている。即ち、半導体レーザ１の点
灯時間ＴＡ、消灯時間Ｔｄのタイミング、及びラインセ
ンサ４の蓄積時間Ｔｃ、転送時間Ｔｔのタイくングは、
各ピックアップ３Ｌ。

３Ｒ，３Ｕ、３Ｄのそれぞれで同時に第６図に示すタイ
ミングで行われる。タイミング制御部７はピックアップ
３Ｌ、３Ｒ，３Ｕ、３Ｄのそれぞれで、 Ｔｃ＋Ｔｔ＝Ｔｊ！＋Ｔｄ となるように各タイミングを制御している。蓄積時間Ｔ
ｃ、転送時間Ｔｄは常に一定に維持される。また、半導
体レーザ１の発光強度は、有効発光時間Ｔｅの間、常に
一定となるようにＬＤドライバ２によって制御されてい
る。１回の蓄積時間Ｔｃで蓄積されたラインセンサ４ご
とのマーク検出信号に基づいて、マスク１５とウェハ１
６の相対位置ずれ量が求められる。

第６図において、点灯時間ＴＪＺはラインセンサの転送
時間Ｔｔと蓄積時間Ｔｃにまたがっている。この点灯時
間Ｔｕのうち、転送時間Ｔｔの側をブリ発光時間Ｔｐ、
蓄積時間Ｔｃの側を有効発光時間Ｔｅとする。ブリ発光
時間ｉ”ｐは半導体レーザ１の構造により決定される。

第４図は、半導体レーザ１の構造を示す斜視図である。

この半導体レーザ１において、レーザチップ３１の温度
変化は、レーザチップ３１とヒートシンク（図示せず）
と熱的に結合されたステム３２の熱抵抗および熱伝導率
、熱容量により決まる。そして、レーザチップ３１の温
度が点灯を開始してから安定するまでの時間Ｔｓ（第５
図参照）よりもブリ発光時間Ｔｐの方が長い時間となる
ように、ブリ発光時間Ｔｐを決定する。

第５図は、半導体レーザ１の点灯に伴うレーザチップ３
１の温度変化を示すグラフである。レーザチップ３１の
温度は、熱抵抗および熱伝導率、熱容量により同図（ｂ
）に示すような変化を示す。すなわち、半導体レーザ１
を点灯すると、外温ｔａに対してレーザチップ３１の温
度が上昇し、ステム３２に熱伝導することによってｔａ
なる温度に安定する。このような変化は、半導体レーザ
１のステム３２やキャップ３４の構造や材質によっても
変る。現在の半導体レーザの構成では、ｔａ　　の温度
に対しその１０％以内の範囲に収束するまでの時間Ｔｓ
は０．１〜５（ｍｓｅｃ）であり、それ以後はレーザチ
ップ３１の温度は安定する。そこで、 Ｔｓ＜Ｔｐ ヒなるようにブリ発光時間Ｔｐの最小値を半導体レーザ
１の構造により決定する。

有効発光時間Ｔｅは、ユーザの所望により、０＜Ｔｅ＜
Ｔｃ の間で可変することができ、ラインセンサ４に対して実
効的な光量を制御することができる。すなわち、本実施
例ではタイミング制御部７によって有効発光時間Ｔｅを
制御し、これによりラインセンサ４に入射する光束の実
効的な光量を最適値にしている。

例えば、タイミング制御部７が、蓄積時間Ｔｃの時間を
１００等分した時間を単位として有効発光時間Ｔｅを制
御するとすれば、ラインセンサ４に入射する光束の実効
的な光量を１／１００ステツプで制御でき、ラインセン
サ４に入射する光束の実効的な光量を最適値に調節する
ことができる。

次は、本発明の第２の実施例を説明する。装置構成は先
の実施例と同じであるが、第７図に示すタイミングで動
作する点が異なっている。

この実施例では第７図に示すよう社、有効発光時間Ｔｅ
と蓄積時間Ｔｃを同じ時間として同時に制御している。

すなわち、 Ｔｃ＋Ｔｔ＝Ｔｕ＋Ｔｄ、Ｔｅ＝Ｔｃ なる関係で有効発光時間Ｔｅと蓄積時間Ｔｃを同時に制
御して光量調節する。

基本的な光量制御の方法は、上述した第１の実施例と同
様に行うことができる。第１の実施例によれば、半導体
レーザ１の発光が停止しても、蓄積時間Ｔｃ中であれば
、ラインセンサ４は入射する外乱光束を受光して、光電
変換信号を蓄積するが、第２の実施例によればそのよう
なことは無くなる。そのため、第１の実施例と同様に、
ラインセンサ４に入射する光束の実効的な光量を最適値
に調節することが可能となる上に、第１の実施例に比べ
さらにＳ／Ｎの良い信号をラインセンサ４から得ること
ができる。

次に、本発明の第３実施例を説明する。装置構成は先の
実施例と同じであるが、第８図に示すタイくングで動作
する点が異なっている。先の実施例では、ピックアップ
３Ｌ、３Ｒ，３Ｕ、３Ｄのそれぞれの半導体レーザ１の
点灯と消灯を同じタイミングで制御している。この場合
、対向しているピックアップ間、例えばピックアップ３
Ｌ。

３Ｒ間で、第３図に示すようなことが起る可能性がある
。ピックアップ３Ｌ、３Ｒからの照明光１４はｘＺ面に
平行に且つＺ軸方向に対して図示の如く傾いてアライメ
ントマーク部分に投射されている。このため、例えば、
ピックアップ３Ｌからの照明光１４がマーク１５ａ、１
６ａで回折されて情報光１７となる際に、その一部が不
要回折光や散乱光２５となってピックアップ３Ｒに入射
することが考えられる。この場合には、ピックアップ３
Ｒのラインセンサ４には情報光１７以外に先の不要回折
光や散乱光２５が入射することになるので、ラインセン
サ４の受光面における強度分布が変化する。

この実施例は、この点を考慮したもので、各ピックアッ
プ３Ｌ、３Ｒ，３Ｕ、３Ｄの半導体レーザ１を時分割点
灯するものである。この場合、各ピックアップ３Ｌ、３
Ｒ，３Ｕ、３Ｄの半導体レーザ１をそれぞれ別のタイミ
ングで点灯するようにしても良いし、例えば、ピックア
ップ３Ｌ、３０を同じタイミングで点灯し、ピックアッ
プ３Ｒ，３Ｄの半導体レーザ１を同じタイくングで、且
つピックアップ３Ｌ、３Ｕの半導体レーザ１とは異なる
タイミングで点灯しても良い、第８図では後者の場合を
例にとって説明する。

この図において、（ａ）は各ピックアップ３Ｌ、３Ｒ，
３Ｕ、３Ｄのラインセンサ４の蓄積、転送タイミングを
示し、（ｂ）はピックアップ３Ｌ、３Ｕの半導体レーザ
１の点灯、消灯タイよングを示し、（Ｃ）はピックアッ
プ３Ｒ，３Ｄの半導体レーザ１の点灯、消灯タイミング
を示している。そして、この実施例では、ピックアップ
３Ｌ、３Ｕの信号処理部６は蓄積時間ＴｃのうちＡの部
分の間でラインセンサ４に蓄積されたマーク検出信号に
基づいてマスク１５とウェハ１６の位置ずれ量を求め、
ピックアップ３Ｒ，３Ｄの信号処理部６はＢの部分の間
でラインセンサ４に蓄積されたマーク検出信号に基づい
てマスク１５とウェハ１６の位置ずれ量を求めている。

他は第６図で説明した実施例と同じである。

なお、上述の実施例では、光電変換素子としてＣＣＤラ
インセンサを用いた場合を示したが、本発明においては
ラインセンサに限るものでは無い。例えば光電変換素子
としてＣＣＤエリアセンサ等を用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、光電変換素子の
受光する光束の光量をアナログ的に制御するのではなく
、一定出力の発光素子の発光時間を最適に制御するよう
にしているので、発光素子の発振モードや発振波長、コ
ヒーレント長、発光点位置、発光点形状等の変化を無く
して光電変換素子に入射する光束の光量調節を行うこと
が可能になる。

さらに、点灯開始時に発光素子が温度変化する時間にお
いてはセンサが充電変換信号を蓄積しないように制御し
ているので、発振モードや発振波長、コヒーレント長、
発光点位置、発光点形状等の変化が無い光束のみに基づ
いた、例えば位置計測を行うことができる。

そのため、本発明によって、光源の発振モードや発振波
長、コヒーレント長、波光点位置、発光点形状等の変化
の影響が生じない光量調節が可能となった。そして、光
学系の透過率や反射率、屈折率、回折効率等が設計した
光源のパラメータから変化しないので、高精度光学測定
が高精度で行えるようになった。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例に係わる位置検出装置を示す
図、 第２図は第１図に示す位置検出装置の全体的な光学配置
を示す図、 第３図は第２図の断面を示す図、 第４図は半導体レーザの構成を示す図、第５図は電源投
入時の半導体レーザのチップ温度変化を示す図、 第６図は本実施例の動作タイミングを示す図、第７図は
他の実施例の動作タイミングを示す図、 第８図は更に他の実施例の動作タイミングを示す図、 第９図は従来の光量制御装置を示す図である。 １・・・半導体レーザ、２・・・ＬＤドライバ、３・・
・ピックアップ光学系、４・・・ラインセンサ、５・・
・ラインセンサドライバ、７・・・タイミング制御部、
８・・・タイミング設定器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学系と、半導体レーザと、上記光学系を介して
   上記半導体レーザからの光を光電変換する光電変換素子
   と、上記半導体レーザを制御するための制御手段を有し
   、上記制御手段は上記光電変換素子に入射する光の量を
   調整するために上記半導体レーザの点灯時間を制御する
   と共に、上記半導体レーザの点灯開始時刻を上記光電変
   換素子の光電変換開始時刻より上記半導体レーザが点灯
   してから熱的に安定するのに要する時間以上早くするこ
   とを特徴とする光量制御装置。
2. （２）上記光電変換素子は蓄積型の光電変換素子である
   請求項１記載の光量制御装置。
3. （３）上記制御手段は上記半導体レーザの発光出力を一
   定に制御する請求項１記載の光量制御装置。