JPH06102011A - 対象面の位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＴＴＬ型で、走査しても光束が瞳上で移動しな
い光てこ式の対象面の位置検出装置を提供すること。 【構成】対象面８ａに臨ませた対物レンズ１０ａを介し
て対象面８ａの検査または測定する主光学系１０と、点
状又は線状の光源１２からの光束を走査鏡２１を介して
走査すると共に、この走査された光束を対物レンズ１０
ａを介して対象面８ａに走査投影し、且つ、前記走査に
より対象面８ａ上に結像される２次光源像を対物レンズ
１０ａを介して受光センサー１５に案内するサブ光学系
１１とを備える対象面の位置検出装置において、走査鏡
２１の光束走査位置と対物レンズ１０ａの瞳位置２３と
を共役にするための光学系２２を走査鏡２１と瞳位置２
３との間に設けた対象面の位置検出装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、主光学系の焦点位置
に対する対象面の位置を検出する対象面の位置検出装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光学装置には、対象物の表面（対
象面）の位置を位置検出装置（位置検出光学系）で検出
して、主光学系の対象面に対する位置を検出させる様に
したものがある。この光学装置としては、例えば、写真
技術を用いてウエハ（対象物）に電子回路を構築する際
に、或は構築した後等において、ウエハの表面（対象
面）の位置を位置検出装置により検出して、ウエハの表
面を主光学系で観察・測定或は表面処理したりする様に
したものがある。

【０００３】この種の光学装置に用いられる位置検出装
置としては、図３に示した様に主光学系とは別の焦点検
出装置（焦点検出光学系）で対象物に照射して、対象面
の位置を検出するタイプのもの、或は、図４に示した様
にＴＴＬタイプのものが考えられている。以下、この２
つのタイプにつき説明する。

【０００４】(1)．主光学系とは別の焦点位置検出装置
[焦点位置検出光学系]（図３） 図３は、主光学系１とは別に光てこ方式で走査型の焦点
位置検出装置すなわち焦点位置検出光学系２を設けた例
を示したものである。１ａは主光学系１の対物レンズで
ある。

【０００５】この焦点位置検出光学系２は、点状又は線
状の光束を射出する光源３、走査鏡４、照明レンズ５、
受光レンズ６、ラインセンサー或はＰＳＤ等の受光セン
サー７から構成される。この光源３からの点状或は線状
の照明光束は、走査鏡４により走査されながら，照明レ
ンズ５を介して対象物８に投影され、対象物８の対象面
８ａ上に結像されて、対象面８ａ上に２次光源像を形成
する。

【０００６】一方、この２次光源像が受光レンズ６で拡
大されて受光センサー７に投影され、受光センサー７か
らは検出信号が出力される。そして、この受光センサー
７からの出力信号を基に、２次光源の重心位置または光
量分布を算出させることにより、対象面８ａの各部の位
置を知ることができる。

【０００７】この際、対象面８ａの高さが凹凸により部
分的に上下変動して、この変動部に形成される２次光源
像の反射光量が変動しても、２次光源の重心位置または
光量分布を知ることにより、変動部の位置を知ることが
できる。尚、走査鏡４を使用せず走査をしない固定式の
ものもある。

【０００８】(2)．ＴＴＬで固定型焦点位置検出装置
（図４） 図４に示した光学装置は、対物レンズ１０ａ，ビームス
プリッタ１０ｂ，その他の光学部材(図示せず)等からな
る主光学系１０と、ＴＴＬ型光てこ方式の位置検出光学
系（位置検出装置）１１を有する。

【０００９】この位置検出光学系１１は、主光学系１０
と共通の光学部材対物すなわちレンズ１０ａ，ビームス
プリッタ１０ｂを有する。この位置検出光学系１１で
は、照明系の光源１２からの点状又は線状の光束を投影
用補助レンズ１３，ビームスプリッタ１０ｂ，対物レン
ズ１０ａを介して対象物８の対象面８ａに投影結像させ
て、対象面８ａに２次光源像を形成させる様になってい
る。

【００１０】しかも、この２次光源像は、対物レンズ１
０ａ，ビームスプリッタ１０ｂ，受光系の受光用補助レ
ンズ１４を介して受光センサ７ーと同様な受光センサー
１５に投影結像されるようになっている。そして、この
受光センサー１５からの出力信号を基に、２次光源の重
心位置または光量分布をを算出させることにより、対象
面８ａの各部の位置を知ることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、高精度な測
定や検査をするためには、レンズのＮＡ（レンズの開口
数）が大きく、波長の短い光を透過可能な高解像力の対
物レンズを使用しなければならない。尚、この高解像力
の対物レンズは、焦点深度が浅いので高精度な焦点合わ
せをしなくてはならない。

【００１２】しかし、(1)に示した様な外付けの焦点位
置検出光学系２を用いた場合には、温度変化により焦点
位置検出光学系２と対物レンズ１ａとの相対位置が変化
して、対物レンズ１ａと焦点位置検出光学系２の照明レ
ンズ５との焦点位置がずれたり、温度気圧等により対物
レンズ１ａの焦点位置と照明レンズ５の焦点位置がずれ
たりして、測定精度が変化するので、好ましくない。ま
た、(1)のタイプでは、対物レンズ１ａの交換による測
定精度の変化も生じる。

【００１３】この様な測定精度の変化は、(2)に示した
様な対物レンズ１０ａを使用したＴＴＬ型の焦点位置検
出装置を用いることで防止できる。また、焦点位置検出
光学系の配置の上からも、ＴＴＬ型の焦点検出装置が望
ましい。

【００１４】しかも、対象物８の対象面８ａに反射率の
異なる部分がある場合、焦点検出位置が(2)の様な固定
式の光てこ式焦点検出装置では、反射率の異なる部分の
境界で誤差を生じるので、走査型にすることが望まし
い。

【００１５】しかし、(2)の主光学系１０の瞳は対物レ
ンズ１０ａの中あるいは対物レンズ１０ａ近傍にあるの
で、対物レンズ１０ａそばに偏向装置を設けることはで
きない。瞳から離れた位置で偏向させた場合、光源１２
からの投影光束の主光線が対物レンズ１０ａの瞳上で移
動することになる。

【００１６】この瞳位置上での投影光束の移動は対象面
８ａに対する入射角αの変化となる。対象面８ａの各部
における高さの上下変動量と対象面８ａでの２次光源像
の移動量の倍率は２Δβtａｎαである（Δは被検面の
上下方向の移動量、βは対物レンズ１０ａと受光系の光
学倍率、αは図４に示す入射角である。）。

【００１７】そして、入射角αが変動すると検出倍率の
変動になり正確な焦点検出が困難になる。しかも、対象
面８ａの反射率は入射角αより変化するので、正確な測
定には対象面８ａへの入射角αが一定となるのが望まし
い。また、走査時に瞳上で光束が移動する場合には、常
時対物レンズ１０ａに光束が入射するようにしなくては
ならないが、こうすると平均的な対象面８ａへの入射角
αが小さくなり、前記の数式から分かるように検出倍率
が低下してしまう。さらに、一般的な物質では入射角が
小さいほど反射率も低いので、さらに焦点検出の精度が
低下する原因になる。

【００１８】以上の点から、ＴＴＬ型で、走査しても光
束が瞳上で移動しない光てこ式の対象面の位置検出装置
を構成することが望ましい。

【００１９】そこで、この発明は、この要望に沿うもの
で、ＴＴＬ型で、走査しても光束が瞳上で移動しない光
てこ式の対象面の位置検出装置を提供することを目的と
するものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、対象面に臨ませた対物レンズを介して前記対象面の
検査または測定を行うための主光学系と、光源からの点
状又は線状の光束を走査手段を介して走査すると共に、
この走査された光束を前記対物レンズを介して前記対象
面に走査投影し、且つ、前記走査により前記対象面上に
結像される二次光源像を前記対物レンズを介して受光セ
ンサーに案内するサブ光学系とを備える対象面の位置検
出装置において、前記走査手段の光束走査位置と前記対
物レンズの瞳位置とを共役にするための光学系を前記走
査手段と前記瞳位置との間に設けた対象面の位置検出装
置としたことを特徴とするものである。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図１，図２に基づ
いて説明する。

【００２２】[第１実施例]図１は、本発明の第１実施例
を示したものである。

【００２３】図１に示した光学装置は、対物レンズ１０
ａ，ビームスプリッタ１０ｂ，その他の光学部材(図示
せず)等からなる主光学系１０と、ＴＴＬ型光てこ方式
の位置検出光学系すなわちサブ光学系（位置検出装置）
１１を有する。このサブ光学系１１は、主光学系１０と
共通の光学部材対物すなわちレンズ１０ａ，ビームスプ
リッタ１０ｂを有する。

【００２４】このサブ光学系１１では、照明系の光源１
２からの点状又は線状の光束を、投影用補助レンズ１
３，走査鏡２１（走査手段），レンズ２２ａ，２２ｂか
らなるビームエキスパンダー等の光学系２２，ビームス
プリッタ１０ｂ，対物レンズ１０ａを介して対象物８の
対象面（被検面）８ａに投影結像させて、対象面８ａに
２次光源像を形成させる様になっている。この光学系２
２は、走査鏡２１を対物レンズ１０ａの瞳位置２３と共
役にしている。

【００２５】しかも、この２次光源像は、対物レンズ１
０ａ，ビームスプリッタ１０ｂ，走査鏡２１，光学系２
２，受光系の受光用（結像用）の補助レンズ１４を介し
て受光センサー１５に投影結像されるようになってい
る。

【００２６】そして、この受光センサー１５からの出力
信号を基に、２次光源の重心位置または光量分布を算出
させることにより、対象面８ａの各部の位置を知ること
ができる。

【００２７】ところで、光てこ式の焦点位置検出装置で
は、対象面８ａの反射率の異なる部分の境界すなわち反
射率の変化する境界で検出誤差が増大する。しかし、上
記構成により、走査鏡２１を走査して、光源１２の２次
光源像を対象面８ａ上で移動させ、焦点検出を行う位置
を変化させて、対象面８ａの平均的な位置を割り出すこ
とで、対象面８ａ反射率の異なる部分間の境界での検出
誤差を著しく低減できる。

【００２８】また、走査鏡２１が、対物レンズの瞳位置
２３に配置できれば、走査しても光源１２からの光束が
瞳位置２３上で移動しないが、対物レンズ１０ａの瞳位
置２３は通常は対物レンズ１０ａの中あるいは対物レン
ズ１０ａの近傍なので、走査鏡２１を瞳位置２３に配置
することは困難である。さらに、主光学系１０との分離
を行うビームスプリッター１０ｂと対物レンズ１０ａの
間に走査鏡２１を配置することは、主光学系１０から見
た開口の一部を遮蔽することになり、その結果主光学系
１０の性能低下になってしまう。その上、対物レンズ１
０ａと対物レンズ１０ａの瞳位置２３との間にビームス
プリッター１０ｂを配置することも、その間隔がないあ
るいは狭いことから不可能である。

【００２９】従って、走査鏡２１を対物レンズ１０ａの
瞳位置２３に投影する光学系２２を設けることにより、
走査鏡２１と瞳位置２３を上述した様に共役となるよう
にしている。これにより、走査鏡２１により光源１２か
らの光束を走査しても、この光束は瞳位置２３上で移動
しない。通常、検査光学系の対物レンズ１０ａは対象物
８側にテレセントリックにであるので、光源１２からの
光束を走査しても対象面８ａへの入射角αは変化しな
い。

【００３０】しかも、対象面８ａでの反射角もβ（α＝
β）で変化しないので、対象面８ａで反射した光束も瞳
位置２３上の入射時の正反対の位置に戻ってくる。この
光束は光学系２２を再び逆方向に通過して、結像用の補
助レンズ１４により受光センサー１５上に結像する。

【００３１】対象面８ａが凹凸或は傾斜により部分的に
上下変動すると、対象面８ａに投影された光源１２は対
物レンズ１０ａから観察した場合に左右方向の２次光源
の移動として観察される。これを光学系２２と補助レン
ズ１４で受光センサー１５に拡大投影しているので、対
象面８ａ上の２次光源像の移動は受光センサー１５上で
は２次光源像の移動になる。この受光センサー１５にラ
インセンサのような光の分布を示すセンサやＰＳＤのよ
うな光の重心を示すセンサを使用して、受光センサー１
５の出力を処理することで焦点移動の検出が可能とな
る。この様に走査すると、受光センサー１５上の２次光
源像も移動するが、これを受光センサー１５の出力の時
間平均をとることで対処できる。

【００３２】本実施例の焦点位置検出光学系は、主光学
系１０の対物レンズ１０ａを共用しているので、環境変
化などによる対物レンズ１０ａの焦点位置が変化して
も、主光学系１０と焦点位置の差がでない。しかも、こ
の構成により、像面は、主光学系１０とサブ光学系１１
は一致しているので、走査鏡２１により光源１２からの
光束を走査しても、対象面８ａ上における２次光源のス
ポットの大きさも変化しない。その結果さらに対象面８
ａにおける反射率の差による影響を受けにくくなる。

【００３３】また、本実施例の焦点位置検出位置では、
走査鏡２１で光源２１からの光束を走査移動して、受光
センサー１５からの出力信号を平均化しているので、反
射率の部分的な変化による焦点検出誤差も低減してい
る。

【００３４】更に、光学系２２を加えたことで、走査を
行っても入射角αが変動しないので、焦点位置検出精度
も変化せず、簡単な時間平均化処理を施すだけで正確な
焦点が検出できるようになる。また、感度はｔａｎαに
比例するが、走査時に入射角αが変化しないので、対物
レンズの開口数とオートフォーカスで使用する光束の太
さで許される限界までαを大きくできる。つまり、常時
最大感度で焦点が検出できることになるし、対象物８の
反射率も入射角αが大きくなると通常は高くなるので光
量が増大し、かつ入射角αが一定であるので反射率も一
定になるので、更に高精度の焦点検出が可能になる。

【００３５】走査鏡２１に替えて焦点検出位置を左右等
に変化させるための走査手段としては音響光学素子によ
る方法もある。また、図１では光学系２２はエキスパン
ダーであるが、走査鏡２１を瞳位置２３と共役にすると
共に、光源１２を対物レンズ１０ａを通して対象面８ａ
に結像させる共役関係にできれば、エキスパンダーであ
る必要はない。

【００３６】[第２実施例]図２は、この発明の第２実施
例を示したものである。

【００３７】また、図２は図１に示した走査鏡２１を往
路・復路で共用している実施例を示したものである。本
実施例では、走査鏡２１が大きくなるが、光源１２から
の光束を走査鏡２１で走査しても、受光センサー１５上
で２次光源像が移動しない利点がある。

【００３８】この場合には、光束が走査鏡２１に当たる
位置ではなく、偏向した光束が偏向する前の光束と交わ
る位置３１を偏向位置として、位置３１と対物レンズ１
０ａの瞳位置２３とを共役にする。

【００３９】

【発明の効果】ＴＴＬ型の焦点検出装置に、走査機構を
設け、その偏向位置を対物レンズの瞳位置と共役にする
ことで、環境の変化に強く、被検物の反射率が変化して
も高精度な焦点検出が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の対象面の位置検出装置にかかる光学
系の第１実施例を示す概略説明図である。

【図２】この発明の対象面の位置検出装置にかかる光学
系の第２実施例を示す概略説明図である。

【図３】従来の対象面の位置検出装置の光学系の一例を
示す説明図である。

【図４】従来の対象面の位置検出装置の光学系の他の例
を示す説明図である。

【符号の説明】

８…対象物 ８ａ…対象面（被検面） １０…主光学系 １０ａ…対物レンズ １１サブ光学系 １２…光源 １５…受光センサー ２１…走査鏡（走査手段） ２２…光学系 ２３…瞳位置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象面に臨ませた対物レンズを介して前
   記対象面の検査または測定を行うための主光学系と、 光源からの点状又は線状の光束を走査手段を介して走査
   すると共に、この走査された光束を前記対物レンズを介
   して前記対象面に走査投影し、且つ、前記走査により前
   記対象面上に結像される二次光源像を前記対物レンズを
   介して受光センサーに案内するサブ光学系とを備える対
   象面の位置検出装置において、 前記走査手段の光束走査位置と前記対物レンズの瞳位置
   とを共役にするための光学系を前記走査手段と前記瞳位
   置との間に設けたことを特徴とする対象面の位置検出装
   置。