JPH07113548B2

JPH07113548B2 - 表面変位検出装置

Info

Publication number: JPH07113548B2
Application number: JP61144340A
Authority: JP
Inventors: 英夫水谷; 武司須藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-06-19
Filing date: 1986-06-19
Publication date: 1995-12-06
Anticipated expiration: 2010-12-06
Also published as: JPS62299716A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は表面変位検出装置に関し、例えば半導体製造装
置における焦点位置検出装置に適用して好適なものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、半導体製造装置における焦点位置検出装置とし
て、特開昭56−42205号公報に開示されているように、
投影レンズによつてマスクパターンが転写される位置に
配設された半導体ウエハに対して斜めに検出光を照射す
る斜め入射型の焦点位置検出装置が用いられている。

この焦点位置検出装置は、半導体ウエハの表面を被検出
面として、当該被検出面にスリツト状の検出光束（これ
をスリツト検出光と呼ぶ）をスリツトの長手方向が、入
射光と反射光で張る平面（入射面）と垂直になるような
方向で照射させ、その反射光束（これをスリツト反射光
と呼ぶ）を受光部に配設されている光電変換素子でなる
検出部上に再結像させることによつて、検出部上の反射
光の入射位置を判知し得るようになされている。

この構成において被検出面となる半導体ウエハの表面が
上下方向に変位する（投影レンズに近づいたり遠のいた
りすることをいう）と、その上下方向の変位に対応して
検出部に入射するスリツト反射光がその入射方向に対し
て直交する方向、すなわち、スリツトの幅方向に横ずれ
することを利用して、当該横ずれ量を知ることによつて
半導体ウエハの表面が投影レンズに対して合焦位置にあ
るか否かを判定するようになされている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところでかかる構成の斜め入射型焦点位置検出装置を用
いて半導体ウエハの表面位置を検出する場合、被検出面
からのスリツト反射光を検出部上に再結像させたとき、
その像がデフオーカスすると、検出部から得られる位置
検出結果に誤差が生ずることが分つた。

その原因を種々検討したところ、半導体ウエハの表面部
分は、シリコンなどでなる半導体基板上にフオトレジス
トなどの薄膜が付着されている場合が多く、当該薄膜の
膜厚が１〜２〔μｍ〕程度になつたとき、薄膜の表面に
おいて反射した反射光と、薄膜を透過して半導体基板の
表面において反射した光とによつて干渉が生ずるため
に、検出結果に誤差を生ずる原因になると考えられる。

因に一般にフオトレジストなどのように有機物質で構成
されている材料は、感光波長より長い波長では比較的透
過率が良く、従つて干渉が生じ易い。しかも干渉は薄膜
の厚さ（その方向は検出しなければならない被検出面の
高さと同じ方向になる）に変化があれば、これに応じて
検出部へのスリツト反射光の光の強さが周期的に変化す
るので、この周期的変化が被検出面の高さについての検
出結果に誤差として混入することになる。

特に、半導体ウエハ上にスリツト像を結像させるスリツ
ト検出光は、開き角N.A.をもつているので、当該スリツ
ト検出光を形成する各光線の入射角が互いに異なること
になり、その結果被検出面ないしフオトレジスト薄膜の
内部における反射光線相互間の干渉条件が互いに相違す
ることにより、検出部上に再結像されたスリツト像が焦
点ずれ（すなわちデフオーカス）状態にあるとき、検出
部の位置検出信号に誤差が生ずると考えられる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、被検出面
に入射するスリツト検出光を構成する各光線について、
被検出面において生ずる干渉の影響をできるだけ小さく
することにより、反射光の位置検出結果の精度を、一段
と改善し得る表面変位検出装置を提案しようとするもの
である。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる問題点を解決するため本発明においては、検出光
L0を光透過性薄膜5Cを有する被検出面5A上に結像させ、
当該被検出面5Aからの反射光LRを検出部10上に結像させ
ることにより、被検出面5Aの位置が基準位置y₀から変位
したときこれに応じて反射光LRの検出部10上への入射位
置y_dが変化するようになされた表面変位検出装置におい
て、検出部10に入射する反射光LRの被検出面が変化した
ときに、検出部10上で反射光LRが変位する方向における
開き角N.A.を狭くする開き角制限用絞り９を検出光L0又
は反射光LRの光路に介挿するようにする。

またこれに加えて開き角制限絞り９は、位置検出動作モ
ード時反射光LRの被検出面が変位したときに、検出部10
上で反射光LRが変位する方向における開き角N.A.を狭く
するように制限し、かつ反射光LRの検出部10上における
結像の焦点調整動作モード時反射光LRの前記方向におけ
る開き角N.A.の制限をはずして拡げるように構成するよ
うにする。

〔作用〕

検出動作モード時、反射光LRの前記変位方向における開
き角N.A.を狭くする開き角制限用絞り９を設けたことに
より、検出部10上の像がデフオーカスした際に像の変位
方向の光量分布を極端に偏らせないようにし得、かくし
て光量分布の偏りによる誤差の発生を未然に防止し得
る。

かくするにつき焦点調整動作モード時、開き角制限用絞
り９の反射光LRの前記変位方向での開き角N.A.の制限を
はずすようにしたことにより、合焦調整作業を一段と容
易にし得、かくして高い精度で位置検出動作し得る表面
変位検出装置を容易に実現し得る。

〔実施例〕

以下図面について、本発明の一実施例を詳述する。

（１）第１の実施例第１図は、斜め入射型の表面変位検出装置を示し、単色
光源１において発生された光がコンデンサレンズ２を通
つてスリツト３を照射する。スリツト３は紙面に対して
垂直方向に延長する矩形のスリツト開口3Aを有し、この
開口3Aによつて断面形状がスリツト状に成形されたスリ
ツト検出光L0が送光側対物レンズ4Aによつて半導体ウエ
ハ５の表面5A（被検出面を構成する）上に照射する。

表面5Aによつて反射されて得られるスリツト反射光LR
は、受光側対物レンズ4Bによつて受光スリツト６上に再
結像され、その開口6Aを通過した光が検出光LDとしてコ
レクタレンズ７によつて例えば光電変換素子でなる検出
素子８上に集光される。

かくして受光スリツト６、コレクタレンズ７、検出素子
８によつて検出部10が構成され、受光スリツト６の受光
面上に結像されたスリツト３の結像光束の当該受光面に
おける光強度分布を検出素子８が検出して検出部10の検
出出力SDとして送出するようになされている。

受光スリツト６の開口6Aは、その長手方向がスリツト反
射光LRの延長方向（すなわち紙面と直角の方向）と一致
するように設定されると共に、矢印ａで示すように、こ
の開口6Aと直交する方向に所定の振幅で振動するように
なされている。

ここで第２図において実線で図示するように、半導体ウ
エハ５の表面5Aが基準位置Z₀の高さにあるとき、スリツ
ト反射光LRが受光スリツト６の基準位置P₀に入射するよ
うな光学系が形成されている。このように基準位置P₀に
反射光LRが入射するとき、受光スリツト６が基準位置P₀
を中心として周期Ｔで振動することにより、検出部10の
受光面（すなわち受光スリツト６の受光面）に到達する
光の強さがほぼ周期2Tの正弦波状に変化し、これにより
検出部10の検出素子８から周期2Tの正弦波検出出力SDを
得ることができる。そしてこの検出出力SDを別途同期検
波することにより、反射光LRがその入射方向と直交する
方向に位置ずれすれば、当該位置ずれ量に相当する検波
出力SDを得ることができ、かくして被検出面となる半導
体ウエハ５の表面5Aの位置を、検出部10の検出出力SDに
基づいて検出することができる。

なおこの同期検波の手法によつて変位量を知る方法は、
上述の従来例（特開昭56−42205号公報）に開示されて
おり、光電顕微鏡の原理とされている。

例えば第２図において破線図示のように、半導体ウエハ
５の表面5Aが下方に距離ΔＺだけ変位したとすると（被
検出面となる表面5Aが鏡面であると考える）スリツト検
出光L0を構成するスリツト結像光束は、受光側から見て
位置Q₁に鏡像となつて結像する。そしてこの像の主光線
は、受光スリツト６の位置では基準位置P₀からΔｙだけ
変位した位置P₁において交わることになる。

このように考えると、位置P₁はスリツト反射光LRに対し
て点Q₀を通つて直交する位置Ｏと共役であり、この関係
から受光スリツト６の位置における位置ずれ量Δｙは Δｙ＝２・β・sinθ・ΔＺ ……（１）となる。ここでβは受光側対物レンズ4Bの結像倍率、θ
はスリツト検出光L0の表面5Aに対する入射角である。

かくして検出素子８から得られる検出出力SDに基づいて
受光スリツト６上の位置ずれ量Δｙを検出すれば、半導
体ウエハ５の表面5Aの変位量ΔＺを知ることができる。

実際上、受光スリツト６の開口6A上に結像されるスリツ
ト像は、幅をもたない理想的な直線にはならず、幅をも
つ。従つて検出信号SDはスリツト像の幅方向について光
量重心を演算する演算手段（図示せず）によつて演算処
理されてスリツト像の光量重心の位置を検出位置y_dと判
定するようになされている。

以上の構成に加えて、受光側対物レンズ4B及び受光スリ
ツト６間に開き角制限用絞り９を介挿し、これによりス
リツト反射光LRのスリツト幅方向での開き角N.A.を所定
の狭い値に制限して受光スリツト６上に再結像させるよ
うになされている。

ここで開き角N.A.は、被検出面が変位したときに検出部
10上で反射光LRが変位する方向における結像光束の半角
αについての正弦、すなわち N.A.＝sinα ……（２）で定義される。

ここで開き角制限用絞り９の位置は、第１図において破
線で示すように、スリツト３に対して光源１と共役とな
る位置すなわち瞳の位置に選定されている。

この実施例の場合、開き角制限用絞り９は第３図及び第
４図に示すように、絞り開口9Aの中心9Bを軸としてほぼ
90゜だけ回動し得るように装着され、半導体ウエハ５の
表面5Aの位置を検出する検出動作モード時において、第
３図に示すように、絞り開口9Aの絞り幅W_Lを、反射光LR
の幅W_SLの方向（従つてスリツト３の開口3Aのスリツト
幅を横切る方向）と一致させるような回動位置に位置決
めれる。かくして反射光LRのうち、開き角制限用絞り９
の絞り開口9Aを通つて検出部10の受光スリツト６に集光
する光束の開き角N.A.は、絞り開口9Aの絞り幅W_Lによつ
て決まる十分に小さい値に絞りこまれ（第３図）、その
結果反射光LRのうち受光スリツト６に入射する光束のス
リツト幅方向の開き角N.A.が十分に小さい値に制限され
ることになる。

このようにスリツト幅方向での開き角N.A.を十分小さな
値に制限すれば、半導体ウエハ５上に透明なフオトレジ
スト薄膜が形成されている場合に、当該フオトレジスト
薄膜の内部で繰り返される反射によつて生ずるスリツト
反射光LRに対して生ずる干渉による検出誤差を実用上十
分小さな値に抑えることができる。

これに対して受光スリツト６上にスリツト反射光LRを集
光させる合焦調整の際には、開き角制限用絞り９を第４
図に示すように、第３図の状態から中心点9Bを軸として
90゜回動させることにより、スリツト３の開口3Aの幅方
向と一致する方向に開き角制限用絞り９の絞り開口9Aの
長手方向の幅W_Vを一致させるようにする。

このようにすると、スリツト反射光LRに対するスリツト
幅方向の開き角N.A.を十分大きな値に切り換えることが
でき、従つて焦点深度を実用上十分小さな値に設定する
ことができ、かくして焦点調整作業を容易にし得る。

（２）効果の検討第１図のように被検出面としての表面5Aの位置を検出す
る検出動作モードにおいて、スリツト反射光LRのスリツ
ト幅方向での開き角N.A.を開き角制限用絞り９によつて
実用上十分小さな値に絞り込むように構成したことによ
り、以下に述べるようにして、被検出面における干渉の
影響を有効に回避し得ることとなり、誤差の小さい変位
検出結果を得ることができる。

先ず被検出面としての半導体ウエハ５の表面5Aが、第５
図に示すように、半導体基板5B上にフオトレジスト薄膜
5Cが塗られている場合を考えると、フオトレジスト薄膜
5Cの表面5Aの点Q₀にスリツト検出光L0が入射角θ_ａで入
射したとき、スリツト検出光L0の一部を構成する反射光
L1として反射されると共に、屈折角θ_ｂでフオトレジス
ト薄膜5C内に透過した透過光L2Aが再度半導体基板5Bの
表面において反射し、当該透過反射光L2Bが表面5Bにお
いて屈折しながら第２の反射光L2として射出する。

以下同様にして透過反射光L2Bのうち表面5Aを透過し切
れずに再度表面5Aで反射される反射光L3Aに基づいて、
第３、第４……の反射光L3、L4……が発生し、これが第
１の反射光L1に複合して反射光LRとして受光スリツト６
に到達すると考えられる。

このようにしてフオトレジスト薄膜5Cの内部において発
生した多重反射によつて生ずるすべての反射光の和と、
入射光としてのスリツト検出光L0との比すなわち（振
幅）反射率Ｒは次式で表される。ここで、r_abは空気からフオトレジスト薄
膜5Cに入射した光の反射係数、r_bcはフオトレジスト薄
膜5Cから半導体基板5Bへ入射した光の反射係数、指数項
のｋは第１の反射光L1と、第２の反射光L2との光路差を
表す。

この（３）式で表される反射率は、大きさ及び方向を有
する複素数として表示され、光路差ｋはのように表すことができる。ここでλはスリツト検出光
L0の波長、n_bはフオトレジスト薄膜5Cの屈折率、ｄはフ
オトレジスト薄膜5Cの厚さ、θ_ｂは透過光L2Aの屈折角
である。

ところで実際に検出部10によつて検出される量は、光の
強度であり、従つて反射率はエネルギー反射率として換
算する必要がある。ここでエネルギー反射率ｒは、振幅
反射率Ｒの絶対値の２乗として求めることができ、と表すことができる。ここでフオトレジスト薄膜5C及び
半導体基板5Bの吸収は小さいものと考えて反射係数
r_ab、r_bcを実数として表す。

（５）式によつて表される第２の反射光L2のエネルギー
反射率の式は、分母にcos kの項をもつていることか
ら、反射光L1及びL2の光路差ｋが変化すれば、これに応
じて２π/kの周期でエネルギー反射率ｒが変化すること
が分かる。ところが光路差ｋはフオトレジスト薄膜5Cの
厚さｄの変化に応じて変化することを考えると、（４）
式からフオトレジスト薄膜5Cの厚さｄが次式で与えられる厚さd_xだけ変化するごとに、エネルギー反
射率ｒが繰り返し変化することになる。

このように反射光L1及びL2の干渉によつてそのエネルギ
ー反射率ｒが、フオトレジスト薄膜5Cの厚さｄの変化に
応じて周期的に強弱を繰り返す。このような干渉を考慮
しながら、第１図に示すようにスリツト幅方向の開き角
N.A.が大きい検出光L0を被検出面としての表面5A上に反
射させた場合について考察すれば、第６図に示すよう
に、検出光L0のうち、最も大きい入射角θ_１を有する入
射光線R1と、最も小さい入射角θ_２を有する入射光線R2
との間には、入射角θ_１及びθ_２の差に基づいて被検出
面としての表面5Aにおける干渉現象に差異が生ずると考
えられる。

すなわち大きい入射角θ_１を有する入射光線R1につい
て、第１及び第２の反射光L1及びL2の光路差ｋは最も小
さくなる（（４）式）。これに対して、小さい入射角θ
_２を有する入射光線R2に基づく第１及び第２の反射光L1
及びL2の光路差ｋは最も大きくなる。

その結果第１の入射光線R1についてのエネルギー反射率
ｒが１周期分変化するのに要するフオトレジスト薄膜5C
の厚さd_xは、最も小さい入射角θ_２で入射する第２の入
射光線R2の厚さd_xと比較して大きくなり、かくしてフオ
トレジスト薄膜5Cの厚さｄが変化すると、表面5Aから反
射されてくる反射光L1に含まれている反射光線R1r及びR
2rの光の強さの比率が変化して行くことになる。

上述の検討は検出光L0のうち最も大きい入射角θ_１をも
つ入射光線R1と、最も小さい入射角θ_２をもつ入射光線
R2についての関係を述べたが、同じような関係が開き角
N.A.の範囲に分布している各入射光線相互間についても
成り立ち得、その結果反射光LRが受光スリツト６の表面
位置においてデフオーカスしている場合に、検出部10が
判定する検出位置y_dが、フオトレジスト薄膜5Cの厚さｄ
に応じて誤差を含む結果になる。

このようになるのは、検出部10が受光スリツト６上での
光量重心をスリツト像についての検出位置と判定するよ
うになされているのに対して、受光スリツト６上にデフ
オーカスしたスリツト像が入射した場合に、当該入射光
束を構成する各光線部分の強度の比率が変化すると、こ
れに応じて検出部10が判定する光量重心が変化する結果
になるからである。

このような現象は、具体的に数値を設定してシユミレー
シヨンの手法を用いて確認したところ、次のようにして
生ずる。すなわち開き角N.A.をN.A.＝0.1、検出光L0の
光軸の入射角θ_０をθ_０＝70゜、フオトレジスト薄膜5C
の屈折率n_bをn_b＝1.64、半導体基板5Bの屈折率n_cをn_c＝
3.71に選定した場合、第６図の第１及び第２の入射光線
R1及びR2のエネルギー反射率ｒは、第７図において曲線
C_R1及びC_R2によつて示すように、フオトレジスト薄膜5C
の膜厚ｄ大きくなるに従つて、反射率ｒの相対的変化が
次第にずれて行くような現象を生じている。その結果フ
オトレジスト薄膜5Cの厚さｄを例えばｄ＝1.1〔μｍ〕
に設定したとき、第１及び第２の入射光線R1及びR2の反
射率ｒは互いにほぼ等しく、かつ最大値になるのに対し
て、厚さｄをｄ＝1.2〔μｍ〕に増大させると、第１の
入射光線R1の反射率ｒはそれほど変化せずほぼ最大値の
値をとるのに対して、第２の入射光線R2の反射率ｒが急
激に小さくなつて行く。このことは、受光スリツト６の
位置においてスリツト像がデフオーカスして行くときに
は、第１及び第２の反射光線R1r及びR2rの光の強度の比
率が極端に変化することを表している。

この変化は、受光スリツト６上の光の強度分布に変化を
生じさせる。すなわち、厚さｄがｄ＝1.1〔μｍ〕のと
き、第８図（Ａ）に示すように、受光スリツト６上のｙ
方向の光強度分布がそれほど大きく偏つていないことに
より、検出位置y_dが、受光スリツト６上に結像したぼけ
たスリツト像のほぼ中央位置にあることを判定し得る。

これに対してフオトレジスト薄膜5Cの厚さｄがｄ＝1.2
〔μｍ〕になると第１の反射光線R1rの方が、第２の反
射光線R2rより格段的に強くなるように偏つた強度分布
を呈することにより、その光量重心でなる検出位置y_dが
第１の反射光線R1r側にずれるような判定結果が得られ
る。

その結果受光スリツト６の検出位置y_dは、フオトレジス
ト薄膜5Cの厚さｄに応じて変動するような誤差を生ずる
ことになる。

この厚さｄの変化に伴う誤差は、第１図の構成におい
て、受光スリツト６に入射する反射光LRの開き角N.A.を
開き角制限用絞り９によつて絞り込むようにすれば、小
さくすることができる。

すなわち第７図について上述したように、開き角N.A.が
大きい場合には、第１の反射光線R1rのエネルギー反射
率ｒの変化曲線C_R1と、第２の反射光線R2rのエネルギー
反射率ｒの変化曲線C_R2の厚さｄに対するずれは、
（６）式について上述したように、第１及び第２の入射
光線R1及びR2の屈折角θ_ｂが互いに近い値にさればなる
程ずれが小さくなつて行き、その結果第８図について上
述した受光スリツト６上のスリツト像の強度分布の偏り
も、反射光LRのスリツト幅方向で開き角N.A.を開き角制
限用絞り９によつて絞り込むことによつて小さくするこ
とができる。

（３）開き角制限用絞り９を回動させることの効果第８図について上述したように、受光スリツト６上のス
リツト像がデフオーカスしたとき、スリツト像の各部分
の光強度分布が被検出面を形成するフオトレジスト薄膜
5Cの厚さｄの変化に応じて周期的に変動することによつ
て光量重心でなる検出位置y_dが変動する。

この変動は、スリツト像が受光スリツト６上に合焦して
いる合焦状態では生ずることはない。しかし受光スリツ
ト６が焦点の後側にある場合（いわゆる前ピン）のデフ
オーカス状態のときと、受光スリツト６が焦点の前にあ
るデフオーカス状態（いわゆる後ピン）とで、光強度分
布の分布の仕方が逆転することにより、検出位置y_dの位
置も逆方向にずれる結果になる。従つて高い精度で検出
結果を得るためには、受光スリツト６上におけるスリツ
ト像の合焦調節を正確にする必要がある。

因にフオトレジスト薄膜5Cの屈折率n_Rをn_R＝1.64＋0.00
2iに選定し、半導体基板5Bの屈折率n_sをn_s＝3.71＋0.01
iに選定し、光源１の波長λをλ＝740〔nm〕に選定し、
反射光LRの開き角N.A.をN.A.＝0.1に選定し、検出光L0
の入射角を70゜に選定したとき、スリツト像が受光スリ
ツト６上に合焦している合焦状態では、第９図（Ａ）に
示すように、フオトレジスト薄膜5Cの厚さｄを大きくす
るに従つて、検出器８上の光強度I11が周期的に変化す
るのに対して、これに応じて検出位置y_dの基準位置y₀か
らのずれK11が、次第に大きくなつて行くような変化曲
線が得られる。この合焦状態において、ずれ量K11は、
被検出面５における反射光の干渉のために、光強度I11
が下がるごとに0.1〔μｍ〕程度のいわゆる「ひげ状」
の変動が生じ、これが誤差となる。

これに対して反射光LRのスリツト像が受光スリツト６に
おいて後ピン状態にデフオーカスすると、第９図（Ｂ）
に示すように、光強度I12の変化に対して検出位置y_dの
ずれK12は、正方向に大きくずれて行く。（このこと
は、被検出面より上方位置に検出位置y_dがあると判定し
たことを意味している）これに対して前ピン状態にデフ
オーカスしたときには、第９図（Ｃ）に示すように、光
強度I13の変化に対して検出位置y_dのずれK13は、合焦状
態（第９図（Ａ））より負方向に大きくずれて行き、変
動がかなり大きい。従つて誤差が大きいことを表してい
る。

このように反射光LRのスリツト像がデフオーカスしたと
きには、極端に大きな誤差が発生するおそれがあり、こ
れを回避して高い精度で測定結果を得るためには、合焦
状態からのデフオーカス量を焦点深度の約1/4以下程度
に抑える必要があり、この合焦調整は実用上極めて困難
である。

なお第７図は、焦点深度ΔＦを次式と定義し、その２倍まで焦点をずらせた状態におけるず
れ量K11、K12、K13を求めたもので、λ＝740〔nm〕、N.
A.＝0.1として被検出面換算で74〔μｍ〕だけ焦点位置
をずらせた条件の下にずれ量を求めた。

この問題は、第１図の構成において、第３図及び第４図
について上述したように、開き角制限用絞り９を90゜回
動させるように構成したことにより有効に解決し得る。
すなわち焦点調整時には開き角制限用絞り９を第４図の
回動位置に設定する。このとき開き角制限用絞り９の開
口9Aは、絞り幅W_Lをスリツト像のスリツト像幅W_SLと直
交する方向に設定されるので、この絞り幅W_Lによつてス
リツト像の幅方向の開き角を制限しない状態になる。こ
のとき受光スリツト６上に結像されたスリツト像の開き
角N.A.は制限されずに大きくなるから、（７）式につい
て上述したように焦点深度ΔＦを開き角N.A.の２乗に反
比例する関係で小さくすることができ、かくして高い精
度で焦点調整することができる。

そしてこの状態において第３図に示すように、開き角制
限用絞り９を90゜回動させてその絞り幅W_Lによつてスリ
ツト像のスリツト像幅W_SLを制限するようにすれば、反
射光L1の開き角N.A.を小さくすることによつて上述のよ
うに誤差の少ない検出位置y_dの判定をすることができ
る。

因に開き角制限用絞り９の絞り幅W_L及び横幅W_Vの値とし
て、焦点調節時に開き角N.A.がN.A.＝0.1になるように
横幅W_Vを設定し、また位置検出動作時開き角N.A.がN.A.
＝0.025となるように絞り幅W_Lを設定する。

このようにすれば、焦点調節時における焦点深度ΔＦは
（７）式においてλ＝740〔nm〕としたとき37〔μｍ〕
になるのに対して、表面位置検出動作をするときには焦
点深度ΔＦがΔＦ＝592〔μｍ〕になる。その条件の下
に焦点調節をすれば、焦点深度ΔＦの２倍（すなわち74
〔μｍ〕）以内に調整できれば、位置検出モード時（N.
A.＝0.025のとき）、焦点を焦点深度の1/8以内に調節し
たことになり、かくしてデフオーカスによる焦点のずれ
の影響が生じないようにし得る。

かくするにつき、開き角制限用絞り９の開口9Aを、第３
図及び第４図のように構成すれば、位置検出時に開き角
N.A.を制限したときに、検出部10に対して実用上十分な
光量の光を供給することができる。

第３図及び第４図の構成の開き角制限用絞り９を用いた
場合に、第９図（Ｃ）の場合と同じように、前ピンのデ
フオーカス状態にデフオーカス量74〔μｍ〕に設定した
場合、光源１の波長λをλ＝740〔nm〕、開口9Aの絞り
幅W_Lによる開き角N.A.をN.A.＝0.025、横幅W_Vによる開
き角N.A.をN.A.＝0.1に設定した場合、検出部８上の光
強度I2の変化に対する検出位置y_dのずれK2は、第10図に
示すように、合焦時のずれK11（第９図（Ａ））の場合
とほぼ同様の位置ずれ変化曲線を得ることができ、第９
図（Ｃ）の場合と比較して、格段的に誤差の少ない位置
検出出力を得ることができる。

（４）他の実施例（ａ）上述の実施例においては、開き角制限用絞り９
として、第３図及び第４図について上述したように、ほ
ぼ矩形形状の開口9Aを用いて、スリツト反射光LRのスリ
ツト幅方向での開き角N.A.を制限することにより、第10
図に示すように、実用上調整許容限度内で焦点調整をす
るだけで、合焦状態（第９図（Ａ））とほぼ同様の位置
ずれ特性曲線を実現し得た。

しかし、詳細に検討すると、第10図の場合には、合焦時
（第９図（Ａ））の場合と比較して光強度I2が立ち下が
るときに生ずる「ひげ状」の誤差が比較的大きく、この
点について不十分さがある。

この問題を解決する方法として、第１図の場合に光源１
として単色光を発生するものを用いたが、これに代え、
多色光を発生する構成のものを用いる。

このようにすれば、第11図に示すように、被検出面とし
ての表面5A及び基板５における干渉が生じ難くなるの
で、検出部10上の光強度I3の変化の程度が小さくなると
共に、位置ずれ曲線K3にひげ状の変動が生じなくなり、
ほぼフオトレジスト薄膜5Cの厚さｄの変化に応じて直線
的に変化する位置検出特性を実現し得る。

かくして誤差の少ない表面変位検出装置を容易に得るこ
とができる。

なお、第11図の場合は、光源として、波長λがλ＝600
〜800〔nm〕の光成分をもつ光を発生させる構成のもの
を用いた。

（ｂ）上述の実施例においては、第７図及び第８図に
ついて上述したように、反射光LRのスリツト像が受光ス
リツト６上においてデフオーカスしたときに光成分の強
度分布に偏りが生じることにより光量重心が基準位置y_d
からずれることに基づいて、誤差が生ずる点に着目し
て、これをスリツト像のスリツト幅を小さく制限するこ
とにより、誤差を補正するようにした場合について述べ
たが、これに加えて光源１（第１図）として多色光を発
生する構成のものを用いるようにすれば、光強度分布の
偏りを緩和することができる。

因に（６）式について上述したように、エネルギー反射
率ｒ（（４）式）に１周期分の変化を生じさせる薄膜5C
の厚さｄの変化分d_xは波長λに比例しているので、光源
１として多色光を発生する構成のものを用いれば、種々
のピツチでエネルギー反射率ｒを変化させる多数の光成
分による効果を重ね合わせたような効果を受光スリツト
６上の光強度分布に生じさせることができ、従つて受光
スリツト６全体として見たとき、光強度分布が極端に偏
らなくなることにより、結局光量重心を表す検出位置y_d
をほぼ基準位置近傍に生じさせることができる。

（ｃ）第１図の実施例においては、開き角制限用絞り
９を反射光LR側に設けた構成について述べたが、これに
代え、検出光L0側の光学系に設けても、上述の場合と同
様の効果を得ることができる。

（ｄ）上述の実施例においては、焦点調節動作モード
時における回動位置から開き角制限用絞り９を90゜回動
させることによつて位置検出動作をさせるように構成し
た実施例について述べたが、これに代え、焦点調節モー
ド時に使用する絞りを、位置検出モード時に使用する絞
りとは別体のものを用いるようにしても、上述の場合と
同様の効果を得ることができる。

（ｅ）また、上述の実施例においては、受光スリツト
６上に形成されるスリツト像の光検出のために、コレク
タレンズ７と検出器８とを設け、これらによつて検出部
10を構成したが、これに代え、受光スリツト６の矩形開
口部に直接ポジシヨンセンサやリニアセンサを配置して
検出部10とすることもできるし、撮像素子を配置して画
像処理によつてスリツト像の検出を行う構成とすること
も可能である。

（ｆ）上述の実施例の場合は、被検出面上に結像され
る光束の形状として、被検出面に平行な方向（従つて被
検出面の変位方向に垂直な方向）に長手方向をもつスリ
ツト形状を用いた。このようなスリツトは光量を多く得
ることができる点において有効であるが、それ程多くの
光量を必要としない場合には、これに限らず、種々のス
リツト形状に選定し得る。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、開き角制限用絞りによつ
て、検出動作モード時、スリツト像の幅方向の開き角N.
A.を制限して十分に小さい開き角のスリツト像を得るこ
とにより、スリツト像内の光強度分布の偏りを軽減する
と共に、焦点調節モード時においては、スリツト像幅の
方向に十分大きな開き角N.A.をもつスリツト像を受光ス
リツト上に生じさせるように構成したことにより、焦点
の調整作業が一段と容易な表面変位検出装置を実現し得
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による表面変位検出装置を示す略線的側
面図、第２図はその動作原理の説明に供する略線的側面
図、第３図及び第４図は第１図の開き角制限用絞り９の
構成を示す平面図、第５図は被検出面における干渉の説
明に供する略線的断面図、第６図は開き角が大きい検出
光L0の入射角の際の説明に供する略線的側面図、第７図
は入射角の差異に基づいて反射光LRに生ずる反射率の変
化のずれを示す特性曲線図、第８図は第７図のずれに基
づいて検出部上に生ずる光強度分布の偏りの説明に供す
る略線図、第９図は検出部に対する焦点調整が適性でな
い場合に生ずる誤差の説明に供する特性曲線図、第10図
は本発明によつて開き角を制限したことによる効果の説
明に供する特性曲線図、第11図は本発明の他の実施例に
おける効果の説明に供する特性曲線図である。１……光源、２……コンデンサレンズ、３……スリツ
ト、4A、4B……対物レンズ、５……半導体ウエハ、5A…
…表面、６……受光スリツト、７……コレクタレンズ、
８……検出素子、９……開き角制限用絞り、10……検出
部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出光を光透過性薄膜を有する被検出面上
に結像させ、当該被検出面からの反射光を検出部上に結
像させることにより、上記被検出面の位置が基準位置か
ら変位したときこれに応じて上記反射光の上記検出部上
への入射位置が変化することに基づいて、上記被検出面
の変位を検出するようになされた表面変位検出装置にお
いて、上記検出部に入射する上記反射光の開き角N.A.を上記反
射光の上記検出部上での入射位置変化の方向において狭
くするように制限する開き角制限用絞りを上記検出光又
は上記反射光の光路に介挿し、上記開き角制限用絞りは、位置検出動作モード時上記反
射光の開き角N.A.を狭くするように制限し、これに対し
て上記反射光を上記検出部へ合焦させる際の焦点調節動
作モード時上記反射光の開き角N.A.の制限を外して拡げ
るように構成されていることを特徴とする表面変位検出装置。