JPH0835810A

JPH0835810A - 光学装置

Info

Publication number: JPH0835810A
Application number: JP6169175A
Authority: JP
Inventors: Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-07-21
Filing date: 1994-07-21
Publication date: 1996-02-06

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成で光源に対する戻り光を低減させ
る。【構成】半導体レーザ素子１１からの直線偏光の光束
をコリメータレンズ１２を介して平行な光束Ｌ２にし、
光束Ｌ２を偏光ビームスプリッタ１３、１／４波長板１
４を介してリレー光学系１５に導き、リレー光学系１５
からの光束をミラー、１／４波長板２を介して検出光学
系２３に導く。偏光ビームスプリッタ１３を透過した光
束が１／４波長板１４により円偏光となり、リレー光学
系１５からの反射光Ｌ３は偏光ビームスプリッタ１４で
反射されて半導体レーザ素子１１には戻らない。１／４
波長板２２から射出される光束の偏光状態は再びもとの
直線偏光に戻される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光源に対する戻り光を
減少させる機能を有する光学装置に関し、特にレーザ光
源等からの光ビームを使用して位置検出を行う位置検出
装置や、光源からの光ビームを使用して被検面の観察を
行う観察装置等に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等を製造するためのリソグラ
フィ工程で使用される投影露光装置（ステッパー等）に
おいては、原版パターンが形成されたレチクル（又はフ
ォトマスク等）と、被露光基板としてのフォトレジスト
が塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）との位置
合わせ（アライメント）を高精度に行うためのアライメ
ント装置が設けられている。このアライメント装置は、
レチクル及びウエハの位置を高精度に検出する位置検出
装置と、その検出結果に応じてレチクル及びウエハの位
置を調整するステージ機構とから構成されている。近
年、半導体素子等の集積度が益々向上するのに対応する
ため、位置検出装置では検出精度を高めることが求めら
れている。

【０００３】図６は、従来の位置検出装置の光学系を示
し、この図６において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源等の光源
１から射出された直線偏光の光束Ｌ１は、断面形状等を
整えるリレー光学系２を経た後、送受光分離光学系とし
ての偏光ビームスプリッタ３に入射する。入射する光束
ＬＢ１は、偏光ビームスプリッタ３に対してＰ偏光であ
るためそのまま偏光ビームスプリッタ３を透過した後、
１／４波長板４を経て円偏光状態で被検面５に入射す
る。そして、被検面５で反射された光束は、逆向きの円
偏光状態で１／４波長板４を経てＳ偏光の状態で偏光ビ
ームスプリッタ３に戻る。従って、被検面５で反射され
た光束は、偏光ビームスプリッタ３により反射されて光
電検出器６に入射する。

【０００４】この図６の光学系では、被検面５に入射す
る光束の光路と、被検面５で反射された光束の光路とが
偏光ビームスプリッタ３により分離され、被検面５で反
射された光束が光源１に戻らないようにアイソレーショ
ンが行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光学系では、光源１から射出された光束の内、偏光ビー
ムスプリッタ３より手前のリレー光学系２内で反射され
た光束は、そのまま光源１に戻ってしまうという不都合
がある。この場合、光源１は可干渉性が強いレーザ光源
でありバックトークに弱いため、光源１の発振状態が不
安定になったり、光源１の電源にノイズが乗ったりする
ことがある。その結果、検出回路の動作が不安定になり
易く、且つ光電検出器６からの検出信号も不安定になっ
て、位置検出精度が低下する恐れがあった。

【０００６】これを避けるため、光源１に近い部分にフ
ァラデー効果を利用したアイソレータを設けて戻り光を
除去する技術も提案されている。しかしながら、ファラ
デー効果を利用したアイソレータでは、入射ビーム径の
制限がある、実効光路長が長い、更に高価である等の不
都合がある。また、位置検出装置の光学系のみならず、
一般に戻り光に対して弱い光源を有する光学装置では、
できるだけ光源に対する戻り光を低減させることが求め
られている。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、簡単な構成で光
源に対する戻り光をより低減できる光学装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による光学装置
は、直線偏光した光束を発生する光源（１１）と、この
光源からの光束をリレーするリレー光学系（１５）と、
入射する光束の光路を偏光状態に応じて切り換えると共
に、そのリレー光学系からの光束の少なくとも一部を所
定の面（２７）に導く偏光選択素子（２４）と、この偏
光選択素子と所定の面（２７）との間に配置され、その
偏光選択素子から所定の面（２７）に向かう光束の偏光
状態を直線偏光から円偏光に変換する偏光変換素子（２
５）とを有し、所定の面（２７）で反射された後、偏光
変換素子（２５）及び偏光選択素子（２４）を介して戻
される光束を使用する光学装置に関する。

【０００９】そして、本発明は、光源（１１）とリレー
光学系（１５）との間に配置され、入射する光束の光路
を偏光状態に応じて切り換えると共に、光源（１１）か
らの光束をリレー光学系（１５）に導く第２の偏光選択
素子（１３）と、この第２の偏光選択素子とリレー光学
系（１５）との間に配置され、第２の偏光選択素子（１
３）からの光束の偏光状態を直線偏光から円偏光に変え
る第２の偏光変換素子（１４）とを備えたものである。
より具体的に、第２の偏光選択素子（１３）の偏光軸と
第２の偏光変換素子（１４）の光学軸とが略４５°の角
度で交差する。

【００１０】この場合、リレー光学系（１５）と偏光選
択素子（２４）との間に、リレー光学系（１５）からの
光束の偏光状態を円偏光から直線偏光に戻す第３の偏光
変換素子（２２）を配置することが望ましい。このため
には、一例として第２の偏光変換素子（１４）の光学軸
と第３の偏光変換素子（２２）の光学軸とを略９０°の
角度で交差させればよい。

【００１１】また、それら第２及び第３の偏光変換素子
（１４，２２）の少なくとも一方の一例は、１／４波長
板である。また、それら第２及び第３の偏光変換素子の
少なくとも一方の他の例は、２回の全反射を利用して２
つの光学軸間で所定の位相差を付与するフレネルロムプ
リズム（３２）である。

【００１２】

【作用】斯かる本発明によれば、光源（１１）から射出
された光束は、第２の偏光選択素子（１３）を通過した
後、第２の偏光変換素子（１４）により円偏光に変換さ
れる。この円偏光の光束の内で、リレー光学系（１５）
内のレンズの表面等で反射された光束は、入射時と逆の
円偏光として第２の偏光変換素子（１４）に戻される。
従って、第２の偏光変換素子（１４）を通過した戻り光
は、光源（１１）から射出される光束の偏光方向と直交
する直線偏光となって第２の偏光選択素子（１３）に戻
されるため、その第２の偏光選択素子（１３）から光源
（１１）とは異なる方向に射出される。即ち、リレー光
学系（１５）内で反射された戻り光は第２の偏光選択素
子（１３）により除去されて光源（１１）には到達しな
くなる。

【００１３】次に、リレー光学系（１５）と偏光選択素
子（２４）との間に、リレー光学系（１５）からの光束
の偏光状態を円偏光から直線偏光に戻す第３の偏光変換
素子（２２）を配置した場合には、リレー光学系（１
５）を通過した円偏光の光束は、その第３の偏光変換素
子（２２）により光源（１１）から射出された光束と同
じ偏光方向の直線偏光となる。従って、その後の偏光選
択素子（２４）を含む光学系としては、例えば従来の送
受光分離光学系をそのまま使用できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第１実施例につき図１及び図
２を参照して説明する。本実施例は、投影露光装置に設
けられるアライメント装置の位置検出装置に本発明を適
用したものである。図１は本実施例の位置検出装置を示
し、この図１において、半導体レーザ素子１１から射出
された直線偏光の光束はコリメータレンズ１２によりほ
ぼ平行な光束Ｌ２に変換されて、偏光ビームスプリッタ
（ＰＢＳ）１３に入射する。半導体レーザ光源１１から
射出される際の光束Ｌ２の偏光方向は、図１の紙面に平
行な方向、即ち偏光ビームスプリッタ１３に対してＰ偏
光の方向に設定され、光束Ｌ２はそのまま偏光ビームス
プリッタ１３を透過する。

【００１５】なお、半導体レーザ素子１１から射出され
る際の光束Ｌ２の偏光方向を図１の紙面に平行な方向に
対して傾斜させた場合には、Ｓ偏光成分が偏光ビームス
プリッタ１３で反射されて光量損失が生ずる。そこで、
半導体レーザ素子１１から射出される際の光束Ｌ２の偏
光方向を図１の紙面に平行な方向に設定することによ
り、光量損失を少なくできる。また、直線偏光の半導体
レーザ素子１１の代わりに、偏光状態がランダムの光束
を発生するレーザ光源（半導体レーザ素子を含む）を使
用してもよい。但し、この場合には、発生する光束の略
１／２が無駄になる。

【００１６】偏光ビームスプリッタ１３を透過した光束
Ｌ２は、第１の１／４波長板１４を透過して円偏光とな
ってリレー光学系１５に入射する。そのために１／４波
長板１４の光学軸は、偏光ビームスプリッタ１３の偏光
軸に平行な面、即ち図１の紙面に対して＋４５゜又は−
４５°の角度に設定される。リレー光学系１５におい
て、入射した光束Ｌ２は、第１リレー光学系１６により
開口絞り１７の開口内に集光され、その開口を通過した
光束Ｌ２は、第２リレー光学系１８を経てほぼ平行な光
束となった後、図１の紙面に垂直な方向に屈折力を有す
るシリンドリカルレンズ１９を介して、視野絞り２０上
の図１の紙面に平行な方向に細長いスリット状の開口上
に集光される。そのスリット状の開口を通過した光束Ｌ
２は、ミラー２１で反射された後、第２の１／４波長板
２２に向かう。

【００１７】この場合、リレー光学系１５内のリレーレ
ンズ１６，１８、開口絞り１７の開口の周縁部、又は視
野絞り２０の開口の周縁部で反射された光束は、戻り光
Ｌ３として入射時と逆回りの円偏光状態で半導体レーザ
素子１１の方向に向かう。ところが、その戻り光Ｌ３
は、再び第１の１／４波長板１４を透過すると、図１の
紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光（偏光ビームスプ
リッタ１３に対してＳ偏光）となるため、偏光ビームス
プリッタ１３によって反射されて半導体レーザ素子１１
には到達しない。これにより、リレー光学系１５からの
戻り光Ｌ３が半導体レーザ素子１１に入射することがな
く、半導体レーザ素子１１に対するバックトークが起こ
らないため、半導体レーザ素子１１の発振出力及び発振
波長は安定する。

【００１８】一方、第２の１／４波長板２２を透過した
光束は、再び元の偏光方向と同じく図１の紙面に平行な
方向に偏光した直線偏光となって検出光学系２３に入射
する。そのために、第２の１／４波長板２２の光学軸
は、第１の１／４波長板１４の光学軸をリレー光学系１
５及びミラー２１でリレーした軸に対して９０゜の角度
をなす方向に設定されている。

【００１９】検出光学系２３において、偏光ビームスプ
リッタ２４の偏光軸は図１の紙面に平行な方向に設定さ
れている。従って、１／４波長板２２からの光束は、偏
光ビームスプリッタ２４をそのまま透過した後、更に第
３の１／４波長板２５を透過する。この１／４波長板２
５の光学軸は図１の紙面に平行な面に対して＋４５°又
は−４５°に設定されている。従って、１／４波長板２
５を透過した光束は円偏光となって、例えば投影光学系
よりなる対物光学系２６を介してウエハ２７上に照射さ
れる。この場合、ウエハ２７の表面は、視野絞り２０の
配置面と共役であり、ウエハ２７に照射される光束は、
図１の紙面に平行な方向を長手方向とするスリット状の
スポット光２８として集光される。

【００２０】図１の紙面に平行にＸ軸を取り、図１の紙
面に垂直にＹ軸を取ると、スポット光２８は図２に示す
ように形成される。また、スポット光２８の近傍のウエ
ハ２７上にＸ方向に配列されたドットパターンよりなる
アライメントマーク３１が形成されている。従って、ウ
エハ２７をＹ方向に移動させると、アライメントマーク
３１がスポット光２８と合致したときにＸ方向に対して
回折光が射出されるので、この回折光を検出してアライ
メントマーク３１の位置を検出する。この検出方式は、
レーザ・ステップ・アライメント方式（ＬＳＡ方式）と
呼ばれる。

【００２１】図１に戻り、ウエハ２７からの反射光、及
びウエハ２７上のアライメントマークからの回折光は、
入射時と逆回りの円偏光状態で対物光学系２６を経て１
／４波長板２５に入射する。そして、１／４波長板２５
により図１の紙面に垂直な方向に偏光した直線偏光とな
った反射光及び回折光は、偏光ビームスプリッタ２４に
より反射され、集光レンズ２９を経て光電検出器３０に
入射する。光電検出器３０の受光面は、対物光学系２６
の瞳面（フーリエ変換面）と共役であり、且つその光電
検出器３０の受光面にはウエハ２７からの０次光（正反
射光）を遮光する空間フィルタが配置されている。従っ
て、光電検出器３０からの出力信号をモニタすることに
より、ウエハ２７上のアライメントマーク３１の位置を
高精度に検出できる。

【００２２】その際、対物光学系２６の表面反射等によ
る戻り光は、同じく偏光ビームスプリッタ２４により反
射されて光電検出器３０の方向へ向かうので、対物光学
系２６及びウエハ２７からの戻り光は、半導体レーザ素
子１１には戻らない。その結果、図１の位置検出装置の
光学系全体で、戻り光として問題になるのは、偏光ビー
ムスプリッタ１３，２４、及び１／４波長板１４，２
２，２５の片側の面のみであるため、これらの光学素子
を光軸に垂直な面に対して僅かに傾けて設置して、これ
らの光学素子からの戻り光が半導体レーザ素子１１に直
接入らないようにしておく。これにより、実質上全ての
戻り光が除去されたことになる。従って、戻り光に弱い
半導体レーザ素子１１でも安定した動作が可能になる。

【００２３】ところで、１／４波長板１４，２２，２５
としては、水晶や方解石等の複屈折を利用した通常の１
／４波長板の他に、図３に示すように、プリズムの２面
３２ａ及び３２ｂでの全反射を利用したフレネルロムプ
リズム３２を利用してもよい。このフレネルロムプリズ
ム３２に直線偏光の光束Ｌ２が入射すると、光束Ｌ２の
射出時の偏光状態は円偏光となる。フレネルロムプリズ
ムは波長帯域が広いので複数波長の光源が使用可能であ
るという利点がある。

【００２４】また、シングルオーダの１／４波長板を２
枚貼り合わせた構造の波長板を使っても、同様に広帯域
光源や複数のレーザ光源に対応可能である。この場合、
中心波長は平均値を用いる。これらの複数光源を使用す
る場合には、図４に示すように偏光ビームスプリッタ１
３の前にダイクロイックミラー３５を配置し、別の半導
体レーザ素子１１Ａから射出されてコリメータレンズ１
２Ａにより平行光束に変換された光束Ｌ４をダイクロイ
ックミラー３５を介して、偏光ビームスプリッタ１３側
に導くようにしてもよい。この場合、半導体レーザ素子
１１から射出される光束Ｌ２の波長と、別の半導体レー
ザ素子１１Ａから射出される光束Ｌ４の波長とは異な
り、ダイクロイックミラー３５は、光束Ｌ２を透過させ
て光束Ｌ４を反射させるような波長選択性を有する。

【００２５】このように複数波長の光束を使用すると、
図１においてウエハ２７の表面が荒れているような場合
でも正確な位置検出が可能となる。また、複数波長の光
束を使用する場合に、色消しするためには、上述のフレ
ネルロムプリズム、又はシングルオーダの１／４波長板
を２枚貼り合わせた構造の波長板が有効である。但し、
第２の光源としての半導体レーザ素子１１Ａが戻り光に
関して問題のないものであれば、ダイクロイックミラー
３５を偏光ビームスプリッタ１３と１／４波長板１４と
の間に配置しても構わない。この場合更に、１／４波長
板１４，２２は、第２の波長に関して１／４波長板とし
て作用する必要はない。１／４波長板１４，２２を透過
するとその遅延量（遅延位相量）が如何なる値であって
も、通過後の偏光状態はもとの偏光状態に戻るからであ
る。但し、この場合でも図１の１／４波長板２５は２つ
の波長に対して色消しになっている必要はある。

【００２６】また、偏光ビームスプリッタ１３の代わり
に、ポラロイド板、ウォラストンプリズム、グラントム
ソンプリズム等の偏光選択素子が利用できる。ポラロイ
ド板は吸収で戻り光を除去するが、それ以外の前記のプ
リズムは、射出時と直交した偏光状態で戻る光束をもと
の光路と違った方向に変えることにより、戻り光が半導
体レーザ素子１１に入射しないようにするものである。

【００２７】更に、半導体レーザ素子１１の代わりに、
Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光源、Ａｒイ
オンレーザ光源等のレーザ光源を使用する場合でも、戻
り光を除去する必要があるときには、図１の光学系を適
用できる。次に、本発明の第２実施例につき図５（ａ）
を参照して説明する。図５（ａ）において図１に対応す
る部分には同一符号を付してその詳細説明は省略する。

【００２８】図５（ａ）において、半導体レーザ素子１
１から射出されコリメータレンズ１２によりほぼ平行と
なった光束Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ１３、及び１
／４波長板１４を経てリレー光学系１５に入射し、リレ
ー光学系１５から射出された光束Ｌ２は、１／４波長板
２２、及び１／２波長板３３を経て直線偏光として偏光
ビームスプリッタ３４に入射する。このように入射した
光束Ｌ２の内、Ｐ偏光成分Ｌ５は偏光ビームスプリッタ
３４を透過して第１の検出光学系２３Ａに向かい、Ｓ偏
光成分Ｌ５は偏光ビームスプリッタ３４で反射されて第
２の検出光学系２３Ｂに向かう。検出光学系２３Ａ，２
３Ｂは図１の検出光学系２３と同じく対応するアライメ
ントマークの位置検出を行う光学系である。

【００２９】この場合、１／４波長板２２から射出され
た光束Ｌ２の偏光状態は、図５（ａ）の紙面に平行な方
向に偏光した直線偏光であり、１／２波長板３３は、そ
の直線偏光の方向を４５°回転させる。これにより、２
つの検出光学系２３Ａ，２３Ｂにはほぼ等しい光量の光
束が供給される。なお、検出光学系２３Ａ，２３Ｂで必
要な光量が異なるときには、１／２波長板３３の光学軸
の方向を変えることにより、偏光ビームスプリッタ３４
で分離される光束Ｌ５と光束Ｌ６との割合を調整でき
る。

【００３０】なお、図５（ａ）において、１／４波長板
２２、及び１／２波長板３３を省いてもよい。図５
（ｂ）は、図５（ａ）から１／４波長板２２、及び１／
２波長板３３を省いた光学系を示し、この図５（ｂ）に
おいて、リレー光学系１５から射出される円偏光の光束
Ｌ２は偏光ビームスプリッタ３４に入射する。そして、
このように入射した円偏光の光束Ｌ２の内、Ｐ偏光成分
Ｌ７は偏光ビームスプリッタ３４を透過した後、第１の
検出光学系２３Ａに向かい、Ｓ偏光成分Ｌ８は偏光ビー
ムスプリッタ３４で反射されて、第２の検出光学系２３
Ｂに向かう。

【００３１】これにより、検出光学系２３Ａ，２３Ｂで
は、戻り光が無い状態で正確に位置検出が行われる。な
お、上述実施例は本発明を投影露光装置のアライメント
装置用の位置検出装置に適用したものであるが、本発明
は戻り光に弱い光源を使用する測定装置や観察装置等の
光学装置全般に適用できるものである。

【００３２】このように、本発明は上述実施例に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得る。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、光源に近いリレー光学
系からの戻り光を除去できるため、光源に対する戻り光
が低減される利点がある。また、リレー光学系と偏光選
択素子との間に第３の偏光変換素子を配置した場合に
は、リレー光学系から射出される光束の偏光状態が、も
との偏光状態に戻されるため、偏光変換素子側の配置等
を変える必要がない利点がある。

【００３４】また、第２及び第３の偏光変換素子の少な
くとも一方は、１／４波長板である場合には、光学系を
光軸方向に短縮できる。更に、ファラデー素子等を使用
する場合に比べて、使用する光学素子の有効径を大きく
することが比較的容易であり、且つ光学素子の挿入によ
るスペースの増加も最小限にとどめることが可能である
という利点がある。

【００３５】また、第２及び第３の偏光変換素子の少な
くとも一方は、２回の全反射を利用して２つの光学軸間
で所定の位相差を付与するフレネルロムプリズムである
場合には、色消しを行えるため、容易に複数波長の光束
を使用できる利点がある。なお、１／４波長板でも複数
枚の貼り合わせにより色消しを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の位置検出装置の光学系を
示す構成図である。

【図２】図１中のウエハ２７上のアライメントマーク及
びスポット光を示す拡大平面図である。

【図３】フレネルロムプリズムを示す図である。

【図４】複数波長の光束を使用する場合の要部を示す構
成図である。

【図５】（ａ）は本発明の第２実施例を示す構成図、
（ｂ）はその第２実施例の変形例を示す構成図である。

【図６】従来の位置検出装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１１，１１Ａ半導体レーザ素子１３偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４第１の１／４波長板１５リレー光学系２２第２の１／４波長板２４偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２５第３の１／４波長板２６対物光学系２７ウエハ３０光電検出器３１アライメントマーク３２フレネルロムプリズム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直線偏光した光束を発生する光源と；該
光源からの光束をリレーするリレー光学系と；入射する
光束の光路を偏光状態に応じて切り換えると共に、前記
リレー光学系からの光束の少なくとも一部を所定の面に
導く偏光選択素子と；該偏光選択素子と前記所定の面と
の間に配置され、前記偏光選択素子から前記所定の面に
向かう光束の偏光状態を直線偏光から円偏光に変換する
偏光変換素子と；を有し、前記所定の面で反射された後、前記偏光変換素子及び前
記偏光選択素子を介して戻される光束を使用する光学装
置において、前記光源と前記リレー光学系との間に配置され、入射す
る光束の光路を偏光状態に応じて切り換えると共に、前
記光源からの光束を前記リレー光学系に導く第２の偏光
選択素子と；該第２の偏光選択素子と前記リレー光学系
との間に配置され、前記第２の偏光選択素子からの光束
の偏光状態を直線偏光から円偏光に変える第２の偏光変
換素子と；を備えたことを特徴とする光学装置。
【請求項２】前記リレー光学系と前記偏光選択素子と
の間に、前記リレー光学系からの光束の偏光状態を円偏
光から直線偏光に戻す第３の偏光変換素子を配置したこ
とを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】前記第２及び第３の偏光変換素子の少な
くとも一方は、１／４波長板であることを特徴とする請
求項２記載の光学装置。
【請求項４】前記第２及び第３の偏光変換素子の少な
くとも一方は、２回の全反射を利用して２つの光学軸間
で所定の位相差を付与するフレネルロムプリズムである
ことを特徴とする請求項２記載の光学装置。