JPS58193516A

JPS58193516A - レ−ザ光偏向光学装置

Info

Publication number: JPS58193516A
Application number: JP7523882A
Authority: JP
Inventors: Sumio Hosaka; 純男保坂; Akihiro Takanashi; 高梨　明紘; Tatsuo Harada; 原田　達男; Toshishige Kurosaki; 利栄黒崎; Shinji Kuniyoshi; 伸治国吉; Yoshio Kawamura; 河村　喜雄; Tsuneo Terasawa; 恒男寺澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-05-07
Filing date: 1982-05-07
Publication date: 1983-11-11

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】本発明はレーザ描画装置やレーザパターン検出装置１１
等に用いて好適なレーザ光偏向光学装置の改良に関する
ものである。

従来のレーザ光偏向光学装置にはポリゴンミラを使用し
たもの、あるいは１機械的往り運動によるものなどがあ
る。前者において、ポリゴンミラを使用した偏向光学装
置は大きなＦ−０レンズを用い、大角偏向で広範囲を偏
向し、直角方向は移動台により、連続的あるいは断続的
に移動を行って２軸−向が行われている。この場合、偏
向速度は速いが絞られたレーザスポットの径が大きく。

精密偏向や分解能に問題がある。一方、後者は対物レン
ズ全レーザ光軸方向に試料台を平行往復運動することに
より大面積偏向が行われた。この場合、レーザグローブ
径は小さいが、偏向速度や精密偏向に問題がある。

したがって、本発明の目的はスポット径が小さく、かつ
、＾速・高精度の偏向を行なうことができるレーザ光偏
向光学装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明においては。

レーザ光源と、このレーザ光源で発生したレーザ光を入
射して所定角度内で偏向するための音響光学偏向手段と
、この偏向手段で偏向されたレーザ光を試料台上の試料
表面に集束する丸めの対物レンズと、偏向手段の偏向点
を対物レンズの入射瞳に投影し、かつ、偏向されたレー
ザ光を平行化することによって対物レンズに入射するた
め偏向手段と対物レンズとの間に設けられたリレーレン
ズ手段と、偏向手段からの０次光を遮光するためリレー
レンズ手段中に設けられた遮光手段とからレーザ光偏向
光学装置を構成したことを特徴としている。

かかる本発明の特徴的な構成によってレーザ光のスポッ
ト径が小さく、かつ、高速・高精度の偏向が行なえるレ
ーザ光偏向光学装置の提供が可能となった。

つまり、本発明では制御性があり、微小角で、かつ、高
速・高精度の偏向が可能な音響光学偏向素子を偏向手段
に使用し、そして、対物レンズにはレンズ開口数ＮＡ　
（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　）の大きい
顕微鏡用対物レンズを使用している。さらに、対物レン
ズのＮＡを最大限に利用する丸め偏向素子の偏向点を対
物レンズのレンズ瞳の部分に投影できるようにリレーレ
ンズ手段、すなわち。

光学レンズ群を偏向素子と対物レンズとの間に設置して
いる。すなわち、音響光学偏向素子からのｉＭされたレ
ーザビームを第１のレンズにより集束し、さらに、第２
のレンズにより、レーザビーム径を修正し、かつ、レー
ザビームを平行ビームに戻すとともに、偏向素子の偏向
点が対物レンズの入射瞳に投影される。この時、偏向素
子は回折光のみならず回折されない０次光をも通過させ
る。

この０次光を除去するため、リレーレンズ手段を構成す
る第１のレンズと第２のレンズとの間にスリン）ｋ設置
している。また、上述の偏向光学装置と、少なくとも光
偏向方向に対して垂直方向に定速連続移動を行い、試料
の全加工あるいは全測定領域をレーザ光が走査できるよ
うな試料移動台と、その制御装置とを設けている。なお
、光偏向と定速達絖送りとを組み合せたラスタ走置の場
合、試料面上に走査されるレーザビームはある傾きをも
って走査され、この傾きに厄じた誤差量が発生する。従
来の電子媚描画法等では誤差量補正のため２＠偏向を行
っている。これに対して、本発明では制速で光偏向が可
能な音響光学偏向素子を使用しているため、この誤差量
は小さくなり、１軸のみの偏向素子で十分である。光利
用効率の点からも、ｌｌ１１］のみの場合が優れており
２本発明例では、特に、１軸に限定した音響光学偏向素
子を示した。

以下、本発明を実施例によって詳細に説明する。

第１図は、本発明によるレーザ光偏向光学装置の基本的
な構成を示したものである。

本発明のレーザ光偏向光学装置の基本的構成は、図に示
すように、レーザ光源５０．ｉ）＠光学偏向素子１．駆
動回路３１．リレーレンズ４９を構成する第１光学レン
ズ２．第２光学レンズ４およびスリット３．対物レンズ
５．試料６を載置した試料台（図示せず）からなってい
る。また、これらはｓ＃＋’ｌｓ’ｌｓ　ｐの距離をも
って設置される。なお、ここでｆ、は第１光学レンズ２
の後側焦点距魅、ｆ、は第２光字レンズ４の前側焦点距
離を示し、第１光学レンズ２と第２光学レンズ３との設
置間隔はこれらの合計の焦点距離（ｆ、＋’ｔ　　）と
なっている。

第１図のレーザ光偏向光学装置の動作を説明すると、レ
ーザ源５０よシ出射したレーザビーム８は上述の音響光
学偏向素子１に入射し、偏向素子１により任意の回折角
（偏向角）θ、をもってリレーレンズ４９の第１光学レ
ンズ２に向けて偏向されたレーザビーム１０．１１とし
て出射される。

第１光学レンズ２を通過したレーザ光は第１光学レンズ
２の後側焦点付１ｔ（ｆｌ）に焦点を結び、第２光学レ
ンズ４へと導かれる。第２光学レンズ４の前側焦点位置
（ｆ、）は第１光学レンズ２の後側焦点位置（ｆｌ）と
一致しているため、第２光学レンズ４を通過したレーザ
光は平行ビームに再度修正され、対物レンズ５に入射す
る。この時、偏向素子１での偏向点７は対物レンズ５の
入射瞳上に、つまり第２光学レンズ４の後方、距離ｐだ
け離れた位置に投影される。以上述べたように、リレー
レンズ４９を通過したレーザ光は対物レンズ５により試
料６上に焦点を結び、対物レンズ５の焦点距＠’ｍｂＪ
で決定される偏向量ｆ、ｂｌｔａｎθ、だけ偏向される
。なお、θ、は対物レンズ５に入射されるレーザ光の光
軸とのなす角度を示す。この時１図に示した距離ｐ、ｐ
は次式（１１で表わされる関係があり１本発明ではこれ
を満足するように各光学部品が設置されている。

ここで、距ｌｉｗｐ、ｐの代表例について述べる。

距離ｐを第１光学レンズ２の後側焦点距離ｆ、に等しく
した時、距離ｐは第２光学レンズ４の前側焦点距離ｆ、
に等しくなる。すなわち、リレーレンズ４９の第１光学
レンズ２は偏向素子１の偏向点７から距離ｆｌｌ隔隔て
設け、対物レンズ５はリレーレンズ４９の第２光字レン
ズ４から距離ｆｌ２隔てて設ければよいことになる。

一方、音響光学偏向素子１は閣内素子駆動回路３１によ
り駆動用高周波１ｇ号３９が入力され、レーザビーム８
の偏向が行われる。図中には、最小偏向角をもったレー
ザビーム１０と最大偏向角をもったレーザビーム１１と
を示した。以上の説明のごとく、音響光学偏向素子１を
、偏向素子１の出射時における偏向角がθ、となるよう
に駆動すると、対物レンズ５への入射時の偏向角θ、お
よびレーザビーム径り、は（２）および（３）式のよう
に与えられる。

ただし、Ｄ、は偏向素子１の出射時のレーザビーム径を
示す。

以上のよりにして得られた偏向角θ冨およびレーザビー
ム径り、により、対物レンズ５を通過したレーザビーム
は試料６上にレーザスポットを結び、この時のスポット
径Ｄａｂｌおよび偏向量りは次式＋４１．　（５Ｊで与
えられる。

Ｌ　”　’　ｍｂＪ　ｆａｌｌ　ｆｌ　＠　　　　　　
　　　　　−−−・−・・−・（５１すなわち、（４）
式で明らかのように対物レンズ５への入射時のレーザビ
ーム径り、の大きさも試料６上で得られるスポット径に
大きく影ｔ＃ヲ与え、重要な因子でおることがわかる。

したがって、第１光学レンズ２および第２光学レンズ４
を、試料６上で得られるスポット径、偏向量の仕様に合
うように設計することが重要である。

ところで、実際の音響光学偏向素子１で回折されないθ
次光９も回折光（偏向光）１０．１１とともに第１光学
レンズ２に、図の破線で示したごとく、導かれる。これ
は、従来の偏向方法（前述したポリゴンミラおよびガル
バノメータを使用した場合）では発生しないものである
。すなわち。

本発明では偏向光学系ｔ−ｍ立することのみならず。

θ次光９’ｔｉｉ光することが必要になる。したがって
１本発明では１図に示すごとく、第１光学レンズｌ！：
第２光字レンズ４との間にレーザ光が焦点を結ぶ位置に
スリットあるいはアパーチャ３を設けた。この焦点位置
にスリット等３を設置するととはこの場メでレーザビー
ムが最も絞られ、最小のスリット等３により、容易に０
次光９と偏向光１０．１１とを分離することができるた
めである。

仮に、この位置から、大きく隔ててスリット等３を設け
た場合は０次光９と偏向光１０．１１とがオーバーラツ
プし、０次光９を完全に遮光することがむずかしくなる
。また、図のような位置にスリット等３を設置すると、
ｉｓ向先光１０１１を通過させるスリット長はｆｌｔａ
ｎ０１以上であり、スリット長が最小で済むことが明ら
かとなる。したがって、第１光学レンズ２と第２光学レ
ンズ４との間にレーザ光が焦点を結ぶ位置にスリットあ
るいはアパーチャ３を設置することは音響光学偏向素子
１を用いたレーザ光−向光学装置に非常に有効な手段で
ある。

以上のようなレーザ光偏向光字装置を用いることにより
、レーザビームを微小スポットに級す。

かつ、高速・＾精度偏向を夾境することができる。

第２図は、上述したレーザ光偏向光学装置に、光変調系
と、試料台と１位置検出器と、電気信号制御系とを付加
してなるレーザ描画装置の概略構成を示す。図において
、光′Ｒｖ！４糸は光学レンズ１２と、音響光学変調素
子１３と、アパーチャ１４とから構成され、レーザ源１
ｏがら出射したレーザ光８は光減衰器５１を通り、上述
の光ｆａｌｉＩＩ系に導かれる。このレーザ光８は光学
レンズ１２で音響光学変、、＋４素子１３の回折中心位
置に結像され、変調素子１３の′ＯＮ”時の駆動信号３
７により変調素子１３内で回折されたレーザ光８がアパ
ーチャ１４を通過する。一方、上述のＯＮ”時の回折さ
れない０次光および″ＯＦＦ”時の駆動１６号３７によ
り回折されないレーザ光１８は上述のアパーチャ１４で
遮光される。上述のごとく。

アパーチャ１４を通過したレーザ光８は光学レンズ群１
５．１６により欣望の平行なレーザ光径に修正され、ミ
ラー１７により第１図で説明したレーザ光偏向光学装置
に導かれる。この偏向光学装７ｔを通過したレーザ光８
は光感光材や金属膜が塗布あるいは蒸着されている被加
工物４０上に結像し１図のように微小範囲’ｋＸ方向に
走査する。これと同時に、Ｘモータ２２によりＹテーブ
ル２０をＹ方向に定速走行し、Ｙ方向の加工範囲を越え
ると、Ｘモータ２３によりＸテーブル２１をレーザ偏向
量のみ例えば＋Ｘ方向にステップ送りし。

その後、Ｙテーブル２０を逆方向に定速走行する。

以上のどと＜、Ｘ、Ｙテーブル２１．２０をジグザグに
走行させ、被加工物４０上の全加工領域をレーザビーム
８がラスク走査する。この時、レーザ測長器２４と、ペ
ンダ２５と、Ｌ型ミラ１９とにより構成されるレーザ測
長システムにより、試料４０の位Ｉｔを精確に読み取る
。この位置信号２８を制御回路３３にフィードバックし
、テーブル２０．２１の移動速度や座標の補正および゛
偏向信号３８や変調信号３６等の補正を行うことができ
る。また、この位置座標に対応して、コンピュータ３４
からのパターンデータ３５を制御回路３３に転送し、制
御回路３３内でこのデータを変調信号列に直し、光変調
駆動回路３２に転送し。

試料４０向上にパターン形成を行うものである。

上述の説明のごとく、レーザ描画装置を用いると。

レーザ加工法による金属膜の直接バター／形成や光感光
材への潜像パターン形成等が高速・昼精度で行うことが
できる。なお、図には自動焦点機能は記載されていない
が、公知である光検出器や空気マイクロメータによる自
動焦点機能を有することは必蕾であり、本発明も当然の
ことながら、これらを宮むものである。また、光変調機
能も１本具体例ではｆ＊光学素子１を使用した例を示し
たが、電気光学結晶を用いることもできる。さらに。

本具体例はＸ方向のラスタ走ｆｗ示したがＹ方向ラスク
走査でも良い。

第３図に、本発明をパターン検査装置に適用したー具体
例を示す。第３図は、第２図に示したレーザ描画装置か
ら、光変調機能お・よびパターン発生機能を光学系およ
び制御回路から、各々、取シ除き、耕たに、被測定物４
１からの反射光を検出する光検出器４２と、被測定物４
１上のパターンエッチあるいはパターン中心を検出する
パターン検出回路４４と、検出したパターン信号４５を
信号処理するだめの制御回路４６と、設計データを格納
する外部記憶装置４７とを設置している。上述したレー
ザ測長システムで測長された被測定物４１の座標と偏向
信号３８の電圧値等から算出されたレーザビーム位置と
、パターン検出回路４４からのパターン信号４５とから
被測定物４１上のパター７の長さ等が測定することがで
きる。また、このパターンの位置も正電に読み取ること
ができ。

この情報をコンピュータ３４に転送し、外部記憶装置４
７に格納されている設計データと比較することにより、
パターン上のゴミあるいは欠陥検出が可能となる。なお
１本具体例では反射光を用いた光検出機能を示したが、
透過光を利用する光検出機能でも可能であり、また光減
衰器や光変調器を示してないが、これらを本具体例に組
み込んでもよいことはもちろんでおる。

本発明を半導体リングラフィ工程で使用されているレテ
ィクル（原画の１０倍パターン）製作に通用すると、パ
ターン形成（レジス１ｍあるいはレーザ加工）が３０分
以内で行なえ、尚速・＾精度の描画が可能となる。また
、レティクル上のゴミ、欠陥検査等も尚速検査が可能と
なる。例えば１本発明によるパターン形成と電子線によ
るパターン形成（１１子線描画法）とを比較すると、描
画速度は同程度あるいはそれ以上となり、装置自体も低
価格とともに大気中での形成が行えるため＊＋ｔの保守
や調整が容易であることからレティクル１枚当シの製作
費も非常に安価で済み、かつ、装置の信頼性にも優れて
いる。以上の説明のごとく１本発明は半導体パターン形
成工程等における＾連化、尚精度化に種々の面から有益
となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザ光偏向光学装置の基本構成
図、第２図は本発明をレーザ描画装置に通用したー具体
例を示す基本構成図、第３図は本発明をパターン検査装
置に連相したー具体例を示す基本構成図である。１・・・音響光学偏向素子、２・・・第１光学レンズ、
３・・・アパーチャ、４・・・第２光学レンズ、５・・
・対物レンズ、６・・・試料、７・・・偏向点、８・・
・レーザ光、９・・・０次光、１０．１１・・・偏向光
（回折光）、３１第１頁の続き０発　明　者　国吉伸治国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番地株式会社日立製作所中央研究所内０発　明　者　河村喜雄国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番地株式会社日立製作所中央研究所内０発　明　者　寺澤恒男国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】１、　レーザ光源と、上記レーザ光源で発生したレーザ
光を入射して所定角度内で偏向するための音響光学偏向
手段と、上記偏向手段で偏向されたレーザ光を試料台上
の試料表面に集束するだめの対物レンズと、上記偏向手
段の偏向点を上記対物レンズの入射瞳に投影し、かつ、
上記偏向されたレーザ光を平行化することによって上記
対物レンズに入射するため上記偏向手段と上記対物レン
ズとの間に設けられたリレーレンズ手段と、上記偏向手
段から００次光ヲ遮光するため上記リレーレンズ手段中
に設けられた遮光手段とを備えてなることを特徴とする
レーザ光偏向光学装置。２　上記音響光学偏向手段が音響光学偏向素子と上１ピ
偏向素子を駆動するための駆動回路とからなることを特
徴とするｗＪ１項のレーザ光偏向光学装置。３、上６ｅ　ＩＪシレーンズ手段が少なくとも第１．２
の光学レンズからなり、上記第１光学レンズと上記第２
光学レンズとの間隔が上記第１．２光学レンズの焦点距
離の合計に等しく、上記第１光学レンズと上記音響光学
偏向手段の偏向点との間隔が上記第１光学レンズの後側
焦点距離に等しく、上記第２光学レンズと上記対物レン
ズとの間隔が上記第２光学レンズの前側焦点距離に等し
くなるように上記第１．２光学レンズが設けられている
ことを特徴とする第１項あるいは第２項のレーザ光偏向
光学装置。４、王妃迩光手段がスリン）６るいはアパーチャからな
ることを特徴とする第１項から第３項までのいずれか一
つの項のレーザ光偏向光学装置。５、上記通光手段が上記第１光学レンズの後側焦点位置
に設けられていることを％徴とする第３項のレーザ光偏
向光学装置。