JPS5838765B2 - 多重焦点顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は深り憔点深度を有する顕微鏡に関する。

顕微鏡は解像力を上げる為に開口数を大きくすると、そ
の自乗に反比例して焦点深度が小さくなる事が知られて
いる。

この為開口数の大きい対物レンズの深度は数ミクロン程
度しかなく、観察できるのは対象物体のほんの一断面に
すぎなくなってしまう。

例えば生体観察等で時々刻々変化していく現象を追って
いく場合等、この様な制限は極めて重大な欠陥となる。

一方最近、焦点深度の深い光学系が要求されている事の
背景には、こうした生体観察等の他に、半導体工業の発
達も太きい。

即ち半導体工業のもたらした集積回路（ＩＣ，ＬＳＩ等
）技術では最小線幅が既にミクロンオーダーに達してい
る。

ＩＣの製造はシリコン等の半導体基盤上に幾つものパタ
ーンを重ねていく事によってなされるが、最小線幅がミ
クロンだけに重ね合わせの精度もミクロ／或いはサブミ
クロンといったオーダーが必要とされる。

一方ＩＣの検査もミクロンの解像を必要とする為に顕微
鏡対物の使用が必至であるが、測定対象物のシリコンウ
ェーハー等が対物レンズの深度以上の凹凸を持っている
為、測定していくうちにピントが狂ってしまうといった
様な欠点があった。

顕微鏡の焦点深度が浅いという事は特に前者の位置合せ
の際に深刻である。

何故なら、通常ＩＣの焼付によく用いられているコンタ
クト焼付、或いはプロキシミテイ法といわれる焼付法で
は焼付パターンを持つマスクと、焼付けられるべきウェ
ーハーの距離を数十ミクロン程度離して位置調整を行う
からである。

マスクとウェーハーがお互いに接触してしまっては位置
調整のしようがないので数十ミクロン酸して位置調整す
るのは必須の条件であるが、この数値が高い解像力を有
する顕微鏡対物レンズの深度よりがなり大きな値である
事は明らかである。

従って、例えばマスクにピントを合わせればウェーハー
の像がぼけてしまい、逆にウェーハーの方にピントを合
わせればマスクの方のピントがずれてしまうという事で
この悪循環の為に位置合せの精度が期待できないという
欠点があった。

本発明の目的は上述の欠点を解消する為の深い焦点深度
の顕微鏡を提供する事である。

そして、この目的は顕微鏡の光軸に対して前後方向に異
なった複数個の観察面に対する像を光路長補正手段によ
って同一面上に結像させる事によって達成できる。

以下本発明の実施例を図面を使用して説明する。

第１図は既に本件出願人によって提案されている深い焦
点深度を有する顕微鏡の例である。

空間的に縦方向に離れている面に同時にピントを合わせ
る事を解り易くする為に、ここでは半導体を密着或いは
プロキシミテイ法で暁付ける際の観察系を例にとって説
明する。

即ち観測の対象であるマスク面とウェーハー面は位置合
せを行う為、前述の様に数十ミクロ糧れてセツティング
されている。

第１図では１がマスク、２がウェーハーである。

これらマスク、ウェーハー１，２は不図示の公知の照明
系によって照明されている。

３は対物レンズである。

この対物レンズからの光束はビームスプリンター４によ
り光路５，６に分割され、ミラー７．８によって反射を
受は再びビームスプリッタ−４により再統合されている
。

ここで光路５゜６の長さはビームスプリッタ−４からミ
ラー７゜８迄の距離によって定まる。

この距離に適当な差をつげる事によって、マスクの像と
ウェーハーの像を共通の平面１２に作ってやる事ができ
る。

第２図は光路５，６の長さを変えてやる必要のある事を
示した図である。

即ち、レンズ１６に対して光軸上でｔだけ離れた２つの
物体１４．１５は像１７，１８となる。

ここでαをこのレンズの縦倍率とすれば、像面上では像
１７．１８の位置はｔｃｔだけずれてしまう。

縦倍率は横倍率の自乗となるので、例えば横倍率が１０
倍とすれば縦倍率は１００倍となり、物体面で１０ミク
ロ糧れていたものは像面上ではｌ０Ｘ１００−：クロン
、即ち１ミリメートルも離れてしまう事になる。

この離れた量の調整を光路分割し、再統合する事によっ
て行おうというのが第１図の例である。

光路ｔα ５を６よりも−だけ長くしておけば、往復でｔαだげの
距離の違いが出てきて、ウェーハーとマスクの像のでき
る位置を一致させる事ができる事になる。

第１図で１０は光路５によるマスク１の像、１１は光路
６によるウェーハー２の像で、光路の長さの調節により
共通のピント面１２に像ができている。

この際光路５によるウェーハー２の像、光路６によるマ
スク１の像も形成されるが、これらはそれぞれ１２より
ｔαだげ離れた位置にできるデフォーカス像となり、実
際的には殆んど問題でならない。

１３は接眼レンズである。マスクとウェーハーの相対的
距離、通常の顕微鏡観察なら観測しようとする面の光軸
方向のずれｔは場合によって異なり、固定された値では
ない。

その時には例えばミラー７を固定としておいて、ミラー
８を可動にしておけば良い。

そうすれば如何なるずれ量ｔに対しても対処できる事と
なる。

勿論ミラー７．８を両方とも可動にしても良い。

通常の単純な観察系ならこれだけで十分であるが、寸法
測定等の精密測定に応用する時には第１図の系では未だ
種々の問題点がある。

第１の問題点は例えば第１図の系でいうと、ミラー８を
動かすとした時、ミラーの移動に伴なってミラー面が傾
いてしまうと再統合した後の５の光路による光軸とずれ
てしまうという事であった。

この様子は第３図に示す通りであり、ミラー８が８Ａの
位置迄動いて傾くと光軸は６Ａとなって像の位置にずれ
を生じさせる。

この移動に際する像のずれを押さえる為の角度精度８と
１２の距離が離れると非常に酷しくなり、時には秒オー
ダーの精度が要求される場合もある。

本発明はこの様な移動部材の角度精度が緩（でも像の位
置ずれを生じない多重焦点用顕微鏡光学系に関する。

本発明は光路長補正用の部分にコーナーキューブを用い
る事を特徴とするものである。

コーナーキューブは周知の様にミラー面を３つもつ光学
素子であり、光は反射を３回受けて出てくる。

この様子は第４図に示しである。

入射光と射出光の角度関係はコーナーキューブの置き方
によらず一定であり、反射面の３つの法線ベクトルが互
いに直交する様になっている時には出ていく光は入射光
と頂度反対の方向となる。

本発明においてはこの角度関係がコーナーキューブの置
き方に全く依存しないという事を利用した構成をとる事
を特徴とする。

第５図に示したのは第１図の系にコーナーキューブを応
用した例である。

構成ははｇ第１図と同じであるが光路５にコーナーキュ
ーブ１９を取り入れた事が特徴となっている。

コーナーキューブを用いた利点はコーナーキューブに入
る光と出る光の方向関係が、コーナーキューブの置き方
によらない事であるので、７のミラーでもとに戻せば光
は完全にもと来た道を逆行する。

ここで７のミラーは固定として移動するのをコーナーキ
ューブとすれば、コーナーキューブは傾いても角度関係
が変わらないので、光軸は最初のセツティングさえやっ
ておけばずれる心配がない。

従って楽に多重焦点を精度良く実現できる。

移動させるコーナーキューブはマニュアルで動がしても
良いし、又振動させても良い。

第６図は第５図の系で６の光路を取り除いたものであり
、コーナーキューブを時間的に振動させる方式で１２の
観察面を時間的に像が光軸のずれなしにスキャンされる
ので、実質的に焦点深度の深い光学系を達成する事がで
きる。

尚、コーナーキューブは必ずしも通常の概念の様に頂点
を９０゜構成にしたものでなくても、入射する光と出て
いく光との角度関係が所望のものとなる様に３回の反射
を用いるものであれば良い。

第二の問題点は倍率の問題点である。

即ち、例えば今次説明してきたマスクとウェハーの位置
合せの様な２物体の相対位置測定の様な場合には、マス
クの像の倍率とウェハーの像の倍率が異なってしまうと
、大きな誤差を生じる結果を招く。

この様子は第７図に示しである。

２９と３０は同じ大きさの物体であり、レンズ３１によ
って３２と３３に像を結ぶ。

２９と３０は光軸上で少しずれており、この関係はマス
ク１とウェハー２の関係と相似である。

本発明では前述の方法により、像３２と３３の位置を一
致させるわけであるが、像の大きさ迄は変えないので、
両物体の相対位置の察には誤差が生ずる。

精密測定の場合にはこの点を考慮しなければならない。

この様な誤差を除く為に、顕微鏡対物レンズとしてはま
ず、テレセントリックなものを用いる事が望まし〜）。

テレセンドリンク対物レンズはレンズの前側焦点位置に
瞳位置があり、その為、光束の中心である主光線は光軸
に対して平行になる。

この様子は第８図に示す通りで、３４の瞳が、対物レン
ズ３の焦点位置に置かれている。

この様なレンズを使用する事によって光軸に対して前後
方向に異なった物点は光軸に対して直角な方向に横ずれ
する事なしに結像系に入る事ができる。

しかしながらテレセンドリンク対物レンズを用いるだけ
では精度は実は十分ではない。

第８図においてはリレーレンズ３５が配置されているが
、リレーレンズも又テレセントリックになっていなけれ
ば倍率の誤差が生じてしまうのである。

第８図のリレーはテレセンドリンクになっていないので
、リレーレンズを出た後の主光線は光軸に対して傾いて
いる。

物体１，２の像１３，１４は図示の位置にできるが、光
軸に対して平行な位置関係にあるＡ、Ｂが本発明の方法
により、１３と１４の位置を一致させた後ではＡ′とＢ
′となって位置が一致せず、あたかも△の位置ずれがあ
るかの様に観測されてしまう。

第９図がリレーレンズ３６迄テレセンドリンクになって
いる例である。

リレーレンズを出た後の光束の中心である主光線は対物
レンズに入射する場合と同様に光軸と平行なので、Ａ／
Ｂ／は横ずれなく観測される。

即ちＡＢの関係を正しく Ａ’Ｂ’に反映させる事がで
きる。

リレーレンズのテレセンドリンクの度合は測定精度によ
り異なり、１３と１４の位置のずれる度合によっても異
なるので適当に選ぶ事が重要であり、横ずれが許容でき
る範囲でテレセントリックを崩しても良い。

半導体焼付のアライメントスコープ等では対物レンズの
位置が動くので、多少のリレーレンズのテレ七ントリッ
ク性が崩れるが、問題が生じない程度に設計が可能であ
る。

又第１０図に示した様に精度を要する系で対物リレーと
もテレセントリックにした場合にはハーフミラ−とコー
ナーキューブを用いた本発明の光学系の部分３７はリレ
ーと結像面の間に置かれる事は勿論である。

以上の様に本発明はハーフミラ−とコーナーキューブを
有効に用いて焦点深度を深くし、又それにテレセンドリ
ンク光学系の思想を加える事によって精密測定も可能と
なる様にしたものであり、顕微鏡による像の観察及び検
出に多大の効果が期待される。

実施例においてはウェハーとマスクを例にとって説明し
たが、ウェハーとマスクをそれぞれ顕微鏡で観測しよう
という複数個の観測面と考えれば通常の顕微鏡観察にも
適用が可能な事は十分理解されよう。

又実施例の説明で、アライメントスコープとして用いる
場合には、２つの対物レンズが必要であるがここでは簡
単の為１つだけ例にとった。

プロキシミテイ法やコンタクト法ではアライメントを行
った後に、マスクとウェハーの距離を縮めたり、コンタ
クトさせてしまったりするが、その時の距離の変化量に
応じて、光路長補正用ユニットを連動して動かせば常に
マスクと、ウェハーの両者にピントを合わせて観測でき
る。

従って例えばプロキシミテイ法でアライメント時ギャッ
プが５０μで暁付ける時２０μという風に変化させた場
合、この変化に対応してコーナーキューブを動かせばア
ライメントしてから、焼きつげる為マスク、ウェハー間
の距離を縮めた際に位置ずれが生じなかったかをきちん
と観測する事ができる。

又、本方法を逆用すればコーナーキューブの移動量によ
り任意の２つの面の間の距離を算出する事も可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に類する多重焦点顕微鏡を説明する図、
第２図は結像レンズの光軸方向に沿って異なった位置に
配された２つの物体とこれらの物体の像位置関係を説明
する図、第３図は第１図の多重焦点顕微鏡の欠点を説明
する図、第４図は本発明の多重焦点顕微鏡に使用するコ
ーナーキューブリフレクタ−を示す図、第５図は本発明
の第１実施例の光学配置図、第６図は本発明の第２実施
例の光学配置図、第７図は通常の結像レンズの縦倍率、
横倍率を説明する図、第８図は本発明の第３実施例の光
学配置図、第９図は第４実施例の光学配置図、第１０図
は第５実施例の光学配置図である。 図中、１，２は物体、３は対物レンズ、４はノ・−フミ
ラー、５，６はハーフミラ−によって分割された光、７
，８は固定の全反射ミラー、１２はピント面、１０，１
１はピント面に形成された物体１，２の倖、１３は接眼
レンズ、１９はコーナーキューブリフレクタ−０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 顕微鏡観察光学系の光束を複数個の光束に分割する
   手段と、この複数個の光束に分割された夫夫を再統合す
   る手段と、前記複数個の光束に分割された光束の少なく
   とも１つの光束中に配されたコーナーキューブとを含み
   、コーナーキューブを移動させる事によって異なった観
   測面に対する像を同一面上に結像させる事を特徴とする
   多重焦点顕微鏡。 ２、特許請求の範囲第１項の顕微鏡に於いて、前記顕微
   鏡観察光学系はテレセントリックな対物レンズとテレセ
   ントリックなリレーレンズを持つ結像光学系を含み、前
   記光路長補正手段としてのコーナーキューブはこの結像
   光学系のリレーレンズと結像面の間に配されている事を
   特徴とする多重焦点顕微鏡。