JPS59100805A - 物体観察装置 - Google Patents

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、例えば半導体製造工程におけるマスクとウェ
ハーとを整合するための物体観察装置に関するものであ
る。

２個の物体を所望の位置に自動的に重ね合わせる例とし
て、半導体集積回路の製造時に用いられる自動位置合わ
せ装置がある。このような装置の一つとして、本願人は
第１図に示すような光学系を有する装置を先に提案した
。第１図に示す装置では、物体面であるマスク１とウェ
ハー２の面上をレーザー光゛を集光したスポットて走査
し、その時間的な走査信号に基づいて位置合わせを行う
ようになっている。この装置には光電検出系と共に目視
用観察光学系も股゛けられており、この観察光学系はパ
ターンの観察だけではなく、初期のマスク設定などの整
合時に欠くことのできない走査を行うに鳥って重要な役
割を果している。

この第１図に示す装置では、位置合わせ用のレーザービ
ーム以外に観察光学系のために専用の光源を使用してい
る。従って、レーザービームの波長と観察用の波長にそ
れぞれ合わせた特性を持つ光学素子を必要としている。

この従来装置を更に詳しく説明すると、Ｈｅ−Ｎｅレー
ザーなどのレーザー光源１１から射出されたレーザービ
ームＬの進路に沿って、順次にコンデンサレンズ１２、
回転多面鏡１３が配置されている。更に、この回転多面
鏡１３により偏向されたレーザービームＬの光軸に沿っ
て、ｆ−θレンズ１４、観察用反射光を観察光学系に分
割するためのダイクロインクビームスプリッタ１５、フ
ィールドレンズ１６、復路の整合用反射光を光電検出光
学系に分割するだめの偏光ビームスプリッタ１７、リレ
ーレンズ１８、観察光を主光学系に入射するためのビー
ムスプリッタ１９、絞り２０、対物レンズ２１が順次に
設けられている。レーザービームＬの結像位置にはマス
クｌが配置されていて、このマスクパターンは結像光学
系２２を介して兵役の位置に腸かれたウェハー２に結像
されるようになっている。この結像光学系２２内にはλ
／４板２３が内挿されており、光が通過すると偏光状態
が変るようにされている。

また、復路で偏光ビームスブリック１７により分離され
る反射光の光軸上には、結像レンズ３０、波長カットフ
ィルタ３１、部分遮光板３２、コンデンサレンズ３３、
光電変換器３４が配列されている。ビームスプリッタ１
９には光源４０から観察光が、コンデンサレンズ４１、
フィルタ４２、偏光板４３を介して入用され、その入射
光は対物レンズ２１側に反射されるようにされている。

また、グイクロイックビームスプリッタ１５で分離され
る観察光の光軸上には、結像レンズ５０、フィルタ５１
、エレクタ５２が配置され、目視により観察用反射光を
観察できるようになっている。

上記の構成を有するこの光学系において、レーザー光源
１１から射出されたレーザービームＬは、コンデンサレ
ンズ１２により点ａで集光された後に回転多面鏡１３に
入射し、直線で示すようにここでほぼ直角方向に偏向さ
れると共に回転多面鏡１３の回転方向に走査される。そ
して更に、ｆ−θレンズ１４、ビームスプリッタ１５、
フィールドレンズ１６を通過した後に再び点すに集光さ
れ、順次に偏光ビームスプリッタ１７、リレーレンズ１
８、ビームスプリッタ１９を通過し、レーザービームＬ
の主光線は絞り２０の中央に位置する対物レンズ２１の
焦点Ｃを通り対物レンズ２１に入射する。このレーザー
ビームＬの主光線は対物レンズ２１の焦点Ｃを通ってい
るために対物レンズ２１を通過後は光軸と平行になり、
主光線はマスクｌ上に直線偏光の状態で垂直に入射する
ことになる。そして、結像光学系２２によりマスク１の
像位置に置かれたウニ／＼−２に集光する。このとき、
レーザービームＬは入／４板２３を通過することにより
直線偏光から円偏光になる。マスク１及びウェハー２に
入射するこのレーザービームＬは、対物レンズ２１によ
り微小スポット光として結像し、回転多面鏡１３の回転
に従って、マスク１及びウェハー２の面上を図面と平行
な走査線方向に走査する。マスク１及びウェハー２で反
射されたレーザービームＬは再び入／４板２３を通過し
、最初に入射した偏光方向とは直交した直線偏光となる
。

いま、マスクｌ、ウェハー２の走査された個所がアライ
メントマーク以外の平滑面であれば、その反射光は散乱
されることなく対物レンズ２１の焦点Ｃの位置の入射瞳
及びその近傍を通り、往路と同じ直線を経てリレーレン
ズ１７を介して偏光ビームスプリッタ１７に至る。一方
、走査された個所が平滑面でない場合、即ちアライメン
トマークをレーザービームＬが照射した場合には、レー
ザービームＬ・はこれらのマークエツジて散乱する。そ
して、この散乱反射光は往路をそのまま戻らず、点線で
示すように対物レンズ２１を通過後にその入射瞳の中心
、つまり焦点Ｃを必ずしも通らないで入射瞳の端部を通
過する。このことは反射光が入射瞳上で散乱光と非散乱
光とに空間的に分離されていることを示している。

マスク１及びウェハー２の平滑面で反射された非散乱光
は、入射瞳位置を通過後に点すで結像するようにリレー
レンズ１８を介して偏光ビームスプリッタ１７に導かれ
、ここで直角に反射されて光電検出光学系方向に進む光
と、直進して回転多面鏡１３方向に戻る光との２方向に
分離される。

光電検出光学系の方向に偏向された非散乱光は、リレー
レンズ１８の焦点すと部分遮光板３２とを共役にする働
きをする結像レンズ３０、光電検出用の光を透過し観察
用光源４０の光を遮光する波長カットフィルタ３１を通
過し、部分遮光板３２の中心位置に結像することになる
。透明ガラスで形成された部分遮光板３２の中心部は、
光を遮光する物質でパターニングされた非透過部となっ
ており、非散乱光はその先のコンデンサレンズ３３、光
電変換器３４に進むことはない。しかし、点線で示す散
乱光は非散乱光とほぼ同様な復路を通過しても、必ずし
も部分遮光板３２の中心部に集光することはなく、光電
変換器３４には散乱光が入射することになるので、走査
レーザービームＬが７ライメントマークに至ったときに
のみ、光電変換器３４から出力信号が発生する。

一方、観察用光源４０かも射出された光は、偏光板４３
によりレーザービームＬの偏光方向と直交する偏光方向
だけが通過し、ビームスプリッタ９により対物レンズ２
１方向に反射される。この反射光はレーザービームＬと
同様にウェハー２で反射されて入／４板２３により偏光
方向が入射時と直交した方向に変化して、対物レンズ２
１を回転多面鏡１３方向に通過する。そして、ビームス
プリッタ１９、偏光ビームスプリッタ１７を通過しグイ
クロイックビームスプリッタ１５により反射されてエレ
クタ５２で像を結像させ目視を可能としている。偏光ビ
ームスプリッタ１７はマスクｌから直接反射して対物レ
ンズ２１に戻ってくる光がエレクタ５２側に反射するこ
とを防ぎ、ウェハー２まで到達した光のみを観察光学系
に導光する役割を果している。従って、この観察像には
マスク１からの反射光がフし・アとして含まれていない
ので極めて鮮明な像となる。

このとき、レーザービームＬを効率良く光電変換器３４
で受光し、かつ観察用光源４０の光を効率環〈目視可能
とするためには、光学素子の特性を慎重に選択する必要
がある。それにはレーザーに直線偏光型のものを採用し
、偏光方向が図面と平行となるようにレーザー光源ｌｌ
を配置し、観察光学系ではレーザー光源１１から射出し
た光のうち図面と垂直方向に偏光している光を使うよう
に偏光板４３を配置する。レーザー波長でのグイクロイ
ックビームスプリッタ１５の特性としてはＰ偏光を反射
しするものとし、ビームスプリッタ１９はＰ偏光を透過
するように、更に偏光ビームスプリッタ１７はＰ偏光を
透過しＳ偏光を反射するように設計する必要がある。

しかしながら、実際にはグイクロイック膜には蒸着物質
の屈折率によって定まる限界があり、前述のような特性
を現実させることはなかなか困難である。例えば、ビー
ムスプリッタ１９としてプリズム型のビームスプリッタ
ではなく平行平面板型のものを採用した場合には前述の
ように完全な偏光特性をＰ成分とＳ成分について持たせ
ることは難しい。特に、この間の事情を複雑しているの
はレーザー光源１１と観察用光源４０の波長が異なって
いる点である。このため、グイクロイックビームスプリ
・ンタ１５の特性は常に何種類かの波長を考える必要が
あり、設計上の大きな制約となる。また、光源を２個用
いているために光学系の構成が複雑となる欠点もある。

本発明の目的は、位置合わせ用の光源と観察光学系の光
源とを共用することにより、光学系の構造を簡素化した
物体観察装置を提供することにあり、その要旨は、物体
の位置検出を行う光源を含めた走査光学系と、前記光源
から射出するレーザービームを拡°赦する手段と、該拡
散されたレーザービームの被観察面からの反射光を観察
する光学系とを備えることを特徴とするものである。

本発明を第２図以下に図示の実施例に基づいて詳細に説
明する。なお、第１図と同一の符号は同一の部材を示す
ものとする。

第２図の光学系においては、第１図の従来例と同様にレ
ーザー光源１１から射出されたレーザービームＬの進路
に沿って、順次にコンデンサレンズ１２、回転多面鏡１
３が配置されている。更に、回転多面鏡１３により偏向
されたレーザービ−ムＬの光軸に沿って、ｆ−θレンズ
１４．フィールドレンズ１６、スリット２４、復路の反
射光を目視観察光学系、光電検出光学系に分割するため
の偏光ビームスプリッタ１７、リレーレンズ１８、対物
レンズ２１が順次に設けられ、レーザービームＬの結像
位置にはマスクｌが設けられ、入／４板２３を内挿した
結像光学系２２を介して、ウェハー２がマスク１と共役
関係となるように配置されている。

復路で偏光ビームスプリッタ１７により分離される反射
光の光軸上には、結像レンズ６０、ビームスプリッタ６
１が配列され、このビームスブリック６１の透過側には
目視観察用のエレクタ５２が設けられている。また、ビ
ームスプリッタ６１の反射側には順次に結像レンズ３０
、部分遮光板３２、コンデンサレンズ３３、光電変換器
３４が配列されている。更には、コンデンサレンズ１２
と回転多面鏡１３との間には、凹レンズから成る光拡散
用レンズ６２が光路内−に挿入できるように配置されて
いる。

整合に際しては第１図で示した実施例と同様に、レーザ
ー光源１１がら射出しレーザービームＬを−Ｆスクｌ、
ウェハー２上に集光させる。レーザービームＬの偏光方
向を図面と平行にすれば、λ／４板２板金３してウェハ
ー２を反射して再びλ／４板２板金３過したレーザービ
ームＬは、図面に垂直方向の偏光となる。偏光ビームス
プリッタ１７の特性をＰ偏光を全て透過、Ｓ偏光を全て
反射するようにし、ビームスプリッタ６１の特性を例え
ばＳ偏°光で９５％程度反射するようにすることにより
、レーザービームＬの反射光量の９５％を光電変換器３
４により受光することができる。

光拡散用レンズ６２を光路外に退避している場合には、
レーザービームＬはスポット光走査なので走査線が細く
、そのために極〈一部の領域だけしか目視により観察で
きない。目視観察で広い領域を観察するためにはより広
い領域を走査で照明する必要があり、この光拡散用レン
ズ６２は、位置合わせ時には結像に影響を与えないよう
にレーザービームＬの光路から退出し、観察時には光路
中に挿入してマスク１上に集光していたレーザービーム
Ｌを拡散する作用をする。このとき、ビームスプリッタ
６１の特性をＳ偏光について９５％反射、５％透過とし
たのは、レーザービームＬは輝度が高いので５％の透過
光でも十分に目視観察が可能なためである。

なお、光拡散用レンズ６２を挿入してマスク１のパター
ン面に集光していたレーザービームＬを拡散させる代り
に、コンデンサレンズ１２又はｆ−θレンズ１４を光軸
方向に移動させてマスク１上で集光しないようなデフォ
ーカス状態にしてもよい。

このように第２図の実施例では、人間が直接に接眼レン
ズを用いて覗いて観察する光学系を示したが、ＴＶカメ
ラその他の撮像素子を用いることも勿論可能である。レ
ーザーの安全規格等を考慮すると、撮影素子で間接的に
観察する効果は大きい。感度の良い撮像素子を用いれば
、第２図に示したビームスプリッタ６１を透過する光量
を少なくして反射光を増加することができ、光電変換器
３４で得られる信号のレベルを第１図で示した実施例と
ほぼ等しくすることができる。また、観察時に挿入する
光拡散用レンズ３０の代りにレンズ作用を有しない拡散
板を使用してもよい。この場合に、拡散板を配置する個
所はマスクｌと結像関係にある位置の近傍或いはコンデ
ンサレンズ１２の前とすることが望ましい。

第３図に示す実施例はこの拡散板６３を結像関係にある
位置、の近傍に挿入した場合で゛ある。なお、ビームス
プリッタ１５は第１図の実施例と同様な位置に配置され
、この反射側に観察光学系が配置されている。レーザー
ビームＬを拡散板６３に照射することによりスペックル
が生じ、このスペックルはランダムな干渉模様を形成し
て観察の際の障害となるが、本実施例ではこれを回転多
面鏡１３で走査することにより平均化しその影響を除い
ている。換言すれば、拡散板６３により生じたレーザー
ビームＬのスペックルを走査することによって目視観察
を行うのである。

拡散板６３に粒子の細かいものを使用する場合などには
、走査する方向と直交する方向の成分についてはスペッ
クルは平均化され難く、輝度むらとして観察される可能
性がある。このようなときには、拡散板６３を振動させ
ることによってスペックルを走査方向と直交する方向に
ついても平均化することができる。回転多面鏡１３によ
りレーザービームＬは図面と平行に走査されるが、前述
のスペックルの平均化を行うために拡散板６３を例えば
走査方向と直角な方向、即ち図面と垂直な方向に微小振
動させるとよい。ただし、拡散板６３により形成される
スペックルが十分にランダムであれば、この振動は必ず
しも必要でない。第３図のビームスプリッタ１７及び１
５の特性は光電検出系及び観察光学系の双方に適量の光
が行くように決定される。この場合に、単波長について
設計すればよいのでこの特性を作り出すのが容易となり
、レーザー光源１１の輝度は高いために大部分の光は光
電検出用に用いることができる。

上述の実施例ではレーザー光源１１としてＨｅ−Ｎｅレ
ーザーを挙げたが、Ｈｅ−Ｃｄレーザー、半導体レーザ
ー等を使用しても何ら原理的な問題はない。また、可視
光領域でない波長のレーザーにおいても、その波長に感
度を持つ撮像管を使用することによってこの方法は可能
となる。

半導体露光装置等の場合には、観察する物体としてレジ
ストを塗ったウェハー等が考えられる。

使用するレーザーの波長に対してレジストが感度を持つ
場合には、観察用の照明光源としてレーザービームを走
査する範囲を制限する必要がある。

このために、第２図においては走査するマスク１と結像
関係にある位置又はその近傍にスリット２４を設置して
走査範囲を限定している。

この感度領域の波長を有するレーザー光源としてはＨｅ
−Ｃｄレーザーがある。こｃ７）Ｈｅ−Ｃｄレーザー（
４４１、６ｎｍ）は半導体製造装置用の露光光源である
超高圧水銀灯等のｇ線（４３６ｎＩ１１）と似た波長を
持っている。従って、Ｈｅ−Ｃｄレーザーを用いること
は、特にレンズを用いた投影露光方法について焼付波長
と似た波長で直接マスク（又はレチクル）とウェハーを
観察できる意味で効果が大きい。このＨｅ−Ｃｄレーザ
ーを観察用光源として用いれば、投影レンズの持ってい
る色収差のために投影光学系の一部を整合時に切り換え
るという従来公知の方式を実施しなくてもよいことにな
る。整合時の切り換えは切り換え誤差を生ずるという問
題を本質的に含んでおり、その意味でＨｅ−Ｃｄレーザ
ーの役割りは大きい。また、Ｈｅ−Ｃｄレーザーの波長
は従来用いられているｅ線（５４６ｎｍ）に比して短い
ので観察解像力の向上にも寄与する。特に、解像力を向
上させるためにＤｅｅｐＵ　Ｖといわれる３００ｎｍ以
下の短い紫外光を用いる方式では、整合精度も解像力に
応じて向上させることができる。

このように本発明に係る物体観察装置は、従来では整合
にのみ用いられてきたレーザービームを観察用にも用い
ることによって光学系の簡略化に寄与するこ−とができ
る。光拡散用レンズを用いる場合には明るい像をｍ察で
き、また拡散板を使用する場合にはスペックルパターン
を走査してレーザービーム特有の干渉現像を抑圧し、更
に必要な場合には拡散板を振動することにより、走査方
向と直交の照度むらも除去できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の自動位置合わせ装置の構成図、第２図、
第３図は本発明に係る物体観察装置の実施例を示す構成
図である。 符号ｌはマスク、２はウェハー、１１はレーザー光源、
１３は回転多面鏡、１５はグイクロイックビームスプ°
リッタ、１７は偏光ビームスプリ・ンタ、２１は対物レ
ンズ、２２は結像光学系、２３は入／４板、３４は光電
変換器、５２はエレクタ、６１はビームスプリッタ、６
２は一光拡散用レンズ、６３は拡散板である。 特許出願人　　　キャノン株式会社 ＠１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　物体の位置検出を行う光源を含めた走査光学系と
   、前記光源から射出するレーザービームを拡散する手段
   と、該拡散されたレーザービームの被観察面からの反射
   光を観察する光学系とを備えることを特徴とする物体観
   察装置。 ２、　前記レーザービームの拡散は凹レンズにより行う
   ようにした特許請求の範囲第１項に記載の物体観察装置
   。 ３、　前記レーザービームの拡散は拡散板により行うよ
   うにした特許請求の範囲第１項に記載の物体観察装置。 ４、　前記拡散板を揺動しスペックルパターンを平均す
   るようにした特許請求の範囲第３項に記載の物体観察装
   置。