JPS59123811A - 光学機械の最適な焦点調節を選ぶ方法 - 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】 〔技術分野〕 この発明は一般に例えば顕微鏡等の光学機械を自動的に
焦点合せする方法に関し、特にフォトリソグラフィにお
ける像測定などに用いることができる。

〔背景技術〕

これまでに光学機械の焦点を合せるために数多くの自動
的方法及び装置が提案されている。光学機械を手動で焦
点合せすることは、操作者の判断に依存するため、本質
的に主観的であり個人及び観察する時間に左右され、不
正確であることがよく知られている。

一方、光学機械の性能及び精度が増大し、最適な焦点合
せが絶対的に必要なほど正確さに対する必要性が重大と
なってきた。

光学機械から要求される精度の一例としては、集積回路
製造に用いられるフォトリソグラフィック工程に於て特
に見出される。この工程に対して、半導体ウニハ上の感
光性材料層を選択的に露光するマスクが製造される。マ
スクの分難した幾何形状即ちパ像″の大きさは１乃至２
０μｍの範囲にある。

これらのマスクの性能を制御するために、これらの大き
さを測定する必要がある。そして測定の精度は、測定に
用いられる顕微鏡などの光学機械の正しい焦点合せに依
存している。

今までに知られている自動焦点合せの問題についての解
決は種々の手法に基いている。

第１のものは、２次元走査アレイを用いる。像を点に分
解するために例えばＣＣＤアレイやホトダイオードアレ
イのようなホトセンサアレイを用いることにより、光学
機械を通過した点のアレイにおける光の強度を測定する
ことが可能である。

このデータは焦点に関する情報を得るために操作される
。

このような技術は例えば米国特許第３９３８８９４号、
第４００５４り３号、第４１８３６４２号及び第４２８
３１３７号に開示されている。

従来技術において提案された第２の手法は、線型走査方
法である。焦点が変化する時に検出器が像を走査する。

高周波数出方の最大値が得られる時、最も鮮明なコント
ラストを示し、焦点が決定される。このような技術の例
としては、米国特許第３９１８０７１号及び第４１６８
８９０号があるう 他のいくつかの技術が従来技術で知られている。

例えば米国特許第３２１１８３１号、第３７８９４４９
号、第４０２５７８５号及び第４．．２７７１５６号で
ある。

これらの異なった技術から、光学機械を自動的に焦点合
せする技術に於て多くの解決方法が存在することを知る
ことができる。

しかしながら、金石まで明確な利点を示すものはなかっ
た。これらの装置はかなり複雑で、しばしばフィードバ
ックサーボ機構を用いていた。この複雑さはメインテナ
ンスについての問題を増加させる。

さらに、従来の自動焦点機構により得られる精度は、約
′±０．５μｍであり、これは例えば集積回路製造のよ
うな今日の多くの技術分野において要求される許容差に
対して十分ではない。

従って、この発明の目的は、簡単で精度が嵩＜信頼性の
ある光学機械の自動焦点方法を提供することである。

〔発明の概要〕

この発明は一般に、明確な透明な領域と不透明な領域と
を持つ物体を視野内に有する例えば顕微鏡のような光学
機械の焦点合せ方法に関する。

この発明の方法は異なる態様で実施することができる。

一つの実施例は次のステップを有する。

（ａ）　　解析のために視野内で透明な物体領域を選び
、 （ｂ）　　焦点を変化させ、焦点調節の関数として透明
な物体領域像の大きさを測定して記録し、（ｃ）　　透
明な物体領域が最大の大きさの像を有する所の焦点調節
を最適焦点位置として選ぶ。

この発明の方法の第２の実施例は次のステップを有する
。

（ａ）　　解析のために視野内の不透明な物体領域を選
び、 （ｂ）　　焦点を変化させ、焦点調節の関数として不透
明物体領域像の大きさを測定して記録し、（Ｃ）　　不
透明物体領域が最小の大きさの像を有する所の焦点調節
を最適焦点位置として選ぶ。

この発明の方法は、さらに両方の実施例を混合して、可
能ならば１つ透明物体領域及び１つの透明物体領域を選
び、そしてその透明物体領域が最大の像の大きさを有し
その不透明物体領域が最小の像の大きさを有する所の焦
点調節を最適焦点の位置として選んで行うことができる
。

この発明の方法は、最適な焦点位置が透明物体像の最大
の大きさと不透明物体像の最小の大きさと一致するとい
う原理に基いている。

従って５．この発明の方法は、もつと一般的に公式化し
て次のステップを含むようにすることができる。

（ａ）　　解析のために視野内で境界の定められた物体
領域を選び、 （ｂ）　　焦点を変化させて、焦点調節の関数として物
体領域像の大きさを測定して記録し、（Ｃ）　　物体領
域像の大きさが極値を有する所の焦点調節を最適焦点位
置として選ぶ。

この発明の方法は、多くの光学機械及び種々の技術分野
に用いることができる。

この発明の方法の利用の一例は、集積回路の製造に用い
られるマスクの製造及び制御に使用される顕微鏡の自動
焦点合せである。

この発明の方法は、手動の焦点合せ方法において焦点合
せの操作における誤差の主な原因となる操作者の主観的
判断及び繰返し１１を察による操作者の疲労を除去する
。

さらにこの発明の方法は、速くて高精度な焦点合せを行
うことができるという利点を有する。達成することので
きる焦点合せの精度は±０．０６μｍである。

さらにこの発明の方法は、最大値及び最小値の測定にお
いて正しい答えを出すが又は誤りの場合は答えを全く出
さないかのいずれが一方であるため、誤りがない。これ
に対して、従来の方法やシステムの操作者は自動焦点合
せの故障を検知することができない。

〔実施例の説明〕

上述したこの発明の方法は、多くの技術分野において利
用することができる。説明を簡潔にするために、この発
明の方法が集積回路の製造分野にどのように応用される
かを示す。

集積回路の製造における重要な操作の一つは、半導体ウ
ェハ中に不純物を注入又は拡散することである。

この操作は、半導体ウェハ上の感光性材料層を選択的に
露光するためにホトマスクの使用を必要とする。

この操作は、ホトリソグラフィック工程として一般に知
られている。

これらの工程のマスクは一般に１乃至２０μｍの範囲の
大きさの何十万という分離した幾何形状即ち１′像″か
らなっている。これらの像は一般に繰返されるので、“
ステップ・アンド・リピー１へ″カメラと称される機械
が一般にマスクを製造するために使用される。″ステッ
プ・アンド・リピート″のカメラの設計及び制御が、１
９７０年１１月のＢｅ１ｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎ
ｉｃａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌのページ２１４５’−２１７
７のり、Ｓ、Ａ１１ｅｓ等による論文″ステップ・アン
ド・リピート・カメラ″に示されている。

マスクの製造及び制御においては、マスクを構成する分
離した幾何形状即ち″像″の位置及び太き成する分離し
た幾何形状即ち″像″の位置及び大きさの測定が行われ
る。

この測定は測定され、制御され、確定されるべきパラメ
ータの最も重要なものの１つである。これは装置の機能
及び生産高に直接に影響する。典型的なマスク又はウェ
ハは何十万の像を含むため標準の統計的技術は実用不可
能である。現在の技術では制御及び測定するために典形
的な像を選択する。像を制御するために行われる測定は
可能なかぎり正確で高精度であることが必要である。

一般に、これらの測定に対して光学顕微鏡が用いられる
。測定の正確さは、顕微鏡の焦点合せの正確さに主とし
て依存する。

ホトマスク製造において、典型的な±０．０４μｍの精
度の測従装置で±０．１５μＭの許容差が普通である。

これらの測定において主として寄与する変数は、操作者
の主観及び操作者間の顕微鏡の焦点の誤差である。要す
るに、誤差は主として正しい焦点位置を主観的に判断す
る操作者の視力の限界から生ずる。これに、繰返し観察
に固有な疲労による誤り及び操作者が最短の時間で製品
を作らなければならないという圧力下で機械を正しく焦
点合せするのに十分な時間がしばしばないという事実を
加えることができる。これは操作者が知らないうちに誤
りのある測定を行うという結果になる。

この発明の方法は、伝達された光において、最良な焦点
で不透明な像が最小の大きさに達し、透明な像が最大の
大きさに達するという事実に基いている。

半導体集積回路の製造においては、幾何形状すなわち″
像″が、透明背景とに不透明に形成されるか、あるいは
逆に不透明背景上に透明に形成される、ポジティブ又は
ネガティブと称される２つのタイプのホトマスクが用い
られる。

この発明の方法は、観察されるホトマスクのタイプによ
って、ホトマスクの不透明物体領域又は透明物体領域に
適用されてよい。

上述したように典型的なマスク又はウェハは数十刃の像
を含んでいてもよい。いくつかの小さな決定的な像が測
定及び制御のために選ばれてよい。

例えばホトマスクが、８０Ｘ、０．９５ＮＡ（開口番号
）の対物レンズ、２５Ｘの接眼レンズを用いたＬＥ　Ｉ
ＴＺオルソプラン顕微鏡により観察されると仮定する。

このような顕微鏡はニュージャージ０７６４７、ロック
レイのＥ、Ｕｅｉｔｚ、Ｉｎｃ。

から入手することが可能である。操作する人は、観察さ
れるマスクのタイプに従って、測定される決定的な物体
領域を選び、そして大よその焦点を設定しそして離れる
。

この発明の方法によれば、焦点が変化され、像の大きさ
が焦点調節の関数として測定され、記録される。−例と
して、上述した顕微鏡をモータで大よそ１μｍ、すなわ
ち操作者の焦点調節の両側を±０．５μｍだけ焦点走査
させる。実際は、走査する範囲は使用される光学機械に
依存するだろう。

顕微鏡のモータ駆動は、顕微鏡に振動を伝達しないよう
に取付けられた９０対１減速ギヤ箱により行なってもよ
い。そして、ＳＩＧＭＡ　　２９２Ａ−４３ユニポーラ
Ｒ／Ｌドライバ及び付属のパルス発生器及び電力源によ
り駆動が行われ、微焦点が合せられる。このようなドラ
イバは、マサチューセッツ０２１８４、プレイントリー
、パールストリート１７０のＳＩＧＭＡから入手できる
。

焦点調節は、市場で容易に入手可能な普通の電子ゲージ
を用いて対物レンズと物体との間の高さを測定すること
により発生される。

像の大きさのデータの測定は、カリフォルニア９４０８
６、サニーベイル、マーチユリ−ドライブ４９５の１．
Ｔ、’　Ｐ、、Ｉｎｃ、から現在入手可能なＩＴＰ１５
８Ｇを用いて行うことができる。

測定は、例えばケラ−照明に対して設定された光学顕微
鏡で測定されるべき像を大きく拡大してなされる。この
大きく拡大された像がクローズド・サーキット・テレビ
ジョン・システムにより電気信号に変換される。像の測
定は、所望の像のビデオ信号の持続時間を置き的に岬定
し、そして像の大きさを得るために、この時間をキャリ
ブレーション・ファクタで電気的に乗算することにより
達成される。

測定装置からのデータ出力は、プリンター、プロッター
又は例えばＩ　８Ｍ７４０６デバイス・カップラーのよ
うなデータ取得装置に送ることができる。これらのデー
タ出力はまた繰返し可能値の最小値又は最大値を見つけ
ることができるＩＢＭシリーズ１または他のデータ処理
装置に送ることができる。

上述した実施の説明から、従来の自動焦点装置と較べて
本発明の発明が低コストで実現できることが理解される
。

上述した全ての部品は容易に入手可能であり、そして他
の入手可能なタイプと代用できる。この発明の方法を実
施するために市場で入手可能な他の等価な装置を使用し
てもよい。

第１図乃至第３図に、この発明の方法を典型的なホトマ
スクに適用して得られた結果が示されている。

第１図においては、この発明の方法が、対物距離を操作
者により設定された出発位置から両側へ±０．５μｍ変
化させた時の透明領域の像の大きさを測定することによ
り実施されている。曲線は像の大きさが５．９１μｍで
最大値に達し、焦点位置に対応するこの最大値は出発位
置から約０゜０１μ川と大変に近い。

第２図及び第３図は、この発明の方法が不透明領域の像
の大きさの測定に適用されている。

第２図では像の大きさが１．２５μｍで曲線が最小に達
する。しかしながら、この場合、最小値は対物レンズの
一つの正確な位置と一致せず、曲線は平らな部分を示す
。従って平らな先端部分に対応する”−０，１８μｍと
＋０．１０μｍとの間が焦点位置をなすと考えることが
できる。最良の正確な位置は焦点位置を平均値１／２　
（−０，１８＋０．１０）＝−０，４μｍとすることに
より得られる。

第３図では第２図よりも大きい不透明領域を有する。最
小の像の大きさは４．３０μｍである。

再び曲線の最小値は平らな部分を持つ。焦点位置は０．
０３μｍから０．１８μｍになっている。

焦点位置を平均値の０．１０μｍとしてもよい。

第１図乃至第３図から、この発明の方法は透明像と同様
に不透明像にも適用でき、また選択される透明又は不透
明領域の大きさに限界がないことがわかる。

この発明の方法を数回同じホトマスクの異なる選ばれた
領域に適用することができる。この方法では焦点位置の
一層正確な決定ができる。

同一ホトマスクにおいて透明背景上に不透明領域が、不
透明背景上に透明領域が形成されるかもしれない。この
場合、不透明像の大きさと透明像の大きさとを測定し、
焦点位置として不透明像が最小となり、透明像が最大と
なる所を取ることにより、この発明の方法の２つの観点
を一緒にすることができる。

この発明の方法は、観測される物体上で境界が定められ
た透明又は不透明を選択することが可能である限り、顕
微鏡だけではなく、どんなタイプの光学機械にも適用す
ることができる。

この発明の方法の一般性は、この発明の方法がホトマス
ク製造の技術分野だけにのみ用いられるのではなく、光
学機械が高速で高精度に焦点合せを行うようなどんな技
術分野でも用いることができることを示唆している。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法の一実施例を示す視野内の透明
領域の像の大きさを表わす、横軸に対物レンズの物体に
対する動きをマイクロメータで示し、縦軸に像の大きさ
をマイクロメータで示すグラフ図、第２図はこの発明の
第２実施例を示す同じく視野内での不透明領域の像の大
きさを示すグラフ図、第３図はこの発明の第３実施例を
示す同じく視野内での不透明領域の像の大きさを示すグ
ラフ図である。 出願人　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーション

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 視野内に物体を有する光学機械の最適な焦点調節を選ぶ
   方法において、視野内で境界が定められた物体領域を選
   び、焦点を変化させて焦点調節の関数として前記物体領
   域の像の大きさを測定して記録し、最適な焦点位置とし
   て前記物体領域の像が極値を取る所の焦点調節を選ぶこ
   とを特徴とする光学機械の最適な焦点調節を選ぶ方法。