JPS6011325B2 - 走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複数個のビームを用いて、対象物体面上を走査
する光学系に関する。

従釆、ポリゴンやガルヴアノミラー等の走査手段を用い
てレーザー光の様な光を走査する方法は数多く発表され
ている。

これらの光学系は例えばレーザー光をビームのまま入れ
て、ポリゴンでスキャンし、後にｆ−０レンズの様なも
のを用いて描画していく型式のもので、要するに単一ビ
ームの走査であり、１チャンネルの情報しかとれなかっ
た。一方例えば計測の分野では従来の１スポットで走査
していく方法より、より精度を上げる為に複数個のスポ
ットで走査したり、或いは複数個のチャンネルの現象を
同時に促えたいという様な要求から複数個スポットを作
って、それを各チャンネルにばらまくとかいう要求が起
こってきており、単純な１ビーム走査の発展した分野が
開かれようとしている。またレーザービームプリンター
の領域に於いても、光で行う方式の欠点と言われた一度
に何枚もコピーが取れないというコピーの問題を解決す
るのが複数ビームによるスキャンニングであると言える
。本発明の主旨はこうした応用分野の広い複数ビーム走
査の際に問題となるビームの取りまとめの問題を解決す
る事にある。

更に具体的に述べればポリゴソ又はガルヴアノミラーの
様な走査手段の反射面をこれらの複数ビーム発生位置と
一致させる事である。ポリゴン又はガルヴアノミラーの
様な走査手段の反射点‘ま一般に後の光学系の瞳位置で
ある。

瞳位置である反射点を複数ビームの発生点とするという
事は即ち各ビームとも瞳の中心を通る光東とするという
事に対応している。ｆ一８レンズ等の対物レンズのレン
ズ設計上の観点からいえば、これは各ビームを同一の条
件で考慮していいという事になる。すなわち、第１１図
ａに示す様に対物レンズ２６の瞳面上にあるポリゴン２
０に異なった２方向から第１、第２の二本の平行光が入
射した場合、ポリゴン２０のある回転位置では第１の平
行光は対物レンズ２６の光軸に平行に進む走査ビーム１
００（実線で示す。）となりこのビームは対物レンズ２
６によって結像される。又、ポリゴン２０が異なる回転
位置では第２の平行光は対物レンズ２６の光軸に平行に
進む走査ビーム２００（点線で示す。）となりこのビー
ムは対物レンズ２６によって結像される。これ等のＳ点
に結像する光が対物レンズ２６の光軸となす角度はＱで
示される。従って対物レンズ２６の収差の補正は角度Ｑ
まで収差補正を行なえば良い。しかしながら、第１１図
ｂの如く、ポリゴン上で第１の平行光は第１１図ａと同
様とし、第２の平行光は上方向にずれているとすると、
Ｓ点に結像する第２の走査ビーム２００が対物レンズ２
６の光軸となす角度は図から明らかな様に角度Ｑより大
きい角度８である。従って、この場合対物レンズ２６は
角度Ｂまで補正しなければならない。このことをＦナン
バーで説明すれば第１１図ａの場合Ｆナンバ−は裏；；
で、第１１図ｂの場合Ｆナンバーは泰三；である。８＞
Ｑであるため第１１図ｂの方がＦナンバーがより小さく
なりより明るいレンズを設計すると同様な意味となり、
明るいレンズの設計は暗いレンズの設計より困難である
ため、第１１図ａの如く第１、第２の平行光が一致して
いることが望ましい。

以下具体的な事例について説明を述べていく事とする。
本発明の実施は２つの段階より成っている。

即ち複数個のビームを作る過程と、そのビーム発生点を
ポリゴン面上に一致させる過程とである。まず複数個ビ
−ムを作る手段について述べる。複数個ビームを作るに
ついては公知の方法が幾つかある。本方法はそれらのす
べてについて適用可能である。それらの方法は大きく分
ければ‘１１ 複数個光源を用いる方法‘２１ 単一光
源を用いる方法 【ａ｝ ビームスプリッターを用いる方法‘ｂ｝ 偏光
を用いる方法 がある。

この他、所謂、波面分割という手段もあるが、エネルギ
ー効率の面で必ずしも得策とは言えない。‘１｝及び【
２１の状態をブロック的に示したのが第１図、第２図で
ある。両図で１はしーザー光源、２結像レンズ、３走査
手段でここではポリゴンそして第２図にある４がビーム
分割手段である。各ブロック間をつないでいる線が実際
に光線が通る道筋である。第１，２図はブロック図で実
際の光線は４を出たあと非対称的に進んだりしたり、ま
た１と４の間に２が入ったりする事もある。詳細は実施
例で見ていく事とする。いずれにせよ複数個のビームと
して入った光がポリゴン面上で一致している事が肝要で
ある。ポリゴンの回転軸の方向は第１，２図ではビーム
のずれの方向と一致させておいたが必ずしもその必要は
なく、例えばエッジ検出の場合などはビームのずれ方向
と直交させておく、即ち第１，２図で言えばポリゴンの
回転軸を紙面に垂直にしておいた方が良い。単一光源で
ビームスプリッターを用いた場合のビームスプリッター
の用い方を２種類程示してみた（第３図）。

他にも種々の変形が考えられるのは勿論である。また図
では出力した２つの光が平行となっているがミラーやプ
リズムの角度を変えれば所定の角度をもって光が出てい
く様にするのは容易である。偏光を用いたビームのスプ
リット法としては第４図ａに示したウオラストンプリズ
ム、第４図ｂに示したサバール板、第４図ｃに示したロ
ションプリズムを用いる方法があり、また結晶の光学軸
を結晶板の表面に対してある角度をなす様におくと（第
４図ｄ）出力光が２つに別れる事も知られている。例え
ば光学軸の方向を結晶板の表面に対して４５ｏとなる様
におけば、出てきた光のずれ量△は△＝器三毛ｔ ｔ：結晶板の厚さ ｎ。

：常光線の屈折率ｎｅ：異常光線の屈折率 で与えられる。

以上見てきた様に出力光は互に平行な場合と平行でなく
互に角度をなして進んでい〈場合の２通りがある。

一方、ポリゴンのビーム走査法としては走査ビームがポ
リゴン入射時点‘こ於いて【１｝ 平行光である場合【
２１ 発散光である場合 職 収束光である場合 の３通りがある。

組合せは２×３＝６で計６通りある。ここでは代表的な
例として、平行にするビーム分割系としてはビームスブ
リツター、角度をつけた例としてはウオラストンプリズ
ムを用いたものを示してみる事とした。第５〜７図でａ
がビーム分割手段後の出力光が平行な場合、ｂが角度を
持っている場合である。

構成は一般にビーム分割手段をレンズー（機点距離ｆ，
）としンズ２（倉美点距離ｆ２）ではさんだ形となって
いる。第５図ａではしンズ１と２の組合せがアフオーカ
ル系となっており、レンズ１に入射した平行光はしンズ
２を平行光で出る。１としては凹レンズを用いたが第５
図ｂの様な構成と似た形にしてやれば凸レンズを用いて
も良い。

この場合にはしンズーの後側焦点としンズ２の前側焦点
を一致させる。ポリゴン面の位置はＰで示されてるが、
レンズ２に入る光が両方とも平行なので、Ｐはしンズ２
の後側焦点面と一致する。

この関係は第６図ａ、第７図ａでも同様である。一方第
５図ｂでは、ビーム分割点であるウオラストンプリズム
の位置とポリゴン面Ｐとが互いに共役となっている。

即ち図でいえば蛇：宅 が成立している。

ビーム分割手段により分割された光はポリゴン面Ｐで再
び一致するのである。第５図ｂではしンズーの後側′係
点面としンズ２の前側，焦点面を一致させてポリゴンに
入射する光を平行光にしている。第６，７図は第５図の
配置と殆ど同じであり、ただ、前にあるレンズ１のパワ
ーを変えて、ポリゴンへの入射光を収畝光東にしたり発
散光東にしたりしている点で異なる。

ポリゴン面への結像はしンズ２のみによつているので、
レンズ１はポリゴンへの入射光の状態を自由に変えるの
に使えるのである。極端な場合はしンズ１のノーパヮー
にして省略できるわけで、その例が第６図ｂである。勿
論ウオラストンプリズムの前にレンズ１を入れればビー
ムの結像点Ａはしンズ２の焦点Ａの位置から自由に移せ
るので、レンズ１は必ずしも省略の必要はない。第７図
ｂではウオラストンプリズムとポリゴン面、Ｂ点とＡ′
点が共役になっております＝享 （ｉ＝１．２） という関係が成立している。

第５〜７図で用いたビーム分割手段は必ずしもビームス
プリツターやウオラストンプリズムに限らない事は勿論
で第３図、第４図に示した様なビームスプリツタ−系や
偏光素子を用いる事ができる。

後の光学系で偏光特性が問題になる様な場合は例えば結
晶素子を出た後に＾／４板を入れてやる事も一法である
。複数光源を用いた場合のやり方もここから容易に類推
できる。

互いに平行に光が進んでくる場合にはしソズ１を個々の
光源に挿入してやれば良いし、角度がついている場合に
はそのビームの交点を第５〜７図のウオラストンプリズ
ムの位置に見倣してやれば良い。以上見てきた様に全系
に瞳位置であるボリゴン面と複数ビームの発生点とを一
致させる事は比較的容易に実現できる。

しかもこの複数ビームの方法は前述の如く計測、２現象
の同時観察、記録分野など処々に非常に有効な手段であ
り、光学系はこの複数ビームがすべて瞳の中心を使って
いるので性能を発揮させる上で有利であるといえる。こ
の際一般に複数ビームの強度は実質的にすべて等しくな
る様に配慮される。本発明の具体的な実施例の一つとし
てＩＣ作製の際のオートアラィンメントをあげる事がで
きる。

オートアラインメントは焼き付け原版であるマスクと焼
き付けられるべきウェハ−を２次元的に位置合せする方
法である。マスクとウェハーにはあらかじめアラィンメ
ントマークと呼ばれる特別なマークがうってあり、その
マークを所定の関係に合わせる事によって位置合せを行
う。ミクロンからサブミクロンの精度を要求されるこの
位置合せ法は当然の事として複数個の場所の観察を余儀
なくされる。一般的には２ケ所が多いが、１ケ所だけの
観察だと、マスクとウェハーの回転の自由度をとりきれ
ない事がその理由である。その為マスク、ウェハー共２
ケ所にマークがつけられ、その２ケ所からの情報をとり
出す為観察用の顕微鏡が２つ用いられて所謂アラインメ
ントスコープという観察光学系が構成される。尚、ステ
ップアンドリピートで焼付けが行われる場合ウェハーに
はステップ数の倍のマークがつけられる。オートアラィ
ンメントは通常その光学系の一部をアラィンメントスコ
ープと共用し、顕微鏡で観察しているァラィンメソトマ
ークを走査したり、光量をバランスさせたりして電気信
号を得、その電気信号を所定の関係に導く事によってア
ラィンメントを行う。近年オートラインメントの方式に
ついては様々なものが発表されているが、その中に本件
出願人によって昭和５１年４月２８日出願の走査型光検
出装置がある。

この世厭はマスク及びウェハー面をレーザースポットで
スキャンしていくものであるが、本発明による複数ビー
ムスキャン法はこの方式に適用する場合効果が大である
。スキャンを行う事が前提であるのでスキャナーという
可動部分が不可欠なのであるが、スキャンをアラインメ
ントマークのある２ケ所で行なわねばならない事、また
装置をコンパクト化する為にスキャナーは１つで済ませ
たい事などを考慮すると、複数ビームスキャンで、しか
もスキャナ−が一つですむ本発明はメリットが大きい。
本発明をオートアラィナーに適用する場合の利点はこう
した構成上の事、前述のレンズ設計上の事の他に特にコ
ンタクト法プロキシミテイ法などの場合には顕微鏡の瞳
中心に、ビームを入れる事ができる事が大きい。

コンタクト法やプロキシミティ法ではマスクとウェハー
をアラィンメントする際に数十しの離して行うがその際
投射するビームがマスク及びウェハー面に対して懐いて
いると２つの物体を斜めに観測する事になってしまう。
この様子を第８図に示す。第８図ａは瞳中心０からスキ
ャンビームが発生している場合で対物レンズ１０を通過
した後のビームは光軸と平行になり、マスク及びゥェハ
一面に垂直に入射する。即ち観測誤差は入らない。一方
第８図ｂはスキャンビームの発生位置が瞳中心０からず
れている場合で対物レンズ１０を通過した後の光は光軸
に対してずれ量に対応した傾きをもって入射する。例え
ばマスクのＡ点とウェハ−のＡ′点を合致させた時第８
図ａの場合はＡとＡ′が合致したと正確に認識するが第
８図ｂの場合は合致していないと見駁してしまう。従っ
てビームの発生位置はある許容値内の範囲で瞳と合致し
てし、なけでばならない。オートアラィナーに本発明の
趣旨を実現した例を第９図に示す。

ポリゴン２０に入射する光学系は例えば第６図にある様
にポリゴンの前で一たん収束し、発散光として入力する
系を考える。入射光学系は紙面に垂直に立てた面内にあ
る。２１は結像レンズでポリゴン入射前に一たん結像し
たレーザー光をフィールドレンズ２２の付近に再結像し
ている。

２２はフイールドレンズ、２３はプリズムミラーで、こ
こで２つのビームが左右の両視野に分けられる。

従ってプリズムミラーの位置は２つのビームの再結像位
置と近い方が望ましい。２３で左右に分けられた２つの
ビームはそれぞれリレーレンズ２５、対物レンズ２６を
通過してマスク２７、ウェハー２８を走査する。

既に述べた様に一定間隔を置いて保持されたマスクとウ
ヱハーに垂直にスキャンビームを照視する為に対物レン
ズ２６の瞳面に中心がビームの発生点として作用する事
が望ましい。この条件は走査ビームの実際の発生点であ
るポリゴンでのビーム反射点Ｘと陣中心Ｙを互に共役に
置く事により満足される。２１，２２という光学系は左
右共用であり、２３以降は左右別々の光学系となるが、
ポリゴン２０の反視点×では両視野に用いるビームが一
致しており、しかも光軸上にあるので、左右の瞳面３０
で同時に瞳中心Ｙにビームを持つてくる事が可能である
。

オートアライメントではここには図示てし・ないが光電
検出素子でマスク及びウェハーの反射光をとり出すが、
その時もテレセントリック光学系の原理で入射光は下が
平面であれば元へ戻り、再び瞳中心Ｙを通る光となる。
ポリゴンの反射点×と瞳中心Ｙとを共役にしておくとい
う事はポリゴンの走査によっても瞳を通る直接光が不動
であるという事になり、例えば直接光をカットして散乱
光のみを拾うという光学系を構成する際にも有利である
。このオートアライナーへの複数ビーム走査法は多チャ
ンネル情報処理の最も典型的な例と言える。ポリゴン２
０に入射する光学系として例えば第６図ｂの様に結晶素
子を使った場合には結晶を通過後の両ビームは互いに直
交する直線偏光となっており、後の光学系でビームスブ
リツタ−が入っていたりすると、その偏光特性の影響を
受け易い。第９図では不図示であるがこの系に目視観察
系やその光源、及び光電検出系などが入ると光路の中に
ビームスプリッターが数多く入る事は避け難い。例えば
ミラー２４をビームスプリッターに変更して、ここより
光電検出系を伸ばしていくといった手段が考えられる。
その為、特に偏光を気にする様な場合には結晶を出た後
に入／４板を挿入してやると良い。これにより左右両視
野に等しい光量の光を送る事ができる。また光源として
直線偏光のレーザーを用いた場合にはしーザーの偏光方
向と結晶の位置関係をきちんと押えるか、レーザー出力
に＾／４板を入れてやるという手もあった。この光学系
はオートアライナ−の例に具体的に示しただけでなく他
に色々と応用可能である。

例えばダブルビームでスキャンする時各ビームにそれぞ
れ変調をかけてやるとしーザービームプリンターでは複
数行一べんに記録することができる。２行一べんに記録
できるのならプリンターのスピードは倍になる。

この例を第１０図に示す。図は第５図ｂに似ているがＭ
・，Ｍ２というモデュレーターがついている点及びポリ
ゴン面に到達するのが回折光で直接光はカットされる様
な配置となっている。Ｓ，，Ｓ２は直接光のストッパー
である。ポリゴンを出た後はｆ−８レンズ系に入る。Ｍ
，とＭ２に例えば隣り合った行の情報を送り込めば２行
一べんに印字できる事になりプリントの高速化が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は複数光源からの光ビームを走査器の反射面上に
重ね合す光学系を示す図、第２図は分割光ビームを走査
器の反射面上に重ね合す光学系を示す図、第３，４図は
第２図で使用する光分割器の例を示す図、第５図〜第７
図は分割光ビームを重ね合す光学系の具体例を夫々示す
図、第８図はテレセントリック光学系を示す図、第９図
は本発明の走査装置を半導体競付機に適用した実施例を
示す図、第１０図は本発明の走査装置をレーザービーム
プリンターに適用した図第１１図はポリゴン反射面上に
２つのビームが一致する場合としない場合を示す図であ
る。 図中、１は光源、２はしンズ、３は回転多面鏡である。 第７７図器１図 第２図 紫ろ図 第４図 第５図 劣５図 器ヮ図 第８図 第４図 葵′ｏ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数光ビームを回転若しくは揺動している反射面に
   入射し、該反射面からの複数走査ビームを対物レンズ系
   に入射し、走査面を複数走査ビームで走査する走査装置
   に於いて、前記複数光ビームは夫々異なった方向から前
   記反射面２０上で一致するように入射され、前記反射面
   ２０と前記対物レンズ系２６の間には前記反射面と対物
   レンズ系の瞳面を共役関係にする結像系２１，２２，２
   ５が配置されていることを特徴とする走査装置。 ２ 複数光ビームを回転若しくは揺動している反射面に
   入射し、該反射面からの複数走査ビームを対物レンズ系
   に入射し、走査面を複数走査ビームで走査する走査装置
   に於いて、前記複数光ビームは空間中で一点で交差され
   、この交差点を前記反射面２０の反射点と共役になる如
   き結像系２を前記反射面前に配置し、前記対物レンズ系
   ２６の瞳面を前記反射点と合致させたことを特徴とする
   走査装置。 ３ 複数光ビームを回転若しくは揺動している反射面に
   入射し、該反射面からの複数走査ビームを対物レンズ系
   に入射し、走査面を複数走査ビームで走査する走査装置
   に於いて、前記複数光ビームは光分割器によって分割さ
   れた光ビームであり、この光分割器の光分割点を前記反
   射面の反射点と共役になる如き結像系を前記光分割器と
   前記反射面の間に配し、前記対物レンズ系２６の瞳面を
   前記反射点と合致させたことを特徴とする走査装置。