JPS60149127A - 光電検出装置 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、半導体焼付は装置に必要なマスクとウェハー
の様な二つの物体の相対的な位置合わせあるいは≦ツブ
上の端子へワイヤー・ボンディングする装置の光電検出
装置、特に予め回折パターンのわかっている信号を検知
するのに有効な光電検出装置に関する。

〔従来技術〕

従来例に係る光電検出装置として特開昭５３−１３５．
６５４によって開示された本出願人に係る装置がある。

この装置においては有害光を除去する為に光束分割手段
を用いて検出光束を２つに分け、各々の検出光束を各々
所定の空間フィルターを用いて選択的に透過させ、この
２つの透過光を別の受光素子に受光して電気信号に変換
し、該電気信号を信号処理してパターン信号を選択検知
するような構成である。

しかし、この構成によれば検出光束を２つに分けて検知
するものであるから、受光素子では検出光束の光量が半
減してしまい、反射率の低いパターンや、ウェハ一段差
の低いパターンでは充分な検知が出来ないという欠点が
あった。また、複数の空間フィルターの中心軸を検出光
束の中心軸に精度良く合わせないと、検出光束のコント
ラストが低下し、検出精度が悪化するという問題があっ
た。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来例の欠点に鑑みて提案されたものであ
り、検出光束を二つに分割することなくパターン信号を
検知することを可能とする光電検出装置の提供を目的と
する。

〔実施例〕

以下、図面を参照しながら本発明の実施例に係る光電検
出装置について説明する。第１図は本発明の実施例に係
る光電検出装置を適用したマスクとウェハーの自動位置
合せ装置の信号検出系の原理図である。１はレーザー光
源、２は集光レンズ。

６は回転多面鏡、４はリレーレンズ、５は２２以下の目
視用の光学系に光を分割する為のビームスプリッタ−２
６はフィールドレンズ、７は１４以下の光電検出光学系
に光を分割する為のビームスプリッタ−２８はリレーレ
ンズ、９は１９から２１の目視観察用照明光学系から光
を導く為のビームスプリッタ−１１０は対物レンズ１１
の瞳であり、１２はマスク、１６はウェハーである。レ
ーザー光自体の共役関係は次の様になっている。即ちレ
ーザー光は−たん集光レンズ２によって６０の位置に集
光される。６０の位置でのレーザー光のスポット径は入
射するレーザービームの径りと集光レンズ２の焦点距離
ｆ２により定まる。レーザー光が径りの中で一様に分布
をしているとすると、レーザースポットの径ｄは ｄ　＝　２．４４λ升 り で示される。６０の位置から発散していくレーザー光は
回転多面鏡６で反射した後リレーレンズ４を通過して−
たんフィールドレンズ乙の近傍の点３２に結像される。

更に光はリレーレンズ８及び対物レンズ１１を通してマ
スク及びウェハー面上に４目当する６４の位置に結像さ
れる。従って第１図中で３０．３２．３４は互（二共役
となっているのである。マスク及びウェハー面を実際に
走査す。

るスポット６４の径Φは６０から３４までの結像倍率を
ａとした時 Φ＝　ａｘｄ で示される。走査スポット径を変更するにはｄを変更さ
せれば良くレーザー光のビーム径りや、レンズ２の焦点
距離ｆ２を変化させる事により実現できる。また走査ス
ポットを大きくするだけなら集光レンズ２の位置を故意
に動かし、３０の位置でレーザー光をデフォーカスさせ
てやることによっても実現できる。一般に走査スポット
の径は対象とするパターン線幅によって適宜選べる事が
望ましいが、第１図の系はスポット径の変更に対しては
容易に対処する事ができる。６４の位置に集光されたレ
ーザー光は回転多面鏡６の回転に従ってマスク及びウェ
ハー面上を走査する。

以上に説明した様な実際の物体面上での走査ビームの共
役関係と共に、第１図の光学系の瞳の結像関係も重要で
ある。対物レンズ１１の瞳は１０で示されるが、１０の
中心点である光軸上の点る６と、回転多面鏡６の反射点
６１とは互いに共役になっている。即ち第１図の配置は
レーザービームの対物レンズへの入射という点について
見れば、丁度瞳１０の位置に回転多面鏡を置いたものと
等価になっているのである。

ウェハーの様な反射物体を観察する際にはテレセンドリ
ンクな対物レンズが使われる。第１図の対物レンズ１１
はテレセントリックな配置、即ち、対物レンズ１１の前
側焦点位置に光学系の通過光束を決定する瞳１０が置か
れる配置となっている。

第２図にこの様子を示す。対物レンズ１１の前側焦点で
あり、瞳位置１０の中心６６は前述の様に回転多面鏡６
のレーザーの反射位置６１と共役なのであたかもここか
ら走査ビームが発生するかの様な作用を行う。走査ビー
ムの中心線となる主光線は対物レンズの前側焦点６６を
通っているので対物レンズ１１を通過した後は光軸と平
行になり、マスク及びウェハーに垂直に入射する。もし
ここで走査ビームが当った箇所が平担な部分であれば入
射光は反射して再び６６の位置に戻る。一方もし走査ビ
ームの当った所にパターンがあれば、パターンの境界部
のエツジで散乱を受け光はもとへは戻らない。即ち散乱
光は対物レンズ１１で捉えられてｐｊび瞳１０を通る時
、最早瞳の中心６６を通らず瞳の端の方を通過する事に
なる。この事はとりも直さず、瞳上で散乱光と非散乱光
が空間的に分離されているという事に他ならない。第２
図はこの分離の様子を示している。即ち走査ビームが例
えば左から右に物体面上を走査するとすると、パターン
のある部分６５に当るまでは光は散乱を受けず反射して
瞳１０のもとの所に戻る。パターン６５に当ると光は散
乱を受け、点線で示した様な光路を通って瞳１０上のも
との位置に戻らない。

瞳１０の所での非散乱光の占める面積は走査レーザー光
の有効径と同一である。散乱光を有効に捉える一為、こ
の非散乱光の有効径は瞳の径に対して十分小さくとられ
るのが普通であり、通常はこの径の比が帆１〜０，７の
範囲にとる事が好ましい。

再び第１図に戻り、ビームスプリッタ−７から別れてフ
ォトディテクター１８に到る光電検出光学系について考
える。図中１４は対物レンズ１１の瞳１０を結像させる
レンズ、１５は光電検出用の光は透過し、他の波長例え
ば目視用光学系で用いる波長を実質的にカットするフィ
ルターである。

フォトディテクター１８の位置は瞳結像レンズ１４によ
り瞳１０の像のできる所である。従って瞳１０゜フォト
ディテクター１８は互に共役な関係になっている。この
光電検出系は走査スポットがパターンのエツジ部にさし
かかった時のみ出力があられれる様にフォトディテクタ
ーの受光面を配置しておく。従って出力を時間的に観察
すれば走査ビームがエツジに当った時パルス状の信号が
発生される事がわかる。このパターンがマスク及びウェ
ハーのアラインメントマークからの信号であれば、この
信号からマスクとウェハーの相対的な位置ずれを検出す
ることができる。検出されたずれ量を補正する様に不図
示の駆動系でマスクとウェハーの相対位置を動かすこと
によりオートアラインメントがなされる。

第１図で目視用に設けられているのは１９〜２１の照明
系と２２以下の観察系である。図中１９は照明用光源、
２０はコンデンサーレンズで光源像を対物レンズ１１の
瞳１０の上に作る作用をする。

２１はフォトレジストの感光する波長域の光をカットす
る作用を持つフィルターである。一方２２は像の正転を
行うエレクタ−２２３はレーザー波長をカットし目視観
察用の波長を透過するフィルター、２４は接眼レンズで
ある。

一方、レーザーによるスポット走査に適合するマークと
しては、例えば昭和５２年１月２２日、本出願人により
出願された「光学装置」にその実施例がある。このマー
クは一方向のライン走査に対してｘ、ｙのずれを検出す
る事のできる第３図の様なマークである。第６図（ａ）
はマスク（またはウェハー）用パターン、　、　（ｂ）
はウェハー（またはマスク）用パターン、（Ｃ）は両者
をアラインメントさせた時の状態である。なお（Ｃ１図
で点線で示されているのが走査レーザービームの軌跡で
ある。

この様な光電検出法の問題点としてゴミの事が挙げられ
る。即ち本光電検出系は散乱した光を検出しているので
、光電検出の対象領域にたまたまゴミの様な光を散乱さ
せる物質がある場合、このゴミの散乱光まで信号として
拾ってしまうのである。ゴミはウェハーに付着している
場合もあれば走査光学系の内部に付着している場合もあ
る。ウェハーに付着するゴミなどは常に考慮しておかな
ければならない要因といえる。この様にして生じるパタ
ーン以外からの検出光は、いわば偽信号であり、好まし
くないばかりでなく、誤動作の原因となる。

本発明は上記のゴミなどのパターン以外からの不所望の
検出光の除去を目的としたものであり、具体的にはフォ
トディテクターの受光面を分割する手段を活用しようと
するものである。ここでフォトディテクターの受光面を
分割する手段を活用する為、第１図の光電検出部の）第
１・ディテクター１８の所で観測される光の分布を考え
る。

今までの説明では散乱光をパターンエツジからの散乱現
象として捉えてきたが、これは換８すれば一種の回折現
象に他ならない。従ってパターンの方向性に依存した方
向に光は散乱される事になる。第６図に示した様なアラ
インメントマーりの場合、フォトディテクター１８の位
置で観測される散乱光の分布いわゆる回折パターンを第
４図（ａ）に示す。散乱光はパターンの伸びている方向
と直角の方向に伸びる事は通常の回折現象の理論より容
易に説明される。一方これに対してゴミの様な不規則な
形状をした物質からの散乱光はディテクターの所で特別
な方向性は示さず一様な拡がり方をする。第４図（ｂ）
にその様子を示す。第４図（ａ）、（ｂ）とも中央の黒
い点は非散乱光による部分であり、それ以外の斜線部が
光の拡がっている領域を示している。また外側の円は本
光学系の有効径を示している。

本発明ではこのフォトディテクター位置でのパターン部
と非パターン部からの散乱の違いを利用する。その為本
発明ではフォトディテクターの受光面を分割し、パター
ン検出受光面と散乱光受光面とを設ける事を特徴とする
。

第５図はこの様なフォトディテクターの実施例を示す概
略的上面図である。１８のフォトディテクターは、同一
基板の上に各々分割されて独立に信号が収り出されるよ
うに構成された受光面１８ａ。

１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ。

１８ｈよりなっている。受光面１８ｂ、１８ｄ、。

１８ｆ、１８ｈはマークパターンの段差による回折光を
検出する受光面であり、これより取り出される信号をマ
ーク信号と呼ぶ。このパターン信号には第４図（ａ）の
マークパターン回折光と第４図（ｂ）の一様に拡がるゴ
ミあるいは粒子状パターンからの散乱光とによる信号が
含まれている。一方１８ａ。

１８ｃ、１８ｅ、、１８ｇは第４図（ｂ）で示す一様に
拡がるゴミ等による散乱光のみが検出される受光面であ
り、これより収り出される信号をノイズ信号と呼ぶ。と
ころでマーク信号中のゴミ等の散乱光による信号はノイ
ズ信号とほぼ同μで、かつ同期　゛じている。従ってマ
ーク信号からノイズ信号を差し引けば、ゴミ等による影
響が除去されたマークパターン回折光による信号分のみ
が収り出しうる。

なお、この様なフォトディテクターは太陽電池等で製作
することができる。

次に本発明の実施例に係る信号処理系について説明する
。　’ｆ’＋　６図はその信号処理を説明するだめの信
号図である。ここで以下の説明の便宜のため、受光面１
８ｂ、１８ｄ、１８ｆ、１８ｈからの信号の　−和、す
なわちマーク信号が出力される方をＡチャンネルと呼び
、受光面１８ａ、１８ｃ、１８ｅ、１８ｇからの信号の
和、すなわちノイズ信号が出力される方をＢチャンネル
ど呼ぶ。第６図（ａ）はマスク及びクエハー上のパター
ンを走査した時の位置関係を示したものである。この図
で一点鎖線はレーザー走査光な示しており、ゴミ４２が
走査線上にのっている事を除けば第６図（Ｃ）と全く同
じ配置になっている。第６図（ｂ）はＡチャンネル、第
６図（Ｃ）はＢチャンネルの出力を示したものである。

Ａチャンネルは「パターン信号ミ」　、Ｂチャンネルは
「ゴミ」の検出チャンネルなので図の様な出力になる。

第６図（ｄ）〜（ｆ）は（Ａ−Ｂ）の演算を行う差動増
幅器を通過した信号の三態様である。（ｄ）はＡチャン
イ・ルのゴミ信号とＢチャンネルのゴミ信号が丁度うま
くキャンセルした場合、（ｅ）はＢテヤンイ・ルのゴミ
信号の方が大きかった場合、（ｆ）はＡチャンネルのゴ
ミ信号の方が大きくて完全にはキャンセルできなかった
場合である。（ａｌ〜（ｆｌのいずれになるかはゴミの
散乱の特性、差動増幅の際に一方又は両方の信号に倍率
をかける、或いはフォトディテクターの感度差を利用す
る等種々の要素があり、−概に決定する事はできない。

しかし単純に非散乱光のみをカットした（ｂ）の出力に
比して差動増幅器を通った後の信号である（ｄｌ〜（ｆ
）はノイズを抑制し、パターンＳ／Ｎ比を高めている。

なお、上記実施例のような同一面上で分割された受光面
を自するフォトディテクターの代わりに、各受光面の位
置に光束を別方向に傾けるミラーを収付け、複数の専用
ディテクターで受光する構成をとることで実質上同一向
で受光するように変形するのが町１指であるのは勿論で
ある。あるいは第５図のフォトディテクターの受光面の
内、１８ｂ。

Ｌ８ｄ、１８ｆ、１８ｈの受光面のみを具えたフォトデ
ィテクターを使用することも可能である。この場合光走
査に従って、マークパターン回折光が１８ｂと１８ｆの
組に入射する時点では１８ｄと１８ｈの受光而はノイズ
信号の検出に使用し、逆に回折光が１８ｄと１８ｈに入
射する時点では受）ＩＣ而面８ｂと１８ｆをノイズ信号
の検出に選択的に使用する。更に特願昭５８−１５９６
５２に述べている様にマークパターン部がウェハー表面
から突出または窪んで作られている状態でその上にフォ
トレジスト層が塗布されていると、マークパターンの近
傍で正反射した光がフォトレジスト層で屈折して（ｉ号
光に混入することがある。その場合、フォトレジスト層
の傾きは既知であり、屈折方向も知り得るから、回折光
が入射する２つの受光而の一方を電気的に遮断して不要
光の影響を除くこともできる。

また本発明は、マスクとウェハーの位置合わせのみなら
ず、予め回折パターンの５１つかつている様な信号処理
のすべて（例えばマスクの欠陥検査）に対して適用でき
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、検出光束を二つに
分割することなくパターンによる信号のみを分離検出す
ることができる。このため光電が半減することがなく充
分な検出（，４号レベルを得ることができる。また信号
検出ルートが単一であるから光電検出装置の構成が簡略
化される。更に複数の空間フィルターの光軸合わせ等の
複雑な位置合わせが不要となり、調整が簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る光電検出装置を適用した
マスクとウェハーの自動位置合せ装置の信号検出系の原
理図、第２図はテレセントリックな対物レンズの作用を
示す図、第６図は自動位置合せ装置で用いられるマーク
の一例を示す図である。第４図はマークからの回折パタ
ーンを示す図とゴミからの回折パターンを示す図、第５
図は本発明の実施例に係るフォトディテクターを示す図
。 ＄６図は本発明の実施例に基づく光電検出信号を示した
図である。 １・・・レーザー光源 ２．４，６．８，１４．２０，２２．２４・・・レンズ
６・・・回転多面鏡 ５．７，９　ビートスプリッター １０・・ス・ｊ物しンズ１１の１ｌｔ７ｉ１１・・・対
物レンズ １２　・マスク １６・・ウェハー １５．２１．２３　ノイルター １８・・・）第１・ディテクター １９・・照明用光諒 ６５・・パターンのくは・ろ ４２コ゛ミ、。 第　２　図 （イ） ＪＤ 第　３　図 （ａ）　（ｂ） 第４図 第　５　図 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）パターンによる回折光の方向性に対応するように
   複数の受光素子を配置したことを特徴とする光電検出装
   置。
2. （２）前記複数の受光素子の内、パターンによる回折光
   を受光するための受光素子以外の受光素子は有害光を識
   別するために使用することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の光電検出装置。
3. （３）前記複数の受光素子からの信号を演算処理し、有
   効なパターン信号を分離検出する演算処理手段を備えた
   特許請求の範囲第１項記載の光電検出装置。