JPS60149128A - 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〕 本発明は半導体焼料は装置に必要なマスクとウェハーの
様な二つの物体の位置合わせあるいは半導体デバイスの
位置合わせ装置の光電検出装置、特に検知物体の表面が
平面でなく凸凹がある場合の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５３−９１．７
５４　（走査型光検出装置）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平担な物体表
面からの正反射光を除去し、必要なパターン散乱光のみ
を受光ずべく遮光部材を配置している。この遮光部材の
大きさは正反射光が遮光できるぎりぎりの大きさか、あ
るいはそれよりわずか大きめに設定している。

しかし、物体の表面が」ｌ担でなく凸凹がある場合、所
定の検知マーク以外の部分において散乱光が発生し、遮
光部材では遮光できない。このため検出光のコントラス
トの低下を招き、検出精度が悪化あるいは検出不能とな
るなどの問題が生じていた。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来例の欠点に鑑み提案されたものであり
、検出パターンの回折現象が大きく物体の表面に凸凹が
ある場合は遮光範囲を大きくし、検出パターンの回折現
象が小さく物体の表面が平担な場合は遮光範囲を小さく
し、検出パターンの回折現物が中間で物体の表面の凸凹
が中間の場合は遮光範囲を中間の大きさにするなど、検
出パターンの信号レベルと物体表面の粗さによる信号レ
ベルの大きさに対応して遮光部材による遮光範囲を調節
し、最適のコントラストおよびＳ／Ｎ比を得ることを可
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ー、
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−１８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−８１０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３０の位置に集
光される。３０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五 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相当する６４の位置に結像され
る。従って第１図中で３０．３２．３４は互に共役とな
っているのである。

マスク及びウェハー而を実際に走査するスポット６４の
径Φは６０から６４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、６０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。３４の位置に集光されたレ
ーザー光は回転多面鏡乙の回転に従ってマスク及びウェ
ハー面上を走査する。

以−ト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間係も重要
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６６と、回転多面鏡乙の反射
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３
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３６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、マスク及びフェノ１−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、ノくターン
の境界部のエツジで散乱を受け光はもとへは戻みない。

即ち散乱光は対物レンズ１１で捉えられて再び瞳１０を
通る時、最早瞳の中心３６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な通って瞳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□す、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
マスク及びフェノ１−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フェノ１−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クエノ＼−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１」祝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−２２６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６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（Ｃ）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。

ところでかかる光電検出法に−おいては検知物体表面の
平面度が問題点となる。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の表面に凸凹
がある場合、この凸凹により発生する散乱光まで信号と
して拾ってしまうからである。かかるパターン以外から
の検出光はパターン信号のコントラストの低下、Ｓ／Ｎ
比の悪化となるため検出精度の低下と信号検出率の低下
を招く。

本発明は上記の検知物体表面の凸凹から発生する散乱光
などの不所望の検出光の除去を目的としたものであり、
具体的には分割されたフォトディテクターの受光面を適
宜選択して信吃検知を行うものである。そこでフォトデ
ィテクターの受光面を分割する手段を活用する為、第１
図のフォトディテクター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、これは換言すれば一
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メントマークの場合のフォト
ディテクター１８で観察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。また回折パターンの大
きさはパターンの段差形状に対応している。一方これに
対して検出物体表面の凸凹の様な面からの散乱光は、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（ｂｌ
は検出物体表面の凸凹が少しある状態であり、それより
少し凸凹が大きいと第４図（Ｃ）、更に凸凹が大きくな
ると第４図（ｄ）となる。この様に検出物体表面の凸凹
の状態に対応して散乱光の拡がりも変化する。第４図（
ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）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。なお最も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光の拡がり
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、ノくターン部以外からの散乱光の
拡がりに応じてフォトディテクターの分割された受光面
を選択してパターン部以外からの散乱光の信号の影響を
軽減する事を特徴とする。

第５図はこの様なフォトディテクターの実施例である。

１８のフォトディテクターは、同心円状に５つの受光面
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ　、１８ｄ。

１８ｅに分割されている。図中斜線部が受光面を示して
いる。各受光面からの信号はパターンからの信号の大き
さおよび検出物体表面からの散乱光の拡がりに応じて選
択されて合成され、最適のコントラストとＳ／Ｎ比をも
つ信号として信号処理回路へと出力される。

第６図は本発明実施例に係る信号合成回路のブロック図
である。フォトディテクター１８の各受光面１８ａ、１
８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅは、それぞれ選択スイッ
チ４１　ａ　、４　ｌ　ｂ　＋　４１　ｃ　、４１　ｄ
　。

４１ｅに接続されており、演算処理回路４６の指令信号
により選択されると信号合成回路４０に接続される。信
号合成回路４０は選択スイッチ４１によって選択された
信号を合成した後、合成信号を信号処理回路（図示せず
）およびＡ／Ｄコンノｑ−タ４２に送る。Ａ／Ｄコンバ
ータは信号合成回路４０の出力であるアナログ信号をデ
ジタル信号に変換し、演算処理回路４６へと送る。演算
処理回路４６は第７図（ｂ）の信号合成回路４０の出力
信号を順次収り込んで演算処理回路の記憶部へ記憶させ
、ペデスタル信号ＰＩおよびパターン信号ＳＩ＋３２　
、　Ｓｓ　、、　８４　、８Ｂ　、　Ｓｏを演算する。

パターン信号が一定値よりも大きい場合、あるいはペデ
スタル信号が一定値より大きい場合、演算処理回路４６
はディテクターの内側受光面１８ａの信号を切り離すべ
く選択スイッチ４１ａに対しＯＦＦ信号を出し、信号合
成回路４０によって合成されないようにする。その結果
得られる信号合成回路４０の出力は第７図（Ｃ）となる
。第７図（Ｃ）に示す様にディテクター１８の内側の受
光面を切り離すとペデスタル信号Ｐ２は大幅に減少する
が、パターン信号Ｓ７　＋　Ｓｓ　ｒ　８９　＋　Ｓｈ
ｏ　＋　Ｓｏ　ｒ　ＳＩ２も若干減少する。

しかし、ペデスタル信号の減少の方が大きいからコント
ラストは向上する。この様に演算処理回路４６は、フォ
トディテクターの受光面を順次切り離していき、パター
ン信号が一定値以上で最良のコントラストが得られる受
光面の組み合せで固定する。

次に演算処理回路４６は、コントラストが一定以上悪化
しないのを確認しなからフ第１・ディテクター１８の受
光面を外側の１８ｅｉより切り離していき、コントラス
トが一定以上悪化する一歩手前で受光面の切り離しをや
める。外側から切り離す操作を行うのは、一般に外側の
受光面には有効な光束が入射しない場合があるが、かか
るときにも暗電流が流れる。この暗電流は信号としては
ノイズ信号であり、実質的にＳ／Ｎ比を低下させるから
である。このようにして適宜フォトディテクター１８の
受光面を組み合せることにより最良のコントラスト、最
良のＳ／Ｎ従って最良のパターン信号が得られる。その
結果検出率の良い、検出精度の高い信号が得られる。こ
こで第７図体）はマスクおよびウェ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り、点線はレー
ザーの走査光を示している。なお第７図（ｂ）はすべて
の受光面が作動したときの検知信号図であり、（Ｃ）は
受光面が最適に選択されて組み合わされたときの検知信
号図である。

なお、上記実施例のような同一面上で分割された受光面
を有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取付け、複数の専用
ディテクターで受光する構成をとることもできることは
勿論である。

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、検出物体の表面に凸凹がある物体に刻まれたパター
ンの検出に有効である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば最適のコントラスト
および最適のＳ／Ｎ比をもつ検出信号が得られるように
分割された複数の受光面を適宜選択できるから検出精度
の向上を図ることができる。

【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
ーンを示す図と検出物体表面からの散乱光の分布を示す
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、第６図は本発明の実施例に係る信号合成回路
のブロック図、第７図は本発明の実施例に係るマスクお
よびウェハー上のパターンを走査した時の位置関係と信
号合成回路の出力信号図である。 １・・・レーザー光源 ２．４，６，８．１４，２０，２２．２４・・・レンズ
３・・・回転多面鏡 ５．７．９・・・ビームスプリッタ− １０・・・対物レンズ１１の瞳 １１・・・対物レンズ １２・・・マスク １６・・・ウェハー １５．２１．２３・・・フィルター １８・・・フォトディテクター １９・・・照明用光源 ６５・・・パターンのくぼみ ４０・・・信号合成回路 ４１・・・スイッチ ４２・・・Ａ／Ｄコンバータ ４６・・・演算処理回路。 第　２　図 （１） （ず） −）− 」 ｊＤ １３図 （ａ）　（ｂ） （ｃ）　−（ｄ） 第　４　図 第　５　図 第　６　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 検出パターンによって得られる回折光と検出パターン以
   外の物体表面上の凸凹等によって得られる分散光とを分
   離して所要の該検出パターン信号を検出する光電検出装
   置において、 はぼ同一平面上で空間的に分割された複数の光電素子と
   、 前記複数の光電素子の各出力信号を演算処理し、前記検
   出パターン信号の検出が最適となるよう該複数の光電素
   子を選択して作動させる演算制御回路と、 前記演算制御回路により選択された前記複数の光電素子
   の出力信号を合成する信号合成回路とによって構成され
   ることを特徴とする光電検出装置。