JPS607764B2 - 走査型光検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は走査型光検出装置、更に詳しくはＳＮ比の向上
を目指して階視野的に被走査面からの反射光を検する装
置に関するものである。

例えばＩＣパターン焼付用のウェハーのアラィメントマ
ークの様な平坦面と額斜面を有する物体面を瞳視野的に
走査する装置は既に昭和５位王４月７日本件出願人によ
って特顕昭５０−４２０８３号として出願されている。

この先願の装置は、後に図面を使用して詳細に説明を行
なうが、簡単に言うとテレセントリツクレンズの瞳面に
該瞳より小なる物体面照明用の光源の像を形成し、物体
面の被観察領域全体を照明し、被観察領域中の平坦面か
らの正反射光を該テレセントリックレンズの瞳面若しく
は瞳の像面に配された前記光源の像にほぼ対応する大き
さの遮光板によって遮光し、該遮光板を通過する前記被
観察領域中の傾斜面からの非正反射光によって形成され
る物体像（即ち階視野像）を走査する装置である。尚、
テレセントリツクレンズとはしンズの光軸と瞳面の交点
に光源を設けた場合、主光線が光軸と平行になる性質を
有するレンズを称し、平坦面とはテレセントリックレン
ズの光軸に対して直交する面を称し、従って、傾斜面と
はテレセントリックレンズの光軸に直交しな面を称して
いる。この説明から理解される様に先願の発明は物体の
被観察領域全体を照明し、その領域の一部からの光を順
次光検出器で検知しているため、検出時には物体照明用
の光の光量の極く一部しか使用しないので、照明光を有
効に使用しているとは言えない。

従って、本発明はこの先願の発明の改良に係り、改良点
は物体の照明光を有効に使用した点である。

このため、本発明の装置は比較的細い走査光ビームで物
体面を順次走査し、物体面から反射された光を検出する
所謂フライングスポット光走査方式を採用している。

しかしながら、本発明は先に述べた先廟の装置に単に所
謂フライングスポット光走査方式を適用したものでなく
、先豚の装置にフライングスポット光走査方式を適用し
た場合に生じる問題を解決したものである。

この問題とは「単にテレセントリックレンズに走査ビー
ムを入射した場合、このテレセントリックレンズの瞳面
を横切る走査ビームの位置が走査ビームの振れによって
異なり、このため平坦面からの反射光が逆進した際の前
記瞳面を横切る位置が異なることに起因し「テレセント
リックレンズの瞳面若しくは瞳の像面に配した遮光部材
によって、平坦面からの反射光（正反射光）を除去不能
になってしまう可能性が有ることである。

本発明の目的は上述の問題を解決した照明光を有効に使
用可能な走査型光検出装置を提供することである。

そしてこの目的は、本発明においては走査ビームがテレ
セソトリックレンズの瞳面を横切る位置を常に一定にす
ることによって達成している。

即ち走査ビームの振れ原点をテレセントリツクレンズの
瞳面と−致させることによって達成している。以下図面
を使用して本発明を更に詳しく説明する。

第１図は先に述べた特腰昭５０−４２０８３で提案した
悟視野的な走査型光検出装置の光学配置を示す図である
。

図中、１は被走査物体である。この被走査物体１は平坦
な面２とこの平坦な面に対して懐きを有する頃斜面３を
有している。４はテレセントリツクレンズである。

５はこのテレセントリツクレンズ４の瞳面に配された絞
りである。

６はテレセントリツクレンズの瞳面にハーフミラー７を
介して瞳の径より小さな大きさに光源像を形成する照明
光学系である。

８はリレーレンズである。

９は物体１の綾面に配された閉口スリットを有するスキ
ャナーである。

１川ま瞳５の結像レンズ、１１はテレセントリツクレン
ズ４の瞳の像位置に配されたりング状の閉口を有する遮
光板で、テレセントリックレンズ４の瞳に形成された光
源像の大きさに遮光部は対応している。

１２は集光レンズ、１３は光検出器である。

テレセントリツクレンズ４は先に述べた様に、レンズの
光軸と臆面の交点に光源を設けた場合、主光線が光軸と
平行になる性質を有しているため、平坦面２を光軸に垂
直にした場合、この平坦面２から反射光Ａ（第２図参照
）は再び光源像位置に集東される。しかしながら、額斜
面３に入射した光は進行方向が転じられるため、光源像
位置に戻らない。従って、遮光板１１からの光は煩斜面
３からの反射光Ｂだけになる。従って光検出器１３によ
って検出される光は物体１の傾斜面３だけとなる。この
検出方式を階視野的検出方式と称することにする。この
先願の光走査方法は物体１の面を全面照明して物体の像
をつくり、その像の一部からの光を順次スキャナー９に
よって取り出して光検出器に導いているため、照明光の
検出効率は極めて低く光量の面で問題がある。本発明で
はこのため像面上で像を走査する代わりに物体面上に照
明系からの光を直接スポット又はスリット形状であて、
この光を走査する方式を採用した。

従来物体面全体を照射していた光を信号をとるべき位置
に集中して当ることができるため、検出光量の大幅な増
大を得ることができる。照明光源に長，焦点のコリメー
ターレンズをつけて集光することも可能であるが、本発
明の方式を実行する際にはしーザー光を用いると便利で
ある。物体面上を移動する光ビームで照射するためには
、テレセントリツク対物レンズに走査ビームを入射させ
る必要があるが、その際対物レンズの瞳上でも走査ビー
ムが動いてしまう場合がある。このとき、瞳の共範＆檀
である遮光板１１の所でも遮光すべき反射光Ａの位置が
物体面上の走査に伴って移動してしまうので、検知反射
光Ｂの分離が難しくなる。本発明は物体面上での光ビー
ムの直接走査に伴うこうした欠点を除去したものであり
、走査ビームの振れ原点を対物レンズの瞳面と光軸との
交点とし、走査ビームが物体面を如何に走査しようとも
、瞳面でのビームの位置が実質的に殆ど動かない様にす
ることを主旨としている。

このための光学系は走査方式と密接な関連がある。例え
ば後述の一実施例においては、走査手段として平行平面
板の回転が用いられる。

透過型ポリゴンの回転や光露顕微鏡の振動型の平行平面
板がそれである。即ち平行平面板を透過で用い、平行平
面板を光軸に対して煩けることによってビームを横ずら
しする方法である。この場合には平行平面板の性質、即
ち入射光と反射光は横ずれはしていても平行であるとい
う性質に着目する。平行平面板透過後の光東は従って角
度はそのままで単に光軸方向に横ずらしされたものと考
えてよく、頭いたことによる収差の発生は通常Ｆ数が大
きいことや画角が小さいことから殆ど無視できるオーダ
ーのものである。走査時に瞳上での走査ビームの位置ず
れを実質的に殆ど零とするため、本発明はこの走査用の
平行平面板とテレセントリック対物レンズの間にリレー
レンズを配し、しかもリレーレンズの焦点面と対物レン
ズの瞳面を合致させることを特徴としている。走査され
るビームの主光線（ビームの重心）の基準光路を光軸、
即ち主光線が平行平面板に垂直に入射した場合と考える
と、平行平面板が走査のため煩いたとき、ビームの主光
線は、先にも説明した通り、光軸に対して横ずれしただ
けで平行である。走査に伴って生ずるこの平行な主光線
群はリレーレンズを通過後リレーレンズの焦点を必ず通
過する。即ち走査を行なっても瞳面上ではビームは動か
ない。また後述の一実施例においては、反射ミラーの回
転による走査手段が用いられる。

例えばガルヴアノミラーや反射型のポリゴンがその具体
例である。この場合には走査手段を出た後のビームの主
光線の角度は透過型の場合の様に平行ではないので、ビ
ームが瞳面上で振れない様にするには全く別の手段を用
いねばならない。この場合には走査手段に入射している
光ビームが、走査手段で反射する点が殆ど動かないこと
に着目する。従って本発明では走査手段上の反射点と、
瞳面の中心点とを結像系を介して互いに共碗な関係に導
くことを特徴とする。このため、走査手段と対物レンズ
との間にはリレーレンズやフィールドレンズが適宜必要
とされる。ポリゴンや反射ミラーでの反射点は回転によ
り多少動くが、問題とならない様な微少量である。従っ
て走査に伴っての瞳上でのビーム位置は殆ど動かないも
のと仮定してよい。以下、具体的な光学配置図をもって
本発明を説明していくことにする。第３図には本発明の
第１実施例の光学配置図が示されている。図中２０は光
源からの光東中に配されたスリット又はスポット状の閉
口であり、物体１と共範の関係にある。２１は閉口２０
からの光を平行移動させるタイプの走査系、例えば前出
の回転可能なガラスフロックより成る透過型走査系であ
る。

リレーレンズ２２は後側焦点面がテレセントリック対物
レンズ４の前側焦点面で且つ瞳面である５と合致する様
に配置されている。このレンズの働きを簡単に示すため
の図が第４図である。ここでは説明をわかり易くするた
めに、開□２００をリレーレンズ２２の前側焦点面に一
致させている。走査装置２１を通過した後の光東２３は
平行平面の性質である入射角と出射角が等しいという原
理より互いに機ずれしているだけである。各ビームは従
って恰もリレーレンズ２２の焦点面から発生している様
なことに相当し、２２を通過した後は平行光となる。こ
こで各ビームの重心である主光線は走査系２１を出た後
は光軸と平行であるので、リレ−レンズ２２を通過後は
リレーレンズの後側焦点面であると共に対物レンズ４の
前側焦点面である５の中心を通過する。通過角度は主光
線の横ずれの量に対応して変化するが、対物レンズの瞳
面でもある５の中心を通過することには変わりがない。
この際１０以下のレンズ系で第１図で説明した様なフィ
ルタリングを可能とするために、光東２３のＦ数はリレ
ーレンズのＦ数よりも大きくすることが望ましい。する
と第４図に示した様にリレーレンズで平行光となって瞳
面に到達した入射光の有効光東の径は臆面５の径よりも
小さくなる。テレセントリック対物の性質によって瞳５
は物体面１の平坦部で反射した後再び５の位置に等倍再
結像する。従って平坦部で反射した光東は瞳の径よりも
４・さし、有効径で再び５の位置を通過する。通過する
ビームの主光線が物体面上では走査を行なっているにも
拘らず、５の位置では常に中心を通って不動であること
は、テレセントリック対物では主光線が物体に垂直入射
し、反射して元きた道を辿ることから容易に理解される
。ビ−ムスプリッター７によって検出光学系に入った光
は瞳５をレンズー０‘こよって１１の位置に結像させる
。１１の場所にできている平坦部からの反射光成分のみ
をストッパーにより取り除きパターンのエッジからの光
のみを取り出すのは第１図の場合と同じである。

入射してくる光ビームは瞳５の上では明るいスポット又
はスリットを形成しているので、瞳に共節な１１の位置
でのフィルタリングは容易である。例えばスキャンビー
ムがスポットであるときはフィルタリングするべき光東
の形状はスポット状になっており従って１１の位置には
このスポットを遮断するのに有効なフィルター例えばリ
ング状の透過部分を持っている様なものを配置すればよ
い。スキヤンビームがスリットである場合には瞳面での
光東径がスリット状になったりするが、この場合には１
１にスリット状の遮光部分を持つフィルターを配置すれ
ばよい等、フィルター１１の形状は場合場合によって適
宜変化させるものとする。第５図は本発明をＩＣのオー
トアラィナーに適用した実施例の光学配置を示すもので
ある。オートアライナーの場合、マスクとウェハ−を２
次元的に整合させるため少なくとも２ケ所以上の点を観
測しなければならないが、ここではその片一方のみが示
してある。図の左側の部分にもう一箇所の観察及び検出
用の光学系が配置されることになるが、右側に示してあ
る部分と全く同じなので省略した。但しスキャナー３川
ま共用できる様な構成にしてある。勿論観測点の数に応
じてスキャナ−の数を増やしてもよい。第５図で３１は
光源である。

前述の様に指向性、輝度などを考えるとしーザーを用い
ると都合がよいので、この図では３１は一応レーザーを
想定してある。レーザーの出力光を非常に効率よく信号
に変換することができるので１のＷ以下のものでも十分
である。３２はビームエキスパンダーで、レーザー光を
拡げる役目をするが、レーザーから出てくるビーム径そ
のままでもよいとき‘こは必要ではない。

３３はミラー、３４はしンズで、レーザー光をスリット
又はスポット３５の上に結像する。

３４は３５がスリットならシリンドリカルレンズが都合
がよいし、スポットなら通常の球面レンズで十分である
。

またレンズのＦナンバーはリレーレンズのＦナンバーと
第４図に説明した様な関係を保っているものとする。３
６は通過型のスキヤナーでガラスブロックでできている
。回転軸は図示の３つの光軸の交点を通り紙面に垂直で
あるものとする。このブロックから３チャンネル取り出
せる構成であり、従ってスリット（又はスポット）３５
も３つ用意してある。各チャンネル毎に３５の前には３
１から３４までの光学系が付随するがここでは×チャン
ネルのみを示し他は同機なので省略した。勿論光源３１
の光をビームスプリツタ−でわけて、光源を１つで済ま
すことも可能である。さてスキャナ−でスキャンされた
光はしンズ３９（第３図のレンズ２２に対応する）に到
る前にイメージローテータ−３７通る。

例えば×チヤンネルのイメージローテーターを構成する
３つのミラー面の法綾が紙面内にあるとすると、Ｙチャ
ンネルのイメージローテーター３７（点線で囲ってある
。）はＰＰ′軸を軸に４５ｏ回転した位置に配慮される
。こうすると、×チャンネルを通った光は物体面４１と
４２（ここで４１はマスク、４２はウェハーを示してい
る）上の紙面内でスキャンされるが、Ｙチャンネルを通
った光は紙面に垂直な方向にスキャンされる。即ち第６
図に示される様に顕微鏡の視野内ではＸチャンネルによ
る光とＹチャンネルによる光が互いに図の様に動くこと
になり、物体４１と４２の２次元的なズレを検知できる
ことになる。３５がスリットのとき、スリットの方向は
スキャン方向に直角となる様にセットされることがよい
ことは当然である。

Ｘチャンネルのイメージローテーターは第８図では光路
長を補正する意味で挿入してある。再び第５図で３８は
ビームスプリツター、３９はリレーレンズで構成は第３
図に示した通りである。４川まテレセントリツク対物レ
ンズ、４１はマスク、４２はウェハーである。

４３以下が光電検出系で、４３が瞳の結像レンズ、４４
はストッパー、４５は集光レンズ、４６はフオトデイテ
クターである。

この付近の構成は第３図に説明した通りであるので省略
する。尚左側の部分も第６図の様にスキャンするため×
チャンネルの途中にビームスプリツター３８を入れて左
側に持っていつてもよい。（点線図示）第７図も第５図
と同じ光学系を別の配置で組んだものである。ここでは
対物レンズの光軸が紙面に垂直になっており紙面と平行
な面内にあるヤスク４１及びウェハー４２を観察してい
る。この光学系だとイメージローテーター３７が２つで
済む。本質的には勿論１つでも構成できるが、光路長の
補正のためここでも２つ入っているわけである。光学系
の作用は第５図と全く同様なので省略する。尚第５図，
第７図では目視での観察用の光学系やもし必要なら用意
するでき観察用の光源は無視してある。

これらをつけることは光路の一部にビームスプリツター
を挿入するかミラーをビームスプリツターに変えること
により容易に実現できるのでここでは省略した。また第
５図，第７図に示したのはイメージローテーターの存在
を必須としていたが、例えばマスクとウェハーの上にあ
るアライメント用マークを工夫すれば一方向のスキャン
によってＸ，Ｙ両方向のずれを一挙に検出することも可
能である。

その場合には一方向のみのスキャンでよいのでイメージ
ローテーターを挿入したり、一つの視野に対して２チャ
ンネルもビームを入れる必要はない。第８図には別の例
として走査光学系が一点を中心として走査ビームを振ら
せるタイプの光学系、例えば回転多面鏡やガルヴアノミ
ラーの如き走査装置を使用した場合の光学配置図が示し
てある。５０はしーザー光束で必要な場合にはビームェ
クスパンダー若しくは収束或いは発散レンズが入ること
があるが、ここでは説明を簡単化するため単なるビーム
入力とした。

５１はしーザー光東を収束させるレンズ、５２は回転多
面鏡の一面である。

５３はしンズ５１による光東の収束点×近傍に配遣され
たフィールドレンズである。

Ｘ点は回転多面鏡の回転によって光軸に対して垂直に動
く。また×点におけるスポットの大きさはしンズ５１に
よって定まる光東の関口数により決定されている。５４
はリレーレンズ、４はテレセントリツク対物レンズ、５
はその瞳位置１が物体である。

またビームスプリッター７以下光検出器１３に導くまで
の系は第３図と同じなのでここでは説明を省略する。こ
の系で特徴的なのは走査ビームの主光線がリレーレンズ
５４に入射するとき、最早平行でないことである。従っ
て今迄第７図までに示してきた様に、テレセントリック
対物レンズの瞳をリレーレンズの焦点位置に置くことで
は問題は解決されず、もっと別な配置をとることが必要
とされる。物体面上での走査を行なっても瞳面上ではビ
ームが殆ど動かない様にするため、この場合回転多面鏡
の不動点であるビーム反射位置に着目する。即ち回転多
面鏡に入力する光の反射位置は殆ど不動点と見倣しても
よい位微小な変化しか起こさないので、この点をフィー
ルドレンズ５３とＩＪレーレンズ５４とを用いて対物レ
ンズの瞳位置５に結像させてしまうのである。こうすれ
ば瞳面上のビーム位置は不変で、物体面上をスキャンす
ることが可能である。一方レンズ５１によるビームの結
像点×によりスキャンされる面は物体面１と共範である
。従って物体面を何ミクロンスポツトで走査したいかと
いうことと入射レーザービームの僅からレンズ５１のパ
ワーは一義的に定まってしまう。一般にスキャンスポッ
トの径は対物レンズの解像限界よりかなり大きいことが
普通であるので瞳面上での入射レーザー光の有効径は瞳
面の径よりも小さい。従って第３図などで示してきた様
なフィルタリング法を適用することが可能となるわけで
ある。以上述べてきた様な物体面上を直接光ビームで走
査し、それを暗視野的に検出することは光量、ＳＮ比の
向上「信号の極性の問題など全ての点について従来の方
式より優れており、一つにのオートアライメント装置の
みならず、寸法測定「 カーブ追跡など種々の分野に応
用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図は先願の階視野的な光走査装置を示す図
、第３図は本発明の第１実施例の光学配置図、第４図は
第３図の光学系の主要部を説明する図、第５図は本発明
の第２実施例の光学配置図、第６図は第５図の顕微鏡の
視野を示す図、第７図は本発明の第３実施例の光学配置
図、第８図は本発明の第４実施例の光学配置図を示す図
である。 図中、２０は関口、２１はスキヤナー「 ２２はしンズ
「 １は物体、４はテレセントリックレンズ「 ５は瞳
面、７はハーフミラー、１川ま結像レンズ、１１は遮光
板、１２は集光レンズ、１３は光検出器である。 第７図 第２図 第５図 第４図 第５図 第６図 孫７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 対物レンズに走査光学系からの走査ビームを入射し
   、該対物レンズからの走査ビームで物体面を走査し、物
   体面からの反射光を前記対物レンズを介して光検出器で
   検出する走査型光検出装置において、前記対物レンズは
   テレセントリツクレンズであり、前記走査光学系の走査
   ビームの振れ原点は前記テレセントリツクレンズの瞳面
   若しくはその近傍に有り、更に、前記テレセントリツク
   レンズの瞳面若しくは瞳の像面若しくはこれらの近傍に
   前記振れ原点を含む少なくとも瞳若しくは瞳の像より小
   さい面積の遮光部材を配し、該遮光部材により前記物体
   からの正反射光を遮光し、非正反射光を前記光検出器に
   導くことを特徴とする走査型光検出装置。 ２ 対物レンズに走査機構からの走査ビームを入射し、
   該対物レンズからの走査ビームで物体面を走査し、物体
   面からの反射光を前記対物レンズを介して光検出器で検
   出する走査型光検出装置において、前記対物レンズはテ
   レセントリツクレンズであり、前記走査機構の走査ビー
   ムの振れ原点を結像光学系により前記テレセントリツク
   レンズの瞳面若しくはその近傍に形成し、更に前記テレ
   セントリツクレンズの瞳面若しくは瞳の像面若しくはこ
   れらの近傍に前記振れ原点を含む少なくとも瞳若しくは
   瞳の像より小さい面積の遮光部材を配し、該遮光部材に
   より前記物体からの正反射光を遮光し、非正反射光を前
   記光検出器に導くことを特徴とする走査型光検出装置。 ３ 対物レンズに走査系からの走査ビームを入射し、該
   対物レンズからの走査ビームで物体面を走査し、物体面
   からの反射光を前記対物レンズを介して光検出器で検出
   する走査型光検出器において、前記対物レンズはテレセ
   ントリツクレンズであり、前記走査系は前記テレセント
   リツクレンズの光軸に対して直交方向に主光線が平行移
   動する走査ビームを形成し、前記テレセントリツクレン
   ズの瞳面がリレーレンズの後側焦点面になる様にレンズ
   系を配し、更に前記テレセントリツクレンズの瞳面若し
   くは瞳の像面若しくはこれらの近傍に前記物体からの正
   反射光を遮断し、非正反射光を前記光検出器に導く遮光
   部材を配したことを特徴とする走査型光検出装置。４
   対物レンズに走査手段からの走査ビームを入射し、該対
   物レンズからの走査ビームで物体面を走査し、物体面か
   らの反射光を前記対物レンズを介して光検出器で検出す
   る走査型光検出装置において、前記対物レンズはテレセ
   ントリツクレンズであり、前記走査手段は前記テレセン
   トリツクレンズの光軸に対して傾角を変更する走査ミラ
   ーを有し、該走査ミラーの像を結像光学系によって、前
   記テレセントリツクレンズの瞳面上に形成し、更に前記
   テレセントリツクレンズの瞳面若しくは瞳の像面若しく
   はこれらの近傍に前記物体からの正反射光を遮断し、非
   反射光を前記光検出器に導く遮光部材を配したことを特
   徴とする走査型光検出装置。