JPS61221609A - 光電検出光学装置 - 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】 本発明は単数又は複数個の線状もしくは帯状の領域から
光電信号を取り出し、その光電信号に基づいて、所定の
信号処理、及びその信号処理に基づいて所定の動作を行
う装置に関するものである。

光電信号に基づいて所定の動作を行なわせる例の一つと
して、半導体集積回路の作製の際に用いられる自動位置
合せ装置、所謂オートアライメント装置を挙げる事がで
きる。

トランジスタや集積回路などの半導体素子を製造する作
業工程は微細なパターンの焼き付けや、リード線のボン
ディング作業を含み、焼き付は用基板であるウェハーや
ペレットを所定の位置に正確に合わせてやる必要がある
。この基板等の微細構造はミクロンオーダーの精度に達
している所から、位置合せの精度もミクロンないしサブ
ミクロンのオーダーで行なわれる必要がある。しかしな
がら、この種の作業は熟練した労働者にとってもかなり
煩雑であり、熟練までに長い経験を必要とする。更にこ
の程度の酷しい精度になると顕微鏡をのぞきながらの作
業が必至であり、１分間数枚の割で流れて（るウェハー
の処理を考えると作業者の疲労及び疲労に伴った精度の
バラツキなども大きな問題となる。

マスクとウェハーの位置合せはこの様に、従来、作業者
が顕微鏡を覗きながら手動で調整していたわけであるが
、最近、前記の熟練、疲労といった問題を解決する為、
この種の作業を機械的自動的に行う試みが為されている
。所謂オートアライナ−と呼ばれる装置がこれである。

オートアラインメント、即ち自動位置合せでは、光電検
出方式が常用される。例えば、既に回路を構成する実素
子パターンの一部が形成された基板上に、更に別のパタ
ーンを重ねて焼きつけて、回路をつくってい（場合を考
える。この時オートアライメント手法では焼き付けられ
る基板上に予め設けられているアライメントマークと、
重ねるパターンのつけられたマスク上に形成されている
アライメントマークとを所定の関係に導（ことにより位
置合せを行う。アラインメントマークと実素子を構成す
るパターンとは予め定められた関係にあるので、アライ
ンメントマーク同志を所定の関係に導けば、基板とマス
ク上の実素子パターンはきちんと位置合せされた事にな
る。アラインメントマークの位置関係は光電的に検出さ
れ、もしこれが所定の関係よりずれている場合には光電
出力の値に応じて駆動機構を作動させて調整を行う。

この様なオートアライメント動作を行なう一つの例とし
ては、例えば、本件出願人によって昭和５０年４月７日
（特願昭５０−４２０８３号）に出願された「物体の像
認識方法及び装置」を挙げることができる。第１図にそ
の変形例を示す。

第１図で１はマスク、２はウェハー、３は対物レンズ、
４は対物レンズの瞳、５は光源７からの光を導（為のビ
ームスプリッタ−１６はコンデンサーレンズ、７は光源
、８はリレーレンズ、９はフィールドレンズ、ｌＯは１
４以下の目視系に導く為のビームスプリッタ−１１１は
遮光板、１２は結像レンズ、１３はレチコン、ＣＯＤ、
ＢＢＤ、撮像管等のイメージセンサ−１１４は像を目視
用に正転させるエレクタ−１１５は接眼レンズである。

この光学系の配置は本発明の基礎となるものであるので
、少し詳しく説明を行っていく事とする。

第１図の光学系を理解する為には対物レンズ３の働きに
ついて理解しておかなければならない。第２図に本発明
で用いる対物レンズ３の作用を示す原理図を示す。即ち
、本発明では対物レンズがテレセントリックな配置とな
っているのである。テレセントリックな対物レンズとは
、前側焦点位置が対物レンズを通る光束の大きさを決定
する場所である瞳の位置と合致しているものを言う。瞳
の中心を通る光線は光束の中心線となる光線となるので
主光線と呼ばれる。瞳の中心とは即ち対物レンズ３の焦
点の事なので、主光線は対物レンズを通過後は対物レン
ズの光軸と平行になり、物体面に垂直に入射する。垂直
に入射した光線は物体の鏡面反射を行う部分に当ったた
場合には反射してもと来た道を辿り、対物レンズを通過
後回びもとの瞳の中心位置にもどる。一方、光が当る部
分にパターンがあったとすると、光はパターンを構成し
ている境界線の部分で散乱を受ける。境界線の部分を総
称してエツジと呼ぶことにすれば、エツジで散乱された
光は鏡面反射の場合と異ってもと来た光路を辿らない。

従って、散乱光は対物レンズで再び捉えられて瞳を通過
する時、最早瞳の中心を通らないのである。この事は対
物レンズを通った反射光を瞳上で観察した時、鏡面反射
成分と散乱光の成分が瞳の中で空間的に分離されている
という事を示している。

第２図はこの分離の様子を示したものである。瞳に入射
し、対物レンズ３を通って再び瞳上を通る鏡面反射成分
の光束を図では斜線をひいて示し、対物レンズ３で捉え
ることのできる散乱光は点を打って示した。鏡面反射部
分に有効な光束の径は散乱光を有効に捉える為、瞳の径
に対して十分小さくとられるのが普通であり、通常は径
の比が０．１〜０．７付近の範囲内に収まっている事が
望ましい。

瞳の作用に対するこの様な事実を理解してお（と、第１
図の光学系の作用は容易に説明される。即ち、瞳上で散
乱光と非散乱光を分離する為に、光源７はレンズ６、ビ
ームスプリッタ−５を通して、対物レンズ３の瞳４の上
に瞳４の径よりも十分小さい大きさに結像゛される。こ
の径の比は前述の通り０．１〜０．７程度の範囲内に入
っている事が望ましい。

また瞳上に光源の像を作る方式はケーラー照明として知
られ、像面での照明ムラを除く事に役立つ効果をもあわ
せ持っている。照明光は対物レンズ３を通過後、マスク
ｌ又はウェハー２で反射し、再び対物レンズ３を通って
瞳４に到達する。この時、非散乱光成分が瞳４の所に最
初に作られた光源像の部分に戻り、散乱光が光源像以外
の瞳４の部分に広く分布する事は第２図で説明した通り
である。

第１図の例では、マ、スクｌ及びウェハー２からの反射
光はリレーレンズ８により一たんフィールドレンズ９の
近傍に結像される。ビームスプリッタ−１Ｏから別れて
像を正転させる役割をするエレクタ−１４、そのエレク
タ−１４により再結像された像を拡大してみる接眼レン
ズ１５に至る系が目視用の観察系である。目視用の観察
系はウェハー２の観察、マスク１の初期設定などに重要
な役割を果たす。但し、この系は後述の一定の条件下で
は省略する事が可能である。一方、目視系ではな（、別
の方の光路である光電検出系の部分について考える。光
電検出系中に置かれているのは遮光板１１である。

遮光板１１の置かれる位置は対物レンズ３の瞳４の共役
面となっている。即ち、瞳４と遮光板１１とはレンズ８
，９を介して互いに物体と像の関係にある。

結像倍率を調整する為にはビームスプリッタ−１０と遮
光板１１の間に適宜レンズを挿入すれば良いが、ここで
は一応第１図に従って説明を続ける。

瞳４の所では繰返し述べている様に、散乱光と非散乱光
が分離されている。従って、瞳４の像である遮光板１１
の所でも分離されている筈であり、遮光板１１はそこで
非散乱光のみ遮光し、散乱光を透過させる役割をする。

具体的には遮光板１１の位置にできている光源の像を遮
断するという事を行う。遮光板１１はガラス板に金属を
蒸着し、エツチングしてパターンを刻むとか、ガラス板
に直接印刷するなどの手段で容易に作製する事ができる
。

従って、遮光板１１を通過する光はすべてパターンのエ
ツジからの散乱光であるが、この散乱光を再び結像させ
る役目をするのがレンズ１２の役割である。レンズ１２
によりマスクｌ及びウェハー２はイメージセンサ−１３
の位置に結像される。結像に寄与するのは散乱光だけな
ので、イメージセンサ−１３の位置で観察されるのはエ
ツジの部分の輝きであり、一種の暗視野観察的なパター
ンである。イメージセンサ−としては各種撮像管、ＣＯ
Ｄ、ＢＢＤ。

レチコンなどの固体撮像素子が好適である。

尚、この場合イメージセンサ−が用いられているので、
これで目視系の代替を行なわせる事ができる。観察パタ
ーンはこの系のままだと暗視野的であるが、暗視野的で
も良いならこのままで良いし、通常の明視野観察を行い
たい時には遮光板１１を素通しのガラスと切り換える様
にすれば良い。この時１４．１５の目視系は省略できる
。

以上の様な公知の方法は有力な手段であるが、照明法の
問題から、物体面上を広く一様に照明しなければならな
い為、物体面上の各一点一点に入射する光量が少く、従
って、各イメージセンサ−で受ける光量が少い事、広く
照明する為どうしてもアライメントマークが太き（なる
事などが問題であった。特に、アライメントマークが配
置されている物体面上の線又は帯状の検出領域に対して
照明領域が広い場合には、照明光の有効利用が困難とい
う不都合の外に、該検出領域以外の物体面上の照明領域
で発生した光がノイズ成分としてイメージセンサ−で光
電検出されてしまい、検出信号のＳ／Ｎ比が悪（なる恐
れがあった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、その目
的は物体面上の線又は帯状の検出領域から光の照射に応
じて発生する散乱・光と非散乱光の一方を光電検出する
装置において、照射光の有効利用を可能とすると共に、
Ｓ／Ｎ比の良い光電検出信号を得ることを可能にするこ
とにある。

本発明はこの目的を達成するために、物体面上の線又は
帯状の検出領域に物体面上で線又は帯状となるビーム光
を照射することを特徴としている。

以下、本発明を図に示した実施例に基づいて詳細に説明
する。

なお、線又は帯状の検出領域に適合して２つの物体の相
対的な位置ずれを検出するマークとしては、例えば、昭
和５２年１月２１日（特願昭５２−５５０２号）に本出
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に伸びた線又は帯状の領域によっ
て、Ｘ＋ｙのずれ量を検出することが可能である。第３
図にそのマークを示す。

第３図（ａ）はマスク（又はウェハー）用のアライメン
トマーク、同図（ｂ）は同図（ａ）に対応するウェハー
（又はマスク）用のアライメントマーク、同図（Ｃ）は
両者をアライメントさせた状態を示す図である。同図（
Ｃ）で一点鎖線で示されているのが信号を検知する線又
は帯状の領域である。各線の間の間隔をＷ　１　”−’
　Ｗ　５と定義すれば、マスクに対するウェハーのずれ
量ΔＸ、Δｙは という簡単な式で計算する事ができる。

以上の様な背景を下にして、本発明での好ましい実施例
の一つを第４図に示す。図中、５１は光源であるレーザ
ー、５２は集光レンズ又はビームエキスパンダー、５３
はシリンドリカルレンズ、５４は７１以下の目視用観察
系に光を導く為のビームスプリッタ−１５５はフィール
ドレンズ、５６は６６以下の光電検出光学系に光を導く
為のビームスプリッタ−１５７はレリーレンズ、５８は
６３以下の目視観察用の照明光学系から光を導き入れる
為のビームスプリッタ−１５９は対物レンズ６０の瞳、
６１はマ゛スク、６２はウェハー、以上が、光電検出信
号を検知する為の照明光学系である。この照明光学系を
用いる事によって、レーザー光源５１からの光で物体面
であるマスク６１及びウェハー６２上を線又は帯状の形
をもって照明する事ができる。

本照明系の特徴の一つとなっているシリンドリカルレン
ズ５３の作用を第５図に示す。簡単の為５２はビームエ
キスパンダーとし、平行光がシリンドリカルレンズ５３
に入射するとして説明を行う。シリンドリカルレンズ５
３の作用は曲率を持たず全くの平行平面板として働（断
面と、これに垂直で曲率の最もきつい断面の２つに分け
て説明する必要がある。第５図（ａ）は平行平面板とし
て働く場合、（ｂ）はそれに垂直な場合のそれぞれ断面
図である。

第５図ではシリンドリカルレンズの作用を説明するのに
必要な部分のみを示しである。まず同図（ａ）で示した
断面では、シリンドリカルレンズ５３はフィールドレン
ズ５５、リレーレンズ５７と共に、対物レンズ６０の瞳
５９の上にレーザー光を結像させる様に働く。リレーレ
ンズ５７から対物レンズ６０の瞳５９に入射する光線が
光軸となす角度の最大値をθ、対物レンズの焦点距離を
ｆ、光電検出を行う線状の領域の長手方向の長さを２ａ
とした時、θ≧ａｒｃｔａｎ− でなければならない。一方、最大値θの角度をもって瞳
上に結像する結像光束の幅Ｐは、λ Ｐ　；□ θ である。例えばａ　＝　１　ｍ　ｍ　、　ｆ　＝　３０
　ｍ　ｍ　、λ＝０．６３μｍとすると、 Ｐ＝１９μｍ という値となり、第５図（ａ）で示した様な瞳面での結
像光の拡がりは極めて小さい値であることがわかる。

一方、これに対して第５図（ｂ）に示したのは同図（ａ
）に示したのと垂直な断面でのシリンドリカルレンズ５
３の働きを表わす図である。この断面でのシリンドリカ
ルレンズ５３は光源５１からの光を−たんフィールドレ
ンズ５５の近傍に結像させると共に、レンズ５５．５７
と協力してリレーレンズ５７を通過した光束が平行光と
なって対物レンズ６０に入射する様に作用する。この平
行光は対物レンズ６０の焦点位置で結像する。平行光の
幅をｑ、対物レンズ６０の焦点距離をｆ、対物レンズ６
０の焦点面の光の径をｄとすると、 ｆ Ｐ　：□λ という関係が成立する。ｄ＝２０ｐｍ、ｆ＝３０ｍｍ。

λ＝０．６３μｍとすると、 ｑ＝１，９ｍｍ となる。即ち、ｆ＝３０．ｍｍの対物レンズを用いた時
、λ＝０．６３　μｍの光で２ｍｍＸ２０ｐｍという細
長い領域を照明する時、瞳面上での本照明系での光の拡
がりはｐｘｑ、即ち、１９　μｍ　Ｘ　１．９ｍｍとい
うやはり細長い領域になるのである。対物レンズのＮ、
Ａ、を０．２５とすると、瞳径は１５　ｍ　ｍであり、
そのうちの１９　μｍ　Ｘ　１．９ｍｍ、即ち、０．０
１９ＸＩ、９ｍｒｒｒの部分のみを用いて効率的に細長
い部分を照明することができることになる。本実施例は
従って物体面に効率的に細長いシート状のビームを照射
することを可能にさせたと言える。

入射時、照明光束が瞳面で極く小さな有効径しか持って
いないという事は、エツジからの散乱光をとり出す遮光
板を用いた検出系にとって都合が良い。第２図で示した
原理に基づいて、照明光束のうち散乱されず鏡面反射を
受ける部分は反射後再び自分自身に戻って（る。散乱光
は瞳上に広くばらつく。反射光はビームスプリッタ−５
６により光電検出系に導かれる。光電検出系で６６は瞳
結像レンズ、６７は光電検出に必要は波長域の光を通す
フィルタニ、６８が遮光板である。

遮光板６８は第１図の場合と同様に対物レンズ６０の瞳
５９と共役の位置に置かれ、反射光のうち非散乱光を遮
光する役目を果たす。非散乱光の瞳面上での有効径は前
述の例だと０．０１９Ｘ　１．９ｍ　ｒｒ？であり、瞳
の径が１５　ｍ　ｍであるので遮光する部分の割合は非
常に小さくて良い。即ち、散乱光取り出しの効率が良い
という事になり、光電検出の際の多大なメリットとなる
。第６図（ａ）に遮光板６８の一例を示す。遮光部６８
ａは短い線で示されているのみで、あとは皆素通しの面
として働く。

又、第３図に示した様なパターンを利用する場合には、
パターンからの散乱光が瞳面上で±４５°方向にしか拡
がらない事を利用して、検出信号のＳ／Ｎ比を高めるこ
とができる。第６図（ｂ）はその様な事を配慮した一例
で、±４５°方向に拡がった散乱光に対してはけられが
無い。

遮光板６８でこの様に光学的フィルタリングを受けた光
は結像レンズ６９によりイメージセンサ−７０の上に結
像される。即ち、イメージセンサ−７０とマスク６１．
ウェハー６２は互いに共役となっているのである。イメ
ージセンサ−７０ではマスク６１及びウェハー６２上の
エツジの部分のみが検出されている事に注意しなければ
ならない。イメージセンサ−７０は光源５１からの光の
当っている細長い領域の像に対応する部分にセットされ
る。光の当っている部分が一次元的なので、イメージセ
ンサ−７０としては一次元的なもの、例えばレチコンの
様なものを用いる事ができる。勿論ＣＣＤの様な固体撮
像素子や、撮像管を用いても良い。

第４図で６３〜６５に至る系は目視用観察用の照明系、
７１〜７３は目視観察系である。これらの部分の作用は
第１図と同一であるので、ここでは説明を省略する。但
し、図中６４はフォトレジスト感光域の波長をカットす
るフィルター、７２は光源５１からのレーザー光をカッ
トする為のフィルターである。

以上の様な光学系を用いると、パターンエツジ部からの
散乱光をイメージセンサ−７０に効率良（導く事が可能
である。像の走査は電気的に行なわれるので静的である
。散乱光のみを捉えているので、検出像のコントラスト
が高く、マスク裏面からの反射なども除去する事が可能
でＳ／Ｎの高い信号を得ることができる。また、光電信
号を検知している領域が帯状の極めて小さい領域なので
、マスク６１とウェハー６２を位置合せする場合、アラ
イメントマークをスクライブ線の中に格納する事も可能
である。

第４図の実施例はＩＣ作製の際のマスク６１のパターン
をウェハー６２に転写する方法のうち、コンタクト法や
プロキシミテイ法を例にとったものである。本発明の方
法は勿論この他の方法、即ち、レンズやミラーによるプ
ロジェクション法にも応用が可能である。第７図にプロ
ジェクション法に本発明を応用した実施例を示す。マス
ク６１から上の光学系の作用は第４図の場合と全く同一
である。第６図と比べた場合、レーザー５１の直後のレ
ンズ５２が無いが、レンズ５２の作用はレーザービーム
のエキスパンダーとかパワー調整という軽い意味しか無
いので第７図中では省略している。第７図で最も根本的
に異なりでいるのは、マスク６１とウェハー６２の間に
結像手段８０が入っている事である。この結像手段は主
光線がマスク６１及びウェハー６２に対して垂直となっ
ている、いわゆるテレセントリックな形式を示している
。系の作用及び散乱光の捉え方は第４図と全く同一であ
る。

実際のマスク６１とウェハー６２のアライメント装置に
於いては、両物体の二元的な合わせを行う為、通常マス
ク６１及びウェハー６２のそれぞれ対応する２ケ所を観
測して平行移動成分ｘ、ｙと回転成分θとを合わせるの
が普通である。この目的の為には例えば第４図に示した
系を２つ用意すれば良いが、レーザー５１からの入射部
分は光学系の工夫により共通化する事ができる。第８図
は２つの顕微鏡対物系を合成し、レーザー５１からの照
明系を共通化した光学系の一つの実施例である。各レン
ズ。

スプリッター等の働きは第４図或いは第７図と同一なの
で説明は省略するが、同一であるという事を示す為に共
通の番号を付与した。

第８図中、８１が左右２つの対物レンズ６０からの像を
合わせる作用をするミラーである。ミラー８１の稜線は
顕微鏡対物６０とリレーレンズ５７により結像されるマ
スク６１及びウェハー６２の一次結像面に相当している
。左右両対物レンズ６０による視野の分割線は、ミラー
８１の稜線である。この場合、例えばシリンドリカルレ
ンズ５３のパワーの無い方の断面を図の様に紙面内に置
けば、レーザー光の拡がりは視野分割線８１ａに対して
垂直に拡がる。この様子を示したのが第９図である。光
電検出領域であるレーザー光照射域は斜線をひいて示さ
れているが、分割線８１ａに対して垂直に拡がっている
。即ち、第８図の様な光学配置をとる事により、一つの
レーザー光源５１からの光を有効に２つの対物レンズ６
０に伝える事が可能となる。

これまでの実施例はすべて一つの対物レンズ６０につい
て１つの線又は帯状領域から信号をとる実施例ばかりで
あったが、これの変形例として例えば十字形又はその変
形である丁字形などの格好をした部分より信号を検知す
る事もできる。マスク６１及びウェハー６２のスクライ
ブ線の中にアライメントマークが収納されるとすると、
十字状の領域は丁度チップの角の部分に相当する。

十字状の領域を検知する為の光学系を第１Ｏ図に示す。

十字状の領域は要するに第４図に示した光学系が、２つ
互いに９０°の角度をなして重なったものと考えれば良
いので、この様な配置となるのである。シリンドリカル
レンズ５３はビームスプリッタ−９０によって分割され
た２つの光路中で互いに９０°の角度をなす様に配置さ
れる。５３を通るビームの共役関係は第５図と同一であ
る。光電検出系を２チヤンネルに分けたのは、イメージ
センサ−７０を一次元的なものとした場合で、十字状の
共役面にイメージセンサ−７０をクロスさせて置かねば
ならない為、ビームスプリッタ−９１で２つに分割して
いる。イメージセンサ−７０が二次元的なもの、例えば
ＣＣＤ、ＢＢＤの様なものであればビームスプリッタ−
９１をわざわざ導入しないで別に１チャンネル設ける必
要はない。

ビームスプリッタ−による光量の損失を防止するには偏
光を利用すると良い。第１Ｏ図の構成で例えばビームス
プリッタ−９０及び９１を偏光ビームスプリッタ−とす
ると、光量の損失は最小限に押える事ができる。

十字状の領域からの検出に適合したマークの一例を第１
１図に示す。同図（ａ）をマスク用のパターンとすると
、同図（ｂ）はウェハー用のパターンとなり、両者がア
ライメントされた状態では同図（Ｃ）、の様になってい
る。位置ずれがな（なった状態では、 ＷＩ：Ｗ３．　　　Ｗ２”Ｗ４ が成立している。第１１図（Ｃ）中一点鎖線で示したの
が光電検出領域の中心線を示しており、イメージセンサ
−７０はこの領域でパターについての信号を検知してい
るのである。

以上述べてきた様に、本発明は従来行なわれている方式
の欠点を克服し、マスクとウェハーの位置合せの為の光
電検出法に効果が多大である。但し、本発明はこうした
アライメント装置だけでなく、線状又は帯状の領域から
効率良く、コントラスト良く信号を読み出す為の装置、
例えばバーコードの読み取り装置、カーブトレーサー、
パターン形状検査装置などへの応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来公知の光電検出光学系を示す図、第２図は
テレセントリックレンズの作用を説明した図、第３図は
公知のアライメントマークを示した図、第４図は本発明
の第一実施例でシリンドリカルレンズを用いた照明系と
イメージセンサ−を組合せた光学系を示す図、第５図は
シリンドリカルレンズの作用の説明図、第６図は遮光板
の形状を示した図、第７図は本発明の第二実施例で、プ
ロジェクション法に適用した例を示す図、第８図は本発
明の系を２つのチャンネルに分割して適用する場合の実
施例を示す図、第９図は第８図の系を観察した際の様子
を示した図、第１０図はクロスした領域から信号をとり
出す場合の光学系を示す図、第１１図は第１Ｏ図の系に
適合したアライメントマークを示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からのビーム光を物体面に照射することによ
   り、物体面上の線又は帯状の領域から光電信号を検出す
   るための光電検出光学装置において、上記光源からのビ
   ーム光を物体面上に照射するためのテレセントリツクな
   対物レンズと、上記光源からのビーム光を所定の断面で
   は上記対物レンズの瞳に平行に入射させ、上記断面に垂
   直な断面では上記対物レンズの瞳に結像させる光学系を
   有することを特徴とする光電検出光学装置。
2. （２）上記光学系はシリンドリカルレンズを有すること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の光電検出
   光学装置。