JPS6193624A - パタ−ン検出装置 - 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】 ［発明の分野］ 本発明は、マスクやウェハ等の被検出物体に描かれたパ
ターンからの光信号を光電変換器を用いて横比する装置
に関し、特に、この光電変換器から出力される電気信号
を増幅する増幅器の利得を制御することにより適正レベ
ルのパターン検出信号を得られる様にしたパターン検出
装置に関する。

［発明の背景］ この種のパターン検出装置は、半導体焼付装置等におけ
るマスクヤウエハの位置検知装置或いはマスクまたはウ
ェハの欠陥検査装置等に用いられる。

従来、位置検知装置におけるパターンによる位置検出を
目的とした信号検出装置として特願昭５９−４７４５〜
５９−４７４７号、特願昭５９−５６３５〜５９−５６
３７号に開示された様な光電検出器を用いたものが知ら
れている。この様な装置においては、パターンを正確に
判断する為に光電検出器の出力を成る程度適正化する必
要があり、その為、光電検出器の出力を増幅する増Ｉ４
器（以下、検出器アンプという）のゲインをＭ　ｍする
か、或いは被検出物体に照射する光量を制御することが
不可決であった。

この出力を適正化する装置としては、すでに提案された
ものがあるが、これらの装置においては、検出出力を制
御する為の光量検出器は、パターン検出用の検出器を兼
用したり、或いは検出領域に関係なく独立に検出器を設
けていた。しかし、前者は、光量検出器としてパターン
検出器を兼用している為、例えば光照射領域に目標のパ
ターンがない場合等、光量が検出できなかったり、また
は光量検出値が不正確であり、或いは光量を測定する為
にその検出出力に対し光量を求める為の処理を行なう必
要がある等の不都合があった。また、後者は検出された
光量が必ずしもパターン検出領域の光量と一致せず、そ
の為、検出器から出力される出力も過不足があって最適
な信号が得られず、パターンによる位置検知等ができな
い場合・も生じるという不都合があった。

〔発明の目的１ 本発明は、上述従来例の欠点を除去する目的でなされた
もので、パターン検出領域での光量を、Ｉ！雑な処理＠
路も余分なパターン検出領域外の独立した検出器も付加
することなしに、かつパターン検出の特性を損うことな
くパターン検出信号と同時に検出することができるとと
もに、パターン検出領域での光量に応じた検出器アンプ
ゲインの短時間１ｌｌＪ　ｔ［Ｉを、コンパクト、ロー
コストで実現可能にしたパターン検出装置を提供するこ
とを目的とする。

［実施例の説明コ 以下、図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。第
１図は本発明の一実施例に係るパターン検出Ｈｆｆｉを
適用したマスクとウェハの自動位置合せ８！ｆの信号検
出系の原理因である。１はレーザ光源、２は集光レンズ
、３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フタ、
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フタ、８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フタ、１０は対物レンズ１１の瞳
であり、１２はマスク、１３はウェハである。

ここで、レーザ光自体の共役関係は次の様になっている
。すなわちレーザ光は−Ｈ集光レンズ２によって３０の
位置に集光される。３０の位置でのレーザ光のスポット
径は入射するレーザ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。

レーザ光が径りの中で一様に分布をしているとすると、
レーザスポットの径ｄは ｄ暉２．４４λ辛ｆｚ／Ｄ で示される。３０の位置から発散していくレーザ光は回
転多面鏡３で反射した後リレーレンズ４を通過して一旦
フイールドレンズ６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
及びウェハ面上に相当する３４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。マスク及びウェハ面を実際に走査するスポ
ット３４の径φは３０から３４までの結像倍率をａとし
た時 φ−ａｘｃｊ 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、レーザ光のビーム径りや、レンズ２の焦点
距離で２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
ザ光は回転多面１ｍｔ３の回転に従ってマスク及びウニ
八面上を走査する・。

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３３と、回転多面鏡３の反射点
３１とは互いに共役になっている。すなわち第１図の配
置はレーザ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。

ウェハの様な反射物体を観察する際にはテレセントリッ
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、すなわち対物レンズ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−となっている。第２図にこの様子を示す。対物
レンズ１１の前側焦点でもある瞳位″ｌ１１０の中心３
３は前述の様に回転多面１！３のレーザの反射位置３１
と共役なので恰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３３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坦な部分であ
れば入射光は反射して再び３３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は光はちとへは戻らない。

すなわち散乱光は対物レンズ１１で捉えられて再び瞳１
０を通る時、最早瞳の中心３３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。すなわち
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３５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３５
に当ると光は散乱を受けて点線で示した様な光路を通り
、瞳１０上のもとの位置には戻らない６瞳１０の所での
非散乱光の占める面積は走査レーザ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０．１〜０．７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
である。フォトディテクタ１８の位置はＩＮ結像レンズ
１４によりＩｔ！１０の像のできる所である。従って瞳
１０、フォトディテクタ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現われる様にフォトデ
ィテクタ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嬶に不
図示の駆動系でマスクとウェハ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、
２ｏはコンデンサ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はフートレジストの感
光する波長域の児をカットする作用を持つフィルタであ
る。一方２２は像の正転を行うエレクタ、２３はレーザ
波長をカットし目ｉｕａ用の波長を透過するフィルタ、
２４は接眼レンズである。

一方、レーザによるスポット走査に適合するマークとし
ては、例えば特願昭５２−５５０２号「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３図（ａ＞はマスク（またはウェハ）用
パターン、（ｆ））はウェハ（またはマスク）用パター
ン、（Ｃ）は両者を７ラインメントさせた時の状態であ
る。なお（Ｃ）図に点線で示されているのが走査レーザ
ビームの軌跡である。

散乱した光を検出する光電検出系は、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°つてしまう。ゴ
ミはウェハ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ので常に考慮しておかなけ
ればならない。

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。

この為、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てフォトディテクタの受光面を
分割する方法がある。ここでフォトディテクタの受光面
を分割する方法について説明する為、第１図の光電検出
部のフォトディテクタ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３図に示した
様なアラインメントマークの場合、フォトディテクタ１
８の位置でｌ５１８Ｎ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１８の所で特別な方向性は示さず
一様な拡がり方をする。

１４図＜１））にその様子を示す。第４因（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。

フォトディテクタを分割する方法では、このフォトディ
テクタ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。このフォトディテクタの受光面の分割
は、パターン検出（回折光）受光面と散乱光受光面が設
けられている事が特徴となっている。

この様な光電検出法の問題点は、先ず、最適な検出出力
を得る為検出器アンプのゲインを制御するのに、現在の
光量を検出することである。すなわち、フォトディテク
タ１８は、散乱光を検出する優に分割されている為、散
乱光がない場合は、光量を検出することができず、でき
たとしても検出物体の反射率を忠実に反映してはいない
。

一般にウェハ表面の反射状態はウェハの種類、。

処理状態によって大きく変わる為、一定ゲインの検出器
アンプでは最適な信号出力を得ることはできない。その
為、ウェハの反射状態に応じた検出器アンプのゲインを
設定してやる必要がある。

ここで再びフォトディテクタ１８の所で１！測される光
の分布を見ると、照射された光の来た光路をそのまま戻
って行く光は光学系の中心で観測する事ができ、その量
は検出体の反射率に依存することが分る。従ってこの中
心にもフォトディテクタの分割された一部を付加し、そ
こで検出された光量で検出器アンプのゲインを制御すれ
ば信頼のおける検出器アンプゲインのＩＩＩ　ｌ１ｌｆ
ｆが可能となる。因みにこの中心で観察される光すなわ
ち非散乱光を以下においては０次光と呼ぶ。

本発明は、フォトディテクタ１８の受光面を分割し、パ
ターン検出受光面と散乱光受光面の他に０次光受光面を
設け、この０次光受光面で検出された光量によって検出
器アンプのゲインをｌ１１１Ｈする事が特徴となってい
る。

第５図はこの様なフォトディテクタ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は、同一基板
の上に各々分割されて独立に信号が取り出される様に構
成された受光面１８ａ　、　１８ｂ　。

１８ｃ　、　１８ｄ　、　１８ｅ　、　１８ｆ　、　１
８ｇ　、　１８ｈ　、　１８ｉ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散乱光すなわち回折光を検出する
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。このマーク信号には第４図（ａ）のマークパタ
ーン回折光と第４図（ｂ）のゴミ或いは粒子状パターン
からの一様に拡がる散乱光とによる信号が含まれている
。また、１８ａ。

１８ｃ　、　１８ｅ　、　１８ｇは第４図（ｂ）で示す
ゴミ等による一様に拡がる散乱光のみが検出される受光
面であり、これより取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量で、かつ同期している。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弁の
みが取り出しうる。

一方、１８ｉは０次光を検出する受光面で、これより取
り出される信号を０次光信号と呼ぶ。本発明ではこのＯ
次光信号によって検出器アンプのゲインを制御する。な
お、この様なフォトディテクタ１８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。第６図はその信号処理を説明する為の信号図である
。ここで以下の説明の便宜の為、受光面１８ｂ　、　１
８ｄ　、　１８ｆ　、　１８ｈからの信号の和、すなわ
ら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
ャンネルと呼ぶ、第６図（ａ）はマスク及びウェハ上の
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走査光を示しており、ゴミ４
２が走査線上にのっている事を除けば第３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［パターン生ゴミＪ、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）の演算を行なう差動
増幅器を通過した信号の三ＩＩである。

１）はＡチャンネルのゴミ信号と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Ａチャン
ネルのゴミ信号の方が大きかった場合、（ｆ）はＢ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。（ｄ）〜（ｆ）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または両方
の信号に掛ける倍率、或いはフォトディテクタの感度差
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ｃｂ＞の出力に比
゛して差動増幅器を通った後の信号である（ｄ）〜（ｆ
）はノイズを抑制し、パターンＳ／Ｎ比を高めている。

第６図において（０）はＯ次光信号を示している。パタ
ーンによる散乱がない場合、この出力が検出物体の反射
率を反映している。この○次光信号によって検出器アン
プのゲインをＩＩＩ　ｆｉｌしてやれば、最適レベルの
マーク信号を得ることができる。

第７図は、検出器アンプのゲイン）ｊ御回路を示す。同
図において、レーザ１から出た光は、マスク１２及びウ
ェハ１３で反射され、ビームスプリッタ７でもとの光路
から分罰されて光電検出器１８に入る。光電検出器１８
からの出力信号は、０次光受光面１８１で検出された○
次光信号が利得制御用アンプ４５へ、かつマーク信号受
光面１８ｂ　、　１８ｄ　、　１８ｒ　。

１８ｈで検出されたマーク信号の和信号が検出器アンプ
４６へ入力される。０次光信号はアンプ４５で増幅され
るが、アンプ４５はその出力により、自身の利得制御を
行なうと同時に検出器アンプ４６の利得１ｉＩＪ　ｗｌ
ｌを行なう。従って、検出器アンプ４６のゲインは、Ｏ
次光検出用受光面１８ｉから出力されるＯ次光信号に応
じて制御され、マーク信号を適正レベルに増幅して不図
示の信号処理系に送出する。

第８図は、ゲイン制御回路における利得ルリ御用アンプ
４５の入力および出力で、（ａ）は光量が過大な場合の
アンプ４５への入力、（ｂ）は光電が不足の場合のアン
プ４５への入力、（Ｃ）は（ａ）。

（ｂ）それぞれの入力に応じてアンプゲインを制御した
結果のアンプ４５の出力で、常に一定の信号が得られる
様に制御されていることを示す。ここで、検出器アンプ
４６のゲインも上記利ｔ！　ＩＩＩ　ｉＥ用アンプ４５
に倣って制御されるから、検出器アンプ４６の出力とし
ても常に一定の信号が得られることになる。

［発明の適用例１ なお、本発明は上述の実施例に限定されることなく適宜
変形して実施することができる。例えば、上記実施例の
球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ｑ用ディテクタで受光する構
成をとることで実質上同一面で受光する様に変形するの
が可能であるのは勿論である。或いは第５図のフォトデ
ィテクタの受光面の内、１８ｂ　、　１８ｄ　、　１Ｂ
１　、１８ｈ　。

１８ｉの受光面のみを具えたフォトディテクタを使用す
ることも可能である。

また、上述の実施例においては、マスクとウェハの位置
合せの為の位置検知装置に本発明を適用した例について
説明したが、本発明はこの様な位置検知のみならず、予
め回折パターンのわかっている樟な信号処理のすべて例
えばマスクの欠陥検査に対しても適用することができる
。

［発明の効果１ 以上説明した様に本発明によれば、パターン検出領域で
の光量をパターン検出と同時に検出することができる。

従って、半導体製造装置、半導体検査装置或いはマスク
検査装置等、本発明が適用される装置のスルーブツトを
落とすことなしに検出器アンプにおける高信頼度のゲイ
ン制−を行なうことができ、適正レベルのパターン検出
信号を出力することができる。また、この為の検出制御
回路も単純でしかも特別なパターン検出Ｗ４域外の検出
器スペースも不要である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るパターン検出装置を適用
したマスクとウェハの自動位置合せ８ｒ！！！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因
。 第３図は第１図の自動位置合せ装置で用いられるマーク
の一例を示す図、 第４図（ａ）および（ｂ）はそれぞれマークおよびゴミ
からの回折パターンの受光ｆ！４域を示す図、第５図は
本発明の実施例に係るフォトディテクタを示す図。 第６図は本発明の実施例に基づく光電検出信号を示す図
、 第７図は本発明の検出器アンプゲイン制御回路具体例を
示す図、そして 第８図は第７図の回路における入出力信号を示す図であ
る。 １・・・レーザ光源、２．４．６．８．１４．２０．２
２゜２４・・・レンズ、３・・・回転多面鏡、５，７．
９川ビームスプリツタ、１０・・・対物レンズ１１の瞳
、１１・・・対物レンズ、１２・・・マスク、１３・・
・ウェハ、１５．２１．２３・・・フィルタ、１８・・
・フォトディテクタ、１８１）　、　１８ｄ　。 １８ｆ　、　１８ｈ・・・マークパターン回折光受光面
、１８ｉ・・・Ｏ次光受光面、１９・・・照明用光源、
３５・・・パターン検出信号、４２・・・ゴミ、４５・
・・＄Ｊ得副制御用アンプ４６・・・検出器アンプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被検出物体に光を照射し該物体上に形成されている
   パターンからの光信号を光電検出器を用いて検出する装
   置において、上記光電検出器の受光面に上記物体の検出
   領域からの反射光量を検出する部分を上記パターンから
   の光信号を検出する部分とは分割して形成し、上記光信
   号検出部分の出力信号を増幅する増幅器の利得を上記光
   量検出部分における検出信号に基づいて制御する様にし
   たことを特徴とするパターン検出装置。 ２、前記パターンからの光信号が該パターンにおける回
   折光であり、前記光量検出の為の光が前記検出領域にお
   ける非散乱光である特許請求の範囲第１項記載のパター
   ン検出装置。 ３、前記光電検出器の受光面が、前記被検出物体上で平
   行な光線に対する焦点面または該焦点面と共役な位置に
   配置されるとともに、前記光量検出部分が上記受光面の
   中央部に形成され、かつ前記光信号検出部分が該受光面
   の中央部以外の部分に半径方向の帯状に形成されている
   特許請求の範囲第２項記載のパターン検出装置。 ４、前記光信号検出部分及び光量検出部分の少なくとも
   一方が、前記受光面上の所定箇所に配置されたミラーと
   、該受光面外に配置され上記ミラーの反射光を受光する
   光電素子とで構成されている特許請求の範囲第１〜３項
   のいずれか１つに記載のパターン検出装置。