JPS62299716A - 表面変位検出装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は表面変位検出装置に関し、例えば半導体製造装
置における焦点位置検出装置に適用して好適なものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、半導体製造装置における焦点位置検出装置として
、特開昭５６−４２２０５号公輻に開示されているよう
に、投影レンズによってマスクパターンが転写される位
置に配設された半導体ウェハに対して斜めに検出光を照
射する斜め入射型の焦点位置検出装置が用いられている
。

この焦点位置検出装置は、半導体ウェハの表面を被検出
面として、当該被検出面にスリット状の検出光束（これ
をスリット検出光と呼ぶ）をスリットの長手方向が、入
射光と反射光で張る平面（入射面）と垂直になるような
方向で照射させ、その反射光束（これをスリット反射光
と呼ぶ）を受光部に配設されている光電変換素子でなる
検出部上に再結像させることによって、検出部上の反射
光の入射位置を判知し得るようになされている。

この構成において被検出面となる半導体ウェハの表面が
上下方向に変位する（投影レンズに近づいたり遠のいた
りすることをいう）と、その上下方向の変位に対応して
検出部に入射するスリット反射光がその入射方向に対し
て直交する方向、すなわち、スリットの幅方向に横ずれ
することを利用して、当該様ずれ量を知ることによって
半導体ウェハの表面が投影レンズに対して合焦位置にあ
るか否かを判定するようになされている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところでかかる構成の斜め入射型焦点位置検出装置を用
いて半導体ウェハの表面位置を検出する場合、被検出面
からのスリット反射光を検出部上に再結像させたとき、
その像がデフォーカスすると、検出部から得られる位置
検出結果に誤差が生ずることが分った。

その原因を種々検討したところ、半導体ウェハの表面部
分は、シリコンなどでなる半導体基板上にフォトレジス
トなどの薄膜が付着されている場合が多く、当該薄膜の
膜厚が１〜２〔μｍ〕程度になったとき、薄膜の表面に
おいて反射した反射光と、薄膜を透過して半導体基板の
゛表面において反射した光とによって干渉が生ずるため
に、検出結果に誤差を生ずる原因になると考えられる。

因に一般にフォトレジストなどのように有機物質で構成
されている材料は、感光波長より長い波長では比較的透
過率が良く、従って干渉が生じ易い。しかも干渉は薄膜
の厚さくその方向は検出しなければならない被検出面の
高さと同じ方向になる）に変化があれば、これに応じて
検出部へのスリット反射光の光の強さが周期的に変化す
るので、この周期的変化が被検出面の高さについての検
出結果に誤差として混入することになる。

特に、半導体ウェハ上にスリット像を結像させるスリッ
ト検出光は、開き角Ｎ、Ａ、をもっているので、当該ス
リット検出光を形成する各光線の入射角が互いに異なる
ことになり、その結果被検出面ないしフォトレジスト薄
膜の内部における反射光線相互間の干渉条件が互いに相
違することにより、検出部上に再結像されたスリット像
が焦点ずれ（すなわちデフォーカス）状態にあるとき、
検出部の位置ネ★出信号に誤差が生ずると考えられる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、被検出面
に入射するスリット検出光を構成する各光線について、
被検出面において生ずる干渉の影響をできるだけ小さく
することにより、反射光の位置検出結果の精度を、一段
と改善し得る表面変位検出装置を捷案しようとするもの
である。・〔問題点を解決するための手段〕 かかる問題点を解決するため第１の発明においては、検
出光ＬＯを光透過性薄膜５Ｃを有する被検出面５Ａ上に
結像させ、当該被検出面５Ａからの反射光ＬＲを検出部
ｌＯ上に結像させることにより、被検出面５Ａの位置が
基準位置ｙ０から変位したときこれに応じて反射光ＬＲ
の検出部１０上への入射位ｉ１Ｅ　ｙ　ａが変化するこ
とに基づいて、被検出面５Ａの変位を検出するようにな
された表面変位検出装置において、検出部１０に入射す
る反射光ＬＲの（被検出面が変化したときに、検出部１
０上で反射光ＬＲが変位する方向における開き角Ｎ、Ａ
、を狭（する開き角制限用絞り９を検出光ＬＯ又は反射
光ＬＲの光路に介挿するようにする。

また第２の発明においては、第１の発明に加えて開き角
制限用絞り９は、位置検出動作モード時反射光ＬＲの被
検出面が変位したときに、検出部１０上で反射光ＬＲが
変位する方向における開き角Ｎ、Ａ、を狭くするように
制限し、かつ反射光ＬＲの検出部１０１における結像の
焦点調整動作モード時反射光ＬＲの前記方向における開
き角Ｎ、Ａ、の制限をはずして広げるように構成するよ
うにする。

〔作用〕

反射光ＬＲの前記変位方向における開き角Ｎ、Ａ。

を狭くする開き角制限用絞り９を設けたことにより、検
出部１０上の像がデフォーカスした際に像の変位方向の
光量分布を極端に偏らせないようにし得、かくして光量
分布の偏りによる誤差の発生を未然に防止し得る。

また第２の発明においては、か（するにつき焦点調整動
作モード時、開き角制御用絞り９の反射光ＬＲの前記変
位方向での開き角Ｎ、Ａ、の制限をはずすようにしたこ
とにより、合焦調整作業を一段と容易にし得、かくして
高い精度で位置検出動作し得る表面変位検出装置を容易
に実現し得る。

〔実施例〕

以下図面について、本発明の一実施例を詳述する。

（１）第１の実施例 第１図は、斜め入射型の表面変位検出装置を示し、単色
光源１において発生された光がコンデンサレンズ２を通
ってスリット３を照射する。スリット３は紙面に対して
垂直方向に延長する矩形のスリット開口３Ａを有し、こ
の間口３Ａによって断面形状がスリット状に成形された
スリン１−検出光ＬＯが送光側対物レンズ４Ａによって
半導体ウェハ５の表面５Ａ（被検出面を構成する）上に
照射する。

表面５Ａによって反射されて得られるスリット反射光Ｌ
Ｒは、受光側対物レンズ４Ｂによって受光スリット６上
に再結像され、その間口６Ａを通過した光が検出光ＬＤ
としてコレクタレンズ７によって例えば光電変換素子で
なる検出素子８上に集光される。

かくして受光スリット６、コレクタレンズ７、検出素子
８によって検出部１０が構成され、受光スリット６の受
光面上に結像されたスリット３の結像光束の当該受光面
における光強度分布を検出素子８が検出して検出部１０
の検出出力ＳＤとして送出するようになされている。

受光スリット６の開口６Ａは、その長手方向がスリット
反射光ＬＲの延長方向（すなわち紙面と直角の方向）と
一致するように設定さりると共に、矢印ａで示すように
、この間口６Ａと直交する方向に所定の振幅で振動する
ようになされている。

ここで第２図において実線で図示するように、半導体ウ
ェハ５の表面５Ａが基準位置Ｚ０の高さにあるとき、ス
リット反射光ＬＲが受光スリット６の基準位置Ｐ。に入
射するような光学系が形成されている。　このように５
４位ｆｆ１ｐｏに反射光ＬＲが入射するとき、受光スリ
ット６が基準位置Ｐ０を中心として周期Ｔ″７１１′７
１１′振動より、検出部１０の受光面（すなわら受光ス
リット６の受光面）に到達する光の強さがほぼ周３！Ｊ
ｌ　２　Ｔの正弦波状に変化し、これにより検出部１０
の検出素子８から周期２Ｔの正弦波検出出力ＳＤを得る
ことができる。そしてこの検出出力ＳＤを別途同門検波
することにより、反射光ＬＲがその入射方向と直交する
方向に位置ずれすれば、当該位置ずれ量に相当する検波
出力ＳＤを得ることができ、かくして被検出面となる半
導体ウェハ５の表面５Ａの位置を、検出部１０の検出出
力ＳＤに基づいて検出することができる。

なおこの同期検波の手法によって変位量を知る方法は、
上述の従来例（特開昭５６−４２２０５号公報）に開示
されており、光電顕微鏡の原理とされている。

例えば第２図において破線図示のように、半導体ウェハ
５の表面５Ａが下方に距離ΔＺだけ変位したとすると（
被検出面となる表面５Ａが鏡面であると考える）スリッ
ト検出光ＬＯを構成するスリット結像光束は、受光側か
ら見て位置Ｑ、に鏡像となって結像する。そしてこの像
の主光線は、受光スリット６の位置では基準位置Ｐ０か
らΔｙだけ変位した位置Ｐ１において交わることになる
。

このように考えると、位置Ｐ、はスリット反射光ＬＲに
対して点Ｑ、を通って直交する位置Ｏと共役であり、こ
の関係から受光スリット６の位置における位置ずれ量Δ
ｙは Δｙ−２・β・　ｓｉｎθ・ΔＺ　　・・・・・・（１
）となる、ここでβは受光側対物レンズ４Ｂの結像倍率
、θはスリット検出光ＬＯの表面５Ａに対する入射角で
ある。

かくして検出素子８から得られる検出出力ＳＤに基づい
て受光スリット６上の位置ずれ量Δｙを検出すれば、半
導体ウェハ５の表面５Ａの変位量ΔＺを知ることができ
る。

実際上、受光スリット６の開口６Ａ上に結像されるスリ
ット像は、幅をもたない理想的な直線にはならず、幅を
もつ。従って検出信号ＳＤはスリット像の幅方向につい
て光を重心を演算する演算手段（図示せず）によって演
算処理されてスリット像の光ｆｆ１ｆｆｉ心の位置を検
出位置ｙ４と判定するようになされている。

以上の構成に加えて、受光側対物レンズ４Ｂ及び受光ス
リット６間に開き角制限用絞り９を介挿し、これにより
スリット反射光ＬＲのスリット幅方向での開き角Ｎ、Ａ
、を所定の狭い値に制限して受光スリット６上に再結像
させるようになされている。

ここで開き角Ｎ、Ａ、は、被検出面が変位したときに検
出部１０上で反射光ＬＲが変位する方向における結像光
束の半角αについての正弦、すなわちＮ、Ａ、＝　ｓｉ
ｎα　　　　　　　　　・・−・−（２）で定義される
。

ここで開き角制限用絞り９の位置は、第１図において破
線で示すように、スリット３に対して光源ｌと共役とな
る位置すなわち瞳の位置に選定されている。

この実施例の・場合、開き角制限用絞り９は第３図及び
第４図に示すように、絞り開口９Ａの中心９Ｂを軸とし
てほぼ９０゛だけ回動し得るように装着され、半導体ウ
ェハ５の表面５Ａの位置を検出する検出動作モード時に
おいて、第３図に示すように、絞り開口９Ａの絞り幅Ｗ
Ｌを、反射光ＬＲの幅Ｗ３Ｌの方向（従ってスリット３
０開口３Ａのスリット幅を横切る方向）と一致させるよ
うな回動位置に位置決めされる。かくして反射光ＬＲの
うち、開き角制限用絞り９の絞り開口９Ａを通って検出
部ｌＯの受光スリット６に集光する光束の開き角Ｎ、＾
、は、絞り関口９Ａの絞り幅ＷＬによって決まる十分に
小さい値に絞りこまれ（第３図）、その結果反射光ＬＲ
のうち受光スリット６に入射する光束のスリット幅方向
の開き角Ｎ、Ａ、が十分に小さい値に制限されることに
なる。

このようにスリット幅方向での開き角Ｎ、＾、を十分小
さな値に制限すれば、半導体ウェハ５上に透明なフォト
レジスト薄膜が形成されている場合に、当該フォトレジ
スト薄膜の内部で繰り返される反射によって生ずるスリ
ット反射光ＬＲに対して生ずる干渉による検出誤差を実
用上十分小さな値に抑えることができる。

これに対して受光スリット６上にスリット反射光ＬＲを
集光させる合焦調整の際には、開き角制限用絞り９を第
４図に示すように、第３図の状態から中心点９Ｂを軸と
して９０゛回動させることにより、スリット３の開口３
Ａの幅方向と一致する方向に開き角制限用絞り９の絞り
開口９Ａの長手方向の幅Ｗｖを一致させるようにする。

このようにすると、スリット反射光ＬＲに対するスリッ
ト幅方向の開き角Ｎ、Ａ、を十分大きな値に切り換える
ことができ、従って焦点深度を実用上十分小さな値に設
定することができ、かくして焦点調整作業を容易にし得
る。

（２）効果の検討 第１図のように被検出面としての表面５Ａの位置を検出
する検出動作モードにおいて、スリット反射光ＬＲのス
リット幅方向での開き角Ｎ、Ａ、を開き角制限用絞り９
によって実用上十分小さな値に絞り込むように構成した
ことにより、以下に述べるようにして、被検出面におけ
る干渉の影響を有効に回避し得ることとなり、誤差の小
さい変位検出結果を得ることができる。

先ず被検出面としての半導体ウェハ５の表面５Ａが、第
５図に示すように、半導体基板５Ｂ上にフォトレジスト
薄膜５Ｃが塗られている場合を考えると、フォトレジス
ト薄膜５Ｃの表面５Ａの点Ｑ０にスリット積出光ＬＯが
入射角θ、で入射したとき、スリット検出光ＬＯの一部
を構成する反射光Ｌ１として反射されると共に、屈折角
θ、でフォトレジスト薄膜５Ｃ内に透過した透過光Ｌ２
Ａが再度半導体基板５Ｂの表面において反射し、当該透
過反射光Ｌ２Ｂが表面５Ａにおいて屈折しながら第２の
反射光Ｌ２として射出する。

以下同様にして透過反射光Ｌ２Ｂのうち表面５Ａを透過
し切れずに再度表面５Ａで反射される反射光Ｌ３Ａに基
づいて、第３、第４・・・・・・の反射光Ｌ３、Ｌ４・
・・・・・が発生し、これが第１の反射光Ｌｌに複合し
て反射光ＬＲとして受光スリット６に到達すると考えら
れる。

このようにしてフォトレジスト薄膜５Ｃの内部において
発生した多重反射によって生ずるすべての反射光の和と
、入射光としてのスリット検出光ＬＯとの比すなわち（
振幅）反射率Ｒは次式で表される。ここで、ｒ、ｂは空
気からフォトレジストＦ”Ｊ膜５Ｃに入射した光の反射
係数、ｒｂｃはフォトレジスト薄膜５Ｃから半導体基板
５Ｂへ入射した光の反射係数、指数項のｋは第１の反射
光Ｌ１と、第２の反射光Ｌ２との光路差を表す。

この（３）式で表される反射率は、大きさ及び方向を有
する複素数として表示され、光路差にはλ のように表すことができる。ここでλはスリット検出光
ＬＯの波長、ｎｌ、はフ第１・レジスト薄膜５Ｃの屈折
率、ｄはフォトレジスト薄膜５Ｃの厚さ、θ、は透過光
Ｌ２Ａの屈折角である。

ところで実際に検出部１０によって検出される量は、光
の強度であり、従って反射率はエネルギー反射率として
換算する必要がある。ここでエネルギー反射率ｒは、振
幅反射率Ｒの絶対値の２乗として求めることができ、 ｒ＝Ｒ−π＝１＋ １　　＋（ｒａｉ＋−ｒｂｅ）”＋　　２　・　ｒａｂ
−ｒｂｃ’Ｃ０５ｋ・・・・・・（５） と表すことができる。ここでフォトレジスト薄膜５Ｃ及
び半導体基板５Ｂの吸収は小さいものと考えて反射係数
ｒ８い　ｒｂｃを実数として表す。

（５）式によって表される第２の反射光Ｌ２のエネルギ
ー反射率の式は、分母にＣＯ３ｋの項をもっていること
から、反射光Ｌｌ及びＬ２の光路差ｋが変化すれば、こ
れに応じて２π／にの周期でエネルギー反射率ｒが変化
することが分かる。ところが光路差にはフォトレジスト
薄膜５Ｃの厚さｄの変化に応じて変化することを考える
と、（４）式からフォトレジスト薄膜５Ｃの厚さｄが次
式λ で与えられる厚さｄｘだけ変化するごとに、エネルギー
反射率ｒが繰り返し変化することになる。

このように反射光Ｌ１及びＬ２の干渉によってそのエネ
ルギー反射率ｒが、フォトレジスト薄膜５Ｃの厚さｄの
変化に応じて周期的に強弱を繰り返す。このような干渉
を考慮しながら、第１図に示すようにスリット幅方向の
開き角Ｎ、Ａ、が大きい検出光ＬＯを被検出面としての
表面５Ａ上に反射させた場合について考察すれば、第６
図に示すように、検出光ＬＯのうち、最も大きい入射角
θ１を有する入射光ｖＡＲ１と、最も小さい入射角θ２
を有する入射光＆１２との間には、入射角θ１及びθ２
の差に基づいて被検出面としての表面５Ａにおける干渉
現象に差異が生ずると考えられる。

すなわち大きい入射角θ１を有する入射光線Ｒ１につい
て、第１及び第２の反射光Ｌ１及びＬ２の光路差には最
も小さくなる（（４）式）。これに対して、小さい入射
角θ２を有する入射光線Ｒ２に基づく第１及び第２の反
射光Ｌ１及びＬ２の光路差には最も太き（なる。

その結果第１の入射光＆？ｆＲ１についてのエネルギー
反射率ｒが１周期分変化するのに要するフォトレジスト
薄膜５Ｃの厚さｄＸは、　最も小さい入射角θ２で入射
する第２の入射光線Ｒ２の厚さｄＸと比較して大きくな
り、か（してフォトレジスト薄Ｗｊ１．５Ｃの厚さｄが
変化すると、表面５Ａから反射されてくる反射光Ｌ１に
含まれている反射光＆１ｌＲ１ｒ及びＲ２ｒの光の強さ
の比率が変化して行くことになる。

上述の検討は検出光ＬＯのうち最も大きい入射角θ、を
もつ入射光線Ｒ１と、最も小さい入射角θ２をもつ入射
光線Ｒ２についての関係を述べたが、同じような関係が
開き角Ｎ、Ａ、の範囲に分布している各入射光線相互間
についても成り立ち得、その結果反射光ＬＲが受光スリ
ット６の表面位置においてデフォーカスしている場合に
、検出部ｌＯが判定する検出値Ｔｌ　ｙ　ａが、フォト
レジスト薄Ｍ５Ｃの厚さｄに応じて誤差を含む結果にな
る。

このようになるのは、検出部ｌＯが受光スリット６上で
の光を重心をスリット像についての検出位置と判定する
ようになされているのに対して、受光スリット６上にデ
フォーカスしたスリット像が入射した場合に、当該入射
光束を構成する各光線部分の強度の比率が変化すると、
これに応じて検出部１０が判定する光量重心が変化する
結果になるからである。

このような現象は、具体的に数値を設定してシュミレー
ションの手法を用いてｔｉ！認したところ、次のように
して生ずる。すなわち開き角Ｎ、＾、をＮ。

Ａ、＝０．１　、検出光ＬＯＯ光軸の入射角θ。をθ０
＝７０’　、フォトレジスト薄膜５Ｃの屈折率ｎ、をｎ
ｂ　”１．６４、半導体基板５Ｂの屈折率ｎ、をｎｃ＝
３．７１に選定した場合、第６図の第１及び第２の入射
光線Ｒ１及びＲ２のエネルギー反射率ｒは、第７図にお
いて曲線Ｃ□及びＣＩｌ！によって示すように、フォト
レジスト薄膜５Ｃの膜厚ｄが大き（なるに従って、反射
率ｒ、の相対的変化が次第にずれて行くような現象を生
じている。その結果フォトレジスト薄膜５Ｃの厚さｄを
例えばｄ＝１．１　　Ｃμｍ〕に設定したとき、第１及
び第２の入射光線Ｒ１及びＲ２の反射率ｒは互いにほぼ
等しく、かつ最大値になるのに対して、厚さｄをｄ＝１
．２　　（μｍ〕に増大させると、第１の入射光線Ｒ１
の反射率ｒはそれほど変化せずほぼ最大値の値をとるの
に対して、第２の入射光線Ｒ２の反射率ｒが急激に小さ
くなって行く、このことは、受光スリット６の位置にお
いてスリット像がデフォーカスして行くときには、第１
及び第２の反射光線Ｒ１ｒ及びＲ２ｒの光の強度の比率
が極端に変化することを表している。

この変化は、受光スリット６上の光の強度分布に変化を
生じさせる。すなわち、厚さｄがｄ＝ｌ。

ｌ　〔μｍ〕のとき、第８図（Ａ）に示すように、受光
スリット６上のｙ方向の光強度分布がそれほど大きく偏
っていないことにより、検出値１　ｙ　ａが、受光スリ
ット６上に結像したぼけたスリット像のほぼ中央位置に
あることを判定し得る。

これに対してフォトレジスト薄膜５Ｃの厚さｄがｄ＝１
．２　　（、ｕｎ）になると第１の反射光！、’１Ｒ１
ｒの方が、第２の反射光線Ｒ２ｒより格段的に強くなる
ように偏った強度分布を呈することにより、その光量重
心でなる検出位置ｙ４が第１の反射光線Ｒ１ｒ側にずれ
るような判定結果が得られる。

その結果受光スリット６の検出値Ｗ’Ｊａは、フォトレ
ジスト薄膜５Ｃの厚さｄに応じて変動するような誤差を
生ずることになる。

この厚さｄの変化に伴う誤差は、第１図の構成において
、受光スリット６に入射する反射光ＬＲの開き角Ｎ、Ａ
、を開き角制限用絞り９によって絞り込むようにすれば
、小さくすることができる。

すなわち第７図について上述したように、開き角Ｎ、Ａ
、が大きい場合には、第１の反射光線Ｒ１ｒのエネルギ
ー反射率ｒの変化曲線Ｃｌ１１と、第２の反射光線Ｒ２
ｒのエネルギー反射率ｒの変化曲線Ｃ１１２の厚さｄに
対するずれは、（６）式について上述したように、第１
及び第２の入射光線Ｒ１及びＲ２の屈折角θ、が互いに
近い値になればなる程ずれが小さくなって行き、その結
果第８図について上述した受光スリット６上のスリット
像の強度分布の偏りも、反射光ＬＲのスリット幅方向で
の開き角Ｎ、Ａ、を開き角制限用絞り９によって絞り込
むごとによって小さくすることができる。

（３）開き角制限用絞り９を回動させることの効果第８
図について上述したように、受光スリット６上のスリッ
ト像がデフォーカスしたとき、スリット像の各部分の光
強度分布が被検出面を形成するフォトレジスト薄膜５Ｃ
の厚さｄの変化に応じて周期的に変動することによって
光量重心でなる検出位置ｙｄが変動する。

この変動は、スリット像が受光スリット６上に合焦して
いる合焦状態では生ずることはない。しかし受光スリッ
ト６が焦点の後側にある場合（いわゆる前ビン）のデフ
ォーカス状態のときと、受光スリット６が焦点の前にあ
るデフォーカス状態（いわゆる後ピン）とで、光強度分
布の分布の仕方が逆転することにより、検出位置ｙ、の
位置も逆方向にずれる結果になる。従って高い精度で検
出結果を得るためには、受光スリット６上におけるスリ
ット像の合焦調節を正確にする必要がある。

因にフォトレジスト薄膜５Ｃの屈折率ｎ、をｎ＋＋　＝
１．６４＋　０．００２　ｉに選定し、半導体基板５Ｂ
の屈折率ｎ５をｎ　、　＝３．７１　＋Ｏ，Ｏ１ｔに選
定し、光源１の波長λをλ＝　７４０　（ｎｍ）に選定
し、反射光ＬＲの開き角Ｎ、Ａ、をＮ、Ａ、＝　０．１
に選定し、検出光ＬＯの入射角を７０″に選定したとき
、スリット像が受光スリット６上に合焦している合焦状
態では、第９図（Ａ）に示すように、フォトレジスト薄
膜５Ｃの厚さｄを大きくするに従って、検出器８上の光
強度Ｉｌｌが周期的に変化するのに対して、これに応じ
て検出位置ｙ４の基準位置ｙ０からのずれＫｌｌが、次
第に大きくなって行くような変化曲線が得られる。この
合焦状態において、ずれ量Ｋｌｌは、被検出面５におけ
る反射光の干渉のために、光強度１１１が下がるごとに
０．１〔μｍ〕程度のいわゆる「ひげ状」の変動が生じ
、これが誤差となる。

これに対して反射光ＬＲのスリット像が受光スリット６
において後ビン状態にデフォーカスすると、第９図（Ｂ
）に示すように、光強度１１２の変化に対して検出位置
ｙ４のずれに１２は、正方向に大きくずれて行く。（こ
のことは、被検出面より上方位置に検出器Ｗｙａがある
と判定したことを意味している）これに対して前ビン状
態にデフォーカスしたときには、第９図（Ｃ）に示すよ
うに、光強度１１３の変化に対して検出位置ｙｄのずれ
に１３は、゛合焦状態（第９図（Ａ））より負方向に太
き（ずれて行き、変動がかなり大きい。

従って誤差が大きいことを表している。

このように反射光ＬＲのスリット像がデフォーカスした
ときには、極端に大きな誤差が発生するおそれがあり、
これを回避して高い精度で測定結果を得るためには、合
焦状態からのデフォーカス量を焦点深度の約１／４以下
程度に抑える必要があり、この合焦調整は実用上極めて
困難である。

なお第７図は、焦点深度ΔＦを次式 と定義し、その２倍まで焦点をずらせた状態におけるず
れ量Ｋｌｌ、に１２、Ｋ１３を求めたもので、λ−７４
０（ｎｍ）　、Ｎ、八、＝０．１として被検出面換算で
７４Ｃμｍ〕だけ焦点位置をずらせた条件の下にずれ量
を求めた。

この問題は、第１図の構成において、第３図及び第４図
について上述したように、開き角制限用絞り９を９０″
′回動させるように構成したことにより有効に解決し得
る。すなわち焦点調整時には開き角制限用絞り９を第４
図の回動位置に設定する。

このとき開き角制限用絞り９の開口９Ａは、絞り幅ＷＬ
をスリット像のスリット像幅ＷｓＬと直交する方向に設
定されるので、この絞り幅ＷＬによってスリット像の幅
方向の開き角を制限しない状態になる。このとき受光ス
リット６上に結像されたスリット像の開き角Ｎ、Ａ、は
制限されずに大きくなるから、（７）式について上述し
たように焦点深度ΔＦを開き角Ｎ、Ａ、の２乗に反比例
する関係で小さくすることができ、かくして高い精度で
焦点調整することができる。

そしてこの状態において開き角制限用絞り９を９０″回
動させてその絞り幅ＷＬによってスリット像のスリット
像幅Ｗ５Ｌを制限するようにすれば、反射光Ｌｌの開き
角Ｎ、Ａ、を小さくすることによって上述のように誤差
の少ない検出部Ｗｙａの判定をすることができる。

因に開き角制限用絞り９の絞り幅ＷＬ及び横幅ＷｖＯ値
として、焦点調節時に開き角Ｎ、Ａ、がＮ、Ａ。

＝　０．１になるように横幅Ｗｖを設定し、また位置検
出動作時開き角Ｎ、Ａ、がＮ、Ａ、＝　０．０２５とな
るように絞り幅ＷＬを設定する。

このようにすれば、焦点調節時における焦点深度ΔＦは
（７）式においてλ＝７４０（ｎｍ）としたとき３７〔
μｍ〕になるのに対して、表面位置検出動作をするとき
には焦点深度ΔＦがΔＦ＝５９２〔μｍ〕になる。その
条件の下に焦点調節をすれば、焦点深度ΔＦの２倍（す
なわち７４（μｍ））以内に調整できれば、位置検出モ
ード時（Ｎ、Ａ、　＝０．０２５のとき）、焦点を焦点
深度の１／８以内に調節したことになり、かくしてデフ
ォーカスによる焦点ずれの影響が住じないようにし得る
。

かくするにつき、開き角制限用絞り９の開口９Ａを、第
３図及び第４図のように構成すれば、位置検出時に開き
角Ｎ、Ａ、を制限したときに、検出部１０に対して実用
上十分な光量の光を供給することができる。

第３図及び第４図の構成の開き角制限用絞り９を用いた
場合に、第９図（Ｃ）の場合と同じように、前ピンのデ
フォーカス状態にデフォーカス量７４〔μｍ〕に設定し
た場合、光源１の波長λをλ−７４０　（ｎｒｎ）　、
開口９Ａの絞り幅ＷＬによる開き角Ｎ、Ａ、を呵、Ａ、
＝　０．０２５、横幅Ｗｖによる開き角Ｎ、Ａ、をＮ、
Ａ、＝　０．１に設定した場合、検出部８上の光強度Ｉ
２の変化に対する検出部１ｙａのずれに２は、第１０図
に示すように、合焦時のずれに１１　（第９図（Ａ））
の場合とほぼ同様の位置ずれ変化曲線を得ることができ
、第９図（Ｃ）の場合と比較して、格段的に誤差の少な
い位置検出出力を得ることができる。

（４）他の実施例 （ａｌ　　上述の実施例においては、開き角制限用絞り
９として、第３図及び第４図について上述したように、
はぼ矩形形状の開口９Ａを用いて、スリット反射光ＬＲ
のスリット幅方向での開き角Ｎ、Ａ、を制限することに
より、第１０図に示すように、実用上調整許容限度内で
焦点調整をするだけで、合焦状態（第９図（Ａ））とほ
ぼ同様の位置ずれ特性曲線を実現し得た。

しかし、詳細に検討すると、第１０図の場合には、合焦
時（第９図（Ａ））の場合と比較して光強度■２が立ち
下がるときに生ずる「ひげ状」の誤差が比較的大きく、
この点について不十分さがある。

この問題を解決する方法として、第１図の場合に光ａｌ
として単色光を発生するものを用いたが、これに代え、
多色光を発生ずる構成のものを用いる。

このようにすれば、第１１図に示すように、被検出面と
しての表面５Ａ及び基板５における干渉が生じ難くなる
ので、検出部１０上の光強度Ｉ３の変化の程度が小さく
なると共に、位置ずれ曲線に３にひげ状の変動が生じな
くなり、はぼフォトレジスト薄膜５Ｃの厚さｄの変化に
応じて直線的に変化する位置検出特性を実現し得る。

かくして誤差の少ない表面変位検出装置を容易に得るこ
とができる。

なお、第１１図の場合は、光源として、波長λがλ＝　
６００〜８００　　（ｎｍ）の光成分をもつ光を発生さ
せる構成のものを用いた。

（ｂ）　　上述の実施例においては、第７図及び第８図
について上述したように、反射光ＬＲのスリット像が受
光スリット６上においてデフォーカスしたときに光成分
の強度分布に偏りが生じることにより光量重心が基準位
置ｙ４からずれることに基づいて、誤差が生ずる点に着
目して、これをスリット像のスリット幅を小さく制限す
ることにより、誤差を補正するようにした場合について
述べたが、これに加えて光源ｌ　（第１図）として多色
光を発生する構成のものを用いるようにすれば、光強度
分布の偏りを緩和することができる。

囚に（６）式について上述したように、エネルギー反射
率ｒ（（４）式）に１周期分の変化を生じさせる″ｉｓ
膜５Ｃの厚さｄの変化分ｄｘは波長λに比例しているの
で、光源１として多色光を発生する構成のものを用いれ
ば、種々のピッチでエネルギー反射率ｒを変化させる多
数の光成分による効果を重ね合わせたような効果を受光
スリット６上の光強度分布に生じさせることができ、従
って受光スリット６全体として見たとき、光強度分布が
極端に偏らなくなることにより、結局光量重心を表す検
出位置ｙ４をほぼ基準位置近傍に生じさせることができ
る。

（Ｃ１第１図の実施例においては、開き角制限用絞り９
を反射光ＬＲ側に設けた構成について述べたが、これに
代え、検出光ＬＯ側の光学系に設けても、上述の場合と
同様の効果を得ることができる。

（ｄ）　　上述の実施例においては、焦点調節動作モー
ド時における回動位置から開き角制限用絞り９を９０″
回動させることによって位置検出動作をさせるように構
成した実施例について述べたが、これに代え、焦点調節
モード時に使用する絞りを、位置検出モード時に使用す
る絞りとは別体のものを用いるようにしても、上述の場
合と同様の効果を得ることができる。

（ｅｌ　　また、上述の実施例においては、受光スリッ
ト６上に形成されるスリット像の光検出のために、コレ
クタレンズ７と検出器８とを設け、これらによって検出
部１０を構成したが、これに代え、受光スリツｌ−６の
矩形開口部に直接ポジションセンサやリニアセンサを配
置して検出部１０とすることもできるし、撮像素子を配
置して画像処理によってスリット像の検出を行う構成と
することも可能である。

（ｆ）　　上述の実施例の場合は、被検出面上に結像さ
れる光束の形状として、被検出面に平行な方向（従って
被検出面の変位方向に垂直な方向）に長手方向をもつス
リット形状を用いた。このようなスリットは光量を多く
得ることができる点において有効であるが、それ程多く
の光量を必要としない場合には、これに限らず、種々の
スリット形状に選定し得る。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、被検出面から反射された
反射光Ｌ　Ｒでなるスリット像を受光スリット６上に結
像させることにより、その被検出面の筒さ位置を検出す
るにつき、結像されたスリット像のスリット幅に生ずる
おそれがある光強度分布の偏りを、スリット像を形成す
る光束のスリット幅方向での開き角Ｎ、Ａ、を狭く制限
することにより確実に軽減し得、かくして検出精度を高
めることができる。

また開き角制限用絞りとして、検出部１０が検出動作を
するとき、スリット像の幅方向での開き角Ｎ、Ａ、を制
限して十分に小さい開き角のスリット像を得る機能をも
つと共に、焦点調節時においては、スリット像幅の方向
に十分大きな開き角Ｎ、Ａ。

をもつスリット像を受光スリット６上に生じさせるよう
に構成したことにより、焦点の調整作業を一段と容易な
表面変位検出装置を実現し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による表面変位検出装置を示す路線的側
面図、第２図はその動作原理の説明に供する路線的側面
図、第３図及び第４図は第１図の開き角制限用絞り９の
構成を示す平面図、第５図は被検出面における干渉の説
明に供する路線的断面図、第６図は開き角が大きい検出
光ＬＯの入射角の際の説明に供する路線的側面図、第７
図は入射角の差異に基づいて反射光ＬＲに生ずる反射率
の変化のずれを示す特性曲線図、第８図は第７図のずれ
に基づいて検出部上に生ずる光強度分布の偏りの説明に
供する路線図、第９図は検出部に対する焦点調整が適性
でない場合に生ずる誤差の説明に供する特性曲線図、第
１Ｏ図は本発明によって開き角を制限したことによる効
果の説明に供する特性曲線図、第１１図は本発明の他の
実施例における効果の説明に供する特性曲線図である。 １・・・・・・光源、２・・・・・・コンデンサレンズ
、３・・・・・・スリット、４Ａ、４Ｂ・・・・・・対
物レンズ、５・・・・・・半導体ウェハ、５Ａ・・・・
・・表面、６・・・・・・受光スリット、７・・・・・
・コレクタレンズ、８・・・・・・検出素子、９・・・
・・・開き角制限用絞り、１０・・・・・・検出部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）検出光を光透過性薄膜を有する被検出面上に結像
   させ、当該被検出面からの反射光を検出部上に結像させ
   ることにより、上記被検出面の位置が基準位置から変位
   したときこれに応じて上記反射光の上記検出部上への入
   射位置が変化することに基づいて、上記被検出面の変位
   を検出するようになされた表面変位検出装置において、 上記被検出面に入射する上記反射光の開き角Ｎ、Ａ、を
   上記反射光の上記検出部上での入射位置変化の方向にお
   いて狭くする開き角制限用絞りを上記検出光又は上記反
   射光の光路に介挿する ことを特徴とする表面変位検出装置。
2. （２）検出光を光透過性薄膜を有する被検出面上に結像
   させ、当該被検出面からの反射光を検出部上に結像させ
   ることにより、上記被検出面の位置が基準位置から変位
   したときこれに応じて上記反射光の上記検出部上への入
   射位置が変化することに基づいて、上記被検出面の変位
   を検出するようになされた表面変位検出装置において、 上記検出部に入射する上記反射光の開き角Ｎ、Ａ、を上
   記反射光の上記検出部上での入射位置変化の方向におい
   て狭くするように制限する開き角制限用絞りを上記検出
   光又は上記反射光の光路に介挿し、 上記開き角制限用絞りは、位置検出動作モード時上記反
   射光の開き角Ｎ、Ａ、を狭くするように制限し、これに
   対して上記反射光を上記検出部上へ合焦させる際の焦点
   調節動作モード時上記反射光の開き角Ｎ、Ａ、の制限を
   外して拡げるように構成されている ことを特徴とする表面変位検出装置。