JPS63765B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は走査型光検出装置、特に被走査面から
の反射光を暗視野的に検出する走査型光検出装置
に関するものである。

例えば、アライメントマークを有するICパタ
ーン焼付用のウエハーの様な平坦面と傾斜面を有
する物体の表面を暗視野的に走査する装置は、本
件出願人によつて昭和50年４月７日に特願昭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ツ
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つて
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つて形成される物体
像（即ち暗視野像）を走査する装置である。尚、
テレセントリツクレンズとはレンズの光軸と瞳面
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
レセントリツクレンズの光軸に対して直交する面
を称し、傾斜面とはテレセントリツクレンズの光
軸に直交しない面を称している。

斯る先願に示された装置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。

このため、本件出願人は斯る先願の装置を改良
し、照明光の有効利用を可能とした走査型光検出
装置を昭和51年４月28日に特願昭51−49109号と
して出願した。以下の説明では特願昭50−42083
号を第１先願、特願昭51−49109号を第２先願と
記す。この第２先願の装置は比較的細いビームで
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ツト光走査方式を採
用している。

ところで、第１先願の装置にテレセントリツク
レンズに走査ビームを入射するフライングスポツ
ト光走査方式を採用する場合、テレセントリツク
レンズの瞳面を横切る走査ビームの位置が走査ビ
ームの振れによつて異なると、平坦面からの正反
射光の前記瞳面を横切る位置が異なることになる
ので、テレセントリツクレンズの瞳面若しくは瞳
の像画に配した遮光部材によつて、平坦面からの
正反射光を完全に除去することが不可能となる。
このため、本件出願人は上述の第２先願で走査ビ
ームがテレセントリツクレンズの瞳面を横切る位
置を常に一定とするような光学系、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
一致させるような光学系を有する走査型光検出装
置を提案した。

しかしながら、上述の第２先願の第８図の装置
は以下の点で不満足なものであつた。即ち、斯る
装置では物体面で走査されるビームのリニアリテ
イが保証されないので、ビームの走査に応じて光
検出器から出力される信号を処理し、必要な情報
を得る場合、信号処理の方法が複雑になると共
に、ビームを常に一定の位置から走査させねばな
らず、テレセントリツクレンズの視野内における
ビームの走査範囲が規制されるという不都合があ
つた。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもの
で、その目的は物体面を照明した際に物体面で生
じた非正反射光を光検出器で検出する走査型光検
出装置において、フライングスポツト光走査方式
における照明用ビームが物体面に対向するテレセ
ントリツクレンズの瞳面の一定位置に常に入射す
るようなすと共に、斯る走査ビームの物体面にお
けるリニアリテイを保証する光学系を提供するこ
とにより、斯る走査型光検出装置における照明光
の有効利用、並びに信号処理の容易化を可能にす
ることにある。

以下、本発明を上述した第１並びに第２先願と
の関係を明瞭にしながら詳細に説明する。

第１図は本件出願人が第１先願で提案した暗視
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２に対して傾き
を有する傾斜面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４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の像画に配された開口スリツトを有す
るスキヤナーである。１０は瞳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
配されたリング状の開口を有する遮光板で、テレ
セントリツクレンズ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４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からの反射光Ａ（第２図参照）は再び光源
像位置に集束される。しかしながら、傾斜面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。従つて、遮光板１１からの光は
傾斜面３からの反射光Ｂだけになる。即ち、光検
出器１３によつて検出される光は物体１の傾斜面
３からのものだけとなる。この検出方式を暗視野
的検出方式と称する。

この第１先願の光走査方式は物体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
光を順次スキヤナー９によつて取り出して光検出
器１３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。一方、照明系か
らの光をスポツト又はスリツト形状とし、この光
を物体面上で走査する方式は、第１先願で物体面
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有利である。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、斯る方式を実行する際にはレー
ザー光を用いると便利である。

物体１の面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４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
４の瞳上で走査ビームが動いてしまうと、瞳の共
役位置である遮光板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つて移動してし
まうので、検知反射光Ｂの分離が難しくなること
は先に述べた。

本発明の前提となる第２先願は物体面上での光
ビームの直接走査に伴うこうした欠点を除去する
ことに着目したものであり、走査ビームの振れ原
点を対物レンズ４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、後述の第２先願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電顕微鏡の振動型
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傾けるこ
とによつてビームを横ずらししている。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束は従つて角度はその
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、傾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、第２先願の発明では走査用の平行平面板とテ
レセントリツ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傾
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。
走査に伴つ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、走査を行なつても瞳面上ではビームは
動かない。

また、後述の他の例においては、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。従つ
て、この例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役な関係に導く
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イールドレンズ
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。従つて、走査に伴つての瞳上
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、具体的な光学配置をもつて本発明の前提
となる第２先願の発明を説明する。第３図には第
２先願の第１実施例の光学配置が示されている。
図中、２０は光源からの光束中に配されたスリツ
ト又はスポツト状の開口であり、物体１と共役の
関係にある。２１は開口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
ガラスブロツ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ツク
対物レンズ４の前側焦点面でもある瞳面５と合致
する様に配置されている。このレンズ２２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、開口２０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を通過した後の光束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
横ずれしているだけである。従つて、各ビームは
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、リレーレンズ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、リレーレンズ２２を通過後はリレーレンズ２
２の後側焦点面であると共に対物レンズ４の前側
焦点面でもある瞳面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４の瞳面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イルタリングを可能とするた
めに、光束のＦ数はリレーレンズ２２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２２で平行光となつて瞳面
に到達した入射光の有効光束の径は瞳面５の径よ
りも小さくなる。

テレセントリツク対物レンズ４の性質によつて
レンズ４の瞳は物体面１の平坦部で反射された後
再び瞳面５の位置に等倍再結像する。従つて、平
坦部で反射した光束は瞳の径よりも小さい有効径
で再び瞳面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つているにも
拘らず、瞳面５の位置では常に中心を通つて不動
であることは、テレセントリツク対物レンズ４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。ビームスプリ
ツター７によつて検出光学系に入つた光は、瞳５
をレンズ１０によつて遮光板１１の位置に結像さ
せる。遮光板１１で平坦部からの正反射光成分を
取り除き、パターンのエツジからの散乱光のみを
取り出すのは第１図の場合と同じである。入射し
てくるビームは瞳面５では明るいスポツト又はス
リツトを形成しているので、瞳面５と共役な位置
にある遮光板１１でのフイルタリングは容易であ
る。例えば、スキヤンビームがスポツトであると
きは、フイルタリングするべき光束の形状はスポ
ツト状になつており、従つて遮光板１１はこのス
ポツトを遮断するのに有効なフイルター、例えば
リング状の透過部分を持つている様なものにすれ
ばよい。スキヤンビームがスリツトである場合に
は、瞳面５での光束径がスリツト状になるが、こ
の場合には遮光板１１はスリツト状の遮光部分を
持つフイルターとすればよい。

第５図は第２先願の発明をICのオートアライ
ナーに適用した場合の光学配置を示すものであ
る。オートアライラーの場合、マスクとウエハー
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、ここではこ
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。但しスキヤナー３６は共用でき
る様な構成にしてある。勿論観測点の数に応じて
スキヤナー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レ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
定している。この例では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、光
源３１は1mW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には必要ではない。３３はミ
ラー、３４はレンズで、レーザー光をスリツト又
はスポツト状に規制する規制板３５の上に結像す
る。レンズ３４は規制板３５がスリツトならシリ
ンドリカルレンズが都合がよいし、スポツトなら
通常の球面レンズで十分である。また、レンズ３
４のＦナンバーはリレーレンズ３９のＦナンバー
と第４図に説明した様な関係を保つているものと
する。３６は透過型のスキヤナーで、ガラスブロ
ツクでできている。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
ロツクから３チヤンネル取り出せる構成であり、
従つて規制板３５も３つ用意してある。各チヤン
ネル毎に規制板３５の前には３１から３４までの
光学系が付随するが、ここではＸチヤンネルのみ
を示し他は同様なので省略した。勿論光源３１の
光をビームスプリツターでわけて、光源３１を１
つで済ますことも可能である。

スキヤナー３６でスキヤンされた光はレンズ３
９（第３図のレンズ２２に対応する）に致る前に
イメージローテーター３７を通る。例えばＸチヤ
ンネルのイメージローテーター３７を構成する３
つのミラー面の法線が紙面内にあるとすると、Ｙ
チヤンネルのイメージローテーター３７（点線で
囲つてある）はPP′軸を中心として45゜回転した位
置に配置される。こうすると、Ｘチヤンネルを通
つた光は物体面４１と４２（ここで４１はマス
ク、４２はウエハーを示している）上の紙面内で
スキヤンされるが、Ｙチヤンネルを通つた光は紙
面に垂直な方向にスキヤンされる。即ち第６図に
示される様に顕微鏡の視野内ではＸチヤンネルに
よる光とＹチヤ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。

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。４０はテレセントリツク対物レンズ、４１
はマスク、４２はウエハーである。４３以下が光
電検出系で、４３が瞳の結像レンズ、４４はスト
ツパー、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
図の様にスキヤンするためＸチヤンネルの途中に
ビームスプリツター３８を入れて左側に持つてい
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
に垂直になつており紙面と平行な面内にあるマス
ク４１及びウエハー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２７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つ入つているわけであ
る。光学系の作用は第５図と全く同様なので省略
する。

なお、第５図、第７図では目視での観察用の光
学系や観察用の光源は、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
た例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４１とウエハー４２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
スキヤンによつて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
みのスキヤ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チヤンネルも
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が示してある。５
０はレーザー光束で、必要な場合にはビームエク
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はレーザー光束を収
束させるレンズ、５２は回転多面鏡である。５３
はレンズ５１による光束の収束点Ｘ近傍に配置さ
れたフイールドレンズである。Ｘ点は回転多面鏡
５２の回転によつて光軸に対して垂直に動く。ま
たＸ点におけるスポツトの大きさはレンズ５１に
よつて定まる光束の開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はその瞳面、１が物体である。な
お、ビームスプリツター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。従つて、第７図までに示し
てきた様に、テレセントリツク対物レンズ４の瞳
面５をリレーレンズ５４の焦点位置に置くことで
は問題は解決されず、もつと別な配置をとること
が必要とされる。物体１の面上で走査を行なつて
も瞳面５ではビームが殆ど動かない様にするた
め、この場合には回転多面鏡５２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５
２に入力する光の反射位置は殆ど不動点と見做し
てもよい位微小な変化しか起こさないので、この
点をフイールドレンズ５３とリレーレンズ５４と
を用いて対物レンズ４の瞳面５に結像させてしま
うのである。こうすれば瞳面５におけるビーム位
置は不変で、物体面上をスキヤンすることが可能
である。一方、レンズ５１によるビームの結像点
Ｘによりスキヤンされる面は物体面１と共役であ
る。従つて、物体１の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
径からレンズ５１のパワーは一義的に定まつてし
まう。一般に、スキヤンスポツトの径は対物レン
ズ４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５での入射レーザー光の有効径は瞳
面５の径よりも小さい。従つて、第３図などで示
してきた様なフイルタリング法を適用することが
可能となるわけである。

第９図は、本発明の一実施例を示すもので、こ
の実施例では上述の第２先願の例に比して物体１
の面上における走査ビームのリニアリテイを保証
している点が異なつている。この実施例では、集
光レンズ５１が回転多面鏡（ポリゴン）５２の前
でレーザー光を一旦集光させると共に、その点か
ら発散されたレーザー光をポリゴン５２で反射し
た後、レンズ６１及び５３を介して再び結像して
いる点が上述の例とは異なつている。他は第８図
の系と全く同様の光学系である。なお、この例で
は光電変換素子１３に致る迄の検出光学系７，１
０，１１，１２をリレーレンズ５４とフイールド
レンズ５３の間に配置している。６２は物体１か
らの反射光を目視用光学系へ導く為のハーフミラ
ーである。目視用光学系は省略している。ここで
特徴的なのは結像用レンズ６１の存在であり、レ
ンズ６１は全系を通した時、系の特性がｆ−θと
なる様になつている。即ち、ポリゴン５２の回転
角速度と像面走査速度が比例関係になる様に補正
されているのである。この関係は走査のリニアリ
テイを考慮する上に於いて非常に重要なフアクタ
ーである。また、この事は透過型の配置の場合に
ついても同様であり、リレーレンズ２２の形状に
より、透過型スキヤンのリニアリテイを補正する
事も可能である。

上述の如く、本発明によれば、物体面上で走査
されるビームで物体面を照明し、照明された物体
面からの非正反射光を検出する走査型光検出装置
において、ビームが回転多面鏡によつて走査され
る際、物体面に対向するテレセントリツクレンズ
の瞳面の一定位置をビームが常に通過し得るよう
になすと共に、物体面におけるビームの走査のリ
ニアリテイを保証し得るようなしたので、照明光
の有効利用、正確な暗視野検出、Ｓ／Ｎ比の向
上、信号処理の容易化、物体面におけるビーム走
査範囲の自由度の向上等の種々の利点を得ること
ができる。なお、本発明はIC製造装置のオート
アライメント機能のためだけでなく、例えば寸法
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図は先願で提案された暗視野的な
光検出装置を示す図、第３図は他の先願で提案さ
れた本発明の前提となる発明の第１実施例の光学
配置を示す図、第４図は第３図の光学系の主要部
を示する図、第５図は本発明の前提となる発明の
第２実施例の光学配置を示す図、第６図は第５図
の顕微鏡の視野を示す図、第７図は本発明の前提
となる発明の第３実施例の光学配置を示す図、第
８図は本発明の前提となる発明の第４実施例の光
学配置を示す図、第９図は本発明の一実施例の光
学配置を示す図である。 １……物体、４……テレセントリツク対物レン
ズ、５……瞳面、１１……遮光板、１３……光検
出器（光電変換素子）、５１……集光レンズ、５
２……回転多面鏡（ポリゴン）、５３……フイー
ルドレンズ、５４……リレーレンズ、６１……ｆ
−θレンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物体照明用のビームを物体面で走査するため
   の走査系と、この走査系からのビームが入射され
   るテレセントリツクな対物レンズと、上記走査系
   のビームの振れ原点を上記対物レンズの瞳面もし
   くはその近傍に形成するための結像系と、上記対
   物レンズの瞳面もしくは瞳の像面もしくはそれら
   の近傍に配置され、物体からの正反射光を遮光す
   る遮光部材と、この遮光部材を通過してくる物体
   からの非正反射光を検出するための検出器とを有
   すると共に、上記走査系は上記対物レンズの光軸
   に対する傾角が変化するミラーを有し、上記結像
   系は上記ミラーの傾角が変化することによつて物
   体面で走査されるビームの移動量が時間に比例す
   るように補正するためのレンズ系を有しているこ
   とを特徴とする走査型光検出装置。 ２ 物体照明用のビームを物体面で走査するため
   の走査系と、この走査系からのビームが入射され
   るテレセントリツクな対物レンズと、上記走査系
   のビームの振れ原点を上記対物レンズの瞳面もし
   くはその近傍に形成するための結像系と、上記対
   物レンズの瞳面もしくは瞳の像面もしくはそれら
   の近傍に配置され、物体からの正反射光を遮光す
   る遮光部材と、この遮光部材を通過してくる物体
   からの非正反射光を検出するための検出器とを有
   すると共に、上記走査系は回転によつて上記対物
   レンズの光軸に対する反射面の傾角が変化するよ
   うに支持された回転多面鏡を有し、上記結像系は
   上記反射面の傾角が変化することによつて物体面
   で走査されるビームの移動量が上記回転多面鏡の
   回転角度に比例するように補正するためのｆ−Θ
   レンズ系を有していることを特徴とする走査型光
   検出装置。