JPH0127361B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えば半導体製造工程におけるマス
クとウエハーとを整合するための物体観察装置に
関するものである。

２個の物体を所望の位置に自動的に重ね合わせ
る例として、半導体集積回路の製造時に用いられ
る自動位置合わせ装置がある。このような装置の
一つとして、本願人は第１図に示すような光学系
を有する装置を先に提案した。第１図に示す装置
では、物体面であるマスク１とウエハー２の面上
をレーザー光を集光したスポツトで走査し、その
時間的な走査信号に基づいて位置合わせを行うよ
うになつている。この装置には光電検出系と共に
目視用観察光学系も設けられており、この観察光
学系はパターンの観察だけではなく、初期のマス
ク設定などの整合時に欠くことのできない走査を
行うに当つて重要な役割を果している。

この第１図に示す装置では、位置合わせ用のレ
ーザービーム以外に観察光学系のために専用の光
源を使用している。従つて、レーザービームの波
長と観察用の波長にそれぞれ合わせた特性を持つ
光学素子を必要としている。この従来装置を更に
詳しく説明すると、He−Neレーザーなどのレー
ザー光源１１から射出されたレーザービームＬの
進路に沿つて、順次にコンデンサレンズ１２、回
転多面鏡１３が配置されている。更に、この回転
多面鏡１３により偏向されたレーザービームＬの
光軸に沿つて、ｆ−θレンズ１４、観察用反射光
を観察光学系に分割するためのダイクロイツクビ
ームスプリツタ１５、フイールドレンズ１６、復
路の整合用反射光を光電検出光学系に分割するた
めの偏向ビームスプリツタ１７、リレーレンズ１
８、観察光を主光学系に入射するためのビームス
プリツタ１９、絞り２０、対物レンズ２１が順次
に設けられている。レーザービームＬの結像位置
にはマスク１が配置されていて、このマスクパタ
ーンは結像光学系２２を介して共役の位置に置か
れたウエハー２に結像されるようになつている。
この結像光学系２２内にはλ／４板２３が内挿さ
れており、光が通過すると偏光状態が変るように
されている。

また、復路で偏光ビームスプリツタ１７により
分離される反射光の光軸上には、結像レンズ３
０、波長カツトフイルタ３１、部分遮光板３２、
コンデンサレンズ３３、光電変換器３４が配列さ
れている。ビームスプリツタ１９には光源４０か
ら観察光が、コンデンサレンズ４１、フイルタ４
２、偏光板４３を介して入射され、その入射光は
対物レンズ２１側に反射されるようにされてい
る。また、ダイクロイツクビームスプリツタ１５
で分離される観察光の光軸上には、結像レンズ５
０、フイルタ５１、エレクタ５２が配置され、目
視により観察用反射光を観察できるようになつて
いる。

上記の構成を有するこの光学系において、レー
ザー光源１１から射出されたレーザービームＬ
は、コンデンサレンズ１２により点ａで集光され
た後に回転多面鏡１３に入射し、直線で示すよう
にここでほぼ直角方向に偏向されると共に回転多
面鏡１３の回転方向に走査される。そして更に、
ｆ−θレンズ１４、ビームスプリツタ１５、フイ
ールドレンズ１６を通過した後に再び点ｂに集光
され、順次に偏光ビームスプリツタ１７、リレー
レンズ１８、ビームスプリツタ１９を通過し、レ
ーザービームＬの主光線は絞り２０の中央に位置
する対物レンズ２１の焦点ｃを通り対物レンズ２
１に入射する。このレーザービームＬの主光線は
対物レンズ２１の焦点ｃを通つているために対物
レンズ２１を通過後は光軸と平行になり、主光線
はマスク１上に直線偏光の状態で垂直に入射する
ことになる。そして、結像光学系２２によりマス
ク１の像位置に置かれたウエハー２に集光する。
このとき、レーザービームＬはλ／４板２３を通
過することにより直線偏光から円偏光になる。マ
スク１及びウエハー２に入射するこのレーザービ
ームＬは、対物レンズ２１により微小スポツト光
として結像し、回転多面鏡１の回転に従つて、マ
スク１及びウエハー２の面上を図面と平行な走査
線方向に走査する。マスク１及びウエハー２で反
射されたレーザービームＬは再びλ／４板２３を
通過し、最初に入射した偏光方向とは直交した直
線偏光となる。

いま、マスク１、ウエハー２の走査された個所
がアライメントマーク以外の平滑面であれば、そ
の反射光は散乱されることなく対物レンズ２１の
焦点ｃの位置の入射瞳及びその近傍を通り、往路
と同じ直線を経てリレーレンズ１８を介して偏光
ビームスプリツタ１７に至る。一方、走査された
個所が平滑面でない場合、即ちアライメントマー
クをレーザービームＬが照射した場合には、レー
ザービームＬはこれらのマークエツジで散乱す
る。そして、この散乱反射光は往路をそのまま戻
らず、点線で示すように対物レンズ２１を通過後
にその入射瞳の中心、つまり焦点ｃを必ずしも通
らないで入射瞳の端部を通過する。このことは反
射光が入射瞳上で散乱光と非散乱光とに空間的に
分離されていることを示している。

マスク１及びウエハー２の平滑面で反射された
非散乱光は、入射瞳位置を通過後に点ｂで結像す
るようにリレーレンズ１８を介して偏光ビームス
プリツタ１７に導かれ、ここで直角に反射されて
光電検出光学系方向に進む光と、直進して回転多
面鏡１３方向に戻る光との２方向に分離される。
光電検出光学系の方向に偏向された非散乱光は、
リレーレンズ１８の焦点ｂと部分遮光板３２とを
共役にする働きをする結像レンズ３０、光電検出
用の光を透過し観察用光源４０の光を遮光する波
長カツトフイルタ３１を通過し、部分遮光板３２
の中心位置に結像することになる。透明なガラス
で形成された部分遮光板３２の中心部は、光を遮
光する物質でパターニングされた非透過部となつ
ており、非散乱光はその先のコンデンサレンズ３
３、光電変換器３４に進むことはない。しかし、
点線で示す散乱光は非散乱光とほぼ同様な復路を
通過しても、必ずしも部分遮光板３２の中心部に
集光することはなく、光電変換器３４には散乱光
が入射することになるので、走査レーザービーム
Ｌがアライメントマークに至つたときにのみ、光
電変換器３４から出力信号が発生する。

一方、観察用光源４０から射出された光は、偏
光板４３によりレーザービームＬの偏光方向と直
交する偏光方向だけが通過し、ビームスプリツタ
１９により対物レンズ２１の方向に反射される。
この反射光はレーザービームＬと同様にウエハー
２で反射されてλ／４板２３により偏光方向が入
射時と直交した方向に変化して、対物レンズ２１
を回転多面鏡１３方向に通過する。そして、ビー
ムスプリツタ１９、偏光ビームスプリツタ１７を
通過しダイクロイツクビームスプリツタ１５によ
り反射されてエレクタ５２で像を結像させ目視を
可能としている。偏光ビームスプリツタ１７はマ
スク１から直接反射して対物レンズ２１に戻つて
くる光がエレクタ５２側に反射することを防ぎ、
ウエハー２まで到達した光のみを観察光学系に導
光する役割を果している。従つて、この観察像に
はマスク１からの反射光がフレアとして含まれて
いないので極めて鮮明な像となる。

このとき、レーザービームＬを効率良く光電変
換器３４で受光し、かつ観察用光源４０の光を効
率良く目視可能とするためには、光学素子の特性
を慎重に選択する必要がある。それにはレーザー
に直線偏光型のものを採用し、偏光方向が図面と
平行となるようにレーザー光源１１を配置し、観
察光学系ではレーザー光源１１から射出した光の
うち図面と垂直方向に偏光している光を使うよう
に偏光板４３を配置する。レーザー波長でのダイ
クロイツクビームスプリツタ１５の特性としては
Ｐ偏光を反射しするものとし、ビームスプリツタ
１９はＰ偏光を透過するように、更に偏光ビーム
スプリツタ１７はＰ偏光を透過しＳ偏光を反射す
るように設計する必要がある。

しかしながら、実際にはダイクロイツク膜には
蒸着物質の屈折率によつて定まる限界があり、前
述のような特性を現実させることはなかなか困難
である。例えば、ビームスプリツタ１９としてプ
リズム型のビームスプリツタではなく平行平面板
型のものを採用した場合には前述のように完全な
偏光特性をＰ成分とＳ成分について持たせること
は難しい。特に、この間の事情を複雑しているの
はレーザー光源１１と観察用光源４０の波長が異
なつている点である。このため、ダイクロイツク
ビームスプリツタ１５の特性は常に何種類かの波
長を考える必要があり、設計上の大きな制約とな
る。また、光源を２個用いているために光学系の
構成が複雑となる欠点もある。

本発明の目的は、位置合わせ用の光源と観察光
学系の光源とを共用することにより、光学系の構
成を簡素化した物体観察装置を提供することにあ
り、その要旨は、光源と、該光源から射出するレ
ーザービームを拡散状態又は非拡散状態の何れか
の状態を選択して被観察面に導くことが可能な走
査光学系と、該走査光学系で拡散されたレーザー
ビームの被観察面からの反射光を観察する観察光
学系と、前記走査光学系からのレーザービームが
非拡散状態のときに用いる位置検出光学系とを備
えたことを特徴とするものである。

本発明を第２図以下に図示の実施例に基づいて
詳細に説明する。なお、第１図と同一の符号は同
一の部材を示すものとする。

第２図の光学系においては、第１図に従来例と
同様にレーザー光源１１から射出されたレーザー
ビームＬの進路に沿つて、順次にコンデンサレン
ズ１２、回転多面鏡１３が配置されている。更
に、回転多面鏡１３により偏向されたレーザービ
ームＬの光軸に沿つて、ｆ−θレンズ１４、フイ
ールドレンズ１６、スリツト６４、復路の反射光
を目視観察光学系、光電検出光学系に分割するた
めの偏光ビームスプリツタ１７、リレーレンズ１
８、対物レンズ２１が順次に設けられ、レーザー
ビームＬの結像位置にはマスク１が設けられ、
λ／４板２３を内挿した結像光学系２２を介し
て、ウエハー２がマスク１と共役関係となるよう
に配置されている。

復路で偏光ビームスプリツタ１７により分離さ
れる反射光の光軸上には、結像レンズ６０、ビー
ムスプリツタ６１が配列され、このビームスプリ
ツタ６１の透過側には目視観察用のエレクタ５２
が設けられている。また、ビームスプリツタ６１
の反射側には順次に結像レンズ３０、部分遮光板
３２、コンデンサレンズ３３、光電変換器３４が
配列されている。更には、コンデンサレンズ１２
と回転多面鏡１３との間には、凹レンズから成る
光拡散用レンズ６２が光路内に挿入できるように
配置されている。

整合に際しては第１図で示した実施例と同様
に、レーザー光源１１から射出しレーザービーム
Ｌをマスク１、ウエハー２上に集光させる。レー
ザービームＬの偏光方向を図面と平行にすれば、
λ／４板２３を介してウエハー２を反射して更び
λ／４板２３を通過したレーザービームＬは、図
面に垂直方向の偏光となる。偏光ビームスプリツ
タ１７の特性をＰ偏光を全て透過、Ｓ偏光を全て
反射するようにし、ビームスプリツタ６１の特性
を例えばＳ偏光で95％程度反射するようにするこ
とにより、レーザービームＬの反射光量の95％を
光電変換器３４により受光することができる。

光拡散用レンズ６２を光路外に退避している場
合には、レーザービームＬはスポツト光走査なの
で走査線が細く、そのために極く一部の領域だけ
しか目視により観察できない。目視観察で広い領
域を観察するためにはより広い領域を走査で照明
する必要があり、この光拡散用レンズ６２は、位
置合わせ時には結像に影響を与えないようにレー
ザービームＬの光路から退出し、観察時には光路
中に挿入してマスク１上に集光していたレーザー
ビームＬを拡散する作用をする。このとき、ビー
ムスプリツタ６１の特性をＳ偏光について95％反
射、５％透過としたのは、レーザービームＬは輝
度が高いので５％の透過光でも十分に目射観察が
可能なためである。

なお、光拡散用レンズ６２を挿入してマスク１
のパターン面に集光していたレーザービームＬを
拡散させる代りに、コンデンサレンズ１２又はｆ
−θレンズ１４を光軸方向に移動させてマスク１
上で集光しないようなデフオーカス状態にしても
よい。

このように第２図の実施例では、人間が直接に
接眼レンズを用いて覗いて観察する光学系を示し
たが、TVカメラその他の撮像素子を用いること
も勿論可能である。レーザーの安全規格等を考慮
すると、撮影素子で間接的に観察する効果は大き
い。感度の良い撮像素子を用いれば、第２図に示
したビームスプリツタ６１を透過する光量を少な
くして反射光を増加することができ、光電変換器
３４で得られる信号のレベルを第１図で示した実
施例とほぼ等しくすることができる。また、観察
時に挿入する光拡散用レンズ６２の代りにレンズ
作用を有しない拡散板を使用してもよい。この場
合に、拡散板をを配置する個所はマスク１と結像
関係にある位置の近傍或いはコンデンサレンズ１
２の前とすることが望ましい。

第３図に示す実施例は光拡散用レンズ６２の代
りに拡散板６３を結像関係にある位置の近傍に挿
入した場合である。なお、ビームスプリツタ１５
は第１図の実施例と同様な位置に配置され、この
反射側に観察光学系が配置されている。レーザー
ビームＬを拡散板６３に照射することによりスペ
ツクルが生じ、このスペツクルはランダムな干渉
模様を形成して観察の際の障害となるが、本実施
例ではこれを回転多面鏡１３で走査することによ
り平均化しその影響を除いている。換言すれば、
拡散板６３により生じたレーザービームＬのスペ
ツクルを走査することによつて目視観察を行うの
である。

拡散板６３に粒子の細かいものを使用する場合
などには、走査する方向と直交する方向の成分に
ついてはスペツクルは平均化され難く、輝度むら
として観察される可能性がある。このようなとき
には、拡散板６３を振動させることによつてスペ
ツクルを走査方向と直交する方向についても平均
化することができる。回転多面鏡１３によりレー
ザービームＬは図面と平行に走査されるが、前述
のスペツクルの平均化を行うために拡散板６３を
例えば走査方向と直角な方向、即ち図面と垂直な
方向に微小振動させるとよい。ただし、拡散板６
３により形成されるスペツクルが十分にランダム
であれば、この振動は必ずしも必要でない。第３
図のビームスプリツタ１７及び１５の特性は光電
検出系及び観察光学系の双方に適量の光が行くよ
うに決定される。この場合に、単波長について設
計すればよいのでこの特性を作り出すのが容易と
なり、ビーム光源１１の輝度は高いために大部分
の光は光電検出用に用いることができる。

上述の実施例ではレーザー光源１１としてHe
−Neレーザーを挙げたが、He−Cdレーザー、半
導体レーザー等を使用しても何ら原理的な問題は
ない。また、可視光領域でない波長のレーザーに
おいても、その波長に感度を持つ撮像管を使用す
ることによつてこの方法は可能となる。

半導体露光装置等の場合には、観察する物体と
してレジストを塗つたウエハー等が考えられる。
使用するレーザーの波長に対してレジストが感度
を持つ場合には、観察用の照明光源としてレーザ
ービームを走査する範囲を制限する必要がある。
このために、第２図においては走査するマスク１
と結像関係にある位置又はその近傍にスリツト６
４を設置して走査範囲を限定している。

この感度領域の波長を有するレーザー光源とし
てはHe−Cdレーザーがある。このHe−Cdレー
ザー（441、6nｍ）は半導体製造装置用の露光光
源である超高圧水銀灯等のｇ線（436nｍ）と似
た波長を持つている。従つて、He−Cdレーザー
を用いることは、特にレンズを用いた投影露光方
法について焼付波長と似た波長で直接マスク（又
はレクチル）とウエハーを観察できる意味で効果
が大きい。このHe−Cdレーザーを観察用光源と
して用いれば、投影レンズの持つている色収差の
ために投影光学系の一部を整合時に切り換えると
いう従来公知の方式を実施しなくてもよいことに
なる。整合時の切り換えは切り換え誤差を生ずる
という問題を本質的に含んでおり、その意味で
He−Cdレーザーの役割りは大きい。また、He−
Cdレーザーの波長は従来用いられているｅ線
（546nｍ）に比して短いので観察解像力の向上に
も寄与する。特に、解像力を向上させるために
DeepUVといわれる300nｍ以下の短い紫外光を
用いる方式では、整合精度も解像力に応じて向上
させることができる。

このように本発明に係る物体観察装置は、従来
では整合にのみ用いられてきたレーザービームを
観察用にも用いることによつて光学系の簡略化に
寄与することができる。光拡散用レンズを用いる
場合には明るい像を観察でき、また拡散板を使用
する場合にはスペツクルパターンを走査してレー
ザービーム特有の干渉現像を抑圧し、更に必要な
場合には拡散板を振動することにより、走査方向
と直交の照度むらも除去できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の自動位置合わせ装置の構成図、
第２図、第３図は本発明に係る物体観察装置の実
施例を示す構成図である。 符号１はマスク、２はウエハー、１１はレーザ
ー光源、１３は回転多面鏡、１５はダイクロイツ
クビームスプリツタ、１７は偏光ビームスプリツ
タ、２１は対物レンズ、２２は結像光学系、２３
はλ／４板、３４は光電変換器、５２はエレク
タ、６１はビームスプリツタ、６２は光拡散用レ
ンズ、６３は拡散板である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源と、該光源から射出するレーザービーム
   を拡散状態又は非拡散状態の何れかの状態を選択
   して被観察面に導くことが可能な走査光学系と、
   該走査光学系で拡散されたレーザービームの被観
   察面からの反射光を観察する観察光学系と、前記
   走査光学系からのレーザービームが非拡散状態の
   ときに用いる位置検出光学系とを備えたことを特
   徴とする物体観察装置。 ２ 前記レーザービームの拡散は凹レンズにより
   行うようにした特許請求の範囲第１項に記載の物
   体観察装置。 ３ 前記レーザービームの拡散は拡散板により行
   うようにした特許請求の範囲第１項に記載の物体
   観察装置。 ４ 前記拡散板を揺動しスペツクルパターンを平
   均するようにした特許請求の範囲第３項に記載の
   物体観察装置。