JPH02109318A - 観察装置 - 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】 〔技術分野〕 本発明は２つの物体を観察する観察装置に関し、特に半
導体露光装置におけるマスクとウェハとの位置合わせの
ために、このマスクとウェハ上のアライメントマークを
観察する時に有用な観察装置に関する。

〔従来技術〕

従来、半導体露光装置の観察装置としては、ＶＳＰ４゜
４０６．５４６で開示しであるような装置が良く知られ
ている。

マスクを介してウェハの観察を行う場合には、マスクの
硝子面からの反射光の影響が問題になる。

マスクの硝子面に反射防止処理が行われていない時には
硝子面の１つの面から約４％の光が反射されるため、表
裏合わせて約８％程度の光がマスクにより反射し、フレ
ア光としてウェハからの反射光と混ざることになる。

上述のＵＳＰ４，４０６，５４６では、この様な問題を
解決し、ウェハからの反射光でマスクとウェハを観察す
る時にマスクからの反射光を除去するように構成した装
置が示されている。

第６図は、この装置の模式図を示しており、第６図の装
置では偏光を利用して観察時にマスクからの反射光をカ
ットしている。従って、マスクのパターンはウェハから
の反射光で照明される事になる。不図示の光源からの光
Ｌ１は偏光ビームスプリッタ−５を通過しＰ偏光した光
となってマスクｌを照明する。この際、光Ｌ１は、その
偏光方向が偏光ビームスプリッタ−の偏光方位と合致し
ている光でも又、無偏光の光でも良い。このマスク１か
らの反射光Ｌ２は再度偏光ビームスプリッタ−１５に入
射するので、偏光ビームスプリッタ−に対して透過する
Ｐ偏光のままであり、従って偏光ビームスプリッタ−１
５を通過し、ちと来た方向に戻ってしまう。また、投影
光学系２２の中にはλ／４板２３が配置されており、λ
／４板２３を通過した光Ｌ３は円偏光となりウェハ２を
照明する。ウェハ２で反射した光Ｌ４は再度λ／４板２
３を通過し入射時と偏光方向が９０’　直交した直線偏
光光（Ｓ偏光）となり、マスクｌを介して偏光ビームス
プリッタ−１５に入射する。従ってこの結果ウェハに到
達した光は今度はビームスプリッタ−１５を反射し、肉
眼５３又は撮像素子等によりマスク１とウェハ２アライ
メントマーク間の相対位置関係を検出する観察光Ｌ５と
して受光される。従って、マスク１のマークはウェハか
らの反射光によって照明される事になるのである。偏光
を利用しない装置の場合は、第６図で１／４波長板２３
が無く、偏光ビームスプリッタ−５が単なる偏光特性の
無いビームスプリッタ−と　なったことに相当する。

この場合の問題点は３つ存在している。

第１の問題点は光量の問題である。偏光ビームスプリッ
タ−を用いない場合は透過率と反射率が共に５０％であ
る時が光利用効率が最高であり、この時の観察光の光利
用効率は２５％である。一方、偏光ビームスプリッタ−
を用いれば偏光ビームスプリッタ−を透過後の効率はλ
／４板の設定がベストであれば１００％である。偏光ビ
ームスプリッタ−を最初に透過する時の効率は入射光が
無偏光であれば５０％、偏光タイプのレーザーを用いた
場合にはきちんとレーザ光の偏光方向と偏光ビームスプ
リッタ−の偏光方位を合致させれば、１００％である。

即ち、偏光を利用しないと光利用効率が１／２〜１／４
以下になってしまう。これは光電検出にとって不利な方
向である。

第２の問題は前述のマスクの硝子面からの反射光がウェ
ハからめ反射光に対してフレア光としてのってしまう問
題である。

第３の問題はウェハ像のコントラストとマスク像のコン
トラストに係る信号処理上の問題である。

即ち、ウェハ２の反射率が低い場合にはレチクルｌのク
ロムの反射光が強く検出されてウェハが検出しに（い状
態となってしまう。第７図に偏光を利用した時としない
時でのマスク像とウェハ像に対応する信号出力を示す。

第７図（Ａ）に示す様にマスクのクロム部７（アライメ
ントマーク）の間にウェハのアライメントマーク９があ
ったとして、これらをＣＣＤカメラで撮像した時の走査
線１０に沿う信号出力が第７図（Ｂ）、（Ｃ）に示され
ている。第７図（Ｂ）が第６図で説明した偏光を利用し
た場合で、マスクのクロム部７に対応する信号出カフ′
が、ウェハのマークのない部分に対応する信号出力１０
７′　より低くなる。これはマスクからの反射光を直接
受光せずに、ウェハからの反射光によりマスクを照明し
ているためである。一方、第７図（Ｃ）は偏光を利用し
ない場合で、マスクのクロム部７からの強い反射光をそ
のまま受光するためクロム部７に対応する信号出カフ′
は高いものとなる。一方、ウェハのマーク９に対応する
信号の方はウェハの反射率が低く、又、マスクの硝子面
からの反射光によりコントラストが低くなっている。従
って、偏光を利用しないと、両者の信号出力差があまり
に大きくなってしまう。又、入射光の光量を調光して撮
像素子からの信号が最適出力となる様にすることを考え
ると、偏光を利用した場合には、第７図（Ｂ）のウェハ
に対応する信号出力１０７’　　で調光すればよいが、
偏光を使用しない場合の第３図−Ｃの出力ではレチクル
のクロム部の出カフ′で調光することになりウェハのア
ライメントマークを検出することにとっては適さない。

このように偏光を利用してマスクやウェハを観察するこ
とは、利用しない時に比べて大きな利点があったが、マ
スクをウェハからの反射光で照明しているため、ウェハ
に対応する出力１０７’　　が低い場合にはマスクを検
出できないという問題が生じる。

第８図はウェハ面１１３上にフォトレジスト１１４が塗
布された時の様子を示している。位置合せ用のウェハア
ライメントマーク１１６の近傍では、マークの段差の影
響を受けてレジスト１１７の厚さが変化する。一般にウ
ェハの反射率はレジスト１１７の厚さによって変化し、
レジスト厚ＴＰＲが入射光のλ／４に等しい厚さの場合
、レジスト表面での反射光１１８とウェハ表面からの反
射光１１９とが干渉しウェハからの反射光の強度が低く
なってしまう。

入射光の波長をλ、レジスト１１７の屈折率をＮとすれ
ば、 ＴＰＲ＝（ｍ±］／４）λ／Ｎ　（但しｍは整数）を満
たす時、反射光の強度が低くなる。最悪の場合は、レジ
ストからの反射光１１８の強度とウェハ面からの反射光
１１９の強度とが等しい時であり、反射光の出力はなく
なってしまう。たまたまこの様な条件をマスクのパター
ンに相当する箇所のウェハの部分が満足すると、マスク
に対応する信号は検出できない事になる。一方、ウェハ
のアライメントマーク１１６の上のレジスト１１７は、
マークの段差近傍で厚さが変わるために干渉条件が変化
する。従って反射光も変化しマークエツジからの散乱も
相撲ってマスクは検出できないにも拘らずウェハだけは
検出できる。この様にウェハは検出できてもマスクは検
出できない場合があるという問題が生じるのである。殊
に、ウェハはプロセスの影響を太き（受け、検出精度上
も問題が大きいが、マスクは硝子基板上にクロムパター
ンというほぼ理想的なバターニングのなされた検出対象
であり、このマスクが検出できないという事は重大な欠
点と言える。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、常時２つの
物体を観察することができる観察装置を提供することに
ある。

上記目的を達成するために、本発明に係る露光装置は、
光源と該光源と第１物体の間に設けた偏光分割手段と、
前記第１物体のパターンが投影される第２物体と前記第
１物体の間に設けた第１位相変換素子とを有し、前記光
源からの光を前記偏光分割手段を介して前記第１及び第
２物体に向け、前記第２物体からの反射光を前記第１位
相変換素子と前記偏光分割手段を介して選択的に取り出
し、該反射光により前記第１及び第２物体を観察する装
置であって、前記偏光分割手段と前記第１物体の間の光
路中に第２位相変換素子を設けたことを特徴とする。

本発明の更なる特徴と具体的な形態は後述する実施例に
詳しく示されている。

〔実施例〕

第１図は本観察装置の基本原理を示す説明図であり、第
６図で説明した従来の装置との差は、偏光ビームスプリ
ッタ−５（偏光分割手段）とマスク１（第１物体）との
間に更にλ／４板５板金４２位相変換素子）を設けた点
にある。

第２図と同様に光の状態を追っていくと、光源５７から
のＰ偏光した入射光Ｌｌは偏光ビームスプリッタ−５を
通過後も直線偏光光（Ｐ偏光）としてλ／４板５板金４
射する。このλ／４板５板金４ットアングル（入射光の
偏光方向とλ／４板５板金４晶軸とのなす角）を０″　
　とすれば、５４は何の作用もせず従来の場合と変わら
ない。一方、セットアングルを０°からずらすとマスク
１で反射した光Ｌ２’　　は偏光ビームスプリッタ−５
を透過する光（Ｌ５’　）だけでなく反射する光成分（
Ｌ５’　）を持つ様になる。一般にλ／４板５板金４ッ
トアングルをθとすると、λ／４板５板金４回通過した
光は、入射した方向に対して２θだけ偏光方向の異った
直線偏光となる。従ってθ＝θ°の時はλ／４板５板金
４の作用もしないが、θがある値を持つと、偏光ビーム
スプリッタ−５で反射する光成分の偏光成分も持つ様に
なる。セットアングルを４５°にすると透過光Ｌ５’　
は無（なり、すべての光が反射光Ｌ５’　　となる。こ
の様子を第２図を用いて説明する。

第２図に入射光Ｌ１の偏光方向とλ／４板の結晶軸ＯＡ
と反射光Ｌ５’　　との関係を示す。第５図（Ａ）はセ
ットアングルθがθ＝４５’　の例で、そのλ／４板５
４を２回通過するとセットアングルθの２倍即ち２θ＝
９０’偏光方向が変わる。即ち入射光Ｌ１から偏光面が
９０°回転した状態（Ｓ偏光）で、偏光ビームスプリッ
タ−５に入射する事になるのである。

偏光ビームスプリッタ−５は入射光Ｌ１の偏光方向（Ｐ
偏光）の光を透過させる性質を持っているが、今後は逆
にマスクｌから直接反射して来る光（Ｓ偏光）に対して
は反射する作用を持つ。その為、マスク１からの反射光
は全て受光される事になるのである。一方、この時マス
ク１を通過する光は円偏光であり、投影光学系２２内の
λ／４板２板金３過する。ここで、このλ／４板２板金
３射光Ｌｌに対してセットアングルθがθ＝４５°　と
なっている。この為、第２図（Ａ）の場合、２つのλ／
４板２３，５４が共に同じ方向に結晶軸ＯＡを向けてい
て、ウェハ２（第２物体）を照明する時には入射光Ｌ１
と同じか（Ｐ偏光）又は９０°偏光面が回転した偏光光
（Ｓ偏光）となる。ウェハ２で反射した反射光は再度２
つのλ／４板２３．５４を通ることにより結局入射光Ｌ
１と同じ偏光方向をもつ光となる。この結果、ウェハ２
迄到達した光はその偏光方向からして偏光ビームスプリ
ッタ−５を全て透過する光Ｌ６’　　となり偏光ビーム
スプリッタ−５で反射する光（Ｌ６’　）はゼロになる
。従って受光素子５３はマスクｌからの反射光Ｌ５’　
　のみ受光してウェハからの反射光Ｌ６’　　は受光し
ない。一方、第２図（Ｂ）に示すようにセットアングル
θをθ＝２２．５°　とした時には、マスク１からの反
射光Ｌ２’　は２θ＝４５°偏光方向を変える。マスク
１からの反射光の中で偏光ビームスプリッタ−５で反射
する光Ｌ５’　　の強度は、図中の反射光Ｌ２’　を示
すベクトルをＸ軸への投影した分の光Ｌ５’　　であり
、透過する光Ｌ５’　の強度は同様にｙ軸へ投影した分
の光となる。λ／４板５４のセットアングルをθとする
と、マスクｌからの反射光はその偏光面を２θ回転させ
られ、偏光ビームスプリッタ−５を透過する光Ｌ５’　
は入射光Ｌ１の光量を１とすればｒｃｏｓ’２θ」の光
量となる。同じく偏光ビームスプリッタ−５を反射する
光Ｌ５’　の光量はｒ　ｓ　ｉ　ｎ’　２θＪとなる。

従って、λ／４板５４を光軸を回転軸として回転させな
がらマスクｌからの反射光の光成分Ｌ５’　の強度を最
適に調整することができる。

マスク１の反射率は安定しているが、ウェハ２の反射率
は、ＩＣ製作時のプロセス毎にさまざまであり、安定し
ていない。その為、マスク１とウェハ２から安定した光
量を得る為には、ウェハ２が低反射率の時には、強い光
、ウェハ２が高反射率の時には弱い光を照射するといっ
た調光が必要となる。

前述の第７図（Ｃ）の信号例の様に、偏光を使用しない
例では、マスク信号に悪影響を及ぼすことな（ウェハ２
に対してうまく調光することは不可能であるが、本発明
の様に位相変換素子であるλ／４板５４を設け、このセ
ットアングルθを変えて調光すれば、入射光強度に依存
させずに一定の強さの光をマスクから得ることができ、
ウェハ信号のレベルをあげるといった本来の意味での調
光が可能となる。

第３図に第１図の装置でマスクとウェハのマークを撮像
した時の信号例を示す。

第３図（Ａ）は第７図（Ａ）と同じくマスクとウェハの
アライメントマーク７．９の像の状態を示している。第
３図（Ｂ）はウェハ２が反射率が高い時で、マスクマー
ク７に対応する出カフ′　のコントラストが十分な場合
である。第３図（Ｃ）がウェハ２の反射率が低い最も酷
しい場合の例でウェハマークの信号のエツジは検出でき
るもののウェハ２の反射率が低い為マスクマーク信号の
コントラストが低い。この時、第１図のλ／４板５４を
所定量回転させると、第３図（ｄ）に示す様にマスクマ
ーク信号がコントラストよ（検出できる。さらにλ／４
板５４を回転させると第３図（Ｅ）に示す様にマスクマ
ーク信号は更に大きくなる。この時ウェハマーク信号は
相対的に低くなるが、その分はウェハに対する入射光の
強度を上げることにより第３図（Ｆ）の様な信号を得る
ことができる。

以上の様にウェハマーク信号の状態とマスクマーり信号
の状態をモニター１、適宜λ／４板５４の状態（結晶軸
の方向）をコントロールする事により、レチクルマーク
信号とウェハマーク信号の双方を好適に処理できる様な
レベルの信号にしてやる事が可能となるのが本発明の大
きな特徴である。

ここでλ／４板の状態といったのはλ／４板５４の回転
成いは抜き差し等の事を総合して表現したものであり、
種々の変形を本発明において許容するものである。

例えば、ウェハ２に吸収型のレジストが塗布されていて
ウェハ２の反射率が低い場合には、マスクマーク信号は
慢性的に検知困難に陥る事がある。ウェハマーク信号は
この時第８図にみられる様なアライメントマーク付近の
ちょっとした膜厚の変化が検知できるがマスクは光エネ
ルギーの吸収と干渉の組合せで検知に困難さがつきまと
う事が多いのである。この様な場合は、偏光ビームスプ
リッタ−とマスク１の間の光路でのλ／４板５４の使用
が特に有効であり、プロセスさえ安定し、ていればλ／
４板５４を固定した条件で光路中に挿入するだけで充分
な効果を得る事ができる。勿論、ステッパー等の縮小投
影光路装置の場合など、マーク検知信号に基づいて各シ
ョット毎にλ／４板５４の角度をコントロールする様に
しても良い。

この様なウェハ及びレチクルの信号のコントロールの為
、第１図の装置では信号判定機能向けのＣＰＵ５５、λ
／４板５４の駆動系５６を備えており、光源５７に光量
コントローラがついている。

図示するように、ＣＰＵ５５と駆動系５６、撮像素子５
３、光源５７は信号線により電気的に接続されており、
撮像素子５３からの画像信号のレベルやコントラストに
応じてＣＰＵ５５が駆動系５６及び光源５７の光量コン
トローラを制御し、駆動系５６により偏光板５４の回転
角を調整し、光量コントローラにより光源５７からの光
の強度を調整する。

特にステッパーの場合、あらかじめ別のプリアライメン
ト系でウェハ２の位置は所定の位置に対して士数μｍの
精度で送りこまれてくる。従って撮像素子５３に対する
領域を制限して信号処理をしてやれば第３図で示した様
な出力コントロールを行う事が可能となる。

この様に本発明では偏光の性質を利用しているため、投
影光学系２２中のλ／４板２板金３りに、反射光学系の
場合には位相特性を持つ反射膜（位相変換素子）を用い
た場合にもこの考え方は適用できる。又、プロキシミイ
タイプの半導体露光装置等の様々な露光装置に適用でき
る。

〔他の実施例〕 第４図に第１図の装置をレーザー走査光学系と共用して
いる例を示す。レーザー１１から射出した偏光レーザー
光はポリゴンミラー１３により偏向させられ、「−θレ
ンズ１４を介して等速走査させられて、偏光ビームスプ
リッタ−１５、フィールドレンズ１６、ビームスプリッ
タ−１７、リレーレンズ１８、対物レンズ２１によりレ
チクル上集光したビームとなり走査される。この時ビー
ムスプリッタ−１７は偏光ビームスプリッタ−ではなく
、レーザー光を８０〜９０％透過させるハーフミラ−プ
リズムである。

レチクル１を透過したレーザー光は投影レンズ２２内の
λ／４板２板金３りウェハ２で反射した再度λ／４板２
３を通りその偏光方向を９０°変える。これによりウェ
ハ２からの反射光は偏光ビームスプリッタ−１５で反射
し、投影レンズ２２＠面と共役な位置に配置した暗視野
観察用の空間周波数フィルター３２により暗視野信号と
して受光素子３４で受光される。

レチクル１で直接反射したレーザー光はプリズム１７で
反射する光と透過する光があり、反射した光は偏光ビー
ムスプリッタ−１５′　　を透過し、投影レンズ２２の
瞳面と共役な位置に配置した空間周波数フィルター３２
′　により暗視野信号として受光素子３４′　で受光さ
れる。

次にレチクルｌ及びウェハ２のアライメントマークの像
を撮像素子５３で撮像する場合について述べる。照明光
として、前述のレーザビーム走査時とは異なり、スポッ
ト径が大きな光をレチクル１及びウェハ２に照射する為
に、ポリゴンミラー１３の手前に拡散板６３を入れる。

もちろん、前述のレーザビーム走査時にはその光路を妨
げない様に退避させている。この拡散板６５を、アライ
メントマーク像の撮像時に回転させることにより、ポリ
ゴンミラー１３によるレチクルｌ上での走査方向に垂直
方向に生じるスペクトルパターンの影響を除去する。

λ／′４板５４を偏光ビームスプリッタ−】５とレチク
ルｌの間に挿入しない時は、前述の第６図の様に、ウェ
ハ２からの反射光のみが偏光ビームスプリッタ−１５で
反射し、偏光ビームスプリッタ−１５で反射した光はビ
ームスプリッタ−１７に入り、それから撮像素子５３の
方に反射される。

撮像素子５３を用いる時には回転拡散板６３が入ってい
る為、暗視野検知のレーザビーム走査法は使えないので
、ビームスプリッタ−１７を切り換えミラーにしておい
た方が光利用効率は良い。ビームスプリッタ−１７で反
射した光はエレクタ−５２を介して撮像素子５３にマス
クとウェハのアライメントマークの像を形成する。ここ
では、従来の光学系に加えて更にλ／４板５板金４置さ
れ、ウェハ２の反射率に応じて最適なセットアングルと
なる様にλ／４板５板金４転させて止める。この時、レ
ーザ１１による照明光量を変化させる必要がある時は、
レーザー１１から射出後のレーザ光の光路中に設けた調
光系５５で光量変化させる。又、照明光量の調整法は他
にも様々あり、光源として半導体レーザーを使用するの
ならレーザーの動作電流を変えてもいいし、何種類かの
Ｎｏフィルターを用意しておき、これらを光路中で入れ
換えてもいいし、光路中に設けた偏光板を回転させても
いいし、ＡＯ素子、ＥＯ素子等により光強度の変調をす
ることもできる。

第４図で示す様に、本観察装置は偏光を使用して２物体
を観察する様々な光学系に実施することができる。

第５図は本発明の更なる実施例であり、レーザーではな
く通常の光源を用いた場合の構成例を示す。

又、この図は光学系を斜め上方より視た鳥轍図であり、
レチクル１より上の部分のみ図示しである。

この例ではレチクル１の左右２つのアライメントマーク
を見る様に構成されており、視野合成プリズム４０で２
つの各マークに対応する視野が合成される。

Ｍで示したのはミラーであるが、ミラーＭは光学系を折
り畳む為のものであり、この他にも種々の変形が考えら
れる。光源はファインパー４２であり、４１が照明系の
コンデンサレンズである。又、ファイバー４２の他方の
端面には不図示の光源より光が導かれている。偏光ビー
ムスプリッタ−５の作用は第１図と第４図同様であり、
λ／４板５板金４像素子５３の出力に基づいてその回転
角θを制御される。

〔発明の効果〕

以上、本発明では従来の光学系にλ／４板などの位相変
換素子を加え、そのセットアングルθを制御する事によ
り、マスクやレチクルとウェハなどの、第１と第２物体
に対応する信号を双方ともＳ　、／’　Ｎ比良く検出す
る事を可能とした。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本原理を示す説明図。 第２図（Ａ）、（Ｂ）はλ／４板の結晶軸方位を入射光
の偏光方向との関係を示す説明図。 第３図（Ａ）〜（Ｆ）は第１図に示す観察装置における
撮像素子からの出力信号の変化を示す説明図。 第４図は本発明の観察装置を搭載したアライメントマー
ク検出光学系の一例を示す概略構成図。 第５図は本発明の観察装置を搭載したアライメントマー
ク検出光学系の他の例を示す鳥轍図。 第６図は従来の観察装置を示す模式図。 第７図（Ａ）〜（Ｃ）は第６図に示す装置と偏光を利用
しない装置における撮像素子からの出力信号の変化を示
す説明図。 第８図はウェハ上に塗布したフォトレジストによる干渉
の影響を示す説明図。 １・・・マスク ２・・・ウェハ ５・・・偏光ビームスプリッタ− ２２・・・投影光学系 ２３・・・λ／４板（第１位相変換素子）５３・・・撮
像素子 ５４・・・λ／４板（第２位相変換素子）５５・・・Ｃ
ＰＬＩ ５６・・・λ／４板駆動駆 動系・・・光源 （Ｄ） （Ｅ） （’Ａ） （Ｂ） （Ｃ） ７′ 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源と、該光源と第１物体の間に設けた偏光分割
   手段と、前記第１物体のパターンが投影される第２物体
   と前記第１物体の間に設けた第１位相変換素子とを有し
   、前記光源からの光を前記偏光分割手段を介して前記第
   １及び第２物体に向け、前記第２物体からの反射光を前
   記第１位相変換素子と前記偏光分割手段を介して選択的
   に取り出し、該反射光により前記第１及び第２物体を観
   察する装置であって、前記偏光分割手段と前記第１物体
   の間の光路中に第２位相変換素子を設けたことを特徴と
   する観察装置。
2. （２）前記第２位相変換素子が光軸の回わりに回転可能
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の観
   察装置。