JPH027046B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超精密パターン焼付等に用いるパター
ンジエネレーター装置等のミクロン単位の感光面
の凹凸に対し、焦点合わせが可能なパターン焼付
装置用焦点検出装置に関する。

〔従来の技術〕

ICやLSI等の半導体素子を製作する工程に使わ
れるパターンジエネレーター装置は半導体素子の
内部構造の性格上ミクロン単位以下の位置合わせ
精度でミクロン単位又はそれ以下の微細パターン
を感光物体に焼付せねばならない。その為縮写レ
ンズは超高分解能を有することが必要で、たとえ
ば1600本／mm程度の分解能を有するレンズを使用
する事が望ましい。この様なレンズを使用した場
合、焦点深度は0.5μｍ以下となり、焦点検出は前
記寸法よりさらに高精度のものが要求される。

パターンジエネレーター装置は感光面を感光面
に平行なＸ−Ｙ平面内で、ミクロン単位以下の精
度で移動させながら所定の位置座標のそれぞれの
部分部分にミクロン単位又はそれ以下の寸法、面
積をもつ図形を焼付することが要求される。それ
故感光面のミクロン単位以下の凹凸に対し常に、
焦点を合わせなければならない。市販されている
高解像力乾板に於いて、感光面の凹凸は12μｍ程
度あり、この凹凸に対して充分追従可能な焦点検
出装置でなければならない。又、焼付図形の面積
がミクロン単位又はそれ以下が要求される為焦点
検出も上記面積内にて行う必要がある。

以上述べた様にパターンジエネレーター装置に
実装可能な焦点検出装置は極微小寸法の中で高精
度に焦点を検出する事が要求され、通常、カメラ
や映写器等に使用される焦点検出装置では感光面
のミクロン単位以下の面積に於いての凹凸に対し
て焦点を検出することは困難であり実装は不可能
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のカメラや映写機等に使用する焦点検出装
置としては、例えば特公昭32−8346号公報があ
る。この例に開示されている焦点を検出する装置
においては対物レンズを通過した光は運動するス
リツトの上に結像する。そして運動するスリツト
を通過した光は間歇的光となり光電装置に入射
し、その光電装置からの「光電流に含まれた周波
数の電流強度を自動的に変化させて比較すること
により、装置を最上に精密調整する測定電流を生
ぜしめる。」ことを特徴としている。この例の装
置の場合、感光面を光電装置までの光路学的に等
価である、別な位置に設定しなければならず、又
運動スリツト面に固定像を結ばせて焦合状態を検
出するためスリツト盤上の固定像の一定領域内で
スリツトを運動させることが必要となつている。
それ故にパターンジエネレーター装置におけるよ
うに感光面の部分部分にＸ−Ｙ面で高速度に移動
しながら、感光面の凹凸に対して焦点を検出しつ
つ極めて多くのそれぞれ異なるパターンを焼付け
する事は不可能であり、又スリツト盤の大きさ及
び運動領域をミクロン単位又はそれ以下に製作
し、運動させる事は現実に全く不可能である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の目的は、ミクロン単位程度の凹凸を有
する感光面上に複雑なLSIの回路図を、ミクロン
単位以下の精度で焦点検出をしながら、次から次
へと逐次感光面上を移動しながら、焼付けること
を可能とする焦点検出装置を提供することであ
る。本発明の他の目的は数十万〜数百万以上の露
光シヨツト数からなる複雑かつ、ミクロン精度の
寸法のLSIの回路図を50回／秒以上の高速で露光
することを可能とする焦点検出装置を提供するこ
とである。

すなわち、本発明は、第１の波長の光で焦点を
検出し、これとは異なる波長の第２の波長の光で
焼付用パターンを縮小してミクロン単位の凹凸を
有する感光面に焼付け、このような焦点検出と焼
付けを繰り返えし行うパターン焼付装置の焦点検
出装置であつて、複数の線からなる縞状部分を有
する焦点検出用パターン、前記焦点検出用パター
ンを前記感光面に縮小して結像させる縮写レン
ズ、前記感光面で反射した映像を検出する測定素
子、及び前記焦点検出用パターンの映像の明暗の
境界が前記測定素子の面上をよぎるようにする機
構から少なくともなり、前記第１の波長の光で前
記測定素子で検出した測定信号により光量変化を
検出して前記感光面における合焦状態を検出する
ことを特徴とするパターン焼付装置用焦点検出装
置である。

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明の焦点検出装置を応用した超精密
パターンジエネレーター装置の一実施例を示す部
分図である。

第１図の焦点検出用の光源１を別に設けて使用
し、第一のハーフミラー４、及び第二のハーフミ
ラー７を有している場合である。

焦点検出用の光源１には白色灯及び水銀灯、発
光ダイオード等を用いる。光源１より発した光は
フイルター２を通過し、感光面９の感光領域外の
第１の波長の光になる。この第１の波長の光は焦
点検出用パターン３を通過し、そのパターンを投
影して、第一のハーフミラー４に入射し、90゜反
射、屈折して第二のハーフミラー７を透過して縮
写レンズ８を通り、感光面９に縮小して結像す
る。その一部の光は感光面９で反射して再び縮写
レンズ８を通り、第二のハーフミラー７により
90゜反射、屈折され、集光レンズ６により入射光
は集光される。この場合、集光レンズ６を使用し
ない場合第二のハーフミラー７より測定素子まで
の距離が長くなる。集光された投影パターンは、
測定素子５に入射して焦点を検出するものであ
る。焦点検出後は、第１の波長とは異なる波長
の、感光面９の感光領域内の第２の波長の光で焼
付け用パターンを感光面に焼付け、次の感光面内
の場所の焦点検出を第１の波長の光で行う。

第１図における焦点検出用の光源１及びフイル
ター２、焦点検出用パターン３は、その各々の目
的を得ることが出来るものであれば、兼ねること
も出来る。例えば発光ダイオード等を使用すれ
ば、焦点合わせ用の光波の発光波長に感光材に感
光しにくい波長を使用し、更に発光パターンその
ものを焦点検出用パターン３として使用すれば、
フイルター２及び焦点検出用パターン３は不必要
となる。

又、例えばハーフミラーの位置を中心だけにす
る等、ハーフミラーのある場所を調節すること
は、レンズに入る焼付光線の通る場所と焦点合わ
せ用光線が通る場所の異なるとき、焼付光線をフ
イルターを入れないでも避けることができ焦点合
わせの精度が下がらない。

測定素子５における焦点検出は、第２図ａに１
例を示すごとく受光素子１０と投影されたパター
ン１１が、相対的にパターンの映像の明暗の境界
をよぎるごとくさせることにより、焦点がずれて
いればａに示す如く明暗の勾配がゆるく、焦点が
合つてくればｂに示す如く勾配は急になつてく
る。従つてぼけの勾配、即ち微分値を検出するこ
とによつて、焦点の程度を検出することができ
る。すなわち、測定素子５に投影されるパターン
の明暗の境界が焦点位置に近づくに従い鮮明にな
る為、この明暗の境界をよぎるように構成されて
いる測定素子で検出される光量の変化速度は増加
し、焦点位置にて極大となる。

検出用パターンとしては、第２図ｂに示す如く
検出感度を上げるために縞状であり、又荒い焦点
合わせと精密な焦点を検出するためにごばんの目
のようなパターンでもよい。第２図ｃに示す如
く、荒い焦点検出の方は間隔が広く精密な焦点検
出をする方は間隔の狭いような検出用パターン
を、各々図に示す矢印方向に方向を変えて振らせ
ることにより、荒い焦点検出と精密な焦点の検出
をしてもよい。又、第２図ｄに示すようなパター
ンを配置し矢印方向に振動させることにより、振
動方向を変えずに荒い焦点検出と精密な焦点検出
ができる。例えば縮写レンズ８に明かるさＦ＝
1.2、焦点距離28.6mm、縮写倍率1/25のレンズを
用いて1600本／mmの解像力で縮写したとする。

この場合焦点深度は0.5μとなる。

例えば、感光面を焦点より0.5μずらしたとき第
１図の場合には、焦点合わせ用パターンの測定素
子面でのぼけは感光面９のぼけが縮写レンズ８で
拡大されて約10μとなる。従つて10μ以内に合わ
せれば、感光面９は縮写レンズ８の焦点深度以内
に入る。

さらに振る速度としては、感光面もしくは縮写
レンズを移動させる速度より速ければよい。

以上により焼付けパターンを1/25に縮写して、
しかも1600本／mmの解像力で感光させることがで
きる。このパターンの組み合わせ及び振動方向に
ついて、すべてを述べることは不可能であり、ま
たここに示したパターンに限られるものではな
い。

次に投影パターンの明暗の境界を測定素子が相
対的によぎる方法について述べると、電歪、磁
歪、あるいは電磁石等を使用して、投影パターン
が測定素子の受光面と平行方向に移動するように
構成すればよい。その為には、パターンを固定し
て測定素子を移動させてもよく、逆に測定素子を
固定してハーフミラーの移動回転等によりパター
ンを移動させてもよい。

受光素子としては、ホトダイオード、ホトトラ
ンジスタ、ホトコン等光電変換素子により検出す
ることができる。このとき、多線条パターンなど
を使うと振動は正弦波的であるのが普通である
が、移動速度は刻々変化し、振れ切れているとき
一番おそいので、出力は中心で大きく両端で小さ
くなる。この誤差を避けるためには振動と同期し
た補正回路をつけるなどしてもよいが、最も簡単
なのは多線条の数を充分多くして、線条の境界が
ほゞ中心位置にきているようにしておいて、振巾
の最大値を検出するようにするのが最も容易であ
る。

〔実施例〕

第３図ａ，ｂは本発明の焦点検出装置を応用し
た超精密パターンジエネレーター装置の一実施例
で、第３図ａは焼付用光源１３及び焼付用パター
ン１５をそのまゝ焦点検出用の光源１及び焦点検
出用パターン３として使用した場合を示す。これ
は、通常LSIの回路パターンは多数の線よりなる
縞状パターンをその一部に含むので、その縞状パ
ターンをそのまま焦点検出用パターンとして使用
できるからである。直接焼付用光源１３を用い
て、フイルター１４と焼付用パターン１５を通
り、焼付け用の光の波長とは異なる波長の焦点検
出用の光となりズームレンズ１６を通りハーフミ
ラー１７を透過して、縮写レンズ８より感光面９
の上面で結像し、反射して再び縮写レンズ８を通
過してハーフミラー１７に入射し90゜反射屈折し
て、集光レンズ６により投影パターンは測素子５
に入射して焦点を検出するものである。

この第３図ａの方法は焦点検出用の光源１及び
焦点検出用パターン３は特に設けないで、焼付用
光源１０、焼付用パターン１５をそのまま用いる
ことが出来る。そして焼付の場合は当然フイルタ
ー１４は取り除かれ焼付け用の波長の光になり露
光される。なお図中１８はコンデンサーレンズ、
１９はバリアブルアパーチヤー、２０はフイルタ
ーを示している。

又、第３図ｂは焦点検出装置を焼付用光軸内に
組み込んだ場合である。

第３図ａと同様に直接焼付用光源１３よりフイ
ルター１４、焼付用パターン１５を通して、ズー
ムレンズ１６を通り縮写レンズ８に入射し感光面
９の上面に結像する。そして反射して再び縮写レ
ンズ８を通り集光レンズ２２により投影パターン
は集光され、測定素子２１に入射して焦点が検出
されるものである。

又、二点鎖線の如く、集光レンズ６、測定素子
５をズームレンズ１６の前に入れ、ハーフミラー
１７にて反射投影パターンを測定素子５に入射さ
せ焦点を検出してもよい。もしくは集光レンズ
６，２２、及び測定素子５，２１を焼付用光源１
３の近くに設け検出してもよい。この方式はズー
ム比などを変えた時の焦点ズレまで補正される利
点がある。これ以外の方式の時はズームレンズ１
６の起こす焦点ズレを予め見込んでどこかで補正
しておくことが有効である。

以上幾つかの焦点検出装置について説明したが
感光面９からの反射光（高解像力乾板及びフオト
レジスト等の感光領域外の波長光）を用いて投影
されたパターンの明暗の境界が測定素子を相対的
によぎるごとくさせ、そのボケの微分値を読むこ
とにより焦点が合つているかどうか、その程度の
検出を行なえば良く、本発明は以上の説明に限ら
れるものではない。

又、ズームレンズの起こす焦点ズレと同様に、
焦点検出用の光波長と焼付用の光波長の違いによ
る焦点距離の差は、予め焦点検出用パターン３も
しくは測定素子５，２１の位置を補正しておくこ
とにより除かれる。又ここに使用されるハーフミ
ラーは、誘電体多層蒸着膜等により、焼付用の光
波長には100％透過し、焦点検出用の光波長に対
してはハーフミラーにしておくことも出来る。更
にこの装置では測定素子５，２１からの焦点検出
結果をもとにして、自動的に感光面９、縮写レン
ズ８等を移動させ自動焦点合わせを行なうことが
出来ることはいうまでもない。

第４図は第１図で説明した本発明の焦点検出装
置を組み込んだ超精密パターンジエネレーター装
置の一実施例である。

焼付用光源１３から発せられた光は先ずｈ線用
干渉フイルター（404.7ｍμ）等のフイルター２
０を通過する。此のフイルター２０はｈ線
（404.7ｍμ）ｅ線（546.1ｍμ）ｇ線（435.8ｍμ）
用のコーテイングを施こしたズームレンズ１６、
縮写レンズ８にｈ、ｅ、ｇ線等のフイルターを使
用することにより、解像力を高めるものである。
尚ｈ線を使用することによつてフオトレジストを
塗布したSiウエハー等に直接焼付することも出来
る。

フイルター２０を通過した光は、404.7ｍμの
波長の光になり焼付用パターン１５を投影して、
ズームレンズ１６に入射する。焼付用パターンと
してバリアブルアパーチヤー１９或いはマスター
ライブラリーにより作られたスリツト、スポツト
等を用いることも出来る。ズームレンズ１６に入
射投影されたパターンは、ズーム比で可変縮少さ
れ一旦結像し、その後拡散光となり進む。この拡
散光の一部が縮写レンズ８の入射瞳に入射して、
第２結像部におかれた感光面９、例えば高解像力
乾板、及びフオトレジストの塗布されたSi等の投
影パターンを縮写焼付するものであり、その焦点
検出は第１図で説明した様に焦点検出用の光源１
を別に設け、焦点検出用パターン３、フイルター
２を通して第一のハーフミラー４及び第二のハー
フミラー７を透過し、縮写レンズ８により、感光
面９に投影パターンを入射し、反射した光を縮写
レンズ８を通して第二のハーフミラー７により反
射、屈折させ、集光レンズ６により測定素子５に
焦点検出用パターン３の像を結ばせ焦点を検出す
るものである。

焼付けは、例えば感光面９を原図（例えば、焼
付パターン、バリアブルアパーチヤー、マスター
レテイクル、サーキツトライブラリー等）に対し
て相対的に振らせておくことにより、感光面９が
正しい焦点にくれば、焦点検出用受光素子５の出
力は最大値を示す。このような点を中心として相
対的に感光面９を振動するように合わせておけ
ば、振動が停止したときに焦点にあつていること
になるから焦点合わせは容易にできる。そして、
この最大値の時に、感光面９を振らせたまま短時
間焼付用光源のXeのフラツシユを働らかせるか、
又はシヤツターを動作させることによりパターン
を焼付けることもできる。又、フラツシユさせる
位置に少なくとも近づいたとき、感光面９の振動
を停止するよう、もしくは少なくとも問題がなく
なる位に減衰したとき同期させ、フラツシユさせ
たり、シヤツターを動作させてもよい。

また、感光面９を振動させる代りにレンズ系の
一部を焦点の位置をずらすべく、光源や検出装置
の方が光の進行方向に振動させるべくしても、丁
度焦点の合つたところがあれば最大振巾になるか
ら、同じようにして焦点が合つていることを検知
することができる。前述したように、パターンジ
エネレーターにおいては感光面を移動させなが
ら、感光面の所定の部分部分にミクロン単位又は
それ以下の寸法、面積をもつ図形を焼付けること
が要求されるので、感光面の光の進行方向（光
軸）に垂直なＸ−Ｙ平面上で、ミクロン単位以下
の超精密な精度で移動する必要があり、感光面を
振動させる代りに、光学系の方を振動させた方が
装置の構成は簡単になる。

本発明を応用したパターンジエネレーターで
は、12μの乾板の凹凸に対し、フラツシユ時間
10μsecのXeランプを使用して、自動的に焦点を
0.05μ以内におさえ、50回／sec以上の速度で感光
面の所定の部分部分に移動しながら焦点合わせ及
び焼付を繰返すことによつてLSIの複雑なパター
ンを描画することが可能である。

感光面９からの反射した光を使用すれば、感光
面９の状態、例えば酸化膜パターン及び感光材パ
ターン等の既存するパターンから、感光面９の現
在位置を検出することもできる。つまり、酸化膜
から反射する光のスペクトルや単一波長について
の強さは、シリコンから反射するものと異なるか
ら、反射光のスペクトルや強さを測ることによつ
て、酸化膜とシリコンの境界が検知できる。従つ
て、既存するパターンと次に焼付けるパターンの
位置合わせと焦点検出を同時に行なうこともでき
る。

以上本発明について超精密パターンジエネレー
ター装置に組み込んだ場合について説明したが、
本発明はパターンジエネレーター装置に用いるの
みでなく、ステツパー（逐次移動式縮小露光装
置）、DSW（直接描画装置）等の他の半導体露光
（焼付）機器の焦点検出にも用いられることはい
うまでもない。

今迄の説明によつて本発明の主旨は明確になつ
たと思うが、細かい応用については到底詳述する
ことは不可能であるので、本発明の思想を損わな
い限りにおいて適宜応用可能なことはいうまでも
ない。

〔発明の効果〕

以上説明した様に本発明の焦点検出装置は常に
焦点を正確に、且つ迅速に検出でき又焦点の検出
に露光用の光とは波長の異なる光を用いたことに
より感光材等を感光させることもなく、かつ歪、
傷などを付ける心配がなく、レンズの焦点深度が
いかなるものでも焦点検出が容易である。

また、本発明によれば、焦点検出と露光が極め
て短時間で出来るので、数十万〜数百万以上の露
光シヨツト数から成るLSIの回路パターンが極め
て短時間で露光描画できる。本発明によれば、焦
点検出と焦点調整が極めて高精度に出来るので、
マスク乾板に12μｍ程度の凹凸があつても、高精
度なLSIの回路パターンが描画できるので、マス
ク乾板の製造工程も安価になり、工業的価値は高
い。本発明によれば、露光面での凹凸は問題とな
らないので、３次元構造のLSIの半導体表面にお
ける複雑な凹凸面に対するDSW（マスクを使わな
い直接描画）も極めて容易に出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図ａ，ｂは本発明の焦点検出装
置の一実施例の部分図、第２図ａ乃至ｄは測定素
子における焦点検出の一例を示す図、第４図は第
１図で説明した本発明の焦点検出装置を組み込ん
だ超精密パターンジエネレーター装置の一実施例
を夫々示している。 １……光源、２，１４，２０……フイルター、
３……焦点検出用パターン、４……第一のハーフ
ミラー、５，２１……測定素子、６，２２……集
光レンズ、７……第二のハーフミラー、８……縮
写レンズ、９……感光面、１０……受光素子、１
１……パターン、１３……焼付用光源、１５……
焼付用パターン、１６……ズームレンズ、１７…
…ハーフミラー、１８……コンデンサーレンズ、
１９……バリアブルアパーチヤー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の波長の光で焦点を検出し、これとは異
   なる波長の第２の波長の光で焼付用パターンを縮
   小してミクロン単位の凹凸を有する感光面に焼付
   け、このような焦点検出と焼付けを繰り返えし行
   うパターン焼付装置の焦点検出装置であつて、複
   数の線からなる縞状部分を有する焦点検出用パタ
   ーン、前記焦点検出用パターンを前記感光面に縮
   小して結像させる縮写レンズ、前記感光面で反射
   した映像を検出する測定素子、及び前記焦点検出
   用パターンの映像の明暗の境界が前記測定素子の
   面上をよぎるようにする機構から少なくともな
   り、前記第１の波長の光で前記測定素子で検出し
   た測定信号により光量変化を検出して前記感光面
   における合焦状態を検出することを特徴とするパ
   ターン焼付装置用焦点検出装置。