JPH0670955B2 - 観察装置 - Google Patents

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エハとの位置合わせの
ために、このマスクとウエ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、VSP4,406,5
46で開示してあるような装置が良く知られている。

マスクを介してウエ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
エ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、ウエ
ハからの反射光でマスクとウエ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
ツトしている。従って、マスクのパターンはウエハから
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ツター５を通過しＰ偏光した光と
なってマスク１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ツター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ツター15に入射するの
で、偏光ビームスプリツターに対して透過するＰ偏光の
ままであり、従って偏光ビームスプリツター15を通過
し、も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は円偏光となりウエハ２を照明する。ウエハ２で
反射した光L4は再度λ/4板23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１
を介して偏光ビームスプリツター15に入射する。従って
この結果ウエハに到達した光は今度はビームスプリツタ
ー15を反射し、肉眼53又は撮像素子等によりマスク１と
ウエハ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
クはウエ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、偏光ビームスプリツター５が単なる偏
光特性の無いビームスプリツター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。偏光ビームスプリツ
ター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、偏光ビームスプリツターを用
いれば偏光ビームスプリツターを透過後の効率は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
リツター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ツターの
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エ
ハからの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の問題はウエ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、ウエハ
２の反射率が低い場合にはレチクル１のクロムの反射光
が強く検出されてウエハが検出しにくい状態となってし
まう。第７図に偏光を利用した時としない時でのマスク
像とウエ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）
の間にウエ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に対応する信号出力７′が、ウエハのマ
ークのない部分に対応する信号出力107′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、ウエ
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に対応する信号出力７″は高いものとな
る。一方、ウエハのマーク９に対応する信号の方はウエ
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）のウエハに対応する信号
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力７″
で調光することになりウエ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エハを観察するこ
とは、利用しない時に比べて大きな利点があったが、マ
スクをウエハからの反射光で照明しているため、ウエハ
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図はウエハ面113上にフオトレジスト114が塗布され
た時の様子を示している。位置合せ用のウエハアライメ
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。一般にウエハの反射
率はレジスト117の厚さによって変化し、レジスト厚T_PR
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とウエハ表面からの反射光119とが干渉しウエ
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、 T_PR＝（ｍ±1/4）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の強度とウエハ面からの反射光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
のウエ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、ウエ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俟ってマスクは検出で
きないにも拘らずウエハだけは検出できる。この様にウ
エ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、ウエハはプロセスの
影響を大きく受け、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パ
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
ツター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54（第２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L1は偏光ビームスプリツター５を通過
後も直線偏光光（Ｐ偏光）としてλ/4板54に入射する。
このλ/4板54のセツトアングル（入射光の偏光方向とλ
/4板54の結晶軸とのなす角）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、セツトアン
グルを０°からずらすとマスク１で反射した光L2′は偏
光ビームスプリツター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54のセツトアングルをθとすると、λ/4板54を２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＝０°の時はλ/4板54
は何の作用もしないが、θがある値を持つと、偏光ビー
ムスプリツター５で反射する光成分の偏光成分も持つ様
になる。セツトアングルを45°にすると透過光L5″は無
くなり、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）はセツトアングル
θがθ＝45°の例で、そのλ/4板54を２回通過するとセ
ツトアングル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、偏光ビームスプリツター５に入射する事になる
のである。

偏光ビームスプリツター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１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23を通過する。ここで、このλ/4板23は入射光L1に対
してセツトアングル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、ウエハ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。ウエハ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L1と同じ偏光方向をもつ光となる。この
結果、ウエハ２迄到達した光はその偏光方向からして偏
光ビームスプリツター５を全て透過する光L6″となり偏
光ビームスプリツター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１からの反射光L5′の
み受光してウエハからの反射光L6′は受光しない。一
方、第２図（Ｂ）に示すようにセツトアングル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
偏光ビームスプリツター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のセツトアングルをθ
とすると、マスク１からの反射光はその偏光面を２θ回
転させられ、偏光ビームスプリツター５を透過する光L
5″は入射光L1の光量を１とすれば「cos²2θ」の光量と
なる。同じく偏光ビームスプリツター５を反射する光L
5′の光量は「sin²2θ」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１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、ウエハ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とウエハ２から安定した光量
を得る為には、ウエハ２が低反射率の時には、強い光、
ウエハ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くウエハ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、このセツト
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、ウエ
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エハのマークを撮像
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エハの
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）はウエハ２が反射率が高い時で、マスクマーク
７に対応する出力７′のコントラストが十分な場合であ
る。第３図（Ｃ）がウエハ２の反射率が低い最も酷しい
場合の例でウエハマークの信号のエツジは検出できるも
ののウエハ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
がコントラストよく検出できる。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。この時ウエハマーク信号は相対的に低く
なるが、その分はウエ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。

以上の様にウエハマーク信号の状態とマスクマーク信号
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
とウエ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の回転或いは
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、ウエハ２に吸収型のレジストが塗布されていて
ウエハ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。ウエハマーク信号は
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
リツターとマスク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、ステツ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ヨツト毎に
λ/4板54の角度をコントロールする様にしても良い。

この様なウエ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53、光源5
7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。

特にステツパーの場合、あらかじめ別のプリアライメン
ト系でウエハ２の位置は所定の位置に対して±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23の代りに、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により偏光させられ、ｆ−θレンズ
14を介して等速走査させられて、偏光ビームスプリツタ
ー15、フイールドレンズ16、ビームスプリツター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ツター17
は偏光ビームスプリツターではなく、レーザー光を80〜
90％透過させるハーフミラープリズムである。

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23を通りウエハ２で反射した再度λ/4板23を通りそ
の偏光方向を90°変える。これによりウエハ２からの反
射光は偏光ビームスプリツター15で反射し、投影レンズ
22瞳面と共役な位置に配置した暗視野観察用の空間周波
数フイルター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
スプリツター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イルター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１及びウエハ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、スポツト
径が大きな光をレチクル１及びウエハ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１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
偏光ビームスプリツター15とレチクル１の間に挿入しな
い時は、前述の第６図の様に、ウエハ２からの反射光の
みが偏光ビームスプリツター15で反射し、偏光ビームス
プリツター15で反射した光はビームスプリツター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、
ビームスプリツター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。ビームスプリツター17で反射した
光はエレクター52を介して撮像素子53にマスクとウエハ
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54が設置され、ウエハ２の
反射率に応じて最適なセツトアングルとなる様にλ/4板
54を回転させて止める。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フイルターを用意して
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瞰図であり、レチクル１
より上の部分のみ図示してある。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。光源はフアインバー42であ
り、41が照明系のコンデンサレンズである。又、フアイ
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。偏光ビームスプリツター５の作用は第１図と第４
図同様であり、λ/4板54は撮像素子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、そのセツトアングルθを制御する事によ
り、マスクやレチクルとウエハなどの、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瞰図。 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図はウエハ上に塗布したフオトレジストによる干渉
の影響を示す説明図。 １……マスク ２……ウエハ ５……偏光ビームスプリツター 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……CPU 56……λ/4板駆動系 57……光源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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。