JPS6049886B2 - 顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は深い焦点深度を有する顕微鏡に関する。

顕微鏡は想像力を上げる為に開口数を大きくすると、そ
の自乗に反比例して焦点深度が小さくなる事が知られて
いる。

この為開口数の大きい対物レンズの深度は数ミクロン程
度しかなく、観察できるのは対象物件のほんの一断面に
すぎなくなつてしまう。例えば生体観察などで時々刻々
変化していく現象を追つていく場合など、この様な制限
は極めて重大な欠陥となる。一方最近、焦点深度の深い
光学系が要求されている事の背景には、こうした生体観
察などの他に半導体工業の発達も大きい。

即ち半導体工業のもたらした集積回路（ＩＣ）ＬＳＩな
ど）技術では最小線幅が既にミクロンオーダーに達して
いる。ＩＣの製造はシリコン等の半導体基盤上に幾つも
のパターンを重ねていく事によつてなされるが、最小線
幅がミクロンだけに重ね合わせの精度もミクロン或いは
サブミクロンといつたオーダーが必要とされる。一方Ｉ
Ｃの検査もミクロンの想像を必要とする為に顕微鏡対物
の使用が必至であるが、測定対象物のシリコンウェーハ
−などが対物レンズの深度以上の凹凸を持つている為、
測定していくうちにピットが狂つてしまうといつた様な
欠点があつた。顕微鏡が焦点深度が浅いという事は特に
前者の位置合せの際に深刻である。何故なら通常ＩＣの
焼付によく用いられているコンタクト焼付、或いはプロ
キシミテイ法といわれる焼付法で一は焼付パターンを持
つマスクと、焼付けられるべきウェーハ−の距離を数十
ミクロン程度離して位置調整を行うからである。マスク
とウェーハ−がお互いに接触してしまつては位置調整の
しようがないので数十ミクロン離して位置調整するのは
必フ須の条件であるが、この数値が、高い想像力を有す
る顕微鏡対物レンズの深度よりかなり大きな値である事
は明らかである。従つて例えばマスクにピットを合わせ
ればウェーハ−の像がぼけてしまい、逆にウェーハ−の
方にピットを台わせればマ５スクの方のピットがずれて
しまうという事でこの悪循環の為に位置合せの精度が期
待できないという欠点があつた。本発明の目的は上述の
欠点を解消するための深い焦点深度の顕微鏡を提供する
ことである。

そしてこの目的は顕微鏡の光軸に対して前後方向に異な
つた複数個の観察面に対する像を光路長補正手段によつ
て同一面上に結像させることによつて達成出来る。以下
本発明の実施例を図面を使用して説明する。

第１図は第１実施例を示すもので、この第１実施例は半
導体焼付機のアライメントスコープに本発明の顕微鏡を
適用した例てある。１はマスク、２はウェハーである。

これらマスク、ウェハー１，２は不図示の公知の適宜な
照明光学系によつて照明されている。３は対物レンズで
ある。

この対物レンズ３からの光束はビームスプリッター４に
よつて光束５，６に分割される。７，８はミラーである
。

９は分割された光束５，６を再統合するためのハーフミ
ラーである。

１０，１１は夫々分割された光束５，６の光路中に配さ
れた光路長補正用ガラスブロックである。

このガラスブ購ンク１０，１１は同一平面１２上にマス
クの像１３、ウェハーの像１４を形成するためのもので
ある。すなわち、光路６によつてウェハー像１４が形成
され、光路５によつてマスク像１３が形成される様にす
るためには、例えば同一の屈折率のガラスブロックを使
用するとすれば、ガラスプロ，ツク１１の厚さをガラス
ブロック１０の厚さに対してＴａ？■程度厚くすれば良
い。但し、ｔはマスク１とウェハー２の空気間隔、αは
対物レンズの縦倍率、ｎはガラスブロックの屈折率であ
３る。１５は接眼レンズである。

本実施例はこの様に構成されている為、接眼レンズ１５
を介して、間隔を−置いて配されたマスク１とウェハー
２の像１３，１４を同時に観察可能である。従つて、深
い焦点深度の顕微鏡が得られる。尚、光路６によ３つて
当然ウェハーの像１４のみならず、マスク１の像も形成
され、又、光路５によつてマスクの像１３のみならず、
ウェハー２の像も形成されるが、これらの像はデイフオ
ーカス像であるためあまり目に付かない。
４，尚、本実施例に於いては分割した
両方の光束５，６中に光路長補正部材１０，１１を配し
たが、一方の光束中に配しても良い。又、２光束に分割
し、２つの面を観察する場合について説明したが、３光
束以上に分割し、３つの面以上を観察する様にしても良
い。第２図には本発明の第２実施例が示されている。

この実施例は第１実施例とほぼ同一であるが配置が多少
異なり、ハーフミラーを光束分割用と、光束再統合用に
共用している。すなわち、ハーフミラー１６によつて夫
々分割された光束５，６は光路長補正部材１０，１１を
通して、ミラー１７，１８に向う。このミラー１７，１
８によつて反射された光束は再び光路長補正部材１０，
１１を通過して、ハーフミラー１６に向い、このハーフ
ミラー１６によつて再統合される。この再統合された光
束はミラー１９によつて面１２の方向に向けられ、この
面上にウェハーとマスクの像１３，１４を形成する。尚
、この様な配置の場合、光路長補正部材１０，１１を光
束５，６は２度通過することを考慮してこの部材１０，
１１の厚さを設定しなければならない。第３図には本発
明の第３実施例が示されている。

この実施例では光路長補正部材としてミラーが使用され
ている。すなわち、ミラー１７とハーフミラー１６との
間隔に比してドけ短い位置に配置されたミラー１８によ
つて同一面１２上にウェハーとマスクの像１３，１４は
形成される。第４図はコンパクトに構成した第４実施例
が示されている。この実施例は２枚のハーフミラー２０
，２１を使用している。そしてこのハーフミラー２０，
２１はその間が空気である場合、その間隔はＲである。
図面に於いてはこの２枚のハーフミラー２０，２１はガ
ラスブロックに夫々担持され、ハーフミラー２０，２１
の間隔はガラスブロックによつて占められている。この
第４実施例はこの様な構成になつているため、平面上に
はハーフミラー２０，２１を通過した光束によつてウェ
ハー２の像１４が形成され、更にハーフミラー２１によ
つて反射されハーフミラー２０を透過した光束によつて
マスク１の像１３が形成される。光路長補正用のガラス
ブロックはあらかじめ固定されたものでも良いが第５図
には第１，第２，第４実施例に適用可能な可変光路長補
正部材が示されている。すなわち、（ａ）は２個の同一
屈折率のガラスブロック２２，２３によつて形成され、
一方のブロック２３を矢印方向に移動させることによつ
て、所望の光路長補正部材が得られる。又、（ｂ）は肉
厚が段階的に異なるガラス板２４で、このガラス板２４
を光束中に１段階毎に入れることによつて所望の光路長
補正部材が得られる。又、（ｃ）は肉厚が区分２５〜２
８毎に異なるガラス円板で、回転させることによつて、
所望の光路長補正部材が得られる。尚、第４実施例にこ
れ等の光路長補正部材を使用する場合は、表面、裏面に
夫々ハーフミラーを設ければ良い。第３図の例では光路
１５，６の長さを調整できる様にミラー１７又は１８が
移動できる様にすればよい。通常の顕微鏡による観察だ
けならこれだけの方法で効果が大であるが、更にこの方
法を測定に用いる場合にはもう少し細かい配慮が必要で
ある。

即ち今迄説明してきたマスクとウェハーの位置合せの様
な２物体の相対位置測定の様な場合には、マスクの像の
倍率とウェハーの像の倍率が異なつてしまうと、大きな
誤差を生じる結果を招く。この様子は第６図に示してあ
る。２９と３０は同じ−大きさの物体てありレンズ３１
によつて３２と３３に像を結ふ。

２９と３０は光軸上で少しずれており、この関係はマス
ク１とウェハー２の関係と相似てある。

本発明ては前述の方法により、像３２と３３の位置を一
致させるわけであるが、像の大きさまでは変えないので
、両物体の相対位置の観察には誤差が生ずる。精密測定
の場合にはこの点を考慮しなければならない。この様な
誤差を除く為に、顕微鏡対物レンズとしてはまず、テレ
セントリックなものを用いる事が望ましい。

テレセントリック対物レンズはレンズの前側焦点位置に
瞳位置があり、その為、光束の中心てある主光線は光軸
に対して平行になる。この様子は第７図に示す通りで、
３４の瞳が、対物レンズ３の焦点位置に置かれている。
この様なレンズを使用する事によつて光軸に対して前後
方向に異つた物点は光軸に対して直角な方向に横ずれす
る事なしに結像系に入る事ができる。しかしながらテレ
セントリック対物レンズを用いるだけでは精度は実は十
分ではない。第７図においてはリレーレンズ３５が配置
されているが、リレーレンズもまたテレセントリックに
なつていなければ倍率の誤差が生じてしまうのである。
第７図のリレーはテレセントリックになつていないので
、リレーレンズを出た後の主光線は光軸に対して傾いて
いる。物体１，２の像１３，１４は図示の位置にできる
が光軸に対して平行な位置関係にあるＡ，Ｂが本発明の
方法により、１３と１４の位置を一致させた後ではＡ″
とＢ″となつて位置が一致せず、あたかもΔの位置ずれ
があるかの様に観察されてしまう。第８図がリレーレン
ズ３６までテレセントリックになつている例である。リ
レーレンズを出た後の光束の中心である主光線は対物レ
ンズに入射する場合と同様に光軸と平行なので、Ａ″Ｂ
″は横ずれなく観察される。即ちＡＢの関係を正しくＡ
″Ｂ″に反映させる事ができる。リレーレンズのテレセ
ントリックの度合は測定精度により異なり、１３と１４
の位置のずれる度合によつても異なるので適当に選ぶ事
が重要であり、横ずれが許容できる範囲でテレセントリ
ックを崩してもよい。半導体焼付のアライメントスコー
プはどでは対物レンズの位置が動くので多少のリレーレ
ンズのテレセントリック性が崩れるが、問題が生じない
程度に設計が可能である。観察面である１と２の間の距
離が非常に近い場合には第１図〜４図までの通常の顕微
鏡系で十分な場合もある。また第９図に示した様に精度
を要する系で対物リレーともテレセントリックにした場
合にはハーフミラーを用いた本発明の光学系の部分３７
はリレーと結像面の間に置かれる事は勿論である。以上
の様に本発明はハーフミラーを有効に用いて焦点深度を
深くし、またそれにテレセントリック光学系の思想を加
える事によつて精密測定も可）能となる様にしたもので
あり、顕微鏡による像の観察及び検出に多大の効果が期
待される。

実施例においてはウェハーとマスクを例にとつて説明し
たが、ウェハーとマスクをそれぞれ顕微鏡で観察しよう
という観察面と考えれば通常の顕５微鏡観察にも適用が
可能なことは十分理解されよう。

また実施例の説明でアライメントスコープとして用いる
場合には、２つの対物レンズが必要であるがここでは簡
単の為１つだけを例にとつた。

プθロキシミテイ法やコンタクト法ではアライメントを
行つた後にマスクとウェハーの距離を縮めたり、コンタ
クトさせてしまつたりするが、その時の距離の変化量に
応じて、光路長補正用ユニットを連動して動かせば常に
マスクと、ウェハーの両者にピントを合わせて観察でき
る。従つて例えばプロキシミテイ法でアライメント時ギ
ャップが５０μで焼付ける時２０μという風に変化させ
た場合、この変化に対応して調整部材を動かせばアライ
メントしてから、焼きつける為マスク、ウェハー間の距
離を縮めた際に位置ずれが生じなかつたかをきちんと観
察する事ができる。また本方法を逆用すれは光路長補正
用手段の移動量により任意の２つの面の間の距離を算出
する事も可能てある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の顕微鏡の第１実施例を説明する図、第
２，第３，第４図は夫々第２，第３，第４実施例を説明
する図、第５図は可変光路長補正部材を示す図、第６図
は非テレセントリック結像系を説明する図、第７図はテ
レセントリック対物レンズと非テレセントリックリレー
レンズよりなる結像系を説明する図、第８図はテレセン
トリック対物レンズとテレセントリックリレーレンズよ
りなる結像系を説明する図、第９図は第５実施例を説明
する図である。 図中、１はマスク、２はウェハー、３は対物レンズ、４
，９はハーフミラー、７，８はミラー、１０，１１は光
路長補正部材、１３，１４はマスク、ウェハー像、１５
は接眼レンズである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ テレセントリツクな顕微鏡対物レンズからの光束を
   複数個の光束に分割する手段と、この複数個に分割され
   た光束を再統合する手段と、再統合された光束を受ける
   テレセントリツクな顕微鏡リレーレンズと光軸上で離れ
   た距離に存在している複数個の観測面を同一面上に結像
   させるために、前記複数個に分割された光束の少なくと
   も１つの光路中に、観測面間の光軸上の距離Ｘ顕微鏡対
   物レンズの縦倍率分だけ光路長を補正する光路長補正手
   段が配されていることを特徴とする光軸上で異なつた位
   置の複数観測面観察可能な顕微鏡。