JPS6141902A - 位置検出装置 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、試料面の位ｔ’を検出する位置検出装置に関
する。

（発明の背景） 従来、位置検出装置として斜入射型のものが知られてい
る。この種のものは、例えば試料面に斜め方向から元ビ
ームを投影する投影光学系を設けると共に、試料面から
の反射光ビームを受光する友めの光電変換素子を有する
受光光学系金膜け、光電変換素子の受光面での反射光ビ
ームの位置変化から試料面の位置を検出しようと−ｒる
ものであって、焦点位置の設定を自動的に行なう装置等
に用いられている。

一方、例えば％開昭５６−１３７１０１号公報に開示さ
れている如く、所定の面積を有する充電変換層と、４辺
に位置信号端子を有すると共に前記光電変換層に積層し
た均一な抵抗層と、前記光電変換層の前記抵抗層と反対
の面に積層した共通端子を有する導電層とからなり、光
の入射し九点（光量分布の中心位置・・・以下重心位置
と称す）で充電変換層に生じ７ｔ１！荷゛金前記抵抗層
と前記位置信号端子を経由して放電するとき、対向する
前記位置信号端子に分流しｔ電荷の差によって入射光の
重心位置を直交座標系による座標信号Ｖ、Ｈとして出力
する２次元光位置検出器が知られている。

そこでこのような２次元光位置検出器を上述の光電変換
素子として用いると、座標信号としては入射光ビームの
重心位置に対応し九座標信号が得られるから（試料面の
一方向の移動は受光面では反射光ビームの一方向の移動
となるから、この一方向を受光面での座標系の一方に一
致させておけば、例えば座標信号Ｖにのみ着目すれば良
い。勿論この場合には一次元の光位置検出器を用いるこ
とができる。）所定の形状の光マークを斜め方向から試
料面に投影する投影光学系と、この投影光学系と同一平
面内に光軸を有し、上記２次元光位置検出器に上記光マ
ークを結はする結處光学系を設けることにより、２次元
光位置検出器の座標信号ｖ、Ｈを試料面の位置に対応す
るように簡単に構成することもできる。

しかしながら、このような２次元光位置検出器金光電変
換素子として用いると、光マークの形成される試料面の
反射特性が場所的に異なり九分布を与えるような場合、
信号Ｖ、Ｈと試料面の位置とが対応しなくなってしまう
。

従って、正確な位置測定ができなくなるという欠点が生
じてしまう。

（発明の目的） 本発明はこのように光電変換素子として２次元光位置検
出器を用いた場合の欠点を解消し、光マークの形成され
る試料面の反射特性が場所的に異なった分布金与えても
、正確に位置検出を行なうことのできる位置検出装置を
得ることを目的とする。

（発明の概要） 本発明は、所定の形状の光マークを試料面に斜め方向か
ら投影する投影光学系と、この投影光学系の光軸と同一
平面内圧光軸を有し、光量重心位置に相当する直交座標
信号を出力する２次元光位置検出器に前記光マークの試
料面での反射光金集光する集光光学系と、からなる斜入
射型位置検出光学系を、試料面が所定の位置にあるとき
に互いの光マークが試料面上で重なるように各々の光軸
を含むａｋ直交せしめて一対配設し、前記２次元光位置
検出器の一方における光量重心位置の移動が、試料面に
垂直な方向への移動によるのか、試料面の反射特性の不
均一性によるのかを前記２次元元位置検出器の他方の出
力座標信号をモニターして判定する判定手段を設は文位
置検出装置である。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例に用いられる斜入射光学系
の基本的な構成を示す図である。光源ｌからの光はコン
デンサレンズ２１に通して矩形開口絞り３ｉ裏面から照
射する。矩形開口絞り３の矩形開口は投影レンズ４によ
って試料５の表面（試料面）に結像する。試料５は観察
用の対物レンズ６の光軸方向へ上下する不図示のステー
ジ上に載置され、第１図の状態では試料５の表面対物レ
ーンズ６の合焦位置に設定されているものと仮定する。

試料５０表面に結像した矩形開口による反射光は焦光レ
ンズ７によって、２次元光位置検出器８上に集光し、検
出器８上には矩形開口が結欧する。

そして、光源１．コンデンサレンズ２．矩形開口絞り３
．投影レンズ４によって形成される第１投影光学系の光
軸ｔ１と試料５０表面に垂直な対物レンズ６０光軸ちと
なす角度は−ψ、でおり、集光レンズ７．２次元光位置
検出器８によって形成される第１集光光学系の光軸ｔ、
と光軸４となす角度はψ１であり、第１投影光学系と第
１集光光学系とで第１の斜入射型位置検出光学系を形成
する。

そして本実施例では、ＵＳ２図に示されたような概略的
な原理の平面図のように、試料の表面に垂直でかつ光軸
Ａｔ　、４　ｋ含む平面に直交する面内にも、第１図に
示した第１の斜入射型位置検出光学系と全く同一の光学
系にて形成される第２の斜入射型位置検出光学系が配設
されている。すなわち、第２の斜入射型位置検出光学系
を形成する投影光学系の光軸ｔ１と第２集光光学系の光
軸ｔ、が配設されている。なお、ＷＪ１投影光学系、第
１集光光学系の各要素に対応するものにはプライムを付
して示す。そして、試料５が対物レンズ６０合焦位置に
設定されている場合、両投形光学系によって試料５の表
面に形成される矩形開口像は互いに重なるように位置合
わせがなされている。

いま、矩形開口１ａ３０の生じている試料５の表面に反
射率の差が６ｖ、具体的には第２図の斜線の部分が他の
部分より反射率が低いとすれば、２次元光位置検出器８
．８′上の矩形開口＠は第２図に平面的に示した如く罠
なる。すなわち、２次元光位置検出器８では図のように
座標系の方向Ｖ。

Ｈｔ一定め、（第１斜入射光学系の光軸を含む面の方向
１ｖ、それに直交する方向ｉＨとする）かつ光電変換面
の中心ｔ−原点とすれば、座標信号はｖＡ＝α、ＨＡ＝
Ｏとなる。すなわち、斜線部分は光量が落ちるので、本
来はＶ、　Ｗ　Ｏであるべきなのであるが、重心位置Ｑ
Ａは明るい方向（Ｖの正方向）に片寄るからである。従
りて、２次元光位置検出器８の出力信号のみから位置検
出を行なう場合には、試料が合焦位置裏り対物レンズ６
側にある、すなわち後ビン、と判断されてしまうわけで
ある。

一方、２次元光位置検出器８′側では図のように座標系
Ｖ、Ｈｇ定め（第２斜入射光学系の光軸と含む面の方向
１ｖ、それに直交する方向をＨとする）かり光電変換面
の中心を原点とすれば、座標信号はＶ１工Ｑ　、　Ｈｉ
　＝βとなる。

ここで、２次元光位置検出器８のＶ方向と２次元光位置
検出器８′のＨ方向の座標信号は近似的に等しく（すな
わち、上述の例ではαキβでおる）。

ま九２次元光位置検出器８のＨ方向と２次元光位置検出
器８′のＶ方向の座標信号も近似的に等しい（上の例で
は共に０とし九）。従って、もし２次元光位置検出器８
′のＨ方向での重心移動が見られない場合には、２次元
光位置検出器８のＶ方向の座標信号は試料の位置にのみ
起因するものであり、位置の正しい情報を与えているこ
とになる。逆に２次元光位置検出器８のＨ方向での重心
移動が見られない場合には、２次元光位置検出器８′の
■方向の座標信号は試料の位＠ＶＣのみ起因するもので
ろる。それ故、２次元光位置検出器８，８′の各々を互
いにモニターすることによって、正しい位置信号のみｔ
弁別することができる。

＠４図は２次元光位置検出器８，８′から得られる座標
信号を処理する回路の一実施例である。

２次元光位置検出器８から得られる座標信号ＶＡは、ア
ナログデジタルコンバーター（以下Ａ／Ｄ変換器と称す
）９にてデジタル座標信号剋に変換され友後、第１セレ
クタｌＯの一方の入力端子に入力される。第１セレクタ
ｌＯの他方の入力端子には、２次元光位置検出器８′か
らの座標信号ｖ１’ｉＡ／Ｄ変換器１１にて変換したデ
ジタル信号Ｖ≦が入力されている。第１セレクタ１０の
制御端子ｖｃは、２次元光位置検出器８′の座標信号Ｈ
ａが所定の範囲に入っているか否か判定する第１ウイン
ドコンパレータ１２の出力端子が接続されている。

第１ウインドコンパレータ１２は位置検出の精度にエフ
決定される電圧”ｔ　＋　ｖｔ　ｔ”上限、下限の電圧
として有し、座標信号Ｈ１がウィンド電圧■Ｉ　ｒＶ！
の間にあれば第１信号を、それ以外のときは一第２信号
を出力する。第１セレクタ１０は制御信号として第１信
号が入力されるとＡ／Ｄ変換器９の出力信号Ｖｉ　ｋ出
力端子に出力し、制御信号として第２ｇＩ号が入力され
るとＡ／Ｄ変換器１１の出力信号ｖＩｔ−出力端子に出
力する。第１セレクタ１０の出力端子は第２セレクタ１
４の一方の入力端子に接続される。第２セレクタ１４の
他方の入力端子はアース電位に落とされている。第２セ
レクタ１４の制御端子にはオアゲート１５の出力端子が
接続されており、オアゲート１５の一方の入力端子には
＠１ウィンドコンパレータ１２の出力端子が接続され、
他方の入力端子には、２次元光位置換出器８の座標信号
ＨＡｔ−ウィンド電圧ｖＩ　＋Ｖｔと比較する第２ウイ
ンドコンパレータ１３の出力端子が接続されている。第
２ウインドコンパレータ１３は第１ウインドコンパレー
タ１２と同じものであって、座標信号Ｈ＾がウィンド電
圧Ｖ、、Ｖ、の間にあれば第１信号【出力し、それ以外
のときは第２信号を出力する。第２セレクタ１４は制御
端子に８ｇｌ信号が入力されれば第１セレクタ１０から
の信号を出力し、第２信号が入力されればアース電位音
出力する。オアゲート１５はいずれかの入力端子が＠１
信号であると第１信号倉出力し、それ以外のときは第２
信号を出力する。オアゲート１５から出力される第２信
号は異状警告信号としても用いられている。

このような宿造であるから、座標信号Ｈａがウィンド電
圧■１とｖｔの間にあってウィンドコンパレータ１２か
ら第１信号が生じていれば、セレクタ１０はＡ／Ｄ変換
器９からの座標信号Ｖａ’　ｋ出力する。そして、オア
ゲート１５は、入力信号の少くともいずれか一方が第１
信号であれば、セレクタ１０からの信号を出力するから
、セレクタ１４からは座標信号■ム′が出力される。こ
の信号は不図示のステージの合焦位置からのずれに対応
したｖｔ有する。また、ウィンドコンパレータ１２から
第２信号が生じていれば、セレクタｌＯはＡ／Ｄ変換器
１１からの座標信号Ｖ１’を出力する。そしてこの場合
は、座標信号Ｈ＾がウィンド電圧Ｖ。

と■！の間にあって、第２ウインドコンパレータ１３が
第１信号を出力していれば、座標信号ｙ　、１はセレク
タ１４金通って出力される（この信号もステージの合焦
位置からのずれに対応した値を有する。）が、第２ウイ
ンドコンパレータ１３が第２信号を出力していれば、セ
レクタ１４はアース電位全出力し、一方、オアゲート１
５の第２信号は異状信号として測定不能の警告用に使わ
れる。

従って、本実施例の装置に裏れば、矩形開口像の生じて
いる標本の表面の反射特性が部分的に異なっていても、
直交する斜入射型位置検出光学系のうち、上述の不均一
な反射特性の影響？受けない方の光学系による信号音用
いるようにしているので精度の良い位置検出が可能であ
る。

そして得られ九合焦位置からのずれに対応する信号はず
れの方向ｔも示しているものであるから不図示のステー
ジの上下動を制御するモータの駆動回路にセレクタ１４
の出力信号を入力するようにしておけば、オートフォー
カスが実現できる。

勿論、セレクタ１４の出力信号ｔ−表示し、表示値がＯ
になるようにステージをマニュアル駆動するように成し
ても良い。ま九、試料５の対物レンズ６０光軸方向の位
置を表示するように成しても良い。

第２図の状態のときには、ｌ（ｓ＋βであるが、この場
合は重心移動が許容範囲外で心り、βは電圧Ｖ、　、　
Ｖ、の間にはない。従って、セレクタ１０はＶ１１′＝
０ヲ出力し、セレクタ１４はＨム；０であるからセレク
タ１０からのＶ＋＋’　＝　Ｏｆ、出力する。従って、
試料５０表面は合焦位置にあることがわかる。

なお、以上の実施例では矩形開口絞り３金用いたが、絞
り開口の形状は矩形に限らず、円形その他であっても構
わず、また、一つの斜入射型位置検出器において投影光
学系と集光光学系が試料面に立てた法線となす角度の絶
対値は等しくなくてもよい。ただし試料面が鏡面に近い
場合は等しくなくてはいけない。

また、上述の実施例の如く、２次元光位置検出器の座標
の一方が試料面の移動方向に対応していることが信号処
理の上で簡単になる利点はある−が、この工うな位置関
係にしなければ目的が達成されないわけではなく、補正
演算上すること？いとわなければ、同様のことが行なえ
る。

また、対物レンズ６の合焦位置に試料面がある二きに２
次元光位置検出器と試料面とが共役になっていることは
必ずしも必要ではなく、いずれも電気的な座標位置の補
正全行なうことにエフ本発明の目的を達成することがで
きる。

また、測定面がウェハの如き直交する方向へ規則性を有
するパターンの形成されたものの場合、パターンの各々
の方向へ一対の斜光照明光学系の光軸を含む面？各々一
致させる如く構成すれば、反射特性の不均一性の方向も
パターンの方向へ一致している場合が多いので、測定不
能の確率？小さくすることができる。

（発明の効果） 以上述べた如く本発明によれば、反射面にムラがあって
も正しい位置情報のみが得られるから、例えばステージ
？連続移動させて試料面の高さ金堂に一定の位置に設定
しておく必要のある各種の装置に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に用いられる斜入射光学系
の基本的な構成を示す図、第２図は本発明の第１実施例
の原理を概略的に示す平面図、第３図は第２図の２次元
光位置検出器から得られる座標信号金処理する電気ブロ
ック図である。 （主要部分の符号の説明） １・１′・・・光源、２・２′・・・コンデンサレンズ
。 ３・３′・・・矩形開口絞り、４・４′、・・・投影レ
ンズ。 ５・・・試料、７・７′・・・集光レンズ、８・８′・
・・２次元光位置検出器、１０・１４・・・セレクタ、
１２・１３・・・ウィンドコンパレータ、１５・・・オ
アゲート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の形状の光マークを試料面に斜め方向から投影する
   投影光学系と、前記投影光学系の光軸と同一平面内に光
   軸を有し、光量重心位置に相当する直交座標信号を出力
   する２次元光位置検出器に前記光マークの試料面での反
   射光を集光する集光光学系と、からなる斜入射型位置検
   出光学系を、試料面が所定の位置にあるときに互いの光
   マークが試料面上で重なるように各々の光軸を含む面を
   直交せしめて一対配設し、前記２次元光位置検出器の一
   方における光量重心位置の移動が、試料面に垂直な方向
   への移動によるのか、試料面の反射特性の不均一性によ
   るのかを前記２次元光位置検出器の他方の出力座標信号
   をモニターして判定する判定手段を設けたことを特徴と
   する位置検出装置。