JPS6337364B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は結像系の像面と本来この結像系が像を
結像すべき第２の面との間のずれを求めるため
に、補助ビームを出力する放射線源と、上記第２
の面で第１回の反射を受けた補助ビームの通路内
に置かれ、この補助ビームを第２の面の方に戻す
反射要素と、第２の面で２回目の反射を受けた後
の補助ビームの通路内に置かれる２個の放射線感
応検出器とを具え、上記放射線感応検出器と反射
要素とが前記結像系に連結されており、２個の検
出器の出力信号が前記ずれの目安となるように構
成された光−電子検出系を具える光学的結像装置
に関するものである。

微細な構造を結像できるレンズ系は開口数が大
きく、従つて焦点深度が浅い。この種のレンズ系
は例えば集積回路を製造するためにマスクパター
ンを半導体基体上に結像させるのに使われるが、
その場合例えばマスクパターンの像が実際に結像
される面と、本来結像させるべきであつた面、例
えば半導体基体の表面との間のずれを検出し、こ
れによりレンズ系を再調整できるようにすること
が大事である。

而して容量法でこのずれの量を求めることがで
きる。この場合は一方ではレンズ系に金属板を取
り付け、他方では半導体基体の表面をメタライズ
し、これらの金属板とメタライズされた面とでで
きるコンデンサの容量をずれの量の目安とする。
またこのずれの量は空気圧力センサで測定するこ
ともできる。しかしこれらの方法は距離測定を結
像系の視野の外で行なわねばならないという欠点
を抱えている。また、容量センサ又は空気圧力セ
ンサとその上に結像させるべき第２の面、例えば
半導体基体の表面との間の距離を非常に短くとら
ねばならず、このため両者が衝突してセンサ又は
半導体基体の表面に傷がつくおそれがないとは云
えない。この点で光学的方法でずれの量を求める
方法はずつと魅力的である。蓋し、この場合は、
結像系の視野の中心で測定ができ、また検出素子
はその上に結像させるべき面から相当に大きな距
離離して設けることができるからである。

米国特許第3264935号明細書にはどのようにし
て光学的方法をスライド投写機で使用するかが記
載されている。ここでは投写すべきスライドに大
きな入射角で補助ビームを入射させる。こゝで入
射角とは補助ビームと投影レンズ系の光軸との間
の角度である。そしてスライドで反射された補助
ビームを２個の放射線に感応する検出器の面に入
射させる。この状態でスライドを投影レンズ系の
光軸に沿つて動かすと補助ビームは検出器上に移
動する。そこでこれらの２個の検出器の電気出力
信号を比較すれば実際のスライドの位置と所望の
スライドの位置との間のずれの大きさと方向の情
報を得ることができる。

而して２個の検出器の差信号がスライドの傾き
に依存しないようにするために上記米国特許第
3264935号明細書の検出系ではスライドで上述し
た１回目の反射を受けた後の補助ビームの放射線
通路内に反射要素を設置し、この反射要素により
補助ビームをスライドの方に戻すことをしてい
る。検出器はこのようにして２回スライドで反射
された後の補助ビームの放射線通路内に配設す
る。

このような結像系は集積回路を製造するために
半導体基体上にマスクパターンを結像させる装置
でも利用できる。しかし殊にこのような用途に適
用した場合上述した検出系は基体で反射されるに
際し、基体表面の場所による差異に感応してしま
うという欠点を露呈する。即ち、集積回路は何回
かの工程を経て形成するが、その際順次に種々の
マスクパターンを基体表面上に結像されねばなら
ない。このため一つのマスクパターンを結像させ
る際半導体基体上に前の製造工程の際形成された
構造のため散乱が生ずる可能性がある。この散乱
の結果基体と結像レンズ系との間の距離が正しい
にも拘らず、２個の検出器上に形成される放射線
スポツトの２個の半部の強さが異なるということ
がある。

本発明の目的は上述した欠点を有していない検
出系を提供するにある。

この目的を達成するため本発明によれば補助ビ
ームを細く収束させて小さな放射線スポツトの形
で第２面に入射させるための第１のレンズ系を設
け、さらにこの放射線スポツトを反射要素上に結
像させるための第２のレンズ系を設けて上記反射
要素をビーム反転要素（再帰反射器）として補助
ビームを入射光路に沿つて反射させるようにし、
この反射ビームを、第２のレンズ系により補助ビ
ームが第２の面に１回目の入射をした時形成され
た放射線スポツトと同じ位置に収束させるように
構成したことを特徴とする。

本明細書において、補助ビームを「入射光路に
沿つて」反射させると述べたが、これは反射され
る補助ビームの主放射線がビーム反転素子に入射
する入射補助ビームの主放射線と一致し、しかも
上記入射補助ビームで夫々第１と第２のビーム半
部の一部を形成する放射線が反射補助ビームで
夫々第２と第１のビーム半部の一部となることを
意味するものと理解されたい。こうすると検出器
に向う補助ビームのどちらのビーム半部も第２の
面、即ち基体表面の放射線スポツトが照射される
区域の両方の半部に一度づつ入射したことにな
る。このためいずれのビーム半部の強度もこの第
２の面の上記区域での反射が場所により異なるこ
との影響を凡ゆる点で同程度に受けるから、２個
のビーム半部同士の間の強度差が上述した場合に
よる反射の相違に依存しなくなる。

米国特許第3264935号の検出系では補助ビーム
がスライドで２度反射されることだけが重要であ
つて、補助ビームがスライド上の正確に同一の位
置に２度照射することは必らずしも必須要件には
なつていない。また補助ビームの寸法も重要では
ない。これに対し、本発明検出系では細い補助ビ
ームを第２の面の正確に同一の区域に２回照射さ
せることが必須要件となつている。

本発明検出系は基体上にマスクパターンを繰り
返し結像させる装置であつて、マスクパターンホ
ルダと基体ホルダとの間に投影レンズを具え、検
出系を投影レンズ系の像面と基体表面との間のず
れを求めるのに利用する装置で用いると殊に好適
である。この他本発明は像を形成すべき面におけ
る反射が場所により異なる場合や上記の面が傾き
を呈する場合の結像系に広く適用できる。この例
は例えば顕微鏡及び透過型顕微鏡の両方に利用で
きる。補助ビームは傾いて入射するため、透明な
物体でも検査対象物と顕微鏡の対物レンズとの間
の距離の変化を検出するのに使用するに足る量の
放射線を反射することができる。

実施例を挙げて図面につき本発明を詳細に説明
する。

第１図で符号L₁は結像系を示す。光−電子検
出系は放射線源Ｓ（これは補助放射線ビームｂを
出す）と、第１のレンズL₂と、第２のレンズL₃
と、２個の検出器、例えばフオトダイオードD₁
及びD₂とを具える。この光−電子検出系は支持
体S_tによりレンズ系（結像系）L₁に機械的に剛固
に連結されている。

レンズL₂によりレンズ系L₁が像を結ぶべき面
ｐ上に放射線スポツトＶが形成される。レンズ
L₃によりこの放射線スポツトＶの像がフオトダ
イオードD₁及びD₂上に結像される。この光−電
子検出系はレンズ系L₁に対して、レンズ系L₁の
光軸OO′とこのレンズ系L₁の像面との交点がレン
ズL₃により２個の検出器D₁及びD₂を含む面内に
結像するように整列させる。面Ｐがレンズ系L₁
の像面と一致する場合は放射線スポツトＶは２個
の検出器D₁及びD₂に対して対称的な位置にスポ
ツトV′として結像する。この時２個の検出器D₁
とD₂は互に等しい強さの放射線を受け取る。こ
の時これらの２個の検出器D₁及びD₂に接続され
ている差動増幅器Ａの出力信号S_rは零となる筈で
ある。しかし、面Ｐとレンズ系L₁との間の距離
が変わると放射線スポツトＶの像V′は検出器D₁
及びD₂を含む面上で動く。第１図に見るように
面Ｐが下方に移動してP₁の位置にくるとこの面
P₁上に形成される放射線スポツトV₁は破線で示
した放射線路に従つてV₁′として結像する。この
時は検出器D₁が受け取る放射線の強さは検出器
D₂が受け取る放射線の強さよりも高く、信号S_r
は例えば正となる。逆に面Ｐが上方に移動すると
逆の現象が生じ、検出器D₁が受け取る放射線の
強さは検出器D₂が受け取る放射線の強さよりも
低く、信号S_rは負となる。この信号S_rをサーボ装
置（図示せず）に入力し、レンズ系L₁の位置を
補正する。

補助放射線ビームｂの面Ｐに対する入射角αは
できるだけ大きく、例えば80゜台に選び、面Ｐの
レンズ系L₁に対する位置の誤差に対する感度を
高くし、また面Ｐで補助放射線ビームｂが反射さ
れてできる反射ビームの放射線量が大きくなるよ
うにする。

本発明によれば面Ｐで反射された後の補助放射
線ビームｂの通路内にビーム反転素子即ち再帰反
射器（retro−reflector）を配置する。このよう
な再帰反射器は所謂「キヤツツアイ」（cats−
eye）により構成することができる。この「キヤ
ツツアイ」は第２図に示すようにレンズL₃とこ
のレンズL₃の焦点面に配設された鏡ｒとから構
成される。このような「キヤツツアイ」が放射線
ビームを反射すると、放射線ビームは元きた道に
沿つて戻る。第２図はこの放射線ビームｂの通路
の一部、面Ｐの近傍だけを示す。放射線ビームｂ
はこの面Ｐ上に放射線スポツトＶを結ぶ。面Ｐに
より反射された放射線ビームは反射プリズムP₄
により鏡ｒの方に向かう。そしてこの鏡ｒで反射
された後放射線ビームは同じ道を辿つて逆方向に
進む。

放射線ビームｂの小部分b′がどのように放射線
の通路を辿るかを示すためにこの部分に黒点を付
した。最初面Ｐに到達する時この部分b′は放射線
ビーム半部b₁の一部として面Ｐに入射する。面Ｐ
に入射した時は放射線ビーム部b′が放射線スポツ
トＶの右側部V_rに位置する。面Ｐと反射プリズ
ムP₄とで反射された後この放射線ビーム部b′はレ
ンズL₃の左側部を通る。鏡ｒで反射された後放
射線ビーム部b′はレンズL₃の右側部を通る。そし
て放射線スポツトＶの左側部V_lに入る。面Ｐで２
回目の反射をした後放射線ビーム部b′がビーム半
部b₂の一部となる。これは放射線ビーム半部b₁を
形成する全ての放射線ビーム部にあてはまる。斯
くして面Ｐで２度反射された後は放射線ビーム半
部b₁は面Ｐ上の放射線スポツトＶの区域の右側部
V_rと左側部V_lの両方に入射したことになる。明
らかに、これはビーム半部b₂についてもあてはま
る。この結果面Ｐに散乱構造があるために反射が
場所により異なることも、この面Ｐに不規則性が
あつたり或はこの面Ｐがレンズ系L₁に対して斜
になつていることも放射線ビーム半部b₁及びb₂内
での強度分布に悪影響を与えない。

本発明による検出系の反転素子としては、上述
したキヤツツアイの他に凹面鏡と倍率−１の円柱
レンズの組合せを用いることができる。

第３図はマスクパターンを半導体基体上に結像
させる装置で使用するための本発明光−電子検出
系の一実施例を示す。基体の表面を面Ｐで表わ
し、投影レンズ系をL₁で表わす。この投影レン
ズ系は２個の検出器から得られた信号から導びか
れる信号S_rにより制御される駆動装置（これ自体
は既知であり、図示しない）により光軸OO′に沿
つて動かすことができる。しかし、光軸OO′に垂
直な方向に対してはこの投影レンズ系はハウジン
グＨに格納されているため動けない。第３図に示
すように投影レンズ系L₁はばねS_pによりハウジ
ングＨ内に固定する。ばねの代りにダイアフラム
を固定手段として用いることもできる。

マスクパターンを半導体基体上に反復結像する
装置では投影筒と基体とを２個の互に垂直な方向
につき互に動かせるようにする。このような結像
装置の詳細についてはオランダ国特許願第
6506548号（出願公開済み）を参照されたい。ま
たはこのような結像装置では投影レンズ系の像面
がこの投影レンズ系の焦点面とほぼ一致している
ことに注意されたい。

また面Ｐをレンズ系L₁に対して少し変位させ
るのに十分大きな信号S_rを得るために、即ち２個
の検出器に入射する放射線の強度差を十分大きく
するために放射線スポツトＶを十分明るくする必
要がある。それにはレーザを放射線源Ｓとして用
いるのが良い。レーザにより発生した放射線ビー
ムｂは安定していることが必要である。第３図の
半導体ダイオードレーザとしては例えばAlGaAs
ダイオードレーザを使用するのが好適である。こ
のAlGaAsダイオードレーザは基体に近く配設す
ることができる。代りに気体レーザを用いること
も可能であるが、この気体レーザは基体から離し
て配設し、レーザビームは光を伝えることができ
るフアイバを通して基体に送る。

レーザビームｂはレンズL₄で平行ビームに変
換され、その後ビームスプリツターBSで反射さ
せ、更に反射プリズムP₂及びP₃で反射させた後
基体面Ｐに入射させる。その途中にレンズL₂を
設け、これにより基体面Ｐ上に放射線スポツトＶ
を結ぶ。次に放射線ビームｂは第２図につき説明
した放射線の通路を通る。そして基体面Ｐで２度
反射された放射線ビームｂはビームスプリツター
BSを通り抜け２個の検出器D₁及びD₂に送られ
る。レンズL₅はこの際これらの検出器D₁及びD₂
上に放射線スポツトＶの像を形成させるためのも
のである。

ビームスプリツターBSは半透プリズムを２個
重ねて造つた半透鏡とすることができる。代りに
偏光分割プリズム（polarization splitting
prism）を用い、この偏光分割プリズムと基体と
の間の放射線通路内にλ/4板（但しλは放射線ビ
ームｂの波長である）を入れるようにすることも
できる。この場合放射線源DLから出た放射線は
偏光分割プリズムで反射されるように偏向させて
おく。またこの場合放射線ビームｂはλ/4板を２
度通り、その結果基体３により２度目の反射をさ
せられた後の放射線の偏光面は全部で90゜回転さ
せられることになり、放射線ビームは今度は偏光
分割プリズムを透過することになる。

２個の検出器D₁及びD₂の差信号S_rは主として
投影レンズ系L₁の像面と基体面Ｐとの間の距離
により決まる。しかし、この信号は基体面Ｐによ
り２度反射された後の補助ビームｂの全強度にも
依存する。而してこの全強度は放射線源の強度が
変動し或は放射線の通路内の光学素子の反射係数
又は透過係数が変動するため変動するおそれがあ
る。

この２個の検出器D₁及びD₂に入射する放射線
ビームの全強度の変動の影響を除くため、２個の
検出器の出力信号同士を加え合せて和信号S_tを作
る。

アナログ分周回路ではこの和信号S_tから信号
S_r′＝S_r／S_tを導き出す。この信号S_r′は基体面Ｐの 投影レンズ系に対する位置の誤差の目安となるも
ので、これは放射線源の強度変動及び放射線の通
路内での反射係数又は透過係数の変動に依存しな
い。反射係数又は透過係数が小さい場合でも検出
器上に所要の確度を与えるに足る量の放射線を得
るために、放射線源の放射線出力を最大になるよ
うにセツトする。しかしこうすると放射線源の寿
命が短かくなるおそれがある。殊にこの放射線源
を半導体ダイオードレーザとする場合がそうであ
る。またドリフトのないアナログ分周器は何成り
高価につく。

これらの欠点は本発明光−電子検出系の好適な
一実施例に従い、和信号S_tを放射線源の強度を制
御するのに用い、検出器D₁及びD₂に入射する全
放射線強度を一定に保つことにより除くことがで
きる。放射線源が放射線放出ダイオードである場
合はこの目的のためにこの放射線源を駆動する電
流の大きさを補正すればよい。

半導体ダイオードレーザ、例えばAlGaAsレー
ザは電流パルスで動作させると好適である。蓋し
こうするのがこのような半導体ダイオードレーザ
の寿命を長く保つのに最も適しているからであ
る。しかし、このような半導体ダイオードレーザ
が放射線を放出する角度はこの半導体ダイオード
レーザを流れる電流の大きさが変わると変わつて
しまう。半導体ダイオードレーザにより放射され
る放射線の強度は電流パルスのパルス幅を一定に
し、パルス繰返し周波数を変えて補正すると好適
である。

第３図に示すように検出器D₁及びD₂から取り
出した信号を減算回路に入力し、出力側に信号S_r
を取り出し、これを加算回路A₂に入力して出力
端子に信号S_tを得る。この信号S_tを例えば差動増
幅器A₃の一方の入力端子に印加し、他方の入力
端子は基準電圧源Refに接続する。差動増幅器A₃
の出力端子を発振器VCOに接続する。この発振
器VCOは周波数が入力側の電圧で決まるパルス
列を供給する。発振器VCOの出力端子をパルス
発生器PGに接続する。半導体ダイオードレーザ
DLを動作させるのに必要な電流はこのパルス発
生器から持続時間が一定でパルス繰り返し周波数
が発振器VCOから送られてくるパルスの繰返し
周波数に等しいパルスの形態で供給される。半導
体ダイオードレーザの平均強度はパルス繰り返し
周波数を変える代りに電流パルスの持続時間を変
えることにより制御することもできる。

半導体ダイオードレーザは放射線の通路内で大
きな放射線損失があつても検出器に入射する放射
線強度の全量が所要の確度を得るのに丁度足りる
ようにセツトする。これは就中漏洩電流と検出器
の雑音で決まる。放射線損失が小さい場合は放射
線源は弱い放射線を出せば足りる。これは放射線
源の寿命を長く保つのに好適である。

放射線スポツトのフオトダイオードD₁及びD₂
上でのずれΔは次式で与えられる。

Δ＝４・Ｍ・Hsinα この式でＨは面Ｐのずれ、αはこの面Ｐ上での
収束ビームの入射角、Ｍはレンズ系L₅L₂の倍率
である。この倍率はレンズL₅の焦点距離のレン
ズL₂の焦点距離に対する比である。収束ビーム
は面Ｐで２回反射されているから検出系の感度も
２倍になつている。このためずれΔに関する上の
式では因子２でなく因子４がかかつている。

本発明検出系の実際の例ではたつた0.1μｍの面
Ｐ上でのずれでも満足ゆくように検出することが
できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は既知の光−電子検出系を具える結像装
置の説明図、第２図は本発明に係る光−電子検出
系の原理を説明するための説明図、第３図はこの
ような本発明結像装置の一実施例の略図である。 L₁……結像レンズ系、L₂……第１のレンズ系、
L₃……第２のレンズ系、ｒ，L₃……ビーム反転
素子、ｂ……放射線ビーム、Ｖ……放射線スポツ
ト（V_l……左半部、V_r……右半部）、Ｐ……第２
の面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 結像系の像面と本来この結像系が像を結像す
   べき第２の面との間のずれを求めるために、補助
   ビームを出力する放射線源と、上記第２の面で第
   １回の反射を受けた補助ビームの通路内に置か
   れ、この補助ビームを第２の面の方に戻す反射要
   素と、第２の面で２回目の反射を受けた後の補助
   ビームの通路内に置かれる２個の放射線感応検出
   器とを具え、上記放射線感応検出器と反射要素と
   が前記結像系に連結されており、２個の検出器の
   出力信号が前記ずれの目安となるように構成され
   た光−電子検出系を具える光学的結像装置におい
   て、補助ビームｂを細く収束させて小さな放射線
   スポツトＶの形で第２の面Ｐに入射させるための
   第１のレンズ系L₂を設け、さらにこの放射線ス
   ポツトを反射要素上に結像させるための第２のレ
   ンズ系を設けて上記反射要素をビーム反転要素
   （再帰反射器）ｒ，L₃として補助ビームを入射光
   路に沿つて反射させるようにし、この反射ビーム
   を、第２のレンズ系L₃により補助ビームが第２
   の面に１回目の入射をした時形成された放射線ス
   ポツトＶと同じ位置に収束させるように構成した
   ことを特徴とする光学的結像装置。 ２ ２個の検出器の出力端子を加算回路に接続
   し、加算回路の出力端子を制御回路に接続し、放
   射線源の強度を検出器信号の和が一定にとどまる
   ように制御することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の光学的結像装置。 ３ 前記放射線源を放射線パルスを出力する半導
   体ダイオードレーザとした特許請求の範囲第２項
   記載の光学的結像装置において、制御回路に発振
   器を設け、この発振器を２個の検出器からの和電
   圧により制御し、この発振器の出力端子を半導体
   ダイオードレーザを制御する電流源に接続したこ
   とを特徴とする光学的結像装置。 ４ マスクパターンを基体上に繰り返し結像させ
   るためにマスクパターンホルダと基体ホルダとの
   間に投影レンズ系を具え、更に特許請求の範囲第
   １項記載の検出系を具える装置において、２個の
   検出器の出力信号間の差を投影レンズ系の像面と
   基体との間のずれを表わす目安とするように構成
   したことを特徴とする装置。