JPH0451969B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、例えば半導体の露光装置におけるウ
エハのごとく、対象物体を所定の基準面に位置出
しする装置等に使用される自動焦点合せ方法およ
びその装置に関するものである。

上記の対象物体は、被加工物でも、被検査物で
も、加工具、測定具でも良く、各種物体に適用し
得る。

〔従来技術〕

例えば半導体露光装置においては、２〜3μｍ
の微細なマスクパターンを高解像度でウエハに転
写しなければならず、このためにはウエハを数μ
ｍの平面内に位置ぎめする必要がある。

第１図は上に述べた半導体露光装置の１例を示
す。ウエハ１を吸着したチヤツク２はステージ３
上に支承されており、上記の３部材は図示のＮ位
置とＭ位置との間を矢印Ｃ−ｄのごとく往復移動
し得る構造である。本図はＮ位置の３部材（１，
２，３）とＭ位置の３部材との両方を実線で描い
てあるがこれら３部材の１台分設置個数は各１個
である。

第１図においてＰは露光用光軸である。露光用
光は光軸Ｐに沿つてマスク８に入射され、投影光
学系７を通り、Ｍ位置のステージ３に搭載されて
いるチヤツク２に真空Ｖにより吸着固定されてい
るウエハ１を露光し、マスクパターンをウエハ１
に転写する。ここにおいて、ウエハ１は位置決め
されている必要がある。

この為に、ウエハ１は予めＮの位置で平面位置
決めされる。即ち、ウエハ１は自由に傾くことが
可能なチヤツク２に真空Ｖで吸着固定し、チヤツ
ク２はステージ３に搭載されている。平面位置出
し装置４は観察顕微鏡５に取付けられ、位置出し
ピン６は投影光学系７の焦点深度以内の平面を構
成する様に調整してある。又、ステージ３は矢印
ａ，ｂ、及びｃ，ｄの方向に高精度で移動出来る
構造である。まず、チヤツク２の球面座２ａが自
由に動く状態でステージ３を矢印ａ方向（上方）
に移動し、ウエハ１の表面を位置決めピン６に押
し当て、ウエハ１とマスク８の平行出しを行な
う。次にチヤツク２の球面座２ａをステージ３に
真空Ｖで固定し、ステージ３を矢印ｂ方向（下
方）にｈだけ移動する。これにより位置出しピン
６よりｈだけ下の位置にあるマスク８の像の焦点
深度内にウエハ１を位置決めする。この状態で水
平面内でのアライメントが行われ、マスクパター
ンに対するウエハ１の相対的の位置合せが完了す
る。次に、ステージ３をｄ方向に水平移動して、
Ｍの位置でウエハ１に露光する。

微細なマスクパターンをウエハ１に解像度良く
転写する為、ウエハ１の露光面をマスクの像の焦
点深度以内に保ち、基準面（この場合はマスクの
像の焦点位置）との平行性は数μｍ以内の精度に
する必要がある。基準面に平行な平面を得る方法
として、第２図に示すようなプレート９上の３点
に立設された３個の位置決めピン６の先端を結ぶ
面が基準面に平行となるように位置決めピン６を
調節し、該ピンの先端に対象物体の平面、例えば
ウエハ１の表面を接触せしめて、該平面を基準面
と平行とする方法が従来より行なわれている。

この方法を用いた従来の平面位置出し装置は、
第３図に示すように、プレート９に一つの円周上
の概ね３等分点にそれぞれねじ孔ｅを設け、該ね
じ孔ｅに位置決めピン６を螺入したものである。
位置決めピン６を廻すとピン６の先端がプレート
９に対して移動するので、各ピン６の位置を調節
して３個のピン６の先端を結ぶ面が基準面Ｑと平
行になるようにする。

しかしながら、この装置においては、基準面に
設けた固定ピンに対象物であるウエハ１を押し当
てる方式であるため、押付力が強くなると製品で
あるウエハ１に傷が付く欠点がある。又、位置決
めピン６のレベル合わせも数μｍ以内にする必要
があり、位置決めピン６の回転角を精密に調整す
る機構も必要である。さらにチヤツク２の球面座
２ａに、ゴミや例えば10〜20μｍの異物等が介在
すると、リークが生じて真空吸着力が低下し、平
面位置出し後、ステージ３を矢印ｂ方向（下方）
にｈだけ移動した際に、平面位置出し精度が悪化
する恐れもある。

次に、高精度な自動焦点合わせが必要な、ホト
マスク外観検査装置に用いられていた従来の平面
位置出し装置の１例を第４図について説明する。

被検査物体であるホトマスク１１は、Ｘ−Ｙス
テージ１２上に設けたＺステージ１３上に載置さ
れている。ホトマスク１１の上方には、対物レン
ズ１４が配設されている。対物レンズ１４によつ
てホトマスク１１のパターンは拡大投影され、対
物レンズ１４の上方に設置したパターンセンサ１
５に結像する。一方ホトマスク１１の回路パター
ンの設計データは画像信号として記憶してある磁
気テープ１６から読み出した信号出力と、上記パ
ターンセンサ１５の出力信号は、欠陥判定部１７
に入力されるよう、電気的に連結されている。パ
ターン検出のための対物レンズ１４には、その先
端にノズルが形成されており、エアが供給できる
構造となつている。このエアはギヤツプ検出部１
８を通して供給される。これらのギヤツプの検出
はエアマイクロメータの原理を用いており、ギヤ
ツプ検出部１８は対物レンズ１４のノズルの背圧
とエア供給圧の差を検出することによつてギヤツ
プｇを検知する構成となつている。そしてＺステ
ージ１３を駆動するコントローラ１９はギヤツプ
検出部１８に連結されている。

ホトマスク１１の検査は第５図の矢印の順序で
ホトマスク全面を走査する。検査のためＸ−Ｙス
テージ１２を走査中、パターンセンサ１５と磁気
テープ１６の出力信号を欠陥判定部１７で比較し
違いが検出されれば異常部と判定する。この検査
の間、ホトマスク１１にはうねりがあり、Ｘ−Ｙ
ステージ１２の直進運動の誤差も加わるので、対
物レンズを常にピント合せする必要がある。しか
も最近ではLSIパターンの微細化に伴ない、1μｍ
以下の欠陥をも検出する必要が生じている。この
ため高い解像力のレンズ例えばNA0，９，焦点
深度0.2μｍの高解像レンズを用いることが必要で
あり、焦点合わせ精度も0.1μｍと高精度が要求さ
れる。上記のような高精度な焦点合わせ精度0.1μ
ｍを保つためには、微小変化が可能なＺステージ
のストロークにも制限があり50〜100μが限度で
ある。しかしこの程度のストロークでは、ホトマ
スクの表面のうねりや、XYステージの直進運動
誤差の他に、ホトマスクを保持している面の平面
度やＺステージ上昇時に生じる傾き誤差等も生じ
るため、ホトマスクの検査中に検査開始点から
除々に誤差が生じ、Ｚステージのストローク以上
の誤差を生じたりする。このため自動焦点合わせ
をする前に概略の焦点合わせ、すなわちホトマス
クを対物レンズのピント面に数μｍ以内で位置合
わせする必要がある。従来からこの装置に用いら
れていた、平面位置出し装置の一例を第６図に示
す。本図のＡは平面図、本図のＢは断面正面図で
ある。回転ベース２１はボール２２を介してベー
ス２３上に載置されている。回転ベース２１上に
は、くさび作用を行なう斜面２１ａが設けてあ
る。斜面２１ａ上には、上板２４に設けてあるロ
ーラ２５が接しており、この接触を与えるためバ
ネ２６が設けられている。上板２４は下ベース２
３に板バネ２７，２８でプレート２９，３０を介
して弾性的に支持され、矢印Ｙ方向に移動可能に
位置決め支持される。回転ベース２１の一端は、
モータ３１に接続されたネジ３２と螺合している
ナツト３３に接していて、この接触を与えるた
め、バネ３４が設けてある。回転ベース２１は３
個のボールベアリング３５で回転支持されてい
る。

上記構成でホトマスク１１を対物レンズ１４の
ピント面Ｒに位置出しするには、ギヤツプ検出部
１８でギヤツプｇのときの背圧を電圧に変換し、
コントローラ１９ではギヤツプ検出部１８の電圧
の変化にもとずきある一定の電圧値になるまでモ
ータ３１を駆動する。モータ３１が回転すると、
送りネジ３２が回転し、送りネジ３２はナツト３
３と係合しているからナツト３３に接している回
転ベース２１はボールベアリング３５を回転ガイ
ドとして回転する。これに伴つて回転ベース２１
上の斜面２１ａも回転移動するため、斜面２１ａ
に接しているローラ２５は上下方向に移動する。
このようにしてホトマスク１１が上下方向に移動
して、対物レンズ１４の概略の焦点範囲、数μｍ
程度に入いつたらモータ３１の回転を止め位置出
しが完了する。この方法においては前記した第２
図、第３図に比べ非接触であるため、製品に傷を
与えることなく且つ位置出し精度も向上する利点
があるが、以下に述べる欠点がある。

ホトマスク全面を一度に高さ合わせするため、
ホトマスクを保持している面が傾いたり、ホトマ
スクと保持台の間にゴミを狭んだり、ホトマスク
の厚さのむらが生じていると、平面位置出し誤差
となる。しかも１ケ所で検出しているため、検出
部は対物レンズの焦点面に数μｍ以内の高精度で
位置合わせが行なわれるが、他の各部は合わせ精
度が悪くなり、この誤差を少なくすることは、こ
の装置では不可能である。又位置出し時には数μ
ｍの平面を保つ必要があるため、位置出し装置の
分解能は1μｍ程度が要求され、第５図に示すよ
うな複雑で高精度な上下機構も必要になる。

以上述べた如く、半導体露光装置やマスク検査
装置において、信頼度および精度を向上させるた
めには対象物体の表面を非接触で高精度に位置合
せすることが重要な技術課題である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記技術課題を解決すべく、
対象物体の表面を高精度に光学的に自動焦点合せ
をして高信頼度で、且つ高精度の外観検査や露光
等を行うことができるようにした自動焦点合せ方
法およびその装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するために、対象物
体表面に光を照射し、該対象物体表面からの反射
して結像光学系で結像される光を、共役な合焦点
面の前後に配置した２つの光電変換手段で受光し
て２つのコントラスト信号を得、該２つのコント
ラスト信号が等しくなるように上記対象物体を上
記結像光学系の光軸方向に移動させて焦点合せを
行うことを特徴とする自動焦点合せ方法である。
また、本発明は、対象物体表面に光を照射する光
照射手段と、該光照射手段で光を照射して対象物
体表面からの反射光を結像させる結像光学系と、
該結像光学系で結像される光を受光して２つのコ
ントラスト信号を得るように共役な合焦点面の前
後に配置した２つの光電変換手段と、該２つの光
電変換手段の各々から得られるコントラスト信号
が等しくなるように上記対象物体を上記結像光学
系の光軸方向に移動させて焦点合せを行う対象物
体制御手段とを備えたことを特徴とする自動焦点
合せ装置である。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の係る自動焦点合せ装置および該
自動焦点合せ装置を使用する平面位置出し装置等
について第７図乃至第１０図に基いて説明する。

第７図及び第８図は本発明に係る自動焦点合せ
装置を使用する平面位置出し装置の概略構成を示
す図で、第７図は平面的配置図、第８図は概要的
な断面正面図である。

位置決めする対象物（本実施例においてはウエ
ハ１）の上方に、対象物の平面よりも若干小さい
円周上の概ね３等分点に位置検出器３６ａ，３６
ｂ，３６ｃを配設する。又、ウエハ１を保持する
チヤツク２の下方に、該チヤツク２を上下に駆動
し得る微小変位機構３７ａ，３７ｂ，３７ｃを設
けてある。

上記の微小変位機構３７ａ，３７ｂ，３７ｃ
は、それぞれ位置検出器３６ａ，３６ｂ，３６ｃ
に対応するごとく円周方向の３等分点に配設し、
かつ、検出部４１、コントローラ４２を介して、
それぞれ位置検出器３６ａ，３６ｂ，３６ｃの検
出信号に応じて制御されるように構成する。

ウエハ１を支承するチヤツク２はプレート３９
及び板バネ４０を介してベース３８に対し弾性的
に支承する。

上記構成でウエハ１の平面位置出しを行なうに
は、あらかじめ基準面Ｇのときの各検出器３６
ａ，３６ｂ，３６ｃの出力を検出部に入力してお
く。検出部４１ではこの基準出力より小さい出力
のときは微小変位機構３７ａ，３７ｂ，３７ｃを
上昇し、基準出力より大きくなつたら下降するよ
うにコントロールに指令する。

今ウエハ１の表面が、面Ｈにあるときは、検出
器３６ａ，３６ｂ，３６ｃの出力は零である。こ
のとき検出部４１は、検出器３６ａ，３６ｂ，３
６ｃから上記の基準出力が検出されるまで、微小
駆動機構３７ａ，３７ｂ，３７ｃを上昇させるよ
うにコントローラ４２に指令を出し続ける。ウエ
ハ１が除々に上昇し面Ｉまで上昇すると検出器３
６ａから出力が出始めるが、この出力と基準の出
力を検出器３７ｂで比較し、基準出力と同等にな
るまで、微小駆動機構３６ａ，３６ｂ，３６ｃを
さらに上昇する。ウエハ１が上昇し、検出器３６
ａが基準出力になると、微小駆動機構３７ａは静
止する。しかし検出器３６ｂ，３６ｃは基準出力
より低いため、微小駆動機構３７ｂ，３７ｃはさ
らに上昇を続ける。このとき検出器３６ａに、ウ
エハ１が近ずきすぎて、基準出力より大きくなつ
たら、微小駆動機構３７ａを基準出力相当位置ま
で下降させる。このようにして、各検出器３６
ａ，３６ｂ，３６ｃの出力が基準出力と一致する
まで、微小駆動機構３７ａ，３７ｂ，３７ｃを上
昇又は下降させることにより、高精度な基準平
面、Ｇ面を短時間で得ることが出来る。一例とし
て、検出器３６ａ，３６ｂ，３６ｃに電気マイク
ロメータを用い、微小駆動機構に1μｍ程度の駆
動機構を用いれば、検出精度は0.1μｍの分解能で
測定出来、上下駆動する微小ステージもストロー
ク１〜２mm程度は駆動変位のリニアリテイも高く
高精度な平面を保つことが出来る。しかも1μｍ
の変位を測定する電気マイクロメータの測定圧も
0.1Nと非常に微小な力であるため、検出時にウ
エハに損傷を与えることもない。

上に述べた実施例においては接触形の位置検出
器を用いたが、非接触形の位置検出器を用いるこ
ともできる。

非接触形の位置検出器を用いると、対象物に接
触による傷をつけたり汚損を生じたりする虞れが
無い。

非接触形位置検出器の一つにエアマイクロ式の
検出器が有るが、これをウエハなどに用いると塵
埃を捲き上げて対象物を汚損する虞れがある。光
学式若しくは電磁式の検出器を用いると、ウエハ
のように極度に塵埃を嫌う対象物の位置出しに好
適である。このため、本発明は、特に半導体製品
のウエハやマスクの表面が鏡面に近い状態である
ことに着目して生まれたものである。

以下本発明に係る光学式検出器を用いた自動焦
点合せ装置の一実施例を第９図および第１０図に
基いて説明する。第９図は本発明に係る自動焦点
合せ装置をホトマスク検査装置に適用した場合を
示す図である。ホトマスク１１の上方には対物レ
ンズ１４が配されており、この対物レンズ１４に
よつてホトマスク１１のパターンは拡大投影さ
れ、対物レンズ１４の上方に設置したパターンセ
ンサ１５に結像する。結像した像は、従来技術で
説明したと同様の検査方法により欠陥検査を行な
う。ホトマスク１１の上方には、対物レンズ１４
の他に、低倍率の３個の対物レンズ４３ａ，４３
ｂ，４３ｃをホトマスクの外周の内側に配してお
く。今、説明を容易にするため、対物レンズ４３
ａを用いた一軸について第１０図を用いて説明す
る。尚微小駆動機構用のコントローラ４２は第８
図に示したものと同じものを用いるとする。

本実施例は、対象物体の面（ホトマスク１１の
面）の位置を検出するための照明光を用い、この
照明光の像を被観察物体に投影し、その反射光の
強度を検出する光強度センサを用いて検出し、被
観察物体の移動による光強度の強弱を検出し、位
置合わせを行なうものである。対物レンズ４３ａ
の上方から照明光を入光し、この照明光の像Ｓを
光路L₁につくり、この像Ｓを対物レンズ４３ａ
によりホトマスク１１上に結像する。この像をS₁
として、ハーフミラー４４ａで分岐した光路L₂
とさらにミラー４５ａで分岐した光路L₃上に投
影する。この投影された像をS₂とし、S₂の前方と
後方に光強度センサ４６ａ，４７ａを配設する。
ホトマスク１１のパターンの拡大投影像が第９図
のパターンセンサ１５に合焦点になるとき、上記
の照明像S₂はO′面に結像する。今ホトマスク１
１のＯ面よりｌだけ上のＪ面の合焦点面J′面に光
強度センサ４７ａ、O′面よりｌだけ下のＫ面の
合焦点面K′面に光強度センサ４６ａを配してい
る。上記構成でホトマスク１１がＯ面に位置する
とき光強度センサ４７ａ，４６ａは同等の出力を
示すように調整し、出力の差を０にしておく。

一方、ホトマスク１１の下方には、1μｍ以下
の精度で上下動可能な微小変位機構３７ａが配設
されている。

次に、微小変位機構３７ａを簡単に説明する。
モータ４８が回転するとギヤ４９，５０を介して
送りねじ５１が回転する。送りねじ５１はベース
５２に固定されたナツト５３と螺合しているか
ら、送りねじ５１が図示左右方向に移動し、これ
に伴なつて移動台５４が同一方向（Ａ方向）に移
動せしめられる。斜面５４ａに接しているローラ
５５は上下方向に移動し、このときレバー５６は
板ばね５７，５８の交点を支点として揺動する。
レバー５６に取付けられた鋼球５９はローラ５５
の上下方向移動量のＣ／ｄだけ上下方向（Ｂ方
向）に移動する。モータ４８の回転角を15°、ギ
ヤ４９，５０のギヤ比を2.5：１、送りネジ５１
のピツチを１mm、移動台５４の斜面５４ａの勾配
を１／8.33、ローラ５５と鋼球５９との位置関係
の比を４：１とすると、マスクホルダ６０の上下
動分解能は次式のごとくである。

7.5°／360°×１／2.5×1000μｍ×１／8.33×１／2
.5＝0.5μｍ 例えば上記駆動機構が上昇してホトマスク１１
の位置がＯ面からＪ面に近ずけば、光強度センサ
４７ａの出力が上り、光強度センサ４６ａの出力
は下る。このときの光強度センサ４７ａ，４６ａ
の出力の差をとれば、ホトマスク１１が移動して
いる方向がわかる。この出力にもとずき、微小駆
動機構のモータ４８を回転して、ホトマスク１１
を下に移動する。このようにして光強度センサ４
７ａ，４６ａの出力差が０になるまでホトマスク
１１を移動すれば、第８図の対物レンズ１４の焦
点面に合うようになる。この動作をホトマスク１
１上の３ケ所で同時に行なえば短時間で、対物レ
ンズ１４の焦点面に位置出しを行なうことが出来
る。

本実施例の平面位置出し装置によれば、ウエハ
やマスクを傷つける虞れもなく、しかも平面の３
ケ所を同時に検出するため高精度な平面位置出し
を短時間で確実にすることが出来る利点がある。
又検出箇所を独立に駆動して位置出しを行なうた
め、製品の厚さむらや、製品を保持しているホル
ダの平面度が悪くても、基準面に対する平面を高
精度に保つことが出来る利点もある。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、コントラ
スト信号の傾斜部を用いることができ、ウエハや
マスク等の対象物体の表面に対して非接触で光学
的に高精度に自動焦点合せをして高信頼度で、且
つ高精度の外観検査や露光等を行うことができる
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体露光装置の説明図、第２図及び
第３図は同作用説明図、第４図はLSI検査装置の
説明図、第５図はフオトマスクの走査を説明する
ための平面図、第６図は従来の平面位置出し装置
の説明図、第７図及び第８図は本発明に係る自動
焦点合せ装置を使用する平面位置出し装置の概略
構成を示す図、第９図及び第１０図は本発明に係
る自動焦点合せ装置の一実施例を示し、第９図は
概要的な構成説明図、第１０図は作用説明図であ
る。 １……ウエハ、２……チヤツク、１１……ホト
マスク、３６……検出器、３７……微小変位機
構、４１……検出部、４２……コントローラ、４
３……対物レンズ、４６……光強度センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 対象物体表面に光を照射し、該対象物体表面
   からの反射して結像光学系で結像される光を、共
   役な合焦点面の前後に配置した２つの光電変換手
   段で受光して２つのコントラスト信号を得、該２
   つのコントラスト信号が等しくなるように上記対
   象物体を上記結像光学系の光軸方向に移動させて
   焦点合せを行うことを特徴とする自動焦点合せ方
   法。 ２ 対象物体表面に光を照射する光照射手段と、
   該光照射手段で光を照射して対象物体表面からの
   反射光を結像させる結像光学系と、該結像光学系
   で結像される光を受光して２つのコントラスト信
   号を得るように共役な合焦点面の前後に配置した
   ２つの光電変換手段と、該２つの光電変換手段の
   各々から得られるコントラスト信号が等しくなる
   ように上記対象物体を上記結像光学系の光軸方向
   に移動させて焦点合せを行う対象物体制御手段と
   を備えたことを特徴とする自動焦点合せ装置。