JPH0610695B2 - 焦点合せ方法及びその装置 - Google Patents

焦点合せ方法及びその装置

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JPH0610695B2
JPH0610695B2 JP13175885A JP13175885A JPH0610695B2 JP H0610695 B2 JPH0610695 B2 JP H0610695B2 JP 13175885 A JP13175885 A JP 13175885A JP 13175885 A JP13175885 A JP 13175885A JP H0610695 B2 JPH0610695 B2 JP H0610695B2
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mask
optical system
light flux
glass substrate
image sensor
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峰生 野本
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  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
  • Preparing Plates And Mask In Photomechanical Process (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Automatic Focus Adjustment (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体用のマスク、レチクルあるいはプリン
ト基板用のマスクなどの検査装置、寸法測定装置、露光
装置などの焦点検出、焦点合せに好適な焦点合せ方法及
びその装置に関するものである。
〔発明の背景〕
従来のこの種の焦点合せ装置では、特開昭56−42205号
公報に記載されているように、被観察物に細長い光束を
斜めから照射する手段が用いられている。このような焦
点検出手段では、被観察物の表面状態に影響され易く、
検出精度が低下するなどの理由により、種々の工夫が施
されている。その解決策の一手段として、被観察物に照
射するスリット像をICなどのパターンの方向と異なるよ
うに、例えば45゜に交差するように配置することが考慮
される。また、別の手段としては、特開昭57−53923号
公報に記載されているように、被観察物の表面粗さの影
響を少くするため、被観察物に照射する入射角を85゜程
度にしてS偏光光を照射し、屈折率n、即ち反射率の向
上をはかるようにした手段がある。
ところが、上記手段では、被観察物は該基材と屈折率の
異なる物質によりパターンが形成されているもの、例え
ば半導体のレチクルなどのようにガラス基板上にCrパタ
ーンが描かれている場合、適当な角度で斜めから光束を
照射しただけでは、ガラス面とCr面とで反射率が大幅に
異なり不都合が生じる。即ち焦点合せ装置の場合、反射
率が異なると、反射強度の強い個所と弱い個所では、検
出器からの出力が当然異なるため、反射率の低い個所で
はS/Nが悪くなるから、検出精度は低下する。上記のよ
うな従来技術では、反射光の強度の違いにより、検出精
度が劣化するという課題について考慮されていなかっ
た。
一方、被観察物がガラスなどのように光を透過する場
合、表面で反射する光束と、内部に進入して下の層(裏
面)で反射して再び出てくる光束とがあり、該両光束が
合成されると、検出精度は悪くなる恐れがあった。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決すべく、透
明なガラス基材の表面上に該ガラス基材と屈折率の異な
る物質により形成された薄膜回路パターンを形成したマ
スクの表面を結像光学系により観察するマスク観察方法
及びその装置において、前記ガラス基材の表面および薄
膜回路パターンの表面からの正反射光強度を一様にして
簡便な2値化方式で前記結像光学系の焦点位置にマスク
の表面を高精度に合せることを可能にした焦点合せ方法
及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、透明なガラス基
材の表面上に該ガラス基材と屈折率の異なる物質により
形成された薄膜回路パターンを形成したマスクの表面を
結像光学系により観察するマスク観察方法において、前
記マスクに対して、P偏光のレーザ光束を前記ガラス基
材の表面と前記回路パターンの表面からの反射率が実質
にほぼ同一になる前記結像光学系の光軸方向に対する7
0〜85゜の入射角で斜め方向から入射投影し、該入射
投影されたP偏光のレーザ光束により前記マスクのガラ
ス基材の表面および薄膜回路パターンの表面から一様に
正反射してくる正反射光束を前記マスクの表面の前記結
像光学系の光軸方向の位置に対応させて少なくとも一次
元のイメージセンサ上に結像させ、該イメージセンサか
ら得られる画像信号を所定の閾値で2値化信号に変換し
て該2値化信号の中心を前記イメージセンサ上の座標と
して算出し、該算出された2値化信号の中心座標に基い
て前記マスクを前記結像光学系の光軸方向に移動させて
該結像光学系の焦点位置にマスクの表面を合わせること
を特徴とする焦点合せ方法である。また本発明は、透明
なガラス基材の表面上に該ガラス基材と屈折率の異なる
物質により形成された薄膜回路パターンを形成したマス
クの表面を結像光学系により観察するマスク観察装置に
おいて、前記マスクに対して、P偏光のレーザ光束を前
記ガラス基材の表面と前記回路パターンの表面からの反
射率が実質にほぼ同一になる前記結像光学系の光軸方向
に対する70〜85゜の入射角で斜め方向から入射投影
する入射投影手段と、該入射投影手段で入射投影された
P偏光のレーザ光束により前記マスクのガラス基材の表
面および薄膜回路パターンの表面から一様に正反射して
くる正反射光束を前記マスクの表面の前記結像光学系の
光軸方向の位置に対応させて少なくとも一次元のイメー
ジセンサ上に結像させる検出光学手段と、該検出光学手
段のイメージセンサから得られる画像信号を所定の閾値
で2値化信号に変換して該2値化信号の中心を前記イメ
ージセンサ上の座標として算出する2値化中心算出手段
と、該2値化中心算出手段で算出された2値化信号の中
心座標に基いて前記マスクを前記結像光学系の光軸方向
に移動させて該結像光学系の焦点位置にマスクの表面を
合わせる制御手段とを備えたことを特徴とする焦点合せ
装置である。また本発明は、前記焦点合せ装置におい
て、前記入射投影手段には前記マスクの表面に入射投影
するP偏光のレーザ光束としてP偏光のレーザスリット
光束に形成するスリット形成光学系を有し、前記検出光
学手段にはマスクの表面から正反射してくる正反射スリ
ット光束を一次元のイメージセンサ上に正反射スリット
光束の長手方向を集光させる一次元の集光光学系を有す
ることを特徴とする。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面について説明する。
第1図は本実施例の構成を示す概略図で、1は対物レン
ズであり、移動可能に設けられたZステージ12上に載置
された被観察物、例えばマスクまたはレチクル2と対向
するように設置されている。3はレーザ光源、4はビー
ムエキスパンダ、5はスリット、6,9は第1、第2レン
ズ、7,8は第1、第2反射ミラー、10は位置検出器、例
えばリニアイメージセンサ(以下CCDと称す)、11は
円筒レンズである。前記マスクまたはレチクルは、基材
(ガラス)の表面に屈折率の異なるクロムが700〜1000
はオングストロームの厚さに蒸着されている。
本実施例は上記のような諸機器からなり、レーザ光源3
から発光されるレーザビームは、ビームエキスパンダ4
により拡大されてスリット5に入射する。該スリット5
を通過した像は、第1レンズ6を経て第1反射ミラー7
に投射され、該反射ミラー7で光路を曲げられた後、マ
スク2上に斜め方向から投影結像される。該結像は第2
反射ミラー8で光路を曲げられ、さらに第2レンズ9を
介してCCD10上に投影結像される。該CCD10の開口部は幅
が狭いため、円筒レンズ11を用いて全てのスリット5像
を圧縮しCCD10の画素上に投影結像されるようにする。
次に被観察物の基材と屈折率の異なる物質の各反射率を
一様にする入射角について説明する。
屈折率の異なる物質の境界、例えば空気とガラスとの境
界における反射率は偏光を考慮しなければならない。こ
の場合の反射率についてはフレネルの式を用い、また厚
さが光の波長位の薄膜の上面と下面からの反射率につい
ては、薄膜の反射の法則を用いる。
前述したように、マスクおよびレチクルの場合、ガラス
の表面に700〜1000オングストロームの厚さのクロムが
蒸着されており、ガラス表面における反射率とクロム表
面における反射率は、入射角度と光の波長により異な
る。
このため一例として、ガラスおよびクロムの反射率につ
いて光を斜めから照射する自動焦点方式に上記原理を適
用する場合を第2図に示す。ガラス13の反射率Rは公知
のフレネルの方式によれば、入射角をi、屈折角をi1
とするろ、S偏光、P偏光の場合の前記反射率Rsg、R
pgはそれぞれ下記(1),(2)式で表わされる。
また、第3図に示すクロム(Cr)14における反射の場
合、Cr膜の上面への入射角をi0,屈折角をi2,Cγ
の下面の媒質(ガラス)13へ出ていく角をi3,Cr(14)
膜上面の反射率をr、下面の反射率をr′とすれば、該
反射率のr,r゜のP、S成分は、公知の薄膜の反射の
方式によると、下記(3)(5)および(4)(6)式で表わされ
る。
ついで上記Cr(14)膜上面の反射率をr,下面の反射率を
r′としたときの薄膜の反射光の強さIrとなるから、この式のr,r′に夫々上記rp,rs
r′p,r′sを代入すると、P,S偏光の場合の夫々の
反射光の強さは、下記式(7)(8)のごとくになる。
ただし、 LSIのホトマスクとレチクルに用いられているガラス
の屈折率は、可視光の場合には1.4〜1.6であり、クロム
の屈折率は1.5〜3.0である。光源に波長633nmのHe−N
eのレーザ光を用いると、ガラスの屈折率は1.5程度、ク
ロムの屈折率は3.0程度である。
上記屈折率を(1),(2),(7),(8)式に代入して、各反射
率を求めて図示すると第4図に示すような曲線となる。
該曲線は、表面が理想状態のときの結果であるが、実際
にはガラスおよびクロムの表面状態により理想値と異な
るため、必ずしも第4図に示すような結果にはならな
い。しかし、P偏光による反射率をガラスおよびクロム
膜について着目すると、反射率が同一になる入射角が存
在することが分かる。
第5図は実際のレチクルを用いた場合のガラスとクロム
の反射率の測定結果を図示したものである。同図の曲線
はP偏光による実験結果であるが、該曲線は第4図に示
す理論値のP偏光の曲面とやや異なるけれども、入射角
80゜程度における反射率は一致していることが容易に理
解できる。
これはクロムに限定されず、屈折率がガラスより大きい
物質の場合、入射角を70゜以上に設定すると、反射率の
差も±20%程度であるから焦点の検出には好適である。
前記入射角(70゜以上)により焦点合せをしたときのCC
D10の出力は、第6図に示すとおりである。この場合、
マスク検査装置の焦点合せは、パターン信号を検出して
合焦点位置を求め、該位置にマスク2をZステージ12に
より位置決めして行う。
すなわち最も解像状態が良好な時のマスク2の位置をCC
D 10上のスリット像5′の番地で記憶しておく。そして
新しくセットしたマスク2上に投影結像し、CCD 10上に
結像されたスリット像5′が前記番地に等しくなるよう
に、Zステージ12を上下動させて対物レンズ1の焦点位
置にマスク2を位置合せする(第1図参照)。
なお、スリット像5′の位置は第6図に示すように、CC
D 10の出力に対して閾値を設定し、該閾値に相当するCC
D 10の画素13を求め、該画素13の中央値がスリット像
5′の位置に設定される。
第7図は光を透過する場合、例えばマスク2の裏面で反
射するスリット像5″の例を示したものである。マスク
2の裏面の反射の光軸16は、入射角度iとマスク2の厚
さtが決まれば、マスク2の屈折率からマスク2の表面
反射の光軸15より距離lだけ離れているため、スリット
5の幅をlの1/3程度小さくすれば、リニアイメージセ
ンサCCD 10上の出力が分離される。
しかも上記光軸15,16のずれ方向も決定されているた
め、マスク2の表面反射と裏面反射を容易に区別するこ
とができる。例えば第8図(a)に示すようにCCD 10の画
素13上に、表面反射と裏面反射の各スリット像5′,5″
が結像される場合、同図(b)に示す最初に表われる表面
反射の中央値mが表面反射のスリット像5′の反射出力
次に表われる裏面反射の中央値nが裏面反射のスリット
像5″の反射出力であるため、前記中央値mを用いて焦
点合せをすればよい。
〔発明の効果〕
本発明によれば、透明なガラス基材の表面上に該ガラス
基材と屈折率の異なる物質により形成された薄膜回路パ
ターンを形成したマスクの表面を結像光学系により観察
するマスク観察方法及びその装置において、前記ガラス
基材の表面および薄膜回路パターンの表面からの正反射
光強度を一様にして簡便な2値化方式で、前記結像光学
系の焦点位置にマスクの表面を高精度に合せることを可
能にして前記結像光学系によりマスクの表面を良好な解
像状態で観察することができ、高精度のマスク検査、測
定またはマスクによる露光を実現することができる効果
を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の焦点合せ装置の一実施例の構成を示す
概略図、第2図および第3図はガラスおよびクロム膜の
それぞれの反射を説明する図、第4図はガラスとクロム
の反射率を示す図、第5図は実際のマスクにおける反射
率を示す図、第6図は受光素子上に投影されたスリット
像の出力を示す図、第7図はガラスの裏面反射を示す
図、第8図は第7図の受光素子上に投影されたスリット
像の出力を示す図である。 2……マスク 3……レーザ光源 5……スリット 6,9……第1、第2レンズ 7,8……反射ミラー 10……位置検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G03F 1/08 S 7369−2H H01L 21/027 7352−4M H01L 21/30 311 N

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】透明なガラス基材の表面上に該ガラス基材
    と屈折率の異なる物質により形成された薄膜回路パター
    ンを形成したマスクの表面を結像光学系により観察する
    マスク観察方法において、前記マスクに対して、P偏光
    のレーザ光束を前記ガラス基材の表面と前記回路パター
    ンの表面からの反射率が実質にほぼ同一になる前記結像
    光学系の光軸方向に対する70〜85゜の入射角で斜め
    方向から入射投影し、該入射投影されたP偏光のレーザ
    光束により前記マスクのガラス基材の表面および薄膜回
    路パターンの表面から一様に正反射してくる正反射光束
    を前記マスクの表面の前記結像光学系の光軸方向の位置
    に対応させて少なくとも一次元のイメージセンサ上に結
    像させ、該イメージセンサから得られる画像信号を所定
    の閾値で2値化信号に変換して該2値化信号の中心を前
    記イメージセンサ上の座標として算出し、該算出された
    2値化信号の中心座標に基いて前記マスクを前記結像光
    学系の光軸方向に移動させて該結像光学系の焦点位置に
    マスクの表面を合わせることを特徴とする焦点合せ方
    法。
  2. 【請求項2】透明なガラス基材の表面上に該ガラス基材
    と屈折率の異なる物質により形成された薄膜回路パター
    ンを形成したマスクの表面を結像光学系により観察する
    マスク観察装置において、前記マスクに対して、P偏光
    のレーザ光束を前記ガラス基材の表面と前記回路パター
    ンの表面からの反射率が実質にほぼ同一になる前記結像
    光学系の光軸方向に対する70〜85゜の入射角で入射
    角で斜め方向から入射投影する入射投影手段と、該入射
    投影手段で入射投影されたP偏光のレーザ光束により前
    記マスクのガラス基材の表面および薄膜回路パターンの
    表面から一様に正反射してくる正反射光束を前記マスク
    の表面の前記結像光学系の光軸方向の位置に対応させて
    少なくとも一次元のイメージセンサ上に結像させる検出
    光学手段と、該検出光学手段のイメージセンサから得ら
    れる画像信号を所定の閾値で2値化信号に変換して該2
    値化信号の中心を前記イメージセンサ上の座標として算
    出する2値化中心算出手段と、該2値化中心算出手段で
    算出された2値化信号の中心座標に基いて前記マスクを
    前記結像光学系の光軸方向に移動させて該結像光学系の
    焦点位置にマスクの表面を合わせる焦点合せ制御手段と
    を備えたことを特徴とする焦点合せ装置。
  3. 【請求項3】前記入射投影手段には前記マスクの表面に
    入射投影するP偏光のレーザ光束としてP偏光のレーザ
    スリット光束に形成するスリット形成光学系を有し、前
    記検出光学手段にはマスクの表面から正反射してくる正
    反射スリット光束を一次元のイメージセンサ上に正反射
    スリット光束の長手方向を集光させる一次元の集光光学
    系を有することを特徴とする特許請求の範囲第2項記載
    の焦点合せ装置。
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JPS61290414A JPS61290414A (ja) 1986-12-20
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