JPS6217705A

JPS6217705A - テレセントリツク光学系用照明装置

Info

Publication number: JPS6217705A
Application number: JP15663385A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Takagi; 高木　秀平; Takeshi Sudo; 武司須藤
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1985-07-16
Filing date: 1985-07-16
Publication date: 1987-01-26

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、光学装置のテレセントリック光学系。

特にそのテレセントリック光学系を有効に機能させるた
めの照明装置に関する。

〔発明の背景〕

光学測定装置や光学式位置検出装置等の光学装置におい
ては、被検物体面での光軸方向の焦点ずれが観察面やセ
ンサー等の受光面で光軸に直角な方向の位置ずれとなっ
て計測を狂わす原因となる。

これを防ぐためには、その光学系をテレセントリック光
学系に構成し、対物レンズの被検物体側を主光線が光軸
に平行となるようなテレセントリックの配置に設定する
ことが従来からよく行われている。この場合、被検物体
を照明する照明光として、主光線が光軸に平行な光束が
用いられ、その、照明光の光源像が対物レンズの瞳面に
形成されるように構成される。しかし、その際、光源像
が光軸から偏って置かれると、対物レンズの瞳面で照明
の光量重心が光軸から偏るため、対物レンズの被検物体
側での実質的主光線が光軸から傾きテレセントリック性
がくずれてしまい測定を狂わす欠点が有った。

その欠点を除くために従来装置においては、照明光学系
中に検定レンズを挿入して、光源像を観察面等に形成さ
せた後、光源像がその観察面の中央（光軸中心）に位置
するように、光源の位置を調整する必要が有り、光源を
交換する場合や光学装置の使用が長時間中断されている
場合には、使用に先立って、その都度光源位置を検定し
、その位置調整を必要としていた。もしその検定作業を
怠る場合には、測定結果が信軌性の無いものとなる欠点
が有った。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来装置の欠点を解決し、光源の位置が
偏っていても、また、光源に輝度ムラが有っても測定精
度に狂いを生じないテレセントリック光学系用照明装置
を提供することを目的とする。

（発明の概要）上記の目的を達成するために本発明においては。

光源と、光源からの光を集める集光手段と、その集光手
段によって集光された光束を物体側に導くランダム・フ
ァイバー束とを含み、そのランダム・ファイバー束は、
多数のファイバーを束ねて。

一方の端面におけるファイバーの配列に対して他方の端
面での配列が不規則に分散するように瑳り合せて形成さ
れ、その一方の端面に入射する入射光束を複数に分割し
、他方の端面において一様に分布させるように構成する
ことを技術的要点とするものである。

〔実施例〕

次に１本発明の実施例を添付の図面に基づいて詳しく説
明する。

第１図は本発明の第１実施例を示す落射照明型光学測定
装置の光学系配置図である。第１図において、光源１か
らの照明光は、集光レンズ２と凹面鏡３とによって本発
明の要部をなし後で詳しく述べられるランダム・ファイ
バー束２０の入射端面２０ａに集光される。入射端面２
０ａから入射した光束はランダム・ファイバー束２０に
導かれて射出端面２０ｂから射出される。この射出端面
２０ｂから射出された光は、その射出端面２０ｂに近接
して設けられた開口絞り４を通して照明系レンズ５に向
い、照明系レンズ５によ゛って集光されて平行光束とな
る。その平行光束は、半透過プリズム６によって対物レ
ンズ光軸に沿って反射され、第２対物レンズ７を通過し
た後、第１対物レンズ８の瞳位置（この実施例では第１
対物レンズ８内の絞り９の位置）に集束され、射出端面
２０ｂの像と共に開口絞り４の像がその瞳位置に形成さ
れる。さらに、その光は再び平行光束となって第１対物
レンズ８から被検物体ＩＯに投射され、被検物体１０を
光軸に沿って垂直に照明する。その照明範囲は照明系レ
ンズ５の近傍に設けられた視野絞り１１によって定めら
れる。

上記のランダム・ファイバー束２０は、複数のオプチカ
ルファイバーを束ねて、一方の端面におけるファイバー
の並びと他方の端面のファイバーの並びとを違えて互い
に不規則な配列となるように縒り合わせて形成したもの
で、第２図にその一例を示す。この第２図に示すランダ
ム・ファイバー束２０は、直径δ−０，１ｍ〜０．３鶴
程度のオプチカルファイバーを多数集めて直径Φ＝５−
ｍ〜１０鶴程度になし、その両端面のファイバーＡ、Ｂ
。

Ｃ・・・の並びが第２図に示すように互いに不規則な配
列となるように瑳り合せて形成され、その両端を金属等
の結束管２１によって圧着結束させたものである。その
瑳り方が良好で、入射端面２０ａのファイバーＡ、Ｂ、
Ｃ・・・の並びに対して射出端面２０ｂ側でそれぞれの
ファイバーの切り口が。

その射出端面２０ｂの全面にわたって分散するように偏
り無（均一に分散形成されていると、入射端面において
偏った光量分布を示す入射光も、射出端面から射出する
際には極めて均一な光量分布の光束となる。

第３図は、ランダム・ファイバー束２０の両端面におけ
る光量分布の一例を示す線図である。うンダム・ファイ
バー束２０の端面中心０において最大の光強度を示し周
辺に至るに従って減少する入射光束Ａは、平坦な射出光
束Ａ゛となって射出端面２０ｂから射出される。また、
その最大の光強度部分が破ｖＡＢの如く偏って入射端面
２０ａに入射しても、ランダム・ファイバー束２０内を
通過することによって平均化されて、破線Ｂ″にて示す
ようにほぼ平坦なものとなり、一様な照明光に変えられ
る。

なお、ランダム・ファイバー束２０の両端に設けられた
結束管２１によって、ファイバーＡ、Ｂ。

Ｃ・・・はバラバラにならず、ランダム状態で強固に維
持される。従って、取扱いが容易で、テレセントリック
光学系中に設置するのに極めて好都合である。また、ラ
ンダム・ファイバー束２０の全長が比較的短く且つファ
イバー自身の直径が比較的太い場合には、柔軟性を持た
せるために数１０ミクロン程度の細いオプチカルファイ
バーの繊維を複数本束ねて第４図に示すように直径δ＝
　０．２　ｍ〜０．３ｆｉ程度の単位ファイバー束を作
り、これを土多数集めて第２図に示すランダム・ファイバー２０と同
様なものに形成してもよい。

さて、第１図において、ファイバー束２０の入射端面２
０ａでの照明光束に第３図中で曲線Ａ。

Ｂにて示されるように極端な光量ムラが有っても。

その射出端面２０ｂにおいては、一様な光量分布の射出
光束Ａ’　、Ｂ’　となるので、開口絞り４から射出さ
れる照明光束の主光線は常に第１対物レンズ８の瞳の中
心を通り、被検物体１０側において光軸に平行となる。

従って、光源１の照明光束に第３図中で曲線Ａに示すよ
うな光量ムラが有っても、また光源が照明光軸から偏心
しているために、その照明光束が曲線Ｂに示すように偏
った光量分布を示す場合でも、常に正しいテレセントリ
ック照明を行うことができる。

この照明光によって照明された被検物体１０からの反射
光は、第１対物レンズ８の瞳位置（絞り９の位置）を通
過し、第２対物レンズ７を介してスクリーン１２上に被
検物体像を形成するように。

第１対物レンズ８．第２対物レンズ７およびスクリーン
１２が配置され、テレセントリック光学系が構成されて
いる。従って、被検物体１０の像を形成する光束の主光
線は第１対物レンズ８の瞳中心を通り物体側において光
軸に平行となり、焦点調節誤差が測定精度に影響を及ぼ
すことが無く。

完全なテレセントリック機能を果す装置とすることがで
きる。

上記の第１実施側の測定装置においては、ランダム・フ
ァイバー束２０の入射端面における照明光に光量ムラや
偏りが有っても、射出端面では一様な光量分布の照明光
にすることができるので。

光源１の位置によって照明光束の主光線が対物レンズ主
軸に対して実質的に傾いてテレセントリック性が維持で
きなくなることがない。その為、測定作業に先立って光
源位置の検定を度々くり返す必要が無い。

第５図は、半導体製造用縮小投影型露光装置のアライメ
ント用照明光学系中に用いられる本発明の第２実施例を
示す光学系配置図である。超高圧水銀灯１０１から発し
た光は、楕円反射鏡１０２によりロータリーミラーシャ
ッタ１０３の反射面り二上台集光され、このロータリーミラーシャッタ１コ０３に設けられた開口を通過した後、恨すメータレンズ
１０４．フライアイレンズにて構成されたオブチカルイ
ンテグレータ１０５およびコンデンサーレンズ１０６を
介して投影原板のレチクル１０７を照明し、その照明さ
れたレチクル１０７上のパターン像を縮小投影レンズ１
０Ｂによってウェハ１０９上に形成して焼付露光を行う
ように構成されている。

一方、ロータリーミラーシャッタ１０３で反射され、ア
ライメント光学系の第１集光レンズ１１０に入射する光
束は、ランダム・ファイバー束２０の入射端面２Ｏａ上
に集光される。その入射端面２０ａに集光される照明光
束は、超高圧水銀灯１０１の一方の電極によってその中
央部分の光線がカントされるため、光源像のベストフォ
ーカス状態以外では、第６図（Ａ）に示すように中心に
おいて光量が極端に低下した部分を有する曲線■の如き
光量分布を示す。しかし、ランダム・ファイバー束２０
の射出端面２０ｂにおいては、平均化され１曲線■に示
すように平坦な光量分布となって射出される。射出端面
２０ｂから射出された照明光は、第２集光レンズ１１１
．視野絞り１１２、半透過鏡１１３．第２アライメント
対物レンズ１１５．第１アライメント対物レンズ１１４
゜移動ミラー１１６を介してレチクル１０７上のアライ
メントマークＰを照明し、さらに縮小投影レンズ１０８
を介してウェハ１０９上のアライメントマークＱを照明
する。また、レチクル１０７およびウェハ１０９上の双
方のアライメントマークＰおよびＱは互いに重畳されて
、アライメント対物レンズ１１４，１１５により、半透
過鏡１１３の後方に配置されたＩＴＶ撮像管１１７上に
結像され、レチクル１０７上のアライメントマークＰに
対するウェハ上のアライメントマークＱの正確な位置合
わせか、そのＩＴＶ撮像管１１７を介して確認される。

なお１両アライメントマークＰおよびＱを照明する照明
光学系において、ランダム・ファイバー束２０の射出端
面２０ｂの像が縮小投影レンズ１０８の瞳１０８ａの位
置に形成されるように各レンズ１１１，１１４．１１５
は配置され、レチクル１０７に対してはいわゆるケーラ
ー照明がなされ、ウェハ１０９に対してはテレセントリ
ックな照明がなされるように構成されている。また、レ
チクル１０７が異なる大きさのものと交換され。

レチクル上のアライメントマークの位置が点Ｐの位置か
ら点Ｐ゛の位置に変えられてもアライメントが可能なよ
うに、第１アライメント対物レンズ１１４と移動ミラー
１１６はレチクル１０７の面に平行なアライメント光軸
Ｙに沿って破線にて示す如（移動可能に構成されている
。この場合第１アライメント対物レンズ１１４と、第２
アライメント対物レンズ１１５との間の光束は平行光束
である。

この第１アライメント対物レンズ１１４と移動ミラー１
１６との移動により２点Ｐ°上のアライメントマークと
ウェハ１０９上の点Ｑ゛上に在るアライメントマークと
を重畳して観察可能となるが、この場合、レチクル１０
７上のＰ点およびＰ′点と投影レンズ１０８の瞳１０８
ａの中心とを通る主光線の投影光軸Ｘに対する角度はθ
からθ。

に変化する。従って、ウェハ１０９上の異なる点Ｑおよ
びＱ゛を照明するために瞳１０８ａを通過する光束は、
ランダム・ファイバー束２ｏの射出端面２０ｂでは互い
に異なる位置Ｒ，Ｒ’を通る。

いま、射出端面２０ｂにおける瞳１０８ａの射影を第６
図（Ｂ）に示すようにり、Ｌ’　とすれば。

ウェハ１０９上のＱ点はＬの範囲を通過する光によって
照明され、Ｑ′点はＬ゛の範囲を通過する光によって照
明される。

そこで、ランダム・ファイバー束２０を構成するファイ
バーの並びが第２図に示すようにランダム配列になって
いれば、たとえ入射端面２０ａにおいて第６図（Ａ）中
の曲線■にて示すように光量分布が一様で無くても射出
端面２０ｂにおいては曲線Ｈにて示す如くほぼ一様に平
坦なものとなるので、投影レンズ１０８の瞳１０８ａを
通過する光束の光量分布は、第１対物レンズ１１４と共
に移動ミラー１１６を移動しても偏ることは無い。

従って、その照明光束の主光線はウェハ１０９側におい
て常に投影光軸に対して平行となり、正しいテレセント
リック照明が行われる。

しかし、ランダム・ファイバー束２０が製作不良などに
よりその両端面でのファイバーの並びがランダムに配列
されず、入射光の光量分布と射出光の光量分布にあまり
差が無いか、大きな偏りのに示すように、中央部分にお
いて高く９周辺部において低い山形状の光量分布の光束
が射出されることになる。この場合、射出端面２０ｂの
範囲りを通ってウェハ１０９上のＱ点を照明する光束の
光量分布と、範囲Ｌ″を通ってウェハ１０９上のＱ”点
を照明する光束の光量分布とは第６図（Ａ）に示す如（
異なる。例えば、範囲Ｌ”内では。

光量が範囲Ｌ゛の中心Ｒ′に対して非対称に分布され、
その光量重心の位置は５範囲Ｌ°の中心Ｒ。

から偏ったものとなる。従って、投影レンズ１０８の瞳
１０８ａの位置においてもＱ″点を照明する光束の光量
重心が瞳１０８ａの中心から偏ってしまう。そのため、
投影レンズ１０８の瞳１０８ａを通る実質的主光線は瞳
１０８ａの中心を通らず、ウェハ１０９側において投影
光軸Ｘと平行にならない。すなわち、テレセントリック
照明が行われていないことになり、ウェハ１０９と投影
レンズ１０８との間に焦点調節誤差が有ると、アライメ
ントの精度が狂うことになる。その為、常に正しいテレ
セントリック照明を行うためには、アライメントマーク
の位置が異なるレチクルに交換する際、その都度ファイ
バー束２０の射出端面を移動するかまたは光源１０１と
楕円鏡１０２の位置を変えて、瞳１０８ａを通る照明光
束の光量分布が瞳中心に対して対称的になるように度々
調整しなければならない。

しかし、第２図に示すようなランダム・ファイバー束２
０のようにオプチカルファイバーが両端において互いに
不規則に配列され、射出端面における光量分布にムラが
無いようにすれば、レチクル１０７や光源１０１の交換
の際に、光源やファイバー束の位置調整をすること無く
、テレセントリックな照明を安定して正しく行うことが
可能となる。

なお、上記の実施例は、いずれも対物レンズの瞳中心を
通して被検物体を照明する落射照明型テレセントリック
光学系の照明光学系に係るものであるが１輪郭投影機の
如（コンデンサーレンズの前側焦点位置または、これと
共役な位置に光源像を形成して被検物体を照明する透過
照明型テレセントリック光学系用照明光学系においても
２本発明の照明光源装置を適用し得ることは言うまでも
無い。この場合には、ランダム・ファイバー束の射出端
面（２０ｂ）またはその共役面をコンデンサーレンズ前
側焦点面に結像させるようにすればよい。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、光学測定装置等に組み込ん
だ場合、被検物体に対し垂直に照明され瞳る照明光の全面での光量ムラが簡単な構成で除去でき、
しかも拡散板を使用した場合のような光量の損失が極め
て少なく、さらに従来のファイバー束と同様に照明光を
任意の位置に導くことができるから、光源の位置検定を
度々すること無しに正しいテレセントリック照明を可能
とし、高い測定精度を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の第１実施例を示す測定機のテレセン
トリック照明光学系の光学位置図、第２図は本発明の要
部をなすランダム・ファイバー束の拡大斜視図、第３図
は、第２図に示すランダム・ファイバー束の両端面にお
ける入射光と射出光の光量分布を説明するための線図、
第４図ぼ、第２図に示すランダム・ファイバー束に使用
される単位ファイバー束の一例を示す斜視図、第５図は
。半導体製造装置用縮小投影型露光装置に用いられた本発
明の第２実施例を示す光学系配置図、第６図は、第５図
に示すランダム・ファイバー束の両端における入射光と
射出光の光量分布を示す説明図で（Ａ）は光量分布状態
を示す線図で（Ｂ）はランダム・ファイバー束の射出端
面における視野範囲を示す平面図である。〔主要部分の符号の説明〕

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源と、該光源からの光を集める集光手段と、該
集光手段によって集光された前記光源からの光束を物体
側に導く多数のオプチカルファイバーから成るランダム
・ファイバー束とを含み、該ランダム・ファイバー束は
、多数のファイバーを束ねて、一方の端面におけるファ
イバーの配列に対し他方の端面での配列が不規則に分散
するように縒り合せて形成され、前記一方の端面に入射
する入射光束を複数に分割し、他方の端面において一様
に分布させる如く構成したことを特徴とするテレセント
リック光学系用照明装置。
（２）前記ランダム・ファイバー束（２０）の他方の端
面（２０ｂ）から射出された照明光束は、テレセントリ
ック光学系中の対物レンズ（８）の瞳中心を通して主光
線が該対物レンズ光軸に平行に物体を照射するように配
置されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のテレセントリック光学系用照明装置。