JPH0157885B2

JPH0157885B2 -

Info

Publication number: JPH0157885B2
Application number: JP12994082A
Authority: JP
Inventors: Muneki Hamashima; Shigeo Murakami
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1982-07-26
Filing date: 1982-07-26
Publication date: 1989-12-07
Also published as: JPS5919913A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は光学的な観察装置や計測装置等におい
て、対物レンズの焦点位置を自動制御して、常に
鮮明な結像状態を得るための焦点制御装置に関
し、特にコヒーレント光を対象レンズで集光し、
微小スポツト光として対象物に照射して、その反
射光に基づいて焦点位置を制御する装置に関す
る。

従来よりカメラ等においては、最適な合焦面
（予定焦点面）の前後の前側ピント面、後側ピン
ト面との２ケ所に光電素子を配置して、その光電
出力に基づいて、撮像レンズ（対物レンズ）を透
過した被写体光の像面（又はその共役面）が、最
適な合焦面と一致するように焦点位置を制御する
装置が知られている。ところが、このような自動
焦点制御装置を、ウエハやマスク上のパターン線
幅等を精密測定する装置、ICパターンの欠陥を
検査する装置、あるいは縮小投影露光装置等に適
用する場合は、さらに高い精度とより広い作動領
域が必要とされる。

一般にこの種の各装置は極めて解像力の高い対
物レンズや投影レンズを備えている。そして高解
像レンズでは、固有のレンズ収差のために前側ピ
ント面と後側ピント面とでのボケ像は非対称にな
つてしまう。このため単に前側ピント面と後側ピ
ント面からの光電情報に基づいて焦点位置を制御
しても、必要とされる精度、例えば対物レンズの
焦点深度内に精密に制御することができない、と
いつた欠点があつた。

そこで本発明は、これらの欠点を解決し、高精
度で広い作動領域を備えた焦点制御装置を得るこ
とを目的とする。

次に本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。第１図は半導体ウエハやマスク上をレーザ光
のスポツトで走査して、パターンの線幅やエツジ
間隔を測定する線幅測定装置の斜視図である。こ
の装置はパターンエツジにスポツト光を照射した
とき、エツジから生じる回折光や散乱光を光電検
出して線幅を測定するものである。この装置につ
いて詳しくは特公昭56−25964号、「パターン線幅
測定装置」に開示されているので、本発明と直接
関係のない線幅測定の説明は省略する。第１図に
おいて、レーザ光源１からのレーザ光は、ビーム
コリメータ２によつて拡大されて平行光束にな
り、ハーフミラー３を介して反射ミラー４で対物
レンズ５に反射される。対物レンズ５に入射した
平行なレーザ光は、微小なスポツト光（直径1μ
ｍ程度）に収束されて、観察や測定の対象物とし
ての試料６を照射する。試料６の試料面からの反
射光は対物レンズ５を逆入射して再び平行光束に
なり、反射ミラー４で反射された後、ハーフミラ
ー３で反射されて、対物レンズ５の焦点ずれを検
出する検出光学系に入射する。この検出光学系に
ついて、さらに第２図と共に説明する。ハーフミ
ラー３からの光束はビームスプリツタ７によつて
２つの光束に分けられ、一方の光束はミラー８を
介して短焦点距離のレンズ９（第１結像手段）に
入射し、他方の光束は長焦点距離のレンズ１０
（第２、第３結像手段）に入射する。レンズ９を
通つた光束はビームスプリツタ１３に入射し、さ
らに２つの光束に分割される。そしてビームスプ
リツタ１３のスプリツト面１３ｂを透過した光束
は、光路長補正ガラス１４を通つて、１次元のフ
オトアレイ、例えば電荷結合デバイス（以下、
CCDとする）１５の受光面を素子の配列方向に
３分割したうちの中央部分に達する。一方、ビー
ムスプリツタ１３のスプリツト面１３ｂで反射し
た光束は、反射面１３ｃで反射されて、CCD１
５の左側部分（第２図では下方）に達する。さら
にレンズ１０を通つた光束は光路長補正ガラス１
１を通りミラー１２で反射された後、ビームスプ
リツタ１３の反射面１３ａで反射されて、CCD
１５の右側部分（第２図では上方）に達する。
尚、ここでCCD１５の受光面上において、レン
ズ１０を通つた光束を受光する領域を合焦検出領
域１５ａとし、ビームスプリツタ１３を通つた２
光束を受光する領域を、各々後ピン検出領域１５
ｂ、前ピン検出領域１５ｃと呼ぶことにする。ま
た合焦検出領域１５ａの受光面は、対物レンズ５
の焦点位置が試料面と合致したとき、対物レンズ
５を逆入射したスポツト光が結像される位置、す
なわち最適な合焦面（予定焦点面）上に配置され
ている。この際、後ピン検出領域１５ｂは対物レ
ンズ５の光軸方向に沿つて最適な合焦面の後側に
位置するように定められ、前ピン検出領域１５ｃ
は最適な合焦面の前側に位置するように定めら
れ、領域１５ｂと１５ｃは、領域１５ａからの光
路長が共に等しく定められている。

また、レンズ９，１０は、一例として焦点距離
が約300mmと900mmに定められている。

次に、CCD１５の光電出力に基づいて焦点制
御する制御回路を第３図により説明する。CCD
１５の各受光エレメントの光強度に対応した測光
情報としての蓄積電荷量は、CCD駆動回路１６
からのタイミングパルスに応答して順次時系列に
取り出される。掃き出された各受光エレメントの
電荷量はアンプ１７によつて増幅された後、サン
プルホールド回路１８に入力する。サンプルホー
ルド回路１８はCCD駆動回路１６のタイミング
パルス毎に、アンプ１７の出力電圧のピーク値を
サンプレして保持する。割算器１９は、サンプル
ホールド回路１８の出力電圧を次のＡ／Ｄ変換器
２０の入力レベル範囲に対して最適化するもので
ある。割算器１９で最適化された出力電圧はＡ／
Ｄ変換器２０により、CCD駆動回路１６のタイ
ミングパルスに応答してデジタル値に変換され、
そのデジタル値は高速Ｉ／Ｏ転送（例えばダイレ
クト・メモリ・アクセス（DMA）方式）によ
り、ランダム・アクセス形式のメモリ２１に順次
記憶される。このとき、メモリ２１には、CCD
１５の各受光エレメントに対応して番地付けされ
た蓄積電荷量のデジタル値が順次記憶される。

さて、メモリ２１に記憶されたデジタル値はマ
イクロ・プロセツサ２２、及び乗除算専用の高速
プロセツサ２３によつて、特定のアルゴリズムに
従つて演算処理される。このとき、マイクロ・プ
ロセツサ２２は、CCD１５の電荷量を掃き出し
た時点の対物レンズ５の焦点位置と試料面とのず
れ量を求め、そのずれ量に対応した対物レンズ５
の駆動装置Ｄ／Ａ変換器２４に出力する。そして
モータ等による駆動装置２５はＤ／Ａ変換器２４
の出力信号に応答して、対物レンズ５を光軸方向
に所定量だけ移動させる。

尚、割算器１９はマイクロ・プロセツサ２２の
出力データをＤ／Ａ変換器２６でアナログ化した
ものを分母として、サンプル・ホールド回路１８
の出力電圧をアナログ的に除算する。この割算器
１９はマイクロ・プロセツサ２２を介して、いわ
ゆるオート・ゲイン・コントロール（AGC）と
して作用する。また、マイクロ・プロセツサ２２
には所定の動作を行なわせるためのプログラムを
常駐するメモリ部と、各種演算や比較等を行なう
演算レジスタ部と、外部の各回路とのやり取りを
行なうＩ／Ｏポート部等が含まれている。

次に、この装置の動作を第４図のフローチヤー
ト図に基づいて説明する。このフローチヤート図
はマイクロ・プロセツサ２２の動作シーケンスを
示すものである。線幅を測定しようとする試料６
を対物レンズ５の下に載置する。この際、対物レ
ンズ５と試料６とは、試料６の厚さを考慮して予
め定められた間隔に設定される。焦点制御動作が
開始されると、ステツプ１００の「CCDRD1」
で、CCD１５の測光情報が各受光エレメント毎
に全て読み出され、Ａ／Ｄ変換器２０を介してメ
モリ２１に順次記憶される。そしてマイクロ・プ
ロセツサ２２はメモリ２１に記憶された測光情報
のうち、CCD１５の前ピン検出領域１５ｃと後
ピン検出領域１５ｂとに相当する測光情報を読み
出して、ステツプ１０１の「エリア検出」の処理
を実行する。この「エリア検出」は対物レンズ５
の焦点位置と試料面とのずれ量が、読み出した測
光情報に基づいて、ただちに求められるか否かを
検出するものである。ずれ量が極めて大きいと
CCD１５の受光面上の光強度分布は第５図ａの
ように、各検出領域１５ａ〜１５ｂに渡つてほぼ
フラツトになつてしまう。尚、第５図でDsは
Ａ／Ｄ変換器２０かデジタル変換し得る最大の値
に相当する。この「エリア検出」は前ピン、後ピ
ン検出領域１５ｃ，１５ｂの光強度分布に所定の
大きさのピーク（又はデイツプ）があるか否かを
検出する。もし、第５図ａのように光強度分布が
フラツトであれば、マイクロ・プロセツサ２２は
次のステツプ１０２でエリア外と判断して、ステ
ツプ１０３の「レンズ駆動Ａ」に実行を移す。
「レンズ駆動Ａ」の処理は、対物レンズ５を光軸
方向に一定量だけ駆動させるものである。具体的
には、マイクロ・プロセツサ２２がＤ／Ａ変換器
２４に、予め定められた一定値、例えば対物レン
ズ５の移動量として20μｍに相当する値を出力す
る。この値に応じて駆動装置２５は対物レンズ５
を移動する。この移動が終了すると、マイクロ・
プロセツサ２２は再びステツプ１００から上述の
動作を繰り返す。

さて、ステツプ１０２でエリア内と判断される
と、マイクロ・プロセツサ２２は再びステツプ１
００と同様にステツプ１０４の「CCDRD2」を
実行する。ただし、ステツプ１０４の
「CCDRD2」は、割算器１９の分母となる定数を
決定して、Ａ／Ｄ変換器２０の入力電圧を最適化
する処理も行なう。

そこで、この最適化について第５図ｂを用いて
説明する。今、初めに読み込んだCCD１５の光
強度分布が割算器１９の出力電圧として分布ｉの
ように、最大値Dsに対して全体的に低い場合は、
メモリ２１に記憶された各受光エレメント毎の測
光値（電荷量）をサーチして、分布ｉ中のピーク
値を見つける。そしてこのピーク値と最大値Ds
との比を求めて、その比に応じた定数をＤ／Ａ変
換器２６に出力する。これにより割算器１９の分
母は小さな値に更新され、次に同一焦点位置で
CCD１５の測光情報を読み込んだとき、割算器
１９の出力電圧は分布ｊのようにピーク値が最大
値Dsに近いものとなる。このように、測光情報
のピーク成分を検出して最適化することによつ
て、Ａ／Ｄ変換の際のデジタル誤差が減少し、十
分なＳ／Ｎ比で処理できるので、再現性が極めて
向上する。

さて、ステツプ１０５の「焦点演算Ａ」では、
最適化されてメモリ２１に記憶された測光情報の
うち、CCD１５の前ピン、後ピン検出領域１５
ｃ，１５ｂの両測光情報（以後、前ピン情報、後
ピン情報とする。）にのみ基づいて、対物レンズ
５の焦点位置のずれ量を演算する。この演算は基
本的には前ピン情報と後ピン情報とのちがいを求
めて、ずれ量に換算するものである。「焦点演算
Ａ」で、マイクロ・プロセツサ２２はメモリ２１
中の前ピン情報を読み取つて、前ピン検出領域１
５ｃの各受光エレメントの測光強度の総和を求め
る。これは、第５図ｃに斜線で示すように前ピン
情報の分布ｊ上の面積S₁を求めることに相当す
る。次に、前ピン情報中のピーク値P₁を求め、
総和（S₁とする）で除算する。この時、演算専用
プロセツサ２３を用いて、P₁／S₁を実数演算し、
その結果を保存しておく。次にマイクロ・プロセ
ツサ２２は後ピン情報をメモリ２１から読み取
り、上記と同様に、第５図ｃに斜線で示した総和
S₂とピーク値P₂とを求め、プロセツサ２３で
P₂／S₂を実数演算する。そして、先に求めた演
算結果P₁／S₂と、このP₂／S₂との減算を行なう。
この減算値は前ピン、後ピンを含めた焦点位置の
ずれ量に対応しており、理想的には減算値が零に
なればずれ量も零となり、ほぼ合焦したことにな
る。また減算値の正負は、対物レンズ５で形成さ
れた後（又は共役像）が所定の合焦面に対して、
前側に位置しているか、後側に位置しているかを
表わす。このように、前ピン、後ピン情報を演算
処理するとき、測光強度の総和で規格化（除算
P₁／S₂、P₂／S₂）することによつて、試料毎の
反射率のちがいに対して、精度が低下しないとい
う利点がある。

さて、こうして演算された減算値は、そのまま
焦点位置のずれ量を表わすものではない。そこで
マイクロ・プロセツサ２２は、減算値をずれ量へ
換算するために、予め記憶回路（ROM等）に用
意された変換テーブルをサーチして、対応するず
れ量を求める。この変換テーブルは対物レンズ５
の光学特性を含めて、装置毎に作成しておくとよ
い。マイクロ・プロセツサ２２は以上の処理をス
テツプ１０５の「焦点演算Ａ」で行ない、次のス
テツプ１０６を実行する。ステツプ１０６は、求
めたずれ量が所定値以下か否かを判断する。その
所定値とは、例えば対物レンズ５の光軸方向の上
下動で、最適な焦点位置に対して±1μｍのずれ
量に相当する。ステツプ１０６で所定値以上と判
断されると、ステツプ１０７の「レンズ駆動Ｂ」
が実行される。ここでマイクロ・プロセツサ２２
は、ステツプ１０５で求めたずれ量に対応した対
物レンズ５の移動量を求める。このずれ量と移動
量との対応はROM等の記憶回路に予め参照テー
ブルとして作成されている。従つてマイクロ・プ
ロセツサ２２は、この参照テーブルをサーチする
だけで、対応した移動量をただちに引き出すこと
ができる。この移動量はＤ／Ａ変換器２４に出力
され、駆動装置２５を介して対物レンズ５を光軸
方向に移動量分だけ駆動する。「レンズ駆動Ｂ」
が終了すると、マイクロ・プロセツサ２２は再び
ステツプ１０４の「CCDRD2」から同様の操作
を繰り返す。

以上、ステツプ１０４，１０５，１０６，１０
７で、対物レンズ５の焦点位置が粗調整される。
粗調整の完了はステツプ１０６で判断されるが、
その判断基準は、前ピン、後ピン情報から得られ
る減算値（差動情報）のみで、対物レンズ５を駆
動できる最小の限界か否かで定められている。こ
れは、焦点位置が正確に合致したとしても対物レ
ンズ５固有のボケ像が前側と後側とのピント面で
非対称になるためである。

さて、ステツプ１０６で粗調整（合焦位置に対
して、例えば±1μｍ以内）の完了が判断される
と、次にステツプ１０８の「CCDRD3」が実行
される。「CCDRD3」は「CCDRD2」と同様に、
CCD１５の測光情報をメモリ２１に読み込む。
尚、「CCDRD3」では割算器１９による最適化を
行なつてもよいが、処理時間がその分長くなるた
め、あえて行なわなくてもよい。このときメモリ
２１に記憶された測光情報の光強度分布は、第５
図ｄに示すようになる。すなわち、粗調整によつ
て、CCD１５の前ピン、後ピン検出領域１５ｃ，
１５ｂ上のレーザスポツト光のボケ像はほぼ等し
いガウス分布形状になる。また、合焦検出領域１
５ａ上のスポツト光の光強度は極めて鋭いピーク
Pmを持つたガウス分布になる。尚、領域１５ａ
上のスポツト光の像の大きさは、CCD１５の１
つの受光エレメントよりも十分大きい。そして領
域１５ａに対する結像倍率は他の２つの領域１５
ｂ，１５ｃに対する結像倍率よりも大きく定めら
れているから、焦点位置のわずかな変動に対し
て、ピークPmの大きさは極めて敏感に変化す
る。

そこで、次のステツプ１０９「焦点演算Ｂ」
で、マイクロ・プロセツサ２２は、メモリ２１中
の合焦検出領域１５ａの測光情報（以後、合焦情
報とする）を読み込み、合焦情報（第５図の斜線
部）中のピークPmの値を求める。このピーク
Pmの値はマイクロ・プロセツサ２２に記憶され
る。ステツプ１１０は、求められたピークPmが
対物レンズ５のわずかな上下動範囲内において最
大となつたか否かを判断する。ステツプ１１０で
最大でないと判断されると、マイクロ・プロセツ
サ２２はステツプ１１１の「レンズ駆動Ｃ」を実
行する。「レンズ駆動Ｃ」は対物レンズ５を微小
量、例えば0.1μｍだけ光軸方向に移動させる。そ
してマイクロ・プロセツサ２２で再び
「CCDRD3」からの実行を繰り返す。ステツプ１
１０でピークPmが最も大きくなつたと判断され
ると、次のステツプ１１２の「位置記憶」に進
む。この「位置記憶」で、マイクロ・プロセツサ
２２は試料６を載置した基台に対する対物レンズ
５の位置を、不図示のポテンシヨ・メータ等で読
み取つて記憶する。

尚、上記ステツプ１０８，１０９，１１０，１
１１によつて焦点位置の微調整が行なわれる。こ
の微調整は、上記実施例では合焦情報のピーク
Pmが最大となるように、対物レンズ５を微小量
ずつ移動させる、いわゆるサーボ制御的な動作で
あつた。しかし、その他の方法として、対物レン
ズ５を微小量だけ移動させては、ピークPmの値
をサンプリングし、対物レンズ５の微調整範囲内
（例えば±1μｍ以内）でピークPmの変化を順次
記憶する。そしたて、ソフトウエア的な処理によ
り、ピークPmの最大値に対応した対物レンズ５
の位置を求め、その位置にただちに対物レンズ５
を移動させることもできる。

さて、ステツプ１１２の「位置記憶」で記憶さ
れた位置情報は、次の試料が載置されたときに、
対物レンズ５をただちに焦点制御するために使わ
れる。一般に、同一処理、同一ロツト内のウエハ
間においては、厚みの差がほとんどない。従つ
て、そのようなウエハを多数検査する場合、記憶
された位置情報に基づいて対物レンズ５を、移動
すれば極めて高速な焦点制御が可能となる。この
際、位置情報に基づく対物レンズ５の移動を粗調
整とし、次いて前述の如く微調整を行なえば、ウ
エハのわずかな湾曲やそりに対しても正確な焦点
位置制御ができる。また、その位置情報を使え
ば、何らかの事態で焦点が大幅にずれた場合でも
すぐに元にもどせる機能、すなわち自動復帰機能
も粗み込める。

また、対物レンズ５のかわりに試料６を上下動
させてもよいことは言うまでもない。さらに、対
物レンズ５に焦点調整機構（フオーカス環等）が
組み込まれている場合でも、この機構を上記実施
例と同様に駆動装置２５で駆動すれば、同様の効
果が得られる。

また、実施例では、対物レンズ５からの光束は
２つに分割されて、それぞれレンズ９と１０に入
射していた。しかしながら、レンズ１０の後にビ
ームスプリツタ等を設けて光束を２つに分け、そ
の一方の光路を通つた光束はCCD１５の領域１
５ａに達するようにし、他方の光路を通つた光束
は新たに設けたレンズを介して領域１５ｂ，１５
ｃに達するように構成してもよい。もちろん、こ
の場合も、レンズ１０単独の結像倍率は、レンズ
１０と新たに設けたレンズとの合成によつて決ま
る結像倍率より大きく定められる。

もちろん、CCD１５の２つの領域１５ｂ，１
５ｃの夫々に対して独立に焦点距離の短いレンズ
を設けてもよいことは言うまでもない。

以上、本発明の実施例では、CCD１５上に結
像される像をレーザ光のスポツトとしたが、必ら
ずしもレーザ光、いわゆるコヒーレント光である
必要はない。また試料６として製造工程中のウエ
ハを検査する場合、アルミ蒸着処理された表面は
極めて反射率が高く、CCD１５の蓄積電荷量が
飽和してしまうこともある。そこでウエハの表面
状態（フオトレジスト、酸化シリコン、ポリシリ
コン又はアルミニウム）に応じて、CCD駆動回
路１６を制御して、CCD１５の読出しサイクル
を可変にしたり、蓄積時間を変えたりすればよ
い。

また、割算器１９による最適化において、Ａ／
Ｄ変換器２０の入力電圧が最大値Dsを越えると、
変換されるデジタル値はビツト数により定まる最
も大きなデジタル値に制限されてしまう。そこで
マイクロ・プロセツサ２２がメモリ２１中の測光
情報に基づいて、割算器１９の分母を決定する
際、メモリ２１中に１つで最大のデジタル値があ
つたときは、分母を大きな値に更新して、Ａ／Ｄ
変換器２０のデジタル的な飽和を防止すればよ
い。このようにすれば、メモリ２１に読み込まれ
る測光情報は飽和のない、Ｓ／Ｎ比の良いものと
なり、焦点制御の精度や再現性が向上する。

以上説明したように本発明では、焦点整合すべ
き対象物からの反射光を２光束に分離し、一方は
前ピン、後ピン検出用の光電検出器に導き、他方
は合検出用の光電検出器に導くと共に、合焦検出
用の光電検出器に対する結像倍率を他の光電検出
器に対する結像倍率よりも大きくした。このた
め、焦点位置の制御範囲が広くなると共に、極め
て高精度の自動焦点制御が実現できるという効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による焦点制御装置を
組み込んだ線幅測定装置の斜視図、第２図は焦点
検出光学系を示す配置図、第３図は焦点制御を行
なうための制御回路のブロツク図、第４図は、焦
点制御の動作を説明するフローチヤート図、第５
図は焦点制御の動作に伴つて変化するCCD１５
の光強度分布を説明するための図である。〔主要部分の符号の説明〕、１……レーザ光源、
５……対物レンズ、９……短焦点距離のレンズ、
１０……長焦点距離のレンズ、１５……一次元電
荷結合デバイス（フオトアレイ）。

Claims

【特許請求の範囲】１対象物からの光を入射する対物レンズと；該
対物レンズの予定焦点面における結像状態を検出
する第１光電検出器と；該予定焦点面を挾んだ前
後２つの位置における結像状態を各々検出する第
２及び第３光電検出器と；前記対物レンズからの
光を前記第１、第２、第３光電検出器の夫々に導
く第１、第２、第３結像手段と；前記３つの光電
検出器の各出力信号に基づいて、前記対物レンズ
による像が予定焦点面上に結像される如く制御す
る制御回路とを備え、前記第１結像手段の結像倍
率を他の結像手段の結像倍率よりも大きく定めた
ことを特徴とする焦点制御装置。２前記第２と第３結像手段は、前記対物レンズ
からの光を前記第２、第３光電検出器の両方に導
びくように、１つのレンズ手段９で兼用したこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の焦点制
御装置。３特許請求の範囲第１項記載の装置において、
前記３つの光電検出器は、複数の受光素子を一次
元に配列した１つのフオトアレイ１５で構成さ
れ、該フオトアレイ上の受光面を素子配列方向に
３つの領域に分け、各領域を夫々、前記第１、第
２、第３光電検出器として使うことを特徴とする
焦点制御装置。４特許請求の範囲第１項記載の装置において、
前記制御回路は前記第２と第３光電検出器の両出
力信号がほぼ等しくなるように前記対物レンズと
対象物との間隔を粗調整した後に、前記第１光電
検出器の出力信号が最大になるように前記間隔を
微調整するマイクロ・プロセツサ２２を有するこ
とを特徴とする焦点制御装置。