JPH0533322B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、たとえば、半導体製造装置におい
て、半導体基板などの試料の位置検出、または、
その表面処理に用いる顕微鏡と連動した自動焦点
（オート・フオーカス）機構の焦点合わせ好適な
位置検出装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体製造工程やその検査工程では、半導体基
板（ウエハ）の表面の状態やその位置の検出やそ
の表面に所望の処理を施すなどのために、顕微鏡
が用いられることがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような顕微鏡において、試料上に焦点を合
わせる場合、手動操作によつて行われており、焦
点を迅速かつ正確に合わせることは、非常に面倒
であり、調整に時間を要するとともに、十分な精
度を得ることができないなどの欠点があつた。

そこで、この発明は、顕微鏡の光学系に一部を
利用して試料の位置や試料に対する焦点位置を検
出する位置検出装置を提供しようとするものであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の位置検出装置は、第１図に例示する
ように、表面が平面状を成す試料２に対して照射
すべき光４を発する光源５と、この光源から発せ
られた前記光を受けて集光し、その焦点を前記試
料の任意の表面近傍に結ばせるとともに、前記試
料の表面からの反射光１０を集光して焦点を結ば
せる集光手段８と、前記反射光の前記焦点を結ぶ
位置の近傍に設置されるとともに、前記反射光を
通過させる複数のスリツト１６が形成され、この
スリツトを前記反射光の中心光路と直交する方向
に移動することにより、前記反射光を遮断又は前
記スリツトを以て通過させるスリツト板（光断続
器１２）と、このスリツト板を介して受光側の中
心光路を挟んで前記スリツトの移動方向に離間し
た位置に設置されて前記スリツトを通過した前記
反射光を受光する第１及び第２の光検出器１４
Ａ，１４Ｂと、これら第１及び第２の光検出器の
各出力を受け、各出力間の位相差を以て前記試料
の位置を算出する算出手段とを備えたものであ
る。

〔作用〕

以上の構成において、試料２が光軸６の方向に
変位したとき、すなわち、試料２がS₀の位置から
変位したS₁あるいはS₂の位置にあるとき、本来、
試料２のS₀の位置でP₀の位置に結ばれるべき焦
点は、見掛け上、P₁，P₂の位置に結ばれる。

また、試料２からの反射光１０は、集光手段８
を構成する対物レンズを通過し、透過性鏡体１８
で光４の入射方向に対して直交方向に反射され、
スリツト１６を介して光断続器１４Ａ，１４Ｂに
入射する。

この場合、光源５から発せられた光４の焦点
P₀は固定であり、この焦点P₀に対して試料２が
光軸６の方向に変位することにより、見掛け上の
焦点P₁，P₂が生じ、透過性鏡体１８の反射で得
られた反射光１０の光軸２０上には、試料２の位
置S₀，S₁，S₂に対応して反射光１０の焦点Q₀，
Q₁，Q₂がそれぞれの位置に結ばれる。

すなわち、このスリツト１６の内部に結ばれた
焦点Q₀では、この点を中心に反射光１０が入射
側とは反対側に円錐状を成して広がつていくの
で、光軸２０を挟んで設置された光検出器１４
Ａ，１４Ｂにスリツト１６を通過した光が入射し
て検出される。

この場合、スリツト板（光断続器１２）が移動
しても、スリツト１６を通過する光は焦点Q₀を
中心に広がつて光検出器１４Ａ，１４Ｂに入射す
るので、両光検出器１４Ａ，１４Ｂ間の入光時間
は一致し、光検出器１４Ａ，１４Ｂの出力位相は
一致するので、その位相の一致から、試料２がS₀
の位置にあることが分る。

また、試料２が焦点P₀の下方に変位している
場合、すなわち、S₁の位置にあるときには、これ
に対応してスリツト１６の入射側に変位した位置
に焦点Q₁が現れる。したがつて、反射光１０は、
この焦点Q₁からスリツト板に向かつて拡がるの
で、光断続器１２のスリツト１６を通過する光
は、スリツト１６の移動に伴つて変動することに
なる。この結果、焦点Q₁の位置とスリツト１６
の移動速度とにより、反射光１０は、光検出器１
４Ａに入射した後、一定の遅延時間を経て光検出
器１４Ｂに入射し、スリツト１６の移動により、
光検出器１４Ａへの入射が終了した後、一定の遅
延時間を経て光検出器１４Ｂへの入射が終了する
ので、その遅延時間によつて光検出器１４Ａ，１
４Ｂの検出出力に位相差を生じ、この位相差によ
つて、試料２がS₁の位置にあることを知ることが
できる。

さらに、試料２が焦点P₀の上方に変位してい
る場合、すなわち、S₂の位置にあるときには、反
射光１０の焦点はQ₂に生じ、Q₁の場合とは逆の
関係で光検出器１４Ａ，１４Ｂに出力が発生し、
その出力間に位相差を生じるので、その位相差に
よつて試料２がS₂の位置にあることを知ることが
できる。

なお、焦点P₀に対して試料２が光軸６上の何
れの方向に変位しているかは、光検出器１４Ａ，
１４Ｂの何れに光が先に入射するかによつて判断
することができ、また、焦点P₀に対して試料２
がどれだけ光軸方向に変位しているかは、光検出
器１４Ａ，１４Ｂの出力の位相差によつて定量的
に測定することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

〔第１実施例〕 第２図はこの発明の焦点位置検出装置の第１実
施例を示し、第１図に示す焦点位置検出装置と同
一部分に同一符号を付してある。

第２図において、光源５には、たとえば、He
−Neのレーザ管が使用されている。このレーザ
管から発生した光（レーザ）４は、凹レンズ２４
および凸レンズ２６からなるビーム・エキスパン
ダ２７に入射し、そのビームが拡大される。

ビーム・エキスパンダ２７を経た光４は、透過
性鏡体としてのハーフミラー２８を通過し、対物
レンズ３０で集光され、試料２の光軸６上の点に
焦点P₀を結ぶ。試料２がシリコン・ウエハなど
の鏡面状のものでは、その表面からの反射光１０
はハーフミラー２８で光軸６に対して直交方向の
光軸２０方向に反射され、スリツト板である光断
続器１２に導かれる。

この光断続器１２は、第３図に示すように、遮
光材料板に同心円上に一定の間隔で複数のスリツ
ト１６を形成したものであり、その中心にはモー
タ３１の回転軸３２が取り付けられ、モータ３１
の回転によつて一定の速度で矢印Ａ方向に回転さ
れる。

また、この光断続器１２の背面側には、スリツ
トを１６を通過した反射光１０を検出する第１及
び第２の光検出器１４Ａ、１４Ｂが光軸２０を挟
んで光断続器１２の回転方向に設置されている。

各光検出器１４Ａ、１４Ｂは、光電変換素子で
構成することができ、その出力側には、その検出
出力から位相差を求めて位置を算出する算出手段
が設置される。

以上の構成に基づき、その動作を第４図ないし第
９図を参照して説明する。

第４図は、試料２の光軸６上の位置に対応して
光軸２０に結ばれた焦点Q₀，Q₁，Q₂と光検出器
１４Ａ，１４Ｂに入射する反射光１０の関係を示
している。

第５図および第６図は、焦点位置の変位と光検
出器１４Ａ，１４Ｂへの反射光１０の入射関係を
示している。

第４図に示すQ₀のように、焦点が光断続器１
２の面上にある場合には、反射光１０が同時に光
検出器１４Ａ，１４Ｂに入射あるいは遮断され、
その検出信号は同時に発生する。この場合、第７
図のＡは光検出器１４Ａの出力信号、第７図のＢ
は光検出器１４Ｂの出力信号をそれぞれ示し、こ
れらの出力信号から明らかなように、各検出信号
間の位相差は皆無になるので、試料２がS₀の位置
にあることが分る。

次に、第５図のＡないしＣに示すように、焦点
が光断続器１２の背面側のQ₂の点に生じている
場合には、光断続器１２のＡ方向への移動に伴
い、スリツト１６を通過した反射光１０は、第５
図のＡに示すように、光検出器１４Ａに検出され
た後、一定の時間を経て、第５図のＢに示すよう
に、光検出器１４Ｂにも検出され、さらに、一定
の時間を経て、第５図のＣに示すように、光検出
器１４Ａの光検出が終了した後、一定の時間を経
て光検出器１４Ｂの光検出が終了する。

第８図のＣ，Ｄは、光検出器１４Ａ，１４Ｂの
出力信号を示し、これら出力信号間には位相差t₁
が生じており、この位相差t₁により試料２の変位
方向およびその変位量を定量的に知ることができ
る。この場合、試料２は焦点P₀の上方に位置し
ている。

次に、第６図のＡないしＣに示すように、焦点
が光断続器１２の前面側のQ₁の点に生じている
場合には、光断続器１２のＡ方向の移動に応じて
光検出器１４Ａ，１４Ｂに反射光１０が検出され
る。

第９図のＥおよびＦは、各光検出器１４Ａ，１
４Ｂの出力信号を示し、これら出力信号間には位
相差t₂が生じており、この位相差t₂により焦点の
変位方向およびその変位量を定量的に知ることが
できる。この場合、焦点は試料２の上方の光軸６
上に結ばれる。

したがつて、試料２を載置しているテーブルを
位相差に応じて光軸６の上下方向へ移動すること
により、試料２を常にP₀の位置を置くことがで
きる。

〔第２実施例〕 第１０図は、この発明の焦点位置検出装置の第
２実施例を示し、第１図および第２図に示す焦点
位置検出装置と同一部分には同一符号を付してあ
る。

第１０図において、この実施例は、光断続器１
２の入射側に集光手段８を構成する対物レンズと
ともにその集光手段としての集光用レンズ３４を
設置したものである。

このように集光用レンズ３４を設置しても、同
様の効果が期待できる。

〔第３実施例〕 第１１図は、この発明の焦点位置検出装置の第
３実施例を示し、第１図および第２図に示す焦点
位置検出装置と同一部分には同一符号を付してあ
る。

この実施例は、この発明の顕微鏡の光学系に実
施したものである。

第１１図において、照明用光源３６からの光は
レンズ３７およびハーフミラー３８を介して対物
レンズ３０から試料２に至る。これによつて、試
料２が照明される。

レーザ管で構成される光源５は、レンズ４０，
４２、ハーフミラー４４，２８，３８および対物
レンズ３０を経て試料２に至る。

試料２からの反射光（レーザ光）１０は、対物
レンズ３０、ハーフミラー３８を通過した後、ハ
ーフミラー２８で反射され、さらに、ハーフミラ
ー４４で反射され、レンズ４６から光断続器１２
に至る。光断続器１２はモータ４８で回転され、
光断続器１２を通過した反射光１０は、光検出器
１４Ａ，１４Ｂに至る。

そして、対物レンズ３０、各ハーフミラー３
８，２８を通過した光は、結像レンズ５０を介し
て矢印Ｂで示す方向に導かれ、図示していない接
眼鏡に至る。

このように構成によれば、試料２の表面を観察
しながら、焦点の光軸方向の変位を検出し、その
変位に応じて試料２を光軸方向に移動させて自動
的に試料２の表面に焦点を設定することができ、
試料２の表面状態を正確に検出、測定、あるいは
写真撮影などを行うことができ、たとえば、半導
体製造工程やその検査工程において、所望の処理
を迅速にしかも高精度に行うことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、次の
ような効果が得られる。

(a) 試料の光軸方向の変位を正確に検出でき、試
料の反射率がその検出精度に影響を与えること
がないので、検出精度を向上させることができ
る。

(b) 光検出器の位置は任意に設定でき、その位置
による検出誤差を生じないので、高い検出精度
が得られる。

(c) 光源の照度むらは、光検出器の検出信号のレ
ベルに影響するだけで、検出精度に影響を与え
ることがない。

(d) 焦点位置のキヤプチヤレンジは、レンズの低
倍率から追つていくことにより、広く設定でき
る。

(e) 試料の光軸方向の位置および変位方向を容易
に知ることができる。

(f) スリツト板を複数の細隙を形成した遮光板で
構成する場合、細隙の大きさなどの不揃いが生
じていても検出精度に影響を与えることがな
く、検出精度を高めることができる。

(g) 位相差感度は、位粗差を試料の変位量で除し
た値で与えられるから、集光手段、たとえば対
物レンズが低倍率のとき、試料の変位に対する
位相差の変化が少なくなり、位相差感度は低く
なるのに対し、焦点位置を捉えるキヤプチヤレ
ンジは広くなり、また、前記対物レンズ高倍率
のとき、試料の変位に対する変化が大きくな
り、位相差感度は高くなるのに対し、キヤプチ
ヤレンジは狭くなり、したがつて、集光手段が
高倍率になる程、焦点合わせを精度よく行う必
要があり、その要求に応えることができる。

(h) 極めて簡単な構成であり、安価に提供できる
とともに、顕微鏡に一体的に組み込むことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の位置検出装置を示す説明
図、第２図はこの発明の位置検出装置の第１実施
例を示す説明図、第３図は光断続器および光検出
器の位置関係を示す説明図、第４図ないし第６図
はその動作を示す説明図、第７図ないし第９図は
光検出器の出力信号を示す発生、終了のタイミン
グを示す説明図、第１０図はこの発明の位置検出
装置の第２実施例を示す説明図、第１１図はこの
発明の位置検出装置の第３実施例を示す説明図で
ある。 ２……試料、４……光、５……光源、６，２０
……光軸、８……集光手段、１０……反射光、１
２……光断続器（スリツト板）、１４Ａ……第１
の光検出器、１４Ｂ……第２の光検出器、１６…
…スリツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面が平面状を成す試料に対して照射すべき
   光を発する光源と、 この光源から発せられた前記光を受けて集光
   し、その焦点を前記試料の任意の表面近傍に結ば
   せるとともに、前記試料の表面からの反射光を集
   光して焦点を結ばせる集光手段と、 前記反射光の前記焦点を結ぶ位置の近傍に設置
   されるとともに、前記反射光を通過させる複数の
   スリツトが形成され、このスリツトを前記反射光
   の中心光路と直交する方向に移動することによ
   り、前記反射光を遮断又は前記スリツトを以て通
   過させるスリツト板と、 このスリツト板を介して受光側の中心光路を挟
   んで前記スリツトの移動方向に離間した位置に設
   置されて前記スリツトを通過した前記反射光を受
   光する第１及び第２の光検出器と、 これら第１及び第２の光検出器の各出力を受
   け、各出力間の位相差を以て前記試料の位置を算
   出する算出手段と、 を備えたことを特徴とする位置検出装置。