JPH0765771A - 合焦位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高い合焦位置検出精度を保ちながら、合焦位置
検出時間が短縮できる合焦位置検出装置を提供すること
を目的とする。 【構成】あらかじめ予定した予定合焦位置を記憶する記
憶装置（１４）と、合焦位置検出を行う試料に対し、記
憶装置（１４）に記憶した前記予定合焦位置の所定近傍
範囲内では、焦点調節状態を表す信号のサンプリング周
期を短くし、所定近傍範囲外では、前記焦点調節状態を
表す信号のサンプリング周期を長くするサンプリング周
期制御手段（４，１１，１３，１４）とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、合焦位置検出装置に関
し、特に、光学顕微鏡，電子顕微鏡またはそれらの応用
装置に好適な合焦位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型電子顕微鏡でウエハのパターンを
観察する場合を例に従来の合焦位置検出装置を説明す
る。走査型電子顕微鏡の合焦位置検出装置は、対物レン
ズの励磁電流の調節により対物レンズの結像位置を光軸
方向に変化させ、複数の結像位置における焦点調節状態
を表す信号を取得し、この信号を基に対物レンズの合焦
位置を決めている。

【０００３】ウエハの厚さは、同じサイズのウエハであ
っても寸法公差やそりや各プロセスなどの影響で、最大
で１００μｍ程度の違いがある。このため、ステージ上
にウエハを載置し、対物レンズの結像位置を最大１００
μｍ程度変化させれば合焦位置を検出することができ
る。ここで、ウエハのパターンを観察するときは、観察
倍率が数万倍であるから、走査型電子顕微鏡の焦点深度
は２μｍ程度である。そこで、対物レンズの結像位置の
変化幅を２μｍして、各結像位置で焦点調節状態を表す
信号を取得しながら、結像位置を１００μｍ変化させ
る。そして、各結像位置での焦点調節状態を表す信号を
基に合焦位置を検出していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の合焦
位置検出装置では、合焦位置を高精度に検出するため
に、多くの焦点調節状態を表す信号を取得する必要があ
った。即ち、上述の例では、結像位置の変化量が１００
μｍであり、変化幅が２μｍであるから、焦点調節状態
を表す信号を５１回取得する必要があった。また、更に
高い精度の合焦位置を検出するためには、結像位置の変
化幅を更に小さくし、焦点調節状態を表す信号をより多
く取得しなければならなかった。そのために、合焦位置
検出に時間がかかるという問題点があった。

【０００５】そこで本発明では、高い合焦精度を保ちな
がら、合焦位置検出時間を短縮する合焦位置検出装置を
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】一実施例を示す図１に対応
付けて説明すると、上記問題点を解決するために、本発
明の合焦位置検出装置は、対物レンズ（４）の結像位置
と試料（６）との相対位置を対物レンズ（４）の光軸方
向に変化させる変化手段（４，１１，１３）と、前記相
対位置を変化させている時の、複数の相対位置における
試料（６）に対する焦点調節状態を表す信号をサンプリ
ングするサンプリング手段（７，１０，１１，１３）と
を具備し、前記焦点調節状態を表す信号に基づいて、試
料（６）に対する合焦位置を決定する合焦位置検出装置
において、あらかじめ予定した予定合焦位置を記憶する
記憶装置（１４）と、合焦位置検出を行う試料に対し、
記憶装置（１４）に記憶した前記予定合焦位置の所定近
傍範囲内では、前記焦点調節状態を表す信号のサンプリ
ング周期を短くし、所定近傍範囲外では、前記焦点調節
状態を表す信号のサンプリング周期を長くするサンプリ
ング周期制御手段（４，１１，１３，１４）とを備えて
いる。

【０００７】

【作 用】本発明の合焦位置検出装置は、記憶装置（１
４）にあらかじめ予定した予定合焦位置を記憶させ、こ
の記憶した合焦位置に基づいて、サンプリング周期制御
手段（４，１１，１３，１４）に以下のような制御を行
なわせる。即ち、合焦検出を行う試料の合焦位置は前記
予定合焦位置の所定近傍範囲内にあると想定されるの
で、記憶装置（１４）に記憶した前記予定合焦位置の所
定近傍範囲内では、前記焦点調節状態を表す信号のサン
プリング周期を短くし、所定近傍範囲外では、前記焦点
調節状態を表す信号のサンプリング周期を長くするよう
に制御する。

【０００８】これにより、高い合焦精度を保ちながら、
合焦検出時間を短縮することができる。

【０００９】

【実施例】以下、半導体ウエハ観察用の走査型電子顕微
鏡を例にして、本発明の一実施例を説明する。図１は本
発明の電子顕微鏡の概要図である。図１において、電子
銃１から射出された電子線はコンデンサレンズ２と偏向
器３と対物レンズ４とを通って、ステージ５上に載置さ
れているウエハ６を照射する。２次電子検出器７は、上
記照射によってウエハ６から発生した２次電子を検出
し、この２次電子検出器７の検出信号は増幅器８を経
て、Ａ／Ｄコンバータ９でデジタルデータに変換され
て、フレームメモリ１０に記憶される。デジタルデータ
は、２次電子信号をＣＲＴ１２に表示するための画像信
号と、合焦位置を決める焦点検出信号として使用され
る。なお、画像信号と焦点検出信号は物理的には同じも
のである。

【００１０】ＣＰＵ１１は、合焦位置検出のための種々
の演算を行うと共に、電子光学系駆動回路１３を制御す
る。この電子光学系駆動回路１３はＣＰＵ１１の指令に
応じて電子銃１やコンデンサレンズ２や偏向器３や対物
レンズ４などを駆動する。更にＣＰＵ１１は、対物レン
ズ４がウエハ６に合焦したときの対物レンズ４の結像位
置を予定合焦位置としてメモリ１４に記憶させ、この予
定合焦位置は次のウエハの合焦位置検出に使用される。

【００１１】次に、この実施例の作用を説明する。本発
明の合焦位置検出の動作を、対物レンズ４の結像位置を
示す図２と図３のフローチャートに沿って説明する。ウ
エハの厚さは、同じサイズのウエハであっても寸法公差
やそりや各プロセスなどの影響で、最大で１００μｍ程
度の違いがある。そこで、本実施例では、図２に示すよ
うに、対物レンズ４の結像位置を０μｍ〜１００μｍま
で変化させる。ここで、０μｍの位置とは、ウエハのサ
イズが同じときの、結像位置の下限位置のことである。
また、メモリ１４に記憶されている予定合焦位置は、例
えば、前回のウエハの観察時に対物レンズ４の合焦した
４２μｍを使用する。

【００１２】そして、対物レンズ４の結像位置の可変範
囲を予定合焦位置の所定近傍範囲内と所定近傍範囲外に
分ける。本実施例では、予定合焦位置の４２μｍから±
１６μｍの位置（２６μｍ〜５８μｍ）を予定合焦位置
の所定近傍範囲Ａゾーンとし、Ａゾーン外を所定近傍範
囲外のＢゾーンとする。更に、Ａゾーン内に後述する
（ステップ２１０にて説明する）合焦位置許容範囲とし
てＣゾーンを設定する。本実施例では、予定合焦位置か
ら±１０μｍの位置（３２μｍ〜５２μｍ）を合焦位置
許容範囲とする。

【００１３】ＣＰＵ１１は、ステップ２０１で対物レン
ズ４の結像位置が０μｍ〜１００μｍ変化するように、
かつ、合焦位置検出時間を短縮するために偏向器３が１
ラインのみに走査するように、電子光学系駆動回路１３
に制御信号を送出する。ＣＰＵ１１は、ステップ２０２
でメモリ１４に記憶されている前回の合焦位置を予定合
焦位置として使用する。本実施例では、上述の通り４２
μｍの位置を予定合焦位置として使用する。

【００１４】なお、焦点調節状態を表す信号から合焦位
置を決める方法は種々提案されているが、本実施例で
は、焦点調節状態を表す信号の最大値と最小値との差分
が一番大きい値となる結像位置を合焦位置とする。ＣＰ
Ｕ１１は、ステップ２０３で合焦位置検出をするための
初期値を設定する。初期値は、図２のＡゾーン内を対物
レンズ４の結像位置が変化するときの変位量Ｐ１＝２μ
ｍ，図２のＢゾーン内を対物レンズ４の結像位置が変化
するときの変位量Ｐ２＝１０μｍ、対物レンズ４の結像
位置を０μｍから変化させるため結像位置Ｆ＝０μｍが
ある。なお、対物レンズ４の結像位置が変化するときの
変位量とはサンプリング周期のことである。

【００１５】ＣＰＵ１１は、ステップ２０４で対物レン
ズ４の結像位置が０μｍのときの焦点調節状態を表す評
価値を以下の手順で取得する。ＣＰＵ１１は、電子光学
系駆動回路１３を介して、対物レンズ４の結像位置が０
μｍの位置になるように指令する。そして、電子銃１か
ら射出された電子線は、対物レンズ４の結像位置が０μ
ｍの状態でウエハ６を照射し、偏向器３により１ライン
のみ走査する。この電子線の走査によりウエハ６上から
発生した２次電子は焦点状態を表す信号として、上述の
とおり、２次電子検出器７により検出され、増幅器８と
Ａ／Ｄコンバータ９とを介してデジタルデータとなり、
フレームメモリ１０に記憶される。ついで、ＣＰＵ１１
は、このデジタルデータの最大値と最小値の差分を求め
（この差分を評価値という。）不図示のメモリに記憶す
る。

【００１６】ＣＰＵ１１は、ステップ２０５において、
対物レンズ４の変位量をＰ１にしていいかどうかを判断
する。本実施例においては結像位置Ｆが２６以上５８未
満であるかを判断している。現在はＦ＝０であるから、
ステップ２０５での判断はＮＯとなりステップ２０７に
進む。

【００１７】ＣＰＵ１１は、ステップ２０７で現在の結
像位置Ｆ＝０にＰ２（１０μｍ）を加算して次の結像位
置Ｆ＝１０とする。ＣＰＵ１１は、ステップ２０８で結
像位置Ｆの値が対物レンズ４の結像位置の変化範囲１０
０を越えていないことを判断する。現在はＦ＝１０であ
るから、ステップ２０８の判断はＹＥＳとなり、ステッ
プ２０４に戻る。

【００１８】以下、Ｆ＝１０，Ｆ＝２０のときに、Ｆ＝
０のときと同じループのステップ２０５，２０７，２０
８を進み、ステップ２０４に戻る。ＣＰＵ１１は、ステ
ップ２０４でＦ＝３０のときの評価値を取得してステッ
プ２０５に進む。Ｆ＝３０であるから、ステップ２０５
での判断はＹＥＳとなり、ステップ２０６に進む。

【００１９】ＣＰＵ１１は、ステップ２０６で現在の結
像位置ＦにＰ２＝２を加算して次の結像位置Ｆとする。
以下、Ｆは３２から順に３４，３６，３８，・・・・５
２，５４，５６までステップ２０４，２０５，２０６，
のループを繰り返す。Ｆ＝５６のときに、ＣＰＵ１１
は、ステップ２０６でＦ＝５８にして、ステップ２０４
に戻る。

【００２０】ＣＰＵ１１は、ステップ２０４でＦ＝５８
のときの評価値を取得しステップ２０５に進む。Ｆ＝５
８であるから、ステップ２０５での判断はＮＯとなり、
ステップ２０７に進む。ＣＰＵ１１は、ステップ２０７
で次の結像位置を決める。既に結像位置がＡゾーンの範
囲を越えているので、現在の結像位置Ｆに１０を加算し
て次の結像位置とする。即ち、現在はＦ＝５８であるか
ら、次のＦは６８となり、ステップ２０８に進む。

【００２１】Ｆ＝６８であるから、ステップ２０８での
判断はＹＥＳとなり、ステップ２０４に戻る。以下、結
像位置が６８から順に７８，８８，９８まで、ステップ
２０４，２０５，２０７，２０８のループを繰り返す。
Ｆ＝９８のときに、ステップ２０７で次のＦが１０８と
なり、ステップ２０８に進む。Ｆ＝１０８であるから、
ステップ２０８での判断はＮＯとなり、ステップ２０９
に進む。

【００２２】ＣＰＵ１１は、ステップ２０９において、
記憶した評価値のなかで最大の評価値を選択し、選択し
た評価値に対応する対物レンズ４の結像位置を合焦位置
Ｆmax として不図示のメモリに記憶し、ステップ２１０
に進む。ＣＰＵ１１は、ステップ２１０において、ステ
ップ２０９で得た合焦位置Ｆmax の値が合焦位置許容範
囲のＣゾーンにあるかどうかを判断する。即ち、合焦位
置許容範囲とは、合焦位置Ｆmax の合焦精度を判定する
パラメータである。合焦位置Ｆmax が図２のＣゾーンに
ある場合は、合焦位置Ｆmax 近傍でのサンプリング回数
が多いので、合焦精度が高いことがわかる。しかし、合
焦位置Ｆmax が図２のＣゾーンにない場合は、合焦位置
Ｆmax 近傍でのサンプリング回数が少ないので、合焦精
度の信頼性に欠ける。そこで、ＣＰＵ１１は、合焦位置
Ｆmax をメモリ１４に記憶させて再度合焦位置検出動作
を行わせる。

【００２３】合焦位置Ｆmax がＣゾーンにある場合は、
ステップ２１０での判断がＹＥＳとなり、ＣＰＵ１１
は、合焦位置Ｆmax に結像するように電子光学系駆動回
路１３を介して対物レンズ４の励磁電流を調節して、ウ
エハ６に合焦することができる。合焦位置Ｆmax がＣゾ
ーンにない場合は、ステップ２１０での判断がＮＯとな
り、ステップ２１１に進む。

【００２４】ＣＰＵ１１は、再度合焦位置検出動作を行
うために、ステップ２１１で合焦位置Ｆmax を予定合焦
位置としメモリ１４に記憶させ、ステップ２０２に戻
る。ＣＰＵ１１は、ステップ２０２で前回の対物レンズ
４の合焦位置を合焦位置Ｆmax として認識し、以下、前
述と同様に合焦位置検出動作を行う。これにより、２回
目の合焦位置検出時には、１回目の合焦位置Ｆmax 近傍
での評価値が多く取得されるので、合焦精度が高くな
る。

【００２５】なお、ノイズが多かったり、ウエハパター
ンの無い所で１ライン走査をしたときには、ステップ２
１２の判断が常にＮＯとなり合焦位置検出動作が終了し
ない場合もあるのでステップ２１０からステップ２０２
に戻る経路にループカウンタを設けておき、一定の回数
以上この経路を通過したときには強制的に合焦位置検出
動作を終了させることもできる。また、このようなエラ
ーをさけるために、１ライン走査の代わりに、全画面の
画像情報から評価値を演算して合焦位置検出動作を行う
こともできる。

【００２６】なお、図３のフローチャートでは、ステッ
プ２０５の判断がＮＯになるとステップ２０７で現在の
ＦにＰ２＝１０を加算して次のＦにしている。即ち、上
述のように、Ｆ＝２０のときは、ステップ２０５の判断
がＮＯとなり、ステップ２０７で次のＦを３０にしてい
る。本発明では、予定合焦位置の所定近傍範囲内でサン
プリング周期を短くすることにより高い合焦精度が保た
れている。このため、Ａゾーンの最初の値の２６と、２
６にＰ１＝２を加算した次の結像位置２８との評価値を
取得していないと合焦精度の信頼性が欠ける。そこで、
図４のフローチャートは、図３のフローチャートのステ
ップ２０５からステップ２０７に行く間に、対物レンズ
４の変化量をＰ２＝１０にしていいかという判断項目ス
テップ２０５Ａ及びステップ２０５Ｂを追加している。
即ち、ＣＰＵ１１は、ステップ２０５Ａにおいて、結像
位置Ｆが１６より大きく５８より小さいかどうかを判断
している。

【００２７】Ｆ＝２０のときは、ステップ２０５Ａの判
断はＹＥＳとなりステップ２０５Ｂに進む。ＣＰＵ１１
は、ステップ２０５Ｂで次のＦをＡゾーンの始まりの値
の２６にしてステップ２０４に戻る。ＣＰＵ１１は、ス
テップ２０４でＦ＝２６のときの評価値を取得しステッ
プ２０５に進み、ステップ２０５で次のＦが２８とな
る。そして、ステップ２０４でＦ＝２８のときの評価値
を取得できるので、高い合焦精度を保つ事ができる。

【００２８】なお、図４のフローチャートは、ステップ
２０５Ａとステップ２０５Ｂを追加した以外は、図３の
フローチャートと同じものである。合焦動作が終了する
とＣＰＵ１１は、電子光学系駆動回路１３を介して、偏
向器３をウエハ６上の所定領域を２次元走査させ、フレ
ームメモリ１０に１画面分の２次電子信号を取り込み、
画像処理をした後、ＣＲＴ１２にウエハ６の２次電子像
を表示させる。

【００２９】図４のフローチャートでは対物レンズ４の
結像位置を下限位置から１００μｍ変化させたときに、
評価値の取得は、対物レンズ４の結像位置が０，１０，
２０，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８，４
０，４２，４４，４６，４８，５０，５２，５４，５
６，５８，６８，７８，８８，９８の２４点のみでよい
ので、合焦位置検出時間の短縮ができる。

【００３０】本実施例では予め対物レンズ４の結像位置
を下限位置０μｍから上限位置１００μｍを固定の値と
したが、メモリ１４から読み出した予定合焦位置の前ピ
ンと後ピンの方向対物レンズ４の結像位置を振り分けて
もよい。本実施例では前回のウエハの観察時に対物レン
ズ４が合焦した値を予定合焦位置としてメモリ１４に記
憶させたが、ウエハの寸法が変わることもあるので、ウ
エハの寸法に応じた予定合焦位置をメモリ１４に記憶さ
せておき、観察するウエハの寸法に応じて、メモリ１４
から予定合焦位置を読み出してもいい。また、ウエハに
限らず、合焦した観察試料の合焦位置を予定合焦位置と
してメモリ１４に記憶させておき、次に観察するときに
メモリ１４に記憶させた予定合焦位置を読み出してもい
い。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、記憶
装置に記憶した予定合焦位置の所定近傍範囲内では、焦
点調節状態を表す信号のサンプリング周期を短くし、記
憶装置に記憶した所定近傍範囲外では、焦点調節状態を
表す信号のサンプルリング周期を長くしているので、高
い合焦精度を保ちながら合焦位置検出時間を短縮するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である走査型電子顕微鏡の概
要図である。

【図２】対物レンズ４の結像位置の可変範囲を示す図で
ある。

【図３】合焦位置検出動作を実行するフローチャートで
ある。

【図４】合焦位置検出動作を実行するフローチャートで
ある。

【符号の説明】

４ 対物レンズ ６ ウエハ ７ ２次電子検出器 １０ フレームメモリ １１ ＣＰＵ １３ 電子光学系駆動回路 １４ メモリ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対物レンズの結像位置と試料との相対位置
   を前記対物レンズの光軸方向に変化させる変化手段と、 前記相対位置を変化させている時の、複数の相対位置に
   おける前記試料に対する焦点調節状態を表す信号をサン
   プリングするサンプリング手段と、を具備し、前記焦点
   調節状態を表す信号に基づいて、前記試料に対する合焦
   位置を決定する合焦位置検出装置において、 あらかじめ予定した予定合焦位置を記憶する記憶装置
   と、 合焦位置検出を行う試料に対し、前記記憶装置に記憶し
   た前記予定合焦位置の所定近傍範囲内では、前記焦点調
   節状態を表す信号のサンプリング周期を短くし、 所定近傍範囲外では、前記焦点調節状態を表す信号のサ
   ンプリング周期を長くするサンプリング周期制御手段
   と、 を備えたことを特徴とする合焦位置検出装置。