JPS6281616A

JPS6281616A - 焦点位置検出装置

Info

Publication number: JPS6281616A
Application number: JP60221820A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Yamauchi; 良彦山内; Mitsuyoshi Koizumi; 小泉　光義; Yoshimasa Oshima; 良正大島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-07
Filing date: 1985-10-07
Publication date: 1987-04-15

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】〔発明の利用分野〕本発明は、パターン付きＬＳＩウェハ面に自動的焦点合
わせを行なう自動焦点装置に好適な声点位置検出装置で
ある。

〔発明の背景〕

周期的明暗パターン投影方式の焦点位置検出装置例とし
て特開昭５８−７０５４０号公報がある。第１９図〜第
２７図を用いて前者の方式について説明する。

第１９図はその基本構成であり、縞パターンを試料面観
察光学系の合焦位＃ＬＶｃ対して、その前及び後ろへ若
干結像面がずれるように、光軸に沿った平面で２分割し
て配置しである。光源１よシ射出した照明光は、レンズ
２を通過して、縞パターン部３に至シ、半透過鏡４によ
って反射され、結像レンズ５に入射し、試料６０表面上
に後述する前焦点用及び後焦点用縞パターンＳ＆ＩＳｂ
を投影する。該縞パターンは第２図に示す如く、遮光部
９及び光通過部１０の繰り返しパターンで構成されてい
る。遮光部９、光通過部１〇−組で一つの検出明暗パタ
ーンとする。

該縞パターンは同図に示す如く、光軸中心に垂直な平面
で３ａ及び３ｂに２分割される。前焦点用縞パターン３
ａ、後焦点用縞パターン３ｂの合焦点位置は、アレイ状
センサ７の合焦点位置に対して若干前寄り及び後寄シに
設けである。

但し、このずれ量は等しくなるように、前会後焦点用縞
パターンを配置する。次に、該被測定試料表面の光学的
性質に応じた反射光が、結像レンズ５によって集光され
半透過鏡４を通過した後、プレイ状センサ７上に縞パタ
ーンを投影する。該アレイ状センサは第３図に示す如く
、光電素子７１がマ）　ＩＪソックス状配置されたもの
である。該光電素子とアレイ状センサ面上における結像
縞パターンの対応関係は、同図に示す如く光電素子列１
列に対し明（暗）パターン１本が対応する。

次に、アレイ状センサ７からの出力信号を第２２図に示
す。同図に示す如く、明暗投影パターンの繰返し周期に
一致した出力信号が得られる。

該出力信号を信号処理回路８において、以下のような処
理を行ない合焦点位置を検出する。明部出力電圧Ｖｌと
暗部出力電圧Ｖ、の差をと沙、明部出力電圧Ｖ、をもっ
てこの差と割算を行なう。

この割算結果をコントラストＣと定義する。次に、前焦
点用縞パターンの明暗情報から求めたコントラストの和
ΣＣ１，と、後焦点用縞パターンの明暗情報から求めた
コントラストの和ΣＣ８は、第２５図に示すようになり
、ΣＣＦとΣＣｏが等しくなった位置が合焦点位置であ
る。

この装置では次の様な問題点がある。　　　゛（１）該
縞パターンの明暗情報として得られる光量はアレイ状セ
ンサの大きさに限定されてしまい光量が不足し、その結
果Ｓ／Ｎ比が十分とれず動作が不安定となる。例えば、
結像レンズ５に５０倍の対物レンズ、アレイ状センサ７
の受光面の大きさを４　ｍ　（Ｌ）　Ｘ　２　ｗｍ　（
Ｗ）　（第２１図参照）とすると、縞パターン全体の大
きさは４　ｍ　（／、）　Ｘ　２噛（−）と一義的に決
まってしまう。

（２）　　縞パターン１本がアレイ状センサのＷ方向の
１列に対応するため、縞パターンとアレイ状センサの相
互のＬ　ＣＬ）方向の位置ずれに対して動作が不安定と
なる。また、被測定物体が焦点ずれを起こした場合、明
部出力電圧ｖ１と暗部出力電圧ｖ２の差は急速に零に近
づくため、焦点ずれ量検出の広い動作範囲ｍ（第２３図
）をもつことができない。

（３）　　まず、被測定物体表面の状態により反射光の
明るさにバラツキが生ずる事について述べる。

１）表面の凹凸によるバラツキ例えばＬＳＩウェハなどでは第２４図に示す如くパター
ンの密な部分と疎な部分が有る。前者ではパターンエツ
ジ部分で照明光が散乱され暗くなυ、後者では散乱され
ないので明るい。

１１）表面の材質の反射率の違いによるバラツキ１）と同様にＬＳＩエエハを例にする。ＬＳＩウェハで
は第７図に示す如く、Ｓｉの基板の上に多数の層があり
、それぞれの材質で反射率が異なる。大むね次の様に分
類で＾る。

３ｉ、Ａ１・・・・・・反射率が高いＳｉ３Ｎ４　ｒ　Ｐｏ１ｙ−８ｔ・・・反射率が低めま
た。　　ＳｉＯ２などの透明層では表面明るさは下地の
反射率に依存するが下地が同一のものであっても５ｉｆ
ｔの厚さによって表面明るさにバラツキが生じる。

従って、第２６図（ａ）　、　（ｂ）に示す如く明るさ
のバラツキが生じる境界部などに投影縞パターンの一部
がかかったりすると、検出明暗信号もそれに従ってバラ
ツキを生じる。しかるにこの装置では同図（ａ）に示し
た測定箇所での合焦点時の検出明暗信号は同図［有］）
の様になり、均一な表面明るさを有する箇所の焦点ずれ
時の検出信号（同図（Ｃ））と同一になり誤検出を起こ
す。

また、例えば試料像検出視野と投影縞パターンの位置関
係は第２７図の様になっており、縞パターン投影部と試
料像検出領域が近接しているため第１９図の半透過鏡４
を光路の一部に挿入し、（第１８図参照）価パターンの
光路と試料像検出部の光路を分離することはできない。

（４）半透過鏡が光路断面全域に挿入されているため試
料表面観察光光量が半透過鏡の反射率分だけ減少する。

従って、試料表面観察光を光電変換した場合、試料表面
観察信号のＳ／Ｎが低下する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記の問題点による焦点位置検出誤差
の発生を防ぎ、試料表面の状態に影響されない安定に且
つ高精度な焦点位置検出装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は従来、試料表面の明るさのバラツキを補正せず
に焦点位置検出を行なっていたものを次の様に改善し高
精度に且つ安定性の高い焦点位置検出を可能にした。

（１）　　センサの前にシリンドリカルレンズを設置し
、縞パターンの長手方向の光学的像圧縮を行なうことに
よって、明暗情報を高Ｓ／Ｎで安定に検出できる様にし
た。

（２）投影縞パターン１本に対し、第１６図に示す如く
複数のセンサ（ここでは３絵素）を対応させ、中心部の
センサ出力信号のみをサンプリングし、検出信号の安定
化を図った〇（３）　　複数の投影縞パターンを第１７
図に示す如く前焦点用と後焦点用の縞パターンの一組（
又は初数組）を交互に配置し、さらに被測定物体表面の
パターンに対し投影縞パターンが４５゜の角度をもつ様
にして、前述した被測定物体表面の明るさのバラツキに
よって焦点付ｌ；を検出誤差が生じないようにした。

（４）アレイ状センサの一部を、被測定物体表面の縞パ
ターン投影部の正反射光測定に用い、その曲１定値によ
り明暗信号の補正を行ない、被測定物体表面の明るさの
バラツキによって焦点位置検出誤差が生じないようにし
た。

（５）Ｉ！１８図に示す如く、縞パターン投影部と試料
像噴出部？十分に離し、縞パターン投影用半透過鏡をｈ
３パターンのみを投影する大版さにした。従って、試　
料像検出の光量は半透過鏡４ａで減らされることなく検
出器に到達するので、試料像検出信号のＳ／Ｎは向上す
る。

また、縞パターン明暗情報検出用アレイ状センサには余
分な迷光が入射しないので、明暗情報検出信号のＳ／Ｎ
も向上し動作が安定化する。

〔発明の実施列〕

本発明を、ウヱハ異物検査装置に適用した例について説
明する。全体構成を第１図て示す。

本装置はウェハ上異物検出部と、焦点位置検出部から構
成される。ウェハは２ステージ２７に固定され第２図に
示す如＜Ｘ−Ｙ方向に走査される。異物検出中にウェハ
６のうねりに起因する焦点ずれが生じるが異物検出性能
に悪影響を及ぼすので、常に焦点位置を保持する必要が
ある。

そこで前述した焦点位置検出法を用いれば、同図に示す
様に異物検査と並行して焦点位置を検出し２方向駆動機
構を有する２ステージにフィードバックをかけ、異物検
査時に焦点ずれを実時間で補正することができる。まず
、装置の概要について説明する。異物検出部は、像間系
２９（ａ）（ｂ）　、検出系２２、信号処理系２５、異
物メモリ２４、表示器２５より成る。また、ウェハ６は
２ステージ２７に真空吸着され、Ｘ−Ｙステージ制御回
路２６及びＸ−Ｙステージ２８によってＸ−Ｙ方向に走
査される。異物検査中にウェハ６のうねりに起因する焦
点ずれが生じるが、これは異物検出性能に影響を及ぼす
ので常に焦点位置を保持することが不可欠である。そこ
で、本発明の焦点位置検出法を焦点位置検出部７　、７
００　、８に用いれば、同図に示すように異物検査と並
行して焦点位置を検出し２ドライバ５ｏからＺステージ
２７にフィードバックをかけるので、焦点ずれを実時間
で補正することができる。

次に異物検出部だついて説明する。本検出法では第３図
に示す様だ、ウェハの斜め上方からＨｅ−Ｎｅレーザ２
９ａ、２？ｂをＸ方向の両側から照ｉｔし、ウェハ上の
異物よシ発生した散乱光を上方の４０倍の対物レンズ５
で集光しＰｉｎ　Ｓｉホトダイオードリニアセンサ２２
で光電変換し異物信号を異物メモＩＪ２４１Ｃストアし
、ウェハ上すべてを走査した後、表示器２５で異物位置
を表示する。同図に示しである様に異物検査部と縞パタ
ーン投影部はウェハ上で距離ａ離れて＾るので半透過鏡
４ａで容易にそれぞれの光路な分離することができる。

異物からの検出信号は第４図に示す如く、数１０　ｍＶ
の電気的なノイズ成分を含んでおシ、従来法では異物検
出系と焦点位置検出系の光路を分離していなかったため
、１μｍ程度の異物の中にはノイズとのＳ／Ｎが十分に
とれない場合が発生し、異物の見逃しを生じていた。し
かし、本発明では前述の様に両者の光路を分離している
ため、従来に比べ異物信号のＳ／Ｎは２倍（半透過鏡４
が透過５０％、反射５０％の場合）向上し、１μｍ程度
の異物もすべて安定に検出可能となる。

この分離は、異物検査装置特有の照明法（即ち、照明光
１で検査を行うのではなく、外部照明光２９ａ、２９ｂ
で照明を行う）にのみ適用出来る。

次に、自動焦点系について説明する。

第１図に本発明の基本構成を示している。光源１から射
出した照明光は、縞パターン３ａ、。

３ｂを通過し、該縞パターンを被測定物体６０表面に投
影する。縞パターンは第１０図に示す如く、遮光部９−
光通過部１ｏ−遮光部９で１組の前（後）焦点位置検出
パターンを構成する。試料表面で反射した反射光は、結
像レンズ５によって集光され、さらにシリンドリカルレ
ンズ１１によって縞パターンの長手方向のみが圧縮され
、アレイ状センサ７に縞パターンを投影する。アレイ状
センサで検出された検出信号は第１７図の様になる。ま
た、焦点すれと検出信号の関係も同図に示しである。　
　　′ 次に本特許の特徴の効果について説明する。

（１）　　シリンドリカルレンズの効果本実施例では第
６図に示す様にセンサ位置での拡大投影縞パターンの長
さくｕＰ）をセンサの長さくＷ）に圧縮する様にシリン
ドリカルレンズを設置した。この結果、アレイ状センサ
で検出される有効な光量はシリンドリカルレンズを設置
しない場合に比べて一／Ｗ倍に増加し検出信号のＳ／Ｎ
比の改善が図れる。

（２）縞パターン１本に複数絵素を対応させる効果本実施例では第１６図に示す如く、縞パターン１本に対
してセンサ３絵素を対応させ中心部の信号のみを検出し
ている。センサ位置に縞パターンを結像させた場合の光
強度分布を第７図に示す。第７図（ｓＬ）は試料焦点位
置での光強度分布、同図（ｂ）は焦点ずれ時の光強度分
布を示している。従来例では縞パターン１本に対して１
絵素を対応させていたので、第７図（ａ）に示す斜線部
のＳｔ、Ｓｘすべてが光電変換され信号出力Ｖ１．　Ｖ
、となる。この場合コントラスト計算結果（前述のＣ）
は、第８図（ａ）に示す様に位置ずれ量に対し急速に零
に近づく。

これに対し３絵素を対応させた場合、中心１絵素で光電
変換される光量は減るものの第７図（Ｉｔ）のＳ’ｔ、
Ｓ≦を光電変換するのでコントラスト計算結果は第２０
図すの様にゆるやかに零に近づく。従って、縞パターン
１本にセンサ１絵素を対応させた時よりも、縞パターン
１本にセンサ複数絵素な対応させ中心部の１号のみを検
出した方が動作が安定化する。又、本方式はセンサと縞
パターンの相対位置Ｌ　（ｔ）方向の位置合せが従来法
だ比べて余裕があり、縞パターンの位置調整が容易であ
る。

（５）前焦点用縞パターンと後焦点用縞パターンを交互
に配置する効果及び縞パターンを被測定物体パターンに
対し４５°傾ける効果。

前焦点用縞パターンと後焦点用縞パターンを交互に配置
した結果、それぞれの焦点用の縞パターン１組が投影さ
れる領域は繰り返し回数だけ細分化される。従って、前
述した様に試料表面上で明るさのバラツキの生じる境界
部分に投影縞パターンの一部がかかっても、明るさのバ
ラツキが検出信号に与える影響は低減される。また、第
９図に示す如く、従来法ではウェハパターンの繰り返し
周期が投影縞パターンの繰り返し周期と一致した場合誤
検出を生じていた。本発明ではＬＳＩウェハなどのパタ
ーンは大部分が直交パターンであることに着目し、投影
縞パターンをこれらに対し４５″傾けることにより、前
記の誤検出を防ぐことが可能となった。

（４）　　明るさ補正の効果まず、センサの分割について述べる。本実施例では、第
１０図に示す如ぐアレイ状センナの両端を試料表面の明
るさのバラツキ測定に使用し、残りの部分で投影縞パタ
ーンの明暗情報を検出する。センサの分割の方法は種々
考えられるが、同一のセンサで投影縞パターンの明暗情
報と試料表面の明るさのバラツキを同時に検出するもの
はすべて本特許請求の囲とする。センサからの出力信号
は、蓼１１図の様になる。同図（ａ）は縞パターン明暗
情報検出信号で試料表面の明るさのバラツキに応じて信
号の明レベルと暗レベルはバラツキを生じる。次に、同
図（ｂ）に明るさのバラツキを測定した結果を示す。こ
こで表面明るさのバラツキ測定信号Ｑ））を用かで縞パ
ターン明暗情報測定信号（ａ）を割算処理すれば同図（
Ｇ）に示す如く、試料表面の明るさのバラツキの影響を
除去した投影縞パターンの明暗情報（正規化）のみが検
出できる。

（５）光路を試料表面観察部と縞パターン投影部とに分
離した効果後述するウェハ異物検出装置に適用した例について述べ
る。本装置では、視野中心部を第３図に示す様に試料上
の異物からの散乱光の検出に用い、周辺部に縞パターン
を投影する。

第１２図（ａ）に検出系の光路断面全てに半透過鏡透過
５０チ反射５曝を挿入した場合の異物の検出信号、同図
（ｂ）に縞パターンの光路のみに同じ半透過鏡を挿入し
た場合の異物の検出信号を示す。同図からも判る様に半
透過鏡の反射率の分だけ、異物の検出信号は増加し、従
来法では異物信号と電気ノイズ信号の比Ｓ／Ｎが検出限
界付近にあった異物も、Ｓが２倍近く増加するので安定
に異物を検出できる。

次に、信号処理系について説明する。全体の回路構成を
第２５図に示す。まず、アレイ状センサの出力はシリア
ルに取り出され、明暗信号、明るさのバラツキ測定信号
は別々に加算器１３　、１５によって加算される。明る
さ測定信号はアンプ回路１４によってレベル補正される
。

その後、明暗信号は明るさ信号により割算され、正規化
される。次に、正規化された明暗信号はサンプル＆ホー
ルド回路によって特定の絵素の信号のみがサンプリング
され、明部出力信号と暗部出力信号に分割される。分割
された信号は、コントラスト算出回路（差分）１９で、
明部出力と暗部出力の差をコントラストとして出力し、
次の差動出力算出回路において、前焦点用コントラスト
の和ΣＣＦ及ヒ後焦点用コントラストの和ΣＣＢをそれ
ぞれ加算器２０５　、２０６で求め、ΣＣ２とΣＣ３の
差を差分回路２０７で求め、その結果を差動出力として
出力する。第２６図に本信号処理系に用いるクロヅパル
スのタイミングチャートを示す。まず、アレイ状センサ
はＣｐｏによって走査されシリアルに信号を出力する。

本実施例では、縞パターン１本に対してセンサ３絵素を
対応させ、計８組の縞パターンを投影するので４８パル
スを要し、リセットパルス１を含め計４９パルスで一回
の走査を行なう。明暗信号はＣｐ　ｔ＊Ｃｐ２で抽出さ
れ、それぞれ縞パターンの中心　４の明暗情報のみを抽
出する様にタイミングをとっである。Ｃｐｓ　、　Ｃ２
０（Ｃｐｓ　、Ｃｐｓ　）は前（後）焦点用コントラス
トをラッチするためのタイミングパルスである。

第１５図に本方式を用いて焦点位置検出を行なった結果
を示す。同図の破線は従来法による検出結果である。こ
の様に、高精度で且つ広い動作範囲をもつ焦点位置検出
が可能となる。

以上で、安定な動作を行なう自動焦点機構をもったウェ
ハ上異物検出装置が実現できた。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明てよれば、試料表面に明るさ
のバラツキのある試料でも高精度に焦点位置検出が可能
である。また、異物検出系の光量を減少させないので他
の観察系の検出信号のＳ／Ｎを向上させることができる
。従ってウェハ異物検出装置などに適用した場合、異物
検出性能も向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の基本構成図、第２図は実施
例のウェハ走査法を説明する図、第３図は実施例の光学
系の構成を示す図、第４図は異物からの検出信号を示す
グラフを示す図、第５図は検出信号のグラフを示す図、
第６図はシリンドリカルレンズを挿入した場合の光路図
、第７図は光強度分布を説明するグラフ、第８回正面図
、第１１図は焦点位置検出信号を示すグラフ、第１″２
−図は異物からの検出信号を示すグラフ、第１３図は信
号処理系の構成図、第１＋図はクロツクのタイミングチ
ャート図、第１５図は差動出力と焦点ずれの関係を示す
グラフ、第１６図は本発明の検出法の縞パターンとアレ
イセンサの位置関係を示す図、第１９図は本検出法の縞
パターンと照明部の構成図、第１ｇ図は本検出法の光路
を説明する図、第１９図は従来検出法の光学系構成図、
第２０図は従来検出法の縞パターン配置図、第２１図は
従来検出法の縞パターンとセンサの位ｌｔ関係を示す図
、第２２図は従来検出法の明暗検出信号と焦点ずれの関
係を示すグラフ、第２３図は検出コントラストと焦点ず
れの関係を示すグラフ、及び動作範囲ｍを説明するグラ
フ、第２手図はＬＳＩウェハの表面図、萬２５図はＬＳ
Ｉウェハの断面図、第２６図（ａ）は誤検出を起こす測
定有する箇所の焦点ずれ時の検出信号を示すグラフ、第
２７図は視野内における縞パターン投影部と観察部の位
置関係を示す図である。１・・・照明用光源、　　　　２．２９・・・コンデン
サレンズ、３・・・縞パターン部、３ａ・・・前ピント用縞パターン、３ｂ・・・後ピント用縞パターン、４．４ａ・・・半透過鏡、　　　５・・・対物レンズ、
６・・・試料、　　　　　　７・・・アレイ状センサ、
７１・・・センサの絵素、　　８・・・信号処理回路、
９・・・縞パターン１本、１０・・・縞パターン明部、
１１・・・シリンドリカルレンズ、１３　、１５・・・加算器、　　１４・・・増幅器、１
６・・・割算器、１７．１８・・・サンプル＆ホールド回路、１９・・・
差分器、　　　　２０・・・差動出力算出回路、２０１
〜２４０・・・ラッチ回路、２０５．２０６・・・加算器、　２０７・・・差分器、
２１・・・全反射鏡（又は半透過鏡）、２２・・・異物
検出器、　　２３・・・異物信号処理回路、２４・・・
異物メモリ、　　２５・・・表示器、２６・・・Ｘ−Ｙ
ステージ駆動回路、２７−−−Ｚスｆ−ジ、　　２８．ＸＹステージ、２９
　ａ　ｌ　ｂ・・・異物検出用照明、５０・・・Ｚステ
ージドライバ、７００・・・明暗情報検出部、２９１・・・コンデンサレンズ。、・ふ

Claims

【特許請求の範囲】１、明部と暗部とが周期的に繰返す縞パターンを被測定
物体に投影結像せしめる第１の結像光学系と、上記被測
定物体からの反射光を複数の光電素子より成るアレイ状
センサに結像せしめる第２の結像光学系と、上記アレイ
状センサにより光電変換して得た該縞パターンの明暗情
報により、上記被測定物体の焦点位置を検出するための
電気回路とを備えたことを特徴とする焦点位置検出装置
。２、第２の結像光学系にシリンドリカルレンズを、縞パ
ターンの各々を長手方向に圧縮するように設置したこと
を特徴とした特許請求の範囲第１項記載の焦点位置検出
装置。３、明部もしくは暗部のいずれかの縞パターンの拡大像
幅と前記アレイ状センサの絵素の整数倍幅を一致させ各
々の縞パターンの中心部の絵素の明暗情報のみを抽出す
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の焦点位
置検出装置。４、該縞パターンの複数組を、該第１の光学系の所定の
合焦点位置に対して、前方に結像位置を有する縞パター
ン（前焦点縞パターン）と、後方に結像位置を有する縞
パターン（後焦点用縞パターン）に分け、且つ前焦点用
縞パターンと後焦点用縞パターンを結像位置で交互に繰
り返して結像する様に配置したことを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の焦点位置検出装置。５、前記アレイ状センサを縞パターンの明暗情報抽出と
、被測定物体表面の反射率の測定に同時に用い、該信号
測定結果により前者の検出信号の補正を行ない、前記被
測定物体の表面反射率のバラツキの影響を除去したこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の焦点位置検出
装置。６、前記投影縞パターンを被測定物体観察視野周辺に投
影し、光軸の中心部は被測定物体観察光の検出に使用し
、半透過鏡を観察視野の一部に挿入し投影縞パターンの
光路と、被測定物体観察系の光路を分離し、両者の光量
を増加させたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の焦点位置検出装置。