JP2001194321A - 半導体ウエハの検査装置 - Google Patents
半導体ウエハの検査装置Info
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- H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
- H01L21/67282—Marking devices
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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- Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 異なる焦点位置にある位置合わせマークを、
短い測定時間で高精度で測定できる半導体ウエハの検査
装置の実現。 【解決手段】 第１の位置合わせマークを有する第１の
プロセス層12と、第２の位置合わせマークを有する第２
のプロセス層13とが形成された半導体ウエハ100の表面
の光学像を形成する半導体ウエハの検査装置であって、
半導体ウエハの表面の光学像を形成し、波長により焦点
位置が異なる共焦点光学系44,45 と、広い波長範囲を有
する前記共焦点光学系の光源41とを備える。
短い測定時間で高精度で測定できる半導体ウエハの検査
装置の実現。 【解決手段】 第１の位置合わせマークを有する第１の
プロセス層12と、第２の位置合わせマークを有する第２
のプロセス層13とが形成された半導体ウエハ100の表面
の光学像を形成する半導体ウエハの検査装置であって、
半導体ウエハの表面の光学像を形成し、波長により焦点
位置が異なる共焦点光学系44,45 と、広い波長範囲を有
する前記共焦点光学系の光源41とを備える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハの検
査装置に関し、特にすでにプロセス層が形成された半導
体ウエハ上に更にプロセス層を形成する場合に、正しい
位置に形成されたかを確認するために下側と上側のプロ
セス層の位置合わせマークの位置関係を調べる半導体ウ
エハの検査装置に関する。
査装置に関し、特にすでにプロセス層が形成された半導
体ウエハ上に更にプロセス層を形成する場合に、正しい
位置に形成されたかを確認するために下側と上側のプロ
セス層の位置合わせマークの位置関係を調べる半導体ウ
エハの検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体装置は集積度の向上に応じ
て益々多層化される傾向にあり、半導体装置の製造プロ
セスは数百にも及ぶようになってきた。各プロセス層を
形成するには、塗布したレジストにパターンを露光して
現像し、パターン化されたレジスト層を形成するプロセ
スが行われる。各プロセス層は、エッチングやスパッタ
リングによりレジスト層のパターンに対応したパターン
に加工される。高集積度の半導体装置では、各プロセス
層のパターンは非常に微細になっており、各プロセス層
のパターンの重ね合わせ精度は、非常な高精度が要求さ
れる。しかもプロセス層の層数も増大しており、１層で
も位置ずれの大きなプロセス層があるとその半導体装置
は最終的に不良品になる。
て益々多層化される傾向にあり、半導体装置の製造プロ
セスは数百にも及ぶようになってきた。各プロセス層を
形成するには、塗布したレジストにパターンを露光して
現像し、パターン化されたレジスト層を形成するプロセ
スが行われる。各プロセス層は、エッチングやスパッタ
リングによりレジスト層のパターンに対応したパターン
に加工される。高集積度の半導体装置では、各プロセス
層のパターンは非常に微細になっており、各プロセス層
のパターンの重ね合わせ精度は、非常な高精度が要求さ
れる。しかもプロセス層の層数も増大しており、１層で
も位置ずれの大きなプロセス層があるとその半導体装置
は最終的に不良品になる。
【０００３】そこで、各プロセス層を形成する時には、
レジスト層をパターン化した時に下層のプロセス層のパ
ターンとの位置ずれを測定し、位置ずれが許容範囲内で
あることを確認している。位置ずれが許容範囲内である
時にはそのレジスト層でプロセス層の加工を行い、位置
ずれが許容範囲を越えている時にはレジスト層を剥がし
て、再度レジスト層を形成するプロセスからやり直す。
また、この位置ずれの測定結果は、露光装置であるステ
ッパにフィードバックされ、露光時の位置調整に利用さ
れる。
レジスト層をパターン化した時に下層のプロセス層のパ
ターンとの位置ずれを測定し、位置ずれが許容範囲内で
あることを確認している。位置ずれが許容範囲内である
時にはそのレジスト層でプロセス層の加工を行い、位置
ずれが許容範囲を越えている時にはレジスト層を剥がし
て、再度レジスト層を形成するプロセスからやり直す。
また、この位置ずれの測定結果は、露光装置であるステ
ッパにフィードバックされ、露光時の位置調整に利用さ
れる。
【０００４】位置ずれを測定するには、図１の（１）に
示すように、ウエハ上に形成されるダイ１の周辺に、プ
ロセス層毎に位置合わせマーク２を形成し、２つの層の
位置合わせマークの位置関係を測定することにより行っ
ている。位置合わせマークの形状については、例えば、
ＳＥＭＩスタンダードＰ２８−９６（集積回路製造用オ
ーバーレイ計測テストパターン）に規定されている形状
が使用される。図１の（２）は、そのような位置合わせ
マークの一例を示す図であり、ボックス・イン・ボック
スと呼ばれる形状である。
示すように、ウエハ上に形成されるダイ１の周辺に、プ
ロセス層毎に位置合わせマーク２を形成し、２つの層の
位置合わせマークの位置関係を測定することにより行っ
ている。位置合わせマークの形状については、例えば、
ＳＥＭＩスタンダードＰ２８−９６（集積回路製造用オ
ーバーレイ計測テストパターン）に規定されている形状
が使用される。図１の（２）は、そのような位置合わせ
マークの一例を示す図であり、ボックス・イン・ボック
スと呼ばれる形状である。
【０００５】図２は、位置合わせマークの断面形状の例
を示す図である。図２の（１）は、ベース基板又は下の
プロセス層１１上に、第１のプロセス層１２を形成し、
その上にレジスト層１３を形成する例を示す。第１のプ
ロセス層１２には正方形の開口が第１の位置合わせマー
クとして形成されており、この開口内の中央に正方形の
レジスト層１３が形成される。このマークの部分を光学
顕微鏡などでビデオカメラなどに投影し、その画像をモ
ニタ上などで確認して２つのマークの中心位置のずれを
測定する。なお、ビデオカメラなどの映像信号を処理し
て自動的に２つのマークの中心位置のずれを測定する画
像処理装置を設けて自動化するのが一般的である。
を示す図である。図２の（１）は、ベース基板又は下の
プロセス層１１上に、第１のプロセス層１２を形成し、
その上にレジスト層１３を形成する例を示す。第１のプ
ロセス層１２には正方形の開口が第１の位置合わせマー
クとして形成されており、この開口内の中央に正方形の
レジスト層１３が形成される。このマークの部分を光学
顕微鏡などでビデオカメラなどに投影し、その画像をモ
ニタ上などで確認して２つのマークの中心位置のずれを
測定する。なお、ビデオカメラなどの映像信号を処理し
て自動的に２つのマークの中心位置のずれを測定する画
像処理装置を設けて自動化するのが一般的である。
【０００６】図２の（２）は、第１のプロセス層１２の
膜厚が薄い場合である。第１のプロセス層１２の上面と
レジスト層１３の上面との差が（１）の場合に比べて大
きいので、より深い焦点深度が必要な上、第１の位置合
わせマークは段差が小さいので、（１）の場合に比べて
正確にマークの位置を測定するのが難しい。図２の
（３）は、正方形の開口の第１の位置合わせマークを有
する第１のプロセス層１２の上に、一様に第２のプロセ
ス層１４を堆積させ、その上にパターン化されたレジス
ト層１５を形成した例である。第２のプロセス層１４
は、次のプロセスでレジスト層１５のパターンに加工さ
れる。この場合、第２のプロセス層１４は第１のプロセ
ス層１２上に堆積されるので、第２のプロセス層１４に
は第１の位置合わせマークに対応したエッジが形成され
る。この場合、この第２のプロセス層１４のエッジを測
定して第１の位置合わせマークの中心位置とする場合
も、第２のプロセス層１４を通して第１のプロセス層１
２の第１の位置合わせマークの中心位置を測定する場合
もある。
膜厚が薄い場合である。第１のプロセス層１２の上面と
レジスト層１３の上面との差が（１）の場合に比べて大
きいので、より深い焦点深度が必要な上、第１の位置合
わせマークは段差が小さいので、（１）の場合に比べて
正確にマークの位置を測定するのが難しい。図２の
（３）は、正方形の開口の第１の位置合わせマークを有
する第１のプロセス層１２の上に、一様に第２のプロセ
ス層１４を堆積させ、その上にパターン化されたレジス
ト層１５を形成した例である。第２のプロセス層１４
は、次のプロセスでレジスト層１５のパターンに加工さ
れる。この場合、第２のプロセス層１４は第１のプロセ
ス層１２上に堆積されるので、第２のプロセス層１４に
は第１の位置合わせマークに対応したエッジが形成され
る。この場合、この第２のプロセス層１４のエッジを測
定して第１の位置合わせマークの中心位置とする場合
も、第２のプロセス層１４を通して第１のプロセス層１
２の第１の位置合わせマークの中心位置を測定する場合
もある。
【０００７】いずれにしろ、図２の（２）や（３）に示
した位置合わせマークは、図２の（１）の位置合わせマ
ークに比べて高精度に中心位置を測定するのが難しい。
した位置合わせマークは、図２の（１）の位置合わせマ
ークに比べて高精度に中心位置を測定するのが難しい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】近年、半導体装置は集
積度の向上に応じてパターンの最小線幅は益々狭くなる
傾向にあり、それに応じて位置合わせ精度の許容量も益
々小さくなっており、位置合わせマークの中心位置を高
精度で測定できることが求められている。高精度で位置
合わせマークの中心位置を測定するには、高い解像度を
有する光学系を使用する必要がある。高い解像度を得る
には、大きなＮＡ（開口数）の顕微鏡レンズ（対物レン
ズ）を使用する必要があるが、ＮＡが大きいと焦点深度
が狭くなる。
積度の向上に応じてパターンの最小線幅は益々狭くなる
傾向にあり、それに応じて位置合わせ精度の許容量も益
々小さくなっており、位置合わせマークの中心位置を高
精度で測定できることが求められている。高精度で位置
合わせマークの中心位置を測定するには、高い解像度を
有する光学系を使用する必要がある。高い解像度を得る
には、大きなＮＡ（開口数）の顕微鏡レンズ（対物レン
ズ）を使用する必要があるが、ＮＡが大きいと焦点深度
が狭くなる。
【０００９】例えば、図２の（１）に示すような位置合
わせマークであれば、第１のプロセス層１２とレジスト
層１３の高さの差が小さいので、両方とも焦点深度の範
囲内に入り、２つの位置合わせマークの中心位置をそれ
ぞれある程度の精度で測定することが可能である。しか
し、図２の（２）に示すような位置合わせマークの場
合、高さの差が大きいので、両方は焦点深度内に入ら
ず、マークの中心位置の測定精度が低下する。また、第
１のプロセス層１２の段差が小さいので、第１のプロセ
ス層１２の段差自体を明瞭に識別するのが難しく、マー
クの中心位置を高精度に測定することができない。ま
た、これは図２の（３）に示すような場合も同様であ
り、位置合わせマークの中心位置を高精度に測定するの
は難しい。
わせマークであれば、第１のプロセス層１２とレジスト
層１３の高さの差が小さいので、両方とも焦点深度の範
囲内に入り、２つの位置合わせマークの中心位置をそれ
ぞれある程度の精度で測定することが可能である。しか
し、図２の（２）に示すような位置合わせマークの場
合、高さの差が大きいので、両方は焦点深度内に入ら
ず、マークの中心位置の測定精度が低下する。また、第
１のプロセス層１２の段差が小さいので、第１のプロセ
ス層１２の段差自体を明瞭に識別するのが難しく、マー
クの中心位置を高精度に測定することができない。ま
た、これは図２の（３）に示すような場合も同様であ
り、位置合わせマークの中心位置を高精度に測定するの
は難しい。
【００１０】そこで、特開平９−２８７９１６号公報
は、焦点位置が異なる複数の画像を捕らえることを開示
している。しかし、焦点位置が異なる複数の画像を捕ら
えるには、対物レンズ又は半導体ウエハを相対的に光軸
方向に移動させる必要がある。実際には、位置合わせマ
ークの高さ方向の差に応じて光学系の焦点位置を合わせ
込んで得た画像からエッジを検出し、マークの中心座標
などを算出する。これを焦点位置を変えて行ったり、光
軸方向に走査して行う。しかも、このような操作を、ダ
イ毎に複数のマークに対して、又は１枚のウエハで複数
箇所のマークに対して行う必要がある。
は、焦点位置が異なる複数の画像を捕らえることを開示
している。しかし、焦点位置が異なる複数の画像を捕ら
えるには、対物レンズ又は半導体ウエハを相対的に光軸
方向に移動させる必要がある。実際には、位置合わせマ
ークの高さ方向の差に応じて光学系の焦点位置を合わせ
込んで得た画像からエッジを検出し、マークの中心座標
などを算出する。これを焦点位置を変えて行ったり、光
軸方向に走査して行う。しかも、このような操作を、ダ
イ毎に複数のマークに対して、又は１枚のウエハで複数
箇所のマークに対して行う必要がある。
【００１１】半導体装置の製造においては、スループッ
トが重要な要素である。特開平９−２８７９１６号公報
に開示された方法は、光学系の焦点位置を変化させる必
要があり、位置合わせマークの測定時間が長くなるとい
う問題を生じる。また、登録実用新案第３００３８４２
号公報は、図２の（３）などに示したような測定の難し
い半導体ウエハ上の位置合わせマークの位置ずれを、高
精度で測定する半導体ウエハの検査装置を開示してい
る。しかし、ここで開示された装置も光軸方向に走査を
行う必要があり、位置合わせマークの測定時間が長くな
り、スループットを低下さえるという問題があった。
トが重要な要素である。特開平９−２８７９１６号公報
に開示された方法は、光学系の焦点位置を変化させる必
要があり、位置合わせマークの測定時間が長くなるとい
う問題を生じる。また、登録実用新案第３００３８４２
号公報は、図２の（３）などに示したような測定の難し
い半導体ウエハ上の位置合わせマークの位置ずれを、高
精度で測定する半導体ウエハの検査装置を開示してい
る。しかし、ここで開示された装置も光軸方向に走査を
行う必要があり、位置合わせマークの測定時間が長くな
り、スループットを低下さえるという問題があった。
【００１２】本発明は、このような問題を解決するもの
で、異なる焦点位置にある位置合わせマークを、短い測
定時間でスループットを低下させることなく、高精度で
測定できる半導体ウエハの検査装置の実現を目的とす
る。
で、異なる焦点位置にある位置合わせマークを、短い測
定時間でスループットを低下させることなく、高精度で
測定できる半導体ウエハの検査装置の実現を目的とす
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を実現するた
め、本発明の半導体ウエハの検査装置は、波長（又は
色）により焦点位置が異なる共焦点光学系を使用し、鮮
明な画像を広い焦点範囲で得られるように、すなわち実
質的に焦点深度が深い光学系を使用することにより、異
なる焦点位置の画像を同時に形成する。
め、本発明の半導体ウエハの検査装置は、波長（又は
色）により焦点位置が異なる共焦点光学系を使用し、鮮
明な画像を広い焦点範囲で得られるように、すなわち実
質的に焦点深度が深い光学系を使用することにより、異
なる焦点位置の画像を同時に形成する。
【００１４】すなわち、本発明の半導体ウエハの検査装
置は、第１の位置合わせマークを有する第１の層と、第
２の位置合わせマークを有する第２の層とが形成された
半導体ウエハの表面の光学像を形成する半導体ウエハの
検査装置であって、半導体ウエハの表面の光学像を形成
し、波長により焦点位置が異なる共焦点光学系と、広い
波長範囲を有する共焦点光学系の光源とを備えることを
特徴とする。
置は、第１の位置合わせマークを有する第１の層と、第
２の位置合わせマークを有する第２の層とが形成された
半導体ウエハの表面の光学像を形成する半導体ウエハの
検査装置であって、半導体ウエハの表面の光学像を形成
し、波長により焦点位置が異なる共焦点光学系と、広い
波長範囲を有する共焦点光学系の光源とを備えることを
特徴とする。
【００１５】共焦点光学系は、焦点位置の画像のみを鮮
明に投影し、焦点位置から外れた画像を実質的に遮断す
る。そのため、共焦点光学系の焦点位置が波長により異
なるようにすれば、波長に応じて異なる焦点位置の画像
が鮮明に形成される。そこで、広い波長範囲を有する光
源を使用すれば、異なる焦点位置の鮮明な画像が連続し
て得られることになり、広い範囲の焦点位置に渡って鮮
明な画像が得られる。すなわち、実質的に深い焦点深度
で鮮明な画像が得られる。なお、焦点位置が異なっても
画像の大きさが異ならないことが望ましく、例えば共焦
点光学系はテレセントリック光学系であることが望まし
い。
明に投影し、焦点位置から外れた画像を実質的に遮断す
る。そのため、共焦点光学系の焦点位置が波長により異
なるようにすれば、波長に応じて異なる焦点位置の画像
が鮮明に形成される。そこで、広い波長範囲を有する光
源を使用すれば、異なる焦点位置の鮮明な画像が連続し
て得られることになり、広い範囲の焦点位置に渡って鮮
明な画像が得られる。すなわち、実質的に深い焦点深度
で鮮明な画像が得られる。なお、焦点位置が異なっても
画像の大きさが異ならないことが望ましく、例えば共焦
点光学系はテレセントリック光学系であることが望まし
い。
【００１６】なお、第１の層と第２の層は、隣接する層
であっても、隣接しない離れた層であってもよい。この
ような共焦点光学系で形成される画像は、波長によって
焦点位置が異なることになる。対象とする波長は可視光
に限定されず、紫外光や近赤外光を含むようにしてもよ
い。
であっても、隣接しない離れた層であってもよい。この
ような共焦点光学系で形成される画像は、波長によって
焦点位置が異なることになる。対象とする波長は可視光
に限定されず、紫外光や近赤外光を含むようにしてもよ
い。
【００１７】共焦点光学系により形成された半導体ウエ
ハの表面の光学像を画像信号に変換するためには撮像装
置を設ける。撮像装置として光源の波長域に対応した波
長感度域を有するモノクロＴＶカメラを使用すれば、広
い範囲の焦点位置に渡って鮮明な画像が得られる。従っ
て、図２の（２）及び（３）のような位置合わせマーク
であっても、正確に中心位置を測定することが可能であ
る。
ハの表面の光学像を画像信号に変換するためには撮像装
置を設ける。撮像装置として光源の波長域に対応した波
長感度域を有するモノクロＴＶカメラを使用すれば、広
い範囲の焦点位置に渡って鮮明な画像が得られる。従っ
て、図２の（２）及び（３）のような位置合わせマーク
であっても、正確に中心位置を測定することが可能であ
る。
【００１８】撮像装置としてカラーＴＶカメラを使用
し、カラーＴＶカメラの出力するカラー画像信号をカラ
ーディスプレイで表示すれば、各焦点位置の画像が異な
る色で表示されることになる。これは、撮像装置を使用
せずに、例えば後述するスピニングディスクを接眼レン
ズなどを介して肉眼で観察する場合なども同様である。
なお、カラー撮像装置の各画像信号をカラーディスプレ
イに表示する場合、カラー撮像装置の色フィルタの特性
と表示色をかならずしも対応させる必要はない。例え
ば、カラー撮像装置の色フィルタの少しの波長（色）差
を、表示では大きな波長（色）差で表示することによ
り、差を強調した画像表示が行える。
し、カラーＴＶカメラの出力するカラー画像信号をカラ
ーディスプレイで表示すれば、各焦点位置の画像が異な
る色で表示されることになる。これは、撮像装置を使用
せずに、例えば後述するスピニングディスクを接眼レン
ズなどを介して肉眼で観察する場合なども同様である。
なお、カラー撮像装置の各画像信号をカラーディスプレ
イに表示する場合、カラー撮像装置の色フィルタの特性
と表示色をかならずしも対応させる必要はない。例え
ば、カラー撮像装置の色フィルタの少しの波長（色）差
を、表示では大きな波長（色）差で表示することによ
り、差を強調した画像表示が行える。
【００１９】第１の層と第２の層の位置ずれを自動的に
測定する場合には、撮像装置の出力する画像信号から、
第１の位置合わせマークと第２の位置合わせマークの位
置を算出し、算出した第１の位置合わせマークの位置と
第２の位置合わせマークの位置から第１の層と第２の層
の位置ずれを算出する画像処理装置を備えるようにす
る。この場合、撮像装置としてモノクロＴＶカメラを使
用するならば、その画像信号をそのまま処理すればよ
く、撮像装置としてカラーＴＶカメラを使用する場合に
は、各カラー画像信号を単に合成した信号を処理すれば
よい。
測定する場合には、撮像装置の出力する画像信号から、
第１の位置合わせマークと第２の位置合わせマークの位
置を算出し、算出した第１の位置合わせマークの位置と
第２の位置合わせマークの位置から第１の層と第２の層
の位置ずれを算出する画像処理装置を備えるようにす
る。この場合、撮像装置としてモノクロＴＶカメラを使
用するならば、その画像信号をそのまま処理すればよ
く、撮像装置としてカラーＴＶカメラを使用する場合に
は、各カラー画像信号を単に合成した信号を処理すれば
よい。
【００２０】ここで、光学像の波長を制限すれば焦点位
置、すなわち光軸方向の位置が特定できる。これを利用
して位置合わせマークの３次元形状を求めることも可能
である。この場合には、共焦点光学系の形成する光学像
を波長成分の異なる２つの分割光学像に分割する像分割
素子を備え、撮像装置は各分割光学像に対応する２つの
画像信号を生成する。そして、２つの分割光学像の波長
成分は少なくとも一部が重なり、重なる波長域では、２
つの画像信号の比が単純に変化すると共に、逆の変化特
性を有し、２つの画像信号の同一部分の比から、この部
分の高さを算出する画像処理装置を備える。この重なる
波長域内の波長に対応する焦点位置の画像は、２つの分
割光学像の両方に含まれ、２つの画像信号の強度比は総
合的な波長特性（光源、フィルタ、撮像装置の波長特
性）で決定されるので、あらかじめこの総合的な波長特
性を求めておけば、検出した２つの画像信号の強度比か
ら波長を特定でき、これに応じて焦点位置が特定でき
る。従って、これから３次元形状を求めることが可能で
ある。
置、すなわち光軸方向の位置が特定できる。これを利用
して位置合わせマークの３次元形状を求めることも可能
である。この場合には、共焦点光学系の形成する光学像
を波長成分の異なる２つの分割光学像に分割する像分割
素子を備え、撮像装置は各分割光学像に対応する２つの
画像信号を生成する。そして、２つの分割光学像の波長
成分は少なくとも一部が重なり、重なる波長域では、２
つの画像信号の比が単純に変化すると共に、逆の変化特
性を有し、２つの画像信号の同一部分の比から、この部
分の高さを算出する画像処理装置を備える。この重なる
波長域内の波長に対応する焦点位置の画像は、２つの分
割光学像の両方に含まれ、２つの画像信号の強度比は総
合的な波長特性（光源、フィルタ、撮像装置の波長特
性）で決定されるので、あらかじめこの総合的な波長特
性を求めておけば、検出した２つの画像信号の強度比か
ら波長を特定でき、これに応じて焦点位置が特定でき
る。従って、これから３次元形状を求めることが可能で
ある。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を説明する前に、
図３を参照して共焦点光学系の原理及び波長による焦点
位置の違いを説明する。図３の（１）に示すように、光
源２０によりピンホール２１を有する遮光板２２を照明
する。ピンホール２１からの光線は、ハーフミラー２３
を通過してレンズ２４に入射し、試料１００上に収束さ
れる。試料１００が破線で示す位置にある時には、光線
は試料１００上に収束され、１点のみを照明する。試料
１００で反射された光線は破線で示す経路を通ってレン
ズ２４に戻り、ハーフミラー２３で反射されて遮光板２
６のピンホール２５に収束される。従って、試料１００
で反射された光線のほとんどはピンホール２５を通過し
て、ピンホール２５の後ろに設けられた受光素子２７に
入射する。なお、ピンホール２１と２５は、ハーフミラ
ー２３に対して対称な位置に配置されている。
図３を参照して共焦点光学系の原理及び波長による焦点
位置の違いを説明する。図３の（１）に示すように、光
源２０によりピンホール２１を有する遮光板２２を照明
する。ピンホール２１からの光線は、ハーフミラー２３
を通過してレンズ２４に入射し、試料１００上に収束さ
れる。試料１００が破線で示す位置にある時には、光線
は試料１００上に収束され、１点のみを照明する。試料
１００で反射された光線は破線で示す経路を通ってレン
ズ２４に戻り、ハーフミラー２３で反射されて遮光板２
６のピンホール２５に収束される。従って、試料１００
で反射された光線のほとんどはピンホール２５を通過し
て、ピンホール２５の後ろに設けられた受光素子２７に
入射する。なお、ピンホール２１と２５は、ハーフミラ
ー２３に対して対称な位置に配置されている。
【００２２】試料１００が実線で示す位置に変位する
と、光線は試料１００上に大きなスポットとして収束さ
れ、試料１００で反射された光線は実線で示す経路を通
ってレンズ２４に戻り、ハーフミラー２３で反射されて
遮光板２６のピンホール２５に大きなスポットとして収
束される。従って、試料１００で反射された光線のうち
ピンホール２５を通過する光線は非常に少なく、大部分
は遮光板２６で遮光されて受光素子２７には入射しな
い。すなわち、焦点位置から外れた位置にある試料１０
０からの反射光線は遮断される。
と、光線は試料１００上に大きなスポットとして収束さ
れ、試料１００で反射された光線は実線で示す経路を通
ってレンズ２４に戻り、ハーフミラー２３で反射されて
遮光板２６のピンホール２５に大きなスポットとして収
束される。従って、試料１００で反射された光線のうち
ピンホール２５を通過する光線は非常に少なく、大部分
は遮光板２６で遮光されて受光素子２７には入射しな
い。すなわち、焦点位置から外れた位置にある試料１０
０からの反射光線は遮断される。
【００２３】ピンホール２１と２５を光軸に垂直な平面
内で試料面を走査するように移動し、各走査位置での受
光素子２７の出力を合成すると試料面の画像が得られ
る。上記のように、試料面が焦点位置にある時には画像
が得られるが、試料面が焦点位置からずれると画像は得
られない。このように、共焦点光学系は、焦点位置につ
いてのみ鮮明な画像が得られ、焦点位置から外れた画像
は実質的に遮断される。なお、図３の（１）では、ハー
フミラー２３に対して対称な位置にピンホール２１と２
５を設けたが、ハーフミラー２３を設けずにピンホール
２１のみを設けるようにしてもよい。この場合には、ピ
ンホール２１の後ろにハーフミラーを設けて、光源と受
光素子を対称な位置に設ける。図３の（２）はこの状態
を示し、実線で示すように、ピンホール３１からの光は
点３４に収束し、そこで反射されて再びピンホール３１
を通過する。
内で試料面を走査するように移動し、各走査位置での受
光素子２７の出力を合成すると試料面の画像が得られ
る。上記のように、試料面が焦点位置にある時には画像
が得られるが、試料面が焦点位置からずれると画像は得
られない。このように、共焦点光学系は、焦点位置につ
いてのみ鮮明な画像が得られ、焦点位置から外れた画像
は実質的に遮断される。なお、図３の（１）では、ハー
フミラー２３に対して対称な位置にピンホール２１と２
５を設けたが、ハーフミラー２３を設けずにピンホール
２１のみを設けるようにしてもよい。この場合には、ピ
ンホール２１の後ろにハーフミラーを設けて、光源と受
光素子を対称な位置に設ける。図３の（２）はこの状態
を示し、実線で示すように、ピンホール３１からの光は
点３４に収束し、そこで反射されて再びピンホール３１
を通過する。
【００２４】一般に光学レンズは色収差を有し、波長に
よって焦点距離が異なる。そこで、白色光源など広い波
長範囲の光を放射する光源を使用する場合には、色収差
を補正したアポクロマート（又はアクロマート）（アク
ロマチック）・レンズが使用される。従来の位置合わせ
マークのずれを測定する装置は、比較的単色の光源を使
用する場合には色収差の補正されていないクロマチック
・対物レンズを使用するが、白色光源を使用する場合に
はアクロマチック・対物レンズを使用していた。もし白
色光源とクロマチック・対物レンズを組み合わせて使用
すると、色収差の多い不鮮明な画像となる。
よって焦点距離が異なる。そこで、白色光源など広い波
長範囲の光を放射する光源を使用する場合には、色収差
を補正したアポクロマート（又はアクロマート）（アク
ロマチック）・レンズが使用される。従来の位置合わせ
マークのずれを測定する装置は、比較的単色の光源を使
用する場合には色収差の補正されていないクロマチック
・対物レンズを使用するが、白色光源を使用する場合に
はアクロマチック・対物レンズを使用していた。もし白
色光源とクロマチック・対物レンズを組み合わせて使用
すると、色収差の多い不鮮明な画像となる。
【００２５】共焦点光学系のレンズとして色収差の多い
クロマチック・対物レンズを使用した場合を考える。図
３の（２）に示すように、対物レンズ２４は、遮光板３
２のピンホール３１から放射される波長の長い光（赤）
を実線で示すような経路３３で点３４の位置に収束し、
波長の短い光（青）は破線で示すような経路３５で点３
６の位置に収束する。もし点３４の位置に試料面を配置
すれば、試料で反射された波長の長い光はそこで反射さ
れてピンホール３１に収束され、大部分がピンホール３
１を通過するが、波長の短い光は遮光板３２上に大きな
スポットとして投影され大部分は遮光板３２で遮光され
てピンホール３１は通過しない。同様に、もし点３６の
位置に試料面を配置すれば、試料で反射された波長の短
い光はそこで反射されてピンホール３１に収束され、大
部分がピンホール３１を通過するが、波長の長い光は遮
光板３２上に大きなスポットとして投影され大部分は遮
光板３２で遮光されてピンホール３１は通過しない。す
なわち、ピンホール３１を通過した光のうち波長の長い
光は点３４の位置の像であり、波長の短い光は点３６の
位置の像である。波長の長い光は点３４の焦点位置の像
だけであり、他の部分（点３６の焦点位置）の像は遮断
されるので含まれない。また、波長の短い光は点３６の
焦点位置の像だけであり、他の部分（点３４の焦点位
置）の像は遮断されるので含まれない。このように、共
焦点光学系で色収差の多いクロマチック・対物レンズと
白色光源を組み合わせると、波長に応じて焦点位置の画
像が連続的に得られる。波長と焦点位置の関係は、クロ
マチック・対物レンズの色収差、すなわちクロマチック
・対物レンズの波長に対する焦点距離の関係で決定され
る。
クロマチック・対物レンズを使用した場合を考える。図
３の（２）に示すように、対物レンズ２４は、遮光板３
２のピンホール３１から放射される波長の長い光（赤）
を実線で示すような経路３３で点３４の位置に収束し、
波長の短い光（青）は破線で示すような経路３５で点３
６の位置に収束する。もし点３４の位置に試料面を配置
すれば、試料で反射された波長の長い光はそこで反射さ
れてピンホール３１に収束され、大部分がピンホール３
１を通過するが、波長の短い光は遮光板３２上に大きな
スポットとして投影され大部分は遮光板３２で遮光され
てピンホール３１は通過しない。同様に、もし点３６の
位置に試料面を配置すれば、試料で反射された波長の短
い光はそこで反射されてピンホール３１に収束され、大
部分がピンホール３１を通過するが、波長の長い光は遮
光板３２上に大きなスポットとして投影され大部分は遮
光板３２で遮光されてピンホール３１は通過しない。す
なわち、ピンホール３１を通過した光のうち波長の長い
光は点３４の位置の像であり、波長の短い光は点３６の
位置の像である。波長の長い光は点３４の焦点位置の像
だけであり、他の部分（点３６の焦点位置）の像は遮断
されるので含まれない。また、波長の短い光は点３６の
焦点位置の像だけであり、他の部分（点３４の焦点位
置）の像は遮断されるので含まれない。このように、共
焦点光学系で色収差の多いクロマチック・対物レンズと
白色光源を組み合わせると、波長に応じて焦点位置の画
像が連続的に得られる。波長と焦点位置の関係は、クロ
マチック・対物レンズの色収差、すなわちクロマチック
・対物レンズの波長に対する焦点距離の関係で決定され
る。
【００２６】図４は、本発明の第１実施例の半導体ウエ
ハの検査装置の構成を示す図である。半導体ウエハ１０
０には高さの異なるパターンが形成されている。半導体
ウエハ１００はステージ１０１に吸着され、ベース１０
２に対して移動可能に支持される。光源４１は、広い波
長範囲を有する光を放射する白色光源である。光源４１
から放射された光は、コリメータレンズ４２でコリメー
トされ、ビームスプリッタ４３に入射した後反射され、
多数のピンホールを有するスピニングディスク４４に照
射される。スピニングディスク４４のピンホールを通過
した光は対物レンズ４５により半導体ウエハ１００上に
収束される。対物レンズ４５は色収差を有しており、ス
ピニングディスク４４の位置に対して、波長に応じて焦
点位置が異なる。例えば、波長の長い光は半導体ウエハ
の表面の低い部分に対応する高さに焦点面があり、波長
の短い光は半導体ウエハの表面の高い部分に対応する高
さに焦点面がある。従って、ピンホールを通過した光の
うち波長の長い光は実線で示すように半導体ウエハ１０
０の表面の低い部分に収束されるが、波長の短い光は破
線で示すように半導体ウエハ１００の表面の高い部分に
収束される。半導体ウエハ１００の表面で反射された光
のうち、低い部分で反射された波長の長い光は、再びス
ピニングディスク４４のピンホールの部分に収束されて
ピンホールを通過する。しかし、低い部分で反射された
波長の短い光は遮断される。同様に、高い部分で反射さ
れた波長の短い光はピンホールを通過するが、低い部分
で反射された波長の長い光は遮断される。スピニングデ
ィスク４４が回転して、ピンホールが半導体ウエハ１０
０の表面を走査する。
ハの検査装置の構成を示す図である。半導体ウエハ１０
０には高さの異なるパターンが形成されている。半導体
ウエハ１００はステージ１０１に吸着され、ベース１０
２に対して移動可能に支持される。光源４１は、広い波
長範囲を有する光を放射する白色光源である。光源４１
から放射された光は、コリメータレンズ４２でコリメー
トされ、ビームスプリッタ４３に入射した後反射され、
多数のピンホールを有するスピニングディスク４４に照
射される。スピニングディスク４４のピンホールを通過
した光は対物レンズ４５により半導体ウエハ１００上に
収束される。対物レンズ４５は色収差を有しており、ス
ピニングディスク４４の位置に対して、波長に応じて焦
点位置が異なる。例えば、波長の長い光は半導体ウエハ
の表面の低い部分に対応する高さに焦点面があり、波長
の短い光は半導体ウエハの表面の高い部分に対応する高
さに焦点面がある。従って、ピンホールを通過した光の
うち波長の長い光は実線で示すように半導体ウエハ１０
０の表面の低い部分に収束されるが、波長の短い光は破
線で示すように半導体ウエハ１００の表面の高い部分に
収束される。半導体ウエハ１００の表面で反射された光
のうち、低い部分で反射された波長の長い光は、再びス
ピニングディスク４４のピンホールの部分に収束されて
ピンホールを通過する。しかし、低い部分で反射された
波長の短い光は遮断される。同様に、高い部分で反射さ
れた波長の短い光はピンホールを通過するが、低い部分
で反射された波長の長い光は遮断される。スピニングデ
ィスク４４が回転して、ピンホールが半導体ウエハ１０
０の表面を走査する。
【００２７】ピンホールを通過した光は、ビームスプリ
ッタ４３を通過して色収差のないアクロマチック投影レ
ンズ４６に入射し、広い波長感度特性を有するモノクロ
ＴＶカメラ４７の撮像面に投影される。図３で説明した
ように、モノクロＴＶカメラ４７に投影される像は、波
長の長い光についてはウエハ１００の低い表面部分の鮮
明な光学像であり、波長の短い光についてはウエハ１０
０の高い表面部分の鮮明な光学像であり、中間の波長は
中間の高さ表面の鮮明な光学像であり、モノクロＴＶカ
メラ４７はこれらを画像信号に変換して出力する。従っ
て、この画像信号は、ウエハ１００の低い表面から高い
表面に渡る焦点位置の広い範囲の鮮明な画像を表す。
ッタ４３を通過して色収差のないアクロマチック投影レ
ンズ４６に入射し、広い波長感度特性を有するモノクロ
ＴＶカメラ４７の撮像面に投影される。図３で説明した
ように、モノクロＴＶカメラ４７に投影される像は、波
長の長い光についてはウエハ１００の低い表面部分の鮮
明な光学像であり、波長の短い光についてはウエハ１０
０の高い表面部分の鮮明な光学像であり、中間の波長は
中間の高さ表面の鮮明な光学像であり、モノクロＴＶカ
メラ４７はこれらを画像信号に変換して出力する。従っ
て、この画像信号は、ウエハ１００の低い表面から高い
表面に渡る焦点位置の広い範囲の鮮明な画像を表す。
【００２８】モノクロＴＶカメラ４７はの出力する画像
信号は、画像処理装置４８に送られ、位置合わせマーク
の中心位置の測定など各種の処理が施されると共に、デ
ィスプレイ４９に表示される。画像処理装置４８は、画
像信号から、第１の位置合わせマークと第２の位置合わ
せマークをそれぞれ識別してその位置を算出し、算出し
た第１の位置合わせマークの位置と第２の位置合わせマ
ークの位置から第１の層と第２の層の位置ずれを算出す
る。
信号は、画像処理装置４８に送られ、位置合わせマーク
の中心位置の測定など各種の処理が施されると共に、デ
ィスプレイ４９に表示される。画像処理装置４８は、画
像信号から、第１の位置合わせマークと第２の位置合わ
せマークをそれぞれ識別してその位置を算出し、算出し
た第１の位置合わせマークの位置と第２の位置合わせマ
ークの位置から第１の層と第２の層の位置ずれを算出す
る。
【００２９】例えば、第１実施例のような共焦点光学系
においては、スピニングディスク４４のピンホールの径
と対物レンズ４５の色収差の特性により、単波長に対す
る焦点深度が０．２μｍ以下のレンズでも、可視光の範
囲で焦点位置の差が２μｍ以上になる。従って、狭い波
長幅（約３５ｎｍ幅）の単波長に近い光で結像した鮮明
な像が２μｍ以上の焦点深度で得られることになる。こ
れにより、図２の（２）及び（３）に示すような高さの
差が大きな２つの位置合わせマークであっても、両方共
鮮明に表示され、又中心位置を正確に測定することがで
きる。
においては、スピニングディスク４４のピンホールの径
と対物レンズ４５の色収差の特性により、単波長に対す
る焦点深度が０．２μｍ以下のレンズでも、可視光の範
囲で焦点位置の差が２μｍ以上になる。従って、狭い波
長幅（約３５ｎｍ幅）の単波長に近い光で結像した鮮明
な像が２μｍ以上の焦点深度で得られることになる。こ
れにより、図２の（２）及び（３）に示すような高さの
差が大きな２つの位置合わせマークであっても、両方共
鮮明に表示され、又中心位置を正確に測定することがで
きる。
【００３０】第１実施例では、撮像装置としてモノクロ
ＴＶカメラ４７を使用したが、モノクロＴＶカメラ４７
の代わりにカラーＴＶカメラを使用してもよい。この場
合使用するカラーＴＶカメラは、図５に示すような３板
式のカラーＴＶカメラであることが望ましい。３板式の
カラーＴＶカメラについては広く知られているので、こ
こでは詳しい説明は省略するが、表面に色分解フィルタ
を形成したプリズムにより光学像をＲＧＢの３色の光学
像に分解し、３つの撮像デバイスで各色分解像を電気信
号に変換する。３つの像の各画素の位置関係を同一にす
ることが可能であり、位置の計測などに適している。
ＴＶカメラ４７を使用したが、モノクロＴＶカメラ４７
の代わりにカラーＴＶカメラを使用してもよい。この場
合使用するカラーＴＶカメラは、図５に示すような３板
式のカラーＴＶカメラであることが望ましい。３板式の
カラーＴＶカメラについては広く知られているので、こ
こでは詳しい説明は省略するが、表面に色分解フィルタ
を形成したプリズムにより光学像をＲＧＢの３色の光学
像に分解し、３つの撮像デバイスで各色分解像を電気信
号に変換する。３つの像の各画素の位置関係を同一にす
ることが可能であり、位置の計測などに適している。
【００３１】カラーＴＶカメラの出力するＲＧＢのカラ
ー画像信号は、カラーディスプレイに表示される。これ
により、半導体ウエハの表面の低い部分の像は赤色で表
示され、半導体ウエハの表面の高い部分の像は青色で表
示され、その中間の高さ部分は赤色から青色の間の色で
表示される。従って、ディスプレイに表示された画像で
表面の各部分を識別する時にも、高い部分と低い部分の
識別が容易に行える。なお、カラーＴＶカメラの出力す
るＲＧＢ信号をそのままカラーディスプレイに表示する
必要はなく、画像処理装置で処理して任意の高低差を所
望の色の差で表示することも可能である。例えば、青緑
色と緑色に対応する焦点位置の差をそれぞれ青と赤で表
示するようにするといった処理を行うようにすれば、小
さな高低差を強調し、識別が容易になる。
ー画像信号は、カラーディスプレイに表示される。これ
により、半導体ウエハの表面の低い部分の像は赤色で表
示され、半導体ウエハの表面の高い部分の像は青色で表
示され、その中間の高さ部分は赤色から青色の間の色で
表示される。従って、ディスプレイに表示された画像で
表面の各部分を識別する時にも、高い部分と低い部分の
識別が容易に行える。なお、カラーＴＶカメラの出力す
るＲＧＢ信号をそのままカラーディスプレイに表示する
必要はなく、画像処理装置で処理して任意の高低差を所
望の色の差で表示することも可能である。例えば、青緑
色と緑色に対応する焦点位置の差をそれぞれ青と赤で表
示するようにするといった処理を行うようにすれば、小
さな高低差を強調し、識別が容易になる。
【００３２】なお、画像処理装置でカラーＴＶカメラの
出力するＲＧＢ画像信号を処理して位置合わせマークの
中心位置の差を自動的に算出する場合には、各カラー画
像信号を単に加算した信号を処理すれば、モノクロＴＶ
カメラを使用した場合と同様の処理が行える。また、焦
点位置を画像の色が対応しているので、画像の色により
３次元形状を求めることが可能である。次に説明する第
２実施例は、画像の色（波長）により３次元形状を求め
る実施例である。
出力するＲＧＢ画像信号を処理して位置合わせマークの
中心位置の差を自動的に算出する場合には、各カラー画
像信号を単に加算した信号を処理すれば、モノクロＴＶ
カメラを使用した場合と同様の処理が行える。また、焦
点位置を画像の色が対応しているので、画像の色により
３次元形状を求めることが可能である。次に説明する第
２実施例は、画像の色（波長）により３次元形状を求め
る実施例である。
【００３３】図６は、本発明の第２実施例の半導体ウエ
ハの検査装置の構成を示す図である。図４と比較して明
らかなように、第２実施例の構成は、投影レンズ４６以
降の撮像装置に関係する部分が第１実施例の構成と異な
る。投影レンズ４６を通過した光は、ビームスプリッタ
５１により２つの光学像に分離され、それぞれ異なる波
長特性を有する色フィルタ５２と５４を通過してモノク
ロＴＶカメラ５３と５５の撮像面に投影され、画像信号
が生成される。モノクロＴＶカメラ５３と５５の出力す
る画像信号は、画像処理装置５６に供給されて処理され
ると共に、ディスプレイ５７に表示される。画像信号の
波長特性は、光源４１の分光特性、色フィルタ５２と５
４の波長特性、及びモノクロＴＶカメラ５３と５５の分
光感度を合わせた総合的な分光感度で決定される。第２
実施例では、色フィルタ５２と５４の波長特性を、総合
的な分光感度（総合感度）が、それぞれ図７の（１）に
実線と破線で示すような波長特性になるように選択され
る。すなわち、２つの総合感度が波長λ１とλ２の間で
重なり、一方は実線で示すように波長λ１より短波長で
は高く、波長λ２で小さな値になるように徐々に低下
し、他方は破線で示すように波長λ１では小さな値で、
波長λ２より長波長では高くなるように徐々に増加す
る。このような総合感度を実現するには、例えば、光源
４１は波長λ１とλ２の間では一様な強度であり、モノ
クロＴＶカメラ５３と５５は波長λ１とλ２の間では一
様な感度であるとすると、色フィルタ５２の透過率を、
波長λ１より短波長では高く、波長λ２で小さな値にな
るように徐々に低下するようにし、色フィルタ５４の透
過率を、波長λ１では小さな値で、波長λ２より長波長
では高くなるように徐々に増加するようにする。
ハの検査装置の構成を示す図である。図４と比較して明
らかなように、第２実施例の構成は、投影レンズ４６以
降の撮像装置に関係する部分が第１実施例の構成と異な
る。投影レンズ４６を通過した光は、ビームスプリッタ
５１により２つの光学像に分離され、それぞれ異なる波
長特性を有する色フィルタ５２と５４を通過してモノク
ロＴＶカメラ５３と５５の撮像面に投影され、画像信号
が生成される。モノクロＴＶカメラ５３と５５の出力す
る画像信号は、画像処理装置５６に供給されて処理され
ると共に、ディスプレイ５７に表示される。画像信号の
波長特性は、光源４１の分光特性、色フィルタ５２と５
４の波長特性、及びモノクロＴＶカメラ５３と５５の分
光感度を合わせた総合的な分光感度で決定される。第２
実施例では、色フィルタ５２と５４の波長特性を、総合
的な分光感度（総合感度）が、それぞれ図７の（１）に
実線と破線で示すような波長特性になるように選択され
る。すなわち、２つの総合感度が波長λ１とλ２の間で
重なり、一方は実線で示すように波長λ１より短波長で
は高く、波長λ２で小さな値になるように徐々に低下
し、他方は破線で示すように波長λ１では小さな値で、
波長λ２より長波長では高くなるように徐々に増加す
る。このような総合感度を実現するには、例えば、光源
４１は波長λ１とλ２の間では一様な強度であり、モノ
クロＴＶカメラ５３と５５は波長λ１とλ２の間では一
様な感度であるとすると、色フィルタ５２の透過率を、
波長λ１より短波長では高く、波長λ２で小さな値にな
るように徐々に低下するようにし、色フィルタ５４の透
過率を、波長λ１では小さな値で、波長λ２より長波長
では高くなるように徐々に増加するようにする。
【００３４】２つの画像信号の総合感度が図７の（１）
に示すような特性を示す場合、２つの画像信号の分光感
度比は図７の（２）に示すように、波長λ１とλ２の間
で単調に増加する。例えば、半導体ウエハの表面が図７
でλＡで示す波長に対応する焦点位置にあると仮定す
る。この表面の光学像の主波長はλＡで示す波長であ
り、モノクロＴＶカメラ５３と５５から出力される信号
の強度の比は、ＢとＣで示す強度比である。もちろん、
表面の反射率が高い場合と低い場合で絶対値は異なる
が、その比は一定である。そこで、２つの信号の強度の
比を算出し、図７の（２）から感度比がそのような値に
なる波長を求めれば、その部分の光学像の主波長を算出
でき、その表面の高さ（焦点位置）を算出することがで
きる。従って、画像の各部分における２つの信号の強度
比から、その部分の高さを算出すれば、表面の３次元形
状が求まる。
に示すような特性を示す場合、２つの画像信号の分光感
度比は図７の（２）に示すように、波長λ１とλ２の間
で単調に増加する。例えば、半導体ウエハの表面が図７
でλＡで示す波長に対応する焦点位置にあると仮定す
る。この表面の光学像の主波長はλＡで示す波長であ
り、モノクロＴＶカメラ５３と５５から出力される信号
の強度の比は、ＢとＣで示す強度比である。もちろん、
表面の反射率が高い場合と低い場合で絶対値は異なる
が、その比は一定である。そこで、２つの信号の強度の
比を算出し、図７の（２）から感度比がそのような値に
なる波長を求めれば、その部分の光学像の主波長を算出
でき、その表面の高さ（焦点位置）を算出することがで
きる。従って、画像の各部分における２つの信号の強度
比から、その部分の高さを算出すれば、表面の３次元形
状が求まる。
【００３５】なお、カラーＴＶカメラのＲＧＢ画像信号
の検出波長域は相互に重なっており、例えば、ＲとＧ及
びＧとＢの２つの画像信号の組に対して第２実施例の方
法を適用して３次元形状を求めることも可能である。こ
の場合、Ｇの中心波長（約５５０ｎｍ）より長波長の成
分についてはＲとＧの信号の組を使用し、Ｇの中心波長
より短波長の成分についてはＧとＢの信号の組を使用す
る。
の検出波長域は相互に重なっており、例えば、ＲとＧ及
びＧとＢの２つの画像信号の組に対して第２実施例の方
法を適用して３次元形状を求めることも可能である。こ
の場合、Ｇの中心波長（約５５０ｎｍ）より長波長の成
分についてはＲとＧの信号の組を使用し、Ｇの中心波長
より短波長の成分についてはＧとＢの信号の組を使用す
る。
【００３６】位置合わせマークは段差のマークであり、
３次元形状を求めることにより、中心位置をより正確に
測定することが可能になる。例えば、同じマークであっ
ても、各エッジは同じように形成されるとは限らず、一
方は急峻なエッジであるが、他方はゆるやかなエッジと
なる場合がある。特にゆるやかなエッジについてはどの
部分をエッジの中心位置とするかでマークの中心位置が
変化することになる。３次元形状が求まれば、エッジの
中心位置を判定する高さを設定するといったことも可能
であり、より正確にマークの位置を測定することが可能
になる。
３次元形状を求めることにより、中心位置をより正確に
測定することが可能になる。例えば、同じマークであっ
ても、各エッジは同じように形成されるとは限らず、一
方は急峻なエッジであるが、他方はゆるやかなエッジと
なる場合がある。特にゆるやかなエッジについてはどの
部分をエッジの中心位置とするかでマークの中心位置が
変化することになる。３次元形状が求まれば、エッジの
中心位置を判定する高さを設定するといったことも可能
であり、より正確にマークの位置を測定することが可能
になる。
【００３７】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明は実施例のような独立した測定装置としての
みならず、露光装置をはじめその他の製造装置に内蔵あ
るいは付設される態様にても実現可能である。
が、本発明は実施例のような独立した測定装置としての
みならず、露光装置をはじめその他の製造装置に内蔵あ
るいは付設される態様にても実現可能である。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光軸方向の焦点位置を変化させずに、複数の焦点位置の
鮮明な画像を同時に生成することが可能になり、半導体
ウエハの位置合わせマークの位置ずれを高速で且つ高精
度に測定できる。
光軸方向の焦点位置を変化させずに、複数の焦点位置の
鮮明な画像を同時に生成することが可能になり、半導体
ウエハの位置合わせマークの位置ずれを高速で且つ高精
度に測定できる。
【図１】半導体ウエハ上に形成された位置合わせマーク
の例を示す図である。
の例を示す図である。
【図２】各種の位置合わせマークの断面図である。
【図３】共焦点光学系の原理と波長による焦点位置の違
いを説明する図である。
いを説明する図である。
【図４】本発明の第１実施例の半導体ウエハの検査装置
の構成を示す図である。
の構成を示す図である。
【図５】第１実施例の変形例で使用する３板式カラーＴ
Ｖカメラの構成例を示す図である。
Ｖカメラの構成例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例の半導体ウエハの検査装置
の構成を示す図である。
の構成を示す図である。
【図７】第２実施例で得られる２つの画像信号の総合的
な分光感度とその比の例を示す図である。
な分光感度とその比の例を示す図である。
４１…光源 ４３、５１…ビームスプリッタ ４４…スピニングディスク ４５…対物レンズ ４６…投影レンズ ４７、５３、５５…撮像素子 ５２、５４…色フィルタ ４８、５６…画像処理装置 ４９、５７…ディスプレイ １００…半導体ウエハ １０１…ステージ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１０月１８日（２０００．１０．
１８）
１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項４
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】半導体装置の製造においては、スループッ
トが重要な要素である。特開平９−２８７９１６号公報
に開示された方法は、光学系の焦点位置を変化させる必
要があり、位置合わせマークの測定時間が長くなるとい
う問題を生じる。また、登録実用新案第３００３８４２
号公報は、図２の（３）などに示したような測定の難し
い半導体ウエハ上の位置合わせマークの位置ずれを、高
精度で測定する半導体ウエハの検査装置を開示してい
る。しかし、ここで開示された装置も光軸方向に走査を
行う必要があり、位置合わせマークの測定時間が長くな
り、スループットを低下させるという問題があった。
トが重要な要素である。特開平９−２８７９１６号公報
に開示された方法は、光学系の焦点位置を変化させる必
要があり、位置合わせマークの測定時間が長くなるとい
う問題を生じる。また、登録実用新案第３００３８４２
号公報は、図２の（３）などに示したような測定の難し
い半導体ウエハ上の位置合わせマークの位置ずれを、高
精度で測定する半導体ウエハの検査装置を開示してい
る。しかし、ここで開示された装置も光軸方向に走査を
行う必要があり、位置合わせマークの測定時間が長くな
り、スループットを低下させるという問題があった。
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA17 AA20 BB02 BB17 BB27 BB28 CC19 DD06 FF01 FF04 GG24 JJ03 JJ19 LL00 LL10 LL30 LL65 MM16 PP12 QQ31 SS02 SS13 2G051 AA51 AB20 BA08 BB07 BB09 BB11 CA04 CB01 CC07 CC09 CC11 DA08 EA16 EA17 FA01 4M106 AA01 BA20 CA39 DB04 DB07 DB16 DB18 DB19
Claims (7)
- 【請求項１】 第１の位置合わせマークを有する第１の
層と、第２の位置合わせマークを有する第２の層とが形
成された半導体ウエハの表面の光学像を形成する半導体
ウエハの検査装置であって、 前記半導体ウエハの表面の光学像を形成し、波長により
焦点位置が異なる共焦点光学系と、 広い波長範囲を有する前記共焦点光学系の光源とを備え
ることを特徴とする半導体ウエハの検査装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の半導体ウエハの検査装
置であって、 前記共焦点光学系により形成された前記半導体ウエハの
表面の前記光学像を画像信号に変換する撮像装置を備え
る半導体ウエハの検査装置。 - 【請求項３】 請求項２に記載の半導体ウエハの検査装
置であって、 前記撮像装置はモノクロＴＶカメラである半導体ウエハ
の検査装置。 - 【請求項４】 請求項２に記載の半導体ウエハの検査装
置であって、 前記撮像装置はカラーＴＶカメラであり、 該カラーＴＶカメラの出力するカラー画像信号を表示す
るカラーディスプレイを備える半導体ウエハの検査装
置。 - 【請求項５】 請求項２に記載の半導体ウエハの検査装
置であって、 前記撮像装置の出力する前記画像信号から、前記第１の
位置合わせマークと前記第２の位置合わせマークの位置
を算出し、算出した前記第１の位置合わせマークの位置
と前記第２の位置合わせマークの位置から前記第１の層
と前記第２の層の位置ずれを算出する画像処理装置を備
える半導体ウエハの検査装置。 - 【請求項６】 請求項２に記載の半導体ウエハの検査装
置であって、 前記共焦点光学系の形成する前記光学像を波長成分の異
なる２つの分割光学像に分割する像分割素子を備え、 前記撮像装置は、各分割光学像に対応する２つの画像信
号を生成する半導体ウエハの検査装置。 - 【請求項７】 請求項６に記載の半導体ウエハの検査装
置であって、 前記２つの分割光学像の波長成分は少なくとも一部が重
なり、重なる波長域では、前記２つの画像信号の比が単
純に変化すると共に、逆の変化特性を有し、 前記２つの画像信号の同一部分の比から、当該部分の高
さを算出する画像処理装置を備える半導体ウエハの検査
装置。
Priority Applications (5)
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2000
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-
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- 2001-01-10 US US09/759,274 patent/US20010007498A1/en not_active Abandoned
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