JPH045509A - 光学的検査システムのための自動焦点合わせ装置 - Google Patents
光学的検査システムのための自動焦点合わせ装置Info
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Abstract
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Description
半導体ウェハなどの光学的検査システムの焦点合わせに
用いられる装置に関する。
体ウェハの主面上に種々の不純物拡散領域や絶縁膜、そ
れに配線パターンなどを形成する。
の非接触検査システムが使用される。
重要な地位を占めている。このシステムでは顕微鏡と類
似の構成によってウェハ表面の光学的検査、例えば膜厚
測定、線幅測定および表面欠陥検査を行うが、そこでは
ウェハ表面に対する焦点合わせを行う必要がある。そし
て、この焦点合わせを自動的に行う装置がたとえば実開
昭64−19909号公報に開示されている。
上の被検査領域を対物レンズの合焦位置に配置するため
の位置制御だけではなく、ウェハ表面、好ましくは上記
被検査領域を対物レンズの光軸に対して常に垂直とする
ような角度制御(姿勢制御)も行わねばならない。ここ
で被検査領域とは通常数μmφ〜50μmφ程度の微小
スポットである。ところが、従来の自動焦点合わせ装置
ではこのような角度制御のための構成を位置制御のため
の構成とは別個に設けているため、装置を構成する部品
数がかなり多くなっている。その結果、装置の組立てや
調整のための工程が複雑になり、装置サイズも必然的に
大きくなってしまう。
レによって制御精度が低下する場合もある。
るため、位置制御と角度制御とのそれぞれの特質を生か
して高速に目標値へと収束させる制御を実行できないと
いう問題もある。
になされたもので、位置制御と角度制御との双方の機能
を有し、かつ組立や調整が簡単で、高精度の制御を実現
できるコンパクトな自動焦点合わせ装置を提供すること
を第1の目的とする。
て目標値への収束速度を高めることが、この発明の第2
の目的である。
物レンズを介して被検査体の光学的検査を行うためのシ
ステムに用いられる自動焦点合わせ装置を対象としてお
り、この装置は第1A図に示すように、(a) 前記
被検査体を支持する支持手段および前記光学ヘッドのう
ちの少なくとも一方に結合されて、前記被検査体と前記
対物レンズとの相対的な位置関係と角度関係とを変化さ
せるだめの駆動手段を備えている。
ードバックループが設けられており、このフィードバッ
クループは、(b) 実質的に平行光束からなる第1
の光ビームを発生し、前記第1の光ビームを前記対物レ
ンズへと入射させる光ビーム発生手段と、(c) 前
記対物レンズを介して前記被検査体に入射した前記第1
の光ビームが前記被検査体で反射されることによって得
られる第2の光ビームについて、前記対物レンズを介し
て戻ってきた後に第1と第2の分割光ビームへと分割す
る光分割手段と、(d) 前記第1の分割光ビームの
光路中に配置された結像レンズと、 (e)前記結像レ
ンズの焦点位置に配置された第1の受光面を有し、当該
第1の受光面上で前記第1の分割光ビームが形成する光
スポットの1次元位置を検出する光スポット1次元位置
検出素子と、(r)前記光スポット1次元位置検出素子
の出力信号に基づいて、前記被検査体の被検査面と前記
対物レンズの焦点位置との位置偏差に対応する位置偏差
信号を発生する位置偏差信号発生手段と、(g)前記第
2の分割光ビームを受光する第2の受光面を有し、当該
第2の受光面上で前記第2の分割光ビーム重心の2次元
位置を検出する光ビーム2次元位置検出素子と、(h)
前記光ビーム2次元位置検出素子の出力信号に基づ
いて、前記対物レンズの光軸に垂直な平面からの前記被
検査面の角度偏差に対応する角度偏差信号を発生する角
度偏差信号発生手段とを備えている。さらに、(1)
前記位置偏差信号と前記角度偏差信号とに基づいて前
記駆動手段への駆動指令信号を発生し、それによって前
記位置偏差と前記角度偏差とが所定の許容偏差よりも小
さな値になるまで前記駆動手段による駆動を行わせる駆
動制御手段を備えることにより、上記フィードバックル
ープは位置制御と角度制御とを組合わせて実行する構成
になっている。
れている。そして、この発明の第2の構成では、位置偏
差信号に応じた指令値を駆動指令信号に付与して位置偏
差を所定の許容位置偏差よりも小さな値に減少させた後
に、角度偏差信号に応じた指令値を前記駆動指令信号に
付与して角度偏差を所定の許容角度偏差よりも小さな値
に減少させる位置制御優先手段を駆動制御手段中に設け
る。
のそれぞれを段階的に減少させつつ、位置偏差信号に応
じた駆動制御と角度偏差信号に応じた駆動制御とを交互
に行わせる段階的許容誤差設定手段を駆動制御手段中に
さらに設けている。
御の実行中に、光ビーム2次元位置検出素子の出力信号
を繰返してサンプリングすることにより、サンプリング
された各時点における角度偏差を把握して角度偏差信号
の値を順次に更新する更新手段と、前記更新手段によっ
て前記角度偏差信号の値を更新するごとに位置偏差信号
に基づく位置制御を実行させる組合せ制御手段とを、駆
動制御手段に設けている。
の反射光ビーム(第2の光ビーム)を分割し、それによ
って得られた第1と第2の分割光ビームによって位置偏
差と角度偏差とをそれぞれ検出している。したがって位
置制御のための光源と角度偏差のための光源とを別個に
設ける必要はない。このため、部品数が減少するだけて
なく、制御用光源を複数設けることによってそれらの光
源の間の相対的配置ズレが制御精度に影響を及ぼすこと
もない。
エリアからの反射光ビームに基づいて行われるため、位
置偏差を検出するエリアと角度偏差を検出するエリアと
がずれてしまうこともなく、この点からも制御精度及び
合焦精度が向上している。
ことによって、角度制御を行う時点では位置偏差はかな
り小さな値になっている。後述するように角度偏差の検
出にあたっては位置偏差の影響も受けてしまうという性
質を有するため、優先的に位置制御を行うことによって
角度制御の精度、ひいては総合的な制御精度をさらに高
めることができる。
ともに、その繰返しにあたって許容誤差を段階的に小さ
くしている。したがって位置偏差と角度偏差とは互いに
影響を受けるにもががゎらず、制御範囲を小さくしてい
るため制御動作が発散せず、制御目標値への収束も速い
。
原理をさらに補強する目的で、角度制御中の繰返しステ
ップごとに位置制御を実行する。
置を組込んだ半導体ウェハ検査システム100の全体構
成図である。このシステム100の構成は、光学的部分
、機構的部分、それに電気的部分に大別されるが、ここ
ではまず光学的部分について説明する。
して構成されており、顕微鏡の鏡筒10が光学ヘッドに
相当する。鏡筒10の底部には対物レンズ11が設けら
れている。この対物レンズ11はターレット式のレンズ
ホルダに収容された複数組のレンズのうちの1組であっ
てもよい。
1からの光L1は照明用レンズ22、ハーフミラ−13
およびハーフミラ−(またはダイクロイックミラー)1
2を介して対物レンズ11へ入射する。対物レンズ11
の下方には、後述する支持機構によって半導体ウェハW
Fが支持されている。第2B図に拡大部分断面図として
示すようにウェハWFは例えばシリコン基板上に酸化シ
リコン膜を形成したウェハであり、対物レンズ11によ
ってウェハ表面WSの被検査領域(以下「被検査面」と
称す)へと集光された光L1は、その一部分がウェハ表
面(シリコン酸化膜の表面)WSで反射されて反射光L
21となり、また、他の一部分がシリコン基板と酸化シ
リコン膜との界面で反射されて反射光L22となる。な
お、入射光L1の中にはこのウェハWF中で多重反射す
る部分や吸収される部分なども含まれているが、それら
についての説明は省略する。
化シリコン膜の厚さDLとその屈折率の積の2倍に相当
する長さだけの差がある。したがって、反射光L21と
L22とは相互に位相差を持っており、それらの干渉波
が対物レンズ11を介して第2A図の上方へと進行する
。この干渉波L2はハーフミラ−12,1B、結像レン
ズ14およびプリズム15を介して分光器16へと入射
する。この分光器16では干渉光L2の強度を検出し、
それを表現する光電信号SDをデータ処理装置31へと
与える。データ処理装置31は光電信号SDのレベルに
基づいて酸化シリコン膜の厚さDLを評価し、それによ
ってウェハWFの表面状態の検査を行う。
グは、後述するコンピュータ81がらのタイミング信号
T1によって決定される。また、接眼レンズ17を介し
てウェハWFの表面像を肉眼で観察することもできるよ
うになっている。
ダイオード24が設けられている。このレーザダイオー
ド24は780 nI+1の波長を有する単色光を発生
し、この光はコリメートレンズ25を通ることによって
実質的に平行光束よりなる光ビームB1へと変換される
。そして、この光ビームB1はハーフミラ−12によっ
て反射され、対物レンズ11によってウェハWFの表面
WSへと集光される。対物レンズ11に対する光ビーム
B1の入射位置は、対物レンズ11の光軸から(+Y)
方向にずれた位置である。このため、ウェハWFで反射
された光ビームB1は対物レンズ11の光軸から(−Y
)方向にずれた部分に入射し、光ビームB2として上方
へと進む。
フミラ−26に入射し、このハーフミラ−26において
第1の分割光ビームBDIと第2の分割光ビームBD2
とに分割される。このうち、第1の分割光ビームBDI
は結像レンズ27によって集光され、1次元位置検出素
子(PSD)28の受光面上に光スポットを形成する。
28Sは(±Z)方向に伸びており、その光スポットの
(±Z)方向の位置検出信号として、2つの電極からの
電流信号Z 、Z2が出力される。
検出素子としての2次元PSD29の受光面に入射する
。第3B図に示すようにこの2次元PSD29の受光面
29Sはx−y平面に平行となっており、第2の分割光
ビームBD2の重心に基づいてX−Y面内の位置検出信
号として4つ電極からの電流信号x 、x 、y
、y を出力する。
物レンズ11の焦点位置からの被検査面の位置偏差すな
わちデフォーカス量を検出するためのものである。また
、2次元PSD29は対物レンズ11の光軸に垂直な平
面からの被検査面の角度偏差すなわち傾角量を検出する
ためのものである。これらの偏差検出原理とその特質は
次の通りである。
ンズ11の焦点位置FPを通り、かつ対物レンズの光軸
PAに垂直な基準面RPが定義されており、被検査面は
この基準面RPと一致している。すなわち、第4A図で
は被検査面が合焦かつ水平状態となっている。このとき
、対物レンズ11の上方では光ビームB2は(+Z)方
向に進む平行光ビームとなる、そして、この状態におい
て、第1の分割光ビームBDIが1次元PSD28の受
光面28Sの中心に入射し、かつ第2の分割光ビームB
D2が2次元PSD29の受光面29Sの中心に入射す
るように、各光学素子の配置位置が定められている。
状態を示している。ただし、被検査面は対物レンズ11
の焦点位置FPを通っているため、対物レンズ11と被
検査面とは合焦状態にある。
2A図の場合と比較して角度2θだけずれた方向に進む
。このため、対物レンズ11の焦点距離をfとすると、
対物レンズ11の上方における光ビームB2の光路は、
第4A図の場合と比較して、 f −5in(2θ)
=il)たけ対物レンズ11の位置において(+Y)
方向に偏位している。ただし、被検査面が合焦であるこ
とから、光ビームB2は平行光束であり、その進行方向
は(+Z)方向である。
割光ビームBD2の受光位置が(−Y)方向にずれるが
、1次元PSD28では光スポットの形成位置は第4A
図の場合と実質的に同一である。それは、第1の分割光
ビームBDIは(+Y)方向に進む平行光ビームである
ため、その光路が(+Z)方向に平行移動しても、集光
レンズ27の焦点位置すなわち1次元PSD28におけ
る受光面28Sの中心位置に集光されるからである。こ
の第4B図かられかるように、被検査面が合焦状態下で
傾いたときには、一般に、2次元PSD29における第
2の分割光ビームBD2の受光位置がX−Y平面内でシ
フトするものの、1次元PSD28での光スポット形成
位置は不変である。なお、角度θの値が小さいときには
(1)式は(2fθ)で近似できるため、角度偏差θは
2次元PSD29の受光面29Sにおける第2の分割光
ビームBD2の受光位置のずれ量に比例する。
位置ずれ量を角度偏差θと同義のものとして取扱う。
−Z)方向にずれることによって非合焦となった場合を
示す。このときの反射光ビームB2は、ウェハ表面WS
に関して対物レンズ11の焦点位置FPと対称な点IP
を仮想点光源とする光となる。したがって、対物レンズ
11を通過後の光ビームB2は平行光ビームとはならず
、またその光路も(+Z)方向からずれる。その結果、
第1の分割光ビームBDIもその光路が(+Y)方向か
ら傾き、1次元PSD28の受光面28S上での光スポ
ット形成位置がシフトする。そして、このシフト量は参
照面RPからの被検査面の位置偏差りを反映している。
方向の位置偏差を1次元PSD28によって検出可能で
ある。
光ビームB2も合焦の場合の光路からずれるため、2次
元PSD29上のビーム受光位置もシフトする。すなわ
ち、2次元PSD29の出力変化は被検査面の傾きのみ
ならず、合焦状態からのずれによっても生じることにな
る。換言すれば、2次元PSD29上でのビーム受光位
置が受光面29Sの中心からずれたとき、それが被検査
面の傾きのみによるものか、それとも非合焦であること
の影響を受けているかは、2次元PSD29の出力のみ
からは判定できない。
位置は非合焦状態でのみシフトするため、被検査面を合
焦位置に戻すための制御は、1次元PSD28の出力の
みを参照して行うことができる。一般に、非合焦かつ被
検査面に傾きがある場合(第4D図)をも考慮したとき
、上記の性質を有効に利用するためには、1次元PSD
28の検出出力を参照して被検査面を合焦位置に戻す位
置制御(フォーカス制御)を優先的に行う方が望ましい
。被検査面が合焦位置もしくはその近傍に戻れば、2次
元PSD29の出力に基づいて被検査面を水平化させる
角度制御(傾角制御)を効率的に行うことができる。後
述するフィードバック制御系はこのような観点に基づい
て構成される。
Fを支持するとともにこのウェハWFを移動させるため
のテーブル機構50を備えている。
れた支持柱52を有しており、この支持柱52にはラッ
ク53が取付けである。パルスモータ54の回転によっ
てピニオン55がラック53を駆動すると支持柱52は
(±Z)方向に昇降する。このラック/ピニオン機構は
、ウエノ1WFのフォーカス制御における粗調用である
。
る。X−Yステージ60は支持柱52に固定された固定
テーブル61と、この固定テーブル61の上でX−Y方
向に移動自在な移動テーブル62とを有している。テー
ブル62の駆動はX。
ブル62から(+Z)方向に伸びる3本のピン(第2A
図にはそのうちの2本のみが見えている)によってウェ
ハステージ56が支持されている。ウェハWFはこのス
テージ56上に保持されている。
A図の(+Y)方向から見た側面図であり、第5図(b
)はテーブル62の平面図である。また、第6図は第5
図(b)のVl−Vl線に沿った拡大側面図である。第
5図(’b)に示すようにテーブル62の内部床面63
上には3組のピエゾアクチュエータ648〜64cが取
付けである。第6図に示すように、ピエゾアクチュエー
タ64aは、金属ブロック71.72の間に設けられた
ピエゾ素子65aを有している。ピエゾ素子65aは水
平方向に伸びており、その先端は水平ビン73に当接し
ている。この水平ピン73は金属ブロック71に設けた
水平孔71Hに挿通されており、その他端は金属球74
に当接している。この金属球74はアーム75の下側面
に回転自在に取付けである。
れており、その他端上部にはピン66aが立設されてい
る。
6を支点とする梃子を構成しており、ピエゾ素子65a
が伸びると水平ピン73が(−Y)方向に移動し、アー
ム75がφ方向に回転してピン66aがウェハステージ
56の下面を(十Z)方向へと押上げる。逆にピエゾ素
子65aが縮むとウェハステージ56は自重で降下する
。なお、ステージ56を高速に降下させる場合は、アー
ム75を弾性部材、例えば板バネなどで(−Z)方向に
押圧すればよい。このような梃子を用いることにより、
ピエゾ素子65aの伸縮ストロークが比較的短くても、
ウェハステージ56の昇降ストロークを長くすることが
できる。この実施例におけるストローク拡大率は約10
倍であり、金属球74、ピン76間の距離とピン76、
ビン66a間の距離との比が1:10である。
ゾ素子65b、65cを伸縮させることによってピン6
6b、66cが昇降する。ただし、各アクチュエータ6
4a〜64cのそれぞれのピン66a〜66cは互いに
異なる固有の形状を有している。第1のアクチュエータ
64gでは、ピン66aの先端部67a(第7A図)が
球面状となっており、ウェハステージ56の対応凹部6
8aはそれよりも大きな直径の底面を有する円柱形とな
っている。このため、ピン68aを昇降させるとウェハ
ステージ56を昇降させることができるとともに、第7
A図中に星形矢印で示すように、ピン66Hの先端部6
7aは凹部68aの中で2次元的に移動可能である。
の先端部67bは第7B図に示すように屋根形の角柱状
であり、ウェハステージ56の下面においてこの先端部
67bを受入れる凹部68bはそれよりもなたらかなテ
ーパ部を有する溝状である。このため、ピン66bを昇
降させたとき、第7B図中に双方向矢印で示すように、
凹部68bの長手方向に沿って先端部67bがスライド
可能である。
の先端部67C(第7C図)が円錐状となっており、ウ
ェハステージ56の対応凹部68Cはそれよりもなだら
かな円錐状である。このため、ピン66cを昇降させた
とき、ウェハステージ56は水平のまま、あるいは傾き
ながら昇降することはできるが、ピン66cに対して水
平方向に移動することはできない。
66cがX−Y面内の正三角形TAの各頂点に位置する
ように、ピエゾアクチュエータ64a〜64cが配置さ
れている。また、ピン66bの先端部67bと第7B図
の凹部68bとは、その水平断面における長手方向が、
ピン66b、66cを結ぶラインと平行になっている。
全部を駆動することにより、ウェハステージ56(した
がってウェハWF)のZ方向の位置(高さ)とX−Y面
に対する傾角とを自在に変更することができる。
7A図および第7B図で示したような水平方向の自由度
を持っているため、ステージ56を傾ける場合において
も、ピン66a〜66cに水平方向の応力が生すること
はない。すなわち、ピン66b、66cの相互関係にお
いては、ピン66bの先端部67bが第7B図の溝68
b内を1次元的に移動してステージ56の傾きの影響を
吸収する。一方、ピン66aは、2つのピン66b、6
6cとの間のそれぞれ相互関係においてステージ56の
傾きの影響を吸収しなければならないが、第7A図のよ
うな水平面内で2次元的な移動が可能であることにより
、それを達成している。
うちの1点には水平方向の移動自由度を与えず、他の2
点についてはそれぞれ1次元自由度と2次元自由度とを
与えることが好適である。
にピン66a〜66cのうちの一部または全部に水平方
向の応力が加わってしまう。逆に自由度が多過ぎるとス
テージ56とピン66a〜66cとの間に冗長自由度が
生じ、ピン66a〜66cのそれぞれの高さを定めても
ステージ56の空間的位置が一義的に定まらないという
状況が生じてしまう。
ゾ素子65a〜65cに与える電圧u1゜u2.u3と
、それによってステージ56に生ずる位置・角度変化と
の関係は次のようにして求めることができる。まず、第
8図に示すように、ピン66a〜66cの先端部を結ぶ
三角形TBとそれに外接する矩形RBを定義する。ピン
66a〜66cの昇降量か同一であるときは、この三角
形TBは水平面内にあり、第5図(b)の正三角形TA
と一致する。また、三角形TBの重心CMPがら矩形R
Bの4辺E1〜E4へそれぞれ垂線を引き、その足をQ
1〜Q4とする。そして、ピン66a〜66cの昇降に
よってステージ56(第8図中には図示せず)をX方向
に傾けるとき、その傾きパラメータXfoとして点Q1
とQ2とのそれぞれのX方向の高さの差を採用し、Y方
向の傾きについてはその傾きパラメータYroとして点
Q3と点Q4とのそれぞれのX方向の高さの差を採用す
る。
移動させる場合を考える。このとき、ピエゾ素子65a
〜65cには同一の電圧を与えればよく、その電圧値は
平行移動量に比例させればよいことは明らかである。
とき、ステージ56をX方向に傾ける場合には重心CM
の高さを変えないようにしつつピン668〜66cを駆
動しなければならないため、(F1+F2+F3)/3
−Co (定数)・・・(2) という条件か課される。また、第8図かられかるように
X方向の傾きは2つのピン66a、66bを駆動するこ
とによって実現できるが、ピン66aの昇降量F1を点
Q1での昇降量に換算すると、F 1− 5jn60°
・(3)となる。同様に、ピン66b
の昇降量F2を点Q2での昇降量に換算すると、 F2・ 5in60° −=(4)とな
る。したがって、X方向の傾きパラメータXrは、 Xro−F 1 ・5in60° −F2・ 5ln6
0’・・・(5) となる。
6cの昇降量F3がそのまま点Q3の昇降量となり、ま
たピン66a、66bの昇降11F1゜F2を点Q4の
昇降量に換算するとそれぞれ、Fl・ cos60°
・・・(6)F2・ co860°
−(7)となる。このため、 Yfo=F3−Fl・ cos60゜ −F2・ cos60° ・・・(8)が得られる。
て解くと、F1=X、。15−Y、。/3+co ・・
・(9)F2−−X、。/、/T−Y、。/3+Co−
=(10)F 3=2Yro/3+Co
−(II)となる。
ゾ素子66a〜66Cの伸縮量に比例するが、その比例
係数をA。とする。つまり、F 1−A o −u 1
=(12)F2−Ao°u2
・・・(13)F3=A −u3
−(14)である。また、パラメータX 、
Y およびZ方fOf。
れx、yrおよびCとする。したがって、f Xro−AoXf ・115)Yr
o−AoYr −(1B)Co−A
oC−=(17) である。
、各辺を係数A。で除することにより、 ul−x、/7’T−y、/3+c −(18)u
2 = X r / 5Y r / 3 + C・
・・(19)u 3 = 2 Y r / 3 + C
−(20)が得られる。この(18)〜(20)式が傾
角制御の基本式である。
81およびI10ポート80を備えている。コンピュー
タ81はCPU82.ROM83およびRAM84を有
しており、後述する各制御や演算を行う。また、ハロゲ
ンランプ21の点灯回路32とレーザダイオード24の
点灯回路33に対する点灯指令信号もコンピュータ81
で生成される。
出力信号は電流/電圧コンバータ34゜35で電圧信号
に変換された後、マルチプレクサ36およびA/Dコン
バータ37を介してコンピュータ81に取込まれるよう
になっている。また、ピエゾ素子65a〜65c(第5
図(b))の駆動指令信号u1〜u3は、コンピュータ
81からD/Aコンバータ41a〜41cを介してピエ
ゾドライバ42a〜42cに出力される。このピエゾド
ライバ428〜42cは各ピエゾ駆動指令信号U1〜u
3に応じてピエゾ素子65a〜65cに駆動電圧を供給
する。
43およびX−Yステージドライバ44を介してX−Y
ステージ60の駆動用モータ63を制御する。さらに、
コンピュータ81はパルスモータコントローラ45およ
びパルスモータドライバ46を介してパルスモータ54
の回転駆動を行うようになっている。
ーチャートである。まず、ステップS1においては、後
述する各制御に必要とされる係数値K 、K 、K
、K 、MKzをコンピユーYZO 夕81にセットする。
IPX、IPY、IPZをコンピューター81にセット
する。これらの制御目標値IPX。
て垂直であり、かつ合焦である場合に5PD28,29
から得られる出力値に基づいて算出される規格化重心座
標(後述)の値である。これの制御目標値は例えば以下
の方法で求めることができる。まず被検査面に光L1を
照射し、視覚によりピントを合わせる。この特売L2は
分光器16にも入射しているので、分光器16の出力に
基づいてこの光L2の強度が最大となる様にステージ5
6(被検査面)の角度を調整すれば、被検査面が光L1
に対して垂直であり、かつ合焦となる。
、第1の分割光ビームBDI及び第2の分割光ビームB
D2が得られるので、PSD28゜29からの出力に基
づいて後述の演算を行なえば制御目標値IPX、IPY
及びIPZが得られる一0次にステップS3では制御ル
ープの制御回数を指示するカウント値nを“0“として
おく。また、ステップS4では、その時点でのピエゾ素
子65a〜65cの駆動量P1〜P3を駆動指令値の初
期値ul (n)、u2 (n)、u3 (n)(ただ
しn−0)として記憶しておく。
づいて、基準面RP(第4A図〜第4D図)に対する被
検査面の角度偏差ΔX、ΔYおよび位置偏差ΔZを求め
る。その具体的内容が第10図に示されている。そこで
はまず2次元PSD29の出力信号X 、X 、Y
、Y を取込ろ(ステップ521)、受光面29
S上のビーム受光位置の規格化重心座標(PX、PY)
を、次の式; PX−1(X2+Y1)−(Xl+Y2)l/G・・・
(21) PY−1(X2+Y2)−(Xl+Yl)l/G・・・
(22) G■X 1+ X 2 + Y 1 + Y 2
・・・(23)に従って求める(ステップ522
)。ビーム受光位置が受光面29Sの中心に存在すると
きには、px−py−o ・・・(
24)である。
を表現する量: ΔX−PX−I PX ・・・(25)
ΔY−PY−I PY ・・・(26)
を計算する。
Z 、Z2を読取る。そして、その受光■ 面28Sにおける光スポットの規格化重心座標;PZ−
(Z −22)/ (Z1+22) −127)
■ を計算しくステップ525)、位置偏差を表現する量: ΔZ−PZ−IPZ ・・・
(28)を算出する。
検査面の位置制御と角度制御との交互実行ルーチンに相
当する。既述したように、位置制御を角度制御に対して
優先的に実行することによって全体としての制御効率が
高まるため、角度制御よりも位置制御を先に実行する。
置偏差ΔZをゼロまたはその近傍の値まで減少させた後
に角度制御を実行すると、制御軌跡は初期状態STから
目標点0まての最短軌跡9からかなり離れたものとなり
、制御安定性が低くなって、第13A図に示すような制
御軌跡のスレなどが生じやすい。場合によっては目標点
Oに収束せず、発散してしまう可能性もある。そこで、
この実施例では第13B図に示すように目標点Oを含む
ような段階的な区間分けを位相平面に対して行い、ΔZ
軸については次第に小さくなる許容誤差区間M1〜M3
を設定する。また(ΔX。
間M1に入ると角度制御に移って偏差点を区間N1に入
るように制御し、その後再び位置制御に戻るという処理
を繰返す。このようにすると制御動作の発散を防止する
と共に制御軌跡は階段状になり、第13A図中に示した
最短軌跡pに近いものとなる。その結果、制御全体とし
ての速度と正確性が向上することになる。
対応しており、これらにおいて定義される閾値(thX
、 thY)の組合せが第13B図の区間Nl、N2の
幅を規定する値である。また、閾値thzはΔ2軸方向
の区間M1〜M3の幅を決定するための値である。なお
、これらの閾値は重心座標px、py、pz (第10
図ステップS22゜S25参照)が規格化された値を持
つことに対応して、%表現された値を持つ。
に設定し、第11図のサブルーチンに入る。
と閾値thzとの大小関係を判定しくステップ531)
、位置偏差Δ2の方が大きければ次のステップS32に
移る。
機械系において種々の誤差を含んでいるため、制御の目
標値を完全にrOJとはせずに、制御の目標を要求され
る値以下に押えるという方法か実際的である。本実施例
では最終的に位置偏差を「001%」未満、角度偏差を
「01%」未満に押えることを目標としている。
ち、係数MK はパルスモータ54の比例制御(P制
御)における比例係数である。そこで、位置偏差ΔZの
補償をパルスモータ54で行う場合にはこのパルスモー
タに何個のパルスを出力すればよいかを、次式: %式%(29) によって計算する。この実施例で用いられているパルス
モータ54とラック・ピニオン機構5355とは、1パ
ルスによって0.1μmだけX−Yステージ60を昇降
させるように設計されている。
いて行うかそれともピエゾアクチュエータ642〜64
cを用いて行うかについての切換閾値を50μmとした
場合には、上記(29)式で計算された値PSが500
(−50/ 0.1)より大きいか否かを判定する(
ステップ532)。
いてこの値PSをパルスモータ54への出力パルス量と
して設定するとともに、(29)式において絶対値をと
る前の量の正負の符号によってパルスモータ54の回転
方向DIRを決定する。
n)、u2 (n)、u3 (n)を用いて新たなピエ
ゾ駆動量ul (n+1)、u2 (n+1)u3 (
n+1)をそれぞれ定義する。これは次の繰返しループ
においてカウント値nが(n+1)へと変わったときに
、ul (n+1)、u2 (n+1)、u3 (n+
1)の値が定義されていないという状況を防止するため
のものである。
4に対して、DIR方向の回転のためのパルスをPS個
出力する(ステップ535)。この回転によって位置制
御のうちの粗調が完了し、ステップS36から539へ
移る。このステップS39では第10図のルーチンを用
いて偏差量ΔX、ΔY、Δ゛Zを再度測定し、さ゛らに
次のステップS40でカウント値nをインクリメントし
た後にステップS31へと戻る。
2からステップS37へと進み、ピエゾアクチュエータ
64a〜64cによる微調に移る。
制御を採用する。
(30) u’2 (n+1) −u2 (n) +K
−ΔZ・・・(31) u3 (n+1)−u3 (n)+K ・Δ2・・・
(32) したがって、ステップS37でこれらの値を計算した後
、ul (n+1)、u2 (n+1)、u3(n+1
)をそれぞれピエゾドライバ42a〜42cに出力して
ピエゾアクチュエータ64a〜64Cを動作させる。
は位置偏差の絶対値1ΔZ1が閾値thz(−0,5)
以下になるまで繰返して行われ、Δ Z l く
thZ ・
・・ (33)となって第13B図の位相点が区間M1
に入ると位置制御はいったん終了する。
めに閾値thx、 thyの双方を(1,5%に設定し
、第12図のサブルーチンに移る。第12図のステップ
S41では角度偏差ΔX、ΔYのそれぞれの絶対値が閾
値thx 、 thyより小さくなっているかどうかを
判定し、少なくとも一方が閾値以上であるときにはステ
ップS42に移る。
動量を計算するが、そこでは比例制御と積分制御との組
合せすなわちPI制御を行う。これはピエゾ素子65a
〜65cのヒステリシスを考慮するためである。具体的
には次式:%式%(34) によってパラメータ値X 、Yrをまず計算する。
上の整数としたとき、カウント値が(n−m)からnま
ての間のそれぞれの制御ステップにおける位置偏差ΔX
(またはΔY)の和をとることを示す。
X、ΔYの値は、新しいものから順に1mステップ前ま
での値を記憶しておくようにする。
) 。
。
得られるZ座標一定条件の式である。そして、(18)
〜(20)式のu1+ u 2.u 3をそれぞれu
l(n+1) 、 u2 (n+1) 、 u3 (n
+1)に置換して得られる計算式: %式% によってピエゾ駆動量を算出し、それらをピエゾドライ
バ42a〜42cにそれぞれ出力する(ステップ843
)。その後、偏差量ΔX、ΔY、Δ2を測定してそれら
の値を更新しくステップ544)、カウント値nをイン
クリメントする(ステップ545)。
行う。これは、角度制御のためのピエゾ素子65a〜6
5cの駆動によって位置偏差ΔXΔYが変化してしまっ
たようなときに再び位置偏差ΔX、ΔYの絶対値を閾値
thX 、 thY以下の値に戻して、次の角度制御繰
返しステップにおける制御効率を高めるために行われる
。このステップS46は既述した第11図のサブルーチ
ンによって達成される。そして、その後にステップS4
1へ戻って、 1ΔXl < thX ・・
(4[1)Δ Yl < thY
・・・ (41)の
双方が成立するようになるまでステップ341〜S46
を繰返す。したがってこの実施例では、第12図の繰返
しループを実行するごとに信号Z 、z2をサンプリン
グして位置偏差信号ΔZの値を更新し、その更新が行わ
れるごとに位置制御を実行するという組合せ制御が実現
されている。
制御を行うのは、位置偏差を優先的に減少させた方がよ
いという、既述した原理に基づいている。
まり第13B図の位相点が区間N2に入った時点で角度
制御はいったん終了し、第9図のステップS8において
新たな位置制御を行う。このステップS8もまた第11
図のサブルーチンで実行されるが、今度は閾値thzの
値が0.1%に設定されている。
x、 thyを0.1%に設定して第12図のサブルー
チンで行われ最後に、閾値thzを0.01%に設定し
た位置制御(ステップ510)を実行して一連の位置・
角度制御を完了する。この時点では第13B図の位相点
は区間M3.N2で規定される目標点近傍の区域に入っ
ており、十分に高い精度で被検査面の検査が可能となっ
ている。
T1をデータ処理装置31に与え、それによって分光器
16の検出出力SDをデータ処理装置31内に取込む。
にはステップS12から813へと移り、第2A図のX
−Yステージコントローラ43に指令信号scを出力す
ることによって、X−Yステージ6oをXまたはY方向
に所定ピッチたけ移動させる。
置・角度制御を繰返す。このようにしてX−Yステージ
6oの間欠送りと位置・角度制御を行い、分光器16が
らの出力SDの取込みを繰返すことによって、ウェハ表
面wsの検査対象領域がすべて検査される。
6a〜66cの平面配置を正三角形としたが、直角二等
辺三角形のような他の三角形配置としてもよい。また、
X−Yステージ6oのX−Y方向の移動はマニュアルで
行わせてもよい。
角度関係は相対的なものであるがら、位置フィードバッ
クのための駆動手段は、鏡筒1oすなわち光学ヘッド側
に結合されてこの鏡筒1oを昇降駆動し、それによって
対物レンズ11を上下させるものであってもよい。また
、鏡筒10とウェハ支持機構との双方に結合され、鏡筒
10の駆動は粗調のために行ない、微調は上記実施例の
ようにウェハ側で行なうことも可能である。もっとも、
上記実施例のように構成する方が駆動精度は高い。
く、種々の精密加工面の検査などにも適用可能である。
IPYの設定に際して、第4A図における基準面RPを
光軸に対して垂直であるとしたが、微小角度類いた基準
面RPを制御の対象とすることも同様に実施可能である
。
系と角度制御系とのそれぞれの一部を互いに兼用してい
ることにより、装置を構成する部品数が減少する。この
ため、装置のサイズもコンパクトとなり、その組立てや
調整のための工程も簡単になる。
御用とに利用するため、被検査体表面の同一エリアから
の光反射情報によって位置偏差と角度偏差とが検出され
ることになり、これら2種類の偏差が異なるエリアで検
出されることによって制御精度が低下してしまうという
ことは生じない。このため、全体としての制御精度が向
上する。
の影響を受けやすいという性質を考慮して位置制御を優
先させる構成にしているため、角度制御における角度偏
差の検出精度が高まる。その結果、目標値への収束か速
くなる。
われるとともにそれらの制御における許容誤差を段階的
に減少させているため、全体的な収束速度がさらに高ま
る。
を行うごとにさらに位置制御を行うため、目標値への収
束速度は一層高まることになる。
機能ブロック図、 第1B図は、請求項2〜4記載の発明の構成を概念的に
示す機能ブロック図、 第2A図は、この発明の一実施例であめる自動焦点合わ
せ装置を組込んだ光学的検査システムの全体構成図、 第2B図は、実施例における被検査体としての半導体ウ
ェハの拡大部分断面図、 第3A図は、1次元PSDの受光面を示す図、第3B図
は、2次元PSDの受光面を示す図、第4A図から第4
D図は、ウェハ表面と基準面との関係が1次元PSDお
よび2次元PSDにおける受光状態に及はす影響の説明
図、 第5図は、ピエゾアクチュエータの配置関係を示す図、 第6図は、第5図のVI−VI線に沿った方向から見た
側面図、 第7A図から第7C図は、ピエゾアクチュエータの先端
部のビン構造を示す図、 第8図は、ピエゾアクチュエータの制御式を導出するた
めの説明図、 第9図は、実施例の全体動作を示すフローチャート、 第10図は、偏差量測定ルーチンを示すフローチャート
、 第11図は、位置制御(フォーカス制御)を示すフロー
チャート、 第12図は、角度制御(傾角制御)を示すフローチャー
ト、 第13A図および第13B図は、位置制御と角度制御と
の実行順序による偏差の減少状況を制御軌跡として示す
偏差平面図である。 10・・・鏡筒(光学ヘッド)、 11・・・対物レンズ、 24・・・レーザダイオード、 28・・・1次元PSD、 29・・・2次元PSD
。 100・・・半導体ウェハ検査システム、B1・・・第
1の光ビーム、B2・・・第2の光ビーム、BDI・・
・第1の分割光ビーム、 BD2・・・第2の分割光ビーム、 WF・・・半導体ウェハ(被検査体)、WS・・・ウェ
ハ表面
Claims (4)
- (1)光学ヘッド内に設けられた対物レンズを介して被
検査体の光学的検査を行うためのシステムに用いられる
自動焦点合わせ装置であって、(a)前記被検査体を支
持する支持手段および前記光学ヘッドのうちの少なくと
も一方に結合されて、前記被検査体と前記対物レンズと
の相対的な位置関係と角度関係とを変化させるための駆
動手段と、 (b)実質的に平行光束からなる第1の光ビームを発生
し、前記第1の光ビームを前記対物レンスへと入射させ
る光ビーム発生手段と、 (c)前記対物レンズを介して前記被検査体に入射した
前記第1の光ビームが前記被検査体で反射されることに
よって得られる第2の光ビームについて、前記対物レン
ズを介して戻ってきた後に第1と第2の分割光ビームへ
と分割する光分割手段と、 (d)前記第1の分割光ビームの光路中に配置された結
像レンズと、 (e)前記結像レンズの焦点位置に配置された第1の受
光面を有し、当該第1の受光面上で前記第1の分割光ビ
ームが形成する光スポットの1次元位置を検出する光ス
ポット1次元位置検出素子と、 (f)前記光スポット1次元位置検出素子の出力信号に
基づいて、前記被検査体の被検査面と前記対物レンズの
焦点位置との位置偏差に対応する位置偏差信号を発生す
る位置偏差信号発生手段と、(g)前記第2の分割光ビ
ームを受光する第2の受光面を有し、当該第2の受光面
上で前記第2の分割光ビーム重心の2次元位置を検出す
る光ビーム2次元位置検出素子と、 (h)前記光ビーム2次元位置検出素子の出力信号に基
づいて、前記対物レンズの光軸に垂直な平面からの前記
被検査面の角度偏差を対応する角度偏差信号を発生する
角度偏差信号発生手段と、(i)前記位置偏差信号と前
記角度偏差信号とに基づいて前記駆動手段への駆動指令
信号を発生し、それによって前記位置偏差と前記角度偏
差とが所定の許容偏差よりも小さな値になるまで前記駆
動手段による駆動を行わせる駆動制御手段とを備えるこ
とを特徴とする、光学的検査システムのための自動焦点
合わせ装置。 - (2)請求項1記載の装置において、 駆動制御手段が、 位置偏差信号に応じた指令値を駆動指令信号に付与して
位置偏差を所定の許容位置偏差よりも小さな値に減少さ
せた後に、角度偏差信号に応じた指令値を前記駆動指令
信号に付与して角度偏差を所定の許容角度偏差よりも小
さな値に減少させる位置制御優先手段を有する、光学的
検査システムのための自動焦点合わせ装置。 - (3)請求項2記載の装置において、 駆動制御手段がさらに、 許容位置偏差と許容角度偏差とのそれぞれを段階的に減
少させつつ、位置偏差信号に応じた駆動制御と角度偏差
信号に応じた駆動制御とを交互に行わせる段階的許容誤
差設定手段を有する、光学的検査システムのための自動
焦点合わせ装置。 - (4)請求項2記載の装置において、 駆動制御手段がさらに、 角度偏差信号に基づく駆動制御の実行中に、光ビーム2
次元位置検出素子の出力信号を繰返してサンプリングす
ることにより、サンプリングされた各時点における角度
偏差を把握して前記角度偏差信号の値を順次に更新する
更新手段と、前記更新手段によって前記角度偏差信号の
値を更新するごとに位置偏差信号に基づく位置制御を実
行させる組合せ制御手段を有する、光学的検査システム
のための自動焦点合わせ装置。
Priority Applications (5)
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