JP2006234598A - 表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 容易に自動で合焦できる表面検査装置を提供することを目的とする。
【解決手段】対物レンズの観察光学系に、試料を対物レンズに合焦させる第１の合焦装置を配置する。さらにこの光学系とは別軸で、対物レンズよりも小さな開口数のレンズを有し、対物レンズと同じ位置に合焦するように調整された第２の合焦装置とが配置されている。
試料に合焦させるためには、まず第２の合焦装置で試料を合焦し、さらに高倍の対物レンズを使用した光学系で合焦する。最初から高倍の対物レンズを使用した光学系で合焦した場合よりも容易に、試料に合焦することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面検査装置に関するものである。

従来、半導体の製造工程では、ウエハを顕微鏡などで検査する表面検査装置が使用されている。表面検査装置では、ウエハはＸＹＺの３次元方向に移動するステージ上に搬送され、所定の検査領域が対物レンズの視野内に入るように位置決めされる。Ｚ方向（光軸方向）は、対物レンズを通してオートフォーカス用の光がウエハに照射され、合焦位置が測定されウエハがステージによって合焦位置に位置決めされる。

近年、ウエハ上に形成される半導体の集積度がますます高くなり、観察するウエハ上のパターンが微細化しているため、観察には高倍の対物レンズが使用されている。
特開２００４−１８６２８３号公報

しかしながら、高倍の対物レンズを使用した表面検査装置では、作動距離が短いため自動で合焦させることが困難であるという問題があった。
本発明は、容易に自動で合焦できる表面検査装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、対物レンズと、前記対物レンズを使用して、試料を前記対物レンズに合焦させる第１の合焦装置と、前記試料を前記対物レンズの合焦位置近傍に合焦させる第２の合焦装置とを有することを特徴とする表面検査装置を提供する。

請求項２に係る発明は、前記第２の合焦装置は、前記対物レンズよりも小さな開口数のレンズを有することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置を提供する。
請求項３に係る発明は、前記対物レンズは液浸対物レンズであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面検査装置を提供する。

請求項４に係る発明は、前記対物レンズは倍率が８０倍以上であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の表面検査装置を提供する。
請求項５に係る発明は、前記液浸対物レンズと前記試料の間に前記液浸対物レンズ用の液体を満たす液体供給装置を有することを特徴とする請求項３に記載の表面検査装置を提供する。

請求項６に係る発明は、前記液浸対物レンズと前記試料の間に満たされた前記液浸対物レンズ用の液体を排出する液体排出装置を有することを特徴とする請求項３または請求項５に記載の表面検査装置を提供する。

請求項７に係る発明は、第２の合焦装置の前記対物レンズよりも小さな開口数のレンズは、非液浸対物レンズであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の表面検査装置を提供する。

本発明は、容易に自動で合焦できる表面検査装置を提供する。

（第１実施形態）
図１に本実施形態の表面検査装置１００の構成を示す。なお以下の説明では、図１に示すように、紙面の上下方向をＺ軸、紙面の左右方向をＸ軸、紙面に垂直な方向をＹ軸とする。
検査対象であるウエハ１０７は、不図示のウエハ搬送手段によってＺ方向（光軸方向）に移動可能なＺステージ１０９上のウエハホルダ１０８に載置される。Ｚステージ１０９は、ＸＹ方向（ウエハ１０７の平面方向）に移動可能なＸＹステージ１１０に載置されている。従ってウエハ１０７は、ＸＹステージ１１０、Ｚステージ１０９によってＸＹＺ方向に移動することができる。

ＸＹステージ１１０は、ジョイスティック１１１から制御される。ジョイスティック１１１で指示されたＸＹステージ１１０の移動方向は、電気信号に変換され制御装置１１３を介してＸＹ位置制御装置１０６に入力される。ＸＹ位置制御装置１０６は、ＸＹステージ１１０を制御しジョイスティック１１１で指示された方向に動かす。ＸＹステージ１１０をジョイスティック１１１ではなく、コンピュータから制御しても構わない。
Ｚステージ１０９もＸＹステージ１１０と同様に、ジョイスティック１１１で指示された方向に、制御装置１１３、Ｚ位置制御装置１０２を介してＺ方向に移動する。またＺステージ１０９は、後述する合焦検出装置１１７または液浸系合焦検出装置１１８によって検出された合焦位置とウエハ１０７の表面が一致するように、自動で制御することも可能である。

次に表面検査装置の光学系について説明する。光源１３０から射出された光は、ハーフミラー１３１で反射された後ハーフミラー１１９を透過して、液浸対物レンズ１０５によってウエハ１０７に照射される。液浸対物レンズ１０５とウエハ１０７の間は、液体１１６で満たされている。液体１１６は、対物レンズの種類によって決められ、純水やオイルなどが使用される。液体１１６は、液浸対物レンズ１０５の側面に配置された注入装置１１４で、液浸対物レンズ１０５とウエハ１０７の間に供給される。観察終了後は、液浸対物レンズ１０５の注入装置１１４と反対の側面に配置された排水装置１１５によって吸い上げられ、液浸対物レンズ１０５とウエハ１０７の間から除去される。

ウエハ１０７に照射され、反射した光は、液浸対物レンズ１０５で集光され、再度ハーフミラー１１９、１３１を透過して、接眼レンズ１０１で反射像が観察される。接眼レンズ１０１の換わりに結像レンズを配置して、撮像素子でウエハ１０７の反射像を撮像しても構わない。

次に液浸系合焦検出装置１１８について説明する。液浸合焦検出装置１１８には、フォーカス用のレーザ光を射出する不図示のレーザ光源が配置されている。レーザ光源から射出されたレーザ光は、ハーフミラー１１９で反射され、液浸対物レンズ１０５によりウエハ１０７に照射される。ウエハ１０７に照射されるレーザ光は光軸からはずれた光路を進み液浸対物レンズ１０５に入射する。液浸対物レンズ１０５に入射したフォーカス用のレーザ光は、光軸からはずれているため斜め方向からウエハ１０７に照射される。ウエハ１０７で反射されたレーザ光は、液浸対物レンズ１０５に入射し、光軸からはずれた光路を通り、ハーフミラー１１９で反射され液浸合焦検出装置１１８に入射する。液浸合焦検出装置１１８に入射した光は、不図示のハーフミラーで反射され、不図示の４分割センサに入射する。

ウエハ１０７で反射される光の対物レンズの光軸からの距離は、液浸対物レンズ１０５からウエハ１０７までの距離に依存する。両者の距離が短ければ上は１０７の表面で反射された光は、光軸に近い光路を通り、距離が長ければ光軸から離れた光路を通る。反射された光の光軸からの距離が異なると、反射されたレーザ光が入射する４分割センサの位置が異なる。４分割センサは、ウエハ１０７の表面が液浸対物レンズ１０５の合焦点に位置したときに、４分割センサの中心位置にレーザ光が入射するように配置されている。従ってウエハ１０７で反射された光の４分割センサに入射する位置を検出し、ウエハ１０７の反射光が４分割センサの中心に入射するようにＺステージ１０９をＺ方向に移動させることによって、ウエハ１０７を合焦させることができる。

合焦検出装置１１７は、レーザ光源と４分割センサを備えている点に関しては液浸合焦検出装置１１８と同じであるが、更にレーザ光をウエハ１０７に照射するための結像レンズを備えている。この結像レンズの開口数は、液浸対物レンズ１０５よりも小さい。液浸合焦検出装置１１８と同様に不図示のレーザ光源から射出した光は、結像レンズの光軸からはずれた光路を進み、ウエハ１０７に照射される。ウエハ１０７で反射された光は、集光レンズを通って、光路中に配置されたハーフミラーで分岐され４分割センサに入射する。液浸合焦検出装置１１８と同様に、４分割センサの中心に反射レーザ光が入射するようにＺステージを制御することによって、ウエハ１０７を合焦させることができる。なお合焦検出装置１１７は、液浸対物レンズ１０５の光軸から所定距離離れた場所に配置されている。

合焦検出装置１１７の合焦位置は、予め液浸合焦検出装置１１８の合焦位置と一致するように調整されている。しかし合焦検出装置１１７の結像レンズの開口数は、液浸対物レンズ１０５の開口数よりも小さいため、焦点深度が深く、合焦検出範囲が液浸合焦検出装置１１８よりも大きくなっている。従ってウエハ１０７のＺ方向の位置が合焦位置から大きくずれていても、合焦検出装置１１７はウエハ１０７を容易に合焦することができる。
次にウエハ１０７に合焦させる手順について説明する。まず不図示の搬送手段によってウエハ１０７がウエハホルダ１０８に載置される。その後操作者は、接眼レンズ１０１で、ウエハ１０７の位置を見ながら、ジョイスティック１１１を操作してウエハ１０７を指定した速度でＸＹ方向に移動させる。操作者は、ウエハ１０７を観察しながら、液浸対物レンズ１０５の視野にウエハ１０７の観察領域が移動したことを確認したら、スイッチ１１２を押し、ＸＹステージの位置決めが完了したことを制御装置１１３に伝える。

ウエハ１０７の観察領域は上記したように、操作者が見ながら決めても良いが、予め観察領域を定めておいても良い。予め観察領域を決めている場合には、ウエハ１０７の観察領域の座標を制御装置１１３に入力しておけば、操作者が接眼レンズ１０１で観察することなしに、自動的に観察領域が液浸対物レンズ１０５の視野内に位置決めされる。なおウエハ１０７の観察領域は１つでも複数でも構わない。
ウエハ１０７の観察領域の座標を予め制御装置１１３に入力する場合には、ウエハ１０７上の観察領域への移動精度を向上させるために、アライメント処理を行う。ウエハ１０７上には複数のアライメントマークがマーキングされている。このアライメントマークの設計上の座標（ウエハ座標系での位置）は予めわかっているので、この位置とＸＹステージの座標とのずれを計算しＸＹステージ座標を補正する。

アライメント処理を行うには、まずアライメントマークが液浸対物レンズ１０５の視野に入ると予想される座標（ＸＹステージの座標系）に、ＸＹステージを移動させる。次に接眼レンズ１０１の換わりに配置した撮像装置でアライメントマークを撮像する。撮像した画像中のアライメントマークの、撮像中心からのずれ量を算出し、そのＸ、Ｙ方向のずれ量（変換パラメータ）を記憶する。この変換パラメータは制御装置１１３に記憶される。

アライメント処理終了後には、制御装置１１３に登録されたウエハ１０７上の観察領域（ウエハ座標での領域）は制御装置１１３に登録された変換パラメータによって、ＸＹステージ座標に変換され、ＸＹ位置制御装置１０６に出力される。ＸＹステージ１１０はウエハ１０７上の観察領域を液浸対物レンズ１０５の視野中心に位置決めする。観察領域の位置決めが終了すると、ＸＹ位置制御装置１０６から、位置決めが終了したことを示す信号が制御装置１１３に出力される。

次に観察領域のＺ方向の位置決め、すなわち合焦操作を行う。まず合焦検出装置１１７で予め合焦操作を行う。合焦検出装置１１７から合焦用のレーザ光をウエハ１０７に照射する。ウエハ１０７で反射され４分割センサに入射する反射光が４分割センサの中心に入射するように、制御装置１１３はＺ位置制御装置１０２を制御して、合焦検出装置１１７の合焦位置にウエハ１０７の表面が位置するように、Ｚステージ１０８を合焦方向に駆動させる。

前述したように、合焦検出装置１１７の合焦範囲は液浸合焦検出装置１１８の合焦範囲よりも広く、また両者の合焦位置は一致するように調整してあるので、合焦検出装置１１７の合焦範囲内に、液浸合焦検出装置１１８の合焦位置があることになる。
次に液浸対物レンズ１０５を通る光を使用して、液浸合焦検出装置１１８で最終的な合焦を行う。まず液浸対物レンズ１０５とウエハ１０７の間に液体を満たす。注水装置１１４は制御装置１１３からの指令により、液体１１６を液浸対物レンズ１０５とウエハ１０７の間に注入する。

次に液浸位置合焦検出装置１１８を駆動させて、実際にウエハ１０７を観察する光学系で合焦操作を行う。液浸合焦検出装置１１８から合焦用のレーザ光をウエハ１０７に照射する。ウエハ１０７で反射され４分割センサに入射する反射光が４分割センサの中心に入射するように、制御装置１１３はＺ位置制御装置１０２を制御して、合焦検出装置１１７の合焦位置にウエハ１０７の表面が位置するように、Ｚステージ１０８を合焦方向に駆動させる。合焦検出装置１１７によってウエハ１０７は予め合焦されているので、液浸合焦検出装置１１８は、Ｚステージをわずかに移動させるだけで、容易にウエハ１０７を合焦することができる。

以上で合焦操作が終了する。合焦操作終了後には接眼レンズ１０１、または撮像素子でウエハ１０７の所定の観察領域が観察可能になる。観察が終了すると、操作者はスイッチ１１２を操作し、制御装置１１３に観察が終了したことを示す信号を出力する。制御装置１１３は観察の終了の信号を受信すると、排水装置１１５を制御して、液浸対物レンズ１０５とウエハ１０７の間を満たしている液体１１６を吸い込んで排出する。
ウエハ１０７に複数の観察領域がある場合には、全ての観察領域の観察が終了するまで上記の操作を繰り返す。全ての観察領域の観察が終了したら、ウエハ１０７は不図示のウエハ搬送手段によって搬出される。

本実施形態の表面検査装置では、液浸観察光学系に配置した合焦機構以外に、別な光学系を有する合焦機構を有している。予め別な光学系でウエハ１０７をほぼ合焦位置に配置した後、液浸観察光学系に配置した合焦機構で観察光学系での合焦を行うため、液浸観察光学系に配置した合焦機構ではウエハ１０７の位置をわずかに移動させるだけで容易に合焦させることができる。従って焦点深度が極めて浅い開口数の大きな液浸対物レンズを使用しても、自動化された合焦検出装置で容易に合焦させることが可能になる。

（第２実施形態）
第２実施形態の表面検査装置の構成を図２に示す。第１実施形態と同じ部材には同じ番号を付し、説明は省略する。本実施形態の表面検査装置は、液浸対物レンズ１０５以外に乾燥系対物レンズ１２２を有し、この乾燥系対物レンズ１２２に乾燥系接眼レンズ１２０と、乾燥系合焦検出装置１２１が備えられている点が、第１実施形態と異なる。
乾燥系合焦検出装置１２１について説明する。

乾燥系合焦検出装置１２１は液浸対物レンズ合焦検出装置１１８と同じ構造である。乾燥系合焦検出装置１２１には、不図示のレーザ光源が配置され、レーザ光源から射出されたレーザ光は、ハーフミラー１２３で反射され、乾燥系対物レンズ１２２によりウエハ１０７に照射される。ウエハ１０７に照射するレーザ光は光軸からはずれた光路を進んでいる。すなわちフォーカス用のレーザ光は、斜め方向からウエハ１０７に照射される。

ウエハ１０７で反射されたレーザ光は、乾燥系対物レンズ１０５の光軸からはずれた光路を通り、ハーフミラー１２３で反射され乾燥系合焦検出装置１１８に入射する。乾燥系合焦検出装置１１８に入射した光は、不図示のハーフミラーで反射され、不図示の４分割センサに入射する。４分割センサに入射する位置からウエハ１０７の光軸方向の位置を算出し、ウエハ１０７で反射した光が４分割センサの中心に入射するようにウエハ１０７の光軸方向の位置を移動させると、ウエハ１０７は合焦される。

本実施形態の表面検査装置では、第１実施形態と同様に、予め乾燥系合焦検出装置１２１で合掌させた後、液浸合焦検出装置１１８で合焦させる。従って第１実施形態と同様に、高倍の対物レンズでウエハ１０７を検査する場合でも、容易に合焦することができる。

なお本実施形態の乾燥系接眼レンズ１２０を複数の倍率の異なる接眼レンズを有するレボルバーに接続することによって、観察倍率を変えることが可能である。
第１実施形態、第２実施形態共に高倍の対物レンズとして、液浸の対物レンズを使用したが、液浸対物レンズの換わりに高倍の乾燥系の対物レンズを使用しても構わない。

第１実施形態の表面検査装置の構成図。 第２実施形態の表面検査装置の構成図。

符号の説明

１００ 表面検査装置
１０１ 接眼レンズ
１０２ Ｚ位置制御装置
１０５ 液浸対物レンズ
１０６ ＸＹ位置制御装置
１０７ ウエハ
１０８ ウエハホルダ
１０９ Ｚステージ
１１０ ＸＹステージ
１１１ ジョイスティック
１１２ スイッチ
１１３ 制御装置
１１４ 注入装置
１１５ 排水装置
１１７ 合焦検出装置
１１８ 液浸系合焦検出装置
１１９、１２３、１３１ ハーフミラー
１２１ 乾燥系合焦検出装置
１２２ 乾燥系対物レンズ
１３０ 光源

Claims (7)

1. 対物レンズと、
   前記対物レンズを使用して、試料を前記対物レンズに合焦させる第１の合焦装置と、
   前記試料を前記対物レンズの合焦位置近傍に合焦させる第２の合焦装置とを有すること
   を特徴とする表面検査装置。
2. 前記第２の合焦装置は、前記対物レンズよりも小さな開口数のレンズを有すること
   を特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記対物レンズは液浸対物レンズであること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面検査装置。
4. 前記対物レンズは倍率が８０倍以上であること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の表面検査装置。
5. 前記液浸対物レンズと前記試料の間に前記液浸対物レンズ用の液体を満たす液体供給装置を有すること
   を特徴とする請求項３に記載の表面検査装置。
6. 前記液浸対物レンズと前記試料の間に満たされた前記液浸対物レンズ用の液体を排出する液体排出装置を有すること
   を特徴とする請求項３または請求項５に記載の表面検査装置。
7. 第２の合焦装置の前記対物レンズよりも小さな開口数のレンズは、非液浸対物レンズであること
   を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の表面検査装置。

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