JP2606662B2 - フォーカス位置検出装置 - Google Patents

フォーカス位置検出装置

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JP2606662B2
JP2606662B2 JP5329142A JP32914293A JP2606662B2 JP 2606662 B2 JP2606662 B2 JP 2606662B2 JP 5329142 A JP5329142 A JP 5329142A JP 32914293 A JP32914293 A JP 32914293A JP 2606662 B2 JP2606662 B2 JP 2606662B2
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    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • GPHYSICS
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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lens Barrels (AREA)
  • Automatic Focus Adjustment (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はフォーカス位置検出装置
に関し、特にパターン付き半導体ウエーハ等のフォーカ
スをかける対象面に傾きはないがサブミクロンオーダの
微小な段差があったり反射率に微細なむらがある対象面
に対して対物レンズのフォーカス位置を高速で検出する
フォーカス位置検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】この種のフォーカス位置検出の従来の技
術としては、株式会社トリケップス、昭和61年11月
28日発行の最新光学ヘッドの設計と組立・評価技術の
23頁に示されるようなビーム偏心法がある。
【0003】図3は、従来のビーム偏心法によるフォー
カス位置検出装置の構成図である。図3に示すフォーカ
ス位置検出装置は、対象面14を観察する顕微鏡の対物
レンズ2と、対物レンズ2にフォーカス検出用のレーザ
光10を対物レンズ2の光軸と平行にかつ対物レンズ2
の中心軸からやや外して入射するレーザ発振器1と、対
物レンズ2に入射し対象面14で反射され再度対物レン
ズ2を通ったレーザ光10が入射する半導体位置検出素
子(以下PSDという)4と、PSD4の信号をPSD
4上にあたるレーザ光の光強度重み付き重心位置の出力
に変換するPSDアンプ6とで構成される。
【0004】レーザ発振器1から出射されたレーザ光1
0は、対物レンズ2に対物レンズ2の中心軸からやや外
れて入射し、対物レンズ2を通って対象面14にあた
る。対象面11が面11,12,13に示すように変化
すると対物レンズ2と対象面14の距離により、対象面
14により反射されたレーザ光は対物レンズ2に入射す
る位置が変わり、対物レンズ2から出たレーザ光の傾き
が変わり、これによってPSD4にあたるレーザ光の位
置が変わる。これからPSD4の出力を見ることによっ
て対物レンズ2と対象面14の相対位置、すなわち対物
レンズ2のフォーカス位置が対象面14に対しどこにあ
るかが分かることになる。
【0005】図2はPSD4によるフォーカス位置検出
原理を示す説明図である。図2(b)のようにフォーカ
ス面12で反射されたレーザ光は入射光と対物レンズ2
の中心光軸に関し対称となるため、再度対物レンズ2を
通ったレーザ光は入射光とほぼ平行になる。図2(a)
のようにフォーカス位置より対物レンズ2に近い面11
で反射されたレーザ光は再度対物レンズ2を通ると、対
物レンズ2の中心光軸に関し光軸が拡散方向となる。図
2(c)のようにフォーカス位置より対物レンズ2から
遠い面13で反射されたレーザ光は再度対物レンズ2を
通ると、対物レンズ2の中心光軸に関し光軸が収束方向
となる。従って対物レンズ2からの出射光の角度変化が
PSD4の検出範囲を越えない程度に対物レンズ2から
離した位置にPSD4をおき、PSD4にレーザ光があ
たる位置で対象面14の位置のフォーカス面からのズレ
量を検出する。
【0006】ここで、PSD4にあたるレーザ光は集光
されているとは限らず、対物レンズ2とウェーハ表面9
との距離によって径が変化する。PSD4は表面にあた
っているレーザ光の光強度を重みとした重心を出力する
ため、フォーカスが大きくずれてレーザビーム径がPS
D4の受光面に対し大きすぎなければ、あたっているレ
ーザ光の重心位置を検出する。従ってPSD4にあたる
レーザ光が多少ぼけても正確に対物レンズ2のフォーカ
ス位置とのズレ量を検出できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のフォー
カス位置検出装置は、パターン付き半導体ウエーハ等の
フォーカスをかける対象面に傾きはないがサブミクロン
オーダの微小な段差があったり反射率に微細なむらがあ
る場合、対象面で反射されたレーザ光の光量分布は、全
体的にはフラットな対象面の場合の反射光と変わらない
ものの微視的には光量分布に乱れを生ずる。フラットな
対象面での反射光の場合のガウシアン分布から崩れ、微
細パターンの回折や反射率のむらにより光軸中心に関し
て対称でなくなり重心位置がずれ、結果的に対物レンズ
の正確なフォーカス位置が検出できなくなるという欠点
があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のフォーカス位置
検出装置は、対象面を観察する顕微鏡の対物レンズと、
前記対物レンズにフォーカス検出用のレーザ光を前記対
物レンズの光軸と平行にかつ前記対物レンズの中心軸か
らやや外して入射するレーザ発振器と、前記対物レンズ
に入射し対象面で反射され再度前記対物レンズを通った
レーザ光を分割するビームスプリッタと、前記ビームス
プリッタで分割されたレーザ光の一方が入射する光位置
検出素子と、前記ビームスプリッタで分割されたレーザ
光のもう一方が入射する撮像カメラと、前記光位置検出
素子の信号を前記光位置検出素子上にあたるレーザ光の
光強度重み付き重心位置の出力に変換する光位置検出素
子アンプと、前記撮像カメラからの映像信号より前記撮
像カメラ上のレーザ光の光強度重み付き重心位置および
一定の光量レベルで2値化した場合のレーザ光を受ける
範囲の面積重心位置を出力する画像処理装置と、前記光
位置検出素子アンプの出力から検出した前記対象面に対
する前記対物レンズのフォーカス位置を前記画像処理装
置が出力するレーザ光の光強度重み付き重心位置と面積
重心位置との差で補正する補正装置とを含んで構成され
る。
【0009】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して詳細に
説明する。
【0010】図1は、本発明の一実施例を示す構成図で
ある。図1に示すフォーカス位置検出装置は、パターン
付き半導体ウエーハ表面9を観察する顕微鏡の対物レン
ズ2と、対物レンズ2にフォーカス検出用のレーザ光1
0を対物レンズ2の光軸と平行にかつ対物レンズ2の中
心軸からやや外して入射するレーザ発振器1と、対物レ
ンズ2に入射し半導体ウエーハ表面9で反射され再度対
物レンズ2を通ったレーザ光を分割するビームスプリッ
タ3と、ビームスプリッタ3で分割されたレーザ光の一
方が入射するPSD4と、ビームスプリッタ3で分割さ
れたレーザ光のもう一方が入射する二次元電荷結合素子
(以下CCDカメラという)5と、PSD4の信号をP
SD4上にあたるレーザ光の光強度重み付き重心位置の
出力に変換するPSDアンプ6と、CCDカメラ5から
の映像信号よりCCDカメラ5上にあたるレーザ光の光
強度重み付き重心位置、およびレーザ光以外の外乱を完
全にカットする必要最小限の光量レベルで2値化したと
きの受光部分の面積重心位置を出力する画像処理装置7
と、PSDアンプ6の出力から対物レンズ2の観察対象
の半導体ウエーハ表面9に対するフォーカス位置を検出
し、この状態で画像処理装置7より光強度重み付き重心
と面積重心の位置を受け取りその差から半導体ウエーハ
のパターンにより乱れたレーザ光の光量分布によるズレ
を補正して正しい対物レンズ2のフォーカス位置を検出
する補正装置8とを含んで構成される。
【0011】レーザ発振器1から出射されたレーザ光1
0は、対物レンズ2に対物レンズ2の中心軸からやや外
れて入射し対物レンズ2を通ってパターン付き半導体ウ
エーハ表面9にあたる。ウエーハ表面9の位置が面1
1,12,13のように変化すると対物レンズ2とウエ
ーハ表面9の距離により、ウエーハ表面9により反射さ
れたレーザ光は対物レンズ2に入射する位置が変わり、
対物レンズ2からでたレーザ光の傾きが変わり、これに
よってPSD4にあたるレーザ光の位置が変わる。これ
からPSD4の出力を見ることによって対物レンズ2と
対象面であるウエーハ表面9の相対位置、すなわち対物
レンズ2のフォーカス位置が対象面に対しどこにあるか
が分かることになる。
【0012】ここで、PSD4にあたるレーザ光は集光
されているとは限らず、対物レンズ2とウエーハ表面9
との距離によって径が変化する。PSD4は表面にあた
っているレーザ光の光強度を重みとした重心を出力する
ため、フォーカスが大きくずれてレーザビーム径がPS
D4の受光面に対し大きすぎなければ、あたっているレ
ーザ光の重心位置を検出する。従ってPSD4にあたる
レーザ光が多少ぼけても正確に対物レンズ2のフォーカ
ス位置とウエーハ表面9のズレ量を検出できる。
【0013】パターン付き半導体ウエーハ等のフォーカ
スをかける対象面に傾きはないがサブミクロンオーダの
微小な段差があったり反射率に微細なむらがある対象面
の場合、対象面で反射されタレーザ光の光量分布は、全
体的にはフラットな対象面の場合の反射光と変わらない
ものの微視的には光量分布に乱れを生ずる。フラットな
対象面における反射光でのガウシアン分布から崩れ、光
軸中心軸に対して対称でなくなり重心位置がずれる。こ
の光量分布の乱れ分だけフォーカス位置の検出にズレを
生ずる。そこで、本実施例ではPSDアンプ6の出力か
らウエーハ表面9に対する対物レンズ2のフォーカス位
置を検出し、この状態で画像処理装置7より光強度重み
付き重心と面積重心の位置を受け取り、その差からウエ
ーハ表面9のパターンにより乱れたレーザ光の光量分布
によりズレを補正してウエーハ表面9に対する正しい対
物レンズ2のフォーカス位置を検出する。
【0014】
【発明の効果】本発明のフォーカス位置検出装置は、レ
ーザビームを照射し反射点の位置ズレをPSDを用いて
検出するフォーカス位置検出装置の他に、反射点の中心
と光強度で重み付けした重心位置のズレを検出し補正す
る補正装置を設けているため、測定対象面にパターンが
ある場合でも微細な段差や反射率のむらなどの影響によ
るズレを補正できるので、高精度のフォーカス位置の検
出ができるという効果がある。PSDで検出したフォー
カス位置の誤差を画像処理装置を用いて補正するのであ
るが、まず高速のPSDを用いて検出し次に画像処理装
置を用いて補正することにより高速に高精度のフォーカ
ス位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成図である。
【図2】図1に示すPSD4によるフォークス位置検出
原理を示す説明図である。
【図3】従来のフォーカス位置検出装置の構成図であ
る。
【符号の説明】
1 レーザ発振器 2 対物レンズ 3 ビームスプリッタ 4 PSD(半導体位置検出素子) 5 CCDカメラ(二次元電荷結合素子) 6 PSDアンプ 7 画像処理装置 8 補正装置 9 ウエーハ表面 10 レーザ光 14 対象面

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 対象面を観察する顕微鏡の対物レンズ
    と、前記対物レンズにフォーカス検出用のレーザ光を前
    記対物レンズの光軸と平行にかつ前記対物レンズの中心
    軸からやや外して入射するレーザ発振器と、前記対物レ
    ンズに入射し対象面で反射され再度前記対物レンズを通
    ったレーザ光を分割するビームスプリッタと、前記ビー
    ムスプリッタで分割されたレーザ光の一方が入射する光
    位置検出素子と、前記ビームスプリッタで分割されたレ
    ーザ光のもう一方が入射する撮像カメラと、前記光位置
    検出素子の信号を前記光位置検出素子上にあたるレーザ
    光の光強度重み付き重心位置の出力に変換する光位置検
    出素子アンプと、前記撮像カメラからの映像信号より前
    記撮像カメラ上のレーザ光の光強度重み付き重心位置お
    よび一定の光量レベルで2値化した場合のレーザ光を受
    ける範囲の面積重心位置を出力する画像処理装置と、前
    記光位置検出素子アンプの出力から検出した前記対象面
    に対する前記対物レンズのフォーカス位置を前記画像処
    理装置が出力するレーザ光の光強度重み付き重心位置と
    面積重心位置との差で補正する補正装置とを含むことを
    特徴とするフォーカス位置検出装置。
  2. 【請求項2】 光位置検出素子が半導体位置検出素子で
    あり、撮像カメラが二次元電荷結合素子である請求項1
    記載のフォーカス位置検出装置。
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CN104977779B (zh) * 2015-07-23 2017-10-20 中国科学院广州生物医药与健康研究院 一种自动对焦的装置及方法
US10989528B2 (en) * 2019-08-27 2021-04-27 Raytheon Company High speed beam component-resolved profile and position sensitive detector

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