JP4573163B2

JP4573163B2 - オートフォーカス装置およびオートフォーカス調整方法

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Publication number: JP4573163B2
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Inventors: 智明山田; 達雄福井
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Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2010-11-04
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Description

本発明は、光学装置、例えば、ウエハ上に回路パターンを積層形成するときにおいて、回路パターンの形成位置ずれを検出する重ね合わせ測定機等に用いられるオートフォーカス装置およびオートフォーカス調整方法に関する。

ウエハ上に半導体パターンを形成するリソグラフィ工程では、各工程毎に対応するパターンが形成された複数のレチクルを用いて複数のパターンが一層ずつ積層形成される。このように複数のパターン層を積層形成するときに、下層パターンとその上に積層される上層パターンとを正しい位置関係で形成する必要がある。このような上下パターン層の位置関係を検査するために、各パターン層の形成と同時に位置検出パターンマークを形成し、この位置検出パターンマークを光学的に検出して上下パターン層の位置ずれ検出（重ね合わせ検出）を行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、このように各層毎に形成される位置検出パターンマークによる位置ずれ測定（重ね合わせ測定）は、位置検出パターンマークを光学的に観察する光学測定装置を用いて行われる。具体的には、この光学測定装置により得られた位置検出パターンマークの画像に基づいて測定演算がなされて位置ずれが測定されるが、このような光学測定装置はオートフォーカス機構を有しており、このオートフォーカス機構により自動的なフォーカス調整が行われる。

このような光学測定装置の一例を、図１を参照して簡単に説明する。図１の光学測定装置は本発明の実施形態に係るものでもあるが、基本構成は従来と同一であるので、図１を参照して従来の光学測定装置の構成およびその問題点を以下に説明する。但し、この光学測定装置の詳細構成説明は本発明の好ましい実施形態の説明に譲り、ここでは従来の問題点を説明するに必要な部分のみを注目してその他は極く簡単に説明する。

この光学測定装置においては、光源１から出射された照明光は、拡散板２、コンデンサレンズ３、ＡＦ用スリット板４および投影レンズ５を通って第１ハーフミラー６により反射され、第１対物レンズ７を通ってウエハステージ３３により把持されたウエハＷの表面の位置検出パターンマークMを照明する。位置検出パターンマークＭを照明してウエハＷの表面から反射された光は、第１対物レンズ７および第１ハーフミラー６を通って第２ハーフミラー８に至り、第２ハーフミラー８を透過した光は観察光学系１０に入射し、第２ハーフミラー８において反射された光はオートフォーカス光学系２０に入射する。

オートフォーカス光学系２０においては、第２ハーフミラー８において反射されたフォーカス用の光が、ＡＦ系第２対物レンズ２１を通ってほぼ瞳位置に位置するウエッジミラー２３により反射されて分割され、続いてフォーカス用結像レンズ２４およびシリンドリカルレンズ２５を通ってＡＦ用光電変換素子２６に照射される。なお、従来の装置では、リレーレンズ２２は設けられていない。この結果、ＡＦ用光電変換素子２６において、オートフォーカス計測方向にウエハと略共役で且つ非計測方向に瞳共役な分割像が撮影される。

このようにしてＡＦ用光電変換素子２６により撮影されて得られた画像情報（オートフォーカス検出信号）は、フォーカス位置検出装置３１に送られ、ここで分割された二つの像間距離を計測してフォーカス誤差信号を求める。そして、このフォーカス誤差信号を受けたフォーカスアクチュエータ駆動装置３２はウエハステージ３３を駆動させて、ウエハＷを光軸方向（ウエハＷの表面に垂直な方向であり、この方向をＺ方向と称する）に移動させてオートフォーカス調整が行われる。

特開２００１−３１７９１３号公報

このような構成のオートフォーカス装置では、オートフォーカス光学系２０においてウエッジミラー２３は瞳面上で像分割を行っているため、ジャストフォーーカス位置を中心として（これを「ジャストピント位置」と称する）、前側にピントずれが生じる位置（これを「前側ピントずれ位置」と称する）と、後側にピントずれが生じる位置（これを「後側ピントずれ位置」と称する）とで、オートフォーカス検出信号が非対称なピークを持つという現象（リンギング現象）が発生する。

このリンギング現象を図２に示している。ジャストピント位置（ＡＦ＝０の位置）の状態では、二分割された像は図２（Ｃ）に示すように非対称なピークが発生することがないが、前側ピントずれが若干生じた位置（ＡＦ＝−１の位置）においては、図２（Ｂ）に示すように分割像における内側にピークが発生し、前側ピントずれが大きくなる（ＡＦ＝−２の位置）と、図２（Ａ）に示すようにピークがなだらかとなる。一方、ジャストピント位置から後側ピントずれが若干生じた位置（ＡＦ＝＋１の位置）においては、図２（Ｄ）に示すように分割像における外側にピークが発生し、後側ピントずれが大きくなる（ＡＦ＝＋２の位置）と、図２（Ｅ）に示すようにピークがなだらかとなる。

ところで、フォーカス位置検出装置３１においては二つに分割された像間距離を計測してフォーカス誤差信号を求めるのであるが、このようにリンギング現象によるピークが発生すると、像間距離がピーク分だけずれて算出され、フォーカス位置がずれるという問題がある。特に、ジャストピント位置から僅かに前側ピントずれが生じる場合と、僅かに後側ピントずれが生じる場合とでピーク発生位置が像の内側から外側へと逆転するため、オートフォーカス調整が不安定となったり、設定したオートフォーカス位置に対して非線形を生じたりするという問題がある。具体的には、図２では、フォーカス位置検出装置３１により求められた像間距離がＬ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４で示されている。これら像間距離Ｌ，Ｌ１〜Ｌ４はリンギング現象が生じていないときの正常値を示している（画像出力Ｘ，Ｙの重心間距離）。しかし、図２のようにリンギング現象が生じると、像間距離が正常値から非線形なシフトが生じる。

これをもう少し詳しく説明する。図３には、横軸にＺ方向位置（ピント調整オフセット量ＡＦ）を示し、縦軸にフォーカス誤差信号ＥＳを示している。リンギングが発生しない場合には、フォーカス誤差信号ＥＳは、破線で示すようにジャストピント位置からのずれ量（ウエハＷのＺ方向移動量）に比例して線形に変化するはずであり、この場合には正確で且つ安定したオートフォーカス調整が可能である。しかしながら、実際にはリンギング現象が発生するため、図３に実線で示すように、ジャストピント位置（Ｚ＝０すなわちＡＦ＝０の位置）の前後で非線形な特性となり、オートフォーカス調整が不安定となりやすいという問題が発生する。

すなわち、図３において破線で示す特性と実線で示す特性とのフォーカス誤差信号ＥＳのずれが発生するのが問題であるが、このずれ量ΔＥＳは光の波長によって相違する。その一例を、図４を参照して説明する。図４には、横軸にＺ方向位置（ピント調整オフセット量ＡＦ）を示し、縦軸にフォーカス誤差信号のずれ量ΔＥＳ（すなわち、図３における破線と実線とのフォーカス誤差信号の差に対応する値）を波長毎に示している。図４では、青色光の場合のフォーカス誤差信号のずれ量を実線ＥＳ１(B)、赤色光の場合のフォーカス誤差信号のずれ量を実線ＥＳ１(R)で示している。さらに、図４においては、観察光学系１０における軸上色収差に対するオフセット修正量を破線で示しており、青色光の場合のオフセット修正量を破線ＥＳ２(B)、赤色光の場合のオフセット修正量を破線ＥＳ２(R)で示している。

図４から分かるように、実線ＥＳ１(B)と実線ＥＳ１(R)とはＺ＝０の近傍で交差しており、フォーカス誤差信号のずれ量ΔＥＳはＺが負の領域では赤色光のずれ量ＥＳ１(R)が青色光のずれ量ＥＳ１(B)より大きい（グラフの縦軸方向でＥＳ１(R)が上側に位置する）が、Ｚが正の領域では逆（グラフの縦軸方向でＥＳ１(R)が下側に位置する）となる。これに対して、観察光学系１０におけるオフセット修正量は、全ての領域において赤色光の修正量ＥＳ２(R)が青色光の修正量ＥＳ２(B)より大きい（グラフの縦軸方向でＥＳ２(R)が上側に位置する）。

このように、青色光および赤色光におけるフォーカス誤差信号のずれ量の大小関係が、青色光および赤色光の軸上色収差に対する観察光学系のオフセット修正量の大小関係に対して、Ｚが負の領域では同一方向であるが、Ｚが正の領域では逆の関係となり、光の色すなわち波長の相違に応じてオートフォーカス調整がより不安定化しやすいという問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みたもので、オートフォーカス光学系におけるリンギング現象により発生する非線形特性を改善して安定したオートフォーカス調整が可能となるようなオートフォーカス装置およびオートフォーカス調整方法を提供することを目的とする。

本発明はまた、波長（色）が相違する光に対するリンギング現象の相違に起因する非線形特性を改善して安定したオートフォーカス調整が可能となるようなオートフォーカス装置およびオートフォーカス調整方法を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明は、観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備えた光学装置において、前記観察対象からの反射光の一部を分岐させるとともにこの分岐光を導くオートフォーカス光学系を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うオートフォーカス装置であって、前記オートフォーカス光学系において瞳を分割し、前記瞳の一方の領域を通過する前記観察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検出するＡＦ用撮像手段と、前記ＡＦ用撮像手段により撮像された二つの像に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出手段と、前記フォーカス位置検出手段により算出されたフォーカス誤差信号に基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカスアクチュエータとを備えて構成され、前記オートフォーカス光学系において前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置を所定分だけずらせる補正光学系を有し、前記補正光学系は、前記観察光学系が合焦位置となる状態の前後の所定範囲内において前記フォーカスアクチュエータにより前記観察光学系のフォーカス調整を行ったときに、前記反射光の波長毎における前記フォーカス誤差信号のずれ量の大小関係と前記反射光の波長毎の軸上色収差に対する前記観察光学系のオフセット修正量の大小関係とが同一の関係となるように前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置をずらせる構成である

また、本発明に係るオートフォーカス調整方法は、観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備えた光学装置において、前記観察対象からの反射光の一部を分岐させるとともにこの分岐光を導くオートフォーカス光学系を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うオートフォーカス調整方法であって、前記オートフォーカス光学系において瞳を分割し、前記瞳の一方の領域を通過する前記観察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検出するＡＦ撮像ステップと、前記ＡＦ撮像ステップにおいて撮像された二つの像に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出ステップと、前記フォーカス位置検出ステップにおいて算出されたフォーカス誤差信号に基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカス調整ステップとを有し、前記観察光学系が合焦位置となる状態の前後の所定範囲内において前記各ステップを行って前記観察光学系のフォーカス調整を行ったときに、前記反射光の波長毎における前記フォーカス誤差信号のずれ量の大小関係と前記反射光の波長毎の軸上色収差に対する前記観察光学系のオフセット修正量の大小関係とが同一の関係となるように前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置をずらせるＡＦ結像位置調整ステップをさらに有する。

もう一つの本発明に係るオートフォーカス装置は、観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備えた光学装置において、前記観察対象からの反射光の一部を分岐させるとともにこの分岐光を導くオートフォーカス光学系を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うオートフォーカス装置であって、前記オートフォーカス光学系において瞳を分割し、前記瞳の一方の領域を通過する前記観察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検出するＡＦ用撮像手段と、前記ＡＦ用撮像手段により撮像された二つの像に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出手段と、前記フォーカス位置検出手段により算出されたフォーカス誤差信号に基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカスアクチュエータとを備え、前記オートフォーカス光学系において前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置を所定分だけずらせる補正光学系を有し、前記フォーカス位置検出手段は前記二つの像の像間距離から前記フォーカス誤差信号を算出するように構成されており、前記補正光学系は、前記観察光学系が合焦位置となる状態の前後の所定範囲内において前記観察光学系のフォーカス調整を行ったときに、前記二つの像に発生するリンギング現象により前記二つの像の像間距離が実際の距離よりずれて算出されて前記フォーカス調整量の変化に対して前記フォーカス誤差信号が大きな非線形性を有して変化するという現象が生じる部分を避け、前記フォーカス調整量の変化に対してこれより小さな非線形性を有して前記フォーカス誤差信号が変化するように前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置をずらせる構成である。

もう一つの本発明に係るオートフォーカス調整方法は、観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備えた光学装置において、前記観察対象からの反射光の一部を分岐させるとともにこの分岐光を導くオートフォーカス光学系を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うオートフォーカス調整方法であって、前記オートフォーカス光学系において瞳を分割し、前記瞳の一方の領域を通過する前記観察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検出するＡＦ撮像ステップと、前記ＡＦ撮像ステップにおいて撮像された二つの像の像間距離に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出ステップと、前記フォーカス位置検出ステップにおいて算出されたフォーカス誤差信号に基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカス調整ステップとを有し、前記観察光学系が合焦位置となる状態の前後の所定範囲内において前記各ステップを行って前記観察光学系のフォーカス調整を行ったときに、前記二つの像に発生するリンギング現象により前記二つの像の像間距離が実際の距離よりずれて算出されて前記フォーカス調整量の変化に対して前記フォーカス誤差信号が大きな非線形性を有して変化するという現象が生じる部分を避け、前記フォーカス調整量の変化に対してこれより小さな非線形性を有して前記フォーカス誤差信号が変化するように前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置をずらせるＡＦ結像位置調整ステップをさらに有する。

本願発明のオートフォーカス装置によれば、オートフォーカス光路内に配設された補正光学系がオートフォーカス光学系において撮像手段により撮像される像の結像位置を所定分だけずらせるので、フォーカス位置検出手段が撮像手段により撮像された像に基づいてフォーカス誤差信号を算出するときに、この像に発生するリンギング現象による生じる非線形部分を避けて観察光学系のオートフォーカス調整を行うことができ、安定したオートフォーカス制御を行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るオートフォーカス装置を有した光学測定装置の構成について、図１を参照して説明する。なお、既に説明したオートフォーカス光学系２０の構成説明は省略する。

観察光学系１０は第２対物レンズ１１、観察用結像レンズ１２および二次元光電変換素子１３を有し、第２ハーフミラー８を透過した光は第２対物レンズ１１および観察用結像レンズ１２を通って二次元光電変換素子１３に至り、二次元光電変換素子１３により位置検出パターンマークＭの像が撮影される。そして、このようにして二次元光電変換素子１３により撮影された像に基づいて、位置ずれ測定が行われる。

一方、オートフォーカス光学系２０は、ＡＦ系第２対物レンズ２１およびリレーレンズ２２、ウエッジミラー２３、フォーカス用結像レンズ２４、シリンドリカルレンズ２５およびＡＦ用光電変換素子２６を備えて構成される。

ここで前述し、又図２に示すように、ＡＦ用光電変換素子２６により撮影されて得られた分割像は、リンギング現象によりジャストピント位置から若干でもずれた位置にピントが合うときには像の内側もしくは外側端にピークが発生してフォーカス位置がずれるという問題がある。

このようなことから、本実施形態の光学測定装置においては、オートフォーカス光学系２０におけるリレーレンズ２２の位置をジャストピント位置から光軸方向（矢印Ａ方向）に若干移動させて構成している。ここで、ＡＦ系第２対物レンズ２１とリレーレンズ２２との間に一次結像面２８が存在するが、リレーレンズ２２を矢印Ａ方向に移動させることによりＡＦ用光電変換素子２６により撮影される像のピント位置がこれに対応した分だけずれる。リレーレンズ２２の移動は、レンズのガイド機構に沿って手動操作によって達成しても良いし、モータによる電動操作によって達成したも良い。

このようにピント位置がずれた場合におけるＡＦ用光電変換素子２６により撮影される分割像の一例を図５に示している。この例では、ジャストピント位置（ＡＦ＝０）の前後所定範囲内においてリンギング現象が同一方向に発生するようにオフセット量を設定している。実際にジャストピント位置（ＡＦ＝０の位置）となるときに、図５（ｃ）に示すように分割像の外側にピークが発生し、前側ピントずれが若干生じた位置（ＡＦ＝−１の位置）でも同様に外側にピークが発生している。すなわち、図２と図５とを比較すれば分かるように、全体として後側ピントずれ位置にずれた分割像がＡＦ用光電変換素子２６により撮影されることとなり、この分割像によりオートフォーカス調整が行われる。

このようにリレーレンズ２２を矢印Ａ方向に、例えばオフセット量ＡＦ＝＋２の分だけ移動させたときのフォーカス誤差信号ＥＳの特性を図６に示している。なお、図６においても図３と同様に、リンギングが発生しない場合の特性を破線で示し、本実施形態の場合の実際特性（リンギングが発生したときの特性）を実線で示している。図５で示したように全体として後側ピントずれ位置側にシフトするため、実線で示す特性も、図３の特性から破線に沿ってＺ軸方向マイナス側にシフトした特性となり、ジャストピント位置（Ｚ＝０の位置）を中心とする所定範囲内においては良好な線形性を有した特性となる。このため、このように線形性を有する特性の範囲内でオートフォーカス調整を行わせれば、安定した調整が可能となる。

また、光の色（波長）に対応した特性も同様に良好となる調整が望ましく。これについて図４および図７を参照して説明する。前述のように図４の特性では、実線ＥＳ１(B)と実線ＥＳ１(R)とはＺ＝０の近傍で交差しており、青色光および赤色光におけるフォーカス誤差信号のずれ量の大小関係が、青色光および赤色光の軸上色収差に対する観察光学系のオフセット修正量の大小関係に対して、Ｚが負の領域では同一方向であるがＺが、正の領域では逆の関係となる。このため、このままではジャストピント位置近傍において、青色光に対するオートフォーカス調整特性と赤色光に対するオートフォーカス調整特性とが大きく相違し、オートフォーカス制御が不安定、不正確となりやすいという問題がある。

ところが、本実施形態のオートフォーカス光学系２０においてはリレーレンズ２２を矢印Ａ方向に若干移動させており、この結果、図７に示すように、実線ＥＳ１(B)および実線ＥＳ１(R)で示すずれ量が図４の線を右方向にシフトしたように変化している。このようにシフトした図７に示す特性の場合には、ジャストピント位置（Ｚ＝０の位置）近傍において、青色光および赤色光ともに線形性を有しており、且つ、青色光および赤色光におけるフォーカス誤差信号のずれ量の大小関係と観察光学系のオフセット修正量の大小関係とが同一となっている。このため、青色光に対しても赤色光に対しても安定した且つ良好なオートフォーカス制御が行われる。

なお、本実施形態においては、ウエッジミラー２３を用いて二分割した像間距離からフォーカス誤差信号を求め、オートフォーカス制御を行う例を示したが、これに変えてナイフエッジ、分割プリズム等を用いてフォーカス誤差信号を求める構成でも良いのは無論である。

次に、上記実施形態に係る光学測定装置を用いて位置ずれ測定（重ね合わせ測定）を行う実施例について説明する。この例では、ウエハＷの表面に形成された位置検出パターンマークＭに基づいて位置ずれ検出が行われるが、位置検出パターンマークＭの一例を図８に示している。この例では、ウエハＷの表面に第１パターン層Ｌ１が形成されており、この第１パターン層Ｌ１の形成時に第１マークＭ１が形成され、この第１パターン層Ｌ１の上に第２パターン層Ｌ２の一部として第２マークＭ２が形成された場合を示している。なお、フォトリソグラフィー工程においては、ウエハＷ上に多数のレチクル（フォトマスク）パターンが縮小投影されて転写形成されるが、このとき各投影パターンに隣接して複数の位置検出パターンマークＭが形成され、各転写パターン毎の位置ずれ検出を行うことができるようになっている。

上述した光学測定装置の構成から分かるように、観察光学系１０において二次元光電変換素子１３により位置検出パターンマークＭの像が撮影され、この撮影された像に基づいて第１パターン層Ｌ１に対する第２パターン層Ｌ２の位置ずれが検出される。このときに、二次元光電変換素子１３に位置検出パターンマークＭの像を適切にフォーカス調整された状態で結像させるために、オートフォーカス光学系２０を用いてウエハステージ３３を駆動させ、ウエハＷをＺ軸方向に移動させてオートフォーカス制御が行われる。

但し、図８の位置検出パターンマークＭのように、第１マークＭ１と第２マークＭ２との高さ（段差）が相違すると、オートフォーカス制御により調整されるジャストピント位置は、両マークＭ１，Ｍ２のいずれかに偏って設定されることが多い。しかしながら、位置ずれ測定には両マークＭ１，Ｍ２の両方を良好に撮影することが要求され、両方のマークＭ１，Ｍ２に対して等しいコントラストが得られるようなピント位置とする調整（フォーカス調整）が行われる。

このフォーカス調整はジャストピント位置（ＡＦ＝０の位置）からピント位置を前側もしくは後側に移動させる調整であるが、本例のオートフォーカス光学系２０ではリレーレンズ２２を矢印Ａ方向に移動させて、図５〜図７に示す特性を設定しているため、ジャストピント位置（ＡＦ＝０の位置）の近傍でのピント位置調整（少なくともＡＦ＝−１〜ＡＦ＝＋１の範囲内での調整）に対してオートフォーカス検出信号のずれ量ΔＥＳは良好な線形性を有しており、このフォーカス調整を安定して且つ正確に行うことができる。

特に、ウエハＷの表面に形成されるパターン層は層の厚さ（膜厚）が相違しており、膜厚に応じて各マークＭ１，Ｍ２からの分光特性が相違することがある。すなわち、第１マークＭ１からの反射光の波長（色）と第２マークＭ２からの反射光の波長（色）とが相違することがあるが、本例では図７のように設定しており、このように各マークの反射光の波長が相違するような場合でも安定したフォーカス調整が可能である。

第２の実施形態（変形例）を次に説明する。図９は、上述した実施形態の変形例を示すもので、図１からリレーレンズ２２を除いた装置のフローチャートを示す。その他の構成は図１と同様であるのでここでは説明を省略し、異なる構成について詳細に説明する。

この変形例では、ウエハステージ３３をＺ軸方向の予め決められたデフォーカス位置に駆動させ（すなわち、リンギング現象の出ないデフォーカス位置に駆動させ、線形性の良い位置で駆動制御を完了させておき）、その後、ウエハステージ３３を上記所定のデフォーカス分だけ戻す駆動制御をする。

具体的には、図９のステップＳ１において、リンギング現象の出ないデフォーカス位置（例えば、オフセット量ＡＦ＝３の位置）を、フォーカス位置検出装置３１の目標位置に設定する。その目標位置、すなわち所定のデフォーカス位置（ＡＦ＝３）が検出されるまで、フォーカスアクチュエータ駆動装置３２にフォーカス誤差信号を出力する。

ステップＳ２において、フォーカス位置検出装置３１が、所定のデフォーカス量を検出すると、フォーカスアクチュエータ駆動装置３２への信号出力を中止し、ウエハステージ３３のＺ軸方向の駆動が停止される。

ステップＳ３において、ウエハステージ３３の駆動の停止が確認されると、フォーカスアクチュエータ駆動装置３２は、フォーカス位置検出装置３１からのフォーカス誤差信号の受付を強制的に禁止する。フォーカスアクチュエータ駆動装置３２は、ステップＳ１で設定された所定のデフォーカス量に相当する駆動量をステップＳ２での駆動方向と逆方向に駆動する。

ステップＳ４において、フォーカスアクチュエータ駆動装置３２が、所定のデフォーカス量相当分の反転駆動が終了したか判断する。

ステップＳ５において、ステップＳ４の反転駆動が終了すると、図１の光学測定装置（例えば、半導体製造装置）は、次の検査工程のシーケンスに入る。

本発明に係るオートフォーカス装置を有した光学測定装置の概略構成図である。従来のオートフォーカス装置においてＡＦ用光電変換素子２６により撮影された二つの像とピント位置ずれとの関係を示す図である。従来のオートフォーカス装置におけるピント位置オフセット量に対するフォーカス誤差信号特性を示すグラフである。従来のオートフォーカス装置におけるピント位置オフセット量に対するフォーカス誤差信号のずれ量と観察光学系における軸上色収差に対応したオフセット修正量との関係を青色光および赤色光の場合について示すグラフである。本発明のオートフォーカス装置においてＡＦ用光電変換素子２６により撮影された二つの像とピント位置ずれとの関係を示す図である。本発明のオートフォーカス装置におけるピント位置オフセット量に対するフォーカス誤差信号特性を示すグラフである。本発明のオートフォーカス装置におけるピント位置オフセット量に対するフォーカス誤差信号のずれ量と観察光学系における軸上色収差に対応したオフセット修正量との関係を青色光および赤色光の場合について示すグラフである。本発明に係るオートフォーカス装置を有した光学測定装置の測定対象となる位置検出パターンマークの一例を示す平面図および断面図である。第２の実施例に係るオートフォーカス調整を説明するフローチャートである。

符号の説明

１光源
４ＡＦ用スリット板
５投影レンズ
６第１ハーフミラー
７第１対物レンズ
８第２ハーフミラー
１０観察光学系
１１第２対物レンズ
１３二次元光電変換素子
２０オートフォーカス光学系
２１ＡＦ系第２対物レンズ
２２リレーレンズ
２３ウエッジミラー
２４フォーカス用結像レンズ
２５シリンドリカルレンズ
２６ＡＦ用光電変換素子
２８一次結像面
３１フォーカス位置検出装置
３２フォーカスアクチュエータ駆動装置
３３ウエハステージ
Ｗウエハ
Ｍ位置検出パターンマーク
Ｍ１第１マーク
Ｍ２第２マーク

Claims

観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備えた光学装置において、前記観察対象からの反射光の一部を分岐させるとともにこの分岐光を導くオートフォーカス光学系を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うオートフォーカス装置であって、
前記オートフォーカス光学系において瞳を分割し、前記瞳の一方の領域を通過する前記観察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検出するＡＦ用撮像手段と、
前記ＡＦ用撮像手段により撮像された二つの像に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出手段と、
前記フォーカス位置検出手段により算出されたフォーカス誤差信号に基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカスアクチュエータとを備え、
前記オートフォーカス光学系において前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置を所定分だけずらせる補正光学系を有し、
前記補正光学系は、前記観察光学系が合焦位置となる状態の前後の所定範囲内において前記フォーカスアクチュエータにより前記観察光学系のフォーカス調整を行ったときに、前記反射光の波長毎における前記フォーカス誤差信号のずれ量の大小関係と前記反射光の波長毎の軸上色収差に対する前記観察光学系のオフセット修正量の大小関係とが同一の関係となるように前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置をずらせる構成であることを特徴とするオートフォーカス装置。
観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備えた光学装置において、前記観察対象からの反射光の一部を分岐させるとともにこの分岐光を導くオートフォーカス光学系を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うオートフォーカス調整方法であって、
前記オートフォーカス光学系において瞳を分割し、前記瞳の一方の領域を通過する前記観察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検出するＡＦ撮像ステップと、
前記ＡＦ撮像ステップにおいて撮像された二つの像に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出ステップと、
前記フォーカス位置検出ステップにおいて算出されたフォーカス誤差信号に基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカス調整ステップとを有し、
前記観察光学系が合焦位置となる状態の前後の所定範囲内において前記各ステップを行って前記観察光学系のフォーカス調整を行ったときに、前記反射光の波長毎における前記フォーカス誤差信号のずれ量の大小関係と前記反射光の波長毎の軸上色収差に対する前記観察光学系のオフセット修正量の大小関係とが同一の関係となるように、前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置をずらせるＡＦ結像位置調整ステップをさらに有することを特徴とするオートフォーカス調整方法。
観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備えた光学装置において、前記観察対象からの反射光の一部を分岐させるとともにこの分岐光を導くオートフォーカス光学系を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うオートフォーカス装置であって、
前記オートフォーカス光学系において瞳を分割し、前記瞳の一方の領域を通過する前記観察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検出するＡＦ用撮像手段と、
前記ＡＦ用撮像手段により撮像された二つの像に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出手段と、
前記フォーカス位置検出手段により算出されたフォーカス誤差信号に基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカスアクチュエータとを備え、
前記オートフォーカス光学系において前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置を所定分だけずらせる補正光学系を有し、
前記フォーカス位置検出手段は前記二つの像の像間距離から前記フォーカス誤差信号を算出するように構成されており、
前記補正光学系は、前記観察光学系が合焦位置となる状態の前後の所定範囲内において前記観察光学系のフォーカス調整を行ったときに、前記二つの像に発生するリンギング現象により前記二つの像の像間距離が実際の距離よりずれて算出されて前記フォーカス調整量の変化に対して前記フォーカス誤差信号が大きな非線形性を有して変化するという現象が生じる部分を避け、前記フォーカス調整量の変化に対してこれより小さな非線形性を有して前記フォーカス誤差信号が変化するように前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置をずらせる構成であることを特徴とするオートフォーカス装置。
観察対象に照明光を照射する照明光学系および前記観察対象からの反射光を受けて前記観察対象の像を得る観察光学系を備えた光学装置において、前記観察対象からの反射光の一部を分岐させるとともにこの分岐光を導くオートフォーカス光学系を用いて前記観察光学系のフォーカス調整を行うオートフォーカス調整方法であって、
前記オートフォーカス光学系において瞳を分割し、前記瞳の一方の領域を通過する前記観察対象の像と前記瞳の他方の領域を通過する前記観察対象の像とを検出するＡＦ撮像ステップと、
前記ＡＦ撮像ステップにおいて撮像された二つの像の像間距離に基づいてフォーカス誤差信号を算出するフォーカス位置検出ステップと、
前記フォーカス位置検出ステップにおいて算出されたフォーカス誤差信号に基づいて前記観察対象の光軸方向の相対位置調整を行うフォーカス調整ステップとを有し、
前記観察光学系が合焦位置となる状態の前後の所定範囲内において前記各ステップを行って前記観察光学系のフォーカス調整を行ったときに、前記二つの像に発生するリンギング現象により前記二つの像の像間距離が実際の距離よりずれて算出されて前記フォーカス調整量の変化に対して前記フォーカス誤差信号が大きな非線形性を有して変化するという現象が生じる部分を避け、前記フォーカス調整量の変化に対してこれより小さな非線形性を有して前記フォーカス誤差信号が変化するように前記ＡＦ用撮像手段により撮像される像の結像位置をずらせるＡＦ結像位置調整ステップをさらに有することを特徴とするオートフォーカス調整方法。