JPH04204204A - 微小変位検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はウェハの厚み自動測定装置に用いられる微・
」・変位検出方法に関するものである。

〔従来の技術〕

シリコンウェハ等、半導体ワエハ素子の厚み測定は従来
からダイアルゲージ或いはマイクロメータ等による機械
的方法が広く使用と乙てい７：６シ７）＼し機械的方法
では被測定物のワニハに直接ホリ走器具が触わるため被
測定面（こさずを付（ブたり特Ｑこ被測定対象物が薄い
場合には破損させたり或いは高精度に測定することが困
Ｎ−（゛あつ７′ニア：め近年先学的方法が用いろ乙る
ようになった。

第３図は従来の光学的方已の代表的な説明図１・あるが
、自動的にフォーカスを合せるための万一トフォーカス
の方云として一般のヒデτカメラに使用ぎわる高周波成
げによるピーク検出広やコントラストの最大点を利用す
る方伝が一般的で、その動作速度及び精度の戸、で、厚
み測定装置に＊１］用した場合に（ま力Ａならずしも＾
足下へさものではなかった。

まず、光学的方式による厚み測定装置の基本的構成につ
いて第３区に基ずいて説明する。

第３図において、ｌは被測定デバイス、３ａ。

２ｂは被測定デバイス１にターゲットマークを投影させ
るためのイメージターゲットマークプリズム、３ａ、３
’ｂは光源、５ａ、５’ｂは対物レンズ、６ａ、６ｂは
光源力１らの光を平行光線に下るだめのコンデンサレン
ズである。

４ａ、４ｂはイメージターゲットマークの光学投影像を
画像としてとらえるためのテレヒカメラである。

また、第４図は第３区の被測定デバイス１を取り除いた
場合の状態の説明図で、イメージターゲットマークプリ
ズム２ａ及び２ｂによる夫々の光学像は空間平面ａ−ａ
’ｊ＝＋こ焦点を結ぶよっになっχいる。

第５図は第３図のイメーシターゲッｉマークプリズム２
ａ、２ｂの構造を示す斜視図で、申・し線ａ−ａ線を境
にして面側の光の屈折率が異なるためこの様なプリズム
を光源と被写イ゛ムの間（こ置くと、被写体上の像は第
６図に示すよっ（こ、被写体の位置によってフォーカス
の状態が異なり図元、Δ、、Ｂ。

Ｃに示すような像が得ら乙る。即ち、フォーカッ、が正
しく合っている合焦点では、Ｃに示すようにターゲット
マークは中心線の上下において一直線になるが、合焦点
の前後ではＡまたはＢのように中心線を境にずわた像と
なる。

第４図の状態（二おいてａ−ａ’面に被測定デバイス１
を設置し、被測定デバイスまたは上下の光学系を同時に
上下に調整して被測定デバイス１の下面上にａ−ａ’面
の像が結ぶようにした状態を示したのが第３図である。

このよっな状態（こおける対物レンズ５ａの位置を原つ
、と巳、この対物レンズ５ａた（ブを上方に移動己でて
被測定デバイス１の上側の表面上のターゲットマークの
光学像が正しく焦点が得られる点にセット下ると、対物
レンズ５ａの移動距離が被測定デハづス１の厚さを示す
ことになる。

〔発明が解決しようとする課題二 このような原理にもとすく厚さ測定ｇＡ置ではフォーカ
スを如何に正確に検出するかが問題であり、且つ自動渭
］定装置として利用する場合にはフォーカス点に達する
よでの動作時間を短かくする工とも大きな課題となる。

フォーカス点を画像信号力＼ろ検出下る方法に関しては
、近年ヒデτ方メラ等の万一トフォーカス機構の研究が
盛んに行ξわわて来たが、画像信号から直接フォー刀ス
ポインｉ・（合焦点ジを検出する方法（二は、画像信号
の高域周波数成分の最大になる点を検出する方法と画像
信号の輝度信号成分が最大Ｑ二なる。つ、を検出下る方
云が一般的である。

こわらの方法はいずわ、も合焦、つ、以外の映像信号は
波形がなまっているため、輝度信号には高域周波数成分
が少なく、且つ輝度信号のピーク値も７ｊ・さくなって
いる。工ｒＬに廚し、合焦点でに映像はくっきりとし高
域成分も豊富に含まわ、且つ輝度信号の大きざも犬さく
なっている。例又は第７区（Ａ）に示す画像の映像信号
はフォーカスが完全に合った場合には、＜Ｂノに示すよ
うに立上り立下りの鋭い映像信号波形となるが、フォー
カスがずわていると（Ｃ）のように波形に丸味を持ち鋭
ざに欠は振巾も７ｊ＼ざくなる。抜で、このよつな政形
で高域周波成分或いは波形の振巾の最大値を求めるため
には、フォーカスを合せるためのレンズ系を移動させた
時の映像信号を比較しながら、高域周波数成分や波形の
振巾が増大する方向にあるのか逆に減少の方向にあるの
力へを検出しながら、最大点を求めることになる。即ち
、たんす前後の画像信号を比較して増大がら減少に変わ
るつ、を検出しなけわばなしない。し力＼も、高域成分
や振巾の最大値を検出するには、ピークエール１回路等
時定数のために時間遅乙を伴っ回路を用いる必要があり
、高速動作には限界があり且つＴ＝　７ｙず前の画像と
比較し、増減の変１こを＆！呂しなげ乙ばならないため
、正確な合焦、つ、を見つげることは技術的に極めで困
難となるといつ問題５つ、を有していた。

この発明は上記の様な問題−１に鑑みてなとわだもので
、映像信号の位相走を検出下る黴ｌ公変位検出方法を得
ることを目的と下るものである。

〔課題を解決するための手段および作用〕この発明（こ
係る微）］・変位検出方伍は、ターゲットマークの波形
のず乙を検出する二とにより光学系の移動方向がその波
形で一義的に検出でき且つ合焦点も位相差ゼロの検出で
行なえるため高速動作が可能となり且つゼロ検出である
ため非常の精度の高い動作をさせることができる。

〔実施例二 以下、この発明の一実施例を区について説明する。

第１図はこの発明の一実施例である微小変位検出装置の
ブロック図、第２図は第６図に示した被写体フォーカス
面に於ける画像の図で、同じ第６Ｅ（Ａ）の画像の映像
信号力Ａら光学系の移動方向及び移動のための駆動信号
を得る方法について第１図にしたがって述へる。

第２図は第６図における（４１＼）の画像の拡大図であ
る。中心線ａ−ａの上下における適当な２本の不平走査
線の映像信号は夫々（ａ）、（ｂ：＋の様になる。第１
図１ａ、ｌｂは二わｌ）２本の走査線の映像信号を抽出
下る抽出回路、２は抽出下へき２本の不平走査線のタイ
ミングを決定するタイミング信号発生回路、３は１ａ及
び２ａ７＋＼ら得た２つの映像信号波形（ａ）、＜’ｂ
Ｊがらどろ５が先に垂直の縦線の信号が到達しだがその
順位を検出する優先回路である。

即ち、抽出回路の映像信号波形はｎ４ｊにも述へたよう
に、合焦点の場合には同相で同一波形になるが、フォー
カスが前または後にずゎていると映像信号も若干なまっ
た形になるが、＜ａ）の波形と（ｂ）の波形では位相差
を生ずる。第２区はこの状態を示し７：もので、画像の
中・し・線ａ−ａの土部の抽出走査線の波形Ｃａ＞と下
部の波形（ｂ）では（ａ）の方が位相が遅わている。

したがって、こわら２つの映像信号の波形力＼ｂ位相の
前後関係を検出し光学系の位置をＩｉ　ｔＸｒ丁わば合
焦点が見い出でること（こなる。

第１図の２は３本の不平走査線を抽出するタイミング信
号をつくるためのタイミング信号発生回路で、この信号
によって一連の映像信号の中から必要とＴる映像信号ａ
及びｂが取り出２わる。

３はこの２本の抽出ぎわだ走査線における映像信号のど
ちらが先に検出だわり力゛を検出するための優先回路で
、先に検出り、ｌ″１．７：方の信号によって、光学系
の駆動装置の移動方向を決定己テるわけである。尚ａ及
びｂの波形に位相差がない場合即ち位相が一致している
場合には、光学駆動系は動か丁必要がないため、位相の
一致したことを検出するのが４の一致回路である。

５は光学系駆動装置６を前進、後退、停止さでるための
駆動回路であって優先回路３及び一致回路４の出力信号
によって制ｍａｎる。

尚、上記実施例では抽出すべき映像信号として２本の走
査線を利用した場合を示したが、画像処理の方法その他
によってはそれ以上の走査線を利用したりできることは
云つまでもない。

〔発明の効果〕

以上の様にこの発明によりば、映像信号波形の位相関係
力〜ら直接光学系の移動子へき方向及び移動すべき力〜
どうカー等が瞬間的に判定できるため、合焦点に要する
動作時間が短縮でき且つ合焦、つ、精度の高い微・２・
変位検出方法を得る二とができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である微・・・変位検出装
置のブロック図、第２図は第６図の基本原理図に基ずく
映像信号の位相関係を示した画像の拡大図、第３図は従
来の力学的方式による微・））変位検出をｆｉｉ用した
ウェハの厚ガ廁定４Ａ置の基本的構成を示Ｔ説明図、第
１］図に第３図の変位の基準１をとら乙るための原理を
示・−だ説明ヌ、第５図にターゲラ１マークプリズムの
構造原理を示す斜視ｘ、ｆｆ１Ｓｘｉｉ元７Ａの二ｉｔ
二よるフォーカッ、の状態を示す基本原理説明区、第７
図（ま画像と映Ｉ′ｇ！、信号の波形を示ｌ−た説明区
−（・ある。 図において、ｉａ、ｉＦｌ＋ｉ映１象信号抽出回路、２
はタイミー・グ信号発三回路１，３（ま優先回路、４（
ま一致回路、５に駆動回路、６（また学系駆動表五を示
す。 なお、回申、同一符号は同一、また（ま相当部分を示す
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 頂角の異なる円盤形及び半円形のプリズムからなるスプ
   リットイメージマークプリズムによる光学像を被測定デ
   バイスの両面に結像させ、その焦点の変位によつて被測
   定デバイスの厚みを計測する装置において、前記スプリ
   ットイメージマークプリズムの垂直マークを検出するＴ
   Ｖカメラと、このＴＶカメラによって得られる前記垂直
   マークの映像信号における２本以上の水平走査線上の映
   像信号の位相差を検出する位相検出回路、この位相検出
   回路から得られる判定信号によって前記ＴＶカメラの光
   学系を制御することを特徴とする微小変位検出方法。