JPH04314012A - 自動焦点合わせ方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、膜厚測定装置のような
各種の測定装置などにおいて、スクライブラインが形成
された半導体ウエハを拡大撮像するにあたり、光学系の
焦点を自動的に合わせる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の方法として、撮像画像の
コントラスト（明暗比）を利用した自動焦点合わせ方法
が知られている。以下、図８を参照して、従来の方法を
説明する。図８は、落射照明式顕微光学系を介してテレ
ビカメラで撮像した半導体ウエハの拡大画像であり、図
中のＳＸ　，ＳＹ　は半導体ウエハ上に形成されたスク
ライブラインを示している。

【０００３】スクライブラインが形成された半導体ウエ
ハを落射照明式顕微光学系で観察すると、スクライブラ
インのエッジが他の領域に比較して暗くなり、観察画像
にコントラストが得られる。これは、回路素子が形成さ
れるパターン領域は、スクライブライン領域よりも１層
ないしそれ以上の多くの膜が形成されているために、ス
クライブラインのエッジは、パターン領域との高低差に
よる段差のために、基板表面上で傾斜しているからであ
る。すなわち、落射照明式顕微光学系において、基板を
照明するのは対物レンズから出射された光に限られ、か
かる照明光はスクライブラインのエッジに照射されると
、スクライブラインのエッジが傾斜しているために、落
射照明式顕微光学系の入射瞳の外へ反射してしまい、観
察画像においてスクライブラインのエッジ部分が暗くな
るのである。

【０００４】そこで、落射照明式顕微光学系を介して得
られた図８のような撮像画像に対して、直交した縦横の
検出ラインＬＸ　，ＬＹ　を設定し、この検出ラインＬ
Ｘ　，ＬＹ　に沿って画像データを微分し、その微分デ
ータのピーク値を得る。このピーク値は、落射照明式顕
微光学系の焦点が合っている場合に、最も大きな値をと
る。したがって、落射照明式顕微光学系と半導体ウエハ
との距離を可変し、前記ピーク値が最も大きくなる位置
を見つけることにより、光学系の焦点を自動的に合わせ
ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成を有する従来例の場合には、次のような問題点
がある。上述したように、従来方法は、直交した縦横の
検出ラインＬＸ　，ＬＹ　に沿って画像データを微分す
ることによって自動焦点合わせを行っているため、図９
のように、スクライブラインＳＸ　，ＳＹ　と検出ライ
ンＬＸ　，ＬＹ　とが重なった場合、検出ラインＬＸ　
，ＬＹ　がスクライブラインのエッジに交差しないので
、検出ライン上でコントラストを検出することができず
、そのため自動焦点合わせができなくなるという問題点
がある。このような場合、従来方法によれば、検出ライ
ンを移動させるか、あるいは半導体ウエハを移動させる
かして、再度、検出ラインに沿った処理を行う必要があ
り、それだけ処理効率が低下していた。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、検出ラインの移動修正などを行うこと
なく、コントラストを確実に検出して自動焦点合わせを
行うことができる方法を提供することを目的としている
。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、次のような構成をとる。すなわち、本発
明に係る自動焦点合わせ方法は、スクライブラインが形
成された基板表面を落射照明式顕微光学系を介して拡大
撮像することによって基板表面の拡大撮像画像を取り込
み、前記撮像画像中に閉図形を形成する検出ラインを設
定し、この検出ラインに沿って前記撮像画像のコントラ
ストを検出し、前記基板表面と前記顕微光学系との距離
を可変して得られた前記各コントラストの中から最も鮮
明なコントラストが得られる位置を焦点位置とするもの
である。

【０００８】

【作用】本発明によれば、基板表面の拡大撮像画像上に
閉図形を形成する検出ラインを設定しているので、前記
検出ラインはスクライブラインのエッジと必ず交差する
。検出ラインとスクライブラインのエッジが交差するこ
とにより、その交差部分でコントラストが検出され、確
実に自動焦点合わせが行われる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明に係る自動焦点合わせ方法を用
いた膜厚測定装置の概略構成を示したブロック図である
。図１において、符号Ｗは表面にスクライブラインが形
成された半導体ウエハなどの基板である。基板Ｗは、後
述する落射照明式顕微光学系の光軸に沿って移動するＺ
ステージ１上に載置されている。符号２は、基板Ｗに対
向配置された対物レンズであり、光源３から照射された
照明光はハーフミラー４および対物レンズ２を介して基
板Ｗ上に落射される。基板Ｗからの反射光は対物レンズ
２およびハーフミラー４を介して孔開きミラー５に入射
する。孔開きミラー５は、光軸上に小孔５ａが形成され
た全反射ミラーである。基板Ｗからの反射光は、孔開き
ミラー５の小孔５ａを介して膜厚測定用の分光器１０に
入射するとともに、孔開きミラー５で反射されてテレビ
カメラ６に入射する。上述した対物レンズ２、光源３、
ハーフミラー４、および孔開きミラー５からなる一連の
光学手段で落射照明式顕微光学系が構成されている。

【００１０】テレビカメラ６によって撮像された基板Ｗ
の表面の多階調画像が、画像処理ユニット７を介してＣ
ＲＴ８に与えられることにより、ＣＲＴ８に基板Ｗの表
面の拡大画像が映し出される。画像処理ユニット７は、
入力した基板表面の多階調画像に対して後述するような
自動焦点合わせ処理を行うことにより、光学系の焦点位
置を検出し、その検出信号をＺステージ駆動回路９に与
える。Ｚステージ駆動回路９は、この検出信号に基づい
て、Ｚステージ１を駆動することにより、光学系の焦点
合わせが行われる。このような焦点合わせが行われた後
に、基板Ｗの位置合わせを行って膜厚測定スポットを基
板Ｗ上の所望位置にセットし、その膜厚測定スポットか
らの反射光を分光器１０が入射することによって、膜厚
測定が行われる。

【００１１】以下、図２および図３に示したフローチャ
ートを参照して、本実施例装置の自動焦点合わせ処理に
ついて説明する。ステップＳ１：画像処理ユニット７内
にあるカウンタの計数値ｍ，ｎをリセットする。計数値
ｍは、Ｚステージ１がある高さに設定されたときの画像
取り込み回数である。また、計数値ｎは、Ｚステージ１
の高さ設定回数である。

【００１２】ステップＳ２：前記カウンタの計数値ｍ，
ｎをリセットした後、テレビカメラ６によって撮像され
た基板Ｗの拡大多階調画像を画像処理ユニット７に取り
込む。画像処理ユニット７に取り込まれた画像は、上述
したように落射照明式顕微光学系を介して撮影された画
像であるため、スクライブラインのエッジでコントラス
トが得られる。

【００１３】ステップＳ３：画像処理ユニット７に取り
込まれた画像データに対して、閉図形を形成する検出ラ
インを設定し、その検出ラインに沿って画像データを微
分処理する。ここでは図４に示すように、菱形の検出ラ
インＬ１　〜Ｌ４　が設定される。このような菱形の検
出ラインを設定することにより、スクライブラインＳＸ
　，ＳＹ　がどのような姿勢で撮像されても、検出ライ
ンがスクライブラインのエッジと必ず交差するので、そ
の交差部分でコントラストを検出することができる。

【００１４】なお、図４中の符号Ｐは膜厚測定スポット
である。本実施例装置では、孔開きミラー５を介してテ
レビカメラ６で基板表面を撮像している関係で、撮像画
像中で孔開きミラー５の小孔５ａに対応した部分、すな
わち、膜厚測定スポット部分が暗くなって現れる。仮に
、このような画像に対して、従来方法のように、画像の
中央を通る縦横の検出ラインＬＸ　，ＬＹ　を設定する
と、検出ラインＬＸ　，ＬＹ　が膜厚測定スポットＰを
通過するので、この測定スポットＰの部分がコントラス
トデータとして取り込まれてしまう結果、光学系の焦点
合わせの誤動作を引き起こしてしまう。しかし、本実施
例では、測定スポットＰをその内部に含むような検出ラ
インＬ１　〜Ｌ４　を設定しているので、検出ラインＬ
１　〜Ｌ４が測定スポットＰを通過することがなく、測
定スポットＰによる影響を回避することができる。

【００１５】ステップＳ４：図５は、ステップＳ３の処
理で得られた検出ラインＬ１　〜Ｌ４　に沿った微分デ
ータの波形図である。ステップＳ４では、この微分デー
タの中から最大の上下変動幅ｄｍ　を求める。この最大
上下変動幅ｄｍ　が、自動焦点合わせのためのコントラ
ストデータとして利用される。

【００１６】ステップＳ５〜Ｓ７：カウンタの計数値ｍ
をカウントアップし、ｍ＝３になるまでステップＳ２〜
Ｓ４の処理を３回繰り返し行うことにより、最大上下変
動幅ｄ１　，ｄ２　，ｄ３　をそれぞれ求める。

【００１７】ステップＳ８：前記最大上下変動幅ｄ１　
，ｄ２　，ｄ３　の平均値Ｄｎ　を算出する。このよう
な平均処理を行うのは、画像データ中のノイズの影響を
軽減するためである。

【００１８】ステップＳ９〜Ｓ１１：カウンタの計数値
ｎをカウントアップし、その計数値ｎが『１』であれば
、Ｚステージ１を予め定められた距離Ｈだけ上昇させた
後、ステップ２に戻り、ステップＳ８までの処理を行う
ことによって、Ｚステージ１の新たな設定位置における
最大上下変動幅の平均値Ｄ２　を算出する。

【００１９】ステップＳ１２，Ｓ１３：カウンタの計数
値ｎが『２』であれば、ステップＳＳ１１で上昇された
Ｚステージ１を距離２Ｈだけ下降させた後、ステップＳ
２に戻り、前述と同様に新たな設定位置における最大上
下変動幅の平均値Ｄ３　を算出する。

【００２０】ステップＳ１４，Ｓ１５：以上のステップ
で求められたＺステージ１の各設定位置における最大上
下変動幅の平均値（以下、単に『変動幅』という）Ｄ１
　，Ｄ２　，Ｄ３　の大小関係を比較する。Ｚステージ
１の初期設定位置における変動幅Ｄ１　が、他の変動幅
Ｄ２　，Ｄ３　よりも大きい場合、変動幅Ｄ１　，Ｄ２
，Ｄ３　は、図６に示すように、近似的に２次曲線上の
点として表すことができる。この二次曲線は、Ｚステー
ジ１の設定位置と、前記検出ラインに沿った微分データ
の最大上下変動幅との関係を示している。上述したよう
に、Ｚステージ１が焦点位置にあるとき、最もコントラ
ストが鮮明に現れ、つまり、最大上下変動幅が極大値を
とる。したがって、逆に、前記二次曲線の極大値ＤＭＡ
Ｘ　を求めることにより、焦点位置を算出することがで
きる。このような極大値ＤＭＡＸ　を求めるにあたり、
変動幅Ｄ１　が他の変動幅Ｄ２　，Ｄ３　よりも大きい
場合（図６に示す状態）、その極大値ＤＭＡＸ　を比較
的精度よく求めることができる。一方、変動幅Ｄ１　よ
りもＤ２　またはＤ３　の方が大きい場合は、Ｄ１　，
Ｄ２　，Ｄ３　が極大値ＤＭＡＸよりも左側、あるいは
右側に偏るので、極大値ＤＭＡＸ　の検出精度が悪くな
る。そこで、このような場合には、ステップＳ１６に進
む。

【００２１】ステップＳ１６：ここでは、Ｚステージ１
の変位幅Ｈをさらに大きな値（Ｈ＋ΔＨ）に設定する。 そして、上述したステップＳ１〜Ｓ１３の処理を繰り返
し実行して、ステップＳ１４，Ｓ１５の条件を満足する
ような変動幅Ｄ１　，Ｄ２　，Ｄ３　を検出する。

【００２２】ステップＳ１７：ステップＳ１４，Ｓ１５
の条件を満足する変動幅Ｄ１　，Ｄ２　，Ｄ３　を検出
すると、これらの値を次に示す近似多項式に代入するこ
とにより、極大値ＤＭＡＸ　をとるＺステージ１の位置
、すなわち、焦点位置Ｈ０　を求める。

【００２３】極大値ＤＭＡＸ　を求めるための近似多項
式は次式（１）によって表される。 ｙ＝ＡＸ２　＋ＢＸ＋Ｃ　　　　　　　　　　　　　　
……（１）上式（１）において、ｙは最大上下変動幅、
ＸはＺステージ１の設定位置、Ａ，Ｂ，Ｃは未知の係数
（Ａ＜０）である。

【００２４】極大値ＤＭＡＸ　をとる焦点位置Ｈ０　は
、上式（１）の１次微分が『０』になる値であるから、
次式（２）で得られる。 Ｈ０　＝−Ｂ／２Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　……（２）

【００２５】未知の係数Ａ，Ｂ，Ｃ
を決定するために、変動幅Ｄ１　，Ｄ２　，Ｄ３　およ
びＺステージ１の各設定位置を（１）式にそれぞれ代入
すると、次のようになる。 なお、ここではＺステージ１の初期設定位置をＸ＝０、
上昇位置をＸ＝Ｈ、下降位置をＸ＝−Ｈにしている。 Ｄ１　＝Ｃ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　……（３）Ｄ２　＝ＡＨ２　＋ＢＨ＋Ｃ　
　　　　　　　　　　　……（４）Ｄ３　＝ＡＨ２　−
ＢＨ＋Ｃ　　　　　　　　　　　　……（５）

【００２
６】上式（３）〜（５）を解くことにより、係数Ａ，Ｂ
は次のように表すことができる。 Ａ＝（Ｄ２　＋Ｄ３　−２Ｄ１　）／２Ｈ２　……（６
）Ｂ＝（Ｄ２　−Ｄ３　）／２Ｈ　　　　　　　　　　
……（７）

【００２７】上式（６），（７）を（２）式
に代入すると、極大値ＤＭＡＸをとる焦点位置Ｈ０　は
、次式（８）のように表される。 　　Ｈ０　＝｛（Ｄ３　−Ｄ２　）／（Ｄ２　＋Ｄ３　
−２Ｄ１　）｝×Ｈ／２　　……（８）

【００２８】す
なわち、検出された変動幅Ｄ１　，Ｄ２　，Ｄ３　およ
びＺステージ１の変位幅Ｈを、上式（８）に当てはめる
ことにより、極大値ＤＭＡＸ　をとるＺステージ１の位
置、すなわち、焦点位置Ｈ０　を求めることができる。

【００２９】なお、上述の実施例では閉図形を形成する
検出ラインの一例として、菱形の検出ラインを用いたが
、本発明はこれに限定されず、例えば、図７（ａ）に示
すような円形の検出ラインＬ５　や、同図（ｂ）に示す
ような３角形の検出ラインＬ６　など、任意の閉図形を
形成する検出ラインを用いることができる。

【００３０】また、検出ラインに沿って撮像画像のコン
トラストを求めるための手法は特に限定されない。すな
わち、上述の実施例では、Ｚステージ１の移動に伴った
最大上下変動幅の変化を２次多項式で近似したが、さら
に厳密な多項式を用い、その近似多項式の極大値を算出
することによって、焦点位置を求めるようにしてもよい
。逆に、焦点位置合わせにあまり精度を必要としない場
合には、実施例のような近似多項式を用いることによっ
て焦点位置を求める必要はなく、例えば、Ｚステージ１
の初期設定位置と、上下の変位位置でそれぞれ最大上下
変動幅Ｄ１　，Ｄ２　，Ｄ３　を求め、その中で最大の
値をとるＺステージ１の位置が焦点位置であるとしても
よい。

【００３１】さらに、実施例では、本発明に係る自動焦
点合わせ方法を適用した装置として膜厚測定装置を例に
採ったが、本発明は、スクライブラインが形成された基
板に対して、光学系の焦点を合わせる必要がある各種の
装置、例えば、線幅測定装置などにも適用できることは
もちろんである。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、基板表面の拡大撮像画像上に閉図形を形成す
る検出ラインを設定しているので、前記検出ラインとス
クライブラインのエッジとが必ず交差し、その交差部分
でコントラストが検出されるので、従来方法のように検
出ラインの移動修正などを必要とせず、焦点合わせを確
実かつ迅速に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自動焦点合わせ方法を用いた一例
である膜厚測定装置の概略構成を示したブロック図であ
る。

【図２】実施例装置の焦点合わせ処理の手順を示したフ
ローチャートである。

【図３】実施例装置の焦点合わせ処理の手順を示したフ
ローチャートである。

【図４】撮像画像上に設定されるコントラスト検出ライ
ンの説明図である。

【図５】検出ラインに沿って画像データを微分処理する
ことによって得られる微分データの波形図である。

【図６】微分データの最大上下変動幅の各データから焦
点位置を求める手法を説明するための図である。

【図７】検出ラインのその他の設定例を示す図である。

【図８】従来の自動焦点合わせ方法を説明するための図
である。

【図９】従来方法の問題点を説明するための図である。

【符号の説明】

Ｗ…基板　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１
…Ｚステージ２…対物レンズ　　　　　　　　　　　　
　　３…光源４…ハーフミラー　　　　　　　　　　　
　５…孔開きミラー６…テレビカメラ　　　　　　　　
　　　　７…画像処理ユニット８…ＣＲＴ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　９…Ｚステージ駆動回路１０
…分光器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　スクライブラインが形成された基板表
   面を落射照明式顕微光学系を介して拡大撮像することに
   よって基板表面の拡大撮像画像を取り込み、前記撮像画
   像中に閉図形を形成する検出ラインを設定し、この検出
   ラインに沿って前記撮像画像のコントラストを検出し、
   前記基板表面と前記顕微光学系との距離を可変して得ら
   れた前記各コントラストの中から最も鮮明なコントラス
   トが得られる位置を焦点位置とすることを特徴とする自
   動焦点合わせ方法。