JPH045509A - 光学的検査システムのための自動焦点合わせ装置 - 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〕 この発明は自動焦点合わせ装置に関するもので、特に、
半導体ウェハなどの光学的検査システムの焦点合わせに
用いられる装置に関する。

〔従来の技術〕

周知のように、半導体集積回路の装置においては、半導
体ウェハの主面上に種々の不純物拡散領域や絶縁膜、そ
れに配線パターンなどを形成する。

そして、これらの構造の形成状況を検査する目的で各種
の非接触検査システムが使用される。

これらの検査システムのうち特に光学的検査システムが
重要な地位を占めている。このシステムでは顕微鏡と類
似の構成によってウェハ表面の光学的検査、例えば膜厚
測定、線幅測定および表面欠陥検査を行うが、そこでは
ウェハ表面に対する焦点合わせを行う必要がある。そし
て、この焦点合わせを自動的に行う装置がたとえば実開
昭６４−１９９０９号公報に開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、このようなシステムにおいては、ウェハ表面
上の被検査領域を対物レンズの合焦位置に配置するため
の位置制御だけではなく、ウェハ表面、好ましくは上記
被検査領域を対物レンズの光軸に対して常に垂直とする
ような角度制御（姿勢制御）も行わねばならない。ここ
で被検査領域とは通常数μｍφ〜５０μｍφ程度の微小
スポットである。ところが、従来の自動焦点合わせ装置
ではこのような角度制御のための構成を位置制御のため
の構成とは別個に設けているため、装置を構成する部品
数がかなり多くなっている。その結果、装置の組立てや
調整のための工程が複雑になり、装置サイズも必然的に
大きくなってしまう。

また、位置制御系と角度制御系との間の相対的な位置ズ
レによって制御精度が低下する場合もある。

さらに、これらの２種類の制御系を独立に動作させてい
るため、位置制御と角度制御とのそれぞれの特質を生か
して高速に目標値へと収束させる制御を実行できないと
いう問題もある。

〔発明の目的〕

この発明は従来技術における上述の問題を克服するため
になされたもので、位置制御と角度制御との双方の機能
を有し、かつ組立や調整が簡単で、高精度の制御を実現
できるコンパクトな自動焦点合わせ装置を提供すること
を第１の目的とする。

また、位置制御と角度制御とのそれぞれの特質を生かし
て目標値への収束速度を高めることが、この発明の第２
の目的である。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の第１の構成は、光学ヘッド内に設けられた対
物レンズを介して被検査体の光学的検査を行うためのシ
ステムに用いられる自動焦点合わせ装置を対象としてお
り、この装置は第１Ａ図に示すように、（ａ）　　前記
被検査体を支持する支持手段および前記光学ヘッドのう
ちの少なくとも一方に結合されて、前記被検査体と前記
対物レンズとの相対的な位置関係と角度関係とを変化さ
せるだめの駆動手段を備えている。

そして、この駆動手段への駆動指令信号を生成するフィ
ードバックループが設けられており、このフィードバッ
クループは、（ｂ）　　実質的に平行光束からなる第１
の光ビームを発生し、前記第１の光ビームを前記対物レ
ンズへと入射させる光ビーム発生手段と、（ｃ）　　前
記対物レンズを介して前記被検査体に入射した前記第１
の光ビームが前記被検査体で反射されることによって得
られる第２の光ビームについて、前記対物レンズを介し
て戻ってきた後に第１と第２の分割光ビームへと分割す
る光分割手段と、（ｄ）　　前記第１の分割光ビームの
光路中に配置された結像レンズと、　（ｅ）前記結像レ
ンズの焦点位置に配置された第１の受光面を有し、当該
第１の受光面上で前記第１の分割光ビームが形成する光
スポットの１次元位置を検出する光スポット１次元位置
検出素子と、（ｒ）前記光スポット１次元位置検出素子
の出力信号に基づいて、前記被検査体の被検査面と前記
対物レンズの焦点位置との位置偏差に対応する位置偏差
信号を発生する位置偏差信号発生手段と、（ｇ）前記第
２の分割光ビームを受光する第２の受光面を有し、当該
第２の受光面上で前記第２の分割光ビーム重心の２次元
位置を検出する光ビーム２次元位置検出素子と、（ｈ）
　　前記光ビーム２次元位置検出素子の出力信号に基づ
いて、前記対物レンズの光軸に垂直な平面からの前記被
検査面の角度偏差に対応する角度偏差信号を発生する角
度偏差信号発生手段とを備えている。さらに、（１）　
　前記位置偏差信号と前記角度偏差信号とに基づいて前
記駆動手段への駆動指令信号を発生し、それによって前
記位置偏差と前記角度偏差とが所定の許容偏差よりも小
さな値になるまで前記駆動手段による駆動を行わせる駆
動制御手段を備えることにより、上記フィードバックル
ープは位置制御と角度制御とを組合わせて実行する構成
になっている。

この発明の第２〜第４の構成の特徴部が第１Ｂ図に示さ
れている。そして、この発明の第２の構成では、位置偏
差信号に応じた指令値を駆動指令信号に付与して位置偏
差を所定の許容位置偏差よりも小さな値に減少させた後
に、角度偏差信号に応じた指令値を前記駆動指令信号に
付与して角度偏差を所定の許容角度偏差よりも小さな値
に減少させる位置制御優先手段を駆動制御手段中に設け
る。

また、第３の構成では、許容位置偏差と許容角度偏差と
のそれぞれを段階的に減少させつつ、位置偏差信号に応
じた駆動制御と角度偏差信号に応じた駆動制御とを交互
に行わせる段階的許容誤差設定手段を駆動制御手段中に
さらに設けている。

そして、第４の構成では、角度偏差信号に基づく駆動制
御の実行中に、光ビーム２次元位置検出素子の出力信号
を繰返してサンプリングすることにより、サンプリング
された各時点における角度偏差を把握して角度偏差信号
の値を順次に更新する更新手段と、前記更新手段によっ
て前記角度偏差信号の値を更新するごとに位置偏差信号
に基づく位置制御を実行させる組合せ制御手段とを、駆
動制御手段に設けている。

〔作用〕

この発明の第１の構成にかかる装置では、被検査体から
の反射光ビーム（第２の光ビーム）を分割し、それによ
って得られた第１と第２の分割光ビームによって位置偏
差と角度偏差とをそれぞれ検出している。したがって位
置制御のための光源と角度偏差のための光源とを別個に
設ける必要はない。このため、部品数が減少するだけて
なく、制御用光源を複数設けることによってそれらの光
源の間の相対的配置ズレが制御精度に影響を及ぼすこと
もない。

また、位置制御と角度制御とは被検査体表面上の同一の
エリアからの反射光ビームに基づいて行われるため、位
置偏差を検出するエリアと角度偏差を検出するエリアと
がずれてしまうこともなく、この点からも制御精度及び
合焦精度が向上している。

一方、第２の構成の装置では、位置制御を優先的に行う
ことによって、角度制御を行う時点では位置偏差はかな
り小さな値になっている。後述するように角度偏差の検
出にあたっては位置偏差の影響も受けてしまうという性
質を有するため、優先的に位置制御を行うことによって
角度制御の精度、ひいては総合的な制御精度をさらに高
めることができる。

第３の構成では、位置制御と角度制御とを交互に行うと
ともに、その繰返しにあたって許容誤差を段階的に小さ
くしている。したがって位置偏差と角度偏差とは互いに
影響を受けるにもががゎらず、制御範囲を小さくしてい
るため制御動作が発散せず、制御目標値への収束も速い
。

第４の構成では上記第２の構成における位置制御優先の
原理をさらに補強する目的で、角度制御中の繰返しステ
ップごとに位置制御を実行する。

それによって制御動作の発散を確実に防止する。

〔実施例〕

＜Ａ、光学的構成〉 第２Ａ図はこの発明の一実施例である自動焦点合わせ装
置を組込んだ半導体ウェハ検査システム１００の全体構
成図である。このシステム１００の構成は、光学的部分
、機構的部分、それに電気的部分に大別されるが、ここ
ではまず光学的部分について説明する。

＜　（Ａ−１）ウェハ検査用光学系〉 検査システム１００は光学的顕微鏡を用いたシステムと
して構成されており、顕微鏡の鏡筒１０が光学ヘッドに
相当する。鏡筒１０の底部には対物レンズ１１が設けら
れている。この対物レンズ１１はターレット式のレンズ
ホルダに収容された複数組のレンズのうちの１組であっ
てもよい。

鏡筒１０の側部には光源２１が設けてあり、この光源２
１からの光Ｌ１は照明用レンズ２２、ハーフミラ−１３
およびハーフミラ−（またはダイクロイックミラー）１
２を介して対物レンズ１１へ入射する。対物レンズ１１
の下方には、後述する支持機構によって半導体ウェハＷ
Ｆが支持されている。第２Ｂ図に拡大部分断面図として
示すようにウェハＷＦは例えばシリコン基板上に酸化シ
リコン膜を形成したウェハであり、対物レンズ１１によ
ってウェハ表面ＷＳの被検査領域（以下「被検査面」と
称す）へと集光された光Ｌ１は、その一部分がウェハ表
面（シリコン酸化膜の表面）ＷＳで反射されて反射光Ｌ
２１となり、また、他の一部分がシリコン基板と酸化シ
リコン膜との界面で反射されて反射光Ｌ２２となる。な
お、入射光Ｌ１の中にはこのウェハＷＦ中で多重反射す
る部分や吸収される部分なども含まれているが、それら
についての説明は省略する。

反射光Ｌ２１とＬ２２とのそれぞれの光路長の間には酸
化シリコン膜の厚さＤＬとその屈折率の積の２倍に相当
する長さだけの差がある。したがって、反射光Ｌ２１と
Ｌ２２とは相互に位相差を持っており、それらの干渉波
が対物レンズ１１を介して第２Ａ図の上方へと進行する
。この干渉波Ｌ２はハーフミラ−１２，１Ｂ、結像レン
ズ１４およびプリズム１５を介して分光器１６へと入射
する。この分光器１６では干渉光Ｌ２の強度を検出し、
それを表現する光電信号ＳＤをデータ処理装置３１へと
与える。データ処理装置３１は光電信号ＳＤのレベルに
基づいて酸化シリコン膜の厚さＤＬを評価し、それによ
ってウェハＷＦの表面状態の検査を行う。

なお、データ処理装置３１における信号取込みタイミン
グは、後述するコンピュータ８１がらのタイミング信号
Ｔ１によって決定される。また、接眼レンズ１７を介し
てウェハＷＦの表面像を肉眼で観察することもできるよ
うになっている。

＜　（Ａ−２）制御用光学系〉 一方、鏡筒１０に対して固定された位置に半導体レーザ
ダイオード２４が設けられている。このレーザダイオー
ド２４は７８０　ｎＩ＋１の波長を有する単色光を発生
し、この光はコリメートレンズ２５を通ることによって
実質的に平行光束よりなる光ビームＢ１へと変換される
。そして、この光ビームＢ１はハーフミラ−１２によっ
て反射され、対物レンズ１１によってウェハＷＦの表面
ＷＳへと集光される。対物レンズ１１に対する光ビーム
Ｂ１の入射位置は、対物レンズ１１の光軸から（＋Ｙ）
方向にずれた位置である。このため、ウェハＷＦで反射
された光ビームＢ１は対物レンズ１１の光軸から（−Ｙ
）方向にずれた部分に入射し、光ビームＢ２として上方
へと進む。

この光ビームＢ２はハーフミラ−１２で反射されてハー
フミラ−２６に入射し、このハーフミラ−２６において
第１の分割光ビームＢＤＩと第２の分割光ビームＢＤ２
とに分割される。このうち、第１の分割光ビームＢＤＩ
は結像レンズ２７によって集光され、１次元位置検出素
子（ＰＳＤ）２８の受光面上に光スポットを形成する。

第３Ａ図に示すように、この１次元ＰＳＤ２８の受光面
２８Ｓは（±Ｚ）方向に伸びており、その光スポットの
（±Ｚ）方向の位置検出信号として、２つの電極からの
電流信号Ｚ　、Ｚ２が出力される。

■ 他方、第２の分割光ビームＢＤ２は光ビーム２次元位置
検出素子としての２次元ＰＳＤ２９の受光面に入射する
。第３Ｂ図に示すようにこの２次元ＰＳＤ２９の受光面
２９Ｓはｘ−ｙ平面に平行となっており、第２の分割光
ビームＢＤ２の重心に基づいてＸ−Ｙ面内の位置検出信
号として４つ電極からの電流信号ｘ　　、ｘ　　、ｙ　
　、ｙ　　を出力する。

これらのＰＳＤ２８．２９のうち１次元ＰＳＤ２８は対
物レンズ１１の焦点位置からの被検査面の位置偏差すな
わちデフォーカス量を検出するためのものである。また
、２次元ＰＳＤ２９は対物レンズ１１の光軸に垂直な平
面からの被検査面の角度偏差すなわち傾角量を検出する
ためのものである。これらの偏差検出原理とその特質は
次の通りである。

まず、第４Ａ図を参照する。この第４Ａ図では、対物レ
ンズ１１の焦点位置ＦＰを通り、かつ対物レンズの光軸
ＰＡに垂直な基準面ＲＰが定義されており、被検査面は
この基準面ＲＰと一致している。すなわち、第４Ａ図で
は被検査面が合焦かつ水平状態となっている。このとき
、対物レンズ１１の上方では光ビームＢ２は（＋Ｚ）方
向に進む平行光ビームとなる、そして、この状態におい
て、第１の分割光ビームＢＤＩが１次元ＰＳＤ２８の受
光面２８Ｓの中心に入射し、かつ第２の分割光ビームＢ
Ｄ２が２次元ＰＳＤ２９の受光面２９Ｓの中心に入射す
るように、各光学素子の配置位置が定められている。

第４Ｂ図は被検査面が基準面ＲＰから角度θだけ傾いた
状態を示している。ただし、被検査面は対物レンズ１１
の焦点位置ＦＰを通っているため、対物レンズ１１と被
検査面とは合焦状態にある。

このときにはウェハ表面ＷＳで反射された光ビームが第
２Ａ図の場合と比較して角度２θだけずれた方向に進む
。このため、対物レンズ１１の焦点距離をｆとすると、
対物レンズ１１の上方における光ビームＢ２の光路は、
第４Ａ図の場合と比較して、 ｆ　　−５ｉｎ（２θ）　　　　　　　　　　　　　　
　＝ｉｌ）たけ対物レンズ１１の位置において（＋Ｙ）
方向に偏位している。ただし、被検査面が合焦であるこ
とから、光ビームＢ２は平行光束であり、その進行方向
は（＋Ｚ）方向である。

上記偏位の結果、２次元ＰＳＤ２９においては第２の分
割光ビームＢＤ２の受光位置が（−Ｙ）方向にずれるが
、１次元ＰＳＤ２８では光スポットの形成位置は第４Ａ
図の場合と実質的に同一である。それは、第１の分割光
ビームＢＤＩは（＋Ｙ）方向に進む平行光ビームである
ため、その光路が（＋Ｚ）方向に平行移動しても、集光
レンズ２７の焦点位置すなわち１次元ＰＳＤ２８におけ
る受光面２８Ｓの中心位置に集光されるからである。こ
の第４Ｂ図かられかるように、被検査面が合焦状態下で
傾いたときには、一般に、２次元ＰＳＤ２９における第
２の分割光ビームＢＤ２の受光位置がＸ−Ｙ平面内でシ
フトするものの、１次元ＰＳＤ２８での光スポット形成
位置は不変である。なお、角度θの値が小さいときには
（１）式は（２ｆθ）で近似できるため、角度偏差θは
２次元ＰＳＤ２９の受光面２９Ｓにおける第２の分割光
ビームＢＤ２の受光位置のずれ量に比例する。

そこで、この実施例では、受光面２９Ｓ上における受光
位置ずれ量を角度偏差θと同義のものとして取扱う。

第４Ｃ図は、被検査面に傾きがなく、基準面ＲＰから（
−Ｚ）方向にずれることによって非合焦となった場合を
示す。このときの反射光ビームＢ２は、ウェハ表面ＷＳ
に関して対物レンズ１１の焦点位置ＦＰと対称な点ＩＰ
を仮想点光源とする光となる。したがって、対物レンズ
１１を通過後の光ビームＢ２は平行光ビームとはならず
、またその光路も（＋Ｚ）方向からずれる。その結果、
第１の分割光ビームＢＤＩもその光路が（＋Ｙ）方向か
ら傾き、１次元ＰＳＤ２８の受光面２８Ｓ上での光スポ
ット形成位置がシフトする。そして、このシフト量は参
照面ＲＰからの被検査面の位置偏差りを反映している。

つまり、一般に、基準面ＲＰからの被検査面の（±Ｚ）
方向の位置偏差を１次元ＰＳＤ２８によって検出可能で
ある。

ところで、このような非合焦状態においては第２の分割
光ビームＢ２も合焦の場合の光路からずれるため、２次
元ＰＳＤ２９上のビーム受光位置もシフトする。すなわ
ち、２次元ＰＳＤ２９の出力変化は被検査面の傾きのみ
ならず、合焦状態からのずれによっても生じることにな
る。換言すれば、２次元ＰＳＤ２９上でのビーム受光位
置が受光面２９Ｓの中心からずれたとき、それが被検査
面の傾きのみによるものか、それとも非合焦であること
の影響を受けているかは、２次元ＰＳＤ２９の出力のみ
からは判定できない。

これに対して１次元ＰＳＤ２８上での光スポットの形成
位置は非合焦状態でのみシフトするため、被検査面を合
焦位置に戻すための制御は、１次元ＰＳＤ２８の出力の
みを参照して行うことができる。一般に、非合焦かつ被
検査面に傾きがある場合（第４Ｄ図）をも考慮したとき
、上記の性質を有効に利用するためには、１次元ＰＳＤ
２８の検出出力を参照して被検査面を合焦位置に戻す位
置制御（フォーカス制御）を優先的に行う方が望ましい
。被検査面が合焦位置もしくはその近傍に戻れば、２次
元ＰＳＤ２９の出力に基づいて被検査面を水平化させる
角度制御（傾角制御）を効率的に行うことができる。後
述するフィードバック制御系はこのような観点に基づい
て構成される。

＜Ｂ０機構的構成〉 ｍ２Ａ図に戻って、この検査システム１００はウェハＷ
Ｆを支持するとともにこのウェハＷＦを移動させるため
のテーブル機構５０を備えている。

このテーブル機構５０は基台５１上に昇降自在に立設さ
れた支持柱５２を有しており、この支持柱５２にはラッ
ク５３が取付けである。パルスモータ５４の回転によっ
てピニオン５５がラック５３を駆動すると支持柱５２は
（±Ｚ）方向に昇降する。このラック／ピニオン機構は
、ウエノ１ＷＦのフォーカス制御における粗調用である
。

支持柱５２の上にはＸ−Ｙステージ６０が設けられてい
る。Ｘ−Ｙステージ６０は支持柱５２に固定された固定
テーブル６１と、この固定テーブル６１の上でＸ−Ｙ方
向に移動自在な移動テーブル６２とを有している。テー
ブル６２の駆動はＸ。

Ｙ各方向用のモータ６３によって行われる。また、テー
ブル６２から（＋Ｚ）方向に伸びる３本のピン（第２Ａ
図にはそのうちの２本のみが見えている）によってウェ
ハステージ５６が支持されている。ウェハＷＦはこのス
テージ５６上に保持されている。

第５図（ａ）は移動テーブル６２とその上部構造を第２
Ａ図の（＋Ｙ）方向から見た側面図であり、第５図（ｂ
）はテーブル６２の平面図である。また、第６図は第５
図（ｂ）のＶｌ−Ｖｌ線に沿った拡大側面図である。第
５図（’ｂ）に示すようにテーブル６２の内部床面６３
上には３組のピエゾアクチュエータ６４８〜６４ｃが取
付けである。第６図に示すように、ピエゾアクチュエー
タ６４ａは、金属ブロック７１．７２の間に設けられた
ピエゾ素子６５ａを有している。ピエゾ素子６５ａは水
平方向に伸びており、その先端は水平ビン７３に当接し
ている。この水平ピン７３は金属ブロック７１に設けた
水平孔７１Ｈに挿通されており、その他端は金属球７４
に当接している。この金属球７４はアーム７５の下側面
に回転自在に取付けである。

また、アーム７５はピン７６によって揺動自在に軸支さ
れており、その他端上部にはピン６６ａが立設されてい
る。

したがって、このピエゾアクチュエータ６４ａはピン７
６を支点とする梃子を構成しており、ピエゾ素子６５ａ
が伸びると水平ピン７３が（−Ｙ）方向に移動し、アー
ム７５がφ方向に回転してピン６６ａがウェハステージ
５６の下面を（十Ｚ）方向へと押上げる。逆にピエゾ素
子６５ａが縮むとウェハステージ５６は自重で降下する
。なお、ステージ５６を高速に降下させる場合は、アー
ム７５を弾性部材、例えば板バネなどで（−Ｚ）方向に
押圧すればよい。このような梃子を用いることにより、
ピエゾ素子６５ａの伸縮ストロークが比較的短くても、
ウェハステージ５６の昇降ストロークを長くすることが
できる。この実施例におけるストローク拡大率は約１０
倍であり、金属球７４、ピン７６間の距離とピン７６、
ビン６６ａ間の距離との比が１：１０である。

第５図（ｂ）の他のピエゾアクチュエータ６４ｂ。

６４ｃもまた、第６図と同様の構成を有しており、ピエ
ゾ素子６５ｂ、６５ｃを伸縮させることによってピン６
６ｂ、６６ｃが昇降する。ただし、各アクチュエータ６
４ａ〜６４ｃのそれぞれのピン６６ａ〜６６ｃは互いに
異なる固有の形状を有している。第１のアクチュエータ
６４ｇでは、ピン６６ａの先端部６７ａ（第７Ａ図）が
球面状となっており、ウェハステージ５６の対応凹部６
８ａはそれよりも大きな直径の底面を有する円柱形とな
っている。このため、ピン６８ａを昇降させるとウェハ
ステージ５６を昇降させることができるとともに、第７
Ａ図中に星形矢印で示すように、ピン６６Ｈの先端部６
７ａは凹部６８ａの中で２次元的に移動可能である。

また、第２のアクチュエータ６４ｂにおけるピン６６ｂ
の先端部６７ｂは第７Ｂ図に示すように屋根形の角柱状
であり、ウェハステージ５６の下面においてこの先端部
６７ｂを受入れる凹部６８ｂはそれよりもなたらかなテ
ーパ部を有する溝状である。このため、ピン６６ｂを昇
降させたとき、第７Ｂ図中に双方向矢印で示すように、
凹部６８ｂの長手方向に沿って先端部６７ｂがスライド
可能である。

さらに、第３のアクチュエータ６４ｃでは、ピン６６ｃ
の先端部６７Ｃ（第７Ｃ図）が円錐状となっており、ウ
ェハステージ５６の対応凹部６８Ｃはそれよりもなだら
かな円錐状である。このため、ピン６６ｃを昇降させた
とき、ウェハステージ５６は水平のまま、あるいは傾き
ながら昇降することはできるが、ピン６６ｃに対して水
平方向に移動することはできない。

第５図（ｂ）に示すように、これら３つのピン６６ａ〜
６６ｃがＸ−Ｙ面内の正三角形ＴＡの各頂点に位置する
ように、ピエゾアクチュエータ６４ａ〜６４ｃが配置さ
れている。また、ピン６６ｂの先端部６７ｂと第７Ｂ図
の凹部６８ｂとは、その水平断面における長手方向が、
ピン６６ｂ、６６ｃを結ぶラインと平行になっている。

そして、ピエゾ素子６５ａ〜６５ｃのうちの一部または
全部を駆動することにより、ウェハステージ５６（した
がってウェハＷＦ）のＺ方向の位置（高さ）とＸ−Ｙ面
に対する傾角とを自在に変更することができる。

ステージ５６の下面に対して、ピン６６ａ、６６ｂは第
７Ａ図および第７Ｂ図で示したような水平方向の自由度
を持っているため、ステージ５６を傾ける場合において
も、ピン６６ａ〜６６ｃに水平方向の応力が生すること
はない。すなわち、ピン６６ｂ、６６ｃの相互関係にお
いては、ピン６６ｂの先端部６７ｂが第７Ｂ図の溝６８
ｂ内を１次元的に移動してステージ５６の傾きの影響を
吸収する。一方、ピン６６ａは、２つのピン６６ｂ、６
６ｃとの間のそれぞれ相互関係においてステージ５６の
傾きの影響を吸収しなければならないが、第７Ａ図のよ
うな水平面内で２次元的な移動が可能であることにより
、それを達成している。

つまり、この実施例のような３点支持の場合には、その
うちの１点には水平方向の移動自由度を与えず、他の２
点についてはそれぞれ１次元自由度と２次元自由度とを
与えることが好適である。

これよりも自由度が小さいとステージ５６を傾けたとき
にピン６６ａ〜６６ｃのうちの一部または全部に水平方
向の応力が加わってしまう。逆に自由度が多過ぎるとス
テージ５６とピン６６ａ〜６６ｃとの間に冗長自由度が
生じ、ピン６６ａ〜６６ｃのそれぞれの高さを定めても
ステージ５６の空間的位置が一義的に定まらないという
状況が生じてしまう。

第５図（ｂ）のような３点支持の場合において、各ピエ
ゾ素子６５ａ〜６５ｃに与える電圧ｕ１゜ｕ２．ｕ３と
、それによってステージ５６に生ずる位置・角度変化と
の関係は次のようにして求めることができる。まず、第
８図に示すように、ピン６６ａ〜６６ｃの先端部を結ぶ
三角形ＴＢとそれに外接する矩形ＲＢを定義する。ピン
６６ａ〜６６ｃの昇降量か同一であるときは、この三角
形ＴＢは水平面内にあり、第５図（ｂ）の正三角形ＴＡ
と一致する。また、三角形ＴＢの重心ＣＭＰがら矩形Ｒ
Ｂの４辺Ｅ１〜Ｅ４へそれぞれ垂線を引き、その足をＱ
１〜Ｑ４とする。そして、ピン６６ａ〜６６ｃの昇降に
よってステージ５６（第８図中には図示せず）をＸ方向
に傾けるとき、その傾きパラメータＸｆｏとして点Ｑ１
とＱ２とのそれぞれのＸ方向の高さの差を採用し、Ｙ方
向の傾きについてはその傾きパラメータＹｒｏとして点
Ｑ３と点Ｑ４とのそれぞれのＸ方向の高さの差を採用す
る。

以上の準備の下で、まず、ステージ５６をＸ方向に平行
移動させる場合を考える。このとき、ピエゾ素子６５ａ
〜６５ｃには同一の電圧を与えればよく、その電圧値は
平行移動量に比例させればよいことは明らかである。

一方、ピン６６ａ〜６６ｃの昇降量をＦ１〜Ｆ３とした
とき、ステージ５６をＸ方向に傾ける場合には重心ＣＭ
の高さを変えないようにしつつピン６６８〜６６ｃを駆
動しなければならないため、（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）／３
−Ｃｏ　（定数）・・・（２） という条件か課される。また、第８図かられかるように
Ｘ方向の傾きは２つのピン６６ａ、６６ｂを駆動するこ
とによって実現できるが、ピン６６ａの昇降量Ｆ１を点
Ｑ１での昇降量に換算すると、Ｆ　１−　５ｊｎ６０°
　　　　　　　　・（３）となる。同様に、ピン６６ｂ
の昇降量Ｆ２を点Ｑ２での昇降量に換算すると、 Ｆ２・　５ｉｎ６０°　　　　　　　　−＝（４）とな
る。したがって、Ｘ方向の傾きパラメータＸｒは、 Ｘｒｏ−Ｆ　１　・５ｉｎ６０°　−Ｆ２・　５ｌｎ６
０’・・・（５） となる。

他方、ステージ５６をＹ方向に傾ける場合には、ピン６
６ｃの昇降量Ｆ３がそのまま点Ｑ３の昇降量となり、ま
たピン６６ａ、６６ｂの昇降１１Ｆ１゜Ｆ２を点Ｑ４の
昇降量に換算するとそれぞれ、Ｆｌ・　ｃｏｓ６０°　
　　　　　　　　・・・（６）Ｆ２・　ｃｏ８６０°　
　　　　　　　　−（７）となる。このため、 Ｙｆｏ＝Ｆ３−Ｆｌ・　ｃｏｓ６０゜ −Ｆ２・　ｃｏｓ６０°　・・・（８）が得られる。

（２）　、　（５）　、　（８）式をＦ１〜Ｆ３につい
て解くと、Ｆ１＝Ｘ、。１５−Ｙ、。／３＋ｃｏ　・・
・（９）Ｆ２−−Ｘ、。／、／Ｔ−Ｙ、。／３＋Ｃｏ−
＝（１０）Ｆ　３＝２Ｙｒｏ／３＋Ｃｏ　　　　　　　
−（ＩＩ）となる。

ところで、ピン６６ａ〜６ｃの昇降量Ｆ１〜Ｆ３はピエ
ゾ素子６６ａ〜６６Ｃの伸縮量に比例するが、その比例
係数をＡ。とする。つまり、Ｆ　１−Ａ　ｏ　−ｕ　１
　　　　　　　　　＝（１２）Ｆ２−Ａｏ°ｕ２　　　
　　　　　・・・（１３）Ｆ３＝Ａ　　−ｕ３　　　　
　　　　−（１４）である。また、パラメータＸ　　、
Ｙ　　およびＺ方ｆＯｆ。

向高さＣ６のそれぞれを係数Ａ。て除したものをそれぞ
れｘ、ｙｒおよびＣとする。したがって、ｆ Ｘｒｏ−ＡｏＸｆ　　　　　　　　　　・１１５）Ｙｒ
ｏ−ＡｏＹｒ　　　　　　　　　　−（１Ｂ）Ｃｏ−Ａ
ｏＣ−＝（１７） である。

（１２）〜（■７）式を　（９）〜（１１）式に代入し
、各辺を係数Ａ。で除することにより、 ｕｌ−ｘ、／７’Ｔ−ｙ、／３＋ｃ　　　−（１８）ｕ
　２　＝　　Ｘ　ｒ　／　５Ｙ　ｒ　／　３　＋　Ｃ・
・・（１９）ｕ　３　＝　２　Ｙ　ｒ　／　３　＋　Ｃ
−（２０）が得られる。この（１８）〜（２０）式が傾
角制御の基本式である。

くＣ１電気的構成〉 第２Ａ図に戻って、検査システム１００はコンピュータ
８１およびＩ１０ポート８０を備えている。コンピュー
タ８１はＣＰＵ８２．ＲＯＭ８３およびＲＡＭ８４を有
しており、後述する各制御や演算を行う。また、ハロゲ
ンランプ２１の点灯回路３２とレーザダイオード２４の
点灯回路３３に対する点灯指令信号もコンピュータ８１
で生成される。

１次元ＰＳＤ２８および２次元ＰＳＤ２９のそれぞれの
出力信号は電流／電圧コンバータ３４゜３５で電圧信号
に変換された後、マルチプレクサ３６およびＡ／Ｄコン
バータ３７を介してコンピュータ８１に取込まれるよう
になっている。また、ピエゾ素子６５ａ〜６５ｃ（第５
図（ｂ））の駆動指令信号ｕ１〜ｕ３は、コンピュータ
８１からＤ／Ａコンバータ４１ａ〜４１ｃを介してピエ
ゾドライバ４２ａ〜４２ｃに出力される。このピエゾド
ライバ４２８〜４２ｃは各ピエゾ駆動指令信号Ｕ１〜ｕ
３に応じてピエゾ素子６５ａ〜６５ｃに駆動電圧を供給
する。

また、コンピュータ８１はＸ−Ｙステージコントローラ
４３およびＸ−Ｙステージドライバ４４を介してＸ−Ｙ
ステージ６０の駆動用モータ６３を制御する。さらに、
コンピュータ８１はパルスモータコントローラ４５およ
びパルスモータドライバ４６を介してパルスモータ５４
の回転駆動を行うようになっている。

＜Ｄ、動作〉 第９図はこの検査システム１００の全体動作を示すフロ
ーチャートである。まず、ステップＳ１においては、後
述する各制御に必要とされる係数値Ｋ　　、Ｋ　　、Ｋ
　　、Ｋ　　、ＭＫｚをコンピユーＹＺＯ 夕８１にセットする。

ステップＳ２では、位置偏差及び角度偏差の制御目標値
ＩＰＸ、ＩＰＹ、ＩＰＺをコンピューター８１にセット
する。これらの制御目標値ＩＰＸ。

ＩＰＹ及びＩＰＺは、被検査面が検査用の光Ｌ１に対し
て垂直であり、かつ合焦である場合に５ＰＤ２８，２９
から得られる出力値に基づいて算出される規格化重心座
標（後述）の値である。これの制御目標値は例えば以下
の方法で求めることができる。まず被検査面に光Ｌ１を
照射し、視覚によりピントを合わせる。この特売Ｌ２は
分光器１６にも入射しているので、分光器１６の出力に
基づいてこの光Ｌ２の強度が最大となる様にステージ５
６（被検査面）の角度を調整すれば、被検査面が光Ｌ１
に対して垂直であり、かつ合焦となる。

その後レーザダイオード２４から単色光を発生させれば
、第１の分割光ビームＢＤＩ及び第２の分割光ビームＢ
Ｄ２が得られるので、ＰＳＤ２８゜２９からの出力に基
づいて後述の演算を行なえば制御目標値ＩＰＸ、ＩＰＹ
及びＩＰＺが得られる一０次にステップＳ３では制御ル
ープの制御回数を指示するカウント値ｎを“０“として
おく。また、ステップＳ４では、その時点でのピエゾ素
子６５ａ〜６５ｃの駆動量Ｐ１〜Ｐ３を駆動指令値の初
期値ｕｌ　（ｎ）、ｕ２　（ｎ）、ｕ３　（ｎ）（ただ
しｎ−０）として記憶しておく。

次のステップＳ５ではＰＳＤ２８．２９の出力信号に基
づいて、基準面ＲＰ（第４Ａ図〜第４Ｄ図）に対する被
検査面の角度偏差ΔＸ、ΔＹおよび位置偏差ΔＺを求め
る。その具体的内容が第１０図に示されている。そこで
はまず２次元ＰＳＤ２９の出力信号Ｘ　　、Ｘ　　、Ｙ
　　、Ｙ　　を取込ろ（ステップ５２１）、受光面２９
Ｓ上のビーム受光位置の規格化重心座標（ＰＸ、ＰＹ）
を、次の式； ＰＸ−１（Ｘ２＋Ｙ１）−（Ｘｌ＋Ｙ２）ｌ／Ｇ・・・
（２１） ＰＹ−１（Ｘ２＋Ｙ２）−（Ｘｌ＋Ｙｌ）ｌ／Ｇ・・・
（２２） Ｇ■Ｘ　１＋　Ｘ　２　＋　Ｙ　１　＋　Ｙ　２　　　
　　　・・・（２３）に従って求める（ステップ５２２
）。ビーム受光位置が受光面２９Ｓの中心に存在すると
きには、ｐｘ−ｐｙ−ｏ　　　　　　　　　　・・・（
２４）である。

そして、次のステップ８２３では目標値からの角度偏差
を表現する量： ΔＸ−ＰＸ−Ｉ　ＰＸ　　　　　　　　・・・（２５）
ΔＹ−ＰＹ−Ｉ　ＰＹ　　　　　　　　・・・（２６）
を計算する。

また、ステップＳ２４では１次元ＰＳＤ２８の出力電圧
Ｚ　、Ｚ２を読取る。そして、その受光■ 面２８Ｓにおける光スポットの規格化重心座標；ＰＺ−
（Ｚ　　−２２）／　（Ｚ１＋２２）　　　−１２７）
■ を計算しくステップ５２５）、位置偏差を表現する量： ΔＺ−ＰＺ−ＩＰＺ　　　　　　　　　　　　　・・・
（２８）を算出する。

第９図に戻って、次の一連のステップＳ６〜Ｓ１０が被
検査面の位置制御と角度制御との交互実行ルーチンに相
当する。既述したように、位置制御を角度制御に対して
優先的に実行することによって全体としての制御効率が
高まるため、角度制御よりも位置制御を先に実行する。

また、第１３Ａ図に模式的偏差平面として示すように位
置偏差ΔＺをゼロまたはその近傍の値まで減少させた後
に角度制御を実行すると、制御軌跡は初期状態ＳＴから
目標点０まての最短軌跡９からかなり離れたものとなり
、制御安定性が低くなって、第１３Ａ図に示すような制
御軌跡のスレなどが生じやすい。場合によっては目標点
Ｏに収束せず、発散してしまう可能性もある。そこで、
この実施例では第１３Ｂ図に示すように目標点Ｏを含む
ような段階的な区間分けを位相平面に対して行い、ΔＺ
軸については次第に小さくなる許容誤差区間Ｍ１〜Ｍ３
を設定する。また（ΔＸ。

ΔＹ）軸方向についても同様の許容誤差区間Ｎｌ。

Ｎ２を定義する。そして、位置制御によって偏差点が区
間Ｍ１に入ると角度制御に移って偏差点を区間Ｎ１に入
るように制御し、その後再び位置制御に戻るという処理
を繰返す。このようにすると制御動作の発散を防止する
と共に制御軌跡は階段状になり、第１３Ａ図中に示した
最短軌跡ｐに近いものとなる。その結果、制御全体とし
ての速度と正確性が向上することになる。

第９図のステップ８６〜Ｓ１０はこのような交互制御に
対応しており、これらにおいて定義される閾値（ｔｈＸ
、　ｔｈＹ）の組合せが第１３Ｂ図の区間Ｎｌ、Ｎ２の
幅を規定する値である。また、閾値ｔｈｚはΔ２軸方向
の区間Ｍ１〜Ｍ３の幅を決定するための値である。なお
、これらの閾値は重心座標ｐｘ、ｐｙ、ｐｚ　（第１０
図ステップＳ２２゜Ｓ２５参照）が規格化された値を持
つことに対応して、％表現された値を持つ。

最初の位置制御ステップＳ６ては閾値ｔｈｚを０．５％
に設定し、第１１図のサブルーチンに入る。

そこではまず、その時点における位置偏差ΔＺの絶対値
と閾値ｔｈｚとの大小関係を判定しくステップ５３１）
、位置偏差Δ２の方が大きければ次のステップＳ３２に
移る。

なお、本例の様な検査システム等においては、電気系２
機械系において種々の誤差を含んでいるため、制御の目
標値を完全にｒＯＪとはせずに、制御の目標を要求され
る値以下に押えるという方法か実際的である。本実施例
では最終的に位置偏差を「００１％」未満、角度偏差を
「０１％」未満に押えることを目標としている。

ところで、第９図のステップｓ１でセットした係数のう
ち、係数ＭＫ　　はパルスモータ５４の比例制御（Ｐ制
御）における比例係数である。そこで、位置偏差ΔＺの
補償をパルスモータ５４で行う場合にはこのパルスモー
タに何個のパルスを出力すればよいかを、次式： ％式％（２９） によって計算する。この実施例で用いられているパルス
モータ５４とラック・ピニオン機構５３５５とは、１パ
ルスによって０．１μｍだけＸ−Ｙステージ６０を昇降
させるように設計されている。

したがって、Ｚ方向の位置制御をパルスモータ５４を用
いて行うかそれともピエゾアクチュエータ６４２〜６４
ｃを用いて行うかについての切換閾値を５０μｍとした
場合には、上記（２９）式で計算された値ＰＳが５００
　（−５０／　０．１）より大きいか否かを判定する（
ステップ５３２）。

値ＰＳが５００より大きいときにはステップ８３３にお
いてこの値ＰＳをパルスモータ５４への出力パルス量と
して設定するとともに、（２９）式において絶対値をと
る前の量の正負の符号によってパルスモータ５４の回転
方向ＤＩＲを決定する。

次のステップＳ３４では、現在のピエゾ駆動量ｕｌ　（
ｎ）、ｕ２　（ｎ）、ｕ３　（ｎ）を用いて新たなピエ
ゾ駆動量ｕｌ　（ｎ＋１）、ｕ２　（ｎ＋１）ｕ３　（
ｎ＋１）をそれぞれ定義する。これは次の繰返しループ
においてカウント値ｎが（ｎ＋１）へと変わったときに
、ｕｌ　（ｎ＋１）、ｕ２　（ｎ＋１）、ｕ３　（ｎ＋
１）の値が定義されていないという状況を防止するため
のものである。

このようなデータ保存処理を行った後、パルスモータ５
４に対して、ＤＩＲ方向の回転のためのパルスをＰＳ個
出力する（ステップ５３５）。この回転によって位置制
御のうちの粗調が完了し、ステップＳ３６から５３９へ
移る。このステップＳ３９では第１０図のルーチンを用
いて偏差量ΔＸ、ΔＹ、Δ゛Ｚを再度測定し、さ゛らに
次のステップＳ４０でカウント値ｎをインクリメントし
た後にステップＳ３１へと戻る。

粗調が完了しているため、今度はステップＳ３１　Ｓ３
２からステップＳ３７へと進み、ピエゾアクチュエータ
６４ａ〜６４ｃによる微調に移る。

この位置制御では次の（３０）〜（３２）式による比例
制御を採用する。

ｕｌ　（ｎ＋１）−ｕｌ　（ｎ）＋Ｋ　　・ΔＺ・・・
（３０） ｕ’２　　（ｎ＋１）　　−ｕ２　　（ｎ）　　＋Ｋ　
　　−ΔＺ・・・（３１） ｕ３　（ｎ＋１）−ｕ３　（ｎ）＋Ｋ　　・Δ２・・・
（３２） したがって、ステップＳ３７でこれらの値を計算した後
、ｕｌ　（ｎ＋１）、ｕ２　（ｎ＋１）、ｕ３（ｎ＋１
）をそれぞれピエゾドライバ４２ａ〜４２ｃに出力して
ピエゾアクチュエータ６４ａ〜６４Ｃを動作させる。

ピエゾアクチュエータ６４ａ〜６４ｃのこのような駆動
は位置偏差の絶対値１ΔＺ１が閾値ｔｈｚ（−０，５）
以下になるまで繰返して行われ、Δ　Ｚ　ｌ　　　　く
　　　ｔｈＺ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・　（３３）となって第１３Ｂ図の位相点が区間Ｍ１
に入ると位置制御はいったん終了する。

第９図の次のステップＳ７では第１回目の角度制御のた
めに閾値ｔｈｘ、　ｔｈｙの双方を（１，５％に設定し
、第１２図のサブルーチンに移る。第１２図のステップ
Ｓ４１では角度偏差ΔＸ、ΔＹのそれぞれの絶対値が閾
値ｔｈｘ　、　ｔｈｙより小さくなっているかどうかを
判定し、少なくとも一方が閾値以上であるときにはステ
ップＳ４２に移る。

このステップＳ４２ではピエゾ素子６５ａ〜６５Ｃの駆
動量を計算するが、そこでは比例制御と積分制御との組
合せすなわちＰＩ制御を行う。これはピエゾ素子６５ａ
〜６５ｃのヒステリシスを考慮するためである。具体的
には次式：％式％（３４） によってパラメータ値Ｘ　　、Ｙｒをまず計算する。

ただし、（３４）、（３５）式におけるΣは、ｍを１以
上の整数としたとき、カウント値が（ｎ−ｍ）からｎま
ての間のそれぞれの制御ステップにおける位置偏差ΔＸ
（またはΔＹ）の和をとることを示す。

したがって、各制御ステップにおいて測定された偏差Δ
Ｘ、ΔＹの値は、新しいものから順に１ｍステップ前ま
での値を記憶しておくようにする。

このようにしてパラメータ値Ｘ　、Ｙ　が決まｒ ると、次に量Ｃの値を、次式（３Ｂ）　：％式％）） によって計算する。この（３６）式は（１２）〜（１４
）　。

（１７）式を用いて　（２）式を書換えた後に両辺をＡ
。

で除算し、さらにｕｌ、ｕ２．ｕ３をｕｌ（ｎ）。

Ｌ１２　（ｎ）、ｕ３　（ｎ）に置換することによって
得られるＺ座標一定条件の式である。そして、（１８）
〜（２０）式のｕ１＋　　ｕ　２．ｕ　３をそれぞれｕ
ｌ（ｎ＋１）　、　ｕ２　（ｎ＋１）　、　ｕ３　（ｎ
＋１）に置換して得られる計算式： ％式％ によってピエゾ駆動量を算出し、それらをピエゾドライ
バ４２ａ〜４２ｃにそれぞれ出力する（ステップ８４３
）。その後、偏差量ΔＸ、ΔＹ、Δ２を測定してそれら
の値を更新しくステップ５４４）、カウント値ｎをイン
クリメントする（ステップ５４５）。

次のステップＳ４６では位置制御（フォーカス制御）を
行う。これは、角度制御のためのピエゾ素子６５ａ〜６
５ｃの駆動によって位置偏差ΔＸΔＹが変化してしまっ
たようなときに再び位置偏差ΔＸ、ΔＹの絶対値を閾値
ｔｈＸ　、　ｔｈＹ以下の値に戻して、次の角度制御繰
返しステップにおける制御効率を高めるために行われる
。このステップＳ４６は既述した第１１図のサブルーチ
ンによって達成される。そして、その後にステップＳ４
１へ戻って、 １ΔＸｌ　　　＜　　ｔｈＸ　　　　　　　　　　・・
（４［１）Δ　Ｙｌ　　　　　＜　　　　ｔｈＹ　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　（４１）の
双方が成立するようになるまでステップ３４１〜Ｓ４６
を繰返す。したがってこの実施例では、第１２図の繰返
しループを実行するごとに信号Ｚ　、ｚ２をサンプリン
グして位置偏差信号ΔＺの値を更新し、その更新が行わ
れるごとに位置制御を実行するという組合せ制御が実現
されている。

このように角度制御ループの繰返しの中においても位置
制御を行うのは、位置偏差を優先的に減少させた方がよ
いという、既述した原理に基づいている。

（４０）　、　（４１）式の条件が満足された時点、つ
まり第１３Ｂ図の位相点が区間Ｎ２に入った時点で角度
制御はいったん終了し、第９図のステップＳ８において
新たな位置制御を行う。このステップＳ８もまた第１１
図のサブルーチンで実行されるが、今度は閾値ｔｈｚの
値が０．１％に設定されている。

その後、２回目の角度制御（ステップＳ９）か閾値ｔｈ
ｘ、　ｔｈｙを０．１％に設定して第１２図のサブルー
チンで行われ最後に、閾値ｔｈｚを０．０１％に設定し
た位置制御（ステップ５１０）を実行して一連の位置・
角度制御を完了する。この時点では第１３Ｂ図の位相点
は区間Ｍ３．Ｎ２で規定される目標点近傍の区域に入っ
ており、十分に高い精度で被検査面の検査が可能となっ
ている。

そこで、ステップＳｌｌでは第２Ａ図のタイミング信号
Ｔ１をデータ処理装置３１に与え、それによって分光器
１６の検出出力ＳＤをデータ処理装置３１内に取込む。

そしてウェハ表面ＷＳのスキャンが完了していないとき
にはステップＳ１２から８１３へと移り、第２Ａ図のＸ
−Ｙステージコントローラ４３に指令信号ｓｃを出力す
ることによって、Ｘ−Ｙステージ６ｏをＸまたはＹ方向
に所定ピッチたけ移動させる。

この移動が完了するとステ・ンプｓ３に戻って一連の位
置・角度制御を繰返す。このようにしてＸ−Ｙステージ
６ｏの間欠送りと位置・角度制御を行い、分光器１６が
らの出力ＳＤの取込みを繰返すことによって、ウェハ表
面ｗｓの検査対象領域がすべて検査される。

＜Ｅ、変形例〉 （１）　　上記実施例では第５図（ｂ）におけるピン６
６ａ〜６６ｃの平面配置を正三角形としたが、直角二等
辺三角形のような他の三角形配置としてもよい。また、
Ｘ−Ｙステージ６ｏのＸ−Ｙ方向の移動はマニュアルで
行わせてもよい。

（２）　　対物レンズ１１とウェハ表面ｗｓとの位置・
角度関係は相対的なものであるがら、位置フィードバッ
クのための駆動手段は、鏡筒１ｏすなわち光学ヘッド側
に結合されてこの鏡筒１ｏを昇降駆動し、それによって
対物レンズ１１を上下させるものであってもよい。また
、鏡筒１０とウェハ支持機構との双方に結合され、鏡筒
１０の駆動は粗調のために行ない、微調は上記実施例の
ようにウェハ側で行なうことも可能である。もっとも、
上記実施例のように構成する方が駆動精度は高い。

角度制御に関しても同様である。

（３）　　この発明は半導体ウェハの表面検査のみでな
く、種々の精密加工面の検査などにも適用可能である。

（４）　　上記実施例においては、制御目標値ＩＰＸ、
ＩＰＹの設定に際して、第４Ａ図における基準面ＲＰを
光軸に対して垂直であるとしたが、微小角度類いた基準
面ＲＰを制御の対象とすることも同様に実施可能である
。

〔発明の効果〕

以上説明したように、請求項１記載の発明では位置制御
系と角度制御系とのそれぞれの一部を互いに兼用してい
ることにより、装置を構成する部品数が減少する。この
ため、装置のサイズもコンパクトとなり、その組立てや
調整のための工程も簡単になる。

また、ひとつの光ビームを分割して位置制御用と角度制
御用とに利用するため、被検査体表面の同一エリアから
の光反射情報によって位置偏差と角度偏差とが検出され
ることになり、これら２種類の偏差が異なるエリアで検
出されることによって制御精度が低下してしまうという
ことは生じない。このため、全体としての制御精度が向
上する。

一方、請求項２の発明では、角度偏差の検出が位置偏差
の影響を受けやすいという性質を考慮して位置制御を優
先させる構成にしているため、角度制御における角度偏
差の検出精度が高まる。その結果、目標値への収束か速
くなる。

請求項３の発明では、位置制御と角度制御とが交互に行
われるとともにそれらの制御における許容誤差を段階的
に減少させているため、全体的な収束速度がさらに高ま
る。

さらに請求項４の発明では角度制御中の繰返しステップ
を行うごとにさらに位置制御を行うため、目標値への収
束速度は一層高まることになる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、請求項１記載の発明の構成を概念的に示す
機能ブロック図、 第１Ｂ図は、請求項２〜４記載の発明の構成を概念的に
示す機能ブロック図、 第２Ａ図は、この発明の一実施例であめる自動焦点合わ
せ装置を組込んだ光学的検査システムの全体構成図、 第２Ｂ図は、実施例における被検査体としての半導体ウ
ェハの拡大部分断面図、 第３Ａ図は、１次元ＰＳＤの受光面を示す図、第３Ｂ図
は、２次元ＰＳＤの受光面を示す図、第４Ａ図から第４
Ｄ図は、ウェハ表面と基準面との関係が１次元ＰＳＤお
よび２次元ＰＳＤにおける受光状態に及はす影響の説明
図、 第５図は、ピエゾアクチュエータの配置関係を示す図、 第６図は、第５図のＶＩ−ＶＩ線に沿った方向から見た
側面図、 第７Ａ図から第７Ｃ図は、ピエゾアクチュエータの先端
部のビン構造を示す図、 第８図は、ピエゾアクチュエータの制御式を導出するた
めの説明図、 第９図は、実施例の全体動作を示すフローチャート、 第１０図は、偏差量測定ルーチンを示すフローチャート
、 第１１図は、位置制御（フォーカス制御）を示すフロー
チャート、 第１２図は、角度制御（傾角制御）を示すフローチャー
ト、 第１３Ａ図および第１３Ｂ図は、位置制御と角度制御と
の実行順序による偏差の減少状況を制御軌跡として示す
偏差平面図である。 １０・・・鏡筒（光学ヘッド）、 １１・・・対物レンズ、 ２４・・・レーザダイオード、 ２８・・・１次元ＰＳＤ、　　２９・・・２次元ＰＳＤ
。 １００・・・半導体ウェハ検査システム、Ｂ１・・・第
１の光ビーム、Ｂ２・・・第２の光ビーム、ＢＤＩ・・
・第１の分割光ビーム、 ＢＤ２・・・第２の分割光ビーム、 ＷＦ・・・半導体ウェハ（被検査体）、ＷＳ・・・ウェ
ハ表面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学ヘッド内に設けられた対物レンズを介して被
   検査体の光学的検査を行うためのシステムに用いられる
   自動焦点合わせ装置であって、（ａ）前記被検査体を支
   持する支持手段および前記光学ヘッドのうちの少なくと
   も一方に結合されて、前記被検査体と前記対物レンズと
   の相対的な位置関係と角度関係とを変化させるための駆
   動手段と、 （ｂ）実質的に平行光束からなる第１の光ビームを発生
   し、前記第１の光ビームを前記対物レンスへと入射させ
   る光ビーム発生手段と、 （ｃ）前記対物レンズを介して前記被検査体に入射した
   前記第１の光ビームが前記被検査体で反射されることに
   よって得られる第２の光ビームについて、前記対物レン
   ズを介して戻ってきた後に第１と第２の分割光ビームへ
   と分割する光分割手段と、 （ｄ）前記第１の分割光ビームの光路中に配置された結
   像レンズと、 （ｅ）前記結像レンズの焦点位置に配置された第１の受
   光面を有し、当該第１の受光面上で前記第１の分割光ビ
   ームが形成する光スポットの１次元位置を検出する光ス
   ポット１次元位置検出素子と、 （ｆ）前記光スポット１次元位置検出素子の出力信号に
   基づいて、前記被検査体の被検査面と前記対物レンズの
   焦点位置との位置偏差に対応する位置偏差信号を発生す
   る位置偏差信号発生手段と、（ｇ）前記第２の分割光ビ
   ームを受光する第２の受光面を有し、当該第２の受光面
   上で前記第２の分割光ビーム重心の２次元位置を検出す
   る光ビーム２次元位置検出素子と、 （ｈ）前記光ビーム２次元位置検出素子の出力信号に基
   づいて、前記対物レンズの光軸に垂直な平面からの前記
   被検査面の角度偏差を対応する角度偏差信号を発生する
   角度偏差信号発生手段と、（ｉ）前記位置偏差信号と前
   記角度偏差信号とに基づいて前記駆動手段への駆動指令
   信号を発生し、それによって前記位置偏差と前記角度偏
   差とが所定の許容偏差よりも小さな値になるまで前記駆
   動手段による駆動を行わせる駆動制御手段とを備えるこ
   とを特徴とする、光学的検査システムのための自動焦点
   合わせ装置。
2. （２）請求項１記載の装置において、 駆動制御手段が、 位置偏差信号に応じた指令値を駆動指令信号に付与して
   位置偏差を所定の許容位置偏差よりも小さな値に減少さ
   せた後に、角度偏差信号に応じた指令値を前記駆動指令
   信号に付与して角度偏差を所定の許容角度偏差よりも小
   さな値に減少させる位置制御優先手段を有する、光学的
   検査システムのための自動焦点合わせ装置。
3. （３）請求項２記載の装置において、 駆動制御手段がさらに、 許容位置偏差と許容角度偏差とのそれぞれを段階的に減
   少させつつ、位置偏差信号に応じた駆動制御と角度偏差
   信号に応じた駆動制御とを交互に行わせる段階的許容誤
   差設定手段を有する、光学的検査システムのための自動
   焦点合わせ装置。
4. （４）請求項２記載の装置において、 駆動制御手段がさらに、 角度偏差信号に基づく駆動制御の実行中に、光ビーム２
   次元位置検出素子の出力信号を繰返してサンプリングす
   ることにより、サンプリングされた各時点における角度
   偏差を把握して前記角度偏差信号の値を順次に更新する
   更新手段と、前記更新手段によって前記角度偏差信号の
   値を更新するごとに位置偏差信号に基づく位置制御を実
   行させる組合せ制御手段を有する、光学的検査システム
   のための自動焦点合わせ装置。