JPH0610694B2 - 自動焦点合せ方法及び装置 - Google Patents

自動焦点合せ方法及び装置

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JPH0610694B2
JPH0610694B2 JP7657585A JP7657585A JPH0610694B2 JP H0610694 B2 JPH0610694 B2 JP H0610694B2 JP 7657585 A JP7657585 A JP 7657585A JP 7657585 A JP7657585 A JP 7657585A JP H0610694 B2 JPH0610694 B2 JP H0610694B2
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focusing
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坦 牧平
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ＬＳＩウエハ上の半導体素子回路パターン等
の被検査物体の表面上の検出視野の光学像を結像光学系
で結像させて光電変換手段で撮像して得られる画像信号
により被検査物体の表面を検出する被検査物体の表面検
出方法及び装置における自動焦点合せ方法及び装置に関
するものである。
〔発明の背景〕 ＬＳＩなどの集積回路は高集積化と小形化の傾向にあ
る。このような微細なパターンの形成は、その形成工程
の中で細心の注意を払ってもパターンに欠陥が発生する
ことが多く、綿密な検査が必要である。初期の検査は、
多数の検査員によって顕微鏡を用いた目視により行われ
ていたが、目が疲れ易く欠陥の見逃しが多く品質管理の
点で問題があった。このため製造工程の自動化が望まれ
ているが、検査工程の自動化においては、まず焦点合せ
が重要である。
自動焦点合せに関する技術は、主としてカメラのピント
合せに多数提案されている。例えば特開昭58−91409号
公報には、第１図に示す構成が開示されている。
即ち、光源15により照明したウェハ１上の回路パターン
を対物レンズ４で高倍に拡大して光電変換器５上に結像
させ、光学像を電気信号に変換して欠陥判定を行う。同
時に光電変換器５と光学的に共役な平面の前後等しい位
置に配置した光電変換器17a，17bに同一位置の回路パタ
ーン像が投影され、光電変換器出力を所定の評価関数に
基いて像のボケ量を２５ａ，２５ｂで求め、これらの評
価値に基いて前ピン，合焦，後ピンの各状態を判定して
いる。
この技術を転用すればＬＳＩ等のパターン検査にも用い
ることが可能なようであるが、実際には検査対象と被写
体との相違に起因して種々の課題が生ずる。
検査対象であるＬＳＩパターンは通常1μm前後と非常に
微細であり、かつパターン自体が多層構造となってお
り、焦点合せのための特定点の位置により、著しく結像
光学系への反射入射光量が異なる。また高倍率に拡大し
た像を検査対象とするため振動による影響が大きい。周
囲の温度環境により検査対象物の変形，検査対象物載置
台の位置決め精度が変動するため、常に焦点合せを行う
必要があること等が課題である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決すべく、Ｌ
ＳＩウエハ上の半導体素子回路パターン等の被検査物体
の表面上の検出視野の光学像を結像光学系で結像させて
光電変換手段で撮像して得られる画像信号により被検査
物体の表面を検出する被検査物体の表面検出方法及び装
置において、前記被検査物体の表面からの場所による反
射率の違いおよび被検査物体の種類および材質による反
射率の変動や照明光のちらつき等の影響を受けることな
く、被検査物体の表面に高精度に自動焦点合せをして被
検査物体上の微細な回路パターンを画像信号として高精
度に検出できるようにした自動焦点合せ方法及び装置を
提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、上記目的を達成するために、被検査物体の表
面上の検出視野の光学像を結像光学系で結像させ、該結
像された検出視野の光学像を光電変換手段で撮像して画
像信号に変換し、該変換された画像信号により前記被検
査物体の表面を検出する被検査物体の表面検出方法にお
いて、前記被検査物体表面上の検出視野に投影せずに該
検出視野の周囲の複数個所に縞パターンを前記結像光学
系を通して投影し、前記結像光学系を通して結像される
複数個所の縞パターンの光像の各々について前記結像光
学系の焦点面と共役な面の前後に等距離に配置された２
つの少なくとも一次元のイメージセンサで受光して複数
の縞パターンに対応したコントラスト信号を同時に検出
し、該一方のイメージセンサから検出される複数の縞パ
ターンに対応したコントラスト信号について平均値を算
出し、前記２つのイメージセンサの各々から同時に検出
される複数の縞パターンに対応したコントラスト信号の
差信号を検出し、該検出されるコントラスト信号の差信
号を前記算出された平均値で割算して正規化されたコン
トラスト信号の差信号を得、該得られた正規化されたコ
ントラスト信号の差信号が所定の範囲内に入るように前
記被検査物体を前記結像光学系の光軸方向に移動させて
焦点合せを行うことを特徴とする自動焦点合せ方法であ
る。また本発明は、前記自動焦点合せ方法において、前
記被検査物体が半導体ウエハ上に形成された多層回路パ
ターンであることを特徴とする。また本発明は、前記自
動焦点合せ方法において、前記縞パターンが投影される
複数の個所が、前記被検査物体表面上の検出視野に対し
て対称位置であることを特徴とする。また本発明は、前
記自動焦点合せ方法において、前記２つのイメージセン
サの各々から同時に検出される複数の縞パターンに対応
したコントラスト信号の差信号の振幅および位相から焦
点合せ状態を判断することを特徴とする。また本発明
は、被検査物体の表面上の検出視野の光学像を結像光学
系と、該結像光学系で結像された検出視野の光学像を撮
像して画像信号に変換する光電変換手段とを備え、該光
電変換手段で変換された画像信号により前記被検査物体
の表面を検出する被検査物体の表面検出装置において、
前記被検査物体表面上の検出視野に投影せずに該検出視
野の周囲の複数個所に縞パターンを前記結像光学系を通
して投影する縞パターン投影手段と、前記結像光学系を
通して結像される縞パターン投影手段で投影された複数
個所の縞パターンの光像の各々について受光して複数の
縞パターンに対応した２つのコントラスト信号を同時に
検出するように前記結像光学系の焦点面と共役な面の前
後に等距離に配置された２つの少なくとも一次元のイメ
ージセンサと、該少なくとも一方のイメージセンサから
検出される複数の縞パターンに対応したコントラスト信
号について平均値を算出する平均値算出手段と、前記２
つのイメージセンサの各々から同時に検出される複数の
縞パターンに対応したコントラスト信号の差信号を検出
する差信号検出手段と、該差信号検出手段で検出された
差信号を前記平均値算出手段で算出された平均値で割算
して正規化されたコントラスト信号の差信号を得て出力
する割算手段と、該割算手段により得られた正規化され
たコントラスト信号の差信号が所定の範囲内に入るよう
に前記被検査物体を前記結像光学系の光軸方向に移動さ
せて焦点合せを行う被検査物体焦点合せ制御手段とを備
えたことを特徴とする自動焦点合せ装置である。また本
発明は、前記自動焦点合せ装置において、前記縞パター
ン投影手段は、前記縞パターンが投影される複数個所
を、前記被検査物体表面上の検出視野に対して対称位置
に形成したことを特徴とする。また本発明は、前記自動
焦点合せ装置において、前記被検査物体焦点合せ制御手
段として、前記割算手段で得られた正規化されたコント
ラスト信号の差信号の振幅および位相から焦点合せ状態
を判断する焦点合せ状態判断手段を有することを特徴と
する。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例を第１図から第11図を用いて説明
する。
第１図は本発明の自動焦点合せ装置の一実施例を示す図
である。水銀灯などの光源15により照明したＬＳＩウエ
ハ１上の多層回路パターンを対物レンズ４で高倍に拡大
して光電変換器５上に結像させ、光学像を電気信号に変
換して欠陥判定に用いる。その照明光路中の１部に、光
を透過する部分と遮光する部分からなる平面パターン14
を挿入し、光源15で照明することによってウェハ１上に
明暗のパターンを投影する。この投影された明暗パター
ンは照明光の当たっているところと当っていないところ
に対応し、ウェハのもつ回路パターンよりも鮮明なパタ
ーン像となる。回路パターン上のこの投影パターンを光
電変換器17a，17bにより検出する。この光電変換器17
a，17bは、回路パターンを検出する光電変換器５の光軸
上前後に等しい距離に配置してあり、同期して作動させ
る。
投影した明暗パターンとウェハの回路パターンを検出す
る光電変換器としてリニアイメージセンサを用い、投影
パターン14として白黒の縞パターンを用いた場合の例を
第２図に示す。検査対象上を互いに直交して配線される
回路パターンの妨害作用を避けるため、回路パターン検
出視野と異なる位置に平行縞パターンを45゜傾けて投影
し、これを縞パターン検出用リニアイメージセンサで検
出する。縞パターンは、回路パターン検出視野に重なら
ないように、中央部は光を透過する構成とする。なお、
縞パターンの傾きは任意でよく、投影パターンが回路パ
ターンによって最も影響を受けにくい位置に配置する。
第１図において、投影された縞パターンをリニアイメー
ジセンサ17a，17bを用いてハーフミラー16を介して撮像
すると、ウェハが合焦点位置、即ち回路パターンがリニ
アイメージセンサ17a，17bの光軸上中点に結像するとき
は、イメージセンサ17a，17bの出力が一致する。何故な
らば、２つのリニアイメージセンサ17a，17bはウェハ上
の同一位置を同一タイミングで撮像しているため、完全
に同じ回路パターン及び縞パターンを撮像することにな
り、また光源15にちらつきなどが存在しても２つのイメ
ージセンサ17a，17bに共通に寄与するからである。
従って、リニアイメージセンサ17a，17bの出力を増幅器
18a，18bを介して引算器19により差を計算し、この差が
零となるようにウェハのＺ移動機構23のドライバ22を制
御すれば焦点合せが可能となり、回路パターン検出用リ
ニアイメージセンサ５は常時明瞭な画像を検出できる。
本構成によれば、従来技術の問題は完全に解決が可能で
ある。
しかし、実際にはリニアイメージセンサ17a，17bの出力
が等しくなる位置にＺ移動させようとすると、リニアイ
メージセンサ出力が完全に一致するのはリニアイメージ
センサのもつ雑音などによりほとんど無いから、ウェハ
のＺ移動機構23は合焦点近傍にあるにもかかわらず絶え
ず上方か下方に移動することを要求され、ウェハが振動
してしまう。これは、ウェハのＺ移動機構として非常に
小さいピッチの移動を可能にしてやればウェハの振動は
問題にならないが、焦点合せのスピードが遅くなり応答
性が新たな問題となってくる。そこで、応答性を重視
し、かつウェハの振動の問題を解決するために、不感帯
の概念を導入する。この例を第３図に示す。合焦点位置
の上下にZwの幅の不感帯を設け、ウェハの表面が上方に
移動し、Zw/2以上上方に焦点がずれた場合には、下方に
Ｚ移動させ、−Zw/2以上下方に焦点がずれた場合には上
方にＺ移動させる。これにより、ウェハの振動を防止す
ることができる。この不感帯の幅Zwが焦点合せ精度に相
当する。
第４図に、実際のイメージセンサ17a，17bの出力の例を
示す。検出器のオフセットの影響を除くためにコントラ
ストＣとして図示の振幅をとる。このコントラストＣは
検査するウェハの種類により、又、チップ上の位置によ
りウェハが合焦点位置にあるにもかかわらず第５図
(a)、(b)に示すように変化する。この際の変化量は第４
図のＣよりは少ない。これは、縞パターン14が、投影さ
れるチップ上の回路パターンの材質に依存して明暗の度
合いが異なることが原因であり、このため、第６図のよ
うに引算器19の出力から求めたコントラストは反射率の
違いによってばらついてしまう。この引算器19の出力か
ら求めたコントラストがばらつくことは、引算器19の出
力から求めたコントラストに設定した焦点合せ精度±Zw
/2に相当する第７図に図示する不感帯Cwが、ウェハの種
類，チップ上の位置によってＺ位置換算でZwB（＝Zw）
あるいはZwAとなって、焦点合せ精度のばらつきを招く
ことを意味する。特に、反射率の低い材質により回路パ
ターンが構成されている所では、ZwA>>ZwBとなりその場
所で焦点合せ精度が劣化してしまう。従って、ウェハの
種類，チップ上の場所によらず高精度に焦点合せを行う
には、第１図の引算器19の出力を正規化する必要があ
る。
第１図において、平均値回路24と割算器20は焦点合せ精
度を均一に保つための正規化を行う回路である。一般
に、反射率の高い材質と低い材質を撮像した場合では、
リニアイメージセンサ17の出力は第８図に示すようにな
り、反射率の高い材質の方がコントラストCAが大きく、
また明るさ平均μAも大きいという現象がみられる。
これは、 と表現できる。従って、平均値回路24により一方のリニ
アイメージセンサの出力の平均値μを求め、割算器20に
より引算器19の出力を割ることによって正規化すると、
第９図に示すように反射率の違いの影響を受けないコン
トラストカーブが得られ、ウェハの種類，材質に影響を
受けない高精度の自動焦点合せができる。第１図に示す
ようにコントラスト計算は実際には最後に１度だけ行
い、コントラスト算出回路21により割算器20の出力の振
幅及び位相を求め、これによりウェハのＺ移動機構を制
御する。第10図に割算器20の出力例を示す。コントラス
ト算出回路21は、この出力よりコントラスト26，27を求
め、その大小関係と位相により合焦判定を行う。
以上、多種類の材質からなる多層パターンを対象とした
自動焦点合せ装置の例を説明した。第１図は、特に焦点
合せ精度に関し、対象とするウェハの材質の影響，パタ
ーン密度の影響，コントラスト計算の演算誤差などが混
入しないように配慮した構成となっており、応答性を損
なわず高い焦点合せ精度が実現できる。
また、第９図に示すように正規化演算により得られるコ
ントラストカーブを記憶しておけば、合焦判定ができる
だけでなく合焦点位置Zoまでのずれ量を知ることができ
る。従って、ずれ量だけＺ移動機構によりウェハを上下
に移動させれば非常に高速に焦点合せができる。
最後に、第11図に縞パターンの別の例を示す。第11図は
２種類の線幅と間隔の縞パターンを組み合せた例であ
る。間隔のせまい縞パターンによる投影パターン28は微
妙な焦点ずれによってぼけやすく焦点合せ精度が高い
が、焦点合せ範囲は狭い。一方、間隔の広い縞パターン
による投影パターン29は焦点はずれによってぼけにく
く、焦点合せ精度は落ちるが焦点合せ範囲は広くなる。
従って、この２種類の縞パターンを組み合せ合焦点位置
Zoから大きくずれている場合には投影パターン29から求
めたコントラストを用い、合焦点位置Zo近辺にある場合
には投影パターン28から求めたコントラストを用いるな
どの方法によれば焦点合せ精度を劣化させることなく、
焦点合せ範囲を広げることが可能である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、ＬＳＩウエハ上の半導体素子回路パタ
ーン等の被検査物体の表面上の検出視野の光学像を結像
光学系で結像させて光電変換手段で撮像して得られる画
像信号により被検査物体の表面を検出する被検査物体の
表面検出方法及び装置において、前記被検査物体の表面
からの場所による反射率の違いおよび被検査物体の種類
および材質による反射率の変動や照明光のちらつき等の
影響を受けることなく、ＬＳＩウエハ等の被検査物体の
表面に高精度に自動焦点合せをして被検査物体上の微細
な回路パターンを画像信号として高精度に検出できる効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例を示す図、第２図は縞パターン
の例を示す図、第３図は不感帯の説明図、第４図はコン
トラストの説明図、第５図はコントラストのばらつきの
１例を示す図、第６図，第７図はコントラストカーブの
１例を示す図、第８図はコントラストの１例を示す図、
第９図は正規化したコントラストカーブの１例を示す
図、第10図は割算器の出力例を示す図、第11図は他の縞
パターンの１例を示す図である。 １……ＬＳＩウェハ、２……チップ、５，１７……光電
変換器、１９……引算器、２０……割算器、２１……コ
ントラスト算出回路、２２……ドライバ、２３……Ｚ移
動機構、２４……平均値回路。
フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/027 7352−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 21/30 ３１１ Ｎ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被検査物体の表面上の検出視野の光学像を
    結像光学系で結像させ、該結像された検出視野の光学像
    を光電変換手段で撮像して画像信号に変換し、該変換さ
    れた画像信号により前記被検査物体の表面を検出する被
    検査物体の表面検出方法において、前記被検査物体表面
    上の検出視野に投影せずに該検出視野の周囲の複数個所
    に縞パターンを前記結像光学系を通して投影し、前記結
    像光学系を通して結像される複数個所の縞パターンの光
    像の各々について前記結像光学系の焦点面と共役な面の
    前後に等距離に配置された２つの少なくとも一次元のイ
    メージセンサで受光して複数の縞パターンに対応したコ
    ントラスト信号を同時に検出し、該一方のイメージセン
    サから検出される複数の縞パターンに対応したコントラ
    スト信号について平均値を算出し、前記２つのイメージ
    センサの各々から同時に検出される複数の縞パターンに
    対応したコントラスト信号の差信号を検出し、該検出さ
    れるコントラスト信号の差信号を前記算出された平均値
    で割算して正規化されたコントラスト信号の差信号を
    得、該得られた正規化されたコントラスト信号の差信号
    が所定の範囲内に入るように前記被検査物体を前記結像
    光学系の光軸方向に移動させて焦点合せを行うことを特
    徴とする自動焦点合せ方法。
  2. 【請求項２】前記被検査物体が半導体ウエハ上に形成さ
    れた多層回路パターンであることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載の自動焦点合せ方法。
  3. 【請求項３】前記縞パターンが投影される複数の個所
    が、前記被検査物体表面上の検出視野に対して対称位置
    であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の自
    動焦点合せ方法。
  4. 【請求項４】前記２つのイメージセンサの各々から同時
    に検出される複数の縞パターンに対応したコントラスト
    信号の差信号の振幅および位相から焦点合せ状態を判断
    することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の自動
    焦点合せ方法。
  5. 【請求項５】被検査物体の表面上の検出視野の光学像を
    結像させる結像光学系と、該結像光学系で結像された検
    出視野の光学像を撮像して画像信号に変換する光電変換
    手段とを備え、該光電変換手段で変換された画像信号に
    より前記被検査物体の表面を検出する被検査物体の表面
    検出装置において、前記被検査物体表面上の検出視野に
    投影せずに該検出視野の周囲の複数個所に縞パターンを
    前記結像光学系を通して投影する縞パターン投影手段
    と、前記結像光学系を通して結像される縞パターン投影
    手段で投影された複数個所の縞パターンの光像の各々に
    ついて受光して複数の縞パターンに対応した２つのコン
    トラスト信号を同時に検出するように前記結像光学系の
    焦点面と共役な面の前後に等距離に配置された２つの少
    なくとも一次元のイメージセンサと、該少なくとも一方
    のイメージセンサから検出される複数の縞パターンに対
    応したコントラスト信号について平均値を算出する平均
    値算出手段と、前記２つのイメージセンサの各々から同
    時に検出される複数の縞パターンに対応したコントラス
    ト信号の差信号を検出する差信号検出手段と、該差信号
    検出手段で検出された差信号を前記平均値算出手段で算
    出された平均値で割算して正規化されたコントラスト信
    号の差信号を得て出力する割算手段と、該割算手段によ
    り得られた正規化されたコントラスト信号の差信号が所
    定の範囲内に入るように前記被検査物体を前記結像光学
    系の光軸方向に移動させて焦点合せを行う被検査物体焦
    点合せ制御手段とを備えたことを特徴とする自動焦点合
    せ装置。
  6. 【請求項６】前記縞パターン投影手段は、前記縞パター
    ンが投影される複数個所を、前記被検査物体表面上の検
    出視野に対して対称位置に形成したことを特徴とする特
    許請求の範囲第５項記載の自動焦点合せ装置。
  7. 【請求項７】前記被検査物体焦点合せ制御手段として、
    前記割算手段で得られた正規化されたコントラスト信号
    の差信号の振幅および位相から焦点合せ状態を判断する
    焦点合せ状態判断手段を有することを特徴とする特許請
    求の範囲第４項記載の自動焦点合せ装置。
JP7657585A 1985-04-12 1985-04-12 自動焦点合せ方法及び装置 Expired - Lifetime JPH0610694B2 (ja)

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