JPH0769162B2 - 光学的検査システムのための自動焦点合わせ装置 - Google Patents

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、
半導体ウエ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
体ウエ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
造の形式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エ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
ウエハ表面に対する焦点合わせを行う必要がある。そし
て、そ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、ウエハ表面
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
の位置制御だけでなく、ウエハ表面、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）を行わねばならない。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制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得失を生か
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
物レンズを介して非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た
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、
（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
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、（ｉ−１）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と、（ｉ−２）角度偏差信号に基
づく駆動制御の実行中に、前記光ビーム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
して前記角度信号の値を順次に更新する更新手段と、
（ｉ−３）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有し、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の構成では、許容位置偏差と許容角度差
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。

〔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
でなく、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。

また、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。

さらに、上記した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。

一方、第２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は許容誤差を段階
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かかわらず、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。

〔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エハ検査システム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、このではま
ず光学的部分について説明する。

＜（Ａ−１）ウエハ検査用光学系＞ 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21から
の光L1は照明用レンズ22、ハーフミラー13およびハーフ
ミラー（またはダイクロイックミラー）12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エハWF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エハ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エハ
であり、対物レンズ11によってウエハ表面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、
その一部分がウエハ表面（シリコン酸化膜の表面）WSで
反射されて反射光L21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の中にはこのウエハ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D_L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
ーフミラー12,13、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は光電信合SDの
レベルに基づいて酸化シリコン膜の厚さD_Lを評価し、そ
れによってウエハWFの表面状態を検査を行う。

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か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を介してウエハ
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780nm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はハーフミラー12によって反射され、対物レンズ11
によってウエハ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
エハWFで反射された光ビームB1は対物レンズ11を光軸か
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はハーフミラー12で反射されてハーフミ
ラー26に入射し、このハーフミラー26において第１の分
割光ビームBD1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BD1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つの電極から電流信号Z₁,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PS29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つの電極か
ら電流信号X₁,X₂,Y₁,Y₂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図は参照する。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BD1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BD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。このときにはウエハ表面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・sin（２θ） …（１） だけ対物レンズ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BD1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図からわかるよう
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
れ量を角度偏位θと同時のものとして取扱う。

第4C図は、被検査面に傾くがなく、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、ウエハ表面WSに関し
て対物レンズ11の焦点位置FPと対象な点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BD1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Ｄ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の出力へ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、非検査面を合焦位
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、非合焦かつ非検査面に
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PSD28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。

＜B.機構的構成＞ 第2A図に戻って、この検査システム100はウエハWFを支
持するとともにこのウエハ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が取付けてある。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、ウエハWF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光に移動自在な
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）によってウエハステ
ージ56が支持されている。ウエハ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2A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VI−VI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64a〜64cが取付けてある。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
は水ピン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てある。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76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がウエハステージ56の下面を
（＋Ｚ）方向へと押上げる。逆にピエゾ素子65aが縮む
とウエハステージ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、ウエハステージ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,ピン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66b,66cが昇降する。
ただし、各アクチュエータ64a〜64cのそれぞれのピン66
a〜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64aでは、ピン66aの先端部67a（第7A
図）が球面状となっており、ウエハステージ56の対応凹
部68aはそれそれ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を昇降させるとウエハ
ステージ56を昇降させることができるとともに、第7A図
中に星形矢印で示すように、ピン66aの先端部67aには凹
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
エハステージ56の下面においてこの先端部67bを受入れ
る凹部68bはそれよりもなだ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、ウエハステー
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の昇降させたとき、ウエハステ
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、ウエハス
テージ56（したがってウエハ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図のお
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ずることはない。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68b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,66cとの間のそれぞれ相互関係においてステージ5
6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次元自由度の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の昇降量が同一で
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から矩形RBの４辺E1〜E4へそれぞれ垂線を引き、そ
の足をQ1〜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X_f0として点Q1とQ2との
それぞれのＺ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Y_f0として点Q3を点Q4との
それぞれのＺ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Ｚ孔に平行移動
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、よいことは明からである。

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66a〜66cを駆動しなければならない
ため、 （F1＋F2＋F3）/3＝C₀（定数） …（２） という条件が課される。また、第８図からわかるように
Ｘ方向の傾きは２つのピン6a,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で昇降量に
換算すると、 F1・sin60゜ …（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・sin60゜ …（４） となる。したがって、Ｘ方向の傾きパラメータX_fは、 X_f0＝F1・sin60゜−F2・sin60゜ …（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66c
の昇降量F3がそのまま点Q3の昇降量となり、またピン66
a,66bの昇降量F1,F2を点Q4の昇降量に換算するとそれぞ
れ、 F1・cos60゜ …（６） F2・cos60゜ …（７） となる。このため、 Y_f0＝F3−F1・cso60゜ −F2・cos60゜ …（８） が得られる。

（２），（５），（８）式をF1〜F3について解くと、 F3＝2Y_f0・３＋C₀ ……（11） 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A₀とす
る。つまり、 F1＝A₀・u1 …（12） F2＝A₀・u2 …（13） F3＝A₀・u3 …（14） である。また、パラメータX_f0,Y_f0およびＺ方向高さC₀
のそれぞれを係数A₀で除したものをそれぞれX_f,Y_fおよ
びＣとする。したがって、 X_f0＝A₀X_f …（15） Y_f0＝A₀Y_f …（16） C₀＝A₀C …（17） である。

（12）〜（17）式を（９）〜（11）式に代入し、各辺を
係数A₀で除することにより、 u3＝2Y_f/3＋Ｃ …（20） がえられる。この（18）〜（20）式が傾角制御の基本式
である。

＜C.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I/Oポート80を備えている。コンピュータ81はCPU8
2,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42a〜42cは各ピエゾ駆動指令信号u1〜u3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_X,K_Y,K_Z,K₀,MK_Zをコン
ピュータ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IP
X,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SPD28,29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。この時光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56（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BD1及び第２
の分割光ビームBD2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。

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u1（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X₁,X₂,Y₁,Y₂を取込み（ステップS21）、受光面
29S上のビーム受光位置の規格化重心座標（PX,PY）を、
次の式： PX＝｛（X₂＋Y₁）−（X₁＋Y₂）｝/G …（21） PY＝｛（X₂＋Y₂）−（X₁＋Y₁）｝/G …（22） Ｇ≡X₁＋X₂＋Y₁＋Y₂ …（23） に従って求める（ステップS22）。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＝０ …（24） である。

そして、次のステップS23では目標値からの角度偏差を
表現する量： ΔＸ＝PX−IPX …（25） ΔＹ＝PY−IPY …（26） を計算する。

また、ステップS24では１次元PSD28の出力電圧Z₁,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＝（Z₁−Z₂）／（Z₁＋Z₂） …（27） を計算し（ステップS25）、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までの最短軌跡ｌ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
のズレなどが生じやすい。場合によっては目標点_０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_０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
N1,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
共に制御軌跡は段階状になり、第13A図中に示した最短
軌跡ｌ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S6〜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N1,N2の幅を規定する値であ
る。また、閾値thZはΔＺ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では閾値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（ステップS31）、位置偏差ΔＺ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，
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「０」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が実際的である。本実施例
では最終的に位置偏差を「0.01％」未満、角度偏差を
「0.1％」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_Z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： PS＝|MK_Z・ΔZ| ……（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53,55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64a〜64cを用いて行うかについての切換閾値を50
μｍ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S32）。

値PSが500より大きいときにはステップS33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u1（ｎ）,u2
（ｎ）,u3（ｎ）を用いて新たなピエゾ駆動量u1（ｎ＋
１）,u2（ｎ＋１）,u3（ｎ＋１）をそぞれ定義する。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、u1（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54
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S35）。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S39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,S32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）〜（3
2）式による比例制御を採用する。

u1（ｎ＋１）＝u1（ｎ）＋K_Z・ΔＺ …（30） u2（ｎ＋１）＝u2（ｎ）＋K_Z・ΔＺ …（31） u3（ｎ＋１）＝u3（ｎ）＋K_Z・ΔＺ …（32） したがって、ステップS37でこれらの値を計算した後、u
1（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｜ΔZ|が閾値thZ（＝0.5）以下になるまで
繰返して行われ、 ｜ΔZ|＜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0.5％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、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： X_f＝K_XΔＸ＋K₀ΣΔＸ …（34） Y_f＝K_XΔＹ＋K₀ΣΔＹ …（35） によってパラメータ値X_f,Y_f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までの間のそれ
ぞれの制御ステップにおける位置偏差ΔＸ（またはΔ
Ｙ）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ΔX,ΔＹの値は、新しいもの
から順に,mステップ前までの値を記録しておくようにす
る。

このようにしてパラメータ値X_f,Y_fが決まると、次に量
Ｃの値を次式（36）： Ｃ＝（u1（ｎ）＋u2（ｎ）＋u3（ｎ））/3 …（36） 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A₀で
除算し、さらにu1,u2,u3をu1（ｎ）,u2（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,u2,u3をそれぞれ
u1（ｎ＋１）,u2（ｎ＋１）,u3（ｎ＋１）に置換して得
られる計算式： u3（ｎ＋１）＝2Y_f/3＋Ｃ …（39） 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S43）。その
後、偏差量ΔX,ΔY,ΔＺを測定してそれらの値を更新し
（ステップS44）、カウント値ｎをインクリメントする
（ステップS45）。

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〜65cの駆
動によって位置偏差ΔX,ΔＹ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S41へ戻って、 ｜ΔX|＜thX …（40） ｜ΔY|＜thY …（41） の双方が成立するようになるまでステップS41〜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Z₁,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13
B図の位相点が区画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％設定されて
いる。その後、２回目の角度制御（ステップS9）が閾値
thX,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S10）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S11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。そしてウエハ表
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S13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60をＸまたはＹ方向に所定ピッチだけ移動させる。

この移動が完了するとステップ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60の
間欠送りと位置・角度制御を行い、分光器16からの出力
SDの取込みを繰返すことによって、ウエハ表面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66a
〜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60のＸ−Ｙ方向の移動もマニュアルで行わせて
もよい。

（２） 対物レンズ11とウエハ表面WSとの位置・角度関
係は相対的なものであるから、位置フィードバックのた
めの駆動手段は、鏡筒10すなわち光学ヘッド側に結合さ
れてこの鏡筒10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
エ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エハ側で
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エ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、微小角度傾いた基準面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になり、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、全体としてはこの制御精度
が向上する。

また、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、目標値への収束が速くなる。

さらに、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。

一方、請求項２の発明は、位置制御と角度制御とが互い
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
階的減少させているため、全体的な収束速度がさらに高
まる。

【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エ
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4D図は、ウエ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ぼす影響
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線に沿って方向から見た側面
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
ピン構造を示す図、 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……半導体ウエハ検査システム、 B1……第１の光ビーム、B2……第２の光ビーム、 BD1……第１の分割光ビーム、 BD2……第２の分割光ビーム、 WF……半導体ウエハ（被検査体）、 WS……ウエハ表面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 （ｉ） 以下の（ｉ−１）から（ｉ−３）までの要素を
   有し、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、 （ｉ−１） 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と、 （ｉ−２） 角度偏差信号に基づく駆動制御の実行中
   に、前記光ビーム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、 （ｉ−３） 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. 【請求項２】請求項１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。