JPH08211297A - 高解像度顕微鏡システムの自動焦点探索装置とその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来では、処理速度が遅すぎて量産には不適
切で、高解像度装置は極端に震動に弱く実用的で無い。
この発明は一画面（コマ）内の検査領域内の対象物に顕
微鏡の焦点を自動的に合わせることができる高倍率顕微
鏡システムの焦点探索装置及び方法を提供することを目
的とする。 【解決手段】 準備段階として測定しようとする各コマ
内の検査領域が決定され、この検査領域について領域内
の小領域（サブエリア）におけるイメージ強度が測定さ
れる。又、光学軸に沿って顕微鏡軸長が予め調整され、
測定済のイメージ強度が評価比較され、最大のＳ／Ｎ比
を与える光学軸で共通の固有値が検出されそれに対応す
るサブエリアが登録される。実際に検査領域を検査する
時には、登録されたサブエリアから反射される光のみを
用いて焦点が合わせられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は自動光学焦点探索
方法に関し、特に一画面（コマ）内の検査領域内の対象
物に顕微鏡の焦点を自動的に合わせる高倍率顕微鏡シス
テムの焦点探索装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造における、或いはそれに類す
る顕微鏡の応用については、要求される解像度を達成す
るために、非常に高倍率の顕微鏡を使用する。理論上の
回折限界により、高倍率顕微鏡の対物レンズは、例え
ば、１. ０に非常に近い大きな開口数（ＮＡ）を有する
必要がある。非常に大きな開口数の場合、焦点深度が極
度に浅くなるため、顕微鏡の焦点を自動的に合わせるの
は非常に難しいのが現実である。試料表面の凹凸等によ
って大きい位相差がある場合、コヒーレント（即ち可干
渉）技術を使い且つ焦点深度が従来の顕微鏡より浅い場
合は、特に困難である。

【０００３】磁気ヘッドを含む典型的な半導体の応用で
は、一画面或いは一コマ内の任意部分のみが検査領域と
なることが多い。ここで検査とは、測長、汚染の有無、
他の欠陥の有無の検査を含み、各ダイの特定された点に
おける重要な対象を検査或いは測定する必要がある。こ
の検査測定を正しく実施するにはピント即ち焦点がを正
確に合わせる必要がある。検査を正しく実施し完了する
には、先ずウェハ試料上の特定された位置での準備プロ
セス（セットアップ、準備段階）を行い、そして次に各
ダイの検査測定を行なう。又、ウェハ・ロットの必要な
全枚数の処理を自動的に何度も繰り返すこと（本来の作
業課程）も必要となる。この自動的に繰り返す処理に
は、１）焦点合わせ、２）焦点合致のもとに検査を実施
することが含まれる。この発明による「自動焦点探索プ
ロセス」とは、先ずステージを正しい測定位置に移動
し、そして測定する特定レベルに焦点を合わせ、検査
し、或いは測定し、そのデータをコンピュータに記録す
ることを含む。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本願出願人製造による
ＫＬＡ−５０００コヒーレンスプローブ顕微鏡における
自動焦点探索装置は、検査する表面領域から反射するコ
ヒーレント光を検出するために、コマの１／３の面積を
一度にカバーする線型フォトダイオードを使用する。例
えば、フォトダイオードによって測定する最良の焦点を
決定するために、光学軸に沿ったＺ方向に垂直なウエー
ハ面のイメージを走査し、後でソフトウエアで分析する
干渉強度の情報を得ることができる。しかし、この方法
が可能なのは検査領域が比較的平坦な領域に限定され
る。検査領域が平坦でない時は、位相の打ち消し現象が
発生し、その結果フォトダイオードから情報を得られ
ず、検査領域の焦点面を検出することができないという
問題がある。

【０００５】既知である他の方法として、明視野での焦
点合わせ装置（明視野フォーカシング法）が使用されて
いる。この方法では画像のコントラストは最大となる。
しかし、この装置では、レンズの焦点深度によって強く
制限されるという欠点を有する。即ち、開口数が大きく
なればなる程、焦点深度は極めて浅くなる。又、この装
置のその他の問題点は、画像コントラストが小さすぎて
焦点を合わせられない例がいくつか発生することであ
る。

【０００６】この外の明視野フォーカシング法で三角測
量と称される方法がある。この方法では通常レーザーか
ら発生する非常に細いビームを対象物体に対し一定の角
度で照射することにより焦点を合わせる。反射されたビ
ームの位置はフォトセルアレイ（配列）によって検出さ
れる。光源から対象物体までの距離に従って、反射され
たビームは前記セルアレイ上の異なる位置へ戻る。この
方法の欠点は、ビームがレンズを通過せず（ＴＴＬ(Thr
ough-The-Lens)ではない）、従って、解像度に限界があ
ることである。以上のような非ＴＴＬ方式は外に機械調
整上の問題があると同時に、オフセット（入射点の座標
値を見失う）の問題もある。又、解像度は線形アレイ上
のエレメントの数によっても限定される。

【０００７】バラサブラマニアンによる米国特許第４，
３４０，３０６号では表面位相（トポロジー）測定のた
めの光学装置が開示されている。この装置では二重ビー
ム干渉計を使用する。ここでは、テスト物体の未知のテ
スト表面から一つの波面を反射させ、既知の参照表面と
関連する未知のテスト表面の特性とを比較してその差異
を明らかにする。このため、もう一つのビームを参照物
体の既知の参照表面にて反射する様にして先の参照ビー
ムと比較ができるように配置する。

【０００８】参照面からの反射面（復路）とテスト面か
らの反射面（復路）との行路差は、ゼロに設定すること
ができる。テスト面のデータは点列で取り扱いその干渉
縞を点列として測定してその結果を得る。そして得られ
た縞模様の、即ちコントラストの変化を多眼或いは、多
開口ＣＣＤ検出器で測定し、記録する。コントラストの
レベルの最大値がある開口部が検知された時、対応する
テスト面の点と参照表面上の参照点における光路差がゼ
ロでとなるようにそのテストポイントが記録される。つ
まり、テストポイントと参照点の間に光路長の一致があ
るとすることができる。

【０００９】従って、バラサブラマニアンによる装置は
物体の表面の輪郭を決定するために適用することができ
る。従って、テスト表面と参照表面との間の光解像度の
比較値を知るために、各検出器配列、即ち必要に応じて
行列を構成するアレイ検出器群からの出力を利用する。
よって、バラサブラマニアンによる装置では試料表面の
全ての部分を測定対象としている。

【００１０】用途によっては、オーバーレイ（重ね合せ
精度）測定のように連続してウェハの同じ位置で、且つ
２つの高さが異なる層の上に焦点を合わせる必要も生じ
る。従来の方法と装置では、オーバーレイへの適用には
自動焦点合わせを２度必要とするためにその動作が遅す
ぎて量産工場では使えない。

【００１１】又、特に干渉計使用の従来の高解像度装置
は極端に震動に弱く全く実用的で無い。

【００１２】この発明の目的は、前述した実情に鑑みて
なされたものであり、半導体ＶＬＳＩウェハの一領域を
高解像度顕微鏡にて測定観察し基礎データを得て、しか
る後にウェハの他の領域に光軸を移して自動的に先のデ
ータを基に焦点を合わせる方法と装置を提供することで
ある。

【００１３】又、この発明の目的は、ウェハの２つの異
なる層（上層と下層）に焦点を合わせることが同時にで
きるように、新たに第２の光路が設けられた自動焦点探
索装置及びその方法を提供することである。

【００１４】又、この発明の目的は、振動による影響が
低減される自動焦点探索装置及びその方法を提供するこ
とである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】オペレータはセットアッ
プ、即ち準備作業の間に、コマ内の測定対象の領域を選
び、顕微鏡の焦点を合わせる場所を指定する。ここで
は、任意の測定領域で焦点を合わせる必要があるが、次
の測定では異なる領域で合わせる場合がる。この際、対
象となる各領域間では、自動で焦点を合わせるには位相
のズレが大きい場合がある。

【００１６】この場合、同じコマ内の適当な領域で焦点
を合わせるのにオフセット方式を適用すると良い、即ち
任意の測定領域と次に異なる測定領域に関し、各高さが
同じか高さである、差異が既知である領域を測定点とし
て選ぶ。

【００１７】セットアップのプロセスで最適の焦点を合
わせる領域を手動で指定する代わりに、自動的に焦点を
合わせるため、本願に係る装置は適当な領域を自動的に
選択する。

【００１８】一度最適の焦点領域が指定された後、検査
領域のコヒーレンス測定を実施する。オーバーレイ測定
のようなウェハ検査の応用に於ては、連続してウェハの
同じ位置で二つの異なる上下層に焦点を合わせる場合が
ある。この時、従来の方法の如く自動的且つ高速大量作
業のために第１及び第２の層に対して焦点合わせをする
ことは多大な時間を必要とする。従って、この発明で
は、以下に述べるが、それ自体がカメラを持つ光学路を
新たに付加した。

【００１９】このような形態を実施するために、具体的
にはこの発明の装置は異なる倍率の２つの光路を導入
し、倍率を急速に変化させ得る要求に対応し、操作時間
を短縮するように操作性を向上する。

【００２０】一方、前述したように、特に干渉計使用の
高解像度装置は極端に震動に弱い。このため、この発明
のその他の実施の形態としては、震動の影響を和らげる
ための要素を付加する。繰返し強調するが、この発明の
利点は、ウェハの任意の領域に自動的に焦点を合わせて
いる間に、ウェハの他の表面領域を高解像度測定するこ
とを可能にすることである。この発明のその他の利点
は、ウェハの表面領域の高解像度測定における振動の影
響を低減することである。

【００２１】又、この発明は、ウェハ上の決められた同
じ、あるいは異なる領域の異なる層（上下の層）に自動
的に焦点を合わせている間にウェハのある領域を高解像
度測定することを特徴とする。これにより、時間の短縮
が図れて、極めて高速な焦点合わせ作業を可能する。こ
の発明のこれらの目的及び利点は、幾つかの図面を用い
て説明した、以下の詳細な実施の形態の記述を参照すれ
ば、当該技術者により容易に理解できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に基づいた自動
焦点探索機能を有している改良型コヒーレンス顕微鏡シ
ステム１０３の原理を示す図である。ここで、米国特許
第４，８１８，１１０号は、改良型コヒーレンス顕微鏡
システム１０３の全てを網羅している訳ではなくその一
部のみを含んでいるに過ぎない。図１に示されるよう
に、試料１００は、モーター駆動によって移動が可能で
あり、且つ自動計装されたＸ／Ｙステージ１０１上に設
置され、その表面はコヒーレンス顕微鏡の主光軸１０２
に垂直になるように配置される。光源１０４は、広帯域
の照明ビームを発し、そのビームはビームスプリッタ１
０６と対物レンズ１０８を経て試料１００を照射する。
試料は照射光を反射するのでビーム（反射光）は再び対
物レンズ１０８、ビームスプリッタ１０６、中間レンズ
１１２、ビームスプリッタ１１４とレンズ１１６を、試
料への入射時とは逆向きに通過しカメラに入射する。こ
の時、レンズ１１６はカメラ１１０の焦点面に試料１０
０の拡大像を形成する。カメラ１１０は、ビデオデータ
を生成する。そのビデオデータは試料の集積回路ウエー
ハの照射表面に関する画像データであり、通信線１１１
にて伝送されてビデオのＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）
変換ユニット１４４に入力される。ビデオのＡ／Ｄユニ
ット１４４はビデオデータをデジタル化するので、伝送
線１４３を通して直接コンピュータ１３６に入力するこ
とができる。

【００２３】ビームスプリッタ１１４は試料１００から
の反射光を一部反射する。これにより、反射光は、第２
の伝送光路１１５上を、レンズ１２０を通過し、ＰＩＮ
フォトダイオードアレイにて構成される検出器１１８で
結像される。リンニック(Linnik)顕微鏡として、このシ
ステムが機能するようにするためには、基準光を備えそ
の光線経路９９が主光源経路１０７と同一線を形成する
ようにすれば良い。これは、ビームスプリッタ１０６と
１１４が一つの同じ基準光波面を形成しそれがカメラ１
１０とＰＩＮダイオードアレイ１１８に同様に到達する
ように設定することにより達成される。基準光の光路９
９上にはレンズ１２２と平面鏡１２４を設置する。基準
光の光路９９には更にシャッタ１２５を配置してもよ
い。このシャッタ１２５を用いて光路９９を通過する基
準光を遮断すると、システム１０３は干渉原理を一切使
わぬ通常の顕微鏡になる。

【００２４】顕微鏡システム１０３において焦点合わせ
をすることは、カメラ・アッセンブリ１２６を垂直にＺ
軸に沿って、矢印１０５に従い移動させることで達成さ
れる。前記アッセンブリ１２６のやや粗いマクロの動き
は、モーターとリード（誘導）アッセンブリ１２７と呼
ばれる機構（または他の方法）で以て実施するが、細か
いミクロの動きはピエゾ結晶の電気パルスに依る歪発生
原理を用いた制御法を用いアクチュエータ１２９等で実
施する。アッセンブリ１２６にはセンサ１２８を設置
し、一方で試料１００に対して静止状態に保つ線形目盛
１３０を設け、アッセンブリ１２６の縦方向の動きを計
測する。

【００２５】前述したダイオードアレイ１１８から出力
するアナログ信号は、伝送線１１９を介してで接続ユニ
ット１２１に送られ、デジタル処理がなされる。生成さ
れたデジタルビデオ信号は伝送線１２３を経てコンピュ
ータ１３６に入力される。コンピュータ１３６が出力す
るこのデジタルビデオ信号、または他の画像信号は、伝
送線１３７を経て表示モニター１４６に入力される。

【００２６】図２はＰＩＮダイオードアレイ１１８の一
例を示す。ここに示されるＰＩＮダイオードアレイは、
英国のセントロニクス社による製品である。この検出器
アレイ１１８は複数の正方形の検出素子１３２により構
成され各々独立の出力電極を有する。これにより、正方
形素子に入射するエネルギに比例する電気信号を出力す
ることができる。各々の正方形素子は数列１３２ｉの連
番が付けられていて、ｉは１からＮ迄の自然数を表すサ
フィックスである。尚、Ｎは検出器アレイ１１８におけ
る正方形素子の数である。図２に示されるように、中央
の正方形素子は（アレイ内に於て他の正方形素子も可能
であるが）各々小面積の正方形で構成され、副次的なア
レイ１３３を形成する。この様な構成により、前記中央
部分が高感度化する。

【００２７】図３は検出ダイオードアレイ１１８とコン
ピュータ１３６との間をインターフェイスするための接
続ユニット１２１内部の機能素子を原理的に示した図で
ある。図３では、ダイオードアレイ１１８の各々の正方
形素子１３２がフォトセンサ即ちフォトダイオードであ
り、そこからの出力信号は結線１１９１から１１９Ｎま
でがプリアンプ１３２１から１３２Ｎを経由してアナロ
グセレクター１３４に連結している。コンピュータ１３
６は、インターフェイス制御装置１３８と伝送線１２３
ａ及び１３７の両方を通じて特定の検出器を選択し（ア
レイ１１８の正方形素子１３２ｉのいずれかを選択す
る）、この検出器の情報はスケーラと出力ドライバ１４
０に併せて入力される。ドライバ１４０への入力は伝送
線１３５１から１３５Ｍを経由される。ここで、Ｍは選
択された検出器の数である。従って、コンピュータ１３
６は、データプロセスを実行するために、任意のフォト
センサ即ちフォトダイオードを選択する。

【００２８】ドライバ１４０は、出力のダイナミックレ
ンジを適正な範囲に抑えて装置が飽和しないようにする
機能を有する。複数の検出器の加算される場合があり、
和信号は後段の電子回路が有する飽和電圧を越えること
があり得る。ドライバ１４０は、データプロセスのため
に選択されたフォトセンサ出力の加重平均値を均等に縮
小させて、１になるように、即ち、正規化するために設
けられている。２つのフォトセンサが選択された場合、
それ等の重みの値はそれぞれ０. ５になる。同様に、３
つのフォトセンサが選択された場合については、それ等
重みの値はそれぞれ０．３３３になる。以上のように、
選択されたフォトセンサの平均的な「重み」の総合計は
常に１に等しいように正規化される。しかしながら電子
回路において必ずしも前述のように「重み値」を調整す
る必要は無く、他の調整法を用いてもよい。

【００２９】ドライバ１４０は、（図示していないが）
出力ドライブ装置を有し、この装置は、低インピーダン
スアンプとしてシステムに設けられる。出力されるアナ
ログ信号を伝送線１４１経由でＡ／Ｄコンバータ１４２
に入力される。コンバータ１４２から出力されるデジタ
ル信号は、伝送線１２３ｂを介しコンピュータ１３６に
入力される。ビデオ信号用Ａ／Ｄコンバータ１４４は試
料１００からの信号を受信しそれをデジタル化してコン
ピュータ１３６に供給する。デジタル化されたビデオ信
号、即ちコンピュータが形成した画像はスクリーン１４
６上に表示しても良い。コンピュータは、ダイオードア
レイ１１８の画像パターンを背景にしてビデオ信号の画
像をその上に重畳することができる。

【００３０】接続装置１２１の代わりの例として１２
１′を図５に示す。接続装置１２１′はＡ／Ｄコンバー
タ１４２′を多数、即ち検出器１３２の総数と同じだけ
の数を使用する。この実施の形態ではダイオードの各出
力をマルチプレクサ１４３を用いてサンプリングし、コ
ンバータ１４２′により終段調整を行う。

【００３１】［振動制御］高解像度顕微鏡は周知の如く
震動に対し極端に敏感であるために、通常の制震装置で
は十分でない。以下に記述するが、図中１０３で示した
本願の機構において、制震に関し２つの要素技術が示さ
れている。

【００３２】第１は、光源１０４を通常の白熱球の代わ
りにキセノン内蔵のフラッシュランプを使いその稼働パ
ルス幅を０. ０１秒以下にすることである。フラッシュ
ランプの稼働パルスを前述のカメラ１１０の垂直運動に
同期させた場合、震動による画像のブレは相当に緩和さ
れる。一方、長時間の震動は、連続して視野のコマが僅
かずつズレると云う不具合を起こす。しかし、このよう
なズレを矯正することは可能で、コンピュータ１３６内
蔵のメモリを用いてズレ移動する視野のコマを互いに相
関をとって処理することで解決ができる。このように、
ズレに関してコンピュータ１３６内蔵メモリを用いてズ
レ移動する視野のコマを互いに相関をとることによっ
て、ズレが１、２ピクセル以内の精度に矯正するための
アルゴリズムについては米国特許第４，８０５，１２３
号に示される。

【００３３】キセノンランプのフラッシュ技術を使えば
装置の処理スピードが向上する。これは、ステージが観
測点間を連続移動するようにできるからである。この場
合に、画像はステージが移動中でも充分得られる、これ
はパルスが短かく画像はステージが動いてもボケ難いた
めである。震動抑制要素技術の第２は、図示していない
がカメラ１１０内の特殊なセンサを使うものであってそ
のセンサは光学像を受信する時間帯を可変にすることが
できるものを用いることである。実際、このようなセン
サとしては、サンディエゴのＣＯＨＵ社によるＣＯＨＵ
４９１０を適用することができる。以上述べた技術を具
体化するには、信号強度即ちＣＣＤセンサに集積される
信号電荷量を充分に増量することが可能なように光源を
強く保つ必要がある。

【００３４】［双筒カメラモード］超ＬＳＩ製造時に使
われるマスクの重ね合わせ精度モニタ用パターンにおい
て、その典型的な例では２つの介在するプロセス層がＬ
ＳＩウェハ上の垂直距離で、互いに最大２ミクロン離間
することがある。この離間では、非干渉モード動作原理
の顕微鏡であっても、或いは、ステッパ等露光装置であ
っても、通常の焦点深度を遥かに越える。この発明の好
適な実施の形態においては、先ずステージが移動して試
料上の測定観測点で、第１のＺレベルに合わせて焦点を
得て、この焦点下でシステムは本来の検査等測定を実施
する。測定完了後は第２の測定観測点で、第２のＺレベ
ルを得てその良好な焦点を得る。前記Ｚ方向の褶動速度
は調整作業を伴うので一般に遅い。しかし、この操作を
加速することが可能であり、その方法は、別にカメラを
設けて光路を追加することでありこれにより操作を加速
することが達成される。図５において１５１は、第２の
光路でありビームスプリッタ１５０、鏡１５２、レンズ
１５４及びカメラ１５６で構成される。カメラ１５６
は、サーボモーター１５７とそのドライブ機構１５８に
より移動される。重ね合わせ精度測定、即ち、オーバレ
イ測定にて、前記２層が介在し、従ってカメラの焦点値
は２つ存在する。しかし、その相対的離間値は当然各々
同じであり、全測定作業に亘ってその状態は保存される
ので、それは定数として作業ができる。従って、ステー
ジが或る測定作業を終えて次の測定点に移る時も、カメ
ラ１５６はカメラ１１０に対して相対的に一切動かす必
要は無い。

【００３５】カメラ１５６とカメラ１１０を機械的に合
わせ込み、２つの独立したコマをピクセルレベルで完全
に合同にすることは困難であると考えられる。しかし、
２つのチャネルに見られる差異を図に表現して相互に較
正することは可能であり、かかる差異をコンピュータプ
ログラムにより矯正する手法が開示されている。これ
は、「デジタル図面プロセス法」、ローゼンフェルト
著、アカデミックプレスによる出版、１９８２年発行の
第２版の第１２ページから１５ページに記載されてい
る。

【００３６】［操作］先ず、手動モードを仮定し、検査
準備作業中にシャッタ１２５が光路９９を遮断するよう
に設定し、この光路を閉じ、その間顕微鏡１０３を稼働
させる時、オペレータにより、ウェハ内の特定の検査サ
ンプルを選び手動で焦点が合わされ、その画面（コマ）
内に測定点が決定される。次にオペレータにより、所定
のコマンドが入力され、コンピュータ１３６によってス
テージ１０１のＸ／Ｙ目盛りが読み出され、且つ測定点
の画像がメモリに保存される。又、オペレータにより、
表示装置１４６（図３及び図４参照）に示されている検
出器のダイオードと背景が重畳する画像を通し、検出器
アレイ１１８内の特定のダイオード群が選定される。こ
の時、上述のように、前記ダイオード群が焦点合わせを
行なう領域を覆う（重畳する）ようになる。同様にして
他の視野（コマ）に関し他の検査測定点を決定しその位
置座標が上述のようにメモリに保存される。次に、同一
コマ内で別に再び焦点区域が選ばれ、前述と同様に、オ
ペレータにより、表示装置１４６に出現する測定点の背
景画像に検出器アレイ１１８からそれと重なり合う特定
のダイオード群が選定される。この時、再び上述のよう
に、前記ダイオード群が焦点合わせを行なう領域を覆う
（重畳する）ようになる。

【００３７】このようにして準備段階（セットアップ）
が終了すると、自動的に本来の検査測定を実行すること
ができる。シャッター１２５により、光路９９が通過す
るように、これが開かれる。コンピュータからの指令で
最初のウェハがステージ１０１上に載せられる。先ず、
ステージ１０１を駆動してメモリに保存された測定点の
Ｘ／Ｙ座標点に移動し、測定点を光軸と合致させる。

【００３８】次に、ステージが測定点のＸ／Ｙ座標点に
移動し、測定点が光軸と合致したなら、システムは焦点
合わせ作業を行う。その処理では、予め検出器アレイ１
１８から選定され一部背景画像に重ね合わせられたダイ
オード群、即ち前述のフォトセンサからの出力を用い
る。特に焦点合わせを実施する区域（以下「焦点区域」
と呼ぶ）は、そこで、フォトダイオードの出力を基礎に
計算されたコヒーレンス測定値が最大の時、焦点が「合
致」の状態と判断する。「ダイオードの出力を基礎に計
算されたコヒーレンス測定値」の最も簡単な計算法は、
ダイオードの出力をそのほぼ等しいコヒーレンス測定値
とすればよい。ここに焦点が「合致」とはこれ以上焦点
合わせが改善しない最高の焦点状態を示すと仮定する。
つまり重ね合わせられたダイオード群、即ちフォトセン
サからの出力から計算されるコヒーレンス値は、上述の
準備段階で得られたコヒーレンス値とほぼ一致する。も
し焦点区域における焦点が合っていない時は、測定点は
即ち目標物は光軸上にあってそれは画像の中央に位置す
る。前述では、計算法に関して「ダイオードの出力をそ
のほぼ等しいコヒーレンス測定値とすればよい」とした
が、目標物に関する詳細な「コンピュータに依る計算方
法」については、米国特許第４，８１８，１１０号、及
び米国特許第５，１１２，１１９号に詳しく記載されて
いる。

【００３９】殆どの場合、前記焦点合わせは、容易に実
行できる。しかし、ステージがＸ／Ｙ位置測定における
検出の誤りにより、正しい測定点に到達していない場合
もある。従って、上述の如くコマを通してウェハ上の構
造物の位置を指定しても、検出の誤りがあればその結果
は不正確と考えられる。この場合、位置の不正確さによ
り、焦点を合わせることは不可能になる。

【００４０】前記問題にも関わらず焦点区域を精度良く
求めてそれに光軸を合わせるには、ステージが螺旋形に
動く探索運動を行なうようにして、一度正規の位置に到
達したら直ちに停止し焦点を合致させる作業に入るよう
に自動化すると良い。一度このような処理が完了した
ら、システムは、画面即ちそのコマの中で測定の目標物
を検索する。殆どの場合、前記測定の目標物は、光軸の
近傍にあるので残った作業はオフセット分（差分）のＸ
／Ｙ座標を参考画像と相関させ且つ比較し更に或種の演
算をして、位置座標の最終決定値とすればよい。勿論、
参考画像は上述した準備段階でカメラが捉えた画像を用
いる。これによって、直ちにステージは、正しい位置に
移動する。相関且つ比較及び演算をして位置を得るの
に、余りに遠隔の位置に目標物がある時、ステージが上
述の螺旋形の探索運動を行なうようにして正規の位置に
到達するように行うこともできる。発明者等の実験で
は、全ゆる場合に螺旋探索運動は適用できる。装置が目
標物を見失い焦点合致作業を無駄に繰返す場合が起こり
得る。この場合では、表面のトポロジーが前例と全く異
なるような場合に限定される。又、測定目標物が光軸
（画像の中心）に対して、その合せ込みが完了すると、
コンピュータにより適当な画像をを取り出す処理が行わ
れる。その間の詳細処理は、米国特許第４，８１８，１
１０及び米国特許第５，１１２，１２９号に記載されて
いる。

【００４１】前述したように、相当に複雑（異常）な表
面トポロジーを測定する場合がある。そのような場合、
光のコヒーレンス性を使う前記の手法は、焦点合致かど
うかの判断に際し多分に、最良の方法ではなくなると考
えられる。しかし、このような場合であっても、この発
明は「オフセットプロセス」と称する手法を使うことに
より問題を解決することができる。上述の様に準備段階
では、複雑な表面トポロジーを避けて「適当に平らな場
所」を選択して焦点合致を達成することが必要である。
そして、準備段階にてサンプル上で実際の測定位置と
「適当に平らな場所」を求めてその相対的な高度差を求
める。次に、自動測定プロセスに進みシステムは先ず平
らな場所にて焦点合致を実現し、次に真の測定点に移っ
て予め求めた高度差の分に相当する距離だけ顕微鏡のＺ
軸値を調整する。

【００４２】ここで、本願の別の（第２）方法を述べ
る。検査測定のための画像を得ることと、焦点合致作業
のための画像を得ることとは共にカメラ１１０を共通し
て用いると良い。この第２の方法では、オペレータはコ
ンピュータ内に蓄えておいた画像を観察し、マウス等を
用いて焦点合致を行なう焦点領域を決めることができ
る。この後、定められた焦点領域のピクセルだけに関す
るコヒーレンス関数をシステムを用いて計算する。これ
を履行する時は、ビームスプリッタ１１４、レンズ１２
０とダイオードアレイ１１８は省いても良い。ここで述
べた第２法は「高速」カメラを必要とする。「高速」カ
メラとは、３０Ｈｚより格段に高速でコマ送りが可能な
カメラを示す。このような「高速」カメラを使わないと
焦点合致に要する時間は増大する。

【００４３】前記の記述で、コヒーレンス顕微鏡を用い
て、合致する焦点を検出する方法を例証した。この発明
は主にリニック干渉原理に関わり、更に、米国特許４,
８１８, １１０号と米国特許第４, ８８５, ５８３号に
詳述されている、あらゆる型の干渉顕微鏡やとその利用
技術と共に使用することもできる。

【００４４】しかもこの発明は構成を若干変更すること
によって干渉原理に依存しない普通顕微鏡としても使う
ことが可能である。特に、この基本的方法を用いれば普
通顕微鏡としてシステム１０３を機能させることが容易
で、それはシャッタ１２５を閉じるだけで良い。そのよ
うな場合、コヒーレンス値の代わりにコントラストを最
大にするべくＺ値を調整する。この時オペレータは、先
ず、目標物の明るい面（高輝度反射面）を観察する第１
のダイオードのグループを指定し、次に目標物暗い面
（低輝度反射面）を観察する第２のダイオードのグルー
プを指定する。第１のダイオードのグループからの信号
をＳmax 、第２のダイオードのグループからの信号をＳ
min とする。これらの信号は、各ダイオードの暗い画面
でのレベルの出力と比較する形で測定される。よって、
コントラストＣは以下の数式の如く定義する。

【００４５】 Ｃ ＝ （Ｓmax −Ｓmin ）／（Ｓmax+Ｓmin ） アッセンブリ１２６を縦方向にドライブしてこのコント
ラスト値を最大にする所で焦点合致が実現される。

【００４６】この発明によるシステムは、ＣＣＤを用い
て表面のプロファイルを検出し表示する原理であるバラ
サブラマニアン法、バラサブラマニアンによって開示さ
れた装置とは異なるものであることは明確である。バラ
サブラマニアンによる方法と装置では、表面のプロファ
イルに関し、テスト物体表面の全面を必要とするため
に、複数ある全ての開口部（即ち、全センサ）が使わ
れ、これによって、測定が完了したことが確認される。
バラサブラマニアンによる装置は、テスト物体表面にお
いて存在する極地的な高さの異常点全てを探し出して測
定する意図がある点が、この発明とは明かな相違点であ
る。これら異常点をダイオード検出器アレイにて測定し
テスト物体表面の正確な特徴を検出し、そのレプリカを
作製することを、バラサブラマニアンによる装置では重
要としている。

【００４７】対照的に、この発明は２次的な光学システ
ムとしてダイオードアレイを自動焦点の合せ込みに使
う。そして別に主たる光学システムを設け、それはウェ
ハの表面画像の特性検査等に専用に用いる。このため、
この発明の場合、ウェハ上で焦点合わせのためだけの或
る一定の高さを保っている平坦な「焦点領域」のみを選
び出すことでよい。従って、ダイオードアレイがたとえ
画面全体を覆う場合でも、全てのダイオードを用いずに
一部のみを指定して用いれば良い。この発明の装置と方
法では、焦点領域から遠かったり高度が違っていて、そ
のために焦点距離が違っているような領域は無視するこ
とができるので種々異常を有して取り扱いに困難を生ず
るウェハでも容易に測定が可能となる。

【００４８】［焦点領域の自動的指定］セットアップと
称する準備操作は、自動的に検査領域に対応するダイオ
ード群を選択することで高速に実行できる。従って、自
動的に検査領域を確定する方法を以下に説明する。

【００４９】この発明のシステムでは、元々いくつかの
ダイオードは、焦点設定に適当な領域を既に覆ってい
る。目的は、全ての必要なダイオードを指定することに
あり、この時にウェハ上での局所的な高度異常に影響さ
れないようにする必要がある。

【００５０】アッセンブリ１２６が垂直に褶動してＺ値
の最適値を探す一方、ダイオードアレイ１１８の出力波
形或いは出力搬送波はその動きに連動して図６に示す如
く変化する。同図で波形（ａ）は焦点合わせ込みに適し
た典型的な例である。この波形は良好なＳ／Ｎ比を有し
点座標値２００でＳ／Ｎ比は最大値となり、又雑音領域
２０２のｒｍｓ(Root Mean Square)値は充分小さい。対
照的に述べると、波形（ｅ）は全く最大値を有しないた
め、不適切である。波形出力（ａ），（ｂ），（ｃ）及
び（ｄ）は良好なＳ／Ｎ比を有していて、ダイオードア
レイ１１８の中のこれに該当するダイオードが良い波形
を出力しているのが解かるのでこれ等のダイオードを選
択するのがよい。

【００５１】しかしながら変調搬送波（ｃ）はそのピー
クのＺ座標値が、明らかに（ａ），（ｂ），（ｄ）異な
る。この様に、波形（ａ），（ｂ），（ｄ）を発生させ
ているダイオードと波形（ｃ）を発生させているダイオ
ードが覆う領域が互いに一貫性の欠如を示している。従
って、波形（ａ），（ｂ），（ｄ）を発生させているダ
イオードと波形（ｃ）を発生させているダイオードとを
混合して使用しても良好な結果はえられない。従って、
波形（ｃ）を発生させるダイオードを選択するのは適切
ではない。

【００５２】包絡曲線（ａ），（ｂ）は互いに、同じＺ
値でピークを形成しているが位相は１８０度ずれてい
る。これは、ウェハに層が２層あって検出器の一方は、
例えばレジストのような表面の透明層に反応しているこ
とを示唆している。ここで波形（ａ）と（ｂ）とを加算
する場合、互いに位相のキャンセル（打ち消し）が起り
結果は平坦曲線となり最適値を検出することができな
い。一方、包絡曲線（ｂ）と（ｄ）は同一点にてピーク
を有し位相も合っている。従って、これ等２つのの波形
は、加算することができる。前に述べた検出器の選択に
おいてその処理をソフトウェアに組み込み、コンピュー
タ１３６を用いて前記処理を実行することが可能であ
る。よって、自動的に検出器を指定するという処理の流
れを図７に示す。

【００５３】図７の２０４で示したのは、Ｚ方向にカメ
ラを褶動して対象物を観察し、その観察点で発生する波
形を各収集器が集める処理である。特にシステムはＺ軸
上で掃引動作を行ないステージに対しカメラが遠近動作
をする様子をダイオードの出力波形で測定することがで
きる。それ等の典型的波形は、前記図６に示した。

【００５４】２０６に示した次のステップは、各波形の
Ｓ／Ｎ比を既知の技術で以て決定する処理である。

【００５５】次に２０８と２１０の各ステップに進み、
波形のＳ／Ｎ比が１００を越えるものがあるか否かを判
定する。もし、そのような波形が存在するなら、その波
形を確保し保存し他の全て（１００以下のＳ／Ｎ比を有
する波形）を取り除く。しかし、１００以上の波形が無
い時は１０以上の波形を探して確保し保存する。

【００５６】残りの波形については、ステップ２１２に
示したが、多数のピークを有するような波形を排除す
る。これ等の処理の結果、単一ピークの波形のセットの
みを有効なデータが残される。

【００５７】ステップ２１４は、単一ピークの複数の波
形のセットがあって、そのピークのＺ値が互いに近接し
ており、それぞれ４ミクロン以内にあるものだけを集め
てグループとして取り扱かわれる、このようなグループ
が複数形成する処理である。

【００５８】次のステップ２１６では、波形の各々のグ
ループ内で位相ズレが大きくて他の全ての波形の位相の
平均値から（π／４）ラジアン以上ズレている波形が全
て削除される。もし位相に依る分類がサブグループを派
生して１つ以上になってしまった場合は、Ｓ／Ｎ比に注
目してそれが最大のサブグループを選べば良い。ステッ
プ２１６の結果、選択された波形のグループが残り、そ
れを構成する波形はいずれもその位相が（π／４）ラジ
アン以上にはズレていない状態にある。

【００５９】次に２１８では、一グループ内の全ての波
形の加算を行なって結果として波形の代数和を得る。そ
こで、その代数和が構成する波形のＳ／Ｎ比に注目して
それを計算する。一方、Ｓ／Ｎ比を最大にする波形に対
応する複数のダイオードの組合わせを探す。

【００６０】オプションである双筒カメラでは、サンプ
ル上で同じＸ／Ｙ座標値で高さの互いに異なる２層を測
定することが可能で、主カメラ１１０は、ダイオードア
レイに焦点が結ぶ如く調整してあり、その上で第１の層
に焦点を合わせるべくセットアップ時にアッセンブリ１
２６を適当に動かして調整することができる。この場
合、更にセットアップを続けて、先の調整済みのアッセ
ンブリ１２６は固定し、第２のカメラ１５６を第２の層
に焦点を合わせるべく前記カメラアッセンブリ１５６
を、Ｚ軸に沿って適当に動かして調整することができ
る。よってセットアップ時に、２つのカメラの２つの相
対的な関係を持つ焦点値を組み入れてサンプルの別々の
２層に各々対応させることができるわけであり、この段
階で大量自動測定の準備が完了する。本来の自動測定時
は、全ての領域で前記２層は決まった一定の高度差を有
すると考えられる。従って、垂直方向にアッセンブリ１
２６をドライブして主カメラの焦点合致が得られること
は自動的に同一場所では第２カメラの焦点が合致してい
ることを保証する。必要な場合には、２つのカメラの倍
率をそれぞれ変えて見ても良い。このことを実現するに
は、レンズ１５４と１１６とをそれぞれ異なった２つの
焦点距離を持つ様に設計をすれば良い。

【００６１】この発明がリンニックテクノロジーを使う
一方で、同じ原則が他のどんな干渉系を使用する技術に
も応用可能である。ここでは例えばノマルスキー或いは
ミラウ顕微鏡の例を挙げる。この発明は好ましい実施の
形態とその若干の変形例について述べたが、関連技術に
精通している者がこれ等の変形を考え又その加工をする
ことはこの明細書を参照することにより容易にできると
考える。従って、上述の特許請求範囲は、この発明の変
形や加工した案の全てを含むものであることは当然と云
える。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、半導体ＶＬＳＩウェハの一領域を高解像度顕微鏡に
て測定観察し基礎データを得て、しかる後にウェハの他
の領域に光軸を移して自動的に先のデータを基に焦点を
合わせることができる。又、この発明によれば、新たに
第２の光路が設けられ、ウェハの２つの異なる層（上層
と下層）に焦点を合わせることが同時にできる。又、こ
の発明によれば、振動による影響が低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明における実施の形態に係るＰＩＮ検波
ダイオードアレイを有するコヒーレンス光顕微鏡システ
ムの構成を示す図。

【図２】この発明における、前記図１に示されるＰＩＮ
検波ダイオードアレイの表面における光感度領域を構造
的に表す図。

【図３】この発明における、ＰＩＮ検波ダイオードアレ
イと前記図１に示される制御コンピュータとの接続状態
の一例を示すブロック図。

【図４】この発明における、ＰＩＮ検波ダイオードアレ
イと前記図１に示される制御コンピュータとの接続状態
の別の例を明示する原理図。

【図５】この発明における、コヒーレント光顕微鏡で第
２の光学チャネルを有する双筒カメラの変形例を示す
図。

【図６】この発明の実施の形態におけるＰＩＮ検波ダイ
オードアレイからの出力波形を示す図。

【図７】この発明における、焦点探索処理においてＰＩ
Ｎ検波ダイオードアレイの中のどのダイオードを適用す
るか判定する処理順序を表すフローチャート。

【符号の説明】 １００…試料、１０１…Ｘ／Ｙステージ、１０２…主光
軸、１０３…システム、１０４…光源、１０６、１１４
…ビームスプリッタ、１０８…対物レンズ、１１０…カ
メラ、１１１…通信線、１１５、１４３…伝送線、１１
８…ダイオード検出器、１２５…シャッタ、１２６…カ
メラ・アッセンブリ、１３６…コンピュータ、１３８…
インターフェイス制御装置、１４０…出力ドライバ、１
４２…Ａ／Ｄ（アナログ・デジタル）コンバータ、１４
３…マルチプレクサ、１４４…ビデオＡ／Ｄ（アナログ
・デジタル）変換ユニット、１４６…表示装置、１５６
…カメラ、１５７…サーボモータ、２００…Ｚ軸上の点
座標値、２０２…雑音。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｂ 21/36 Ｇ０３Ｂ 13/36 (72)発明者 マイケル・フェイルマン イスラエル国、キルヤット・ヤム・エーダ ッシュ 29000、ロバート・ソルド・スト リート 30／25 (72)発明者 イェフダ・エリシャ イスラエル国、クファー・フラディム 24960、ピーオービー 38ビー、ヤーラ・ ストリート ４ (72)発明者 シモン・コスティアノフスキー イスラエル国、ハイファ 34406、シュロ ムツィオン・ハマルカ・ストリート ６ ／３ (72)発明者 ヨーラム・ウジエル イスラエル国、ディー・エヌ・ミスガフ 20180、ヨドファット（番地なし) (72)発明者 ジョエル・エル・セリグソン イスラエル国、ディー・エヌ・ミスガフ 20184、マノフ（番地なし) (72)発明者 ヨーラム・ハンフリング イスラエル国、パルデス・ハンナ 38000、 ベイト・シュガー（番地なし)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検査測定するべき対象画像の範囲を検査
   領域と定める工程と、 定められた検査領域内にて顕微鏡を光軸に沿って移動さ
   せつつ複数の小領域の画像強度を測定する工程と、 この測定された画像強度を評価する工程と、 前記小領域毎に最大の信号対雑音比が得られる光軸上の
   共通の最適位置と対応する小領域を選出する工程と、 前記検査領域にて本来の検査測定を行なう時に必要な焦
   点合わせには、前記選出された小領域からの反射光のみ
   を用いる工程とを具備することを特徴とする顕微鏡の自
   動焦点合わせ方法。
2. 【請求項２】 光軸に沿って顕微鏡を移動する手段と、 定められた対象面内における検査領域の中の複数の小領
   域を検査し、その検査結果である画像の強度の関数であ
   る出力信号を生成する光学手段と、 前記出力信号を評価し、信号対雑音比が最大となる最適
   信号と光軸上の共通な最適点を選出する手段と、 前記選出された信号を保存し、検査の際、前記最適小領
   域からの反射光のみを用いて最良焦点を見出す段とを具
   備することを特徴とする自動焦点式高分解能顕微鏡装
   置。