JPH09201689A - 焦点位置検出装置及びそれを用いるレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構造で、合焦位置から大きくずれてい
るとき、どちら方向にずれているかを容易に判別するこ
とができる焦点位置検出装置を提供する。 【解決手段】 Ｚステージ２９上に載置された試料２７
に対して、対物レンズ３５の光軸に対して傾斜した方向
から照明光学系２２〜２６により、スリット像を投影す
る。試料２７で反射したスリット像は、結像光学系３０
によって２分割光検出器３４上に結像される。信号処理
装置３６は、２分割光検出器の２つの出力信号Ａ，Ｂか
ら演算（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を行い、Ｚステージ駆動
のためのサーボ信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学系の焦点位置
に試料を設定するための焦点位置検出装置及びそれを用
いたレーザ加工装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工装置、半導体ウエハ用レーザ
リペア装置、半導体露光装置等においては、装置光学系
の焦点位置にウエハ等の試料の表面を正確に一致させる
ことが必要であり、そのために焦点位置検出装置が用い
られる。図１は、半導体ウエハ用レーザリペア装置等に
用いられている従来の焦点位置検出装置の概略図であ
る。加工対象物であるウエハ６は、加工光軸方向に対し
て垂直な方向（ＸＹ方向）に移動可能なＸＹステージ
７、及び加工軸方向に上下動可能なＺステージ８上に載
置されている。加工用レーザ光は加工対物レンズ１６を
介してウエハ６の所要箇所に集光して照射される。

【０００３】焦点位置検出装置は、ウエハ６の表面に斜
め方向からスリット像を投受光する斜入射方式の焦点位
置検出系を備える。照明光源１から発せられた光は、コ
ンデンサレンズ２によって適当な大きさに集光され、送
光側スリット板３を均一に照明する。送光側スリット板
３に設けられたスリットによって断面矩形状のビームに
整形された照明光は、反射ミラー４及び送光側対物レン
ズ５を介して、ウエハ６と加工対物レンズ１６の光軸と
が交差する位置の近傍に入射角θで照射される。ウエハ
６上には、送光側対物レンズ５によって縮小された送光
側スリット板３のスリット像が形成される。

【０００４】ウエハ６上で正反射された光は、受光側対
物レンズ９を通り、反射ミラー１０，１１で光路を折り
曲げられて振動ミラー１２に入射する。振動ミラー１２
は周波数ｆで中心軸の回りに微小に振動している。振動
ミラー１２で反射された光は、受光側スリット板１３に
設けられたスリットを通り、集光レンズ１４によって光
検出器１５上に集光される。受光側対物レンズ９は、送
光側対物レンズ５で縮小された送光側スリット板３のス
リット像を再び拡大して受光側スリット板１３の位置に
結像させる。受光側対物レンズ９と振動ミラー１２との
間には、焦点検出位置にオフセットをかけるためのハー
ビングガラス１７が配置されている。ハービングガラス
１７は、オフセット設定用のハービング駆動機構１８に
よって光軸に対する傾斜角度が調整され、光軸を所定量
だけ変位させる。

【０００５】光検出器１５の出力信号は同期検波回路２
０に入力され、振動ミラー１２の駆動信号と同位相の交
流信号を用いて同期検波される。基本周波数における同
期検波回路２０の同期検波出力信号はＳ字サーボ信号と
呼ばれ、受光用スリット板１３のスリット中心とウエハ
６からの反射スリット像の振動中心とが一致したときゼ
ロレベルとなり、ウエハ６がその状態から上方に変位し
ているときは正のレベル、ウエハ６が下方に変位してい
るときは負のレベルになる。したがって、Ｓ字サーボ信
号がゼロレベルになるウエハ６の高さ位置が合焦位置と
して検出される。

【０００６】次に、図１の焦点位置検出装置による焦点
位置検出の原理について簡単に説明する。図２は、振動
ミラー１２で反射されて受光側スリット板１３のスリッ
ト上を走査する反射スリット像の走査状態と、そのとき
光検出器１５から得られる検出信号Ｓ１を模式的に表し
た説明図である。図の左側に描かれた正弦波３ａは受光
側スリット板１３上を振動走査する反射スリット像の中
心の軌跡を表す。横軸は時間である。反射スリット像
は、破線で示される位置３ｂを振動中心として振動す
る。反射スリット像の中心の軌跡と共に描かれている矩
形１３ａは受光側スリット板１３に設けられた受光スリ
ットの位置を概念的に表す。

【０００７】図２の（ａ）〜（ｉ）は、反射スリット像
の振動中心が受光側スリット板１３に設けられた受光ス
リット１３ａに対して図の上方から下方に少しずつ変位
した状態を示す。（ａ）は反射スリット像の振動中心３
ｂが受光スリット１３ａから大きく離れ、受光スリット
１３ａに全く重なることなく振動走査している状態を表
す。（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、（ａ）の状態から振動
中心３ｂが次第に受光スリット１３ａに近づいた状態を
表し、（ｅ）は反射スリット像の振動中心３ｂが受光ス
リット１３ａの中心に一致した状態を表す。（ｆ），
（ｇ），（ｈ）は、（ｅ）の状態を通り過ぎて反射スリ
ット像の振動中心３ｂが受光スリット１３ａから次第に
離れた状態を表し、（ｉ）は反射スリット像の振動中心
３ｂが受光スリット１３ａから大きく離れ、受光スリッ
ト１３ａに全く重なることなく振動走査している状態を
表す。

【０００８】（ａ）では、光検出器１５に光が入射しな
いので検出信号Ｓ１は発生されない。反射スリット像の
振動中心３ｂが受光スリット１３ａの中心に近づくにつ
れて、光検出器１５の検出信号Ｓ１に振動光の基本周波
成分が現れる〔（ｂ），（ｃ）〕。反射スリット像の振
動中心３ｂが更に受光スリット１３ａに近づくと、基本
周波成分に混じって倍周波成分が現れる（ｄ）。振動中
心３ｂが受光スリット１３ａの中心と完全に一致したと
き、基本周波成分はゼロになり、倍周波成分のみが検出
される（ｅ）。反射スリット像の振動中心３ｂが受光ス
リット１３ａから離れるにつれ、再び倍周波成分に混じ
って基本周波成分が現れる（ｆ）。さらに離れると、基
本周波成分のみとなる〔（ｇ），（ｈ）〕。それ以上離
れると、ついには信号が全く現れなくなる（ｉ）。
（ｂ）の状態と（ｈ）の状態では検出信号Ｓ１の位相が
１８０°ずれている。同様に、（ｃ）と（ｇ）、（ｄ）
と（ｆ）では検出信号Ｓ１の位相が１８０°ずれる。

【０００９】このようにして得られた検出信号Ｓ１を、
同期検波回路２０によって振動ミラー１２の駆動信号と
同位相の交流信号を用いて同期検波する。図３は同期検
波回路２０の出力信号を縦軸にとり、反射スリット像３
ａの振動中心位置を横軸にとって示したものである。図
３（ａ）は基本周波成分（Ｓ字サーボ信号）の信号強度
を示し、図３（ｂ）は倍周波成分の信号強度を示す。

【００１０】倍周波成分の信号強度を見ると、図３
（ｂ）のごとく、受光スリット１３ａの中心位置をピー
クとする疑似放物線形状となる。また、基本周波成分の
強度を見ると、図３（ａ）のごとく、受光スリット１３
ａの中心位置（合焦位置）で０、その近傍で擬似的にリ
ニアな曲線となる。したがって、最初に倍周波成分強度
をモニタし、それが閾値ＴＨに達したところで基本周波
成分強度のモニタに切り換える。そして基本周波成分強
度をモニタしながらウエハ６を載置したＺステージを上
下動させ、０点に追い込む操作を行うことにより、焦点
位置検出（焦点位置合わせ）が行われる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、振動ミ
ラーにより反射スリット像を振動させ、それを受光スリ
ットを介して光検出器で検出する従来の焦点位置検出装
置では、光ビームの折り曲げ回数が増え、ミラーを多く
必要とするため、装置構成が複雑になる。また、焦点位
置検出に利用される基本周波曲線（Ｓ字サーボ信号）
は、そのリニアな部分の幅が狭く、信号にオフセットを
かけて合焦位置をずらすような操作が困難であった。そ
のため、受光側光路中に焦点位置オフセット用ハービン
グガラス１７を配置し、これにハービング駆動機構１８
を付加して使用する必要があり、装置構成が更に複雑に
なるという問題があった。

【００１２】さらに、Ｓ字サーボ信号のリニアな部分の
範囲が非常に狭いので、現在位置が合焦位置から大きく
ずれている場合、Ｚステージが焦点位置に対してどちら
の方向にずれているのかを判別することができない。そ
のため、Ｚステージのずれの方向検出のみの目的で、受
光側スリット板１３上に別のセンサを搭載する必要があ
った。本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて
なされたもので、構造が簡単であり、また合焦位置から
大きくずれているとき、どちら方向にずれているかを容
易に判別することができる焦点位置検出装置を提供する
ことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、振動ミラー
及び受光側スリット板を使用せず、代わりに反射スリッ
ト像の結像位置に分割光検出器を配置し、分割光検出器
の検出信号を演算処理してサーボ信号を発生することで
前記目的を達成する。分割光検出器は、典型的には２分
割光検出器とすることができる。すなわち、本発明によ
る焦点位置検出装置は、試料を載置して対物レンズの光
軸方向に駆動するステージと、光軸方向に対して傾斜し
た方向から試料を照明する照明光学系と、試料で反射し
た照明光を結像する結像光学系と、結像光学系のほぼ結
像位置に配置され、試料で反射した照明光を検出する分
割光検出器と、分割光検出器の少なくとも２つの出力信
号からサーボ信号を出力する出力手段と、サーボ信号に
基づいてステージの光軸方向への駆動を制御する制御手
段とを備えることを特徴とする。

【００１４】試料を照明する照明光は所定の形状に整形
されているのが好ましい。照明光の整形は、照明光学系
に配設されたスリットあるいはピンホールで行うことが
できる。あるいは光源の形を棒状あるいは円形とするこ
とで照明光の形状を所定形状とすることも可能である。
サーボ信号にオフセット信号を加算するための加算手段
を備えると、合焦位置を上下方向に容易にずらすことが
できる。前記焦点位置検出装置は、レーザリペア装置、
レーザ加工装置、半導体露光装置など、装置光学系の合
焦位置にウエハ等の試料や被加工物を正確に一致させる
ことが必要な全ての装置に適用可能である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図４は、本発明による焦点位置検
出装置の一例の概略図である。本発明による焦点位置検
出装置は、振動ミラー及び受光側スリット板を使用せ
ず、代わりに従来の焦点位置検出装置の受光側スリット
板の位置に２分割光検出器を配置する。

【００１６】ウエハ等の加工対象物２７は、対物レンズ
３５の光軸に対して垂直なＸＹ方向に移動可能なＸＹス
テージ２８、及び対物レンズ３５の光軸方向に上下動可
能なＺステージ２９上に載置されている。加工用レーザ
光あるいは露光パターンは、対物レンズ３５を介してウ
エハ２７の所要箇所に照射される。焦点位置検出装置
は、ウエハ２７の表面を対物レンズ３５の合焦位置に位
置合わせするために用いられる。

【００１７】照明光源２２から送光側対物レンズ２６ま
での光学系は、図１に示した従来例のものと同様であ
る。照明光源２２から発せられた光は、コンデンサレン
ズ２３によって適当な大きさに集光され、送光側スリッ
ト板２４を均一に照明する。送光側スリット板２４によ
って断面矩形状のビームに整形された照明光は、反射ミ
ラー２５及び送光側対物レンズ２６を介して入射角θで
ウエハ２７上に照射される。送光側スリット板２４のス
リット像は、送光側対物レンズ２６で縮小され、加工対
物レンズ３５の光軸がウエハ２７の表面と交差する位置
の近傍に結像される。

【００１８】ウエハ２７の表面で正反射されたスリット
像は、受光側対物レンズ３０を通って再び拡大され、反
射ミラー３１で光路を折り曲げられて、２分割光検出器
３４に入射する。ウエハ２７上のスリット結像位置と２
分割光検出器の受光面は受光側対物レンズに対して共役
な位置にあり、２分割光検出器３４上に反射スリット像
が形成される。２分割光検出器３４の信号出力は、信号
処理装置３６によって演算処理され、信号処理装置３６
から発生されるサーボ信号に基づいて焦点位置の検出が
行われる。また、サーボ信号は、Ｚステージ２９を駆動
する駆動手段の駆動信号とされる。

【００１９】次に、信号処理装置３６で行われる演算処
理について説明する。２分割光検出器３４を構成する一
方の光検出器３４ａの出力信号をＡ、他方の光検出器３
４ｂの出力信号をＢとする。信号処理装置３６では、２
つの光検出器の出力信号の差（Ａ−Ｂ）及び和（Ａ＋
Ｂ）を求め、その比（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）を演算す
る。演算結果はサーボ信号として出力される。

【００２０】図５は、横軸に２分割光検出器に対する反
射スリット像の位置をとり、縦軸に信号処理装置の出力
（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）をサーボ信号として示したもの
である。反射スリット像２４ａが２分割光検出器３４の
中心に結像するとき、すなわち図５中に略示した（ｂ）
のように、反射スリット像２４ａが２分割光検出器３４
の２つの光検出器３４ａ，３４ｂに等分に入射すると
き、出力信号Ａ及びＢは等しくなり、サーボ信号はゼロ
になる。また、（ａ）に略示するように、反射スリット
像２４ａが光検出器３４ｂに多く入射するときサーボ信
号は負になり、（ｃ）に略示するように、反射スリット
像２４ａが光検出器３４ａに多く入射するときサーボ信
号は正になる。

【００２１】したがって、予めウエハ２７の表面が加工
対物レンズ３５の合焦位置に位置するとき信号処理装置
３６から出力されるサーボ信号がゼロになるように、光
学系及び２分割光検出器の位置を設定しておけば、レー
ザ加工時にＺステージ２９を上下動させながらサーボ信
号をゼロに追い込むことにより、焦点位置検出（焦点位
置合わせ）を行うことができる。サーボ信号のリニアな
部分６０の幅、すなわちリニアな部分の傾斜の大きさは
反射スリット像の幅に依存し、送光側スリット板２４に
設けられたスリットの幅を大きくするとリニアな部分の
傾斜が緩やかなサーボ信号波形が得られ、スリットの幅
を狭くするとリニアな部分の傾斜が急なサーボ信号波形
が得られる。したがって、送光側スリット板２４のスリ
ット幅を変えてサーボ信号のリニアな部分６０の傾斜を
調整することにより、焦点位置検出の応答性や精度を調
整することができる。

【００２２】また、図１に示した従来の焦点位置検出装
置では、前述のように、Ｓ字サーボ信号のリニアな部分
の範囲が非常に狭いので、現在位置と合焦位置が大きく
ずれている場合、Ｚステージが焦点位置に対してどちら
方向にずれているのかを判別することができない。これ
に対して、本発明の焦点位置検出装置によると、現在位
置と合焦位置が大きくずれていても２分割光検出器３４
を構成する光検出器３４ａ，３４ｂのいずれか一方に反
射スリット像が入射していると、どちらの光検出器に入
射しているかに応じて符号の異なる一定強度のサーボ信
号６１，６２が得られる。Ｚステージの位置によらずに
一定強度のサーボ信号６１，６２が得られる範囲は、反
射スリット像移動方向に沿った光検出器３４ａ，３４ｂ
の寸法に依存する。したがって、反射スリット像の移動
方向にある程度の大きさを有する２分割光検出器を用い
ると、サーボ信号の正負を判別することにより合焦位置
に対するＺステージの現在位置のずれ方向を検出するこ
とができる。

【００２３】さらに、オフセット入力手段３８を用いて
信号処理回路３６における演算結果（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋
Ｂ）にオフセット値を加算あるいは減算することによ
り、サーボ信号のリニアな部分６０にオフセットをかけ
て、ウエハ２７上の焦点位置を任意にずらす操作を容易
に行うことができる。

【００２４】図６は、前記した焦点位置検出装置を半導
体ウエハ用レーザリペア装置の自動焦点位置検出機構と
して使用した例を示す。レーザリペア装置は、ＩＣ製造
の後工程で導通テストの結果不良品と判定されたウエハ
上のＩＣチップに対して、ＩＣチップ上に予め設けられ
ている冗長回路切り換え用ヒューズをレーザ光で切断す
ることにより、冗長回路に切り換え、良品化するための
加工装置である。

【００２５】レーザリペア装置が使用されるのは、半導
体製造プロセスの後工程である。この段階では、ウエハ
は数μｍから数十μｍレベルの厚い透明保護膜に覆われ
ており、焦点位置検出は透明保護膜の部分で行われるた
め、膜厚分の屈折率の違いによって合焦位置がヒューズ
の上方にずれて設定されてしまう。これを補正し、正し
い焦点位置にするために、フォーカスオフセットをかけ
る必要がある。オフセット量は、テスト用のウエハを用
いて実験によって予め決定される。

【００２６】レーザ光源４１から発せられた加工用レー
ザ光は、ビーム強度制御及びビーム整形光学系４２を通
り、対物レンズ４３からステージ上に載置された加工対
象ウエハ４６上の冗長回路切り換え用ヒューズ４７に照
射される。加工対象ウエハ４６は、加工軸方向に対して
垂直方向（ＸＹ方向）に移動可能なＸＹステージ４４、
及び加工軸方向に上下動可能なＺステージ４５上に載置
されている。加工対象ウエハ４６は、厚さ数μｍ〜数十
μｍの透明保護膜４８に覆われている。

【００２７】焦点位置検出装置４９は照明光源５０、送
光側スリット５２、送光側対物レンズ５４、受光側対物
レンズ５５、２分割光検出器５９を含んで構成され、Ｚ
ステージ４５を上下動させながらヒューズ４７の位置に
対物レンズ４３の合焦位置を一致させるために使用され
る。照明光源５０から発せられた光はコンデンサレンズ
５１によって適当な大きさに集光され、送光側スリット
板５２によって断面が矩形状のビームに整形される。続
いて反射ミラー５３で反射され、送光側対物レンズ５４
によって図中の角度θなる方向から加工対象ウエハ４６
上に縮小して結像される。加工対象ウエハ４６で角度θ
方向に正反射された反射スリット像は、受光側対物レン
ズ５５を通って再び拡大され、反射ミラー５６で反射し
て２分割光検出器５９に導かれる。２分割光検出器５９
はウエハ４６上のスリット像結像位置を共役な位置にあ
り、２分割光検出器５９上に反射スリット像が結像され
る。

【００２８】２分割光検出器５９の信号出力は信号処理
装置６０によって演算処理され、信号処理回路６０から
生成されるサーボ信号を駆動手段６１に入力してＺステ
ージ４５を上下方向に駆動することによって、焦点位置
検出が行われる。現在位置が、対物レンズ４３の合焦位
置に対して大きくずれているとき、サーボ信号の平坦な
部分の出力の正負を見ることにより、現在位置を判定す
ることができる。また、厚い保護膜４８の屈折率の影響
で、加工対象ウエハ４６の正しい焦点位置を検出できな
いときは、サーボ信号にフォーカスオフセットをかけて
見かけの焦点位置をずらす操作を行う。送光側スリット
板５２は、代わりにピンホール板を用いてもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、現在位置が合焦位置か
ら大きくずれているときどちら方向にずれているかを容
易に判別することができ、オフセット機構の構成が簡単
な、単純で安価な構造の斜入射光型焦点位置検出装置を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の焦点位置検出装置の概略図。

【図２】反射スリット像の走査状態と検出信号とを模式
的に示した説明図。

【図３】（ａ）は同期検波回路の基本周波成分、（ｂ）
は倍周波成分を示す図。

【図４】本発明による焦点位置検出装置の概略図。

【図５】本発明の焦点位置検出装置によるサーボ信号の
説明図。

【図６】焦点位置検出装置を組み込んだレーザリペア装
置の概略図。

【符号の説明】

１，２２，５０…照明光源 ２，２３，５１…コンデンサレンズ ３，２４，５２…送光側スリット板 ３ａ…反射スリット像 ４，１０，１１，２５，３１，５３，５６…反射ミラー ５，２６，５４…送光側対物レンズ ９，３０，５５…受光側対物レンズ ６，２７…加工対象物 ７，２８，４４…ＸＹステージ ８，２９，４５…Ｚステージ １２…振動ミラー １３，３２，５７…受光側スリット板 １３ａ…受光スリット １４…集光レンズ １５…光検出器 １６，３５，４３…加工対物レンズ １７…ハービングガラス １８…ハービングガラス駆動機構 ２０…同期検波回路 ４９…自動焦点位置検出装置本体 ３４，５７…２分割光検出器 ３６，５８…信号処理装置 ３８…オフセット入力手段 ４１…加工用レーザ光源 ４２…ビーム強度制御／整形光学系 ４６…加工対象ウエハ ４７…ヒューズ ４８…透明保護膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を載置して対物レンズの光軸方向に
   駆動するステージと、前記光軸方向に対して傾斜した方
   向から前記試料を照明する照明光学系と、前記試料で反
   射した照明光を結像する結像光学系と、前記結像光学系
   のほぼ結像位置に配置され、前記試料で反射した照明光
   を検出する分割光検出器と、前記分割光検出器の少なく
   とも２つの出力信号からサーボ信号を出力する出力手段
   と、前記サーボ信号に基づいて前記ステージの前記光軸
   方向への駆動を制御する制御手段とを備えることを特徴
   とする焦点位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記照明光学系には、前記照明光を所定
   の形状にするスリット又はピンホールが配設されている
   ことを特徴とする請求項１記載の焦点位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記サーボ信号にオフセット信号を加算
   するための加算手段を備えることを特徴とする請求項１
   又は２記載の焦点位置検出装置。
4. 【請求項４】 レーザ光源からのレーザ光束を対物レン
   ズを介して試料に照射するためのレーザ光学系と、前記
   試料を載置して前記対物レンズの光軸方向に駆動するス
   テージ手段と、前記レーザ光束が照射される試料部分の
   焦点を検出する焦点位置検出手段とを有し、前記試料に
   レーザ加工を行うレーザ加工装置において、 前記焦点位置検出手段として請求項１、２又は３に記載
   の焦点位置検出装置を用いることを特徴とするレーザ加
   工装置。