JPH10239014A - 焦点検出装置及び検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、機械振動や空気の擾乱などの影響を
受けずに検査系の焦点を正確に検出して、焦点位置を常
に安定して最適な状態に保つ。 【解決手段】レーザ光源１からのレーザ光で照明された
試料８からの像を結像光学系１２を通してＣＣＤライン
センサ１３に結像し、その画像信号に基づいて試料８の
検査を行う場合、試料８を照明するレーザ光の一部を検
出用レーザ光として光ファイバー３３により焦点検出投
光光学系３４に導き、ここで検出用光を平行光に変換
し、この検出用光を結像光学系１２内に配置されたハー
フミラー３５で反射して対物レンズ１０を通して試料８
に照射し、この試料８で反射した検出用レーザ光を結像
光学系１２により結像し、それをフォーカス用センサ３
６で受光し、その受光量が最も高くなるところを試料８
の像のピントの最も合ったところとして検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエ
ハを露光するためのフォトマスク等の試料の検査に際
し、この試料に対する焦点して維持するための焦点検出
装置及びこの焦点検出装置を用いて試料を検査する検査
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４はフォトマスク等の試料に対する検
査装置の構成図である。レーザ光源１から出力されるレ
ーザ光の光路上には、照明光学系２としての拡散板３及
び各光学レンズ４〜６が配置されている。なお、光学レ
ンズ４により各光源像７が形成される。

【０００３】この照明光学系２は、レーザ光源１から出
力されたレーザ光をフォトマスク等の試料８に照射す
る。この試料８は、試料ステージ９上に載置され、この
試料ステージ９の駆動によりレーザ光の光軸方向に対し
て垂直方向に移動するものとなっている。

【０００４】このようにレーザ光の照射された試料８の
像は、対物レンズ１０及び結像レンズ１１から成る結像
光学系１２によりＣＣＤラインセンサ１３上に結像す
る。なお、試料８を試料ステージ９の駆動し、試料８の
像がＣＣＤラインセンサ１３の各素子の並びと垂直な方
向に走査されるようにし、試料８に対する２次元の画像
を得る。

【０００５】画像処理装置１４は、ＣＣＤラインセンサ
１３により撮像された試料８の２次元画像データを処理
して試料８の検査を行う。このような検査装置でピント
の合った画像を得るために焦点検出が行われている。

【０００６】すなわち、レーザ光源２０が設けられ、こ
のレーザ光源２０から出力される検出用のレーザ光を結
像光学系１２内に配置されたミラー２１で反射し、対物
レンズ１０を通して試料８に照射する。

【０００７】この試料８で反射したレーザ光を、再び対
物レンズ１０、ミラー２１を通して戻し、ハーフミラー
２２で反射してセンサ２３に導く。そして、このセンサ
２３での受光量が最も高くなるところを画像のピントの
合ったところとして検出し、これに応じて結像光学系１
２やＣＣＤラインセンサ１３の位置を決めている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記焦
点検出系では、試料８に対する検査系と全く別の光学系
となっているため、例えば機械振動や空気の擾乱によ
り、検査系の焦点と焦点検出系の焦点位置とが別々に変
動を起こし、焦点検出系で得られた焦点情報により検査
系をオートフォーカスしても、ＣＣＤラインセンサ１３
で得られる２次元画像に焦点ぼけが生じる。

【０００９】そこで本発明は、機械振動や空気の擾乱な
どの影響を受けずに検査系の焦点を正確に検出して、焦
点位置を常に安定して最適な状態に保てる焦点検出装置
を提供することを目的とする。

【００１０】又、本発明は、機械振動や空気の擾乱など
の影響を受けずに検査系の焦点を正確に検出して、焦点
位置を常に安定して最適な状態に保って安定度の高い検
査ができる検査装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、照明
された試料からの光を結像光学系を通して所定位置に結
像するときの結像位置を検出する焦点検出装置におい
て、試料の照明光と同一波長の検出用光を結像光学系を
通して試料に照射する入射光学系と、所定位置に配置さ
れ、試料で反射して結像光学系により結像された検出用
光を受光するセンサと、このセンサの受光量が最も高く
なるところを試料像のピントの合ったところとして検出
する検出手段と、を備えた焦点検出装置である。

【００１２】このような焦点検出装置であれば、照明さ
れた試料からの光を結像光学系を通して所定位置に結像
するとき、試料の照明光と同一波長の検出用光を結像光
学系を通して試料に照射し、この試料で反射して結像光
学系により結像された検出用光をセンサで受光する。そ
して、このセンサの受光量が最も高くなるところを試料
像のピントの合ったところとして検出する。

【００１３】請求項２によれば、請求項１記載の焦点検
出装置において、入射光学系は、試料を照明する照明光
を検出用光として導く光ファイバーと、この光ファイバ
ーにより導かれた検出用光を平行光に変換する焦点検出
投光光学系と、結像光学系内に配置され、焦点検出投光
光学系により平行光に変換された検出用光を結像光学系
の対物レンズを通して試料に照射するハーフミラーと、
を有する。

【００１４】このような焦点検出装置であれば、試料を
照明する照明光を検出用光として光ファイバーにより焦
点検出投光光学系に導き、ここで検出用光を平行光に変
換し、この検出用光を結像光学系内に配置されたハーフ
ミラーで反射して結像光学系の対物レンズを通して試料
に照射する。そして、試料で反射した検出用光を結像光
学系により結像し、それをセンサで受光し、このセンサ
の受光量が最も高くなるところを試料像のピントの合っ
たところとして検出する。

【００１５】請求項３によれば、光源からの照明光を照
明光学系を通して試料に照射し、この試料を透過した試
料像を結像光学系を通して検査用センサに結像し、この
検査用センサの出力に基づいて試料の検査を行う検査装
置において、試料の照明光と同一波長の検出用光を結像
光学系を通して試料に照射する入射光学系と、検査用セ
ンサの近傍に配置され、試料で反射して結像光学系によ
り結像された検出用光を受光するフォーカス用センサ
と、このフォーカス用センサの受光量が最も高くなると
ころを試料像のピントの合ったところとして検出する検
出手段と、を備えた検査装置である。

【００１６】このような検査装置であれば、光源からの
照明光で照明された試料からの光を結像光学系を通して
検査用センサに結像し、この検査用センサの出力に基づ
いて試料の検査を行う場合、試料に対する照明光と同一
波長の検出用光を結像光学系を通して試料に照射し、こ
の試料で反射して結像光学系により結像された検出用光
をフォーカス用センサで受光する。そして、このフォー
カス用センサの受光量が最も高くなるところを試料像の
ピントの合ったところとして検出する。

【００１７】請求項４によれば、請求項３記載の検査装
置において、入射光学系は、光源からの照明光を検出用
光として導く光ファイバーと、この光ファイバーにより
導かれた検出用光を平行光に変換する焦点検出投光光学
系と、結像光学系内に配置され、焦点検出投光光学系に
より平行光に変換された検出用光を結像光学系の対物レ
ンズを通して試料に照射するハーフミラーと、を有す
る。

【００１８】このような検査装置であれば、光源からの
照明光で照明された試料からの光を結像光学系を通して
検査用センサに結像し、この検査用センサの出力に基づ
いて試料の検査を行う場合、試料を照明する照明光を検
出用光として光ファイバーにより焦点検出投光光学系に
導き、ここで検出用光を平行光に変換し、この検出用光
を結像光学系内に配置されたハーフミラーで反射して結
像光学系の対物レンズを通して試料に照射する。そし
て、試料で反射した検出用光を結像光学系により結像
し、それをセンサで受光し、このセンサの受光量が最も
高くなるところを試料像のピントの合ったところとして
検出する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
について図面を参照して説明する。図１はフォトマスク
等の試料に対する検査装置の構成図である。レーザ光源
１から出力されるレーザ光の光路上には、レーザ光源１
から出力されたレーザ光をフォトマスク等の試料８に照
射する照明光学系２として拡散板３及び各光学レンズ４
〜６が配置されている。

【００２０】試料８は、試料ステージ９上に載置され、
この試料ステージ９の駆動によりレーザ光の光軸方向に
対して垂直方向に移動するものとなっている。又、試料
８を透過した試料８の像の光路上には、結像光学系１２
として対物レンズ１０及び結像レンズ１１が配置されて
いる。

【００２１】そして、この結像光学系１２の結像位置に
は、ＣＣＤラインセンサ１３が配置されている。このＣ
ＣＤラインセンサ１３は、結像された試料８の画像信号
を出力するもので、この画像信号は画像処理装置１４に
送られている。

【００２２】この画像処理装置１４は、ＣＣＤラインセ
ンサ１３により撮像された試料８の２次元画像データを
処理して試料８の検査を行う機能を有している。一方、
この検査装置には、ピントの合った画像を得るために焦
点検出系が備えられている。

【００２３】入射光学系３０は、試料８に対する照明光
と同一波長の検出用光を結像光学系１２を通して試料８
に照射するものである。この入射光学系３０の具体的な
構成は、レーザ光源１から出力されるレーザ光の光路上
に第１のハーフミラー３１が配置されている。

【００２４】この第１のハーフミラー３１は、レーザ光
源１から出力されるレーザ光の一部を検出用光（以下、
検出用レーザ光と称する）として分岐するものである。
この第１のハーフミラー３１の分岐光路上には、光学レ
ンズ３２を介して光ファイバー３３の一端が配置されて
いる。

【００２５】この光ファイバー３３は、レーザ光源１か
ら出力されて分岐された検出用レーザ光を検査装置の結
像光学系１２の近傍、すなわち結像光学系１２を構成す
る対物レンズ１０と結像レンズ１１との間まで導くもの
である。

【００２６】この光ファイバー３３の他端から出射され
る検出用レーザ光の光路上には、焦点検出投光光学系３
４が配置されている。この焦点検出投光光学系３４は、
光ファイバー３３により導かれた検出用レーザ光を平行
光に変換して対物レンズ１０と結像レンズ１１との間に
送るものである。

【００２７】これら対物レンズ１０と結像レンズ１１と
の間には、第２のハーフミラー３５が配置されており、
この第２のハーフミラー３５は、焦点検出投光光学系３
４により平行光に変換された検出用レーザ光を対物レン
ズ１０を通して試料８に照射するものである。

【００２８】そして、検出用レーザ光を対物レンズ１０
を通して試料８に照射され、その反射検出用レーザ光の
結像光学系１２による結像位置は、ＣＣＤラインセンサ
１３の近傍に設定されている。

【００２９】この反射検出用レーザ光の結像光学系１２
による結像位置には、フォーカス用センサ３６が配置さ
れている。このフォーカス用センサ３６は、試料８で反
射して結像光学系１２により結像された検出用レーザ光
を受光し、その受光量に応じた電気信号を出力する機能
を有している。

【００３０】このフォーカス用センサ３６の配置位置
は、図２に具体的に示すようにＣＣＤラインセンサ１３
の近傍で、かつこのＣＣＤラインセンサ１３を保持する
センサ基板３７に開口部３８を形成し、この開口部３８
の結像光学系１２側に微小なピンホール３９を取り付
け、かつその反対側にフォーカス用センサ３６を配置し
たものとなっている。

【００３１】ここで、ピンホール３９の光軸方向の高さ
位置は、ＣＣＤラインセンサ１３の光電面と略同一高さ
位置となっている。又、試料８とピンホール３９とは、
共焦点の関係にあり、これによりフォーカス用センサ３
６での受光量が最も高くなるところが試料８の像のピン
トが最も合ったところとなる。

【００３２】このフォーカス用センサ３６の配置位置
は、平面から見ると、図３に示すようにＣＣＤラインセ
ンサ１３の長手方向を直径とする円の内側となってい
る。検出装置４０は、フォーカス用センサ３６から出力
される電気信号を入力し、フォーカス用センサ３６の受
光量が最も高くなるところを試料８の像のピントの合っ
たところとして検出する機能を有している。

【００３３】なお、この検出装置４０の機能は、画像処
理装置１４内に備えるようにしてもよい。次に上記の如
く構成された装置の作用について説明する。

【００３４】レーザ光源１から出力されたレーザ光は、
第１のハーフミラー３１を透過して照明光学系２に入
り、この照明光学系２の拡散板３及び各光学レンズ４〜
６を通して試料ステージ９上の試料８に照射される。

【００３５】このようにレーザ光の照射されたときの試
料８の像は、対物レンズ１０及び結像レンズ１１から成
る結像光学系１２によりＣＣＤラインセンサ１３上に結
像する。

【００３６】このとき試料８は、試料ステージ９上に載
置され、この試料ステージ９の駆動によりレーザ光の光
軸方向に対して垂直方向に移動する。すなわち、試料８
を試料ステージ９の駆動し、試料８の像がＣＣＤライン
センサ１３の各素子の並びと垂直な方向に走査されるよ
うにし、試料８に対する２次元の画像を得る。

【００３７】画像処理装置１４は、ＣＣＤラインセンサ
１３により撮像された試料８の２次元画像データを処理
して試料８の検査を行う。このような検査装置でピント
の合った画像を得るために焦点検出が行われている。

【００３８】すなわち、レーザ光源１から出力されたレ
ーザ光の一部は、第１のハーフミラー３１により検出用
レーザ光として分岐される。この検出用レーザ光は、光
学レンズ３２を通して光ファイバー３３の一端に入射
し、この光ファイバー３３内を伝搬し、結像光学系１２
を構成する対物レンズ１０と結像レンズ１１との間まで
導かれる。

【００３９】この光ファイバー３３の他端から出射され
る検出用レーザ光は、焦点検出投光光学系３４により平
行光に変換され、対物レンズ１０と結像レンズ１１との
間に配置された第２のハーフミラー３５に送られる。

【００４０】そして、検出用レーザ光は、第２のハーフ
ミラー３５で反射し、対物レンズ１０を通して試料８に
照射される。この試料で反射した検出用レーザ光は、再
び対物レンズ１０から第２のハーフミラー３５を通り、
さらに結像レンズ１１を通ってＣＣＤラインセンサ１３
の近傍に結像する。

【００４１】そして、この検出用レーザ光は、図２に示
すように微小なピンホール３９を通り、さらにセンサ基
板３７に形成された開口部３８を通ってフォーカス用セ
ンサ３６に入射する。

【００４２】このフォーカス用センサ３６は、試料８で
反射して結像光学系１２により結像された検出用レーザ
光を受光し、その受光量に応じた電気信号を出力する。
検出装置４０は、フォーカス用センサ３６から出力され
る電気信号を入力し、フォーカス用センサ３６の受光量
が最も高くなるところを試料８の像のピントの最も合っ
たところとして検出する。

【００４３】このように上記一実施の形態においては、
レーザ光源１からのレーザ光で照明された試料８からの
像を結像光学系１２を通してＣＣＤラインセンサ１３に
結像し、その画像信号に基づいて試料８の検査を行う場
合、試料８を照明するレーザ光の一部を検出用レーザ光
として光ファイバー３３により焦点検出投光光学系３４
に導き、ここで検出用光を平行光に変換し、この検出用
光を結像光学系１２内に配置された第２のハーフミラー
３５で反射して対物レンズ１０を通して試料８に照射
し、この試料８で反射した検出用レーザ光を結像光学系
１２により結像し、それをフォーカス用センサ３６で受
光し、その受光量が最も高くなるところを試料８の像の
ピントの最もたったところとして検出するので、焦点検
出での検出用レーザ光を試料８を照明するレーザ光の波
長と同一にでき、かつ試料８からの反射検出用レーザ光
を試料８の像を得る光路と同一の結像光学系１２を通す
ことができ、これにより焦点検出系と試料８の検査系と
を共通して使用することができ、例えば機械振動や空気
の擾乱、又、温度、気圧等の変動が生じても、同一条件
で焦点検出と検査とができ、ＣＣＤラインセンサ１３で
得られる２次元画像に焦点ぼけが生じることはない。

【００４４】すなわち、機械振動や空気の擾乱、温度、
気圧等の変動が焦点検出系と試料８の検査系とに対して
同様に作用するので、焦点位置の変化も同様に変化する
からである。

【００４５】従って、機械振動や空気の擾乱などの影響
を受けずに検査系の焦点を正確に検出でき、焦点位置を
常に安定して最適な状態に保つことができ、安定度の高
い試料８の検査ができる。

【００４６】なお、本発明は、上記一実施の形態に限定
されるものでなく次の通り変形してもよい。例えば、試
料８の検査は、試料８の透過画像により検査に限らず、
試料８の反射光による画像等の焦点検出が必要な検査装
置の全般に適用してもよい。

【００４７】又、レーザ光源１から出力されるレーザ光
と同一波長のレーザ光を出力する検出用のレーザ光源を
別途設け、このレーザ光源から出力されるレーザ光を焦
点検出投光光学系３４から第２のハーフミラー３５、対
物レンズを通して試料８に照射してもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、機
械振動や空気の擾乱などの影響を受けずに検査系の焦点
を正確に検出して、焦点位置を常に安定して最適な状態
に保てる焦点検出装置を提供できる。

【００４９】又、本発明によれば、機械振動や空気の擾
乱などの影響を受けずに検査系の焦点を正確に検出し
て、焦点位置を常に安定して最適な状態に保って安定度
の高い検査ができる検査装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる焦点検出装置を適用した試料に
対する検出装置の一実施の形態を示す構成図。

【図２】フォーカス用センサの配置位置を示す図。

【図３】フォーカス用センサの配置位置を平面的に見た
示す図。

【図４】従来のフォトマスク等の試料に対する検査装置
の構成図。

【符号の説明】

１…レーザ光源、 ２…照明光学系、 ８…試料、 １２…結像光学系、 １０…対物レンズ、 １１…結像レンズ、 １３…ＣＣＤラインセンサ、 １４…画像処理装置、 ３０…入射光学系、 ３１…第１のハーフミラー、 ３３…光ファイバー、 ３４…焦点検出投光光学系、 ３５…第２のハーフミラー、 ３６…フォーカス用センサ、 ４０…検出装置。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明された試料からの光を結像光学系を
   通して所定位置に結像するときの前記結像位置を検出す
   る焦点検出装置において、 前記試料の照明光と同一波長の検出用光を前記結像光学
   系を通して前記試料に照射する入射光学系と、 前記所定位置に配置され、前記試料で反射して前記結像
   光学系により結像された前記検出用光を受光するセンサ
   と、 このセンサの受光量が最も高くなるところを前記試料像
   のピントの合ったところとして検出する検出手段と、を
   具備したことを特徴とする焦点検出装置。
2. 【請求項２】 前記入射光学系は、前記試料を照明する
   照明光を検出用光として導く光ファイバーと、 この光ファイバーにより導かれた前記検出用光を平行光
   に変換する焦点検出投光光学系と、 前記結像光学系内に配置され、前記焦点検出投光光学系
   により平行光に変換された前記検出用光を前記結像光学
   系の対物レンズを通して試料に照射するハーフミラー
   と、を有することを特徴とする請求項１記載の焦点検出
   装置。
3. 【請求項３】 光源からの照明光を照明光学系を通して
   試料に照射し、この試料を透過した試料像を結像光学系
   を通して検査用センサに結像し、この検査用センサの出
   力に基づいて前記試料の検査を行う検査装置において、 前記試料の照明光と同一波長の検出用光を前記結像光学
   系を通して前記試料に照射する入射光学系と、 前記検査用センサの近傍に配置され、前記試料で反射し
   て前記結像光学系により結像された前記検出用光を受光
   するフォーカス用センサと、 このフォーカス用センサの受光量が最も高くなるところ
   を前記試料像のピントの合ったところとして検出する検
   出手段と、 を具備したことを特徴とする検査装置。
4. 【請求項４】 前記入射光学系は、前記光源からの照明
   光を検出用光として導く光ファイバーと、 この光ファイバーにより導かれた前記検出用光を平行光
   に変換する焦点検出投光光学系と、 前記結像光学系内に配置され、前記焦点検出投光光学系
   により平行光に変換された前記検出用光を前記結像光学
   系の対物レンズを通して試料に照射するハーフミラー
   と、を有することを特徴とする請求項３記載の検査装
   置。