JPS5870540A - 焦点位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本装置はＬＳＩウニウェどパターンが形成された面上で
自動的に焦点合せを行なう装置に関するものである。

高集積ＬＳＩ、バブルメモリ、撮偉管面板等の外観検査
を行なう場合、これらは２〜３μｍの微細パターンを有
するため高倍率の顕微鏡が使用される。

高倍率の顕微鏡の焦点深度は１μｍ以下であり、外観検
査を自動で行なう場合には精密な自動焦点合せ機構が要
求される。

このための焦点位置検出装置として、従来は、鎖い先端
を有する触針による接触型の装置、細いノズル先端から
噴出する空気の流れ抵抗からノズル端と物体表面の間隙
を求める装置、静電容量から間隙を求める非接触型の装
置等−があった。接触型の装置では触針により試料に傷
を付ける虞れがあった。間隙を求める装置、非接触型の
装置は、顕微鏡の対物レンズの他にノズルやピックアッ
プが必要なためスペースがないときには使用不可能であ
る。

以上の諸欠点を解消するため本発明者等゛により第１図
に示す構成により検出する方法が提案されている。この
方法は、”第２図に示す如きの一定の影像のボケ具合に
より焦点合せを行なうものであるＯ 第１図において、光源１より放出された白色光は照明用
のレンズ２を通過して第２図に示す如（構成された光パ
ターン部３に到達する。光パターン部３は、上記白色光
の通過方向に対して垂直な平面上に配置され、部分的に
光を遮断する遮へい部と光をそのまま通過させる通過部
とより成る。

この遮へい部と通過部との組合せによって明部と暗部と
より成る光パターンが形成されている。その−例を示し
たのが第２図であるが、第２図で斜線部は光遮へい部１
０．非斜線部が光通過部９を示している。光通過部９と
光遮へい部１０の幅をＰとすると２Ｐ周期の明暗パター
ンが得られる。

以上の構成の光パターンを有する光パターン部３を通過
した白色光は、半透鏡４で反射され、レンズ５に至り、
光パターンが試料６の表面に投影される。次いで、その
パターン元は試料６の光学的性格に応じた反射光となり
レンズ５．半透鏡４を介して光軸上に設置されたアレイ
状検知器７上に結偉し、そのプレイ状検知器７を構成す
る光電素子により撮像される。ここで、光パターン３の
周期とアレイ状検知器７の光電素子（アレイ素子）の開
口（大きさ）の周期とは一定の関係を有している。即ち
、プレイ素子開口の周期Ｐに対し、パターンの周期は２
Ｐである。然も、パターンの暗部及び明部の中心はアレ
イ素子開口の中心と一致して℃）る。

アレイ状検知器７からの出力信号は、シリアルに走査す
ることにより取り出さね、コントラスト検出回路８によ
り処理される。アレイ状検知器７の出力は、光パターン
３の周期とアレイ素子の周期の関係により、第３図に示
すように１絵素毎に明、暗がパルス的に繰り返′丁。

試料６が合焦点位置にあるとき、プレイ状検知器７の出
力は第３図（ａ）のように明、暗の差（コントラスト）
が大きいが、焦点位置からすわると、光パターンの投影
像がぼけるため、同図（ｂｌのようにコントラストが低
下する。コントラスト検出回路８では、明、暗の差を求
め、それが最大となるように試料６を上下させて焦点合
せを行なっている。

この方法では （］）試料がＬｌｌウニへのように反射率に変化があり
、かつ試料を移動させながら焦点合せを行なう場合、反
射率の高い箇所で焦点位置検出を行なうと、アレイ状検
知器７の出方は第３図（＆）のように明、暗の差が大き
い。

一方、反射率の低い箇所ではアレイ状検知器７の出力は
同図（ｃｌのようにレベルが下がって明、暗の差が小さ
くなり、反射率の高い箇所で焦点がずれている場合（同
図（ｂ））との区別がつかない。

（２）試料上に反射率の高いパターンが周期的に形成さ
れており、かつその周期が光パターンの周期に近づいて
くると、アレイ状検知器７の出力は、明、暗のレベルが
反転することがあり、正確な焦点位置検出が出来ない。

（３）焦点位置検出を行なっても、それが合焦点位置な
のか焦点ずれの位置なのか判別不可能である。そのため
試料６を常時上下させて明。

暗の差の変化を見る必要があるが試料が振動する慮れが
あり、試料の表面検査が高精度にできない。

というような問題点がある。

本発明の目的は、上記し゛た従来技術の欠点をなくし、
試料表面の状態に影響されない高精度な焦点位置検出装
置を提供するにある。

本発明は、第１図の構成に基づいて焦点位置検出を行な
うものであるが、第３図に示した検出波形で、明部の信
号レベルを一定にするように、次の暗部の信号レベルを
補正して試料表面の反射率の変化の影響を除去するもの
である。マトリクス状平面構造のアレイ状検知器ン用い
、かつ、試料表面上に形成されているパターンに対して
、プレイ状検知器を投影光パターンとを一定角度傾ける
ことにより、反射率の変化するパターンの影響を除去す
る。さらに、投影光パターンを光軸垂直平面に、焦点位
置の前後に２枚配置し、単一のアレイ状検知器で検出し
て、前半分の検出信号と後半分の検出信号を比較するこ
とにより焦点のずれ方向を判別するものである。

以下、第４図〜ｇ９図に従って本発明を詳述するＯ ＠４図（ａ）は反射率の影響を除去するための一実施例
である。第１図の構成例におけるプレイ状検知器７の出
力信号における、明部、暗部のレベル差を、明部のレベ
ルで割算することにより、そのプレイ状検出器の出力信
号を補正している。、第５図に出力信号の補正例を示す
。明部の信号レベルが一定（α）になるように出力信号
を処理する。こねにより、第５図（ａｔに示すように反
射率が変化しても、反射率が高い場合と同等なコントラ
ストを得ることが可能となり、焦点ずれの場合（第５図
（ｂ））と判別が可能となる。

第４図（ａｌにおいて、アレイ状検知器７は第４図（ｂ
）　Ｋ　示Ｔクロックパルス（ψ０）により走査され、
シリアルに信号が出力される。第１のサンプルアンドホ
ールド回路１１は第４図（ｂ）に示すクロックパルスψ
、のタイミングで四部の信号レベル（ｆ（９１１））を
ホールドし、第２のサンプルアンドホールド回路１２は
第４図（ｂ）に示すクロックパルスψ！のタイミングで
次の暗部の信号レベル（ｆ（ψ、））ヲホールドする。

引算回路１３では両−者の差をとり、ｇ（ψ、）＝ｆ（
ψＩ）−ｆ（ψ、） を算出する。割算回路１４では差分信号（ｇ（ψ、））
を明部の信号レベル（ｆ（ψ、））で割算し、ｈ（ψ、
）＝ｇ（ψ、）／ｌＣψＩ）＝１−ｆ　（ψ、）／ｆ（
ψ１）を算出てる。掛算回路１５ではその結果に一定値
（α）を掛け、明部の信号レベルが一定（α）になるよ
うに、明部、暗部の信号レベル差 ｉ（ψ、）＝α・ｈ（ψ、）＝α−α・ｆ（９’＊）／
ｆ（ψＩ）を算出する。ＡＤ変換器１６、ディジタル加
算器１７゜ラッチ１８では、プレイ状検知器７の素子数
（ロ）全体のコンテストを算出する。ＡＤ変換器１６は
補正された差分信号（１（９ｍ））をディジタル信号（
１’（９１ｍ））に変換し、ディジタル加算器１７とラ
ッチ１８を用いてプレイ素子数全体のコントラスト信号
ψ「１１ を求める。これにより試料面上に反射率の変化があって
も、第５図に示したように、安定なコントラスト波形が
得られる。

また、ＬＳＩウェハ等のように、試料面上に反射率の異
なるパターンが、投影さ幻た光パターンと同程度のピッ
チで繰返し存在する場合には、第６図に示すように、プ
レイ状検知器７をマトリクス状平面構造とし、かつ、試
料パターンと調定角度傾むけて配置することにより解決
できる。第６図において９．１０は投影光パターンであ
り、斜線部１０は暗部である。１９　、２０は試料パタ
ーンであり、１９が反射率の低い部分、笈が反射率の高
い部分である。アレイ状検知器７はアレイ素子７ａをＸ
−Ｙにマトリクス状に配置する。そして、光パターンと
平行方向なＹ、直角方向をＸとする。プレイ状検知器７
の出力はＹ方向をパラレルに、Ｘ方向をシリアルに走査
することによって取出される。

今、Ｙ方向のプレイ素子数を１個とすると、１回の走査
で４個の検出信号が同時に得られる。第６図では！＝１
０とし、取り出される信号はＳ、、Ｓ、。

・・・ｌ５ｔｏとしている。アレイ状検知器出力（ｓ１
〜トラスト算出回路で処理することにより、コントラス
トが求められる。第６図に示すように光パターンとプレ
イ状検知器を試料パターンに対して傾けることにより低
反射率パターン１９と高反射率パターン頷とがＹ方向で
は同時に検出して加算するため、検出光量が平均化され
、安定な検出が可能となる。傾き角度は対象とする試料
忙より決定されるが、例えばメモリ用ＬＳＩでは直行パ
ターンが大部分を占めるので４５度近辺が妥当である。

また試料移動はＸ−Ｙ走査することが多いので、光パタ
ーン３とアレイ状検知器７とを試料６に対して傾けた方
が試料移動が容易である。

また、第７図に示すように、光パターン（３ａ。

３ｂ　）を焦点位置の前後忙、照明光学系光軸と直角平
面上に、互いに交差することなく、かつ投影パターンが
連続するように配置することにより、焦点ずれ方向の判
別容易で高精度なものとなる。

７を光パターン３ａと３ｂの境界が中央になるように配
置すると、アレイ状検知器７の出力としては、＠８図に
示すよう゛に得られ、前半分ａと後半分すのコントラス
トを比較することにより、その波高値から焦点ずれ方向
を高精度に判別できる。

第９図は上記した焦点ずれ方向を判別するための回路例
である。第４図と同様に補正した明・暗ｌｉｔレベル差
（ｉ（ψ、））を求め、前半分のコントラストと後半分
のコントラストラ求め、両者を比較して試料の移動方向
を決定する。

第９図において、ディジタル加算器１７とラッチ１８ヲ
用い、ＡＤ変換器１６でディジタルに変換された差分信
号１’（ψ、）を加算し、その内容をメモリρ。

２３に記憶する。カウンタ２１はクロックパルス（ψり
を計数し、前半分の加算が終了したとき及び後半分の加
算が終了したときにラッチ１８の内容をメモリｎ、２３
に記憶させ、同時にラッチ１８をクリアする。アレイ状
検知器７のＸ方向の素子数をｍとすると、全体の差分信
号数はｍ／２であり、半分の差分信号数はｍ／４である
。　従ってカウンタ２１が、クロックパルス内をｍ　／
　４個計数１−たときラッチ１８の内容をメモリｎに移
し、同時にラッチ１８の内容をクリアＴる。またｍ／２
個計数したときラッチ１８の内容をメモリ゛ｎに移す。

こねによりメモリｎには前半分のコントラスト が、メモリ乙には後半分のコントラストがメモリされる
。そして、比較回路Ｕで両メモリ内容を比較すれば、試
料を移動させる方向がわかり、両者が等しくなるまで移
動させることにより自動焦点が可能となる。

例えば、本装置を前述の如（ＬＳＩウエノ１の外観検査
に用いる場合、パターン光が試料面上に投影されるため
、検査の邪魔になるが、焦点位置検出のためのバター、
ン光をウエノ１の検査範囲外に投影することにより、解
決できる。または、検査は可視光で行ない、本発明の焦
点位置検出には赤外光を用いて、波長分離することによ
っても解決できる。

上述の実施例からも明らかなように本発明によれば、明
部、暗部より成る光パターンを被測定物体上に投影し、
得た反射光のコントラストにより焦点位置を検出する際
、明部の光パターンレベルで、明、曙光パターンの差を
補正することによって被測定物体の状態に影響されない
高精度で安定な焦点位置検出が達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象となる焦点位置検出装置の概略構
成図、第２図は第１図の光パターン部の構成図、第３図
（ａ）〜（ｅ）は第１図における検出パルス波形図、第
４図（ａ）は本発明の一実施例を示す回路ブ四ツク図、
第４図（ｂ）はその動作説明をするタイムチャート、＠
５図（ａ）〜（ｃ）は第４図（ａ）の回路における特性
図、第６図はプレイ状検知器の構成を示す図、第７図は
本発明により光パターンを２個設置した場合の焦点位置
検出製電の概略構成図、第８図は第７図の装置°におけ
る特性図、第９図は第７図の装置における焦点位置ずれ
の方向を判別するための回路ブロック図である。 １・・・光源、２，５・・・レンズ、３．３ｍ＋３ｂ・
・・光パターン、４・・・半透鏡、６・・・試料（被測
定物体）、７・・・アレイ状検知器、８用コントラスト
検出回路、９・・・光通過部、１０・・・光速へい部、
１１　、１２・・・サンプルアンドホールド回路、１３
・・・引算回路、１４・・・割算回路、１５・・・掛算
回路、１６・・・Ａ／ＤＲ換器、１７・・・加算器、１
８・・・ラッチ回路、１９・・・低反射率パターン、頷
・・・高反射率パターン、２１・・・カウンタ、２２．
２３・・・メモリ、讃・・・比較回路、５・・・ＯＲ回
路。 代理人弁理士　　秋　本　正　実 第１図 第２図 ＠凱Ａ。 凭１．へ、亨°”虱 及←光偉下 第５ （１）禰正輌 （２）抛゛正慢 第６図 第７図 第８図 第９図 第１頁の続き ０発　明　者　押田良忠 横浜市戸塚区吉田町２９２番地株 式会社日立製作所生産技術研究 所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　明部と暗部とが周期的に組合わされた光パターン
   を半透鏡、レンズを介して被測定物体に投影結像せしめ
   る第１の光学系と、前記被測定物体からの反射光パター
   ンを前記レンズ、半透鐘χ介して複数の光電菓子よりな
   るアレイ状検知器に結像せしめる第２光学系と、アレイ
   状検知器により光電変換した出力信号から光パターンに
   対応したｌ絵素毎の明暗パルスを得、該明、暗パルスの
   信号差により前記被測定物体の焦点位置を検出するコン
   トラスト検出回路とを備えて成る焦点位置検出装置であ
   って、前記コントラスト検出回路は、前記アレイ状検出
   器の出力のうち明部の信号レベルをホールトチる第１の
   ホールド回路と、明部に続（暗部の信号レベルをサンプ
   ルホールドする第２のサンプルホールド回路と、該第１
   ．第２のサンプルホールド回路の出力差を算出する引算
   回路と、該出力差を明部の信号レベルで割算し、その結
   果に一定値を掛け、明部の信号レベルが一定になるよう
   に明部、暗部の信号レベル差を算出する割１乗算回路と
   、該割１乗算回路出力を得、補正された差分信号をディ
   レタル信号に変換し、アレイ素子数全体のコントラスト
   信号を求める＆Ｄ変換器、加算器、ラッチ回路とから成
   ることを特徴とする焦点位置検出装置。 ２、前記、プレイ状検知器は、マトリクス状の平面構造
   であって、かつ、該プレイ状検知器と光パターンとを被
   測定物体表面上のパターンに対して一定角度傾けて配置
   しであることン特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   焦点位置検出装置。 ３、前記、光パターンは、第１光学系の光軸近くの異な
   る面上に２個配置し、単一アレイ状検出器により反射光
   を検出して焦点ずれ方向を判別するようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の焦
   点位置検出装置。