KR20140065366A

KR20140065366A - 자동초점 제어장치, 반도체 검사장치 및 현미경

Info

Publication number: KR20140065366A
Application number: KR20130142392A
Authority: KR
Inventors: 미츠히로 토가시; 하루타카 세키야; 신지 우에야마
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2014-05-29
Also published as: KR102077064B1; US20140152796A1; JP6119963B2; JP2014102430A

Abstract

비점수차법을 이용하면서도 표면 패턴에 영향을 주는 일없이 자동초점맞춤이 가능한 자동초점 제어장치를 제공하는 것을 과제로 한다. 피검사물(W)로부터의 반사광을 제1 반사광과 제2 반사광으로 이분할하는 무편광 빔 스플리터(420)와, 제1 반사광의 광로 상에 배치된 제1 비점격차발생 수단(430)과, 제2 반사광의 광로 상에 배치된 제2 비점격차발생 수단(450)과, 제1 비점격차발생 수단(430)을 통과한 광을 수광하는 제1 광검출기(440)와, 제2 비점격차발생 수단(450)을 통과한 광을 수광하는 제2 광검출기(460)를 구비한다. 광원 광학계(310)는, 포커스 에러 검사광의 결상 위치가 부여된 관찰면에서 소정의 미소거리만큼 디포커스되도록 배치되어 있다. 수광 광학계(400)는, 상기 디포커스된 광의 반사광이 상기 제1 광검출기(440) 및 제2 광검출기(460)의 수광면에 초점을 맺도록 조정하는 오프셋 렌즈(410)를 갖는다.

Description

자동초점 제어장치, 반도체 검사장치 및 현미경{AUTO FOCUS CONTROL APPARATUS, SEMICONDUCTOR INSPECTING APPARATUS AND MICROSCOPE}

본 발명은 자동초점 제어장치, 반도체 검사장치 및 현미경에 관한 것으로, 예를 들면, 반도체 웨이퍼의 표면 패턴을 검사하기 위한 자동초점 제어장치 및 반도체 검사장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼의 검사장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1: 일본 실용 신안 등록 제3003842호). 반도체 웨이퍼의 검사장치는, 말하자면 현미경으로 반도체 웨이퍼 표면을 촬상하여 검사하는 것으로, 이를 위해서는 자동초점맞춤이 필요하게 된다.

자동초점제어의 방법으로서 비점수차법이 알려져 있으며(특허 문헌 2: 일본 특허 공개 공보 소(昭)62-36502호), 예를 들면 자기 디스크나 광 디스크 등의 기록 및 재생을 위한 픽업을 제어하는데도 이용되고 있다(특허 문헌 3: 일본 특허 공개 공보 평(平)9-17020호).

특허 문헌 3에도 설명되어 있는 바와 같이, 광 디스크의 표면에 형성되는 패턴은 규칙적이므로, 반사 빔의 회전 방향, 회절 방향, 경사각 등은 정해져 있다. 따라서 비점격차를 발생시키는 실린더리컬 렌즈의 모선 방향을 소정의 방향이 되도록 세팅해 두면, 광 디스크의 표면 패턴의 영향을 받지 않고, 비점수차법을 이용한 고정밀의 자동초점제어가 가능하다.

선행 기술 문헌

[특허 문헌]

특허 문헌 1: 일본 실용 신안 등록 제3003842호

특허 문헌 2: 일본 특허 공개 공보 소62-36502호

특허 문헌 3: 일본 특허 공개 공보 평9-17020호

그러나 반도체 웨이퍼의 표면에는 불규칙한 패턴이 형성되어 있으며, 반사광에 생기는 외란이나 광량의 불균일은 일정하지 않다. 따라서 반도체 웨이퍼의 표면에 대하여 비점수차법을 이용한 자동초점맞춤은 적용할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 이는 반도체 웨이퍼에 한정되는 것이 아니라 불규칙한 패턴을 갖는 관찰 대상에 대해서는 비점수차법을 이용한 자동초점맞춤은 적용할 수 없었다.

여기서 본 발명의 목적은, 비점수차법을 이용하면서도, 표면 패턴에 영향 받는 일없이 자동초점맞춤이 가능한 자동초점 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 자동초점 제어장치는,

촬상 소자를 갖는 관찰 광학계로 피검사물 표면을 관찰할 수 있도록 상기 피검사물 표면의 상대위치를 부여된 관찰면에 위치시키기 위한 자동초점 제어장치로서,

포커스 에러 검사광을 발사하는 광원을 갖는 광원 광학계와,

상기 광원으로부터의 포커스 에러 검사광을 입사광으로 하여 피검사물의 표면에 집광시키는 대물 렌즈와,

상기 피검사물로부터의 반사광을 상기 대물 렌즈를 통해 수광하는 수광 광학계와,

상기 수광 광학계로부터의 수광 신호에서 포커스 에러 신호를 생성하는 포커스 에러 신호 생성부를 구비하고,

상기 수광 광학계는,

상기 피검사물로부터의 반사광을 제1 반사광과 제2 반사광으로 이분할하는 무편광 빔 스플리터와,

상기 제1 반사광의 광로 상에 배치된 제1 비점격차발생 수단과,

상기 제2 반사광의 광로 상에 배치된 제2 비점격차발생 수단과,

상기 제1 비점격차발생 수단을 통과한 광을 수광하는 제1 광검출기와,

상기 제2 비점격차발생 수단을 통과한 광을 수광하는 제2 광검출기를 구비하며,

상기 포커스 에러 신호 생성부는, 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기로부터의 수광 신호를 사용하여 포커스 에러 신호를 생성하고,

상기 광원 광학계는, 포커스 에러 검사광의 결상 위치가 상기 부여된 관찰면에서 소정의 미소거리만큼 디포커스하도록 배치되어 있으며,

상기 수광 광학계는, 상기 피검사물 표면에 대하여 상기 소정의 미소거리만큼 디포커스한 광의 반사광이 상기 제1 광검출기 및 제2 광검출기의 수광면에 초점을 맺도록 조정하는 오프셋 조정 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

도 1은 반도체 웨이퍼 검사장치의 제1 실시 형태를 나타내는 도이다.
도 2는 빔 스팟의 위치와 관찰 광학계로 관찰하는 관찰 영역과의 위치 관계를 나타내는 도이다.
도 3은 자동초점 제어계를 추출하여 그린 도면이다.
도 4는 대비 설명을 위해 종래의 일반적 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 집광 렌즈를 광축을 따라 대물 렌즈에 조금 근접시켜서 배치한 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 반도체 웨이퍼 표면으로부터의 복귀광을 나타내는 도면이다.
도 7(a) 내지 7(c)은 수광 화상의 변화 상태를 나타내는 도면들이다.
도 8은 광량분포가 없다고 했을 경우에 있어서의 포커스 에러 신호(FE1)를 나타내는 도면이다.
도 9(a) 내지 9(c)는 광량분포가 있을 경우에 있어서의 수광 화상의 변화 상태를 나타내는 도면들이다.
도 10은 오프셋한 포커스 에러 신호의 예를 제시하는 도면이다.
도 11(a) 내지 11(c)은 제2 광검출기로 수광하는 수광 화상의 예를 나타내는 도면들이다.
도 12는 외란의 영향을 상쇄시킨 전체 포커스 에러 신호의 예를 나타내는 도면이다.
도 13(a) 및 13(b)은 변형예 1을 설명하기 위한 도면들이다.

본 발명의 실시 형태를 도시하면서 동시에 도면들의 각 요소에 첨부한 부호를 참조하며 설명한다.

제1 실시 형태

도 1에 본 발명에 의한 반도체 웨이퍼 검사장치의 제1 실시 형태를 나타낸다.

반도체 웨이퍼 검사장치(100)는, 광학 유닛(200)과, 피검사물로서의 반도체 웨이퍼(W)가 재치(載置)되는 스테이지(110)와, 스테이지(110)를 이동시키는 구동 기구부(120)를 구비하고 있다.

광학 유닛(200)은 자동초점 제어계(300)와 관찰 광학계(600)를 더 구비하고 있다.

자동초점 제어계(300)는, 광원 광학계(310)와, 대물 렌즈(322)과, 수광 광학계(400)와, 포커스 에러 신호 생성부(500)를 구비하고 있다.

구동 기구부(120)는 스테이지(110)를 이동시키는 것으로, 이에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 광학 유닛(200)에 대하여 상대 이동한다. 구동 기구부(120)는, 관찰 광학계(600)가 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 적절하게 관찰할 수 있도록, 스테이지(110)의 위치를 조정한다. 구동 기구부(120)에 의한 조정 방향으로서는, 관찰 영역을 순서대로 어긋나게 하기 위한 방향으로서 X방향 및 Y방향이 있으며, 게다가 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 관찰 광학계(600)의 초점위치에 맞추기 위한 Z방향이 있다.

그리고 도 1에 있어서, 지면의 좌우 방향을 X방향으로 하고, 지면의 수직방향을 Y방향으로 하고, 지면의 상하 방향을 Z방향으로 하였다.

또한 본 명세서에서는, 관찰 광학계(600)의 초점위치를 포함하는 면을 관찰면이라고 할 수도 있다.

여기서, 도 1을 참조하여, 광학 유닛(200)에 있어서의 광의 광로를 개략적으로 설명해 두고자 한다.

먼저, 관찰 광학계(600)의 광로부터 설명한다.

조명 광원(610)으로부터 발사된 광은, 제1 빔 스플리터(BS1), 콜리메이터 렌즈(321) 및 제2 빔 스플리터(BS2)를 통해 대물 렌즈(322)로 입사되어, 반도체 웨이퍼(W)의 표면을 조명한다. 그리고 반도체 웨이퍼(W)에서 반사된 반사 조사광은, 대물 렌즈(322) 및 제2 빔 스플리터(BS2)를 되돌아가서, 나아가서는 광학계(620)를 통해 2차원 촬상 소자(630)로 촬상된다. 촬상 소자(630)로 취득된 영상에 의해, 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 검사된다.

자동초점 제어계(300)의 광로를 개략적으로 설명한다.

광원 광학계(310)로부터 발사된 광(포커스 에러 검사광)은, 제3 빔 스플리터(BS3), 집광 렌즈(330), 제1 빔 스플리터(BS1), 콜리메이터 렌즈(321) 및 제2 빔 스플리터(BS2)을 통해 대물 렌즈(322)로 입사되고, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에서 결상된다(단, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 약간 디포커스시키는데, 이는 후술한다.). 그리고 반도체 웨이퍼(W)의 표면에서 반사된 반사광은, 대물 렌즈(322), 제2 빔 스플리터(BS2), 콜리메이터 렌즈(321), 제1 빔 스플리터(BS1), 집광 렌즈(330) 및 제3 빔 스플리터(BS3)를 되돌아가서, 수광 광학계(400)에서 수광된다.

이에 관련하여, 신호 경로에 대해서도 더 설명해 두자면, 수광 광학계(400)로부터의 수광 신호(RS)는 포커스 에러 신호 생성부(500)에 보내져, 포커스 에러 신호 생성부(500)로부터의 포커스 에러 신호(FE)는 구동 기구부(120)로 출력된다. 구동 기구부(120)는 포커스 에러 신호에 근거하여 반도체 웨이퍼의 Z방향 위치를 조정한다.

제1 빔 스플리터(BS1), 콜리메이터 렌즈(321), 제2 빔 스플리터(BS2) 및 대물 렌즈(322)는, 관찰 광학계(600)와 자동초점 제어계(300)에서 공용되고 있다. 단, 자동초점 제어계(300)에서 사용하는 빔 스팟(701)의 위치와 관찰 광학계(600)로 관찰하는 관찰 영역(702)이 어긋나게 되어 있다(도 2 참조).

도 2는, 자동초점 제어계(300)에서 사용하는 빔 스팟(701)의 위치와 관찰 광학계(600)로 관찰하는 관찰 영역(702)과의 위치 차이를 나타내는 도이다. 이와 같이 빔 스팟(701)과 관찰 영역(702)을 어긋나게 하는 것은, 자동초점 제어계(300)에서 사용하는 빔이 관찰 광학계(600)로 새어 들어옴으로써 생기는 플레어 등의 외란을 줄이기 위한 배려이다.

도 3은, 자동초점 제어계(300)를 추출하여 그린 도이다.

도 3에 있어서는, 자동초점 제어계(300)를 중심으로 이해하기 쉽게 설명하기 위해서, 도 1에 비해 제1 빔 스플리터(BS1)나 제2 빔 스플리터(BS2)를 생략하고 있지만, 광학적인 의미에서 동일하다는 것은 이해할 수 있을 것이다. 제1 빔 스플리터(BS1)나 제2 빔 스플리터(BS2)는, 자동초점 제어계(300)와 관찰 광학계(600)를 연결하기 위해서 사용되는 것으로, 자동초점 제어계(300)의 광학요소로서는 없다고 하더라도 설명에 지장은 없다.

도 3을 참조하여, 자동초점 제어계(300)에 대해서 설명한다.

광원 광학계(310)는, 광원으로서의 레이저 다이오드(311)와, 레이저 다이오드(311)로부터의 광을 평행광으로 하는 콜리메이터 렌즈(312)와, 콜리메이터 렌즈(312)로부터의 평행광을 일단 집광시키는 집광 렌즈(330)를 갖는다.

레이저 다이오드(311)로부터 발사되는 광은 자외선 영역의 광으로 하는데, 예를 들면, 파장이 405nm의 레이저광으로 하는 것을 예로 들 수 있다. 정밀한 위치 맞춤을 위해서는 파장이 짧은 편이 좋다.

광원 광학계(310)로부터 사출된 평행광은, 제3 빔 스플리터(BS3)를 통해 집광 렌즈(330)로 입사되어 일단 집광되게 된다.

이 집광점을 P1로 나타낸다(예를 들면 도 4, 도 5, 도 6 참조).

그러면 여기서, 집광점(P1)을 콜리메이터 렌즈(321)의 초점위치(F2)에 일치시키는 것이 종래의 일반적 구성이다(설명을 알기 쉽도록 대물 렌즈(322)를 무한계 대물 렌즈로 하였다. 유한계 대물 렌즈를 사용했을 경우에는 약간 다른 배치가 되지만, 이러한 차는 당업자라면 용이하게 이해될 것이다.). 도 4는, 대비 설명을 위해서, 이러한 종래의 일반적 구성을 나타내는 도이다. 도 4에 있어서, 집광 렌즈(330)에서 일단 집광된 광은, 콜리메이터 렌즈(321)에서 일단 평행이 되며, 나아가서는 대물 렌즈(322)에서 집광된다. 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 대물 렌즈(322)의 초점(F1)에 위치하고 있으면, 광은 반도체 웨이퍼(W)의 표면에서 극히 미소한 스팟으로서 상을 맺게 된다(스팟 지름은 예를 들면 1㎛정도가 된다.). 그리고 반도체 웨이퍼(W)의 표면에서 반사된 광은, 대물 렌즈(322) 및 콜리메이터 렌즈(321)를 되돌아가서 다시 집광점(P1)에서 집광된 후, 집광 렌즈(330)를 통해 평행광이 되고, 후단의 수광 광학계(400)로 입사하게 된다.

이에 대해, 본 실시 형태에서는 집광 렌즈(330)에 의한 집광점(P1)이 콜리메이터 렌즈(321)의 초점위치(F2)에서 조금 어긋나도록 집광 렌즈(330)와 콜리메이터 렌즈(321)와의 배치 관계를 조정한다. 도 5에 있어서는, 집광 렌즈(330)를 광축을 따라 콜리메이터 렌즈(321)에 조금 근접시켜서 배치한 상태를 나타내는 도이다. 집광점(P1)이 콜리메이터 렌즈(321)의 초점(F2)에서 어긋나므로, 대물 렌즈(322)에 의한 결상점(I1)도 대물 렌즈(322)의 초점위치(F1)에서 어긋나게 된다.

도 6에는, 반도체 웨이퍼 표면으로부터의 복귀광을 나타낸다. 여기서는, 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 결상점(I1)에서 소정거리만큼 어긋나있다(디포커스되어 있다고 한다.). 그러면, 반도체 웨이퍼(W)의 표면으로부터의 반사광이 콜리메이터 렌즈(321)를 되돌아가서 집광되는 점(P2)은, 원래의 집광점(P1)에서 어긋난다. 그리고 집광 렌즈(330)를 통과한 광은, 평행에서 소정의 각도만큼 어긋난 광이 된다.

반도체 웨이퍼(W)의 표면과 결상점(I1)과의 디포커스의 양이 정해지면, 이 복귀광의 각도 편차량도 정해진다(반대로 말하면, 복귀광의 각도 편차량이 결정되면, 반도체 웨이퍼(W)의 표면과 결상점(I1)과의 디포커스의 양이 일의적으로 정해진다.).

그리고 도 5이나 도 6에서는, 본 실시 형태의 의미를 알기 쉽도록 지극히 극단적인 예를 나타낸 것이지만, 이만큼 극단적으로 어긋하게 할 필요는 없다. 스팟 지름이 원하는 크기가 되는 정도(예를 들면 10㎛정도)로 조정하면 좋다. 요컨대, 집광점(P1)을 대물 렌즈(322)의 초점위치(F2)에서 어긋나게 해두면서 동시에, 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 결상점(I1)에 대하여 소정만큼 벗어나 있으면 좋다(디포커스되어 있으면 좋다). 이 때, 반도체 웨이퍼 표면으로부터의 복귀광이 집광 렌즈(330)를 통과하면, 평행광에서 소정의 각도만큼 어긋난 광이 되어 수광 광학계(400)로 입사하게 된다.

또한 집광 렌즈(330)에 의한 집광점(P1)의 위치를 어긋나게 함에 있어서, 원리적으로는 집광 렌즈(330)의 위치만을 어긋나게 해두면 좋다.

혹은, 레이저 다이오드(311)의 위치를 콜리메이터 렌즈(312)의 앞측 초점에서 어긋게 하는 것도 생각할 수 있다(물론, 레이저 다이오드(311)을 이동시켜도 좋고, 콜리메이터 렌즈(312) 쪽을 이동시켜도 좋다).

본 발명으로서는 상기 2가지 방법을 제외하는 것은 아니지만, 광원 광학계(310)(레이저 다이오드(311), 콜리메이터 렌즈(312) 및 집광 렌즈(330)) 및 제3 빔 스플리터(BS3)를 유닛으로 장착해두어, 이 광원 광학계(310) 및 제3 빔 스플리터(BS3)의 유닛 그대로 이동시키도록 하는 편이 바람직하다.

여기서, 상기한 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 결상점(I1)에서 소정의 거리만큼 어긋나 있는 것으로 하였다(디포커스되어 있는 것으로 하였다).

본 실시 형태에 있어서, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 광을 결상시키는 것이 아니라, 굳이 디포커스시키는 것은 다음과 같은 이유에 의한 것이다.

본 실시 형태의 관찰 대상은, (불규칙한)패턴이 형성된 반도체 웨이퍼의 표면이라는 것을 상정하고 있다. 반도체 웨이퍼의 표면에는 여러 패턴이 형성되어 있으며, 패턴은 수 ㎛ 정도의 오더를 갖는다. 만일, 완전히 결상된 극미소한 스팟을 이와 같은 반도체 웨이퍼(W)에 조사했다고 하면, 그 반사광은 반도체 웨이퍼 표면의 패턴에 심각한 영향을 줄 것이다. 예를 들면, 결상 스팟이 패턴 에지에 부딪혔다고 하면, 그 반사 방향은, 대물 렌즈(322)의 방향과는 전혀 동떨어진 방향이 되어버릴 우려도 있다. 혹은, 결상 스팟이 부딪히는 포인트에 의해 반사광량이 현저하게 변동되는 것도 생각할 수 있다. 다시 말해, 복귀광이 수광 광학계(400)의 수광면에 입사된다고 하더라도, 원거리(far field) 내에서 광량분포가 현저하게 불균일해지며, 이래서는 자동초점맞춤이 불가능해진다. 예를 들면, 만일 포커스가 맞춰져 있더라도 이를 인식할 수 없다고 하는 사태가 일어날 수 있다.

본 실시 형태에서는 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 광을 결상시키는 것이 아니라, 굳이 디포커스시켜서 스팟 지름을 넓히도록 하고 있다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼 표면의 패턴의 영향이 완화되어 복귀광의 광량이 안정되게 되며, 광학 유닛(200)과 반도체 웨이퍼 표면과의 거리조정이 안정될 수 있게 된다.

다음은, 수광 광학계(400)의 구성에 대해서 설명한다.

수광 광학계(400)는, 오프셋 조정 렌즈(410)와, 무편광 빔 스플리터(420)와, 제1 비점격차발생 수단으로서의 제1 실린더리컬 렌즈(430)와, 제1 광검출기(440)와, 제2 비점격차 발생 수단으로서의 제2 실린더리컬 렌즈(450)와, 제2 광검출기(460)를 구비하고 있다.

제1 광검출기(440) 및 제2 광검출기(460)는, 수광면이 4개의 수광부로 분할된 사분할 수광소자이다.

수광 광학계(400)에 있어서의 광로를 도 3을 참조해서 개략적으로 설명한다.

반도체 웨이퍼 표면으로부터의 복귀광은, 대물 렌즈(322), 콜리메이터 렌즈(321) 및 집광 렌즈(330)를 되돌아가서 나아가서는 제3 빔 스플리터(BS3)를 통해 오프셋 조정 렌즈(410)로 입사된다. 오프셋 조정 렌즈(410)를 통과한 광은, 무편광 빔 스플리터(420)에 의해 이분할된다. 무편광 빔 스플리터(420)에 의해 분할된 한쪽 광은, 제1 실린더리컬 렌즈(430)를 통해 제1 광검출기(440)에서 수광된다. 또한, 무편광 빔 스플리터(420)에 의해 분할된 다른 한쪽 광은, 제2 실린더리컬 렌즈(450)를 통해 제2 광검출기(460)에서 수광된다.

다음은, 오프셋 조정 렌즈(410)에 대해서 설명한다.

오프셋 조정 렌즈(410)는, 반도체 웨이퍼(W)로부터의 반사광이 제1 광검출기(440) 및 제2 광검출기(460)의 수광면에 결상하도록 배치되어 있다.

상술한 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 디포커스하여 광을 조사하고 있으므로, 그 반사광은 집광 렌즈(330)를 통과하더라도 평행광은 되지 않고, 디포커스의 양에 따른 각도 편차를 가지고 있다. 여기서, 소정의 각도 편차로 입사되어 오는 광이 제1 광검출기(440) 및 제2 광검출기(460)의 수광면에 결상하도록 오프셋 조정 렌즈(410)를 배치해 두면, 반도체 웨이퍼(W)의 표면이 소정의 디포커스 위치에 있는 것을 검출할 수 있게 된다. 이러한 오프셋 조정을 할 수 있도록, 오프셋 조정용 렌즈(410)에는, 오프셋 조정용 렌즈(410)를 광축을 따라 진퇴시키기 위한 액츄에이터(411)가 부설되어 있다.

이중 비점수차법

다음은 본 실시 형태가 채용한 이중 비점수차법에 대해서 설명한다.

단순한 비점수차법은 잘 알려져 있지만 대비 설명으로서 간단히 설명해 두고자 한다.

비점수차법라는 것은, 비점수차를 가진 광학계로 결상시킨 상의 왜곡을 검출하고, 이에 의해 광축 방향에 따른 변위를 측정하는 방법을 말한다. 예를 들면, 제1 실린더리컬 렌즈(430)를 통과한 광이 제1 광검출기(440)의 수광면에 입사하는 곳(도 3), 도 7(a) 내지 7(c)에 나타내는 바와 같이, 수광면의 위치에 의해 상이 횡장(橫長, 도 7(a)), 원형(도 7(b)), 종장(縱長, 도 7(c))으로 변화된다. 사분할 광검출기(440)를 이용하여 이 변화를 검출하면 광축 방향의 변위를 측정할 수 있다.

이제, 4개의 수광부에 순서대로 A에서 D까지 부호를 부여하는데, 예를 들면 수광부(A)로부터의 수광 신호를 'SA'로 한다(제1 광검출기(440)의 수광부이므로, A1에서 D1로 하고, 나아가서는 예를 들면 수광부 'A1'로부터의 수광 신호를 'SA1'로 한다.). 그리고 포커스 에러 신호(FE1)를 다음과 같이 생성하는 것으로 한다. 그리고 포커스 에러 신호는, 포커스 에러 신호 생성부(500)에 의해 생성된다.

FE1= (SA1+SD1)-(SB1+SC1)

(요컨대, 한쪽 대각방향의 합에서 다른 한쪽 대각방향의 합을 뺀다.)

포커스 에러 신호(FE1)는 'S'자 커브가 되어(도 8 참조), FE1이 0이 될 때를 검출하면, 이것이 즉, 수광 화상이 원형이 될 때이며, 제1 광검출기(440)의 수광면이 초점에 맞추어져 있다는 것을 알 수 있다.

(그리고 도 7(a) 내지 7(c)에서는, 제1 광검출기(440)의 수광면이 변위할 것처럼 그리고 있지만, 이는 도면으로 이해하기 쉽게 설명하기 위한 편의이며, 실제로는 반도체 웨이퍼(W)가 광축을 따라 진퇴하고, 그에 따라 결상 위치가 변위한다라고 하는 것은 이해할 수 있을 것이다.)

그러면, 반도체 웨이퍼(W)의 표면에서의 반사광에 광량분포가 없으면, 하나의 사분할 수광소자(440)만으로 비점수차법을 적용하면 된다. 그러나 반도체 웨이퍼(W)의 표면에는 여러 패턴이 형성되어 있기 때문에, 아무리 해도 회절이나 산란의 영향을 받아서 불규칙한 광량분포가 발생해버린다.

광량 불균일의 이해하기 쉬운 예로서, 도 9(a) 내지 9(c)에, 반사광의 일부에 빠진 부분(이를 결손부라고 칭하기로 한다.)이 있는 경우의 수광 화상을 나타낸다. 여기서는, 결손부는 수광부(B1) 또는 수광부(C1)로 나타내기로 한다.

이와 같이 결손부가 있는 상태에서 포커스 에러 신호(FE1)를 생성한다. 그러면 결손부가 결여된 광량분만(SB1+SC1) 작아져버리게 된다.

본래는 도 9(b)와 같이 수광 화상이 원형이 되었을 때에 포커스 에러 신호(FE1)가 0이 되어야 한다.

그러나 도 10에 나타내는 바와 같이 'S'자 커브가 오프셋되어 있기 때문에, 포커스 에러 신호(FE1)가 0이 되는 포인트는 도 9(b)와 도 9(c) 사이가 되어버린다.

반도체 웨이퍼 표면에 있어서 광이 부딪히는 장소가 다르면, 결손부가 생기거나 없어지거나, 커지거나 작아지거나 하는 차이가 생기게 된다. 이래서는 광학 유닛(200)과 반도체 웨이퍼 표면과의 거리조정이 안정적이지 못하게 된다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 비점수차법을 이중으로 이용하여, 포커스 에러 신호에 광량분포의 영향이 미치지 않게 하였다.

다시 말해, 오프셋 조정 렌즈(410)를 통과한 광을, 무편광 빔 스플리터(420)에 의해 이분할한다. 분할된 한쪽 광은, 제1 실린더리컬 렌즈(430)를 통과하여 제1 광검출기(440)에서 수광된다.

이 때의 수광 화상 및 포커스 에러 신호(FE1)은 도 9(a) 내지 9(c) 및 도 10에서 이미 나타낸 대로이다.

여기서, 분할된 다른 한쪽의 광에 주목하면, 이는 상기 분할된 한쪽 광의 거울상이 된다.

(한쪽은 무편광 빔 스플리터(420)를 통과한 투과광이며, 다른 한쪽은 무편광 빔 스플리터(420)에서 반사된 반사광이 되기 때문)

이 분할된 다른 한쪽의 광을 제2 실린더리컬 렌즈(450)을 통해 제2 광검출기(460)에서 수광한다.

도 11(a) 내지 11(c)은, 제2 광검출기(460)에서 수광하는 수광 화상의 예이며, 도 9(a) 내지 9(c)에 대응한다.

(도 9(a) 내지 9(c)와 도 11(a) 내지 11(c)은, -45ㅀ(즉 135ㅀ)를 대칭면으로 하는 관계에 있다.)

4개의 수광부에 순서대로 A로부터 D까지 부호를 부여하는데, 예를 들면 수광부(A)로부터의 수광 신호를 'SA'로 한다. 제2 광검출기의 수광부이므로, A2에서 D2로 하여, 나아가서는 예를 들면, 수광부 'A2'로부터의 수광 신호를 'SA2'로 한다.

서로 거울상이라고 하는 것은, 결손부(광량 불균일)에 의한 외란이 제1 광검출기(440)와 제2 광검출기(460)에 있어서 거울상의 위치에 동일한 양만큼 생겨 있는 것이 된다.

따라서 제1 광검출기(440)로부터의 수광 신호(포커스 에러 신호(FE1))와 제2 광검출기(460)로부터의 수광 신호(포커스 에러 신호(FE2))를 잘 가산하거나 감산하여, 외란(광량 불균일)이 상쇄되도록 하면 좋다.

도 11(b)과 도 9(b)에 주목해 보면, 도 9(b)에서는 외란이 수광부(B1)에 생기고, 도 11(b)에서는 외란이 수광부(A2)에 생겨 있다.

여기서,

FE1=(SA1+SD1)-(SB1+δ+SC1)

FE2=(SA2+δ+SD2)-(SB2+SC2)

로 한다.

그리고 전체 포커스 에러 신호(FEt)를 다음과 같이 구한다.

FEt=FE1+FE2

=(SA1+SD1+SA2+SD2)-(SB1+SC1+SB2+SC2)

이로써, 전체 포커스 에러 신호(FEt)로부터는 외란의 영향이 없어진다. 전체 포커스 에러 신호(FEt)를 도 12에 나타낸다.

또한 서로 거울상 관계에 있는 경우에는, 비점수차의 방향은 동일하여, 상술한 식으로 계산되지만, 거울 등으로 더욱 절곡하여, 거울상 관계에 없는 경우에는, 비점수차의 방향을 90deg 서로 회전시킴으로써, 같은 효과를 갖게 하는 것이 가능하다.

이와 같이 하면, 반도체 웨이퍼 표면이 불규칙한 패턴에 의한 광량분포의 불균일은 문제되지 않으며, 광학 유닛(200)과 반도체 웨이퍼 표면과의 거리조정이 안정되게 된다.

여기까지의 설명으로, 자동초점 제어계(300)에 의해, 결상 위치(I1)로부터 항상 정해진 거리만큼 디포커스된 위치에 반도체 웨이퍼 표면의 위치를 제어할 수 있다는 것은 이해할 수 있었을 것이다.

따라서 광학 유닛(200)과 반도체 웨이퍼 표면과의 갭은 항상 일정하게 유지되는 셈이기 때문에, 관찰 광학계(600)의 광학계(620)로서는, 미리 상기 디포커스만큼을 예상하여 반도체 웨이퍼의 표면에 초점이 맞도록 해 두면 좋다는 것은 말할 필요도 없다.

변형예 1

본 실시 형태의 변형예 1을 설명한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 자동초점 제어계(300)에서 사용하는 빔 스팟(701)의 위치와 관찰 광학계(600)로 관찰하는 관찰 영역(702)이 어긋나도록 하고 있지만, 그래도 자동초점 제어계(300)에서 사용하는 빔이 관찰 광학계(600)로 새는 것은 피할 수 없다.

반도체 웨이퍼의 표면에서 불규칙한 방향으로 반사될 일도 있고, 대물 렌즈(320)에 의한 반사광이 관찰 광학계(600)로 들어가 버리는 일도 있을 수 있다.

여기서, 변형예 1로서, 광원으로서의 레이저 다이오드(311)를 펄스 구동해도 좋다.

그리고 레이저 다이오드(311)를 ON으로 하는 타이밍 시에만 수광 신호를 샘플링하여, 이를 홀딩하도록 하면 된다.

레이저 다이오드(311)를 연속 구동할 경우에 비해(도 13(a)), 펄스 구동의 듀티를 5분의 1로 하면(도 13(b)), 관찰 광학계(600)로 새는 플레어의 양도 5분의 1이 된다.

또한, 본 발명은 상기 실시의 형태에 한정된 것은 아니고, 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경하는 것이 가능하다. 예를 들면, 관찰 대상은 반도체 웨이퍼에 한정되지 않는다. 본 발명에 의하면, 불규칙한 표면 패턴을 갖는 것이라고 하더라도 안정된 자동초점맞춤이 실현될 수 있다.

따라서 본 발명은, 반도체 웨이퍼 검사장치뿐만 아니라, 널리 현미경에 응용해도 좋다.

무편광 빔 스플리터(420)로 광속을 분리한 한쪽 광과 다른 한쪽 광이 거울상 관계가 되어 있지 않을 경우에는, 비점격차의 발생 방향을 서로 반대로 한다.

100: 반도체 웨이퍼 검사장치 110: 스테이지
120: 구동 기구부 200: 광학 유닛
300: 자동초점 제어계 310: 광원 광학계
311: 레이저 다이오드 312: 콜리메이터 렌즈
321: 콜리메이터 렌즈 322: 대물 렌즈
330: 집광 렌즈 400: 수광 광학계
410: 오프셋 조정 렌즈 411: 액츄에이터
420: 무편광 빔 스플리터 430: 제1 실린더리컬 렌즈
440: 제1 광검출기 450: 제2 실린더리컬 렌즈
460: 제2 광검출기 500: 포커스 에러 신호 생성부
600: 관찰 광학계 610: 조명 광원
620: 광학계 630: 촬상 소자
701: 빔 스팟 702: 관찰 영역
BS1: 제1 빔 스플리터 BS2: 제2 빔 스플리터
BS3: 제3 빔 스플리터

Claims

촬상 소자를 갖는 관찰 광학계로 피검사물 표면을 관찰할 수 있도록 상기 피검사물 표면의 상대 위치를 부여된 관찰면에 위치시키기 위한 자동초점 제어장치로서,
포커스 에러 검사광을 발사하는 광원을 갖는 광원 광학계;
상기 광원으로부터의 포커스 에러 검사광을 입사광으로서 피검사물의 표면에 집광시키는 대물 렌즈;
상기 피검사물로부터의 반사광을 상기 대물 렌즈를 통해 수광하는 수광 광학계; 및
상기 수광 광학계로부터의 수광 신호에서 포커스 에러 신호를 생성하는 포커스 에러 신호 생성부를 구비하고,
상기 수광 광학계는,
상기 피검사물로의 반사광을 제1 반사광과 제2 반사광으로 이분할하는 무편광 빔 스플리터;
상기 제1 반사광의 광로 상에 배치된 제1 비점격차발생 수단;
상기 제2 반사광의 광로 상에 배치된 제2 비점격차발생 수단;
상기 제1 비점격차발생 수단을 통과한 광을 수광하는 제1 광검출기; 및
상기 제2 비점격차발생 수단을 통과한 광을 수광하는 제2 광검출기를 구비하고,
상기 포커스 에러 신호 생성부는, 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기로부터의 수광 신호를 이용해서 포커스 에러 신호를 생성하고,
상기 광원 광학계는, 포커스 에러 검사광의 결상 위치가 상기 부여된 관찰면에서 소정의 미소거리만큼 디포커스되도록 배치되어 있으며,
상기 수광 광학계는, 상기 피검사물 표면에 대하여 상기 소정의 미소거리만큼 디포커스된 광의 반사광이 상기 제1 광검출기 및 제2 광검출기의 수광면에 초점을 맺도록 조정하는 오프셋 조정 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 자동초점 제어장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기는, 수광면이 4개의 수광부로 분할된 분할 수광 소자이며,
상기 포커스 에러 신호 생성부에 의한 포커스 에러 신호의 생성 처리는, 상기 제1 광검출기 및 상기 제2 광검출기의 서로 대응하는 수광부끼리의 수광 신호를 가산하거나 또는 한쪽에서 다른 한쪽을 감산하는 처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동초점 제어장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 오프셋 조정 수단은, 상기 무편광 빔 스플리터와 상기 대물 렌즈 사이에 배치된 오프셋 조정용의 렌즈인 것을 특징으로 하는 자동초점 제어장치.
제 3 항에 있어서, 상기 오프셋 조정용 렌즈를 광로를 따르는 방향에서 진퇴시키는 액츄에이터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자동초점 제어장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광원 광학계는, 상기 광원으로부터의 광을 평행광으로 하는 콜리메이터 렌즈와, 상기 콜리메이터 렌즈로부터의 광을 일단 집광시키는 집광 렌즈를 더 포함하고, 동시에, 상기 광원, 상기 콜리메이터 렌즈 및 상기 집광 렌즈를 포함하며 해당 광원 광학계가 유닛화되어 있으며,
상기 대물 렌즈에 대하여 상기 광원 광학계를 유닛으로서 광축을 따라 상대 이동시키는 것에 의해, 상기 포커스 에러 검사광의 결상 위치를 상기 부여된 관찰면에서 소정의 미소거리만큼 디포커스시키는 것을 특징으로 하는 자동초점 제어장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 자동초점 제어장치와, 촬상 수단을 갖는 관찰 광학계를 갖는 광학 유닛;
상기 피검사물로서의 반도체 웨이퍼를 지지하는 스테이지; 및
상기 포커스 에러 신호에 근거하여, 상기 광학 유닛과 상기 스테이지를 접근 또는 이간하는 방향으로 상대 이동시키고, 상기 반도체 웨이퍼 표면을 상기 부여된 관찰면에 위치시키는 구동 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 검사장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 자동초점 제어장치와, 촬상 수단을 갖는 관찰 광학계를 갖는 광학 유닛;
상기 피검사물을 지지하는 스테이지;
상기 포커스 에러 신호에 근거하여, 상기 광학 유닛과 상기 스테이지를 접근 또는 이간하는 방향으로 상대 이동시키고, 상기 피검사물의 피검사면을 상기 부여된 관찰면에 위치시키는 구동 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 현미경 장치.