フォーカス合わせ装置及びフォーカス合わせ方法

【課題】半導体のパターンの線幅、ピッチが光学系の波長以下になった場合であっても、正しいフォーカス検出を行い、高精度の計測及び検査技術を行うこと。
【解決手段】光学像を検査用センサ４０上に形成する第１結像光学系３０と、第１結像光学系３０から光学像をＡＦ用センサ７０側に分岐し、さらにこの光学像を２つに分岐して、ＡＦ用センサ７０上に検査用センサ４０上の光学像における前側フォーカス像と、後側フォーカス像とを結像する第２結像光学系６０と、ＡＦ用センサ７０から得られる前側フォーカス位置での前側センサ画像の高域成分と、後側フォーカス位置での後側センサ画像の高域成分とに基づいて、最適なフォーカス位置を検出するフォーカス検出回路８２と、フォーカス検出回路８２により検出されたフォーカス位置に基づいて第１結像光学系３０のフォーカスを制御するフォーカス制御回路８３とを具備する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ、フォトマスク等の半導体パターンの計測及び検査装置に搭載される光学系のフォーカス合わせ装置及びフォーカス合わせ方法に関し、特に半導体パターンの線幅や欠陥が照明光の波長以下になった場合であっても、正しいフォーカス検出を行える技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハやフォトマスク等の半導体パターンの計測及び検査装置は、光学像を用いてパターンの線幅を高精度で測定し、また、パターン上の微細な欠陥を高分解能で検出することが要求されている。
【０００３】
半導体パターンの計測及び検査装置では、ＣＣＤ等のセンサ上に光学系でパターンの拡大光学像を結像し、センサで得られた電気的な画像信号を処理して計測、検査を行っている。高精度な計測、検査を実現するには、高倍率、高解像度の光学像が得られることが要求され、その際、光学像のフォーカスを最適に合わすことが必要である。
【０００４】
図１５は、光テコ方式を用いたフォーカス合わせ機構１００を示す図である。図１５中Ｗは被写体、１０１は検査用センサ、１０２は対物レンズ、１０３は結像レンズ、１０４はＬＤ、１０５はポジションセンサ、１０６はフォーカス検出回路、１０７はフォーカス制御回路を示している。このフォーカス合わせ機構１００では、ＬＤ光を用いて被写体Ｗのフォーカス方向の位置をポジションセンサ１０５上に結像させ、ポジションセンサ１０５の信号を処理してフォーカス変位量を求めてフォーカスを制御する。
【０００５】
この他、結像の前ピン状態、後ピン状態を形成し、その光強度の積分値（コントラスト）の差に基づいてフォーカス位置を求めるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２７１５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した光テコ方式のフォーカス検出方法では、次のような問題があった。すなわち、半導体のパターンの線幅やピッチが、フォーカス検出で使用する照明光の波長以下になると、パターンで回折光が発生してポジションセンサ上に結像して、正しいフォーカス位置が検出できない虞がある。また、光強度の積分値を用いるものでは、積分値の差が小さいときに正確にフォーカス位置が検出できない虞がある。
【０００７】
そこで本発明は、半導体のパターンの線幅、ピッチが光学系の波長以下になった場合であっても、正しいフォーカス検出を行い、高精度の計測及び検査技術を行うことができるフォーカス合わせ装置及びフォーカス合わせ方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の一態様として、フォーカス合わせ装置は次のように構成されている。
【０００９】
即ち、入射面に結像された被写体の光学像を画像信号に変換して出力する第１、第２のセンサと、上記光学像を上記第１のセンサ上に形成する第１結像光学系と、この第１結像光学系から上記光学像を上記第２のセンサ側に分岐し、さらにこの光学像を２つに分岐して、上記第２のセンサ上に第１のセンサ上の光学像における前側フォーカス像と、後側フォーカス像とを結像する第２結像光学系と、上記第２のセンサから得られる前側フォーカス位置での前側センサ画像の高域成分と、後側フォーカス位置での後側センサ画像の高域成分とからそれぞれのフォーカス評価値を算出し、各フォーカス評価値を比較することで、第１のセンサ上の光学像の最適なフォーカス位置を検出するフォーカス検出回路と、このフォーカス検出回路により検出されたフォーカス位置に基づいて上記第１結像光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御回路とを具備することを特徴とする。
【００１０】
また、前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の一態様として、フォーカス合わせ方法は次のように構成されている。
【００１１】
即ち、光学像を第１のセンサ上に形成する第１結像ステップと、上記第１のセンサ上に形成された光学像を画像信号に変換して出力する第１画像信号変換ステップと、上記第１結像ステップにおける光学像を第２のセンサ側に分岐し、さらにこの光学像を２つに分岐して、上記第２のセンサ上に上記第１のセンサ上の光学像における前側フォーカス像と、後側フォーカス像とを結像する第２結像ステップと、上記第１のセンサ上に形成された光学像を画像信号に変換して出力する第２画像信号変換ステップと、この第２画像信号変換ステップで得られる画像信号のうち、前側フォーカス位置での前側センサ画像の高域成分と、後側フォーカス位置での後側センサ画像の高域成分とからそれぞれのフォーカス評価値を算出し、各フォーカス評価値を比較することで、第１のセンサ上の光学像の最適なフォーカス位置を検出するフォーカス検出ステップと、このフォーカス検出ステップにより検出されたフォーカス位置に基づいて上記第１結像光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御ステップとを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被写体（例えば、半導体基板、フォトマスク等）上のパターンの線幅、ピッチが光学系の波長以下になった場合であっても、正しいフォーカス検出を行うことができ、被写体の高精度な計測及び検査等に利用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明の一実施の形態に係るフォーカス検出装置５０が組み込まれた半導体パターン検査装置１０の構成を示す説明図、図２は同フォーカス検出装置５０の構成を示す説明図、図３は同フォーカス検出装置５０の信号処理回路８０を示すブロック図、図４は同フォーカス検出装置５０によるフォーカス検出原理を示す説明図である。なお、図１中Ｗはパターンが形成された半導体ウエハ等の被写体を示している。
【００１４】
半導体パターン検査装置１０は、検査装置２０と、フォーカス検出装置５０とを備えている。検査装置２０は、第１結像光学系３０と、この第１結像光学系３０により結像される検査用センサ４０とを備えている。
【００１５】
第１結像光学系３０は、被写体Ｗに対向配置され拡大像を得るための対物レンズ３１と、この対物レンズ３１からの光を検査用センサ４０に結像させるための結像レンズ３２と、結像レンズ３２と検査用センサ４０との間に配置され、結像側をテレセントリック光学系にする追加レンズ３３とを備えている。
【００１６】
フォーカス検査装置５０は、第２結像光学系６０と、ＡＦ用センサ７０と、信号処理回路８０とを備えている。第２結像光学系６０は、追加レンズ３３と検査用センサ４０との間に配置され、光学像を分岐しＡＦ用センサ７０上に結像させる第１ハーフミラー６１と、この第１ハーフミラー６１とＡＦ用センサ７０との間に配置され、光学像を分岐する第２ハーフミラー６２と、この第２ハーフミラー６２からの光をＡＦ用センサ７０上に結像させるミラー６３とを備えている。なお、第１ハーフミラー６１によるフォーカス位置は前ピン位置となるＦ１、ミラー６３によるフォーカス位置は後ピン位置となるＦ２となるように光路長が設定されている。
【００１７】
信号処理回路８０は、ＡＦ用センサ７０からの画像信号が入力されるセンサデータ入力回路８１と、このセンサデータ入力回路８１から信号が入力されるフォーカス検出回路８２と、対物レンズ３１の位置を決めるフォーカス移動機構を制御するフォーカス制御回路８３とを備えている。
【００１８】
なお、検査用センサ４０及びＡＦ用センサ７０は、ラインセンサ、蓄積型（Time Delay and Integration）センサ、または２次元エリアセンサを使用することが好ましい。フォーカス位置をずらして結像される光学像の倍率を同じにすることで、フォーカス検出時の画像の視野を同じにすることが可能となる。また、蓄積型センサを使用する場合、フォーカス位置をずらして結像される光学像の倍率を同じにすることで、光学倍率が異なる場合に生ずる光学像とセンサのスキャン時間の同期のずれを解消することができる。
【００１９】
このように構成された半導体パターン検査装置１０では、次のようにしてフォーカス制御を行う。すなわち、被写体Ｗの光学像を第１結像光学系３０を介して検査用センサ４０上に結像させる。検査用センサ４０の出力は検査回路（不図示）に入力され、検査が行われる。
【００２０】
一方、第１結合光学系３０の光学像は第１ハーフミラー６１により分岐され、第２結像光学系６０により、ＡＦ用センサ７０上に結像される。ＡＦ用センサ７０においては、検査用センサ４０上の光学像に対して前側にピントがある前側フォーカス像と、検査用センサ４０上の光学像に対して後側にピントがある後側フォーカス像とがそれぞれセンサ面の右側の半面、左側の半面に結像される。なお、前側フォーカスのずらし量と後側フォーカスのずらし量は同じになるよう設定する。なお、第２結像光学系６０はテレセントリック光学系であるため、前側フォーカス像と後側フォーカス像とは同一の大きさとなる。
【００２１】
ＡＦ用センサ７０では、上述したように前側フォーカス像と後側フォーカス像が結像されることにより、２種類の画像信号が出力され、センサデータ入力回路８１に入力される。
【００２２】
フォーカス検出回路８２では、図２に示すように、画像の高域成分が検出される。そして、検出された前側センサ画像の高域成分と後側センサ画像の高域成分からそれぞれのフォーカス評価値を算出し、各フォーカス評価値を比較する。そして、検査センサ４０上の光学像の最適なフォーカス位置と、必要なフォーカス変位量が算出される。フォーカス制御回路８３では、フォーカス検出回路８２により算出されたフォーカス位置に基づいて対物レンズ３１のフォーカスを制御する。
【００２３】
フォーカス検出回路８２での動作を図３を用いてより詳しく説明する。すなわち、前側フォーカス側の画像からは前側フォーカス側の画像の高域成分を、後側フォーカス側の画像からは前側フォーカス側の画像の高域成分を検出し、前側フォーカス側、後側フォーカス側の画像の高域成分を比較処理することでフォーカス変位量を算出する。
【００２４】
図３は、入力された画像信号を、Ｘ・Ｙ方向のそれぞれの微分演算、度数分布の算出、度数Ｎ％以上の濃度平均算出を行い、最大値又は２乗和を算出することで、前側フォーカス側の高域成分を出力する。同様にして後側フォーカス側の高域成分を出力する。これらの差をフォーカス変位量として出力する。
【００２５】
尚、図３は、フォーカス検出装置の演算回路を示すブロック図の一例であって、種々変形して用いることが可能である。
【００２６】
図４は、検査用センサ４０及びＡＦ用センサ７０の出力の一例を示す説明図である。すなわち、検査用センサ４０にはＬ／Ｓパターンが結像している場合、ＡＦ用センサ７０の前側フォーカス側、後側フォーカス側には、検査用センサ４０に結像したセンサ像の前側フォーカス側の光学像と後側フォーカス側の光学像が結像される。検査用センサ４０のフォーカス位置が前側フォーカス側にあり、ＡＦ用センサ７０の前側フォーカス側のセンサ出力振幅が後側フォーカス側のセンサ出力振幅より大きくなる場合を示している。
【００２７】
次にフォーカス検出回路８２内部の具体的な信号の変化に基づいて説明する。図５〜図７は、検査用センサ４０のフォーカス位置が前側フォーカス側にある場合、図８〜図１０は、検査用センサ４０のフォーカス位置が合う場合、図１１〜図１３は、検査用センサ４０のフォーカス位置が後側フォーカス側にある場合である。
【００２８】
検査用センサ４０のフォーカス位置が前側フォーカス側にある場合、図５はセンサ出力を示す図、図６は微分出力を示す図、図７は度数分布の関係を示す図である。この場合、前側フォーカス側のセンサ出力振幅が後側フォーカス側のセンサ出力より大きくなり、前側フォーカス側の微分出力信号も後側フォーカス側の微分出力信号より大きくなる。このため、微分出力信号の度数分布は、前側フォーカス側が後側フォーカス側にくらべ明部の分布が増大し、度数Ｎ％以上の明るさの平均値を計算すると前側フォーカス側の値が後側フォーカス側に比べて大きな値となる。
【００２９】
検査用センサ４０のフォーカス位置が合う場合、図８はセンサ出力を示す図、図９は微分出力を示す図、図１０は度数分布の関係を示す図である。この場合、前側フォーカス側、後側フォーカス側のセンサ出力振幅が同じになり、微分出力信号の振幅も同じになる。フォーカス位置での微分出力信号の度数分布は、前側フォーカス側、後側フォーカス側とも同様な分布となり、度数Ｎ％以上の明るさの平均値も同等の値となる。
【００３０】
検査用センサ４０のフォーカス位置が後側フォーカス側にある場合、図１１はセンサ出力を示す図、図１２は微分出力を示す図、図１３は度数分布の関係を示す図である。この場合、後側フォーカス側のセンサ出力振幅が前側フォーカス側のセンサ出力より大きくなり、後側フォーカス側の微分出力信号も前側フォーカス側の微分出力信号より大きくなる。このため、微分出力信号の度数分布は、後側フォーカス側が前側フォーカス側にくらべ明部の分布が増大し、度数Ｎ％以上の明るさの平均値を計算すると後側フォーカス側の値が前側フォーカス側に比べて大きな値となる。
【００３１】
この度数Ｎ％以上の明るさの平均値は、画像の高域成分を現すとともに、フォーカスが合っているかの指標となるため、フォーカス評価値として用いることができる。以下、その理由を詳述する。なお、図１４に示すように、フォーカス位置を前側フォーカス側から後側フォーカス側に変化した場合に、前側フォーカス側、後側フォーカス側の画像の高域成分から求めたフォーカス評価値の変化特性と、後側フォーカス側のフォーカス評価値から前側フォーカス側のフォーカス評価値を引いた差の値を示したものである。
【００３２】
すなわち、フォーカス位置が前ピン位置にあるときは、前側フォーカス側のフォーカス評価値が高く、フォーカス位置が後側フォーカス側に変化するにしたがい後側フォーカス側のフォーカス評価値が高くなってくる。一方、フォーカス評価値の差は、フォーカスが合っている位置では、前側フォーカス側、後側フォーカス側のフォーカス評価値が同じ値になるためゼロとなる。
【００３３】
したがって、フォーカスが前側フォーカス側から後側フォーカス側に変化する場合、フォーカス評価値の差は、フォーカスが合っているゼロクロス点を中心に単調増加の出力となる。すなわち、フォーカス評価値の差から、前側フォーカス側にあるか、後側フォーカス側にあるか、さらに単調増加の出力が得られることからフォーカスがどのくらいずれているかを判断することができる。
【００３４】
以上の結果から、フォーカス評価値の差の値はフォーカス変位量として用いることが可能で、フォーカス変位量をフォーカス制御回路８３に出力することで、フォーカス制御を行うことが可能となる。
【００３５】
このように構成されたフォーカス検出装置５０が組み込まれた半導体パターン検査装置１０によれば、前ピンと後ピンとの画像信号のうち高域信号を抽出して比較することで、半導体のパターンの線幅、ピッチが光学系の波長以下になった場合であっても、正しいフォーカス検出を行い、高精度の計測及び検査技術を行うことができる。
【００３６】
なお、上述したフォーカス検出装置５０は、半導体パターン検査装置１０に組み込んだものについて説明したが、光学的な計測・検査装置一般に適用できるのは勿論である。
【００３７】
また、本実施の形態では、被写体として、半導体ウエハの他に、フォトマスク等を用いることが可能である。その場合、被写体としてのフォトマスク上においても、パターンを検査する場合に、前述と同様の手順でフォーカス合わせ等を行い、同様の効果を得ることが可能である。
【００３８】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態に係るフォーカス検出装置の構成例を示す。
【図２】同フォーカス検出装置の構成を示す説明図。
【図３】同フォーカス検出装置の演算回路を示すブロック図。
【図４】同フォーカス検出装置によるフォーカス検出原理を示す説明図。
【図５】検査用センサのフォーカス位置が前側フォーカス側にある場合におけるセンサ出力を示す説明図。
【図６】同微分出力を示す説明図。
【図７】同度数分布の関係を示す説明図。
【図８】検査用センサのフォーカス位置が合う場合におけるセンサ出力を示す説明図。
【図９】同微分出力を示す説明図。
【図１０】同度数分布の関係を示す説明図。
【図１１】検査用センサのフォーカス位置が後側フォーカス側にある場合におけるセンサ出力を示す説明図。
【図１２】同微分出力を示す説明図。
【図１３】同度数分布の関係を示す説明図。
【図１４】フォーカス評価値の変化特性及びフォーカス評価値の差を示す説明図。
【図１５】光テコ方式を用いたフォーカス合わせの機構の構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００４０】
１０…半導体パターン検査装置、２０…検査装置、３０…第１結像光学系、４０…検査用センサ、５０…フォーカス検査装置、６０…第２結像光学系、６１…第１ハーフミラー、６２…第２ハーフミラー、６３…ミラー、７０…ＡＦ用センサ、８０…信号処理回路、８１…センサデータ入力回路、８２…フォーカス検出回路、８３…フォーカス制御回路、Ｗ…被写体。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面に結像された被写体の光学像を画像信号に変換して出力する第１、第２のセンサと、
上記光学像を上記第１のセンサ上に形成する第１結像光学系と、
この第１結像光学系から上記光学像を上記第２のセンサ側に分岐し、さらにこの光学像を２つに分岐して、上記第２のセンサ上に第１のセンサ上の光学像における前側フォーカス像と、後側フォーカス像とを結像する第２結像光学系と、
上記第２のセンサから得られる前側フォーカス位置での前側センサ画像の高域成分と、後側フォーカス位置での後側センサ画像の高域成分とからそれぞれのフォーカス評価値を算出し、各フォーカス評価値を比較することで、第１のセンサ上の光学像の最適なフォーカス位置を検出するフォーカス検出回路と、
このフォーカス検出回路により検出されたフォーカス位置に基づいて上記第１結像光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御回路とを具備することを特徴とするフォーカス合わせ装置。
【請求項２】
上記第２結像光学系は、フォーカス位置によらず上記前側フォーカス像と上記後側フォーカス像の光学倍率を同一にするテレセントリック光学系を有すること特徴とする請求項１に記載のフォーカス合わせ装置。
【請求項３】
上記第１、第２のセンサはラインセンサ、蓄積型センサ、２次元エリアセンサのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のフォーカス合わせ装置。
【請求項４】
上記第２結像光学系は、上記第１結像光学系に配置され、上記光学像を第２のセンサ側へ分岐するハーフミラーを備えていることを特徴とする請求項１に記載のフォーカス合わせ装置。
【請求項５】
光学像を第１のセンサ上に形成する第１結像ステップと、
上記第１のセンサ上に形成された光学像を画像信号に変換して出力する第１画像信号変換ステップと、
上記第１結像ステップにおける光学像を第２のセンサ側に分岐し、さらにこの光学像を２つに分岐して、上記第２のセンサ上に上記第１のセンサ上の光学像における前側フォーカス像と、後側フォーカス像とを結像する第２結像ステップと、
上記第１のセンサ上に形成された光学像を画像信号に変換して出力する第２画像信号変換ステップと、
この第２画像信号変換ステップで得られる画像信号のうち、前側フォーカス位置での前側センサ画像の高域成分と、後側フォーカス位置での後側センサ画像の高域成分とからそれぞれのフォーカス評価値を算出し、各フォーカス評価値を比較することで、第１のセンサ上の光学像の最適なフォーカス位置を検出するフォーカス検出ステップと、
このフォーカス検出ステップにより検出されたフォーカス位置に基づいて上記第１結像光学系のフォーカスを制御するフォーカス制御ステップとを具備することを特徴とするフォーカス合わせ方法。

【図１】