(57)【要約】【課題】  180°の方位角にわたる半導体ウェハの端縁全体の像をモニタ上に同時に表示できる撮像システムを提供する。【解決手段】  本発明では、ライン状光ビームを発生する光源装置(1，2，3)、ライン状光ビームを集束して試料に投射する対物レンズ(10)、及びリニァイメージセンサ(13)を有する撮像ヘッドを用い、ウェハ端縁を３次元的に走査し、複数の角度方向からウェハ端縁を撮像する。信号処理回路(16)において、複数の角度から撮像した複数の画像を合成して画像表示装置(16)上に表示する。さらに、本発明では、ウェハ端縁を３次元的に走査しているので、奥行方向の高さ情報を利用してウェハ端縁の画像を３次元的に表示することができる。【選択図】  図１
2006308336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な素子形成面である第１の面及び裏面である第２の面と、これら２つの面の間に位置する端縁とを有する半導体ウェハの端縁領域を撮像する撮像システムであって、
ライン状光ビームを発生する光源装置と、前記光源装置から発生したライン状光ビームを、その延在方向と直交する方向に偏向するビーム偏向装置と、ビーム偏向装置から出射したライン状光ビームを、集束性ライン状光ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する対物レンズと、対物レンズをその光軸方向に移動させる対物レンズ移動機構と、前記ライン状光ビームの延在方向と対応する方向に沿って配列された複数の受光素子を有し、前記半導体ウェハからの反射光を受光するリニァイメージセンサとを有する第１及び第２の撮像ヘッドを含む少なくとも２個の撮像ヘッド、及び、
前記撮像ヘッドのリニァイメージセンサからの出力信号を受け取り、ビデオ信号を形成する信号処理回路を具え、
前記撮像ヘッドを、半導体ウェハの第１及び第２の面と平行な中心面と直交する同一面上に配置し、
各撮像ヘッドの対物レンズから出射し半導体ウェハの端縁に入射する集束性のライン状光ビームを、前記半導体ウェハの中心面に対してほぼ直交する面内に延在するように設定し、
半導体ウェハの端縁をその周囲に沿って複数の角度方向から、対物レンズと半導体ウェハとの間の相対距離を変えながら端縁領域の像を順次撮像し、前記信号処理回路において、複数の角度方向から撮像した画像を合成して端縁領域の画像を表すビデオ信号を出力することを特徴とする撮像システム。
【請求項２】
前記第１の撮像ヘッドの対物レンズを半導体ウェハの第１の面の一部を望むように配置し、当該対物レンズから出射するライン状光ビームの一方の限界光線が第１の面にほぼ垂直に入射するように配置し、前記第２の撮像ヘッドの対物レンズを半導体ウェハの第２の面の一部を望むように配置し、当該対物レンズから出射するライン状光ビームの一方の限界光線が第２の面にほぼ垂直に入射するように配置したことを特徴とする請求項２に記載の撮像システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の撮像システムにおいて、前記光源装置は、共用する水銀ランプ又はキセノンランプを含み、これら水銀ランプ又はキセノンランプから出射した光を光ファイバによりライン状光ビームに変換し、ライン状の開口部を有するスリットを介してライン状光ビームとして出射させることを特徴とする撮像システム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の撮像システムにおいて、前記光源装置を、レーザ光源と、2次元マトリックス状に配置した複数のマイクロミラーを有するマイクロミラー装置との組み合わせにより構成し、前記マイクロミラー装置からライン状光ビームを出射させることを特徴とする撮像システム
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、前記信号処理回路は、半導体ウェハの端縁領域の断面形状をビデオ信号として出力することを特徴とする撮像システム。
【請求項６】
互いに平行な素子形成面である第１の面及び裏面である第２の面と、これら２つの面の間に位置する端縁とを有する半導体ウェハの端縁領域を撮像する撮像システムであって、
ライン状光ビームを発生する光源装置と、前記光源装置から発生したライン状光ビームを、その延在方向と直交する方向に偏向するビーム偏向装置と、ビーム偏向装置から出射したライン状光ビームを、集束性ライン状光ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する対物レンズと、対物レンズをその光軸方向に移動させる対物レンズ移動機構と、前記ライン状光ビームの延在方向と対応する方向に沿って配列された複数の受光素子を有し、前記半導体ウェハからの反射光を受光するリニァイメージセンサとを有する撮像ヘッド、
前記撮像ヘッドのリニァイメージセンサからの出力信号を受け取り、ビデオ信号を形成する信号処理回路、及び、
前記撮像ヘッドと半導体ウェハの端縁とを互いに相対的に回転させる回転駆動機構を具え、半導体ウェハ又は撮像ヘッドを互いに相対的に回転させて、複数の角度方向から対物レンズと半導体ウェハとの間の相対距離を変えながら端縁の像を撮像し、前記信号処理回路において、複数の角度方向から撮像した画像を合成してビデオ信号を出力することを特徴とする撮像システム。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、前記撮像ヘッドは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３個の光源と、これら光源から発生したＲ，Ｇ，Ｂの光ビームを
三原色のライン状光ビームに合成する手段とを有し、半導体ウェハの端縁領域の画像をカラーのビデオ信号として出力することを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに平行な第１及び第２の表面と、これら２つの表面間に位置する端縁とを有する半導体ウェハの端縁の像を撮像するのに好適な撮像システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは、鏡面仕上げされた半導体ウェハ上に半導体膜、絶縁膜、金属膜等の各種材料膜が形成され、エッチング処理、不純物注入処理、洗浄処理等の各種のプロセスを経て製造される。半導体デバイスの製造工程において、歩留りを向上させるためには、各種プロセスが行われたウェハ表面をクリーンな状態にしてから次の工程を行う必要がある。例えば、前段の工程において使用した材料が残存すると、コンタミネーションを起し、歩留りが著しく低下してしまう。このため、各種プロセスが行われた後、ウェハ全体にわたってクリーニング処理が行われ、前工程で使用した材料の残存物が除去され、クリーンな状態にされてから次のプロセスが実行される。しかしながら、ウェハの素子形成領域は洗浄処理によりクリーンな状態に維持されるが、素子形成領域の周縁に位置する端縁部分は180°の方位角にわたるため、クリーニング不足になりがちであり、異物等が残存するおそれがある。さらに、ウェハの周縁部分は、各種のプロセスが行われた後研磨処理(ポリシング)により前段の工程で形成された膜等が除去されるが、その研磨量が不足すると、異物が残存してコンタミネーションが発生するおそれがあり、過剰な研磨が行われると素子形成領域に悪影響を及ぼすおそれがある。従って、半導体デバイスの製造の歩留りを上げるためには、半導体ウェハの周縁の表面の状態を観察できる撮像システムが必要である。一方、現在の処理プロセスでは、光学顕微鏡を用いて半導体ウェハの端縁が観察されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、ウェハの端縁全体を同時に観察することが望まれている。しかしながら、ウェハの端縁は、デバイスが形成される素子形成面と裏面とにより画成され、180°の方位角にわたっている。このため、従来の顕微鏡を用いて観察する場合、ウェハの表面側及び裏面側からそれぞれ別個に撮像しなければならず、端縁全体の像を同時にモニタ上に表示することは困難であった。また、ウェハの端縁は湾曲する複数の面で構成されるため、各面毎に方位角が大きく相違する。このため、通常の光学顕微鏡で半導体ウェハの端縁の像を撮像しようとする場合、焦点が合うウェハ上の範囲は狭く、対物レンズの焦点が合った部位から横方向に離間した位置ではピントがずれてしまい、端縁全体にわたって合焦した像を撮像するには限界があった。この場合、焦点深度の深い対物レンズを用いて撮像しようとしても限界がある。
【０００４】
また、光学顕微鏡で端縁像を撮像する場合、端縁の像は平面的にしか画像表示されないため、モニタ上に表示される特異点の性状ないし特性を判定することが困難であった。例えば、モニタ上に周囲よりも濃い濃度の部分が表示されても、当該部分が異物付着による像であるか又は傷による像であるか判別するのが困難であった。また、異物の付着が検出されても、付着している異物の性状や大きさ等に関する情報を得にくく、さらに、光学的に透明な材料の異物が付着している場合、透明異物を検出することも難しかった。従って、光学顕微鏡でウェハ端縁を撮像する方法では、半導体デバイスの製造プロセスの歩留りを向上させるために必要な定性分析及び定量分析に有用な画像情報を得るには限界がある。さらに、半導体ウェハの端縁が正確に研磨されているか否かを判別するためには、ウェハの断面形状を得る必要がある。しかし、通常の光学顕微鏡を用いて断面形状を撮像するためにはウェハを破断しなければならず、破断した場合もはや当該ウェハは不良品となってしまう。
【０００５】
さらに、180°の方位角にわたるウェハの端縁を撮像するためには、多数の方位角方向から撮影しなければならず、観察に長時間かかるばかりでなく、その作業も煩雑であり、一層有用な撮像方法の開発が強く要請されている。
【０００６】
本発明の目的は、180°の方位角にわたるディスク状又は板状物体の端縁全体の像をモニタ上に同時に表示できる撮像システムを提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、半導体ウェハの端縁に関して製造プロセスの定性分析及び定量分析に有用な画像情報を得ることができる撮像システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による撮像システムは、互いに平行な素子形成面である第１の面及び裏面である第２の面と、これら２つの面の間に位置する端縁とを有する半導体ウェハの端縁領域を撮像する撮像システムであって、
ライン状光ビームを発生する光源装置と、前記光源装置から発生したライン状光ビームを、その延在方向と直交する方向に偏向するビーム偏向装置と、ビーム偏向装置から出射したライン状光ビームを、集束性ライン状光ビームとして半導体ウェハの端縁に向けて投射する対物レンズと、対物レンズをその光軸方向に移動させる対物レンズ移動機構と、前記ライン状光ビームの延在方向と対応する方向に沿って配列された複数の受光素子を有し、前記半導体ウェハからの反射光を受光するリニァイメージセンサとを有する第１及び第２の撮像ヘッドを含む少なくとも２個の撮像ヘッド、及び、
前記撮像ヘッドのリニァイメージセンサからの出力信号を受け取り、ビデオ信号を形成する信号処理回路を具え、
前記撮像ヘッドを、半導体ウェハの第１及び第２の面と平行な中心面と直交する同一面上に配置し、
各撮像ヘッドの対物レンズから出射し半導体ウェハの端縁に入射する集束性のライン状光ビームを、前記半導体ウェハの中心面に対してほぼ直交する面内に延在するように設定し、
半導体ウェハの端縁をその周囲に沿って複数の角度方向から、対物レンズと半導体ウェハとの間の相対距離を変えながら端縁領域の像を順次撮像し、前記信号処理回路において、複数の角度方向から撮像した画像を合成して端縁領域の画像を表すビデオ信号を出力することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、ディスク状物体の端縁を、複数の角度方向から撮像し、信号処理回路において撮像された複数の画像を合成し、合成画像をビデオ信号として出力するので、180°の方位角にわたる端縁全体の像を同時にモニタ上に表示することができる。ここで、重要なことは、本発明では、ライン状光ビームを用いて端縁領域を照明し、半導体ウェハの第１の面及び第２の面からの反射光をリニァイメージセンサにより受光することである。すなわち、レーザビームを音響光学素子を用いて主走査方向にスキャンするのでは、十分な走査長を得ることが極めて困難であり、十分な長さの走査長を得ようとすると、光路長が長くなり、装置全体が大型化してしまう。これに対して、ライン状光ビームを用いて2次元走査する場合、短い光路長で十分な走査長を得ることができる。特に、素子形成面及び裏面を含む半導体ウェハの端縁領域全体を撮像するためには、十分な長さの走査長が必要であるため、ライン状光ビームを用いることにより、コンパクトな撮像ヘッドを実現することができる。
【０００９】
本発明による撮像システムの好適実施例は、観察すべきディスク状物体を半導体ウェハとし、半導体ウェハの中心面をはさんで素子形成面の側から及び裏面側から、対物レンズの光軸を前記中心面に対して４５°の角度に設定してそれぞれ撮像し、前記信号処理回路において２つの画像を合成し、前記素子形成面及び裏面の一部を含む端縁全体の画像を表示することを特徴とする。開口角が４５°以上の対物レンズを用い、対物レンズの光軸を半導体ウェハの中心面に対して４５°の角度に設定すれば、90°の方位角にわたって撮像できる。よって、表面側及び裏面側から撮像し、信号処理回路で２つの画像を合成するだけで端縁全体の画像を同時にモニタ上に表示することができる。この結果、撮像作業が容易になると共に信号処理回路の負荷も軽減される。さらに、半導体ウェハの端縁は方位角の異なる複数の平面又は湾曲面で形成されているが、本発明では、半導体ウェハの端縁と走査スポットとの間の相対距離を変えながら撮像しているため、方位角が異なる複数の表面全体について焦点が合った画像を撮像することができる。
【００１０】
本発明による撮像システムの好適実施例は、前記信号処理回路は、走査スポットと半導体ウェハの端縁との間の相対距離を変えながら撮像する間に得られた輝度値から最大輝度値を求める手段、最大輝度を発生する光軸方向の位置情報を求める手段、及び、求めた最大輝度値及び対応する位置情報を各画素毎に記憶する記憶手段を有することを特徴とする。コンフォーカル顕微鏡では、半導体ウェハの端縁に入射した集束性ライン状光ビームのうち、集束線が試料表面上に位置するとき最大輝度が出力され、集束線が試料表面から光軸方向に変位した場合僅かな反射光しかリニァイメージセンサに入射しない特性がある。従って、最大輝度値及び対応する位置情報を出力し、位置情報を奥行方向の高さ情報として用いれば、ウェハ端縁の像を3次元的に表示することができ、ウェハの端縁に付着した異物や傷等を明確に判別することができ、製造プロセスの各種分析に有用な情報を得ることができる。しかも、付着した異物の大きさ及び厚さ等の情報も得ることができる利点が達成される。
【００１１】
本発明による撮像システムの好適実施例は、光源装置を、レーザ光源と、2次元マトリックス状に配置した複数のマイクロミラーを有するマイクロミラー装置との組み合わせにより構成し、前記マイクロミラー装置からライン状光ビームを出射させることを特徴とする。この場合、マイクロミラー装置から出射するライン状光ビームは、位相関係がランダムな光ビームであり、非コヒーレントなビームであるため、グレァやフレァが発生しない利点が達成される。
【００１２】
本発明による撮像システムの好適実施例は、撮像ヘッドは、Ｒ，Ｇ，Ｂの３個の光源と、これら光源から発生したＲ，Ｇ，Ｂの光ビームを三原色のライン状光ビームに合成する手段とを有し、半導体ウェハの端縁領域の画像をカラーのビデオ信号として出力することを特徴とする。半導体ウェハは、種々のカラーに研磨されている場合があるため、端縁画像をカラー画像として出力することにより、半導体ウェハの識別が一層容易になる。また、レジスト等の異物が不着した場合、異物の色に基づいて異物を特定することができ、異物判定においても好適である。さらに、３色の光源を用いるため、半導体ウェハの種類に応じて適切なカラービームで撮像できる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明による撮像システムの一例を示す線図である。本例では、２つの撮像ヘッドを用いて半導体ウェハの端縁の像を撮像する。尚、２つの撮像ヘッドは同一の構成であるため、一方の撮像ヘッドの構成だけを示す。本例では、光源１として水銀ランプ１を用いる。尚、キセノンランプも光源として用いることができる。水銀ランプ１から照明用のライン状光ビームを発生する。水銀ランプ１から発生した光を光ファイバ２により第１の方向に延在するライン状光ビームに変換し、スリット３を経て整形されたライン状光ビームとして出射させる。尚、図面上、ライン状光ビームは紙面内の矢印方向に延在するものとする。ライン状光ビームは、ビームスプリッタ４を透過し、結像レンズ５を経てビーム偏向装置である振動ミラー６に入射する。振動ミラー６は、入射した光ビームを第１の方向と直交する第２の方向（紙面と直交する方向）に周期的に偏向する。振動ミラー６から出射した光ビームはリレーレンズ７及び８を介して対物レンズ９に入射する。入射した光ビームは、対物レンズ９により収束されて観察すべき試料である半導体ウェハ１０の端縁領域に入射する。半導体ウェハは、紙面と直交する方向に延在するように配置する。従って、集束したライン状光ビームは、半導体ウェハの素子形成面及び裏面に平行な中心面Ｓｃと直交する面内に延在する。この結果、撮像されるべき半導体ウェハ１０の端縁は集束性のライン状光ビームにより所定の走査周波数で２次元走査される。尚、半導体ウェハはステージ（図示せず）上に支持し、ステージを回転させることにより半導体ウェハの表面側及び裏面側に照明ビームを入射させることができる。
【００１４】
本例では、集束したライン状光ビームと半導体ウェハの端縁との間の相対距離を変えながら２次元走査を行う。このため、本例では、対物レンズ９を光軸方向に変位させる変位手段であるステッピングモータ１１を設け、ステッピングモータにより対物レンズを光軸方向に変位させながら２次元走査を行う。また、対物レンズの光軸方向の変位量をエンコーダにより検出し、対物レンズの変位量を深さ方向の位置情報としてメモリに記憶する。尚、対物レンズを固定し、半導体ウェハを支持するステージを対物レンズの光軸方向に変位させて対物レンズすなわち走査スポットとウェハ端縁との間の相対距離を変位させることもできる。
【００１５】
半導体ウェハ１０の端縁で反射した光は対物レンズ９により集光され、リレーレンズ８及び７を経て振動ミラー６に入射し、デスキャンされ、結像レンズ５を経てビームスプリッタ４に入射する。このウェハ表面からの反射光は、ビームスプリッタで反射し、リニァイメージセンサ１２に入射する。リニァイメージセンサ１２は、結像レンズ５の結像位置に配置され、半導体ウェハからの反射光を主走査方向の１ライン毎に受光するようにウェハ表面上の走査方向である第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、各受光素子に蓄積された電荷を所定の読出周波数で読み出す。ウェハ表面からの反射光は振動ミラー６によりデスキャンされているから副走査方向には変位せず、従ってリニァイメージセンサの各受光素子はウェハ表面からの反射光により周期的に走査されることになる。この結果、リニァイメージセンサの各受光素子に蓄積された電荷を所定の読出周波数で読み出すことにより、ウェハ端縁の２次元画像情報が出力される。
【００１６】
このように、半導体ウェハ１０の端縁は、スポット状に収束した光ビームで走査され、当該端縁からの反射光はリニァイメージセンサの各受光素子により受光されるため、当該光学系はコンフォーカル光学系を構成し、高い分解能のウェハ端縁像を撮像することができる。
第２の撮像ヘッドは、上述した第１の撮像ヘッドと同一構成であるため、説明は省略し、第２撮像ヘッドの対物レンズ及びλ／４板だけを図示する。
【００１７】
図２は、撮像されるべき半導体ウェハの端縁の向きと対物レンズの光軸との関係を示す線図である。図２において、半導体ウェハは紙面と直交する方向に延在しているものとする。半導体ウェハ１０の周縁は、素子形成領域を構成する第１の表面１０ａと、第１の表面と対向する平行な裏面である第２の表面１０ｂとを有し、これら第１の表面と第２の表面との間に端縁が形成されている。ここで、２つの表面１０ａ及び１０ｂの中間に位置しウェハの中心を通る面を中心面Ｓcとして規定する。端縁は、中心面Ｓcと直交する面１０ｃとその両側に位置する２つの表面１０ｄ及び１０ｅとにより構成される。尚、端縁を形成する各表面は平面又は僅かに湾曲した湾曲面である。
【００１８】
ウェハの端縁は５個の面１０ａ〜１０ｅにより形成されるから、各面に対して対物レンズの光軸を垂直に設定し、５回の撮像操作により撮像し、５個の画像を合成して端縁像を表示することも可能である。しかし、多数回撮像操作を行う必要があり、撮像に長時間かかる欠点がある。この欠点を解消するため２つの撮像ヘッドを用い、対物レンズとして開口角が４５°以上の対物レンズ（開口数は０．９５）を用い、対物レンズの光軸を中心面Ｓcに対してほぼ４５°の角度又はその近傍の角度に設定し、２つの撮像ヘッドを用いて第１の表面１０ａの側及び反対側の第２の表面１０ｂの側の２つの側からそれぞれ中心面に対して４５°の角度で端縁をそれぞれ撮像する。この場合、ウェハ端縁の片側半分の領域を構成する３つの表面１０ａ、１０ｄ及び１０ｃの画像を第１の撮像ヘッドで同時に撮像し、１０ｂ，１０ｅ及び１０ｃの画像を第２の撮像ヘッドで撮像する。
【００１９】
次に、対物レンズから出射した集束性のライン状光ビームと半導体ウェハ端縁の各面との関係について説明する。本例では、２つの撮像ヘッドにより180°の方位角の物体の像を撮像するため、1つの撮像ヘッドにより90°の方位にわたって撮像する必要がある。そのため、対物レンズ９を通過するライン状光ビームの一方の限界光線２０ａが第１の面１０ａに対してほぼ垂直に入射し、他方の限界光線２０ｂが第３の面１０ｃに対してほぼ垂直に入射するように設定する。一方の限界光線２０ａは、面１０ａに垂直に入射し、当該面で反射し、再び対物レンズ９により集光される。これに対して、限界光線２０ａが面１０ａに対して垂直よりも小さい角度で入射した場合、もはや対物レンズにより集光されず撮像することはできない。他方の限界光線２０ｂについて同様である。このように、限界光線が半導体ウェハの各面に対して垂直に入射するように設定することにより、端縁の画像を撮像することができる。
【００２０】
尚、１つの撮像ヘッドを用い、ウェハを支持するステージを９０°回動させることにより反対側の３つの表面１０ｂ、１０ｅ及び１０ｃの画像を同時に撮像することができる。この結果、方位角が180°にわたるウェハ端縁について、2回の撮像操作により撮像することができ、２つの画像を合成するだけで端縁全体の画像をモニタ上に表示することができる。また、半導体ウェハのステージを固定し、撮像ヘッドを９０°回転させることにより、方位角が180°にわたるウェハ端縁の像を撮像することができる。
【００２１】
対物レンズの光軸をウェハの中心面Ｓcに対して４５°の角度に設定して撮像する場合、対物レンズの光軸は端縁を形成する各面に対して垂直ではなく、光軸に対して各表面は傾斜した面となる。このため、対物レンズから各表面の各部位までの距離が大きく相違し、焦点の合った部分は狭い範囲になってしまう。そこで、本発明では、対物レンズを変位させて集束したライン状光ビームとウェハ端縁との間の相対距離を変えながら２次元走査する。コンフォーカル顕微鏡では、集束したライン状光ビームが試料表面に位置する場合強い反射光がリニァイメージセンサの対応する受光素子に入射し、ライン状光ビームの集束線が試料表面から光軸方向に変位している場合すなわちライン状光ビームの集束線が試料表面の前側又は後側に位置する場合、リニァイメージセンサの受光素子には僅かな反射光しか入射しない。このコンフォーカル顕微鏡の特有の性質を利用してライン状光ビームの集束線を光軸方向に変位させながら撮像することにより、ウェハ端縁の各面が光軸に対して傾斜しても、撮像される端縁画像の全体にわたって合焦した画像を得ることができる。すなわち、第１の表面側から撮像した場合、第１の表面１２ａ並びに端縁を構成する２つの面１２ｃ及び１２ｄの全体について合焦した画像を撮像することができる。従って、端縁のいずれの部位に異物が付着したり傷が存在する場合であっても、これら異物及び傷等を全て鮮明に撮像してモニタ上に表示することができる。
【００２２】
図１を参照するに、リニァイメージセンサ１３からの出力信号は増幅器１４により増幅して信号処理回路１５に供給する。そして、信号処理回路において種々の信号処理を行ってビデオ出力を作成し、画像表示装置１６に供給し、画像表示装置上にウェハ端縁の像を表示する。信号処理回路は、一例として以下の処理を行うことができる。
初めに、本発明では、複数の方向からウェハの端縁画像を撮像し、各角度方向から撮像した画像をそれぞれフレームメモリに記憶し、画像合成手段により各フレームメモリに記憶されている画像を合成し、ビデオ出力として画像表示装置１６に供給する。上述したように、対物レンズの光軸をウェハの中心面に対して４５°の角度に設定して撮像する場合、２つの撮像ヘッドにより２つの側から撮像した２つの画像を合成し、ビデオ信号として画像表示装置に出力する。この画像合成処理により、素子形成面及び裏面を含むウェハ端縁全体の画像を同時に画像表示装置上に表示することができる。
【００２３】
次に、対物レンズとウェハ端縁との間の相対距離を変えながら２次元画像を撮像する際、ウェハ端縁の２次元画像の各画素について最大輝度値及び最大輝度値を発生する位置情報をメモリに記憶する。そして、最大輝度値及び位置情報を画像表示装置に供給し、位置情報を奥行方向の高さ情報として用いることによりウェハ端縁の像を３次元的に表示することができる。この最大輝度値は、順次入力するリニァイメージセンサからの各出力をフレームメモリに記憶されているデータと順次比較し、入力した値がフレームメモリに記憶されている値よりも大きい場合更新することにより容易に得ることができる。この結果、従来の顕微鏡では周囲と相違する特異点としか表示されなかった画像部分について、その外観形状を明確に把握することができ、例えば、表示された特異的な画像部分がウェハ端縁に付着した異物であるか又は端縁の表面に形成された傷であるか明確に判別することができる。しかも、異物や傷を３次元的に表示することができるので、異物の大きさや厚さを表示画像から判定することができる。さらに、異物が光学的に透明な材料の場合であっても、透明異物の表面に走査スポットが位置すると、透明異物表面での反射作用により反射光が発生しリニァイメージセンサに入射するので、透明材料の異物であってもその表面形状を撮像することができる。従って、これらの判定結果に基づいて各プロセスの終了後に行われる研磨処理の良否や研磨処理に必要な時間等に関する有用な情報が得られ、この結果、製造プロセスの定量分析及び定性分析に有用な画像情報を提供することができる。
【００２４】
さらに、振動ミラー６を静止させ固定ミラーとして用いて、対物レンズを光軸方向に変位させて最大輝度を発生する位置情報を求めることにより、ウェハ端縁の断面形状を求めることができる。すなわち、コンフォーカル顕微鏡では、対物レンズを変位させながらライン状光ビームを照射すると、ライン状光ビームのウェハ表面に位置するときリニァイメージセンサの受光素子から最大輝度値が出力される。従って、合成された１次元画像の最大輝度値を発生する位置情報を画像表示装置上でプロットすることにより、ウェハ端縁の断面形状を表示することができる。この断面形状の測定は、２次元画像の表示と共に利用すると一層有用な情報を得ることができる。例えば、画像表示装置上に表示された２次元画像中に異物の付着が観察された場合、当該部分について断面形状を求めることにより、異物の断面形状や厚さを定量的に求めることができる。勿論、振動ミラー６を固定せず駆動した状態で最大輝度値が記憶されているフレームメモリの一ラインに相当するデータを読み出すことにより断面形状を得ることも可能である。
【００２５】
図３は本発明による撮像システムの第２実施例を示す線図である。本例では、カラーの撮像ヘッドを用いると共に、光源装置として、レーザ光源と複数のマイクロミラー素子が2次元アレイ状に配置されたマイクロミラー装置との組み合わせを用い、マイクロミラー装置から非コヒーレントなライン状光ビームを発生させる。半導体ウェハの研磨面の色は様々であり、カラー情報を得ることにより、半導体ウェハの端縁について一層有益な情報を得ることができる。尚、図３においては、１つの撮像ヘッドだけについて説明し、他の撮像ヘッドの説明は省略する。
【００２６】
本例では、全ての光学素子を同一平面上に配置し、光学系の調整の煩雑性を解消する。Ｒ，Ｇ，Ｂの光源として、赤の光ビームを発生するレーザ光源３１、緑の光ビームを発生するレーザ光源３２及び青の光ビームを発生するレーザ光源３３を用いる。これら３個のレーザ光源は半導体レーザで構成し、出射する各レーザ光の光軸は同一平面上に位置するように設定する。尚、赤のレーザ光、緑のレーザ光及び青のレーザ光の各波長は、例えば６６０ｎｍ、５３０ｎｍ及び４４０ｎｍとする。各レーザ光源１〜３の前面には、エキスパンダ光学系３４〜３６をそれぞれ配置し、拡大平行光束に変換する。第１のレーザ光源３１から放出された赤のレーザビームは、エキスパンダ光学系３４により拡大平行光束にされ、赤の光を透過し緑の光を反射する第１のダイクロイックミラー３７、並びに赤及び緑の光を透過し青の光を反射する第２のダイクロイックミラー３８を透過し、第１のシリンドリカルレンズ３９を経て第１の偏光ビームスプリッタ４０に入射する。第２のレーザ光源２から放出された緑のレーザビームは、エキスパンダ光学系３５により拡大平行光束にされ、第１のダイクロイックミラー３７で反射し、第２のダイクロイックミラー３８を透過し、第１のシリンドリカルレンズ３９を経て第１の偏光ビームスプリッタ４０に入射する。また、第３のレーザ光源３３から出射した青のレーザビームは、エキスパンダ光学系３６を経て、第２のダイクロイックミラー３８で反射し、第１のシリンドリカルレンズ３９を経て第１の偏光ビームスプリッタ４０入射する。従って、第１及び第２のダイクロイックミラー３７及び３８はＲ，Ｇ，Ｂのカラービームを合成するビーム合成光学系を構成する。第１のシリンドリカルレンズ３９は、入射した光ビームを第２の方向（後述するライン状光ビーム発生装置４２のビーム発散方向と直交する方向、本例では紙面と直交する方向とする）にだけ収束させるレンズ作用を有する。
【００２７】
Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザビームは、第１の偏光ビームスプリッタ４０を透過し、λ／４波長板４１を経て本発明によるライン状光ビーム発生装置４２の光入射面に収束した状態で垂直に入射する。このライン状光ビーム発生装置は、２次元マトリックス状に配置され、例えば１４μｍ×１４μｍの矩形のアルミニウムの反射面を有する複数のマイクロミラー素子を光入射面に具えるマイクロミラー装置で構成する。各マイクロミラー素子のミラー面は、後述するように、駆動回路から供給される駆動パルスにより高速で往復回動ないし往復傾動するため、入射したレーザビームを第１の方向に高速振動させることになる。従って、レーザビーム全体として見た場合、マイクロミラー装置４２から、第１の方向（紙面内に延在する方向）に発散する光ビームして出射する。さらに、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子のミラー面はそれぞれランダムな状態で回動ないし傾動するため、入射したレーザビームの各マイクロミラー素子に入射した微小のビーム部分はそれぞれランダムな状態で反射する。この結果、マイクロミラー装置から出射する光ビームは、ビーム全体として見た場合位相関係がそれぞれランダムな状態になり、もはやコヒーレンス性が維持されず、発散性の非コヒーレントな光ビームに変換される。この結果、グレァ等の発生を防止することができ、鮮明な試料像を撮像することができる。
【００２８】
ライン状光ビーム発生装置４２から出射した非コヒーレントな発散性光ビームは、λ／４波長板４１を透過し、第１の偏光ビームスプリッタ４０の偏光面で反射し、収束性球面レンズ４３に入射し、当該収束性球面レンズにより第１の方向に拡大された平行光ビームに変換される。この平行光ビームは、第２のシリンドリカルレンズ４４により第２の方向に収束され、結像レンズ４５を経て第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射する。従って、第２のシリンドリカルレンズ４４の結像位置には、第１の方向に拡大され第１の方向と直交する第２の方向には集束した平行なライン状の光ビームが形成される。
【００２９】
第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射した細いライン状の光ビームは、リレーレンズ４７を経て振動ミラー４８に入射する。この振動ミラー４８は、駆動回路４９の制御のもとで、入射したライン状光ビームをその延在方向と直交する第２の方向に例えばテレビレートの副走査周波数で偏向する。振動ミラー４８により偏向された光ビームは、リレーレンズ５０及び５１並びにλ／４波長板５２を経て対物レンズ５３に入射する。対物レンズは、入射したライン状光ビームを集束してステージ上に載置され、紙面と直交する方向に延在する半導体ウェハ５４の端縁に投射する。従って、半導体ウェハの端縁５４は、第２の方向に集束したライン状の光ビームにより１次元的に走査されることになる。
【００３０】
半導体ウェハ５４の端縁領域で反射した反射ビームは、対物レンズ５３により集光され、再びλ／４波長板５２並びにリレーレンズ５１及び５０を経て振動ミラー４８に入射する。この試料からの反射ビームは、振動ミラー４８によりデスキャンされ、リレーレンズ４７を経て第２の偏光ビームスプリッタ４６に入射する。この試料からの反射ビームはλ／４波長板５２を２回透過しているから、第２の偏光ビームスプリッタ４６を透過して光源から試料に向かう照明ビームから分離され、受光装置５６に入射する。この受光装置５６は、試料からの反射ビームを受光してＲ，Ｇ，Ｂのビデオ信号を発生する。Ｒ，Ｇ，Ｂのビデオ信号を発生させる方法として種々の方法があり、具体的な内容は後述する。受光装置５６から発生したＲ，Ｇ，Ｂのビデオ信号は信号処理回路５７に供給され、Ｒ，Ｇ，Ｂのビデオ信号を合成してカラービデオ信号を出力する。
【００３１】
次に、Ｒ，Ｇ，Ｂのビデオ信号を発生する受光装置について説明する。受光装置の第１の実施例を図４に示す。本例では、第１及び第２のダイクロイックミラー６０及び６１を有する色分解光学系を用いて、試料からの反射ビームをＲ，Ｇ，Ｂの各カラー光に分解し、各カラー光をそれぞれリニァイメージセンサに入射させてビデオ信号を発生させる。すなわち、試料からの反射ビームは、赤及び緑の光を透過し青の光を反射する第１のダイクロイックミラー６０に入射し、青の光は第１のリニァイメージセンサ６２に入射する。この入射光は振動ミラー４８によりデスキャンされているため、第１のリニァイメージセンサ６２上に静止状態に維持される。赤及び緑の光は、緑の光を反射し赤の光を透過する第２のダイクロイックミラー６１に入射し、緑の光は第２のリニァイメージセンサ６３に入射し、赤の光は第２のダイクロイックミラーを透過し第３のリニァイメージセンサ６４に入射する。第１〜第３のリニァイメージセンサは、第１の方向と対応する方向にそって配列された複数の受光素子を有する。各受光素子に蓄積された電荷は、コントローラ６５から供給される制御信号のもとで制御されるリニァイメージセンサ読出回路６６からの読出信号により例えばテレビレートで読み出され、Ｒ，Ｇ，Ｂのビデオ信号をそれぞれ発生する。これらＲ，Ｇ，Ｂのビデオ信号は増幅器により増幅されて信号処理回路５７に供給され、信号処理回路において合成され、カラービデオ信号が出力される。このように、試料表面を集束したライン状光ビームで走査し、試料からの反射ビームをリニァイメージセンサに集束した状態で入射させることによりラインコンフォーカル光学系が構成され、高い分解能の試料像を出力することができる。
【００３２】
受光装置の第２の実施例を図５（Ａ）に示す。第２の実施例では、単一のリニァイメージセンサを用いてＲ，Ｇ，Ｂのビデオ信号を発生する。リニァイメージセンサとして、図５（Ａ）に示すように、受光素子の前面にＲ，Ｇ，Ｂのカラーフィルタ素子が順次配置され、Ｒ，Ｇ，Ｂの光を選択的に受光するＲ，Ｇ，Ｂ用の受光素子が第１の方向と対応する方向に沿ってインライン状に順次配列されているリニァイメージセンサを用いる。このリニァイメージセンサを用いる場合、各Ｒ，Ｇ，Ｂの受光素子に蓄積された電荷をそれぞれ分離して出力することにより、Ｒ，Ｇ，Ｂのビデオ信号を出力することができ、Ｒ，Ｇ，Ｂのビデオ出力を信号処理回路５７において合成することによりカラー画像を出力することができる。
【００３３】
第３の実施例として、図５（Ｂ）に示すように、リニァイメージセンサの受光素子の配列方向である第１の方向と直交する第２の方向に３つの受光素子列を設け、各受光素子列に試料からのＲ，Ｇ，Ｂの反射ビームをそれぞれ入射させる。本例では、Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザ光源１〜３の光軸を当該顕微鏡の基本光軸に対して、第２の方向に微小な角度だけ傾け、Ｒ，Ｇ，Ｂの照明ビームを半導体ウェハの同一位置に入射させる。試料からの反射ビームを受光する受光装置において、３個の受光素子列を第２の方向に僅かにシフトさせて配置する。そして、試料からのＲ，Ｇ，Ｂの反射ビームを各受光素子列にそれぞれ入射させ、各受光素子列から出力されるＲ，Ｇ，Ｂのビデオ信号を信号処理回路５７において合成することによりカラー画像を撮像することができる。尚、この場合、受光素子の配列方向と直交する方向に３個のリニァイメージセンサを配置し、各リニァイメージセンサに試料からのＲ，Ｇ，Ｂの反射ビームを入射させることも可能である。
【００３４】
さらに、受光装置の第４の実施例として、Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザ光源を時分割方式により駆動してカラー画像を撮像する例について説明する。本例では、Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザ光源を時分割駆動方式により順次駆動し、試料で順次反射したＲ，Ｇ，Ｂの反射ビームを単一のリニァイメージセンサにより順次受光してＲ，Ｇ，Ｂのビデオ信号を出力する。Ｒ，Ｇ，Ｂの第１〜第３の光源の発光波形及びリニァイメージセンサから読み出されるビデオ出力波形を図６に示す。図６に示すように、光源駆動回路（図示せず）の制御のもとで、Ｒの光源１だけを発光させ、他の２つの光源の駆動を停止して、所定の発光期間中に赤のレーザビームだけを試料に照射する。次に、赤のレーザ光源１を停止し、光源２を駆動して試料に緑の照明ビームだけを照射する。この緑の照明ビームの照射期間中にリニァイメージセンサ５６に蓄積された電荷を読み出し、赤のビデオ出力を形成する。次に、青の光源だけを駆動して青のレーザビームを試料に照射し、この発光期間中にリニァイメージセンサから蓄積された電荷を読出し、緑のビデオ出力を形成する。このようにして、Ｒ，Ｇ，Ｂの輝度情報を順次出力し、信号処理回路５７において合成することにより、試料のカラー画像を形成することができる。この時分割方式を利用することにより、リニァイメージセンサを１個設けるだけですむと共に色分解光学系が不要になる利点が達成される。
【００３５】
次に、レーザ光源として白色光を発生するレーザ光源を用いる例について説明する。前述した実施例では、レーザ光源としてＲ，Ｇ，Ｂのカラー光をそれぞれ発生する３つのレーザ光源を用いたが、白色のレーザビームを放出する単一のレーザ光源を用いてカラーレーザ顕微鏡を構成することも可能である。この実施例では、白色のレーザ光を発生するレーザ光源を用い、ライン状光ビーム発生装置及びビーム偏向装置を介して白色のライン状光ビームにより試料を走査する。試料表面で反射した白色ビームは、再びビーム偏向装置及び第２のビームスプリッタを介して受光装置に入射する。受光装置においては、図４に示すように、試料からの反射ビームを色分解光学系によりＲ，Ｇ，Ｂの成分に分解し、それぞれリニァイメージセンサに入射させ、Ｒ，Ｇ，Ｂのビデオ出力を発生させることができる。或いは、図５（Ａ）に示す単一のリニァイメージセンサ、すなわちＲ，Ｇ，Ｂの成分光をそれぞれ選択的に受光する受光素子を第１の方向にそって順次配列したリニァイメージセンサを用いてＲ，Ｇ，Ｂのビデオ出力を発生させることも可能である。このように、光源として白色のレーザ光を発生するレーザ光源を用いることにより、単一のレーザを用いるだけでカラービデオ信号を形成できる利点が達成される。
【００３６】
本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、観察すべき試料として半導体ウェハの端縁を例にしたが、種々のディスク状物体の端縁画像を撮像する場合にも適用することができる。
また、信号処理回路における信号処理は一例であり、３次元走査により得られた各種の情報を用いて所望の画像をモニタ上に表示することができる。
さらに、上述した実施例では、２つの撮像ヘッドを用いて半導体ウェハの端縁を撮像する例について説明したが、勿論３個の撮像ヘッドを用いて撮像することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による撮像システムの一例を示す線図である。
【図２】ウェハ端縁と対物レンズの光軸との関係を示す線図である。
【図３】本発明による撮像ヘッドの第２実施例を示す線図である。
【図４】Ｒ，Ｇ，Ｂのビデオ信号を発生する受光装置の第１の実施例を示す線図である。
【図５】受光装置の第２及び第３の実施例を示す線図である。
【図６】Ｒ，Ｇ，Ｂの３個のレーザ光源を時分割駆動方式に駆動し単一のリニァイメージセンサからＲ，Ｇ，Ｂのビデオ出力を発生させる実施例の波形図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  水銀ランプ
２  光ファイバ
３  スリット
４  ビームスプリッタ
５  結像レンズ
６  振動ミラー
７，８  リレーレンズ
９    対物レンズ
１０  半導体ウェハ
１１  ステップモータ
１２  リニァイメージセンサ
１３  増幅器
１４  信号処理回路
１５  画像表示装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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