(57)【要約】【課題】            ワークの表面に凹凸や傾斜した面があっても、高精度かつ迅速にワークと作動機器との相対距離を測定することができる、測距装置およびオートフォーカス機構を提供すること。【解決手段】        ワークと作動機器との相対距離を測定する測距装置において、  計測ビームを出射および再入射させる本体部と、計測ビームを反射させる計測ミラーとを有するレーザ干渉計を備え、  レーザ干渉計の本体部に設けられた開口部から出射された計測ビームが、ワークの表面に対して所定角度傾斜させて照射されるよう、当該レーザ干渉計の本体部が配置されており、  ワークの表面で反射された計測ビームが、再び当該ワークの表面で反射されて開口部に再入射するよう、計測ミラーが配置されていることを特徴とする、測距装置ならびに当該測距装置を備えたオートフォーカス機構である。【選択図】          図２
2019027864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークと作動機器との相対距離を測定する測距装置において、
計測ビームを出射および再入射させる本体部と、前記計測ビームを反射させる計測ミラーとを有するレーザ干渉計を備え、
前記レーザ干渉計の本体部に設けられた開口部から出射された前記計測ビームが、前記ワークの表面に対して所定角度傾斜させて照射されるよう、当該レーザ干渉計の本体部が配置されており、
前記ワークの表面で反射された前記計測ビームが、再び当該ワークの表面で反射されて前記開口部に再入射するよう、前記計測ミラーが配置されている
ことを特徴とする、測距装置。
【請求項２】
前記レーザ干渉計の本体部に再入射した計測ビームに干渉させる参照ビームと、当該レーザ干渉計の本体部から出射される前記計測ビームの少なくとも一方の強度を調節するビーム強度調節部を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記ビーム強度調節部は、前記参照ビームを反射させる参照ミラーと、前記計測ミラーの少なくとも一方の反射率を変更することを特徴とする、請求項２に記載の測距装置。
【請求項４】
前記ビーム強度調節部は、前記計測ビームと前記参照ビームとを分岐するビーム分岐部に備えられたハーフミラー又はビームスプリッタの反射膜の膜厚を変更することを特徴とする、請求項２に記載の測距装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の測距装置と、
前記ワークと前記作動機器との相対距離を調節する位置調節機構と、
前記ワークと前記作動機器との相対距離を所定範囲内に収めるように制御する位置制御部とを備えた、オートフォーカス機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査、撮像、露光、加工等の対象となるワーク（ウエーハ、基板等）と、当該ワークに対して所定の検査、撮像、露光、加工等を行う作動機器との相対距離を測定する測距装置および、ワークと作動機器相対距離を自動調節するオートフォーカス機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体回路の製造工程では、回路パターンの微細化に対応すべく、高分解能での検査や撮像、露光、レーザ加工等を行いたいというニーズが高い。
【０００３】
そして、上記の高分解能での検査においては、電子顕微鏡の撮像画像が使用される事が多いが、この電子顕微鏡での撮像において、ピントずれのない鮮明な画像を取得するために、対物レンズの強度を変えて結像高さを変えながら複数のフォーカス違い画像を取得し、これら複数のフォーカス違い画像の中からエッジの鮮鋭度が最も良いものを判別し、当該画像を取得した高さを適正フォーカス高さとする技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
また電子顕微鏡での撮像において、ワークの表面に設定した測定点に向けてレーザー光を斜め方向から照射し、この測定点で反射された反射光の受光位置を検出することで当該測定点までの高さを測定し、当該測定点に最適な対物レンズの強度を調節する技術が提案されている（例えば、特許文献２）。
【０００５】
一方、露光装置においても、特許文献２と同様のオートフォーカスセンサ１０ａ，１０ｂを用いて基板との距離（Ｚ軸方向の位置）を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開特開２００８−１１７６４３号公報
【特許文献２】特開平７−１３４９６４号公報
【特許文献３】特開２００１−１６０５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の技術では、フォーカス高さを変化させながら複数の画像を取得する必要があるため、検査時間が長くなるという問題がある。その上、観察視野の高精細化（ピクセル数の増大）に伴い、適正フォーカス高さを決定するために要する時間も長くなる。さらに、フォーカス高さを変化させながらトライ・アンド・エラーをすることは、露光や加工などのアプリケーションには不適合である。
【０００８】
また、特許文献２，３に記載の技術では、ワークの表面に凹凸や傾斜した部位が含まれていると、当該ワークの表面に向けて照射されるレーザの入射角に対して、当該ワークの表面で反射した反射光の出射角が変化する。そのため、反射光の受光位置がずれてしまい、測定点までの高さ測定の精度が悪化するという課題があった。
【０００９】
そこで本発明は、ワークの表面に凹凸や傾斜した部位が含まれていても、高精度かつ迅速にワークと作動機器との相対距離を測定することができる、測距装置およびオートフォーカス機構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】
【００１０】
以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
ワークと作動機器との相対距離を測定する測距装置において、
計測ビームを出射および再入射させる本体部と、計測ビームを反射させる計測ミラーとを有するレーザ干渉計を備え、
レーザ干渉計の本体部に設けられた開口部から出射された計測ビームが、ワークの表面に対して所定角度傾斜させて照射されるよう、当該レーザ干渉計の本体部が配置されており、
ワークの表面で反射された計測ビームが、再び当該ワークの表面で反射されて開口部に再入射するよう、計測ミラーが配置されていることを特徴とする、測距装置である。
【００１１】
また、別の局面における本発明に係る一態様は、
上述の測距装置と、
ワークと作動機器との相対距離を調節する位置調節機構と、
ワークと作動機器との相対距離を所定範囲内に収めるように制御する位置制御部とを備えた、オートフォーカス機構である。
【００１２】
これら態様によれば、レーザ干渉計の本体部から出射した計測ビームのうち、あらかじめ設定した所定角度とは異なる角度でワークの表面の凹凸や傾斜した部位で反射した成分は、計測ミラーで反射されても、レーザ干渉計の本体部の開口部を通過できず、レーザ干渉計の本体部に再入射できない。換言れば、レーザ干渉計の本体部に再入射する計測ビームは、レーザ干渉計の本体部の開口部からワーク表面に向けて照射される計測ビームの光軸と一致する成分（つまり、ワーク表面に対して所定角度で入出射するもの）だけが、レーザ干渉計の本体部の開口部を通過して干渉光となり得る。
【００１３】
つまり、計測ビームのうち、測距精度を悪化させるような成分を排除することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、ワークの表面に凹凸や傾斜した部位が含まれていても、高精度かつ迅速にワークと作動機器との相対距離を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図。
【図２】本発明を具現化する形態の一例の要部を示す概略図。
【図３】本発明を具現化する形態の別の一例の全体構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明を実施するための形態について図を用いながら説明する。なお各図では、ワークＷの表面に沿う方向をＸ方向とＹ方向とし、それらに直交する方向（つまり、ワークＷの表面に対する法線方向）をＺ方向として表現する。
【００１７】
図１は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。図１には、ワークＷと作動装置ＥＱとの相対距離を測定する測距装置１を備えた走査型電子顕微鏡Ｓの概略図が示されている。ここでは、ワークＷの一類型として半導体デバイスやＭＥＭＳ、チップ部品等を形成するためのシリコンウエーハを例示し、作動装置ＥＱの一類型として走査型電子顕微鏡Ｓを構成する対物レンズＯＬを例示して、以下説明を行う。
【００１８】
走査型電子顕微鏡Ｓは、ワークＷの表面に向けて電子ビームを走査しながら照射し、ワークＷの表面から放出される２次電子を検出して、ワークＷの表面の凹凸画像（いわゆる、ＳＥＭ画像）を取得するものである。具体的には、走査型電子顕微鏡Ｓは、測距装置１、電子ビームを発生させる電子銃ＥＧ、電子ビームの焦点距離を調節する対物レンズＯＬ、ベース１０、真空チャンバ１１、ワーク載置台１６、ＸＹステージ機構１７、２次電子を検出する検出器ＤＴ等を備えている。
【００１９】
対物レンズＯＬは、電子銃ＥＧから照射された電子ビームの焦点距離を調節するものである。具体的には、対物レンズＯＬは、電磁力の作用を利用した磁界レンズが用いられ、磁界レンズの場合はコイルに印加する電流の強弱によって磁力線の密度を調節し、電子ビームの焦点距離を調する。
【００２０】
測距装置１は、レーザ干渉計２を備え、レーザ干渉計２は、本体部２０と、計測ミラー３とを有している。
【００２１】
本体部２０は、計測ビームＬ２を出射および再入射させるものである。計測ミラー３は、計測ビームＬ２を反射させるものである。なお、計測ビームＬ２は、ワークＷに対して所定角度θ傾斜させた状態で本体部２０から照射され、ワークＷの表面で正反射する（つまり、所定角度θで反射する）。
【００２２】
なお説明の便宜上、計測ビームＬ２は、本体部２０の開口部２５から出射された計測ビームＬ２ａ、ワークＷの表面で反射した計測ビームＬ２ｂ、計測ミラー３で反射した計測ビームＬ２ｃ、ワーク表面で再び反射した計測ビームＬ２ｄと区別して呼ぶことがある。
【００２３】
具体的には、本体部２０と、計測ミラー３は、真空チャンバ１１に設けられたビューポート１２（ウインドウとも言う）に取り付けられている。なお、これらビューポート１２は、真空チャンバ１１の内部の圧力を維持する隔壁の一部であり、詳細を後述する計測ビームＬ２ａ〜ｄを通過させるものである。具体的には、ビューポート１２は、ガラスや合成石英、サファイヤ、アクリル樹脂等の透明材料で構成されており、それらの表面には計測ビームＬ２ａ〜ｄを良好に通過させるための成膜（いわゆる、ＡＲコーティング）が施されている。
【００２４】
図２は、本発明を具現化する形態の一例の要部を示す概略図である。図２には、本発明に係るレーザ干渉計２の内部構成ならびにワークＷの表面に対するレーザ干渉計２及び計測ミラー３の配置が概略的に図示されている。なお、上述のビューポート１２は、計測ビームＬ２ａ〜ｄの通過を妨げるものではないため、本図では省略されている。
【００２５】
より具体的には、本体部２０は、レーザ光源２１、ハーフミラー２２、参照ミラー２３、検出器２４等を備え、本体部２０の側面には、開口部２５が設けられている。
【００２６】
レーザ光源２１は、コヒレントな光（例えば、レーザ光Ｌ１）を出射するものである。
【００２７】
ハーフミラー２２は、レーザ光Ｌ１の一部を計測ビームＬ２として透過させ、一部を参照光Ｌ３として反射させるものである。
【００２８】
参照ミラー２３は、参照光Ｌ３を反射させるものである。
【００２９】
検出器２４は、レーザ光の強度を検出するものである。具体的には、干渉光Ｌ６の強度を検出するよう構成されている。干渉光Ｌ６とは、ワーク表面で再び反射した計測ビームＬ２ｄであって本体部２０の開口部２５に再入射した計測ビームＬ５がハーフミラー２２で反射したものと、参照ミラー２３で反射した参照光Ｌ４がハーフミラー２２を通過したものとが再合成（混合とも言う）されたものであり、２つのビーム（計測ビームＬ２，Ｌ５）の光路長の違いにより干渉現象が生じているものである。
【００３０】
開口部２５は、ワークＷに向けて出射する計測ビームＬ２のビーム径（断面形状）を阻害や整形しない程度の大きさをしている。そのため、ワークＷの表面で再び反射した計測ビームＬ２ｄは、開口部２５から出射された計測ビームＬ２ａと同一の光軸で入射すれば、そのまま開口部２５を通過させることができる（つまり、開口部２５に再入射した計測ビームＬ５となる）。一方、ワークＷの表面で再び反射した計測ビームＬ２ｄが、開口部２５から出射された計測ビームＬ２ａとずれた光軸で入射すれば、開口部２５を通過することができず、遮光される（つまり、本体部２０に再入射されない）。
【００３１】
さらに、本体部２０は、開口部２５から出射された計測ビームＬ２ａが、ワークＷの表面に対して所定角度θ傾斜させて照射されるよう配置されている。具体的には、本体部２０は、走査型電子顕微鏡Ｓの真空チャンバ１１のビューポート１２に取り付けられている。
【００３２】
一方、計測ミラー３は、ワークＷの表面で反射された計測ビームＬ２ｂが、当該ワークＷの表面で反射されて開口部２５に再入射するよう配置されている。具体的には、ワークＷの表面が水平（ＸＹ方向に添う方向）であれば、計測ミラー３は、その法線方向がワークＷの表面に対して所定角度θ傾斜させて配置されており、ワークＷの表面の計測ビームＬ２ａが照射されたところに計測ビームＬ２ｃが再び照射される角度で、真空チャンバ１１のビューポート１２に取り付けられている。
【００３３】
そして、検出器２４では、ワークＷの表面が基準高さＨ０からある高さＨ１に変化した場合、光路長Ｌ０，Ｌ１の差に応じて干渉光Ｌ６の強度が変化した状態で強度情報が検出される。そのため、所定角度θと、予めワークＷの表面の基準高さＨ０や、これ以外の既知の高さに対応する干渉光Ｌ６の強度情報を把握しておくことで、測距装置１は、検出した干渉光Ｌ６の強度情報からワークＷの表面までの距離や基準高さからの変化量（いわゆる、ずれ量。単に高さとも言う）を測定することができる。
【００３４】
具体的には、基準となるワークＷの表面の高さに対する変化量ｄＨは、この変化量ｄＨに対応する光路長の差ｄＬに対して次式に示す様な関係が成り立ち、
ｄＨ＝（Ｌ０−Ｌ１）／２ｓｉｎθ
検出器２４では、これら光路長の差：２（Ｌ０−Ｌ１）に相当する干渉光Ｌ６の強度情報として検出される。そのため、測距装置１は、検出器２４で検出した干渉光Ｌ６の強度情報に基づいて光路長の差の１／２（つまり、Ｌ０−Ｌ１）を算出し、上式に当てはめて、ワークＷの表面の高さＨ０，Ｈ１の差ｄＨを算出することができる。
【００３５】
或いは、測距装置１は、干渉光Ｌ６の強度情報に基づいて、現在のワークＷの表面の高さに対する相対距離（長さ、作動距離とも言う）を算出することもできる。
【００３６】
本発明によれば、複数枚の高さ違い画像を取得する必要も無いため、迅速にワークと作動機器との相対距離を測定することができる。また、ワークＷの表面に凹凸や傾斜した部位が含まれていても、ワークＷの表面で反射した計測ビームＬ２ｂ、Ｌ２ｄのうち、水平な部位で反射した成分のみが開口部２５に再入射され、測長精度を乱す成分が遮光（つまり、反射角度が所定角度θ以外の計測ビーム成分が排除）されるため、高精度でワークと作動機器との相対距離を測定することができる。そのため、高精度かつ迅速にワークと作動機器との相対距離を測定することができる。
【００３７】
そして、上述の走査型電子顕微鏡Ｓは、測距装置１と、電子銃ＥＧの作動距離を調節する対物レンズＯＬと、ワークＷの表面高さの変化（つまり、検出器２４での干渉光Ｌ６の測定結果）に応じて対物レンズＯＬに印加する電流値を調節する制御部ＣＮを備えた構成をしている。つまり上述の形態では、電子銃ＥＧが本発明に係る作動装置ＥＱを構成し、対物レンズＯＬおよび制御部ＣＮが本発明に係る位置調節機構４および位置制御部を構成し、これらを測距装置１と連係させることで、本発明に係るオートフォーカス機構を構成している。
【００３８】
そのため、本発明に係る測距装置１およびオートフォーカス機構を備えた走査型電子顕微鏡Ｓは、高精度かつ迅速にワークと作動機器との相対距離を測定し、当該相対距離に応じて作動距離を自動調節することができるので、高精度かつ迅速にＳＥＭ画像を取得することができる。
【００３９】
［変形例］  
なお、本発明を具現化する上では、上述した測距装置１の構成に限らず、以下の構成を加えても良い。つまり、レーザ干渉計２の本体部２０に再入射した計測ビームＬ５に干渉させる参照ビームＬ３と、レーザ干渉計２の本体部２０から出射される計測ビームＬ２の少なくとも一方の強度を調節するビーム強度調節部を備えた構成である。
【００４０】
具体的には、ビーム強度調節部は、以下の様な構成をしている。
【００４１】
例えば、ビーム強度調節部は、参照ビームＬ３を反射させる参照ミラー２３と、計測ミラー３の少なくとも一方の反射率を変更する構成をしている。
【００４２】
より具体的には、表面に施されたコーティングの種類や厚みの異なる参照ミラー２３及び／又は計測ミラーを複数準備し、ワークＷの表面での計測ビームＬ２ａ〜Ｌ２ｄの強度変化（例えば、減衰度合い）に応じて、適宜段取り替え（付け替え）を行う。
【００４３】
この様な構成をしているため、本発明に係る測距装置およびオートフォーカス機構は、ワークＷの表面の反射率が変動しても、光路長の差に応じて変化する干渉信号のＳＮ比を高く保つことができるようになり、表面の凹凸や傾斜した部位の大きさ、表面の反射率等が異なる複数品種のワークＷを測定対象とすることができる。
【００４４】
或いは、ビーム強度調節部は、計測ビームＬ２と参照ビームＬ３とを分岐するビーム分岐部２２に備えられたハーフミラー又はビームスプリッタの反射膜の膜厚を変更する構成をしている。
【００４５】
より具体的には、表面に施されたコーティングの種類や厚みの異なるハーフミラー又はビームスプリッタを複数準備し、ワークＷの表面での計測ビームＬ２ａ〜Ｌ２ｄの強度変化（例えば、減衰度合い）に応じて、適宜段取り替え（付け替え）を行う。
【００４６】
この様な構成をしているため、本発明に係る測距装置およびオートフォーカス機構は、同様にワークＷの表面の反射率が変動しても、光路長の差に応じて変化する干渉信号のＳＮ比を高く保つことができるようになり、表面の凹凸や傾斜した部位の大きさ、表面の反射率等が異なる複数品種のワークＷを測定対象とすることができる。
【００４７】
［変形例］  
なお上述では、作動装置ＳＱの作動距離を所定範囲内に自動的に収めるように制御する、オートフォーカス機構を備えた構成を例示した。
しかし、位置調節機構や位置制御部を備えたオートフォーカス機構のみならず、測定距離や基準面とのずれ量（変位量）を直接的に出力する構成（単なる、測距装置）であっても、本発明を適用することができる。
【００４８】
［変形例］  
なお上述では、レーザ干渉計２の構成としてマイケルソン干渉計と呼ばれる方式のものを例示したが、本発明を適用する上ではこの方式に限定されず、他の方式（例えば、フィゾー干渉計、マッハ・ツェンダー干渉計等）であっても良い。
【００４９】
［変形例］  
なお上述では、作動機器の一類型として半導体ウエーハの表面に形成された回路パターンの検査に用いる走査型電子顕微鏡Ｓを例示し、本発明を適用した具体的な構成について説明した。しかし、本発明を適用する上で、作動機器はこのような構成に限らず、他方式の電子顕微鏡、光学顕微鏡、接触式の検査装置、撮像装置、露光装置、塗布装置、切削加工装置、放電加工装置、レーザ加工装置等であっても良い。
【００５０】
図３は、本発明を具現化する形態の別の一例の全体構成を示す概略図である。図３には、本発明に係る測距装置１およびオートフォーカス機構を備えた撮像装置Ｑの概略図が示されている。
【００５１】
撮像装置Ｑは、ワークＷの表面を撮像するものであり、本発明に係る測距装置１、撮像素子及び固定焦点型レンズを備えたカメラＣＭ（作動装置ＥＱに相当）、ワークＷとカメラとの作動距離を調節するアクチュエータ４Ｂ（位置調節機構に相当）、アクチュエータ４Ｂを制御する制御部ＣＮ（位置制御部に相当）等を備えている。
【００５２】
具体的には、撮像装置Ｑは、ベース１４、フレーム１５等を備え、フレーム１５には本発明に係る測距装置１を構成するレーザ干渉計２の本体部２０および計測ミラー３が取り付けられている。
【００５３】
アクチュエータ４Ｂは、カメラＣＭを上下方向（つまり、ワークＷの表面との作動距離が変化する方向）に移動したり、所定の位置で静止したりするものである。
【００５４】
撮像装置Ｑは、測距装置１を用いてワークＷの表面とカメラＣＭのレンズとの相対距離を測定し、レンズ先端からワークＷの表面までの距離が変わっても、常に作動距離を所定範囲内に収めるよう制御部ＣＮがアクチュエータ４Ｂを制御する（つまり、オートフォーカス機構を備えた）構成をしている。
【００５５】
この様な構成をしているため、本発明に係る測距装置およびオートフォーカス機構を備えた撮像装置Ｑは、表面に凹凸や傾斜した部位を含むワークＷであっても、高精度かつ迅速にワークと作動機器との相対距離を測定し、当該相対距離に応じて作動距離を自動調節することができ、高精度かつ迅速に画像を撮像することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１    測距装置
２    レーザ干渉計
３    計測ミラー
４    位置調節機構
Ｗ    ウエーハ（ワークの一類型）
Ｓ    走査型電子顕微鏡
Ｑ    撮像装置
ＣＮ    コンピュータ（制御部）
ＣＭ    カメラ
ＥＱ    作動機器（測定装置、加工装置等）
ＥＧ    電子銃
ＯＬ    対物レンズ
ＤＴ    ２次電子検出器
１０    ベース
１１    真空チャンバ
１２    ビューポート（ウィンドウ）
１４    ベース
１５    フレーム
１６    ワーク載置台
１７    ＸＹステージ機構
２０    本体部
２１    レーザ光源
２２    ハーフミラー（干渉ミラー、ビーム分岐部）
２３    参照ミラー
２４    検出器
２５    開口部（出入射口）
Ｌ１    コヒレントな光
Ｌ２    計測ビーム（透過光）
Ｌ２ａ  開口部から出射した計測ビーム
Ｌ２ｂ  ワーク表面で反射した計測ビーム
Ｌ２ｃ  計測ミラーで反射した計測ビーム
Ｌ２ｂ  ワーク表面で再び反射した計測ビーム
Ｌ３    参照ビーム（反射光）
Ｌ４    反射参照光
Ｌ５    再入射した計測ビーム
Ｌ６    干渉光
θ    所定角度（入射角、反射角）
Ｈ０，Ｈ１  ワーク高さ
Ｌ０，Ｌ１  光路長（差異ある区間）
【図１】
2019027864.tif 000003
【図２】
2019027864.tif 000004
【図３】
2019027864.tif 000005