(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向及び高さ方向に移動可能なステージに保持された被検物の表面に対物レンズの焦点を合わせるための自動焦点合わせ装置であって、
前記被検物の表面に斜め方向からスポット状の光を照射する照射光学系と、
前記被検物の表面からの反射光を分岐させるビームスプリッタと、
前記分岐された反射光の一方を検出する第１の光検出素子と、
前記分岐された反射光の他方を検出し、該反射光の所定方向の偏光成分を検出する第２の光検出素子と、
前記第１の光検出素子で得られた電気信号から前記被検物の高さ方向位置を検出する位置検出回路と、
前記位置検出回路で得られる位置検出信号をリアルタイムでモニタし、前記ステージの水平方向の移動に伴う位置検出信号の単位時間当たりの変化量が所定レベルを超え、且つ前記第２の光検出素子で得られる電気信号の強度が所定の正常範囲を超えた場合に、前記位置検出信号から前記被検物の表面形状に相当する値を上回る過剰分を補正する補正回路と、
前記補正回路を介して得られる位置検出信号に基づいて、前記ステージの高さ方向位置を制御するステージ制御回路と、
を具備してなることを特徴とする自動焦点合わせ装置。
【請求項２】
水平方向及び高さ方向に移動可能なステージに保持された被検物の表面に対物レンズの焦点を合わせるための自動焦点合わせ装置であって、
前記被検物の表面に斜め方向からスポット状の光を照射する照射光学系と、
前記被検物の表面に斜め方向から入射する光を略円偏光とするための第１の波長板と、
前記被検物の表面からの反射光を略直線偏光とするための第２の波長板と、
前記第２の波長板を通して得られる反射光を前記第２の波長板の偏光方向に沿った成分と該偏光方向と直交する成分とに分岐する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタを介して得られる前記第２の波長板の偏光方向に沿った成分の光を検出する第１の光検出素子と、
前記偏光ビームスプリッタを介して得られる前記第２の波長板の偏光方向と直交する成分の光を検出する第２の光検出素子と、
前記第１の光検出素子で得られた電気信号から前記被検物の高さ方向位置を検出する位置検出回路と、
前記位置検出回路で得られる位置検出信号をリアルタイムでモニタし、前記ステージの水平方向の移動に伴う位置検出信号の単位時間当たりの変化量が所定レベルを超え、且つ前記第２の光検出素子で得られた電気信号が所定値を超える場合に、前記位置検出信号から前記被検物の表面形状に相当する値を上回る過剰分を補正する補正回路と、
前記補正回路を介して得られる位置検出信号に基づいて、前記ステージの高さ方向位置を制御するステージ制御回路と、
を具備してなることを特徴とする自動焦点合わせ装置。
【請求項３】
水平方向及び高さ方向に移動可能なステージに保持された被検物の表面に対物レンズの焦点を合わせるための自動焦点合わせ装置であって、
前記被検物の表面に斜め方向からスポット状の光を照射する照射光学系と、
前記被検物の表面に斜め方向から入射する光を略円偏光とするための波長板と、
前記被検物の表面からの反射光を２方向に分岐するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分岐された一方の反射光を偏光方向が相互に直交する第１及び第２の光に分岐する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分岐された他方の反射光を偏光方向が相互に直交し、且つ前記第１及び第２の光とは偏光方向が４５度異なる第３及び第４の光に分岐する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の光を検出する第１の光検出素子と、
前記第２の光を検出する第２の光検出素子と、
前記第３の光を検出する第３の光検出素子と、
前記第４の光を検出する第４の光検出素子と、
第１から第４の光検出素子で得られた複数の電気信号を入力し、信号の変化量が最小の電気信号を選択的に処理し、前記被検物の高さ方向位置を検出する位置検出回路と、
前記位置検出回路の出力に基づいて、前記ステージの高さ方向位置を制御するステージ制御回路と、
を具備してなることを特徴とする自動焦点合わせ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体リソグラフィ装置や半導体検査装置などに用いられる自動焦点合わせ装置に係わり、特に半導体基板やガラス基板などの被検物の表面に対物レンズの焦点を合わせるための自動焦点合わせ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板に回路パターンを転写するリソグラフィ装置、半導体集積回路のパターンを検査する欠陥検査装置などの光学装置においては、回路パターンサイズと同じかそれ以下の高い解像度が必要とされる。このため、半導体基板などの被検物と対物レンズとの距離を一定に保つ自動焦点合わせ装置が必須となり、この自動焦点合わせ装置の高精度化が要求されている。
【０００３】
従来の自動焦点合わせ装置として、光梃子方式がある（例えば、特許文献２参照）。この装置では、被検物の表面に対して斜め方向から光を照射し、被検物からの反射光を受光センサで検出し、受光センサの検出出力を高さ方向の位置変位情報に変換することにより高さ位置が測定される。そして、測定信号をステージの制御回路にフィードバックすることにより、被検物と主光学系の相対距離を高精度に保つことができる。
【０００４】
また、別の方式として作動ピンホール型がある（例えば、特許文献２参照）。この装置では、被検物の表面で反射された光を受光レンズにより集光すると共に、ビームスプリッタにより２つの光路に分岐し、第１の光路には受光レンズの焦点より前にピンホール及び受光センサを設置し、第２の光路には受光レンズの焦点より後にピンホール及び受光センサを設置し、各々の受光センサで得られる信号の電気的な差／和を演算することにより、被検物の高さを測定することができる。
【０００５】
しかしながら、この種の自動焦点合わせ装置を使用したところ、次のような問題が発生した。即ち、被検物を載置したステージを水平方向に移動しながら被検物の表面の高さ位置を検出する際に、本来の被検物の表面形状の変化を上回る急峻な変化が生じてしまう問題が生じた。
【０００６】
この問題に対して本発明者らが検討した結果、光源波長と同程度の線幅を有する微細パターンに対し、パターン面と入射光の間の入射角θがある値を超えた時に、反射光の反射スポット位置がシフトする現象が生じるのを見出した。これは、パターンの空間周期と入射角と波長が特定の関係を満たす際に発生する共鳴現象が原因である。このような反射スポットのシフトは、受光センサ面において焦点位置の移動と見なされるため、位置検出回路の出力はスポット位置の移動量に比例して変化し、被検物の高さを検出する際に大きな誤差となる。
【特許文献１】特開平６−１０２０１１号公報
【特許文献２】特開平５−２９７２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来の自動焦点合わせ装置においては、被検物上の光源波長と同程度の線幅を持つ微細パターンに光束を入射した場合に、反射光のスポット位置変化が変化し、これに伴い測定誤差が発生するという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、被検物上の光源波長と同程度の線幅を持つ微細パターンに光束を入射した場合に生じる、反射光のスポット位置変化に起因する測定誤差を抑制することができ、焦点合わせの信頼性向上をはかり得る自動焦点合わせ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１０】
即ち本発明は、水平方向及び高さ方向に移動可能なステージに保持された被検物の表面に対物レンズの焦点を合わせるための自動焦点合わせ装置であって、前記被検物の表面に斜め方向からスポット状の光を照射する照射光学系と、前記被検物の表面からの反射光を分岐させるビームスプリッタと、前記分岐された反射光の一方を検出する第１の光検出素子と、前記分岐された反射光の他方を検出し、該反射光の所定方向の偏光成分を検出する第２の光検出素子と、前記第１の光検出素子で得られた電気信号から前記被検物の高さ方向位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路で得られる位置検出信号をリアルタイムでモニタし、前記ステージの水平方向の移動に伴う位置検出信号の単位時間当たりの変化量が所定レベルを超え、且つ前記第２の光検出素子で得られる電気信号の強度が所定の正常範囲を超えた場合に、前記位置検出信号から前記被検物の表面形状に相当する値を上回る過剰分を補正する補正回路と、前記補正回路を介して得られる位置検出信号に基づいて、前記ステージの高さ方向位置を制御するステージ制御回路と、を具備してなることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、水平方向及び高さ方向に移動可能なステージに保持された被検物の表面に対物レンズの焦点を合わせるための自動焦点合わせ装置であって、前記被検物の表面に斜め方向からスポット状の光を照射する照射光学系と、前記被検物の表面に斜め方向から入射する光を略円偏光とするための第１の波長板と、前記被検物の表面からの反射光を略直線偏光とするための第２の波長板と、前記第２の波長板を通して得られる反射光を前記第２の波長板の偏光方向に沿った成分と該偏光方向と直交する成分とに分岐する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタを介して得られる前記第２の波長板の偏光方向に沿った成分の光を検出する第１の光検出素子と、前記偏光ビームスプリッタを介して得られる前記第２の波長板の偏光方向と直交する成分の光を検出する第２の光検出素子と、前記第１の光検出素子で得られた電気信号から前記被検物の高さ方向位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路で得られる位置検出信号をリアルタイムでモニタし、前記ステージの水平方向の移動に伴う位置検出信号の単位時間当たりの変化量が所定レベルを超え、且つ前記第２の光検出素子で得られた電気信号が所定値を超える場合に、前記位置検出信号から前記被検物の表面形状に相当する値を上回る過剰分を補正する補正回路と、前記補正回路を介して得られる位置検出信号に基づいて、前記ステージの高さ方向位置を制御するステージ制御回路と、を具備してなることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、水平方向及び高さ方向に移動可能なステージに保持された被検物の表面に対物レンズの焦点を合わせるための自動焦点合わせ装置であって、前記被検物の表面に斜め方向からスポット状の光を照射する照射光学系と、前記被検物の表面に斜め方向から入射する光を略円偏光とするための波長板と、前記被検物の表面からの反射光を２方向に分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで分岐された一方の反射光を偏光方向が相互に直交する第１及び第２の光に分岐する第１の偏光ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで分岐された他方の反射光を偏光方向が相互に直交し、且つ前記第１及び第２の光とは偏光方向が４５度異なる第３及び第４の光に分岐する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第１の光を検出する第１の光検出素子と、前記第２の光を検出する第２の光検出素子と、前記第３の光を検出する第３の光検出素子と、前記第４の光を検出する第４の光検出素子と、第１から第４の光検出素子で得られた複数の電気信号を入力し、信号の変化量が最小の電気信号を選択的に処理し、前記被検物の高さ方向位置を検出する位置検出回路と、前記位置検出回路の出力に基づいて、前記ステージの高さ方向位置を制御するステージ制御回路と、を具備してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、位置検出信号の急峻な変化を検知し、被検物の表面形状に相当する値を上回る過剰分を補正する補正回路を設ける、又は複数の光検出素子を設け、反射光のスポット位置変化が最も少ない光検出素子を選択することにより、被検物上の光源波長と同程度の線幅を持つ微細パターンに光束を入射した場合に生じる、反射光のスポット位置変化に起因する測定誤差を抑制することができる。これにより、測定の信頼性向上をはかることが可能となり、半導体リソグラフィ装置や半導体検査装置における信頼性の向上をはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００１９】
（参考例）
被検物の高さの変化や被検物を設置する試料ステージの振動周期が緩やかな場合、被検物表面の高さ変化は物理的な変位であるため、一般に変位信号変化の周波数は低い。これに対して、反射光のスポット位置変位に起因する信号誤差の信号変化の周波数は、被検物の高さ変動と比較して高く、変化が急峻である。従って、高い周波数成分或いは急峻な信号変化を検出することにより、反射光スポット位置変位に因る信号誤差の発生を検知することができる。そして、その信号誤差成分を除去することにより、焦点位置静定精度を高めることができる。
【００２０】
図１は、このような考えに基づく本発明の参考例に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図である。この装置は、被検物上のパターンを検査するためのパターン欠陥検査装置に適用したもので、被検物表面の相対距離を測定する位置検出機構と、被検物を設置し被検物の位置を制御するステージ制御機構を有する。
【００２１】
ステージ制御機構は、被検物８を載置したステージ９とステージ制御回路７からなる。ステージ制御回路７は、後述する位置検出回路６で得た位置信号を元に、クローズドループを形成し、被検物８の表面と対物レンズ２の距離を一定に保つようにステージ９を制御する。ステージ９は、ステージ制御回路７の制御に従い、圧電素子等によって被検物８の位置を高さ方向（Ｚ方向）に変位させる。また、被検物８の表面全体を検査するために、ステージ９は水平方向（ＸＹ方向）に移動可能となっている。
【００２２】
位置検出機構は、光源１，対物レンズ２，投光レンズ３，ミラー２５，受光レンズ４，受光センサ（光検出素子）５，位置検出回路６，及び信号補正回路２０などからなる。光源１から放射された光束は、投光レンズ３，対物レンズ２を介して被検物８の表面側のパターン面に斜めに入射され、スポット状の光源像を結像する。光源１には、例えばレーザーダイオードが用いられる。被検物８からの反射光は、対物レンズ２，ミラー２５，受光レンズ４を介して受光センサ５に結像される。受光センサ５からの出力信号は位置検出回路６に入力され、この回路６より出力された位置信号は信号補正回路２０において誤差を補正され、ステージ制御回路７へ入力される。
【００２３】
位置検出回路６は、受光センサ５からの出力信号を基に２次光源の重心位置、或いは光量分布を算出させることにより、被検物パターン面の位置を検出する。なお、本参考例では、受光センサ５としてラインセンサを用いているが、４分割センサなどを用いても良い。位置検出回路６と信号補正回路２０は一体として構成しても良い。
【００２４】
受光センサ５は、受光面の光量分布に依存する２つの信号Ｉａ，Ｉｂを出力する。位置検出回路２０では、信号ノイズのフィルタリングを行ったのちに、加算回路，減算回路，及び割算回路により（Ｉａ−Ｉｂ）／（Ｉａ＋Ｉｂ）の演算を行う。差（Ｉａ−Ｉｂ）は位置信号に比例する値であるが、光束の光量に依存する。従って、和（Ｉａ＋Ｉｂ）で割り算を行い、規格化を行っている。これが、被検物８の表面の高さ位置を示す位置検出信号になる。
【００２５】
信号補正回路２０は、位置検出回路６で得た位置検出信号の補正を行う。ステージ制御回路７に被検物８の変位が入力されてからステージ９が応答するまでの平均的な静定時間は、スポット位置の異常変位に伴う信号変化期間より長い。従って、反射光のスポット位置の異常変位が生じてから一定時間はステージ９が即座に応答しないため、位置検出信号に急峻な変化が現れる。この急峻な信号変化は被検物８の高さ変位や被検物８の表面形状に対応する位置検出信号の変化よりも大きい。従って、この位置検出信号の急峻な変化を観測（単位時間当たりの変化量が所定レベルを超えたことを検知）することにより、反射光スポット位置の異常変位を検知することができる。
【００２６】
信号補正回路２０では、位置検出信号とフィードバック目標値の差を監視し、その差が被検物８の表面形状を想定した所定の閾値を超えた場合に、異常と検知する。そして、異常を検知すると、信号補正回路２０は位置検出信号から、所定のアルゴリズムに基づき、信号の異常変位を補正した信号を出力する。
【００２７】
より具体的には本参考例では、次のアルゴリズムを用いている。異常検出後のある時間フィードバック目標値を出力し、位置検出信号の変化率が所定の値に収まった時の位置検出信号とフィードバック目標値の差をオフセットとする。その後、算出されたオフセット値を減算することで、異常変位の成分のみを取り除くことができる。その他のアルゴリズムとして、位置検出信号を微分演算し、所定の閾値を越えた場合に、フィードバック目標値を出力する方法など、種々の手段を用いることができる。
【００２８】
このように本参考例によれば、位置検出信号の急峻な変化を検知し、被検物８の表面形状に相当する値を上回る過剰分を補正する信号補正回路２０を設けることにより、被検物８上の光源波長と同程度の線幅を持つ微細パターンに光束を入射した場合に生じる、反射光のスポット位置変化に起因する測定誤差を抑制することができる。従って、光源波長より小さいパターンサイズで生じる反射光スポットの異常変位の影響を抑え、高い信頼性で焦点合わせを行うことができる。
【００２９】
（第１の実施の形態）
本発明者らは、反射光のスポット位置異常変位と反射光の偏光状態に相関があることを見出した。図２に、反射光の偏光状態を測定する偏光センサの信号強度とスポット位置変位との相関関係を示す。この図に示されるように、スポット位置の異常変位が生じているときの反射光の偏光状態は、通常の状態と比較して崩れている。従って、反射光の偏光状態を測定し、偏光状態の変化と急峻な信号変化の検出を同時に満たした場合に、補正処理を行うような判定を行うことにより、補正処理が誤動作する可能性を低減することができる。このように反射光の偏光状態を測定することにより、補正の確度を高めることができる。
【００３０】
図３は、このような考えに基づく本発明の第１の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３１】
ステージ制御機構は、参考例と同様に、ステージ制御回路７とステージ９から構成されている。位置検出機構は、参考例の構成に加え、ビームスプリッタ１１と偏光検出機構２６が設けられている。
【００３２】
光源１から放射された光束は、参考例と同様に、投光レンズ３，対物レンズ２を介して被検物８のパターン面に斜めに入射されて、スポット状の光源像を結像する。被検物８からの反射光は、対物レンズ２、ミラー２５、受光レンズ４、ビームスプリッタ１１を介して受光センサ５に結像される。
【００３３】
ここで、反射光光束は、受光センサ５へ入射する前にビームスプリッタ１１によって２つに分岐され、分岐された一方の光束は偏光検出機構２６へ入射される。偏光検出機構２６としては、所定方向の偏光成分を検出できるものであれば良く、例えば偏光板と光センサで構成することができる。受光センサ５からの出力信号は位置検出回路６で位置検出信号に変化され、信号補正回路２０で誤差成分を除去されて、ステージ制御回路７に入力される。
【００３４】
信号補正回路２０は、位置検出回路６で求めた位置検出信号の補正を行う。信号補正回路２０では、位置検出信号とフィードバック目標値の差を監視し、その差が被検物８の表面形状を想定した所定の閾値を超え、かつ偏光検出機構２６から入力される偏光情報信号が許容範囲を外れた場合に、異常と検知する。異常を検知すると、信号補正回路２０は位置検出信号から、所定のアルゴリズムに基づき、信号の異常変位を補正した信号を出力する。具体的な補正のアルゴリズムとしては、参考例と同様にすればよい。なお、偏光検出機構２６で得られる偏光情報信号のみで確実に異常を検知できる場合は、位置検出信号とフィードバック目標値の差の監視を不要とすることも可能である。
【００３５】
このように本実施形態によれば、位置検出信号の急峻な変化を検知し、被検物の表面形状に相当する値を上回る過剰分を補正する信号補正回路２０に加え、スポット位置の異常変位が生じているときに検出出力が変化する偏光検出機構２６を設けることにより、先の参考例と同様の効果が得られるのは勿論のこと、異常をより確実に検知することができ、より信頼性の高い焦点合わせを行うことができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
本発明者らは、被検物の表面の高さを測る表面センサとは別に、被検物の裏面の高さ変位を測定する裏面センサを設置する方法を考案した。被検物の高さが変位した場合、表面センサと裏面センサの両方に同じ変位信号が観察される。表面センサが測定する反射光位置に異常な変位が生じた場合は、表面センサは変位を観測するが、裏面センサは変位を観測しない。従って、表面センサと裏面センサの測定値を常時比較し、表面センサで得た信号変化を、裏面センサが検知しない場合に表面センサの補正を行うことにより、誤動作の可能性を抑え、補正の確度を上げることができる。
【００３７】
図４は、このような考えに基づく本発明の第３の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３８】
ステージ制御機構は、参考例と同様に、ステージ制御回路７とステージ９から抗せ得されている。位置検出機構は、被検物８のパターン面（表面）と裏面それぞれの高さを測定する２系統からなる。本実施形態では２系統の検出機構は、パターン面と裏面で同じ方式であるが、それぞれ別方式の検出法を用いることができる。表面側の位置検出機構は参考例と同様であり、裏面側の位置検出機構は、光源２７，対物レンズ２８，投光レンズ２９，ミラー３０，受光レンズ３１，受光センサ１５からなる。各々の受光センサ５，１５からの信号は位置検出回路６に同時に入力され、それぞれの位置検出信号が得られる。
【００３９】
信号補正回路２０は、位置検出回路６で得られた位置検出信号の補正を行う。信号補正回路２０では、表面の受光センサ５による位置検出信号とフィードバック目標値の差を監視し、その差が被検物の表面形状を想定した所定の閾値を超えた場合に表面センサ信号の異常を検出する。そして、表面の受光センサ５と裏面の受光センサ１５の位置測定値を常時比較し、表面の受光センサ５で得た信号変化を裏面の裏面の受光センサ１５が検知しない場合のみに、異常とみなす。センサ信号異常時は、信号補正回路２０は所定のアルゴリズムに基づいて、位置信号から信号の異常変位を補正した信号を出力する。具体的な補正のアルゴリズムとしては、参考例と同様にすればよい。なお、受光センサ５，１５による各々の位置検出信号の差のみで確実に異常を検知できる場合は、位置検出信号とフィードバック目標値の差の監視を不要とすることも可能である。
【００４０】
このように本実施形態によれば、位置検出信号の急峻な変化を検知し、被検物の表面形状に相当する値を上回る過剰分を補正する信号補正回路２０を設けると共に、被検物８の両面を測定し比較することにより、反射光スポットの異常変位の検出精度を上げることができ、その結果、補正の信頼性を高めることができる。
【００４１】
（第３の実施の形態）
第２の実施形態で説明した被検物からの反射光の偏光状態を測定する手段として、波長板と偏光ビームスプリッタを用いる方法を考えた。被検物にパターンがない状態で、受光センサ５に入射する被検物８からの反射光の偏光状態がほぼ直線偏光となるように波長板を調整する。従って、通常は偏光センサの方には殆ど光が入射しない。
【００４２】
この状態で反射光の偏光状態に崩れが生じると、偏光センサに入射する光量が増加する。従って、偏光センサに入射する光の強度を測定することにより、反射光の偏光の状態をリアルタイムに測定することができる。従って、受光センサの信号を位置検出回路に入力し、信号補正回路において偏光センサの信号が閾値を越えたときに被検物の凹凸による信号変化を上回る急峻な変化を補正する。その結果、補正が過剰にかかってしまう可能性を大幅に抑えることができ、反射光スポット位置の異常変位を、高い信頼性で補正することができる。
【００４３】
図５は、このような考えに基づく本発明の第４の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４４】
ステージ制御機構は、参考例と同様に、ステージ制御回路７とステージ９からなる。位置検出機構は、第２の実施形態の構成に加え、波長板４１，４２、波長板１６，１７、偏光ビームスプリッタ１８、偏光センサ１９からなる。
【００４５】
光源１から放射された光束は、投光レンズ３、波長板４１，４２、及び対物レンズ２を介して被検物のパターン面に斜めに入射されて、スポット状の光源像を結像する。波長板４１，４２はそれぞれλ／２板，λ／４板からなり、被検物８へ入射する際の偏光状態がほぼ円偏光となるように調節されている。被検物８からの反射光は、対物レンズ２、ミラー２５、波長板１６，１７、受光レンズ４、及び偏光ビームスプリッタ１８を介して受光センサ５と偏光センサ１９に結像される。波長板１６，１７はそれぞれλ／２板，λ／４板からなり、被検物８の表面にパターンがないときの偏光状態が、ほぼ直線偏光となるように調節されている。偏光ビームスプリッタ１８は、被検物８の表面にパターンがないときに、受光センサ５の光量が最大となるように設置される。
【００４６】
このような構成にすることにより、反射光の偏光状態が通常か変化した場合にのみ、偏光ビームスプリッタ１８で分岐した光束が偏光センサ１９に入射する。受光センサ５からの出力信号は位置検出回路６に入力され、この回路６は信号補正回路２０に位置検出信号を出力する。
【００４７】
信号補正回路２０では、位置検出回路６で得た位置検出信号の補正を行う。信号補正回路２０では、位置検出信号とフィードバック目標値の差を監視し、その差が被検物の表面形状を想定した所定の閾値を超え、かつ偏光センサ１９から得た信号が許容範囲を外れた場合に、異常と検知する。異常を検知すると、信号補正回路２０は位置信号から、所定のアルゴリズムに基づいて信号の誤差成分を補正し、ステージ制御回路７へ位置検出信号を出力する。具体的な補正のアルゴリズムとしては、参考例と同様にすればよい。なお、偏光センサ１９で得られる信号のみで確実に異常を検知できる場合は、位置検出信号とフィードバック目標値の差の監視を不要とすることも可能である。
【００４８】
このように本実施形態によれば、位置検出信号の急峻な変化を検知し、被検物の表面形状に相当する値を上回る過剰分を補正する信号補正回路２０に加え、スポット位置の異常変位が生じているときに検出出力が変化する偏光センサ１９を設けることにより、先の第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４９】
（第４の実施の形態）
被検物からの反射光のスポット位置の異常変位は、入射光の入射角度にも依存する。従って、図６に示すように被検物８に複数の角度から光束を入射し、それぞれの光束に対応して光学経路と受光センサを設けることにより、被検物８上のパターンの影響が最小限に止まった信号を得ることができる。被検物８の高さ変位は、各光束に対応する受光センサの信号に等しく反映するため、受光センサの内で最も信号変化の少ない信号を選択することにより、反射光スポット位置の異常な変位の影響を抑えることができる。
【００５０】
図７は、このような考えに基づく本発明の第５の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００５１】
ステージ制御機構は、参考例と同様に、ステージ制御回路７とステージ９からなる。位置検出機構としては、入射角度の異なる２系統が設けられている。即ち、位置検出機構は、光源１、ビームスプリッタ１１、ミラー３２，３３、投光レンズ３，３４、対物レンズ２、ミラー２５，３５，３６、受光レンズ４，３７、受光センサ５，１５、位置検出回路６からなる。
【００５２】
光源１から放射された光束はビームスプリッタ１１で分岐され、一方の分岐光は投光レンズ３４，対物レンズ２を通して被検物８のパターン面に斜めに入射され、他方の分岐光はミラー３２，投光レンズ３，ミラー３３を通して被検物８のパターン面に斜めに入射され、それぞれスポット状の光源像を結像する。それぞれの光束の被検物８への入射角度は、前記図６に示すように互いに異なる角度となるように設定する。
【００５３】
本実施形態では、分岐した光束の一つは対物レンズ２の外側から被検物に入射するが、対物レンズ２を通る光路を取ることもできる。被検物８からの反射光は、対物レンズ２，ミラー２５，受光レンズ４を介して受光センサ５に、或いはミラー３５，ミラー３６，受光レンズ３７を介して受光センサ１５に、それぞれ結像される。受光センサ５，１５からの出力信号は、同時に位置検出回路６に入力され、この回路６はステージ制御回路７に位置信号を出力する。
【００５４】
位置検出回路６は、センサ５，１５のそれぞれの検出信号に基づいた位置検出と共に、何れかの位置検出信号を選択する選択機能を有している。より具体的には、受光センサ５，１５で得られる各信号に基づいて位置検出を行い、各々の位置検出信号の時間的変化が少ない方を選択する、又は受光センサ５，１５で得られる各信号のうち信号変化の少ない方を選択して位置検出を行うようになっている。
【００５５】
次に、位置検出回路６はそれぞれの受光センサ５，１５から得た位置信号の選択を行う。位置検出回路６において、受光センサ５，１５からの入力信号は、変化量が最も小さい信号が選択され、ステージ制御回路７へ出力される。これによって、反射光束スポット位置の異常変位による信号変化を除去し、自動焦点動作を正常に行うことができる。
【００５６】
このように本実施形態によれば、入射角度の異なる複数の位置検出機構を設け、反射光のスポット位置変化が最も少ないセンサの検出信号を選択することにより、被検物８上の光源波長と同程度の線幅を持つ微細パターンに光束を入射した場合に生じる、反射光のスポット位置変化に起因する測定誤差を抑制することができる。従って、参考例と同様の効果が得られる。
【００５７】
なお、先にも説明したように、光源波長と同程度の線幅を有する微細パターンに対し、図１４に示すようにパターン面と入射光の間の入射角θがある値を超えた時に、反射光の反射スポット位置が図１５に示すようにシフトする現象が観測される。これは、パターンの空間周期と入射角と波長が特定の関係を満たす際に発生する共鳴現象が原因である。従って、本実施形態のように入射角度を変えることにより、センサへの影響が異なることは容易に理解される。つまり、反射光のスポット位置変化が最も少ないセンサの検出信号を選択することは、上記の共鳴現象が生じていないセンサ出力を選択することになり、これにより精度の高い焦点合わせが可能になる。
【００５８】
（第５の実施の形態）
被検物表面からの反射光のスポット位置の異常変位は、被検物上のパターンの向きに対する入射光の入射方向に依存する。従って、図８に示すように被検物８に複数の方向から光束を入射し、それぞれの光束に対応する受光センサを設けることにより、被検物８上のパターンの影響を最小限に抑えた信号を得ることができる。被検物８の高さ変位は、各光束に対応する受光センサの信号に等しく反映されるため、受光センサの内で最も信号変化の少ない信号を選択することにより、反射光スポット位置の異常な変位の影響を抑えることができる。
【００５９】
図９は、このような考えに基づく本発明の第６の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図である。なお、図７と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６０】
基本的な構成は前記図７に示した第５の実施形態と同じであり、２つの位置検出機構が入射角度ではなく入射方向が異なるものとなっている。
【００６１】
このような構成であっても、反射光のスポット位置変化が最も少ないセンサの検出信号を選択することにより、被検物８上の光源波長と同程度の線幅を持つ微細パターンに光束を入射した場合に生じる、反射光のスポット位置変化に起因する測定誤差を抑制することができる。従って、第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
（第６の実施の形態）
図１０は、本発明の第７の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置の基本構成を示す図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６３】
被検物８の表面からの反射光のスポット位置の異常変位は、反射光の偏光成分によって異なる値を取る。図１０に示すように、反射光をビームスプリッタ１２で分離し、それぞれの光束をさらに偏光ビームスプリッタ１８，２１により分離し、分離された光束に各々対応する受光センサ５，２２，２３，２４を用いる。２つの偏光ビームスプリッタ１８，２１は、最終的に得られる４つの光束の偏光方向が互いに９０°或いは４５°異なる向きになるように設置する。被検物８の高さ変位は、各光束に対応する各受光センサ５，２１，２２，２３の信号に等しく反映する。従って、受光センサ５，２１，２２，２３の内で最も信号変化の少ない信号を選択すると、反射光のスポット位置の異常変位の影響が最小である信号を得る。このようにして、反射光スポット位置の異常な変位の影響を抑えることができる。
【００６４】
図１１は、上記の自動焦点合わせ装置をより具体的に示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６５】
ステージ制御機構は、参考例と同様に、ステージ制御回路７とステージ９からなる。位置検出機構は、光源１、対物レンズ２、投光レンズ３、波長板４１，４２、ミラー２５、受光レンズ４、ビームスプリッタ３８、偏光ビームスプリッタ１８，２１、受光センサ５，２２，２３，２４、位置検出回路６からなる。
【００６６】
光源１から放射された光束は、投光レンズ３、波長板４１，４２、対物レンズ２を介して被検物８のパターン面に斜めに入射されて、スポット状の光源像を結像する。波長板４１，４２はそれぞれλ／２板，λ／４板からなり、被検物８へ入射する際の偏光状態がほぼ円偏光となるように調節されている。被検物８からの反射光は、対物レンズ２、ミラー２５、受光レンズ４、ビームスプリッタ３８、偏光ビームスプリッタ１８，２１を介して受光センサ５，２２，２３，２４に結像される。被検物８からの反射光はビームスプリッタ３８と偏光ビームスプリッタ１８，２１によって、偏光方向が互いに９０°或いは４５°異なる４つの光束に分離されるように設定されている。より具体的には、例えば受光センサ５で０°、受光センサ２２で９０°、受光センサ２４で４５°、受光センサ２３で１３５°の偏光光が検出されるものとなっている。なお、本実施形態では、受光センサとしてラインセンサを用いているが、４分割センサなどを用いても良い。
【００６７】
位置検出回路６は、受光センサ５，２２，２３，２４それぞれに対する位置信号から一つを選択する。受光センサ５，２２，２３，２４からの入力信号は比較され、変化量が最も小さい信号が選択されてステージ制御回路７へ出力される。受光センサ５，２２，２３，２４は偏光方向が互いに９０°或いは４５°異なる光束を受光する。即ち、反射光束スポットの異常シフトは、反射光の偏光方向に依存するため、最も小さい信号変化を選択することにより、誤差の少ない信号を取り出すことができる。このような構成により、反射光束スポット位置の異常変位による信号変化を除去し、自動焦点動作を正常に行うことができる。
【００６８】
このように本実施形態によれば、偏光方向の異なる４つの光をそれぞれ独立した受光センサで検出し、反射光束のスポット位置変化が最も少ないセンサの検出信号を選択することにより、被検物８上の光源波長と同程度の線幅を持つ微細パターンに光束を入射した場合に生じる、反射光のスポット位置変化に起因する測定誤差を抑制することができる。従って、参考例と同様の効果が得られる。
【００６９】
（第７の実施の形態）
微細パターンにおける反射光のスポット移動の現象は、入射光の入射方向とパターン方向の成す角度φと密接な関係にある。φ＝０の場合、入射方向に対しては繰り返しの構造がないため、反射光のスポット移動が発生しない。また、入射方向φの時とφ＋πのときはスポット位置移動量が同一で、移動方向が反転する結果となる。このため、前述の集光光学系においては、φ＝０の成分ではピント位置が変わらず、φ＝π／２成分ではピント位置が変化することから、非点収差が発生していると見ることができる。非点収差の方向及び程度を測定することで、誤差発生の測定及び誤差低減が実現できる。本実施形態では、受光センサとして面型センサを用いることでビーム形状の確認が可能となり、非点収差の測定及び誤差の低減を行うことができる。
【００７０】
図１２は、このような考えに基づく本発明の第８の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００７１】
光源１には、例えば波長６００〜７００ｎｍのレーザーダイオードを使用する。光源１から放射された光はコリメータレンズ１０によってコリメートされたのち、ビームスプリッタ１１を透過し、対物レンズ２によって被検物８の表面上に集光される。被検物８で反射された光は再び対物レンズ２を透過し、ビームスプリッタ１１で反射された後、受光レンズ４によって集光される。受光レンズ４の直後にはビームスプリッタ１２が配置されており、光は２つの光路に分岐される。第１の光路には受光レンズ４の焦点より前に面受光センサ（ＣＣＤ等からなる２次元のエリアセンサ）３９が設置され、第２の光路には受光レンズ４の焦点より後に面受光センサ４０が設置される。面受光センサとは、ＣＣＤ等からなる２次元のエリアセンサである。面受光センサ３９，４０によって得られたセンサ信号は位置検出回路６に入力される。位置検出回路６では入力されたセンサ信号を処理し、後述するアルゴリズムで演算した後、被検物８の高さ信号を出力する。ここでいう面受光センサは例えばＣＣＤであり、ビームの強度分布を電気信号で出力できるものであれば良い。
【００７２】
位置検出のアルゴリズムは、例えば以下の原理に基づく。図１３（ａ）に示すように、非点収差が無く、焦点位置が面受光センサ３９と４０の中間に位置しているとき、両センサから得られるビーム形状は同一となる。一方、図１３（ｂ）に示すように、微細なパターンでビームスポット位置変動が発生すると、Ｌ／Ｓの方向と直交する方向でピントずれが発生するため、面受光センサ３９，４０で得られるビーム形状は楕円となる。もし、Ｌ／Ｓ方向が図中ｙに相当し、ピントずれが図中＋方向であると仮定したとき、面受光センサ３９で得られるビーム形状はｘ方向を短軸とした楕円となり、面受光センサ４０で得られるビーム形状はｙ方向を短軸とした楕円となる。また、ピントずれは＋方向と仮定しているため、面受光センサ３９で得られるビーム形状の楕円率の方が大きくなる。
【００７３】
これらのことから、面受光センサ３９と４０で得られるビーム形状の楕円率を比較し、楕円率の大きい方の長軸方向のビーム径は誤差を含んでいないと判断することができる。面受光センサ３９で得られるビーム形状の短軸方向はｙ方向であるため、面受光センサ３９及び４０で得られるビーム形状のｙ方向のビーム径は誤差を含まず、両センサのｙ方向ビーム径の比を計算することで被検物の正確な高さを求めることができる。つまり、誤差の無い方向の認識を、上述の方法では面受光センサ３９，４０で得られるビーム形状の楕円率の大小比較を行うことで実現している。これは、予めセンサ３９及び４０の中心に焦点が位置していることが前提となっている。そのため、被検物８の高さを上下する機構を設けて、これに対して高さ信号に基づくサーボ動作を行う場合に簡単に実現できる。つまり、サーボの目標値を焦点位置がセンサ間の中心に位置するように設定することで、その状態を維持できるからである。
【００７４】
このような原理に基づき、具体的な処理の流れは例えば以下のようになる。まず、被検物８上で微細なパターンが無いと分かっている位置に光を照射し、２つの面受光センサ３９，４０で得られた信号を位置検出回路６で取り込む。位置検出回路６で任意の方向でビーム径を算出し、センサ３９，４０のビーム径の差／和を演算し、この値に基づいてサーボ動作を開始する。その後、位置検出回路６は面受光センサ３９，４０で得られるビーム形状の楕円率を常時監視する。予め楕円率に対してある閾値を設定しておき、一方のセンサ画像の楕円率が閾値を超えたとき、位置検出回路６はその楕円の長軸方向φを求める。その後、面受光センサ３９，４０のφ方向のビーム径を算出し、それらの差／和を演算し、この値をサーボ信号として出力する。その後、位置検出回路６は楕円率の監視を常時行い、面受光センサ３９．４０の楕円率を比較し、楕円率の大きい方の長軸方向φのビーム径を面受光センサ３９，４０の双方で算出し、それらの差／和をサーボ信号として出力する動作を続ける。
【００７５】
このように本実施形態によれば、被検物８からの反射光を２つの分岐し、一方の光を焦点より前方で受光し、他方の光を焦点より後方で受光し、作動ピンホール型と同じ原理で位置検出を行い、且つセンサ画像の楕円率が閾値を超えたとき、楕円率の大きい方の長軸方向のビーム径に基づいて位置検出を行うことにより、被検物８上の光源波長と同程度の線幅を持つ微細パターンに光束を入射した場合に生じる、反射光のスポット位置変化に起因する測定誤差を抑制することができる。従って、参考例と同様の効果が得られる。
【００７６】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、被検物の表面のパターンを検査するパターン欠陥検査装置に適用した例を説明したが、被検物の表面にパターンを転写するリソグラフィ装置に適用することもできる。更には、対物レンズとの焦点合わせが必要となる各種の装置に適用することができる。また、各部の光学部品は、仕様に応じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】参考例に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図。
【図２】反射光を検出する偏光センサの信号強度とスポット位置変位との相関関係を示す図。
【図３】第１の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図。
【図４】第２の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図。
【図５】第３の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図。
【図６】異なる入射角で光を照射する様子を示す模式図。
【図７】第４の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図。
【図８】異なる入射方向で光を照射する様子を示す模式図。
【図９】第５の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図。
【図１０】第６の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置の基本構成を示す図。
【図１１】第６の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図。
【図１２】第７の実施形態に係わる自動焦点合わせ装置を示す概略構成図。
【図１３】位置検出アルゴリズムを表す模式図。
【図１４】パターン面と入射方向及び入射角との関係を示す模式図。
【図１５】反射光スポット位置のシフト現象を示す模式図。
【符号の説明】
【００７８】
１，２７…光源
２，２８…対物レンズ
３，２９，３４…投光レンズ
４，３１，３７…受光レンズ
５，１５，２２，２３，２４…受光センサ
６…位置検出回路
７…ステージ制御回路
８…被検物
９…ステージ
１０…コリメータレンズ
１１，１２…ビームスプリッタ
１６，１７，４１，４２…波長板
１８，２１…偏光ビームスプリッタ
１９…偏光センサ
２０…信号補正回路
２５，３０，３２，３３，３５，３６，３８…ミラー
２６…偏光検出機構
３９，４０…面受光センサ
【図１】
0004550863.tif 000002
【図２】
0004550863.tif 000003
【図３】
0004550863.tif 000004
【図４】
0004550863.tif 000005
【図５】
0004550863.tif 000006
【図６】
0004550863.tif 000007
【図７】
0004550863.tif 000008
【図８】
0004550863.tif 000009
【図９】
0004550863.tif 000010
【図１０】
0004550863.tif 000011
【図１１】
0004550863.tif 000012
【図１２】
0004550863.tif 000013
【図１３】
0004550863.tif 000014
【図１４】
0004550863.tif 000015
【図１５】
0004550863.tif 000016