(57)【要約】【課題】  焦点検出結果のバラツキを抑えた検査装置を提供する。【解決手段】  本発明の検査装置は、検査試料に光を照射し、その反射光を瞳分割または瞳遮蔽して一組の瞳分割像を得る。検査装置は、この瞳分割像の光電変換信号に対して平滑化処理を施す。このときの平滑化処理の平滑化距離（平滑化の母集団の実効幅）は、検査試料の表面の層間隔または段差間隔によって光電変換信号に生じる位相変位と略一致するように設定される。このように平滑化された光電変換信号に基づいて一組の瞳分割像の位相差を検出し、検査装置の焦点状態を検出する。【選択図】      図２
2007322855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点検出機能を備えた検査装置において、
検査試料に光を照射する照射部と、
前記検査試料からの反射光が入射する対物レンズと、
前記対物レンズの透過光束を瞳分割または瞳遮蔽により複数の瞳分割光束に分け、前記瞳分割光束をそれぞれ結像して一組の瞳分割像を得る瞳分割光学系と、
前記瞳分割像を光電変換して、光電変換信号を出力する光電変換部と、
前記検査試料の層間隔または段差間隔によって前記光電変換信号に生じる位相変位と略一致する平滑化距離（平滑化の母集団の実効幅）で、光電変換信号に平滑化処理を施す平滑化部と、
平滑化された前記光電変換信号に基づいて前記一組の瞳分割像の位相差を検出する位相差検出部と、
前記位相差に基づいて前記検査装置の焦点状態を検出する焦点算出部と
を備えたことを特徴とする検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の検査装置において、
前記層間隔または前記段差間隔の外部入力を受け付け、前記外部入力に基づいて前記光電変換信号に生じる位相変位を求め、前記平滑化部の前記平滑化距離を前記位相変位と略一致するように設定する設定部を備えた
ことを特徴とする検査装置。
【請求項３】
請求項１に記載の検査装置において、
前記光電変換信号の波形解析または前記検査試料の表面解析に基づいて、前記層間隔または前記段差間隔により前記光電変換信号に生じる位相変位を求め、前記平滑化部の前記平滑化距離を前記位相変位と略一致するように設定する設定部を備えた
ことを特徴とする検査装置。                                                                                
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点検出機能を備えた検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体デバイスや液晶デバイスなどを検査する検査装置が開示される。この検査装置には、瞳分割式や瞳遮蔽式の焦点検出機構が搭載されている。
【特許文献１】特開２００４−１０９３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、半導体デバイスなどの検査試料に対して瞳分割式や瞳遮蔽式の焦点検出を実施すると、焦点検出の出力結果が不連続にばらつくという問題があった。この焦点検出バラツキによって、検査試料の焦点調節位置が検査のたびにばらついてしまう。そのため、検査の再現性が損なわれる、焦点調節位置の手動調整が不可欠になる、などの不具合があった。
本発明は、この焦点検出バラツキの根本原因を解明して、焦点検出バラツキを抑制した検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
《１》  本発明の検査装置は、焦点検出機能を備えた検査装置において、照射部、対物レンズ、瞳分割光学系、光電変換部、平滑化部、位相差検出部、および焦点算出部を備える。
照射部は、検査試料に光を照射する。
対物レンズは、検査試料からの反射光が入射する。
瞳分割光学系は、対物レンズの透過光束を瞳分割または瞳遮蔽により複数の瞳分割光束に分け、瞳分割光束をそれぞれ結像して一組の瞳分割像を得る。
光電変換部は、瞳分割像を光電変換して、光電変換信号を出力する。
平滑化部は、検査試料の層間隔または段差間隔によって光電変換信号に生じる位相変位と略一致する平滑化距離（平滑化の母集団の実効幅）で、光電変換信号に平滑化処理を施す。
位相差検出部は、平滑化された光電変換信号に基づいて一組の瞳分割像の位相差を検出する。
焦点算出部は、位相差に基づいて検査装置の焦点状態を検出する。
《２》  なお好ましくは、設定部を備える。この設定部は、層間隔または段差間隔の外部入力を受け付けて、外部入力に基づいて光電変換信号に生じる位相変位を求める。さらに設定部は、求めた位相変位と略一致するように平滑化部の平滑化距離を設定する。
《３》  また好ましくは、設定部を備える。この設定部は、光電変換信号の波形解析または検査試料の表面解析に基づいて、層間隔または段差間隔により光電変換信号に生じる位相変位を求める。さらに設定部は、求めた位相変位と略一致するように平滑化部の平滑化距離を設定する。
【発明の効果】
【０００５】
検査試料の表面に層構造や段差構造があると、瞳分割像を光電変換した信号波形に、位相変位（kink）が出現する。この位相変位の前後において信号波形のエッジ位置が非連続に変位するため、検査装置の焦点検出がばらついてしまう。そこで、本発明は、この位相変位と略一致する平滑化距離に設定した平滑化処理部を用いて、光電変換信号に平滑化処理を施す。この処理によってエッジ位置の非連続な変位を抑制できるため、焦点検出のバラツキを減らすことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
《構成説明》
図１は、検査装置１００の構造を示す図である。
図１において、光源１から射出された照明光は、コンデンサレンズ２、ＡＦ（オートフォーカス）用のスリット３、投影レンズ４、ハーフミラー５、および第１対物レンズ６を介して、検査試料であるウェハ７の表面に投影される。
【０００７】
ウェハ７からの反射光は、対物レンズ６、ハーフミラー５、ハーフミラー９、リレーレンズ１３を介して、多面の瞳分割ミラー１４に到達する。この瞳分割ミラー１４の鏡面は、対物レンズ６の瞳位置と光学的に共役な関係に配置される。その結果、瞳分割ミラー１４は、対物レンズ６の瞳を分割した光束（瞳分割光束）を生成する。瞳分割ミラー１４で分岐された瞳分割光束は、結像レンズ１５を介して、光電変換部１６の撮像面に一組の瞳分割像を形成する。
【０００８】
光電変換部１６は、これら一組の瞳分割像を画素単位に光電変換し、光電変換信号を出力する。この光電変換信号は、Ａ／Ｄ変換された後、平滑化部２０、位相差検出部２１、および焦点算出部２２を介して順に処理されることにより、対物レンズ６のデフォーカス量が算出される。フォーカス・アクチュエータ駆動部２３は、このデフォーカス量に従って、ウェハホルダ８を光軸方向に上下駆動することにより、対物レンズ６をウェハ７に合焦させる。
【０００９】
合焦状態のウェハ７の光像は、第２対物レンズ１０、および結像レンズ１１を介して、撮像カメラ１２の撮像面に結像する。撮像カメラ１２で撮像されたウェハ７の画像信号は、ウェハ７の検査や測定や表示などの用途に供される。
なお、平滑化部２０には、平滑化距離（平滑化処理の母集団の実効幅）を設定するための設定部２４が接続される。
【００１０】
《動作説明》
図２は、検査装置１００による焦点検出動作を示す流れ図である。以下、図２に示すステップ番号に沿って、この動作を説明する。
【００１１】
ステップＳ１：  設定部２４は、ユーザー側で作成された測定手順ファイルのデータ読み込みを行う。
【００１２】
ステップＳ２：  設定部２４は、測定手順ファイルに、ウェハ７の層間隔（または段差間隔）を示すデータが存在するか否かを判断する。
ここで、層間隔（または段差間隔）のデータが存在する場合、設定部２４はステップＳ３に動作を移行する。
一方、層間隔（または段差間隔）のデータが存在しない場合、設定部２４はステップＳ４に動作を移行する。
【００１３】
ステップＳ３：  設定部２４は、測定手順ファイルから、ウェハ７の層間隔（または段差間隔）のデータを取得する。設定部２４は、この層間隔（または段差間隔）のデータに基づいて、瞳分割像に生じる位相変位の画素数（詳しくは後述）を求める。その後、設定部２４はステップＳ５に動作を移行する。
【００１４】
ステップＳ４：  設定部２４は、光電変換部１６から、瞳分割像の光電変換信号を取得する。設定部２４は、この光電変換信号の波形を解析し、図３［Ａ］に示す波形エッジが非連続に位相変化する場所（位相変位）を探索する。設定部２４は、これら位相変位の最大幅の画素数を求め、位相変位の画素数とする。その後、設定部２４はステップＳ５に動作を移行する。
【００１５】
ステップＳ５：  設定部２４は、ステップＳ３またはステップＳ４で求めた位相変位の画素数に略等しくなるように、平滑化フィルタの平滑化距離を設定する。
例えば、移動平均によって光電変換信号を平滑化する場合、移動平均の母数を、位相変位の画素数と略等しく設定する。
また例えば、近傍範囲の重み付け加重により光電変換信号を平滑化する場合は、平滑化処理の母集団の実効幅を、位相変位の画素数と略等しく設定する。
【００１６】
なお、ここでの略等しいとは、平滑化距離が位相変位の幅に実質的に等しいという意味である。具体的には、平滑化距離の調整段数や光電変換信号のノイズ除去などの事情から、この平滑化距離が若干変化することを許容するという意味である。更に具体的には、平滑化距離は、光電変換信号のエッジ波形が破綻しない限度内であれば、位相変位の幅よりもある程度大きくなっても構わない。
【００１７】
ステップＳ６：  平滑化部２０は、光電変換部１６から、瞳分割像の光電変換信号を取り込む。
【００１８】
ステップＳ７：  平滑化部２０は、ステップＳ５で設定された平滑化フィルタを用いて、光電変換信号のエッジ波形を平滑化する。図３［Ｂ］は、このように平滑化された光電変換信号を示す図である。
【００１９】
ステップＳ８：  位相差検出部２１は、平滑化された光電変換信号の信号レベルに基づいて、閾値のレベルを決定する。例えば、光電変換信号の最大レベル側に現れる信号変化（ウェハ７の表面反射率の変化パターン）の影響を避けるため、この最大レベルの１／４〜１／３程度に閾値を設定することが好ましい。
【００２０】
ステップＳ９：  位相差検出部２１は、図３［Ｂ］に示すように、平滑化された光電変換信号を閾値判定し、片方の瞳分割像について立上がりエッジ位置および立下がりエッジ位置を求める。位相差検出部２１は、この立上がりエッジ位置および立下がりエッジ位置の中心を求め、片方の瞳分割像のエッジ中心とする。
さらに、位相差検出部２１は、もう片方の瞳分割像についても、同様にしてエッジ中心を求める。
位相差検出部２１は、このように求めた双方の瞳分割像のエッジ中心について間隔を求めて、一組の瞳分割像の像間隔とする。
【００２１】
ステップＳ１０：  焦点算出部２２は、瞳分割像の像間隔とデフォーカス量との対応関係（テーブルデータまたは式データなど）を保持する。焦点算出部２２は、ステップＳ９で求めた像間隔をこの対応関係に照合して、デフォーカス量を求める。
【００２２】
ステップＳ１１：  焦点算出部２２は、デフォーカス量が許容合焦範囲内か否かを判定する。
ここで、デフォーカス量が許容合焦範囲から外れている場合、焦点算出部２２は、焦点制御を実施するため、ステップＳ１２に動作を移行する。
一方、デフォーカス量が許容合焦範囲内に入る場合、焦点算出部２２は、合焦状態と判断して、上述した焦点検出動作を完了する。
【００２３】
ステップＳ１２：  フォーカス・アクチュエータ駆動部２３は、デフォーカス量に応じた駆動量だけ、ウェハ７（ウェハステージ）を光軸方向に駆動する。その後、ステップＳ６に戻って上述した動作を繰り返す。
【００２４】
《位相変位の詳細説明》
図４は、上述した位相変位の発生プロセスを示す説明図である。
以下、図４に基づいて、位相変位の発生プロセスと、非連続な焦点検出バラツキとの関係について説明する。
一般に、半導体デバイスや液晶デバイスは、積層やエッチングなどの加工プロセスを重ねるため、その表面が層構造または段差構造をなす。この種の検査試料に光を照射すると、最表面の反射光だけではなく、表面下の階層からも反射光が発生する。
【００２５】
図４［Ａ］は、最表面の反射光による瞳分割像を示す図である。それに対して、図４［Ｂ］は、表面下の反射光による瞳分割像を示す図である。表面下の反射位置は、最表面の反射位置よりも層間隔（または段差間隔）だけ更に遠いため、図４［Ｂ］の像間隔は、図４［Ａ］の像間隔よりも接近する。この像間隔ズレΔは、瞳分割光学系（リレーレンズ１３，瞳分割ミラー１４、および結像レンズ１５）の光学作用を考慮することで、層間隔（または段差間隔）から求めることができる。
【００２６】
なお実際には、各階層からの反射光が重畳して瞳分割光学系を通過するため、光電変換部１６の撮像面には、２つ以上の階層からの瞳分割像を重ねた多重像が形成される。図４［Ｃ］は、この多重像を示す図である。この多重像の光電変換信号には、多重された瞳分割像の像間隔ズレΔに起因して、位相変位（kink）が発生する。
【００２７】
図５に示すように、この位相変位の近傍では、閾値レベルの僅かな変化に応じて、光電変換信号のエッジ位置が非連続に変化する。そのため、このエッジ位置から検出される像間隔やデフォーカス量が不連続にばらついてしまう。
【００２８】
本発明者は、このような焦点検出バラツキの根本原因の解明に基づいて、位相変位を平滑化によって除去することを考えた。
この場合、平滑化距離を位相変位よりも明らかに小さくした場合、位相変位の波形を十分に除去できないため、焦点検出バラツキはさほど改善できない。
また逆に、この平滑化距離を位相変位よりも明らかに大きくした場合、過度な平滑化処理によってエッジ波形が鈍ってしまう。また、光電変換信号の明暗変化が平滑化によってエッジ波形にまで波及する。そのため、光電変換信号のエッジ位置が逆に不正確になり、焦点検出精度が不正確になる。
したがって、エッジ位置の非連続変化を除去するためには、平滑化距離を、検査試料の層間隔（または段差間隔）によって光電変換信号に生じるであろう位相変位と略等しく設定することが好ましい。
【００２９】
なお、図４に示すように、光電変換信号が台形波形に近似できる場合は、層間隔（または段差間隔）による像間隔ズレをΔとし、光電変換信号のエッジ遷移の幅をδとすると、
位相変位の幅＝Δ／２−δ    …［１］
となる。
【００３０】
また、光電変換信号が台形波形に近似できない場合は、層間隔（または段差間隔）と位相変位の幅との関係を予め実験的に求めてもよい。この場合、測定手順ファイルの層間隔（または段差間隔）のデータを、この実験結果に照合することによって、位相変位の幅を求めることができる。
上述したステップＳ３では、このように設定部２４で求めた位相変位の幅を、光電変換部１６の画素密度により画素数に変換することで、位相変位の画素数を求めている。
【００３１】
《本実施形態の効果など》
上述した動作により、本実施形態では、平滑化フィルターの平滑化距離を、位相変位と略等しく調整設定するため、光電変換信号から位相変位を的確に取り除くことができる。そのため、閾値の僅かな違いや検査試料の交換に伴って、焦点検出が非連続にばらついてしまうといった不具合を未然に防ぐことが可能になる。したがって、検査装置１００においては、検査試料の光軸方向の位置調整が格段に安定化し、より再現性の高い検査を行うことが可能になる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、測定手順ファイルから層間隔や段差間隔のデータを読み出し、このデータに基づいて、平滑化フィルタの平滑化距離を適応的に調整する。この動作により、検査装置１００は、多様な検査試料に即座に対応して、平滑化フィルタを適切に調整することが可能になる。
【００３３】
また、本実施形態では、光電変換信号の実測波形から位相変位の幅を検出し、その幅に基づいて、平滑化フィルタの平滑化距離を適応的に決定する。この動作により、検査装置１００は、層間隔や段差間隔の不明な検査試料に即座に対応して、平滑化フィルタを適切に調整することが可能になる。
【００３４】
《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、瞳分割式の焦点検出機構を例にあげて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、瞳遮蔽式の焦点検出機構に本発明を適用することも可能である。
【００３５】
また、上述した実施形態では、光電変換信号の実測波形から位相変位の幅を検出している。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、検査試料の層間隔や段差間隔を計測する計測装置を別途設け、その計測結果から位相変位の幅を求めてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
以上説明したように、本発明は、焦点検出機能を有する検査装置（半導体デバイス検査装置や液晶デバイス検査装置や顕微鏡など）に利用可能な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】検査装置１００の構造を示す図である。
【図２】検査装置１００による焦点検出動作を示す流れ図である。
【図３】光電変換信号を示す図である。
【図４】位相変位の発生プロセスを説明する図である。
【図５】位相変位による不連続な焦点検出バラツキを説明する図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…光源，２…コンデンサレンズ，３…スリット，４…投影レンズ，５…ハーフミラー，６…対物レンズ，７…ウェハ，８…ウェハホルダ，９…ハーフミラー，１２…撮像カメラ，１３…リレーレンズ，１４…瞳分割ミラー，１５…結像レンズ，１６…光電変換部，２０…平滑化部，２１…位相差検出部，２２…焦点算出部，２３…フォーカス・アクチュエータ駆動部，２４…設定部，１００…検査装置                                                                               
【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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