JP2005070225A - 表面画像投影装置及び表面画像投影方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定レンジが広くフォーカス調整が容易であり、高速なフォーカス制御が可能な表面画像投影装置を、簡易な構成で提供する。
【解決手段】 対物レンズ２６が試料１に沿って走査するよう制御して試料１の各部の表面画像を取得する表面画像投影装置２０を、試料表面１の高さを検出する高さ検出手段４１、５１と、高さ検出手段４１、５１により検出される高さに応じて、表面画像投影装置２０の試料表面１に対するフォーカスを合わせるフォーカス制御手段５５、１３とを備えて構成し、高さ検出手段４１は、対物レンズ２６よりも走査方向の前方に相対位置が固定して設けられて、画像取得のために前記対物レンズが走査するの合わせて試料表面の高さを検出するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、板状物体の表面の画像を投影する表面画像投影装置及び表面画像投影方法に関し、特に半導体ウエハ（以下、単にウエハと称する。）の表面に形成されたダイ（チップ）の表面画像を撮像して欠陥の有無などを検査する光学的な半導体ウエハ検査装置（インスペクションマシン）におけるフォーカス（焦点）調整技術に関する。

近年、半導体装置は集積度の向上に応じて益々多層化される傾向にあり、半導体装置の生産工程は数百にも及ぶようになってきた。半導体装置の最終的な歩留りは、各工程において発生する不良の累積で決定されるので、各工程における不良の発生を低く抑えるように管理することが重要である。そのため、各層を形成した時点でウエハの表面の画像を光学的に捕らえて欠陥の有無を検査することが行われている。

ウエハの表面の画像を光学的に捕らえるには、顕微鏡が使用される。以前は顕微鏡が投影したウエハの表面の画像を検査員が肉眼で観察して欠陥の有無を判定していたが、現在は顕微鏡の投影像を１次元や２次元のイメージセンサなどで構成される撮像装置で捕らえ、画像信号をデジタル化した上で画像処理により自動的に欠陥を検出している。このための装置がインスペクションマシンと呼ばれる装置である。

図１２は、ダイ２が形成された半導体ウエハ１を示す図である。ウエハ１は薄い板状であり、その上に図示のように多数のダイ２が形成される。

近年、半導体装置は集積度の向上に伴って形成されるパターンは微細化しており、１個のダイ全体の画像を１個の２次元のイメージセンサで捕らえると解像度が十分でない。また、１次元のイメージセンサの場合も同様で、１個の１次元のイメージセンサで１回走査してダイ全体の画像を捕らえると解像度が十分でない。そこで、ダイを十分な解像度の得られる１個の１次元のイメージセンサの幅を有する複数のストライプに分割し、各ストライブの画像を１回の走査で捕らる方法が通常行われている。

欠陥の検出は、マスタとなる画像と実際に捕らえた画像を比較する場合もあるが、通常は図１２のように軌跡４に沿って各ダイの同じストライプを連続して走査し、隣接又は近くにあるダイの同じ部分を比較して、異なる場合に欠陥であると判定している。図１３（Ａ）は、インスペクションマシンの光学系の構成を示す図である。ウエハ表面に形成された各ダイのパターンは非常に微細であり、表面の画像の投影には顕微鏡システムが使用される。顕微鏡システムとして、共焦点（コンフォーカル）顕微鏡２１を使用するインスペクションマシン１０を例に説明する。

図１３（Ａ）に示すように、試料１は、上下（Ｚ軸方向）に移動可能なステージ１１に載置される。ステージ１１は水平面内（ＸＹ平面）に移動可能なＸＹ移動機構１２に設けられており、試料１はＸＹＺの３軸方向に移動可能である。実際にはステージ１１の載置面の傾きやＺ軸に垂直な面内でも回転可能になっているがここでは省略してある。ステージ１１のＸＹＺ軸各方向の移動はステージ制御部１３により制御される。

光源２１がアパーチャ板２２のピンホール２３を照明することにより、ピンホール２３が点光源となる。ピンホール２３から放射された光は、実線で示すように、コリメータレンズ２４、ビームスプリッタ２５及び投影レンズ（対物レンズ）２６で構成される光学系により試料１の表面に収束される。
そして、試料１の表面で反射された光は、投影レンズ２６、ビームスプリッタ２５及び収束レンズ２７で構成される光学系により、アパーチャ板２８のピンホール２９を通過して受光素子３０に収束する。アパーチャ板２８は受光素子３０に対して、入射方向のやや手前に配置されている。
ここで、図１３ではアパーチャ板２２及び２８にはピンホールが１つしか図示されていないが、実際のアパーチャ板２２及び２８には多数のピンホールが設けられており、これらアパーチャ板２２及び２８の多数のピンホールを通過した光によって、受光素子３０上に２次元画像が作られる。

点線で示すように、試料１の表面が合焦位置からずれると、試料１上の点像がぼけて大きくなり、中心部の光強度は低下する。そして、試料１の表面で反射された光は受光素子３０からずれた位置に収束される。点線で示すように、試料１が光学系に近づく方向にずれると、試料１の表面で反射された光は受光素子３０の後ろに収束されるので、十分収束する前にアパーチャ板２８に入射する。試料１が光学系から離れる方向にずれると、試料１の表面で反射された光はアパーチャ板２８の前で収束された後広がった状態でアパーチャ板２８に入射する。

その結果、受光素子３０には焦点距離の合った部分からの反射光が強く受光され、焦点距離の合わない部分からの反射光は弱く受光されることになる。このように、共焦点顕微鏡では、２つのピンホール２３、２９を用いることによって、焦点が合っている部位以外からの光が重なって見えてしまうことによる像のぼやけを防ぎ、鮮明な画像を得ることができる。

近年の半導体素子のデザインルールの微細化に対応して高い分解能を得るために、光源２１に、従来の可視光線光源ではなく紫外線（ＵＶ）光源を使用する検査用顕微鏡装置が提案されている（例えば特許文献１）。また、顕微鏡が高い分解能を得るためには、対物レンズ２６に開口数（ＮＡ）の大きなものを使用する必要がある。
その結果、半導体素子の検査用顕微鏡の焦点深度は極めて狭くなっており、例えば、ＮＡが０．８、紫外線の波長が３６５ｎｍであるとすると、焦点深度は４００ｎｍ程度と非常に狭いものとなる。

ここで、試料１は薄い板状であり、完全な平面ではない上、その上にパターンを形成すると反りが発生する。そのため、ステージ１１に載置された試料１は試料上の位置により若干高さが異なる。この高さの変動量は多くても１００μｍ以下であるが、上記のように焦点深度が非常に狭いため、ウエハ全面で良好な投影像を得ることはできない。そこで、半導体検査用の顕微鏡には、自動焦点調整（オートフォーカス）機構が設けられるのが通常である。オートフォーカス機構には、非点収差法、ナイフエッジ法、又は偏心補助光束法などが知られているが、共焦点顕微鏡ではその原理を使用した焦点検出を行うことが可能である。

上述するように共焦点顕微鏡では、焦点距離の合った面からの反射光が強く受光され、焦点距離の合わない面からの反射光は弱く受光される。したがって、受光素子３０に受光される光量は、試料１の表面の合焦位置からのずれに応じて低下し、図１３（Ｂ）に示すように変化する。従って、予め図１３（Ｂ）に示す特性を測定して記憶しておけば、受光素子３０の検出信号から、合焦位置からのずれを検出することができる（特許文献２参照）。そして、ステージ制御部１３は、受光素子３０の検出信号が最大となるようにステージ１１の高さ（すなわちＺ軸方向の移動量）を制御することにより、フォーカス制御を行う。

また、下記の特許文献３には、非点収差法を使用して自動焦点調整を行う共焦点顕微鏡が開示される。
なお、この特許文献３に開示される共焦点顕微鏡では、ウエハ（試料）１上に多層に形成されるパターンの微細な凹凸により、フォーカス制御が影響され、検査したい層にフォーカスが合わせられないという問題を回避するために、インスペクション前に、試料１上のパターンが形成されない箇所において試料表面の高さを複数測定し、測定された複数箇所の高さデータから試料表面の表面形状を算出及び記憶して、記憶された表面形状記憶データに応じてフォーカス制御を行っている。

特開２００１−８２９２５号公報 特開２００１−３１８３０２号公報 特開２０００−２９４６０８号公報

しかし、前述のように、顕微鏡自体の対物光学系を使用して自動焦点制御を行うと、その焦点深度が狭いために測定レンジが狭くなり、焦点調整を行うことが困難となるという問題があった。特に特許文献２のような共焦点顕微鏡では測定レンジが非常に狭く困難であった。

また、顕微鏡自体の対物光学系を使用して自動焦点制御を行う方式では、特許文献３のような非点収差法を使用する自動焦点調整方法のように、オートフォーカス機構用の光学系を顕微鏡本体の光学系に追加する必要があり、光学系が複雑となるという問題があった。
これを避けるために顕微鏡本体の光学系とは別に光学系を設け、対物レンズの外から光を斜入射させて距離検出を行う方式も考えられるが、そのためには対物レンズと試料との間隔を、照射光が入射できる程度に大きく確保する必要があり、現在のインスペクションマシンでは実現が困難である。さらに、このような光学的なフォーカス機構は非常に高価であり、コスト面で不利である。

また、特許文献３のように、試料１上のパターンが形成されない箇所で試料表面の高さを検出して、試料全体の表面形状を算出する方法では、検出箇所がまばらとなり試料裏面に付着したゴミによる局所的な試料表面の起伏を見逃す可能性があった。

さらに特許文献３では、表面形状を取得するために、インスペクションを行う前に、試料全面の各位置で試料表面の高さ検出を行う必要がある。これには、実際にステージを昇降して試料を上下させて合焦位置となるステージ昇降量を検出する必要があるので、検出に非常に時間がかかりインスペクションマシンのスループットを低下させるという問題があった。

そこで本発明では、測定レンジが広くフォーカス調整が容易であり、かつ高精度のフォーカス調整を行うことが可能な表面画像投影装置を提供することを目的とする。
また本発明では、簡易な構造で実現可能な表面画像投影装置を提供することを目的とする。特に顕微鏡本体の対物光学系に影響を与えない表面画像投影装置を提供する。
さらに本発明では、高速なフォーカス制御が可能な表面画像投影装置を提供し、インスペクションマシンのスループット低下を防止することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１形態に係る表面画像投影装置では、対物光学系（対物レンズ）が試料表面に沿って走査して試料表面の画像を取得する際に、あわせて投影装置の光学系と別に設けた高さ検出手段によって試料表面の高さを検出し、この高さに応じてフォーカスを合わせることとする。
この高さの検出は、対物レンズが試料の画像取得箇所に至る前に行うこととし、そのために、高さ検出手段を対物レンズよりも走査方向の前方に、かつ対物レンズと相対位置を固定して設けることとする。

高さ検出手段としては、静電容量センサ、渦電流センサ、または干渉測長計のような非接触センサを用いることが好適である。
高さ検出手段は、対物レンズの副走査方向の両側にそれぞれ設けてもよいが、対物レンズの主走査方向の前方に設けることにより、高さ検出手段の数を節約することができる。

前記の高さ検出は、必ずしも対物レンズが画像を取得する位置上に、高さ検出手段（センサ）を位置させて行う必要はない。試料上の予め定められた高さ検出位置で高さを検出し、この位置で検出された高さに基づいて、各画像取得位置における試料表面の高さを算出する高さ算出手段を備えることとしてよい。つまり、試料上に予め定められた複数の高さ検出位置において高さを検出して、この検出された高さに基づいて各画像取得位置における前記試料表面の高さを補間により算出することとしてよい。

また、上記目的を達成するために、本発明の本発明の第２形態に係る表面画像投影装置では、対物レンズが試料表面に沿って走査して試料表面の画像を取得するのに先だって、静電容量センサ等の高さ検出手段によって試料表面の高さを検出し、これに基づいて各画像取得位置における前記試料表面の高さを算出し記憶する。そして対物レンズが試料表面に沿って走査して試料表面の画像を取得する際には、記憶された高さ情報に応じて、投影手段の試料表面に対するフォーカスを合わせることとする。

さらに、高さ検出を行うために高さ検出手段を試料上で走査させるピッチは、画像取得のために対物レンズを走査させるピッチよりも大きくすることとしてよい。また、高さ検出手段は対物レンズとの相対位置を固定して設けてもよい。

このように、本発明に係る表面画像投影装置は顕微鏡の対物光学系と別に高さ検出手段を備えることにより、従来の顕微鏡用オートフォーカス機構と比して、測定レンジが広くすることが可能となりフォーカス調整を容易とすることができる。特に高さ検出手段に静電容量センサを使用することにより、焦点深度の狭い紫外線共焦点顕微鏡の焦点調整に必要とされる、高い検出精度を得ることが可能となる。また簡易な構造で実現可能であり、顕微鏡本体の対物光学系に影響を与えない。

特に、高さ検出手段として、静電容量センサのように測距範囲の視野が比較的大きい（２ｍｍ程度）センサを使用することにより、試料上に形成される微細な凹凸によるフォーカス制御が影響されることを防ぐことができる。
これにより、特許文献３のように高さの検出箇所が試料上のパターンが形成されていない箇所に限定されないため、試料上の任意の箇所で細かく高さ検出を行うことが可能となる。これにより、試料裏面に付着したゴミによる局所的な試料表面の起伏を見逃す恐れを防ぐことができる。

また特許文献３のように、高さ検出の都度、対物光学系と試料の距離を変える必要がないので、高速なフォーカス制御が可能となる。

さらに本発明の第１形態に係る表面画像投影装置では、対物レンズが試料表面に沿って走査して試料表面を撮像する際に、あわせて投影装置の光学系と別に設けた高さ検出手段によって試料表面の高さを検出するので、特許文献３のようにインスペクション前に予め高さ検出手段を試料上で走査する必要がなく、インスペクションマシンのスループットの低下を防止することができる。

図１は、本発明の実施例のインスペクションマシンの光学系の構成を示す図である。実施例のインスペクションマシンは、図１３に示す上述の共焦点顕微鏡２０と同様の構成を使用しているので、参照番号２１から３０の要素についての説明はここでは省略する。

共焦点顕微鏡２０の対物レンズ２６はホルダ（鏡筒）３１に収められて、ホルダ３１は回転軸３３を中心として軸回転可能に共焦点顕微鏡２０に取り付けられたターレット３２に係合されている。ターレット３２は、複数のホルダ３１、３１’を係合可能であり、回転軸３３を軸として回転することにより、使用する対物レンズを選択することが可能である。

また共焦点顕微鏡２０は、距離センサ４１を備えている（ここでは、例として静電容量センサ４１であるとする）。静電容量センサ４１は、その下端面４２から試料１表面との間の間隔により変化する静電容量の変化を検知して、その間隔を電圧信号として出力する。静電容量センサ４１は、距離センサ支持部材４３により共焦点顕微鏡２０に固定され、対物レンズ２６との相対距離が固定されている。距離センサ支持部材４３は、ステージ１１の移動による振動の影響を受けにくくするために、弾性係数を１０００（Ｎ／ｍｍ^２）以下にすることが好適である。

高さ検出部５１は、静電容量センサ４１の出力信号を入力して、入力される距離情報とステージ制御部１３から入力されるステージ１１の現在の高さ（Ｚ座標）とに基づき、高さ測定位置（すなわち、静電容量センサ４１の直下の位置）における、試料１表面の高さを検出して出力する。検出される各高さ測定位置における高さ情報は、記憶部５３に記憶される。

高さ算出部５４は、記憶部５３に記憶される、各高さ測定位置における高さ情報に基づいて、補間によって各高さ測定位置間の高さ情報を算出して、試料１表面の高さの３次元マップ（試料１表面の３次元形状）を算出する。これにより各高さ測定位置における高さ情報から、各画像取得位置における高さ情報を得ることができる。算出された試料１表面の高さの３次元マップは、記憶部５３に記憶される。

フォーカス制御部５５は、対物レンズが各画像取得位置に到達したとき、当該画像取得位置における高さ情報を高さ記憶部５３より読み出して、この高さ情報に基づいて、対物レンズ２６と試料１表面との間の距離が、所望の合焦距離となるように、ステージ制御部１３を介してステージ１１を昇降する。

フォーカス検出部５２は、ステージ制御部１３を介してステージ１１を昇降しつつ受光素子３０の受光強度を検出して、最も受光強度が強くなったときに合焦検出信号を高さ検出部５１に出力する。共焦点顕微鏡２０の合焦距離は予め分かっているので、高さ検出部５１は、この合焦検出信号に基づいて、静電容量センサ４１の出力信号と、実際の対物レンズ２６と試料１間の距離との基準を合致させる。

次に、静電容量センサ４１による高さ検出の様子を、図１及び図２を参照して説明する。
試料１は、上下（Ｚ軸方向）に移動可能なステージ１１に載置される。ステージ１１は水平面内（ＸＹ平面）に移動可能なＸＹ移動機構１２に設けられており、試料１はＸＹＺの３軸方向に移動可能である。実際にはステージ１１の載置面の傾きやＺ軸に垂直な面内でも回転可能になっているがここでは省略してある。ステージ１１のＸＹＺ軸各方向の移動はステージ制御部１３により制御される。

試料１全面の画像を取得する際には、図１２に関連して前述したように、ステージ１１は、ステージ制御部１３からの制御信号に基づいて、対物レンズ２６が試料１上を全面にわたって走査するように水平方向（ＸＹ平面上）に移動する。
ここで、前述の通り、静電容量センサ４１は対物レンズ２６との相対距離が固定されているために、対物レンズ２６が試料１上を全面にわたって走査するのに伴って、静電容量センサ４１も試料１上を走査することとなる。

図２は、共焦点顕微鏡２０により試料１全面の画像を取得する際に、ステージ１１の移動により生じる、試料１上における静電容量センサ４１の軌跡（図２（Ａ））と、対物レンズの軌跡（図２（Ｂ））を示す図である。ここに便宜のため、対物レンズ２６の試料１上での主走査方向をＸ方向とし、副走査方向をＹ方向とする。

図示するとおり、静電容量センサ４１は、対物レンズ２６に対してＸ方向（主走査方向）の前方に、距離Ｄを隔てて固定されている。したがって、図２（Ａ）に示す静電容量センサ４１の軌跡は、図２（Ｂ）対物レンズの軌跡に対してＸ方向に距離Ｄだけずれることになり、対物レンズ２６が試料１上を走査するときは、静電容量センサ４１は、試料１上の対物レンズ２６の走査位置（又はその近く）を、対物レンズ２６が到達する前に通過することになる。

図２（Ａ）において、静電容量センサ４１の軌跡を実線及び１点鎖線で示しており、図２（Ｂ）において、対物レンズ２６の軌跡は２点鎖線で示している。
また、図２（Ａ）において、実線で示される静電容量センサ４１の軌跡６１、６２、６３、６４及び６５は、高さ検出部５１による試料１表面の高さ検出が行われる軌跡を示しており、その他の１点鎖線で示される軌跡上を静電容量センサ４１が通過する際には高さ検出は行わない。このように、高さ検出手段が前記試料表面の高さを検出するピッチを、画像の取得のために対物レンズが走査するピッチよりも大きくすることとしてよい。対物レンズにより試料表面の画像を取得する位置（画像取得位置）における試料表面高さは、高さ算出部５４により算出することができるからである。

また静電容量センサ４１は、対物レンズ２６に対してＸ方向の前方に固定されているので、静電容量センサ４１が、図のウエハの上半分にあたる領域（すなわち、主走査方向に試料１の領域を２分するとき走査開始位置６６側の領域）を走査するときは、対物レンズ２６の走査位置におけるウエハの副走査方向幅よりも、静電容量センサ４１の走査位置における試料の副走査方向幅の方が長くなる。

したがって、静電容量センサ４１が前記の領域にあるときは、ステージ制御部１３は、対物レンズ２６の副走査幅が、対物レンズ２６走査位置における試料１の副走査方向幅よりも長くなるように、ステージ１１を駆動しなければならない。例えば、図３に示すように試料１の半径がｒ、対物レンズ２６（対物レンズ中心）の試料１中心からの主走査方向距離がｘであるならば、ステージ制御部１３は、対物レンズ２６の副走査幅が、

以上となるようにステージ１１を駆動する必要がある。

また、静電容量センサ４１が、軌跡６１を通過して軌跡６７に至るまで間は、対物レンズ２６は軌跡７１を通過して軌跡７７に至り区間を通過するが、この間は対物レンズ２６の視野に試料１が存在しないために、画像取得を行わない。したがって、対物レンズ２６の視野に試料１が存在しない区間において、試料１（すなわちステージ１１）の移動ピッチを高さ検出手段が前記試料表面を検出するピッチと同一にしてよい。すなわち画像の取得のために対物レンズが走査するピッチよりも大きくしてよい。

図４は、図１に示すインスペクションマシンの動作フローチャートである。
ステップＳ１０１において、高さ検出部５１は、対物レンズ２６と試料１表面との間の実際の距離との基準合わせを行う。この様子を図５に示す。

高さ検出部５１は、図５（Ａ）に示すような、予め測定された静電容量センサ４１出力と所定の高さ基準面８０からの試料１表面の高さとの特性をテーブルとして記憶している。静電容量センサ４１の出力電圧は、静電容量センサ４１の底面４２と試料１表面の間隔にほぼ比例する。高さ検出部５１は、この特性に基づいて静電容量センサ４１の出力信号を試料１表面の高さ情報に変換する。

しかし、対物レンズ２６を格納するホルダ３１は、温度変化等によりその都度伸縮するので、実際の静電容量センサ４１出力と基準面８０からの試料１表面の高さと出力との特性は、図５（Ａ）に示される特性と一致しない。

そこで図５（Ｂ）に示すように、フォーカス制御部５５によって、試料１上の所定のフォーカス検出位置において対物レンズ２６と試料１表面との間の距離が所望の合焦距離ｄ１となるように、試料１の高さを調整する。
次に、静電容量センサ４１が前記のフォーカス検出位置上に位置するように試料１をＸＹ平面で移動し、高さ検出部５１は、静電容量センサ４１の出力ｖを得る。これにより、前記のフォーカス検出位置では、対物レンズ２６と試料１表面との間の距離ｄ１と、静電容量センサ４１の出力ｖの情報を得られる。

そして高さ検出部５１は、このフォーカス検出位置における試料１表面の高さを基準に、出力信号を補正する。
例えば、前記フォーカス検出位置における試料１表面より高さｚ０下方に基準面８０を設定し、図５（Ａ）に示される出力特性において電圧ｖに対応する高さｚとｚ０との差を、補正値ｚ−ｚ０として算出する（図５（Ｃ））。高さ検出部５１は、試料１表面上の各位置の高さ検出の際にこの補正値ｚ−ｚ０により、高さ情報を補正して出力する。

ステップＳ１０２において、対物レンズ２６の視野に試料１が存在しない領域（すなわち図２に示す軌跡６１）において、高さ検出部５１による高さ検出のみを行う。検出された高さ情報は記憶部５３に記憶される。

記憶部５３に記憶される高さ情報は、図２（Ａ）に軌跡を示した高さ検出位置における試料１表面の高さ情報であり、対物レンズ２６による画像取得位置における試料１表面高さ情報ではないので、ステップＳ１０３において、高さ算出部５４は、既に記憶部５３に記憶された高さ情報に基づいて、画像取得位置における試料１表面高さを補間により算出する。算出される画像取得位置における試料１表面の高さ情報は記憶部５３に記憶される。

ステップＳ１０４において、対物レンズ２６が画像取得位置に到達したとき、フォーカス制御部５５は、ステップＳ１０３において算出された高さ情報に基づいて、ステージ１１をＺ方向に昇降して試料１を移動させ、対物レンズ２６と試料１表面との間隔が所定の合焦距離になるよう、フォーカス制御を行う。
そしてステップＳ１０５において、試料１表面の画像を取得して、既に取得した他の部分の画像と比較してインスペクションを行う。

対物レンズ２６が画像取得位置に達しているときには、静電容量センサ４１が高さを検出する高さ検出位置は、対物レンズ２６よりも何ステップか先の走査位置にある。ステップＳ１０６では、前記画像取得位置において画像を取得している間に、静電容量センサ４１が高さ検出位置における試料表面の高さを検出する。

以上の動作を、試料１の全面にわたって画像が取得されるまで実行する（Ｓ１０７）。

前述のステップＳ１０３において、高さ算出部５４は、画像取得位置における試料１表面高さを算出する際には、既に記憶部５３に記憶された高さ情報に基づく補間を行うだけでなく、以下に示すような各種の補正を行うこととしてよい。

まず、ステージ１１の傾き等に起因して生じる試料１の高さずれを補正する。例えばステージ１１の水平方向の駆動に傾きや歪みが生じていると、対物レンズ２６と試料１までの距離と、静電容量センサ４１と試料１までの距離との距離関係がステージ１１の移動位置によって異なることとなってしまう。
例えば、図６（Ａ）に示すようにステージ１１のＸ方向の一端では、対物レンズ２６に対してステージ１１が水平となっていても、図６（Ｂ）に示すようにステージ１１の中央付近では対物レンズ２６に対してステージ１１が傾いてしまったり、また、図６（Ｃ）に示すように検査用ステージ１１がＸ方向の他端では対物レンズ２６に対してステージ１１が逆方向に傾いてしまうということもありえる。

このようなステージ１１の移動位置によって異なる対物レンズ２６と試料１までの距離静電容量センサ４１と試料１までの距離との距離関係を、そのステージ１１の位置に対応して補正する。

また、対物レンズ２６を格納するホルダ３１や静電容量センサ４１の筐体は、温度変化等によりその都度伸縮するので、経時変化により図７に示すように対物レンズ２６と試料１までの静電容量センサ４１と試料１までの距離との距離関係が異なってしまうこともあり得る。図７にその様子を示す。

ある時点では、図７（Ａ）に示すように、対物レンズ２６と試料１までの距離がｄ１、静電容量センサ４１と試料１までの距離がｄ２という位置関係にあったものが、温度変化により図７（Ａ）に示すように、静電容量センサ４１のみがΔｄ縮小して、図７（Ａ）に示す位置関係よりも、静電容量センサ４１と試料１までの距離がΔｄだけ長くなってしまったとする。このような状態で高さ検出を行うと、対物レンズ２６が画像取得位置に達したときに、フォーカス制御部５５は、試料１表面を所望の合焦距離ｄ１よりもΔｄだけ短い面７２に移動させてしまうことになる。

このような温度変化に伴う、対物レンズ２６のホルダ３１及び静電容量センサ４１の伸縮による誤差を防止するためには、ホルダ３１、静電容量センサ４１、及び支持部材４３を低膨張材（６ｐｐｍ／Ｋ以下）で構成し、または同様の膨張率を有する材料で構成することが必要である。または、以下のような方法により誤差を補正することが必要である。

そこで、図５のフローチャートにおけるステップＳ１０１の際に、図８に示すように静電容量センサ４１を軌跡７３に沿って主走査方向に移動させる。
そして、ステップＳ１０２、Ｓ１０６で高さ検出を行う予定である軌跡７３上の点（図中×印で示す）において、フォーカス制御部５５により、対物レンズ２６と試料１表面との間の距離が所望の合焦距離となるように、試料１の高さを調整する。
次に図５に示すように、静電容量センサ４１がこの位置となるように試料１をＸＹ平面で移動し、高さ検出部５１によって試料１表面の高さを各々取得する（以後、「基準高さ」と記す）。

図９（Ａ）は、前述のように軌跡７３上の所定の高さ検出予定位置において、上述のように対物レンズ２６と試料１表面との間の距離が、所望の合焦距離となるように試料１の高さを調整したときの試料１と静電容量センサ４１との位置関係を示す。
このとき試料１表面の高さは、前記の高さ検出予定位置においてステージ１１の表面８１からｚ１の位置にあり（基準高さ）、静電容量センサ４１の底面４２は、試料１表面の上方ｄ２にあったとする。またステージ表面８１は、ある基準面８０からｚ０の位置にあるとする。

一方、図９（Ｂ）では、図５のフローチャートのステップＳ１０２、Ｓ１０６で高さ検出を行っている際の静電容量センサ４１との位置関係を示す。
このときステージ１１の高さは画像の取得を行っている対物レンズ２９下の部分の試料１表面の高さ（ｚ１＋Δｚとする）に焦点が合わせてあるため、静電容量センサ４１下の部分のステージ表面８１の高さは、基準面８０からｚ０−Δｚの位置にあるとする。また静電容量センサ４１は温度変化により、ホルダ３１にくらべてΔｄだけ相対長が縮小したとする。

その結果、図９（Ｂ）に示す位置関係において、静電容量センサ４１は距離ｄ２＋Δｄ＋Δｚに対応する出力信号を出力する。
ここでまず、高さ検出部５１はステージ表面８１の現在の高さ（ｚ０＋Δｚ）に基づいて、高さ取得位置における（すなわち静電容量センサ４１下の）試料の高さをｚ１−Δｄと算出する。ここで算出された高さｚ１−Δｄと基準高さｚ１とが異なっているため、高さ検出部５１は、また静電容量センサ４１は温度変化により、ホルダ３１にくらべてΔｄだけ相対長が縮小したことを検出して、以後ステップＳ１０２、Ｓ１０６で高さ検出を行う際に、補正量Δｄ分を差し引く補正を行う。

また、試料１表面の画像を取得するために対物レンズ２６を試料１上で走査する前に、静電容量センサ４１及び高さ検出部５１を試料１上で走査させて、高さ検出を行うこととしてもよい。図１０は、そのフローチャートを示す。

ステップＳ２０１において、図４のステップＳ１０１と同様に、高さ検出部５１は、対物レンズ２６と試料１表面との間の実際の距離との基準合わせを行う。
ステップＳ２０２において、図１１に示すように静電容量センサ４１を試料１上全面で走査して、試料１上全面の高さを検出する。このとき高さ検出を行った位置の間の位置は、後で高さ算出部５４により補間されるので、試料１上で静電容量センサ４１を走査するピッチは、画像取得の際に対物レンズ２６を走査させるピッチよりも大きくてよい（１０ｍｍ以内としてよい）。検出された高さ情報は記憶部５３に記憶される。このときの走査速度は５０ｍｍ／秒程度とすることが望ましい。

なお、静電容量センサ４１をターレット３２の１つに設けることとしてもよい。この場合、静電容量センサ４１を試料１上全面で走査する際に、ターレット３２を回転させて、静電容量センサ４１が画像を取得する際の対物レンズ２６の水平位置と同じ位置に位置する。
このように静電容量センサ４１を位置することにより、上述したステージ１１の傾き等に起因して生じる試料１の高さずれを防ぐことができる。

ステップＳ２０３において、高さ算出部５４は、既に記憶部５３に記憶された高さ情報に基づいて、画像取得位置における試料１表面高さを補間により算出し、試料１表面形状の３次元マップを作成する。作成された３次元マップは記憶部５３に記憶される。

ステップＳ２０４において、記憶部５３に記憶された３次元マップに対して、上述した補正を適用する。

なお、上述のように対物レンズ２６を格納するホルダ３１や静電容量センサ４１の筐体の温度変化等による伸縮を補正する際には、ステップＳ２０２の前に、静電容量センサ４１を図１１に示した軌跡７４に沿って主走査方向に移動させておく。
そして、ステップＳ２０２で高さ検出を行う予定である軌跡７４上の点（図中×印で示す）において、フォーカス制御部５５により、対物レンズ２６と試料１表面との間の距離が所望の合焦距離となるように、試料１の高さを調整する。そして、静電容量センサ４１によって、この位置の試料１表面の高さ（基準高さ）を各々取得することとする。

ステップＳ２０５において、対物レンズ２６を走査して画像を取得する際に、フォーカス制御部５５は、ステップＳ２０４において補正された高さ情報に基づいて、ステージ１１をＺ方向に昇降して試料１を移動させ、対物レンズ２６と試料１表面との間隔が所定の合焦距離になるよう、フォーカス制御を行う。このようなフォーカス制御により、±２００ｎｍ程度の精度を確保することができるが、さらに高い精度が必要であれば、例えば特開２００１−３１８３０２に記載される光学的なオートフォーカス方式をさらに使用して、ステージ１１を制御してもよい。
そしてステップＳ２０６において、試料１表面の画像を取得して既に取得した他の部分の画像と比較してインスペクションを行う。

なお、上述の実施例のインスペクションマシンでは、ステージ１１により試料１を移動させて、対物レンズ２６及び静電容量センサ４１が試料１表面に沿って走査するように制御したが、対物レンズ２６及び静電容量センサ４１を試料１表面に沿って走査するように移動してもよい。

本発明の実施例に係るインスペクションマシンの光学系の概略構成図である。 （Ａ）は、（Ｂ）は、対物レンズの走査軌跡を示す図である。 図１のインスペクションマシンの走査幅を説明する図である。 図１のインスペクションマシンの動作フローチャート（その１）である。 対物レンズと試料との距離と、高さ検出部の出力との基準合わせを説明する図である。 ステージの移動に起因する誤差の補正の説明する図である。 対物レンズのホルダ等の伸縮に起因する誤差を説明する図である。 図１のインスペクションマシンの距離センサの走査軌跡を示す図（その２）である。 対物レンズのホルダ等の伸縮に起因する誤差の補正の説明する図である。 図１のインスペクションマシンの動作フローチャート（その２）である。 図１のインスペクションマシンの距離センサの走査軌跡を示す図（その３）である。 ダイが形成された半導体ウエハ（試料）の上面図である。 （Ａ）は、従来のインスペクションマシンの光学系の概略構成図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の光学系の焦点位置と受光素子の受光明度との関係図である。

符号の説明

１…試料（半導体ウエハ）
１０…インスペクションマシン
１３…ステージ制御部
２０…共焦点顕微鏡
２６…対物レンズ
４１…距離センサ（静電容量センサ）
５１…高さ検出部
５２…フォーカス検出部
５３…記憶部
５４…高さ算出部
５５…フォーカス制御部
５６…補正部

Claims (11)

1. 試料表面の一部を投影する投影手段の対物レンズが前記試料表面に沿って走査するように、前記試料及び／又は前記対物レンズを移動させて、前記試料表面上の各部における画像を取得する表面画像投影装置であって、
   前記試料表面の高さを検出する高さ検出手段と、
   前記高さ検出手段により検出される高さに応じて、前記投影手段の前記試料表面に対するフォーカスを合わせるフォーカス制御手段と、を備え、
   前記高さ検出手段は、前記対物レンズよりも前記走査の走査方向の前方に、かつ前記対物レンズとの相対位置が固定されて設けられ、画像の取得のために前記対物レンズが走査する間、前記対物レンズが画像の取得位置に至るまでに、画像の取得位置における前記試料表面の高さを検出することを特徴とする表面画像投影装置。
2. 前記試料上の所定の高さ検出位置において前記高さ検出手段により検出される高さに基づいて、各画像取得位置における前記試料表面の高さを算出する高さ算出手段を備え、
   前記フォーカス制御手段は、前記高さ算出手段により算出される高さに応じて、前記投影手段の前記試料表面に対するフォーカスを合わせることを特徴とする請求項１に記載の表面画像投影装置。
3. 前記高さ検出手段は、前記対物レンズよりも前記走査の主走査方向の前方に、取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の表面画像投影装置。
4. 前記高さ検出手段は、静電容量センサ、渦電流センサ、または干渉測長計のうちいずれかであることを特徴とする請求項１〜３に記載の表面画像投影装置。
5. 試料表面の一部を投影する投影手段の対物レンズが前記試料表面に沿って走査するように、前記試料及び／又は前記対物レンズを移動させて、前記試料表面上の各位置における画像を取得する表面画像投影装置であって、
   前記試料表面の高さを検出する、静電容量センサ、渦電流センサ、または干渉測長計のうちいずれかである高さ検出手段と、
   前記検出される高さに基づいて、各画像取得位置における前記試料表面の高さを算出する高さ算出手段と、
   各画像取得位置における、前記試料表面の高さを記憶する高さ記憶手段と、
   前記高さ記憶手段により記憶される高さに応じて、前記投影手段の前記試料表面に対するフォーカスを合わせるフォーカス制御手段と、を備えることを特徴とする表面画像投影装置。
6. 前記高さ検出手段は、前記対物レンズとの相対位置が固定されて設けられ、
   前記試料表面の高さを検出するために前記高さ検出手段が前記試料上を走査するピッチは、画像の取得のために前記対物レンズが走査するピッチよりも、大きいことを特徴とする表面画像投影装置。
7. 試料表面の一部を投影する投影手段の対物レンズが前記試料表面に沿って走査するように、前記試料及び／又は前記対物レンズを移動させて、前記試料表面上の各位置における画像を取得する表面画像投影方法であって、
   前記対物レンズよりも前記走査の走査方向の前方に、かつ前記対物レンズとの相対位置が固定されて設けられた高さ検出手段によって、画像の取得のために前記対物レンズが走査する間、前記対物レンズが画像の取得位置に至るまでに、画像の取得位置における前記試料表面の高さを検出し、
   前記距離高さ手段により検出される高さに応じて、前記投影手段の前記試料表面に対するフォーカスを合わせることを特徴とする表面画像投影方法。
8. 試料表面の一部を投影する投影手段の対物レンズが前記試料表面に沿って走査するように、前記試料及び／又は前記投影手段を移動させて、前記試料表面上の各位置における画像を取得する表面画像投影方法であって、
   静電容量センサ、渦電流センサ、または干渉測長計のうちいずれかである高さ検出手段によって、前記試料表面の高さを検出し、
   前記検出される高さに基づいて、各画像取得位置における前記試料の高さを算出し、
   各画像取得位置における、前記試料表面の高さを記憶し、
   記憶される前記高さに応じて、前記投影手段の前記試料表面に対するフォーカスを合わせることを特徴とする表面画像投影方法。
9. 前記高さ検出手段は、前記対物レンズとの相対位置が固定されて設けられ、
   前記試料表面の高さを検出する際に前記高さ検出手段が前記試料上を走査するピッチを、画像の取得のために前記対物レンズが走査するピッチよりも、大きくすることを特徴とする請求項８に記載の表面画像投影方法。
10. 前記試料は半導体ウエハであり、前記投影手段は共焦点顕微鏡であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の表面画像投影装置。
11. 前記試料は半導体ウエハであり、前記投影手段は共焦点顕微鏡であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の表面画像投影方法。
    

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