特許 6119963 自動焦点制御装置、半導体検査装置および顕微鏡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6119963

(24)【登録日】2017年4月7日

(45)【発行日】2017年4月26日

(54)【発明の名称】自動焦点制御装置、半導体検査装置および顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   G02B 7/28 20060101AFI20170417BHJP

   G02B 7/40 20060101ALI20170417BHJP

   G02B 21/00 20060101ALI20170417BHJP

   G01N 21/956 20060101ALN20170417BHJP

【ＦＩ】

   G02B7/28 J

   G02B7/28 Z

   G02B7/40

   G02B7/28 N

   G02B21/00

   !G01N21/956 A

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-255377(P2012-255377)

(22)【出願日】2012年11月21日

(65)【公開番号】特開2014-102430(P2014-102430A)

(43)【公開日】2014年6月5日

【審査請求日】2015年11月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】富樫 光宏

(72)【発明者】

【氏名】関谷 晴隆

(72)【発明者】

【氏名】上山 真司

【審査官】 小倉 宏之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０２５６９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０３６５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−００２８４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−００２７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−２７１９１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１６２５６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ７／２８

Ｇ０２Ｂ ７／３２

Ｇ０２Ｂ ２１／００

Ｇ０１Ｎ ２１／９５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

撮像素子を有する観察光学系にて被検査物表面を観察できるように前記被検査物表面の相対位置を所与の観察面に位置させるための自動焦点制御装置であって、
フォーカスエラー検査光を発射する光源を有する光源光学系と、
前記光源からのフォーカスエラー検査光を入射光として被検査物の表面に集光させる対物レンズと、
前記被検査物からの反射光を前記対物レンズを介して受光する受光光学系と、
前記受光光学系からの受光信号からフォーカスエラー信号を生成するフォーカスエラー信号生成部と、を具備し、
前記受光光学系は、
前記被検査物からの反射光を第１反射光と第２反射光とに二分割する無偏光ビームスプリッタと、
前記第１反射光の光路上に配置された第１非点隔差発生手段と、
前記第２反射光の光路上に配置された第２非点隔差発生手段と、
前記第１非点隔差発生手段を通過した光を受光する第１光検出器と、
前記第２非点隔差発生手段を通過した光を受光する第２光検出器と、を備え、
前記フォーカスエラー信号生成部は、前記第１光検出器および前記第２光検出器からの受光信号を用いてフォーカスエラー信号を生成し、
前記光源光学系は、前記光源からの光を平行光にするコリメートレンズと、前記コリメートレンズからの光を一旦集光させる集光レンズと、を有するとともに、前記光源、前記コリメートレンズおよび前記集光レンズを含んで当該光源光学系がユニット化されており、前記対物レンズに対し前記光源光学系をユニットとして光軸に沿って相対移動させることにより、前記フォーカスエラー検査光の結像位置を前記所与の観察面から所定の微小距離だけデフォーカスさせ、
前記受光光学系は、前記被検査物表面に対して前記所定の微小距離だけデフォーカスした光の反射光が前記第１光検出器および第２光検出器の受光面に焦点を結ぶように調整するオフセット調整手段を有する
ことを特徴とする自動焦点制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の自動焦点制御装置において、
前記第１光検出器および前記第２光検出器は、受光面が四つの受光部に分割された分割受光素子であり、
前記フォーカスエラー信号生成部によるフォーカスエラー信号の生成処理は、前記第１光検出器および前記第２光検出器の互いに対応する受光部同士の受光信号を加算するか、または、一方から他方を減算する、処理を含む
ことを特徴とする自動焦点制御装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の自動焦点制御装置において、
前記オフセット調整手段は、前記無偏光ビームスプリッタと前記対物レンズとの間に配置されたオフセット調整用のレンズである
ことを特徴とする自動焦点制御装置。

【請求項4】

請求項３に記載の自動焦点制御装置において、
前記オフセット調整用レンズを光路に沿う方向で進退させるアクチュエータをさらに備える
ことを特徴とする自動焦点制御装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれかに記載の自動焦点制御装置と、撮像手段を有する観察光学系と、を有する光学ユニットと、
前記被検査物としての半導体ウエハを支持するステージと、
前記フォーカスエラー信号に基づいて、前記光学ユニットと前記ステージとを接近または離間する方向に相対移動させ、前記半導体ウエハ表面を前記所与の観察面に位置させる駆動機構と、を備える
ことを特徴とする半導体検査装置。

【請求項6】

請求項１から請求項４のいずれかに記載の自動焦点制御装置と、撮像手段を有する観察光学系と、を有する光学ユニットと、
前記被検査物を支持するステージと、
前記フォーカスエラー信号に基づいて、前記光学ユニットと前記ステージとを接近または離間する方向に相対移動させ、前記被検査物の被検査面を前記所与の観察面に位置させる駆動機構と、を備える
ことを特徴とする顕微鏡装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は自動焦点制御装置、半導体検査装置および顕微鏡に関し、例えば、半導体ウエハの表面パターンを検査するための自動焦点制御装置および半導体検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体ウエハの検査装置が知られている（例えば特許文献１：実用新案登録第３００３８４２号）。半導体ウエハの検査装置は、いわゆる顕微鏡で半導体ウエハ表面を撮像して検査するのであるが、そのためには自動焦点合わせが必要になる。

【0003】

自動焦点制御の方法として非点収差法が知られ（特許文献２：特開昭６２−３６５０２号公報）、例えば磁気ディスクや光ディスクなどの記録および再生のためのピックアップを制御するのに用いられている（特許文献３：特開平９−１７０２０号公報）。
特許文献３にも説明されているように、光ディスクの表面に形成されるパターンは規則的であるので、反射ビームの回転方向、回折方向、傾斜角などは決まってくる。したがって、非点隔差を発生させるシリンドリカルレンズの母線方向を所定の方向になるようにセットしておけば、光ディスクの表面パターンの影響を受けずに、非点収差法を用いた高精度な自動焦点制御ができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実用新案登録第３００３８４２号

【特許文献2】特開昭６２−３６５０２号公報

【特許文献3】特開平９−１７０２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、半導体ウエハの表面には不規則なパターンが形成されているのであり、反射光に生じる外乱や光量不均一は一定ではない。したがって、半導体ウエハの表面に対して非点収差法を用いた自動焦点合わせは適用できないという問題があった。これは半導体ウエハに限られることではなく、不規則なパターンを持つ観察対象に対しては非点収差法を用いた自動焦点合わせは適用できなかった。

【0006】

そこで本発明の目的は、非点収差法を用いつつも、表面パターンに影響されること無しに自動焦点合わせができる自動焦点制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の自動焦点制御装置は、
撮像素子を有する観察光学系にて被検査物表面を観察できるように前記被検査物表面の相対位置を所与の観察面に位置させるための自動焦点制御装置であって、
フォーカスエラー検査光を発射する光源を有する光源光学系と、
前記光源からのフォーカスエラー検査光を入射光として被検査物の表面に集光させる対物レンズと、
前記被検査物からの反射光を前記対物レンズを介して受光する受光光学系と、
前記受光光学系からの受光信号からフォーカスエラー信号を生成するフォーカスエラー信号生成部と、を具備し、
前記受光光学系は、
前記被検査物からの反射光を第１反射光と第２反射光とに二分割する無偏光ビームスプリッタと、
前記第１反射光の光路上に配置された第１非点隔差発生手段と、
前記第２反射光の光路上に配置された第２非点隔差発生手段と、
前記第１非点隔差発生手段を通過した光を受光する第１光検出器と、
前記第２非点隔差発生手段を通過した光を受光する第２光検出器と、を備え、
前記フォーカスエラー信号生成部は、前記第１光検出器および前記第２光検出器からの受光信号を用いてフォーカスエラー信号を生成し、
前記光源光学系は、フォーカスエラー検査光の結像位置が前記所与の観察面から所定の微小距離だけデフォーカスするように、配置されており、
前記受光光学系は、前記被検査物表面に対して前記所定の微小距離だけデフォーカスした光の反射光が前記第１光検出器および第２光検出器の受光面に焦点を結ぶように調整するオフセット調整手段を有する
ことを特徴とする

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】半導体ウエハ検査装置の第１実施形態を示す図。

【図2】ビームスポットの位置と観察光学系で観察する観察領域との位置関係を示す図。

【図3】自動焦点制御系を抽出して描いた図。

【図4】対比説明のために、従来の一般的構成を表した図。

【図5】集光レンズを光軸に沿って対物レンズに少し近づけて配置した状態を示す図。

【図6】半導体ウエハ表面からの戻り光を示す図。

【図7】受光像の変化の様子を示す図。

【図8】光量分布が無いとした場合におけるフォーカスエラー信号FE１を示す図。

【図9】光量分布がある場合において、受光像の変化の様子を示す図。

【図10】オフセットしたフォーカスエラー信号の例を示す図。

【図11】第２光検出器で受光する受光像の例を示す図。

【図12】外乱の影響を相殺した全体フォーカスエラー信号の例を示す図。

【図13】変形例１を説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１に、本発明に係る半導体ウエハ検査装置の第１実施形態を示す。
半導体ウエハ検査装置１００は、光学ユニット２００と、被検査物としての半導体ウエハＷが載置されるステージ１１０と、ステージ１１０を移動させる駆動機構部１２０と、を備えている。
さらに、光学ユニット２００は、自動焦点制御系３００と、観察光学系６００と、を備えている。
自動焦点制御系３００は、光源光学系３１０と、対物レンズ３２２と、受光光学系４００と、フォーカスエラー信号生成部５００と、を備えている。

【0010】

駆動機構部１２０はステージ１１０を移動させるものであり、これによって半導体ウエハＷが光学ユニット２００に対して相対移動する。駆動機構部１２０は、観察光学系６００が半導体ウエハＷの表面を適切に観察できるように、ステージ１１０の位置を調整する。駆動機構部１２０による調整方向としては、観察領域を順にずらしていくための方向としてＸ方向およびＹ方向があり、さらに、半導体ウエハＷの表面を観察光学系６００の焦点位置に合わせるためのＺ方向がある。
なお、図１において、紙面の左右方向にＸ方向をとり、紙面の垂直方向にＹ方向をとり、紙面の上下方向にＺ方向をとった。
また本明細書では、観察光学系６００の焦点位置を含む面を観察面ということがある。

【0011】

ここで、図１を参照して、光学ユニット２００における光の光路を概略的に説明しておく。
まず、観察光学系６００の光路から説明する。
照明光源６１０から発射された光は、第１ビームスプリッタＢＳ１、コリメートレンズ３２１および第２ビームスプリッタＢＳ２を介して対物レンズ３２２に入射し、半導体ウエハＷの表面を照明する。そして、半導体ウエハＷで反射した反射照明光は、対物レンズ３２２および第２ビームスプリッタＢＳ２を戻り、さらに、光学系６２０を介して、二次元撮像素子６３０にて撮像される。撮像素子６３０で取得された画像によって、半導体ウエハＷの表面が検査される。

【0012】

自動焦点制御系３００の光路の概略を説明する。
光源光学系３１０から発射された光（フォーカスエラー検査光）は、第３ビームスプリッタＢＳ３、集光レンズ３３０、第１ビームスプリッタＢＳ１、コリメートレンズ３２１および第２ビームスプリッタＢＳ２を介して対物レンズ３２２に入射し、半導体ウエハＷの表面にて結像する。（ただし、半導体ウエハＷの表面に対してわずかにデフォーカスさせるのであるが、このことは後述する。）そして、半導体ウエハＷの表面で反射された反射光は、対物レンズ３２２、第２ビームスプリッタＢＳ２、コリメートレンズ３２１、第１ビームスプリッタＢＳ１、集光レンズ３３０および第３ビームスプリッタＢＳ３を戻り、受光光学系４００で受光される。

【0013】

これに関連して、さらに、信号経路についても説明しておくと、受光光学系４００からの受光信号ＲＳはフォーカスエラー信号生成部５００に送られ、フォーカスエラー信号生成部５００からのフォーカスエラー信号ＦＥは駆動機構部１２０に出力される。駆動機構部１２０はフォーカスエラー信号に基づいて半導体ウエハのＺ方向位置を調整する。

【0014】

第１ビームスプリッタＢＳ１、コリメートレンズ３２１、第２ビームスプリッタＢＳ２および対物レンズ３２２は、観察光学系６００と自動焦点制御系３００とで共用されている。ただし、自動焦点制御系３００で使用するビームスポット７０１の位置と観察光学系６００で観察する観察領域７０２とがずれるようにしている（図２参照）。
図２は、自動焦点制御系３００で使用するビームスポット７０１の位置と観察光学系６００で観察する観察領域７０２との位置ずれを表した図である。このようにビームスポット７０１と観察領域７０２とをずらすのは、自動焦点制御系３００で使用するビームが観察光学系６００に漏れ込むことで生じるフレア等の外乱を減じるための配慮である。

【0015】

図３は、自動焦点制御系３００を抽出して描いた図である。
図３においては、自動焦点制御系３００を中心にわかりやすく説明するため、図１に比べると第１ビームスプリッタＢＳ１や第２ビームスプリッタＢＳ２を省略しているが、光学的な意味で同じであることはご理解頂けるであろう。第１ビームスプリッタＢＳ１や第２ビームスプリッタＢＳ２は、自動焦点制御系３００と観察光学系６００とを連結するために使用されるもので、自動焦点制御系３００の光学要素としては無くても説明に支障は無い。

【0016】

図３を参照して、自動焦点制御系３００について説明する。
光源光学系３１０は、光源としてのレーザーダイオード３１１と、レーザーダイオード３１１からの光を平行光にするコリメートレンズ３１２と、コリメートレンズ３１２からの平行光を一旦集光させる集光レンズ３３０と、を有する。
レーザーダイオード３１１から発射される光は紫外線領域の光とし、例えば、波長が４０５ｎｍのレーザー光とすることが例として挙げられる。精密な位置合わせのためには、波長が短い方がよい。

【0017】

光源光学系３１０から射出された平行光は、第３ビームスプリッタＢＳ３を介して、集光レンズ３３０に入射し、一旦集光することになる。
この集光点をＰ１と表す（たとえば図４、図５、図６参照）。

【0018】

さて、ここで、集光点Ｐ１をコリメートレンズ３２１の焦点位置Ｆ２に一致させるのが従来の一般的構成である。（なお、説明が分かりやすいように対物レンズ３２２を無限系対物レンズとした。有限系対物レンズを使用した場合には若干異なる配置となるが、このような違いは当業者であれば容易に理解されるであろう。）図４は、対比説明のために、このような従来の一般的構成を表した図である。図４において、集光レンズ３３０で一旦集光した光は、コリメートレンズ３２１で一旦平行となり、さらに、対物レンズ３２２で集光される。半導体ウエハＷの表面が対物レンズ３２２の焦点Ｆ１に位置していれば、光は半導体ウエハＷの表面で極微小なスポットとして像を結ぶことになる（スポット径は例えば１μｍ程度になる。）そして、半導体ウエハＷの表面で反射された光は、対物レンズ３２２およびコリメートレンズ３２１を戻り再び集光点Ｐ１で集光した後、集光レンズ３３０を通って平行光となり、後段の受光光学系４００に入射することになる。

【0019】

この点、本実施形態では、集光レンズ３３０による集光点Ｐ１がコリメートレンズ３２１の焦点位置Ｆ２から少しずれるように集光レンズ３３０とコリメートレンズ３２１との配置関係を調整する。図５においては、集光レンズ３３０を光軸に沿ってコリメートレンズ３２１に少し近づけて配置した状態を示す図である。集光点Ｐ１がコリメートレンズ３２１の焦点Ｆ２からずれるので、対物レンズ３２２による結像点Ｉ１も対物レンズ３２２の焦点位置Ｆ１からずれることになる。

【0020】

図６には、半導体ウエハ表面からの戻り光を示す。ここでは、半導体ウエハＷの表面が結像点Ｉ１から所定距離だけずれているとする（デフォーカスしているとする。）すると、半導体ウエハＷの表面からの反射光がコリメートレンズ３２１を戻って集光する点Ｐ２は、もとの集光点Ｐ１からずれる。そして、集光レンズ３３０を通過した光は、平行から所定の角度分だけズレた光となる。
半導体ウエハＷの表面と結像点Ｉ１とのデフォーカス量が決まれば、この戻り光の角度ずれ量も決まる。（逆にいうと、戻り光の角度ずれ量が決まれば、半導体ウエハＷの表面と結像点Ｉ１とのデフォーカス量が一義的に決まる。）

【0021】

なお、図５や図６では、本実施形態の意味が分かりやすいように極めて極端な例を示したのであるが、これほど極端にずらす必要はない。スポット径が所望の大きさになる程度（例えば１０μｍ程度）に調整すればよい。要するに、集光点Ｐ１を対物レンズ３２２の焦点位置Ｆ２からずらしておき、かつ、半導体ウエハＷの表面が結像点Ｉ１に対して所定分だけずれていればよい（デフォーカスしていればよい）。このとき、半導体ウエハ表面からの戻り光が集光レンズ３３０を通ると、平行光から所定の角度分だけズレた光となって受光光学系４００に入射するようになる。

【0022】

なお、集光レンズ３３０による集光点Ｐ１の位置をずらすにあたっては、原理的には、集光レンズ３３０の位置だけをずらせば良い。
あるいは、レーザーダイオード３１１の位置をコリメートレンズ３１２の前側焦点からずらすということも考えられる（もちろん、レーザーダイオード３１１を移動させてもよいし、コリメートレンズ３１２の方を移動させてもよい）。
本発明としては上記二つ方法を除外するものではないが、光源光学系３１０（レーザーダイオード３１１、コリメートレンズ３１２および集光レンズ３３０）および第３ビームスプリッタＢＳ３をユニットとして組み付けておいて、この光源光学系３１０および第３ビームスプリッタＢＳ３のユニットごと移動させるようにする方が好ましい。

【0023】

ここで、上記のように、半導体ウエハＷの表面が結像点Ｉ１から所定距離だけずれているとした（デフォーカスしているとした）。
本実施形態において、半導体ウエハＷの表面に光を結像させるのではなく、敢えてデフォーカスさせるのは次の理由による。

【0024】

本実施形態の観察対象は、（不規則な）パターンが形成された半導体ウエハの表面であることを想定している。半導体ウエハの表面には様々なパターンが形成されており、パターンのオーダーは数μｍ程度である。もし仮に、完全に結像した極微小スポットをこのような半導体ウエハＷに照射したとすると、その反射光は半導体ウエハ表面のパターンに甚だしく影響されるであろう。例えば、結像スポットがパターンのエッジに当たったとすると、その反射方向は、対物レンズ３２２の方向とは全く懸け離れた方向になってしまう恐れもある。あるいは、結像スポットが当たるポイントよって反射光量が著しく変動することも考えられる。すなわち、戻り光が受光光学系４００の受光面に入射するにしても、ｆａｒ ｆｉｅｌｄ内で光量分布が著しく不均一になり、これでは自動焦点合わせができなくなる。例えば、仮にフォーカスが合っていてもそのことが認識できないという事態が起こりうる。

【0025】

この点、本実施形態では、半導体ウエハＷの表面に光を結像させるのではなく、敢えてデフォーカスさせ、スポット径を広げるようにしている。これにより、半導体ウエハ表面のパターンの影響が緩和され、戻り光の光量が安定するようになり、光学ユニット２００と半導体ウエハ表面との距離調整が安定するようにできる。

【0026】

次に、受光光学系４００の構成について説明する。
受光光学系４００は、オフセット調整レンズ４１０と、無偏光ビームスプリッタ４２０と、第１非点隔差発生手段としての第１シリンドリカルレンズ４３０と、第１光検出器４４０と、第２非点隔差発生手段としての第２シリンドリカルレンズ４５０と、第２光検出器４６０と、を備えている。
第１光検出器４４０および第２光検出器４６０は、受光面が四つの受光部に分割された四分割受光素子である。

【0027】

受光光学系４００における光路を図３を参照して概略説明する。
半導体ウエハ表面からの戻り光は、対物レンズ３２２、コリメートレンズ３２１および集光レンズ３３０を戻り、さらに、第３ビームスプリッタＢＳ３を介してオフセット調整レンズ４１０に入射する。オフセット調整レンズ４１０を通過した光は、無偏光ビームスプリッタ４２０によって二分割される。無偏光ビームスプリッタ４２０によって分割された一方の光は、第１シリンドリカルレンズ４３０を介して第１光検出器４４０にて受光される。また、無偏光ビームスプリッタ４２０によって分割された他方の光は、第２シリンドリカルレンズ４５０を介して第２光検出器４６０にて受光される。

【0028】

次に、オフセット調整レンズ４１０について説明する。
オフセット調整レンズ４１０は、半導体ウエハＷからの反射光が第１光検出器４４０および第２光検出器４６０の受光面に結像するように配置されている。
前述のように、半導体ウエハＷの表面に対してデフォーカスして光を照射しているので、その反射光は集光レンズ３３０を通過しても平行光にはならず、デフォーカス量に応じた角度ズレをもっている。そこで、所定の角度ズレで入射してくる光が第１光検出器４４０および第２光検出器４６０の受光面に結像するようにオフセット調整レンズ４１０を配置しておけば、半導体ウエハＷの表面が所定のデフォーカス位置にあることを検出できるようになる。このようなオフセット調整ができるように、オフセット調整用レンズ４１０には、オフセット調整用レンズ４１０を光軸に沿って進退させるためのアクチュエータ４１１が付設されている。

【0029】

（二重非点収差法）
次に、本実施形態が採用した二重非点収差法について説明する。
単なる非点収差法はよく知られているものであるが、対比説明として簡単に説明しておく。
非点収差法とは、非点収差をもった光学系で結像させた像のひずみを検出し、これにより光軸方向に沿った変位を測定する方法をいう。例えば、第１シリンドリカルレンズ４３０を通過した光が第１光検出器４４０の受光面に入射するところ（図３）、図７に示すように、受光面の位置によって像が横長（図７（ａ））、円形（図７（ｂ））、縦長（図７（ｃ））と変化する。４分割光検出器４４０を利用してこの変化を検出すれば光軸方向の変位を測定することができる。
いま、四つの受光部に順にＡからＤまで符号を付け、例えば受光部Ａからの受光信号をＳＡとする。（第１光検出器４４０の受光部なので、Ａ１からＤ１とし、さらに例えば受光部Ａ１からの受光信号をＳＡ１とする。）そして、フォーカスエラー信号ＦＥ１を次のように生成するとする。なお、フォーカスエラー信号は、フォーカスエラー信号生成部５００によって生成される。

【0030】

ＦＥ１＝（ＳＡ１＋ＳＤ１）−（ＳＢ１＋ＳＣ１）
（要は、一方の対角方向の和から他方の対角方向の和を減じる。）

【0031】

フォーカスエラー信号ＦＥ１はＳ字カーブとなり（図８参照）、ＦＥ１が０になるときを検出すれば、それがすなわち、受光像が円形になるときであり、第１光検出器４４０の受光面が焦点に合っているということがわかる。

【0032】

（なお、図７では、第１光検出器４４０の受光面が変位するかのように描いているが、これは図でわかりやすく説明するための便宜であって、実際は、半導体ウエハＷが光軸に沿って進退し、それによって結像位置が変位するのだということはご理解いただけるであろう。）

【0033】

さて、半導体ウエハＷの表面からの反射光に光量分布が無ければ、一つの４分割受光素子４４０だけで非点収差法を適用すればよいのである。しかし、半導体ウエハＷの表面には様々なパターンが形成されているため、どうしても回折や散乱の影響を受けて不規則な光量分布が発生してしまう。
光量不均一の分かりやすい例として、図９に、反射光の一部に欠けた部分（これを欠損部と称することにする。）がある場合の受光像を示す。ここでは、欠損部は、受光部Ｂ１または受光部Ｃ１に表れるとする。
このように欠損部がある状態でフォーカスエラー信号ＦＥ１を生成する。すると、欠損部の欠けた光量分だけ（ＳＢ１＋ＳＣ１）が小さくなってしまうことになる。

【0034】

本来的には図９（ｂ）のように受光像が円形になったときにフォーカスエラー信号ＦＥ１が０になるべきである。
しかし、図１０に示すようにＳ字カーブがオフセットしてしまっているために、フォーカスエラー信号ＦＥ１が０になるポイントは図９（ｂ）と図９（ｃ）との間になってしまう。
半導体ウエハ表面において光が当たる場所が異なると、欠損部が生じたり無くなったり、大きくなったり小さくなったりといった違いが生じてくる。これでは光学ユニット２００と半導体ウエハ表面との距離調整が安定しないことになる。

【0035】

そこで、本実施形態では、非点収差法を二重に用い、フォーカスエラー信号に光量分布の影響が出ないようにした。
すなわち、オフセット調整レンズ４１０を通過した光を、無偏光ビームスプリッタ４２０によって二分割する。分割された一方の光は、第１シリンドリカルレンズ４３０を通過して第１光検出器４４０にて受光される。
このときの受光像およびフォーカスエラー信号ＦＥ１は図９および図１０で既に示した通りである。

【0036】

ここで、分割された他方の光に注目すると、これは前記分割された一方の光の鏡像になる。
（一方は無偏光ビームスプリッタ４２０を通過した透過光であり、他方は無偏光ビームスプリッタ４２０で反射された反射光となるため。）
この分割された他方の光を第２シリンドリカルレンズ４５０を介して第２光検出器４６０で受光する。
図１１は、第２光検出器４６０で受光する受光像の例であり、図９に対応する。
（図９と図１１とでは、−４５°（すなわち１３５°）を対称面とする関係にある。）
四つの受光部に順にＡからＤまで符号を付け、例えば受光部Ａからの受光信号をＳＡとする。第２光検出器の受光部なので、Ａ２からＤ２とし、さらに例えば受光部Ａ２からの受光信号をＳＡ２とする。

【0037】

互いに鏡像であるということは、欠損部（光量不均一）による外乱が第１光検出器４４０と第２光検出器４６０とにおいて鏡像の位置に同量だけ生じていることになる。
したがって、第１光検出器４４０からの受光信号（フォーカスエラー信号ＦＥ１）と第２光検出器４６０からの受光信号（フォーカスエラー信号ＦＥ２）とをうまく加算するか減算して、外乱（光量不均一）が相殺されるようにすればよい。
図１１（ｂ）と図９（ｂ）とに注目していただくと、図９（ｂ）では外乱が受光部Ｂ１に生じ、図１１（ｂ）では外乱が受光部Ａ２に生じている。
そこで、
ＦＥ１＝（ＳＡ１＋ＳＤ１）−（ＳＢ１＋δ＋ＳＣ１）
ＦＥ２＝（ＳＡ２＋δ＋ＳＤ２）−（ＳＢ２＋ＳＣ２）
とする。

【0038】

そして、全体フォーカスエラー信号ＦＥｔを次のように求める。
ＦＥｔ＝ＦＥ１＋ＦＥ２
＝（ＳＡ１＋ＳＤ１＋ＳＡ２＋ＳＤ２）−（ＳＢ１＋ＳＣ１＋ＳＢ２＋ＳＣ２）

【0039】

これによって、全体フォーカスエラー信号ＦＥｔからは外乱の影響が消える。全体フォーカスエラー信号ＦＥｔを図１２に示した。

【0040】

なお、互いに鏡像関係にある場合には、非点収差の方向は同一であり、前述の式で計算されるが、mirror等で更に折り曲げ、鏡像関係にない場合には、非点収差の方向を90deg互いに回転させることで、同様の効果を持たせる事が可能である。

【0041】

このようにすれば、半導体ウエハ表面の不規則なパターンによる光量分布の不均一は問題にならず、光学ユニット２００と半導体ウエハ表面との距離調整が安定するようになる。

【0042】

ここでまでの説明で、自動焦点制御系３００により、結像位置Ｉ１から常に決まった距離だけデフォーカスした位置に半導体ウエハ表面の位置を制御できることはご理解頂けたであろう。
したがって、光学ユニット２００と半導体ウエハ表面とのギャップは常に一定に保たれるわけであるから、観察光学系６００の光学系６２０としては、予め前記デフォーカス分を見込んで半導体ウエハの表面に焦点が合うようにしておけばよいことは言うまでもない。

【0043】

（変形例１）
本実施形態の変形例1を説明する。
図２に示したように、自動焦点制御系３００で使用するビームスポット７０１の位置と観察光学系６００で観察する観察領域７０２とがずれるようにしているのであるが、それでも自動焦点制御系３００で使用するビームが観察光学系６００に漏れることは避けられない。
半導体ウエハの表面で不規則な方向に反射されることもあるし、対物レンズ３２０による反射光が観察光学系６００に入ってしまうこともありえる。
そこで、変形例１として、光源としてのレーザーダイオード３１１をパルス駆動してもよい。
そして、レーザーダイオード３１１をONにするタイミングのときだけ受光信号をサンプリングし、これをホールドするようにすればよい。
レーザーダイオード３１１を連続駆動する場合に比べて（図１３（a））、パルス駆動のデューティーを５分の１にすれば（図１３（ｂ））、観察光学系６００に漏れるフレア量も５分の１になる。

【0044】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、
観察対象は半導体ウエハに限られない。本発明によれば、不規則な表面パターンをもつものであっても安定した自動焦点合わせが実現できる。
したがって、本発明は、半導体ウエハ検査装置のみならず、広く顕微鏡に応用してもよい。

【0045】

無偏光ビームスプリッタ４２０で光束を分離した一方の光と他方の光とが鏡像関係になっていない場合には、非点隔差の発生方向を互いに逆とする。

【符号の説明】

【0046】

１００・・・半導体ウエハ検査装置、１１０・・・ステージ、１２０・・・駆動機構部、２００・・・光学ユニット、３００・・・自動焦点制御系、３１０・・・光源光学系、３１１・・・レーザーダイオード、３１２・・・コリメートレンズ、３２１・・・コリメートレンズ、３２２・・・対物レンズ、３３０・・・集光レンズ、４００・・・受光光学系、４１０・・・オフセット調整レンズ、４１１・・・アクチュエータ、４２０・・・無偏光ビームスプリッタ、４３０・・・第1シリンドリカルレンズ、４４０・・・第1光検出器、４５０・・・第２シリンドリカルレンズ、４６０・・・第２光検出器、５００・・・フォーカスエラー信号生成部、６００・・・観察光学系、６１０・・・照明光源、６２０・・・光学系、６３０・・・撮像素子、７０１・・・ビームスポット、７０２・・・観察領域、ＢＳ１・・・第1ビームスプリッタ、ＢＳ２・・・第２ビームスプリッタ、ＢＳ３・・・第３ビームスプリッタ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】