半導体ウエハの検査装置

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【発明の名称】	半導体ウエハの検査装置
【発明者】	【氏名】荒井正敏【氏名】坂井誠
【要約】	【課題】異なる焦点位置にある位置合わせマークを、短い測定時間で高精度で測定できる半導体ウエハの検査装置の実現。【解決手段】第１の位置合わせマークを有する第１のプロセス層12と、第２の位置合わせマークを有する第２のプロセス層13とが形成された半導体ウエハ100の表面の光学像を形成する半導体ウエハの検査装置であって、半導体ウエハの表面の光学像を形成し、波長により焦点位置が異なる共焦点光学系44,45 と、広い波長範囲を有する前記共焦点光学系の光源41とを備える。

【特許請求の範囲】
【請求項１】第１の位置合わせマークを有する第１の層と、第２の位置合わせマークを有する第２の層とが形成された半導体ウエハの表面の光学像を形成する半導体ウエハの検査装置であって、前記半導体ウエハの表面の光学像を形成し、波長により焦点位置が異なる共焦点光学系と、広い波長範囲を有する前記共焦点光学系の光源とを備えることを特徴とする半導体ウエハの検査装置。
【請求項２】請求項１に記載の半導体ウエハの検査装置であって、前記共焦点光学系により形成された前記半導体ウエハの表面の前記光学像を画像信号に変換する撮像装置を備える半導体ウエハの検査装置。
【請求項３】請求項２に記載の半導体ウエハの検査装置であって、前記撮像装置はモノクロＴＶカメラである半導体ウエハの検査装置。
【請求項４】請求項２に記載の半導体ウエハの検査装置であって、前記撮像装置はカラーＴＶカメラであり、該カラーＴＶカメラの出力するカラー画像信号を表示するカラーディスプレイを備える半導体ウエハの検査装置。
【請求項５】請求項２に記載の半導体ウエハの検査装置であって、前記撮像装置の出力する前記画像信号から、前記第１の位置合わせマークと前記第２の位置合わせマークの位置を算出し、算出した前記第１の位置合わせマークの位置と前記第２の位置合わせマークの位置から前記第１の層と前記第２の層の位置ずれを算出する画像処理装置を備える半導体ウエハの検査装置。
【請求項６】請求項２に記載の半導体ウエハの検査装置であって、前記共焦点光学系の形成する前記光学像を波長成分の異なる２つの分割光学像に分割する像分割素子を備え、前記撮像装置は、各分割光学像に対応する２つの画像信号を生成する半導体ウエハの検査装置。
【請求項７】請求項６に記載の半導体ウエハの検査装置であって、前記２つの分割光学像の波長成分は少なくとも一部が重なり、重なる波長域では、前記２つの画像信号の比が単純に変化すると共に、逆の変化特性を有し、前記２つの画像信号の同一部分の比から、当該部分の高さを算出する画像処理装置を備える半導体ウエハの検査装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハの検査装置に関し、特にすでにプロセス層が形成された半導体ウエハ上に更にプロセス層を形成する場合に、正しい位置に形成されたかを確認するために下側と上側のプロセス層の位置合わせマークの位置関係を調べる半導体ウエハの検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】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、半導体装置の製造プロセスは数百にも及ぶようになってきた。各プロセス層を形成するには、塗布したレジストにパターンを露光して現像し、パターン化されたレジスト層を形成するプロセスが行われる。各プロセス層は、エッチングやスパッタリングによりレジスト層のパターンに対応したパターンに加工される。高集積度の半導体装置では、各プロセス層のパターンは非常に微細になっており、各プロセス層のパターンの重ね合わせ精度は、非常な高精度が要求される。しかもプロセス層の層数も増大しており、１層でも位置ずれの大きなプロセス層があるとその半導体装置は最終的に不良品になる。
【０００３】そこで、各プロセス層を形成する時には、レジスト層をパターン化した時に下層のプロセス層のパターンとの位置ずれを測定し、位置ずれが許容範囲内であることを確認している。位置ずれが許容範囲内である時にはそのレジスト層でプロセス層の加工を行い、位置ずれが許容範囲を越えている時にはレジスト層を剥がして、再度レジスト層を形成するプロセスからやり直す。また、この位置ずれの測定結果は、露光装置であるステッパにフィードバックされ、露光時の位置調整に利用される。
【０００４】位置ずれを測定するには、図１の（１）に示すように、ウエハ上に形成されるダイ１の周辺に、プロセス層毎に位置合わせマーク２を形成し、２つの層の位置合わせマークの位置関係を測定することにより行っている。位置合わせマークの形状については、例えば、ＳＥＭＩスタンダードＰ２８－９６（集積回路製造用オーバーレイ計測テストパターン）に規定されている形状が使用される。図１の（２）は、そのような位置合わせマークの一例を示す図であり、ボックス・イン・ボックスと呼ばれる形状である。
【０００５】図２は、位置合わせマークの断面形状の例を示す図である。図２の（１）は、ベース基板又は下のプロセス層１１上に、第１のプロセス層１２を形成し、その上にレジスト層１３を形成する例を示す。第１のプロセス層１２には正方形の開口が第１の位置合わせマークとして形成されており、この開口内の中央に正方形のレジスト層１３が形成される。このマークの部分を光学顕微鏡などでビデオカメラなどに投影し、その画像をモニタ上などで確認して２つのマークの中心位置のずれを測定する。なお、ビデオカメラなどの映像信号を処理して自動的に２つのマークの中心位置のずれを測定する画像処理装置を設けて自動化するのが一般的である。
【０００６】図２の（２）は、第１のプロセス層１２の膜厚が薄い場合である。第１のプロセス層１２の上面とレジスト層１３の上面との差が（１）の場合に比べて大きいので、より深い焦点深度が必要な上、第１の位置合わせマークは段差が小さいので、（１）の場合に比べて正確にマークの位置を測定するのが難しい。図２の（３）は、正方形の開口の第１の位置合わせマークを有する第１のプロセス層１２の上に、一様に第２のプロセス層１４を堆積させ、その上にパターン化されたレジスト層１５を形成した例である。第２のプロセス層１４は、次のプロセスでレジスト層１５のパターンに加工される。この場合、第２のプロセス層１４は第１のプロセス層１２上に堆積されるので、第２のプロセス層１４には第１の位置合わせマークに対応したエッジが形成される。この場合、この第２のプロセス層１４のエッジを測定して第１の位置合わせマークの中心位置とする場合も、第２のプロセス層１４を通して第１のプロセス層１２の第１の位置合わせマークの中心位置を測定する場合もある。
【０００７】いずれにしろ、図２の（２）や（３）に示した位置合わせマークは、図２の（１）の位置合わせマークに比べて高精度に中心位置を測定するのが難しい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】近年、半導体装置は集積度の向上に応じてパターンの最小線幅は益々狭くなる傾向にあり、それに応じて位置合わせ精度の許容量も益々小さくなっており、位置合わせマークの中心位置を高精度で測定できることが求められている。高精度で位置合わせマークの中心位置を測定するには、高い解像度を有する光学系を使用する必要がある。高い解像度を得るには、大きなＮＡ（開口数）の顕微鏡レンズ（対物レンズ）を使用する必要があるが、ＮＡが大きいと焦点深度が狭くなる。
【０００９】例えば、図２の（１）に示すような位置合わせマークであれば、第１のプロセス層１２とレジスト層１３の高さの差が小さいので、両方とも焦点深度の範囲内に入り、２つの位置合わせマークの中心位置をそれぞれある程度の精度で測定することが可能である。しかし、図２の（２）に示すような位置合わせマークの場合、高さの差が大きいので、両方は焦点深度内に入らず、マークの中心位置の測定精度が低下する。また、第１のプロセス層１２の段差が小さいので、第１のプロセス層１２の段差自体を明瞭に識別するのが難しく、マークの中心位置を高精度に測定することができない。また、これは図２の（３）に示すような場合も同様であり、位置合わせマークの中心位置を高精度に測定するのは難しい。
【００１０】そこで、特開平９－２８７９１６号公報は、焦点位置が異なる複数の画像を捕らえることを開示している。しかし、焦点位置が異なる複数の画像を捕らえるには、対物レンズ又は半導体ウエハを相対的に光軸方向に移動させる必要がある。実際には、位置合わせマークの高さ方向の差に応じて光学系の焦点位置を合わせ込んで得た画像からエッジを検出し、マークの中心座標などを算出する。これを焦点位置を変えて行ったり、光軸方向に走査して行う。しかも、このような操作を、ダイ毎に複数のマークに対して、又は１枚のウエハで複数箇所のマークに対して行う必要がある。
【００１１】半導体装置の製造においては、スループットが重要な要素である。特開平９－２８７９１６号公報に開示された方法は、光学系の焦点位置を変化させる必要があり、位置合わせマークの測定時間が長くなるという問題を生じる。また、登録実用新案第３００３８４２号公報は、図２の（３）などに示したような測定の難しい半導体ウエハ上の位置合わせマークの位置ずれを、高精度で測定する半導体ウエハの検査装置を開示している。しかし、ここで開示された装置も光軸方向に走査を行う必要があり、位置合わせマークの測定時間が長くなり、スループットを低下さえるという問題があった。
【００１２】本発明は、このような問題を解決するもので、異なる焦点位置にある位置合わせマークを、短い測定時間でスループットを低下させることなく、高精度で測定できる半導体ウエハの検査装置の実現を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を実現するため、本発明の半導体ウエハの検査装置は、波長（又は色）により焦点位置が異なる共焦点光学系を使用し、鮮明な画像を広い焦点範囲で得られるように、すなわち実質的に焦点深度が深い光学系を使用することにより、異なる焦点位置の画像を同時に形成する。
【００１４】すなわち、本発明の半導体ウエハの検査装置は、第１の位置合わせマークを有する第１の層と、第２の位置合わせマークを有する第２の層とが形成された半導体ウエハの表面の光学像を形成する半導体ウエハの検査装置であって、半導体ウエハの表面の光学像を形成し、波長により焦点位置が異なる共焦点光学系と、広い波長範囲を有する共焦点光学系の光源とを備えることを特徴とする。
【００１５】共焦点光学系は、焦点位置の画像のみを鮮明に投影し、焦点位置から外れた画像を実質的に遮断する。そのため、共焦点光学系の焦点位置が波長により異なるようにすれば、波長に応じて異なる焦点位置の画像が鮮明に形成される。そこで、広い波長範囲を有する光源を使用すれば、異なる焦点位置の鮮明な画像が連続して得られることになり、広い範囲の焦点位置に渡って鮮明な画像が得られる。すなわち、実質的に深い焦点深度で鮮明な画像が得られる。なお、焦点位置が異なっても画像の大きさが異ならないことが望ましく、例えば共焦点光学系はテレセントリック光学系であることが望ましい。
【００１６】なお、第１の層と第２の層は、隣接する層であっても、隣接しない離れた層であってもよい。このような共焦点光学系で形成される画像は、波長によって焦点位置が異なることになる。対象とする波長は可視光に限定されず、紫外光や近赤外光を含むようにしてもよい。
【００１７】共焦点光学系により形成された半導体ウエハの表面の光学像を画像信号に変換するためには撮像装置を設ける。撮像装置として光源の波長域に対応した波長感度域を有するモノクロＴＶカメラを使用すれば、広い範囲の焦点位置に渡って鮮明な画像が得られる。従って、図２の（２）及び（３）のような位置合わせマークであっても、正確に中心位置を測定することが可能である。
【００１８】撮像装置としてカラーＴＶカメラを使用し、カラーＴＶカメラの出力するカラー画像信号をカラーディスプレイで表示すれば、各焦点位置の画像が異なる色で表示されることになる。これは、撮像装置を使用せずに、例えば後述するスピニングディスクを接眼レンズなどを介して肉眼で観察する場合なども同様である。なお、カラー撮像装置の各画像信号をカラーディスプレイに表示する場合、カラー撮像装置の色フィルタの特性と表示色をかならずしも対応させる必要はない。例えば、カラー撮像装置の色フィルタの少しの波長（色）差を、表示では大きな波長（色）差で表示することにより、差を強調した画像表示が行える。
【００１９】第１の層と第２の層の位置ずれを自動的に測定する場合には、撮像装置の出力する画像信号から、第１の位置合わせマークと第２の位置合わせマークの位置を算出し、算出した第１の位置合わせマークの位置と第２の位置合わせマークの位置から第１の層と第２の層の位置ずれを算出する画像処理装置を備えるようにする。この場合、撮像装置としてモノクロＴＶカメラを使用するならば、その画像信号をそのまま処理すればよく、撮像装置としてカラーＴＶカメラを使用する場合には、各カラー画像信号を単に合成した信号を処理すればよい。
【００２０】ここで、光学像の波長を制限すれば焦点位置、すなわち光軸方向の位置が特定できる。これを利用して位置合わせマークの３次元形状を求めることも可能である。この場合には、共焦点光学系の形成する光学像を波長成分の異なる２つの分割光学像に分割する像分割素子を備え、撮像装置は各分割光学像に対応する２つの画像信号を生成する。そして、２つの分割光学像の波長成分は少なくとも一部が重なり、重なる波長域では、２つの画像信号の比が単純に変化すると共に、逆の変化特性を有し、２つの画像信号の同一部分の比から、この部分の高さを算出する画像処理装置を備える。この重なる波長域内の波長に対応する焦点位置の画像は、２つの分割光学像の両方に含まれ、２つの画像信号の強度比は総合的な波長特性（光源、フィルタ、撮像装置の波長特性）で決定されるので、あらかじめこの総合的な波長特性を求めておけば、検出した２つの画像信号の強度比から波長を特定でき、これに応じて焦点位置が特定できる。従って、これから３次元形状を求めることが可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を説明する前に、図３を参照して共焦点光学系の原理及び波長による焦点位置の違いを説明する。図３の（１）に示すように、光源２０によりピンホール２１を有する遮光板２２を照明する。ピンホール２１からの光線は、ハーフミラー２３を通過してレンズ２４に入射し、試料１００上に収束される。試料１００が破線で示す位置にある時には、光線は試料１００上に収束され、１点のみを照明する。試料１００で反射された光線は破線で示す経路を通ってレンズ２４に戻り、ハーフミラー２３で反射されて遮光板２６のピンホール２５に収束される。従って、試料１００で反射された光線のほとんどはピンホール２５を通過して、ピンホール２５の後ろに設けられた受光素子２７に入射する。なお、ピンホール２１と２５は、ハーフミラー２３に対して対称な位置に配置されている。
【００２２】試料１００が実線で示す位置に変位すると、光線は試料１００上に大きなスポットとして収束され、試料１００で反射された光線は実線で示す経路を通ってレンズ２４に戻り、ハーフミラー２３で反射されて遮光板２６のピンホール２５に大きなスポットとして収束される。従って、試料１００で反射された光線のうちピンホール２５を通過する光線は非常に少なく、大部分は遮光板２６で遮光されて受光素子２７には入射しない。すなわち、焦点位置から外れた位置にある試料１００からの反射光線は遮断される。
【００２３】ピンホール２１と２５を光軸に垂直な平面内で試料面を走査するように移動し、各走査位置での受光素子２７の出力を合成すると試料面の画像が得られる。上記のように、試料面が焦点位置にある時には画像が得られるが、試料面が焦点位置からずれると画像は得られない。このように、共焦点光学系は、焦点位置についてのみ鮮明な画像が得られ、焦点位置から外れた画像は実質的に遮断される。なお、図３の（１）では、ハーフミラー２３に対して対称な位置にピンホール２１と２５を設けたが、ハーフミラー２３を設けずにピンホール２１のみを設けるようにしてもよい。この場合には、ピンホール２１の後ろにハーフミラーを設けて、光源と受光素子を対称な位置に設ける。図３の（２）はこの状態を示し、実線で示すように、ピンホール３１からの光は点３４に収束し、そこで反射されて再びピンホール３１を通過する。
【００２４】一般に光学レンズは色収差を有し、波長によって焦点距離が異なる。そこで、白色光源など広い波長範囲の光を放射する光源を使用する場合には、色収差を補正したアポクロマート（又はアクロマート）（アクロマチック）・レンズが使用される。従来の位置合わせマークのずれを測定する装置は、比較的単色の光源を使用する場合には色収差の補正されていないクロマチック・対物レンズを使用するが、白色光源を使用する場合にはアクロマチック・対物レンズを使用していた。もし白色光源とクロマチック・対物レンズを組み合わせて使用すると、色収差の多い不鮮明な画像となる。
【００２５】共焦点光学系のレンズとして色収差の多いクロマチック・対物レンズを使用した場合を考える。図３の（２）に示すように、対物レンズ２４は、遮光板３２のピンホール３１から放射される波長の長い光（赤）を実線で示すような経路３３で点３４の位置に収束し、波長の短い光（青）は破線で示すような経路３５で点３６の位置に収束する。もし点３４の位置に試料面を配置すれば、試料で反射された波長の長い光はそこで反射されてピンホール３１に収束され、大部分がピンホール３１を通過するが、波長の短い光は遮光板３２上に大きなスポットとして投影され大部分は遮光板３２で遮光されてピンホール３１は通過しない。同様に、もし点３６の位置に試料面を配置すれば、試料で反射された波長の短い光はそこで反射されてピンホール３１に収束され、大部分がピンホール３１を通過するが、波長の長い光は遮光板３２上に大きなスポットとして投影され大部分は遮光板３２で遮光されてピンホール３１は通過しない。すなわち、ピンホール３１を通過した光のうち波長の長い光は点３４の位置の像であり、波長の短い光は点３６の位置の像である。波長の長い光は点３４の焦点位置の像だけであり、他の部分（点３６の焦点位置）の像は遮断されるので含まれない。また、波長の短い光は点３６の焦点位置の像だけであり、他の部分（点３４の焦点位置）の像は遮断されるので含まれない。このように、共焦点光学系で色収差の多いクロマチック・対物レンズと白色光源を組み合わせると、波長に応じて焦点位置の画像が連続的に得られる。波長と焦点位置の関係は、クロマチック・対物レンズの色収差、すなわちクロマチック・対物レンズの波長に対する焦点距離の関係で決定される。
【００２６】図４は、本発明の第１実施例の半導体ウエハの検査装置の構成を示す図である。半導体ウエハ１００には高さの異なるパターンが形成されている。半導体ウエハ１００はステージ１０１に吸着され、ベース１０２に対して移動可能に支持される。光源４１は、広い波長範囲を有する光を放射する白色光源である。光源４１から放射された光は、コリメータレンズ４２でコリメートされ、ビームスプリッタ４３に入射した後反射され、多数のピンホールを有するスピニングディスク４４に照射される。スピニングディスク４４のピンホールを通過した光は対物レンズ４５により半導体ウエハ１００上に収束される。対物レンズ４５は色収差を有しており、スピニングディスク４４の位置に対して、波長に応じて焦点位置が異なる。例えば、波長の長い光は半導体ウエハの表面の低い部分に対応する高さに焦点面があり、波長の短い光は半導体ウエハの表面の高い部分に対応する高さに焦点面がある。従って、ピンホールを通過した光のうち波長の長い光は実線で示すように半導体ウエハ１００の表面の低い部分に収束されるが、波長の短い光は破線で示すように半導体ウエハ１００の表面の高い部分に収束される。半導体ウエハ１００の表面で反射された光のうち、低い部分で反射された波長の長い光は、再びスピニングディスク４４のピンホールの部分に収束されてピンホールを通過する。しかし、低い部分で反射された波長の短い光は遮断される。同様に、高い部分で反射された波長の短い光はピンホールを通過するが、低い部分で反射された波長の長い光は遮断される。スピニングディスク４４が回転して、ピンホールが半導体ウエハ１００の表面を走査する。
【００２７】ピンホールを通過した光は、ビームスプリッタ４３を通過して色収差のないアクロマチック投影レンズ４６に入射し、広い波長感度特性を有するモノクロＴＶカメラ４７の撮像面に投影される。図３で説明したように、モノクロＴＶカメラ４７に投影される像は、波長の長い光についてはウエハ１００の低い表面部分の鮮明な光学像であり、波長の短い光についてはウエハ１００の高い表面部分の鮮明な光学像であり、中間の波長は中間の高さ表面の鮮明な光学像であり、モノクロＴＶカメラ４７はこれらを画像信号に変換して出力する。従って、この画像信号は、ウエハ１００の低い表面から高い表面に渡る焦点位置の広い範囲の鮮明な画像を表す。
【００２８】モノクロＴＶカメラ４７はの出力する画像信号は、画像処理装置４８に送られ、位置合わせマークの中心位置の測定など各種の処理が施されると共に、ディスプレイ４９に表示される。画像処理装置４８は、画像信号から、第１の位置合わせマークと第２の位置合わせマークをそれぞれ識別してその位置を算出し、算出した第１の位置合わせマークの位置と第２の位置合わせマークの位置から第１の層と第２の層の位置ずれを算出する。
【００２９】例えば、第１実施例のような共焦点光学系においては、スピニングディスク４４のピンホールの径と対物レンズ４５の色収差の特性により、単波長に対する焦点深度が０．２μｍ以下のレンズでも、可視光の範囲で焦点位置の差が２μｍ以上になる。従って、狭い波長幅（約３５ｎｍ幅）の単波長に近い光で結像した鮮明な像が２μｍ以上の焦点深度で得られることになる。これにより、図２の（２）及び（３）に示すような高さの差が大きな２つの位置合わせマークであっても、両方共鮮明に表示され、又中心位置を正確に測定することができる。
【００３０】第１実施例では、撮像装置としてモノクロＴＶカメラ４７を使用したが、モノクロＴＶカメラ４７の代わりにカラーＴＶカメラを使用してもよい。この場合使用するカラーＴＶカメラは、図５に示すような３板式のカラーＴＶカメラであることが望ましい。３板式のカラーＴＶカメラについては広く知られているので、ここでは詳しい説明は省略するが、表面に色分解フィルタを形成したプリズムにより光学像をＲＧＢの３色の光学像に分解し、３つの撮像デバイスで各色分解像を電気信号に変換する。３つの像の各画素の位置関係を同一にすることが可能であり、位置の計測などに適している。
【００３１】カラーＴＶカメラの出力するＲＧＢのカラー画像信号は、カラーディスプレイに表示される。これにより、半導体ウエハの表面の低い部分の像は赤色で表示され、半導体ウエハの表面の高い部分の像は青色で表示され、その中間の高さ部分は赤色から青色の間の色で表示される。従って、ディスプレイに表示された画像で表面の各部分を識別する時にも、高い部分と低い部分の識別が容易に行える。なお、カラーＴＶカメラの出力するＲＧＢ信号をそのままカラーディスプレイに表示する必要はなく、画像処理装置で処理して任意の高低差を所望の色の差で表示することも可能である。例えば、青緑色と緑色に対応する焦点位置の差をそれぞれ青と赤で表示するようにするといった処理を行うようにすれば、小さな高低差を強調し、識別が容易になる。
【００３２】なお、画像処理装置でカラーＴＶカメラの出力するＲＧＢ画像信号を処理して位置合わせマークの中心位置の差を自動的に算出する場合には、各カラー画像信号を単に加算した信号を処理すれば、モノクロＴＶカメラを使用した場合と同様の処理が行える。また、焦点位置を画像の色が対応しているので、画像の色により３次元形状を求めることが可能である。次に説明する第２実施例は、画像の色（波長）により３次元形状を求める実施例である。
【００３３】図６は、本発明の第２実施例の半導体ウエハの検査装置の構成を示す図である。図４と比較して明らかなように、第２実施例の構成は、投影レンズ４６以降の撮像装置に関係する部分が第１実施例の構成と異なる。投影レンズ４６を通過した光は、ビームスプリッタ５１により２つの光学像に分離され、それぞれ異なる波長特性を有する色フィルタ５２と５４を通過してモノクロＴＶカメラ５３と５５の撮像面に投影され、画像信号が生成される。モノクロＴＶカメラ５３と５５の出力する画像信号は、画像処理装置５６に供給されて処理されると共に、ディスプレイ５７に表示される。画像信号の波長特性は、光源４１の分光特性、色フィルタ５２と５４の波長特性、及びモノクロＴＶカメラ５３と５５の分光感度を合わせた総合的な分光感度で決定される。第２実施例では、色フィルタ５２と５４の波長特性を、総合的な分光感度（総合感度）が、それぞれ図７の（１）に実線と破線で示すような波長特性になるように選択される。すなわち、２つの総合感度が波長λ１とλ２の間で重なり、一方は実線で示すように波長λ１より短波長では高く、波長λ２で小さな値になるように徐々に低下し、他方は破線で示すように波長λ１では小さな値で、波長λ２より長波長では高くなるように徐々に増加する。このような総合感度を実現するには、例えば、光源４１は波長λ１とλ２の間では一様な強度であり、モノクロＴＶカメラ５３と５５は波長λ１とλ２の間では一様な感度であるとすると、色フィルタ５２の透過率を、波長λ１より短波長では高く、波長λ２で小さな値になるように徐々に低下するようにし、色フィルタ５４の透過率を、波長λ１では小さな値で、波長λ２より長波長では高くなるように徐々に増加するようにする。
【００３４】２つの画像信号の総合感度が図７の（１）に示すような特性を示す場合、２つの画像信号の分光感度比は図７の（２）に示すように、波長λ１とλ２の間で単調に増加する。例えば、半導体ウエハの表面が図７でλＡで示す波長に対応する焦点位置にあると仮定する。この表面の光学像の主波長はλＡで示す波長であり、モノクロＴＶカメラ５３と５５から出力される信号の強度の比は、ＢとＣで示す強度比である。もちろん、表面の反射率が高い場合と低い場合で絶対値は異なるが、その比は一定である。そこで、２つの信号の強度の比を算出し、図７の（２）から感度比がそのような値になる波長を求めれば、その部分の光学像の主波長を算出でき、その表面の高さ（焦点位置）を算出することができる。従って、画像の各部分における２つの信号の強度比から、その部分の高さを算出すれば、表面の３次元形状が求まる。
【００３５】なお、カラーＴＶカメラのＲＧＢ画像信号の検出波長域は相互に重なっており、例えば、ＲとＧ及びＧとＢの２つの画像信号の組に対して第２実施例の方法を適用して３次元形状を求めることも可能である。この場合、Ｇの中心波長（約５５０ｎｍ）より長波長の成分についてはＲとＧの信号の組を使用し、Ｇの中心波長より短波長の成分についてはＧとＢの信号の組を使用する。
【００３６】位置合わせマークは段差のマークであり、３次元形状を求めることにより、中心位置をより正確に測定することが可能になる。例えば、同じマークであっても、各エッジは同じように形成されるとは限らず、一方は急峻なエッジであるが、他方はゆるやかなエッジとなる場合がある。特にゆるやかなエッジについてはどの部分をエッジの中心位置とするかでマークの中心位置が変化することになる。３次元形状が求まれば、エッジの中心位置を判定する高さを設定するといったことも可能であり、より正確にマークの位置を測定することが可能になる。
【００３７】以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は実施例のような独立した測定装置としてのみならず、露光装置をはじめその他の製造装置に内蔵あるいは付設される態様にても実現可能である。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、光軸方向の焦点位置を変化させずに、複数の焦点位置の鮮明な画像を同時に生成することが可能になり、半導体ウエハの位置合わせマークの位置ずれを高速で且つ高精度に測定できる。

【出願人】	【識別番号】０００１５１４９４【氏名又は名称】株式会社東京精密
【出願日】	平成１２年１月１２日（２０００．１．１２）
【代理人】	【識別番号】１０００７７５１７【弁理士】【氏名又は名称】石田敬（外４名）
【公開番号】	特開２００１－１９４３２１（Ｐ２００１－１９４３２１Ａ）
【公開日】	平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】	特願２０００－３５４６（Ｐ２０００－３５４６）