JP2001133219A - レーザ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＣＤ素子の画素サイズ又は光スポットの大
きさを、対象となる微細周期構造の１つのエッジに対し
て常に少なくとも４画素程度含まれる大きさにして所望
の測長精度を確保できるレーザ顕微鏡を提供する。 【解決手段】 試料２３に形成された微細周期構造を所
定のスポット２９の光で２次元走査する２次元スキャナ
ユニット２５と、ピンホール２８ａを介して捕らえた試
料２３の像の光強度に応じた電気信号を出力する光検出
器３０と、微細周期構造のエッジを光検出器３０から出
力される電気信号に基く画像処理により検出し、画像を
構成する画素を単位として微細周期構造の測長を行う光
画像システム４０とを備えるレーザ顕微鏡において、ス
キャナ制御部３５は、試料２３上を走査する光のスポッ
ト２９の径を、エッジに対して、少なくとも４画素以上
割り当てることができる大きさとするように２次元スキ
ャナユニット２５を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は微細構造を測長す
るレーザ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】微細構造の試料を顕微鏡で観察する場
合、顕微鏡の限界解像力は δ＝λ／２ＮＡ （１）式 で表すことができる。

【０００３】ここで、δは解像力を、λは使用波長を、
ＮＡは対物レンズの開口数をそれぞれ示す。

【０００４】（１）式から解像力を高めるには、波長λ
を短くする、対物レンズの開口数ＮＡを大きくする又は
波長λを短くするとともに、対物レンズの開口数ＮＡを
大きくすればよいことがわかる。

【０００５】生物試料の場合には、生物試料が紫外域以
下の波長の光を受けると光化学反応等により試料自体が
損傷してしまうので、開口数ＮＡの大きな液浸系の対物
レンズを用いて解像力を高めている。

【０００６】これに対し、無機物試料（例えばＩＣ等の
微細構造物）を液浸系の対物レンズを用いて観察した場
合には、ＩＣ等の表面に不純物が付着し、使用できなく
なってしまうおそれが大きいので、紫外域以下の光の照
射によって解像力を高めている。なお、紫外域以下の光
の照射によって無機物試料自体が損傷を受けることは少
ない。

【０００７】ところで、近年ＩＣ等の微細構造物のスケ
ールは縮小の一途をたどっており、微細周期構造物（半
導体製造プロセスではライン・スペースという）のスケ
ールは、周期を０．２５μｍを下回るに到った。

【０００８】周期が０．２５μｍ以下となったとき、従
来の光学顕微鏡で高い解像力を得ることは理論的にも難
しい。解像力の高い顕微鏡としては、Ｘ線や電子線を用
いた顕微鏡があるが、真空中の試料表面の観察をするも
のであり、使い勝手の点で光学顕微鏡に劣るため、光学
顕微鏡による解像力の向上が求められている。

【０００９】これに対し、近年実用化されてきている深
紫外連続発振レーザ、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの４倍
高調波（波長：２６６ｎｍ）をＢＢＯ（Ｂ_aＢ₂Ｏ₄：ホ
ウ酸バリウム）結晶を用いて連続発振させるレーザを光
源として用い、開口数０．９程度の高開口数の対物レン
ズを用いることによって０．１０μｍの解像力を得るこ
とができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体の製
造プロセスでは紫外光を用いた高解像力による観察の他
に、微細周期構造の測長、すなわちライン・スペースの
ピッチや線幅の測長が行われる。光学顕微鏡による測長
では得られた光学像をデジタル化し、画素を単位として
測長を行うのが一般的である。

【００１１】光学像のデジタル化の際、ＣＣＤ（固体撮
像素子）等を用いる場合にはＣＣＤの画素サイズを、レ
ーザ走査顕微鏡の場合には試料上を走査する光スポット
の大きさをそれぞれ適切な大きさにする必要がある。

【００１２】すなわち、ＣＣＤの画素サイズ又は光スポ
ットの大きさを、測長対象となる微細周期構造物の空間
周波数の１／２以下にしてサンプリング誤差をなくし、
かつ微細周期構造の１つのエッジに対して少なくとも４
画素程度含まれる大きさにする。

【００１３】観察や測長の対象となる微細構造のスケー
ルが比較的大きかった時代、従来の顕微鏡でもＣＣＤの
画素サイズ又は光スポットの大きさは上記条件を満たし
ていたので問題はなかったが、近年、微細構造のスケー
ルの縮小化が進んだため、オペレータの操作ミス（適切
な倍率選択や適切な視野の大きさの選択のし忘れ）によ
って上記条件を満たさなくなる場合が発生し、所望（例
えば数ｎｍオーダ）の検出位置の再現性を確保できない
という問題がある。

【００１４】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題はＣＣＤの画素サイズ又は光スポッ
トの大きさを、対象となる微細周期構造の１つのエッジ
に対して常に少なくとも４画素程度含まれる大きさにし
て所望の測長精度を確保できるレーザ顕微鏡を提供する
ことである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく請
求項１に記載の発明は、試料に形成された微細周期構造
を所定のスポット径の光で２次元走査する走査手段と、
ピンホールを介して捕らえた前記試料の像の光強度に応
じた電気信号を出力する検出手段と、前記微細周期構造
のエッジを前記検出手段から出力される電気信号に基く
画像処理により検出し、画像を構成する画素を単位とし
て前記微細周期構造の測長を行う画像処理手段とを備え
るレーザ顕微鏡において、前記試料上を走査する光のス
ポット径を、前記エッジに対して、少なくとも４画素以
上割り当てることができる大きさとするように前記走査
手段を制御する制御手段を備えていることを特徴とす
る。

【００１６】試料上を走査する光のスポット径を、エッ
ジに対して、少なくとも４画素以上割り当てることがで
きる大きさとしたので、検出位置の再現性が保証され、
微細周期構造のエッジを確実に検出することができる。

【００１７】請求項２に記載の発明は、微細周期構造を
有する試料の像を光学系を介して捕らえ、この捕らえた
像の光強度分布に応じた電気信号を出力する撮像手段
と、前記微細周期構造のエッジを前記撮像手段から出力
される電気信号に基く画像処理により検出し、画像を構
成する画素を単位として前記微細周期構造の測長を行う
画像処理手段とを備えるレーザ顕微鏡において、前記撮
像手段の画素サイズを、前記エッジに対して、少なくと
も４画素以上割り当てることができる大きさとするよう
に前記光学系を制御する制御手段を備えていることを特
徴とする。

【００１８】撮像手段の画素サイズを、エッジに対し
て、少なくとも４画素以上割り当てることができる大き
さとしたので、検出位置の再現性が保証され、微細周期
構造のエッジを確実に検出することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。

【００２０】図１はこの発明の一実施形態に係る共焦点
型レーザ走査顕微鏡システムのブロック構成図である。

【００２１】共焦点レーザ走査顕微鏡システム１は、レ
ーザ光源１０と、顕微鏡本体２０と、光画像システム４
０とから構成される。

【００２２】レーザ光源１０は深紫外域（波長：２００
〜３００ｎｍ）のレーザ光１０ａを出射する。

【００２３】顕微鏡本体２０は、レーザ光１０ａを対物
レンズ２１の瞳面を満たす大きさの光束２２ａに拡大す
るビームエクスパンダ２２と、レーザ光１０ａを透過さ
せないが試料２３で反射された光を透過させるビームス
プリッタ２４と、レーザ光１０ａを２次元走査する２次
元スキャナユニット２５と、リレーレンズ２６と、集光
レンズ２７と、対物レンズ２１の焦点面と共役な位置に
配置され、集光レンズ２７で集光された光だけを通過さ
せるピンホール２８ａが形成されたピンホールプレート
２８と、ピンホール２８ａを通過した光を検出し、電気
信号に変換する光検出器３０とを備えている。

【００２４】また、顕微鏡本体２０はスキャナ制御部
（制御手段）３５を備えている。

【００２５】スキャナ制御部３５は、共焦点レーザ走査
顕微鏡システム１の全体動作を制御するコントローラ
（図示せず）内のマイクロコンピュータを用いて構成さ
れている。

【００２６】このスキャナ制御部３５は試料２３上を走
査するスポット２９を試料２３の微細周期構造のエッジ
に対して少なくとも４画素以上割り当てる大きさとする
ように２次元スキャナユニット２５を制御する。

【００２７】光画像システム４０は、画像処理装置４
１、モニタ４２等を備え、光検出器３０からの電気信号
に基づき試料２３の画像化を図る。

【００２８】なお、顕微鏡本体２０は高画質を保証する
ため、除振台５０上に載置されている。

【００２９】上記構成の共焦点レーザ走査顕微鏡システ
ム１の動作を説明する。

【００３０】レーザ光源１０から出射されたレーザ光１
０ａは、反射ミラー１１，１２によって顕微鏡本体２０
の光路上に導かれ、ビームエクスパンダ２２を通過した
後、ビームスプリッタ２４で反射され、２次元スキャナ
ユニット２５によって２次元走査され、リレーレンズ２
６及び対物レンズ２１によって試料２３上の焦点面に所
定の径のスポット２９として照射される。

【００３１】スポット２９で反射された光は、対物レン
ズ２１からリレーレンズ２６、２次元スキャナユニット
２５へと光路を逆行し、ビームスプリッタ２４を透過す
る。

【００３２】ビームスプリッタ２４を透過した光は、集
光レンズ２７でピンホール２８ａに集光され、光検出器
３０で電気信号に変換され、光画像システム４０で画像
として表示される。

【００３３】ピンホール２８ａを試料２３の焦点面の光
だけが通過するので、ピンホール２８ａで不要な散乱光
が除去され、光画像システム４０では深さ方向の解像度
及びコントラストが著しく向上した画像を得ることが可
能である。

【００３４】図２（ａ）は微細周期構造を示す図、図２
（ｂ）は共焦点レーザ走査顕微鏡システムで得られた微
細周期構造の光学像強度プロファイルの一例を示す図で
ある。

【００３５】なお、図２（ｂ）において縦軸は強度を、
横軸は位置をそれぞれ示す。また、光学像強度プロファ
イルはデジタル画像を形成する隣り合った画素（黒丸及
び白丸）を結ぶことによって作成されている。

【００３６】この微細周期構造は半導体プロセスのライ
ン・スペースであり、ピッチＬＰは０．２μｍ、デュー
ティは１である。

【００３７】スキャナ制御部３５は、最大傾斜点にある
画素Ｐ３をラインＬのエッジとし、この画素Ｐ３を中心
として４つの画素Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ５を等間隔に割
り当てている。

【００３８】同様に、スキャナ制御部３５は、最大傾斜
点にある画素Ｐ８，Ｐ１３，Ｐ１８をエッジとし、これ
らの画素Ｐ８，Ｐ１３，Ｐ１８を中心としてそれぞれ４
つの画素Ｐ６，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ１０、Ｐ１１，Ｐ１２，
Ｐ１４，Ｐ１５及びＰ１６，Ｐ１７，Ｐ１９，Ｐ２０を
等間隔に割り当てている。

【００３９】図２（ａ）に記載のラインＬの幅Ｗを測定
する際には、スキャナ制御部３５は画素ピッチＰが０．
０２５μｍになるように２次元スキャナユニット２５を
制御し、走査範囲を選択する。

【００４０】図３は画素と視野との関係を説明する図で
ある。

【００４１】共焦点レーザ走査顕微鏡では使用できる最
大画素数が決まっているため、水平方向の場合、水平方
向の視野長さ（水平視野長さ）を画素数で割ることによ
って画素ピッチＰを演算できる。なお、図中、黒丸は画
素を示す。

【００４２】例えば、最大画素数が１０２４の場合、画
素ピッチＰを０．０２５μｍにするための水平方向の視
野長さは２５．６μｍである。スキャナ制御部３５は水
平方向の視野長さを２５．６μｍとする視野を選択す
る。

【００４３】実際には、測長対象となる微細周期構造の
ラインＬ間のピッチＬＰが外部からスキャナ制御部３５
に入力され、スキャナ制御部３５は演算によって得られ
た視野となるように２次元スキャナユニット２５を制御
する。

【００４４】この実施形態によれば、スキャナ制御部３
５によって最大傾斜点の画素Ｐ３をラインＬのエッジと
して画素Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ５が常に割り当てられる
ので、オペレータによる操作ミスが回避されて検出位置
の再現性が保証される。そのため、ラインＬ（微細周期
構造）のエッジを確実に検出することができ、所望の測
長精度を保証することができる。

【００４５】図４は一括照明型顕微鏡システムのブロッ
ク構成図であり、図１と同一部分には同一符号を付して
その説明を省略する。

【００４６】ケーラー照明型（一括照明型）顕微鏡シス
テム１００は、レーザ光を発するレーザ光源１０と、顕
微鏡本体１２０と、光画像システム（画像処理手段）１
４０とから構成される。

【００４７】顕微鏡本体１２０は、レーザ光を対物レン
ズ１２１の瞳面を満たす大きさの光束１２２ａに拡大す
るビームエクスパンダ１２２と、集光レンズ１３１と、
レーザ光１０ａを透過させないが、試料１２３で反射さ
れた反射光１２３ａを透過させるビームスプリッタ１２
４と、第２対物レンズ切換ユニット１２７と、第２対物
レンズ１２７ａによって結像された光を検出し、電気信
号に変換するＣＣＤカメラ（撮像手段）１３０とを備え
ている。

【００４８】第２対物レンズ切換ユニット１２７には３
つの第２対物レンズ１２７ａが設けられ、任意の第２対
物レンズ１２７ａを図示しないアクチュエータによって
矢印ａに示すように移動させて選択的に光路上に配置さ
せることができる。

【００４９】また、顕微鏡本体１２０は第２対物レンズ
切換ユニット１２７を制御する第２対物レンズ制御部
（制御手段）１３５を備えている。

【００５０】第２対物レンズ制御部１３５は、ケーラー
照明型顕微鏡システム１００全体の動作を制御するコン
トローラ（図示せず）内のマイクロコンピュータを用い
て構成されている。

【００５１】この第２対物レンズ制御部１３５は、測長
時、ＣＣＤカメラ１３０の画素サイズを、エッジに対し
て少なくとも４画素以上割り当てる大きさとするように
第２対物レンズ切換ユニット１２７を制御する。

【００５２】光画像システム１４０は、画像処理装置１
４１、モニタ１４２等を備え、ＣＣＤカメラ１３０から
の電気信号に基づき試料１２３の画像化を図る。

【００５３】なお、顕微鏡本体１２０は高画質を保証す
るため、除振台１５０上に載置されている。

【００５４】上記構成のケーラー照明型顕微鏡システム
１００の動作を説明する。

【００５５】レーザ光源１０から出射されたレーザ光
は、光ファイバ（又はファイババンドル）１５及びビー
ムエクスパンダ１２２を通過した後、ビームスプリッタ
１２４で反射され、対物レンズ１２１によって試料１２
３上に均一に照射される。

【００５６】試料１２３で反射された反射光１２３ａ
は、対物レンズ１２１、ビームスプリッタ１２４、第２
対物レンズ１２７ａへと逆行する。

【００５７】反射光１２３ａは対物レンズ１２７ａで集
光され、ＣＣＤカメラ１３０で電気信号に変換され、光
画像システム１４０で画像として表示される。

【００５８】ここで、第１実施形態と同様にピッチが
０．２μｍ、デューティが１のライン・スペースのライ
ンの幅を測定する場合で説明する。

【００５９】画素ピッチＰを０．０２５μｍにするため
には、ＣＣＤの画素サイズを１０μｍとしたとき、総合
倍率を４００×にする必要があるので、対物レンズ１２
１の倍率を１００×としたとき、第２対物レンズ１１７
ａは倍率４×が必要になる。

【００６０】そのため、第２対物レンズ制御部１３５は
第２対物レンズ切換ユニット１２７を制御して倍率４×
の第２対物レンズ１２７ａを光路上に配置する。

【００６１】実際には、測長対象となる微細周期構造の
ライン線間のピッチＬＰが第２対物レンズ制御部１３５
に外部から入力され、第２対物レンズ制御部１３５は演
算によって得られた倍率４×の第２対物レンズ１２７ａ
を光路上に配置する。

【００６２】この実施形態によれば、第１実施形態と同
様の効果を奏する。

【００６３】なお、上記各実施形態では検出対象となる
エッジに４画素を割り当てるようにしたが、５画素以上
でもよく、５画素以上にすることによって測長精度が向
上する。

【００６４】

【発明の効果】以上に説明したように請求項１記載の発
明のレーザ顕微鏡によれば、オペレータによる適切な視
野の大きさの選択のし忘れを防止でき、所望の測長精度
を確保することができる。その結果、半導体の生産性向
上を図ることもできる。

【００６５】請求項２記載の発明のレーザ顕微鏡によれ
ば、オペレータによる適切な倍率選択のし忘れを防止で
き、所望の測長精度を確保することができる。その結
果、半導体の生産性向上を図ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の１実施形態に係る共焦点型レ
ーザ走査顕微鏡システムのブロック構成図である。

【図２】図２（ａ）は微細周期構造を示す図、図２
（ｂ）は共焦点レーザ走査顕微鏡システムで得られた微
細周期構造の光学像強度プロファイルの一例を示す図で
ある。

【図３】図３は画素と視野との関係を説明する図であ
る。

【図４】図４は一括照明型顕微鏡システムのブロック構
成図である。

【符号の説明】

２３，１２３ 試料 ２５ ２次元スキャナユニット（走査手段） ２８ａ ピンホール ２９ スポット ３０ 光検出器（検出手段） ３５ スキャナ制御部（制御手段） ４０，１４０ 光画像システム（画像処理手段） １３０ ＣＣＤカメラ（撮像手段） １３５ 第２対物レンズ制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA12 AA56 BB13 CC19 DD03 FF04 GG04 HH04 JJ03 JJ26 LL09 LL30 LL46 MM16 MM26 MM28 PP24 QQ29 QQ31 2H052 AA08 AB05 AB25 AC02 AC04 AC12 AC15 AC22 AC26 AC34 AF03 AF13 AF14 AF25 4M106 AA01 BA07 BA20 CA39 DB04 DB07 DB18 DB19

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に形成された微細周期構造を所定の
   スポット径の光で２次元走査する走査手段と、ピンホー
   ルを介して捕らえた前記試料の像の光強度に応じた電気
   信号を出力する検出手段と、前記微細周期構造のエッジ
   を前記検出手段から出力される電気信号に基く画像処理
   により検出し、画像を構成する画素を単位として前記微
   細周期構造の測長を行う画像処理手段とを備えるレーザ
   顕微鏡において、 前記試料上を走査する光のスポット径を、前記エッジに
   対して、少なくとも４画素以上割り当てることができる
   大きさとするように前記走査手段を制御する制御手段を
   備えていることを特徴とするレーザ顕微鏡。
2. 【請求項２】 微細周期構造を有する試料の像を光学系
   を介して捕らえ、この捕らえた像の光強度分布に応じた
   電気信号を出力する撮像手段と、前記微細周期構造のエ
   ッジを前記撮像手段から出力される電気信号に基く画像
   処理により検出し、画像を構成する画素を単位として前
   記微細周期構造の測長を行う画像処理手段とを備えるレ
   ーザ顕微鏡において、 前記撮像手段の画素サイズを、前記エッジに対して、少
   なくとも４画素以上割り当てることができる大きさとす
   るように前記光学系を制御する制御手段を備えているこ
   とを特徴とするレーザ顕微鏡。