JP2002148557A - 複数のスペクトル範囲に対する照明・結像装置およびこの照明・結像装置を備えた座標測定機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数のスペクトル範囲に対し適している照明・
結像装置を提供する。 【解決手段】光軸（２０）を決定している対物レンズ
（２１）と、光軸（２０）上に配置されるビームスプリ
ッターモジュール（３２）と、それぞれ１つの照明光路
（３５a,３５b,３５c）の起点を成している複数個の光
源（３５）と、それぞれ１つの結像光路（３４a,３４
b）を付設した複数個の検出器（３４）と有し、照明光
路（３５a,３５b,３５c）と結像光路（３４a,３４b）が
共通の光学的区間を有し、この光学的区間内に前記ビー
ムスプリッターモジュール（３２）が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のスペクトル
範囲に対する照明・結像装置およびこの照明・結像装置
を備えた座標測定機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体チップの生産においては、充填密
度が大きくなるに伴って、個々の構造部の構造幅が小さ
くなってきている。構造部が小さくなるにつれて、構造
部のエッジおよび構造部の位置を測定し、並びに構造幅
を測定するための測定・検査システムとして使用される
座標測定機の設計仕様に対する要求が高度になる。この
座標測定機にあっては、構造幅が測定または検査に使用
される光の波長よりも小さいにもかかわらず、依然光学
的なプローブ方式が優先的に適用されている。その理由
は、他のプローブ方式のシステム、たとえば電子線によ
るシステムに比べて、光学的プローブ方式による測定シ
ステムは操作が著しく容易だからである。

【０００３】しかしながら、非測定対象である構造が小
さくなってきているので、使用される光学系の特性に対
する要求ばかりでなく、評価および分析に使用される照
明・結像装置の特性に対する要求も高度になってきてい
る。

【０００４】座標測定機は、ドイツ連邦共和国特許公開
第１９８１９４９２A号公報に開示されている。試料の落
射照明は、近紫外線スペクトル範囲の光源によって行な
われる。検出のために検出装置も設けられ、その結像光
路はビームスプリッターを介して、対物レンズにより決
定される光軸にカップリングされる。このシステムは、
被検査対象である試料を複数のスペクトル範囲で同時に
照明、分析することは不可能であり、或いは別個のスペ
クトル範囲による分析が不可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、複数
のスペクトル範囲に対し適している照明・結像装置を提
供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、光軸を決定している対物レンズと、光軸上
に配置されるビームスプリッターモジュールと、それぞ
れ１つの照明光路の起点を成している複数個の光源と、
それぞれ１つの結像光路を付設した複数個の検出器とを
有し、照明光路と結像光路が共通の光学的区間を有し、
この光学的区間内に前記ビームスプリッターモジュール
が配置されていることを特徴とするものである。

【０００７】本発明の利点は、照明・結像装置が、被検
査対象である試料の結像のために使用する対物レンズの
光軸上に配置されるビームスプリッターモジュールを備
えていることである。この場合、すべての照明・結像光
路は光軸に沿って案内される。このため複数個の光源が
設けられ、それぞれの光源は照明光路から出ている。こ
の場合光源は、完全に決定された波長範囲の光を送出す
るように構成されている。すでに述べたように、同様に
複数個の検出器も設けられており、これらの検出器のそ
れぞれに結像光路が付設されている。この場合、照明光
路と結像光路は共通の光学的区間を有しており、この光
学的区間内にビームスプリッターモジュールが配置され
ている。これにより、個々の検出器をその都度選択的に
種々の波長範囲で付勢することができる。

【０００８】照明・結像装置を座標測定機に使用するこ
とも特に有利である。座標測定機は、高精度の測定を阻
害するすべての可能な外乱が大部分阻止されているよう
に構成されていなければならない。このような場合だ
け、構造のエッジの位置を数ナノメーターの精度で測定
することが可能である。本発明による照明・結像装置に
より、複数個の光源と検出器が設けられているにもかか
わらず、切換えを行なう必要がなく、または光学的区間
を機械的にシフトさせる必要がない。光学的区間を機械
的にシフトさせる過程は乱流または熱を発生させ、所定
の測定に影響を及ぼす。照明・結像装置内にビームスプ
リッターモジュールを設けることにより、すべての照明
・結像光路をただ１つの対物レンズだけによって案内す
ることが可能になる。本発明による照明・結像装置は複
数のスペクトル範囲に適している。

【０００９】本発明による照明・結像装置の１つの実施
形態が、座標測定機による非常に正確な測定に対し特に
有利であることが判明した。この実施形態では、対物レ
ンズの下流側に、４個のビームスプリッターを備えたビ
ームスプリッターモジュールが配置され、４個のビーム
スプリッターはそれぞれ対を成してビームスプリッター
グループの中に配置されている。この場合、各グループ
の第１のビームスプリッターは５０／５０ビームスプリ
ッターであり、各グループの第２のビームスプリッター
はダイクロイックスプリッターである。波長に関するビ
ームスプリッターの特性は、第１のビームスプリッター
が第１の波長λ_１以上の波長を持った光だけを通過さ
せ、第２のビームスプリッターが第２の波長λ_２以下の
波長を持った光だけを通過させるように選定されてい
る。さらに、第２のグループの背後にしてビームスプリ
ッターモジュールの後に検出器が透過光路内に配置さ
れ、検出器は波長λ_１とλ_２の間の波長範囲で検出す
る。これには、上記３つの異なるスペクトル範囲が提供
される。高品質の結像を達成するため、対物レンズは波
長λ _１よりも小さな下限波長λ_ｍｉｎと波長λ_２よりも
大きな上限波長λ_ｍａｘの間の範囲で回折を制限されて
補正されている。有利な実施形態では、波長は波長λ
_ｍｉｎ＝３６５nm、波長λ_ｍａｘ＝９００ｎｍである

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を添付の
図面を用いて詳細に説明する。図１は座標測定機１の１
実施形態を示し、落射照明形式と透過光照明形式を組み
合わせたもので、本発明による照明・結像装置２を含ん
でいる。

【００１１】図示した座標測定機はグラニットブロック
２３を有し、グラニットブロック２３は防振器２４,２
５上に支持されている。グラニットブロック２３上で
は、フレームとして構成された測定テーブル２６が空気
軸受２７,２８でx方向およびｙ方向（図では２つの矢印
で示唆した）に滑動可能である。フレームとしての測定
テーブル２６は、熱膨張係数が小さなガラスセラミック
スからなっているのが有利である。測定テーブル２６を
移動させるための駆動要素は図示していない。測定テー
ブル２６の位置はレーザー・干渉計システム２９により
x方向およびy方向において測定される。

【００１２】測定テーブル２６には試料３０が装填され
ている。試料３０はたとえばクォーツガラスからなって
いる。試料表面上には構造部３１が被着されている。測定
テーブル２６がフレームとして構成されているので、試
料３０を下からも照射することができる。

【００１３】試料３０の上方には、光学クォリティが高
い照明・結像装置２が設けられている。照明・光学装置
２は光軸２０のまわりに配置されている。フォーカシン
グは光軸２０に沿ってｚ方向に可能である。照明・結像
装置２はビームスプリッターモジュール３２と、複数個
の検出器３４と、同様に複数個の照明装置３５とを有し
ている。検出器３４により構造部３１の位置が試料３０
上での座標として決定される。

【００１４】さらに、グラニットブロック２３内には、
高さ調整可能な集光器１７と光源７とを備えた透過光照
明装置が取り付けられている。光源７からは、光軸２０
を持った透過光照明光路が出ている。光源７の光は、で
きるだけ大きな入射開口数（たとえばNA＝０．６０）を
持った拡大カップリング光学系３を介して取り出され
る。このようにして光源７から特に多量の光が取り出さ
れる。取り出された光はカップリング光学系３により光
導波路にカップリングされる。光導波路としては光ファ
イバー束４を使用する。

【００１５】集光器１７の光軸は光軸２０と整列してい
る。集光器１７の高さ調整は、構造部３１に対して指向
されるべき照明光線をマスク３０の種々の厚さに適合さ
せるためである。集光器ヘッドは、特に測定テーブルフ
レームの開口部分のなかに到達することができる。測定
テーブル２６がマスク面全体にわたって移動する際の損
傷から防護するため、集光器１７をグラニットブロック
２３の表面よりも下の位置へ引き込むこともできる。光
源７と照明・結像装置２の複数の照明装置３５とは互い
に独立にスイッチング可能である。

【００１６】図２は照明・結像装置２の特殊な実施形態
を示すもので、複数のスペクトル範囲に対し適してお
り、複数のスペクトル範囲に対し光学的に高品質の結像
を可能にするものである。この照明・結像装置２は対物
レンズ２１を有し、対物レンズ２１は光軸２０上に配置
されるか、或いは光軸２０を決定するものである。対物
レンズ２１の下流側にはビームスプリッターモジュール
３２が配置され、ビームスプリッターモジュール３２は
実質的に光軸２０のまわりに心合わせして配置されてい
る。さらに照明・結像装置２は複数個の検出器３４と複
数個の光源３５を有している。ビームスプリッターモジ
ュール３２は、光軸２０の周囲および光軸２０に沿って
配置されている複数個のビームスプリッター１０,１１,
１２,１３からなっている。特別な実施形態では、対物レ
ンズ２１から数えてそれぞれ第１のビームスプリッター
１０と第２のビームスプリッター１１は第１のグループ
１４に配置され、第３のビームスプリッター１２と第４
のビームスプリッター１３は第２のグループ１５に配置
されている。この場合、それぞれのグループ１４と１５
の最初のビームスプリッター１０と１２は５０／５０ス
プリッターとして構成されている。それぞれのグループ
１４と１５の２番目のビームスプリッター１１と１３は
ダイクロイックスプリッターとして構成されている。第
１のグループ１４の最初のビームスプリッター１０は検
出器３4に付設されており、この検出器３４は付属の結
像光路３４a内に配置されている。ビームスプリッター１
０は光をビームスプリッターモジュール３２内の共通の
光学的区間からデカップリングさせるために用いる。ビ
ームスプリッターモジュール３２内の共通の光学的区間
は光軸２０と同一である。第１のグループ１４の２番目
のビームスプリッター１１は光源３５に付設されてお
り、光源３５は付属の照明光路３５a内に配置されてい
る。第２のグループ１５の最初のビームスプリッター１
２も同様に光源３５に付設されており、この光源３５は
付属の照明光路３５b内に配置されている。第２のグルー
プ１５の２番目のビームスプリッター１３は検出器３４
と他の光源３５とに付設されている。検出器３４は結像
光路３４bを決定し、他の光源３５は照明光路３５ｃを
決定する。

【００１７】試料３０の構造部３１を測定するための特
別な実施形態では、光源３４として、或いは検出器３５
として、以下に述べるような個々の構成要素が対物レン
ズ２１に対し特定の順番で取り付けられる。第１のグル
ープの最初のビームスプリッター１０には測定カメラが
付設されている。測定カメラは検出器３４の特殊な実施
形態である。測定カメラは、試料３０から出た、１つの
分割ビームだけの光を得る。これは、測定カメラにより
試料３０上の構造部３１の測定が行なわれるので、結像
エラーが生じた場合にこれを複数の分割ビームによって
できるだけ小さくさせるために必要である。これによ
り、結像エラーによる測定のいかなるエラーも阻止され
ている。第１のグループ１４の２番目のビームスプリッ
ター１１には、光源３５として測定照明装置が付設さ
れ、３６５ないし４０５ｎｍの波長範囲で光を送出す
る。第２のグループ１５の最初のビームスプリッター１
２には、光源３５として全体照明装置(Uebersichtsbele
uchtung)が付設され、４８０ないし７００nmの波長範囲
の光を送出する。第２のグループ１５の２番目のビーム
スプリッター１３には、検出器としてアライメント装置
が付設され、照明・結像装置２に対する試料の方向調整
の用を成す。さらにこのビームスプリッター１３には別
の光源３４が付設されており、この光源はレーザーオー
トフォーカス装置として構成されている。レーザーオー
トフォーカス装置は８００nmの波長で機能する。

【００１８】これらのビームスプリッターは、試料３０
の測定に使用する波長に依存して適宜配置されている。
対物レンズ２１を起点として、ビームスプリッター１０
と１１の最初のグループ１４は、第１の波長λ_１以上の
波長を持った光だけを通過させるように構成されてい
る。ビームスプリッター１２と１３からなっている第２
のグループ１５は、第２の波長λ_２以下の波長の光だけ
を通過させるように構成されている。すでに述べたよう
に、第２のグループ１５の後方には、ビームスプリッタ
ーモジュール３２の結像光路３４b内に検出器３４が設
けられ、検出器３４は波長λ_１とλ_２の間の波長範囲で
検出する。対物レンズは波長λ_１よりも小さな下限波長
λ_ｍｉｎと波長λ_２よりも大きい上限波長λ_ｍａｘの間
で、回折を制限されて補正されている。

【００１９】図３には、ビームスプリッターモジュール
３２の構成の実施形態が図示されている。ビームスプリ
ッターモジュール３２は下部部分を成しており、対物レ
ンズ２１（図２を参照）が接続している。さらにビーム
スプリッターモジュール３２は上部部分をも成してお
り、光学系（図示せず）の受容のために形成されている
穴が形成されている。この光学系には検出器３４が付設
されており、検出器３４は本実施形態ではアライメント
装置である。ビームスプリッター１０,１１,１２,１３の
それぞれは保持部に固定して挿着されている。この場合
ビームスプリッター１０は第１の保持部１０aに、ビー
ムスプリッター１１は第２の保持部１１aに、ビームス
プリッター１２は第３の保持部１２aに、そしてビーム
スプリッター１３は第４の保持部１３aに挿着されてい
る。各保持部１０a,１１a,１２a,１３aはフランジ１６を
有し、フランジ１６には、光をこれら保持部１０a,１１
a,１２a,１３aに案内し、或いはこれら保持部から検出
器３４または光源３５へ案内する光学要素を装着でき
る。各保持部１０a,１１a,１２a,１３aには、フランジ１
６に対して位置調整要素９が設けられている。位置調整
要素９内には位置調整ねじ（図示せず）のための穴８が
設けられ、光軸２０に対する位置調整ねじの位置調整を
可能にしている。なお、ビームスプリッター１０と１２
は光軸に対しそれぞれ４５゜だけ傾斜している。さらに
ビームスプリッター１１と１３は光軸に対しそれぞれ−
４５゜だけ傾斜している。鏡反転させた対応的な配置構
成が可能であるが、これは当業者にとって自明である。

【００２０】ビームスプリッター１０,１１,１２,１３
の光学的特性を図４ないし図７に示す。対物レンズ２１
を起点にしたビームスプリッターの配置順またはその光
学的特性は単に１つの実施形態にすぎず、本発明を限定
するものではない。対物レンズ２１にすぐ続いているビ
ームスプリッター１０は５０／５０ビームスプリッター
として構成されている。このビームスプリッター１０は
光の５０%をフランジ１６の方向へ反射させ、残りの５
０%を光軸２０に沿って通過させる。このビームスプリッ
ター１０の波長に関する特性を図４に示す。λ_ｍｉｎ＝
３５０nmないしほぼλ_１＝４２０nmの範囲ではこのビー
ムスプリッター１０は５０／５０ビームスプリッターと
して機能する。λ_１＝４２０nmよりも大きな波長に対し
ては、全部の光が光軸２０に沿って通過する。ビームス
プリッター１０を通過した光は光軸２０に沿ってビーム
スプリッター１１にあたる。このビームスプリッター１
１はエッジスプリッターである。図５に図示したよう
に、λ_ｍｉｎ＝３５０nmないしほぼλ_１＝４２０nmの範
囲の光はすべて保持部１１aのフランジ１６の方向へ反
射する。λ_１＝４２０nmよりも大きな波長の光だけが光
軸２０に沿って通過する。次に、ビームスプリッター１
１から来た光は、保持部１２aに取り付けられているビ
ームスプリッター１２にあたる。このビームスプリッタ
ー１２も５０／５０ビームスプリッターとして構成され
ている。図６はビームスプリッター１２の波長に関する
特性を示している。λ_１＝４２０nmないしほぼほぼλ_２
＝７５０nmの波長範囲では、入射した光強度の５０%が
保持部１２aのフランジ１６の方向へ反射する。波長がλ
_ｍａｘ＝９００nm以上では、ビームスプリッター１２は
完全に透過性をもつ。その後光は、保持部１３aに設け
られているビームスプリッター１３に到達する。図７か
ら認められるように、ビームスプリッター１２は波長範
囲λ_２＝４２０nmないしほぼほぼλ_２＝７５０nmに対し
透過性がある。λ_２＝７５０nm以上の光は透過せず、或
いは保持部１３aのフランジ１６の方向へ反射する。上記
の数値は単に可能な１つの実施例にすぎない。他の波長
範囲の選択は当業者の裁量にある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による照明・結像装置を備えた座標測定
機の概略図である。

【図２】照明・結像装置の概略図である。

【図３】本発明による照明・結像装置の一部である多重
ビームスプリッタ−モジュールの構成図である。

【図４】ビームスプリッタ−モジュールの第１のグルー
プの第１のビームスプリッタ−の光学特性を示すグラフ
である。

【図５】ビームスプリッタ−モジュールの第１のグルー
プの第２のビームスプリッタ−の光学特性を示すグラフ
である。

【図６】ビームスプリッタ−モジュールの第２のグルー
プの第１のビームスプリッタ−の光学特性を示すグラフ
である。

【図７】ビームスプリッタ−モジュールの第２のグルー
プの第２のビームスプリッタ−の光学特性を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１ 座標測定機 ２ 照明・結像装置 １０，１１，１２，１３ ビームスプリッタ
ー １４ 第１のグループ １５ 第２のグループ ２０ 光軸 ２１ 対物レンズ ２６ 測定テーブル ３０ 試料 ３２ ビームスプリッターモジュール ３４ 検出器 ３４ａ，３４b 結像光路 ３５ 光源 ３５a，３４ｂ，３４ｃ 照明光路

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のスペクトル範囲に対する照明・結像
   装置において、 光軸（２０）を決定している対物レンズ（２１）と、 光軸（２０）上に配置されるビームスプリッターモジュ
   ール（３２）と、 それぞれ１つの照明光路（３５a,３５b,３５c）の起点
   を成している複数個の光源（３５）と、 それぞれ１つの結像光路（３４a,３４b）を付設した複
   数個の検出器（３４）と、を有し、照明光路（３５a,３
   ５b,３５c）と結像光路（３４a,３４b）が共通の光学的
   区間を有し、この光学的区間内に前記ビームスプリッタ
   ーモジュール（３２）が配置されていることを特徴とす
   る照明・結像装置。
2. 【請求項２】ビームスプリッターモジュール（３２）内
   に複数個のビームスプリッター（１０,１１,１２,１
   ３）が配置され、これらのビームスプリッター（１０,
   １１,１２,１３）は複数個の光源（３５）のそれぞれに
   付設され、且つこれら光源（３５）の照明光路（３５a,
   ３５b,３５c）内に配置されて、照明光路（３５a,３５
   b,３５c）を共通の光学的区間にカップリングさせてお
   り、或いは、複数個の検出器（３４）のそれぞれに付設
   され、且つその付属の結像光路（３４a,３４b）内に配
   置されて、結像光路（３４a,３４b）を光学的区間から
   デカップリングさせていることを特徴とする、請求項１
   に記載の照明・結像装置。
3. 【請求項３】対物レンズ（２１）を起点としてそれぞれ
   ２つのビームスプリッター（１０；１１と１２；１３）
   が対を成してグループ（１４,１５）に配置され、各グ
   ループの第１のビームスプリッター（１０）が５０／５
   ０ビームスプリッターであり、各グループの第２のビー
   ムスプリッター（１１）がダイクロイックスプリッター
   であることを特徴とする、請求項２に記載の照明・結像
   装置。
4. 【請求項４】対物レンズ（２１）を起点として第１のビ
   ームスプリッター（１４）が第１の波長λ_１以上の波長
   を持った光だけを通過させ、第２のビームスプリッター
   （１５）が第２の波長λ_２以下の波長を持った光だけを
   通過させ、第２のグループ（１５）の背後にしてビーム
   スプリッターモジュール（１３）の後に検出器（３４）
   が透過光路内に配置され、検出器（３４）が波長λ_１と
   λ_２の間の波長範囲で検出することを特徴とする、請求
   項３に記載の照明・結像装置。
5. 【請求項５】対物レンズ（２１）が波長λ_１よりも小さ
   な下限波長λ_ｍｉｎと波長λ_２よりも大きな上限波長λ
   _ｍａｘの間の範囲で回折を制限されて補正されているこ
   とを特徴とする、請求項４に記載の照明・結像装置。
6. 【請求項６】波長λ_ｍｉｎ＝３６５nmであり、波長λ
   _ｍａｘ＝９００ｎｍであることを特徴とする、請求項５
   に記載の照明・結像装置。
7. 【請求項７】請求項１から６までのいずれか一つに記載
   の複数のスペクトル範囲に対する照明・結像装置（２）
   であって、照明・結像装置（２）が光軸（２０）を決定
   している前記照明・結像装置（２）と、光軸（２０）に
   対し垂直に相対的に干渉計により測定可能で、移動可能
   な、試料（３０）を受容するための測定テーブル（２
   ６）とを備えた座標測定機。
8. 【請求項８】照明・結像装置（２）が測定装置と、アラ
   イメント装置と、オートフォーカス装置とを有している
   ことを特徴とする、請求項７に記載の座標測定機。
9. 【請求項９】測定装置に波長λ_１以下の波長範囲が割り
   当てられ、アライメント装置に波長λ_１とλ_２の間の波
   長範囲が割り当てられ、オートフォーカス装置に波長λ
   _２以上の波長範囲が割り当てられていることを特徴とす
   る、請求項８に記載の座標測定機。
10. 【請求項１０】波長λ_１が４２０nmよりも小さく、波長
    λ_２が８００nmよりも大きいことを特徴とする、請求項
    ９に記載の座標測定機。