JP2886755B2 - 微細構造の測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体集積回路
の製造に用いられている位相シフトマスクの位相シフタ
による位相シフト量や位相シフタの膜厚を測定する微細
構造の測定技術に関するものであり、特に差動光ヘテロ
ダイン法を利用して微細構造を精密に測定することがで
きる微細構造の測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の集積度が高くなるに伴
って一層微細なパターンを形成することができるリソグ
ラフィ技術の開発が要求されるようになってきている。
例えば16MbitDRAMの製造においては最小線幅0.5 μm の
パターンを形成する必要があり、64MbitDRAMにおいては
0.3 μm の最小線幅を実現する必要がある。このような
サブミクロンまたはサブハーフミクロンの最小線幅を実
現する加工技術の一つとして位相シフトマスクの使用が
提案されている。

【０００３】位相シフトマスクは図１に示すように透明
基板１の一方の表面に金属パターン２が形成され、この
金属パターンの上にさらに透明なシフタ３を設けたもの
である。このようなシフタ３を設けると位相シフトマス
クを透過した光の振幅分布はシフタの部分で位相が反転
したものとなり、したがってウエファ４上に投射した場
合には光強度分布は大きなコントラストを有するものと
なる。このような位相シフトマスクとしては種々のもの
が提案されている。例えば金属パターンが周期的なパタ
ーンの場合には繰り返しの一つ置きにシフタを設けた繰
り返しパターン用位相シフトマスクや、孤立したパター
ンの周囲にシフタを設けた孤立パターン用位相シフトマ
スクなどが知られている。

【０００４】このような位相シフトマスクを用いて微細
なパターンを加工するに際しては、シフタによる位相シ
フト量が正確に規定した値になっていることが重要であ
る。そのためには位相シフトマスクの位相シフト量を定
量的に検査する必要があるが、従来はシフタの表面と透
明基板とシフタとの界面との多重反射を利用して膜厚を
測定するエリプソメータが用いられていた。しかしなが
ら、エリプソメータでは透明基板とシフタの屈折率の差
が小さい場合には測定が非常に困難となるとともに位相
シフト量はシフタの膜厚とその屈折率とから算出してい
たため、シフタの膜厚全体に亘って屈折率が一様でない
場合には位相シフト量を正確に測定することができない
欠点があった。また、実際に位相シフトマスクを用いる
場合には露光用の光はシフタだけでなく、透明基板も透
過するので、位相シフタによる位相シフト量だけを測定
しても実際の位相シフト量と一致しない場合もある。

【０００５】このような位相シフトマスクの検査装置の
欠点を解消するものとして、例えば特開平4-151662号公
報、同4-181251号公報、同4-181252号公報などには位相
シフトマスクに単一周波数の光ビームを入射させる角度
を変化させたり、光路中に配置した遮光部材を移動させ
ることによって位相シフトマスク上の周期的パターンに
より形成される干渉縞を移動させ、その移動量を測定し
て位相シフト量を検出するようにした位相シフトマスク
の検査装置が開示されている。

【０００６】さらに、微細構造の表面の３次元的構造を
精度良く測定する技術として、差動型光ヘテロダイン干
渉法が提案されており、例えば特開昭59-211810 号公報
に記載されている。この測定方法は、周波数が僅かに異
なる２本の光ビームを物体面上に照射し、物体面からの
反射光ビームのビート成分を検出し、参照光ビームのビ
ート成分との位相を比較して物体表面の形状を測定する
ものである。このように周波数が僅かに異なる２本の光
ビームを発生させるために、音響光学素子を互いに独立
した周波数を持つ２つの交流信号で駆動して駆動周波数
に応じた方向に回折される周波数の異なる２本の光ビー
ムを発生させ、これらの光ビームを物体表面の互いに接
近した部位に入射させるようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように干渉縞
を形成し、その移動量から位相シフト量を検出する従来
の装置では、干渉縞を検出する際に、光強度に基づいた
測定を行っているため、例えばレーザパワーの変動が測
定誤差となる。また、干渉縞を移動させるために位相シ
フトマスクに入射する光ビームの入射角を変化させた
り、遮光部材を移動させたりする必要があるが、そのた
めの機械的機構の誤差が避けられず、この誤差が移動シ
フト量の測定誤差となる。このように従来の位相シフト
マスクの検査装置においては、位相シフトマスクによる
位相シフト量を正確に測定することができない欠点があ
る。

【０００８】さらに、上述した差動型光ヘテロダイン干
渉法を用いれば、位相シフトマスクの表面の形状、した
がって位相シフタの膜厚を測定できる可能性があるが、
膜厚が正確に位相シフト量を正確に表さない場合があ
る。すなわち、位相シフト量は位相シフタの膜厚とその
屈折率で計算できるが、屈折率が正確でない場合がある
とともに位相シフタの屈折率が一様でない場合があり、
実際に導入される位相シフト量が計算によって求めた位
相シフト量と一致しない場合がしばしばある。すなわ
ち、位相シフタにおいて重要なことは膜厚ではなく、そ
れによって導入される位相シフト量であり、上述した従
来の差動型光ヘテロダイン干渉法によっては位相シフト
量を正確に測定することができない問題がある。

【０００９】さらに、従来の差動型光ヘテロダイン干渉
法においては、位相の基準となる参照光ビームを得るた
めに音響光学素子から射出される２本の光ビームをビー
ム分割手段によって分割し、その一方を被検物体に照射
し、他方を参照光ビームとして受光手段に入射させてい
る。しかし、このように光ビームを分割して使用してい
るので、物体に照射される光ビームの光量は減少し、そ
れだけＳ／Ｎが低下してしまう欠点がある。

【００１０】本発明の目的は、上述した従来の欠点を解
消し、位相シフトマスクによる位相シフト量を正確に測
定することができる位相シフトマスクの測定装置を提供
しようとするものである。本発明の他の目的は、差動型
光ヘテロダイン干渉法において、参照光ビームを取り出
すことによって物体に照射される光ビームの光量が減少
しないようにした微細構造の測定装置を提供しようとす
るものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明には、僅かにずれ
た周波数を有し、互いに異なる方向に出射する２本の光
ビームを含む光束を放射する光源手段と、この光源手段
から出射される２本の光ビームを、測定すべき微細構造
に入射させる光学手段と、前記光源手段から放射される
２本の光ビームのビート成分を表す第１の電気信号を発
生する第１の受光手段と、前記微細構造を透過した光束
を受光して、前記２本の光ビームのビート成分を表す第
２の電気信号を発生する第２の受光手段と、前記第１お
よび第２の受光手段から発生される第１および第２の電
気信号の位相を比較して前記微細構造による位相シフト
量を検出する位相比較手段とを具える微細構造の測定装
置において、前記光源手段に、単一周波数の光ビームを
放射する光源と、音響光学素子と、この音響光学素子に
駆動信号として供給される僅かに周波数が異なる信号を
発生する発振回路とを設け、前記単一周波数の光ビーム
を前記音響光学素子に通すことによって周波数が僅かに
相違する２本の光ビームを異なる方向に出射させるよう
に構成し、前記第１の受光手段を、前記音響光学素子か
ら出射される零次光ビームを受光して前記第１の電気信
号を発生するように構成したことを特徴とするものであ
る。

【００１２】さらに、本発明による微細構造の測定装置
は、単一周波数の光ビームを放射する光源と、音響光学
素子およびこの音響光学素子に駆動信号として供給され
る僅かに周波数が異なる信号を発生する発振回路とを有
し、前記単一周波数の光ビームを音響光学素子に通すこ
とによって周波数が僅かに相違する２本の光ビームを異
なる方向に出射させるように構成した光源手段と、この
光源手段から出射される２本の光ビームを、測定すべき
微細構造に入射させる光学手段と、前記光源手段の音響
光学素子から出射される零次光ビームを受光して２本の
光ビームのビート成分を表す第１の電気信号を発生する
第１の受光手段と、前記微細構造から反射される光束を
受光して、前記２本の光ビームのビート成分を表す第２
の電気信号を発生する第２の受光手段と、前記第１およ
び第２の受光手段から発生される第１および第２の電気
信号の位相を比較して前記微細構造の表面形状を検出す
る位相比較手段とを具えることを特徴とするものであ
る。

【００１３】

【作用】本発明による微細構造の測定装置では従来の光
の干渉縞の移動量から微細構造による位相シフト量を測
定するのではなく、僅かに異なる周波数の２つの光波を
干渉させ、この干渉位相をビート信号の位相に変換する
差動型光ヘテロダイン法の原理に基づいて微細構造によ
る位相シフト量を測定しているので、本質的にきわめて
精度の高い測定が可能になるとともに光源の光強度変動
があっても測定誤差とならないとともに機械的な移動機
構を必要としないため位相シフト量をきわめて正確にか
つ再現性良く測定することができる。

【００１４】さらに、参照光ビームを音響光学素子の零
次光ビームから取り出すようにしているので、参照光ビ
ームを得るために２本の光ビームを分割する必要がな
く、被検物体に照射される光ビームの光量が減少されて
しまうことがない。したがってＳ／Ｎの高い信号を得る
ことができ、一層正確な測定を行うことができる。

【００１５】

【実施例】図２は本発明による微細構造の測定装置を開
発する過程において本発明者が開発した位相シフトマス
クの検査装置の一例の構成を示す線図である。本例では
単一周波数レーザ光源11を設ける。このレーザ光源11と
しては、例えば波長6328Åのレーザ光を放射するHe-Ne
ガスレーザとすることができる。このレーザ光を音響光
学素子12に所定の入射角を以て音響光学素子12に入射さ
せる。この音響光学素子12には、互いに僅かに周波数の
異なる２つの発振器13および14から駆動信号を与える。
例えば第１の発振器13の発振周波数を70MHz とし、第２
の発振器14の発振周波数を71MHz とすることができる。
このように音響光学素子12を周波数の異なる２つの駆動
信号で駆動すると、音響光学素子からは周波数が異なる
２つのレーザ光ビームが異なる方向に出射されることに
なる。すなわち、入射レーザ光の周波数をνとすると、
ν＋70MHz の周波数の光ビームとν+ 71MHz の周波数の
光ビームとが異なる方向へ出射されるようになる。

【００１６】このようにして音響光学素子12から射出さ
れる２つの光ビームをビームスプッリタ15に入射させ、
その反射面で反射される第１の光束と反射面を透過する
第２の光束とに分割する。第１の光束を第１の集光レン
ズ16で集光して第１の受光器17に入射させ、この第１の
受光器から発生される第１の電気信号を第１のプリアン
プ18で増幅する。この第１の受光器17に入射される第１
の光束は位相シフトマスクの影響を受けておらず、した
がって第１のプリアンプ18から出力される第１の電気信
号は位相基準信号として作用するものである。

【００１７】ビームスプリッタ15を透過する第２の光束
を対物レンズ19を介して検査すべき位相シフトマスク20
に入射させる。この位相シフトマスク20を透過した光束
を第２の集光レンズ21で集光して第２の受光器22に入射
させ、この第２の受光器から発生させる第２の電気信号
を第２のプリアンプ23で増幅する。上述した第１および
第２のプリアンプ18および23から出力される第１および
第２の電気信号を位相比較器24に供給して、これら両信
号の位相差を検出し、この位相差信号を出力端子25に出
力する。後述するようにこの位相比較器24から出力され
る位相差信号は被検体である位相シフトマスク20の位相
シフタを設けた部分と設けない部分とを透過する光の位
相差を表すものとなり、したがってこの位相差信号に基
づいて位相シフトマスク20の位相シフタによって生ずる
位相差を検出することができる。

【００１８】次に、本例の位相シフトマスクの検査装置
の動作を説明する。図３は本例における音響光学素子12
の作用を示すものである。この音響光学素子12には周波
数がνのレーザ光ビームを所定の入射角度θで入射させ
る。音響光学素子12の電極に周波数がそれぞれν1 およ
びν2 （ν1 ＜ν2 ）の駆動信号を第１および第２の発
振器13および14から与えると、非回折光（零次回折光）
が入射方向と一致する方向に射出するとともに周波数が
ν＋ν1 の回折光とν＋ν2 の回折光とがそれぞれ異な
る出射角θ1 およびθ2 で出射されることになる。この
ように、音響光学素子12は光の偏向のみならず、周波数
の変調も同時に行うものであるが、このような作用その
ものは既知であり、例えば1992年５月発行の「光学」、
第21巻第５号、pp. 327-332 に記載されている。本例に
おいては、音響光学素子12の上述した特性を利用して互
いに周波数が僅かに相違しているとともに出射方向が僅
かに異なる２本の光ビームを発生させるようにしてい
る。

【００１９】図４は位相シフトマスク20の構成を拡大し
て示すものであり、透明基板20a の上に位相シフタ20b
が選択的に形成されている。ここで、位相シフタ20b が
形成されていない部分と、位相シフタが形成された部分
とを光ビームが透過すると、位相のずれが生じることに
なる。すなわち、位相シフタ20b の厚さをｄとし、屈折
率をｎとし、光ビームの波長をλとし、位相差をΔφと
すると、これらの間には以下の式（１）で示すような関
係が成立する。

【数１】

【００２０】このように周波数が僅かに相違する２本の
光ビームを用いることによって、これらの光ビームがビ
ートを生じることになる。このビートの周波数は２本の
光ビームの周波数の差に等しく、上述した位相差Δφに
等しい位相を有するものとなる。したがって、このビー
ト成分の位相を基準の位相と比較することによって位相
シフトマスクの位相シフタによって導入される位相シフ
ト量Δφを検出することができる。

【００２１】図５は第２の光束を構成する２本の光ビー
ムがともに位相シフトマスク20の位相シフタ20b を形成
していない部分を透過した場合に第１および第２のプリ
アンプ18および23から出力される第１および第２の電気
信号S1およびS2を示すものである。この場合にはこれら
第１および第２の電気信号S1およびS2の間には位相差Δ
t1が生じる。図６は２本の光ビームの一方が位相シフト
マスク20の位相シフタ20b を形成していない部分を透過
し、他方が位相シフタを形成した部分を透過した場合に
第１および第２のプリアンプ18および23から出力される
第１および第２の電気信号S1およびS2を示すものであ
る。この場合にはこれら第１および第２の電気信号S1お
よびS2の間には位相差Δt2が生じる。このように２本の
光ビームが位相シフタ20b を透過する場合と、しない場
合とでビート成分の位相が異なることになる。すなわ
ち、これらの位相差Δt1と、Δt2とを求めることによっ
て位相シフタによって導入される位相シフト量Δφを以
下の式（２）から求めることができる。なお、Ｔは第２
の電気信号S2の周期を示すものである。

【数２】

【００２２】第１および第２の受光器17および22では２
本のコヒーレントな光ビームを重畳して受光しているの
で、これらの受光器から出力される第１および第２の電
気信号S1およびS2は２本の光ビームのビート成分を表す
ものとなる。すなわち、受光器で検出されるビート信号
は、２つの光波による干渉縞が毎秒２つの光波の周波数
の差に等しい個数の縞だけ移動するようなものとなる。
したがって、第１および第２の電気信号S1およびS2の位
相差を検出することによって位相シフトマスク20の位相
シフタ20b によって導入される位相差を検出することが
できる。この位相差は光強度そのもののを検出している
のではないので、光源の光強度の変動に影響されること
はなく、正確な測定ができる。

【００２３】図７は本発明者が開発した位相シフトマス
クの検査装置の他の例の構成を示すものであり、図２に
示した部分と同一の部分には同じ符号を付けて示した。
本例では、ビームスプリッタ15の前方にコリメータレン
ズ31を配置し、音響光学素子12から出射される２本の光
ビームを平行光束としてビームスプリッタへ入射させ
る。また、ビームスプリッタ15を透過した第１の光束を
第１の集光レンズ16で集光して第１の受光器17に入射さ
せる。ビームスプリッタ15で反射された第２の光束を第
２の集光レンズ32で集光し、スキャニングミラー33に入
射させる。スキャニングミラー33で反射される光ビーム
を対物レンズ19によって位相シフトマスク20に入射させ
る。位相シフトマスク20を透過した光ビームを第２の集
光レンズ21で集光して第２の受光器22に入射させる。本
例においては、スキャニングミラー33を回動させること
によって位相シフトマスク20に入射させる第２の光ビー
ムの位置を変えることができ、したがって視野内での測
定点の位置決めを光学的に行うことができる。

【００２４】図８は本発明者が開発した位相シフトマス
クの検査装置のさらに他の例の構成を示すものであり、
本例においても前例と同様の部分には同じ符号を付けて
示す。本例においては、光源手段を偏光状態が互いに直
交関係にあり、周波数が僅かに異なる２本のレーザビー
ムを放射する２周波数レーザ、例えばゼーマンレーザ41
と、このゼーマンレーザから放射される僅かに周波数の
異なる２本のレーザビームを互いに異なる方向に偏向す
る複屈折性偏光子42とを以て構成する。ここで偏光状態
が互いに直交関係にあるということは、偏光方向が互い
に直交する直線偏光だけでなく、右回り円偏光と左回り
円偏光も直交関係にあるものとする。このようにして周
波数が互いに僅かに相違し、放射方向が僅かに異なると
ともに偏光状態が互いに直交関係にある２本のレーザビ
ームを得ることができる。これら２本のレーザビームの
内の何れか一方の光路中に1/2 波長板43を挿入すること
によって、これら２本のレーザビームは効率良く干渉可
能な状態となる。

【００２５】さらに、本例においてはビームスプリッタ
15で反射される第１の光束を第１の集光レンズ16を経て
第１の受光器17に入射させる。また、ビームスプリッタ
15を透過する第２の光束を対物レンズ19を介して位相シ
フトマスク20に入射させ、位相シフトマスクを透過した
光束を第２の集光レンズ21を介して第２の受光素子22に
入射させる。

【００２６】図９は図２に示した位相シフトマスクの検
査装置を用いて実際の位相シフトマスクを検査した実験
における測定箇所を示す平面図である。被試料としては
ライン・アンド・スペースが50μm の位相シフトマスク
M51 と、５μm の位相シフトマスクM52 とをそれぞれ４
枚用い、それぞれ長円M53 およびM54 によって囲まれた
部分に光ビームを照射して位相差(deg) を測定した。こ
の測定部分の拡大図も図９に示してある。拡大図におい
て符号M55 は位相シフタを示すものであり、黒丸は第２
の光束に含まれる２本の光ビームの照射位置を示すもの
である。ここで、測定条件としてA=4 μm , B=0.4 μm,
C=4μm とし、位相シフトマスク20を載置したＸＹステ
ージを駆動して同一ライン上の９〜10ポイントについて
測定を行った。

【００２７】上述した実験の測定結果を次表に示す。

【表１】

【００２８】さらにマスク番号１の５μm のL/S および
50μm の試料については それぞれ位相シフトマスクの
位相シフタを10回ずつ測定した結果を次表に示す。すな
わち、この場合に測定条件はＡ＝４μm ，Ｃ＝４μm で
ある。

【表２】

【００２９】これらの実験結果から明らかなように本発
明者が開発した位相シフトマスクの検査装置によれば、
位相シフトマスクの位相シフタによる位相シフト量をき
わめて再現性高く測定できることが確認され、したがっ
て測定誤差は非常に小さいことが判った。

【００３０】上述した位相シフトマスクの検査装置にお
いては、参照光ビームを取り出すために、ビームスプリ
ッタを用いているので、位相シフトマスクに入射させる
光ビームの輝度が低下してしまい、その結果として測定
信号のS/N が低下して測定精度が低下してしまうという
問題がある。さらに、参照ビームのビート成分を取るた
めに２本の光ビームを干渉させて受光する必要があるた
め、受光器を含めた光学系の設定、調整が非常に微妙と
なるという問題もある。また、測定精度を向上するため
には測定光ビームの光路長と参照光ビームの光路長とを
一致させるのが望ましいが、参照用の２本の光ビームの
光路長を長くすると安定性に欠けるという問題がある。

【００３１】図１０は本発明による微細構造の測定装置
の一実施例を示すものであり、上述した位相シフトマス
ク検査装置と同一の部分には同じ符号を付けて示した。
単一周波数レーザ11としてHe-Ne レーザを用い、このレ
ーザから放射されるレーザビームをビームエキスパンダ
51を経てビームの断面形状を補正した後、音響光学素子
12に所定の角度で入射させる。上述したようにこの音響
光学素子12には２周波発振器52から周波数がν1 および
ν2 の駆動信号を供給する。図３につき上述したように
音響光学素子12に入射されたレーザビームは周波数が異
なるとともに方向が異なる２本のレーザビームとして出
射される。これら２本のレーザビームをリレーレンズ53
および54を経て偏光ビームスプリッタ55に入射させる。
この偏光ビームスプリッタ55の偏光面は、これらのレー
ザビームを透過するようなものに設定されている。

【００３２】上述した位相シフトマスク検査装置におい
ては、参照光ビームを取り出すために、ビームスプリッ
タを用いたが、本発明においては２本のレーザビームを
ビームスプリッタ55に透過させ、参照光ビームとして音
響光学素子12から出射される零次光ビームを用いる。こ
の零次光ビームの周波数はレーザ11から出射されるレー
ザビームの周波数と同じであるが、その輝度は２周波発
振器52から発生される２つの交流駆動信号の周波数の差
に等しいことを確かめた。すなわち、音響光学素子12か
ら出射される零次光ビームを利用することによって参照
光を得ることができることが判った。

【００３３】このように音響光学素子12から出射される
零次ビームを用いると、上述した位相シフトマスク検査
装置のように光ビームを分割するためのビームスプリッ
タが必要でなくなり、その結果として位相シフトマスク
に高輝度の光ビームを入射させることができ、S/N が良
好となり、測定精度が向上する利点がある。さらに、上
述した位相シフトマスク検査装置においては、参照ビー
ムのビート成分を取るために２本の光ビームを干渉させ
て受光する必要があるため、受光器を含めた光学系の設
定、調整が非常に微妙であったが、本発明においては単
一の光ビームを受光すれば良いので、光学系の設定、調
整が非常に容易になる利点もある。また、測定精度を向
上するためには測定光ビームの光路長と参照光ビームの
光路長とを一致させるのが望ましいが、参照用の２本の
光ビームの光路長を長くすると安定性に欠けるようにな
るが、本発明においては参照光ビームは１本であるの
で、その光路長を長くしても安定となる効果がある。さ
らに、被検物体に入射される光ビームの光量の減少を防
止するためには、基準位相を与える参照信号を音響光学
素子12の駆動信号から電気的に形成することも考えられ
るが、このようにして取り出した基準信号は、音響光学
素子を通ったものではないので、本質的に参照信号とし
ての位相精度を持っていないので、高い測定精度を確保
することはできない。

【００３４】本発明においては、図１０に示すように音
響光学素子12から出射される零次レーザビーム56をリレ
ーレンズ53を経て反射鏡57に入射させた後、集光レンズ
58によって第１のスリット付きの受光器17に入射させ
る。このようにしてこの受光器17から位相の基準となる
第１の信号を発生させ、これをプリアンプ18を経て位相
比較器24の一方の入力端子に供給する。偏光ビームスプ
リッタ55を透過した２本のレーザビームはリレーレンズ
59、1/4 波長板60、スリット61およびビームスプリッタ
62を経て対物レンズ19に入射させ、位相シフトマスク20
の互いに接近した２つの部位に集束して入射させる。こ
の位相シフトマスク20はＸＹステージ63の上に載置す
る。位相シフトマスク20を透過した２本のレーザビーム
をコリメータレンズ64で平行光束とし、ビームスプリッ
タ65を経てスリット付きの第２受光器22に入射させる。
この受光器22の出力端子をプリアンプ23を経てスイッチ
66の一方の入力端子a に接続する。このスイッチ66の出
力端子は位相比較器24の他方の入力端子に接続する。し
たがって、スイッチ66を端子ａに接続する場合には、第
１の受光器17からの第１の電気信号の位相と、第２の受
光器22からの第２の電気信号の位相とを位相比較器24で
比較することによって前例と同様に位相シフトマスク20
の位相シフタによって導入される位相シフト量を測定す
ることができる。

【００３５】本実施例においては、さらに位相シフトマ
スク20の表面で反射される２本のレーザビームを対物レ
ンズ19で集光し、ビームスプリッタ62、スリット61およ
び1/4 波長板60を経て偏光ビームスプリッタ55に入射さ
せる。このレーザビームは1/4 波長板60を２回透過して
いるので偏光方向が90°回転され、したがって偏光ビー
ムスプリッタ55で反射されることになる。このように偏
光ビームスプリッタ55で反射されたレーザビームをコリ
メータレンズ54によって平行光束とし、スリット付きの
第３の受光器68に入射させる。したがって、この第３の
受光器68は、位相シフトマスク20で反射された２本のレ
ーザビームの干渉成分であるビート成分を検出すること
になる。この第３の受光器68の出力信号をプリアンプ69
を経てスイッチ66の他方の入力端子b に供給する。した
がって、スイッチ66を端子b に切換えると、位相シフト
マスク20の表面の凹凸、すなわち位相シフタの膜厚を測
定することができる。なお、スリット61は、主として対
物レンズ19による散乱光を除去するために、いわゆるコ
ンフォーカル光学系を構成するもので図１０の平面に垂
直な方向の巾が小さく、図１０の平面に平行な方向に細
長いものである。また、受光器17, 22および68に設けた
スリットは、受光面に入射する干渉縞の個数を制限して
測定感度を上げるもので、図１０の紙面に平行な方向の
巾が狭いものである。

【００３６】上述したように本実施例においては、スイ
ッチ66を切換えることによって位相シフトマスク20の位
相シフタによって導入される位相シフト量および位相シ
フタの膜厚を測定することができる。従来、位相シフト
マスクの特性を特定するために、位相シフタの膜厚が測
定されてきたが、実際の測定はプローブを用いる接触法
で行われている。しかし、この方法は非常に精度の悪い
ものであるととともに測定も面倒なものであった。本実
施例では、非接触で位相シフタの膜厚を簡単にかつ非常
に高精度で測定することができ、しかも同時に位相シフ
ト量も測定されるので、位相シフトマスクに関するきわ
めて有用な情報を与えるものである。本実施例によって
実際に位相シフトマスクの位相シフタの位相シフト量お
よび膜厚を測定した結果を次表に示す。なお、位相シフ
ト量は角度で表し、膜厚はnmの単位で表している。ま
た、上段の結果は対物レンズの倍率を10倍とし、石英基
板の上にクロムパターンを形成し、その上に位相シフタ
として石英の屈折率と殆ど同じ材料を形成したものであ
り、下段の結果は20倍の対物レンズを用い、石英基板の
表面に凹凸を形成した位相シフトマスクを測定したもの
である。さらに、それぞれ同一の部位を５回測定するよ
うにしているが、順次の測定の間でＸＹステージを移動
させているので、厳密には全く同一の点を測定している
ものではない。

【表３】

【００３７】さらに、図１０に示す実施例においては、
照明ランプ71を設け、それから放射される光を集光レン
ズ71、ビームスプリッタ65を経て位相シフトマスク20の
下方から照射して位相シフトマスクを照明し、さらに位
相シフトマスクの像を対物レンズ19およびビームスプリ
ッタ62を介してＣＣＤカメラ72で撮像するようにしてい
る。このＣＣＤカメラ72の出力画像信号をモニタ73に供
給して位相シフトマスク20の測定部位を観察できるよう
に構成する。

【００３８】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例え
ば、上述した実施例では位相シフトマスクの位相シフタ
を測定するものとしたが、他の微細構造を測定すること
ができる。また、図１０に示した実施例において、第２
の受光器を省き、被検物体の表面の形状のみを測定する
ように変更することができる。さらに、音響光学素子を
駆動するに当たって上述した実施例ではそれぞれ異なる
周波数の２つの発振器を用い、これらの発振器からの信
号を単純に加算して駆動信号を作成するようにしたが、
図１１に示すように、例えば70.5MHz の発振器81と、0.
5MHzの発振器82とを設け、これらの発振器の出力信号を
デュアル・バランスド・モデュレータ(DBM)83 に供給
し、これから音響光学素子12に対する駆動信号を発生さ
せることもできる。この場合でも、音響光学素子12から
は１次回折ビームとして周波数がν＋70MHz の光ビーム
84と、ν＋71MHz の光ビーム85と、周波はνであるが、
１MHz で輝度変調された零次光ビーム86とが得られるこ
とになる。

【００３９】

【発明の効果】上述した本発明による微細構造の測定装
置においては、差動光ヘテロダイン干渉計測の原理を応
用するものであるから、微細構造による位相シフト量や
表面形状をきわめて高い精度で測定することができる。
また、第１および第２の受光器からの出力信号の位相差
を検出するものであるから、光源から放射される光ビー
ムの強度が変動しても、測定誤差となならず、位相シフ
トマスクにより導入される位相差や微細構造の表面形状
を非常に正確に測定することができる。また、音響光学
素子を用い、その零次ビームから参照光ビームを得るよ
うにしているので、被検物体に高輝度の光ビームを入射
させることができ、測定の安定性を向上することができ
るとともに参照光ビームを受光するための光学系の設
定、調整を容易に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、位相シフトマスクの構成およびその作
用を説明するための線図である。

【図２】図２は、本発明に至る過程において本発明者が
開発した位相シフトマスクの測定装置の一例の構成を示
す線図である。

【図３】図３は、同じくその光源手段に設けた音響光学
素子の動作を示す線図である。

【図４】図４は、位相シフタを透過した光束と透過しな
い光束との位相差を示す線図である。

【図５】図５は、位相シフタを透過しない場合に検出さ
れる第１および第２の電気信号の位相関係を示す図であ
る。

【図６】図６は、一方の光ビームが位相シフタを透過す
る場合に検出される第１および第２の電気信号を示す図
である。

【図７】図７は、本発明者が開発した位相シフトマスク
の測定装置の他の例の構成を示す線図である。

【図８】図８は、同じく本発明者が開発した位相シフト
マスクの測定装置の他の例の構成を示す線図である。

【図９】図９は、本発明者が開発した位相シフトマスク
の測定装置を用いて位相シフトマスクを測定する実験に
おける検査位置を示す線図である。

【図１０】図１０は、本発明による微細構造の測定装置
の一実施例の構成を示す線図である。

【図１１】図１１は、本発明による微細構造測定装置の
光源手段の変形例の構成を示す線図である。

【符号の説明】

11 単一周波数レーザ 12 音響光学素子 17, 22 第１および第２の受光器 18, 23 第１および第２のプリアンプ 19 対物レンズ 20 位相シフトマスク 24 位相比較器 51 ビームエキスパンダ 52 ２周波発振器

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 僅かにずれた周波数を有し、互いに異な
   る方向に出射する２本の光ビームを含む光束を放射する
   光源手段と、 この光源手段から出射される２本の光ビームを、測定す
   べき微細構造に入射させる光学手段と、 前記光源手段から放射される２本の光ビームのビート成
   分を表す第１の電気信号を発生する第１の受光手段と、 前記微細構造を透過した光束を受光して、前記２本の光
   ビームのビート成分を表す第２の電気信号を発生する第
   ２の受光手段と、 前記第１および第２の受光手段から発生される第１およ
   び第２の電気信号の位相を比較して前記微細構造による
   位相シフト量を検出する位相比較手段とを具える微細構
   造の測定装置において、 前記光源手段に、単一周波数の光ビームを放射する光源
   と、音響光学素子と、この音響光学素子に駆動信号とし
   て供給される僅かに周波数が異なる信号を発生する発振
   回路とを設け、前記単一周波数の光ビームを前記音響光
   学素子に通すことによって周波数が僅かに相違する２本
   の光ビームを異なる方向に出射させるように構成し、前
   記第１の受光手段を、前記音響光学素子から出射される
   零次光ビームを受光して前記第１の電気信号を発生する
   ように構成したことを特徴とする微細構造の測定装置。
2. 【請求項２】 単一周波数の光ビームを放射する光源
   と、音響光学素子およびこの音響光学素子に駆動信号と
   して供給される僅かに周波数が異なる信号を発生する発
   振回路とを有し、前記単一周波数の光ビームを音響光学
   素子に通すことによって周波数が僅かに相違する２本の
   光ビームを異なる方向に出射させるように構成した光源
   手段と、 この光源手段から出射される２本の光ビームを、測定す
   べき微細構造に入射させる光学手段と、 前記光源手段の音響光学素子から出射される零次光ビー
   ムを受光して２本の光ビームのビート成分を表す第１の
   電気信号を発生する第１の受光手段と、 前記微細構造から反射される光束を受光して、前記２本
   の光ビームのビート成分を表す第２の電気信号を発生す
   る第２の受光手段と、 前記第１および第２の受光手段から発生される第１およ
   び第２の電気信号の位相を比較して前記微細構造の表面
   形状を検出する位相比較手段とを具えることを特徴とす
   る微細構造の測定装置。