JP3411364B2

JP3411364B2 - 複合計測機能を有するレーザ走査顕微鏡

Info

Publication number: JP3411364B2
Application number: JP03839094A
Authority: JP
Inventors: 宏夫藤田
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 2003-05-26
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: JPH07248203A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面形状、寸法などを光
学的に測定するとき使用される、レーザ走査顕微鏡の構
成に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ミクロンからサブミクロン領域の微細パ
ターンの３次元形状、寸法などの測定にレーザ走査顕微
鏡（ＬＳＭ）が使用されている。ＬＳＭは微小スポット
に集光したレーザ光を走査光学系を用いて物体面上で２
次元走査し、物体面からの反射光強度、あるいは透過光
強度を走査の各点で検出し、反射光、透過光の強度変化
をデータ処理してパターン像を得る光学装置である。以
下に示す説明は物体面からの反射光を検出する例である
が、透過光を検出する場合も同様である。ＬＳＭは反射
光の検出法により、非共焦点型ＬＳＭと共焦点型ＬＳＭ
の２種類に大別される。非共焦点型は単一の受光面を持
つ面検出器で反射光の全体強度を検出する方式である。
その分解能は、試料上に集光されたレーザスポット径で
決まり、白色光を照明する従来の顕微鏡と同等である。
しかし、反射光に付随したコヒーレント雑音などのノイ
ズは面検出器で積分されるため、従来の顕微鏡よりは像
のコントラスト特性が良い、Ｓ／Ｎ比が高いなどの特徴
がある。共焦点型は同じく単一の受光面を持つ点検出器
で反射光を検出する。共焦点型は、実用的にはスリッ
ト、ピンホール等を用いて点検出機能を持たせ、反射光
に付随する各種のノイズ光が受光面に入らないようにカ
ットし、反射光の強度分布のエアリーディスク内の強度
のみを検出する。その結果として、従来の顕微鏡、非共
焦点型ＬＳＭよりも空間分解能が高く、回折限界を超え
た測定が可能になる。したがって、面内方向に関して高
分解能の測定を行うには共焦点型が適している。そのた
め、ＬＳＭといえば共焦点型の構成になっているのが一
般的である。

【０００３】図３に従来の共焦点型ＬＳＭの構成を示
す。３０はレーザ光源、３１、３２はＸ方向走査器、Ｙ
方向走査器で、レーザ光３００を２次元走査する。一般
には、Ｘ方向走査器３１は音響光学素子、Ｙ方向走査器
３２はガルバノミラーが用いられている。３３はビーム
スプリッターである。２次元走査されるレーザ光３１０
は対物レンズ３４で微小なスポットに集光され、被測定
物３５の面上に照射される。被測定物３５からの反射光
はビームスプリッター３３で反射され、集光レンズ３６
を介して、多数の画素が１次元的に配置されたＣＣＤイ
メージセンサーから成る受光器３７で検出される。受光
器３７の各画素は紙面に平行なＸ方向に並んでいるとす
る。受光器３７への反射光３６５の入射において、被測
定物３５への照射光が紙面に垂直なＹ方向へ走査を行っ
ているときは、反射光３６５は受光器３７のＹ方向の一
定位置に入射するため、Ｙ方向には走査の定点位置検出
となる。しかし、照射光がＸ方向へ走査を行っていると
きは、反射光３６５は受光器３７の面上をＸ方向に移動
するため、Ｘ方向には走査の定点位置検出にはならな
い。このとき、受光器３７の各画素はＸ方向には多分割
されているため、反射光３６５のビームスポット径が受
光器３７の各画素の幅よりも大きければ、画素の大きさ
に応じた領域の反射光強度が順次検出される。そのた
め、Ｘ方向の走査に対しては共焦点検出、Ｙ方向には非
共焦点検出と同等の効果を持つことになる。そこで、反
射光３６５が受光器３７の各画素上を移動することによ
って得られた反射光強度信号から、被測定物３５の形
状、寸法などを測定する。

【０００４】共焦点型ＬＳＭは、従来の顕微鏡や非共焦
点型ＬＳＭに比べて、高さ方向の分解能が高いという特
徴もあり、３次元形状計測にも有効である。共焦点型は
焦点の合っていない面からの反射光はピンホール、スリ
ットなどによりカットされるため、焦点の合っている面
からの反射光だけが検出される。そのため、結果的には
照射されている面に対しては焦点深度が浅くなり、高さ
分解能が向上する。この場合の分解能は、対物レンズの
ＮＡ値で決まる照射レーザ光の焦点深度、及び対物レン
ズあるいは物体面を焦点方向に移動するときの移動のス
テップ距離に依存する。一般にはレーザ光の焦点深度の
制約が主であるが、ＮＡ値が０．８程度の対物レンズを
用いたときは、分解能は０．１μｍ程度である。しか
し、この分解能よりも細かい分解能で高さ形状を測定す
るには別の測定方法が必要になる。この目的のためには
光ヘテロダイン干渉法が適している。光ヘテロダイン干
渉法は、周波数の異なる二つの光ビームを干渉させて、
差の周波数を持つビート信号を作成し、ビート信号の位
相変化を検出して高さ形状を測定する技術である。高さ
の凹凸までも含めて形状を測定するときは、レーザ光の
波長の１／４までの高さを、１／１０００波長程度の分
解能で測定することが可能である。

【０００５】光ヘテロダイン干渉法は、周波数の異なる
２ビーム光の作成方法に応じて各種の方式があるが、図
４には、一個の音響光学素子（以下にＡＯＤと略記す
る）を用いたビーム走査型の例を示す。図４の図番にお
いて、図３と同じものは説明を省略する。４１はＡＯＤ
で、図３のＸ方向走査器３１に相当するが、Ｘ方向への
ビーム走査のみならず、周波数の異なる２ビーム光を発
生する。この２ビーム光の発生と走査は、ＡＯＤ４１の
走査ドライバー４２で２周波数成分を持つ信号を作成
し、その信号によりＡＯＤ４１を駆動することで可能に
なる。ＡＯＤ４１から発せられた２ビーム光の一部をビ
ームスプリッター３３で反射し、集光レンズ４３を介し
て受光器４４で検出して参照光ビート信号を作成する。
ビームスプリッター３３を透過した２ビーム光はＹ方向
走査器３２でＹ方向に走査され、対物レンズ３４を介し
て被測定物３５に照射されて２次元走査する。被測定物
３５から反射された２ビーム光はビームスプリッター３
３で反射され、集光レンズ３６を介して受光器４５で検
出されて反射光ビート信号を作成する。ここで、受光器
４４、４５はいずれも単一の受光面である。４６は位相
比較器で、参照光ビート信号と反射光ビート信号の間の
位相差を検出し、位相変化から高さ形状を測定する。以
上に示した光ヘテロダイン干渉法は、２ビーム光が照射
された２点間の光路長差を電気信号の位相差から検出す
る差動検出型である。この構成については本願発明者に
よる特許公報平３−３９５６３号“光ヘテロダイン干渉
法による微小角度測定方法”に詳細に述べている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の共焦点型ＬＳＭ
は、反射光を画素が分離されたＣＣＤイメージセンサで
検出しているため、レーザ光を連続に走査しても反射光
強度変化が不連続的に検出されて検出感度が低下すると
いう問題点、また、反射光を検出するときに、イメージ
センサーの画素のスペーシング部分により干渉縞が発生
し、出力信号にノイズが重畳されるという問題点、さら
には、実質的にはスリット検出と同等なため、Ｘ方向走
査には共焦点検出となっても、Ｙ方向走査には非共焦点
検出となって、２次元共に高分解能の検出ができないと
いう問題点がある。また、共焦点型検出は、面内分解能
が向上すると共に、焦点深度が浅くなって高さ分解能が
向上するという利点があるが、被測定物によってはこれ
らの特性が逆に欠点になる場合がある。すなわち、下面
と上面の間の段差が大きい微細パターンの寸法を測定す
るような場合、焦点深度が短くなると下面と上面からの
反射光強度が異なるために一度の走査で適正な反射光強
度が検出されず、複数回の走査を必要とすることがあ
る。このように、被測定物に応じては必ずしも共焦点型
検出が有利になるとは限らず、非共焦点検出が適してい
る場合もある。図２に示した従来の共焦点ＬＳＭは共焦
点検出だけができる単一機能であるため、非共焦点検出
を行うためには別のＬＳＭが必要になる。

【０００７】光ヘテロダイン干渉は、レーザ光の波長の
１／４までの段差測定には適しているが、１／２波長程
度の段差がある場合は測定できないという問題点があ
る。それは、位相角度の検出において、位相角度がπｒ
ａｄを超えると、位相角度の絶対値が不明になるためで
ある。１／４波長以上の段差を測定する場合に共焦点型
ＬＳＭを用いたときは、分解能が０．１μｍであるた
め、測定精度が悪くなる。そのため、１／２波長程度の
段差を数１０ｎｍの精度で測定する有効な手段がないと
いう問題点があった。さらには、光ヘテロダイン干渉計
測の場合、従来は光ヘテロダイン干渉の単一機能だけの
構成であるため、主として高さ方向の形状測定だけを行
い、２次元的な面内形状、寸法の測定には応用されてい
なかった。したがって、従来の方法では、共焦点型と非
共焦点型による形状、寸法の測定、及び光ヘテロダイン
干渉による高さ形状測定は一つの測定機で実現できず、
測定目的に応じて別々の測定装置が必要であり、測定コ
ストの増大、測定効率の低下が起こるという問題点があ
った。本発明は上記問題点を解決し、一つの測定装置で
共焦点検出、非共焦点検出、及び光ヘテロダイン干渉検
出が可能な複合計測機能を持つ新規な構成のレーザ走査
顕微鏡を実現することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は以下の構成をなす。レーザ光源から放射さ
れたレーザ光を第一のビームスプリッターを透過させ、
該透過光をＸ方向走査器に入射してＸ方向に走査し、該
Ｘ方向に走査されるレーザ光を第二のビームスプリッタ
ーを透過させ、該透過光をＹ方向走査器に入射してＹ方
向に走査して２次元走査を行わせ、該２次元走査される
レーザ光を対物レンズで微小なスポットに集光して被測
定物に照射し、該被測定物からの反射光を前記第二のビ
ームスプリッターで反射させて前記反射光の全体強度を
第二の受光器で検出する非共焦点検出機能と、前記被測
定物からの反射光を前記第一のビームスプリッターで反
射させ、該反射光の強度分布の中央部を含む一部の範囲
の強度を第一の受光器で検出する共焦点検出機能を設け
たレーザ走査顕微鏡であって、前記第一のビームスプリ
ッターで反射される光路と、前記第二のビームスプリッ
ターで反射される光路を選択する切り替え手段を設け、
前記非共焦点検出機能と共焦点検出機能を測定目的に応
じて選択して使用する構成である。

【０００９】さらには、レーザ光源から放射されたレー
ザ光を第一のビームスプリッターを透過させ、該透過光
をＸ方向走査器に入射してＸ方向に走査し、該Ｘ方向に
走査されるレーザ光を第二のビームスプリッターを透過
させ、該透過光をＹ方向走査器に入射してＹ方向に走査
して２次元走査を行わせ、該２次元走査されるレーザ光
を対物レンズで微小なスポットに集光して被測定物に照
射し、該被測定物からの反射光を前記第二のビームスプ
リッターで反射させて前記反射光の全体強度を第二の受
光器で検出する非共焦点検出機能と、前記被測定物から
の反射光を前記第一のビームスプリッターで反射させ、
該反射光の強度分布の中央部を含む一部の範囲の強度を
第一の受光器で検出する共焦点検出機能と、前記被測定
物からの反射光を前記第二のビームスプリッターで反射
させて、該反射光を前記第二の受光器で検出し、該第二
の受光器で検出された反射光の位相変化を検出する光ヘ
テロダイン干渉機能を設けたレーザ走査顕微鏡であっ
て、測定目的に応じて前記Ｘ方向走査器あるいはＹ方向
走査器を駆動する電気信号のスペクトルを制御してレー
ザ光の周波数と光強度分布を変化させると共に、前記第
一のビームスプリッターで反射される光路と、前記第二
のビームスプリッターで反射される光路を選択する切り
替え手段を設け、前記非共焦点検出機能と共焦点検出機
能と光ヘテロダイン干渉機能を測定目的に応じて選択し
て使用する構成である。

【００１０】さらには、前記光ヘテロダイン干渉機能と
前記共焦点検出機能を用いて被測定物の段差を測定する
とき、光ヘテロダイン干渉機能で検出された位相φと共
に、共焦点検出機能で検出された反射光強度の変化から
前記位相角度がπ（ｒａｄ）を超える回数ｎを計測し
て、位相角度ｎπ＋φ（ｒａｄ）から前記の段差を測定
する構成である。

【００１１】

【作用】本発明は、複合計測化が可能なＬＳＭを実現す
るもので、単一の計測機能しか持たなかった従来のＬＳ
Ｍに対して、二つあるいは三つの異なる計測機能を一つ
の光学装置に統合し、測定目的に応じて使用する機能を
選択するものである。第一の複合化は共焦点検出と非共
焦点検出に関するもので、被測定物からの反射光の検出
に際して、異なる位置に設けた二つの受光器で、二つの
異なる形態の検出を行う。非共焦点検出は、２次元走査
の一方の走査に対しては走査定点、他方の走査に対して
は走査非定点となる位置に設けた受光器で反射光の全体
強度を検出する。共焦点検出は、２次元走査の両方の走
査に対して走査定点となる位置で、反射光の強度分布の
中央部を含む一部の範囲の反射光強度を検出する。二つ
の受光器はいずれも単一の受光面を持つ構成である。こ
のとき、共焦点検出と非共焦点検出のいずれも、単一の
強度ピークを持った照射ビームを、同一の走査光学系を
用いて走査するが、反射光検出の選択は、反射光の検出
光路を切り換えることによって行う。

【００１２】第二の複合化は共焦点検出、非共焦点検
出、光ヘテロダイン干渉検出を一つの光学装置に統合す
るもので、２次元面内の形状、寸法計測と共に高さ形状
計測を一つの測定機で行う。この三つの機能の複合化
は、反射光の検出受光器を複数個設置し、音響光学素子
の駆動信号を変調すること、及び反射光の検出光路を切
り替えることにより実現する。音響光学素子は、それを
駆動する電気信号のスペクトルを制御することで、物体
面への照射レーザ光の光強度分布、光周波数を自在に変
換する。共焦点検出と非共焦点検出は通常の単一の強度
ピークを持つレーザ光を走査し、前述の方法で反射光を
検出する。光ヘテロダイン干渉検出では、異なる周波数
を持ち、二つの強度ピークを持つ２ビーム光を作成して
走査する。このとき、反射光の検出は非共焦点検出用の
受光器と兼用するが、反射光強度ではなく、ビート信号
の位相を検出する。

【００１３】第二の複合化の場合、光ヘテロダイン干渉
機能を単独で用いるときは、１／４波長以下の段差測定
に応用する。１／４波長以上の段差を測定するときは、
光ヘテロダイン干渉機能と共焦点検出機能の両方を用い
る。光ヘテロダイン干渉機能では、１／４波長以上の段
差では位相角度がπ（ｒａｄ）を超えてしまい、位相と
段差の関係が不明になる。共焦点検出機能は焦点位置ズ
レに対して反射光強度が大きく変化する特徴がある。そ
こで、共焦点検出機能により、段差による焦点位置ズレ
によって生じる反射光強度の低下を検出する。その強度
低下から段差の概略を決定して、前記位相角度がπ（ｒ
ａｄ）を超える回数ｎを計測する。こうして得られたπ
（ｒａｄ）からの回転数による位相角度ｎπと、光ヘテ
ロダイン干渉機能で検出した位相角度の和から段差を測
定する。

【００１４】

【実施例】以下に図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は本発明の第一の実施例である、共焦点
検出と非共焦点検出の二つの機能を一つの光学装置に持
たせた例を示すシステムブロック図である。１０はレー
ザ光源で、例えば半導体レーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザなど
から成り、レーザ光１００を放射する。１１は第一のビ
ームスプリッター（以下に第一のＢＳと略記する）で、
反射光検出の際の光路変換を行う。１２はＸ方向への走
査を行うＸ方向走査器で、例えば音響光学素子からな
り、Ｘ方向走査ドライバー１２０から供給される信号に
より走査を制御する。１３は第二のビームスプリッター
（以下に第二のＢＳと略記する）で、反射光検出の際の
光路変換を行う。１４はＹ方向への走査を行うＹ方向走
査器で、例えばガルバノミラーからなり、Ｙ方向走査ド
ライバー１４０から供給される信号で走査を制御する。
Ｘ方向走査器１２とＹ方向走査器１４で２次元走査され
るレーザ光１０２を対物レンズ１０４で微小なスポット
に集光し、形状、寸法などが測定される被測定物１０６
に照射する。被測定物１０６からの反射光の検出に際し
てつぎの二つの検出方法を用いる。第一の検出は第一の
ＢＳ１１で反射光検出を行う場合で、共焦点検出を行
う。第二の検出は第二のＢＳ１３で反射光検出を行う場
合で、非共焦点検出を行う。これら二つの異なる反射光
検出は反射光の検出光路を切り換えることによって行
う。

【００１５】共焦点検出は、被測定物１０６からの反射
光を第一のＢＳ１１で反射し、集光レンズ１１２を介し
て第一の受光器１５で検出することによって実現する。
この反射光検出では、第一の受光器１５での反射光検出
効率を上げるために、第二のＢＳ１３を切り換えレバー
等の切り替え手段を用いて光路外に移動させる。このと
き、光学長を一定に保つために、第二のＢＳ１３の光学
長に等しい光学長を持つガラスブロックを第二のＢＳ１
３の位置に挿入して光学長を一定に保ち、被測定物１０
６からの反射光が直接にＸ方向走査器１２に再入射され
るようにする。反射光１１４はＹ方向走査器１４とＸ方
向走査器１２を再通過するため、照射レーザ光が被測定
物１０６の２次元面内のどの位置を走査していても、反
射光１１４は常に第一の受光器１５の一定位置に入射す
る。すなわち、２次元走査の定点位置で反射光検出を行
うことになる。そのため、第一の受光器１５は単一の受
光面だけを持つ単一受光器でよく、その受光面にピンホ
ールなどを直接に張り付けた構成とすることができる。
このとき、反射光の強度分布の中央部をピンホールの中
心位置に設定して、反射光の中央部を含む一部の範囲の
強度のみを検出すれば、２次元の両方に対して共焦点検
出が可能になる。また、第一の受光器１５にスリットな
どを直接に張り付け、反射光の強度分布の中央部をスリ
ットの中心位置に設定し、反射光の中央部を含む一部の
範囲の強度のみを検出すれば、スリット短軸方向に関し
ては共焦点検出、スリットの長軸方向に対しては非共焦
点検出となる。この共焦点型検出では、２次元走査に応
じて連続的に反射光を検出することが可能で、反射光強
度の変化を感度よく検出することができる。また、単一
の受光面で反射光１１４を検出するため、干渉性ノイズ
などが発生せず、Ｓ／Ｎ比のよい反射光を検出すること
ができる。１６は第一のデータ処理部で、共焦点検出さ
れた反射光強度データを処理し、面内分解能が向上する
という特徴を生かして、サブミクロンオーダの寸法計測
などを行う。

【００１６】非共焦点検出は、被測定物１０６からの反
射光を第二のＢＳ１３で反射し、集光レンズ１３２を介
して第二の受光器１７で検出する。この反射光検出では
第二のＢＳ１３の左側の光路に反射光が入射しないよう
に、レーザ光の偏光軸の調整を行い、反射光検出の効率
を上げる。反射光１３４はＹ方向走査器１４を再通過す
るため、照射レーザ光のＹ方向の走査に対しては走査定
点となる。しかし、反射光はＸ方向走査器１２を再通過
しないために、Ｘ方向の走査に対しては走査定点とはな
らず、第二の受光器１７の面上をＸ方向（紙面に平行な
方向）に移動する。そのため、非共焦点検出では第二の
受光器１７として、その受光面上での移動距離よりも広
い幅の受光面を持つ単一受光器の構成にし、反射光１３
４の全体強度を検出する。この非共焦点検出でも、２次
元走査に応じて連続的に反射光の強度変化を検出するこ
とができる。１８は第二のデータ処理部で、非共焦点検
出された反射光強度データを処理し、数１０μｍ程度の
部材の形状、寸法などを測定する。以上のように、本発
明の第一の実施例では、一つの光学装置内に共焦点検出
と非共焦点検出という二つの異なる機能を持たせ、測定
目的に応じて反射光の検出光路を切り替えることで機能
を選択する。

【００１７】図２に本発明の第二の実施例のシステムブ
ロック図を示して動作を説明する。第二の実施例は、共
焦点検出、非共焦点検出と共に光ヘテロダイン干渉機能
を付加し、一つの光学装置に三つの計測機能を持たせた
例である。図２の説明では図１と同じ図番の説明は省略
する。レーザ走査顕微鏡で光ヘテロダイン干渉機能を実
現するには、図４に示したような周波数の異なる２ビー
ム光の発生と２ビーム光の走査が必要である。２ビーム
光の発生と走査を同時に満足するデバイスとしては音響
光学素子（以下にＡＯＤと略記する）が適している。そ
こで、Ｘ方向走査器１２にＡＯＤを用いた例を説明す
る。ＡＯＤを駆動するＸ方向走査ドライバー１２０が、
２周波数成分ｆａ±ｆｍの信号を出力する構成であると
き、単一の強度ピークのレーザ光がＡＯＤに入射したと
き、二つの強度ピークを持ち異なる方向に進行する２ビ
ーム光が得られる。このとき、２ビーム光は互いに周波
数が異なり、２ビーム光の間の周波数差は２ｆｍであ
る。周波数ｆａはビーム走査を制御し、周波数ｆｍは２
ビーム光の分離を制御する。ＡＯＤによる２ビーム光の
発生と走査の詳細は本願発明者による特許公報平３−４
４２４３号“光ヘテロダイン干渉法による表面形状測定
装置”に詳細に述べられているので、本願明細書では省
略する。なお、ＡＯＤは単一周波数のｆａ成分を持つ信
号で駆動すれば、入射光と同じ単一の強度ピークを持っ
た通常のビームが発生し、図１に示した共焦点検出、非
共焦点検出を行う。したがって、本発明の第二の実施例
ではＡＯＤから発せられる走査ビームの周波数、強度分
布の切り換え制御も行う。

【００１８】光ヘテロダイン干渉では、ＡＯＤで発せら
れた２ビーム光の一部の強度を第二のＢＳ１３で反射さ
せ、集光レンズ２０２を介して第三の受光器２１で検出
して参照光信号２２を作成する。２ビーム光を被測定物
１０６の面上で走査したときの反射光は第二のＢＳ１３
で反射させ、集光レンズ１３２を介して第二の受光器１
７で検出する。このときは反射光信号２３を作成する。
参照光信号２２と反射光信号２３は共に周波数が２ｆｍ
のビート信号である。第二の受光器１７は前述の非共焦
点検出と共用するが、非共焦点検出は１ビーム光走査、
光ヘテロダイン検出は２ビーム光走査で検出する点が異
なる。参照光信号２２、反射光信号２３の間の位相差
を、位相比較器２４で検出する。参照光信号２２の位相
は一定であるが、反射光信号２３の位相は被測定物１０
６の表面の段差などによって変化するため、参照光信号
２２の位相を基準として反射光信号２３の位相変化を検
出する。上述した光ヘテロダイン干渉は２ビーム光の間
の位相差を検出すると差動型の構成である。２５は第三
のデータ処理部で、位相比較器２４からの位相データを
演算して被測定物１０６の高さ形状を測定する。本実施
例で各機能を個別に使用するときは、光ヘテロダイン干
渉機能は２ビーム光の間の光路長差が１／４波長以下と
なる段差測定などに応用する。なお、上述の光ヘテロダ
イン干渉では、参照光信号２２を第三の受光器２１で光
学的に作成した例を示したが、前記の方法を用いないで
電気的に参照光信号を作成することもできる。それに
は、ＡＯＤを駆動する信号の周波数ｆｍを２倍した周波
数を作成すればよい。この場合の光学系は、図１に示し
た光学系とまったく同一となる。

【００１９】図５に第一の実施例（図１）を具体化する
ときの光学系の構成例を示す。レーザ光源１０から放射
されたレーザ光は第一のＢＳ１１を透過し、シリンドリ
カルレンズ５０と凸レンズ５１の組合せで、紙面に平行
な面内に広がりを持つシートビームに変換されて、Ｘ方
向走査器（ＡＯＤ）１２に照射される。ＡＯＤ１２から
は回折１次光が発生し、Ｘ方向への走査を行う。ＡＯＤ
１２を出射した回折光は、凸レンズ５２、シリンドリカ
ルレンズ５３を経て再び円形ビームに変換される。位置
５４０が円形ビームへの変換点である。発散光として進
行するビームは第二のＢＳ１３を透過し、凸レンズ５５
でコリメートされ、Ｙ方向走査器（ガルバノミラー）１
４でＹ方向に走査される。この走査ビームはリレーレン
ズ５６、５７を経由（その間に反射ミラー５６０を設け
る）し、対物レンズ１０４で微小スポットに集光されて
被測定物１０６の面上を２次元走査する。被測定物１０
６からの反射光は、第一のＢＳ１１で反射させ、第一の
受光器１５で検出して共焦点検出を行い、また、第二の
ＢＳ１３で反射させ、第二の受光器１７で検出して非共
焦点検出を行う。以上の構成において、レーザ光１００
が直線偏光である場合は、第一と第二のＢＳ１１、１３
は偏光ビームスプリッターの構成とし、例えばレンズ５
７と対物レンズ１０６の間に１／４波長板を設置して偏
光軸を調整すれば、反射光の検出効率を高めることがで
きる。

【００２０】図６で本発明の第一の実施例の具体的応用
例について説明する。図６（ａ）の曲線６１は共焦点系
の偏向特性、図６（ｂ）の曲線６２は非共焦点系の偏向
特性を表す図である。各々の横軸はＸ方向走査器１２に
よる走査位置、縦軸は反射光強度（相対強度）を表す。
曲線６１の共焦点検出の場合は、走査位置の変化に対し
て反射光強度の変動が大きい。それは被測定物１０６か
らの反射光が再度Ｘ方向走査器（ＡＯＤ）１２に入射す
るため、走査の両端付近での回折効率が低下するためで
ある。したがって、反射光強度が大きい範囲６１０が実
際の測定に有効な範囲となり、一般には全走査距離の１
／３程度である。範囲６１０の両側では反射光強度の低
下が大きくなり、反射光強度信号のＳ／Ｎ比が低下して
測定の信頼性が低下する。曲線６２の非共焦点検出の場
合、反射光がＡＯＤ１２に再入射しないため、回折効率
の低下が少なく、ほぼ走査の全域にわたって反射光強度
が一定となる。そのために測定に有効な範囲が全走査範
囲までに広がるという特徴がある。例えば、全走査距離
を１０μｍに設定した場合、〜３μｍ以下の寸法測定、
特に、サブミクロン領域の回折限界を超えた寸法測定に
は共焦点検出を用いればよく、〜３μｍ以上の大きな寸
法測定の場合には非共焦点検出を用いればよい。したが
って、本発明の構成により、共焦点検出型ＬＳＭだけを
用いる場合に比べて、寸法測定に有効な範囲が３倍程度
まで拡大できる。

【００２１】さらには、非共焦点検出は焦点深度が長
く、共焦点検出は焦点深度が短いという特徴を生かした
応用も可能である。対物レンズのＮＡが０．５であると
き、非共焦点検出では焦点深度が〜１．５μｍ程度であ
るため、段差が１．５μｍ程度あるパターンの寸法測定
に応用できる。共焦点検出では焦点深度が〜０．３μｍ
程度であるため、段差が０．３μｍ以下であるパターン
の寸法測定に応用する。このように、焦点深度の違いを
利用すれば、測定対象に応じて最適な測定ができるた
め、測定の信頼性が向上し、測定対象が広がる。以上の
測定では、いずれの測定にも単一型受光器を用いている
ため、走査に応じて反射光の強度変化が連続的に検出さ
れ、従来のＬＳＭに比べて感度の高い測定が可能であ
る。

【００２２】図７に本発明の第二の実施例の具体的な応
用例として、共焦点検出と光ヘテロダイン干渉の複合計
測例を示す。レーザ光源に波長が６３３ｎｍのＨｅ−Ｎ
ｅレーザ光を使用したとき、一度の２ビーム光の照射で
測定できる段差は±１／４波長（±０．１５８μｍ）以
下である。段差が１／４波長を超える場合には、共焦点
検出系による反射光強度検出と、光ヘテロダイン干渉計
測による位相角度検出の組み合わせればよい。図７
（ａ）は基板７０とパターン部７１の間の段差を測定す
るとき、段差発生部へ２ビーム光を照射した状態図であ
る。本例での光ヘテロダイン干渉法は２ビーム光の間の
光路差を検出する差動型の構成であるため、基板７０と
パターン部７１の両方に２ビーム光を照射する。パター
ン７１の段差がｈのとき、ｈに応じて位相角度が変化す
る。図７（ｂ）は位相角度の検出を示す図である。λを
レーザ光の波長としたとき、ｈ＜λ／４のときに対応す
る位相角度がφａ（０＜φａ＜π）であれば、φａから
直接に段差ｈが測定できる。しかし、λ／４＜ｈ＜λ／
２になれば、位相角度はφｏ＋πとなる。この場合は位
相角度が負である。さらに、λ／２＜ｈ＜３λ／４とな
れば、位相角度はφｐ＋２πとなる。このように、ｈが
λ／４を超えるときは、πを超える回数ｎによって位相
角度ｎπが付加されるが、位相角度の測定からはｎπが
決定されない。

【００２３】図７（ｃ）の曲線７５は共焦点検出を行う
場合の、焦点位置の変化に対する反射光強度の変化を示
す図である。一般には焦点ズレが大きくなるほど反射光
の強度低下が大きくなる。上述したｎπを決定するため
に、最初に基板７０に照射光の焦点を合わせておき、次
にパターン部７１に照射して強度の変化を測定する。曲
線７５において、範囲７５０は段差がλ／４までの場合
の反射光強度範囲、範囲７６０は段差がλ／４以上でλ
／２までの反射光強度範囲、範囲７７０は段差がλ／２
以上で３λ／４までの反射光強度範囲である。共焦点検
出では焦点ズレに対する反射光強度の変化が大きいた
め、基板７０に対するパターン部７１の強度変化を測定
することにより、付加される位相角度ｎπのｎの値を決
定することができる。そこで、前述のｎπと検出した位
相角度φの和から、ｈがλ／４を超えた場合でも段差を
正確に測定することが可能である。

【００２４】

【発明の効果】上記のごとく本発明は一つのレーザ走査
顕微鏡の光学装置に、共焦点機能、非共焦点機能、光ヘ
テロダイン干渉機能という三つの機能のうち、二つある
いは三つの機能を設けた構成で、一つの装置で面内、面
外の形状、寸法の多様な測定が可能になる。機能の選択
は、機構的には反射光を検出する光路の切り換え、電気
的には駆動信号のスペクトルの制御で行うため、簡単な
操作で選択できる。本装置は、被測定物に応じては複数
の機能を用いて相補的な測定ができるため、測定範囲の
拡大、測定の信頼性の向上に有効である。また、従来は
測定目的に応じて個別の測定機を必要としていたが、一
つの測定機でよいため、計測効率の向上、測定コストの
低減が可能で、生産ラインでのインライン計測に有効で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の構成と動作を説明する
ブロック図である。

【図２】本発明の第二の実施例の構成と動作を説明する
ブロック図である。

【図３】従来のレーザ走査顕微鏡の構成と動作を説明す
るブロック図である。

【図４】従来の光ヘテロダイン干渉計の構成と動作を説
明するブロック図である。

【図５】本発明に適用する光学系の構成の一実施例を示
す図である。

【図６】本発明の第一の実施例の応用を説明する図で、
（ａ）は共焦点検出による偏向特性を示す図、（ｂ）は
非共焦点検出による偏向特性を示す図である。

【図７】本発明の第二の実施例の応用を説明する図で、
（ａ）は段差のあるパターンへの２ビーム光の照射を示
す図、（ｂ）は位相角度の検出を示す図、（ｃ）は焦点
位置に応じて反射光強度が変化する様子を表す図であ
る。

【符号の説明】

１０レーザ光源１１第一のビームスプリッター１２Ｘ方向走査器１３第二のビームスプリッター１４Ｙ方向走査器１５第一の受光器１６第一のデータ処理部１７第二の受光器１８第二のデータ処理部２１第三の受光器２４位相比較器２５第三のデータ処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０２Ｂ 21/00 Ｇ０１Ｂ 11/24 Ｎ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光源から放射されたレーザ光を入
射する第一のビームスプリッターと、該第一のビームス
プリッターを透過した光を入射してＸ方向に走査するＸ
方向走査器と、該Ｘ方向に走査された光を入射する第二
のビームスプリッターと、該第二のビームスプリッター
を透過した光を入射してＹ方向に走査して２次元走査を
行わせるＹ方向走査器と、該２次元走査された光を微少
なスポットに集光して被測定物に照射し、該被測定物か
らの反射光を前記第二のビームスプリッターで反射させ
て前記反射光の全体強度を検出する第二の受光器と、該
第二の受光器で検出した反射光信号と参照光信号の位相
を比較する位相比較器とからなる光ヘテロダイン干渉機
能と、前記被測定物からの反射光を前記第一のビームス
プリッターで反射させ、該反射光の強度分布の中央部を
含む一部の範囲の強度を検出する第一の受光器とからな
る共焦点検出機能とにより構成されたレーザ走査顕微鏡
であって、測定目的に応じて前記Ｘ方向走査器あるいは
Ｙ方向走査器を駆動する電気信号のスペクトルを制御し
てレーザ光の周波数と光強度分布を変化させるととも
に、前記第一のビームスプリッターで反射される光路
と、前記第二のビームスプリッターで反射される光路を
選択する切り替え手段を設け、被測定物の段差を測定す
る際に、前記光ヘテロダイン干渉機能で検出された位相
角度φとともに、前記共焦点検出機能で検出された反射
光強度の変化から前記位相角度がπを超える回数ｎを計
測して、位相角度ｎπ＋φから前記の段差を測定するこ
とを特徴とする複合計測機能を有するレーザ走査顕微
鏡。
【請求項２】前記参照光信号は、前記第二のビームス
プリッターで反射された反射光を第三の受光器で検出し
た信号であることを特徴とする請求項１記載の複合計測
機能を有するレーザ走査顕微鏡。