JPH01245104A - 顕微鏡的構造を測定する装置を有する顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野： 顕微鏡的構造を１１定する装置は主として電子工業でウ
ェハまたはマスクの＠査に使用される。

このような装置はしばしば線幅測定器とも称される。

従来の技術： 公知装置は顕微鏡の種類に応じて形成されることで共通
し、すなわち本来の測定器は補助部材たとえば既存顕微
鏡のアダプタとして形成され、または種々の位置を改造
した顕微鏡である。

しかし公知装置はその基礎とする測定原理が異なり、し
たがって３つの部類に分類することができる。

顕微鏡の光学的中間保全テレビカメラの管−・拡大して
結像する装置が公知である。本来のたとえば構造幅の測
定は電子的方法でテレビカメラのビデオ信号の評価によ
って行われる。この装置の欠点はビデオカメラにより解
像力が決定されることである。それゆえサブミクロン範
囲の高精度測定にはこのような装置は不適である。

第２の部類には顕微鏡の中間像内でスリット絞りを摺動
し、絞りの後方に光電子増倍管を配置した装置が属する
。このような装置はたとえば米国特許第４３　７３　８
１７号および第４６　００　８３２号明細書に記載され
る。しかしこの装置によってもスリット絞Ｄｅ精密に案
内し、その位置を測定像内に決定することは容易に可能
でないので、とくに高い解像力は達成されない。この形
式の装置の走査速度もとくに高くない。

中間像内のスリット絞りでなく、物体自体をぎニジ駆動
装置によｐ測定過程の間に光用に対して垂直に摺動する
装置も第２の部類に挙げられる。しかしこの装置は物体
運動を顕微鏡対物レンズの結像倍率約４０倍または１０
０倍の高い精度をもって実施または測定しなければなら
ないので、なお高い費用を伴う。

物体像内で測定せず、点状に集光した光線を測定すべき
構造上を動かす装置は第６の部類に属する。このような
装置はヨーロッパ公開特許公報第０１６　８６　４３号
および西独公開特許公報第３６　１０　５３０号に記載
される。

前記文献から公知の装置は測定スポッｌｔ−偏向するた
め旋回ミラーまたはいわゆるガルバノメータスキャナＴ
ｈ　使用する。この偏向要素によれば高い測定精度が達
成され、測定スポットは試料の比較的大きい範囲にわた
って迅速に案内されるけれど、測定技術的に見てこれは
むしろ欠点である。というのは測定スポットの比較的大
きい偏向が旋回ミラーのかなシ小さい偏向角によって発
生し、この偏向角から本来の測定信号が得られるからで
ある。さらにガルバノメータスキャナの場合付加的にヒ
ステリシス効果が発生し、それによって達成しうる測定
精度が制限される。

米国特許第３９　４１　９８０号明細書によシウエハを
露光に使用するマスクに対し調節する装置が公知である
。この装置はそこでは走査光電顕微鏡と称される。これ
によれば中間像内のスリット絞りへ結像したウエノ・ま
たはマスクの調節マークを摺動するため、均一速度で、
引動される矩形の平行面プリズムが使用される。測定絞
りの後方に配置した検知器の信号はウエノ・ｔマスクに
対し正確に調節するために使用される。

この公知装置は第２部類に挙げた装置のように全物体像
を測定絞りに対し摺動する原理により動作する。さらに
この装置は位置調節のためにのみ役立ち、ウェハの構造
そのものを測定する装置を備えていない。その上この装
置は第１および第２部類に挙げた装置のように全物体全
照明することによって感度したがって精度も低下する欠
点？有する。

米国特許第４６　８５　７７５号明細書によシ光線を偏
向する旋回ミラーで動作するレーデ走査顕微鏡が公知で
あり、これはさらにレーデ光線を光軸に対し垂直に移動
するため旋回可能の平面板？有する。しかし平面板は光
線が顕微鏡対物レンズのひとみからそれるのを補償する
ためにのみ役立つ。これは第１旋回ミラーを正確にひと
みの位置に配置し得ないことに基因する。

物体上のレーデ焦点の本来の偏向は旋回ミラーだけで行
われる。線幅測定装置はこの顕微鏡には備えられていな
い。

発明が解決しようとする課題： 本発明の目的は装置費用をできるだけ小さくしてサブミ
クロン範囲で高い測定精度が達成される、顕微鏡的構造
を測定する装置を有する顕微鏡を得ることで 課題を解決するための手段： この課題は請求項１の上位概念記載の装置から出発して
請求項１の特徴部に記載の特徴によって解決される。す
なわち光学系の非平行光路内に一定角度だけ旋回しうる
少なくとも１つの平面板が配置され、この平面板がその
旋回角度を測定するためエンコーダと結合し、エンコー
ダおよび反射光線検出のための受光器の信号を構造の直
線的寸法を計算するため評価ユニットに供給することで
ある。

作用： 本発明によれば線幅測定のため物体を走査する光点は１
つまたは多数の平面板によシ収れん光路内で偏向され、
平面板の旋回角が測定結果の形成に利用される。物体内
の測定スポットの達成しうる偏向は平面板の厚さに依存
するので、このパラメータを介して旋回角とスポット摺
動の間の変換ファクタ分調節することができる。

それによって比較的高い変換を達成できるので、すでに
測定スポットのサブミクロン範囲の非常に小さい偏向を
平面板の回転軸へ設置した角度エンコーダによるだけで
他の消費なしに精密に測定することができる。１または
２鵡厚さの平面板を使用する場合、角度測定への要求は
旋回ミラー？光線偏向に使用する装置たとえば部類乙に
属する公知装量と比較して約２けた小さい。

測定スポットは平面板によって顕微鏡対物レンズの視野
内で少量だけ摺動されるけれど、これはサブミクロン範
囲の構造を測定する前記目的の場合障害とならない。

測定スポットの形成に役立つ点光源は有利にＵＶ光線を
発光し、測定光路内の光学系および本来の顕微鏡の光学
系の測定スポット形成に使用する部分すなわち対物レン
ズおよび鏡筒レンズはＵＶ光線の伝達に適する。測定ス
ポットの達成しうる大きさは測定光線の波長に依存する
ので、測定スポットはＵＶ光線を使用すれば小さく維持
することができる、さらに受光器の前の点光源と共役の
平面に点絞りを配置するのが有利である。それによって
達成される共焦点構造のため、焦点深度範囲自体から出
る光線のみが線幅測定に役立ち、焦点外平面からのコン
トラス）ｋ低下する光線部分は遮蔽される（深さ判別）
。

さらに顕微鏡が対物レンズまたは対物レンズタレットの
焦点微調節のための駆動装置を備え、これに焦点調節運
動を測定するセンサを配置するのが有利である。このセ
ンサの信号を同様評価電子回路に送れば、測定すべな物
体構造の高さプロフィルを形成することができる。

線幅測定のためのアダプタを有する顕微鏡は一般に物体
テーブルへ作用する電気的に作動する焦点調節駆動装置
を有し、この装置はしばしば測定する物体または構造の
ピント面へ自動調節するオートフォーカス装置と結合す
る。しかし単独で測定値検出に役立ち、かつテーブル駆
動装置と無関係な、２方向運動に高精度で作動する第２
の微細駆動装置を備えるのが有利なことが明らかになっ
た。有利な実施例によればそのために顕微鏡の対物レン
ズまたは対物レンズタレットの駆動装置を備え、その際
対物レンズもしくは対物レンズタレットまたは顕微鏡全
上部のバツクラツシのない案内は曲り要素を介して行わ
れる。

実施例： 次に本発明の有利な実施例を図面によシ説明する。

第１図に示す全装置は顕微鏡１およびその上に支持した
本来の構造幅測定用の測定器２からなる。顕微鏡１のス
タンドの脚７に２つの方向Ｘおよびｙに水平に摺動可能
のクロススライド８．９が支持される。クロススライド
の上側板９は高さ方向２に摺動しうる固有のオブゼクト
キャリャ１１を支持したピボット軸受１０を備える。１
２はここに図示されていない真空ノズルにより吸着支持
した検査すべきウェハを表わす。

ウェハをテレビカメラ１４へ結像するための対物レンズ
４は同様高さ調節可能の対物レンズタレット３に固定さ
れる。タレット３を案内するため曲り板５が使用され、
この板は他端が顕微鏡１のスタンドに固定され、かつ切
込６を備える。曲り板５をこの位置で弱くする切込６は
曲り板５、したがってこれに固定した対物レンズ４が旋
回する回転中心を形成する。この回転運動のため理論的
には顕微鏡の光軸も旋回するけれど、この旋回運動の大
きさは対物レンズ４の光軸方向の測定運動のため行われ
る全調節距離が１０μｍの場合少しの影響もないほど小
さい。対物レンズ４の２方向運動をひき起こすだめの駆
動装置は第１図には示されていない。これに関しては第
２図に関連して説明する。

顕微鏡１のスタンドの背面へ物体の反射照明に役立つ光
フアイバ照明装置１３が取付けられる。

アダプタ部材として形成した本来の測定器２は同様スタ
ンドの背面に設置した照明ユニット１６内に独自の光源
を有する。１５はアリ溝き介して測定器２へ設置した光
電子増倍管を表わす。

第２の選択的実施例によれば第４図に示すように対物レ
ンズタレットは別個に案内されないで、顕微鏡上部全体
１０１ｂがＵ膨曲り板によシ小さい角度だけ旋回可能で
ある。そのため曲り板は横のＵ形であり、顕微鏡の上部
１０１ｂとスタンド脚１０１ａへねじ結合した２つの水
平脚１０５ａおよび１０５ｂは曲り部１０６によって顕
微鏡の背面で結合している。曲り板の２つの脚１０５ａ
および１０５ｂは前部でピエゾ駆動装置１１８によって
互いに結合される。

この実施例の場合対物レンズと回転中心の曲り部１０６
の間の距離は非常に太きい。動かす顕微鏡上部の比較的
大きい質量は調節運動の周期が小さいためまったく影響
がない。

第２図には全装置の光学系が示される。本来の顕微鏡の
反射照明光路はコレクタ４２およびレンズ４３によって
開口絞り４４の平面へ結像する光源４１から出発する。

開口絞り４４へ公矧のとおυ視野レンズ４５および補助
レンズ４Ｔが続き、このレンズは対物レンズ４とともに
視野絞り４６を物体１２の平面へ結像させる。

光線分割器４９は照明光路を顕微鏡の観測光路へ反射す
る。光線分割器４９とレンズ４７の間にプリズム南・段
４８が挿入され、これによって照明光路は顕微鏡スタン
ドの機械的条件に適応するため平行移動される。

顕微鏡の観測光路は鏡筒レンズ５０、反射ミラー４０お
よびそれに続くもう１つの光線分割器３９からなり、こ
の分割器は観測光路を顕微鏡の上部に支持したビデオカ
メラ１４へ向ける。

光線分割器３９の位置で測定光路は顕微鏡の観測光路へ
反射される。

測定光路の照明ユニット１６は標準仕様の水銀高圧ラン
プを含む。この槌の光源は非常に高い照度および連続ス
ペクトルに重なる線スペクトルを有し、この線スペクト
ルはＵＶ領域に達する。水銀高圧ランプ３１の前に水晶
コレクタ３２および交換可能の干渉フィルタ３３が配置
される。このフィルタ３３によって光源３１のスペクト
ル線の１つたとえば２５０　ｎｍまたは３６５　ｎｍ　
’に選択することができる。コレクタ３２は光源３１を
点数ジ３４へ集光する。この手段により絞り３４の位置
に高い照度を有する点状のＵＶ光源が得られる。

点光源３４は２つのレンズ３５．３８によって顕微鏡の
中間像面７０に結像される。レンズ３５と３８の間に反
射ミラー３７およびもう１つの光線分割器３６が挿入さ
れる。光線分割器３６は測定光路内の照明光線を物体１
２から反射された測定光線と分離する。測定光朦を検出
するためこの反射された分光路のレンズ５２および第２
の点絞Ｔ）５４の後方に光゛１子増倍管１５が配置され
る。絞り５４は絞シ３４と共役の平面に存在する。

顕微鏡の鏡筒レンズ５０と中間像面γ０の間の非平行光
路内に２つの旋回可能の平面板が挿入される。２つの平
面板３０ａおよび３０ｂはとくに互いに垂直の２つの軸
を中心に旋回する。

この旋回運動は測定スポットすなわち鏡筒レンズ５０お
よび対物レンズ４を介して物体１２の表面へ結像した点
光源の像の摺動をひき起こす。

水銀高圧う／ゾ３１と物体平面１２の間の測定光路内に
配置した対物レンズ４および鏡筒レンズ５０と含む光学
系は高いＵＶ透透過率官有るガラスから装造される。

構造幅測定を実施するため前記のように平面板３０ａお
よび３０ｂｔ一定角度回転または旋回する。そのため第
３図から明らかなように平面板の旋回または回転軸に直
接設置した駆動モータ２５ａおよび２５ｂが備えられ、
調節した旋回角度全通類するため角度エンコーダ６１ａ
および６１ｔｌｌＮする。エンコーダ６１ａおよび６１
１）の信号から本来の測定値が得られる。

それゆえエンコーダは光電子増倍管１５と同様本来の測
定値形成が行われる評価電子回路６２へ接続される（第
６図）。

評価電子回路６２の中心成分はコンピュータまたはマイ
クロプロセッサ２０である。コンピュータ２０とモータ
制御回路２４が結合され、この回路はモータ２５ａおよ
び２５ｂを制御し、かつエンコーダ６１ａおよび６１１
）の信号を受信する。コンピュータはモータ制御回路に
２つの平面板３０ａおよび３０ｂが１つの測定サイクル
の間に同時に旋回される値全通知する。旋回運動の振幅
の適当な調節によって測定スポット金評価すべき物体す
なわちウエノ・１２の平面内で任意の方向に摺動するこ
とができる。

コンピュータ２０はさらに光電子増倍管１５の前置増幅
器２１へ接続する。１つの測定サイクルの間コンピュー
タ２０は物体内の特定位置に属する光電子増倍管１５の
強度信号を蓄積する。このため同時に旋回角またはエン
コーダ６１ａおよび６１ｂから送られた信号の物体座標
への換算が必要であり、この換算は分類の式によυ、ま
たは較正過程で求めた関係により実施することができる
。

コンぎユータ２０はさらに対物レンズタレットまたはこ
れに固定した対物レンズ４のピエゾ駆動装置１８のため
のドライバ電子回路２３と接続する。物体へ焦点を合せ
た測定スポットはそれによって±５μｍの範囲内で物体
上の種々の焦点面内を案内される。これから得られる２
次元的データ視野は非常に高精度をもってウェハ１２の
表面プロフィルを再生し、コンピュータ２０によってこ
れに接続したモニタ２２のスクリンに表示される。調節
した高さをコンピュータ２０へ通矧する測定系６０がぎ
ニジ駆動装置１８に配置される。光軸方向の測定運動は
ごく小さい大きさなので、そのために歪みゲージを使用
することができる。さらにたとえばＫａｒｌｓｒｕｈｅ
のＰｈｙｓｉｋ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ　（Ｐ工）社
からすでに組込んだ位置センサを有するぎエゾトジンス
レータがＰ−１７２またはＰ−１７７およびＰ８４１．
１０の型番のもとに入手可能であり、この目的に適当で
ある。第４図実施例では対物レンズヲＦＪむ全顕微鏡上
部を駆動するぎニジ駆動装置１１８は駆動装置１８に相
当する。

すでに第１図によシ説明したように物体１２は３つの空
間方向Ｘ１７および２のすべてに調節可能かつ光軸を中
心に回転可能のテーブル１１に支持される。このテーブ
ル１１の４つの駆動装置のための制御装置２６はその制
御信号全同様コンピュータ２０から得る。さらにモータ
制御装置２６はオートフォーカス装置２７とと接続する
。このオートフォーカス装置２７は測定サイクルの初め
に物体の像が最高のコントラストを示す鷹でテーブル１
１の２方向駆動装置を動かすことによってピントラ合わ
せる。そのためオートフォーカス装置２７はカメラ１４
のビデオ信号を評価する。もちろんこのためにたとえば
西独特許第３４　４６　７２７号明細書に記載のような
他のオートフォーカス装置を使用することもできる。

ビデオカメラ１４へ画像解析装置２８が接続される。そ
の目的はウェハの位置ぎめおよび角方向配置を実施する
ことにある。画像解析装置２８の相当する出力はそれゆ
え同様テーブル１１のためのモータ制御装置２６と接続
する。

さらに画像解析装置２８へ第２モニタ２９が接続され、
これに顕微鏡の°通常の″反射照明装置４１〜４８の光
線内にウニ八表面の画像が現れる。

第１〜３図記載の装置による典型的測定経過は次のとお
りである： ウェハ１２をテーブル１１に配置した後、画像解析装置
２８によシウエ／％　（ｉ−ｚおよびｙ方向に位置ぎめ
し、その角位Ｒｅ決定する。位置ぎめは主として画像解
析装置２８がウエノ・１２のため選択された測定位置を
識別し、そこへ移動することによって行われる。この運
動の間オートフォーカス装置２７によシウエハ表面は対
物レンズ４の焦点面に沿って導かれる。

測定すべき物体の細部が調節されると、コンぎユータ２
０はテーブル１７の２方向駆動装置をモータ制御装置２
６と分離し、本来の測定過程を実施する。この過程は平
面板３０ａおよび３Ｑｂを回転し、ウニ八表面へ結像し
た点光源すなわち測定スポラ）１測定すべき構造の上へ
案内することである。これは周期的に行われ、各サイク
ル間の焦点面の位置は対物レンズ４の焦点調節運動のた
めの微調節ピエゾ駆動装置１８または１１８により変化
される。これに対して選択的に初め微調節ピエゾ、駆動
装置１８または１１８ケ介して物体の２方向の周期的走
査を実施し、サイクルの間にさらに平面板３０ａおよび
３０ｂｔそれぞれ小さい値だけ調節する作業法も可能で
ある。コンぎユータはいずれの場合も物体から反射され
た測定光線の光電子増倍管１５によって測定した強度の
最大を測定スポットの平面内の位置Ｘ、７に関するそれ
ぞれの値および測定系により求めた高さ値２に対応さ、
せる。この方法で検査する構造の３次元的プロフィルが
発生する。

前述のように物体座標で高さプロフィルを表示するには
平面板の旋回角度を実際のスポット摺動に換算すること
が必要である。数学的関係は主として３角関数によって
表わされる。次の関係が成立する： ここにパラメータは平面板の厚さｄｌその屈折率ｎおよ
び使用対物レンズの倍率Ａである。

パラメータとして常用の値たとえばｎ−１，４、ｄ−２
ｍ、Ａ＝１００を代入すれば１０°の旋回角αにより約
１μｍのスポット摺動ΔＳが得られる。これによって前
記系によシもちろん１０ｎｍ以上の分解能が達成される
ことが明らかであり、これはサブμｍ領域の構造の測定
に望まれることである。というのは数秒の角度分解を補
間器使用の必要なしに公仰型式の市販エンコーダによっ
て達成しなければならないからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は構造幅測定装置を組込んだ顕微鏡の側面図、第
２図は第１図装置に含まれる光学系の原理を示す断面図
、第６図は第２図の光路のほか装置の電子的成分を示す
ブロック図、第４図は第１図に対する選択的実施例の側
面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、構造へ焦点を合わせた点状光束および光線の反射さ
   れた部分の光電的検出により顕微鏡的構造を測定するた
   めの、顕微鏡の付加部材として形成した装置を有し、さ
   らに点光源および点光源を構造へ結像する光学系を含む
   顕微鏡において、 光学系（３５〜４０）の非平行光路内に一定角度だけ旋
   回しうる少なくとも１つの平面板（３０ａ、ｂ）が配置
   され、この板が平面板の旋回角を測定するためエンコー
   ダ（６１ａ、ｂ）と結合し、 エンコーダ（６１ａ、ｂ）および反射光線を検出するた
   めの受光器（１５）の信号が構造の直線的寸法を計算す
   る評価ユニット（６２）に供給される ことを特徴とする顕微鏡的構造を測定する装置を有する
   顕微鏡。 ２、点光源（３４）がＵＶ光源を射出し、装置の光学系
   （３５〜４０）および付属顕微鏡の光学系（４、５０）
   がＵＶ光線の伝達に適している請求項１記載の顕微鏡。 ３、受光器（１５）の前の点光源（３４）に対し共役の
   平面内に点絞り（５４）が配置されている請求項１記載
   の顕微鏡。 ４、顕微鏡のスタンドに対物レンズ（４）または対物レ
   ンズタレット（３）の焦点微調節のための駆動装置（１
   ８）が備えられ、この駆動装置に焦点調節運動を測定す
   るセンサ （６０）が配置され、センサ（６０）の信号が同様評価
   電子回路（６２）に供給される請求項１記載の顕微鏡。 ５、対物レンズ（４）または対物レンズタレット（３）
   の焦点調節運動方向のバックラッシのない案内のため、
   曲り要素（５；１０５）を備えている請求項４記載の顕
   微鏡。 ６、顕微鏡が付加的に対物レンズテーブル（１７）の電
   気的高さ調節のための駆動装置（２６）を有し、この駆
   動装置に自動焦点調節装置（２７）が配置されている請
   求項４記載の顕微鏡。 ７、曲り要素（１０５ａ、ｂ）が顕微鏡の上部（１０１
   ｂ）全体を支持する請求項５記載の顕微鏡。