JPH0348111A - エッジ検出装置 - 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］ 本発明はＬＳＩパターンの線幅測定装置や、エンコーダ
等に用いるのに好適なエツジ検出装置に関する。

［従来技術］ 従来この種の計測に用いる代表的なもののうちレーザー
光を用いるものとしてレーザー光スポットを被験物パタ
ーンに照射しパターンのエツジからの散乱光を検知して
エツジの検知を行なう装置がある。また電子ビームを用
いるものとしてはカソードからの熱放出電子または電界
放出電子を集束して被験物に照射し、被験物から放出さ
れる２次電子を検知することにより、被験物パターンの
エツジ検知を行なう電子ビーム装置がある。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら上記従来例のうちレーザー光を用いるもの
については、ビームスポット径をある程度以下には小さ
くできない等の為に分解能を充分小さくできず、近年さ
らに微細化が進む半導体ウェハの５ＬＳＩパターン等の
エツジ検出については精度不足である。また電子ビーム
を用いるものについても一応分解能１０ナノメートルを
達成しているものの、先と同様超ＬＳＩ等のエツジ検出
には十分とは、言えず、さらに真空系を必要とするため
、装置が大がかりになり、かつ作業効果が落ちる等の問
題点がある。

本発明は、前述従来技術の問題点に鑑み、小型かつ簡易
な構成で同時に高分解能、高精度を有するエツジ検出装
置を提供する事を第１の目的とする。

本発明の他の目的は後述する本発明の実施例の詳細な説
明の中で明らかになるであろう。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため本発明のエツジ検出装置は、被
検面上に存在するエツジ部分を検出する装置で、被検面
に沿って相対的に穆動する探針と、前記探針と被検面と
の間に発生する作用力あるいはトンネル電流を検出する
検出手段と、前記検出手段が検出した作用力あるいはト
ンネル電流に基づいて被検面上のエツジ部を検出するエ
ツジ検出手段とを備える。

通常は、前記検出手段の出力信号を一定にするよう探針
の位置を制御する探針位置制御手段を備え、その制御信
号の微分信号よりエツジを検出する。

あるいは、更に前記探針を所定周波数で所定方向、例え
ば被検面方向あるいは被検面に平行な方向に振動させる
振動手段を有し、前記エツジ検出手段は前記振動手段に
よる探針振動時の前記検出手段の出力信号の所定周波数
成分の振幅変化に基づいてエツジ部を検出する。この場
合通常、前記所定周波数成分を除いた成分を一定にする
よう探針の位置を制御する探針位置制御手段を有する。

前記検出手段が検出する作用力としては、例えば原子間
力や磁力がある。

更に、前記探針と被検面との被検面に沿った相対移動距
離を検出する距離検出手段を有することが好ましく、こ
の距離検出手段は例えば光干渉針を有し、光の波長に関
連した単位距離毎に信号を発生する。そしてこの場合に
おいて、パターンの線幅を検出する場合は、前記エツジ
検出手段と距離検出手段との検出結果に基づいて被検面
上に設けられたパターンの線幅を検出する線幅検出手段
を有する。

［作用］ ＳＴＭ等の原理を応用して被験物パターンに近接させた
探針との間に電圧を印加し流れるトンネル電流を検知す
ることにより、被験物パターンのエツジを０．１ナノメ
ートルの横分解能で検知することが可能となる。

［実施例］ ＳＴＭは１ナノメートル程度の距離まで近接させた導電
性探針と導電性物質との間に電圧を印加し、流れるトン
ネル電流を検知することにより、導電性物質の表面の形
状や、電子分布状態に関する種々の情報を横分解能０．
１ナノメートル、液分解能０．０１ナノメートルで得る
ことが可能な装置である［Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ　ｅｔ　ａ
ｌ、、　Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ。

４９　（１９８２）　５７］。

本発明におけるエツジ検出の一態様は、次の原理による
。すなわち、第１図に示すように、ＳＴＭにおいて探針
１０２と被験物１０１め間に流れるトンネル電流１０３
の流れる点は探針と被験物の位置関係により同図（ａ）
および（ｂ）の様に移り変わる。今、第１図の探針のよ
うにその先端形状が軸方向に対して近似的にθの角度で
形成されていてかつ被験物のエツジ部分における形状の
軸方向とのなす角度φがθより小さい場合にはトンネル
電流の流れる点の移り変わる位置は被測定パターンのエ
ツジ部に探針がさしかかっている位置である。

従って、探針位置制御手段への制御信号に高周波電圧が
重畳されている場合即ち探針が図面内で縦又は横に高周
波振動している場合には、検出されるトンネル電流信号
の高周波電圧と同位相の成分をバイパスフィルター、同
期検波回路等の信号処理回路によって取り出すことが出
来る。その出力信号は探針を被験面から一定距離とする
為の縦方向の制御信号に所定周波数の変調信号を加えて
いる場合即ち探針が図面内で縦方向に高周波振動してい
る場合にはトンネル電流信号の縦方向の変化率に対応す
る。被測定パターンと探針とに横方向相対移動を与えた
場合、トンネル電流信号の前述所定周波数の成分はトン
ネル電流の流れる点が第１図（ａ）の様に探針の先端か
ら第１図（ｂ）のように探針の側面へと移り変わる位置
で振幅変化する。なぜなら変化位置以外の位置では重畳
された高周波電圧による探針−被験輪間の距離変化に応
じたトンネル電流の変化はほぼ一定であるが、例えばト
ンネル電流の流れる点が探針の先端である状態から探針
の側面である状態に変化すると（探針がその軸方向と角
度θをなすような形状をしていることにより）探針−被
験輪間の距離変化量が略Ｓｉｎθ倍になり、それに応じ
て所定周波数信号の大きさ（振幅）が変化するからであ
る。

また探針の横方向の制御信号に所定周波数の変調信号を
加えている場合即ち探針が図面横方向に高周波振動して
いる場合、探針と被測定パターンの距離が変化しない被
測定パターンの平坦な部分に探針が位置する時には、横
方向の振動があっても、トンネル電流はほとんど変化し
ないのでその前述所定周波数の成分も一定（振幅が略０
）である。ところが探針が被測定パターンの平坦でない
部分に位置するときには横方向の変調によってトンネル
電流が大きく変化するのでその前述所定周波数成分も変
化する（所定振幅となる）。

これらのトンネル電流の変調成分の変化する位置は被測
定パターンのエツジ部に探針がさしかかっている時であ
るからそのときの信号゛変化を計測することによってエ
ツジ検出が行なわれる。

ＳＴＭの原理を応用しかつ後述するように上述とは異な
るエツジ検出の原理を用いてもよい。

ＳＴＭの原理を応用しトンネル電流を用いたエツジ検出
の精度は前述したように横分解能が高く、したがってエ
ツジからエツジまで探針と被検物を相対駆動する量を検
出する駆動量検出手段として長ストロークかつ高分解能
の特徴をもつ光学的計測方法、電気容量変化検知方法、
トンネルリングによる測長方法などを応用したものを用
いてエツジ間隔の測長を行なうことにより、小型かつ簡
易な構成で長ストロークでかつナノメートルオーダーの
高分解能と高精度を有するパターン線幅測定装置が実現
される。

光学的−次元測長方法としては、第一にマイケルソン型
干渉計を代表とする光波干渉法がある。

これは、レーザ光等の可干渉光を２つの光路に分け、そ
れぞれの光を相対変位を生ずる２つの物体に照射し、２
つの反射光を再び合成干渉させ、干渉光の強度変化から
２つの物体の相対変位を検知することにより、光ヘテロ
ダイン法、信号位相分割等の検出技術と組み合わせて、
分解能１ナノメートルを達成している。第二に特公昭５
０−２３６１７およびｒＯｐｌｕｓＥ　　１９８Ｂ、７
．Ｐ８２」に示されたような、格子干渉法があるが、こ
れは変位を測定すべき対象に数マイクロメートルピッチ
の回折格子スケールを取り付け、スケールに対して垂直
方向（変位方向はスケールに平行）から、レーザ光等の
可干渉光を照射し、複数の回折光を合成干渉させ、干渉
光の強度変化から測定対象の変位を検知することにより
、光ヘテロダイン法、信号位相分割等の検出技術と組み
合わせて、ナノメートルオーダーの分解能を達成するも
のである。第三に特開昭５４−１５５８３２や「光学１
６　（１９８７）１４５Ｊに示されたような、ＴＴＬ形
アクティブ・オート・フォーカス法を応用した測長法が
あるが、これは、光ビームを対物レンズに軸外から変位
測定の対象物に照射し、対象物の移動による反射光ビー
ムの位置ずれを照射点と共役の位置に置いた位置検出受
光素子によって検知することにより、測定対象の変位検
知分解能１ナノメートルを達成している。

電気容量変化検知方法は、相対変位を生ずる２つの物体
にそれぞれ金属極板を設け、極板間の電気容量の変化か
ら相対変位量を求めるものである。ここで、極板間の電
気容量ＣはＣ−εＳ／ｄ（ε：極極板間質質誘電率、Ｓ
：極板面積、ｄ：極板間隔）で表わされ、電気容量変化
から、極板間隔の変化、すなわち、相対変位量が求めら
れることがわかる。また、電気容量の検知は、極板間に
交流電圧を加え、極板間のインピーダンスを検知するこ
とによって行なう。このような電気容量変化検知方法に
よって、ナノメートルオーダーの相対変位検知分解能が
達成される。

前述したＳＴＭの原理を駆動量検出手段に応用する場合
は、相対変位を生ずる２つの物体に、それぞれ近接して
対向させた探針と基準目盛を設け、その間に電圧を印加
して、トンネル電流を流す。そして２つの物体の相対変
位によって探針先端が基準目盛を走査する際に生ずるト
ンネル電流の変化を検知することにより、相対変位量が
検知される。基準目盛として、導電性結晶へき開面の原
子配列を用いれば、１ナノメートル以下の相対変位検出
分解能が達成される。

したがって、これらの光学的−次元測長方法、電気容量
変化検知方法あるいはトンネル電流による測長方法を応
用して、被験物パターンと、それに近接させたレバーと
の相対横移動量を検知することにより、被験物パターン
の複数のエツジ間隔を長ストロークかつナノメートルオ
ーダーの分解能で検知することが可能となる。

次に、他の原理を応用してエツジ検出を行なうようにし
た態様について説明する。

ＳＴＭを発展させたものとして、絶縁体の測定が可能な
原子開力顕微鏡（＾ｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｓ　、以下ＡＦＭと略す）や、磁性体の測定
が可能な磁力顕微鏡（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　。

以下ＭＦＭと略す）が発明され、絶縁体や磁性体の微小
形状・寸法計測に用いられようとしている。これらＡＦ
ＭやＭＦＭは、絶縁物や磁性体試料の表面とこの表面に
１ナノメートル程度の距離まで近接させたレバー（磁性
体試料の場合は磁性体からなるレバー）との間に働く原
子間力や磁力を検知することにより、絶縁体表面の形状
や、磁性体表面の磁区構造に関する情報を高分解能で得
ることが可能である（Ｇ、　Ｂ１ｎｎ１ｇ　ｅｔ　ａｌ
、、　Ｐｈｙｓ。

Ｒｅｖ、　　Ｌｅｔｔ、　　５６　　（１９８［ｉ）　
　９３０、　　Ｙ、　　Ｍａｒｔｉｎ　　ｅｔ　　ａｔ
、。

Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　５０　（１９８
７）　１４５５　）。

したがってＡＦＭやＭＦＭの原理を応用して、絶縁体や
磁性体の被験物パターンとこれに近接させたレバーとの
間に働く原子間力や磁力を検知することにより、被験物
パターンのエツジを０．　１ナノメートルの横分解能で
検知することが可能になる。

また、前述したような光学的−次元測長方法、電気容量
変化検知方法あるいはトンネル電流による測長方法を応
用して、被験物パターンと、それに近接させたレバーと
の相対横移動量を検知することにより、被験物パターン
の複数のエツジ間隔を長ストロークかつナノメートルオ
ーダーの分解能で検知することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

太】０江１ 第２図は本発明の第１実施例に係る線幅測定装置をしめ
し、第３図はこの装置における信号例を示す。導電性を
有する被測定パターン１０１にバイアス電源２０４によ
ってバイアス電圧を印加し被測定パターン１０１に対向
して１ナノメートル以下の距離に近接させた探針１０２
との間に流れるトンネル電流１０３をトンネル電流検出
回路２゛０５によって検知する。検知トンネル電流の低
周波成分をローパスフィルター２０６によって取り出し
その信号が一定となるように探針縦方向位置制御回路２
０７、探針縦方向位置制御手段（例えば圧電素子）２０
８によって探針１０２の縦方向の位置制御を行なう。こ
れにより探針の先端の振動成分を除いた軌跡は第３図の
最上段に示す様になる。ステージ駆動手段２０９によっ
てステージ２１０を横方向に穆勤させ探針１０２に対し
て被測定パターン１０１を走査する。この特待られるト
ンネル電流信号を同期検波回路２１１に通して得た変化
率信号２ａから被測定パターン１０１のエツジをエツジ
検出回路２１２によって検出（詳細は後述）し、複数の
エツジ検出信号２ｂを線幅算出回路２１３に送る。次に
可干渉光源２１４から可干渉光をビームスプリッタ２１
５によって２つに分け、一方の光はミラー２１６によっ
てステージ２１０に固定されたミラー２１７に反射させ
、反射光をビームスプリッタ２１５に再入射させる。他
方の光は、探針１０２の近傍に固定されたミラー２１８
に反射させビームスプリッタ２１５に再入射させる。ビ
ームスプリッタ２１５によって２つの反射光は再び合成
され干渉光としてフォトダイオード２１９に入射する。

この時ステージ２１０すなわち被測定パターン１０１と
探針１０２との横方向相対８勤により、フォトダイオー
ド２１９に入射する干渉光の明暗の強度変化が生じる０
例えば可干渉光の波長がλとすると相対移動量がλ／２
の場合に１周期分の明暗変化となる。従ってフォトダイ
オード２１９からの光強度変化信号２Ｃをカウントして
いく事により相対横方向移動量を１ナノメートルの精度
で読み取ることができる。このカウントを横方向移動量
検出回路２２０によって行なワて横方向移動量信号２ｄ
を得、線幅算出回路２１３では複数のエツジ検出信号２
ｂと横方向移動量信号２ｄをもとに、被測定パターン線
幅測定値を算出する。

本実施例におけるエツジ検出では探針縦方向位置制御手
段２０８への制御信号には高周波重畳装置２２１によっ
て所定周波数の高周波電圧が重畳されている。これによ
り探針１０２の前述縦方向高周波振動が行なわれる。検
出されるトンネル電流信号のうち、前記高周波電圧と同
位相の成分を同期検波回路２１１によって取り出すとそ
の出力信号２ａはトンネル電流信号の前述所定周波数成
分の振幅に対応する。このトンネル電流信号の所定周波
数成分は前述した様に被験物のエツジ部分で振幅変化す
るので、エツジ検出回路２１２でこの信号２ａの出力変
化を検出すれば、この検出信号をエツジ検出信号として
用いることができる。

この実施例においては、被測定パターンのエツジ上端部
を検出すべく、信号２ａの奇数回目の出力変化部は終端
で、偶数回目の出力変化部では始端でエツジ検出信号を
出力する様にしている。エツジ下端部、エツジ中央部を
検出する様にしても良い。尚、探針の位置制御に用いら
れるローパスフィルタ２０６は上述所定周波数（振動成
分）をカットする様に設定しである６通常この様な３７
Ｍ装置は全体を除震装置の上に置かれて使用される。し
かし、現状の除震装置では低周波の振動、具体的には数
Ｈｚの周波数の振動を除くのは困難である。従ってこの
振動に起因して、信号に数Ｈ２の周波数のノイズが発生
する可能性がある。本実施例で同期検波回路２１１によ
って取り出される信号成分周波数、即ち高周波重畳装置
２２１が重畳する高周波電圧の所定周波数の値を、この
ノイズよりも高く設定する。具体的には１００Ｈｚ以上
、例えば１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚに設定する事により
、この低周波ノイズの影響を排除したエツジ検出が可能
になる。

本実施例では可干渉光源として単一周波数レーザーを用
いたマイケルソン型光源干渉法を応用した例を示したが
ゼーマンレーザー等の周波直交偏光レーザーを用いた光
ヘテロダイン干渉法を応用してもよい。また本実施例で
は変調（高周波電圧）を加えたのは探針被挟物縦方向相
対位置制御手段であったが、これは探針被挟物横方向相
対位置制御手段でもよく、被測定パターンのエツジの角
度や表面状態、得られる探針の先端形状等の条件によっ
て使い分けもしくは両手法を同時に用いることが望まし
い。また本実施例における探針横方向移動量の検知方法
はなんら光干渉法に限定するものではなく特公昭５０−
２３６１７号公報、Ｏｐｌｕｓ　Ｅ　１９８Ｂ、７．Ｆ
８２に示されるような格子干渉法、特開昭５４−１５５
８３２号公報、光学１５　（１９８７）　１４５に示さ
れたようなＴＴＬ型アクティブオートフォーカス法を応
用した測長法、電気容量変化検知方法、先に出願したＳ
ＴＭを応用したエンコーダー等、長ストロークかつナノ
メートルオーグーの高分解能、高精度を有する測長方法
であれば種々のものが応用できる。

実施例２ 次に本発明の第２実施例について説明する。本実施例は
前述のエツジ検出の原理を用いたエンコーダ装置である
。

第４図は本発明の第２実施例に係るエンコーダ装置の構
成概略図である。以後、前述した部材と同じ符番を冠し
た部材は、前述のものと同様の部材である。図中５０５
はスケール側支持体、５０６は探針側支持体であり、両
者は１方が図面横方向に相対移動する２物体の１方に、
他方が他方に設けられている。探針１０２と支持体５０
５の間にはバイアス電圧が印加されている。第４図と同
方向から見た支持体５０５上のスケールの形状を第５図
に詳細に示す、４０１は原子や分子等の周期が一定かつ
既知の配列よりなる基準配列、４０２は基準配列４０１
の表面の一部に他の物質を付着させて所定間隔毎にエツ
ジ部分を形成した作成目盛りである。図面では同程度の
大きさで示しであるが実際は作成目盛４０２が基準配列
４０１の凹凸より充分大きい。第４図にもどりて、５０
２は探針１０２を相対移動距離検出方向（図面横方向）
に駆動する横方向駆動機構、５０１は横方向駆動機構の
制御装置である。

横方向駆動機構制御装置５０１によりｆＪａ方向検知の
ための周波数Ｆ１とエツジ検出のためのＦｌより高い周
波数Ｆ２の二つの周波数が重畳された制御信号が横方向
駆動機構５０２に与えられ、従って探針１０２はスケー
ル上を図面横方向に、周波数Ｆ１の振動と周波数Ｆ２の
振動を重畳した形で微小振動している。５０３は通過周
波数帯域がＦｌに合わせられたバンドパスフィルタ、５
０４はバンドパスフィルタ５０３からの出力を制御手段
５０１が出力する制御信号の周波数Ｆ１成分で位相検波
する為のロックインアンプ、５０７は通過周波数帯域が
Ｆ２に合せられたバンドパスフィルタ、５０８は通過周
波数帯域をＦｌより十分低く設定されたローパスフィル
タ、５０９はロツクインアンブ５０４、バンドパスフィ
ルタ５０７、探針縦方向位置制御回路２０７の出力から
相対移動距離を算出する演算器である。

次に演算器５０９による移動距離の測定方法について説
明する。トンネル電流検出回路２０５からの信号を入力
したバンドパスフィルタ５０３の出力信号がロックイン
アンプ５０４により周波数Ｆ１で位相検波される。その
信号の出力符号は例えば、支持体５０５に対し支持体５
０６が図面右側に移動すれば正、図面左側に移動すれば
負という様に相対Ｂ！ａ方向に対応する。（ただし、周
波数Ｆ１の探針の振動の振幅は基準配列の１つの凹凸の
幅以下である。）従って、ロックインアンプ５０４の出
力信号の符号からスケールのついた支持体５０５とプロ
ーブ電極のついた支持体５０６の相対的な移動の方向が
検出される。また通過周波数帯域がＦ２に合わせられた
バンドパスフィルター５０７の信号の変化をとらえれば
第１実施例で説明した原理で作成目盛４０２のエツジ部
分検出信号を得ることが出来る。即ち演算器５０９にて
トンネル電流信号の周波数Ｆ２成分の振幅の変動を検出
し、この変動検出信号を作成目盛４０２のエツジ部分検
出信号とする。ただし周波数Ｆ２の探針の振動の振幅は
基準配列の凹凸より充分大きくして基準配列の凹凸の側
部を検出しない様にしである。演算器５０９は又ロック
インアンプ５ｏ４の出力信号より得られた移動方向に基
づき、エツジ部分検出信号をカウントして大まかな相対
移動距離検出を行なう。

そして帯域が周波数Ｆ１よりも充分に低く設定されたロ
ーパスフィルター５０８によって分離された信号に基づ
き、探針縦方向位置制御回路２０７がその信号を一定に
しようとして探針縦方向位置制御手段２０８に向は出力
する制御信号の大ぎさが探針が対向する基準配列の凹凸
状態を示す事になる。この信号の振動数を移動方向に基
づいてカウントする事により作成目盛４０２の間隔以下
の分解能の相対移動量検出が可能となる。即ち作成目盛
の補間ができる。相対移動量が大きく大まかな移動量の
単時間計測が要求されるような場合にはエツジ検出信号
のカウントのみを行なえばよいがその場合にもエツジ検
出の信号のＳ／Ｎが高いため測定の精度が高くなる。

実施例３ 第６図は本発明の第３の実施例に係る線幅測定装置の構
成図、第７図はこの装置の各部における信号例を示す波
形図である。

この線幅測定装置は、第６図に示すように、導電性の被
測定パターンＩ　Ｉｏｔａが形成された被検物１１０１
を保持するステージ１１０９と、先端を被検物１１０！
に近接させて配置した導電性の探針１１０３と、探針１
１０３とステージ１１０９とを測定方向に駆動させるス
テージ駆動手段１１０８と、探針１１０３と被測定パタ
ーン１１０１ａ間に電圧を印加してトンネル電流を生じ
させるバイアス電源１１０２と、このトンネル電流を検
出するトンネル電流検出回路１１０５と、トンネル電流
検出回路１１０５によって検出されるトンネル電流が一
定となるように探針１１０３と被検物１１０１どの距離
を制御する探針縦方向位置制御回路１１０６および探針
縦方向位置制御手段１１０７と、探針縦方向位置制御回
路１１０６が出力する制御信号２ａに基づき被測定パタ
ーン１１０１ａのエツジを検出するエツジ検出回路１１
１０と、探針１１０３とステージ１１０９との測定方向
の相対駆動量を検出する手段である可干渉光源１１１２
、ビームスプリッタ１１１３、ミラー１１１４，１１１
５，１１１６、フォトダイオード１１１７および横方向
移動量検出回路１１１８と、横方向移動量検出回路１１
１８およびエツジ検出回路１１１０が出力する検出信号
１２ｄ、１２ｂに基づき検出された被測定パターン１１
０１ａのエツジ位置を算出して被測定パターンＩ　Ｉｏ
ｔａの線幅測定値１２ｅを出力する形状算出回路１１１
１とを備える。

この構成において、被測定パターン１１０１ａにバイア
ス電源１１０２によってバイアス電圧が印加され、被測
定パターン１１０１ａに対向して１ナノメートル以下の
距離に近接させた探針１１Ｏ３との間に流りるトンネル
電流１１０４がトンネル電流検出回路１１０５によって
検知される。

そして、検知されたトンネル電流が一定となるように、
探針縦方向位置制御回路１１０６および探針縦方向位置
制御手段１１０７によって探針１１０３の縦方向位置制
御が行なわれる。またこれと同時に、ステージ駆動手段
１１０８によってステージ１１０９が横方向に６動され
、探針１１０３の先端が被測定パターン１１０１ａを走
査する。

このときの探針の先端の軌跡は第７図の最上段に示すよ
うになる。そしてこの際に得られる探針縦方向位置制御
信号１２ａから、被測定パターン１１０１ａのエツジが
エツジ検出回路１１１０によつて検出され、複数のエツ
ジ検出信号１２ｂがれぞれ形状算出回路１１１１に出力
される。

一方、これと並行して、可干渉光源１１１２からの単一
周波数の可干渉光がビームスプリッタ１１１３によって
２つに分けられ、一方の光はミラー１１１４によってス
テージ１１０９に固定されたミラー！！１５に入射され
、その反射光がビームスプリッタ１１１３に再入射され
るとともに、他方の光が探針１１０３の近傍に固定され
たミラーＩ！１６に入射されその反射光がビームスプリ
ッタ１１１３に再入射される。そして、ビームスプリッ
タ１１１３によって２つの反射光は再び合成され、干渉
光としてフォトダイオード１１１７に入射する。このと
き、ステージ１１０９すなわち被測定パターン１１０１
ａと探針１１０３との横方向相対８動により、フォトダ
イオード１１１７に入射する干渉光に明暗の強度変化が
生じる。例えば、可干渉光の波長をλとすると、相対移
動量がλ／２の場合に１周期分の明暗変化となる。した
がって、フォトダイオード１１１７からの光強度変化信
号１２ｃをカウントしていくことにより、相対横力内務
動量を１ナノメートルの矛清度で読み取ることができる
。このカウントを、横方向移動量検出回路１１１８によ
って行なってその横方向移動量信号１２ｄが得られ形状
算出回路１１１１へ出力される。

形状算出回路１１１１では、複数のエツジ検出信号１２
ｂと横方向移動量信号１２ｄに基づき、被測定パターン
線幅測定値１２ｅが算出され出力される。この例では、
正のエツジ検出信号が発生してから負のエツジ検出信号
が発生するまでの横方向移動量信号の増加量によりパタ
ーン線幅値を測定し、その結果を出力する。

なお、本実施例では可干渉光源１１１２として、単一周
波数レーザを用いたマイケルソン型光波干渉法を応用し
た例を示したが、ゼーマンレーザ等の二周波直交偏光レ
ーザを用いた光ヘテロダイン干渉法を応用してもよい。

衷ｍ（Ｍ４ 第８図は本発明の第４の実施例に係る線幅測定装置の構
成図、第９図はこの装置の各部における信号例を示す波
形図である。

この装置の構成は、第８図に示すように、探針１１０３
とステージ１１０９との測定方向の相対駆動量を検出す
る手段の構成のみが第６図の装置と異なっており、この
相対駆動量検出手段は、ステージ１１０９に固定された
回折格子１３０２と、可干渉光源１１１２の出力光を回
折格子１３０２へ入射させるミラー１３０１と、回折格
子１３０２で回折された回折光を合成するために反射す
るミラー１３０３．１３０４と、ミラー１３０３．１３
０４で反射された回折光を合成してフォトダイオード１
１１７へ入射させるビームスプリッタ１３０５とを備え
る。

この構成において、可干渉光源１１１２からの可干渉光
はミラー１３０１によりて回折格子１３０２に入射され
、それによって得られる±ｎ次の回折光がミラー１３０
３．１３０４で反射されてビームスプリッタ１３０５に
入射すると、ビームスプリッタ１３０５によって２つの
回折光は合成され、干渉光としてフォトダイオード１１
１７に入射する。このとき、ステージ１１０９、すなわ
ち被測定パターン１１０１ａと探針１１０３との横方向
相対穆動によりフォトダイオード１１１７に入射する干
渉光に明暗の強度変化が生じる。例えば、相対移動量が
回折格子１３０２の１ピッチ分であったとすると、±１
次の回折光を干渉させる場合には、２周期分の明暗変化
となる。したがって、フォトダイオード１１１７が出力
する明暗の光強度変化信号１４ｃを、横方向移動量検出
回路１１１８によってカウントすることにより横方向８
！ＩＪ量信号１４ｄが得られ、これが形状算出回路１１
１３へ出力される。

形状算出回路１１１３ではこの横方向移動量信号１４ｄ
と、実施例３と同様にして得られる複数のエツジ検出信
号１４ｂとに基づき、第３実施例と同様にして被測定パ
ターン線幅測定値１４．８が算出され出力される。

なお、本実施例では可干渉光源１１１２として単一周波
数レーザを用いた格子干渉法との組み合わせの例を示し
たが、ゼーマンレーザ等の二周波直交偏光レーザを用い
た光ヘテロダイン法による格子干渉法と組み合わせても
よい。

衷Ｊしに 第１０図は本発明の第５の実施例に係る線幅測定装置の
構成図、第１１図はこの装置の各部における信号例を示
す波形図である。

この装置の構成も、第１０図に示すように、相対駆動量
検出手段の構成のみが第６図の装置と異なっており、こ
の相対駆動量検出手段は、光源１５０１と、ステージ１
１０９に固定されたミラー１５０３と、光源１５０１の
出力光をミラー１５０３に入射させるとともにその反射
光を透過させる対物レンズ１５０２と、その透過光を結
像させる結像レンズ１５０５と、その像の位置を検出す
る位置検出受光素子１５０６と、位置検出受光、素子１
５０６の中心位置より右側にある光量信号積分値と左側
のそれとの差信号１６ｃを横方向移動量検出回路１１１
８へ出力する差信号回路１５０７とを備える。

この構成において、光源１５０１からの平行光束は対物
レンズ１５０２に軸外入射され、その透過光はステージ
１１０９に固定されたミラー１５０３で反射される。こ
のとき、ミラー１５０３の位置が対物レンズ１５０２の
焦点近傍になるように対物レンズ１５０２の位置が調節
されている。

反射光束は対物レンズ１５０２を透過して再び平行光束
となり、ミラー１５０４、結像レンズ１５０５を経て、
位置検出受光素子１５０６の中心位置に入射する。この
とき、位置検出受光素子１５０６の中心位置は、結像レ
ンズ１５０５の焦点の位置にあるように調節されている
。ここで、ステージ１１０９すなわち被測定パターン１
１０１と探針１１０３との横方向相対６勤により、位置
検出受光素子１５０６への入射光束が入射方向に一対し
横方向に位置ずれをおこす、したがって、差信号回路１
５０７によって位置検出受光素子１５０６の中心位置よ
り右側にある光量信号積分値と左側のそれとの差信号１
６ｃが得られ、これをモニターすることにより、横方向
相対移動量を１ナノメートルの精度で読み取ることがで
きるので、横方向移動量検出回路１１１８によってその
横方向移動量信号ｌａｄを得、形状算出回路１１１１へ
出力する。形状算出回路１１１１では、この横方向移動
量信号ｌａｄと、第３の実施例と同様にして得た複数の
エツジ検出信号１６ｂとに基づき第３の実施例と同様に
して被測定パターン線幅測定値１６ｅが算出され出力さ
れる。

実施例６ 第１２図は本発明の第６の実施例に係る線幅測定装置の
構成図、第１３図はこの装置の各部における信号例を示
す波形図である。

この装置の構成も、第１２図に示すように、相対駆動量
検出手段の構成のみが第６図の装置と異なっており、こ
の相対駆動量検出手段は、ステージ１１０９に固定され
た極板１７０１と、探針１１０３に対して位置の固定さ
れた極板１７０３と、極板１７０１．１７０３間に交流
電圧を印加する交流電源１７０２と、極板１７０１．１
７０３間の電気容量を検出し電気容量信号１８ｃを横方
向移動量検出回路１１１８へ出力する電気容量検出回路
１７０４とを備える。

この構成において、交流電源１７０２によって極板１７
０１に交流電圧を印加し、極板１７０３との間の電気容
量が電気容量検出回路１７０４によって検知されるが、
その間にステージ１１０９すなわち被測定パターン１１
０１ａと探針１１０３とが横方向に相対８動すると、極
板１７０１゜１７０３間の電気容量が変化する。したが
って、電気容量信号１８ｃをモニターすることにより、
横方向相対移動量を１ナノメートルの精度で読み取るこ
とができるので、横方向移動量検出回路１１１８によっ
て横方向移動量信号１８ｄを得、形状算出回路１１１１
へ出力する。形状算出回路１１１１では、この横方向Ｂ
動量信号１８ｄと第３の実施例と同様にして得られる複
数のエツジ検出信号１８ｂとに基づき、第３の実施例と
同様にして被測定パターン線幅測定値１８ｅが算出され
出力される。

衷ＩＬユ 第１４図は本発明の第７の実施例に係る線幅測定装置の
構成図、第１５図はこの装置の各部における信号例を示
す波形図である。

この装置の構成も、第１４図に示すように、相対駆動量
検出手段の構成のみが第６図の装置と異なっており、こ
の相対駆動量検出手段は、ステージ１１０９に固定され
た導電性を有する基準目盛１９０１と、基準目盛１９０
１に対し１ナノメートル以下の距離で先端を近接させか
つ探針１１０３に対して位置が固定された探針１９０３
と、基準目盛１９０１と探針１９０３との間にバイアス
電圧を印加するバイアス電源１９０２と、基準目盛１９
０１と探針１９０３との間に流れるトンネル電流１９０
４を検知してトンネル電流信号１１０ｃを横方向移動量
検出回路１１１８へ出力するトンネル電流検出回路１９
０５とを備える。

この構成において、基準目盛１９０１にバイアス電圧を
印加し、探針１９０３と基準目盛１９０１との間に流れ
るトンネル電流１９０４がｌ−ンネル電流検出回路１９
０５によって検知されるが、その際にステージ１１０９
すなわち被測定パターン１１０１ａと探針１１０３との
横方向相対移動が生ずると、基準目盛１９０１のピッチ
の周器で、基準目盛１９０１と探針１９０３の間隔が変
化し、トンネル電流１９０４に強度変化が生じる０例え
ば、基準目盛１９０１として、グラファイトなどの導電
性結晶のへき開面表面の原子配列を用い、原子間距離が
０．２ナノメートルであったとすると、相対穆動量が０
．２ナノメートルの場合に１周期分の強度変化となる。

したがって、トンネル電流検出回路１９０５からのトン
ネル電流信号１１０Ｃから横方向相対移動量を１ナノメ
ートル以下の精度で読み取ることができるので、横方向
移動量検出回路１１１８はトンネル電流信号１１０ｃを
カウントして横方向移動量信号１１０ｄを得、形状算出
回路１１１１へ出力する。

形状算出回路１１１１ではこの横方向移動量信号１１０
ｄと、第３の実施例と同様にして得られる複数のエツジ
検出信号１１０ｂとに基づき、第３の実施例と同様にし
て被測定パターン線幅測定値１１０ｅが算出され出力さ
れる。

＄流側８ 第１６図は本発明の第８の実施例に係る線幅測定装置の
構成図、第１７図はこの装置の各部における信号例を示
す波形図である。

この線幅測定装置は、第１６図に示すように、絶縁性の
被測定パターン２１０１ａが形成された被検物２１０１
を保持するステージ２１１１と、端が固定され他端であ
る自由端に被検物２１０１からの作用力としての原子間
力２１０３を受ける突起部２１０２ａを有し被検物２１
０１に突起部２１０２ａを近接させて配置したレバー２
１０２と、レバー２１０２とステージ１１１とを測定方
向に駆動させるステージ駆動手段と、原子間力２１０３
をレバー２１０２の自由端の変位として検出する手段で
あるバイアス電圧２１０４、探針２１０５およびトンネ
ル電流検出回路２１０７と、これらによって検出される
作用力が一定となるようにレバー２１０２と被検物２１
０１との距離を制御する手段であるレバー縦方向位置制
御回路２１０８およびレバー縦方向位置制御手段２１Ｏ
９と、レバー縦方向位置制御回路２１０８が出力する制
御信号２２ａに基づき被測定パターン２１０１ａのエツ
ジを検出するエツジ検出回路と、レバー２１０２とステ
ージ２１１１との測定方向の相対駆動量を検出する手段
である可干渉光源２１１４、ビームスプリッタ２１１５
、ミラー２１１６．２１１７，２１１８、フォトダイオ
ード２１１９および横方向移動量検出回路２１２ｏと、
横方向移動量検出回路２１２０およびエツジ検出回路２
１１２が出力する検出信号２２ｄ、２２ｂに基づき検出
された被測定パターン２１０２ａのエツジ位置を得て被
測定パターン２１０１ａの線幅測定値２２ｅを出力する
形状算出回路２１１３とを備える。

この構成において、絶縁性被測定パターン２１０１ａと
これに対向して１ナノメートル以下の距離に近接させた
レバー２１ｏ２との間に働く原子間力２１０３によって
、レバー２１ｏ２に撓みが生じる。また、金属蒸着等に
よって導電性処理を施したレバー２１０２の裏面にバイ
アス電源２１０４によってバイアス電圧が印加され、レ
バ−２１０２裏面に対向して１ナノメートル以下の距離
に近接させた探針２１０５との間に流れるトンネル電流
２１０６がトンネル電流検出回路２１０７によって検知
される。そして、検知されたトンネル電流が一定となる
ように、すなわちレバー２１０２の撓み量が一定となる
ように、レバー縦方向位置制御回路２１０８およびレバ
ー縦方向位置制御手段２１ｏ９によってレバー２１ｏ２
の縦方向位置制御が行なわれる。またこれと同時にステ
ージ駆動手段２１１０によって、ステージ２１１１が横
方向に移動され、レバー２１ｏ２の突起部２１０２ａに
対して被測定パターン２１ｏ１を走査する。このときの
レバー先端の軌跡は第１７図再上段に示すようになる。

そしてこの際に得られるレバー縦方向位置制御信号２２
ａから、被測定パターン２１０１ａのエツジがエツジ検
出回路２１１２によって検出され、複数のエツジ検出信
号２２ｂがれぞれ形状算出回路２１１３に出力される。

エツジ検出回路２１１２は微分回路を含み、信号２２ａ
がエツジ部で出力変化を生じると、その変化速度に応じ
た出力（微分信号）を発生する。この変化速度対応信号
をエツジ信号として用いる。エツジ位置としては信号の
最大値の位置あるいは半値幅の中心位置などを用いる。

このエツジ検出信号２２ｂは走査するエツジの向きに応
じて、例えばエツジが第１７図上で右上がりなら正の信
号、左上がりなら負の信号となる。レバー２１０２の縦
方向の１位置を制御し、この制御信号から検出信号を得
る様にしているのでパターンの段差が大きくても突起と
パターンをぶつけずにすむ。

一方、これと並行して、可干渉光源２１１４ｈ１らの単
一周波数の可干渉光がビームスプリッタ２１１５により
て２つに分けられ、一方の光はミラー２１１６によって
ステージ２１１１に固定されたミラー２１１７に入射さ
れ、その反射光がビームスプリッタ２１１５に再入射さ
れるとともに、他方の光がレバー２１０２の近傍に固定
されたミラー２１１８に入射されその反射光がビームス
プリッタ２１！５に再入射される。そして、ビームスプ
リッタ２１１５によって２つの反射光は再び合成され、
干渉光としてフォトダイオード２１１９に入射する。こ
のとき、ステージ２１１１すなわち被測定パターン２１
０１ａとレバー２１０２との横方向相対移動により、フ
ォトダイオード２１１９に入射する干渉光に明暗の強度
変化が生じる。例えば、可干渉光の波長をλとすると、
相対移動量がλ／２の場合に１周期分の明暗変化となる
。したがって、フォトダイオード２１１９からの光強度
変化信号２２ｃをカウントしいくことにより、相対横方
向移動量を１ナノメートルの精度で読み取ることができ
る。このカウントを横方向移動量検出回路２１２ｏによ
って行なってその横方向移動量信号２２ｄが得られ形状
算出回路２１１３へ出力される。

形状算出回路２１１３では、複数のエツジ検出信号２２
ｂと横方向移動量信号２２ｄをもとに、被測定パターン
線幅測定値２２ｅが算出され出力される。この例では正
のエツジ検出信号が発生してから負のエツジ検出信号が
発生するまでの横方向移動量信号の増加量によりパター
ン線幅値を測定し、その結果を出力する。

なお、本実施例では可干渉光源２１１４として、単一周
波数レーザを用いたマイケルソン型光波干渉法を応用し
た例を示したが、ゼーマンレーザ等の二周波直交偏光レ
ーザを用いた光ヘテロダイン干渉法を応用してもよい。

衷ＪＪＬ且 第１８図は本発明の第９の実施例に係る線幅測定装置の
構成図、第１９図はこの装置の各部における信号例を示
す波形図である。

この装置の構成は、第１８図に示すように、レバー２１
０２とステージ２１１１との測定方向の相対駆動量を検
出する手段の構成のみが第１６図の装置と異なっており
、この相対駆動量検出手段は、ステージ２１１１に固定
された回折格子２３０２と、可干渉光源２１１４の出力
光を合成するためのミラー２３０３．２３０４と、ミラ
ー２３０３．２３０４で反射された回折光を合成してフ
ォトダイオード２１１９へ入射させるビームスプリッタ
２３０５とを備える。

この構成において、可干渉光源２１１４からの可干渉光
はミラー２３０１によって回折格子２３０２に入射され
、それによって得られる±ｎ次の回折光がミラー２３０
３．２３０４で反射されてビームスプリッタ２３０５に
入射すると、ビームスプリッタ２３０５によって２つの
回折光は合成され、干渉光としてフォトダイオード２！
！９に入射する。このとき、ステージ２１１１．すなわ
ち被測定パターン２１０１とレバー２１０２との横方向
相対移動によりフォトダイオード２１１９に入射する干
渉光に明暗の強度変化が生じる。例えば、相対移動量が
回折格子２３０２の１ピッチ分であったとすると、±１
次の回折光を干渉させる場合には、２周期分の明暗変化
となる。したがって、フォトダイオード２１１９が出力
する明暗の光強度変化信号２４ｃを、横方向移動量検出
回路２１２０によってカウントして横方向移動量信号２
４ｄが得られ、これが形状算出回路２１１３へ出力され
る。

形状算出回路２１１３ではこの横方向移動量信号２４ｄ
と、実施例８と同様にして得られる複数のエツジ検出信
号２４ｂとに基づき、実施例８と同様にして被測定パタ
ーン線幅測定値２４ｅが算出され出力される。

なお、本実施例では可干渉光源２１１４として単一周波
数レーザを用いた格子干渉法との組み合わせの例を示し
たが、ゼーマンレーザ等の二周波直交偏光レーザを用い
た光ヘテロダイン法による格子干渉法と組み合わせても
よい。

寒ｍ（［１旦 第２０図は本発明の第１０の実施例に係る線幅測定装置
の構成図、第２１図はこの装置の各部における信号例を
示す波形図である。

この装置の構成も、第２０図に示すように、相対駆動量
検出手段の構成のみが第１６図の装置と異なっており、
この相対駆動量検出手段は、光源２５０１と、ステージ
２１１１に固定されたミラー２５０３と、光源２５０１
の出力光をミラー２５０３に入射させるとともにその反
射光を透過させる対物レンズ２５０２と、その透過光を
結像させる結像レンズ２５０５と、その像の位置を検出
する位置検出受光素子２５０６と、位置ｒ、出出光光素
子５０６の中心位置より右側にある光量信号積分値と左
側のそれとの差信号２６ｃを横方向移動量検出回路２１
２０へ出力する差信号回路２５０７とを備える。

この構成において、光源２５０１からの平行光束は対物
レンズ２５０２に軸外入射され、その透過光はステージ
２１１１に固定されたミラー２５０３で反射させる。こ
のとき、ミラー２５０３の位置が対物レンズ２５０２の
焦点近傍になるように対物レンズ２５０２の位置が調節
されている。

反射光束は対物レンズ２５０２を透過して再び平行光束
となり、ミラー２５０４、結像レンズ２５０５を経て、
位置検出受光素子２５０６の中心位置に入射する。この
とき、位置検出受光素子２５０６の中心位置は、結像レ
ンズ２５０５の焦点の位置にあるように調節されている
。ここで、ステージ２１１１すなわち被測定パターン２
１０１とレバー２１０２との横方向相対移動により、位
置検出受光素子２５０６への入射光束が入射方向に対し
横方向に位置ずれをおこす、したがって、差信号回路２
５０７によって位置検出受光素子２５０６の中心位置よ
り右側にある光量信号積分値と左側のそれとの差信号２
６ｃが得られ、これをモニターすることにより、横方向
相対移動量を１ナノメートルの精度で読み取ることがで
きるので、横方向移動量検出回路２１２０によりてその
横方向移動量信号２６ｄを得、形状算出回路２１１３へ
出力する。形状算出回路２１１３では、この横方向移動
量信号２６ｄと、第８の実施例と同様にして得た複数の
エツジ検出信号２６ｂとに基づき第８の実施例と同様に
して被測定パターン線幅測定値２６ｅが算出され出力さ
れる。

夾ＪＬＬＬ± 第２３図は本発明の第１１の実施例に係る線幅測定装置
の構成図、第２３図はこの装置の各部における信号例を
示す波形図である。

この装置の構成も、第２２図に示すように、相対駆動量
検出手段の構成のみが第１６図の装置と異なっており、
この相対駆動量検出手段は、ステージ２１１１に固定さ
れた極板２７０１と、レバー２１０２に対して位置の固
定された極板２７０３と、極板２７０１，２７０３間に
交流電圧を印加する交流電源２７０２と、極板２７０１
．２７０３間の電気容量を検出し電気容量４８号２８ｃ
を横方向移動量検出回路２１２０へ出力する電気容量検
出回路２７０４とを備える。

この構成において、交流電源２７０２によって極板２７
０１に交流電圧を印加し、極板２７０３との間の電気容
量が電気容量検出回路２７０４によって検知されるが、
その間にステージ２１２１１すなわち被測定パターン２
１０１とレバー２１０２とが横方向に相対移動すると、
極板２７０１．２７０３間の電気容量が変化する。した
がって、電気容量信号２８ｃをモニターすることにより
、横方向相対移動量を１ナノメートルの精度で読み取る
ことができるので、横方向移動量検出回路２１２０によ
って横方向移動量信号・２８ｄを得、形状算出回路２１
１３へ出力する。

形状算出回路２１１３では、この横方向移動量信号２８
ｄと第８の実施例と同様にして得られる複数のエツジ検
出信号２８ｂとに基づき、第８実施例と同様にして被測
定パターン線幅測定値が算出され出力される。

夾ｔｆ＆　（５１ｔユ 第２４図は本発明の第１２の実施例に係る線幅測定装置
の構成図、第２５図はこの装置の各部における信号例を
示す波形図である。

この装置の構成も、第２４図に示すように、相対駆動量
検出手段の構成のみが第１６図の装置と異なっており、
この相対駆動量検出手段は、ステージ２１１１に固定さ
れた導電性を有する基準目盛２９０１と、基準目盛２９
０１に対し１ナノメートル以下の距離で先端を近接させ
かつレバー２１０２に対して位置が固定された探針２９
０３と、基準目盛２９０１と探針２９０３との間にバイ
アス電圧を印加するバイアス電源２９０２と、基準目盛
２９０１と探針２９０３との間に流れるトンネル電流２
９０４を検知してトンネル電流信号２１０ｃを横方向移
動量検出回路２１２０へ出力するトンネル電流検出回路
２９０５とを備える。

この構成において、基準目盛２９０１にバイアス電圧を
印加し、探針２９０３と基準目盛２９０１との間に流れ
るトンネル電流２９０４がトンネル電流検出回路２９０
５によって検知されるが、その際にステージ２１１１す
なわち被測定パターン２１０１とレバー２１０２との横
方向相対移動が生ずると、基準目盛２９０１のピッチの
周期で基準目盛２９０１と探針２９０３の間隔が変化し
、トンネル電流２９０４に強度変化が生じる。

例えば、基準目盛２９０１として、グラファイトなどの
導電性結晶のへき開面表面の原子配列を用い、原子間距
離が０．２ナノメートルであったとすると、相対移動量
が０．２ナノメートルの場合に１周期分の強度変化とな
る。したがって、トンネル電流検出回路２９０５からの
トンネル電流信号２１０Ｃから横方向相対移動量を１ナ
ノメートル以下の精度で読み取ることができるので、横
方向移動量検出回路２１２０はトンネル電流信号２１０
ｃをカウントして横方向移動量信号２１０ｄを得、形状
算出回路２１１３へ出力する。

形状算出回路２１１３ではこの横方向移動量信号２１０
ｄと、第８の実施例と同様にして得られる複数のエツジ
検出信号２１０ｂとに基づき、第８の実施例と同様にし
て被測定パターン線幅測定値２１０ｅが算出され出力さ
れる。

釆１」［と旦 第２６図は本発明の第１３の実施例に係る線幅測定装置
の構成図、第２７図はこの装置の各部における信号例を
示す波形図である。

この装置の構成は、第２６図に示すように、原子間力２
１０３をレバー２１０２の自由端の変位として検出する
作用力検出手段の構成のみが第１６図の装置と異なって
おり、この作用力検出手段は、同図に示すように、可干
渉光源２１１４が出力する可干渉光を、ビームスプリッ
タ３１０１およびミラー３１０２を経てビームスプリッ
タ２１２１０３に入射させ２つに分割してそれぞれレバ
ー２１０２の自由端及びレバー２１０２の固定部に固定
されたミラー２１０４に照射し反射させそしてビームス
プリッタ３１０３により再び合成する光学手段と、この
光学手段により合成された干渉光を検出するフォトダイ
オード３１０５と、フォトダイオード３１０５が出力す
る光強度信号に基づきレバー２１０２の自由端の変位量
（縦方向移動量）を検出してレバー縦方向位置制御回路
２１０８へ出力するするレバー縦方向移動量検出回路３
１０６とを備える。

この構成において、絶縁性被測定パターン２１０１に対
向して、１ナノメートル以下の距離に近接させたレバー
２１０２との間に働く原子間力２１０３によって、レバ
ー２１０２に撓みが生じることは上述したとおりである
。そして、ビームスプリッタ２１１５を介して入射され
る可干渉光源２１１４からの可干渉光はビームスプリッ
タ３１０１およびミラー３１０２を経てビームスプリッ
タ３１０３に入射され、これにより２つに分けられた光
の一方はレバー２１０２の裏面で反射され、他方はミラ
ー３１０４で反射されて、再びビームスプリッタ３１０
３で合成されてその干渉光がフォトダイオード３１０５
に入射している。

この干渉光は、撓みによるレバー２１０２の上下動によ
り明暗の強度変化が生じるが、これはフすトダイオード
３１０５によって検出されそれに基づきレバー縦方向移
動量検出回路３１０６において光強度が検知される。そ
して、この検知光強度が一定となるように、すなわちレ
バー２！０２の撓み量すなわち原子間力２１０３が一定
となるようにレバー縦方向位置１ＩＩＩＪ御回路２１０
８およびレバー縦方向位置制御手段２１０９によフて、
レバー２１０２の縦方向位置制御が行なわれる。したが
って、ステージ駆動手段２１１ｏによって、ステージ２
１１１を横方向に６劾させ、レバー２１０２の突起部で
被測定パターン２１ｏ１を走査すると、パターンの凹凸
により原子間力２１ｏ３か変化してレバー２１ｏ２の自
由端が変位するので、この時レバー縦方向位置制御回路
２１０８が出力するレバー樅方向位置制御信号２１２ａ
は被測定パターン２１ｏ１のエツジの情報を含んでおり
、これに基づき被測定パターン２１ｏ１のエツジが第８
図の実施例と同様にエツジ検出回路２１１２によって検
出され、複数のエツジ検出信号２１２ｂがそれぞれ形状
算出回路２１１３に出力される。

形状算出回路２１１３では、この複数のエツジ検出信号
２１２ｂと、第８の実施例と同様にして得られる横方向
移動量信号２１２ｄとに基づぎ、第８の実施例と同様に
して被測定パターン！Ｓ幅測定値２１２ｅが算出され出
力される。

なお、本実施例では可干渉光源２１１４として、単一周
波数レーザを用いたマイケルソン型光波干渉法を応用し
た例を示したが、ゼーマンレーザ等の二周波直交偏光レ
ーザを用いた光ヘテロダイン干渉法を応用してもよい、
また、被測定パターン２１０１とレバー２１０２の相対
移動量検知方法として、光波干渉法を応用した例を示し
たが、第９〜第１２の実施例に示したような、格子干渉
法、ＴＴＬアクティブ・オート・フォーカス法、電気容
量変化を検知する方法、トンネル電流を用いた相対位置
検知法を応用してもよい。

犬！０１１４ 第２８図は本発明の第１４の実施例に係る線幅測定装置
の構成図、第２９図はこの装置の各部における信号例を
示す波形図である。

この装置の構成は、第２８図に示すように、レバー２１
０２に働く作用力として磁力３３０１を用いており、被
測定パターン２１０１およびレバー２１０２は磁性を有
する点が第８の実施例の場合と異なり、レバー２１０２
の突起部２１０２ａは被測定パターン２１０１に対向し
て、１ナノメートル以下の距離に近接させて配置される
。他の部分の構成および作用は第８の実施例の場合と同
様である。

したがってこの場合は、ステージ２１１１を横方向に移
動させレバー２１０２で被測定パターン２１０１を走査
した場合に変化する磁力３３０１によって生ずるレバー
２１０２の自由端の変位が検出され、これが一定となる
ように制御される。

そして、第８の実施例の場合と同様、にして得られる複
数のエツジ検出信号２１４ｂと横方内容“動量信号２１
４ｄとに基づき、形状算出回路２１１３によって被測定
パターン線幅測定値２１４ｅが算出され出力される。

なお、本実施例では可干渉光源２１１４として、単一周
波数レーザを用いたマイケルソン型光波干渉法を用いて
いるが、ゼーマンレーザ等の二周波直交偏光レーザを用
いた光ヘテロダイン干渉法を応用してもよい。また、被
測定パターン２１０１とレバー２１０２の相対移動量検
知方法として、光波干渉法を用いているが、第９〜第１
２の実施例に示したような格子干渉法、ＴＴＬアクティ
ブ・オート・フォーカス法、電気容量変化を検知する方
法、あるいはトンネル電流を用いた相対位置検知法を応
用してもよい、また、レバー２１０２の上下方向の撓み
を検知する手段として、トンネル電流を用いているが、
第８〜第１２の実施例に示したような光波干渉法を用い
てもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、ＳＴＭ、ＡＦＭあ
るいはＭＦＭの原理を応用して、導電体を有する被測定
パターンと探針との間のトンネル電流、または絶縁体の
もしくは磁性を有する被測定パターンとレバーとの間に
働く原子間力や磁力を検知するようにしたため、エツジ
検知を０．１ナノメートルの横分解能で行なうことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一態様におけるエツジ検出原理を示す
原理説明図、 第２図は本発明の第１実施例の線幅測定装置の構成図、 第３図は同装置の各部の信号例を示す波形図、第４図は
本発明の第２実施例のエンコーダ装置の構成図、 第５図は同装置のスケールの形状詳細図、第６図は本発
明の第３実施例の線幅測定装置の構成図、 第７図は同装置の各部の信号例を示す波形図、第８図は
本発明の第４実施例の線幅測定装置の構成図、 第９図は同装置の各部の信号例を示す波形図、第１０図
は本発明の第５実施例の線幅測定装置の構成図、 第１１図は同装置の各部の信号例を示す波形図、 第１２図は本発明の第６実施例の線幅測定装置の構成図
、 第１３図は同装置の各部の信号例を示す波形図、 ′ｓ１４図は本発明の第７実施例の線幅測定装置の構成
図、 第１５図は同装置の各部の信号例を示す波形図、 第１６図は本発明の第８実施例の線幅測定装置の構成図
、 第１７図は同装置の各部の信号例を示す波形図、 第１８図は本発明の第９実施例の線幅測定装置の構成図
、 第１９図は同装置の各部の信号例を示す波形図、 第２０図は本発明の第１０実施例の線幅測定装置の構成
図、 第２１図は同装置の各部の信号例を示す波形図、 第２２図は本発明の第１１実施例の線幅測定装置の構成
図、 ３Ｉ２３図は同装置の各部の信号例を示す波形図、 第２４図は本発明の第１２実施例の線幅測定装置の構成
図、 第２５図は同装置の各部の信号例を示す波形図、 第２６図は本発明の第１３実施例の線幅測定装置の構成
図、 第２７図は同装置の各部の信号例を示す波形図、 第２８図は本発明の第１４実施例の線幅測定装置の構成
図、そして 第２９図は同装置の各部の信号例を示す波形図、である
。 １０２．１１０３，２１０５：探針、２１０２ニレバー
　２０５，１１０５．２１０７：トンネル電流検出回路
、２１２．１１１０．２１１２：エツジ検出回路。 第 図 ９３− 第２１図 第２３図

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）被検面上に存在するエッジ部分を検出する装置で
   、被検面に沿って相対的に移動する探針と、前記探針と
   被検面との間に発生する作用力あるいはトンネル電流を
   検出する検出手段と、前記検出手段が検出した作用力あ
   るいはトンネル電流に基づいて被検面上のエッジ部を検
   出するエッジ検出手段とを有することを特徴とするエッ
   ジ検出装置。
2. （２）更に前記検出手段の出力信号を一定にするよう探
   針の位置を制御する探針位置制御手段を有することを特
   徴とする請求項１記載のエッジ検出装置。
3. （３）前記検出手段は前記探針位置制御手段の制御信号
   の微分信号よりエッジを検出することを特徴とする請求
   項２記載のエッジ検出装置。
4. （４）更に前記探針を所定周波数で所定方向に振動させ
   る振動手段を有し、前記エッジ検出手段は前記振動手段
   による探針振動時の前記検出手段の出力信号の所定周波
   数成分の振幅変化に基づいてエッジ部を検出することを
   特徴とする請求項１記載のエッジ検出装置。
5. （５）更に前記検出手段の出力信号の前記所定周波数成
   分を除いた成分を一定にするよう探針の位置を制御する
   探針位置制御手段を有することを特徴とする請求項４記
   載のエッジ検出装置。
6. （６）前記振動手段は前記探針を被検、面方向に振動す
   ることを特徴とする請求項４記載のエッジ検出装置。
7. （７）前記振動手段は前記探針を被検面に平行な方向に
   振動することを特徴とする請求項４記載のエッジ検出装
   置。
8. （８）前記検出手段は作用力として前記探針と被検面と
   の間に発生する原子間力を検出することを特徴とする請
   求項１記載のエッジ検出装置。
9. （９）前記検出手段は作用力として前記探針と被検面と
   の間に発生する磁力を検出することを特徴とする請求項
   １記載のエッジ検出装置。
10. （１０）更に前記探針と被検面との被検面に沿った相対
    移動距離を検出する距離検出手段を有することを特徴と
    する請求項１記載のエッジ検出装置。
11. （１１）前記距離検出手段は光干渉計を有し、光の波長
    に関連した単位距離毎に信号を発生することを特徴とす
    る請求項１０記載のエッジ検出装置。
12. （１２）更に前記エッジ検出手段と距離検出手段との検
    出結果に基づいて被検面上に設けられたパターンの線幅
    を検出する線幅検出手段を有することを特徴とする請求
    項１０記載のエッジ検出装置。
13. （１３）更に前記探針と被検面との被検面に沿った相対
    移動距離を検出する距離検出手段を有することを特徴と
    する請求項２記載のエッジ検出装置。
14. （１４）更に前記エッジ検出手段の検出結果に基づいて
    前記探針と被検面との被検面に沿った相対移動距離を検
    出する移動距離検出手段を有することを特徴とする請求
    項１記載のエッジ検出装置。