JPH0629686B2 - 物体検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、物体面を光学的に走査する走査光学系と該物
体面からの反射光を検出する検出光学系とを備え、光学
的に走査された該物体面からの反射光を検知することに
よって物体を検出する物体検出装置に関する。

（発明の背景） 従来、この種の物体検出装置としては、例えば、集積回
路等の微小パターンの線幅を光学的に測定する微小線幅
測定装置がある。

この微小線幅測定装置は、レーザー光束を供給し、該レ
ーザー光束を前記微小パターン面（物体面）上で走査す
る走査光学系と、該物体面で反射されたレーザー光束を
検出する検出光学系とを備え、レーザー光束を物体面上
で走査し、該物体面からの反射光を前記検出光学系で検
出することにより前記微小パターンの微小線幅を測定す
るものである。

しかしながら、上記従来の微小線幅測定装置では、前記
走査光学系ないし前記検出光学系の光路中に光路分岐用
の半透過部材として例えばハーフミラーを介装したり、
前記走査光学系中に像回転手段としての梯形プリズムを
配設したりするが、（１）該ハーフミラーに製造誤差等
によってクサビ角がついてしまった場合すなわち入射面
と射出面とが互いに非平行となってしまった場合、ある
いは（２）前記梯形プリズムが、製造誤差等によりその
入射面と射出面とのなす角度が９０度よりズレてしまっ
た場合すなわち該梯形プリズムがクサビ角のある平行平
面部材とみなされる場合等には、前記ハーフミラーある
いは梯形プリズムに入射する光束のふれ角の微小変化に
対してこれらの光学部材から射出する光束の射出角の変
化は等倍でなくなり、見かけ上倍率が変化してしまい、
この倍率誤差によって前記微小パターンの線幅の測定精
度が低下してしまうので、該測定精度を高くするために
は、前記ハーフミラーの入射面と射出面とが互いに平行
となるようにあるいは前記梯形プリズムの入射面と射出
面とのなす角度が９０度となるようにこれらの光学部材
を高い精度で加工しなければならず、加工が難しく、製
造コストが増大してしまうという問題点があった。

（発明の目的） 本発明は、このような従来の問題点に着目して成された
もので、光学部材のクサビ角によって生じる倍率誤差を
補正することによって上記問題点を解決することを目的
としている。

（発明の概要） かかる目的を達成するための本発明の要旨は、物体面を
光学的に走査する走査光学系と該物体面からの反射光を
検出する検出光学系とを備え、光学的に走査された該物
体面からの反射光を検知することによって物体を検出す
る物体検出装置において、前記走査光学系および検出光
学系中に配置された光学部材のクサビ角によって生じる
倍率誤差を補正する倍率補正手段を設け、該倍率補正手
段を、前記走査光学系による物体面上での走査方向を検
出する走査方向検出部と、該走査方向検出部により検出
された各走査方向に応じた倍率誤差に基づき前記各走査
方向での補正された倍率を決定する倍率決定部とで構成
したことを特徴とする物体検出装置に存する。

そして、上記物体検出装置では、前記倍率補正手段が光
学部材のクサビ角によって生じる前記倍率誤差を補正す
るように成っている。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示しており、第１
図は一実施例に係る微小線幅測定装置を示す概略的な光
学系の配置図で、第２図は第１図に示された光路分岐用
の半透過部材の拡大図である。

第１図に示すように、物体検出装置としての微小線幅測
定装置２には、レーザー光束３を供給し、該レーザー光
束３を被測定面４（物体面）上で走査する走査光学系５
と、被測定面４からの散乱光（例えば、集積回路等の微
小パターンのエッジからの散乱光）６を検出する検出器
７と、被測定面４からの正反射光を検知する測定光学系
（物体面からの反射光を受ける検出光学系）８と、被測
定面４を目視するための観察光学系（物体面からの反射
光を受ける検出光学系）９とから構成されている。

走査光学系５と測定光学系８との間には光路分岐用の半
透過部材としてハーフミラー１２が後述する走査手段５
１からのレーザー光束に対して４５度傾けて、また走査
光学系５と観察光学系９との間には光路分岐用の半透過
部材としてダイクロイックミラー１３が後述する梯形プ
リズム５３からのレーザー光束に対して４５度傾けてそ
れぞれ介装されている。

前記走査光学系５は、公知の走査手段５１と、ミラー５
２と、像回転手段としての梯形プリズム５３と、対物レ
ンズ５４とから構成されており、レーザー光束３から微
小なレーザースポツトを形成して被測定面４上に結像
し、該レーザースポットで被測定面４を任意の方向で走
査するように成っている。

前記測定光学系８は、ハーフミラー１２で反射された被
測定面４からの正反射光（レーザー光束）を受ける結像
レンズ８１と、結像レンズ８１からの光束を反射するミ
ラー８２と、ミラー８２からの反射光を受ける光電変換
器等の検出器８３とから構成されている。

前記観察光学系９は、観察用照明光束９１をダイクロイ
ックミラー１３に向けて反射するハーフミラー９２と、
被測定面４およびダイクロイックミラー１３からの反射
光を観察像面９４上に結像する結像レンズ９３とから構
成されている。

なお、走査光学系５と観察光学系９との間には光路分岐
用の半透過部材としてダイクロイックミラー１３が使用
されているので、被測定面４からの正反射光のうち、レ
ーザー光束はダイクロイックミラー１３で反射されずに
該ダイクロイックミラー１３を透過し、前記観察用照明
光束のみがダイクロイックミラー１３で反射されて前記
ハーフミラー９２、結像レンズ９３に向かうように成っ
ている。

第２図に示すように、前記ダイクロイックミラー１３
は、製造誤差によりその２つの半透過面（入射面１３
ａ，射出面１３ｂ）が僅かなクサビ角αを成して互いに
非平行に形成されている。

なお、このクサビ角αは実際は僅かであり、第２図では
説明の便宜上誇張して示してある。

また、前記ハーフミラー１２も、ダイクロイックミラー
１３と同様に製造誤差によりその入射面１２ａと射出面
１２ｂとが僅かなクサビ角αを成して互いに非平行に形
成されている。

次に、前記ハーフミラー１２およびダイクロイックミラ
ー１３のクサビ角αによって生じる倍率誤差を補正して
前記微小パターンの線幅測定データーを算出するデータ
ー処理回路について第３図を参照して説明する。

このデーター処理回路は、前記ハーフミラー１２および
ダイクロイックミラー１３のクサビ角αによって生じる
倍率誤差を補正し、補正された倍率（β・βθ）を出力
する倍率補正手段３０と、前記検出器８３からの出力に
基づいてレーザービームの走査量（ｌ）を出力する走査
量検出部３１と、倍率補正出力３０からの補正された倍
率（β・βθ）および走査量検出部３１からのレーザー
ビームの走査量（ｌ）から前記微小パターンの線幅の測
定データー（Ｌ）を演算して出力する演算部３２とから
構成されている。

第３図に示すように、前記倍率補正出力３０は、被測定
面４上での走査方向（被測定面４上での走査方向角度
θ）を梯形プリズム５３の回転動作に関連させて検出す
る走査方向検出部３３と、該走査方向検出部３３により
検出された各走査方向（角度θ）に応じた倍率誤差（Ｘ
方向の倍率誤差εｘおよびＹ方向の倍率誤差εｙ）を出
力する倍率誤差出力部３４と、該倍率誤差出力部３４か
らの倍率誤差（εｘ、εｙ）に基づき前記各走査方向で
の補正された倍率（β・βθ）を決定して出力する倍率
決定部３５とから構成されている。

以下、上記構成を有する微小線幅測定装置２の作用を説
明する。

平行なレーザービーム３は走査手段５１により走査され
た後、ハーフミラー１２を透過してミラー５２で反射さ
れる。ミラー５２からの反射光は梯形プリズム５３によ
り像回転作用を受けた後、ダイクロイックミラー１３を
透過して対物レンズ５４により被測定面４に集光され、
微小なレーザースポットが被測定面４上に形成される。
したがって、該微小なレーザースポットにより被測定面
４が任意の方向で走査される。

また、前記観察光学系９からの観察用照明光束９１がダ
イクロイックミラー１３で反射されて対物レンズ５４に
入射し、該対物レンズ５４により被測定面４上に集光さ
れる。

被測定面４からの散乱光（例えば、集積回路等の微小パ
ターンのエッジからの散乱光）６は検出器７で検出さ
れ、該微小パターンの線幅が測定される。

一方、対物レンズ５４を通過した被測定面４からの正反
射光のうち、レーザー光束はダイクロイックミラー１３
で反射されずに該ダイクロイックミラー１３を透過し、
前記観察用照明光束はダイクロイックミラー１３で反射
されて前記ハーフミラー９２、結像レンズ９３に向か
う。

被測定面４からの正反射光のうちのレーザー光束は、ダ
イクロイックミラー１３、梯形プリズム５３を透過し、
ミラー５２で反射された後、ハーフミラー１２で反射さ
れて測定光学系８の結像レンズ８１に入射する。

結像レンズ８１からの射出光は、ミラー８２で反射され
て検出器８３に送られる。この検出器８３により被測定
面４の明暗の差（反射率の差）に応じた信号が得られ、
これに基づいて適切なスライスレベルが設定され、線幅
測定がなされる。

被測定面４からの正反射光のうちの観察用照明光束は、
対物レンズ５４を透過した後、ダイクロイックミラー１
３で反射されて観察光学系９に送られる。

ダイクロイックミラー１３で反射された観察用照明光束
は、ハーフミラー９２を透過し、結像レンズ９３により
観察像面９４上に集光される。これによって、観察像面
９４上で被測定面４の観察が可能となる。

次に、レーザー光束がハーフミラー１２あるいはダイク
ロイックミラー１３に入射した場合の作用について説明
する。

第２図に示すように、ダイクロイックミラー１３に入射
するレーザー光束の入射角を（π／４＋ε）、ダイクロ
イックミラー１３のクサビ角をα、ダイクロイックミラ
ー１３からのレーザー光束の射出角をθ３、レーザー光
束の屈折角をθ１、θ２とすると、 ｎ sinθ１＝sin（π／４＋ε） …（１） ｎ sin（θ１＋α）＝sinθ３ ∵θ２＝θ１＋α …（２） の関係が成りたつ。

上記（１）および（２）式より となる。

この（３）式から上記（１）および（２）式を用いてθ
１、θ３を消去し、さらにε＜＜１の条件およびα＜＜
１の条件を用いてεおよびαについて２次以上の項を無
視すれば、上記（３）式は、次式のように近似できる。

この（４）式から、α＝０つまりクサビ角が０の時に
は、ｄθ３／ｄε＝１となり、εの微小変化に対し射出
角θ３の変化は等しいと言えるが、クサビ角αが０でな
い場合すなわち入射面１３ａと射出面１３ｂとが互いに
非平行である場合には、εの微小変化に対し射出角θ３
の変化は等倍でなくなり、見かけ上倍率が変化すること
が理解される。

このようにレーザー光束がダイクロイックミラー１３に
入射した場合と同様のことが、レーザー光束がハーフミ
ラー１２に入射した場合についても言える。

すなわち、ハーフミラー１２のクサビ角αが０でないの
で、εの微小変化に対し射出角θ３の変化は等倍でなく
なり、見かけ上倍率が変化する。

上式（４）より、ハーフミラー１２およびダイクロイッ
クミラー１３にそれぞれクサビ角があるため、走査によ
るレーザー光束のふれΔεは、ハーフミラー１２あるい
はダイクロイックミラー１３を通過後に の角度を持つことになる。

ここで、α、ｎはそれぞれ一定であり、前記ハーフミラ
ー１２およびダイクロイックミラー１３においてそれぞ
れ生じる倍率誤差を計算によりソフト的に補正するため
に前記倍率補正手段３０が設けられている。

この倍率補正手段３０は、実際の装置では光路分岐用の
半透過部材が複数個あり、各半透過部材のクサビ角の方
向がまちまちであるので、Ｘ、Ｙ両方向の倍率誤差を別
々に補正し、任意角θ方向の倍率誤差についてはＸ、Ｙ
両方向の倍率誤差のベクトル和で補正するように成って
いる。

ここで、Ｘ方向の倍率誤差をεｘ，Ｘ方向の倍率をβ
ｘ，Ｙ方向の倍率誤差をεｙ，Ｙ方向の倍率をβＹとす
れば、 βｘ＝１＋εｘ βｙ＝１＋εｙ であるから、任意の角度方向θでの倍率βθは次のよう
に表わすことができる。

次に、第３図に基づきデーター処理回路の動作について
説明する。

前記倍率補正手段３０の走査方向検出部３３は、前記梯
形プリズム５３による被測定面４上での走査方向（被測
定面４上での走査方向角度θ）を梯形プリズム５３の回
転動作に関連して検出する。

前記倍率誤差出力部３４は、走査方向検出部３３により
検出された各走査方向（角度θ）に応じた倍率誤差（Ｘ
方向の倍率誤差εｘおよびＹ方向の倍率誤差εｙ）を出
力する。

前記倍率決定部３５は、倍率誤差出力部３４からの倍率
誤差（εｘ、εｙ）に基づき上記（５）式により任意の
走査方向角θでの倍率βθを演算し、かつ該任意角θの
倍率βθに倍率補正前の光学系の倍率βを乗じることに
より、前記各走査方向での補正された倍率（β・βθ）
を決定して前記演算部３２に出力する。

前記走査量検出部３１は、走査手段５１からのレーザー
ビームの走査量（ｌ）を演算部３２に出力する。

この演算部３２は、倍率補正手段３０の補正された倍率
（β・βθ）と走査手段５１からのレーザービームの走
査量（ｌ）とから下式（６）の演算を行ない、前記微小
パターンの線幅の測定データー（Ｌ）を出力する。

Ｌ＝β・βθ・ｌ …（６） このようにして、第３図に示すデーター処理回路は、前
記ハーフミラー１２およびダイクロイックミラー１３の
クサビ角αによって生じる倍率誤差を補正して前記微小
パターンの線幅測定データー（Ｌ）を算出する。

なお、上記実施例においては、光路分岐用の半透過部材
としてのハーフミラー１２やダイクロイックミラー１３
のクサビ角によって生じた倍率誤差を補正するよう構成
しているが、前記梯形プリズム５３の入射面と射出面と
のなす角度が製造誤差により９０度よりズレてしまった
場合に生じる倍率誤差についても、上記と同様に補正す
ることができる。

すなわち、梯形プリズム５３の入射面と射出面とのなす
角度が製造誤差により９０度よりズレてしまった場合に
は、この梯形プリズム５３はクサビ角のある平行平面部
材とみなすことができるので、この梯形プリズム５３に
おいても前記ハーフミラー１２およびダイクロイックミ
ラー１３によって生じるのと同様の倍率誤差が生じてし
まう。

この該率誤差についても、上記ハーフミラー１２やダイ
クロイックミラー１３の場合と同様にＸ方向とＹ方向と
を別々に補正すればよく、これによつて梯形プリズム５
３のＸ方向およびＹ方向の寸法誤差を吸収することがで
きる。（このようにすることによって、ダイクロイック
ミラー１３の製造が容易となる。） なお、前記ハーフミラー１２、ダイクロイックミラー１
３等の光学部材にレーザー光束の干渉を防止するために
クサビ角を意図して持たせることもあり、このような場
合においても上記実施例の場合と同様に前記倍率誤差を
補正できることは言うまでもない。

また、上記実施例では、Ｘ方向の倍率誤差およびＹ方向
の倍率誤差を補正できるように構成したが、上記実施例
とは異なり非測定面４を特定の方向にそってのみ走査す
る場合には、この一方向における倍率誤差のみを補正す
るように構成すれば良いことは言うまでもない。

さらに、本発明は、レーザー光束を用いた上記微小線幅
測定装置のような物体検出装置に限られるものではな
く、光学的に寸法を測定する装置全般に応用できる。

（発明の効果） 本発明に係る物体検出装置によれば、前記倍率補正手段
が光学部材のクサビ角によって生じる前記倍率誤差を補
正することができるので、測定精度を高くするために該
光学部材を高い精度で加工する必要がなく、製造コスト
を低減できる。

さらに、前記倍率補正手段を、２方向の各倍率誤差に基
づき補正された倍率を出力可能に構成することにより、
任意方向の寸法誤差によって生じる倍率誤差を補正する
ことができ、実際上極めて有効な物体検出装置を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明の一実施例を示しており、第
１図は一実施例に係る微小線幅測定装置を示す概略的な
光学系の配置図、第２図は第１図に示された光路分岐用
の半透過部材の拡大図、第３図はデーター処理回路を示
すブロック図である。 ２…微小線幅測定装置（物体検出装置） ４…被測定面（物体面） ５…走査光学系 ８…測定光学系（検出光学系） ９…観察光学系（検出光学系） １２ａ…入射面（半透過面） １２ｂ…射出面（半透過面） １３ａ…入射面（半透過面） １３ｂ…射出面（半透過面）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】物体面を光学的に走査する走査光学系と該
   物体面からの反射光を検出する検出光学系とを備え、光
   学的に走査された該物体面からの反射光を検知すること
   によって物体を検出する物体検出装置において、前記走
   査光学系および検出光学系中に配置された光学部材のク
   サビ角によって生じる倍率誤差を補正する倍率補正手段
   を設け、該倍率補正手段を、前記走査光学系による物体
   面上での走査方向を検出する走査方向検出部と、該走査
   方向検出部により検出された各走査方向に応じた倍率誤
   差に基づき前記各走査方向での補正された倍率を決定す
   る倍率決定部とで構成したことを特徴とする物体検出装
   置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
   て、前記倍率決定部を、２方向の各倍率誤差に基づき補
   正された倍率を出力可能としたことを特徴とする物体検
   出装置。