JPH07151518A

JPH07151518A - 測長装置

Info

Publication number: JPH07151518A
Application number: JP32082293A
Authority: JP
Inventors: Masato Sumiya; 正人住谷; Shinji Suzuki; 信二鈴木
Original assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1995-06-16

Abstract

(57)【要約】【目的】被測定物における測長を高い測定精度及び高
い再現性で実行することができる信頼性の高い測長装置
を提供すること。【構成】可動ステージ３０と、被測定物搬送機構４０
と、共焦点型光学顕微鏡５０と、演算手段６０と、表示
手段７０，８０と、制御手段９０とを有してなる測長装
置であって、前記共焦点型光学顕微鏡５０は、結像レン
ズと対物レンズとの間の光路上に配置される四分の一波
長板を、基準光軸に対して傾斜するよう配置したことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、共焦点型光学顕微鏡
を有してなる測長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来において、例えば半導体ウエハ（以
下、単に「ウエハ」という）上に形成されたレジストパ
ターンの線幅（レジストラインの幅）又はパターン間隔
（隣合うレジストラインの離間距離）の測長あるいは露
光用フォトマスクパターンについての測長を行う装置と
して、光学顕微鏡を有してなる測長装置が用いられてい
る。

【０００３】しかして、最近におけるパターンの微細化
に伴ってレジスト膜厚も減少化傾向にあることから、焦
点深度の浅い顕微鏡によって測長装置を構成する必要が
あり、このような観点から、焦点深度が極めて浅いとい
う特長を有する共焦点型光学顕微鏡を有してなる測長装
置が開発されている。

【０００４】図５は、従来の測長装置に搭載される共焦
点型光学顕微鏡における基本的な構成を示す説明図であ
り、同図において、１は照明用光学系、２は偏光板より
なる第１の偏光子、３は偏光ビームスプリッタ、４はピ
ンホールを有する絞り板、５は第１の対物レンズ、６は
第１の結像レンズ、７は第２の対物レンズ、８は検光子
よりなる第２の偏光子、９は第２の結像レンズ、１０は
カメラ等よりなる受像手段、１１は四分の一波長板であ
る。

【０００５】このような構成の共焦点型光学顕微鏡にお
いては、照明用光学系１からの放射光が第１の偏光子２
により直線偏光とされた後、偏光ビームスプリッタ３に
より反射され、ピンホールを有する絞り板４の表面にス
ポット照射される。ここで、スポット照射される領域
は、受像手段１０の視野領域（受像手段が受光すること
ができる絞り板上の領域をいう）とほぼ一致する。スポ
ット照射された光において、絞り板４の一つのピンホー
ルを通過した光束は、第１の結像レンズ６によって平行
光もしくは平行光に近い光とされ、第１の対物レンズ５
に入射される。なお、第１の結像レンズ６から第１の対
物レンズ５へ向かう光は、四分の一波長板１１を通過す
ることにより直線偏光から円偏光とされる。第１の対物
レンズ５に入射された光は被測定物Ｓの表面に集光さ
れ、これにより被測定物Ｓの一点が照明される。被測定
物Ｓからの反射光は、第１の対物レンズ５、四分の一波
長板１１および第１の結像レンズ６を通り、絞り板４の
ピンホールにおいて再び結像する。なお、第１の対物レ
ンズ５から第１の結像レンズ６へ向かう反射光は、四分
の一波長板１１を通過することにより円偏光から直線偏
光（照明光に対して偏光方向を９０°回転した直線偏
光）とされる。絞り板４のピンホールを通過した反射光
は、第２の対物レンズ７、偏光ビームスプリッタ３、第
２の偏光子８および第２の結像レンズ９を通過して受像
手段１０に受光される。なお、図５において、破線で示
す光路は、照明用光学系１から絞り板４に至る照明光全
体の光路であり、実線で示す光路は、絞り板４の１つの
ピンホールを通過した光が、被測定物Ｓに集光して反射
され、最終的に受像手段１０に至る光路である。

【０００６】上記のような構成の共焦点型光学顕微鏡
は、例えば特表平１−５０３４９３号公報に開示されて
いる。この公報に記載の共焦点型光学顕微鏡には複数個
のピンホールを有する走査円板〔ニプコフ（ＮＩＰＫＯ
Ｗ）の回転円板〕が絞り板として用いられ、被測定物の
全体像を実時間で測定することが可能とされている。

【０００７】しかして、上記のような構成の共焦点型光
学顕微鏡を有する測長装置において、当該被測定物の構
成部分の長さ（例えばレジストラインの幅の大きさ）や
当該構成部分間の長さ（例えばレジストラインの離間距
離）の測定は、共焦点型光学顕微鏡に受像された拡大像
に基いて測定される。このため、正確な測定を行うため
には、前記拡大像のコントラストがある程度高くなけれ
ばならず、コントラストが低い場合には、測長されるべ
き被測定物の構成部分又は当該構成部分間について、そ
の始端部及び終端部（例えばレジストラインの縁部）の
位置を認識・特定することが困難となり、測定結果の信
頼性が低下してしまう。

【０００８】ここで、図５に示した共焦点型光学顕微鏡
においては、照明用光学系１と偏光ビームスプリッタ３
との間の光路上に第１の偏光子２（偏光板）を配置し、
偏光ビームスプリッタ３と受像手段１０との間の光路上
に第２の偏光子８（検光子）を配置し、第１の対物レン
ズ５と第１の結像レンズ６との間における光路上に四分
の一波長板１１を配置することにより、被測定物Ｓから
の反射光と、絞り板４の表面から反射される散乱光とが
区別され、この散乱光の大半は受像手段１０に受光され
ることはない。これにより、絞り板４の表面からの散乱
光が受光されることに起因するコントラストの低下を防
止している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、共焦点
型光学顕微鏡を有する従来の測長装置においては、以下
のような問題がある。（１）図５に示したような構成の共焦点型光学顕微鏡に
おいて、絞り板４の一つのピンホールを通過し、第１の
結像レンズ６から第１の対物レンズ５へ入射する光の光
束はほぼ平行光束とされる。このため、絞り板４の一つ
のピンホールを通過した光の一部のうち四分の一波長板
１１の表面及び／又は裏面によって反射された反射光
が、第１の結像レンズ６を通過して再度絞り板４のスポ
ット照射領域におけるピンホールに集光する。そして、
受像手段１０の視野領域とほぼ一致するスポット照射領
域に集光した反射光、その中でも四分の一波長板１１の
裏面によって反射された反射光は、その偏光方向が照明
光に対して９０°回転されているため、その大半が最終
的に受像手段１０によって受光され、被測定物Ｓ以外で
反射された迷光として前記拡大像のコントラストを低下
させる。そして、このように四分の一波長板の表面及び
／又は裏面からの反射光に起因するコントラストの低下
により、測長装置における測定精度及び再現性が低下
し、測定結果の信頼性が損なわれてしまう。

【００１０】（２）共焦点型光学顕微鏡の使用を重ねる
に従って、顕微鏡の光学系を構成するレンズやレンズ系
の接合用接着剤が経時的に劣化し、これらの光学系にお
ける光透過率が比較的短い時間で低下してしまい、受像
手段１０により受光される光量が全体として低下する。
そして、受像手段１０への光量が低いために十分な
ＳＮ比が得られないこと、及び測定条件の経時的な
変動（光量の経時的低下）によって測定誤差が発生する
こと等に起因して、測長装置における測定精度及び再現
性が低下し、測定結果の信頼性が損なわれる。

【００１１】この発明は以上のような事情に基いてなさ
れたものである。この発明の第１の目的は、共焦点型光
学顕微鏡の受像手段に受光される迷光を可能な限り少な
くしてＳＮ比を向上させ、コントラストの高い被測定物
の部分拡大像を受像することにより、被測定物における
測長を高い測定精度及び高い再現性で実行することがで
きる信頼性の高い測長装置を提供することにある。この
発明の第２の目的は、共焦点型光学顕微鏡の光学系にお
ける高い光透過率が安定的に維持され、長期間にわたっ
て測定結果の信頼性が維持される測長装置を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の測長装置は、
少なくとも前後・左右方向（Ｘ・Ｙ軸方向）及び高さ方
向（Ｚ軸方向）の移動が可能な可動ステージと、被測定
物を搬送して前記可動ステージ上に載置する被測定物搬
送機構と、前記可動ステージ上に載置された被測定物の
部分拡大像を受像する光学顕微鏡と、当該光学顕微鏡に
よって受像された被測定物の部分拡大像に基いて、被測
定物の構成部分又は当該構成部分間の長さを算出する演
算手段と、前記光学顕微鏡が受像した被測定物の部分拡
大像、および前記演算手段によって算出された測定結果
を表示する表示手段と、予め設定された測定条件に従っ
て、前記可動ステージ、前記被測定物搬送機構、前記光
学顕微鏡、前記演算手段および前記表示手段を制御する
制御手段とを有してなり、前記光学顕微鏡は、１個又は
複数個のピンホールを有する絞り板と、この絞り板の一
面にスポット光を照射するための光源と、前記絞り板の
一面に照射する光を偏光させる第１の偏光子と、前記絞
り板の他面側において、被測定物に近接して配置された
対物レンズと、前記対物レンズと合わせて使用し、被測
定物の部分拡大像を前記絞り板上に結像させるよう、前
記絞り板と前記対物レンズとの間の光路上に配置された
結像レンズと、この結像レンズと前記対物レンズとの間
の光路上に配置された四分の一波長板と、前記絞り板の
一面側において、前記第１の偏光子と前記四分の一波長
板との間の光路上に配置された偏光ビームスプリッタ
と、この偏光ビームスプリッタを通過する前記被測定物
からの反射光を受光して当該被測定物の部分拡大像を受
像する受像手段と、前記偏光ビームスプリッタと前記受
像手段との間の光路上に配置された第２の偏光子とを有
し、前記四分の一波長板は、その表面における法線が、
前記対物レンズと前記結像レンズとがなす光軸に対して
傾斜するように配置されている共焦点型光学顕微鏡であ
ることを特徴とする。

【００１３】また、この発明の測長装置においては、四
分の一波長板を傾斜するように配置したことによる当該
四分の一波長板の前後における光軸のずれを補正するた
めの光軸補正板が、対物レンズと結像レンズとの間の光
路上に配置されてなる共焦点型光学顕微鏡を有している
ことが好ましい。

【００１４】また、この発明の測長装置においては、光
源からの放射光のうち、３４０ｎｍ以下の波長光を少な
くとも減衰させる短波長減光手段が設けられてなる共焦
点型光学顕微鏡を有していることが好ましい。

【００１５】更に、この発明の測長装置においては、絞
り板が、複数個のピンホールを有する回転走査円板であ
る共焦点型光学顕微鏡を有していることが好ましい。

【００１６】

【作用】

（１）測長装置を構成する共焦点型光学顕微鏡におい
て、対物レンズと結像レンズとがなす光軸に対して四分
の一波長板が傾斜するように配置されているので、四分
の一波長板の表面及び／又は裏面からの反射光は、受像
手段の視野領域と一致する絞り板のスポット照射領域内
においては集光せず、受像手段によって受光されること
はないために、受像される被測定物の部分拡大像はコン
トラストの高いものとなる。そして、このようなコント
ラストの高い部分拡大像に基いて測長が行われるので、
被測定物の構成部分又は当該構成部分間について、その
始端部及び終端部（部分拡大像における明暗の境界部）
の位置を容易かつ正確に認識・特定することができ、従
って、高い測定精度及び高い再現性を有する測定結果を
得ることができる。

【００１７】（２）測長装置を構成する共焦点型光学顕
微鏡において、対物レンズと結像レンズとの間の光路上
に光軸補正板を配置する、という極めて簡単な構成によ
って、四分の一波長板が傾斜するように配置されたこと
による光軸のずれが確実にキャンセルされる。これによ
り、光軸のずれに起因する光学的収差の発生を確実に回
避することができ、被測定物の部分拡大像におけるコン
トラストを更に高いものとすることができ、測定精度及
び再現性を一層向上させることができる。

【００１８】（３）測長装置を構成する共焦点型光学顕
微鏡において、レンズやレンズ系の接合用接着剤を劣化
させる短波長領域の光が短波長減光手段によって減衰さ
れるので、光学系における高い光透過率が安定的に維持
されて、受像手段への光量の低下が防止される。従っ
て、初期の十分なＳＮ比が確保されるとともに、測定条
件が経時的に変動しないので長期間にわたって測定結果
の信頼性が維持される。

【００１９】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を用いて説明
する。図１は、ウエハ上に形成されたレジストパターン
の線幅及びパターン間隔を測長することができるこの発
明の測長装置の構成の概略を示す説明図である。

【００２０】同図において、３０は可動ステージ、４０
は被測定物搬送機構、５０は共焦点型光学顕微鏡、６０
は演算手段、７０はモニタ、８０はプリンタ、９０は制
御手段である。

【００２１】可動ステージ３０は、ステージテーブル３
１と、このステージテーブル３１を高さ方向（Ｚ軸方
向：同図において矢印「Ｚ」で示す）に移動させる移動
機構３２Ｚと、前記ステージテーブル３１をＺ軸を中心
として回転させる回転機構３２Ｒと、前記ステージテー
ブル３１を前後方向（Ｘ軸方向：同図において紙面の奥
行き方向）に移動させる移動機構３２Ｘと、前記ステー
ジテーブル３１を左右方向（Ｙ軸方向：同図において矢
印「Ｙ」で示す）に移動させる移動機構３２Ｙと、固定
基台３３とにより構成され、ステージテーブル３１は、
前後方向（Ｘ軸方向）、左右方向（Ｙ軸方向）及び高さ
方向（Ｚ軸方向）の移動、並びに前記Ｚ軸を中心とした
回転が可能である。

【００２２】移動機構３２Ｘ及び移動機構３２Ｙは、Ｄ
Ｃサーボモータおよび高精度のボールネジ機構による移
動機構であり、フルストロークは２００ｍｍ、停止位置
精度は±５μｍ以下であり、８インチのウエハにも対応
することができる。

【００２３】移動機構３２Ｚは、モータによる粗動（ス
トローク３ｍｍ、位置精度±５μｍ以下）及びピエゾ素
子による微動（ストローク４５μｍ、位置精度１０ｎｍ
以下、最小移動ステップ１２ｎｍ）の２とおりの移動が
可能であり、ピエゾ素子による微動が可能であることか
ら、Ｚ軸方向の正確な位置決め精度が確保され、焦点深
度が浅い共焦点型光学顕微鏡５０に対しても十分に対応
することができる。

【００２４】被測定物搬送機構４０は、ウエハを搬送し
て可動ステージ３０のステージテーブル３１上に載置す
る手段であり、この被測定物搬送機構４０は、基台４１
と、搬送用高速ロボット４２と、カセット配置台４３と
により構成されている。搬送用高速ロボット４２はウエ
ハカセットＣに収容されたウエハＷを真空吸着方式を利
用して取出し、これを保持して可動ステージ３０まで搬
送してステージテーブル３１上に載置する。また、測長
が終了したウエハは、搬送用高速ロボット４２によって
カセット配置台４３上に配置された他のウエハカセット
（図示省略）に戻される。このような被測定物搬送機構
４０により、ウエハの取出し・可動ステージへの搬送・
ステージテーブル上への載置・可動ステージからの搬送
・ウエハの収容の各動作を迅速かつクリーンに行うこと
ができる。

【００２５】共焦点型光学顕微鏡５０は、ステージテー
ブル３１上に載置されたウエハの部分拡大像を受像する
ための手段であり、その構成の一例を図２に示す。図２
において、５２１は、渦巻き状の配列パターンに従って
直径２０μｍのピンホールが複数個形成された回転走査
円板である。この回転走査円板５２１は、石英製円板上
にクロムを蒸着して不透明膜を形成し、これに、複数個
のピンホールを穿設することによって作製することがで
きる。５２２は、この回転走査円板５２１を回転させる
ための駆動手段であり、この駆動手段５２２によって、
回転走査円板５２１は、例えば１５００ｒｐｍの回転速
度で回転する。

【００２６】５３０は、回転走査円板５２１の一面にス
ポット光を照射するための照明用光学系であり、５３１
は光源、５３２は反射鏡、５３３は赤外線カットフィル
タ、５３４はこの発明の特徴点の１つである紫外線カッ
トフィルタ、５３５はピンホールが中央部に形成された
板状部材、５３６は、光源からの光を板状部材５３５の
ピンホールに集光するためのアークリレーレンズ、５３
７はピンホールリレーレンズである。

【００２７】光源５３１としては、例えばキセノンラン
プ、特に、定格電力が７５Ｗのキセノンショートアーク
ランプを好適に使用することができる。このランプは、
エミッタ粉末が混入された焼結体が高融点金属よりなる
電極本体に密着性、密接性良く挿入された構造である電
極を有することに特徴を有し、これにより、従来の消費
電力が１ＫＷ以下であるような小電力型のキセノンラン
プに比べアークの安定性が格段に優れ、照明光の変動を
小さくすることができる。更に、ランプの寿命が長く、
アークの安定性を長時間維持することができる。このよ
うなキセノンショートアークランプの具体例としては、
例えば特開昭６２−２４１２３６号公報、特開昭６２−
２４１２５３号公報などに開示されているものを挙げる
ことができる。なお、光源５３１のランプとしてこれら
のものに限定されるものではないことは勿論である。

【００２８】板状部材５３５に形成されたピンホールを
通過した光は、揺らぎがなくて光強度が大きく均一な光
束を有するものである。板状部材５３５におけるピンホ
ールの径の大きさは、光強度、光束均一性、照明に必要
な光量等の観点から規定され、本実施例においては０．
４ｍｍとされている。

【００２９】５４１は第１の対物レンズ、５４２は第２
の対物レンズ、５５１は第１の結像レンズ、５５２は第
２の結像レンズ、５４３はフィールドレンズである。第
１の対物レンズ５４１は、観察されるべき被測定物Ｓ
（この実施例においては、レジストパターンが形成され
たウエハ）に近接して配置され、第１の結像レンズ５５
１は第１の対物レンズ５４１と合わせて、被測定物Ｓの
部分拡大像を回転走査円板５２１のピンホール上に結像
させるレンズであり、第１の対物レンズ５４１及び第１
の結像レンズ５５１間の光束は、平行光もしくはそれに
近い状態にされている。

【００３０】５６０はＣＣＤカメラからなる受像手段で
あり、５６１は倍率を変更するためのアイピースであ
る。回転走査円板５２１の回転速度（１５００ｒｐｍ）
は、受像手段５６０であるＣＣＤカメラのビデオフレー
ムレートに同期して設定されている。

【００３１】５７１は第１の偏光子であり、第１の偏光
子５７１は、照明用光学系５３０からの照明光を偏光
（直線偏光）させるものである。

【００３２】５７２は、第１の結像レンズ５５１と第１
の対物レンズ５４１との間の光路上に配置された四分の
一波長板である。この四分の一波長板５７２は、例え
ば、０．２ｍｍ厚の水晶板と０．２５ｍｍ厚のフッ化マ
グネシウム板とを積層して作製することができ、このよ
うにして作製された四分の一波長板５７２は、４００〜
７００ｎｍ程度の比較的広い波長領域において、１／５
λ〜１／３λ（λ：入射光の波長）の位相差を生じさせ
る。

【００３３】５７３は、第１の偏光子５７１と四分の一
波長板５７２との間の光路上に配置された偏光ビームス
プリッタである。この偏光ビームスプリッタ５７３は、
２個の三角プリズムを接合することにより作製すること
ができ、この接合面には誘電体多層膜が蒸着によって形
成されている。この偏光ビームスプリッタ５７３は、第
１の偏光子５７１により偏光された光を反射し、四分の
一波長板５７２を通過した被測定物Ｓからの反射光を透
過するように設定されている。

【００３４】５７４は、偏光ビームスプリッタ５７３と
受像手段５６０との間の光路上に配置された第２の偏光
子である。

【００３５】５７５は、四分の一波長板５７２と第１の
対物レンズ５４１との間の光路上に配置された、この発
明の特徴点の１つである光軸補正板である。

【００３６】このように、照明用光学系５３０から被測
定物Ｓを経て受像手段５６０へ至る光路上に、第１の偏
光子５７１、四分の一波長板５７２、偏光ビームスプリ
ッタ５７３および第２の偏光子５７４を挿入配置するこ
とによって、回転走査円板５２１の表面からの散乱光が
受像手段５６０に受光されることがないため、これに起
因するコントラストの低下が防止される。

【００３７】また、共焦点型光学顕微鏡５０において、
四分の一波長板５７２は、その表面における法線が、第
１の対物レンズ５４１と第１の結像レンズ５５１とがな
す光軸（以下「基準光軸」という）に対して傾斜するよ
うに配置されている。四分の一波長板５７２を基準光軸
に対して傾斜するように配置することによって、回転走
査円板５２１のピンホールからの光の一部が四分の一波
長板５７２の表面及び／又は裏面によって反射されたと
しても、この反射光が、回転走査円板５２１のスポット
照射領域（受像手段の視野領域とほぼ一致する領域であ
り、図２においてＡで示す）におけるピンホールに集光
することはない。従って、受像手段５６０によってこの
反射光が受光されることはないことから、受像される被
測定物Ｓの部分拡大像はコントラストの高いものとな
る。

【００３８】そして、このようなコントラストの高い部
分拡大像に基いて測長が行われるので、被測定物Ｓの構
成部分の長さ（この実施例ではレジストラインの幅の大
きさ）や当該構成部分間の長さ（この実施例ではレジス
トラインの離間距離）について、これらの始端部及び終
端部（この実施例ではレジストラインの縁部）の位置を
容易かつ正確に認識・特定することができ、従って、高
い測定精度及び高い再現性を有する信頼性の高い測定結
果を得ることができる。四分の一波長板を傾斜させない
場合には、四分の一波長板の表面及び／又は裏面からの
反射光がスポット照射領域Ａにおけるピンホールに再度
集光し、特に四分の一波長板５７２の裏面によって反射
された反射光はその偏光方向が照明光に対して９０°回
転されているため、その大半が最終的に受像手段によっ
て受光されて被測定物Ｓの部分拡大像におけるコントラ
ストが低下し、測長装置における測定結果の信頼性が損
なわれる。

【００３９】四分の一波長板の傾斜角度（表面における
法線の基準光軸に対する角度）は、四分の一波長板の表面及び／又は裏面からの反射光
がスポット照射領域内におけるピンホールに集光しない
こと、四分の一波長板としての性能が維持されるこ
と、すなわち、１／５λ〜１／３λの範囲の位相差を生
じさせ得ること、傾斜による光学的収差が無視できる程度に小さいこ
と、等の観点から規定される。

【００４０】上記の観点から、傾斜角度θは、スポッ
ト照射領域の直径、および第１の結像レンズの焦点距離
によって設定することができる。具体的には、下記式
（１）を満足することが必要であり、更に、下記式
（２）を満足することが好ましい。式（１） θ≧ｓｉｎ^-1（ｄ／２ｆ）式（２） θ≧２×ｓｉｎ^-1（ｄ／２ｆ）〔式（１）および式（２）において、ｄはスポット照射
領域の直径、ｆは第１の結像レンズの焦点距離であ
る。〕また、上記および上記の観点からは傾斜角度
θは１０°以下であることが必要である。従って、一般
的なスポット照射領域の大きさおよび焦点距離を考慮す
れば、傾斜角度θは３〜１０°の範囲とされる。

【００４１】この共焦点型光学顕微鏡５０においては、
スポット照射領域Ａの直径ｄが４ｍｍ、第１の結像レン
ズ５１の焦点距離ｆが９５ｍｍであるので、これらを上
記式（２）に代入し、「２×ｓｉｎ^-1〔４／（２×９
５）〕＝２．４１°」から、傾斜角度θを３°に設定し
ている。

【００４２】ここで、四分の一波長板５７２を傾斜する
よう配置したことにより、この四分の一波長板５７２を
通過した光束における光軸は横方向にずれることになる
が、この光軸のずれは、光軸補正板５７５によって補正
される。

【００４３】図３は、光軸補正板によって光軸のずれが
補正されている状態を示す説明図である。同図におい
て、光軸補正板５７５は、四分の一波長板５７２の傾斜
方向とは反対方向に傾斜するよう四分の一波長板５７２
の下方に配置されている。これにより、第１の結像レン
ズ５５１と四分の一波長板５７２とがなす光軸Ｐ₁と、
光軸補正板５７５と第１の対物レンズ５４１とがなす光
軸Ｐ₂とが同一直線上に位置することになる。なお、光
軸のずれをキャンセルするための補正量は、光軸補正板
の厚さおよびその傾斜角度を変化させることにより任意
に調整することができ、この共焦点型光学顕微鏡５０に
おいては、厚さ０．５１ｍｍの光軸補正板５７５を３°
の傾斜角度で配置することで、四分の一波長板５７２に
よる約１０μｍのずれを補正している。

【００４４】このように、第１の対物レンズ５４１と第
１の結像レンズ５５１との間の光路上に光軸補正板５７
５を配置する、という極めて簡単な構成によって、四分
の一波長板５７２が傾斜するように配置されたことによ
る光軸のずれが確実にキャンセルされ、光軸のずれに起
因する光学的収差の発生を確実に回避することができ、
被測定物Ｓの部分拡大像におけるコントラストを更に高
いものとすることができ、測定精度及び再現性を一層向
上させることができる。この光軸補正板５７５が配置さ
れていない場合には、１０μｍ程度のずれであっても、
四分の一波長板以降の光学系で光学的収差が発生し、測
定結果の信頼性に影響を及ぼすおそれがある。また、こ
の光学的収差を回避するために、四分の一波長板前後の
光軸のずれを考慮しながら光学系を配置することも考え
られるが、機械的アライメントが困難で現実的ではな
い。

【００４５】図４は、第１の結像レンズ（図示省略）と
第１の対物レンズ（図示省略）との間の光路上に、四分
の一波長板５７２と光軸補正板５７５とが組み込まれて
いる状態を示す断面図である。同図において、５８１は
前記光路を取り囲むよう設けられた真鍮製の筒状保持部
材、５８２は、その上端部および下端部が、それぞれ、
正確に３°に傾斜しているリング状のスペーサー部材で
ある。四分の一波長板５７２および光軸補正板５７５
は、それぞれスペーサー部材５８２の上端部および下端
部に貼り合わせられ、この状態で筒状保持部材５８１内
に挿入配置されている。このような組み込み手段によれ
ば、四分の一波長板５７２および光軸補正板５７５の傾
斜角度に誤差を生じることがなく、また、水平方向の精
密な位置アライメント作業を必要とせず容易に組み込み
を行うことができる。

【００４６】照明用光学系５３０を構成する紫外線カッ
トフィルタ５３４は、誘電体多層膜を有する短波長減光
手段であり、光源５３１からの放射光のうち３８０ｎｍ
以下の波長光を０．５％以下まで減衰させる機能を有す
るものである。３８０ｎｍ以下の波長光は、レンズ自体
（硝材）の劣化や各レンズの貼り合わせ用接着剤を劣化
させてレンズ系の光透過率を低下させる原因となる。そ
こで、この共焦点型光学顕微鏡５０においては、紫外線
カットフィルタ５３４を設けて斯かる短波長の光を有効
にカットし、光学系の光透過率の経時的低下を抑制して
いる。具体的には、紫外線カットフィルタ３４を設けて
いない場合には、１０００時間経過後における像の明る
さが３０％程度低下するのに対し、紫外線カットフィル
タ３４を設けることにより、像の明るさの低下率を５％
以下に抑えることができる。これにより、受像手段５６
０への光量の低下が防止される。従って、初期の十分な
ＳＮ比が確保されるとともに、測定条件が経時的に変動
しないので長期間にわたって測定結果の信頼性が維持さ
れる。

【００４７】なお、共焦点型光学顕微鏡５０の構成は上
記のものに限定されるものではなく、種々の変更が可能
である。例えば、（１）複数個のピンホールを有する回転走査円板に代え
て、１個のピンホールを有する絞り板を用いてもよい。
この場合においては、被測定物を走査することによって
被測定物の部分拡大像を得ることができる。（２）短波長減光手段として、紫外線カットフィルタに
代えて波長選択性を有するミラーを用いてもよい。（３）紫外線カットフィルタとしては、３４０ｎｍ以下
の波長光を少なくとも減衰させるものであればよく、レ
ンズ系を構成する硝材および接着剤における耐紫外光性
の向上に伴い、３４０ｎｍを超える短波長光（３４１〜
３８０ｎｍ）を透過するフィルタを用いてもよい。

【００４８】演算手段６０は、ウエハ上に形成されたレ
ジストパターンの線幅又はパターン間隔の長さを算出す
るための手段である。ここに、レジストパターンの線幅
やパターン間隔の長さは、共焦点型光学顕微鏡５０の受
像手段５６０に受像された被測定物Ｓの部分拡大像に基
いて算出される。具体的には、前記部分拡大像における
明度の差を、被測定物Ｓからの反射光の光量差としてと
らえ、この光量差の大きい部分（レジストラインの縁
部）を認識してその位置を始端部として特定し、更に、
光量差の大きい他の部分（当該レジストラインの他の縁
部）を認識してその位置を終端部として特定し、各々特
定された始端部から終端部までの距離を算出する。

【００４９】モニタ７０は、共焦点型光学顕微鏡５０の
受像手段５６０が受像した被測定物Ｓの部分拡大像を画
像情報としてリアルタイムで表示し、更に、演算手段６
０によって算出された測定結果を表示する。なお、この
測定結果は、プリンタ８０によっても出力表示される。

【００５０】制御手段９０は、可動ステージ３０、被測
定物搬送機構４０、共焦点型光学顕微鏡５０、演算手段
６０、モニタ７０及びプリンタ８０を設定された測定条
件に従って制御する手段である。ここに、測定条件は、
被測定物Ｓの種類等に応じて設定され、図示しない入力
手段等により予め制御手段９０に入力される。

【００５１】次に、上記のような構成の測長装置を用い
て、ウエハ上に形成されたレジストパターンの線幅を測
定する際の手順について説明する。（１）ウエハの搬送及び載置ウエハカセットＣに収容されている複数のウエハＷのう
ちの１枚が、搬送用高速ロボット４１によって取り出さ
れ、搬送され、ステージテーブル３１上に載置される。

【００５２】（２）位置調整（Ｘ・Ｙ軸方向の位置決
め）移動機構３２Ｘ及び移動機構３２Ｙによって、載置され
たウエハＷの測定部分が共焦点型光学顕微鏡５０の視野
の範囲に入る位置まで、ステージテーブル３１をＸ・Ｙ
軸方向に移動させる。

【００５３】（３）ピント合わせ（Ｚ軸方向の位置決
め）移動機構３２ＺによるＺ軸方向の位置決め、すなわち共
焦点型光学顕微鏡５０のピント合わせを行う。先ず、
共焦点型光学顕微鏡５０の焦点とされる位置にウエハ
Ｗの測定部分が到達するまで、ステージテーブル３１を
Ｚ軸方向に粗動させる。ステージテーブル３１の粗動は
移動機構３２Ｚのモータ機構によって行われる。次い
で、この位置を基準として、ステージテーブル３１
をＺ軸方向に微動させて正確なピント合わせを行う。ス
テージテーブル３１の微動は移動機構３２Ｚのピエゾ素
子によって行われ、前記基準位置から例えば±２０μｍ
の範囲内で微動させる。この間において、ウエハＷの測
定部分の拡大像をモニタ７０に表示させて画像情報を観
察し、この拡大像が最も明るくなった位置でステージテ
ーブル３１の微動を停止させる。このとき、共焦点型光
学顕微鏡５０の焦点は、ステージテーブル３１上に載置
されたウエハＷの表面レベル（レジストボトムレベル）
にある。これは、ウエハＷの表面が最も反射率が大き
く、ウエハＷの表面レベルに焦点が位置するときには受
像手段５６０への光量が最大となるからである。なお、
明確なコントラストが得られる範囲内であれば、ウエハ
Ｗの表面レベルにおけるレジストラインの幅のみでな
く、ウエハＷの表面からレジスト表面に至る間の所望の
レベル（オフセット）におけるレジストラインの幅を測
長することができる。また、ウエハＷの表面からレジス
ト表面に至る間において、一定の移動量でステップ的に
高さを変えて（例えば１２ｎｍで１００ステップ）、各
ステップごとにレジストラインの幅を測長することもで
き、これにより、目的とするレベルの近傍におけるデー
タを平均化する場合などに有効であって、測定結果の再
現性（安定性）を向上させることができる。

【００５４】（４）ウエハの部分拡大像の受像被測定物であるウエハ上に形成されたレジストパターン
像は、図２に示した共焦点型光学顕微鏡５０により、次
のようにして受像手段５６０に受像される。光源５３１
からの放射光は、アークリレーレンズ５３６によって板
状部材５３５のピンホールに集光され、このピンホール
を通過した光は、ピンホールリレーレンズ５３７を通過
して第１の偏光子５７１によって直線偏光とされた後、
偏光ビームスプリッタ５７３により反射されて第２の対
物レンズ５４２の射出瞳上に集光する。集光された光束
は、第２の対物レンズ５４２によって平行光束とされ、
複数個のピンホールを有する回転走査円板５２１のスポ
ット照射領域Ａにスポット照射される。

【００５５】回転走査円板５２１の表面にスポット照射
された光は、回転走査円板５２１の複数個のピンホール
それぞれを通過し、さらにフィールドレンズ５４３、第
１の結像レンズ５５１を通過し、また、四分の一波長板
５７２を通過することにより円偏光とされた後、光軸補
正板５７５を通過して第１の対物レンズ５４１の出射瞳
上に集光する。集光された光束は第１の対物レンズ５４
１によってほぼ平行光束とされ、被測定物Ｓであるウエ
ハの表面を均一に照明する。一方、回転走査円板５２１
のある一つのピンホールを通過した光束に着目すると、
ある一つのピンホールを通過した光束はフィールドレン
ズ５４３および第１の結像レンズ５５１を通過すること
によって平行もしくは平行に近い光束とされ、四分の一
波長板５７２、光軸補正板５７５を通過した後、第１の
対物レンズ５４１に入射され被測定物Ｓの表面（レジス
トパターン面）のほぼ一点に集光される。

【００５６】被測定物Ｓの表面（レジストパターン面）
を照明した光はそこで反射される。被測定物Ｓの表面に
おける１点からの反射光は、第１の対物レンズ５４１、
光軸補正板５７５、四分の一波長板５７２、第１の結像
レンズ５５１およびフィールドレンズ５４３を通り、回
転走査円板５２１のピンホールにおいて再び結像する。
なお、第１の対物レンズ５４１から第１の結像レンズ５
５１へ向かう反射光は、四分の一波長板５７２を通過す
ることにより円偏光から直線偏光（照明光に対して偏光
方向を９０°回転した直線偏光）とされる。

【００５７】回転走査円板５２１のピンホールを通過し
た被測定物Ｓの表面（レジストパターン面）からの反射
光は、第２の対物レンズ５４２を通過して偏光ビームス
プリッタ５７３に到達する。この反射光は、四分の一波
長板５７２の通過により照明光に対して偏光方向を９０
°回転した直線偏光とされているため、偏光ビームスプ
リッタ５７３を通過し、更に２の偏光子５７４、第２の
結像レンズ５５２およびアイピース５６１を通過して受
像手段５６０に入射されて結像する。

【００５８】なお、図２において、破線で示す光路は、
照明用光学系５３０から被測定物Ｓに至る照明光全体の
光路であり、また実線で示す光路は、回転走査円板５２
１のある１つのピンホールを通過した光が、被測定物Ｓ
のある一点に集光して反射され最終的に受像手段５６０
に至る光路である。

【００５９】（４）レジストラインの幅の測長（演算処
理）演算手段６０によってレジストラインの幅の大きさが算
出される。演算手段６０による演算処理は、受像手段５
６０に受像されたウエハの部分拡大像（レジストパター
ン像）に基いて行われる。すなわち、この部分拡大像に
おける明度の差をウエハからの反射光の光量差としてと
らえ、この光量差の大きい部分（部分拡大像における
「明」から「暗」への境界部）を測定すべきレジストラ
インの一端側の縁部と認識してその位置を特定し、更
に、光量差の大きい他の部分（部分拡大像における
「暗」から「明」への境界部）を測定すべきレジストラ
インの他端の側縁部と認識してその位置を特定し、この
間の距離（レジストラインの幅）を算出する。そして、
この部分拡大像は、極めてコントラストの高いものであ
るので、レジストラインの縁部の位置を、「明」「暗」
の境界部として容易かつ正確に認識・特定することがで
き、信頼性の高い測定結果を算出することができる。

【００６０】（５）測定結果の出力表示演算手段６０によって算出された結果は、モニタ７０に
表示されるとともに、必要に応じてプリンタ８０によっ
て出力表示される。

【００６１】〔実験例〕０．４μｍのラインアンドスペ
ースのパターンが形成されたウエハについて、走査型電
子顕微鏡によってレジストラインの幅を測定して最確値
（Ｌ₀）を求めた後、このレジストラインの幅を本実施
例の測長装置で３００回にわたり測定したところ、測定
値の全てがＬ₀±０．０２５（μｍ）の範囲内であり、
測定再現性（３σ：σは標準偏差を示す）は０．０１５
μｍ以下であった。従って、本実施例の測長装置によれ
ば、微細なレジストパターンを高い測定精度及び高い測
定再現性をもって測長できることが確認された。

【００６２】

【発明の効果】請求項１に記載の測長装置によれば、コ
ントラストの高い部分拡大像に基いて測長が行われるの
で、高い測定精度及び高い再現性を有する信頼性の高い
測定結果を得ることができる。請求項２に記載の測長装
置によれば、被測定物の部分拡大像におけるコントラス
トを更に高いものとすることができ、測定結果の信頼性
を一層向上させることができる。請求項３に記載の測長
装置によれば、受像手段への光量の経時的な低下が防止
され、従って、初期の十分なＳＮ比が確保されるととも
に、測定条件が経時的に変動しないので長期間にわたっ
て測定結果の信頼性が維持される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の測長装置の構成の概略を示す説明図
である。

【図２】この発明の測長装置を構成する共焦点型光学顕
微鏡を示す説明図である。

【図３】光軸補正板によって光軸のずれが補正されてい
る状態を示す説明図である。

【図４】第１の結像レンズと第１の対物レンズとの間の
光路上に、四分の一波長板と光軸補正板とが組み込まれ
ている状態を示す断面図である。

【図５】従来の測長装置に搭載される共焦点型光学顕微
鏡における基本的な構成を示す説明図である。

【符号の説明】

３０可動ステージ３１ステージテー
ブル３２移動機構３３固定基台４０被測定物搬送機構４１基台４２搬送用高速ロボット４３カセット配置
台５０共焦点型光学顕微鏡５２１回転走査円
板５２２回転駆動手段５３０照明用光学
系５３１光源５３２反射鏡５３３赤外線カットフィルタ５３４紫外線カッ
トフィルタ５３５板状部材５３６アークリレ
ーレンズ５３７ピンホールリレーレンズ５４１第１の対物
レンズ５４２第２の対物レンズ５４３フィールド
レンズ５５１第１の結像レンズ５５２第２の結像
レンズ５６０受像手段５６１アイピース５７１第１の偏光子５７２四分の一波
長板５７３偏光ビームスプリッタ５７４第２の偏光
子５７５光軸補正板５８１筒状保持部
材５８２スペーサー部材６０演算手段７０モニタ８０プリンタ９０制御手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも前後・左右方向（Ｘ・Ｙ軸方
向）及び高さ方向（Ｚ軸方向）の移動が可能な可動ステ
ージと、被測定物を搬送して前記可動ステージ上に載置する被測
定物搬送機構と、前記可動ステージ上に載置された被測定物の部分拡大像
を受像する光学顕微鏡と、当該光学顕微鏡によって受像された被測定物の部分拡大
像に基いて、被測定物の構成部分又は当該構成部分間の
長さを算出する演算手段と、前記光学顕微鏡が受像した被測定物の部分拡大像、およ
び前記演算手段によって算出された測定結果を表示する
表示手段と、予め設定された測定条件に従って、前記可動ステージ、
前記被測定物搬送機構、前記光学顕微鏡、前記演算手段
および前記表示手段を制御する制御手段とを有してな
り、前記光学顕微鏡は、１個又は複数個のピンホールを有す
る絞り板と、この絞り板の一面にスポット光を照射する
ための光源と、前記絞り板の一面に照射する光を偏光さ
せる第１の偏光子と、前記絞り板の他面側において、被
測定物に近接して配置された対物レンズと、前記対物レ
ンズと合わせて使用し、被測定物の部分拡大像を前記絞
り板上に結像させるよう、前記絞り板と前記対物レンズ
との間の光路上に配置された結像レンズと、この結像レ
ンズと前記対物レンズとの間の光路上に配置された四分
の一波長板と、前記絞り板の一面側において、前記第１
の偏光子と前記四分の一波長板との間の光路上に配置さ
れた偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッ
タを通過する前記被測定物からの反射光を受光して当該
被測定物の部分拡大像を受像する受像手段と、前記偏光
ビームスプリッタと前記受像手段との間の光路上に配置
された第２の偏光子とを有し、前記四分の一波長板は、
その表面における法線が、前記対物レンズと前記結像レ
ンズとがなす光軸に対して傾斜するように配置されてい
る共焦点型光学顕微鏡であることを特徴とする測長装
置。
【請求項２】四分の一波長板を傾斜するように配置し
たことによる当該四分の一波長板の前後における光軸の
ずれを補正するための光軸補正板が、対物レンズと結像
レンズとの間の光路上に配置されてなる共焦点型光学顕
微鏡を有していることを特徴とする請求項１に記載の測
長装置。
【請求項３】光源からの放射光のうち、３４０ｎｍ以
下の波長光を少なくとも減衰させる短波長減光手段が設
けられてなる共焦点型光学顕微鏡を有していることを特
徴とする請求項１又は請求項２に記載の測長装置。
【請求項４】絞り板が、複数個のピンホールを有する
回転走査円板である共焦点型光学顕微鏡を有しているこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の
測長装置。