JPH0763508A - レーザ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 トレンチ構造やセラミックスの粒界破壊等の
ような深い溝構造をもつ試料を解像度高く映し出して、
その寸法測定を可能とするレーザ顕微鏡を提供する。 【構成】 このレーザ顕微鏡３３には、レーザ光２０の
スポットサイズを小さく絞るとともに焦点深度を深くす
るためのアキシコンプリズム２７およびリレーレンズ２
８が備えられている。また、試料を移動させることによ
ってこの試料における所定の観察領域内に前記レーザ光
を照射させるスキャナー３１およびスキャンコントロー
ラ３２が備えられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トレンチ構造やセラミ
ックスの粒界破壊等の深い溝構造をもつ試料の寸法測定
に用いて好適なレーザ顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ顕微鏡は、マスクまたはウエハー
用寸法検査装置として、マスクまたはウエハー上に描か
れたパターンの線幅計測や重ね合わせ精度の計測を行な
うのに利用されるが、この種のレーザ顕微鏡としては、
共焦点走査方式レーザ顕微鏡といわれる形式のものが知
られている。

【０００３】ここで、共焦点走査方式レーザ顕微鏡の原
理図を図２に示す。レーザ発振器１から発射されたレー
ザ光２は、ミラー３で反射され、レンズ４で絞られてピ
ンホール５に通される。ピンホール５を通過したレーザ
光２はビームスプリッタ６を透過して対物レンズ７で収
束されて、試料８（マスクまたはウエハー）に照射され
る。試料８の表面で反射したレーザ光２０は、ビームス
プリッタ６で反射されて、ピンホール９を通過して光電
子増倍管１０で受光および増幅される。

【０００４】前記のレーザ顕微鏡により寸法検査を行な
う時は、レーザ光２０の焦点Ｆの位置を（ａ）のように
パターン１１の下（またはパターン１１の上）に合わせ
て固定する。そして、スキャンコントローラ１２により
試料８を高周波でＸ軸方向に走査させながら、図示しな
いＸ、ＹステージでＹ軸方向にゆっくりと移動させる。
この時、（ａ）のようにビームスポットがパターン１１
の下を通過している時は、反射光はすべてピンホール９
を通過し、光電子増倍管１０の出力は高くなる。これに
対して、（ｂ）のようにビームスポットがパターン１１
の上を通過している時は、反射光はピンホール９の位置
で焦点が合わず、その大部分が遮られるので、光電子増
倍管１０の出力は小さくなる。

【０００５】従って、スキャンコントローラ１２による
走査に同期して光電子増倍管１０の出力に応じた輝度を
テレビモニタ１３上に順次描いていけばパターン１１の
イメージがテレビモニタ１３に写し出される。オペレー
タがこのイメージ上の任意の位置にカーソルを動かすこ
とにより、その位置のパターン幅が自動計測される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のレー
ザ顕微鏡においては、図３（ａ）に示したような形状の
溝１４を計測する場合、スポットサイズｒ1 のレーザ光
１５を対物レンズ１６を通して溝１４の底面に照射して
焦点合わせを行なっていた。それに対して、図３（ｂ）
に示したような幅が狭く深さが深い、すなわちアスペク
ト比の大きい溝１７（溝の幅をＷ、溝の深さをＨとした
ときのＨ／Ｗの値をその溝のアスペクト比という）を計
測する場合には、そのような溝１７の底面に対してレー
ザ光を照射して焦点合わせを行なう必要があるため、対
物レンズ１６に入射するレーザ光１８のスポットサイズ
をｒ1 からｒ2 へと小さくしなければならなかった。

【０００７】ここで、たとえば、１枚のレンズを用いて
レーザ光を小さなスポットサイズに集光しようとする際
に、レンズの屈折率をｎ、集光後のレーザ光の開き角度
をθとすると、レンズの性能を表わす一つのパラメータ
である開口数ＮA は、 ＮA ＝ｎ・sinθ と表わされ、この開口数ＮA を用いると、集光後のレー
ザ光のスポットサイズｒおよび焦点深度ｄは、次式によ
って表わされる。 ｒ＝ｋ・λ／ＮA （ｋ：定数、λ：レーザ光の波長） ｄ＝λ／ＮA2 （λ：レーザ光の波長） したがって、レーザ光のスポットサイズｒを小さくする
ために、レンズの開口数ＮA を大きくすると焦点深度ｄ
は浅くなることになる。

【０００８】ところが、一般的に、焦点深度が浅い状態
で像を検出した場合には、焦点深度が深い状態に比べて
像の分解能は向上するという利点がある一方、ベストフ
ォーカスのごく近傍での情報しか得られないという不都
合がある。したがって、レーザ光のスポットサイズを小
さくしても、たとえば溝の底面に凹凸部がある場合など
には、それを検知すべく詳細な情報を得ることは困難で
あった。

【０００９】以上説明したように、従来のレーザ顕微鏡
の光学系では、スポットサイズに対する要求と焦点深度
に対する要求とを同時に満足することが難しいので、寸
法測定が可能となる溝のアスペクト比を拡大するのは容
易ではなく、そのアスペクト比は１〜１．５が上限であ
った。すなわち、アスペクト比１．５以上もの、幅が狭
く深い溝を解像度良く映し出すには、レーザ光のスポッ
トサイズは小さくでき、焦点深度は深くできるという相
反する２つの機能を合わせもった光学系が必要であっ
た。

【００１０】本発明は、前記の事情に鑑みてなされたも
のであって、アスペクト比が大きい、たとえば１．５以
上といった幅が狭く深い溝構造を有する試料を解像度良
く映し出して、寸法測定を可能にするレーザ顕微鏡を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１記載のレーザ顕微鏡は、レーザ光のスポ
ットサイズを小さく絞るとともに焦点深度を深くする特
性を有する集光機器と、試料を移動させることによって
この試料における所定の観察領域内にレーザ光を照射さ
せる走査機器とを具備したことを特徴とするものであ
る。

【００１２】また、請求項２記載のレーザ顕微鏡は、請
求項１記載の共焦点走査方式レーザ顕微鏡において、前
記集光機器が、アキシコンプリズムまたはリングフィル
ターからなることを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】本発明のレーザ顕微鏡では、アキシコンプリズ
ムまたはリングフィルターからなる集光機器により、試
料に照射されるレーザ光のスポットサイズが小さくさ
れ、その焦点深度が深められる。これにより、ベストフ
ォーカスの箇所のみならず、たとえば前記溝の底面に凹
凸部があった場合等に焦点深度内のこれらの画像パター
ンをより多く映し出すことができる。すなわち、溝内部
の多くの情報を得ることができる。

【００１４】また、このレーザ顕微鏡では、試料に対し
て照射するレーザ光を走査するのではなく、試料を所定
の観察領域の範囲内において走査するものであり、その
ための走査機器を備えている。これにより、レーザ光を
走査する場合には避けられない像の歪みや解像度の低下
が回避でき、安定した画像を得ることができ、光学系全
体の簡略化を図ることもできる。

【００１５】

【実施例】つぎに、本発明のレーザ顕微鏡の一実施例を
図面に基づいて説明する。ここで、本実施例のレーザ顕
微鏡は、前述した原理に基づく従来の共焦点走査方式レ
ーザ顕微鏡、たとえば米国Ｓｉｓｃａｎ社製Ｓｉｓｃａ
ｎIIＡ等の共焦点走査方式レーザ顕微鏡を基本とし、そ
の光学系に、レーザ光のスポットサイズを絞るとともに
焦点深度を深めるためのアキシコンプリズムおよびリレ
ーレンズを付加した形態のものである。

【００１６】図１は、本実施例の共焦点走査方式レーザ
顕微鏡における光学系部分の概略構成を示したものであ
る。図において、符号１９はＵＶレーザ発振器であり、
ここから発射されたレーザ光２０の経路にはミラー２
１、およびミラー２２が設置されている。これらミラー
２１、２２で反射されたレーザ光２０の経路上には、ビ
ームスプリッタ２３、複数のレンズやスリット等からな
るビームエキスパンダ２４、コリメータレンズ２５が順
次、設置されている。一方、試料側からレーザ光２０が
戻ってきた時に前記ビームスプリッタ２３によって反射
されるレーザ光２０の経路には光電子増倍管２６が設置
されている。

【００１７】つぎに、このコリメータレンズ２５を透過
したレーザ光２０の経路上には円錐形のレンズであるア
キシコンプリズム２７（集光機器）、およびリレーレン
ズ２８（集光機器）が設置されている。リレーレンズ２
８を透過したレーザ光２０の経路上にはミラー２９が設
置され、このミラー２９で反射されたレーザ光２０の経
路には複数のレンズからなる対物レンズ３０が設置され
ている。

【００１８】また、対物レンズ３０の直下にはスキャナ
ー３１が設置され、このスキャナー３１（走査機器）に
はスキャンコントローラ３２（走査機器）が接続されて
いる。このスキャンコントローラ３２によってスキャナ
ー３１内部で試料が載置される図示しないテーブルがＸ
方向およびそれに直交するＹ方向に沿って移動するよう
にされている。

【００１９】前記ＵＶレーザ発振器１９からレーザ光２
０が発射されると、レーザ光２０はミラー２１、および
ミラー２２によって反射されてビームスプリッタ２３に
入射される。ビームスプリッタ２３は、ＵＶレーザ発振
器１９側から入射されたレーザ光２０に対してはその方
向を維持したまま透過させる作用をもっているので、レ
ーザ光２０はそのまま直進してビームエキスパンダ２４
へと入射される。このビームエキスパンダ２４に入射さ
れたレーザ光２０は、その内部に配置されたレンズやス
リット等によってスポットサイズが拡大された放射状の
レーザ光として出射され、その放射状のレーザ光２０は
コリメータレンズ２５によって平行なレーザ光へと変換
されて次段のアキシコンプリズム２７へと出射される。

【００２０】前記アキシコンプリズム２７は、開口数Ｎ
A の大きなレンズであって、レーザ光２０を非常に小さ
なスポットサイズにまで集光することができるものであ
り、アキシコンプリズム２７により、レーザ光２０はそ
のスポットサイズが２μｍ程度にまで小さく絞られる。
また、アキシコンプリズム２７の次段に設けられたリレ
ーレンズ２８は、このレーザ光２０をさらに小さく絞り
対物レンズに送るためのものであり、レーザ光２０はリ
レーレンズ２８により非常に小さいスポットサイズにま
で絞られる。そこで、小さく絞られたレーザ光２０はミ
ラー２９で反射されて対物レンズ３０に入射され、この
対物レンズ３０によって０．２μｍ程度にまで絞られ、
スキャナー３１内の試料表面に焦点を結ぶように集光さ
れる。

【００２１】前記構成の共焦点走査方式レーザ顕微鏡で
試料の溝部分の寸法検査を行なう場合には、まず、レー
ザ光２０の焦点の位置を溝の底部に合わせて固定する。
そして、スキャンコントローラ３２により試料を高周波
でＸ軸方向に走査させながら、図示しないＸ、Ｙステー
ジでＹ軸方向にゆっくりと移動させる。この動作によっ
て、レーザ光２０が試料の所定の観察領域内に走査され
る。このとき、レーザ光２０が焦点の合った溝の底部を
通過してしている時と、焦点の合っていない試料表面を
通過してしている時とでは、ビームスプリッタ２３で反
射して光電子増倍管２６に入るレーザ光の強度が異なる
ので、スキャンコントローラ３２による走査に同期して
光電子増倍管２６の出力に応じた輝度をテレビモニタ上
に順次描いていけば、パターンのイメージがテレビモニ
タに写し出される。オペレータがこのイメージ上の溝の
端部の位置にカーソルを動かすことにより、その溝のパ
ターン幅が自動計測される。

【００２２】この共焦点走査方式レーザ顕微鏡は、アキ
シコンプリズム２７、リレーレンズ２８、および対物レ
ンズ３０の組合せによって、０．２μｍという微小なサ
イズのレーザ光２０を作り出して対物レンズ３０に入射
させるので、レーザ光２０が試料が有する狭く深い溝の
底部にまで鋭く到達して溝の底部を確実に検知するとと
もに、対物レンズ３０により作り出された非常に細長い
レーザ光２０のスポットサイズが微小であるがゆえに、
溝の底部に焦点を合わせた時の焦点深度が深くなるの
で、溝の底部に凹凸部があった場合等にこれらの画像パ
ターンのできるだけ多くを映し出すことができる。すな
わち、溝内部の多くの画像情報を得ることができる。

【００２３】また、レーザ光２０の走査方式が、ミラー
２９を振ってレーザ光２０を走査させる方式とは異な
り、試料が載置されたテーブル側を走査させるいわゆる
テーブルスキャン方式であるので、対物レンズ３０に対
する光軸が動かないため、像の歪みやケラレ、解像度低
下がなく、常に安定した計測結果を得ることができる。

【００２４】なお、前記実施例ではレーザ光２０のスポ
ットサイズを小さく絞る機能をもつ光学系をアキシコン
プリズム２７とリレーレンズ２８とを組合せて構成した
が、アキシコンプリズム２７に代えて環状のスリットを
有するリングフィルターを用いてもよい。また、前記組
合せのうち、リレーレンズ２８はアキシコンプリズム２
７で絞ったレーザ光２０をさらに小さく絞るために補助
的に使用するものであって、本顕微鏡が一応の目標とす
るアスペクト比３程度の溝を計測する場合には、リレー
レンズ２８は必ずしも用いなくてもよい。

【００２５】なお、アキシコンプリズムやリレーレンズ
は、従来より、ベッセルビームスポット顕微鏡と称され
る他の形式のレーザ顕微鏡においても用いられている
が、従来一般のベッセルビームスポット顕微鏡は、レー
ザ光の光軸を走査する形式のものであり、そのようなも
のでは走査調整機構が複雑になったり、計測結果が不安
定になるといった不具合が生じていた。そのような事情
から、前述したように、本実施例のレーザ顕微鏡は、レ
ーザ光のスポットサイズを小さく絞るための光学系と、
試料側を走査させる走査方式とを組み合わせる構成とし
たわけである。

【００２６】

【発明の効果】本発明のレーザ顕微鏡によれば、アキシ
コンプリズムまたはリングフィルターからなる集光機器
により、スポットサイズが小さく、かつ焦点深度の深い
レーザ光が得られるので、試料に照射されるレーザ光
は、幅が狭く深い溝の底部にまで充分に到達し、かつ、
ベストフォーカスの箇所のみならず、たとえば前記溝の
内部に凹凸があった場合等に焦点深度範囲内のこれら凹
凸の画像パターンのより多くを映し出すことができる。
したがって、本発明によれば、アスペクト比の大きい溝
であってもその内部の多くの情報を得ることができ、た
とえばトレンチ構造やセラミックスの粒界破壊等のよう
な深い溝構造をもつ試料を解像度高く映し出して、その
寸法測定を行なうことが可能となる。

【００２７】また、このレーザ顕微鏡は、試料を移動さ
せることによって、この試料における所定の観察領域内
に前記レーザ光を照射させる走査機器を備えているた
め、対物レンズに対するレーザ光の光軸が動かず、像の
歪みや解像度の低下を回避でき、安定した画像を得るこ
とができるとともに、光学系全体の簡略化を図ることも
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ顕微鏡の光学系部分の一実施例
を示す概略構成図である。

【図２】一般的な共焦点走査方式レーザ顕微鏡の動作原
理を示す図である。

【図３】試料が有する溝の形状と、その溝に照射される
レーザ光のスポットサイズとの関係を示す図である。

【符号の説明】

２０ レーザ光 ２７ アキシコンプリズム（集光機器） ２８ リレーレンズ（集光機器） ３１ スキャナー（走査機器） ３２ スキャンコントローラ（走査機器） ３３ レーザ顕微鏡 ｒ1 、ｒ2 スポットサイズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光のスポットサイズを小さく絞る
   とともに焦点深度を深くする特性を有する集光機器と、
   試料を移動させることによってこの試料における所定の
   観察領域内にレーザ光を照射させる走査機器とを具備し
   たことを特徴とするレーザ顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１記載のレーザ顕微鏡において、
   前記集光機器が、アキシコンプリズムまたはリングフィ
   ルターからなることを特徴とするレーザ顕微鏡。