JPH08159717A

JPH08159717A - 走査光学装置

Info

Publication number: JPH08159717A
Application number: JP6323924A
Authority: JP
Inventors: Kinya Kato; 欣也加藤; Masanori Kato; 正紀加藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-12-01
Filing date: 1994-12-01
Publication date: 1996-06-21

Abstract

(57)【要約】【目的】被検面上における走査ビームの位置座標を正
確に求めることのできる廉価な走査光学装置を提供する
こと。【構成】本発明においては、光束を供給する光源手段
と、パターンが形成された被検面上に前記光束を集光さ
せる集光光学系と、前記光源手段と前記集光光学系との
間の光路中に設けられて前記被検面上の光束を光学的に
走査するための走査手段とを備えた走査光学装置におい
て、前記走査手段は、前記光源手段からの入射光束を１
８０度偏向させて射出させるための互いに直交した少な
くとも２つの反射面を有し、前記入射光束に対して前記
射出光束を所定方向に沿って平行変位させるための移動
反射手段と、前記移動反射手段の少なくとも２つの反射
面により形成される交線と前記移動反射手段の少なくと
も２つの反射面に対する前記入射光束および前記射出光
束を含む面との交点に関する前記所定方向に沿った移動
量を計測するための計測手段とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査光学装置に関し、特
にレーザビームを使用した走査光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば半導体素子や液晶表示素子の製
造において、基板に形成された微細パターンのエッジを
検出するパターン検出装置や、マスクと基板とのアライ
メント計測を行う位置合わせ装置等が使用される。これ
らの装置では、たとえば基板やマスクのような被検面上
をレーザスポットで走査する。そして、被検面上に形成
されたパターンやマークから得られる回折光や散乱光や
正反射光を受光することにより、パターンやマークを検
出するのが一般的である。

【０００３】従来のパターン検出装置や位置合わせ装置
等では、回転ポリゴン鏡や振動ミラーと対物（集光）レ
ンズとを組み合わせて、ビーム走査を行う走査光学装置
が考案されている。また、たとえば特公昭５６−２５９
６４号公報に記載されているように、直角プリズムを機
械的に直線往復運動させて、ビーム走査を行う走査光学
装置も提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような回転ポリ
ゴン鏡や振動ミラーを用いた従来の走査光学装置では、
被検面上におけるレーザスポットの位置座標を正確に読
み取るために、回転ポリゴン鏡や振動ミラーの回転角度
の読み取り分解能を向上させる必要がある。また、対物
レンズの焦点距離を短くして、画角を大きくする必要が
ある。しかしながら、読み取り分解能の向上および対物
レンズの広画角化は、共に装置の製造コストの上昇を招
くという不都合があった。

【０００５】また、直角プリズムを用いた従来の走査光
学装置では、直角プリズムを機械的に直線往復運動させ
る際に発生する直角プリズムの回転等の軌跡変動に起因
して、被検面上におけるレーザスポット位置が変動す
る。その結果、レーザスポット位置の計測誤差が発生す
るという不都合があった。本発明は、前述の課題に鑑み
てなされたものであり、被検面上における走査ビームの
位置座標を正確に求めることのできる廉価な走査光学装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、光束を供給する光源手段と、パ
ターンが形成された被検面上に前記光束を集光させる集
光光学系と、前記光源手段と前記集光光学系との間の光
路中に設けられて前記被検面上の光束を光学的に走査す
るための走査手段とを備えた走査光学装置において、前
記走査手段は、前記光源手段からの入射光束を１８０度
偏向させて射出させるための互いに直交した少なくとも
２つの反射面を有し、前記入射光束に対して前記射出光
束を所定方向に沿って平行変位させるための移動反射手
段と、前記移動反射手段の少なくとも２つの反射面によ
り形成される交線と前記移動反射手段の少なくとも２つ
の反射面に対する前記入射光束および前記射出光束を含
む面との交点に関する前記所定方向に沿った移動量を計
測するための計測手段とを備えていることを特徴とする
走査光学装置を提供する。

【０００７】本発明の好ましい態様によれば、前記計測
手段は、計測用の光束を供給する第２光源手段と、前記
第２光源手段からの計測用入射光束を１８０度偏向させ
て射出させるための互いに直交した少なくとも２つの反
射面を有し、前記移動反射手段とともに前記所定方向に
沿って移動可能な第２移動反射手段と、前記第２移動反
射手段の移動に伴う前記計測用の光束の光学的光路長の
変化に基づいて、前記第２移動反射手段の少なくとも２
つの反射面により形成される交線と前記第２移動反射手
段の少なくとも２つの反射面に対する前記入射光束およ
び前記射出光束を含む面との交点に関する前記所定方向
に沿った移動量を測定するための測定手段とを備え、前
記第２移動反射手段の交点は、前記移動反射手段の交点
とほぼ一致する。

【０００８】

【作用】本発明では、走査手段として互いに直交する少
なくとも２つの反射面を有する移動反射手段（たとえば
移動反射鏡）を備えている。そして、この走査用移動反
射鏡の反射面の交線と、走査用移動反射鏡に対する入射
ビームおよび反射ビームを含む面との交点（以下、単に
「反射交点」という）の移動量をたとえば干渉計を使用
して計測する。こうして、以下詳述するように、走査用
移動反射鏡の直線往復運動における軌跡変動が発生して
も、計測した反射交点の移動量に基づき、走査用移動反
射鏡の作用によるビームの平行変位量を、ひいては被検
面上における走査ビームの位置を正確に求めることがで
きる。

【０００９】以下、互いに直交する２つの反射面を有す
る走査用移動反射鏡の移動量（回転を含む）と、走査用
移動反射鏡の作用によるビームの平行変位量との関係に
ついて説明する。図３は、反射交点の移動量とビームの
平行変位量との関係を示す図である。図３に示すよう
に、直交する２つの反射面の反射交点Ｏが、ｘ方向にΔ
ｘだけｙ方向にΔｙだけそれぞれ移動してＯ’の位置に
達するとともに、図中反時計回りに微小角度αだけ回転
したものとする。なお、図中、移動前の反射面を実線
で、移動後の反射面を破線でそれぞれ示している。ま
た、図中、移動前の反射面に対するビーム軌跡を実線
で、移動後の反射面に対するビーム軌跡を破線でそれぞ
れ示している。

【００１０】まず、移動前の第１反射面に対して４５°
の角度で（図中水平方向に）点Ａに入射したビームは、
図中鉛直下方に反射された後、第２反射面に対して４５
°の角度で点Ｂに入射する。第２反射面の点Ｂに入射し
たビームは、図中水平左側方向に反射される。こうし
て、入射ビームと反射ビームとのビーム間隔は、点Ａと
点Ｂとの間のｙ方向距離２ａとなる。一方、同じく図中
水平方向に入射するビームは、点Ａを介して移動後の第
１反射面の点Ａ’で反射された後、第２反射面の点Ｂ’
に入射する。移動後の第２反射面の点Ｂ’に入射したビ
ームは、図中水平左側方向に反射される。こうして、移
動後の走査用移動反射鏡による反射ビームは、移動前の
走査用移動反射鏡による反射ビームよりもｙ方向にεだ
け平行変位される。

【００１１】平行変位量εは、次の式（１）によって表
される。

【数１】 ε＝２ａ−Ａ’Ｄ＝２ａ−Ａ’Ｂ’cos ２α （１）

【００１２】ところで、角度Ｏ’Ａ’Ｂ’は４５°−α
であるから、Ａ’Ｂ’は次の式（２）によって表され
る。

【数２】Ａ’Ｂ’＝Ａ’Ｏ’／cos （４５°−α）＝２^1/2Ａ’Ｏ’／（cos α＋sin α）（２）

【００１３】また、Ａ’Ｏ’は、次の式（３）によって
表される。

【数３】Ａ’Ｏ’＝ＡＥ／sin （４５°−α）＝２^1/2（ａ−Δｙ）／（cos α−sin α）（３）

【００１４】上述の式（１）〜（３）により、次の式
（４）で表される関係が成立する。

【数４】 ε＝２ａ−２（ａ−Δｙ）＝２Δｙ（４）このように、式（４）から、ビームの平行変位量εは、
走査用移動反射鏡の回転角αや入射ビームに平行な方向
の移動量Δｘに依存することなく、反射ビームの平行変
位方向（入射ビームに垂直な方向）の移動量Δｙを計測
することによって得られることがわかる。

【００１５】次に、図３の２つの反射面を有する干渉計
を想定し、移動前と移動後との光路長差について考察す
る。図３において、移動前の基準ビームの光路ＡＢと移
動後のビームの光路ＡＡ’Ｂ’Ｆとの光路長差ΔΦは、
次の式（５）によって表される。

【数５】 ΔΦ＝ＡＡ’＋Ａ’Ｂ’＋Ｂ’Ｄ＋ＤＦ−ＡＢ＝２ＡＡ’＋Ａ’Ｂ’＋Ｂ’Ｄ−２ａ（５）なお、ＡＡ’＝ＤＦであり、ＡＢ＝２ａである。

【００１６】式（２）および（３）より、次の式（６）
に示す関係が成立する。

【数６】Ａ’Ｂ’＝２（ａ−Δｙ）／（cos²α−sin²α）（６）

【００１７】また、Ｂ’Ｄ＝Ａ’Ｂ’sin ２αであるか
ら、次の式（７）に示す関係が成立する。

【数７】Ａ’Ｂ’＋Ｂ’Ｄ＝Ａ’Ｂ’（１＋sin ２α）＝Ａ’Ｂ’（cos α＋sin α）² （７）

【００１８】式（７）に式（６）を代入すると、次の式
（８）が得られる。

【数８】Ａ’Ｂ’＋Ｂ’Ｄ＝２（ａ−Δｙ）（cos α＋sin α）／（cos α−sin α）（８）

【００１９】一方、ＡＡ’は、次の式（９）によって表
される。

【数９】ＡＡ’＝ａ＋Δｘ−Ａ’Ｏ’cos （４５°−α）（９）

【００２０】したがって、式（９）に式（３）を代入し
て、次の式（10）が得られる。

【数１０】ＡＡ’＝ａ＋Δｘ−（ａ−Δｙ） ×（cos α＋sin α）／（cos α−sin α）（10）

【００２１】こうして、式（５）に式（８）および（1
0）を代入すると、光路長差ΔΦは次の式（11）で表さ
れる。

【数１１】 ΔΦ＝２Δｘ（11）

【００２２】こうして、式（11）により、光路長差ΔΦ
は、計測用移動反射鏡の回転角αや計測用ビームに垂直
方向の移動量Δｙに依存することなく、計測用ビームに
平行な方向の移動量Δｘのみによって決定されることが
わかる。すなわち、図３の入射ビームを計測用入射ビー
ムと考えれば、反射交点Ｏのｘ軸方向の移動量Δｘを正
確に計測することができる。

【００２３】以上より、走査用移動反射鏡の反射交点と
計測用移動反射鏡の反射交点とを一致させ、走査用移動
反射鏡への入射ビームと計測用移動反射鏡への計測用入
射ビームとが直交するように構成すれば、走査用移動反
射鏡の反射交点の所定方向の移動量を干渉計によって正
確に計測し、走査用移動反射鏡によるビーム平行変位量
を正確に求めることができる。

【００２４】図２は、本発明の走査光学装置の作動原理
を概略的に示す図である。図２では、計測用移動反射鏡
として裏面反射鏡を用いることにより、計測用移動反射
鏡の反射交点と走査用移動反射鏡の反射交点とを一致さ
せている。このように、計測用移動反射鏡および走査用
移動反射鏡のうち一方の移動反射鏡に裏面反射鏡を用い
るのが現実的に設計可能な構成である。

【００２５】図４は、図２の裏面反射鏡を用いた計測用
移動反射鏡の作用について説明する図である。図４に示
すように、移動反射鏡の厚さをｄとし、移動反射鏡の屈
折率をｎとし、反射交点Ｏのｘ方向の移動量をΔｘと
し、反射交点Ｏのｙ方向の移動量をΔｙとし、移動反射
鏡の回転角をαとし、計測用入射ビームと計測用反射ビ
ームとのｙ方向距離ＡＦを２ａとすると、移動前と移動
後との光路長差δΦは、次の式（12）で表される。

【数１２】 δΦ＝ＡＡ’＋２Ａ’Ｂ’＋Ｃ’Ｄ’＋２Ｄ’Ｅ’ ＋Ｆ’Ｇ−（２ＡＢ＋ＣＤ＋２ＤＥ）（12）

【００２６】なお、ＡＢ、Ａ’Ｂ’およびＤ’Ｅ’は、
それぞれ次の式（13）乃至（15）で表される。

【数１３】ＡＢ＝ＤＥ＝ｎ・ｄ／cos β （13）ただし、角度ＡＢＣ＝２β sin β＝１／（２^1/2ｎ）

【００２７】

【数１４】Ａ’Ｂ’＝ｎ・ｄ／cos β’ （14）ただし、角度Ａ’Ｂ’Ｃ’＝２β’ sin β’＝１／｛ｎ・sin （π／４＋α）｝

【００２８】

【数１５】Ｄ’Ｅ’＝ｎ・ｄ／cos β'' （15）ただし、角度Ｄ’Ｅ’Ｆ’＝２β'' sin β''＝１／｛ｎ・sin （π／４−α）｝

【００２９】式（13）乃至（15）より、次の式（16）に
示す関係が成立する。

【数１６】２（Ａ’Ｂ’＋Ｄ’Ｅ’）−２（ＡＢ＋ＤＥ）＝２ｎｄ（１／cos β’＋１／cos β''−２／cos β） ≒０（16）ただし、α＜＜１とする。

【００３０】ＯＰ＝Ｏ’Ｐ’＝２^1/2ｄ＝Ｄとし、Ｏを
原点とすると、移動後の反射交点Ｏ’および点Ｐ’（表
面反射鏡の場合の反射交点に対応する点）の座標は、そ
れぞれ（Δｘ，Δｙ）および（Δｘ−Ｄcos α，Δｙ−
Ｄsin α）となる。したがって、Ａ’Ｐ’は、次の式
（17）で表される。

【数１７】Ａ’Ｐ’＝（ａ−Δｙ＋Ｄsin α）／cos （π／４＋α）＝２^1/2（ａ−Δｙ＋Ｄsin α）／（cos α−sin α）（17）

【００３１】また、Ｃ’Ｄ’、ＡＡ’、Ｆ’Ｇおよび
Ｐ’Ｆ’は、それぞれ次の式（18）乃至（20）で表され
る。

【数１８】Ｃ’Ｄ’＝Ｃ’Ｐ’／cos （π／４−α）＝（Ａ’Ｐ’−２ｄtan β’）／cos （π／４−α）＝２（ａ−Δｙ＋Ｄsin α）／cos ２α −２・２^1/2ｄtan β’／（cos α＋sin α）（18）

【００３２】

【数１９】ＡＡ’＝ａ＋Ｄ＋（Δｘ−Ｄcos α）−Ａ’Ｐ’sin （π／４＋α）＝ａ＋（１−cos α）Ｄ＋Δｘ−（ａ−Δｙ＋Ｄsin α） ×（cos α＋sin α）／（cos α−sin α）（19）

【００３３】

【数２０】Ｆ’Ｇ＝ａ＋（１−cos α）Ｄ＋Δｘ −Ｐ’Ｆ’sin （π／４−α）（20）

【００３４】なお、Ｐ’Ｆ’は、次の式（21）で表され
る。

【数２１】Ｐ’Ｆ’＝Ｐ’Ｄ’＋２ｄtan β'' ＝Ｃ’Ｐ’tan （π／４−α）＋２ｄtan β'' ＝（Ａ’Ｐ’−２ｄtan β’）tan （π／４−α）＋２ｄtan β'' ＝２^1/2（ａ−Δｙ＋Ｄsin α）／（cos α＋sin α）＋２ｄ［tan β''−｛（cos α−sin α）／（cos α＋sin α）｝tan β’］（21）

【００３５】したがって、式（20）および（21）より、
Ｆ’Ｇは次の式（22）で表される。

【数２２】Ｆ’Ｇ＝ａ＋（１−cos α）Ｄ＋Δｘ−（ａ−Δｙ＋Ｄsin α） ×（cos α−sin α）／（cos α＋sin α） −２^1/2ｄ（cos α−sin α）［tan β'' −｛（cos α−sin α）／（cos α＋sin α）｝tan β’］（22）

【００３６】また、式（18）、（19）および（22）よ
り、次の式（23）に示す関係が成立する。

【数２３】ＡＡ’＋Ｃ’Ｄ’＋Ｆ’Ｇ＝２ａ＋２Δｘ＋｛２（１−cos α）−（cos α＋sin α）tan β’ −（cos α−sin α）tan β''｝Ｄ ≒２ａ＋２Δｘ−２Ｄtan β ＝２ａ＋２Δｘ−２・２^1/2ｄtan β （23）

【００３７】ここで、ＣＤ＝２ａ−２・２^1/2ｄtan β
であるから、式（16）および（23）の結果を用いて、光
路長差δΦは、次の式（24）で表される。

【数２４】 δΦ＝ＡＡ’＋Ｃ’Ｄ’＋Ｆ’Ｇ−ＣＤ＋２（Ａ’Ｂ’＋Ｄ’Ｅ’−ＡＢ−ＤＥ） ≒２Δｘ（24）

【００３８】このように、式（24）より、裏面反射鏡を
用いた図２の干渉計においても、光路長差δΦに基づい
て、反射交点Ｏの移動量Δｘを一次近似の範囲で正確に
計測することができる。なお、図４における移動量Δｘ
は、図２における走査用移動反射鏡３の反射交点の移動
量Δに他ならない。すなわち、計測用移動反射鏡３３に
対する計測用ビームの光路長差から正確に求めた移動量
Δに基づいて、走査用移動反射鏡３の作用による平行変
位量２Δを、ひいては被検面上における走査ビームの移
動量δを正確に求めることができる。

【００３９】

【実施例】本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明
する。図１は、本発明の第１実施例にかかる走査光学装
置の構成を概略的に示す斜視図である。図１の装置は、
線状ビームで被検面を走査するための走査光学系を備え
ている。走査光学系において、レーザ１からｙ方向に射
出されたビームは、ミラーによってｘ方向に反射され、
シリンドリカルレンズ２を介してｚ方向に延びた線状ビ
ーム４となる。なお、必要に応じて、レーザ１とシリン
ドリカルレンズ２との間にビームエクスパンダを配置す
るのがよい。

【００４０】シリンドリカルレンズ２を通過したビーム
は、互いに直交する２つの反射面を有する移動反射鏡３
に入射する。移動反射鏡３は、入射ビームに対して４５
°の角度をなしｘｙ平面と直交する第１反射面と、第１
反射面およびｘｙ平面と直交する第２反射面とからな
る。なお、移動反射鏡３はｘｙ平面と平行なテーブル５
上に固定され、テーブル５は図中矢印で示すようにｙ方
向に往復移動することができるように構成されている。

【００４１】こうして、第１反射面に入射したビーム
は、２つの反射面を介してｘ方向に反転された後、上述
のシリンドリカルレンズ２の集光作用により線状ビーム
４として結像する。前述したように、テーブル５のｙ方
向移動に応じて、線状ビーム４もｙ方向に移動（すなわ
ち平行変位）する。さらに、線状ビーム４は、ミラーで
ｙ方向に導かれ、ビームスプリッター６に入射する。ビ
ームスプリッター６を透過したビームは、ミラーでｘ方
向に導かれ、第２対物レンズ１０に入射する。

【００４２】第２対物レンズ１０で屈折されたビーム
は、像回転プリズム９、ダイクロイックミラー１１を介
した後、ミラーに入射する。ミラーでｚ方向に偏向され
たビームは、対物レンズ１２を介して、被検面上に線状
ビーム１３として結像する。図示のように、線状ビーム
１３はｘ方向に延びており、移動反射鏡３の往復移動に
伴ってｙ方向に移動するようになっている。なお、第２
対物レンズ１０および対物レンズ１２はアフォーカル系
を構成し、第２対物レンズ１０と対物レンズ１２との間
の光路に配置された像回転プリズム９を光軸回りに適宜
回転させることによって、被検面上に形成される線状ビ
ーム１３の長手方向およびその走査方向を変化させるこ
とができる。

【００４３】被検面からの散乱光は、検出器１４xaおよ
び１４xbで検出される。一方、被検面からの正反射光お
よび回折光は、対物レンズ１２、ダイクロイックミラー
１１、像回転プリズム９、および第２対物レンズ１０を
介した後、ビームスプリッター６に入射する。ビームス
プリッター６でｚ方向に反射された正反射光は、リレー
レンズ７を介して、対物レンズ１２の瞳面と共役な位置
に配置されたスリットのような開口部８を通して光電検
出される。また、回折光を検出する場合には、対物レン
ズ１２の瞳面と共役な位置に配置された空間フィルター
（不図示）を介して光電検出される。

【００４４】また、図１の装置は、被検面を観察するた
めの観察光学系を備えている。観察光学系では、光ファ
イバーのようなライトガイド２１から射出された光が、
コレクターレンズ２２を介した後ハーフミラー２３によ
って反射され、ダイクロイックミラー１１に入射する。
ダイクロイックミラー１１で反射された光は、対物レン
ズ１２を介して、被検面上を照明する。照明光に対する
被検面からの光は、対物レンズ１２およびダイクロイッ
クミラー１１を介した後、ハーフミラー２３に入射す
る。ハーフミラー２３を透過した光は、観察用第２対物
レンズ２４を介して撮像素子２５に達する。こうして、
観察光学系により、被検面の像を観察することができ
る。

【００４５】さらに、図１の装置は、移動反射鏡３の反
射交点のｙ方向移動量を計測するための干渉光学系を備
えている。干渉光学系において、レーザ４１から射出さ
れたビームは、偏光ビームスプリッター４２によって、
移動裏面反射鏡３３に向かう第１ビームと、固定鏡であ
る直角プリズム４４に向かう第２ビームとに分離され
る。移動裏面反射鏡３３は、ｙ方向入射ビームに対して
４５°の角度をなしｘｙ平面と直交する第１反射面と、
第１反射面およびｘｙ平面と直交する第２反射面とから
なる。なお、移動裏面反射鏡３３もテーブル５上に固定
され、移動裏面反射鏡３３の反射交点は、移動反射鏡３
の反射交点と一致するように構成されている。

【００４６】偏光ビームスプリッター４２を介して移動
裏面反射鏡３３に向かう第１ビームは、１／４波長板４
３を介して移動裏面反射鏡３３に入射する。移動裏面反
射鏡３３に入射した第１ビームは、第１反射面および第
２反射面で反射され、１／４波長板４３を介して再び偏
光ビームスプリッター４２に入射する。一方、偏光ビー
ムスプリッター４２を介して固定反射鏡である直角プリ
ズム４４に向かう第２ビームは、もう１つの１／４波長
板４３を介して直角プリズム４４に入射する。直角プリ
ズム４４に入射した第２ビームは、２つの反射面で反射
された後、１／４波長板４３を介して再び偏光ビームス
プリッター４２に入射する。

【００４７】移動裏面反射鏡３３から入射した第１ビー
ムは、偏光ビームスプリッター４２を透過する。また、
直角プリズム４４から入射した第２ビームは、偏光ビー
ムスプリッター４２で反射される。すなわち、偏光ビー
ムスプリッター４２に入射した第１ビームおよび第２ビ
ームは合成された後、コーナーキューブ４５に入射す
る。コーナーキューブ４５で反転された２つのビーム
は、再び偏光ビームスプリッター４２に入射する。偏光
ビームスプリッター４２において、第１のビームは反射
され、１／４波長板４３を介して直角プリズム４４に入
射する。直角プリズム４４に入射した第１ビームは、２
つの反射面で反射された後、１／４波長板４３を介して
再び偏光ビームスプリッター４２に入射する。

【００４８】一方、偏光ビームスプリッター４２におい
て、第２のビームは透過し、１／４波長板４３を介して
移動裏面反射鏡３３に入射する。移動裏面反射鏡３３に
入射した第２ビームは、第１反射面および第２反射面で
反射され、１／４波長板４３を介して再び偏光ビームス
プリッター４２に入射する。移動裏面反射鏡３３から入
射した第２ビームは、偏光ビームスプリッター４２で反
射される。また、直角プリズム４４から入射した第１ビ
ームは、偏光ビームスプリッター４２を透過する。すな
わち、偏光ビームスプリッター４２に入射した第１ビー
ムおよび第２ビームは再び合成された後、検出器４６に
入射する。検出器４６では、２つのビームによって形成
された干渉縞を観測し、フリンジカウントを行って、移
動裏面反射鏡３３の反射交点すなわち走査用移動反射鏡
３の反射交点のｙ方向移動量を求めることができる。こ
のように、図示の干渉光学系は、ダブルパス干渉計を構
成している。

【００４９】図２は、図１の走査光学系および干渉光学
系の動作原理を示す図である。図示のように、移動反射
鏡３の反射交点がｙ方向にΔだけ移動すると、移動反射
鏡３の作用により線状ビーム４は２Δだけ平行変位す
る。そして、第２対物レンズ１０の焦点距離をｆ２と
し、対物レンズ１２の焦点距離をｆ１とすると、被検面
３５上での線状ビーム１３の移動量δと移動反射鏡３の
反射交点の移動量Δとの間には、以下の式（25）に示す
関係が成立する。

【数２５】 δ＝２Δ・ｆ１／ｆ２（25）

【００５０】なお、前述したように、移動反射鏡３の反
射交点の移動量Δは、干渉光学系で正確に計測すること
ができる。このように、移動反射鏡３の反射交点の移動
量Δを干渉光学系で正確に計測すれば、この移動量Δに
基づいて被検面上における走査ビームの移動量δを正確
に求めることができる。すなわち、走査用移動反射鏡３
の反射交点の移動量Δだけに着目することにより、移動
反射鏡の軌跡変動の影響を受けることなく、被検面上に
おける走査ビームの位置を正確に求めることができるの
で、高精度なビーム走査が可能となる。

【００５１】図７は、図２の移動裏面反射鏡における表
面反射光を遮断可能にする条件を説明する図である。図
７において表面反射光を遮断するための遮光手段は、た
とえば計測用移動裏面反射鏡３３の２つの反射面の間に
配置された遮光板３９である。この遮光板３９は、表面
反射光５１だけを遮断し、裏面反射光５２を遮断しない
ように構成することが望ましい。

【００５２】計測用ビーム径をφとし、反射鏡の厚さを
ｄとし、反射鏡の屈折率をｎとし、表面への入射角をθ
とすると、表面反射光と裏面反射光との距離Ｄは、次の
式（26）で表される。

【数２６】Ｄ＝ｄsin ２θ／｛（ｎ²−sin²θ）｝^1/2 （26）ここで、θ＝４５°であるから、式（26）を次の式（2
7）のように表すことができる。

【数２７】Ｄ＝ｄ／｛（ｎ²−１／２）｝^1/2 （27）

【００５３】一方、表面反射光だけを遮断することがで
きる条件は、表面反射光５１と裏面反射光５２とが重な
ることなく互いに離間することに他ならないから、次の
条件式（28）で与えられる。

【数２８】Ｄ＞φ （28）式（28）に式（27）を代入し、たとえば屈折率ｎ＝１．
５と仮定すると、表面反射光だけを遮断可能にする条件
は、次の条件式（29）で規定される。

【数２９】ｄ＞ φ｛（ｎ²−１／２）｝^1/2≒１．３φ （29）

【００５４】図５は、走査光学系の移動反射鏡および干
渉光学系の移動反射鏡の変形例の構成およびこの変形例
による走査光学系および干渉光学系の動作原理を示す図
である。図５の走査光学系および干渉光学系の構成は、
図２の走査光学系および干渉光学系の構成と類似してい
る。しかしながら、図２では走査用移動反射鏡が表面鏡
であり計測用移動反射鏡が裏面反射鏡であるが、図５で
は双方の移動反射鏡が共に表面反射鏡である点が基本的
に相違する。

【００５５】図５において、走査用移動反射鏡は、互い
に直交する２つの反射面すなわち第１反射面５１および
第２反射面５２からなる。一方、計測用移動反射鏡も、
互いに直交する２つの反射面すなわち第１反射面５３お
よび第２反射面５４からなる。そして、走査光学系の２
つの反射面の交線と干渉光学系の２つの反射面の交線と
が一致するように構成されている。

【００５６】また、走査用移動反射鏡に対する入射ビー
ムおよび反射ビームを含む平面と、計測用移動反射鏡に
対する入射ビームおよび反射ビームを含む平面とが一致
するように構成されている。換言すれば、走査用移動反
射鏡の反射交点と計測用移動反射鏡の反射交点が一致す
るように構成されている。このように、図５に示す干渉
光学系では移動反射鏡に裏面反射鏡を使用していないの
で、走査用移動反射鏡の反射交点の移動量Δを、一次近
似ではなく正確に求めることができる（式（11）を参
照）。その結果、この正確に計測した移動量Δに基づい
て被検面上における走査ビームの移動量を正確に求める
ことができる。

【００５７】図６は、本発明の第２実施例にかかる走査
光学装置の構成を概略的に示す斜視図である。図６の走
査光学装置では、被検面上で直交する２方向におけるビ
ーム走査、すなわちｘｙ方向二次元同時走査が可能であ
る。このような二次元同時走査光学系は、寸法測定機、
座標測定機、アライメント計測、およびレジストレーシ
ョン計測等に適用することができる。

【００５８】なお、図６の走査光学装置では干渉光学系
の図示を省略しているが、たとえば図１の干渉光学系と
同じ構成の干渉光学系が適用可能である。また、図示の
装置の観察光学系は、図１の観察光学系と同じ構成を有
する。さらに、図示の装置の走査光学系は、図１の走査
光学系と類似の構成を有する。したがって、図６におい
て、図１の構成要素と基本的に同じ機能を有する要素に
は、同じ参照符号が付されている。以下、図６の走査光
学装置の走査光学系について、図１の構成との基本的な
相違点に着目して説明する。

【００５９】図６の走査光学系において、レーザ１から
射出されたビームは、シリンドリカルレンズ２を介して
線状ビーム１０４となる。シリンドリカルレンズ２を通
過したビームは、互いに直交する２つの反射面すなわち
第１反射面および第２反射面を有する移動反射鏡１０３
に入射する。なお、移動反射鏡１０３がテーブル上に固
定され、テーブルがひいては移動反射鏡１０３が図中矢
印で示す方向に往復移動することができるように構成さ
れている点は第１実施例と同じである。

【００６０】こうして、移動反射鏡１０３から反射され
たビームは、上述のシリンドリカルレンズ２の集光作用
により線状ビーム１０４として結像する。さらに、線状
ビーム１０４からの光は、偏光ビームスプリッター１０
５で２つのビームに分離される。偏光ビームスプリッタ
ー１０５を透過した第１ビームは、リレーレンズ１０６
ｘを介して偏光ビームスプリッター１０７ｘに入射す
る。一方、偏光ビームスプリッター１０５で反射された
第２ビームは、リレーレンズ１０６ｙを介して偏光ビー
ムスプリッター１０７ｙに入射する。

【００６１】偏光ビームスプリッター１０７ｘで反射さ
れた第１ビームは、リレーレンズ１０８ｘを介した後、
長手方向がｚ方向に延びた線状ビーム１０９ｘとして結
像する。また、偏光ビームスプリッター１０７ｙで反射
された第２ビームは、リレーレンズ１０８ｙを介した
後、長手方向がｙ方向に延びた線状ビーム１０９ｙとし
て結像する。図示のように、２つの線状ビーム１０９ｘ
および１０９ｙは、長手方向が互いに直交し且つ空間的
に分離されている。すなわち、２つの線状ビーム１０９
ｘおよび１０９ｙの中心は、後述する第２対物レンズ１
１０の光軸からそれぞれ偏心している。なお、２つの線
状ビーム１０９ｘおよび１０９ｙの偏光方向は、共に線
状ビーム１０９ｙの長手方向と一致している。

【００６２】２つの線状ビーム１０９ｘおよび１０９ｙ
からの光は、それぞれ第２対物レンズ１１０、１／４波
長板１１１、ダイクロイックミラー１１、および対物レ
ンズ１２を介して、被検面上に線状ビーム１１３ｘおよ
び１１３ｙとして結像する。図示のように、線状ビーム
１１３ｘは長手方向がｘ方向に延び、線状ビーム１１３
ｙは長手方向がｙ方向に延びている。そして、移動反射
鏡１０３の往復移動に伴って、線状ビーム１１３ｘはｙ
方向に走査され、線状ビーム１１３ｙはｘ方向に走査さ
れるようになっている。

【００６３】線状ビーム１１３ｘに対する被検面からの
散乱光は、検出器１４xaおよび１４xbで検出される。ま
た、線状ビーム１１３ｙに対する被検面からの散乱光
は、検出器１４yaおよび１４ybで検出される。一方、線
状ビーム１１３ｘに対する被検面からの第１正反射光お
よび第１回折光は、対物レンズ１２、ダイクロイックミ
ラー１１、１／４波長板１１１、第２対物レンズ１１
０、リレーレンズ１０８ｘを介した後、偏光ビームスプ
リッター１０７ｘに入射する。また、線状ビーム１１３
ｙに対する被検面からの第２正反射光および第２回折光
は、対物レンズ１２、ダイクロイックミラー１１、１／
４波長板１１１、第２対物レンズ１１０、リレーレンズ
１０８ｙを介した後、偏光ビームスプリッター１０７ｙ
に入射する。

【００６４】１／４波長板１１１を介した正反射光およ
び回折光の偏光方向は共に１０９ｘの長手方向と一致し
ているので、第１正反射光および第１回折光は偏光ビー
ムスプリッター１０７ｘを透過し、第２正反射光および
第２回折光も偏光ビームスプリッター１０７ｙを透過す
る。偏光ビームスプリッター１０７ｘを透過した第１回
折光は、リレーレンズ１１５ｘを介して、対物レンズ１
２の瞳面と共役な位置に配置された空間フィルター１１
６ｘに達して光電検出される。また、偏光ビームスプリ
ッター１０７ｙを透過した第２回折光は、リレーレンズ
１１５ｙを介して、対物レンズ１２の瞳面と共役な位置
に配置された空間フィルター１１６ｙに達して光電検出
される。なお、正反射光を検出する場合、対物レンズ１
２の瞳面と共役な位置に配置されたスリットのような開
口部（不図示）を通して光電検出される。

【００６５】このように、第２実施例にかかる走査光学
装置では、１つの走査光学系によりｘ方向およびｙ方向
に二次元同時走査が可能となる。しかも、２本の走査ビ
ームを空間的に分離しているので、２つの走査ビームに
対応する２つの検出光が互いに混合することなく、高速
且つ高精度な計測が可能となる。また、偏光作用により
光量損失を最小限に抑えることができる。なお、上述の
実施例では、走査光学系および干渉光学系の移動反射手
段として、互いに直交した２つの反射面を有する反射鏡
手段を用いている。しかしながら、互いに直交した３つ
の反射面を有するコーナーキューブミラーを用いること
も可能である。この場合、２組のコーナーキューブミラ
ーの頂点が重なるように配置すれば良い。また、直角プ
リズムのような反射プリズムを使用することもできる。

【００６６】

【効果】以上説明したように、本発明の走査光学装置で
は、計測した走査用移動反射手段の反射交点の移動量に
基づき、被検面上における走査ビームの位置を正確に求
めることができる。したがって、走査用移動反射手段の
直線往復運動における軌跡変動が発生しても、高精度な
ビーム走査が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる走査光学装置の構
成を概略的に示す斜視図である。

【図２】図１の走査光学系および干渉光学系の動作原理
を示す図である。

【図３】図２の移動反射鏡の反射交点の移動量とビーム
の平行変位量との関係を示す図である。

【図４】図２の計測用移動反射鏡の作用について説明す
る図である。

【図５】走査光学系の移動反射鏡および干渉光学系の移
動反射鏡の変形例の構成およびこの変形例による走査光
学系および干渉光学系の動作原理を示す図である。

【図６】本発明の第２実施例にかかる走査光学装置の構
成を概略的に示す斜視図である。

【図７】図２の移動裏面反射鏡における表面反射光を遮
断可能にする条件を説明する図である。

【符号の説明】

１レーザ２シリンドリカルレンズ３移動反射鏡５テーブル６ビームスプリッター８開口部（スリット）９像回転プリズム１０第２対物レンズ１１ダイクロイックミラー１２対物レンズ２１ライトガイド２２コレクターレンズ２３ハーフミラー２４観察用第２対物レンズ２５撮像素子３３移動裏面反射鏡４１レーザ４２偏光ビームスプリッター４３１／４波長板４５コーナーキューブ４６検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光束を供給する光源手段と、パターンが
形成された被検面上に前記光束を集光させる集光光学系
と、前記光源手段と前記集光光学系との間の光路中に設
けられて前記被検面上の光束を光学的に走査するための
走査手段とを備えた走査光学装置において、前記走査手段は、前記光源手段からの入射光束を１８０度偏向させて射出
させるための互いに直交した少なくとも２つの反射面を
有し、前記入射光束に対して前記射出光束を所定方向に
沿って平行変位させるための移動反射手段と、前記移動反射手段の少なくとも２つの反射面により形成
される交線と前記移動反射手段の少なくとも２つの反射
面に対する前記入射光束および前記射出光束を含む面と
の交点に関する前記所定方向に沿った移動量を計測する
ための計測手段とを備えていることを特徴とする走査光
学装置。
【請求項２】前記計測手段は、計測用の光束を供給する第２光源手段と、前記第２光源手段からの計測用入射光束を１８０度偏向
させて射出させるための互いに直交した少なくとも２つ
の反射面を有し、前記移動反射手段とともに前記所定方
向に沿って移動可能な第２移動反射手段と、前記第２移動反射手段の移動に伴う前記計測用の光束の
光学的光路長の変化に基づいて、前記第２移動反射手段
の少なくとも２つの反射面により形成される交線と前記
第２移動反射手段の少なくとも２つの反射面に対する前
記入射光束および前記射出光束を含む面との交点に関す
る前記所定方向に沿った移動量を測定するための測定手
段とを備え、前記第２移動反射手段の交点は、前記移動反射手段の交
点とほぼ一致することを特徴とする請求項１に記載の走
査光学装置。
【請求項３】前記移動反射手段は互いに直交する２つ
の反射面を有する表面反射鏡であり、前記第２移動反射
手段は互いに直交する２つの反射面を有する裏面反射鏡
であって、前記第２移動反射手段の一方の反射面は前記移動反射手
段の２つの反射面の一方とほぼ一致し、前記第２移動反
射手段の他方の反射面は前記移動反射手段の２つの反射
面の他方とほぼ同一平面内にあることを特徴とする請求
項２に記載の走査光学装置。
【請求項４】前記第２移動反射手段の２つの反射面の
間には、前記第２移動反射手段の表面による反射光を遮
断するための遮光手段が設けられていることを特徴とす
る請求項３に記載の走査光学装置。
【請求項５】前記集光光学系は、全体としてアフォー
カル系を構成する２つの対物レンズと、前記２つの対物
レンズの間に設けられた像回転手段とを備えていること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の走
査光学装置。
【請求項６】前記被検面上で空間的に分離された２つ
の走査用光束を形成するために、前記移動反射手段から
の射出光束に基づいて、空間的に分離され且つ互いに異
なる偏光状態の２つの光束を生成する２光束生成手段を
前記走査手段と前記集光光学系との間の光路中に配置し
たことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記
載の走査光学装置。