JPH0894444A

JPH0894444A - 位相差測定装置及び方法

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Publication number: JPH0894444A
Application number: JP22658794A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kitagawa; 純一北川
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-09-21
Filing date: 1994-09-21
Publication date: 1996-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】種々レチクル上の位相差量を簡便にかつ広い
応用範囲で測定可能な装置、高精度な方法を提供する。【構成】偏光面を回転制御できる偏光子３を用いる。
該偏光回転手段で与えられる直線偏光面を有した光束ａ
が複屈折プリズムの結合素子５とコンデンサレンズ６を
通過後レチクル７に照射される場合、２光束ｂ，ｃの分
離量はパターンに応じて透明部９と隣合う位相領域１０
の基準位置間隔の距離の２倍程度から１／４程度が望ま
しい。分離量を上記距離より小さくしても観測面上の干
渉像で所望の２光束干渉コントラストが得られ、かつ２
光束は回転する偏光子３で透明部と位相領域の透過率比
に合わせて異なる光強度に可変できる。補償板１３で位
相差をｎ段階調整し、この時干渉強度を調整量に応じｎ
段階取り込み、検出干渉強度と位相差調整量をデータに
位相シフト干渉法の演算処理で位相差を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体製造のリ
ソグラフィ工程において使用される被投影原版として利
用されるフォトマスク（レチクル）の検査に用いること
ができる位相差測定装置及び方法に関し、特に、パター
ン内に位相領域をもつレチクルの位相差量を測定する場
合、種々のレチクルに対応できかつその位相領域の位相
差量測定に適用可能な、改良された装置と高精度な位相
差量測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高集積化に伴い、その半導
体自身を製作する技術も微細化が望まれている。縮小露
光法が開発されて以来、その半導体の微細加工に関する
研究が進み、近年では変形照明法、位相シフト法といっ
た像の解像を高める方法が、提案されている。ここで、
位相シフト法は、レチクル上で位相差を与える位相膜が
付加される方法であるが、現在、この種の方法として、
パターン上に位相膜を付加するレベンソン型によるもの
と、パターン自体に位相差と濃度差を持たせるハーフト
ーン型によるものとが、同等の効果を得るものとして提
案されている。いずれの場合にも、検査ではパターンは
もちろん位相膜の位相差量を測定する必要があるが、未
だ充分な測定技術の手法は確率していない。

【０００３】提案されている位相差測定法としてヘテロ
ダイン法、ノマルスキ法などを挙げることができる。ヘ
テロダイン法については、例えば『光ヘテロダイン法に
よる透過計測と反射計測及びその問題点 −位相シフト
マスク測定器を中心として− 大出孝博』（レーザ顕微
鏡研究会第１１回講演会論文集１９９３）（文献１）
によるものが、また、その測定例として、『差動ヘテロ
ダイン干渉法を用いた位相シフトマスクにおける位相差
直接測定藤田浩他』（第５４回応用物理学会学術講
演会講演予稿集Ｎｏ２２８ａ−ＳＨＦ−２２）（文献
２）がある。ここでは、ＡＯ素子を用いて、わずかに異
なる周波数をもつ２つの光束を光軸上で横ずれさせ、レ
チクルのシフタの有る所と無い所をそれぞれ通過した透
過光がフォトダイオードでヘテロダインビート信号とし
て検出される。また、ＡＯ素子の周波数変調により上記
横ずれ量は可変できる。

【０００４】ノマルスキ法では、例えば特開平４−１５
１６６２号公報（文献３）、『紫外光によるマスク位相
・マスク像質測定藤原剛他』（第４１回応用物理学
関係連合講演会講演予稿集Ｎｏ２２８ｐ−ＭＢ−１
４）（文献４）、『Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｆ
ｏｒｐｈａｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎｐ
ｈａｓｅｓｈｉｆｔｍａｓｋｓＤｅｒｅｋＢ．
Ｄｏｖｅｅｔａｌ．』（ＳＰＩＥｖｏｌ．１８０
９，ｐ１２８−１３６１９９２）（文献５）などがあ
る。

【０００５】かかる特開平４−１５１６６２号公報に開
示の装置、方法は、顕微鏡で用いられるノマルスキ観察
法を利用したものである。このものにおいては、光源よ
り得られる露光と同一の波長で直線偏光の光束を複屈折
プリズムとコンデンサレンズを用いて偏光成分の異なる
横ずれした２光束に分離し、レチクル上に照射する。そ
して、レチクルとパターンを結像する対物レンズ系とを
通過した２光束は、これを複屈折プリズムによって再結
合するようにし、この光路中に挿入される２光束の位相
差調整手段によってパターン像の位相膜に対応する部分
の干渉強度を測定するものである。このときレチクル上
で分離される横ずれ量は、レチクルの透明部と近傍の位
相膜部の距離に対応させる。この干渉強度によりかかる
位相差を測定できるものである。

【０００６】また、藤原ら（文献４）は、光学的な配置
は特開平４−１５１６６２号公報のものと同様だが、位
相差調整手段を利用した位相シフト干渉法（ノマルスキ
プリズム移動による位相変調法）と組み合わせてシフタ
位相量を測定している。Ｄ．Ｂ．Ｄｏｖｅら（文献５）
も、基本的な光学配置は特開平４−１５１６６２号公報
のものと同様だが、レーザ光源を用い、位相変調手段と
して電気光学効果を持つ素子（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔ
ｉｃｃｒｙｓｔａｌ）を利用した電圧変調による上記
位相シフト干渉法を実現している。ここで位相シフト干
渉法による測定の基本的な構成を初めて達成している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかして、これら従来
技術のよるものは、下記のような点からみると、まだ充
分には満足のいくものとはなっておらず、種々レチクル
上の位相差量を簡便にかつ広い応用範囲で測定できる装
置の実現、より精度の良い高精度な位相差測定方法の実
現に有利に適用できる提案はなされてはいない。上記で
触れたヘテロダイン法では、前掲の大出氏の論文（文献
１）にも記載されているが、レーザのモード安定性、Ａ
Ｏ素子のアイソレーション、受信アンプの位相特性など
に問題点を抱え、実際の装置の調整が難しく、必ずしも
簡便な測定を行えるとはいえない。また、例えばｉ線な
どの実際の露光波長で安定したレーザ光源が得られない
ので、別な波長によるヘテロダイン法の測定値からｉ線
での位相差量を推定することになってしまう。

【０００８】ノマルスキ法の従来例の一つとして、前記
特開平４−１５１６６２号公報が挙げられるが、この場
合、パターン像の位相膜部の干渉強度が最小または最大
となるときの２光束の位相差調整量から望む位相差量を
読み取る。この干渉強度の最大あるいは最小となるとき
の強度変化の傾きはゆるやかで、位相差調整量の位置決
めに大きく寄与する。このため、調整量の位置決めを行
う閾値を設定することが難しく、位相差測定の精度が左
右されて高精度を確保しづらく、これを人間が行えば自
ずから個人差による測定誤差が生じやすい。

【０００９】一方、藤原ら（文献４）や、Ｄ．Ｂ．Ｄｏ
ｖｅら（文献５）によるノマルスキ法を利用した位相シ
フト干渉法の場合、ノマルスキプリズムによる２光束の
分離量はレチクル上の透明部と位相膜部のピッチに対応
する。比較的大きいピッチが測定対象のとき、その分離
量も、当然そのピッチに応じて設定されるため、使用ノ
マルスキプリズム自体の体積が必然的に大きくなり、簡
単に従来の顕微鏡に対応させることが難しくなる。ま
た、この程度に分離量を大きくすると、隣接した２重像
が発生し観測しにくい。

【００１０】藤原ら（文献４）は、ノマルスキプリズム
移動によってこの分離と位相差調整とを同時に行ってい
るが、上述のように従来微分干渉に用いられているプリ
ズムよりも体積が大きくなり、狭い移動幅で調整を行う
ので調整量と移動量との位置決め誤差を生じやすいもの
ともなる。特に、Ｄ．Ｂ．Ｄｏｖｅら（文献５）は、ｅ
ｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｃｒｙｓｔａｌを利用した
電圧変調による位相変調手段を用いており、応答が早く
静的な変調が行えるが、ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ
ｃｒｙｓｔａｌは２光束の位相差調整幅が複屈折プリズ
ムのそれほど大きくはできず、レチクルへの応用範囲が
位相シフト量とｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｃｒｙｓ
ｔａｌの兼ね合いで限定されてしまう。

【００１１】また、上述した各手法では、レベンソン型
のレチクルには簡便に適用できるものの、ハーフトーン
型のレチクルを測定する場合、ノマルスキ法は共通光軸
の２光束干渉計であるため、構成されるパターン上の透
明部と位相膜部の透過率差により干渉させる参照光、被
検光の光強度に極端な差異を生じる。この場合、得られ
る干渉強度のコントラストの低下が著しく、程度によっ
ては、一方の光の強度に干渉縞が埋もれてしまい、干渉
強度の観察ができないといった問題が生じ、この面での
対応性にも欠けるなど、充分ではない。

【００１２】本発明は、上述のような点に鑑みてなされ
たもので、改良された位相差測定装置、及び方法を提供
しようというものである。詳しくは、種々被投影原版上
の位相差量を簡便にかつ広い応用範囲で測定できる位相
差測定装置と高精度な位相差測定方法を提供することで
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の位相差測定装置
は、透明領域の透過光に対し、位相差が生じるような位
相領域を有するパターンが形成され、透過照明によって
投影される被投影原版の前記位相領域に応じた前記位相
差を測定することが可能な装置であって、前記透過照明
と同一波長の光を供給する光源手段と、該光源手段から
の光を直線偏光に変換し、かつその直線偏光面を任意に
回転できる偏光回転手段と、前記直線偏光を異なる偏光
方向の２光束に分離する分離手段と、前記２光束を前記
被投影原版に照射するコンデンサレンズ系と、前記２光
束による前記被投影原版パターンの像を結像させる対物
レンズ系と、該対物レンズ系を通過した前記２光束を再
結合させる結合手段と、前記２光束の位相差を変化させ
る複屈折の位相差調整手段と、前記２光束による干渉像
の所定の直線偏光成分を選択的に検出する検出手段とを
備え、前記分離手段の分離角θと前記コンデンサレンズ
系の焦点距離ｆとで得られる分離量Δと、前記結合手段
の結合角θ’と前記対物レンズ系の焦点距離ｆ’とによ
る積ｆ’・θ’が、前記透明領域と隣り合う前記位相領
域の前記被投影原版上での基準位置間隔の距離Ｐに応じ
て、

【数２】を満たすことを特徴とするものである。

【００１４】また、前記検出手段によって得られる強度
変調信号を処理する演算処理手段を備え、前記パターン
像の干渉強度を前記位相差調整手段を用いて段階的に変
化させるようにし、位相差調整量に応じたその干渉強度
を段階的に取り込み、該干渉強度を基に、または前記位
相差調整量と該干渉強度とを基に所定の処理手段を用い
て演算をして前記位相領域の位相差を求めることを特徴
とするものである。また、２光束の光の強度を前記被投
影原版の透明領域と位相領域の透過率比に応じて設定す
るよう、前記偏光回転手段を制御することを特徴とする
ものである。

【００１５】また、本発明の位相差測定方法は、透明領
域の透過光に対し、位相差が生じるような位相領域を有
するパターンが形成され、透過照明によって投影される
被投影原版の前記位相領域に応じた前記位相差を測定す
る方法であって、前記透過照明と同一波長の光を供給す
る光源手段と、該光を直線偏光に変換しかつその直線偏
光面を任意に回転できる偏光回転手段によって直線偏光
を供給し、直線偏光を異なる偏光方向の２光束に分離す
る分離手段と、該２光束を前記被投影原版に照射するコ
ンデンサレンズ系によって、前記直線偏光は前記透明領
域と隣合う前記位相領域の前記被投影原版上での基準間
隔の距離Ｐに応じた分離量Δに分離され、かつ互いに直
交する２光束として前記被投影原版に照射し、その２光
束透過光を対物レンズ系と結合部材を介して再結合し前
記パターンを結像させ、該パターン像の干渉強度を、２
光束の位相差を変化させる複屈折の位相差調整手段を用
いて段階的に変化させ、２光束による干渉像の所定の直
線偏光成分を選択的に検出する検出手段によって得られ
る強度変調信号を処理する演算処理手段を用いて、その
位相差調整量に応じた干渉強度を段階的に該演算処理手
段に取り込み、該位相差調整量と該干渉強度とを基に所
定の処理手段を用いて演算をして前記位相領域の位相差
を求めるようにすることを特徴とするものである。

【００１６】

【作用】本発明においては、透明領域の透過光に対し、
位相差が生じるような位相領域を有するパターンが形成
され、透過照明によって投影される被投影原版（レチク
ル）を対象とし、前記光源手段、偏光回転手段、分離手
段、及びコンデンサレンズ系や、対物レンズ系、結合手
段、位相差調整手段、検出手段を備えて、そのレチクル
の位相領域に応じた位相差の測定をする。かかる位相差
の測定において、レチクルへの光束の照射にあたって
は、光源手段からの光を直線偏光に変換しかつ該直線偏
光面を任意に回転できる偏光回転手段が用いられ、分離
手段及びコンデンサレンズ系により２光束に分離されて
照射される。分離手段及びコンデンサレンズ系は、好適
例では複屈折プリズムとコンデンサレンズである。偏光
回転手段で与えられる直線偏光面を有した光束が複屈折
プリズムとコンデンサレンズを通過後レチクルに照射さ
れる場合、レチクル上で形成される２光束の分離量Δ
は、パターンに応じて、透明領域と隣合う位相領域の基
準位置間隔の距離Ｐの２倍程度から１／４程度が望まし
く、観測面で十分干渉像の明暗の変化を読み取れる量も
しくは少なくとも透明領域と位相領域に跨がるような量
であればよい。レチクルを透過後は、対物レンズ系と結
合手段、好適例は複屈折プリズムにより２光束は再結合
され、対物レンズ系による結像面に干渉像を生成し、観
測面では２光束の位相差に従って位相領域の分離量相当
分の像コントラストに明暗を生じる。複屈折の位相差調
整手段は、好適例では補償板であり、これを用いてかか
る２光束の位相差を調整すると、この像コントラストが
変化し、レチクル上の位相領域で所望の位相差を検出す
ることができる。

【００１７】ここで、Ｐをいわゆるレチクル上のパター
ンの１周期と考えると、このパターンの周期Ｐと分離量
Δの関係はすなわち所望の干渉像のサンプリングに相当
する。透明領域と位相領域のそれぞれの位相情報を持つ
２光束は、２Ｐより大きい分離量を持つと互いの情報を
干渉させても意味の無い所まで離れてしまい、Ｐ／４未
満では干渉像に現れる分離量相当の領域が小さく必要な
コントラストを観測しにくい。つまり、Δが２Ｐより大
きいと必要サンプリングとならず、Ｐ／４未満であると
十分なコントラストが得られないサンプリングとなって
しまう。よって、必要なサンプリングと十分なコントラ
ストを得るためには、ＰとΔの関係が前記条件（１）を
満足することが必要となる。Δが条件（１）を満たす
と、２光束分離量との間で当該関係を充足する範囲のパ
ターンのレチクルであれば、Ｐの小さいものから大きい
ものまで対応し得、そのレチクルを測定対象として、ま
たその分離手段及びコンデンサレンズ系や対物レンズ系
及び結合手段を適用レチクルのパターンＰに対し固定し
ても、必要なサンプリングと十分なコントラストを得る
ことのできる状態で装置を使用し、位相領域の位相差の
測定を実施可能である。よって、２光束の分離量Δが、
適用レチクル上での透明領域と隣合う位相領域の基準位
置間隔の距離より小さい関係でも、観測面上の干渉像で
透明領域と位相領域を通過する所望の２光束干渉コント
ラストが得られ、種々レチクルの位相差測定に容易に応
えられるようになる。好ましくは、この場合、検出手段
によって得られる強度変調信号を処理する演算処理手段
を備えて、被投射原版のパターン像の干渉強度を位相差
調整手段を用いて段階的に変化させるようにし、位相差
調整量に応じたその干渉強度を段階的に取り込み、該位
相差調整量と該干渉強度とを基に所定の処理手段を用い
て演算をして前記位相領域の位相差を求める構成と組み
合わせて実施でき、より効果的なものとなる。

【００１８】また、前記被投影原版の位相領域に応じた
位相差の測定方法として、前記光源手段と前記偏光回転
手段によって直線偏光を供給し、前記分離手段と前記コ
ンデンサレンズ系によって前記直線偏光は前記透明領域
と隣合う位相領域の被投影原版上での基準間隔の距離Ｐ
に応じた分離量Δに分離され、かつ互いに直交する２光
束として前記被投影原版に照射し、前記２光束透過光を
対物レンズ系と結合部材を介して再結合し前記パターン
を結像させるようにするとともに、該パターン像の干渉
強度を前記複屈折の位相差調整手段を用いて段階的に変
化させる一方で、その位相差調整量に応じた干渉強度を
段階的に前記演算処理手段に取り込み、該位相差調整量
と該干渉強度とを基に所定の処理手段を用いて演算し、
その位相領域の位相差を求めることができる。好適例に
おいては、再結合された２光束は互いに直交する偏光成
分をもつため補償板を用いて位相差をｎ段階調整し検光
子を通して干渉像を変化させ、このとき連続的あるいは
断続的に検出する干渉強度を調整量に応じてｎ段階取り
込み、その検出した干渉強度と位相差調整量をデータに
位相シフト干渉法の演算処理を用いて位相差を求めるこ
とができる。

【００１９】また、ここで、２光束の光の強度を測定対
象の被投影原版の透明領域と位相領域の透過率比に応じ
て設定するように偏光回転手段を制御すると、被投影原
版上に配置された透明領域と近傍の位相領域との基準間
隔の距離に応じて所定の関係を持ち分離された２光束の
光の強度は、偏光回転手段で与えられる偏光面によって
相対的に可変でき、被投影原版上の透明領域と位相領域
の透過率比に応じて設定され、強度の異なる２光束の一
方が透明領域、もう一方が位相領域を通過することにな
り、従って、被投影原版通過後の２光束には同一の強度
を持ちかつ両者には位相領域による位相差を生じさせる
ことができ、再結合された干渉像では理想的な２光束干
渉によるコントラストが得られる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図１は、本発明の一実施例の構成を示す。本実施例
では、レチクル７を測定の対象とする。このレチクル７
は、半導体製造のリソグラフィ工程において透過照明に
よって投影される被投影原版として利用されるものであ
る。この構成は、透明領域と位相領域とを有し、具体的
には、ＳｉＯ₂基板７にエッチングを施し段差により透
明部９と位相部１０とを生じさせ、それぞれを透明領域
と位相領域としたものである。

【００２１】そのような被投影原版であるレチクル７の
その位相領域に応じた上記の位相差を測定する場合にお
いて、装置構成として、本実施例装置は、例えばランプ
のような放射型の光源１、バンドパスフィルタ２、及び
偏光面の回転を可変にコントロールできる偏光子３を備
える。更に、該装置は、これらの要素のほか、結晶素子
５、コンデンサレンズ６、対物レンズ１１、結晶素子１
２、補償板１３、検光子１４、及び光電変換器１５（検
出器）のそれぞれを、図示の如くにこの順で整列、配置
して備えるとともに、偏光子３の偏光面の回転の用にも
供するコントロールユニット４を備え、上記のレチクル
７の一枚を上記コンデンサレンズ６と対物レンズ１１と
の間にセットして使用する。

【００２２】本装置の上記光源１及びフィルタ２は、上
記のようなレチクル７が、リソグラフィ工程において使
用される被投影原版として利用される場合においてその
投影に用いる透過照明と同一波長の光を供給する光源手
段を構成する。このような光源手段からの光を直線偏光
に変換しかつ該直線偏光面を任意に回転できる偏光回転
手段は、本例では、前記回転する偏光子３を含んで構成
される。

【００２３】偏光子３とレチクル７間に位置する結晶素
子５並びにコンデンサレンズ６は、直線偏光を異なる偏
光方向の２光束に分離する分離手段（好ましくは、例え
ば、複屈折性のプリズム）、及び該２光束をレチクル７
に照射するコンデンサレンズ系を構成する。偏光子３を
通過して得られることとなる光束ａは、結晶素子５にお
いて、光束ｂ，ｃの２光束に分離し、コンデンサレンズ
６を通過する。光束ｂ，ｃはレチクル７の透明部９、位
相部１０をそれぞれ通過し、光束ｂ′，ｃ′となる。こ
こで、偏光子３を回転させることにより、光束ｂ，ｃの
光強度を相対的に変化させることができる（偏光可変手
段）。また、この偏光可変手段による光束ｂ，ｃの光強
度の相対的な変化は、そのまま光束ｂ′，ｃ′の光強度
の相対的な変化にも影響を及ぼす。ここで、レチクル７
の透明部９の透過率と位相部１０の透過率とが異なる場
合、光束ｂ′，ｃ′の光強度は、偏光可変手段による光
束ｂ，ｃの光強度の相対的変化とレチクル７の透明部９
と位相部１０の透過率とからの影響を受けることとな
る。したがって、好ましくは、光束ｂ，ｃをレチクル７
の透明部９と位相部１０の透過率比に合わせて異なる光
強度をもつ光束とするとより良い。

【００２４】この場合、透過率比入力装置（検出器）８
をこの用途に好適に用いることができる。これを有する
構成の場合、該手段８を介してその比をコントロールユ
ニット４に入力し偏光子１３を回転する。

【００２５】もっとも、これは、本発明に従う位相差測
定では、必ずしも必須の要素ではなく、本発明に従う他
の手法、方法でも、実質的に同様のことは実現可能であ
り、その手段に関する他の好ましい例は、後記で更に述
べられる。

【００２６】また、本実施例において、２光束に分離す
る分離手段の分離角（ここでは、該手段で用いる上記結
晶素子５のくさび角）をθ、コンデンサレンズ系での焦
点距離（ここでは上記コンデンサレンズ６の焦点距離）
をｆとし、また、２光束の再結合のための後述の結合手
段の結合角をθ’、対物レンズ系の焦点距離をｆ’とす
る。コンデンサレンズ系、対物レンズ系は、レチクル７
上の光束ｂと光束ｃとの分離量Δがそれぞれの積に等し
く（Δ＝ｆθ＝ｆ’θ’）なるように構成される。透明
部と隣合う位相領域の適用レチクル上での基準位置間隔
の距離Ｐに応じて、

【数３】を満たす。

【００２７】使用レチクル７は、前記の如く透明部９の
透過光に対し、位相差が生じるような位相領域１０を有
するパターンが形成されている。レチクル７上で形成さ
れる２光束ｂ，ｃの分離量Δは、条件（１）のごとく、
パターンに応じて透明部９と隣合う位相領域１０の基準
位置間隔の距離Ｐの２倍程度から１／４程度が望まし
い。観測面で十分干渉像の明暗の変化を読み取れる量、
もしくは少なくとも透明部９と位相領域１０に跨がるよ
うな量であればよい。

【００２８】上記のようにしてレチクル７を通過後に得
られる２光束ｂ′，ｃ′は、同程度の光強度のもので、
かつ両者には位相領域１０による位相差を生じさせられ
たものとなっており、図１図示の如くこれが対物レンズ
１１以降の系へ与えられる構成となっている。

【００２９】対物レンズ１１以降の系におけるその対物
レンズ１１、結晶素子１２、補償板１３、検光子１４等
は、かかる２光束による被投影原版パターンの像を結像
させる対物レンズ系、該対物レンズ系を通過した２光束
を再結合させる結合手段（好ましくは、例えば複屈折性
のプリズム）、２光束の位相差を変化させる複屈折の位
相差調整手段、及び２光束による干渉像の所定の直線偏
光成分を選択的に検出する検出手段を構成する。

【００３０】ここに、干渉像を電気信号の出力に変換
し、検出する受光手段としての光電変換器１５は、例え
ばＣＣＤ素子を用いることができるが、後述のように、
そのほか、撮像管などのエリアセンサ、ＰＳＤ（ポジシ
ョンセンサダイオード）、フォトマルのような光電子倍
増管、ラインセンサ等も適用の対象とできる。受光面に
結像が行われるこの光電変換器１５（受光素子）は、対
物レンズ１１の像面位置に配置され、コントロールユニ
ット４と接続される。

【００３１】補償板１３による位相差の調整は、コント
ロールユニット４によって行われるが、本実施例では、
コントロールユニット４は、かかる機能のほか、既に述
べた偏光子３に対するその回転をも行うものとして設け
てあるとともに、更には、その制御対象となるその補償
板１３、検光子１４、干渉像を検出する光電変換器１
５、及びコントロールユニット４のかかる系に関し、本
発明に従い前記偏光回転手段等を用いる構成と組合せて
有利に実施できる位相差測定方法を導入する。

【００３２】これは、より高精度な位相差量測定を実現
しようとするものであって、光電変換器１５の受光面に
２光束の位相差に応じた干渉像を得る場合においてコン
トロールユニット４を介した補償板１３に対するコント
ロールでその干渉強度を段階的に変化させるようにする
ことを基本とするものである。

【００３３】図２，３に本実施例で得られる干渉像の例
を示す。図２は、図１のレチクル７まわりの詳細の模試
的説明図であるが、ここでは、レチクル７は、前述のエ
ッチングを施された段差を持つＳｉＯ₂基板であり、透
明部９と位相部１０の厚みによって位相差が生じること
になる。ここで、Ｐを１周期（いわゆる繰り返しパター
ンのレチクルの周期）と考えると、Ｐは、図中に示すよ
うなものとして表すことができる。図２のレチクル７
は、一定ピッチの繰り返しパターンのものとして示して
あり、隣り合う凸状の位相領域１０部分の中心と凹状の
透明部９部分の中心との間の距離はＰとなり、また、図
示の如くにその位相領域１０部分の一端側と透明部９部
分の他端側との間の距離が２Ｐとなる。図２において
は、Δ＝０．５Ｐとなる場合のレチクル７と光束ｂ，ｃ
の関係を例として示している。光軸上でわずかに所定量
横ずらしした２光束を得、これら横ずらしした２光束が
レチクル７の測定対象の位相領域１０と透明部９の部分
に照射され、使用するレチクルの光軸に対して垂直な面
内での位相領域１０が矩形状を呈する角形凸部のもので
あれば、その実際の観察像は、図３（ａ）のように、ず
れた像になってみえることになる。

【００３４】ここで、そのような２光束への分離に際
し、光束がそれぞれ透明部９と位相領域１０を通過する
と透明部９と位相領域１０の位相情報を持つが、透明部
９と位相領域１０のそれぞれの位相情報を持つ２光束
は、２Ｐより大きい分離量を持つと互いの情報を干渉さ
せても意味の無い所まで離れてしまい、測定対象となる
位相差が、隣り合う透明部９と位相領域１０のものでは
なくなる。つまり、２Ｐ以下の関係の範囲なら、図２の
関係より、隣り合う位相領域１０と透明部９に跨がる状
態をもたらすことができ、位相差測定にあたり、２Ｐの
範囲をいっぱいいっぱいに利用して測ることができるの
は明白である。一方、Ｐ／４未満では干渉像に現れる分
離量相当分の領域が小さく、必要十分なコントラストが
得られない。

【００３５】図３に（ａ）Δ＜Ｐ，（ｂ）Δ≒Ｐ，
（ｃ）Δ≪Ｐの場合をそれぞれ示す。ここで、かかる干
渉像は、図示（ａ），（ｂ）のように、例えばα部分が
明るく、β部分が暗く、γ部分は両者の中間の強度の状
態のものとして得られるが、補償板１３を用いて位相差
調整を行うと、調整に伴いそのα，βの領域部分のコン
トラストが相対的に変化する。一方、そのとき、像の重
なっているγ部分は、ほとんど明るさの変わらない領域
部分となる。こうして、分離量ΔがＰとの関係で小さく
ても、位相差調整でコントラストの変化する部分（α，
β領域部分）を生ずる干渉像を得ることができる。しか
るに、ΔがＰとの関係で余りに小さいと、例えば（ｃ）
の如く、位相差調整によっても強度の変化を示さないγ
部分（２つの像の重なり範囲）が大きく、他方、両側の
強度変化領域であるα，β領域部分が小さい状態の干渉
像となり、結果、必要なコントラストの変化をデータと
して観測しにくいものとなる。例えば、極端にα，β領
域部分が小さく、干渉強度の変化領域を持つ干渉像であ
っても、受光する光電変換器１５がその変化をデータと
して検出できなければ、それに基づき位相差測定を行う
のは実用上不能となる。適切な関係は、上記のようなず
れた２重像の干渉像となるΔ＜Ｐの場合は、ΔはＰとの
関係がほぼＰ／４を上回る程度の関係が望ましく、Ｐ／
４以上であるとよい。

【００３６】よって、ＰとΔの関係が前述した条件
（１）を満足することが必要となるのである。従って、
これを満たすと、光軸上で横ずらしした２光束ｂ，ｃの
分離量Δをレチクル７上での透明部９と隣合う位相領域
１０の基準位置間隔の距離Ｐより小さくしても、即ち、
Ｐとの間の関係でＰに対し、たとえ図２のようにΔ（＝
０．５Ｐ）が小さい場合でも、所望の明暗の変化を十分
観測すること可能で、観測面上の干渉像で透明部９と位
相領域１０を通過する所望の２光束干渉コントラストを
得ることができる。

【００３７】こうして、光束ａは分離量Δをもって偏光
方向の異なる２光束ｂ，ｃに分離されることとなるが、
このとき、分離された異なる偏光方向の２光束ｂ，ｃ
は、偏光子３を回転させることによって両者の光強度も
相対的に可変することができる。そこで、レチクル７上
の透明部９と位相領域１０の透過率が異なるような場
合、本実施例のように、透明部９と位相領域１０の透過
率比α：βを検出器（透過率比入力装置）８によって検
出するかもしくは予めαとβを測定しておいてその比を
コントロールユニット４に入力し、偏光子３を回転して
光束ｂ，ｃの光強度がβ：αの比で生成されてレチクル
７に照射されるようにする。上述より、透明部９と位相
領域１０の透過率が異なるような場合であっても、その
レチクル７通過後光束ｂ′，ｃ′の光強度は、同等とな
る。ここでまた、上記透過比率入力に基づき上記偏向子
３の回転を行うのに代えて、偏光子３の回転は、光電変
換器１５で観測しながら回転させ、観測面上で透明部９
と位相領域１０とが同等の明るさを持つようにしても、
上述と同様な作用になることはいうまでもない（本発明
は、偏光回転手段を制御する手段に関しては、このよう
な方式で実現することもできる）。

【００３８】かくして、図示例では、多種多様なレチク
ルにおいても、レチクル７通過後の２光束ｂ′，ｃ′に
は、同一の強度を持たせ、かつ両者には位相領域１０に
よる位相差が生じさせることができ、再結合されて得ら
れることとなる干渉像において理想的な２光束干渉によ
るコントラストを得るのに効果的であり、それらレチク
ルの位相差測定に対応できるようになる。

【００３９】本実施例装置のノマルスキプリズム等の結
晶素子５（楔角θ）とコンデンサレンズ６（焦点距離
ｆ）の光学系は、測定試料のレチクルの変更等によら
ず、固定のまま（Δ＝一定）で使用できることにもな
る。例えば、所定ピッチの繰り返しパターンでＰが或る
値の試料＃１のレチクルと、Ｐが大きくてその＃１レチ
クルの２倍のパターンの試料＃２のレチクルと、Ｐが更
に大きく、＃１レチクルに比し３倍のパターンの試料＃
３のレチクルといったように、３種の測定対象レチクル
がある場合、位相差測定装置を、顕微鏡を使った測定光
学系のものを主体として構成しようというとき、その対
物レンズやコンデンサ等の大きさ（従って、焦点距離）
が所要のものに決められているとすると、上記のように
分離量Δ（＝ｆ・θ）を変えていく場合は、楔角θの方
を変えるよう使用プリズムを交換なければならない。つ
まり、比較的大きいピッチのものが測定対象の場合、例
えば上記３倍のＰのパターンの＃３レチクルを対象に測
定をしたいというとき、それに対応したノマルスキプリ
ズムは楔角θが３倍も大きくてその体積の大きいものと
なり、結果、顕微鏡装置構成に対応させにくいものとな
る。

【００４０】一方、本装置では、そのような取り替えは
せず、上記例の＃１〜＃３レチクルのいずれもが測定対
象でも、ノマルスキプリズム等の結晶素子５、コンデン
サレンズ６の光学系はそのままの状態で使用し測定を実
施することができる。従って、ｆ・θは変わらず一定で
あり、結果、分離量Δ（＝ｆ・θ）と、各＃１，＃２，
＃３のレチクルのパターンにおけるそれぞれのＰとの関
係では、上記ｆ・θが例えば＃１レチクルのそのＰとの
間でｆ・θ＝Ｐであるとすると、それぞれ次のようにな
る。＃１レチクルの場合；分離量Δ（＝ｆ・θ）は、その
Ｐとイコールの関係、即ちΔ＝Ｐ＃２レチクルの場合；分離量Δ（＝ｆ・θ）は、その
Ｐと関係では、実質的にはΔは小で、１／２Ｐ相当
（０．５Ｐ相当）＃３レチクルの場合；分離量Δ（＝ｆ・θ）は、その
Ｐと関係では、実質的にはΔは更に小で、１／３Ｐ相当
（ほぼ０．３３Ｐ相当）つまり、これらのＰとΔの関係は、前記条件（１）を満
たす範囲にあり、本装置のノマルスキプリズム等の結晶
素子５、コンデンサレンズ６による分離量Δ＝ｆ・θは
固定でも、レチクルのパターンのピッチＰの変化に対
し、対応することができる。なお、上記は、同一レチク
ル上でも、ピッチの異なる部分との関係では、同様のこ
とがいえる。また、当然ながら、上記試料＃１のレチク
ルに比しピッチが小さくて、その半分程度のものが測定
対象のレチクル（＃４）なら、分離量Δ（＝ｆ・θ）
は、そのレチクル（＃４）のＰと関係では、２Ｐ相当の
ものとなり、かかる範囲で条件（１）を満足する。

【００４１】よって、本実施例は、楔角θのその結晶素
子５も変えずに同じにしたままで（従って、使用プリズ
ムが大きなものとなることもなく）、Ｐの小さいものか
ら大きいものまで対応できる。必要なサンプリングと十
分なコントラストを確保し得、ΔがＰより小さくても
（上記のように、１／２Ｐ、１／３Ｐ、或いは１／４
Ｐ、２Ｐ相当になっても）、観測面上の干渉像で透明部
９と位相領域１０を通過する所望の２光束干渉コントラ
ストが得られ、位相差測定にあたり、明暗の変化を十分
観測できる。この点でも、レチクルのパターン構成にか
かわらず対応でき、その位相領域１０の位相差量測定の
対応性を高めるものとなり、上記は、以下に述べる、補
償板１３、検光子１４、光電変換器１５、及び演算処理
部を組み込んだコントロールユニット４による測定方式
と組み合わせることにより、より効果的なものとなる。

【００４２】さて、同一の強度をもち、かつ位相領域１
０による位相差を生じているレチクル７通過後の２光束
ｂ′，ｃ′は、本例では、以降の系で対物レンズ１１と
複屈折プリズムからなる結晶素子１２により再結合さ
れ、対物レンズ系による結像面に干渉像を生成する。こ
の場合において、基本的には、観測面では２光束の位相
差に従って位相領域１０の分離量相当分の像にコントラ
ストの明暗を生じることから、補償板１３を用いて２光
束の位相差を調整し、この像コントラストを変化させ、
レチクル７上の位相領域１０で所望の位相差を検出する
ことができるが、先に触れた本発明方法に従う手法を適
用し、位相差をｎ段階、段階的に調整し検光子１４を通
して干渉像を変化させるよう補償板１３を制御して干渉
強度を段階的に変え、かかる過程で得られる干渉強度デ
ータ、位相差調整量データから位相領域１０の位相差を
求める方法で測定を行うものとする。これによるとき
は、位相差を求めるのにあたって、干渉強度が最大また
は最小となるようにと、補償板１３による２光束の位相
差調整をするといった制約は伴わない。

【００４３】具体的には、次のようになる。レチクル７
通過後の光束ｂ′，ｃ′は、対物レンズ１１を経て、ノ
マルスキプリズム、ウォラストンプリズムなどの複屈折
性の結晶素子１２で再結合する。ここに、対物レンズ１
１と結晶素子１２によって得られる２光束の結合量は、
前記コンデンサレンズ６と結晶素子５によって分離され
るΔと同一となる関係で設定される。即ち、対物レンズ
１１、結晶素子１２は、その焦点距離ｆ’、結合角θ’
に関し、ｆ’・θ’＝ｆ・θ（＝Δ）となるように（条
件（１））、使用対物レンズ１１、結晶素子１２を選定
されてある。これら対物レンズ１１、結晶素子１２も、
前記コンデンサレンズ６と結晶素子５の場合と同様、交
換する必要はない。

【００４４】かくして、再結合された光束ｄは、異なる
偏光方向の２光束ｂ′，ｃ′に位相差を与える補償板１
３と光束ｂ′，ｃ′の偏光方向に対して偏光方向が４５
°の角度をなす検光子１４を通過し、対物レンズ１１の
像面に配置された光電変換器２４の受光面に結像する。
ここで、透明部（透過部）９と位相領域１０によって光
束ｂ′，ｃ′に位相差を生じているので検光子１４で同
一平面内の振動方向をもつ成分を検出すると、受光面上
では光束ｂ′，ｃ′の位相差に応じた干渉像を得ること
ができ、コントロールユニット４を介して補償板１３を
制御してその干渉強度を変化させることも可能となる。
ここに、位相領域１０による位相差を測定するにあた
り、下記に示す方法では、干渉強度を段階的に変化させ
るよう、その補償板１３の制御を行うことで、これを実
施する。

【００４５】次に示されるものは、本発明方法の一例で
あって、干渉強度を変化させて位相差を測定する方法に
ついての内容、事項であり、以下、これを説明する。干
渉強度を可変させ被検物体の位相形状を測定する方法は
位相シフト干渉法として『応用光学光計測入門』谷田
貝豊彦著（丸善（株））Ｐ１３１〜１３５（文献６）に
詳しい。

【００４６】本発明では、顕微鏡における微分干渉法の
論理が適用でき、像平面のｘ−ｙ座標を考え、レチクル
に生じる位相差をφ_(x,y)、補償板１３によって変調さ
れる位相差をδ_iとすると、２光束干渉の干渉強度Ｉ
_(x,y)は、

【数４】Ｉ_i(x,y)＝Ｉ₀［１＋γｃｏｓ（φ_(x,y)＋δ_i）］・・・１と表せる。

【００４７】ここで、測定点（ｘ，ｙ）において、例え
ば、上記δ_iにつき位相変調範囲を０から２πまで等間
隔にｎ段階（δ_i＝２πｉ／ｎ，ｉ＝０，１，・・・，
ｎ−１）変化させ、それに伴い得られる干渉強度Ｉ
_i(x,y)を測定すると、所望のφ_(x _,y)が、次式に基づ
き、

【数５】と算出できる。そして、特に、例えばｎ＝４の場合を考
えれば、このｎ＝４の時は、即ちδ_iを０、π／２、
π、及び３π／２というように４段階で変化させたとす
るときは、φ_(x,y)は、

【数６】とできる。即ち、位相差φ_(x,y)の算出は、これも段階
的な変化を示すこととなったその測定干渉強度値に基づ
き、上記に従い、最低でも４回の強度測定で物体面上で
の位相差を測定できることになる。

【００４８】図１のコントロールユニット４には、この
ため、例えば上記式２に従う演算（特に、ｎ＝４の４段
階に設定した場合は、演算式３による演算）を実行する
処理部を組み込む。かかる手段を組み込んだ場合のコン
トロールユニット４は、補償板１３による位相差調整に
際し、干渉強度を段階的に変化させるようその補償板１
３の制御をする一方で、それに合わせて、干渉像を検出
する光電変換器１５の出力に基づき干渉強度の情報を段
階的に処理部に取り込む。この場合、演算に必要な干渉
強度のデータは、例えばｎ＝４であれば、上述のδ_i＝
０，π／２，π，３π／２の時点におけるそれぞれに各
対応する４種の干渉強度Ｉ₀〜Ｉ₃である。ゆえに、そ
れぞれ該当する時点で、逐次、検出をして取り込むよう
にしてよいし、あるいは、例えば連続的に検出される干
渉強度からタイミングを合わせて該当する時点での対応
干渉強度Ｉ₀，Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃を取り込むようにして
もよく、いずれも場合もその４種の干渉強度情報を演算
処理に備えてメモリに格納することができる。

【００４９】かくしてコントロールユニット４は、こう
して得られる干渉強度データＩ₀〜Ｉ₃を使用し、その
演算処理部での例えば上記式３の演算に適用し、及び位
相差算出を実行することで、位相領域１０の位相差を求
めることができる。上記式２に従う演算による場合は、
上述の位相変調範囲についてのその段階数ｎの設定いか
んでは、検出に係る干渉強度データ（強度変調信号（式
１）情報）Ｉ_i(x,y)のほか、式２中のｓｉｎδ_i項、ｃ
ｏδ_i項の値も、その演算に適用されるが、この場合で
あっても、それら検出干渉強度Ｉ_i(x,y)は、補償板１３
による位相差調整の過程で最大あるいは最小を示す状態
のものである必要はない。

【００５０】干渉させる２光束は補償板１３によってそ
の位相差を正確に変調させることが可能で、変調量に応
じた干渉強度を測定することによって所望の位相差を高
精度に求めることのできる本実施例は、図１の装置構成
でも十分に効果的な位相差測定を達成することができ、
特にｎ＝４のときは、より一層簡便なものとなり、より
効果的である。ここで、レチクル７上に配置された透明
部９と近傍の位相領域１０との基準間隔の距離に応じて
所定の関係を持ち分離された２光束の光の強度が、回転
する偏光子３で与えられる偏光面によって相対的に可変
でき、レチクル７上の透明部９と位相領域１０の透過率
比に応じて設定され、既述の如く、強度の異なる２光束
の一方が透明部９、もう一方が位相領域１０を通過し、
従って、レチクル７通過後の２光束には同一の強度を持
ちかつ両者には位相領域１０による位相差を生じさせる
ことができて再結合された干渉像では理想的な２光束干
渉によるコントラストが得られるようにしてあるとき
は、より良いものとして実施できる。

【００５１】図３は、先にも触れたが、２光束の分離量
Δと、レチクル７の透明部９と隣合う位相領域１０の基
準間隔の距離Ｐとの関係から考察した干渉像の様子を示
すものであるところ、これを用いて、本測定方法での測
定位置などの設定等について更に補足的に述べると、次
のようである。同図（ａ）が前記図２での説明で触れた
ようにΔ＝０．５Ｐの場合、即ち分離量ΔがＰより小さ
い場合の、また同（ｂ）がΔ＝Ｐの場合の、本実施例装
置での位相領域１０の干渉像を示す。（ａ）では、その
像面上での干渉像部分の横ズラシ方向に沿った、α部、
γ部、β部の干渉強度分布の様子も併せて示してある。

【００５２】図から分かるように、（ａ）では位相領域
１０が２重像になって観測されるが、上述の方法によっ
て、装置の補償板１３を調整したとき、γ部は視野全体
のコントラスト変化δ_iに対応して変化し、α部及びβ
部は例えば図のように位相差φ_(x,y)＋δ_i（前記式
１）に応じて相対的な強度で変化する。この両側の部分
が、強度変化領域で、補償板１３による位相差調整のと
きの測定対象領域である。なお、データ測定点は、基本
的に、そのα，βのどちらを対象としてもよく、かつま
た、当該領域全体あるいはその領域内の一部の面部分
（いずれも、その面積部分を座標指定すればよい）で
も、あるいはまた、その領域内なら例えば点部分（この
ときは、該当点を座標指定する）でもよい。つまり、α
β像部分のコントラストは単に位相の進み方の正負によ
り相対的に変化していることになる。このため、一つの
位相領域に対し、本測定方式でデータとして取り扱いた
い情報、即ち、上記Ｉ_i(x,y)データであるが、これにつ
き、２つの測定位置を確保することができる。よって、
一回の測定で得られる、２つの位相領域の位相差φ
_(x1,y1)（α，βの一方を対象として前記式２または式
３に従い演算で算出して得た位相差φ_(x,y)），φ
_(x2,y2)（α，βの他方を対象として前記式２または式
３に従い演算で算出して得た位相差φ_(x,y)）を平均化
して所望の位相差を推定（算術平均）するようにするこ
ともできる。これは、目的とする位相領域についての測
定を複数回行うことで誤差を少なくし、信頼性のある値
を得て、より精度を上げたい場合にも有効である。勿
論、前述のように、左右どちらかの位置のみを用いて測
定してもよく、観測する干渉像においてこの測定位置の
強度変化領域（αβ部分）を充分確保できればよい（条
件式）。これら一連の演算処理は、前述の如く、補償
板１３、光電変換器１５と連結するコントロールユニッ
ト４を用いて行うことが可能である。なお、上記で述べ
た測定位置などの設定等については、（ｂ）の場合でも
同様であり、そのαβの像領域のいずれか一方または両
方を対象に、面もしくは点検出でデータ取り込みを行え
ばよく、また、Δ＞Ｐの関係では、αβ像位置は（ｂ）
の場合から離れた状態のものとなるが、この場合でも、
そのαβの像領域のいずれか一方または両方を対象に、
面もしくは点検出でデータ取り込みを行えばよいことは
同じであり、以後の演算処理は前述した通りでよい。本
発明は、このような方式で実施してもよい。

【００５３】また、上記測定方法に従うと、干渉像を検
出する光電変換器１５について、ＣＣＤ、撮像管などの
エリアセンサだけでなく、強度変化を検出できればよい
ものともなる。例えば、１点をとるなら点検出できるよ
うＰＳＤ（ポジションセンサダイオード）、フォトマル
のような光電子倍増管でも、測定位置を合わせれば検出
可能である。また、ラインセンサの場合でも、図３
（ａ）の横ズラシ方向に検出器のラインを合わせれば
（ラインセンサでの検出ライン設定例）、上述の１点検
出、２点検出の両者の態様で実施が可能である。

【００５４】次に、本発明の他の実施例（第２実施例）
について説明する。図４は、本実施例の構成を示し、図
示のように、図１における光源１に代えてレーザ光源１
Ａを用いるようにする等する以外は、前記第１実施例と
ほぼ同構成である。

【００５５】以下、要部を説明する。本実施例において
は、レーザ光源１Ａから射出される光束（ａ）は、十分
細い単波長の直線偏光とし、これが、λ／４板１６（図
示例では、前記第１実施例でのバンドパスフィルタに代
えて該λ／４板が光路中に配置してある）によって円偏
光に変換される。なお、ここで、使用レーザ光源につ
き、その光源１Ａの波長が単色でないレーザであれば、
第１実施例と同様に、バンドパスフィルタを用いて露光
波長と同一となる波長のものを取り出すものとすること
ができる。円偏光のレーザビームとなる光束（ａ）は、
偏光子３に入射するが、それ以降の構成、及び作用は、
第１実施例と同様である。

【００５６】図５は、図４のレチクル７まわりの詳細図
であるが、ここでは、やはり、第１実施例と同様、Ｓｉ
Ｏ₂にエッチングを施し段差によって透明部９と位相領
域１０を設定している。また、本実施例でも、図５のよ
うに、前記第１実施例の図２におけると同義である間隔
の距離Ｐに対し、その２光束ｂ，ｃの分離量Δが小さい
場合でも、２光束ｂ，ｃが両者を跨がるようになされて
いればよい。ここで、レーザ光源を使用する本実施例に
おいて、特に考慮すべきは、２光束ｂ，ｃの各々がレチ
クル７上で形成するビームスポット径であり、分離量は
最小でも２光束のスポットが重ならない程度の間隔の距
離が望ましい。というのは、図６によれば、結晶素子５
によって分離された光束ｂ，ｃのレーザ光は、試料（レ
チクル７の測定対象の透明部９，及びそれに隣接の位相
領域１０の部分）面上でそれぞれビームスポットを結
び、そのスポットが図６のように配置されれば、レーザ
ビームによる２光束の干渉像を十分得ることができるか
らである。よってこのとき、Δは必ずしもＰと同一でな
くてもよいことはいうまでもない。

【００５７】本実施例によっても、前記第１実施例と同
様の作用効果を得ることができる。第１実施例と同様
に、本実施例でも、回転がコントロールユニット４によ
り制御される偏光子３を用いて２光束ｂ，ｃの相対的な
光の強度を可変でき、更には、前記図１〜図３による第
１実施例で述べたのと同様な測定方法を用いれば、次の
ような点でも、より効果的なものとすることができる。
２光束がレーザビームである本例の態様では、測定する
ビームスポットの輝度が高いため、その干渉コントラス
トも高く、コントロールユニット４内の処理部で実行さ
れる既述の演算式２，３に従う位相差φ_(x,y)値の算出
に適用されることとなる干渉強度値Ｉ_i(x,y)につき、精
度のよいデータを得ることができる。この場合、その測
定対象となる干渉強度について、それが最大を示す値あ
るいは最小を示す値の状態のものとして検出しなければ
ならないといったような制約も、勿論ない。更にまた、
レーザビームによる２光束ｂ，ｃは、レチクル７を通過
後、結晶素子１２で再結合されるので、光電変換器（検
出器）１５の検出エリアは、受光面上で生成する干渉ビ
ーム径に応じていればよい。よって、検出光路以外で観
察光路を設けることもでき、これにより、光束ｂ，ｃの
ビームスポットとレチクルの位置合わせも容易にするこ
とができる。

【００５８】また、本実施例でも、従来の既述の如き諸
問題を解消し得ることはいうまでもない。前述のヘテロ
ダイン法の場合、既述のように、レーザのモード安定
法、ＡＯ素子のアイソレーション、受信アンプの位相特
性などに問題を抱え、装置の調整が難しく、簡便な測定
は実現しにくく、かつまた、例えばｉ線などの実際の露
光波長で安定したレーザ光源が得られないこと等から、
別の波長によるヘテロダイン法の測定値からｉ線での位
相差量を推定することとなるのに対し、本発明に従え
ば、かような不利、不便も回避できる。また、前記文献
３のように干渉強度が最小または最大となるときの２光
束の位相差調整量から位相差を読み取って求めるような
場合は、その干渉強度の最大あるいは最小となるときの
強度変化の傾きはゆるやかで、それゆえ位相差調整量の
位置決めが大きく左右されるが、前述のように、干渉強
度につきそれを最大あるいは最小の状態にするといった
ような制約もない。よって、その従来方法によったとし
たなら位相差調整量の位置決めを行う閾値の設定などに
困難を伴い、測定誤差も生じやすいというような、そう
した問題も有利に解決できる。

【００５９】また、前記文献４，５のものの場合は、既
に述べた通り、比較的大きいピッチが測定対象のときノ
マルスキプリズム自体の体積が必然的に大きくなって簡
単に顕微鏡に対応させることが難しくなるとともに、観
測もしにくくなり、更には、ノマルスキプリズム移動に
よってその２光束分離と位相差調整とを同時に行うとき
は、微分干渉に用いられるプリズムより体積が大きくな
り、狭い移動幅で調整を行うのでその調整量とその移動
量との位置決め誤差を生じやすく、更にまた、ｅｌｅｃ
ｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｃｒｙｓｔａｌを利用する電圧変
調による位相変調手段を用いるときは、２光束の位相差
調整幅が複屈折プリズムのそれほど大きくはできず、レ
チクルへの応用範囲が位相シフト量と電気光学効果をも
つ素子（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｃｒｙｓｔａ
ｌ）の兼ね合いで限定されてしまうなどするの対し、本
発明に従えば、それらの不利、不便もない。

【００６０】また、本発明装置、及び方法は、ハーフト
ーン型のレチクルの測定においても、同様の作用効果を
もって、実施できる。既述した如く、従来手法のもので
は、ハーフトーン型のレチクルを測定する場合、構成さ
れるパターン上の透明部と位相膜部の透過率差により干
渉させる参照光、被検光の光強度に極端な差異を生じ
て、得られる干渉強度のコントラストの低下が著しく、
程度によっては一方の光の強度に干渉縞が埋もれてしま
い干渉強度の観察ができないといった問題があるが、こ
のような問題も解消し得て、本発明に従うものは、パタ
ーン上で位相差を生じさせる位相シフト法において、種
々レチクル上の位相差量を簡便にかつ広い応用範囲で測
定できる装置、方法となる。

【００６１】なお、本発明は、以上説明してきた例に限
定されるものでない。また、装置の具体的な構成も、図
示のものに限られるものでもない。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、透明領域の透過光に対
し、位相差が生じるような位相領域を有するパターンが
形成され、透過照明によって投影される被投影原版の位
相領域に応じた位相差を測定する場合に、種々被投影原
版上の位相差量を簡便にかつ広い応用範囲で測定でき、
精度を確保し得て、高精度な位相差測定ができる。透明
領域と位相領域を有するレチクルなどの位相差量測定に
おいて、光軸上で横ずらしした２光束の分離量を被投影
原版上での透明領域と隣合う位相領域の基準位置間隔の
距離より小さくしても観測面上の干渉像で透明領域と位
相領域を通過する所望の２光束干渉コントラストが得ら
れ、また、分離し被投影原版へ照射されることとのなる
異なる偏光成分を持つ２光束は偏光回転手段を用いるこ
とにより被投影原版の透明領域と位相領域の透過率比に
合わせて異なる光強度に可変できる。また、適用被投影
原版がたとえ繰り返しパターンのピッチの小さいもので
も大きいものでも、２光束分離量等との間で条件（１）
を満たす範囲のものであれば、それを測定対象として、
また、２光束の分離や再結合の光学系を変えないで使用
し測定を実施できる。従って、多種多様な位相シフト法
のレチクルの位相差測定に対応できるようになる。ま
た、干渉させる２光束は位相差調整手段によってその位
相差を正確に変調させることが可能であり、変調量に応
じた干渉強度を測定することによって所望の位相差を高
精度に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す図である。

【図２】同例での説明に供する、そのレチクルまわりの
詳細図である。

【図３】同じく、位相領域の干渉像の説明に供する図で
ある。

【図４】本発明の他の実施例の構成を示す図である。

【図５】同例におけるレチクルまわりの詳細図である。

【図６】同例での分離された光束によるビームスポット
の配置の一例の説明に供する図である。

【符号の説明】

１光源１Ａレーザ光源２バンドパスフィルタ（干渉フィルタ）３偏光子４コントロールユニット５結晶素子６コンデンサレンズ７レチクル（フォトマスク）８透過率比入力装置（検出器）９透明部（透明領域）１０位相領域１１対物レンズ１２結晶素子１３補償板１４検光子１５光電変換器（検出器）１６ λ／４板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明領域の透過光に対し、位相差が生じ
るような位相領域を有するパターンが形成され、透過照
明によって投影される被投影原版の前記位相領域に応じ
た前記位相差を測定することが可能な装置であって、前記透過照明と同一波長の光を供給する光源手段と、該光源手段からの光を直線偏光に変換し、かつその直線
偏光面を任意に回転できる偏光回転手段と、前記直線偏光を異なる偏光方向の２光束に分離する分離
手段と、前記２光束を前記被投影原版に照射するコンデンサレン
ズ系と、前記２光束による前記被投影原版パターンの像を結像さ
せる対物レンズ系と、該対物レンズ系を通過した前記２光束を再結合させる結
合手段と、前記２光束の位相差を変化させる複屈折の位相差調整手
段と、前記２光束による干渉像の所定の直線偏光成分を選択的
に検出する検出手段とを備え、前記分離手段の分離角θと前記コンデンサレンズ系の焦
点距離ｆとで得られる分離量Δと、前記結合手段の結合
角θ’と前記対物レンズ系の焦点距離ｆ’とによる積
ｆ’・θ’が、前記透明領域と隣り合う前記位相領域の前記被投影原版
上での基準位置間隔の距離Ｐに応じて、【数１】を満たす位相差測定装置。
【請求項２】前記検出手段によって得られる強度変調
信号を処理する演算処理手段を備え、前記パターン像の干渉強度を前記位相差調整手段を用い
て段階的に変化させるようにし、位相差調整量に応じた
その干渉強度を段階的に取り込み、該位相差調整量と該
干渉強度とを基に所定の処理手段を用いて演算をして前
記位相領域の位相差を求めることを特徴とする請求項１
記載の位相差測定装置。
【請求項３】２光束の光の強度を前記被投影原版の透
明領域と位相領域の透過率比に応じて設定するよう、前
記偏光回転手段を制御することを特徴とする請求項１、
または請求項２記載の位相差測定装置。
【請求項４】透明領域の透過光に対し、位相差が生じ
るような位相領域を有するパターンが形成され、透過照
明によって投影される被投影原版の前記位相領域に応じ
た前記位相差を測定する方法であって、前記透過照明と同一波長の光を供給する光源手段と、該
光を直線偏光に変換しかつその直線偏光面を任意に回転
できる偏光回転手段によって直線偏光を供給し、直線偏光を異なる偏光方向の２光束に分離する分離手段
と、該２光束を前記被投影原版に照射するコンデンサレ
ンズ系によって、前記直線偏光は前記透明領域と隣合う
前記位相領域の前記被投影原版上での基準間隔の距離Ｐ
に応じた分離量Δに分離され、かつ互いに直交する２光束として前記被投影原版に照射
し、その２光束透過光を対物レンズ系と結合部材を介して再
結合し前記パターンを結像させ、該パターン像の干渉強度を、２光束の位相差を変化させ
る複屈折の位相差調整手段を用いて段階的に変化させ、２光束による干渉像の所定の直線偏光成分を選択的に検
出する検出手段によって得られる強度変調信号を処理す
る演算処理手段を用いて、その位相差調整量に応じた干
渉強度を段階的に該演算処理手段に取り込み、該位相差調整量と該干渉強度とを基に所定の処理手段を
用いて演算をして前記位相領域の位相差を求めるように
することを特徴とする位相差測定方法。