JPH10318718A - 光学式高さ検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料の表面の反射率の分布に影響されずに広測
定範囲で、高精度に試料高さを検出すること。 【解決手段】スリット２０３の像を試料１０６上に投影
し、試料１０６上で反射されたスリット像の位置を２分
割フォトダイオード２１４で検出する。このとき、レン
ズ２１０と反転鏡２１１によって投影スリット光を再び
試料１０６上に反転結像してからその像の位置を２１４
で検出するようにする。投影スリット像と反転折り返し
像が常に試料１０６上で重なり合うように回転鏡２０６
の角度を制御した状態では、検出器２１４上のスリット
像は検出器２１４の原点と一致する。投影スリット像と
反転折り返し像が試料１０６上で重なり合った状態で
は、反射率のむらによる検出誤差は相殺され、純粋な試
料高さを精度よく検出可能である。この高さ検出器を収
束荷電粒子ビーム装置あるいは光学装置に組み込むこと
によって、高速・高精度の焦点合わせ、倍率変動補正を
実現することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、対象物の高さを光
学的に測定する高さ検出装置、およびこれを利用して、
真空中の光学装置の焦点や収束荷電粒子ビーム装置の焦
点および偏向量を制御する自動焦点装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、電子線露光装置において半導体
ウエハ等上に微細回路パターンを描画する際、該ウエハ
表面が設定した高さからずれていると、露光された回路
の位置や大きさが所定のものと異なってしまう上に、焦
点ずれのために投影像がぼやけることとなる。したがっ
て試料表面の高さを正確に測定することはきわめて重要
である。この測定された試料表面の高さを用いて、試料
台あるいは光学系を上下させたり、電子光学系の焦点制
御電流および偏向量を制御することによって、常に同じ
条件で露光を行うことができる。上記技術は電子線によ
って試料表面を観察するＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）装
置にも同様に重要な技術であり、その他の収束荷電粒子
ビーム装置、光学装置にも同様に重要な技術である。

【０００３】従来、たとえば特開昭５８−１６８９０６
に示されているように、スポット光を試料表面に照射
し、この正反射光を結像しその像の位置を検出器で検出
することにより、試料の高さを求めていた。検出器とし
ては、光の当たった位置に比例した信号を出力するＰＳ
Ｄと呼ばれる検出器、２分割フォトダイオード、１次元
リニアイメージセンサの何れかが従来用いられてきた。
しかしこの方法は、図２に示すように、試料表面に反射
率の分布がありスポット光が反射率のことなる境界上に
当たる場合、大きな高さ検出誤差を生じる。この場合ス
ポットの真の中心位置とスポットの重心位置が一致しな
いため、スポットの重心位置を出力するＰＳＤや２分割
フォトダイオードではスポットの真の重心位置が検出で
きないためである。

【０００４】１次元リニアイメージセンサを使用すれ
ば、信号処理方法を工夫することによって、スポットの
真の中心位置に検出値を近づけることができるが、試料
表面に大きい反射率むらがある場合にスポット像の輪郭
を正確に安定に検出することは困難である。試料表面の
反射率むらの原因としては表面の材質の違いのほかに、
表面上の微細パターンによる散乱の影響があり、特に半
導体装置の表面の様に微細な回路パターンが描かれた試
料の場合にはこの影響は深刻である。

【０００５】この問題を解決するため、特開平８−２１
７０５および特開昭５６−２６３２には試料上の測定点
から試料に垂直に立てた法線に関して対称な、２方向か
らスポットを投影することによって、試料表面の反射率
むらに起因する高さ検出誤差を打ち消しあう方法が開示
されている。本方法に依れば、反射率むらに起因する高
さ検出誤差が２方向の投影方向で正負反対に生起するた
め、検出誤差を打ち消しあうことができる。

【０００６】特開平８−２１７０５ではこれを２式の検
出器を用いて実現しており、特開昭５６−２６３２では
これを投影光を鏡像反転して折り返すことにより実現し
ている。しかし、これらの方法では、２方向の検出光が
試料面上で重なりあっていることが、試料表面の反射率
むらに起因する高さ検出誤差を生じない条件であり、高
さ検出装置の検出原点から試料面高さが離れた場合には
通常の光スポット投影位置検出法と同程度の検出誤差を
生じる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そのため上記高さ検出
方法は試料台がＺステージをもち、試料高さ検出結果を
Ｚステージにフィードバックして試料表面高さを高さ検
出装置の原点に常に一致させて使用する場合には問題が
生じないが、たとえば荷電粒子ビーム装置のような試料
台を真空中で使用する装置のように、Ｚステージを具備
させることがコストおよび信頼性の面で不利となるよう
な装置においては、荷電粒子ビームのフォーカスを電気
的に制御することによって焦点を合わせることが望まし
い。

【０００８】この場合、高さ測定原点以外の高さにある
試料面の高さを検出することになるため上記高さ検出方
法では検出誤差を生じることとなる。また、試料高さ検
出結果をＺステージにフィードバックする場合でも、上
記検出誤差はＺステージ高さの制御の収束にかかる時間
を長くし装置のスループットを落とすこととなる。また
近年の半導体用ウェハの大口径化にともない、試料台の
大きさしたがって重量が増してくると、光学装置の場合
でも試料台ではなく光学系を駆動することによって焦点
を合わせた方が有利な場合が出てくる。

【０００９】本発明は、高さ測定原点以外の高さにある
試料面の高さを検出する場合においても、試料上の反射
率むらに起因する検出誤差を生じず、広い測定範囲で高
精度の高さ検出を行える方法を提供することを目的とし
ている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで本方法では試料上
の測定点から試料に垂直に立てた法線に関して対称な２
方向からスポットを投影する光学系に対して、２方向か
らの投影スポットの位置を制御できるような偏向素子と
この投影位置が試料上で一致した位置からずれた場合に
そのずれに応じた出力を得られるセンサをもたせた光学
系および検出系を構成する。２方向からの投影スポット
が試料上で一致した場合、２方向からの投影における試
料表面の反射率むらに起因するセンサ出力のずれは大き
さが等しく方向が反対なので、うち消し合った状態とな
る。２方向からの投影位置が常に試料上で一致するよう
に上記センサ出力を偏向素子にフィードバック制御する
ことによって、試料表面の反射率むらに起因する高さ検
出誤差を打ち消しあった状態を保ち、この状態で偏向素
子の偏向量を検出すれば、この偏向量が試料の高さに対
応する。

【００１１】あるいは、上記光学系および検出系におい
て偏向量を常に変化させながら、上記センサ出力がゼロ
点を横切った状態を検出し、その時の偏向素子の偏向量
を記録すれば、この偏向量が試料の高さに対応する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下図１を用いて本発明の実施例
を説明する。１００が電子線装置、１０１が電子線源を
示し、１０１より出た電子線は偏向素子１０２、電磁レ
ンズ１０３を通って試料１０６上に焦点を結んで照射さ
れる。試料１０６はＸＹステージ１０５上におかれ、レ
ーザ測長系１０７で位置が計測される。さらにＳＥＭ装
置の場合は２次電子検出器１０４で試料から放出された
２次電子を検出する。焦点制御装置１０９は、試料表面
１０６の高さを高さ検出装置２００によって検出した信
号１１０に基づいて電磁レンズ１０３を駆動し、電子線
の焦点を試料１０６上に合わせる。

【００１３】偏向信号発生装置１０８は偏向素子１０２
に対して偏向信号を発生するが、このとき、試料表面１
０６の高さ変動にともなう像倍率変動、電磁レンズ１０
３の制御にともなう像回転を補償するように偏向信号に
補正を加える。なお本実施例は電子線装置を想定して記
述しているが、収束イオンビーム装置等ほかの収束荷電
ビーム装置でも同様に構成できる。また、通常の光学顕
微鏡および光露光装置のような光学装置でも、その焦点
位置を制御する機構があれば同様に構成できることは明
らかである。焦点合わせのために試料の上下させるので
はなく光学系の焦点位置を変化させるような装置の場合
は、本高さ検出装置のもつ広範囲で高精度の高さ検出が
できるという特性の効果が特に大きくなる。

【００１４】以下に図１中の高さ検出装置について、図
３および図４を併用しながら説明する。光源２０１から
発生した光はコンデンサレンズ２０２を通ったのちスリ
ット２０３を照明する。なお本スリットは長方形状の穴
であるがピンホールのような円形状のものや正方形状の
ものであってもよい。また光源は、例えばレーザー、Ｌ
ＥＤ、ハロゲンランプ等十分な輝度を持つものであれば
よく、光ファイバーで光を導いてきてももちろんよい。
コンデンサレンズ２０２は必要に応じて使用するが使用
しない構成も可能である。２０４は迷光をカットするた
めのしぼりであり必要に応じて使用する。なお必要な
ら、試料上に塗布されたレジスト等を感光させないため
の波長選択フィルター等も、例えば２０４の場所に挿入
してもよい。

【００１５】さて、スリット２０３、絞り２０４を通っ
た光はハーフミラー２０５をとおって角度が電気的に制
御できる鏡２０６で反射されレンズ２０７で中間像２１
２を結ぶ。角度が電気的に制御できる鏡２０６の例とし
ては電磁力を用いたガルバノミラーや、長さが印加電圧
で変化する圧電素子を鏡の１辺に接続し、中心を基台に
接続したものが考えられる。角度が電気的に制御できる
鏡２０６はレンズ２０７から略焦点距離だけ離れた距離
ｆに置くのが望ましい。このとき回転鏡２０６の角度を
φとするとこれによる。

【００１６】スリットの中間像２１２はレンズ２０８、
絞り２１６、レンズ２０９を介して試料表面１０６上の
点２１７に結像される。このとき、中間像２１２とレン
ズ２０８と絞り２１６の間隔をすべてレンズ２０８の焦
点距離と等しくし、絞り２１６とレンズ２０９と結像位
置２１７の間隔をレンズ２０９の焦点距離と等しくする
と、この系はテレセントリック光学系となる。回転鏡２
０６の回転につれて、投影光学系の光軸２５０に対する
結像位置２１７はｆφだけ移動するが、テレセントリッ
ク光学系であるため、レンズ２０９を射出した光は常に
一定の角度θで試料１０６上に投影され、より望ましい
構成である。このテレセントリック光学系の倍率はレン
ズ２０９と２０８の焦点距離の比と等しくなり、図４の
例では１である。

【００１７】なお図１の例では、レンズ２０７から２０
９までをまとめて投影／検出光学系２１５として表わし
ている。ここでの投影／検出光学系２１５に対する条件
は回転鏡２０６の回転に比例してスリット投影像２１７
の位置が移動することと、スリット２０３と投影像２１
７と後述する検出器２１４が共役関係にあることであ
る。また、この光学系ではスリット像の結像位置が投影
光学系の光軸２５０に対して垂直な方向に移動するため
に、若干の焦点ずれが生じるが、レンズ２０９を投影光
学系の光軸２５０に対して垂直ではなく、試料面１０６
とレンズ２０９の光軸が平行となる方向に置くと、スリ
ット像の結像位置が試料面１０６に対して垂直な方向に
移動するため、高さＺの計測範囲を大きくとりたい場合
には有用である。

【００１８】試料表面１０６で反射した光はレンズ２１
０を通り、反射鏡２１１で反射されて、再びレンズ２１
０を経て試料表面１０６上の点２１７に結像する。この
とき投影像２１７とレンズ２１０の距離をレンズ２１０
の焦点距離と等しくすれば、この折り返し光学系による
点２１７における像は最初の投影時の像に対して反転し
た像となる。この点２１７における像の位置が投影時と
折り返し時で完全に重なっていれば、図３に示すように
試料面１０６の反射率の分布による像の明るさ分布は打
ち消しあって２回の試料面上での反射直後の明るさ分布
は左右対称となる。

【００１９】この折り返し像は試料表面１０６で反射さ
れて投影光と同じ光路を戻ってハーフミラー２０５に達
する。ここで、反射した光はシリンドリカルレンズ２１
３を通ることによってスリットの長手方向に圧縮され
て、光スポット位置検出器２１４上に結像する。ここで
光スポット位置検出器２１４はリニアイメージセンサ、
照射位置に比例したアナログ出力を出すＰＳＤ等でもよ
いが、原点のドリフトが少なく、位置に対する感度が高
く、検出時間の短い、２分割フォトダイオードを使用す
ることが望ましい。

【００２０】光スポット位置検出器２１４上に形成され
た像は、図３に示したように投影光と折り返し光の位置
が試料表面１０６上で重なっていれば、対称な明るさ分
布を持つので、その重心位置を検出する光スポット位置
検出器２１４によって、正確にスポットの中心位置を検
出できる。これによって、試料１０６上の反射率の分布
によらない高精度の高さ検出を実現できる。なお、シリ
ンドリカルレンズ２１３はスリット像の幅が検出器２１
４の幅より大きいときに適宜使用するのが望ましい。

【００２１】ここで試料１０６の高さが上下すると、上
記の折り返しの関係がそのままでは成り立たなくなり精
度が悪化する。そこで、図５に示したように試料高さが
Ｚだけ高くなるとそれに合わせて２Ｚｓｉｎθだけ投影
像の位置を上方に移動させるように回転鏡２０６を制御
する。ここでθは光線の試料表面１０６への入射角であ
る。これによって上記折り返しの関係が常に保たれる。
このとき試料表面１０６で反射された折り返し光は１回
目の試料１０６への入射時の光路を逆にたどって回転鏡
２０６へ戻る。

【００２２】光速は回転鏡２０６の回転に比べて十分早
いので、投影時の反射を逆にたどってハーフミラー２０
５へもどり、さらに光スポット位置検出器２１４へ到達
する。そのため、常に、光スポット位置検出器２１４の
中心にスポットが位置するように回転鏡２０６を制御す
れば、上記の折り返しの関係が保たれることとなる。回
転鏡２０６の角度φは投影光の光路のシフト量に比例
し、光路のシフト量はｆφで表わされる。上記の折り返
しの関係が保たれるように回転鏡２０６の制御を行う
と、光路のシフト量が２Ｚｓｉｎθと等しい状態が保た
れる。すなわち、試料１０６の高さＺはｆφ／２ｓｉｎ
θで算出できる。

【００２３】図４のフィードバック機構２２０はこの制
御を行うための機構であり、光スポット位置検出器２１
４の出力を回転鏡２０６にフィードバックする。ここ
で、図１に示すように、回転鏡２０６の制御量２２１を
もとに試料高さ検出値１１０を算出し、焦点制御装置１
０９あるいは偏向信号発生装置１０８にフィードバック
してもよいが、一般に回転鏡２０６に対する制御量２２
１と実際の回転角φの関係は経時的な変動があるので、
図４に示すように、回転角検出用の光学系を設けること
も考えられる。図４において、光源３０１を出射した光
は、コンデンサレンズ３０２を通ってスリット３０３を
照明する。

【００２４】スリット３０３は対物レンズ３０４によっ
て中間像３０５を結ぶ。この途中で回転鏡２０６で反射
するため、中間像３０５の位置は光てこ効果によって回
転鏡２０６の角度φに比例して移動する。この量は、回
転鏡２０６と中間像３０５の距離をＬとすると、Ｌφで
ある。この中間像を直接リニアイメージセンサ３０８で
検出してもいいが、図４の例の場合はさらにレンズ３０
６で中間像３０５を拡大して検出する。ここで３０７は
スリット像の長手方向を圧縮するためのもので、必要に
応じて挿入する。３０８としては検出角度φの経時的変
化を抑制するためにはリニアイメージセンサを使用する
ことが望ましいが、代わりにＰＳＤを用いてもよい。

【００２５】高さ算出装置３０９はリニアイメージセン
サ３０８に入力されたスリット像から、その中心の位置
を求め、試料１０６の高さ検出値１１０に換算し出力す
るものである。スリット像の中心の位置を求めるアルゴ
リズムの例としては、スリット像から背景光レベルを引
いたものから重心位置を求める方法、スリットのピーク
位置を求める方法、さらにピーク付近の複数のデータか
ら補間を行って真のピーク位置を求める方法が挙げられ
る。

【００２６】なお図１、図４、図５に示した例ではミラ
ー２０６を回転させたが、代わりに反転折り返し鏡２１
１を回転制御しても同様の効果が得られる。

【００２７】ここで図５を用いて、高さ測定位置の変化
について説明する。図５に示すように、試料高さがＺだ
け高くなるとそれに伴ってＺｔａｎθだけ光線が試料表
面１０６に当たる位置が横方向に移動する。すなわち、
高さを測定する位置がＺｔａｎθだけずれることにな
る。これは、試料が水平で平坦な場合には問題にならな
いが、試料にうねりがある場合には測定誤差を生じるこ
ととなる。

【００２８】解決策の１例は、図６に示すように本高さ
検出装置を２式用意し、投影光と折り返し反射光の光軸
を含む面が平行となり、かつ、投影方向が反対となるよ
うに構成する。すると、試料面がＺだけ高くなったとき
の試料面上におけるスリット光の照射位置は２式の高さ
検出装置において逆方向にＺｔａｎθだけずれることと
なる。そのため、２式のスリット光の照射位置の中間点
２１８の位置は常に一定で、試料面が局所的に平面だと
仮定すれば、２式の高さ検出装置の出力高さの平均をと
れば、これが、中間点２１８の高さ検出値となる。すな
わち試料面の高さの変動にかかわらず常に一定箇所２１
８における試料面の高さを検出できることとなる。

【００２９】別の実施例はソフトウェア的な補正による
ものである。電子線装置１００がＸＹステージ１０５を
持っている場合には、これを動かしながら高さマップを
計測すれば、上記測定位置のずれを補正した真の高さを
高さマップの補間によって求めることは簡単である。ま
た、ステージを常に１方向に動かしながら電子線装置１
００を使う場合、たとえば、電子線をＹ方向に偏向しな
がらステージを−Ｘ方向にスキャンして２次元のＳＥＭ
画像を撮像するばあいには、以下の方法が使用できる。
最大の試料面の高さ変動を±Ｚｍａｘとすると、高さ検
出装置の測定範囲の中心をＺｍａｘ ｔａｎθだけ＋Ｘ
方向にずらして配置する。すると常に電子線が走査を行
う前に高さを検出することができ、その位置のずれは
（Ｚｍａｘ＋Ｚ）ｔａｎθである。このずれ量は高さ検
出値Ｚからわかるので常に電子線走査位置における試料
面の高さがわかる。

【００３０】別のソフトウェア的な補正の実施例を図７
を用いて示す。図のように試料の局所的な傾きαがわか
れば、測定位置のずれ量Ｚｔａｎθから光学系の光軸と
試料表面１０６が交わる点の高さをＺ−Ｚｔａｎθ／ｔ
ａｎαによって求めることができる。試料の局所的な傾
きαはその前に得られた少なくとも２ヵ所以上の測定高
さから直線または曲線を当てはめることによって求める
ことが可能である。あるいはあらかじめＸＹステージを
大きく動かしておいて、試料の高さマップを測定してお
けば、この高さマップから求めた傾きを用いて正確な高
さを求めることができる。

【００３１】次に図８と図９を用いて試料上の測定位置
が試料高さによって変化しない構成例を示す。光源２０
１から発生した光はコンデンサレンズ２０２を通ったの
ちスリット２０３を照明する。なお本スリットは長方形
状の穴であるがピンホールのような円形状のものや正方
形状のものであってよい。スリット２０３を通った光は
ハーフミラー２０５をとおって角度が電気的に制御でき
る鏡２０６で反射されレンズ２１５を介して試料１０６
上にスリット２０３の像を結ぶ。

【００３２】角度が電気的に制御できる鏡２０６はレン
ズ２１５から略焦点距離だけ離れた距離ｆに置くのが望
ましい。このとき回転鏡２０６の角度をφとするとこれ
によるスリット像の位置の移動はｆφとなる。なお、本
構成例ではスリット２０４と試料１０６の間には１個だ
けレンズを介しているが、スリット２０４と試料１０６
上の点２１７が共役関係にあり、投影像２１７の位置が
電気的に制御出来れば本構成以外の構成でも勿論よい。
たとえば図４の実例中の投影光学系と同様にスリット２
０４と試料１０６の間には３個だけレンズを介する構成
でもよい。

【００３３】試料表面１０６で反射した光はレンズ２１
０をとおり、反射鏡２１１で反射されて、再びレンズ２
１０を経て試料表面１０６上の点２１７に結像する。こ
のとき２１７とレンズ２１０、レンズ２１０と鏡２１１
の距離をともにレンズ２１０の焦点距離ｆ’と等しくす
れば、この折り返し光学系による点２１７における像は
最初の投影時の像に対して反転した像となる。この点２
１７における像の位置が投影時と折り返し時で完全に重
なっていれば、図３に示すように試料面１０６の反射率
の分布による像の明るさ分布は打ち消しあって、対称な
分布形状となる。この実施例の場合は反射鏡２１１にも
角度が電気的に制御できる鏡を使用する。折り返し鏡２
１１の角度をφ’とすれば、折り返し光学系の光軸２５
１から光軸と垂直な方向にｆ’φ’だけずれた試料１０
６上の像を同じ位置に折り返し結像することが可能とな
る。

【００３４】この折り返し像は試料表面１０６で反射さ
れて投影光と同じ光路を戻ってハーフミラー２０５に達
する。ここで反射した光はシリンドリカルレンズ２１３
を通ることによってスリットの長手方向に圧縮されて、
光スポット位置検出器２１４上に結像する。光スポット
位置検出器２１４上に形成された像は、図９に示したよ
うに投影光と折り返し光の位置が試料表面１０６上で重
なっていれば、対称な明るさ分布を持つので、その重心
位置を検出する光スポット位置検出器２１４によって、
正確にスポットの中心位置を検出できる。これによっ
て、試料１０６上の反射率の分布によらない高精度の試
料高さ検出を実現できる。

【００３５】ここで試料１０６の高さが上下した場合に
も、上記の折り返しの関係を保って高さ検出精度を得る
ために以下のようにする。図９に示したように試料高さ
がＺだけ高くなるとそれに合わせてＺｓｉｎθだけ投影
像の位置を投影光学系の光軸２５０に対して上方に移動
させるように回転鏡２０６の角度φを後述するように制
御する。ここでθは光線の試料表面１０６への入射角で
ある。すると、試料１０６上でスリット光の照射される
位置１０７は同じ位置に保たれる。これによって、折り
返し光学系の光軸２５１に対するスリット照射光の位置
はＺｓｉｎθだけ移動するので、上記折り返しの関係を
保つため、折り返し鏡２１１の角度φ’をやはり後述す
るように制御する。

【００３６】このとき試料表面１０６で反射された折り
返し光は１回目の試料１０６への入射時の光路を逆にた
どって回転鏡２０６へ戻る。さらに投影時の反射を逆に
たどってハーフミラー２０５へもどり、さらに光スポッ
ト位置検出器２１４へ到達する。そのため、常に光スポ
ット位置検出器２１４の中心にスポットが位置するよう
に回転鏡２０６と折り返し鏡２１１を制御すれば、上記
の折り返しの関係が保たれることとなる。さらに試料１
０６上の測定位置２１７が変化しないように保つために
は、投影光の光路の光軸２５０からのシフト量と折り返
し光の光路の光軸２５１からのシフト量を等しくＺｓｉ
ｎθに保つことが必要である。上記シフト量はそれぞれ
ｆφとｆ’φ’で表わされるので、 ｆφ＝ｆ’φ’即
ちφ’＝ｆφ／ｆ’の関係を保ちながら、光スポット位
置検出器２１４の中心にスポットが位置するように回転
鏡２０６と折り返し鏡２１１を制御すると、常に試料１
０６上の同じ位置の高さを高精度に測定できる。すなわ
ち、試料１０６の高さＺはｆφ／ｓｉｎθによって求め
られる。

【００３７】図８のフィードバック機構２２０はこの制
御を行うための機構であり、光スポット位置検出器２１
４の出力を回転鏡２０６にフィードバックする。このと
き、折り返し鏡２１１に対する角度制御信号２２２は回
転鏡２０６に対する角度制御信号２２１にｆ／ｆ’を乗
じたものを与えるようにする。ただし、レンズ２１５の
焦点距離ｆとレンズ２１０の焦点距離ｆ’を等しい構成
にすれば角度制御信号２２２として角度制御信号２２１
と同一のものを使用できる。

【００３８】また、この光学系ではスリット像の結像位
置が投影光学系の光軸２５０に対して垂直な方向に移動
し、折り返し結像位置が折り返し光学系の光軸２５１に
対して垂直な方向に移動するために、若干の焦点ずれが
生じるが、レンズ２１５およびレンズ２１０の光軸を、
投影光２５０と折り返し光２５１の光軸を含む平面内で
試料面１０６と平行となる方向まで回転させて配置する
と、投影光学系と折り返し光学系の結像位置がともに試
料面１０６に対して垂直な方向に移動するため、高さＺ
の計測範囲を大きくとりたい場合には有用である。

【００３９】さらに望ましい構成として、投影光学系の
光軸２５０と折り返し光学系の光軸２５１をミラー等で
折曲げて、回転鏡２０６と折り返し鏡２１１を共有する
構成にすれば、共通のアクチュエータで投影光学系と折
り返し光学系を制御でき、制御性を向上できるととも
に、図４の実施例と同様に鏡の回転角を外部から検出す
る構成にする場合に、この角度検出系が一式で済む。

【００４０】図１０にこの構成の一例を示す。光源２０
１から発生した光はスリット２０３を照明する。なお本
スリットは長方形状の穴であるがピンホールのような円
形状のものや正方形状のものであってよい。スリット２
０３を通った光はハーフミラー２０５を通り、レンズ２
６４を通り、角度が電気的に制御できる鏡２６０で反射
され鏡２６１で反射された後レンズ２１５を介して試料
１０６上にスリット２０３の像を結ぶ。このときの入射
角をθとする。試料表面１０６で反射した光はレンズ２
１０をとおり、反射鏡２６２、２６３で反射されて、角
度が電気的に制御できる鏡２６０で折り返される。回転
鏡２６０は両面が鏡面となっている。折り返された光
は、再び同じ光路を戻って試料表面１０６に折り返し像
を結ぶと同時に反射され、さらに投影光と同じ光路を戻
ってハーフミラー２０５に達する。

【００４１】ここで反射した光は光スポット位置検出器
２１４上に結像する。光スポット位置検出器２１４上に
形成された像は、図９に示したように投影光と折り返し
光の位置が試料表面１０６上で重なっていれば、対称な
明るさ分布を持つので、その重心位置を検出する光スポ
ット位置検出器２１４によって、正確にスポットの中心
位置を検出できる。これによって、試料１０６上の反射
率の分布によらない高精度の高さ検出を実現できる。

【００４２】ここで回転鏡２６０と投影側レンズ２１５
および、ここで回転鏡２６０と折り返し側レンズ２１０
の距離を、ともに、レンズ２１５と２１０の共通の焦点
距離ｆと等しくなるように構成すれば、図８および図９
で説明した実施例と同様に光スポット位置検出器２１４
の出力をフィードバック装置２２０を通して回転鏡２６
０の角度φにフィードバックすることによって、試料１
０６上の常に同じ点の高さを試料１０６上の反射率の分
布によらずに高精度に検出することが可能となる。この
ときの試料１０６の高さはｆφ／ｓｉｎθで与えられ
る。

【００４３】なお本実施例では、回転鏡２６０と試料面
１０６の間に入る反射鏡の個数の差が、投影側と折り返
し側で奇数個であることが、回転鏡２６０の回転に伴う
光路のシフトの方向を揃えるために必要であったが、別
の実施例として、図１１に示すように図９の投影光の光
軸２５０と折り返し光の光軸２５１を鏡を使用して、紙
面と垂直な方向に折曲げて回転鏡２０６と折り返し鏡２
１１で回転の駆動軸を共有する構成を用いた場合には、
上記反射鏡の個数の差は投影側と折り返し側で偶数個と
なる。

【００４４】図１１はこの実施例を試料上方からの視線
で描いたものである。このように回転鏡２０６と折り返
し鏡２１１で回転の駆動軸を共有し、鏡２６６で投影光
と折り返し光を左右に分け、反射鏡群２６５で試料１０
６上に左右方向から光路を導く、光路の途中に投影光の
欠像レンズ２１５と折り返し光の結像レンズ２１０が挿
入されている。回転鏡２０６よりも光源および検出器の
側は図８の実施例と同様の構成であるため、図示してい
ない。

【００４５】次に図４の別の構成例として、投影光の光
路を回転鏡２０７ではなく角度を電気的に変化させられ
る透明な平行平板を用いてシフトさせる構成を示す。図
１２において、光源２０１から発生した光はコンデンサ
レンズ２０２を通ったのちスリット２０３を照明する。
なお本スリットは長方形状の穴であるがピンホールのよ
うな円形状のものや正方形状のものであってよい。スリ
ット２０３を通った光はハーフミラー２０５で反射さ
れ、レンズ２７０を透過後、角度が電気的に制御できる
平行平板２７１を透過し、中間像を２１２の位置に結
ぶ。

【００４６】スリットの中間像２１２はレンズ２０８、
絞り２１６、レンズ２０９を介して試料表面１０６上の
点２１７に結像される。このとき、中間像２１２とレン
ズ２０８と絞り２１６の間隔をレンズ２０８の焦点距離
と等しくし、絞り２１６とレンズ２０９と結像位置２１
７の間隔をレンズ２０９の焦点距離と等しくすると、こ
の系はテレセントリック光学系となる。平行平板２７１
の回転につれて、中間像の２１２における位置は移動す
るが、テレセントリック光学系であるため、レンズ２０
９を射出した光は常に一定の角度θで試料１０６上に投
影され、より望ましい構成である。このテレセントリッ
ク光学系の倍率はレンズ２０９と２０８の焦点距離の比
ｍと等しくなる。ここで厚さｄの平行平板が光軸に垂直
な方向からφだけ回転すると、光路のシフト量はφが小
さい範囲ではｄ（ｎ−１）φ／ｎで表わされる。ここ
で、ｎは平行平板の屈折率である。

【００４７】試料表面１０６で反射した光はレンズ２１
０をとおり、反射鏡２１１で反射されて、再びレンズ２
１０を経て試料表面１０６上の点２１７に結像する。こ
のとき２１７とレンズ２１０をともにレンズ２１０の焦
点距離と等しくすれば、この折り返し光学系による点２
１７における像は最初の投影時の像に対して反転した像
となる。この折り返し像は試料表面１０６で反射されて
投影光と同じ光路を戻ってハーフミラー２０５に達す
る。ここを透過した光はシリンドリカルレンズ２１３を
通ることによってスリットの長手方向を圧縮されて、光
スポット位置検出器２１４上に結像する。光スポット位
置検出器２１４上に形成された像は、図９に示したよう
に投影光と折り返し光の位置が試料表面１０６上で重な
っていれば、対称な明るさ分布を持つので、その重心位
置を検出する光スポット位置検出器２１４によって、正
確にスポットの中心位置を検出できる。これによって、
試料１０６上の反射率の分布によらない高精度の試料高
さ検出を実現できる。

【００４８】ここで試料１０６の高さが上下した場合に
も、上記の折り返しの関係を保つため、光スポット位置
検出器２１４の出力をフィードバック装置２２０を介し
て平行平板２７１の回転角φを制御する。このとき平行
平板２７１の回転による試料１０６上の像シフトはｍｄ
（ｎ−１）φ／ｎで表わされ、折り返しの関係が保たれ
ているとき、この値は２Ｚｓｉｎθと等しくなるので、
高さＺはｍｄ（ｎ−１）φ／（２ｎｓｉｎθ）で表わさ
れる。

【００４９】図１２のもう一つの構成例として、投影光
の光路を回転鏡２０７ではなく位置を電気的に平行移動
させられる反射鏡を用いてシフトさせる構成を図１３に
示す。位置を電気的に平行移動させられる反射鏡は例え
ば圧電素子、圧電素子と変位拡大機構、ボイスコイルモ
ータ等によって実現出来る。図１２との相違点のみ簡単
に説明する。図１２の平行平板２７１を取り去り、代わ
りにレンズ２７０ととレンズ２０８の間に平行移動鏡２
７９を挿入する。平行移動鏡２７９の入射角をβとし、
２７９がｈだけ平行移動すると反射光は２ｈｓｉｎβだ
けシフトする。レンズ２０８と２０９からなる倍率ｍの
結像光学系によって、平行移動鏡２７９の移動による試
料１０６上の像シフトはｍ２ｈｓｉｎβで表わされ、折
り返しの関係が保たれているとき、この値は２Ｚｓｉｎ
θと等しくなるので、高さＺはｍｈｓｉｎβ／ｓｉｎθ
で表わされる。

【００５０】次に折り返し光学系を使わずに同等の効果
を発揮する方法について図１４に基づいて記述する。基
本的には図８の実施例の光学系からレンズ２１０と鏡２
１１よりなる折り返し光学系を除いたものを２式用意
し、試料１０６に反対方向から投影光が入射するように
配置し、折り返し光の代わりに他方の光学系より試料上
に投影されたスリット像を検出器２１９で検出するよう
にしたものである。

【００５１】図１４において左右２箇所に光源２０１が
あるが、スリット２０３を通過したのちハーフミラー２
０５を通過した後、共通の光路を反対側のハーフミラー
２０５までたどり、反対側のハーフミラー２０５で反射
した後、検出器２１９に到達する。ここでスリット２０
２は長方形状の穴であるがピンホールのような円形状の
ものや正方形状のものであってもよい。また光源は、例
えばレーザー、ＬＥＤ、ハロゲンランプ等十分な輝度を
持つものであればよく、光ファイバーで光を導いてきて
ももちろんよい。光源２０１とスリット２０３の間にコ
ンデンサレンズを必要に応じて使用してもよい。

【００５２】さて、共通の光路内では、２式のレンズ２
１５とレンズ２６４の組がスリット２０３および検出器
２１４と試料表面１０６上の点２１７を結像関係にする
ように配置される。角度が電気的に制御できる鏡２０６
を２個のレンズ２１５からそれぞれ略焦点距離ｆだけ離
れた点に配置し、回転鏡２０６の角度φな回転によりス
リット像がｆφだけシフトされるように構成する。回転
鏡２０６の例としては電磁力を用いたガルバノミラー
や、長さが印加電圧で変化する圧電素子を鏡の１辺に接
続し、中心を基台に接続したものが考えられる。

【００５３】ここでの投影／検出光学系２１５に対する
条件は回転鏡２０６の回転に比例してスリット投影像２
１７の位置が移動することと、スリット２０３と投影像
２１７と検出器２１４が共役関係にあることであり、こ
れを満たしさえすれば、必ずしも図１４の例に示した構
成をとる必要はない。

【００５４】また、図１２と同様の平行平板を使用した
構成および図１３と同様の平行移動鏡を使用した構成も
可能であることはいうまでもない。また、この光学系で
はスリット像の結像位置が投影光学系の光軸２５０に対
して垂直な方向に移動するために、若干の焦点ずれが生
じるが、レンズ２０９を投影光学系の光軸２５０に対し
て垂直ではなく、試料面１０６とレンズ２０９の光軸が
平行となる方向に置くと、スリット像の結像位置が試料
面１０６に対して垂直な方向に移動するため、高さＺの
計測範囲を大きくとりたい場合には有用である。

【００５５】試料表面１０６で反射した光はレンズ２１
５を通り、回転鏡２０６で反射されて、光スポット位置
検出器２１９上に結像する。ここで光スポット位置検出
器２１４はリニアイメージセンサ、照射位置に比例した
アナログ出力を出すＰＳＤ等でもよいが、原点のドリフ
トが少なく、位置に対する感度が高く、検出時間の短
い、２分割フォトダイオードを使用することが望まし
い。ここで、試料面１０６の反射率の分布による像の明
るさ分布は２個の検出器２１９上で上下反対に結像され
る。

【００５６】これに対して、試料１０６上の点２１７の
上下による像位置の検出器２１９上での位置の変化は同
じ方向にでる。このため、２式の光スポット位置検出器
の出力の和を求めることによって、試料面１０６の反射
率の分布によるスリット像の重心位置のずれは相殺さ
れ、試料１０６の高さＺを正確に求めることが出来る。
ただし、この原理が成り立つのは左右からの投影光の試
料表面１０６上の位置が点２１７で重なっていることで
ある。なお、シリンドリカルレンズを検出器２１４の前
に挿入して、スリット像の長手方向を圧縮してもよい。

【００５７】ここで試料１０６の高さが上下すると、上
記の折り返しの関係がそのままでは成り立たなくなり精
度が悪化する。そこで、図１４に示したように試料高さ
がＺだけ高くなるとそれに合わせてＺｓｉｎθだけ投影
像の位置を上方に移動させるように回転鏡２０６を制御
する。ここでθは光線の試料表面１０６への入射角であ
る。これによって上記折り返しの関係が常に保たれる。
このとき試料表面１０６で反射された投影光は１回目の
反対側の回転鏡２０６で反射した後は光軸と一致した光
路に戻り、光スポット位置検出器２１４へ到達する。そ
のため、常に、光スポット位置検出器２１４の中心にス
ポットが位置するように回転鏡２０６を制御すれば、上
記のスリット像が試料上で重なった関係が保たれること
となる。回転鏡２０６の角度φは投影光の光路のシフト
量に比例し、光路のシフト量はｆφで表わされる。上記
のスリット像が試料上で重なった関係が保たれるように
回転鏡２０６の制御を行うと、光路のシフト量がＺｓｉ
ｎθと等しい状態が保たれる。すなわち、試料１０６の
高さＺはｆφ／ｓｉｎθで求められる。

【００５８】図１４中のフィードバック機構２２０はこ
の制御を行うための機構であり、２式の光スポット位置
検出器２１４の出力の和を回転鏡２０６にフィードバッ
クする。このときの試料１０６の高さは回転鏡２０６の
角度θより求められる。また図１０あるいは図１１に示
したのと同様に光路を折曲げて２個の回転鏡２０６の回
転軸あるいは反射面そのものを共有する構成としたほう
が、フィードバックの制御性の面からはよりよい構成で
ある。また回転角度θを制御量２２１からではなく図４
の実施例と同様に外部から検出する場合には角度検出器
が１式ですむため、より望ましい。

【００５９】次に図１５を用いて、図１４中のレンズ２
１５以外を全て２式の光路で共有した実施例を示す。光
源２０１を出射した光は、スリット２０３を通過し、ハ
ーフミラー２０５を通過した後、レンズ２６４を通り、
回転鏡２０６で反射される。ここまで来た光は屋根型鏡
２０６で２方向に分けられ、それぞれ鏡２６５、レンズ
２１５、鏡２６５を経由して試料１０６上の点２１７に
達する。

【００６０】ここで、どちらの光路を経由してもスリッ
ト２０３と試料１０６上の点２１７は共役関係にあるよ
うに構成される。角度が電気的に制御できる回転鏡２０
６は２個のレンズ２１５からそれぞれ略焦点距離ｆだけ
離れた点に配置され、回転鏡２０６の角度φな回転によ
りスリット像がｆφだけシフトされるように構成する。
ここでの投影／検出光学系２１５に対する条件は回転鏡
２０６の回転に比例してスリット投影像２１７の位置が
移動することと、スリット２０３と投影像２１７と検出
器２１４が共役関係にあることであり、これを満たしさ
えすれば、必ずしも図１５の例に示した構成をとる必要
はない。また、図１２と同様の平行平板を使用した構成
および図１３と同様の平行移動鏡を使用した構成も可能
であることはいうまでもない。

【００６１】試料表面１０６で反射した光は鏡２６５、
レンズ２１５、鏡２６５を経由し、屋根型鏡２０６で再
び同一の光路に導かれ、回転鏡２０６で反射されて、レ
ンズ２６４を通り、ハーフミラー２０５で反射されて、
光スポット位置検出器２１９上で同一の位置に重なって
結像する。ここで光スポット位置検出器２１４はリニア
イメージセンサ、照射位置に比例したアナログ出力を出
すＰＳＤ等でもよいが、原点のドリフトが少なく、位置
に対する感度が高く、検出時間の短い、２分割フォトダ
イオードを使用することが望ましい。

【００６２】ここで、試料面１０６上のスリット像２１
７の像は２方向の光路により検出器２１９上で上下反対
に結像される。これに対して、試料１０６上の点２１７
の上下による像位置の検出器２１９上での位置の変化は
同じ方向にでる。このため、光スポット位置検出器２１
９上で、試料面１０６の反射率の分布によるスリット像
の重心位置のずれは相殺され、試料１０６の高さＺを正
確に求めることが出来る。ただし、この原理が成り立つ
のは２方向からの投影光の試料表面１０６上の位置が点
２１７で重なっていることである。この関係が保たれる
ように回転鏡２０６の制御を行うと、光路のシフト量が
Ｚｓｉｎθと等しい状態が保たれる。すなわち、試料１
０６の高さＺはｆφ／ｓｉｎθで求められる。

【００６３】図１５中のフィードバック機構２２０はこ
の制御を行うための機構であり、光スポット位置検出器
２１４の出力を回転鏡２０６にフィードバックする。こ
のときの試料１０６の高さは回転鏡２０６の角度θより
求められる。さらに、図１５の右上に示すように、屋根
型鏡２０６で分割された光路のうちの一方の鏡２６５の
うちの１個を２個の鏡２６９に替えると、試料面１０６
上のスリット像２１７の像は２方向の光路により検出器
２１９上で上下方向は反対向きに結像されるが、左右方
向（スリットの長手方向）は同じ向きに重なって結像さ
れるため、より高精度な光学系の調整を行いやすいとい
う利点がえられる。

【００６４】ここで、フィードバック回路２２０につい
て図１６を用いて詳述する。２分割フォトダイオードあ
るいはＰＳＤからの２個の出力２０８および２０９はそ
れぞれ、プリアンプ４０１および４０２に入力される。
２個のプリアンプの出力は差回路４０３および和回路４
０４に入力され、差および和信号が得られる。除算回路
４０５によって差信号を和信号で割ることによって、光
スポット位置検出器２１４上のでのスポットの位置ずれ
量が全体の光量に左右されずに得られる。この信号が回
転鏡２０６の制御信号としてフィードバックされるが、
この一例としては、まずローパスフィルタ４０６を介し
ＰＩＤ回路４０７を通り、回転鏡駆動回路４０８に入力
され制御信号４０７を発生する。フィードバックがかか
った状態での制御量４０８または回転鏡２０６の外部か
らの検出角度が、試料面１０６の高さＺに対応する。

【００６５】別のフィードバック回路２２０の構成例に
ついて図１７を用いて述べる。この様に差回路４０３の
出力を直接回転鏡２０６にフィードバックする。全体光
量の変動はフィードバックゲインを変動させるだけで、
フィードバックゲインが十分に高ければ高さ測定値の精
度には大きな影響を与えない。ただし、光量が減りすぎ
ると測定精度を落とすので、和回路４０４の出力を光量
制御手段４０４に渡し、光源の出力あるいは光源の後に
おかれた可変透過率フィルターを制御して、検出光量を
略一定に保つことが試料１０６の反射率のむらが大きい
場合には望ましい。

【００６６】フィードバック回路を使わない別の実施例
について図１８によって述べる。回転鏡駆動回路４０８
に波形生成器４１１で発生した鋸歯状波あるいは正弦波
のような周期信号を入力し、回転鏡２０６を常時揺動さ
せておく。あるいは回転鏡２０６がポリゴン鏡で合った
場合には、略一定速度で常時回転させておく。この状態
で、和回路４０４の出力が一定値以上でかつ差回路４０
３の出力が０を横切る瞬間をゼロクロス検出器４１０で
検出し、そのときの回転鏡の角度を角度検出器４１０で
検出した値を出力保持器４１３で保持する。この保持さ
れた値が、試料面１０６の高さＺに対応する。ただし、
光量が減りすぎると測定精度を落とすので、和回路４０
４の出力を光量制御手段４０４に渡し、光源の出力ある
いは光源の後におかれた可変透過率フィルターを制御し
て、検出光量を略一定に保つことが試料１０６の反射率
のむらが大きい場合には望ましい。

【００６７】本高さ検出器２００を半導体装置の外観検
査装置に用いた場合の実施例を示す。外観検査装置は例
えば図２０に示したような半導体製造ライン中の中間外
観検査装置として，製造工程途中の微細なパターン欠陥
を検査する装置である。図２１を用いて後述するような
光学式の外観検査装置のための高さ検出装置としても利
用できるが、図１９ではＳＥＭ画像を用いた外観検査装
置に本高さ検出器２００を用いた実施例を説明する。

【００６８】図１９は検査装置の構成図を示したもので
ある。装置は電子線を発生させる電子線源１０１とビー
ムを走査させて画像化するためのビーム偏向器１０２と
電子線を対象物であるウェーハ１０６上に結像させる対
物レンズ１０３と対物レンズとウェーハの間に設けたグ
リッド１１０とウェーハ１０６を搭載し，ウェーハ１０
６を保持しこれを走査したり位置決めしたりするステー
ジ１０５と発生した二次電子を検出する二次電子検出器
１０４と高さ検出センサ２００と対物レンズ１０３の焦
点位置を調整する焦点位置制御手段１０９と電子線源の
電圧を制御する線源電位調整手段１２１とビーム偏向器
を制御してビーム走査を実現する偏向制御手段１０８と
グリッド１１０の電位を制御するグリッド電位調整手段
１２７と試料台の電位を調整する試料台電位調整手段１
２５と二次電子検出器１０４よりの信号をＡ／Ｄ変換す
るＡ／Ｄ変換器１２２とＡ／Ｄ変換されたデジタル画像
を処理する画像処理回路１２４とこのための画像メモリ
１２３とステージ１０５を制御するステージ制御手段１
２６とこれら全体を制御する全体制御部１２０と真空試
料室１００よりなる。高さ検出センサ２００の高さ検出
値は焦点位置制御手段１０９と偏向制御手段１０８に全
体制御部１２０を介してフィードバックされる。

【００６９】最後に、本高さ検出器２００を収束荷電粒
子ビーム装置でなく、通常の光学装置の焦点合わせセン
サとして用いた場合の実施例を図２１をもちいて示す。
図１と異なる点のみ説明する。１９１が光学装置の光源
でレンズ１９６、ハーフミラー１９５、対物レンズ１９
３を通して、試料１０６に照明が照射される。この像は
対物レンズ１９３を通り、ハーフミラー１９５で反射さ
れ、レンズ１９７を介して画像検出器１９４上に像を結
ぶ。このとき、対物レンズ１９３の焦点を試料１０６の
表面に合わせる必要がある。このとき高さ検出器２００
をもっていれば高速の焦点あわせを実現出来る。

【００７０】この図の例では対物レンズ１９３を上下さ
せて焦点あわせを行っているが、ステージ１０５を上下
させてもよい。ただし、対物レンズ１９３を上下させる
場合のほうが、本高さ検出器２００の広い計測範囲で高
精度が得られる特性の効果をより発揮できる。あるい
は、１９１、１９３、１９５、１９６、１９７、１９４
からなる光学系全体を上下させて焦点合わせを行っても
勿論よい。また図１９と同様な光学式の外観検査装置の
焦点あわせのために本高さセンサを用いてもよい。さら
に、図２１の実施例は光学式の観察あるいは検査装置に
高さセンサを用いた例であったが、レーザー加工機の焦
点合わせに用いても勿論よい。

【００７１】なお、図４に示した実施例では、オフセッ
トの経時変化の少ない２分割フォトダイオードと１次元
イメージセンサをそれぞれスポット照射位置検出器２１
４と回転鏡２０６の角度検出用検出器３０８に用いたた
め、高さ検出オフセットの経時変化は原理的に小さい
が、図１の収束荷電粒子ビーム装置における電磁レンズ
１０３あるいは図２１の光学装置における対物レンズ１
９３の特性の経時変化、熱による伸縮によって、高さセ
ンサ２００とレンズ１０３あるいは１９３の間のフォー
カス位置のオフセットが生じ得る。

【００７２】また２１４あるいは３０８にＰＳＤを使用
したり、光学系を用いずにフィードバック制御量２２１
をもちいて回転鏡２０６の角度を検出したりすると高さ
検出のオフセットおよびゲインに経時変化を生じる。そ
のため、レンズ１０３あるいは１９３のフォーカスを検
出画像によって試料表面１０６に合わせた状態で、試料
表面１０６の高さを高さセンサ２００で検出して、オフ
セットを定期的に校正するのが望ましい。

【００７３】また、検出ゲインについては、ステージ１
０５にＺステージを含む装置の場合には、試料１０６の
高さを変えながらこの高さを高さ検出器２００で検出し
てゲインを校正するのが望ましい。ステージ１０５にＺ
ステージを含まない装置の場合には、既知の段差をもつ
校正用試料をステージ１０５に搭載するか、試料１０６
の周囲のステージ１０５上に既知の段差をもつ段差構造
を設けておき、段差の各部分の高さを高さセンサ２００
によって計測することによって定期的にゲインを校正す
るのが望ましい。

【００７４】さらに別の応用例として、図２１の構成要
素のうち１９１、１９３、１９５、１９６、１９７、１
９４からなる光学系をもたない装置で、ステージ１０５
をＸＹ方向に移動させながら、試料１０６の高さ分布を
測定する装置を構成することも可能である。図１０に示
す高さ検出器の構成例は、この目的に適した光学系の構
成例である。

【００７５】

【発明の効果】本発明によれば、２本の光線を反対方向
より試料上の１点に照射することにより、試料上の反射
率の分布に起因する高さ計測誤差をキャンセル出来るた
め、広い検出範囲で高精度の高さ検出が可能な高さ検出
器を構成可能である。また、この高さ検出器を光学装置
のための焦点合わせ用センサーとして用いることによ
り、高速・高精度の焦点あわせを実現可能である。

【００７６】また、この高さ検出器の出力を荷電粒子ビ
ーム装置の焦点制御および偏向制御にフィードバックす
ることにより、高速・高精度の焦点あわせおよび倍率制
御を実現可能である。さらに、前記光学装置あるいは荷
電粒子ビーム装置を外観検査装置として構成することに
より、高速・高精度の焦点あわせおよび倍率制御を実現
し、安定した高い欠陥・異物検出能力を得ることが可能
である。また、本高さ検出器をＸＹステージと組み合わ
せることにより、高速・高精度で試料の高さ分布を測定
出来る装置を提供することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高さ検出装置とそれを用いた荷電
粒子ビーム装置の構成例図である。

【図２】スポット反射位置検出による高さ検出よるにお
ける試料反射率分布によ高さる検出誤差の発生原理を示
す図である。

【図３】折り返し反射による試料反射率分布によ高さる
検出誤差の除去原理を示す図である。

【図４】本発明による高さ検出装置の１構成例を示す図
である。

【図５】本発明による高さ検出感度と試料上の高さ検出
位置の移動を示す図である。

【図６】試料上の高さ検出位置の移動をキャンセルする
ために検出器を２個組み合わせた実施例図である。

【図７】試料上の高さ検出位置の移動を補正する方法を
示す図である。

【図８】高さ検出位置の移動を生じない高さ検出器の構
成例を示す図である。

【図９】高さ検出位置の移動を生じない高さ検出器の高
さ検出感度を示す図である。

【図１０】図８の別の構成例を示す図である。

【図１１】図８の別の構成例を示す図である。

【図１２】投影光のシフトを平行平板の回転によって起
こす構成例を示す図である。

【図１３】投影光のシフトを反射鏡の平行移動によって
起こす構成例を示す図である。

【図１４】折り返し反射を用いずに対称な１対の検出系
によって高さ検出器を構成する実施例図である。

【図１５】図１４の１対の検出系を共有化した実施例図
である。

【図１６】本発明で用いるフィードバック回路の構成例
図である。

【図１７】本発明で用いるフィードバック回路の別の構
成例図である。

【図１８】ゼロクロス検出器を用いて高さを検出する構
成例図である。

【図１９】本高さ検出器を用いた電子線画像による外観
検査装置の構成例図である。

【図２０】外観検査装置の半導体製造工程中の使用例を
示す図である。

【図２１】本高さ検出器を用いた光学装置の構成例図で
ある。

【符号の説明】

１００・・収束荷電粒子ビーム装置（電子線装置）、１
０１・・電子線源、１０２・・偏向器、１０３・・電磁
レンズ、１０４・・２次電子検出器、１０５・・ステー
ジ、１０６・・試料、１０７・・レーザ干渉計、１０８
・・偏向制御手段、１０９・・電磁レンズ制御手段、１
１０・・高さ検出値、１２０・全体制御手段、１２１・
・線源電位調整手段、１２２・・Ａ／Ｄ変換器、１２３
・・画像メモリ、１２４・・画像比較回路、１２５・・
試料台電位調整、１２６・・ステージ制御手段、１２７
・・グリッド電位調整手段、１９１・・光源、１９３・
・対物レンズ、１９４・・イメージセンサ、１９５・・
ハーフミラー、１９６・・レンズ、１９７・・レンズ、
２００・・高さ検出器、２０１・・光源、２０２・・コ
ンデンサレンズ、２０３・・スリット、２０４・・迷光
除去絞り、２０５・・ハーフミラー、２０６・・回転
鏡、２０７・・結像レンズ、２０８・・レンズ、２０９
・・レンズ、２１０・・反転結像レンズ、２１１・・反
転鏡、２１２・・中間像位置、２１３・・円筒型レン
ズ、２１４・・スポット照射位置検出器、２１５・・結
像レンズ、２１６・・絞り、２１７・・スリット照射位
置、２２０・・フィードバック手段、２２１・・角度制
御量、２２２・・角度制御量、２２８・・センサー出
力、２２９・・センサー出力、２５０・・投影光光軸、
２５１・・折り返し光光軸、２６０・・回転両面鏡、２
６１・・鏡、２６２・・鏡、２６４・・レンズ、２６５
・・鏡、２６６・・屋根型鏡、２６９・・鏡、２７０・
・結像レンズ、２７１・・平行平板、３０１・・光源、
３０２・・コンデンサレンズ、３０３・・スリット、３
０４・・結像レンズ、３０５・・中間像位置、３０６・
・結像レンズ、３０７・・円筒型レンズ、３０８・・１
次元イメージセンサ、３０９・・スポット位置算出手
段、４０１・・プリアンプ、４０２・・プリアンプ、４
０３・・差回路、４０４・・和回路、４０５・・除算回
路、４０６・・ローパスフィルタ、４０７・・ＰＩＤ制
御器、４０８・・駆動回路、４０９・・光量制御手段、
４１０・・ゼロクロス検出器、４１１・・波形生成器、
４１２・・角度検出器、４１３・・出力保持器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久邇 朝宏 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 品田 博之 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 野副 真理 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 杉本 有俊 東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製 作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 船津 隆一 茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社 日立製作所計測器事業部内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物にスリット光あるいはスポット光を
   投影して、その反射位置の変化から対象物の高さを検出
   する装置であって、対象物にスリット光あるいはスポッ
   ト光を投影する光学系と、反射光を反転し対象物上に再
   び結像する光学系と、上記再結像した像の位置を検出す
   る光学系と、対象物の高さの変化に応じて上記投影光と
   再結像光の位置が対象物上で一致するように投影光およ
   び再結像光の照射方向の少なくとも一方を制御する制御
   手段とを備え、対象物の表面の反射状態に左右されずに
   広い作動範囲で高さを検出することを特徴とする光学式
   高さ検出装置。
2. 【請求項２】対象物にスリット光あるいはスポット光を
   投影して、その反射位置の変化から対象物の高さを検出
   する装置であって、対象物にスリット光あるいはスポッ
   ト光を投影し、該投影したスリット光あるいはスポット
   光の位置を検出する光路を２本含み、該２本の光路が対
   象物の法線方向に対して対称な方向からスリットあるい
   はスポットの投影および検出を行うように配置された光
   学系と、上記対象物の高さの変化に応じて上記投影光の
   位置が対象物上で一致するように投影光の照射方向を制
   御する制御手段とを備え、対象物の表面の反射状態に左
   右されずに広い作動範囲で高さを検出することを特徴と
   する光学式高さ検出装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２の光学式高さ検出装置にお
   いて、再結像光の位置を検出する光学系の検出器にＰＳ
   Ｄ・分割型フォトダイオード・リニアイメージセンサの
   何れかを用い、前記検出器上の像位置が常に原点にある
   ように、投影光および再結像光の照射方向の少なくとも
   一方を制御しこの制御量より対象物の高さをもとめるこ
   とを特徴とする光学式高さ検出装置。
4. 【請求項４】請求項１又は２の光学式高さ検出装置にお
   いて、再結像光の位置を検出する光学系の検出器にＰＳ
   Ｄ・分割型フォトダイオード・リニアイメージセンサの
   何れかを用い、投影光および再結像光の照射方向の少な
   くとも一方を常に鏡で偏向し、上記検出器上の像位置が
   原点を通過する瞬間の偏向鏡の角度・位置より対象物の
   高さを求めることを特徴とする光学式高さ検出装置。
5. 【請求項５】請求項１又は２の光学式高さ検出装置にお
   いて、２本の投影・検出のための光路のうち、スリット
   あるいはスポットの光源部とスリットあるいはスポット
   の位置を検出する検出器以外の部分を共有し、スリット
   あるいはスポットの試料に対する投影方向と、位置検出
   器が試料を見込む方向を同時に変化させる光学素子を有
   し、前記２個の検出器上の像位置の平均位置が常に検出
   器の原点に位置するように前記光学素子を制御し、この
   制御量より対象物の高さをもとめることを特徴とする光
   学式高さ検出装置。
6. 【請求項６】請求項１又は２の光学式高さ検出装置にお
   いて、２本の投影・検出のための光路のうち、スリット
   あるいはスポットの光源部とスリットあるいはスポット
   の位置を検出する検出器以外の部分を共有し、スリット
   あるいはスポットの試料に対する投影方向と、位置検出
   器が試料を見込む方向を同時に変化させる光学素子を有
   し、前記光学素子の偏向量を常に変化させるように制御
   し、前記２個の検出器上の像位置の平均位置が原点を通
   過する瞬間の光学素子の偏向量より対象物の高さを求め
   ることを特徴とする光学式高さ検出装置。
7. 【請求項７】請求項１又は２の光学式高さ検出装置にお
   いて、２本の投影・検出のための光路が１式の光学系を
   共有し、光学系の中間で光路を２方向に分けて試料上の
   同一箇所を反対方向より照射したのち再び正反射光の光
   路を合流させる光学素子を有し，スリットあるいはスポ
   ットの試料に対する投影方向と、位置検出器が試料を見
   込む方向を同時に同量だけ変化させる光学素子を有し、
   前記検出器上の像位置が常に検出器の原点に位置するよ
   うに前記光学素子を制御し、この制御量より対象物の高
   さをもとめることを特徴とする光学式高さ検出装置。
8. 【請求項８】請求項１又は２の光学式高さ検出装置にお
   いて、２組の投影・検出光学系を共有し、光路の中間で
   光を２方向に分けて反対方向より試料を照射したのち再
   び正反射光の光路を合流させる光学素子を有し，スリッ
   トあるいはスポットの試料に対する投影方向と、位置検
   出器が試料を見込む方向を同時に同量だけ変化させる光
   学素子を有し、前記光学素子の偏向量を常に変化させる
   ように制御し、前記検出器上の像位置が原点を通過する
   瞬間の光学素子の偏向量より対象物の高さを求めること
   を特徴とする光学式高さ検出装置。
9. 【請求項９】ＸＹステージを備え、光学系を用いて対象
   物の観察あるいは加工を行ために、該光学系の焦点位置
   を検出する手段として、請求項１乃至８の何れかに記載
   の光学式高さ検出装置を用い、該光学式高さ検出装置に
   よって得られる対象物の高さ情報を焦点制御に用いるこ
   とを特徴とする自動焦点装置。
10. 【請求項１０】ＸＹステージを備え真空中で荷電粒子ビ
    ームを用いた対象物の観察あるいは加工を行ために、該
    荷電粒子ビームの焦点位置および偏向量の少なくとも何
    れか一方を制御する装置に、請求項１乃至８の何れかに
    記載の光学式高さ検出装置を用い、該光学式高さ検出装
    置によって得られる対象物の高さ情報を前記荷電粒子ビ
    ームの焦点および偏向量の少なくとも何れか一方の制御
    に用いることを特徴とする自動焦点装置。
11. 【請求項１１】請求項９又は１０に記載の自動焦点装置
    において、予め高さ検出器によって対象物の高さ分布を
    計測しておくことにより求められた対象物の傾き分布を
    用い、対象物の高さの変動に伴う高さ検出光の照射位置
    のずれを補正して、常に一定の位置の高さを算出する事
    を特徴とする自動焦点装置。
12. 【請求項１２】請求項９又は１０に記載の自動焦点装置
    において、ＸＹステージのうちの何れか１軸に関して走
    査をしながら、像を検出したり処理を行ったりする構成
    において、高さ検出器の照射位置を荷電粒子ビームの照
    射位置に対してオフセットをもうけ、常に荷電粒子ビー
    ムの照射に先だってその位置の高さを検出し、対象物の
    高さの変動に伴う高さ検出光の照射位置のずれを補正し
    て、常に一定の位置の高さを算出する事を特徴とする自
    動焦点装置。
13. 【請求項１３】請求項９又は１０に記載の自動焦点装置
    において、一対の高さ検出器を設け、対象物の高さの変
    動による高さ検出光の照射位置のずれの方向が上記一対
    の高さ検出器において逆になるように構成し、両者の高
    さ検出出力の平均を高さ検出値として用いることによ
    り、常に一定の位置の高さを算出する事を特徴とする自
    動焦点装置。
14. 【請求項１４】請求項９又は１０に記載の自動焦点装置
    において、予め対象物に荷電粒子ビームの焦点を合致さ
    せた状態で、この高さを高さ検出装置で検出し、両者の
    オフセットを補正することを特徴とする自動焦点装置。