JPS61271402A - 物体検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、レーザー光束を物体面上で走査し、該物体面
からの反射光を検知することによって物体を検出する物
体検出装置に関する。

（発明の背景） 従来、この種の物体検出装置としては、例えば。

集積回路等の微小パターンの線幅を光学的に測定する微
小線幅測定装置がある。

この微小線＠測定装置は、レーザー光束を供給し、該レ
ーザー光束を前記微小パターン面（物体面）北で走査す
る走査光学系と、該物体面で反射されたレーザー光束を
検出する検出光学系とを備え、レーザー光束を物体面上
で走査し、該物体面からの反射光を前記検出光学系で検
出することにより前記微小パターンの微小線幅を測定す
るものである。

しかしながら、上記従来の微小線幅測定装置では、前記
走査光学系ないし前記検出光学系の光路中には第４図に
示すような光路分岐用の半透過部材１が斜設されており
、かつ干渉性の強いレーザー光束を用いているので、レ
ーザー光束１０が光路分岐用の半透過部材１に入射する
と、光路分岐用の半透過部材１の射出面１ｂで裏面反射
されることなく射出された透過光１０ａと、光路分岐用
の半透過部材１の射出面１ｂおよび入射面１ａで２口裏
面反射されて射出された透過光１０ｂとが互いに干渉し
合うことになる。

光路分岐用の半透過部材１に入射するレーザー光束が固
定の場合には、前記干渉による光の強度は一定であり、
前記微小パターンの線幅の測定精度に悪影響を及ぼすこ
とはないが、光路分岐用の半透過部材１に入射するレー
ザー光束を走査した場合には、例えば第４図に示すレー
ザー光束１０．１１のように光路分岐用の半透過部材１
に入射するレーザー光束の入射角が走査位置に応じて変
化する。これによってレーザー光束ｌＯについての直接
透過光と多重反射光との間の位相差は、レーザー光束１
１についての直接透過光と多重反射光との間の位相差と
異なるため、前記干渉による光の強度が各走査位置に応
じた各レーザー光束１０゜１１によって正弦波的に変化
してしまい、ノイズ成分が大きくなり、前記微小パター
ンの線幅の測定精度に悪影響を及ぼしてしまうという問
題点があった。

（発明の目的） 本発明は、このような従来の問題点に着目して成された
もので、光路分岐用の半透過部材に入射するレーザー光
束が透過後に干渉するのを防止することにより、高精度
の測定が可能な物体検出装置を提供することを目的とし
ている。

（発明の概要） かかる目的を達成するための本発明の要旨は、レーザー
光束を供給し、該レーザー光束を前記物体面上で走査す
る走査光学系と、該物体面からの反射光を受ける検出光
学系とを備え、該レーザー光束を物体面上で走査し、該
物体面からの反射光を検知することによって物体位置を
検出する物体検出装置において、前記走査光学系ないし
前記検出光学系の光路中に斜設された光路分岐用の半透
過部材を、その入射面と射出面とを互いに非平行と成し
て構成したことを特徴とする物体検出装置に存する。

そして、上記物体検出装置では、斜設された半透過鏡の
入射面と射出面が互いに非平行であるので、前記半透過
部材に入射したレーザー光束のうちの、裏面反射するこ
となく射出された直接透過光と裏面反射して射出された
透過光とが互いに干渉しないように成っている。このた
め、レーザービームを走査する場合に半透過部材への入
射角の差異による強度の変調を受けることがない。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示しており、第１
図は一実施例に係る微小線幅測定装置を示す概略的な光
学系の配置図で、第２図は第１図に示された光路分岐用
の半透過部材の拡大図である。

第１図に示すように、物体検出装置としての微小線幅測
定装置２には、レーザー光束３を供給し。

該レーザー光束３を被測定面４（物体面）上で走査する
走査光学系５と、被測定面４からの散乱光（例えば、集
積回路等の微小パターンのエツジからの散乱光）６を検
出する検出器７と、被測定面４からの正反射光を検知す
る測定光学系（物体面からの反射光を受ける検出光学系
）８と、被測定面４を目視するための観察光学系（物体
面からの反射光を受ける検出光学系）９とから構成され
ている。

走査光学系５と測定光学系８との間には光路分岐用の半
透過部材としてハーフミラ−１２が後述する走査手段５
１からのレーザー光束に対して４５度傾けて、また走査
光学系５と観察光学系９との間には光路分岐用の半透過
部材としてグイブロイツクミラー１３が後述する梯形プ
リズム５３からのレーザー光束に対して４５度傾けてそ
れぞれ介装されている。

前記走査光学系５は、公知の走査手段５１と、ミラー５
２と、像回転手段としての梯形プリズム５３と、対物レ
ンズ５４とから構成されており、レーザー光束３から微
小なレーザースポットを形成して被測定面４上に結像し
、該レーザースポットで被測定面４を回転走査するよう
に成っている。

前記測定光学系８は、ハーフミラ−１２で反射された被
測定面４からの正反射光（レーザー光束）を受ける結像
レンズ８１と、結像レンズ８１からの光束を反射するミ
ラー８２と、ミラー８２からの反射光を受ける光電変換
器等の検出器８３とから構成されている。

前記観察光学系９は、観察用照明光束９１をダイクロイ
ックミラー１３に向けて反射するハーフミラ−９２と、
被測定面４およびダイクロイックミラー１３からの反射
光を観察像面９４上に結像する結像レンズ９３とから構
成されている。

なお、走査光学系５と観察光学系９との間には光路分岐
用の半透過部材としてダイクロイックミラー１３が使用
されているので、被測定面４からの正反射光のうち、レ
ーザー光束はダイクロイックミラー１３で反射されずに
該ダイクロイックミラー１３を透過し、前記観察用照明
光束のみがダイクロイックミラー１３で反射されて前記
ハーフミラ−９２，結像レンズ９３に向かうように成っ
ている。

第２図に示すように、前記ダイクロイックミラー１３は
、レーザー光束３の干渉を防止するために、その入射面
１３ａと射出面１３ｂとが僅かなりサビ角αを成して互
いに非平行に形成されている。

なお、このクサビ角αは実際は僅かであり、第２図では
説明の便宜土誇張して示されている。

また、前記ハーフミラーエ２も、ダイクロイックミラー
１３と同様にレーザー光束３の干渉を防止するために、
その入射面１２ａと射出面１２ｂとが僅かなりサビ角α
を成して互いに非平行に形成されている。

次に、前記ハーフミラ−１２およびダイクロイックミラ
ー１３にクサビ角αを設けたことによって生じる倍率誤
差を補正して前記微小パターンの線幅測定データーを算
出するデーター処理回路について第３図を参照して説明
する。

このデーター処理回路は、前記ハーフミラ−１２および
ダイクロイックミラー１３にクサビ角αを設けたことに
よって生じる倍率誤差を補正し、補正された倍率（β・
βθ）を出力する倍率補正手段３０と、前記走査手段５
１からのレーザービームの走査量（文）を出力する走査
量検出部３工と１倍率補正手段３０からの補正された倍
率（β・βθ）および走査量検出部３１からのレーザー
ビームの走査量（［）から前記微小パターンの線幅の測
定データー（Ｌ）を演算して出力する演算部３２とから
構成されている。

第３図に示すように、前記倍率補正手段３０は、被測定
面４上での走査方向（被測定面４上での走査方向角度θ
）を梯形プリズム５３の回転動作に関連させて検出する
走査方向検出部３３と、該走査方向検出部３３により検
出された各走査方向（角度θ）に応じた倍率誤差（Ｘ方
向の倍率誤差εＸおよびＹ方向の倍率誤差εｙ）を出力
する倍率誤差出力部３４と、該倍率誤差出力部３４から
の倍率誤差（（Ｘ、εｙ）に基づき前記各走査方向での
補正された倍率（β・βθ）を決定して出力する倍率決
定部３５とから構成されている。

以下、上記構成を有する微小線幅測定装置２の作用を説
明する。

平行なレーザービーム３は走査手段５１により走査され
た後、ハーフミラ−１２を透過してミラー５２で反射さ
れる。ミラー５２からの反射光は梯形プリズム５３によ
り像回転作用を受けた後、ダイクロイックミラー１３を
透過して対物レンズ５４により被測定面４に集光され、
微小なレーザースポットが被測定面４上に形成される。

したがって、該微小なレーザースポットにより被測定面
４が任意の方向で走査される。

また、前記観察光学系９からの観察用照明光束９１がダ
イクロイックミラー１３で反射されて対物レンズ５４に
入射し、該対物レンズ５４により被測定面４上に集光さ
れる。

被測定面４からの散乱光（例えば、集積回路等の微小パ
ターンのエツジからの散乱光）６は検出器７で検出され
、該微小パターンの線幅が測定される。

一方、対物レンズ５４を通過した被測定面４からの正反
射光のうち、レーザー光束はダイクロイックミラー１３
で反射されずに該ダイクロイックミラー１３を透過し、
前記観察用照明光束はダイクロイックミラー１３で反射
されて前記ハーフミラ−９２、結像レンズ９３に向かう
。

被測定面４からの正反射光のうちのレーザー光束は、ダ
イクロイックミラー１３、梯形プリズム５３を透過し、
ミラー５２で反射された後、／＼−フミラー１２で反射
されて測定光学系８の結像１／ンズ８１に入射する。

結像レンズ８１からの射出光は、ミラー８２で反射され
て検出器８３に送られる。この検出器８３により被測定
面４の明暗の差（反射率の差）に応じた信号が得られ、
これに基づいて適切なスライスレベルが設定され、線幅
測定がなされる。

被測定面４からの正反射光のうちの観察用照明光束は、
対物レンズ５４を透過した後、ダイクロイックミラー１
３で反射されて観察光学系９に送られる。

ダイクロイックミラー１３で反射された観察用照明光束
は、ハーフミラ−９２を透過し、結像レンズ９３により
観察像面９４上に集光される。これによって、観察像面
９４上で被測定面４の観察が可能となる。

次に、レーザー光束がハーフミラ−１２あるいはダイク
ロイックミラー１３に入射した場合の作用について説明
する。

第２図に示すように、ダイクロイックミラー１３に入射
するレーザー光束の入射角を（π／４＋ε）、ダイクロ
イックミラー１３のクサビ角をα、ダイクロイックミラ
ー１３からのレーザー光束の射出角を０３、レーザー光
束の屈折角を０１．０２とすると、 ｎ　　５１ｎ（３１＝　　５ｉｎ（ｙｒ／４＋ε）　　
　　−（１）ｍｓｉｎ（θｌ＋α）＝ｓｉｎθ３ ゛、゛θ２＝θｌ＋α　　　　　　　　・・・（２）の
関係が成りたつ。

ダイクロイックミラー１３の入射面１３ａおよび射出面
１３ｂが互いに非平行であり、θ２＝０１＋αであるの
で、ダイクロイックミラー１３の入射面１３ａに入射し
たレーザー光束のうちの、裏面反射することなく射出面
１３ｂから射出された透過光と裏面反射して射出された
透過光とが非平行となり、したがって互いに干渉しない
。

丘記（１）および（２）式より となる。

この（３）式から上記（１）および（２）式を用いてθ
１、θ３を消去し、さらにさくく１の条件およびαくく
１の条件を用いてεおよびαについて２次以上の項を無
視すれば、上記（３）式は、次式のように近似できる。

この（４）式から、α＝０つまりクサビ角がＯの時には
、ｄθ３　／　ｄ　＠＝　１となり、εの微小変化に対
し射出角θ３の変化は等しいと言えるが、クサビ角αが
Ｏでない場合すなわち入射面１３ａと射出面１３ｂとが
互いに非平行である場合には、εの微小変化に対し射出
角θ３の変化は等倍でなくなり、見かけ上倍率が変化す
ることが理解される。

このようにレーザー光束がダイクロイックミラー１３に
入射した場合と同様のことが、レーザー光束がハーフミ
ラ−１２に入射した場合についても言える。

すなわち、ハーフミラ−１２の入射面Ｌ２ａと射出面１
２ｂとが互いに非平行である場合には、ハーフミラ−１
２の入射面１２ａに入射したレーザー光束のうちの、裏
面反射することなく射出面１２ｂから射出された透過光
と裏面反射して射出された透過光とが非平行となり、し
たがって互いに干渉しない。

また、ハーフミラ−１２のクサビ角αが０でないので、
（の微小変化に対し射出角θ３の変化は等倍でなくなり
、見かけと倍率が変化する。

上式（４）より、／＼−フミラー１２およびダイクロイ
ックミラー１３にそれぞれクサビ角があるため、走査に
よるレーザー光束のふれΔεは、／＼−フミラー１２あ
払いはダイクロイックミラー１３を通過後に の角度を持つことになる。

ここで、α、ｎはそれぞれ一定であり、前記ハーフミラ
−１２およびダイクロイックミラー１３においてそれぞ
れ生じる倍率誤差を計算によりソフト的に補正するため
に前記倍率補正手段３ｏが設けられている。

この倍率補正手段３０は、実際の装置では光路分岐用の
半透過部材が複数個あり、各半透過部材のクサビ角の方
向がまちまちであるので、Ｘ、　Ｙ両方向の倍率誤差を
別々に補正し、任意角θ方向の倍率誤差についてはＸ、
Ｙ両方向の倍率誤差のベクトル和で補正するように成っ
ている。

ここで、Ｘ方向の倍率誤差をεｘ、Ｘ方向の倍率をβｘ
、Ｙ方向の倍率誤差をｅｙ、Ｙ方向の倍率をβＹとすれ
ば、 βｘ＝ｌ＋ｅｘ βｙ＝１＋εｙ であるから、任意の角度方向θでの倍率βθは次のよう
に表わすことができる。

βθ：βＸ　　ＣＱＳθ＋βｙ　　ｓｉｎθ＝（１＋ｅ
ｘ）ｃｏｓθ＋（１＋εＹ）　　Ｓｉｎ０次に、第３図
に基づきデーター処理回路の動作について説明する。

前記倍率補正手段３０の走査方向検出部３３は、前記梯
形プリズム５３による被測定面４丘での走査方向（被測
定面４上での走査方向角度θ）を梯形プリズム５３の回
転動作に関連して検出する。

前記倍率誤差出力部３４は、走査方向検出部３３により
検出された各走査方向（角度θ）に応じた倍率誤差（Ｘ
方向の倍率誤差（ＸおよびＹ方向の倍率誤差εｙ）を出
力する。

前記倍率決定部３５は、倍率誤差出力部３４からの倍率
誤差（ｅｘ、ｅｙ）に基づき上記（５）式により任意の
走査方向角θでの倍率βθを演算し、かつ該任意角Ｏの
倍率βθに倍率補正前の光学系の倍率βを乗じることに
より、前記各走査方向での補正された倍率（β・βθ）
を決定して前記演算部３２に出力する。

前記走査量検出部３１．は、走査手段５１からレーザー
ビームの走査量（４）を演算部３２に出力する。

この演算部３２は、倍率補正手段３０からの補正された
倍率（β・βθ）と走査手段５１からのレーザービーム
の走査量（見）とから下式（６）の演算を行ない、前記
微小パターンの線幅の測定データー（Ｌ）を出力する。

Ｌ＝β・βθ・見　　　　　　　　　・・・（６）この
ようにして、第３図に示すデーター処理回路は、前記ハ
ーフミラ−１２およびダイクロイックミラー１３にクサ
ビ角αを設けたことによって生じる倍率誤差を補正して
前記微小パターンの線幅測定データー（Ｌ）を算出する
。

なお、上記実施例においては、光路分岐用の半透過部材
としてのハーフミラ−１２やダイクロイれによって生じ
た倍率誤差を補正するよう構成しているが、前記梯形プ
リズム５３の入射面と射出面とのなす角度が製造誤差に
より９０度よりズしてしまった場合において生じる倍率
誤差についても、上記と同様に補正することができる。

すなわち、梯形プリズム５３の入射面と射出面とのなす
角度が製造誤差により９０度よりズしてしまった場合に
は、この梯形プリズム５３はクサビ角のある平行平面部
材とみなすことができるので、この梯形プリズム５３に
おいても前記ハーフミラ−１２およびダイクロイックミ
ラー１３によって生じるのと同様の倍率誤差が生じてし
まう。

この該率誤差についても、上記ハーフミラ−１２やダイ
クロイックミラー１３の場合と同様にＸ方向とＹ方向と
を別々に補正すればよく、これによって梯形プリズム５
３のＸ方向およびＹ方向の寸法誤差を吸収することがで
きる。このようにすることによって、ダイクロイックミ
ラー１３の製造が容易となる。

七　４　　　　Ｌ　￥：ｒ　Ａｆｔ　中学　蕾　屯　嘘
　τ　毒　１　仕上　１ヂ　＾１＼　イ　１上レーザー
光束を用いた丑記微小線幅測定装Ｍのような物体検出装
置に限られるものではなく、光学的に寸法を測定する装
置全般に応用できることは言うまでもない。

さらに、上記実施例では、Ｘ方向の倍率誤差およびＹ方
向の倍率誤差を補正できるように構成したが、上記実施
例とな異なり非測定面４を特定方向にそってのみ走査す
る場合には、この一方向における倍率誤差のみを補正す
るように構成すれば良いことは言うまでもない。

（発明の効果） 本発明に係る物体検出装置によれば、光路分岐用の半透
過部材を、その入射面と射出面が互いに非平行となるよ
うに構成したので、半透過部材に入射したレーザー光束
のうちの、裏面反射することなく射出された透過光と裏
面反射して射出された透過とが互いに干渉することがな
い。従って、レーザービームの強度が走査によって変調
されることがないため、物体面上の物体位置や線幅など
を高精度に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明の一実施例を示しており、第
１図は−・実施例に係る微小線幅測定装置を示す概略的
な光学系の配置図、第２図は第１図に示された光路分岐
用の半透過部材の拡大図、第３図はデーター処理回路を
示すブロック図、第４図は従来例を示す説明図である。 ２・・・微小線幅測定装置（物体検出装置）４・・・被
測定面（物体面） ５・・・走査光学系 ８・・・測定光学系（検出光学系） ９・・・観察光学系（検出光学系） １２ａ・・・入射面（半透過面） １２ｂ・・・射出面（半透過面） １３ａ・・・入射面（半透過面） 第１図 第２図 第Ｃ図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザー光束を物体面へ供給し、該レーザー光束を前記
   物体面上で走査する走査光学系と、該物体面からの反射
   光を受ける検出光学系とを備え、該レーザー光束を物体
   面上で走査し、該物体面からの反射光を検知することに
   よって物体位置を検出する物体検出装置において、前記
   走査光学系ないし前記検出光学系の光路中に斜設された
   光路分岐用の半透過部材を、その入射面と射出面とを互
   いに非平行と成して構成したことを特徴とする物体検出
   装置。