JPS6243129A - パタ−ン測定装置 - 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、半導体ウェハのパターンを検査または測定す
るパターン測定装置、特に段差の大きいパターンに対し
ても支障無く測定可能なパターン測定装置に関する。

〔発明の背景〕

集積回路ＩＣからＬＳＩ、さらに超ＬｓＩと半導体ウェ
ハのパターンが微細なものになるに従って、その微細な
パターンを精度よく検査または計測することは極めて重
要な問題である。このようなパターンを顕微鏡光学系等
の光学装置で検査あるいは計測する場合、対物レンズの
分解能（λ／Ｎ、Ａ）を小さくして顕微鏡の解像力（本
／ｎ）をさらに良くする必要が有る。その為、開口角の
大きい対物レンズを使用して開口数（Ｎ、Ａ）を大きく
し、あるいは照明光の波長を短くすることが従来から行
われている。一方、ウェハのパターンは、近年特にプロ
セス上で数多く用いられるフォトレジストや絶縁膜等に
おいて、パターンの段差が高いものすなわち細かい線幅
で且つ高さの高いものが多くなっている。しかし上記の
顕微鏡光学系において、光学系の物体側焦点がどこまで
の高さ方向に対して余裕が有るかを示す焦点深度は、対
物レンズの開口数（Ｎ、Ａ）の２乗に逆比例して小さく
なる為、高解像力の対物レンズを用いると焦点深度が浅
くなり、従来、高さの異なる種々のパターンに対して十
分な精度で観察や計測を行うことができなかった。

また一方、レーザ光を対物レンズを通してスポットに集
束し、そのスポット光でパターン面を走査し、パターン
面からの反射光または散乱光を顕微鏡光学系を介してセ
ンサで検知し、これによりその微細な線幅等を計測・検
査する方法も知られている。この場合、レンズによって
集められるレーザ光のスポット径が小さい程解像力（本
／　ｍ　）が大きくなり、より細〜い線幅、ピッチ断線
等を精度良く検査、計測できる。このレーザ光束は、そ
のコヒーレント性によりレンズで回折限界まで集束され
、そのスポット径は、レンズの開口数（Ｎ、Ａ）が大き
い程小さくできる。従って、レーザ光を用いてパターン
を測定する場合にも開口数の大きいレンズが従来から使
用されている。しかし、この場合、焦点深度が浅いばか
りで無く、スポット光で高い段差部分を走査するときは
、開口角の大きい光線がその段差部で遮られる為、検出
信号の立上りが極めて悪いものになり、精度の高い計測
や、パターンの形状、断線等の検査が困難となる。

〔発明の目的］ 本発明は、上記従来装置の欠点を解決し、パターンの段
差が大きくても、高い精度が得られ、常に最適な条件で
試料の検査や計測が可能なパターン測定装置を提供する
ことを目的とする。

（発明の概要〕 上記の目的を達成するために、本発明は、レーザ光源と
、そのレーザ光源からの光束を少なくとも大小２種の光
束径に変え得る光束径可変光学系と、その光束径可変光
学系によって光束径を規定されたレーザー光束を集束し
て試料のパターン面にスポット光として投射する集光光
学系と、その集光光学系によって投射されるスポット光
とパターンとを集光光学系の投射光軸に対して直角な方
向に相対変位させる走査手段と、そのスポット光が投射
されたパターン面からの光を受光する光検出器とを設け
、パターン面の段差に従って集光光学系に入射するレー
ザ光の光束径を任意または自動的に変え得るように構成
することを技術的要点とするものである。

〔実　施　例〕

次に、本発明の実施例を添付の図面に基づいて詳しく説
明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す光学系配置図で、
レーザ光のようなコヒーレント単色光光［１から射出さ
れた光束は、後で詳しく述べられるアフォーカルの光束
径可変光学系２を通り、さらにアフォーカルのリレーレ
ンズ系３および透過型または反射型のスキャナー４、ビ
ームスプリッタ−５を経て対物レンズ６で集光され、対
物レンズ６の焦点位置に設けられた試料面Ｏにスポット
像として結像される。なお、スキャナー４はリレれ、主
光線が常に対物レンズ６の瞳位置へ〇を通過して集光さ
れるビームスポットにより試料面０は走査される。試料
面Ｏで反射され、対物レンズヘシ ６に入射される反射光束（散乱光を含む。）瞳位置Ａ０
を通過した後、ビームスプリッタ−５を透過し、さらに
ミラー７で反射されて結像レンズ８に設けられた絞り９
を通り、その絞り９の後方に設けられた光検出器ＩＯに
よって受光され、光電変換される。この絞り９は、光束
径可変光学系２による光束径の変化に応じて、絞り径を
変化させることが望ましい。

光束径可変光学系２は、レーザ光束中に固設された固定
レンズ２Ａと２個の移動レンズ２Ｂ１゜２Ｂ、とにより
、倍率の異なるガリレイ型アフォーカル系に構成され、
第１図に示すように光路上に長焦点距離の移動レンズ２
Ｂ＋が挿入されているときは、レーザ光束は対物レンズ
６の瞳とほぼ同じ大きさに拡大され、この長焦点移動レ
ンズ２Ｂ１を光路外に退避させると同時に短焦点距離の
移動レンズ２８２を光路上に挿入すると、対物レンズ６
に向うレーザ光束は対物レンズ６の瞳径より小さい径の
光束となる。

その光束径可変光学系２から射出される光束は、平行光
束であるから、対物レンズ６に入射して瞳位置Ａ０を通
過する際のレーザ光束の径もその光束径可変光学系２に
よって規定されることになる。

いま、第２図に示す如く対物レンズ６に入射するレーザ
光束の直径を２ＷＩとすると、そのレーザ光束は回折に
よりλ／πＷ１のわずかな拡がりを有する。従って、対
物レンズ６によって集束されるスポットの径’１ｗ６は
次の式から求められる。

ｗ、＝θ・ｆ＝（λ／ｒｔｗ、）−ｆ−−−−（１）た
だし、θは集束する光の集束角、ｆは対物レンズ６の焦
点距離、λは波長である。

ここで、対物レンズの開口径（有効径）をＤ、その開口
を通る光束によるスポットの直径をｄとすれば、（１）
式から、 ｄ−２Ｗｏ＝２λ・ｆ／Ｄ−−−−（２）すなわち、ス
ポット径ｄはレンズの焦点距離が短（、レンズ開口径が
大きい程小さいものとなる。

この、ｆ／Ｄは写真レンズのＦナンバーに相当するもの
で、また、顕微鏡の開口数Ｎ、　Ａに対応するものであ
る。従って、このｆ／Ｄが大きい程解像力はよくなるが
焦点深度が浅くなる。

その為、第３図（Ａ）に示すように、パターンの線幅Ｂ
、の上面とピッチ幅Ｐ１の下面との間の段差ｈ１が小さ
いときは、その上面と下面とが明瞭に観察でき、また、
両者の境界部分での反射光の強度差が忠実に検出信号と
なって検出器９から出力され、正確な計測が可能である
。しかし、第３図ＣＢ）に示すように、パターンに大き
い段差ｈ２が有る場合には、焦点深度が浅いために、線
幅Ｂｚの部分と、ピッチ幅Ｐ２の部分との境界位置にお
いて両者を同時に明瞭に観察し得す、両者の反射光の強
度差が忠実に検出されない。さらに重要なことは、スポ
ットを形成するレーザ光のうち、大きい集束角θ１の光
束Ｌｌ１、Ｌ＋ｚはそれぞれその段差部にて遮られ、Ｌ
、のように光束中心がピッチ幅Ｐ８の部分に在るにも拘
らずその下面まで到達せずに線幅Ｂ２の部分で反射して
しまうか、あるいはＬ１２の如くピッチ幅Ｐ！の部分て
反射する反射光が段差部にて遮られて対物レンズに入射
しない状態が生じる。従って、スポット光がそのパター
ンに沿って移動走査されると、検出器１０からの出力信
号は極めて立上りの悪いものとンズ２Ｂ、を短焦点レン
ズ２８ｚに切換えて射出平行光束を細くする。これによ
り、レーザ光の工によって、対物レンズ６に入射する光
束も細くなる。この対物レンズ６への入射光束が細くな
ると、（２）式から明らかなようにＦナンバー（ｆ／Ｄ
）が大きくなり、従って、スポット径が太き（なるかわ
りに焦点深度が深くなる。さらに開口角θが第４図中で
符号θ２にて示すように小さくなる。

そのため、開口角の小さい光線Ｌ２いり。は、大きい段
差ｈ２の段差部に近接するまで遮ぎられ無い。従って、
第４図中で破線にて示す大きい開口角θ１の光束ＬＩＩ
ＳＬＩ！による反射光に応じて出力される検出器１０の
出力信号（第５図中で破線Ａにて示す）より、第５Ｍ中
で実線Ｂにて示す如く、立上り角度が鋭いものとなる。

そのため、スポット径が大きくなるにも拘らず、スポッ
ト径が小さく間口角の大きい光束よりも検出精度をよく
することができる。従って、パターンの段差に応して、
最も通した入射光束の径が得られる移動レンズ２Ｂ、ま
たは２Ｂｚを選択することによって、高い段差を有する
パターンをも精度よく計測することができる。

第１図においては、光束径可変光学系として正レンズ２
Ｂ、　、２Ｂ、と負レンズ２Ａとから成るガリレイ型ア
フォーカル光学系を示したが、第６図に示すように正レ
ンズ２１．２２．２３のみで構成さねたアフォーカル光
学系でもよく、また、第７図ＣＡ）およびＣＢ）に示す
如く倍率の異なるアフォーカル光学系３１．３２、また
は３３．３４を光路上に連設し、いずれか一方を挿脱さ
せることによって、射出光の光束径を変えるようにして
もよい。また、上記の３種の光束径可変光学系はいずれ
も、光学系の拡大倍率を不連続に変えて光束の径を段階
的に変える形式のものであるが、第８図に示すような、
アフォーカルズーム変倍系４０を用いれば、熾段階に光
束径を変えることができる。第８図のズーム変倍系は、
負、正負の３群レンズ構成で第１負レンズ４０Ａは光路
上に固設され、レーザ光束は拡大され、移動正レンズ４
０Ｂと移動負レンズ４０Ｃとによってその光束は平行光
束となり、両移動レンズが互いに近づく方向に移動する
と射出光束は拡大され、互いに離れる方向に移動すると
縮小される。このズーム変倍系の変倍機構に°ついては
写真レンズ等において公知であるから、その構成につい
ての詳しい説明は省略する。ただし、移動レンズ４０Ｂ
、４００が光軸上を移動する際に偏心じないように移動
機構を構成することが必要である。

第９図は、光束径可変光学系として第８図に示すズーム
変倍系４０を用い、これを対物レンズの自動焦点調節装
置に連動させた本発明の第２実脩例の構成図である。第
１図の第１実施例と同じ機能を有する部材については同
一符号を付し、その構成についての詳しい説明は省略す
る。

レーザ光ａｌから射出された平行光束は、ズーム変倍系
のアソオーカル光東径可変光学系４０を通り、スキャナ
ー３、リレーレンズ系４およびビームスプリッタ−５を
経て対物レンズ６で集光され、第１図の第１実施例と同
様に試料面ｆ！Ｐ−（ウェハのパターン面）０でスポッ
ト像として結像される。試料面０で反射さｒた光は、対
物レンズ６に送入り・（し、ビームスプリ゛・ター５を
透過した後、第２ビームスプリッタ−５１により、その
一部は結像【／ンズ８によつζ］再びスポット像として
結像され、瞳共役位置、・＼２に設けられた絞り９を通
した光束が光検出器１０　、’こよって光電変換される
。

第２ビームスプリ”・ター５１を透過した対物レンズ６
からの光束は、第３ビームスプリッタ−５２によって２
つの光書Ｃコ分けられ、一方の反射光束は焦点距離の長
い長焦点レンズ５３に入射し、他方の透過光束はミラー
５４を介して焦点距離の短い短焦点レンズ５５に入射す
る。長焦点レンズ５３を通過した光束は、ミラー５７に
て反射された後、内部に傾斜した半透過゛２ラー面５８
ｂを有する菱形プリズム５８の外部反射面５８ａで反り
すされ、例えばＣＣＤの如き一次元フオドアレイ　（以
下ｒ　ＣＣＩ）　Ｊと称する。）６０に達する。一方、
短焦点レンズυ５を通過した光束は、菱形プリズム５８
の半透過ミラー面５８ｂにてさらに２つの、光束に分け
られ、この半透過ミラー面５３ｂを透過した一方の光束
は光路長補正ガラス５ｇを通っテＣＣＤ　６０　！コ達
ｔ　？Ｊ。’４’　ｉ３　ｉ３うミラー面５８ｂで反射
された他２ｂＯ尤東は、菱形プリズム５８の反射面５８
ｃにて内面、・′え１・ｌした後、ＣＣ，Ｄ　６０　！
こ達する。

このＣＣｒ’、’ｒν、（１の受光、ｆｉｉは、素子配
列方向に′：分割され、第０図中で下端の合焦検出卯域
Ｉ′ｌｌＯ＋の受光面は、収用・ξ２、レンツ、、゛・
′（の像側用−２、位’、’ｆ；　’ｙ二配置され、菱
形−゛°リズム５８の反射面５８っで反射された光束や
受光寸；７．。従って、対物Ｌパ／ズ６の焦点位置二二
試料面０が合致したときに　試ｔ’ｉ　１ｆ６０におけ
ろ光スポットの反射光は対物レンズ６および長焦点レン
ズ５３を介して、ＣＣＤ６０の合焦検出領域６０ａ上に
結像される。ＣＣＤ６０の中央に位置する後ピン検出領
域６０ｂの受光面は、菱形プリズム５８の半透過ミラー
面５８ｂを透過した光束を受光し、上端の前ピン検出領
域６０ｃは半透過ミラー面５８ｂにて反射された光束を
受光するが、前ピン検出領域６０ｃは短焦点レンズ５５
の焦点位置より若干後方に、また後ピン検出領域６０ｂ
は短焦点レンズ５５の焦点位置より前方に位置するよう
に配置される。その際、短焦点レンズ５５から後ピン検
出領域６０ｂの受光面までの光路長は、前ピン検出領域
６０ｃの受光面までの光路長よりわずかに短くなるよう
に光路長補正ガラス５９によって補正される。

ＣＣＤ６０からの検出信号は処理装置６１によって処理
され、先ず後ピン検出領域６０ｂと前ピン検出領域６０
ｃとから出力される検出信号に基づいて、駆動モータを
含む対物レンズ駆動装置６２が対物レンズ６を移動させ
、粗焦点調節が行われる。この粗焦点調節が終了すると
引続いて合焦検出領域６０ａから出力される検出信号に
基づいて焦点の微調節が行われ、対物レンズ６の自動焦
点調節が完了する。この処理装置６１の詳しい構成と動
作については、特開昭５９−１９９１３号公報にて開示
され、既に公知であるから、ここでは省略する、。

情 さて、資料（ウェハのパターン）を対物レンズ６の光軸
に直角に移動させると、対物レンズ６は、自動焦点調節
装置の対物レンズ駆動装置６２によって、その試料上の
パターンの段差り、、ｈ、（第３図参照）に従って光軸
方向に移動される。その移動量は、対物レンズ駆動機構
に連動するエンコーダまたはポテンショメーター等の位
置センサを含む段差検出装置６３により段差値として求
められる。この段差値は、別の段差値設定見装置６４で
あらかじめ定められた所定段差値（例えば０゜８〜１μ
彌程度）と比較される。その値が所定段差値に等しいか
、それより小さいときは、比較器６５は出力信号を発生
しないが、その値が所定段と 差値より大きいときは、出力信号か変倍駆動制御装置６
６に送る。変倍駆動制御装置６６は、その比較器６５か
らの出力信号に従ってズーム変倍系４０の移動レンズ４
０Ｂ、４０Ｃを第８図中で破線にて示す位置へ移動し、
射出光束を縮小させる。

従って対物レンズ６から射出される光束の間口角は第４
図中で０２にて示すように縮小される。

また、比較器６５は、オート、マニュアル切替え装置６
７によって制御され、オートのときは、段差検出装置６
３からの段差値を所定段差値と比較するが、切替え装置
６７をマニュアルに切り替えると、入力装置６８に入力
されたパターン膜厚値または段差に応じた焦点調節設定
値と前記の所定の段差値（０，８〜１μｍ程度）とを比
較して変倍駆動制御装置６６に信号が送られ、ズーム変
倍系４０が自動制御される。

上記の如く、所定段差と比較した値に基づいてズーム光
学系の射出光束の径が定められ、その射出光束の径に応
じて間口角の変化する対物レンズ６からの投射光によっ
てレーザスポットが形成され、そのレーザスポットによ
りウェハ上のパターンは走査される。そのレーザスポッ
トの反射光は、対物レンズ６からの投射光とほぼ等しい
開口角で対物レンズ６に入射するので、対物レンズ６は
実質的開口数（Ｎ、Ａ）が変化したことになる。そのＮ
Ａの変化した対物レンズ６を介して、反射スポットは、
第１図の第１実施例と同様に検出器ＩＯに受光されて光
電変換され、その検出信号に基づいて線幅やピッチ等が
計測される。

第１０図は、第１図の第１実施例における変倍光学系を
検出器の出力信号に基づいて自動的に選択切替えを行う
本発明の第３実施例を示す構成図である。第１図と同じ
機能を有する部材には第１図のそれと同一符号を付し、
その構成についての詳しい説明は省略する。

第１Ｏ図において、変倍光学系を（光束径可変光学系）
２の移動レンズ２Ｂ、　、２８ｚの位置を制御する変倍
制御装置１０１はｃｐｕｔｏｏからの指令によって作動
し、光束径を決める倍率の切替えがなされる。また、ス
キャナー３を駆動するスキャナー駆動装置１０２もＣＰ
Ｕ１００の指令によって作動し、スーキャナ−３の変位
に応じてレーザスポットが試料０上で走査され、試料か
らの信号が、スキャナー３の動きと共にパルスとしてス
キャナー位置センサ１０３から出力されており、このデ
ジタルパルスと同期して、その光電変換信号はＡ／Ｄ変
換装置１０４によってデジタル信号に変換され、そのデ
ータがメモリー１０５に格納されるように構成されてい
る。こうして、試料Ｏ上のパターンのコントラストに対
応した信号がデジタル化されてメモリー１０ＯＡに順番
に記憶され、そのデータに基づいて適正な変倍光学系２
の倍率がＣＰＵにて演算される。

第１１園は、ＣＰＵの動作に従うフローチャートである
。以下、第１１図に従って変倍光学系の自動倍率切替え
の動作を説明する。

図示されない電源スィッチの投入によりＣＰＵ１００は
作動を開始し、光束径の大きさく大または小）信号を変
倍光学系制御装置１０１へ送り、大小いずれか（第１１
図の場合小）の倍率が設定（ステップ１０１）される。

同時にこの状態は、メモリー１０５に記憶される。次に
、スキャナー駆動装置１０２がＣＰＵ１００の指令によ
り作動し、スキャナー３を駆動（ステップ１０２）さセ
る。このとき、レーザスポットが試料面上で走査され、
試料からの反射光信号は光検出器１０で光がスキャナー
位置センサ１０３からパルスとして出力されており、そ
のデジタルパルスと同期して、光検出器１０からの光電
変換信号をＡ／Ｄ変換装ｆｆ１１０４によってデジタル
信号に変換してメモリー１０５に格納（ステップ１０３
）する。このようにして、試料Ｏのパターンのコントラ
ストに対応した信号がデジタル化されてメモリー１０５
に順次記憶される。

次に、メモリー１０５に格納された充電変換信号のデー
タを読み取り（ステップ１０４）、その光電変換信号デ
ータから、第１２図に示すように、最初に差を生じた点
Ｐを立上り始点、差が無くなる最初の点Ｑを立上り終点
とし、その立上り部の始点Ｐと終点ＱとをＣＰＵ１００
が検出（ステップ１０５）して、始点Ｐと終点Ｑとの間
の光電出力すを演算（ステップ１０６）Ｌ、その値すを
メモリー１０５に記憶（ステップ１０７）させる。

また、立上り部の始点Ｐと終点Ｑとの間のスキャナー変
位量ａを演算（ステップ１０８）して、その値ａをメモ
リー１０５に記憶（ステップ１０９）させる。そのメモ
リー１０５に格納されたスキャナー変位量ａと光電出力
すとから、その比ｂ／ａが演Ｘ（ステップ１１０）され
、その演算結果ｂ　／　ａ値は一旦メモリー１０５に書
き込まれる（ステップ１１１）。

変倍光学系２の射出光束が小の場合の信号波形の立上り
傾斜値ｂ　／　ａが演算されたならば、ＣＰＵ１００か
らの指令を受けてスキャナー駆動装置１０２はスキャナ
ー３をリセット（ステップ１１２）させる。また、ＣＰ
ＵＩ　ＯＯは変倍光学系駆動装置１０１に指令して、射
出光束が大となるように移動レンズ２Ｂ、を２Ｂ、に切
換えさせる。

第１０図は、射出光束が大に切り替えられた状態を示す
。変倍光学系台の射出光束が大に切り替えられると、Ｃ
ＰＵ１００は再びスキャナー駆動装置１０２に指令して
、スキャナー３をリセット位置から駆動（ステップ１１
４）させる。そこで、再びスキャナー位置センサ１０３
からのデジタルパルスと同期して光検出器９からの光電
変換信号がＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換さ
れ、メモリー１０５に取り込まれる（ステップ１１５）
、次に、メモリー１０５に記憶された光電変換信号のデ
ータは読み出され（ステップ１１６）、ステップ１０５
と同様にして立上り部の始点と終点とが検出（ステップ
１１７）され、その検出さケヅ　フ１ 一？？−１０８と同様にして演算され、その算出値ａ゛
もメモリー１０５に記憶（ステップ１２Ｉ）される。メ
モリー１０５に記憶されたａ”　とｂ゛とは読み出され
て、その比ｂ”／　ａｌが演算（ステップ１２２）され
、その算出値ｂ　ｌ　／　ａｌがメモリー１０５に記憶
（ステップ１２３）される。

次に、ステップ１１１において記憶されたｂＺａ値とス
テップ１２３において記憶されたｂ”／ａ゛値が比較（
ステップ１２４）され、変倍光学系２の射出光束が大の
場合のｂ”／ａ”値が、小の場合のｂ　／　ａ値より大
きいかまたは等しいときは、変倍光学系２は切替えられ
ること無く、そのまま射出光束が大の状態で測定（ステ
ップ２６）を実行するように指令する。一方、ｂ’／ａ
’値がｂ　／　ａ値より小さいときは、ＣＰＵ１００は
射出光束を小さくするように変倍光学系駆動装置１０１
に指令する。この指令によって変倍光学系２の射出光束
が小になるように切り替えられる（ステップ１２５）と
、ＣＰＵ１００は測定（ステップ２６）を実行するよう
に指令し、測定が完了するとＣＰＵ１００は作動を停止
する。

上記の第１実施例および第３実施例において、２は、射
出光束の径を大・小２種に変え得るように構成されてい
るが、２種の光束径に限定されるものでは無く、移動レ
ンズを追加することにより、多数の光束径に切替え可能
に構成し、あるいは、第２実施例に示すようにズーム変
倍系に構成してもよい。さらに、また上記第１実施例乃
至第３実施例においてはスキャナー３によってスポット
光をパターンに対して変位走査させるように構成されて
いるが、スポット光とパターンとの変位は相対的なもの
であるから、試料を対物レンズ光軸に対して直角な方向
に移動させる試料移動機構（不図示）によって、不動の
スポット光に対してパターン面を移動させるようにして
も差支え無い。

なおまた、上記第１実施例乃至第３実施例においてはい
ずれも、対物レンズ６を通してレーザ光を集光し、スポ
ット光として投射し、そのスポット光が投射されたパタ
ーン面からの反射光を対物レンズ６を通して測光するよ
うに構成されているが、例えば、対物レンズ６と試料面
０との間にビームスプリッタ−を設けそのビームスプリ
ッタ−を介して試料のパターン面からの反射光（散乱光
を含む。）を光検出器で光電変換するように構成しても
よい、また、対物レンズ６の両側に光検出器を設け、パ
ターン面からの散乱光を直接受光して光電変換するよう
にし、対物レンズはレーザ光束を集光してスポット光に
形成する集光光学系としてのみ機能させるように構成し
てもよい、さらに、パターンの基板がガラス基板のよう
に透明な場合にはパターン面からの反射光を光検出器で
検出するかわりに透過光を検出するようにパターンに対
して集光光学系とは反対側に光検出器を配置してもよい
ことは言うまでも無い。

〔発明の効果〕

以上の如く本発明によれば、パターンの段差の大小に応
じて対物レンズに入射するレーザ光束の径を変え、対物
レンズによって集束されてパターン面に投射されるレー
ザ光束の集束角を変えることにより対物レンズの実質的
な開口数を対物レンズの開口を絞ること無く変えること
ができるので、レーザ光束の光量を減少させることなく
、段差の小さいパターンに対しては集束角の大きいレー
ザ光束を投射することにより分解能を高め、段差の大き
いパターンに対しては集束角を縮小することにより、焦
点深度を深くすると共に、大きい段差の高い測定を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す光学系配置図、第２
図は第１図中に用いられる対物レンズによるレーザ光の
集束状態を示す説明図、第３図は、第２図における集束
角度の大きい光束が段差を有するパターンに投射された
状態を示す説明図、第４図は第２図における集束角度の
小さい光束が段差の大きいパターンに投射された状態を
示す説明図、第５図は、第１図において段差の大きいパ
ターンを集束角度の小さいスポット光と集束角度の大き
いスポット光で走査したときに対物レンズに入射される
反射光量の変化を示す線図、第６図、第７図および第８
図は第１図に示す光束径可変光学系とはそれぞれ別の光
束径可変光学系を示す光学系説明図、第９図は自動焦点
検出装置が付加された本発明の第２実施例を示す構成図
、第１０図はマイクロプロセッサで制御される本発明の
第３実施例の構成図、第１１図は第１０図におけるマイ
クロプロセッサの動作を示す流れ線図、第１２図は第１
０図に示すＡ／Ｄ変換器から出力される光検出出力とス
キャナー変位量とを示す線図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ０−−−−−−−一試料 １−−−−−−−−レーザ光源 ２．２１〜２３．３１，３２．３３．３４．４０−−−
−一−−−光束径可変光学系 ３−−−−−−−−スキャナー（走査手段）４−−−−
−−−−リレーレンズ系 ６−−−−−−−一対物レンズ（集光光学系）８−−−
−−−−一結像レンズ ９−−−−−−−一絞り １０−−−−−一−−光検出器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光源と、該レーザ光源からの光束を少なく
   とも大小２種の光束径に変え得る光束径可変光学系と、
   該光束径可変光学系によつて光束径を規定されたレーザ
   光束を集束して試料のパターン面にスポット光として投
   射する集光光学系と、前記パターン面と前記スポット光
   とを前記集光光学系の投射光軸に直角な方向に相対変位
   させる走査手段と、前記スポット光が投射された前記パ
   ターン面からの光を受光する光検出器とを有することを
   特徴とするパターン測定装置。
2. （２）前記光束径可変光学系は、光軸上に挿脱可能な互
   いに焦点距離の異なる少なくとも２個の正の移動レンズ
   （２Ｂ＿１、２Ｂ＿２、２２、２３）と固定の負レンズ
   （２Ａ）または正レンズ（２１）とから成る変倍アフオ
   ーカル光学系、または拡大倍率の異なる２組のアフオー
   カル光学系（３１、３２または３３、３４）もしくはズ
   ーム変倍光学系（４０）であつて、前記スポット光は前
   記集光光学系（６）の焦点位置に形成される如く構成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   パターン測定装置。
3. （３）前記光束径可変光学系は、前記集光光学系（６）
   を通して物体距離を検出する距離検出手段（５２〜６０
   ）からの検出信号に基づくパターンの段差、または、前
   記走査手段（３）の走査に同期して検出される前記光検
   出器（１０）からの出力信号の前記光束径の差に基づく
   信号波形を比較してレーザ光束の拡大倍率を選択する如
   く構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項記載のパターン測定装置。