JP3345936B2 - 共焦点走査方式光学顕微鏡のスキャナー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マスク、レチクル、
ウェハー等に描かれたパターンの線幅測定等に用いられ
る共焦点走査方式光学顕微鏡において、試料をスキャニ
ングするためのスキャナーに関し、直交する２方向とも
信頼性の高い計測を行なえるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】共焦点走査方式光学顕微鏡は、例えば共
焦点走査方式レーザ顕微鏡として構成され、マスクもし
くはレチクルまたはウェハー用寸法検査装置として、マ
スクもしくはレチクルまたはウェハー上に描れたパター
ンの線幅計測や重ね合せ精度の計測を行なうのに利用さ
れる。共焦点走査方式レーザ顕微鏡の原理図を図２に示
す。レーザ発振器１０から発射されたレーザ光１２は、
ミラー１４で反射され、レンズ１６で絞られてピンホー
ル１８に通される。ピンホール１８を通過したレーザ光
１２はビームスプリッタ２０を透過して対物レンズ２２
で収束されて、試料２４（マスクもしくはレチクルまた
はウェハー）に照射される。試料２４の表面で反射した
レーザ光は、ビームスプリッタ２０で反射されて、ピン
ホール２６を通過して光電子増倍管２８で受光および増
幅される。

【０００３】寸法検査を行なうときは、レーザ光の焦点
Ｆの位置を（ａ）のようにパターン３０の下（またはパ
ターン３０の上）に合わせて固定する。そして、スキャ
ンコントローラ３２により試料２４を高周波でＸ軸方向
にスキャンさせながら、Ｘ，ＹステージでＹ軸方向にゆ
っくりと移動させる。この時、（ａ）のようにビームス
ポットがパターン３０の下を通過している時は、反射光
はすべてピンホール２６を通過し、光電子増倍管２８の
出力は高くなる。これに対し、（ｂ）のようにビームス
ポットがパターン３０上を通過している時は、反射光は
ピンホール２６の位置でフォーカスせず、大部分が遮ら
れるので、光電子増倍管２８の出力は小さくなる。した
がって、スキャンコントローラ３２によるスキャンに同
期して光電子増倍管２８の出力に応じた輝でテレビモニ
タ３４上に順次描いていけばパターン３０のイメージ３
６がテレビモニタ３４に写し出される。オペレータがこ
のイメージ３６上の任意の位置にカーソルを動かすこと
により、その位置のパターン幅が自動計測される。

【０００４】以上の原理を用いた従来のウェハー用共焦
点走査方式レーザ顕微鏡の具体例（ＳｉＳｃａｎ社製Ｓ
ｉＳｃａｎIIＡ）を説明する。図３はその装置構成図で
ある。このウェハー用共焦点走査方式レーザ顕微鏡４０
は、光学モジュール４２とワークステーション４４で構
成され、相互に信号ケーブル４５でつながれている。光
学モジュール４２はエアサスペンションで支持された基
台４６上にＸ，Ｙステージ４８が取付けられ、さらにそ
の上にスキャナー５０が取付けられている。試料はスキ
ャナー５０に真空吸着でチャックされて取付けられる。
スキャナー５０の上方にはフォーカス装置５２が配置さ
れ、レーザーヘッド５４から発射されるレーザ光を対物
レンズ２２で収束してスキャナー５０上の試料に照射す
る。レーザーヘッド５４内には前記図２の光学系が収容
されている。また、レーザーヘッド５４に隣接してズー
ムレンズ付テレビカメラ５６が下方に向けて配設され、
試料（ウェハー）のレーザー照射位置付近の画像を撮る
のに用いられる。基台４６の下には、電気回路シャーシ
５８、チャック用真空等のインジケータ６０、レーザ用
電源６２、試料をスキャナー５０上にセットしまた検査
を終了した試料をスキャナー５０から取り外すためのロ
ボットの制御装置６２等が配設されている。

【０００５】一方、ワークステーション４４には、オペ
レータの操作盤６４、テレビモニタ６６、プリンター６
８、ＣＰＵを含む制御装置７０等が具えられ、光学モジ
ュール４２をすべてこのワークステーション４４から操
作できるようになっている。テレビモニタ６６にはレー
ザ顕微鏡による観測画像、テレビカメラ５６による画像
などが表示される。

【０００６】図３のウェハー用共焦点走査方式レーザ顕
微鏡４０のシステム構成を図４に示す。試料（ウェハ
ー）２４は、ウェハー・ハンドリング・ロボット７２に
よりスキャナー５０上に搬送されてチャックされてい
る。レーザ発振器１０からのレーザ光１２は前記図２に
示した光学系を介して対物レンズ２２から出射され、試
料２４に照射される。その反射光は光検出器２８（光電
子増倍管等）で受光される。

【０００７】ワークステーション４４のコンピュータ７
６はバス７７を介して各部を制御する。すなわち、ウェ
ハー・ハンドラー制御部８２はロボット７２を駆動し
て、試料２４の搬出、搬入を行なう。また、Ｘ，Ｙステ
ージモータ制御部７８は、Ｘ，Ｙステージ７８を駆動し
て、試料２４上の所望の被検査箇所をレーザ光１２のス
キャン範囲に位置決めする。また、Ｚ軸フォーカス制御
部８０は対物レンズ２２を上下方向に動かすことによ
り、試料２４上のパターンの下または上に焦点を合わせ
る。焦点が合ったら対物レンズ２２の高さをそこに固定
する。

【０００８】スキャン制御および同期回路８４はスキャ
ン制御としてスキャン用波形の読出しや同期制御を行な
うものである。ライン・スキャン波形メモリ８６はサイ
ン波等のスキャン用波形を記憶しており、スキャン制御
および同期回路８４からの指令により、記憶しているス
キャン波形を高速（例えば２ｋＨｚ）で読み出す。読み
出されたスキャン波形は、Ｄ／Ａ変換器８８でアナログ
波形に変換され、アンプ９０を介してスキャナー５０の
アクチュエータ（ボイス・コイル・モータ、圧電素子
等）をＸ軸方向に駆動し、レーザー光照射位置をスキャ
ニングする。スキャニング速度は速度フィードバックに
より規定速度に保たれている。

【０００９】前記光検出器２８の出力はアンプ９２を介
してＡ／Ｄ変換器９４でディジタル信号に変換される。
ピクセルタイミングおよび同期回路９６は、各走査で連
続して得られる光検出器２８の検出情報とＸ軸上の位置
との対応関係を取るもので、Ａ／Ｄ変換器９４から順次
出力されるデータに対し、１走査ライン上のアドレスを
与えてライン・スキャン・ピクセル・メモリ９８に取込
む。なお、ライン・スキャン歪みメモリ１００は、スキ
ャン波形の空間的な歪を補正して、正確なパターンがメ
モリ９８に取り込まれるようにするものである。

【００１０】スキャンはＸ，Ｙステージ４８のＹ軸を一
定速度でゆっくり動かしながら行なわれ、このときスキ
ャンごとにメモリ９８の内容がビデオ・ディスプレイ・
メモリ１０２に順次取り込まれていき、これによりＸ，
Ｙ平面上の所望の範囲のパターン画像がテレビモニタ上
のイメージモニタ１０４の表示領域に表示される。ま
た、テレビモニタ上のグラフィックモニタ１０６の表示
領域には、イメージモニタ１０４上においてカーソルで
指示したＹ軸位置のＸ軸方向の光検出器検出波形が表示
される。パターン幅は、イメージモニタ１０４上におい
てカーソルで指示した範囲について、ビデオ・ディスプ
レイ・メモリ１０２に記憶されているパターンのピクセ
ル数をカウントし、カーソル内のＹ軸方向各位置のカウ
ント値を平均した値を自動演算し、その結果を数値とし
てテレビ画面上に表示する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前記従来装置において
は、Ｘ軸方向に振動させてＹ軸方向にゆっくり動かして
スキャニングを行なうため、図５（ａ）のように、試料
２４上のパターン３０がＹ軸方向に延びている場合に
は、Ｘ軸方向へのスキャンごとに各パターン３０を横切
るので、スキャンごとに各パターン３０の幅の情報が得
られる。ところが、図５（ｂ）のように、試料２４上の
パターン３０がＸ軸方向に延びている場合には、パター
ン３０を幅方向に横切る動作はＹ軸方向への移動によっ
て行なわれるので、１度しか各パターン３０の幅の情報
が得られない。このため、幅方向のピクセル数を平均し
て得られるパターン３０の線幅の計測値の信頼性が、図
５（ａ）の場合は高いが、図５（ｂ）の場合は低いとい
う不都合を生じる。

【００１２】この発明は、前記従来の技術における問題
点を解決して、直交する２方向とも信頼性の高い計測を
行なうことができる共焦点走査方式光学顕微鏡を提供し
ようとするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、圧電素子を
アクチュエータとして第１の軸方向に駆動される第１の
ステージと、試料を保持して前記第１のステージ上で圧
電素子をアクチュエータとして前記第１の軸と直交する
第２の軸方向に駆動される第２のステージと、前記第１
ステージの前記アクチュエータに振動電圧を印加すると
ともに、前記第２ステージの前記アクチュエータに徐々
に変化する電圧を印加すること、あるいは前記第２ステ
ージの前記アクチュエータに振動電圧を印加するととも
に、前記第１ステージの前記アクチュエータに徐々に変
化する電圧を印加することのいずれかでの駆動を可能と
するアクチュエータ駆動手段と、を具備してなるもので
ある。

【００１４】

【作用】この発明によれば、直交する２軸方向に駆動す
る圧電素子を設けたので、計測しようとするパターンの
方向に対して直交する方向の圧電素子を振動させること
により、スキャンごとにパターンを横切って線幅の情報
を得ることができるので、いずれの方向のパターンに対
しても信頼性の高い計測を行なうことができる。

【００１５】

【実施例】この発明の一実施例を図１に平面図で示す。
Ｘ−Ｙスキャナー１１０はＸ−Ｙステージ上に固定され
た四辺形の外側のフレーム１１２の内側にスプリング１
１４，１１６を介して四辺形の内側のフレーム１１８
（第１ステージ）をＹ軸方向に移動可能に支持してい
る。また、内側のフレーム１１８の内側にスプリング１
２０，１２２を介して四角形の支持台１２４（第２のス
テージ）をＸ軸方向に移動可能に支持している。支持台
１２４上には試料が真空吸着等で載置支持される。

【００１６】フレーム１１２，１１８間にはフレーム１
１８をＹ軸方向に駆動するための圧電素子１２６と、フ
レーム１１８のＹ軸方向の移動速度を検出するための速
度センサ（一方にコイル、他方に磁石を取り付けてコイ
ルの誘起電圧を検出する方式等）１２８が取り付けられ
ている。

【００１７】フレーム１１８と支持台１２４間には支持
台１２４をＸ軸方向に駆動するための圧電素子１３０
と、支持台１２４のＸ軸方向の移動速度を検出するため
の速度センサ１３２が取り付けられている。圧電素子１
３０は例えばＰＺＴ（商品名）等の圧電セラミック素子
等で構成することができる。

【００１８】以上の構成により、圧電素子１２６，１３
０のいずれか一方を振動電圧で駆動することにより、試
料が載った支持台１２４をＹ軸方向またはＸ軸方向に振
動させることができる。振動方向と直交する他方の軸方
向への移動は、他方の圧電素子に一定勾配で徐々に変化
する電圧を印加することにより、またはこのＸ−Ｙスキ
ャナー１１０を支持しているＸ−Ｙステージを駆動する
ことにより行なうことができる。

【００１９】図１のＸ−Ｙスキャナー１１０を具えた共
焦点走査方式レーザ顕微鏡の制御装置の一実施例を図６
に示す。基台４６上にＸステージ４８がＸ軸方向に例え
ば２００mmの移動幅で移動可能に支持され、Ｙステージ
４９がＹ軸方向に例えば２００mmの移動幅で移動可能に
支持されている。Ｙステージ４９上にはＸ−Ｙスキャナ
ー１１０がＸ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ例えば２００
μｍの移動幅で移動可能に支持されている。Ｘ−Ｙスキ
ャナー１１０の支持台１２４（図１）には、マスクホル
ダー１４０（試料２４を保持するための補助具）に保持
された状態で試料が載置支持されている。

【００２０】レーザ発振器１０から発射されたレーザ光
１２は、ビームスプリッタ２０、ピンホール１８、ミラ
ー１４を通って対物レンズ２２で収束されて、試料２４
（マスク、レチクル、ウェハー等）に照射される。試料
２４の表面で反射したレーザ光は、ミラー１４で反射さ
れ、ピンホール１８を通り、ビームスプリッタ２０およ
びミラー２６で反射されて、光検出器２８（光電子増倍
管等）で受光および増幅される。

【００２１】試料２４上のパターンの線幅計測を行なう
時ワークステーションのホストコンピュータからは、バ
ス７７を介して計測箇所の位置情報がステージコントロ
ール１４２に送られる。これにより、ステージコントロ
ール１４２はＸ軸ステージサーボアンプ１４４およびＹ
軸ステージサーボアンプ１４６を介してＸステージ４
８、Ｙステージ４９を駆動して、試料２４上の該当箇所
を対物レンズ２２の直下位置に位置決めする。

【００２２】波形メモリ１４８には、スキャニング時に
一方の軸方向に振動させるための波形として例えばサイ
ン波形と、他方の軸方向へ一定速度で移動させるための
波形として例えば一定勾配で変化する波形が記憶されて
いる。スキャナーコントロール１５０は、これらの波形
を読み出して、スキャナーサーボアンプ１５２を介して
Ｘ−Ｙスキャナー１１０の２軸のうちホストコンピュー
タからの指令により選択された軸方向の圧電素子に振動
波形の電圧を印加し、他方の圧電素子に一定勾配で変化
する波形の電圧を印加する。これにより、計測箇所の所
定範囲についてスキャニングが行なわれる。スキャニン
グ時のＸ−Ｙ両方向の移動速度は速度センサ１３２，１
２８の速度検出に基づく速度フィードバックにより規定
速度に保たれている。

【００２３】スキャニング時に光検出器２８から得られ
る受光信号は、データ取得回路１５２に入力されて、前
記図４と同じ処理を経てパターン軸の計測が行なわれ
る。すなわち、図４により説明すれば、光検出器２８の
出力はアンプ９２を介してＡ／Ｄ変換器９４でディジタ
ル信号に変換される。ピクセルタイミングおよび同期回
路９６は、Ａ／Ｄ変換器９４から順次出力されるデータ
に対し、１走査ライン上のアドレスを与えてライン・ス
キャン・ピクセル・メモリ９８に取込む。そして、Ｘ軸
方向へのスキャンごとにメモリ９８の内容がビデオ・デ
ィスプレイ・メモリ１０２に順次取り込まれていき、こ
れによりＸ，Ｙ平面上の所望の範囲のパターン画像がテ
レビモニタ上のイメージモニタ１０４の表示領域に表示
される。また、テレビモニタ上のグラフィックモニタ１
０６の表示領域には、イメージモニタ１０４上において
カーソルで指示した位置のスキャン波形が表示される。
パターン幅は、イメージモニタ１０４上においてカーソ
ルで指示した範囲について、ビデオ・ディスプレイ・メ
モリ１０２に記憶されているパターンの幅方向のピクセ
ル数をカウントし、カーソル内のカウント値を平均した
値を自動演算し、その結果を数値としてテレビ画面上に
表示する。

【００２４】図６のレーザ顕微鏡１３４により、各方向
のパターンについて線幅計測を行なう様子を説明する。
図７は、Ｙ軸方向にパターンが延びている場合で、この
場合はＸ軸方向に振動させながらＹ軸方向に一定速度で
ゆっくり動かす。これにより、テレビモニタ３４上にパ
ターンイメージ３６が得られたら、カーソル１６０を所
望の位置に当てる。すると、カーソル１６０内の走査ご
とのピクセル数の平均値が自動演算されて表示される。

【００２５】図８は、Ｘ軸方向にパターンが延びている
場合で、この場合はＹ軸方向に振動させながらＸ軸方向
に一定速度でゆっくり動かす。これにより、テレビモニ
タ３４上にパターンイメージ３６が得られたら、カーソ
ル１６０を所望の位置に当てる。すると、カーソル１６
０内の走査ごとのピクセル数の平均値が自動演算されて
表示される。これによれば、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とも走
査ごとに線幅情報が得られるので、高精度な計測を行な
うことができる。

【００２６】

【変更例】前記実施例では、振動方向に直交する方向へ
の移動をＸ−Ｙスキャナー１１０で行なったが、Ｘ−Ｙ
ステージ４８，４９で行なうこともできる。

【００２７】また、検査箇所の位置決めをＸ−Ｙステー
ジ４８，４９で行なったが、Ｘ−Ｙステージ４８，４９
で粗い位置決めを行なった後にＸ−Ｙスキャナー１００
の圧電素子１２６，１３０に与える電圧を制御して精密
な位置決めを行なうこともできる。この電圧はスキャニ
ング時にもオフセット電圧として与えておく。また、こ
の発明は線幅測定以外の用途にも使用できる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、直交する２軸方向に駆動する圧電素子を設けたの
で、計測しようとするパターンの方向に対して直交する
方向の圧電素子を振動させることにより、スキャンごと
にパターンを横切って線幅の情報を得ることができるの
で、いずれの方向のパターンに対しても信頼性の高い計
測を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す平面図である。

【図２】共焦点走査方式レーザ顕微鏡の原理図である。

【図３】従来の共焦点走査方式レーザ顕微鏡の装置構成
図である。

【図４】図３の共焦点走査方式レーザ顕微鏡４０のシス
テム構成を示すブロック図である。

【図５】従来の線幅測定方法を示す図である。

【図６】図１のＸ−Ｙスキャナーを具えたレーザ顕微鏡
の一実施例を示す制御ブロック図である。

【図７】図６のレーザ顕微鏡によりＹ軸方向のパターン
の線幅を計測する時の状況を示す図である。

【図８】図６のレーザ顕微鏡によりＸ軸方向のパターン
の線幅を計測する時の状況を示す図である。

【符号の説明】

２４ 試料 １１０ Ｘ−Ｙスキャナー（スキャナー） １１８ フレーム（第１のステージ） １２４ 支持台（第２のステージ） １２６，１３０ 圧電素子 １３４ 共焦点走査方式レーザ顕微鏡（共焦点走査方式
光学顕微鏡） １５０，１５２ スキャナーコントロール、スキャナー
サーボアンプ（アクチュエータ駆動手段） Ｙ 第１の軸 Ｘ 第２の軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/00 - 11/30 102 G01B 21/00 - 21/32 G02B 21/00 - 21/36 G12B 5/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子をアクチュエータとして第１の軸
   方向に駆動される第１のステージと、 試料を保持して前記第１のステージ上で圧電素子をアク
   チュエータとして前記第１の軸と直交する第２の軸方向
   に駆動される第２のステージと、前記第１ステージの前記アクチュエータに振動電圧を印
   加するとともに、前記第２ステージの前記アクチュエー
   タに徐々に変化する電圧を印加すること、あるいは前記
   第２ステージの前記アクチュエータに振動電圧を印加す
   るとともに、前記第１ステージの前記アクチュエータに
   徐々に変化する電圧を印加することのいずれかでの駆動
   を可能とするアクチュエータ駆動手段と、 を具備してなる共焦点走査方式光学顕微鏡のスキャナ
   ー。