JPH02285314A - 光切断顕微鏡装置及びその光学手段の位置合わせ方法 - 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】 〔概要〕 光切断顕微鏡装置、特に表面うねり形状の被測定対象の
表面と光学手段の焦点とを位置合わせする装置に関し、 核披測定対象からの反射光を全て光検出手段に入射する
ことなく、その表面の観測を希望する位置の反射光を取
り入れて、その位置に光学手段の焦点を、晴度良くかつ
再現性良く位置合わせをすることを目的とし、 測定光を発生する光源と、前記測定光を被測定対象に照
射する第１の光学手段と、前記被測定対象を設置する試
料台と、前記試料台を駆動する試料台駆動手段と、前記
被測定対象からの反射光を取り込む第２の光学手段と、
前記反射光を検出する光検出手段とを具備し、前記被測
定対象の光切断画像を取得する光切断顕微鏡装置におい
て、前記第２の光学手段と光学検出手段との間に、スリ
ット幅Ｗの入射光制限手段を設けていることを含み構成
する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、光切断顕微鏡装置及びその光学手段の位置合
わせ方法に関するものであり、更に詳しく言えば表面う
ねり形状の試料に光学手段の焦点を合わせる装置とその
方法に関するものである。

近年、半導体装置の配線パターン等の微細形状測定やそ
の検査に、線状レーザー光を測定光とする光切断顕ｖ＆
境が用いられている。

この際に、試料表面がうねり形状の場合であっても、光
切断像の光強度のピーク検出をして、光学手段の焦点位
置合わせを精度良く行うことができる装置とその方法の
要望がある。

〔従来の技術〕

第６〜８図は、従来例に係る説明図である。

第６図は、従来例の光切断顕微鏡装置に係る構成図を示
している。

図において、光切断顕微鏡装置は、レーザー光発生源１
．ミラー２ａ、２ｂ、スリット３．入射側対物レンズ４
１反射側対物レンズ５．カメラ６結像レンズ７、ステー
ジ８及びステージ駆動装置９から成る。

その装置機能は、まず、レーザー光発生ａｔからミラー
２ａにレーザー光１１が照射変向され、該レーザー光１
１がスリット３により線状（光切断線）レーザー光１２
にされる０次いで、線状レーザー光１２が入射側対物レ
ンズ４を介して、ステージ８に載置した被測定対象（試
料）１０に照射される。次に試料１０からの反射光ｊ！
３が反射側対物レンズ５により取り込まれ、該反射光ｔ
３がミラー２ｂにより変向されて、それが結像レンズ７
を介して、カメラ６に入射される。これにより、半導体
装置の配線パターン等の光切断画像を取得して、試料１
０の＠細形状測定やその検査等が行われるものである。

第７図（ａ）、（ｂ）は、従来例の光学手段の位置合わ
せ方法に係る説明図であり、同図（ａ）は段差部を有す
る試料に光切断線を照射している状態を示している。

図において、光切断線１２を試料１０に照射する入射側
対物レンズ４の焦点と試料１０からの反射光１３を入射
する反射側対物レンズ５の焦点とは、予め位置合わせさ
れているものと仮定する。

従って、ここで言う光学手段の位置合わせとは、入射側
対物レンズ４の焦点と反射側対物レンズ５の焦点が一敗
した光学系をステージ８に載置された試料表面に位置合
ねせをすること、すなわち垂直方向の位置合わせをいう
（同図（ａ））。

同図（ｂ）は、カメラ６で取り込んだ試料の段差表面の
光切断画像を示している。

図において、段差表面の光切断画像は、入射側対物レン
ズ４からの光切断綿１２が試料ＩＯの段差表面の上部（
凸部）で反射した反射光成分と、その段差表面の下部（
凹部）で反射した反射光成分とにより分割されて、カメ
ラ６に取り込まれ、その反射光１３を光電変換等をする
ことによって得られたものである。

この際、反射光１３の光強度は上部ピーク及び下部ピー
クを有する２つの光強度分布として１′ｆることができ
る。この反射光１３の光強度のピーク検出を行うことに
よって、予め焦点位置合わせされた両対物レンズ４．５
の光学系と配線パターン等の段差表面を有する試料１０
の垂直位置合わせをすることができる。

〔発明が解決しようとするＬ！４！り 第８図（ａ）、（ｂ）は、従来例の問題点に係る説明図
であり、同図（ａ）はうねり表面形状の試料に光切断線
を照射している状態を示している。

図において、うねり表面形状の試料１０ａは、先の段差
表面を有する半導体装置の配線パターン等ではなく、何
らかの原因で半導体ウェハやディスクバット等に表面う
ねりを生じたものである。

このうねり表面形状の試料１０ａに光切断線１２を照射
すると、そのうねり表面形状の断面等を表す反射光ｒ３
が得られる（同図（ａ））。

同図（ｂ）は、カメラ６で取り込んだうねり表面形状の
試料の光切断画像を示している。

図において、うねり表面形状の光切断画像は、先の段差
表面の光切断画像と異なり、反射光１３の光強度分布が
段差表面の光強度分布のように上部ピークや下部ピーク
を有している。

このため、うねり表面形状の試料と光学手段とを反射光
１３の光強度ピーク検出によって垂直位置合わせを行う
と次のような問題を生ずる。

０反射光１３の光強度ピークが段差表面の場合の上部ピ
ーク、下部ピークのように鋭く立ち上がらないため、光
強度のピーク検出精度が劣り、再現性良い位置合わせを
することができない。

■これにより、観測を希望する位置と、両対物レンズの
光学系の焦点位置とが一敗せず、取得画像が不鮮明にな
る。

本発明は、かかる従来例の問題点に鑑み創作されたもの
であり、被測定対象からの反射先金て光検出手段に入射
することなく、その表面の観測を希望する位置に光学手
段の焦点を、精度良くかつ再現性良く位置合わせをする
ことを可能とする光切断顕微鏡装置及びその光学手段の
位置合わせ方法の提供を目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 第１図は、本発明の光切断顕微鏡装置に係る原理図を示
している。

その装置は、測定光Ｌ１を発生する光ｆｉｌｌと、前記
測定光Ｌ１を被測定対象１８に照射する第１の光学手段
１２と、前記被測定対象１８を設置する試料台１３と、
前記試料台１３を駆動する試料台駆動手段１４と、前記
被測定対象１８からの反射光Ｌ２を取り込む第２の光学
手段１５と、前記反射光Ｌ２を検出する光検出手段１６
とを具備し、前記被測定対象１８の光切断画像を取得す
る光切断顕微鏡装置において、前記第２の光学手段１５
と光学検出手段１６との間に、スリット幅Ｗの入射光制
限手段１７を設けていることを特徴とし、その方法は前
記装置であって、予め焦点位置合わせをした第１．第２
の光学手段１２．１５の焦点と、試料台１３に戴置した
被測定対象１８の表面とを位置合わせする光学手段の位
置合わせ方法において、前記被測定対象１８からの反射
光Ｌ２をスリット幅Ｗの入射光制限手段１７を介して、
光検出手段１６に取り込み、前記入射光制限手段１７に
取り込まれたスリット幅Ｗの反射光Ｌ３の光強度が最大
となるように試料台１３若しくは光学手段１２．１５’
を移動し、前記光強度が最大となる位置に試料台１３若
しくは光学手段１２．１５を止めることを特（改とし、
上記目的を達成する。

〔作用〕

本発明の装置によれば、第２の光学手段１５と光検出手
段１６との間に、スリット幅Ｗの入射光制限手段１７が
設けられている。

このため、被測定対象１８からの反射光Ｌ２が入射光制
限手段１７によりスリット幅Ｗの反射光Ｌ３を除いて、
その通過が阻止され、その阻止を免れたスリット幅Ｗの
反射光Ｌ３のみを光検出手段１６に取り込むことができ
る。

これにより、光検出手段１６では従来のような光強度分
布に比べて、スリット幅Ｗの反射光Ｌ３に基づく鋭い立
ち上がりの光強度分布を取得することができ、この光強
度分布により、精度良いピーク検出を行うことが可能と
なる。

また、本発明の方法によれば、スリット幅Ｗの反射光Ｌ
３の光強度が最大となる位置に、試料台１３若しくは光
学手段１２．１５を止めている。

このため、入射光制限手段１７のスリットの位置を光学
検出手段１６の中央に設置し、これを観測者が希望する
位置と仮定するならば、常に観測者の希望する位置に第
１．第２の光学手段１２゜１５の焦点を、試料表面の特
定位置に再現性良く、しかも精度良く一致させることが
可能となる。

これにより、高解像度のうねり表面形状等の光切断画像
を取得することが可能となる。

〔実施例〕

次に図を参照しながら本発明の実施例について説明をす
る。

第２〜５図は、本発明の実施例に係る光切断顕微鏡装置
及びその光学手段の位置合わせ方法を説明する図であり
、第２図は、本発明の実施例に係る光切断顕微鏡装置の
構成図を示している。

図において、２１は光源１１の一実施例となるレーザー
発生源であり、ミラー２２ａ方向にレーザー光Ｌｌを発
生するものである。２２ａ〜２２Ｃは第１の光学手段１
２の一実施例となるミラースリット及び入射側対物レン
ズをそれぞれ示している。ミラー２２ａはレーザー光Ｌ
ｌｌを光軸方向に変向する機能、スリン）２２ｂはレー
ザー光Ｌ１１を綿状レーザー光（光切断線）Ｌ１２に変
える機能、入射側対物レンズ２２ｃは光切断線Ｌ１２を
集光してステージ２３方向に照射する機能をそれぞれ有
している。

２３は試料台の一実施例となるステージであり、被測定
対象２８を載置するものである。２４は試料台駆動手段
の一実施例となるステージ駆動装置であり、ｘ、ｙ、ｚ
方向にステージ２３を移動する機能を有している。

２５ａ〜２５ｃは第２の光学手段１５の一実施例となる
反射側対物レンズ、ミラー及び結像レンズをそれぞれ示
している。反射側対物レンズ２５ａは、被測定対象２８
からの反射光■、２１を集光して、それを光軸に沿って
ミラー２５ｂ方向に通過させる機能を有している。ミラ
ー２５ｂは反射側対物レンズ２５ａからの反射光Ｌ２１
を結像レンズ方向２５ｃに変向するものである。結像レ
ンズ２５ｃは反射光Ｌ２１等を結像するものである。

２６は光検出手段の一実施例となるカメラであり、被測
定対象からの反射光Ｌ２１等を取り込む機能を有してい
る。カメラ２６は、固体撮像素子等の画像取得装置であ
り、取り込んだ反射光Ｌ２１等の光強度を検出する機能
を有している０例えば、反射光Ｌ２１等の光強度は観測
者が一目で確認できるように、その計数値を逐次表示す
るデジタル表示装置等を設けても良い。

これまでは、従来の光切断顕微鏡装置と同様な構成であ
るが、本発明の光切断顕微鏡装置では次の構成物が設け
られている。

すなわち、カメラ２６の直前に設けられた２７は、入射
光制限手段１７の一実施例となる遮光用スリットであり
、結像レンズ２５ｃを通過した反射光Ｌ２１の一部の反
射光Ｌ２２を通過させて、その反射光Ｌ２２のみをカメ
ラ２６に入射させる機能を有している。この遮光用スリ
ット２６については第３図において詳述する。

２８は被測定対象１８の一実施例となるうねり表面形状
の試料であり、何らかの原因で半導体ウェハやディスク
バット等に表面うねりを生したものである。

なお、２９は制御手段であり、本発明の光切断顕微鏡装
置の光学手段の位置合わせを自動的に行う場合に用いる
ものである。制御手段２９はカメラ２６から出力される
反射光１２２等の光強度のピーク検出値に基づいて、ス
テージ駆動装置２４の出力を制御する機能を有している
。

第３図は、本発明の実施例に係る遮光用スリット２７に
係る説明図である。

図において、遮光用スリット２７は黒色のプレートにス
リット幅Ｗのスリット開口部２７ａを有している。スリ
ット幅Ｗは、数百〔μｍ］程度であれば良い。スリット
開口部２７ａの開口方向は光切断線用のスリット２２ｂ
の開口方向に対して直交するようにする。さらに、スリ
ットの開口位置は観測者が希望する画像取得位置、例え
ばカメラの中央部付近にその焦点が一致するようにする
。

また、遮光用スリット２７はカメラ２６に直前に設けら
れ、光学手段２２ｃ、２５ａの焦点と被測定対象２８の
表面との垂直位置合わせ時のみ取り付ける０通常の画像
観察時には、それが取り外されるものである。

これにより、結像レンズ２５ｃを通過した反射光Ｌ２１
の一部の反射光Ｌ２２を通過させて、その反射光Ｌ２２
のみをカメラ２６に入射させることができる。

第４図は、本発明の実施例に係る取得画像と光強度との
関係図であり、同図（ａ）はうねり表面形状の試料２８
に光切断線を照射している状態を示している。

同図（ｂ）において、Ｌ２１はうねり表面形状の試料２
８に光切断線Ｌ１２を照射した場合に得られる反射光で
ある。この反射光Ｌ２１が反射側対物レンズ２５ａ、ミ
ラー２５ｂ、結像レンズ２５ｃ及び遮光用スリット２７
を介してカメラ２６に取り込まれる。

同図（ｂ）は、カメラ２６で取り込んだ反射光Ｌ２２と
その光強度分布を示している。

図において、Ａはカメラ２６で取り込んだ画像であり、
遮光用スリット２７に入射した反射光Ｌ２１の一部の反
射光Ｌ２２により得られる画像である。また、１は反射
光Ｌ２２の光強度であり、予め入射側対物レンズ２２ｃ
の焦点と反射側対物レンズ２５ａの焦点とが一致した光
学系をうねり表面形状の試料２８に垂直位置合わせした
場合、その焦点とその試料２８面とが一致した時に最大
となる。

これ等の関係を利用して後述する光学手段の垂直方向の
位置合わせを行うことができる。

このようにして、本発明の実施例に係る光切断顕微鏡装
置によれば、結像レンズ２５ｃとカメラ２６との間であ
って、カメラ２６の直前にスリット幅Ｗの遮光用スリッ
ト２７が設けられている。

このため、うねり表面形状の試料２８からの反射光Ｌ２
１が遮光用スリット２７により、スリット幅Ｗの反射光
Ｌ２２を除いてその通過が阻止され、その阻止を免れた
スリット幅Ｗの反射光Ｌ２２のみをカメラ２６に取り込
むことができる。

これにより、カメラ２６では従来のような光強度分布に
比べてスリット幅Ｗの反射光Ｌ２２に基づく、鋭い立ち
上がりの光強度分布を取得することができ、この光強度
分布によりｔ＃廣良いピーク検出を行うことが可能とな
る。

第５図は、本発明の実施例の光学手段の位置合わせ方法
に係るフローチャートを示している。

図において、まずステップＰ１で光学系の焦点位置合わ
せに先立って、スリット２２ｂと遮光用スリット２７ｂ
とを取り外す。この際、ステージ２３上には試料を載置
しない。

次いで、ステップＰ２で、入射側対物レンズ２２ｃと反
射側対物レンズ２５ａとを焦点位置合わせをする。この
際の焦点位置合わせは、本発明者が別途出願中の位置合
わせ方法等により行う。これによれば、ステージ２３上
に焦点位置合わせ用のプレートを置き、入射側対物レン
ズ２２ｃの焦点を先に焦点位置合わせ用のプレートに一
致させ、次いで反射側対物レンズ２５ａの焦点をそれに
位置合わせするものである。これにより、入射側対物レ
ンズ２２ｃの焦点と反射側対物レンズ２５ａの焦点とを
一致させることができる。

次にステップＰ３で、ステージ２３にうねり表面形状等
の被測定対象（試料）２８を載置する。

この際、先の焦点位置合わせに用いた位置合わせ用プレ
ートは取り除き、代わりに試料２８をステージ２３に置
く。

次いで、ステップＰ４で光切断線用のスリット２２ｂ及
び遮光用スリット２７を取り付ける。このときに、カメ
ラ２６の取得画像を見た場合、第４図（ｂ）のような取
得画像が得られるものの、入射側対物レンズ２２ｃと反
射側対物レンズ２５ａとの焦点がステージ２３のほぼ表
面に位置合わせされているため、その取得画像は不鮮明
となっている。

このため、ステップＰ５でステージ２３を調整し、カメ
ラ２６に入射したスリット幅Ｗの反射光Ｌ２２の光強度
を検出する。この際、本発明の実施例ではステージ２３
は、手動又は制御手段２９を介して自動でステージ駆動
装置を駆動することにより、Ｚ方向に上下される。これ
により、カメす　イ”、Ｗスリット暢 本発明の実施例に係る遮尤用スリットの説明間第 図 光強度 （ａ） （ｂ） 本発明の実施レリに係る取イ！）　１ｉｌｊ像と光強度
との関係図第４図 （ａ） 従来ツ（」の問題へに係る説明１．薗 奉発明Ｏ実施汐１」の光学手段の位置合わせ方法（こ係
るフロチャート 第 図 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定光（Ｌ１）を発生する光源（１１）と、前記
   測定光（Ｌ１）を被測定対象（１８）に照射する第１の
   光学手段（１２）と、前記被測定対象（１８）を設置す
   る試料台（１３）と、前記試料台（１３）を駆動する試
   料台駆動手段（１４）と、前記被測定対象（１８）から
   の反射光（Ｌ２）を取り込む第２の光学手段（１５）と
   、前記反射光（Ｌ２）を検出する光検出手段（１６）と
   を具備し、前記被測定対象（１８）の光切断画像を取得
   する光切断顕微鏡装置において、 前記第２の光学手段（１５）と光学検出手段（１６）と
   の間に、スリット幅Ｗの入射光制限手段（１７）を設け
   ていることを特徴とする光切断顕微鏡装置。
2. （２）請求項１記載の光切断顕微鏡装置の光学手段の位
   置合わせ方法であって、 予め焦点位置合わせをした第１、第２の光学手段（１２
   、１５）の焦点と、試料台１３に載置した被測定対象（
   １８）の表面とを位置合わせする光学手段の位置合わせ
   方法において、 前記被測定対象（１８）からの反射光（Ｌ２）をスリッ
   ト幅Ｗの入射光制限手段（１７）を介して、光検出手段
   （１６）に取り込み、前記入射光制限手段（１７）に取
   り込まれたスリット幅Ｗの反射光（Ｌ３）の光強度が最
   大となるように試料台（１３）若しくは光学手段（１２
   、１５）を移動し、前記光強度が最大となる位置に試料
   台（１３）若しくは光学手段（１２、１５）を止めるこ
   とを特徴とする光切断顕微鏡の光学手段の位置合わせ方
   法。