JPH09138117A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定用光束が入射する光束照射位置での被測
定試料の表面の傾きや表面粗さなどの表面状態を正確に
検出することで測定の信頼性を向上させることができる
光学測定装置を提供する。 【解決手段】 反射対物レンズＲＯの第１反射ミラーＲ
Ｏ1に貫通孔が設けられ、この貫通孔内に屈折系レンズ
５５が配置される。この屈折系レンズ５５は、半導体レ
ーザ５１からの検出用光束を光束照射位置ＩＰに照射す
る。第１反射ミラーＲＯ1の裏面に位置検出素子５６が
配置されており、光束照射位置ＩＰで反射された測定用
および検出用光束を受光し、この位置検出素子５６上で
の測定用および検出用光束の強度分布を検出可能となっ
ている。そして、位置検出素子５６での光強度の分布か
ら、光束照射位置ＩＰでの被測定試料ＳＰの表面状態が
判別される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、測定用光源から
の測定用光束を反射対物レンズを介して半導体集積回路
装置などの被測定試料に照射し、当該被測定試料の光学
的測定を行う光学測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、半導体集積回路装置にお
いては、半導体ウエハの主面上に種々の不純物拡散領
域、絶縁膜や配線パターンなどを形成する。そして、こ
れらの構造の形成状況を測定する目的で各種の非接触光
学測定装置が使用される。

【０００３】これらの光学測定装置のひとつに、例えば
半導体ウエハ上に形成された薄膜の厚みを測定する膜厚
測定装置がある。この膜厚測定装置では、図１１に示す
ように、光源としてハロゲンランプＨＬとシースルータ
イプの重水素ランプＤＬとを備えた照明光学系２が設け
られている。ハロゲンランプＨＬから出射する光束は、
レンズＬを介して重水素ランプＤＬの発光部に一旦集光
された後、軸外楕円面鏡ＥＭを介して視野絞りＦＳを通
過する。こうして、膜厚測定に用いられる測定用光束が
照明光学系２より結像光学系３に向けて出射される。

【０００４】この結像光学系３は、２つの反射ミラーＲ
Ｏ1，ＲＯ2を組み合わせてなる反射対物レンズＲＯとハ
ーフミラーＨＭとを備える。視野絞りＦＳを出射した後
ハーフミラーＨＭで反射された測定用光束は、反射対物
レンズＲＯの像側焦点面にある被測定試料ＳＰ表面上に
照射される。こうして、被測定試料ＳＰが照明される。
そして、被測定試料ＳＰ面で反射された測定用光束は、
ハーフミラーＨＭを通過した後、分光ユニット４に設け
たプレートＰＰの位置に集光される。

【０００５】分光ユニット４は、ピンホールを有するプ
レートＰＰと、プレートＰＰを通過した反射光を分光す
る凹面回析格子ＨＧと、凹面回析格子ＨＧからの分光ス
ペクトルを検出する光検出器ＬＩＳとで構成される。プ
レートＰＰを介して取り込まれた被測定試料ＳＰからの
測定用光束は、凹面回析格子ＨＧで分光され、各分光ス
ペクトルのエネルギーに対応したスペクトル信号として
光検出器ＬＩＳで検出され図示を省略する制御ユニット
側に出力される。

【０００６】この制御ユニットは、被測定試料ＳＰのス
ペクトル信号に基づいて被測定試料ＳＰの実測分光反射
率を算出する。その後、この実測分光反射率について、
予め適当な膜厚ピッチごとに理論的に算出しておいた検
量線分光反射率との偏差量を演算し、偏差量が最小とな
る膜厚値を求め、その結果をＣＲＴ画面に表示する。

【０００７】上記のように構成された光学測定装置によ
れば、紫外〜近赤外にわたる広い波長域の測定用光束を
用いて、被測定試料ＳＰ上の膜厚を非接触・非破壊で測
定できるようになる。特に、被測定試料ＳＰが例えばシ
リコン基板上に１００オングストローム以下のシリコン
酸化膜の超薄膜を形成したようなものの場合、紫外線波
長域を使用することで検出信号のＳ／Ｎ比を向上させる
ことができ、超薄膜の膜厚測定を高精度に行うことがで
きる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる超薄
膜の膜厚測定においては、被測定試料ＳＰの傾きが測定
値に対して大きな影響を及ぼすため、膜厚測定装置では
被測定試料ＳＰの傾き制御を行っている。例えば、シリ
コン基板上の超薄膜（膜厚が１００オングストローム以
下）を高精度で測定するには、この半導体集積回路装置
（被測定試料）の傾きがゼロとなるように制御する必要
があるが、半導体集積回路装置の製造工程においてはア
ニール処理等により被測定試料ＳＰが撓むため、膜厚測
定時に被測定試料ＳＰが傾いているかどうかを検出する
必要がある。

【０００９】そこで、従来より、この被測定試料ＳＰの
傾きを検出するため、図１１の膜厚測定装置の外部から
被測定試料ＳＰの表面に比較的浅い角度で検出用光束を
照射し、その被測定試料ＳＰで反射された反射光束を受
光して傾きを求めていた。しかしながら、このように膜
厚測定装置の外部に傾き検出のための装置を付加した場
合、膜厚測定装置が大型化するという問題が生じる。ま
た、検出用光束が膜厚測定装置の光軸と異なる光軸に沿
って被測定試料ＳＰに入射する構成をとっているため、
検出用光束の入射位置を測定用光束が入射する位置（光
束照射位置ＩＰ）と一致させるための調整が困難である
という問題や、被測定試料ＳＰの表面状態、例えば光束
照射位置ＩＰにパターンエッジが存在しているなどの事
情によって検出結果が異なり、十分な信頼性が得られな
いという問題がある。

【００１０】このような問題を解消するためには、例え
ば特開平４−５５０９号公報に記載されたように、測定
用光束と検出用光束とが同一光軸に沿って同一の光束照
射位置ＩＰに照射されるように構成すればよい。しかし
ながら、単に光軸を一致させただけでは、光束照射位置
ＩＰにパターンエッジが存在したり、被測定試料ＳＰの
表面が粗れていると、その影響を受けて測定用光束と検
出用光束とを良好に分離することができず、測定用光束
が入射する光束照射位置ＩＰでの被測定試料ＳＰの傾き
や表面粗さなどの表面状態を正確に検出することができ
ない。

【００１１】また、光束照射位置ＩＰにパターンエッジ
が存在すると、そのパターンエッジで検出用光束の反射
方向が部分的に変化し、反射される検出用光束の一部が
反射対物レンズＲＯによるケラレを受け、検出精度の低
下を招く。

【００１２】このように、従来例では、光束照射位置Ｉ
Ｐでの被測定試料ＳＰの表面状態を正確に検出すること
ができないため、例えば被測定試料ＳＰが傾いたままで
膜厚測定を行ってしまい、膜厚測定の信頼性を低下させ
ていた。

【００１３】なお、かかる問題は膜厚測定装置に限られ
たものではなく、測定用光束を反射対物レンズを介して
被測定試料に照射し、光学的測定を行う光学測定装置全
般の問題である。

【００１４】そこで、この発明は、上記課題を解決する
ためになされたもので、測定用光束が入射する光束照射
位置での被測定試料の表面の傾きや表面粗さなどの表面
状態を正確に検出することで測定の信頼性を向上させる
ことができる光学測定装置を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、測定
用光束を発生する測定用光源と、第１および第２反射ミ
ラーを有する反射対物レンズとを備え、前記測定用光源
からの測定用光束を前記第１および第２反射ミラーで順
次反射して被測定試料に照射し、前記被測定試料の光学
的測定を行う光学測定装置であって、上記目的を達成す
るため、検出用光束を発生する検出用光源と、前記第１
反射ミラーに設けられた貫通孔内に配置され、前記被測
定試料の表面のうち前記測定用光束が照射される光束照
射位置に前記検出用光源からの検出用光束を導く屈折系
レンズと、前記第１反射ミラーと前記被測定試料との間
に配置され、前記被測定試料によって反射された測定用
および検出用光束を検出する検出手段と、前記検出器に
より検出される測定用および検出用光束の強度分布に基
づき、前記被測定試料の表面状態を判別する判別手段
と、を備えている。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、この発明にかかる光学測
定装置の一の実施形態を示す図である。この光学測定装
置は、照明光学系２、結像光学系３、分光ユニット４お
よび表面状態検出ユニット５を備えており、従来例（図
１１）と相違する点は、被測定試料ＳＰの表面状態を検
出するための表面状態検出ユニット５が付加されている
点である。その他の構成は同一であるため、ここでは、
同一構成に同一符号を付してその説明を省略する。

【００１７】この表面状態検出ユニット５は、検出用光
束を発生するための半導体レーザ（検出用光源）５１を
備えており、この半導体レーザ５１からの検出用光束
は、レンズ５２によってプレートＰＰと共役な位置に集
光させた後、さらにハーフミラー５３を介して測定用光
束の光路上に配置されたハーフミラー５４に入射してい
る。このハーフミラー５４は軸外楕円面鏡ＥＭと視野絞
りＦＳとの間に配置されて、入射してきた検出用光束を
測定用光束と同一光路でハーフミラーＨＭ側に導く。そ
して、このハーフミラーＨＭに入射した検出用光束はさ
らに結像光学系３側に反射される。なお、同図において
は、測定用光束との区別を容易にするために、半導体レ
ーザ５１からの検出用光束に対して斜線ハッチングを施
している。

【００１８】また、この表面状態検出ユニット５では、
その一構成要素である屈折系レンズ５５が、図２に示す
ように測定用および検出用光束の光路に沿って第１反射
ミラーＲＯ1を貫くように設けられた貫通孔ＴＨ内に配
置されている。このため、ハーフミラーＨＭからの検出
用光束が貫通孔ＴＨを介して屈折系レンズ５５に入射
し、さらに屈折系レンズ５５によって被測定試料ＳＰの
表面のうち測定用光束が照射される光束照射位置ＩＰに
照射される。

【００１９】さらに、この表面状態検出ユニット５で
は、第１反射ミラーＲＯ1の裏面、つまり被測定試料Ｓ
Ｐ側を向いた面に、検出手段として機能するドーナツ円
盤状の位置検出素子（ＰＳＤ=Photo Sensitive Devic
e）５６が取り付けられており、光束照射位置ＩＰでの
被測定試料ＳＰの表面状態に応じて測定用光束および／
または検出用光束を検出する。なお、光束照射位置での
被測定試料ＳＰの表面状態と、位置検出素子５６上での
光強度との関係については、後で詳説する。

【００２０】なお、図１において、符号６１は被測定試
料ＳＰによって反射され、しかもプレートＰＰと共役な
位置に配置されたプレート６２のピンホールを通過した
検出用光束を受光する受光素子であり、被測定試料ＳＰ
の焦点合わせのために設けられている。

【００２１】図３は、光学測定装置の電気的構成を示す
ブロック図である。この光学測定装置はコンピュータ７
０およびＩ／Ｏポート７１を備えている。コンピュータ
７０はＣＰＵ７２，ＲＯＭ７３およびＲＡＭ７４を有し
ており、後述する各制御や演算を行う。

【００２２】また、ハロゲンランプＨＬ、重水素ランプ
ＤＬおよび半導体レーザ５１には、それぞれ点灯回路７
５〜７７が電気的に接続されている。そして、ハロゲン
ランプＨＬ、重水素ランプＤＬおよび半導体レーザ５１
の点灯／消灯を制御する点灯指令信号をコンピュータ７
０で生成し、それぞれ点灯回路７５〜７７に与えること
で、ハロゲンランプＨＬ、重水素ランプＤＬおよび半導
体レーザ５１がそれぞれ後で説明するタイミングで点灯
／消灯する。

【００２３】さらに、各分光スペクトルのエネルギーに
対応したスペクトル信号が光検出器ＬＩＳから出力され
るが、この信号はＡ／Ｄコンバータ７８でディジタル信
号に変換された後、コンピュータ７０に取込まれるよう
になっている。また、位置検出素子５６および受光素子
６１のそれぞれの出力信号は電流／電圧コンバータ７
９，８０で電圧信号に変換された後、マルチプレクサ８
１およびＡ／Ｄコンバータ８２を介してコンピュータ７
０に取込まれるようになっている。

【００２４】次に、上記のように構成された光学測定装
置の全体動作について説明する。まず、被測定試料ＳＰ
の表面状態を検出するために、ハロゲンランプＨＬ、重
水素ランプＤＬおよび半導体レーザ５１を点灯する。こ
れにより、反射対物レンズＲＯを介して被測定試料ＳＰ
の特定位置（光束照射位置ＩＰ）に測定用および検出用
光束が照射されるとともに、光束照射位置ＩＰで反射さ
れて、反射対物レンズＲＯ側に戻る。

【００２５】この反射対物レンズＲＯ側に戻ってきた測
定用および検出用光束は、光束照射位置ＩＰでの表面状
態に応じて、位置検出素子５６に入射することなく光検
出器ＬＩＳや受光素子６１に入射したり、あるいは一部
が位置検出素子５６に入射したりする。しかも、位置検
出素子５６に測定用および検出用光束が入射する場合、
表面状態に応じて位置検出素子５６での測定用光束およ
び検出用光束の光強度の分布が異なる。したがって、位
置検出素子５６での被測定試料ＳＰにより反射された測
定用光束および検出用光束の光強度をそれぞれ求め、そ
の光強度の分布を調べることで光束照射位置ＩＰでの被
測定試料ＳＰの表面状態を検出することができる。

【００２６】ここで、被測定試料ＳＰの表面状態を検出
するためには上記のように被測定試料ＳＰにより反射さ
れた測定用光束および検出用光束の光強度をそれぞれ独
立して得る必要があるが、上記のように構成された光学
測定装置では両反射光束は一部重なった状態となるの
で、両者を分離する工夫が必要となる。そこで、この実
施形態では、点灯回路７７からパルス状の信号を与えて
半導体レーザ５１から出射される検出用光束のみを変調
させている。これによって、変調されていない測定用光
束と変調された検出用光束とを明確に分離することがで
き、測定用光束および検出用光束の光強度をそれぞれ独
立して求めることができる。

【００２７】次に、上記のようにして位置検出素子５６
でそれぞれ分離して求められる測定用光束および検出用
光束の光強度と、光束照射位置ＩＰでの被測定試料ＳＰ
の表面状態との関係について、３つの場合に分けて説明
する。

【００２８】＜光束照射位置ＩＰで試料表面が水平状態
にあるとき＞光束照射位置ＩＰでの被測定試料ＳＰの表
面が水平状態で、しかも焦点が合っているとき（図４）
には、屈折系レンズ５５によって被測定試料ＳＰに照射
された検出用光束（同図において斜線ハッチングを施し
た光束）は被測定試料ＳＰの表面で反射され、同一経路
を経て屈折系レンズ５５に戻る。このため、検出用光束
は位置検出素子５６に全く入射せず、位置検出素子５６
での検出用光束の光強度はゼロとなる。また、測定用光
束は同図の矢印で示す経路で進むので、位置検出素子５
６に全く入射せず、位置検出素子５６での検出用光束の
光強度はゼロとなる。

【００２９】また、光束照射位置ＩＰでの被測定試料Ｓ
Ｐの表面が水平状態で、しかも焦点が合っていないとき
（図５）には、屈折系レンズ５５によって被測定試料Ｓ
Ｐに照射された検出用光束（同図において斜線ハッチン
グを施した光束）は被測定試料ＳＰの表面で反射される
が、入射のときの経路と異なる経路で屈折系レンズ５５
に戻り、貫通孔ＴＨと同心で、しかも貫通孔ＴＨより広
がりを持った光束として位置検出素子５６に入射する。
このため、位置検出素子５６では検出用光束の光強度が
図６に示すように同心円環状の領域ＡDに対応する分布
をとり、これに関連する信号が位置検出素子５６から出
力され、コンピュータ７０に取込まれる。

【００３０】なお、上記においては、被測定試料ＳＰが
合焦点位置（図５の点線位置）から下方側に位置してい
る場合について説明したが、上方側に位置している場合
も同様である。

【００３１】以上のように、光束照射位置ＩＰでの試料
表面が水平状態にあるときには、位置検出素子５６での
検出用光束の光強度の分布はゼロあるいは貫通孔ＴＨと
同心円環状となるので、位置検出素子５６からの出力信
号に基づきコンピュータ７０で光束照射位置ＩＰでの被
測定試料ＳＰの表面が水平状態にあるどうかを判断する
ことができる。

【００３２】＜光束照射位置ＩＰでの試料表面が傾いて
いるとき＞被測定試料ＳＰ全体が傾くなどによって光束
照射位置ＩＰでの被測定試料ＳＰの表面が傾いている場
合には、被測定試料ＳＰによって反射された測定用およ
び検出用光束はともに位置検出素子５６に入射する。こ
こでは、測定用および検出用光束の場合に分けて説明す
る。

【００３３】図７は、光束照射位置ＩＰでの試料表面が
傾いているときに測定用光束がどのように進むかを示す
図である。同図においては、理解を容易にするため、測
定用光束の一部のみを示しており、上記において説明し
たように光束照射位置ＩＰでの試料表面が傾いていない
ときの測定用光束の光路経路を破線で示している。同図
に示すように、光束照射位置ＩＰでの被測定試料ＳＰの
表面が水平状態から角度Δθだけ傾いていると、被測定
試料ＳＰの表面で反射された測定用光束は被測定試料Ｓ
Ｐの傾き方向と同一方向に角度２Δθだけずれる。この
ため、反射された測定用光束の一部が位置検出素子５６
にかかり、図８に示すように、位置検出素子５６では測
定用光束の光強度が三日月状の領域ＡMに対応する分布
をとり、これに関連する信号が位置検出素子５６から出
力され、コンピュータ７０に取込まれる。

【００３４】図９は、光束照射位置ＩＰでの試料表面が
傾いているときに検出用光束がどのように進むかを示す
図である。同図に示すように、光束照射位置ＩＰでの被
測定試料ＳＰの表面が水平状態から角度Δθだけ傾いて
いると、被測定試料ＳＰの表面で反射された検出用光束
は、測定用光束の場合と同様に、被測定試料ＳＰの傾き
方向と同一方向に角度２Δθだけずれる。このため、反
射された検出用光束が屈折系レンズ５５に戻らず、位置
検出素子５６に入射する。このため、図８に示すよう
に、位置検出素子５６に検出用光束のスポットが形成さ
れ、位置検出素子５６では検出用光束の光強度が円形領
域ＡDに対応する分布をとり、これに関連する信号が位
置検出素子５６から出力され、コンピュータ７０に取込
まれる。

【００３５】なお、位置検出素子５６への測定用および
検出用光束の入射位置は、図８に示すように、中心を挟
んで相互に反対方向にある。

【００３６】以上のように、光束照射位置ＩＰでの被測
定試料ＳＰの表面が傾いているときには、位置検出素子
５６での測定用および検出用光束の光強度の分布は中心
を挟んで相互に反対方向に現れるので、位置検出素子５
６からの出力信号に基づきコンピュータ７０で光束照射
位置ＩＰでの被測定試料ＳＰの表面が傾いているかどう
かを判断することができる。

【００３７】＜光束照射位置ＩＰにパターンエッジが存
在する、あるいは表面が粗いとき＞図１０は、光束照射
位置ＩＰにパターンエッジが存在するときに測定用およ
び検出用光束がどのように進むかを示す図である。同図
に示すように、光束照射位置ＩＰにパターンエッジが存
在すると、その光束照射位置ＩＰに入射してきた測定用
および検出用光束はパターンエッジによって散乱され、
その散乱光の一部が位置検出素子５６の全面に入射す
る。したがって、位置検出素子５６では、測定用および
検出用光束の光強度は全面にわたって微弱であり、しか
もほぼ均一な分布をとり、これに関連する信号が位置検
出素子５６から出力され、コンピュータ７０に取込まれ
る。

【００３８】なお、光束照射位置ＩＰでの被測定試料Ｓ
Ｐの表面が粗い場合にも、光束照射位置ＩＰにパターン
エッジが存在する場合と同様に、その光束照射位置ＩＰ
に入射してきた測定用および検出用光束は試料表面によ
って散乱され、その散乱光の一部が位置検出素子５６の
全面に入射するので、位置検出素子５６では、測定用お
よび検出用光束の光強度は全面にわたって微弱であり、
しかもほぼ均一な分布をとり、これに関連する信号が位
置検出素子５６から出力され、コンピュータ７０に取込
まれる。

【００３９】このように、光束照射位置ＩＰにパターン
エッジが存在したり、光束照射位置ＩＰで表面が粗いと
きには、位置検出素子５６での測定用および検出用光束
の光強度の分布はほぼ全面にわたって均一となっている
ので、位置検出素子５６からの出力信号に基づきコンピ
ュータ７０で光束照射位置ＩＰにパターンエッジが存在
しているとか、光束照射位置ＩＰでの被測定試料ＳＰの
表面が粗いなどの状態にあることを判断することができ
る。

【００４０】上記において説明したように、この実施形
態にかかる光学測定装置では、第１反射ミラーＲＯ1に
貫通孔ＴＨを設け、その貫通孔ＴＨ内に配置された屈折
系レンズ５５を介して検出用光束を光束照射位置ＩＰに
照射しているので、測定用光束と検出用光束とが同一光
軸に沿って同一の光束照射位置ＩＰに照射され、装置の
小型化が可能で、しかも高い信頼性で表面状態を検出す
ることができる。さらに、第１反射ミラーＲＯ1の裏面
側に取り付けられた位置検出素子５６での被測定試料Ｓ
Ｐの表面で反射された測定用および検出用光束の光強度
の分布を求め、その分布の様子から光束照射位置ＩＰで
の被測定試料ＳＰの表面状態を検出するようにしている
ので、光束照射位置ＩＰでの試料表面が傾いているのみ
ならず、光束照射位置ＩＰにパターンエッジが存在す
る、あるいは表面が粗いなどの表面状態を正確に検出す
ることができる。

【００４１】続けて光学測定装置の動作について説明す
る。このようにして光束照射位置ＩＰでの被測定試料Ｓ
Ｐの表面状態を正確に検出した後、その検出結果に応じ
て次の処理を行う。すなわち、コンピュータ７０は、上
記のようにして「光束照射位置での試料表面が傾いてい
る」、あるいは「光束照射位置にパターンエッジが存在
する、あるいは表面が粗い」と判断すると、実際の測定
（膜厚測定）を実行せず、被測定試料ＳＰの表面状態を
ＣＲＴ画面（図示省略）上に表示して、オペレータにそ
の旨を知らせ、当該光束照射位置での測定処理を中止す
る。一方、「光束照射位置での試料表面が水平状態にあ
る」と判断すると、半導体レーザ５１のみ消灯し、ハロ
ゲンランプＨＬおよび重水素ランプＤＬからの測定用光
束を光束照射位置ＩＰに照射するとともに、被測定試料
ＳＰの表面で反射された光束を凹面回析格子ＨＧで分光
し、各分光スペクトルのエネルギーに対応したスペクト
ル信号として光検出器ＬＩＳで検出する。そして、その
出力信号をＡ／Ｄコンバータ７８を介してコンピュータ
７０に取り込み、被測定試料ＳＰの実測分光反射率を算
出した後、この実測分光反射率について、予め適当な膜
厚ピッチごとに理論的に算出しておいた検量線分光反射
率との偏差量を演算し、偏差量が最小となる膜厚値を求
め、その結果をＣＲＴ画面に表示する。

【００４２】このように実際の測定に先立って被測定試
料ＳＰの表面状態を検出し、表面状態が良好である場合
のみ実際の測定を行うようにしているので、測定信頼性
を向上させることができる。

【００４３】なお、上記実施形態では、第１反射ミラー
ＲＯ1の裏面に位置検出素子５６を取り付けているが、
位置検出素子５６の配置はこれに限定されるものではな
く、第１反射ミラーＲＯ1と被測定試料ＳＰの間の任意
の位置に位置検出素子５６を配置することで上記実施形
態と同様の効果が得られる。

【００４４】また、上記のように構成された光学測定装
置では貫通孔ＴＨを検出用光束の波長域の光束のみなら
ずそれ以外の波長域の光束も通過するが、特定の波長域
（検出用光束の波長域）の光束のみを通過させるために
は、貫通孔ＴＨ内に検出用光束の波長域のみを透過させ
るバンドパスフィルタを配置したり、検出用光束の波長
域としてを測定用光束の波長域からずれた波長域を選択
することができる。

【００４５】また、上記実施形態では被測定試料ＳＰの
焦点合わせとして受光素子６１を用いているが、焦点合
わせの手法はこれに限定されるものではなく、被測定試
料ＳＰの表面と共役な位置に検出用光束を結像させ、こ
の検出用光束のビーム径が最小になる位置を検出するこ
とで焦点位置を検出する方法や、シリンドリカルレンズ
を組み合わせた非点収差方式の焦点合わせを用いること
ができる。

【００４６】また、上記実施形態では、位置検出素子５
６としてＰＳＤを用いているが、光強度の分布状態を検
出することができる素子であれば、どのような素子を用
いてもよい。

【００４７】さらに、上記においては、光学測定装置と
して被測定試料ＳＰの膜厚を測定する装置（膜厚測定装
置）を例示して説明したが、膜厚測定装置以外の光学測
定装置にも本発明を適用可能である。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、検出
光源からの検出用光束を第１反射ミラーに設けられた貫
通孔内に配置された屈折系レンズを介して光束照射位置
に照射するとともに、被測定試料の表面で反射された測
定用および検出用光束を第１反射ミラーと被測定試料と
の間に配置された検出手段で検出し、この検出器により
検出された測定用および検出用光束の強度分布に基づ
き、被測定試料の表面状態を判別するようにしているの
で、光束照射位置での被測定試料の表面の傾きのみなら
ず、パターンエッジの存在や表面粗さなども検出するこ
とができ、正確に被測定試料の表面状態を検出すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる光学測定装置の一の実施形態
を示す図である。

【図２】屈折系レンズおよび位置検出素子の反射ミラー
への取付状態を示す拡大断面図である。

【図３】図１の光学測定装置の電気的構成を示す図であ
る。

【図４】光束照射位置での被測定試料の表面が水平状態
で、しかも焦点が合っているときに測定用および検出用
光束がどのように進むかを示す図である。

【図５】光束照射位置での被測定試料の表面が水平状態
で、しかも焦点が合っていないときに検出用光束がどの
ように進むかを示す図である。

【図６】光束照射位置での被測定試料の表面が水平状態
で、しかも焦点が合っていないときの位置検出素子への
検出用光束の入射状態を模式的に示した図である。

【図７】光束照射位置での被測定試料の表面が傾いてい
るときに測定用光束がどのように進むかを示す図であ
る。

【図８】光束照射位置での被測定試料の表面が傾いてい
るときの位置検出素子への測定用および検出用光束の入
射状態を模式的に示す図である。

【図９】光束照射位置での被測定試料の表面が傾いてい
るときに検出用光束がどのように進むかを示す図であ
る。

【図１０】光束照射位置にパターンエッジが存在すると
きに測定用および検出用光束がどのように進むかを示す
図である。

【図１１】従来の光学測定装置（膜厚測定装置）の従来
例を示す図である。

【符号の説明】

５ 表面状態検出ユニット ５１ 半導体レーザ（検出用光源） ５５ 屈折系レンズ ５６ 位置検出素子（検出手段） ７０ コンピュータ（判別手段） ＤＬ 重水素ランプ（測定用光源） ＨＬ ハロゲンランプ（測定用光源） ＩＰ 光束照射位置 ＲＯ1 第２反射ミラー ＲＯ2 第２反射ミラー ＲＯ 反射対物レンズ ＳＰ 被測定試料 ＴＨ 貫通孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定用光束を発生する測定用光源と、第
   １および第２反射ミラーを有する反射対物レンズとを備
   え、前記測定用光源からの測定用光束を前記第１および
   第２反射ミラーで順次反射して被測定試料に照射し、前
   記被測定試料の光学的測定を行う光学測定装置におい
   て、 検出用光束を発生する検出用光源と、 前記第１反射ミラーに設けられた貫通孔内に配置され、
   前記被測定試料の表面のうち前記測定用光束が照射され
   る光束照射位置に前記検出用光源からの検出用光束を導
   く屈折系レンズと、 前記第１反射ミラーと前記被測定試料との間に配置さ
   れ、前記被測定試料によって反射された測定用および検
   出用光束を検出する検出手段と、 前記検出器により検出される測定用および検出用光束の
   強度分布に基づき、前記被測定試料の表面状態を判別す
   る判別手段と、を備えたことを特徴とする光学測定装
   置。