JPH10239037A

JPH10239037A - 観察装置

Info

Publication number: JPH10239037A
Application number: JP9058575A
Authority: JP
Inventors: Satoru Fukumoto; 哲福本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】観察する試料が傾いている場合にも、常に正
確な寸法測定等の観察を行うことが出来る。【解決手段】本発明の観察装置は、試料面を照明する
照明光学系１３と、前記試料面からの光束を集光して、
試料面の像を形成する対物光学系１４と、前記試料面の
像を光電検出する撮像手段１６と、前記対物光学系の少
なくとも一部を介して前記試料面からの光束を光電検出
して、前記対物光学系の試料面側の焦点面と前記試料面
との整合状態を検出する焦点検出系１９とを備えた観察
装置において、前記試料面の傾きを検出する傾斜検出手
段３３，３４，３５と、前記傾斜検出手段にて検出され
た前記試料面の傾きに応じて、前記対物光学系の光軸を
調整する調整手段３８とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は観察装置、特に、液
晶基板上の形成パターン等の段差のあるパターンの寸法
を測定、観察するための観察装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来から知られている寸法測定等
に用いる観察装置の構成の概略を示した図である。図４
に示す観察装置は、試料ホルダ１に保持された試料２に
光を照射する照明光学系３と、試料面からの反射光を集
光する対物レンズ４と、対物レンズ４を透過した光束を
結像する結像光学系５と、結像光学系５により結像され
た試料像を光電変換する撮像手段６とを備えている。か
かる光学系では、光路分割手段７、８により、照明光学
系３と結像光学系５とが、対物レンズ４に関して、共通
の光軸を有するように構成されている。

【０００３】また、オートフォーカス手段９は、試料面
と対物レンズ４の焦点面とのずれを検出し、不図示の駆
動手段を介して対物レンズ４または試料ホルダ１を移動
させる事により、試料２の測定面に対物レンズ４の焦点
を自動的に合焦させることが可能である。実際の寸法測
定においては、順次、試料２が試料ホルダ１に保持さ
れ、対物レンズ４の焦点位置にセットされる。そして、
試料２に施されたパターンを撮像手段６にて観察し、撮
像素子上でのパターンの大きさ、結像倍率などに基づい
て、実際の試料上のパターンの寸法を求めるものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
観察装置では、試料が試料ステージ上あるいは試料ホル
ダー上で、傾いて取り付けられると、基板上の形成パタ
ーンを斜め方向から観察することとなり、正確な寸法測
定を行うことが出来ない。

【０００５】また、寸法測定等に用いる観察装置では、
試料上での長さが観察面上で正確に測定されなければな
らない。換言すると、試料面での等間隔パターンを測定
した場合に、観察面においても、等間隔のパターンが結
像していなければ正確な寸法測定をすることが不可能で
ある。さらに、試料の位置が光軸に対して多少前後して
も、正確に寸法を測定できることも必要である。このた
め、寸法測定等に用いる観察装置では、瞳が無限大位置
にある（無限大の位置で主光線が光軸と交わる、つまり
平行で交わらない）、いわゆるテレセントリック光学系
を採用している。

【０００６】さらに、従来の観察装置の観察光学系にお
いて、対物レンズ４を高倍率にすると、対物レンズを構
成するレンズ枚数が多くなるため、瞳はレンズ群の中に
形成されることとなってしまう。かかる現象は、対物レ
ンズの倍率が高倍率になればなるほど顕著になる。この
結果、瞳がレンズ系内に形成されているので、対物レン
ズ４を通って撮像手段に到達する光束の大きさを決める
ための開口絞りを、実際の瞳の位置とは異なる位置に配
置しなければならない。

【０００７】瞳位置と絞り位置が異なると、主光線が光
軸に対して平行ではなく、傾いてくるので、いわゆるテ
レセントリシティが悪化する。主光線が傾くと、段差の
あるパターンを測定する際に、像高により試料面に対し
取り込む光束の中心が傾いてしまい、測定値が実際の値
とは異なる値として測定されてしまい、正確な寸法測定
を行うことができなくなり問題である。

【０００８】かかる、テレセントリシティの悪化は、観
察・結像光学系だけではなく、照明光学系についても、
同様に起きる現象である。すなわち、照明光学系につい
て、瞳位置と絞り位置が異なると、試料を照明する光が
光軸に対して傾くこととなる。この結果、たとえ、試料
が正確に設置されていたとしても、試料を斜めから照明
することとなり、段差のあるパターンなどでは、斜め照
明に起因する影を生じてしまい、正確な寸法測定を行う
ことができないという問題が生ずる。

【０００９】そこで、本発明は、かかる問題について鑑
みてなされたものであり、順次セットされる試料が傾い
た場合でも、正確に試料上のパターンの寸法、特に、段
差のパターンの寸法等を測定する事が可能な観察装置を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明は、試料面を照明する照明光学系と、前記
試料面からの光束を集光して、試料面の像を形成する対
物光学系と、前記試料面の像を光電検出する撮像手段
と、前記対物光学系の少なくとも一部を介して前記試料
面からの光束を光電検出して、前記対物光学系の試料面
側の焦点面と前記試料面との整合状態を検出する焦点検
出系とを備えた観察装置において、前記試料面の傾きを
検出する傾斜検出手段と、前記傾斜検出手段にて検出さ
れた前記試料面の傾きに応じて、前記対物光学系の光軸
を調整する調整手段とを有することを特徴としている。

【００１１】本発明では、かかる構成により、試料ホル
ダにセットされた試料の傾きを検出して、そのデータを
基に対物光学系の光軸を調整すること、すなわち主光線
を傾けることができるので、試料が傾いていても寸法測
定等を良好に行うことが出来る。また、次々とセットさ
れる試料に対しても、迅速に測定又は観察を行うことが
可能である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる実施例を添
付した図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施例
の構成を示す図である。本実施例の観察装置は、試料ホ
ルダ１１に保持された液晶基板などの試料１２を照明す
るための照明光学系１３と、試料面からの反射光を集光
する対物レンズ１４と、対物レンズの瞳２０をリレーす
るためのリレー光学系１５ａと、試料１２で反射し対物
レンズ１４およびリレー光学系１５ａとを透過した光束
を結像する結像光学系１５ｂと、結像光学系１５ｂによ
り結像された試料像を光電変換するためのＣＣＤなどの
撮像手段１６とを備えている。

【００１３】また、ハーフミラーなどの光路分割手段１
７、１８を用いて、照明光学系１３とリレー光学系１５
ａと結像光学系１５ｂとが共通の光軸を持つように構成
しているので、照明光と試料からの反射光は共に対物レ
ンズ１４を透過することとなる。ここで、対物レンズ１
４の瞳２０と観察側（結像系）開口絞り２２が、試料面
１２と観察側視野絞り２１がそれぞれ光学的に共役な関
係になっている。かかる共役関係を保つということは、
換言すると、対物レンズ１４の瞳２０をリレーレンズ系
１５ａでリレーして、リレーした位置へ開口絞り２２を
置くことができる、ということを意味する。すなわち、
対物レンズ１４が高倍率になって、瞳位置が対物レンズ
の光学系内に入ってしまい、実際の瞳位置に開口絞りを
配置する事ができない場合でも、リレーされた瞳位置に
開口絞りを置くことができるので、光学系のテレセント
リシティを保つことが可能である。この結果、高倍の対
物レンズを用いても、正確な寸法測定を行うことができ
る。

【００１４】一方、オートフォーカス装置１９は、対物
レンズ１４の焦点面を試料面１２に合致させるように、
その整合状態をハーフミラー１８及び対物レンズ１４を
介して検出している。

【００１５】そして、オートフォーカス装置１９は、光
電検出された情報に基づき、不図示の駆動系を介して対
物レンズ１４または試料ホルダ１１を上下方向（対物レ
ンズ１４の光軸方向）に移動させて、対物レンズ１４の
焦点面と試料面１２とが合致するように合焦をおこな
う。また、ハーフミラー１７の反射方向に設けられてい
る照明光学系は、照明光を供給する光源ＬＳと、光源Ｌ
Ｓからの照明光を集光する集光レンズＬ１と、その集光
レンズＬ１の集光位置に配置された照明側開口絞り２４
と、この開口絞りの像を対物レンズ１４の瞳に形成する
コンデンサー光学系（Ｌ２，Ｌ３）とを有している。そ
して、コンデンサー光学系中には、視野絞り２３が設け
られている。

【００１６】照明光学系１３は、対物レンズ１４の瞳２
０と照明系開口絞り２４が、試料面１２と照明系視野絞
り２３がそれぞれ共役となるケーラー照明となってい
る。上記観察側光学系と同様に、高倍の対物レンズを使
用した場合でも、照明光学系におけるテレセントリシテ
ィ、すなわち、試料に対する垂直な照明が可能である。
したがって、段差のあるパターン等を測定したときで
も、斜め照明による影などが発生せずに、正確な寸法測
定を行うことができる。

【００１７】次に、測定手順を説明する。順次、試料ホ
ルダ１１に保持された試料１２が対物レンズ１４の焦点
位置にセットされると、図示しない傾斜検出手段により
試料１２の傾きが検出される。得られた傾きに関するデ
ータを基にして、観察側開口絞り２２を光軸に垂直な面
内で移動させ対物光学系（２０，１５ａ、１５ｂ）の光
軸を調整する。

【００１８】かかる光軸の調整について、図５に基づい
てさらに詳しく説明する。光学系のテレセントリシティ
を維持し、正確な寸法測定等を行うためには、観察側の
光学系Ｌを考えた場合、図５（ａ）で示すように主光線
ＣＲが試料面Ｏに対して垂直であることが必要である。
主光線ＣＲは開口絞りＡＳの中心を通る光線であり、テ
レセントリックな光学系では、光学系Ｌの光軸ＡＸに対
して平行である。

【００１９】なお、図５に示す光学系Ｌは、図１におけ
る対物レンズ１４とリレー光学系１５ａとの合成系に相
当する。また、図５に示す光学系Ｌを後述する照明光学
系の一部として見たときには、図１における対物レンズ
１４とコンデンサー光学系（Ｌ２，Ｌ３）との合成系に
相当する。

【００２０】ところが、図５（ｂ）で示すように試料面
Ｏが傾くと、主光線ＣＲと傾いた試料面Ｏ’の法線との
間に角度ズレθが生じてしまい正確な寸法測定等が出来
なくなる。そこで、開口絞りＡＳをＡＳ’の位置へ移動
させると、主光線はＡＳ’の中心を通る光線であるので
ＣＲ’になる。このとき、試料Ｏの傾きθに応じて、開
口絞りＡＳの中心を通るレンズ系Ｌの光軸ＡＸは、図５
（ｂ）のＡＸ’に示すように傾斜するが、開口絞りＡＳ
のΔｍの移動によって、これの中心を通る光軸ＡＸ’
は、開口絞りＡＳの移動前の光軸ＡＸと平行になる。

【００２１】従って、図５（ｂ）のように試料面Ｏの傾
きθに応じて、開口絞りＡＳを光軸ＡＸに対して垂直な
方向へΔｍだけ動かして光軸を調整してやれば、傾いた
試料面Ｏ’に対して主光線ＣＲ’が垂直になり、テレセ
ントリックな系となり、正確な寸法測定等を行うことが
出来る。

【００２２】以上、観察側の光学系について述べたが、
照明側の光学系につても同様のことがいえる。すなわ
ち、照明光学系に設けられた開口絞り２４を照明光学系
の光軸に対して垂直に動かし光軸を調整することで、照
明側の主光線と試料面のなす角度を任意に調整する事が
可能である。

【００２３】従って、開口絞りの移動により、試料面１
２上を観察及び計測するための対物レンズ１４の光軸及
び、照明光学系の光軸と、試料面１２に垂直に交わる傾
斜した軸（傾斜した光軸）との角度ズレを無くすること
が出来る。

【００２４】次に、傾斜検出手段の例を図２に示す。図
２において、試料面３２に試料のパターン寸法を計測す
るための照明光源とは別に、半導体レーザ等の光源３１
を設け、光源３１からの光束を試料３２に照射し、その
反射光を集光させて位置検出センサなどの位置検出手段
３３により集光位置を検出している。このとき、位置検
出センサ３３上の集光点の位置の移動から、試料３２の
傾きを検出することができる。

【００２５】かかる傾斜検出手段を用いた本発明の観察
装置の他の例を図３に基づいて説明する。図３において
は、図２で説明した傾斜検出手段とは別に、さらに加え
て、照明光源からの光束の試料面１２からの反射光束を
利用して、傾斜検出光学系３４及び位置検出センサ３５
により試料面１２の傾きを検出する事も可能である。こ
れらの傾斜検出手段は単一で装置に組み込んでもよい
が、組み合わせて使用すればより正確に試料の傾斜を検
出することが出来る。

【００２６】傾斜検出部からの試料の傾きに関するデー
タは、光学系のテレセントリシティを制御するテレセン
トリシティ制御部３７に取り込まれ、駆動部３８により
観察側、照明側の各開口絞り２２、２４を駆動する。照
明光学系の開口絞り２４を移動させることで、照明側の
主光線を傾かせることができ、観察側の開口絞り２２を
移動させることで、結像光（試料から反射してきた光で
観察側光学系に取り込まれるもの）の主光線を傾かせる
ことが出来る。このため、試料１２が傾いている場合で
も、主光線を傾けることにより、傾いた試料に対して、
光学系のテレセントリシティを保つことが出来、正確な
寸法測定を行うことが出来る。なお、主光線を傾かせる
ためには、開口絞りの移動に限らず、他の光学部品を移
動させることにより行ってもよい。

【００２７】また、テレセントリシティ制御部３７から
のデータに基づいて、ステージ傾き調整手段３９によ
り、試料１２自体の傾きを補正することも可能である。
すなわち、試料１２自体の傾きの補正と、開口絞りの移
動による主光線を傾ける補正を同時に行うこともでき
る。かかる場合には、試料１２自体の傾きの補正は粗調
整に、絞り移動による光束を傾ける補正は微調整に使う
ことが好ましい。

【００２８】なお、本発明では、試料の傾きを検出し、
それを補正することができれば、光学系の配置、傾斜検
出手段、オートフォーカス装置等は実施例に限定される
ものではない。また、本発明の光路分割手段はハーフミ
ラーの他に、ハーフプリズム、ダイクロイックミラー、
ダイクロイックプリズム等を、要求される波長、光量等
に合わせて適宜選択する事が可能である。さらに、線幅
測定装置、重ね合わせ測定装置等の寸法を測定する目的
の装置、顕微鏡や露光装置のアライメント装置であれ
ば、本発明を実施することが可能なことは言うまでもな
い。

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、次々
とセットされる試料面の傾きを検出し、対物光学系の光
軸を調整し、試料の傾きに応じて観察側の主光線を傾け
ているので、常に正確な寸法測定を行うことが出来る。
また、測定、計測時間の短縮化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる観察装置の実施例の概略を示す
図である。

【図２】本発明にかかる傾斜検出装置を示す図である。

【図３】本発明にかかる観察装置の他の実施例を示す図
である。

【図４】従来の観察装置を示す図である。

【図５】主光線と開口絞りの関係を示す図である。

【符号の説明】

１，１１……試料ホルダ２，１２……
試料３，１３……照明光学系４，１４……
対物レンズ５……結像光学系６……撮像素
子７，８，１７，１８，３６……ハーフミラー９，１９……オートフォーカス部１５ａ……リレー光学系１５ｂ……結
像光学系１６……撮像素子２０……対物
レンズ瞳２１……観察側視野絞り２２……観察
側開口絞り２３……照明側視野絞り２４……照明
側開口絞り３１……光源３２……試料３３、３５……位置検出センサ３４……位置
検出光学系３７……テレセントリシティ制御部３８……駆動部３９……ステ
ージ傾き調整部Ｏ、Ｏ’……試料ＡＸ、ＡＸ’
……光軸ＣＲ、ＣＲ’……主光線ＡＳ、ＡＳ’
……開口絞りＬ……レンズＬＳ……光源Ｌ１……集光レンズＬ２、Ｌ３…
…コンデンサー光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料面を照明する照明光学系と、前記試料面からの光束を集光して、試料面の像を形成す
る対物光学系と、前記試料面の像を光電検出する撮像手段と、前記対物光学系の少なくとも一部を介して前記試料面か
らの光束を光電検出して、前記対物光学系の試料面側の
焦点面と前記試料面との整合状態を検出する焦点検出系
とを備えた観察装置において、前記試料面の傾きを検出する傾斜検出手段と、前記傾斜検出手段にて検出された前記試料面の傾きに応
じて、前記対物光学系の光軸を調整する調整手段とを有
することを特徴とする観察装置。
【請求項２】前記調整手段は、前記傾斜検出手段にて
検出された前記試料面の傾きに応じて、さらに、前記照
明光学系の光軸を調整することを特徴とする請求項１記
載の観察装置。
【請求項３】前記調整手段は、前記照明光学系内にお
いて前記対物光学系の瞳と光学的に共役な位置に配置さ
れて、前記照明光学系の光軸と直交する方向に移動可能
な照明側開口絞りと、前記対物光学系内において前記対
物光学系の瞳または該瞳と光学的に共役な位置に配置さ
れて、前記対物光学系の光軸と直交する方向に移動可能
な観察側開口絞りとを有することを特徴とする請求項２
に記載の観察装置。
【請求項４】前記対物光学系は、前記試料面からの光を集光する対物レンズ系と、該対物レンズ系からの光束を受けて該対物レンズの瞳を
再結像するリレー光学系と、該リレー光学系により再結像された瞳からの光を集光し
て前記試料面の像を形成する結像レンズ系と、前記対物レンズ系と前記リレー光学系との間に配置され
た光分割部材とを有し、前記光分割部材は、前記照明光学系からの照明光を前記
対物レンズを介して前記試料面へ導くと共に、該試料面
からの光を前記対物レンズ系を介して前記リレー光学系
へ導く機能を有し、前記観察側開口絞りは、前記リレー光学系により形成さ
れる対物レンズ瞳の像位置に配置されることを特徴とす
る請求項３に記載の観察装置。