JPH11352408A

JPH11352408A - 測定検査用顕微鏡

Info

Publication number: JPH11352408A
Application number: JP10158757A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takeuchi; 淳竹内; Yasushi Oki; 裕史大木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 1999-12-24
Anticipated expiration: 2018-06-08
Also published as: JP4171937B2

Abstract

(57)【要約】【課題】試料上に解像限界付近の周期パターンが存在
していても、安価且つ簡単な構成でコントラストの良い
試料像を得ることができる測定検査用顕微鏡を得る。【解決手段】周期的なパターンを有する試料がステー
ジ上に載置される。照明系は、試料の所定領域に対して
照明光を照射し、観察系は、試料からの光を受けて試料
の像を形成する。照明系は、試料に照射される照明光
を、周期的なパターンの周期方向と同一方向の直線偏光
にする手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は測定検査用顕微鏡に
関し、特に近年微細化の進む半導体を測定、及び検査す
るのに有効な測定検査用顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の測定検査用顕微鏡の光源として
は、タングステンランプやハロゲンランプが一般的に知
られている。タングステンランプやハロゲンランプは通
常ケーラー照明と呼ばれる照明系の光源として使用され
ており、試料に対して全体にムラなく一括で照明できる
ような構成となっている（以降上記のような照明を一括
照明と呼ぶ）。

【０００３】上記照明系にて半導体のように不透明な試
料を検査する際には、反射照明あるいは落射照明と呼ば
れるような照明系を構成し、照明光路と観察光路とを分
岐するために試料と像との間にハーフミラーやハーフプ
リズムなどの光学部材を挿入し照明光が試料の上方から
照射されるように構成する。一括照明によって得られた
試料の反射光は観察系を介して結像され、例えばＣＣＤ
カメラによって撮像される。そして、撮像された試料像
はモニタに映し出され、回路パターンの検査が行なわれ
たり、画像処理によって各種計測（長さや面積等）が行
われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体分野にお
いては、より高密度化、高集積化が進み、測定・検査の
対象となる半導体の回路パターンは微細化してきてい
る。従って、従来の測定検査用顕微鏡においては、より
解像力を高めるために、高ＮＡの対物レンズを用いた
り、より短波長の照明光を用いることによって対応して
いる。

【０００５】しかしながら、回路パターンの周期が顕微
鏡の解像限界に近づくと、像のコントラストが低下し、
回路パターンの検査や線幅の測定等を正確に行なうこと
ができないという問題が生じる。本発明はこのような従
来の問題点に鑑みてなされたもので、試料上に解像限界
付近の周期パターンが存在していても、安価且つ簡単な
構成でコントラストの良い試料像を得ることができる測
定検査用顕微鏡を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の問題を解決するた
め、請求項１記載の本発明は、周期的なパターンを有す
る試料を載置するステージと、試料の所定領域に対して
照明光を照射する照明系と、試料からの光を受けて試料
の像を形成する観察系とを有する顕微鏡であって、照明
系は、試料に照射される照明光を、前記周期的なパター
ンの周期方向と同一方向の直線偏光にする手段を有する
ことを特徴とするものである。

【０００７】図１は、周期方向が互いに直交するＸ及び
Ｙ方向である周期パターン（ＰＴ１、ＰＴ２）を有する
試料をＸ方向の直線偏光の光で照射したときの様子を表
す図である。Ｘ方向の直線偏光の光Ｒで周期パターンＰ
Ｔ１、ＰＴ２を照明した場合、周期方向と偏光方向が一
致している場合とそれに直交する場合とで得られた像の
コントラストが異なる。とくに、パターンの周期が波長
オーダーの微細な凹凸からなる周期構造を反射観察する
場合に顕著である。これは物体の伝導率がゼロでない場
合、周期方向が偏光方向に対し垂直な周期パターンＰＴ
２であると、パターンに電流が流れて光の電場を打ち消
すため、実質的に凹凸構造の溝の内部に光が侵入しにく
くなり、その結果凹凸構造を実際よりも浅く感じてしま
うことによる。

【０００８】従って、周期パターンを照明する場合、凹
凸からなる周期構造に対しては周期方向と偏光方向が一
致しているパターンＰＴ１の方が溝に光が侵入しやす
く、その結果溝による光の位相変調が大きくなり、結果
的に像のコントラストが高まる。したがって周期方向の
構造を測定・検査する場合、故意にこの方向の直線偏光
で照明することが有効である。

【０００９】請求項２記載の本発明は、請求項１記載の
測定検査用顕微鏡において、照明系が、試料に対して直
線偏光の照明光を照射する第１の状態と、試料に対して
円偏光、ランダム偏光、又は非偏光な照明光を照射する
第２の状態とを任意に切換可能とする切換手段を有する
ことを特徴とするものである。測定検査対象の周期パタ
ーン（ＰＴ１）の周期方向と同一方向の直線偏光で照明
すると、上述の如くその周期パターンに直交するパター
ン（ＰＴ２）のコントラストが低くなるので、Ｘ方向と
Ｙ方向との像の見えが異なり、均一な観察像を得ること
ができない。

【００１０】従って、試料観察時は、円偏光、ランダム
偏光、又は非偏光な照明光によって試料を観察する。こ
の時、観察視野内の回路パターンは全体的に均一なコン
トラストとなるため、観察しやすくなる。このように、
円偏光、ランダム偏光、又は非偏光な照明光によって試
料を観察し、測定検査対象の周期パターンを観察視野内
に配置した後、周期パターンの周期方向と同一方向の直
線偏光で照射すれば、そのパターン像はコントラストが
高くなり、正確な測定・検査を行なうことができる。

【００１１】第１の状態と第２の状態との切換えは、例
えば、照明光路内に偏光状態を変える光学素子を挿脱し
たり、偏光状態の異なる照明光路を切り替えたりするこ
とによって達成できる。請求項３記載の本発明は、請求
項１又は２記載の測定検査用顕微鏡において、照明系
が、試料に対する直線偏光の偏光方向を変更可能な偏光
状態可変手段をさらに有することを特徴とする。

【００１２】測定・検査対象の周期パターンは、必ずし
も観察視野内の所定方向（例えばＸ方向）に並んでいる
とは限らず、それに直交する方向（Ｙ方向）に並んでい
る場合もある。従って、偏光状態可変手段によって直線
偏光の偏光方向を変えることにより、測定・検査対象の
周期パターンがどのような方向に並んでいても、正確に
測定・検査を行なうことができる。

【００１３】偏光状態可変手段としては、１／２波長板
がもっとも一般的に用いられる。具体的には、１／２波
長板の光学軸方向を、入射直線偏光に対し、偏光回転角
の半分の角度だけ傾けて配置すればよい。このほか、一
般的ではないが、ファラデーローテータのような磁気光
学効果を使った旋光素子も使用可能である。以上はもと
もとの入射光が直線偏光している場合であるが、もとの
入射光が非偏光（熱光源など）やランダム偏光（ファイ
バー通過後など）である場合は一方の偏光面のみを透
過、または反射させる偏光子が必要になる。この場合、
もちろん偏光面の回転は偏光子を回転させることによっ
て行う。

【００１４】請求項４記載の本発明は、請求項２記載の
測定検査用顕微鏡において、直線偏光にする手段が、直
線偏光のレーザ光を射出するレーザ光源であり、切換手
段は、試料に照射される光が円偏光又はランダム偏光と
なるように、光源からの直線偏光を円偏光又はランダム
偏光に変換する変換部材を有し、変換部材を照明光路に
挿脱可能に配置すること特徴とする。

【００１５】光源に直線偏光のレーザ光を射出するレー
ザ光源を用いることにより、パワーの大きな照明光を得
ることができる。また、変換部材を照明光路に挿脱する
ことにより、直線偏光による照明と、円偏光又はランダ
ム偏光による照明とを簡単に切り換えることができる。
請求項５記載の本発明は、請求項３記載の測定検査用顕
微鏡において、偏光状態可変手段が、照明光路に配置さ
れた１／２波長板を有し、１／２波長板は、照明光路に
対する挿脱と照明光路内での回転との少なくとも一方が
可能であることを特徴とする。

【００１６】１／２波長板を照明光路に挿脱することに
より、レーザ光源からの直線偏光の方向を簡単に異なる
方向に切り換えることができる。また、照明光路で回転
可能に配置されることにより、レーザ光源からの直線偏
光の方向を簡単に任意の方向に切り換えることができ
る。請求項６記載の本発明は、請求項２又は３記載の測
定検査用顕微鏡において、照明系は、非偏光の光を射出
する光源を有し、直線偏光にする手段は、照明光路に配
置されたポラライザを有し、ポラライザは、照明光路に
対する挿脱と照明光路内での回転との少なくとも一方が
可能であることを特徴とする。

【００１７】光源からの非偏光な光は、ポラライザを介
して直線偏光となる。このポラライザを照明光路に挿脱
することにより、照明光を非偏光な光と直線偏光の光と
に簡単に切り換えることができ、観察時、検査・測定時
ともに最適な試料像を得ることができる。また、ポララ
イザが照明光路内で回転することにより、偏光方向を任
意の方向に変更することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の測定検査用顕微
鏡における第１実施形態の概略構成を示す図である。レ
ーザ光源１は、直線偏光のレーザ光を射出する。本実施
形態におけるレーザ光源は、例えば２６６ｎｍの極紫外
域の波長のレーザ光を射出する。このレーザ光は、顕微
鏡本体（不図示）内に設けられた照明光学系の光路に導
かれ、拡散板３によって拡散される。この拡散板３はモ
ータ４によって光路に垂直な面内で回転される。拡散板
３を透過した光は、リレー光学系５、開口絞り６、視野
絞り７を介してハーフミラー８に入射する。

【００１９】ハーフミラー８によって反射したレーザ光
は、対物レンズ９を介して試料１０上の所定領域に一括
照射される。本実施形態の照明光学系（３、５、６、
７、８、９）は、試料１０に対してケーラー照明を達成
するように構成されている。試料１０からの反射光は、
ハーフミラー８を透過して結像レンズ１１によって集光
され、紫外域に感度を有するＣＣＤカメラの撮像素子１
２上に結像される。撮像素子によって撮像された試料の
像は、不図示のモニタに表示される。

【００２０】拡散板３は、光路に垂直な面内で回転させ
ているが、光路に垂直な面内で往復運動させるような構
成であってもよい。このことにより、スペックルパター
ンを移動させて消すことが可能となり、より鮮明な試料
像を得ることができる。本実施形態においては、照明光
の偏光方向が、図１に示すようにＸ方向となるように設
定されている。従って、試料１０上の周期パターンのう
ち、Ｘ方向に周期方向を有するパターンＰＴ１を検査、
測定する場合、コントラスト良くパターン像を撮像する
ことが可能となり、正確な検査・測定を行なうことがで
きる。

【００２１】また、ステージに回転機構が設けられてい
れば、図１に示すＹ方向に周期方向を有するパターンＰ
Ｔ２も、周期方向をＸ方向に変更することができるた
め、いずれのパターンＰＴ１、ＰＴ２もコントラスト良
く撮像することができる。ここで、ハーフミラー８は、
一般に偏光方向によって反射率と反射の際の位相飛び量
が異なるので、照明光学系での偏光状態制御がここで崩
れてしまう可能性がある。これを防ぐためには、反射率
と反射時の位相飛び量が偏光方向によらずほぼ等しくな
るように設計・製造することが望ましい。また、このよ
うな設計・製造が不可能な場合は、予めハーフミラーに
よる偏光の乱れを測定しておき、これを補償するような
偏光光学系を照明光学系中に配置してもよい。

【００２２】また、測定・検査対象となる部分を捜す場
合、ある一方向の周期パターンだけがコントラスト良く
見えていると、全体像が見にくい場合がある。従って、
本実施形態においては、レーザ光源１からの直線偏光を
円偏光に変換するλ／４板２を照明光路に挿脱可能に配
置できる。このλ／４板２は、顕微鏡本体内の拡散板３
の手前側（光源１側）に配置されている。λ／４板２は
顕微鏡本体に設けられた挿脱機構２０に設けられてい
る。挿脱機構２０は、例えば顕微鏡本体に設けられたガ
イドと、ガイドに沿って移動可能な可動部材とから構成
され、この可動部材にλ／４板２が保持されており、照
明光路に挿脱可能となっている。

【００２３】λ／４板２は、顕微鏡本体内に配置されて
いるが、光源１のユニット内部に挿脱可能に配置しても
良い。また、光源として極紫外域のレーザ光を射出する
レーザ光源を用いたが、この波長に限定されるものでは
なく、可視域の直線偏光のレーザ光を発する光源であっ
ても良い。以上のような構成によって、試料１０に設け
られた周期パターンＰＴ１をコントラスト良く撮像する
ことができ、正確に測定・検査を行なうことができる。
また、照明光を円偏光に切り換えることができるので、
通常の観察時は周期パターンの方向に関係なく、観察視
野内の像を全体的に均一なコントラストで観察すること
ができる。

【００２４】図３は本発明の測定検査用顕微鏡における
第２実施形態の概略構成を示す図である。本実施形態
は、先の第１実施形態における変換部材としてのλ／４
板に加え、偏光方向を変更するλ／２板を照明光路に挿
脱可能に配置したものであり、それ以外の構成は全く同
じである。図３において、図２に示す部材と同一の部材
には同じ符号を付しており、その説明は省略する。

【００２５】光源１からの直線偏光のレーザ光は、顕微
鏡本体（不図示）に伝達され、照明光学系の光路に導か
れ拡散板３に照射される。拡散板３を透過した光は試料
に照射され、試料の像はＣＣＤカメラの撮像素子によっ
て撮像される。照明光学系を構成する光学素子（３，
５，６，７，８，９）と、観察系を構成する素子（９、
８、１１、１２）とは、いずれも顕微鏡本体内に配置さ
れている。

【００２６】本実施形態において、顕微鏡本体内の拡散
板３の手前側には、λ／４板２、λ／２板３１が切り換
え機構３０に設けられ、照明光路に挿脱可能に配置され
ている。図４は切り換え機構３０の構成を示す図であ
る。図４に示すように、λ／４板２、λ／２板３１は、
可動部３３に配置されている。さらに可動部３３には開
口部３２も並んで配置されている。可動部３３は顕微鏡
本体に設けられたガイド３４に沿って移動可能であり、
クリックストップ機構３５によって、開口部３２及び各
素子（２、３１）が照明光路中に位置決めされる。可動
部３３は操作つまみ３６によって顕微鏡本体外部から操
作可能となっている。尚、λ／２板３１は、レーザ光源
からの直線偏光の偏光方向を９０°回転させるように設
定されている。即ち、λ／２板３１を通過した照明光
は、試料上においてＹ方向の直線偏光となる。

【００２７】以上の構成により、通常観察時はλ／４板
２を光路に配置し、観察視野内を均一なコントラストに
して観察する。そして、測定・検査対象の周期パターン
を観察視野内に配置したら、その周期方向がＸ方向であ
ったら、開口部３２を照明光路に配置し、Ｘ方向の直線
偏光とする。また、測定・検査対象の周期パターンの周
期方向がＹ方向であったら、λ／２板３１を照明光路に
配置し、Ｙ方向の直線偏光とする。これにより、測定・
検査したい周期パターンをコントラスト良く撮像するこ
とが可能となり、正確に測定・検査することができる。

【００２８】また、λ／２板３１は、光路に垂直な面内
で回転可能に構成されていても良い。具体的には、λ／
２板３１を保持する保持部３７が可動部３３に対して回
転可能に設けられている。また、操作つまみ３６もその
長手方向を回転軸として、可動部３３に対して回転可能
となっている。この操作つまみの先端部と保持部３７と
は、不図示の連結機構によって連結されている。この連
結機構は、操作つまみ３６の回転に応じて保持部３７を
回転させるように構成されている。

【００２９】このような構成により、測定・検査対象の
周期パターンの周期方向がどのような方向であっても、
その周期方向に応じて照明光の偏光方向を設定すること
ができる。次に第３実施形態を図５を用いて説明する。
図５において、図２に示す部材と同一の部材には同じ符
号を付しており、その詳しい説明は省略する。

【００３０】光源５０は、非偏光の光を発する。具体的
には、ハロゲンランプやキセノンランプ等である。光源
５０からの光は、リレー光学系５、開口絞り６、視野絞
り７を介してポラライザ５１に入射する。ポラライザ５
１は、光源５０からの非偏光な光を直線偏光にして射出
する。ポラライザを透過した光はリレー光学系５、ハー
フミラー８、対物レンズ９を介して試料１０に照射され
る。

【００３１】本実施形態においても、先の第１実施形態
と同様に、照明光の偏光方向が、図１に示すようにＸ方
向となるように設定されている。従って、試料１０上の
周期パターンのうち、Ｘ方向に周期方向を有するパター
ンＰＴ１を検査、測定する場合、コントラスト良くパタ
ーン像を撮像することが可能となり、正確な検査・測定
を行なうことができる。

【００３２】また、本実施形態において、ポラライザが
照明光路から挿脱可能に構成されていてもよい。具体的
な構成は先の第１、第２実施形態で述べた物と同様であ
るので、ここでは説明を省略する。このことにより、通
常観察時は非偏光の照明、測定・検査時は直線偏光によ
る照明が可能となり、それぞれの場面において最適な試
料像を得ることができる。

【００３３】また、ポラライザを照明光路に垂直な面内
で回転可能に構成してもよい。このことにより、直線偏
光の偏光方向を任意の方向に設定することができ、周期
パターンの周期方向に関係なくコントラストの良い像を
得ることができる。さらに本実施形態においては、光源
としてレーザ光源を用い、光源からの照明光を光ファイ
バにて顕微鏡本体に導くような構成であってもよい。レ
ーザ光源からの直線偏光は、光ファイバで伝達されるこ
とによって、ランダム偏光となる。ここで、光ファイバ
は、マルチモードファイバであることが望ましい。この
ランダム偏光の照明光を直線偏光に変える場合も、図５
に示すポラライザ５１を用いることができる。

【００３４】上述の第１〜第３実施形態においては、観
察系としてＣＣＤカメラとモニタとを用いたが、本発明
はこれに限らず、例えば単に双眼鏡筒があるだけでもよ
い。また、上述の第１〜第３実施形態の顕微鏡は一括照
明タイプであるが、本発明はこれに限らず、例えばレー
ザ走査型や共焦点型のような顕微鏡に応用することもで
きる。

【００３５】本発明は上述の第１〜第３実施形態によっ
て開示された構成に限られるものではなく、特許請求の
範囲を逸脱しない範囲で種々の構成を取ることができ
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、測定検査用顕微鏡にお
いて、試料上に解像限界付近の周期パターンが存在して
いても、安価且つ簡単な構成でコントラストの良い試料
像を得ることができる。請求項２記載の本発明によれ
ば、試料観察時は、円偏光、ランダム偏光、又は非偏光
な照明光によって試料を観察する。この時観察視野内の
回路パターンは全体的に均一なコントラストとなるた
め、観察しやすくなる。測定検査対象の周期パターンを
観察視野内に配置した後、周期パターンの周期方向と同
一方向の直線偏光で照射すれば、そのパターン像はコン
トラストが高くなり、正確な測定・検査を行なうことが
できる。

【００３７】請求項３記載の本発明によれば、測定・検
査対象の周期パターンがどのような方向に並んでいて
も、正確に測定・検査を行なうことができる。請求項４
記載の本発明によれば、パワーの大きな照明光を得るこ
とができる。また、変換部材を照明光路に挿脱すること
により、直線偏光による照明と、円偏光又はランダム偏
光による照明とを簡単に切り換えることができる。

【００３８】請求項５記載の本発明によれば、レーザ光
源からの直線偏光の方向を簡単に異なる方向に切り換え
ることができる。また、照明光路で回転可能に配置され
ることにより、レーザ光源からの直線偏光の方向を簡単
に任意の方向に切り換えることができる。請求項６記載
の本発明によれば、光源からの非偏光な光は、ポラライ
ザを介して直線偏光となる。このポラライザを照明光路
に挿脱することにより、照明光を非偏光な光と直線偏光
の光とに簡単に切り換えることができ、観察時、検査・
測定時ともに最適な試料像を得ることができる。また、
ポラライザが照明光路内で回転することにより、偏光方
向を任意の方向に変更することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】周期方向が互いに直交するＸ及びＹ方向である
周期パターン（ＰＴ１、ＰＴ２）を有する試料をＸ方向
の直線偏光の光で照射したときの様子を表す図である。

【図２】本発明の測定検査用顕微鏡における第１実施形
態の概略構成を示す図である。

【図３】本発明の測定検査用顕微鏡における第２実施形
態の概略構成を示す図である。

【図４】切り換え機構３０の構成を示す図である。

【図５】本発明の測定検査用顕微鏡における第３実施形
態の概略構成を示す図である。

【符号の説明】

１・・・レーザ光源２・・・λ／４板３・・・拡散板４・・・モータ５・・・リレーレンズ系６・・・開口絞り７・・・視野絞り８・・・ハーフミラー９・・・対物レンズ１０・・・試料１１・・・結像レンズ１２・・・撮像素子２０、３０・・・切り換え機構３１・・・λ／２板３２・・・開口部３３・・・可動部３４・・・ガイド５０・・・光源５１・・・ポラライザ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周期的なパターンを有する試料を載置す
るステージと、試料の所定領域に対して照明光を照射す
る照明系と、前記試料からの光を受けて前記試料の像を
形成する観察系とを有する顕微鏡であって、前記照明系
は、前記試料に照射される照明光を、前記周期的なパタ
ーンの周期方向と同一方向の直線偏光にする手段を有す
ることを特徴とする測定検査用顕微鏡。
【請求項２】前記照明系は、前記試料に対して直線偏
光の照明光を照射する第１の状態と、前記試料に対して
円偏光、ランダム偏光、又は非偏光な照明光を照射する
第２の状態とを任意に切換可能とする切換手段を有する
ことを特徴とする請求項１記載の測定検査用顕微鏡。
【請求項３】前記照明系は、前記試料に対する前記直
線偏光の偏光方向を変更可能な偏光状態可変手段をさら
に有することを特徴とする請求項１又は２記載の測定検
査用顕微鏡。
【請求項４】前記直線偏光にする手段は、直線偏光の
レーザ光を射出するレーザ光源であり、前記切換手段
は、前記試料に照射される光が円偏光又はランダム偏光
となるように、前記光源からの直線偏光を円偏光又はラ
ンダム偏光に変換する変換部材を有し、前記変換部材を
照明光路に挿脱可能に配置することを特徴とする請求項
２記載の測定検査用顕微鏡。
【請求項５】前記偏光状態可変手段は、照明光路に配
置された１／２波長板を有し、前記１／２波長板は、前
記照明光路に対する挿脱と前記照明光路内での回転との
少なくとも一方が可能であることを特徴とする請求項３
記載の測定検査用顕微鏡。
【請求項６】前記照明系は、非偏光の光を射出する光
源を有し、前記直線偏光にする手段は、照明光路に配置
されたポラライザを有し、前記ポラライザは、前記照明
光路に対する挿脱と前記照明光路内での回転との少なく
とも一方が可能であることを特徴とする請求項２又は３
記載の測定検査用顕微鏡。