WO2019229826A1 - 高さ測定装置 - Google Patents

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WO2019229826A1
WO2019229826A1 PCT/JP2018/020450 JP2018020450W WO2019229826A1 WO 2019229826 A1 WO2019229826 A1 WO 2019229826A1 JP 2018020450 W JP2018020450 W JP 2018020450W WO 2019229826 A1 WO2019229826 A1 WO 2019229826A1
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谷口　浩一
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/248—Components associated with the control of the tube
    • H01J2237/2482—Optical means

Definitions

  • the present disclosure relates to a height measurement device that measures the height of a sample, and more particularly, to a height measurement device that is provided in a beam irradiation device that adjusts the focus of a beam based on the measurement of the height of the sample.
  • optical inspection equipment and inspection equipment using electron beams are used to detect various foreign substances and pattern defects, to detect abnormalities in various manufacturing equipment, and to prevent product destruction. ing.
  • the optical inspection apparatus if the focusing surface of the detection optical system and the surface of the sample are displaced, the image quality is deteriorated due to defocusing of the optical image, and the detection accuracy is impaired.
  • CD-SEM Cross-Scanning Eltron Microscope
  • Patent Document 1 discloses an apparatus for measuring a change in the height of a sample by projecting light from an inclined direction to the sample surface and detecting the reflected light. Specifically, an apparatus for measuring a change in height based on detection of displacement of an image position reflected on the sample surface and imaged on the detection surface of the detector is described.
  • the following proposes a height measurement device that is capable of measuring the height of each sample with high accuracy with a relatively simple configuration even when the sample surface height varies greatly. .
  • a stage for holding a sample a stage driving unit for adjusting the stage to a plurality of heights, a projection optical system for projecting light onto the sample, and A detection optical system that receives reflected light; and a processing unit that measures the height of the sample based on a signal output from the detection optical system, and the projection optical system includes a light source that emits light; An optical path splitting element that branches an optical path of light emitted from the light source, and the detection optical system includes a sensor that receives reflected light from the sample, and a reflection from the sample before receiving the light by the sensor.
  • an optical height measuring device comprising an element for adjusting the optical path of light in the sensor direction.
  • the height can be measured with high accuracy at each height.
  • Schematic of an optical height measuring device Schematic of arrangement
  • Diagram showing projected image and intensity distribution for sensor Examples of projected images at different heights Relationship between slit position and height The figure showing the incident light from the projection optical system at the time of using a diffraction grating for an optical path splitting element.
  • Schematic diagram of an optical height measurement device when a diffraction grating is used as an optical path dividing element or an optical path adjusting element The schematic diagram which looked at the diffraction grating of different pitches from right and left from the imaging lens side. The figure which looked down at the height measuring apparatus from the height direction, and showed partially from a pattern mask to a sensor.
  • Schematic of the optical height measuring device when the imaging lens is an infinite mutual benefit system.
  • Schematic of an optical height measuring device when a birefringent element is used for an optical path dividing element or an optical path adjusting element.
  • Schematic of the optical height measuring device when a split lens is used for the optical path splitting element or the optical path adjusting element.
  • FIG. 12C An example of the left and right divided lenses.
  • Schematic of subsequent processing path of light received by sensor The figure which shows the outline
  • the flowchart which shows the process of adjusting apparatus conditions according to the set beam conditions.
  • the height measuring device mainly measures the height of the sample, and even when the sample surface height changes greatly, each height is highly accurate. A height measuring apparatus that realizes height measurement will be described.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of an optical height measuring device.
  • the height measuring apparatus 100 includes a projection optical system 101 and a detection optical system 103. Light projected from the projection optical system 101 is reflected by the surface of the sample 1042 placed on the stage and enters the detection optical system 103.
  • a projection optical system that projects light onto a sample includes a light source 1011, a light collecting lens 1012, a pattern mask 1013 in which an opening that partially transmits light is formed, an imaging lens 1014, and an optical path dividing element 1015. Is done.
  • a sample is usually placed on the stage.
  • the detection optical system that receives the reflected light from the sample includes an optical path adjustment element 1032, an imaging lens 1033, and a sensor 1034.
  • the projection optical system 101 will be described.
  • the light emitted from the light source 1011 is collected by the condenser lens 1012.
  • the light condensed by the condenser lens 1012 passes through an opening formed in the pattern mask 1013. Since such a pattern mask 1013 is disposed between the light source 1011 and the sample 1042, an image having the same shape as the opening is projected onto the sample.
  • the light that has passed through the aperture is imaged on the sample by the imaging lens 1014.
  • the pattern mask 1013 has a plurality of openings.
  • the light reflected by the sample reaches the sensor 1034 of the detection optical system, and the sensor 1034 captures an aperture image projected on the sample.
  • the output of the sensor 1034 is transmitted to an arithmetic processing device (not shown), and the arithmetic processing device determines the deviation ⁇ s between the arrival position of the image on the sensor 1034 and the reference position, and the displacement of the sample height.
  • ⁇ z is obtained based on a relational expression with ⁇ z or a table.
  • a control signal for displacement feedback is used.
  • another parameter that changes in accordance with the displacement of the position where the image on the sensor reaches may be obtained.
  • a relational expression or table that shows the relationship between the control voltage and the displacement of the arrival position of the image on the sensor is prepared. Based on this, a control signal may be supplied to the piezo actuator.
  • an optical path dividing element 1015 is disposed between the imaging lens 1014 and the sample. This is because the light imaged by the imaging lens is divided into a plurality of directions (two directions in the example of FIG. 1).
  • the arrangement conditions of the optical path splitting element 1015 on the projection optical system side will be described with reference to FIG.
  • the height measurement is performed in two ways, and the height measurement is performed at the reference first height 1042a and the second height 1042b different from the first height 1042a.
  • the present invention is limited to this.
  • an element that divides the optical path into three or more directions may be employed.
  • the projection optical system 101 is first installed so as to project light onto the height measurement point 1045a when the sample surface is positioned at the first reference height 1042a.
  • the light emitted from the light source 1011 passes through the imaging lens 1014 and then enters the height measurement point 1045a (orbit 1010a) while maintaining its orbit (incident angle ⁇ 1).
  • the relative angle with respect to the normal direction of the sample surface is defined as the incident angle.
  • the present invention is not limited to this.
  • the relative angle with respect to the sample surface may be defined as the incident angle. good.
  • the second height 1042b that is H1 lower than the first height
  • the height cannot be detected.
  • the light incident at ⁇ 1 is reflected on the sample surface at the same angle as the incident angle, but the reflected light does not fall within the receivable range of the sensor and cannot be detected. Therefore, in order to detect the height at the second height 1042b as well, light is incident along the trajectory 1010b (incident angle ⁇ 2) to reach the height measurement point 1045b.
  • an optical path dividing element 1015 is disposed between the imaging lens 1014 and the sample in order to allow light to pass along the trajectory 1010b.
  • the light transmitted through the imaging lens 1014 is branched into two tracks, a track 1010a and a track 1010b, by the optical path splitting element 1015.
  • the optical path splitting element 1015 splits the light using the optical path splitting element 1015 as a branch point in a virtual plane including the light passing through the trajectory 1010a and the trajectory of the first light 1030a that is the reflected light.
  • the height difference between the first height 1042a and the second height 1042b is H1.
  • the position corresponding to the height measurement point 1045a at the second height 1042b is the height measurement point 1045b.
  • the distance between the optical path splitting element 1015 and the height measurement point 1045b is defined as L1, and the relative angle between the trajectory 1010a and the trajectory 1010b is defined as ⁇ 3.
  • the height difference H1 is determined according to the height position of the second height 1042b.
  • the direction of the projection optical system 101 is fixed, and the position of the imaging lens 1014 in the projection optical system is also fixed.
  • the optical path adjustment element 1015 is disposed between the imaging lens 1014 and the height measurement point 1045a. A space that is on a straight line connecting the imaging lens 1014 and the height measurement point 1045a and that can spatially insert the optical path dividing element is selected.
  • the optical path splitting element 1015 a diffraction grating, a birefringent element, a split lens, or the like is used as shown in the second and subsequent embodiments. Since each property is different, the angle that can be divided differs depending on the property. Therefore, the split element 1015 is arranged so that the angle at which the optical path split element 1015 can be split in nature and the desired split angle ⁇ 3 substantially coincide.
  • the detection optical system 103 will be described. First, the arrangement of the optical path adjustment element 1032 on the detection optical system side, which is a feature of this embodiment, will be described with reference to FIG. Similarly to the description of the optical path splitting element 1015 on the projection optical system side, for the sake of convenience, the description will be made assuming that there are two height stages. As described above, the light from the projection optical system 101 enters the sample at ⁇ 1 and ⁇ 2. And it reflects on the sample surface at the same angle ( ⁇ 1 ′, ⁇ 2 ′) as the incident angle. Similar to the projection optical system 101, the detection optical system 103 is installed so as to detect reflected light (first light 1030a) reflected at the height measurement point 1045a of the first height 1042a serving as a reference. The direction of the detection optical system and the positions of the imaging lens 1033 and the sensor 1034 are fixed.
  • the first light 1030a reflected by ⁇ 1 ′ from the sample surface can be received by the sensor 1034.
  • the second light 1030b reflected at the height measurement point 1045b (light reflected in the direction of the relative angle ⁇ 2 ′ with respect to the normal direction of the sample surface) passes through a different orbit from the first light, The sensor 1034 cannot receive light.
  • the optical path adjustment element 1032 between the imaging lens 1033 and the sample, the second light 1030b that has passed through the optical path adjustment element 1032 has the same trajectory as the first light 1030a.
  • the second light 1030b is deflected.
  • the arrangement position of the optical path adjustment element 1032 is determined according to the position of the sample and the detection optical system (particularly, the imaging lens 1033 and the sensor 1034), similarly to the optical path division element 1015.
  • the arrangement angle takes into account the desired reflected light angle reflected from the sample surface and the arrangement of the imaging lens 1033 and the sensor 1034.
  • the optical path adjustment element 1032 is arranged at an optimum angle according to the splittable angle and the position of the sensor.
  • the light reflected by the sample is incident on the optical path adjustment element 1032.
  • the light is split in a plurality of directions by the optical path splitting element 1015 of the projection optical system 101, and enters the sample at a plurality of different angles.
  • a plurality of lights irradiated on the sample at different incident angles are reflected in a plurality of different directions, and reflected light traveling in a plurality of different directions is incident on the optical path adjusting element 1032.
  • the second light 1030b reflected at the height measurement point 1045b has a different incident angle (orbit) to the detection optical system from the first light 1030a, and therefore reaches a position different from the detection surface of the sensor 1034.
  • the optical path adjusting element 1032 by arranging the optical path adjusting element 1032, the trajectory of the second light 1030 b is matched with the trajectory of the first light 1030 a.
  • the light of the projection optical system deflects light in a virtual plane that includes both the optical path of the first light 1030a and the optical path of the second light 1030b in the plane.
  • Adopt optical path adjustment element is used that deflects the reflected light reflected at the height measurement point 1045b so as to follow the same trajectory as the reflected light reflected at the height measurement point 1045a.
  • the reflected light that is branched by the optical path adjusting element 1032 and travels in the direction of the sensor 1034 is imaged by the imaging lens 1033 and then received by the sensor 1034.
  • the optical path splitting element 1015 in the projection optical system 101 and the optical path adjusting element 1032 in the detection optical system 103 a second height that is greatly different from the reference first height 1042a. Even in the case 1042b, light can be projected at an incident angle corresponding to the height without changing the imaging magnification on the detection optical system side, and reflected light from each sample height can be received by the sensor.
  • the displacement amount of the light received by the sensor 1034 is ⁇ s
  • the displacement amount ⁇ z of the sample height, the incident angle ⁇ , and the imaging magnification m
  • FIG. 4A shows a projected image of the pattern mask 1013 projected onto the sensor and its intensity distribution. Since the light transmitted through the opening of the pattern mask 1013 reaches the light receiving surface of the sensor 1034, the projection image reflects the shape of the opening. In the intensity distribution, a plurality of peaks appear at positions corresponding to a plurality of openings, and a plurality of peak positions can be specified. By averaging the value ( ⁇ s) related to this position, the sample height can be measured with high accuracy. Even when the peak position is not projected to a position corresponding to the original height position due to a difference in the material of the sample surface, the influence can be suppressed by averaging.
  • (a) is an example of a projected image with respect to the sensor when the sample is positioned at the first reference height
  • (b) is the height from the first height to the height direction.
  • An example of a projection image obtained when the +100 ⁇ m stage is moved is shown.
  • the sample stage used in this embodiment includes a z moving mechanism for moving the sample in the z direction in addition to a moving mechanism for moving the sample in the xy direction, which is a direction parallel to the sample surface.
  • the position where the light transmitted through the aperture is imaged is displaced according to the height variation.
  • the sensor displacement amount ⁇ s can be obtained from the light reception information of the sensor obtained at least at two different heights.
  • 4C is a captured image (opening shape position) obtained by plotting (a) and (b) in FIG. 4B with the movement amount of the opening shape (for example, slit) on the captured image as the horizontal axis and the height as the vertical axis.
  • a height correlation diagram is a captured image (opening shape position) obtained by plotting (a) and (b) in FIG. 4B with the movement amount of the opening shape (for example, slit) on the captured image as the horizontal axis and the height as the vertical axis.
  • the displacement amount of the opening shape position and the displacement amount of the height are in a substantially proportional relationship.
  • ⁇ z can be calculated as to how much it has fluctuated from the reference height, and the height of the sample surface can be measured.
  • the incident angle ⁇ uses the optical path splitting element 1015 and uses the incident angle ⁇ 1 at the first height 1042a and the vicinity thereof, and uses the incident angle ⁇ 2 at the second height 1042b and the vicinity thereof.
  • light of the incident angle suitable for each height step and its vicinity is projected from the projection optical system 101 to the sample by the optical path dividing element 1015, and the reflected light is detected by the optical path adjustment element 1032 in the sensor of the detection optical system 103.
  • light can be received while the imaging magnification is kept high.
  • the imaging magnification When the measurable height range is wide, the imaging magnification must be set low. As described above, the projection optical system side divides the optical path into a plurality of parts, and the detection optical system side returns to the desired optical path. While maintaining a high imaging magnification, the height range that can be measured is expanded, and a wide range and high accuracy can be measured.
  • optical path splitting element 1015 and the optical path adjusting element 1032 may have substantially the same property or different properties. Further, as shown in FIG. 1, the distance from the optical path dividing element 1015 to the height measurement points (1045a, 1045b) and the distance from the height measurement point (1045a, 1045b) to the optical path adjustment element 1032 are substantially the same. In this case, the angles at which the projection and detection should be deflected are substantially the same, so that the optical arrangement and design are facilitated.
  • the optimum installation position is determined by a combination of the wavelength ⁇ of the light emitted from the light source 1011, the pitch width of the grating, the relative angle ⁇ 3 between the tracks 1010 a and 1010 b, and the distance to the height measurement point 1045 b. To decide.
  • FIG. 5 shows an example in which a diffraction grating is used as the optical path splitting element 1015 of the projection optical system.
  • the diffraction grating includes a plurality of gratings for branching into zero-order light and diffracted light.
  • the light emitted from the light source 1011 passes through the optical path splitting element 1015, it is branched into zero-order light and diffracted light.
  • 6A and 6B show the state of reflected light when a diffraction grating is used as the optical path adjustment element 1032 on the detection optical system side.
  • 6A illustrates the trajectory of reflected light reflected at the height measurement point 1045 when the sample surface is positioned at the first height 1042a
  • FIG. 6B illustrates the trajectory of the reflected light reflected at the height measurement point 1045 when the sample surface is positioned at the second height 1042b. doing.
  • the light 1030b reflected from the sample goes straight and forms an image outside the light receiving surface of the sensor.
  • the sensor 1034 it is necessary to branch the optical path in a direction that goes straight in the sensor plane.
  • a diffraction grating is employed as the optical path adjustment element 1032 so that the reflected light 1030b is branched into zero-order light and diffracted light.
  • the branched diffracted light travels straight into the surface of the sensor 1034 and is received by the sensor 1034.
  • FIG. 7 is a schematic view of the entire optical height measuring apparatus when a diffraction grating is used as an optical path dividing element or an optical path adjusting element.
  • the light transmitted through the optical path splitting element 1015 on the projection optical system side branches into a plurality of different optical paths and enters the sample.
  • a plurality of light paths of light reflected from the sample surface are generated by the amount incident on the sample at a number of different incident angles.
  • the reflected light includes a lot of undesired reflected light (noise component) that should not be received by the sensor.
  • a stop 1031 is provided on the detection optical system side, and reflected light (noise component) deviated greatly that does not enter the optical path adjustment element 1032 is blocked by the stop 1031.
  • Other undesired reflected light (noise component) is also shielded by signal processing or optimization of the sensor size. Thereby, noise components are removed so as not to enter the sensor 1034, and the detection accuracy of the sensor 1034 can be further increased
  • the first height 1042a and the second height 1042b when there are two height measurement points, it may be branched at an angle ⁇ 3.
  • the height measurement points are at three or more heights in addition to the first and second heights.
  • the angle to be branched increases not only to one of ⁇ 3 but also to, for example, ⁇ 4 and ⁇ 5. Also in this case, as shown in FIG.
  • the diffraction gratings having different pitches are divided and arranged as 1015a and 1015b, so that different branch angles ⁇ 3, ⁇ 4, and ⁇ 5 can be realized in the respective optical paths.
  • the light receiving side may be arranged so that light can be received by the corresponding 1032a and 1032b.
  • the number of branched optical paths need not basically be limited to two.
  • FIG. 8B is a diagram partially showing from the pattern mask 1013 to the sensor 1034 as an overhead view of the height measuring device from the height (z-axis) direction.
  • the optical path adjustment element 1032 on the detection optical system side is also divided, that is, divided so that 1015a and 1032a have substantially the same pitch, and 1015b and 1032b have substantially the same pitch.
  • a plurality of diffraction directions can be realized simultaneously by arranging optical path splitting elements in series with respect to the optical axis. This can be similarly realized even when a prism aimed at separation by polarized light, such as a Wollaston prism or a lotion prism, is applied, and does not exceed the scope of the present invention.
  • the optical path dividing element is a diffraction grating as in this embodiment, it is desirable to use a light source having a small wavelength band such as a laser light source.
  • a white light source can be used instead of the laser light source.
  • the images after passing through the diffraction grating, even when aiming at image formation of the same first-order diffracted light, the images are continuously separated and superimposed due to the wavelength dependence of the diffraction angle, and the image quality is improved. Smudge may occur.
  • this dependence can be reduced by using, for example, a Wollaston prism that splits the optical path with a polarization component as the optical path dividing element.
  • FIG. 9 shows a basic form of the present embodiment.
  • a diffraction grating is used as the optical path splitting element 1015, and the imaging lenses (1016, 1017) are arranged to be at least two infinite conjugate systems.
  • An optical path splitting element 1015 was disposed between the two imaging lenses (1016, 1017).
  • the imaging lens 1033 on the detection optical system side the imaging lens (1036, 1037) is replaced with an infinite mutual benefit system, and the optical path splitting element 1032 is disposed between the two imaging lenses (1036, 1037). did. Even in this case, similarly to the second embodiment, the optical path of the incident light / reflected light can be branched by the optical path dividing element 1015 and the optical path adjusting element 1032, and the same effect as the second embodiment can be obtained.
  • FIG. 10 shows a basic form of the present embodiment.
  • the diffraction grating used in the second and third embodiments for the optical path dividing element 1015 and the optical path adjusting element 1032 is replaced with a birefringent element 3011 and a wave plate 3012.
  • the birefringent element 3011 may be, for example, a Wollaston prism or a lotion prism.
  • the birefringent element 3011 can branch the optical path for each polarization direction.
  • the angle that can be branched differs depending on the element. For example, when it is desired to generate the second light 1010b having an incident angle ⁇ 2 suitable for the measurement point 1045b having the second height 1042b, it is desired to branch ⁇ 3 from the reference first light 1010a. In this case, in consideration of the wavelength ⁇ of the light emitted from the light source 1011, an element that refracts at ⁇ 3 is selected.
  • the projection optical system 101 is installed according to the reference first height 1042a, and the incident angle is constant (1010a).
  • the flow of branching the optical path of the light emitted from the projection optical system 101 to an incident angle suitable for the measurement point 1045b having the second height 1042b will be described.
  • Light emitted from the light source 1011 enters the birefringent element 3011 through the condenser lens 1012, the pattern mask 1013, and the imaging lens 1014.
  • the light branches according to the branching angle of the birefringent element.
  • the light transmitted through the birefringent element 3011 has components that are orthogonal to each other, and is divided into linearly polarized light having different traveling directions.
  • linearly polarized light When linearly polarized light is used, polarization dependency may occur in the reflected light. This is converted again into circularly polarized light by the wave plate 3012. Thereby, when reflecting on the sample surface, polarization dependence can be reduced.
  • the detection optical system 103 is also installed according to the reference first height 1042a.
  • a flow of receiving the desired reflected light 1030b from the sample having the second height 1042b will be described.
  • the second light 1010b branched by the optical path splitting element 1015a on the projection optical system side forms an image at the height measurement point 1045b on the sample surface and reflects it.
  • the reflected light 1030b becomes parallel light through the imaging lens 1036 on the detection optical system side, is converted into linearly polarized light by the wave plate 3022, and the optical path is refracted for each polarized light by the birefringent element 3021.
  • an optical path that goes straight in the direction of the sensor 1034 can be formed, and the second light 1030b reflected from the sample surface having the second height can be received by the sensor 1034.
  • the arrangement of the birefringent element 3011 is such that the desired reflected light 1030b reflected from the sample surface of the second height 1042b enters the birefringent element through the imaging lens 1033 and the direction in which the light is to travel.
  • the birefringent element is arranged according to the angle with respect to the sensor.
  • FIG. 11 shows a basic form of the present embodiment.
  • the diffraction gratings of Embodiments 2 and 3 are removed, and the imaging lens 1014 is replaced with at least two divided lenses (4011a and 4011b).
  • the divided lens is obtained by shifting one lens 4011b divided as shown in FIG. 12A by dy1.
  • the detection optical system side 103 is also replaced with at least two divided lenses (4012a, 4012b) instead of the imaging lens 1033, and one of the divided lenses 4012b is shifted by dy2 as shown in FIG. 12B. Is.
  • the divided lenses (4011a, 4011b, 4012a, 4012b) Each can be handled as a lens having an independent optical axis and imaging relationship. It is assumed that the influence of aberration performance fluctuation is small.
  • the first light 1010a transmitted through one of the divided imaging lenses 4011a on the projection optical system side is imaged and reflected at the height measurement point 1045a of the sample surface having the first height 1042a, and is reflected on the detection optical system side.
  • the light is transmitted through one of the divided imaging lenses 4012a and imaged by the sensor 1034.
  • the second light 1010b transmitted through the other lens 4011b divided on the projection optical system side is imaged and reflected at the height measurement point 1045b on the sample surface having the second height 1042b, and divided on the detection optical system side.
  • the other lens 4012b is transmitted and imaged by the sensor 1034.
  • the optical path branching using the split lens at the second height will be described.
  • the other 4011b of the split lens is connected so as to connect the center of the pattern mask 1013 and the center of the lens 4011b.
  • the optical axis of the light 1010a emitted from the light source 1011 goes straight on the line when the center of the pattern mask 1013 and the center of the imaging lens 1014 are on a straight line.
  • FIG. 12D it is assumed that the optical axis is to be shifted dy in the Y ′ direction with respect to the first light 1010a.
  • the center of the lens 4011b is shifted by an angle ⁇ 3 corresponding to the shift amount dy with respect to the orthogonal direction Y ′ with respect to the first light 1010a.
  • the light transmitted through the pattern mask 1013 goes straight toward the center of the shifted lens 4011b. Therefore, the optical path is displaced by ⁇ 3 with respect to the first light 1010a.
  • the center position and the angle of one of the split lenses 4011b are set by the angle ⁇ 3 to be branched from the optical path 1010a suitable for the reference first height 1042a to the optical path 1010b suitable for the second height 1042b. Shift. Thereby, it is possible to branch to an optical path suitable for the second height 1042b (FIG. 11).
  • the imaging lens 1037 is replaced with at least two divided lenses (4012a, 4012b) as the optical path adjustment element 1032 on the detection optical system side
  • the second reflected at the second height 1042b is also obtained based on the same principle.
  • the one split lens 4012a is shifted from the other split lens 4012b in accordance with the angle at which the light 1030b enters the optical path adjusting element 1032 and the angle with respect to the sensor 1034. Accordingly, the reflected light can be received by the sensor 1034 even at the second height 1042b.
  • FIG. 13 shows a subsequent processing path of the light received by the sensor 1034 of the detection optical system 103.
  • the senor will be described as a PSD sensor.
  • the sensor is not limited to one using a one-dimensional or two-dimensional element such as PSD, but may be an imaging sensor such as CCD or CMOS.
  • the output voltage changes depending on the position of the center of gravity of the reflected light received by the PSD sensor.
  • the variation amount of the output voltage is applied to a table, and the height is calculated.
  • the position of the center of gravity of the reflected light differs between the case where the sample is at the first height 1042a and the case where the sample is at the second height 1042b.
  • the light reception information output from the detection optical system 103 is sent to the processing unit 501.
  • the control unit 502 performs stage control based on the sample height information obtained by the processing unit 501.
  • the objective lens converges the electrons toward the ideal optical axis and focuses the beam
  • the working distance is short, it is necessary to converge the electrons at a short distance, so that a strong convergence action is still necessary, and it is difficult to achieve both shortening of the working distance and high energy of the beam.
  • the working distance is shortened by giving priority to the resolution, and when measuring and inspecting using a high energy beam, the action of converging electrons is prioritized.
  • An electron beam apparatus that controls the position of the stage in the height direction so as to increase the working distance will be described.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a scanning electron microscope which is an example of a charged particle beam apparatus.
  • the sample deflector 1405 scans the sample 1409 one-dimensionally or two-dimensionally.
  • the electron beam is decelerated by the negative voltage applied to the electrode built in the sample stage 1408, and is focused by the lens action of the objective lens 1406 and irradiated onto the sample 1409.
  • secondary electrons and electrons 1410 such as backscattered electrons are emitted from the irradiated portion.
  • the emitted electrons 1410 are accelerated in the direction of the electron source by an acceleration action based on a negative voltage applied to the sample, and collide with the conversion electrode 1412 to generate secondary electrons 1411.
  • the secondary electrons 1411 emitted from the conversion electrode 1412 are captured by the detector 1413, and the output I of the detector 1413 changes depending on the amount of captured secondary electrons. Depending on the output I, the brightness of a display device (not shown) changes.
  • an image of the scanning region is formed by synchronizing the deflection signal to the scanning deflector 1405 and the output I of the detector 1413.
  • the scanning electron microscope illustrated in FIG. 14 includes a deflector (not shown) that moves the scanning region of the electron beam.
  • FIG. 14 demonstrates the example which detects the electron emitted from the sample by converting once with a conversion electrode, of course, it is not restricted to such a structure,
  • stimulation of the accelerated electron It is possible to adopt a configuration in which the detection surface of the electron multiplier tube or the detector is arranged on the orbit.
  • the control device 1414 controls each component of the scanning electron microscope, and forms a pattern on the sample based on the function of forming an image based on detected electrons and the intensity distribution of detected electrons called a line profile. It has a function to measure the pattern width.
  • the electron beam apparatus illustrated in FIG. 14 includes a height measuring apparatus including a light source 1415 and a light receiving element 1416.
  • This height measuring device is the same as that illustrated in FIG.
  • the sample chamber 1407 incorporates an xy drive mechanism that moves the sample stage 1408 in the xy direction and a z drive mechanism that moves the sample stage 1408 in the z direction. These drive mechanisms are controlled by a control signal supplied from the control device 1414.
  • the optical components constituting the height measuring device are such that the beam trajectory of the projection optical system of the height measuring device and the beam trajectory of the detecting optical system are mirror-symmetric with respect to the virtual plane including the ideal optical axis 1403. The element is installed.
  • control device 1414 controls the z drive mechanism based on the output of the height measuring device, and controls the excitation current of the objective lens 1406 based on the output of the height measuring device (Z sensor).
  • the control device 1414 controls the lens condition (excitation current) of the objective lens 1406 based on the relationship information between the output of the height measuring device stored in advance and the control signal of the objective lens 1406.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a process of controlling the scanning electron microscope so as to perform stage control and height measurement according to the set beam condition (acceleration voltage or energy reaching the sample of the beam).
  • the control device 1414 reads conditions such as an acceleration voltage set in advance by an operation program (recipe) or the like, and when low acceleration is set, the z drive mechanism is set so that WD1 ( ⁇ WD2) is obtained.
  • the high acceleration is set, the z drive mechanism is controlled so as to be WD2 (> WD1).
  • the identification of high acceleration or low acceleration may be determined based on a preset threshold value, or identification information indicating whether high acceleration or low acceleration is given in advance to a specific acceleration voltage. You may make it judge based.
  • the working distance or the sample height (for example, the difference in height between a predetermined reference position and the sample surface) may be directly set, and the z drive mechanism may be controlled based on the setting.
  • ⁇ z1 ⁇ s / (2 ⁇ m ⁇ sin ⁇ 1) is calculated as a value related to the sample height
  • ⁇ z2 ⁇ s / The difference between the sample surface height and the reference height is obtained by calculating (2 ⁇ m ⁇ sin ⁇ 2).
  • ⁇ 1 is the relative angle between the ideal optical axis of the electron beam at WD1 and the projection light orbit of the projection optical system
  • ⁇ 2 is the ideal optical axis of the electron beam at WD2 and the projection light orbit of the projection optical system. Relative angle.
  • the control device 1414 specifies the lens condition using a relational expression between ⁇ z and the lens condition of the objective lens or a table, and controls the objective lens 1406.
  • ⁇ Obj difference in excitation current (beam focusing condition) of the objective lens
  • ⁇ z difference in excitation current (beam focusing condition) of the objective lens
  • equation or table showing the relationship between ⁇ s are prepared, and the excitation current of the objective lens is determined based on the input of ⁇ s. May be adjusted.
  • the z drive mechanism may be controlled so as to cancel out the above-described ⁇ z, or an arithmetic expression indicating the relationship between ⁇ s and the stage movement amount ⁇ m.
  • a table may be prepared and the z drive mechanism may be controlled using these information.
  • the height measurement and the apparatus condition adjustment are not limited to the above-described embodiment, and various modifications are included.
  • the above-described embodiment can be applied to any apparatus that installs samples at a plurality of different heights, detects the height, and performs processing, and has various application ranges such as a charged particle beam apparatus and an optical inspection apparatus. is there.
  • the above-described embodiment is for explaining the height measurement and the apparatus condition setting method in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one having all the described configurations. Further, a part of the configuration of an embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of an embodiment. In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Height measuring apparatus, 101 ... Projection optical system, 1011 ... Light source, 1012 ... Condensing lens, 1013 ... Pattern mask, 1014 ... Imaging lens, 1015 ... Optical path dividing element, 1016, 1017, 1036, 1037 ... Imaging Lens (infinite mutual benefit system), 103 ... detection optical system, 1031 ... stop, 1032 ... optical path adjustment element, 1033 ... imaging lens, 1034 ... sensor, 1042a ... first height, 1042b ... second height, 3011 3021: Birefringent element, 3012, 3022: Wave plate, 4011a, 4011b, 4012a, 4012b ... Split lens, 501 ... Processing unit, 502 ... Control unit

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Abstract

本開示は、試料表面高さが大きく変化する場合であっても、比較的簡単な構成で、それぞれの高さにて高精度に高さ測定を行う高さ測定装置の提供を目的とする。　上記目的を達成するために、試料を保持するステージと、前記ステージを複数の高さに調整するステージ駆動部と、前記試料に光を投射する投射光学系と、前記試料からの反射光を受光する検出光学系と、前記検出光学系が出力する信号に基づいて前記試料の高さを測定する処理部と、を有し、前記投射光学系は、光を放出する光源と、前記光源から放出された光の光路を分岐する光路分割要素と、を備え、前記検出光学系は、前記試料からの反射光を受光するセンサと、前記センサで受光する前に前記試料からの反射光の光路をセンサ方向に調整する要素を備えることを特徴とする光学式高さ測定装置を提案する。

Description

高さ測定装置
　本開示は、試料の高さを測定する高さ測定装置に係り、特に試料の高さ測定に基づいて、ビームの焦点調整を行うビーム照射装置に備えられる高さ測定装置に関する。
　半導体製造工程においては、種々の異物やパターン欠陥などを検出し、各種製造装置の異常を検出し、製品の破壊を防ぐため、光学式の検査装置や電子ビームを用いた検査装置などが用いられている。
　光学式の検査装置では、検出光学系の合焦面と試料の表面にずれが生じると、光学像のデフォーカスによる像質の低下が生じ、検出精度が損なわれる。
　電子ビームを用いた、微細なパターン幅や穴径を計測するために用いられるＣＤ－ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ－Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）でも事情は同じであって、電子光学系の焦点ずれは、測長値の誤差につながり、あるいは電子ビームを用いた外観検査装置では、パターンの誤検出などにつながる。
　このため、試料の高さを高精度に測定し、当該高さに焦点が合うように調整を行うことが重要である。
　特許文献１には、試料表面に対し、傾斜した方向から光を投射し、その反射光を検出することによって、試料の高さの変化を測定する装置が開示されている。具体的には、試料表面で反射し、検出器の検出面に結像される像の位置の変位の検出に基づいて、高さ変化を測定する装置が説明されている。
特開２０１４－０９５６１２号公報
　特許文献１に開示されているような高さ検出方法によれば、試料の高さの変化を捉え、その変化を補償するように装置条件の調整を行うことができる。一方、傾斜した方向から光を照射する構成上、基準高さと試料表面との間に大きな高低差があると、本来高さ測定を行うべき個所とは異なる位置に光を照射することになる。また、反射光を受光する検出器の検出面の大きさには限りがあり、高精度に高さを測定できる範囲には限りがある。
　以下に、試料表面高さが大きく変化する場合であっても、比較的簡単な構成で、それぞれの高さにて高精度に高さ測定を行うことを目的とする高さ測定装置を提案する。
　上記の目的を実現するための一態様として、試料を保持するステージと、前記ステージを複数の高さに調整するステージ駆動部と、前記試料に光を投射する投射光学系と、前記試料からの反射光を受光する検出光学系と、前記検出光学系が出力する信号に基づいて前記試料の高さを測定する処理部と、を有し、前記投射光学系は、光を放出する光源と、前記光源から放出された光の光路を分岐する光路分割要素と、を備え、前記検出光学系は、前記試料からの反射光を受光するセンサと、前記センサで受光する前に前記試料からの反射光の光路をセンサ方向に調整する要素を備えることを特徴とする光学式高さ測定装置を提案する。
　上記構成によれば、試料高さが大きく変化するような場合であっても、それぞれの高さで高精度に高さ測定を行うことができる。
光学式高さ測定装置の概略図。 投射光学系側の光路分割要素の配置の概略図。 検出光学系側の光路調整要素の配置の概略図。 センサに対する投影像と強度分布を示す図 異なる高さにおける投影像の例 スリット位置と高さの関係図 光路分割要素に回折格子を用いた場合の投射光学系からの入射光を表した図。 光路調整要素に回折格子を用いた場合の第１の高さにおける検出光学系側に入る反射光を表した図。 光路調整要素に回折格子を用いた場合の第２の高さにおける検出光学系側に入る反射光を表した図。 光路分割要素又は光路調整要素に回折格子を用いた場合の光学式高さ測定装置の概略図 左右異なるピッチの回折格子を結像レンズ側から見た概略図。 高さ測定装置を高さ方向から俯瞰しパターンマスクからセンサまでを部分的に示した図。 結像レンズを無限共益系とした場合の光学式高さ測定装置の概略図。 光路分割要素又は光路調整要素に複屈折素子を用いた場合の光学式高さ測定装置の概略図。 光路分割要素又は光路調整要素に分割レンズを用いた場合の光学式高さ測定装置の概略図。 左右異なる分割レンズの一例。 左右異なる分割レンズの一例。 投射光学系を高さ方向から俯瞰しパターンマスクと結像レンズまでを部分的に示した図。 投射光学系を高さ方向から俯瞰しパターンマスクと結像レンズまでを部分的に示した図（図１２Ｃから結像レンズをずらした場合）。 センサで受光した光のその後の処理経路の概略図 走査電子顕微鏡の概要を示す図。 設定したビーム条件に応じて装置条件を調整する工程を示すフローチャート。
　以下に説明する実施例では、主に試料の高さを測定する高さ測定装置であって、試料表面高さが大きく変化するような場合であっても、それぞれの高さにて高精度に高さ測定を実現する高さ測定装置について説明する。
　図１は光学式高さ測定装置の概要を示す図である。高さ測定装置１００は、投射光学系１０１と、検出光学系１０３から構成される。投射光学系１０１から投射される光は、ステージ上に載置された試料１０４２の表面で反射し、検出光学系１０３に入射する。試料に光を投射する投射光学系は、光源１０１１と, 集光レンズ１０１２と、部分的に光を透過する開口が形成されたパターンマスク１０１３と、結像レンズ１０１４と、光路分割要素１０１５から構成される。ステージ上には通常、試料が設置されている。前記試料からの反射光を受光する検出光学系は、光路調整要素１０３２と、結像レンズ１０３３と、センサ１０３４から構成される。
　投射光学系１０１について説明する。光源１０１１から放出された光は、集光レンズ１０１２によって集光される。集光レンズ１０１２で集光した光は、パターンマスク１０１３に形成された開口を通過する。このようなパターンマスク１０１３が、光源１０１１と試料１０４２との間に配置されているため、試料上には開口と同じ形状の像が投影されることとなる。また、開口を通過した光は、結像レンズ１０１４によって試料上に結像される。
　尚、パターンマスク１０１３の開口は、複数あることが望ましい。試料で反射した光は、検出光学系のセンサ１０３４に到達し、センサ１０３４は試料上に投影された開口像を撮像する。
　センサ１０３４の出力は、図示しない演算処理装置に伝達され、当該演算処理装置は、予め定められた、センサ１０３４上の像の到達位置と基準位置との間のずれΔｓと、試料高さの変位Δｚとの関係式、或いはテーブルに基づいて、Δｚを求める。なお、本実施例ではΔｚを具体的な長さとして出力する例について説明するが、例えば試料表面の基準位置からのずれをステージ移動によって補償するような装置の場合、変位フィードバックのための制御信号のような、センサ上の像の到達位置変位に応じて変化する他のパラメータ（試料高さに応じて変化するパラメータ）を求めるようにしても良い。例えばステージをｚ方向に駆動するピエゾアクチュエータの場合、制御電圧と、センサ上の像の到達位置の変位の関係を示す関係式やテーブルを用意し、当該関係式を用いた演算やテーブルの参照に基づいて、制御信号をピエゾアクチュエータに供給するようにしても良い。
　本実施例では、結像レンズ１０１４と試料との間に、光路分割要素１０１５を配置する。結像レンズで結像した光を複数方向（図１の例では２方向）に分割するためである。
　投射光学系側の光路分割要素１０１５の配置条件について図２を用いて説明する。説明の便宜上、高さの段階を二通りとし、基準となる第１の高さ１０４２ａと、それとは異なる第２の高さ１０４２ｂで高さ測定を行う例について説明するが、これに限られることはなく、例えば３方向以上に光路を分割するような素子を採用するようにしても良い。
　投射光学系１０１は、まず基準となる第１の高さ１０４２ａに試料表面が位置付けられているとき、高さ測定点１０４５ａに光を投射するように、設置されている。光源１０１１から放出された光は、結像レンズ１０１４を通過した後、その軌道（入射角度θ１）を維持したまま、高さ測定点１０４５ａに入射する（軌道１０１０ａ)。なお、本実施例では、試料表面の法線方向に対する相対角を入射角と定義しているが、これに限られることはなく、例えば試料表面に対する相対角を入射角と定義するようにしても良い。
　一方、第１の高さよりもＨ１低い第２の高さ１０４２ｂにおいては、投射光学系１０１から入射角度θ１で光を投射した場合、高さを検出できない。θ１で入射した光は試料表面で入射角度と同角度で反射するが、その反射光はセンサの受光可能範囲に入らず検出できない。そこで第２の高さ１０４２ｂにおいても高さの検出を行うべく、軌道１０１０ｂ（入射角θ２）に沿って光を入射させ、高さ測定点１０４５ｂに到達させる。
　本実施例では軌道１０１０ｂに沿って光を通過させるために、結像レンズ１０１４と試料との間に光路分割要素１０１５を配置する。結像レンズ１０１４を透過した光は、光路分割要素１０１５によって、軌道１０１０ａと軌道１０１０ｂの２つに分岐される。光路分割要素１０１５は、軌道１０１０ａを通過する光と、その反射光である第１の光１０３０ａの軌道を含む仮想平面内で、光路分割要素１０１５を分岐点として光を分割する。
　第１の高さ１０４２ａと第２の高さ１０４２ｂとの高低差はＨ１である。第２の高さ１０４２ｂにおける高さ測定点１０４５ａに対応する位置は、高さ測定点１０４５ｂである。光路分割要素１０１５と高さ測定点１０４５ｂとの距離をＬ１とし、軌道１０１０ａと軌道１０１０ｂとの相対角をθ３と定義する。θ３は幾何学的に、θ３＝ｆ（Ｌ１, Ｈ１,θ１）で求められる。高低差Ｈ１は、第２の高さ１０４２ｂの高さ位置に応じて決まる。
　投射光学系１０１の向きは固定されており、投射光学系内の結像レンズ１０１４の位置も固定されている。光路調整要素１０１５は、結像レンズ１０１４と高さ測定点１０４５ａとの間に配置する。結像レンズ１０１４と高さ測定点１０４５ａを結ぶ直線上にあって、空間的に光路分割要素を挿入できるスペースを選ぶ。θ３＝f（Ｌ１，Ｈ１，θ１）を満たす最適な位置に光路分割要素１０１５を配置する。光路分割の方法としては、空間分割、波長分割、偏光分割等が考えられる。例えば、光路分割要素１０１５として、実施例２以降で示すとおり、回折格子、複屈折素子、分割レンズ等を用いる。それぞれの性質が異なるので、性質に応じ分割できる角度は異なる。その為、光路分割要素１０１５が性質上分割できる角度と、所望の分割角度θ３が略一致するように、分割要素１０１５を配置する。
　検出光学系１０３について説明する。まず、本実施例の特徴である検出光学系側の光路調整要素１０３２の配置について図３を用いて説明する。投射光学系側の光路分割要素１０１５の説明と同様、便宜上、高さの段階を二通りとして説明する。前述のとおり、投射光学系１０１からの光はθ１、θ２で試料に入射する。そして、入射角度と同角度（θ１´，θ２´）で、試料表面で反射する。投射光学系１０１と同様、検出光学系１０３は基準となる第１の高さ１０４２ａの高さ測定点１０４５ａで反射する反射光（第１の光１０３０ａ）を検出するように設置されている。検出光学系の向き、結像レンズ１０３３、及びセンサ１０３４の位置は固定されている。
　第１の高さ１０４２ａにおいて、試料表面からθ１´で反射した第１の光１０３０ａはセンサ１０３４で受光可能である。しかし、高さ測定点１０４５ｂで反射した第２の光１０３０ｂ（試料表面の法線方向に対して相対角θ２´の方向に反射する光）は、第１の光と別の軌道を通るため、センサ１０３４で受光することはできない。
　そこで、結像レンズ１０３３と試料の間に光路調整要素１０３２を配置することによって、光路調整要素１０３２を通過した第２の光１０３０ｂが、第１の光１０３０ａの軌道と同じになるように、第２の光１０３０ｂを偏向する。光路調整要素１０３２の配置位置は、光路分割要素１０１５と同様、試料と検出光学系（特に結像レンズ１０３３、センサ１０３４）の位置に応じて決める。配置角度は、試料表面から反射した所望の反射光角度及び結像レンズ１０３３並びにセンサ１０３４の配置を考慮する。
　また、前述のとおり、光路調整要素１０３２の種類に応じて、分岐できる角度が異なる。よって、光路調整要素１０３２の分割可能角度と、センサの位置に応じて最適な角度で配置する。
　試料で反射した光は、光路調整要素１０３２に入射する。投射光学系１０１の光路分割要素１０１５によって光は複数方向に分割され、複数の異なる角度で試料に入射する。異なる入射角で試料に照射された複数の光は、複数の異なる方向に反射され、光路調整要素１０３２には、複数の異なる方向に向かう反射光が入射する。
　高さ測定点１０４５ｂで反射した第２の光１０３０ｂは、第１の光１０３０ａとは検出光学系に入射する入射角度（軌道）が異なるため、センサ１０３４の検出面とは異なる位置に到達することになるが、本実施例では、光路調整要素１０３２を配置することによって、第２の光１０３０ｂの軌道を第１の光１０３０ａの軌道に一致させている。このような光路調整を可能とすべく、投射光学系の光が第１の光１０３０ａの光路と第２の光１０３０ｂの光路の双方を面内に含む仮想平面内で、光を偏向するような光路調整要素を採用する。更に、高さ測定点１０４５ｂで反射した反射光が、高さ測定点１０４５ａで反射した反射光と同じ軌道を辿るように偏向する光路調整素子を採用する。
　光路調整要素１０３２で光路分岐し、センサ１０３４方向に進行する反射光は結像レンズ１０３３で結像し、その後、センサ１０３４で受光される。
　このように、投射光学系１０１に光路分割要素１０１５を設けると共に、検出光学系１０３に光路調整要素１０３２を設けることによって、基準となる第１の高さ１０４２ａから大きく高さの異なる第２の高さ１０４２ｂにおいても、検出光学系側の結像倍率を変えずに、その高さに応じた入射角度で光を投射でき、且つそれぞれの試料高さからの反射光をセンサで受光できる。
　次に、センサ１０３４の出力に基づいて試料の高さ測定を行う例について説明する。センサ１０３４で受光した光の変位量をΔｓ、試料の高さの変位量Δｚ、入射角θ、結像倍率をｍとした場合、センサで受光した光と高さの関係は、Δｓ＝２×ｍ×ｓｉｎθ×Δｚで求めることができる。
　Δｓについて説明する。図４Ａはセンサに投影されるパターンマスク１０１３の投影像と、その強度分布を示すである。前述のパターンマスク１０１３の開口を透過した光がセンサ１０３４の受光面に到達するため、開口の形状を反映した投影像となる。強度分布では、複数の開口に対応する位置に複数のピークが現れ、複数のピーク位置を特定することができる。この位置に関する値（Δｓ）を平均化することによって、試料高さの高精度測定が可能となる。ピーク位置が試料表面の材質の違い等により、本来の高さ位置に対応する位置に投影されない場合であっても、平均化によってその影響を抑制することができる。
　図４Ｂにおいて、（ａ）は、基準となる第１の高さに試料が位置付けられている場合のセンサに対する投影像の一例で、（ｂ）は、第１の高さから、高さ方向に＋１００μｍステージを移動させた場合に得られる投影像の一例を示している。なお、本実施例で用いる試料ステージは試料表面に平行な方向であるｘ－ｙ方向に試料を移動させる移動機構の他に、ｚ方向に試料を移動させるｚ移動機構を備えている。
　開口を透過した光が撮像される位置は、高さ変動に応じて変位する。このように、少なくとも異なる高さ２点で得られるセンサの受光情報からセンサの変位量Δｓを求めることができる。尚、図４Ｃは撮像画像上の開口形状（例えばスリット）の移動量を横軸、高さを縦軸とし図４Ｂの（ａ）、 （ｂ）をプロットしてできる撮像画像（開口形状位置）と高さの相関図である。開口形状位置の変位量と高さの変位量は略比例関係にある。
　Δｓが算出されると、基準となる高さからどの程度変動したかのΔｚを算出でき、試料面の高さを測定することができる。入射角θは前述の説明のとおり、光路分割要素１０１５を用いて、第１の高さ１０４２ａとその近傍では入射角θ１とし、第２の高さ１０４２ｂとその近傍では入射角θ２を用いる。このように、光路分割要素１０１５により投射光学系１０１から各高さ段階とその近傍に適した入射角度の光を試料に投射し、且つ光路調整要素１０３２によりその反射光を検出光学系１０３のセンサ１０３４で結像倍率を高く維持したまま受光することができる。
　測定可能な高さの範囲が広いと結像倍率を低く設定しなければならないところ、上述のように投射光学系側では光路を複数に分割し、検出光学系側では所望の光路に戻すことによって、結像倍率を高く維持しながら、測定可能な高さ範囲をも広げ、広範囲且つ高精度な高さ測定ができる。
　尚、光路分割要素１０１５および光路調整要素１０３２は略同じ性質、異なる性質いずれでもよい。また、図１で示すように、光路分割要素１０１５と高さ測定点（１０４５ａ、１０４５ｂ）までの距離と、高さ測定点（１０４５ａ、１０４５ｂ）から光路調整要素１０３２までの距離が略同じである場合、投射と検出の偏向すべき角度も略同じであるため、光学配置、設計が容易になる。
　本実施例では光路分割要素１０１５又は光路調整要素１０３２として回折格子を用いる場合を説明する。基本構成は実施例１と同様である。
　投射光学系側の光路分割要素１０１５に回折格子を用いた場合について説明する。前述のとおり基準となる第１の高さ１０４２ａの試料に対しては入射角度θ１、それとは異なる第２の高さ１０４２ｂの試料に対しては入射角度θ２で光を投射する。投射光学系１０１から放出される光の角度の変位量θ３は、幾何学的にθ３＝f(Ｌ１, Ｈ１,θ１)で求めることができる。光路分割要素として回折格子を用いる場合、光源１０１１から放出される光の波長λ、格子のピッチ幅、軌道１０１０ａと軌道１０１０ｂの相対角θ３、高さ測定点１０４５ｂまでの距離の組合せで最適設置位置を決定する。
　図５は、投射光学系の光路分割要素１０１５として回折格子を用いた例を示している。回折格子は０次光と回折光に分岐するための複数の格子を備えている。光源１０１１から放出された光は、光路分割要素１０１５を通過する際、０次光と回折光に分岐する。
　図６Ａ、図６Ｂは、検出光学系側の光路調整要素１０３２として、回折格子を用いた場合の反射光の様子を示している。図６Ａは第１の高さ１０４２ａに試料表面を位置付けたとき、図６Ｂは、第２の高さ１０４２ｂに試料表面を位置付けたときの高さ測定点１０４５にて反射する反射光の軌道を例示している。第２の高さ１０４２ｂにおいて、試料から反射した光１０３０ｂはそのまま直進するとセンサの受光面外に結像する。センサ１０３４で反射光１０３０ｂを受光するためには、センサ面内に直進する方向へ光路を分岐する必要がある。
　本実施例では、光路調整要素１０３２として回折格子を採用することで、反射光１０３０ｂを０次光と回折光に分岐する。分岐した回折光はセンサ１０３４面内に直進し、センサ１０３４で受光される。
　図７は光路分割要素又は光路調整要素に回折格子を用いた場合の光学式高さ測定装置全体の概略図である。投射光学系側の光路分割要素１０１５を透過した光は複数の異なる光路に分岐し、試料に入射する。多数の異なる入射角度で試料に入射する分、試料表面で反射する光の光路も複数発生する。その反射光の中には、センサで受光すべきでない不所望の反射光（ノイズ成分）も多く含まれる。例えば、検出光学系側に絞り１０３１を設け、光路調整要素１０３２に入らない大きく外れた反射光（ノイズ成分）は絞り１０３１によって遮光する。この他の不所望の反射光（ノイズ成分）についても、信号処理又は、センサのサイズの適正化等で遮光する。これによりノイズ成分がセンサ１０３４に入らないよう除去し、センサ１０３４での検出精度を更に上げることができる。
　変形例として、図８Ａ、図８Ｂを用いて、光路分割要素１０１５又は光路調整要素１０３２として異なるピッチの２種類の回折格子を左右に配置した場合を説明する。高さ測定点が図７で示すように第１の高さ１０４２ａ、第２の高さ１０４２ｂの２通りにある場合には、角度θ３で分岐させれば良い。しかし、高さ測定点が第１、第２の高さの他に第３、第４の高さと３つ以上の高さにある場合がある。目標とする試料高さが３つ以上の場合、分岐させたい角度もθ３の１つだけでなく、例えばθ４、θ５と増える。この場合にも図８Ａに示すとおり、異なるピッチの回折格子を、分割して１０１５ａ、１０１５ｂとして配置することで、それぞれの光路で異なる分岐角度θ３、θ４、θ５を実現することが出来る。この際、受光側では、図８Ｂに示すように、それぞれ対応する１０３２ａ、１０３２ｂで受光できるよう配置すればよい。この場合の分岐する光路の数は基本的に２つに限る必要は無い。
　図８Ｂは、高さ測定装置を高さ(ｚ軸)方向から俯瞰し、パターンマスク１０１３からセンサ１０３４までを部分的に示した図である。この際、図８Ａに示すように、検出光学系側の光路調整要素１０３２にも対応する、すなわち１０１５ａと１０３２ａが略等しいピッチ、１０１５ｂと１０３２ｂが略等しいピッチとなるように分割して配置する。
　あるいは光軸に対して、光路分割要素を直列に配置することで、複数の回折方向を同時に実現させることも可能である。これは、偏光による分離を狙ったプリズム、たとえばウォラストンプリズムやローションプリズムなどを適用する場合であっても同様に実現させることが可能であり、本発明の範囲を超えるものではない。
　尚、光路分割要素が本実施例のように回折格子である場合、光源はレーザ光源など波長帯域が小さいものを使用することが望ましい。
　レーザ光源の代わりに、白色光源を使用することもできる。この場合には、回折格子を通過した後、同じ１次の回折光の結像を狙った場合であっても、回折角の波長依存性によって像が連続的に分離、重畳し、像質のにじみが発生する場合がある。しかし、光路分割要素に偏光成分で光路分岐するウォラストンプリズムなどを用いることで、この依存性を低減することができる。
　図９は本実施例の基本形態を示している。本実施例では、実施例２と同様、光路分割要素１０１５として回折格子を用い、結像レンズ（１０１６、１０１７）を、少なくとも２つの無限共役系となるよう配置した。光路分割要素１０１５を、当該２つの結像レンズ（１０１６、１０１７）の間に配置した。
　同様に、検出光学系側の結像レンズ１０３３も、結像レンズ(１０３６、１０３７)を無限共益系に置き換え、光路分割要素１０３２を、当該２つの結像レンズ（１０３６、１０３７）の間に配置した。この場合でも、実施例２と同様に、光路分割要素１０１５、光路調整要素１０３２により、入射光・反射光の光路を分岐することでき、実施例２と同様の効果を得ることができる。
　図１０は本実施例の基本形態を示している。本実施例では、光路分割要素１０１５と光路調整要素１０３２を実施例２、３で用いた回折格子を、複屈折素子３０１１および波長板３０１２に置き換えたものである。複屈折素子３０１１は、例えば、ウォラストンプリズムやローションプリズムが考えられる。複屈折素子３０１１は、偏光の向きごとに光路を分岐することができる。素子により分岐できる角度は異なる。例えば、第２の高さ１０４２ｂの測定点１０４５ｂに適した入射角度θ２の第２の光１０１０ｂを生成したい場合、基準となる第１の光１０１０ａからθ３分岐させたい。この場合、光源１０１１から放出される光の波長λを考慮し、θ３に屈折する素子を選ぶ。
　前述のとおり投射光学系１０１は、基準となる第１の高さ１０４２ａに合わせて設置されており、入射角度は一定である（１０１０ａ）。この投射光学系１０１から放出される光を、第２の高さ１０４２ｂの測定点１０４５ｂに適した入射角度に光路分岐する流れを説明する。光源１０１１から放出された光は、集光レンズ１０１２、パターンマスク１０１３、結像レンズ１０１４を経て、複屈折素子３０１１に入る。当該光は、複屈折素子が有する分岐角度に応じて分岐する。
　複屈折素子３０１１を透過した光は、それぞれ直交する成分を有しており、進行方向の異なる直線偏光に分割される。直線偏光になると、反射光に偏光依存性が生じる場合がある。これを波長板３０１２によって、再度円偏光に変換する。これにより、試料表面上で反射する際、偏光依存性を低減することができる。
　検出光学系１０３も、基準となる第１の高さ１０４２ａに合わせて設置されている。第２の高さ１０４２ｂの試料から、所望の反射光１０３０ｂを受光する流れを説明する。投射光学系側の光路分割要素１０１５ａで光路分岐した第２の光１０１０ｂは、試料表面上の高さ測定点１０４５ｂで結像し、反射する。その後、反射光１０３０ｂは検出光学系側の結像レンズ１０３６を通して平行光となり、波長板３０２２によって直線偏光に変換されるとともに複屈折素子３０２１によって偏光ごとに光路が屈折する。これによりセンサ１０３４方向に直進する光路を形成することができ、第２の高さの試料表面から反射した第２の光１０３０ｂをセンサ１０３４で受光することができる。
　複屈折素子３０１１の配置は、第２の高さ１０４２ｂの試料表面から反射した所望の反射光１０３０ｂが、結像レンズ１０３３を経て複屈折素子に入る際の角度と、その光を進行させたい方向、センサに対する角度に応じて複屈折素子を配置する。
　図１１は本実施例の基本形態を示している。本実施例では、光路分割要素、光路調整要素として、実施例２、３の回折格子を除去し、結像レンズ１０１４を少なくとも２つに分割されたレンズ(４０１１ａ、４０１１ｂ)に置き換えたものである。分割レンズとは、例えば、図１２Ａに示すように分割された一方のレンズ４０１１ｂをｄｙ１ずらしたものである。さらに、検出光学系側１０３も、結像レンズ１０３３の代わりに、少なくとも２つに分割されたレンズ（４０１２ａ、４０１２ｂ）に置き換え、分割された一方のレンズ４０１２ｂを図１２Ｂに示すようにｄｙ２ずらしたものである。一般にレンズは、開口形状を任意の形状に設定して部分的に使用しても、結像位置において結像関係をおおまかに維持できるため、分割されたレンズ(４０１１ａ、４０１１ｂ、４０１２ａ、４０１２ｂ)はそれぞれ、独立した光軸、結像関係をもつレンズとして扱うことができる。尚、収差性能変動による影響は小さいものとして考える。
　投射光学系側の分割された一方の結像レンズ４０１１ａを透過した第１の光１０１０ａは、第１の高さ１０４２ａの試料表面の高さ測定点１０４５ａで結像、反射し検出光学系側の分割された一方の結像レンズ４０１２ａを透過し、センサ１０３４で結像する。一方、投射光学系側分割された他方のレンズ４０１１ｂを透過した第２の光１０１０ｂは、第２の高さ１０４２ｂの試料表面の高さ測定点１０４５ｂで結像、反射し、検出光学系側分割された他方のレンズ４０１２ｂを透過し、センサ１０３４で結像する。この第２の高さにおける分割レンズを用いた光路分岐について説明する。
　第２の高さ１０４２ｂにおいて、高さ測定点１０４５ｂで結像する第２の光を形成するには、パターンマスク１０１３の中心と、レンズ４０１１ｂの中心を結ぶように、分割レンズのもう一方４０１１ｂを配置する。図１２Ｃに示すとおり、光源１０１１から放出された光１０１０ａの光軸は、パターンマスク１０１３の中心と、結像レンズ１０１４の中心が一直線上にある場合、当該線上に直進する。図１２Ｄに示すとおり、第１の光１０１０ａに対し、光軸をＹ´方向にｄｙずらしたいとする。この場合、レンズ４０１１ｂの中心を、第１の光１０１０ａに対し、その直交する方向Ｙ´に対するずれ量ｄｙに応じた角度θ３分ずらす。パターンマスク１０１３を透過した光は、ずらしたレンズ４０１１ｂの中心に向かって直進する。その為、その光路は、第１の光１０１０ａに対し、θ３分変位する。
　このように、基準となる第１の高さ１０４２ａに適した光路１０１０ａから、第２の高さ１０４２ｂに適した光路１０１０ｂまで分岐させたい角度θ３分、分割レンズの一方４０１１ｂの中心位置と角度をずらす。これにより、第２の高さ１０４２ｂに適した光路に分岐することができる（図１１）。
　検出光学系側の光路調整要素１０３２として、結像レンズ１０３７を少なくとも２つに分割されたレンズ（４０１２ａ、４０１２ｂ）に置き換えた場合も同様の原理で、第２の高さ１０４２ｂにおいて反射した第２の光１０３０ｂが光路調整要素１０３２に入ってくる角度とセンサ１０３４に対する角度に応じて、一方の分割レンズ４０１２ａから他方の分割レンズ４０１２ｂをずらして配置する。これにより第２の高さ１０４２ｂにおいても、反射した光をセンサ１０３４で受光することができる。
　以上の実施例で説明した高さ測定装置を搭載した荷電粒子装置等において行う演算処理や装置制御の方法について説明する。
　図１３は、検出光学系１０３のセンサ１０３４で受光した光のその後の処理経路を示している。
　本実施例では、センサはＰＳＤセンサであるとして説明する。しかし、センサはＰＳＤのような１次元又は２次元素子を用いるものだけでなく、ＣＣＤ又はＣＭＯＳのようなイメージングセンサであっても良い。
　ＰＳＤセンサで受光した反射光の重心位置に応じて出力電圧は変化する。その出力電圧の変異量をテーブルにあてはめ、高さを算出する。
　試料が第１の高さ１０４２ａにある場合と、第２の高さ１０４２ｂにある場合とでは、この反射光重心位置が異なる。
　その後、検出光学系１０３から出力された受光情報は、処理部５０１に送られる。処理部５０１では、この重心位置に基づきセンサ変位量Δｓを演算する。そして、投射光学系１０１からの入射角θ、結像倍率、ΔｓをΔｓ＝２×ｍ×ｓｉｎθ×Δｚに当てはめ高さ変位量Δｚを算出する。
　処理部５０１からの情報は、制御部５０２に送られる。制御部５０２では、処理部５０１で求めた試料の高さ情報に基づいて、ステージ制御を行う。
　電子ビームを用いた測長又は検査装置においては、より安定した高画質の像を取得するため、高さ測定の高精度化が求められている。一方、電子ビームを高加速化することによって、試料の内部構造の観察を行うというニーズもある。例えば、電子ビームの試料への到達エネルギー（加速エネルギー）が高い程、電子ビームが試料内部まで到達し、試料表面から見えない情報を可視化することができる。また、電子ビームを用いた測長や検査を行う装置には、高い分解能が求められている。電子ビーム装置の高分解能化のためには、試料表面と対物レンズとの間の距離（ワーキングディスタンス：ＷＤ）を短くすることが望ましい。
　しかしながら、対物レンズは理想光軸に向かって電子を収斂して、ビームを集束するという原理上、ビームが高加速化する程、より強い収束作用が必要となる。また、ワーキングディスタンスが短いと、短い距離で電子を収斂させる必要があるため、やはり強い収束作用が必要となり、ワーキングディスタンスの短縮化とビームの高エネルギー化の両立は難しい。
　そこで本実施例では、低エネルギービームを用いた測定、検査のときには、分解能を優先してワーキングディスタンスを短くし、高エネルギービームを用いた測定、検査のときには、電子を収斂させる作用を優先してワーキングディスタンスを長くするように、ステージの高さ方向の位置を制御する電子ビーム装置について説明する。
　図１４は、荷電粒子ビーム装置の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。電子源１４０１から引出電極１４０２によって引き出され、図示しない加速電極によって加速された電子ビームは、ビームの理想光軸１４０３に沿って集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ１４０４に入射し、絞られた後に、走査偏向器１４０５により、試料１４０９上を一次元的、或いは二次元的に走査される。電子ビームは試料台１４０８に内蔵された電極に印加された負電圧により減速されると共に、対物レンズ１４０６のレンズ作用によって集束されて試料１４０９上に照射される。
　電子ビームが試料１４０９に照射されると、当該照射個所から二次電子、及び後方散乱電子のような電子１４１０が放出される。放出された電子１４１０は、試料に印加される負電圧に基づく加速作用によって、電子源方向に加速され、変換電極１４１２に衝突し、二次電子１４１１を生じさせる。変換電極１４１２から放出された二次電子１４１１は、検出器１４１３によって捕捉され、捕捉された二次電子量によって、検出器１４１３の出力Ｉが変化する。この出力Ｉに応じて図示しない表示装置の輝度が変化する。例えば二次元像を形成する場合には、走査偏向器１４０５への偏向信号と、検出器１４１３の出力Ｉとの同期をとることで、走査領域の画像を形成する。また、図１４に例示する走査電子顕微鏡には、電子ビームの走査領域を移動する偏向器（図示せず）が備えられている。
　なお、図１４の例では試料から放出された電子を変換電極にて一端変換して検出する例について説明しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば加速された電子の軌道上に、電子倍像管や検出器の検出面を配置するような構成とすることも可能である。制御装置１４１４は、走査電子顕微鏡の各構成を制御すると共に、検出された電子に基づいて画像を形成する機能や、ラインプロファイルと呼ばれる検出電子の強度分布に基づいて、試料上に形成されたパターンのパターン幅を測定する機能を備えている。
　また、図１４に例示する電子ビーム装置は、光源１４１５、受光素子１４１６を含む高さ測定装置を備えている。この高さ測定装置は、例えば図１等に例示したものと同じである。また、試料室１４０７には試料台１４０８をｘ－ｙ方向に移動させるｘ－ｙ駆動機構と、ｚ方向に移動させるｚ駆動機構が内蔵されている。これらの駆動機構は制御装置１４１４から供給される制御信号によって制御される。
　なお、高さ測定装置の投射光学系のビーム軌道と、検出光学系のビーム軌道が、理想光軸１４０３を含む仮想平面を鏡面とする鏡面対称となるように、高さ測定装置を構成する光学素子が設置されている。
　更に、制御装置１４１４は、高さ測定装置の出力に基づいて、ｚ駆動機構を制御すると共に、高さ測定装置（Ｚセンサ）の出力に基づいて、対物レンズ１４０６の励磁電流を制御する。制御装置１４１４は、予め記憶された高さ測定装置の出力と対物レンズ１４０６の制御信号との関係情報に基づいて、対物レンズ１４０６のレンズ条件（励磁電流）を制御する。
　図１５は、設定されたビーム条件（加速電圧、或いはビームの試料への到達エネルギー）に応じた、ステージ制御と高さ測定を行うように走査電子顕微鏡を制御する工程を示すフローチャートである。まず、制御装置１４１４は予め動作プログラム（レシピ）等で設定されている加速電圧等の条件を読み取り、低加速が設定されている場合には、ＷＤ１（＜ＷＤ２）となるよう、ｚ駆動機構を制御し、高加速が設定されている場合には、ＷＤ２（＞ＷＤ１）となるようにｚ駆動機構を制御する。ここで高加速か低加速かの識別は、予め設定した閾値で判断しても良いし、特定の加速電圧に予め高加速、或いは低加速かの識別情報を付与しておき、当該識別情報をもとに判断するようにしても良い。また、ワーキングディスタンス、或いは試料高さ（例えば所定の基準位置と試料表面の高低差）を直接設定し、当該設定に基づいてｚ駆動機構を制御するようにしても良い。
　次に、Ｚセンサを用いた高さ測定を行う。この際、レシピにＷＤ１が設定されている場合は、試料高さに関する値として、Δｚ１＝Δｓ／（２×ｍ×ｓｉｎθ１）を演算し、ＷＤ２が設定されている場合には、Δｚ２＝Δｓ／（２×ｍ×ｓｉｎθ２）を演算することによって、試料表面高さと基準高さの差異を求める。θ１はＷＤ１のときの電子ビームの理想光軸と、投射光学系の投射光軌道との相対角であり、θ２はＷＤ２のときの電子ビームの理想光軸と、投射光学系の投射光軌道との相対角である。
　なお、本実施例では、上記演算式を用いた演算を行う例について説明するが、予めΔｚとΔｓの関係を示すテーブルを作成しておき、当該テーブルを参照することによってΔｚを出力するようにしても良い。制御装置１４１４は、Δｚと対物レンズのレンズ条件の関係式、或いはテーブルを用いて、レンズ条件を特定し、対物レンズ１４０６を制御する。
　また、ΔｚではなくΔＯｂｊ（対物レンズの励磁電流（ビーム集束条件）の差異）とΔｓとの関係を示す演算式、或いはテーブルを用意しておき、Δｓの入力に基づいて、対物レンズの励磁電流を調整するようにしても良い。
　また、ｚ駆動機構を制御して焦点調整を行う装置の場合、上記Δｚを相殺するようにｚ駆動機構を制御するようにしても良いし、Δｓとステージ移動量Δｍとの関係を示す演算式、或いはテーブルを用意しておき、これら情報を用いて、ｚ駆動機構を制御するようにしても良い。
　以上が、高さ測定、装置条件調整の説明であるが、高さ測定や装置条件調整は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。　上述の実施例は複数の異なる高さに試料を設置し、高さを検出して処理を行う装置であれば適用が可能であり、荷電粒子線装置、光学式検査装置等、適用範囲は様々ある。
　また、上記した実施形態は高さ測定や装置条件設定法を分かりやすく説明するためのものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１００…高さ測定装置、１０１…投射光学系、１０１１…光源、１０１２…集光レンズ、１０１３…パターンマスク、１０１４…結像レンズ、１０１５…光路分割要素、１０１６、１０１７、１０３６、１０３７…結像レンズ（無限共益系）、１０３…検出光学系、１０３１…絞り、１０３２…光路調整要素、１０３３…結像レンズ、１０３４…センサ、１０４２ａ…第１の高さ、１０４２ｂ…第２の高さ、３０１１・３０２１…複屈折素子、３０１２・３０２２…波長板、４０１１ａ・４０１１ｂ・４０１２ａ・４０１２ｂ…分割レンズ、５０１…処理部、５０２…制御部

Claims (11)

  1. 　試料を保持するステージと、
    　前記ステージを複数の高さに調整するステージ駆動部と、
    　前記試料に光を投射する投射光学系と、
    　前記試料からの反射光を受光する検出光学系と、
    　前記検出光学系が出力する信号に基づいて前記試料の高さを測定する処理部と、を有し、
    　前記投射光学系は、光を放出する光源と、前記光源から放出された光の光路を分岐する光路分割要素と、を備え、
    　前記検出光学系は、前記試料からの反射光を受光するセンサと、前記センサで受光する前に前記試料からの反射光の光路をセンサ方向に調整する要素を備えることを特徴とする光学式高さ測定装置。
  2. 　請求項１記載の測定装置において、
    　前記投射光学系は、前記光源からの光を部分的に透過する開口が形成されたパターンマスクを有することを特徴とする光学式高さ測定装置。
  3. 　請求項２記載の測定装置において、
    　前記パターンマスクの開口が複数あることを特徴とする光学式高さ測定装置。
  4. 　請求項１記載の測定装置において、
    　前記検出光学系は、前記反射光のうち高さ検出領域から外れた光を遮光する絞りを有することを特徴とする光学式高さ測定装置。
  5. 　請求項２記載の装置において、
    　前記光路分割要素及び光路調整要素の少なくとも一方が回折格子であることを特徴とする光学式高さ測定装置。
  6. 　請求項２記載の装置において、
    　前記光路分割要素及び光路調整要素の少なくとも一方が複屈折素子であることを特徴とする光学式高さ測定装置。
  7. 　請求項６記載の装置において、
    　前記前記投射光学系又は検出光学系の前記複屈折素子と試料の間に波長板を備えることを特徴とする光学式高さ測定装置。
  8. 　請求項２記載の装置において、
    　前記光路分割要素及び光路調整要素の少なくとも一方が２つ以上に分割されたレンズであることを特徴とする光学式高さ測定装置。
  9. 　ビーム源と、
    　当該ビーム源から放出されるビームを集束する対物レンズと、
    　前記ビーム源から放出されるビームが照射される試料を保持するステージと、
    　前記ステージを前記ビームの照射方向に移動させるステージ駆動部と、
    　前記ビームの試料への照射点に向かって光を投射する投射光学系と、
    　前記投射光学系によって投射される光の反射光を受光する検出光学系と、
    　当該検出光学系が出力する信号に基づいて、前記対物レンズ、及び前記ステージ駆動部の少なくとも一方を制御する制御装置を備え、
    　前記投射光学系は、光を放出する光源と、前記光源から放出された光の光路を分岐する光路分割要素と、を備え、
    　前記検出光学系は、前記試料からの反射光を受光するセンサと、前記センサで受光する前に前記試料からの反射光の光路をセンサ方向に調整する要素を備えるビーム照射装置。
  10. 　請求項９において、
    　前記制御装置は、第１の試料高さ、或いは第１のワーキングディスタンスが設定されているときは、予め記憶された第１の演算式を用いた演算、或いは第１のテーブルの参照に基づいて、試料高さに関する値、或いは前記対物レンズのレンズ条件を出力し、第２の試料高さに関する値、或いは第２のワーキングディスタンスが設定されているときは、予め記憶された第２の演算式を用いた演算、或いは第２のテーブルの参照に基づいて、試料高さ、或いは前記対物レンズのレンズ条件を出力するビーム照射装置。
  11. 　請求項１０において、
    　前記制御装置は、前記第１の試料高さ、或いは前記第１のワーキングディスタンスが設定されているときは、式１に基づいて試料表面高さと基準高さの差異Δｚ１を算出し、前記第２の試料高さ、或いは前記第２のワーキングディスタンスが設定されているときは、式２に基づいて試料表面高さと基準高さの差異Δｚ２を算出する荷電粒子線装置。
    　Δｚ１＝Δｓ／（２×ｍ×ｓｉｎθ１）（式１）
    　Δｚ２＝Δｓ／（２×ｍ×ｓｉｎθ２）（式２）
    　Δｓ：センサ上の基準位置と受光位置とのずれ
    　ｍ：検出光学系の結像倍率
    　θ１：第１のワーキングディスタンスのときのビームの理想光軸と、投射光学系の投射光軌道との相対角
    　θ２：第２のワーキングディスタンスのときのビームの理想光軸と、投射光学系の投射光軌道との相対角
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020148747A (ja) * 2019-03-15 2020-09-17 株式会社リコー 物体検出装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03120403A (ja) * 1989-10-04 1991-05-22 Fujitsu Ltd パターン検出方法
JPH10318718A (ja) * 1997-05-14 1998-12-04 Hitachi Ltd 光学式高さ検出装置
US5929983A (en) * 1997-10-29 1999-07-27 International Business Machines Corporation Optical apparatus for determining the height and tilt of a sample surface
JP2002365232A (ja) * 2001-03-26 2002-12-18 Candea Instruments 組み合わせ式高速光学粗面計及び偏光解析器
JP2005045164A (ja) * 2003-07-25 2005-02-17 Toshiba Corp 自動焦点合わせ装置
JP2007306013A (ja) * 2007-06-15 2007-11-22 Toshiba Corp 自動焦点合わせ装置
JP2016008941A (ja) * 2014-06-26 2016-01-18 株式会社日立ハイテクノロジーズ 欠陥観察方法及びその装置並びに欠陥検出装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69027738T2 (de) * 1989-04-21 1996-11-28 Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo Projektions- und wiedergabeschaltung sowie projektions- und wiedergabeverfahren
US6428171B1 (en) * 1997-05-16 2002-08-06 Olympus Optical Co., Ltd. Height measuring apparatus
US6107637A (en) * 1997-08-11 2000-08-22 Hitachi, Ltd. Electron beam exposure or system inspection or measurement apparatus and its method and height detection apparatus
US6031615A (en) 1997-09-22 2000-02-29 Candela Instruments System and method for simultaneously measuring lubricant thickness and degradation, thin film thickness and wear, and surface roughness
FI124299B (fi) * 2009-10-08 2014-06-13 Focalspec Oy Mittalaite ja menetelmä kohteen ja kohteen pinnan ominaisuuksien mittaamiseksi
NL2006129A (en) * 2010-03-12 2011-09-13 Asml Netherlands Bv Lithographic apparatus and device manufacturing method.
JP5504068B2 (ja) * 2010-06-23 2014-05-28 Ｄｍｇ森精機株式会社 変位検出装置
NL2009612A (en) * 2011-11-21 2013-05-23 Asml Netherlands Bv Level sensor, a method for determining a height map of a substrate, and a lithographic apparatus.
JP2014095612A (ja) 2012-11-09 2014-05-22 Hitachi High-Technologies Corp 検査装置
WO2015175702A1 (en) * 2014-05-14 2015-11-19 Kla-Tencor Corporation Image acquisition system, image acquisition method, and inspection system
JP6578436B2 (ja) * 2015-10-08 2019-09-18 エーエスエムエル ネザーランズ ビー．ブイ． トポグラフィ測定システム

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03120403A (ja) * 1989-10-04 1991-05-22 Fujitsu Ltd パターン検出方法
JPH10318718A (ja) * 1997-05-14 1998-12-04 Hitachi Ltd 光学式高さ検出装置
US5929983A (en) * 1997-10-29 1999-07-27 International Business Machines Corporation Optical apparatus for determining the height and tilt of a sample surface
JP2002365232A (ja) * 2001-03-26 2002-12-18 Candea Instruments 組み合わせ式高速光学粗面計及び偏光解析器
JP2005045164A (ja) * 2003-07-25 2005-02-17 Toshiba Corp 自動焦点合わせ装置
JP2007306013A (ja) * 2007-06-15 2007-11-22 Toshiba Corp 自動焦点合わせ装置
JP2016008941A (ja) * 2014-06-26 2016-01-18 株式会社日立ハイテクノロジーズ 欠陥観察方法及びその装置並びに欠陥検出装置

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