(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物のガラス層の厚さに応じて厚みが設定される光透過層を介して計測光を対物レンズによってガラス層の下端面に集光して照射するとともに、計測対象物からの反射光の強度を対物レンズを介して光検出器によって検出することにより、下端面上に形成された対象部の寸法を計測する顕微鏡において、
計測対象物を挟んで前記対物レンズと同一光軸上に対向配置されて対物レンズに対する光学的な位置関係が予め計測されるとともに、前記下端面に焦点設定入射光を集光して照射する焦点設定用対物レンズと、
前記下端面からの焦点設定反射光の強度を前記焦点設定用対物レンズを介して検出する焦点設定用光検出器と、
前記対物レンズの焦点設定時には前記焦点設定用対物レンズに焦点設定入射光のみを照射させ、計測時には前記対物レンズに入射光のみを照射させる光切換手段とを具備し、
焦点設定入射光の強度を前記光検出器及び焦点設定用光検出器によって検出することにより光透過層の厚さが調節されて対物レンズの焦点位置が設定されることを特徴とする顕微鏡。
【請求項２】
光学的な位置関係として、対物レンズの焦点と焦点設定用対物レンズの焦点とが一致したときの対物レンズと焦点設定用対物レンズとの距離が予め計測されることを特徴とする請求項１記載の顕微鏡。
【請求項３】
光検出器及び焦点設定用光検出器によって検出される焦点設定入射光の強度が最大となるよう光透過層の厚さが設定されることを特徴とする請求項１または２記載の顕微鏡。
【請求項４】
入射光と焦点設定入射光とは同一光源から供給されることを特徴とする請求項１ないし３いずれかの項記載の顕微鏡。
【請求項５】
計測対象物のガラス層の厚さに応じて厚みが設定される光透過層を介して入射光を対物レンズによってガラス層の下端面に集光して照射するとともに、計測対象物からの反射光の強度を光透過層と対物レンズを介して検出することにより、下端面上に形成された対象部の寸法を計測する顕微鏡の焦点設定方法であって、
ａ．前記対物レンズと同一光軸上にサンプルガラスを挟んで焦点設定用対物レンズを対向配置する行程と、
ｂ．焦点設定用対物レンズを介してサンプルガラスの下端面に焦点設定入射光を照射して得られる焦点設定反射光の強度を焦点設定用対物レンズを介して検出することにより、該焦点設定用対物レンズを移動して焦点をサンプルガラスの下端面に合わせる行程と、
ｃ．サンプルガラスを透過した焦点設定入射光の強度を対物レンズを介して検出することにより対物レンズを移動して焦点をサンプルガラスの下端面に合わせる行程と、
ｄ．前記対物レンズと焦点設定用対物レンズとの間にサンプルガラスに代えて計測対象物及び光透過層を装着して入射光を、焦点設定用対物レンズの焦点が前記ガラス層の下端面に合うように焦点設定用対物レンズの位置を移動する行程と、
ｅ．前記行程ｂ、ｃにおける焦点設定用対物レンズと対物レンズとの位置関係に基づいてガラス層の下端面に焦点が合うように対物レンズの位置を合わせる行程と、
ｆ．前記反射光の強度が最大となるように前記光透過層の厚みを調節する行程と、
を有することを特徴とする顕微鏡の焦点設定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡及びその焦点設定方法に係わり、特に顕微鏡用ガラス層厚み補正器を用いた共焦点走査方式レーザ顕微鏡及びその焦点設定の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平７−１４０３９３号公報等に共焦点走査方式レーザ顕微鏡を用いた半導体製造用マスク（以下マスクという）の検査、及び該マスクを形成するガラス基板の厚さ偏差による検査精度の低下を顕微鏡用ガラス層厚み補正器（以下単に厚み補正器という）を用いて補正する技術が開示されている。
【０００３】
このような厚み補正器を用いた共焦点走査方式レーザ顕微鏡において、該厚み補正器の光透過層の厚さ設定は、レーザマイクロメータ等の厚さ計測器を用いてガラス基板の厚さ等を実測することによって、光透過層とガラス基板とを合計した厚さが一定の基準厚となるように行われていた。また、マスクは厚さによっていくつかの種類に分類されており、従来の光透過層の厚さ設定はマスクの種類が変わると最初のマスクの計測を行う前に行われ、以後同一種類のマスクについてはこの設定のまま計測が行われる。そして、このように光透過層とガラス基板とを合計した厚さが基準厚となる状態で、共焦点走査方式レーザ顕微鏡の焦点がガラス基板の下端面に合うように設定されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記光透過層の厚さ設定方法は、ガラス基板の厚さ等の物理的な計測に基づくものであり光学的な厚さに基づくものではないため、ガラス基板の材質の変化等による設定誤差が含まれるという問題点があった。また、マスクの種類が変わると最初のマスクの計測を行う前に１回だけ光透過層の厚さ設定が行われるので、以後の同一種類のマスクの計測時に温度変化等の要因によって光透過層とガラス基板とを合計した厚さが基準厚に対して変動するため、共焦点走査方式レーザ顕微鏡の焦点がずれるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、以下の点を目的としている。
（１）計測対象物のガラス層の材質の違いによる計測精度の低下を押さえることが可能な顕微鏡を提供する。
（２）計測対象物のガラス層の光学的な厚さに基づく顕微鏡の焦点設定方法を提供する。
（３）周囲温度の変化に対して安定した顕微鏡の焦点設定方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を果たすために、第１の手段として、計測対象物のガラス層の厚さに応じて厚みが設定される光透過層を介して計測光を対物レンズによってガラス層の下端面に集光して照射するとともに、計測対象物からの反射光の強度を対物レンズを介して光検出器によって検出することにより、下端面上に形成された対象部の寸法を計測する顕微鏡において、
計測対象物を挟んで前記対物レンズと同一光軸上に対向配置されて対物レンズに対する光学的な位置関係が予め計測されるとともに、前記下端面に焦点設定入射光を集光して照射する焦点設定用対物レンズと、
前記下端面からの焦点設定反射光の強度を前記焦点設定用対物レンズを介して検出する焦点設定用光検出器と、
前記対物レンズの焦点設定時には前記焦点設定用対物レンズに焦点設定入射光のみを照射させ、計測時には前記対物レンズに入射光のみを照射させる光切換手段とを具備し、
焦点設定入射光の強度を前記光検出器及び焦点設定用光検出器によって検出することにより光透過層の厚さが調節されて対物レンズの焦点位置が設定されるという手段が採用される。
【０００７】
第２の手段として、上記第１の手段において、光学的な位置関係として対物レンズの焦点と焦点設定用対物レンズの焦点とが一致したときの対物レンズと焦点設定用対物レンズとの距離が予め計測されるという手段が採用される。
【０００８】
第３の手段として、上記第１または第２の手段において、光検出器及び焦点設定用光検出器によって検出される焦点設定入射光の強度が最大となるよう光透過層の厚さが設定されるという手段が採用される。
【０００９】
第４の手段として、上記第１ないし第３の何れかの手段において、入射光と焦点設定入射光とは同一光源から供給されるという手段が採用される。
【００１０】
第５の手段として、計測対象物のガラス層の厚さに応じて厚みが設定される光透過層を介して入射光を対物レンズによってガラス層の下端面に集光して照射するとともに、計測対象物からの反射光の強度を光透過層と対物レンズを介して検出することにより、下端面上に形成された対象部の寸法を計測する顕微鏡の焦点設定方法において、
ａ．前記対物レンズと同一光軸上にサンプルガラスを挟んで焦点設定用対物レンズを対向配置する行程と、
ｂ．焦点設定用対物レンズを介してサンプルガラスの下端面に焦点設定入射光を照射して得られる焦点設定反射光の強度を焦点設定用対物レンズを介して検出することにより、該焦点設定用対物レンズを移動して焦点をサンプルガラスの下端面に合わせる行程と、
ｃ．サンプルガラスを透過した焦点設定入射光の強度を対物レンズを介して検出することにより対物レンズを移動して焦点をサンプルガラスの下端面に合わせる行程と、
ｄ．前記対物レンズと焦点設定用対物レンズとの間にサンプルガラスに代えて計測対象物及び光透過層を装着して入射光を、焦点設定用対物レンズの焦点が前記ガラス層の下端面に合うように焦点設定用対物レンズの位置を移動する行程と、
ｅ．前記行程ｂ、ｃにおける焦点設定用対物レンズと対物レンズとの位置関係に基づいてガラス層の下端面に焦点が合うように対物レンズの位置を合わせる行程と、
ｆ．前記反射光の強度が最大となるように前記光透過層の厚みを調節する行程と、
を有する手段が採用される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図３を参照して、本発明に係わる顕微鏡及びその焦点設定方法の一実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態における顕微鏡の光学系の構成図である。この図において、符号１はレーザ発振器（光源）であり、例えば波長３２５ｎｍ（ナノメートル）のシングルモードレーザ光を反射鏡２に向けて出力する。反射鏡２はレーザ光を反射鏡３に向けて反射させる。反射鏡３は、レーザ光を入射光としてビームスプリッタ４に向けて反射する。
【００１３】
ビームスプリッタ４は、上記反射鏡３から入射された入射光の一部を計測光学系Ａに向けて反射するとともに、残りのレーザ光を透過して焦点設定用光学系Ｂに伝搬させる。ここで、ビームスプリッタ４において反射されたレーザ光は入射光として計測光学系Ａに導かれ、ビームスプリッタ４を透過したレーザ光は焦点設定入射光として焦点設定用光学系Ｂに導かれる。
【００１４】
計測光学系Ａは、反射鏡ａ1〜ａ4、シャッタａ5、ビームスプリッタａ6、光検出器ａ7、集束レンズａ8、ピンホールａ9、１／４λ位相板ａ10、コリメータレンズａ11、対物レンズａ12、及び厚さ補正器ａ13から構成されている。
【００１５】
反射鏡ａ1は、上記入射光を反射鏡ａ2に向けて反射し、該反射鏡ａ2は入射光をシャッタａ5に向けて反射する。シャッタａ5は入射光を通過あるいは遮蔽してビームスプリッタａ6への入射光の伝搬をＯＮ／ＯＦＦする。ビームスプリッタａ6は、入射光をを集束レンズａ8に伝搬させるとともに、該集束レンズａ8に伝搬させた入射光が以下に説明する計測対象物すなわちマスクＸに反射して得られる反射光を反射鏡ａ3に向けて反射する。集束レンズａ8は、入射光をピンホールａ9に設けられた孔に向けて収束させるとともに、上記反射光を平行光にしてビームスプリッタａ6に伝搬させる。
【００１６】
ピンホールａ9は、小径の孔が設けられた遮蔽板であり、入射光を回折させて１／４λ位相板ａ10に伝搬させるとともに、反射光のうち孔に入射された反射光のみを上記集束レンズａ8に向けて通過させる。１／４λ位相板ａ10は、入射光の位相を１／４波長シフトさせてコリメータレンズａ11に伝搬させるとともに、反射光を１／４波長シフトさせて上記ピンホールａ9に伝搬させる。コリメータレンズａ11は、ピンホールａ9によって回折された入射光を平行光にして反射鏡ａ4に伝搬させるとともに、反射光をピンホールａ9の孔に向けて収束させる。
【００１７】
反射鏡ａ4は、入射光を全反射して対物レンズａ12に向けて伝搬させるとともに、反射光を全反射して上記コリメータレンズａ11に向けて伝搬させる。対物レンズａ12は、入射光を収束させて以下に説明する光透過層ａ14を介して計測対象物であるマスクＸに垂直に照射するとともに、反射光を平行光にして上記反射鏡ａ4に向けて伝搬させる。この対物レンズａ12は、光軸Ｐ1に沿って移動可能に構成されており、その位置をサブミクロン・オーダーで高精度に検出する位置検出器が備えられている。
【００１８】
厚さ補正器ａ13は、例えば特開平７−１４０３９３号公報に開示されたものであり、以下に説明するガラス基板（ガラス層）Ｘ1と同一の屈折率を有するとともにその厚さが可変可能な上記光透過層ａ14を備える。該光透過層ａ14は、ガラス基板Ｘ1の厚さと自らの厚さが常に一定の基準厚Ｖとなるようにその厚さが設定されるものである。
【００１９】
マスクＸは、図２の側断面図に示すように、一定の厚さを有するガラス基板Ｘ1の片面にエッチング等によってクロムパターン（対象部）Ｘ2が形成されたものであり、該クロムパターンＸ2の線幅Ｌ等が当該顕微鏡による計測対象とされる。この線幅Ｌの計測に当たりマスクＸは、図示するようにガラス基板Ｘ2が対物レンズａ12側とされて図示しないマスクホルダ上に載置される。
【００２０】
マスクＸに照射された入射光は該マスクＸによって反射され、反射光として厚さ光透過層ａ14及び上述した各構成要素を経由してビームスプリッタａ6によって反射鏡ａ3に向けて反射され光検出器ａ7に入射される。ここで、該反射光は、１／４λ位相板ａ10を２回通過することになるので１／２波長の位相シフトがなされるのでビームスプリッタａ6において反射される。光検出器ａ7は、例えば光電子増倍管であり、このようにして入射された反射光の強度を電気信号として検出する。
【００２１】
一方、焦点設定用光学系Ｂは、反射鏡ｂ1〜ｂ3、シャッｂ4、ビームスプリッタｂ5、焦点設定用光検出器ｂ6、集束レンズｂ7、ピンホールｂ8、１／４λ位相板ｂ9、コリメータレンズｂ10、及び焦点設定用対物レンズｂ11によって構成されている。
【００２２】
上記ビームスプリッタ４から焦点設定用光学系Ｂに向けて伝搬された焦点設定入射光は、反射鏡ｂ1によってシャッタｂ4に向けて反射される。シャッタｂ4は焦点設定入射光を通過／遮蔽してビームスプリッタｂ5に伝搬させる。ビームスプリッタｂ5は、上記シャッタｂ4から入射された焦点設定入射光を集束レンズｂ7に伝搬させるとともに、この集束レンズｂ7に伝搬させ焦点設定入射光がマスクＸに反射して得られる焦点設定反射光を反射鏡ｂ2に向けて反射する。集束レンズｂ7は焦点設定入射光をピンホールｂ8に設けられた孔に向けて収束させるとともに、焦点設定反射光を平行光にして上記ビームスプリッタｂ5に伝搬させる。
【００２３】
ピンホールｂ8は、例えば小径の孔が設けられた光遮蔽板であり、焦点設定入射光を回折させて１／４λ位相板ｂ9に通過させるとともに、焦点設定反射光のうち孔に入射された焦点設定反射光のみを上記ビームスプリッタｂ5に向けて通過させる。１／４λ位相板ｂ9は、焦点設定入射光の位相を１／４波長シフトさせてコリメータレンズｂ10に伝搬させるとともに、焦点設定反射光の位相を１／４波長シフトさせて上記ピンホールb8に伝搬させる。コリメータレンズｂ10は、ピンホールｂ8によって回折された焦点設定入射光を平行光にして反射鏡ｂ3に伝搬させるとともに、焦点設定反射光をピンホールｂ8の孔に向けて収束させる。
【００２４】
反射鏡ｂ3は、焦点設定入射光を全反射して焦点設定用対物レンズｂ11に向けて伝搬させるとともに、焦点設定反射光を上記コリメータレンズｂ10に向けて伝搬させる。焦点設定用対物レンズｂ11は、焦点設定入射光を収束させてマスクＸに照射するとともに、焦点設定反射光を平行光にして上記反射鏡ｂ3に向けて伝搬させる。この焦点設定用対物レンズｂ11は、その光軸Ｐ2が上述した対物レンズａ12の光軸Ｐ1と同一軸となるように位置設定されており、また以下に説明する手順によって対物レンズａ12との位置関係が光学的に予め計測されたものである。
【００２５】
マスクＸに照射された焦点設定入射光は該マスクＸによって反射され、焦点設定反射光として上述した各構成要素を経由してビームスプリッタｂ5によって反射され、さらに反射鏡ｂ2によって反射されて焦点設定用光検出器ｂ6に入射される。焦点設定用光検出器ｂ6は、上述した光検出器ａ7と同様の光電子増倍管であり、焦点設定反射光の強度を電気信号として検出する。
【００２６】
次に、図３を参照して、マスクＸの計測に先立って行われる対物レンズａ12の焦点の設定方法について説明する。
【００２７】
まず、この図に示すように、マスクＸに代えてサンプルガラスＺが上記マスクホルダ上に載置されるとともに光透過層１２ａが光路から除かれる。このサンプルガラスＺは、ガラス基板Ｘ1と同一材質のガラスで形成され上記基準厚Ｖを有するものである。
【００２８】
この状態において、シャッタａ5が閉じられて焦点設定入射光のみがサンプルガラスＺに照射され、該サンプルガラスＺの下端面Ｚ1（光軸Ｐ2に沿った位置Ｙ0）に焦点が合うように焦点設定用対物レンズｂ12が移動させられる。そして、このとき対物レンズｂ12に備えられた位置検出器によって計測される焦点設定用対物レンズｂ11の位置Ｙbが記憶される。
【００２９】
このとき、焦点設定用光検出器ｂ6で検出される焦点設定反射光の強度が最大、すなわちピンホールｂ8を通過する焦点設定反射光の光量が最大となることが検出されることにより、焦点設定用対物レンズｂ11の焦点が下端面Ｚ1に合ったことが判断される。
【００３０】
このように焦点設定用対物レンズｂ11の焦点が下端面Ｚ1に合わされると、対物レンズａ12を移動させることにより該対物レンズａ12の焦点を下端面Ｚ1に合わせる。そして、このとき焦点設定用対物レンズｂ11の位置Ｙaが該焦点設定用対物レンズｂ11に備えられた位置検出器の出力に基づいて記憶される。この場合には、光検出器ａ7の出力が最大すなわちピンホールａ9を通過する光の光量が最大になったことが検出されることにより対物レンズａ12の焦点が下端面Ｚ1に合わされたことが判断される。
【００３１】
以上の手順によって、対物レンズａ12の焦点と焦点設定用対物レンズｂ11の焦点が一致したときの焦点設定用対物レンズｂ11の位置に対する対物レンズａ12の位置関係、すなわち対物レンズａ12と焦点設定用対物レンズｂ11との距離Ｒが求められた。
【００３２】
続いて光学系を図１の状態に戻し、マスクＸについて対物レンズａ12の焦点を以下のように下端面Ｘ3に合わせる。まず、上述したと同様にして焦点設定用対物レンズｂ11の焦点を下端面Ｘ3に合わせる。そして、距離Ｒを満足する位置に対物レンズａ12を移動する。この場合、対物レンズａ12の位置検出器及び焦点設定用対物レンズｂ11の位置検出器の各検出値に基づいて高精度に対物レンズａ12の位置が設定される。以上の手順によって、対物レンズａ12の焦点は光学的に高精度で下端面Ｘ3に一致されたことになる。
【００３３】
この状態において、シャッタｂ4が閉じられるとともにシャッタａ5が開けられてマスクＸに入射光が照射され、光検出器ａ7の出力が最大となるように厚さ補正器ａ13の光透過層ａ14の厚さが設定される。すなわち、ガラス基板Ｘ1の厚さに厚さ補正器ａ13の厚さ加えた厚さがサンプルガラスＺの厚さつまり基準厚Ｖとなるように厚さ補正器ａ13の厚さが設定される。
【００３４】
このように焦点調整された顕微鏡によりクロムパターンＸ2の線幅Ｌは以下のように計測される。すなわち、対物レンズ１１はガラス基板Ｘ1の下端面（クロムパターンＸ2との接合面）Ｘ3に焦点が合うように光軸Ｐ1に沿って移動させられて光検出器１３によって検出され反射光の強度が最大となる位置に設定される。この場合、クロムパターンＸ2の有無によって反射光の強度が異なるので該強度変化に基づいて線幅Ｌが計測される。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば以下のような効果を奏する。
（１）計測対象物を挟んで対物レンズと同一光軸上に対向配置されて対物レンズに対する光学的な位置関係が予め計測されるとともに、下端面に焦点設定入射光を集光して照射する焦点設定用対物レンズと、ガラス層の底面からの焦点設定反射光の強度を焦点設定用対物レンズを介して検出する焦点設定用光検出器と、対物レンズの焦点設定時には焦点設定用対物レンズに焦点設定入射光のみを伝搬させ、計測時には対物レンズに入射光のみを伝搬させる光切換手段とを具備するので、計測対象物のガラス層の光学的な厚さに基づいて高精度に対物レンズの焦点位置が設定される。
（２）計測対象物のガラス層の光学的な厚さに基づいて高精度に対物レンズの焦点位置が設定されるので、計測対象物のガラス層の材質の違いによる計測精度の低下を押さえることができる。
（３）周囲温度の変化に対して計測対象物の計測を安定して行うことができる。
（４）計測対象物の計測時に物理的に該計測対象物の厚さを計測する厚さ計測器を用いる必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる顕微鏡及びその焦点設定方法において、顕微鏡の光学系の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係わる顕微鏡及びその焦点設定方法において、対物レンズの焦点調整時における光学系の構成図である。
【図３】本発明に係わる顕微鏡及びその焦点設定方法において計測対象とされるマスクの構成を示す側断面図である。
【符号の説明】
１  レーザ発振器
２，ａ5，ｂ4  シャッタ
３，ａ1〜ａ4，ｂ1〜ｂ3  反射鏡
４，ａ6，ｂ5  ビームスプリッタ
Ａ  計測光学系
Ｂ  焦点設定用光学系
ａ7  光検出器
ａ8，ｂ7  集束レンズ
ａ9，ｂ8  ピンホール
ａ10，ｂ9  １／４λ位相板
ａ11，ｂ10  コリメータレンズ
ａ12  対物レンズ
ａ13  厚さ補正器
ａ14  光透過層
ｂ6  焦点設定用光検出器
ｂ11  焦点設定用対物レンズ
Ｌ  クロムパターンの線幅
Ｐ1  対物レンズの光軸
Ｐ2  焦点設定用対物レンズの光軸
Ｒ   対物レンズと焦点設定用対物レンズとの距離
Ｘ  マスク
Ｘ1  ガラス基板
Ｘ2  クロムパターン
Ｘ3  マスクの下端面
Ｙ0  光軸に沿ったサンプルガラスの下端の位置
Ｙa  光軸に沿った対物レンズの位置
Ｙb  光軸に沿った焦点設定用対物レンズの位置
Ｚ  サンプルガラス
Ｚ1  サンプルガラスの下端面
【図１】
0003715013.tif 000002
【図２】
0003715013.tif 000003
【図３】
0003715013.tif 000004