(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスペクトル範囲に対する照明・結像装置において、
光軸（２０）を決定している対物レンズ（２１）と、
光軸（２０）上に配置されるビームスプリッターモジュール（３２）と、
それぞれ１つの照明光路（３５a,３５b,３５c）の起点を成している複数個の光源（３５）と、
それぞれ１つの結像光路（３４a,３４b）を付設した複数個の検出器（３４）と、
を有し、
照明光路（３５a,３５b,３５c）と結像光路（３４a,３４b）が共通の光学的区間を有し、この光学的区間内に前記ビームスプリッターモジュール（３２）が配置されていること、
ビームスプリッターモジュール（３２）が、複数個の光源（３５）のそれぞれに付設の照明光路（３５a,３５b,３５c）を共通の光学的区間にカップリングさせるために該照明光路（３５a,３５b,３５c）内に配置された複数個のビームスプリッター（１１，１２，１３）と、複数個の検出器（３４）のそれぞれに付設の結像光路（３４a,３４b）を光学的区間からデカップリングさせるために該結像光路（３４a,３４b）内に配置された複数個のビームスプリッター（１０，１３）とを含んでいること、
対物レンズ（２１）を起点としてそれぞれ２つのビームスプリッター（１０；１１と１２；１３）が対を成してグループ（１４,１５）を形成しており、各グループの、対物レンズ（２１）に近いほうの第１のビームスプリッター（１０，１２）が、５０／５０ビームスプリッターであり、各グループの、対物レンズ（２１）から遠いほうの第２のビームスプリッター（１１，１３）が、ダイクロイックスプリッターであること、
を特徴とする照明・結像装置。
【請求項２】
対物レンズ（２１）を起点として、対物レンズ（２１）に近いほうの第１のグループ（１４）が第１の波長λ１以上の波長を持った光だけを通過させ、対物レンズ（２１）から遠いほうの第２のグループ（１５）が第２の波長λ２以下の波長を持った光だけを通過させ、第２のグループ（１５）の背後にしてビームスプリッターモジュール（３２）の後に検出器（３４）が透過光路内に配置され、検出器（３４）が前記波長λ１とλ２の間の波長範囲で検出を行うことを特徴とする、請求項１に記載の照明・結像装置。
【請求項３】
対物レンズ（２１）が波長λ１よりも小さな下限波長λｍｉｎと波長λ２よりも大きな上限波長λｍａｘの間の範囲で回折を制限されて補正されていることを特徴とする、請求項３に記載の照明・結像装置。
【請求項４】
波長λｍｉｎ＝３６５nmであり、波長λｍａｘ＝９００ｎｍであることを特徴とする、請求項３に記載の照明・結像装置。
【請求項５】
光軸（２０）を決定している、複数のスペクトル範囲に対する照明・結像装置（２）と、光軸（２０）に対し垂直に相対的に干渉計により測定可能で、移動可能な、試料（３０）を受容するための測定テーブル（２６）とを備えた座標測定機であって、
照明・結像装置（２）が、
光軸（２０）を決定している対物レンズ（２１）と、
光軸（２０）上に配置されるビームスプリッターモジュール（３２）と、
それぞれ１つの照明光路（３５a,３５b,３５c）の起点を成している複数個の光源（３５）と、
それぞれ１つの結像光路（３４a,３４b）を付設した複数個の検出器（３４）と、
を有し、
照明光路（３５a,３５b,３５c）と結像光路（３４a,３４b）が共通の光学的区間を有し、この光学的区間内に前記ビームスプリッターモジュール（３２）が配置され、
ビームスプリッターモジュール（３２）が、複数個の光源（３５）のそれぞれに付設の照明光路（３５a,３５b,３５c）を共通の光学的区間にカップリングさせるために該照明光路（３５a,３５b,３５c）内に配置された複数個のビームスプリッター（１１，１２，１３）と、複数個の検出器（３４）のそれぞれに付設の結像光路（３４a,３４b）を光学的区間からデカップリングさせるために該結像光路（３４a,３４b）内に配置された複数個のビームスプリッター（１０，１３）とを含み、
対物レンズ（２１）を起点としてそれぞれ２つのビームスプリッター（１０；１１と１２；１３）が対を成してグループ（１４,１５）を形成しており、各グループの、対物レンズ（２１）に近いほうの第１のビームスプリッター（１０，１２）が、５０／５０ビームスプリッターであり、各グループの、対物レンズ（２１）から遠いほうの第２のビームスプリッター（１１，１３）が、ダイクロイックスプリッターである、
前記座標測定機。
【請求項６】
照明・結像装置（２）が測定装置と、アライメント装置と、オートフォーカス装置とを有していることを特徴とする、請求項５に記載の座標測定機。
【請求項７】
測定装置に波長λ１以下の波長範囲が割り当てられ、アライメント装置に波長λ１とλ２の間の波長範囲が割り当てられ、オートフォーカス装置に波長λ２以上の波長範囲が割り当てられていることを特徴とする、請求項６に記載の座標測定機。
【請求項８】
波長λ１が４２０nmよりも小さく、波長λ２が８００nmよりも大きいことを特徴とする、請求項７に記載の座標測定機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のスペクトル範囲に対する照明・結像装置およびこの照明・結像装置を備えた座標測定機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップの生産においては、充填密度が大きくなるに伴って、個々の構造部の構造幅が小さくなってきている。構造部が小さくなるにつれて、構造部のエッジおよび構造部の位置を測定し、並びに構造幅を測定するための測定・検査システムとして使用される座標測定機の設計仕様に対する要求が高度になる。この座標測定機にあっては、構造幅が測定または検査に使用される光の波長よりも小さいにもかかわらず、依然光学的なプローブ方式が優先的に適用されている。その理由は、他のプローブ方式のシステム、たとえば電子線によるシステムに比べて、光学的プローブ方式による測定システムは操作が著しく容易だからである。
【０００３】
しかしながら、非測定対象である構造が小さくなってきているので、使用される光学系の特性に対する要求ばかりでなく、評価および分析に使用される照明・結像装置の特性に対する要求も高度になってきている。
【０００４】
座標測定機は、ドイツ連邦共和国特許公開第１９８１９４９２A号公報に開示されている。試料の落射照明は、近紫外線スペクトル範囲の光源によって行なわれる。検出のために検出装置も設けられ、その結像光路はビームスプリッターを介して、対物レンズにより決定される光軸にカップリングされる。このシステムは、被検査対象である試料を複数のスペクトル範囲で同時に照明、分析することは不可能であり、或いは別個のスペクトル範囲による分析が不可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、複数のスペクトル範囲に対し適している照明・結像装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、光軸を決定している対物レンズと、光軸上に配置されるビームスプリッターモジュールと、それぞれ１つの照明光路の起点を成している複数個の光源と、それぞれ１つの結像光路を付設した複数個の検出器とを有し、照明光路と結像光路が共通の光学的区間を有し、この光学的区間内に前記ビームスプリッターモジュールが配置されていること、ビームスプリッターモジュールが、複数個の光源のそれぞれに付設の照明光路を共通の光学的区間にカップリングさせるために該照明光路内に配置された複数個のビームスプリッターと、複数個の検出器のそれぞれに付設の結像光路を光学的区間からデカップリングさせるために該結像光路内に配置された複数個のビームスプリッターとを含んでいること、対物レンズを起点としてそれぞれ２つのビームスプリッターが対を成してグループを形成しており、各グループの、対物レンズに近いほうの第１のビームスプリッターが、５０／５０ビームスプリッターであり、各グループの、対物レンズから遠いほうの第２のビームスプリッターが、ダイクロイックスプリッターであることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の利点は、照明・結像装置が、被検査対象である試料の結像のために使用する対物レンズの光軸上に配置されるビームスプリッターモジュールを備えていることである。この場合、すべての照明・結像光路は光軸に沿って案内される。このため複数個の光源が設けられ、それぞれの光源は照明光路から出ている。この場合光源は、完全に決定された波長範囲の光を送出するように構成されている。すでに述べたように、同様に複数個の検出器も設けられており、これらの検出器のそれぞれに結像光路が付設されている。この場合、照明光路と結像光路は共通の光学的区間を有しており、この光学的区間内にビームスプリッターモジュールが配置されている。これにより、個々の検出器をその都度選択的に種々の波長範囲で付勢することができる。
【０００８】
照明・結像装置を座標測定機に使用することも特に有利である。座標測定機は、高精度の測定を阻害するすべての可能な外乱が大部分阻止されているように構成されていなければならない。このような場合だけ、構造のエッジの位置を数ナノメーターの精度で測定することが可能である。本発明による照明・結像装置により、複数個の光源と検出器が設けられているにもかかわらず、切換えを行なう必要がなく、または光学的区間を機械的にシフトさせる必要がない。光学的区間を機械的にシフトさせる過程は乱流または熱を発生させ、所定の測定に影響を及ぼす。照明・結像装置内にビームスプリッターモジュールを設けることにより、すべての照明・結像光路をただ１つの対物レンズだけによって案内することが可能になる。本発明による照明・結像装置は複数のスペクトル範囲に適している。
【０００９】
本発明による照明・結像装置の１つの実施形態が、座標測定機による非常に正確な測定に対し特に有利であることが判明した。この実施形態では、対物レンズの下流側に、４個のビームスプリッターを備えたビームスプリッターモジュールが配置され、４個のビームスプリッターはそれぞれ対を成してビームスプリッターグループの中に配置されている。この場合、各グループの、対物レンズに近いほうの第１のビームスプリッターは５０／５０ビームスプリッターであり、各グループの、対物レンズから遠いほうの第２のビームスプリッターはダイクロイックスプリッターである。波長に関するビームスプリッターの特性は、対物レンズに近いほうの第１のビームスプリッターグループが第１の波長λ１以上の波長を持った光だけを通過させ、対物レンズから遠いほうの第２のビームスプリッターグループが第２の波長λ２以下の波長を持った光だけを通過させるように選定されている。さらに、第２のグループの背後にしてビームスプリッターモジュールの後に検出器が透過光路内に配置され、検出器は波長λ１とλ２の間の波長範囲で検出する。これには、上記３つの異なるスペクトル範囲が提供される。高品質の結像を達成するため、対物レンズは波長λ１よりも小さな下限波長λｍｉｎと波長λ２よりも大きな上限波長λｍａｘの間の範囲で回折を制限されて補正されている。有利な実施形態では、波長は波長λｍｉｎ＝３６５nm、波長λｍａｘ＝９００ｎｍである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１は座標測定機１の１実施形態を示し、落射照明形式と透過光照明形式を組み合わせたもので、本発明による照明・結像装置２を含んでいる。
【００１１】
図示した座標測定機はグラニットブロック２３を有し、グラニットブロック２３は防振器２４,２５上に支持されている。グラニットブロック２３上では、フレームとして構成された測定テーブル２６が空気軸受２７,２８でx方向およびｙ方向（図では２つの矢印で示唆した）に滑動可能である。フレームとしての測定テーブル２６は、熱膨張係数が小さなガラスセラミックスからなっているのが有利である。測定テーブル２６を移動させるための駆動要素は図示していない。測定テーブル２６の位置はレーザー・干渉計システム２９によりx方向およびy方向において測定される。
【００１２】
測定テーブル２６には試料３０が装填されている。試料３０はたとえばクォーツガラスからなっている。試料表面上には構造部３１が被着されている。測定テーブル２６がフレームとして構成されているので、試料３０を下からも照射することができる。
【００１３】
試料３０の上方には、光学クォリティが高い照明・結像装置２が設けられている。照明・光学装置２は光軸２０のまわりに配置されている。フォーカシングは光軸２０に沿ってｚ方向に可能である。照明・結像装置２はビームスプリッターモジュール３２と、複数個の検出器３４と、同様に複数個の照明装置３５とを有している。検出器３４により構造部３１の位置が試料３０上での座標として決定される。
【００１４】
さらに、グラニットブロック２３内には、高さ調整可能な集光器１７と光源７とを備えた透過光照明装置が取り付けられている。光源７からは、光軸２０を持った透過光照明光路が出ている。光源７の光は、できるだけ大きな入射開口数（たとえばNA＝０．６０）を持った拡大カップリング光学系３を介して取り出される。このようにして光源７から特に多量の光が取り出される。取り出された光はカップリング光学系３により光導波路にカップリングされる。光導波路としては光ファイバー束４を使用する。
【００１５】
集光器１７の光軸は光軸２０と整列している。集光器１７の高さ調整は、構造部３１に対して指向されるべき照明光線をマスク３０の種々の厚さに適合させるためである。集光器ヘッドは、特に測定テーブルフレームの開口部分のなかに到達することができる。測定テーブル２６がマスク面全体にわたって移動する際の損傷から防護するため、集光器１７をグラニットブロック２３の表面よりも下の位置へ引き込むこともできる。光源７と照明・結像装置２の複数の照明装置３５とは互いに独立にスイッチング可能である。
【００１６】
図２は照明・結像装置２の特殊な実施形態を示すもので、複数のスペクトル範囲に対し適しており、複数のスペクトル範囲に対し光学的に高品質の結像を可能にするものである。この照明・結像装置２は対物レンズ２１を有し、対物レンズ２１は光軸２０上に配置されるか、或いは光軸２０を決定するものである。対物レンズ２１の下流側にはビームスプリッターモジュール３２が配置され、ビームスプリッターモジュール３２は実質的に光軸２０のまわりに心合わせして配置されている。さらに照明・結像装置２は複数個の検出器３４と複数個の光源３５を有している。ビームスプリッターモジュール３２は、光軸２０の周囲および光軸２０に沿って配置されている複数個のビームスプリッター１０,１１,１２,１３からなっている。特別な実施形態では、対物レンズ２１に近いほうから順に、それぞれ第１のビームスプリッター１０と第２のビームスプリッター１１は第１のグループ１４に配置され、第３のビームスプリッター１２と第４のビームスプリッター１３は第２のグループ１５に配置されている。この場合、それぞれのグループ１４と１５の最初の（対物レンズ２１に近いほうの）ビームスプリッター１０と１２は５０／５０スプリッターとして構成されている。それぞれのグループ１４と１５の２番目の（対物レンズ２１から遠いほうの）ビームスプリッター１１と１３はダイクロイックスプリッターとして構成されている。第１のグループ１４の最初のビームスプリッター１０は検出器３4に付設されており、この検出器３４は付属の結像光路３４a内に配置されている。ビームスプリッター１０は光をビームスプリッターモジュール３２内の共通の光学的区間からデカップリングさせるために用いる。ビームスプリッターモジュール３２内の共通の光学的区間は光軸２０と同一である。第１のグループ１４の２番目のビームスプリッター１１は光源３５に付設されており、光源３５は付属の照明光路３５a内に配置されている。第２のグループ１５の最初のビームスプリッター１２も同様に光源３５に付設されており、この光源３５は付属の照明光路３５b内に配置されている。第２のグループ１５の２番目のビームスプリッター１３は検出器３４と他の光源３５とに付設されている。検出器３４は結像光路３４bを決定し、他の光源３５は照明光路３５ｃを決定する。
【００１７】
試料３０の構造部３１を測定するための特別な実施形態では、光源３４として、或いは検出器３５として、以下に述べるような個々の構成要素が対物レンズ２１に対し特定の順番で取り付けられる。第１のグループの最初のビームスプリッター１０には測定カメラが付設されている。測定カメラは検出器３４の特殊な実施形態である。測定カメラは、試料３０から出た、１つの分割ビームだけの光を得る。これは、測定カメラにより試料３０上の構造部３１の測定が行なわれるので、結像エラーが生じた場合にこれを複数の分割ビームによってできるだけ小さくさせるために必要である。これにより、結像エラーによる測定のいかなるエラーも阻止されている。第１のグループ１４の２番目のビームスプリッター１１には、光源３５として測定照明装置が付設され、３６５ないし４０５ｎｍの波長範囲で光を送出する。第２のグループ１５の最初のビームスプリッター１２には、光源３５として全体照明装置(Uebersichtsbeleuchtung)が付設され、４８０ないし７００nmの波長範囲の光を送出する。第２のグループ１５の２番目のビームスプリッター１３には、検出器としてアライメント装置が付設され、照明・結像装置２に対する試料の方向調整の用を成す。さらにこのビームスプリッター１３には別の光源３５が付設されており、この光源はレーザーオートフォーカス装置として構成されている。レーザーオートフォーカス装置は８００nmの波長で機能する。
【００１８】
これらのビームスプリッターは、試料３０の測定に使用する波長に依存して適宜配置されている。対物レンズ２１を起点として、ビームスプリッター１０と１１の最初のグループ１４は、第１の波長λ１以上の波長を持った光だけを通過させるように構成されている。ビームスプリッター１２と１３からなっている第２のグループ１５は、第２の波長λ２以下の波長の光だけを通過させるように構成されている。すでに述べたように、第２のグループ１５の後方には、ビームスプリッターモジュール３２の結像光路３４b内に検出器３４が設けられ、検出器３４は波長λ１とλ２の間の波長範囲で検出する。対物レンズは波長λ１よりも小さな下限波長λｍｉｎと波長λ２よりも大きい上限波長λｍａｘの間で、回折を制限されて補正されている。
【００１９】
図３には、ビームスプリッターモジュール３２の構成の実施形態が図示されている。ビームスプリッターモジュール３２は下部部分を成しており、対物レンズ２１（図２を参照）が接続している。さらにビームスプリッターモジュール３２は上部部分をも成しており、光学系（図示せず）の受容のために形成されている穴が形成されている。この光学系には検出器３４が付設されており、検出器３４は本実施形態ではアライメント装置である。ビームスプリッター１０,１１,１２,１３のそれぞれは保持部に固定して挿着されている。この場合ビームスプリッター１０は第１の保持部１０aに、ビームスプリッター１１は第２の保持部１１aに、ビームスプリッター１２は第３の保持部１２aに、そしてビームスプリッター１３は第４の保持部１３aに挿着されている。各保持部１０a,１１a,１２a,１３aはフランジ１６を有し、フランジ１６には、光をこれら保持部１０a,１１a,１２a,１３aに案内し、或いはこれら保持部から検出器３４または光源３５へ案内する光学要素を装着できる。各保持部１０a,１１a,１２a,１３aには、フランジ１６に対して位置調整要素９が設けられている。位置調整要素９内には位置調整ねじ（図示せず）のための穴８が設けられ、光軸２０に対する位置調整ねじの位置調整を可能にしている。なお、ビームスプリッター１０と１２は光軸に対しそれぞれ４５゜だけ傾斜している。さらにビームスプリッター１１と１３は光軸に対しそれぞれ−４５゜だけ傾斜している。鏡反転させた対応的な配置構成が可能であるが、これは当業者にとって自明である。
【００２０】
ビームスプリッター１０,１１,１２,１３の光学的特性を図４ないし図７に示す。対物レンズ２１を起点にしたビームスプリッターの配置順またはその光学的特性は単に１つの実施形態にすぎず、本発明を限定するものではない。対物レンズ２１にすぐ続いているビームスプリッター１０は５０／５０ビームスプリッターとして構成されている。このビームスプリッター１０は光の５０%をフランジ１６の方向へ反射させ、残りの５０%を光軸２０に沿って通過させる。このビームスプリッター１０の波長に関する特性を図４に示す。λｍｉｎ＝３５０nmないしほぼλ１＝４２０nmの範囲ではこのビームスプリッター１０は５０／５０ビームスプリッターとして機能する。λ１＝４２０nmよりも大きな波長に対しては、全部の光が光軸２０に沿って通過する。ビームスプリッター１０を通過した光は光軸２０に沿ってビームスプリッター１１にあたる。このビームスプリッター１１はエッジスプリッターである。図５に図示したように、λｍｉｎ＝３５０nmないしほぼλ１＝４２０nmの範囲の光はすべて保持部１１aのフランジ１６の方向へ反射する。λ１＝４２０nmよりも大きな波長の光だけが光軸２０に沿って通過する。次に、ビームスプリッター１１から来た光は、保持部１２aに取り付けられているビームスプリッター１２にあたる。このビームスプリッター１２も５０／５０ビームスプリッターとして構成されている。図６はビームスプリッター１２の波長に関する特性を示している。λ１＝４２０nmないしほぼほぼλ２＝７５０nmの波長範囲では、入射した光強度の５０%が保持部１２aのフランジ１６の方向へ反射する。波長がλｍａｘ＝９００nm以上では、ビームスプリッター１２は完全に透過性をもつ。その後光は、保持部１３aに設けられているビームスプリッター１３に到達する。図７から認められるように、ビームスプリッター１３は波長範囲λ１＝４２０nmないしほぼほぼλ２＝７５０nmに対し透過性がある。λ２＝７５０nm以上の光は透過せず、或いは保持部１３aのフランジ１６の方向へ反射する。上記の数値は単に可能な１つの実施例にすぎない。他の波長範囲の選択は当業者の裁量にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による照明・結像装置を備えた座標測定機の概略図である。
【図２】照明・結像装置の概略図である。
【図３】本発明による照明・結像装置の一部である多重ビームスプリッタ−モジュールの構成図である。
【図４】ビームスプリッタ−モジュールの第１のグループの第１のビームスプリッタ−の光学特性を示すグラフである。
【図５】ビームスプリッタ−モジュールの第１のグループの第２のビームスプリッタ−の光学特性を示すグラフである。
【図６】ビームスプリッタ−モジュールの第２のグループの第１のビームスプリッタ−の光学特性を示すグラフである。
【図７】ビームスプリッタ−モジュールの第２のグループの第２のビームスプリッタ−の光学特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１                  座標測定機
２                  照明・結像装置
１０，１１，１２，１３            ビームスプリッター
１４                第１のグループ
１５                第２のグループ
２０                光軸
２１                対物レンズ
２６                測定テーブル
３０                試料
３２                ビームスプリッターモジュール
３４                検出器
３４ａ，３４b        結像光路
３５                光源
３５a，３４ｂ，３４ｃ    照明光路
【図１】
0004035303.tif 000002
【図２】
0004035303.tif 000003
【図３】
0004035303.tif 000004
【図４】
0004035303.tif 000005
【図５】
0004035303.tif 000006
【図６】
0004035303.tif 000007
【図７】
0004035303.tif 000008