(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
xy方向に水平に移動可能で、被測定対象物である構造物（３１）を備えた基板を受容する測定テーブル（２６）と、
光源（１）と、光導波路（４）と、光導波路（４）の上流側に配置されたカップリング光学系（３）と、光導波路（４）の下流側に配置されたデカップリング光学系（５）と、イメージフィールドを照明するための照明光学系（１７；２０）とを備えた照明システムと、
構造物（３１）の位置を基板上での座標として特定するための検出装置（１４）と、
を有する座標測定器において、
ａ）光導波路として光ファイバー束（４）が配置されていること、
ｂ）デカップリング光学系（５）と照明光学系（１７；２０）との間に、光ファイバー束（４）から出た光の不均一な強度分布をイメージフィールドにおいて均一化させる均一化光学系（６）が配置されていること、
ｃ）均一化光学系（６）が、マイクロハニカム集光器（７）と、光ファイバー束（４）の出口を中間像面（１０）で重畳させて均一な中間像を形成させるレンズ要素（８）とを有し、マイクロハニカム集光器（７）が互いに接合される２つの水晶板（１１，１２）から成り、これらの水晶板（１１，１２）がそれぞれその外面（１３または１５）に平凹マイクロレンズ（１６）を密に配置したアレイを有し、前記両外面（１３または１５）がそれぞれ対向する外面（１５または１３）に配置されているマイクロレンズ（１６）の焦点面内に交互に位置していること、
を特徴とする座標測定器。
【請求項２】
中間像面（１０）からの均一化された中間像を縮小して基板上に結像させるレンズ群（１９）と対物レンズ（２０）とが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の座標測定器。
【請求項３】
光源（１）の光を入射開口数が大きなカップリング光学系（３）を介して取り出して光ファイバー束（４）にカップリングさせることを特徴とする、請求項１に記載の座標測定器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、xy方向に水平に移動可能で、被測定対象物である構造物を備えた基板を受容する測定テーブルと、光源と、光導波路と、光導波路の上流側に配置されたカップリング光学系と、光導波路の下流側に配置されたデカップリング光学系と、イメージフィールドを照明するための照明光学系とを備えた照明システムと、構造物の位置を基板上での座標として特定するための検出装置とを有する座標測定器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体チップの製造においては、充填密度が大きくなるにつれて個々の構造物の構造幅はますます小さくなってきている。構造物が小さくなってきていることに応じて、構造物のエッジおよび構造物の位置を測定するための測定システムおよび検査システムとして使用され、並びに構造物の幅を測定するために使用される座標測定器の設計仕様に対する要求が高度になる。この種の座標測定器においては、構造物の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、いまだに光学的探測方式が優先的に適用されている。その理由は、光学的探測方式の測定システムはたとえば電子ビームによる他の探測方式のシステムよりも利便性に優れているからである。
【０００３】
しかしながら、被測定対象物である構造物がますます小さくなってきているために、光学系の性能、特に解像能に対する要求が高度になる。たとえば構造幅、異形エッジ等を光学的に再現可能に測定できるためには、測定フィールドをできるだけ均一に照射する必要がある。
【０００４】
均一な照射フィールドを生成するため、光導波路を備えた照明装置が知られている。この種の照明装置は、たとえばライカ  マイクロジステームス  ゲゼルシャフト  ミット  ベシュレンクテル  ハフツング社の座標測定器Leica LMS IPRO（商品名）で使用される。
【０００５】
この照明装置では、光源の光は開口数が小さな（たとえばNA＝０．１８）カップリング光学系を介して取り出され、マルチモード光導波路にカップリングされる。この場合、光源として１００w−Hg−Xe放電ランプが使用される。マルチモード光導波路は、コア径が０．４mmで小さく、公称開口数はNA＝０．２１である。その後、試料は、デカップリング光学系を介して鏡筒レンズおよびPLAN−APO５０x対物レンズを用いて公知の態様でケラー照射される。この照明装置を用いると、０．０５６mmの径のイメージフィールドが照射される。この場合、数パーセントの範囲の不均一性で均等に照射できるように、マルチモードファイバーから小さな開口数NA＝０．１２だけが取り出される。これは約７゜の半角に相当している。これにより、光の強度が放射角の関数としてパーセント範囲でのみ変化するような、光ファイバーの放射特性の領域だけが照明に使用される。
【０００６】
上記公知の照明装置の利点は、光源（強い熱源でもある）が本来の測定部位から遠く離れた位置に配置することができ、或いは比測定対象物である試料から遠く離れた位置に配置することができることである。これにより、座標測定器の測定精度に対する温度の影響が低減する。同時に、照明光はフレキシブルな光導波路を介して各任意の測定部位へ誘導される。
【０００７】
上記公知の照明装置の欠点は、マルチモードファイバーの放射特性のために、放射された光の強度が数パーセントのオーダーでのみ変化する角度範囲が非常に狭いことである。しかし、より広いフィールドを均一に照明すべき場合には、ファイバーの径を対応的に大きく選定しなければならない。光ファイバーの剛性は径が大きくなるにつれて著しく増大する。将来の座標測定器に対しては、たとえば０．３５mmの大きさの均一に照明されるイメージフィールドが必要である。このためには、コア径が１mm以上の光ファイバーを使用して、イメージフィールド内において十分な均一性が得られるようにしなければならない。しかしながら、コア径が１mm以上のファイバーはその剛性のために実際には使用不能である。
【０００９】
本発明の課題は、従来のものよりも著しく広いイメージフィールドを均一に照射する照明装置を備えた座標測定器を提供するとともに、光損失がわずかであり、照射されるイメージフィールド内での明度差が非常に小さい前記座標測定器を提供することである。
【００１０】
【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、光導波路として光ファイバー束が配置されていること、デカップリング光学系と照明光学系との間に、光ファイバー束から出た光の不均一な強度分布をイメージフィールドにおいて均一化させる均一化光学系が配置されていること、均一化光学系が、マイクロハニカム集光器と、光ファイバー束の出口を中間像面で重畳させて均一な中間像を形成させるレンズ要素とを有し、マイクロハニカム集光器が互いに接合される２つの水晶板から成り、これらの水晶板がそれぞれその外面に平凹マイクロレンズを密に配置したアレイを有し、前記両外面がそれぞれ対向する外面に配置されているマイクロレンズの焦点面内に交互に位置していることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の有利な実施形態は従属項の対象である。
本発明による座標測定器の照明装置でも光導波路が使用される。光源の光は、可能な限り大きな入射開口数（たとえばNA＝０．６０）を持った拡大カップリング光学系を介して取り出され、光導波路にカップリングされる。公知の照明装置では、光源の光が小さなアパーチャーを持ったカップリング光学系を介して取り出されて光導波路にカップリングされていたので、この点ですでに違いがある。本発明における照明装置では、最も明るいランプ部分から可能な限りに大きな角度が取り出されるので、著しい強度利得が得られる。
【００１２】
しかしながら、大きなコア径を持った光ファイバー、すなわち光導波路を使用しないようにするため、その代わりにファイバー束を使用する。ファイバーから放射された光（通常は不満足な強度分布を有している）は、本発明によれば、均一化光学系によりいわゆる「フラット・トップ分布」（いわゆるスーパーガウス）に変換される。
【００１３】
均一化光学系としては、屈折レンズアレイ、ホログラフィー光学要素（HOE）、回折光学要素（DOE）、ハニカム集光器、或いはレンズアレイと散乱ディスクの組み合わせを使用できる。
【００１４】
しかしながら、均一化光学系に対しては、マイクロハニカム集光器とレンズ要素を直列に接続するのが最適な光学的解決法であることが判明した。マイクロハニカム集光器は互いに接合された２つの水晶板からなり、これらの水晶板はそれぞれ外面に平凸のマイクロレンズの密なアレイを有している。この場合両外面は、それぞれ対向する外面のマイクロレンズの合焦面に交互に位置している。放射を受けるマイクロレンズの数量が増大するにつれて、均一性は最適な状態に接近する。イメージフィールド内での明るさのこのような最適な均一性は、マイクロレンズの数量をさらに増やしても著しく向上することはない。
【００１６】
本発明にしたがって均一化光学系を使用することにより、光導体から放出された光の強度分布がイメージフィールド内の強度プロフィールに影響することがほとんどないので、大きなコア径を持った個別ファイバーの変わりに、多数の個別ファイバーからなるファイバー束を使用することができる。この種のタイプの光導体は、径が大きくても剛性は小さい。個別ファイバーの場合は、放射特性がファイバーの湾曲状態にかなり依存しているので、より大きな位置調整コストを必要とする。これに対しファイバー束は個別ファイバーに比べ湾曲に対しかなり鈍感である。この場合の光バランス、すなわちファイバーから放射された光の強度に対するイメージフィールド内の全強度の比率は、レンズアレイを用いた均一化の場合、比較的最適である。
【００１７】
本発明における照明装置により、最小径が０．３５mmで、開口数が０．６０の、均一に照射されるイメージフィールドが得られる。照射均一性は、最大強度と最小強度の平均値の±２%以下である。
【００１８】
したがって、半導体産業におけるリソグラフィーマスクの構造を測定する本発明による座標測定器では、均一に照射されるイメージフィールドの大きさは同じである。これにより、たとえば、製造技術によるマスク厚さ公差が起因して発生する構造面の位置変化に対する再フォーカシングの必要がない。座標測定器の場合も、照射均一性は、最大強度と最小強度の平均値の±２%以下である。したがって、特に大きなマスクの場合に、測定精度が著しく改善される。
【００１９】
【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は本発明による座標測定器の照明装置の光学的構成図で、ここでは透過光照明用の照明装置である。
【００２０】
光源１からは、光軸２を備えた透過光照明光路が出ている。光源１の光は、可能な限り大きな入射開口数（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、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が使用される。
【００２１】
デカップリング光学系５は有利には色消しレンズとして構成され、光ファイバー束４から放射される光をコリメートする。この場合、光ファイバー束４から放射された光の不均一な強度分布が維持される。したがって、本発明によれば、コリメートされた光はデカップリング光学系５の出口において均一化光学系６へ指向せしめられる。均一化光学系６は、不均一な強度分布をいわゆる「フラット・トップ分布」（いわゆるスーパーガウス）に変換せしめる。
【００２２】
均一化光学系６は、この実施形態では、マイクロハニカム集光器７とレンズ要素８とを有している。マイクロハニカム集光器７とレンズ要素８は、光ファイバー束４の出口９を中間像面１０において重畳させて均一な中間像を形成させる。
【００２３】
図２は、図１でＸで示した部分の詳細拡大図で、マイクロハニカム集光器７の断面図である。マイクロハニカム集光器７の前部外面１１（図で左側に配置されている）は、デカップリング光学系５の焦点面内にある。
【００２４】
マイクロハニカム集光器７は、平らな第１の水晶板１１と、平らな第２の水晶板１２を有し、これら水晶板は接合剤で互いに固定されている。第１の水晶板１１と第２の水晶板１２との接合面１４は過度に厚く図示されている。
【００２５】
第１の水晶板１１の外面１３はマイクロハニカム集光器７の前面であり、この前面には、デカップリング光学系５から来る光が当たる。第２の水晶板１２の外面１５はマイクロハニカム集光器７の背面であり、この背面により光は再び射出する。
【００２６】
第１の水晶板１１の外面１３と第２の水晶板１２の外面１５には、六角形の配置で平凹のマイクロレンズ（ポジティブレンズ）１６がエッチングされている。エッチングは、たとえばリソグラフィープロセスで行なうことができる。両外面１３と１５は、それぞれ対向する外面１５または１３に配置されているマイクロレンズ１６の焦点面内に交互に位置している。
【００２７】
これにより、マイクロハニカム集光器７の背面には、光ファイバー束４の出口９の多重像が得られる。多重像の数量は、照射されたマイクロレンズ１６の数量に対応している。多重像のサイズは、色消しレンズ５の焦点距離比とマイクロレンズ１６の焦点距離から決定される。
【００２８】
図１に戻ると、さらに別の光路が図示されている。レンズ要素８（有利には色消しレンズとして構成されている）は、マイクロハニカム集光器７の前部外面１３のマイクロレンズ１６の横断面を、互いに重なるように中間像面１０に結像させる。この重畳は、マイクロレンズ１６を十分多数量選定した場合に、非常に均一な中間像を得るために有用である。
【００２９】
照明光学系として配置されている集光器１７により、均一化された中間像は透過光対象物１８に縮小されて結像する。同時に、マイクロハニカム集光器の射出面１５は集光器１７により無限遠に結像される。このようにして、透過光対象物１８上の対象物フィールドは所望どおりに均一に照射される。透過光対象物１８は座標測定器の測定フィールドである。
【００３０】
図３は、本発明による座標測定器の照明装置の光学構成図であり、ここでは落射照明用の照明装置である。
光源１からは、光軸２を備えた落射照明光路が出ている。光源１の光は、可能な限り大きな入射開口数（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、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が使用される。
【００３１】
まず、光ファイバー４から放射された光は、有利には色消しレンズとして構成されているデカップリング光学系５によりコリメートされる。この場合、光ファイバー束４から放射された光の不均一な強度分布が維持される。したがって、本発明によれば、コリメートされた光はデカップリング光学系５の出口においてマイクロハニカム集光器７へ指向せしめられる。マイクロハニカム集光器７は均一化光学系６の一部であり、均一化光学系６は、不均一な強度分布をいわゆる「フラット・トップ分布」（いわゆるスーパーガウス）に変換せしめる。
【００３２】
マイクロハニカム集光器７の背面においては、すでに述べたように、光源の多重像が得られる。本例の場合は光ファイバー４の出口９の多重像である。多重像の数量は、照射されたマイクロレンズ１６の数量に対応している。
【００３３】
レンズ要素８（有利には色消しレンズとして構成されている）は、マイクロハニカム集光器７の前部外面１３のマイクロレンズ１６の横断面を、互いに重なるように中間像面１０に結像させる。この重畳は、マイクロレンズ１６を十分多数量選定した場合に、非常に均一な中間像を得るために有用である。
【００３４】
次に、レンズ群１９と、照明光学系として配置されている対物レンズ２０とにより（レンズ群１９と対物レンズ２０の間にはビームスプリッター２１が配置されている）、均一化された中間像は縮小されて落射対象物２２に結像し、瞳としての用を成す、マイクロハニカム集光器１５の背面は、対象物空間内で無限遠に結像せしめられる。このようにして、落射対象物２２上の対象物フィールドは所望どおりに均一に照射される。落射対象物２２は座標測定器の測定フィールドである。
【００３５】
図４は透過光照明装置を含んでいる座標測定器の実施形態を示すもので、この座標測定器は落射照明と透過光照明とを組み合わせたものである。
図示した座標測定器は、グラニット（花崗岩）ブロック２３を有している。グラニットブロック２３は防振器２４,２５で支持されている。グラニットブロック２３上には、フレームとして構成された測定テーブル２６が、x方向およびy方向（図では２つの矢印で示唆した）に滑動して移動できるように空気軸受２７,２８で支持されている。フレームとして構成された測定テーブル２６は、熱膨張係数の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方向とy方向とで測定される。
【００３６】
フレームとして構成された測定テーブル２６にはマスク３０が挿着されている。マスク３０はたとえば水晶ガラスからなっている。マスク表面には構造物３１が装着されている。測定テーブル２６がフレームとして構成されているので、マスク３０は下方からも照射することができる。
【００３７】
マスク３０の上方には、結像光学系として、光学クオリティの高い対物レンズ２０が設けられている。対物レンズ２０は、その光軸２に沿ってフォーカシングするため、z方向に位置調整可能である。スプリッターミラー３２を介して、一方では落射光源３３の光が光路内へ誘導されるとともに、他方では結像光線が検出装置３４へ誘導される。検出装置３４は、たとえば高解像度ピクセルアレイ型のCCDカメラである。落射光源３３はたとえば近紫外線スペクトル範囲で放射する。検出装置３４により、マスク３０上での構造物３１の位置が座標として決定される。
【００３８】
グラニットブロック２３には、他の照明装置として、高さ調整可能な集光器１７と光源１とを備えた透過光照明装置が使用されている。光源１からは、光軸２を備えた透過光照明光路が出ている。光源１の光は、可能な限り大きな入射開口数（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、光源の特に多数の光が取り入れられる。取り入れら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が使用される。
【００３９】
デカップリング光学系５は有利には色消しレンズとして構成され、光ファイバー束４から放射される光をコリメートする。この場合、光ファイバー束４から放射された光の不均一な強度分布が維持される。したがって、本発明によれば、コリメートされた光はデカップリング光学系５の出口において均一化光学系６へ指向せしめられる。均一化光学系６は、不均一な強度分布をいわゆる「フラット・トップ分布」（いわゆるスーパーガウス）に変換せしめる。
【００４０】
均一化光学系６は、この実施形態では、マイクロハニカム集光器７とレンズ要素８とを有している。マイクロハニカム集光器７とレンズ要素８は、光ファイバー束４の出口９を中間像面１０において重畳させて均一な中間像を形成させる。均一化光学系のこの実施形態により、カップリング光学系の大きな開口数により生じる大きな強度差も極めて良好に均一化することができる。残存する照明不均一の程度は、最大強度と最小強度の平均値の±２%以下にすぎない。これにより、特に大きなマスク３０での構造物３１の座標の測定精度が著しく改善される。
【００４１】
集光器１７の光軸は対物レンズ２０の光軸２と整列している。集光器１７の高さ調整は、構造物３１に指向させるべき照明光線をマスク３０の種々の光学的厚さに整合させるために用いる。集光器ベッドは、特に測定テーブルフレームの開口部分内部に突出することができる。しかし、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を防止するため、集光器１７をグラニットガラス２３の上面よりも下へ引っ張り込むことができる。光源１と３３は互いに独立に通電可能である。
【００４２】
図５は、座標測定器の透過光照明の集光器の前後における光路の概略図であり、特にマスクの厚さが異なるケースに対するものである。集光器１７は光軸２を備えている。位置の確認のため中間像面１０を図示した。
【００４３】
集光器１７は、マスク３０の近くまで移動する。マスク３０は、測定テーブル２６の開口フレーム上に支持されている。マスク３０は、集光器１７とは逆の側の表面３５に構造物３１を有している。マスク３０のこの表面３５は、特定のイメージフィールドを非常に均一な光強度で照射される。均一に照射されるイメージフィールドは、たとえば開口数が０．６０の場合、０．３５mmの最小径を有している。
【００４４】
さらに、表面３５’を持ったより厚いマスク３０’が破線で図示されている。表面３５’は集光器１７からさらに離れた位置にある。照明装置は非常に大きな均一なイメージフィールドを提供するので、マスク３０’が比較的厚い場合にも、構造物の面の位置を決定する表面３５’の位置に対しては測定用のイメージフィールドでも十分である。これにより、マスクの製造上の厚さ公差により生じる構造物の面の位置の変化に基づく再フォーカシングの必要がない。
【００４５】
本発明を上記実施形態に関し説明したが、特許請求の範囲の権利保護範囲を逸脱することなく変更および改良を行なえることは、本発明の技術分野の当業者にとって自明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】透過照明用の照明装置の光学的構成図である。
【図２】図１のＸの部分の詳細拡大図で、ハニカム集光器の断面図である。
【図３】落射照明用の照明装置の光学的構成図である。
【図４】透過光照明装置を含み、落射照明と透過光照明とを組み合わせた座標測定器を示す図である。
【図５】図４の透過光照明装置の集光器前後における光路の概略図で、厚さの異なるマスクに対し図示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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