(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの照明光の標本への入射角度が可変であり、前記標本の拡大像を撮像し、前記照明光の前記標本への入射角度と、前記拡大像における前記標本の形状より定まる所定の位置での像特性との相関を求め、前記相関より前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】
光源手段と、前記光源手段からの照明光をある入射角度をもって標本に導くための照明光学系と、前記入射角度を変化させる入射角度可変手段と、前記標本の拡大像を生成する拡大光学系と、前記拡大光学系により生成された前記標本の拡大像を撮像する撮像手段と、前記入射角度と前記拡大像における前記標本の形状より定まる所定の位置での像特性との相関より、前記標本の形状に関連する情報を求める演算手段とを備えることを特徴とする形状測定器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状測定方法及び形状測定器に関し、特に、微小寸法を測定、検査する形状測定方法及びかかる方法を実施する形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学顕微鏡では、一般的に、レーリーの限界、
δ＝０．６１λ／ＮＡ                                  ・・・（１）
（ただし、δ  ：レーリーの限界
λ  ：光の波長
ＮＡ：対物レンズの開口数）
で表される寸法よりも小さい間隔の２点の像は、完全に分解することはできない。したがって、このレーリーの限界よりも小さな構造物の寸法を直接測ることは不可能とされてきた。
【０００３】
ところが、レーリーの限界よりも小さな構造物でもその存在を検出することは可能で、照明光の照射角度を変えながら、観察標本の微小なゴミ、キズ及び特定のパターン等を検出、同定する方法は、従来より数多く提案されている。
【０００４】
特開昭６３−２１８８４７号においては、観察標本に照明光を照射角度を変えながら照射し、入射角度に対する観察標本上の欠陥の像パターンの変化より、欠陥の種類を同定するという方法が開示されている。この方法は、欠陥の種類により照明光の照射角度に対する像パターンの変化が異なるという性質を利用している。
【０００５】
特公平５−８１８８３号においては、照明光の照射角度を変えることにより、磁気現像処理された磁気記録媒体の記録縞をコントラスト良く観察するという方法が開示されている。この方法は、記録縞の間隔により回折角度が異なる性質を利用している。
【０００６】
特開平８−７５６６１号においては、異なる２つの方向から照明光を照射することにより、観察標本上のゴミやキズ等の欠陥を効率良く検出するという方法が開示されている。この方法は、散乱光、回折光、干渉縞それぞれに適した照明の照明角度は異なるという性質を利用している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これら従来の技術は、何れも欠陥及び特定のパターンの有無や種類を検出するために考案されたものであり、観察標本の微小構造の寸法を測定、検査する方法については触れられていない。このように、従来は、レーリーの限界よりも小さな構造物の寸法を精度良く測定する方法が明確には与えられていなかった。
【０００８】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、その第１の目的は、レーリーの限界よりも小さな構造物の寸法を精度良く測定できる形状測定方法を提供することである。
【０００９】
さらに、本発明の第２の目的は、上記形状測定方法を簡単な構成で実施でき、微小構造物の寸法を精度良く測定できるようにした形状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】
上記目的を達成する本発明の形状測定方法は、光源からの照明光の標本への入射角度が可変であり、前記標本の拡大像を撮像し、前記照明光の前記標本への入射角度と、前記拡大像における前記標本の形状より定まる所定の位置での像特性との相関を求め、前記相関より前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする方法である。
【００１１】
また、上記目的を達成する本発明の形状測定器は、光源手段と、前記光源手段からの照明光をある入射角度をもって標本に導くための照明光学系と、前記入射角度を変化させる入射角度可変手段と、前記標本の拡大像を生成する拡大光学系と、前記拡大光学系により生成された前記標本の拡大像を撮像する撮像手段と、前記入射角度と前記拡大像における前記標本の形状より定まる所定の位置での像特性との相関より、前記標本の形状に関連する情報を求める演算手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態については、まず、上記の目的を達成することができる形状測定方法及び形状測定器の発明の実施形態と、それぞれの作用効果について説明し、次に、その発明に付加して適用することのできる好適な構成とその作用効果を説明し、その後に、それぞれの実施例を説明することにする。
【００１３】
そこで、まず、本発明の形状測定方法について説明する。本発明の形状測定方法は、光源からの照明光の標本への入射角度が可変であり、その標本の拡大像を撮像し、その照明光の標本への入射角度と、拡大像における標本の形状より定まる所定の位置での像特性との相関を求め、その相関より標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする方法である。
【００１４】
なお、ここで、拡大像における標本の形状により定まる所定の位置とは、照明の入射角度を変えることにより発生する像特性（強度又は位相）の変化（変化の仕方）から標本の形状を導き出すことができる像平面内の位置のことである。
【００１５】
その原理を、図８を用いて説明する。標本面上の間隔ｄ離れた２点Ａ，Ｂを考える。その２点に波長λのコヒーレントな照明光が入射角度θで照射されているとする。そのとき、２点Ａ，Ｂ間の照明光の光路長差はｄｓｉｎ（θ）なので、その位相差δφは、
δφ＝２π｛ｄｓｉｎ（θ）｝／λ                      ・・・（２）
で与えられる。
【００１６】
ところで、この２点Ａ，Ｂを光学顕微鏡で拡大観察すると、その２点の像は、それぞれの幾何光学的結像位置を中心として、ある程度広がりを持った点像を形成する。そして、２点Ａ，Ｂの点像の広がりが重なりを持つ場合、その重なった部分はそれぞれの点から発する光の位相差に応じて干渉を起こす。したがって、光学顕微鏡で観察される像は、２点Ａ，Ｂに達する光の位相差δφによって異なる。
【００１７】
このように、観察される像は、２点Ａ，Ｂ間の位相差δφによって異なってくるが、このことは（２）式により、照明光の入射角度θを変えれば観察される像が変わることを表している。そして、２点Ａ，Ｂに達する光の位相差δφがある値を持ったときに特有の像特性を生じる条件が存在するならば、その所定の条件を満たすように照明光の入射角度θを調節し、そのときの像より推測される位相差δφと入射角度θより、（２）式の変形、
ｄ＝δφ・λ／｛２πｓｉｎ（θ）｝                    ・・・（２’）
を用いて、２点Ａ，Ｂの間隔ｄを求めることができる。
【００１８】
以上、２点Ａ，Ｂによる像の特定について説明してきたが、任意の標本は全て点の集合よりできていると考えられる。したがって、特に、顕微鏡の解像程度に細かい構造を持つ標本について、照明光の入射角度θを変えれば標本の形状によって定まるある像位置（本実施の形態では、２点Ａ，Ｂの中間位置）において観察される像が変わる。その像位置において、照明光の入射角度θと観察される像の特性との相関を求めることにより、標本の形状に関連する情報を求めることができる。
【００１９】
この発明の好適一実施形態においては、像の特性として強度を観察するようにするのが、装置的に簡便で都合がよい。２点Ａ，Ｂが（１）式で示されるレーリーの限界よりも少し小さい０．５λ／ＮＡだけ離れている場合の像強度分布の変化を、図９を用いて説明する。δφが２πの整数倍の場合は、２つの点像は互いに同位相で重なるため、観察される像の強度分布は、図９（ａ）に示すごとく、１つの大きな楕円形となる（図９（ｄ）の曲線１−１’）。一方、δφがπ／２＋（πの整数倍）の場合は、２つの点像は位相がπ／２ずれて重なるため、観察される像の強度分布は、図９（ｂ）に示すごとく、２つのゆるやかなピークを持った細長い長円形となる（図９（ｄ）の曲線２−２’）。そして、δφがπ＋（２πの整数倍）の場合は、２つの点像は位相がπずれるため、観察される像の強度分布は、図９（ｃ）に示すごとく、完全に分離した２つの楕円形となる（図９（ｄ）の曲線３−３’）。したがって、照明光の入射角度と像強度分布とには相関があり、その関係を利用することにより、標本の形状に関連する情報を求めることが可能である。
【００２０】
本発明の好適一実施形態においては、照明光の入射角度に対する像の所定の位置での強度の変化率より、標本の形状に関連する情報を求めるようにするのが、容易に照明光の入射角度に対する像特性の相関を取れるので都合がよい。図９に示した２点Ａ，Ｂによる像の場合は、２点Ａ，Ｂの中間位置での像強度変化が大きいため、この中間位置において、照明光の入射角度との相関をとるのが望ましい。
【００２１】
この発明の好適一実施形態においては、像の所定の位置での強度が最小となるときの照明光の入射角度より、標本の形状に関連する情報を求めるようにするのが、容易に標本の形状を測定できるので都合がよい。図９に示した２点Ａ，Ｂによる像の場合は、２点Ａ，Ｂの中間位置の像強度はδφ＝π＋（２πの整数倍）のときに最小となるため、このときの照明光の入射角度θと（２’）式を用いることにより、２点Ａ，Ｂの間隔が直ちに求められる。ここで、２πの整数倍という不定項は、照明光の入射角度を０から徐々に大きくして行って、最初に強度最小となる角度を求めるか、又は、強度が最小となる角度の間隔を求めることにより回避できることは明らかである。
【００２２】
この発明の好適一実施形態においては、像の特性として位相分布を観察するようにするのが、像強度の揺らぎによる影響を排除できるので都合がよい。上記では、観察される像強度分布を中心に話を進めてきたが、像の特性を決定できるのは強度分布だけではない。図１０に示すごとく、２点Ａ，Ｂを含む線分上における像位相分布の形状も、位相差δφにより形を変える。δφが２πの整数倍の場合は、２つの点像は互いに同位相で重なるため、観察される像位相分布は定数となる。一方、δφがπ／２＋（πの整数倍）の場合は、２つの点像は位相がπ／２ずれて重なるため、観察される像位相分布は定数項を除き、０からπへ向かうなだらかな曲線となる。そして、δφがπ＋（２πの整数倍）の場合は、２つの点像は位相がπずれるため、観察される像位相分布は２点Ａ，Ｂの中間位置にπの位相飛び（位相特異点）が存在する。したがって、像位相分布がある位相差δφより定まる所定の条件を満たすように、照明光の入射角度θを調節し、そのときの像より推測される位相差δφと入射角度θより、（２’）式を用いて２点Ａ，Ｂの間隔ｄを求めることもできる。
【００２３】
この発明の好適一実施形態においては、照明光の入射角度に対する像の所定の位置の位相勾配の変化率より、標本の形状に関連する情報を求めるようにするのが、容易に照明光の入射角度に対する像特性の相関を取れるので都合がよい。図１０に示した２点Ａ，Ｂによる位相分布の場合は、２点Ａ，Ｂの中間位置での位相勾配の変化が大きく、照明光の入射角度との相関が取りやすい。
【００２４】
この発明の好適一実施形態においては、像の所定の位置の位相勾配が最大となるときの照明光の入射角度より、標本の形状に関連する情報を求めるようにするのが、容易に標本の形状を測定できるので都合がよい。図１０に示した２点Ａ，Ｂによる位相分布の場合は、２点Ａ，Ｂの中間位置の位相勾配はδφ＝π＋（２πの整数倍）のときに最大となるため、このときの照明光の入射角度θと（２’）式を用いることにより、２点Ａ，Ｂの間隔が直ちに求められる。ここで、２πの整数倍という不定項は、照明光の入射角度を０から徐々に大きくして行って、最初に位相勾配が最大となる角度を求めるか、又は、位相勾配が最大となる角度の間隔を求めることにより回避できることは明らかである。
【００２５】
この発明の好適一実施形態においては、標本が少なくとも隣接した２つの輝点あるいは２本の輝線を含む場合、照明光の入射角度と２つの輝点あるいは２本の輝線の像の中間部分の像特性との相関より輝点あるいは輝線の間隔を測定するようにするのが、像特性の照明光の入射角度による変化が最も大きいため、容易に輝点あるいは輝線の間隔を測定できる点で好ましい。
【００２６】
この発明の好適一実施形態においては、標本が少なくとも１本の暗線を含む場合、照明光の入射角度と暗線の像の中心部分の像特性との相関より、この暗線の線幅を測定するようにするのが、像特性の照明光の入射角度による変化が最も大きいため、容易に暗線の線幅を測定できる点で好ましい。
【００２７】
この原理を図１１を用いて説明する。図１１に示すように、ｘ−ｙ平面上に反射率１の物体が広がっており、ただし、ｘ＝０の位置を中心に幅ｄの暗線（反射率０）がｙ軸に平行に伸びているとする。そこに波長λのコヒーレントな照明光が入射角θで入射した場合、ｘ軸上の照明光の複素振幅Ｑ（ｘ）は、
Ｑ（ｘ）＝ｅｘｐ｛ｊ（２πｓｉｎθ）ｘ／λ｝
で表される。ただし、ここで、ｊ＝√（−１）である。物体の反射率Ｒ（ｘ）は、
0003860300.tif 000002
であるので、結像面上の複素振幅分布Ａ（ｘ）は、
Ａ（ｘ）＝｛Ｑ（ｘ）Ｒ（ｘ）｝＊Ｐ（ｘ）
で表される。ただし、ここでは簡単のため像面における座標をそれに幾何光学的に対応する標本面上の座標ｘで表し、＊はコンボリューションを表す演算子であり、Ｐ（ｘ）は結像光学系の線像分布関数である。Ｐ（ｘ）が、使用する対物レンズの開口数ＮＡを用いて、
Ｐ（ｘ）＝ｓｉｎｃ（２ＮＡｘ／λ）
で表される場合、
0003860300.tif 000003
となる。ただし、ここで、
ｘ’≡２ＮＡｘ／λ，ｄ’≡２ＮＡｄ／λ，ｓ≡（ｓｉｎθ／ＮＡ）
である。｜ｓ｜＜１，ｄ’＞１．２２の条件では、ｘ＝０における像強度が０となるｓ≡ｓ0 が存在し、そのとき、ｘ＝０位置（つまり、暗線の中心）で位相の飛びが発生する。図１２はｘ＝０における像強度が０になるときの規格化された暗線の間隔ｄ’と規格化された照明光の入射角度ｓ0 との関係を示したグラフである。図１２に示すごとく、１．２２＜ｄ’＜１．５の範囲や２．８＜ｄ’＜３．３の範囲では、ｄ’の変化に対するｓ0 の変化が大きいため、ｓ0 の値からｄ’、すなわちｄを正確に求めることが可能になる。ただし、３．１＜ｄ’＜５の範囲では、ｘ＝０の位置で像強度が０になるｓ0 の値が２つあることになるため、この領域を利用してｄの値を求める場合には注意を要する。ｄ’＜１．２２では暗線の中心強度が０になるｓ0 は存在しないが、暗線中間における位相勾配は、図１３に示すごとく、ｓとｄ’に依存するため、ｓに対する暗線の中心の位相勾配の変化率を測定することにより、ｄ’をある程度正確に測定することが可能である。
【００２８】
次に、本発明の形状測定器について説明する。この発明の形状測定器は、光源手段と、光源手段からの照明光をある入射角度をもって標本に導くための照明光学系と、入射角度を変化させる入射角度可変手段と、標本の拡大像を生成する拡大光学系と、拡大光学系により生成されたこの標本の拡大像を撮像する撮像手段と、入射角度と拡大像における標本の形状より定まる所定の位置での像特性との相関より、標本の形状に関連する情報を求める演算手段とを備えることを特徴とするものである。
【００２９】
このように、この発明にかかる形状測定器においては、光源から発せられた照明光を、照明光学系及び入射角度可変手段により標本上に入射角度可変に導き、拡大光学系と撮像手段により標本の拡大像を撮像し、演算手段により照明光の入射角度と標本の拡大像との相関から、標本の形状に関連する情報を求めるようにしたので、演算手段において、予め予想される標本形状と照明光と入射角度及び拡大像の相関とを用いることにより、標本の形状を精度良く測定することが可能になる。
【００３０】
この発明の好適一実施形態では、演算手段は、照明光の入射角度と所定の位置での像の強度との相関により、標本の形状に関連する情報を求めるのが、装置的に簡便で都合がよい。
【００３１】
この発明の好適一実施形態では、演算手段は、照明光の入射角度に対する所定の位置での強度の変化率より、標本の形状に関連する情報を求めるのが、容易に照明光の入射角度に対する像特性の相関を取れるので都合がよい。
【００３２】
この発明の好適一実施形態では、演算手段は、所定の位置での像の強度が最小となるときの照明光の入射角度より、標本の形状に関連する情報を求めるのが、容易に標本の形状を測定できるので都合がよい。
【００３３】
この発明の好適一実施形態では、演算手段は、照明光の入射角度と所定の位置での像の位相分布との相関より、標本の形状に関連する情報を求めるのが、像強度の揺らぎによる影響を排除できるので都合がよい。
【００３４】
この発明の好適一実施形態では、演算手段は、照明光の入射角度に対する所定の位置での位相勾配の変化率より、標本の形状に関連する情報を求めるのが、容易に照明光の入射角度に対する像特性の相関を取れるので都合がよい。
【００３５】
この発明の好適一実施形態では、演算手段は、所定の位置での像の位相勾配が最大となるときの照明光の入射角度より、標本の形状に関連する情報を求めるのが、容易に標本の形状を測定できるので都合がよい。
【００３６】
この発明の好適一実施形態では、光源手段はレーザ光源であるのが、容易に平面波を標本上に照明できるので都合がよい。
【００３７】
この発明の好適一実施形態では、照明光学系は、光源手段より発した照明光を拡大光学系の射出瞳位置又はそれに共役な位置に収束させる瞳集光レンズを含むのが、広い照明光の入射角度範囲と高い拡大光学系の分解能を両立できるので都合がよい。
【００３８】
この発明の好適一実施形態では、入射角度可変手段は、ガルバノミラーであるのが、容易かつ迅速に照明光の入射角度を変えることができる点で好ましい。
【００３９】
この発明の好適一実施形態では、入射角度可変手段は、ポリゴンミラーであるのが、容易かつ迅速に照明光の入射角度を変えることができる点で好ましい。
【００４０】
この発明の好適一実施形態では、照明光学系の中に干渉計が存在し、撮像手段上に像の位相分布に対応した干渉画像を生成するのが、像の位相分布を容易に計測できる点で好ましい。
【００４１】
この発明の好適一実施形態では、干渉計はマイケルソンタイプの干渉計あるいはミロータイプの干渉計あるいはノマルスキータイプの干渉計であるのが、干渉計を容易に構成できる点で好ましい。
【００４２】
この発明の好適一実施形態では、干渉計における分割された２つの光路の光路長差を調節する光路長差調節手段を備え、光路長差調節手段は、光路長差調節手段を駆動してフリンジスキャンを行う制御装置に接続されているのが、像の位相分布を精度よく計測できる点で好ましい。
【００４３】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
本発明による第１実施例の形状測定装置は、図１に示すごとく、レーザ光源１と、レーザ光源１から発せられたコヒーレントなビームの径を拡張するビームエキスパンダ２と、ビームエキスパンダ２によって拡張されたコヒーレントビームを角度可変に偏向するガルバノミラー３と、ガルバノミラー３からのビームを集光する瞳集光レンズ４と、瞳集光レンズ４からの収束光を偏向する光路分割器５と、その収束光の収束位置に射出瞳位置を一致させて配置されると共に、標本Ｏの拡大像を無限遠方に生成する対物レンズ６と、対物レンズ６によって無限遠方に生成された標本Ｏの拡大像を有限の位置に結像する結像レンズ７と、結像レンズ７によって生成された標本Ｏの拡大像を撮像する撮像装置８と、ガルバノミラー３及び撮像装置８と電気的に接続されたコントローラ９と、コントローラ９に電気的に接続された演算装置１０と、演算装置１０に電気的に接続されたモニタ１１とからなる。
【００４４】
このような装置において、レーザ光源１より発せられたコヒーレントなビームは、ビームエキスパンダ２により径を拡げられ、ガルバノミラー３で偏向された後、対物レンズ６の射出瞳位置に集光し、標本Ｏ上に平行光となって入射する。ガルバノミラー３を振り、対物レンズ６の射出瞳位置におけるビームの集光位置を変えることにより、照明光の標本への入射角度を調節することができる。
【００４５】
コントローラ９によってガルバノミラー３を駆動し、標本Ｏ上の照明光の入射角度を変えながら、標本Ｏの拡大像の強度分布を撮像装置８によって撮像する。得られた拡大像は、コントローラ９を介しガルバノミラー３の偏向角度情報と共に演算装置１０に送られる。演算装置１０では、拡大像をモニタ１１に表示すると共に、ガルバノミラー３の偏向角度情報より標本Ｏ上での照明光の入射角度を算出し、拡大像の特定部分の強度と共に記憶する。コントローラ９により一通りガルバノミラー３の走査が終了した後、演算装置１０は、記憶した照明光の入射角度と拡大像の特定部分の強度との相関を算出し、予め計算あるいは経験等により得られた標本形状とその相関との関係を用いて、標本形状を測定し、その結果をモニタ１１に表示する。
【００４６】
本実施例における線幅の測定手順のフローチャートを図２、図３を用いて説明する。標本Ｏの線幅がある程度太ければ、それは線幅の中心における拡大像の強度が０となるときの照明光の標本Ｏへの入射角度より測定できる。その手順は、図２に示すごとく、測定者は、ＳＴ（ステップ）１において、標本Ｏをモニタ１１を見ながら測定対象となる線が拡大像視野中心付近に入るようにセットし、ＳＴ２において、ガルバノミラー３を操作して、予め測定される線像の中心における拡大像の強度が０となる照明光の入射角度に設定してから、コントローラ９に測定開始の信号を送る。ＳＴ３において、コントローラ９は標本Ｏの拡大像を撮像し、ＳＴ４において、拡大像から線像の中心における強度を抽出する。ＳＴ５において、線像の中心における強度が０であるか否かを判定し、撮像された線像の中心の強度が０でなければ、ＳＴ６において、ガルバノミラー３を駆動し、照明光の標本面への入射角を変更して、上記ＳＴ３〜５を繰り返し、撮像された線像の中心の強度が０になった時点でガルバノミラー３の駆動を中止し、ＳＴ７において、そのときのガルバノミラー３の偏向角度を演算装置１０に送る。ＳＴ８において、演算装置１０はコントローラ９より送られたガルバノミラー３の偏向角度より照明光の標本への入射角度を算出し、ＳＴ９において、予め求められていたその入射角度の線幅との相関より線幅を算出して、その結果をモニタ１１に表示する。ただし、実際の測定に関しては、光学系のフレアや撮像系のノイズがあるため、像強度０の条件は像強度最小の条件で置き換えた方がよい。
【００４７】
標本Ｏの線幅がある程度細く、線幅の中心における拡大像の強度が０となることがなければ、照明光の標本Ｏへの入射角度と線像の強度分布との相関より線幅が測定できる。その手順は、図３に示すごとく、測定者は、ＳＴ１において、標本Ｏをモニタ１１を見ながら測定対象となる線が拡大像視野中心付近に入るようにセットし、コントローラ９に測定開始の信号を送る。ＳＴ２において、コントローラ９は、まずガルバノミラー３の偏向角度を調節して照明光の標本Ｏへの入射角度が０になるようにして、ＳＴ３において、標本Ｏの拡大像の撮像を開始する。次いで、ＳＴ４において、拡大像から線像の中心における強度を抽出し、ＳＴ５において、そのときのガルバノミラー３の偏向角度を演算装置１０に送る。ＳＴ６において、演算装置１０はコントローラ９より送られたガルバノミラー３の偏向角度より照明光の標本への入射角度を算出し、ＳＴ７において、照明光の標本への入射角度と線像の中心における強度を記録し、ＳＴ８において、照明光が標本Ｏに対して照明光の標本への入射角が予め決められた最大入射角であるか否かを判定し、照明光の標本への入射角が予め決められた最大入射角でなければ、ＳＴ９において、ガルバノミラー３を駆動し、照明光の標本面への入射角を増やして、上記ＳＴ３〜８を繰り返し、照明光の標本Ｏへの入射角が予め決められた最大値となるまでガルバノミラー３を駆動して、照明光の標本Ｏへの入射角を変えながら標本Ｏの拡大像を撮像して行く。コントローラ９によるガルバノミラー３の駆動が終了した後、ＳＴ１０において、演算装置１０は照明光の標本Ｏへの入射角度と拡大像における線像中心の強度との相関を算出し、ＳＴ１１において、予め求められていたその相関と線幅との関係から線幅を算出して、その結果をモニタ１１に表示する。
【００４８】
本実施例によれば、ガルバノミラー３により照明光の標本Ｏへの入射角度を変えるようにしたので、照明光の標本Ｏへの入射角度を高速に変えることができ、また、照明光を対物レンズ６を通して同軸落射的に標本Ｏに照明するようにしたので、常に０≦｜ｓ｜＜１の範囲で照明光の標本Ｏへの入射角度を変えることができる利点がある。前述のように、暗線を測定する場合には、｜ｓ｜＜１の条件（すなわち、同軸落射照明）でなければ、ｘ＝０において像強度が０になるような条件が得られないため、暗線の測定においては、同軸落射照明は必要不可欠となる。
なお、入射角度可変手段として、上記ガルバノミラー３の代わりにポリゴンミラーを用いることももちろん可能である。
【００４９】
本発明による第２実施例の形状測定装置は、図４に示すごとく、レーザ光源１と、レーザ光源１から発せられたコヒーレントなビームの径を拡張するビームエキスパンダ２と、ビームエキスパンダ２によって拡張されたコヒーレントビームを角度可変に偏向するガルバノミラー３と、ガルバノミラー３からのビームを集光する瞳集光レンズ４と、瞳集光レンズ４からの収束光の一部を観察光路１２と、他の一部を参照光路１３に分割すると共に、観察光路１２及び参照光路１３からの光線を合成する光線分割合成器５’と、その収束光の観察光路１２上における収束位置に後側焦点位置を一致させて配置されると共に、標本Ｏの拡大像を無限遠方に生成する対物レンズ６と、その収束光の参照光路１３上における収束位置に後側焦点位置を一致させて配置されており、対物レンズ６と光学的に同等な参照レンズ１４と、参照レンズ１４の前側焦点位置に配置された参照鏡１５と、参照鏡１５に接続され参照鏡１５を光軸方向に移動することにより、観察光路１２と参照光路１３の光路長差を調節する光路長調節装置１６と、対物レンズ６によって無限遠方に生成された標本Ｏの拡大像を有限の位置に結像する結像レンズ７と、結像レンズ７によって生成された標本Ｏの拡大像を撮像する撮像装置８と、ガルバノミラー３及び撮像装置８及び光路長調節装置１６と電気的に接続されたコントローラ９と、コントローラ９に電気的に接続された演算装置１０と、演算装置１０と電気的に接続されたモニタ１１とからなる。
【００５０】
このような装置において、レーザ光源１より発せられたコヒーレントなビームは、ビームエキスパンダ２により径を拡げられ、ガルバノミラー３で偏向され、瞳集光レンズ４で収束光になった後、光線分割合成器５’により観察光路１２及び参照光路１３に分割される。観察光路１２に分割された収束光は、対物レンズ６の後側焦点位置に集光し、標本Ｏ上に平行光となって入射する。一方、参照光路１３に分割された収束光は、参照レンズ１４の後側焦点位置に集光し、参照鏡１５に平行光となって入射する。ガルバノミラー３を振り、対物レンズ６の射出瞳位置におけるビームの集光位置を変えることにより、照明光の標本Ｏへの入射角度を調節できる。
【００５１】
標本Ｏ及び参照鏡１５で反射された光束は、それぞれ対物レンズ６及び参照レンズ１４を通り、光線分割結合器５’により再び合成され、結像レンズ７により撮像装置８上に標本像と参照波面による干渉像を形成する。
【００５２】
コントローラ９は、光路長調節装置１６を駆動することにより標本像と参照波面の位相差を変えながら干渉像を撮像し、光路長調節装置１６による参照鏡１５の移動量と干渉像は演算装置１０に送られる。演算装置１０では、５バケット法に代表されるフリンジスキャン方法を用いて標本像の位相分布を算出する。
【００５３】
さらに、コントローラ９によってガルバノミラー３を駆動し、標本Ｏ上の照明光の入射角度を変えながら、演算装置１０により標本像の位相分布を算出する。ガルバノミラー３の偏向角度情報は、コントローラ９を介して演算装置１０に送られる。演算装置１０では、干渉像をモニタ１１に表示すると共に、ガルバノミラー３の偏向角度情報より標本Ｏ上での照明光の入射角度を算出し、干渉像の特定部分の位相分布と共に記憶する。コントローラ９により一通りガルバノミラー３の走査が終了した後、演算装置１０は記憶した照明光の入射角度と干渉像の特定部分の位相分布との相関を算出し、予め計算あるいは経験等により得られた標本形状とその相関との関係を用いて、標本形状を算出し、その結果をモニタ１１に表示する。
【００５４】
本実施例における線幅の測定手順のフローチャートを図５、図６を用いて説明する。標本Ｏの線幅がある程度太ければ、それは線幅の中心における位相分布に特異点が発生するときの照明光の標本Ｏへの入射角度より測定できる。その手順は、図５に示すごとく、測定者は、ＳＴ１において、標本Ｏをモニタ１１を見ながら測定対象となる線が拡大像視野中心付近に入るようにセットし、ＳＴ２において、ガルバノミラー３を操作して、予め測定される線像の中心における位相分布に特異点が発生する照明光の入射角度に設定してから、コントローラ９に測定開始の信号を送る。ＳＴ３において、標本Ｏの拡大像の撮像を開始する。次いで、ＳＴ４において、コントローラ９は、光路長調節装置１６を駆動して参照鏡１５を移動させながらフリンジスキャンを行い、標本Ｏの位相像を算出する。ＳＴ５において、線像中心近辺における位相分布を抽出する。ＳＴ６において、その位相分布に位相特異点があるか否かを判定し、算出された位相像において線像の中心に位相特異点がなければ、ＳＴ７において、ガルバノミラー３を駆動し、照明光の標本面への入射角を変更して、上記ＳＴ３〜６を繰り返し、撮像された線像の中心に位相特異点が発生した時点でガルバノミラー３の駆動を中止し、ＳＴ８において、そのときのガルバノミラー３の偏向角度を演算装置１０に送る。ＳＴ９において、演算装置１０はコントローラ９より送られたガルバノミラー３の偏向角度より照明光の標本への入射角度を算出し、ＳＴ１０において、予め求められていたその入射角度の線幅との相関より線幅を算出して、その結果をモニタ１１に表示する。
【００５５】
標本Ｏの線幅がある程度細く、線幅の中心における干渉像において位相分布に特異点が発生することがなければ、照明光の標本Ｏへの入射角度と線像の位相分布との相関より線幅が測定できる。その手順は、図６に示すごとく、測定者は、ＳＴ１において、標本Ｏをモニタ１１を見ながら測定対象となる線が拡大像視野中心付近に入るようにセットし、コントローラ９に測定開始の信号を送る。ＳＴ２において、コントローラ９は、まずガルバノミラー３の偏向角度を調節して照明光の標本Ｏへの入射角度が０になるようにして、ＳＴ３において、標本Ｏの干渉像の撮像を開始する。次いで、ＳＴ４において、コントローラ９は、光路長調節装置１６を駆動して参照鏡１５を移動させながらフリンジスキャンを行い、標本Ｏの位相分布を算出する。ＳＴ５において、線像中心近辺における位相勾配を抽出し、ＳＴ６において、そのときのガルバノミラー３の偏向角度を演算装置１０に送る。ＳＴ７において、演算装置１０はコントローラ９より送られたガルバノミラー３の偏向角度より照明光の標本への入射角度を算出し、ＳＴ８において、照明光の標本への入射角度と線像中心近辺における位相勾配を記録し、ＳＴ９において、照明光が標本Ｏに対して照明光の標本への入射角が予め決められた最大入射角であるか否かを判定し、照明光の標本への入射角が予め決められた最大入射角でなければ、ＳＴ１０において、ガルバノミラー３を駆動し、照明光の標本面への入射角を増やして、上記ＳＴ３〜９を繰り返し、照明光の標本Ｏへの入射角が予め決められた最大値となるまでガルバノミラー３を駆動して、照明光の標本Ｏへの入射角を変えながら標本Ｏの干渉像を撮像して行く。コントローラ９によるガルバノミラー３の駆動が終了した後、ＳＴ１１において、演算装置１０は照明光の標本への入射角度と干渉像における線像中心近辺の位相勾配との相関を算出し、ＳＴ１２において、予め求められていたその相関と線幅との関係から線幅を算出して、その結果をモニタ１１に表示する。
【００５６】
本実施例によれば、干渉像の位相分布により線幅を測定するようにしたので、光源の出力変動による影響をなくすことができ、安定した計測ができる利点がある。
なお、干渉計として、上記リニークタイプの干渉計を用いる代わりに、マイケルソンタイプ又はミロータイプ又はノマルスキータイプの干渉計を用いても、上記の目的を達成できることは明らかである。
【００５７】
以上に線幅測定の例のみあげてきたが、照明光の標本への入射角度と像特性との相関が取れるものであれば、本発明はこれに限るものではないことは明らかである。
【００５８】
本発明による第３実施例は、図７に示すごとく、レーザ光源１とビームエキスパンダ２とが一体に形成され、標本に対し入射角度可変に照明することが可能な照明ユニット１７と、標本Ｏの拡大像を生成する対物レンズ６と、対物レンズ６によって生成された標本の拡大像を撮像する撮像装置８と、照明ユニット１７及び撮像装置８と電気的に接続されたコントローラ９と、コントローラ９に電気的に接続された演算装置１０と、演算装置１０と電気的に接続されたモニタ１１とからなる。
【００５９】
このような装置において、ビームエキスパンダ２は、レーザ光源１より発したコヒーレントな光束の径を拡げ、標本Ｏを照明する平行光とする。そのレーザ光源１とビームエキスパンダ２が一体となった照明ユニット１７は、コントローラ９によって入射角度可変に標本Ｏを照明できるように、標本Ｏの観察位置を中心に回転可能なように構成されている。コントローラ９は、照明ユニット１７を動かし、照明光の標本Ｏへの入射角度を変えながら、撮像装置８により標本Ｏの拡大像を撮像し、照明光の各入射角度とそのときの拡大像を演算装置１０に引き渡す。演算装置１０は、照明光の入射角度と標本Ｏの特定部分の像強度分布の相関より標本Ｏの形状を算出し、その結果をモニタ１１に表示する。
【００６０】
本実施例においては、対物レンズ６の開口数に関わらず、照明光の標本Ｏへの入射角度が大きく取れるのが利点である。すなわち、標本Ｏの形状等によって対物レンズ６の作動距離を長く取らなければならないような場合、開口数の小さい対物レンズ６を用いなければならない。しかしながら、本実施例のように軸外落射であれば、対物レンズ６の開口数に関わりなく、照明光の入射角を大きくすることができる。例えば、標本の２点間の位相差は、照明光の標本への入射角度で決まるので、このように照明光の標本Ｏへの入射角度を大きく取れると、対物レンズ６の解像よりも小さな２点の間隔を精度良く測定することが可能になる。
【００６１】
なお、本実施例の構成に干渉計を組み合わせ、標本像の強度分布の代わりに位相分布を用いても、標本Ｏの形状に関連する情報を求めることができることは、今までの説明より明らかである。
【００６２】
以上の本発明の形状測定方法及び形状測定器は例えば次のように構成することができる。
〔１〕  光源からの照明光の標本への入射角度が可変であり、前記標本の拡大像を撮像し、前記照明光の前記標本への入射角度と、前記拡大像における前記標本の形状より定まる所定の位置での像特性との相関を求め、前記相関より前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする形状測定方法。
【００６３】
〔２〕  前記像特性とは、像の強度であることを特徴とする上記〔１〕記載の形状測定方法。
【００６４】
〔３〕  前記入射角度に対する前記所定の位置での強度の変化率より前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔２〕記載の形状測定方法。
【００６５】
〔４〕  前記所定の位置での強度が最小となるときの前記入射角度より前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔２〕記載の形状測定方法。
【００６６】
〔５〕  前記像特性とは、像の位相分布であることを特徴とする上記〔１〕記載の形状測定方法。
【００６７】
〔６〕  前記入射角度に対する前記所定の位置での位相勾配の変化率より前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔５〕記載の形状測定方法。
【００６８】
〔７〕  前記所定の位置での位相勾配が最大となるときの前記入射角度より前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔５〕記載の形状測定方法。
【００６９】
〔８〕  前記標本は少なくとも隣接した２つの輝点あるいは２本の輝線を含み、前記入射角度と前記拡大像における前記２つの輝点あるいは２本の輝線の像の中間部分の像特性との相関より、前記輝点あるいは輝線の間隔を測定することを特徴とする上記〔１〕から〔７〕の何れか１項記載の形状測定方法。
【００７０】
〔９〕  前記標本は少なくとも１本の暗線を含み、前記入射角度と前記拡大像における前記暗線の像の中心部分の像特性との相関より、前記暗線の線幅を測定することを特徴とする上記〔１〕から〔７〕の何れか１項記載の形状測定方法。
【００７１】
〔１０〕  光源手段と、前記光源手段からの照明光をある入射角度をもって標本に導くための照明光学系と、前記入射角度を変化させる入射角度可変手段と、前記標本の拡大像を生成する拡大光学系と、前記拡大光学系により生成された前記標本の拡大像を撮像する撮像手段と、前記入射角度と前記拡大像における前記標本の形状より定まる所定の位置での像特性との相関より、前記標本の形状に関連する情報を求める演算手段とを備えることを特徴とする形状測定器。
【００７２】
〔１１〕  前記演算手段は、前記入射角度と前記所定の位置での像の強度との相関より、前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔１０〕記載の形状測定器。
【００７３】
〔１２〕  前記演算手段は、前記入射角度に対する前記所定の位置での強度の変化率より、前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔１１〕記載の形状測定器。
【００７４】
〔１３〕  前記演算手段は、前記所定の位置での強度が最小となるときの前記入射角度より、前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔１１〕記載の形状測定器。
【００７５】
〔１４〕  前記演算手段は、前記入射角度と前記所定の位置での像の位相分布との相関より、前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔１０〕記載の形状測定器。
【００７６】
〔１５〕  前記演算手段は、前記入射角度に対する前記所定の位置での位相勾配の変化率より、前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔１４〕記載の形状測定器。
【００７７】
〔１６〕  前記演算手段は、前記所定の位置での位相勾配が最大となるときの前記入射角度より、前記標本の形状に関連する情報を求めることを特徴とする上記〔１４〕記載の形状測定器。
【００７８】
〔１７〕  前記光源手段は、レーザ光源であることを特徴とする上記〔１０〕から〔１６〕の何れか１項記載の形状測定器。
【００７９】
〔１８〕  前記照明光学系は、前記光源手段より発した前記照明光を前記拡大光学系の射出瞳位置又はそれに共役な位置に収束させる瞳集光レンズを含むことを特徴とする上記〔１０〕から〔１７〕の何れか１項記載の形状測定器。
【００８０】
〔１９〕  干渉計を用い、前記撮像手段上に前記位相分布に対応した干渉画像を生成することを特徴とする上記〔１０〕から〔１８〕の何れか１項記載の形状測定器。
【００８１】
〔２０〕  前記干渉計における分割された２つの光路の光路長差を調節する光路長差調節手段を備え、前記光路長差調節手段は、前記光路長差調節手段を駆動してフリンジスキャンを行う制御装置に接続されていることを特徴とする上記〔１９〕記載の形状測定器。
【００８２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の形状測定方法及び形状測定器を用いれば、レーリーの限界よりも小さな構造物の寸法を精度良く測定できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１実施例の形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施例における線幅の測定手順を示すフローチャートである。
【図３】第１実施例における線幅の別の測定手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明による第２実施例の形状測定装置の構成を示す図である。
【図５】第２実施例における線幅の測定手順を示すフローチャートである。
【図６】第２実施例における線幅の別の測定手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明による第３実施例の形状測定装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の形状測定の基本原理を説明するための図である。
【図９】２点間の位相差δφによる２点像の変化を示す図である。
【図１０】位相差δφと像位相分布の関係を示す図である。
【図１１】本発明の暗線の線幅を測定する原理を説明するための図である。
【図１２】暗線中心における像強度が０になるときの規格化された暗線の間隔ｄ’と規格化された照明光の入射角度ｓ0 との関係を示すグラフである。
【図１３】入射角度に関するパラメータｓと暗線中間における位相勾配との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｏ…標本
１…レーザ光源
２…ビームエキスパンダ
３…ガルバノミラー
４…瞳集光レンズ
５…光路分割器
５’…光線分割合成器
６…対物レンズ
７…結像レンズ
８…撮像装置
９…コントローラ
１０…演算装置
１１…モニタ
１２…観察光路
１３…参照光路
１４…参照レンズ
１５…参照鏡
１６…光路長調節装置
１７…照明ユニット
【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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【図６】
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【図７】
0003860300.tif 000010
【図８】
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【図９】
0003860300.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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