JP2005049317A - 干渉計 - Google Patents
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Abstract
【課題】 裏面干渉の影響を排除し、被測定物の表面形状をより精度良く測定できる干渉計を提供すること
【解決手段】 測定光源からの測定光を被測定物表面及び参照面に照射し、被測定物表面で反射された反射光と前記参照面で反射された参照光とにより形成される干渉縞を撮像手段により撮像し、該撮像された干渉縞に基づいて被測定物表面の形状を測定する干渉計において、前記測定光源は被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより形成される干渉縞の発生を阻止するパルス幅と休止時間とを持つパルスレーザを出射する。
【選択図】 図4
【解決手段】 測定光源からの測定光を被測定物表面及び参照面に照射し、被測定物表面で反射された反射光と前記参照面で反射された参照光とにより形成される干渉縞を撮像手段により撮像し、該撮像された干渉縞に基づいて被測定物表面の形状を測定する干渉計において、前記測定光源は被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより形成される干渉縞の発生を阻止するパルス幅と休止時間とを持つパルスレーザを出射する。
【選択図】 図4
Description
本発明は、被測定物の表面形状を測定する干渉計に関する。
可干渉光の測定光を被測定物表面及び参照面に照射し、被測定物表面からの反射光と参照面から反射された参照光とにより形成される干渉縞をCCDカメラ等により撮像し、撮像された干渉縞に基づいて被測定物表面の形状を検査する干渉計が知られている。
ところで、干渉縞を利用して半導体ウェハやガラスマスク等の被測定物の表面形状を検査する場合、被測定物が測定光を透過するものであると、被測定物の表面からの反射光と被測定物の裏面からの反射光とによる干渉(以下、裏面干渉)が発生し、これが表面形状の検査時にノイズとなる。この対策としては、被測定物裏面からの反射光を減衰させるために測定光の光量を減光させる方法や、裏面干渉の強度を相対的に低下させるためにスリガラス等で測定光の干渉性を低下させる方法が提案されている(特許文献1参照)。
特開2001−124532号公報
しかしながら、測定光の光量を減光させる方法は、測定光に対して透過率の高い被測定物の表面形状を測定する場合、十分に裏面干渉を除去できない問題がある。また、スリガラス等で測定光の干渉性を低下させる方法は、測定光の波面が乱れてしまうため、測定誤差の要因となる。
本発明は、上記問題点に鑑み、裏面干渉の影響を排除し、被測定物の表面形状をより精度良く測定できる干渉計を提供することを技術課題とする。
(1) 測定光源からの測定光を被測定物表面及び参照面に照射し、被測定物表面で反射された反射光と前記参照面で反射された参照光とにより形成される干渉縞を撮像手段により撮像し、該撮像された干渉縞に基づいて被測定物表面の形状を測定する干渉計において、前記測定光源は被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより形成される干渉縞の発生を阻止するパルス幅と休止時間とを持つパルスレーザを出射することを特徴とする。
(2) (1)の干渉計において、前記測定光源から出射されるパルスレーザのパルス幅は、測定光源から同時に出射して被測定物表面で反射される反射光と前記参照面で反射される参照光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間T1より長く、測定光源から同時に出射して被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間T2より短い時間であり、パルスレーザの休止時間は、前記時間T2より長く、前記撮像手段が撮像する1フレーム分の時間より短い時間であることを特徴とする。
(2) (1)の干渉計において、前記測定光源から出射されるパルスレーザのパルス幅は、測定光源から同時に出射して被測定物表面で反射される反射光と前記参照面で反射される参照光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間T1より長く、測定光源から同時に出射して被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間T2より短い時間であり、パルスレーザの休止時間は、前記時間T2より長く、前記撮像手段が撮像する1フレーム分の時間より短い時間であることを特徴とする。
本発明によれば、裏面干渉を除去し、被測定物の表面形状をより精度良く測定できる。
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図1は実施形態である斜入射干渉計の要部概略図である。
6は被測定物であり、13は被測定物6の載置台である。1は超短パルスレーザ光を発振するレーザ光源である。レーザ光源1より出射した超短パルスの測定光はエキスパンダレンズ2を通過した後、コリメータレンズ3により平行光束とされ、ロータリプリズム4を介して参照面5aを持つプリズム5に入射する。参照面5aは、被測定物6の表面に対向して位置する。ロータリプリズム4は制御部11により駆動制御され、ロータリプリズム4の駆動により測定光の被測定物6への入射角(投光角度)が変更される。7は干渉縞が形成されるスクリーンである。スクリーン7上に形成された干渉縞はレンズ8を介してCCDカメラ9の撮像面に結像する。なお、スクリーン7を用いずに、干渉縞がCCDカメラ9の撮像面に直接結像するように構成しても良い。CCDカメラ9で撮像された干渉縞像は解析装置10に送信され、モニタ14に表示される。解析装置10では干渉縞を基に表面形状を得るための演算解析等が行われ、干渉縞や各種情報はメモリ15に記憶される。12は測定感度の変更スイッチ等を持つ入力部である。
レーザ光源1より出射した測定光はエキスパンダレンズ2を通過した後、コリメータレンズ3により平行光束とされ、ロータリプリズム4を介してプリズム5に入射する。プリズム5に入射した測定光の一部は参照面5aで反射されて参照光となり、スクリーン7に向かう。プリズム5に入射したその他の光は参照面5aを透過する。参照面5aを透過した光の一部は、被測定物6の表面6aで反射され、再度プリズム5を通ってスクリーン7に向かう。参照面5aで反射された光と被測定物6の表面6aで反射された光は干渉現象を起こし、スクリーン7には干渉縞(表面干渉縞)が形成される。
ここで、被測定物6が測定光に対して透過特性を持つ場合、参照面5aを透過した光の内、一部は被測定物6の表面6aで反射され、残りの光は被測定物6の内部を透過して裏面6bに至り、さらに光の一部は裏面6bで反射される。裏面6bで反射された光は、再び被測定物6の内部を透過し、表面6aから出射する。そして、測定光が連続光の場合には、図2に示すように、スクリーン7には参照面5aでの反射による参照光と被測定物表面6aでの反射光による干渉縞IS(以下、表面干渉縞IS)が形成されると共に、被測定物6の裏面6bで反射されて表面6aから出射する光と被測定物6の表面6aで反射された光とによる干渉縞IT(以下、裏面干渉縞IT)が形成されるようになる。干渉縞ITは、被測定物の透過率が高い程、強く現われるようになる。なお、参照光と被測定物裏面6bでの反射光による干渉縞は、それぞれの反射光強度に大きな差があるため、スクリーン7上に形成される干渉縞の強度は無視できる程度である。
表面形状検査においては、表面干渉縞ISを利用する。この際、裏面干渉縞ITはノイズとなるため、裏面干渉縞ITを生じさせずに表面干渉縞ISのみを生じさせる間隔のパルスレーザをレーザ光源1から出射させる。
以下、表面干渉縞ISを生じさせるが、裏面干渉縞ITの発生を阻止する方法を、図3及び図4を使用して説明する。なお、以下の説明では、プリズム5での屈折率をn1、被測定物6での屈折率をn2、測定光の参照面への入射角をθ1'、参照面5aから透過した光が被測定物表面6aに入射する時の入射角をθ1、被測定物表面6aを入射した透過光が被測定物裏面6bに入射する時の入射角をθ2、参照面5aから被測定物表面6aまでの距離をWD(mm)、被測定物6の厚さをt(mm)、光の速さをc(m/s)、空気中の屈折率をn=1とする。
まず、参照光と被測定物表面6aでの反射光による表面干渉縞ISの発生条件について、図3を用いて説明する。参照面上の点Aは、参照光と被測定物表面6aでの反射光による干渉が発生する地点であり、点Aにて干渉を起こす被測定物表面6aからの反射光は、参照面5a上の点Bから透過した後、空気中を通過し、被測定物表面6a上の点Dで反射した後、参照面5a上の点Aに至った光である。参照光を形成するためにプリズム5内を通過する光の光路上の点B'は、その光路に対して点Bより引かれた垂線が交わる点である。線分BB'は、レーザ光源1を出射して参照面5aへ入射する同じ光路長を持つ光の集合であり、波面BB'として表す。
ここで、波面BB'が点B'を通って点Aに到達する間に、点Bにあった光が進行する距離を求める。ホイヘンスの原理によれば、点B'にある光が点Aに到達した時、点Bを透過した光は、被測定物6がないと仮定した場合、直線BDに対して点Aより引かれた垂線との交点部分である点A''まで到達することがわかる。よって、波面BB'の光が点Bを透過した時には、被測定物表面6aより反射するので、反射の法則より、点Bにある光は、点Dで反射して点A'まで到達する。
以上のことを、光路長として表すと、波面BB'が点B'を通って点Aに到達する光の光路長B'Aと、点Bを通り点Dで反射して点Aに到達する光路長BDA'は、光が同一時間内に進行する距離であるから、同じ光路長であるといえる。
次に、点Bを通って点A'に到達した光が、点Aに到達するまでの光路長A'Aの長さを求めると、空気中の屈折率はn=1であるから、
以上より、光が光路B'Aを進む時間と光路BDA'を進む時間は等しいので、光が光路長A'Aを進行するのに要する時間T1以上継続して、測定光を照射することにより干渉が発生する。よって、参照面5aで反射する参照光と被測定物表面6aでの反射光により干渉が発生する条件は、少なくとも時間T1以上継続して測定光が照射されていることである。したがって、レーザ光源1は少なくとも時間T1より長いパルス幅を持つ光を被測定物6へ照射することにより、参照光と被測定物表面6aでの反射光による表面干渉縞ISを発生させることができる。
なお、光路長A'Aは、光路長BDAと、同じ光路長の長さを持つ光路長B'A及び光路長BDA'との光路差として表すこともできる。そして、波面BB'は、レーザ光源1から同じ光路長を持つ光の集合であるから、レーザ光源1を同時に出射した同じ光路長の長さを有する光の波面が参照面5aに到達するまでの光路長と、レーザ光源1から参照面5aを透過して、被測定物表面6aで反射してから、参照面5aに到達するまでの光路長との光路差として表すこともでき、時間T1はこの光路差を光が進行する時間であるといえる。
次に、被測定物表面6aと裏面6bでの反射光による裏面干渉縞ITの発生を阻止する条件について、図4を用いて説明する。被測定物表面6a上の点Fは、被測定物表面6aと裏面6bでの反射光による干渉が発生する地点であり、点Fにて干渉を起こす被測定物裏面6bからの反射光は、被測定物6a上の点Dで被測定物6に入射した後、被測定物6内部を透過して、被測定物裏面6bの点Eで反射した後、点Fに到達した光である。
図4において、点D'は、被測定物表面6aで反射する測定光と、その測定光に対して点Dより引かれた垂線とを結ぶ交点である。また、線分DD'は、レーザ光源1を出射してプリズム5を透過した後、被測定物表面6aへ入射する同じ光路長を持つ光の集合であり、波面DD'として表す。波面DD'のうち、点D'を通る光は被測定物表面6aにて反射する反射光となり、点Dを通る光は被測定物裏面6bで反射する反射光となる。
ここで、波面DD'の光が点D'を通って点Fに到達する間に、点Dにあった光が進む距離を求める。ホイヘンスの原理によれば、点D'にある光が点Fに到達した時、点Dを透過した光は、直線DEに対して、点Fより引かれた垂線との交点である点F'まで到達することがわかる。
以上のことを、光路長として表すと、波面DD'が点D'を通って点Fに到達する光の光路長D'Fと、点Dを通り点F'に到達する光の光路長DF'は、光が同一時間内に進行する距離であるから、同じ光路長であるといえる。
次に、点Dを通って点F'に到達した光が、点Eで反射して点Fに到達するまでの光路長F'EFの長さを求めると、被測定物6の屈折力はn2であるから、
以上より、光が光路D'Fを進む時間と光路DF'を進む時間は等しいので、光が光路長F'EFを進行するのに要する時間T2以上継続して、測定光を照射することにより干渉が発生する。よって、被測定物表面6aで反射する反射光と被測定物裏面6bでの反射光により干渉が発生する条件は、少なくとも時間T2以上継続して測定光が照射されていることである。
一方、測定光の照射が時間T2より短い時間で停止された場合、点Dにて入射した被測定物裏面6bでの反射光が点Fに到達した時には、表面6bでの反射光はすでに消えてしまっているため、干渉は発生しない。したがって、レーザ光源1は時間T2より短いパルス幅を持つ光を被測定物6へ照射することにより、被測定物表面6aと裏面6bでの反射光による裏面干渉縞ITの発生を阻止することができる。
なお、表面干渉の時と同様に、光路長F'EFは、光路長DEFと、同じ光路長の長さを持つ光路長D'F及び光路長DF'との光路差として表すこともできる。そして、波面DD'は、レーザ光源1から同じ光路長を持つ光の集合であるから、レーザ光源1を同時に出射した同じ光路長の長さを有する光の波面がプリズム5を介して、被測定物表面6aに到達するまでの光路長と、レーザ光源1からプリズム5を介して、被測定物表面6aを透過した後、被測定物裏面6bで反射してから、表面6aに到達するまでの光路長との光路差として表すこともでき、時間T2はこの光路差を光が進行する時間であるといえる。
また、一つのパルスの照射が終了してから、次のパルスを照射するまでの休止時間を時間T2より長くすることにより、先に照射したパルスと次に照射したパルスの間で発生する干渉を阻止することができる。なお、休止時間は、CCDカメラ9にて撮像する1フレーム分の時間より短いものとしておく。これは、1フレームごとに干渉縞を撮像するためである。
以上のように、表面干渉縞ISが起きるために必要な光路差に対して、裏面干渉縞ITが起きるために必要な光路差が大きいことを利用し、測定光が裏面干渉に必要な距離を進む前に測定光の照射を停止することで表面干渉縞ISのみを生じさせることができる。したがって、測定光の波面の乱れを抑えつつ、裏面干渉縞ITの発生を阻止することができるので、より精度の高い測定が可能になる。
レーザ光源1から出射させるパルスレーザのパルス幅、パルス休止時間の具体例を説明する。例えば、被測定物6は石英ガラスとし、その厚さt=6.35mm、屈折率n2=1.457とする。また、その他の条件について、θ1=71.555、θ2=40.632、WD=0.1mm、光の速さc=3.0×108m/sとすると、
よって、レーザ光源1からはピコ秒レベルのパルス幅をもつ超短パルスレーザとし、そのパルス幅は、0.21ピコ秒より長く、47ピコ秒より短いものとする。1パルスごとの休止時間は47ピコ秒より長くする。ただし、パルスの休止時間はCCDカメラの1フレーム分(1/30s=33ms)の時間より短いものとする。レーザパルスの繰り返し周波数は、1KHz以上あることが好ましい。レーザ波長は、CCDカメラで撮像される可視光領域から近赤外光領域であれば良く、単色性に優れたものが好ましい。例えば、Nd:YVO4に第二高長波レーザ結晶搭載し、波長532nmで繰り返し周波数MHzレベルを出力するものを使用できる。
以上のようにして干渉縞ITの発生が阻止できれば、CCDカメラ9には表面形状情報が含まれた干渉縞ISだけが撮像されるので、干渉縞ISを基に公知の位相シフト法により被測定物の表面形状を定量的に算出することができる。例えば、被測定物の表面形状を得る位相シフト法では、図示無きピエゾ素子を制御部11で駆動制御してプリズム5、又は載置台13を微妙に移動させることにより、参照面5aと被測定物表面6aとの距離を微妙に変化させる。この距離変化に応じて位相の異なる複数の干渉縞像をCCDカメラ9で撮像し、メモリ15に記憶する。解析装置10では記憶された複数の干渉縞像を基に位相シフト法により被測定物6の表面形状を算出する。解析装置10により得られた被測定物6の表面形状の測定結果は、鳥瞰図や断面形状としてモニタ14に表示される。
以上の実施形態では斜入射干渉計を例にとって説明したが、本発明は、被測定物に対して測定光を垂直に入射させる垂直入射干渉計においても適用可能である。
1 レーザ光源
5a 参照面
6 被測定物
6a 被測定物表面
6b 被測定物裏面
9 CCDカメラ
10 解析装置
IS 表面干渉縞
IT 裏面干渉縞
5a 参照面
6 被測定物
6a 被測定物表面
6b 被測定物裏面
9 CCDカメラ
10 解析装置
IS 表面干渉縞
IT 裏面干渉縞
Claims (2)
- 測定光源からの測定光を被測定物表面及び参照面に照射し、被測定物表面で反射された反射光と前記参照面で反射された参照光とにより形成される干渉縞を撮像手段により撮像し、該撮像された干渉縞に基づいて被測定物表面の形状を測定する干渉計において、前記測定光源は被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより形成される干渉縞の発生を阻止するパルス幅と休止時間とを持つパルスレーザを出射することを特徴とする干渉計。
- 請求項1の干渉計において、前記測定光源から出射されるパルスレーザのパルス幅は、測定光源から同時に出射して被測定物表面で反射される反射光と前記参照面で反射される参照光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間T1より長く、測定光源から同時に出射して被測定物を透過した後にその裏面で反射される反射光と被測定物表面で反射される反射光とにより干渉縞を形成する時の両者の光路差分を測定光が進む時間T2より短い時間であり、パルスレーザの休止時間は、前記時間T2より長く、前記撮像手段が撮像する1フレーム分の時間より短い時間であることを特徴とする干渉計。
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