JP5699221B2 - 仮想参照面を備えた干渉計 - Google Patents

Description

本開示は、仮想参照面を備える干渉計に関する。

現代の研磨技術で提供される表面は、サブ・ナノメートルやオングストロームの範囲のうねりや粗さを有する。上記範囲の表面うねりや表面粗さを有するデバイスの例としては、超研磨仕上げの光学部品、磁気ディスク基板、及び半導体ウェーハが挙げられる。粗さ測定は、通常、高解像度で、最大数ｍｍの測定領域において干渉顕微鏡で行われるが、うねり測定は、より大きな測定領域、例えば、数十ｍｍの測定領域を必要とする傾向がある。

場合によっては、これら超円滑面のトポグラフィ測定は、共通用途の干渉計の課題を提起するが、この場合、検査面は、一般的に干渉計内の参照面と比較される。干渉計参照面の寄与が測定において有意でないためには、参照表面トポグラフィの粗さ及び／又はうねりは、検査面のそれよりも十分に小さいのが当然であるが、これは、上述した例の装置では、達成するのが困難である。現在、参照表面トポグラフィが、一連の較正測定で求められ、そして、検査面測定値から減算される。しかしながら、この手順には、たいへんな較正の労力が必要なことがある。更に、干渉計にわずかな不安定性があると、較正マップと実際の測定誤差との間にずれが生じて、測定値からの参照減算がもはや完結しない。特に、参照面上にかなり高い空間周波数成分がある状態で、小さい局所的な欠陥や特徴が存在すると、再較正が頻繁に必要になることがある。

上記問題の１つ又は複数に対処するために、物理的な面が干渉計の干渉像検出器上ではっきりと焦点が合っていない場合に参照光を用いる干渉計構成が記載されている（非特許文献１、非特許文献２、及び特許文献１を参照のこと。これらは、各々全体を本明細書に引用・参照する）。そのような構成において、干渉像検出器と光学的に共役な参照光中の平面は、仮想参照面と呼ばれる。他の干渉計構成（例えば、マイケルソン、リンニク、又はフィゾー）とは対照的に、共役平面には、実際の物理的な面が存在しない。従って、広がりを有し、空間的にインコヒーレントな光源がこの種類の干渉計に用いられる場合、参照光中の全ての実際の面上の小さい欠陥や粗さは、干渉像検出器上ではぼやけて出現し、また、それらの干渉計による測定への影響は、大幅に低減又は排除される。共役点及び面については、例えば、非特許文献３及び非特許文献４に記載されている。

米国特許第４９８３０４２号明細書

Ｊ．Ｋｒｕｇ、Ｊ．Ｒｉｅｎｉｔｚ、Ｇ．Ｓｃｈｕｌｚ、「干渉顕微鏡への寄与（Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」、Ｈｉｌｇｅｒ＆Ｗａｔｔｓ、Ｌｏｎｄｏｎ１９６４ Ｕ．Ｇｅｒｈａｒｄ、「Ｅｒｆａｈｒｕｎｇｅｎ ｍｉｔ ｄｅｍ Ｔｒｉｐｅｌｓｐｉｅｇｅｌ−Ａｕｆｌｉｃｈｔｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｚｍｉｋｒｏｓｋｏｐ」、Ｆｅｉｎｇｅｒａｅｔｅｔｅｃｈｎｉｋ １６，５０５（１９６７） Ｅｕｇｅｎｅ Ｈｅｃｈｔ著、「光学（Ｏｐｔｉｃｓ）」、第２版、Ａｄｄｉｓｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏ．（１９８７）、ｐｐ．１２８−１３０ Ｊｅｎｋｉｎｓ、Ｈ．Ｗｈｉｔｅ著、「光学の基礎（Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ）」、第４版、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ Ｂｏｏｋ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １９７６、ｐｐ．４７、４８、６２

滑らかなサンプルのトポグラフィ検査のための堅牢で生産に適した計測ツールの場合、とりわけ、（１）サンプルへの検査光の垂直入射を呈し、（２）広がりを有し、空間的にインコヒーレントな光源からの広帯域白色光に最大コントラストを与え、（３）数十ｍｍの範囲での大きな測定領域に対して、小型で安定した幾何学的形状で単純な平行平面板を用いる、仮想参照面を備えた干渉計の構成を有することが望ましい。

本開示は、サンプルのトポグラフィ検査のための仮想参照面を備える干渉計を提示し、干渉計において、干渉像検出器と共役な物理的な光学面が存在しない。これによって、干渉計システムの較正要件が大きく低減され、また、サブ・オングストローム範囲の粗さやうねりを有する超円滑面のトポグラフィ測定が可能になる。干渉計キャビティは、小型で安定した三角形構成を有し、この場合、三角形は、実質的に二等辺三角形である。干渉計は、広がりを有し、空間的にインコヒーレントな光源に対して完全に補償され、更に、キャビティに２つの追加のウィンドウを用いることによって広帯域の白色光動作に対して補償される。平行平面板の三角形構成における２つの追加ウィンドウを用いることにより、広帯域白色光動作が補償される。

干渉計の一体化された調整チャネルにより、キャビティ並びに検査面位置を調整して測定における良好な干渉縞コントラストを得ることができるが、これとは異なり、極めて局所的な干渉縞を生成する空間的及び時間的にインコヒーレントな光源を備えた干渉計では、極めて困難で厄介なことになり得る。更に、幾つかの態様では、干渉計キャビティの調整は、他の補助手段無しで三角形キャビティにおいて２つの反対方向に伝播するビームを有する調整チャネルを用いて、簡略化し得る。キャビティは、平行平面光学構成要素を用いるが、これらは、極めて高い面精度及び平行度で経済的に製造し得る。検査面から干渉像検出器までの撮像経路は、いずれのキャビティ光学部品も通過しないが、そうでない場合には、像に収差がもたらされ、また、トポグラフィマップの空間解像度が低下する可能性がある。

本開示は、検査面の特性を測定するための撮像干渉計であって、検査面に対する場合を除き、いずれの光学構成要素の焦点も合っておらず、また、干渉計キャビティの光学的構成が実質的に二等辺三角形である撮像干渉計をカバーする。本開示は、更に、検査面の特性を測定するための撮像干渉計であって、検査面に対する場合を除き、いずれの光学構成要素の焦点も合っておらず、また、撮像システムから独立している一体的な調整システムが、光学構成要素の位置を調整し測定性能を改善し得る撮像干渉計をカバーする。本開示は、更に、検査面の特性を測定するための撮像干渉計であって、検査面に対する場合を除き、いずれの光学構成要素の焦点も合っておらず、また、干渉計キャビティの光学的構成が実質的に二等辺三角形であり、更に、光学システムが、広がりを有し（空間的にインコヒーレント）、スペクトル的に広帯域の（約１０ｎｍの帯域幅より広い）照明に適合する撮像干渉計をカバーする。

本発明の様々な態様は、次のようにまとめられる。
一般的に、一態様において、本開示は、検査面の特性を測定するための撮像干渉計を特徴とする。本干渉計は、干渉計キャビティを画成する光学系であって、入力光を検査光及び参照光に分離するように配置された第１ビーム・スプリッティング光学部品と、検査光を検査面に透過させ、検査面から検査光を再度受光し、その後、検査光を参照光と再合成するように配置された第２ビーム・スプリッティング光学部品と、参照光を第１光学部品から第２光学部品に導くように配置された第３光学部品とを有する光学系を備える。干渉計キャビティは、第２光学部品と第３光学部品との間の参照光の経路に沿って配置された仮想参照面を画成する。干渉計は、更に、再合成された検査光及び参照光を受光するように配置された撮像チャネルであって、撮像検出器と、検査面及び仮想参照面を検出器上に結像するように構成された少なくとも１つの撮像要素とを含む撮像チャネルを備える。

実施形態には、以下の特徴の１つ又は複数を含み得る。例えば、第１と第２光学部品との間の検査光の光学的距離は、第１と第３光学部品との間の参照光の光学的距離に実質的に等しい。

幾つかの実施形態において、第１、第２、及び第３光学部品によって画成された干渉計キャビティは、実質的に二等辺三角形に対応する幾何学的形状を有する。
幾つかの実施形態において、第１光学部品は、更に、入力光を第１及び第２調整ビームに分離し、干渉計キャビティを画成する光学系は、調整ビームが干渉計キャビティを互いに反対方向に伝搬するように導き、その後、第１光学部品は、調整ビームを再合成する。第１調整ビームは、最初、検査光経路に沿って進み、その後、第２光学部品及び第３光学部品によって反射され再度第１光学部品に戻り、第２調整ビームは、最初、参照光経路に沿って進み、その後、第２光学部品によって反射され第１光学部品に戻る。幾つかの実施例では、干渉計には、更に、調整チャネルが含まれるが、この調整チャネルには、調整検出器と、第１光学部品からの再合成された調整ビームを受光し、また、それらを調整検出器に導くように構成された少なくとも１つの撮像要素と、が含まれる。

幾つかの実施形態において、干渉計には、更に、参照光経路に沿って干渉計キャビティに配置された第１補償板が含まれる。第１補償板は、検査光及び参照光のガラスにおける光路長を実質的に等しくするように構成し得る。幾つかの実施例では、干渉計には、更に、配置された第２及び第３補償板であって、参照光経路に沿って配置された第２補償板と、測定光経路に沿って配置された第３補償板と、が含まれる。第２及び第３補償板は、測定光と参照光が第２光学部品によって再合成される時、測定光と参照光との間の横方向の変位を実質的に最小にするように構成し得る。

幾つかの実施形態において、干渉計には、更に、入力光を供給する照明器が含まれる。幾つかの実施例では、照明器には、入力光の光を供給する光源と、光源からの光を受光して、入力光を干渉計キャビティ側に導く１つ又は複数の撮像光学部品と、が含まれる。幾つかの実施例では、照明器には、更に、光源のための開口絞りが含まれ、撮像光学部品の内の少なくとも１つが、光源からの光を撮像して開口絞りを満たす。また、撮像光学部品の内の少なくとも他の１つが、開口絞りが検査面用のテレセントリック照明光源を画成するように、開口絞りからの光を干渉計キャビティに導く。入力光は、１０ｎｍより大きいスペクトル帯域幅を有し得る。幾つかの実施例では、干渉計には、更に、干渉計キャビティの検査光及び参照光経路に各々少なくとも１つの補償板が含まれる。補償板は、測定光と参照光が第２光学部品によって再合成される時、入力光のスペクトル帯域幅において、測定光と参照光との間の横方向の変位を実質的に最小にするように構成し得る。幾つかの実施例では、照明器は、入力光に調整可能な帯域幅を与えるように構成される。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であってよい。

幾つかの実施形態において、第１及び第２光学部品は、平行平面ビームスプリッタである。第３光学部品は、鏡であってよい。
一般的に、更なる態様において、本発明は、干渉計であって、入力光から検査光及び参照光を導出し、被験物体に接触するように第１経路に沿って検査光を導き、また、第１経路と異なる第２経路に沿って参照光を導くように配置された第１ビームスプリッタと、第１及び第２経路に配置され、検査光が被験物体に接触した後、参照光と検査光とを合成するように構成された第２ビームスプリッタと、合成された検査光及び参照光を受光するように配置された検出器と、被験物体及び仮想参照面を検出器上に結像するように構成された対物レンズとを備え、仮想参照面が、第１と第２ビームスプリッタとの間の、検出器に光学的に共役な仮想面に対応する、干渉計を特徴とする。

干渉計の実施形態には、以下の特徴及び／又は他の態様の特徴の１つ又は複数を含み得る。例えば、第１ビームスプリッタから被験物体を介した第２ビームスプリッタまでの第１経路の光路長は、第１ビームスプリッタから第２ビームスプリッタまでの第２経路の光路長に実質的に等しくてよい。

干渉計には、第２経路に配置され、また、第１ビームスプリッタから第２ビームスプリッタ側に参照光を導くように構成された光学素子を含み得る。第１と第２ビームスプリッタとの間の検査光の光路長は、第１ビームスプリッタと第２経路に配置された光学素子との間の参照光の光路長に実質的に等しい。第１と第２ビームスプリッタとの間の第１及び第２経路は、第２経路に配置された光学素子と組み合わせて、実質的に二等辺三角形に対応する幾何学的形状を画成し得る。

検査光は、第１ビームスプリッタによって透過された入力光に対応し、また、参照光は、第１ビームスプリッタによって反射された入力光に対応し得る。
干渉計には、第１ビームスプリッタにおいて合成された光の経路に対応する調整チャネルを含み得るが、この場合、合成された光は、第１又は第２経路に沿って第２ビームスプリッタから第１ビームスプリッタに伝搬する。干渉計には、合成された光を検出するために調整チャネルに配置された第２検出器を含み得る。

干渉計には、第１と第２ビームスプリッタとの間の第２経路に配置された第１補償光学素子を含み得るが、この場合、第１補償光学素子は、検査光と参照光との間の光学材料内の光路長差を低減する。第１補償光学素子は、検出器における検査光と測定光との間の横方向の変位を低減するように構成し得る。第１補償光学素子は、第２経路に対して傾斜した平行平面板であってよい。干渉計には、第１及び／又は第２経路に配置された１つ又は複数の追加の補償光学素子を含み得るが、この場合、１つ又は複数の追加の補償光学素子は、検査光と参照光との間の光学材料内の光路長差を低減する及び／又は検出器における検査光と測定光との間の横方向の変位を低減する。

干渉計には、干渉計の動作中、入力光を供給するように構成された照明器を含み得る。照明器には、光源と、光源から光を受光して、その光を第１ビームスプリッタ側に導くように構成された１つ又は複数の光学素子と、を含み得る。１つ又は複数の光学素子は、検査光が被験物体においてテレセントリックであるように構成し得る。光源は、１０ｎｍより広いスペクトル帯域幅を有する光を供給するように構成し得る。光源には、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み得る。

第１及び第２ビームスプリッタは、複数の平行平面光学素子を含み得る。
干渉計は、１０ｍｍ以上の寸法を有する視野内の被験物体の表面を検出器に結像するように構成し得る。

干渉計には、検出器と通信可能な電子プロセッサを含み得るが、この場合、動作中、電子プロセッサは、検出器における検査光と参照光との間の光路長差に関する干渉計情報を含む信号を受信し、それらの信号に基づき、被験物体に関する情報を決定する。

一般的に、他の態様において、本発明は、被験物体に関する情報を決定するための干渉法を特徴とする。本方法は、第１光学素子において入力光から検査光及び参照光を導出すること、検査光を第１経路に沿って導き被験物体に接触させ、また、参照光を第１経路と異なる第２経路に沿って導くこと、検査光が被験物体に接触した後、第１光学素子と異なる第２光学素子において、参照光を検査光と合成すること、被験物体及び仮想参照面を検出器上に結像することを含み、この場合、仮想参照面は、第２経路の検出器における像に光学的に共役な第２経路の仮想面に対応する。

本方法の実施例には、他の態様について上述したいずれかの特徴を含み得る。
１つ又は複数の実施形態の詳細については、添付図面及び以下の説明に記載する。

例示的な干渉計を示す概略図である。 図１の干渉計を通る検査光経路を示す概略図である。 図１の干渉計を通る参照光経路を示す概略図である。 図１の干渉計を含む例示的な測定システムを示す概略図である。

図１において、例示的な干渉計システム１を示すが、本干渉計システム１には、４つの主要な組立品、即ち、干渉計キャビティ２、照明器３、撮像アーム４、及び調整チャネル５が含まれる。更に、検査対象面６Ａを有する試験片６を示して、干渉試験一式が完成する。中央撮像束には、点線で示した光源撮像束７と、破線で示した被験物体撮像束８と、が含まれる。

干渉計キャビティ２において、ビームスプリッタ９は、照明器３からの光を受光し、入射光の一部を参照光１０として反射し、入射光の他の一部を検査光１１として透過する。平行平面ビームスプリッタ９の第１面９Ａでの反射後、参照光１０は、平行平面補償器１２及び１３を通過して、折り返し鏡（ｔｕｒｎ ｍｉｒｒｏｒ）１４の面１４Ａで平行平面ビームスプリッタ１５側へ反射され、参照光１０はそれを通過する。ビームスプリッタ９を透過した後、検査光１１は、平行平面補償器１６及びビームスプリッタ１５を通過して、検査面６ａで反射され、ビームスプリッタ１５へ再び導かれて、そこで、検査光１１は、試験片と対向する面１５Ａで反射される。このようにして、参照光１０及び検査光１１は、ビームスプリッタ１５で再合成され、両方の光が撮像アーム４に導かれる。

干渉計キャビティ２には、透過又は反射に用いられる平行平面板９、１２、１３、１５、及び１６と、反射に用いられる平面折り返し鏡１４と、が含まれる。通常、平行平面光学構成要素は、高速で費用対効果が大きい製造法を用いて、極めて高い面精度及び平行度に製作することができる。

照明器３には、光源１７と、光源１７が開口絞り２１に結像されるように、また、光源の像が開口絞りを満たすように、光源から干渉計キャビティ２にビームを伝達するレンズ１８、１９、及び２０と、が含まれる。幾つかの実施例では、開口絞り２１は、干渉計照明用の実効的な光源と見なし得る。また、開口絞り２１は、レンズ２０によって無限遠に結像され、検査面６ａの照明がテレセントリックになる。視野絞り２２は、検査光１１を通して検査対象面６ａに結像され、また、参照光を通して面２７に結像される。

光源１７は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はハロゲンランプ等の広がりを有するインコヒーレントな（非干渉性の）光源である。オプションとして、光源の出力スペクトルを整形するスペクトルフィルタ２３をビーム中に配置してよい。光源及びフィルタ処理に依存して、干渉計キャビティ２を照明するビームの波長スペクトルは、約１ｎｍ以下の帯域幅の狭帯域から数百ナノメートルの帯域幅の超広帯域までに及ぶ。例えば、アーク灯やレーザ装置等の他の光源を用いてもよい。場合によっては、光源は、中間拡散器と共に用いてよい。他の選択肢として又は追加的に、光源からの光は、干渉計にファイバ結合してもよい。幾つかの実施例では、複数のスペクトルフィルタ２３と、選択されたフィルタをビーム中に動かすアクチュエータ／位置決め器と、を備えることによって、選択可能な光特性を備えた照明器を実現し得る。他の選択肢として又は追加的に、ビームスプリッタは、視野絞り２２の前に用いて、２つの光源からのビームを合成することができ、この場合、２つの光源を交互にオン／オフ切り替えして、一方又は他方の光源を選択する。例えば、幾つかの実施例では、第１光源には、長波長通過スペクトルフィルタを備えた広帯域白色光ＬＥＤが含まれるのに対して、第２光源には、狭帯域光用の追加の干渉フィルタを備えた青色ＬＥＤが含まれる。従って、光の中心波長及び帯域幅は、試験片６に対して行われる測定の要件により切換えることができる。

撮像アーム４において、参照光１０及び検査光１１は、撮像対物レンズ２４によって干渉像検出器２５に中継され、そこで、参照光１０及び検査光１１は、干渉して干渉縞を生成する。干渉像検出器２５には、更に詳細に後述するように処理を行うためのコンピュータに対して、例えば、干渉像を検知してデジタル形式で送信するＣＣＤカメラ等の電子カメラを含み得る。空間要件に依存して、折り曲げ鏡２６を用いて試験片空間からビームの方向を変えてよい。

検査対象面６Ａに関する細目を細かく解像するために、面は、検査光において撮像対物レンズ２４によって干渉像検出器２５に結像される。検査面６Ａから撮像対物レンズ２４までの撮像経路は、どのキャビティ構成要素も通過しない。これとは異なり、非垂直入射角で平面板を通過すると、結像収差が持ち込まれて結像解像度が低下する。

参照光中の面２７は、これも対物レンズ２４によって干渉像検出器２５に結像されるが、折り返し鏡１４とビームスプリッタ１５との間に配置される。面２７は、実際の物理的な面がこの位置に存在しないことから、仮想参照面と呼ばれる。カメラ上で検査面及び仮想参照面にピントが明瞭に合っている一方で、干渉計システム１の全ての実際の光学面は、焦点がずれてぼやけている。このぼけによって、干渉計光学系の高空間周波数誤差が、検査対象面のトポグラフィ測定において、減衰又は抑制され得る。このぼけは、光学面上の光源結像光束８の占有面積、例えば、ビームスプリッタ１５の面１５Ａ上の面積２８における面誤差の平均化としても解釈し得る。

インコヒーレントな光源の空間的広がり、並びに干渉像検出器２５によって検出された光のスペクトル幅は、干渉像検出器２５において最良の干渉縞コントラストを得るための特別な指針になる（Ｗ．Ｈ．Ｓｔｅｅｌ、「干渉法（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ １９６７を参照のこと。本明細書においてその全体を引用・参照する。）その指針は、次のように述べることができる。

ａ）広帯域光の場合、参照光及び検査光の群光路長は、同じであること。狭帯域光の場合、両ビームの光路長は、少なくとも同じであること。
ｂ）干渉像検出器上の点を干渉計の検査光及び参照光に沿って光源空間に結像する場合、光源空間における２つの像点の位置が同じであり、また、検査光及び参照光に沿った反射の数が同じであること。

ｃ）項目ｂ）の結像の結像収差は、試験アーム及び参照アームの場合と同じであること。
これらの指針が満たされていないと、干渉縞コントラストは、光源の広がり及びスペクトル幅に依存する割合で低下する。これらの指針に加えて、仮想参照面２７は、最も近い実際の光学面から、これらの面の有益なピンぼけのために、できるだけ離しておくべきである。これらの指針全てを満足する最も単純な構成は、図１に示す例示的なキャビティ構成に対応するが、この場合、キャビティ三角形は、ほぼ二等辺三角形である。等しい脚を備えた二等辺三角形を有することは、ビームスプリッタ９の面９Ａと折り返し鏡１４の面１４Ａとの間の軸方向の光線に沿う幾何学的な距離が、ビームスプリッタ９の面９Ａとビームスプリッタ１５の面１５Ａとの間の軸方向の光線に沿う幾何学的な距離に等しいことを意味する。折り返し鏡１４とビームスプリッタ１５との間の三角形の第３辺は、検査光１０及び参照光１１がビームスプリッタ１５の面１５Ａで交差するように、また、調整チャネル５の議論で更に後述するように、ビームずれを呈しないように、これらの構成要素を適切に角度調整することによって与えられる。

ビームスプリッタ９及び補償器１２のガラス厚が同じである限り、また、補償器１３及び１６のガラス厚が同じである限り、参照光及び検査光の空気経路並びにガラス経路は、キャビティ構成要素の適切な調整によって、同じにすることができる。適切な調整には、ビームスプリッタ９への入射角を補償器１２への入射角に整合させること、また、補償器１３及び１６への入射角をビームスプリッタ１５への入射角に整合させることが必要である。このことは、図２Ａ及び２Ｂを参照すると良くわかるが、そこでは、検査光及び参照光が別個に示されており、また、全ての鏡面反射が展開されている。

図２Ａ及び２Ｂの要素付番は、図１の付番と一致する。図２Ａは、検査光に沿う光源空間における点２８Ａへの干渉像検出器２５上の点の再結像を示し、ここでは、鏡面反射が垂直線によって示されている。図２Ｂは、開口絞り２１を基準にして点２８Ａと同じ位置にある参照光の場合の像位置２８Ｂを示す。また、両方の光の反射回数は、同じであることが分かる。また、平行平面板の数及びそれらの角度は、検査光及び参照光について同じであるが、それらの順序は異なる。平行平面板の軸方向の位置は、もたらされる収差量に影響を及ぼさないことから、結像収差も両ビームについて同じである。

更に図２において分かるように、平行平面板への非垂直入射のために、各板において、横方向のビーム変位がある。１つの全体的な変位は、キャビティの調整によって補償され、光源空間において点２８Ａ及び２８Ｂを一致させることができる。しかしながら、広帯域光の場合、ガラスの分散のために、光の波長に依存する横方向のビーム変位が生じる。翻って、これにより、光源空間における点２８Ａと２８Ｂとの間の横方向の広がりが生じ、干渉像検出器２５における干渉縞のコントラストが低下する。ビームスプリッタ１５におけるビーム変位のスペクトル広がりは、逆方向に起こり、図示したように補償器１３及び１６によって除去される。従って、補償器１３及び１６によって、点２８Ａ及び２８Ｂの位置は、全ての波長に対して一致する。スペクトル広がりが充分小さく干渉縞コントラストが良好な場合、補償器１３及び１６は除外してよい。

実効的に同じ数の平行平面板が検査光及び参照光中にあり、また、二等辺三角形の２つの脚が等しい場合、検査光及び参照光の光路を一致させるには、折り返し鏡１４の面１４Ａとビームスプリッタ１５の面１５Ａとの間の軸方向の光線に沿う幾何学的な距離が、ビームスプリッタ１５の面１５Ａと検査面６Ａとの間の距離の２倍であることが必要である。これによって、仮想参照面２７は、折り返し鏡１４の面１４Ａとビームスプリッタ１５の裏面との間の中心近傍に配置される。仮想参照面は、完全に中心に配置されず、ビームスプリッタ１５における軸方向光線の幾何学的な長さの通常六分の一だけビームスプリッタ１５側に近い。

上述したキャビティ構成及び構成要素配置は、全ての構成要素の適切な位置決め及び調整によって良好な干渉縞コントラストを提供する。広がりを有する広帯域光源を備えた干渉計において、初期の調整は、干渉縞がまだ見えていない場合や必要な調整の種類や方向の兆候が無い場合、困難である。図１の調整チャネル５は、この種の干渉計のセットアップ及び動作のための有益な支援として設けられる。調整チャネル５には、レンズ２９及び調整検出器３０が含まれる。調整検出器３０には、例えば、視覚による観察のための画面を含むことができ、または、モニタに表示し得る又はコンピュータにおいて処理し得る調整画像を取り込む電子カメラを含むことができる。

干渉試験セットアップの調整は、２つのステップ行われる。まず、干渉計キャビティ２は、試験片が無い状態で、通常、機器の製造又は据え付け時に調整される。次に、試験片６が、通常の測定プロセスの一部として干渉計に調整される。

第１ステップの場合、三角形キャビティを反対方向に伝播する２つのビームが、調整検出器３０に導かれる。照明器からやって来ると、時計回りの（ＣＷ）ビームは、ビームスプリッタ９及び補償器１６によって透過され、ビームスプリッタ１５の面１５Ａ及び折り返し鏡１４の面１４Ａで反射され、補償器１３及び１２によって透過され、そして、最後にビームスプリッタ９によって再度透過されてレンズ２９に至る。反時計回りの（ＣＣＷ）ビームは、ビームスプリッタ９の面９Ａで反射され、補償器１２及び１３によって透過され、折り返し鏡１４の面１４Ａ及びビームスプリッタ１５の面１５Ａで反射され、補償器１６によって透過され、最後にビームスプリッタ９の面９Ａで再度反射されて調整レンズ２９に至る。両方のビームが逆方向に同じ光路を伝搬することから、ＣＷ及びＣＣＷビームは、レンズ２９において平行であるが、横方向の変位を呈し得る。最初、構成要素が精確に調整されていない場合、調整検出器３０は、レンズ２９の後方焦点面から後ろに動かすことができ、これにより仮想参照面２７、及び従って、照明器３の視野絞り２２も調整検出器３０に結像される。キャビティの１つの構成要素、例えば、折り返し鏡１４又はビームスプリッタ１５は、視野絞りの両方の像が調整検出器上で一致するまで、また、ＣＷとＣＣＷビームとの間のずれが大幅に低減されるまで、チップ／チルト、または位置を調整される。そして、調整検出器３０は、レンズ２９の後方焦点面に移動される。

上記構成では、中程度のビームずれは、調整検出器３０上の開口絞り２１の像における干渉縞として目に見える。干渉縞は、ビームずれの極めて高感度な表れである。調整可能なキャビティ構成要素は、開口絞り像上の干渉縞が広がり、開口絞り像において均一な光レベルが得られるまで、細かく調整される。この調整により、第１調整ステップが完了する。この調整ステップは、試験片を適切に調整することによって干渉縞を実現し得ることを保証する。機器が充分に安定している場合、調整ステップは、繰り返す必要がない。

干渉計への検査面６Ａの調整の場合、最初に試験片６のチップ及びチルトを調整する必要がある。この調整の場合、検査面によって再度調整チャネル５へ反射されたビームが用いられる。即ち、ビームスプリッタ９、補償器１６、及びビームスプリッタ１５によって透過され、検査面６Ａによって反射され、再度ビームスプリッタ１５及び補償器１６によって透過され、そして、最後にビームスプリッタ９の面９Ａによって反射され調整レンズ２９に至る検査光が用いられる。また、検査光は、調整検出器上に開口絞り２１の像を導く。検査面６Ａのチップ及びチルトを調整する場合、この開口絞り像は、調整検出器上にも存在するＣＷ又はＣＣＷビームのいずれかのそれと合致させる。この調整は、検査光が干渉像検出器２５において参照光に充分に平行であることを保証し、次の最後の調整ステップ後、干渉縞を観察することができる。

次に、検査光１１の光路長が参照光７の光路長と一致するように、検査光に沿った試験片の軸方向の位置を調整する。検査面６Ａは、面６Ａが最良の又はほぼ最良の干渉縞コントラストの位置にある時、干渉像検出器２５に鮮明に結像されることから、試験片が合焦されるのに充分な構造を有する場合、干渉像検出器２５上での試験片の像鮮明度を最適化することによって粗調整を実施できる。試験片が極めて滑らかであり、何らかの識別できる構造を示さない場合、視野絞り２２は、例えば、小さい開口等の幾つかの目に見える特徴を含む調整視野絞り２２Ａで置き換えられる。視野絞りも適切な検査面位置に結像されることから、視野絞り像の像鮮明度は、滑らかな部位上での粗い軸方向の焦点の一部として最適化される。その後の軸方向位置の微調整では、調整視野絞り２２Ａが、標準の視野絞り２２によって再度置き換えられ、また、試験片６が、干渉像検出器２５上の干渉縞のコントラストが最適化されるまで、軸方向に移動される。こうして、干渉計１及び試験片６を含む全干渉試験構成の測定準備が整う。

システムを調整するための追加の支援は、検査光１１の光以外の光が調整検出器３０及び干渉像検出器２５に達するのを阻止するように参照光１０中に配置し得るビームブロック３１である。試験片６のチップ／チルト調整及び軸方向の粗調整時、参照光からの光を阻止すると、検査面からの戻り光が弱い又は散乱される場合、より良い調整信号を供給することができる。更に、参照光を阻止した状態では、干渉計は、干渉縞無しの検査面の標準的撮像にも用い得る。

上述した干渉計の構成は、通常の顕微鏡のものより大きい測定領域に良好に適合する。一実施例において、干渉計には、検査面上の２０ｍｍ×２０ｍｍの測定領域、０．０２５の結像開口数（ＮＡ）、及び検査面６Ａとビームスプリッタ１５の面１５Ａとの間の約７６．２ｍｍの距離を含み得る。折り返し鏡１４の面１４Ａとビームスプリッタ１５の裏面との間の間隔は、約１４６．６ｍｍである。面１４Ａとビームスプリッタ１５の裏面との間の中心からの仮想参照面２７のオフセットは、約１．３ｍｍである。キャビティにおける検査面６Ａ又は仮想参照面２７に最も近い光学面は、ビームスプリッタ１５の裏面である。裏面上におけるわずかに楕円形の結像光束占有面積は、約３．６ｍｍ×３．９ｍｍの広がりを有する。

他の実施例も可能である。例えば、幾つかの実施例では、結像ＮＡ及び／又は測定領域は、より大きい又は小さい値に合わせられる。参照光の屈折角は９０度として示すが、屈折角は、キャビティの略二等辺三角形を維持しつつ、変えることができる。或る実施例では、調整チャネル５は、追加のビームスプリッタを用いて、照明器３とキャビティ２との間で移動される。傾斜板による結像収差を無視又は補償し得る場合、撮像アーム４は、調整チャネル５の位置に配置し得る。更に、光学的構成は、部品の数を低減するために又は製造を簡素化するために再配置し得る。例えば、幾つかの実施例では、ビームスプリッタ９及び補償器１２は、単一の要素に組み合わせることができる。

干渉計システム１を組み込んだ例示的な測定システムを図３に示すが、この場合、要素付番は、図１の要素付番と一致する。干渉計システム１は、走査メカニズム３４によって機器フレーム３２に取り付けられる。走査メカニズム３４は、図面の面において垂直な方向であるｚ方向の運きを制御する。走査メカニズム３４は、制御コンピュータ３５に接続され、また、これに限定するものではないが、圧電変換器を含み得る。試験片６は、調整可能な試験片ホルダ３３上において検査光１１中に置かれる。この試験片ホルダ３３は、試験片のｘ、ｙ、及びｚ位置並びにチップ及びチルトを調整することが可能であるが、ここで、ｘ及びｙ方向は、図面の面に対して垂直な面にある。試験片の調整は、手動で又はコンピュータ３５の制御下で実施し得る。調整がコンピュータ３５の制御下で実施される場合、運動軸は、モータ駆動することが可能であり、この場合、試験片ホルダ３３は、コンピュータ３５から制御信号を受信する。干渉計システムにおける２つのカメラ、即ち、干渉像検出器２５及び調整検出器３０からの出力信号は、制御コンピュータに送信され、解析されて、ユーザに表示される。

追加の制御ラインは、コンピュータ３５を干渉計システムに接続し、例えば、照明器３における光レベル及びスペクトル選択の制御、照明器３における視野絞り２２又は調整視野絞り２２Ａの選択、及び参照光ブロック３１の制御等の補助機能の制御を行う。

表面トポグラフィ測定の場合、検査面６Ａと干渉計システム１との間の距離は、走査メカニズム３４によって線形的に変えることができる。この動きの間、干渉像検出器２５からの像データが、コンピュータ３５に取り込まれ、データ処理されて表面マップが得られる。選択可能な光帯域幅を有する照明器３を備え完全に補償された干渉計システム１は、狭帯域光による位相シフトモードでデータを取り込むことが可能であり（参照文献、例えば、Ｋ．Ｆｒｅｉｓｃｈｌａｄ、Ｃ．Ｌ．Ｋｏｌｉｏｐｏｕｌｏｓ、「デジタル位相計測のフーリエ記述（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｈａｓｅ−ｍｅａｓｕｒｉｎｇ）」、Ｊ．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ａ７，５４２（１９９０）、本明細書においてその全体を引用し参照する）、また、広帯域光による白色光走査モードでデータを取り込むことが可能である（参照文献、例えば、Ｌ．Ｄｅｃｋ、Ｐ．ｄｅ Ｇｒｏｏｔ、「走査白色光干渉法に基づく高速非接触プロファイラ（Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｏｆｉｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ３３，７３３４（１９９４）、本明細書においてその全体を引用し参照する）。また、白色光走査モードで取り込まれたデータは、表面トポグラフィばかりでなく、薄膜コーティングを有する検査面の膜特性を求めるためにも用い得る（参照文献、例えば、米国特許Ｎｏ．７３２１４３１号明細書、本明細書においてその全体を引用し参照する）。

測定システムの異なる構成を実現することができる。ｚ調整作動装置は、試験片ホルダ３３内の代わりに、干渉計システム１が機器フレーム３２に搭載される場所に配置されてもよい。他の選択肢として又は更に、走査メカニズム３４は、機器フレームへの干渉計システム１の取り付け台の代わりに、試験片ホルダ３３に配置されてもよい。短い走査の場合、折り返し鏡１４は、走査アクチュエータに搭載できる。この場合、検査光と参照光との間の経路差は、干渉計システム１全体又は試験片６を動かすことなく変更される。

一般的に、被験物体に関する情報は、コンピュータ又は電子プロセッサを含む他のハードウェアを用いて、干渉法データから決定し得る。一般的に、干渉法データの解析は、ソフトウェア、ハードウェア又は両者の組合せで実現し得る。これらの方法は、本明細書に述べた方法及び図に従って標準のプログラミング技法を用いて、コンピュータプログラムで実現し得る。プログラムコードは、入力データに適用され、本明細書に述べた機能が実施され、出力情報が生成される。出力情報は、ディスプレイモニタ等の１つ又は複数の出力装置に適用される。各プログラムは、高級手続き型言語又はオブジェクト指向プログラミング言語で実現され、コンピュータシステムと通信が可能である。しかしながら、プログラムは、望まれる場合、アセンブリ又は機械言語で実現し得る。いずれにせよ、言語は、コンパイラ又はインタープリタ言語であってよい。更に、プログラムは、その目的のために事前にプログラムされた専用の集積回路上で走らせることができる。

そのような各コンピュータプログラムは、好適には、汎用又は専用のプログラム可能なコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体又は装置（例えば、ＲＯＭ又は磁気ディスク）に記憶され、その記憶媒体又は装置がコンピュータによって読み出されると、コンピュータを構成し動作させて、本明細書に述べた手順を実施させる。コンピュータプログラムは、更に、プログラム実行中、キャッシュ又は主記憶装置に常駐し得る。解析方法は、更に、コンピュータ判読可能記憶媒体として実現され、コンピュータプログラムで構成可能であり、この場合、そのように構成された記憶媒体によって、コンピュータが、特定の又は所定の方法で動作して、本明細書に述べた機能を実施する。

実施形態は、被験物体に関する情報を求めるための干渉システム及び方法に関する。適切な干渉システム、電子処理システム、ソフトウェア、及び関連する処理アルゴリズムに関する追加の情報は、ＵＳ−２００５−００７８３１８−Ａ１、表題「干渉計による表面解析のための方法とシステム及び関連応用例（ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＳＹＳＴＥＭＳ ＦＯＲ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＩＣ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＳＵＲＦＡＣＥＳ ＡＮＤ ＲＥＬＡＴＥＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ）」、ＵＳ−２００４−０１８９９９９−Ａ１、表題「走査干渉法を用いた複雑な表面構造のプロファイリング（ＰＲＯＦＩＬＩＮＧ ＣＯＭＰＬＥＸ ＳＵＲＦＡＣＥ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＵＳＩＮＧ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ）」、及びＵＳ−２００４−００８５５４４−Ａ１、表題「薄膜構造の特徴付けを含む、楕円偏光法、反射測定法、光波散乱計測のための干渉法（ＩＮＴＥＲＦＥＲＯＭＥＴＲＹ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＥＬＬＩＰＳＯＭＥＴＲＹ，ＲＥＦＬＥＣＴＯＭＥＴＲＹ，ＡＮＤ ＳＣＡＴＴＥＲＯＭＥＴＲＹ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳ，ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＺＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＩＮ ＦＩＬＭ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ）」として発行された共有米国特許出願に開示されており、これらの内容は、本明細書に引用・参照する。

他の実施形態は、以下の請求項の範囲内にある。

Claims (22)

1. 干渉計であって、
   入力光から検査光及び参照光を導出し、第１経路に沿って前記検査光を導いて被験物体に接触させ、前記第１経路と異なる第２経路に沿って前記参照光を導くように配置された第１ビームスプリッタと、
   前記第１経路及び前記第２経路に配置され、前記検査光が前記被験物体に接触した後、前記参照光を検査光と合成するように構成された第２ビームスプリッタと、
   前記合成された検査光及び参照光を受光するように配置された検出器と、
   前記被験物体及び仮想参照面を前記検出器上に結像するように構成された対物レンズとを備え、
   前記仮想参照面は、前記第１ビームスプリッタと第２ビームスプリッタとの間の、前記検出器に対して光学的に共役な仮想面に対応する、干渉計。
2. 請求項１に記載の干渉計であって、前記被験物体を介した前記第１ビームスプリッタから前記第２ビームスプリッタまでの前記第１経路の光路長は、第１ビームスプリッタから第２ビームスプリッタまでの第２経路の光路長に実質的に等しい、干渉計。
3. 請求項１に記載の干渉計であって、更に、前記第２経路に配置され、第１ビームスプリッタから第２ビームスプリッタに向けて参照光を導くように構成された光学素子を備える、干渉計。
4. 請求項３に記載の干渉計であって、前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタとの間の前記検査光の光路長は、前記第１ビームスプリッタと、前記第２経路に配置された前記光学素子との間の前記参照光の光路長に実質的に等しい、干渉計。
5. 請求項３に記載の干渉計であって、前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタとの間の前記第１経路及び前記第２経路は、前記第２経路に配置された前記光学素子との組み合わせで、実質的に二等辺三角形に対応する幾何学的形状を画成する、干渉計。
6. 請求項１に記載の干渉計であって、前記検査光は、前記第１ビームスプリッタによって透過された入力光に対応し、前記参照光は、前記第１ビームスプリッタによって反射された入力光に対応する、干渉計。
7. 請求項１に記載の干渉計であって、更に、前記第１ビームスプリッタにおいて合成された光の経路に対応する調整チャネルを備え、前記合成された光は、前記第１経路又は前記第２経路に沿って、前記第２ビームスプリッタから前記第１ビームスプリッタに伝搬する、干渉計。
8. 請求項７に記載の干渉計であって、更に、前記調整チャネルに配置され、前記合成された光を検出する第２検出器を備える、干渉計。
9. 請求項１に記載の干渉計であって、更に、前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタとの間の前記第２経路に配置された第１補償光学素子を備え、前記第１補償光学素子は、前記検査光と前記参照光との間の光学材料内の光路長差を低減する、干渉計。
10. 請求項９に記載の干渉計であって、前記第１補償光学素子は、前記検出器における前記検査光と測定光との間の横方向の変位を低減するように構成されている、干渉計。
11. 請求項９に記載の干渉計であって、前記第１補償光学素子は、前記第２経路に対して傾斜した平行平面板である、干渉計。
12. 請求項９に記載の干渉計であって、更に、前記第１経路及び第２経路のうちの少なくとも一方に配置された１つ又は複数の追加の補償光学素子を備え、前記１つ又は複数の追加の補償光学素子は、前記検査光と前記参照光との間の光学材料内の前記光路長差を低減すること、及び前記検出器における前記検査光と測定光との間の横方向の変位を低減することのうちの少なくとも一方を実施する、干渉計。
13. 請求項１に記載の干渉計であって、更に、前記干渉計の動作中、前記入力光を供給するように構成された照明器を備える、干渉計。
14. 請求項１３に記載の干渉計であって、前記照明器は、光源と、前記光源から光を受光し、前記光を前記第１ビームスプリッタに向けて導くように構成された１つ又は複数の光学素子とを含む、干渉計。
15. 請求項１４に記載の干渉計であって、前記１つ又は複数の光学素子は、前記検査光が前記被験物体においてテレセントリックであるように構成されている、干渉計。
16. 請求項１４に記載の干渉計であって、前記光源は、１０ｎｍより大きいスペクトル帯域幅を有する光を供給するように構成されている、干渉計。
17. 請求項１４に記載の干渉計であって、前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、干渉計。
18. 請求項１に記載の干渉計であって、前記第１ビームスプリッタ及び前記第２ビームスプリッタは、複数の平行平面光学素子を含む、干渉計。
19. 請求項１に記載の干渉計であって、前記干渉計は、視野内における前記被験物体の表面を前記検出器上に結像するように構成されており、前記視野は、１０ｍｍ以上の寸法を有する、干渉計。
20. 請求項１に記載の干渉計であって、更に、前記検出器と通信する電子プロセッサを備え、動作中、前記電子プロセッサは、前記検出器における前記検査光と前記参照光との間の光路長差に関する干渉情報を含む信号を受信し、前記信号に基づき、前記被験物体に関する情報を決定する、干渉計。
21. 被験物体に関する情報を決定するための干渉法であって、
    第１光学素子において、入力光から検査光及び参照光を導出すること、
    第１経路に沿って前記検査光を導いて被験物体に接触させ、前記第１経路と異なる第２経路に沿って前記参照光を導くこと、
    前記検査光が前記被験物体に接触した後、第１光学素子と異なる第２光学素子において、前記参照光を前記検査光と合成すること、
    前記被験物体及び仮想参照面を検出器上に結像すること
    を含み、
    前記仮想参照面は、前記第２経路における前記検出器での前記像に対して光学的に共役な前記第２経路における仮想面に対応する、方法。
22. 検査面の特性を測定するための干渉計であって、
    （ａ）干渉計キャビティを画成する光学系であって、
    入力光を検査光及び参照光に分離するように配置された第１ビーム・スプリッティング光学部品と、
    前記検査面に前記検査光を透過し、前記検査面から再び前記検査光を受光し、その後、前記検査光を前記参照光と再合成するように配置された第２ビーム・スプリッティング光学部品と、
    第１ビーム・スプリッティング光学部品から第２ビーム・スプリッティング光学部品に前記参照光を導くように配置された第３光学部品と
    を含み、
    前記干渉計キャビティが、前記第２ビーム・スプリッティング光学部品と前記第３光学部品との間の前記参照光の経路に沿って配置された仮想参照面を画成する、前記光学系と、
    （ｂ）前記再合成された検査光及び参照光を受光するように配置された撮像チャネルであって、撮像検出器と、前記検査面及び前記仮想参照面を前記検出器に結像するように構成された少なくとも１つの撮像要素とを含む、前記撮像チャネルと
    を備える、干渉計。

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