CN107924047A

CN107924047A - 观察装置

Info

Publication number: CN107924047A
Application number: CN201680050985.6A
Authority: CN
Inventors: 上原诚
Original assignee: Kk 67
Current assignee: Kk 67
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2018-04-17
Also published as: WO2017038219A1; JP2017049438A

Abstract

本发明解决在椭圆偏振计等观察装置中，由等倍反射式成像光学系统成像的像的像差变大的问题。椭圆偏振计(100)具备成像光学系统(30)，该成像光学系统(30)用于使来自物体表面(S)的反射光的光束成像于受光面(40)。成像光学系统(30)包括凹面主镜(32)、凸面副镜(34)以及抽出式平面镜(36)。成像光学系统(30)由等倍反射式成像光学系统构成，该等倍反射式成像光学系统能够使来自物体表面(S)的反射光的光束按照凹面主镜(32)、凸面副镜(34)、凹面主镜(32)的顺序反射之后，经由抽出式平面镜(36)而成像于受光面(40)。凸面副镜(34)为背面镜。

Description

观察装置

技术领域

本发明涉及椭圆偏振计等观察装置。

背景技术

椭圆偏振计是能够对光在试样的表面反射或透过时的偏振光状态的变化进行观测，并对该试样的光学常量(折射率、消光系数等)进行测定的装置。例如在试样的表面存在薄膜的情况下，能够测定该薄膜的厚度、光学常量。

在专利文献1中公开了现有的椭圆偏振计的一个例子。专利文献1所公开的椭圆偏振计是能够使用偏振光解析法来放大作为观察对象的物体的像进行观察的椭圆偏振计装置。该椭圆偏振计具备配置于光源的光路上的偏振镜和相位补偿器。另外，该椭圆偏振计具备照明系统、成像系统、检偏镜以及拍摄元件。照明系统将通过偏振镜以及相位补偿器后的平行光向上述物体倾斜地照射。来自物体的反射光入射至成像系统。成像系统能够放大物体像并使之成像于拍摄元件。检偏镜设置于成像系统中的上述反射光的光路的中途。

本发明人针对与将作为等倍反射式成像光学系统之一的奥夫纳光学系统应用于使来自物体的反射光成像的成像光学系统的椭圆偏振计相关的发明进行专利申请(参照专利文献2)。

专利文献1：日本特开2011-102731号公报

专利文献2：日本特开2013-174844号公报。

本发明人发现：例如在将等倍反射式成像光学系统应用于椭圆偏振计等观察装置的情况下，存在如下问题。

在椭圆偏振计中的照明光学系统的光路上配置有偏振镜、相位补偿器等光学元件。另外，在使来自物体的反射光成像的成像光学系统的光路上也配置有检偏镜等光学元件。此外，在用于对配置于光路上的透镜、镜进行收纳的镜筒的入口部以及出口部设置有用于不使尘埃等进入镜筒的内部的玻璃窗(入射窗以及出射窗)。上述光学元件具有至少一对平行的平面。若这样的具备平行平面的光学元件配置于收敛光路上，则存在由成像光学系统成像的像的像差变大的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决在椭圆偏振计等观察装置中，由等倍反射式成像光学系统成像的像的像差变大的问题。

用于解决上述课题的手段为以下的发明。

(1)一种观察装置，具备成像光学系统，该成像光学系统用于使来自物体表面的反射光的光束成像于受光面，所述观察装置的特征在于，

所述成像光学系统包括凹面主镜、凸面副镜以及抽出式平面镜，并由等倍反射式成像光学系统构成，该等倍反射式成像光学系统能够使来自所述物体表面的反射光的光束按照所述凹面主镜、所述凸面副镜、所述凹面主镜的顺序反射之后，经由所述抽出式平面镜而成像于所述受光面，

所述凸面副镜为背面镜。

(2)在上述(1)所记载的观察装置的基础上，所述凸面副镜的表面的曲率与背面的曲率不同。

(3)在上述(1)或(2)所记载的观察装置的基础上，所述凸面副镜的表面的曲率小于所述凸面副镜的背面的曲率。

(4)在上述(1)～(3)中的任一个所记载的观察装置的基础上，在从所述物体表面起至所述受光面为止的光路上配置有至少一个光学元件，该光学元件具有平行的平面。

(5)在上述(1)～(4)中的任一个所记载的观察装置的基础上，所述观察装置为椭圆偏振计。

根据本发明，能够解决在椭圆偏振计等观察装置中，由等倍反射式成像光学系统成像的像的像差变大的问题。

附图说明

图1是表示椭圆偏振计的整体结构的图。

图2是副镜的剖面放大图。

图3是实施例1的曲线图。

图4是实施例2的曲线图。

图5是实施例3的曲线图。

图6是实施例4的曲线图。

图7是实施例5的曲线图。

图8是实施例6的曲线图。

图9是实施例7的曲线图。

图10是实施例8的曲线图。

图11是实施例9的曲线图。

图12是实施例10的曲线图。

图13是比较例1的曲线图。

图14是比较例2的曲线图。

图15是比较例3的曲线图。

图16是比较例4的曲线图。

图17是比较例5的曲线图。

图18是比较例6的曲线图。

图19是比较例7的曲线图。

图20是比较例8的曲线图。

具体实施方式

以下，一边参照附图、一边对本发明的实施方式进行详细地说明。

以下，对将本发明应用于椭圆偏振计的例子进行说明。

本实施方式的椭圆偏振计100是能够对光在试样的表面反射时的偏振光状态的变化进行观测，并对该试样的特性亦即膜厚、光学常量(折射率、消光系数)等进行测定的装置。

图1表示椭圆偏振计100的整体结构。

如图1所示，椭圆偏振计100具备照明光学系统10和成像光学系统30。作为观察对象的试样的表面表示为物体表面S。

照明光学系统10具备光源12、准直透镜14、聚光透镜16、结晶偏振镜18以及液晶偏振镜20。从光源12发出的照明光L1由准直透镜14变换为作为平行光的照明光L2。该照明光L2在被虹彩光圈15调整过光的量之后，由聚光透镜16聚光于物体表面S。通过聚光透镜16的照明光L2借助结晶偏振镜18而成为直线偏振光。通过对液晶偏振镜20进行电控制，能够将直线偏振光变换为圆偏振光或椭圆偏振光。另外，也能够使偏振光方向旋转。能够通过结晶偏振镜18以及液晶偏振镜20将照明光L2变换为各种偏振光状态的照明光L3。该照明光L3从倾斜方向照射于物体表面S。例如，照明光L3从相对于自物体表面S延伸的垂线N大约70度的方向照射。具备这样的照明光学系统的椭圆偏振计是公知的，例如在日本特开2011-102731号公报中公开。

接下来，对成像光学系统30进行说明。

本实施方式的椭圆偏振计100的成像光学系统30由作为等倍反射式成像光学系统之一的奥夫纳(Offner)光学系统构成。

如图1所示，成像光学系统30具备主镜32、副镜34以及抽出式平面镜36。主镜32由凹面镜构成。副镜34由凸面镜构成。在物体表面S与主镜32之间的光路上配置有检偏镜38。来自物体表面S的反射光的光束入射至检偏镜38。通过检偏镜38的反射光的光束按照主镜32、副镜34、主镜32、抽出式平面镜36的顺序被反射之后，成像于拍摄元件的受光面40。

物体表面S和受光面40在奥夫纳光学系统中成为等倍共轭的关系。

物体表面S是成为观察对象的物体的表面，例如是形成有薄膜的基板的表面。

受光面40是供在物体表面S反射的光的光束成像的面。受光面40例如是二维CCD等拍摄元件的受光面。

副镜34成为光学系统的光瞳。

例如，10μm见方的大小的CCD元件接受来自与其处于等倍共轭的关系的物体表面的10μm见方的区域的光。由此，能够以10μm见方单位对放置于物体表面上的试样的膜厚、光学常量进行测定。

若成像光学系统的像差较大，则来自物体表面的10μm角的区域的光束不仅到达处于共轭的关系的10μm见方的CCD元件，还到达与其相邻的CCD元件。其结果，每单位面积的膜厚、光学常量的测量精度变差。

如图1所示，从物体表面S朝向凹面主镜32的光的光束成为远心。在主镜32反射的光在兼作光圈的凸面副镜34反射。在副镜34反射的光再次在凹面主镜32反射而成为远心。在主镜32反射而成为远心的光在抽出式平面镜36反射，并以等倍的方式成像于受光面40。

结晶偏振镜18以及检偏镜38由格兰汤谱生(Glan Thompson)棱镜(方解石棱镜)构成。另外，结晶偏振镜18以及检偏镜38也可以由格兰汤谱生棱镜以外的其他偏振镜构成。

在用于收纳主镜32以及副镜34的镜筒的入口部以及出口部，设置有用于不使尘埃等进入镜筒内部的玻璃窗(入射窗42以及出射窗44)。入射窗42以及出射窗44例如由具有规定厚度的玻璃板构成。

在图1所示的椭圆偏振计100的光路上配置有多个具有至少一对平行的平面的光学元件。例如，配置于照明光学系统10的光路上的结晶偏振镜18具有至少一对平行的平面(光的入射面以及出射面)。配置于成像光学系统30的光路上的检偏镜38也具有至少一对平行的平面(光的入射面以及出射面)。此外，配置于镜筒的入口部以及出口部的入射窗42以及出射窗44由具有至少一对平行的平面的玻璃板构成。若这样的具备平行平面的光学元件配置于收敛光路上，则存在由成像光学系统成像的像的像差变大的问题。

图2是副镜34的剖面放大图。

如图2所示，副镜34的表面34a以及背面34b为球面状且为凸状。副镜34例如可以由具有规定厚度的合成石英玻璃构成。副镜34可以由石英玻璃以外的材料构成。例如，副镜34可以由在所希望的波段具有较高的透过率的玻璃材料构成。

在本实施方式的椭圆偏振计100中，副镜34由用背面34b反射光的背面镜构成。

在副镜34的表面34a可以形成有用于防止光的反射的防反射膜。该防反射膜只要为公知的防反射膜即可，例如可以是波长依赖性小的单层防反射膜、或在所希望的波段具有较高的透过率的多层防反射膜。

可以对副镜34的背面34b实施用于反射光的处理。例如可以在副镜34的背面34b蒸镀以波长依赖性小的铝为代表的金属反射膜。或者，也可以在副镜34的背面34b蒸镀在所希望的波段具有较高的反射率的多层电介质反射膜。

本发明人在应用了等倍反射式成像光学系统的椭圆偏振计中，对用于解决因具备平行平面的光学元件配置于光路上而引起的像差的问题的技术进行了研究。其结果意外地发现：通过使用背面镜作为凸面副镜34，从而能够解决这样的问题。

另外，本发明人发现：通过调整副镜34的厚度，能够缩小由成像光学系统30成像的像的像差。这里所说的“厚度”是指副镜34的中心部处的“厚度T”。

此外，本发明人发现：通过使副镜34的表面34a的曲率R1与副镜34的背面34b的曲率R2相互不同，由此能够进一步缩小由成像光学系统30成像的像的像差。

根据本发明，在椭圆偏振计等观察装置中，能够解决由等倍反射式成像光学系统成像的像的像差较大的问题。

如上所述，用于使来自物体表面S的光成像于受光面40的成像光学系统30，由作为等倍反射式成像光学系统之一的奥夫纳光学系统构成。这样的反射光学系统与折射透镜不同，具有在物体表面S的观察中使用的光的波长不受限制的优点。因此对于本发明而言，在观察中使用的光的波长不受限制，因而存在能够应用于半导体、生物等各种领域的可能性。

本发明也能够应用于椭圆偏振计以外的观察装置。

本发明例如能够应用在用于观察物体表面的显微镜。

本发明例如能够应用在用于检测物体表面的缺陷的装置。

本发明例如能够应用在用于测定物体表面的反射率的装置。

本发明除应用于上述装置以外，还存在能够应用于所有光学观察装置的可能性。

[实施例]

通过模拟求出借助图1所示的椭圆偏振计100观察物体表面S时的分辨率(MTF)的理论值以及设计值。另外，照明光的入射角设定为相对于物体表面的垂线成60度。

实施例1～10的模拟条件如以下的表1所述。

另外，在表1中“窗的厚度”是指入射窗以及出射窗的厚度。

[表1]

[比较例]

与实施例同样，通过模拟求出借助图1所示的椭圆偏振计100观察物体表面S时的分辨率(MTF)的理论值以及设计值。但是在比较例中，将副镜的厚度设定为0mm，反映副镜不为背面镜而为表面镜的条件。

[表2]

将实施例1～实施例10的结果分别示于图3～图12。

将比较例1～比较例8的结果分别示于图13～图20。

在图3～图20中，ST的曲线图表示弧矢面(sagittal plane)的理论值。SD的曲线图表示弧矢面的设计值。TT的曲线图表示子午面(tangential plane)的理论值。TD的曲线图表示子午面的设计值。

在图3～图20中，在分辨率(MTF)的理论值与设计值的差较大的情况下，意味着像差较大。在分辨率(MTF)的理论值与设计值的差较小的情况下，意味着像差较小。

如对实施例1～4与比较例1～4分别进行比较所知晓的那样，通过使用背面镜作为等倍反射式成像光学系统中的副镜，从而像差变小。

如对实施例6～8与比较例5～7分别进行比较所知晓的那样，通过使用背面镜作为等倍反射式成像光学系统中的副镜，从而像差变小。

如对实施例4与实施例5进行比较所知晓的那样，通过使副镜的表面的曲率R1与副镜的背面的曲率R2不同，从而像差进一步变小。特别是明确了通过使副镜的表面的曲率R1小于副镜的背面的曲率R2，从而像差变得更小。

如观察实施例1～10所知晓的那样，通过根据入射窗以及出射窗的厚度来调整副镜的厚度，从而能够缩小像差。例如，通过将副镜的厚度调整为与入射窗以及出射窗的厚度大致成比例，从而能够更加缩小像差。

附图标记说明：10…照明光学系统；12…光源；14…准直透镜；16…聚光透镜；18…结晶偏振镜；20…液晶偏振镜；30…成像光学系统；32…主镜；34…副镜；36…抽出式平面镜；38…检偏镜；40…受光面；42…入射窗；44…出射窗；100…椭圆偏振计。

Claims

1.一种观察装置，具备成像光学系统，该成像光学系统用于使来自物体表面的反射光的光束成像于受光面，所述观察装置的特征在于，

所述凸面副镜为背面镜。

2.根据权利要求1所述的观察装置，其特征在于，

所述凸面副镜的表面的曲率与背面的曲率不同。

3.根据权利要求1或2所述的观察装置，其特征在于，

所述凸面副镜的表面的曲率小于所述凸面副镜的背面的曲率。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的观察装置，

在从所述物体表面起至所述受光面为止的光路上配置有至少一个光学元件，该光学元件具有平行的平面。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的观察装置，其特征在于，

所述观察装置为椭圆偏振计。