CN1773212A - 共焦点光学装置和球面像差校正方法 - Google Patents

Abstract

以提供减少了球面像差的产生的共焦点光学装置和球面像差校正方法为目的。备有：驱动机构，其移动样本台，以改变物镜和样本台的间隔；球面像差校正部，其配置在光源和物镜之间；基准位置检测部，根据光检测器得到的检测结果，检测物镜的焦点位置对准样本的表面时的样本台的位置；移动量导出部，根据光检测器得到的检测结果，运算物镜的焦点位置对准样本内的测量对象之前的样本台的移动量，并导出测量对象的样本内深度；校正控制部，根据测量对象的样本内深度，控制球面像差校正元件(4)。

Description

共焦点光学装置和球面像差校正方法

技术领域

本发明涉及共焦点光学装置、球面像差校正方法、膜厚测量装置、膜厚测量方法、形状测量装置和形状测量方法。

背景技术

共焦点光学装置由于在光轴方向上具有高精度的分解能力，所以用于透明物体的三维测量和激光显微镜等。例如，用于光盘中的覆盖玻璃层的厚度测量、两层光盘中的覆盖玻璃层和中间层的厚度测量。

使用图9说明现有的共焦点光学装置。图9是表示在特开平5-134186号公报中表示的现有的共焦点光学装置的构成的图。如图9所示，从激光光源41射出的光通过光分路元件42后通过第一透镜组43进行聚光后，通过针孔44。该针孔44设置在第一透镜组43的焦点上。并且，透过了该针孔44的光入射到光束扩展器45中。

光束扩展器45具有第二透镜组45a、驱动单元45d、45e、45f和马达45g。第二透镜组45a包含凹透镜45b和凸透镜45c。并且，光束扩展器45通过由驱动单元45d、45e、45f和马达45g使构成第二透镜组45a的各透镜的位置变化，使从光束扩展器45射出的光发散或收敛。通过了光束扩展器45的光通过平面镜46进行反射，并通过扫描光学系统47后输入到物镜48中。在样本台50上固定的样本49的内部会聚入射到该物镜48的光。另外，扫描光学系统47在与光轴垂直的面内扫描光束。

来自样本49内部的反射光在光学系统中与上述的说明相反地传送并通过针孔44。这时，通过共焦点光学系统进行的公知的作用，仅来自物镜48的焦点附近的反射光通过针孔44。通过了针孔44的光通过光分路元件42进行分路后，通过光电检测元件51进行检测。光电检测元件51根据受光量输出电信号。

通过改变所述光束扩展器45的各透镜位置，可以使对物镜48的入射光为发散光或收敛光，由此，可以在样本49内部沿扫描方向扫描物镜48的聚光点。即，若通过向针孔44侧移动第二透镜组45a，而使对物镜48的入射光为发散光，则聚光点向远离物镜48侧移动。另一方面，若通过使第二透镜组45a向物镜侧移动而使对物镜48的入射光成为收敛光，则聚光点向接近物镜48侧移动。由此，可以观察样本49内部的深的部分到浅的部分。这时，若向物镜48入射的光为发散光或收敛光，则产生了球面像差，但是通过改变构成第二透镜组45a的凹透镜45b和凸透镜45c的间隔，抵消了该球面像差。

但是，在上述特开平5-134186的共焦点光学装置中，有可以进一步提高校正球面像差的精度的余地。即，在所述共焦点光学装置中，通过使对物镜48的入射光成为发散光或收敛光，可以使入射光的聚光点的位置在样本49内部的深度方向上改变。因此，光在样本49内透过时产生的球面像差根据聚光点在样本49内的深度变化，但是由于在所述共焦点光学装置中没有考虑到受该样本49内深度的影响的球面像差，所以在焦点对准希望的深度时，不能减少受该样本49内深度的影响的球面像差。

发明内容

因此，本发明鉴于该情况而作出，其目的是提供一种降低了球面像差的产生的共焦点光学装置和球面像差校正方法。

为了实现所述目的，本发明以使从光源出射的光通过物镜聚光到样本台上的样本内部，同时，通过检测透镜聚光来自所述样本的反射光后通过针孔，并通过光检测器进行检测的共焦点光学装置为前提，备有：驱动机构，其使所述物镜透镜和所述样本台的一方移动，以便改变所述物镜和所述样本台的间隔；球面像差校正部，其配置在所述光源和所述物镜之间；基准位置检测部，其根据所述光检测器得到的检测结果，检测所述物镜的焦点位置对准所述样本的表面时的所述物镜或所述样本台的位置；移动量导出部，根据所述光检测器得到的检测结果，运算所述物镜的焦点位置对准所述样本内的测量对象之前的所述物镜或所述样本台的移动量，并导出所述测量对象的样本内深度；和校正控制部，其根据所述测量对象的样本内深度，控制所述球面像差校正部。

另外，本发明以使从光源出射的光通过物镜聚光到样本台上的样本内部时产生的球面像差校正方法为前提，通过检测透镜聚光来自所述样本的反射光并使其通过针孔，并用光检测器进行检测；使所述物镜透镜和所述样本台的一方移动，以便改变所述物镜和所述样本台的间隔，并根据所述光检测器得到的检测结果，检测所述物镜的焦点位置对准所述样本的表面时的所述物镜或所述样本台的位置；进一步，使所述物镜或所述样本台移动，并根据所述光检测器得到的检测结果，检测所述物镜的焦点位置对准所述样本内的测量对象时的所述物镜或所述样本台的位置；通过所述焦点位置对准样本表面时的位置，和处于所述测量对象时的位置，导出所述测量对象的样本内深度；根据所述测量对象的样本内深度，校正球面像差。

根据本发明，由于根据测量对象的样本内深度校正球面像差，所以还可以对光进入到样本内部的情况下所产生的球面像差进行校正。

附图说明

图1是示意表示本发明的实施方式1的膜厚测量装置的图。

图2(a)是说明所述膜厚测量装置中的球面像差校正用的图，表示物镜的焦点与多层光盘的表面一致的状态；图2(b)是说明所述膜厚测量装置中的球面像差校正用的图，表示物镜的焦点进入到多层光盘的内部的状态。

图3是表示本发明的实施方式1的膜厚测量装置的动作算法的流程图。

图4(a)是说明本发明的实施方式2的膜厚测量装置中的球面像差校正用的图，表示物镜的焦点与多层光盘的表面一致的状态。图4(b)是说明所述膜厚测量装置中的球面像差校正用的图，表示物镜的焦点与多层光盘的第一记录层匹配的状态。图4(c)是说明所述膜厚测量装置中的球面像差校正用的图，表示物镜的焦点与多层光盘的第二记录层匹配的状态；

图5是表示凹透镜和凸透镜具有的间隔的情况下的动作长度和球面像差的关系的特性图；

图6是对于本发明的实施方式3的膜厚测量装置、不进行本发明的实施方式1的膜厚测量装置和球面像差的膜厚测量装置，表示焦点的样本内深度和球面像差的关系的特性图；

图7是表示本发明的实施方式4的膜厚测量装置的外观的立体图；

图8是表示本发明的实施方式5的膜厚测量装置的外观的立体图；

图9是示意表示现有的共焦点光学装置的图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明实施本发明用的最佳方式。

(实施方式1)

图1表示使用了本发明的共焦点光学装置的膜厚测量装置的一实施方式。如图1所示，膜厚测量装置25备有共焦点光学装置27和膜厚导出部19。共焦点光学装置27备有：激光光源1、校准透镜2、光分路元件3、作为球面像差校正部的一例的球面像差校正元件4、物镜5、样本台7、驱动机构8、检测透镜10、针孔11和光检测器12。

所述激光光源1通过出射激光的半导体激光器构成。激光波长为650nm或405nm。与使用短波长的激光相比，可以提高测量精度。

所述校准透镜2将从激光光源1出射的发散光变为平行光。光分路元件3反射透过了校准透镜2的激光，另一方面，使来自样本的返回光透过。

所述球面像差校正元件4，设置在光分路元件3和物镜5之间。该球面像差校正元件4在本实施例中是光束扩展器。即，球面像差校正元件4具备凹透镜4a、凸透镜4b和驱动部4c，并构成为凹透镜4a通过驱动部4c沿光轴方向移动。另一方面，固定凸透镜4b，使其位置不变。球面像差校正元件4配置为凸透镜4b相对凹透镜4a位于物镜5侧，在开始测量前的初始设置时，为从凸透镜4b出射向着物镜5的激光变为平行光的设定。并且，若凹透镜4a向凸透镜4b侧移动，则来自凸透镜4b的出射光变为发散光，若凹透镜4a沿与凸透镜4b相反侧移动，则来自凸透镜4b的出射光变为收敛光。

所述物镜5设计为在空气中成像在本实施例中入射的平行光时的球面像差为最小。在所述样本台7上装载样本。该样本是例如具有多层的多层光盘6。在该多层光盘6中包含多个记录层61、62、63。并且，记录层间的层为透明层，最外层为例如由聚碳酸酯构成的覆盖玻璃层。若考虑20层到30层的多层光盘6的球面像差，则记录层61、62、63的层间隔为5μm以下，优选为2μm以上。若层间隔没有达到2μm，由于几乎没有磁盘制造上的膜厚公差，所以制造困难。若将物镜5的数值孔径设定为0.8以上，则从模拟结果光轴方向的分解能力可以为0.7μm以下，所以在作为样本使用了多层光盘6的情况下，物镜5的数值孔径优选为0.8以上。

所述样本台7构成为通过驱动构成8沿物镜5的光轴方向可移动。由于样本台7比物镜5的焦点还向下与物镜5分离，所以可以在比焦点还接近于物镜5为止的范围内移动。驱动机构8例如构成为通过驱动控制例如图中未示的马达而可控制样本台7的移动量。

样本台7的移动量，可以通过作为移位测量单元的移位计9而测量。移位计9通过接触式的移位计和使用了激光的非接触式移位计等构成，固定在规定的位置上。

所述针孔11，夹着光分路元件3而配置在与物镜5相反侧。该针孔11配置在物镜5的光轴上。所述检测透镜10配置在光分路元件3和针孔11之间。检测透镜10聚光从光分路元件3分路的光。并且，针孔11设置在检测透镜10的焦点位置上。即，针孔11相对物镜5的焦点变为共轭位置。光检测器12检测通过了针孔11的光后，根据受光量(或受光强度)输出电信号。

共焦点光学装置27中的光轴方向的分解能力依赖于物镜5的数值孔径、共焦点光学装置27的倍率和针孔11的直径。例如，若设从激光源1出射的激光的波长为0.65μm、物镜5的数值孔径为0.8，则由1.22×(波长)/(数值孔径)施加的物镜5的埃里斑(Airy disc)直径大致为1μm。并且，若设共焦点光学装置27的倍率为50倍，则针孔11上的埃里斑直径为50μm。这时，若设针孔11的直径为埃里斑直径的大致3倍、即150μm，则光轴方向的分解能力为2μm。若将针孔11的直径设定为埃里斑直径的约3倍，则可以使针孔11和检测透镜10的位置调整变得容易，可以较大取可允许由温度变化和振动等造成的针孔11的移动的范围。另一方面，在一定范围内管理周围温度，且在去除了振动的环境下设置的情况下，通过将针孔11的直径设定为埃里斑直径的1倍、即50μm，可以使光轴方向的分解能力为0.7μm，所以即使在2μm的层间隔中也可充分分解后进行测量。

在共焦点光学装置27上设置有进行通过物镜5聚光的激光的球面像差校正控制的像差校正控制器13。向该像差校正控制器13输入从光检测器12输出的信号和从移位计9输出的信号。

像差校正控制器13，作为其功能包含驱动控制部14、基准位置检测部15、移动量导出部16和校正控制部17。驱动控制部14通过控制驱动机构8控制物镜5的光轴方向中的样本台7的移动量。

所述基准位置检测部15根据光检测器12的输出和移位计9的输出，检测物镜5的焦点位置对准样本的表面(上面)时的样本台7的位置(基准位置)。即，通过物镜5聚光的激光的焦点处于多层光盘6的表面时的来自该表面的反射光在针孔11上产生焦点。因此，在激光的焦点与多层光盘6的表面一致时，在通过针孔11由光检测器12检测的受光量(或受光强度)上出现峰值。因此，若检测这时的样本台7的位置，则可以检测样本台7的基准位置。

所述移动量导出部16根据光检测器12的输出和移位计9的输出，运算物镜5的焦点位置对准样本内的测量对象之前的样本台7的移动量，导出测量对象的样本内深度。下面为具体情况。在作为样本的多层光盘6上设置多个记录层61、62、63，记录层间的层为透明层。因此，虽然通过物镜5聚光的激光通过记录层61、62、63进行反射，但是在该聚光后的激光的焦点与记录层61、62、63恰好一致时，在通过针孔11后由光检测器12受光的反射光的受光量上出现峰值。因此，若读取这时的样本台7的位置，则可以检测激光的焦点对准记录层61、62、63时的样本台7的位置。并且，通过取该位置和所述基准位置的差，可以导出焦点从基准位置向记录层对准的样本台7的移动量。由此，可以导出记录层61、62、63的样本内深度。在作为样本使用了多层光盘6的情况下，将记录层61、62、63称作测量对象。

所述校正控制部17根据样本内深度和样本的折射率，进行所述凹透镜4a的移动控制。以下进行具体说明。设置物镜5，使得空气中通过物镜5聚光的激光的球面像差最小。因此，若通过该物镜5聚光的激光透过多层光盘6的透明层，则产生球面像差。该球面像差的大小为对应于激光透过的透明层的厚度(换而言之，测量对象的样本内深度)和透明层的折射率的大小。因此，根据通过所述移动量导出部16导出的样本内深度和多层光盘6的覆盖玻璃层等的透明层中的折射率进行球面像差的校正。

这里，校正进入到多层光盘6内的激光的球面像差通过在检测了样本台7的基准位置后，沿物镜5的光轴方向移动凹透镜4a进行。凹透镜4a的移动量相对样本台7的移动量为规定的比值。该规定比值根据多层光盘6的透明层中的折射率设定。由于构成样本的各层的折射率已知，所以可以使用该折射率。例如，由聚碳酸酯构成的覆盖玻璃层的折射率对于波长652nm为1.579。

所述膜厚导出部19连接到像差校正控制器13。膜厚导出部19，通过取由所述移动量导出部16导出的各记录层61、62、63的样本内深度的差分，导出覆盖玻璃层的厚度(膜厚)、记录层间的透明层的厚度(膜厚)。

接着，参照图1、图2(a)和图2(b)说明本实施例的膜厚测量装置25的动作。图2(a)表示物镜5的焦点位置与多层光盘6的表面一致时的情况，图2(b)表示物镜5的焦点位置位于多层光盘6的内部时的情况。在开始测量时的初始状态中，是对物镜5的入射光成为平行光的设定，使其与图2(a)所示的状态相同。

如图1所示，从激光光源1出射的激光，通过校准透镜2从发散光变为平行光，通过光分路元件3使方向改变，使其向着球面像差校正元件4的凹透镜4a。通过凹透镜4a变为发散光后的激光通过凸透镜4b再次成为平行光后入射到物镜5中。该激光通过物镜5聚光后，通过多层光盘6的表面和记录层61、62、63进行反射。该反射光在通过了物镜5、球面像差校正元件4后，透过光分路元件3后通过检测透镜10聚光，并入射到针孔11中。这时，仅通过共焦点光学系统的作用在物镜5的焦点附近反射的反射光可以通过针孔11。通过光检测器12接受通过了针孔11的激光。在光检测器12中，根据受光进行光电转换，并将对应于受光量(或受光强度)的电信号输出到像差校正控制器13中。

在开始测量时的初始状态中，将球面像差校正元件4的凹透镜4a设定为使对物镜5的入射光变为平行光的位置上。在该初始状态中，根据移位计9的测量值而设定样本台7的位置，使多层光盘6位于比物镜5的焦点远的位置上。因此，由多层光盘6的表面反射的反射光不通过针孔11。

若通过测量的开始移动机构8使样本台7升高，则多层光盘6在接近于物镜5的方向移动。并且，由于在如图2(a)所示，多层光盘6的表面与物镜5的焦点一致之前，向物镜5的入射光变为平行光，所以得到了球面像差最小的聚光点。并且，若为多层光盘6的表面与物镜5的焦点一致的图2(a)的状态，则由于通过多层光盘6的表面反射的反射光通过了针孔11，所以通过光检测器12得到了初始信号。因此，可以通过该检测结果检测焦点与多层光盘6表面一致的情况。像差校正控制器13，通过来自移位计9的输出而存储这时的样本台7的位置(基准位置)。

在存储了基准位置后，使样本台7移动，同时，还使凹透镜4a移动。即，若样本台7进一步接近于物镜5，则通过物镜5聚光的激光的焦点进入到多层光盘6内。由于通过移位计9而测量这时的样本台7的移动量，所以可以判断焦点进入到多层光盘6的内部的深度。根据将多层光盘6的折射率乘以该物理长度后的光学长度进行球面像差校正。该球面像差校正通过如图2(b)所示，使凹透镜4a移动为接近于凸透镜4b，并使向物镜5的入射光变为发散光进行。由此，可以减小焦点的球面像差。即，在本实施例中，由于将物镜5设计为在空气中产生焦点时球面像差为最小，所以在焦点进入到多层光盘6的内部的状态下，因对物镜5的入射光仍为平行光而产生玻璃的球面像差(校正不充分)。因此，如图2(b)所示，通过球面像差校正元件4产生发散光，使得球面像差过剩，可以使整体的球面像差最小。

在因样本台7的升高焦点进入到多层光盘6的内部时，通过第一记录层61反射的反射光入射到针孔11，但是在焦点对准第一记录层61之前，不通过针孔11。并且，根据焦点对准记录层61的情况，在光检测器12中可以检测反射光。通过移位计9检测这时的样本台7的位置，而从该位置和基准位置的差分导出样本台7的移动量。由于该移动量相当于多层光盘6的表面到第一记录层61的深度，所以从该移动量导出覆盖玻璃层的膜厚。同样，通过检测焦点对准第二记录层62时的样本台7的位置，还可测量出第一记录层61和第二记录层62之间的透明层的膜厚。

图3是表示所述的动作的算法的流程图。参照该流程图再次说明膜厚测量动作。若开始计测动作(步骤ST1)，首先通过使样本台7下降，使物镜5和多层光盘6的间隔变宽(步骤ST2)。这时，从移位计9的测量值中检测样本台7的位置，并根据该检测结果，判断物镜5的焦点位置是否位于多层光盘6的外部(步骤ST3)。并且，若判断为焦点位置为比多层光盘6的上面还位于上方的状态，则这次使样本台7升高，并进行使多层光盘6和物镜5的间隔变窄的动作(步骤ST4)。

向像差校正用控制器13输入来自光检测器12的信号，通过使样本台7移动多层光盘6接近于物镜5而检测初始的信号峰值，从而判断物镜5的焦点和多层光盘6的表面一致(步骤ST5)。并且，若检测信号峰值，则进行使物镜5和多层光盘6的间隔变窄的动作，同时，驱动凹透镜4a进行球面像差校正(步骤ST6)。之后，得到了光检测器12的信号峰值后(步骤ST7)，存储这时的移位计9得到的测量值(步骤ST8)，并从各峰值间隔中算出膜厚。并且，若物镜5和多层光盘6的间隔变为设定为可预先进行需要的测量的值K以下(步骤ST9)，则终止测量(步骤ST10)。所述K例如可以设定为物镜5和多层光盘6不冲突的边界的值。

如以上所说明的，根据本实施方式1，由于可以根据测量对象的样本内深度而校正球面像差，所以还可对光进入到样本内部的情况下产生的球面像差进行校正。并且，实施方式1中，由于还加上样本的折射率进行球面像差的校正，所以可以进一步提高校正精度。因此，可以降低球面像差的产生，并可进行高精度的膜厚测量。

另外，在本实施方式1中，通过上下移动样本台7而使多层光盘6移动，并使物镜5和样本台7的间隔变化，但是也可代替其而采用一体驱动物镜5和球面像差校正元件4的构成。

另外，在本实施方式1中，将物镜5的数值孔径作为0.8进行了说明，但是并不限于0.8。另外，由于共焦点光学系统的光轴方向分解能力大致与物镜5的数值孔径的乘方成反比，所以若数值孔径为0.5，则光轴方向的分解能力为1.8μm左右，例如，若是层间隔为10μm的多层盘，则可以充分进行测量。

另外，在本实施方式1中，虽然根据记录层61、62、63的样本内深度和透明层的折射率进行球面像差校正，但是也可代替其，仅根据记录层61、62、63的样本内深度进行球面像差校正。例如，覆盖玻璃层的折射率已知，通过模拟结果、实验结果等，可以预先求出样本内深度和这时产生的球面像差的关系。若利用该关系，决定对应于样本内深度的校正量，则可以仅根据样本内深度进行球面像差校正。

这里，说明本实施方式1的特征。

(1)所述校正控制部，根据所述测量对象的样本内深度和样本的折射率而控制所述球面像差校正部。因此，由于还加上样本的折射率进行球面像差的校正，所以可以进一步提高校正精度。另外，在样本的种类决定，其折射率也一定的情况下，即使是根据测量对象的样本内深度进行球面像差校正的构成，也可进行球面像差校正，但是在没有决定样本的种类的情况下，通过加上对应于测量的样本的折射率，可以比根据样本的种类更高精度地进行球面像差校正。

(2)所述球面像差校正部具有凹透镜和凸透镜，所述校正控制部根据所述样本内深度和样本的折射率，进行所述凹透镜或所述凸透镜的移动控制。因此，由于通过凹透镜的移动控制进行球面像差的校正，所以可以通过简单的构成而可靠地进行校正。

(3)将所述针孔的直径设定为由从所述光源出射的光的波长和所述检测透镜的数值孔径决定的埃里斑直径的3倍以下。因此，可以确保光轴方向上需要的分解能力，同时使检测透镜和针孔的位置调整变得容易。

(4)将所述针孔的直径设定为所述埃里斑直径的一倍以下。因此，可以进一步提高分解能力。

(5)将所述物镜的数值孔径设定为0.8以上。因此，可以确保需要的光量，同时可得到需要的分解能力。

(6)是备有共焦点光学装置和从所述样本台的移动量的差导出膜厚的膜厚导出部的膜厚测量装置。因此，可以高精度进行球面像差，同时可以测量样本内部的测量对象的膜厚。

(7)备有所述共焦点光学装置和从所述样本台的移动量的差导出膜厚的膜厚导出部。因此，可以高精度进行球面像差，同时测量样本内部的测量对象的膜厚。

(8)作为所述样本，使用了多层光盘。

(9)是根据所述测量对象的样本内深度和样本的折射率来校正球面像差的球面像差校正方法。因此，由于还加上样本的折射率进行球面像差的校正，所以可以进一步提高其折射率。另外，在样本的种类决定，且其折射率也一定的情况下，即使是根据测量对象的样本内深度进行球面像差校准的构成，也可进行球面像差校正，所以在没有决定样本的种类的情况下，通过加上对应于所测量的样本的折射率，可以与根据样本的种类相比高精度进行球面像差校正。

(10)是通过使向所述物镜的入射光变为发散光来校正球面像差的球面像差校正方法。因此，可以简单校正球面像差。

(11)是通过所述球面像差方法而校正球面像差，同时，从所述测量对象的样本内深度测量膜厚的膜厚测量方法。

(实施方式2)

本发明的实施方式2在球面像差校正方面与实施方式1不同，所以参照图4(a)～图4(b)说明该方面。图4是说明本发明的实施方式2的共焦点光学装置27进行的球面像差校正用的说明图。图4中，对与图1相同的物品添加同一符号而省略说明。

设计物镜20，使得在本实施例中，在规定的设计覆盖玻璃厚度(例如0.17mm)中球面像差最小。图4(a)表示物镜20的焦点与多层光盘6的表面一致的状态。另外，图4(b)表示物镜20的焦点进入到距多层光盘6的表面0.17mm内部的状态。图4(c)表示物镜20的焦点进入到距多层光盘6的表面比0.17mm还进一步进入到内部的状态。

本实施方式2中，在向物镜20入射平行光时，由于空气中为产生球面像差的校正不充分的状态，所以如图4(a)所示，通过使球面像差校正元件4的各透镜间隔变大(使凹透镜4a远离凸透镜4b)，使收敛光入射到物镜20中。由此，在物镜20的焦点没有达到多层光盘6的表面时，或与多层光盘6的表面一致时，也可使球面像差为最小。另外，开始测量时，通过如图4(a)那样，预先设置凹透镜4a和凸透镜4b的间隔，物镜20的焦点与多层光盘6的表面一致时不需要重新进行球面像差校正，所以可以缩短测量时间。

并且，如图4(b)所示，在物镜20的焦点进入到距多层光盘6的表面0.17mm内部的状态时，设定为使来自球面像差校正元件4的出射光变为平行光。由于在该状态下设置物镜20，使得球面像差最小，所以在物镜20的焦点与第一记录层61一致时球面像差为最小。

另外，在该物镜20的情况下，在焦点超过距多层光盘6的表面0.17mm而进入到里面时，物镜20的球面像差为校正过度的状态。因此，如图4(c)所示，通过变窄凹透镜4a和凸透镜4b的间隔，将分散光入射到物镜20内。由此，即使在焦点距表面超过0.17mm而进入到内侧的状态下，也可使球面像差为最小。

这样，在本实施例中，由于使用对应于0.17mm的覆盖玻璃层设计的物镜20，所以在测量具有厚度大致为0.17mm的覆盖玻璃层的多层光盘6的记录层61、62、63的层间隔时，可以使包含高次像差为止的球面像差为最小。

另外，其他构成、作用和效果与实施方式1相同。

这里，说明本实施方式2的特征。

(1)所述物镜被设定为在样本的规定深度的地方使球面像差为最小。例如即使设使物镜处为这样的设定，通过球面像差校正部件等而校正使空气中的球面像差变为最小。因此，由于在物镜的焦点与样本的表面一致时不需要重新进行球面像差校正，所以可以缩短测量时间。

(实施方式3)

在所述实施方式1和2中，在进行球面像差校正时通过改变凹透镜4a和凸透镜4b的间隔进行球面校正像差，但是在本实施方式3中，除了改变透镜的间隔之外，还进一步改变物镜5和样本(多层光盘6)的间隔。

即，在本实施方式3中，在开始了测量后，若检测多层光盘6的表面与物镜5的焦点一致的情况，则可改变凹透镜4a和凸透镜4b的透镜间隔，同时，进行以规定的速度升高样本台7的控制。可以从模拟结果得到该样本台7的上升速度。例如，图5是在有凹透镜4a和凸透镜4b的间隔的值的情况下，模拟使物镜5和样本台7的间隔变化时产生的球面像差的情况。在将凹透镜4a和凸透镜4b的间隔维持为某一定值的状态下，若使样本台7升高而逐渐变窄物镜5和样本台7的间隔，则存在球面像差为最小的极小值。并且，不断改变凹透镜4a和凸透镜4b的间隔同样模拟球面像差，而求出球面像差的极小值。由此，可以对应于凹透镜4a和凸透镜4b的透镜间隔，得到球面像差为最小的物镜5和样本台7之间的间隔。

并且，与应进行球面像差校正，而改变凹透镜4a和凸透镜4b的间隔的同时，将物镜5和样本台7的间隔微调为使从模拟结果得到的球面像差为最小的间隔相比，可以进一步降低球面像差。

这里，图6中表示比较了不进行对应于样本深度的球面像差校正的情况、通过改变凹透镜4a和凸透镜4b的间隔，进行球面像差校正的情况和进一步改变物镜5和样本间的间隔进行球面像差校正后的情况的结果。该图6在横轴取物镜5的焦点的样本内深度，纵轴取球面像差。

在该图中，曲线1表示不进行对应于样本深度的球面像差校正的情况，另外，曲线2表示如实施方式1那样通过改变凹透镜4a和凸透镜4b的间隔进行球面像差校正的情况，另外，曲线3表示如本实施方式3那样，通过改变凹透镜4a和凸透镜4b的间隔，同时，改变物镜5和样本台7的间隔，进行球面像差校正的情况。在不进行对应于焦点的样本内深度的球面像差校正的情况下(曲线1)，随着物镜5的焦点很深地进入到样本内，球面像差急剧变大。与此相对，若通过改变凹透镜4a和凸透镜4b的间隔进行球面像差校正(曲线2)，则可以减少球面像差。进一步，通过改变物镜5和样本的间隔(曲线3)，可以进一步减少球面像差。

另外，其他构成、作用和效果与实施方式1相同。

这里，说明实施方式3的特征。

(1)所述校正控制部控制所述球面像差校正部，同时进行所述物镜或所述样本台的移动量的控制。因此，可以不仅进行球面像差校正部中的球面像差校正，还可通过调整物镜和样本台的间隔进行球面像差校正，所以可以纹理更精细地进行像差校正。

(2)所述校正控制部构成为：进行所述凹透镜或所述凸透镜的移动控制，同时，进行所述物镜或所述样本台的移动量的控制，对应于所述凹透镜和所述凸透镜的间隔，将所述物镜和所述样本台之间的间隔调整为球面像差最小。因此，由于调整物镜和样本台的间隔，所以可以通过简单的构成进行纹理更精细的像差校正的调整。

(3)是向所述物镜的入射光变为分散光，同时，通过改变所述物镜和所述样本台的间隔，校正球面像差的球面像差校正方法。因此，由于不仅可以进行向物镜的入射光进行的球面像差校正，还可通过调整物镜和样本台的间隔进行球面像差校正，所以可以更纹理精细地进行像差校正。

(实施方式4)

图7是表示本发明的实施方式4的膜厚测量装置25的外观的立体图。如图7所示，膜厚测量装置25备有：基台33；从该基台33向上方延伸的试验台(stand)34；沿该试验台34可在上下方向滑动构成的样本台32；和通过试验台34支撑的测量部30。在测量部30上配置了从激光光源1到达光检测器12的光学系统。该光学系统是所述实施方式1中所说明的共焦点光学装置27的光学系统。另外，也可代替其，而设为所述实施方式2或3中所说明的共焦点光学装置的光学系统。

在样本台32上装载了样本31。在本实施例中，样本31为多层光盘。样本台32为X-Z-θ台，构成为沿试验台34可在物镜5的光轴方向(Z方向)移动，同时，构成为沿基台33可在与光轴垂直的平面内的单轴方向(X方向)可移动。另外，样本台32备有绕多层光盘31的中心旋转的转台35。

若将多层光盘31设置在样本台32，则样本台32在多层光盘31的表面离开在测量部30上配置的物镜5的焦点之前在Z轴方向移动。并且，若多层光盘31比物镜5的焦点还向下离开，则样本台32这次在相反方向移动。在该状态下进行多层光盘31的膜厚测量。并且，若在X轴方向移动样本台32，则可以测量多层光盘21的半径方向的膜厚分布，另外，通过样本台32的转盘旋转，可以测量多层光盘32的圆周方向的膜厚分布。

另外，在本实施方式的说明中，说明了以多层光盘31为例进行三维的膜厚分布测量，但是本发明的适用并不限于多层光盘的膜厚测量。

这里，说明本实施方式4的特征。

(1)所述样本台备有：可在物镜的光轴方向移动地构成，同时在与该光轴垂直的面内可移动地构成，绕多层光盘的中心旋转的转盘。因此，可以测量多层光盘的半径方向和圆周方向的膜厚分布。

(实施方式5)

图8是表示本发明的实施方式5的形状测量装置36的外观的立体图。如图8所示，形状测量装置36备有：基台33；从该基台33向上方延伸的试验台34；可沿该试验台34在上下方向滑动地构成的样本台32；和通过试验台34支撑的测量部30。在测量部30上配置了从激光光源1到达光检测器12的光学系统。该光学系统是在所述实施方式1中所说明的共焦点光学装置27的光学系统。另外，也可代替此，而设为所述实施方式2或3中说明的共焦点光学装置的光学系统。

样本台32是X-Y-Z台，构成为沿试验台34可沿物镜5的光轴方向(Z方向)移动，同时构成为在与物镜5的光轴垂直的平面内正交的双轴方向(X方向和Y方向)沿基台33可移动。

共焦点光学装置27设置了存储部37和选择部38。存储部37中存储了对各种样本，对于在该样本上设置的透明层的折射率的数据。选择部38用于选择所测量的样本，具有对应于所测量的样本的多个开关。通过按下开关，选择对应于该开关的样本中的透明层的折射率。并且，像差校正控制器13的校正控制部17构成为根据该选择出的折射率和样本内深度，进行所述凹透镜4a的移动控制。

将样本装载在样本台32上。作为样本，可以选择例如LSI。LSI的表面形成着氧化膜作为保护膜。该氧化膜的折射率在激光的波长为652nm下例如为1.542。若作为样本选择了LSI，作为折射率使用1.542，进行球面像差校正。

在形状测量装置36上设置了所述双轴方向的移动量和从所述光轴方向的移动量导出样本的形状的形状导出部39。在样本台沿X方向、Y方向和Z方向移动而取得样本台的测量点的坐标值，同时，通过测量光检测器的信号强度，可测量样本内部的测量对象的三维形状。

另外，由于在本实施方式5中，设置了存储部37和选择部38，所以可以对各种样本进行球面像差校正。

另外，虽然为对多种样本进行形状测量的构成，但是并不限于此。即，若为没有设置选择部的构成，则可仅对规定的样本进行形状测量。这时，可以简化形状测量装置的构成。除此之外，构成、作用和效果与实施方式1相同。

这里，说明本实施方式5的特征。

(1)备有：对各种样本，存储对于在该样本上设置的透明层的折射率的数据的存储部；和选择所测量的样本用的选择部。因此，可以对各种样本进行球面像差校正。

(2)是具备共焦点光学装置，所述样本台在相对所述物镜的光轴方向正交的平面内，沿正交的双轴方向可移动地构成，设置了从所述双轴方向的移动量和所述光轴方向的移动量导出样本的形状的形状导出部的形状测量装置。因此，可以测量样本内部的测量对象的三维的形状。

(3)是沿所述物镜的光轴方向移动所述样本台，同时，还沿与其正交的方向移动，并通过所述球面像差方法而校正球面像差，同时，通过沿宽度方向测量所述测量对象的样本内深度，测量所述测量对象的形状的形状测量方法。

Claims (20)

1、一种共焦点光学装置，其使从光源出射的光通过物镜聚光到样本台上的样本内部，同时，通过检测透镜聚光来自所述样本的反射光后使其通过针孔，并用光检测器进行检测，其中，备有：

驱动机构，其使所述物镜透镜和所述样本台的一方移动，以便改变所述物镜和所述样本台的间隔；

球面像差校正部，其配置在所述光源和所述物镜之间；

基准位置检测部，其根据所述光检测器得到的检测结果，检测所述物镜的焦点位置对准所述样本的表面时的所述物镜或所述样本台的位置；

移动量导出部，其根据所述光检测器得到的检测结果，运算所述物镜的焦点位置对准所述样本内的测量对象之前的所述物镜或所述样本台的移动量，并导出所述测量对象的样本内深度；

校正控制部，其根据所述测量对象的样本内深度，控制所述球面像差校正部。

2、根据权利要求1所述的共焦点光学装置，其中：所述校正控制部根据所述测量对象的样本内深度和样本的折射率，控制所述球面像差校正部。

3、根据权利要求1所述的共焦点光学装置，其中：所述校正控制部控制所述球面像差校正部，同时进行所述物镜或所述样本台的移动量的控制。

4、根据权利要求1所述的共焦点光学装置，其中：所述球面像差校正部具有凹透镜和凸透镜，

所述校正控制部根据所述样本内深度和样本的折射率，进行所述凹透镜或所述凸透镜的移动控制。

5、根据权利要求4所述的共焦点光学装置，其中：所述校正控制部构成为进行所述凹透镜或所述凸透镜的移动控制，同时，进行所述物镜或所述样本台的移动量的控制，且对应于所述凹透镜和所述凸透镜的间隔，将所述物镜和所述样本台间的间隔调整为球面像差为最小的间隔。

6、根据权利要求1所述的共焦点光学装置，其中：将所述针孔的直径设定为通过从所述光源出射的光的波长和所述检测透镜的数值孔径决定的埃里斑直径的三倍以下。

7、根据权利要求6所述的共焦点光学装置，其中：将所述针孔的直径设定为所述埃里斑直径的一倍以下。

8、根据权利要求1所述的共焦点光学装置，其中：将所述物镜的数值孔径设定为0.8以上。

9、根据权利要求1所述的共焦点光学装置，其中：所述物镜成为在样本的规定深度处球面像差为最小的设定。

10、根据权利要求1所述的共焦点光学装置，其中，备有：

存储部，其对各种样本，存储了针对在其样本上设置的透明层的折射率的数据；和

选择部，其用于选择测量的样本。

11、一种膜厚测量装置，其中，备有：

权利要求1所述的共焦点光学装置，和

膜厚导出部，其从所述样本的移动量的差中导出膜厚。

12、根据权利要求11所述的膜厚测量装置，其中：作为所述样本使用多层光盘。

13、根据权利要求12所述的膜厚测量装置，其中：

所述样本台备有转台，其可在物镜的光轴方向移动地构成，同时在与该光轴垂直的面内可移动地构成，绕多层光盘的中心旋转。

14、一种形状测量装置，其中：

具备权利要求1所述的共焦点光学装置，

所述样本台构成为可在相对所述物镜的光轴方向正交的平面内沿正交的双轴方向移动；

设置有形状导出部，其从所述双轴方向的移动量和所述光轴方向的移动量中导出样本的形状。

15、一种球面像差校正方法，其校正将从光源出射的光通过物镜聚光到样本台上的样本内部时产生的球面像差，其中：

通过检测透镜聚光来自所述样本的反射光后使其通过针孔，并用光检测器进行检测；

使所述物镜和所述样本台的一方移动，以便改变所述物镜和所述样本台的间隔，并根据所述光检测器得到的检测结果，检测所述物镜的焦点位置对准所述样本的表面时的所述物镜或所述样本台的位置；

进一步，使所述物镜或所述样本台移动，并根据所述光检测器得到的检测结果，检测所述物镜的焦点位置对准所述样本内的测量对象时的所述物镜或所述样本台的位置；

通过所述焦点位置对准样本表面时的位置，和处于所述测量对象时的位置，导出所述测量对象的样本内深度；

根据所述测量对象的样本内深度，校正球面像差。

16、根据权利要求15所述的球面像差校正方法，其中：

根据所述测量对象的样本内深度和样本的折射率来校正球面像差。

17、根据权利要求15所述的球面像差校正方法，其中：

通过使向所述物镜的入射光为发散光来校正球面像差。

18、根据权利要求15所述的球面像差校正方法，其中：

通过使向所述物镜的入射光为发散光，同时改变所述物镜和所述样本台的间隔，从而校正球面像差。

19、一种膜厚测量方法，其中：

通过权利要求15所述的球面像差校正方法校正球面像差，同时从所述测量对象的样本内深度测量膜厚。

20、一种形状测量方法，其中：

使所述样本台沿所述物镜的光轴方向移动，同时，还沿与光轴正交的方向移动；

通过权利要求15所述的球面像差方法校正球面像差，同时通过在宽度方向测量所述测量对象的样本内深度来测量所述测量对象的形状。

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