JP2001004336A

JP2001004336A - 斜入射干渉計

Info

Publication number: JP2001004336A
Application number: JP11173768A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Sakuta; 博伸作田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-06-21
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2001-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で、被測定面の全面にわたって正確
に位相差を検出することのできる斜入射干渉計を提供す
る。【解決手段】光源１００と、光源１００からの光を参照
光束１０５と測定光束１０６とに分離し、測定光束１０
６を被測定面１１３に向けて斜入射させる分離部１０４
と、被測定面１１３からの反射光束と参照光束１０５と
を重ね合わせて干渉させる干渉部１０８と、参照光束１
０５の位相を変調させる位相変調部１０９とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定面に対し斜
入射で被測定光を照射することにより、平面状基板の面
形状の計測を行う斜入射干渉計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、斜入射干渉計は、大型平面ガ
ラス基板・シリコンウェハ・フォトマスク・磁気ディス
クなどの面精度測定に広く用いられている。斜入射干渉
計の光学系としては、直角プリズムを用いる光学系と回
折格子を用いる光学系が特に良く知られている。回折格
子を用いる斜入射干渉計の光学系について図３を用いて
簡単に説明する。

【０００３】図３の構成では、可干渉性のある光源（不
図示）から発せられたコリメートされた光束は、図３の
紙面内方向に偏向するように格子が形成された第１の回
折格子１０に入射し、０次回折光の光束１１と１次回折
光の光束１２に分割される。１次回折光の光束１２は、
測定光束として被測定面１３に照射され、被測定面１３
の形状によって変調された後、第２の回折格子１４に入
射する。一方、０次回折光の光束１１は、参照光束とし
て直接第２の回折格子１４に入射する。第２の回折格子
１４の格子模様は、第１の回折格子１０と同じ格子模様
で、しかも第１の回折格子１０の格子模様と向き合うよ
うに形成されている。０次回折光の光束１１と１次回折
光の光束１２は、第２の回折格子１４で回折されること
により、２光束１１、１２が同一の光路上に重ね合わせ
られ、これにより２つの光束１１と光束１２が干渉し、
干渉光束１５となる。この干渉光束１５を結像光学系３
１によりスクリーン１７上に結像させることにより、ス
クリーン１７上で干渉縞を観測することができる。

【０００４】このような構成の斜入射干渉計では、測定
光束１２の被測定面１３への入射角をθとすると、被測
定面１３に高さΔｄの凹凸がある場合は、凹凸がない場
合に比べ２π（２Δｄｃｏｓθ）／λの位相差が生じ
る。これに対し、通常の垂直入射のフィゾー干渉計では
２π（２Δｄ）／λの位相差になるため、斜入射干渉の
方が大きな凹凸を計測しやすいということになる。逆
に、小さな凹凸を高精度に測定しようとする場合には不
利である。

【０００５】そのため、フィゾー干渉計やトワイマン−
グリーン干渉計によく適用される縞走査法を斜入射干渉
計に適用することにより、斜入射干渉計の測定精度を向
上させることが提案されている。例えば、特開平４-２
２１７０４号公報に記載されている斜入射干渉計は、図
４のように被測定物１３の下にアクチュエータ４１を取
り付け、任意の量だけ被測定物１３を移動させることに
より測定光束１２に位相変調を与える。このように、参
照光束と測定光束との間に任意の位相差を与えた場合、
干渉縞の１点に着目した場合の干渉光の強度が、位相差
（横軸）に応じて正弦波的に変調された信号となる（図
５）。すなわち、与えた任意の位相差が例えば０、π／
２、π、３π／２であるとし、それに対応した干渉縞強
度をＩ1、Ｉ2、Ｉ3、Ｉ4とするとき、着目した１点の初
期位相は、 φ＝ｔａｎ^-1（（Ｉ2−Ｉ4）／（Ｉ1−Ｉ3））より求めることができるので、サブフリンジの計測が可
能になる。図４のように被測定物１3の全体をアクチュ
エータ４１で上下させた場合には、干渉縞の全域に渡っ
て一様に位相差を与えることができるため、全面に縞走
査法を適用し、全面にわたってサブフリンジ計測するこ
とが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の特開平４-２２
１７０４号公報に記載されているように被測定物１３の
全体をアクチュエータ４１で上下させようとする場合、
照射面積全体にわたって被測定物１３を正確に上下させ
る必要がある。というのは、被測定物１３の両端におけ
る上下量に差があると、この差はそのまま測定誤差につ
ながってしまうからである。しかしながら、斜入射干渉
計は、被測定物１３の面積が大面積であるため、その全
面にわたって正確かつ一様に上下させることはかなり困
難である。このため、図４の構成を実現しようとする
と、非常に高精度なアクチュエータ４１が必要であり、
装置がコスト高になることは避けがたい。

【０００７】本発明は、上記課題を解決し、斜入射干渉
計でありながら、簡単な構成で、被測定面の全面にわた
って正確に位相差を検出することのできる斜入射干渉計
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、以下のような斜入射干渉計が提供
される。

【０００９】すなわち、光源と、前記光源からの光を参
照光束と測定光束とに分離し、前記測定光束を被測定面
に向けて斜入射させる分離部と、前記被測定面からの反
射光束と前記参照光束とを重ね合わせて干渉させる干渉
部と、前記参照光束の位相を変調させる位相変調部とを
有することを特徴とする斜入射干渉計である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について図
１等を用いて説明する。

【００１１】本実施の形態の斜入射干渉計は、レーザ光
源１００と、その光軸上に順に配置された集光レンズ１
０１、空間フィルタ１１７、コリメータレンズ２、第１
の回折格子１０４を備えている。第１の回折格子１０４
は、レーザ光源１００からの光を測定光束１０５と参照
光束１０６に分離するために配置されている。測定光束
１０６が照射される位置には、被測定物１１３を搭載す
るためのステージ１０７が配置されている。ステージ１
０７は、被測定物１１３に光束１０６が入射角θで斜め
方向から入射するようにその向きが定められている。一
方、参照光束１０５の光路の途中には、参照光束１０６
の位相を任意の量だけずらすための位相変調素子１０９
が配置されている。

【００１２】位相変調素子１０９を通過した参照光束１
０５と、被測定物１１３で反射された測定光束１０６と
が入射する位置には、参照光束１０５と測定光束１０６
とを同一光路上に重ね合わせて干渉させ、干渉光束１１
８とするための第２の回折格子１０８が配置されてい
る。第２の回折格子１０８の格子模様（格子断面形状お
よび格子ピッチ）は、第１の回折格子１０４の格子模様
と同一の形状であり、この格子ピッチの方向ならびに第
１の回折格子１０４の格子ピッチの方向は、共に図１の
紙面内の方向である。干渉光束１１８の進行する光軸上
には、集光レンズ１１２、空間フィルタ１１４、ＣＣＤ
１１５が配置されている。ＣＣＤ１１５には、撮像デー
タを処理するためのコンピュータ１１６が接続されてい
る。

【００１３】位相変調素子１０９の構成について図２を
用いてさらに説明する。位相変調素子１０９は、光源１
００の出射光に対して透明な同じ材質で作成された同一
形状の２つのくさび形プリズム２０１、２０２の斜面同
士を近接して配置した構成である。近接して配置された
くさび形プリズム２０１、２０２は、厚さｔの平行平板
状になる。この平行平板状のくさび形プリズム２０１、
２０２は、入射側平面および出射側平面が参照光束１０
５の光軸に垂直になるように、参照光束１０５中に挿入
されている。

【００１４】また、一方のくさび形リズム２０１には、
斜面の傾斜方向に沿って平行移動させるためのアクチュ
エータ２０３が取り付けられている。アクチュエータ２
０３がくさび形プリズム２０１をずらすと、これに伴っ
て平行平板の厚さｔが変化するため、平行平板を通過す
る参照光束１０５の光路長が変化し、参照光束１０５は
位相変調を受ける。これにより、参照光束１０５全体に
厚さｔに応じた位相変調を一様に与えることができる。
アクチュエータ２０３は、コンピュータ１１６に接続さ
れており、その動作が制御される。

【００１５】コンピュータ１１６には、参照光束１０５
の位相を任意の変調量（例えば０、π／２、π、（３
π）／２）だけ変調させるために、位相変調量とくさび
形プリズム２０１の移動量との関係が、内蔵するメモリ
に予め格納されている。コンピュータ１１６は、必要な
変調量に対応するくさび形プリズム２０１の移動量を読
み出して、この移動量だけくさび形プリズム２０１を移
動させるようにアクチュエータ２０３に指示する。

【００１６】つぎに、本実施の形態の斜入射干渉計によ
り、被測定物１１３の表面形状を測定する場合の各部の
動作について説明する。

【００１７】レーザ光源１００から発せられたレーザビ
ームは、レンズ１０１で集光され、ビームウェストの位
置にある空間フィルタ１１７を通過することにより外乱
光を除去される。この空間フィルタ１１７から発散する
ビームは、レンズ１０２により平行光束１０３に変換さ
れる。平行光束１０３は、第１の回折格子１０４に入射
し、これによって回折されることにより、０次回折光、
１次回折光に分離される。第１の回折格子１０４は、０
次回折光と１次回折光のみを生じるように最適化されて
いる。

【００１８】これら回折光のうち、１次回折光は、測定
光束１０６として、被測定物１１３の被測定面に入射角
θで斜入射し、被測定物１１３の被測定面の形状に応じ
て位相が変調された後、第２の回折格子１０８に入射す
る。一方、０次回折光は、参照光束１０５として、位相
変調素子１０９に入射し、これを透過して第２の回折格
子１０８に到る。位相変調素子１０９は、上述したよう
に２つのくさび形プリズム２０１、２０２が合わさった
平行平板状であるため、参照光束１０５は、これを透過
する際に、平行平板の厚さｔに応じた位相変調を光束全
体が受ける。

【００１９】第２の回折格子１０８には、第１の回折格
子１０４の格子模様と同じ模様が、第１の回折格子１０
４と向かい合わせになるように形成されているため、参
照光束１０５と測定光束１０６が入射すると、両者は同
じ方向に回折されて、同一の光路上に重ね合わせられ
る。このため、参照光束１０５と測定光束１０６とは干
渉し、干渉光束１１８が得られる。これにより、干渉光
束１１８を集光レンズ１１２により集光し、空間フィル
タ１１４を通過させ、ＣＣＤ１１５上に結像させること
により、ＣＣＤ１１５上で干渉縞が形成され、ＣＣＤ１
１５はこの干渉縞を撮像する。

【００２０】コンピュータ１１６は、ＣＣＤ１１５が撮
像した干渉縞画像を内蔵するメモリに取り込む。このと
き、コンピュータ１１６は、位相変調素子９のアクチュ
エータ２０３に指示し、平行平板の厚さｔを、参照光束
１０５の位相を０、π／２、π、（３π）／２だけ変調
させる厚さにそれぞれ設定し、そのつどＣＣＤ１１５が
撮像した干渉縞画像を取り込む。これにより、参照光束
１０５全体に一様に位相変調０、π／２、π、（３π）
／２を与えた４枚の干渉縞画像を取り込むことができ
る。

【００２１】干渉縞画像上の任意の点（ｘ，ｙ）の干渉
光の強度は、図５のように位相変調量に応じて正弦波的
に変調された信号となるため、与えた任意の位相変調量
０、π／２、π、（３π）／２に対応した干渉縞強度を
それぞれＩ1(x,y)、Ｉ2(x,y)、Ｉ3(x,y)、Ｉ4(x,y)とす
ると、その点（ｘ，ｙ）の初期位相は、 φ＝ｔａｎ^-1（（Ｉ2(x,y)−Ｉ4(x,y)）／（Ｉ1(x,y)−
Ｉ3(x,y)））の式で表される。コンピュータ１１６は、取り込んだ４
枚の干渉縞画像の対応する点（ｘ，ｙ）について、強度
Ｉ1(x,y)、Ｉ2(x,y)、Ｉ3(x,y)、Ｉ4(x,y)を求め、それ
を上式に代入することにより、初期位相φを求める。こ
の初期位相φを干渉縞画像上の各点について求めること
により、被測定物１１３の表面形状を求める。このよ
うに、本実施の形態の斜入射干渉計では、参照光束１０
５の途中に位相変調素子１０９を配置し、参照光束１０
５に位相変調を与えることにより、縞走査法により、高
精度に被測定物１１３の表面形状を計測することができ
る。このとき、参照光束１０５の断面積は、被測定物１
１３への測定光束１０６の照射面積よりも小さいため、
測定光束１０６を位相変調させる場合と比較して、簡単
な構成で高精度に参照光束１０５全体を位相変調するこ
とが可能である。

【００２２】また、本実施の形態の場合、位相変調素子
１０９として、くさび形プリズム２０１、２０２を合わ
せたものを用いているため、一方のプリズム２０１を参
照光束１０５の光軸に垂直な方向に移動させるだけで、
簡単に位相変調を与えることができる。

【００２３】なお、上述の実施の形態では、位相変調素
子１０９を透過した参照光束１０５の波面は、波面収差
が無視できるほど微小であるという前提で説明してきた
が、サイズの大きい被測定物１１３を測定する場合や、
より高精度に測定を行う場合には、位相変調素子１０９
により参照光束１０５に生じた波面収差の影響をコンピ
ュータ１１６により補正することができる。この波面収
差は、位相変調素子１０９のくさび形プリズム２０１、
２０２の素材の屈折率分布や面精度の不均一性等に起因
する。そこで、波面収差の影響を補正するために、予め
位相変調素子１０９の透過波面精度データを別の干渉計
で測定しておく。そして、本干渉計で測定した干渉縞画
像より求められた波面データから位相変調素子１０９の
波面精度データを差し引くことにより、被測定物１１３
の形状を補正する。なお、この補正方法を用いる場合、
別の干渉計で波面収差を測定する際の位相変調素子１０
９のｘ方向、ｙ方向を、本実施の形態の斜入射干渉計に
取り付ける際のｘ方向、ｙ方向と一致させる必要がある
ため、位相変調素子１０９のプリズム２０１、２０２
に、ｘ方向、ｙ方向を示すフィデュシャルマーク２０
４、２０５をつけ、これによりアライメントすることが
望ましい。

【００２４】なお、位相変調素子１０９で位相を変調す
る際の波面収差の変化は、くさび形プリズムの移動量が
小さいため、測定精度にはほとんど影響しない。

【００２５】また、位相変調素子１０９による波面収差
を求める方法としては、上述のように別の干渉計で求め
る方法の他に、本実施の形態の斜入射干渉計で求めるこ
ともできる。この場合、被測定物１１３の位置に、表面
に凹凸がないか、もしくは予め凹凸形状のわかっている
基準試料を配置して、得られた干渉縞から被測定物１１
３の凹凸形状を上述の方法で求める。求められた被測定
物１１３の凹凸形状から、基準試料の形状を差し引くこ
とにより、位相変調素子１０９の波面収差を得ることが
できる。よって、実際の測定時に、この波面収差を、測
定値から差し引くことにより、波面収差の影響を補正す
ることができ、高精度に被測定物１１３の形状を求める
ことができる。

【００２６】なお、上記実施の形態では、位相変調素子
１０９として、図２のような２つのくさび形プリズム２
０１、２０２を重ね合わせたものを用いたが、他の位相
変調素子を用いることも可能である。例えば、図６
（ａ）のように、２枚の同じ材質および厚さの平行平板
６０１、６０２を向かい合わせ、下部の間隔を固定治具
６０４で固定し、上部の間隔をアクチュエータ６０３で
可変にしたものを用いることができる。この構成では、
平行平板６０１、６０２がそれぞれ参照光束１０５の光
軸に対して＋θ、−θ傾斜する配置となる。参照光束１
０５の１本の光線の光路は、図６（ｂ）のようになり、
θの大きさによって平行平板６０１、６０２を通過する
光路長（ＡＢ間およびＣＤ間の長さ）が変化するため、
アクチュエータ６０３を伸び縮みさせてθの大きさをΔ
θ変化させることにより参照光束１０５に位相変調を与
えることができる。

【００２７】また、図２の位相変調素子１０９からプリ
ズム２０２を取り外し、くさび形プリズム２０１とアク
チュエータ２０３のみを位相変調素子として用いること
もできる。この構成もアクチュエータ２０３を参照光束
１０５の光軸に垂直に移動させることにより、くさびを
通過する光路長が変化するため、移動量に応じた位相変
調量を与えることができる。なお、この構成では、くさ
び形プリズム２０１を透過した後の参照光束１０５の光
軸が、透過前の光軸に対して傾斜してしまうため、第２
の回折格子１０８の格子模様を、光軸の傾斜した参照光
束１０５と測定光束１０６とを重ね合わせることができ
る形状に変更する必要がある。

【００２８】また、位相変調素子１０９としては、厚さ
が階段状に変化している平板や、予め厚さｔのわかって
いる複数種類の平行平板を用いることができる。これら
の平行平板を参照光束１０５中に挿入することにより、
位相を変調させることができる。

【００２９】さらに、位相変調素子１０９としては、電
気的な制御により屈折率が変化する材料、例えば液晶や
電気光学材料を用いることも可能である。このような材
料を充填したセル等を参照光束１０５の光路中に配置
し、電界を印加し、電界を変調させることにより屈折率
を変化させる。これにより、この材料を通過する参照光
束の光路長を変化させることができ、位相変調が実現で
きる。

【００３０】なお、上述の実施の形態では、参照光束１
０５に与える位相変調量を０、π／２、π、（３π）／
２の４段階に変化させ、縞走査法に基づいて初期位相を
計算により求めているが、本実施の形態の斜入射干渉計
は、５段階以上に位相変調させたデータから計算で求め
る方法や多段階に位相変調させたデータから最小二乗法
で求める方法等にも対応可能であるので、縞走査法の他
の計算方法を用いることも可能である。

【００３１】また、図２の位相変調素子１０９では、重
ね合わせられたプリズム２０１とプリズム２０２の斜面
に反射防止膜を形成しておくことが望ましい。

【００３２】なお、本実施の形態の斜入射干渉計の被測
定物１１３としては、大型平面ガラス基板・シリコンウ
ェハ・フォトマスク・磁気ディスクなどほぼ平面状の物
体で、面に極端な粗さがなく、適当な反射率を有する物
体が適している。通常これらの平面状物体の平面度を測
定する場合、その反射率は高くないため、第１の回折格
子１０４の０次回折光に対し１次回折光の回折効率が高
くなるような素子を用いると、干渉縞のコントラストが
上がり、測定精度をより向上させることが可能である。

【００３３】

【発明の効果】上述してきたように、本発明によれば、
簡単な構成で、被測定面の全面にわたって正確に位相差
を検出することのできる斜入射干渉計を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態の斜入射干渉計の構成を
示すブロック図。

【図２】図１の斜入射干渉計の位相変調素子１０９の詳
しい構成を示す斜視図。

【図３】従来の斜入射干渉計の構成を示すブロック図。

【図４】従来の縞走査法を用いる斜入射干渉計の構成を
示すブロック図。

【図５】図４の斜入射干渉計により測定光束に位相変調
を与えた場合の干渉縞の１点の光強度を示すグラフ。

【図６】（ａ）本実施の形態の斜入射干渉計に用いるこ
とのできる位相変調素子の別の構成を示す説明図。
（ｂ）上記位相変調素子の位相変調の原理を示す説明
図。

【符号の説明】

１０・・・回折格子、１３・・・被測定物、１４・・・
回折格子、３１・・・結像光学系、１７・・・スクリー
ン、４１・・・アクチュエータ、１００・・・レーザ光
源、１０１・・・集光レンズ、１０２・・・コリメータ
レンズ、１０３・・・平行光束、１０４・・・回折格
子、１０５・・・参照光束、１０６・・・測定光束、１
０７・・・ステージ、１０８・・・回折格子、１０９・
・・位相変調素子、１１２・・・集光レンズ、１１３・
・・被測定物、１１４・・・空間フィルタ、１１５・・
・ＣＣＤ、１１６・・・コンピュータ、１１７・・・空
間フィルタ、１１８・・・干渉光束、２０１、２０２・
・・くさび形プリズム、２０３・・・アクチュエータ、
２０４、２０５・・・マーク、６０１、６０２・・・平
行平板、６０３・・・アクチュエータ、６０４・・・固
定治具。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの光を参照光束と測
定光束とに分離し、前記測定光束を被測定面に向けて斜
入射させる分離部と、前記被測定面からの反射光束と前
記参照光束とを重ね合わせて干渉させる干渉部と、前記
参照光束の位相を変調させる位相変調部とを有すること
を特徴とする斜入射干渉計。
【請求項２】請求項１に記載の斜入射干渉計において、
前記位相変調部は、前記参照光束の光路中に配置された
平行平板部材と、駆動部とを有し、前記平行平板部材
は、斜面同士を近接配置させた２つのくさび形プリズム
からなり、前記駆動部は、前記平行平板部材の厚さを変
化させるために、少なくとも一方のくさび形プリズムを
前記斜面に沿って移動させることを特徴とする斜入射干
渉計。
【請求項３】請求項１に記載の斜入射干渉計において、
前記干渉部が干渉させた干渉光の干渉縞の強度を検出す
る検出部と、前記検出部の検出した強度を取り込んで被
測定面の形状を求める処理部とを有し、前記処理部は、前記位相変調部が変調させる位相変調量
を制御し、前記位相変調量に対応する干渉光の強度を取
り込んで縞走査法により被測定面の形状を求めることを
特徴とする斜入射干渉計。
【請求項４】請求項３に記載の斜入射干渉計において、
前記処理部は、予め測定しておいた前記位相変調素子の
波面収差データにより、前記求めた被測定面の形状を補
正することを特徴とする斜入射干渉計。