JP2002181699A - 光学検出装置およびこれを用いた研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学検査装置における光学部材表面での反射
光が検査光学系に入射することを防止して、Ｓ／Ｎ比の
低下を防止する。 【解決手段】 被検物体４に検査照明光を照射し、この
被検物体からの反射光を検査信号光として信号検出器に
より受光して検出するように光学検出装置を構成してい
る。この光学検出装置において、検査照明光および検査
信号光が共通の光路７ｂを有し、この共通の光路７ｂ内
に設けられたビームスプリッタプリズム３における共通
の光路内での空気との境界面３ｄが共通の光路７ｂに垂
直となる場合に、この境界面３ｄからの検査照明光の反
射光が検査信号光の光路７ｃから外れるように境界面３
ｄを傾斜させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検物体に検査照
明光を照射し、被検物体からの反射光を検査信号光とし
て信号検出器により受光して検出するように構成された
光学検出装置に関し、さらに、この光学検出装置を用い
て構成される研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このような光学検査装置は被検物体表面
に蒸着形成された膜の厚さや、被検物体表面の反射分光
特性等を検査するために用いられ、例えば、半導体ウエ
ハや液晶表示パネル用ガラス基板等のような基板の製造
工程における検査装置として用いられている。このよう
な光学検査装置は、基板からの反射光を検査信号光とし
て受光検出し、反射光（検査信号光）の波長毎の光量を
分析して基板に形成された薄膜の膜厚を測定したり、反
射光の分光特性から被検物体表面の物質を特定したりす
るために使用される。

【０００３】このような光学検査装置は、被検物体表面
に検査照明光を照射し、このとき被検物体から反射され
てくる反射光を、分光器等のような信号検出器により受
光して波長毎の光強度を検出するように構成されてい
る。このような光学検査装置に用いられる光学系は、被
検物体への入射光とそれからの反射光の光軸を一致さ
せ、ビームスプリッタプリズムを用いて分離する構成が
利用されている。また、光源のサイズ、発光角、被検物
体表面の分析領域、分光器のサイズおよび角度特性等を
考慮した適切な倍率でリレー光学系が組み込まれてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような光学検査装
置では、被検物体表面の光反射率、被検物体表面近傍に
介在する信号撹乱物質の影響により、検査信号光（反射
光）の強度が検査照明光の強度に比べて微弱となること
が多い。このため、リレー光学系や、ビームスプリッタ
等のような光学部材の表面で検査照明光が直接反射さ
れ、このように直接反射された光が信号検出器を構成す
る検出光学系に入射してノイズとなり、検出光学系のＳ
／Ｎ比を低下させるという問題がある。特に、研磨装置
（ＣＭＰ装置）に使用する膜厚測定器や研磨終点検出器
では、研磨するウエハ面上に介在する研磨剤の影響によ
り検出信号が微弱となるため、検出光学系のＳ／Ｎ比の
低下は著しい。

【０００５】検出光学系の光学部材であるビームスプリ
ッタの端面は光軸に垂直であるため、光軸に平行な入射
光がこの端面で正反射すると入射光と同一の光路を戻る
ため、このようなビームスプリッタ端面からの正反射光
がノイズとなる可能性が高い。また、リレー光学系を構
成するリレーレンズにおいて曲率の大きな面に平行光が
入射する場合も、反射光がほぼ同一光路を戻ることにな
り、これがノイズとなってＳ／Ｎ比を低下させる原因と
なる。

【０００６】本発明は以上のような問題に鑑みたもの
で、光学検査装置における光学部材表面での反射光が検
査光学系に入射することを防止して、Ｓ／Ｎ比の低下を
防止することができるような構成の光学検査装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的達成のた
め、本発明においては、被検物体に検査照明光を照射
し、この被検物体からの反射光を検査信号光として信号
検出器により受光して検出するように光学検出装置を構
成しており、この光学検出装置において、検査照明光お
よび検査信号光が共通の光路を有し、この共通の光路内
に設けられた光学部材における共通の光路内での空気と
の境界面もしくはこの境界面の接平面からの検査照明光
の反射光が検査信号光の光路から外れるように境界面も
しくは接平面を傾斜させている。

【０００８】なお、この場合、前記境界面もしくは前記
接平面からの検査照明光の反射光が信号検出器を構成す
る検出光学系の有効検出範囲の外に入射するように前記
境界面もしくは前記接平面を傾斜させるのが好ましい。

【０００９】このような構成の光学検出装置では、光学
部材における境界面もしくは接平面からの検査照明光の
反射光は信号検出器に向かう検査信号光の光路から外れ
るため、信号検出器にこの反射光が入射することがなく
（もしくは小さく）、反射光がノイズとなって悪影響が
及ぶことがない（もしくは少ない）。このため、信号検
出における検出信号のＳ／Ｎ比が低下することがなく
（もしくはこの低下量が小さく）、精度の高い検出が可
能である。

【００１０】本発明の光学検出装置において、光学部材
が、前記共通の光路内での空気との境界面が平面形状と
なる光路分割部材から構成される場合には、この光路分
割部材を、光量分割面における前記共通の光路との交点
を通る法線を軸として、式（１）を満たす角度θだけ回
転させて配置するのが好ましい。このように光路分割部
材を配置すれば、光路分割部材における光軸にほぼ垂直
となる端面での反射光が信号検出器の検出光学系の光路
内に入射することがなくなり、Ｓ／Ｎ比の高い検出が可
能となる。

【００１１】

【数１】 cosθ ＜ 2cos[(1/2)arctan{(φ+D)/2A}] − 1 ・・・（１） 但し、 φ：前記信号検出器を構成する検出光学系の有
効径 Ｄ：前記境界面からの前記検査照明光の反射光の前記検
出光学系入射面への入射光束径 Ａ：前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
作用を有する光学部材が介在しない場合はその空気間
隔、前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
作用を有する光学部材が介在する場合はその焦点距離

【００１２】また、本発明の光学検出装置において、光
学部材が、前記共通の光路内での空気との境界面が所定
の曲率を有したレンズ部材から構成される場合には、こ
のレンズ部材の曲率中心を、前記共通の光路の光軸に対
して所定量Sだけずらせて配設するのが好ましい。この
所定量Sは、式（２）に基づいて設定するのが好まし
い。このようにレンズ部材の曲率中心をずらせることに
より、検査照明光の光束中心が通るレンズ表面における
接平面は光束に垂直な面に対して傾斜することになり、
レンズ表面からの正反射光は信号検出器の検出光学系の
光路内に入射することがなくなり、Ｓ／Ｎ比の高い検出
が可能となる。

【００１３】

【数２】 S ＞ r・sin[(1/2)arctan{(φ+D)/2A}] ・・・（２） 但し、 ｒ：太い光束が入射する側の前記レンズ部材の
曲率半径 φ：前記信号検出器を構成する検出光学系の有効径 Ｄ：前記境界面からの前記検査照明光の反射光の前記検
出光学系入射面への入射光束径 Ａ：前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
作用を有する光学部材が介在しない場合はその空気間
隔、前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
作用を有する光学部材が介在する場合はその焦点距離

【００１４】また、本発明の光学検出装置において、光
学部材が、前記共通の光路内での空気との境界面を有し
た光学素子から構成される場合には、この光学素子を前
記共通路の光路の光軸を含む面内で、次式（３）を満た
す角度γだけ回転させて配置するのが好ましい。このよ
うに角度γだけ回転させることにより、検査照明光の光
束中心が通る光学素子表面における接平面は光束に垂直
な面に対して傾斜することになり、光学素子表面からの
正反射光は信号検出器の検出光学系の光路内に入射する
ことがなくなり、Ｓ／Ｎ比の高い検出が可能となる。

【００１５】

【数３】 γ ＞ (1/2)arctan{(φ+D)/2A} ・・・（３） 但し、 φ：前記信号検出器を構成する検出光学系の有
効径 Ｄ：前記境界面からの前記検査照明光の反射光の前記検
出光学系入射面への入射光束径 Ａ：前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
作用を有する光学部材が介在しない場合はその空気間
隔、前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
作用を有する光学部材が介在する場合はその焦点距離

【００１６】また、上述の光学検出装置は、前記被検物
体を研磨する研磨パッドと前記被検物体を載置するステ
ージと、前記研磨パッドと前記被検物体とを相対的に移
動させる駆動機構とを有する研磨装置に備えられ、前記
被検物体の研磨状態を検出する装置に使用することが好
ましい。特に研磨装置では、被検物体からの反射光が弱
くなるので、このような境界面で反射する光があるとＳ
／Ｎ比を高く検出することが難しくなる。そこで、上述
の光学検出装置を用いれば、このようなことを防ぐこと
が可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施形態について説明する。まず、図１に本発明
の第１実施形態に係る光学検査装置を示している。この
光学検査装置においては、光源１から出た光はレンズ部
材２ａにより平行光に変換され、ビームスプリッタプリ
ズム３を透過した成分がレンズ２ｂ，２ｃによってリレ
ーされ、被検物体４の表面に検査照明光として照射され
る。このような検査照明光の照射に対して発生する被検
物体４の表面からの反射光すなわち検査信号光は上記と
逆の方向に進み、リレーレンズ２ｃ，２ｂを経てビーム
スプリッタプリズム３に至る。このことから分かるよう
に、ビームスプリッタプリズム３からリレーレンズ２
ｂ，２ｃを経て被検物体４に至る光路は、検査照明光お
よび検査信号光の共通の光路となっている。

【００１８】上記のようにしてビームスプリッタプリズ
ム３に到達した検査信号光のうち、ビームスプリッタプ
リズム３の光量分割面で反射された成分が図における右
方向に射出され、光路折り曲げミラー５により反射され
た後、レンズ２ｄによって集光されて信号検出器６に繋
がったファイバー光学系９の入射面９ａ近傍で結像す
る。このようにして被検物体４の表面から反射光である
検査信号光が信号検出器６により検出され、前述したよ
うに、反射光の波長毎の光量を分析して被検物体４の表
面膜厚の検査を行ったり、分光特性を求めて被検物体４
の表面物質の特定等が行われたりする。

【００１９】図２には、図１の構成の光学検査装置にお
けるビームスプリッタプリズム３およびその周囲を拡大
して示している。この光学検査装置においては、ビーム
スプリッタプリズム３を、その光量分割面３ａの検査照
射光光軸との交点を通る法線３ｂを軸にして角度θだけ
回転して配設している（法線方向から光量分割面３ａを
見て示す図３参照）。なお、この角度θはレンズ部材２
ａの光軸とビームスプリッタプリズム３の端面３ｃが垂
直になるときに０度となる。このビームスプリッタプリ
ズム３に光源１からの検査照明光が照射されたときの光
の光路を追跡して説明する。図２において、光源側から
プリズム３に入射する光の光軸を７ａで示し、プリズム
３を透過して被検物体側へ射出される光の光軸を７ｂで
示し、被検物体４の表面から正反射した検査信号光が光
軸７ｂと同一経路を通ってプリズム３の光量分割面３ａ
で反射されて検出器側に射出される光の光軸を７ｃで示
している。

【００２０】まずプリズム３に入射する光の光軸７ａに
沿った入射光を追跡する。プリズム３におけるこの光の
入射面３ｃの法線ベクトルｎ_ｖと、光軸７ａのなす角α
は、次式（４）で表すことができる。

【００２１】

【数４】cosα＝1/2 (１＋cosθ) ・・・（４）

【００２２】ここで、プリズム３内を透過して反対側の
端面３ｄにおいて一部の光が反射されるが、この反射光
は上記角度αで反射されて光量分割面３ａに照射され、
ここで反射された反射光は破線８で示すように、光軸７
ｃに対して２αの角度を有して射出される。このように
破線８で示す光がファイバー光学系９の入射面９ａから
信号検出器６に入り込むとのこの反射光がノイズ光とな
ってＳ／Ｎ比が低下するという問題があるため、本発明
では破線８で示す反射光（ノイズ光）が入射面９ａ内に
入り込まないように設定しており、このための条件につ
いて以下に説明する。

【００２３】破線８で示すノイズ光がレンズ２ｄによっ
て集光された後にファイバー光学系９の入射面９ａから
信号検出器６に入り込まないための条件は、レンズ２ｄ
の焦点距離をＡ、入射面９ａの有効径をφ、ノイズ光の
入射面９ａへの入射光束径をＤとすれば、次式（５）に
より表すことができる。

【００２４】

【数５】２α＞ arctan{(φ＋Ｄ)/2A} ・・・（５）

【００２５】式（５）を変形すれば、次式（６）とな
る。

【００２６】

【数６】 α＞ (1/2) arctan{(φ＋Ｄ)/2A} ・・・（６）

【００２７】ここで、０°＜α＜９０°であるから、co
sαは単調減少の関係となり、次式（７）の関係が得ら
れる。

【００２８】

【数７】 cosα＞ cos[(1/2) arctan{(φ＋Ｄ)/2A}] ・・・（７）

【００２９】次に、この式（７）の左辺に上式（４）を
代入すると、式（８）が得られ、これを更に変形すると
式（９）となる。

【００３０】

【数８】 1/2 (１＋cosθ) ＞ cos[(1/2) arctan{(φ＋Ｄ)/2A}] ・・・（８） cosθ ＞ 2cos[(1/2) arctan{(φ＋Ｄ)/2A}]−１ ・・・（９）

【００３１】このことから分かるように、上記式（９）
を満足する角度θだけビームスプリッタプリズム３を法
線３ｂを軸として回転させれば、破線８で示すノイズ光
がレンズ２ｄによって集光された後にファイバー光学系
９の入射面９ａから信号検出器６に入り込むことがな
く、信号検出器６においてＳ／Ｎ比の高い検査信号光の
検出が可能となる。

【００３２】なお、図１の実施形態では検出器側にレン
ズ２ｄをおいて集光しているが、例えば光源１からの入
射光を細いビーム状の光として検出器側にビーム状の検
査信号光が入射するように構成してここに集光レンズを
配設しない場合には、プリズム３の検出器側の端面３ｅ
から入射面９ａに至る空気間隔をＡとすれば、上記式
（５）〜（９）が同様に成立し、この場合にも式（９）
を満足するように回転角θを設定すれば、ノイズ光を検
出することなく、良好な検査信号光の検出が可能であ
る。

【００３３】ここで図１に示した第１実施形態において
は、プリズム３の屈折率ｎ＝1.5168で、プリズム３の厚
さｔ＝５mmのものを用い、回転角θ＝３°としている。
さらに、ビームスプリッタプリズム３と信号検出器６
（ファイバー光学系９の入射面９ａ）との間に介在する
レンズ２ｄの焦点距離ｆ（＝Ａ）＝16mmであり、信号検
出光学系の有効径すなわちファイバ光学系９の入射面９
ａの有効径φ＝0.5mmである。ノイズ光の入射面９ａへ
の入射光束径Ｄは、ノイズ光の発生する面３ｄが平面で
あるため信号光と同一直径で、Ｄ＝0.5mmである。これ
らの数値を上記式（９）に代入して計算すると、左辺＝
cosθ＝0.9986であり、右辺＝0.9998であり、式（９）
を満足し、ノイズ光が信号検出器６内に混入することが
なく、良好な信号光検出が可能である。

【００３４】本実施形態におけるノイズ光と検査信号光
の振る舞いをもう少し詳しく追跡する。プリズム３にお
ける検査照明光の入射面３ｃおよび射出面３ｄの法線と
入射光軸７ａとのなす角αは上記式（４）より計算する
と、α＝2.12°である。図２において光軸７ａに沿って
プリズム３に入射した光が、射出面３ｄで反射され、光
量分割面３ａで再度反射され、信号検出器側に進むノイ
ズ光８について考える。光軸７ａに沿って入射した光
は、プリズム３の入射面３ｃで、プリズムの屈折率ｎの
ときには、sinα＝ｎsinα′を満たす角α′の方向へ屈
折し、そのまま光量分割面３ａを透過して射出面３ｄに
到達する。このように射出面３ｄの法線に対して角度
α′だけ傾いて入射することから、射出面３ｄでの反射
光は法線に対して入射光とは逆向きにα′だけ傾く。

【００３５】この反射光は今度は光量分割面で正反射さ
れ、検出器側に射出されるときには、入射した時と同様
の屈折作用を受けるため、光軸７ｃに対して都合２αの
傾きを有する。本実施形態では合成焦点距離ｆ＝16mmの
レンズ２ｄによってファイバー光学系９へリレーされる
ので、２α＝4.24°の傾きのノイズ光が、ファイバー光
学系９の入射面９ａ上に到達するときでの光軸からの高
さｈは、ｈ＝16×tan4.24°＝1.19mmとなる。ここで、
ノイズ光束の中心の光は、ファイバー光学系９の入射面
９ａの有効径φ（＝0.5mm）の半分と、ノイズ光束径Ｄ
（＝0.5mm）の半分との合計であり、光軸から0.5mmの高
さ以上に到達すれば良い。よって、上記高さｈ＝1.19mm
は十分である。

【００３６】一方、信号光に着目すると、図２において
光軸７ａに沿ってプリズム３に入射した光が入射面３ｃ
で屈折作用を受け、光量分割面３ａを透過し、射出面３
ｄから射出する。このとき射出面３ｄは入射面３ｃと平
行であるから、射出面３ｄを透過する射出光光軸７ｂは
屈折して入射光軸７ａと平行になる。ところが、プリズ
ム３内を傾いて進むため、入射光軸７ａに対して距離ｄ
だけシフトする。このシフト量ｄは、プリズム３の厚さ
をｔ、屈折率をｎとすると、式（１０）で表され、α≒
０すなわちほぼ零に近似できるため、式（１１）のよう
になる。

【００３７】

【数９】 d = t {sinα−cosα・sinα／√(n^２−sin^２α)} ・・・（１０） d = t (1−1/n)・α × π／180 ・・・（１１）

【００３８】上記式（１１）に本実施形態における諸
元、すなわち、プリズムの屈折率ｎ＝１．５１６８、プ
リズムの厚さｔ＝５mm、入射面の回転角α＝2.12°を代
入すると、プリズム３の入射光軸７ａに対する射出光軸
７ｂのシフト量ｄは、ｄ＝6.3×１０^−２mmとなる。ち
なみに本実施形態ではプリズム３からの射出側に配設さ
れたレンズ２ｂの有効径φＬ＝15mmであり、被検物体４
への光照射面積φｗ＝８mmであるので、6.3×１０^−２m
m程度の光軸シフトは問題ない範囲である。

【００３９】上記式（９）では特に下限値を設けなかっ
たが、光軸シフト量ｄが大きくなりすぎると、被検物体
４への入射光量が低下するので、シフト量ｄを規定して
下限値を決めても良い。なお、シフト量ｄがレンズ２ｂ
の有効径φＬの３％を越えないことが好ましく、これを
条件とすれば上記式（１１）より、下記式（１２）の関
係が得られる。

【００４０】

【数１０】 d ＝t (1−1/n)・α×π／180 ＞ 0.03φＬ α ＜ (0.03φＬ)／{t (1−1/n)}×180／π ・・・（１２）

【００４１】ここで、０°＜ α ＜９０°であり、cos
αは単調減少であるため、式（１２）は次式（１３）の
ようになる。

【００４２】

【数１１】 cosα ＜ cos [(0.03φＬ)／{t (1−1/n)}×180／π] ・・・（１３）

【００４３】この式（１３）に上記式（４）を代入する
と式（１４）が得られ、これを変形すれば、式（１５）
が得られる。この式（１５）により規定される角度θが
好ましい下限値である。

【００４４】

【数１２】 1/2 (1＋cosθ) ＞ cos [(0.03φＬ)／{t (1−1/n)}×180／π] ・・・（１４） cosθ ＞ 2cos [(0.03φＬ)／{t (1−1/n)}×180／π]−１ ・・・（１５）

【００４５】上記のようにシフトした光軸７ｂに沿った
光はそれ以降のレンズ２ｂ，２ｃで屈折作用を受ける
が、被検物体４で正反射して戻ってくる信号光は入射光
と同じ光路を戻るので、ビームスプリッタプリズム３の
直前では光軸７ｂに沿っている。光軸７ｂに沿ってプリ
ズム３に入射し、光量分割面３ａで反射されて検出器側
へ射出する信号光は、プリズム３への入射面３ｄにおい
て屈折作用を受けるが、光量分割面３ａは回転していな
いので、検出器側の端面３ｅから射出する際には、光源
からの入射光軸７ａと垂直な方向の光軸７ｃに沿って射
出される。

【００４６】次に、本発明の第２実施形態に係る光学検
出装置について、図４および図５を参照して説明する。
この実施形態に係る装置も、上述した第１実施形態に係
る装置と同様の装置であり、被検物体に検査照明光を照
射し、その反射光を検査信号光として受光して膜厚検
査、分光特性の分析等を行う装置である。このため、図
４および図５の装置において、図１に示す装置と同一構
成部分もしくは部品については同一番号を付してその説
明を省略する。

【００４７】この装置（図４および図５の装置）におい
ては、ビームスプリッタプリズム３と被検物体４との間
に配設されたリレーレンズ系に特徴を有し、この部分の
構成が図１の装置と相違する。この装置では、図５から
よく分かるように、ビームスプリッタプリズム３の後側
の光軸７ｂに対して、リレーレンズ２ｋ，２ｍの中心軸
を距離Ｓだけシフトさせて配置している。

【００４８】図６にリレーレンズ２ｋの中心付近を拡大
して示しており、このレンズ２ｋのビームスプリッタプ
リズム３側のレンズ面をR1k、その曲率半径をrとする。
レンズ２ｋの中心軸から値Ｓの高さで入射する光が点Ｐ
でレンズ面R1kに入射すると、点Ｐにおけるレンズ面R1k
の接平面の法線と入射光線とのなす角βは、次式（１
６）の関係を満たす。

【００４９】

【数１３】sinβ ＝ Ｓ／r ・・・（１６）

【００５０】このレンズ面R1kで反射するノイズ光は、
入射光線に対して２βの角度を持って反射するが、この
ノイズ光がファイバ光学系９の有効径から外れるように
シフト量Ｓを設定すれば良く、このためには、次式（１
７）の関係を満足するようにシフト量Ｓを設定すれば良
い。なお、この式（１７）を変形すると、式（１８）の
関係となり、この式（１８）に基づいてシフト量Ｓが設
定される。

【００５１】

【数１４】 ２β＝２arcsin (S/r) ＞ arctan{(φ+D)/2A} ・・・（１７） Ｓ＞ r・sin[(1/2) arctan{(φ+D)/2A}] ・・・（１８） 但し、 ｒ：太い光束が入射する側のレンズの曲率半径 φ：ファイバー光学系の有効径 Ｄ：反射ノイズ光の入射光束径 Ａ：レンズ２ｄの焦点距離、但し、レンズ２ｄがない場
合には、プリズム３からファイバ入射面９ａまでの空気
間隔

【００５２】上記式（１８）から分かるように、太い平
行光束が入射する側のレンズ面の曲率半径ｒが小さい、
すなわちきつい曲率である方が、少ないシフト量Ｓの値
で効果的にノイズ光の侵入を回避することが可能であ
る。すなわち、図４等に示すように、曲率の小さなレン
ズ面R1kを太い平行光束が入射する側に向くようにリレ
ーレンズ２ｋを配設するのが好ましい。

【００５３】上述のように、リレーレンズ２ｋのレンズ
面R1kで反射され、入射光線に対して２βの角度を有す
る反射ノイズ光の振る舞いを検討する。本実施形態にお
いては、レンズ面R1kの曲率半径r＝２５mm、リレーレン
ズ２ｋ，２ｍのシフト量Ｓ＝３mmに設定した。従って、
上記式（１６）より、sinβ＝３／２５＝0.12となり、
β＝6.89°となる。

【００５４】図６に示すように、光軸に沿って進む光が
上記のようにシフトして配設されたレンズ２ｋのレンズ
面R1kで反射されて検出器側に進むノイズ光は、光軸と
２β＝１３．７８°の角度をなして進むから、ファイバ
光学系９の入射面９ａに到達したときの光軸からの高さ
ｈは、レンズ２ｄの焦点距離ｆ＝16mmであるため、ｈ＝
16×tan 13.78 ＝3.92mmとなる。

【００５５】次に、レンズ２ｋ，２ｍをシフトする前に
おけるノイズ光束のファイバ光学系９の入射面９ａへの
投影直径を求める。本実施形態では、光源サイズφｋ＝
0.5mm、レンズ２ａの焦点距離ｆ＝16mmに設定されてお
り、レンズ２ｋのレンズ面に到達する光は光軸に対して
±0.9°の角度幅をもって入射する。また、本実施形態
ではレンズ２ｋに入射する平行光束の直径Ｅ＝３mmとし
ている。光軸からＥ／２＝1.5mmの高さの位置で、レン
ズ面R1kに±0.9°の角度幅をもって入射する光がその接
平面で反射するノイズ光は光軸に対し±7.8°の角度で
反射する。従って、ノイズ光がファイバ光学系９の入射
面９ａに到達する最大高さは、16×tan7.8°＝2.19mmで
あり、このことから分かるように、ノイズ光束の入射面
９ａへの投影直径Ｄ＝4.38mmとなる。

【００５６】検出光学系の有効径、すなわち信号検出器
６へ導くファイバ光学系９の有効径は、φ＝0.5mmであ
るから、ノイズ光がファィバ光学系９に入らないように
するためには、ノイズ光の中心の光が、（φ＋Ｄ）/2＝
2.44mm以上光軸から離れている必要があり、本実施形態
におけるｈ＝3.92mmはこの値を十分越えている。

【００５７】次に、上述の条件式（１８）に本実施形態
の諸元を当てはめると、左辺＝Ｓ＝３mmであり、右辺＝
1.89mmとなり、式（１８）を満足する。

【００５８】また、信号光の振る舞いに着目すると、光
軸７ｂに沿って進む光は、レンズ２ｋの中心軸よりシフ
ト量Ｓだけ離れて入射するため屈折作用を受ける。ここ
でレンズ２ｋとレンズ２ｍの焦点面を一致させて配置す
れば、レンズ２ｍを通った後の光線は元の光軸７ｂと平
行に進み、被検物体４を照射する。このとき、元の光軸
７ｂに対して、被検物体４に到達する光軸７ｂのシフト
量Ｓ′は、レンズ２ｋとレンズ２ｍの焦点距離の比で決
まり、Ｓ′＝(1+fm/fk)・Ｓである。なお、fmおよびfkは
それぞれ、レンズ２ｍおよびレンズ２ｋの焦点距離であ
る。本実施形態では、fm＝100mm、fk=100mmの等倍リレ
ーで、シフト量Ｓ＝３mmとしたので、Ｓ′＝６mmであ
り、この量に合わせて装置を配置すればよい。

【００５９】なお、レンズをシフトする方向は、光軸に
垂直な方向であればどの方向でも可能である。また、本
実施形態のレンズシフトと、前述したプリズム３の回転
とを組み合わせて配置することも可能である。

【００６０】次に、本発明の第３実施形態に係る光学検
出装置について、図７を参照して説明する。この実施形
態に係る装置も、上述した第１および第２実施形態に係
る装置と同様の装置であり、被検物体に検査照明光を照
射し、その反射光を検査信号光として受光して膜厚検
査、分光特性の分析等を行う装置である。このため、図
７の装置において、第１および第２実施形態に係る装置
と同一構成部分もしくは部品については同一番号を付し
てその説明を省略する。

【００６１】この装置においては、リレーレンズ２ｇ，
２ｈをティルトさせる（傾ける）ことによってノイズ光
の侵入を回避するようにしている。すなわち、リレーレ
ンズ２ｇを光軸を含む面内で角度γだけティルトさせて
配置し、それによって屈折した光軸７ｅ上に外径中心を
合わせてリレーレンズ２ｇと平行にリレーレンズ２ｈを
配置している。これにより、レンズ２ｈで屈折した光軸
７ｆは元の光軸７ｂとと平行になる。

【００６２】光軸７ｂに沿って進む光が、レンズ２ｇの
ビームスプリッタプリズム側の面で反射されて発生する
ノイズ光は、入射光線に対して２γの角度で射出され
る。この反射ノイズ光がファイバ光学系９の有効径から
外れるようにティルト角γが設定される。このように、
共通光路７ｂ内で太い平行光束が入射するレンズ２ｇ
を、光軸を含む面内で角度γだけティルトさせれば、光
軸に沿った光の入射点におけるレンズの接平面の法線は
光軸に対してγだけ傾くため、この傾斜した接平面で反
射されて発生するノイズ光束が、信号検出光学系の有効
径すなわちファイバ光学系９の有効径から外れるように
ティルト角γを決めればよい。

【００６３】上述のように、リレーレンズ２ｇを角度γ
だけティルトさせれば、反射ノイズ光は２γの角度で射
出されるため、角度γを次式（１９）の関係を満足する
ように設定すれば良く、この式（１９）を変形した式
（２０）の条件を満足するように角度γが設定される。

【００６４】

【数１５】 ２γ ＞ arctan{(φ+D)/2A} ・・・（１９） γ ＞ (1/2) arctan{(φ+D)/2A} ・・・（２０） 但し、 φ：ファイバ光学系の有効径 Ｄ：反射ノイズ光の入射光束径 Ａ：レンズ２ｄの焦点距離、但し、レンズ２ｄがない場
合には、プリズム３からファイバ入射面９ａまでの空気
間隔

【００６５】上述のように、光軸７ｂに沿って進む光
が、レンズ２ｇのビームスプリッタプリズム側の面で反
射されて発生するノイズ光は、入射光線に対して２γの
角度で射出されるが、この反射ノイズ光の振る舞いを検
証する。

【００６６】本実施形態では、ティルト角γ＝4.5°と
しており、光軸に沿って進む光の反射光すなわちノイズ
光束の中心は２γ＝９°で反射する。従って、ファイバ
光学系９の入射面９ａに到達したときの光軸からの高さ
ｈは、レンズ２ｄの焦点距離が16mmであるので、ｈ＝16
mm×tan 9°＝2.53mmとなる。

【００６７】光源サイズ、レンズ２ａの焦点距離、レン
ズ２ｇに入射する平行光束径、および信号検出器６に光
を導くファイバ光学系９の有効径を上述した第２実施形
態と同一とすると、Ｄ＝4.38mm、(φ+Ｄ)/2＝2.44mmで
あるが、本実施形態のｈ＝2.53mmはこの値を超えてお
り、ノイズ光がファイバ光学系９内に入ることがなく、
精度の高い信号検出が可能である。

【００６８】上記条件式（２０）に本実施形態の諸元を
当てはめると、左辺＝γ＝4.5mmで、右辺＝4.33mmとな
り、条件式（２０）を満足する。

【００６９】また、信号光の振る舞いに着目すると、光
軸７ｂに沿って進む光は、レンズ２ｇに入射角γで入射
するため屈折作用を受ける。ここでレンズ２ｈをレンズ
２ｇで屈折した光軸上に配置し、さらにレンズ２ｇとレ
ンズ２ｈの焦点面を一致されれば、レンズ２ｈを通った
後の光軸７ｆは元の光軸７ｂと平行で、光束は被検物体
４をこのまま照射する。このとき、元の光軸７ｂに対し
て、被検物体４に到達する光軸７ｆのシフト量Ｓ″は、
前述した第２実施形態におけるシフト量Ｓ′よりもかな
り小さくでき、本実施例では、Ｓ″＝0.54mmである。

【００７０】次に、本発明の第４実施形態に係る光学検
出装置について図８を参照して説明する。この実施形態
の装置は、顕微鏡、特に落射照明にて試料の像を観察あ
るいは撮影するタイプの顕微鏡に、複数の観察者が同時
に観察するティーチングヘッド装置を組み合わせたもの
である。

【００７１】この顕微鏡においては、図示しない落射照
明光学系からの照明光が、光軸７１に沿って入射され、
ハーフミラー１０により下向きに反射され、第１対物光
学系１２によって試料面１１を照射する。試料面１１か
らの反射光は、第１対物光学系１２で平行光に変換さ
れ、ハーフミラー１０を透過し、続くハーフプリズム３
１，３２を透過した光が、鏡筒光学系に入射する。鏡筒
光学系に入射した光は、第２対物光学系１３によって収
光され、鏡筒プリズム群１４にて双眼光路に分離された
後、試料の像１５を形成する。この像１５は、その後に
置かれた接眼光学系１６によって収光作用を受け、アイ
ポイントEP1付近に収光するのでそれを両眼で観察する
ように構成されており、これが主観察者の光学系を構成
する。

【００７２】一方、従観察者の光学系は、試料からの光
が第１対物光学系１２で平行光に変換された後、ハーフ
プリズム３２で反射した光をリレーして観察するように
構成される。ハーフプリズム３２の後において、第１リ
レーレンズ１７により第１次像１８を形成し、第２リレ
ーレンズ１９により再度平行光に変換される。その後、
全反射プリズム３３により上向きに偏向され、従観察者
の鏡筒光学系に入射する。この鏡筒光学系に入射した光
は、主観察者の光学系における場合と同様に、第２対物
光学系２３によって収光され、鏡筒プリズム群２４にて
双眼光路に分離された後、試料の像２５を形成する。そ
れを接眼光学系２６によってアイポイントEP2付近に収
光させて従観察者が両眼で観察する。

【００７３】また、主観察者が従観察者に、視野の中の
注目すべき位置を指示する目的で、矢印投影光学系が設
けられている。この光学系では、矢印照明光源４１およ
びコレクタレンズ４２によって矢印部材４３を照明し、
ミラー４４で水平方向に偏向してリレーレンズ４５によ
って平行光に変換され、その後、ハーフプリズム３１に
よって主光学系に統合される。観察者は試料の像に重な
った矢印の像を観察する。矢印部材４３は、平行平面板
等に矢印の形のみ光が透過するように、クロムなどを蒸
着して形成されている。

【００７４】矢印照明光源４１の後に、緑やオレンジ色
などの単色のフィルタを選択的に挿入して透過する矢印
の像の光を変更可能となし、試料の像に重なった際に比
較的コントラストよく観察される色を選択できるように
することも可能である。また、別の矢印部材４３として
は、矢印の形のみ光が透過しないよう、クロムなどを蒸
着した平行平面板を用い、矢印観察像を黒く表示させる
ようにすることも可能である。

【００７５】さらに、矢印部材４３を光軸に垂直な平面
内で移動させる、あるいはミラー４４を回転させるなど
の作用を行わせるように構成し、視野内の矢印の位置を
主観察者の意図に基づいて移動させるような機構が設け
られている。さらに、試料の明るさに応じて矢印の明る
さも変更できるようなボリュームスイッチも設けられて
いる。

【００７６】以上の構成により、主観察者と従観察者で
同時に試料の顕微鏡像を観察しながら、主観察者が視野
内の任意の位置に移動させた矢印の像を目安として、試
料の中の注目すべきところを従観察者に対し説明するこ
とが可能になっている。

【００７７】このような装置も、本発明の他の実施形態
に係る装置と同様に、プリズムの端面やレンズ面での反
射によるノイズ光が問題となることがある。矢印の明る
さを明るくすると、矢印光学系からの光がプリズム３２
の端面やリレーレンズ１７の表面等で反射して試料の方
に戻り、試料面で反射して観察されることがある。ま
た、試料からの観察光も、プリズムの端面やリレーレン
ズ面で二回反射して、正しい観察像の位置から少しずれ
た位置に結像し、観察像のコントラストを著しく悪くす
ることもある。特に、従観察者側光学系は、光路長が長
く、光学部材も多いため観察像のコントラストが悪くな
りやすい。

【００７８】このようなことから、反射ノイズ光を観察
光学系に混入させないように本発明に係る構成が用いら
れる。具体的には、プリズム３１，３２，３４をプリズ
ムの反射面の法線を軸として回転させて反射ノイズ光
を、観察光学系の有効径外、この実施形態の場合には、
アイポイントEP1,EP2の径外へ導くようにすれば良い。
さらに、リレーレンズ１７と１９とをプリズム３２の反
射光軸に対してシフトさせて配置すればより効果的であ
る。

【００７９】なお、以上の実施の形態に記載された光学
検出装置は、シリコンウエハなどを研磨する研磨装置に
おいて研磨状態検出用の光学系として好適である。

【００８０】次に、光学検出装置が用いられた研磨装置
について、図９に示す。この研磨装置は、被検物体でも
あり研磨対象であるウエハ１０２を研磨ヘッド１０１で
保持している。また、ウエハ１０２を研磨する研磨パッ
ド１０３は定盤１０４に固定されている。定盤１０４は
回転Ｗ_Ｔしており、また研磨ヘッド１０１もウエハ１０
２を研磨パッド１０３に押し付けながら回転Ｗ_Ｈすると
共に揺動運動１０９をし、且つスラリー供給機構１０７
からスラリー１０８を供給しながらウエハ１０２を研磨
する。研磨パッド１０３及び定盤１０４は透光窓１０５
の研磨パッド１０３側にはめ込まれた透明樹脂窓１０６
を有する。また、透光窓１０５の下方には以上の実施の
形態で記載された光学検出装置１００が配置されてい
る。なお、その内部の詳細は前述のとおりなので省略さ
れている。このような配置にすることで、ウエハ１０２
の研磨中にウエハ１０２の研磨状態が光学検出装置で検
出できる。さらに、スラリー１０８のような不透明な液
体がウエハ１０２の表面に撒かれて、ウエハ１０２から
の反射光が微少になっても、光学検出装置を構成する光
学素子からの反射光が受光素子に照射されないので、高
いＳ／Ｎ比を有することができ、光学検出装置から得ら
れる信号から研磨装置を制御する場合、的確な制御が可
能となる。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光学
検出装置では、光学部材における境界面もしくは接平面
からの検査照明光の反射光が信号検出器に向かう検査信
号光の光路から外れるように構成されているため、信号
検出器にこの反射光が入射することがなく（もしくは小
さく）、反射光がノイズとなって悪影響が及ぶことがな
い（もしくは少ない）。このため、信号検出における検
出信号のＳ／Ｎ比が低下することがなく（もしくはこの
低下量が小さく）、精度の高い検出が可能である。

【００８２】このため、検出もしくは計測する信号光が
微弱な場合でも、検出光学系のノイズ光を効率よく低減
して微弱な信号を精度良く検出できる。この場合の光学
部材としては、一般的な直角プリズムがあるが、この直
角プリズム自体は極く一般的なものでよく、これを光量
分割面の法線を軸として回転させるだけであるので、そ
の構成が簡単で装置コストも低廉である。また、光学部
材としては光路内に配設されたレンズの場合もあるが、
この場合も、レンズ自体は特殊なものを用いる必要がな
く、単に光軸からシフトさせたり、ティルトさせたりす
るだけであり、非常にシンプルな構成で反射ノイズ光の
影響を確実に除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１形態に係る光学検出装置の構成を
示す概略正面図である。

【図２】図１の光学検出装置におけるビームスプリッタ
プリズム周辺の構成を拡大して示す概略図である。

【図３】上記ビームスプリッタプリズムを光量分割面の
法線方向から見た図である。

【図４】本発明の第２形態に係る光学検出装置の構成を
示す概略正面図である。

【図５】上記第２形態に係る光学検出装置を図４におけ
る矢印Ａ方向に見て示す概略側面図である。

【図６】上記第２形態に係る光学検出装置を構成するリ
レーレンズの周囲を拡大して示す概略図である。

【図７】本発明の第３形態に係る光学検出装置の構成を
示す概略正面図である。

【図８】本発明の第４形態に係る光学検出装置の構成を
示す概略正面図である。

【図９】本発明に係る光学検出装置を用いた研磨装置の
概略構成図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ａ，２ｂ，２ｂ レンズ ３ ビームスプリッタプリズム ３ａ 光量分割面 ３ｂ 法線 ４ 被検物体 ５ 光路折り曲げミラー ６ 信号検出器 ７ａ，７ｂ，７ｂ 光軸 ８ 反射光軸 ９ ファイバー光学系 ９ａ 入射面

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA30 CC19 CC31 DD04 DD12 FF44 GG01 JJ15 LL02 LL04 LL12 LL46 LL67 2G059 AA01 AA03 BB10 BB16 EE02 EE12 FF03 JJ01 JJ11 JJ13 JJ17 JJ22 KK01 LL04 2H042 CA06 CA17 2H052 AB27 AB30 AC04 AF23 2H087 KA09 KA12 LA27 NA18

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物体に検査照明光を照射し、前記被
   検物体からの反射光を検査信号光として信号検出器によ
   り受光して検出するように構成された光学検出装置にお
   いて、 前記検査照明光および前記検査信号光が共通の光路を有
   し、 前記共通の光路内に設けられた光学部材における前記共
   通の光路内での空気との境界面もしくは前記境界面の接
   平面からの前記検査照明光の反射光が前記検査信号光の
   光路から外れるように前記境界面もしくは前記接平面を
   傾斜させたことを特徴とする光学検出装置。
2. 【請求項２】 前記境界面もしくは前記接平面からの前
   記検査照明光の反射光が前記信号検出器を構成する検出
   光学系の有効検出範囲の外に入射するように前記境界面
   もしくは前記接平面を傾斜させたことを特徴とする請求
   項１に記載の光学検出装置。
3. 【請求項３】 前記光学部材が、前記共通の光路内での
   空気との境界面が平面形状を有した光路分割部材からな
   り、前記光路分割部材を、光量分割面における前記共通
   の光路との交点を通る法線を軸として、次式 cosθ ＜ 2cos[(1/2)arctan{(φ+D)/2A}] − 1 但し、 φ：前記信号検出器を構成する検出光学系の有
   効径 Ｄ：前記境界面からの前記検査照明光の反射光の前記検
   出光学系入射面への入射光束径 Ａ：前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
   作用を有する光学部材が介在しない場合はその空気間
   隔、前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
   作用を有する光学部材が介在する場合はその焦点距離 を満たす角度θだけ回転させて配置したことを特徴とす
   る請求項１に記載の光学検出装置。
4. 【請求項４】 前記光学部材がビームスプリッタからな
   り、前記ビームスプリッタの内部において前記検査照明
   光の光軸に対して傾斜して形成された光量分割面におけ
   る前記光軸との交点を通る法線を軸として、角度θだけ
   回転させて配置したことを特徴とする請求項３に記載の
   光学検出装置。
5. 【請求項５】 前記光学部材が、前記共通の光路内での
   空気との境界面が所定の曲率を有したレンズ部材からな
   り、前記レンズ部材の曲率中心を、前記共通の光路の光
   軸に対して所定量Sだけずらせて配設したことを特徴と
   する請求項１に記載の光学検出装置。
6. 【請求項６】 前記所定量Sが、次式 S ＞ r・sin[(1/2)arctan{(φ+D)/2A}] 但し、 ｒ：太い光束が入射する側の前記レンズ部材の
   曲率半径 φ：前記信号検出器を構成する検出光学系の有効径 Ｄ：前記境界面からの前記検査照明光の反射光の前記検
   出光学系入射面への入射光束径 Ａ：前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
   作用を有する光学部材が介在しない場合はその空気間
   隔、前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
   作用を有する光学部材が介在する場合はその焦点距離 に基づいて設定されることを特徴とする請求項５に記載
   の光学検出装置。
7. 【請求項７】 前記光学部材が、前記共通の光路内での
   空気との境界面を有する光学素子からなり、前記光学素
   子を前記共通路の光路の光軸を含む面内で、次式 γ ＞ (1/2)arctan{(φ+D)/2A} 但し、 φ：前記信号検出器を構成する検出光学系の有
   効径 Ｄ：前記境界面からの前記検査照明光の反射光の前記検
   出光学系入射面への入射光束径 Ａ：前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
   作用を有する光学部材が介在しない場合はその空気間
   隔、前記光路分割部材と前記信号検出器との間にレンズ
   作用を有する光学部材が介在する場合はその焦点距離 を満たす角度γだけ回転させて配置したことを特徴とす
   る請求項１に記載の光学検出装置。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載の光学検
   出装置が、前記被検物体を研磨する研磨パッドと、前記
   被検物体を載置するステージと、前記研磨パッドおよび
   前記被検物体を相対的に移動させる駆動機構とを有する
   研磨装置に備えられ、前記被検物体の研磨状態を前記光
   学検出装置により検出することを特徴とする研磨装置。