JP2008014935A - 表面検査装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小な凹凸欠陥の形状を、計測できるようにした安価な表面検査装置及びその方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザのような広帯域のレーザ光源を干渉計に用いた光干渉方式を用いた表面検査装置において、照明光源に可干渉距離の短いスペクトルの幅の広い半導体レーザを使用し、分岐光学要素４と合成光学要素１５との間の２つの光路の各々に、互にわずかに異なる周波数で変調する変調光学要素５、１０と光路長を調整できる光路長可変光学要素８、１３とを設置し、干渉強度を計測しながら、前記光路長可変光学要素８、１３を調整して干渉強度が最大となるように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気ディスク基板またはその基板（サブストレート）等の表面上の欠陥を検査する表面検査装置に係り、特に位相検出により欠陥の形状を計測する表面検査装置及びその方法に関する。

ハードディスク装置に用いる磁気記録用媒体には、磁性体を蒸着したディスク基板が使用される。このディスク基板に磁気ヘッドで磁化して磁気的にデータを記録、再生をする。近年、ハードディスク装置における記録密度の向上に伴い、記録・書き込み用ヘッド（以下ヘッド呼ぶ）とディスク基板とのスペーシング（以下浮上量と呼ぶ）は数十ｎｍから数ｎｍと非常に狭くなってきている。そのため、このディスク基板に微小な凹凸欠陥が存在すると、ディスク基板とヘッドが接触し、ハードディスク装置が故障する原因となる。

そのため、磁性体を蒸着する前のサブストレートの状態において、上述した欠陥の有無を検査し、不良品を後工程に流さないようにすることが重要である。この微小な凹凸欠陥は、ディスク基板素材内部に埋もれている結晶欠陥、ディスク基板の平坦性を向上させるために行う研磨時に発生する砥粒残りや、細かい傷（スクラッチなど）、洗浄時や、乾燥時などに付着する異物、などである。表面に付着した異物は、再洗浄、周辺雰囲気の清浄化などで排除、防止が可能である。ところが、結晶欠陥や、スクラッチなどは、修正がきかないため、不良品として取り扱うことになる。そのため、ハードディスク装置の高歩留り、高信頼性を確保するには、このような欠陥があるディスク基板の早期排除が重要となる。また、磁性体を蒸着後にも、何らかの原因で上記欠陥が発生することも考えられるため、同様に欠陥の有無を検査し、不良品の排除することでハードディスク装置の信頼性を向上させることができる。

従来は、微小な凹凸欠陥の計測方法として、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）を用いた表面粗さの測定が一般に使用されている。ＡＦＭによる測定では、スループットが著しく遅く、ディスク基板の全面検査を容易に行うことが出来ない。また、測定プローブが消耗品であること、プローブの消耗による測定再現性が変動するなどの問題がある。

そのため、光の干渉を応用した方式がある。特開２０００−１２１３１８号公報（特許文献１）に示されるように、一本のレーザ光を分岐し、分岐した光をそれぞれ異なる周波数で変調し、基準面と測定面に照射し、それぞれの反射光を受光素子上で干渉させ、位相の変化量から欠陥の高さを計測する方法がある。上記特許文献１によれば、照明波長が５３２ｎｍのレーザを使用しており、周波数１０ＭＨｚの干渉信号が出力され、測定面の光路長変化を位相に変換し、その位相差から欠陥部の高さを測定可能としている。

ところで、上記特開２０００−１２１３１８号公報（特許文献１）に記載された干渉光学系に用いられるレーザ光としては、干渉性が高いスペクトル幅の狭い狭帯域レーザ（例えばガスレーザ、ダイオード励起固体レーザ）を使用しており、その可干渉距離は数１０ｍｍから数ｍであり、基準面と測定面の光路長に関しては、干渉させる上で問題とならない距離となる。図９には、ダイオード励起固体レーザである波長５３２ｎｍの狭帯域レーザのスペクトル分布を示す。このように狭帯域レーザは１ｎｍ以下のスペクトルを有しており、一般的に数１０ｍｍから数ｍの可干渉距離となる。

特開２０００−１２１３１８号公報

ところが、上述したように検出する欠陥の形状が微細化しているため、検出感度の向上は必要となっている。干渉位相測定方式では干渉信号の周期が、レーザ波長の１／２となるため、レーザ波長により検出感度は決まってくる。そのため、検出感度を向上するためには、レーザ光源の短波長化が必要となってくる。レーザ光源の波長を短波長化するためには、複数の高調波を得るためにそれぞれの波長に応じた結晶を用いて非常に高度な調整が必要となるため、短波長化するに従い、レーザ光源の構造が複雑となるとともに、非常に高価になってくる。そのため、表面検査装置の価格が高くなるという課題が生じた。

しかしながら、半導体レーザでも短波長化の技術が進み、安価で高出力な光源が入手容易になってきている。ところが、半導体レーザは上述したダイオード励起固体レーザと比較して、スペクトル幅は大きくなる。特に短波長化した半導体レーザは、長波長の半導体レーザと比較して、さらにスペクトル幅が大きくなるという課題がある。このように、スペクトル幅が大きくなると、可干渉距離が著しく短くなるため、半導体レーザは、上述したような干渉光学系の光源としては適切ではない。

一方、スペクトル幅が大きい半導体レーザを狭帯域化する方式として、回折格子を用いた方式がある。この方式では、回折格子により特定の波長を取り出すため、出力が著しく低下してしまうと同時に、回折格子の配置が微妙であり、経時変化や、半導体レーザの光源への振動により、レーザ光が取り出せないといった課題も生じた。また、半導体レーザの光源の構成が複雑となりなるため、高価になるといった課題も生じた。

本発明では、半導体レーザのような広帯域のレーザ光源を干渉計に用いた光干渉方式を用いた表面検査装置において、照明光源に可干渉距離の短いスペクトルの幅の広い半導体レーザを使用し、分岐光学要素４と合成光学要素１５との間の２つの光路の各々に、互にわずかに異なる周波数で変調する変調光学要素５、１０と光路長を調整できる光路長可変光学要素８、１３とを設置し、干渉強度を計測しながら、前記光路長可変光学要素８、１３を調整して干渉強度が最大となるように構成した。

本発明は、表面粗さがより小さくなる傾向にあるディスク基板等の表面の微小な凹凸欠陥（表面粗さを含む）の形状を、可干渉距離が数ｍｍ程度と非常に短いスペクトル幅の広い半導体レーザの光源を用いて干渉位相測定方式で計測できるようにした安価な表面検査装置及びその方法を提供するものである。

すなわち、本発明は、基準面と測定面での反射光を干渉させて測定面の表面形状を測定する表面検査装置において、レーザ光源と、該レーザ光源から出射されるレーザ光を分岐する分岐光学要素と、該分岐光学要素で分岐された第一の光路中に設置され、前記分岐された第一のレーザ光を第一の周波数に変調する第一の変調光学要素及び光路長を調整できる第一の光路長可変光学要素と、前記分岐光学要素で分岐された第二の光路中に設置され、前記分岐された第二のレーザ光を前記第一の周波数と異なる第二の周波数に変調する第二の変調光学要素及び光路長を調整できる第二の光路長可変光学要素と、前記第一の光路から得られる第一の周波数に変調された第一の変調レーザ光と前記第二の光路から得られる第二の周波数に変調された第二の変調レーザ光とを合成する合成光学要素と、該合成光学要素から得られる合成後の干渉強度を測定する測定手段と、該測定手段で測定される干渉強度に基づいて少なくとも前記第一若しくは第二の光路長可変光学要素を調整制御する駆動制御系と、前記合成光学要素から得られる合成後の干渉光を再度分岐し、該分岐した一方のレーザ光を前記基準面に照射し、前記分岐した他方のレーザ光を前記測定面に照射し、前記基準面からの反射光と前記測定面からの反射光を再度合成し、該再度合成されたレーザ光の干渉強度を干渉信号として検出する干渉測定光学系と、該干渉測定光学系により検出された干渉信号の位相差を検出し、該検出された干渉信号の位相差に応じて前記測定面の表面形状を算出する信号処理手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明は、前記測定手段は、前記合成光学要素から得られる合成後の干渉強度として、前記干渉測定光学系で再度合成されたレーザ光の干渉強度を測定するように構成したことを特徴とする。

また、本発明は、基準面と測定面での反射光を干渉させて測定面の表面形状を測定する表面検査方法であって、レーザ光源から出射されるレーザ光を分岐光学要素で分岐し、該分岐された第一及び第二の光路中の各々において、前記分岐された第一及び第二のレーザ光の各々を、第一及び第二の変調光学要素の各々により互に異なる第一及び第二の周波数の各々で変調し、該各々変調された第一及び第二の変調レーザ光を合成光学要素で合成し、干渉測定光学系により、該合成して得られる合成後の干渉光を再度分岐し、該分岐した一方のレーザ光を前記基準面に照射し、前記分岐した他方のレーザ光を前記測定面に照射し、前記基準面からの反射光と前記測定面からの反射光を再度合成し、該再度合成されたレーザ光の干渉強度を干渉信号として検出する干渉測定過程と、該干渉測定過程で検出された干渉信号の位相差を検出し、該検出された干渉信号の位相差に応じて前記測定面の表面形状を算出する信号処理過程とを有し、更に、前記第一及び第二の光路中の各々に、光路長を調整できる第一及び第二の光路長可変光学要素の各々を設置し、前記干渉測定過程において前記合成又は再合成された干渉強度を測定手段で測定し、該測定された干渉強度に基づいて少なくとも前記第一及び第二の光路長可変光学要素の何れかを調整する光路長調整過程を有することを特徴とする。

また、本発明は、前記レーザ光源は、４１０ｎｍ程度以下で遠紫外光までの波長を有するレーザ光を発振する半導体レーザ光源であることを特徴とする。

また、本発明は、試料の表面を検査する装置であって、あるスペクトル幅を有するレーザ光を発射するレーザ光源と、前記レーザ光源から発射されたレーザ光の光路を２つに分岐する第１の分岐部と、該第１の分岐部で２つに分岐させた双方のレーザ光を互いに異なる周波数で変調する周波数変調部と、前記第１の分岐部で２つに分岐させたレーザ光の互いの光路長を調整する光路長調整部と、該光路長調整部で互いの光路長が調整されたレーザ光を合成する第１の合成部とを備える変調光学系と、前記変調光学系から合成して出力された互いに異なる周波数で変調したレーザ光を２つに分岐する第２の分岐部と、該第２の分岐部で分岐した一方のレーザ光を試料に照射する試料光照射部と、参照反射板と、前記第２の分岐部で分岐した他方のレーザ光を前記参照反射板に照射する参照光照射部とを備えるレーザ照射光学系と、該レーザ照射光学系により一方のレーザ光が照射された前記試料から反射してきたレーザ光と前記レーザ照射光学系により他方のレーザ光が照射された前記参照反射板から反射してきたレーザ光を合成する第２の合成部と、該第２の合成部で合成したレーザ光を受光して信号を得るセンサ部とを備えるレーザ検出光学系と、前記レーザ検出光学系の前記センサ部で受光して得た信号を処理して前記試料の表面の状態の情報を得る信号処理部とを含むことを特徴とする。

また、本発明は、前記表面検査装置において、更に、前記試料を載置して回転と少なくとも一方向への移動が可能なテーブル手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、試料の表面を検査する方法であって、レーザ光源から発射されたレーザ光の光路を２つに分岐し、該２つに分岐した双方のレーザ光を互いに異なる周波数で変調すると共に前記２つに分岐したレーザ光を光路長調整部を通過させて互いの光路長を調整し、該互いに異なる周波数で変調し互いの光路長が調整されたレーザ光を合成する変調ステップと、該変調ステップにおいて合成されたレーザ光を分岐して一方のレーザ光を試料に照射すると共に前記分岐した他方のレーザ光を参照反射板に照射し、前記試料に照射したレーザ光による前記試料からの反射したレーザ光と前記参照反射板に照射したレーザ光による前記参照反射板から反射してきたレーザ光とを合成し、該合成したレーザ光をセンサで検出して信号を得る検出ステップと、該検出ステップで得られた信号を処理して前記試料の表面の状態の情報を得る信号処理ステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明は、試料の表面を検査する方法であって、レーザ光源から発射されたレーザ光を２つの光路に分岐し、該分岐したレーザ光を互いに異なる周波数で変調させ分岐した互いの光路長を調整した後に合成する変調ステップと、該変調ステップにおいて合成されたレーザ光を再度分岐して一方のレーザ光を回転しながら１方向に移動している試料に照射すると共に他方のレーザ光を固定された参照反射板に照射し、該照射による前記回転しながら１方向に移動している試料から反射したレーザ光と前記固定された参照反射板から反射してきたレーザ光とを再度合成し、該再度合成したレーザ光をセンサで検出して信号を得る検出ステップと、該検出ステップにおいて前記センサで検出して得た信号を処理して前記試料の表面の状態の情報を得る信号処理ステップとを含むことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、面記録密度の向上やハードディスク装置の小型化等によって表面粗さがより小さくなる傾向にあるディスク基板等の表面の結晶欠陥、砥粒残り、細かい傷（スクラッチなど）、及び異物などの微小な凹凸欠陥（表面粗さを含む）の形状を、可干渉距離が数ｍｍ程度と非常に短いスペクトル幅の広い半導体レーザの光源を用いて干渉位相測定方式で測定することができ、安価で構成が簡単な表面検査装置及びその方法を実現することができる。

本発明によれば、面記録密度の向上やハードディスク装置の小型化等によって表面粗さがより小さくなる傾向にあるディスク基板等の表面の結晶欠陥、砥粒残り、細かい傷（スクラッチなど）、及び異物などの微小な凹凸欠陥（表面粗さを含む）の形状を、可干渉距離が数ｍｍ程度と非常に短いスペクトル幅の広い半導体レーザの光源を用いて干渉位相測定方式で測定することができ、安価で構成が簡単な表面検査装置及びその方法を実現することができる。

以下に、本発明に係るディスク基板等の基板の表面の微小な凹凸欠陥の形状を干渉位相測定方式で計測する表面検査装置及びその方法の実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明に係る表面検査装置及びその方法の第１の実施例について図を用いて説明する。図２には、本発明に係る半導体レーザの広帯域のスペクトル分布の一例を示す。このように半導体レーザの場合、図９に示したような狭帯域のスペクトル分布を有するダイオード励起固体レーザ（波長５３２ｎｍ）よりも短波長であるが、数ｎｍのスペクトル幅を有し、一般的には数ｍｍ程度の可干渉距離しか得られない。本発明は、このような広帯域レーザを用いた干渉位相測定方式でディスク基板等の基板の表面の微小な凹凸欠陥（表面粗さを含む）の形状を計測する表面検査装置及びその方法に係る発明である。

次に、本発明に係る表面検査装置の第１の実施例について説明する。図１は本発明に係る表面検査装置の第１の実施例の全体構成図を示す。数ｎｍのスペクトル幅を有する広帯域のレーザを出射する安価な半導体レーザ光源１は、駆動回路２により図示しない方法により温度制御、電流制御される。なお、半導体レーザ光源１から出射されるレーザ光の波長は、面記録密度の向上やハードディスク装置の小型化等によって表面粗さがより小さくなる傾向にあるディスク基板等の表面の微小な凹凸欠陥の形状を測定するためには可視光でも４１０ｎｍ程度以下、或いは紫外光、遠紫外光であっても良い。さらに、半導体レーザ光源１から出射されるレーザ光は直線偏光を有している。さらに、レーザ光はλ／２板３により偏光方向を４５度傾ける。そして、分岐光学要素であるＰＢＳ（Polarized Beam Splitter）（Ａ）４によりレーザ光を２分岐する。偏光が４５度傾いているため、ＰＢＳ（Ａ）４で反射光と透過光が等分に分岐される。透過したＳ偏光のレーザ光は変調光学要素である音響光学素子（Ａ）（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）５を透過し、音響素子駆動回路（Ａ）６により所定の周波数ｆａに変調する。

音響光学素子（Ａ）５で変調されたレーザ光は、ミラー７で反射し、光路長調整板（光路長調整板）（Ａ）８を透過する。光路長調整板（Ａ）８は、図３に示すように、回転機構部１００に固定され、回転方向６２に移動可能である。さらに、回転機構部１００は、あおり機構部１０１に固定され、あおり方向６３に移動可能である。回転機構部１００とあおり機構部１０１は駆動系９により制御可能である。ＰＢＳ（Ａ）４で反射したＰ偏光のレーザ光は音響光学素子（Ｂ）１０を透過し、変調光学要素である音響素子駆動回路（Ｂ）１１により所定の周波数ｆｂに変調する。音響光学素子（Ｂ）１０で変調されたレーザ光は、ミラー１２で反射し、光路長調整板（光路長調整板）（Ｂ）１３を透過する。光路長調整板（Ｂ）１３は、光路長調整板（Ａ）８と同様に、図３で説明したように回転方向とあおり方向に駆動系１４で制御可能である。ＰＢＳ（Ａ）４で分岐したＳ偏光の反射光とＰ偏光の透過光は、合成光学要素であるＰＢＳ（Ｂ）１５でそれぞれ反射、透過するため、同軸に合成される。なお、ＰＢＳ（Ａ）４からＰＢＳ（Ｂ）１５までの双方の光路長はほぼ同じ距離に設定する。ＰＢＳ（Ｂ）１５で合成されたレーザ光は光軸に対し４５度傾けた透明なガラス板１６を透過し、ミラー２２で反射する。ここで、透明なガラス板１６の表面ではわずかに反射した同軸に合成されたレーザ光が取り出せる。このレーザ光は、Ｓ偏光とＰ偏光であるため、そのままでは干渉しない。そのため、偏光板１７により偏光面を４５度傾けて光電変換センサ１８上へ射出し、それぞれのレーザ光を干渉させる。

光電変換センサ１８からの電気信号は信号処理部（Ａ／Ｄ変換回路も含む）１９により信号処理される。ここで、光電変換センサ１８の出力形態を説明する。図４には光電変換センサ１８の出力の一実施例を示す。横軸は時間、縦軸は干渉強度の出力を示す。半導体レーザ１からのレーザ光を２分岐し、それぞれ音響光学素子５、１０からのレーザ光は、僅かに異なる周波数ｆａとｆｂに変調されている。この周波数は、音響素子駆動回路（Ａ）６と音響素子駆動回路（Ｂ）１１によりｆａを例えば１４０ＭＨｚ、ｆｂを例えば１３０ＭＨｚと設定すると、ＰＢＳ（Ｂ）１５で合成されたレーザ光は１０ＭＨｚ（周期１００ｎｓｅｃ）の干渉信号となる。

図４に示すように光電変換センサ１８ではこの１０ＭＨｚの干渉信号３９が出力される。信号処理部（Ａ／Ｄ変換回路も含む）１９からの出力は、判定回路２０で干渉強度、周期などの情報を判定し、コンピュータ２１に入力される。コンピュータ２１では、判定回路２０での結果を元に、光路長調整板（光路長調整板）（Ａ）８の駆動系９と光路長調整板（光路長調整板）（Ｂ）１３の駆動系１４に指令を与える。

以上説明した実施例の内容が本発明の特徴とする構成である。

そして、変調されたレーザ光は分岐光学要素であるＰＢＳ（Ｃ）２３により２分岐される。Ｐ偏光は透過し、λ／４板２４により円偏光となり、対物レンズ２５により基準面を形成する参照ミラー（参照反射板）２６に結像される。反射ミラー２６からの反射光は再度対物レンズ２５を透過し、λ／４板２４によりＳ偏光となりＰＢＳ（Ｃ）２３により反射する。一方、ＰＢＳ（Ｃ）２３により２分岐されたＳ偏光は反射し、λ／４板２７により円偏光となり、対物レンズ２８によりディスク基板等の検査対象の試料２９上の測定面に結像される。試料２９は回転可能で、かつ、回転軸と直角な少なくとも１軸方向に移動可能なテーブル４０に載置されており、対物レンズを透過したレーザは、テーブル４０により回転しながら１軸方向に移動している検査対象の試料２９上の測定面に結像される。テーブル４０は、全体制御用コンピュータ３５により回転方向、１軸方向に制御可能であり、かつ位置の計測も可能である。該検査対象の試料２９からの反射光は再度対物レンズ２８を透過し、λ／４板２７によりＰ偏光となりＰＢＳ（Ｃ）２３を透過する。なお、ＰＢＳ（Ｃ）２３から参照ミラー（参照反射板）２６の基準面と検査対象の試料２９の測定面までの双方の光路長はほぼ同じ距離に設定する。

参照ミラー２６の基準面と検査対象の試料２９の測定面とで反射したレーザ光はミラー３０を反射し、結像レンズ３１により受光素子（光電変換センサ）３３上に結像する。このレーザ光は、Ｓ偏光とＰ偏光であるため、そのままでは干渉しないため、偏光板３２を光路中に４５度傾けて配置し、受光素子３３で干渉させる。受光素子３３からの出力は、信号処理回路（位相検出回路）３４によって干渉信号の処理を行い、その干渉信号の処理結果が全体制御用コンピュータ３５に入力される。即ち、信号処理回路（位相検出回路）３４は、受光素子３３から得られる干渉信号において平坦な場合の干渉信号と比較してその位相差（（２π／λ）×２ｄ）を検出し、全体制御用コンピュータ３５に入力することによって、全体制御用コンピュータ３５は検査対象の試料２９の表面形状が測定できることになる。

表示装置３６は試料２９の検出結果を表示可能であり、入力装置３７により全体制御用コンピュータ３５への入力が可能である。記録装置３８は全体制御用コンピュータ３５での検査結果を入出力可能である。また、表示装置３６には、例えば、ディスク基板を製造する際、ディスク基板の表面に存在する欠陥の形状を表示するようにした。

次に、ディスク基板等の検査対象の試料２９に突起あるいは段差が存在したときの受光素子３３の出力について図５を用いて説明する。図５において試料２９が平坦な場合の信号は、波形５０に示す信号となる。横軸は時間、縦軸は干渉信号を示す。参照ミラー２６と試料２９までの距離が変化しないため、波形５０の信号となり、周期は、１／（ｆａ−ｆｂ）となる。（ｆａ−ｆｂ）は、それぞれ音響光学素子５、１０で変調した周波数ｆａとｆｂの差である。ここで、試料２９に段差がある場合の信号は、段差ｄとすると、試料２９に照射し、反射する光路は段差ｄの２倍変化することになる。参照ミラー２６は固定であるため、光路長の変化が変化するため、波形５１のようになり、平坦な場合と比較して位相差（（２π／λ）×２ｄ）が発生する。信号処理回路（位相検出回路）３４によりこの位相差（（２π／λ）×２ｄ）を検出することによって、検査対象の試料２９の表面形状ｄが測定できることになる。なお、λは、半導体レーザ光１から出射されるレーザ光の波長を示す。

次に、以上の構成において、動作について説明する。図６に光路長調整板８、１３が光路長および光軸に及ぼす効果を説明する。図６（ａ）は調整前の状態、図６（ｂ）は回転方向の調整、図６（ｃ）はあおり方向の調整状態を示す。光路長調整板８、１３は板厚をＴとする。図６（ｂ）に示すように、光軸に対して、光路長調整板８、１３を回転機構部１００により回転方向６２にθ度傾ける。光路長調整板８、１３が傾くことによって、レーザ光は光路長調整板８、１３内で屈折し、内部の透過する距離は次に示す（１）式の関係からＴ’となり（Ｔ’−Ｔ）の光路差が発生する。

光路長Ｔ’＝Ｔ／ｃｏｓθ （１）
さらに、光路長調整板８、１３をあおり機構部１０１によって、あおり方向６３にφ度傾けることによっても、同様に光路長調整板８、１３内部を透過する距離が変化し、式（１）の関係からＴ’’となり、（Ｔ’’−Ｔ’）の光路差が発生する。

ところで、上述したように、広帯域の半導体レーザの可干渉距離は数ｍｍ程度であり、この程度の光路差によっても干渉強度が変化することになる。図７には、光電変換センサ１８の出力の一例を示す。調整開始時における干渉強度を１０２、調整終了時における干渉強度を１０３とする。

図８には、光路長調整板８、１３の合せ方（調整の方法）のフローチャートを示す。まず、光路長調整板（Ａ）８を駆動系９により回転方向６２に回転角度θで回転させながら（回転方向６２に光路長を変化させながら）光電変換センサ１８の出力をモニタし（Ｓ７１）、干渉強度が最大となる位置で光路長調整板（Ａ）８の駆動系９を停止させる（Ｓ７２）。

次に、光路長調整板（Ａ）８を駆動系９によりあおり方向６３にあおり角度φであおり移動させながら（あおり方向６３に光路長を変化させながら）光電変換センサ１８の出力をモニタし（Ｓ７３）、干渉強度が最大となる位置で光路長調整板（Ａ）８の駆動系９を停止させ（Ｓ７４）、光路長調整板（Ａ）８の調整は終了となる。

同様に、光路長調整板（Ｂ）１３を駆動系１４により回転方向６２に回転角度θで回転させながら（回転方向６２に光路長を変化させながら）光電変換センサ１８の出力をモニタし（Ｓ７５）、干渉強度が最大となる位置で光路長調整板（Ｂ）１３の駆動系１４を停止させる（Ｓ７６）。

次に、光路長調整板（Ｂ）１３を駆動系１４によりあおり方向６３にあおり角度φであおり移動させながら（あおり方向６３に光路長を変化させながら）光電変換センサ１８の出力をモニタし（Ｓ７７）、干渉強度が最大となる位置で光路長調整板（Ｂ）１３の駆動系１４を停止させる（Ｓ７８）。

これにより光路長調整板（Ａ）８と（Ｂ）１３の調整は終了となる。調整後の波形は図７に示すように、１０３となり、干渉振幅は増大し、図４に示すように、突起ｄに応じた干渉による位相差（（２π／λ）×２ｄ）を基に微小な凹凸欠陥の形状を高精度に計測（測定）することが可能となる。即ち、干渉による位相差（（２π／λ）×２ｄ）を基に測定面の高さ、深さを高精度に算出して測定できるようにした。

いずれにしても干渉位相検出方式の表面検査装置（レーザ光を分岐して、分岐したレーザ光を異なる周波数で変調し、基準面と測定面での反射光を干渉させて表面形状を測定する表面検査装置）において、可干渉距離の短い（数ｍｍ程度）広帯域の半導体レーザを用いる場合には、分岐光学要素であるＰＢＳ（Ａ）４と合成光学要素であるＰＢＳ（Ｂ）１５との間のそれぞれの光路に、変調光学要素である音響光学素子（Ａ）５、（Ｂ）１０及び光路長を変化させることのできる光路長可変光学要素（Ａ）８、（Ｂ）１３を備え、該光路長可変光学要素（Ａ）８、（Ｂ）１３を調整することによって可干渉性を増大させる必要がある。

検査中においては、図７に示す干渉強度信号を、光電変換センサ１８からの電気信号に基づいて信号処理部１９において信号処理することによって常にモニタし、判定回路２０において干渉強度、周期などの情報を判定し、所定の干渉強度以下に変動したと判定した場合、コンピュータ２１は上述したフローチャートに従い、駆動系９、１４の各々を駆動して光路長可変光学要素（光路長調整板の回転及び／又はあおり）（Ａ）８、（Ｂ）１３の各々を調整して各光路長を補正すればよい。その場合、一つの光路長可変光学要素（一枚の光路長調整板）で所定の干渉強度に達した場合は、その調整で中止し、検査を続行すればよい。

なお、光路長調整板８、１３は平行平面基板で説明したが、くさび状のガラス板でも同様の効果が得られる。

くさび状のガラス板を用いた場合の構成を図１０に示す。くさび状の光路長調整板８ａ、１３ａは、回転機構部１００に固定され、回転方向６２に移動可能である。さらに、回転機構部１００は、直進移動部１０４に固定され、直進方向に移動可能である。回転機構部１００と直進移動部１０４は駆動系９により制御可能である。くさび状の光路長調整板８ａ、１３ａは先端部の厚さをｔ1、終端部の厚さをｔ２とした形状のガラス板とする。

図１１にくさび状の光路長調整板８ａ、１３ａが光路長および光軸に及ぼす効果を説明する。図１１（ａ）は調整前の状態、図１１（ｂ）は光路長変更時の調整、図１１（ｃ）はあおり方向の調整状態を示す。すなわち、図６（ａ）と図６（ｂ）に示すように、光路中に直線移動部１０４により、光路長調整板８ａ、１３ａを移動することにより、光路を透過する幅が異なるため、（Ｔ２−Ｔ１）の差分だけ光路差が発生する。また、回転機構部１００により、光路長調整板８ａ、１３ａが例えば、θ方向に回転することによって、光路差を保ったまま光軸がＷ分だけシフトさせることも可能である。図８におけるフローチャートにおいてステップ（Ｓ７１、Ｓ７５）の回転を直進移動部１０４により、直進移動として干渉強度が最善となるようにすれば良い。くさび状の光路長調整板は、１方向のみ厚さを可変としたくさび状で説明したが、図１２に示したような、先端部の厚さをｔ1、終端部の厚さをｔ３とした形状の台形の光路長調整板８ｃ、１３ｃでも、同様の効果が得られるのはもちろんである。この形状においては、くさび状の光路長調整板に対して、直線移動部の移動量が同一量であれば、２倍の光路長が変化することになる。

次に、本発明に係る表面検査装置の第２の実施例について図１３を用いて説明する。第２の実施例において、第１の実施例との相違点は、検査中における干渉強度のモニタを受光素子３３で行う点である。受光素子３３でも図５に示すように少なくとも平坦な場合の干渉強度信号５０が検出されるので、信号処理部１５０で干渉強度を測定し、判定回路１５１において干渉強度、周期などの情報を判定してコンピュータ２１に入力する。判定回路１５１において所定の干渉強度以下に変動したと判定した場合、コンピュータ２１は上述したフローチャートに従い、駆動系９、１４の各々を駆動して光路長可変光学要素（光路長調整板の回転及び／又はあおり）（Ａ）８、（Ｂ）１３の各々を調整して各光路長を補正すればよい。その場合、一つの光路長可変光学要素（一枚の光路長調整板）で所定の干渉強度に達した場合は、その調整で中止し、検査を続行すればよい。このように、基準面と測定面干渉強度を受光素子３３で検出して図８に示すフローチャートで調整しても同様に効果が得られる。

なお、上記第１及び第２の実施例では、レーザ光の分岐に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用したが、通常のビームスプリッタでも同様の効果が得られる。その場合は、λ／２板、λ／４板は不要である。

また、上記第１及び第２の実施例では測定対象をディスク基板等で説明したが、半導体に使用されるマスクあるいはレチクルまた、半導体ウェハの表面検査においても同様の効果があることはいうまでもない。

本発明に係る表面検査装置の第１の実施例の概略構成を示す正面図である。 本発明に係る半導体レーザの広帯域スペクトル幅を示した図である。 本発明に係る光路長調整板の駆動方法を示した図である。 本発明に係る合成光学要素で合成され、光電変換センサ等で検出される干渉波形信号を示した図である。 本発明に係るディスク基板等の基板上に突起がある場合の干渉強度変化の関係を示した図である。 本発明に係る光路長可変要素（光路長調整板）の実施例による光路長変化を示した図で、（ａ）は光路長可変要素（光路長調整板）の調整前を示した図、（ｂ）は光路長可変要素（光路長調整板）を光軸に対して回転方向６２に移動して光の屈折に基づいて光路長が変化する状態を示した図、（ｃ）は光路長可変要素（光路長調整板）を光軸に対してあおり方向６３に移動して光の屈折に基づいて光路長が変化する状態を示した図である。 本発明に係る光路長可変要素（光路長調整板）の調整によって干渉振幅が増大していく状態を示した図である。 本発明に係る光路長可変要素（光路長調整板）の調整によって光路長を合せる方法の一実施例を示したフローチャート図である。 ダイオード励起固体レーザである波長５３２ｎｍの狭帯域レーザのスペクトル分布を示す図である。 本発明に係る光路長可変要素（光路長調整板）の別の実施例を示した図である。 本発明に係る光路長可変要素（光路長調整板）の別の実施例による光路長変化を示した図で、（ａ）は光路長可変要素（光路長調整板）の調整前を示した図、（ｂ）は光路長可変要素（光路長調整板）を光軸に対して直線方向に移動して光の屈折に基づいて光路長が変化する状態を示した図、（ｃ）は光路長可変要素（光路長調整板）を光軸に対してあおり方向６３に移動して光の屈折に基づいて光路長が変化する状態を示した図である。 本発明に係る光路長可変要素（光路長調整板）の更に別の実施例を示した図である。 本発明に係る表面検査装置の第２の実施例の概略構成を示す正面図である。

符号の説明

１…レーザ光源、 ２…駆動回路、 ３…λ/２波長板、 ４…ＰＢＳ（第１の分岐部）、 ５…ＡＯＭ１、 ６…ＡＯＭ駆動ドライバ１、 ７、１２、２２、３０…ミラー、 ８…光路長調整板１、 ９…駆動部１、 １０…ＡＯＭ２、 １１…ＡＯＭ駆動ドライバ２、 １３…光路長調整板１、 １４…駆動部２、 １５…ＰＢＳ（第１の合成部）、 １６…ガラス板、 １７…偏光板、 １８…光電変換センサ、 １９、１５０…信号処理部（Ａ／Ｄ変換回路も含む）、 ２０、１５１…判定回路、 ２１…コンピュータ、 ２３…ＰＢＳ（第２の分岐部及び第２の合成部）、 ２４…λ／４板、 ２５…対物レンズ、 ２６…参照ミラー（参照反射板）、 ２７…λ／４板、 ２８…対物レンズ、 ２９…試料、 ３１…結像レンズ、 ３２…偏光板、 ３３…受光素子（光電変換センサ）、 ３４…信号処理回路（位相検出回路）、 ３５…全体制御用コンピュータ、 ３６…表示装置、 ３７…入力装置、 ４０…テーブル。

Claims (18)

1. 試料の表面を検査する装置であって、
   あるスペクトル幅を有するレーザ光を発射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から発射されたレーザ光の光路を２つに分岐する第１の分岐部と、該第１の分岐部で２つに分岐させた双方のレーザ光を互いに異なる周波数で変調する周波数変調部と、前記第１の分岐部で２つに分岐させたレーザ光の互いの光路長を調整する光路長調整部と、該光路長調整部で互いの光路長が調整されたレーザ光を合成する第１の合成部とを備える変調光学系と、
   前記変調光学系から合成して出力された互いに異なる周波数で変調したレーザ光を２つに分岐する第２の分岐部と、該第２の分岐部で分岐した一方のレーザ光を試料に照射する試料光照射部と、参照反射板と、前記第２の分岐部で分岐した他方のレーザ光を前記参照反射板に照射する参照光照射部とを備えるレーザ照射光学系と、
   該レーザ照射光学系により一方のレーザ光が照射された前記試料から反射してきたレーザ光と前記レーザ照射光学系により他方のレーザ光が照射された前記参照反射板から反射してきたレーザ光を合成する第２の合成部と、該第２の合成部で合成したレーザ光を受光して信号を得るセンサ部とを備えるレーザ検出光学系と、
   前記レーザ検出光学系の前記センサ部で受光して得た信号を処理して前記試料の表面の状態の情報を得る信号処理部とを含むことを特徴とする表面検査装置。
2. 前記レーザ光源は数ｎｍのスペクトル幅を有する広帯域の半導体レーザであることを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
3. 更に、少なくとも前記変調光学系の第１の合成部で合成されて互いの光路長が調整されたレーザ光の干渉の状態をモニタするモニタ手段を備えることを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
4. 前記光路長調整部は、前記モニタ手段でモニタされるレーザ光の干渉強度が最も強くなるように前記２つに分岐させたレーザ光の互いの光路長を調整することが可能であることを特徴とする請求項３記載の表面検査装置。
5. 前記レーザ検出光学系のセンサ部は前記第２の合成部で合成されたレーザの干渉強度を干渉信号として検出するように構成し、
   前記信号処理部は前記レーザ検出光学系のセンサ部で検出された干渉信号から該干渉信号の位相差を検出し、該検出した干渉信号の位相差の情報を用いて前記試料の表面の状態の情報を得るように構成することを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
6. 前記信号処理部は前記レーザ検出光学系のセンサ部で検出された信号を処理して前記試料の表面の凹凸欠陥の形状を計測するように構成することを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
7. 更に、前記試料を載置して回転と少なくとも一方向への移動が可能なテーブル手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
8. 試料の表面を検査する方法であって、
   レーザ光源から発射されたレーザ光の光路を２つに分岐し、該２つに分岐した双方のレーザ光を互いに異なる周波数で変調すると共に前記２つに分岐したレーザ光を光路長調整部を通過させて互いの光路長を調整し、該互いに異なる周波数で変調し互いの光路長が調整されたレーザ光を合成する変調ステップと、
   該変調ステップにおいて合成されたレーザ光を分岐して一方のレーザ光を試料に照射すると共に前記分岐した他方のレーザ光を参照反射板に照射し、前記試料に照射したレーザ光による前記試料からの反射したレーザ光と前記参照反射板に照射したレーザ光による前記参照反射板から反射してきたレーザ光とを合成し、該合成したレーザ光をセンサで検出して信号を得る検出ステップと、
   該検出ステップで得られた信号を処理して前記試料の表面の状態の情報を得る信号処理ステップとを含むことを特徴とする表面検査方法。
9. 前記変調ステップにおいて、前記レーザ光源から発射されるレーザ光は、数ｎｍのスペクトル幅を有する広帯域の半導体レーザであることを特徴とする請求項８記載の表面検査方法。
10. 更に、前記変調ステップにおいて前記互いに異なる周波数で変調されて互いの光路長が調整されて合成されたレーザ光の干渉状態をモニタするモニタステップを含むことを特徴とする請求項８記載の表面検査方法。
11. 前記変調ステップにおいて、前記モニタステップでモニタされたレーザの干渉強度が最も強くなるように前記２つに分岐させたレーザ光の互いの光路長を調整することを特徴とする請求項１０記載の表面検査方法。
12. 前記検出ステップにおいて、前記合成されたレーザ光の干渉強度を前記センサで検出して干渉信号を得、
    前記信号処理ステップにおいて、前記得られた干渉信号から該干渉信号の位相差を検出し、該検出した干渉信号の位相差の情報を用いて前記試料の表面の状態の情報を得ることを特徴とする請求項８記載の表面検査方法。
13. 前記信号処理ステップにおいて、前記得られた信号を処理して前記試料の表面の凹凸欠陥の形状を計測することを特徴とする請求項８記載の表面検査方法。
14. 前記検出ステップにおいて、前記分岐した一方のレーザ光を試料に照射する際、該試料は回転すると共に少なくとも一方向へ移動することを特徴とする請求項８記載の表面検査方法。
15. 試料の表面を検査する方法であって、
    レーザ光源から発射されたレーザ光を２つの光路に分岐し、該分岐したレーザ光を互いに異なる周波数で変調させ分岐した互いの光路長を調整した後に合成する変調ステップと、
    該変調ステップにおいて合成されたレーザ光を再度分岐して一方のレーザ光を回転しながら１方向に移動している試料に照射すると共に他方のレーザ光を固定された参照反射板に照射し、該照射による前記回転しながら１方向に移動している試料から反射したレーザ光と前記固定された参照反射板から反射してきたレーザ光とを再度合成し、該再度合成したレーザ光をセンサで検出して信号を得る検出ステップと、
    該検出ステップにおいて前記センサで検出して得た信号を処理して前記試料の表面の状態の情報を得る信号処理ステップとを含むことを特徴とする表面検査方法。
16. 前記変調ステップにおいて、前記レーザ光源から発射されるレーザは、数ｎｍのスペクトル幅を有する広帯域の半導体レーザであることを特徴とする請求項１５記載の表面検査方法。
17. 前記検出ステップにおいて、前記センサは前記再度合成されたレーザ光の干渉強度を干渉信号として検出し、
    前記信号処理ステップにおいて、前記検出ステップで検出した干渉信号から該干渉信号の位相差を検出し、該検出した干渉信号の位相差の情報を用いて前記試料の表面の状態の情報を得ることを特徴とする請求項１５記載の表面検査方法。
18. 前記信号処理ステップにおいて、前記検出ステップにおいて前記センサで検出して得た信号を処理して前記試料の表面の凹凸欠陥の形状を計測することを特徴とする請求項１５記載の表面検査方法。

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