JP2011127966A - Interference measurement apparatus and interference measurement method - Google Patents

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武利 根岸
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To extend a dynamic range in the height direction without the use of a movement mechanism of a measurement object. <P>SOLUTION: The interference measurement apparatus includes: generation means (9, 20) for generating light flux having finite coherence lengths; a branch means (22) for branching the light flux into two light fluxes, irradiating a measurement target plane (25a) with one light flux, and irradiating a reference plane (24a) with the other light flux; integration means (22, 21) for integrating the measurement light flux through the measurement target plane and the reference light flux through the reference plane on the same optical path, and generating integrated light flux; a scan means (20) for scanning a coherence length of the light fluxes branched by the branch means; measurement means (27, 30) for obtaining relations information indicating a relationship between a scan position of the coherence length and an intensity of the integrated light flux; and a calculation means (30) for obtaining the height information of the measurement target plane as a boundary between a scan range in which the measurement light flux and the reference light flux are interfered with each other and a scan range in which the measurement light flux and the reference light flux are not interfered with each other based on the relation information. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、測定対象面の高さや形状を測定する干渉測定装置及び干渉測定方法に関する。   The present invention relates to an interference measuring apparatus and an interference measuring method for measuring the height and shape of a measurement target surface.

特許文献1には、波長走査型干渉計の原理を使用した面形状測定装置が開示されている。この装置では、波長に対する干渉信号の変化カーブが測定対象面の高さに依って異なることを利用しており、具体的には、波長可変光源により光の波長を走査しながら干渉縞画像を繰り返し取得することにより、測定対象面の各位置に関する干渉信号の変化カーブを測定し、様々な高さについての変化カーブの理論値(理論カーブ)の中から、測定された変化カーブに近いものをパターンマッチングにより見出すことにより、その位置の高さを求めている。   Patent Document 1 discloses a surface shape measuring apparatus using the principle of a wavelength scanning interferometer. This device uses the fact that the change curve of the interference signal with respect to the wavelength varies depending on the height of the measurement target surface. Specifically, the interference fringe image is repeated while scanning the wavelength of the light with a variable wavelength light source. By obtaining the measurement, the change curve of the interference signal for each position on the measurement target surface is measured, and patterns that are close to the measured change curve are selected from the theoretical values (theoretical curves) of the change curves for various heights. By finding it by matching, the height of the position is obtained.

特許第3861666号公報Japanese Patent No. 3861666

しかしながら、測定対象面の高低差が光の可干渉距離によって決まる所定値より大きい場合には、一部の位置については有意な干渉信号が得られなくなるため、その面形状を一括して測定することはできない(特許文献1の段落[0011]を参照。)。よって、この場合は、測定対象物を光軸方向へ移動させて測定を繰り返す必要があり、測定対象物の移動誤差が形状測定誤差に重畳することを許容せざるを得なかった。   However, if the height difference of the measurement target surface is larger than a predetermined value determined by the coherence distance of light, a significant interference signal cannot be obtained for some positions, so the surface shape must be measured at once. (See paragraph [0011] of Patent Document 1). Therefore, in this case, it is necessary to repeat the measurement by moving the measurement object in the optical axis direction, and it is necessary to allow the movement error of the measurement object to be superimposed on the shape measurement error.

そこで本発明は、測定対象物の移動機構を使用せずとも高さ方向のダイナミックレンジを拡大することが可能な干渉測定装置及び干渉測定方法を提供する。   Therefore, the present invention provides an interference measuring apparatus and an interference measuring method capable of expanding a dynamic range in the height direction without using a moving mechanism of a measurement object.

本発明を例示する干渉測定装置の一態様は、可干渉距離が有限の光束を生成する生成手段と、前記光束を2つの光束に分岐し、それら2つの光束の一方を測定対象面へ照射すると共に他方を参照面へ照射する分岐手段と、前記測定対象面を経由した測定光束と前記参照面を経由した参照光束とを同一光路に統合して統合光束を生成する統合手段と、前記分岐手段により分岐される光束の可干渉距離を走査する走査手段と、前記可干渉距離の走査位置と前記統合光束の強度との関係を示す関係情報を取得する測定手段と、前記関係情報に基づき、前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲と、前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界を、前記測定対象面の高さ情報として取得する演算手段とを備える。   An aspect of the interference measuring apparatus illustrating the present invention includes a generating unit that generates a light beam having a finite coherence distance, the light beam is split into two light beams, and one of the two light beams is irradiated onto a measurement target surface. And a branching means for irradiating the other to the reference surface, an integrating means for integrating the measurement light flux passing through the measurement target surface and the reference light flux passing through the reference surface into the same optical path, and generating an integrated light flux, and the branching means Based on the relationship information, scanning means for scanning the coherence distance of the light beam branched by the above, a measurement means for acquiring relationship information indicating a relationship between the scanning position of the coherence distance and the intensity of the integrated light beam, And calculating means for acquiring, as the height information of the measurement target surface, a boundary between a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam interfere with each other and a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam do not interfere with each other.

本発明を例示する干渉測定方法の一態様は、可干渉距離が有限の光束を生成する生成手順と、前記光束を2つの光束に分岐し、それら2つの光束の一方を測定対象面へ照射すると共に他方を参照面へ照射する分岐手順と、前記測定対象面を経由した測定光束と前記参照面を経由した参照光束とを同一光路に統合して統合光束を生成する統合手順と、前記分岐手順で分岐される光束の可干渉距離を走査する走査手順と、前記可干渉距離の走査位置と前記統合光束の強度との関係を示す関係情報を取得する測定手順と、前記関係情報に基づき、前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲と、前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界を、前記測定対象面の高さ情報として取得する演算手順とを含む。   One aspect of the interference measurement method exemplifying the present invention is a generation procedure for generating a light beam having a finite coherence distance, the light beam is split into two light beams, and one of the two light beams is irradiated onto a measurement target surface. And a branching procedure for irradiating the other to the reference surface, an integration procedure for integrating a measurement light beam passing through the measurement target surface and a reference light beam passing through the reference surface into the same optical path to generate an integrated light beam, and the branching procedure On the basis of the scanning procedure for scanning the coherence distance of the light beam branched at, the measurement procedure for obtaining the relationship information indicating the relationship between the scanning position of the coherence distance and the intensity of the integrated light beam, And a calculation procedure for acquiring a boundary between a scanning range where the measurement light beam and the reference light beam interfere with each other and a boundary between the scanning range where the measurement light beam and the reference light beam do not interfere as the height information of the measurement target surface.

本発明によれば、測定対象物の移動機構を使用せずとも高さ方向のダイナミックレンジを拡大することが可能な干渉測定装置及び干渉測定方法が実現する。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the interference measuring apparatus and interference measuring method which can expand the dynamic range of a height direction are realized, without using the moving mechanism of a measuring object.

実施形態の面形状測定装置の構成配置図である。1 is a configuration layout diagram of a surface shape measuring apparatus according to an embodiment. 波長選択素子20によって抽出される光束のスペクトルを説明する図である。It is a figure explaining the spectrum of the light beam extracted by the wavelength selection element. 波長選択素子20によって抽出される光束の干渉性の変化を説明する模式図である。6 is a schematic diagram illustrating a change in coherence of a light beam extracted by a wavelength selection element 20. FIG. 中心波長λと可干渉距離Zとの関係(Z=λ/|Δλ|)をグラフにしたものである。The relationship between the center wavelength λ and the coherence distance Z C (Z C = λ 2 / | Δλ |) is shown as a graph. 中心波長λと、可干渉距離Zの走査ピッチとの関係をグラフにしたものである。And the center wavelength lambda, is obtained by the relationship between the scanning pitch of the coherence length Z C in the graph. チューナブルフィルタの例を示す図である。It is a figure which shows the example of a tunable filter. コントロールユニット30による測定処理のフローチャートである。3 is a flowchart of measurement processing by a control unit 30. シミュレーションで仮定した測定対象面25aの形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the measurement object surface 25a assumed by simulation. 151番目のサンプリングで取得された画像I151である(中心波長λがλ151=0.55μmに設定され、可干渉距離ZがZC151=3.025μmに設定されたとき。)。This is an image I 151 acquired by the 151st sampling (when the center wavelength λ is set to λ 151 = 0.55 μm and the coherence distance Z C is set to Z C151 = 3.025 μm). 651番目のサンプリングで取得された画像I651である(中心波長λがλ651=1.05μmに設定され、可干渉距離ZがZC651=11.025μmに設定されたとき。)。This is the image I 651 acquired in the 651st sampling (when the center wavelength λ is set to λ 651 = 1.05 μm and the coherence distance Z C is set to Z C651 = 11.025 μm). 1151番目のサンプリングで取得された画像I1151である(中心波長λがλ1151=1.55μmに設定され、可干渉距離ZがZC1151=24.025μmに設定されたとき。)。This is an image I 1151 acquired by the 1151st sampling (when the center wavelength λ is set to λ 1151 = 1.55 μm and the coherence distance Z C is set to Z C1151 = 24.025 μm). コントロールユニット30による解析処理のフローチャートである。3 is a flowchart of analysis processing by a control unit 30. ステップS23を説明する図である。It is a figure explaining step S23. ステップS26を説明する図である。It is a figure explaining step S26.

[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態として、面形状測定装置を説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a surface shape measuring apparatus will be described as a first embodiment of the present invention.

図1は、面形状測定装置の構成配置図である。図1に示すとおり面形状測定装置には、白色光源部9、波長選択素子20、ビームスプリッタ21、22、補正板23、参照ミラー24、結像光学系26、撮像素子27、コントロールユニット30などが備えられる。このうち、ビームスプリッタ21、22、結像光学系26、撮像素子27が干渉計を構成している。なお、ここでは、干渉計のタイプをマイケルソン型と仮定するが、他のタイプ(マッハツェンダー型、ミラウ型など)に変更することも可能である。   FIG. 1 is a configuration layout diagram of a surface shape measuring apparatus. As shown in FIG. 1, the surface shape measuring apparatus includes a white light source unit 9, a wavelength selection element 20, beam splitters 21 and 22, a correction plate 23, a reference mirror 24, an imaging optical system 26, an imaging element 27, a control unit 30, and the like. Is provided. Among these, the beam splitters 21 and 22, the imaging optical system 26, and the image pickup device 27 constitute an interferometer. Here, the interferometer type is assumed to be a Michelson type, but it can be changed to other types (Mach-Zehnder type, Mirau type, etc.).

白色光源部9は、ハロゲンランプなどの白色光源9Aと、ビームエキスパンダ9Bとを備え、適当な径の平行光束からなる白色光束を出射する。   The white light source unit 9 includes a white light source 9A such as a halogen lamp and a beam expander 9B, and emits a white light beam composed of a parallel light beam having an appropriate diameter.

波長選択素子20は、白色光源部9から射出した白色光束のうち、一部の波長帯域の成分のみを抽出する。波長選択素子20が抽出する波長帯域の中心波長と、その波長帯域の幅(波長幅)と、その波長帯域における各波長の強度とは、それぞれコントロールユニット30によって制御可能である。   The wavelength selection element 20 extracts only a component in a part of the wavelength band from the white light beam emitted from the white light source unit 9. The center wavelength of the wavelength band extracted by the wavelength selection element 20, the width of the wavelength band (wavelength width), and the intensity of each wavelength in the wavelength band can be controlled by the control unit 30, respectively.

波長選択素子20によって抽出された光束は、ビームスプリッタ21を透過した後、ビームスプリッタ22の分離面22aを反射する光束(参照光束)と、ビームスプリッタ22の分離面22aを透過する光束(測定光束)とに分岐する。   The light beam extracted by the wavelength selection element 20 passes through the beam splitter 21, and then reflects the separation surface 22a of the beam splitter 22 (reference light beam) and the light beam that passes through the separation surface 22a of the beam splitter 22 (measurement light beam). ) And branch.

分離面22aを反射した参照光束は、補正板23を通過した後、参照ミラー24の参照面24aへ正面から入射する。その参照光束は、参照面24aを反射することで光路を折り返し、補正板23を再通過した後、ビームスプリッタ22へ戻る。   The reference light beam reflected by the separation surface 22a passes through the correction plate 23 and then enters the reference surface 24a of the reference mirror 24 from the front. The reference light beam is reflected by the reference surface 24 a to return the optical path, pass through the correction plate 23 again, and then return to the beam splitter 22.

分離面22aを透過した測定光束は、測定対象物25の測定対象面25aへ正面から入射する。その測定光束は、測定対象面25aを反射することで光路を折り返し、ビームスプリッタ22へ戻る。   The measurement light beam transmitted through the separation surface 22a enters the measurement target surface 25a of the measurement target 25 from the front. The measurement light beam reflects the measurement target surface 25 a to return the optical path and return to the beam splitter 22.

ビームスプリッタ22へ戻った参照光束と測定光束とは分離面22aにて統合され、統合光束となってビームスプリッタ21の側へ向かう。その統合光束は、ビームスプリッタ21を反射し、結像光学系26を介して撮像素子27の撮像面27aへ入射する。   The reference light beam and the measurement light beam that have returned to the beam splitter 22 are integrated at the separation surface 22a, and the integrated light beam is directed toward the beam splitter 21. The integrated light beam reflects from the beam splitter 21 and enters the imaging surface 27 a of the imaging element 27 via the imaging optical system 26.

撮像素子27は、撮像面27a上の輝度分布を示す画像、すなわち統合光束の強度分布を示す画像を生成する。なお、撮像素子27による画像生成(撮像)のタイミングはコントロールユニット30によって制御される。   The image sensor 27 generates an image showing the luminance distribution on the imaging surface 27a, that is, an image showing the integrated light flux intensity distribution. Note that the timing of image generation (imaging) by the imaging element 27 is controlled by the control unit 30.

ここで、参照面24aで反射した参照光束の波面の複素振幅をR・u(t)とし、測定対象面25aで反射した測定光束の波面の複素振幅をR・u(t‐τ)とすると、統合光束の波面(合成波面)の複素振幅は、以下のとおり表される。 Here, the complex amplitude of the wavefront of the reference beam reflected by the reference surface 24a is R r · u (t), and the complex amplitude of the wavefront of the measurement beam reflected by the measurement target surface 25a is R s · u (t−τ). Then, the complex amplitude of the wavefront (synthetic wavefront) of the integrated luminous flux is expressed as follows.

但し、u(t)は白色光源9Aからの光束の波面(基本波面)を規格化したものの複素振幅であり、Rは参照面24aの反射率、Rは測定対象面25aの反射率である。τは、参照光束と測定光束との間の光路長差Lに起因して生じる、両者の波面の到達時間差を表しており、τ=L/ cで表される(但し、cは光速である。)。 However, u (t) is the complex amplitude of those normalized wavefront (basic wave) of the light beam from the white light source 9A, reflectance R r is the reference surface 24a, in reflectance R s is the object surface 25a is there. τ represents the arrival time difference between the wave fronts caused by the optical path length difference L between the reference light beam and the measurement light beam, and is represented by τ = L / c (where c is the speed of light). .)

このとき、撮像素子27で検出される統合光束の強度Iは、以下のとおり表される。   At this time, the intensity I of the integrated light beam detected by the image sensor 27 is expressed as follows.

この式の中で、第3項が干渉効果を表している。但し、第3項における関数Re[X]は、Xの複素関数の実部を意味している。   In this equation, the third term represents the interference effect. However, the function Re [X] in the third term means the real part of the complex function of X.

以下、第3項に着目し、これをIint(τ)とする。第3項におけるRe[X]のXは自己相関関数なので、ウィーナー・ヒンチンの定理を使って、Iint(τ)は、以下のとおり表される。 Hereinafter, paying attention to the third term, this is defined as I int (τ). Since X of Re [X] in the third term is an autocorrelation function, I int (τ) is expressed as follows using Wiener Hinchin's theorem.

つまり、Iint(τ)は、下記のエネルギースペクトルを、逆フーリエ変換したものに相当する。 That is, I int (τ) corresponds to an inverse Fourier transform of the following energy spectrum.

但し、U(ω)は、以下のとおりu(t)のフーリエ変換である。   However, U (ω) is the Fourier transform of u (t) as follows.

この場合、逆フーリエ変換の関係から、以下の式も成り立つ。   In this case, the following equation also holds from the relationship of inverse Fourier transform.

ここで、本実施形態の波長選択素子20は、抽出する光束のスペクトルを任意のスペクトルに設定できる。よって、波長選択素子20は、上述したA(ω)を以下のとおり設定するものと仮定する。   Here, the wavelength selection element 20 of the present embodiment can set the spectrum of the extracted light beam to an arbitrary spectrum. Therefore, it is assumed that the wavelength selection element 20 sets A (ω) described above as follows.

この場合、Iint(τ)は、以下のとおり表される。 In this case, I int (τ) is expressed as follows.

したがって、撮像素子27で検出される統合光束の強度Iは、以下のとおり表される。   Therefore, the intensity I of the integrated light beam detected by the image sensor 27 is expressed as follows.

この中の干渉項が最初にゼロになるのは、|Δω|τ/2=πのときなので、本件においてはτ=2π/|Δω|を可干渉時間と定義すると、以下の関係が成り立つ。   The interference term in this case first becomes zero when | Δω | τ / 2 = π. In this case, if τ = 2π / | Δω | is defined as a coherent time, the following relationship holds.

但し、λは、波長選択素子20によって抽出される光束の中心波長であり、|Δλ|は、その光束の波長幅である。   However, λ is the center wavelength of the light beam extracted by the wavelength selection element 20, and | Δλ | is the wavelength width of the light beam.

したがって、波長選択素子20によって抽出される光束の可干渉距離Zcは、以下のとおり表される。   Therefore, the coherence distance Zc of the light beam extracted by the wavelength selection element 20 is expressed as follows.

そして、本実施形態では、図2に示すとおり、波長選択素子20によって抽出される光束の中心波長λは、予め決められた波長範囲内(ここでは400nm〜2000nmとする。)を微小単位(ここでは1nmとする。)で変更することが可能であり、また、その光束の波長幅|Δλ|は、その波長範囲よりも狭い所定値(ここでは100nmとする。)に固定されているものと仮定する(上述したA(ω)の定義を参照)。また、その光束に含まれる各波長成分の強度は、予め決められた値に揃えられているものと仮定する。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the center wavelength λ of the light beam extracted by the wavelength selection element 20 is within a predetermined wavelength range (here, 400 nm to 2000 nm) in minute units (here). The wavelength width | Δλ | of the luminous flux is fixed to a predetermined value (here, 100 nm) narrower than the wavelength range. Assume (see definition of A (ω) above). In addition, it is assumed that the intensity of each wavelength component included in the luminous flux is aligned with a predetermined value.

このように、光束の中心波長λを400nmから2000nmに向けて徐々に変化させると、その光束の干渉性は、図3に模式的に示すように徐々に高まり、その光束の可干渉距離Z(Z=λ/|Δλ|)は、1.6μmから40μmへと走査されることになる。なお、図4は、中心波長λと可干渉距離Zとの関係(Z=λ/|Δλ|)をグラフにしたものである。 Thus, when the center wavelength λ of the light beam is gradually changed from 400 nm to 2000 nm, the coherence of the light beam gradually increases as shown schematically in FIG. 3, and the coherence distance Z C of the light beam. (Z C = λ 2 / | Δλ |) is scanned from 1.6 μm to 40 μm. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the center wavelength λ and the coherence distance Z C (Z C = λ 2 / | Δλ |).

また、上述したとおり中心波長λの変化ピッチを一定(ここでは1nm)にした場合、可干渉距離Z(=λ/|Δλ|)の走査ピッチは、中心波長λが短いときほど細かくなる。なお、図5は、中心波長λと走査ピッチとの関係をグラフにしたものである。 As described above, when the change pitch of the center wavelength λ is constant (here, 1 nm), the scanning pitch of the coherent distance Z C (= λ 2 / | Δλ |) becomes finer as the center wavelength λ is shorter. . FIG. 5 is a graph showing the relationship between the center wavelength λ and the scanning pitch.

以上の機能を有する波長選択素子20としては、例えば、液晶チューナブルフィルタと色変換フィルタを組み合わせたリオフィルタ、或いは、図6に示すようなチューナブルフィルタを適用することが可能である。なお、図6に示すチューナブルフィルタの詳細は、後述する。   As the wavelength selection element 20 having the above functions, for example, a rio filter combining a liquid crystal tunable filter and a color conversion filter or a tunable filter as shown in FIG. 6 can be applied. Details of the tunable filter shown in FIG. 6 will be described later.

撮像素子27は、本装置の使用波長帯域内(ここでは350nm〜2050nm)の各光に感度を有しており、本装置の他の光学素子(ビームエキスパンダ9B、ビームスプリッタ21、22、補正板23、結像光学系26など)の硝材には、その使用波長帯域内の各光を導光できるものが選定されている。また、参照光束と測定光束との干渉強度をより高めるために、参照ミラー24aの反射率は、測定対象物の反射率となるべく近い値に設定されていることが望ましい。   The image sensor 27 has sensitivity to each light within the wavelength band (350 nm to 2050 nm in this case) of the apparatus, and other optical elements (beam expander 9B, beam splitters 21 and 22, correction) of the apparatus. As the glass material of the plate 23, the imaging optical system 26, and the like, those capable of guiding each light within the used wavelength band are selected. In order to further increase the interference intensity between the reference light beam and the measurement light beam, it is desirable that the reflectance of the reference mirror 24a be set as close as possible to the reflectance of the measurement object.

また、参照光束の単独光路へ配置された補正板23の光学的特性(分散、屈折率など)は、補正板23から参照光束の波面に与えられる変形が、ビームスプリッタ22から測定光束の波面に与えられる変形と同じになるよう予め設定されている。これによって、参照光束の単独光路の条件と測定光束の単独光路の条件とが共通化される。   Further, the optical characteristics (dispersion, refractive index, etc.) of the correction plate 23 arranged in the single optical path of the reference beam are such that the deformation given from the correction plate 23 to the wavefront of the reference beam is changed from the beam splitter 22 to the wavefront of the measurement beam. It is preset to be the same as the given deformation. Thereby, the condition of the single optical path of the reference light beam and the condition of the single optical path of the measurement light beam are made common.

また、測定対象物25の近傍において、撮像面27aと光学的に共役な基準面25bは、次の条件を満たす。すなわち、基準面25bからビームスプリッタ22の分離面22aまでの距離は、参照面24aからビームスプリッタ22の分離面22aまでの距離と一致している。   In the vicinity of the measurement object 25, the reference surface 25b optically conjugate with the imaging surface 27a satisfies the following condition. That is, the distance from the reference surface 25b to the separation surface 22a of the beam splitter 22 is the same as the distance from the reference surface 24a to the separation surface 22a of the beam splitter 22.

また、測定対象面25aの各位置は、基準面25bの上方又は下方に存在する。ここでは、測定対象面25aの各位置は、基準面25bの上方(ビームスプリッタ22に近い側)に存在しているものと仮定する。   Each position of the measurement target surface 25a exists above or below the reference surface 25b. Here, it is assumed that each position of the measurement target surface 25a exists above the reference surface 25b (on the side close to the beam splitter 22).

ここで、測定対象面25a上の或る位置に着目する(以下、この位置を「着目位置」と称す。)。撮像面27a上で着目位置に対応する画素(着目画素)へ入射する統合光束は、前述したとおり参照光束と測定光束とからなるが、それら光束の光路長差Zは、基準面25bを基準とした着目位置の高さZ’に応じた値(Z=2Z’)をとる。   Here, attention is paid to a certain position on the measurement target surface 25a (hereinafter, this position is referred to as a “target position”). The integrated light beam incident on the pixel corresponding to the target position (target pixel) on the imaging surface 27a is composed of the reference light beam and the measurement light beam as described above. The optical path length difference Z between these light beams is based on the reference surface 25b. A value (Z = 2Z ′) corresponding to the height Z ′ of the target position is taken.

仮に、可干渉距離Zの走査位置が前述した走査範囲の下端値(1.6μm)の近傍であって、可干渉距離Zより光路長差Zの方が長いとき(つまりZ’>Z/2が成り立つとき)には、それらの参照光束及び測定光束は互いに干渉しないので、可干渉距離Zの走査中に着目画素が生成する信号の強度のコントラストはゼロとなる。 If the scanning position of the coherent distance Z C is near the lower end value (1.6 μm) of the scanning range described above, and the optical path length difference Z is longer than the coherent distance Z C (that is, Z ′> Z by the time) the C / 2 holds, since their reference beam and the measurement light beam do not interfere with each other, the contrast of the intensity of the coherence length Z C signal pixel of interest is generated during the scanning of zero.

一方、可干渉距離Zの走査位置が前述した走査範囲の上端値(40μm)の近傍であって、可干渉距離Zより光路長差Zの方が短いとき(つまりZ’<Z/2が成り立つとき)には、それらの参照光束及び測定光束は互いに干渉するので、可干渉距離Zの走査中に着目画素が生成する信号の強度のコントラストはゼロでは無くなる。 On the other hand, when the scanning position of the coherent distance Z C is near the upper end value (40 μm) of the scanning range described above, and the optical path length difference Z is shorter than the coherent distance Z C (that is, Z ′ <Z C / by the time 2 holds), since their reference beam and measurement beam interfere with each other, the contrast of the intensity of the coherence length Z C signal pixel of interest is generated during the scanning of no zero.

したがって、本装置では、可干渉距離Zを前述した走査範囲の下端値(1.6μm)から上端値(40μm)に向けて走査すると共に、その走査中に着目画素が生成する信号の強度のコントラストを監視し、コントラストが変化する走査範囲とコントラストが変化しない走査範囲との境界に相当する走査位置(境界位置Z)を見出せば、着目位置の高さZ’をZ’=Z/2の式によって既知とすることができる。このことは、測定対象面25aの各位置について成り立つ。 Accordingly, the present apparatus is adapted to scan toward the lower end value of the scan range described above the coherence length Z C from (1.6 [mu] m) to the upper value (40 [mu] m), the intensity of the signal generated by the target pixel in the scanning If the contrast is monitored and a scanning position (boundary position Z b ) corresponding to the boundary between the scanning range in which the contrast changes and the scanning range in which the contrast does not change is found, the height Z ′ of the target position is determined as Z ′ = Z b / It can be known by the equation of 2. This is true for each position of the measurement target surface 25a.

なお、可干渉距離Zの走査範囲(1.6μm〜40μm)を高さZ’の単位で表すと、0.8μm〜20μmの範囲となる。よって、本装置の高さ方向の測定範囲は、0.8μm〜20μmの範囲である。 Incidentally, it expressed scanning range of the coherence length Z C a (1.6μm~40μm) in units of height Z ', in the range of 0.8Myuemu~20myuemu. Therefore, the measurement range in the height direction of this apparatus is a range of 0.8 μm to 20 μm.

よって、後述する測定処理の開始に当たり、測定対象物25の光軸方向の位置は、測定対象面25aの各位置の高さZ’が0.8μm〜20μmの範囲内に収まるように調整される。   Therefore, at the start of the measurement process described later, the position of the measurement object 25 in the optical axis direction is adjusted so that the height Z ′ of each position of the measurement object surface 25a falls within the range of 0.8 μm to 20 μm. .

本装置のコントロールユニット30は、制御装置としての機能と演算装置としての機能とを有する。   The control unit 30 of this apparatus has a function as a control apparatus and a function as an arithmetic unit.

制御装置としてのコントロールユニット30は、光源部9、波長選択素子20、撮像素子27を駆動制御することにより、測定対象面25aの各位置の高さ情報を含んだ画像群を取得する(測定処理)。また、演算装置としてのコントロールユニット30は、その画像群に対して演算を施すことにより、測定対象面25aの高さ分布を求める(解析処理)。   The control unit 30 as a control device obtains an image group including height information of each position of the measurement target surface 25a by driving and controlling the light source unit 9, the wavelength selection element 20, and the imaging element 27 (measurement processing). ). In addition, the control unit 30 as a calculation device calculates the height distribution of the measurement target surface 25a by performing calculation on the image group (analysis process).

次に、コントロールユニット30による測定処理を説明する。図7は、コントロールユニット30による測定処理のフローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。   Next, the measurement process by the control unit 30 will be described. FIG. 7 is a flowchart of measurement processing by the control unit 30. Hereinafter, each step will be described in order.

ステップS10:コントロールユニット30は、サンプリング番号iを初期値(1)に設定する。   Step S10: The control unit 30 sets the sampling number i to an initial value (1).

ステップS11:コントロールユニット30は、光源部9及び波長選択素子20をオンする。   Step S11: The control unit 30 turns on the light source unit 9 and the wavelength selection element 20.

ステップS12:コントロールユニット30は、波長選択素子20に対して、抽出する光束の中心波長λをi番目の波長λに設定するよう指示を与える。なお、i番目の波長λ(nm)は、λ=400+(i−1)で表される。これによって、可干渉距離Zの走査位置は、i番目の走査位置ZCiに設定される。なお、i番目の走査位置ZCi(nm)は、ZCi=λ /100で表される。 Step S12: The control unit 30 instructs the wavelength selection element 20 to set the center wavelength λ of the light beam to be extracted to the i-th wavelength λ i . The i-th wavelength λ i (nm) is represented by λ i = 400 + (i−1). Thus, the scanning position of the coherence length Z C is set to i-th scan position Z Ci. Incidentally, i-th scan position Z Ci (nm) is represented by Z Ci = λ i 2/100 .

ステップS13:コントロールユニット30は、撮像素子17を駆動して1フレーム分の画像をサンプリングする。以下、i番目のサンプリングでサンプリングされた画像を「画像I」とおく。 Step S13: The control unit 30 drives the image sensor 17 and samples an image for one frame. Hereinafter, an image sampled by the i-th sampling is referred to as “image I i ”.

ステップS14:コントロールユニット30は、サンプリング番号iが最終値(ここでは1600)に達したか否かを判別し、最終値に達していなければステップS15へ移行し、最終値に達していればステップS16へ移行する。   Step S14: The control unit 30 determines whether or not the sampling number i has reached the final value (1600 in this case). If the final value has not been reached, the process proceeds to step S15. The process proceeds to S16.

ステップS15:コントロールユニット30は、サンプリング番号iをインクリメントしてからステップS12へ戻る。したがって、コントロールユニット30は、可干渉距離Zを走査しながら画像Iの取得を1600回繰り返す。 Step S15: The control unit 30 increments the sampling number i and then returns to step S12. Accordingly, the control unit 30 repeats the acquisition of the image I i 1600 times while scanning the coherent length Z C.

ステップS16:コントロールユニット30は、光源部9及び波長選択素子20をオフする。   Step S16: The control unit 30 turns off the light source unit 9 and the wavelength selection element 20.

ステップS17:コントロールユニット30は、以上のステップで取得した一連の画像I、…、I1600をコントロールユニット30内の保存用メモリに格納し、フローを終了する。 Step S17: The control unit 30 stores the series of images I 1 ,..., I 1600 acquired in the above steps in the storage memory in the control unit 30 and ends the flow.

次に、測定処理で得られる画像I、…、I1600の一部を説明する。図8〜図11に示す画像は、シミュレーションによって取得されたものである。 Next, a part of the images I 1 ,..., I 1600 obtained by the measurement process will be described. The images shown in FIGS. 8 to 11 are obtained by simulation.

シミュレーションでは、測定対象面25aの形状を、図8に示すようにZ’=A・|cos(X)・cos(Y)|とした。なお、図8では、高さが共通の領域を互いに同じ濃度で表している。   In the simulation, the shape of the measurement target surface 25a is set to Z ′ = A · | cos (X) · cos (Y) | as shown in FIG. In FIG. 8, regions having a common height are represented by the same density.

また、シミュレーションでは、測定対象面25aのピーク値を決めるAは、10μmとおいた。また、シミュレーションでは、測定対象面25aの反射率は、参照面24aの反射率と同じと仮定した。   In the simulation, A for determining the peak value of the measurement target surface 25a was set to 10 μm. In the simulation, it is assumed that the reflectance of the measurement target surface 25a is the same as the reflectance of the reference surface 24a.

図9は、151番目のサンプリングで取得された画像I151である。なお、151番目のサンプリングでは、中心波長λはλ151=0.55μmに設定され、可干渉距離ZはZC151=3.025μmに設定された。 FIG. 9 is an image I 151 acquired by the 151st sampling. In the 151st sampling, the center wavelength λ was set to λ 151 = 0.55 μm, and the coherence distance Z C was set to Z C151 = 3.025 μm.

図9から明らかなとおり、画像I151において、可干渉距離ZC151に相当する高さ(Z’=ZC151/2=1.5125μm)より低い領域では干渉効果が高く、干渉がない場合の平均強度(図では強度2)からの差異の大きな出力を示しているが、それより高い領域では、干渉がない場合の平均強度に近い。 As is clear from FIG. 9, in the image I 151 , the interference effect is high in a region lower than the height corresponding to the coherent distance Z C151 (Z ′ = Z C151 /2=1.5125 μm), and the average when there is no interference An output having a large difference from the intensity (intensity 2 in the figure) is shown, but in an area higher than that, it is close to the average intensity when there is no interference.

図10は、651番目のサンプリングで取得された画像I651である。なお、651番目のサンプリングでは、中心波長λはλ651=1.05μmに設定され、可干渉距離ZはZC651=11.025μmに設定された。 FIG. 10 is an image I 651 acquired in the 651st sampling. In the 651st sampling, the center wavelength λ was set to λ 651 = 1.05 μm, and the coherence distance Z C was set to Z C651 = 11.025 μm.

図10から明らかなとおり、画像I651において、可干渉距離ZC651に相当する高さ(Z’=ZC651/2=5.5125μm)より低い領域では干渉効果が現れており、干渉のない場合の平均強度(図では強度2)からの差異が大きい強度となっているが、それより高い領域では、強度は平均強度に近く、干渉効果が現れていない。 As is clear from FIG. 10, in the image I 651 , the interference effect appears in a region lower than the height corresponding to the coherent distance Z C651 (Z ′ = Z C651 /2=5.5125 μm), and there is no interference. Although the difference from the average intensity (intensity 2 in the figure) is large, the intensity is close to the average intensity in a region higher than that, and the interference effect does not appear.

図11は、1151番目のサンプリングで取得された画像I1151である。なお、1151番目のサンプリングでは、中心波長λはλ1151=1.55μmに設定され、可干渉距離ZはZC1151=24.025μmに設定された。 FIG. 11 is an image I 1151 acquired by the 1151st sampling. In the 1151st sampling, the center wavelength λ was set to λ 1151 = 1.55 μm, and the coherence distance Z C was set to Z C1151 = 24.025 μm.

図11から明らかなとおり、画像I1151において、可干渉距離ZC1151に相当する高さ(Z’=ZC1151/2=12.0125μm)より低い領域(すなわち全ての領域)では強度は平均値(図では強度2)からの差異が大きく、干渉効果が現れている。 As apparent from FIG. 11, in the image I 1151 , the intensity is an average value (ie, all regions) lower than the height corresponding to the coherent distance Z C1151 (Z ′ = Z C1151 /2=12.0125 μm). In the figure, the difference from intensity 2) is large, and an interference effect appears.

次に、コントロールユニット30による解析処理を説明する。図12は、コントロールユニット30による解析処理のフローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。
なお、解析処理の開始時点では、測定処理は実行済みであり、コントロールユニット30内の保存用メモリには一連の画像I、…、I1600が格納されているものと仮定する。
Next, analysis processing by the control unit 30 will be described. FIG. 12 is a flowchart of analysis processing by the control unit 30. Hereinafter, each step will be described in order.
It is assumed that the measurement process has been executed at the start of the analysis process, and a series of images I 1 ,..., I 1600 are stored in the storage memory in the control unit 30.

ステップS21:コントロールユニット30は、保存用メモリに格納されている一連の画像I、…、I1600を、コントロールユニット30の作業用メモリ上へ読み出すと共に、画素番号jを初期値(1)に設定する。 Step S21: The control unit 30 reads out a series of images I 1 ,..., I 1600 stored in the storage memory onto the work memory of the control unit 30, and sets the pixel number j to the initial value (1). Set.

ステップS22:コントロールユニット30は、サンプリング番号iを初期値(1)に設定する。   Step S22: The control unit 30 sets the sampling number i to an initial value (1).

ステップS23:コントロールユニット30は、画素番号j及びサンプリング番号iに関するコントラスト値Cijを次の手順(a)〜(d)により算出する。 Step S23: The control unit 30 calculates the contrast value C ij relating to the pixel number j and the sampling number i by the following procedures (a) to (d).

(a)コントロールユニット30は、一連の画像I、…、I1600のうち、j番目の画素に関する一連の信号S1j、…、S1600jを参照し、図13に模式的に示すとおりそれらの信号S1j、…、S1600jを「可干渉距離Zの走査位置と信号強度との関係を示す座標空間」上に写像する。この座標空間に写像された信号の走査方向に亘る配列ピッチは、不等間隔である(なぜなら、可干渉距離Zの走査ピッチは不均一であったため。)。なお、図13は模式図なので、データ数やデータ間隔は実際のそれとは異なる可能性がある。 (A) The control unit 30 refers to a series of signals S 1j ,..., S 1600j relating to the jth pixel in the series of images I 1 ,..., I 1600 , and as shown schematically in FIG. The signals S 1j ,..., S 1600j are mapped onto the “coordinate space indicating the relationship between the scanning position of the coherent distance Z C and the signal intensity”. Arrangement pitch across the scanning direction of the mapped signals to the coordinate space is irregular intervals (This is because the scanning pitches of the coherence length Z C was heterogeneous.). Since FIG. 13 is a schematic diagram, the number of data and the data interval may be different from actual ones.

(b)コントロールユニット30は、その座標空間上に、サンプリング番号iに対応する走査位置ZCiを中心とし、かつ走査方向に所定サイズの広がり持った参照範囲Aを想定する。 (B) The control unit 30 assumes, in the coordinate space, a reference range A i centered on the scanning position Z Ci corresponding to the sampling number i and having a predetermined size spread in the scanning direction.

(c)コントロールユニット30は、一連の信号S1j、…、S1600jのうち、参照範囲Aに属する複数の信号の強度を参照する。なお、一連の信号S1j、…、S1600jの走査方向の配列ピッチは不均一であるため、参照範囲Aに属する信号の個数は、サンプリング番号iによって異なる可能性がある。 (C) The control unit 30 refers to the intensities of a plurality of signals belonging to the reference range A i among the series of signals S 1j ,..., S 1600j . Note that since the arrangement pitch of the series of signals S 1j ,..., S 1600j is not uniform, the number of signals belonging to the reference range A i may vary depending on the sampling number i.

(d)コントロールユニット30は、手順(c)で参照した複数の信号の強度の中から最大値Imaxij及び最小値Iminijを見出し、その最大値Imaxij及び最小値Iminijを、Cij=(Imaxij−Iminij)/(Imaxij+Iminij)の式へ当てはめることによりコントラスト値Cijを求める。 (D) the control unit 30 finds the maximum value Imax ij and the minimum value Imin ij from among the intensities of a plurality of signals referred to in steps (c), the maximum value Imax ij and the minimum value Imin ij, C ij = The contrast value C ij is obtained by fitting to the formula (Imax ij −Imin ij ) / (Imax ij + Imin ij ).

ステップS24:コントロールユニット30は、サンプリング番号iが最終値(ここでは1600)に達したか否かを判別し、最終値に達していなければステップS25へ移行し、最終値に達していればステップS26へ移行する。   Step S24: The control unit 30 determines whether or not the sampling number i has reached the final value (1600 in this case). If the final value has not been reached, the process proceeds to step S25. The process proceeds to S26.

ステップS25:コントロールユニット30は、サンプリング番号iをインクリメントしてからステップS23へ戻る。したがって、コントロールユニット30は、j番目の画素の全てのサンプリング番号iに関するコントラスト値Cij(i=1〜1600)を順次に取得する。図14に模式的に示すのは、取得されたコントラスト値Cj1〜Cj1600の例である。なお、図14は模式図なので、データ数やデータ間隔は実際のそれとは異なる可能性がある。 Step S25: The control unit 30 increments the sampling number i and then returns to step S23. Therefore, the control unit 30 sequentially acquires the contrast values C ij (i = 1 to 1600) regarding all the sampling numbers i of the j-th pixel. FIG. 14 schematically shows examples of acquired contrast values C j1 to C j1600 . Since FIG. 14 is a schematic diagram, the number of data and the data interval may be different from actual ones.

ステップS26:コントロールユニット30は、j番目の画素に関する一連のコントラスト値C1j〜C1600jに基づき、図14に曲線で示すように、走査方向に亘るコントラスト値の変化カーブを作成する。この変化カーブは、一連のコントラスト値C1j〜C1600jに対して補間処理を施すことによって求めることができる。或いは、この変化カーブは、一連のコントラスト値C1j〜C1600jに対して関数をフィッティングすることによって求めることができる。そして、コントロールユニット30は、作成した変化カーブから、コントラストが激しく変動する走査範囲と、コントラストが殆ど変動しない走査範囲(コントラストが減衰する走査範囲)との境界に相当するサンプリング番号iを見出し、それを可干渉距離に換算することで、境界位置Zbjを求める。この境界位置Zbjは、測定対象面25a上でj番目の画素に対応する光路長差を示す。 Step S26: Based on the series of contrast values C 1j to C 1600j for the jth pixel, the control unit 30 creates a contrast value change curve in the scanning direction as shown by the curve in FIG. This change curve can be obtained by performing an interpolation process on a series of contrast values C 1j to C 1600j . Alternatively, the change curve can be obtained by fitting a function to a series of contrast values C 1j to C 1600j . Then, the control unit 30 finds the sampling number i corresponding to the boundary between the scanning range where the contrast fluctuates greatly and the scanning range where the contrast hardly fluctuates (scanning range where the contrast attenuates) from the created change curve. Is converted into a coherent distance to obtain the boundary position Z bj . The boundary position Z bj shows an optical path length difference corresponding to the j-th pixel on the object surface 25a.

ステップS27:コントロールユニット30は、j番目の画素に関する境界位置ZbjをZ’=Zbj/2 の式に当てはめることにより、測定対象面25a上でj番目の画素に対応する位置の高さZ’を算出する。 Step S27: The control unit 30 applies the boundary position Z bj related to the j th pixel to the expression Z j ′ = Z bj / 2 to thereby obtain the height of the position corresponding to the j th pixel on the measurement target surface 25a. Z j ′ is calculated.

ステップS28:コントロールユニット30は、画素番号jが最終値(ここでは、512×512=262144とする。)に達したか否かを判別し、達していなければステップS29へ移行し、達していればステップS30へ移行する。   Step S28: The control unit 30 determines whether or not the pixel number j has reached the final value (here, 512 × 512 = 262144). If not, the process proceeds to step S29. If so, the process proceeds to step S30.

ステップS29:コントロールユニット30は、画素番号jをインクリメントしてからステップS22に戻る。したがって、コントロールユニット30は、全ての画素番号jに関する高さZ’(j=1〜262144)を順次に取得する。 Step S29: The control unit 30 increments the pixel number j and returns to step S22. Therefore, the control unit 30 sequentially acquires the heights Z j ′ (j = 1 to 262144) for all the pixel numbers j.

ステップS30:コントロールユニット30は、以上のステップで取得した高さZ’(j=1〜262144)を画素番号jの順に配列することにより、測定対象面25aの高さ分布データを取得する。そしてコントロールユニット30は、その高さ分布データを不図示のモニタ上に可視化すると共に、必要に応じて保存用メモリへ格納し、フローを終了する。 Step S30: The control unit 30 acquires the height distribution data of the measurement target surface 25a by arranging the heights Z j ′ (j = 1 to 262144) acquired in the above steps in the order of the pixel number j. Then, the control unit 30 visualizes the height distribution data on a monitor (not shown), stores it in a storage memory as necessary, and ends the flow.

以上、本装置のコントロールユニット30は、可干渉距離Zの走査位置と統合光束の強度との関係(図13)を測定すると共に、その関係(図13)に基づき、測定光束と参照光束とが干渉する走査範囲と、測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界位置Zを算出し(図14)、それを高さZ’に換算する。 Above, the control unit 30 of the apparatus, as well as measuring the relationship between the intensity of the integrated light beam and the scanning position of the coherence length Z C (FIG. 13), based on the relationship (FIG. 13), the reference beam and the measuring beam There the interfering scanning range, the measurement light beam and said reference light beam is calculated boundary position Z b of the scanning range that does not interfere (Fig. 14), converted it to the height Z j '.

したがって、本装置の高さ方向の測定範囲は、可干渉距離Zの長さ自体によって決まるのではなく、可干渉距離Zの走査範囲の広さによって決まる。具体的には、高さ方向の測定範囲の広さは、可干渉距離Zの走査範囲の広さの1/2倍となる。 Therefore, a height direction of the measurement range of the device is not determined by the length itself of the coherence length Z C, determined by the width of the scanning range of the coherence length Z C. Specifically, the width of the measurement range in the height direction is 1/2 times larger than the scanning range of the coherence length Z C.

したがって、本装置では、可干渉距離Zの走査範囲を拡張するだけで、高さ方向の測定範囲を拡張することができる。実際、本装置では、可干渉距離Zの走査範囲を1.6μm〜40μmに設定することで、高さ方向の測定範囲を0.8μm〜40μmに設定した。これによって、高さ方向のダイナミックレンジは、20−0.8=19.2μmとなった。 Accordingly, the present apparatus can be extended only in the measurement range in the height direction to extend the scanning range of the coherence length Z C. Indeed, in this apparatus, by setting the scanning range of the coherence length Z C to 1.6Myuemu~40myuemu, set the measurement range in the height direction 0.8Myuemu~40myuemu. As a result, the dynamic range in the height direction was 20−0.8 = 19.2 μm.

なお、本装置のコントロールユニット30は、可干渉距離Zを走査するために光束の波長λのみを変更したが、波長幅|Δλ|のみを変更してもよく、また、波長λと波長幅|Δλ|との双方を変更してもよい。 Incidentally, the control unit 30 of the device has been changed only the wavelength λ of the light beam to scan the coherence length Z C, the wavelength width | [Delta] [lambda] | only may be changed, also the wavelength λ and the wavelength width Both | Δλ | may be changed.

例えば、本装置のコントロールユニット30は、波長λのみを400nmから2000nmに向かって徐々に変化させ、2000nmになった時点で、波長幅|Δλ|をゼロに向かって徐々に狭め始めてもよい。このようにして2つのパラメータにより可干渉距離Zを走査すれば、装置の使用波長範囲を広げることなく可干渉距離Zの走査範囲を広げることができる。 For example, the control unit 30 of the present apparatus may gradually change only the wavelength λ from 400 nm to 2000 nm and start to gradually narrow the wavelength width | Δλ | toward zero when it reaches 2000 nm. In this way, the scanning coherence length Z C by two parameters, it is possible to widen the scanning range of the coherence length Z C without increasing the operating wavelength range of the device.

また、本装置のコントロールユニット30は、可干渉距離Zを走査するために光束の波長λのみを変更し、しかもその変更ピッチを均一としたので、可干渉距離Zの走査ピッチが不均一になったが、可干渉距離Zの走査ピッチが均一となるよう波長λ及び波長幅|Δλ|の組み合わせの変更パターンを設定してもよい。 Further, the control unit 30 of the apparatus, by changing only the wavelength λ of the light beam to scan the coherence length Z C, and since the uniform the changes pitch, the scanning pitch of the coherence length Z C is uneven became a coherence length Z C of the scan pitch is uniform and so as the wavelength λ and the wavelength width | may set a combination of the change pattern | [Delta] [lambda].

[チューナブルフィルタの例]
以下、図6に示したチューナブルフィルタを詳しく説明する。図6において、符号20で示すのがチューナブルフィルタである。
[Example of tunable filter]
Hereinafter, the tunable filter shown in FIG. 6 will be described in detail. In FIG. 6, reference numeral 20 denotes a tunable filter.

光源部9から入射する光は、第1光学系1に入射し、光軸に平行な光束に変換される。この光は、第1ウォラストンプリズム2に垂直入射し、P偏光とS偏光の進行方向が分離される。偏光分離素子として第1ウォラストンプリズム2を使用しているため、薄膜型偏光ビームスプリッタや偏光フィルタに比して高い消光比が得られる。図6においては、光の進行方向を矢印で示すと共に、ウォラストンプリズム入出力面を基準として、P偏光を矢印で、S偏光を○印(振動方向を示す)で表している。   Light incident from the light source unit 9 enters the first optical system 1 and is converted into a light beam parallel to the optical axis. This light is perpendicularly incident on the first Wollaston prism 2, and the traveling directions of P-polarized light and S-polarized light are separated. Since the first Wollaston prism 2 is used as the polarization separation element, a high extinction ratio can be obtained as compared with a thin film type polarization beam splitter or a polarization filter. In FIG. 6, the traveling direction of light is indicated by an arrow, and P-polarized light is indicated by an arrow and S-polarized light is indicated by a circle (showing a vibration direction) with reference to the Wollaston prism input / output surface.

第1ウォラストンプリズム2を出射したP偏光とS偏光は平行光となり、それぞれ第2光学系3に入射し、主光線が光軸に平行な収束光に変換される。第2光学系3を出射した光は、プレチルト補正波長板4に入射し、ここで、後述する反射型液晶素子アレイデバイス6のプレチルト位相を半分補償される。このようなプレチルト補正波長板4の使用方法は、反射型液晶素子アレイデバイス6を使用する場合に周知なものである。   The P-polarized light and the S-polarized light emitted from the first Wollaston prism 2 become parallel lights, which respectively enter the second optical system 3, and the principal ray is converted into convergent light parallel to the optical axis. The light emitted from the second optical system 3 enters the pretilt correction wavelength plate 4 where the pretilt phase of the reflective liquid crystal element array device 6 described later is half compensated. Such a method of using the pretilt correction wavelength plate 4 is well known when the reflective liquid crystal element array device 6 is used.

第2光学系3は、出側テレセントリックな光学系となっており、第2光学系3を出射した光の主光線は、プレチルト補正波長板4に垂直に入射する。これにより、プレチルト補正波長板4によるリターデーション量が光束通過角度によって変動しないようにされている。このような光学系とするために、第1ウォラストンプリズム2による偏光分離点と第2光学系3の前側焦点がほぼ一致するようにされている。   The second optical system 3 is an exit side telecentric optical system, and the principal ray of the light emitted from the second optical system 3 enters the pretilt correction wavelength plate 4 perpendicularly. Thereby, the retardation amount by the pretilt correction wavelength plate 4 is prevented from fluctuating depending on the light beam passing angle. In order to obtain such an optical system, the polarization separation point by the first Wollaston prism 2 and the front focal point of the second optical system 3 are substantially matched.

プレチルト補正波長板4を出射した光は、波長分散型分光器5のスリット51に収束する。スリット51は第2光学系3の後側焦点位置に配置されている。スリット51は、波長分散型分光器5のグレーティング53の分光方向に細く、それと直角な方向に長くされている。スリット51を透過した光は、分光器コリメータ52により、スリット51の像を波長分散型分光器5のグレーティング53上に結像する。すなわち、スリット51とグレーティング53は、それぞれ分光器コリメータ52の前側焦点、後側焦点位置に配置されている。   The light emitted from the pretilt correction wavelength plate 4 converges to the slit 51 of the wavelength dispersion spectrometer 5. The slit 51 is disposed at the rear focal position of the second optical system 3. The slit 51 is thin in the spectral direction of the grating 53 of the wavelength dispersive spectrometer 5 and is elongated in a direction perpendicular thereto. The light transmitted through the slit 51 forms an image of the slit 51 on the grating 53 of the wavelength dispersive spectrometer 5 by the spectrometer collimator 52. That is, the slit 51 and the grating 53 are arranged at the front focal point and the rear focal point position of the spectrometer collimator 52, respectively.

グレーティング53により分光された光は、分光器カメラ光学系54によって、P偏光とS偏光の偏光分離入力光ビームの2つのスペクトラム像を、それぞれ、反射型液晶素子アレイデバイス6の第1液晶素子アレイ61、第2液晶素子アレイ62上に結像する。すなわち、グレーティング53と、第1液晶素子アレイ61、第2液晶素子アレイ62とは、それぞれ、分光器カメラ光学系54の前側焦点位置、後側焦点位置に配置されている。これにより、第1液晶素子アレイ61上には、S偏光のスペクトラム像がそのアレイ方向に結像され、第2液晶素子アレイ62上には、P偏光のスペクトラム像がそのアレイ方向に結像される。第1液晶素子アレイ61と第2液晶素子アレイ62は、互いに独立して動作するので、光学系に偏光特性が存在する場合、これを補償することも可能である。   The light separated by the grating 53 is converted into two spectrum images of the P-polarized light and the S-polarized light by the spectroscope camera optical system 54, respectively, and the first liquid crystal element array of the reflective liquid crystal element array device 6. 61, an image is formed on the second liquid crystal element array 62. That is, the grating 53, the first liquid crystal element array 61, and the second liquid crystal element array 62 are arranged at the front focal position and the rear focal position of the spectroscope camera optical system 54, respectively. As a result, an S-polarized spectrum image is formed on the first liquid crystal element array 61 in the array direction, and a P-polarized spectrum image is formed on the second liquid crystal element array 62 in the array direction. The Since the first liquid crystal element array 61 and the second liquid crystal element array 62 operate independently of each other, it is also possible to compensate for the presence of polarization characteristics in the optical system.

また、この光学系を見ると分かるように、分光器カメラ光学系54は出側テレセントリックとなっており、主光線は、第1液晶素子アレイ61、第2液晶素子アレイ62に対してそれぞれ垂直に入射する。又、波長に応じた入射角度の変動もないので、液晶素子により与えられるリターデーションが、光束通過角度によって変動しないようにされ、正確なものとなる。   Further, as can be seen from this optical system, the spectroscope camera optical system 54 is an exit side telecentric, and the principal rays are perpendicular to the first liquid crystal element array 61 and the second liquid crystal element array 62, respectively. Incident. Further, since there is no change in the incident angle according to the wavelength, the retardation given by the liquid crystal element is prevented from changing depending on the light beam passage angle, and is accurate.

反射型液晶素子アレイドライバ13により、第1液晶素子アレイ61、第2液晶素子アレイ62の各単位液晶素子(アレイとなって配列されているものの一つ一つ)に印加する電圧を調整することにより、各単位液晶素子のリターデーションを調節する。これによって、第1液晶素子アレイ61、第2液晶素子アレイ62から反射して、入射してきた経路を逆にたどって戻っていく光束の、偏光の状態(一般には楕円偏光になっている)を、各単位液晶素子毎、すなわち入射した光の波長毎に変えることができる。   The reflective liquid crystal element array driver 13 adjusts the voltage applied to each unit liquid crystal element (each of which is arranged as an array) of the first liquid crystal element array 61 and the second liquid crystal element array 62. To adjust the retardation of each unit liquid crystal element. As a result, the polarization state (generally, elliptically polarized light) of the light beam reflected from the first liquid crystal element array 61 and the second liquid crystal element array 62 and returning along the incident path is reversed. It can be changed for each unit liquid crystal element, that is, for each wavelength of incident light.

第1液晶素子アレイ61、第2液晶素子アレイ62で変調されて反射された光は、分光器カメラ光学系54によりグレーティング53上に集光され、ここで、波長毎に分散していた光が2つの光束(P偏光とS偏光)に集められる。集められた光束は、分光器コリメータ52によりスリット51上に集光され、スリット51を透過して、プレチルト補正波長板4を通り、ここで、P偏光とS偏光が、第1ウォラストンプリズム2に集光される。   The light modulated and reflected by the first liquid crystal element array 61 and the second liquid crystal element array 62 is collected on the grating 53 by the spectroscope camera optical system 54, where the light dispersed for each wavelength is reflected. It is collected into two light beams (P-polarized light and S-polarized light). The collected light beam is collected on the slit 51 by the spectroscope collimator 52, passes through the slit 51, and passes through the pretilt correction wavelength plate 4, where the P-polarized light and the S-polarized light are converted into the first Wollaston prism 2. It is focused on.

第1ウォラストンプリズム2に集光されたP偏光とS偏光は、3つの光束となって出射する。すなわち、第1液晶素子アレイ61、第2液晶素子アレイ62によりリターデーションを受けていないP偏光とS偏光は、第1ウォラストンプリズム2によって一つの光束にまとめられ、入射してきた方に戻っていく。P偏光のうちリターデーションを受けてS偏光に変換された成分、S偏光のうちリターデーションを受けてP偏光に変換された成分は、第1ウォラストンプリズム2によって、さらに光路を曲げられ、図6に示すように外側に広がって進行する。そして、第1光学系1により集光された後、第3光学系7により平行光に変えられ、第2ウォラストンプリズム8に入射する。第2ウォラストンプリズム8は、このP偏光とS偏光を一つの光にまとめて出力する。図6に示す例では、第1光学系1と第3光学系7とでアフォーカルな光学系が構成されている。   The P-polarized light and the S-polarized light focused on the first Wollaston prism 2 are emitted as three light beams. That is, the P-polarized light and the S-polarized light that have not been subjected to retardation by the first liquid crystal element array 61 and the second liquid crystal element array 62 are combined into one light beam by the first Wollaston prism 2 and returned to the incident light. Go. The component of the P-polarized light that has undergone retardation and is converted to S-polarized light, and the component of the S-polarized light that has undergone retardation and has been converted to P-polarized light is further bent in the optical path by the first Wollaston prism 2. As shown in FIG. Then, after being condensed by the first optical system 1, it is converted into parallel light by the third optical system 7 and enters the second Wollaston prism 8. The second Wollaston prism 8 collectively outputs the P-polarized light and the S-polarized light as one light. In the example shown in FIG. 6, the first optical system 1 and the third optical system 7 constitute an afocal optical system.

また、第1ウォラストンプリズム2による偏光分離点と、波長分散型分光器5に用いられているグレーティング53における波長分解点、および第2ウォラストンプリズム8による偏光合波点がほぼ共役関係にあるようにされている。これにより、グレーティング53と第1ウォラストンプリズム2、第2ウォラストンプリズム8を通過する光束断面積を最小にして高価な素子の大きさを小さくすることができる。   Further, the polarization separation point by the first Wollaston prism 2, the wavelength resolving point in the grating 53 used in the wavelength dispersion spectroscope 5, and the polarization combining point by the second Wollaston prism 8 are substantially conjugate. Has been. As a result, the cross-sectional area of the light beam passing through the grating 53, the first Wollaston prism 2 and the second Wollaston prism 8 can be minimized and the size of the expensive element can be reduced.

以上述べたような光学系において、第2ウォラストンプリズム8から出射する光のスペクトラムは、第1液晶素子アレイ61、第2液晶素子アレイ62によって受けたリターデーションによって変化するので、反射型液晶素子アレイドライバ13の出力により、このスペクトル分布を変化させることができ、チューナブルフィルタとしての作用を果たしている。   In the optical system as described above, the spectrum of the light emitted from the second Wollaston prism 8 changes depending on the retardation received by the first liquid crystal element array 61 and the second liquid crystal element array 62. Therefore, the reflective liquid crystal element The spectrum distribution can be changed by the output of the array driver 13, and the filter functions as a tunable filter.

9…白色光源部、20…波長選択素子、21、22…ビームスプリッタ、23…補正板、24…参照ミラー、26…結像光学系、27…撮像素子、30…コントロールユニット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... White light source part, 20 ... Wavelength selection element, 21, 22 ... Beam splitter, 23 ... Correction plate, 24 ... Reference mirror, 26 ... Imaging optical system, 27 ... Imaging element, 30 ... Control unit

Claims (7)

可干渉距離が有限の光束を生成する生成手段と、
前記光束を2つの光束に分岐し、それら2つの光束の一方を測定対象面へ照射すると共に他方を参照面へ照射する分岐手段と、
前記測定対象面を経由した測定光束と前記参照面を経由した参照光束とを同一光路に統合して統合光束を生成する統合手段と、
前記分岐手段により分岐される光束の可干渉距離を走査する走査手段と、
前記可干渉距離の走査位置と前記統合光束の強度との関係を示す関係情報を取得する測定手段と、
前記関係情報に基づき、前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲と、前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界を、前記測定対象面の高さ情報として取得する演算手段と、
を備えることを特徴とする干渉測定装置。
Generating means for generating a light beam having a finite coherence distance;
Branching means for branching the luminous flux into two luminous fluxes, irradiating one of the two luminous fluxes to the surface to be measured and irradiating the other to the reference surface;
An integration means for generating an integrated light beam by integrating the measurement light beam passing through the measurement target surface and the reference light beam passing through the reference surface into the same optical path;
Scanning means for scanning the coherence distance of the light beam branched by the branching means;
Measuring means for acquiring relationship information indicating a relationship between the scanning position of the coherent distance and the intensity of the integrated luminous flux;
Based on the relationship information, a boundary between a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam interfere and a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam do not interfere is acquired as height information of the measurement target surface. Computing means;
An interference measurement apparatus comprising:
請求項1に記載の干渉測定装置において、
前記走査手段は、
前記光束の可干渉距離を走査するために、その光束の中心波長及び波長幅の少なくとも一方を変化させる
ことを特徴とする干渉測定装置。
The interference measurement apparatus according to claim 1,
The scanning means includes
In order to scan the coherence distance of the light beam, at least one of the center wavelength and the wavelength width of the light beam is changed.
請求項1又は請求項2の何れか一項に記載の干渉測定装置において、
前記演算手段は、
前記強度の走査方向に亘るコントラストが閾値以上となるような走査範囲を前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲とみなし、前記強度の走査方向に亘るコントラストが閾値未満となるような走査範囲を前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲とみなして前記高さ情報を取得する
ことを特徴とする干渉測定装置。
In the interference measuring device according to any one of claims 1 and 2,
The computing means is
A scanning range in which the contrast in the scanning direction of the intensity is greater than or equal to a threshold value is regarded as a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam interfere with each other, and scanning in which the contrast in the scanning direction of the intensity is less than the threshold value The height measurement information is obtained by regarding the range as a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam do not interfere with each other.
請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の干渉測定装置において、
前記測定手段は、
前記関係情報を前記測定対象面の位置毎に取得し、
前記演算手段は、
前記高さ情報を前記測定対象面の位置毎に取得する
ことを特徴とする干渉測定装置。
In the interference measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The measuring means includes
Obtaining the relation information for each position of the measurement target surface;
The computing means is
The interference measurement apparatus, wherein the height information is acquired for each position of the measurement target surface.
請求項4に記載の干渉測定装置において、
前記演算手段は、
前記強度の空間方向に亘るコントラストが閾値以上となるような走査範囲を前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲とみなし、前記強度の空間方向に亘るコントラストが閾値未満となるような走査範囲を前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲とみなして前記高さ情報を取得する
ことを特徴とする干渉測定装置。
The interference measurement apparatus according to claim 4,
The computing means is
A scanning range in which the contrast in the spatial direction of the intensity is equal to or greater than a threshold value is regarded as a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam interfere with each other, and scanning in which the contrast in the spatial direction of the intensity is less than the threshold value. The height measurement information is obtained by regarding the range as a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam do not interfere with each other.
請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の干渉測定装置において、
前記測定光束のうち前記参照光束との光路長差がゼロとなる基準面は、前記測定対象面から外れた面に位置しており、
前記測定手段による前記強度の検出面は、前記基準面と共役な面に位置している
ことを特徴とする干渉測定装置。
In the interference measuring apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The reference plane in which the optical path length difference from the reference light beam is zero among the measurement light beams is located on a surface that is out of the measurement target surface,
An interference measuring device, wherein the intensity detection surface by the measuring means is located on a surface conjugate with the reference surface.
可干渉距離が有限の光束を生成する生成手順と、
前記光束を2つの光束に分岐し、それら2つの光束の一方を測定対象面へ照射すると共に他方を参照面へ照射する分岐手順と、
前記測定対象面を経由した測定光束と前記参照面を経由した参照光束とを同一光路に統合して統合光束を生成する統合手順と、
前記分岐手順で分岐される光束の可干渉距離を走査する走査手順と、
前記可干渉距離の走査位置と前記統合光束の強度との関係を示す関係情報を取得する測定手順と、
前記関係情報に基づき、前記測定光束と前記参照光束とが干渉する走査範囲と、前記測定光束と前記参照光束とが干渉しない走査範囲との境界を、前記測定対象面の高さ情報として取得する演算手順と、
を含むことを特徴とする干渉測定方法。
A generation procedure for generating a light beam having a finite coherence distance;
A branching procedure for branching the light flux into two light fluxes, irradiating one of the two light fluxes to the surface to be measured and irradiating the other to the reference surface;
An integration procedure for generating an integrated light beam by integrating the measurement light beam passing through the measurement target surface and the reference light beam passing through the reference surface into the same optical path;
A scanning procedure for scanning the coherence distance of the light beam branched in the branching procedure;
A measurement procedure for obtaining relationship information indicating a relationship between the scanning position of the coherent distance and the intensity of the integrated luminous flux;
Based on the relationship information, a boundary between a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam interfere with each other and a scanning range in which the measurement light beam and the reference light beam do not interfere is acquired as height information of the measurement target surface. Calculation procedure and
An interference measurement method comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104156008A (en) * 2014-07-25 2014-11-19 中国科学院合肥物质科学研究院 Frame control system for atmospheric coherent length measuring instrument

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