JP2012226117A

JP2012226117A - 干渉対物レンズ

Info

Publication number: JP2012226117A
Application number: JP2011093693A
Authority: JP
Inventors: Miwako Yoshida; 三環子吉田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-11-15

Abstract

【課題】大きなNAであっても参照ミラー及びハーフミラーの厚み誤差によらず干渉縞のコントラストを保つ干渉対物レンズを提供する。
【解決手段】干渉対物レンズにおいて、対物レンズ２からの光はハーフミラー部材８の対物レンズ側または被検物体側に形成したハーフミラー領域７によって分割され、分割によって生じた反射光は参照ミラー部材５の被検物体側に形成した参照ミラー領域６で反射して被検物体側または対物レンズ側に形成したハーフミラー領域７で反射する。透過光は被検物体３で反射して被検物体側または対物レンズ側に形成したハーフミラー領域７を透過する。分割された光はハーフミラー領域７で合成されるまで、反射光も透過光も参照ミラー部材５を通らず、ハーフミラー部材８のみを通る。
【選択図】図１

Description

本発明は、干渉対物レンズに関する。

被検物体の凹凸を干渉縞の変位によって測定する干渉対物顕微鏡が知られている。干渉対物顕微鏡には、ミロー型やマイケルソン型の干渉対物レンズが使用されている。

図４に従来のミロー型干渉対物レンズを示す。ミロー型干渉対物レンズは、像側から対物レンズ2、参照ミラー部材５、ハーフミラー部材８を配置した構成である。参照ミラー部材５は透過基板の対物レンズ側の面の一部に、入射した光を反射する参照ミラー領域６が形成され、ハーフミラー部材８は透過基板の対物レンズ側の面に、入射した光の一部を反射して残りを透過するハーフミラー領域７が形成されている。

光源１からの光はハーフミラー９を介して、対物レンズ２及び参照ミラー部材５を通り、その一部がハーフミラー部材８のハーフミラー領域７で反射され、残りが透過する。透過した光は、被検物体３で反射し、ハーフミラー部材８に到達してその一部がハーフミラー領域７を透過する。ハーフミラー領域７で反射した光は、参照ミラー部材５の参照ミラー領域６で反射し、ハーフミラー部材８に到達してハーフミラー領域７でその一部が反射する。ハーフミラー領域７によって分割された光が再びハーフミラー領域７で合成され、対物レンズ２を介して像面４に干渉縞を形成する。

例えば、特開２００９−１５１８０号に記載された干渉対物レンズである。

特開２００９−１５１８０号

近年、微小物体の段差を測定するために、極微小物体の解像が可能なNAの大きい干渉対物レンズが望まれている。

しかし、特に白色光など光源の波長に幅がある場合、NAが大きくなるほど参照ミラー部材及びハーフミラー部材の厚み誤差によって、コントラストが大幅に低下してしまう問題があった。

図５は倍率１００倍、ＮＡ０．８のときの白色干渉縞強度分布の計算値である。実線で示した厚み誤差が０μｍのときに比べ、点線で示した厚み誤差０．５μｍのときの方が光路長差０μｍ付近を中心として、全体的にコントラストが低いことがわかる。そのため、厚み誤差を入射する光の波長レベルで制御する必要があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、大きなNAであっても参照ミラー及びハーフミラーの厚み誤差によらず干渉縞のコントラストを保つ干渉対物レンズを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の干渉対物レンズは、像側から順に、対物レンズと、入射した光を反射する反射領域を持つ反射部材と、入射した光の一部を反射して残りを透過する、所定のパターンを持つ光路分割領域が形成された光路分割部材とを有する干渉対物レンズであって、前記反射領域は前記反射部材の前記光路分割部材側の一部に形成され、前記パターンは、前記反射部材側の面と被検物体側の面とに形成され、前記反射部材側の面に形成されたパターンと被検物体側の面に形成されたパターンとが互いに点対称の関係に配置されていることを特徴とする。

さらに、前記反射領域の半径をｒ₁、前記光路分割部材の屈折率をｎ、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記対物レンズからの光の光線と前記干渉対物レンズの光軸とが大気中で成す最大角度をθ₁＝ｓｉｎ^-1ＮＡ、前記対物レンズからの光の光線と前記干渉対物レンズの光軸とが前記光路分割部材中で成す最大角度をθ₂＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ／ｎ）、前記光路分割部材と前期被検物体との間の距離をＬ₁、前記反射部材と前記光路分割部材との間の距離をＬ₂、前記光路分割部材の厚みをｄ₁とし、ｒ₀＝（Ｌ₁＋Ｌ₂）ｔａｎθ₁＋ｄ₁ｔａｎθ₂としたとき、以下の式を満足していることが好ましい。

ｒ₁ ²≦０．１×ｒ₀ ²
さらに、所定波長域の各波長における、前期光路分割領域を透過した透過光の位相変化量と前記光路分割領域で反射した反射光の位相変化量との差の波長間の差異が２０°以内であることが好ましい。

本発明によれば、大きなNAであっても参照ミラー及びハーフミラーの厚み誤差によらず干渉縞のコントラストを保つ干渉対物レンズを実現し得る。

実施形態に係る干渉対物レンズを備えた干渉対物顕微鏡の構成を示す図である。実施形態に係る干渉対物レンズの参照ミラー及びハーフミラーの拡大図である。実施形態に係る光路分割領域の種々の例を示す図である。従来の干渉対物レンズを備えた干渉対物顕微鏡の構成を示す図である。白色干渉縞の強度分布を示す図である。

以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。

図１は実施形態に係る干渉対物レンズを備えた干渉対物顕微鏡の構成を示す。図１の干渉対物レンズは、対物レンズ２、参照ミラー部材５、ハーフミラー部材８を備えている。参照ミラー部材５は、透過基板の被検物体側の面の一部に、参照ミラー領域６が形成され、ハーフミラー部材８は、透過基板の対物レンズ側の面と被検物体側の面とに、ハーフミラー領域７ａと７ｂとが夫々形成されている。

ハーフミラー部材８の実施例１を図３（ａ）及び（ｂ）に示す。図３（ａ）はハーフミラー部材８の対物レンズ側の面、図３（ｂ）は被検物体側の面を示している。

円形レンズを想定し、斜線領域はハーフミラー領域７である。ハーフミラー部材８は透過基板の対物レンズ側の面の右半分にハーフミラー領域７ａが形成され、透明基板の被検物体側の面の左半分にハーフミラー領域７ｂが形成されている。

次に、干渉対物顕微鏡の光の作用を説明する。

光源１から射出された光の一部は、ハーフミラー９で反射し、対物レンズ２へ偏向される。対物レンズ２及び参照ミラー部材５を通った光は、ハーフミラー領域７ａによってその一部が反射し、残りが透過する。反射した光は参照ミラー領域６で反射し、ハーフミラー部材８の被検物体側に形成されたハーフミラー領域７ｂで反射する。一方ハーフミラー領域７ａを透過した光は、被検物体３で反射し、ハーフミラー部材８の被検物体側に形成されたハーフミラー領域７ｂを透過する。ハーフミラー領域７ａで分割された光がハーフミラー領域７ｂで合成され、像面４に干渉縞を形成する。

同様に、ハーフミラー領域７ｂで分割された光はハーフミラー領域７ａで合成される。ハーフミラー領域７で合成された光は、参照ミラー部材５、対物レンズ２を通り像面４に干渉縞を形成する。対物レンズ２が無限遠の光学系である場合、図示していない結像光学系によって像面４に干渉縞を形成する。

ここで、干渉縞のコントラストに寄与する光路長差は、ハーフミラー領域７ａまたはハーフミラー領域７ｂで分割された光が、ハーフミラー領域７ｂまたはハーフミラー領域７ａで合成されるまでに生じた光路長差となる。光が分割されてから合成されるまでに参照ミラー部材５を通過することがないため、参照ミラー部材５とハーフミラー部材８との厚み誤差によって干渉縞のコントラストが低下することはない。

対物レンズ２からの光の一部は参照ミラー領域６により遮られるため、被検物体３から十分な光量が得られなくなり、参照ミラー領域６の面積が大きいほど得られる像のコントラストが低下する。それは、NAが小さい光ほど顕著である。そのため、参照ミラー領域６の面積は参照ミラー領域６が形成されている面内に入射する光の１０％以下の面積であることが好ましい。

図２は実施形態に係る干渉対物レンズの参照ミラー及びハーフミラーの拡大図を示す。参照ミラー領域６の半径をｒ₁、ハーフミラー部材８の屈折率をｎ、対物レンズ２の開口数をＮＡ、対物レンズ２からの光の光線と干渉対物レンズの光軸とが大気中で成す最大角度をθ₁＝ｓｉｎ^-1ＮＡ、対物レンズ２からの光の光線と干渉対物レンズの光軸とがハーフミラー部材８中で成す最大角度をθ₂＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ／ｎ）、ハーフミラー部材８と被検物体３との間の距離をＬ₁、参照ミラー部材５とハーフミラー部材８との間の距離をＬ₂、ハーフミラー部材８の厚みをｄ₁とし、ｒ₀＝（Ｌ₁＋Ｌ₂）ｔａｎθ₁＋ｄ₁ｔａｎθ₂としたとき、ｒ₁はｒ₁ ²≦０．１×ｒ₀ ²を満足していれば良い。

また、所定の波長範囲の各波長における、ハーフミラー部材８に入射した光が分割されて生じた透過光の位相変化量とハーフミラー部材８に入射した光が分割されて生じた反射光の位相変化量との差の波長間の差異が２０°以内であることが好ましい。つまり、所定の波長範囲において、透過光の位相変化量と反射光の位相変化量との差が最大となる波長Ｘｎｍでの差Δｘと、最小となる波長Ｙｎｍでの差Δｙとの差異|Δｘ−Δｙ|が２０°以内であることが好ましい。ここで、位相変化量はハーフミラー領域７a及び７ｂに形成された膜の膜厚差によって生じ、膜の屈折率や材質で異なる。ハーフミラー部材８で生じた透過光の位相変化量と反射光の位相変化量との差が波長に依存して大きく違う場合、観察される干渉縞の色の非対称性やコントラストの低下を招く可能性がある。そのため、可視光領域（およそ４００〜７００ｎｍ）で使用する場合、ハーフミラー部材８によって生じた透過光の位相変化量とハーフミラー部材８によって生じた反射光の位相変化量との差の波長間の差異が１０°以内であることが好ましい。また、ハーフミラー部材８で透過光の位相変化量と反射光の位相変化量との差が波長に依存して大きく違わない場合は、参照ミラー部材５とハーフミラー部材８及びハーフミラー部材８と被検物体３の空気間隔で調整を行ってもよい。また、干渉縞の観測に影響がない程度であれば、参照ミラー部材５とハーフミラー部材８との平行度は考慮しなくても良い。

ここで、ハーフミラー部材８の他の例について説明する。

次に、ハーフミラー部材８の実施例２を図３（ｃ）及び（ｄ）に示す。図３（ｃ）はハーフミラー部材８の対物レンズ側の面、図３（ｄ）は被検物体側の面を示している。

ハーフミラー部材８は透過基板の対物レンズ側の面の右中央１／６にハーフミラー領域７ａ、左上１／６にハーフミラー領域７ａ'、左下１／６にハーフミラー領域７ａ"が形成されている。透過基板の被検物体側の面の左中央１／６にハーフミラー領域７ｂ、右下１／６にハーフミラー領域７ｂ'、右上１／６にハーフミラー領域７ｂ"が形成されている。ハーフミラー領域７ａで分割された光はハーフミラー領域７ｂで、ハーフミラー領域７ａ' で分割された光はハーフミラー領域７ｂ'で、ハーフミラー領域７ａ" で分割された光はハーフミラー領域７ｂ"で夫々合成され、像面に干渉縞を形成する。また、ハーフミラー領域７ｂで分割された光はハーフミラー領域７ａで、ハーフミラー領域７ｂ' で分割された光はハーフミラー領域７ａ'で、ハーフミラー領域７ｂ" で分割された光はハーフミラー領域７ａ"で夫々合成される。

ハーフミラー部材８の実施例３を図３（ｅ）及び（ｆ）に示す。図３（ｅ）はハーフミラー部材８の対物レンズ側の面、図３（ｆ）は被検物体側の面を示している。

ハーフミラー部材８は透過基板の面が外周、中間、中心と左右のパターンに分けられており、透過基板の対物レンズ側の面の右外周にハーフミラー領域７ａ、右中心にハーフミラー領域７ａ'、左中間にハーフミラー領域７ａ"が形成されている。透過基板の被検物体側の面の左外周にハーフミラー領域７ｂ、左中心にハーフミラー領域７ｂ'、右中間にハーフミラー領域７ｂ" が形成されている。ハーフミラー領域７ａで分割された光はハーフミラー領域７ｂで、ハーフミラー領域７ａ' で分割された光はハーフミラー領域７ｂ'で、ハーフミラー領域７ａ" で分割された光はハーフミラー領域７ｂ"で夫々合成され、像面で干渉縞を形成する。また、ハーフミラー領域７ｂで分割された光はハーフミラー領域７ａで、ハーフミラー領域７ｂ' で分割された光はハーフミラー領域７ａ'で、ハーフミラー領域７ｂ" で分割された光はハーフミラー領域７ａ"で夫々合成される。

次に、ハーフミラー部材８の実施例４を図３（ｇ）及び（ｈ）に示す。図３（ｇ）はハーフミラー部材８の対物レンズ側の面、図３（ｈ）は被検物体側の面を示している。

ハーフミラー部材８は透過基板の面が６本の帯状のパターンに分けられており、透過基板の対物レンズ側の面の右から１本目にハーフミラー領域７ａ、３本目にハーフミラー領域７ａ'、５本目にハーフミラー領域７ａ"が形成されている。透過基板の被検物体側の面の左から１本目にハーフミラー７ｂ、３本目にハーフミラー７ｂ'、５本目にハーフミラー７ｂ"が形成されている。ハーフミラー領域７ａで分割された光はハーフミラー領域７ｂで、ハーフミラー領域７ａ' で分割された光はハーフミラー領域７ｂ'で、ハーフミラー領域７ａ" で分割された光はハーフミラー領域７ｂ"で夫々合成され、像面で干渉縞を形成する。また、ハーフミラー領域７ｂで分割された光はハーフミラー領域７ａで、ハーフミラー領域７ｂ' で分割された光はハーフミラー領域７ａ'で、ハーフミラー領域７ｂ" で分割された光はハーフミラー領域７ａ"で夫々合成される。

上記実施例では、対物レンズ側の面のハーフミラー領域７ａと被検物体側の面のハーフミラー領域７ｂとが互いに点対称の関係（点対称の関係とは、ハーフミラー領域７ａを１８０°回転させるとハーフミラー領域７ｂと一致するような関係をいう）となるようにハーフミラー領域７を形成したが、ハーフミラー部材８の周辺部で結像に関与しない領域にはハーフミラー領域７を形成しなくてもよい。また、ハーフミラー部材８の対物レンズ側の面のハーフミラー領域７ａと被検物体側の面のハーフミラー領域７ｂとが互いに一部重複している場合や一部抜けがある場合でも、測定への影響が見られない程度であれば問題はない。

以上のように、本発明を分かりやすくするため実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは言うまでもない。

１光源
２対物レンズ
３被検物体
４像面
５参照ミラー
６参照ミラー領域
７ハーフミラー領域
８ハーフミラー
９ハーフミラー

Claims

像側から順に、対物レンズと、入射した光を反射する反射領域を持つ反射部材と、入射した光の一部を反射して残りを透過する所定のパターンを持つ光路分割領域が形成された光路分割部材とを有する干渉対物レンズであって、
前記反射領域は前記反射部材の前記光路分割部材側の一部に形成され、
前記パターンは、前記反射部材側の面と被検物体側の面とに形成され、前記反射部材側の面に形成されたパターンと被検物体側の面に形成されたパターンとが互いに点対称の関係に配置されていることを特徴とする干渉対物レンズ。
以下の式を満足する請求項１に記載の干渉対物レンズ。
ｒ₁ ²≦０．１×ｒ₀ ²
ただし、前記反射領域の半径をｒ₁、前記光路分割部材の屈折率をｎ、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記対物レンズからの光の光線と前記干渉対物レンズの光軸とが大気中で成す最大角度をθ₁＝ｓｉｎ^-1ＮＡ、前記対物レンズからの光の光線と前記干渉対物レンズの光軸とが前記光路分割部材中で成す最大角度をθ₂＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ／ｎ）、前記光路分割部材と前期被検物体との間の距離をＬ₁、前記反射部材と前記光路分割部材との間の距離をＬ₂、前記光路分割部材の厚みをｄ₁としたとき、ｒ₀は以下とする。
ｒ₀＝（Ｌ₁＋Ｌ₂）ｔａｎθ₁＋ｄ₁ｔａｎθ₂
所定波長域の各波長における、前期光路分割領域を透過した透過光の位相変化量と前記光路分割領域で反射した反射光の位相変化量との差の波長間の差異が２０°以内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉対物レンズ。
請求項１から３の何れか一項に記載の干渉対物レンズを備えた干渉対物顕微鏡。