JP2013024734A - Shape measurement device and shape measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微細な凹凸表面形状の測定等に用いられる形状測定装置および形状測定方法に関するものである。 The present invention relates to a shape measuring device and a shape measuring method used for measuring a fine uneven surface shape.
従来、微細な表面形状を測定する光学装置として、コンフォーカル顕微鏡が知られている。コンフォーカル顕微鏡は、焦点の合った部分だけが明るく撮像される特性を有しており、高分解能な計測を可能とし得るという、利点を有している。しかし、その一方で、被検面の断面形状(1ラインの形状プロファイル)を得るためには、高さ方向(Z方向)と横方向(X方向)の2方向に(2次元的に)走査する必要があり、測定の効率化が図れない。そこで、コンフォーカル顕微鏡において、対物レンズに色収差を付与し、高さ方向(Z方向)の走査を不要にする技術が知られている。この技術においては、送光側のピンホールから白色光を射出し、被検面からの反射光をコンフォーカル系で受光側のピンホールに導き、この受光側のピンホールを通過した光を分光系で分光して分光信号を得るようにしている。対物レンズに色収差を付与することでいずれかの波長の光が被検面表面に集光し、集光した波長の光検出強度が高くなることを利用して、高さ方向(Z方向)の走査なしに被検面の高さ情報を検出することができるようにしている。なお、Z方向のダイナミックレンジは与えた色収差の量に依存する。 Conventionally, a confocal microscope is known as an optical device for measuring a fine surface shape. The confocal microscope has a characteristic that only a focused portion is brightly imaged, and has an advantage that high-resolution measurement can be performed. However, on the other hand, in order to obtain a cross-sectional shape (one-line shape profile) of the test surface, scanning is performed in two directions (two-dimensionally) in the height direction (Z direction) and the horizontal direction (X direction). It is necessary to improve the measurement efficiency. Therefore, a technique is known in which a chromatic aberration is imparted to an objective lens in a confocal microscope so that scanning in the height direction (Z direction) is unnecessary. In this technology, white light is emitted from the pinhole on the light transmission side, the reflected light from the test surface is guided to the pinhole on the light reception side by a confocal system, and the light that has passed through the pinhole on the light reception side is spectrally separated. Spectral signals are obtained by performing spectroscopy in the system. By applying chromatic aberration to the objective lens, light of any wavelength is collected on the surface of the test surface, and the light detection intensity of the collected wavelength is increased, so that the height direction (Z direction) The height information of the test surface can be detected without scanning. The dynamic range in the Z direction depends on the amount of chromatic aberration given.
また、一般に低コヒーレンス干渉計においては、エンベロープ(光強度信号の包絡線)のピークを探索するために、測定光と参照光との光路長差をスキャンしながら干渉信号を繰り返し取得する必要があり、測定の効率化が図れないため、例えば、下記特許文献1に示される低コヒーレンス干渉計のように、上記スキャンする範囲の幅を縮小して測定の効率化を図り得るようにしたものが知られている。
In general, in a low coherence interferometer, in order to search for the peak of the envelope (envelope of the light intensity signal), it is necessary to repeatedly acquire the interference signal while scanning the optical path length difference between the measurement light and the reference light. Since the measurement efficiency cannot be improved, for example, a low-coherence interferometer disclosed in
しかしながら、上述した対物レンズの色収差を利用したコンフォーカル顕微鏡においても、被検面の断面形状(1ラインの形状プロファイル)を測定するためには少なくとも横方向(X方向)の1次元走査が必要となることから、測定の効率化には自ずと限界があった。 However, even in the confocal microscope using the chromatic aberration of the objective lens described above, at least one-dimensional scanning in the lateral direction (X direction) is required to measure the cross-sectional shape (one-line shape profile) of the test surface. Therefore, there was a limit to the improvement of measurement efficiency.
また、上記特許文献1に記載されている低コヒーレンス干渉計においても光路長差のスキャン範囲の幅は縮小できるものの、スキャン自体をなくすことができるものではなく、やはり測定の大幅な効率化を図ることが困難であった。
Further, even in the low coherence interferometer described in
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、高さ方向のダイナミックレンジを大きくとることができ、検出用の走査なしに、ワンショット撮影により、被検面の1ライン上の凹凸形状情報を容易に取得し得る、形状測定装置および形状測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, can increase the dynamic range in the height direction, and can obtain uneven shape information on one line of the test surface by one-shot imaging without scanning for detection. It is an object to provide a shape measuring device and a shape measuring method that can be easily obtained.
本発明を例示する形状測定装置の一態様は、
空間的にインコヒーレントで広帯域スペクトルを有する光を射出する面状の光源からの照明光を光分割手段により2系路に分割して一方を被検面に、他方を参照面に各々導くとともに、前記被検面と前記参照面からの前記照明光の反射光を光重畳手段により互いに重畳させて干渉させ、該干渉させた光により生成されるスペクトル干渉情報を取得する干渉計と、前記光分割手段により2系路に分割された平行光が前記光重畳手段により重畳されるまでの各々の系路中に配される対物レンズとを備え、
前記スペクトル干渉情報を取得する手段は、前記干渉させた光を線状に通過させるスリットを備えた分光器と、この分光器により分光された分光信号によるスペクトル干渉情報を取得する2次元撮像手段を備えるとともに、この2次元撮像手段により取得されたスペクトル干渉情報に基づき前記被検面の形状を解析する形状解析手段を備え、
前記光源、前記被検面および前記分光器のスリットが互いに共役となる位置に配されるとともに、前記光源、前記参照面および前記分光器のスリットが互いに共役となる位置に配され、
前記光源から前記被検面を介して前記スリットに至る光路長と、前記光源から前記参照面を介して前記スリットに至る光路長との間に干渉可能な範囲内でオフセットが設けられてなる、ことを特徴とするものである。
One aspect of the shape measuring apparatus illustrating the present invention is as follows:
Illuminating light from a planar light source that emits spatially incoherent light having a broadband spectrum is divided into two paths by a light dividing means, and one is guided to the test surface and the other is guided to the reference surface. An interferometer that obtains spectral interference information generated by the reflected light of the illumination light from the test surface and the reference surface superimposed on each other by a light superimposing means and acquiring the spectral interference information, and the light splitting An objective lens arranged in each system path until the parallel light divided into two system paths by the means is superimposed by the light superimposing means,
The means for acquiring the spectral interference information includes: a spectroscope having a slit for linearly passing the interfered light; and a two-dimensional imaging means for acquiring spectral interference information by a spectral signal dispersed by the spectroscope. And a shape analyzing means for analyzing the shape of the test surface based on the spectral interference information acquired by the two-dimensional imaging means,
The light source, the test surface and the spectroscope slit are arranged at positions that are conjugated with each other, and the light source, the reference surface and the spectroscope slit are arranged at positions that are conjugated with each other,
An offset is provided within a range in which interference is possible between an optical path length from the light source to the slit through the test surface and an optical path length from the light source to the slit through the reference surface. It is characterized by this.
また、本発明を例示する形状測定方法の一態様は、
空間的にインコヒーレントで広帯域スペクトルを有する光を射出する面状の光源から射出された照明光を光分割手段により2系路に分割して一方を被検面に、他方を参照面に各々導くとともに、前記被検面と前記参照面からの前記照明光の反射光を光重畳手段により互いに重畳させ、干渉させてスペクトル干渉情報を取得し、取得されたスペクトル干渉情報を解析して前記被検面の表面形状を測定する形状測定方法において、
前記光源、前記被検面および前記分光器のスリットを互いに共役となる位置に配するとともに、前記光源、前記参照面および前記分光器のスリットを互いに共役となる位置に配し、
前記光源から前記被検面を介して前記スリットに至る光路長と、前記光源から前記参照面を介して前記スリットに至る光路長との間に干渉可能な範囲内でオフセットを設け、
前記スペクトル干渉情報を取得する際には、前記干渉光を前記スリットに通して線状に整形し、この整形された干渉光を分光器により分光せしめて、分光信号を撮像し、
この後、取得したスペクトル干渉情報に基づき前記被検面の形状を解析する、ことを特徴とするものである。
In addition, an aspect of the shape measuring method illustrating the present invention is as follows.
Illumination light emitted from a planar light source that emits spatially incoherent light having a broadband spectrum is divided into two paths by a light dividing means, and one is directed to the test surface and the other is directed to the reference surface. In addition, the reflected light of the illumination light from the test surface and the reference surface is superposed on each other by a light superimposing means to cause interference to obtain spectrum interference information, and the obtained spectrum interference information is analyzed to analyze the test subject. In the shape measuring method for measuring the surface shape of the surface,
The light source, the test surface, and the spectroscope slit are arranged in a conjugate position with each other, and the light source, the reference surface and the spectrometer slit are arranged in a conjugate position with each other,
An offset is provided within a range in which interference is possible between an optical path length from the light source to the slit through the test surface and an optical path length from the light source to the slit through the reference surface,
When acquiring the spectral interference information, the interference light is shaped into a line through the slit, the shaped interference light is spectrally separated by a spectroscope, and a spectral signal is imaged.
Thereafter, the shape of the test surface is analyzed based on the acquired spectral interference information.
なお、上述した「面状の光源」には、光射出領域が2次元的に広がる光源のみならず、光射出領域が元々またはマスク等により、スリット状(1ラインも含む)に形成された場合も含むものとする。また、「面状の光源」がスリット状(1ラインも含む)に形成されている場合には、そのスリットの長手方向と、前記分光器のスリットの長手方向が、互いに対応する向きに配置する。 In addition, the above-described “planar light source” includes not only a light source whose light emission area extends two-dimensionally but also a light emission area that is originally formed in a slit shape (including one line) by a mask or the like. Shall also be included. Further, when the “planar light source” is formed in a slit shape (including one line), the longitudinal direction of the slit and the longitudinal direction of the slit of the spectroscope are arranged in directions corresponding to each other. .
本発明の形状測定装置および形状測定方法によれば、高さ方向のダイナミックレンジを大きくとることができ、検出用の走査なしに、ワンショット撮影により、被検面の1ライン上の凹凸形状情報を容易に取得することができる。 According to the shape measuring apparatus and the shape measuring method of the present invention, the dynamic range in the height direction can be increased, and the uneven shape information on one line of the test surface can be obtained by one-shot imaging without scanning for detection. Can be easily obtained.
以下、図面を参照しながら、本発明に係る形状測定装置の2つの実施例および各々の変形例について説明する。 Hereinafter, two embodiments of the shape measuring apparatus according to the present invention and modifications thereof will be described with reference to the drawings.
<実施例1>
実施例1における形状測定装置1は、図1に示すように、ビームスプリッターを中心として十字形状をなす干渉計タイプに構成されており、被検面情報を有するスペクトル干渉縞を解析して被検面の微小な表面形状を測定するものである。
<Example 1>
As shown in FIG. 1, the
すなわち、図1に示すように、形状測定装置1は、白色光を射出する面光源10と、この面光源10からの発散光を平行光に変換するコリメートレンズ11と、この平行光を2系路に分割するとともに、一度分割した2つの光を再度重畳させるビームスプリッター12と、該2系路の各々に配される対物レンズ13Aおよび対物レンズ13Bと、対物レンズ13Aの焦点位置に配された参照面14と、対物レンズ13Bの焦点位置に配された被検面20を有する被検体21を所定位置に保持する被検体保持手段22と、ビームスプリッター12で重畳された干渉光を集光させる集光レンズ15と、該集光レンズ15の焦点位置にスリット16Aが配され、このスリット16Aの像を結像させる分光器16と、このスリット16Aの像が結像され、該干渉光によるスペクトル干渉縞が撮像される2次元撮像素子17と、この2次元撮像素子17により得られたスペクトル干渉縞による干渉情報を解析して被検面20の表面形状を解析する解析手段18と、解析された被検面20の表面形状を表示する表示手段23を備えている。さらに、コリメートレンズ11とビームスプリッター12の間に配された照明側の絞り19Aと、ビームスプリッター12と集光レンズ15の間に配された検出側の絞り19Bと、を備えている。
That is, as shown in FIG. 1, the
なお、上記面光源10は、空間的にインコヒーレントで広帯域スペクトルを有する光を射出する面状の光源からなり、例えば、点光源素子をアレー状に配列したものである。 The surface light source 10 is a planar light source that emits spatially incoherent light having a broadband spectrum. For example, point light source elements are arranged in an array.
また、面光源10、被検面20および分光器16のスリット16Aは互いに共役となる位置に配されるとともに、面光源10、参照面14および分光器16のスリット16Aとも互いに共役となる位置に配される。 Further, the surface light source 10, the test surface 20, and the slit 16 </ b> A of the spectroscope 16 are arranged at positions that are conjugated with each other, and the surface light source 10, the reference surface 14, and the slit 16 </ b> A of the spectroscope 16 are also conjugated with each other. Arranged.
また、上記面光源10としては、光射出領域をスリット状に形成(光射出領域が元々スリット状に形成されていてもよいし、マスク等により遮光して光射出領域をスリット状に形成してもよい)すれば、ノイズ等の不要光の混入を防止することができる。ただし、面光源10をスリット状(1ラインも含む)に形成した場合には、そのスリットの長手方向と、前記分光器のスリットの長手方向を、互いに対応するような向きに配置する。 Further, as the surface light source 10, the light emission region is formed in a slit shape (the light emission region may be originally formed in a slit shape, or the light emission region is formed in a slit shape by shielding light with a mask or the like. In other words, unnecessary light such as noise can be prevented from being mixed. However, when the surface light source 10 is formed in a slit shape (including one line), the longitudinal direction of the slit and the longitudinal direction of the slit of the spectroscope are arranged so as to correspond to each other.
また、面光源10から被検面20を介してスリット16Aに至る光路長と、面光源10から参照面14を介してスリット16Aに至る光路長との間に干渉可能な範囲内(コヒーレンス長の範囲内)でオフセットが設けられている。 Further, the optical path length from the surface light source 10 through the test surface 20 to the slit 16A and the optical path length from the surface light source 10 through the reference surface 14 to the slit 16A are within a range that allows interference (with a coherence length). Within the range).
また、分光器16は、スリット16Aと分光手段である回折格子(図示せず)と結像光学系(図示せず)を有してなり、スリット16Aを通過した1ラインの干渉光を回折格子に入射させ、この回折格子により、干渉光をスリット16Aの幅方向に一度に回折させ、空間分解方向(スリット長手方向)の広がりと波長分解方向(スリット幅方向)の広がりとを有する分光信号とする。 The spectroscope 16 includes a slit 16A, a diffraction grating (not shown) which is a spectroscopic means, and an imaging optical system (not shown), and a line of interference light passing through the slit 16A is used as a diffraction grating. And a spectral signal having a spread in the spatial resolution direction (slit longitudinal direction) and a spread in the wavelength resolution direction (slit width direction). To do.
また、2次元撮像素子17上には、分光器16によりスリット16Aの像が結像され、スリット16Aを通過した干渉光に係る被検面形状情報(分光器16により得られた分光信号)を1次元位置情報と波長情報(高さ情報)として受光する。 On the two-dimensional image sensor 17, an image of the slit 16A is formed by the spectroscope 16, and surface shape information (spectral signal obtained by the spectroscope 16) relating to the interference light that has passed through the slit 16A is obtained. Light is received as one-dimensional position information and wavelength information (height information).
解析手段18は、2次元撮像素子17から出力された分光信号を演算処理し、被検面20の微小な凹凸表面形状を求め、これを、図示しない記憶手段に格納するとともに、必要に応じて表示手段(表示画面あるいはプリンタ等)23に出力する。 The analysis unit 18 performs an arithmetic process on the spectral signal output from the two-dimensional imaging device 17 to obtain a minute uneven surface shape of the test surface 20, stores this in a storage unit (not shown), and if necessary. The data is output to display means (display screen or printer) 23.
次に、本発明の実施例に係る形状測定方法について図1を用いて説明する。 Next, a shape measuring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
面光源10の各点光源から射出された光はコリメートレンズ11で平行光に変換される。なお、コリメートされた平行光の光軸に対する角度、方位は、面光源10上の射出点の座標で決まる。 Light emitted from each point light source of the surface light source 10 is converted into parallel light by the collimator lens 11. The angle and azimuth of the collimated parallel light with respect to the optical axis are determined by the coordinates of the emission point on the surface light source 10.
コリメートされた平行光は照明側の絞り19Aを経て、ビームスプリッター12で測定光と参照光に2分割される。分割された2つの光のうち、参照光は対物レンズ13Aによって参照面14上に、測定光は対物レンズ13Bによって被検面20上に、各々集光する。 The collimated parallel light passes through the diaphragm 19A on the illumination side, and is divided into two by the beam splitter 12 into measurement light and reference light. Of the two divided lights, the reference light is collected on the reference surface 14 by the objective lens 13A, and the measurement light is condensed on the test surface 20 by the objective lens 13B.
上記面光源10と上記参照面14は共役の位置に配されており、面光源10の像が参照面14上に結像される。参照面14で反射した光(光源10の各点からの光)は対物レンズ13Aで平行光に戻され、ビームスプリッター12を透過し、集光レンズ15によって分光器16のスリット16A上に集光される。すなわち、面光源10、参照面14および分光器16のスリット16Aが互いに共役な位置関係にある。 The surface light source 10 and the reference surface 14 are arranged at conjugate positions, and an image of the surface light source 10 is formed on the reference surface 14. The light reflected from the reference surface 14 (light from each point of the light source 10) is returned to parallel light by the objective lens 13A, passes through the beam splitter 12, and is collected on the slit 16A of the spectroscope 16 by the condenser lens 15. Is done. That is, the surface light source 10, the reference surface 14, and the slit 16 </ b> A of the spectroscope 16 are conjugated with each other.
他方、上記面光源10と上記被検面20は共役の位置に配されており、面光源10の像が被検面20上に結像される。被検面20で反射した光(面光源10の各点からの光)は対物レンズ13Bで平行光に戻され、ビームスプリッター12で反射されて、集光レンズ15によって分光器16のスリット16A上に集光される。すなわち、面光源10、被検面20および分光器16のスリット16Aが互いに共役な位置関係にある。 On the other hand, the surface light source 10 and the test surface 20 are arranged at conjugate positions, and an image of the surface light source 10 is formed on the test surface 20. Light reflected from the test surface 20 (light from each point of the surface light source 10) is returned to parallel light by the objective lens 13B, reflected by the beam splitter 12, and reflected by the condenser lens 15 on the slit 16A of the spectroscope 16. It is condensed to. That is, the surface light source 10, the test surface 20, and the slit 16A of the spectroscope 16 are in a conjugate relationship with each other.
スリット16Aから分光器16内に入射した測定光と参照光の干渉光は、この分光器16内に配された回折格子により分光され、結像光学系により2次元撮像素子17上に結像される。これにより、2次元撮像素子17上に、被検面20の表面形状情報に応じたスペクトル干渉縞が形成される。 The interference light of the measurement light and the reference light that has entered the spectroscope 16 from the slit 16A is split by the diffraction grating disposed in the spectroscope 16, and is imaged on the two-dimensional image sensor 17 by the imaging optical system. The Thereby, spectral interference fringes corresponding to the surface shape information of the test surface 20 are formed on the two-dimensional image sensor 17.
2次元撮像素子17により得られたスペクトル干渉縞の情報は、解析手段18に送出され、測定光と参照光の光路長差に応じて、変調周波数および位相が異なる分光強度信号が求められる。ここで、測定光と参照光の間には所定の光路長差(オフセット)が付与されているので、上記分光強度信号は、比較的高い周波数の正弦波状の強度信号となる。このようにして、変調周波数および分光強度信号を求めることにより、被検面20の高さ方向(Z方向)の形状を、高精度に求めることができる。このような原理は、干渉光をスペクトル分解し、撮像素子にて検出し、その検出信号をフーリエ変換して被検面高さ方向の光強度プロファイルを得るフーリエドメイン方式として知られている。なお、この強度信号は、光源スペクトル形状との積として得られる。 Information on the spectral interference fringes obtained by the two-dimensional imaging device 17 is sent to the analyzing means 18 and spectral intensity signals having different modulation frequencies and phases are obtained according to the optical path length difference between the measurement light and the reference light. Here, since a predetermined optical path length difference (offset) is given between the measurement light and the reference light, the spectral intensity signal becomes a sinusoidal intensity signal having a relatively high frequency. In this way, by obtaining the modulation frequency and the spectral intensity signal, the shape of the test surface 20 in the height direction (Z direction) can be obtained with high accuracy. Such a principle is known as a Fourier domain method in which interference light is spectrally resolved, detected by an image sensor, and the detected signal is Fourier transformed to obtain a light intensity profile in the height direction of the test surface. This intensity signal is obtained as a product of the light source spectrum shape.
被検面20の表面形状の各位置におけるZ方向高さ(基準位置からのずれ量)に対応して各々光路長差が異なるので、上記分光強度信号も被検面20の各位置からの反射光毎に、正弦波状の周波数が異なることになる。この分光強度信号を光の波数でフーリエ解析すれば光の波数毎の複素振幅の位相を求めることができるので、対応する測定光と参照光の光路長差を求めることができる。具体的には、2次元撮像素子17により得られた分光強度信号を光の波数でフーリエ変換し、その信号成分をバンドパスフィルターで抽出し、逆フーリエ変換することにより、その際に求められた光路長差から被検面15の高さ方向の情報を求めることができ、被検面20の表面形状を求めることができる。 Since the optical path length difference differs in accordance with the height in the Z direction (deviation amount from the reference position) at each position of the surface shape of the test surface 20, the spectral intensity signal is also reflected from each position on the test surface 20. A sinusoidal frequency is different for each light. If this spectral intensity signal is Fourier-analyzed with the wave number of light, the phase of the complex amplitude for each wave number of light can be obtained, so that the optical path length difference between the corresponding measurement light and reference light can be obtained. Specifically, the spectral intensity signal obtained by the two-dimensional image sensor 17 is Fourier-transformed by the wave number of light, the signal component is extracted by a band pass filter, and inverse Fourier transform is obtained at that time. Information on the height direction of the test surface 15 can be obtained from the optical path length difference, and the surface shape of the test surface 20 can be obtained.
ところで、上記被検面20に凹凸形状が存在している場合に、分光器16のスリット16A上において、参照光の光スポットが十分に小さな径で形成されているのに対し、測定光の光スポット径はその凹凸の大きさに応じて広がってしまう。 By the way, when the uneven surface is present on the test surface 20, the light spot of the reference light is formed with a sufficiently small diameter on the slit 16A of the spectroscope 16, whereas the light of the measurement light The spot diameter spreads according to the size of the unevenness.
しかし、空間的にインコヒーレントな光を射出する面光源10を用いて、参照光と測定光の干渉成分を抽出しているので、測定光のスポット広がりがあっても、この測定光と隣接する点光源からの参照光とのクロストークは生ぜず、正確な信号解析が可能である。 However, since the interference light component of the reference light and the measurement light is extracted using the surface light source 10 that emits spatially incoherent light, the measurement light is adjacent to the measurement light even if there is a spot spread. Crosstalk with reference light from a point light source does not occur, and accurate signal analysis is possible.
そして、スペクトル干渉縞を分光器16で分光して検出しているので、1回の撮像(シングルショット)により断面測定(1ラインの形状プロファイル測定)に必要な情報が得られ、振動等の外乱に強い測定が可能となる。 Since spectral interference fringes are detected by spectroscopy with the spectroscope 16, information necessary for cross-sectional measurement (one-line shape profile measurement) can be obtained by one imaging (single shot), and disturbances such as vibrations can be obtained. Measurement is possible.
<変形例>
ところで、被検面20の表面の凹凸がさらに大きくなると、分光器16のスリット16Aを通過する光が弱くなり、S/Nの劣化が起こり、さらには検出そのものが困難になる。
<Modification>
By the way, when the unevenness of the surface of the test surface 20 is further increased, the light passing through the slit 16A of the spectroscope 16 is weakened, S / N deterioration occurs, and furthermore, detection itself becomes difficult.
そこで、図1の実施例装置の変型例では、ビームスプリッター12と被検面20との間に配された対物レンズ13Bに所定の色収差を付与している。 Therefore, in the modified example of the embodiment apparatus of FIG. 1, a predetermined chromatic aberration is given to the objective lens 13 </ b> B disposed between the beam splitter 12 and the test surface 20.
すなわち、参照光に関しては上述した実施例1の基本形の装置の場合と同様であるが、測定光に関しては、対物レンズ13Bに付与された色収差の効果により、波長に応じて被検面20上での集光点の高さが異なる。したがって、被検面20の各位置の高さに応じて、分光器16のスリット16A上に集光する光の波長が異なる。分光器16で分光され、2次元撮像素子17により撮像された分光強度信号(スペクトル干渉縞)は、被検面20の各位置の高さに応じたエンベロープピークをもち、かつ、測定光と参照光の光路長差に対応した変調周波数および位相情報を有する。 That is, the reference light is the same as that of the basic apparatus of the first embodiment described above, but the measurement light is measured on the surface 20 to be measured according to the wavelength due to the effect of chromatic aberration applied to the objective lens 13B. The heights of the condensing points are different. Therefore, the wavelength of the light condensed on the slit 16A of the spectroscope 16 differs depending on the height of each position on the test surface 20. A spectral intensity signal (spectral interference fringe) that is spectrally separated by the spectroscope 16 and picked up by the two-dimensional image sensor 17 has an envelope peak corresponding to the height of each position on the test surface 20 and is also referred to as measurement light. It has modulation frequency and phase information corresponding to the optical path length difference of light.
そこで、この分光強度信号を光の波数によりフーリエ解析することで、干渉成分に係るエンベロープおよび位相情報を求めることができる。 Therefore, by performing Fourier analysis on the spectral intensity signal based on the wave number of light, the envelope and phase information relating to the interference component can be obtained.
また、この位相情報からは、下述の如く、光路長差を求めることができるが、対物レンズ13Bの色収差が既知であれば(別途、校正などにより求める)、干渉光を用いたことにより得られたエンベロープのピーク位置情報に基づき、高い分解能を維持しつつ効率よく被検面20の高さを求めることもできる。そして、面光源10から射出された光のうち、いずれかの波長の光により面光源10と被検面20の各点が共焦点状態になり、このような共焦点状態における分光強度信号を利用してこの被検面20の表面形状を解析しているので、横方向にボケのない高い横分解能での計測が可能になる。 From this phase information, the optical path length difference can be obtained as described below. However, if the chromatic aberration of the objective lens 13B is known (separately obtained by calibration or the like), it can be obtained by using the interference light. Based on the obtained peak position information of the envelope, the height of the test surface 20 can be obtained efficiently while maintaining high resolution. And each point of the surface light source 10 and the to-be-tested surface 20 will be in a confocal state by the light of one wavelength among the lights inject | emitted from the surface light source 10, and the spectral intensity signal in such a confocal state is utilized. Then, since the surface shape of the test surface 20 is analyzed, measurement with high lateral resolution without blur in the lateral direction is possible.
なお、位相情報に基づき光路長差を求める際に、光路長差を(n+σ/2π)λ(ただし、nは整数、λは波長、σは位相)で表わしたとすると、nが不定であるので、このnを決定する必要がある。なお、位相σが複数の波長λについて求められているので、複数の波長に対して矛盾のないようにnを決定する。 When calculating the optical path length difference based on the phase information, if the optical path length difference is expressed by (n + σ / 2π) λ (where n is an integer, λ is a wavelength, and σ is a phase), n is indefinite. This n needs to be determined. Since the phase σ is obtained for a plurality of wavelengths λ, n is determined so as not to contradict the plurality of wavelengths.
また、得られた正弦波信号の周波数スペクトルのピーク位置、あるいは上述したエンベロープのピーク位置の波長から求めた光路長差の付近で、矛盾がないような値に光路長差を決定することになる。 In addition, the optical path length difference is determined to have a consistent value in the vicinity of the optical path length difference obtained from the peak position of the frequency spectrum of the obtained sine wave signal or the wavelength of the envelope peak position described above. .
また、被検面20に凹凸が存在すると、共焦点状態とはならない波長の測定光も多く存在することになるが、これらは分光器16のスリット16A上で広がってしまう。 In addition, if there is unevenness on the surface 20 to be measured, a lot of measurement light having a wavelength that does not become a confocal state also exists, but these spread on the slit 16A of the spectroscope 16.
この変型例においても上記基本形の場合と同様に参照光のスポット径に変化はなく十分に小さなスポットを形成しているものの、空間的にインコヒーレントな光を射出する面光源10を用いて、参照光と測定光の干渉成分を抽出しているので、測定光のスポット広がりによる、隣接する点光源からの参照光とのクロストークは生ぜず、高精度な信号解析が可能である。 In this modified example, the spot diameter of the reference light is not changed as in the case of the basic form, and a sufficiently small spot is formed. However, the surface light source 10 that emits spatially incoherent light is used as a reference. Since the interference component of the light and the measurement light is extracted, crosstalk with the reference light from the adjacent point light source due to the spot spread of the measurement light does not occur, and highly accurate signal analysis is possible.
この後、解析手段18により解析された被検面20の表面形状が、表示手段23上に表示される。 Thereafter, the surface shape of the test surface 20 analyzed by the analyzing unit 18 is displayed on the display unit 23.
また、面光源10をインコヒーレントな複数の点光源を配列するようにして構成し、分光器16のスリット16A上に、該点光源配列に対応したマスク配列(スリット16Aの、点光源に対応した部分以外は遮光するマスクパターン)を設けてもよい。これにより、不要光の混入を防止できるので、S/Nを高めることができる。 Further, the surface light source 10 is configured by arranging a plurality of incoherent point light sources, and a mask array corresponding to the point light source array on the slit 16A of the spectroscope 16 (corresponding to the point light source of the slit 16A). A mask pattern that shields light other than the portion may be provided. Thereby, since mixing of unnecessary light can be prevented, S / N can be increased.
また、SLD(スーパー・ルミネッセント・ダイオード)等のスペクトル幅の広い、空間的にある程度以上のコヒーレント性を有する光源に、回転拡散板(デコヒーラ)等のコヒーレンス解消機能をもった素子を組み合わせて、インコヒーレントな光を射出する面光源部を構成してもよい。 In addition, a light source having a broad spectrum width, such as SLD (Super Luminescent Diode), and a spatially coherent light source combined with an element having a coherence eliminating function, such as a rotating diffuser (decoherer) A surface light source unit that emits coherent light may be configured.
また、上記ビームスプリッター12と被検面20との間に配された対物レンズ13Bは、テレセントリック性を備えたものであることが望ましい。これは、被検面20上の凹凸高さによらず、正しい横座標に対する高さ情報を検出できるためである。 Moreover, it is desirable that the objective lens 13B disposed between the beam splitter 12 and the test surface 20 has telecentricity. This is because the height information with respect to the correct abscissa can be detected regardless of the uneven height on the test surface 20.
また、被検面20の表面形状において傾斜が大きい場合には、対物レンズ13A、13Bの検出側のNAを、対物レンズ13A、13Bの照明側のNAよりも小さく設定することが望ましい。具体的には、絞り19Bを絞り19Aよりも小さく設定する。
このように設定することにより、分光器16のスリット16A上での測定光スポットの位相分布の傾きを小さくでき、参照光スポットとの局所的な干渉縞の空間周波数を小さくでき、画素平均化の影響を低減することができる。
When the inclination of the surface shape of the test surface 20 is large, it is desirable to set the NA on the detection side of the objective lenses 13A and 13B to be smaller than the NA on the illumination side of the objective lenses 13A and 13B. Specifically, the diaphragm 19B is set smaller than the diaphragm 19A.
By setting in this way, the gradient of the phase distribution of the measurement light spot on the slit 16A of the spectroscope 16 can be reduced, the spatial frequency of the local interference fringe with the reference light spot can be reduced, and pixel averaging can be performed. The influence can be reduced.
ここで、上記実施例1に係る装置と、先行技術として示した、対物レンズに色収差を付与したコンフォーカル顕微鏡において、送光側および受光側のピンホールを複数個配列した系との比較を行った場合、この先行技術に係る系では、共焦点状態からずれ、測定光の光スポットが拡大された場合、その光が、受光側の隣接するピンホールに混入してしまい、隣接するピンホールの測定結果に誤差を生じてしまう。これに対して上記実施例1のものでは、インコヒーレントな光を用いることにより、その被検面20上の各位置からの干渉情報毎に分離抽出することができるので、隣接する位置から混入する測定光の影響を受けずに高精度な測定が可能となる(混入する光は参照光と干渉せず、DC成分が増加するだけなので、その後の信号解析によって除去することができる)。さらに、実施例1の発明においては干渉信号の位相情報(エンベロープのピーク位置情報等)を利用できるので、高さ方向(Z方向)の測定も高い分解能を維持することができる。 Here, the apparatus according to Example 1 was compared with the system in which a plurality of pinholes on the light transmission side and the light reception side were arranged in the confocal microscope in which chromatic aberration was imparted to the objective lens, which was shown as the prior art. In this case, in the system according to the prior art, when the light spot of the measurement light is deviated from the confocal state, the light is mixed into the adjacent pinhole on the light receiving side, and the adjacent pinhole An error occurs in the measurement result. On the other hand, in the first embodiment, by using incoherent light, it is possible to separate and extract each piece of interference information from each position on the surface 20 to be detected, so that it is mixed from adjacent positions. High-accuracy measurement is possible without being affected by the measurement light (mixed light does not interfere with the reference light, and only the DC component increases, so it can be removed by subsequent signal analysis). Furthermore, since the phase information (envelope peak position information, etc.) of the interference signal can be used in the invention of the first embodiment, the measurement in the height direction (Z direction) can also maintain high resolution.
<実施例2>
以下、実施例2における形状測定装置101について、図2を用いて説明する。
<Example 2>
Hereinafter, the
実施例2に係る形状測定装置101は、上述した実施例1に係る形状測定装置1と同様の機能および特徴を有しているので、重複した機能を有する部材については、その説明を省略し、実施例1において対応する部材に付した数字に100を加えた数字を符号として与える。また、上述した実施例1の装置との主たる差異については以下に説明する。
Since the
実施例1の形状測定装置1においては、面光源10からの光を分割する光分割手段と、参照光と測定光を重畳させる光重畳手段とが、1つのビームスプリッター12により構成されているが、この実施例2の形状測定装置101においては、光分割手段がハーフミラー112Aにより、他方、光重畳手段がハーフミラー112Bにより、各々独立に構成されており、また、ハーフミラー112Aにより分割された参照光の光路を参照面114方向に折り曲げるハーフミラー112Cと、ハーフミラー112Aにより分割された測定光の光路を被検面120方向に折り曲げるハーフミラー112Dと、を備えている。
In the
また、実施例1の形状測定装置1においては、照明側の絞り19Aと検出側の絞り19Bが各々1つずつ設けられているが、この実施例2の形状測定装置101においては、分割後の参照光の光路中において、照明側の絞り119Aaと検出側の絞り119Baが各々1つずつ設けられるとともに、分割後の測定光の光路中において、照明側の絞り119Abと検出側の絞り119Bbが各々1つずつ設けられる点において相違している。このように、分割後の参照光および測定光の光路中において、各々照明側の絞りと検出側の絞りを設け、NAを独立して調整可能とすることにより、横分解能、測定可能な被検面傾斜量およびクロストーク量等を指標にした系の最適化を行うことができる。
In the
なお、実施例2の変形例として、ハーフミラー112Dと被検面120との間に配された対物レンズ113Bに所定の色収差を付与したものが挙げられる。この実施例2の変型例も、上記実施例1の変型例と同様の作用効果を得ることができる。 As a modification of the second embodiment, a lens in which a predetermined chromatic aberration is given to the objective lens 113B disposed between the half mirror 112D and the test surface 120 can be cited. The modified example of the second embodiment can obtain the same effects as the modified example of the first embodiment.
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の形状測定装置および形状測定方法としてはこれらに限られるものではなく、その他の種々の変更態様を採用することができる。例えば、装置の光学配置としても種々の態様の変更が可能であり、レンズや絞りの配置も適宜変更可能であり、例えば図1に示す実施例1に係る形状測定装置1において、絞り19A、19Bに替え、ビームスプリッター12と対物レンズ13Aの間、およびビームスプリッター12と対物レンズ13Bの間に、各々絞りを配設してもよい。
As mentioned above, although the Example of this invention was described, as a shape measuring apparatus and a shape measuring method of this invention, it is not restricted to these, Other various modifications can be employ | adopted. For example, various aspects of the optical arrangement of the apparatus can be changed, and the arrangement of the lenses and the diaphragm can be changed as appropriate. For example, in the
なお、上記被検面の全面に亘って形状測定を行いたい場合には、分光器のスリットの幅方向と対応する方向に被検面を走査しながら、本発明に係る形状測定を行うと効率的である。 When it is desired to perform shape measurement over the entire surface to be measured, it is efficient to perform shape measurement according to the present invention while scanning the surface to be measured in a direction corresponding to the width direction of the slit of the spectrometer. Is.
1、101 形状測定装置
10、110 面光源(光源部)
11、111 コリメートレンズ
12 ビームスプリッター
13A、13B、113A、113B 対物レンズ
14、114 参照面 15、115 集光レンズ
16、116 分光器
16A、116A スリット
17、117 2次元撮像素子
18、118 解析手段
19A、19B、119Aa、119Ab、119Ba、119Bb 絞り
20、120 被検面 21、121 被検体
22、122 被検体保持手段
23、123 表示手段
112A、112B、112C、112D ハーフミラー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Shape measuring apparatus 10,110 Surface light source (light source part)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 111 Collimating lens 12 Beam splitter 13A, 13B, 113A, 113B Objective lens 14, 114 Reference surface 15, 115 Condensing lens 16, 116 Spectrometer 16A, 116A Slit 17, 117 Two-dimensional image sensor 18, 118 Analysis means 19A , 19B, 119Aa, 119Ab, 119Ba, 119Bb Aperture 20, 120 Test surface 21, 121 Subject 22, 122 Subject holding means 23, 123 Display means 112A, 112B, 112C, 112D Half mirror
Claims (10)
前記スペクトル干渉情報を取得する手段は、前記干渉させた光を線状に通過させるスリットを備えた分光器と、この分光器により分光された分光信号によるスペクトル干渉情報を取得する2次元撮像手段を備えるとともに、この2次元撮像手段により取得されたスペクトル干渉情報に基づき前記被検面の形状を解析する形状解析手段を備え、
前記光源、前記被検面および前記分光器のスリットが互いに共役となる位置に配されるとともに、前記光源、前記参照面および前記分光器のスリットが互いに共役となる位置に配され、
前記光源から前記被検面を介して前記スリットに至る光路長と、前記光源から前記参照面を介して前記スリットに至る光路長との間に干渉可能な範囲内でオフセットが設けられてなる、ことを特徴とする形状測定装置。 Illuminating light from a planar light source that emits spatially incoherent light having a broadband spectrum is divided into two paths by a light dividing means, and one is guided to the test surface and the other is guided to the reference surface. An interferometer that obtains spectral interference information generated by the reflected light of the illumination light from the test surface and the reference surface superimposed on each other by a light superimposing means and acquiring the spectral interference information, and the light splitting An objective lens arranged in each system path until the parallel light divided into two system paths by the means is superimposed by the light superimposing means,
The means for acquiring the spectral interference information includes: a spectroscope having a slit for linearly passing the interfered light; and a two-dimensional imaging means for acquiring spectral interference information by a spectral signal dispersed by the spectroscope. And a shape analyzing means for analyzing the shape of the test surface based on the spectral interference information acquired by the two-dimensional imaging means,
The light source, the test surface and the spectroscope slit are arranged at positions that are conjugated with each other, and the light source, the reference surface and the spectroscope slit are arranged at positions that are conjugated with each other,
An offset is provided within a range in which interference is possible between an optical path length from the light source to the slit through the test surface and an optical path length from the light source to the slit through the reference surface. A shape measuring apparatus characterized by that.
前記分光器のスリット上に、上記点光源アレーのアレー配置に対応する配置とされたマスクアレーを設けたことを特徴とする請求項1から5のうちいずれか1項記載の形状測定装置。 The light source comprises a point light source array each emitting spatially incoherent light;
The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein a mask array having an arrangement corresponding to the array arrangement of the point light source array is provided on the slit of the spectroscope.
前記光源、前記被検面および前記分光器のスリットを互いに共役となる位置に配するとともに、前記光源、前記参照面および前記分光器のスリットを互いに共役となる位置に配し、
前記光源から前記被検面を介して前記スリットに至る光路長と、前記光源から前記参照面を介して前記スリットに至る光路長との間に干渉可能な範囲内でオフセットを設け、
前記スペクトル干渉情報を取得する際には、前記干渉光を前記スリットに通して線状に整形し、この整形された干渉光を分光器により分光せしめて、分光信号を撮像し、
この後、取得したスペクトル干渉情報に基づき前記被検面の形状を解析する、ことを特徴とする形状測定方法。
Illumination light emitted from a planar light source that emits spatially incoherent light having a broadband spectrum is divided into two paths by a light dividing means, and one is directed to the test surface and the other is directed to the reference surface. In addition, the reflected light of the illumination light from the test surface and the reference surface is superposed on each other by a light superimposing means to cause interference to obtain spectrum interference information, and the obtained spectrum interference information is analyzed to analyze the test subject. In the shape measuring method for measuring the surface shape of the surface,
The light source, the test surface, and the spectroscope slit are arranged in a conjugate position with each other, and the light source, the reference surface and the spectrometer slit are arranged in a conjugate position with each other,
An offset is provided within a range in which interference is possible between an optical path length from the light source to the slit through the test surface and an optical path length from the light source to the slit through the reference surface,
When acquiring the spectral interference information, the interference light is shaped into a line through the slit, the shaped interference light is spectrally separated by a spectroscope, and a spectral signal is imaged.
Thereafter, the shape measurement method is characterized in that the shape of the test surface is analyzed based on the acquired spectral interference information.
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