JP2015504167A - 試料の光学検査のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

スペクトル干渉法による試料の光学検査のための方法及び装置であって、光線源（１）から放射された光線（２''）が試料（５）に向けられ、並びに参照光線（２'）が参照試料（４）に向けられ、試料で反射し又は試料を投下した後で両光線のスペクトル干渉が分光写真器（６）によって記録される。このようにして得られたインターフェログラムＩ（ω）が角周波数ωに従って数値的に導出され、そうして得られた関数Ｉ'（ω）に対して零位ωiが数値的に方程式Ｉ'（ω）＝０の解として計算され、次いで零位ωiから周波数依存の群遅延τ（ω）が方程式τ（ωn）＝π／（ωi+1−ωi）に従って計算され、ここでｉ＝１、２．．．及びωn＝（ωi+1＋ωi）／２である。【選択図】図６

Description

本発明は、スペクトル干渉法による試料の光学検査のための方法、及びそのような方法を実施するための装置に関する。

スペクトル干渉法は、光技術及びレーザ技術にとって非常に重要な測定法である。スペクトル干渉法はとりわけ分光法において分散測定の目的で光学系の表面品質を決定するために（Ｖ．Ｎ．クマール及びＤ．Ｎ．ラオ「標準分散性材料の厚さ及び屈折率を正確に決定するための周波数領域における干渉の使用」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ１２、１５５９−１５６３ページ＜１９９５年＞）、しかしまた−非線形効果との関連で−パルス持続時間の特性を把握する目的で使用される（Ｃ．イアコニス及びＩ．Ａ．ワルムスリー、「超短光パルスの直流電界再構成のためのスペクトル位相干渉法」オプティカル・レターズ２３、７９２−７９４ページ＜１９９８年＞）。

時間的に互いに相対的に遅延した２つの光線が空間的に重畳され、重畳された光線の強度がスペクトル分解されて測定される。測定されたスペクトルは変調（スペクトル干渉パターン）を有する。このスペクトル干渉パターンから、２つの光信号の間の遅延、及び２つの光信号のスペクトル位相の差を求めることができる。これらの情報はスペクトルインターフェログラムから、高速フーリエ変換（ＦＦＴ；Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）に基づくそれ自体公知の数値的方法によって求められる（「インターフェログラム分析」、Ｄ．Ｗ．ロビンソン及びＧ．Ｔ．リード、編集、英国物理学会出版局、ブリストル＜１９９３年＞、１４１−１９３ページ）。

しかしながら若干の応用（例えば分散測定）にとって、スペクトル位相だけでなく群遅延分散（Ｇｒｏｕｐ Ｄｅｌａｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ、ＧＤＤ、角周波数に従う位相の第２導出）も決定する必要がある。このＧＤＤは明らかに測定されたスペクトル位相の２重数値的導出によって決定できる。しかしながら数値的導出は公知のように不安定な数値的方法であり、誤差伝播解析の結果、スペクトル位相におけるわずかな測定誤差もＧＤＤにおける許容範囲を超えた誤差を招き得ることが示された（Ａ．Ｎ．チーホノフ及びＶ．Ｙ．アルセニン、不良設定問題の解決」、ワイリー＜１９７７年＞）。

それゆえ、ＧＤＤ又は少なくともＧＤ（角周波数に従うスペクトル位相の単純導出）を直接測定から求めることが有利であると考えられ、本発明の課題はこれを簡単な仕方で可能にすることである。

この課題を解決するために本発明は、光線源から放射された光線が試料に向けられ、並びに参照光線が参照試料に向けられ、試料で反射し又は試料を投下した後で両光線のスペクトル干渉が分光写真器によって記録されること、及びこのようにして得られたインターフェログラムＩ（ω）が角周波数ωに従って数値的に導出され、そうして得られた関数Ｉ'（ω）に対して零位ω_iが数値的に方程式Ｉ'（ω）＝０の解として計算され、次いで零位ω_iから周波数依存の群遅延τ（ω）が方程式τ（ω_n）＝π／（ω_i+1−ω_i）に従って計算され、ここでｉ＝１、２．．．及びω_n＝（ω_i+1＋ω_i）／２であることを特徴とする、冒頭に記載した方法を提案する。

この場合、周波数依存の群遅延分散ＧＤＤが角周波数ωに従う群遅延τ（ω）の数値的導出によって計算されると、更に簡単に可能である。

角周波数にわたる群遅延τ（ω）の数値積分によりスペクトル位相が求められても好都合である。このとき、所定のスペクトルのフーリエ変換により、求められたスペクトル位相を考慮して時間依存の位相が求められるか、又は所定のスペクトルのフーリエ変換により、求められたスペクトル位相を考慮して時間依存の光パルスの強度が求められると、更に有利である。

光線源若しくは光源として、例えばレーザ（パルス）源又は電球又は発光ダイオードも採用される。

本発明の有利な応用は、試料として基体上の薄膜被覆が検査され、基体上の薄膜により反射された光線と参照リフレクタ反射された光線とのスペクトル干渉が記録されることを特徴とする。

この方法を実施するための本発明による装置は対応して、光線源と、参照光線及び測定光線を発生するための装置、例えばビームスプリッタと、計算ユニットが接続された分光写真器とを備えた干渉計装置を特徴とし、この計算ユニットは分光写真器を用いて得られたインターフェログラムを角周波数に従って数値的に導出するように構成されており、その結果として得られた関数Ｉ'（ω）に対して零位ω_iが程式Ｉ'（ω）＝０の解として数値的に計算され、次いで零位ω_iから周波数依存の群遅延τ（ω）が方程式τ（ω_n）＝π／（ω_i+1−ω_i）に従って計算され、ここでｉ＝１、２．．．及びω_n＝（ω_i+1＋ω_i）／２である（即ちω_nはω_i+1とω_iとの平均値である）。

この場合に計算ユニットがその上、周波数依存の群遅延分散ＧＤＤを角周波数ωに従う群遅延τ（ω）の数値的導出によって計算するように設定されていると有利である。

更に計算ユニットが、角周波数にわたる群遅延τ（ω）の数値積分によりスペクトル位相を求めるように設定されていると好都合である。

更に計算ユニットが、所定のスペクトルのフーリエ変換により、求められたスペクトル位相を考慮して時間依存の位相を求めるために、フーリエ変換モジュールを有しても有利である。計算ユニットは、所定のスペクトルのフーリエ変換により、求められたスペクトル位相を考慮して時間依存の光パルスの強度を求めるためにも、フーリエ変換モジュールを有することができる。

試料の反射検査の場合において、参照光線を反射するための反射ミラーを設けることができる。

本発明は従って直接スペクトル評価（Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ、ＤＳＥ）に基づいており、これはＦＦＴに基づく従来の方法（上掲「インターフェログラム分析」、Ｄ．Ｗ．ロビンソン及びＧ．Ｔ．リード参照）に比べて、次の利点も有する。
（１）ＦＦＴを使用する必要がなく、数学演算の数ははるかに少ないため、ＤＳＥ法ははるかに速い。ＦＦＴを使用する必要がないことにより、ＦＦＴに必要な条件を満たすために、測定されたインターフェログラムを内挿及び外挿する必要もない。それにより処理されなければならない値の数は、およそ係数４だけ小さい。更に２重ＦＦＴは数値的導出と内挿に取って代わられる。そうすることによってＤＳＥ法は従来の方法より少なくとも係数１００だけ速い。この計算速度の故にこの方法は動的プロセスで分散の特性を把握するために、例えば被覆プロセス中の分散ミラーの膜圧の成長を監視する目的でほぼリアルタイムで使用される。
（２）提案された方法により群遅延（Ｇｒｏｕｐ Ｄｅｌａｙ、ＧＤ、角周波数に従うスペクトル位相の第１導出）の直接評価が可能になる。従ってＧＤＤを得るために数値的導出は１回のみ適用すればよい。それによって位相の数値的導出による測定誤差の不都合な伝播が著しく減少する。

以下に本発明を好適な実施例に基づき、図面を参照して詳しく説明する。

スペクトルインターフェログラム、即ち波長λ（ｎｍ）に対する任意単位の強度Ｉ（ω）を示す図である。 角周波数に従うこの干渉信号Ｉ（ω）の導出Ｉ'（ω）、即ちＩ'（ω）＝ｄＩ／ｄωと角周波数ω（ｒａｄ／ｆｓ）との関係を示す図である。 図１の干渉信号Ｉ（ω）から計算された群遅延τ（ｆｓ）と角周波数ωとの関係をグラフに示す図である。 干渉信号Ｉ（ω）から計算された総群遅延分散ＧＤＤ_t（ｆｓ²）と波長λ（ｎｍ）との関係をグラフに示す図である。 サンプルミラーでの反射によって引き起こされる、Ｉ（ω）から計算された群遅延ＧＤＤ_Sをグラフに示す図である。 干渉計を備えた装置の概念図である。

図１は、典型的なスペクトルインターフェログラム、即ち干渉信号Ｉ（ω）を任意単位（“ａｒｂ．ｕ．”−ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔｓ）で示す。このスペクトル干渉信号Ｉ（ω）は角周波数ωに従って導出される。それによって生じる関数Ｉ'（ω）が、図２に図１の例示スペクトルに基づいて示されている。関数Ｉ'（ω）のゼロ交差ω_i（即ちω_i＝測定に関係する周波数範囲における方程式Ｉ'（ω）＝０の全ての解）は、それ自体公知の数値アルゴリズムを用いて（例えば線形内挿又は非線形内挿により）求められる。

角周波数値ω_iから群遅延τが角周波数ωの関数として次の通り計算される。τ（ω_n）＝π／（ω_i+1−ω_i）、ここでω_n＝（ω_i+1＋ω_i）／２。

図１に示されたインターフェログラムからこのように計算された群遅延値τが図３に示されている。

応用に必要な場合、群遅延τから数値的導出によって群遅延分散ＧＤＤが計算されてよい。このＧＤＤは、図１に示されたインターフェログラムについて図４に示されている。

ここに示す測定に使用した白色光干渉計の構造に基づき、総分散ＧＤＤ_tは次の通り構成される。ＧＤＤ_t＝ｌ６＊ＧＤＤ_S＋２＊ＧＤＤ_FS、ここでＧＤＤ_Sはサンプルミラーで反射する際に引き起こされる分散であり、ＧＤＤ_FSは石英ガラス（溶融石英）からなる厚さ６．３５ｍｍのガラスプレートの分散である。従ってサンプルミラーの分散ＧＤＤ_S（反射によって引き起こされる分散）は次の通り計算される。ＧＤＤ_S＝（ＧＤＤｔ−２＊ＧＤＤ_FS）／ｌ６。特性を把握しようとするサンプルミラーの、これにより得られる分散ＧＤＤ_Sが図５に示されている。

図６は、インターフェログラムＩ（ω）を生成するためのマイケルソン干渉計の可能な仕様を示す。例えば−図６に従い−ミラー５を測定するために、マイケルソン干渉計のこの構成も他の仕様（例えば．サンプルミラー上の多重反射）も、それ自体公知の他の種類の干渉計（例えばマッハツェンダー干渉計）も使用できる。

具体的には、図６はスペクトル干渉法のためのマイケルソン干渉計の模式図を例示しており、光源１で発生された光線２がビームスプリッタ３で分割される。参照光線２'はバックリフレクタとして使用される参照ミラー４（その分散特性は熟知されている）によって反射される。測定光線２''は被測定ミラー５で反射される。ミラー５は多重折り畳みミラーとして取り付けられ、それによって引き起こされたＧＤＤ、ひいては測定精度を高めてもよい。参照光線２'と測定光線２''はビームスプリッタ３によって再び空間的に重畳される。光線２２参照。この光線２２について分光写真器６によりスペクトルインターフェログラムが記録される。

そのようにして得られた干渉信号Ｉ（ω）から参照光線２'の群遅延と測定光線２''の群遅延との差が、上で説明したように計算される。このために相応に構成された計算ユニット７が分光写真器６に接続されている。例えばＧＤ、ＧＤＤ等の結果は評価ユニットによって出力され、例えば表示及び／又はプリントアウトされる。

上述した技術は測定速度及び評価速度が高いため、例えば分散ミラーを製造する際に、基体の薄膜被覆の被覆工程を検査する目的で、被覆工程でリアルタイムに使用できる。

Claims (15)

1. スペクトル干渉法による試料の光学検査のための方法であって、光線源（１）から放射された光線（２''）が試料（５）に向けられ、並びに参照光線（２'）が参照試料（４）に向けられ、試料で反射し又は試料を投下した後で両光線のスペクトル干渉が分光写真器（６）によって記録されること、及びこのようにして得られたインターフェログラムＩ（ω）が角周波数ωに従って数値的に導出され、そうして得られた関数Ｉ'（ω）に対して零位ω_iが数値的に方程式Ｉ'（ω）＝０の解として計算され、次いで零位ω_iから周波数依存の群遅延τ（ω）が方程式τ（ω_n）＝π／（ω_i+1−ω_i）に従って計算され、ここでｉ＝１、２．．．及びω_n＝（ω_i+1＋ω_i）／２であることを特徴とする、スペクトル干渉法による試料の光学検査のための方法。
2. 更に周波数依存の群遅延分散（ＧＤＤ）が角周波数ωに従う群遅延τ（ω）の数値的導出によって計算されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 角周波数にわたる群遅延τ（ω）の数値積分によりスペクトル位相が求められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 所定のスペクトルのフーリエ変換により、求められたスペクトル位相を考慮して時間依存の位相が求められることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 所定のスペクトルのフーリエ変換により、求められたスペクトル位相を考慮して光パルスの時間依存の強度が求められることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
6. 光線源（１）としてレーザパルス源又は電球又は発光ダイオードも使用されることを特徴とする、請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
7. 試料（５）として基体上の薄膜被覆が検査され、基体上の薄膜により反射された光線（２''）と参照リフレクタ（４）により反射された光線（２'）とのスペクトル干渉が記録されることを特徴とする、請求項１から６の何れか一項に記載の方法。
8. 請求項１から７の何れか一項に記載の方法を実施するための装置であって、光線源（１）と、参照光線（２'）及び測定光線（２''）を発生するための装置（３）と、計算ユニット（７）が接続された分光写真器（６）とを備え、該計算ユニット（７）は分光写真器（６）を用いて得られたインターフェログラムＩ（ω）を角周波数ωに従って数値的に導出するように構成されており、その結果として得られた関数Ｉ'（ω）に対して零位ω_iが方程式Ｉ'（ω）＝０の解として数値的に計算され、次いで零位ω_iから周波数依存の群遅延τ（ω）が方程式τ（ω_n）＝π／（ω_i+1−ω_i）に従って計算され、ここでｉ＝１、２．．．及びω_n＝（ω_i+1＋ω_i）／２であるような干渉計装置を特徴とする、請求項１から７の何れか一項に記載の方法を実施するための装置。
9. 前記計算ユニット（７）はその上、周波数依存の群遅延分散ＧＤＤを角周波数ωに従う群遅延τ（ω）の数値的導出によって計算するように設定されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記計算ユニット（７）は、角周波数にわたる群遅延τ（ω）の数値積分によりスペクトル位相を求めるように設定されていることを特徴とする、請求項８又は９に記載の装置。
11. 前記計算ユニット（７）は更に、所定のスペクトルのフーリエ変換により、求められたスペクトル位相を考慮して時間依存の位相を求めるために、フーリエ変換モジュールを有することを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 前記計算ユニット（７）は、所定のスペクトルのフーリエ変換により、求められたスペクトル位相を考慮して時間依存の光パルスの強度を求めるために、フーリエ変換モジュールを有することを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
13. 光線源（１）としてレーザパルス源又は電球又は発光ダイオードも設けられていることを特徴とする、請求項８から１２の何れか一項に記載の装置。
14. 参照光線（２'）を反射するための参照ミラー（４）を特徴とする、請求項８から１３の何れか一項に記載の装置。
15. 前記参照光線（２'）及び測定光線（２''）を発生するための装置はビームスプリッタにより形成されていることを特徴とする、請求項８から１４の何れか一項に記載の装置。

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