JP2020176842A - Optical unit, optical measurement device, and optical measurement method - Google Patents

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Abstract

To provide an optical unit, optical measurement device, and optical measurement method capable of correctly visualizing an irradiation position (measurement position) of measurement light including an area other than a visible area within a wavelength range.SOLUTION: An optical unit comprises: a probe for radiating measurement light including an area other than a visible area within a wavelength range to a sample along a first optical axis, and also receiving reflection light of the measurement light generated in the sample; a first beam splitter arranged on the first optical axis; a second beam splitter for guiding observation light to the first beam splitter so as to allow the observation light including a visible area within a wavelength range to be radiated to a sample along the first optical axis; and an imaging section for receiving light whose optical path is changed into a second optical axis by the first beam splitter between reflection light of measurement light generated in a sample and reflection light of observation light generated in the sample, and outputting a picked-up image indicating an image of received light. The imaging section has sensitivities in both of at least a part of a wavelength range of observation light and at least a part of a wavelength range of measurement light.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、サンプルの光学特性を測定するための光学ユニット、光学測定装置および光学測定方法に関する。 The present invention relates to an optical unit, an optical measuring device, and an optical measuring method for measuring the optical characteristics of a sample.

サンプルの光学特性を測定する光学測定装置の一例として、顕微測定装置が知られている。顕微測定装置は、光を拡大縮小する光学系を介して、任意のサンプルの反射率や屈折率、膜厚、消衰係数といった物理量を測定する。顕微測定装置では、サンプルに対する測定位置(あるいは、光学系が結像するサンプル上に位置である焦点位置)の調整が難しいという課題がある。サンプルに対する測定位置の調整に関して、以下のような、測定光と同じ光路に沿って可視光を投影することで、サンプル上に照射位置を具現化するという先行技術が知られている(以下の特許文献1〜4など参照)。 A microscopic measuring device is known as an example of an optical measuring device for measuring the optical characteristics of a sample. The microscopic measuring device measures physical quantities such as reflectance, refractive index, film thickness, and extinction coefficient of an arbitrary sample via an optical system that magnifies and reduces light. The microscopic measuring device has a problem that it is difficult to adjust the measurement position with respect to the sample (or the focal position which is the position on the sample on which the optical system forms an image). Regarding the adjustment of the measurement position with respect to the sample, the following prior art is known in which the irradiation position is realized on the sample by projecting visible light along the same optical path as the measurement light (the following patents). References 1 to 4 and the like).

特開2005−098835号公報(特許文献1)は、低コヒーレンス光を用いて非接触で距離を計測する光学式距離計測方法および装置に関するものであり、計測対象面に計測用の低コヒーレンス光と可視光が照射され、光検出器には低コヒーレンス光のみを入射するように構成されている。このような構成を採用することで、計測対象面上の計測点の視認性を確保することができ、可視光を計測ノイズ光とすることなく、計測ヘッドと計測対象面の間の距離を計測することができる。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-098835 (Patent Document 1) relates to an optical distance measuring method and an apparatus for measuring a distance in a non-contact manner using low coherence light, and has a low coherence light for measurement on a measurement target surface. Visible light is emitted and the photodetector is configured to emit only low coherence light. By adopting such a configuration, the visibility of the measurement point on the measurement target surface can be ensured, and the distance between the measurement head and the measurement target surface is measured without using visible light as measurement noise light. can do.

特開2016−090383号公報(特許文献2)は、近赤外レーザ光に可視光を波長合成器で合成して測定対象物に出射することにより、測定対象物上の近赤外レーザ光の照射箇所を可視光により提示する構成を採用した場合に、近赤外レーザ光と可視光との間に生じる色収差によって、測定対象物上の近赤外レーザ光の照射位置と可視光の照射位置が一致しなくなることがあるという課題に対して、測定に用いる不可視レーザ光の照射位置を正しく提示する解決手段を開示する。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-090383 (Patent Document 2) refers to near-infrared laser light on a measurement target by synthesizing visible light with a near-infrared laser light with a wavelength synthesizer and emitting it to the measurement target. When the configuration in which the irradiation location is presented by visible light is adopted, the irradiation position of the near-infrared laser light and the irradiation position of the visible light on the measurement object due to the chromatic aberration generated between the near-infrared laser light and the visible light. To solve the problem that the two may not match, a solution for correctly presenting the irradiation position of the invisible laser beam used for the measurement is disclosed.

特開2009−270939号公報(特許文献3)は、広帯域光を計測用の検出光として用い、検出光を測定対象物に向けて出射する集光レンズの出射側端面及び測定対象物間の距離を測定対象物による反射光と出射側端面による反射光との干渉を利用して計測する光学式変位計を開示する。光学式変位計においては、検出光の照射位置をワーク上に表示するためのガイド光として可視光を生成するガイド光の光源装置を有している。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-270939 (Patent Document 3) uses wideband light as detection light for measurement, and the distance between the exit side end face of the condensing lens and the measurement object that emits the detection light toward the measurement object. Discloses an optical displacement meter that measures by utilizing the interference between the reflected light from the object to be measured and the reflected light from the end face on the exit side. The optical displacement meter has a guide light light source device that generates visible light as a guide light for displaying the irradiation position of the detection light on the work.

特開2006−139027号公報(特許文献4)は、刺激光の照射位置を把握するためのガイド光を刺激光と同じ位置に比較的簡単な構成によって精度良く照射できる顕微鏡の照明装置を開示する。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-139027 (Patent Document 4) discloses a microscope illuminating device capable of accurately irradiating a guide light for grasping the irradiation position of the stimulating light at the same position as the stimulating light with a relatively simple configuration. ..

特開2005−098835号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-098835 特開2016−090383号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-090383 特開2009−270939号公報JP-A-2009-270939 特開2006−139027号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-139027

上述の特許文献1〜4に開示される先行技術においては、サンプル上に照射位置を示す可視光を投影し、ユーザが投影された可視光に基づいて測定位置を確認することになる。しかしながら、可視域以外(赤外域および紫外域など)(「不可視域」とも称す。)の光を用いて光学特性を測定する場合には、光学系に生じる色収差などによって、可視光が投影されている位置が実際の測定位置と一致するか否かを確認できない場合もある。 In the prior art disclosed in Patent Documents 1 to 4 described above, visible light indicating the irradiation position is projected on the sample, and the user confirms the measurement position based on the projected visible light. However, when measuring optical characteristics using light other than the visible region (infrared region, ultraviolet region, etc.) (also referred to as "invisible region"), visible light is projected due to chromatic aberration generated in the optical system. It may not be possible to confirm whether or not the current position matches the actual measurement position.

本発明は、可視域以外を波長範囲に含む測定光の照射位置(測定位置)をより正確に可視化することが可能な光学ユニット、光学測定装置および光学測定方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical unit, an optical measuring device, and an optical measuring method capable of more accurately visualizing an irradiation position (measurement position) of measurement light including a wavelength range other than the visible range.

本発明のある実施の形態に従う光学ユニットは、可視域以外を波長範囲に含む測定光を第1の光軸に沿ってサンプルに照射するとともに、サンプルにおいて生じる測定光の反射光を受光するプローブと、第1の光軸上に配置された第1のビームスプリッタと、可視域を波長範囲に含む観察光が第1の光軸に沿ってサンプルに照射されるように、観察光を第1のビームスプリッタに導く第2のビームスプリッタと、サンプルにおいて生じる測定光の反射光およびサンプルにおいて生じる観察光の反射光のうち、第1のビームスプリッタによって第2の光軸に光路が変化した光を受光し、受光した光の像を示す撮像画像を出力する撮像部とを含む。撮像部は、観察光の波長範囲の少なくとも一部、および、測定光の波長範囲の少なくとも一部のいずれにも感度を有している。 An optical unit according to an embodiment of the present invention is a probe that irradiates a sample with measurement light having a wavelength range other than the visible range along the first optical axis and receives reflected light of the measurement light generated in the sample. , The observation light is first so that the first beam splitter arranged on the first optical axis and the observation light including the visible region in the wavelength range illuminate the sample along the first optical axis. Of the second beam splitter leading to the beam splitter, the reflected light of the measurement light generated in the sample, and the reflected light of the observation light generated in the sample, the first beam splitter receives the light whose optical path is changed to the second optical axis. It also includes an imaging unit that outputs an captured image showing an image of the received light. The imaging unit has sensitivity to at least a part of the wavelength range of the observation light and at least a part of the wavelength range of the measurement light.

測定光の波長範囲は、近赤外域を含んでいてもよい。観察光の波長範囲は、測定光の波長範囲とは重複しないように構成されていてもよい。 The wavelength range of the measurement light may include a near infrared region. The wavelength range of the observation light may be configured so as not to overlap with the wavelength range of the measurement light.

第2のビームスプリッタは、第2の光軸上に配置されていてもよい。観察光を発生する観察用光源は、第2のビームスプリッタに関連付けられた第3の光軸上に配置されていてもよい。 The second beam splitter may be located on the second optical axis. The observation light source that generates the observation light may be arranged on the third optical axis associated with the second beam splitter.

第2の光軸は、第1の光軸に対して直交していてもよい。第3の光軸は、第2の光軸に対して直交するとともに、第1の光軸とは非平行であってもよい。 The second optical axis may be orthogonal to the first optical axis. The third optical axis may be orthogonal to the second optical axis and may be non-parallel to the first optical axis.

第1のビームスプリッタは、ペリクル膜からなっていてもよい。
光学ユニットは、撮像部に入射する測定光の反射光と観察光の反射光との強度バランスを調整する強度調整手段をさらに含んでいてもよい。
The first beam splitter may be made of a pellicle film.
The optical unit may further include an intensity adjusting means for adjusting the intensity balance between the reflected light of the measurement light incident on the imaging unit and the reflected light of the observation light.

強度調整手段は、撮像部の前段に配置された光学フィルタを含んでいてもよい。
強度調整手段は、測定光の波長範囲についての撮像部からの出力信号と、観察光の波長範囲についての撮像部からの出力信号とを合成する処理を変化させる手段と、測定光の波長範囲に対する撮像部の感度と観察光の波長範囲に対する撮像部の感度との比を変化させる手段とのうち、いずれかを含んでいてもよい。
The intensity adjusting means may include an optical filter arranged in front of the imaging unit.
The intensity adjusting means is a means for changing the process of synthesizing the output signal from the imaging unit for the wavelength range of the measurement light and the output signal from the imaging unit for the wavelength range of the observation light, and for the wavelength range of the measurement light. Any of the means for changing the ratio of the sensitivity of the imaging unit to the sensitivity of the imaging unit with respect to the wavelength range of the observation light may be included.

本発明の別の実施の形態に従う光学測定装置は、上述の光学ユニットと、光学ユニットのプローブと光学的に接続され、プローブを介して導かれる測定光の反射光を受光して光学特性を含む測定結果を出力する測定ユニットとを含む。 An optical measuring device according to another embodiment of the present invention is optically connected to the above-mentioned optical unit and a probe of the optical unit, receives reflected light of measurement light guided through the probe, and includes optical characteristics. Includes a measurement unit that outputs measurement results.

測定ユニットは、測定光の反射光に基づいてサンプルの反射率スペクトルを算出する手段と、反射率スペクトルに対する所定の波数変換により波数変換反射率スペクトルを算出する手段と、波数変換反射率スペクトルを波数についてフーリエ変換してパワースペクトルを算出する手段と、パワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて、光学特性として、サンプルの光学膜厚、サンプルの膜厚、サンプルまでの距離のうち少なくとも一つを算出する手段とを含んでいてもよい。 The measurement unit has a means for calculating the reflectance spectrum of the sample based on the reflected light of the measurement light, a means for calculating the wave number conversion reflectance spectrum by a predetermined wave number conversion for the reflectance spectrum, and a wave number for the wave number conversion reflectance spectrum. Calculate at least one of the optical film thickness of the sample, the film thickness of the sample, and the distance to the sample as optical characteristics based on the means for calculating the power spectrum by Fourier transforming and the position of the peak appearing in the power spectrum. It may include means of doing so.

第1のビームスプリッタの光学膜厚は、測定ユニットの測定波長範囲の上限値および下限値に基づいて決定される測定可能な光学膜厚の下限値未満となるように決定されてもよい。 The optical film thickness of the first beam splitter may be determined to be less than the lower limit of the measurable optical film thickness determined based on the upper and lower limits of the measurement wavelength range of the measuring unit.

本発明のさらに別の実施の形態に従う光学測定方法は、測定用光源が発生した、可視域以外を波長範囲に含む測定光を第1の光軸に沿ってサンプルに照射するステップと、可視域を波長範囲に含む観察光を第1の光軸に沿ってサンプルに照射するステップと、サンプルにおいて生じる測定光の反射光を受光して光学特性を含む測定結果を出力するステップと、サンプルにおいて生じる測定光の反射光およびサンプルにおいて生じる観察光の反射光のうち、第1の光軸上に配置された第1のビームスプリッタによって第2の光軸に光路が変化した光を撮像部で受光し、受光した光の像を示す撮像画像を出力するステップとを含む。撮像部は、観察光の波長範囲の少なくとも一部、および、測定光の波長範囲の少なくとも一部のいずれにも感度を有している。 The optical measurement method according to still another embodiment of the present invention includes a step of irradiating the sample with the measurement light generated by the measurement light source in the wavelength range other than the visible region along the first optical axis and the visible region. The step of irradiating the sample with the observation light having the above in the wavelength range along the first optical axis, the step of receiving the reflected light of the measurement light generated in the sample and outputting the measurement result including the optical characteristics, and the step occurring in the sample. Of the reflected light of the measurement light and the reflected light of the observation light generated in the sample, the image pickup unit receives the light whose optical path is changed to the second optical axis by the first beam splitter arranged on the first optical axis. , Including the step of outputting an captured image showing an image of the received light. The imaging unit has sensitivity to at least a part of the wavelength range of the observation light and at least a part of the wavelength range of the measurement light.

本発明のある実施の形態によれば、可視域以外を波長範囲に含む測定光の照射位置(測定位置)をより正確に可視化できる。 According to an embodiment of the present invention, the irradiation position (measurement position) of the measurement light including the wavelength range other than the visible range can be visualized more accurately.

本実施の形態に従う光学測定装置の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the optical measuring apparatus according to this Embodiment. 本実施の形態に従う光学測定装置を構成する測定ユニットの機能構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the functional configuration example of the measurement unit which comprises the optical measurement apparatus according to this embodiment. 図2に示す分光測定部の光学系の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the optical system of the spectroscopic measurement part shown in FIG. 本実施の形態に従う光学ユニットの光学系の要部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the main part of the optical system of the optical unit according to this embodiment. 本実施の形態に従う光学ユニットにおける測定光および測定光の反射光の光路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical path of the measurement light and the reflected light of the measurement light in the optical unit according to this embodiment. 本実施の形態に従う光学ユニットにおける測定光の反射光の光路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical path of the reflected light of the measurement light in the optical unit which follows this embodiment. 本実施の形態に従う光学ユニットにおける観察光の光路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical path of the observation light in the optical unit which follows this embodiment. 本実施の形態に従う光学ユニットにおける観察光の反射光の光路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical path of the reflected light of the observation light in the optical unit which follows this embodiment. 本実施の形態に従う光学ユニットにおける撮像部の視野を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the field of view of the image pickup part in the optical unit which follows this embodiment. 本実施の形態に従う光学ユニットの光学系の別形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another form of the optical system of the optical unit which follows this embodiment. 本実施の形態に従う光学ユニットの撮像部が採用する2次元撮像素子の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the 2D image sensor adopted by the image pickup part of the optical unit which follows this embodiment. 本実施の形態に従う光学ユニットの撮像部が採用する2次元撮像素子の別の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another structural example of the 2D image sensor adopted by the image pickup part of the optical unit which follows this Embodiment. 本実施の形態に従う光学ユニットの撮像部による撮像結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the image pickup result by the image pickup part of the optical unit which follows this embodiment. 本実施の形態に従う光学測定装置を用いて測定可能な光学膜厚の下限値を有するサンプルを測定したときの波長範囲と干渉波形の周期性との関係を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the relationship between the wavelength range and the periodicity of an interference waveform at the time of measuring the sample which has the lower limit value of the optical film thickness that can be measured by using the optical measuring apparatus according to this Embodiment. 本実施の形態に従う光学測定装置を用いたサンプルの測定手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the measurement procedure of the sample using the optical measuring apparatus according to this embodiment. 本実施の形態に従う光学測定装置を用いたサンプルの測定例を示す図である。It is a figure which shows the measurement example of the sample using the optical measuring apparatus according to this embodiment. 本実施の形態に従う光学測定装置を用いたサンプルの測定例を示す図である。It is a figure which shows the measurement example of the sample using the optical measuring apparatus according to this embodiment. 本実施の形態に従う光学測定装置を用いたサンプルの測定例を示す図である。It is a figure which shows the measurement example of the sample using the optical measuring apparatus according to this embodiment.

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are designated by the same reference numerals and the description thereof will not be repeated.

<A.光学測定装置1の構成例>
まず、本実施の形態に従う光学測定装置1の構成例について説明する。
<A. Configuration example of optical measuring device 1>
First, a configuration example of the optical measuring device 1 according to the present embodiment will be described.

図1は、本実施の形態に従う光学測定装置1の構成例を示す模式図である。図1を参照して、光学測定装置1は、典型的には、光学ユニット2と、測定ユニット100と、表示装置200とを含む顕微測定装置である。図1には、3つの装置からなる光学測定装置1を例示するが、3つの装置の全部または一部を一体化して光学測定装置として構成してもよい。 FIG. 1 is a schematic view showing a configuration example of an optical measuring device 1 according to the present embodiment. With reference to FIG. 1, the optical measuring device 1 is typically a microscopic measuring device including an optical unit 2, a measuring unit 100, and a display device 200. Although FIG. 1 illustrates an optical measuring device 1 composed of three devices, all or a part of the three devices may be integrated to form an optical measuring device.

光学測定装置1は、サンプルSMPに対して測定用の光(以下、「測定光」とも称す。)を照射するとともに、サンプルSMPからの反射光に基づいて、サンプルSMPの光学特性を算出する。光学特性としては、典型的には、サンプルSMPの光学膜厚、サンプルSMPの膜厚、基準位置からサンプルSMPの表面までの距離などが想定される。 The optical measuring device 1 irradiates the sample SMP with light for measurement (hereinafter, also referred to as “measurement light”), and calculates the optical characteristics of the sample SMP based on the reflected light from the sample SMP. As the optical characteristics, typically, the optical film thickness of the sample SMP, the film thickness of the sample SMP, the distance from the reference position to the surface of the sample SMP, and the like are assumed.

測定ユニット100は、測定光を発生する光源として機能するとともに、サンプルSMPからの反射光を受光して測定結果を出力する受光部として機能する。測定ユニット100には、Y型ファイバ40のファイバカプラ43で分岐される分岐ファイバ41および分岐ファイバ42が接続される。後述するように、測定光は、分岐ファイバ41を介して光学ユニット2へ提供され、サンプルSMPからの反射光は、分岐ファイバ42を介して測定ユニット100に入射する。 The measurement unit 100 functions as a light source that generates measurement light, and also functions as a light receiving unit that receives reflected light from the sample SMP and outputs a measurement result. The branch fiber 41 and the branch fiber 42 branched by the fiber coupler 43 of the Y-type fiber 40 are connected to the measurement unit 100. As will be described later, the measurement light is provided to the optical unit 2 via the branch fiber 41, and the reflected light from the sample SMP is incident on the measurement unit 100 via the branch fiber 42.

サンプルSMPの代表例としては、特殊な表面形状や微細構造を有する、半導体基板、薄膜形成されたガラス基板、機能性樹脂、機能性プラスチックなどが挙げられる。 Typical examples of the sample SMP include a semiconductor substrate, a thin film-formed glass substrate, a functional resin, and a functional plastic having a special surface shape and fine structure.

また、光学測定装置1は、測定中のサンプルSMPの状態を観察するために、観察用の光(以下、「観察光」とも称す。)をサンプルSMPに照射する。観察光がサンプルSMPで反射されて生じる反射光の撮像画像も出力される。 Further, the optical measuring device 1 irradiates the sample SMP with observation light (hereinafter, also referred to as “observation light”) in order to observe the state of the sample SMP during measurement. An captured image of the reflected light generated by reflecting the observation light by the sample SMP is also output.

本実施の形態に従う光学測定装置1は、可視域以外(赤外域および紫外域など)を波長範囲に含む光を測定光として用いてサンプルSMPの光学特性を測定する。このとき、可視域を波長範囲に含む光を観察光としてサンプルSMPに照射して撮像部で撮像することで、測定と同時に、サンプルSMPの表面状態を観察できるようにする。このとき、観察されるサンプルSMPの表面状態に測定状態を示す情報を含めることで、サンプルSMP上の測定位置をより確実に確認できる。また、後述するようなビームスプリッタおよび関連する光学系を採用することで、測定に用いられる光の強度低下を抑制して、測定精度の向上および測定時間の高速化を実現できる。 The optical measuring device 1 according to the present embodiment measures the optical characteristics of the sample SMP using light having a wavelength range other than the visible region (infrared region, ultraviolet region, etc.) as the measurement light. At this time, by irradiating the sample SMP with light having a visible region in the wavelength range as observation light and taking an image with the imaging unit, the surface state of the sample SMP can be observed at the same time as the measurement. At this time, by including the information indicating the measurement state in the surface state of the observed sample SMP, the measurement position on the sample SMP can be confirmed more reliably. Further, by adopting a beam splitter and a related optical system as described later, it is possible to suppress a decrease in the intensity of light used for measurement, improve measurement accuracy, and speed up measurement time.

以下の説明においては、近赤外域を波長範囲に含む光を測定光として用いる構成について例示するが、測定光としてはこれに限られず、赤外域を波長範囲に含む光を測定光として用いてもよいし、紫外域を波長範囲に含む光を測定光として用いてもよい。また、測定光の波長範囲は、観察光の波長範囲と重複しない限りにおいて、可視域の一部を含んでいてもよい。すなわち、測定誤差を生じないように、観察光の波長範囲は、測定光の波長範囲とは重複しないように構成されることが好ましい。 In the following description, a configuration in which light including the near-infrared region in the wavelength range is used as the measurement light will be illustrated, but the measurement light is not limited to this, and light including the infrared region in the wavelength range may be used as the measurement light. Alternatively, light having an ultraviolet region in the wavelength range may be used as the measurement light. Further, the wavelength range of the measurement light may include a part of the visible range as long as it does not overlap with the wavelength range of the observation light. That is, it is preferable that the wavelength range of the observation light does not overlap with the wavelength range of the measurement light so as not to cause a measurement error.

(a1:光学ユニット2の構成例)
まず、光学測定装置1を構成する光学ユニット2の構成例について説明する。
(A1: Configuration example of the optical unit 2)
First, a configuration example of the optical unit 2 constituting the optical measuring device 1 will be described.

光学ユニット2は、同一の光軸AX1に沿って測定光および観察光がサンプルSMPに照射されるので、「同軸落射顕微ユニット」と称されることもある。 The optical unit 2 is sometimes referred to as a "coaxial epi-illumination microscopic unit" because the sample SMP is irradiated with the measurement light and the observation light along the same optical axis AX1.

図1を参照して、光学ユニット2は、ステージ10と、下部筒部12と、上部筒部14と、投受光プローブ16と、結像レンズ20と、主ビームスプリッタ22と、観察用光源24と、副ビームスプリッタ26と、マクロレンズ28と、撮像部30と、光学フィルタ32とを含む。 With reference to FIG. 1, the optical unit 2 includes a stage 10, a lower cylinder portion 12, an upper cylinder portion 14, a light emitting / receiving probe 16, an imaging lens 20, a main beam splitter 22, and an observation light source 24. , A sub-beam splitter 26, a macro lens 28, an imaging unit 30, and an optical filter 32.

ステージ10は、サンプルSMPが配置されるとともに、光軸AX1に直交する平面に沿ってサンプルSMPの配置位置を異ならせる。ステージ10は、光軸AX1に直交する平面に沿って2つの直交する軸方向に移動する構成(XYステージ)であってもよいし、光軸AX1を基準にして距離および角度を変化させる構成(Rθステージ)であってもよい。また、ステージ10は、手動操作によってサンプルSMPの位置を変化させるような構成(手動ステージ)であってもよいし、上位パーソナルコンピュータ(上位PC)からの指令に従ってサンプルSMPの位置を変化させるような構成(自動ステージ)であってもよい。 In the stage 10, the sample SMP is arranged and the arrangement position of the sample SMP is changed along the plane orthogonal to the optical axis AX1. The stage 10 may have a configuration (XY stage) in which the stage 10 moves in two orthogonal axial directions along a plane orthogonal to the optical axis AX1, or a configuration in which the distance and the angle are changed with reference to the optical axis AX1 (the stage 10). Rθ stage) may be used. Further, the stage 10 may be configured to change the position of the sample SMP by manual operation (manual stage), or change the position of the sample SMP according to a command from the upper personal computer (upper PC). It may be configured (automatic stage).

ステージ10の上部には、下部筒部12および上部筒部14が光軸AX1に平行に配置される。上部筒部14の上部には投受光プローブ16が配置される。投受光プローブ16には、Y型ファイバ40の一端に設けられたコネクタ18が光学的に接続される。 A lower cylinder portion 12 and an upper cylinder portion 14 are arranged parallel to the optical axis AX1 on the upper part of the stage 10. A light emitting / receiving probe 16 is arranged on the upper part of the upper tubular portion 14. A connector 18 provided at one end of the Y-shaped fiber 40 is optically connected to the light receiving probe 16.

投受光プローブ16は、測定光を光軸AX1に沿ってサンプルSMPに照射するとともに、サンプルSMPにおいて生じる測定光の反射光を受光する。より具体的には、投受光プローブ16は、光軸AX1の中心に位置付けられた結像レンズ20を有している。コネクタ18から射出された測定光は、サンプルSMPで結像するように結像レンズ20で収束される。 The light emitting / receiving probe 16 irradiates the sample SMP with the measurement light along the optical axis AX1 and receives the reflected light of the measurement light generated in the sample SMP. More specifically, the light emitting / receiving probe 16 has an imaging lens 20 positioned at the center of the optical axis AX1. The measurement light emitted from the connector 18 is converged by the imaging lens 20 so as to be imaged by the sample SMP.

下部筒部12の内部において、光軸AX1と交差する位置に主ビームスプリッタ22が配置されるとともに、主ビームスプリッタ22に関連付けて撮像部30が配置される。主ビームスプリッタ22は、透過する測定光の減衰を可能な限り抑制するために、光分配薄膜が用いられてもよい。光分配薄膜の一例としては、高透過率のペリクル膜を用いることができる。 Inside the lower tubular portion 12, the main beam splitter 22 is arranged at a position intersecting the optical axis AX1, and the imaging unit 30 is arranged in association with the main beam splitter 22. For the main beam splitter 22, a light distribution thin film may be used in order to suppress the attenuation of the transmitted measurement light as much as possible. As an example of the light distribution thin film, a pellicle film having high transmittance can be used.

結像レンズ20を透過してサンプルSMPへ向けて伝搬する測定光の一部は、主ビームスプリッタ22を透過して光軸AX1に沿ってサンプルSMPへ向かう。サンプルSMPへ入射した測定光の一部は、サンプルSMPの表面、内部または裏面で反射して、光軸AX1に沿って逆方向に伝搬する。サンプルSMPでの反射により生じた測定光の反射光は、主ビームスプリッタ22に入射すると、その一部は、主ビームスプリッタ22を透過して投受光プローブ16へ入射するとともに、別の一部は、主ビームスプリッタ22で反射されて撮像部30へ入射する。すなわち、サンプルSMPに測定光を照射することで生じる測定光の反射光は、投受光プローブ16(測定ユニット100)および撮像部30のいずれにも入射することになる。 A part of the measurement light transmitted through the imaging lens 20 and propagating toward the sample SMP passes through the main beam splitter 22 and heads toward the sample SMP along the optical axis AX1. A part of the measurement light incident on the sample SMP is reflected on the front surface, the inside or the back surface of the sample SMP, and propagates in the opposite direction along the optical axis AX1. When the reflected light of the measurement light generated by the reflection in the sample SMP is incident on the main beam splitter 22, a part thereof is transmitted through the main beam splitter 22 and is incident on the light emitting / receiving probe 16, and another part is incident. , Reflected by the main beam splitter 22 and incident on the imaging unit 30. That is, the reflected light of the measurement light generated by irradiating the sample SMP with the measurement light is incident on both the light emitting / receiving probe 16 (measurement unit 100) and the image pickup unit 30.

また、主ビームスプリッタ22に関連付けて副ビームスプリッタ26が配置され、副ビームスプリッタ26に関連付けて観察用光源24が配置される。副ビームスプリッタ26は、光軸AX2上に配置されており、観察用光源24は、副ビームスプリッタ26に関連付けられた光軸AX3上に配置されている。副ビームスプリッタ26は、観察用光源24からの観察光が光軸AX1に沿ってサンプルSMPに照射されるように、観察光を主ビームスプリッタ22に導く。副ビームスプリッタ26は、ハーフミラーなどが用いられてもよい。このように、副ビームスプリッタ26は、測定光の光路に影響を与えないように、測定光の光路外、すなわち光軸AX1と交差しない位置に配置されている。 Further, the sub-beam splitter 26 is arranged in association with the main beam splitter 22, and the observation light source 24 is arranged in association with the sub-beam splitter 26. The sub-beam splitter 26 is arranged on the optical axis AX2, and the observation light source 24 is arranged on the optical axis AX3 associated with the sub-beam splitter 26. The sub-beam splitter 26 guides the observation light to the main beam splitter 22 so that the observation light from the observation light source 24 is applied to the sample SMP along the optical axis AX1. As the sub-beam splitter 26, a half mirror or the like may be used. As described above, the sub-beam splitter 26 is arranged outside the optical path of the measurement light, that is, at a position not intersecting the optical axis AX1 so as not to affect the optical path of the measurement light.

観察用光源24は、少なくとも可視域の波長範囲を含む観察光を発生する。可視域の波長範囲を含む観察光を発生する観察用光源24としては、白色LED(light emitting diode)などを採用してもよい。観察用光源24が発生した観察光は、副ビームスプリッタ26で反射されて主ビームスプリッタ22に入射し、主ビームスプリッタ22で反射されて光軸AX1に沿ってサンプルSMPへ向かう。サンプルSMPへ入射した観察光の一部は、サンプルSMPの表面、内部または裏面で反射して、光軸AX1に沿って逆方向に伝搬する。サンプルSMPでの反射により生じた観察光の反射光は、主ビームスプリッタ22に入射すると、その一部は、主ビームスプリッタ22で反射されて撮像部30へ入射する。 The observation light source 24 generates observation light including at least a wavelength range in the visible range. As the observation light source 24 that generates observation light including the wavelength range of the visible range, a white LED (light emitting diode) or the like may be adopted. The observation light generated by the observation light source 24 is reflected by the sub-beam splitter 26 and incident on the main beam splitter 22, and is reflected by the main beam splitter 22 toward the sample SMP along the optical axis AX1. A part of the observation light incident on the sample SMP is reflected on the front surface, the inside or the back surface of the sample SMP, and propagates in the opposite direction along the optical axis AX1. When the reflected light of the observation light generated by the reflection by the sample SMP is incident on the main beam splitter 22, a part of the reflected light is reflected by the main beam splitter 22 and incident on the imaging unit 30.

サンプルSMPに観察光を照射することで生じる観察光の反射光は、撮像部30に入射することになる。なお、観察光の反射光は、投受光プローブ16を介して測定ユニット100にも入射し得るが、後述するような測定ユニット100のカットフィルタ(図3参照)により遮断されるため、測定への実質的な影響はない。 The reflected light of the observation light generated by irradiating the sample SMP with the observation light is incident on the imaging unit 30. The reflected light of the observation light may also enter the measurement unit 100 via the light emitting / receiving probe 16, but it is blocked by the cut filter (see FIG. 3) of the measurement unit 100 as described later, so that the measurement can be performed. There is no substantial effect.

撮像部30は、入射する光の強度に応じた観察像を出力する2次元撮像素子からなり、測定光の波長範囲の少なくとも一部および観察光の波長範囲の少なくとも一部に感度を有している。上述したように、撮像部30は、サンプルSMPにおいて生じる測定光の反射光およびサンプルSMPにおいて生じる観察光の反射光のうち、主ビームスプリッタ22によって光軸AX2に光路が変化した光を受光する。撮像部30は、受光した光の像を示す撮像画像を出力する。 The image pickup unit 30 includes a two-dimensional image pickup element that outputs an observation image according to the intensity of the incident light, and has sensitivity to at least a part of the wavelength range of the measurement light and at least a part of the wavelength range of the observation light. There is. As described above, the imaging unit 30 receives the light whose optical path is changed on the optical axis AX2 by the main beam splitter 22 among the reflected light of the measurement light generated in the sample SMP and the reflected light of the observation light generated in the sample SMP. The imaging unit 30 outputs an captured image showing an image of the received light.

ここで、撮像部30は、観察光の波長範囲の少なくとも一部、および、測定光の波長範囲の少なくとも一部のいずれにも感度を有している。すなわち、撮像部30の感度範囲は、観察光の可視域だけではなく、測定光の近赤外域を含み得る。この結果、撮像部30は、サンプルSMPから生じた測定光の反射光および観察光の反射光の情報を含む撮像画像を出力することになる。撮像部30による撮像画像は表示装置200に出力される。撮像部30としては、典型的には、CCDイメージセンサまたはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどを採用してもよい。 Here, the imaging unit 30 has sensitivity to at least a part of the wavelength range of the observation light and at least a part of the wavelength range of the measurement light. That is, the sensitivity range of the imaging unit 30 may include not only the visible region of the observation light but also the near infrared region of the measurement light. As a result, the imaging unit 30 outputs an captured image including information on the reflected light of the measurement light and the reflected light of the observation light generated from the sample SMP. The image captured by the imaging unit 30 is output to the display device 200. As the imaging unit 30, a CCD image sensor, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, or the like may be typically adopted.

撮像部30の前段にはマクロレンズ28が配置されている。マクロレンズ28は、撮像部30の視野範囲を調整する。 A macro lens 28 is arranged in front of the imaging unit 30. The macro lens 28 adjusts the field of view of the imaging unit 30.

マクロレンズ28の前段には光学フィルタ32が配置されている。光学フィルタ32は、予め定められた波長範囲の成分を減衰させることで、撮像部30に入射する測定光の反射光と観察光の反射光との強度バランスを調整する(詳細については後述する。)。 An optical filter 32 is arranged in front of the macro lens 28. The optical filter 32 adjusts the intensity balance between the reflected light of the measurement light and the reflected light of the observation light incident on the imaging unit 30 by attenuating the components in the predetermined wavelength range (details will be described later). ).

(a2:測定ユニット100の構成例)
次に、光学測定装置1を構成する測定ユニット100の構成例について説明する。
(A2: Configuration example of measurement unit 100)
Next, a configuration example of the measurement unit 100 constituting the optical measurement device 1 will be described.

図2は、本実施の形態に従う光学測定装置1を構成する測定ユニット100の機能構成例を示す模式図である。図2を参照して、測定ユニット100は、測定用光源110と、分光測定部120と、演算部130と、インターフェイス140とを含む。 FIG. 2 is a schematic view showing a functional configuration example of the measurement unit 100 constituting the optical measurement device 1 according to the present embodiment. With reference to FIG. 2, the measurement unit 100 includes a measurement light source 110, a spectroscopic measurement unit 120, a calculation unit 130, and an interface 140.

測定ユニット100は、光学ユニット2の投受光プローブ16と光学的に接続され、投受光プローブ16を介して導かれる測定光の反射光を受光して測定結果を出力する。光学ユニット2と測定ユニット100との間は、一端に2つの分岐を有するY型ファイバ40により光学的に接続されている。なお、Y型ファイバ40は、シングルモードの構造を有するものが用いられる。 The measurement unit 100 is optically connected to the light emitting / receiving probe 16 of the optical unit 2, receives the reflected light of the measurement light guided through the light emitting / receiving probe 16, and outputs the measurement result. The optical unit 2 and the measurement unit 100 are optically connected by a Y-shaped fiber 40 having two branches at one end. As the Y-type fiber 40, one having a single mode structure is used.

測定用光源110は、測定光を発生する。測定用光源110が発生する測定光は、典型的には、近赤外域を波長範囲に含むようにしてもよい。近赤外域を波長範囲に含む測定光を発生する測定用光源110としては、ASE(Amplified Spontaneous Emission)光源を採用してもよい。また、測定用光源110は、インコヒーレント光を測定光として発生させることが好ましい。測定用光源110は、Y型ファイバ40の分岐ファイバ41と光学的に接続されており、分岐ファイバ41を介して光学ユニット2へ測定光が伝搬する。 The measurement light source 110 generates measurement light. The measurement light generated by the measurement light source 110 may typically include the near infrared region in the wavelength range. An ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source may be adopted as the measurement light source 110 that generates measurement light including the near infrared region in the wavelength range. Further, the measurement light source 110 preferably generates incoherent light as measurement light. The measurement light source 110 is optically connected to the branch fiber 41 of the Y-type fiber 40, and the measurement light propagates to the optical unit 2 via the branch fiber 41.

分光測定部120は、Y型ファイバ40の分岐ファイバ42と光学的に接続されており、光学ユニット2からのサンプルからの反射光(すなわち、測定光がサンプルなどで反射して生じる光)を受光し、受光した光の波長毎の強度を示す強度分布を測定結果として出力する(詳細については図3参照)。 The spectroscopic measurement unit 120 is optically connected to the branch fiber 42 of the Y-type fiber 40, and receives the reflected light from the sample from the optical unit 2 (that is, the light generated by the measurement light reflected by the sample or the like). Then, the intensity distribution showing the intensity of the received light for each wavelength is output as the measurement result (see FIG. 3 for details).

演算部130は、分光測定部120から出力される測定結果に基づいて、サンプルの各種光学特性を算出する。サンプルの光学特性として、サンプルSMPの光学膜厚、サンプルSMPの膜厚、基準位置からサンプルSMPまでの距離のうち少なくとも一つを算出するようにしてもよい。この場合には、分光測定部120の測定結果は、サンプルからの反射光または透過光のスペクトルを含み、演算部130は、分光測定部120からのスペクトルを周波数解析することで、サンプルの膜厚を算出する。演算部130は、プログラムを実行するプロセッサを用いて実装してもよいし、FPGA(field-programmable gate array)やASIC(application specific integrated circuit)、SoC(system on a chip)などのハードワイヤードデバイスを用いて実装してもよい。 The calculation unit 130 calculates various optical characteristics of the sample based on the measurement results output from the spectroscopic measurement unit 120. As the optical characteristics of the sample, at least one of the optical film thickness of the sample SMP, the film thickness of the sample SMP, and the distance from the reference position to the sample SMP may be calculated. In this case, the measurement result of the spectroscopic measurement unit 120 includes the spectrum of the reflected light or the transmitted light from the sample, and the arithmetic unit 130 performs frequency analysis of the spectrum from the spectroscopic measurement unit 120 to obtain the thickness of the sample. Is calculated. The arithmetic unit 130 may be implemented using a processor that executes a program, or may be a hard-wired device such as an FPGA (field-programmable gate array), an ASIC (application specific integrated circuit), or a SoC (system on a chip). It may be implemented using.

インターフェイス140は、図示しない上位PCとの間で、演算部130により算出される光学特性を含む測定結果などを遣り取りする。インターフェイス140としては、イーサネット(登録商標)、無線LAN、USB(universal serial bus)といった公知の伝送媒体を用いることができる。 The interface 140 exchanges measurement results including optical characteristics calculated by the calculation unit 130 with a higher-level PC (not shown). As the interface 140, a known transmission medium such as Ethernet (registered trademark), wireless LAN, or USB (universal serial bus) can be used.

測定ユニット100と上位PCとの間では、測定結果として、算出されたサンプルの光学特性に加えて、サンプルの反射率スペクトルなどの算出過程で用いられたデータ、測定時の属性情報、撮像部30による撮像画像などを遣り取りしてもよい。 As a measurement result, between the measurement unit 100 and the upper PC, in addition to the calculated optical characteristics of the sample, data used in the calculation process such as the reflectance spectrum of the sample, attribute information at the time of measurement, and the imaging unit 30 You may exchange images captured by.

なお、測定ユニット100の内部または外部に電源供給部を配置してもよい。
図3は、図2に示す分光測定部120の光学系の一例を示す模式図である。分光測定部120は、入射する光の波長毎の強度分布(スペクトル)を出力する。図3を参照して、分光測定部120は、スリット121と、シャッタ122と、カットフィルタ123と、コリメートミラー124と、回折格子125と、フォーカスミラー126と、検出部127とを含む。
The power supply unit may be arranged inside or outside the measurement unit 100.
FIG. 3 is a schematic view showing an example of the optical system of the spectroscopic measurement unit 120 shown in FIG. The spectroscopic measurement unit 120 outputs an intensity distribution (spectrum) for each wavelength of the incident light. With reference to FIG. 3, the spectroscopic measurement unit 120 includes a slit 121, a shutter 122, a cut filter 123, a collimating mirror 124, a diffraction grating 125, a focus mirror 126, and a detection unit 127.

スリット121は、Y型ファイバ40の分岐ファイバ42に続いて配置され、入射する光のスポット径を調整する。 The slit 121 is arranged following the branched fiber 42 of the Y-shaped fiber 40, and adjusts the spot diameter of the incident light.

シャッタ122は、検出部127に入射する光を遮断可能に構成される。シャッタ122は、検出部127をリセットするためなどに用いられる。シャッタ122としては、典型的には、電磁力によって駆動する機械式の構造が採用される。 The shutter 122 is configured to be able to block the light incident on the detection unit 127. The shutter 122 is used for resetting the detection unit 127 and the like. The shutter 122 typically employs a mechanical structure driven by electromagnetic force.

カットフィルタ123は、検出部127に入射する光に含まれる検出波長範囲外の波長成分を制限する。カットフィルタ123は、検出波長範囲外の波長成分を可能な限り遮断することが好ましい。 The cut filter 123 limits wavelength components outside the detection wavelength range included in the light incident on the detection unit 127. It is preferable that the cut filter 123 blocks wavelength components outside the detection wavelength range as much as possible.

コリメートミラー124は、スリット121を介して入射した光(拡散光)を反射して平行光に変換するとともに、平行光に変換された光を回折格子125に向けて伝搬させる。 The collimating mirror 124 reflects the light (diffused light) incident on the slit 121 and converts it into parallel light, and propagates the light converted into parallel light toward the diffraction grating 125.

回折格子125は、入射した光を波長に応じて分離した上で検出部127へ導く。具体的には、回折格子125は、反射型回折格子であり、予め定められた波長間隔毎の回折波が対応する各方向に反射するように構成される。このような構成を有する回折格子125に光が入射すると、含まれる各波長成分は対応する方向に反射されて、検出部127の対応する検出素子に入射する。回折格子125としては、典型的には、ブレーズドホログラフィック平面グレーティングが採用される。 The diffraction grating 125 separates the incident light according to the wavelength and guides it to the detection unit 127. Specifically, the diffraction grating 125 is a reflection type diffraction grating, and is configured so that a diffracted wave for each predetermined wavelength interval is reflected in each corresponding direction. When light is incident on the diffraction grating 125 having such a configuration, each wavelength component contained therein is reflected in the corresponding direction and incident on the corresponding detection element of the detection unit 127. As the diffraction grating 125, a blazeed holographic plane grating is typically adopted.

フォーカスミラー126は、回折格子125により波長に応じた方向に反射された光を反射して、検出部127の検出面に結像する。 The focus mirror 126 reflects the light reflected by the diffraction grating 125 in the direction corresponding to the wavelength, and forms an image on the detection surface of the detection unit 127.

検出部127は、複数の検出素子を有しており、各検出素子に入射する光の強度を示す電気信号を出力する。すなわち、検出部127は、回折格子125により分光された光に含まれる各波長成分の強度であるスペクトルを示す電気信号を出力する。検出部127としては、典型的には、近赤外域に感度をもつ検出素子を直線状に複数配置したリニアイメージセンサーが採用される。検出素子としては、典型的には、InGaAs(インジウムガリウムヒ素)が採用される。 The detection unit 127 has a plurality of detection elements, and outputs an electric signal indicating the intensity of light incident on each detection element. That is, the detection unit 127 outputs an electric signal showing a spectrum showing the intensity of each wavelength component contained in the light dispersed by the diffraction grating 125. As the detection unit 127, a linear image sensor in which a plurality of detection elements having sensitivity in the near infrared region are linearly arranged is typically adopted. As the detection element, InGaAs (indium gallium arsenide) is typically adopted.

<B.光学測定装置1の光学系>
次に、光学測定装置1の光学系についてより詳細に説明する。
<B. Optical system of optical measuring device 1>
Next, the optical system of the optical measuring device 1 will be described in more detail.

図4は、本実施の形態に従う光学ユニット2の光学系の要部を示す模式図である。図4を参照して、投受光プローブ16は光軸AX1上のサンプルSMPに測定光を結像する。投受光プローブ16とサンプルSMPとを結ぶ光軸AX1上には、主ビームスプリッタ22が配置されている。主ビームスプリッタ22の反射面に対応する光軸AX2上には、光学フィルタ32、マクロレンズ28および撮像部30が配置されている。副ビームスプリッタ26の反射面に対応する光軸AX3上には、観察用光源24が配置されている。 FIG. 4 is a schematic view showing a main part of the optical system of the optical unit 2 according to the present embodiment. With reference to FIG. 4, the light emitting / receiving probe 16 forms a measurement light on the sample SMP on the optical axis AX1. A main beam splitter 22 is arranged on the optical axis AX1 connecting the light receiving probe 16 and the sample SMP. An optical filter 32, a macro lens 28, and an imaging unit 30 are arranged on the optical axis AX2 corresponding to the reflecting surface of the main beam splitter 22. An observation light source 24 is arranged on the optical axis AX3 corresponding to the reflection surface of the sub-beam splitter 26.

図4に示すように、光軸AX2は光軸AX1に対して直交しており、光軸AX3は光軸AX2に対して直交している。光軸AX3は光軸AX1とは非平行になっている。 As shown in FIG. 4, the optical axis AX2 is orthogonal to the optical axis AX1, and the optical axis AX3 is orthogonal to the optical axis AX2. The optical axis AX3 is non-parallel to the optical axis AX1.

以下、測定光、測定光の反射光、観察光、および、観察光の反射光の光路について説明する。 Hereinafter, the measurement light, the reflected light of the measurement light, the observation light, and the optical path of the reflected light of the observation light will be described.

図5は、本実施の形態に従う光学ユニット2における測定光ML1および測定光の反射光ML2の光路を示す模式図である。図5を参照して、測定ユニット100が発生した測定光ML1は、投受光プローブ16から照射されて光軸AX1に沿って伝搬してサンプルSMPに入射する。サンプルSMPに入射した測定光ML1の一部は、サンプルSMPの表面、内部または裏面で反射して測定光の反射光ML2となり、光軸AX1に沿って投受光プローブ16に向けて伝搬する。 FIG. 5 is a schematic view showing an optical path of the measurement light ML1 and the reflected light ML2 of the measurement light in the optical unit 2 according to the present embodiment. With reference to FIG. 5, the measurement light ML1 generated by the measurement unit 100 is irradiated from the light emitting / receiving probe 16 and propagates along the optical axis AX1 to enter the sample SMP. A part of the measurement light ML1 incident on the sample SMP is reflected on the front surface, the inside or the back surface of the sample SMP to become the reflected light ML2 of the measurement light, and propagates toward the light emitting / receiving probe 16 along the optical axis AX1.

図6は、本実施の形態に従う光学ユニット2における測定光の反射光ML3の光路を示す模式図である。図6を参照して、測定光ML1がサンプルSMPの表面、内部または裏面で反射して生じる反射光の一部は、光軸AX1に沿って投受光プローブ16に向けて伝搬している過程で、主ビームスプリッタ22により反射される。主ビームスプリッタ22により反射された光は、測定光の反射光ML3として光軸AX2に沿って撮像部30に向けて伝搬する。 FIG. 6 is a schematic view showing an optical path of the reflected light ML3 of the measurement light in the optical unit 2 according to the present embodiment. With reference to FIG. 6, a part of the reflected light generated by the measurement light ML1 reflected on the front surface, the inside or the back surface of the sample SMP is propagating toward the light emitting / receiving probe 16 along the optical axis AX1. , Reflected by the main beam splitter 22. The light reflected by the main beam splitter 22 propagates toward the image pickup unit 30 along the optical axis AX2 as the reflected light ML3 of the measurement light.

図7は、本実施の形態に従う光学ユニット2における観察光OL1の光路を示す模式図である。図7を参照して、観察用光源24が発生した観察光OL1は、光軸AX3に沿って伝搬して副ビームスプリッタ26に入射して伝播方向を光軸AX2に変更され、さらに主ビームスプリッタ22に入射して伝播方向を光軸AX1に変更される。そして、観察光OL1はサンプルSMPに入射する。 FIG. 7 is a schematic view showing the optical path of the observation light OL1 in the optical unit 2 according to the present embodiment. With reference to FIG. 7, the observation light OL1 generated by the observation light source 24 propagates along the optical axis AX3, enters the sub-beam splitter 26, changes the propagation direction to the optical axis AX2, and further, the main beam splitter. It is incident on 22 and the propagation direction is changed to the optical axis AX1. Then, the observation light OL1 is incident on the sample SMP.

図8は、本実施の形態に従う光学ユニット2における観察光の反射光OL2の光路を示す模式図である。図8を参照して、サンプルSMPに入射した観察光OL1の一部は、サンプルSMPの表面、内部または裏面で反射して観察光の反射光OL2となり、光軸AX1に沿って投受光プローブ16に向けて伝搬する。光軸AX1に沿って投受光プローブ16に向けて伝搬している過程で、反射光OL2は主ビームスプリッタ22により反射される。主ビームスプリッタ22により反射された反射光OL2は、光軸AX2に沿って撮像部30に向けて伝搬する。 FIG. 8 is a schematic view showing an optical path of the reflected light OL2 of the observation light in the optical unit 2 according to the present embodiment. With reference to FIG. 8, a part of the observation light OL1 incident on the sample SMP is reflected on the front surface, the inside or the back surface of the sample SMP to become the reflected light OL2 of the observation light, and the light emitting / receiving probe 16 is along the optical axis AX1. Propagate towards. The reflected light OL2 is reflected by the main beam splitter 22 in the process of propagating toward the light emitting / receiving probe 16 along the optical axis AX1. The reflected light OL2 reflected by the main beam splitter 22 propagates toward the image pickup unit 30 along the optical axis AX2.

図9は、本実施の形態に従う光学ユニット2における撮像部30の視野を示す模式図である。図9を参照して、撮像部30は、測定光の反射光ML3および観察光の反射光OL2の、2つの光を合成した観察像を出力することができる。 FIG. 9 is a schematic view showing the field of view of the imaging unit 30 in the optical unit 2 according to the present embodiment. With reference to FIG. 9, the imaging unit 30 can output an observation image in which two lights, the reflected light ML3 of the measurement light and the reflected light OL2 of the observation light, are combined.

上述したように、撮像部30は、観察光および測定光の波長範囲に感度を有しているので、可視光により視覚化されるサンプルSMPの表面状態に加えて、サンプルSMPの光学特性を測定するための測定光そのものについても観察することができる。 As described above, since the imaging unit 30 has sensitivity in the wavelength range of the observation light and the measurement light, the optical characteristics of the sample SMP are measured in addition to the surface state of the sample SMP visualized by visible light. It is also possible to observe the measurement light itself for this purpose.

測定光と同じ光路に沿って可視光を投影することで、サンプルSMP上に照射位置を具現化するという先行技術では、色収差などによって、可視光が投影されるサンプルSMP上に位置が必ずしも測定位置とは一致しない場合がある。本実施の形態に従う光学測定装置1においては、サンプルSMPに照射される観察光を直接観察できるので、このような課題は生じず、サンプルSMP上の測定位置をより確実に確認できる。 In the prior art of embodying the irradiation position on the sample SMP by projecting visible light along the same optical path as the measurement light, the position is not necessarily the measurement position on the sample SMP on which visible light is projected due to chromatic aberration or the like. May not match. In the optical measuring device 1 according to the present embodiment, since the observation light applied to the sample SMP can be directly observed, such a problem does not occur and the measurement position on the sample SMP can be confirmed more reliably.

図10は、本実施の形態に従う光学ユニット2の光学系の別形態を示す模式図である。図10には、光学特性として、基準位置からサンプルSMPの表面までの距離を測定する場合の光学系を示す。 FIG. 10 is a schematic view showing another embodiment of the optical system of the optical unit 2 according to the present embodiment. FIG. 10 shows an optical system for measuring the distance from the reference position to the surface of the sample SMP as optical characteristics.

図10に示す光学系においては、図4に示す光学系に比較して、光軸AX1上に透過光学部材34が付加されている。透過光学部材34は、距離測定の基準位置となる参照面を有している。透過光学部材34の参照面を基準として、参照面とサンプルSMP表面との間の距離を測定することもできる。 In the optical system shown in FIG. 10, a transmission optical member 34 is added on the optical axis AX1 as compared with the optical system shown in FIG. The transmission optical member 34 has a reference surface that serves as a reference position for distance measurement. The distance between the reference surface and the sample SMP surface can also be measured with reference to the reference surface of the transmission optical member 34.

サンプルSMPまでの距離を測定する詳細については、例えば、特許第6402273号公報などを参照されたい。 For details on measuring the distance to the sample SMP, refer to, for example, Japanese Patent No. 6402273.

<C.強度バランス調整>
本実施の形態に従う光学測定装置1において、撮像部30は、測定光の反射光および観察光の反射光を受光する。それぞれの光は、光源、波長範囲、光路などが異なっているため、同一の撮像部30で一度に撮像する場合には、強度バランスを調整することが好ましい。すなわち、光学測定装置1には、撮像部30に入射する測定光の反射光と観察光の反射光との強度バランスを調整する強度調整機能を実装してもよい。このような強度調整機能を実装することで、波長範囲が近赤外域である測定光の反射光および波長範囲が可視域である観察光の反射光を、いずれもサチレーションや滲みなどを生じることなく、コントラストよく撮像できる。
<C. Strength balance adjustment>
In the optical measuring device 1 according to the present embodiment, the imaging unit 30 receives the reflected light of the measurement light and the reflected light of the observation light. Since each light has a different light source, wavelength range, optical path, and the like, it is preferable to adjust the intensity balance when the same imaging unit 30 captures images at one time. That is, the optical measuring device 1 may be equipped with an intensity adjusting function for adjusting the intensity balance between the reflected light of the measurement light incident on the imaging unit 30 and the reflected light of the observation light. By implementing such an intensity adjustment function, both the reflected light of the measurement light whose wavelength range is in the near-infrared region and the reflected light of the observation light whose wavelength range is the visible region can be suppressed without causing saturation or bleeding. , Can image with good contrast.

以下、強度バランスを調整するいくつかの手法について説明する。
(b1:光学フィルタ)
典型的には、撮像部30の前段に光学フィルタ(図1に示す光学フィルタ32)を配置することで、測定光の反射光と観察光の反射光との間で強度バランスを調整できる。すなわち、強度調整機能として、撮像部30の前段に配置された光学フィルタを採用してもよい。基本的には、相対的に強度の大きい反射光を減衰させることで強度バランスを調整することになる。
Hereinafter, some methods for adjusting the strength balance will be described.
(B1: Optical filter)
Typically, by arranging an optical filter (optical filter 32 shown in FIG. 1) in front of the imaging unit 30, the intensity balance can be adjusted between the reflected light of the measurement light and the reflected light of the observation light. That is, as the intensity adjusting function, an optical filter arranged in front of the imaging unit 30 may be adopted. Basically, the intensity balance is adjusted by attenuating the reflected light having a relatively high intensity.

(1)測定光の反射光の強度>観察光の反射光の強度の場合
測定光の反射光の強度が観察光の反射光の強度より大きな場合には、測定光の反射光の強度を減衰させる必要がある。このような場合には、短波長側の光を透過させるとともに、長波長側の光を減衰させる機能を有する光学フィルタを用いることができる。このような光学フィルタとしては、熱線吸収フィルタ、ショートパスフィルタ、コールドフィルタ、ノッチフィルタ、干渉フィルタなどを用いることができる。
(1) When the intensity of the reflected light of the measurement light> the intensity of the reflected light of the observation light When the intensity of the reflected light of the measurement light is larger than the intensity of the reflected light of the observation light, the intensity of the reflected light of the measurement light is attenuated. I need to let you. In such a case, an optical filter having a function of transmitting light on the short wavelength side and attenuating light on the long wavelength side can be used. As such an optical filter, a heat ray absorbing filter, a short pass filter, a cold filter, a notch filter, an interference filter and the like can be used.

(2)測定光の反射光の強度<観察光の反射光の強度の場合
観察光の反射光の強度が測定光の反射光の強度より大きな場合には、観察光の反射光の強度を減衰させる必要がある。このような場合には、長波長側の光を透過させるとともに、短波長側の光を減衰させる機能を有する光学フィルタを用いることができる。このような光学フィルタとしては、ロングパスフィルタ、赤外透過フィルタ、ノッチフィルタなどを用いることができる。
(2) When the intensity of the reflected light of the measurement light <the intensity of the reflected light of the observation light When the intensity of the reflected light of the observation light is larger than the intensity of the reflected light of the measurement light, the intensity of the reflected light of the observation light is attenuated. I need to let you. In such a case, an optical filter having a function of transmitting light on the long wavelength side and attenuating light on the short wavelength side can be used. As such an optical filter, a long-pass filter, an infrared transmission filter, a notch filter and the like can be used.

なお、本実施の形態に従う光学測定装置1の一実施例においては、測定光の反射光の強度は、観察光の反射光の強度に比較して約10倍程度のオーダで大きく、カットフィルタ123として、熱線吸収フィルタ(遮断特性:波長500nmで約85%、波長1000nmで約0.2%)を2枚配置することで、強度バランスを調整した。 Note that in one embodiment of the optical measuring device 1 according to the present embodiment, the intensity of the reflected light of the measurement light is greater at about 10 5 times the order as compared to the intensity of the reflected light of the observation light, cut filter The intensity balance was adjusted by arranging two heat ray absorbing filters (blocking characteristics: about 85% at a wavelength of 500 nm and about 0.2% at a wavelength of 1000 nm) as 123.

どのような光学フィルタを採用するのかについては、使用する撮像部30の分光感度特性なども考慮する必要がある。そのため、実際にセットアップした光学系において、測定光(近赤外域)および観察光(可視域)の出力波長帯や強度比などを考慮しつつ、最適な光学フィルタを適宜選択することが好ましい。 Regarding what kind of optical filter is adopted, it is necessary to consider the spectral sensitivity characteristics of the imaging unit 30 to be used. Therefore, in the actually set-up optical system, it is preferable to appropriately select the optimum optical filter while considering the output wavelength band and intensity ratio of the measurement light (near infrared region) and the observation light (visible region).

このように光学フィルタを用いて強度バランスを調整することで、サンプルSMPの表面状態を観察する場合(観察光の反射光の撮像)と、測定光の照射位置を確認する場合(測定光の反射光の撮像)とで、撮像部30の撮像条件を異ならせるようなことをしなくても済む。すなわち、サンプルSMPの表面状態の観察および測定光の照射位置の確認を同一の撮像条件で一度に撮像することができるため、測定運用時における利便性を高めることができる。 By adjusting the intensity balance using the optical filter in this way, when observing the surface state of the sample SMP (imaging the reflected light of the observation light) and when confirming the irradiation position of the measurement light (reflection of the measurement light). It is not necessary to make the imaging conditions of the imaging unit 30 different from those of (light imaging). That is, since the observation of the surface state of the sample SMP and the confirmation of the irradiation position of the measurement light can be imaged at the same time under the same imaging conditions, the convenience during the measurement operation can be enhanced.

(b2:撮像部30の感度特性)
撮像部30の感度特性を変化させることで、測定光の反射光(近赤外域)と観察光の反射光(可視域)との間で強度バランスを調整してもよい。
(B2: Sensitivity characteristics of the imaging unit 30)
By changing the sensitivity characteristic of the imaging unit 30, the intensity balance may be adjusted between the reflected light of the measurement light (near infrared region) and the reflected light of the observation light (visible region).

図11は、本実施の形態に従う光学ユニット2の撮像部30が採用する2次元撮像素子の構成例を示す模式図である。図11を参照して、撮像部30が採用する2次元撮像素子であるCCDイメージセンサ302は、可視域および近赤外域のそれぞれを検出できるように区画されている。 FIG. 11 is a schematic view showing a configuration example of a two-dimensional image sensor adopted by the image pickup unit 30 of the optical unit 2 according to the present embodiment. With reference to FIG. 11, the CCD image sensor 302, which is a two-dimensional image sensor adopted by the image pickup unit 30, is partitioned so as to detect each of the visible region and the near infrared region.

より具体的には、CCDイメージセンサ302は、カラーフィルタ304と、近赤外吸収フィルタ306と、光電変換部308とを含む。カラーフィルタ304は、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)、近赤外線(IR)の各波長範囲の光を透過させる領域に区画されている。近赤外吸収フィルタ306は、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の各区画に対応付けて配置されており、近赤外域の光を減衰または遮断する。光電変換部308は、区画毎に入射する光の強度を示す電気信号を出力する。なお、図示しないデュアルパスフィルタが前段に配置されてもよい。 More specifically, the CCD image sensor 302 includes a color filter 304, a near infrared absorption filter 306, and a photoelectric conversion unit 308. The color filter 304 is partitioned into a region that transmits light in each wavelength range of red (R), green (G), blue (B), and near infrared (IR). The near-infrared absorption filter 306 is arranged in association with each of the red (R), green (G), and blue (B) sections, and attenuates or blocks light in the near-infrared region. The photoelectric conversion unit 308 outputs an electric signal indicating the intensity of the incident light in each section. A dual pass filter (not shown) may be arranged in the front stage.

図11に示すような2次元撮像素子を採用することで、可視域の像(赤色(R)、緑色(G)、青色(B))を示す電気信号と、近赤外域の像(近赤外線(IR))を示す電気信号とを独立して出力できるので、これらの電気信号からそれぞれの像を生成する処理を調整することで、出力される撮像画像に含まれるそれぞれの像の強度を調整できる。 By adopting a two-dimensional image sensor as shown in FIG. 11, an electric signal showing an image in the visible region (red (R), green (G), blue (B)) and an image in the near infrared region (near infrared) are used. (IR))) can be output independently, so by adjusting the process of generating each image from these electrical signals, the intensity of each image included in the output captured image can be adjusted. it can.

このように、強度調整機能として、測定光の波長範囲(すなわち、近赤外域)についての撮像部30からの出力信号と、観察光の波長範囲(すなわち、可視域)についての撮像部30からの出力信号とを合成する処理を変化させる機能を採用してもよい。 As described above, as the intensity adjusting function, the output signal from the imaging unit 30 for the wavelength range of the measurement light (that is, the near infrared region) and the imaging unit 30 for the wavelength range of the observation light (that is, the visible region). A function of changing the process of synthesizing the output signal may be adopted.

図12は、本実施の形態に従う光学ユニット2の撮像部30が採用する2次元撮像素子の別の構成例を示す模式図である。図12を参照して、撮像部30が採用する2次元撮像素子であるCMOSイメージセンサ310は、積層型薄膜を有しており、積層型薄膜への印加電圧を変えることで、感度波長域(可視光/近赤外線域)を全画素同時に、フレーム単位で電子制御することが可能になっている。 FIG. 12 is a schematic view showing another configuration example of the two-dimensional image pickup device adopted by the image pickup unit 30 of the optical unit 2 according to the present embodiment. With reference to FIG. 12, the CMOS image sensor 310, which is a two-dimensional image sensor adopted by the image pickup unit 30, has a laminated thin film, and by changing the voltage applied to the laminated thin film, the sensitivity wavelength region ( Visible light / near infrared region) can be electronically controlled on a frame-by-frame basis at the same time for all pixels.

CMOSイメージセンサ310は、マイクロレンズ312と、保護層314と、透明電極316と、可視域用有機薄膜318と、近赤外域用有機薄膜320と、画素電極322と、シリコン基板324と、電荷蓄積ノード326と、電源328とを含む。 The CMOS image sensor 310 includes a microlens 312, a protective layer 314, a transparent electrode 316, an organic thin film 318 for the visible region, an organic thin film 320 for the near infrared region, a pixel electrode 322, a silicon substrate 324, and charge storage. Includes node 326 and power supply 328.

図12(A)に示す状態では、電源328からの印加電圧がLowになっており、可視域用有機薄膜318にのみ信号電荷330が存在しており、近赤外域用有機薄膜320には信号電荷330が存在していない状態を示す。この状態においては、CMOSイメージセンサ310は、可視域に感度を有することになる。 In the state shown in FIG. 12A, the voltage applied from the power supply 328 is Low, the signal charge 330 exists only in the organic thin film 318 for the visible region, and the signal is signaled in the organic thin film 320 for the near infrared region. Indicates a state in which the charge 330 does not exist. In this state, the CMOS image sensor 310 has sensitivity in the visible region.

一方、図12(B)に示す状態では、電源328からの印加電圧がHighになっており、可視域用有機薄膜318および近赤外域用有機薄膜320の両方に信号電荷330が存在している状態を示す。この状態においては、CMOSイメージセンサ310は、近赤外域に感度を有することになる。 On the other hand, in the state shown in FIG. 12B, the voltage applied from the power supply 328 is High, and the signal charge 330 is present in both the organic thin film 318 for the visible region and the organic thin film 320 for the near infrared region. Indicates the state. In this state, the CMOS image sensor 310 has sensitivity in the near infrared region.

図12に示すような2次元撮像素子を採用することで、可視域の像と近赤外域の像とを独立して出力できるので、これらの電気信号からそれぞれの像を生成する処理を調整することで、出力される撮像画像に含まれるそれぞれの像の強度を調整できる。 By adopting a two-dimensional image sensor as shown in FIG. 12, an image in the visible region and an image in the near infrared region can be output independently, so the process of generating each image from these electric signals is adjusted. Therefore, the intensity of each image included in the output captured image can be adjusted.

このように、強度調整機能として、測定光の波長範囲(すなわち、近赤外域)に対する撮像部30の感度と観察光の波長範囲(すなわち、可視域)に対する撮像部30の感度との比を変化させる機能を採用してもよい。 As described above, as the intensity adjusting function, the ratio of the sensitivity of the imaging unit 30 to the wavelength range of the measurement light (that is, the near infrared region) and the sensitivity of the imaging unit 30 to the wavelength range of the observation light (that is, the visible region) is changed. You may adopt the function to make it.

上述したような撮像部30の感度特性を変化させることで強度バランスを調整する手法を採用することで、光学フィルタなどの光学部材を不要にできるので、低コスト化およびコンパクト化を実現できる。 By adopting the method of adjusting the intensity balance by changing the sensitivity characteristic of the imaging unit 30 as described above, it is possible to eliminate the need for an optical member such as an optical filter, so that cost reduction and compactification can be realized.

<D.撮像部による撮像結果の例>
次に、本実施の形態に従う光学測定装置1の撮像部30による撮像結果の一例を示す。
<D. Example of imaging result by imaging unit>
Next, an example of the imaging result by the imaging unit 30 of the optical measuring device 1 according to the present embodiment will be shown.

図13は、本実施の形態に従う光学ユニット2の撮像部30による撮像結果の一例を示す図である。図13においては、サンプルSMPとして、Si基板上に金属電極パターンが形成されたパターンウェハを撮像した測定した結果の一例を示す。なお、撮像部30には、モノクロCCD撮像部(メーカ:SENTECH、型式:STC−SB133POEHS)を用いた。 FIG. 13 is a diagram showing an example of an image pickup result by the image pickup unit 30 of the optical unit 2 according to the present embodiment. FIG. 13 shows an example of the measurement result of imaging a pattern wafer in which a metal electrode pattern is formed on a Si substrate as a sample SMP. A monochrome CCD imaging unit (manufacturer: SENTTECH, model: STC-SB133POEHS) was used as the imaging unit 30.

図13(A)には、撮像部30により撮像された画像を示す。図13(A)に示すように、撮像部30により撮像された画像においては、サンプルSMPの表面形状に加えて、測定光の照射位置(測定位置)を確認することができる。 FIG. 13A shows an image captured by the imaging unit 30. As shown in FIG. 13A, in the image captured by the imaging unit 30, in addition to the surface shape of the sample SMP, the irradiation position (measurement position) of the measurement light can be confirmed.

図13(B)には、図13(A)のX−X断面に対応する、撮像部30が出力した濃淡値のプロファイルを示す。図13(B)に示すように、測定光のスポット像の部分は、濃淡値が高くなっており、サンプルSMPの表面形状を示す画像において、測定光の照射位置を十分に視認できることを意味している。 FIG. 13B shows a profile of the shading value output by the imaging unit 30 corresponding to the XX cross section of FIG. 13A. As shown in FIG. 13B, the spot image portion of the measurement light has a high shading value, which means that the irradiation position of the measurement light can be sufficiently visually recognized in the image showing the surface shape of the sample SMP. ing.

また、図13(B)に示すように、上述したような測定光の反射光および観察光の反射光の強度バランスを調整することで、撮像部30により撮像される撮像画像において、それぞれの反射光による像の濃淡値の差を適正なレベルに調整できる。 Further, as shown in FIG. 13B, by adjusting the intensity balance between the reflected light of the measurement light and the reflected light of the observation light as described above, each reflection is performed in the captured image captured by the imaging unit 30. The difference in the shade value of the image due to light can be adjusted to an appropriate level.

なお、サンプルSMPの表面形状によっては(特に、表面が荒れたサンプルSMPを測定する場合など)、サンプルSMPの表面での乱反射の影響で、測定光のスポット像がうまく視認できない場合が想定される。このような場合は、表面が鏡面の基準サンプルを用いて測定光の照射位置を事前に取得し、その取得した照射位置を表示装置200に表示される撮像画像に重ねて表示するようにしてもよい。 Depending on the surface shape of the sample SMP (especially when measuring a sample SMP with a rough surface), it is assumed that the spot image of the measurement light cannot be visually recognized well due to the influence of diffused reflection on the surface of the sample SMP. .. In such a case, the irradiation position of the measurement light may be acquired in advance using a reference sample whose surface is a mirror surface, and the acquired irradiation position may be superimposed on the captured image displayed on the display device 200. Good.

<E.光学特性の算出処理例>
次に、測定ユニット100での光学特性の算出処理の一例について説明する。
<E. Optical characteristic calculation processing example>
Next, an example of the optical characteristic calculation process in the measurement unit 100 will be described.

本実施の形態に従う光学測定装置1は、光学特性の一例として、サンプルの光学膜厚、サンプルの膜厚、サンプルまでの距離を測定する。具体的には、光学測定装置1は、サンプルに測定光を照射して生じる反射光を受光し、その反射光に含まれる各波長成分の強度分布から反射率スペクトルを算出し、反射率スペクトルに対する所定の波数変換により波数変換反射率スペクトルを算出し、波数変換反射率スペクトルを波数についてフーリエ変換してパワースペクトルを算出し、パワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて、サンプルの光学膜厚、サンプルの膜厚、サンプルまでの距離のうち1つ以上を測定する。なお、周波数解析には、高速フーリエ変換などの手法を用いることができる。また、光学膜厚から膜厚を算出する際は、算出された光学膜厚をサンプルの屈折率nで除することにより、サンプルの膜厚を算出することができる。 The optical measuring device 1 according to the present embodiment measures the optical film thickness of the sample, the film thickness of the sample, and the distance to the sample as an example of the optical characteristics. Specifically, the optical measuring device 1 receives the reflected light generated by irradiating the sample with the measurement light, calculates the reflectance spectrum from the intensity distribution of each wavelength component contained in the reflected light, and refers to the reflectance spectrum. The wave number conversion reflectance spectrum is calculated by a predetermined wave number conversion, the wave number conversion reflectance spectrum is Fourier transformed with respect to the wave number to calculate the power spectrum, and the optical film thickness of the sample and the sample are calculated based on the positions of the peaks appearing in the power spectrum. Measure one or more of the film thickness and the distance to the sample. A method such as a fast Fourier transform can be used for frequency analysis. Further, when calculating the film thickness from the optical film thickness, the film thickness of the sample can be calculated by dividing the calculated optical film thickness by the refractive index n of the sample.

このように、測定ユニット100は、測定光の反射光に基づいてサンプルSMPの反射率スペクトルを算出する処理と、反射率スペクトルに対する所定の波数変換により波数変換反射率スペクトルを算出する処理と、波数変換反射率スペクトルを波数についてフーリエ変換してパワースペクトルを算出する処理と、反射率スペクトルをフーリエ変換してパワースペクトルを算出する処理と、パワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて、光学特性として、サンプルの光学膜厚、サンプルの膜厚、サンプルまでの距離のうち少なくとも一つを算出する処理とを実行可能になっている。 As described above, the measurement unit 100 includes a process of calculating the reflectance spectrum of the sample SMP based on the reflected light of the measurement light, a process of calculating the wave number conversion reflectance spectrum by a predetermined wave number conversion with respect to the reflectance spectrum, and a wave number. Based on the process of calculating the power spectrum by Fourier transforming the converted reflectance spectrum with respect to the number of waves, the process of calculating the power spectrum by Fourier transforming the reflectance spectrum, and the position of the peak appearing in the power spectrum, as optical characteristics, It is possible to execute a process of calculating at least one of the optical film thickness of the sample, the film thickness of the sample, and the distance to the sample.

さらに、サンプルの屈折率の波長依存性を考慮して膜厚を算出するようにしてもよい。この場合には、波長λ毎の反射率を示す反射率スペクトルR(λ)を算出した上で、既知の波長毎屈折率n(λ)から算出される波数K(λ)=2πn(λ)/λを導入して、各波長の反射率Rから波数変換反射率R’≡R/(1−R)をそれぞれ算出する。それぞれ算出された波長毎の波数変換反射率R’からなる波数変換反射率スペクトルを波数Kについてフーリエ変換することでパワースペクトルを算出する。算出されたパワースペクトルに現れるピークの位置に基づいてサンプルの膜厚を算出する。このようなサンプルの屈折率の波長依存性を考慮して膜厚を算出することで、サンプルの膜厚を高精度に算出できる。また、パワースペクトルに現れる複数のピークに基づいて、サンプルに含まれる多層膜の各層の厚みを算出できる。 Further, the film thickness may be calculated in consideration of the wavelength dependence of the refractive index of the sample. In this case, after calculating the reflectance spectrum R (λ) indicating the reflectance for each wavelength λ, the number of waves K (λ) = 2πn (λ) calculated from the known reflectance n (λ) for each wavelength. By introducing / λ, the wave number conversion reflectance R'≡R / (1-R) is calculated from the reflectance R of each wavelength. The power spectrum is calculated by Fourier transforming the wave number conversion reflectance spectrum consisting of the wave number conversion reflectance R'for each wavelength calculated with respect to the wave number K. The film thickness of the sample is calculated based on the position of the peak appearing in the calculated power spectrum. By calculating the film thickness in consideration of the wavelength dependence of the refractive index of the sample, the film thickness of the sample can be calculated with high accuracy. In addition, the thickness of each layer of the multilayer film contained in the sample can be calculated based on a plurality of peaks appearing in the power spectrum.

詳細な算出処理については、例えば、特開2009−092454号公報などを参照されたい。上述の光学特性の算出処理は、反射率スペクトルだけではなく、透過率スペクトルについても適用可能である。 For detailed calculation processing, refer to, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-092454. The above-mentioned optical characteristic calculation process can be applied not only to the reflectance spectrum but also to the transmittance spectrum.

<F.主ビームスプリッタ22>
次に、主ビームスプリッタ22についてより詳細に説明する。
<F. Main beam splitter 22>
Next, the main beam splitter 22 will be described in more detail.

(f1:主ビームスプリッタ22の構造)
本実施の形態に従う光学測定装置1は、測定ユニット100から発生した測定光をサンプルSMPに照射し、照射した測定光の反射光を測定ユニット100で受光して測定結果を出力するので、光路上における測定光の強度を低下させる要因を可能な限り排除することが好ましい。
(F1: Structure of main beam splitter 22)
The optical measuring device 1 according to the present embodiment irradiates the sample SMP with the measurement light generated from the measurement unit 100, receives the reflected light of the irradiated measurement light with the measurement unit 100, and outputs the measurement result. It is preferable to eliminate as much as possible the factors that reduce the intensity of the measurement light in.

光学測定装置1においては、測定光の光路上には、主ビームスプリッタ22のみが実質的に配置されることが好ましい。さらに、主ビームスプリッタ22自体の透過率も可能な限り高くすることが好ましい。 In the optical measuring device 1, it is preferable that only the main beam splitter 22 is substantially arranged on the optical path of the measurement light. Further, it is preferable that the transmittance of the main beam splitter 22 itself is as high as possible.

具体的には、本実施の形態に従う光学測定装置1においては、主ビームスプリッタ22として光分配薄膜を用いる。特に、光分配薄膜の一例としてペリクル膜を用いてもよい。すなわち、主ビームスプリッタ22をペリクル膜で構成してもよい。ペリクル膜は、炭素多孔体膜で構成されており、厚みは、数100nm〜数10μm程度になっている。このように、極めて薄い光分配薄膜を主ビームスプリッタ22として採用することで、測定光に対する減衰を可能な限り抑制する。 Specifically, in the optical measuring device 1 according to the present embodiment, a light distribution thin film is used as the main beam splitter 22. In particular, a pellicle film may be used as an example of the light distribution thin film. That is, the main beam splitter 22 may be made of a pellicle film. The pellicle membrane is composed of a carbon porous membrane and has a thickness of about several hundred nm to several tens of μm. As described above, by adopting an extremely thin light distribution thin film as the main beam splitter 22, attenuation with respect to the measurement light is suppressed as much as possible.

例えば、主ビームスプリッタ22として採用したペリクル膜の透過率が92%であれば、主ビームスプリッタ22を光軸AX1上に配置したとしても、測定光の強度は約85%(=92%の2乗)に維持できる。 For example, if the transmittance of the pellicle film used as the main beam splitter 22 is 92%, the intensity of the measured light is about 85% (= 92% 2) even if the main beam splitter 22 is arranged on the optical axis AX1. Can be maintained at the power).

このように、測定光の光路である光軸AX1に配置する光学部材を可能な限り少なくすることで、測定ユニット100に入射する測定光の反射光の強度を維持でき、これによって、測定精度の向上および測定に要する時間(タクトタイム)の短縮を実現できる。 In this way, by reducing the number of optical members arranged on the optical axis AX1, which is the optical path of the measurement light, as much as possible, the intensity of the reflected light of the measurement light incident on the measurement unit 100 can be maintained, thereby improving the measurement accuracy. It is possible to improve and shorten the time required for measurement (tact time).

また、平行光でなく収束光である測定光がビームスプリッタに入射すると光路が変化し得るが、ペリクル膜は極めて薄いので、このような光路の変化が実質的に生じない。そのため、ビームスプリッタの表面側および裏面側でのそれぞれの反射により生じる像の間にはずれが生じないことになり、いわゆるゴースト像が実質的に発生しない。すなわち、主ビームスプリッタ22は、測定光の光束が非コリメートビームである位置に配置されているが、ゴースト像が発生しないので、サンプルSMPに照射される測定光のスポットの像およびサンプルSMPの表面状態を示す像に生じる滲みを抑えて、クリアな観察が可能になる。 Further, when the measurement light, which is not parallel light but convergent light, is incident on the beam splitter, the optical path may change, but since the pellicle film is extremely thin, such a change in the optical path does not substantially occur. Therefore, there is no deviation between the images generated by the reflections on the front surface side and the back surface side of the beam splitter, and so-called ghost images are not substantially generated. That is, the main beam splitter 22 is arranged at a position where the luminous flux of the measurement light is a non-collimating beam, but a ghost image is not generated. Therefore, the image of the spot of the measurement light irradiated on the sample SMP and the surface of the sample SMP. Clear observation is possible by suppressing the blurring that occurs in the image showing the state.

(f2:主ビームスプリッタ22の厚み)
上述するような測定ユニット100と組み合わせる場合には、主ビームスプリッタ22の光学膜厚を以下のように設計することが好ましい。すなわち、光学ユニット2を分光干渉式の膜厚測定に適用する場合には、主ビームスプリッタ22の光学膜厚(屈折率×実際の厚み:nd)は、測定ユニット100の分光測定部120が測定可能な波長範囲の下限値λminと上限値λmaxとによって、以下の(1)式に従って算出される光学膜厚の下限値dminを下回るようにすることが好ましい。
(F2: Thickness of main beam splitter 22)
When combined with the measurement unit 100 as described above, it is preferable to design the optical film thickness of the main beam splitter 22 as follows. That is, when the optical unit 2 is applied to the spectroscopic interference type film thickness measurement, the optical film thickness (refractive index × actual thickness: nd) of the main beam splitter 22 is measured by the spectroscopic measurement unit 120 of the measurement unit 100. It is preferable that the lower limit value λ min and the upper limit value λ max of the possible wavelength range are less than the lower limit value d min of the optical film thickness calculated according to the following equation (1).

すなわち、nd<dminとなるように、主ビームスプリッタ22の光学膜厚が決定される。このように、主ビームスプリッタ22の光学膜厚は、測定ユニット100の測定波長範囲の上限値および下限値に基づいて決定される測定可能な光学膜厚の下限値未満となるように決定されることが好ましい。 That is, the optical film thickness of the main beam splitter 22 is determined so that nd <d min . As described above, the optical film thickness of the main beam splitter 22 is determined to be less than the lower limit of the measurable optical film thickness determined based on the upper limit value and the lower limit value of the measurement wavelength range of the measurement unit 100. Is preferable.

図14は、本実施の形態に従う光学測定装置を用いて測定可能な光学膜厚の下限値を有するサンプルSMPを測定したときの波長範囲と干渉波形の周期性との関係を説明するための図である。なお、図14において、波数の下限値kminは波長範囲の上限値λmaxの逆数を意味し、波数の上限値kmaxは波長範囲の下限値λminの逆数を意味する。 FIG. 14 is a diagram for explaining the relationship between the wavelength range and the periodicity of the interference waveform when a sample SMP having a lower limit value of an optical film thickness that can be measured by using an optical measuring device according to the present embodiment is measured. Is. In FIG. 14, the lower limit value k min of the wave number means the reciprocal of the upper limit value lambda max in the wavelength range, the upper limit value k max of the wave refers to the inverse of the lower limit lambda min wavelength range.

図14に示すように、(1)式に従って算出される光学膜厚の下限値dminは、干渉波形の1周期分が分光測定部120の測定可能な波長範囲(λmin〜λmax)に一致する場合の光学膜厚に相当する。すなわち、光学膜厚の下限値dminは、干渉波形の1周期分を構成するデータ数が検出部127の検出素子数と同一である場合の光学膜厚を意味する。 As shown in FIG. 14, the lower limit value d min of the optical film thickness calculated according to the equation (1) is within the measurable wavelength range (λ min to λ max ) of the spectroscopic measurement unit 120 for one cycle of the interference waveform. Corresponds to the optical film thickness when they match. That is, the lower limit value d min of the optical film thickness means the optical film thickness when the number of data constituting one cycle of the interference waveform is the same as the number of detection elements of the detection unit 127.

反射率スペクトルの波長範囲が干渉波形の1周期分未満であれば、フーリエ変換して得られるパワースペクトルには、干渉波形に由来するピークは生じない。主ビームスプリッタ22には測定光が透過するので、主ビームスプリッタ22自体で干渉が生じ得るが、上述したような光学膜厚の条件を満たすようにすることで、サンプルSMPの膜厚を算出するためのパワースペクトルには、その影響が及ばないことになる。すなわち、主ビームスプリッタ22の光学膜厚を(1)式に従って算出される光学膜厚の下限値dminを下回るようにすることで、サンプルSMPの膜厚を算出するにあたって、主ビームスプリッタ22自体で生じる干渉の影響を測定結果から排除できる。 If the wavelength range of the reflectance spectrum is less than one cycle of the interference waveform, the power spectrum obtained by Fourier transform does not have a peak derived from the interference waveform. Since the measurement light is transmitted to the main beam splitter 22, interference may occur in the main beam splitter 22 itself, but the film thickness of the sample SMP is calculated by satisfying the above-mentioned optical film thickness conditions. The power spectrum for this is not affected. That is, by setting the optical film thickness of the main beam splitter 22 to be less than the lower limit value d min of the optical film thickness calculated according to the equation (1), the main beam splitter 22 itself is used to calculate the film thickness of the sample SMP. The effect of interference caused by the above can be excluded from the measurement results.

(f3:観察光の注入)
本実施の形態に従う光学測定装置1において、主ビームスプリッタ22は、測定光の反射光の分離、観察光の注入、観察光の反射光の分離という3つの機能を発揮する。
(F3: Injection of observation light)
In the optical measuring device 1 according to the present embodiment, the main beam splitter 22 exerts three functions of separating the reflected light of the measurement light, injecting the observation light, and separating the reflected light of the observation light.

図1、図7および図8を再度参照して、観察用光源24は、主ビームスプリッタ22の反射面に対応する光軸AX2に直交する光軸AX3上に配置される。すなわち、主ビームスプリッタ22での反射により形成される光路(光軸AX2)上に、観察用光源24が発生する観察光を注入するための副ビームスプリッタ26が配置されている。このように、測定光が伝搬する光路である光軸AX1とは別の光路である光軸AX2上に観察光を注入するための光学部材を配置することで、測定光の減衰を抑制できる。 With reference to FIGS. 1, 7 and 8 again, the observation light source 24 is arranged on the optical axis AX3 orthogonal to the optical axis AX2 corresponding to the reflecting surface of the main beam splitter 22. That is, the sub-beam splitter 26 for injecting the observation light generated by the observation light source 24 is arranged on the optical path (optical axis AX2) formed by the reflection by the main beam splitter 22. In this way, by arranging the optical member for injecting the observation light on the optical axis AX2, which is an optical path different from the optical axis AX1 which is the optical path through which the measurement light propagates, the attenuation of the measurement light can be suppressed.

<G.測定手順>
次に、本実施の形態に従う光学測定装置1を用いたサンプルSMPの測定手順について説明する。
<G. Measurement procedure>
Next, a procedure for measuring the sample SMP using the optical measuring device 1 according to the present embodiment will be described.

図15は、本実施の形態に従う光学測定装置1を用いたサンプルSMPの測定手順を示すフローチャートである。なお、必要に応じて、キャリブレーションなどの事前処理が実行されてもよい。 FIG. 15 is a flowchart showing a measurement procedure of the sample SMP using the optical measuring device 1 according to the present embodiment. If necessary, preprocessing such as calibration may be executed.

図15を参照して、ユーザがサンプルSMPをステージ10上に配置する(ステップS2)。 With reference to FIG. 15, the user places the sample SMP on stage 10 (step S2).

続いて、可視域を波長範囲に含む観察光を光軸AX1に沿ってサンプルSMPに照射する(ステップS4)。すなわち、ユーザは、光学ユニット2の観察用光源24を点灯し、観測光を光軸AX1に注入する。そして、ユーザは、この状態で表示装置200に表示される撮像画像を見ながら、撮像部30の焦点がサンプルSMPの表面と一致するように、撮像部30およびマクロレンズ28の位置などを調整する(ステップS6)。 Subsequently, the sample SMP is irradiated with the observation light including the visible region in the wavelength range along the optical axis AX1 (step S4). That is, the user turns on the observation light source 24 of the optical unit 2 and injects the observation light into the optical axis AX1. Then, while viewing the captured image displayed on the display device 200 in this state, the user adjusts the positions of the imaging unit 30 and the macro lens 28 so that the focus of the imaging unit 30 coincides with the surface of the sample SMP. (Step S6).

撮像部30の焦点がサンプルSMPの表面と一致するように調整された後、可視域以外を波長範囲に含む測定光を光軸AX1に沿ってサンプルSMPに照射する(ステップS8)。すなわち、ユーザは、測定ユニット100の測定用光源110を点灯し、測定光を光軸AX1に注入する。そして、ユーザは、この状態で表示装置200に表示される撮像画像を見ながら、測定光の焦点がサンプルSMPの表面と一致するように、投受光プローブ16の位置などを調整する(ステップS10)。測定光の焦点がサンプルSMPの表面と一致した状態においては、測定光のスポット像の大きさが最小となり、滲みのない像が表示されることになる。 After the focus of the imaging unit 30 is adjusted to coincide with the surface of the sample SMP, the sample SMP is irradiated with the measurement light including the wavelength range other than the visible region along the optical axis AX1 (step S8). That is, the user turns on the measurement light source 110 of the measurement unit 100 and injects the measurement light into the optical axis AX1. Then, the user adjusts the position of the light emitting / receiving probe 16 and the like so that the focal point of the measurement light coincides with the surface of the sample SMP while observing the captured image displayed on the display device 200 in this state (step S10). .. When the focus of the measurement light is aligned with the surface of the sample SMP, the size of the spot image of the measurement light is minimized, and an image without blurring is displayed.

以上のような処理によって、測定可能な状態になる。
そして、サンプルSMPにおいて生じる測定光の反射光およびサンプルSMPにおいて生じる観察光の反射光のうち、光軸AX1上に配置された主ビームスプリッタ22によって光軸AX2に光路が変化した光が撮像部30で受光され、受光された光の像を示す撮像画像が出力される(ステップS12)。この状態において、測定ユニット100は、サンプルSMPにおいて生じる測定光の反射光を受光して測定結果を出力する(ステップS14)。測定結果を出力する処理は、測定光の反射光に基づいてサンプルの反射率スペクトルを算出する処理と、反射率スペクトルに対する所定の波数変換により波数変換反射率スペクトルを算出する処理と、波数変換反射率スペクトルを波数についてフーリエ変換してパワースペクトルを算出する処理と、パワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて、光学特性として、サンプルの光学膜厚、サンプルの膜厚、サンプルまでの距離のうち少なくとも一つを算出する処理とを含んでいてもよい。
By the above processing, it becomes a measurable state.
Then, of the reflected light of the measurement light generated in the sample SMP and the reflected light of the observation light generated in the sample SMP, the light whose optical path is changed to the optical axis AX2 by the main beam splitter 22 arranged on the optical axis AX1 is the imaging unit 30. A captured image showing an image of the received light is output (step S12). In this state, the measurement unit 100 receives the reflected light of the measurement light generated in the sample SMP and outputs the measurement result (step S14). The processing for outputting the measurement result includes a processing for calculating the reflectance spectrum of the sample based on the reflected light of the measurement light, a processing for calculating the wave number conversion reflectance spectrum by a predetermined wave number conversion for the reflectance spectrum, and a wave number conversion reflection. Based on the process of calculating the power spectrum by Fourier transforming the reflectance spectrum with respect to the number of waves and the position of the peak appearing in the power spectrum, at least of the optical film thickness of the sample, the film thickness of the sample, and the distance to the sample It may include a process of calculating one.

このように、ユーザは、サンプルSMPの表面状態を観察するための観察光と測定光との両方を光軸AX1に注入した状態で、撮像部30からの撮像画像を参照しながら、サンプルSMPについての測定(例えば、膜厚測定や距離測定)を行う。 In this way, the user refers to the sample SMP while referring to the image captured from the imaging unit 30 in a state where both the observation light for observing the surface state of the sample SMP and the measurement light are injected into the optical axis AX1. (For example, film thickness measurement and distance measurement) are performed.

以上の手順によって、サンプルSMPに対する測定が完了する。なお、複数のサンプルSMPを連続的に測定する場合には、図15に示されるステップが繰り返されることになるが、サンプルSMPの種類や形状などによっては、ステップS6およびS10の調整処理などを適宜省略してもよい。 By the above procedure, the measurement for the sample SMP is completed. When a plurality of sample SMPs are continuously measured, the steps shown in FIG. 15 are repeated. However, depending on the type and shape of the sample SMPs, the adjustment processing of steps S6 and S10 may be appropriately performed. It may be omitted.

<H.測定例>
次に、本実施の形態に従う光学測定装置1を用いたサンプルSMPの測定例を示す。
<H. Measurement example>
Next, a measurement example of the sample SMP using the optical measuring device 1 according to the present embodiment will be shown.

図16〜図18は、本実施の形態に従う光学測定装置1を用いたサンプルSMPの測定例を示す図である。図16〜図18においては、透明基板層にセラミックが積層されたサンプルSMPを測定した結果の一例を示す。なお、撮像部30には、カラーCMOS撮像部(メーカ:Allied Vision Technologies、型式:Mako−G319C)を用いた。 16 to 18 are diagrams showing a measurement example of the sample SMP using the optical measuring device 1 according to the present embodiment. 16 to 18 show an example of the result of measuring the sample SMP in which ceramic is laminated on the transparent substrate layer. A color CMOS imaging unit (manufacturer: Allied Vision Technologies, model: Mako-G319C) was used as the imaging unit 30.

図16には、サンプルSMPの単層部を測定した結果を示し、図17には、サンプルSMPの積層部を測定した結果を示し、図18には、サンプルSMPの積層部(ボイド)を測定した結果を示す。 FIG. 16 shows the result of measuring the single layer portion of the sample SMP, FIG. 17 shows the result of measuring the laminated portion of the sample SMP, and FIG. 18 shows the measurement result of the laminated portion (void) of the sample SMP. The result is shown.

図16(A)〜図18(A)には、各測定状態において撮像部30により撮像された画像を示し、図16(B)〜図18(B)には、各測定状態において測定された反射率スペクトルを示し、図16(C)〜図18(C)には、各測定状態において算出されたパワースペクトルを示す。 16 (A) to 18 (A) show images captured by the imaging unit 30 in each measurement state, and FIGS. 16 (B) to 18 (B) show measurements in each measurement state. The reflectance spectrum is shown, and FIGS. 16 (C) to 18 (C) show the power spectrum calculated in each measurement state.

図16(A)を参照して、測定光のスポット像が単層部に対応する位置に確認できる。この測定状態において、図16(C)に示されるパワースペクトルにおいては、サンプルSMPの透明基板層のピークのみが現れていることが分かる。 With reference to FIG. 16A, the spot image of the measurement light can be confirmed at a position corresponding to the single layer portion. In this measurement state, it can be seen that only the peak of the transparent substrate layer of the sample SMP appears in the power spectrum shown in FIG. 16C.

図17(A)を参照して、測定光のスポット像が積層部に対応する位置に確認できる。この測定状態において、図17(C)に示されるパワースペクトルにおいては、サンプルSMPのセラミック層および透明基板層の両方のピークが現れていることが分かる。 With reference to FIG. 17A, a spot image of the measurement light can be confirmed at a position corresponding to the laminated portion. In this measurement state, it can be seen that in the power spectrum shown in FIG. 17C, peaks of both the ceramic layer and the transparent substrate layer of the sample SMP appear.

図18(A)を参照して、測定光のスポット像が積層部(ボイド)に対応する位置に確認できる。この測定状態において、図18(C)に示されるパワースペクトルにおいては、サンプルSMPのセラミック層および透明基板層の両方のピークに加えて、両層の間に生じたボイド(気泡)によると考えられるピークが現れていることが分かる。 With reference to FIG. 18A, the spot image of the measurement light can be confirmed at a position corresponding to the laminated portion (void). In this measurement state, in the power spectrum shown in FIG. 18C, it is considered that in addition to the peaks of both the ceramic layer and the transparent substrate layer of the sample SMP, voids (bubbles) generated between the two layers are considered. It can be seen that the peak appears.

<I.利点>
従来技術においては、測定光の光路に沿ってサンプル上に照射位置を示す可視光を投影し、ユーザが投影された可視光に基づいて測定位置を確認するような構成が採用されていた。しかしながら、可視域以外(赤外域および紫外域など)の測定光を用いて光学特性を測定する場合には、光学系に生じる色収差などによって、可視光が投影されている位置が実際の測定位置と一致するか否かを確認できない場合もある。
<I. Advantages>
In the prior art, a configuration has been adopted in which visible light indicating the irradiation position is projected onto the sample along the optical path of the measurement light, and the user confirms the measurement position based on the projected visible light. However, when measuring optical characteristics using measurement light other than the visible region (infrared region, ultraviolet region, etc.), the position where visible light is projected is the actual measurement position due to chromatic aberration that occurs in the optical system. In some cases, it may not be possible to confirm whether or not they match.

これに対して、本実施の形態に従う測定装置は、可視域以外を波長範囲として含む測定光と、可視域を波長範囲として含む観察光とをサンプルSMPに照射した状態を、撮像部で撮像することにより、サンプルSMPの表面状態に加えて、実際に測定光が投影されている位置を同時に観察できる。このように、本実施の形態に従う光学測定装置1によれば、従来技術では確認することができなかった、測定光の実際の照射位置(測定位置)を可視化できる。 On the other hand, in the measuring device according to the present embodiment, the imaging unit captures a state in which the sample SMP is irradiated with the measurement light including the visible region as the wavelength range and the observation light including the visible region as the wavelength range. As a result, in addition to the surface condition of the sample SMP, the position where the measurement light is actually projected can be observed at the same time. As described above, according to the optical measuring device 1 according to the present embodiment, it is possible to visualize the actual irradiation position (measurement position) of the measurement light, which could not be confirmed by the prior art.

撮像部により撮像される撮像画像を表示装置200に表示することで、サンプルSMPの表面状態および測定光の照射位置を同時に観察できる。測定中に撮像画像を観察できるので、測定位置と測定される反射率スペクトルおよびパワースペクトルとの関係を確認しながら測定を行うことができるので、ピークの同定や各層の厚みの解析を容易化できる。 By displaying the captured image captured by the imaging unit on the display device 200, the surface state of the sample SMP and the irradiation position of the measurement light can be observed at the same time. Since the captured image can be observed during the measurement, the measurement can be performed while confirming the relationship between the measurement position and the measured reflectance spectrum and power spectrum, so that peak identification and analysis of the thickness of each layer can be facilitated. ..

また、本実施の形態に従う光学測定装置1によれば、撮像部に入射する測定光の反射光と観察光の反射光との間で強度バランスを調整するので、撮像画像内において、サンプルSMPの表面状態および測定光のスポット像が適切に表現される。 Further, according to the optical measuring device 1 according to the present embodiment, the intensity balance is adjusted between the reflected light of the measurement light incident on the imaging unit and the reflected light of the observation light, so that the sample SMP can be obtained in the captured image. The surface condition and the spot image of the measurement light are properly represented.

さらに、本実施の形態に従う光学測定装置1によれば、測定ユニット100から照射される測定光がサンプルSMPに照射され、サンプルSMPから測定ユニット100に戻るまでの光路上には、1つのビームスプリッタのみが配置される。観察光をサンプルSMPに照射する機能を有しつつ、ビームスプリッタの数を最小限にした光学系を採用することで、測定光の減衰を抑制して、測定の高精度化および高速化を実現できる。 Further, according to the optical measuring device 1 according to the present embodiment, one beam splitter is on the optical path from the sample SMP to the measurement unit 100 after the measurement light emitted from the measurement unit 100 is applied to the sample SMP. Only placed. By adopting an optical system that minimizes the number of beam splitters while having the function of irradiating the sample SMP with observation light, it suppresses the attenuation of the measurement light and realizes high accuracy and high speed of measurement. it can.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be considered that the embodiments disclosed this time are exemplary in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, not the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

1 光学測定装置、2 光学ユニット、10 ステージ、12 下部筒部、14 上部筒部、16 投受光プローブ、18 コネクタ、20 結像レンズ、22 主ビームスプリッタ、24 観察用光源、26 副ビームスプリッタ、28 マクロレンズ、30 撮像部、32 光学フィルタ、34 透過光学部材、40 Y型ファイバ、41,42 分岐ファイバ、43 ファイバカプラ、100 測定ユニット、110 測定用光源、120 分光測定部、121 スリット、122 シャッタ、123 カットフィルタ、124 コリメートミラー、125 回折格子、126 フォーカスミラー、127 検出部、130 演算部、140 インターフェイス、200 表示装置、302,310 イメージセンサ、304 カラーフィルタ、306 近赤外吸収フィルタ、308 光電変換部、312 マイクロレンズ、314 保護層、316 透明電極、318 可視域用有機薄膜、320 近赤外域用有機薄膜、322 画素電極、324 シリコン基板、326 電荷蓄積ノード、328 電源、330 信号電荷、AX1,AX2,AX3 光軸、FV 視野、ML1 測定光、ML2,ML3,OL2 測定光の反射光、OL1 観察光、OL2 観察光の反射光、SMP サンプル。 1 Optical measuring device, 2 Optical unit, 10 stages, 12 Lower cylinder, 14 Upper cylinder, 16 Light receiving probe, 18 Connector, 20 Imaging lens, 22 Main beam splitter, 24 Observation light source, 26 Secondary beam splitter, 28 macro lens, 30 imaging unit, 32 optical filter, 34 transmission optical member, 40 Y type fiber, 41, 42 branched fiber, 43 fiber coupler, 100 measurement unit, 110 measurement light source, 120 spectroscopic measurement unit, 121 slit, 122 Shutter, 123 cut filter, 124 collimating mirror, 125 diffraction grid, 126 focus mirror, 127 detector, 130 arithmetic unit, 140 interface, 200 display device, 302,310 image sensor, 304 color filter, 306 near infrared absorption filter, 308 Photoelectric converter, 312 microlens, 314 protective layer, 316 transparent electrode, 318 organic thin film for visible region, 320 organic thin film for near infrared region, 322 pixel electrode, 324 silicon substrate, 326 charge storage node, 328 power supply, 330 signal Charge, AX1, AX2, AX3 optical axis, FV field, ML1 measurement light, ML2, ML3, OL2 measurement light reflected light, OL1 observation light, OL2 observation light reflected light, SMP sample.

Claims (12)

可視域以外を波長範囲に含む測定光を第1の光軸に沿ってサンプルに照射するとともに、前記サンプルにおいて生じる前記測定光の反射光を受光するプローブと、
前記第1の光軸上に配置された第1のビームスプリッタと、
可視域を波長範囲に含む観察光が前記第1の光軸に沿って前記サンプルに照射されるように、前記観察光を前記第1のビームスプリッタに導く第2のビームスプリッタと、
前記サンプルにおいて生じる前記測定光の反射光および前記サンプルにおいて生じる観察光の反射光のうち、前記第1のビームスプリッタによって第2の光軸に光路が変化した光を受光し、受光した光の像を示す撮像画像を出力する撮像部とを備え、
前記撮像部は、前記観察光の波長範囲の少なくとも一部、および、前記測定光の波長範囲の少なくとも一部のいずれにも感度を有している、光学ユニット。
A probe that irradiates the sample with measurement light having a wavelength range other than the visible region along the first optical axis and receives the reflected light of the measurement light generated in the sample.
With the first beam splitter arranged on the first optical axis,
A second beam splitter that directs the observation light to the first beam splitter so that the observation light including the visible region in the wavelength range is applied to the sample along the first optical axis.
Of the reflected light of the measurement light generated in the sample and the reflected light of the observation light generated in the sample, the light whose optical path is changed to the second optical axis by the first beam splitter is received, and the received light image. It is equipped with an imaging unit that outputs an captured image indicating
The imaging unit is an optical unit having sensitivity to at least a part of the wavelength range of the observation light and at least a part of the wavelength range of the measurement light.
前記測定光の波長範囲は、近赤外域を含み、
前記観察光の波長範囲は、前記測定光の波長範囲とは重複しないように構成される、請求項1に記載の光学ユニット。
The wavelength range of the measurement light includes the near infrared region.
The optical unit according to claim 1, wherein the wavelength range of the observation light does not overlap with the wavelength range of the measurement light.
前記第2のビームスプリッタは、前記第2の光軸上に配置されており、
前記観察光を発生する観察用光源は、前記第2のビームスプリッタに関連付けられた第3の光軸上に配置される、請求項1または2に記載の光学ユニット。
The second beam splitter is arranged on the second optical axis.
The optical unit according to claim 1 or 2, wherein the observation light source that generates the observation light is arranged on a third optical axis associated with the second beam splitter.
前記第2の光軸は、前記第1の光軸に対して直交しており、
前記第3の光軸は、前記第2の光軸に対して直交するとともに、前記第1の光軸とは非平行である、請求項3に記載の光学ユニット。
The second optical axis is orthogonal to the first optical axis and is orthogonal to the first optical axis.
The optical unit according to claim 3, wherein the third optical axis is orthogonal to the second optical axis and is non-parallel to the first optical axis.
前記第1のビームスプリッタは、ペリクル膜からなる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学ユニット。 The optical unit according to any one of claims 1 to 4, wherein the first beam splitter is made of a pellicle film. 前記撮像部に入射する測定光の反射光と観察光の反射光との強度バランスを調整する強度調整手段をさらに備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学ユニット。 The optical unit according to any one of claims 1 to 5, further comprising an intensity adjusting means for adjusting the intensity balance between the reflected light of the measurement light incident on the imaging unit and the reflected light of the observation light. 前記強度調整手段は、前記撮像部の前段に配置された光学フィルタを含む、請求項6に記載の光学ユニット。 The optical unit according to claim 6, wherein the intensity adjusting means includes an optical filter arranged in front of the imaging unit. 前記強度調整手段は、
前記測定光の波長範囲についての前記撮像部からの出力信号と、前記観察光の波長範囲についての前記撮像部からの出力信号とを合成する処理を変化させる手段と、
前記測定光の波長範囲に対する前記撮像部の感度と前記観察光の波長範囲に対する前記撮像部の感度との比を変化させる手段とのうち、いずれかを含む、請求項6に記載の光学ユニット。
The strength adjusting means
Means for changing the process of synthesizing the output signal from the imaging unit for the wavelength range of the measurement light and the output signal from the imaging unit for the wavelength range of the observation light.
The optical unit according to claim 6, further comprising any of means for changing the ratio of the sensitivity of the imaging unit to the wavelength range of the measurement light and the sensitivity of the imaging unit to the wavelength range of the observation light.
請求項1〜8のいずれか1項に記載の光学ユニットと、
前記光学ユニットの前記プローブと光学的に接続され、前記プローブを介して導かれる前記測定光の反射光を受光して光学特性を含む測定結果を出力する測定ユニットとを備える、光学測定装置。
The optical unit according to any one of claims 1 to 8.
An optical measuring device including a measuring unit that is optically connected to the probe of the optical unit, receives reflected light of the measurement light guided through the probe, and outputs a measurement result including optical characteristics.
前記測定ユニットは、
前記測定光の反射光に基づいて前記サンプルの反射率スペクトルを算出する手段と、
前記反射率スペクトルに対する所定の波数変換により波数変換反射率スペクトルを算出する手段と、
前記波数変換反射率スペクトルを波数についてフーリエ変換してパワースペクトルを算出する手段と、
前記パワースペクトルに現れるピークの位置に基づいて、前記光学特性として、前記サンプルの光学膜厚、前記サンプルの膜厚、前記サンプルまでの距離のうち少なくとも一つを算出する手段とを含む、請求項9に記載の光学測定装置。
The measuring unit is
A means for calculating the reflectance spectrum of the sample based on the reflected light of the measurement light, and
A means for calculating a wavenumber conversion reflectance spectrum by a predetermined wavenumber conversion with respect to the reflectance spectrum, and
A means for calculating the power spectrum by Fourier transforming the wave number conversion reflectance spectrum with respect to the wave number,
The claim includes means for calculating at least one of the optical film thickness of the sample, the film thickness of the sample, and the distance to the sample as the optical characteristics based on the position of the peak appearing in the power spectrum. 9. The optical measuring device according to 9.
前記第1のビームスプリッタの光学膜厚は、前記測定ユニットの測定波長範囲の上限値および下限値に基づいて決定される測定可能な光学膜厚の下限値未満となるように決定される、請求項9に記載の光学測定装置。 The optical film thickness of the first beam splitter is determined to be less than the lower limit of the measurable optical film thickness determined based on the upper and lower limits of the measurement wavelength range of the measuring unit. Item 9. The optical measuring apparatus according to Item 9. 測定用光源が発生した、可視域以外を波長範囲に含む測定光を第1の光軸に沿ってサンプルに照射するステップと、
可視域を波長範囲に含む観察光を前記第1の光軸に沿って前記サンプルに照射するステップと、
前記サンプルにおいて生じる前記測定光の反射光を受光して光学特性を含む測定結果を出力するステップと、
前記サンプルにおいて生じる前記測定光の反射光および前記サンプルにおいて生じる観察光の反射光のうち、前記第1の光軸上に配置された第1のビームスプリッタによって第2の光軸に光路が変化した光を撮像部で受光し、受光した光の像を示す撮像画像を出力するステップとを備え、
前記撮像部は、前記観察光の波長範囲の少なくとも一部、および、前記測定光の波長範囲の少なくとも一部のいずれにも感度を有している、光学測定方法。
The step of irradiating the sample with the measurement light generated by the measurement light source, which includes the wavelength range other than the visible region, along the first optical axis.
A step of irradiating the sample with observation light having a visible region in the wavelength range along the first optical axis.
A step of receiving the reflected light of the measurement light generated in the sample and outputting the measurement result including the optical characteristics.
Of the reflected light of the measurement light generated in the sample and the reflected light of the observation light generated in the sample, the optical path was changed to the second optical axis by the first beam splitter arranged on the first optical axis. It includes a step of receiving light at the imaging unit and outputting an captured image showing an image of the received light.
An optical measurement method in which the imaging unit has sensitivity to at least a part of the wavelength range of the observation light and at least a part of the wavelength range of the measurement light.
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