JP2022162306A - Surface shape measurement device and surface shape measurement method - Google Patents

Surface shape measurement device and surface shape measurement method Download PDF

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哲雄 細美
Tetsuo Hosomi
邦弘 佐藤
Kunihiro Sato
啓介 吉木
Keisuke Yoshiki
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Abstract

To provide a surface shape measurement device and surface shape measurement method that enable improvement in measurement accuracy of a surface shape of a measured object having a measured plane without requiring a physical reference plane, and enable a measurement of a thickness and parallelism thereof.SOLUTION: A surface shape measurement device is configured to: have a converging point PQ of spherical wave illumination light Q and a converging point PL of inline spherical wave reference light L set at a mutually mirror image arrangement with respect to a virtual plane VP, detect a position of the measured plane so that a measured plane contacts with the virtual plane VP, and make a movement adjustment of a position of a sample stand holding a measured object with a bottom reference; record each hologram of object light O being reflection light of the illumination light Q with which the measured plane is obliquely irradiated and the inline spherical wave reference light L; generate, in the virtual plane VP, a measurement-purpose reproduction object light hologram hV and a spherical wave light hologram sV representing spherical wave light to be discharged from a mirror image point of the spherical wave illumination light Q; obtain a height distribution of the measured plane from a phase difference distribution of both holograms hV and sV; and obtain a thickness of the measured plane from an amount of movement of the sample stand.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、デジタルホログラフィにおける表面形状計測装置および表面形状計測方法に関する。 The present invention relates to a surface shape measuring device and a surface shape measuring method in digital holography.

従来から、反射光や透過光などの光波を解析する技術に、光波の強度と位相をデジタルデータとして取得したり、計算機上でホログラムを生成したりして解析するデジタルホログラフィがある。 Conventionally, digital holography, which acquires the intensity and phase of light waves as digital data or generates and analyzes holograms on a computer, is a technology for analyzing light waves such as reflected light and transmitted light.

デジタルホログラフィにおいて、ホログラムデータの取得や処理の高速化と高精度化を達成するための種々の技術が提案されている。例えば、ワンショットで記録したホログラムデータに空間周波数フィルタリングと空間ヘテロダイン変調とを適用して、物体像再生用の複素振幅インラインホログラムを高速かつ正確に生成するデジタルホログラフィが知られている(例えば、特許文献1参照)。 In digital holography, various techniques have been proposed to achieve high-speed acquisition and high-precision processing of hologram data. For example, digital holography is known that applies spatial frequency filtering and spatial heterodyne modulation to hologram data recorded in one shot to quickly and accurately generate a complex amplitude in-line hologram for object image reconstruction (see, for example, patent Reference 1).

従来の光学顕微鏡の問題を解決するため、ホログラフィを用いることにより、結像レンズを用いることなく大開口数の物体光を正確にワンショット記録する方法、および記録された物体光を平面波展開によって高分解能3次元像を正確に計算機再生する方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。このような顕微鏡は、結像レンズを用いないので、従来の光学顕微鏡が有する、媒質や結像レンズの影響を受ける問題を解決できる。 In order to solve the problems of conventional optical microscopes, holography is used to accurately record a large numerical aperture object beam in one shot without using an imaging lens, and to enhance the recorded object beam by plane wave expansion. A method for accurately reproducing a resolution three-dimensional image by computer is known (see, for example, Patent Document 2). Since such a microscope does not use an imaging lens, it is possible to solve the problem of the medium and imaging lens that conventional optical microscopes have.

また、培養液中細胞や生体組織の内部構造を高分解能で計測するために、反射型レンズレスホログラフィック顕微鏡と波長掃引レーザ光を用いる高分解能断層撮像法が知られている(例えば、特許文献3参照)。 In addition, a high-resolution tomographic imaging method using a reflection-type lensless holographic microscope and a wavelength-swept laser beam is known to measure the internal structure of cells in a culture medium and biological tissue at high resolution (see, for example, patent documents 3).

さらに、入射方向の異なる照明光を照射した物体から放射される大開口数の物体光を、照明光の入射方向毎にホログラムデータとして記録し、これらの複数の大開口数ホログラムを一つのホログラムに合成して、1を超える合成開口数のもとで物体光を再生する方法が知られている(例えば、特許文献4参照)。この方法によれば、通常の回折限界を超える分解能を持つ超高分解能3次元顕微鏡が実現できる。 Furthermore, the large numerical aperture object light emitted from an object irradiated with illumination light in different incident directions is recorded as hologram data for each incident direction of the illumination light, and these multiple large numerical aperture holograms are converted into one hologram. A method of synthesizing and reproducing object light under a synthetic numerical aperture exceeding 1 is known (see, for example, Patent Document 4). According to this method, a super-high-resolution three-dimensional microscope with a resolution exceeding the usual diffraction limit can be realized.

加えて、ワンショットデジタルホログラフィによる光波の正確な記録と記録光波の平面波展開を用いるホログラフィックエリプソメトリ装置が知られている(例えば、特許文献5参照)。このエリプソメトリ装置によれば、非平行の照明光が含む多数の入射角を有する入射光による反射光のデータを一括してホログラムに記録できるので、入射角に対応する多数の波数ベクトル毎にエリプソメトリ角Ψ,Δを求めることができ、測定効率が向上できる。 In addition, there is known a holographic ellipsometry device that uses accurate recording of light waves by one-shot digital holography and plane wave expansion of the recorded light waves (see, for example, Patent Document 5). According to this ellipsometry device, the data of the reflected light from the incident light having a large number of incident angles, including the non-parallel illumination light, can be collectively recorded in the hologram. The metric angles Ψ and Δ can be obtained, and the measurement efficiency can be improved.

また、撮像素子、2つの結像用レンズ、キューブ型ビームスプリッタ、フィゾー参照平面を有する光学素子、および被測定物を直列に配置し、参照平面と被測定部からの2つの反射光間の干渉縞を記録して形状計測を行う測定装置が知られている(例えば、特許文献6参照)。 In addition, an image sensor, two imaging lenses, a cube beam splitter, an optical element having a Fizeau reference plane, and an object to be measured are arranged in series, and interference between two reflected lights from the reference plane and the part to be measured is detected. A measuring device that records fringes and performs shape measurement is known (see Patent Document 6, for example).

これら特許文献1乃至5に示されるようなホログラフィは、顕微観察や比較的狭い面積の形状計測などに適用されるが、例えば、大面積化が進む半導体ウエハなどの平面度測定や表面形状の計測への対応が要望されている。 Holography as shown in these Patent Documents 1 to 5 is applied to microscopic observation and shape measurement of a relatively small area. There is a demand to respond to

また、上述した特許文献6に示される測定装置は、平面度の一般的な測定方法であるフィゾー干渉を用いるものであるが、参照平面を用いることに起因して、この方法を用いるフィゾー干渉計に内在する下記のような問題を有している。 In addition, the measuring apparatus shown in the above-mentioned Patent Document 6 uses Fizeau interference, which is a general method for measuring flatness. has the following inherent problems.

フィゾー干渉計は、最も高精度で高速な平面度測定ができる装置の一つとされ、各国の標準器研究所における平面度測定装置として採用されている。フィゾー干渉測定では、基準となる透明ガラス板の参照平面で反射した光と被測定面で反射した光が作る干渉縞を記録する。測定精度を高めるために、参照平面をわずかに垂線方向に移動して干渉縞の位相をシフトさせ、位相が違う複数枚の干渉縞を記録し、記録した複数枚の干渉縞を使って被測定面の平面形状を解析する。こうして測定した結果は、あくまでも参照平面と被測定面との比較であり、平面度の絶対値を測定するには参照平面の絶対形状補正が必要である。絶対形状補正には3枚合わせ法が用いられている。 The Fizeau interferometer is considered to be one of the devices that can measure flatness with the highest accuracy and speed, and is used as a flatness measurement device in standard instrument laboratories around the world. In the Fizeau interference measurement, the interference fringes formed by the light reflected by the reference plane of the transparent glass plate and the light reflected by the surface to be measured are recorded. In order to improve the measurement accuracy, the reference plane is slightly shifted in the vertical direction to shift the phase of the interference fringes, and multiple interference fringes with different phases are recorded. Analyze the planar shape of the surface. The result of such measurement is only a comparison between the reference plane and the surface to be measured, and absolute shape correction of the reference plane is necessary to measure the absolute value of the flatness. A three-sheet combination method is used for absolute shape correction.

また、フィゾー干渉計の光学系は、光学部品数が比較的少なく構造もシンプルにできるが、測定の基準となる参照平面やコリメートレンズの他に、被測定物の傾き調節機構や垂直移動機構および絶対形状補正のための回転台などが必要である。測定の精度は、参照平面形状補正における不確かさに加え、位相シフトの不確かさ、環境ゆらぎによる不確かさなどの影響を受ける。これらを合わせた測定の不確かさを10nm以下に抑えることは難しい。他の問題点として、参照平面やコリメートレンズを使用しているため、測定可能な被測定物の直径はおよそ300mm以下に制限され、それ以上の大口径化は難しい。また、ガラス製の参照平面に比べて反射率が大きく異なる被測定面に対しては、干渉縞のコントラストが低下し、高精度な測定が難しくなる、という問題がある。 The optical system of the Fizeau interferometer has a relatively small number of optical parts and a simple structure. A turntable or the like is required for absolute shape correction. Measurement accuracy is affected by uncertainties in reference plane shape correction, uncertainties in phase shift, and uncertainties due to environmental fluctuations. It is difficult to suppress the uncertainty of the combined measurement to 10 nm or less. Another problem is that the use of a reference plane and a collimator lens limits the diameter of the object to be measured to approximately 300 mm or less, and it is difficult to increase the diameter beyond that. In addition, there is a problem that the contrast of the interference fringes is lowered for the surface to be measured whose reflectance is greatly different from that of the reference plane made of glass, making highly accurate measurement difficult.

そこで、上述の要望や問題を解消するため、形状測定の比較対象としての物質的な参照平面を必要とせず、機械的な調整機構によらずに測定精度を向上できる表面形状計測装置および表面形状計測方法が提案されている(例えば、特許文献7参照)。 Therefore, in order to solve the above-mentioned demands and problems, a surface shape measuring apparatus and a surface shape that can improve measurement accuracy without using a physical reference plane as a comparison target for shape measurement and without relying on a mechanical adjustment mechanism. A measurement method has been proposed (see Patent Document 7, for example).

この特許文献7に示されている装置と方法は、被測定面からの球面波照明光の反射光を記録したホログラムを用いて、被測定面の位置に設定した仮想平面からの高さに対応する、光波の位相を求め、球面波照明光の点光源から発せられる球面波について前記仮想平面上で算出した位相を、基準平面の位相として求め、両者の位相差を求めている。仮想平面における位相差の分布と波長の情報とから、仮想平面に対する高さ分布が、表面形状の計測値として得られる。 The apparatus and method disclosed in this patent document 7 correspond to the height from the virtual plane set at the position of the surface to be measured using a hologram that records the reflected light of the spherical wave illumination light from the surface to be measured. Then, the phase of the light wave is obtained, the phase of the spherical wave emitted from the point light source of the spherical wave illumination light calculated on the virtual plane is obtained as the phase of the reference plane, and the phase difference between the two is obtained. From the distribution of the phase difference on the virtual plane and the information on the wavelength, the height distribution on the virtual plane is obtained as the measured value of the surface shape.

従って、特許文献7に示されている装置と方法によれば、被測定面における球面波照明光の反射光の位相データを取得し、解析的に得られる球面波の平面切断面における位相分布と比較して形状計測を行うので、ガラス基板などの物質的な参照平面を必要とせず、大面積化に対応でき、かつ、高精度の表面形状計測を実現できる。 Therefore, according to the apparatus and method disclosed in Patent Document 7, the phase data of the reflected light of the spherical wave illumination light on the surface to be measured is acquired, and the analytically obtained phase distribution of the spherical wave on the plane cross section and the Since shape measurement is performed by comparison, a physical reference plane such as a glass substrate is not required, and a large area can be handled, and highly accurate surface shape measurement can be realized.

国際公開第2011/089820号WO2011/089820 国際公開第2012/005315号WO2012/005315 国際公開第2014/054776号WO2014/054776 国際公開第2015/064088号WO2015/064088 国際公開第2018/038064号WO2018/038064 米国特許第8269981号明細書U.S. Pat. No. 8,269,981 国際公開第2020/045589号WO2020/045589

上述した特許文献7に示される表面形状計測の装置と方法は、測定装置の光学系の中に仮想的に設定した仮想平面から所定の距離内に存在する被測定面の高さが測定可能である。その所定の距離は、1つの単波長光を用いる場合はその波長、複数の異なる単波長光を用いる場合はその合成波長である。 The surface profile measurement apparatus and method disclosed in the above-mentioned Patent Document 7 can measure the height of the surface to be measured that exists within a predetermined distance from a virtual plane that is virtually set in the optical system of the measurement apparatus. be. The predetermined distance is the wavelength when one single-wavelength light is used, and the combined wavelength when a plurality of different single-wavelength lights are used.

そこで、特許文献7においては、被測定物を試料台で保持する方法として、試料台における載置面が仮想平面と一致するように試料台の位置を予め調整し、その載置面に被測定物の被測定面を対向接触させるようにして、被測定物を保持する方法が例示されている。載置面は、仮想平面に物体的要素を持たせる基準面として用いられる。この保持方法は、被測定物における被測定面の対向面である底面(または、裏面、または背面)を試料台の載置面に対向接触させる方法と異なり、被測定面を、基準面である載置面に直接接触させて載置するので、被測定物を保持する設定が容易である。 Therefore, in Patent Document 7, as a method of holding an object to be measured on a sample stage, the position of the sample stage is adjusted in advance so that the mounting surface of the sample stage coincides with a virtual plane, and the object to be measured is placed on the mounting surface. A method of holding an object to be measured by bringing the surfaces to be measured of the object into contact with each other is exemplified. The mounting surface is used as a reference surface to have physical elements on the virtual plane. This holding method differs from the method in which the bottom surface (or the rear surface, or the rear surface) of the object to be measured faces the surface to be measured, and is in contact with the mounting surface of the sample table. Since the device is placed in direct contact with the placement surface, setting for holding the object to be measured is easy.

しかしながら、被測定物の形状によっては、被測定面を載置面に対向接触させるように保持できない場合がある。また、表面形状の高精度の測定と同時に、被測定物の底面を基準とする底面基準のもとで底面に対する被測定面の平行度を測定したり、被測定物の厚さや傾斜角および凹面または凸面形状を測定したりする用途や要望に対応できない。 However, depending on the shape of the object to be measured, it may not be possible to hold the surface to be measured so as to face and contact the mounting surface. In addition to measuring the surface shape with high accuracy, the parallelism of the surface to be measured with respect to the bottom surface can be measured based on the bottom surface of the object to be measured. Or it cannot respond to applications and requests such as measuring convex shapes.

本発明は、上記の課題を解消するものであって、物質的な参照平面と比較することなく被測定物の表面形状の測定精度を向上でき、被測定物の底面を基準とする底面基準のもとで底面に対する被測定面の平行度を測定したり、被測定物の厚さや傾斜角および凹面形状または凸面形状を測定したりすることができる、表面形状計測装置および表面形状計測方法を提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve the above problems, and can improve the measurement accuracy of the surface shape of the object to be measured without comparing it with a physical reference plane, and can measure the bottom surface of the object to be measured as a reference. To provide a surface shape measuring device and a surface shape measuring method capable of measuring the parallelism of a surface to be measured with respect to the bottom surface, and measuring the thickness, inclination angle, concave surface shape or convex surface shape of the object to be measured. intended to

上記課題を達成するために、本発明の表面形状計測装置は、
ホログラフィを用いる表面形状計測装置において、
物体の被測定面を照明する球面波照明光(Q)の反射光である物体光(O)と前記物体光(O)に対してインラインとなるインライン球面波参照光(L)の2つの光のデータをオフアクシス参照光(R)を用いてそれぞれ物体光オフアクシスホログラム(IOR)および参照光オフアクシスホログラム(ILR)として取得するデータ取得部と、
前記データ取得部によって取得されたデータを用いて、前記被測定面の画像を再生して前記被測定面の表面形状のデータを取得する計算処理を行う画像再生部と、を備え、
前記データ取得部は、
光強度を電気信号に変換してホログラムデータとして出力するイメージセンサと、
前記被測定面を前記イメージセンサの受光面に向けて前記物体を保持する試料台と、
前記球面波照明光(Q)の集光点である照明光集光点(P)と前記インライン球面波参照光(L)の集光点である参照光集光点(P)とが、仮想的に設定した仮想平面(VP)に対して互いに鏡像配置となり、前記インライン球面波参照光(L)が前記仮想平面(VP)を通過して前記イメージセンサに入射するように構成されたホログラム取得用の光学系と、
前記イメージセンサの光軸方向における前記仮想平面(VP)の前後を含む領域で前記被測定面上の点の位置を検出し、その情報を反射位置情報として出力する位置検出部と、
前記反射位置情報に基づき、前記検出された点が前記仮想平面(VP)に含まれるように、前記試料台を移動させる位置調整装置と、を備え、
前記画像再生部は、
前記参照光集光点(P)から放たれる光が球面波であることを用いて、前記2種類のオフアクシスホログラム(IOR,ILR)のデータから前記物体光(O)の光波を表す物体光ホログラム(g)を生成する物体光ホログラム生成部と、
前記物体光ホログラム(g)を光伝播変換および回転変換して、前記仮想平面(VP)における再生物体光ホログラム(h)を生成する再生物体光ホログラム生成部と、
前記物体光ホログラム(g)に光伝搬変換を行って前記物体光(O)が集光する位置を検出してその位置を形状計測用の参照点(S1)として設定する参照点検出部と、
前記参照点(S1)から放たれる球面波光の前記仮想平面(VP)におけるホログラムである球面波光ホログラム(s)を解析的に生成する解析光ホログラム生成部と、
前記再生物体光ホログラム(h)と前記球面波光ホログラム(s)の位相差の面分布から前記物体の被測定面の高さ分布を求める形状計測部と、を備える、ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the surface shape measuring apparatus of the present invention includes:
In a surface shape measuring device using holography,
Two lights: an object light (O) that is reflected light of the spherical wave illumination light (Q) that illuminates the surface to be measured of the object, and an inline spherical wave reference light (L) that is inline with the object light (O). as an object beam off-axis hologram (I OR ) and a reference beam off-axis hologram (I LR ) using the off-axis reference beam (R), respectively;
an image reproduction unit that performs calculation processing for reproducing the image of the surface to be measured using the data acquired by the data acquisition unit and acquiring surface shape data of the surface to be measured;
The data acquisition unit
an image sensor that converts light intensity into an electrical signal and outputs it as hologram data;
a sample table that holds the object with the surface to be measured facing the light receiving surface of the image sensor;
An illumination light condensing point (P Q ), which is the condensing point of the spherical wave illumination light (Q), and a reference light condensing point (P L ), which is the condensing point of the inline spherical wave reference light (L) , are mirror images of each other with respect to a virtually set virtual plane (VP), and the inline spherical wave reference light (L) passes through the virtual plane (VP) and is incident on the image sensor. an optical system for acquiring a hologram;
a position detection unit that detects the position of a point on the surface to be measured in an area including the front and back of the virtual plane (VP) in the optical axis direction of the image sensor and outputs the information as reflection position information;
a position adjustment device that moves the sample stage so that the detected point is included in the virtual plane (VP) based on the reflection position information;
The image reproducing unit
Using the fact that the light emitted from the reference light condensing point (P L ) is a spherical wave, the light wave of the object light (O) is obtained from the data of the two types of off-axis holograms (I OR , I LR ). an object beam hologram generator for generating an object beam hologram (g) representing
a reconstructed object light hologram generation unit for optically propagating and rotationally transforming the object light hologram (g) to generate a reconstructed object light hologram (h V ) on the virtual plane (VP);
a reference point detection unit that performs optical propagation conversion on the object light hologram (g) to detect a position where the object light (O) is focused and sets the position as a reference point (S1) for shape measurement;
an analysis light hologram generator that analytically generates a spherical wave light hologram (s V ), which is a hologram in the virtual plane (VP) of spherical wave light emitted from the reference point (S1);
a shape measuring unit that obtains a height distribution of a surface to be measured of the object from a surface distribution of a phase difference between the reproduced object optical hologram (h V ) and the spherical wave optical hologram (s V ). .

上記課題を達成するために、本発明の表面形状計測方法は、
物体の被測定面の形状をホログラフィを用いて計測する表面形状計測方法において、
イメージセンサの光軸上にインライン球面波参照光(L)の集光点である参照光集光点(P)を配置し、前記光軸から外れた位置に球面波照明光(Q)の集光点である照明光集光点(P)を配置し、前記参照光集光点(P)と前記照明光集光点(P)とを結ぶ線分を垂直に2等分する平面である仮想平面(VP)を設定し、
前記仮想平面(VP)と前記光軸との交点位置に基準点(P)を設定し、
参照平面を有する平行平面基板を、前記参照平面が前記イメージセンサの受光面を望むように、試料台に保持させ、
前記参照平面が前記仮想平面(VP)に接するように前記試料台を調整し、
前記平行平面基板に替えて前記物体を、前記被測定面が前記イメージセンサの受光面を望むように、前記試料台に保持させ、
前記被測定面が前記仮想平面(VP)に接するように前記試料台の位置を調整し、
前記被測定面からの前記球面波照明光(Q)の反射光である物体光(O)のデータを、前記イメージセンサを用いて物体光オフアクシスホログラム(IOR)として取得し、
前記平行平面基板と前記物体が配置されていない状態で、前記仮想平面(VP)を通過して前記イメージセンサに入射する前記インライン球面波参照光(L)のデータを、前記イメージセンサを用いて参照光オフアクシスホログラム(ILR)として取得し、
前記インライン球面波参照光(L)が球面波光であることを用いる計算処理によって、前記2種類のオフアクシスホログラム(IOR,ILR)のデータから前記物体光(O)の光波を表す物体光ホログラム(g)を生成し、
計算処理によって、前記物体光ホログラム(g)を光伝播変換および回転変換して、前記仮想平面(VP)における再生物体光ホログラム(h)を生成し、
計算処理によって、前記物体光ホログラム(g)に光伝搬変換を行って前記物体光(O)が集光する位置を検出してその位置を、前記仮想平面(VP)に対する前記照明光集光点(P)の鏡像点と見做し、形状計測用の参照点(S1)として設定し、
前記参照点(S1)から放たれる球面波光の前記仮想平面(VP)におけるホログラムである球面波光ホログラム(s)を解析的に生成し、
前記再生物体光ホログラム(h)と前記球面波光ホログラム(s)の位相差の面分布から前記物体の被測定面の高さ分布を求める、ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the surface shape measuring method of the present invention comprises:
In a surface shape measurement method for measuring the shape of a surface to be measured of an object using holography,
A reference light condensing point (P L ), which is a condensing point of the inline spherical wave reference light (L), is arranged on the optical axis of the image sensor, and the spherical wave illumination light (Q) is located at a position off the optical axis. An illumination light condensing point (P Q ) is arranged, and a line segment connecting the reference light condensing point (P L ) and the illumination light condensing point (P Q ) is vertically bisected. Set a virtual plane (VP), which is the plane to
setting a reference point (P O ) at the intersection position of the virtual plane (VP) and the optical axis;
holding a plane-parallel substrate having a reference plane on a sample stage so that the reference plane faces the light receiving surface of the image sensor;
Adjusting the sample table so that the reference plane is in contact with the virtual plane (VP);
holding the object instead of the parallel plane substrate on the sample table so that the surface to be measured faces the light receiving surface of the image sensor;
adjusting the position of the sample table so that the surface to be measured is in contact with the virtual plane (VP);
obtaining data of object light (O), which is reflected light of the spherical wave illumination light (Q) from the surface to be measured, as an object light off-axis hologram (I OR ) using the image sensor;
Data of the in-line spherical wave reference light (L) passing through the virtual plane (VP) and incident on the image sensor in a state in which the parallel plane substrate and the object are not arranged are captured using the image sensor. Acquired as a reference beam off-axis hologram (I LR ),
Object light representing a light wave of the object light (O) from the data of the two types of off-axis holograms (I OR , I LR ) by calculation processing using the inline spherical wave reference light (L) being spherical wave light generating a hologram (g);
optically propagating and rotationally transforming said object beam hologram (g) by computational processing to produce a reconstructed object beam hologram (h v ) in said virtual plane (VP);
Light propagation conversion is performed on the object light hologram (g) by calculation processing to detect the position where the object light (O) is condensed, and the position is converted to the illumination light condensing point with respect to the virtual plane (VP). Considered as a mirror image point of (P Q ) and set as a reference point (S1) for shape measurement,
analytically generating a spherical wave light hologram (s v ) which is a hologram in said virtual plane (VP) of spherical wave light emitted from said reference point (S1);
The height distribution of the measured surface of the object is obtained from the surface distribution of the phase difference between the reproduced object optical hologram (h V ) and the spherical wave optical hologram (s V ).

本発明の表面形状計測装置によれば、試料台に保持された物体の被測定面の位置の情報を得る位置検出部と試料台の位置を調整する位置調整装置とを備えるので、また、本発明の表面形状計測方法によれば、試料台に保持された物体の被測定面の位置の情報を得て試料台の位置を調整するので、被測定物を底面基準で試料台に保持させることができる。従って、被測定物における被測定面の周囲構造の如何にかかわらず、被測定物を試料台に保持させて、高精度の表面形状測定ができ、かつ厚みや平行度の計測ができる。 According to the surface shape measuring apparatus of the present invention, since it comprises a position detecting section for obtaining information on the position of the surface to be measured of the object held on the sample stage and a position adjusting device for adjusting the position of the sample stage, According to the surface profile measuring method of the invention, the position of the object to be measured of the object held on the sample table is obtained and the position of the sample table is adjusted, so that the object to be measured can be held on the sample table with the bottom surface as the reference. can be done. Therefore, regardless of the surrounding structure of the surface to be measured of the object to be measured, the object to be measured can be held on the sample table to measure the surface profile with high precision, and to measure the thickness and parallelism.

本発明の第1の実施形態に係る表面形状計測方法を示すフローチャート。4 is a flow chart showing a surface shape measuring method according to the first embodiment of the present invention; 同計測方法を説明するための光学系の概念図。The conceptual diagram of the optical system for demonstrating the same measuring method. 照明光集光点の鏡像点である参照点の位置を決定する方法を説明するフローチャート。4 is a flow chart illustrating a method for determining the position of a reference point that is a mirror image of an illumination light condensing point; (a)は平行平面基板とオートフォーカス技術とを用いて行なう試料台の位置設定を説明する図、(b)は(a)における平行平面基板を被測定物に替えた状態の図、(c)は(b)における被測定物の両面が平行ではない場合であって試料台を移動して位置調整した図。(a) is a diagram for explaining the position setting of the sample stage performed using the plane-parallel substrate and autofocus technology, (b) is a diagram of the state in which the plane-parallel substrate in (a) is replaced with the object to be measured, and (c) ) is a diagram in which both surfaces of the object to be measured in (b) are not parallel and the position is adjusted by moving the sample table. 第2の実施形態に係る表面形状計測装置の側面図。The side view of the surface shape measuring device which concerns on 2nd Embodiment. 同装置の上面図。The top view of the same apparatus. 第3の実施形態に係る表面形状計測装置の側面図。The side view of the surface shape measuring device which concerns on 3rd Embodiment. 同装置の変形例を示す側面図。The side view which shows the modification of the same apparatus. 第4の実施形態に係る表面形状計測装置の側面図。The side view of the surface shape measuring device which concerns on 4th Embodiment. 同装置の上面図。The top view of the same apparatus. 第5の実施形態に係る表面形状計測装置の側面図。The side view of the surface shape measuring device which concerns on 5th Embodiment. 第6の実施形態に係る表面形状計測装置のイメージセンサ周辺の側面図。The side view of the image sensor periphery of the surface shape measuring device according to the sixth embodiment. 第7の実施形態に係る表面形状計測装置のブロック構成図。The block block diagram of the surface shape measuring device which concerns on 7th Embodiment.

以下、本発明の実施形態に係る表面形状計測装置および表面形状計測方法について、図面を参照して説明する。 A surface profile measuring apparatus and a surface profile measuring method according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施形態:表面形状計測方法)
図1乃至図4を参照して、第1の実施形態に係る表面形状計測方法を説明する。図1、図2に示すように、本表面形状計測方法は、被測定物である物体4の被測定面の形状を、ホログラフィを用いて計測する方法であって、光学系設定工程(#1)から表面形状計測工程(#7)までの工程を備えている。
(First embodiment: surface shape measuring method)
A surface shape measuring method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, this surface shape measuring method is a method of measuring the shape of the surface to be measured of an object 4, which is the object to be measured, using holography. ) to the surface shape measurement step (#7).

光学系設定工程(#1)では、仮想的に設定した仮想平面VPに関して互いに鏡像配置となるように、球面波照明光Qの集光点である照明光集光点Pとインライン球面波参照光Lの集光点である参照光集光点Pとが設定される。また、参照光集光点Pから仮想平面VPを斜めに通過する直線がイメージセンサ5の受光面50の略中心となりかつ受光面50に略垂直となるようにイメージセンサ5を配置し、直線と仮想平面VPとの交点位置に基準点Pが設定される。つまり、イメージセンサ5の光軸が受光面50の中心における法線として設定され、その光軸上に基準点Pと参照光集光点Pとが配置される。また、試料台7の載置面に参照面40aを有する平行平面基板40が底面基準の配置で保持され、参照面40aが仮想平面VPに接するように試料台7の位置と角度、および光学系の全体が調整設定される。これらの設定が完了すると、試料台7とイメージセンサ5とを含む光学系の設定が終了し、基準点Pが仮想平面VP上の点かつ参照面40a上の点となる。 In the optical system setting step (#1), the illumination light condensing point PQ, which is the condensing point of the spherical wave illumination light Q , and the in-line spherical wave reference are arranged so as to be mirror images of each other with respect to the virtually set virtual plane VP. A reference light condensing point PL, which is the condensing point of the light L , is set. Further, the image sensor 5 is arranged so that a straight line obliquely passing through the virtual plane VP from the reference light condensing point PL is substantially at the center of the light receiving surface 50 of the image sensor 5 and substantially perpendicular to the light receiving surface 50, and the straight line and the virtual plane VP . That is, the optical axis of the image sensor 5 is set as the normal to the center of the light receiving surface 50, and the reference point PO and the reference light condensing point PL are arranged on the optical axis. In addition, a plane-parallel substrate 40 having a reference surface 40a on the mounting surface of the sample table 7 is held in a bottom-based arrangement, and the position and angle of the sample table 7 and the optical system are adjusted so that the reference surface 40a is in contact with the virtual plane VP. is adjusted and set. When these settings are completed, the setting of the optical system including the sample stage 7 and the image sensor 5 is completed, and the reference point PO becomes a point on the virtual plane VP and the reference plane 40a.

底面基準(背面基準ともいう)の配置は、平行平面基板40の参照面40aをイメージセンサ5に向け、平行平面基板40の底面(参照面40aの対向面、背面、裏面ともいう)を試料台7の載置面に向けて、平行平面基板4を試料台7に保持させる配置である。被測定物である物体4も同様に、被測定面4aをイメージセンサ5に向けて、底面基準の配置で試料台7に保持される。 The bottom reference (also referred to as back reference) arrangement is such that the reference surface 40a of the parallel plane substrate 40 faces the image sensor 5, and the bottom surface of the parallel plane substrate 40 (also referred to as the opposite surface, back surface, or back surface of the reference surface 40a) faces the sample stage. In this arrangement, the plane-parallel substrate 4 is held on the sample table 7 so as to face the mounting surface of 7 . Similarly, the object 4, which is the object to be measured, is held on the sample stage 7 with the surface 4a to be measured directed toward the image sensor 5 and arranged on the basis of the bottom surface.

光学系の設定は、上記の構成のもとで、イメージセンサ5によって、球面波参照光L、および平行平面基板40の参照面40aによる球面波光Qの反射光である物体光O、の各光の2種類のホログラムをオフアクシス参照光Rによって取得して行われる。球面波参照光Lのホログラムは、試料台7と平行平面基板40が球面波参照光Lの光路上にない状態で、取得される。コンピュータ上で各光源のホログラムを再生することにより、設定の成否を確認しつつ調整設定が行われる。各球面波光Q,L、およびオフアクシス参照光Rは、一つの光源から放たれた互いにコヒーレントなレーザ光である。 Under the above configuration, the optical system is set so that the image sensor 5 detects the spherical wave light L and the object light O which is the reflected light of the spherical wave light Q from the reference surface 40a of the parallel plane substrate 40. are acquired by the off-axis reference beam R. The hologram of the spherical-wave reference beam L is acquired in a state where the sample stage 7 and the parallel plane substrate 40 are not on the optical path of the spherical-wave reference beam L. FIG. By reproducing the hologram of each light source on a computer, adjustment setting is performed while confirming the success or failure of the setting. Each of the spherical wave lights Q, L and the off-axis reference light R are mutually coherent laser lights emitted from one light source.

平行平面基板40は、例えば、平坦度と平行度の値がサブミクロンの精度を有するJIS規格のオプチカルパラレルを用いることができる。各集光点P,P、すなわち各球面波光Q,Lの光源の位置は、例えば、ピンホール板のピンホール位置によって設定される。また、仮想平面VPの位置に、参照平面40aを配置するように試料台7を調整して設定するため要求される精度は、ねじなどの機械的な操作で調整可能な精度で済ますことができる。これは、この表面形状計測方法では、表面形状測定の測定精度をnm(ナノメータ)オーダに高精度化する処理を、画像再生時にコンピュータ内の後処理で行うことによる。 For the plane-parallel substrate 40, for example, a JIS-standard optical parallel substrate having submicron accuracy in flatness and parallelism can be used. The positions of the condensing points P Q and P L , that is, the positions of the light sources of the spherical wave lights Q and L are set, for example, by the pinhole positions of the pinhole plate. In addition, the accuracy required for adjusting and setting the sample table 7 so as to place the reference plane 40a at the position of the virtual plane VP can be achieved with an accuracy that can be adjusted by mechanical operations such as screws. . This is because, in this surface shape measuring method, a process for increasing the measurement accuracy of the surface shape measurement to the nm (nanometer) order is performed as post-processing in the computer during image reproduction.

物体設定工程(#2)では、試料台7から平行平面基板40を取り除き、物体4の被測定面4aを照明光集光点Pに望ませて、物体4を底面基準の配置で試料台7に保持させる。物体4は、例えば、半導体工業におけるシリコン基板などのように、一般に平行平面基板40とは厚さが異なる。そこで、物体4の被測定面4aが仮想平面VPに接するように、試料台7を移動させる位置調整装置を用いて、試料台7の位置を調整する。試料台7の移動は、仮想平面VPに対して接近または離間させる移動であって、仮想平面VPへの垂直方向の移動である。 In the object setting step (#2), the plane-parallel substrate 40 is removed from the sample table 7, the surface 4a to be measured of the object 4 is viewed from the illumination light condensing point PQ , and the object 4 is arranged on the sample table with the bottom surface as the reference. Hold at 7. The object 4 is generally of a different thickness than the plane-parallel substrate 40, such as, for example, silicon substrates in the semiconductor industry. Therefore, the position of the sample table 7 is adjusted using a position adjusting device for moving the sample table 7 so that the surface 4a to be measured of the object 4 is in contact with the virtual plane VP. The movement of the sample table 7 is movement toward or away from the virtual plane VP, and movement in the vertical direction to the virtual plane VP.

被測定面4aが仮想平面VPに接するようにするとは、被測定面4aを仮想平面VPに近づけて、表面形状計測が可能な状態にするという意味である。仮想平面VPは、仮想であるゆえに被測定物の内部に入り込むことができ、そのような状態も、計測可能な接する状態に含まれる。 Bringing the surface 4a to be measured into contact with the virtual plane VP means bringing the surface 4a to be measured close to the virtual plane VP so that the surface profile can be measured. Since the virtual plane VP is virtual, it can enter the inside of the object to be measured, and such a state is also included in the measurable contact state.

この調整は、予めフォーカス位置として定めた位置に物体表面を移動させるように、物体表面の位置を光学的に検出する装置である位置検出部を用いて、位置を検出して行われる。位置検出部は、例えば、アクティブ自動フォーカスの技術を用いて物体表面の位置を光学的に検出する。位置検出部の光学系は、表面形状計測方法を実施する光学系と一体的に構成されている。 This adjustment is performed by detecting the position using a position detection unit, which is a device for optically detecting the position of the object surface, so as to move the object surface to a position determined as a focus position in advance. The position detector optically detects the position of the object surface, for example using the technique of active autofocus. The optical system of the position detection unit is configured integrally with an optical system that implements the surface profile measurement method.

この調整では、初めに、試料台7に平行平面基板40が保持されている状態で、例えば、仮想平面VP上の点かつ参照面40a上の点となるように調整された基準点Pの位置に、位置検出部によるフォーカス位置が設定される。その後、平行平面基板40を取り除いて、物体4を試料台7に保持させる。位置検出部によってフォーカス位置に対する被測定面4aの位置を確認しつつ、位置調整装置によって試料台7を移動させて、基準点Pであるフォーカス位置が被測定面4a上にくるように位置調整する。この位置調整は、位置検出部の出力に基づいて、位置調整装置を自動または手動で操作して実施される。 In this adjustment, first, with the plane-parallel substrate 40 held on the sample table 7, for example, the reference point PO is adjusted to be a point on the virtual plane VP and a point on the reference plane 40a . The position is set to the focus position by the position detection unit. After that, the plane-parallel substrate 40 is removed and the object 4 is held on the sample stage 7 . While confirming the position of the surface to be measured 4a with respect to the focus position by the position detection unit, the position adjustment device moves the sample table 7 so that the focus position, which is the reference point PO , is positioned on the surface to be measured 4a. do. This position adjustment is performed by automatically or manually operating a position adjustment device based on the output of the position detection section.

この位置調整を位置検出部の出力に基づいて、一体的に構成されている位置検出部の光学系と表面形状計測方法を実施する光学系とを位置調整装置として自動または手動で操作して実施することも可能である。例えば大型のシリコンウエハなどは吸着されて回転機構の上に設置されることもあるので、位置調整装置を底面に設置するより一体的に構成されている位置検出部の光学系と表面形状計測方法を実施する光学系とを移動させるほうが好ましい場合がある。 Based on the output of the position detector, this position adjustment is performed by automatically or manually operating the integrated optical system of the position detector and the optical system for performing the surface profile measurement method as a position adjusting device. It is also possible to For example, since a large silicon wafer may be sucked and placed on the rotating mechanism, the optical system of the position detection unit and the surface shape measurement method are integrated rather than installing the position adjustment device on the bottom surface. It may be preferable to move the optical system that performs the

試料台7の移動は、2つの集光点P,Pを結ぶ線分の方向に沿う平行移動によって行われる。なお、種々の被測定物に対応可能とするために、試料台7における被測定物の載置面の角度を調整可能にする3点支持機構などを試料台7に備えて、平行移動以外に、傾角調整を行うようにしてもよい。調整完了までの試料台7の平行移動による移動距離ηと、平行平面基板40の既知の厚さdとから、物体4の厚さDが、D=d-η(Dが厚いとき)またはD=d+η(Dが薄いとき)によって得られる。 The movement of the sample table 7 is performed by parallel movement along the direction of the line connecting the two focal points P Q and P L . In addition, in order to be able to handle various objects to be measured, the sample stage 7 is provided with a three-point support mechanism or the like for adjusting the angle of the mounting surface of the object to be measured on the sample stage 7. , tilt angle adjustment may be performed. Based on the movement distance η due to parallel movement of the sample table 7 until the adjustment is completed and the known thickness d of the plane-parallel substrate 40, the thickness D of the object 4 is D=d−η (when D is thick) or D = d + η (when D is thin).

オフアクシスホログラム取得工程(#3)では、仮想平面VPの位置における被測定面4aを、球面波照明光Qで斜め照明し、反射光である物体光Oのデータが、オフアクシス参照光Rを用いて、物体光オフアクシスホログラムIORとして、イメージセンサ5で取得される。 In the off-axis hologram acquisition step (#3), the surface to be measured 4a at the position of the virtual plane VP is obliquely illuminated with the spherical wave illumination light Q, and the data of the object light O, which is the reflected light, is obtained from the off-axis reference light R. is acquired by the image sensor 5 as an object beam off-axis hologram IOR .

同様に、物体4と試料台7が球面波参照光Lの光路上にない状態で、仮想平面VPを斜めに通過してイメージセンサ5に入射するインライン球面波参照光Lのデータが、オフアクシス参照光Rを用いて参照光オフアクシスホログラムILRとして、イメージセンサ5で取得される。これらの2種類のオフアクシスホログラムIOR,ILRのデータは、同時には取得できない。また、オフアクシス参照光Rの照射条件などは、両データの取得の際に、同じに条件に保つ必要がある。 Similarly, when the object 4 and the sample stage 7 are not on the optical path of the spherical wave reference light L, the data of the inline spherical wave reference light L that obliquely passes through the virtual plane VP and is incident on the image sensor 5 is off-axis. Using the reference beam R, it is acquired by the image sensor 5 as a reference beam off-axis hologram ILR . The data of these two types of off-axis holograms I OR and I LR cannot be acquired at the same time. Also, the irradiation conditions of the off-axis reference beam R must be kept the same when both data are acquired.

物体光ホログラム生成工程(#4)では、球面波参照光Lが球面波光であることを用いる計算処理によって、2種類のオフアクシスホログラムILR,IORのデータから、イメージセンサ5の受光面50(z=0)をホログラム面とする、物体光Oの光波を表す物体光ホログラムgが生成される。 In the object light hologram generation step (#4), the light receiving surface 50 of the image sensor 5 is obtained from the data of the two types of off-axis holograms I LR and I OR by calculation processing using the fact that the spherical wave reference light L is spherical wave light. An object light hologram g representing a light wave of the object light O is generated with (z=0) as the hologram plane.

計測用物体光ホログラム生成工程(#5)では、受光面50(z=0)における物体光ホログラムgが光伝播計算によって仮想平面VPの位置(z=z)のホログラムに変換され、さらに、受光面50に対する仮想平面VPの傾角αに従って回転変換される。これにより、仮想平面VP(z=z)における計測用の再生物体光ホログラムhが生成される。 In the measurement object light hologram generation step (#5), the object light hologram g on the light receiving surface 50 (z=0) is converted into a hologram at the position (z=z 0 ) on the virtual plane VP by light propagation calculation, and further, It is rotationally transformed according to the inclination angle α O of the virtual plane VP with respect to the light receiving surface 50 . Thereby, a reconstructed object light hologram hV for measurement on the virtual plane VP (z= z0 ) is generated.

参照点検出工程(#6)では、光伝搬変換によって物体光ホログラムgを伝播させ、参照光集光点Pの近傍で、物体光Oが集光する位置を検出し、その位置を、仮想平面VPに対する照明光集光点Pの真の鏡像点として、形状計測用の参照点S1に設定する。参照点S1の位置情報は、参照光集光点Pの位置情報を較正した情報といえる。この参照点S1の位置情報を用いることにより、被測定面の高精度な測定が可能になる。 In the reference point detection step (#6), the object light hologram g is propagated by light propagation conversion, the position where the object light O is condensed is detected near the reference light condensing point PL, and the position is converted into a virtual A reference point S1 for shape measurement is set as a true mirror image point of the illumination light condensing point PQ with respect to the plane VP. The positional information of the reference point S1 can be said to be information obtained by calibrating the positional information of the reference light condensing point PL. By using the positional information of this reference point S1, highly accurate measurement of the surface to be measured becomes possible.

球面波光ホログラム生成工程(#7)では、形状計測用の参照点S1から放たれる球面波光のホログラムが、仮想平面VPにおいて、球面波光ホログラムsとして、解析的に生成される。球面波光ホログラムsは、フィゾー干渉計などにおいて基準平面となる従来の物理的な参照基板における参照平面を、コンピュータ内で実現する。 In the spherical wave optical hologram generation step (#7), a hologram of spherical wave light emitted from the reference point S1 for shape measurement is analytically generated as a spherical wave optical hologram sV on the virtual plane VP. The spherical wave optical hologram sV is a computer realization of a reference plane in a conventional physical reference substrate, such as the reference plane in a Fizeau interferometer.

表面形状計測工程(#8)では、再生物体光ホログラムhと、球面波光ホログラムsと、の位相差の面分布を用いて、物体4の被測定面4aの表面形状が算出される。位相差の面分布は、再生物体光ホログラムhを球面波光ホログラムsで除算し、物体光Oと球面波光ホログラムsとに関する計測用の複素振幅インラインホログラムJ OSを生成することにより、その複素振幅インラインホログラムJ OSの位相の面分布として得られる。 In the surface profile measurement step (#8), the surface profile of the measured surface 4a of the object 4 is calculated using the surface distribution of the phase difference between the reconstructed object optical hologram hV and the spherical wave optical hologram sV . The planar distribution of the phase difference is obtained by dividing the reconstructed object beam hologram hV by the spherical wave optical hologram sV to produce the complex amplitude in-line hologram JV OS for measurement with respect to the object beam O and the spherical wave optical hologram sV : It is obtained as the surface distribution of the phase of the complex amplitude inline hologram J V OS .

(光学系の設定の詳細)
図2に示す試料台7および光学系の設定は次のように行われる。イメージセンサ5の光軸上にインライン球面波参照光Lの集光点である参照光集光点Pを配置し、光軸から外れた位置に球面波照明光Qの集光点である照明光集光点Pを配置する。これらの、各光源P,Pとイメージセンサ5の配置設定は、以後、固定される。仮想平面VPの設定は、仮想的な仮想平面VPの位置情報を、試料台7と平行平面基板40の組み合わせによって、試料台7の位置という実体的な情報として固定する工程である。図中に2つの右手系直交座標系が設定されている。原点がイメージセンサ5の受光面50の中央に設定されるxyzと、仮想平面VPに設定されているx’y’z’座標系である。イメージセンサ5の光軸はz軸である。
(Details of optical system settings)
The sample stage 7 and the optical system shown in FIG. 2 are set as follows. A reference light condensing point PL, which is the condensing point of the inline spherical wave reference light L , is arranged on the optical axis of the image sensor 5, and an illumination light, which is the condensing point of the spherical wave illumination light Q, is located off the optical axis. A light condensing point PQ is arranged. These arrangement settings of the light sources P Q and P L and the image sensor 5 are fixed thereafter. The setting of the virtual plane VP is a process of fixing the positional information of the virtual virtual plane VP as substantial information of the position of the sample stage 7 by combining the sample stage 7 and the parallel plane substrate 40 . Two right-handed orthogonal coordinate systems are set in the figure. An xyz coordinate system whose origin is set at the center of the light receiving surface 50 of the image sensor 5 and an x'y'z' coordinate system set on the virtual plane VP. The optical axis of the image sensor 5 is the z-axis.

仮想平面VPは、参照光集光点Pと照明光集光点Pとを結ぶ線分を垂直に2等分する平面である。仮想平面VPと光軸との交点位置に平行平面基板40の位置を示す基準点Pが設定される。試料台7は、平行平面基板40を試料台7に固定したときに、平行平面基板40の参照面40aが仮想平面VPに接するように調整される。そのような調整が達成できたか否かの判断は、反射光である物体光Oと参照光Lの各々のホログラムを用いて行なわれる。試料台7の調整は、以下のように行われる。 The virtual plane VP is a plane that vertically bisects a line segment connecting the reference light condensing point PL and the illumination light condensing point PQ . A reference point PO indicating the position of the plane-parallel substrate 40 is set at the intersection of the virtual plane VP and the optical axis. The sample stage 7 is adjusted so that the reference surface 40a of the parallel plane substrate 40 is in contact with the virtual plane VP when the parallel plane substrate 40 is fixed to the sample stage 7 . Whether or not such adjustment has been achieved is determined using the holograms of the object beam O and the reference beam L, which are reflected beams. The sample table 7 is adjusted as follows.

参照平面40aを有する平行平面基板40を試料台7に固定して球面波照明光Qによって照明し、平行平面基板40からの反射光のデータを、オフアクシス参照光Rを用いて物体光オフアクシスホログラムIORとして取得する。参照平面基板40(と試料台7、以下同様)が配置されていない状態で、光路を遮られることなく、仮想平面VPを通過してイメージセンサ5に入射するインライン球面波参照光Lのデータを、オフアクシス参照光Rを用いて参照光オフアクシスホログラムILRとして取得する。両ホログラムIOR,ILRの位相差の面分布を求め、位相差の面内変化が低減するように、試料台7の位置(傾きすなわち姿勢も含む)を変えることによって、試料台7の調整を行う。なお、位相差の面分布は、物体光オフアクシスホログラムIORを参照光オフアクシスホログラムILRで除算して得られる複素振幅インラインホログラムJOLの位相分布として得られる。 A plane-parallel substrate 40 having a reference plane 40a is fixed to the sample table 7 and illuminated with spherical wave illumination light Q, and data of reflected light from the plane-parallel substrate 40 is obtained by using off-axis reference light R to obtain off-axis object light. Obtained as hologram I OR . The data of the in-line spherical wave reference light L that passes through the virtual plane VP and is incident on the image sensor 5 without being interrupted in the optical path without the reference plane substrate 40 (and the sample table 7, the same applies hereinafter) is obtained. , is obtained as a reference beam off-axis hologram ILR using the off-axis reference beam R. The in-plane distribution of the phase difference between the holograms I OR and I LR is obtained, and the sample stage 7 is adjusted by changing the position (including the inclination or posture) of the sample stage 7 so as to reduce the in-plane variation of the phase difference. I do. The plane distribution of the phase difference is obtained as the phase distribution of the complex amplitude in-line hologram JOL obtained by dividing the object light off-axis hologram IOR by the reference light off-axis hologram ILR .

より具体的には、インライン球面波参照光Lと球面波照明光Qの各集光点を配置し、最初は、平行平面基板40がない状態として、インライン球面波参照光Lとオフアクシス参照光Rとが作る干渉縞ILRを記録する。次に、試料台7に、平行平面基板40を固定して、球面波照明光Qで照明する。照明光集光点Pの、平行平面基板40の参照面40aに関する対称点が、参照光集光点Pに近づくように、言い換えると、平行平面基板40の参照面40aが、参照光集光点Pと照明光集光点Pとを結ぶ線分を垂直に2等分する平面に一致するように、試料台7の位置(距離zおよび一般に2方向の傾角α)を機械的に調整し、参照面40aからの反射光である物体光Oとオフアクシス参照光Rとが作る干渉縞IORを記録する。 More specifically, the condensing points of the inline spherical wave reference light L and the spherical wave illumination light Q are arranged, and initially, the inline spherical wave reference light L and the off-axis reference light are arranged without the plane-parallel substrate 40. Record the interference fringes ILR produced by R. Next, the plane-parallel substrate 40 is fixed to the sample stage 7 and illuminated with the spherical wave illumination light Q. As shown in FIG. The symmetrical point of the illumination light condensing point PQ with respect to the reference surface 40a of the plane-parallel substrate 40 approaches the reference light condensing point PL. The position of the sample stage 7 (distance z O and generally two-direction inclination α O ) is adjusted so as to coincide with a plane that vertically bisects the line segment connecting the light point P L and the illumination light condensing point P Q . After mechanical adjustment, the interference fringes IOR formed by the object light O, which is the reflected light from the reference surface 40a, and the off-axis reference light R are recorded.

空間周波数フィルタリングを行って、各干渉縞IORとILRから、それぞれの実像成分を表す複素振幅オフアクシスホログラムJORとJLRを取り出し、JORをJLRで除算して複素振幅インラインホログラムJOLを得る。複素振幅インラインホログラムJOLの位相(θ-θ)は、受光面50におけるインライン球面波参照光Lと物体光Oの位相差を表す。照明光集光点Pの対称点が参照光集光点Pに近づくと、JOLの位相成分exp[i(θ-θ)]の面分布が、受光面50上で変化の少ない一定値の面分布に近づく。また、点Pの対称点が点Pから離れるほど、位相成分exp[i(θ-θ)]は値がより激しく変化する面分布となる。 Spatial frequency filtering is performed to extract from each interference fringe I OR and I LR the complex amplitude off-axis holograms J OR and J LR representing the respective real image components, and J OR is divided by J LR to obtain the complex amplitude in-line hologram J Get an OL . The phase (θ O −θ L ) of the complex amplitude inline hologram J OL represents the phase difference between the inline spherical wave reference beam L and the object beam O at the light receiving surface 50 . When the symmetrical point of the illumination light condensing point PQ approaches the reference light condensing point P L , the planar distribution of the phase component exp[i(θ O −θ L )] of J OL changes on the light receiving surface 50. It approaches a surface distribution with a small constant value. Further, the phase component exp[i(θ O −θ L )] has a surface distribution in which the value changes more drastically as the symmetrical point of the point P Q is farther from the point P L .

点Pの対称点と参照光集光点Pとの距離が、z軸に垂直な方向に分解能δ=λ/(2NA)以上、またはz軸方向に焦点深度DOF=λ/(2NA)以上、離れると、位相成分exp[i(θ-θ)]の分布は、ホログラム面上で振動的に変化する。ここに、NAは記録されるホログラムの開口数であり、その数値はイメージセンサ5の開口面の大きさとイメージセンサ5から集光点までの距離とで決まる。 The distance between the symmetrical point of the point PQ and the reference beam condensing point PL is the resolution δ = λ/(2NA) or more in the direction perpendicular to the z-axis, or the depth of focus DOF=λ/(2NA 2 ) above, the distribution of the phase component exp[i(θ O −θ L )] vibrates on the hologram plane as it moves away. Here, NA is the numerical aperture of the recorded hologram, and its numerical value is determined by the size of the aperture of the image sensor 5 and the distance from the image sensor 5 to the condensing point.

複素振幅インラインホログラムJOLの位相成分exp[i(θ-θ)]の変化が十分に小さくなるように距離zと傾き角αを調整して、平行平面基板40の参照面40aに接する平面を仮想平面VPとして決定して、試料台7の調整を完了する。参照光Lと照明光Qは、調整された参照面40aを挟んで対称になり、参照面40aにおける照明光Qと参照光Lの位相差(θ-θ)のx’y’面分布は、変化の小さいほぼ一定の値になる。 The distance z O and the tilt angle α O are adjusted so that the change in the phase component exp[i(θ O −θ L )] of the complex amplitude inline hologram J OL is sufficiently small, and the reference surface 40 a of the plane-parallel substrate 40 is is determined as a virtual plane VP, and the adjustment of the sample table 7 is completed. The reference light L and the illumination light Q are symmetrical with respect to the adjusted reference surface 40a, and the x'y' plane distribution of the phase difference (θ O −θ L ) between the illumination light Q and the reference light L on the reference surface 40a is becomes a nearly constant value with small changes.

(測定可能な形状)
本実施形態の表面形状計測方法は、仮想平面VPにおける照明光Qの位相と被測定面4aからの照明光Qの反射光である物体光Oとの位相の差から、基準平面とした仮想平面VPからの被測定面4aの高さが求められる、という原理に基づくものであり、同時に、被測定物の底面を基準とする底面基準のもとで底面に対する被測定面の平行度を測定したり、被測定物の厚さや傾斜角および凹面または凸面の形状を測定したりすることができる。この原理による測定を実現するために、球面波参照光L、および参照光集光点Pの位置情報を計算機内で適正化(較正)した情報である形状計測用の参照点S1の位置情報が用いられ、また後述の傾斜角および曲率計測用の参照点S0の位置情報が用いられる。
(Measurable shape)
The surface shape measuring method of the present embodiment uses a virtual plane as a reference plane based on the phase difference between the phase of the illumination light Q on the virtual plane VP and the object light O, which is the reflected light of the illumination light Q from the surface 4a to be measured. It is based on the principle that the height of the surface to be measured 4a from VP is obtained, and at the same time, the parallelism of the surface to be measured with respect to the bottom surface is measured on the basis of the bottom surface of the object to be measured. It is also possible to measure the thickness, inclination angle, and concave or convex shape of the object to be measured. In order to realize measurement based on this principle, the positional information of the reference point S1 for shape measurement, which is information obtained by correcting (calibrating) the positional information of the spherical wave reference light L and the reference light condensing point PL in the computer. is used, and the position information of the reference point S0 for tilt angle and curvature measurement, which will be described later, is used.

被測定面4a上の一点を仮想平面VP上の点とするための手段として、上述のように位置検出部と、位置調整装置と、を用いる。位置検出部は、アクティブ自動フォーカスの技術を用いて、数十nm以下の精度で被測定面4a上の表面位置を検出でき、設定隔差εが数十nm以下となるように位置調整装置によって位置を調整して、このような設定隔差εの影響を抑えることができる。 As a means for setting one point on the surface 4a to be measured to a point on the virtual plane VP, the position detection section and the position adjustment device are used as described above. The position detection unit can detect the surface position on the surface to be measured 4a with an accuracy of several tens of nanometers or less using active autofocus technology, and the position adjustment device adjusts the position so that the set gap ε is several tens of nanometers or less. can be adjusted to suppress the influence of such a set interval ε.

位置調整装置は、手動の場合、例えば、マイクロメータ付きの移動台と試料台7とを一体化し、位置検出部のフォーカス手段で得た差動検出信号を見ながら、信号値が零となるように手動で移動台を調整する装置とすればよい。自動調整の場合は、例えば、電気的に駆動する試料台7として、スッテプモータで駆動するものまたはピエゾアクチュエータで駆動するものを用いて、位置検出部のフォーカス手段で得た差動検出信号を駆動信号として電気的に試料台7を駆動しサーボ動作をさせて調整すればよい。 When the position adjustment device is manual, for example, a moving table with a micrometer and the sample table 7 are integrated, and while observing the differential detection signal obtained by the focusing means of the position detection unit, the signal value becomes zero. A device that manually adjusts the moving table may be used. In the case of automatic adjustment, for example, as the electrically driven sample table 7, one driven by a step motor or one driven by a piezo actuator is used, and the differential detection signal obtained by the focus means of the position detection unit is driven. The signal may be used to electrically drive the sample stage 7 to perform a servo operation for adjustment.

(ホログラムデータとその処理)
データ処理を数式表現に基づいて説明する。処理されるホログラムに関連するオフアクシス参照光R、インライン球面波参照光L、物体光Oは、xyz座標系(図2参照)と、一般的な表示形式とを用いて下式(1)(2)(3)で表される。
(Hologram data and its processing)
Data processing will be explained based on mathematical expressions. The off-axis reference beam R, the in-line spherical wave reference beam L, and the object beam O associated with the hologram to be processed are represented by the following equation (1) ( 2) Represented by (3).

Figure 2022162306000002
Figure 2022162306000002

物体光Oとオフアクシス参照光Rが作る合成光の光強度IOR、およびインライン球面波参照光Lとオフアクシス参照光Rが作る合成光の光強度ILRは、それぞれ下式(4)(5)で表される。これらの光強度IOR,ILRが、イメージセンサ5を通して、ホログラムのデータとして取得される。 The light intensity I OR of the combined light produced by the object light O and the off-axis reference light R, and the light intensity I LR of the combined light produced by the in-line spherical wave reference light L and the off-axis reference light R are given by the following equation (4) ( 5). These light intensities I OR and I LR are obtained as hologram data through the image sensor 5 .

Figure 2022162306000003
Figure 2022162306000003

上式(4)(5)をそれぞれフーリエ変換して空間周波数空間における表現に変換し、バンドパスフィルタによるフィルタリングして上式右辺から第3項のみを抽出し、それぞれを逆フーリエ変換する。この処理により、物体光Oを記録した物体光複素振幅ホログラムJORと、インライン球面波参照光Lを記録した複素振幅ホログラムJLRが、下式(6)(7)のように得られる。 The above equations (4) and (5) are respectively Fourier-transformed into representations in the spatial frequency space, filtered by a band-pass filter to extract only the third term from the right side of the above equations, and subjected to inverse Fourier transformation. By this processing, an object beam complex amplitude hologram J OR recording the object beam O and a complex amplitude hologram J LR recording the inline spherical wave reference beam L are obtained as shown in the following equations (6) and (7).

Figure 2022162306000004
Figure 2022162306000004

上記の式(6)を式(7)で割る除算処理を行うことにより、インライン球面波参照光Lに対する物体光Oの複素振幅インラインホログラムJOLが下式(8)のように得られる。この除算処理は、位相の引き算を行う処理、すなわち周波数変換を行う処理であり、ヘテロダイン変調の処理である。 A complex amplitude inline hologram JOL of the object light O with respect to the inline spherical wave reference light L is obtained as shown in the following formula (8) by dividing the above formula (6) by the formula (7). This division process is a process of performing phase subtraction, that is, a process of performing frequency conversion, and is a process of heterodyne modulation.

Figure 2022162306000005
Figure 2022162306000005

インライン球面波参照光Lは、参照光Rのデータをオフアクシスホログラムである参照光ホログラムILRとして取得して保存するための参照光であり、かつ、ホログラムデータのディジタル処理における基準光としての役割を有する。参照光ホログラムILRは、オフアクシス参照光Rを同じ条件下に維持して複数の物体光ホログラムI ORを取得する場合、1枚のオフアクシスホログラムILRを取得すればよい。 The in-line spherical wave reference beam L is a reference beam for acquiring and storing the data of the reference beam R as a reference beam hologram ILR , which is an off-axis hologram, and also serves as a reference beam in digital processing of hologram data. have When obtaining a plurality of object beam holograms I j OR while maintaining the off-axis reference beam R under the same condition, it is sufficient to obtain a single off-axis hologram I LR .

(インライン球面波参照光Lの成分と乗算因子)
次に、式(8)において、両辺に乗算因子L(x,y)exp(iφ(x,y))を乗じることにより、振幅因子Lによる振幅変調と、位相因子exp(iφ)によるヘテロダイン変調が実行され、ホログラム面(z=0)における物体光Oの光波を表す物体光ホログラムg(x,y)が下式(9)のように得られ、物体光Oが再生される。
(Component of in-line spherical wave reference light L and multiplication factor)
Next, in equation (8), by multiplying both sides by a multiplication factor L 0 (x, y) exp(iφ L (x, y)), amplitude modulation by the amplitude factor L 0 and phase factor exp(iφ L ) is performed, and an object light hologram g(x, y) representing the light wave of the object light O on the hologram plane (z=0) is obtained as shown in the following equation (9), and the object light O is reproduced. be.

Figure 2022162306000006
Figure 2022162306000006

この乗算の処理は、上式(8)からインライン球面波参照光Lの成分を除去する処理であり、物体光Oの光波だけを含むホログラムgを生成する。このホログラムの用語は、光波の再生に必要なデータを全て含むという意味で用いられており、以下同様である。 This multiplication process is a process of removing the component of the inline spherical wave reference light L from the above equation (8), and generates a hologram g containing only the light wave of the object light O. FIG. The term hologram is used to mean that it contains all the data necessary to reconstruct the light wave, and so on.

上述の乗算因子Lexp(iφ)をインライン参照光ホログラムjと称する。これは、乗算因子Lexp(iφ)が球面波であり、インライン球面波参照光Lの集光点Pから発せられる球面波が空気中を伝播してイメージセンサ5に到達した光波を表すからである。このホログラムjは、空気中を伝播して球面波としてイメージセンサ5に到達する。従って、乗算因子は、集光点Pの位置情報を用いて解析的に得られる。 The above multiplication factor L 0 exp(iφ L ) is called the in-line reference beam hologram j L . This is because the multiplication factor L 0 exp(iφ L ) is a spherical wave, and the spherical wave emitted from the condensing point P L of the in-line spherical wave reference light L propagates in the air and reaches the image sensor 5 . because it represents This hologram jL propagates through the air and reaches the image sensor 5 as a spherical wave. Therefore, the multiplication factor is obtained analytically using the positional information of the focal point PL .

なお、後述の図5等における光学系のように、インライン球面波参照光Lが、空気中以外に、ビーム結合器3などを通過する場合、イメージセンサ5における波面は、球面波から変形した波面となる。この場合、ホログラムjは、平面波展開を用いる光伝播計算によって算出される(後述)。 Note that when the in-line spherical wave reference light L passes through the beam coupler 3 or the like in a place other than air, as in the optical system in FIG. becomes. In this case, the hologram jL is calculated by light propagation calculations using plane wave expansion (described below).

(距離ρ,zと傾角αの測定、平面波展開、光伝播計算)
表面形状の測定は、被測定面における反射光を被測定面すなわち仮想平面に平行な位置で再生して行なわれる。その再生には、イメージセンサ5における受光面50に対し、仮想平面VPまでの距離z、仮想平面VPの傾角α、参照光集光点Pまでの距離ρが必要である。これらの値は、ホログラフィを使ったターゲットの画像記録と再生によって高精度で求められる。
(Measurement of distance ρ, zO and inclination angle αO , plane wave expansion, calculation of light propagation)
The surface profile is measured by reproducing reflected light from the surface to be measured at a position parallel to the surface to be measured, that is, a virtual plane. The reproduction requires the distance z O to the virtual plane VP, the inclination α O of the virtual plane VP, and the distance ρ to the reference light condensing point P L with respect to the light receiving surface 50 of the image sensor 5 . These values are determined with high accuracy by image recording and reconstruction of the target using holography.

図2に示す光学系において、例えば、透明な平面ガラス基板に不透明薄膜によって形成された寸法が正確に分かったパターンを備える平面ターゲットを、調整済みの試料台7にパターンが仮想平面VPに接するように、パターン側を試料台7に向けて固定する。ここで、試料台7は、光軸まわりに開口を有して、インライン球面波参照光Lが通過できるものとする。インライン球面波参照光Lで照明されたターゲットを透過した光を物体光Oとして、オフアクシス物体光ホログラムIORを記録する。ホログラムIOR,ILRから受光面50における物体光ホログラムgを求め、下記のように物体光gの光伝播計算と回転変換を行って、ターゲット面位置での合焦点画像を再生する。 In the optical system shown in FIG. 2, for example, a planar target comprising a pattern of precisely known dimensions formed by an opaque thin film on a transparent planar glass substrate is placed on the pre-adjusted sample stage 7 so that the pattern is in contact with the virtual plane VP. Next, the pattern side is directed toward the sample table 7 and fixed. Here, it is assumed that the sample stage 7 has an opening around the optical axis so that the in-line spherical wave reference light L can pass through. The off-axis object beam hologram IOR is recorded with the beam transmitted through the target illuminated by the in-line spherical wave reference beam L as the object beam O. The object light hologram g on the light receiving surface 50 is obtained from the holograms I OR and I LR , and the light propagation calculation and rotational transformation of the object light g are performed as described below to reproduce a focused image at the target surface position.

上式(9)の物体光ホログラムg(x,y)をフーリエ変換することによって物体光Oの光波を平面波展開して、物体光Oの空間周波数スペクトルG(u,v)が下式(10)で得られる。位置z=zにおける物体光Oの空間周波数スペクトルH(u,v)はG(u,v)を用いて下式(11)で得られ、位置z=zにおける物体光Oを物体光h(x,y,z)とすると、hは下式(12)で得られる。 By Fourier transforming the object light hologram g(x, y) of the above equation (9), the light wave of the object light O is expanded into plane waves, and the spatial frequency spectrum G(u, v) of the object light O is obtained by the following equation (10) ). The spatial frequency spectrum H(u,v) of the object light O at the position z= zO is obtained by the following equation (11) using G(u,v). If h(x, y, z 0 ), h is obtained by the following formula (12).

Figure 2022162306000007
Figure 2022162306000007

傾角αによる回転変換後の空間周波数スペクトルH(u’,v’)は下式(13)となり、回転変換のヤコビアンJ(u’,v’)は下式(14)となる。従って、回転変換後の再生物体光h(x’,y’,z)は下式(15)となる。 The spatial frequency spectrum H V (u′, v′) after rotational transformation by the tilt angle α O is expressed by the following equation (13), and the rotational transformation Jacobian J(u′, v′) is expressed by the following equation (14). Therefore, the reproduced object light h V (x', y', z O ) after rotation conversion is given by the following equation (15).

Figure 2022162306000008
Figure 2022162306000008

再生物体光hは、パラメータとして距離z,ρと傾角αを含んでいる。少なくとも基準点Pにおいて合焦点再生画像が得られる再生面のz座標値から距離zが求まり、合焦点再生画像の寸法がターゲットの実寸法と一致したときのパラメータ値から距離ρが求まる。また、全面で合焦点再生画像が得られるときの回転変換角の値として傾角αが求まる。 The reproduced object beam hV includes the distance z 0 , ρ and the tilt angle α 0 as parameters. The distance z0 is obtained from the z-coordinate value of the reproduction plane on which the focused reproduced image is obtained at least at the reference point P0 , and the distance ρ is obtained from the parameter values when the dimensions of the focused reproduced image match the actual dimensions of the target. Also, the tilt angle α 0 is obtained as the value of the rotation conversion angle when the in-focus reproduced image is obtained on the entire surface.

(形状計測用の参照点の決定と仮想平面の高精度な決定)
ホログラムデータに基づく仮想平面VPの高精度な決定を説明する。最初に、距離と測定精度について述べる。インライン球面波参照光Lは、ホログラムを再生するためだけに用いられる光であり、参照光集光点Pまでの距離ρはmm単位で測定される。形状計測には、参照光集光点Pは用いず、参照光集光点Pの近傍で探索されて新たに設定される形状計測用の参照点S1およびそこに設定される参照点光源を用いる。この参照点S1は、照明光集光点Pの真の鏡像点として用いられる。参照点S1は、照明光集光点Pの真の鏡像点となるように、次に示す相関関数計算を用いる計算機上の後処理で決定される。
(Determination of reference points for shape measurement and highly accurate determination of virtual planes)
A highly accurate determination of the virtual plane VP based on hologram data will be described. First, let's talk about distance and measurement accuracy. The in-line spherical wave reference beam L is used only for reproducing the hologram, and the distance ρ to the reference beam converging point PL is measured in mm. The shape measurement does not use the reference light condensing point PL, but rather uses a reference point S1 for shape measurement that is newly set by searching in the vicinity of the reference light condensing point P L and a reference point light source set there. Use This reference point S1 is used as a true mirror image point of the illumination light condensing point PQ . The reference point S1 is determined by post-processing on a computer using the following correlation function calculation so as to be a true mirror image point of the illumination light condensing point PQ .

図3のフローチャートに示すように、伝播工程(#61)では、照明光Qの反射光である物体光Oについての物体光ホログラムgを、光伝播計算により参照光集光点Pの位置z=ρに伝播させ、生成されるホログラムを評価ホログラムh0=h(x,y,ρ)とする。 As shown in the flowchart of FIG. 3, in the propagation step (#61), the object light hologram g for the object light O, which is the reflected light of the illumination light Q, is converted to the position z of the reference light condensing point PL by light propagation calculation. = ρ and let the generated hologram be the evaluation hologram h0 = h(x, y, ρ).

次に、面内の集光点位置検出工程(#62)では、点光源を表すプローブ関数fpと評価ホログラムh0との相関関数計算により、評価ホログラムh0の面内において、物体光O(照明光Qの反射光)が集光している集光点を検出して仮集光点P1(x1,y1,ρ)とする。 Next, in the in-plane condensing point position detection step (#62), the object light O (illumination light A condensing point where the reflected light of Q) is condensed is detected and set as a temporary condensing point P1 (x1, y1, ρ).

光軸方向の集光点位置検出工程(#63)では、評価ホログラムh0=h(x,y,ρ)を光伝播計算により光軸方向の複数位置に試験伝播させ、各位置で仮集光点P1の光軸直交面内の位置(x1,y1)を固定して相関関数計算を行う。光軸方向の各位置での計算結果から、光軸方向における物体光Oの集光点を検出し、その集光点P1の光軸方向の位置z1=ρ+Δρを検出する。 In the optical axis direction focal point position detection step (#63), the evaluation hologram h0=h(x, y, ρ) is propagated to a plurality of positions in the optical axis direction by light propagation calculation, and temporary light is condensed at each position. The correlation function calculation is performed by fixing the position (x1, y1) of the point P1 in the plane perpendicular to the optical axis. From the calculation result at each position in the optical axis direction, the condensing point of the object light O in the optical axis direction is detected, and the position z1=ρ+Δρ of the condensing point P1 in the optical axis direction is detected.

参照点設定工程(#64)では、検出された集光点P1(x1,y1,z1)を、形状計測用の参照点S1に設定し、そこに参照光点光源を設定する。 In the reference point setting step (#64), the detected condensing point P1 (x1, y1, z1) is set as the reference point S1 for shape measurement, and the reference point light source is set there.

上記の処理を、数式を用いて説明する。評価ホログラムh0=h(x,y,ρ)は下式(16)で与えられる(#61)。プローブ関数fpは座標(x1,y1,ρ)に置いた仮想点光源fp=δ(x-x1)δ(y-y1)である。相関関数Cは下式(17)で与えられる。 The above processing will be described using mathematical expressions. The evaluation hologram h0=h(x, y, ρ) is given by the following equation (16) (#61). The probe function fp is a virtual point source fp=δ(x−x1)δ(y−y1) placed at coordinates (x1, y1, ρ). Correlation function C is given by the following equation (17).

Figure 2022162306000009
Figure 2022162306000009

相関関数の絶対値|C(x1,y1,ρ)|が最大になるパラメータ値として、座標(x1,y1)が分解能δ=λ/(2NA)よりずっと高い精度で得られる(#62)。次に、上式(16)において(x1,y1)の値を固定し、ρをパラメータz1に変えて、絶対値|C(x1,y1,z1)|が最大になるときのz1の値として、焦点深度DOF=λ/(2NA)よりずっと高い精度で、z1が求まり鏡像点P1の位置座標(x1,y1,z1)が得られ(#63)、参照点S1が設定される(#64)。 Coordinates (x1, y1) are obtained with much higher accuracy than the resolution δ=λ/(2NA) as the parameter values that maximize the absolute value |C(x1, y1, ρ)| of the correlation function (#62). Next, the value of (x1, y1) is fixed in the above equation (16), ρ is changed to the parameter z1, and the value of z1 when the absolute value |C(x1, y1, z1)| becomes maximum is , the depth of focus DOF=λ/(2NA 2 ), z1 is found, the position coordinates (x1, y1, z1) of the mirror image point P1 are obtained (#63), and the reference point S1 is set (# 64).

参照点S1に設定した点光源が作る球面波光をインライン球面波参照光L1とする。参照光L1の位相は、球面波の解析解を用いて正確に計算でき、仮想平面VPの全域に亘って、照明光Qの位相の変化と参照光L1の位相の変化とが、より高精度で互いに一致する。 The spherical wave light generated by the point light source set at the reference point S1 is assumed to be an inline spherical wave reference light L1. The phase of the reference light L1 can be accurately calculated using the analytical solution of the spherical wave, and the change in the phase of the illumination light Q and the change in the phase of the reference light L1 can be accurately calculated over the entire virtual plane VP. matches each other.

仮想平面VPを基準として測定する被測定面4aの高さ分布t(x’,y’)は、被測定面4aで反射する照明光Qと仮想平面VPで反射する照明光Qの光路差から求まる。空間における光の波長λ内の位置は、光の位相値で表わされる。光路差が光の波長λ以内の場合、光路差を光の位相差で表わすことができる。高さ分布tの情報は、被測定面4aからの照明光Qの反射光である物体光Oの位相θと、仮想平面VPにおける照明光Qの位相θと、を比較して得ることができる。照明光Qの位相θとして、参照点S1から発せられる球面波の仮想平面VPにおける位相θL1を、解析的に導出して用いることができる。 The height distribution t(x', y') of the measured surface 4a measured with reference to the virtual plane VP is obtained from the optical path difference between the illumination light Q reflected by the measured surface 4a and the illumination light Q reflected by the virtual plane VP. sought. A position within a wavelength λ of light in space is represented by a phase value of the light. If the optical path difference is within the wavelength λ of light, the optical path difference can be represented by the phase difference of light. Information on the height distribution t is obtained by comparing the phase θ O of the object light O, which is the reflected light of the illumination light Q from the measurement target surface 4a, and the phase θ Q of the illumination light Q on the virtual plane VP. can be done. As the phase θ Q of the illumination light Q, the phase θ L1 on the virtual plane VP of the spherical wave emitted from the reference point S1 can be analytically derived and used.

高さ分布tは、次のように得られる。再生物体光ホログラムh(x’,y’)から位相θが得られ、参照光L1の球面波光ホログラムs(x’,y’)から位相θL1が得られる。位相差(θ-θL1)は、hをsで除算して構成される計測用ホログラムJ OS(x’,y’)=h/sの位相として得られる。高さ分布tは、位相差(θ-θL1)を用いて、下式(18)で得られる。ここに、角度β(x’,y’)は座標(x’,y’)における照明光Qの入射角である。 The height distribution t is obtained as follows. A phase θ O is obtained from the reconstructed object light hologram h V (x′, y′), and a phase θ L1 is obtained from the spherical wave light hologram s V (x′, y′) of the reference light L1. The phase difference (θ O −θ L1 ) is obtained as the phase of the measurement hologram J V OS (x′,y′)=h V /s V constructed by dividing h V by s V . The height distribution t is obtained by the following equation (18) using the phase difference (θ 0 L1 ). Here, the angle β(x', y') is the incident angle of the illumination light Q at the coordinates (x', y').

Figure 2022162306000010
Figure 2022162306000010

(被測定面の位置検出)
次に、試料台7に保持された物体4の被測定面4aを仮想平面VPの位置に設定する際に行なう、被測定面4aの位置の検出をさらに説明する。図4(a)(b)(c)は、光ビーム反射型の位置検出部8を用いて、被測定面4aの位置を検出する例を示す。この位置検出部8は、例えばカメラや光ディスクにおけるアクティブ自動フォーカス技術と類似の技術を用いるものである。
(Position detection of surface to be measured)
Next, detection of the position of the measured surface 4a of the object 4 held on the sample stage 7 when setting the measured surface 4a to the position of the virtual plane VP will be further described. FIGS. 4A, 4B, and 4C show an example of detecting the position of the surface 4a to be measured using the light beam reflection type position detector 8. FIG. This position detection unit 8 uses, for example, a technique similar to the active autofocus technique in cameras and optical discs.

図4(a)は、試料台7に保持された平行平面基板40の参照面40aと仮想平面VPとが一致するように試料台7の位置が調整された状態で、仮想平面VP上の所定の照射点Paの位置が、位置検出部8によって検出される状態を示す。照射点Paの位置は、基準点Pの位置と同じであるのが好ましいが、異なっていてもよい。 FIG. 4(a) shows a state in which the position of the sample table 7 is adjusted so that the reference surface 40a of the plane-parallel substrate 40 held on the sample table 7 and the virtual plane VP are aligned, and a predetermined , the position of the irradiation point Pa is detected by the position detection unit 8. FIG. The position of the irradiation point Pa is preferably the same as the position of the reference point PO , but may be different.

位置検出部8は、検出光学系80と、検出光源81と、光検出器82と、信号出力部83とを備えている。検出光源81は、参照面40aまたは被測定面4aから反射される位置検出用の光ビームB0を出射する。 The position detection section 8 includes a detection optical system 80 , a detection light source 81 , a photodetector 82 and a signal output section 83 . The detection light source 81 emits a light beam B0 for position detection that is reflected from the reference surface 40a or the surface to be measured 4a.

検出光学系80は、検出光源81から出射される光ビームB0を照射点Paに焦点を結ばせて照射させる集光レンズ8aと、照射点Paからの反射光を受けて光検出器82に入射させる結像レンズ8bとを有している。検出光学系80には、参照面40aを提供する平行平面基板40と被測定面4aを提供する物体4も含まれ、全体で光ビームB0の光路が決まる。 The detection optical system 80 includes a condensing lens 8a for focusing the light beam B0 emitted from the detection light source 81 on the irradiation point Pa and for receiving the reflected light from the irradiation point Pa and entering the photodetector 82. and an imaging lens 8b that allows the The detection optics 80 also includes a plane-parallel substrate 40 that provides a reference surface 40a and an object 4 that provides a surface to be measured 4a, which together define the optical path of the light beam B0.

光検出器82は、複数(本実施形態では2つ)の検出素子82A,82Bを有し、それぞれが分担して光ビームB0を検出し、検出した光強度に応じて、電気信号d1,d2を出力する。検出素子82A,82Bは、光検出器82の検出素子を直線の分割線によって2分割して構成した素子である。 The photodetector 82 has a plurality (two in this embodiment) of detection elements 82A and 82B, each of which is responsible for detecting the light beam B0 and outputs electrical signals d1 and d2 according to the detected light intensity. to output The detection elements 82A and 82B are elements configured by dividing the detection element of the photodetector 82 into two by a straight dividing line.

検出光学系80は、光ビームB0が照射点Paの位置で反射した場合に反射光が分割線上に入射するように設定されている。また、検出光学系80は、光ビームB0の反射する位置が照射点Paの前方か後方かに応じて、反射光が分割線の両側のいずれか一方に偏って入射するように設定されている。そこで、例えば、電気信号d1,d2が光強度の数値を表す場合、光ビームB1の反射位置が仮想平面VP上の点(照射点Pa)にあればd1=d2であり、なければd1<d2またはd1>d2である。 The detection optical system 80 is set so that when the light beam B0 is reflected at the position of the irradiation point Pa, the reflected light is incident on the dividing line. The detection optical system 80 is set so that the reflected light is incident on either side of the dividing line, depending on whether the position where the light beam B0 is reflected is in front of or behind the irradiation point Pa. . Therefore, for example, when the electrical signals d1 and d2 represent numerical values of light intensity, if the reflection position of the light beam B1 is at a point (irradiation point Pa) on the virtual plane VP, then d1=d2, otherwise d1<d2. or d1>d2.

信号出力部83は、光検出器82の検出素子82A,82Bの各々が受光強度に応じて出力する電気信号d1,d2に基づいて、光ビームB1の反射位置と仮想平面VP上の照射点Paとの隔たり量を示す偏移信号を生成して反射位置情報を表す電気信号d3を出力する。例えば、d1,d2,d3が信号強度を表し、d3=d1-d2であるとすると、図4(a)ではd3=0である。電気信号d3は、試料台7の位置を調整する制御信号として用いられる。 The signal output unit 83 determines the reflection position of the light beam B1 and the irradiation point Pa on the virtual plane VP based on the electrical signals d1 and d2 output by the detection elements 82A and 82B of the photodetector 82 according to the received light intensity. and output an electric signal d3 representing reflection position information. For example, if d1, d2, and d3 represent the signal strength and d3=d1-d2, d3=0 in FIG. 4(a). The electric signal d3 is used as a control signal for adjusting the position of the sample stage 7. FIG.

図4(b)は、平行平面基板40を物体4に交換した場合である。この例では、物体4の厚さが平行平面基板40の厚さよりも薄く、被測定面4aが仮想平面VPより遠方にある。被測定面4aで反射後の光ビームB0は、結像レンズ8bを通って光検出器82の分割線の上方における検出素子82Aに入射する。この場合、d1>d2となり、d3>0となる。物体4の被測定面4aが仮想平面VPより近くにある場合には、d3<0となる。出力信号d3が0となる位置まで試料台7を移動させると、物体4の被測定面4aの点が、仮想平面VPに含まれるようになる。 FIG. 4(b) shows the case where the parallel plane substrate 40 is replaced with the object 4. FIG. In this example, the thickness of the object 4 is thinner than the thickness of the plane-parallel substrate 40, and the surface to be measured 4a is farther than the virtual plane VP. The light beam B0 after being reflected by the surface 4a to be measured is incident on the detection element 82A above the dividing line of the photodetector 82 through the imaging lens 8b. In this case, d1>d2 and d3>0. When the measured surface 4a of the object 4 is closer than the virtual plane VP, d3<0. When the sample stage 7 is moved to the position where the output signal d3 becomes 0, the point on the surface 4a to be measured of the object 4 comes to be included in the virtual plane VP.

図4(c)は、物体4の底面と被測定面4aとが平行ではない場合を示し、被測定面4aは仮想平面VPに対して角度がついた状態となる。光ビームB0の反射面である被測定面4aが照射点Paにおいて、仮想平面VPに対する角度を有しても、照射点Paにおいて反射した光ビームB0は、結像レンズ8bの効果によって、光検出器82の分割線上に入射する。従って、物体4の被測定面4aの傾きに影響されることなく、被測定面4aの位置決めを行うことができる。 FIG. 4(c) shows a case where the bottom surface of the object 4 and the surface to be measured 4a are not parallel, and the surface to be measured 4a is angled with respect to the virtual plane VP. Even if the surface to be measured 4a, which is the reflecting surface of the light beam B0, has an angle with respect to the virtual plane VP at the irradiation point Pa, the light beam B0 reflected at the irradiation point Pa is detected by the effect of the imaging lens 8b. Incident on the parting line of the device 82 . Therefore, the measurement target surface 4a can be positioned without being affected by the inclination of the measurement target surface 4a of the object 4. FIG.

(第2の実施形態:表面形状計測装置)
図5、図6を参照して、第2の実施形態に係る表面形状計測装置1を説明する。表面形状計測装置1は、物体4の被測定面の形状を、ホログラフィを用いて計測する装置であり、物体4の被測定面のホログラムを取得するデータ取得部10と、データ取得部10によって取得されたホログラムから被測定面における画像を再生する画像再生部12とを備えている。
(Second Embodiment: Surface Profile Measuring Apparatus)
A surface shape measuring apparatus 1 according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. The surface shape measuring device 1 is a device that measures the shape of the surface to be measured of the object 4 using holography. and an image reproducing unit 12 for reproducing an image on the surface to be measured from the hologram obtained.

データ取得部10は、光強度を電気信号に変換してホログラムデータとして出力するイメージセンサ5と、試料台7と、試料台7に保持された物体4の被測定面4aの位置を検出する位置検出部8と、試料台7を移動させる位置調整装置71と、各光を伝播させる光学系2と、ビーム結合器3と、を備えている。イメージセンサ5は、制御部およびメモリとしてのコンピュータ11に接続されている。 The data acquisition unit 10 includes an image sensor 5 that converts light intensity into an electrical signal and outputs it as hologram data, a sample table 7, and a position that detects the position of the measured surface 4a of the object 4 held on the sample table 7. It includes a detector 8 , a position adjusting device 71 for moving the sample stage 7 , an optical system 2 for propagating each light, and a beam coupler 3 . The image sensor 5 is connected to a computer 11 as a controller and memory.

試料台7は、平行平面基板40を用いて位置の調整がなされた後、物体4を底面基準で保持し、位置検出部8と位置調整装置71とを用いて、物体4の被測定面4aが仮想平面VPに接するように位置を調整される。なお、図5、図6は、その位置調整が完了した状態を示す。 After the position of the sample table 7 is adjusted using the plane-parallel substrate 40, the object 4 is held as a bottom surface reference. is adjusted so that it is tangent to the virtual plane VP. 5 and 6 show the state in which the position adjustment has been completed.

光学系2はホログラム取得用の光学系であり、仮想平面VPの両側に配置された、球面波照明光Q用およびインライン球面波参照光L用の2つの光学系と、オフアクシス参照光R用の光学系とを備えている。ビーム結合器3は、イメージセンサ5の直前に配置されたキューブ型ビームスプリッタから成り、光学系2と共に各光を伝播させる。 The optical system 2 is an optical system for acquiring a hologram. Two optical systems for spherical wave illumination light Q and in-line spherical wave reference light L, and an off-axis reference light R are arranged on both sides of the virtual plane VP. and an optical system. The beam combiner 3 consists of a cube-shaped beam splitter arranged in front of the image sensor 5 and propagates each light together with the optical system 2 .

球面波照明光Qは、物体4の被測定面4aを照明し、その反射光である物体光Oをイメージセンサ5によって記録させる光である。照明光Qの光路には、平行光を集光するレンズ21と、その集光位置にピンホールを有するピンホール板22とが備えられている。そのピンホールが、照明光Qの集光点Pであり、球面波光Qの点光源の位置となる。 The spherical wave illumination light Q is light that illuminates the surface 4a to be measured of the object 4 and causes the image sensor 5 to record the object light O that is the reflected light. The optical path of the illumination light Q is provided with a lens 21 for condensing parallel light and a pinhole plate 22 having a pinhole at the condensing position. The pinhole is the condensing point PQ of the illumination light Q and the position of the point light source of the spherical wave light Q. As shown in FIG.

インライン球面波参照光Lの光路には、照明光Qと同様に、平行光を集光するレンズ25と、ピンホール板26とが備えられている。ピンホール板26のピンホールが、インライン球面波参照光Lの集光点Pであり、球面波光Lの点光源の位置となる。インライン球面波参照光Lは、照明光Qの反射光から成る物体光Oに対し、イメージセンサ5の受光面50から見てインライン光となる(2つの光L,Oは交互に生成される光であり、同時には扱われない)。 Similar to the illumination light Q, the optical path of the inline spherical wave reference light L is provided with a lens 25 for condensing parallel light and a pinhole plate 26 . The pinhole of the pinhole plate 26 is the condensing point PL of the in-line spherical wave reference light L and the position of the point light source of the spherical wave light L. FIG. The in-line spherical wave reference light L becomes in-line light when viewed from the light receiving surface 50 of the image sensor 5 with respect to the object light O composed of the reflected light of the illumination light Q (the two lights L and O are alternately generated light and not treated simultaneously).

物体光Oとインライン球面波参照光Lは、ビーム結合器3を通過してイメージセンサ5にその正面から入射する。イメージセンサ5の受光面50の垂線方向から見て、照明光集光点Pと参照光集光点Pとが、光学的に同じ位置に見えてインラインとなる。 The object beam O and the in-line spherical wave reference beam L pass through the beam combiner 3 and enter the image sensor 5 head-on. When viewed from the direction perpendicular to the light receiving surface 50 of the image sensor 5, the illumination light condensing point PQ and the reference light condensing point PL appear at the same optical position and are inline.

オフアクシス参照光Rは、ビーム結合器3にその側方から入射され、内部反射鏡30で反射されてイメージセンサ5に入射する。その光路には、拡径用の小径レンズ23と、コリメート用の大径レンズ24とが備えられており、球面波状に形成されたオフアクシス参照光Rが生成される。 The off-axis reference beam R enters the beam combiner 3 from its side, is reflected by the internal reflecting mirror 30 , and enters the image sensor 5 . The optical path is provided with a small-diameter lens 23 for diameter expansion and a large-diameter lens 24 for collimation, and off-axis reference light R formed in a spherical wave shape is generated.

光学系2は、仮想平面VPに対して照明光集光点Pと参照光集光点Pとが互いに鏡像配置となるように設定されている。また、光学系2は、照明光Qが被測定面4aを斜め照明し、その反射光である物体光Oがイメージセンサ5に入射するように、またインライン球面波参照光Lが仮想平面VPを斜めに通過してイメージセンサ5に入射するように、各光を伝播させる。 The optical system 2 is set so that the illumination light condensing point PQ and the reference light condensing point PL are mirror images of each other with respect to the virtual plane VP. The optical system 2 is arranged such that the illumination light Q obliquely illuminates the surface 4a to be measured, and the object light O, which is the reflected light thereof, is incident on the image sensor 5, and the inline spherical wave reference light L illuminates the virtual plane VP. Each light is propagated so that it passes obliquely and enters the image sensor 5 .

ビーム結合器3は、物体光Oまたはインライン球面波参照光Lと、オフアクシス参照光Rと、を合波してイメージセンサ5に入射させる。ビーム結合器3は、キューブ型ビームスプリッタに限られず、他の構成のビーム結合器を用いてもよい。 The beam combiner 3 multiplexes the object light O or the in-line spherical wave reference light L and the off-axis reference light R to enter the image sensor 5 . The beam combiner 3 is not limited to a cube-shaped beam splitter, and a beam combiner with another configuration may be used.

(位置検出部と位置調整装置による試料台の位置調整)
位置検出部8は、イメージセンサ5の光軸方向における仮想平面VPの前後を含む領域で被測定面4a上の点の位置を検出し、その情報を反射位置情報として出力する光ビーム反射型の距離測定装置であり、アクティブ自動フォーカスの技術を用いている。位置検出部8は、空間中の特定の照射点Paに焦点を結ぶ光を照射し、その反射光を受光し、その反射光の反射位置が照射点Paの手前かまたは遠方かを判別できる信号を出力する。この実施形態では、照射点Paとして基準点Pが設定されている。
(Position adjustment of sample stage by position detector and position adjustment device)
The position detection unit 8 detects the position of a point on the surface 4a to be measured in an area including the front and back of the virtual plane VP in the optical axis direction of the image sensor 5, and outputs the information as reflection position information. It is a range finder and uses active autofocus technology. The position detection unit 8 irradiates light focused on a specific irradiation point Pa in space, receives the reflected light, and receives a signal that can determine whether the reflected position of the reflected light is in front of or far from the irradiation point Pa. to output In this embodiment, a reference point PO is set as the irradiation point Pa.

位置検出部8は、検出光源81と、光検出器82と、検出光学系を構成する集光レンズ8aおよび結像レンズ8bと、信号出力部83とを備えている。検出光源81は、集光レンズ8aによって照射点Paにフォーカスされる位置検出用の光ビームB0を出す。集光レンズ8aを通過した光ビームは、被測定面4aを照射して反射光となる。光検出器82は、結像レンズ8bを通して、被測定面4aから反射された光ビームB0を検出する。 The position detection section 8 includes a detection light source 81 , a photodetector 82 , a condenser lens 8 a and an imaging lens 8 b that constitute a detection optical system, and a signal output section 83 . The detection light source 81 emits a light beam B0 for position detection that is focused on the irradiation point Pa by the condenser lens 8a. The light beam passing through the condensing lens 8a irradiates the surface 4a to be measured and becomes reflected light. The photodetector 82 detects the light beam B0 reflected from the surface 4a to be measured through the imaging lens 8b.

光検出器82および信号出力部83は、図4(a)(b)(c)を参照して説明した光検出器82および信号出力部83と同等のものである。信号出力部83は、光検出器82が出力する電気信号d1,d2に基づいて、光ビームB0が反射された位置と仮想平面VPとの隔たり量を示す偏移信号d3を生成し、その偏移信号d3を反射位置情報として位置調整装置71に出力する。光検出器82は、少なくとも2分割された検出素子からなる任意のものを用いればよく、光検出器82は複数の検出素子を有し、信号出力部83は複数の検出素子の各々が出力する信号の差信号を偏移信号とするように構成すればよい。 The photodetector 82 and the signal output section 83 are equivalent to the photodetector 82 and the signal output section 83 described with reference to FIGS. The signal output unit 83 generates a shift signal d3 indicating the distance between the position where the light beam B0 is reflected and the virtual plane VP based on the electrical signals d1 and d2 output by the photodetector 82, and outputs the shift signal d3. The shift signal d3 is output to the position adjustment device 71 as reflection position information. The photodetector 82 may be an arbitrary one composed of at least two divided detection elements. The photodetector 82 has a plurality of detection elements, and the signal output section 83 outputs from each of the plurality of detection elements. A configuration may be adopted in which the difference signal of the signals is used as the deviation signal.

位置調整装置71は、信号出力部83からの反射位置情報に基づき、検出された点が仮想平面VPに含まれるように試料台7を移動させる。言い換えれば、位置調整装置71は、光ビームB0の反射点が照射点Paにくることにより、照射点Paが結像レンズ8bによって光検出器82上に結像するように、試料台7を前方または後方に移動させる。電気的な駆動装置を用いて試料台7を移動させる手段として、例えば、パルス駆動によってnmの精度で移動させるピエゾ駆動装置などを用いればよい。 The position adjustment device 71 moves the sample stage 7 based on the reflected position information from the signal output section 83 so that the detected point is included in the virtual plane VP. In other words, the position adjusting device 71 moves the sample table 7 forward so that the reflection point of the light beam B0 comes to the irradiation point Pa so that the irradiation point Pa is imaged on the photodetector 82 by the imaging lens 8b. or move backwards. As a means for moving the sample stage 7 using an electric driving device, for example, a piezo driving device that moves the sample table 7 with nanometer precision by pulse driving may be used.

位置検出部8の光学系である検出光源81、集光レンズ8a、結像レンズ8b、光検出器82は、ホログラム取得用の光学系2、イメージセンサ5、およびビーム結合器3と共に、構造的に共通の基板に一体化されて配置されている。検出精度を考えると、集光レンズ8aによって集光されて仮想平面VP上の照射点Paに入射した光ビームの直径は、例えば、10~200μm程度のスポットにすることが望ましい。また照射点Paへの入射角は、検出感度を考慮すると、例えば、20~60°の範囲が望ましい。 The detection light source 81, the condenser lens 8a, the imaging lens 8b, and the photodetector 82, which are the optical system of the position detection unit 8, are structurally arranged together with the hologram acquisition optical system 2, the image sensor 5, and the beam combiner 3. are integrated and arranged on a common substrate. Considering the detection accuracy, it is desirable that the diameter of the light beam condensed by the condensing lens 8a and incident on the irradiation point Pa on the virtual plane VP be, for example, a spot of about 10 to 200 μm. Considering the detection sensitivity, the angle of incidence on the irradiation point Pa is desirably in the range of 20 to 60°, for example.

物体4の被測定面4a、少なくとも照射点Paの周辺の被測定面4aが仮想平面VPに接するように試料台7の位置が調整されると、第1の実施形態で説明した表面形状計測方法によって、物体4が配置された状態で、反射光である物体光Oの記録ホログラムIORが取得される。また、物体4と試料台7とが光路上にない状態で、インライン参照光Lを用いて、オフアクシス参照光Rの記録ホログラムILRが取得される。参照光Rの記録ホログラムILRの取得は、試料台7の位置の調整前に行ってもよく、物体光OのホログラムIORが取得された後に行なってもよい。 When the position of the sample table 7 is adjusted so that the surface 4a to be measured of the object 4, at least the surface 4a to be measured around the irradiation point Pa, is in contact with the virtual plane VP, the surface shape measuring method described in the first embodiment is performed. , the recorded hologram IOR of the object light O, which is the reflected light, is obtained with the object 4 placed. Also, with the object 4 and the sample table 7 not on the optical path, the in-line reference beam L is used to obtain the recorded hologram ILR of the off-axis reference beam R. FIG. The recording hologram ILR of the reference beam R may be obtained before the position of the sample stage 7 is adjusted, or may be obtained after the hologram IOR of the object beam O is obtained.

画像再生部12は、データ保存部6とともに、コンピュータ11に備えられている。画像再生部12は、第1の実施形態で説明した表面形状計測方法を実行するソフトウエア群とメモリとを備えて構成されている。データ取得部10によってオフアクシスホログラムIOR,ILRが取得されると、第1の実施形態で説明した表面形状計測方法によって処理されて、表面形状の計測値が得られる。 The image reproduction section 12 is provided in the computer 11 together with the data storage section 6 . The image reproduction unit 12 is configured with a software group and a memory for executing the surface shape measuring method described in the first embodiment. When the data acquisition unit 10 acquires the off-axis holograms I OR and I LR , they are processed by the surface profile measurement method described in the first embodiment to obtain surface profile measurement values.

本実施形態の表面形状計測装置1は、キューブ型のビーム結合器3を備えているので、ビーム結合器3の屈折率を考慮した平面波展開法によってビーム結合器3を通過する光の光伝播計算を行う必要がある。以下では、ビーム結合器3に関する処理を説明する。 Since the surface shape measuring apparatus 1 of this embodiment includes a cube-shaped beam coupler 3, the light propagation calculation of the light passing through the beam coupler 3 is performed by the plane wave expansion method in consideration of the refractive index of the beam coupler 3. need to do Processing related to the beam combiner 3 will be described below.

(ビーム結合器通過後の球面波の算出)
イメージセンサ5の受光面50において、複素振幅ホログラムJOLから、物体光ホログラムgを生成するには、ビーム結合器3を通過して受光面50に到達したインライン球面波参照光Lの光波(インライン参照光ホログラムj)が必要である。インライン参照光ホログラムjは、ビーム結合器3を通過したことにより、球面波ではない。そこで、インライン球面波参照光Lの集光点Pの位置からイメージセンサ5の入射面である受光面50に至る光波の光伝播計算を行って、受光面50における、球面波ではないインライン参照光L、すなわちインライン参照光ホログラムjを生成する。
(Calculation of spherical wave after passing beam combiner)
In order to generate the object light hologram g from the complex amplitude hologram JOL on the light receiving surface 50 of the image sensor 5, the light wave of the inline spherical reference light L (inline A reference beam hologram j L ) is required. The in-line reference beam hologram j L is not a spherical wave due to passing through the beam combiner 3 . Therefore, the light propagation calculation of the light wave from the position of the light converging point PL of the inline spherical wave reference light L to the light receiving surface 50 which is the incident surface of the image sensor 5 is performed, and the inline reference, which is not the spherical wave, on the light receiving surface 50 is calculated. Generate light L , the in-line reference light hologram jL.

光伝播計算は平面波展開を使って行う。集光点Pにおいて参照光Lを平面波展開し、空気中およびビーム結合器3内を伝播させて受光面50における各平面波成分を計算し、計算した平面波成分を足し挙げてインライン参照光ホログラムjを生成する。集光点Pの位置z=ρのxy平面に、インライン球面波参照光Lの点光源bδ(x)δ(y)が存在する。この点光源の空間周波数スペクトルB(u、v)は、一定値b、すなわちB(u、v)=bである。そこで、平面波の伝播により、z=0の受光面50におけるインライン球面波参照光L、すなわちインライン参照光ホログラムjは、下式(19)となる。 Light propagation calculations are performed using plane wave expansion. Plane wave expansion of the reference light L at the condensing point P L is propagated through the air and the beam combiner 3 to calculate each plane wave component on the light receiving surface 50 , and the calculated plane wave components are added to form an inline reference light hologram j Generate L. A point light source b 0 δ(x)δ(y) of the inline spherical wave reference light L exists in the xy plane at the position z=ρ of the condensing point P L . The spatial frequency spectrum B(u,v) of this point source is a constant value b 0 , ie B(u,v)=b 0 . Therefore, due to the propagation of the plane wave, the inline spherical wave reference beam L at the light receiving surface 50 at z=0, ie, the inline reference beam hologram jL , is given by the following equation (19).

Figure 2022162306000011
Figure 2022162306000011

上式中の(n/λ)におけるnは、ビーム結合器3の屈折率である。上式(19)は、原点z=0から集光点Pまでの距離ρとビーム結合器3の寸法Aの関数になるが、原点からビーム結合器3までの距離には無関係になる。つまり、ビーム結合器3をどの位置に置いても同じ式になる。上式(19)は、原理的な計算式であって、実際の計算には、サンプリング定理を満たす計算点数で光伝播計算を行う必要がある。 n in (n/λ) in the above equation is the refractive index of the beam combiner 3 . The above equation (19) is a function of the distance ρ from the origin z = 0 to the converging point PL and the dimension A of the beam combiner 3, but is independent of the distance from the origin to the beam combiner 3. In other words, the equation is the same no matter where the beam combiner 3 is placed. The above formula (19) is a theoretical calculation formula, and in actual calculation, it is necessary to perform light propagation calculation with the number of calculation points that satisfies the sampling theorem.

(ホログラム面における物体光g(x,y))
上述の手順で得られる、上式(19)のインライン参照光ホログラムjは、ビーム結合器3を通過して受光面50に到達したインライン球面波参照光Lの光波である。このホログラムjから成る乗算因子j=L(x,y)exp(i(φ(x,y))を上式(8)に乗じることにより、イメージセンサ5の表面(ホログラム面、xy平面、または面z=0)における物体光Oの光波を表す物体光ホログラムg(x,y)が上式(9)と同様に得られる、すなわち、g(x,y)=JOL×j
(Object light g(x, y) on the hologram plane)
The inline reference light hologram j L of the above equation (19) obtained by the above procedure is the light wave of the inline spherical reference light L that has passed through the beam combiner 3 and reached the light receiving surface 50 . By multiplying the above formula (8) by the multiplication factor j L =L 0 (x, y) exp(i(φ L (x, y)) consisting of this hologram j L , the surface of the image sensor 5 (hologram surface, An object beam hologram g(x,y) representing a light wave of the object beam O in the xy plane, or plane z=0, is obtained similarly to equation (9) above: g(x,y)=J OL × jL .

(光伝播計算)
ホログラム面における物体光ホログラムg(x,y)をフーリエ変換する平面波展開の結果、物体光Oについての空間周波数スペクトルG(u,v)が下式(20)のように得られる。表現上、上式(10)と同じになる。平面波の光伝播計算により、物体4の被測定面4aの位置z=zにおいて、イメージセンサ5の受光面50に平行な面における物体光h(x,y)が、下式(21)によって得られる。
(light propagation calculation)
A spatial frequency spectrum G(u, v) for the object light O is obtained as shown in the following equation (20) as a result of plane wave expansion for Fourier transforming the object light hologram g(x, y) on the hologram plane. In terms of expression, it becomes the same as the above formula (10). According to the light propagation calculation of the plane wave, the object light h(x, y) in the plane parallel to the light receiving surface 50 of the image sensor 5 at the position z= z0 of the surface 4a to be measured of the object 4 is obtained by the following equation (21). can get.

Figure 2022162306000012
Figure 2022162306000012

上式(20)中のu,vは、それぞれx方向とy方向のフーリエ空間周波数である。z方向のフーリエ空間周波数w,wは、上式(19)の下の式のように、平面波の分散式(波数と波長の関係式)から求められる。分散式は、(n/λ)の形で屈折率nを含む。上式(20)(21)は、光路上に存在するビーム結合器3の大きさAと屈折率nとを考慮した計算式となっている。 u and v in the above equation (20) are the Fourier spatial frequencies in the x and y directions, respectively. The Fourier spatial frequencies w and wn in the z direction can be obtained from the plane wave dispersion formula (relational expression between wave number and wavelength) as in the lower formula of the above formula (19). The dispersion equation includes the refractive index n in the form (n/λ) 2 . The above formulas (20) and (21) are calculation formulas in consideration of the size A and the refractive index n of the beam combiner 3 existing on the optical path.

上式(21)によって、物体4の被測定面4aの位置z=zにおける、イメージセンサ5の受光面50に平行な物体光h(x,y)が得られたので、上式(13)~(18)の回転変換、相関関数を用いた仮想平面の高精度な決定、高さ分布の算出の処理により、表面形状計測を実行して測定結果を得ることができる。上式(13)~(18)の処理は、空気中の事象の処理であり、ビーム結合器3などの屈折率nの影響を考慮する必要はない。 Since the object light h(x, y) parallel to the light receiving surface 50 of the image sensor 5 at the position z= z0 of the surface 4a to be measured of the object 4 is obtained by the above equation (21), the above equation (13) ) to (18), high-precision determination of the virtual plane using the correlation function, and calculation of the height distribution, it is possible to perform surface profile measurement and obtain measurement results. The processing of the above equations (13) to (18) is processing of events in air, and it is not necessary to consider the influence of the refractive index n of the beam combiner 3 and the like.

(第3の実施形態)
図7を参照して、第3の実施形態に係る表面形状計測装置1を説明する。この実施形態の表面形状計測装置1は、第2の実施形態とは、被測定面4aの位置を検出する位置検出部8の構成が異なり、他は同様である。
(Third embodiment)
A surface shape measuring apparatus 1 according to a third embodiment will be described with reference to FIG. The surface shape measuring apparatus 1 of this embodiment is the same as that of the second embodiment except for the configuration of the position detection unit 8 that detects the position of the surface 4a to be measured.

位置検出部8は、被測定面4aに照射した光の飛行時間(TOF)を測定して被測定面4aの位置を検出するための、検出光源81と、光ビームを検出する2つの光検出器82(82A,82B)と、ビームスプリッタ8cと、信号出力部83とを備えている。検出光源81は、被測定面4aの位置検出に用いられる変調された光ビームを出す。この光ビームは、例えばパルス変調されたレーザ光が用いられる。 The position detection unit 8 includes a detection light source 81 for measuring the time-of-flight (TOF) of light irradiated on the surface 4a to be measured and detecting the position of the surface 4a to be measured, and two light detectors for detecting light beams. A device 82 (82A, 82B), a beam splitter 8c, and a signal output section 83 are provided. The detection light source 81 emits a modulated light beam used for detecting the position of the surface 4a to be measured. A pulse-modulated laser beam, for example, is used as the light beam.

検出光源81から出された光ビームは、ビームスプリッタ8cによって2つの光ビームに分離される。ビームスプリッタ8cによって向きを変えて分離された一方の光ビームは、一方の光検出器82Aに入射する。ビームスプリッタ8cを直進して分離された他方の光ビームは、被測定面4aに向けて伝播し、被測定面4aによって反射した反射光がビームスプリッタ8cに戻ったあと、光路を曲げられて他方の光検出器82Bに入射する。この他方の光ビームは、ビームスプリッタ8cと被測定面4aの間の同じ光路を往復する。その往復の光路において、ビーム結合器3の内部反射鏡30によって光路が曲げられることにより、仮想平面VPにほぼ垂直になるように、被測定面4aに入射して被測定面4aから反射する。位置検出部8の検出光学系は、被測定面4aに向かう光ビームが仮想平面VPにおける照射点Paを通過するように設定されている。 A light beam emitted from the detection light source 81 is split into two light beams by the beam splitter 8c. One of the light beams that has been turned and separated by the beam splitter 8c is incident on one of the photodetectors 82A. The other light beam that has been split by going straight through the beam splitter 8c propagates toward the surface to be measured 4a. incident on the photodetector 82B. This other light beam reciprocates on the same optical path between the beam splitter 8c and the surface to be measured 4a. In the round trip optical path, the optical path is bent by the internal reflecting mirror 30 of the beam combiner 3, so that the light is incident on the surface to be measured 4a and reflected from the surface to be measured 4a so as to be substantially perpendicular to the virtual plane VP. The detection optical system of the position detection unit 8 is set so that the light beam directed toward the surface 4a to be measured passes through the irradiation point Pa on the virtual plane VP.

光検出器82A,82Bは、それぞれ、分離された光ビームを検出して信号d4,d5を出力する。信号d4,d5は、例えば、検出光源81による光ビームの出射から分離された各光の受光までのパルスのカウント数である。2つの光検出器82A,82Bが、検出光源81から出た光を受光した時間(パルスのカウント数)の差によって、被計測面4a上の反射点の位置情報が得られる。信号出力部83は、事前に取得された、平行平面基板40の参照面40aが仮想平面VPの位置に設定されたときの参照面40aの位置情報、従って仮想平面VPにおける照射点Paの位置情報として、このような信号d4,d5の時間差をメモリに記憶している。 Photodetectors 82A and 82B detect the separated light beams and output signals d4 and d5, respectively. Signals d4 and d5 are, for example, the number of pulse counts from the emission of the light beam by the detection light source 81 to the reception of each separated light. The positional information of the reflection point on the surface 4a to be measured is obtained from the difference in the time (number of pulse counts) during which the light emitted from the detection light source 81 is received by the two photodetectors 82A and 82B. The signal output unit 83 outputs previously acquired positional information of the reference surface 40a of the plane-parallel substrate 40 when the reference surface 40a is set to the position of the virtual plane VP, and thus the positional information of the irradiation point Pa on the virtual plane VP. , the time difference between the signals d4 and d5 is stored in the memory.

信号出力部83は、被測定面4aの位置情報と、事前に記憶されている仮想平面VPの位置情報とに基づいて、被測定面4aの位置と仮想平面VPの位置との隔たり量を示す偏移信号d3を生成する。偏移信号d3は、反射位置情報として位置調整装置71に出力される。 The signal output unit 83 indicates the distance between the position of the surface to be measured 4a and the position of the virtual plane VP based on the positional information of the surface to be measured 4a and the positional information of the virtual plane VP stored in advance. Generate a shift signal d3. The shift signal d3 is output to the position adjusting device 71 as reflected position information.

位置調整装置71は、偏移信号d3がゼロの状態になるように、試料台7の位置を前方または後方に移動させる。偏移信号d3がゼロになると、物体4の被測定面4a、少なくとも照射点Paの周辺の被測定面4aが仮想平面VPに接するようになり、試料台7の位置の調整が完了する。 The position adjusting device 71 moves the position of the sample table 7 forward or backward so that the shift signal d3 becomes zero. When the shift signal d3 becomes zero, the surface 4a to be measured of the object 4, at least the surface 4a to be measured around the irradiation point Pa, comes into contact with the virtual plane VP, and the adjustment of the position of the sample stage 7 is completed.

位置検出部8の光学系である検出光源81、光検出器82(82A,82B)、ビームスプリッタ8cは、ホログラム取得用の光学系2、イメージセンサ5、およびビーム結合器3と共に、構造的に共通の基板に一体化されて配置されている。信号d4,d5から得られる時間差は、例えば100nm程度の精度で距離を測定する場合、フェムト秒の時間差であればよい。 The detection light source 81, the photodetector 82 (82A, 82B), and the beam splitter 8c, which are the optical system of the position detection unit 8, are structurally It is integrated and arranged on a common substrate. The time difference obtained from the signals d4 and d5 may be a femtosecond time difference when measuring distance with an accuracy of about 100 nm, for example.

(変形例)
図8を参照して、第3の実施形態の変形例に係る表面形状計測装置1を説明する。この変形例は、位置検出部8の検出光源81が白色光を出す点で、変調されたレーザ光を用いる第3の実施形態と異なる。位置検出部8の検出光学系は、被測定面4aに向かう光ビームが仮想平面VPにおける照射点Paを垂直に通過するように設定されている点は、第3の実施形態と同じである。位置検出部8は、検出光源81と、光検出器82と、ビームスプリッタ8cと、反射鏡8eと、信号出力部83とを備えている。
(Modification)
A surface shape measuring apparatus 1 according to a modification of the third embodiment will be described with reference to FIG. This modification differs from the third embodiment using modulated laser light in that the detection light source 81 of the position detection unit 8 emits white light. The detection optical system of the position detection unit 8 is the same as in the third embodiment in that the light beam directed toward the surface 4a to be measured is set so as to perpendicularly pass through the irradiation point Pa on the virtual plane VP. The position detection section 8 includes a detection light source 81 , a photodetector 82 , a beam splitter 8 c , a reflecting mirror 8 e and a signal output section 83 .

検出光源81から出された白色光の光ビームは、ビームスプリッタ8cによって2つの光ビームに分離される。ビームスプリッタ8cによって向きを変えて分離された一方の光ビームは、反射鏡8eによって垂直に反射されたあと、ビームスプリッタ8cを透過して光検出器82に入射する。ビームスプリッタ8cを直進して分離された他方の光ビームは、被測定面4aに向けて伝播し、被測定面4aによって反射した反射光がビームスプリッタ8cに戻ったあと、光路を曲げられて光検出器82に入射する。 A white light beam emitted from the detection light source 81 is split into two light beams by the beam splitter 8c. One of the light beams, which has been turned and separated by the beam splitter 8c, is vertically reflected by the reflecting mirror 8e, passes through the beam splitter 8c, and enters the photodetector . The other light beam that has been split by going straight through the beam splitter 8c propagates toward the surface to be measured 4a, and after the reflected light reflected by the surface to be measured 4a returns to the beam splitter 8c, the optical path is bent to become light. Incident on detector 82 .

位置検出部8の検出光学系は、反射鏡8eによって反射される光ビームの全光路長と、仮想平面VP上の照射点Paで反射する場合の光ビームの全光路長とが等しくなるように設定されている。従って、他方の光ビームが、照射点Paではなく、その位置からずれた位置にある被測定面4a上の点で反射されると、そのずれの大きさが、2つの光ビームの全光路長の差として計測される。 The detection optical system of the position detection unit 8 is arranged so that the total optical path length of the light beam reflected by the reflecting mirror 8e is equal to the total optical path length of the light beam reflected at the irradiation point Pa on the virtual plane VP. is set. Therefore, if the other light beam is reflected not at the irradiation point Pa but at a point on the surface to be measured 4a that is displaced from that position, the magnitude of the shift is the total optical path length of the two light beams. measured as the difference between

光検出器82は、2つの光ビームの白色光同士の干渉に係るデータd6を取得し、そのデータd6を信号出力部83に出力する。信号出力部83は、データd6に基づいて、被測定面4aの位置と仮想平面VPの位置との隔たり量を示す偏移信号d3を生成する。偏移信号d3は、反射位置情報として位置調整装置71に出力される。 The photodetector 82 acquires data d6 relating to the interference between the white lights of the two light beams, and outputs the data d6 to the signal output section 83. FIG. Based on the data d6, the signal output section 83 generates a deviation signal d3 indicating the distance between the position of the surface 4a to be measured and the position of the virtual plane VP. The shift signal d3 is output to the position adjusting device 71 as reflected position information.

位置検出部8の光学系である検出光源81、光検出器82、ビームスプリッタ8c、反射鏡8eは、ホログラム取得用の光学系2、イメージセンサ5、およびビーム結合器3と共に、構造的に共通の基板に一体化されて配置されている。光検出器82と信号出力部83の信号処理の構成は、任意に変更でき、光検出器82の中に信号出力部83を組み込んでもよい。 The detection light source 81, the photodetector 82, the beam splitter 8c, and the reflecting mirror 8e, which are the optical system of the position detection unit 8, are structurally common with the hologram acquisition optical system 2, the image sensor 5, and the beam combiner 3. are arranged integrally on the substrate of the The signal processing configuration of the photodetector 82 and the signal output section 83 can be arbitrarily changed, and the signal output section 83 may be incorporated in the photodetector 82 .

(第4の実施形態)
図9、図10を参照して、第4の実施形態に係る表面形状計測装置1を説明する。本実施形態の表面形状計測装置1は、第2の実施形態の表面形状計測装置1におけるホログラム取得用の光学系2を、物体光Oおよびインライン球面波参照光Lを集光する集光レンズ27と、集光レンズ27による集光位置に配置されて通過光量を制限する瞳孔板27aと、瞳孔板27aに組み合わせて配置された結像レンズ27bとを備える光学系2に変えたものである。瞳孔板27aの前後に備えられた2つのレンズは、物体光Oとインライン球面波参照光Lとをイメージセンサ5に結像させるレンズである。
(Fourth embodiment)
A surface shape measuring apparatus 1 according to a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. In the surface shape measuring apparatus 1 of the present embodiment, the optical system 2 for acquiring the hologram in the surface shape measuring apparatus 1 of the second embodiment is replaced with a condensing lens 27 for condensing the object light O and the inline spherical wave reference light L. The optical system 2 includes a pupil plate 27a arranged at a light condensing position by the condenser lens 27 to limit the amount of light passing therethrough, and an imaging lens 27b arranged in combination with the pupil plate 27a. The two lenses provided in front and behind the pupil plate 27a are lenses for forming an image of the object light O and the inline spherical wave reference light L on the image sensor 5. FIG.

また、本実施形態の表面形状計測装置1は、第2の実施形態と同様の、位置検出部8と位置調整装置71とを備えている。位置検出部8の光学系である検出光源81、集光レンズ8a、結像レンズ8b、光検出器82は、ホログラム取得用の光学系2、イメージセンサ5、およびビーム結合器3と共に、構造的に共通の基板に一体化されて配置されている。 Moreover, the surface shape measuring apparatus 1 of the present embodiment includes the position detection section 8 and the position adjustment device 71 similar to those of the second embodiment. The detection light source 81, the condenser lens 8a, the imaging lens 8b, and the photodetector 82, which are the optical system of the position detection unit 8, are structurally arranged together with the hologram acquisition optical system 2, the image sensor 5, and the beam combiner 3. are integrated and arranged on a common substrate.

大きい口径のホログラムを記録できれば、大きい物体の表面形状計測が可能になる。本実施形態のように、レンズを使って反射光を集光させると、1つのイメージセンサ5で大口径ホログラムを記録できる。集光用レンズを用いてインライン球面波参照光Lおよび物体光Oをイメージセンサ5の受光面に交互に投射し、オフアクシス参照光Rによって作られる干渉縞をそれぞれ記録する。記録ホログラムの空間周波数帯域の幅は、瞳孔板27aの瞳孔を開閉することによって調整できる。被測定面が滑らかで平面度が高い場合には、空間周波数帯域幅は狭くなり、被測定面に微細な凹凸がある場合には帯域幅は広くなる。被測定面4aの状況と計測の目的とに合わせて、瞳孔板2によって調節すればよい。 If a hologram with a large aperture can be recorded, it will be possible to measure the surface shape of a large object. If the reflected light is focused using a lens as in this embodiment, a single image sensor 5 can record a large-diameter hologram. A condensing lens is used to alternately project the in-line spherical wave reference beam L and the object beam O onto the light-receiving surface of the image sensor 5, and the interference fringes produced by the off-axis reference beam R are respectively recorded. The width of the spatial frequency band of the recorded hologram can be adjusted by opening and closing the pupil of the pupil plate 27a. When the surface to be measured is smooth and highly flat, the spatial frequency bandwidth is narrow, and when the surface to be measured has minute unevenness, the bandwidth is wide. The pupil plate 2 may be adjusted according to the condition of the surface 4a to be measured and the purpose of measurement.

集光レンズ27と結像レンズ27bの2つのレンズは、被測定面上の光をイメージセンサ5の受光面上に結像するので、物体光の再生を行わなくても、被測定面の形状観察や形状測定が可能になる。 Since the two lenses, the condenser lens 27 and the imaging lens 27b, form an image of the light on the surface to be measured on the light receiving surface of the image sensor 5, the shape of the surface to be measured can be obtained without reproducing the object light. Observation and shape measurement become possible.

(第5の実施形態)
図11を参照して、第5の実施形態に係る表面形状計測装置1を説明する。本実施形態の表面形状計測装置1は、第4の実施形態の表面形状計測装置1における光学系2の集光レンズ27と、瞳孔板27aと、結像レンズ27bとに替えて、凹面鏡28と、瞳孔板28aと、結像レンズ28bとを備えるものである。凹面鏡28は、たとえば、集光用楕円面ミラーが用いられる。
(Fifth embodiment)
A surface shape measuring apparatus 1 according to a fifth embodiment will be described with reference to FIG. The surface shape measuring apparatus 1 of this embodiment has a concave mirror 28 instead of the condenser lens 27, the pupil plate 27a, and the imaging lens 27b of the optical system 2 in the surface shape measuring apparatus 1 of the fourth embodiment. , a pupil plate 28a and an imaging lens 28b. Concave mirror 28 is, for example, a condensing ellipsoidal mirror.

位置検出部8の光学系である検出光源81、集光レンズ8a、結像レンズ8b、光検出器82は、ホログラム取得用の光学系2、イメージセンサ5、およびビーム結合器3と共に、構造的に共通の基板に一体化されて配置されている。 The detection light source 81, the condenser lens 8a, the imaging lens 8b, and the photodetector 82, which are the optical system of the position detection unit 8, are structurally arranged together with the hologram acquisition optical system 2, the image sensor 5, and the beam combiner 3. are integrated and arranged on a common substrate.

本表面形状計測装置1においても、凹面鏡28と結像レンズ28bとが、物体光Oとインライン球面波参照光Lとをイメージセンサ5に結像させる。また、小さなイメージセンサによって大きい口径のホログラムを記録でき、物体光の再生を行わなくても、被測定面の形状観察や形状測定が可能になる。 In the present surface shape measuring apparatus 1 as well, the concave mirror 28 and the imaging lens 28b form an image of the object light O and the inline spherical wave reference light L on the image sensor 5 . In addition, a hologram with a large aperture can be recorded with a small image sensor, and the shape of the surface to be measured can be observed and measured without reproducing the object beam.

(第6の実施形態)
図12を参照して、第6の実施形態に係る表面形状計測装置1および表面形状計測方法を説明する。本実施形態の装置および方法は、測定可能な高さの範囲を拡張するものであり、その拡張を実現するために、異なる波長(λ,j=1,2)の光を用いる。本実施形態の表面形状計測装置1のホログラム取得用の光学系2は、上述の第3の実施形態またはその変形例(図7、図8)の光学系2において、ビーム結合器3とイメージセンサ5との間に波長フィルタを挿入し、そのような波長フィルタとイメージセンサの組を2対備えるものである。この構成により、2波長の混合光を用いることができる。
(Sixth embodiment)
A surface shape measuring apparatus 1 and a surface shape measuring method according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG. The apparatus and method of this embodiment extend the range of heights that can be measured, and use light of different wavelengths (λ j , j=1, 2) to achieve the extension. The optical system 2 for hologram acquisition of the surface shape measuring apparatus 1 of this embodiment is the same as the optical system 2 of the third embodiment or its modifications (FIGS. 7 and 8), but the beam combiner 3 and the image sensor 5, and two pairs of such wavelength filters and image sensors are provided. With this configuration, mixed light of two wavelengths can be used.

また、本実施形態の装置1は、第3の実施形態またはその変形例と同様の、位置検出部8と位置調整装置71とを備えている。位置検出部8の光学系である検出光源81、光検出器82、ビームスプリッタ8c、反射鏡8eは、ホログラム取得用の光学系2、イメージセンサ5、およびビーム結合器3と共に、構造的に共通の基板に一体化されて配置されている。なお、位置検出部8は、第2の実施形態における位置調整装置8と同様のものであってもよい。 In addition, the device 1 of this embodiment includes a position detection section 8 and a position adjustment device 71 similar to those of the third embodiment or its modification. The detection light source 81, the photodetector 82, the beam splitter 8c, and the reflecting mirror 8e, which are the optical system of the position detection unit 8, are structurally common with the hologram acquisition optical system 2, the image sensor 5, and the beam combiner 3. are arranged integrally on the substrate of the Note that the position detection unit 8 may be the same as the position adjustment device 8 in the second embodiment.

異なる2波長のうち、一方の波長λを通過させる波長フィルタF1とイメージセンサ51の組は、ビーム結合器3における物体光Oの入射面31に対向する面側に配置されている。他方の波長λを通過させる波長フィルタF2とイメージセンサ52の組は、ビーム結合器3におけるオフアクシス参照光Rが入射する面に対向する面側に配置されている。 A set of the wavelength filter F1 and the image sensor 51, which passes one of the two different wavelengths λ1, is arranged on the side of the beam combiner 3 facing the incident surface 31 of the object light O. FIG. A set of the wavelength filter F2 and the image sensor 52, which transmits the other wavelength λ2, is arranged on the side of the beam combiner 3 opposite to the surface on which the off-axis reference beam R is incident.

(波長の異なる光波間の位相差を用いた表面形状計測)
本実施形態の表面形状計測方法において、物体4の配置と試料台7の調整とが行われたあと、以下の処理が行われる。異なる波長λ,j=1,2の混合光または個別光によって、物体光Oおよびインライン球面波参照光Lのデータが各波長λ,λ毎に、2種類のオフアクシスホログラムI OR,I LR,j=1,2として取得される。次に、各波長λ,λ毎に、計測用ホログラムJ OS=h /s ,j=1,2が生成され、生成された2つの計測用ホログラムJ OS,j=1,2の比を求めるヘテロダイン変換が実行される。ヘテロダイン変換の結果、変調波HW=J OS/J OSが生成される。この変調波HWに含まれる変調波長λ=λλ/(λ-λ)および変調位相分布θ(x’,y’)=θ-θを用いて、物体の被測定面4aにおける高さ分布が求められる。なお、変調波HW、変調波長λは、それぞれ合成波HW、合成波長λとも呼ばれる。
(Surface profile measurement using phase difference between light waves with different wavelengths)
In the surface shape measuring method of this embodiment, after the placement of the object 4 and the adjustment of the sample stage 7 are performed, the following processing is performed. Mixed light or individual light with different wavelengths λ j , j=1, 2 allows the data of the object beam O and the inline spherical wave reference beam L to be converted into two types of off-axis holograms I j OR for each wavelength λ 1 , λ 2 . , I j LR , j=1,2. Next, for each wavelength λ 1 , λ 2 , a measurement hologram J j V OS =h j V /s j V , j=1, 2 is generated, and the two generated measurement holograms J j V OS , j=1,2 is performed. As a result of heterodyne conversion, a modulated wave HW=J 1 V OS /J 2 V OS is generated. Using the modulated wavelength λ B1 λ 2 /(λ 2 −λ 1 ) and the modulated phase distribution θ B (x′, y′)=θ 1 −θ 2 included in this modulated wave HW, A height distribution on the measurement surface 4a is obtained. Note that the modulated wave HW and the modulated wavelength λ B are also called a composite wave HW and a composite wavelength λ B , respectively.

上述の処理の背景と効果を説明する。例えば、第3の実施形態に示した単色レーザ光の位相を用いる表面形状計測では、光波長λを大きく超える高さを計測することは難しい。また、λ/2を超える段差に対しては高さの測定値にλ/2の整数倍の不確さが生じる。ところで、伝搬方向が一致した光波長の異なる2つの光波に対して演算処理を行うと、長い波長を持つ波を作成できる。この波の位相を用いると、計測可能な高さの範囲を大幅に広げることができる。 The background and effect of the above processing will be described. For example, in the surface shape measurement using the phase of monochromatic laser light shown in the third embodiment, it is difficult to measure a height that greatly exceeds the light wavelength λ. In addition, for a step exceeding λ/2, an uncertainty of an integral multiple of λ/2 occurs in the height measurement value. By the way, a wave having a long wavelength can be generated by performing arithmetic processing on two light waves having different light wavelengths and having the same propagation direction. Using this wave phase can greatly expand the range of heights that can be measured.

同じ点光源から放たれる光波長λとλの球面波照明光Qは空間の全ての点において光の伝搬方向が一致し、位相成分はそれぞれexp(2πr/λ-θ)およびexp(2πr/λ-θ)と表される。光波長λの球面波照明光Qを光波長λの球面波照明光Qで除算すると、位相成分がexp(2πr/λ-θ)の波を作成できる。ここに、λおよびθは、下式(22)で与えられる。波長λは2つの照明光が作るビート波の波長と一致する。 Spherical wave illumination light Q with light wavelengths λ 1 and λ 2 emitted from the same point light source has the same light propagation direction at all points in space, and the phase components are exp(2πr/λ 11 ) and It is expressed as exp(2πr/λ 22 ). A wave having a phase component of exp(2πr/λ B −θ B ) can be created by dividing the spherical wave illumination light Q of light wavelength λ 1 by the spherical wave illumination light Q of light wavelength λ 2 . Here, λ B and θ B are given by the following equation (22). The wavelength λ B coincides with the wavelength of the beat waves produced by the two illumination lights.

Figure 2022162306000013
Figure 2022162306000013

被測定面4aを光源の位置が同じで異なる波長を有する2つの球面波で照明すると、測定面上の各点から放たれる2つの反射光の伝搬方向は一致する。また、表面近くの光の干渉や回折が無視できるような測定面上の微小面から放たれる2つの反射光の伝搬方向も一致する。従って、光波長λの反射光を光波長λの反射光で除算すると、照明光Qの場合と同様に機能し、かつ波長が大きくなった、波長λの光波を作成できる。このことは、作成した波長λの波を使うことにより、各実施形態に示した計測法に従って表面形状計測が可能になることを示す。被測定面4aと仮想平面VPとにおける波長λの2つの波の位相θBO,θBL1の位相差をΔθ(x’,y’)=θBO-θBL1と表すと、被測定表面の高さt(x’,y’)は、下式(23)で与えられる。この式(23)は、単一波長の場合の式(18)と同等である。 When the surface to be measured 4a is illuminated with two spherical waves having different wavelengths from the same light source position, the propagation directions of the two reflected lights emitted from each point on the measurement surface are the same. In addition, the propagation directions of two reflected lights emitted from microscopic surfaces on the measurement surface where interference and diffraction of light near the surface can be ignored also coincide. Therefore, dividing the reflected light of optical wavelength λ 1 by the reflected light of optical wavelength λ 2 produces a light wave of wavelength λ B that functions in the same manner as illumination light Q, but with an increased wavelength. This indicates that surface shape measurement can be performed according to the measurement method shown in each embodiment by using the created wave of wavelength λ B . If the phase difference between the phases θ BO and θ BL1 of the two waves of wavelength λ B on the measured surface 4a and the virtual plane VP is expressed as Δθ B (x′, y′)=θ BO −θ BL1 , the measured surface is given by the following equation (23). This equation (23) is equivalent to equation (18) for a single wavelength.

Figure 2022162306000014
Figure 2022162306000014

上式(23)は、基本的に、単一波長の場合の式(18)と同等の式である。本実施形態の表面形状計測装置1および表面形状計測方法は、2波長について記録したホログラムの両方のデータを用いるか、何れか一方のデータを用いるかを、後処理時に任意に決定できる。両波長のデータを用いる場合、式(23)を用いればよく、単波長のデータを用いる場合、式(18)を用いればよい。 The above equation (23) is basically equivalent to equation (18) for a single wavelength. The surface shape measuring apparatus 1 and the surface shape measuring method of the present embodiment can arbitrarily decide during post-processing whether to use both data of holograms recorded for two wavelengths or to use either one of them. When using data of both wavelengths, formula (23) may be used, and when using data of a single wavelength, formula (18) may be used.

異なる波長のホログラムは、図12の光学系と混合光を用いて、ワンショット記録することができる。この場合、光波長λに対するオフアクシス参照光Rの他に、光波長λに対するオフアクシス参照光Rを用意する。この光学系では、それぞれの光波長成分を分離するために光波長λの光を透過させて光波長λの光を遮断する波長フィルタF1と、光波長λの光を透過させて光波長λの光を遮断する波長フィルタF2を用いている。 Holograms of different wavelengths can be one-shot recorded using the optical system of FIG. 12 and mixed light. In this case, an off - axis reference beam R2 for the optical wavelength λ2 is prepared in addition to the off - axis reference beam R1 for the optical wavelength λ1. In this optical system, in order to separate the respective optical wavelength components, there are a wavelength filter F1 that transmits light of optical wavelength λ1 and blocks light of optical wavelength λ2, and a wavelength filter F1 that transmits light of optical wavelength λ2 and blocks light of optical wavelength λ2. A wavelength filter F2 that cuts off light of wavelength λ1 is used.

本実施形態の計測方法のための他の光学系2として、例えば、波長フィルタを備えずに、1つのイメージセンサ5だけを備えている図7の光学系を用いて、2種類のオフアクシスホログラムI OR,I LRを、混合光ではない個別光で各波長毎に、別時間で取得してもよい。 As another optical system 2 for the measurement method of this embodiment, for example, using the optical system of FIG. I j OR and I j LR may be obtained at different times for each wavelength with individual lights that are not mixed lights.

さらに他の光学系2として、図7の光学系において、オフアクシス参照光Rの光学系を各波長毎に設けてもよい。この場合、2つのオフアクシス参照光R1,R2を、互いにオフアクシスの配置にして、波長の異なるホログラムを混合光によってワンショット記録することができる。波長毎のホログラムへの分離は、オフアクシス配置の効果により、後処理によって行うことができる。ワンショット記録したホログラムから、空間周波数領域において、フィルタリング処理を行うことにより、光波長λの複素振幅成分と光波長λの複素振幅成分を分離して取り出すことができる。 As another optical system 2, in the optical system of FIG. 7, an optical system for off-axis reference light R may be provided for each wavelength. In this case, the two off-axis reference beams R1 and R2 can be placed off-axis with each other, and holograms with different wavelengths can be one-shot recorded by the mixed beam. Separation into holograms by wavelength can be done by post-processing due to the effect of off-axis placement. A complex amplitude component of light wavelength λ 1 and a complex amplitude component of light wavelength λ 2 can be separately extracted from a one-shot recorded hologram by filtering in the spatial frequency domain.

なお、オフアクシス参照光R用に、互いにオフアクシス配置とされた2つの光学系を用いる場合、記録可能な測定面が、図12の光学系を用いる場合よりも狭くなる。逆に、図12の光学系の場合、記録可能な測定面を大きくできるが、2つのホログラムをそれぞれ別のイメージセンサ51,52で記録するので、物体光Oの再生の際に、2つの再生光の位置調整が必要になる。 It should be noted that if two optical systems arranged off-axis relative to each other are used for the off-axis reference beam R, the recordable measurement plane is narrower than when the optical system of FIG. 12 is used. Conversely, in the case of the optical system of FIG. 12, although the recordable measurement surface can be enlarged, the two holograms are recorded by separate image sensors 51 and 52, respectively. You will need to adjust the position of the light.

本実施形態の表面形状計測装置1および表面形状計測方法によれば、合成された波長λ=(λλ)/(λ-λ)が、もとの何れの波長λ,λよりも長くなるので、測定可能な高さ領域を拡張できる。このような異なる波長の光を用いる表面形状計測装置1および表面形状計測方法は、2波長に限らず、3波長以上の複数波長を用いる装置および方法に拡張することができる。本方法は、記録されたホログラムデータを後処理することによって、計測を実施することができ、この点は従来のビート波を用いる方法とは大きく異なる。そこで、例えば、3波長λ,λ,λの場合、後処理によって、2波長を選んで、例えば差(1/λ-1/λ)などの組合せを複数作ったり、3波長を全部使って、例えば和と差(1/λ+1/λ-1/λ)などの組合せを複数作ったりして、各組合せによって測定領域を互いに補間して計測を実施することができる。 According to the surface shape measuring apparatus 1 and the surface shape measuring method of this embodiment, the synthesized wavelength λ B =(λ 1 λ 2 )/(λ 2 −λ 1 ) is any of the original wavelengths λ 1 , Since it is longer than λ2, the measurable height range can be extended. The surface shape measuring apparatus 1 and the surface shape measuring method using light of different wavelengths are not limited to two wavelengths, and can be extended to devices and methods using three or more wavelengths. This method can perform measurement by post-processing the recorded hologram data, which is very different from the conventional method using beat waves. Therefore, for example, in the case of three wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 , two wavelengths are selected by post-processing, and a plurality of combinations such as the difference (1/λ 1 -1/λ 2 ) are created, or three wavelengths can be used to create a plurality of combinations such as sum and difference (1/λ 1 +1/λ 2 -1/λ 3 ), and measurement can be performed by interpolating the measurement regions with each combination. can.

(第7の実施形態)
図13を参照して、第7の実施形態に係る表面形状計測装置1を説明する。本実施形態の表面形状計測装置1は、例えば、図5乃至図12に示した表面形状計測装置1によって具現化できるため、これらの図も併せて参照する。表面形状計測装置1は、被測定面4aのホログラムを取得するデータ取得部10と、データ取得部10によって取得されたホログラムから被測定面4aにおける画像を再生する画像再生部12と、を備えている。表面形状計測装置1は、さらに、データ取得部10および画像再生部12を制御するコンピュータから成る制御部11と、FFT等の計算用プログラム、制御用データ等を記憶するメモリ11aとを備えている。
(Seventh embodiment)
A surface shape measuring apparatus 1 according to a seventh embodiment will be described with reference to FIG. Since the surface shape measuring device 1 of the present embodiment can be embodied by, for example, the surface shape measuring device 1 shown in FIGS. 5 to 12, these figures are also referred to. The surface shape measuring apparatus 1 includes a data acquisition unit 10 that acquires the hologram of the surface 4a to be measured, and an image reconstruction unit 12 that reconstructs an image of the surface 4a to be measured from the hologram acquired by the data acquisition unit 10. there is The surface shape measuring apparatus 1 further includes a control unit 11 comprising a computer that controls the data acquisition unit 10 and the image reproduction unit 12, and a memory 11a that stores calculation programs such as FFT, control data, and the like. .

データ取得部10は、光を生成し伝播させる光学系2と、ビーム結合器として用いられるキューブ型ビームスプリッタであるビーム結合器3と、光強度を電気信号に変換してホログラムデータとして出力するイメージセンサ5と、イメージセンサ5で取得されたデータを保存するデータ保存部6とを有する。データ保存部6は、画像再生部12とともに、制御部11に備えられている。ビーム結合器3は、光学系2と共に、ホログラム取得用の各光を伝播させる。 The data acquisition unit 10 includes an optical system 2 that generates and propagates light, a beam combiner 3 that is a cube beam splitter used as a beam combiner, and an image that converts the light intensity into an electrical signal and outputs it as hologram data. It has a sensor 5 and a data storage unit 6 for storing data acquired by the image sensor 5 . The data storage unit 6 is provided in the control unit 11 together with the image reproduction unit 12 . The beam coupler 3, together with the optical system 2, propagates each light for hologram acquisition.

また、データ取得部10は、光学系2とイメージセンサ5の配置構成に関連して位置や姿勢の調整が可能な試料台7と、試料台7の位置を調整する位置調整装置71と、平行平面基板40の参照面40aの位置と物体4の被測定面4aの位置を検出してその結果を位置調整用の信号として位置調整装置71に出力する位置検出部8とを備えている。 The data acquisition unit 10 also includes a sample stage 7 whose position and attitude can be adjusted in relation to the arrangement configuration of the optical system 2 and the image sensor 5, a position adjustment device 71 that adjusts the position of the sample stage 7, a parallel A position detection unit 8 detects the position of the reference surface 40a of the flat substrate 40 and the position of the surface 4a to be measured of the object 4 and outputs the result to the position adjustment device 71 as a signal for position adjustment.

画像再生部12は、図1、図3に示した各工程の処理を行うための、各ホログラム生成部13~16,18、参照点検出部17、形状計測部19、および表示部20を有している。 The image reproduction unit 12 has hologram generation units 13 to 16 and 18, a reference point detection unit 17, a shape measurement unit 19, and a display unit 20 for performing the processes shown in FIGS. is doing.

複素振幅ホログラム生成部13は、物体光オフアクシスホログラムIORと参照光オフアクシスホログラムILRとからオフアクシス参照光Rの成分を除去して、物体光Oとインライン球面波参照光Lに関する複素振幅インラインホログラムJOLを生成する。 The complex amplitude hologram generator 13 removes the component of the off-axis reference beam R from the object beam off-axis hologram IOR and the reference beam off-axis hologram ILR to obtain the complex amplitude of the object beam O and the inline spherical wave reference beam L. Generate an in-line hologram JOL .

計算参照光ホログラム生成部14は、参照光集光点Pから放たれる光が球面波であることに基づき、イメージセンサの受光面である受光面50におけるインライン球面波参照光Lの光波を表すインライン参照光ホログラムjを生成する。 Based on the fact that the light emitted from the reference light condensing point PL is a spherical wave, the computational reference light hologram generator 14 generates a light wave of the inline spherical wave reference light L on the light receiving surface 50 which is the light receiving surface of the image sensor. Create an in-line reference beam hologram j L representing

物体光ホログラム生成部15は、インライン参照光ホログラムjを用いて、複素振幅インラインホログラムJOLから、受光面50における物体光Oの光波を表す物体光ホログラムgを生成する。 The object light hologram generator 15 uses the inline reference light hologram jL to generate an object light hologram g representing the light wave of the object light O on the light receiving surface 50 from the complex amplitude inline hologram JOL .

再生物体光ホログラム生成部16は、物体光ホログラムgを光伝播計算によって仮想平面VPの位置におけるホログラムに変換し、変換されたホログラムを受光面50に対する仮想平面VPの傾角である仮想面傾角αによって回転変換して、仮想平面VPにおける計測用の再生物体光ホログラムhを生成する。 The reproduced object light hologram generator 16 converts the object light hologram g into a hologram at the position of the virtual plane VP by light propagation calculation, and converts the converted hologram to a virtual plane tilt angle α O to generate a reconstructed object beam hologram hV for measurement in the virtual plane VP.

参照点検出部17は、物体光ホログラムgの光伝播計算を行い、相関関数計算によって、物体光の集光点を検出し、その点を形状計測用の参照点S1に設定する。 The reference point detection unit 17 performs light propagation calculation of the object light hologram g, detects the condensing point of the object light by correlation function calculation, and sets the point as the reference point S1 for shape measurement.

解析光ホログラム生成部18は、参照点S1から放たれるインライン球面波参照光Lに対応する球面波の仮想平面VPにおけるホログラムである球面波光ホログラムsを解析的に生成する。 The analysis light hologram generator 18 analytically generates a spherical wave light hologram sV which is a hologram on the virtual plane VP of the spherical wave corresponding to the inline spherical wave reference light L emitted from the reference point S1.

形状計測部19は、再生物体光ホログラムhを球面波光ホログラムsで除算することにより、物体光Oと球面波光ホログラムsとに関する計測用ホログラムJ OSを生成し、計測用の複素振幅インラインホログラムJ OSの位相分布から物体4の被測定面4aにおける高さ分布を求める。また、形状計測部19は、試料台7の移動距離ηと平行平面基板40の既知の厚さdとから求められた物体4の厚さDと、被測定面4aにおける高さ分布と、を用いて、物体4の形状に関する諸量を算出する。前記諸量は、例えば物体4がシリコンウエハの場合、ウエハの底面に対する被測定面の厚さ分布や平行度評価値などである。被測定面における測定点は所望の間隔で指定して多数の測定値を得ることができ、形状計測部19は、多数の測定値の算出と統計的諸量の算出を行う。 The shape measurement unit 19 divides the reproduced object light hologram hV by the spherical wave light hologram sV to generate a measurement hologram JVOS relating to the object light O and the spherical wave light hologram sV , and calculates the complex amplitude for measurement. The height distribution on the measured surface 4a of the object 4 is obtained from the phase distribution of the in-line hologram J V OS . Further, the shape measuring unit 19 calculates the thickness D of the object 4 obtained from the moving distance η of the sample table 7 and the known thickness d of the plane-parallel substrate 40, and the height distribution on the surface 4a to be measured. are used to calculate various quantities related to the shape of the object 4 . For example, when the object 4 is a silicon wafer, the various quantities include the thickness distribution of the surface to be measured with respect to the bottom surface of the wafer, the parallelism evaluation value, and the like. Measurement points on the surface to be measured can be specified at desired intervals to obtain a large number of measured values, and the shape measuring section 19 calculates a large number of measured values and various statistical quantities.

表示部20は、イメージセンサ5によって得られる画像、各ホログラムの強度画像や位相分布画像などを表示する。データ保存部6に保存された物体光オフアクシスホログラムIORと参照光オフアクシスホログラムILRのデータは、画像再生部12によって処理されて、表示部20に表示される。表示部20は、液晶表示装置などのFPDであり、画像以外のデータを表示し、ユーザインターフェイスとなる。画像再生部12の各部は、表示部20を除いて、コンピュータ上で動作するプログラムとそのサブルーティン群を含むソフトウエアを用いて構成される。 The display unit 20 displays an image obtained by the image sensor 5, an intensity image of each hologram, a phase distribution image, and the like. The data of the object beam off-axis hologram IOR and the reference beam off-axis hologram ILR stored in the data storage unit 6 are processed by the image reproducing unit 12 and displayed on the display unit 20 . The display unit 20 is an FPD such as a liquid crystal display device, displays data other than images, and serves as a user interface. Each unit of the image reproduction unit 12, except for the display unit 20, is configured using software including a program operating on a computer and its subroutine group.

(本願発明の特徴と応用例)
本願発明に係る表面形状計測装置および方法においては、位置検出部と位置調整装置を用いて被測定面4a上の点を検出し、検出された点が仮想平面(VP)に含まれるように、試料台の位置調整がなされて物体の位置が現実空間で調整され、物体光オフアクシスホログラムIOR,I ORのデータが取得される。また、必要なホログラムのデータ取得後は、非現実空間であるコンピュータ上の空間において、つまりコンピュータ内で行う計算処理による後処理によって、現実空間における測定精度の限界を超えるための処理が行われ、物体像の再生と表面形状計測が高精度で実現される。
(Features and application examples of the present invention)
In the surface shape measuring apparatus and method according to the present invention, points on the surface to be measured 4a are detected using the position detection unit and the position adjustment apparatus, and the detected points are included in the virtual plane (VP). The position of the sample stage is adjusted to adjust the position of the object in real space, and the data of the object beam off-axis holograms I OR and I j OR are acquired. In addition, after obtaining the necessary hologram data, processing is performed in a non-real space on the computer, that is, by post-processing by calculation processing performed in the computer, processing to exceed the limit of measurement accuracy in the real space, Reconstruction of an object image and surface shape measurement are realized with high accuracy.

ホログラムデータに対するコンピュータによる後処理において、その処理が適正か否か、必要な処理が完了したか否か等の判断が、処理内容に応じた種々の方法で行われる。例えば、処理後のデータについて、再生された画像の鮮明度(フォーカッシングの度合)、再生された画像による既知寸法の再現有無、データ間の相関関数の最大値または最小値、位相分布の現れ方、空間周波数空間における干渉縞模様の現れ方、などに基づく判断が行われる。 In the post-processing of hologram data by a computer, various methods are used to determine whether the processing is appropriate and whether necessary processing has been completed. For example, regarding the data after processing, the clarity (degree of focusing) of the reproduced image, whether or not the reproduced image reproduces known dimensions, the maximum or minimum value of the correlation function between data, how the phase distribution appears , how the fringe pattern appears in spatial frequency space, and so on.

干渉縞模様の現れ方は、例えば、位置検出部によって検出された点(例えば基準点Pに対応する点)または仮想平面VP上の基準点Pそのものを回転の固定点として物体光ホログラムのデータを3次元空間で回転させ、物体光ホログラムを、所定の面、例えば仮想平面VPにおけるホログラムとする場合に、回転の適否を判断する際に用いられる。この場合、例えば、物体光と仮想平面VP上の球面波光との干渉縞の間隔が広がるなどの現れ方の変化によって判断できる。 How the interference fringe pattern appears, for example, is the point detected by the position detection unit (for example, the point corresponding to the reference point PO ) or the reference point PO itself on the virtual plane VP as a fixed point of rotation of the object light hologram. When data is rotated in a three-dimensional space and the object light hologram is a hologram on a predetermined plane, for example, a virtual plane VP, this is used to determine whether the rotation is appropriate. In this case, it can be judged, for example, by a change in appearance such as an increase in the distance between interference fringes between the object light and the spherical wave light on the virtual plane VP.

また、物体4の被測定面4aにおける位置検出部によって検出された点の周辺領域が凹面形状か凸面形状かを判断するために、物体光ホログラムを回転させたり、光軸方向に移動させたりして、位相分布の現れ方や干渉縞模様の現れ方などを用いることができる。例えば、物体光ホログラムのデータを3次元空間で光軸方向に移動させ、注目点(例えば光軸と被測定面4aとの交点)において、移動中に物体光と仮想平面VP上の球面波光との干渉縞が湧き出してくるか、吸い込まれていくかという凹凸に関する情報を用いて、単波長光による測定であっても、データ処理によって被測定面に対する測定範囲を拡大することができる。 Further, in order to determine whether the peripheral area of the point detected by the position detection section on the surface 4a to be measured of the object 4 is concave or convex, the object light hologram is rotated or moved along the optical axis. Therefore, the appearance of the phase distribution, the appearance of the interference fringe pattern, and the like can be used. For example, the data of the object light hologram is moved in the three-dimensional space in the direction of the optical axis, and at the point of interest (for example, the intersection of the optical axis and the surface to be measured 4a), the object light and the spherical wave light on the virtual plane VP during movement. By using the information on unevenness, such as whether the interference fringes of 1. are coming out or being absorbed, the measurement range of the surface to be measured can be expanded by data processing even in the case of measurement with single-wavelength light.

本発明の実施に係る応用例として、例えば、略円形のシリコン半導体基板の主面(被測定面)が凸面状または凹面状に変形しているとき、その変形が凸面か凹面かの判断に加えて、その変形した曲面の曲率半径を計測することを考える。前段階として、所定の平坦度の参照平面を有する平行平面基板を物体4とし、参照平面が仮想平面VPに接するように試料台を調整し、参照平面で構成される被測定面からの球面波照明光Qの反射光である物体光Oのデータを、イメージセンサを用いて物体光オフアクシスホログラムIOR として取得する。この物体光オフアクシスホログラムIOR と既に取得済の参照光オフアクシスホログラムILRのデータから物体光Oの光波を表す物体光ホログラムgを生成し、計算処理によって、物体光ホログラムgを光伝播変換および回転変換して、仮想平面VPにおける再生物体光ホログラムh を生成し、計算処理によって、物体光ホログラムgに光伝搬変換を行って物体光Oが集光する位置を検出してその位置を、仮想平面VPに対する照明光集光点Pの鏡像点と見做し、その集光点を傾斜角および曲率計測用の参照点S0とする。この参照点S0は、形状計測用の参照点S1の検出と同じく相関関数を用いて検出される(図3参照)。 As an application example according to the implementation of the present invention, for example, when the main surface (surface to be measured) of a substantially circular silicon semiconductor substrate is deformed into a convex or concave shape, in addition to determining whether the deformation is convex or concave, and measure the radius of curvature of the deformed curved surface. As a preliminary step, a plane-parallel substrate having a reference plane with a predetermined flatness is used as the object 4, the sample table is adjusted so that the reference plane is in contact with the virtual plane VP, and a spherical wave from the surface to be measured composed of the reference plane is Data of the object light OP, which is the reflected light of the illumination light Q , is acquired as an object light off - axis hologram I ORP using an image sensor. An object light hologram gP representing the light wave of the object light OP is generated from the data of this object light off - axis hologram IORP and the already acquired reference light off - axis hologram ILR , and the object light hologram gP is calculated by computational processing. is optically propagated and rotationally transformed to generate a reconstructed object light hologram hPV on the virtual plane VP, and by computational processing, the object light hologram g0 is optically propagated and converted to the position where the object light OP is condensed. is detected and its position is regarded as the mirror image point of the illumination light condensing point PQ with respect to the virtual plane VP, and this condensing point is defined as the reference point S0 for tilt angle and curvature measurement. This reference point S0 is detected using a correlation function in the same manner as the detection of the reference point S1 for shape measurement (see FIG. 3).

形状計測用の参照点S1の情報が得られた時点において、被測定面の微細な高さ分布を算出できるが、形状計測用の参照点S1からだけでは被測定面4aの基準面に対する傾斜角Ψ(被測定面の高さ分布関数を基準面に対する高さ分布として求め、その高さ分布関数をテーラ展開したときの1次の項)と凸面や凹面の形状に関する基板の曲率半径R(上記の高さ分布関数をテーラ展開したときの2次の項)の情報は得られない。何故ならば形状計測用の参照点S1の検出を相関関数を用いて検出するとき、基板の傾斜角や凸面凹面の形状に応じて、相関関数のピークの位置が三次元空間における任意の方向に移動するからである。形状計測用の参照点S1の情報から、基板の傾斜角Ψの情報と基板の凸面や凹面の形状に関する基板の曲率半径Rの情報は失われ、上記の高さ分布関数をテーラ展開したときの3次以上の高次項の高さ情報が残り、下記の二乗平均開平値RMS(root mean square)を得ることができる。 When the information of the reference point S1 for shape measurement is obtained, the fine height distribution of the surface to be measured can be calculated. Ψ (the first-order term when the height distribution function of the surface to be measured is obtained as the height distribution with respect to the reference surface and the height distribution function is Taylor-expanded) and the radius of curvature R S ( Information of the secondary term when the above height distribution function is Taylor-expanded cannot be obtained. This is because when the reference point S1 for shape measurement is detected using a correlation function, the position of the peak of the correlation function may be in any direction in the three-dimensional space, depending on the tilt angle of the substrate and the shape of the convex or concave surface. because it moves. Information on the inclination angle Ψ of the substrate and information on the radius of curvature R S of the substrate relating to the shape of the convex or concave surface of the substrate are lost from the information of the reference point S1 for shape measurement. The height information of the third or higher order term of is left, and the following root mean square (RMS) can be obtained.

シリコンウエハなどの寸法規格に関する標準仕様書(シリコン鏡面ウェーハの寸法規格に関する標準仕様 JEITA EM-3602)等を見ると、被測定面の基準面に対する高さの二乗平均開平値RMSの値だけでなく被測定面の曲率半径や基準面に対する傾斜角などが必要とされている。物体4の被測定面4aとして半導体基板の主面を考える。半導体基板の主面からの反射光である物体光のデータを取得し、図3に示した方法を用いて、半導体基板の主面についての形状計測用の参照点S1を求めて、傾斜角および曲率計測用の参照点S0と比較する。2つの参照点の位置座標S0(x0,y0,z0),S1(x1,y1,z1)から、2つの参照点S1,S0間の、xy平面内での距離Lxy=√((x1-x0)+(y1-y0))、および光軸z方向の距離L=z1-z0を求める(xyz座標については図2参照)。なお、√(*)は、(*)の平方根を表す。 If you look at the standard specifications for dimensional standards for silicon wafers (standard specifications for dimensional standards for silicon mirror wafers, JEITA EM-3602), you can find not only the root mean square root value RMS of the height of the surface to be measured relative to the reference surface, The radius of curvature of the surface to be measured and the angle of inclination with respect to the reference plane are required. Consider the main surface of a semiconductor substrate as the surface 4 a to be measured of the object 4 . Data of object light, which is reflected light from the main surface of the semiconductor substrate, is acquired, and the reference point S1 for shape measurement of the main surface of the semiconductor substrate is obtained using the method shown in FIG. Compare with the reference point S0 for curvature measurement. From the position coordinates S0 (x0, y0, z0), S1 (x1, y1, z1) of the two reference points, the distance L xy =√((x1- x0) 2 +(y1-y0) 2 ), and the distance L z =z1-z0 in the direction of the optical axis z (see FIG. 2 for xyz coordinates). √(*) represents the square root of (*).

2つの参照点S1,S0を結ぶ線分を垂直2等分する平面を、第2の仮想平面VP1として設定する。イメージセンサ5の中心(0,0,0)と傾斜角および曲率計測用の参照点S0とを通る直線が、第2の仮想平面VP1と交わる点を、第2の基準点P’とする。xy平面内での距離Lxyは、物体4の被測定面4aの第2の仮想平面VP1に対する傾斜角Ψによって生じる。光軸z方向の距離Lは、物体4の被測定面4aの第2の仮想平面VP1に対する凸面状または凹面状の変形があることにより生じる。 A plane that vertically bisects the line segment connecting the two reference points S1 and S0 is set as a second virtual plane VP1. The point where a straight line passing through the center (0, 0, 0) of the image sensor 5 and the reference point S0 for tilt angle and curvature measurement intersects the second virtual plane VP1 is defined as a second reference point PO '. . The distance L xy in the xy plane is caused by the inclination angle Ψ of the measured surface 4a of the object 4 with respect to the second virtual plane VP1. The distance Lz in the direction of the optical axis z is caused by convex or concave deformation of the measured surface 4a of the object 4 with respect to the second virtual plane VP1.

(Ψの計算)
物体4の被測定面4a(半導体基板の主面)と底面基準(主面の対向面)との間の傾斜角Ψは、2点P’,S0を結ぶ線分と、2点P’,S1を結ぶ線分とのなす角度の半分である。そこで、傾斜角Ψは、2点P’,S0間の距離R0と、2点S1,S0間の距離Lxyとを用いて、下式から求められる。
tan(Ψ)=Lxy/(2R0)。
(Calculation of Ψ)
The inclination angle Ψ between the surface to be measured 4a (main surface of the semiconductor substrate) of the object 4 and the bottom reference (surface opposite to the main surface) is determined by a line segment connecting two points P O ′ and S0 and two points P O ' and the line segment connecting S1. Therefore, the tilt angle Ψ is obtained from the following equation using the distance R0 between the two points P O ′ and S0 and the distance L xy between the two points S1 and S0.
tan([psi])= Lxy /(2R0).

(Rsの計算)
傾斜角および曲率計測用の参照点S0から出射する球面波光が第2の仮想平面VP1上の点P’に達するときの球面波の曲率半径は、P’とS0間の距離R0である。また、形状計測用の参照点S1から出射する球面波光が第2の仮想平面VP1上の点P’に達するときの球面波の曲率半径は、P’とS1間の距離R1である。2つの球面波光の光路差は、物体4の被測定面4a(半導体基板の主面)の変形によって発生する。その変形の曲率半径をRsとする。また、R0とR1は被測定面の大きさに比べ十分大きな値とすることができる。
(Calculation of Rs)
The radius of curvature of the spherical wave when the spherical wave light emitted from the reference point S0 for tilt angle and curvature measurement reaches the point P O ' on the second virtual plane VP1 is the distance R0 between P O ' and S0. . The radius of curvature of the spherical wave when the spherical wave light emitted from the reference point S1 for shape measurement reaches the point P O ' on the second virtual plane VP1 is the distance R1 between P O ' and S1. The optical path difference between the two spherical wave lights is generated by the deformation of the surface 4a (main surface of the semiconductor substrate) of the object 4 to be measured. Let the radius of curvature of the deformation be Rs. Also, R0 and R1 can be set to sufficiently large values compared to the size of the surface to be measured.

ここで、R1=R0±△rとすると、△r<<R0である。変形の曲率半径Rsは、曲率半径R0,R1を用いて、下式のように直感的に解りやすい簡単な形で表せる。Rsの中心位置は、S1とS0を結ぶ線分の中点を通り、イメージセンサ5の中心(0,0,0)とS0とを通る線に平行な線上にある。
1/Rs=1/R0-1/R1, Rs≒±R0/Δr。
Here, if R1=R0±Δr, then Δr<<R0. The radius of curvature Rs of deformation can be expressed in a simple form that is intuitively understandable as in the following formula using the radiuses of curvature R0 and R1. The center position of Rs is on a line that passes through the midpoint of the line segment connecting S1 and S0 and is parallel to the line that passes through the center (0, 0, 0) of the image sensor 5 and S0.
1/Rs=1/R0−1/R1, Rs≈±R0 2 /Δr.

(物体4の表面形状と立体的形状)
物体4の底面を基準とした被測定面4aの表面形状は、複素振幅インラインホログラムJ OSの位相の面分布(RMS)と、被測定面の曲率半径(Rs)と、被測定面の傾斜角(Ψ)とを合成して得られる。また、前述したように物体4の厚さD(P’点での厚さ)が求まるので、立体的な物体4の形状が測定できる。フォーカシングの技術を使うと、設定により空間の任意の点の位置検出することができる。本発明の実施例ではナノメートルのオーダの誤差検出が可能であり、基準点Pにフォーカス位置を設定することにより、参照光集光点Pと傾斜角および曲率計測用の参照点S0とは、フォーカス誤差検出による誤差と駆動動作の誤差とを加算した誤差内で一致させることができる。ここで述べた傾斜角の情報や基板の凸面状または凹面状の変形に関する曲率半径の情報、およびシリコン半導体基板の厚さと平面度等の情報は、基板の品質確認や良否判定等に用いることができる。
(Surface shape and three-dimensional shape of object 4)
The surface shape of the surface to be measured 4a with respect to the bottom surface of the object 4 is the planar distribution (RMS) of the phase of the complex amplitude inline hologram J V OS , the radius of curvature (Rs) of the surface to be measured, and the inclination of the surface to be measured. It is obtained by synthesizing the angle (Ψ). Moreover, since the thickness D of the object 4 (thickness at the point P 0 ′) can be obtained as described above, the three-dimensional shape of the object 4 can be measured. Focusing techniques can be set to locate any point in space. In the embodiment of the present invention, it is possible to detect errors on the order of nanometers . can be matched within the error obtained by adding the error due to the focus error detection and the error of the drive operation. The information on the tilt angle, the information on the curvature radius related to the convex or concave deformation of the substrate, and the information on the thickness and flatness of the silicon semiconductor substrate can be used for checking the quality of the substrate and determining the quality of the substrate. can.

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態と変形例の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。 It should be noted that the present invention is not limited to the above configuration, and various modifications are possible. For example, it is possible to adopt a configuration in which the configurations of the respective embodiments and modifications described above are combined with each other.

従来の技術に対する本発明の新規性と優位性として下記が挙げられる:(1)光波のワンショット記録により高速測定ができる、(2)被測定面4aの高精度な絶対平面度測定ができる、(3)参照平面やコリメートレンズを使用しないので平面度測定の大口径化ができる、(4)広範囲の反射係数を持つ被測定面4aに対して平面度測定ができる、(5)被測定面4aにおける再生反射光を用いて高分解能な表面形状や表面粗さの測定ができる、(6)底面基準で被測定物の被測定面4aの形状計測ができ、被測定物の底面に対する被測定面4aの曲率、平行度、厚さの測定ができる。 The novelty and superiority of the present invention over conventional techniques include the following: (1) High-speed measurement is possible by one-shot recording of light waves, (2) High-precision absolute flatness measurement of the surface 4a to be measured is possible. (3) Since no reference plane or collimator lens is used, a large aperture can be used for flatness measurement. (4) Flatness can be measured for the surface 4a to be measured having a wide range of reflection coefficients. (5) The surface to be measured. (6) The shape of the surface to be measured 4a of the object to be measured can be measured with reference to the bottom surface, and the shape of the surface to be measured 4a can be measured with respect to the bottom surface of the object to be measured. The curvature, parallelism and thickness of the surface 4a can be measured.

上記優位性から、本発明は、光学やデジタルホログラフィ、光計測、干渉計測、微細形状測定の分野においてこれらの利点を活かした広い用途に適用できる。また、技術応用の観点からは、精密計測やナノテクノロジ、基板形状計測、半導体基板検査、光学部品検査などの分野における使用が考えられる。具体的な使用例としては、薄いガラス基板、フォトマスク、大型ウエハなどの表面形状計測、光学部品の表面形状計測、工業用基準平面の計測、などが挙げられる。 Due to the advantages described above, the present invention can be applied to a wide range of applications in the fields of optics, digital holography, optical measurement, interferometry, and fine shape measurement, making use of these advantages. From the viewpoint of technical application, it can be used in fields such as precision measurement, nanotechnology, substrate shape measurement, semiconductor substrate inspection, and optical component inspection. Specific usage examples include surface shape measurement of thin glass substrates, photomasks, large wafers, etc., surface shape measurement of optical components, measurement of industrial reference planes, and the like.

1 表面形状計測装置
10 データ取得部
12 画像再生部
13 複素振幅ホログラム生成部
14 計算参照光ホログラム生成部
15 物体光ホログラム生成部
16 再生物体光ホログラム生成部
17 参照点検出部
18 解析光ホログラム生成部
19 形状計測部
2 光学系
27 集光レンズ
27a 瞳孔板
27b 結像レンズ
28 凹面鏡
28a 瞳孔板
28b 結像レンズ
3 ビーム結合器(キューブ型ビームスプリッタ)
4 物体
4a 被測定面
40 平行平面基板
40a 平行平面基板の参照面
5 イメージセンサ
50 受光面
6 データ保存部
7 試料台
C 相関関数
LR,I LR 参照光オフアクシスホログラム
OR,I OR 物体光オフアクシスホログラム
OL 物体光の複素振幅インラインホログラム
OS,J OS 計測用の複素振幅インラインホログラム
L インライン球面波参照光
xy 参照点S1と参照点S0のxy平面内での距離
参照点S1と参照点S0の光軸z方向の距離
O 物体光
Pa 仮想平面上の照射点
インライン球面波参照光の集光点
基準点
’ 第2の基準点
オフアクシス参照光の集光点
Q 照明光
R オフアクシス参照光
R0 参照点S0から出射する球面波の基準点Poにおける曲率半径
R1 参照点S1から出射する球面波の基準点Poにおける曲率半径
Rs 被測定面4aの曲率半径
RMS 二乗平均開平値(root mean square)
S0 傾斜角および曲率計測用の参照点
S1 形状計測用の参照点(参照光点光源)
VP 仮想平面
VP1 第2の仮想平面
fp 仮想点光源(プローブ関数)
g 物体光ホログラム
h0 評価ホログラム
再生物体光ホログラム
インライン参照光ホログラム
球面波光ホログラム
α 傾角
ρ イメージセンサからインライン球面波参照光の集光点までの距離
λ 変調波長
λ,λ,λ 波長
θ 変調位相
Ψ 基準面に対する被測定面4aの傾斜角
1 surface profile measuring device 10 data acquisition unit 12 image reconstruction unit 13 complex amplitude hologram generation unit 14 calculation reference beam hologram generation unit 15 object beam hologram generation unit 16 reconstruction object beam hologram generation unit 17 reference point detection unit 18 analysis beam hologram generation unit 19 shape measuring unit 2 optical system 27 condenser lens 27a pupil plate 27b imaging lens 28 concave mirror 28a pupil plate 28b imaging lens 3 beam combiner (cube beam splitter)
4 object 4a surface to be measured 40 plane-parallel substrate 40a reference plane of plane-parallel substrate 5 image sensor 50 light receiving surface 6 data storage unit 7 sample stage C correlation function ILR , Ij LR reference beam off-axis hologram IOR , IjOR Object beam off-axis hologram JOL complex amplitude inline hologram of object beam JVOS , JjVOS complex amplitude inline hologram for measurement L inline spherical wave reference beam L xy reference point S1 and reference point S0 in the xy plane Distance L Distance between z reference point S1 and reference point S0 in the direction of optical axis z O Object light Pa Irradiation point on virtual plane P L Condensing point of inline spherical wave reference light PO reference point PO ' Second reference point P R Condensing point of off-axis reference light Q Illumination light R Off-axis reference light R0 Curvature radius at reference point Po of spherical wave emitted from reference point S0 R1 Curvature radius at reference point Po of spherical wave emitted from reference point S1 Rs Curvature radius of the surface 4a to be measured RMS Root mean square
S0 reference point for tilt angle and curvature measurement S1 reference point for shape measurement (reference beam point light source)
VP virtual plane VP1 second virtual plane fp virtual point light source (probe function)
g object beam hologram h0 evaluation hologram h V reconstructed object beam hologram j L inline reference beam hologram s V spherical wave beam hologram α O tilt angle ρ distance from image sensor to focal point of inline spherical wave reference beam λ B modulation wavelength λ j , λ 1 , λ 2 wavelength θ B modulation phase Ψ Inclination angle of measured surface 4a with respect to reference plane

Claims (12)

ホログラフィを用いる表面形状計測装置において、
物体の被測定面を照明する球面波照明光(Q)の反射光である物体光(O)と前記物体光(O)に対してインラインとなるインライン球面波参照光(L)の2つの光のデータをオフアクシス参照光(R)を用いてそれぞれ物体光オフアクシスホログラム(IOR)および参照光オフアクシスホログラム(ILR)として取得するデータ取得部と、
前記データ取得部によって取得されたデータを用いて、前記被測定面の画像を再生して前記被測定面の表面形状のデータを取得する計算処理を行う画像再生部と、を備え、
前記データ取得部は、
光強度を電気信号に変換してホログラムデータとして出力するイメージセンサと、
前記被測定面を前記イメージセンサの受光面に向けて前記物体を保持する試料台と、
前記球面波照明光(Q)の集光点である照明光集光点(P)と前記インライン球面波参照光(L)の集光点である参照光集光点(P)とが、仮想的に設定した仮想平面(VP)に対して互いに鏡像配置となり、前記インライン球面波参照光(L)が前記仮想平面(VP)を通過して前記イメージセンサに入射するように構成されたホログラム取得用の光学系と、
前記イメージセンサの光軸方向における前記仮想平面(VP)の前後を含む領域で前記被測定面上の点の位置を検出し、その情報を反射位置情報として出力する位置検出部と、
前記反射位置情報に基づき、前記検出された点が前記仮想平面(VP)に含まれるように、前記試料台を移動させる位置調整装置と、を備え、
前記画像再生部は、
前記参照光集光点(P)から放たれる光が球面波であることを用いて、前記2種類のオフアクシスホログラム(IOR,ILR)のデータから前記物体光(O)の光波を表す物体光ホログラム(g)を生成する物体光ホログラム生成部と、
前記物体光ホログラム(g)を光伝播変換および回転変換して、前記仮想平面(VP)における再生物体光ホログラム(h)を生成する再生物体光ホログラム生成部と、
前記物体光ホログラム(g)に光伝搬変換を行って前記物体光(O)が集光する位置を検出してその位置を形状計測用の参照点(S1)として設定する参照点検出部と、
前記参照点(S1)から放たれる球面波光の前記仮想平面(VP)におけるホログラムである球面波光ホログラム(s)を解析的に生成する解析光ホログラム生成部と、
前記再生物体光ホログラム(h)と前記球面波光ホログラム(s)の位相差の面分布から前記物体の被測定面の高さ分布を求める形状計測部と、を備える、ことを特徴とする表面形状計測装置。
In a surface shape measuring device using holography,
Two lights: an object light (O) that is reflected light of the spherical wave illumination light (Q) that illuminates the surface to be measured of the object, and an inline spherical wave reference light (L) that is inline with the object light (O). as an object beam off-axis hologram (I OR ) and a reference beam off-axis hologram (I LR ) using the off-axis reference beam (R), respectively;
an image reproduction unit that performs calculation processing for reproducing the image of the surface to be measured using the data acquired by the data acquisition unit and acquiring surface shape data of the surface to be measured;
The data acquisition unit
an image sensor that converts light intensity into an electrical signal and outputs it as hologram data;
a sample table that holds the object with the surface to be measured facing the light receiving surface of the image sensor;
An illumination light condensing point (P Q ), which is the condensing point of the spherical wave illumination light (Q), and a reference light condensing point (P L ), which is the condensing point of the inline spherical wave reference light (L) , are mirror images of each other with respect to a virtually set virtual plane (VP), and the inline spherical wave reference light (L) passes through the virtual plane (VP) and is incident on the image sensor. an optical system for obtaining a hologram;
a position detection unit that detects the position of a point on the surface to be measured in an area including the front and back of the virtual plane (VP) in the optical axis direction of the image sensor and outputs the information as reflection position information;
a position adjustment device that moves the sample stage so that the detected point is included in the virtual plane (VP) based on the reflection position information;
The image reproducing unit
Using the fact that the light emitted from the reference light condensing point (P L ) is a spherical wave, the light wave of the object light (O) is obtained from the data of the two types of off-axis holograms (I OR , I LR ). an object beam hologram generator for generating an object beam hologram (g) representing
a reconstructed object light hologram generation unit for optically propagating and rotationally transforming the object light hologram (g) to generate a reconstructed object light hologram (h V ) on the virtual plane (VP);
a reference point detection unit that performs optical propagation conversion on the object light hologram (g) to detect a position where the object light (O) is focused and sets the position as a reference point (S1) for shape measurement;
an analysis light hologram generator that analytically generates a spherical wave light hologram (s V ), which is a hologram in the virtual plane (VP) of spherical wave light emitted from the reference point (S1);
a shape measuring unit that obtains a height distribution of a surface to be measured of the object from a surface distribution of the phase difference between the reproduced object optical hologram (h V ) and the spherical wave optical hologram (s V ). Surface shape measuring device.
前記データ取得部は、前記イメージセンサの直前に配置され、前記物体光(O)または前記インライン球面波参照光(L)と前記オフアクシス参照光(R)とを合波して前記イメージセンサに入射させるキューブ型ビームスプリッタで成るビーム結合器を備え、
前記画像再生部は、前記ビーム結合器の屈折率を考慮した平面波展開法によって前記ビーム結合器を通過する光の光伝播計算を行うことにより、前記参照光集光点(P)から放たれて前記ビーム結合器を通過し、前記イメージセンサの受光面に至る光波であって、前記受光面における前記インライン球面波参照光(L)に相当する光波を表すインライン参照光ホログラム(j)を生成する、ことを特徴とする請求項1に記載の表面形状計測装置。
The data acquisition unit is arranged immediately before the image sensor, combines the object light (O) or the in-line spherical wave reference light (L) and the off-axis reference light (R), and outputs the data to the image sensor. Equipped with a beam combiner consisting of a cube-shaped beam splitter for incidence,
The image reproducing unit calculates the light propagation of the light passing through the beam combiner by a plane wave expansion method considering the refractive index of the beam combiner, thereby obtaining a an in-line reference light hologram (j L ) representing a light wave that passes through the beam combiner and reaches the light-receiving surface of the image sensor, the light wave corresponding to the in-line spherical wave reference light (L) at the light-receiving surface. 2. The surface profile measuring device according to claim 1, wherein the surface profile measuring device generates a
前記位置検出部は、
前記被測定面から反射される、位置検出用の光ビームを出す検出光源と、
前記光ビームの反射光を検出し、その検出に応じて電気信号を出力する光検出器と、
前記仮想平面(VP)上の所定の照射点に前記検出光源からの光ビームを照射させ、前記照射点に照射された光ビームの反射光を前記光検出器に入射させる検出光学系と、
前記光検出器が出力する前記電気信号に基づいて、前記光ビームが反射された位置と前記仮想平面(VP)との隔たり量を示す偏移信号を生成して前記反射位置情報として前記位置調整装置に出力する信号出力部と、を備える、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の表面形状計測装置。
The position detection unit is
a detection light source that emits a light beam for position detection that is reflected from the surface to be measured;
a photodetector that detects the reflected light of the light beam and outputs an electrical signal in response to the detection;
a detection optical system that irradiates a predetermined irradiation point on the virtual plane (VP) with a light beam from the detection light source and causes the reflected light of the light beam irradiated to the irradiation point to enter the photodetector;
Based on the electrical signal output from the photodetector, a shift signal indicating a distance between the position where the light beam is reflected and the virtual plane (VP) is generated, and the position adjustment is performed as the reflected position information. 3. The surface profile measuring device according to claim 1, further comprising a signal output unit for outputting to the device.
前記光検出器は複数の検出素子を有し、
前記信号出力部は前記複数の検出素子の各々が出力する信号の差信号を前記偏移信号とする、ことを特徴とする請求項3に記載の表面形状計測装置。
The photodetector has a plurality of detection elements,
4. The surface shape measuring apparatus according to claim 3, wherein the signal output unit uses a difference signal of signals output from each of the plurality of detection elements as the deviation signal.
前記位置検出部は、
前記被測定面の位置検出に用いられる変調された光ビームを出す検出光源と、
前記光ビームを検出する2つの光検出器と、
前記検出光源からの前記光ビームを2つの光ビームに分離するビームスプリッタと、
前記分離された光ビームの一方を、前記光検出器の一方に入射させ、前記分離された光ビームの他方を、前記被測定面に向けて伝播させて前記被測定面からの反射光を前記光検出器の他方に入射させる検出光学系と、
前記2つの光検出器がそれぞれ前記分離された光ビームを検出する時間差に基づいて、前記被測定面の位置と前記仮想平面(VP)の位置との隔たり量を示す偏移信号を生成して前記反射位置情報として前記位置調整装置に出力する信号出力部と、を備える、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の表面形状計測装置。
The position detection unit is
a detection light source that emits a modulated light beam used for detecting the position of the surface to be measured;
two photodetectors for detecting the light beam;
a beam splitter for separating the light beam from the detection light source into two light beams;
One of the separated light beams is incident on one of the photodetectors, the other of the separated light beams is propagated toward the surface to be measured, and the reflected light from the surface to be measured is detected as the light beam. a detection optical system that is incident on the other side of the photodetector;
generating a shift signal indicating the distance between the position of the surface to be measured and the position of the virtual plane (VP) based on the time difference between the detection of the separated light beams by the two photodetectors, respectively; 3. The surface shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a signal output unit for outputting the reflected position information to the position adjustment device.
前記ホログラム取得用の光学系は、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)とを集光する集光レンズと、前記集光レンズによる集光位置に配置されて通過光量を制限する瞳孔板と、前記瞳孔板に組み合わせて配置された結像レンズと、を備えて、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)とを前記イメージセンサに結像させる、ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の表面形状計測装置。 The optical system for obtaining the hologram includes a condenser lens for condensing the object light (O) and the inline spherical wave reference light (L), and is arranged at a condensing position by the condenser lens to reduce the amount of passing light. a limiting pupil plate and an imaging lens arranged in combination with the pupil plate to image the object light (O) and the in-line spherical wave reference light (L) on the image sensor; 6. The surface shape measuring apparatus according to any one of claims 1 to 5, characterized in that: 前記ホログラム取得用の光学系は、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)とを集光する凹面鏡と、前記凹面鏡による集光位置に配置されて通過光量を制限する瞳孔板と、前記瞳孔板に組み合わせて配置された結像レンズと、を備えて、前記物体光(O)と前記インライン球面波参照光(L)とを前記イメージセンサに結像させる、ことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の表面形状計測装置。 The optical system for obtaining the hologram includes a concave mirror that converges the object light (O) and the inline spherical wave reference light (L), and a pupil plate that is arranged at a converging position of the concave mirror to limit the amount of light passing through. and an imaging lens arranged in combination with the pupil plate to form an image of the object light (O) and the inline spherical wave reference light (L) on the image sensor. The surface shape measuring device according to any one of claims 1 to 5. 物体の被測定面の形状をホログラフィを用いて計測する表面形状計測方法において、
イメージセンサの光軸上にインライン球面波参照光(L)の集光点である参照光集光点(P)を配置し、前記光軸から外れた位置に球面波照明光(Q)の集光点である照明光集光点(P)を配置し、前記参照光集光点(P)と前記照明光集光点(P)とを結ぶ線分を垂直に2等分する平面である仮想平面(VP)を設定し、
前記仮想平面(VP)と前記光軸との交点位置に基準点(P)を設定し、
参照平面を有する平行平面基板を、前記参照平面が前記イメージセンサの受光面を望むように、試料台に保持させ、
前記参照平面が前記仮想平面(VP)に接するように前記試料台を調整し、
前記平行平面基板に替えて前記物体を、前記被測定面が前記イメージセンサの受光面を望むように、前記試料台に保持させ、
前記被測定面が前記仮想平面(VP)に接するように前記試料台の位置を調整し、
前記被測定面からの前記球面波照明光(Q)の反射光である物体光(O)のデータを、前記イメージセンサを用いて物体光オフアクシスホログラム(IOR)として取得し、
前記平行平面基板と前記物体が配置されていない状態で、前記仮想平面(VP)を通過して前記イメージセンサに入射する前記インライン球面波参照光(L)のデータを、前記イメージセンサを用いて参照光オフアクシスホログラム(ILR)として取得し、
前記インライン球面波参照光(L)が球面波光であることを用いる計算処理によって、前記2種類のオフアクシスホログラム(IOR,ILR)のデータから前記物体光(O)の光波を表す物体光ホログラム(g)を生成し、
計算処理によって、前記物体光ホログラム(g)を光伝播変換および回転変換して、前記仮想平面(VP)における再生物体光ホログラム(h)を生成し、
計算処理によって、前記物体光ホログラム(g)に光伝搬変換を行って前記物体光(O)が集光する位置を検出してその位置を、前記仮想平面(VP)に対する前記照明光集光点(P)の鏡像点と見做し、形状計測用の参照点(S1)として設定し、
前記参照点(S1)から放たれる球面波光の前記仮想平面(VP)におけるホログラムである球面波光ホログラム(s)を解析的に生成し、
前記再生物体光ホログラム(h)と前記球面波光ホログラム(s)の位相差の面分布から前記物体の被測定面の高さ分布を求める、ことを特徴とする表面形状計測方法。
In a surface shape measurement method for measuring the shape of a surface to be measured of an object using holography,
A reference light condensing point (P L ), which is a condensing point of the inline spherical wave reference light (L), is arranged on the optical axis of the image sensor, and the spherical wave illumination light (Q) is located at a position off the optical axis. An illumination light condensing point (P Q ) is arranged, and a line segment connecting the reference light condensing point (P L ) and the illumination light condensing point (P Q ) is vertically bisected. Set a virtual plane (VP), which is the plane to
setting a reference point (P O ) at the intersection position of the virtual plane (VP) and the optical axis;
holding a plane-parallel substrate having a reference plane on a sample stage so that the reference plane faces the light receiving surface of the image sensor;
Adjusting the sample table so that the reference plane is in contact with the virtual plane (VP);
holding the object instead of the parallel plane substrate on the sample table so that the surface to be measured faces the light receiving surface of the image sensor;
adjusting the position of the sample table so that the surface to be measured is in contact with the virtual plane (VP);
obtaining data of object light (O), which is reflected light of the spherical wave illumination light (Q) from the surface to be measured, as an object light off-axis hologram (I OR ) using the image sensor;
Data of the in-line spherical wave reference light (L) passing through the virtual plane (VP) and incident on the image sensor in a state in which the parallel plane substrate and the object are not arranged are captured using the image sensor. acquired as a reference beam off-axis hologram (I LR ),
Object light representing a light wave of the object light (O) from the data of the two types of off-axis holograms (I OR , I LR ) by calculation processing using the inline spherical wave reference light (L) being spherical wave light generating a hologram (g);
optically propagating and rotationally transforming said object beam hologram (g) by computational processing to produce a reconstructed object beam hologram (h v ) in said virtual plane (VP);
Light propagation conversion is performed on the object light hologram (g) by calculation processing to detect the position where the object light (O) is condensed, and the position is converted to the illumination light condensing point with respect to the virtual plane (VP). Considered as a mirror image point of (P Q ) and set as a reference point (S1) for shape measurement,
analytically generating a spherical wave light hologram (s v ) which is a hologram in said virtual plane (VP) of spherical wave light emitted from said reference point (S1);
A surface profile measuring method, wherein a height distribution of a surface to be measured of the object is obtained from a surface distribution of a phase difference between the reproduced object optical hologram ( hv ) and the spherical wave optical hologram ( sv ).
前記参照平面が前記仮想平面(VP)に接するように行なう前記試料台の前記調整は、
前記平行平面基板が配置されていない状態で、前記仮想平面(VP)を通過して前記イメージセンサに入射する前記インライン球面波参照光(L)のデータを、参照光オフアクシスホログラム(ILR)として取得し、
前記平行平面基板を前記試料台に保持させて前記球面波照明光(Q)の前記参照平面からの反射光のデータを物体光オフアクシスホログラム(IOR)として取得し、
前記物体光オフアクシスホログラム(IOR)と前記参照光オフアクシスホログラム(ILR)の位相差の面分布の変化が低減するように前記試料台の位置と傾きを変えて行う、ことを特徴とする請求項8に記載の表面形状計測方法。
The adjustment of the sample table so that the reference plane is in contact with the virtual plane (VP) includes:
The data of the in-line spherical wave reference beam (L) passing through the virtual plane (VP) and incident on the image sensor in the state where the parallel plane substrate is not arranged is converted into a reference beam off-axis hologram (I LR ). and get as
holding the plane-parallel substrate on the sample stage and acquiring data of reflected light of the spherical wave illumination light (Q) from the reference plane as an object light off-axis hologram (I OR );
The method is characterized in that the position and inclination of the sample stage are changed so as to reduce a change in surface distribution of the phase difference between the object light off-axis hologram (I OR ) and the reference light off-axis hologram (I LR ). The surface shape measuring method according to claim 8.
前記被測定面が前記仮想平面(VP)に接するように行なう前記試料台の前記調整は、
前記仮想平面(VP)上の1点に向けて位置検出用の光ビームを照射し、その反射光を受光することにより前記光ビームが反射された位置と前記仮想平面(VP)との隔たり量に応じた偏移信号を生成し、前記偏移信号が小さくなるように前記被測定面を移動させるアクティブ自動フォーカスの技術を用いて行なう、ことを特徴とする請求項8または請求項9に記載の表面形状計測方法。
The adjustment of the sample table so that the surface to be measured is in contact with the virtual plane (VP) includes:
A position detection light beam is irradiated toward one point on the virtual plane (VP), and the reflected light is received, whereby the distance between the position where the light beam is reflected and the virtual plane (VP) 10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that active autofocus technology is used to generate a deviation signal according to the deviation signal and to move the surface to be measured so that the deviation signal becomes small. surface profile measurement method.
前記形状計測用の参照点(S1)の設定は、
前記物体光ホログラム(g)を光伝播計算により前記参照光集光点(P)の位置まで光軸方向に伝播させて成る評価ホログラム(h0)を生成し、点光源を表すプローブ関数(fp)による相関関数計算を用いて前記評価ホログラム(h0)の面内で集光点を検出し、前記評価ホログラム(h0)を光伝播計算により光軸方向に試験伝播させたホログラムと前記プローブ関数(fp)との相関関数計算により光軸方向における集光点を検出し、その集光点を前記参照点(S1)に設定して行う、ことを特徴とする請求項8乃至請求項10のいずれか一項に記載の表面形状計測方法。
The setting of the reference point (S1) for shape measurement is
A probe function ( fp ) is used to detect the condensing point in the plane of the evaluation hologram (h0), and the evaluation hologram (h0) is experimentally propagated in the optical axis direction by light propagation calculation, and the probe function ( 11. The method according to any one of claims 8 to 10, wherein a condensing point in the optical axis direction is detected by calculating a correlation function with fp), and the condensing point is set as the reference point (S1). or the surface shape measurement method according to the item 1.
異なる波長(λ,j=1,2)の光によって、前記物体光(O)および前記インライン球面波参照光(L)のデータを前記各波長(λ,λ)毎に、前記2種類のオフアクシスホログラム(I OR,I LR,j=1,2)として取得し、
前記各波長(λ,λ)毎に、前記再生物体光ホログラム(h ,j=1,2h)と前記球面波光ホログラム(s ,j=1,2)の比として構成される計測用ホログラム(J OS=h /s ,j=1,2)を生成し、
前記2つの計測用ホログラム(J OS,j=1,2)の比を求めるヘテロダイン変換の結果である変調波(HW=J OS/J OS)を生成し、前記変調波(HW)に含まれる変調波長(λ=λλ/(λ-λ))および変調位相分布(θ(x’,y’)=θ-θ)を用いて、前記物体の被測定面における高さ分布を求める、ことを特徴とする請求項8乃至請求項11のいずれか一項に記載の表面形状計測方法。
Data of the object light (O) and the in-line spherical wave reference light (L) are converted to the data of the object light (O) and the in-line spherical wave reference light (L) for each wavelength (λ 1 , λ 2 ) by light of different wavelengths (λ j , j=1, 2). obtained as off-axis holograms of the kind (I j OR , I j LR , j=1, 2),
Configured as a ratio of the reconstructed object light hologram (h j V , j=1, 2h V ) and the spherical wave light hologram (s j V , j=1, 2) for each wavelength (λ 1 , λ 2 ) to generate a measurement hologram (J j V OS =h j V /s j V , j=1,2),
generating a modulated wave (HW=J 1 V OS /J 2 V OS ) which is a result of heterodyne transformation for obtaining a ratio of the two measurement holograms (J j V OS , j=1, 2); Using the modulation wavelength (λ B1 λ 2 /(λ 2 −λ 1 )) and modulation phase distribution (θ B (x′, y′)=θ 1 −θ 2 ) included in (HW), 12. The surface shape measuring method according to claim 8, wherein a height distribution on the surface to be measured of said object is obtained.
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