JP2585565B2 - Ｓｎ比が改善された光学装置 - Google Patents

Ｓｎ比が改善された光学装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光のビームが複数個の光素子に通されてタ
ーゲット上の１点に集束され、その点からの反射ビーム
が光素子を通って検出器に戻る光学装置に関し、さらに
詳しく述べれば、送信ビームおよび反射ビームがピンホ
ール板のような光学素子を通過し、その光学素子が出力
信号に受け入れることのできないようなレベルのノイズ
の原因となる送信ビームの疑似反射を生じさせるような
光学装置に関する。
最近、半導体ウェーブなどのような試料を高い解像度
で高速走査する光顕微鏡装置に関心が高まってきた。例
えば、レーザからのコヒーレント・コリメート・ビーム
は試料上のごく小さな点に集束され、またかかる点から
の反射は光学系を通って検出器に戻され、ここで表面の
不規則性、断面図、ライン幅などのような試料のいろい
ろな表面特徴を調べたり測定するに反射率が利用され
る。かかる光学装置では、試料上の点からの反射ビーム
すなわち戻りビームを妨害する疑似信号すなわち光ノイ
ズを作ることがある少なくとも部分反射の表面となるピ
ンホール板およびいろいろなレンズが使用される。この
ように、従来の形式の光顕微鏡装置では適当なS/N比を
保つことが先決問題であった。
光学装置の光ノイズを取り扱う１つの一般的な方法
は、レヒュリュー（Lehureau）らの米国特許第4,139,26
3号に示されている。この特許では、非偏光レーザ・ビ
ームがビーム・スプリッタを含む複数個の光素子に向け
られ、かかる送信ビームがデータ運搬ターゲット上の１
点に集束される光学装置が開示されている。ターゲット
からの戻りビームは光素子を通って送り戻され、ビーム
・スプリッタで光検出器に偏向される。集束レンズと光
学装置の残りの素子との間のビームの通路内に1/4波長
板を置いて、入射波すなわち送信波と戻り波すなわち反
射波とが結合しないようにして、光検出器が受信する信
号の光ノイズを減少させている。
光ノイズを減少させるように光学装置に1/4波長板を
使用するもう１つの例は、ブリコット（Bricot）らに対
する米国特許第3,919,698号に示されている。
本発明による改良された光学装置は、コヒーレント・
ビームをターゲット上の小さな点に向けてそこからの反
射率を測定し、それによって高いS/N比が得られるよう
になっている。本装置は、直線偏向ビームを受信すると
ともにターゲットからの反射ビームを電気出力信号を供
給する光検出器に向ける多数の光素子を含む。ターゲッ
トからの実際の反射信号といろいろな光素子からの内部
反射によって作られる光ノイズとを識別する装置が具備
されているので、出力信号の精度が保たれる。
簡単に述べれば、光学装置は、送信ビームの少なくと
も一部を通じかつターゲットからの反射ビームの少なく
とも一部を受信して光検出器に向けるビーム・スプリッ
タを含む。ビーム・スプリッタとターゲットとの間に置
かれる光素子は、ピンホール板と、送信ビームを縮小し
てそれを板のピンホールに集束させるレンズと、送信ビ
ームがピンホールを通ってからそれをターゲットに向け
る凸レンズと、送信ビームをターゲット上に集束する集
束レンズとを含む。ターゲットからの反射ビームと内部
反射の光ビームとを識別するために、反射ビームに対し
て送信ビームの偏光を変える遅延板がピンホール板とタ
ーゲットとの間のビーム通路内に置かれ、また反射ビー
ムを識別しそれによってかかるビームのみを光検出器に
送る一方、いろいろな光素子から内部反射された光ビー
ムを排除する偏光装置も具備されている。
本発明の実施態様を図面について以下に詳しく説明す
る。
まず第１図の光学装置から、直線偏光されるコヒーレ
ント光ビームＢを供給するレーザ源10が示されている。
別法として、高度の直線偏波を保証する追加の偏光器を
レーザの通路内に使用することができる。偏光器14およ
び半波長板16を含むアイソレータ組立体12は、後で詳し
く説明する通り、レーザ源を光学装置内の光素子から内
部反射された光ビームから隔離するために、放射された
レーザ・ビームＢの通路内に置かれている。
光ビームＢは鏡18によって方向を変え、事実上すべて
のビームが立方体の出入口の面を通って偏向せずに真直
ぐに進むように置かれた立方体を含む偏光ビーム・スプ
リッタ20を通り、すなわち偏光ビーム・スプリッタ20の
出入口の面はレーザ・ビームＢの軸に沿って置かれてい
るのでビームは第１図に示される通り真直ぐに進む。レ
ーザ・ビームは既に直線偏光されているので、レーザ源
の送信ビームＢから出入口の面の軸に対して直角な軸に
沿う光の偏光は事実上存在しない。
送信レーザ・ビームＢの通路内に複数個の光素子が具
備されており、これによって、送信ビームＢの直接コリ
メートされた光線のみが反射ビームとして戻ることがで
きる。このため、空間フィルタ、すなわちピンホール板
24および凸レンズ26と共に、ピンホール・レンズ22が具
備されている。ピンホール板24は２個のレンズ22および
26の焦点位置に小さなピンホールを有しており、ピンホ
ールは反射ビームすなわち戻りビームＲの空気円板より
小さく、すなわち本発明により利用されるような半導体
ウエーハ走査動作ではミクロンの直径範囲、例えば直径
約10ミクロン程度となる。凸レンズ26は送信ビームをコ
リメートするので、事実上平行な光線のみがそこから出
て、かかるビーム直径は約1cmとなることが分かると思
う。
送信ビームＢは次に鏡28によってその方向を垂直に変
え、またこのビームを所望の大きさに絞る制御式アパー
チャ装置30が具備されている。この大きさは下にあるタ
ーゲットＴの焦点によってカバーしようとする面積の大
きさによって決定される。
送信ビームＢの集束は、ターゲットＴのごく小さな
点、普通直径約１ミクロンに送信ビームＢを集束するよ
うに、ごく小さな距離（ミクロンまたはサブミクロンの
範囲）にわたって垂直に移動し得る集束レンズ34によっ
て得られる。例えば半導体ウェーハを表わすターゲット
Ｔの場合、ウェーハの走査は投射ビームを横切る面内で
ウェーハを動かしかつ所定の時間中そこからの反射ビー
ムすなわち戻りビームＲを読み取ることによって達成す
ることができる。
指摘した通り、第１図の光学装置において、ターゲッ
トＴからの反射ビームＲは装置の素子を通ってビーム・
スプリッタ20に戻され、ここではそれはビームＢの通路
に対して直角に偏向されかっ方向転換鏡36によって光電
子増倍管すなわち光検出器38に向けられるが、この光電
子増倍管はターゲットの表面上の点から直接反射される
光の量に相当する電気出力信号を供給する。本発明の重
要な１つの特徴は、送信ビームＢと反射ビームＲとの間
の偏向を変える遅延板32を用いて、これらのビームが以
後それらの偏向に基づき識別され、これにより、光素子
からの内部反射によって生じた光ノイズ、特に、反射ビ
ームＲによって作られる信号に光ノイズを直接追加する
であろうピンホール板24からの反射によって生じた光ノ
イズの影響を除去し得るようにされていることである。
遅延板32は、送信ビームＢの偏光軸に対して45゜の角度
でその速軸と共に方向を変えられる1/4波長板を含む。
かくて、1/4波長板は集束レンズ34を経てターゲットに
送られるビームＢを円偏光するとともに、円偏光の戻り
ビームＲを通過につれて直線偏光ビームに再び変える働
きをする。しかし、戻りビームは送信ビームから90゜だ
け偏光が変えられることが分かると思う。かくて、戻り
ビームが前述のような偏光状態に置かれた立方形のビー
ム・スプリッタ20に当たると、そのようなビームのほと
んどは、ビームＲがビームＢの偏光に対して90゜に直線
偏光されているので図示の方向に直角に偏向される。し
かし、光素子からのどんな内部反射でも（それは明らか
に送信ビームＢと同じまたはほぼ同じ偏光状態を持つ）
送信ビームＢの通路内にありかつそれに沿ったビーム・
スプリッタ立方体を真直ぐに通過する。かかる疑似ビー
ムがレーザ源10から発生されたレーザ・ビームを妨害し
ないように、アイソレータ12が図示の通り具備されてい
る。遅延板32が集束レンズ34のすぐ前のビーム通路に置
かれているが、言うまでもなく、遅延板32はどこにでも
置くことができ、すなわちピンホール板24の下流、例え
ばピンホール板のすぐ下流（すなわち板24とレンズ26と
の間）に具合よく置かれ、この場合より小さな直径のビ
ームは起こり得る最小のひずみを受ける遅延板の中心の
みを使用することになる。
もう１つの利点は、ターゲットにおける円偏光ビーム
の使用によって、ターゲットの方向位置が異なる偏光角
の光をしばしば識別するとともに、円偏光ビームが未知
の方向位置のターゲットからのきれいな戻り信号を最も
良く保証することである。
第２図に示される本発明の実施態様は第１図の実施態
様に似ており、同じまたは同様な素子は同じ数字で表わ
されている。しかし第２図の実施態様では、送信ビーム
Ｂと戻りビームＲとを所定の割合、例えば50％−50％で
分割する存在形のビーム・スプリッタ20aが使用されて
いる。さらに別の偏光板40を用いて、真の反射ビームす
なわち戻りビームＲとピンホール板24の面からの内部反
射によって特に作られる疑似光波とを識別する偏光手段
を提供する。絶対に必要だというわけではないが、かか
る偏光板は第１図にも使用して、真の戻り信号と一切の
不用な信号すなわち疑似信号とをさらに識別することが
できる。
本発明の第２図の実施態様では、送信ビームＢはビー
ム・スプリッタ板20aを通る所定の割合で分割される
が、残りの所定の割合は図示の通り垂直に下方に偏向さ
れる。次にビームＢは前述のような集束レンズ34を含む
系の光素子を通り、またターゲット上の微小点からの反
射光線から成る戻りビームＲは同様に装置の光素子と逆
方向に通る。したがって見られる通り、ビーム・スプリ
ッタ20aで偏向される光線は、本発明の第１図の実施態
様に関して説明されたような遅延板32の作用により送信
ビームＢに対して90゜の角度で偏光される反射ビームＲ
を構成する。また、前の実施態様と同様に送信ビームＢ
に対して同様に偏光される光素子から内部反射される光
線の所定の割合が同様に偏光される。偏光器40は、戻り
ビームと一致した方向に置かれるビームの事実上すべて
を送信するような方向に置かれる。かくて、送信ビーム
Ｂに一致する方向に置かれた光素子からの疑似反射は、
偏光器40によって事実上完全に排除されて、疑似出力信
号を作ることがある光電子増倍管38に送信されない。指
摘した通り、光アイソレータ12は本発明の第２図の実施
態様では真に必要ではなく、したがって除去されてい
る。
本発明を実施する最良の態様がここに図示されかつ説
明されたが、明らかに本発明の主旨から逸脱せずに変形
および変化を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の光学装置の第１実施態様を表わす図、
第２図は本発明の光学装置の第２実施態様を表わす図で
ある。 符号の説明： 10……レーザ源 12……アイソレータ 14,40……偏光器 18,28,36……鏡 20……偏光ビームスプリッタ 20a……ビームスプリッタ 22……ピンホールレンズ 24……ピンホール板 26……凸レンズ 30……アパーチャ装置 32……遅延板 34……集束レンズ 38……光電子増倍管 Ｔ……ターゲット
フロントページの続き (72)発明者 イアン・アール・スミス アメリカ合衆国カリフォルニア州ロス・ ガトス、エデレン・アベニュー 226、 ナンバー 43 (56)参考文献 特開 昭51−84206（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−109780（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−42702（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−48935（ＪＰ，Ａ) 米国特許3724930（ＵＳ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】コヒーレント・ビームをターゲット上の１
    点に向けてそこからの反射率を測定する、SN比が改善さ
    れた光学装置であって、直線偏光ビームを生成する装置
    と、前記ターゲットからの反射光ビームを受ける光検出
    器と、送信ビームの少なくとも一部を前記ビーム生成装
    置から前記ターゲットに送るとともに、前記ターゲット
    からの反射ビームの少なくとも一部を受け取って前記光
    検出器に向けるビーム・スプリッタと、該ビーム・スプ
    リッタと前記ターゲットとの間に置かれた複数の光学素
    子であって、ピンホール板と、前記送信ビームを縮小し
    てそれを前記ピンホール板のピンホールに集束するレン
    ズと、前記送信ビームが前記ピンホール板を通過した後
    にそれを前記ターゲットに向ける凸レンズと、前記送信
    ビームを前記ターゲット上に集束する集束レンズとを含
    む複数の光学素子と、前記ピンホール板と前記ターゲッ
    トとの間のビーム通路内に置かれていて前記反射ビーム
    に対する送信ビームの偏光を変える遅延板と、前記ター
    ゲットからの反射ビームのみを前記光検出器に通しかつ
    前記遅延板と前記ビーム・スプリッタとの間の前記光学
    素子から反射されるビームを通さない偏光装置とを含
    む、ことを特徴とする光学装置。
  2. 【請求項２】前記偏光装置が前記ターゲットからの反射
    ビームと前記複数の光学素子からの反射ビームとを識別
    するように反射ビームの通路内に置かれる偏光器を含
    む、ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学
    装置。
  3. 【請求項３】前記偏光器が前記ビーム・スプリッタと前
    記光検出器との間の前記反射ビーム通路内に置かれてい
    る、ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光学
    装置。
  4. 【請求項４】前記偏光装置および前記ビーム・スプリッ
    タが、前記ビーム生成装置からの送信ビームのほぼすべ
    てを通過させかつ前記ターゲットからの反射ビームのほ
    ぼすべてを前記光検出器に反射するように、前記ビーム
    の通路内に整列した、偏光ビーム・スプリッタを構成す
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学装
    置。
  5. 【請求項５】前記ビーム生成装置と前記ビーム・スプリ
    ッタとの間の前記ビーム通路内に置かれて前記ビーム・
    スプリッタを通った反射ビームを吸収するアイソレータ
    を含む、ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の
    光学装置。
  6. 【請求項６】前記遅延板が1/4波長板を含みそれによっ
    て前記ターゲットで円偏光ビームを提供する、ことを特
    徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学装置。
  7. 【請求項７】前記遅延板が1/4波長板を含みそれによっ
    て前記ターゲットで円偏光ビームを提供する、ことを特
    徴とする特許請求の範囲第２項記載の光学装置。
  8. 【請求項８】前記遅延板が1/4波長板を含みそれによっ
    て前記ターゲットで円偏光ビームを提供する、ことを特
    徴とする特許請求の範囲第４項記載の光学装置。
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