JP2673086B2 - 異なって偏光された光ビーム間の位相差を干渉的に決定する方法および装置 - Google Patents
異なって偏光された光ビーム間の位相差を干渉的に決定する方法および装置Info
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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-
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-
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学的測定装置の分野
に属するものである。特に、異なって偏光された光ビー
ム間の位相差を検出する干渉計装置に関する。
に属するものである。特に、異なって偏光された光ビー
ム間の位相差を検出する干渉計装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディジタル干渉計は、表面を測定し、そ
の特性を明らかにするために、多くの製造工程におい
て、ますます使用されている。この種の光学的測定装置
は、高度の測定精度により特に注目されている。生産的
使用のためには、破壊を受けにくく、十分に自動化でき
るように接触しないで測定することは、光学的装置にと
って極めて重要である。これらの応用には、ナノメータ
ー範囲における段差のようなステップおよび断面のよう
なプロファイルの高さ測定および１平面における最小変
位の測定（整合のようなアライメントおよび重なりのよ
うなオーバーレイの測定）が含まれる。
の特性を明らかにするために、多くの製造工程におい
て、ますます使用されている。この種の光学的測定装置
は、高度の測定精度により特に注目されている。生産的
使用のためには、破壊を受けにくく、十分に自動化でき
るように接触しないで測定することは、光学的装置にと
って極めて重要である。これらの応用には、ナノメータ
ー範囲における段差のようなステップおよび断面のよう
なプロファイルの高さ測定および１平面における最小変
位の測定（整合のようなアライメントおよび重なりのよ
うなオーバーレイの測定）が含まれる。
【０００３】この種の測定装置に、欧州特許公開第１１
７０８号公報に記述されたレーザスポット走査干渉計
（ＬＡＳＳＩ）がある。その測定原理は、表面上に互い
に隣接して同時にフォーカスされる２つのレーザ光ビー
ムにより検査される表面を走査することに基づいてい
る。この走査の間、表面で反射される２つの光波間の光
学的位相差は、表面上の２つのレーザスポット間の高低
差の関数として直線的に変化する。位相差は、位相スイ
ッチングにより決定される。このためには、２つの光波
間の位相差を一定量だけ周期的にシフトする電気−光変
調器が使用されている。２つの干渉光ビームの強さは、
同時に、フォトダイオードによって測定される。ＰS ，
ＰR およびＰT を、位相シフト値φ＝０，±２π／３に
対して測定される光パワーとすると、測定される位相差
７０８号公報に記述されたレーザスポット走査干渉計
（ＬＡＳＳＩ）がある。その測定原理は、表面上に互い
に隣接して同時にフォーカスされる２つのレーザ光ビー
ムにより検査される表面を走査することに基づいてい
る。この走査の間、表面で反射される２つの光波間の光
学的位相差は、表面上の２つのレーザスポット間の高低
差の関数として直線的に変化する。位相差は、位相スイ
ッチングにより決定される。このためには、２つの光波
間の位相差を一定量だけ周期的にシフトする電気−光変
調器が使用されている。２つの干渉光ビームの強さは、
同時に、フォトダイオードによって測定される。ＰS ，
ＰR およびＰT を、位相シフト値φ＝０，±２π／３に
対して測定される光パワーとすると、測定される位相差
【０００４】
【数１】
【０００５】は、次の式に従って決定される。
【０００６】
【数２】
【０００７】位相測定値は、例えば、ＰＣコントローラ
を使って、式（２）に従って計算される。
を使って、式（２）に従って計算される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述の位相測定方法
は、変調器の変調電圧が実際に位相を周期的に±２π／
３だけ正確に変えるならば、正確な位相測定値φM 、し
たがって決定されるべき高低差値ｈを与える。しかしな
がら実際上は、このスイッチング電圧は一定ではない。
変調器の半波長電圧と同様に、スイッチング電圧は、周
囲温度によってわずかに変化する。この変化は、定格電
圧の５％を越える。位相測定の際に、エラーを最小限に
減らすためには、半波長電圧を、しばしば自動較正ステ
ップで再び設定しなければならない。測定値の連続処理
に起因する他のエラーは、急速に変化する位相測定値が
動的に決定されるときに生じる。位相測定処理におい
て、３つの光パワー値ＰS ，ＰR およびＰT の測定時間
は、数ミリ秒である。この時間の間、測定される位相値
φM は、不変のままでなければならない。プロファイル
の高さ測定をスキャンするためには、スキャンは、測定
対象物の対応的に低速の前進動作により達成することが
できる。しかしながら、予測できない急速な位相変化の
場合には、そのようなエラーと影響は避けることができ
ない。
は、変調器の変調電圧が実際に位相を周期的に±２π／
３だけ正確に変えるならば、正確な位相測定値φM 、し
たがって決定されるべき高低差値ｈを与える。しかしな
がら実際上は、このスイッチング電圧は一定ではない。
変調器の半波長電圧と同様に、スイッチング電圧は、周
囲温度によってわずかに変化する。この変化は、定格電
圧の５％を越える。位相測定の際に、エラーを最小限に
減らすためには、半波長電圧を、しばしば自動較正ステ
ップで再び設定しなければならない。測定値の連続処理
に起因する他のエラーは、急速に変化する位相測定値が
動的に決定されるときに生じる。位相測定処理におい
て、３つの光パワー値ＰS ，ＰR およびＰT の測定時間
は、数ミリ秒である。この時間の間、測定される位相値
φM は、不変のままでなければならない。プロファイル
の高さ測定をスキャンするためには、スキャンは、測定
対象物の対応的に低速の前進動作により達成することが
できる。しかしながら、予測できない急速な位相変化の
場合には、そのようなエラーと影響は避けることができ
ない。
【０００９】本発明は、最も類似した従来技術の測定装
置の位相検出に由来している。本発明の目的は、現在の
測定技術の欠点を除去する、改良された光学的位相測定
装置を提供することにある。
置の位相検出に由来している。本発明の目的は、現在の
測定技術の欠点を除去する、改良された光学的位相測定
装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明による位相測定の
方法と装置は、並列信号入力と信号処理に基礎を置いて
いる。このためには、異なって偏光された光ビームは、
初めにビームスプリッタにより幾つかの部分ビームに分
割する。すなわち回折格子により幾つかの回折光に分割
する。次に、例えばレンズを使って、これらの回折光
を、感光センサに、好適には横方向に置き換えられた平
行光ビームとしてフォーカスさせる。移相器と偏向フィ
ルタは、レンズとセンサの間に配置される。移相器によ
り、個々の平行ビームの位相は、（位置と偏光に従っ
て）異なって置き換えられる。
方法と装置は、並列信号入力と信号処理に基礎を置いて
いる。このためには、異なって偏光された光ビームは、
初めにビームスプリッタにより幾つかの部分ビームに分
割する。すなわち回折格子により幾つかの回折光に分割
する。次に、例えばレンズを使って、これらの回折光
を、感光センサに、好適には横方向に置き換えられた平
行光ビームとしてフォーカスさせる。移相器と偏向フィ
ルタは、レンズとセンサの間に配置される。移相器によ
り、個々の平行ビームの位相は、（位置と偏光に従っ
て）異なって置き換えられる。
【００１１】結合された偏光フィルタの結果として、部
分ビーム間の位相差は、センサによって検出された平行
ビームの強度変化を生じる。光ビームの位相差は、部分
ビームの同時に記録された強度パターンから直接に導き
出せる。
分ビーム間の位相差は、センサによって検出された平行
ビームの強度変化を生じる。光ビームの位相差は、部分
ビームの同時に記録された強度パターンから直接に導き
出せる。
【００１２】本発明による位相測定方法は、高い測定速
度に加えて、高い測定精度を有し、位相測定装置にマッ
チしたコンパクトな構造を可能にする。
度に加えて、高い測定精度を有し、位相測定装置にマッ
チしたコンパクトな構造を可能にする。
【００１３】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明による位相測
定方法を、ステップおよびプロファイル高さ測定のため
の装置の好適な実施例により詳細に説明する。
定方法を、ステップおよびプロファイル高さ測定のため
の装置の好適な実施例により詳細に説明する。
【００１４】図１は、同時信号評価のできる表面測定装
置の概略図であり、図２は、本発明による光学的位相検
出器の構成を示しており、図３は、位相検出器に使われ
る移相器の例である。
置の概略図であり、図２は、本発明による光学的位相検
出器の構成を示しており、図３は、位相検出器に使われ
る移相器の例である。
【００１５】直線偏向されたレーザ１のビームは、ウォ
ラストンプリズム２を透過すると、互いに直交するよう
に偏向された２つの光ビーム３，４に分けられ、光ビー
ム３，４は、レンズ５により、測定される対象物７の表
面６に２つの平行光ビーム３１，４１としてフォーカス
される。２つの光ビームの絶対的，相対的光強度は、偏
光子８と回転半波長板９からなる連続光減衰器により、
適切に制御することができる。表面で反射されると、２
つの光ビ−ム間に、光学的位相差φM が生じる。この位
相差は、式（１）によれば、表面上のレーザ光スポット
間の高低差ｈに正比例する。反射後に、ビームは、ウォ
ラストンプリズムに再入射し、そしてビーム分割ミラー
１０で、重畳光ビーム２３として装置の検出器アーム１
１の中に反射される。
ラストンプリズム２を透過すると、互いに直交するよう
に偏向された２つの光ビーム３，４に分けられ、光ビー
ム３，４は、レンズ５により、測定される対象物７の表
面６に２つの平行光ビーム３１，４１としてフォーカス
される。２つの光ビームの絶対的，相対的光強度は、偏
光子８と回転半波長板９からなる連続光減衰器により、
適切に制御することができる。表面で反射されると、２
つの光ビ−ム間に、光学的位相差φM が生じる。この位
相差は、式（１）によれば、表面上のレーザ光スポット
間の高低差ｈに正比例する。反射後に、ビームは、ウォ
ラストンプリズムに再入射し、そしてビーム分割ミラー
１０で、重畳光ビーム２３として装置の検出器アーム１
１の中に反射される。
【００１６】ここに提案された位相測定方法によれば、
入射光ビーム２３を形成する反射光ビーム対２１，２２
間の位相差は、図２に概略的に示された測定装置により
決定される。この装置は、入射光ビーム２１，２２を数
対の回折光（３１，４１），（３２，４２），（３３，
４３），（３４，４４），（３５，４５）に分ける透過
型回析格子１２と、回折光をライン検出器１６上に軸方
向に平行な等間隔光ビームとしてフォーカスさせるレン
ズ１３と、偏光子１５と、移相光学要素１４とからな
る。この移相器は、バビネ補償板（図３）の原理で設計
されており、平面平行板を構成する二枚の複屈折くさび
板１７，１８からなる。二枚のくさび板の光学軸は、板
の境界面に平行に伸びながら、互いに直交している。板
に直交して進む間に、２つの互いに直交して偏光された
レーザビームの部分波は、
入射光ビーム２３を形成する反射光ビーム対２１，２２
間の位相差は、図２に概略的に示された測定装置により
決定される。この装置は、入射光ビーム２１，２２を数
対の回折光（３１，４１），（３２，４２），（３３，
４３），（３４，４４），（３５，４５）に分ける透過
型回析格子１２と、回折光をライン検出器１６上に軸方
向に平行な等間隔光ビームとしてフォーカスさせるレン
ズ１３と、偏光子１５と、移相光学要素１４とからな
る。この移相器は、バビネ補償板（図３）の原理で設計
されており、平面平行板を構成する二枚の複屈折くさび
板１７，１８からなる。二枚のくさび板の光学軸は、板
の境界面に平行に伸びながら、互いに直交している。板
に直交して進む間に、２つの互いに直交して偏光された
レーザビームの部分波は、
【００１７】
【数３】
【００１８】によって与えられる光路差すなわち位相差
を生じる。
を生じる。
【００１９】上述の装置の移相器を透過する回折光の各
々は、直交して偏光された、位相差がφM である２つの
成分からなる。２つの成分は、回折光が板を透過する位
置ｘに依存し、式（３）で定義されているように、互い
にさらにφだけ移相される。この間、回折光１９，２０
の隣接した２つの対間の位相増加量は、回折光が等間隔
であるので、一定である。プリズム角εを適切に選ぶこ
とにより、位相増加量は、回折光の一定間隔に対してπ
／２に定めることができる。位相シフトがなされない移
相板の中央（ｘ＝０）を、０次の回折光が透過する、し
たがって移相されないと仮定すると、−２次回折光の２
つの成分は、互いに−πだけ移相され、−１次回折光の
２つの成分が−π／２、＋１次の回折光がπ／２、＋２
次の回折光がπだけ移相される。これら次数の回折光
が、それらの振動方向に対して４５°に向けられた偏光
子を透過した後、ライン検出器によって測定された光パ
ワーは、次式によって与えられる。
々は、直交して偏光された、位相差がφM である２つの
成分からなる。２つの成分は、回折光が板を透過する位
置ｘに依存し、式（３）で定義されているように、互い
にさらにφだけ移相される。この間、回折光１９，２０
の隣接した２つの対間の位相増加量は、回折光が等間隔
であるので、一定である。プリズム角εを適切に選ぶこ
とにより、位相増加量は、回折光の一定間隔に対してπ
／２に定めることができる。位相シフトがなされない移
相板の中央（ｘ＝０）を、０次の回折光が透過する、し
たがって移相されないと仮定すると、−２次回折光の２
つの成分は、互いに−πだけ移相され、−１次回折光の
２つの成分が−π／２、＋１次の回折光がπ／２、＋２
次の回折光がπだけ移相される。これら次数の回折光
が、それらの振動方向に対して４５°に向けられた偏光
子を透過した後、ライン検出器によって測定された光パ
ワーは、次式によって与えられる。
【００２０】
【数４】
【００２１】ここに、Ａ，Ｂは、一定のパワーであり、
Ｋ1 ，Ｋ2 は、０次の回折光に対するて１次と２次の回
折光における光パワーの比を定める比例の固有格子係数
である。
Ｋ1 ，Ｋ2 は、０次の回折光に対するて１次と２次の回
折光における光パワーの比を定める比例の固有格子係数
である。
【００２２】ライン検出器の５つの関連するダイオード
により同時に測定されるパワー値によって、位相差φM
は、次のように決定することができる。
により同時に測定されるパワー値によって、位相差φM
は、次のように決定することができる。
【００２３】
【数５】
【００２４】３つの連続する移相されたパワー信号から
測定される位相差を計算する、従来使用されていた位相
スイッチング技術とは対照的に、本発明による方法は、
幾つかの測定値の同時記録を可能にする。これらの信号
は、電気−光変調器をスイッチングすることにより、従
来は時間がずれた形で発生し、それゆえ、連続的に処理
しなければならなかった。提案された新規な方法は、対
照的に、必要な個別信号を同時に発生するので、並列し
て処理することが可能である。これは、測定速度と測定
信頼度を高める。４つ以上の特徴的な値を使用すること
によって、測定精度も改善される。
測定される位相差を計算する、従来使用されていた位相
スイッチング技術とは対照的に、本発明による方法は、
幾つかの測定値の同時記録を可能にする。これらの信号
は、電気−光変調器をスイッチングすることにより、従
来は時間がずれた形で発生し、それゆえ、連続的に処理
しなければならなかった。提案された新規な方法は、対
照的に、必要な個別信号を同時に発生するので、並列し
て処理することが可能である。これは、測定速度と測定
信頼度を高める。４つ以上の特徴的な値を使用すること
によって、測定精度も改善される。
【００２５】一般に、連続的信号処理に基づく他の位相
スイッチング技術は、並列方法に変えることができる。
したがって、例えば、従来に使われた連続的測定処理
は、０次と２つの１次の回折光間の移相が±２π／３で
あるならば、方式が全く同じである並列方法に置き換え
ることができる。この場合、３つの回折光のパワーは、
スイッチング技術は、並列方法に変えることができる。
したがって、例えば、従来に使われた連続的測定処理
は、０次と２つの１次の回折光間の移相が±２π／３で
あるならば、方式が全く同じである並列方法に置き換え
ることができる。この場合、３つの回折光のパワーは、
【００２６】
【数６】
【００２７】によって与えられる。これらの測定された
パワー信号により、位相差は、次のように定めることが
できる。
パワー信号により、位相差は、次のように定めることが
できる。
【００２８】
【数７】
【００２９】この式は、
【００３０】
【数８】
【００３１】の場合、式（２）と全く同一である。
【００３２】最小数の３つの定義式に制限された方法
は、この方法の不正確さが減少するほど評価されるパワ
ー信号の数はより大きくなるので、５つの定義式を用い
る上述の方法よりも劣っている。
は、この方法の不正確さが減少するほど評価されるパワ
ー信号の数はより大きくなるので、５つの定義式を用い
る上述の方法よりも劣っている。
【００３３】
【発明の効果】本発明により、分割された光ビーム間の
位相差を測定する高い測定速度および測定精度の位相測
定方法および装置が得られる。
位相差を測定する高い測定速度および測定精度の位相測
定方法および装置が得られる。
【図１】同時信号評価のできる表面測定装置の概略図で
ある。
ある。
【図２】本発明による光学的位相検出器の構造を示す図
である。
である。
【図３】位相検出器に使われる移相器の一例を示すであ
る。
る。
１ レーザ ２ ウォラストンプリズム ３，４ 光ビーム ５ レンズ ６ 表面 ７ 対象物 ８ 偏光子 ９ 半波長板 １０ ビーム分割ミラー １１ 検出器アーム ２３ 重畳光ビーム ３１，４１ 平行光ビーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−151802（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−250804（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−250803（ＪＰ，Ａ)
Claims (9)
- 【請求項１】異なって偏光された２つの光ビームの間の
位相差を干渉的に決定する方法において、（ａ）上記 異なって偏光された２つの光ビームを、上記
２つの光ビームの対からなる少なくとも３つの部分ビー
ムの対に回折格子を用いて分割するステップと、（ｂ）上記 部分ビームの各対の異なって偏向された２つ
のビームの間に位相差を生じさせ、上記位相差が、隣接
する上記部分ビームの対の上記位相差との間では所定の
量の位相差となるように、上記部分ビームの各々を移相
するステップと、（ｃ）上記 部分ビームの各対を、偏光子に透過させ、上
記対の異なって偏向された２つのビームを互いに干渉さ
せるステップと、（ｄ）上記干渉により得られた部分ビームの各対の 強度
を測定するステップと、 を備えることを特徴とする異なって偏光された２つの光
ビーム間の位相差を干渉的に決定する方法。 - 【請求項２】ステップ(ａ）とステップ（ｂ）との間に
おいて、上記部分ビームの各対を、互いに平行に、そし
て等距離に広がるように整列させるステップを付加する
ことを特徴とする請求項１記載の異なって偏光された光
ビーム間の位相差を干渉的に決定する方法。 - 【請求項３】ステップ(ｂ）の所定の量が、一定量であ
ることを特徴とする請求項１記載の異なって偏光された
光ビーム間の位相差を干渉的に決定する方法。 - 【請求項４】ステップ（ａ）の上記異なって偏光された
２つの光ビームを、回折格子により上記部分ビームの対
に分割することを特徴とする請求項１の記載の異なって
偏光された光ビーム間の位相差を干渉的に決定する方
法。 - 【請求項５】コヒーレント光ビームを、生じる手段と、 上記ビームを、互いに直交するように偏向された２つの
部分ビームに分割する手段と、 上記２つの部分ビームを、表面に指向する手段と、 上記２つの部分ビームからなる再結合ビームを形成する
ために、上記表面から反射した２つの部分ビームを再結
合するための手段と、 上記再結合ビームを受けるために位置づけられ、該再結
合ビームを少なくとも３つの回折光に分割する回折格子
と、 上記回折光の各々の２つの部分ビームの間に位相差を生
じさせ、上記位相差が、隣接する上記回折光の上記位相
差との間では所定の量の位相差であるように、上記回折
光の各々の２つの部分ビームを移相する手段と、 上記回折光の各々を、透過させ、上記回折光の異なって
偏向された２つの部分ビームを干渉させるために方向付
けられた偏向子と、 上記偏向子において干渉した回折光の各々を受けるよう
に位置づけられた、その各々と対応して設けられた少な
くとの３つの光感応センサーと、 を備える位相差を干渉的に決定する装置。 - 【請求項６】上記回折光の各々を、対応する上記光感応
センサーに指向させるためのレンズをさらに含むことを
特徴とする請求項５記載の装置。 - 【請求項７】上記回折格子は、透過型格子であることを
特徴とする請求項６記載の装置。 - 【請求項８】上記回折光の各々の２つの部分ビームを移
相する手段は、バビネ補償板であることを特徴とする請
求項５記載の装置。 - 【請求項９】上記２つの部分ビームで、上記表面を走査
させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項５記載
の装置。
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