JP4216805B2

JP4216805B2 - 非鏡面基準表面をもつ周波数走査型干渉計

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Publication number: JP4216805B2
Application number: JP2004517913A
Authority: JP
Inventors: シーマロン，ジョーゼフ; ファクリス，ディーン
Original assignee: Lightgage Inc
Current assignee: Lightgage Inc
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: AU2003253725A1; DE10392881B4; US7057742B2; DE10392881T5; US20040075844A1; JP2006509998A; WO2004003464A2; WO2004003464A3

Description

関連出願の説明

本出願は、２００２年７月１日に出願された、先行出願の米国仮特許出願第６０/３９２８１０号の特典を主張する。上記仮特許出願の明細書の内容を参照によって本願明細書に引用したものとする。

周波数走査型干渉計は、干渉とビーム周波数の間の関係を利用して、干渉している対物ビームと基準ビームの間の経路長差を測定する。

干渉機構を用いて物体表面と基準表面を比較するように構成された従来の干渉計では一般に、寸法が物体の表面の寸法を合わせた照明システム及び像映システムが必要である。一般に、照明システムは対物ビーム及び基準ビームを物体表面の所望の測定領域を包含する共通の直径にコリメートする。像映システムは、物体表面及び基準表面からのコリメータされた対物ビーム及び基準ビームのそれぞれの反射に続いて、対物ビーム及び基準ビームを収集する。

一般に、対物ビーム及び基準ビームの寸法は、物体表面及び基準表面とのそれぞれの遭遇（例えば物体表面及び基準表面からの反射）に大きくは影響されない。対物ビーム及び基準ビームが拡大ビームとして照明システムでつくられる場合、対物ビーム及び基準ビームはそれぞれの遭遇後も拡大し続けるから、対物ビーム及び基準ビームを物体表面及び基準表面とのそれぞれの遭遇に続いて収集するためには、直径がさらに大きい像映光学系が必要である。照明システムは一般に、対物ビーム及び基準ビームの個々の光線が垂直入射または少なくとも一定の入射角で、物体表面及び基準表面に近づくように、高価なコリメート光学系を用いる。

従来の干渉計で実行される測定は、物体表面を物体表面と同じ公称幾何的形状を共有する基準表面と比較する。対物ビームと基準ビームの間の経路長変化として測定される物体表面と基準表面の間の差は一般に物体表面の誤差に起因する。したがって、基準表面は一般に可能な限り正確につくられる。ほとんどの基準表面は、分光反射を示す高度に研磨された鏡である。

従来の干渉計の一意的測定区間は対物ビーム及び基準ビームの中心波長（周波数）に関係付けられる。物体表面の像と基準表面の像の重ね合せによりつくられる干渉パターンとして、対物ビームと基準ビームの間の増加的干渉及び減殺的干渉の干渉縞パターンなどがある。隣り合う干渉縞間の増加的干渉及び減殺的干渉の１サイクルが一意的測定区間である。垂直入射で反射面により単パスでつくられる干渉縞は、干渉しているビームの中心波長の１/２に相当する物体表面の表面高変化を表す干渉縞間隔を有する。通常の光透過波長範囲であれば、これには２つの主要な効果がある。第１に、非常に平滑な（例えば鏡面の）基準表面が必要である。第２に、限定された粗さを有する物体表面しか一意的に測定できない。

従来の干渉計の一意的測定区間を拡張するために多波長干渉計を用いることができる。“白色光”干渉計とも称される広帯域干渉計は、物体表面と基準表面の間の等しい光路長差で生じるピーク干渉コントラスト点を識別するに必要な物体表面と基準表面の間の一連の物理的偏差を測定することにより、測定区間を拡張する。物体表面の表面微細構造をマッピングするために、物体表面上のそれぞれの点を基準表面上の対応する点と等しい光路長に置くに必要な偏差量が測定される。

波長走査型干渉計または多波長干渉計とも称される、周波数走査型干渉計は、一連の異なるビーム周波数（または波長）でつくられる複数の干渉パターンから、より広い測定範囲を得る。同じ干渉パターン内の点間の経路長差を比較し、より細かい測定を行うためまたは一意的測定区間内の両意性を分解するために別の干渉パターンを用いる従来の干渉計とは対照的に、周波数走査型干渉計は、異なるビーム周波数でつくられる複数の干渉パターン内の対応する点の干渉変動（例えば強度または位相の変動）に基づいて、複数の干渉パターンに共通な点を個別に測定できる。

したがって、周波数走査型干渉計によって、より広い範囲の表面粗さ一意的に測定することができる。従来の干渉計は一般に、照射光の波長に比例するそれぞれの干渉パターンの干渉縞間隔内の照射光方向段差の測定に限定される。周波数走査型干渉計によるそのような大きさの段差の測定は、照射光の公称波長に通常は依存せず、代わりに、ビーム周波数間の平均間隔に依存する。間隔が細かくなるほど、一意的な測定の範囲が広くなる。すなわち、周波数走査型干渉計により、従来の干渉計では判読できない、スペックルが載った干渉パターンをつくるビーム周波数における粗い物体表面または拡散性の物体表面の尺度を得ることができる。

周波数走査型干渉計は被検物体の表面プロファイル（微細構造）を基準平面または基準表面に垂直にとられる表面変化の尺度として測定するために特に有用である。周波数走査型干渉計の最近の発展には、同調可能ダイオードレーザ及びＣＣＤ検出器アレイなどのコンポーネントの使用がある。この結果、広い範囲の被検表面に対して測定を実行できる能力を有する、小型で正確な高速システムが開発された。

既知の周波数走査型干渉計システム１０が図１に示される。総合的形態のトワイマン−グリーン干渉計では、異なる周波数を含む範囲にわたり同調させることができる測定ビーム１６をコンピュータ１４の制御下にある同調可能レーザ１２がつくる。ビーム状態調整光学系１８を含む照明システムが測定ビーム１６を拡大し、コリメートする。折曲げミラー２０が、測定ビーム１６を対物ビーム２４及び基準ビーム２６に分割する、ビームスプリッタ２２に測定ビーム１６を向ける。対物ビーム２４は被検物体３０から再帰反射し、基準ビーム２６は基準ミラー３２から再帰反射する。ビームスプリッタ２２が対物ビーム２４及び基準ビーム２６を再結合させ、（１枚のレンズまたはレンズ群などの）像映光学系３４が被検物体３０の像及び基準ミラー３２の像を（ＣＣＤ素子アレイなどの）検出器アレイ３６上に集束して重ね合せる。検出器アレイ３６は対物ビーム２４と基準ビーム２６の間の経路長変化により生じる干渉パターンの干渉値を記録する。検出器アレイ３６からの出力はコンピュータ１４に格納されて、処理される。

検出器アレイ３６のそれぞれの素子（画素）は対物ビーム２４と基準ビーム２６の間の干渉にしたがう局所干渉値を記録する。それぞれの干渉値は被検物体３０上の１つの点に跡づけることができる。しかし、対物ビーム２４と基準ビーム２６の間の位相差を表面変化の一義的尺度として干渉パターン全体にわたって判断するために、アレイ素子（画素）間で干渉値を比較する代わりに、測定ビーム１６の一連の異なるビーム周波数（または波長）に対して一組の別々の干渉パターンが記録される。同調可能レーザ１２は、ビーム周波数を増分させながら次々に変えることにより段階的に動作させられ、検出器アレイ３６が対応する干渉パターンを記録する。個々の干渉パターンを記録するデータフレームの数は一般に１６フレームまたは３２フレームである。

局所干渉値はビーム周波数の変化にともなって正弦的態様で変化し、増加的干渉条件と減殺的干渉条件の間で周期変化する。干渉変化レート、例えば強度変化の周波数は、対物ビーム２４の局所部分と基準ビーム２６の局所部分の間の経路長差の関数である。強度の緩やかな変化（小さな干渉周波数変化）は小さな経路長差でおこり、強度のさらに急速な変化（大きな干渉周波数変化）は大きな経路長差でおこる。

測定ビーム１６のビーム周波数における増分変化にともなう干渉変化（例えば強度変化）の干渉周波数を同定するため、離散フーリエ変換をコンピュータ１４内で用いることができる。コンピュータ１４は、基準ミラー３２の表面からのプロファイル差の尺度として被検物体３０の３次元像を構成するために用いることができる、対物ビーム２４と基準ビーム２６の間の局所経路長差の尺度への干渉変化の干渉周波数の変換も行う。基準ミラー３２は平坦であるから、決定される光路差は平面からの物体３０の偏差に等価である。得られる３次元微細構造情報は、精密につくられた部品の品質管理に有用な、物体３０の重要な特性（例えば平坦性または平行性）を測定するために、さらに処理することができる。

周波数走査型干渉計は従来の干渉計で測定することができる範囲の表面粗さよりずっと広い範囲の表面粗さを有する物体表面を測定するために用いることができるが、照明光学系及び像映光学系の寸法はほとんど同じままである。例えば、ビーム状態調節光学系１８は、対物ビーム２４及び基準ビーム２６が同様の大きさの被検物体３０及び基準ミラー３２の領域を包含するように測定ビーム１６を拡大してコリメートをする寸法につくられる。像映光学系３４は同様に、反射されているがコリメートされたままの対物ビーム２４及び基準ビーム２６を検出器アレイ３６条に集束させるような寸法につくられる。したがって、照明システム及び像映システムの寸法は被検物体３０及び基準ミラー３２の大きさに合せられる。

このような光学系の費用は、大きな被検物体を測定する場合には実現できないほど高くなり、小さな被検物体の測定の場合でさえもかなり高いままであり得る。コリメート光学系、特に大きな被検物体を測定するような寸法につくられたコリメート光学系は特に高価であり、かなりのスペースを占める。これらのことは、より小型の干渉計システムをつくる上で好ましくない。

本発明は、非鏡面表面または拡散性表面として基準表面を形成することにより、周波数走査型干渉計の照明システム及び像映システムを被検物体表面の寸法には依存しない寸法につくることができるという発見を含む。基準ビームは、非鏡面または拡散性の基準表面との遭遇により、基準ビームの代表部分が像映システムで捕捉され得るように変わる。対物ビームの代表部分も、機械加工された表面で典型的であるような、被検物体の非鏡面または拡散性の表面との遭遇により像映システムで同様に捕捉され得る。

物体表面及び基準表面を照射するために拡大するビームをつくることにより、照明光学系をかなり小さくつくることができ簡素化できる。拡大するビームの代表的な（すなわち、全体的に広がる）部分は収斂経路に沿って像映光学系に伝搬するように、非鏡面または拡散性の基準表面が基準ビームを変える。したがって像映光学系の寸法も同様に縮小することができる。基準ビームの個々の光線が基準表面から離れる角度は基準表面の横領域にわたって広く、またはランダムにさえ変わり得るが、対応する焦点までの像映システムを通る光路長がそのような角度変化によって影響を受けることはない。対物ビーム及び基準ビームの球面発散形態にともなう入射角の照射位置に依存する変化は明確に定められた較正（すなわち倍率係数）により調整することができる。したがって、物体表面及び基準表面の非鏡面または拡散性の形態にともなうビーム変化にもかかわらず、対物ビームと基準ビームの間の経路長差は物体表面と基準表面の間の比較を与え続ける。

本発明から利益を得る干渉計の一例として、対物ビームで物体表面を照射し、基準ビームで基準表面を照射する照明システムがある。像映システムが対物ビームと基準ビームの間の経路長差に基づく干渉データを収集するために物体表面の像及び基準表面の像の重なり合せをつくる。干渉データが異なる周波数を含む範囲にわたって収集される対物ビーム及び基準ビームの周波数を周波数調節器が調節する。プロセッサがビーム周波数の関数としての干渉データの変化を対物ビームと干渉ビームの間の経路長差の尺度に変換する。従来の慣例とは対照的に、基準表面は実質的に非鏡面であり、よって、基準ビームは基準表面の像を強めるために反射時に変えられる。

基準表面は公称幾何学的表面形状を有することが好ましく、表面形状の法線に対して測定され、基準ビームの光線は基準ビーム光線が基準表面上に入射する角度とは異なる角度で基準表面から反射する。例えば、基準表面は名目上は平坦表面とすることができ、干渉データは物体表面と基準表面の名目上平坦な形状の間の差に関する情報を含むことができる。基準ビームは光軸に沿って基準表面に向けて伝搬し、基準ビームの光線は基準表面からの反射の直前より多くが基準表面からの反射の直後に光軸に向かって収斂する。

反射性基準表面の非鏡面特性は、明確な構造を持っていることもあるし、持っていないこともある分散形態として定義することもできる。例えば、基準表面の非鏡面特性または分散特性は、基準ビームをランダムに変化させることもあるし、規則的に変化させることもある。変化は十分にランダムであり、基準ビームの光線を基準表面からの反射時に散乱させることが好ましい。しかし、変化は、規定された形状内にビームの部分部分を制御し分布させる等のためにビーム整形特性を備えることができる。基準ビームの変化のランダム成分の特性は空間コヒーレンスの低下または非等方性反射の低減として表すことができる。

照明システムは、物体表面及び基準表面に近づくときに拡大する、コリメートされていない対物ビーム及び基準ビームをつくるように構成することができる。対物ビーム及び基準ビームの両者の代表的な（すなわち、全体的に広がる）部分は、物体表面及び基準表面から反射して収斂経路上を像映システムに向かう。好ましい像映システムは像映アパーチャ領域を有し、像映システムにより像映される物体表面は像映アパーチャ領域より大きい横領域を有する。さらに、好ましい照明システムは照射アパーチャ領域を有し、像映システムにより像映される物体表面の横領域は照射アパーチャ領域より大きい。

周波数走査型干渉計は複数の異なる対物ビーム及び基準ビームの周波数において干渉データを収集するためのデータ収集システムを備えることが好ましい。干渉データは物体表面及び基準表面の両者からの反射の結果として収集される物体表面と基準表面の間の差に関係する情報を含む。物体表面の像及び基準表面の像の重ね合せ内の局所領域に対する干渉データはビーム周波数の段階的変化にともなう増加的干渉条件及び減殺的干渉条件により周期変化する。プロセッサが周波数の関数としての干渉データの周期変化を対物ビームと基準ビームの間の経路長差に変換する。プロセッサは、対物ビームと基準ビームの間の経路長差の、基準表面の公称幾何学的表面形状からの物体表面の偏差の尺度への変換にも対応できることが好ましい。

基準ビームは公称波長を有し、基準表面の非鏡面性または拡散性が基準ビームに経路長変化を導入する。実際上、基準表面により基準ビームに導入される経路長変化は、干渉パターンの干渉縞間隔に近いかまたはそれを越えることさえあるオーダーとなり得る。しかし、干渉データは、干渉ビームの公称波長より十分に大きいオーダーの物体表面の表面高変化に関する情報を含むことが好ましい。物体表面と基準表面を互いに比較するため、基準表面により基準ビームに導入される経路長変化の大きさは、物体表面の表面高変化より小さいオーダーであることが好ましい。

対物ビーム及び基準ビームの状態調節のため、１つまたはそれより多くのビームフィルタを周波数走査型干渉計に組み込むことができる。例えば、対物ビームと基準ビームの間でビームの全体強度を一致させるために、照明システムと像映システムの間にビームフィルタを配置することができる。同じかまたは別のフィルタを使って、ビームアパーチャ全体にわたりビーム強度をさらに均等に分布させることができる。全体として、フィルタは干渉パターンの強度及びコントラストのデータ収集システムの最適範囲へのスケーリングを実現する。

本発明は、干渉計に用いられる基準表面の形状に根本的な改変を行うことにより、周波数走査型干渉計のコストをかなり低減し、複雑性をかなり低めることができる。改変された基準表面により可能になる付随変化を認識することも、本発明を十分な活用する上で必要である。例えば、認識には、非鏡面または拡散性の基準表面が縮小されたアパーチャ寸法において像映システムで利用できる、そうでなければ拡大する基準ビームの代表部分をつくることができることの理解が含まれるべきである。

認識には、それにより非鏡面基準表面が基準ビームの部分の向きを変える異なる反射角によって、像映システムを通る光路長が対物ビームと基準ビームの間で影響されないことの理解も含まれるべきである。さらに、認識には、発散する対物ビーム及び基準ビームにともなう照射位置に依存する入射角変化はあらかじめ定められた較正（すなわち倍率係数）により調整可能であり、そうでなければ従来の干渉計の干渉縞変化をともなう情報損失を受けないことの理解が含まれるべきである。言い換えれば、拡散により生じる無秩序な角偏差は共役像映により調整可能であり、発散する照明により生じる秩序のある角偏差は照射位置に依存する倍率係数の適用により調整可能である。入射角の照射位置に依存する変化にともなう干渉縞密度の変化は、従来の干渉計とは異なり、経路長変化の分解能が公称波長に関係する因子に依存しないから、周波数走査干渉法に対して問題を生じない。

本発明は異なる周波数を含む範囲にわたって対物ビームと基準ビームの間の一連の干渉パターンをつくるタイプの周波数走査型干渉計に最も適用可能である。対物ビームは物体表面に当たり、基準ビームは基準表面に当たって、一連の干渉パターンは物体表面と基準表面の間の差にしたがう。提案される改善の表象の１つには、基準ビームを変えるために基準表面を拡散性表面として形成することがある。

拡散性表面は基準ビームの十分にランダムな変化を生じさせることが好ましい。例えば拡散性表面は、異なる方向を含む範囲全体にわたり基準ビームを散乱させ、よって基準ビームの等方性反射を弱めるように構成することができる。しかし、拡散性表面は基準ビームの少なくともある程度は秩序のある変化を生じさせるビーム整形構造を有することができる。例えば、そのようなビーム整形構造は基準ビーム内のビーム成分の分布を変えるために用いることができる。

基準ビームは複数の光線を含み、ランダムな変化を受ける基準ビームの光線は基準表面に当たった後さらに多数の方向に伝搬する。基準ビームは光軸に沿って基準表面に向けて伝搬し、変化がランダムであっても規則的であっても、拡散性の基準表面に当たった後は基準ビームの内の比率が高められた光線が光軸に向かって収斂することが好ましい。

拡散性基準表面は対物ビームと基準ビームの間には、干渉パターンの干渉縞の識別を少なくともある程度曖昧にし得る経路長変化を導入する。しかし、物体表面の表面高変化は対物ビームと基準ビームの間には、拡散性基準表面により導入される経路長変化より１桁ないしさらに大きい、経路長変化を導入する。

全体として、拡散性基準表面は公称幾何学的形状を有し、一連の干渉パターンは物体表面と拡散性基準表面の公称幾何学的形状の間の差を記録する。例えば、拡散性基準表面の公称幾何学的形状は平面とすることができる。照明光学系及び像映光学系の寸法を縮小するため、基準ビームは拡大するビームとして公称平坦基準表面に向かって伝搬することができ、基準ビームの代表部分は収斂ビームとして公称平坦基準表面から離れるように伝搬できる。

本発明は被検物体の表面形状を干渉法で測定する新しい方法も提供する。物体表面を対物ビームで照射することができ、基準表面を基準ビームで照射することができる。対物ビームは物体表面から非鏡面的に反射され、基準ビームは基準表面から非鏡面的に反射され、よって、対物ビーム及び基準ビームの方向成分は反射時に変えられる。対物ビームと基準ビームの間の経路長差に基づく干渉データを収集するために、物体表面の像と基準表面の重ね合せがつくられる。干渉データが収集される対物ビーム及び基準ビームの周波数が、異なる周波数を含む範囲にわたって調節される。周波数の関数としての干渉データの変化が対物ビームと基準ビームの間の経路長差の尺度に変換される。

非鏡面反射は基準ビームの十分にランダムな変化を生じさせることが好ましい。例えば非鏡面反射は、異なる方向を含む範囲全体にわたり基準ビームを散乱させることができ、よって、基準ビームの等方性反射を弱めることができる。あるいは、非鏡面反射は基準ビームの少なくともある程度は秩序のある変化を生じさせることができる。

基準ビームは伝搬経路に沿って基準表面に向けて拡大することが好ましく、基準表面から離れる伝搬経路に沿って収斂する代表部分を含むことが好ましい。物体表面及び基準表面の両者の照射はコリメート光学系を用いずに達成されることが好ましい。

一連の干渉パターンが離散周波数を含む範囲にわたって像の重ね合せからつくられ、非鏡面反射の段階は対物ビームと基準ビームの間への干渉パターンの干渉縞の識別を少なくともある程度曖昧にする経路長変化の導入を含む。しかし、基準表面により導入される経路長変化は物体表面により導入される経路長変化より１桁ないしさらに小さい。

拡散性物体表面５２を測定するように構成された修正周波数走査型干渉計５０としての本発明の一実施形態が図２に示される。周波数走査型干渉計５０は一般にトワイマン−グリーン干渉計として構成されるが、その他の既知の干渉計構成を用いることもできる。しかし、従来のトワイマン−グリーン干渉計とは異なり、コリメート光学系が用いられず、基準表面５６が非鏡面表面または拡散性表面として構成される。

照明システム６０に付帯する光源６２が拡大する測定ビーム６６を生成する。ビーム状態調節光学系６４が物体表面５２及び基準表面５６の対応するアパーチャ寸法を満たすように測定ビーム６６の拡大を制御する。光源６２は、限定された周波数（または波長）範囲にわたって同調可能な、ダイオードレーザ（例えばＧａＡｓベースレーザ）などの点コヒーレント光源であることが好ましい。拡大する測定ビーム６６は、球面発散波面のような、明確に定められた構造を有することが好ましい。公称波長（例えば７８０ｎｍ）の選択は可視スペクトルまたは不可視スペクトル内で行うことができ、費用、分解能及び被検物体５４の反射率のような基準で選ぶことができる。本発明の実施に好ましい周波数同調可能レーザは、２００３年５月２７日に出願された、名称を「調節可能な外部キャビティを有する同調可能レーザシステム（TUNABLE LASER SYSTEM HAVING AN ADJUSTABLE EXTERNAL CAVITY）」とする、同時係属米国特許出願第１０/４４６０１２号の明細書に開示されており、この明細書は参照によって本明細書に引用したものとする。

ビームスプリッタ７０が拡大する測定ビーム６６を拡大する対物ビーム７２及び拡大する基準ビーム７６に分割する。拡大する対物ビーム７２は光軸７１に沿って被検物体５４の物体表面５２に伝搬し、拡大する基準ビーム７６は光軸７５に沿って基準素子５８の基準表面５６に伝搬する。拡大する対物ビーム７２及び基準ビーム７６は、それぞれの光軸７１及び７５に対して明確に定められた入射角で物体表面５２及び基準表面５６に当たることが好ましい。

物体表面５２及び基準表面５６はいずれも非鏡面反射面または拡散性反射面である。物体５４は入射光を散乱させる傾向がある表面粗さを有する物体表面５２をもつ機械加工された部品とすることができる。基準素子５８の基準表面５６は非鏡面反射面または拡散性反射面として特別に調製される。基準表面からの非鏡面反射は異なる方向を含む範囲全体にわたって基準ビーム７６を散乱させることが好ましい。ランダムであり得るかまたはある程度規則的であり得る、そのような散乱の結果、対物ビーム７２の代表部分７４は物体表面５２から反射されて、帰還収斂経路上を光軸７１に沿ってビームスプリッタ７０に向かい、基準ビーム７６の代表部分７８は基準表面５６から反射されて、帰還収斂経路上を光軸７５に沿ってビームスプリッタ７０に向かう。

対物ビーム７２及び基準ビーム７６の代表部分７４及び７８は対物表面５２及び基準表面５６のアパーチャ寸法全体から放射されることが好ましい。ビームスプリッタ７０が対物ビーム７２の代表部分７４と基準ビーム７６の代表部分７８を再結合させて、物体表面５２の像と基準表面５６の像の重ね合せをつくる集束光学系８２を有する像映システム８０に向ける。集束光学系８２は、対物ビーム７２の代表部分７４及び基準ビーム７６の代表部分７８が収斂ビームの限界内で集束光学系８２に近づくから、通常より小さくし、複雑性を低くすることができる。ビームスプリッタ７０を通って伝搬する方向は既知の偏光技法を用いて調節することができる。

像映システム８０の集束光学系８２は像映アパーチャ領域を有し、集束光学系により像映される物体表面５２は像映アパーチャ領域よりかなり大きい横領域を有する。同様に、照明システム６０のビーム状態調節光学系６４は照明アパーチャ領域を有し、物体表面５２の横領域は照明アパーチャ領域より大きい。集束光学系８２により像映される基準表面５６の横領域も像映アパーチャ領域及び照明アパーチャ領域のいずれよりも大きい。

集束光学系８２の焦平面に配置することができる検出器アレイ８６を有するデータ収集システム８４が、対物ビーム７２の代表部分７４と基準ビーム７６の代表部分７８の間でつくられる干渉パターンの詳細を記録する。検出器アレイ８６は、物体表面５２及び基準表面５６上の照射点が検出器アレイ８６上の対応する焦点として再現されるように、物体表面５２及び基準表面５６のいずれに対しても共役であることが好ましい。すなわち、焦点に到達する光は２つの表面５２及び５６上の照射点からある範囲の角度で発することができ、しかも共役点の間で同じ光路長を通過することができる。

検出器アレイ８６は干渉パターン（すなわち物体表面５２の像と基準表面５６の像の重ね合せ）内の異なる点における強度を別々に測定するための（電荷結合デバイスなどの）個別にアドレス指定できる素子のアレイからなることが好ましい。コンピュータ９０が検出器アレイ８６により収集された干渉データ（例えば強度）を格納し、処理する。さらに、コンピュータ９０は、異なる周波数における一連の干渉パターンから干渉データを収集するため、光源６２を制御して、測定ビーム６６の周波数を増分によりシフトさせる。

検出器アレイ８６のそれぞれの素子により記録される強度値“Ｉ”は、１つは対物ビーム７２“Ｕ_対物”により、１つは基準ビーム７６“Ｕ_基準”による、２つのコヒーレント成分の和として式（１）

と書くことができる。

記録される強度“Ｉ”は、例えば対物ビーム７２及び基準ビーム７６によってつくられる像内の画素で測定される強度に対応する。対物ビーム７２“Ｕ_対物”は式（２）

と書くことができ、基準ビーム７６“Ｕ_基準”は式（３）

と書くことができる。ここで、“Ａ_１”及び“Ａ_２”は振幅であり、“λ”は波長であって、“Ｒ_１”及び“Ｒ_２”は２つのビーム７２及び７６に対する光路である。

経路長差を“Ｒ＝Ｒ_１−Ｒ_２”として、個々のデータ点の強度“Ｉ”は式（４）

と書くことができ、あるいは周波数表記を用いて式（５）

と書くことができる。ここで“ｃ”は光の速度であり、“ν”はビーム周波数である。

式（５）の余弦項で表される強度“Ｉ”は経路長差“Ｒ”とビーム周波数“ν”の両者に依存する。例えば強度“Ｉ”の余弦項は増加的干渉条件及び減殺的干渉条件による対物ビーム７２及び基準ビーム７６の周期変化をビーム周波数“ν”の関数として表す。（干渉周波数と称されることが多い）強度変化の周期数は経路長差“Ｒ”に比例して変化する。一連の“Ｎ”個の異なる周波数“ν”において収集される強度データ“Ｉ”からの干渉周波数を決定することにより、経路長差“Ｒ”を決定できる。

式（５）は、強度“Ｉ”が、“|Ａ_１|＋|Ａ_２|”に等しいバイアス項及び余弦項の、２つの基本項を有することも示す。注目する正弦的強度変化は余弦項から生じる。バイアス項は、強度データの平均値

を計算し、この平均値を式（５）から差し引くことにより、容易に除去することができるオフセットである。強度データの平均値

は式（６）

にしたがって計算することができ、ここで“Ｉ（ｎ）”は、総計される“Ｎ”個の異なる干渉パターンの、個々の干渉パターンの対応するデータ点の強度を表す。それぞれの“ｎ”は異なるビーム周波数“ν”における干渉パターン内で収集されるデータを表す。

バイアス項を除去した、ある干渉パターン“ｎ”内のそれぞれのデータ点の検出される強度“Ｉ'（ｎ）”は式（７Ａ）

すなわち、式（７Ｂ）

となる。

式（７Ｂ）から明らかなように、余弦項の周波数は測定ビーム６６の周波数（または波長）及び“Ｒ”−光路差（ＯＰＤ）−に依存する。同調可能レーザ６２により提供されるビーム周波数“ν”における増分変化に基づき、フーリエ変換法を用いて“Ｒ”の値を関数にフィッティングすることができる。この手順には、一連の“Ｎ”個のビーム周波数について干渉パターンを記録する段階が含まれる。次いで、それぞれの検出器素子からのデータが既知の（または推定される）ビーム周波数を用いてフーリエ変換され、変化のピーク干渉周波数の位置からそれぞれの検出器素子に対する“Ｒ”の値がわかる。

関数“Ｉ'（ｎ）”の周波数成分を評価するための離散フーリエ変換は式（８）

と書くことができ、ここで、“Ｍ”はフーリエ周波数空間全体にわたって均等に分布する周波数成分サンプルの総数であり、“ｍ”はフーリエ周波数空間全体にわたって１から“Ｍ”まで順序付けられる順序付周波数成分の内の１つを表し、“Ｋ'（ｍ）”は、“ｍ”番目の個別周波数成分サンプル（ビンとも称される）のそれぞれが“ｎ”番目の干渉パターンの対応する領域において記録されるデータ点強度“Ｉ'（ｎ）”の干渉周波数にどれだけよく一致するかの尺度を表す。フーリエ変換を迅速に解くための手法が、２００２年６月２４日に出願された米国仮特許出願第６０/３９１００４号の明細書に基づく、２００３年６月２３日に出願された、名称を「周波数走査型干渉計のための多段階データ処理（MULTI-STAGE DATA PROCESSING FOR FREQUENCY-SCANNING INTERFEROMETER）」とする、同時係属米国特許出願第１０/００００００号の明細書に記載されている。これらの明細書は参照によって本明細書に引用したものとする。

実施に際しては、対物ビーム７２の代表部分７４及び基準ビーム７６の代表部分７８の強度は同様の強度とされることが望ましい。この目的のために、基準ビーム７６の光軸７５に沿って配置されるＮＤフィルタ９２を用いることができる。しかし、望ましくない背面反射を防止するために、ＮＤフィルタ９２は基準表面５６に対して傾けられることが好ましい。測定ビームのそれぞれの周波数に対して像映条件を最適化するため、担当者が可変ＮＤフィルタ９２を調節することができ、あるいはＮＤフィルタ９２の光学濃度を調節するように制御コンピュータ９０をプログラムすることができる。そのような調節は、例えば、回転させて正しいフィルタを視野内に配置することができるホイール装置において濃度値が異なる複数のフィルタを用いることにより達成することができる。

ビームアパーチャ全体にわたってさらによく強度バランスをとるために、対物ビーム７２及び基準ビーム７６の経路に沿って１つまたはそれより多くのアポダイゼーションフィルタ（図示せず）を配置することができる。物体表面５２及び基準表面５６からの反射はいずれも、近軸反射に近づくアパーチャ中心に向かって強くなっていくと考えられるから、ガウス型アポダイゼーションフィルタが好ましい。同時に、干渉パターンに現れるデータの強度範囲を検出器アレイ８６の最適性能範囲に合せることもフィルタの目的とされる。

検出器アレイ８６上に像映される拡散性物体表明５２及び拡散性基準表面５６の両者により、記録される干渉パターンはランダムなスペックルパターンとして現れると考えられる。拡散性基準表面５６は対物ビームと基準ビームの間に、干渉パターンの干渉縞の識別を少なくともある程度曖昧にする経路長変化を導入すると考えられる。拡散性物体表面５２の表面高変化は、拡散性基準表面５６により導入される経路長変化の大きさより１桁ないしさらに大きい、対物ビーム７２と基準ビーム７６の間の経路長変化を導入する。したがって、干渉パターンは従来の干渉計の一意的範囲より十分に大きい表面高変化を記録すると考えられる。

周波数走査型干渉計５０に対する両意性区間幅の値“ΔＲ_両意”は式（９）

として与えられ、ここで“Δν_増分”は強度データ点サンプル間のビーム周波数増分の大きさである。

ビーム周波数の全範囲（または帯域幅）“Δν_総合”内での増加的干渉及び減殺的干渉の完全な１サイクルに対応する分解能幅の値“ΔＲ_分解”は式（１０）

として与えられる。

非鏡面基準表面５６の散乱深さ（すなわち表面高変化）は測定の不確定性より大きくはない散乱深さに制限され、よって、周波数走査型干渉計５０の光路差（ＯＰＤ）測定値のぼやけを低減することが好ましい。分解能幅“ΔＲ_分解”内では、ピーク強度周波数をより正確に突き止めることにより、かなり小さい測定不確定性を達成することができる。

拡散の不規則性のため、干渉パターンの特定の点においてスペックル強度が低くなる可能性がある。干渉データの変化がシステム雑音により覆い隠される、そのような低強度点は信号のドロップアウトを生じさせることがある。これに対しては、十分な信号対雑音比を有するように検出器アレイ８６を構成することにより、誤差の発生を最小限に抑えることができる。また、そのようなドロップアウトは、例えばメディアンフィルタを用いて後処理することにより、容易に排除することができる。

非鏡面基準表面５６は、例えば拡散性反射面として、あるいはミラー表面に施された光拡散層（例えばセロファンテープ）として形成することができる。非鏡面基準表面５６は、表面上への微細粒子の被着あるいは金属またはその他の反射面のサンドブラストか、さもなければ研削を含む、その他の多くの技法によって形成することもできる。一般に、非鏡面基準表面５６は実効アパーチャ全体にわたり角度に関してランダムな態様で入射光を分布させることが好ましい。しかし、像映システム８０のアパーチャをさらに均等に満たすような目的のために、入射光の少なくともある程度は秩序のある分布を用いることができる。非鏡面または拡散性の基準表面５６の使用から生じる干渉計の別の技術的利点は、図３〜６からより一層明らかになるであろう。

図３は、図１の干渉計１０に用いられるような、従来の鏡面基準表面３０の一部を示す。入射光線１００が反射の方則にしたがって基準表面３０から反射することにより、表面の法線１０８を基準として反射角１０４が入射角１０６に等しくなる。反射光線１１０は、集束光学系３４があとから収集しなければならない、基準ビーム２６の非変化部分を形成する。基準ビーム２６はコリメートされ、基準ビームは反射により変えられていないから、検出器アレイ３６上に基準表面３０を像映するためには、集束光学系が基準表面３０に相当し得る寸法につくられなければならない。

図４は、図２の干渉計５０に用いられるような、非鏡面基準表面５６の一部を拡大して示す。一対の入射光線１１２及び反射光線１１４しか示されていないが、非鏡面基準表面５６の公称平面形状の法線１１６を基準にとって入射光線１１２が多くの方向に拡散反射され得ることは明らかである。反射角は表面形状法線１１６に対して大きく変化する局所表面の法線によって決まる。しかし、表面形状法線１１６に対して測定すれば、入射角１１８は変化せず、一方、反射角１２０は広く変化することができる。非鏡面基準表面５６の散乱強さが反射光線の角度発散の幅を決定する。基準ビーム７６の角度発散によって、元来は発散経路上を伝搬する光線の内の何本かの向きが変わり、収斂経路上を伝搬する、対応する光線となるので、集束光学系８２をかなり小さい寸法につくることができ、それでも集束光学系８２は基準ビーム７６の代表部分７８を収集することができる。

図５は非鏡面基準表面５６により散乱される光のいくつかの別の特徴を示す。これらの特徴には非鏡面基準表面５６上に投影される検出器画素の像である仮想検出器画素の寸法１２２がある。すなわち、実検出器画素は名目上はこの寸法の領域から光を収集する。反射される基準ビームに寄与する深さ値の範囲である散乱深さ１２４も示される。基準表面５６は拡散性であるから、散乱寄与及びそれらの相対位相の数はランダム変数である。ここでの場合のように、ランダムな位相をもつ寄与がいくつかある場合、基準ビーム７６はスペックル化されることになる。スペックルの統計的性質は非鏡面基準表面５６の形状寸法により規定され、像映システムのインパルス応答（ＩＰＲ）関数の特性及び検出器ピクセル寸法１２２によっても規定される[例えば、参照によって本明細書に引用したものとするジェイ・シー・デインティ（J. C. Dainty）編，「レーザスペックル及び関連現象（Laser Speckle and Related Phenomena）」，（ベルリン），スプリンガー−ヴァーラグ（Springer-Verlag），１９８４年，を参照されたい]。

２つの重要な効果がある。第１に、それぞれの画素における基準ビーム７６の振幅はランダム変数である。しかし、本明細書に説明される像形成プロセスは基準ビーム強度に無関係にはたらき、したがって基準振幅のランダム性は問題を生じないことに注意されたい。しかし、余弦変調がシステムの雑音レベルより小さくなるほど振幅が極端に小さければ、ある誤差範囲をもつ測定値が得られるであろう。この効果はスペックルドロップアウトと呼ばれる。スペックルドロップアウトの発生は、像映システムのＩＰＲより若干大きい検出器画素を用いることにより最小限に抑えることができる。一般に、基準強度の確率密度関数はガウス型になり、検出器ピクセル寸法１２２及びＩＰＲは低基準強度の確率を最小にするように選ばれる。さらにスペックルドロップアウトは、実際上、容易に識別でき、メディアンフィルタにより容易に除去できる孤立画素である[例えば、参照によって本明細書に引用したものとするエイ・ローゼンフェルド（A. Rosenfeld）及びエイ・シー・カク（A. C. Kak）著，「デジタル画像処理（Degital Picture Processing）」，（ニューヨーク），第１巻，アカデミック・プレス（Academic Press），１９８２年，を参照されたい]。

非鏡面基準表面５６の第２の効果は画素領域内の深さ値が図５に示されるように分布することである。与えられた測定に対し、この散乱深さが深さ測定で分解されないようにすることが望ましい。例えば、物体表面５２の深さ測定が与えられた分解能（例えば１０μｍ）でなされるように、ビーム周波数及び処理パラメータを設定することができよう。次いで、散乱深さが与えられた分解能（例えば１０μｍ）よりかなり小さくなるように、非鏡面基準表面５６を設計することができよう。これにより、干渉パターンでコード化される分解された深さ変動を、検査下にある物体表面５２によるとすることができるであろう。

非コリメート照射ビームの使用の利点は図６から明らかである。物体表面５２及び基準表面５６が同調可能レーザ光源６２からの非コリメート測定ビーム６６で照射される。被検物体５４の物体表面５４及び基準素子５８の基準表面５６はいずれも拡散性であるから、光線の内のいくらか（すなわち、対物ビーム７２の代表部分７４及び基準ビーム７６の代表部分７８）はこれらの表面で反射し、収斂経路に沿ってビームスプリッタ７０を通り、像映される物体表面５２及び基準表面５６の寸法より小さい実効アパーチャを通って像映システム８０により収集され得る。コリメートシステム６０が不要になることに加え、照明システム６０の実効アパーチャ１３０も像映される物体表面５２及び基準表面５６の寸法よりずっと小さくなる。

測定ビーム６６の拡大する形態のため、測定される光路差（ＯＰＤ）は光軸７１及び７５に正確に平行ではない。すなわち、物体表面５２及び基準表面５６は照射位置に依存する入射角で照射される。したがって、物体表面５２の高さ変化は角偏差（すなわち、垂直入射からの照射位置に依存する偏差）の余弦により光路差（ＯＰＤ）に関係付けられる。測定ビーム６６の角偏差は（例えば球面発散波面の成分として）既知であるから、光軸７１及び７５に平行なＯＰＤの成分を抽出するための検出器アレイ８６からの干渉データの処理に照射位置に依存する倍率係数を用いることができる。同様の補正を行うために、湾曲した基準表面を用いることもできる。

当業者には上述の非鏡面基準表面を用いる干渉計システムの変形例及び改変例が疑いなく思い浮かぶであろう。例えば本発明は、名目上垂直入射またはかすり入射で動作するその他の単パス型または二重パス型の干渉計を含む、ある範囲の、非鏡面基準表面の使用に適合させ得るタイプの干渉計に一般に適用可能である。レーザ同調の代わりとして、異なる周波数における干渉データを収集するために検出器アレイの前で周波数フィルタを用いることができよう。したがって、上述の説明は例示として解釈されるべきであり、限定の意味で解釈されるべきではない。

本発明を用いることにより改善できる従来技術の干渉計システムを示すブロック図である本発明にしたがって改善された干渉計システムを示すブロック図である従来の基準表面からの鏡面反射を示す側面図である本発明にしたがう拡散性基準表面からの非鏡面反射を示す同様の側面図である散乱深さを表している拡散性基準表面の別の略図である本発明にしたがって可能になった、小型化・簡素化された照明及び像映システムの利点及び効果を示す別のブロック図である

符号の説明

５０周波数走査型干渉計
５２物体表面
５４被検物体
５６基準表面
５８基準素子
６０照明システム
６２光源
６４ビーム状態調節光学系
６６測定ビーム
７０ビームスプリッタ
７１，７５光軸
７２対物ビーム
７４，７８代表部分
７６基準ビーム
８０像映システム
８２集束光学系
８４データ収集システム
８６検出器アレイ
９０制御コンピュータ
９２ＮＤフィルタ

Claims

物体表面と基準表面との間の表面形状の差を測定する干渉計において、
前記物体表面を対物ビームで照射し且つ前記基準表面を基準ビームで照射する照明システムであって、当該照明システムが、前記物体表面に近づくときに拡大するコリメートされていない対物ビーム、及び、前記基準表面に近づくときに拡大するコリメートされていない基準ビームを生成するもの、
前記対物ビームと前記基準ビームの間の経路長差に基づく干渉データを収集するために、前記対物ビームによる前記物体表面の像と前記基準ビームによる前記基準表面の像の重ね合せをつくる像映システム、
異なるビーム周波数を含む範囲にわたって前記干渉データが収集される前記対物ビーム及び前記基準ビームの周波数を調節する周波数調整器、及び
ビーム周波数の関数としての前記干渉データの変化を前記対物ビームと前記干渉ビームの間の前記経路長差の尺度に変換するプロセッサ、
を備え、
前記基準ビームが反射時に変化して前記基準表面の像映が強まるように前記基準表面が実質的に非鏡面である、
ことを特徴とする干渉計。
前記基準ビームが光軸に沿い前記基準表面に向かって伝搬し、前記基準表面からの反射の直後に前記基準表面からの反射の直前より多くの前記基準ビームの前記光線が前記光軸に向かって収斂し、前記基準表面が前記基準ビームの等方性反射を弱めることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
前記基準表面が前記基準ビームに少なくともある程度規則的な変化を生じさせるビーム整形構造を有することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
前記対物ビーム及び前記基準ビームのいずれの代表部分も前記物体表面及び前記基準表面から反射して収斂経路上を前記像映システムに向かうことを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
（ａ）前記照明システムが前記基準表面に近づくときに拡大するコリメートされていない基準ビームをつくり、（ｂ）前記像映システムが像映アパーチャ領域を有し、（ｃ）前記像映システムにより像映される前記物体表面が前記像映アパーチャ領域より大きい横領域を有することを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
前記基準表面が実質的にランダムな態様で基準ビームの前記光線を散乱させることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
被検物体の表面形状を干渉法で測定する方法において、
物体表面を対物ビームで照射し且つ基準表面を基準ビームで照射する工程であって、前記対物ビームが、前記物体表面に近づくときに拡大するコリメートされていないビームであること、及び、前記基準ビームが、前記基準表面に近づくときに拡大するコリメートされていないビームであることを特徴とする工程、
前記基準ビームの方向成分が反射時に変わるように、前記基準ビームを前記基準表面から非鏡面的に反射させる工程、
前記対物ビームと前記基準ビームの間の経路長差に基づく干渉データを収集するために、前記対物ビームによる前記物体表面の像と前記基準ビームによる前記基準表面の像の重ね合せをつくる工程、
異なる周波数を含む範囲にわたって干渉データが収集される前記対物ビーム及び前記基準ビームの周波数を調節する工程、及び
周波数の関数としての前記干渉データの変化を前記対物ビームと前記基準ビームの間の前記経路長差の尺度に変換する工程、
を含むことを特徴とする方法。
照射する前記工程が前記基準ビームを前記基準表面に向かう伝搬経路に沿って拡大させる工程を含み、非鏡面的に反射させる前記工程が前記基準ビームの一部を前記基準表面から離れる伝搬経路に沿って収斂させる工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
非鏡面的に反射させる前記工程が、前記基準ビームにランダムな変化を生じさせる工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
照射する前記工程が前記物体表面及び前記基準表面を照射位置に依存する入射角で照射する工程を含み、前記物体表面及び前記基準表面の前記照射位置に依存する入射角での照射を補償するために前記干渉データの変化の前記変換に照射位置に依存する倍率係数を適用する工程をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。