JP4780330B2

JP4780330B2 - 低コヒーレンス光干渉計及びそれを用いた低コヒーレンス光干渉方法

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Publication number: JP4780330B2
Application number: JP2007043151A
Authority: JP
Inventors: 純一小杉
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: JP2008203232A

Description

本発明は、光路差を検出することによって被検物の厚さを測定する低コヒーレンス光干渉計及びそれを用いた低コヒーレンス光干渉方法に関するものである。

従来、白色光源からの光に光路差を生成するための第１の光学系と、該第１の光学系からの光の光路差を検出するための第２の光学系と、を有し、該第２の光学系は光を２つに分岐する分岐手段と該分岐手段からの光によって生成された干渉縞を検出するための光検出装置を有することにより、可動ミラーのための移動装置及び変位測定装置を必要としない白色光干渉計がある。（特許文献１）。

このような従来の白色光干渉計の構造で薄膜等の膜厚を測定する場合について説明する。白色光干渉計１００は、図５（ａ）に示すように、低コヒーレンス光源、例えば、白色光源１０１からの光をコリメートレンズ１０２で平行光線化し、平行光線化した光を第１のビームスプリッタ１０３によって反射し、第２のビームスプリッタ１０４で２つの光に分岐する。第１の光である物体光は、対物レンズ１０５で集光した後、サンプル１０６の表面１０６ａで反射し、対物レンズ１０５で平行光線化され、第２のビームスプリッタ１０４に戻り、第２の光である参照光は、対物レンズ１０５と等価な等価レンズ１０７で集光され、鏡１０８で反射してから第２のビームスプリッタ１０４に戻る。その後、第１及び第２の光は、第１のビームスプリッタ１０３を通過して、ＣＣＤカメラ１０９に入射される。

そして、対物レンズ１０５による第１の光である物体光の焦点位置がサンプル１０６の表面１０６ａに一致するように白色光干渉計１００のステージ１００ａを配置すると共に、第２ビームスプリッタ１０４とサンプル１０６表面１０６ａの間の光路長と、第２のビームスプリッタ１０４と鏡１０８との間の光路長とが同一となるように鏡１０８を配置させ、等価レンズ１０７の焦点位置が鏡１０８の表面に一致するよう配置することにより、ＣＣＤカメラ１０９において、干渉縞が検出される。

次に、図５（ｂ）に示すように、白色光干渉計１００のステージ１００ａを距離Ａだけ移動させ、サンプル１０６の裏面１０６ｂに第１の光である物体光の焦点位置を一致させる。そして、光路上の条件を揃えるために、サンプル１０６と同一の屈折率をもち、ほぼ同一で既知の厚さをもつ光路補償板１１０を等価レンズ１０７と鏡１０８との間に挿入する。この状態で第２のビームスプリッタ１０４から鏡１０８までの距離が、距離Ｂ（図５（ａ）参照）から距離Ｃとなるように鏡１０８を移動させ、等価レンズ１０７の焦点位置が鏡１０８の表面に一致するように配置することにより、ＣＣＤカメラ１０９において、干渉縞が検出される。

そして、既知である光路補償板１１０の屈折率と厚さ及び干渉縞が検出された時点での鏡１０８の移動距離からサンプル１０６の厚さを得ることができる。
特開平８−５２７４９号公報

しかしながら、このような従来の白色光干渉計１００では、サンプル１０６の裏面１０６ｂに対する干渉縞を測定するためには、（１）表面側測定後に光路補償板１１０が抜き差し可能な構造及び（２）鏡１０８の位置を厳密に移動可能とする構造が必要となり、光路補償板１１０の挿入時や鏡１０８の移動時の微振動等が問題となっていた。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光路補償板の挿入可能な構造及び鏡の位置を移動する構造を必要とせず、干渉光学系を移動するだけで位置決めができ、迅速に精度よく面間隔を測定することができる低コヒーレンス光干渉計及びそれを用いた低コヒーレンス光干渉方法を提供することである。

本発明の低コヒーレンス光干渉計は、上記課題を解決するものであって、コヒーレンス長が短い低コヒーレンス光源と、前記低コヒーレンス光源と被検物との光路中に光路に沿って移動可能な干渉光学系と、光束の光強度を電気信号に変換する光電変換手段と、前記低コヒーレンス光源からの光束を前記干渉光学系側へ導くと共に、前記干渉光学系側からの光束を前記低コヒーレンス光源とは別の方向の前記光電変換手段側へ導く光束分岐手段と、を備えた低コヒーレンス光干渉計において、前記干渉光学系は、第１光束分割合成手段、第２光束分割合成手段、光路補償光束分割合成手段、第１対物レンズ、第２対物レンズ、第３対物レンズ、第１参照鏡、第２参照鏡及び光路補償手段を備え、前記低コヒーレンス光源から射出された光束は、前記光束分岐手段を経て前記第１光束分割合成手段に入射し、第１参照光路と測定光路に分割され、前記第１参照光路の光束は、前記第２光束分割合成手段に対応する前記光路補償光束分割合成手段に入射し、その後、前記第１対物レンズに入射し集光され、前記第１対物レンズの後側焦点に配置された前記第１参照鏡で反射し、前記第１参照鏡側から前記第１対物レンズに入射し平行光とされ、その後、前記光路補償光束分割合成手段を経て前記第１光束分割合成手段に入射し、前記第１光束分割合成手段により前記測定光路に分割された光束は、前記第２光束分割合成手段に入射し、前記第２参照光路と前記測定光路に分割され、前記第２参照光路の光束は、前記第２対物レンズに入射し集光され、前記第２対物レンズの後側焦点に配置された前記第２参照鏡で反射し、前記第２参照鏡側から前記第２対物レンズに入射し平行光とされ、前記第２光束分割合成手段に入射し、前記第１参照光路中の前記第１対物レンズと第１参照鏡の間又は前記第２参照光路中の前記第２対物レンズと第２参照鏡の間には、光路補償手段が配置され、前記第２光束分割合成手段により前記測定光路に分割された光束は、前記第３対物レンズに入射し集光され、前記第３対物レンズの後側焦点に配置された前記被検物の第１面又は第２面で反射し、前記被検物側から前記第３対物レンズに入射し平行光とされ、前記第２光束分割合成手段に入射し、前記第２光束分割合成手段で、前記第２参照光路の光束と前記測定光路の光束とが合成され、前記第１光束分割合成手段で、前記第１参照光路の光束と前記測定光路の光束とが合成され、合成された光束は、前記光束分岐手段を経て前記光電変換手段に入射することを特徴とする。

また、本発明の低コヒーレンス光干渉計を用いた低コヒーレンス光干渉方法は、前記干渉光学系を前記被検物の第１面に焦点位置を一致させ、前記光電変換手段で干渉縞が測定されるように配置し、その後、前記干渉光学系を前記被検物の第２面に焦点位置を一致させ、前記光電変換手段で干渉縞が測定されるように移動し、その移動距離から前記被検物の表面から裏面までの距離を測定することを特徴とする。

本発明によれば、光路補償板の抜き差し可能な構造及び鏡の位置を移動する構造を必要とせず、干渉光学系を移動するだけで位置決めができ、迅速に精度よく面間隔を測定することができる。

以下、図面を参照にして本発明の物体厚測定装置の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の低コヒーレンス光干渉計としての白色光干渉計１を示す。

本実施形態の白色光干渉計１は、低コヒーレンス光源の一例としての白色光源１１からの光束を平行光線化する平行光線化手段１０を有し、平行光線化した光束を光束分岐手段の一例としての光束分岐ビームスプリッタ２０で反射し、白色光源１１と被検物の一例としてのサンプル６０との間の光路中の光路に沿って移動可能な干渉光学系２で第１参照光路３０、第２参照光路４０及び測定光路５０に光束を分岐する。その後分岐した光をそれぞれ反射させ、光束分岐ビームスプリッタ２０を通過して、光電変換手段の一例としてのＣＣＤカメラ７０に入射させる。

平行光線化手段１０は、白色光源１１、集光レンズ１２、ピンホール１３、コリメートレンズ１４、光線制限手段１５を有し、白色光源１１からの光は集光レンズ１２で集光され、ピンホール１３で点光源化される。その後、コリメートレンズ１４で平行光線化され、光線制限手段１５で光線枠を制限される。

次に、平行光線化手段１０からの光は、光束分岐ビームスプリッタ２０によって反射され、干渉光学系２に入射する。干渉光学系２における光束は、第１参照光路３０、第２参照光路４０及び測定光路５０に分けられる。そして、第１参照光路３０には、第１光束分割合成手段の一例としての第１ビームスプリッタ３１、光路補償光束分割合成手段の一例としての光路補償ビームスプリッタ３２、第１対物レンズ３３及び第１参照鏡３４を有し、第２参照光路４０には、第２光束分割合成手段の一例としての第２ビームスプリッタ４１、第２対物レンズ４２、光路補償手段の一例としての光路補償板４３及び第２参照鏡４４を有する。

ここで、第２ビームスプリッタ４１と光路補償ビームスプリッタ３２とは、同一構成で、第１ビームスプリッタ３１からの光路上の距離も同一に設定されるとよい。

また第１対物レンズ３３及び第２対物レンズ４２は、第３対物レンズ５１と同一構成で、光路補償ビームスプリッタ３２と第１対物レンズ３３との距離及び第２ビームスプリッタ４１と第２対物レンズ４２との距離は、第２ビームスプリッタ４１と第３対物レンズ５１との光路上の距離に等しく設定されるとよい。さらに、第１対物レンズ３３と第１参照鏡３４表面との間の距離は、第３対物レンズ５１の焦点距離に等しい。

また、光路補償手段の一例としての光路補償板４３は、サンプル６０と同一の屈折率をもち、ほぼ同一厚さで既知の厚さをもつ。

干渉光学系２に入射した光束は、まず、第１ビームスプリッタ３１で第１参照光路３０と測定光路５０の２つの光束に分割される。測定光路５０の光束は、第２ビームスプリッタ４１で、さらに第２参照光路４０に分岐される。

第１ビームスプリッタ３１で測定光路５０の光束と分割された第１参照光路３０の光束は、第２ビームスプリッタ４１と対応し、同一構成の光路補償ビームスプリッタ３２に入射し、その後、第３対物レンズ５１と対応し、同一構成の第１対物レンズ３３に入射し集光されて、第１対物レンズ３３の後側焦点に配置された第１参照鏡３４表面で反射される。反射後、第１対物レンズ３３に入射し平行光とされ、光路補償ビームスプリッタ３２、第１ビームスプリッタ３１、光束分岐ビームスプリッタ２０を経て、ＣＣＤカメラ７０に入射される。

第２ビームスプリッタ４１で測定光路５０の光束と分割された第２参照光路４０の光束は、第３対物レンズ５１と対応し、同一構成の第２対物レンズ４２で集光され、サンプル６０と同一の屈折率をもち、ほぼ同一で既知の厚さをもつ光路補償板４３を通過し、第２対物レンズの後側焦点に配置された第２参照鏡４４表面で反射される。反射後、光路補償板４３を通過し、第２対物レンズ４２で平行光とされ、第２ビームスプリッタ４１、第１ビームスプリッタ３１、光束分岐ビームスプリッタ２０を経て、ＣＣＤカメラ７０に入射される。

測定光路５０の光束は、第３対物レンズ５１で集光され、第３対物レンズ５１の後側焦点に配置されたサンプル６０の第１面としての表面６０ａ又は第２面としての裏面６０ｂで反射される。反射後、測定光路５０の光束は、第３対物レンズ５１、第２ビームスプリッタ４１、第１ビームスプリッタ３１、光束分岐ビームスプリッタ２０を経て、ＣＣＤカメラ７０に入射される。

したがって、各光束は、第２ビームスプリッタ４１において、第２参照光路４０の光束と、測定光路５０の光束とが合成され、第１ビームスプリッタ３１において、第１参照光路３０の光束と、測定光路５０の光束とが合成され、光束分岐ビームスプリッタ２０を経て、ＣＣＤカメラ７０に入射される。

このような白色光干渉計１の作動について説明する。まず、干渉光学系２を、第３対物レンズ５１の焦点位置がサンプル６０の表面６０ａに一致するように光路に沿って移動させる。第１参照光路３０の第１対物レンズ３３と第１参照鏡３４表面との間の距離は、あらかじめ第３対物レンズ５１の焦点距離と同一となるように設定されているので、サンプル６０表面６０ａで反射する測定光路５０の光束と第１参照鏡３４の表面で反射する第１参照光路３０の光束とは、光路長差がなくなり、ＣＣＤカメラ７０で干渉縞を測定することができる。

次に、図２に示すように、干渉光学系２を、第３対物レンズ５１の焦点位置がサンプル６０の裏面６０ｂに一致するように光路に沿って移動させ、ＣＣＤカメラ７０で干渉縞が測定できることを確認する。

この時、光路補償板４３の厚さは、既知の値であり、この値と干渉光学系２の移動距離からサンプル６０の厚さを演算し、測定することができる。

例えば、光路補償板４３の厚さをｄ、サンプル６０の厚さをＤ、サンプル６０の厚さＤと光路補償板４３の厚さｄとの差をΔ（＝Ｄ−ｄ）、距離Δだけ焦点を移動させるための干渉光学系２の移動距離をδ及び光路補償板４３とサンプル６０の屈折率をｎとする。

まず、光路補償板４３の厚さｄだけ焦点位置を移動させるための干渉光学系２の移動距離Ｌ₁は、
Ｌ₁＝ｄ／ｎ・・・（１）
となる。そして、サンプル６０の厚さＤと光路補償板４３の厚さｄとの差Δ（＝ｎδ）だけ焦点を移動させるための干渉光学系２の移動距離は、
Ｌ₂＝δ ・・・（２）
となる。そして、干渉光学系２の図１の状態から図２の状態への移動距離Ｌは、
Ｌ＝Ｌ₁＋Ｌ₂＝ｄ／ｎ＋δ ・・・（３）
となる。したがって、サンプル６０の厚さＤは、
Ｄ＝ｎＬ＝ｎ（ｄ／ｎ＋δ）＝ｄ＋ｎδ ・・・（４）
で求められる。

なお、演算でなく、あらかじめ屈折率及び移動距離とサンプル６０の厚さとの関係をまとめたテーブル等により求めてもよい。

このように、本実施形態の低コヒーレンス光干渉計１は、鏡の位置を移動する構造及び鏡の位置を移動して光路補償板を抜き差し可能な構造を必要とせず、干渉光学系２を移動するだけで位置決めができ、迅速に精度よくサンプル６０の厚さを測定することができる。

図３は、本実施形態の低コヒーレンス光干渉計１のサンプル６０として屈折率の異なる二層をもつサンプル８０を適用した場合を示す。ただし、二層のうちの一層は既知の厚さをもつ。

この場合にも、まず、干渉光学系２を、対物レンズ５１の焦点位置がサンプル８０の表面８０ａに一致するように光路に沿って移動させる。第１参照光路３０の第１対物レンズ３３と第１参照鏡３４表面との間の距離は、あらかじめ第３対物レンズ５１の焦点距離と同一となるように設定されているので、サンプル８０表面８０ａで反射する測定光と第１参照光路３０の第１参照鏡３４の表面で反射する参照光とは、光路長差がなくなり、ＣＣＤカメラ７０で干渉縞を測定することができる。

次に、図４に示すように、干渉光学系２を、第３対物レンズ５１の焦点位置がサンプル８０の裏面８０ｂに一致するように光路に沿って移動させ、ＣＣＤカメラ７０で干渉縞が測定できることを確認する。

この時、第２参照光路４０の第２対物レンズ４２と第２参照鏡４４表面との間の距離及び光路補償板８３の厚さは、既知の値である。また、光路補償板８３は、サンプル８０と同じ屈折率をもった二層構造で、ほぼ同様の厚さを有する。そして、第２対物レンズ４２と第２参照鏡４４表面との間の距離及び光路補償板８３の厚さと干渉光学系２の移動距離からサンプル８０の厚さを測定することができる。

このように、本実施形態の低コヒーレンス光干渉計１は、複数層のサンプル８０を適用することも可能である。

なお、本実施形態では、光路補償板４３を第２参照光路４０に配置したが、第１参照光路３０の対物レンズ３３と第１参照鏡３４の間に配置してもよい。その際、第１参照光路３０は、サンプル６０，８０の裏面６０ｂ，８０ｂと対応し、第２参照光路４０は、サンプル６０，８０の表面６０ａ，８０ａと対応することになる。

本実施形態の物体厚測定装置によるサンプルの表面測定時を示す図である。本実施形態の物体厚測定装置によるサンプルの裏面測定時を示す図である。本実施形態の物体厚測定装置による二層サンプルの表面測定時を示す図である。本実施形態の物体厚測定装置による二層サンプルの裏面測定時を示す図である。従来の技術を示す図である。

符号の説明

１…低コヒーレンス光干渉計
２…干渉光学系
１０…平行光線化手段
１１…白色光源（低コヒーレンス光源）
１２…集光レンズ
１３…ピンホール
１４…コリメートレンズ
１５…光線制限手段
２０…光束分岐ビームスプリッタ（光束分岐手段）
３０…第１参照光路
３１…第１ビームスプリッタ（第１光束分割合成手段）
３２…光路補償ビームスプリッタ（光路補償光束分割合成手段）
３３…第１対物レンズ
３４…第１参照鏡
４０…第２参照光路
４１…第２ビームスプリッタ（第２光束分割合成手段）
４２…第２対物レンズ
４３…光路補償板
４４…第２参照鏡
５０…測定光路
５１…第３対物レンズ
６０，８０…サンプル（被検物）
７０…ＣＣＤカメラ（光電変換手段）

Claims

コヒーレンス長が短い低コヒーレンス光源と、前記低コヒーレンス光源と被検物との光路中に光路に沿って移動可能な干渉光学系と、光束の光強度を電気信号に変換する光電変換手段と、前記低コヒーレンス光源からの光束を前記干渉光学系側へ導くと共に、前記干渉光学系側からの光束を前記低コヒーレンス光源とは別の方向の前記光電変換手段側へ導く光束分岐手段と、を備えた低コヒーレンス光干渉計において、
前記干渉光学系は、第１光束分割合成手段、第２光束分割合成手段、光路補償光束分割合成手段、第１対物レンズ、第２対物レンズ、第３対物レンズ、第１参照鏡、第２参照鏡及び光路補償手段を備え、
前記低コヒーレンス光源から射出された光束は、前記光束分岐手段を経て前記第１光束分割合成手段に入射し、第１参照光路と測定光路に分割され、前記第１参照光路の光束は、前記第２光束分割合成手段に対応する前記光路補償光束分割合成手段に入射し、その後、前記第１対物レンズに入射し集光され、前記第１対物レンズの後側焦点に配置された前記第１参照鏡で反射し、前記第１参照鏡側から前記第１対物レンズに入射し平行光とされ、その後、前記光路補償光束分割合成手段を経て前記第１光束分割合成手段に入射し、
前記第１光束分割合成手段により前記測定光路に分割された光束は、前記第２光束分割合成手段に入射し、前記第２参照光路と前記測定光路に分割され、前記第２参照光路の光束は、前記第２対物レンズに入射し集光され、前記第２対物レンズの後側焦点に配置された前記第２参照鏡で反射し、前記第２参照鏡側から前記第２対物レンズに入射し平行光とされ、前記第２光束分割合成手段に入射し、
前記第１参照光路中の前記第１対物レンズと第１参照鏡の間又は前記第２参照光路中の前記第２対物レンズと第２参照鏡の間には、光路補償手段が配置され、
前記第２光束分割合成手段により前記測定光路に分割された光束は、前記第３対物レンズに入射し集光され、前記第３対物レンズの後側焦点に配置された前記被検物の第１面又は第２面で反射し、前記被検物側から前記第３対物レンズに入射し平行光とされ、前記第２光束分割合成手段に入射し、
前記第２光束分割合成手段で、前記第２参照光路の光束と前記測定光路の光束とが合成され、
前記第１光束分割合成手段で、前記第１参照光路の光束と前記測定光路の光束とが合成され、
合成された光束は、前記光束分岐手段を経て前記光電変換手段に入射することを特徴とする低コヒーレンス光干渉計。
前記干渉光学系を前記被検物の第１面に焦点位置を一致させ、前記光電変換手段で干渉縞が測定されるように配置し、その後、前記干渉光学系を前記被検物の第２面に焦点位置を一致させ、前記光電変換手段で干渉縞が測定されるように移動し、その移動距離から前記被検物の第１面から第２面までの距離を測定することを特徴とする請求項１に記載の低コヒーレンス光干渉計を用いた低コヒーレンス光干渉方法。