JP5648780B2 - エリプソメトリー装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜等の物体の膜厚分布を観察可能な偏光解析法（エリプソメトリー）を用いたエリプソメータやエリプソメトリー顕微鏡等のエリプソメトリー装置に関する。

次世代ハードディスク装置では、ヘッドがディスクと接触しながら走行する潤滑方式への移行が予想されており、この場合ディスクの表面に厚さ１ｎｍ程度の均一な潤滑膜が塗布されることが要求される。また、ナノインプリントリソグラフィーでは、ｎｍオーダーの液体薄膜を用いて微細パターンを転写するための均一な薄膜が必要となる。ポリマーエレクトロニクスでも、パターニングして微細な素子を形成する均一な液体分子薄膜が必要となる。いずれの場合も、正確かつ効率的に、極薄の膜厚の分布が定量的に測定されなければならない。

従来、液体あるいは固体薄膜の分布観測には、図６に示すような走査型エリプソメータ（エリプソメトリー装置）が広く用いられてきた（例えば特許文献１）。このようなエリプソメータ１０１は、光源１０２から照射された光コリメーションレンズ１０３で平行光とされ、偏光子１０４で直線偏光とされ、λ／４板１０５で円偏光又は楕円偏光に変換され、試料走査用ステージ１０６上に載置された基板１０７上の薄膜１０８（液体膜又は固体膜）に照明光１０９を照射する。試料の薄膜１０８は、試料走査用ステージ１０６により順次走査されていく。この照明光１０９は薄膜１０８で反射し、その反射光１１０は、対物レンズ１１１を通過して検光子１１２を通って結像レンズ１１３により光検出装置１１４に入射して測定される。

エリプソメトリー装置では、試料と空気などの媒質界面で、光がある入射角で反射したときに、入射平面に平行な偏光成分（ｐ偏光）、垂直な偏光成分（ｓ偏光）についての複素振幅反射率が、試料薄膜の屈折率を決める膜厚に依存するので、薄膜の膜厚分布に対応した光反射強度像が得られ、試料各点における膜厚分布を観測できる。

ところで、エリプソメトリー装置は、試料（屈折率ｎs）と空気（屈折率ｎo）の界面で光が反射した場合、光の入射角をθＢ＝tan^−１（ｎs／ｎo）で求められるブリュースター角θＢ付近に設定して使用される。この設定では、ｐ偏光に対する反射率は最小値を取るので、ｐ偏光とｓ偏光の複素振幅反射率の差が最も大きくなり、最も良好なコントラストを有する膜分布像が得られる。このブリュースター角θＢは、一般に液体や固体では６０〜７０度付近にあるので、エリプソメトリー顕微鏡では、ｐ偏光に対する反射率が最小となるように法線から６０〜７０度程度の比較的大きな入射角で試料に照明光を斜めに照射し、その入射角と同程度の反射角で反射する反射光を斜め方向から観測する必要があった。このため、エリプソメトリー装置においては、図６に示すような斜め照明系を採用し、結像系の対物レンズ１１１の光軸を、薄膜の試料面に対して斜めに配置する必要があった。

このように試料を斜めから観測する構成であると、焦点深度の関係から狭い視野しか得られないという問題があった。このように、対物レンズ１１１の光軸を試料面に対して斜めに配置する観測系では、実用的に有用な視野が確保できず、好適な高倍率観測が困難であった。

加えて、一般に高倍率の対物レンズは作動距離が小さい。このため、対物レンズ１１１の光軸を試料面に対して斜めに配置する観測系では、対物レンズと試料基板の接触を避けるために、試料をレンズから遠ざけて低倍率で観察するか、ｐ偏光に対する反射率が最小となる条件から外れた入射角で光を照射し、低コントラストで観察するかしなければならなかった。

この種の問題を解消するため、特許文献１には、図７に示すエリプソメトリー顕微鏡（エリプソメトリー装置）が提案されていた。図７に示すエリプソメトリー顕微鏡１２１は、斜め照明系は、光源１２２、光ファイバ１２３、コリメートレンズ１２４、偏光子１２５、位相補償子１２６、集光レンズ１２７、ビームスプリッタ１２８等から構成されていた。また、結像系は、対物レンズ１２９、結像レンズ１３０、検光子１３１、撮像装置１３２の検出面１３３で構成されていた。そして、斜め照明系と結像系とが同じ対物レンズ１２９を共用し、対物レンズ１２９の光軸を試料Ｓの試料面１３４に対して垂直に配置していた。

光源１２２から光ファイバ１２３を通じて発光した拡散光はコリメートレンズ１２４により平行光とされ、偏光子１２５により直線偏光とされ、さらにλ／４板からなる位相補償子１２６により楕円偏光（円偏光を含む）とされる。

集光レンズ１２７で集光された楕円偏光よりなる照明光は、ビームスプリッタ１２８で屈曲し、対物レンズ１２９の光軸からシフトした位置を通って平行光として試料Ｓを照射する。試料Ｓで正反射した反射光Ｒ１は、対物レンズ１２９にその光軸に対して入射時と異なる側へシフトした位置を通り、ビームスプリッタ１２８を透過し、結像レンズ１３０及び検光子１３１を通過した後、撮像装置１３２の検出面１３３に照射される。そして、撮像装置１３２により撮像された試料の像がモニタ１３５に映し出される。

このように対物レンズ１２９の光軸が試料Ｓの試料面１３４に垂直に配置されるので、視野の狭小化の問題は解消される。しかも、試料面に対する光の入射角をブリュースター角θＢ付近に設定できるので、微小な膜厚差を有する膜分布を高感度かつ高コントラスト（高分解能）で観察できる。

特開２００９−１９２３３１号公報

ところで、エリプソメトリー顕微鏡は光学的観測法であるため、非接触観測が可能で、試料に接触する必要がない。そのため、図６に示す構成の装置であれば、試料面に対して法線方向観察側の位置に、他の計測あるいは操作手段のための作業空間を確保でき、他の計測手段あるいは操作手段との組合せにより多くの機能を実現できる。その一例として、走査型プローブ顕微鏡とエリプソメトリー顕微鏡とを組み合わせた顕微鏡が挙げられる。この顕微鏡では、エリプソメトリー顕微鏡の高速な画像取得速度を活かして、試料面の広い領域を観察し、そのうちの注目する狭い領域をプローブ顕微鏡で詳細に観察することにより、効率的かつ的確な観測ができる。また、粘弾性を有する薄膜にプローブ等の操作手段を摺動させて力学的な刺激を与える操作を行い、その応答の様子を動的観察したい場合もある。

しかしながら、特許文献１に記載された図７に示すエリプソメトリー顕微鏡では、試料面に対して垂直に対物レンズが配置されていたので、この対物レンズが妨げとなって、試料面に接触する走査用プローブ等の計測手段や摺動用プローブ等の操作手段などの作業空間が確保できないという問題があった。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、物体の微小構造を高コントラストかつ高倍率で観察できるうえ、物体面に対して法線方向観察側の位置に、物体面に接触又は近接して用いられる計測手段や操作手段などのための作業空間を確保できるエリプソメトリー装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明は、偏光解析法を用いて観察対象の物体の像を拡大して観察可能なエリプソメトリー装置であって、光源の光路上に偏光子と位相補償子とを有し、当該偏光子及び位相補償子を通った平行光を前記物体に斜めに照射する斜め照明系と、物体からの反射光を入射して物体像を拡大して結像させる結像系と、前記結像系における前記反射光の光路の途中に設けられた検光子と、前記結像系により結像された像を撮像する撮像素子と、を備え、前記結像系は、前記物体からの反射光を入射して第１の倍率で物体像を結像させる少なくとも１組のレンズを含む１次結像系と、前記１次結像系が結像した物体像を前記第１の倍率より大きな第２の倍率で拡大する少なくとも１組のレンズを含む２次結像系と、を備え、前記１次結像系の少なくとも１組のレンズ及び前記２次結像系の少なくとも１組のレンズを、組毎にそれぞれの光軸を一致させ、かつ焦点面を一致させた構成のアフォーカル系とし、前記２次結像系の光軸を、前記１次結像系の結像面と略垂直になるように配置するとともに、前記２次結像系の結像面が前記撮像素子の検出面と略重なるように前記撮像素子を配置し、前記１次結像系の倍率Ｍ１は、０．３〜３倍の範囲内の値に設定されていることを要旨とする。

この構成によれば、結像系が、物体からの反射光を入射して第１の倍率で物体像を結像させる１次結像系と、第１の倍率より大きな第２の倍率で物体像を拡大する２次結像系との複数段で構成されるので、物体からの反射光を入射する１次結像系における第１の倍率を相対的に小さく設定できる。このため、第１の倍率に依存する、１次結像系の光軸とその結像面とのなす角度を、相対的に大きくすることが可能になる。そして、１次結像系の光軸に対して相対的に大きな角度をなす結像面上に結像された物体像が、２次結像系により第２の倍率で拡大される。従って、物体の微小構造を高コントラストかつ高倍率で観察できるうえ、物体面に対して法線方向観察側の位置に、物体面に接触又は近接して用いられる計測手段や操作手段などのための作業空間を確保できる。

また、１次結像系のように物体面と１次結像系の光軸とのなす角度が鋭角である場合は、２次結像系のレンズへの光の反射率を低減する必要から、１次結像系に設定できる倍率に制約がある。これに対して、２次結像系の光軸は１次結像系の結像面と略垂直になるように配置されているので、その種の制約がなくなり、２次結像系を高い倍率に設定できる。そして、２次結像系の結像面が検出面と略重なるように撮像素子が配置されているので、撮像素子により、高コントラストかつ高倍率でしかも輝度分布がより均一な像を撮像できる。
さらに、倍率Ｍ１が０．３〜３倍の範囲内の値に設定されているので、１次結像系の光軸と１次結像系の結像面とのなす角度を比較的大きな値に設定することができる。よって、１次結像系から２次結像系のレンズへ入射する光の反射率を低減して、２次結像系により撮像素子に明るい像を結像できる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のエリプソメトリー装置において、前記１次結像系の光軸と物体面とのなす角度θo、前記光軸と前記１次結像系の結像面と
のなす角度θ1とした場合、前記１次結像系の倍率Ｍ１は、Ｍ１＝tanθo／tanθ1におい
て、角度θ1を２０度以上としうる値に設定されていることを要旨とする。

この構成によれば、１次結像系は、角度θ1を２０度以上としうる倍率Ｍ１（＝tanθo／tanθ1）値に設定されているので、角度θ1を２０度以上の比較的大きな値に設定することで、１次結像系から２次結像系のレンズへ入射する光の反射率を低減できる。このため、２次結像系によって撮像素子に明るい像を結像できる。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載のエリプソメトリー装置において、前記１次結像系の光軸と物体面とのなす角度θoと、前記光軸と前記１次結像系の結像面
とのなす角度θ1は、θo≧θ1を満たし、Ｍ１＝tanθo／tanθ1により決まる前記１次結
像系の倍率Ｍ１は１倍以上に設定されていることを要旨とする。

この構成によれば、例えば１次結像系の倍率が１倍未満であるとすると、２次結像系の倍率を高くしても、結像系全体の倍率が２次結像系と同じ倍率も得られなくなるが、１次結像系の倍率が１倍以上なので、結像系全体の倍率として２次結像系の倍率以上の倍率を得ることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエリプソメトリー装置において、物体のｐ偏光に対する反射率が略最小となるような入射角で前記物体に照明光を照射して観察又は膜厚分布測定が行われる構成であり、前記１次結像系の光軸は、物体面からの反射光の光軸が想定される最小反射角をとるときの当該光軸に対して前記物体面から離れる方向へひねり角度Δθだけ傾けて配置されていることを要旨とする。

この構成によれば、１次結像系の光軸と物体面とのなす角度θoを大きく確保できるので、角度θ1を大きくした割に、Ｍ１＝tanθo／tanθ1で表される１次結像系の倍率Ｍ１がさほど小さくならずに済む。

本発明によれば、物体の微小構造を高コントラストかつ高倍率で観察できるうえ、物体面に対して法線方向観察側の位置に、物体面に接触又は近接して用いられる計測手段や操作手段などのための作業空間を確保できるという効果が得られる。

第１実施形態のエリプソメトリー顕微鏡の全体構成を示す模式側面図。 エリプソメトリー顕微鏡の要部を示す模式側面図。 結像系を示す模式側面図。 第２実施形態におけるエリプソメトリー顕微鏡の要部を示す模式側面図。 結像系を示す模式側面図。 従来の走査型エリプソメータを示す模式図。 図６とは異なる従来の走査型エリプソメータを示す模式断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明をエリプソメトリー顕微鏡に具体化した第１実施形態を、図１〜図３を用いて説明する。本実施形態では、エリプソメトリー顕微鏡は複合型顕微鏡の一部を構成する。

図１は、複合型顕微鏡におけるエリプソメトリー顕微鏡の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、エリプソメトリー装置としてのエリプソメトリー顕微鏡１は、走査型プローブ顕微鏡７０（Scanning Probe Microscope（ＳＰＭ））と組み合わせて複合型顕微鏡８０を構成している。この複合型顕微鏡８０では、エリプソメトリー顕微鏡１により試料Ｓの基板２上に形成された薄膜３を比較的広い視野で低倍率で観察し、そのうち特に微細構造を観察したい注目箇所を走査型プローブ顕微鏡７０により高倍率で観察できるようになっている。なお、本実施形態では、走査型プローブ顕微鏡７０の一例として、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope（ＡＦＭ））を採用している。

図１に示すように、エリプソメトリー顕微鏡１は、斜め照明系４と結像系５とを備えている。本実施形態の結像系５は、１次結像系１０と２次結像系１１とを有している。以下、斜め照明系４、結像系５の順番に説明する。

図１に示すように、斜め照明系４は、光源１２、光ファイバ１３、コリメートレンズ１４、偏光子１５、位相補償子１６、レンズ１７から構成されている。光源１２で発生させた照明光は、光ファイバ１３により導かれて所定位置で略点光源として拡散光である照明光Ｌ１として発光し、コリメートレンズ１４により平行光である照明光Ｌ２とされる。この照明光Ｌ２は、偏光子１５により、直線偏光とされた照明光Ｌ３となる。そして、λ／４板からなる位相補償子１６により、楕円偏光（円偏光を含む）である照明光Ｌ４とされる。この照明光Ｌ４は、コリメートレンズ１７を通って平行光として、試料Ｓの試料面に照射される。

試料Ｓの基板２上に形成された薄膜３は、液体膜あるいは固体膜からなる。また、試料Ｓが載置された不図示のステージが傾動可能に構成されるか、斜め照明系４の光照射角が変更可能に構成されることで、エリプソメトリー顕微鏡１では、試料Ｓに対する照射光の入射角の調整が可能となっている。この入射角は、薄膜３の材質から決まる屈折率に応じて調整され、通常、ｐ偏光に対する反射率が最小値を取るように、ブリュースター角θＢ＝tan^−１（ｎs／ｎo）（但し、ｎsは試料の屈折率ｎs、ｎoは空気の屈折率）付近の値に設定される。例えば、試料Ｓをシリコン基板とした場合、ブリュースター角θＢは約７４度である。また、試料Ｓに金属などの光吸収する材質を含む場合、ｐ偏光に対する反射率が完全に０とはならないが、一般に入射角６０から７０度付近で、ｐ偏光に対する反射率は最小値を取る。このため、通常６０〜８０度の比較的大きな入射角で照明光Ｌ４は試料Ｓの試料面に照射される。

次に、結像系５について説明する。図１に示すように、結像系５は、１次結像系１０と２次結像系１１とを有している。１次結像系１０は、１個の対物レンズ２１を有している。また、２次結像系１１は、１個の結像レンズ２２を有している。結像レンズ２２には、２次結像用の対物レンズが用いられている。

ここで、１次結像系１０とは、図１に示すように、試料Ｓからの反射光が最初に入射する対物レンズ２１を含む結像系であり、その倍率Ｍ１（第１の倍率）は比較的低倍率である。また、２次結像系１１とは、１次結像系１０の結像面（以下、「１次結像面Ｐ１」という）に結像された物体像を所望の倍率に拡大して、その結像面（以下、「２次結像面Ｐ２」という）と一致する撮像素子２４の検出面２５にその拡大物体像を結像させる結像系であり、その倍率Ｍ２（第２の倍率）は比較的高倍率である。１次結像系１０と２次結像系１１は、それぞれ少なくとも１個の結像用のレンズを含み、特に本実施形態は、１次結像系１０と２次結像系１１がそれぞれ結像用のレンズを１個ずつ備えた例となる。

図１に示すように、試料Ｓを照射した照明光Ｌ４（以下、「入射光Ｌ４」とも称す）は、試料Ｓで反射して反射光である反射光Ｒ１となり、対物レンズ２１に入射する。そして、この反射光Ｒ１（但し、図１では入射光Ｌ４の光軸での反射光（散乱光）の光路のみ図示）は、対物レンズ２１により一旦集光されてから再び拡散する反射光Ｒ２となる。この対物レンズ２１を保持する鏡筒２６は、結像系５の絞りとしても機能する。この拡散する反射光Ｒ２は結像レンズ２２の鏡筒２７内の範囲に入射して、結像レンズ２２により集光されて反射光Ｒ３とされ、さらに検光子２３を通過した反射光Ｒ４は撮像素子２４の検出面２５に照射される。撮像素子２４の検出面２５に照射された反射光Ｒ４は電気信号に変換され、液晶ディスプレイからなるモニタ２８に、拡大された物体像（薄膜３の拡大像）が映し出される。
次に、本エリプソメトリー顕微鏡の各構成要素について、図１〜図３を用いて詳細に説明する。
（光源）

光源１２は、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）により構成されている。仮に光源に、Ｈｅ−ＮｅレーザーあるいはＬＤ（Laser Diode）のように可干渉距離（コヒーレンス長）の長いレーザーなどを光源に用いた場合、装置光学系を構成する光学素子で光の一部が反射することにより、光干渉が発生し、干渉縞像が現れてしまう。例えば、λ／４板からなる位相補償子１６で反射され後方に進んだ光が、さらに偏光子１５により反射され再度前方に進んで検出面に到達したとする。このとき、これらの反射を経ず直進した光で検出面に同時に達する光も存在する。これらの反射を経た光と反射を経ず直進した光とは異なった光路長を進んで来るので、位相が異なり検出面で光干渉を生ずる。すなわち、このとき検出面には干渉縞像が生じ、薄膜像に重畳して雑音像が生ずることになる。ここで、一般に、その可干渉距離よりも大きな光路差を有する光同士は干渉しない。そこで、その可干渉距離が、装置を構成する光学素子間距離よりも十分小さい光源を用いると、干渉縞像の発生を抑えることができる。この光源１２では、可干渉距離の短いレーザーＳＬＤにより構成されている。装置光学系を構成する光学素子間距離は、１ｍｍから１０ｃｍのオーダーであるのに対して、ＳＬＤの可干渉距離は、１０μｍのオーダーであり十分小さい。ＳＬＤに代えて、ファイバレーザーやハロゲンランプを用いた白色光源や、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode 発光ダイオード）等により光源１２を構成してもよい。
また、図１では模式的に単一のコリメートレンズ１４，１７を描いたが、正確な平行光を生成する各種光学素子や光学器具等が用いられる。
（偏光子）

偏光子１５は、周知の偏光板を用い照明光Ｌ２を直線偏光にすることができ、照明光Ｌ２の光軸に対して回転可能に設けられ、直線偏光の方向を９０度の範囲で変更できる。
（位相補償子）

位相補償子（コンペンセンター）１６は、直線偏光を楕円偏光に変換する。本実施形態の位相補償子１６は、λ／４板（１／４波長板）からなる。光源によるが、本実施形態では、広域のスペクトルを有するＳＬＤ光源を用いているため、無着色のアクロマティックリターダを用いる。なお、理想的な位相補償子は、リターデーションが正確に９０度（又は１／４波長）である光学的な位相遅延器であるが、正確なリターデーションが光軸や波長によって変わってしまうために用いることが難しい。そのため、本実施形態では、回転する偏光子１５と回転する位相補償子１６の組合せとなっており、偏光していない光をどのような楕円偏光にも変換できる。
（撮像素子）

撮像素子２４は、電荷結合素子（Charge Coupled Device（ＣＣＤ））をマトリクス状に整列させたアレイ状の素子である。なお、撮像素子は、ＣＣＤに限定されるものではなく、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサを用いた構成としてもよい。さらに冷却ＣＣＤカメラも熱ノイズが少なく好ましい。
（結像系）

次に、本実施形態における特徴的な構成である１次結像系１０と２次結像系１１について説明する。図２は、１次結像系と２次結像系に係る部分の模式側面図である。図２に示すように、１次結像系１０を構成する対物レンズ２１は、その光軸ＡＸ１と試料面ＳＰ（換言すればステージの試料載置面）とのなす角度θoが、反射光Ｒ１の光軸ＡＸ２と試料面ＳＰとのなす角度である反射角θrefよりも大きくなるように、光軸ＡＸ１を光軸ＡＸ２に対して少し傾けた状態に配置されている。つまり、対物レンズ２１の光軸ＡＸ１を反射光Ｒ１の光軸ＡＸ２に対して角度Δθ（＝θo−θref）だけ試料面ＳＰから離れる側へ傾ける「ひねり」を加えている。なお、以下、角度Δθをひねり角度と呼ぶ。

対物レンズ２１を通って集光する反射光Ｒ２は、結像レンズ２２に至る手前の空間上で結像する。つまり、この対物レンズ２１の結像面（１次結像面Ｐ１）が、対物レンズ２１と結像レンズ２２との間の空間上に形成される。そして、結像レンズ２２はその光軸ＡＸ３が１次結像面Ｐ１に対して垂直（図２におけるθ2＝９０°）になるように配置されている。撮像素子２４はその検出面２５の中心軸ＡＸ４が結像レンズ２２の光軸ＡＸ３と一致するように配置されている。

結像レンズ２２の焦点距離をｆ１とおくと、結像レンズ２２は、その主平面が１次結像面Ｐ１に対してその法線方向（光軸ＡＸ３方向）後側（図２における右側）へ、距離（ｘ１＋ｆ１）だけ離れて位置するように配置されている。また、撮像素子２４は、その検出面２５が結像レンズ２２の主平面に対してその法線方向（光軸ＡＸ３方向）後側へ、距離（ｆ１＋ｘ２）だけ離れて位置するように配置されている。なお、ｘ１，ｘ２には、ｘ１・ｘ２＝ｆ１^２の関係がある。

結像レンズ２２は、１次結像面Ｐ１に結像された物体像を拡大して撮像素子２４の検出面２５上に結像させる機能を有している。このため、撮像素子２４は、その検出面２５が２次結像面Ｐ２と一致するように配置されている。つまり、図２における距離ｘ２は、結像レンズ２２の主平面と２次結像面Ｐ２との間の距離から、結像レンズ２２の焦点距離ｆ１を差し引いた距離に設定されている。

本実施形態では、１次結像系１０を構成する対物レンズ２１の倍率Ｍ１を、２次結像系１１を構成する結像レンズ２２の倍率Ｍ２よりも小さく設定している（Ｍ１＜Ｍ２）。このように設定している理由は以下の通りである。
対物レンズ２１の光軸ＡＸ１と１次結像面Ｐ１とのなす角度をθ1とおくと、対物レンズ２１の倍率Ｍ１と角度θo，θ1との間には、以下の関係が成立する。
tanθ1／tanθo＝１／Ｍ１ …（１）

この式（１）から、対物レンズ２１の倍率Ｍ１を大きくするほど、角度θoに対して角度θ1は小さくなる。角度θ1が小さくなるに連れて、１次結像面Ｐ１は、光軸ＡＸ１との交点を中心に、図２における時計方向へ徐々に傾く。この角度θ1は、結像レンズ２２の主平面と光軸ＡＸ１とのなす角度に等しいので、角度θ1が小さくなるほど、結像レンズ２２に対する反射光Ｒ２の入射角（結像レンズ２２の主平面と反射光Ｒ２とのなす角度）が大きくなる。この反射光Ｒ２の入射角が大きくなると、結像レンズ２２における光の反射率が増えてしまう。

例えば角度θoを３０度とした場合、倍率Ｍ１を１００倍にしてしまうと、式（１）から、角度θ1＝０．３度という結像レンズ２２の主平面とほぼ平行な反射光Ｒ２となってしまう。この場合、結像レンズ２２の鏡筒２６に反射光Ｒ２が遮られて反射光Ｒ２が結像レンズ２２にさえ入射できなくなる。また、仮に反射光Ｒ２が鏡筒２６に遮られることなく結像レンズ２２に入射できても、かなり大きな入射角になるため、結像レンズ２２の表面での反射光Ｒ２の反射率が、ｓ偏光に対して約０．９８、ｐ偏光に対して約０．９６とかなり増加する。この場合、検出面２５に結像される像が著しく暗くなってしまう。

このため、本実施形態では、この種の反射率の増加を回避すべく、対物レンズ２１の倍率Ｍ１を相対的に小さく設定し、倍率Ｍ１と式（１）とから決まる角度θ1を、相対的に大きな値に設定している。反射光Ｒ２の反射率を許容範囲内に小さく抑えるためには、角度θ1は例えば２０度以上に設定することが好ましい。本実施形態では、角度θ1を、一例として４５度に設定している。

例えば入射光Ｌ４の入射角がブリュースター角θＢ付近の６０〜８０度である場合、試料面ＳＰで正反射した反射光Ｒ１の光軸ＡＸ２の反射角θrefは６０〜８０度となる。このとき、想定される正反射光Ｒ１の最小反射角θrefmin（＝６０度）のときの光軸ＡＸ２よりも、対物レンズ２１の光軸ＡＸ１（つまり１次結像系１０の光軸）を、ひねり角度Δθ（＞０）だけ試料面ＳＰから離れる方向（図２における反時計方向）へ傾けて配置している。このため、試料面ＳＰに対する入射光Ｌ４を想定される入射角（６０〜８０度）で使用する場合、対物レンズ２１の光軸ＡＸ１が常に反射光Ｒ１の光軸ＡＸ２よりも試料面ＳＰから離れる方向へ傾いた状態に保持され、反射角θrefより大きな角度θoを確保できる。このようにひねり角度Δθを加えた場合、試料面ＳＰからの反射光Ｒ１は、図２，図３に示すように、対物レンズ２１の中心から試料Ｓ側へシフトした位置を光軸が通るように対物レンズ２１に入射する。

本実施形態では、一例として、ひねり角度Δθを１５度に設定し、角度θo（＝９０°−θre fmin＋Δθ）を４５度に設定している。この場合、角度θo，θ1が共に４５度になる倍率Ｍ１は、式（１）からＭ１＝tanθo／tanθ1であるので、１倍である。このため、本実施形態では、倍率Ｍ１が１倍の対物レンズ２１を用いている。もちろん、倍率Ｍ１は１倍に限定されず、角度θoと式（１）式の関係とから、角度θ1を比較的大きな値（例えば２０度以上）にできる倍率Ｍ１を採用できる。さらに角度θ1は、２０度以上に限られず、反射光Ｒ２が鏡筒２７に遮らずに結像レンズ２２に入射でき、かつ結像レンズ２２における反射光Ｒ２の反射率をある程度小さく抑えられれば、例えば２０度未満でもよい。

また、角度θoは、２０〜６０度の範囲が好ましい。このとき、ひねり角度Δθは、必ずしも設定する必要はなく、例えば角度θoを２０≦θo＜３０の範囲に設定する場合は、ひねり角度Δθは０度でもよい。また、角度θoを３０≦θo≦６０の範囲に設定する場合は、ひねり角度Δθを、０＜Δθ≦３０の範囲で設定すればよい。そして、角度θoが２０〜６０度の範囲内の値をとるときに、角度θ1が、２０〜７０度の範囲、好ましくは３０〜６０度の範囲で確保されるような倍率Ｍ１（＝tanθo／tanθ1）に設定することが望ましい。

倍率Ｍ１は、例えば０．１〜５倍、好ましくは０．３〜３倍の範囲がよい。もちろん、倍率Ｍ１は、この範囲に限定されず、０．１倍未満（０＜Ｍ１＜０．１）としたり、５倍を超えてもよい。但し、対物レンズ２１の倍率Ｍ１を１倍未満の値にすると、エリプソメトリー顕微鏡１に所望の倍率Ｍを確保するために、結像レンズ２２の倍率Ｍ２を高くする必要があり、倍率Ｍ２にも限界があるので、倍率Ｍ１をあまり小さくし過ぎることは好ましくない。この点から、倍率Ｍ１は０．８倍以上、特に１倍以上が好ましい。

また、倍率Ｍ１は、Ｍ１＝tanθo／tanθ1から決まるため、倍率Ｍ１を１倍以上にするためには、θo≧θ1を満たす必要がある。このとき、ひねり角度Δθを加えて角度θoを大きくすることにより、１倍以上の倍率Ｍ１を確保しうる角度θ1の上限を大きくすることができる。そして、本実施形態では、一例として、１倍以上の倍率Ｍ１を確保しうる角度θ1の上限を採用している（θo＝θ1）。もちろん、倍率Ｍ１が１倍未満の場合も、ひねり角度Δθを加えて角度θoを設定することにより、角度θ1を大きくした割に、倍率Ｍ１が小さくなりにくい。よって、角度θoは、特に３０度以上に設定することが望ましい。

図２に示すように、２次結像系１１において、結像レンズ２２の主平面と１次結像面Ｐ１との距離は、ｘ１＋ｆ１で示され、その主平面と撮像素子２４の検出面２５との距離は、ｆ１＋ｘ２で示される。つまり、ｘ１は、結像レンズ２２の主平面と１次結像面Ｐ１との距離から結像レンズ２２の焦点距離ｆ１（前側焦点距離）を差し引いた値であり、ｘ２は、結像レンズ２２の主面と検出面２５との距離から結像レンズ２２の焦点距離ｆ１（後側焦点距離）を差し引いた値である。

ここで、１次結像面Ｐ１上に結像される１次物体像と、検出面２５（２次結像面Ｐ２）上に結像される２次物体像との像の高さの比、すなわち、２次結像系１１の像倍率Ｍ２は、ｆ１を結像レンズ２２の焦点距離、ｘ１を図２に与えた距離として、以下の式で与えられる。
Ｍ２＝ｆ１／ｘ１ …（２）

この式（２）から、像倍率Ｍ２は、角度θ1に依存することなく設定でき、高倍率観測が可能になる。すなわち、結像レンズ２２の焦点距離ｆ１と距離ｘ１とにより、２次結像系１１の像倍率Ｍ２を設定できる。

結像レンズ２２には、前述のように、対物レンズ２１の倍率Ｍ１より大きな倍率（例えば１００倍）の対物レンズが使用されている。エリプソメトリー顕微鏡１の倍率Ｍは、１次結像系１０の倍率Ｍ１と２次結像系１１の倍率Ｍ２とを用いて、Ｍ＝Ｍ１×Ｍ２で表される。そして、本実施形態では、倍率Ｍ２（＝Ｍ／Ｍ１）が得られるように、結像レンズ２２の焦点距離ｆ１と式（２）とから決まる距離ｘ１（＝ｆ１／Ｍ２）を設定している。エリプソメトリー顕微鏡１の倍率Ｍが例えば１００倍の場合、対物レンズ２１の倍率Ｍ１が１倍である本例では、倍率Ｍ２が１００倍になるように距離ｘ１（＝ｆ１／Ｍ２）を調整する。この距離ｘ１は、倍率Ｍ１，Ｍを用いて、ｘ１＝ｆ１・Ｍ１／Ｍで示される。また、対物レンズ２１を通過した反射光Ｒ２が全て結像レンズ２２の範囲内に入射されるように、距離ｘ１を調整することが好ましい。なお、倍率Ｍ２は１００倍に限定されず、Ｍ１×Ｍ２がエリプソメトリー顕微鏡１に必要な倍率Ｍになるような適宜な倍率を設定できる。エリプソメトリー顕微鏡１の倍率Ｍを適切な高倍率に設定するうえで、倍率Ｍ２は、１０倍以上でかつ倍率Ｍ１の１０倍以上の値となる倍率であることが好ましい。

このように、本実施形態のエリプソメトリー顕微鏡１の構成は、従来技術で述べた図６の結像系に２次結像系を追加し、薄膜３の膜分布を空間上（１次結像面Ｐ１上）に１次物体像として結像させ、それを２次結像系１１で拡大して観察するものである。そして、２次結像系１１の光軸ＡＸ３を、１次結像系１０の結像面Ｐ１と垂直（図２におけるθ2＝９０°）になるように配置している。これにより、１次結像面Ｐ１と２次結像面Ｐ２とを、２次結像系１１の光軸ＡＸ３に対して垂直な面として配置することが可能となる。式（１）を用いて述べた理由により、１次結像系１０の倍率Ｍ１は大きくとることはできないが、２次結像系１１では、１次物体像と２次物体像とを、光軸ＡＸ３と垂直な面Ｐ１，Ｐ２内に配置できるので、像倍率として大きな値を設定できる。そして、２次結像系１１では、倍率Ｍ２に依らず（つまり倍率Ｍが変化しても）、１次物体像と２次物体像を、光軸ＡＸ３と垂直な面内に配置できる。例えば、１次結像面Ｐ１と２次結像面Ｐ２のうち少なくとも一方が光軸ＡＸ３に対して垂直から外れた角度をなす場合、倍率Ｍ２の変化によって、２次結像面Ｐ２が検出面２５とある角度をなすことになる。この場合、そのなす角度が大きくなるに連れて、コントラストの高い視野領域が狭小化したり、輝度分布が不均一になったりする。しかし、本例では、像倍率Ｍ２（＝ｆ１／ｘ１）を変化させても、１次結像面Ｐ１と２次結像面Ｐ２とが常に平行に保たれるので、どの倍率でも視野領域を広く確保できる。

また、対物レンズ２１は、その倍率が大きくなるほど開口数ＮＡを大きくする必要があり、一般に倍率が大きくなるほどレンズ径が大きくかつ作動距離が小さくなる。このため、結像系５を構成するレンズを、１次結像系１０を構成する対物レンズ２１と、２次結像系１１を構成する結像レンズ２２（対物レンズ）とに分け、対物レンズ２１の倍率Ｍ１を小さく設定することで、対物レンズ２１の開口数ＮＡを小さくできる。このため、対物レンズ２１にレンズ径の小さな小型レンズを使用できるうえ、その作動距離ＷＤも長く確保できる。この点から、対物レンズ２１と試料Ｓとの干渉（接触）を回避しやすくなる。

本実施形態では、試料面ＳＰ（つまりステージの試料載置面）に対して法線方向観察側の位置に、斜め照明系４及び結像系５が配置されない空間が確保される。そして、この空間に、走査型プローブ顕微鏡７０のプローブ７１及びプローブ７１を変位させるための変位系７２などが配置されている。つまり、試料面ＳＰに対してその法線方向観察側の空間が、走査型プローブ顕微鏡７０のプローブ７１及びその変位系７２の作業空間（配置空間）として確保されている。
（測定手順）
次に、このように構成されたエリプソメトリー顕微鏡１における試料観察及び膜厚分布測定の手順を説明する。

まず、試料Ｓをセットして、光源１２、モニタ２８の電源を投入する。続いて、偏光子１５、位相補償子１６、検光子２３を初期位置にセットする。そして、偏光子１５、位相補償子１６を相互に回転しながら、モニタ２８でコントラストを確認し、所定の部分が消失したら、記録を取る。或いは一連の操作を自動で行い、最もコントラストの良好な画像により所定の手順で膜厚を算出する。
ここで、本発明の原理である消光型エリプソメトリーについて説明する。

試料と空気などの媒質界面で、光がある入射角を持って反射したときに、入射平面内にある偏光成分（ｐ偏光）、垂直な偏光成分（ｓ偏光）について、複素振幅反射率（ｒexp(ｉδ）が異なり、この違いは試料Ｓの表面にある薄膜３の屈折率に依存する。薄膜３の屈折率は、薄膜３の膜厚に依存するので、エリプソメトリ−顕微鏡１では、ｐ偏光とｓ偏光の複素振幅反射率の振幅比Ψ（＝ｒp／ｒs）と位相差Δ（＝δp−δs）の試料各点における分布を測定することにより、膜厚分布を求める。ここで、ｒおよびδの添え字ｐ、ｓは、それぞれ、ｐ偏光、ｓ偏光に対するものであることを示す。エリプソメトリー顕微鏡で検出される試料のある点（ｘ，ｙ）から得られる光強度Ｉ（ｘ，ｙ，θ）は、以下で与えられる。

ここで、ｒsはｓ偏光に対する振幅反射率、Ｉoは入射光強度、θは照明光の入射角、Ｐ、Ａはそれぞれ偏光子、検光子の回転角の設定値である。

消光型エリプソメトリーの手法を用いて膜分布を測定する場合、まず、試料薄膜を形成していない基板面からの反射光強度を「０」になるように調整する。すなわち、入射光を偏光子で直線偏光とし、基板面における反射で楕円偏光に変化するのを、再度、１／４波長板と検光子偏光板で完全に消光するように調整する。式（３）を用いて説明すると、２Ｐ＋Δ＝π／２、ΨcosＡ＋sinＡ＝０、となるように、偏光子角Ｐおよび検光子角Ａを調整し、基板面からの反射光を「０」に近づける。基板面はおおむね均一な反射率分布を有するので、この工程は、基板面での正反射（入射角＝反射角となる反射光）した光を消光する工程となる。

ここで、エリプソメトリー顕微鏡１では、ｐ偏光に対する反射率を最小とする入射角付近が最も良好な像コントラストを実現する入射角となる。ｐ偏光とｓ偏光の複素振幅反射率は入射角に依存し、振幅比Ψと位相差Δは入射角θに依存するため、式（３）で示したように、エリプソメトリー顕微鏡で得られる像の光強度も入射角θに依存する。そのため、エリプソメトリー顕微鏡１では、ｐ偏光に対する反射率を最小とする入射角付近の入射角θ＝θＢを設定し、その後、最適なコントラストに得るように偏光子角Ｐおよび検光子角Ａを調整する。

試料が誘電体など光を吸収しない物質で構成されており、試料（屈折率ｎs）と空気（屈折率ｎo）の界面で光が反射した場合、θＢ＝tan^−１（ｎs／ｎo）で求められるブリュースター角θＢにおいて、ｐ偏光に対する反射率は０となるが、ｓ偏光の反射率の入射角依存性は、ｐ偏光のそれに比べ小さいので、ｐ偏光とｓ偏光の反射率の差が最も大きくなる。このため、エリプソメトリー顕微鏡１では、入射角をブリュースター角θＢ付近に設定することにより、最も良好なコントラストを有する膜分布像を得る。

次に、上で調整したＰ,Ａを用いて、基板２上の薄膜３を観測する。反射率が基板２のみの場合とは異なるので、すなわち、振幅比Ψと位相差Δは基板２のみの場合と異なる値を取り、上で調整したＰ,Ａに対する消光条件を満たさず、反射光が０とならない。そして、振幅比Ψと位相差Δは、薄膜３の屈折率すなわち膜厚に依存するので、この反射光の強度は膜厚に依存する。こうして、試料薄膜の膜厚分布に対応した光強度像が得られる。このように、エリプソメトリーを用いる方法では、試料のｐ偏光に対する反射率が最小となるように法線から６０〜８０度程度の大きな入射角で試料に照明光を照射し、その反射光を入射角と同様の反射角付近の斜め方向から観測する。

加えて、平行光を照明として用いたエリプソメトリー顕微鏡１においては、試料の点（ｘ，ｙ）について、光強度から振幅比Ψと位相差Δを求め、さらに、Ψ，Δと試料薄膜の膜厚の関係を用いることにより、像の光強度を膜厚に換算できる。例えば、二つの偏光子角Ｐ＝Ｐ１とＰ＝Ｐ２に対する光強度Ｉ１とＩ２を測定して式（３）に代入し、連立２元方程式を解くことにより、試料各点におけるΨ（ｘ，ｙ，θ）、Δ（ｘ，ｙ，θ）を得ることができる。Ψ，Δと試料薄膜の膜厚の関係は、通常のエリプソメータなど一般的な方法で求める。Ψ，Δと試料薄膜の膜厚の関係から、光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ，θ）を膜厚分布に換算する。こうして、エリプソメトリー顕微鏡１により、薄膜３の膜厚分布を測定することができる。

そして、この複合型顕微鏡８０では、エリプソメトリー顕微鏡１により試料薄膜３の広い視野を高倍率で観察し、そのうち特に微細構造を観察したい注目箇所を走査型プローブ顕微鏡７０によりさらに高い倍率で観察する。このとき、走査型プローブ顕微鏡７０の変位系７２を駆動してプローブ７１を下降させて試料薄膜３の表面に接触させる。なお、走査型プローブ顕微鏡７０による観察への切り換えにより、エリプソメトリー顕微鏡１による観察が不要になった時点で、対物レンズ２１をその作動範囲内で試料Ｓから離れる側へ退避させ、プローブ７１の広い作業領域を確保してもよい。このとき、倍率Ｍ１の低い対物レンズ２１の作動距離ＷＤは長いので、対物レンズ２１の退避によりプローブ７１の広い作業空間を確保できる。

また、薄膜３が粘弾性を有する固体膜あるいは液体膜である場合は、プローブ７１で試料薄膜３を接触摺動し、力学的な刺激を与え、これに対する応答の様子をエリプソメトリー顕微鏡１で動的観察して、薄膜３の粘弾性などの特性を得ることもできる。本実施形態のエリプソメトリー顕微鏡１を用いて、プローブ７１を薄膜３に摺動させて力学的な刺激を与えたところ、プローブ７１の力学的な刺激に対する薄膜３の応答の様子を観察できることが確認された。
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

（１）本実施形態のエリプソメトリー顕微鏡１では、斜め照明系４を採用するとともに、結像系５を１次結像系１０と２次結像系１１との複数段で構成した。このため、薄膜３の膜厚分布を高コントラストかつ高倍率で観察できるうえ、試料面ＳＰ（ステージの試料載置面）に対して法線方向観察側の位置に、走査型プローブ顕微鏡７０のプローブ７１やその変位系７２、あるいは摺動用プローブなどの操作手段のための作業空間を確保できる。よって、本エリプソメトリー顕微鏡１と走査型プローブ顕微鏡７０とを組み合わせて複合型顕微鏡８０を構成することができる。この場合、エリプソメトリー顕微鏡１により薄膜３の膜厚分布などを広い視野で高倍率で観察し、そのうち特に微細構造を観察したい注目箇所を走査型プローブ顕微鏡７０でさらに高い倍率で観察することができる。また、粘弾性を有する薄膜３にプローブ７１で力学的刺激を与え、その応答の様子を高コントラストかつ高倍率で動的観察することができる。この場合、膜厚分布測定すれば、試料薄膜の粘弾性などの特性を得ることができる。

（２）１次結像系１０では、後段の結像レンズ２２への光の入射が鏡筒２７に遮られず、かつ結像レンズ２２への光の反射率を低減できるように、角度θ1を比較的大きく（一例として２０度以上）確保する必要から、角度θ1に依存する倍率Ｍ１に制約があった。これに対して、２次結像系１１の光軸ＡＸ３を１次結像面Ｐ１と略垂直となるように配置したので、１次結像系１０のような倍率の制約がなく、２次結像系１１を高い倍率に設定できる。さらに、２次結像系１１の結像面Ｐ２が検出面２５と略重なるように撮像素子２４が配置されているので、撮像素子２４により光コントラストかつ高倍率でしかも輝度分布がより均一な像を撮像することができる。

（３）１次結像系１０（つまり対物レンズ２１）の倍率Ｍ１を、Ｍ１＝tanθo／tanθ1において、角度θ1を２０度以上としうる値に設定した。このため、角度θ1を２０度以上の比較的大きな値に設定することができ、１次結像系１０から２次結像系１１の結像レンズ２２へ入射する光の反射率を低減できる。このため、２次結像系１１によって撮像素子２４の検出面２５に明るい像を結像できる。

（４）特に１次結像系１０の倍率Ｍ１を０．３〜３倍の範囲内の値に設定した場合は、１次結像系１０の光軸ＡＸ１と１次結像系１０の結像面Ｐ１とのなす角度θ1を比較的大きな値に設定できる。よって、１次結像系１０から２次結像系１１の結像レンズ２２へ入射する光の反射率を効果的に低減できる。

（５）１次結像系１０における対物レンズ２１の光軸ＡＸ１は、試料面ＳＰ（物体面）に対する反射光Ｒ１の最大反射角のときの光軸に対して試料面ＳＰから離れる方向へひねり角度Δθだけ傾けて配置されている。このため、１次結像系１０の光軸ＡＸ１と試料面ＳＰとのなす角度θoを大きく設定できるので、角度θ1を大きくした割に、Ｍ１＝tanθo／tanθ1で表される１次結像系１０（つまり対物レンズ２１）の倍率Ｍ１がさほど小さくならずに済む。

（６）１次結像系１０は１つの対物レンズを有し、２次結像系１１は対物レンズよりなる１つの結像レンズ２２有する構成とした。このように１次結像系１０と２次結像系１１にそれぞれ対物レンズを１つずつ設けた構成なので、結像系５を複数段に構成した割に、結像系５の構成が簡単で済む。
（第２実施形態）

次に、第２実施形態を図４及び５に基づいて説明する。この第２実施形態は、背景光による雑音像の問題を解決するために、エリプソメトリー顕微鏡１の結像系にアフォーカル系を採用した例である。なお、エリプソメトリー顕微鏡１の結像系のみが、第１実施形態と異なり、複合型顕微鏡８０における他の構成（走査型プローブ顕微鏡７０及び斜め照明系４など）については、第１実施形態と同様である。このため、以下、エリプソメトリー顕微鏡の結像系について説明する。

図４に示すように、この第２実施形態におけるエリプソメトリー顕微鏡１における結像系３０は、１次結像系３１及び２次結像系３２とを有している。１次結像系３１は１組の対物レンズ３３，３４で構成され、２次結像系３２は１組をなす対物レンズ３５及び結像レンズ３６で構成されている。１組の対物レンズ３３，３４はそれぞれの光軸ＡＸ５，ＡＸ６を一致させ、かつ対物レンズ３３，３４の焦点面を一致させるように配置されている。また、１組をなす対物レンズ３５及び結像レンズ３６はそれぞれの光軸ＡＸ７，ＡＸ８を一致させ、かつ対物レンズ３５及び結像レンズ３６の焦点面を一致させるように配置されている。つまり、結像系３０は、１組の対物レンズ３３，３４の焦点面を一致させると共に、１組をなす対物レンズ３５及び結像レンズ３６の焦点面を一致させたアフォーカル系の結像系となっている。

対物レンズ３３の鏡筒３７は反射光Ｒ１の絞りとして機能し、対物レンズ３３を通過した反射光Ｒ２は両レンズ３３，３４の焦点面ＦＰ１まで集光した後、この焦点面ＦＰ１から拡散して、対物レンズ３４の鏡筒３８内の範囲に入射する。対物レンズ３４を通過した反射光Ｒ３は平行光となって、１次結像面Ｐ１上に物体像を１次結像すると共に、２次結像系３２を構成する対物レンズ３５の鏡筒３９内の範囲に入射する。対物レンズ３５を通過した反射光Ｒ４は、両レンズ３５，３６の焦点面ＦＰ２まで集光した後、この焦点面ＦＰ２から拡散して結像レンズ３６に入射し、結像レンズ３６を通過した反射光Ｒ５は平行光となって検光子４０に入射する。そして、検光子４０を通った平行光の反射光Ｒ６は撮像素子２４の検出面２５（２次結像面Ｐ２）に入射して、その検出面２５上に物体像を２次結像する。
第２実施形態においても、１次結像系３１の倍率Ｍ１を、２次結像系３２の倍率Ｍ２よりも小さく設定している（Ｍ１＜Ｍ２）。

図５は、１次結像系３１の模式側面図である。図５に示すように、本実施形態では、対物レンズ３３の光軸ＡＸ５と試料面ＳＰとのなす角度をθoと、対物レンズ３４の光軸ＡＸ６と１次結像面Ｐ１とのなす角度をθ1とおくと、１次結像系３１の倍率Ｍ１と角度θo，θ1との間には、第１実施形態で示した式（１）の関係が成立する。このため、この第２実施形態においても、１次結像系３１を構成する少なくとも１つのレンズが、１組の対物レンズ３３，３４となっただけで、角度θo，θ1が共に４５度に設定されている。そして、１次結像系３１の倍率Ｍ１が１倍に設定されている。一例として、対物レンズ３３，３４は共に倍率１倍の対物レンズである。なお、本実施形態においても、角度θoは、想定される最小反射角（＝６０度）のときの反射光Ｒ１の光軸ＡＸ２と試料面ＳＰとのなす角度（つまり反射角θref）に、ひねり角度Δθを加えた値として設定されている。このため、本実施形態においても、１次結像系３１を通った平行光である反射光Ｒ３は、対物レンズ３５に対して比較的小さな入射角（例えば６０°程度）で入射することができる。

角度θo，θ1、倍率Ｍ１がこのような条件に設定されることで、１次結像面Ｐ１は図４及び図５に示すように、対物レンズ３４と対物レンズ３５の間における空間上に形成される。そして、図４及び図５に示すように、２次結像系３２を構成する対物レンズ３５及び結像レンズ３６は、１次結像面Ｐ１に対して各々の光軸ＡＸ７，ＡＸ８が垂直になるように、配置されている。そして、撮像素子２４は、その検出面２５の中心軸ＡＸ４が各光軸ＡＸ７，ＡＸ８と一致する状態に配置されると共に、その検出面２５が２次結像面Ｐ２と重なるように配置されている。

ところで、エリプソメトリー顕微鏡１では、試料Ｓからの反射光のうち基板２からの正反射光の強度が、薄膜３からの散乱光に比べ強い。検出すべき薄膜３の微小構造からの光はこの散乱光である。このため、微小構造をもつ薄膜３の像と正反射光のなす像が重畳された像が撮像素子２４で検出される。正反射光は、試料面ＳＰの微小膜厚構造に関する情報を含んでおらず、光源１２の強度分布に対応した不要な光強度分布を生じる。これは背景光による像雑音となる。

本実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果の他に、次の効果が得られる。アフォーカル系の結像系３０を採用することにより、背景光となる基板２からの正反射光は、撮像素子２４の検出面２５へ平行光として入射し、薄膜３の微細構造からの反射光は、種々の角度を持つ収束光となって入射・結像する。試料面ＳＰからの正反射光による光源１２の強度分布像は、無限遠に結像することと等価になり、輝度分布をより均一にすることができる。これにより、背景光による雑音像に関する問題を解決することができる。

また、この結像系３０は、１次結像系３１及び２次結像系３２において、結像させるべき物体（試料Ｓ）及び１次物体像（１次結像面Ｐ１上の像）が、それぞれの対物レンズ３３、３５に最も近接した配置とすることができる。すなわち、物体からの散乱光を最も効率的に集光できる配置とすることができる。結像対象から散乱光が光軸に対してなす角度が大きい本エリプソメトリー顕微鏡１においては、十分な光量を確保するためにも有効である。

以上のように、基板２上の薄膜３について、他の計測あるいは操作手段のための作業空間の確保と、高い面内分解能との両立を可能とし、さらに背景光による雑音像を抑制することができる。
なお、実施形態は以下のように変更してもよい。

・上記実施形態では、角度θo，θ1を、θo＝θ1とした例を示したが、角度θo，θ1の最小関係は適宜に設定してよい。θo≧θ1が好ましいが、例えばθo＜θ1としてもよい。

・実施形態において、１次結像系を構成する対物レンズにひねり角度Δθを加えない構成も採用できる。すなわち、対物レンズの光軸と反射光Ｒ１の光軸とを一致させるように対物レンズを配置してもよい。

・実施形態において、エリプソメトリー顕微鏡１は、走査型プローブ顕微鏡との組合せで複合型顕微鏡を構成することに限定されない。例えば、試料Ｓに力学的な刺激を与えるための摺動用プローブ等の操作手段と組み合わせただけの構成でもよい。この構成のエリプソメトリー顕微鏡によれば、粘弾性を有する薄膜に力学的な刺激を与えた際の応答の様子を、高コントラストかつ高倍率で動的観察することができる。また、計測手段や走査手段は、必ずしも試料に接触する必要はなく、試料に近接して用いられるものでもよい。この種の操作手段としては、試料薄膜（例えば液体薄膜）に流体（例えばエア等の気体や、酸・アルカリ等の液体）を吹き付けるノズルや、試料薄膜（固体薄膜あるいは液体薄膜）に熱刺激を与える光加熱手段やヒーターなどが挙げられる。

・実施形態において、１次結像系と２次結像系のうち少なくとも一方を複数段の結像系により構成してもよい。すなわち、１次結像系と２次結像系のうち少なくとも一方を、少なくとも１個のレンズを有する結像系を複数段並べて構成することができる。例えば２次結像系の場合、結像面は段数と同数設けられ、最終段の結像面が２次結像面となり、この２次結像面に撮像素子の検出面が一致するように撮像素子を配置しればよい。また、２次結像系を構成する複数段の結像系の各レンズはそれぞれの光軸が１次結像面に対して垂直に配置されることが好ましい。
・１次結像系及び２次結像系は、レンズが１個又は２個であることに限定されず、３個以上の複数個のレンズを備えてもよい。
・照明光の光束を絞る絞りを設けてもよい。対象により光束の径を絞ることでコントラストの改善を図ることができる。

・位相補償子１６は、λ／４板に替えて、石英製の光弾性変調器としてもよい。位相変調型として高速に位相補償子の変調を行うことができる。ＣＣＤカメラとの組合せで高速に処理することができる。

・斜め照明系、結像系ともに模式的な図で説明しているものであり、これと等価の光学系とすることができることは言うまでもない。又、当業者によりその構成は付加され、省略され、置き換えられて実施されうることはもちろんである。

・本発明のエリプソメトリー装置は、試料を拡大して観察する機能を有するエリプソメトリー顕微鏡に適用できることはもちろん、膜厚分布測定を行うエリプソメータにも適用できる。また、エリプソメトリー装置には、例えば、工業用途で、ディスク表面の潤滑膜、ナノインプリントリソグラフィーにおける液体薄膜、ポリマーエレクトロニクスにおける液体分子薄膜などの薄膜の膜厚分布測定を、偏光解析法（エリプソメトリー）を用いて行う薄膜検査装置なども含まれる。
以下、前記各実施形態及び変形例から把握される技術的思想を以下に記載する。

（１）前記１次結像系は、前記レンズとして１つの対物レンズを有し、前記２次結像系は、前記レンズとして１つの対物レンズを有することを特徴とするエリプソメトリー装置。この構成よれば、１次結像系と２次結像系にそれぞれ対物レンズが１つずつ設けられた構成なので、結像系を複数段にした割に、結像系の構成が簡単で済む。

（２）前記１次結像系及び前記２次結像系は、それぞれ少なくとも１組のレンズを含み、当該少なくとも１組のレンズを組毎に焦点面を一致させた構成のアフォーカル系としたことを特徴とするエリプソメトリー装置。この構成によれば、１次結像系及び２次結像系はアフォーカル系であるので、物体における観察対象以外の部分で正反射した背景光は、撮像素子の検出面に平行光として入射し、物体からの反射光は、種々の角度を持つ収束光となって入射・結像する。物体面からの正反射光による強度分布像は、無限遠に結像することと等価になり、輝度分布をより均一にすることができる。これにより、背景光による雑音像を低減できる。

（３）前記第２の倍率は、１０倍以上でかつ前記第１の倍率の１０倍以上の倍率であることを特徴とするエリプソメトリー装置。この構成によれば、第１の倍率が低倍率でも、エリプソメトリー装置により物体像を高倍率で観察できる。

（４）前記物体面に対して法線方向観察側の位置に前記物体面に対して接触する操作が可能な操作手段を備えたことを特徴とするエリプソメトリー装置。この構成によれば、斜め照明系及び結像系が、物体面に対する照明光の入射元側の位置及び反射光の反射先側の位置にそれぞれ配置され、物体面に対して法線方向観察側の位置にできた空間を、操作手段の作業空間として利用できる。例えば、物体に操作手段を接触させる操作をしながら、物体面の動的観察を行うことができる。

（５）エリプソメトリー装置としてのエリプソメトリー顕微鏡と、前記物体面に対して法線方向観察側の位置に前記物体面に対して接触可能なプローブを配置する走査型プローブ顕微鏡とを備えた複合型顕微鏡。この複合型顕微鏡によれば、エリプソメトリー顕微鏡により物体を広い視野で高倍率で観察し、そのうち特に微細構造を観察したい注目箇所を走査型プローブ顕微鏡でさらに高い倍率で観察できる。

１…エリプソメトリー装置としてのエリプソメトリー顕微鏡、２…基板、３…薄膜、４…斜め照明系、５…結像系、１０…１次結像系、１１…２次結像系、１２…光源、１３…光ファイバ、１４…コリメートレンズ、１５…偏光子、１６…位相補償子（λ／４板）、１７…コリメートレンズ、２１…１次結像系のレンズを構成する対物レンズ、２２…２次結像系のレンズを構成する結像レンズ、２３…検光子、２４…撮像素子、２５…検出面、２６…鏡筒、２７…鏡筒、２８…モニタ、３０…アフォーカル系の結像系、３１…１次結像系、３２…２次結像系、３３，３４…１次結像系のレンズを構成する対物レンズ、３５…２次結像系のレンズを構成する対物レンズ、３６…２次結像系のレンズを構成する結像レンズ、４０…検光子、７０…走査型プローブ顕微鏡、７１…プローブ、７２…変位系、８０…複合型顕微鏡、Ｍ１…第１の倍率としての倍率、Ｍ２…第２の倍率としての倍率、Ｓ…物体としての試料、ＳＰ…物体面として試料面、Ｌ１〜Ｌ４…照明光、Ｒ１〜Ｒ３…反射光（第１実施形態）、Ｒ１〜Ｒ５…反射光（第２実施形態）、Ｐ１…１次結像系の結像面としての１次結像面、Ｐ２…２次結像系の結像面としての２次結像面、θo…角度、θ1…角度、θref…反射角、θrefmin…最小反射角、Δθ…ひねり角度、ＡＸ１，ＡＸ３，ＡＸ５，ＡＸ６，ＡＸ７，ＡＸ８…レンズの光軸、ＡＸ２…反射光の光軸、ＡＸ４…撮像素子の中心軸、ＦＰ１，ＦＰ２…焦点面。

Claims (4)

1. 偏光解析法を用いて観察対象の物体の像を拡大して観察可能なエリプソメトリー装置であって、
   光源の光路上に偏光子と位相補償子とを有し、当該偏光子及び位相補償子を通った平行光を前記物体に斜めに照射する斜め照明系と、
   物体からの反射光を入射して物体像を拡大して結像させる結像系と、
   前記結像系における前記反射光の光路の途中に設けられた検光子と、
   前記結像系により結像された像を撮像する撮像素子と、を備え、
   前記結像系は、
   前記物体からの反射光を入射して第１の倍率で物体像を結像させる少なくとも１組のレンズを含む１次結像系と、
   前記１次結像系が結像した物体像を前記第１の倍率より大きな第２の倍率で拡大する少なくとも１組のレンズを含む２次結像系と、
   を備え、
   前記１次結像系の少なくとも１組のレンズ及び前記２次結像系の少なくとも１組のレンズを、組毎にそれぞれの光軸を一致させ、かつ焦点面を一致させた構成のアフォーカル系とし、
   前記２次結像系の光軸を、前記１次結像系の結像面と略垂直になるように配置するとともに、前記２次結像系の結像面が前記撮像素子の検出面と略重なるように前記撮像素子を配置し、
   前記１次結像系の倍率Ｍ１は、０．３〜３倍の範囲内の値に設定されていることを特徴とするエリプソメトリー装置。
2. 請求項１に記載のエリプソメトリー装置において、
   前記１次結像系の光軸と物体面とのなす角度θo、前記光軸と前記１次結像系の結像面
   とのなす角度θ1とした場合、
   前記１次結像系の倍率Ｍ１は、Ｍ１＝tanθo／tanθ1において、角度θ1を２０度以上
   としうる値に設定されていることを特徴とするエリプソメトリー装置。
3. 請求項１又は２に記載のエリプソメトリー装置において、
   前記１次結像系の光軸と物体面とのなす角度θoと、前記光軸と前記１次結像系の結像
   面とのなす角度θ1は、θo≧θ1を満たし、Ｍ１＝tanθo／tanθ1により決まる前記１次
   結像系の倍率Ｍ１は１倍以上に設定されていることを特徴とするエリプソメトリー装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエリプソメトリー装置において、
   物体のｐ偏光に対する反射率が略最小となるような入射角で前記物体に照明光を照射して観察又は膜厚分布測定が行われる構成であり、
   前記１次結像系の光軸は、物体面からの反射光の光軸が想定される最小反射角をとるときの当該光軸に対して前記物体面から離れる方向へひねり角度Δθだけ傾けて配置されていることを特徴とするエリプソメトリー装置。

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