JP6497632B2

JP6497632B2 - 干渉顕微鏡

Info

Publication number: JP6497632B2
Application number: JP2017103108A
Authority: JP
Inventors: 孝雄真木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: JP2018189622A

Description

本発明は反射型干渉顕微鏡に関して、結晶表面などにおける計測、結晶成長過程の観察と計測、半導体産業分野における、ウェハー等の各処理工程の計測及び検査、さらには、高精度計測と観察を行うことを容易に可能とした干渉顕微鏡。

従来、反射型試料の計測に用いられる干渉光学系としては、試料光路と参照光路を完全に分けて構成した、分離型光路干渉光学系のマイケルソン型干渉光学系がある。さらに、そのマイケルソン型干渉光学系の変形版で、高解像度化を目的とした干渉光学系のリニック型干渉光学系があり、反射型試料の測定にこの両分離型干渉光学系が多く使用されている。

また、微分干渉顕微鏡は反射型試料の微細状態を高精度に視認的に観察できる。図１は上記マイケルソン型干渉光学系を示す図で、光源１０１より発した光束はレンズ１０２により平行光となり、ビームスブリッター１０３により試料光路１０４への試料光と参照光路１０５への参照光とに分割される。そして試料光は試料面１０６で反射され、参照光は参照面１０７で反射されて、それぞれビームスブリッター１０３で再び合致して、対物レンズ１０８、結像レンズ１０９によって干渉画像を生成し観測位置１１０で観測される。

つぎに、上記リニック型干渉光学系を図２に示す。光源２０１より発した光速はレンズ２０２により、ビームスブリッター２０３で各々分割され、試料光路２０４と参照光路２０５の光路上に配置された各々レンズ２０８の後側焦点位置である瞳に収束されるようになっている。その光束は各々レンズ２０８によって平行光となり、試料面２０６、参照面２０７に照射され反射し、再びビームスブリッター２０３で合致する。それから、レンズ２０９により観測点２１０で干渉画像を生成し観測される。

さらに、図３は上記の微分干渉顕微鏡の光学系を示す図で、光源３０１から発した光は、レンズ３０２より、偏光板３０３で４５度の偏光方向となり、ハーフミラー３０４によって試料方向に導かれ、対物レンズ３０６の後側焦点位置にある瞳に収束する。その位置には微分干渉プリズム３０５が配置され、縦方向と横方向の振動方向の波の持った光に分割され対物レンズ３０６を通り試料面３０７の微細な構造を視認する光となる。その反射光は元の光路を戻り、微分干渉プリズム３０５で再び、縦方向と横方向の振動方向の波をもった光は合致されハーフミラー３０４を通過し、偏光板３０８によって両光の偏光方向をあわせる。そして、結像レンズ３０９で焦点位置３１０に観察される。

マイケルソン型干渉光学系とリニック型干渉光学系とも、試料を平行な光で照射するように構成されている。そのことは干渉顕微鏡としての必須機能であるため、微細構造の観察はそのまま行うことができない。よって、干渉光学系の計測作業と微分干渉顕微鏡における微細部の観察作業は、それぞれ別個に行っていた。ゆえに、時間的な変化が速く，再現性の困難な結晶成長過程の観察などには適用できないという問題があった。

本発明は従来の干渉光学系における上記の問題点を解消するためになされてもので、高精度の干渉画像における計測と微細部の観察が切換え、もしくは、同時に行えるようにした干渉顕微鏡の提供を目的としたものである。

上記問題点を解決するために本発明は試料光路と参照光路とを分離した分離光路干渉光学系を備えた反射試料の観測に用いる干渉顕微鏡において、前記分離光路干渉光学系は、試料光路の対物レンズと結像レンズの間に微分干渉プリズムを配置するものである。このように構成することにより、定量的な観測が可能な干渉縞の干渉画像と微細な観察画像の微分干渉像の合成画像を得ることができる。また、微分干渉プリズムを着脱することにより各々の観測画像の取得も可能である。

本発明によれば、定量的な干渉縞の干渉画像と同時に試料の微細構造の鮮明な観察像を得ることができる。よってリアルタイムの計測及び観察を可能とした。

従来の干渉計（マイケルソン型）従来の干渉計（リニック型）従来の微分干渉顕微鏡本発明による干渉計顕微鏡（マイケルソン型）本発明による干渉計顕微鏡（リニック型）干渉ループ部のレンズ構成

以下、本発明の形態を図４〜図６に基づいて説明する。

次に実施例１について説明する。図４は、本発明に係る干渉顕微鏡の基本的な構成を示す概念図である。この概念図は、分離型干渉計のマイケルソン型である。
光源４０１より発した光束はレンズ４０２により対物レンズ４０４の後側焦点位置に対物レンズ４０４の明るさに必要な十分な瞳のおおきさで集光する光束となる。その光束はハーフミラー４０３によって折返し、対物レンズ４０４に入射さ、平行光とし出射される。さらに、ビームスブリッター４０５により試料光路４０６への試料光と参照光路４０７への参照光とに分割される。そして試料光は試料面４０８で反射され、参照光は参照面４０９で反射されて、それぞれビームスブリッター４０５で再び合致して、元の光路の対物レンズ４０４、を通り、ハーフミラー４０３を透過し、結像レンズ４１０によって観測位置４１１に投影され、その投影された干渉画像から観察、計測ができる。

さらに対物レンズ４０４の後ろ側焦点位置に微分干渉プリズム４２３を配置する。それに伴う、偏光板４２１、４２２も同時に配置する。そうすることにより、結晶表面の微細な構造を視認する微分干渉像も得られる。また、微分干渉像を観察するときは、ビームスブリッター４０４は配置されていても、されていなくても、どちらでも可である。さらに、干渉画像を観測するときも、微分干渉プリズム４２３の配置はどちらでもよい。

干渉図形を観測するとき、微分干渉プリズム４２３を配置し、光軸方向にたいして横にスライドさせると干渉縞のコントラスト等の変化を容易に可能でき、より一層の干渉画像を得ることができる。同時に、微分観察像の色合いも変化させられる。

次に実施例２ついて説明する。図５は、上記マイケルソン干渉計型の変形型であるリニック型干渉計の場合の概念図である。光源５０１より発した光束はレンズ５０２により対物レンズ５０４の後側焦点位置で、対物レンズ５０４の必要な明るさに十分な瞳のおおきさをもった光束で集光する。その光束はハーフミラー５０３によって折返し、さらに、ビームスブリッター５０５により、試料光路５０６への試料光と参照光路５０７への参照光に分割される。両光路に配置されている同じ対物レンズ５０４に各々入射され、平行光とし出射される。そして試料光は試料面５０８で反射され、参照光は参照面５０９で反射されて、それぞれ、各々の対物レンズ５０４に戻り、ビームスブリッター５０５で再び合致して、ハーフミラー５０３を透過し、結像レンズ５１０によって観測位置５１１に投影され、その投影された干渉画像から観察、計測ができる。

さらに、対物レンズ５０４の後ろ側焦点位置に微分干渉プリズム５２３を配置する。それに伴う、偏光板５２１、５２２も同時に配置する。そうすることにより、結晶表面の微細な構造を視認する微分干渉像も得られる。また、微分干渉像を観察するときは、ビームスブリッター５０５は配置されていても、されていなくても、どちらでも可能である。さらに、干渉画像を観測するときも、微分干渉プリズム５２３の配置はどちらでもよい。また、微分干渉プリズム５２３とビームスブリッター５０５の交換方式にすれば、各々の画像を純粋に観測することができる。

微分干渉像と干渉画像を同時に観察する場合、さらに効果として、干渉画像を観測するとき、微分干渉プリズム５２３を配置し、スライドさせると干渉縞のコントラスト等の変化を容易に可能でき、より一層の干渉図形を得ることができる。同時に、微分観察像の色合いも変化させられる。
本発明による、実施例２のリニック干渉計型の干渉顕微鏡は、対物レンズ５０４と試料面５０８との間にビームスブリッター５０５がないため、対物レンズ５０４の本来の作動距離が確保されるとともに、収差などのフレアーがなく微分干渉像の本来の画像を得ることができる。さらに、干渉画像の収差も排除でき、より一層の高精度観測を可能とした。

さらに、参照光路に配置されている対物レンズは、試料光路の対物レンズ５０４の倍率を変更するとき、その対物レンズ５０４と同様な性質をもったレンズまたは、同じ対物レンズ５０４を用いることが必須であった。しかし、本実施例では、その参照光路の対物レンズ部を図６のように構成している。試料光路の対物レンズ交換があっても容易に、性質を合わせることを可能としている。

その図６について説明する。図６には分離型干渉計のリニック型干渉計に必要なビームスブリッター６０４から試料光路６０５の試料面６０７と参照光路６０６の参照面６０８までの、いわゆる干渉ループ部を記載した。それ以外の光学系構成は同じである。レンズ６０１は上記光学系の試料光路６０５にある対物レンズ６０３の後側焦点位置と同等の位置の参照光路位置に配置されている。さらに、各々の対物レンズの光路差分のコンペンセータ６０２を配置する。このコンペンセータ６０２は、倍率ごとに用意されている。

また、高倍率の時、コンペンセータ６０２よる収差等の問題になるときは、レンズ６０１の入射側位置に配置する。さらに、レンズ６０１とコンペンセータ６０２を光軸に平行に移動できる。ゆえに、試料光路の対物レンズと整合できるように構成することにより、容易な倍率の交換が可能となった。

結晶表面などにおける計測、結晶成長過程の観察と計測、半導体産業分野における、ウェハー等の各処理工程の計測及び検査、さらには、高精度計測と観察を行うこと分野への提供。

図１
１０１光源
１０２レンズ
１０３ビームスブリッター
１０４試料光路
１０５参照光路
１０６試料面
１０７参照面
１０８対物レンズ
１０９結像レンズ
１１０観測位置

図２
２０１光源
２０２レンズ
２０３ビームスブリッター
２０４試料光路
２０５参照光路
２０６試料面
２０７参照面
２０８対物レンズ
２０９結像レンズ
２１０観測位置

図３
３０１光源
３０２レンズ
３０３偏光板
３０４ハーフミラー
３０５微分干渉プリズム
３０６対物レンズ
３０７試料面
３０８偏光板
３０９結像レンズ
３１０観測位置

図４
４０１光源
４０２レンズ
４０３ハーフミラー
４０４対物レンズ
４０５ビームスブリッター
４０６試料光路
４０７参照光路
４０８試料面
４０９参照面
４１０結像レンズ
４１１観測位置
４２１偏光板
４２２偏光板
４２３微分干渉プリズム

図５
５０１光源
５０２レンズ
５０３ハーフミラー
５０４対物レンズ
５０５ビームスブリッター
５０６試料光路
５０７参照光路
５０８試料面
５０９参照面
５１０結像レンズ
５１１観測位置
５２１偏光板
５２２偏光板
５２３微分干渉プリズム

図６
６０１レンズ
６０２コンペンセータ
６０３対物レンズ
６０４ビームスブリッター
６０５試料光路
６０６参照光路
６０７試料面
６０８参照面

Claims

試料光路と参照光路とを分離する、ビームスプリッター（無偏光、非偏光）干渉光学系を備えた反射試料の観測に用いる干渉顕微鏡において、試料光路の試料を観察するための対物レンズと結像レンズの間に微分干渉プリズムを配置したことを特徴とする干渉顕微鏡。
前記ビームスプリッター（無偏光、非偏光）干渉光学系の分離されている試料光路と参照光路の、参照光路側に試料光路に使用する対物レンズと同じレンズを備えていることを特徴とする請求項１記載の干渉顕微鏡。
前記参照光路に配置されているレンズは、試料光路に使用している各倍率における対物レンズの光路長および光束、開口などが同様になるように構成したレンズを配置したことを特徴とする請求項２記載の干渉顕微鏡。