JPH11271018A - 干渉顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】観測環境の影響を受けること無く常に安定した
干渉図形を計測可能で同時に試料の表面情報を高精度に
観察可能な低価格な干渉顕微鏡を提供する。 【解決手段】入射光Ｌを試料光Ｌ１と参照光Ｌ２に分離
すると共に、試料光と参照光を再び合致させる分離光路
干渉光学系１８を備えており、分離光路干渉光学系は、
入射光を試料光と参照光に分離して試料光を試料面２０
方向に導光すると共に参照光を外部反射部材２４方向へ
導光する分離用ビームスプリッタ２２と、分離用ビーム
スプリッタで分離された参照光を外部反射部材方向へ反
射する折り返しミラー２６と、外部反射部材から折り返
しミラーを介して反射された参照光及び試料面から反射
した試料光を互いに光学的に合致させて所定の干渉図形
を形成する合致用ビームスプリッタ２８とを有し、分離
用ビームスプリッタ、折り返しミラー及び合致用ビーム
スプリッタは、一体の部材に固定配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、結晶表面
の成長過程の計測や観察、或いは、半導体処理プロセス
における計測や検査を行うための干渉顕微鏡に関し、特
に、外部振動や衝撃等の変動の大きな環境下において、
対象物に対して高精度に観察や計測並びに検査を行うこ
とが可能な干渉顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の干渉顕微鏡には、例えば
図６に示すようなマイケルソン型干渉光学系が広く用い
られている。このようなマイケルソン型干渉光学系にお
いて、光源２から発光した光束は、コリメーターレンズ
４を介して平行光束に生成された後、ビームスプリッタ
６によって試料光８と参照光１０とに分離される。この
とき、ビームスプリッタ６を透過した試料光８は、試料
面１２に照射され、一方、ビームスプリッタ６から反射
した参照光１０は、参照ミラー１４に照射される。

【０００３】そして、試料面１２から反射した試料光８
は、ビームスプリッタ６により反射した後、観測位置１
６に照射され、一方、参照ミラー１４から反射した参照
光１０は、ビームスプリッタ６を透過した後、観測位置
１６に照射される。

【０００４】このように異なる光路を経た光束８，１０
がビームスプリッタ６上で重ね合わせられるので、観測
位置１６上に干渉図形（干渉縞）が現れる。ここで、こ
の干渉図形の一点（例えば、干渉縞の中心）に着目し
て、試料面１２を光軸方向Ｓに沿って移動させると、観
測位置１６上の干渉図形（干渉縞の縞数即ち明暗）が変
化する。

【０００５】そこで、このようなマイケルソン型干渉光
学系を用いた干渉顕微鏡では、観測位置１６上の干渉図
形の変化を計測することによって、試料面１２の移動量
を検出し、その検出結果に基づいて、試料の表面情報
（例えば、微細構造など）を観察している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような干渉顕微鏡では、干渉図形の計測作業と試料表
面の観察作業とが、別個のプロセスを経て行われている
ため、観測結果を得るまでにある程度の時間を要する。
このため、例えば時間的変化が速く且つ再現性の困難な
結晶成長過程の観測を行う場合、リアルタイムで再現性
に優れた観測結果を得ることが困難になってしまう。

【０００７】また、上述した干渉顕微鏡では、ビームス
プリッタ６によって試料光８と参照光１０とを同一光路
上に一致させるために、各々の光学部品（例えば、試料
面１２や参照ミラー１４など）を高精度に位置決めする
必要がある。このため、例えば、外部振動や衝撃等によ
って各々の光学部品が僅かでも変動した場合、観測位置
１６上の干渉図形に乱れが生じ、試料の表面情報を正確
に観測することが困難になってしまう。

【０００８】更に、各々の光学部品を高精度に位置決め
するためには、複雑且つ正確な位置決め作業が必要であ
り、また、各々の光学部品に対する精度も要求される。
このため、製造コストが上昇してしまう。

【０００９】本発明は、このような問題を解決するため
に成されており、その目的は、観測環境の影響を受ける
こと無く、常に安定した干渉図形を計測可能であって、
同時に、試料の表面情報を高精度に観察可能な低価格な
干渉顕微鏡を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の干渉顕微鏡は、入射光を試料光と参
照光に分離すると共に、これら試料光と参照光を再び合
致させる分離光路干渉光学系を備えており、この分離光
路干渉光学系は、入射光を試料光と参照光に分離して試
料光を試料面方向に導光すると共に参照光を外部反射部
材方向へ導光する分離用ビームスプリッタと、この分離
用ビームスプリッタで分離された参照光を外部反射部材
方向へ反射する折り返しミラーと、前記外部反射部材か
ら前記折り返しミラーを介して反射された参照光、及
び、試料面から反射した試料光を互いに光学的に合致さ
せて所定の干渉図形を形成する合致用ビームスプリッタ
とを有し、これら分離用ビームスプリッタ、折り返しミ
ラー、及び、合致用ビームスプリッタが一体の部材に固
定配置されている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
に係る干渉顕微鏡について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、本実施の形態の干渉顕微鏡は、入射
光Ｌを試料光Ｌ１と参照光Ｌ２に分離すると共に、これ
ら試料光Ｌ１と参照光Ｌ２を再び合致させる分離光路干
渉光学系１８を備えている。

【００１２】本実施の形態において、分離光路干渉光学
系１８は、その一例として、単一の光学部品（例えば、
プリズム）で構成されており、この光学部品には、入射
光Ｌを試料光Ｌ１と参照光Ｌ２に分離して試料光Ｌ１を
試料面２０方向に導光すると共に参照光Ｌ２を外部反射
部材２４方向へ導光する分離用ビームスプリッタ２２
と、この分離用ビームスプリッタ２２で分離された参照
光Ｌ２を外部反射部材２４方向へ反射する折り返しミラ
ー２６と、外部反射部材２４から折り返しミラー２６を
介して反射された参照光Ｌ２及び試料面２０から反射し
た試料光Ｌ１を互いに光学的に合致させて所定の干渉図
形を形成する合致用ビームスプリッタ２８とが一体的に
形成されている。

【００１３】本実施の形態において、分離用ビームスプ
リッタ２２としては、その一例として、分離用ハーフミ
ラーが適用されており、また、合致用ビームスプリッタ
２８としては、その一例として、合致用ハーフミラーが
適用されている。なお、外部反射部材２４は、入射光に
対して反射光を同一方向に平行に反射させることができ
る光学部材であり、例えば、コーナーキューブプリズ
ム、直角プリズム、キャッツアイ等を適用することが可
能である。

【００１４】このような構成において、干渉図形生成用
の光源３０からコリメーターレンズ３２を介して平行光
束に生成された入射光Ｌは、分離用ビームスプリッタ２
２によって試料光Ｌ１と参照光Ｌ２に分離される。

【００１５】このとき、分離用ビームスプリッタ２２か
ら反射した試料光Ｌ１は、試料面２０に照射され、一
方、分離用ビームスプリッタ２２を透過した参照光Ｌ２
は、合致用ビームスプリッタ２８を透過した後、折り返
しミラー２６によって外部反射部材２４方向に反射され
る。

【００１６】外部反射部材２４に照射された参照光Ｌ２
は、再び、折り返しミラー２６方向に平行に反射された
後、折り返しミラー２６によって合致用ビームスプリッ
タ２８に導光される。

【００１７】一方、試料面２０から反射した試料光Ｌ１
は、分離用ビームスプリッタ２２を透過した後、合致用
ビームスプリッタ２８に導光される。このように合致用
ビームスプリッタ２８に導光された試料光Ｌ１及び参照
光Ｌ２は、合致用ビームスプリッタ２８によって互いに
光学的に合致され、所定の干渉図形を有する干渉光Ｌ３
となって、観測位置３４に導光される。

【００１８】このとき、観測位置３４には、試料光Ｌ１
及び参照光Ｌ２が重ね合わされた干渉図形（干渉縞）が
現れる。ここで、干渉図形の一点（例えば、干渉縞の中
心）に着目して、試料面２０を試料光Ｌ１の光路（光
軸）Ａ１方向に沿って移動させると、観測位置３４にお
ける干渉図形（干渉縞の縞数即ち明暗）が変化する。そ
こで、観測位置３４上の干渉図形の変化を計測すること
によって、試料面２０の移動量を検出し、その検出結果
に基づいて、試料の表面情報（例えば、微細構造など）
を観察することができる。

【００１９】このような干渉顕微鏡によれば、分離用ビ
ームスプリッタ２２及び折り返しミラー２６並びに合致
用ビームスプリッタ２８が、単一の光学部品に一体的に
形成されているため、試料光Ｌ１及び参照光Ｌ２並びに
干渉光Ｌ３の夫々の光路（光軸）Ａ１，Ａ２，Ａ３の位
置関係が常時一定に保持される。このため、試料光Ｌ１
の光路（光軸）Ａ１と参照光Ｌ２の光路（光軸）Ａ２と
を常時平行な位置関係に保持させることができると共
に、試料面２０から反射した試料光Ｌ１と折り返しミラ
ー２６から反射した参照光Ｌ２を確実に且つ互いに光学
的に合致させることができる。この結果、外部振動や衝
撃等によって分離光路干渉光学系１８又は外部反射部材
２４が変動しても、この観測環境の影響を受けること無
く、常に安定した干渉図形を計測することが可能とな
る。

【００２０】なお、上述した実施の形態では、分離光路
干渉光学系１８を単一の光学部品で構成したが、例え
ば、分離用ビームスプリッタ２２、折り返しミラー２
６、合致用ビームスプリッタ２８を夫々剛性の大きな透
明基板上に一体的に固定しても上記同様の作用効果を実
現することが可能である。

【００２１】次に、本発明の第２の実施の形態に係る干
渉顕微鏡について、図２を参照して説明する。なお、本
実施の形態の説明に際し、第１の実施の形態と同一の構
成には、同一符号を付して、その説明を省略する。

【００２２】本実施の形態の干渉顕微鏡は、光源３０の
偏光特性を利用して干渉図形を計測すると同時に、試料
の表面情報（試料の微細構造など）を顕微鏡観察するこ
とができるように構成されている。

【００２３】このため、分離用ビームスプリッタ２２及
び合致用ビームスプリッタ２８として、分離用偏光ビー
ムスプリッタ２２´及び合致用偏光ビームスプリッタ２
８´を適用すると共に、光路（光軸）Ａ１，Ａ２上に
は、夫々λ／４板３６，３８を配置した。なお、これら
λ／４板３６，３８は、偏光角が試料光Ｌ１及び参照光
Ｌ２の偏光方向に対して４５°回転するように配置され
ている。

【００２４】更に、光路（光軸）Ａ３上には、干渉光Ｌ
３の特定の偏光成分を抽出して観測位置３４に導光させ
ると共に、試料の表面情報即ち顕微鏡像を観測位置３４
に導光させるように、対物レンズ４０、偏光板４２、結
像レンズ４４を有する観察光学系が配置されている。

【００２５】また、干渉図形を調整するために、λ／４
板３８と外部反射部材２４との間の光路（光軸）Ａ２上
には、光路（光軸）Ａ２の傾き（あおり）調整用の一対
の楔形プリズム４６が配置されている。

【００２６】なお、干渉図形の調整方法としては、従
来、折り返しミラーの傾き（あおり）を調整する方法、
或いは、外部反射部材２４として全反射ミラーを適用
し、この全反射ミラーの傾き（あおり）を調整する方法
などが知られているが、本実施の形態において、折り返
しミラー２６は、分離光路干渉光学系１８に一体的に形
成されており、また、コーナーキューブプリズム等の外
部反射部材２４を適用しているため、従来のような調整
方法を行うことができない。このため、本実施の形態で
は、一対の楔形プリズム４６を光路（光軸）Ａ２上のい
ずれか一方の光路に配置し、これら楔形プリズム４６を
相対的に移動させることによって干渉図形の調整が行わ
れる。

【００２７】その他の構成は、第１の実施の形態と同一
であるため、その説明は省略する。このような構成にお
いて、光源３０からコリメーターレンズ３２を介して平
行光束に生成された入射光Ｌは、分離用偏光ビームスプ
リッタ２２´によって互いに偏光方向が異なる（例え
ば、偏光方向が互いに直交した）試料光Ｌ１と参照光Ｌ
２に分離される。

【００２８】このとき、分離用偏光ビームスプリッタ２
２´から反射した試料光Ｌ１は、λ／４板３６を介して
試料面２０に照射され、一方、分離用偏光ビームスプリ
ッタ２２´を透過した参照光Ｌ２は、折り返しミラー２
６から反射した後、λ／４板３８から一対の楔形プリズ
ム４６を介して外部反射部材２４に照射される。

【００２９】外部反射部材２４から反射した参照光Ｌ２
は、再び、一対の楔形プリズム４６からλ／４板３８を
介して折り返しミラー２６に導光された後、折り返しミ
ラー２６によって合致用偏光ビームスプリッタ２８´に
導光される。このとき、λ／４板３８を透過した参照光
Ｌ２は、その偏光方向が９０°回転しているため、合致
用偏光ビームスプリッタ２８´で反射する。

【００３０】一方、試料面２０から反射した試料光Ｌ１
は、再び、λ／４板３６を介して分離用偏光ビームスプ
リッタ２２´に導光される。このとき、λ／４板３６を
透過した試料光Ｌ１は、その偏光方向が９０°回転して
いるため、分離用偏光ビームスプリッタ２２´と合致用
偏光ビームスプリッタ２８´を透過する。

【００３１】合致用偏光ビームスプリッタ２８´によっ
て互いに光学的に合致された干渉光Ｌ３は、対物レンズ
４０、偏光板４２、結像レンズ４４を介して特定の偏光
成分が抽出された後、観測位置３４に照射される。

【００３２】このとき、観測位置３４には、光源３０の
偏光特性に基づいた干渉図形が現れると同時に、試料の
表面情報（例えば、微細構造など）が導光される。そし
て、観測位置３４において、干渉図形の変化が計測され
ると同時に、試料の表面情報が顕微鏡観察される。

【００３３】このような干渉顕微鏡によれば、外部振動
や衝撃等の観測環境の影響を受けても、試料光Ｌ１及び
参照光Ｌ２並びに干渉光Ｌ３の各光軸が常に一定の関係
に保たれるので、常に安定した干渉図形を計測可能であ
って、同時に、試料表面を高精度に顕微鏡観察可能な干
渉顕微鏡を提供することができる。そして、対物レンズ
４０を交換することによって、所望の倍率で顕微鏡観察
することができる。

【００３４】次に、本発明の第３の実施の形態に係る干
渉顕微鏡について、図３を参照して説明する。なお、本
実施の形態の説明に際し、第１及び第２の実施の形態と
同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略す
る。

【００３５】本実施の形態の干渉顕微鏡は、干渉図形の
計測と同時に試料の表面情報を顕微鏡観察することがで
きるように構成されている。このため、干渉図形生成用
の光源３０に加えて、更に、この光源３０とは異なる波
長（例えば、５５０ｎｍ）の入射光Ｌ´を発生する顕微
鏡像生成用の光源４８が設けられている。また、顕微鏡
観察光路と干渉図形計測光路とを共存させるために、図
４に示すような波長別分割コートを施した第１の分岐用
ビームスプリッタ５０が入射光Ｌ，Ｌ´の光路上に配置
されていると共に、波長別分割コートを施した第２の分
岐用ビームスプリッタ５２が光路（光軸）Ａ３上に配置
されている。

【００３６】なお、第１及び第２の分岐用ビームスプリ
ッタ５０，５２に代えて、ハーフミラーを適用すること
も可能である。このような構成によれば、入射光Ｌ，Ｌ
´は、第１の分岐用ビームスプリッタ５０を介して互い
に共存した状態で分離光路干渉光学系１８に導光され、
第２の実施の形態と同様の光路を経た後、対物レンズ４
０、偏光板４２、結像レンズ４４を介して第２の分岐用
ビームスプリッタ５２に照射される。

【００３７】このとき、第２の分岐用ビームスプリッタ
５２で、光源３０による試料光Ｌ１及び参照光Ｌ２が重
ね合わされた干渉光Ｌ３が反射され、光源４８による試
料の表面像光Ｌ４が透過される。具体的には、干渉光Ｌ
３は、第２の分岐用ビームスプリッタ５２で反射した
後、反射プリズム５４を介して観測位置３４´に導光さ
れ、一方、表面像光Ｌ４は、第２の分岐用ビームスプリ
ッタ５２を透過した後、観測位置３４´に導光される。
そして、観測位置３４′において干渉図形の変化が計測
されると同時に、観測位置３４において試料の表面情報
が顕微鏡観察される。

【００３８】このような干渉顕微鏡によれば、外部振動
や衝撃等の観測環境の影響を受けても、試料光Ｌ１及び
参照光Ｌ２並びに干渉光Ｌ３の各光軸が常に一定の関係
に保たれるので、常に安定して、観測目的に応じた波長
別の所望の干渉図形と試料表面の顕微鏡観察像とを同時
に得ることができる。そして、対物レンズ４０を交換す
ることによって、所望の倍率で顕微鏡観察することが可
能となる。

【００３９】次に、本発明の第４の実施の形態に係る干
渉顕微鏡について、図５を参照して説明する。なお、本
実施の形態の説明に際し、第１〜第３の実施の形態と同
一の構成には、同一符号を付して、その説明を省略す
る。

【００４０】本実施の形態の干渉顕微鏡は、２種類の干
渉図形の計測と同時に試料の表面情報を顕微鏡観察する
ことができるように構成されている。２種類の干渉図形
を得るためには、異なる波長の２つの干渉図形生成用の
光源が必要となる。このため、干渉図形生成用の光源３
０（例えば、波長４８０ｎｍの入射光Ｌを発光する光
源）に加えて、更に、干渉図形生成用の光源５６（例え
ば、波長６８０ｎｍの入射光Ｌ″を発光する光源）が設
けられている。

【００４１】そして、これら光源３０，５６から発光し
た入射光Ｌ，Ｌ″を第１のダイクロイックプリズム５８
を介して第１の分岐用ビームスプリッタ５０に入射させ
るように構成されている。この第１の分岐用ビームスプ
リッタ５０は、図４に示すように、光源３０の波長４８
０ｎｍ及び光源５６の波長６８０ｎｍを反射させ、光源
４８の波長５５０ｎｍを透過させる特性を有する。

【００４２】更に、第２の分岐用ビームスプリッタ５２
で反射した２つの干渉光Ｌ５（例えば、波長４８０ｎ
ｍ），Ｌ６（例えば、波長６８０ｎｍ）を分離するため
の第２のダイクロイックプリズム６０が設けられてい
る。

【００４３】このような構成によれば、干渉図形生成用
の入射光Ｌ，Ｌ″は、第１のダイクロイックプリズム５
８を介して第１の分岐用ビームスプリッタ５０に照射さ
れ、顕微鏡像生成用の入射光Ｌ´と共存した状態で分離
光路干渉光学系１８に導光される。そして、第２の実施
の形態と同様の光路を経た後、対物レンズ４０、偏光板
４２、結像レンズ４４を介して第２の分岐用ビームスプ
リッタ５２に照射される。

【００４４】このとき、試料の表面像光Ｌ４は、第２の
分岐用ビームスプリッタ５２を透過した後、観測位置３
４に導光され、一方、２つの干渉図形が共存した干渉光
は、第２の分岐用ビームスプリッタ５２で反射した後、
第２のダイクロイックプリズム６０によって２つの干渉
光Ｌ５，Ｌ６に分離される。

【００４５】干渉光Ｌ５は、第２のダイクロイックプリ
ズム６０から反射した後、観測位置３４´に４８０ｎｍ
用干渉図形が導光され、干渉光Ｌ６は、第２のダイクロ
イックプリズム６０を透過した後、反射プリズム６２を
介して観測位置３４″に６８０ｎｍ用干渉図形が導光さ
れる。そして、観測位置３４´，３４″において、２種
類の干渉図形の変化が計測されると同時に、観測位置３
４において、試料の表面情報が顕微鏡観察される。

【００４６】また、一般に、２つの異なる波長λ１、λ
２の光に対する試料の屈折率の濃度依存性α１，α２
と、温度依存性β１，β２を予め計測しておけば、２つ
の異なる波長の光に対する干渉図形の観測から、屈折率
の変化量ΔＮ１，ΔＮ２を求めることによって、その変
化量ΔＮ１，ΔＮ２から試料の濃度変化ΔＣと温度変化
ΔＴを、以下に示すような連立方程式を解くことによっ
て求めることができる。

【００４７】ΔＮ１＝α１・ΔＣ＋β１・ΔＴ ΔＮ２＝α２・ΔＣ＋β２・ΔＴ このような干渉顕微鏡によれば、外部振動や衝撃等の観
測環境の影響を受けること無く、常に安定して、観測目
的に応じた２波長に基づく２種類の干渉図形と試料表面
の顕微鏡観察像とを同時に得ることができる。そして、
対物レンズ４０を交換することによって、所望の倍率で
顕微鏡観察することが可能となる。

【００４８】なお、本発明は、上述した各実施の形態の
構成に限定されることは無く、種々変更することが可能
である。例えば、分離用及び合致用ビームスプリッタ２
２，２８の分離率及び合致率、第１及び第２の分岐用ビ
ームスプリッタ５０，５２の分岐率は、通常、１対１の
割合であるが、観測及び干渉に支障の無い範囲で任意の
割合に変更することが可能である。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、観測環境の影響を受け
ること無く、常に安定した干渉図形を計測可能であっ
て、同時に、試料の表面情報を高精度に観察可能な低価
格な干渉顕微鏡を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る干渉顕微鏡の
主要な構成を示す図。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る干渉顕微鏡の
主要な構成を示す図。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る干渉顕微鏡の
主要な構成を示す図。

【図４】第１及び第２の分岐用ビームスプリッタに施さ
れた波長別分割コートの特性を示す図。

【図５】本発明の第４の実施の形態に係る干渉顕微鏡の
主要な構成を示す図。

【図６】マイケルソン形干渉光学系を用いた干渉顕微鏡
の主要な構成を示す図。

【符号の説明】

Ｌ 入射光 Ｌ１ 試料光 Ｌ２ 参照光 １８ 分離光路干渉光学系 ２０ 試料面 ２２ 分離用ビームスプリッタ ２４ 外部反射部材 ２６ 折り返しミラー ２８ 合致用ビームスプリッタ ２２´ 分離用偏光ビームスプリッタ ２８´ 合致用偏光ビームスプリッタ ３６，３８ λ／４板 ４２ 偏光板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光を試料光と参照光に分離すると共
   に、これら試料光と参照光を再び合致させる分離光路干
   渉光学系を備えており、 この分離光路干渉光学系は、入射光を試料光と参照光に
   分離して試料光を試料面方向に導光すると共に参照光を
   外部反射部材方向へ導光する分離用ビームスプリッタ
   と、 この分離用ビームスプリッタで分離された参照光を外部
   反射部材方向へ反射する折り返しミラーと、 前記外部反射部材から前記折り返しミラーを介して反射
   された参照光、及び、試料面から反射した試料光を互い
   に光学的に合致させて所定の干渉図形を形成する合致用
   ビームスプリッタとを有し、これら分離用ビームスプリ
   ッタ、折り返しミラー、及び、合致用ビームスプリッタ
   が一体の部材に固定配置されていることを特徴とする干
   渉顕微鏡。
2. 【請求項２】 干渉図形と試料表面の顕微鏡像とを同時
   に観測するように、前記分離光路干渉光学系を介して導
   光された試料表面の顕微鏡像を観察する観察光学系が設
   けられていることを特徴とする請求項１に記載の干渉顕
   微鏡。
3. 【請求項３】 偏光特性を利用して干渉図形を計測する
   と同時に、試料の表面情報を観察するように、互いに異
   なる波長を有する複数の光源が設けられていることを特
   徴とする請求項１に記載の干渉顕微鏡。