KR20240068628A - 광학 측정 시스템 및 광학 측정 방법 - Google Patents

Abstract

광학 측정 시스템은, 근적외선을 발생하는 제 1 광원과, 실리콘 베이스의 이미지 센서와, 제 1 광원으로부터의 광을 제 1 광 및 제 2 광으로 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 광학계를 포함한다. 광학계는, 샘플을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 광을, 발산광인 제 2 광으로 변조한 제 1 홀로그램을 이미지 센서로 기록하도록 구성되어 있다.

Description

광학 측정 시스템 및 광학 측정 방법

본 발명은, 디지털 홀로그래피를 이용하는 광학 측정 시스템 및 광학 측정 방법에 관한 것이다.

종래부터, 실리콘 웨이퍼 등의 샘플에 발생할 수 있는 결함을 검사하는 기술이 존재한다.

예를 들어, 일본 공개특허공보 2011-033449호 (특허문헌 1) 는, 웨이퍼에 적외광을 조사하여 얻어진 투과 화상을 사용하여 웨이퍼의 내부 및 표리면의 결함을 검사하는 기술을 개시한다. 또, 적외광에 의한 웨이퍼 내부 결함 검사를 실현하는 장치가 공지되어 있다 (비특허문헌 1 등 참조).

또, 샘플의 형상을 보다 높은 정밀도로 측정하는 방법으로서, 디지털 홀로그래피가 제안 및 실용화되어 있다. 디지털 홀로그래피는, 참조광과 샘플에 광을 조명하여 발생하는 물체광을 중첩하여 발생하는 간섭 줄무늬를 관측함으로써, 물체광의 파면의 형상을 취득하여, 샘플의 형상 등을 측정하는 기술이다.

예를 들어, 국제 공개 제2012/005315호 (특허문헌 2) 는, 반사형의 광학계를 채용함으로써 샘플의 형상을 측정할 수 있는 구성을 개시한다. 또, 국제 공개 제2020/045584호 (특허문헌 3) 는, 큐브형 빔 결합기를 사용하는 것이고, 대개구수의 기록 및 반사형 조명을 용이하게 실현할 수 있는 구성을 개시한다.

일본 공개특허공보 2011-033449호 국제 공개 제2012/005315호 국제 공개 제2020/045584호

TORAY, Wafer internal defect inspection system "INSPECTRA (R) IR" Series [online], [검색일 2021.09.06], 인터넷 <URL:https://www.toray-eng.com/tasmit/products/measuring/mea_020.html>

상기 서술한 일본 공개특허공보 2011-033449호 (특허문헌 1) 에 개시되는 기술은, 적외광의 투과율의 차에 기초하는 측정 방법을 채용하고 있어, ㎚ 오더의 결함을 검출하는 것이 어렵다. 또, 상기 서술한 웨이퍼 내부 결함 검사 (비특허문헌 1) 에 대해서도, 적외광의 투과율의 차에 기초하는 측정 방법을 채용하고 있어, ㎚ 오더의 결함을 검출하는 것이 어렵다.

또, 공지된 디지털 홀로그래피 (특허문헌 2 및 특허문헌 3 등 참조) 에 있어서, 적외선을 샘플에 조명하여 이미지를 재생하고자 하면, SN 비 (signal-to-noise ratio) 를 크게 하는 것이 어렵다.

본 발명의 하나의 목적은, 근적외선을 조사하여 샘플을 측정할 수 있는 기술을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 측정의 SN 비를 높일 수 있는 기술을 제공하는 것이다.

본 발명의 어느 국면에 따르는 광학 측정 시스템은, 근적외선을 발생하는 제 1 광원과, 실리콘 베이스의 이미지 센서와, 제 1 광원으로부터의 광을 제 1 광 및 제 2 광으로 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 광학계를 포함한다. 광학계는, 샘플을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 광을, 발산광인 제 2 광으로 변조한 제 1 홀로그램을 이미지 센서로 기록하도록 구성되어 있다.

광학계는, 샘플을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 투과광으로부터 제 1 홀로그램을 생성하도록 해도 된다. 광학계에 있어서, 샘플 대신에, 샘플에 포함되는 측정 대상외인 기판을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 투과광으로부터 제 2 홀로그램이 기록되어도 된다.

광학계는, 샘플을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 반사광으로부터 제 1 홀로그램을 생성하도록 해도 된다. 광학계에 있어서, 샘플 대신에, 기준 참조면을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 반사광으로부터 제 2 홀로그램이 기록되어도 된다.

광학 측정 시스템은, 가시광을 발생하는 제 2 광원과, 처리 장치를 추가로 포함하고 있어도 된다. 광학계는, 샘플을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 투과광으로부터 제 1 홀로그램을 생성하는 제 1 구성과, 샘플을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 반사광으로부터 제 1 홀로그램을 생성하는 제 2 구성의 사이에서 변경 가능해도 된다. 처리 장치는, 제 1 광원과 광학계의 제 1 구성을 조합했을 때에 기록되는 제 1 홀로그램에 기초하여 샘플의 내부 구조를 측정하고, 제 2 광원과 광학계의 제 2 구성을 조합했을 때에 기록되는 제 1 홀로그램에 기초하여 샘플의 표면 형상을 측정하도록 해도 된다.

광학계는, 오프액시스 홀로그래피의 광학계여도 된다.

광학계는, 이미지 센서로 기록되는 홀로그램의 공간 주파수 영역에 있어서, 제 1 광에 대응하는 성분과 제 1 광에 대응하는 성분 이외의 성분이 중복되지 않도록, 샘플을 제 1 광으로 조명하는 범위의 크기를 제한하는 제한부를 포함하고 있어도 된다.

본 발명의 다른 국면에 따르면, 근적외선을 발생하는 제 1 광원으로부터의 광을 제 1 광 및 제 2 광으로 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 광학계를 사용한 광학 측정 방법이 제공된다. 광학 측정 방법은, 샘플을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 광을, 발산광인 제 2 광으로 변조한 제 1 홀로그램을 실리콘 베이스의 이미지 센서로 기록하는 스텝과, 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 제 1 광을 제 2 광으로 변조한 제 2 홀로그램을 이미지 센서로 기록하는 스텝을 포함한다.

본 발명의 또 다른 국면에 따르는 광학 측정 시스템은, 광원과, 광원으로부터의 광을 제 1 광 및 제 2 광으로 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 광학계와, 광학계에 의해 생성되는 홀로그램을 기록하는 이미지 센서와, 샘플을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 광을, 제 2 광으로 변조한 제 1 홀로그램과, 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 제 1 광을 제 2 광으로 변조한 제 2 홀로그램에 기초하여, 샘플의 주목하고 있는 면인 샘플면에 있어서의 진폭 위상 분포를 산출하는 처리 장치를 포함한다. 광학계는, 제 1 광으로 조명하는 형태를 변화시키는 기구를 포함한다. 처리 장치는, 제 1 광으로 조명하는 형태마다 산출된 진폭 위상 분포를 복소수인 채 적산함으로써 합성 진폭 위상 분포를 산출하도록 구성되어 있다.

기구는, 제 1 광을 조명하는 각도를 변화시키도록 해도 된다.

기구는, 제 1 광의 입사 각도를 일정하게 하면서, 방위각을 변화시키도록 해도 된다.

광학계는, 이미지 센서로 기록되는 홀로그램의 공간 주파수 영역에 있어서, 제 1 광에 대응하는 성분과 제 1 광에 대응하는 성분 이외의 성분이 중복되지 않도록, 샘플을 제 1 광으로 조명하는 범위의 크기를 제한하는 제한부를 포함하고 있어도 된다.

처리 장치는, 제 1 광으로 조명하는 형태의 수의 설정을 접수하는 유저 인터페이스 화면을 제공하도록 해도 된다.

본 발명의 또 다른 국면에 따르면, 광원으로부터의 광을 제 1 광 및 제 2 광으로 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 광학계를 사용한 광학 측정 방법이 제공된다. 광학 측정 방법은, 샘플을 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 광을, 제 2 광으로 변조한 제 1 홀로그램을 이미지 센서로 기록하는 스텝과, 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 제 1 광을 제 2 광으로 변조한 제 2 홀로그램을 이미지 센서로 기록하는 스텝과, 제 1 광으로 조명하는 형태를 변화시키는 스텝과, 제 1 광으로 조명하는 형태마다, 제 1 홀로그램과 제 2 홀로그램에 기초하여, 샘플의 주목하고 있는 면인 샘플면에 있어서의 진폭 위상 분포를 산출하는 스텝과, 제 1 광으로 조명하는 형태의 각각에 대해 산출된 진폭 위상 분포를 복소수인 채 적산함으로써 합성 진폭 위상 분포를 산출하는 스텝을 포함한다.

본 발명의 어느 실시형태에 의하면, 근적외선을 조명하여 샘플을 측정할 수 있는 기술을 실현할 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 측정의 SN 비를 높일 수 있는 기술을 실현할 수 있다.

도 1 은 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 2 는 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서의 측정용 광학계의 상세 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 3 은 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서, 조명광을 조명하는 형태를 변화시킴으로써 얻어지는 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 는 물체광 및 오프액시스 참조광의 이미지 센서의 기록면에 입사하는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 는 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서의 샘플과 오프액시스 참조광 (R) 의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 은 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서의 오프액시스 홀로그램에 관한 공간 주파수 대역의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 은 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템을 사용한 표면 형상의 측정 방법의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다.
도 8 은 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템을 사용한 내부 구조의 측정 방법의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다.
도 9 는 실시형태 2 에 따르는 광학 측정 시스템의 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 10 은 실시형태 2 에 따르는 광학 측정 시스템을 사용한 표면 형상의 측정 방법의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다.
도 11 은 실시형태 2 에 따르는 광학 측정 시스템을 사용한 내부 구조의 측정 방법의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다.
도 12 는 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 포함되는 처리 장치의 하드웨어 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 13 은 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 포함되는 처리 장치의 기능 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 14 는 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서 제공되는 유저 인터페이스 화면의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 15 는 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 의한 표면 형상의 측정예를 나타내는 도면이다.
도 16 은 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 의한 내부 구조 상의 측정예를 나타내는 도면이다.
도 17 은 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템의 복합 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.

본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 대해서는, 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.

＜A. 광학 측정 시스템＞

먼저, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 점광원과 같은 발산광을 참조광으로서 사용하는 디지털 홀로그래피를 이용한다. 본 실시형태에 있어서는, 샘플과 이미지 센서의 사이에 렌즈가 존재하지 않는, 렌즈리스 디지털 홀로그래피의 구성예에 대해 설명한다.

이하의 설명에서는, 주로, 오프액시스 홀로그래피의 광학계를 채용하는 광학 측정 시스템에 대해 설명한다. 실시형태 1 에 있어서는, 투과형 광학계에 대해 예시하고, 실시형태 2 에 있어서는, 반사형 광학계에 대해 예시한다. 또한,「본 실시형태」는, 실시형태 1 및 실시형태 2 를 포함할 수 있다.

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 샘플의 표면 형상 및 내부 구조를 측정한다. 또한, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 샘플의 굴절률을 측정할 수도 있다. 임의의 샘플을 측정 가능하기는 하지만, 예를 들어, 반도체의 표면 검사, 필름 제품의 두께나 굴절률 분포의 측정, 정밀 가공면의 면 거칠기나 굴곡의 평가, 생체 세포의 관찰이나 형상 평가 등에 사용할 수 있다.

＜B. 실시형태 1 : 투과형 광학계＞

(b1 : 광학계)

도 1 은, 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 1 (A) 에는, 인라인 참조광을 기록하는 경우의 광학계를 나타내고, 도 1 (B) 에는, 물체광을 기록하는 경우의 광학계를 나타낸다. 광학 측정 시스템 (1) 은, 도 1 (A) 및 도 1 (B) 에 나타내는 광학계를 구성 가능하게 되어 있다.

도 1 (A) 에 나타내는 광학계는, 기록의 기준이 되는 인라인 참조광 (L) 을 오프액시스 참조광 (R) 으로 변조한 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 을 기록하기 위한 광학계에 상당한다.

도 1 (B) 에 나타내는 광학계는, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 물체광 (O) 을, 발산광인 오프액시스 참조광 (R) 으로 변조한 오프액시스 홀로그램 (I_OR) 을 기록하기 위한 광학계에 상당한다. 보다 구체적으로는, 도 1 (B) 에 나타내는 광학계는, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 투과광으로부터 오프액시스 홀로그램 (I_OR) (물체광 홀로그램 : 제 1 홀로그램) 을 생성한다. 또한, 도 1 (B) 에 나타내는 광학계를 사용하여, 조명광 프로파일도 취득된다. 이 경우에는, 샘플 (S) 은 배치되지 않는다.

처리 장치 (100) 는, 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 및 오프액시스 홀로그램 (I_OR) 에 기초하여, 샘플 (S) 의 표면 형상 및 내부 구조 등을 측정한다.

도 1 (A) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1) 은, 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 을 기록하기 위한 광학계로서, 광원 (10) 과, 빔 익스팬더 (BE) 와, 빔 스플리터 (BS1, BS2) 와, 미러 (M1, M2) 와, 대물 렌즈 (MO) 와, 핀홀 (P) 과, 렌즈 (L1) 와, 마스크 (A1) 와, 이미지 센서 (D) 를 포함한다.

광원 (10) 은, 레이저 등으로 구성되고, 코히어런트광을 발생한다. 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서는, 광원 (10) 이 발생하는 광의 파장 대역을 측정 내용 (표면 형상의 측정 또는 내부 구조의 측정) 에 따라, 다르게 해도 된다.

보다 구체적으로는, 샘플 (S) 의 표면 형상을 측정하는 경우에는, 가시광을 발생하는 광원 (10) 이 사용되어도 된다. 구체적으로는, 380 ∼ 780 ㎚ 의 적어도 일부의 파장 영역의 성분을 갖는 광을 발생하는 광원 (10) 이 사용된다. 예를 들어, 532 ㎚ 에 피크 파장을 갖는 가시광원이 사용되어도 된다.

한편, 샘플 (S) 의 내부 구조를 측정하는 경우에는, 근적외선을 발생하는 광원 (10) 이 사용되어도 된다. 구체적으로는, 1000 ∼ 1200 ㎚ 의 적어도 일부의 파장 영역의 성분을 갖는 광을 발생하는 광원 (10) 이 사용된다. 예를 들어, 1030 ㎚ 에 피크 파장을 갖는 근적외광원이 사용되어도 된다.

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서는, 광원 (10) 의 종류를 임의로 변경 가능하게 구성되어 있다.

이미지 센서 (D) 는, 도 1 (A) 및 도 1 (B) 에 나타내는 광학계에 의해 생성되는 홀로그램을 기록한다. 이미지 센서 (D) 는, 일반적인 CCD (Charge-Coupled Device) 이미지 센서 또는 CMOS (Complementary MOS) 이미지 센서가 사용된다. 이들 이미지 센서는, 실리콘 기판 상에 형성된 전자 회로로 이루어지는 반도체 집적 회로이다. 즉, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서는, 실리콘 베이스의 이미지 센서가 사용된다. 실리콘 베이스의 이미지 센서는, 주로 가시광 대역에 수광 감도를 갖고 있지만, 가시광에 더해 근적외선에도 수광 감도를 갖고 있다.

빔 익스팬더 (BE) 는, 광원 (10) 으로부터의 광의 단면 직경을 소정 사이즈로 확대한다. 빔 스플리터 (BS1) 는, 빔 익스팬더 (BE) 에 의해 확대된 광을 둘로 분기한다. 빔 스플리터 (BS1) 에 의해 분기되는 일방의 광이 인라인 참조광 (L) (제 1 광) 에 상당하고, 타방의 광이 오프액시스 참조광 (R) (제 2 광) 에 상당한다.

인라인 참조광 (L) 은, 미러 (M2) 에 의해 반사되어, 빔 스플리터 (BS2) 에 유도된다. 또한, 인라인 참조광 (L) 은, 빔 스플리터 (BS2) 의 하프 미러 (HM2) 를 투과하여, 이미지 센서 (D) 에 유도된다. 미러 (M2) 와 빔 스플리터 (BS2) 의 사이에는, 대물 렌즈 (MO) 및 핀홀 (P) 이 배치된다. 인라인 참조광 (L) 은, 대물 렌즈 (MO) 에 의해 집광됨과 함께, 핀홀 (P) 에 의해 단면 직경이 좁혀진다. 핀홀 (P) 이 인라인 참조광 (L) 의 점광원의 위치에 상당한다. 대물 렌즈 (MO) 및 핀홀 (P) 이 인라인 참조광 (L) 의 점광원을 실현한다.

한편, 오프액시스 참조광 (R) 은, 미러 (M1) 에 의해 반사되어, 빔 스플리터 (BS2) 에 유도된다. 또한, 오프액시스 참조광 (R) 은, 빔 스플리터 (BS2) 의 하프 미러 (HM2) 에서 반사되어, 이미지 센서 (D) 에 유도된다. 미러 (M1) 와 빔 스플리터 (BS2) 의 사이에는, 마스크 (A1) 및 렌즈 (L1) 가 배치된다. 오프액시스 참조광 (R) 은, 마스크 (A1) 를 통과한 후에, 렌즈 (L1) 에 의해 집광되고, 집광되는 위치인 집광점 (FP1) 이 오프액시스 참조광 (R) 의 점광원의 위치에 상당한다.

마스크 (A1) 는, 오프액시스 참조광 (R) 이 통과하는 영역에 개구 패턴 (SP1) 을 갖고 있다. 마스크 (A1) 의 개구 패턴 (SP1) 에 상당하는 이미지는, 이미지 센서 (D) 에 결상한다. 마스크 (A1) 를 통과한 오프액시스 참조광 (R) 이 빔 스플리터 (BS2) 의 이미지 센서 (D) 측의 면을 넘는 범위에 조명되지 않도록, 마스크 (A1) 의 개구 패턴 (SP1) 의 크기가 결정된다. 마스크 (A1) 의 개구 패턴 (SP1) 의 크기를 이와 같이 결정함으로써, 불필요한 간섭에 의한 노이즈의 발생을 억제한다.

또, 오프액시스 참조광 (R) 은, 인라인 참조광 (L) 을 홀로그램으로서 기록할 수 있도록 조정된다.

인라인 참조광 (L) 및 오프액시스 참조광 (R) 은, 상기 서술한 바와 같은 광학 경로에 의해, 이미지 센서 (D) 의 전단에 배치된 빔 스플리터 (BS2) 에 의해 중첩되게 된다. 즉, 이미지 센서 (D) 에서는, 인라인 참조광 (L) 을 발산광인 오프액시스 참조광 (R) 으로 변조한 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 이 취득된다.

빔 스플리터 (BS2) 는, 이미지 센서 (D) 의 전단에 배치하기 쉽게 하기 위해서, 큐브형으로 구성하는 것이 바람직하다. 인라인 참조광 (L) 의 점광원, 및, 오프액시스 참조광 (R) 의 점광원은, 빔 스플리터 (BS2) 에 의해 광학적으로 근접하여 배치되게 된다.

도 1 (B) 를 참조하여, 광학 측정 시스템 (1) 은, 오프액시스 홀로그램 (I_OR) 을 기록하기 위한 광학계로서, 미러 (M2), 대물 렌즈 (MO) 및 핀홀 (P) 대신에, 측정용 광학계 (30) 를 포함한다.

측정용 광학계 (30) 는, 조명광을 조명하는 형태를 변화시키는 기구, 및, 조명하는 범위를 제한하는 기구를 갖고 있다. 보다 구체적으로는, 측정용 광학계 (30) 는, 가동 미러 (MM), 렌즈 (L2, L31, L32) 및 마스크 (A2) 를 포함한다.

측정용 광학계 (30) 와 빔 스플리터 (BS2) 의 사이에, 측정 대상의 샘플 (S) 이 배치된다.

또한, 도 1 (A) 에 나타내는 광학계의 대물 렌즈 (MO) 및 핀홀 (P) 이 필요로 하는 거리와 비교하여, 측정용 광학계 (30) 가 필요로 하는 거리가 긴 경우에는, 빔 스플리터 (BS1) 는, 보다 광원 (10) 측에 가까운 위치에 배치된다.

빔 스플리터 (BS1) 의 일방으로부터 출력되는 광은, 샘플 (S) 을 조명하기 위한 조명광 (Q) (제 1 광) 으로서 사용된다.

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 조명광 (Q) 으로 조명하는 형태를 변화시키는 기구를 갖고 있다. 이와 같은 기구의 일례로서 도 1 (B) 에는, 가동 미러 (MM) 를 나타낸다. 보다 구체적으로는, 가동 미러 (MM) 가 회전함으로써, 조명광 (Q) 을 조명하는 형태를 변화시킨다. 이 경우에는, 조명광 (Q) 을 조명하는 형태의 변화는, 조명광 (Q) 을 조명하는 각도의 변화를 의미한다. 이하에서는, 조명광 (Q) 을 조명하는 각도를「조명 각도」라고도 칭한다.

한편, 빔 스플리터 (BS1) 의 타방으로부터 출력되는 오프액시스 참조광 (R) (제 2 광) 에 대해서는, 도 1 (A) 와 공통의 광학 경로에서, 이미지 센서 (D) 로 유도된다.

샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 물체광 (O) (즉, 샘플 (S) 을 투과한 광) 은, 빔 스플리터 (BS2) 의 하프 미러 (HM2) 를 투과하여, 이미지 센서 (D) 로 유도된다. 가동 미러 (MM) 와 빔 스플리터 (BS2) 의 사이에는, 렌즈 (L3), 마스크 (A2), 렌즈 (L2) 의 순서로 배치된다.

조명광 (Q) 은, 렌즈 (L3) 에 의해 집광되고, 마스크 (A2) 를 통과한다. 마스크 (A2) 를 통과한 조명광 (Q) 은, 다시 렌즈 (L2) 에 의해 집광되고, 샘플 (S) 에 결상한다.

마스크 (A2) 는, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하는 범위를 소정 범위로 제한하는 제한부에 상당한다. 제한부의 일례로서, 차폐 부재에 소정 범위에 대응하는 개구 패턴 (SP2) 이 형성되어 있는 마스크 (A2) 를 사용해도 된다. 조명광 (Q) 은, 개구 패턴 (SP2) 에 대응하는 영역을 통과한다.

마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 의 이미지는, 렌즈 (L2) 를 통과하여, 샘플 (S) 에 결상한다. 즉, 마스크 (A2) 를 조명하는 광 가운데, 개구 패턴 (SP2) 에 대응하는 부분의 광만이 마스크 (A2) 를 통과하게 된다. 이로써, 마스크 (A2) 를 통과한 조명광 (Q) 이 샘플 (S) 을 조명하는 범위를 제한할 수 있다. 조명광 (Q) 의 조명 범위를 제한함으로써, 불필요광을 저감하여, 측정 정밀도를 높일 수 있다.

광학 측정 시스템 (1) 에 있어서는, 샘플 (S) 의 두께에 따라 조명 범위가 변동하는 경우가 있으므로, 이와 같이 변동하는 경우에는, 필요에 따라, 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 을 변경하거나, 혹은, 조명광 (Q) 을 샘플 (S) 에 결상하기 위한 렌즈 (L2) 의 위치를 변경하는, 등이 실시된다.

또, 조명광 (Q) 을 마스크 (A2) 에 조명하는 구성은, 도 1 (B) 에 나타내는 구성으로 한정되지 않고, 임의의 구성을 채용할 수 있다.

도 2 는, 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서의 측정용 광학계 (30) 의 상세 구성예를 나타내는 모식도이다.

도 2 (A) 를 참조하여, 조명광 (Q) 은, 가동 미러 (MM), 렌즈 (L31), 렌즈 (L32), 마스크 (A2), 렌즈 (L2) 의 순서로 통과하여, 샘플 (S) 에 결상한다. 렌즈 (L31) 와 렌즈 (L32) 는, 4f 광학계 등의 결상 광학계 (20) 를 구성한다.

가동 미러 (MM) 에 입사한 조명광 (Q) 은, 가동 미러 (MM) 의 각도 (방향) 에 대응하는 방향으로 반사되어, 결상 광학계 (20) 에 입사한다. 그리고, 조명광 (Q) 은, 가동 미러 (MM) 에서 반사된 방향으로 전파하고, 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 을 통과한 후에, 개구 패턴 (SP2) 과 동일한 형상으로 샘플 (S) 상에 결상된다.

도 2 (B) 에는, 샘플 (S) 을 조명하는 조명광 (Q) 을 평행광으로 하는 경우의 광학계의 일례를 나타낸다. 보다 구체적으로는, 도 2 (B) 에 나타내는 광학계에 있어서는, 도 2 (A) 에 나타내는 광학계의 렌즈 (L2) 대신에, 렌즈 (L21) 및 렌즈 (L22) 가 배치되어 있다. 렌즈 (L21) 및 렌즈 (L22) 는, 모두 집광 렌즈이며, 조합함으로써, 마스크 (A2) 를 통과한 조명광 (Q) 은, 평행광인 채 샘플 (S) 을 조명한다.

마스크 (A2) 의 전후에 배치되는 광학계는, 도 2 (A) 및 도 2 (B) 에 나타내는 광학계로 한정되는 것은 아니다. 마스크 (A2) 의 전단에 배치되는 광학계로는, 가동 미러 (MM) 로부터의 반사광을 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 을 덮도록 투영할 수 있으면 어떠한 구성을 채용해도 된다. 또, 마스크 (A2) 의 후단에 배치되는 광학계로는, 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 의 이미지를 샘플 (S) 에 결상할 수 있으면 어떠한 구성을 채용해도 된다. 이들 요건을 충족하는 한에 있어서, 렌즈의 장수 및 종류는 임의로 설계할 수 있다. 또, 렌즈로 한정되지 않고, 임의의 광학 디바이스를 이용해서 실현되면 된다.

또한, 가동 미러 (MM) 와 마스크 (A2) 가 광학적으로 근접하여 배치되는 경우에는, 렌즈 (L31, L32) 를 생략해도 된다.

(b2 : 측정 처리)

다음으로, 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서의 샘플 (S) 의 형상을 측정하는 기본적인 처리에 대해 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 이미지 센서 (D) 의 수광면을「기록면」이라고 하고, 기록면과 빔 스플리터 (BS2) 의 중심 광축의 교점을「원점」이라고 한다. 광축 방향을 z 축으로 하고, z 축에 직교하는 2 개의 축을 각각 x 축 및 y 축으로 한다. 즉, 광축은, 이미지 센서 (D) 의 기록면에 대해 수직이 되고, x 축 및 y 축은, 이미지 센서 (D) 의 기록면에 대해 평행이 된다. 또한, 다른 실시형태에 있어서도 동일하다.

이미지 센서 (D) 의 기록면에 있어서의 물체광 (O), 오프액시스 참조광 (R), 인라인 참조광 (L) 의 분포는, 이하의 (1) ∼ (3) 식과 같은 일반식으로 표현할 수 있다.

[수학식 1]

인라인 참조광 (L), 물체광 (O), 오프액시스 참조광 (R) 은, 서로 코히어런트한 각주파수 (ω) 를 갖는 광이다. 도 1 (A) 에 나타내는 광학계에 있어서 기록되는 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 은, (3) 식으로 표현되는 광과 (1) 식으로 표현되는 광의 합성광의 광 강도로서, 이하의 (4) 식과 같이 산출된다. 또, 도 1 (B) 에 나타내는 광학계에 있어서 기록되는 오프액시스 홀로그램 (I_OR) 은, (2) 식으로 표현되는 광과 (3) 식으로 표현되는 광의 합성광의 광 강도로서 이하의 (5) 식과 같이 산출된다.

[수학식 2]

또한, 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 은, 물체광 (O) 의 상태에 관계없이 불변이므로, 적어도 한 번만 기록하면 된다.

(4) 식 및 (5) 식에 있어서, 우변의 제 1 항은 물체광 (O) 또는 인라인 참조광 (L) 의 광 강도 성분에 상당하고, 우변의 제 2 항은 오프액시스 참조광 (R) 의 광 강도 성분에 상당하고, 우변의 제 3 항은 물체광 (O) 이 오프액시스 참조광 (R) 에 의해 변조되어 발생하는 직접 이미지 성분에 상당하고, 우변의 제 4 항은 공액 이미지 성분에 상당한다.

(4) 식 및 (5) 식에 대해 밴드 패스 필터를 적용하고, 제 3 항의 직접 이미지 성분을 추출하면, 인라인 참조광 (L) 을 기록한 복소 진폭 오프액시스 홀로그램 (J_LR) 및 물체광 (O) 을 기록한 복소 진폭 오프액시스 홀로그램 (J_OR) 은, 이하의 (6) 식 및 (7) 식과 같이 각각 산출된다.

[수학식 3]

여기서, (7) 식을 (6) 식으로 나눗셈하면, 오프액시스 참조광 (R) 의 성분이 제거되고, 인라인 참조광 (L) 을 기준으로 한 복소 진폭 인라인 홀로그램 (J_OL) 이 이하의 (8) 식과 같이 산출된다.

[수학식 4]

인라인 참조광 (L) 의 성분은, (8) 식에 나타내는 복소 진폭 인라인 홀로그램 (J_OL) 에 인라인 참조광 (L) 을 곱셈함으로써 제거할 수 있다. 인라인 참조광 (L) 의 산출 방법은, 국제 공개 제2020/045584호 (특허문헌 3) 에 기재된 방법을 채용할 수 있다. 이상의 처리에 의해, 이하의 (9) 식에 나타내는 바와 같은 물체광 홀로그램 (U) 이 얻어진다.

[수학식 5]

여기서, 물체광 홀로그램 (U) 이 표본화 정리를 만족시키지 않는 주파수 성분을 포함하는 경우에는, 이하와 같은 보정 처리를 적용하여, 기록면으로부터 소정 거리만큼 떨어진 주목하고 있는 면 (이하,「샘플면」이라고도 칭한다.) 의 상태를 재생 가능한 정보를 갖는 홀로그램을 생성한다. 샘플면의 상태를 재생 가능한 정보를 갖는 홀로그램을 재생용 물체광 홀로그램 (U_Σ) 으로 한다. 또한, 표본화 정리를 만족시키고 있는 경우에는, 물체광 홀로그램 (U) 을 그대로 재생용 물체광 홀로그램 (U_Σ) 으로 한다.

보정 처리의 일례로서, 인라인 참조광 (L) 을 제거하기 전에, 이미지 센서 (D) 로부터 출력되는 화상을 구성하는 샘플링 점수를 보간에 의해 증가시켜도 된다. 혹은, 국제 공개 제2020/045584호 (특허문헌 3) 에 개시되는 분할 중첩 공정을 적용하여, 이미지 센서 (D) 의 화소 피치를 세분화해도 된다. 분할 중첩 공정을 사용함으로써, 연산량을 저감할 수 있다.

재생용 물체광 홀로그램 (U_Σ) 에 대해, 평면파 전개에 의한 회절 계산을 실시함으로써, 임의의 샘플면에 있어서의 광파 분포를 재생할 수 있다. 평면파 전개에 의해 재생용 물체광 홀로그램 (U_Σ) 을 거리 d 만큼 전파시킨 (기록면으로부터 거리 d 만큼 떨어진 샘플면에 있어서의) 홀로그램을 U_d 로 한다.

이미지 센서 (D) 의 수광면 (기록면) 으로부터 재생하고자 하는 거리 d 까지에 포함되는 M 개의 매질 (m=1, 2,···, M) 의 거리를 d_m, 굴절률을 n_m 이라고 하면, 홀로그램 (U_d) 은, 이하의 (10) 식과 같이 일반화할 수 있다. 단, 식 중의 k_zm 은 (11) 식에 따라서 산출된다.

[수학식 6]

또한, 복수의 매질이 존재하는 경우에는, 매질간의 경계면은 기록면에 대해 평행한 것으로 한다. 또, 매질 m 으로부터 매질 m＋1 에 입사할 때의 투과 계수를 T_m, _m＋1 (k_x, k_y) 로 표현한다. 단, T_M, _M＋1 (k_x, k_y) 에 대해서는 항상 1 이라고 간주한다.

예를 들어, 공기 중만을 거리 d 만큼 전파시키는 경우에는, M=1 이고, d₁=d, n_m=1 이 된다.

또한, 매질 m 으로부터 매질 m＋1 에 입사할 때의 투과 계수가 파수 k_x, k_y 에 의존하지 않고 거의 일정하다고 간주할 수 있는 경우에는, T_m, _m＋1≡1 로서 계산을 간략화해도 된다.

(b3 : 조명광을 조명하는 형태를 변화시키는 기구)

다음으로, 조명광 (Q) 을 조명하는 형태를 변화시키는 기구에 대해 설명한다.

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 조명광 (Q) 을 조명하는 형태를 변화시켜 복수의 오프액시스 홀로그램 (I_OR) (샘플 (S) 의 유무에 따라, 물체광 홀로그램 또는 조명광 홀로그램이 된다) 을 기록한다. 조명광 (Q) 을 조명하는 형태로서, 예를 들어, 조명 각도를 채용해도 된다.

도 3 은, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서, 조명광 (Q) 을 조명하는 형태를 변화시킴으로써 얻어지는 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도 3 (A) ∼ (C) 를 참조하여, 샘플면에 존재하는 물체 (A) 와, 샘플면으로부터 떨어진 위치에 있는 물체 (B) 가 존재하는 경우를 상정한다. 물체 (A) 는, 이미지로서 재생해야 할 대상이며, 물체 (B) 는, 샘플면 이외에 존재하여, 산란을 발생시키는 물체이다.

도 3 (A) 에 나타내는 바와 같이, 조명광 (Q) 을 단일 방향에서 조명하는 경우 (조명 각도가 단일인 경우) 에는, 물체 (B) 에서의 산란에 의해 발생하는 회절광이 샘플면 (조명광의 초점 위치) 에 영향을 주어, 재생한 이미지의 품질을 악화시킨다.

여기서, 조명 각도를 변화시키면, 도 3 (B) 에 나타내는 바와 같이, 샘플면 상에 있는 물체 (A) 의 이미지의 위치는 변화하지 않는 한편, 물체 (B) 에서의 산란에 의해 발생하는 회절광의 샘플면 상의 위치는, 조명 각도에 의존하여 위치가 변화한다.

그래서, 도 3 (C) 에 나타내는 바와 같이, 조명 각도를 변화시켜 복수의 이미지를 재생하고, 재생한 복수의 이미지를 합친다. 이와 같은 복수의 이미지의 합침에 의해, 신호의 진폭 및 위상이 복수의 이미지의 사이에서 거의 동일한 물체 (A) 에 대해서는 강조되고, 물체 (B) 의 영향은 상대적으로 작아져 간다.

조명 각도를 i 와 같이 (i 는 2 이상의 정수) 변화시켜 (조명광 (Q_i)), 복수의 오프액시스 홀로그램 (I_ORi) 을 기록한다. 오프액시스 홀로그램 (I_ORi) 으로부터 재생용 물체광 홀로그램 (U_Σi) 을 각각 산출한다. 그리고, 재생용 물체광 홀로그램 (U_Σi) 을 평면파 전개에 의해 샘플면 (전파시키는 거리는 동일) 까지 전파시켜 얻어지는 광파 분포를 물체광 분포 (U_Si) 로 한다. 또한, 조명광 (Q_i) 에 의해 발생하는 샘플면에 있어서의 조명광 분포 (Q_Si) 로 복소 진폭의 물체광 분포 (U_Si) 를 나눗셈함으로써 샘플면에 있어서의 진폭 위상 분포 (U_Pi) 를 산출한다.

이와 같이, 샘플면에 있어서의 진폭 위상 분포 (U_Pi) 는, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 물체광 (O) 을 오프액시스 참조광 (R) 으로 변조한 물체광 홀로그램 (제 1 홀로그램) 과, 샘플 (S) 이 존재하지 않는 상태에서, 조명광 (Q) 을 오프액시스 참조광 (R) 으로 변조한 조명광 홀로그램 (제 2 홀로그램) 에 기초하여 산출된다. 진폭 위상 분포 (U_Pi) 는, 조명광 (Q_i) 의 위상 분포 (θQ_i) 에 샘플 (S) 에 의해 발생한 위상 변화량 (Δθ_i) 이 가산된 것이 된다.

최종적으로, 이하의 (12) 식에 따라서, 조명광으로 조명하는 형태 (조명 각도) 마다 산출된 진폭 위상 분포 (U_Pi) 를 복소수인 채 적산함으로써 합성 진폭 위상 분포 (U_SA) 를 산출한다.

[수학식 7]

상기 서술한 (12) 식에 나타내는 바와 같이, 진폭 위상 분포 (U_Pi) 를 강도 (절대치) 로 변환하지 않고, 복소수인 채 적산함으로써, 벡터와 같은 방향성을 갖는 정보로서 취급할 수 있다. 그 결과, 샘플면 이외의 위상 성분을 충분히 랜덤으로 간주할 수 있으면, 서로 상쇄하여 평균값인 제로로 수렴하는 것을 기대할 수 있다. 이 결과, 물체 (B) 에서의 산란에 의해 발생하는 회절광의 영향을 억제할 수 있다. 이로써, 재생한 이미지의 SN 비를 높일 수 있다.

또한, 진폭 위상 분포 (U_Pi) 를 강도 (절대치) 로 변환한 다음에 적산한 경우에는, 강도는 항상 정의 값이기 때문에, 물체 (B) 에서의 산란에 의해 발생하는 회절광의 영향이 계속 남게 된다.

샘플면 이외의 위상 성분을 충분히 랜덤으로 간주할 수 있도록 하기 위해서는, 조명광 (Q) 을 조명하는 형태 (예를 들어, 조명 각도) 를 충분히 많게 설정하는 것이 바람직하다. SN 비는, 조명광 (Q) 을 조명하는 형태의 수의 제곱근에 비례하게 된다 (예를 들어, 4 종류의 조명 각도로 측정한 경우에는, 1 종류의 조명 각도로 측정했을 경우와 비교하여, SN 비는 2 배가 된다).

조명 각도를 변화시킬 수 있는 범위는, 샘플 (S) 의 크기, 이미지 센서 (D) 의 분해능, 이미지 센서 (D) 의 시야의 넓이 등에 따라 광학적으로 정해진다. 광학적으로 허용되는 범위에 있어서, 조명 각도를 변화시키게 된다. 여기서, 조명 각도를 변화시키는 것은, 조명광 (Q) 의 입사 각도를 일정하게 하면서, 방위각을 변화시키는 것을 의미한다.

후술하는 바와 같이, 조명 각도를 변화시키는 수는, 전형적으로는, 요구되는 품질 및 허용되는 처리 시간 등에 기초하여 결정된다.

또한, 외란에 의해 재생용 물체광 홀로그램 (U_Σi) 으로부터 재생되는 이미지의 좌표에 위치 어긋남이 발생하는 경우에는, 위상 분해능은 저하되지 않지만, 공간 분해능 (xy 평면 상) 이 저하될 수 있다. 이 경우에는, 재생 이미지 또는 샘플 (S) 의 어긋남을 수정한 다음에 적산하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 물체광간의 상간이 최대가 되는 좌표를 산출하고, 당해 산출된 좌표를 기준으로 하여 재생 이미지 또는 샘플 (S) 의 어긋남을 산출한다. 즉, 기준이 되는 좌표로부터의 어긋남을 산출 및 보정한 다음에, 적산 처리를 실행한다.

(b4 : 조명하는 범위를 제한하는 기구)

다음으로, 조명하는 범위를 제한하는 기구에 대해 설명한다.

(5) 식 및 (4) 식에 대해 밴드 패스 필터를 적용하고, 제 3 항의 직접 이미지 성분을 추출하기 위해서는, 공간 주파수 대역에 있어서, 직접 이미지 성분이 광 강도 성분 및 공액 이미지 성분과 중복되지 않도록 할 필요가 있다. 그래서, 본 실시형태에 있어서는, 마스크 (A2) 등의 제한부에 의해 조명광 (Q) 의 범위를 제한함으로써, 공간 주파수 대역의 중복에 의한 이미지 열화 등을 방지한다.

샘플 (S) 로부터 떨어진 위치에 배치된 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 의 이미지를 샘플 (S) 에 결상시킴으로써, 조명 방법의 자유도를 유지한 채로, 간섭 줄무늬에 포함되는 공간 주파수 대역폭을 적절히 제어함으로서, 이미지 센서 (D) 가 기록 가능한 공간 주파수 대역폭을 효율적으로 이용한다.

광학 측정 시스템 (1) 에 있어서는, 마스크 (A1) 및 렌즈 (L1) 가 오프액시스 참조광 (R) 의 점광원을 실현한다. 기록면 상의 임의의 점에 있어서의 간섭 줄무늬의 공간 주파수 (f) 는, 당해 점에 있어서의 물체광 (O) 의 입사 각도 (θ_O) 와 오프액시스 참조광 (R) 의 입사 각도 (θ_R) 를 사용하여, 이하의 (13) 식과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 8]

도 4 는, 물체광 (O) 및 오프액시스 참조광 (R) 의 이미지 센서 (D) 의 기록면에 입사하는 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 4 (A) 에는, 오프액시스 참조광 (R) 이 평면파인 경우를 나타내고, 도 4 (B) 에는, 오프액시스 참조광 (R) 이 구면파인 경우를 나타낸다.

도 4 (A) 를 참조하여, 오프액시스 참조광 (R) 이 평면파인 경우에는, 물체광 (O) 과 오프액시스 참조광 (R) 이 이미지 센서 (D) 의 기록면의 임의의 점에서 이루는 각도는, 이미지 센서 (D) 의 기록면 상의 위치에 의존하게 된다. 예를 들어, 물체광 (O) 과 오프액시스 참조광 (R) 이 이미지 센서 (D) 의 기록면의 상단에서 이루는 각도 α 와 기록면의 하단에서 이루는 각도 β 는, 크게 다르다.

이에 대하여, 도 4 (B) 를 참조하여, 오프액시스 참조광 (R) 이 구면파인 경우에는, 물체광 (O) 과 오프액시스 참조광 (R) 이 이미지 센서 (D) 의 기록면의 1 점에서 이루는 각도는 기록면 상의 위치에 의존하지 않고, 거의 같은 값이 된다. 예를 들어, 물체광 (O) 과 오프액시스 참조광 (R) 이 이미지 센서 (D) 의 기록면의 상단에서 이루는 각도 α 와, 기록면의 하단에서 이루는 각도 β 는, 거의 같다.

즉, 오프액시스 참조광 (R) 을 점광원으로 하면, 샘플 (S) 의 임의의 점으로부터 발생하는 광선 (물체광 (O)) 과 오프액시스 참조광 (R) 의 점광원으로부터 발생하는 광선이 이루는 각을, 기록면 상의 어느 점에 있어서도 거의 일정하게 할 수 있다.

물체광 (O) 을 오프액시스 참조광 (R) 의 점광원과 동일한 z 면 상에 있는 파원의 집합으로 간주하면, 당해 z 면 상의 파원의 위치 (x_s, y_s) 와 대응하는 공간 주파수 (u_s, v_s) 와의 사이에는, 이하의 (14) 식에 나타내는 관계가 근사적으로 성립한다.

[수학식 9]

식 중의 z_L 은, 오프액시스 참조광 (R) 의 점광원으로부터 기록면까지의 z 축방향의 거리이며, λ 는 파장이다. 또, x 방향의 공간 주파수를 u 로 하고, y 방향의 공간 주파수를 v 로 한다.

(14) 식에 나타내는 바와 같이, 파원 (물체광 (O)) 의 z 면 상의 위치와 공간 주파수 (스펙트럼 성분의 좌표) 는, 근사적으로 선형의 관계에 있는 것을 알 수 있다. 그 때문에, 파원 (물체광 (O)) 이 존재하는 영역을 제한함으로써, 직접 이미지 성분의 공간 주파수 대역의 확대를 제어할 수 있다. 이로써, 공간 주파수 대역을 효율적으로 이용할 수 있다.

여기서,「파원이 존재하는 영역」은, 샘플 (S) 이 조명되고 있는 범위를 의미한다. 즉, 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 을 최적화함으로써 조명 범위를 제한하고, 이로써, 공간 주파수 대역을 적절히 제어할 수 있다. 또한, 마스크 (A2) 는, 단순히 샘플 (S) 을 조명하는 범위를 제한하는 것이므로, 물체광 (O) 의 복소 진폭이 올바르게 기록되어 있는 한, 재생하는 이미지에 변형을 일으키는 경우는 없다.

다음으로, 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 의 크기를 결정하는 방법에 대해 설명한다.

상기 서술한 바와 같이, 도 1 (B) 에 나타내는 광학계에 있어서 기록되는 오프액시스 홀로그램 (I_OR) 은 (5) 식과 같이 산출된다. (5) 식에 있어서, 이미지 재생에 필요한 성분은 제 3 항의 직접 이미지 성분이며, 다른 항은 노이즈 성분으로서 중첩되기 때문에, 밴드 패스 필터에 의해 제거할 필요가 있다.

이미지 센서 (D) 의 원점의 좌표를 (0, 0, 0) 로 하고, 샘플 (S) 의 중심의 좌표를 (0, 0, z_L) 로 한다.

도 5 는, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서의 샘플 (S) 과 오프액시스 참조광 (R) 의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 5 를 참조하여, 오프액시스 참조광 (R) 의 점광원 (집광점 (FP1)) 을, 빔 스플리터 (BS2) 의 하프 미러 (HM2) 에 대해 샘플 (S) 측으로 전개한 점광원 (집광점 (FP1')) 의 좌표를 (x_R, y_R, z_R=z_L) 로 하고, 샘플 (S) 의 조명 범위를 x 방향이 a, y 방향이 b 인 사이즈의 직사각형으로 하면, 제 3 항의 직접 이미지 성분에 대해, u 방향의 대역폭 (W_x) 및 v 방향의 대역폭 (W_y) 은, 이하의 (15) 식과 같이 근사적으로 표현할 수 있고, u 방향의 중심 주파수 (u_c) 및 v 방향의 중심 주파수 (v_c) 는, 이하의 (16) 식과 같이 근사적으로 표현할 수 있다.

[수학식 10]

또, 공액 이미지 성분 (제 4 항) 의 u 방향의 대역폭 (W_x) 및 v 방향의 대역폭 (W_y) 에 대해서도, 상기 서술한 (15) 식과 같이 근사적으로 표현할 수 있다. 한편, 공액 이미지 성분 (제 4 항) 의 u 방향의 중심 주파수 (u_c) 및 v 방향의 중심 주파수 (v_c) 는, 상기 서술한 (16) 식의 부호를 반전시킨 것이 된다.

또, 제 1 항의 광 강도 성분 및 제 2 항의 광 강도 성분을 합친 성분의 대역폭은, 원점을 중심으로 (15) 식의 2 배의 사이즈로 넓어지게 된다.

이상의 관계는, 도 6 과 같이 나타낼 수 있다.

도 6 은, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서의 오프액시스 홀로그램에 관한 공간 주파수 대역의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 6 (A) 에는, 실공간의 z=z_L 면 상에 있어서의, 오프액시스 참조광 (R) 의 위치 및 샘플 (S) 의 조명 범위를 나타낸다. 도 6 (B) 에는, 기록면 (z=0) 상에서 기록된 홀로그램을 2 차원 푸리에 변환한 스펙트럼을 나타낸다.

도 6 (A) 를 참조하여, 실공간에 있어서는, 샘플 (S) 은, (0, 0, z_L) 의 좌표를 중심으로 a×b 의 사이즈로 존재한다. 오프액시스 참조광 (R) 의 점광원은, (0, 0, z_L) 의 좌표로부터 x 방향으로 x_R 및 y 방향으로 y_R 만큼 떨어진 위치에 존재한다.

도 6 (B) 를 참조하여, 푸리에 공간 (공간 주파수 영역) 에 있어서는, 물체광 (O) 의 정보를 포함하는 제 3 항의 직접 이미지 성분이 대역폭 (W_x×W_y) 의 사이즈로 넓어지고, 직접 이미지 성분의 중심 주파수는, 오프액시스 참조광의 점광원의 좌표 (x_R, y_R) 에 의존하여 정해진다.

도 6 (B) 에 나타내는 푸리에 공간의 스펙트럼으로부터 물체광 (O) 의 정보를 포함하는 제 3 항 (직접 이미지 성분) 만을 밴드 패스 필터로 추출하려면, 다른 항 (제 1 항, 제 2 항, 제 4 항) 의 성분과 중복되지 않도록 필요가 있다.

한편, 이미지 센서 (D) 의 공간 주파수 대역은 유한하므로, 중심 주파수 (u_c 및 v_c) 를 과잉으로 크게 하는 것도 바람직하지 않다. 그 때문에, 이미지 센서 (D) 가 갖는 공간 주파수 대역을 효율적으로 이용하기 위해서는, 제 3 항의 성분을 다른 항 (제 1 항, 제 2 항, 제 4 항) 의 성분과 중복되지 않는 한계까지 근접시킬 필요가 있다.

각각의 대역을 근접시켜 배치하기 위해서, 공간 주파수 대역폭을 적절한 범위로 제한한다. 여기서, 오프액시스 참조광이 발산광 (점광원) 이면, 상기 서술한 (5) 식의 관계가 성립하므로, 조명광 (Q) 의 조명 범위를 제한함으로써, 각 성분의 공간 주파수 대역폭을 적절한 범위로 제한할 수 있다.

이와 같이, 이미지 센서 (D) 로 기록되는 홀로그램의 푸리에 공간 (공간 주파수 영역) 에 있어서, 조명광 (Q) 에 대응하는 성분 (제 3 항) 과 조명광 (Q) 에 대응하는 성분 이외의 성분 (제 1 항 및 제 2 항) 이 중복되지 않도록, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하는 범위의 크기 (즉, 제한부인 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2)) 가 결정된다.

각 성분의 공간 주파수 대역폭을 적절한 범위로 제한함으로써, 이미지 센서 (D) 가 갖는 공간 주파수 대역을 효율적으로 이용할 수 있고, 공간 주파수 대역의 중복에 의해 발생하는 노이즈도 억제할 수 있다.

또한, 오프액시스 홀로그래피의 광학계에 적용하는 경우에 대해 설명했지만, 상기 서술한 마스크 (A2) 는, 발산광 (즉, 점광원, 혹은, 점광원으로 간주할 수 있는 광원) 을 참조광으로 하는 다른 홀로그래피의 광학계에 있어서도, 직접 이미지 성분의 공간 주파수 대역폭을 이미지 센서 (D) 로 기록 가능한 범위로 제한하는 경우 등에도 유효하다.

또한, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에서 사용되는 마스크 (A2) 는, 광학 현미경에서 사용되는 시야 조리개와 외형상 유사할 수 있다. 그러나, 시야 조리개는, 광로의 도중의 벽에 불필요한 광 (시야 외의 광) 이 닿음으로써 발생하는 미광을 억제할 목적으로 사용된다. 시야 조리개에 의해, 노이즈 레벨의 저감은 가능하지만, 억제되는 미광은 약간이어서, 미약한 광을 검출할 목적이 아니라면 적극적인 대책을 행하지 않아도 큰 문제는 되지 않는다.

이에 대하여, 발산광을 참조광으로 하는 디지털 홀로그래피에 있어서의 조명 범위의 제한은, 간섭 줄무늬에 포함되는 공간 주파수 대역폭을 이미지 센서 (D) 로 기록 가능한 범위로 제한하는 효과를 가져온다. 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에서 사용되는 마스크 (A2) 는, 이 목적으로 사용된다.

이와 같이, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에서 사용되는 마스크 (A2) 는, 광학 현미경에서 사용되는 시야 조리개가 발휘하는 효과와는 이질의 효과를 발휘하는 것이다.

상기 서술한 설명에 있어서는, 제한부의 일례로서, 미리 정해진 크기의 개구 패턴 (SP2) 이 형성된 마스크 (A2) 를 사용하는 경우에 대해 설명했지만, 이것으로 한정되지 않고, 임의의 광학 소자를 사용하여 제한부를 실현해도 된다.

예를 들어, 편광 미러나 액정 등의 광의 투과율을 제어할 수 있는 광학 소자를 사용함으로써, 개구 패턴 (조명광이 통과하는 단면적) 의 크기를 임의로 변경할 수 있도록 해도 된다. 개구 패턴의 크기를 임의로 변경 가능하게 구성함으로써, 샘플 (S) 과 이미지 센서 (D) 의 거리가 변경되거나, 오프액시스 참조광의 점광원의 위치가 변경되거나 했을 때에도, 용이에 대응할 수 있다.

(b5 : 조명광 프로파일)

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 합성 진폭 위상 분포 (U_SA) 등의 산출에 조명광 프로파일을 필요로 한다.

예를 들어, 샘플 (S) 을 순차 교환하여 측정하는 경우 등에는, 기록면으로부터 샘플면까지의 거리가 변화하는 것도 상정된다. 이 경우에는, 회절 계산에 의해, 기록면으로부터 어느 거리만큼 떨어진 샘플면에 있어서의 조명광 프로파일에 기초하여, 다른 거리에 있어서의 조명광 프로파일을 산출할 수 있다. 그 때문에, 기록면으로부터 샘플면의 거리가 변화할 때마다 조명광 프로파일을 기록할 필요는 없다.

샘플 (S) 이 측정 대상이 아닌 기판을 포함하는 경우에는, 조명광 프로파일에 대해 평면파 전개를 사용한 매질 내의 전파 계산을 행함으로써, 기판을 투과한 조명광에 대한 조명광 프로파일을 산출할 수 있다. 이 경우, 기판의 대략적인 두께 및 굴절률이 이미 알려져 있으면, 기판만의 샘플 (측정 대상의 샘플 (S) 과는 다른 샘플) 을 준비하여 조명광 프로파일을 기록할 필요는 없다.

기판을 투과한 조명광 프로파일을 사용하여, 샘플 (S) 의 기판 이외의 층을 측정할 수 있다. 또, 기판만에 의한 기록을 할 수 있는 경우에는, 기판만을 배치한 상태에서, 기판을 투과한 조명광 프로파일을 기록함으로써, 기판의 매질 내의 전파 계산을 생략할 수도 있다.

(b6 : 샘플의 표면 형상의 측정)

다음으로, 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 을 사용한 샘플 (S) 의 표면 형상을 측정하는 방법에 대해 설명한다. 샘플 (S) 의 표면 형상의 측정에는, 샘플에 의해 발생하는 위상 변화량을 사용한다. 이 경우, 조명광 (Q) 으로서 가시광을 사용하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에서는, 샘플 (S) 이 배치되지 않은 상태에서 기록된 조명광 프로파일을 사용하여, 조명광의 위상 분포 (θ_Q) 를 합성 진폭 위상 분포 (U_SA) 의 위상 분포로부터 감산함으로써, 샘플 (S) 에 의해 발생한 위상 변화량 (Δθ_i) 을 산출한다.

실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서는, 이하의 (17) 식에 나타내는, 샘플 (S) 에 의해 발생한 위상 변화량 (Δθ) 과 샘플 (S) 의 두께 (Δd) 의 관계식을 사용하여, 샘플 (S) 의 표면 형상을 측정한다.

[수학식 11]

식 중의 k_z1 은 샘플 (S) 중의 z 방향의 파수이며, k_z2 는 샘플 (S) 이 존재하는 매질 중의 z 방향의 파수이며, δ 는 위상 보정항이며, λ 는 광원 파장이다. 파수 k_z1 및 k_z2 는, 이하의 (18) 식 및 (19) 식에 따라서 각각 산출할 수 있다.

[수학식 12]

식 중의 n₁ 은 샘플 (S) 이 존재하는 매질의 굴절률이고, n₂ 는 샘플 (S) 의 굴절률이다. 예를 들어, 샘플 (S) 이 진공 중에 존재하는 경우에는, 굴절률 n₁=1 이 된다.

식 중의 x 방향의 파수 (k_x) 및 y 방향의 파수 (k_y) 는, x 방향 및 y 방향의 단위길이당 위상 변화량이므로, 이하의 (20) 식 및 (21) 식과 같이, 샘플면에 있어서의 조명광 (Q) 의 위상 분포 (θ_Q) 를 미분함으로써 산출할 수 있다.

[수학식 13]

(17) 식 중의 위상 보정항 δ 는, 샘플 (S) 에 광 흡수가 있는 등의 이유로, 투과율이 복소수가 되는 경우에, 복소 투과율에 의한 위상 변화를 보정하기 위해서 사용된다. 샘플 (S) 이 모두 동일한 재질인 등의 이유로, 복소 투과율에 의한 위상 변화가 샘플 (S) 전체에서 일정하다고 간주할 수 있는 경우에는, 위상 보정항 δ 를 생략해도 된다.

외란에 의해 조명광의 점광원의 좌표에 위치 어긋남이 발생하는 경우에는, 조명광 (Q_i) 에 대해 이미지 센서 (D) 상의 화소의 평행이동에 의해 보정해도 된다. 평행이동의 양은, 전형적으로는, 물체광 분포 (U_S) 와 조명광 (Q_i) 의 상관이 최대가 되도록 결정된다.

조명광의 파면의 형상이 매끈한 경우에는, 로우 패스 필터나 다항식 근사에 의해 정보량을 삭감해도 된다.

도 7 은, 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 을 사용한 표면 형상의 측정 방법의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다. 도 7 에 나타내는 처리 순서는, 광원 (10) 으로서 가시광원이 사용되어도 된다.

도 7 을 참조하여, 먼저, 인라인 참조광 (L) 을 취득하는 처리가 실행된다. 보다 구체적으로는, 도 1 (A) 에 나타내는 광학계가 구성된다 (스텝 S2). 그리고, 광원 (10) 으로부터 코히어런트광을 발생시키고, 처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 에 기록되는 인라인 참조광 (L) 을 오프액시스 참조광 (R) 으로 변조한 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 을 취득한다 (스텝 S4). 또한, 스텝 S2 및 S4 는, 오프액시스 참조광 (R) 에 관계하는 광학계를 변경하지 않는 한, 1 회만 실행하면 된다. 또, 스텝 S2 및 S4 의 처리는, 재생 이미지의 정확도를 향상시키기 위한 것이며, 요구되는 정확도에 따라서는, 스텝 S2 및 S4 의 처리를 생략해도 된다.

계속해서, 조명광 프로파일을 취득하는 처리가 실행된다. 보다 구체적으로는, 도 1 (B) 에 나타내는 광학계가 구성된다 (스텝 S6). 이 때, 샘플 (S) 이 존재하지 않는 상태로 유지된다. 샘플 (S) 의 기판과 동일한 두께를 갖는 기판을 샘플 (S) 이 배치되는 위치 (샘플 위치) 에 배치해도 되고, 샘플 위치에는 아무것도 배치하지 않을 수도 있다. 이 상태가 측정의 레퍼런스에 상당한다.

계속해서, 가동 미러 (MM) 를 구동하여 복수의 조명 각도 중 어느 조명 각도로 설정한다 (스텝 S8). 그리고, 광원 (10) 으로부터 코히어런트광을 발생시키고, 처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 에 기록되는 조명광 홀로그램 Q_i (x, y) (제 2 홀로그램) 을 취득한다 (스텝 S10).

이와 같이, 처리 장치 (100) 는, 샘플 (S) 이 존재하지 않는 상태에서, 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 광을 오프액시스 참조광 (R) 으로 변조한 홀로그램을 이미지 센서 (D) 로 기록한다. 혹은, 처리 장치 (100) 는, 샘플 (S) 대신에, 샘플 (S) 에 포함되는 측정 대상이 되지 않는 기판만을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 투과광의 홀로그램을 이미지 센서 (D) 로 기록한다.

처리 장치 (100) 는, 조명광 홀로그램 Q_i (x, y) 으로부터 조명광 프로파일 Q_Σi (x, y) 을 산출한다 (스텝 S12).

스텝 S8 ∼ S12 의 처리는, 미리 정해진 조명 각도의 수 (N) 만큼 반복된다 (1≤i≤N).

다음으로, 샘플 (S) 의 진폭 위상 분포를 취득하는 처리가 실행된다. 보다 구체적으로는, 샘플 (S) 이 도 1 (B) 에 나타내는 광학계의 본래의 위치에 배치된다 (스텝 S14). 계속해서, 가동 미러 (MM) 를 구동하여 복수의 조명 각도 중 어느 조명 각도로 설정한다 (스텝 S16). 그리고, 광원 (10) 으로부터 코히어런트광을 발생시키고, 처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 에 기록되는 물체광 홀로그램 U_i (x, y) 을 취득한다 (스텝 S18).

계속해서, 처리 장치 (100) 는, 물체광 홀로그램 U_i (x, y) 으로부터 재생용 물체광 홀로그램 U_Σi (x, y) 을 산출한다 (스텝 S20). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 재생용 물체광 홀로그램 U_Σi (x, y) 및 대응하는 조명광 프로파일 Q_Σi (x, y) 을 평면파 전개에 의해 샘플면의 위치까지 전파시켜, 샘플면에 있어서의, 물체광 분포 U_Si (x, y) 및 조명광 분포 Q_Si (x, y) 를 산출한다 (스텝 S22). 또한, 처리 장치 (100) 는, 물체광 분포 U_Si (x, y) 를 대응하는 조명광 분포 Q_Si (x, y) 로 나눗셈하여, 샘플면에 있어서의 진폭 위상 분포 U_Pi (x, y) 를 산출한다 (스텝 S24).

스텝 S16 ∼ S24 의 처리는, 미리 정해진 조명 각도의 수 (N) 만큼 반복된다 (1≤i≤N).

다음으로, 처리 장치 (100) 는, 샘플 (S) 의 표면 형상을 산출한다. 보다 구체적으로는, 처리 장치 (100) 는, 진폭 위상 분포 U_Pi (x, y) 를 복소수인 채 적산함으로써, 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 를 산출한다 (스텝 S26).

계속해서, 처리 장치 (100) 는, 샘플면에 있어서의 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 의 편각으로부터 위상 변화량 Δθ (x, y) 을 산출한다 (스텝 S28). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 위상 변화량 Δθ (x, y) 을 사용하여, 샘플 (S) 의 두께 Δd (x, y) 를 산출한다 (스텝 S30). 샘플 (S) 의 두께 Δd 의 산출에는, 상기 서술한 (17) 식에 나타내는 관계식이 사용된다.

최종적으로, 처리 장치 (100) 는, 샘플면의 각 좌표에 있어서의 두께 Δd (x, y) 를 집합시켜, 샘플 (S) 의 형상 프로파일을 산출한다 (스텝 S32).

이상과 같은 처리에 의해, 샘플 (S) 의 표면 형상을 산출할 수 있다.

또한, 샘플 (S) 의 굴절률 및 굴절률 프로파일을 측정할 수도 있다. 이 경우에는, 스텝 S30 에 있어서, 샘플 (S) 의 굴절률 n₂ (x, y) 이 산출되고, 스텝 S32 에 있어서, 샘플면의 각 좌표에 있어서의 굴절률 n₂ (x, y) 을 집합시킴으로써, 샘플 (S) 의 굴절률 프로파일이 산출된다.

(b7 : 샘플의 내부 구조의 측정)

다음으로, 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 을 사용한 샘플 (S) 의 내부 구조를 측정하는 방법에 대해 설명한다. 샘플 (S) 의 내부 구조의 측정에는, 조명광 (Q) 으로서 근적외선을 사용하는 것이 바람직하다. 조명광 (Q) 으로서 근적외선을 사용함으로써, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 물체광 홀로그램 (U) 은, 샘플 (S) 의 내부 구조를 나타낸다. 샘플 (S) 에 대해 임의의 위치 (기록면으로부터 임의의 거리만큼 떨어진 위치) 에 샘플면을 설정함으로써, 샘플 (S) 의 내부 구조를 측정할 수 있다.

도 8 은, 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 을 사용한 내부 구조의 측정 방법의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다. 도 8 에 나타내는 처리 순서는, 광원 (10) 으로서 근적외광원이 사용되어도 된다.

도 8 의 플로 차트에 나타내는 순서는, 도 7 에 나타내는 플로 차트에 나타내는 스텝 S28 ∼ S32 의 처리 대신에, 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 의 강도 분포 및/또는 위상 분포를 화상화하는 처리 (스텝 S34) 를 채용한 것이다.

즉, 처리 장치 (100) 는, 진폭 위상 분포 U_Pi (x, y) 를 복소수인 채 적산함으로써, 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 를 산출하고 (스텝 S26), 산출한 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 를 화상화함으로써, 샘플 (S) 의 내부 구조를 가시화한다.

＜C. 실시형태 2 : 반사형 광학계＞

(c1 : 광학계)

도 9 는, 실시형태 2 에 따르는 광학 측정 시스템 (2) 의 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 9 (A) 에는, 인라인 참조광을 기록하는 경우의 광학계를 나타내고, 도 9 (B) 에는, 물체광을 기록하는 경우의 광학계를 나타낸다. 광학 측정 시스템 (2) 은, 도 9 (A) 및 도 9 (B) 에 나타내는 광학계를 구성 가능하게 되어 있다.

도 9 (A) 에 나타내는 광학계는, 도 1 (A) 에 나타내는 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서 인라인 참조광을 기록하는 경우의 광학계와 동일하므로, 상세한 설명은 반복하지 않는다.

도 9 (B) 에 나타내는 광학계는, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 물체광 (O) 을 오프액시스 참조광 (R) 으로 변조한 오프액시스 홀로그램 (I_OR) 을 기록하기 위한 광학계에 상당한다. 보다 구체적으로는, 도 9 (B) 에 나타내는 광학계는, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 반사광으로부터 오프액시스 홀로그램 (I_OR) (물체광 홀로그램 : 제 1 홀로그램) 을 생성한다. 또한, 도 9 (B) 에 나타내는 광학계를 사용하여, 조명광 프로파일도 취득된다. 이 경우에는, 후술하는 바와 같이, 샘플 (S) 대신에 기준 참조면이 배치된다.

도 9 (B) 에 나타내는 광학계는, 도 1 (B) 에 나타내는 실시형태 1 에 따르는 광학 측정 시스템 (1) 에 있어서 물체광을 기록하는 경우의 광학계와 비교하여, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하는 구성이 다르다. 그 때문에, 빔 스플리터 (BS1) 의 타방으로부터 출력되는 오프액시스 참조광 (R) 에 대해서는, 도 1 (A), 도 1 (B) 및 도 9 (A) 와 공통의 광학 경로에서, 이미지 센서 (D) 에 유도된다.

빔 스플리터 (BS1) 의 일방으로부터 출력되는 광은, 샘플 (S) 을 조명하기 위한 조명광 (Q) 으로서 사용된다.

보다 구체적으로는, 빔 스플리터 (BS2) 에서 분기된 조명광 (Q) 은, 미러 (M2) 에 의해 반사된 후, 측정용 광학계 (32) 를 통과하여, 빔 스플리터 (BS2) 에 유도된다. 조명광 (Q) 은, 나아가 빔 스플리터 (BS2) 의 하프 미러 (HM2) 에서 반사되어 샘플 (S) 을 조명한다. 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 물체광 (O) (즉, 샘플 (S) 에서 반사된 광) 은, 빔 스플리터 (BS2) 의 하프 미러 (HM2) 를 투과하여, 이미지 센서 (D) 에 유도된다.

측정용 광학계 (32) 는, 가동 미러 (MM), 렌즈 (L3), 마스크 (A2), 렌즈 (L4) 를 포함한다. 실시형태 1 과 마찬가지로, 가동 미러 (MM) 에 의해 반사된 조명광 (Q) 은, 렌즈 (L3) 에 의해 집광되고, 마스크 (A2) 를 통과한다. 마스크 (A2) 를 통과한 조명광 (Q) 은, 나아가 렌즈 (L4) 에 의해 집광되고, 샘플 (S) 에 결상한다. 즉, 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 의 이미지는, 렌즈 (L4) 를 통과하여, 샘플 (S) 에 결상한다. 이로써, 마스크 (A2) 를 통과한 조명광 (Q) 이 샘플 (S) 을 조명하는 범위를 제한할 수 있다. 조명광 (Q) 의 조명 범위를 제한함으로써, 불필요광을 저감하여, 측정 정밀도를 높일 수 있다. 또, 가동 미러 (MM) 가 회전함으로써, 조명광 (Q) 을 조명하는 형태를 변화시킨다.

광학 측정 시스템 (1) 에 있어서도, 샘플 (S) 의 두께에 따라 조명 범위가 변동되는 경우가 있으므로, 이와 같이 변동되는 경우에는, 필요에 따라, 마스크 (A2) 의 개구 패턴 (SP2) 을 변경하거나, 혹은, 조명광 (Q) 을 샘플 (S) 에 결상하기 위한 렌즈 (L2) 의 위치를 변경하는, 등이 실시된다.

또한, 미러 (M2) 와 마스크 (A2) 가 광학적으로 근접하여 배치되는 경우에는, 렌즈 (L3) 를 생략해도 된다.

(c2 : 조명광 프로파일)

다음으로, 광학 측정 시스템 (2) 에 있어서의 조명광 프로파일에 대해 설명한다. 광학 측정 시스템 (2) 이 채용하는 반사형 광학계에 있어서는, 샘플 (S) 을 배치해야 할 위치 (샘플 위치) 에 기준 참조면을 배치하고, 당해 기준 참조면으로부터의 반사광을 조명광 (Q) 으로서 사용한다. 기준 참조면은, 평면인 것이 바람직하고, 예를 들어, 옵티컬 플랫을 사용할 수 있다. 즉, 도 9 (B) 에 나타내는 광학계는, 샘플 (S) 대신에, 기준 참조면을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 반사광으로부터 조명광 프로파일을 취득한다.

기록된 조명광 (Q) 을 전파시킴으로써, 거리가 상이한 샘플면에 있어서의 조명광 분포 (QS) 를 산출할 수 있기 때문에, 실시형태 1 (투과형 광학계) 과 마찬가지로, 기록면으로부터의 거리가 변화할 때마다 조명광 (Q) 을 기록할 필요는 없다. 또, 외란에 의해 조명광의 점광원의 좌표에 위치 어긋남이 발생한 경우에는, 조명광 (Q) 에 대해 이미지 센서 (D) 상의 화소의 평행이동에 의해 보정해도 된다.

기준 참조면에 포함되는 형상 오차를 제거할 목적으로, 기준 참조면을 x 방향 및 y 방향으로 평행이동시키면서 복수의 조명광 프로파일을 기록하고, 기록한 복수의 조명 프로파일의 평균값을 실제로 사용하는 조명광 프로파일로 해도 된다.

(c3 : 샘플의 표면 형상의 측정)

다음으로, 실시형태 2 에 따르는 광학 측정 시스템 (2) 을 사용한 샘플 (S) 의 표면 형상을 측정하는 방법에 대해 설명한다. 샘플 (S) 의 표면 형상의 측정에는, 샘플 (S) 에 의해 발생하는 위상 변화량을 사용한다. 이 경우, 조명광 (Q) 으로서 가시광을 사용하는 것이 바람직하다.

샘플 (S) 에 의해 발생한 위상 변화량 (Δθ) 과, 샘플 (S) 의 높이 (Δh) 의 관계는, 이하의 (22) 식과 같이 된다.

[수학식 14]

식 중의 k_x 는 x 방향의 파수이며, k_y 는 y 방향의 파수이며, δ 는 위상 보정항이다.

파수 k_x 및 파수 k_y 는 상기 서술한 (20) 식 및 (21) 식에 따라서 산출할 수 있다. 위상 보정항 δ 에 대해서도, 샘플 (S) 이 모두 동일한 재질인 등의 이유로, 복소반사율에 의한 위상 변화가 샘플 (S) 전체에서 일정하다고 간주할 수 있는 경우에는, 생략해도 된다.

또한, 샘플면 전체에 걸친 형상 (면내 프로파일) 을 측정하는 경우에는, 조명광 (Q) 을 평행광으로 하는 광학계를 채용해도 된다. 조명광 (Q) 이 구면파인 경우에는, 샘플면에 대한 포커스 어긋남이 오목면상 또는 볼록면상의 가짜 형상으로 되어 검출될 수 있다. 이와 같은 가짜 형상은, 조명광이 구면파인 것에 의해 발생하므로, 샘플면 전체에 걸친 형상 (면내 프로파일) 을 측정하는 경우에는, 조명광 (Q) 이 평행광이 되는 광학계를 채용하는 것이 바람직하다.

도 10 은, 실시형태 2 에 따르는 광학 측정 시스템 (2) 을 사용한 표면 형상의 측정 방법의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다. 도 10 에 나타내는 처리 순서는, 광원 (10) 으로서 가시광원이 사용되어도 된다.

도 10 을 참조하여, 먼저, 인라인 참조광 (L) 을 취득하는 처리가 실행된다. 보다 구체적으로는, 도 9 (A) 에 나타내는 광학계가 구성된다 (스텝 S52). 그리고, 광원 (10) 으로부터 코히어런트광을 발생시키고, 처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 에 기록되는 인라인 참조광 (L) 을 오프액시스 참조광 (R) 으로 변조한 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 을 취득한다 (스텝 S54). 또한, 스텝 S52 및 S54 는, 오프액시스 참조광 (R) 에 관계하는 광학계를 변경하지 않는 한, 1 회만 실행하면 된다. 또, 스텝 S2 및 S4 의 처리는, 재생 이미지의 정확도를 향상시키기 위한 것이며, 요구되는 정확도에 따라서는, 스텝 S2 및 S4 의 처리를 생략해도 된다.

계속해서, 조명광 프로파일을 취득하는 처리가 실행된다. 보다 구체적으로는, 도 9 (B) 에 나타내는 광학계가 구성된다 (스텝 S56). 이 때, 샘플 (S) 은 배치되지 않고, 샘플 (S) 이 배치되는 위치 (샘플 위치) 에는, 기준 참조면이 배치된다. 이 상태가 측정의 레퍼런스에 상당한다.

계속해서, 가동 미러 (MM) 를 구동하여 복수의 조명 각도 중 어느 조명 각도로 설정한다 (스텝 S58). 그리고, 광원 (10) 으로부터 코히어런트광을 발생시키고, 처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 에 기록되는 조명광 홀로그램 Q_i (x, y) (제 2 홀로그램) 을 취득한다 (스텝 S60).

처리 장치 (100) 는, 조명광 홀로그램 Q_i (x, y) 으로부터 조명광 프로파일 Q_Σi (x, y) 을 산출한다 (스텝 S62).

스텝 S58 ∼ S62 의 처리는, 미리 정해진 조명 각도의 수 (N) 만큼 반복된다 (1≤i≤N).

다음으로, 샘플 (S) 의 진폭 위상 분포를 취득하는 처리가 실행된다. 보다 구체적으로는, 샘플 (S) 이 도 9 (B) 에 나타내는 광학계의 본래의 위치에 배치된다 (스텝 S64). 계속해서, 가동 미러 (MM) 를 구동하여 복수의 조명 각도 중 어느 조명 각도로 설정한다 (스텝 S66). 그리고, 광원 (10) 으로부터 코히어런트광을 발생시키고, 처리 장치 (100) 는, 이미지 센서 (D) 에 기록되는 물체광 홀로그램 U_i (x, y) 을 취득한다 (스텝 S68).

계속해서, 처리 장치 (100) 는, 물체광 홀로그램 U_i (x, y) 으로부터 재생용 물체광 홀로그램 U_Σi (x, y) 을 산출한다 (스텝 S70). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 재생용 물체광 홀로그램 U_Σi (x, y) 및 대응하는 조명광 프로파일 Q_Σi (x, y) 을 평면파 전개에 의해 샘플면의 위치까지 전파시켜, 샘플면에 있어서의, 물체광 분포 U_Si (x, y) 및 조명광 분포 Q_Si (x, y) 를 산출한다 (스텝 S72). 또한, 처리 장치 (100) 는, 물체광 분포 U_Si (x, y) 를 대응하는 조명광 분포 Q_Si (x, y) 로 나눗셈하여, 샘플면에 있어서의 진폭 위상 분포 U_Pi (x, y) 를 산출한다 (스텝 S74).

스텝 S66 ∼ S74 의 처리는, 미리 정해진 조명 각도의 수 (N) 만큼 반복된다 (1≤i≤N).

다음으로, 처리 장치 (100) 는, 샘플 (S) 의 표면 형상을 산출한다. 보다 구체적으로는, 처리 장치 (100) 는, 진폭 위상 분포 U_Pi (x, y) 를 복소수인 채 적산함으로써, 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 를 산출한다 (스텝 S76).

계속해서, 처리 장치 (100) 는, 샘플면에 있어서의 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 의 편각으로부터 위상 변화량 Δθ (x, y) 을 산출한다 (스텝 S78). 그리고, 처리 장치 (100) 는, 위상 변화량 Δθ (x, y) 을 사용하여, 샘플 (S) 의 높이 h (x, y) 를 산출한다 (스텝 S80). 샘플 (S) 의 높이 h 의 산출에는, 상기 서술한 (22) 식에 나타내는 관계식이 사용된다.

최종적으로, 처리 장치 (100) 는, 샘플면의 각 좌표에 있어서의 두께 Δd (x, y) 를 집합시켜, 샘플 (S) 의 형상 프로파일을 산출한다 (스텝 S82).

이상과 같은 처리에 의해, 샘플 (S) 의 표면 형상을 산출할 수 있다.

(c4 : 샘플의 내부 구조의 측정)

샘플 (S) 의 내부 구조의 측정에는, 조명광 (Q) 으로서 근적외선을 사용하는 것이 바람직하다. 조명광 (Q) 으로서 근적외선을 사용함으로써, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 물체광 홀로그램 (U) 은, 샘플 (S) 의 내부 구조를 나타낸다. 샘플 (S) 에 대해 임의의 위치 (기록면으로부터 임의의 거리만큼 떨어진 위치) 에 샘플면을 설정함으로써, 샘플 (S) 의 내부 구조를 측정할 수 있다.

도 11 은, 실시형태 2 에 따르는 광학 측정 시스템 (2) 을 사용한 내부 구조의 측정 방법의 처리 순서를 나타내는 플로 차트이다. 도 11 에 나타내는 처리 순서는, 광원 (10) 으로서 근적외광원이 사용되어도 된다.

도 11 의 플로 차트에 나타내는 순서는, 도 10 에 나타내는 플로 차트에 나타내는 스텝 S78 ∼ S82 의 처리 대신에, 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 의 강도 분포 및/또는 위상 분포를 화상화하는 처리 (스텝 S84) 를 채용한 것이다.

즉, 처리 장치 (100) 는, 진폭 위상 분포 U_Pi (x, y) 를 복소수인 채 적산함으로써, 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 를 산출하고 (스텝 S76), 산출한 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 를 화상화함으로써, 샘플 (S) 의 내부 구조를 가시화한다.

＜D. 처리 장치 (100)＞

(d1 : 하드웨어 구성예)

도 12 는, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 포함되는 처리 장치 (100) 의 하드웨어 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 12 를 참조하여, 처리 장치 (100) 는, 주요한 하드웨어 요소로서, 프로세서 (102) 와, 주메모리 (104) 와, 입력부 (106) 와, 표시부 (108) 와, 스토리지 (110) 와, 인터페이스 (120) 와, 네트워크 인터페이스 (122) 와, 미디어 드라이브 (124) 를 포함한다.

프로세서 (102) 는, 전형적으로는, CPU (Central Processing Unit) 나 GPU (Graphics Processing Unit) 등의 연산 처리부이며, 스토리지 (110) 에 격납되어 있는 1 또는 복수의 프로그램을 주메모리 (104) 에 판독 출력하여 실행한다. 주메모리 (104) 는, DRAM (Dynamic Random Access Memory) 또는 SRAM (Static Random Access Memory) 과 같은 휘발성 메모리이며, 프로세서 (102) 가 프로그램을 실행하기 위한 워킹 메모리로서 기능한다.

입력부 (106) 는, 키보드나 마우스 등을 포함하고, 유저로부터의 조작을 접수한다. 표시부 (108) 는, 프로세서 (102) 에 의한 프로그램의 실행 결과 등을 유저에게 출력한다.

스토리지 (110) 는, 하드 디스크나 플래쉬 메모리 등의 불휘발성 메모리로 이루어지고, 각종 프로그램이나 데이터를 격납한다. 보다 구체적으로는, 스토리지 (110) 는, 오퍼레이팅 시스템 (112) (OS : Operating System) 과, 측정 프로그램 (114) 과, 홀로그램 데이터 (116) 와, 측정 결과 (118) 를 유지한다.

오퍼레이팅 시스템 (112) 은, 프로세서 (102) 가 프로그램을 실행하는 환경을 제공한다. 측정 프로그램 (114) 은, 프로세서 (102) 에 의해 실행됨으로써, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 방법 등을 실현한다. 홀로그램 데이터 (116) 는, 이미지 센서 (D) 로부터 출력되는 이미지 데이터에 상당한다. 측정 결과 (118) 는, 측정 프로그램 (114) 의 실행에 의해 얻어지는 측정 결과를 포함한다.

인터페이스 (120) 는, 처리 장치 (100) 와 이미지 센서 (D) 의 사이에서의 데이터 전송을 중개한다. 네트워크 인터페이스 (122) 는, 처리 장치 (100) 와 외부의 서버 장치의 사이에서의 데이터 전송을 중개한다.

미디어 드라이브 (124) 는, 프로세서 (102) 에서 실행되는 프로그램 등을 격납한 기록 매체 (126) (예를 들어, 광학 디스크 등) 로부터 필요한 데이터를 판독 출력하여, 스토리지 (110) 에 격납한다. 또한, 처리 장치 (100) 에 있어서 실행되는 측정 프로그램 (114) 등은, 기록 매체 (126) 등을 개재하여 인스톨되어도 되고, 네트워크 인터페이스 (122) 등을 개재하여 서버 장치로부터 다운로드되어도 된다.

측정 프로그램 (114) 은, 오퍼레이팅 시스템 (112) 의 일부로서 제공되는 프로그램 모듈 가운데, 필요한 모듈을 소정의 배열로 소정의 타이밍으로 호출하여 처리를 실행시키는 것이어도 된다. 그러한 경우, 당해 모듈을 포함하지 않는 측정 프로그램 (114) 에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 측정 프로그램 (114) 은, 다른 프로그램의 일부에 내장되어 제공되는 것이어도 된다.

또한, 처리 장치 (100) 의 프로세서 (102) 가 프로그램을 실행함으로써 제공되는 기능의 전부 또는 일부를 하드 와이어드 로직 회로 (예를 들어, FPGA (Field-Programmable Gate Array) 나 ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 등) 에 의해 실현되어도 된다.

처리 장치 (100) 의 하드웨어 구성예에 대해서는, 다른 실시형태에 있어서도 동일하므로, 상세한 설명은 반복하지 않는다.

(d2 : 기능 구성예)

도 13 은, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 포함되는 처리 장치 (100) 의 기능 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 13 에 나타내는 각 기능 요소는, 전형적으로는, 처리 장치 (100) 의 프로세서 (102) 가 측정 프로그램 (114) 을 실행함으로써 실현되어도 된다. 또한, 도 13 에 나타내는 기능 구성을 실현하는 하드웨어는 각 시대에 따라 적절한 것이 선택된다.

도 13 을 참조하여, 처리 장치 (100) 는, 주요한 기능 요소로서, 오프액시스 홀로그램 취득 모듈 (150) 과, 조명광 홀로그램 취득 모듈 (152) 과, 물체광 홀로그램 취득 모듈 (154) 과, 홀로그램 재생 모듈 (156) 과, 진폭 위상 분포 산출 모듈 (158) 과, 적산 모듈 (160) 과, 물체광 위상 산출 모듈 (162) 과, 물체 형상 산출 모듈 (164) 과, 화상화 모듈 (166) 과, 조명 각도 제어 모듈 (168) 을 포함한다.

오프액시스 홀로그램 취득 모듈 (150) 은, 인라인 참조광을 기록하는 경우의 광학계가 구성된 상태에서, 이미지 센서 (D) 에 기록되는 홀로그램을 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 으로서 기록한다.

조명광 홀로그램 취득 모듈 (152) 은, 물체광을 기록하는 경우의 광학계가 구성된 상태에서, 이미지 센서 (D) 에 기록되는 조명광 홀로그램 Q_i (x, y) 을 취득한다.

물체광 홀로그램 취득 모듈 (154) 은, 물체광을 기록하는 경우의 광학계가 구성된 상태에서, 이미지 센서 (D) 에 기록되는 물체광 홀로그램 U_i (x, y) 을 취득한다.

조명광 홀로그램 취득 모듈 (152) 및 물체광 홀로그램 취득 모듈 (154) 은, 모두 이미지 센서 (D) 의 검출 신호를 기록할 수 있도록 구성되어 있고, 수동 또는 자동으로 설정되는 상태 신호에 따라, 어느 일방이 유효화된다.

홀로그램 재생 모듈 (156) 은, 조명광 홀로그램 취득 모듈 (152) 이 취득한 조명광 홀로그램 Q_i (x, y) 으로부터 재생용 조명광 홀로그램 (조명광 프로파일 Q_Σi (x, y)) 을 산출함과 함께, 물체광 홀로그램 취득 모듈 (154) 이 취득한 물체광 홀로그램 U_i (x, y) 으로부터 재생용 물체광 홀로그램 U_Σi (x, y) 을 산출한다.

홀로그램 재생 모듈 (156) 은, 조명광 프로파일 Q_Σi (x, y) 및 재생용 물체광 홀로그램 U_Σi (x, y) 을 평면파 전개에 의해 샘플면의 위치까지 전파시켜, 샘플면에 있어서의 조명광 분포 Q_Si (x, y) 및 물체광 분포 U_Si (x, y) 를 산출한다.

진폭 위상 분포 산출 모듈 (158) 은, 물체광 분포 U_Si (x, y) 를 대응하는 조명광 분포 Q_Si (x, y) 로 나눗셈하여, 샘플면에 있어서의 진폭 위상 분포 U_Pi (x, y) 를 산출한다.

적산 모듈 (160) 은, 진폭 위상 분포 U_Pi 를 복소수인 채 적산함으로써, 합성 진폭 위상 분포 U_SA 를 산출한다.

물체광 위상 산출 모듈 (162) 은, 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 의 편각으로부터 위상 변화량 Δθ (x, y) 을 산출한다.

물체 형상 산출 모듈 (164) 은, 위상 변화량 Δθ (x, y) 을 사용하여, 샘플 (S) 의 표면 형상을 특정하는 정보 (두께나 굴절률 등) 를 산출한다. 물체 형상 산출 모듈 (164) 은, 산출 결과를 샘플 (S) 의 형상 정보로서 출력한다.

화상화 모듈 (166) 은, 합성 진폭 위상 분포 U_SA (x, y) 의 강도 분포 및/또는 위상 분포를 화상화한다.

조명 각도 제어 모듈 (168) 은, 설정에 따라서, 가동 미러 (MM) 가 실현해야 할 조명 각도의 종류 및 수를 결정한다. 조명 각도 제어 모듈 (168) 은, 홀로그램 재생 모듈 (156) 등과 연계하여, 목적으로 하는 조명 각도를 실현할 수 있도록, 가동 미러 (MM) 를 구동한다.

(d3 : 유저 인터페이스)

다음으로, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템이 실현하는 조명 각도의 설정에 관련된 유저 인터페이스의 일례에 대해 설명한다.

도 14 는, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 있어서 제공되는 유저 인터페이스 화면의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 14 에 나타내는 유저 인터페이스 화면 (170) 은, 전형적으로는, 처리 장치 (100) 의 표시부 (108) 상에 표시된다. 즉, 처리 장치 (100) 는, 조명광 (Q) (제 1 광) 으로 조명하는 형태의 수의 설정을 접수하는 유저 인터페이스 화면 (170) 을 제공한다.

유저 인터페이스 화면 (170) 은, 조명 각도의 수를 입력하는 입력란 (172) 과, SN 비의 향상의 정도를 나타내는 표시란 (174) 과, 측정에 필요로 하는 시간을 나타내는 표시란 (176) 을 포함한다.

입력란 (172) 에는, 변화시키는 조명 각도의 수 (상기 서술한 i 와 같이) 의 설정을 접수한다. 처리 장치 (100) 는, 설정된 조명 각도의 수에 기초하여, SN 비의 향상의 정도를 산출하여, 표시란 (174) 에 표시함과 함께, 측정에 필요로 하는 시간을 산출하여, 표시란 (176) 에 표시한다.

유저는, 유저 인터페이스 화면 (170) 에 표시되는, 측정 결과의 품질 (SN 비) 및 허용되는 택트 타임 등을 고려하여, 조명 각도의 수를 설정한다. 또한, 요구되는 품질 및 허용되는 택트 타임 등을 입력하면, 적절한 조명 각도의 수를 서제스트하도록 해도 된다.

도 14 에 나타내는 바와 같은 유저 인터페이스 화면 (170) 을 개재하여, 조명 각도의 수가 설정되어도 된다.

＜E. 측정예＞

다음으로, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 의한 측정예를 나타낸다.

도 15 는, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 의한 표면 형상의 측정예를 나타내는 도면이다. 도 15 에는, 도 9 에 나타내는 반사형 광학계를 채용하는 광학 측정 시스템 (2) 을 사용하여 기록한 USAF 1951 테스트 타깃 표면 (샘플면) 의 진폭 위상 분포의 예를 나타낸다. 광원 (10) 으로는, 532 ㎚ 에 피크 파장을 갖는 가시광원을 사용하였다.

도 15 (A) 및 도 15 (C) 에는, 진폭 위상 분포의 강도 분포를 나타내고, 도 15 (B) 및 도 15 (D) 에는, 진폭 위상 분포의 위상 분포를 나타낸다.

도 15 (A) 및 도 15 (B) 에는, 조명광의 조명 각도를 단일하게 하여 기록한 진폭 위상 분포 (U_P1) 를 나타낸다. 한편, 도 15 (C) 및 도 15 (D) 에는, 조명광의 조명 각도를 500 종류로 변화시켜 기록한 진폭 위상 분포 (합성 진폭 위상 분포 (U_SA)) 를 나타낸다. 즉, 도 15 (C) 및 도 15 (D) 에는, 상기 서술한 바와 같은 진폭 위상 분포 (U_Pi) (i=500) 를 복소수인 채 적산함으로써 산출된 합성 진폭 위상 분포 (U_SA) 의 예를 나타낸다.

도 15 (A) 및 도 15 (B) 에 나타내는 측정예에 있어서는, 조명광에 포함되는 회절광의 영향을 받아, 재생한 이미지가 열화되어 있는 것을 알 수 있다. 특히, 도 15 (B) 에 위상 분포에 있어서는, 테스트 타깃에 포함되는 패턴의 형상이 불명료하게 되어 있다.

이에 대하여, 복수의 진폭 위상 분포 (U_Pi) 를 복소수인 채 적산함으로써, 조명광에 포함되는 회절광의 영향을 억제할 수 있어, 패턴의 형상뿐만 아니라, 테스트 타깃 표면에 부착된 오염도 포함하여 명료하게 가시화되어 있는 것을 알 수 있다.

도 16 은, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템에 의한 내부 구조상의 측정예를 나타내는 도면이다. 도 16 에는, 도 1 에 나타내는 반사형 광학계를 채용하는 광학 측정 시스템 (1) 을 사용하여 기록한 실리콘 웨이퍼 표면으로부터 600 ㎛ 로 설정한 샘플면의 진폭 위상 분포의 예를 나타낸다. 광원 (10) 으로는, 1030 ㎚ 에 피크 파장을 갖는 근적외광원을 사용하였다. 또한, 샘플면에는, 내부 크랙이 존재하고 있다.

도 16 (A) 에는, 조명광의 조명 각도를 단일하게 하여 기록한 진폭 위상 분포 (U_P1) 의 위상 분포를 나타낸다. 한편, 도 16 (B) 에는, 조명광의 조명 각도를 32 종류로 변화시켜 기록한 진폭 위상 분포 (합성 진폭 위상 분포 (U_SA)) 의 위상 분포를 나타낸다. 즉, 도 16 (B) 에는, 상기 서술한 바와 같은 진폭 위상 분포 (U_Pi) (i=32) 를 복소수인 채 적산함으로써 산출된 합성 진폭 위상 분포 (U_SA) 의 예를 나타낸다.

도 16 (A) 에 나타내는 측정예에 있어서는, 조명광에 포함되는 회절광에 의한 스펙트럼 노이즈의 영향을 받아 재생한 이미지가 열화되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 도 16 (B) 에 나타내는 바와 같이, 복수의 진폭 위상 분포 (U_Pi) 를 복소수인 채 적산함으로써, 조명광에 포함되는 회절광에 의한 스펙트럼 노이즈의 영향을 억제할 수 있어, 크랙의 존재가 명료하게 가시화될 뿐만 아니라, 크랙의 형상도 명료하게 가시화되어 있는 것을 알 수 있다.

도 15 및 도 16 에 나타내는 바와 같이, 복수의 진폭 위상 분포 (U_Pi) 를 복소수인 채 적산하여 합성 진폭 위상 분포 (U_SA) 를 산출함으로써, 노이즈를 저감하여, 재생되는 이미지의 품질을 향상시킬 수 있다.

＜F. 복합 구성＞

샘플 (S) 로서 실리콘 웨이퍼를 상정했을 경우에 있어서, 표면 형상 및 내부 구조의 양방을 측정하기 위해서는, 반사형의 광학 측정 시스템 (2) (도 9 (B) 참조) 과 투과형의 광학 측정 시스템 (1) (도 1 (B) 참조) 을 조합한 복합 구성을 채용할 수 있다.

도 17 은, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템의 복합 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 17 을 참조하여, 본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 투과광으로부터 물체광 홀로그램 (제 1 홀로그램) 을 생성하는 제 1 구성 (도 17 (B) 참조) 과, 샘플 (S) 을 조명광 (Q) 으로 조명하여 얻어지는 반사광으로부터 물체광 홀로그램 (제 1 홀로그램) 을 생성하는 제 2 구성 (도 17 (A) 참조) 의 사이에서 변경 가능하게 되어 있다.

도 17 (A) 를 참조하여, 가시광은, 실리콘 웨이퍼를 투과하지 않기 때문에, 반사형의 광학 측정 시스템 (2) 에 광원 (10) 으로서 가시광원을 사용하여, 표면 형상을 측정한다. 즉, 처리 장치 (100) 는, 가시광을 발생하는 가시광원과 도 17 (A) 를 조합했을 때에 기록되는 물체광 홀로그램에 기초하여 샘플 (S) 의 표면 형상을 측정한다.

도 17 (B) 를 참조하여, 근적외선은, 실리콘 웨이퍼를 투과하므로, 투과형의 광학 측정 시스템 (1) 에 광원 (10) 으로서 근적외광원을 사용하여, 내부 구조를 측정한다. 즉, 처리 장치 (100) 는, 근적외선을 발생하는 근적외광원과 도 17 (B) 를 조합했을 때에 기록되는 물체광 홀로그램에 기초하여 샘플 (S) 의 내부 구조를 측정한다.

도 17 에 나타내는 바와 같이, 반사형의 광학 측정 시스템 (2) 및 투과형의 광학 측정 시스템 (1) 을 사용하여, 실리콘 웨이퍼의 표면 형상 및 내부 구조를 측정할 수 있다.

＜G. 다른 실시형태＞

상기 서술한 바와 같이, 오프액시스 홀로그램 (I_LR) 을 취득하는 처리 (도 7및 도 8 의 스텝 S2 및 S4 의 처리, 그리고, 도 10 및 도 11 의 스텝 S52 및 S54 의 처리) 는, 재생 이미지의 정확도를 향상시키기 위한 것이며, 상대적으로 높은 정확도가 요구되지 않는 경우에는 생략해도 된다.

오프액시스 홀로그램 (I_LR) 을 취득하지 않는 경우에는, 상기 서술한 (8) 식에 따르는 산출 처리는 행해지지 않고, (7) 식에 나타내는 복소 진폭 오프액시스 홀로그램 (J_OR) 을 그대로 물체광 홀로그램 U (x, y) 으로 하면 된다.

혹은, (7) 식에 나타내는 복소 진폭 오프액시스 홀로그램 J_OR 을 오프액시스 참조광 (R) 의 성분 (=R₀exp (iφ_R)) 을 제거한 다음에, 물체광 홀로그램 U (x, y) 으로 해도 된다. 오프액시스 참조광 (R) 을 제거하는 경우에는, (7) 식에 나타나는 복소 진폭 오프액시스 홀로그램 J_OR 을 오프액시스 참조광 (R) 의 복소 공액으로 나눗셈하면 된다. 오프액시스 참조광 (R) 의 분포는, 오프액시스 참조광 (R) 의 점광원의 물리적 배치에 기초하여, 구면파의 해석해로부터 계산하는 등의 방법으로 구해진다.

또한, 오프액시스 홀로그램 I_LR 을 취득하지 않는 경우에는, 상기 서술한 (8) 식에 더해, (4) 식, (6) 식, (9) 식은 사용되지 않는다.

＜H. 변형예＞

상기 서술한 광학계는 일례이며, 요구되는 사양이나 스페이스 등의 제약에 따라, 광학적으로 등가인 임의의 변경을 행할 수 있다. 예를 들어, 단일의 렌즈를 조렌즈로 변경해도 되고, 미러 대신에 임의의 반사 부재를 사용할 수 있다.

또, 상기 서술한 설명에 있어서는, 처리 장치 (100) 가 샘플 (S) 의 표면 형상 및/또는 내부 구조에 측정에 관련된 연산 처리를 실행하는 실장예에 대해 예시했지만, 이것으로 한정되지 않고 임의의 실장 형태를 채용할 수 있다. 예를 들어, 처리 장치 (100) 가 담당하는 처리의 일부 또는 전부를 클라우드 상의 컴퓨팅 리소스를 사용하도록 해도 된다.

또, 상기 서술한 설명에 있어서는, 실리콘 웨이퍼 등의 샘플 (S) 을 측정하는 경우에 대해 주로 설명했지만, 측정 대상의 샘플 (S) 은 한정되는 경우는 없다. 즉, SN 비의 향상이 요구되는 임의의 샘플 (S) 의 측정에 대해, 상기 서술한 바와 같은, 진폭 위상 분포 (U_Pi) 를 복소수인 채 적산함으로써 합성 진폭 위상 분포 (U_SA) 를 산출하는 처리를 적용할 수 있다.

＜I. 정리＞

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 샘플의 종류 및 측정 목적에 따라, 샘플을 조명하는 광을 근적외선 및 가시광에서 선택할 수 있다. 또한, 실리콘 베이스의 이미지 센서 (D) 를 채용함으로써, 가시광에 더해 근적외선에도 수광 감도를 갖고 있기 때문에, 교환 등은 불필요하다. 이와 같은 광원 및 이미지 센서의 조합을 채용함으로써, 실리콘 웨이퍼 등의 샘플에 대해, 표면 형상 및 내부 구조를 측정할 수 있다.

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 물체광의 위상 정보를 사용하여, 샘플의 표면 형상 및 내부 구조를 측정하므로, 안깊이 분해능 (z 축상의 분해능) 이 초점 심도에 제한되는 경우가 없고, ㎚ 오더로 샘플을 측정할 수 있다. 이 때, 매질의 굴절률을 고려한 회절 계산에 의해, 샘플의 내부 구조를 고분해능으로 관찰할 수 있다. 그 결과, 샘플 내의 ㎚ 오더의 결함을 검출할 수도 있다.

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 디지털 홀로그래피에 의해 얻어지는 광파 분포로부터 임의의 거리에 있는 이미지를 재생할 수 있으므로, 수직 주사 기구 등이 불필요해진다.

본 실시형태에 따르는 광학 측정 시스템은, 조명광으로 조명하는 형태 (조명 각도) 마다 산출된 진폭 위상 분포를 복소수인 채 적산함으로써 합성 진폭 위상 분포를 산출한다. 조명광으로 조명하는 형태 (조명 각도) 를 다르게 하면서, 진폭 위상 분포를 복소수인 채 적산함으로써, 노이즈를 저감하여 SN 비를 향상시킬 수 있다.

본 실시형태에 따르는 광학 측정 장치에 있어서는, 샘플을 조명광으로 조명하는 범위를 소정 범위로 제한함으로써, 물체광의 정보를 포함하는 성분과, 광 강도 성분 및 공액 광 성분의 사이에서, 푸리에 공간 (공간 주파수 영역) 에 있어서의 중복을 회피할 수 있다. 이 결과, 성분간의 중복에 의한 노이즈를 억제할 수 있어, 보다 고정밀도의 측정을 실현할 수 있다.

이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시일 뿐 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 설명이 아니고, 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1, 2 : 광학 측정 시스템
10 : 광원
20 : 결상 광학계
30, 32 : 측정용 광학계
100 : 처리 장치
102 : 프로세서
104 : 주메모리
106 : 입력부
108 : 표시부
110 : 스토리지
112 : 오퍼레이팅 시스템
114 : 측정 프로그램
116 : 홀로그램 데이터
118 : 측정 결과
120 : 인터페이스
122 : 네트워크 인터페이스
124 : 미디어 드라이브
126 : 기록 매체
150 : 오프액시스 홀로그램 취득 모듈
152 : 조명광 홀로그램 취득 모듈
154 : 물체광 홀로그램 취득 모듈
156 : 홀로그램 재생 모듈
158 : 진폭 위상 분포 산출 모듈
160 : 적산 모듈
162 : 물체광 위상 산출 모듈
164 : 물체 형상 산출 모듈
166 : 화상화 모듈
168 : 조명 각도 제어 모듈
170 : 유저 인터페이스 화면
172 : 입력란
174, 176 : 표시란
A1, A2 : 마스크
BE : 빔 익스팬더
BS1, BS2 : 빔 스플리터
D : 이미지 센서
L : 인라인 참조광
L1, L2, L3, L4, L21, L22, L31, L32 : 렌즈
M1 : 미러
MO : 대물 렌즈
P : 핀홀
S : 샘플
SP1, SP2 : 개구 패턴

Claims (13)

1. 근적외선을 발생하는 제 1 광원과,
   실리콘 베이스의 이미지 센서와,
   상기 제 1 광원으로부터의 광을 제 1 광 및 제 2 광으로 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 광학계를 구비하고,
   상기 광학계는, 샘플을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 광을, 발산광인 상기 제 2 광으로 변조한 제 1 홀로그램을 상기 이미지 센서로 기록하도록 구성되어 있는, 광학 측정 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 광학계는, 상기 샘플을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 투과광으로부터 상기 제 1 홀로그램을 생성하고,
   상기 광학계에 있어서, 상기 샘플 대신에, 상기 샘플에 포함되는 측정 대상외인 기판을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 투과광으로부터 제 2 홀로그램이 기록되는, 광학 측정 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 광학계는, 상기 샘플을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 반사광으로부터 상기 제 1 홀로그램을 생성하고,
   상기 광학계에 있어서, 상기 샘플 대신에, 기준 참조면을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 반사광으로부터 제 2 홀로그램이 기록되는, 광학 측정 시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광학 측정 시스템은,
   가시광을 발생하는 제 2 광원과,
   처리 장치를 추가로 구비하고,
   상기 광학계는, 상기 샘플을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 투과광으로부터 상기 제 1 홀로그램을 생성하는 제 1 구성과, 상기 샘플을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 반사광으로부터 상기 제 1 홀로그램을 생성하는 제 2 구성의 사이에서 변경 가능하고,
   상기 처리 장치는,
   상기 제 1 광원과 상기 광학계의 상기 제 1 구성을 조합했을 때에 기록되는 상기 제 1 홀로그램에 기초하여 상기 샘플의 내부 구조를 측정하고,
   상기 제 2 광원과 상기 광학계의 상기 제 2 구성을 조합했을 때에 기록되는 상기 제 1 홀로그램에 기초하여 상기 샘플의 표면 형상을 측정하도록 구성되어 있는, 광학 측정 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광학계는, 오프액시스 홀로그래피의 광학계인, 광학 측정 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광학계는, 상기 이미지 센서로 기록되는 홀로그램의 공간 주파수 영역에 있어서, 상기 제 1 광에 대응하는 성분과 상기 제 1 광에 대응하는 성분 이외의 성분이 중복되지 않도록, 상기 샘플을 상기 제 1 광으로 조명하는 범위의 크기를 제한하는 제한부를 포함하는, 광학 측정 시스템.
7. 근적외선을 발생하는 제 1 광원으로부터의 광을 제 1 광 및 제 2 광으로 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 광학계를 사용한 광학 측정 방법으로서,
   샘플을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 광을, 발산광인 상기 제 2 광으로 변조한 제 1 홀로그램을 실리콘 베이스의 이미지 센서로 기록하는 스텝과,
   상기 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 상기 제 1 광을 상기 제 2 광으로 변조한 제 2 홀로그램을 상기 이미지 센서로 기록하는 스텝을 구비하는, 광학 측정 방법.
8. 광원과,
   상기 광원으로부터의 광을 제 1 광 및 제 2 광으로 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 광학계와,
   상기 광학계에 의해 생성되는 홀로그램을 기록하는 이미지 센서와,
   샘플을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 광을, 상기 제 2 광으로 변조한 제 1 홀로그램과, 상기 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 상기 제 1 광을 상기 제 2 광으로 변조한 제 2 홀로그램에 기초하여, 상기 샘플의 주목하고 있는 면인 샘플면에 있어서의 진폭 위상 분포를 산출하는 처리 장치를 구비하고,
   상기 광학계는, 상기 제 1 광으로 조명하는 형태를 변화시키는 기구를 포함하고,
   상기 처리 장치는, 상기 제 1 광으로 조명하는 형태마다 산출된 진폭 위상 분포를 복소수인 채 적산함으로써 합성 진폭 위상 분포를 산출하도록 구성되어 있는, 광학 측정 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 기구는, 상기 제 1 광을 조명하는 각도를 변화시키는, 광학 측정 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기구는, 상기 제 1 광의 입사 각도를 일정하게 하면서, 방위각을 변화시키는, 광학 측정 시스템.
11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학계는, 상기 이미지 센서로 기록되는 홀로그램의 공간 주파수 영역에 있어서, 상기 제 1 광에 대응하는 성분과 상기 제 1 광에 대응하는 성분 이외의 성분이 중복되지 않도록, 상기 샘플을 상기 제 1 광으로 조명하는 범위의 크기를 제한하는 제한부를 포함하는, 광학 측정 시스템.
12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 상기 제 1 광으로 조명하는 형태의 수의 설정을 접수하는 유저 인터페이스 화면을 제공하는, 광학 측정 시스템.
13. 광원으로부터의 광을 제 1 광 및 제 2 광으로 분기하는 빔 스플리터를 포함하는 광학계를 사용한 광학 측정 방법으로서,
    샘플을 상기 제 1 광으로 조명하여 얻어지는 광을, 상기 제 2 광으로 변조한 제 1 홀로그램을 이미지 센서로 기록하는 스텝과,
    상기 샘플이 존재하지 않는 상태에서, 상기 제 1 광을 상기 제 2 광으로 변조한 제 2 홀로그램을 이미지 센서로 기록하는 스텝과,
    상기 제 1 광으로 조명하는 형태를 변화시키는 스텝과,
    상기 제 1 광으로 조명하는 형태마다, 상기 제 1 홀로그램과 상기 제 2 홀로그램에 기초하여, 상기 샘플의 주목하고 있는 면인 샘플면에 있어서의 진폭 위상 분포를 산출하는 스텝과,
    상기 제 1 광으로 조명하는 형태의 각각에 대해 산출된 상기 진폭 위상 분포를 복소수인 채 적산함으로써 합성 진폭 위상 분포를 산출하는 스텝을 구비하는, 광학 측정 방법.

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