WO2009125709A1 - 分光光学系および分光測定装置 - Google Patents

分光光学系および分光測定装置 Download PDF

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lens
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spectroscopic
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恵子 岡
康裕 吉武
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic optical system and a spectroscopic measurement apparatus, and more particularly to a technique effective when applied to a spectroscopic optical system and a spectroscopic measurement apparatus that perform broadband color correction by a Schupmann optical system arrangement using a refractive / diffractive lens. is there.
  • a spectroscopic measurement using a broadband wavelength in the DUV-UV (200 nm to 400 nm) region, where the difference in spectral reflectance is large and the structural difference can be easily grasped is required.
  • the lens system needs to be corrected for chromatic aberration when using a broadband wavelength and a plurality of wavelengths.
  • chromatic aberration there is a method using a reflective optical system or a refractive optical system.
  • a spectroscopic optical system for the ultraviolet region including a Schwarzschild type color correction lens system is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-127830 (Patent Document 1).
  • the number of lenses of the projection exposure lens is minimized, and the wavelengths of 157 nm and 193 nm for the purpose of high numerical aperture and wide field of view are configured in the target Schupmann optical system.
  • An optical system is described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-221950 (Patent Document 2).
  • the reflection type optical system described in Patent Document 1 that is composed of the Schwarzschild type can perform broadband color correction.
  • it is necessary to configure the optical system so that it is in one direction with respect to the repetitive pattern on the sample with an opening. The reason for this is to prevent the spectral waveform from being greatly changed due to the difference in the incident angle with respect to the direction of the repetitive pattern and being unable to correspond to the spectral waveform held in the library which is a database of simulation spectral waveforms. .
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a situation in which positional displacement occurs due to vertical vibration of the sample surface in the case of oblique incidence illumination.
  • the oblique incidence illumination 1010 there is a problem that the sample surface oscillates up and down due to continuous scanning (samples 101 and 101 ′), and the scanning target position shifts (scanning target positions 1011 and 1012). .
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a situation in which the positional deviation due to vertical vibration of the sample surface is reduced in the case of vertical epi-illumination.
  • the refractive and refractive / reflective optical systems described in Patent Document 2 are optical systems that support single wavelengths of 157 nm and 193 nm, and have a problem that they do not support broadband color correction.
  • the refracting / diffractive optical system for wavelength of 550 nm to 650 nm for a stepper described in Patent Document 3 has an object-side imaging lens, a field lens on its imaging surface, and a relay lens behind it In addition, by providing the relay lens system with a diffractive lens, vertical epi-illumination and broadband color correction are possible.
  • the refractive / diffractive optical system described in Patent Document 3 has a problem that it does not support broadband color correction in the DUV-UV (200 nm to 400 nm) region.
  • usable glass materials are limited to synthetic quartz and fluorite, so it is difficult to configure the optical system to perform broadband color correction in the DUV-UV region. is there.
  • an object of the present invention is to enable the vertical epi-illumination 1110 shown in FIG. 11 by the spectroscopic optical system arranged in the Schupmann optical system using a refractive / diffractive lens, and to perform broadband color correction in the DUV-UV region. It is an object of the present invention to provide a spectroscopic optical system and a spectroscopic measurement apparatus that can perform the above.
  • a spectroscopic optical system is composed of a refractive / diffractive optical system so that vertical epi-illumination is possible, and is disposed on an imaging lens system and an imaging surface of the imaging lens system.
  • the field lens system is composed of two or more lenses, and the lens is arranged at a predetermined distance from one of them.
  • an imaging lens system a field lens system disposed on an imaging surface of the imaging lens system, and a relay lens system that forms an image of the field lens system on a spectroscope
  • the lateral chromatic aberration can be corrected.
  • either one of the relay lens system and the imaging lens system is provided with a diffractive lens, and the field lens system is composed of two or more lenses, and the lens is arranged at a predetermined distance from one of them. This makes it possible to correct longitudinal chromatic aberration. As a result, broadband color correction in the DUV-UV (200 nm to 400 nm) region becomes possible.
  • FIG. It is a figure which shows the example of the structure of a diffraction type lens. It is the figure explaining the outline
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a spectroscopic optical system according to an embodiment of the present invention.
  • the spectroscopic optical system includes an illumination optical system and a detection optical system.
  • the illumination optical system includes a light source 110 that irradiates illumination light, a field stop 111, and a folding member 120. Further, the relay lens system 140 has a diffractive lens 130 and forms an image on the field stop 111. The image forming surface of the relay lens system 140 is composed of two or more refractive lenses, and a lens is set at a predetermined position in one of them. And a field lens system 150 that images the field lens system 150 on the sample 101. With this configuration, the illumination light emitted from the light source 110 is vertically reflected on the sample 101 on the stage via the relay lens system 140, the field lens system 150, and the imaging lens system 160.
  • the detection optical system includes an imaging lens system 160 in which specularly reflected light from the sample 101 on the stage forms an image of the sample 101, and two or more refractive lenses on the imaging surface of the imaging lens system 160.
  • a field lens system 150 in which lenses are arranged at a predetermined distance apart from each other, and a relay lens system 140 having a diffractive lens 130 and imaging the field lens system 150 on a spectroscope 170;
  • specularly reflected light from the sample 101 is received by the spectroscope 170 via the imaging lens system 160, the field lens system 150, and the relay lens system 140.
  • the sample surface of the sample 101 and the incident surface of the spectroscope 170 have a conjugate relationship.
  • FIG. 2A is a perspective view schematically showing a patterned medium used as the sample 101.
  • the patterned medium 200 is a recording medium in which magnetic particles are artificially regularly arranged on a disk.
  • the patterned medium 200 is a magnetic storage medium used in a hard disk device or the like.
  • On the surface of the patterned medium 200 for example, there are a data unit 210 for writing user data and a servo unit 220 for tracking control and data access control including burst signals, addresses, preambles, and the like.
  • the arrangement of the data part 210 and the servo part 220 on the disk surface is schematically shown by lines.
  • FIG. 2B is an enlarged plan view showing an example of the pattern of the data part 210 and the servo part 220 in the patterned medium 200 of FIG. 2A.
  • the magnetic thin film pattern on the convex portion of the substrate subjected to the uneven processing corresponds to the servo pattern of the patterned medium 200.
  • the servo unit 221 includes a burst signal 222 for performing tracking control.
  • a magnetic thin film forming a continuous track in the circumferential direction is formed in a state separated by a concave portion. This type of patterned media 200 is called a discrete track media.
  • FIG. 2C is a plan view showing an enlarged pattern example of the data part 210 and the servo part 220 in the patterned medium 200 of FIG. 2A.
  • the magnetic thin film forming the data bit is formed in a state separated by the concave portion.
  • This type of patterned media 200 is called bit patterned media.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a hard disk inspection apparatus using the spectroscopic optical system of the present embodiment.
  • the hard disk inspection apparatus includes a spectroscopic optical system 300 that irradiates a sample 101 with illumination light and spectrally detects specularly reflected light from the sample 101, and the sample 101 to be inspected, and performs spectroscopic analysis at an arbitrary position on the sample 101.
  • a stage unit 310 that can move the position of the sample 101 relative to the spectroscopic optical system 300, a control unit 320 that controls the operation of the spectroscope 170 and the stage unit 310, and the spectroscope 170 so that detection is possible.
  • a data processing unit 330 that detects the shape or shape abnormality of the pattern formed on the sample 101 on the basis of the spectral waveform data detected in step (1).
  • the spectroscopic optical system 300 has the same configuration as the spectroscopic optical system shown in FIG. At this time, if the position of the entrance of the spectroscope 170 is set as the image formation position, the size of the region to be spectrally detected in the sample 101 can be controlled by the size of the entrance. For example, when the size of the entrance is ⁇ 200 ⁇ m and the magnification on the image plane is 20 times, the size of the spectral detection region is ⁇ 10 ⁇ m on the inspection target disk (sample 101).
  • the applicable optical elements are limited.
  • a xenon lamp, a deuterium lamp, or the like that emits light having a wavelength of about 200 nm or more can be used. However, depending on the sample 101, sufficient performance may be exhibited even at a wavelength of about 400 nm or more. In that case, a light source 110 that emits infrared light from visible light such as a halogen lamp may be used.
  • an object 401 forms an imaging lens 460 that forms an image of the sample 101 (object 401), a field lens 450 disposed on the imaging surface of the imaging lens 460, and a field lens.
  • the image is formed on the image surface 402 via the relay lens 440 that forms an image 450 on the image surface 402.
  • the principal ray 403 passes through the center of the imaging lens 460, the edge of the field lens 450, and the center of the relay lens 440 and forms an image on the image plane 402.
  • the peripheral ray 404 passes through the edge of the imaging lens 460, the center of the field lens 450, and the edge of the relay lens 440. Therefore, the lateral chromatic aberration correction can be expressed by the following equation.
  • v 1, v 2, v 3, ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, h p, 1, h p, 2, h p, 3, h m, 1, h m, 2, h m, 3 are the Abbe number, refractive power, image height of principal ray 403, and image height of peripheral ray 404, respectively, of imaging lens 460, field lens 450, and relay lens 440.
  • the two formulas are as follows.
  • the image heights hm , 1 , hm , 3 of the peripheral rays 404 of the imaging lens 460 and the relay lens 440 are the distance B between the imaging lens 460 and the field lens 450, and the field lens 450 and the relay lens 440. Therefore, the following equation is established.
  • the refractive powers ⁇ 1 and ⁇ 3 of the imaging lens 460 and the relay lens 440 are expressed by a refractive index n ( ⁇ ) and a radius of curvature r as in the following equations.
  • the Abbe numbers v 1 and v 3 of the imaging lens 460 and the relay lens 440 are expressed by the following formula from the formula 5.
  • Equation 4 Equation 4
  • Equation 6 Equation 3
  • Equation 1 is automatically established as described above, and lateral chromatic aberration is automatically corrected. Therefore, an optical system that satisfies Equation 7 for correcting longitudinal chromatic aberration will be examined.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the refractive power characteristic of the lens with respect to the wavelength.
  • the imaging lens 460 has a theoretical curve 501 with a larger refractive power ⁇ 1 ( ⁇ ) as the wavelength is shorter, while the relay lens 440 is as the longer wavelength. It is necessary to have a theoretical curve 502 with a large refractive power ⁇ 3 ( ⁇ ).
  • the relay lens 440 has a theoretical curve 501 of larger refractive power ⁇ 1 ( ⁇ ) as the shorter wavelength, while the imaging lens 460 has a theoretical curve 502 of larger refractive power ⁇ 3 ( ⁇ ) as the longer wavelength.
  • FIG. 6 is a diagram showing refractive power characteristics with respect to wavelengths of the refractive lens 610 and the diffractive lens 620.
  • the focal length of the short wavelength 611 is short and the focal length of the long wavelength 612 is long.
  • the diffractive lens 620 shown in FIG. 6B the focal length of the short wavelength 621 is long and the focal length of the long wavelength 622 is short. That is, the refractive lens 610 and the diffractive lens 620 have opposite refractive power characteristics with respect to the wavelength.
  • Formula 7 can be established by a hybrid lens in which the refractive lens 610 and the diffractive lens 620 are combined.
  • a refractive lens is used for the imaging lens system 160
  • a diffractive lens 130 is used for the relay lens system 140 in addition to the refractive lens, thereby forming a hybrid lens configuration.
  • a refractive lens is used for the relay lens system 140, and the imaging lens is used.
  • the system 160 may have a diffractive lens 130.
  • the lens of the field lens system 150 is composed of two or more lenses, and the lens is placed at a predetermined distance at one of the lenses. Place them apart.
  • FIG. 7 shows a lens interval (horizontal axis) when two lenses of the field lens system 150 are arranged at an interval, and a color shift (vertical) of a wavelength in the DUV-UV (200 nm to 400 nm) region in the illumination field of view. It is the figure which showed what computed the relationship with an axis
  • the overall color shift can be obtained from the following equation.
  • ⁇ x is the color shift (%) of each wavelength
  • Max. (X ⁇ ) is the maximum width of color shifts at each wavelength ⁇
  • Min. (X ⁇ ) is the minimum width of color shifts of each wavelength ⁇
  • Ave. (X ⁇ ) represents the average width of color shifts at each wavelength ⁇ .
  • the color shift of the wavelength is divided by 2 in order to evaluate on one side.
  • the lens of the field lens system 150 is composed of two or more lenses, and at one of the lenses, the lenses are arranged at an interval that minimizes the color shift of the wavelength in the DUV-UV region on the illumination field. This makes it possible to correct longitudinal chromatic aberration in the DUV-UV region.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the structure of a diffractive lens.
  • the diffractive lenses 810 and 820 in the diffractive lenses 810 and 820, the continuous paraboloid of the spherical surface 811 shown in FIG. 8A or the aspherical surface 821 shown in FIG. By subtracting (a multiple of 2 ⁇ ), a undulating shape having a discontinuous phase distribution is formed.
  • ⁇ 0 represents the design wavelength
  • f represents the focal length
  • ⁇ 0 is the design wavelength
  • n is the refractive index of the diffractive lens.
  • the shape of the diffractive lens 810 can be designed by giving parameters of the design wavelength ⁇ 0 , the focal length f, and the refractive index n according to the equations 9 and 10.
  • a stage unit 310 includes an X stage 311 that moves in a direction parallel to the sample surface of the sample 101, a Z stage 312 that moves in a direction perpendicular to the sample surface of the sample 101, and a disk (patterned media) of the sample 101. 200) is rotated by a ⁇ stage 313.
  • the Z stage 312 is for moving the sample 101 to the focus position of the spectroscopic optical system 300, and the X stage 311 and the ⁇ stage 313 move the spectroscopic optical system 300 to an arbitrary position on the sample surface of the sample 101. Is for.
  • the sample 101 is a disk, and the pattern on the sample surface is formed concentrically or concentrically. Therefore, the X ⁇ stage is more suitable. Furthermore, when the purpose is to inspect the entire surface of the disk at high speed, the X ⁇ stage is more suitable than the XY stage because the operation is simpler. Therefore, the hard disk inspection apparatus according to the present embodiment adopts the X ⁇ stage configuration of the X stage 311 and the ⁇ stage 313.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an outline of processing in the data processing unit 330.
  • the data processing unit 330 roughly executes the following two processes. One is calculation of spectral reflectance, and the other is pattern shape / defect detection processing. As described above, in the hard disk inspection device of the present embodiment, the pattern shape / defect of the sample 101 is detected based on the spectral reflectance on the surface of the sample 101.
  • the spectroscopic optical system 300 can detect the spectral intensity distribution on the surface of the sample 101. Therefore, an optical simulation is performed on the sample 101 having different pattern shapes 910 in advance, and the calculated wavelength dependence graph 920 of the spectral reflectance is stored in the database 940. Next, illumination light from the light source 110 is irradiated through the spectroscopic optical system 300 onto the sample surface of the sample 101 on which the pattern is repeatedly formed, and specular reflection light from the sample surface is received by the spectroscope 170.
  • the data processing unit 330 obtains a wavelength dependence graph 930 of the spectral reflectance based on the spectral intensity distribution detected by the spectroscope 170. Finally, from the wavelength dependence graph 920 of the spectral reflectance calculated by optical simulation stored in the database 940, an approximation to the wavelength dependence graph 930 of the spectral reflectance obtained by measurement, By selecting the spectral reflectance waveform comparison 950, the shape of the sample surface of the sample 101 can be specified.
  • the imaging lens system 160 composed of a refractive lens, the field lens system 150 arranged on the imaging surface of the imaging lens system 160,
  • the relay lens system 140 includes a diffractive lens 130, and the field lens system 150 is composed of two or more lenses, and the lens is arranged at a predetermined distance from one of them, thereby correcting longitudinal chromatic aberration. This makes it possible to perform broadband color correction of wavelengths in the DUV-UV region.
  • the vertical epi-illumination reduces the positional shift due to defocus, which is a problem in the oblique incidence illumination of the reflective optical system.
  • the broadband color correction makes the illumination position for each wavelength coincide and enables high-precision spectroscopic measurement (structure, film thickness measurement, etc.).
  • the spectroscopic optical system 300 and the spectroscopic measurement apparatus are configured to detect the pattern shape / defect on the surface of the patterned medium 200 by spectroscopic measurement.
  • the structure can be detected by spectral reflectance matching in the data processing unit 330.
  • the present invention can be used not only for the structure of the surface of the sample 101 but also for measuring the thickness of a thin film by spectroscopic measurement.
  • the spectroscopic optical system and spectroscopic measurement apparatus of the present invention can be used for a spectroscopic optical system and a spectroscopic measurement apparatus that perform broadband color correction by using a Schupmann optical system arrangement using a refractive / diffractive lens.

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Abstract

　屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系で配置される分光光学系により垂直落射照明を可能とし、かつ、ＤＵＶ－ＵＶ（２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の広帯域色補正を行うことを可能とする分光光学系である。本発明の代表的な実施の携帯の分光光学系は、光源と、視野絞りと、リレーレンズ系と、フィールドレンズ系と、結像レンズ系と、分光器とを有し、リレーレンズ系、フィールドレンズ系および結像レンズ系は、屈折型レンズおよび／または回折型レンズによるSchupmann光学系で配置され、かつ、リレーレンズ系と結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを有する分光光学系であって、フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されている。

Description

分光光学系および分光測定装置
　本発明は、分光光学系および分光測定装置に関し、特に、屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系配置により広帯域色補正を行う分光光学系および分光測定装置に適用して有効な技術に関するものである。
　試料面構造の欠陥検出においては、分光反射率の差が大きく、構造の違いを把握しやすいＤＵＶ－ＵＶ（２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の広帯域波長を利用した分光測定が必要となってきている。このとき、レンズ系は、広帯域波長および複数波長を使用する場合は色収差補正されている必要がある。色収差補正には、反射型光学系あるいは屈折型光学系を用いる方法がある。
　反射型光学系では、シュヴァルツシルド型の色補正レンズ系を備えた紫外領域を対象とした分光光学系が、特開２００５－１２７８３０号公報（特許文献１）に記載されている。また、屈折型および屈折・反射型光学系では、投射露光レンズのレンズ枚数を最小限に抑え、高開口数、広視野を目的とした１５７ｎｍおよび１９３ｎｍの波長が対象のSchupmann光学系で構成される光学系が、特開２００１－２２１９５０号公報（特許文献２）に記載されている。また、屈折・回折型光学系では、ステッパ用広帯域透過型アライメント系への適用を目的とした、５５０ｎｍ～６５０ｎｍの波長が対象の色補正レンズ系とその縦色収差補正の方法が、米国特許第５３２４９５３号明細書（特許文献３）に記載されている。
特開２００５－１２７８３０号公報 特開２００１－２２１９５０号公報 米国特許第５３２４９５３号明細書
　特許文献１に記載されているシュヴァルツシルド型で構成される反射型光学系は、広帯域色補正が可能である。しかし、当該光学系で分光測定を行う場合、開口を入れて試料上の繰り返しパターンに対して一方向となるよう構成する必要がある。この理由は、繰り返しパターンの方向に対する入射角度の違いにより、分光波形が大きく変わってしまい、シミュレーション分光波形のデータベースであるライブラリに保持している分光波形との対応が取れなくなることを防ぐためである。
　特許文献１に記載されている反射型光学系では、試料面への照明が斜入射となってしまう。斜入射照明は、試料面が静止している場合には問題ないが、試料面を移動させて試料全面を連続走査するような場合には問題となる。図１０は、斜入射照明の場合に試料面の上下震動により位置ずれが発生する状況を示す図である。図１０において、斜入射照明１０１０の場合、連続走査のため試料面が上下に震動し（試料１０１、１０１’）、走査対象位置がずれてしまう（走査対象位置１０１１、１０１２）という課題があった。
　特許文献２に記載されている、投影露光用の１５７ｎｍおよび１９３ｎｍの波長が対象のSchupmann光学系で構成される屈折型および屈折・反射型光学系は、物体側の結像レンズとその結像面に反射型フィールドレンズを設置することで、垂直落射照明が可能な構成である。図１１は、垂直落射照明の場合に試料面の上下震動による位置ずれが低減される状況を示す図である。図１１において、垂直落射照明１１１０の場合、連続走査のため試料面が上下に震動しても（試料１０１、１０１’）、走査対象位置のずれは小さくなる（走査対象位置１１１１、１１１２）。しかし、特許文献２に記載されている屈折型および屈折・反射型光学系は、１５７ｎｍおよび１９３ｎｍという単波長対応の光学系であり、広帯域色補正に対応していないという課題があった。
　特許文献３に記載されている、ステッパ用の５５０ｎｍ～６５０ｎｍの波長が対象の屈折・回折型光学系は、物体側の結像レンズとその結像面にフィールドレンズ、その後方にリレーレンズを配置し、さらにリレーレンズ系に回折型レンズを備えることで、垂直落射照明と広帯域色補正が可能である。しかし、特許文献３に記載されている屈折・回折型光学系では、ＤＵＶ－ＵＶ（２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の広帯域色補正に対応していないという課題があった。特に、ＤＵＶ－ＵＶ領域の広帯域色補正では、使用可能な硝材が合成石英と蛍石に限られているため、当該光学系においてＤＵＶ－ＵＶ領域の広帯域色補正を行う構成とすることは困難である。
　そこで、本発明の目的は、屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系で配置される分光光学系により、図１１に示す垂直落射照明１１１０を可能とし、かつ、ＤＵＶ－ＵＶ領域の広帯域色補正を行うことを可能とする分光光学系および分光測定装置を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
　本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
　本発明の代表的な実施の形態による分光光学系は、垂直落射照明が可能となるように屈折・回折型光学系で構成され、結像レンズ系と、結像レンズ系の結像面に配置したフィールドレンズ系と、フィールドレンズ系を分光器上に結像するリレーレンズ系によるSchupmann光学系で配置され、さらに、リレーレンズ系もしくは結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを備える分光光学系であって、フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されていることを特徴とするものである。
　本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
　本発明の代表的な実施の形態によれば、結像レンズ系と、結像レンズ系の結像面に配置したフィールドレンズ系と、フィールドレンズ系を分光器上に結像するリレーレンズ系によるSchupmann光学系で配置することにより、横色収差補正が可能となる。また、リレーレンズ系もしくは結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを備え、フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されることにより、縦色収差補正が可能となる。その結果、ＤＵＶ－ＵＶ（２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の広帯域色補正が可能となる。
　また、本発明の代表的な実施の形態によれば、垂直落射照明が可能となり、従来の反射型光学系の斜入射照明における課題であった、デフォーカスによる位置ずれが低減される。これらにより、高精度な分光測定（構造および膜厚測定等）が可能となる。
本発明の一実施の形態である分光光学系の構成例を示した図である。 （ａ）は本発明の一実施の形態における試料として用いるパターンドメディアを模式的に示した斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）は、パターンドメディアにおけるデータ部とサーボ部のパターンの例を拡大して示した平面図である。 本発明の一実施の形態である分光光学系を用いたハードディスク検査装置の構成例を示した図である。 横色収差を補正するSchupmann光学系の原理について説明する図である。 波長に対するレンズの屈折力特性の例を示した図である。 屈折型レンズと回折型レンズの波長に対する屈折力特性を示した図である。 本発明の一実施の形態におけるフィールドレンズ系の２枚のレンズを間隔を空けて配置したときのレンズ間隔と、照明視野上における２００ｎｍ～４００ｎｍ領域の波長の色ずれとの関係を算出したものを示した図である。 回折型レンズの構造の例を示す図である。 本発明の一実施の形態におけるデータ処理部での処理の概要について説明した図である。 斜入射照明の場合に試料面の上下震動により位置ずれが発生する状況を示す図である。 垂直落射照明の場合に試料面の上下震動による位置ずれが低減される状況を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
　まず、図１、図２を用いて、本発明の一実施の形態である分光光学系について説明する。図１は、本発明の一実施の形態である分光光学系の構成例を示した図である。分光光学系は、照明光学系と検出光学系とから構成される。
　照明光学系は、照明光を照射する光源１１０と、視野絞り１１１と、折り返し部材１２０とを有する。さらに、回折型レンズ１３０を有し、視野絞り１１１を結像するリレーレンズ系１４０と、リレーレンズ系１４０の結像面に、２枚以上の屈折型レンズからなりそのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置したフィールドレンズ系１５０と、フィールドレンズ系１５０を試料１０１上に結像する結像レンズ系１６０とを有する。この構成により、光源１１０から照射された照明光を、リレーレンズ系１４０、フィールドレンズ系１５０、結像レンズ系１６０を介して、ステージ上の試料１０１に垂直落射照明する構造である。
　同様に、検出光学系は、ステージ上の試料１０１からの正反射光が試料１０１を結像する結像レンズ系１６０と、結像レンズ系１６０の結像面に、２枚以上の屈折型レンズからなり、そのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置したフィールドレンズ系１５０と、回折型レンズ１３０を有し、フィールドレンズ系１５０を分光器１７０上に結像するリレーレンズ系１４０とを有する。この構成により、試料１０１からの正反射光を、結像レンズ系１６０、フィールドレンズ系１５０、リレーレンズ系１４０を介して、分光器１７０で受光する構造である。なお、試料１０１の試料面と分光器１７０の入射面とは、共役の関係になっている。
　図２（ａ）は、試料１０１として用いるパターンドメディアを模式的に示した斜視図である。パターンドメディア２００は、ディスク上に磁性粒子が人工的に規則正しく並べられた記録媒体であり、例えば、ハードディスク装置などに用いられる磁気記憶媒体である。パターンドメディア２００の表面には、例えば、ユーザデータを書き込むデータ部２１０と、バースト信号、アドレス、プリアンブルなどを含む、トラッキング制御やデータアクセス制御のためのサーボ部２２０とが存在する。図２（ａ）では、ディスク面におけるデータ部２１０とサーボ部２２０の配置を模式的に線で示している。
　図２（ｂ）は、図２（ａ）のパターンドメディア２００におけるデータ部２１０とサーボ部２２０のパターンの例を拡大して示した平面図である。図２（ｂ）のサーボ部２２１では、凹凸加工を施した基板の凸部上の磁性薄膜パターンが、パターンドメディア２００のサーボパターンに対応している。また、サーボ部２２１には、トラッキング制御を行うためのバースト信号２２２が含まれている。一方、データ部２１１には、周方向に連続したトラックを形成する磁性薄膜が凹部によって分離された状態で形成されている。このタイプのパターンドメディア２００は、ディスクリートトラックメディアと呼ばれている。
　図２（ｃ）も同様に、図２（ａ）のパターンドメディア２００におけるデータ部２１０とサーボ部２２０のパターンの例を拡大して示した平面図である。図２（ｃ）のデータ部２１２では、データビットを形成する磁性薄膜が凹部によって分離された状態で形成されている。このタイプのパターンドメディア２００はビットパターンドメディアと呼ばれている。
　データ部２１０に照明光を照射し、分光波形を検出して試料面を検査するような場合、サーボ部２２０に照明光スポットがかかると正確な分光波形が検出できなくなる。特に、図１０で示すような斜入射照明の場合、パターンドメディア２００のデータ部２１０の全面を連続走査する場合には、試料１０１の試料面が上下に震動し、その結果、走査対象位置１０１１、１０１２がずれ、サーボ部２２０にかかる可能性が高くなる。
　以下では、本実施の形態の分光光学系を用いた分光測定装置の例であるハードディスク検査装置について説明する。図３は、本実施の形態の分光光学系を用いたハードディスク検査装置の構成例を示した図である。
　ハードディスク検査装置は、試料１０１に照明光を照射し、試料１０１からの正反射光を分光検出する分光光学系３００と、検査対象である試料１０１を搭載し、試料１０１上の任意の位置で分光検出できるように、試料１０１の位置を分光光学系３００に対して相対的に移動させることができるステージ部３１０と、分光器１７０やステージ部３１０の動作を制御する制御部３２０と、分光器１７０において検出した分光波形のデータに基づいて試料１０１に形成されたパターンの形状または形状異常を検出するデータ処理部３３０とで構成される。
　分光光学系３００は、図１に示した分光光学系と同様の構成である。このとき、分光器１７０の入射口位置を結像位置としておくと、入射口の大きさによって試料１０１において分光検出する領域の大きさを制御することができる。例えば、入射口の大きさをφ２００μｍとし、結像面での倍率を２０倍とすると、分光検出領域の大きさは検査対象ディスク（試料１０１）上でφ１０μｍとなる。
　上述したように、２００ｎｍ付近の波長を利用しようとする場合、適用できる光学素子等は限られたものとなる。光源１１０には、波長２００ｎｍ付近以上の光を射出するキセノンランプや重水素ランプ等を用いることができる。ただし、試料１０１によっては波長４００ｎｍ程度以上でも十分性能を発揮できる場合もあり、その場合はハロゲンランプ等の可視光から赤外光の光を射出する光源１１０を用いてもよい。
　次に、図４～図７を用いて分光光学系３００の色収差補正の原理について説明する。まず、図４を用いて、横色収差を補正するSchupmann光学系の原理について説明する。横色収差を補正するSchupmann光学系については、例えば、Abe Offner, "Field Lenses and Secondary Axial Aberration", Applied Optics, vol.8, No.8, pp.1735-1736, Aug.1969に記載されている。Schupmann光学系では、図４に示すように、物体４０１が、試料１０１（物体４０１）を結像する結像レンズ４６０と、結像レンズ４６０の結像面に配置したフィールドレンズ４５０と、フィールドレンズ４５０を像面４０２上に結像するリレーレンズ４４０とを介して、像面４０２上に結像する構成となっている。
　図４（ａ）に示すように、主光線４０３は、結像レンズ４６０の中心、フィールドレンズ４５０の縁、リレーレンズ４４０の中心を通過し、像面４０２で結像する。また、図４（ｂ）に示すように、周縁光線４０４は、結像レンズ４６０の縁、フィールドレンズ４５０の中心、リレーレンズ４４０の縁を通過する。従って、横色収差の補正については以下の式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ｖ１、ｖ２、ｖ３、φ１、φ２、φ３、ｈｐ，１、ｈｐ，２、ｈｐ，３、ｈｍ，１、ｈｍ，２、ｈｍ，３は、それぞれ結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０のアッベ数、屈折力、主光線４０３の像高、周縁光線４０４の像高である。
　結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０の主光線４０３の像高は、それぞれｈｐ，１＝０、ｈｐ，２≠０、ｈｐ，３＝０である。また、図４（ｂ）に示すように、結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０の周縁光線４０４の像高はそれぞれｈｍ，１≠０、ｈｍ，２＝０、ｈｍ，３≠０である。以上より数１式は無条件に成立するため、Schupmann光学系では横色収差は自動的に補正されることになる。
　一方、縦色収差の補正については以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０の周縁光線４０４の像高はそれぞれｈｍ，１≠０、ｈｍ，２＝０、ｈｍ，３≠０であることから、数２式は以下の式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、結像レンズ４６０とリレーレンズ４４０の周縁光線４０４の像高ｈｍ，１、ｈｍ，３は、結像レンズ４６０とフィールドレンズ４５０との間隔Ｂと、フィールドレンズ４５０とリレーレンズ４４０との間隔Ｃと相似の関係にあるため、以下の式が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　また、結像レンズ４６０とリレーレンズ４４０の屈折力φ１、φ３は、以下の式のように屈折率ｎ（λ）と曲率半径ｒで表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　さらに、結像レンズ４６０とリレーレンズ４４０のアッベ数ｖ１、ｖ３は、数５式より、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　数３式に、数４式と数６式を代入することで、縦色収差の補正について以下の式が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　Schupmann光学系を用いた場合、上述のように数１式が自動的に成立し、横色収差は自動的に補正される。そのため、縦色収差の補正についての数７式が成立する光学系を検討する。
　ここで、屈折力はレンズの屈折率に依存する。図５は、波長に対するレンズの屈折力特性の例を示した図である。数７式が成立するためには、図５に示すように、結像レンズ４６０が、短波長ほど大きい屈折力φ１（λ）の理論曲線５０１をもち、一方でリレーレンズ４４０が長波長ほど大きい屈折力φ３（λ）の理論曲線５０２をもつ必要がある。あるいは、リレーレンズ４４０が、短波長ほど大きい屈折力φ１（λ）の理論曲線５０１をもち、一方で結像レンズ４６０が長波長ほど大きい屈折力φ３（λ）の理論曲線５０２をもつ必要がある。
　そこで、波長に対して逆の屈折力特性をもつレンズを検討する必要がある。図６は、屈折型レンズ６１０と回折型レンズ６２０の波長に対する屈折力特性を示した図である。図６（ａ）に示す屈折型レンズ６１０の場合、短波長６１１の焦点距離が短く、長波長６１２の焦点距離が長くなる。一方、図６（ｂ）に示す回折型レンズ６２０の場合、短波長６２１の焦点距離が長く、長波長６２２の焦点距離が短くなる。すなわち、屈折型レンズ６１０と回折型レンズ６２０は、波長に対して逆の屈折力特性をもつことになる。
　従って、屈折型レンズ６１０と回折型レンズ６２０とを組合せたハイブリッドレンズにより数７式を成立させることが可能となる。本実施の形態の分光光学系３００では、結像レンズ系１６０には屈折型レンズを用い、リレーレンズ系１４０には屈折型レンズに加えて回折型レンズ１３０を用いることによってハイブリッドレンズの構成としている。なお、上述したように、回折型レンズ１３０はリレーレンズ系１４０と結像レンズ系１６０のいずれか一方に有していればよいため、リレーレンズ系１４０には屈折型レンズを用い、結像レンズ系１６０に回折型レンズ１３０を有する構成であってもよい。
　しかし、上記ハイブリッドレンズを用いても、実際に数７式を完全に成立させることは困難であり、数３式の左辺の縦色収差を０に近づけることはできても、完全に０とすることは難しい。そこで、本実施の形態の分光光学系３００では、図１、図３に示すように、フィールドレンズ系１５０のレンズを２枚以上のレンズで構成し、そのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置する。
　図７は、フィールドレンズ系１５０の２枚のレンズを間隔を空けて配置したときのレンズ間隔（横軸）と、照明視野上におけるＤＵＶ－ＵＶ（２００ｎｍ～４００ｎｍ）領域の波長の色ずれ（縦軸）との関係を算出したものを示した図である。なお、色ずれはパターンドメディア２００の回転方向（θ）に対して評価するため、回転方向に平行な軸をＸ軸とし、Ｘ軸方向の検出視野ずれを指標にしている。ここで、全体の色ずれは、以下の式より求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ここでΔｘは各波長の色ずれ（％）、Ｍａｘ．（Ｘλ）は各波長λの色ずれのうちの最大幅、Ｍｉｎ．（Ｘλ）は各波長λの色ずれのうちの最小幅、Ａｖｅ．（Ｘλ）は各波長λの色ずれの平均幅を示す。このとき、波長の色ずれは片側で評価するため２で割っている。
　図７に示されるように、フィールドレンズ系１５０のレンズ間隔が１０ｍｍ～３０ｍｍの間、特に２０ｍｍ～２５ｍｍの間で、ＤＵＶ－ＵＶ領域の波長の色ずれが小さくなることが分かる。このように、フィールドレンズ系１５０のレンズを２枚以上のレンズで構成し、そのうちの１箇所において、レンズを照明視野上におけるＤＵＶ－ＵＶ領域の波長の色ずれが最小となる間隔で配置する。これにより、ＤＵＶ－ＵＶ領域での縦色収差補正が可能となる。
　上述のように、本実施の形態の分光光学系３００では、ハイブリッドレンズの構成とするために、図１、図３に示すようにリレーレンズ系１４０は回折型レンズ１３０を有する。そこで以下に一般的な回折型レンズの設計方法を示しておく。図８は、回折型レンズの構造の例を示す図である。図８において、回折型レンズ８１０、８２０では、図８（ａ）に示す球面８１１あるいは図８（ｂ）に示す非球面８２１の連続放物面を、２πの高さ毎に切り取って等位相分（２πの倍数）を差し引くことにより不連続な位相分布の起伏形状を形成する。
　以下に、図８（ａ）の回折型レンズ８１０を例にとって詳細を説明する。図８（ａ）に示す回折型レンズ８１０の各輪帯の最大光路差は１波長であり、ｍ番目の輪帯半径ｒｍは以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここでλ０は設計波長、ｆは焦点距離を示す。このとき、回折型レンズ８１０の厚さｄは以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、λ０は設計波長、ｎは回折型レンズの屈折率である。数９式、数１０式により、設計波長λ０、焦点距離ｆ、屈折率ｎのパラメータを与えることにより、回折型レンズ８１０の形状を設計することができる。
　最後に、本実施の形態のハードディスク検査装置におけるステージ部３１０、制御部３２０、データ処理部３３０について説明する。図３において、ステージ部３１０は、試料１０１の試料面と平行な方向に移動するＸステージ３１１と、試料１０１の試料面に垂直な方向に移動するＺステージ３１２および試料１０１のディスク（パターンドメディア２００）を回転させるθステージ３１３によって構成される。Ｚステージ３１２は、分光光学系３００のフォーカス位置に試料１０１を移動させるためのものであり、Ｘステージ３１１とθステージ３１３は、試料１０１の試料面の任意の位置に分光光学系３００を移動させるためのものである。
　試料１０１の試料面の任意の位置に分光光学系３００を移動させる方法としては、ＸＹステージを用いる方法も考えられるが、試料１０１がディスクであり試料面におけるパターンも同心円状または同心円上に形成されていることからＸθステージの方が適している。さらに、ディスク表面全面を高速に検査することを目的とした場合、ＸＹステージよりもＸθステージの方が単純な動作となるためより適している。よって、本実施の形態のハードディスク検査装置では、Ｘステージ３１１とθステージ３１３によるＸθステージの構成をとっている。
　図９は、データ処理部３３０での処理の概要について説明した図である。データ処理部３３０は、大きく分けて次の二つの処理を実行する。一つは分光反射率の算出であり、もう一つはパターン形状・欠陥検出処理である。上述の通り、本実施の形態のハードディスク検査装置では、試料１０１表面の分光反射率に基づいて試料１０１のパターン形状・欠陥を検出するものである。
　分光光学系３００で検出が可能なのは、試料１０１表面の分光強度分布である。そこで、予め異なるパターン形状９１０を有する試料１０１に対して光学シミュレーションを行い、算出された分光反射率の波長依存性のグラフ９２０をデータベース９４０に格納しておく。次に、パターンが繰り返し形成された試料１０１の試料面に光源１１０からの照明光を分光光学系３００を通して照射し、試料面からの正反射光を分光器１７０で受光する。
　データ処理部３３０では、分光器１７０で検出された分光強度分布に基づいて分光反射率の波長依存性のグラフ９３０を得る。最後に、データベース９４０に格納されている、光学シミュレーションによって算出された分光反射率の波長依存性のグラフ９２０から、測定によって得られた分光反射率の波長依存性のグラフ９３０と近似するものを、分光反射率の波形比較９５０によって選定することで、試料１０１の試料面の形状を特定することができる。
　以上のように、本実施の形態の分光光学系３００によれば、屈折型レンズで構成される結像レンズ系１６０と、結像レンズ系１６０の結像面に配置したフィールドレンズ系１５０と、フィールドレンズ系１５０を分光器１７０上に結像するリレーレンズ系１４０のSchupmann光学系の配置とすることにより、横色収差補正が可能となる。また、リレーレンズ系１４０に回折型レンズ１３０を備え、フィールドレンズ系１５０を２枚以上のレンズで構成し、そのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置することにより、縦色収差補正が可能となり、ＤＵＶ－ＵＶ領域の波長の広帯域色補正が可能となる。
　また、垂直落射照明とすることで、反射型光学系の斜入射照明において課題であった、デフォーカスによる位置ずれが低減される。さらに、広帯域色補正により、波長毎の照明位置が一致し、高精度な分光測定（構造や膜厚測定等）が可能となる。
　以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
　例えば、本実施の形態の分光光学系３００および分光測定装置では、分光測定により、パターンドメディア２００の表面のパターン形状・欠陥を検出する構成となっているが、試料１０１はパターンドメディア２００に限らず、表面に構造やパターンを有する試料１０１であれば、その構造をデータ処理部３３０での分光反射率のマッチングによって検出することが可能である。また、試料１０１の表面の構造に限らず、分光測定による薄膜の膜厚測定等にも用いることができる。
　本発明の分光光学系および分光測定装置は、屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系配置により広帯域色補正を行う分光光学系および分光測定装置に利用可能である。

Claims (8)

  1. 　光源と、視野絞りと、該視野絞りを結像するリレーレンズ系と、該リレーレンズ系の結像面に配置されるフィールドレンズ系と、該フィールドレンズ系を試料上に結像する結像レンズ系と、前記試料からの正反射光を分光する分光器とを有し、
    　前記リレーレンズ系、前記フィールドレンズ系および前記結像レンズ系は、屈折型レンズおよび／または回折型レンズによるSchupmann光学系で配置され、かつ、前記リレーレンズ系と前記結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを有する分光光学系であって、
    　前記フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されていることを特徴とする分光光学系。
  2. 　請求項１に記載の分光光学系において、
    　前記フィールドレンズ系と前記結像レンズ系は屈折型レンズで構成され、前記リレーレンズ系は屈折型レンズと回折型レンズで構成されることを特徴とする分光光学系。
  3. 　請求項１に記載の分光光学系において、
    　前記光源は、２００ｎｍ～４００ｎｍ領域の光を射出するものであることを特徴とする分光光学系。
  4. 　請求項３に記載の分光光学系において、
    　前記所定の距離は１０ｍｍ～３０ｍｍであることを特徴とする分光光学系。
  5. 　請求項１に記載の分光光学系と、
    　試料を搭載し、前記試料の位置を前記分光光学系に対して相対的に移動させることができるステージ部と、
    　前記分光光学系内の分光器および前記ステージ部の動作を制御する制御部と、
    　前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて前記試料に形成されたパターンの形状または形状異常を検出するデータ処理部とを有する構成であることを特徴とする分光測定装置。
  6. 　請求項５に記載の分光測定装置において、
    　前記ステージ部は、前記分光光学系によって前記試料の全面が連続走査されるように、前記試料を移動させることを特徴とする分光測定装置。
  7. 　請求項５に記載の分光測定装置において、
    　前記試料は、パターンドメディアであることを特徴とする分光測定装置。
  8. 　請求項５に記載の分光測定装置において、
    　前記データ処理部は、前記試料における異なるパターン形状に対して予め算出した分光反射率の波長依存性のグラフを格納するデータベースを有し、
    　前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフを取得し、
    　前記データベースに格納されている分光反射率の波長依存性のグラフから、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフと近似するものを、分光反射率の波形の比較により選定することによって、前記試料に形成されたパターン形状を特定することを特徴とする分光測定装置。
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