JP2011038829A - 干渉顕微鏡及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成により、参照ミラーを僅かに傾斜させるだけで、ウェハなどの試料（被測定物）の表面形状を計測し、ごみやポールピースなどの正確な座標位置を特定し、電子顕微鏡、描画装置などの荷電粒子ビーム装置にその正確なデータを送受信して、作業効率の向上に一層貢献することができる干渉顕微鏡及び測定装置を提供する。
【解決手段】ウェハなどの試料にレーザ光を照射し、干渉計を用いて、試料の表面内部を観察検査する干渉顕微鏡及び測定装置において、ビームスプリッターと参照ミラーとの間に光を導光するための参照光路を設けるとともに、ビームスプリッターと試料との間に光を導光するための測定光路を設けて、参照光路と測定光路において光学的光路差を設ける。しかも、参照ミラーを微小量傾けることによって、検出手段に干渉縞を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、干渉計、例えばマイケルソン型あるいはリンニク型に代表される干渉計を用いて、ウェハなどの試料（被測定物）の表面又は内部の凹凸を観察検査する干渉顕微鏡及び測定装置に関する。

従来から、入射された光を２つの光路に分割し、一方の光を試料（被測定物）に照射し、他方の光を参照ミラーに照射し、試料から反射した反射光と参照光を干渉させ、干渉縞を形成し、試料の表面内部を観察検査する、干渉計を用いた測定装置が知られている。

特許文献１では、干渉縞を形成する際に、参照ミラーをピエゾ素子ＰＺＴで光軸方向に移動可能とし、参照光の位相を変化させる位相シフト手段を用いることで、利用できる計測レンジを広げる（非特許文献１も同様）。

特許文献２では、合焦状態にある検査表面の一部を比較して、量δｚだけ変位させ、基準ミラーがδｚだけ変位し、光学測定面が検査表面の適切な部分に確実に接触することになる。

また、特許文献３では、移動鏡は、光の入射方向への移動が自在になるように配設されており、干渉光を生成する際に、周知のピエゾ駆動装置で等速動制御がされている。

また、特許文献４では、参照ミラーを、光の照射方向に対して略垂直（干渉縞が数本できる程度にわずかに傾ける場合も含む）に固定配置することもでき、しかも光の照射方向に対して傾動可能に設けられる旨記載されている。

また、非特許文献２では、２次元撮像素子により非走査で位相シフトを行い、参照鏡を傾けることにより、ＣＣＤに入射する物体光と参照光に異なる入射角を与えて、ＣＣＤの空間軸に対し線形に位相の異なる干渉縞を展開し、これをワンショットで撮影し、計測を行っている。そして、この手法により検出に要する時間の増加を抑えて位相シフトを行う計測が可能になっている。

特開２００６−１１６０２８号公報、行番号００６７、図４ 特表２００５−５３０１４７号公報、行番号００４４、図１、図３ 特開２００６−３００７９２号公報、行番号００２３、図１ 特開平１１−８３４５７号公報、行番号００３２、図１

筑波大学物理工学系、筑波大学ナノサイエンス特別プロジェクト研究組織 巻田修一、安野嘉晃、遠藤隆史、伊藤雅英、谷田貝豊彦「参照波面傾斜法による位相シフトスペクトル干渉光コヒーレンストモグラフィー」第６４回応用物理学会学術講演会講演予稿集、２００３年秋、福岡大学 Ｏｎｅ−ｓｈｏｔ−ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｂｙ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｔｉｌｔｉｎｇ，Ｙｏｓｈｉａｋｉ Ｙａｓｕｎｏ，Ｓｈｕｉｃｈｉ Ｍａｋｉｔａ，Ｔａｋａｓｈｉ Ｅｎｄｏ，Ｇｏｕｋｉ Ａｏｋｉ，Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｓｕｍｉｍｕｒａ，Ｍａｓａｈｉｄｅ Ｉｔｏｈ ａｎｄ Ｔｏｙｏｈｉｋｏ Ｙａｔａｇａｉ，２００４，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉａｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

しかしながら、上述した従来の干渉計を用いた測定装置では、被測定物側の光学的光路と、参照ミラーの配置された参照光路の光学的光路が一致した構成になっているため、部品点数が多くなり、簡易な構成を実現できない。

特許文献３では、透過制限装置を配置して、参照光路からの光路長の補正をおこなわなければならず、複雑な構成にすることを要する。

また、特許文献４では、光路長を変えるために、電圧制御可変波長フィルタを設けなければならず、特許文献３と同様、複雑な構成にすることを要し、装置全体を小型化にすることができない。

そこで、本発明は、簡易な構成により、参照ミラーをごく僅かに傾斜させるだけで、ウェハなどの試料（被測定物）の表面形状を計測することができる干渉顕微鏡及び測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、特許請求の範囲の各請求項に記載された事項を特徴とする。

本発明の解決手段を例示すると、次のとおりである。

（１）有限な可干渉距離を持つ光束を二分割して、試料、及び参照ミラーに照射する二光束干渉計を用いて、試料表面の微細な凹凸、及び内部の高さ情報を観察検査する干渉顕微鏡において、
波長、及び可干渉距離の異なる二光源からの光束を同一軸に合致させ、かつ線光束に整形、射出する第１手段と、合致した二光源光束を分割する第２手段とを有し、第２手段により、参照ミラーに二光源光束を導光、照射し、かつ線方向のみ結像させる参照光路と、試料に二光源光束の光源像を結像、照射する集光手段、及び試料からの微細な反射、散乱光を集光し光束に変換、導光する測定光路を設け、参照光路からの反射光、及び測定光路からの測定光を同一の検出手段で受光する検出光路を有し、参照光路に微小量の傾斜した光路差を設けることにより、参照ミラー、及び試料からの光束が重なり合う位置に、試料面の線方向の高さ分布情報を持った干渉縞分布を形成させ、試料、及び参照鏡間の相対距離の移動、又は波長走査による干渉縞の移動を行うことなく、高さ分布情報を得ることを特徴とする干渉顕微鏡。

（２）線光束は、線状に発光する素子により発せられたものであることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（３）線光束は、面状に発光する素子により発せられたものであることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（４）線光束は、点光源を直線状に並べたことを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（５）線光束は、点光源を非対称光学系により楕円又は線状に整形した光束を用いることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（６）線光束は、点光源、又は線光源を回折光学素子又は多重反射板を用いて連続的に配列させた線状パターンであることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（７）参照光路と測定光路のそれぞれが、異なる光学系から構成され、かつ測定光路との画角ずれ、及び波長分散による光路長の差を補正する手段を有したことを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（８）参照光路と測定光路の少なくとも一方又は両方がファイバー等の光導波素子であることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（９）２つの光源の波長は、同一の光学系、及び検出手段で利用できる帯域であることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１０）光源に半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又は超発光ダイオード（ＳＬＤ）を設けたことを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１１）半導体レーザ（ＬＤ）が、発光ダイオード（ＬＥＤ）的な発光あるいは超発光ダイオード（ＳＬＤ）的な発光をさせるように用いられることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１２）２つの光源の少なくとも一つは、単一波長を発振するレーザ光源であることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１３）２つの光源の少なくとも一つは、駆動部に切替え機能を有し、単一波長を発振するレーザ光源、及び波長幅の広い低コヒーレンス光源の両方の使い方が可能な光源であることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１４）２つの光源は、同時に照射されていることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１５）２つの光源は、切替え機能を有し、交互に点灯及び消灯が可能であることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１６）参照ミラーを固定方式で傾けることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１７）参照ミラーを傾動方式で傾けることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１８）参照ミラーとして、一定の段差をもつ階段状のミラーを用いることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（１９）干渉計として、マイケルソン型干渉計あるいはリンニク型干渉計を用いることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（２０）測定光路中のビーム走査手段または試料ステージの移動手段を有し、試料の１次元方向の順次線照射を可能にした前述の干渉顕微鏡。

（２１）検出手段（検出器）として、ラインセンサ、又はエリアセンサを用い、参照ミラー、及び試料からの光束がセンサー内で効率良く重なり合うよう、円筒レンズによって集光すると共に、検出手段と分割手段との距離を可能な限り短くしたことを特徴とした前述の干渉顕微鏡。

（２２）参照光路に最小限の機能を持った光学素子として挿入するために、対物レンズと同じ焦点距離を持つシリンダーレンズを使用し、及び対物レンズの分散値と同等の効果を持つ平面ガラス基板を挿入することを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（２３）試料の二次元像を表示するための照明、結像光学系を備え、かつ、測定光路中の集光手段を光学系の一部として共用することを特徴とする観察手段を有し、それぞれの光源の切替えにより高さ検出と試料像の観察を同時、または別に行うことを可能とした前述の干渉顕微鏡。

（２４）観察手段の照明光源は、高さ測定のための光源とは異なる波長帯の光源であることを特徴とする前述の干渉顕微鏡。

（２５）前述の干渉顕微鏡を有することを特徴とする測定装置。

本発明によれば、簡易な構成により、参照ミラーを僅かに傾斜させるだけで、ウェハなどの被測定物（試料）の表面形状を計測できる。さらに、ごみやポールピースなどの正確な座標位置を特定し、電子顕微鏡、描画装置などの荷電粒子ビーム装置にその正確なデータを送受信して、作業効率の向上に一層貢献することができる。

本発明の好ましい第１の実施例による干渉顕微鏡の概略を示す説明図。 （ａ）は第１ＣＣＤのエンベロール波形を検出する場合の説明図。（ｂ）は矢印で示す基準位置を検出する場合の説明図。（ｃ）は、精密測定で第２ＣＣＤ波形の位相を測定する場合の説明図。 本発明の好ましい第２の実施例による干渉顕微鏡の概略を示す説明図。 本発明の干渉顕微鏡を備えた測定装置の概略を示す説明図。 図４の測定装置を少し詳細に示す説明図。 本発明の第４の実施例による干渉顕微鏡を備えた測定装置の概略を示す説明図。 図６の実施例における反射ミラーの動作を示す説明図。

本発明に係る干渉顕微鏡及び測定装置は、種々の干渉計を用いる。

本発明に係る最良の実施形態では、マイケルソン型干渉計を用いる。ただし、本発明の効果を奏するものであれば、リンニク型（位相シフト型）干渉計を用いてもよい。

参考までに述べると、干渉計としてＴｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙの干渉計を用いて、例えば、以下に示す参照ミラー（Ｒｅｆ）の微傾動（微動量Δλ）を行うことも考えられる。

λ＝８００ｎｍ
Δλ＝３０ｎｍ
分解能： ΔＺ＝２ｌｍ／π ・ λ^２／Δλ
＝ ９．４μ
横分解能： ΔＸ＝４λ／π・ｆ／ｄ
光軸方向の走査領域は、２Ｚ_０＝ΔＸ^２π／２λである。

しかし、この場合は、分解能に限界があり、ウェハなどの被測定物（試料）上のごみ、ポールピースなどの超微小な領域の形状を検査することが容易ではない。

また、Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙの干渉計を用いることも考えられる。この場合、分光、波長走査に限界があり、ウェハなどの被測定物上のごみ、ポールピースなどの超微小な領域の形状を検査することが容易ではない。

本発明では、好ましくは、Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｉｒｒｏｒ（参照ミラー）を微小量固定式又は傾動式（とくに振動式）に傾けて、干渉端の位置を計測する。例えば、参照ミラーを微小量（最良の形態では１５分の角度）緩やかに傾けた状態に固定しておき、あるいは、必要に応じて傾動式（とくに振動式）に傾けることによって、ラインセンサー上に干渉縞を形成する。こうすれば、レーザ光を走査させることなく、１ショットで高さ方向の干渉像を得ることができる。しかも、低コヒーレントで、マイケルソン型等の干渉計を用いて、干渉端の位置を計測することができる。

また、本発明の他の最良の実施形態においては、ウェハなどの試料にレーザ光、好ましくは２つの波長のレーザ光、とくに半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び超発光ダイオード（ＳＬＤ）からの２つのレーザ光を照射し、干渉計を用いて、試料の表面内部を観察検査する。半導体レーザ（ＬＤ）を用いる場合、電流に対する強度（パワー）の関係において、所定の閾値（Ｉｔｈ）を超えると、レーザ光の強度（パワー）は電流に対して比例関係（リニアな関係）になるが、所定の閾値（Ｌｔｈ）までは、いわばＬＥＤ発光あるいはＳＬＤ的な発光となるので、微量な電流値に設定し、一定の光量でボーっと発光するような半導体レーザ（ＬＤ）の使用によって、一つの光源（例えば半導体レーザ（ＬＤ））で干渉計を通し、試料の表面内部を観察検査することもできる。

好ましくは、参照ミラーに光を導光するための参照光路が、参照ミラーと、ビームスプリッター（分離手段）との間に設けられる。そして、被測定物（試料）に光を導光するための測定光路と、その参照光路との間で、光学的光路差を設ける。

好ましくは、測定光を導光するための測定光路には光学系（レンズ系）を設ける一方、参照光を導光するための参照光路には光学系（レンズ系）を設けないことによって、光路差に変化を持たせることができる。

本発明による、干渉計を用いる干渉顕微鏡及び測定装置においては、参照光を導光する参照ミラー自体を微小量傾斜させるので、レーザ光を走査させることなく、１ショットで試料の高さ方向の干渉像を得ることができる。

本発明の他の実施形態においては、ビームスプリッター（分離手段）を中心として、入射光路、測定光路、参照光路及び検出光路を十字状に沿って設け、参照光路と測定光路において光学的光路差を設ける。しかも、参照ミラーを微小量（固定式又は傾動式に）傾けて、検出手段に干渉縞を形成する。それにより、レーザ光を走査させることなく、１ショットで試料の高さ方向の干渉像を得ることを可能とする。

ビームスプリッターを分離手段として設け、そのビームスプリッターにより光の一部を導光し光を反射させる。

検出光路に設けた検出手段（検出器）は、ビームスプリッター（分離手段）により被測定物からの反射光と、参照ミラーからの反射光を受光する。そして、検出手段に干渉縞を形成する。

２つの波長のレーザ光を用いることを可能とするために、レーザ光の入射光路の２つの分岐光路に、それぞれ、半導体レーザ（ＬＤ）あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）及び超発光ダイオード（ＳＬＤ）を設ける。このとき、光源に近赤外帯、例えば、波長７８０ｎｍと８８０ｎｍの２波長の光源を用いれば、赤外帯に感度を持つ検出器一つで検出が可能である。また、半導体レーザ等の点灯、消灯が容易な素子を用いて切り替えを行うことによって、同時照射、各々の波長単独照射、及び検出も可能である。さらに、観察用光源に可視光光源を用い、可視光に感度を持つ光源を用いれば、光源が互いの検出系に及ぼす影響を最小限に抑えての同時照射も可能となる。

本発明の好ましい他の実施形態の一つにおいては、測定光路側にレンズを配置し、参照光路側にはレンズを配置しない。そうすることにより、光学的光路差を与える。さらに、参照ミラーを（固定式又は傾動式に）僅かに傾斜させて、ウェハなどの被測定物の表面形状を測定することができる。

しかしながら、点形状ではなく、線形状を持った光源を用いる場合、光軸中心以外の点、すなわち線方向にそって、画角が生じるため、レンズを配置しない参照光では、画角方向に沿って干渉縞が傾いていくという現象が生じ、高精度な計測を妨げる要因となる。また、複数の波長の光源を用いる場合は、波長毎に測定光路側の光路長が異なるため、波長毎の干渉縞がずれてしまう。干渉顕微鏡の光学系として、同じ光学部品を使用し、これらの影響を最小限に抑えたマイケルソン型やリンニク型のものを用いるのはこのためである。

本発明では、これらの影響を除去するため、好ましくは、参照光路に最小限の機能を持った光学素子を挿入する。最良の実施形態として、対物レンズと同じ焦点距離を持つシリンダーレンズを利用し、及び対物レンズの分散値と同等の効果を持つ平面ガラス基板を挿入して、補正を行う。例えば、対物レンズの焦点距離が40mmであれば、シリンダーレンズの焦点距離は40mmと決めることが出来る。また、使用する波長毎の対物レンズの光路長を求めることにより、(硝材の屈折率差)×(硝材の厚さ)にて求められる平面基板を挿入することにより補正が可能である。

変形例として、光学的光路差を与えるために、被測定物（試料）に光を導光する測定光路側にレンズを配置せず、参照ミラーに光を導光する参照光路側にレンズを配置することも可能である。

本発明の他の実施形態によれば、ウェハなどの試料（被測定物）の表面形状や、その表面のごみ（異物）やポールピースなどの正確な座標位置を特定し、電子顕微鏡、描画装置などの荷電粒子ビーム装置にその正確なデータを送受信して、さらに表面形状、ごみなどの異物検査、ポールピース等の検査作業を迅速に行い、半導体検査などの作業効率の向上に一層貢献することができる。

図１は、本発明の好ましい実施例に係る測定装置の主要部を構成する干渉顕微鏡の概略を示す。

図１に示すように、半導体レーザ（ＬＤ）あるいは発光ダイオード（ＬＤ）１０、超発光ダイオード（ＳＬＤ）１２のいずれか２つの光源を２波長のレーザ光の光源として、とくに低コヒーレンス光源として、入射側に設ける。好ましくは、光源に近赤外帯、例えば、波長７８０ｎｍと８８０ｎｍの２波長の光源を用いれば、赤外帯に感度を持つ検出器一つで検出が可能である。それ以外に、例えば、波長λ＝６５０ｎｍの発光ダイオード（ＬＥＤ）や、波長λ＝８００ｎｍの超発光ダイオード（ＳＬＤ）、波長λ＝８００ｎｍ〜９００ｎｍ程度の半導体レーザ（ＬＤ）を用いることもできる。本発明においては、その他の低コヒーレンス光源の２波長のレーザ光を用いることも可能である。

分離手段として機能するビームスプリッター２を中心として、少なくとも４つの光路、すなわち入射光路４、測定光路６、参照光路８および検出光路９が十字の形に沿うように配置されている。

入射光路４は入射ビームスプリッター１３のところで２つの分岐光路４ａ，４ｂに分岐されていて、一方の分岐光路４ａにレンズ１１と発光ダイオード１０が配置され、他方の分岐光路４ｂにレンズ１５と超発光ダイオード１２が配置されている。

図示例では、測定光路６にレンズ２１が配置されている。レーザ光は、その測定光路６を通って試料２３に照射される。

参照光路８には、レンズが配置されていない。そのため、レーザ光は、その参照光路８を通って直接参照ミラー３０に導光される。

この参照ミラー３０は、図１に一点鎖線２９で示されているように、参照光路８の光軸に対して微小量傾けて固定されている。例えば、その傾斜角度は、約１５分（つまり１５／６０度）にするのが好ましい。

なお、参照ミラー３０は、前述のような固定方式とせず、変形例として、所望の傾斜角度内で傾動する形で傾斜させてもよい。とくに数秒（例えば４、５秒）から数十秒（２０、３０秒）の周期で振動する方式で傾斜させてもよい。

図示例においては、測定光路６にレンズ２１を設け、参照光路８にレンズを設けないことで、参照光路８と測定光路６との間で光学的光路差を設けているが、変形例として、参照光路８にレンズ（図示せず）を設ける形で、参照光路８と測定光路６との間で光学的光路差を設けてもよい。

また、別の変形例として、測定光を導光するための測定光路６中のレンズ２１と同じレンズを、参照光を導光するための参照光路８中に挿脱可能に設けることができる。参照光を導光するための参照光路８から、そのレンズを取り出し、測定光路６と異なる光路長（光学的光路長）を参照光路８に持たせるようにしても良い。

このように、どのような形態であっても、好ましくは、参照光路８と測定光路６の間で光学的光路差を持たせ、かつ、参照ミラー３０を僅かに傾斜させる。例えば約１５分（つまり１５／６０度）の角度だけ参照ミラー３０を僅かに傾ける。このような参照ミラー３０の傾斜により、試料２３の表面を走査することなく、試料２３からの反射光と参照ミラー３０からの参照光とが干渉し、検出手段１６に干渉縞が生じる。

検出手段１６の好ましい実施形態を説明する。光源に近赤外帯、例えば、波長７８０ｎｍと８８０ｎｍの２波長の光源を用いる。そうすれば、赤外帯に感度を持つ検出器一つで検出が可能である。また、半導体レーザ等の点灯、消灯が容易な素子を用いて切り替えを行うことによって、同時照射、各々の波長単独照射、及び検出も可能である。さらに、観察用光源に可視光光源を用い、可視光に感度を持つ光源を用いれば、光源が互いの検出系に及ぼす影響を最小限に抑えての同時照射も可能となる。

とくに、参照光路８に最小限の機能を持った光学素子を挿入するのが好ましい。例えば、対物レンズと同じ焦点距離を持つシリンダーレンズを利用し、及び対物レンズの分散値と同等の効果を持つ平面ガラス基板を挿入して、補正を行う。

また、検出手段１６は、他の実施形態においては、集束波（波形）を検出する第１ＣＣＤと、定常波（波形）を検出する第２ＣＣＤからなり、第１ＣＣＤは、複数の検出器を有し、それらの検出器によって光強度に応じて周波数の異なる複数の集束波（波形）を検出する。

波形（集束波）の最大値（ピーク）を求める際には、第１ＣＣＤにより取得した波形（集束波）に、第２ＣＣＤの定常波をかけて、波形（集束波）の最大値（ピーク）を浮き出させ、検出を容易にすることができる。

集束波（波形）について、必ずしも収束端から信号を検出する必要はない。例えば、図２の横軸（ｘ軸、空間軸）の所定位置からの信号を検出してもよい。

本発明の他の実施形態においては、図２の（ａ）に示されているように、処理工程１で、第１ＣＣＤのエンベロープ波形を検出して、次の関係式から、ｘを求める。

Ｔｅ＜ｅｘ
ただし、ｘはＤＣ（電流）成分、Ｔは一周期を表す。

図２の（ａ）に示されているエンベロープ波形の最大値の位置を基準位置として検出する。

図２の（ｂ）に矢印で示す位置を利用して、第１ＣＣＤのエンベロープ波形の最大値を示す位置を基準位置として求めるのが好ましい。

図２の（ｃ）に示されているのは、１つの周期波形である。このように、精密測定として、図２（ｂ）に示す第２ＣＣＤの波形の位相測定を求めるのが好ましい。

また、精密フーリエ変換で位相を求めることもできる。すなわち、ビット長微小変動したフーリエで、空間周波数の検出を行い、位相を測定する。この場合、一周期で求める精度のＮ周期倍の精度が得られる空間周波数は測定装置で決まる。それゆえ、温度などの条件に変化がない限り、一定であるので、空間周波数の検出は時々行えばよい。

図３は、本発明の好ましい第２の実施例に係る干渉顕微鏡の概略を示す。

図３において、干渉顕微鏡は、パルスレーザ６６、コリメートレンズ６８、ビームスプリッタ６９、長作動対物レンズ７４、ガラス板７５、被検面７７、参照ミラー７０、シリンダーレンズ７２、ガラス板７３、長作動対物レンズ７４、シリンダーレンズ７６、エリアセンサ７８等を有する。参照ミラー７０は、破線７１で示すように僅かに傾斜されて配置される。

第２の実施例の場合も、半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＤ）または超発光ダイオード（ＳＬＤ）のレーザ光源を用いるが、発光ダイオード（ＬＤ）および超発光ダイオード（ＳＬＤ）を２波長のレーザ光の光源として、とくに低コヒーレンス光源として、入射側に設ける。好ましくは、光源に近赤外帯、例えば、波長７８０ｎｍと８８０ｎｍの２波長の光源を用いる。そうすれば、赤外帯に感度を持つ検出器一つで検出が可能である。これに限らず、例えば、波長λ＝６５０ｎｍの発光ダイオード（ＬＥＤ）や、波長λ＝８００ｎｍの超発光ダイオード（ＳＬＤ）を用いてもよい。半導体レーザ（ＬＤ）を用いる場合、８００ｎｍ〜９００ｎｍ（中心波長８５０ｎｍ〜８９０ｎｍ）程度のパルスレーザを用いてもよい。半導体レーザの場合、電流（Ｉ）に対する強度（パワー、Ｐ）の関係において、所定の閾値（Ｉｔｈ）を超えると、レーザ光の強度（パワー）は電流に対して比例関係（リニアな関係）になるが、所定の閾値（Ｌｔｈ）までは、いわばＬＥＤ発光あるいはＳＬＤ的な発光となるので、微量な電流値に設定し、一定の光量でボーっと発光するような半導体レーザ（ＬＤ）の使用によって、一つの光源（例えば半導体レーザ（ＬＤ））で干渉計を通し、試料の表面内部を観察検査することもできる。また、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いる場合、コリメータレンズ等によって集光させた後、数ナノあるいは数マイクロ程度の幅の極めて狭いスリットを設けることで、線幅数μｍ（例えば２〜３μｍ）、長さ略２５０〜３００μｍ程度の線状光束にして試料に照射してもよい。

また、半導体レーザ等の点灯、消灯が容易な素子を用いて切り替えを行うことによって、同時照射、各々の波長単独照射、及び検出も可能である。さらに、観察用光源に可視光光源を用い、可視光に感度を持つ光源を用いれば、光源が互いの検出系に及ぼす影響を最小限に抑えての同時照射も可能である。

本発明では、半導体レーザ（ＬＤ）であるパルスレーザ６６を上記のようにＬＥＤ発光させ、パルスレーザ６６直後のコリメータレンズの像側に数ナノあるいは数マイクロ程度の幅の極めて狭いスリット８０を配置することで、線幅数μｍ（例えば２〜３μｍ）、長さ略２５０〜３００μｍ程度の線状光束にして試料に照射する。また、参照ミラー７０（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｉｒｒｏｒ）を符号７１で示すように微小量固定式又は傾動式（とくに振動式）に傾けて、干渉端の位置を計測する。例えば、参照ミラー７０を微小量（最良の形態では１５分（つまり１５／６０度）の角度）緩やかに傾けた状態に固定しておき、あるいは、必要に応じて傾動式（とくに振動式）に傾けることによって、エリアセンサ７８上に干渉縞を形成する。こうすれば、レーザ光を走査させることなく、１ショットで高さ方向の干渉像を得ることができる。しかも、低コヒーレントで、マイケルソン型等の干渉計を用いて、干渉端の位置を計測することができる。

図４〜５を参照して、本発明に係る干渉顕微鏡を備えた測定装置の一例を説明する。

測定装置である複合型観察装置１１０においては、装置本体１１１が、制御部１１２に接続されている。装置本体１１１は、試料室１１３と、載置台機構１１４と、観察光学系１１５と、走査型電子顕微鏡１１６、駆動部１１７とを備えている。走査型電子顕微鏡１１６は、以下では、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）１１６ともいう。

試料室１１３は、気密空間を形成するための筐体である。図示は略すが、試料室１１３には、試料２３（観察対象）の出し入れのための扉が設けられている。この試料室１１３は、気密性を有する構成とされており、真空装置１１９が設けられている。この真空装置１１９は、駆動部１１７からの駆動信号に応じて駆動され、試料室１１３を真空状態とする。この試料室１１３の内方に載置台機構１１４が設けられている。

載置台機構１１４は、載置台１２０と台移動部１２１とを有する。載置台１２０は、観察対象１１８を載置するための載置面１２０ａを形成する。この載置台１２０は、図示は略すが、載置面１２０ａに載置された観察対象１１８を固定的に保持可能とされており、台移動部１２１による移動により載置面１２０ａ上で試料２３が位置ずれをすることが防止されている。台移動部１２１は、載置面１２０ａがＸＹ平面と平行な状態を維持しつつ、ＸＹ平面に沿って移動可能にかつＺ方向に移動可能に載置台１２０を保持する。この台移動部１２１は、駆動部１１７からの駆動信号に応じて載置台１２０をＸＹ平面に沿って移動させ、かつＺ方向に移動させる。この載置台機構１１４では、図示は略すが、台移動部１２１による載置台１２０（載置面１２０ａ）の移動のための基準位置が設定されている。

この基準位置とされた載置台１２０（載置面１２０ａ）の中心を通りＺ方向に沿う測定光路６の観察光軸１１５ａを有するように、観察光学系１１５が設けられている。観察光学系１１５は、試料室１１３に気密的に取り付けられており、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１１６と計測光学系、すなわち干渉顕微鏡１２３とが組み合わされ、単一の対物レンズを共有する構成とされている。この走査型電子顕微鏡１１６と干渉顕微鏡１２３とは、互いに共通の観察光軸１１５ａとされている。観察光学系１１５では、干渉顕微鏡１２３が、光学顕微鏡１２２の分解能よりも高い分解能とされており、高さ方向（Ｚ方向）の寸法の計測が可能とされている。また、干渉顕微鏡１２３は、ＳＥＭ１１６よりも低い分解能とされており、当該ＳＥＭ１１６と光学顕微鏡１２２との中間の分解能を有する設定とされている。例えば、干渉顕微鏡１２３は、おおよそ１０００倍位の分解能を有し、ＳＥＭ１１６は、１〜３万倍位の分解能を有している。このような干渉顕微鏡１２３としては、例えば共焦点顕微鏡、レーザ顕微鏡または干渉計を用いることにより形成することができる。この干渉顕微鏡１２３およびＳＥＭ１１６は、それぞれの分解能において後述する表示器１２５（表示画面１２５ａ）により表示可能な領域に応じた領域で、試料２３を観察（画像データの取得）可能である。換言すると、計測光学系１２３およびＳＥＭ１１６は、それぞれの分解能に応じた大きさ寸法の領域を観察する（当該領域の画像データを取得する）ように設定されている。

観察光学系１１５には、干渉顕微鏡１２３により取得される試料２３からの画像データ（反射された光）を受光するための受光部１２４が設けられ、受光部１２４で受信された画像データは、電気信号に変換されて駆動部１１７を経て制御部１１２に送信される。この観察光学系１１５では、駆動部１１７からの駆動信号に応じて、ＳＥＭ１１６と干渉顕微鏡１２３における倍率の変更、ＳＥＭ１１６と干渉顕微鏡１２３との切り換え等がなされる。

駆動部１１７は、観察光学系１１５、ＳＥＭ１１６、載置台機構１１４および真空装置１１９に電気的に接続されており、これらを駆動すべく駆動信号を送信可能とされている。この駆動部１１７に制御部１１２が接続されている。

制御部１１２には、表示器１２５と指示器１２６とが接続されている。表示器１２５は、表示画面１２５ａを有し、制御部１１２により駆動制御される。この表示画面１２５ａに、観察光学系１１５（干渉顕微鏡１２３）により取得された観察画像およびＳＥＭ１１６により取得された観察画像が適宜表示される。

指示器１２６は、測定装置である複合型観察装置１１０を使用するために操作可能なものであり、為された操作が制御部１１２により読み取られる。この指示器１２６は、表示領域を示す記号の表示の有無、当該記号の移動、干渉顕微鏡１２３とＳＥＭ１１６との切り換え操作、この干渉顕微鏡１２３とＳＥＭ１１６における倍率の調整等のために操作される。

制御部１１２は、表示器１２５および装置本体１１１を統括的に制御するものであり、装置本体１１１の各構成部を駆動すべく駆動部１１７に制御信号を適宜送信する。また、制御部１１２は、観察光学系１１５により取得された観察画像およびＳＥＭ１１６により取得された観察画像を表示画面１２５ａに表示させるべく表示器１２５を駆動制御するとともに、観察画像を表示させた表示画面１２５ａ上に表示領域を示す記号を表示させるべく表示器１２５を駆動制御する。この表示領域を示す記号としては、例えば、計測表示枠と、電子表示枠と、電子表示点とがある。計測表示枠は、表示画面１２５ａに観察光学系１１５の干渉顕微鏡１２３の分解能で見た表示領域の大きさ寸法、すなわち当該干渉顕微鏡１２３により取得された観察画像（計測観察画像）として表示画面１２５ａに一時に表示可能な領域である計測表示領域を示すものである。また、電子表示枠は、表示画面１２５ａに観察光学系１１５の干渉顕微鏡１２３により取得された計測観察画像が表示されている際に、この計測観察画像上において、ＳＥＭ１１６の分解能で見た表示領域の大きさ寸法、すなわち当該ＳＥＭ１１６により取得された観察画像（電子観察画像１３２）として表示画面１２５ａに一時に表示可能な領域である電子表示領域を示すものである。

また、制御部１１２には、記憶部１２７が設けられている。この記憶部１２７は、制御部１１２の制御下で、表示画面１２５ａに表示させた各観察画像（光学観察画像、計測観察画像および電子観察画像）を格納可能（観察画像としての画像データを格納可能）であるとともに、各観察画像間での位置情報を格納可能である。この記憶部１２７への格納は、指示器１２６に為された操作に応じて為されるものでも、表示画面１２５ａに表示させたものは全て為されるものでもよい。

また、制御部１１２は、表示画面１２５ａに観察画像を表示させている場合、当該観察画像に関連する他の観察画像を記憶部１２７に格納していると、格納している他の観察画像の位置に合致する計測表示枠（以下、既知計測枠、電子表示枠（以下、既知電子枠という）および電子表示点（以下、既知電子点という）を表示することができる。

本実施例では、既知計測枠、既知電子枠および既知電子点は、これからの観察画像の取得のために表示する計測表示枠、電子表示枠および電子表示点と同様のものである。このため、計測表示枠、電子表示枠および電子表示点と、既知計測枠、既知電子枠および既知電子点とは、例えば互いの色を異なるものとして表示する等のように一見して判別できるものとすることが望ましい。

また、制御部１１２は、本実施例では、複合型観察装置１１０の装置本体１１１の制御のためのソフト（プログラム）がインストールされたコンピュータで構成され、表示器２５は、モニタで構成され、指示器２６は、コンピュータに接続されたマウス（キーボード）で構成されている。

また、図４〜５の実施例では、電子顕微鏡１１６の資料室１１３に干渉顕微鏡１２３を設けたが、図６に示すように、電子顕微鏡１１６の代わりに、例えば分光計のような光学系の鏡筒に干渉顕微鏡１２３を設けることもできる。その際、図７に示すように、電子線１２８と同じ軸になるように、干渉顕微鏡１２３からのＬＥＤ又はＬＤレーザ光を試料に照射させるために、反射ミラー１２９を設置し、ＳＥＭを用いる場合には、反射ミラー１２９が回転し、電子線軸から反射ミラー１２９が外れるようにすることができる。

図７において、１２９ａは、電子顕微鏡１１６の代わりに配置した分光計１１６の使用時の反射ミラー１２９の位置を示し、１２９ｂは、干渉顕微鏡１２３の使用時の反射ミラー１２９の位置を示す。反射ミラー１２９は、分光計１１６を用いる場合には、電子線１２８の光軸から外れるように１２９ｂの位置から１２９ａの位置に回転する。

なお、上記実施例では、観察光学系に干渉顕微鏡を備えた場合を述べたが、本発明は、これに限定されない。例えば光学顕微鏡を、干渉顕微鏡と共に配置することもできる。

なお、１３０はＬＥＤ又はＬＤレーザ光を示す。

Claims (25)

1. 有限な可干渉距離を持つ光束を二分割して、試料、及び参照ミラーに照射する二光束干渉計を用いて、試料表面の微細な凹凸、及び内部の高さ情報を観察検査する干渉顕微鏡において、
   波長、及び可干渉距離の異なる二光源からの光束を同一軸に合致させ、かつ線光束に整形、射出する第１手段と、合致した二光源光束を分割する第２手段とを有し、第２手段により、参照ミラーに二光源光束を導光、照射し、かつ線方向のみ結像させる参照光路と、試料に二光源光束の光源像を結像、照射する集光手段、及び試料からの微細な反射、散乱光を集光し光束に変換、導光する測定光路を設け、参照光路からの反射光、及び測定光路からの測定光を同一の検出手段で受光する検出光路を有し、参照光路に微小量の傾斜した光路差を設けることにより、参照ミラー、及び試料からの光束が重なり合う位置に、試料面の線方向の高さ分布情報を持った干渉縞分布を形成させ、試料、及び参照鏡間の相対距離の移動、又は波長走査による干渉縞の移動を行うことなく、高さ分布情報を得ることを特徴とする干渉顕微鏡。
2. 線光束は、線状に発光する素子により発せられたものであることを特徴とする請求項１に記載の干渉顕微鏡。
3. 線光束は、面状に発光する素子により発せられたものであることを特徴とする請求項１に記載の干渉顕微鏡。
4. 線光束は、点光源を直線状に並べたことを特徴とする請求項１に記載の干渉顕微鏡。
5. 線光束は、点光源を非対称光学系により楕円又は線状に整形した光束を用いることを特徴とする請求項１に記載の干渉顕微鏡。
6. 線光束は、点光源、又は線光源を回折光学素子又は多重反射板を用いて連続的に配列させた線状パターンであることを特徴とする請求項１に記載の干渉顕微鏡。
7. 参照光路と測定光路のそれぞれが、異なる光学系から構成され、かつ測定光路との画角ずれ、及び波長分散による光路長の差を補正する手段を有したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
8. 参照光路と測定光路の少なくとも一方又は両方がファイバー等の光導波素子であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
9. ２つの光源の波長は、同一の光学系、及び検出手段で利用できる帯域であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
10. 光源に半導体レーザ（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、又は超発光ダイオード（ＳＬＤ）を設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
11. 半導体レーザ（ＬＤ）が、発光ダイオード（ＬＥＤ）的な発光あるいは超発光ダイオード（ＳＬＤ）的な発光をさせるように用いられることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
12. ２つの光源の少なくとも一つは、単一波長を発振するレーザ光源であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
13. ２つの光源の少なくとも一つは、駆動部に切替え機能を有し、単一波長を発振するレーザ光源、及び波長幅の広い低コヒーレンス光源の両方の使い方が可能な光源であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
14. ２つの光源は、同時に照射されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
15. ２つの光源は、切替え機能を有し、交互に点灯及び消灯が可能であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
16. 参照ミラーを固定方式で傾けることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
17. 参照ミラーを傾動方式で傾けることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
18. 参照ミラーとして、一定の段差をもつ階段状のミラーを用いることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
19. 干渉計として、マイケルソン型干渉計あるいはリンニク型干渉計を用いることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
20. 測定光路中のビーム走査手段または試料ステージの移動手段を有し、試料の１次元方向の順次線照射を可能にした請求項１〜１９のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
21. 検出手段として、ラインセンサ、又はエリアセンサを用い、参照ミラー、及び試料からの光束がセンサー内で効率良く重なり合うよう、円筒レンズによって集光すると共に、検出手段と分割手段との距離を可能な限り短くしたことを特徴とした請求項１〜２０のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
22. 参照光路に最小限の機能を持った光学素子として挿入するために、対物レンズと同じ焦点距離を持つシリンダーレンズを使用し、及び対物レンズの分散値と同等の効果を持つ平面ガラス基板を挿入することを特徴とする１〜２０のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
23. 試料の二次元像を表示するための照明、結像光学系を備え、かつ、測定光路中の集光手段を光学系の一部として共用することを特徴とする観察手段を有し、それぞれの光源の切替えにより高さ検出と試料像の観察を同時、または別に行うことを可能とした請求項１〜２２のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
24. 観察手段の照明光源は、高さ測定のための光源とは異なる波長帯の光源であることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡。
25. 請求項１〜２４のいずれか１項に記載の干渉顕微鏡を有することを特徴とする測定装置。

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