JP2017003590A - 偏光系コヒーレント勾配検知システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡面反射表面の少なくとも一つの表面形状特性を測定するための偏光系コヒーレント勾配検知システムおよび方法を提供する。【解決手段】試料表面８２から第１の回転偏光レーザ光線２２ＲＨを反射して、表面形状情報を有する第２の回転偏光レーザ光線２２ＬＨを形成し、線形偏光反射レーザ光線２２Ｙに変換し、線形偏光反射レーザ光線の第１の部分および第２の部分を、第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００へそれぞれ向ける。第１の中継アセンブリおよび第２の中継アセンブリは、軸上で離間した回折格子対１１０、２１０をそれぞれ使用し、回折格子対は、第１の画像センサ１５０および第２の画像センサ２５０のそれぞれにおいて、第１の干渉パターンおよび第２の干渉パターンをそれぞれ生成し、第１の画像センサおよび第２の画像センサからの第１の信号Ｓ１および第２の信号Ｓ２は、処理され、表面形状特性を決定する。【選択図】図１

Description

本開示は、光学干渉に関し、具体的には、コヒーレント勾配検知に関し、より具体的には、偏光系コヒーレント勾配検知システムおよび方法に関する。

本明細書中で言及されたあらゆる刊行物または特許文献の全体的な開示は、参照により組み込まれる。特許文献には、米国特許第３，８２９，２１９号、米国特許第５，５２６，１１６号、および米国特許第６，０３１，６１１号が含まれる。刊行物には、Ｍ．Ｐ．Ｒｉｍｍｅｒらによる「可変のせん断を有する側方せん断干渉測定装置を用いた大収差の評価」（Ａｐｐ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、第１４２−１５０頁、１９７５年１月）、およびＳｃｈｒｅｉｂｅｒらによる「連続した２つのロンチ位相勾配系側方せん断干渉測定装置」（Ａｐｐ．Ｏｐｔ．、Ｖｏｌ．３６、Ｎｏ．２２、第５３２１−５３２４頁、１９９７年８月）が含まれる。

コヒーレント勾配検知（ＣＧＳ）は、表面の形状に基づく一つ以上の特性（例えば、高さ、傾斜、および曲率）を測定するために使用される干渉法である。ＣＧＳ法は、光学プローブとしてコリメートコヒーレント光線を使用し、本質的にあらゆる材料で形成された鏡面反射面を示す形状情報を得る。鏡面反射面が平坦ではないとき、反射プローブ光線の波面は歪む。これにより、反射プローブ光線は、測定下での表面形状に関連付けられた光路差または位相変化を獲得する。

互いに離間した２つの回折格子は、反射プローブ光線の光路中に配置され、測定により歪み波面を操作する。第１の回折格子は、反射プローブ光線を回折し、異なる次数の回折成分に空間的に分離する。第２の回折格子は、第１の回折格子によって形成された各回折成分をさらに回折させる。第２の回折格子に対して配置された光学要素（例えば、レンズ）は、第１の回折格子によって形成された２つの異なる回折成分を回折させることによって、第２の回折格子によって形成された２つの任意の回折成分を組み合わせる。２つの任意の回折成分は、互いに干渉し、干渉パターンを形成する。この２つの回折格子による回折は、２つの任意の回折成分間で相対的な空間変位を生じさせる。この空間変位は、せん断距離と呼ばれる。干渉パターンは、反射面での２つの位置間の個々の高低差を抽出することを可能にする情報を含んでいる。この２つの位置は、せん断距離によって分離される。これらの高低差は、局所表面勾配として解釈され得る。そして、局所表面勾配はさらに処理され、数値積分法によるトポグラフィー情報または数値微分法による曲率情報を得ることができる。

現在のＣＧＳシステムが発展しているにもかかわらず、ＣＧＳシステムに対し、試料表面のより改良された測定法を提供することへの要望が高まってきている。この要望には、より幅広い測定応用に関してより高い測定機能を提供するために、測定ノイズを減少させること、解像度をより高めることなどが含まれる。

本開示の一局面は、鏡面反射面の少なくとも一つの形状に基づく特性を測定する方法である。この方法は、第１の回転偏光を有するコリメートレーザ光線を試料表面へ向けることと、前記試料表面から前記コリメートレーザ光線を反射させて、第２の回転偏光を有し、かつ、前記鏡面反射面の形状情報を含む反射レーザ光線を形成することと、前記第２の回転偏光を有する反射レーザ光線を、線形偏光反射レーザ光線に変換することと、前記線形偏光反射レーザ光線の第１の部分を、軸上で離間した第１の回折格子対であって、第１の方向を有し、２つの第１の回折成分を形成する第１の回折格子対へ向け、前記２つの第１の回折成分を組み合わせて、第１の画像センサ上で第１の干渉パターンを形成することと、前記線形偏光反射レーザ光線の第２の部分を、軸上で離間した第２の回折格子対であって、前記第１の方向に直交する第２の方向を有し、２つの第２の回折成分を形成する第２の回折格子対へ向け、前記２つの第２の回折成分を組み合わせて、第２の画像センサ上で第２の干渉パターンを形成することと、前記第１の干渉パターンおよび前記第２の干渉パターンを処理し、前記鏡面反射面の少なくとも一つの形状に基づく特性を決定することとを備える。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記線形偏光反射レーザ光線の第１の部分および第２の部分を向けることは、ビームスプリッタを使用して、前記線形偏光反射レーザ光線の第１の部分および第２の部分を、第１および第２の中継アセンブリへそれぞれ送信することを含む。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記線形偏光反射レーザ光線の第１の部分および第２の部分は、実質的に同じ強度を有する。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記コリメートレーザ光線を向けることは、レーザ源から初期レーザ光線を生成し、前記初期レーザ光線を第１の光線拡大器に通過させて、第１の拡大レーザ光線を形成し、その後光線拡大光学システムを通過させて、第２の拡大レーザ光線を形成することを含む。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記初期レーザ光線および前記第１の拡大レーザ光線は線形偏光され、前記第１の拡大レーザ光線を、１／４波長遅延板に通して、回転偏光コリメートレーザ光線を形成することを含む。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記第２の回転偏光を有する反射レーザ光線を、線形偏光反射レーザ光線に変換することは、前記反射レーザ光線を、前記１／４波長遅延板に通すことを含む。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記２つの第１の回折成分を組み合わせることは、前記２つの第１の回折成分を、第１の中継レンズシステムを用いて第１のフーリエ開口部に通すことを含み、前記２つの第２の回折成分を組み合わせることは、前記２つの第２の回折成分を、第２の中継レンズシステムを用いて第２のフーリエ開口部に通すことを含む。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、第１の回転偏光を有する前記コリメートレーザ光線は、３００ｍｍと４５０ｍｍとの間の径を有する。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記コリメートレーザ光線は、ヘリウム−ネオンレーザによって放射された初期レーザ光線から形成される。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、軸上で離間した第１および第２の回折格子対は、それぞれ位相格子で構成される。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記線形偏光反射レーザ光線の第１の部分の第１の倍率を制御することと、前記線形偏光反射レーザ光線の第２の部分の第２の倍率を制御することとを含み、これにより、前記第１の画像センサに形成された前記第１の干渉パターンは、前記第２の画像センサに形成された前記第２の干渉パターンと同じ大きさを有する。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記第１の画像センサは、第１の画素を有するとともに、第１のカメラレンズと組み合わされて第１のカメラを形成し、前記第２の画像センサは、第２の画素を有するとともに、第２のカメラレンズと組み合わされて第２のカメラを形成し、前記第１のカメラと前記第２のカメラのそれぞれは、多軸位置制御機能を有し、前記試料表面と、前記第１の画像センサの第１の画素および第２の画像センサの第２の画素との間で、表面対センサの画素マッチング（適合）を実行する。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記少なくとも一つの形状に基づく特性は、前記試料表面における２つの位置間の高低差、傾斜、および曲率を含む。

本開示の他の局面は、上述の方法であって、前記２つの第１の回折成分を、調整可能な大きさおよび調整可能な軸位置を有する第１の可調開口部へ向けることと、前記２つの第２の回折成分を、調整可能な大きさおよび調整可能な軸位置を有する第２の可調開口部へ向けることと、前記第１および第２の可調開口部の大きさおよび軸位置の少なくとも一つを調整して、２つの第１の回折次数以外の回折次数、および、２つの第２の回折次数以外の回折次数をそれぞれ遮断（ブロック）することをさらに備える。

本開示の他の局面は、鏡面反射表面を有する試料の少なくとも一つの形状に基づく特性を測定するシステムである。このシステムは、レーザ源と、偏光ビームスプリッタと、波長板と、光線拡大光学システムと、ビームスプリッタと、第１の中継アセンブリと、第２の中継アセンブリと、プロセッサとを含む。レーザ源は、第１の線形偏光レーザ光線を放射する。偏光ビームスプリッタは、前記第１の線形偏光レーザ光線を通過させるように配置される。波長板は、前記偏光ビームスプリッタを通過した前記第１の線形偏光レーザ光線を送信するように配置され、第１の回転偏光レーザ光線を形成する。光線拡大光学システムは、前記第１の回転偏光レーザ光線を受光し、この第１の回転偏光レーザ光線を試料表面に向け、反射レーザ光線を形成する。反射レーザ光線は、第２の回転偏光を有し、前記試料表面に関する形状情報を含む。ここで、前記反射レーザ光線は、前記光線拡大光学システムを出射し、前記波長板を通過する。また、前記反射レーザ光線は、前記偏光ビームスプリッタから反射し、第２の線形偏光レーザ光線を形成する。ビームスプリッタは、前記第２の線形偏光レーザ光線の第１の部分および第２の部分をそれぞれ通過させて、反射する。第１の中継アセンブリは、第２の線形偏光されたレーザ光線の第１の部分を受光し、軸上で離間した第１の回折格子対へ向ける。第１の回折格子対は、第１の方向を有し、２つの第１の回折成分を形成する。ここで、前記２つの第１の回折成分は組み合わされ、第１の画像センサ上で第１の干渉パターンを形成する。第２の中継アセンブリは、前記第２の線形偏光レーザ光線の第２の部分を受光し、軸上で離間した第２の回折格子対へ向ける。第２の回折格子対は、第２の方向を有し、２つの第２の回折成分を形成する。ここで、前記２つの第２の回折成分は組み合わされ、第２の画像センサ上で第２の干渉パターンを形成する。プロセッサは、前記第１干渉パターンおよび前記第２の干渉パターンを処理するように構成され、前記鏡面反射面を有する試料の少なくとも一つの形状に基づく特性を決定する。

本開示の他の局面は、上述のシステムであり、前記少なくとも一つの形状に基づく特性は、前記試料表面における２つの位置間の高低差、傾斜、および曲率を含む。

本開示の他の局面は、上述のシステムであって、前記試料表面は径を有し、前記光線拡大光学システムは、前記第１の回転偏光レーザ光線を拡大し、拡大されたレーザ光線の径が、前記試料表面の径以上の径を有するように構成される。

本開示の他の局面は、上述のシステムであって、軸上で離間した前記第１の回折格子対および前記第２の回折格子対は、ホログラフィー回折格子によってそれぞれ形成されている。

本開示の他の局面は、上述のシステムであって、前記第１の中継アセンブリおよび前記第２の中継アセンブリは、可変倍率をそれぞれ有する。

本開示の他の局面は、上述のシステムであって、前記第１の中継アセンブリは、補償ビームスプリッタを含む。

本開示の他の局面は、上述のシステムであって、光線拡大器をさらに備える。光線拡大器は、前記レーザ源と前記偏光ビームスプリッタとの間に動作可能に配置され、第１の線形偏光レーザ光線を拡大するように構成される。

本開示の他の局面は、上述のシステムであって、前記ビームスプリッタは、５０：５０ビームスプリッタである。

本開示の他の局面は、上述のシステムであって、第１のカメラレンズと、第２のカメラレンズとをさらに備える。第１のカメラレンズは、前記第１の画像センサとともに第１のカメラを規定する。前記第１の画像センサは、第１の画素を有する。第２のカメラレンズは、前記第２の画像センサとともに第２のカメラを規定する。前記第２の画像センサは、第２の画素を有する。前記第１のカメラと前記第２のカメラのそれぞれは、多軸位置制御機能を有し、前記試料表面と、前記第１の画像センサの第１の画素および第２の画像センサの第２の画素との間で、表面対センサの画素マッチング（適合）を実行する。

本開示の他の局面は、上述のシステムであって、第１の可調開口部と、第２の可調開口部とをさらに備える。第１の可調開口部は、前記第１の中継アセンブリにおいて、前記第１の画像センサと、軸上で離間した前記第１の回折格子対との間に配置される。第１の可調開口部は、調整可能な大きさおよび調整可能な軸位置を有する。第２の可調開口部は、前記第２の中継アセンブリにおいて、前記第２の画像センサと、軸上で離間した前記第２の回折格子対との間に配置される。第２の可調開口部は、調整可能な大きさおよび調整可能な軸位置を有する。

さらなる特徴点及び利点は、以下の詳細な説明に明記される。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面に記載された実施形態を実施することによって認識されるであろう。上記の概要及び下記の詳細な説明に関する記載は、単なる例示であって、特許請求の範囲に記載されている本発明の本質及び特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。

添付図面は、さらなる理解を提供するために含まれており、本明細書の一部を構成すると共に本明細書の一部に組み込まれる。図面は、１または複数の実施形態を示しており、詳細な説明と共に種々の実施形態の原理や動作を説明する役割を担う。このように、本開示は、添付図面と共に以下に示す詳細な説明からより完全に理解されることになるであろう。
図１は、本開示による偏光系ＣＧＳシステムの一例の模式図である。 図２は、図１に示す偏光系ＣＧＳシステムの一例の光学模式図である。 図３は、図２に示す偏光系ＣＧＳシステムの３次元キャド（ＣＡＤ）図面である。

以降、本開示の様々な実施形態、および、添付の図面に示される複数の例について詳述する。可能な限り、同一または類似の部分の図では、同一または類似の参照番号および参照符号が用いられる。図面には決まった縮尺がなく、当業者であれば、図面は本発明の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。

下記の特許請求の範囲の記載は、発明の詳細な説明に組み込まれると共にその一部を構成する。

いくつかの図面において、参考のためにデカルト座標が描かれているが、これは方向および配置位置を限定するものではない。

図１は、本開示による偏光系ＣＧＳシステム（「システム」）１０の一例の模式図である。システム１０は、レーザ源２０を含む。レーザ源２０は、例として、「Ｘ」偏光を示す破線の双方向矢印で示すように、第１の光軸Ａ１に沿って線形偏光レーザ光線２２Ｌを出射する。システム１０は、光線拡大器３０、２つの折り返しミラーＦＭ１およびＦＭ２、および偏光ビームスプリッタＢＳＰを含む。偏光ビームスプリッタＢＳＰは、第２の光軸Ａ２を規定する。システム１０は、第１の光軸Ａ１に沿って、波長板ＷＰ、および光線拡大光学システム５０を含む。光線拡大光学システム５０は、試料８０に隣接して配置される。試料８０は、測定対象となる形状を持つ表面８２を有する。一例では、試料８０の表面８２は、鏡面反射表面である。また一例では、上記形状は、例えば、単純な放物線形状の曲面だけでなく、比較的複雑な形状を有し得る。一例では、システム１０は、測定される試料８０の表面８２の少なくとも一つの形状に基づく特性を測定する。形状に基づく特性は、例えば、２つの位置の高低差、一つ以上の位置における傾斜、および曲率などである。

またシステム１０は、第２の光軸Ａ２に沿って第２のビームスプリッタＢＳを含む。第２のビームスプリッタＢＳは、第３の光軸Ａ３を規定する。第３の光軸Ａ３は、第１の中継アセンブリ１００に存在する。折り返しミラーＦＭ３も、第２の光軸Ａ２に沿って存在し、第４の光軸Ａ４を規定する。第４の光軸Ａ４は、第２の中継アセンブリ２００に存在する。第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００は、第１の干渉計アームおよび第２の干渉計アームを規定する。第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００により、ｘ方向およびｙ方向（または、より一般的には、任意の２つの方向）における表面形状情報を同時に収集することができる。これにより、より高度な測定スループットおよび単純化されたシステムが実現される。このシステムにおいては、単一アームの先行のシステムと比較して、移動部材の個数が減少または削減される。第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００のそれぞれは、対応するデータセットを生成する。このデータセットは、試料８０の表面８２の一つ以上の形状に基づくパラメータを決定するために使用される。２つの完全なデータセットは、冗長性をもたらす（すなわち、表面形状復元が過剰決定される）。これにより、例えば、「悪い（粗悪な）」画素を切り捨てる、あるいは、「悪い（粗悪な）」画素の重みを減少させることによって、測定信頼性の改善および誤差の最小化が可能となる。

図２は、図１のシステム１０のより詳細な光学模式図である。また、図３は、システム１０の３次元キャド（ＣＡＤ）図面である。一例の光線拡大光学システム５０は、第１の光軸Ａ１に沿って順に、複レンズ５２、正メニスカスレンズ５４、および平凸レンズ５６を含む。第１の中継アセンブリ１００は、第３の光軸Ａ３に沿って、補償板１０４、第１の回折格子対１１０（ｘ軸に平行なせん断距離）および第１の中継レンズシステム１２０、第１のフーリエ環状開口部１３０、第１のカメラレンズ１４０、並びに、第１の画像センサ１５０を含む。第１の画像センサ１５０は、第１の画素１５０Ｐを含む（図１における左端の拡大挿入図参照）。第１のカメラレンズ１４０および第１の画像センサ１５０は、第１のカメラ１５１を規定する。

第２の中継アセンブリ２００は、第４の光軸Ａ４に沿って、第２の回折格子対２１０（ｙ軸に平行なせん断距離）、第２の中継レンズシステム２２０、第２のフーリエ環状開口部２３０、第２のカメラレンズ２４０、並びに、第２の画像センサ２５０を含む。第２の画像センサ２５０は、第２の画素２５０Ｐを含む（図１における右端の拡大挿入図参照）。第２のカメラレンズ２４０および第２の画像センサ２５０は、第２のカメラ２５１を規定する。

第１の画像センサ１５０および第２の画像センサ２５０は、プロセッサ３００に電気的に接続されている。

システム１０の動作の一例では、レーザ源２０は、線形偏光レーザ光線２２Ｌを出射する。線形偏光レーザ光線２２Ｌは、比較的小さな（例えば、１ｍｍ）の初期レーザ径を有する。線形偏光レーザ光線２２Ｌは、光線拡大器３０によって受光される。光線拡大器３０は、例えば５０倍（５０×）から２００倍（２００×）の間、具体的には約８０ｍｍの径にまで、線形偏光レーザ光線２２Ｌを拡大する。折り返しミラーＦＭ１およびＦＭ２は、偏光ビームスプリッタＢＳＰを通る線形偏光レーザ光線２２Ｘを、波長板ＷＰへ向ける。偏光ビームスプリッタＢＳＰは偏光しており、線形偏光レーザ光線２２Ｘの強度を最大化するように配列され、送信中にレーザ光線２２Ｘを通過させる。一方、背面で反射された未使用のレーザ光線の強度を最小化する。波長板ＷＰは、結晶石英の１／４波長遅延板で構成される。波長板ＷＰによって、線形偏光レーザ光線２２Ｘから回転偏光レーザ光線２２ＲＨが形成される。回転偏光レーザ光線２２ＲＨは、例えば、右偏波レーザ光線である。この回転偏光されたレーザ光線２２ＲＨは、左偏波レーザ光線として形成されてもよい。

右偏波レーザ光線２２ＲＨは、光線拡大光学システム５０に入射する。光線拡大光学システム５０は、右偏波レーザ光線２２ＲＨを受光し、右偏波レーザ光線２２ＲＨの大きさを拡大するように構成される。一例では、光線拡大量は、４倍であり、例えば、８０ｍｍ径から３２０ｍｍ径に拡大される。拡大された右偏波光線２２ＲＨは、実質的なコリメートレーザ光線として試料８０の表面８２に入射する。試料８０の表面８２は、試料面ＳＰに存在する。ここで、光線拡大量は、試料８０の大きさに基づいて選択されることに着目すべきである。したがって、４５０ｍｍ径のウエハの場合は、光線拡大器３０および光線拡大光学システム５０に関して異なる光線拡大量が用いられる。これにより、任意のサイズ（例えば、任意の径）を有する右偏波レーザ光線２２ＲＨが得られる。

コリメート右偏波レーザ光線２２ＲＨは、試料８０の表面８２から反射し、その回転偏光が左回りに反転される。これにより、左偏波レーザ光線２２ＬＨが規定される。左偏波レーザ光線２２ＬＨは、ウエハ表面歪み２Ｘ’（ｘ，ｙ）＆２Ｙ’（ｘ，ｙ）傾斜分配の２倍の３次元歪み２・ΔＺ（ｘ，ｙ）に等しい反射波面誤差を有する。左偏波レーザ光線２２ＬＨは、光線拡大光学システム５０を通って戻り、波長板ＷＰを通過する。波長板ＷＰは、左偏波レーザ光線２２ＬＨを変換して、Ｙ方向への線形偏光を持たせる。すなわち、線形偏光レーザ光線２２Ｙを形成する。線形偏光レーザ光線２２Ｙは、８倍のウエハ表面傾斜分配（すなわち、８Ｘ’（ｘ，ｙ）および８Ｙ’（ｘ，ｙ））を有する４倍に減少された（１／４に減少した）レーザ光線（例えば、８０ｍｍ径の光線）として、光線拡大光学システム５０の入射端を出射する。

線形偏光レーザ光線２２Ｙは、その後、偏光ビームスプリッタＢＳＰに誘導され、第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００へ導かれる。偏光ビームスプリッタＢＳＰは、第２のビームスプリッタＢＳに入射する、線形偏光反射レーザ光線２２Ｙを最大化するように配列される。第２のビームスプリッタＢＳは、光の一部を透過させ、光の一部を反射する。第２のビームスプリッタＢＳは、例えば、５０：５０ビームスプリッタである。したがって、線形偏光レーザ光線２２Ｙの半分は、第３の光軸Ａ３に沿って進み、第１の中継アセンブリ１００を通るように向けられる。一方、線形偏光レーザ光線２２Ｙの他の半分は、折り返しミラーＦＭ３によって方向付けられ、第２の中継アセンブリ２００の方へ向けられる。ここで、偏光ビームスプリッタＢＳＰは、偏光ビームスプリッタであることに着目すべきである。偏光ビームスプリッタは、それぞれの偏光において１００％に近い偏光効率で、Ｘ偏光光およびＹ偏光光を反射する。これにより、レーザ光線強度が実際に分割される光路中の唯一の位置は、第２のビームスプリッタＢＳの位置となる。そのため、第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００は、それぞれ比較的小さな光学損失を差し引いて、システム１０を通って進むレーザ光線の実質的に半分の光を受光する。この光学損失は、（例えば、光線拡大光学システム５０におけるレンズ要素表面などの）種々の光学界面における反射に起因して発生する。

線形偏光レーザ光線２２Ｙの一部は、第１の中継アセンブリ１００を進む。そして、線形偏光レーザ光線２２Ｙの一部は、補償板１０４を通過する。補償板１０４は、余剰の光路を相殺する。この余剰の光路は、線形偏光レーザ光線２２Ｙが第２のビームスプリッタＢＳを通過して第２の中継アセンブリ２００に到達するときに、もたらされる。補償板１０４に加えて、第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００は、物理学的に配置される。これにより、第２のビームスプリッタＢＳと第１の中継アセンブリ１００の第１の回折格子対１１０との間の光学距離の総量、および、第２のビームスプリッタＢＳと第２の中継アセンブリ２００の第２の回折格子対２１０との間の光学距離の総量は、同一となる。線形偏光レーザ光線２２Ｙは、補償板１０４を通過し、その後第１の回折格子対１１０に到達する。一例では、第１の回折格子対１１０は、様々な距離に離間し、かつ平行なロンチ格子対または回折格子対である。線形偏光レーザ光線２２Ｙは、第１の回折格子対１１０によって、異なる相対強度で、種々の次数：０次、±１次、±２次などに回折される。

回折格子対１１０から出射する光には、興味の対象となる２つの光線成分が存在する。それは、第１の回折格子対１１０からの０次成分および＋１次成分と、第２の回折格子対２１０からの＋１次成分および０次成分である。回折格子対１１０および２１０における２つの回折による回折次数の異なる組合せが混合されて、干渉を発生させることに着目すべきである。実際には、より低い回折次数の使用が最も望ましい。これらの２つの光線成分は、格子空間周波数および第１の回折格子対１１０間の軸分離（Ｚ距離）に比例した量によって、「Ｘ方向」（平面図において左右方向）に側方せん断される。回折された光線成分のこれらの「対」およびその他の「対」は、第１の中継レンズシステム１２０に入射し、第１のフーリエ環状開口板１３０の周辺で焦点合わせされる。第１の中継レンズシステム１２０および第１のフーリエ環状開口板１３０は、光軸を規定する。光軸は、所望の回折次数の回折角に平行になるように位置合わせされている。第１のフーリエ環状開口板１３０の中心孔（すなわち、有効口径）の大きさは、調整可能である。そして、中心孔の大きさは、回折された光線成分の不必要な全ての組合せを処断するように選択される。これにより、直列回折格子対から、所望のせん断された１次光線成分ＢＡ１およびＢＢ１の組合せのみが、通過する。

第１のフーリエ環状開口板１３０の最適なｚ位置および大きさ（有効口径）は、試料８０の表面８２の全体形状に非常に依存し得る。完全に平坦な物体では、望ましい回折次数は、最小直径位置であって、第１の中継レンズシステム１２０のフーリエ面における不要な次数から最も離れた位置にあるであろう。公称の凸（下方に湾曲した）物体では、最小径の平面は、第１のカメラ１５１に近づくようにシフトするであろう。これに対して、公称の凹（上方に湾曲した）物体では、最小径の平面は、フーリエ面に対して試料８０側へ近づくようにシフトするであろう。開口軸位置および開口直径の自動調整は、物体形状の範囲を最大化する。この物体形状の範囲は、システム１０で測定することができる。

せん断回折された光線成分ＢＡ１およびＢＢ１は、第１のカメラ１４０によって、画素化された（デジタルの）第１の画像センサ１５０（ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）に対して焦点合わせされる。第１の画像センサ１５０では、各光線成分は、その同等物（カウンターパート）と干渉し、第１の画像センサ１５０上に空間強度分布（干渉縞）が形成される。第１の中継レンズシステム１２０および第１のカメラレンズ１４０は、試料面ＳＰが第１の画像センサ１５０と共役するが、約２０倍（２０×）に縮小され、例えば、約１５ｍｍの光線径を有するように構成される。より一般的には、縮小倍率は、第１の画像センサ１５０における画像の大きさを最大化するように選択される。実際には、１０倍（１０×）から４０倍（４０×）の縮小倍率が一般的である。明暗それぞれの縞は、Ｘ方向のせん断における８倍のウエハ傾斜に相当する地点である。したがって、明縞は、等化位相Ｎ^＊π^＊λ（すなわち、建設的干渉）のせん断回折された光線成分ＢＡ１およびＢＢ１に相当し、各暗縞は、等化位相Ｎ^＊π^＊λ／２（すなわち、相殺的干渉）の成分に相当する。

同様に、線形偏光レーザ光線２２Ｙの一部は、第２の中継アセンブリ２００を進む。そして、線形偏光レーザ光線２２Ｙの一部は、第２の回折格子対２１０を通過する。一例では、第２の回折格子対２１０は、様々な距離に離間し、かつ平行なロンチ格子または回折格子である。この格子は、局所光軸Ａ３の周りを９０度回転し、第１の中継アセンブリ１００における第１の回折格子対１１０に直交している。第２の中継アセンブリ２００内を進む線形偏光レーザ光線２２Ｙは、種々の次数：０次、±１次、±２次などに回折される。第１の格子対１１０および第２の格子対２１０から出射する光には、興味の対象となる２つの光線成分が存在する。それは、第１の格子対からの０次成分および＋１次成分と、第２の格子対からの＋１次成分および０次成分である。これらの２つの光線成分は、ここで、格子空間周波数および第２の回折格子対２１０間の軸分離（Ｚ距離）に比例した量によって、「Ｙ方向」（平面図において前後方向）に側方せん断される。回折された光線成分ＢＡ２およびＢＢ２のこれらの「対」およびその他の「対」は、第２の中継レンズシステム２２０に入射し、第２のフーリエ環状開口板２３０の周辺で焦点合わせされる。

第２のフーリエ環状開口板２３０の大きさおよび位置は、調整可能である。これにより、回折された光線成分の不必要な全ての対が遮断されるように構成することができる。そして、直列回折格子対２１０から、せん断された１次光線成分のせん断回折された光線成分ＢＡ２およびＢＢ２の所望の対のみが、送られる。０次、−１次および−１次、０次の回折次数も使用可能であり、一般的に、あらゆる奇数次の回折次数も使用可能であることにも着目すべきである。

第１のフーリエ環状開口板１３０と同様に、第２のフーリエ環状開口板２３０の最適なｚ位置および大きさ（有効口径）は、試料８０の表面８２の全体形状に非常に依存し得る。

せん断回折された光線成分ＢＡ２およびＢＢ２は、第２のカメラ２４０によって、画素化された（デジタルの）第２の画像センサ２５０（ＣＣＤ、ＣＭＯＳなど）に対して焦点合わせされる。第２の画像センサ２５０では、せん断回折された光線成分ＢＡ２，ＢＢ２は、その同等物（カウンターパート）と干渉し、第２の画像センサ２５０上に空間強度分布（干渉縞）を形成する。第２の中継レンズシステム２２０および第２のカメラレンズ２４０は、試料面ＳＰが第２の画像センサ２５０と共役するが、約２０倍（２０×）に縮小されるように構成される。これにより、一例では、せん断回折された光線成分ＢＡ２，ＢＢ２は、約１５ｍｍの光線径を有する。第１の中継アセンブリ１００に関連して上述したように、縮小倍率は、第２の画像センサ２５０における画像の大きさを最大化するように選択される。第１の回折格子対１００および第２の回折格子対２００を形成する格子分離の微調整を行って、２つの中継アセンブリ１００および２００のせん断距離を適合させることができることにも着目すべきである。

明暗それぞれの縞は、Ｙ方向のせん断における８倍のウエハ傾斜に相当する地点である。したがって、明縞は、等化位相Ｎ^＊π^＊λ（すなわち、建設的干渉）のせん断光線成分に相当し、各暗縞は、等化位相Ｎ^＊π^＊λ／２（すなわち、相殺的干渉）の成分に相当する。

一例では、第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００のそれぞれは、これらの性能を許容し、せん断距離および物体対センサの倍率と適合されるように構成される。したがって、例えば、第１の回折格子対１００および第２の回折格子対２００は、ｚ軸に平行な軸調整可能に構成することができる。これにより、それぞれの回折格子対１１０，２１０に関するせん断距離を、せん断距離に比例した格子分離で制御することができる。さらに、一例では、第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００のそれぞれは、倍率調整を含む。倍率調整は、物体対センサ倍率の微調整を可能にする。ここで、「微調整」とは、レンズ位置制御の分解能が、対物面８２の画像上の特徴を認識できる程度の解像度と比較して大きいことを意味する（例えば、１画素）。

一例では、カメラ１５１および２５１は、多軸の位置制御とともに構成される。多軸の位置制御は、表面対センサ画素適合（マッチング）を可能にする。すなわち、対物面８２における位置マッピングを、第１の画像センサ１５０上の第１の画素１５０Ｐおよび第２の画像センサ２５０上の第２の画素２５０Ｐの同一の位置とそれぞれ適合させることを可能にする。一例では、第１の中継アセンブリ１００および第２の中継アセンブリ２００における倍率調整は、第１の中継レンズシステム１２０および第２の中継レンズシステム２２０のそれぞれにおける少なくとも一つの可動要素、あるいは、第１のカメラレンズ１４０および第２のカメラレンズ２４０のそれぞれにおいて、行われる。

第１の画像センサ１５０および第２の画像センサ２５０は、第１のセンサ信号Ｓ１および第２のセンサ信号Ｓ２をそれぞれ生成する。第１のセンサ信号Ｓ１および第２のセンサ信号Ｓ２は、プロセッサ３００に送信され、プロセッサ３００で処理される。そして、プロセッサ３００は、試料８０の表面８２の一つ以上の形状に基づく特性を決定する。

システム１０において偏光光学を使用することによって、非偏光光学を使用する場合と比較して、４倍（４×）の光学損失量を減少させることができる。これにより、より強度の高いセンサ信号Ｓ１およびＳ２が得られる。これらのセンサ信号によって、結果的に、より良好な試料表面測定（例えば、誤差の減少）およびより高度な測定解像度が実現される。解像度は、デジタルイメージセンサにおいては、画素に対する光子の個数に依存する。システム１０の構成により、例えば、迷光などの、その他の不都合な光学的効果も減少させることができる。また、システム１０の構成により、干渉光線成分（ＢＡ１、ＢＢ１およびＢＡ２、ＢＢ２）における強度の平衡化も可能となる。また、レーザ光線スループットが改善されることによって、レーザ源２０からのガウスビーム２２Ｘの中央の比較的平坦な（すなわち、均一な）部分を使用することができ、光線の端部を除去しつつ、光線均一性を改善することができる。このようにして、表面形状測定の実施に必要とされる強度に実質的な悪影響を与えることなく、照射の均一性を改善することができる。さらに、システム１０において利用可能な強度を最大化することによって、第１の画像センサ１５０および第２の画像センサ２５０での露光時間を短くすることができる。これにより、振動（例えば、試料の振動）によるぶれを減少させることができる。２アームシステム１０において光透過性がより高くなることで、レーザ源２０に関して、より低出力、およびそれに伴うより安定したレーザを実現することができる。

一例では、回折格子対１１０および２１０は、ホログラフィックに基づく２成分光学系を備える。それにより、０および＋１次のエネルギー比が、平衡化された相対強度を有するように設計されることができる。そのため、不要な奇数および偶数の回折次数強度を最小化することができ、ゴースト光線の回折縞／干渉縞を除去／最小化し、縞コントラストを改善することができる。これにより、より高い信号対ノイズ比（ＳＮ比）が得られる。これは、効率の低い暗線／空間ロンチ格子の代替となる。暗線／空間ロンチ格子では、入射レーザ光線の５０％が、各格子の棒（バー）によって「遮断」（吸収）される。別の方法では、各ロンチ格子対によって２５％未満の透過率となる。回折位相格子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）は、各回折次数に関して（限界において）１００％の効率となり得る。この効率は、２成分光学系、コンピュータ合成（厚膜）ホログラフィック（ＣＧＨ）、または、規定化／ブレーズ化された格子溝形状を用いて、どのように設計されるかに依存する。これらの方法の全ては、一旦「マスター」が作成されると、コストの低い方法で複製することができる。ホログラフィー格子の複製処理は、格子の面内寸法の全体にわたってより一層均一であり、棒（バー）−空間タイプの格子と比較して、格子から格子へと複製しやすい。例えば、ホログラフィー格子は、ブレ（ｒｕｎ−ｏｕｔ）、または、格子対格子倍率についての問題を有さない。そのため、１２．７ミクロン（公称）の有効ピッチを有する格子に関して、ホログラフィー格子は、１０ｎｍ未満のオーダーで一致する一方、棒（バー）−空間格子は、５０ｎｍから１００ｎｍまでのオーダーで変化する。

当業者には明白であるが、添付される特許請求の範囲で規定された本開示の精神または範囲から逸脱することなく、本明細書中に記載された本開示の好ましい実施形態に対して様々な変更を加えることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲及びその均等範囲内で行われる本開示の修正及び変更を包含する。

Claims (24)

1. 鏡面反射面の少なくとも一つの形状に基づく特性を測定する方法であって、
   第１の回転偏光を有するコリメートレーザ光線を試料表面へ向けることと、
   前記試料表面から前記コリメートレーザ光線を反射させて、第２の回転偏光を有し、かつ、前記鏡面反射面の形状情報を含む反射レーザ光線を形成することと、
   前記第２の回転偏光を有する反射レーザ光線を、線形偏光反射レーザ光線に変換することと、
   前記線形偏光反射レーザ光線の第１の部分を、軸上で離間した第１の回折格子対であって、第１の方向を有し、２つの第１の回折成分を形成する第１の回折格子対へ向け、前記２つの第１の回折成分を組み合わせて、第１の画像センサ上で第１の干渉パターンを形成することと、
   前記線形偏光反射レーザ光線の第２の部分を、軸上で離間した第２の回折格子対であって、前記第１の方向に直交する第２の方向を有し、２つの第２の回折成分を形成する第２の回折格子対へ向け、前記２つの第２の回折成分を組み合わせて、第２の画像センサ上で第２の干渉パターンを形成することと、
   前記第１の干渉パターンおよび前記第２の干渉パターンを処理し、前記鏡面反射面の少なくとも一つの形状に基づく特性を決定することと
   を備える方法。
2. 前記線形偏光反射レーザ光線の第１の部分および第２の部分を向けることは、ビームスプリッタを使用して、前記線形偏光反射レーザ光線の第１の部分および第２の部分を、第１および第２の中継アセンブリへそれぞれ送ることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記線形偏光された反射レーザ光線の第１の部分および第２の部分は、実質的に同じ強度を有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記コリメートレーザ光線を向けることは、レーザ源から初期レーザ光線を生成し、前記初期レーザ光線を第１の光線拡大器に通過させて、第１の拡大レーザ光線を形成し、その後光線拡大光学システムを通過させて、第２の拡大レーザ光線を形成することを含む、請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記初期レーザ光線および前記第１の拡大レーザ光線は線形偏光され、前記第１の拡大レーザ光線を、１／４波長遅延板に通して、回転偏光コリメートレーザ光線を形成することを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の回転偏光を有する反射レーザ光線を、線形偏光反射レーザ光線に変換することは、前記反射レーザ光線を、前記１／４波長遅延板に通すことを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記２つの第１の回折成分を組み合わせることは、前記２つの第１の回折成分を、第１の中継レンズシステムを用いて第１のフーリエ開口部に通すことを含み、
   前記２つの第２の回折成分を組み合わせることは、前記２つの第２の回折成分を、第２の中継レンズシステムを用いて第２のフーリエ開口部に通すことを含む、
   請求項１から６の何れか１項に記載の方法。
8. 第１の回転偏光を有する前記コリメートレーザ光線は、３００ｍｍと４５０ｍｍとの間の径を有する、請求項１から７の何れか１項に記載の方法。
9. 前記コリメートレーザ光線は、ヘリウム−ネオンレーザによって放射された初期レーザ光線から形成される、請求項１から８の何れか１項に記載の方法。
10. 軸上で離間した第１および第２の回折格子対は、それぞれ位相格子で構成される、請求項１から９の何れか１項に記載の方法。
11. 前記線形偏光反射レーザ光線の第１の部分の第１の倍率を制御することと、前記線形偏光反射レーザ光線の第２の部分の第２の倍率を制御することとを含み、これにより、前記第１の画像センサに形成された前記第１の干渉パターンは、前記第２の画像センサに形成された前記第２の干渉パターンと同じ大きさを有する、請求項１から１０の何れか１項に記載の方法。
12. 前記第１の画像センサは、第１の画素を有するとともに、第１のカメラレンズと組み合わされて第１のカメラを形成し、
    前記第２の画像センサは、第２の画素を有するとともに、第２のカメラレンズと組み合わされて第２のカメラを形成し、
    前記第１のカメラと前記第２のカメラのそれぞれは、多軸位置制御機能を有し、前記試料表面と、前記第１の画像センサの第１の画素および第２の画像センサの第２の画素との間で、表面対センサの画素マッチングを実行する、請求項１から１１の何れか１項に記載の方法。
13. 前記少なくとも一つの形状に基づく特性は、前記試料表面における２つの位置間の高低差、傾斜、および曲率を含む、請求項１から１２の何れか１項に記載の方法。
14. 前記２つの第１の回折成分を、調整可能な大きさおよび調整可能な軸位置を有する第１の可調開口部へ向けることと、
    前記２つの第２の回折成分を、調整可能な大きさおよび調整可能な軸位置を有する第２の可調開口部へ向けることと、
    前記第１および第２の可調開口部の大きさおよび軸位置の少なくとも一つを調整して、２つの第１の回折次数以外の回折次数、および、２つの第２の回折次数以外の回折次数をそれぞれ遮断すること
    をさらに備える、請求項１から１３の何れか１項に記載の方法。
15. 鏡面反射表面を有する試料の少なくとも一つの形状に基づく特性を測定するシステムであって、
    レーザ源と、偏光ビームスプリッタと、波長板と、光線拡大光学システムと、ビームスプリッタと、第１の中継アセンブリと、第２の中継アセンブリと、プロセッサとを含み、
    前記レーザ源は、第１の線形偏光レーザ光線を放射し、
    前記偏光ビームスプリッタは、前記第１の線形偏光レーザ光線を通過させるように配置され、
    前記波長板は、前記偏光ビームスプリッタを通過した前記第１の線形偏光レーザ光線を通過させるように配置され、第１の回転偏光レーザ光線を形成し、
    前記光線拡大光学システムは、前記第１の回転偏光レーザ光線を受光し、この第１の回転偏光レーザ光線を試料表面に向け、反射レーザ光線を形成し、前記反射レーザ光線は、第２の回転偏光を有し、前記試料表面に関する形状情報を含み、ここで、前記反射レーザ光線は、前記光線拡大光学システムを出射し、前記波長板を通過するとともに、前記偏光ビームスプリッタから反射し、第２の線形偏光レーザ光線を形成し、
    前記ビームスプリッタは、前記第２の線形偏光レーザ光線の第１の部分および第２の部分をそれぞれ通過させて、反射し、
    前記第１の中継アセンブリは、前記第２の線形偏光レーザ光線の第１の部分を受光し、軸上で離間した第１の回折格子対へ向け、前記第１の回折格子対は、第１の方向を有し、２つの第１の回折成分を形成し、ここで、前記２つの第１の回折成分は組み合わされ、第１の画像センサ上で第１の干渉パターンを形成し、
    前記第２の中継アセンブリは、前記第２の線形偏光レーザ光線の第２の部分を受光し、軸上で離間した第２の回折格子対へ向け、前記第２の回折格子対は、第２の方向を有し、２つの第２の回折成分を形成し、ここで、前記２つの第２の回折成分は組み合わされ、第２の画像センサ上で第２の干渉パターンを形成し、
    前記プロセッサは、前記第１干渉パターンおよび前記第２の干渉パターンを処理するように構成され、前記鏡面反射面を有する試料の少なくとも一つの形状に基づく特性を決定する、
    システム。
16. 前記少なくとも一つの形状に基づく特性は、前記試料表面における２つの位置間の高低差、傾斜、および曲率を含む、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記試料表面は径を有し、前記光線拡大光学システムは、前記第１の回転偏光レーザ光線を拡大し、拡大されたレーザ光線の径が、前記試料表面の径以上の径を有するように構成される、請求項１５または１６に記載のシステム。
18. 軸上で離間した前記第１の回折格子対および前記第２の回折格子対は、ホログラフィー回折格子によってそれぞれ形成されている、請求項１５から１７の何れか１項に記載のシステム。
19. 前記第１の中継アセンブリおよび前記第２の中継アセンブリは、可変倍率をそれぞれ有する、請求項１５から１８の何れか１項に記載のシステム。
20. 前記第１の中継アセンブリは補償板を含む、請求項１５から１９の何れか１項に記載のシステム。
21. 光線拡大器をさらに備え、前記光線拡大器は、前記レーザ源と前記偏光ビームスプリッタとの間に動作可能に配置され、第１の線形偏光レーザ光線を拡大するように構成される、請求項１５から２０の何れか１項に記載のシステム。
22. 前記ビームスプリッタは、５０：５０ビームスプリッタである、請求項１５から２１の何れか１項に記載のシステム。
23. 第１のカメラレンズと、第２のカメラレンズとをさらに備え、
    前記第１のカメラレンズは、前記第１の画像センサとともに第１のカメラを規定し、前記第１の画像センサは、第１の画素を有し、
    前記第２のカメラレンズは、前記第２の画像センサとともに第２のカメラを規定し、前記第２の画像センサは、第２の画素を有し、
    前記第１のカメラと前記第２のカメラのそれぞれは、多軸位置制御機能を有し、前記試料表面と、前記第１の画像センサの第１の画素および第２の画像センサの第２の画素との間で、表面対センサの画素マッチングを実行する、
    請求項１５から２２の何れか１項に記載のシステム。
24. 第１の可調開口部と、第２の可調開口部とをさらに備え、
    前記第１の可調開口部は、前記第１の中継アセンブリにおいて、前記第１の画像センサと、軸上で離間した前記第１の回折格子対との間に配置され、前記第１の可調開口部は、調整可能な大きさおよび調整可能な軸位置を有し、
    前記第２の可調開口部は、前記第２の中継アセンブリにおいて、前記第２の画像センサと、軸上で離間した前記第２の回折格子対との間に配置され、前記第２の可調開口部は、調整可能な大きさおよび調整可能な軸位置を有する、
    請求項１５から２３の何れか１項に記載のシステム。
    

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