JPH01284704A - 表面の微細構造を測定する方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の利用分野 この発明は、干渉顕微鏡の原理により表面の微細構造を
測定する方法とその装置に関する。

従来の技術の特徴 表面形態を測定するミリア（Ｍｉｒｅａ）干渉計に参照
鏡を配設することは、米国特許第４６３９１３９号方法
により公知である。この場合、上記参照鏡で反射した基
準ビームは物理的に与えられた参照鏡の残留粗さによっ
て影響を受ける。何故なら、参照鏡の表面が検査表面と
同じ様に使用している顕微鏡の対物レンズの焦点面にあ
る、つまりシャープに結像するからである。それ故、僅
かな残留粗さを有する参照鏡を作製するために大きな経
費を費やす必要があっても、基準面の粗さによって測定
結果が悪くなる。更に、ミリア干渉計は、大きな絞りの
対物レンズ（Ｎ＞　０．５）を使用する場合、非常に困
難になってしまう。このことが表面の微細形態を測定す
るのに要求される高い横分解能のため非常に重要になる
。

ＷＹＫＯ−Ｃｏｒｐの出版物、米国１／８６−５　Ｍに
は、表面の微細形態を測定するため、マイケルソン干渉
計、ミリア干渉計、及びリニーク（Ｌｉｎｎｉｋ）干渉
計も紹介されている。これ等の干渉計に共通に当てはま
ることは、基準面が０．４〜０．８　ｎｍの平方平均値
、ＲＭＳ値（通常の場合）、ないしは０゜１５ＲＭＳ値
（特別仕上げの場合）の残留粗さで影響を受ける点にあ
る。更に、１．５　ｘと２００×の間で対物レンズの拡
大率を変えるためには、全体的に新しい干渉計ヘッドを
利用することが非常に重要である。即ち、そのことは、
一個の顕微鏡の場合−船釣に通常対物レンズだけでなく
、全体の干渉計ヘッドを交換する必要がある。このこと
が意味することは、リニーク干渉計の場合、光分離ユニ
ット、基準対物レンズ及び検査対物レンズから或る干渉
計を完全に交換する必要がある。

米国特許第４３５３６５０号公報には、光学部品の残留
粗さを測定する光学レーザーへテロダイン前置フィルタ
ーが説明しである。更に、集束した検査ビームと基準ビ
ームが生じ、その場合基準ビームが回転する検査表面に
固定されたままで、円形軌道上の検査ビームは点に対す
る表面の外形を検出し、基準ビームと検査ビーム間の周
波数のずれを電子的に評価する。

ここでの欠点は、表面外形のみは所定の円形軌道に沿っ
て検出される点にある。しかし、多くの課題では、表面
を直線に沿って、又はある領域で測定することが大切に
なる。更に、この方法は焦点の見掛は上の管理のみを可
能にするが、検査表面自体の観察を可能にしていない。

東独特許第３２８７９号公報によれば、対物ビーム空間
中の結像対物レンズと対物表面、及び基準ビーム空間の
三重反射体を有する干渉顕微鏡は公知である。この装置
によって、主に非常に大きな数値の絞りを有する一個の
対物レンズを使用できる。しかし、この東独特許に示し
であるように、プリズムを導入して基準ビームの半分中
にフィゾー縞を発生させることはできない。何故なら、
干渉が鏡筒対物レンズの焦点面に観察されるからである
。つまり無限面にある。この種のプリズムを光通路に挿
入すると、問題が生じ・る。何故なら、干渉現象が観察
面で消失するからである。

干渉顕微鏡の基準ビーム通路中にガラス製の三重反射体
を使用することに対する実験的な調査は、「精密装置技
術Ｊ　　（Ｆｅｉｎｇｅｒａｔｅｔｅｃｈｉｎｉｋ）　
１６　（１９６７）　１１　ｐｐ、　５０５〜５０８　
　に基準ビーム空間中にプリズムない装置に対して説明
しである。しかし、観察面には円形の干渉構造が生じる
。この構造は表面の形状に無関係に発生し、この光学装
置の有用性は非常に制約され、この装置が干渉顕微鏡中
で今まで実用的な応用を見出せていない。更に、三重プ
リズムの表面の直交性に関する精度への要求が非常に高
い、例えば干渉顕微鏡中で往復ビ−ムの平行性誤差に対
し、約１０秒の角度の値が可視光で越えてはならない。

この根拠から、更に干渉測定では基準対物と基準面で作
業される必要がある。

発明の目的 この発明の目的は、表面の粗さをオングストローム範囲
で干渉顕微鏡的に測定する場合、技術経費を大幅に低減
することにある。

発明の詳細な説明 この発明の課題は、干渉測定の場合に生じる望ましくな
い円形干渉構造を排除し、従来より必要とされる基準面
を余計にすることにある。

上記の課題は、次の方法によって解決されている。この
方法では、光ビームを或る立体角に制限し、平行にして
振幅を分けて対物ビームと基準ビームに分離するので、
対物ビーム空間と基準ビーム空間が生じる。その場合、
対物ビームがビーム伝播方向に光学的にずれ、物体の表
面に集束し、この表面から反射し、次いで再び平行にな
る。基準ビームは基準ビーム空間で三重反射して伝播方
向を逆転し、その対称軸で反射する。ここでは、同じ様
に光学的にずれていて、対物ビームと基準ビームが再び
合致し、集束して共通のビーム空間で物体の表面像が干
渉像として生じる。その場合、この発明により対物ビー
ム空間と基準ビーム空間中で光学的な異なったずれによ
って生じる見掛は上の複数の鏡面が光学的に共役関係に
なる。それ故、対物ビーム空間と基準空間を経由して瞳
孔は、共通ビーム空間に共通出射瞳孔として形成され、
干渉した対物ビームと基準ビームの間の光路差を少なく
とも或る波長に対して零にする。この場合、基準ビーム
の伝播方向を補正できる可能性を有するため、ビームの
合致位置が空間的に分離していると有利である。更に、
干渉像の位相を２Ｐｉの端数にずらし、各変更後又はそ
の間に測定するように対物ビーム空間と基準ビーム空間
の光路を゛使用した波長の端数に変えると有利である。

この補正は、対物ビームと基準ビームが共通のビーム空
間で互いに平行になる様に行われると有利である。

この発明による装置が有するものは、完全な干渉顕微鏡
の照明となる一個の光源、視野絞り、照明用の対物レン
ズ、部分的に反射する一枚の被膜、結像対物レンズ、結
像対物レンズに共通に対物ビーム空間で仮想的な鏡面を
形成する対物ビーム空間の物体の表面、同様に基準ビー
ム空間で仮想的な鏡面を発生させる基準ビーム空間の三
枚の反射平面、一個の鏡筒対物レンズと一個の受像器で
ある。この場合、光源には光の方向に向けて視野絞り、
照明対物レンズ及び部分的に反射する被膜が続き、そし
てこれには第一に結像対物レンズと物体の表面が続き、
第二反射する三枚の平面対向する。この場合、この発明
によれば部分的に反射する被膜と結像対物レンズの間に
は一枚の板が配設してあり、前記部分的に反射する被膜
はこの膜に平行な部分的に反射する第二の被膜が配設し
である。この被膜に対して一方で回転プリズム対又は回
転プリズム及び三枚の前記反射平面と、他方鏡筒対物レ
ンズが配設しである。この鏡筒対物レンズには、電算機
に連結している受像器が続き、部分的に反射する被膜に
は第三番目に第二の鏡筒接眼レンズを有する対物レンズ
が対向している。

三枚の反射平面を三重反射体として又は反射面が後続す
る屋根型反射体として形成すると有利である。この場合
、三重反射体が頂点Ｐを有するか、あるいは屋根型反射
体と反射面との幾何学的な交点が頂点Ｐを形成する。

結像対物レンズの位置と焦点距離を板の光学的な厚さに
合わせて、結像対物レンズの部分的に反射する被膜側の
焦点Ｆ′が、見掛は上の鏡面Ｓ′を決める見掛は上の焦
点Ｆ″に光学的にずれ、前記見掛は上の鏡面Ｓ′が基準
ビーム空間の仮想鏡面Ｓ″に共役関係にあり、対物ビー
ム空間と基準ビーム空間の上に形成される二つの瞳孔Ｂ
′とＢ“が共通のビーム空間で共通の出射瞳孔（Ｂ’Ｂ
“）を形成する。

この場合、部分的に反射する二つの被膜が一枚の板に一
種に存在し、その場合両方の被膜が主に使用している光
学面のほぼ半分づつのみを覆うと有利である。

三重反射体を使用する場合、見掛は上の鏡面Ｓ″が見掛
は上の頂点Ｐ′の位置によって決まる。

この場合、見掛は上の頂点Ｐ′は三重反射体と回転プリ
ズムの対の像のずれによって頂点Ｐの像として生じる。

この場合、見掛は上の二つの鏡面Ｓ′とＳ＃が対称面Ｒ
で部分的に反射する二枚の被膜の間で直線Ｋに交差する
ように、三重反射体と回転プリズムのガラス間隔と三重
反射体の位置が設計されている。

三重反射体は、主に光軸に対して垂直に移動できるよう
に配設しである。こうすることによって、干渉縞の幅を
調節できる。

更に、三枚の反射面の相対位置が変わるのを防止するた
め、三重反射体をガラスプリズムで形成すると有利であ
る。受像器は、ＣＣＤマトリックスで構成しであると合
理的である。挿入した板は主にプリズム状で、二つの瞳
孔Ｂ′とＢ″が共通の出射瞳孔（Ｂ’Ｂ″）に正確に合
体して入射することを保証するため、横に移動できるよ
うに配設しである。三重反射体を挿入した場合、この反
射体は光路差を零にするためビーム方向に移動できるよ
うに配設しである。結像対物レンズは主として、板と一
緒に交換できるように配設すると有利である。

実施例 この発明を以下に実施例についてより詳しく説明する。

例１．　第１図に示しであるように、単色光源１から出
射したビームが視野絞り２によって制限され、照明対物
レンズ３を経由して平行にされ、そして平坦な平行板５
に置かれた部分的に反射する被膜４に達する。

ビームの一部は対物ビーム空間に達し、対物ビームにな
り、このビームは板６を通過して結像対物レンズ７を経
由して物体の表面８に集束する。

ここで、集束点が生じる。そこから、ビームの一部は集
束点で反射し、結像対物レンズ７によって再び平行にな
り、板６を再び通過して、部分的に反射する被膜４を通
過した後平行板５を経由して第二の部分的に反射する被
膜９に達する。

ビームの第二部分は、部分的に反射する被膜４を通過し
、基準ビームに向かい、平行板５を通過し、この平行板
を離れた後、三重反射体１０によて反射され、その反射
軸の所で反射し、回転プリズムの対１１を通過して部分
的に反射する被膜９のところで対物ビームと二つの干渉
ビームに合致する。両干渉ビームの一方は鏡筒対物レン
ズ１２を経由して受像器１４に達し、第二の干渉ビーム
は平行板５を通過した後鏡筒対物レンズ１４を経由して
図示していない接眼レンズによって観察される。

乱れた干渉リングは、次の場合に低減することが分かる
。その場合は、板６の光学的な厚さと結像対物レンズ７
の位置を三重反射体１０と回転プリズム１１の光学的な
厚さ及び三重反射体１０の位置を調節して、対物ビーム
空間と基準ビーム空間にそれぞれ存在する見掛は上の鏡
面Ｓ′とＢ″が、平行板５を三等分する平面で切断して
直線にとなり、第１図に対応して、式２ｘＴＦ“＝ＴＵ
＋ＷＶを満たし、照明対物レンズ３の像Ｂ′とＢ″が共
通の出射瞳孔（Ｂ’　Ｂ″）を形成する時である。

第２図には、付属する薄い板１６と物体表面１７を有す
る長焦点距離の交換対物レンズ１５が示しである。この
場合、ここでも板１６の光学的な厚さと交換対物レンズ
１５は、既に説明したように、見掛は上の鏡面Ｓ′の位
置を占め、光学距離を同一に保つように、順次調節され
る。

例２．　第３図に対応して、対物ビームはガラスブロッ
ク１９の部分的に反射する被膜１８のところで反射した
後、板２０を通過して結像対物レンズ２１によって物体
表面２２上に集束して、そこで集束点が生じる。そこか
ら、対物ビームは集束で点で反射し、結像対物レンズ２
１によって再び平行にされ、板２０を経由し、部分的に
反射する被膜１８と板２０通過して第二の部分的に反射
する被膜２４に達する。ビームの第二の部分、つまり基
準ビームは部分的に反射する被膜１８を通過し、回転プ
リズム２５を貫通して端部反射体２６のところで逆転し
、その対称軸で反射し、別な回転プリズム２５を通過し
、部分的に反射する被膜２３に当たる。ここで、このビ
ームが対物ビームと再度合致するので、二つの干渉ビー
ム対が生じる。この対は第−例と同じように利用できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図、平行板と三重反射体を備えたこの発明による装
置の断面図。 第２図、付属する板を備えた交換対物レンズとしてのこ
の発明による装置の断面図。 第３図、９０°プリズムと組み合わせた屋根型プリズム
を備えたこの発明による装置の断面図。 図中引用記号： １・・・光源、 ２・・・視野絞り、 ３・・・照明対物レンズ、 ４．９．１８．２４・・・部分的に反射する被膜、５・
・・平行板、 ６．１６．２０・・・板、 ７．２１・・・結像対物レンズ、 ８．１７．２２・・・物体の表面、 １０．２６・・・三重反射体、 １１．２５．２７・・・回転プリズム、１２．１４・・
・鏡筒対物レンズ、 １３・・・受像器、 １５・・・交換対物レンズ、 １９・・・ガラスブロック。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光ビームを或る立体角に制限し、平行にし、振幅分
   離によって対物ビームと基準ビームに分割して対物ビー
   ム空間と基準ビーム空間を生じさせ、対物ビームを光の
   伝播方向で光学的に移動させ、物体の表面で集束させ、
   この表面から反射し、次いで再び平行にし、一方基準ビ
   ームを基準ビーム空間で三回反射させて、この基準ビー
   ムの伝播方向を逆転させ、その対称軸のところで反射さ
   せ、同じ様に光学的に移動させ、対物ビームと基準ビー
   ムを再び合致させて集束させ、共通のビーム空間で表面
   の像を干渉像として発生させる物体表面の微細構造を測
   定する方法において、対物ビーム空間と基準ビーム空間
   中で種々の光学的なずれを発生させる見掛け上の二つの
   鏡面が互いに共役関係になり、対物ビーム空間と基準ビ
   ーム空間を経由して形成される瞳孔が共通の出射瞳孔と
   して共通なビーム空間で形成されるか、共通の平面で平
   行にずれて形成され干渉した対物ビームと基準ビームの
   間の光路差が少なくとも一つの波長に対して零になるこ
   とを特徴とする方法。 ２、ビームの分離位置とビームの合致位置は空間的に隔
   ててあることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３、対物ビーム空間と基準ビーム空間での光路距離を使
   用している光の波長の数分の１に変えて、干渉像の位相
   を２πの数分の１ずらし、この変更の間又は後毎に位相
   を測定することを特徴とする請求項１又は２記載の方法
   。 ４、基準ビームを伝播方向に向けて平行にし、対物ビー
   ムと基準ビームが共通のビーム空間で同一直線上で又は
   互いに平行に伝播することを特徴とする請求項１〜３の
   いずれか１項に記載の方法。 ５、対物ビーム空間中にそれぞれ一個の光源、視野絞り
   、照明対物レンズ、部分的に反射被膜、結像対物レンズ
   、前記結像対物レンズと共に対物ビーム空間で形成する
   見掛け上の鏡面と、同様に基準ビーム空間で見掛け上の
   鏡面を発生させる基準ビーム空間中の三個の反射平面と
   、一個の鏡筒対物レンズと一個の受像器とを備え、光源
   に伝播方向に向けて前記視野絞り、前記照明対物レンズ
   及び前記部分的に反射する被膜が後続し、前記被膜に第
   一に結像対物レンズと物体の表面とが続き、第二に前記
   表面に上記三個の反射平面が続く、物体表面の微細構造
   を測定するため特許請求の範囲第１〜４項による方法を
   実行する装置において、部分的に反射する被膜（４；１
   ８）と結像対物レンズ（７；１５；２１）の間に一枚の
   板（６；１６；２０）が配設してあり、前記部分的に反
   射する被膜（４；１８）に対してこの被膜に平行に設置
   した第二の部分的に反射する被膜（９；２４）が配設し
   てあり、この被膜に対して一方で回転プリズム対（１１
   ）又は回転プリズム（２７）及び前記三枚の平面が、ま
   た他方で鏡筒対物レンズ（１２）が配設してあり、この
   鏡筒対物レンズには電算機に連結した受像器（１３）が
   続き、部分的に反射する被膜（９）には第三に接眼レン
   ズを有する第二鏡筒対物レンズ（１４）が対向設置して
   あることを特徴とする装置。 ６、三枚の反射平面が三重反射体（１０）として又は後
   続する反射面を有する屋根型反射体として形成してあり
   、三重反射体（１０）には頂点Ｐがあるか、屋根型反射
   体の反射面との幾何学交点は頂点Ｐを形成することを特
   徴とする請求項５記載の装置。 ７、結像対物レンズ（７；１５；２１）の位置と焦点距
   離は板（６；１６；２０）の厚さで調節され、見掛け上
   の鏡面（Ｓ′）を決める見掛け上の焦点（Ｆ″）の方に
   部分的に反射する被膜（４；１８）を光学的な移動を行
   い、前記見掛け上の鏡面（Ｓ′）が基準ビーム空間の見
   掛け上の鏡面（Ｓ″）と共役関係になり、対物ビーム空
   間と基準ビーム空間を経由して形成される二つの瞳孔（
   Ｂ′；Ｂ″）は共通ビーム空間で共通出射瞳孔（（Ｂ′
   、Ｂ″））を形成するか、共通平面で平行にずらして結
   像されることを特徴とする請求項５又は６のいくずか１
   項に記載の装置。 ８、部分的に反射する被膜（４；１１）は一緒に平行板
   （５）上に存在し、両被膜はそれぞれ光学的に利用され
   る面のほぼ半分だけ覆ってあることを特徴とする請求項
   ５〜７のいずれか１項に記載の装置。 ９、三重反射体（１０）はガラスプリズムで形成してあ
   ることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載
   の装置。 １０、基準ビームの見掛け上の鏡面（Ｓ″）の位置は見
   掛け上の頂点（Ｐ′）の位置によって決定され、この見
   掛け上の頂点（Ｐ′）は三重反射体（１０）の像ずれに
   よって三重反射体（１０）の頂点（Ｐ）の像として、ま
   た基準ビーム空間の回転プリズムの対（１１）の頂点（
   Ｐ）の像として生じ、三重反射体（１０）と回転プリズ
   ム（１１）のガラス距離と三重反射体（１０）の位置は
   、主に基準ビーム空間の見掛け上の頂点（Ｐ′）が対物
   ビーム空間の見掛け上の焦点（Ｆ″）と光学的な共役関
   係にあり、両方の見掛け上の鏡面（Ｓ′；Ｓ″）が光学
   的な共役関係にあり、両方の部分的に反射する被膜（４
   ；９）の間の対称面（Ｒ）が直線（Ｋ）で交差するよう
   に設計されることを特徴とする請求項７又は９記載の装
   置。 １１、三重反射体（１０）は光軸に対して垂直に移動可
   能に配設してあり、見掛け上の頂点（Ｐ′）は共通空間
   の見掛け上の焦点（Ｆ″）に共通平面で平行に移動して
   結像され、高密度の干渉像が生じることを特徴とする請
   求項５〜１０のいずれか１項に記載の装置。１２、受像
   器（１３）はＣＣＤマトリックスで形成されていること
   を特徴とする請求項５〜１１のいずれか１項に記載の装
   置。 １３、板（６；１６；２０）は楔状て横に移動可能に配
   設してあることを特徴とする請求項５〜１２のいずれか
   １項に記載の装置。 １４、三重反射体（１０）はビーム方向に移動可能に設
   置してあることを特徴とする請求項５〜１３のいずれか
   １項に記載の装置。 １５、結像対物レンズ（７；１５；２１）は板（６；１
   ６；２０）と一緒に交換可能であることを特徴とする請
   求項５〜１４のいずれか１項に記載の装置。