JPH0429963B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物体の表面検査装置に関する。

本発明は偏光電磁輻射線（たとえば可視光線、
赤外線または紫外線）により表面を検査すること
ができかつ表面の性質に関する電気出力信号を発
生しうる装置に関するものである。

たとえばランク・テイラー・ホブソン・タリサ
ーフ（Rank Taylor Hobson Talysurf）
（RTM）およびタリステツプ（Talystep）
（RTM）のような表面特性を測定するための初
期の装置は、表面を横断させる針に頼るものであ
つた。

西独特許第211229号明細書には、表面粗さを光
学的に測定する装置が記載されている。この測定
装置では、２つの直交する方向に偏光する輻射線
ビームが電気光学的変調器を介して輻射線源から
射出される。

欧州特許第21148号明細書には、輻射線ビーム
の２つの直交する方向に偏光する成分の干渉を利
用して表面の輪郭を測定する方法とその装置とが
記載されている。

上述の装置は、表面を横方向に走査する際に得
られる信号から表面に関する情報を得るという原
理に基づいている。

輻射線の直交する偏光成分を用いて得られる像
について軸方向の変調を導入して、表面のパラメ
ータを検査するための簡単な装置を構成し得るこ
とは知られていない。

本発明の目的は、物体の表面に関する各種の形
状的性質を決定し得るように改良された物体の表
面検査装置を提供することにある。

本発明によれば、前述の目的は、互いに振幅が
等しいＳ偏光成分及びＰ偏光成分の２つの成分を
有する平行ビームを物体の表面に向けて発生する
ビーム発生手段と、物体の表面に向つて進行する
ビームの前述の２つの成分を相互に異なる度合で
屈折させると共に物体の表面から反射された反射
ビームの前述の２つの成分を相互に異なる度合で
屈折させるべく、物体の表面とビーム発生手段と
の間に設けられた複屈折光学手段と、前述の屈折
された２つの成分を前述の屈折されたビームの光
軸に沿つて異なる２つの位置でそれぞれ収束させ
ると共に、前述の反射ビームの前述の２つの成分
を平行化すべく、物体と複屈折光学手段との間に
設けられる集束光学手段と、前述の進行するビー
ムが複屈折光学手段を通過した際にＳ偏光成分及
びＰ偏光成分に与えられた屈折力間の大きさの関
係と逆の関係の屈折力を複屈折光学手段において
前述の反射ビームのＳ偏光成分及びＰ偏光成分に
与えるべく、複屈折光学手段と集束光学手段との
間に設けられる1/4波長シフト手段と、複屈折光
学手段を再度通過したビームを検出すると共に、
当該検出されたビームの強度を表わす第１の信号
を出力すべく、前述の再度通過したビームの光路
上に設けられる光検出手段と、集束光学手段を前
述の光軸に沿つて走査して、物体の表面上に前述
の２つの成分を交互に収束させるべく、集束光学
手段に連結された走査手段と、光検出手段からの
前述の第１の信号に応答して前述の２つの成分が
物体の表面に交互に収束されていないことを示す
第２の信号を出力すべく、光検出手段に電気的に
連結された位相感受性検出手段と、位相感受性検
出手段と走査手段とに電気的に連結されており、
走査手段を作動させると共に前述の第２の信号に
基づいて、前述の２つの成分を物体の表面に交互
に収束させるように、走査手段の走査を調整する
調整手段と、光検出手段と位相感受性検出手段と
に電気的に連結されており、前述の第１の信号及
び前述の第２の信号の少なくとも一方に基づい
て、物体の表面に関する形状的性質を決定する信
号処理手段とを備える物体の表面検査装置により
達成される。

本発明の表面検査装置においては、光検出手段
は、複屈折光学手段を再度通過したビームを検出
すると共に、当該検出されたビームの強度を表わ
す第１の信号を出力すべく、前述の再度通過した
ビームの光路上に設けられており、走査手段は、
集束光学手段を光軸に沿つて走査して、物体の表
面上にＳ偏光成分及びＰ偏光成分の２つの成分を
交互に収束させるべく、集束光学手段に連結され
ている。また、位相感受性検出手段は、光検出手
段からの第１の信号に応答して前述の２つの成分
が物体の表面に交互に収束されていないことを示
す第２の信号を出力すべく、光検出手段に電気的
に連結されており、調整手段は、位相感受性検出
手段と走査手段とに電気的に連結されており、走
査手段を作動させると共に前述の第２の信号に基
づいて、前述の２つの成分を物体の表面に交互に
収束させるように、走査手段を調整する。更に、
信号処理手段は、光検出手段と位相感受性検出手
段とに電気的に連結されており、第１の信号及び
第２の信号の少なくとも一方に基づいて、物体の
表面に関する形状的性質を決定する。従つて、本
発明の表面検査装置は、第１の信号を用いた場合
には物体の表面の輪郭、物体の表面の位置、又は
物体の表面の粗さを検出することができ、また、
第１の信号及び第２の信号を用いた場合には、物
体の高さのステツプ変化のように表面特性の検査
に用いられ、又は走査顕微鏡として用いられる。
即ち本発明の表面検査装置は、物体の表面に関す
る各種の形状的性質を決定し得る。

また、本発明の前述の目的は、互いに振幅が等
しいＳ偏光成分及びＰ偏光成分の２つの成分を有
する平行ビームを透明な物体の表面に向けて発生
するビーム発生手段と、物体の表面に向つて進行
するビームの前述の２つの成分を相互に異なる度
合で屈折させるべく、物体の表面とビーム発生手
段との間に設けられた第１の複屈折光学手段と、
前述の屈折された２つの成分を前述の屈折された
ビームの光軸に沿つて異なる２つの位置でそれぞ
れ収束させるべく、物体と第１の複屈折光学手段
との間に設けられた集束光学手段と、第１の複屈
折光学手段と集束光学手段との間に設けられる第
１の1/4波長シフト板と、物体を透過したビーム
の前述の２つの成分を平行化すべく、集束光学手
段と対称の位置に設けられた平行化光学手段と、
前述の平行化された２つの成分の相互に異なる度
合で屈折させるべく、第１の複屈折光学手段と対
称の位置に設けられた第２の複屈折光学手段と、
平行化光学手段と第２の複屈折光学手段との間に
設けられる第２の1/4波長シフト板と、第２の複
屈折光学手段を通過したビームを検出すると共
に、当該検出されたビームの強度を表わす第１の
信号を出力すべく、前述の通過したビームの光路
上に設けられる光検出手段と、集束光学手段を前
述の光軸に沿つて走査して物体の表面上に前述の
２つの成分を交互に収束させるべく、集束光学手
段に連結された第１の走査手段と、第１の走査手
段の走査と同期して平行化光学手段を前述の透過
したビームの光軸に沿つて走査すべく、平行化光
学手段に連結された第２の走査手段と、光検出手
段からの第１の信号に応答して前述の２つの成分
が物体の表面上に交互に収束されていないことを
示す第２の信号を出力すべく、光検出手段に電気
的に連結された位相感受性検出手段と、位相感受
性検出手段、第１の走査手段及び第２の走査手段
に電気的に連結されており、第１及び第２の走査
手段を作動させ、第２の信号に基づいて前述の２
つの成分を物体の表面上に交互に収束させるよう
に、第１の走査手段の走査を調整すると共に、第
２の走査手段の走査を第１の走査手段の前述の調
整された走査に同期させる調整手段と、光検出手
段と位相感受性検出手段とに電気的に連結されて
おり、第１の信号及び第２の信号の少なくとも一
方に基づいて、物体の表面に関する形状的性質を
決定する信号処理手段とを備える物体の表面検査
装置によつても達成される。

本発明の表面検査装置においては、平行化光学
手段は、物体を透過したビームのＳ偏光成分およ
びＰ偏光成分の２つの成分を平行化すべく、集束
光学手段と対称の位置に設けられており、第２の
複屈折光学手段は、前述の平行化された２つの成
分を相互に異なる度合で屈折させるべく、第１の
複屈折光学手段と対称の位置に設けられている。
また、第２の1/4波長シフト板は、平行化光学手
段と第２の複屈折光学手段との間に設けられてお
り、光検出手段は、第２の複屈折光学手段を通過
したビームを検出すると共に、当該検出されたビ
ームの強度を表わす第１の信号を出力すべく、前
述の通過したビームの光路上に設けられている。
更に、第１の走査手段は、集束光学手段を光軸に
沿つて走査して、物体の表面上に前述の２つの成
分を交互に収束させるべく、集束光学手段に連結
されており、第２の走査手段は、第１の走査手段
の走査と同期して平行化光学手段を前述の透過し
たビームの光軸に沿つて走査すべく、平行化光学
手段に連結されている。更にまた、位相感受性検
出手段は、光検出手段からの第１の信号に応答し
て前述の２つの成分が物体の表面上に交互に収束
されていないことを示す第２の信号を出力すべ
く、光検出手段に電気的に連結されており、調整
手段は、位相感受性検出手段、第１の走査手段及
び第２の走査手段に電気的に連結されており、第
１及び第２の走査手段を作動させ、第２の信号に
基づいて前述の２つの成分を物体の表面上に交互
に収束させるように、第１の走査手段の走査を調
整すると共に、第２の走査手段の走査を第１の走
査手段の前述の調整された走査に同期させ、ま
た、信号処理手段は、光検出手段と位相感受性検
出手段とに電気的に連結されており、第１の信号
及び第２の信号の少なくとも一方に基づいて、物
体の表面に関する形状的性質を決定する。従つ
て、本発明の表面検査装置は、第１の信号を用い
た場合には、透明な物体の表面の輪郭、透明な物
体の表面の位置又は透明な物体の表面の粗さを検
出することができ、また、第１の信号及び第２の
信号の双方を用いた場合には、透明な物体の高さ
のステツプ変化のような表面特性の検査に用いら
れ、又は透明な物体用の走査顕微鏡として用いら
れる。即ち本発明の表面検査装置は透明な物体の
表面に関する各種の形状的性質を決定し得る。

通常、複屈折光学手段は比較的低倍率の複屈折
レンズからなり、集束光学手段は比較的高倍率の
非複屈折レンズとからなり、非複屈折レンズは走
査手段はによつて光軸方向に走査される。

光軸方向の走査の効果は、入射ビームの２つの
直交偏光成分と検査表面との交差領域を繰返し交
代させることであり、最初に一方の成分を次いで
他方の成分を焦点合せし、次いで焦点をずらす。
次いで、表面から反射された偏光ビーム成分は干
渉し、そして得られたビームの周波数、位相およ
び振幅から表面に関する情報を得ることができ
る。光軸方向の走査は、偏光干渉計に必須の変調
を与えると共に表面情報を生ぜしめるという二重
の効果を有する。

信号処理手段は、信号処理回路を備えており、
しばしば、この信号処理回路にはマイクロプロセ
ツサが含まれる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施例に基
づいて説明する。

先ず装置全体の光学経路について見ると、第１
図においてヘリウムネオンレーザー１０は単色光
のビームを与え、この単色光はビームエキスパン
ダ１２を通過して偏光ビームスプリツタ１４に至
り、ここで入射光の幾分かが90゜の角度で反射さ
れる。平行ビームはポラライザ１６を通過して反
射器１８に至り、ここで入射ビームの半分が阻止
される。入射ビームから離間した反射器の反射面
２０は鏡である。反射器により妨げられない平行
ビームの半分は装置の光軸Ａの一方の側において
のみ複屈折光学手段としての複屈折レンズ２２を
通過し、次いで1/4波長シフト手段としての1/4波
長板２４と集束光学手段としての対物レンズ２６
とを通して試験されるべき物体の表面２８に至
る。表面２８により反射された反射ビームは、光
軸Ａの他方の側において対物レンズ２６と1/4波
長板２４と複屈折レンズ２２とを通過して反射面
２０に戻る。反射面は戻りビームに対し45゜で配
置され、この反射面は、アナライザ３０を介しビ
ームスプリツタ３２まで戻りビームを反射させ、
光を集束レンズ３４および光検出器３６まで伝達
する。ビームスプリツタ３２はタングステン光源
３８からの光を平行化レンズ４０を通して受入れ
ることができ、このタングステン光源３８からの
光を偏光ビームスプリツタ１４から離間して配置
された接眼レンズ４１と共に使用して最初に装置
を整合させる。対物レンズ２６は一般的に符号４
２で示される走査手段としての走査装置に取付け
られ、走査装置４２は対物レンズ２６を光軸Ａに
沿つて、すなわちｚ方向に走査することができ
る。この走査は、横方向成分にも傾斜成分も伴な
うことなく光軸Ａに沿つて正確に直線的でなけれ
ばならない。

表面２８を有する物体は走査テーブル２７によ
り支持され、走査テーブル２７は表面２８を光軸
Ａに対し垂直なｘ−ｙ面上で走査することができ
る。

使用に際し、ヘリウムネオンレーザー１０は平
面偏光のビームを発生し、この平面偏光のビーム
はビームエキスパンダ１２により拡大される。偏
光ビームスプリツタ１４はこの拡大されたビーム
をポラライザ１６を介して反射させ、ポラライザ
１６は、拡大入射ビームの偏光面を偏光Ｐまたは
Ｓの２つの直交方向において等しい強度のビーム
が生ずるまで回転させるように設定される。

ヘリウムネオンレーザー１０、ビームエキスパ
ンダ１２、ビームスプリツタ１４及びポーラライ
ザ１６は、互いに振幅が等しいＳ偏光成分及びＰ
偏光成分の２つの成分を有する平行ビームを物体
の表面に向けて発生するビーム発生手段を構成す
る。

これらの２つの直交方向は複屈折レンズ２２の
正常軸および異常軸によつて決定される。反射器
１８により阻止されない平行ビームの半分は、複
屈折レンズ２２まで移動する。

複屈折レンズ２２の性質は、異なる偏光に対し
異なる屈折率を有することである。複屈折レンズ
２２の正常軸及び異常軸に整列したＰ偏光成分と
Ｓ偏光成分との両者を有する入射平行ビームに関
し、一方の成分は他方の成分よりも大きく変位さ
せられる。したがつてＰ偏光成分とＳ偏光成分と
の焦点は複屈折レンズ２２から異なる距離に存在
する。Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とに関する集束力
の差は小さく約１ジオプタである。対物レンズ２
６の効果は比較的強力な集束効果、たとえば100
ジオプタを与えることであるが、Ｐ偏光成分とＳ
偏光成分とに対する集束力の差は維持される。全
体的効果は、軸方向の走査の一つの位置において
ビームの一方の偏光成分、たとえばＰ偏光成分が
表面２８に集束される一方、他方の偏光成分が異
なる距離で集束され、したがつてより大きい表面
積から反射されることである。光軸方向の走査の
際、Ｐ偏光ビームとＳ偏光ビームは表面２８上に
交互に集束される。

効果を第２図に示す。第２図ａは対物レンズ２
６の走査における一方の端部位置を示し、かつ第
２図ｅは他方の端部における位置を示す。Ｐ偏光
ビームは第２図において円形のビームと表面２８
との交点を示す点線円によつて示され、直交Ｓ偏
光ビームと表面２８との交点は破線で示される。

一方の端部位置、すなわち第２図ａにおいて、
Ｓ偏光ビームは表面２８上に光の小さい円として
集束される一方、Ｐ偏光ビームは僅かに焦点がず
れてより大きい面積を覆う。対物レンズ２６が光
軸Ａに沿つて移動するにつれ、Ｓ偏光ビームはし
だいに焦点がずれるのに対し、Ｐ偏光ビームは焦
点のずれが少なくなつて、中央位置すなわち第２
図ｃにおいて両ビームは表面の同じ領域を照射す
るに至る。走査を続行すると、Ｐ偏光ビームは第
２図ｅに小円として示した端部位置に完全に焦点
を有するようになり、これに対しＳ偏光ビームは
焦点がずれて表面２８の大きい円領域を覆う。

第３図は、走査の際の２つの端部位置と中央位
置とにおけるＰ偏光ビームとＳ偏光ビームとの間
の関係を示している。

第１図の配置において、反射器１８は入射円形
ビームの半分を阻止し、したがつて複屈折レンズ
２２を通過するビームは断面が半円形となるが、
説明の目的で第２図および第３図には完全に円形
の成分ビームを使用する。

各集束スポツトにより照射される面積の直径の
典型的寸法は1μ未満であるのに対し、焦点合せ
されてない場合各偏光ビームにより照射される最
大面積は直径が5μである。典型的な光軸方向の
走査の長さは3.5μである。極めて正確な走査を与
える任意適当な装置、たとえば圧電式もしくは電
気機械式走査器を使用することができる。

再び第１図について説明すれば、表面２８によ
り反射されたビームは、複屈折レンズ２２の軸に
対し45゜で設定された1/4波長板２４をもう一度通
過した後、光軸Ａの他方の側を通過して、複屈折
レンズ２２に戻される。1/4波長板２４をこのよ
うに２回通過する効果は、２つのビーム成分が複
屈折レンズ２２の正常軸と異常軸とに関し逆転さ
れ、したがつてこれら成分に対するこのレンズの
集束効果が逆転されることである。複屈折レンズ
２２を最初に通過する際、他方より大きく屈折さ
れたビーム成分は次いでより小さく屈折され、か
つその逆も成立する。このことは両ビームの再平
行化を可能にする。したがつて、反射器１８は２
つの一致した平行化直交偏光ビームを受容し、こ
れらの成分の間の差は２つのビームが反射された
表面２８の性質に関係する。

次いで第４図に示した回路の電子部品につき説
明すれば、光検出器３６（第１図参照）は第１お
よび第２のコヒーレントフイルタ４４，４６に接
続される。コヒーレントフイルタ４４，４６は、
所定の位相に集中された情報を単に通過させるよ
うに一つの周波数にフエーズロツクされた能動フ
イルタである。第１のコヒーレントフイルタ４４
と位相感受性検出器４８との両者には、オシレー
タ５０により変調調時波が供給される。位相感受
性検出器４８はD.C信号を走査装置ドライバ５２
へ供給し、オシレータ５０は走査装置ドライバ５
２へA.C信号を供給する。走査装置ドライバ５２
は走査手段としての走査装置４２を制御する。
（第１図参照）。

オシレータ５０はさらに周波数２倍回路５４を
介して第２のコヒーレントフイルタ４６に接続さ
れ、このコヒーレントフイルタ４６は、２倍周波
数出力を、表示スクリーン５８を備えるマイクロ
プロセツサ５６へ供給する。マイクロプロセツサ
５６は、さらに位相感受性検出器４８から信号を
受ける。

オシレータ５０は、走査装置ドライバ５２と走
査装置４２とにオシレータ周波数Ｆにおいてｚ軸
に沿つて対物レンズ２６を走査するようにさせ
る。

光軸方向の走査がその中点にありかつＰ偏光ビ
ームとＳ偏光ビームとの両者が第２図ｃに示すよ
うに表面２８の同面積を照射するものと仮定す
る。２つの反射ビームは等しい振幅と位相とを有
しかつ互いに干渉して第５ａ図に極図表で示した
ように各ビームに対し45゜の合成分Ｒを与える。
変調を光軸方向の走査により周波数Ｆで与えると
（第５ｂ図）、Ｐ偏光ビームおよびＳ偏光ビームに
与えられる集束効果の交代の作用は、Ｐ偏光ビー
ムとＳ偏光ビームとの強度および位相が変化する
ので、45゜方向の各側において角度±θだけ合成
分Ｒを揺動させる。

アナライザ３０の軸線方向（第１図）がＰ偏光
ビームとＳ偏光ビームとの未変調合成成分Ｒに対
し交差すると、対物レンズ２６がその中間走査位
置にある場合、光（又は光の最小強さ）は光検出
器３６により受入れられない。最大走査の各位置
において、Ｐ偏光ビームとＳ偏光ビームとの合成
分Ｒの最大角度回転は、最大光強度を光検出器３
６に到達させる。光検出器３６は強度のみに感受
性であつて、位相には感受性でないため、光検出
器３６の信号は第５図ｃに示すように周波数2F
で変化し、光検出器３６の信号は振幅ａの一定出
力信号に変換される。

次いで、たとえば検鎖中の表面２８が正確には
走査の中点にない場合、光軸方向の走査が非対称
的結果を与えると仮定する。この効果は合成分Ｒ
をアナライザ３０の消光軸の一方の側において他
方の側よりも大きい角度で振動させ、したがつて
光検出器３６は非対称信号を受け（第５ｄ図）、
交互のサイクルは異なる振幅となり、光検出器３
６の出力は変調周波数Ｆにおいて誤信号になる。

次いで第４図について説明すれば、位相感受性
検出器４８は変調周波数において光検出器３６か
らの信号にのみ応答し、信号の非対称性に比例す
るD.C出力を与える。走査装置ドライバ５２は、
走査装置４２に光軸方向の走査の中心位置を調整
させて誤信号を除去し、すなわちサーボシステム
として作用しかつ信号対称性の位置に焦点固定す
るようにする。

本実施例において、アナライザ３０、ビームス
プリツタ３２、集束レンズ３４及び光検出器３６
は光検出手段を構成する。

コヒーレントフイルタ４４及び位相感受性検出
器４８は位相感受性検出手段を構成する。

オシレータ５０及び走査装置ドライバ５２は調
整手段を構成する。

コヒーレントフイルタ４６、周波数２倍回路５
４及びマイクロプロセツサ５６は信号処理手段を
構成する。

第６図には本発明の別の実施例が示される。本
実施例においては、透明な物体の表面を検査する
装置について説明する。

本実施例の場合、第１図に示す実施例と同じ要
素については同じ参照番号が用いられる。ヘリウ
ムネオンレーザ１０から出射された単色光のビー
ムが透明な物体の表面２８に入射するところまで
は、第１図に示される反射器１８が設けられてい
ないことを除いては第１図に示す装置と同じよう
に構成されている。

物体を透過したビームのＰ偏光成分及びＳ偏光
成分を平行化すべく、対物レンズ２６と対称の位
置に平行化光学手段としてのレンズ２６′が設け
られている。

レンズ２６′によつて平行化されたＰ偏光成分
及びＳ偏光成分を相互に異なる度合で屈折させる
べく、複屈折レンズ２２と対称の位置に複屈折レ
ンズ２２′が設けられる。

レンズ２６′と複屈折レンズ２２′と間には1/4
波長板２４′が設けられ、1/4波長板２４′を通過
したビームを光検出器３６に向わせるべく、複屈
折レンズ２２′を通過したビームの光路上に反射
器１８が設けられている。

走査装置４２の走査と同期してレンズ２６′を、
物体を透過したビームの光軸に沿つて走査すべ
く、走査手段としての走査装置４２′がレンズ２
６′に連結されている。

複屈折レンズ２２′を通過し反射器１８により
反射された反射ビームを検出すると共に当該検出
されたビームの強度を表わす信号を出力すべく、
前述の反射ビームの光路上には光検出手段が設け
られる。この光検出手段は、アナライザ３０、ビ
ームスプリツタ３２、集束レンズ３４及び光検出
器３６から構成される。

光検出器３６以後の電子部は、第４図のブロツ
ク図に示す回路と全く同様に構成される。従つ
て、本実施例においては、第４図を参照して電子
部を要約して説明する。

コヒーレントフイルタ４４及び位相感受性検出
器４８は位相感受性検出手段を構成する。位相感
受性検出手段は、光検出手段からの信号に応答し
てＰ偏光成分とＳ偏光成分が物体の表面上に収束
されていないことを示す信号を出力すべく、光検
出手段に電気的に連結されている。

オシレータ５０及び走査装置ドライバ５２は調
整手段を構成しており、この調整手段は、位相感
受性検出手段、走査装置４２及び走査装置４２′
に電気的に連結されており、走査装置４２及び４
２′を作動させ、位相感受性検出手段からの信号
に基づいてＰ偏光成分及びＳ偏光成分を物体の表
面上に交互に収束させるように、走査装置４２の
走査を調整すると共に、走査装置４２′の走査を
走査装置４２の前述の調整された走査に同期させ
る。

コヒーレントフイルタ４６、周波数２倍回路５
４及びマイクロプロセツサ５６は信号処理手段を
構成する。この信号処理手段は、光検出手段と位
相感受性検出手段とに電気的に連結されており、
光検出手段からの信号と位相感受性検出手段から
の信号の少なくとも一方に基づいて、物体の表面
に関する形状的性質を決定する。

第１図に示す実施例の表面検査装置と第６図に
示す別の実施例の表面検査装置は、双方とも同じ
様に機能するため、これら２つの装置の適用方法
については、以下に一括して説明する。

D.C信号がマイクロプロセツサ５６により記録
されかつ検査中の物体の表面２８のｘ−ｙ位置に
相関させれば、試料の表面輪郭が記録され、適当
な形状で表示することができる。

表面輪郭変化の振幅を得るには、マイクロプロ
セツサ５６を計算（複屈折レンズ２２および対物
レンズ２６の開孔値および倍率を使用する）また
は較正（公知輪郭の表面を使用する）のいずれか
によつて較正することができる。

異なる方法で用いられる別の実施例において
は、サーボ型焦点固定は断続され、すなわち光軸
方向の走査の距離は調整されず、かつD.C信号が
記録される。その場合、装置は位置検出器として
作用する。

次いで表面粗さを測定するために使用する装置
につき検討する。再び第２図につき説明すれば、
第２図ａにおけると同様にＳ偏光ビームを表面上
に集束させかつＰ偏光ビームを焦点ずらしする場
合、Ｐ偏光ビームは位相比較ビームとみなすこと
ができる。何故なら、Ｐ偏光ビームが含む位相情
報は表面２８全体に不変である比較的大きい面積
にわたつて平均化されるからである。集束したＳ
偏光ビームは表面の小面積から反射され、この領
域が比較領域における平均表面レベルとは異なる
高さもしくはレベルにあれば、Ｐ偏光ビームとＳ
偏光ビームとの間に位相差が生ずるであろう。位
相差は光軸方向の走査の他方の端部位置において
逆転し（第２図ｅ）、この場合Ｓ偏光ビームは比
較ビームとして作用する。位相差の効果は、光検
出器３６により受けられた合成ビームの振幅がＰ
偏光成分とＳ偏光成分とが等しい高さの領域によ
り反射された場合には位相のずれが生じないこと
である。振幅は二乗法則の関数であるから合成分
Ｒは変調周波数の２倍で変化する。コヒーレント
フイルタ４６の出力の信号振幅と、粗さによる位
相ずれを伴なわない合成振幅に対応するマイクロ
プロセツサ５６に記憶された所定振幅との比較
は、粗さを決定することを可能にする。所定振幅
は、計算または較正のいずれかによつて得ること
ができる。試験すべき表面２８は、粗さにつき異
なる領域が試験されるようにｘ−ｙ面において走
査テーブルにより移動され、平均値を得てこれを
表示することができる。

光検出器３６は、表面２８が僅かの粗さを有す
る時にのみ信号を受ける。表面が完全に平坦であ
る場合、信号は受けられない。何故なら、Ｐ偏光
ビームとＳ偏光ビームとが振幅もしくは位相にお
いて等しく、それらの合成分Ｒはアナライザ３０
により伝達されない方向にあるからである。

測定の変法において、光軸方向の走査はＰ偏光
ビームとＳ偏光ビームとの焦点が固定されるよう
に断続される。表面２８を振動させると、光検出
器３６により受けられた合成分Ｒの振幅における
変化は振動の振幅に比例するであろう。予め較正
することにより、この装置は振動センサとして作
用することができる。

位相感受性検出器４８からの変調周波数信号と
コヒーレントフイルタ４６からの２倍周波数信号
との組合せは、たとえば第１図及び第６図におけ
る物体２９の高さにおけるステツプ変化のような
表面特性の形態を表出するのに有用である。両信
号の変化の割合を使用して、たとえば半導体ウエ
フア上の線のような特徴ある形態を解読すること
ができる。たとえば、巾0.1μかつ高さ10μの線を、
巾1.0μかつ高さ1.0μの線から区別することができ
る。

円形の出力ビームの一方の半分のみが表面２８
に達し、他方の半分が反射器１８により阻止され
ることについて上記した。反射器１８は、装置の
開孔値を光軸Ａに対し横方向、すなわち第１図に
おけるｘ方向に半分にする作用を有し、全ビーム
巾は他の横方向、すなわちｙ方向に与えられるの
で全開孔値（NA）は維持される。したがつて、
好ましくは表面２８の直線的特徴は、全NAが有
効な方向、すなわち、第１図のｙ方向に沿つて走
査テーブル２７を移動させて解像を最大化するこ
とにより検査される。

本発明による装置は走査顕微鏡として作動する
こともできる。検査すべき表面２８を光軸方向の
走査に対し横方向の面において、たとえばラスタ
走査でマイクロプロセツサ５６の制御下に走査す
れば、また位相感受性検出器４８およびコヒーレ
ントフイルタ４６の出力を走査と関連して記録す
れば、マイクロプロセツサ５６は表面２８の状態
を蓄積しかつ適当な表示を与えることができる。
この形態の顕微鏡の利点は、レーザからの出力ビ
ームが直接検査している表面２８の領域のみを照
射してレーザ能力の使用を最大化することであ
る。これは、全表面をレーザにより同時に照射し
ながら情報を反射レーザ能力の一部のみが得られ
るように画像を横断して走査されるスリツト状マ
スクを通して受入れるという、レーザ照射を有す
る従来の顕微鏡とは対照的である。

公知の走査顕微鏡と本発明による走査顕微鏡と
の重要な相違点は、各ビーム成分につき焦点位置
と非焦点位置との間に、任意に反復して走査され
ることである。最大の情報信号は、一方のビーム
成分が最大の焦点ずれ位置を有し、すなわち光軸
方向の走査の端部に存在して両ビーム成分に関す
る「最良の平均焦点」を与えるような中心走査位
置にない場合に与えられる。走査の中心位置は、
本発明による走査顕微鏡における零点である。

典型的には、本発明による走査顕微鏡は、慣用
顕微鏡の光学的分解能と同等に何分の1μという
横方向分解能を有する。この分解能は、慣用の光
学顕微鏡に適用される通常のエアリの円盤公式
（Airy discformula）により支配されず、検査さ
れている表面形状の種類に応じて著しく高くする
ことができる。

この高分解能は、第２図ｂおよび第２図ｄを参
照して最もよく理解することができる。表面の特
徴が、一方のビーム成分に影響を与えるが他方の
成分には作用しない、すなわち点線と破線との間
の環状部分に存在するような寸法または位置にあ
れば、Ｐ偏光ビームとＳ偏光ビームとの一方に対
する形状の効果を検出することができる。環状部
の厚さは極めて小さく、たとえば数100分の1μの
差が充分な信号を与えうるので、それ相当に顕微
鏡の分解能が高くなる。形状が深い程、得られる
信号は大きくなる。

本発明の実施例における装置のあらゆる用途に
おいて、光軸方向の走査の周波数および深さなら
びに最大走査位置における非焦点ビーム成分の直
径は、検査される表面２８の特徴に応じて選択さ
れる。典型的走査は250Hzの周波数において5μの
深さを有することができる。

本発明の実施例の装置を第１図に光学装置とし
て示し、ここで複屈折レンズ２２と検査される表
面２８との間に照射ビームと反射ビームとが半円
形断面で示され、光学装置に沿つて隣接してい
る。さらに、ビームを完全に分離することもでき
るが、これは分解能を低下させる。

第１図に示した反射器１８は、これにより反射
されるビーム成分の間に位相差を導入しないビー
ムスプリツタで交換することもできるが、この場
合輻射線がレーザに返環されるという高い危険性
が生じ、レーザの絶縁体が必要とされるであろ
う。

更に別の実施例の装置においては、ヘリウムネ
オンレーザ（単一周波数レーザ）１０をゼーマン
スプリツトレーザで置換して、輻射線を２つの周
波数で発生させ、マイクロプロセツサ５６を異な
る入力ビームを得るようの適当にプログラミング
すると、このゼーマンスプリツト技術は高速度の
変調をこの装置に与える。

ビームの焦点位置を変調させる他の方法は、透
過媒体よりも光学密度の大きい、たとえばガラス
のような材料の回転スラブを光通路中に導入する
ことである。通路長さが変化すると、相対的焦点
位置も変化する。好ましくは、第２の対向回転ス
ラブをも組込んで、第１のスラブにより導入され
る横方向の片寄りを補償する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の表面検査装置の一実施例の光
学部分の略図、第２ａ図から第２ｅ図は光軸方向
の走査の際の５つの異なる位置における偏光成分
と表面との交差を示す説明図、第３図は２つの直
交偏光成分を有するビームで光軸方向の走査を行
う効果を示す説明図、第４図は本発明の一実施例
の装置の電子部のブロツク図、第５ａ図から第５
ｄ図は光検出器信号を示す図、及び第６図は、本
発明の表面検査装置の他の実施例の光学部分の略
図である。 １０……ヘリウムネオンレーザー、１２……エ
キスパンダ、１４……偏光ビームスプリツタ、１
６……ポラライザ、１８……反射器、２２，２
２′……複屈折レンズ、２４，２４′……1/4波長
板、２６……対物レンズ、２６′……レンズ、２
７……走査テーブル、２８……表面、３０……ア
ナライザ、３２……ビームスプリツタ、３４……
集束レンズ、３６……光検出器、３８……タンク
ステン光源、４０……平行化レンズ、４１……接
眼レンズ、４２，４２′……走査装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに振幅が等しいＳ偏光成分及びＰ偏光成
   分の２つの成分を有する平行ビームを物体の表面
   に向けて発生するビーム発生手段と、 前記物体の表面に向つて進行するビームの前記
   ２つの成分を相互に異なる度合で屈折させると共
   に前記物体の表面から反射された反射ビームの前
   記２つの成分を相互に異なる度合で屈折させるべ
   く、前記物体の表面と前記ビーム発生手段との間
   に設けられた複屈折光学手段と、 前記屈折された２つの成分を前記屈折されたビ
   ームの光軸に沿つて異なる２つの位置でそれぞれ
   収束させると共に、前記反射ビームの前記２つの
   成分を平行化すべく、前記物体と前記複屈折光学
   手段との間に設けられる集束光学手段と、 前記進行するビームが前記複屈折光学手段を通
   過した際に前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分に
   与えられた屈折力間の大きさの関係と逆の関係の
   屈折力を前記複屈折光学手段において前記反射ビ
   ームの前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分に与え
   るべく、前記複屈折光学手段と前記集束光学手段
   との間に設けられる1/4波長シフト手段と、 前記複屈折光学手段を再度通過したビームを検
   出すると共に、当該検出されたビームの強度を表
   わす第１の信号を出力すべく、前記再度通過した
   ビームの光路上に設けられる光検出手段と、 前記集束光学手段を前記光軸に沿つて走査し
   て、前記物体の表面上に前記２つの成分を交互に
   収束させるべく、前記集束光学手段に連結された
   走査手段と、 前記光検出手段からの前記第１の信号に応答し
   て前記２つの成分が前記物体の表面に交互に収束
   されていないことを示す第２の信号を出力すべ
   く、前記光検出手段に電気的に連結された位相感
   受性検出手段と、 前記位相感受性検出手段と前記走査手段とに電
   気的に連結されており、前記走査手段を作動させ
   ると共に前記第２の信号に基づいて、前記２つの
   成分を前記物体の表面に交互に収束させるよう
   に、前記走査手段の走査を調整する調整手段と、 前記光検出手段と前記位相感受性検出手段とに
   電気的に連結されており、前記第１の信号及び前
   記第２の信号の少なくとも一方に基づいて、前記
   物体の表面に関する形状的性質を決定する信号処
   理手段とを備える物体の表面検査装置。 ２ 前記複屈折光学手段は、低倍率の複屈折レン
   ズを備えており、前記集束光学手段は、比較的高
   い倍率の非複屈折レンズを備えている特許請求の
   範囲第１項に記載の装置。 ３ 前記収束されたビームを前記光軸に対して横
   断する方向に移動させるための横方向走査手段を
   備えている特許請求の範囲第１項または第２項に
   記載の装置。 ４ 前記ビーム発生手段は、レーザ光源を含む特
   許請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に
   記載の装置。 ５ 前記レーザ光源が、異なる周波数を有する
   別々の輻射線成分を発生するためのゼーマンスプ
   リツト手段を含む特許請求の範囲第４項に記載の
   装置。 ６ 前記信号処理手段は、前記第１の信号に応答
   して前記反射ビームの振幅変化を表わす第３の信
   号を出力すべく、前記光検出手段に電気的に連結
   された振幅変化検出手段と、前記第２の信号及び
   前記第３の信号の少なくとも一方に基づいて前記
   物体の表面に関する形状的性質を決定すべく、前
   記位相感受性検出手段と前記振幅変化検出手段と
   に電気的に連結された信号処理回路とを備えてい
   る特許請求の範囲第１項から第５項のいずれか一
   項に記載の装置。 ７ 前記装置が走査顕微鏡である特許請求の範囲
   第６項に記載の装置。 ８ 互いに振幅が等しいＳ偏光成分及びＰ偏光成
   分の２つの成分を有する平行ビームを透明な物体
   の表面に向けて発生するビーム発生手段と、 前記物体の表面に向つて進行するビームの前記
   ２つの成分を相互に異なる度合で屈折させるべ
   く、前記物体の表面と前記ビーム発生手段との間
   に設けられた第１の複屈折光学手段と、 前記屈折された２つの成分を前記屈折されたビ
   ームの光軸に沿つて異なる２つの位置でそれぞれ
   収束させるべく、前記物体と前記第１の複屈折光
   学手段との間に設けられた集束光学手段と、 前記第１の複屈折光学手段と前記集束光学手段
   との間に設けられる第１の1/4波長シフト板と、 前記物体を透過したビームの前記２つの成分を
   平行化すべく、前記集束光学手段と対称の位置に
   設けられた平行化光学手段と、 前記平行化された２つの成分を相互に異なる度
   合で屈折させるべく、前記第１の複屈折光学手段
   と対称の位置に設けられた第２の複屈折光学手段
   と、 前記平行化光学手段と前記第２の複屈折光学手
   段との間に設けられる第２の1/4波長シフト板と、 前記第２の複屈折光学手段を通過したビームを
   検出すると共に、当該検出されたビームの強度を
   表わす第１の信号を出力すべく、前記通過したビ
   ームの光路上に設けられる光検出手段と、 前記集束光学手段を前記光軸に沿つて走査して
   前記物体の表面上に前記２つの成分を交互に収束
   させるべく、前記集束光学手段に連結された第１
   の走査手段と、 前記第１の走査手段の走査と同期して前記平行
   化光学手段を前記透過したビームの光軸に沿つて
   走査すべく、前記平行化光学手段に連結された第
   ２の走査手段と、 前記光検出手段からの前記第１の信号に応答し
   て前記２つの成分が前記物体の表面上に交互に収
   束されていないことを示す第２の信号を出力すべ
   く、前記光検出手段に電気的に連結された位相感
   受性検出手段と、 前記位相感受性検出手段、前記第１の走査手段
   及び前記第２の走査手段に電気的に連結されてお
   り、前記第１及び第２の走査手段を作動させ、前
   記第２の信号に基づいて前記２つの成分を前記物
   体の表面上に交互に収束させるように、前記第１
   の走査手段の走査を調整すると共に、前記第２の
   走査手段の走査を前記第１の走査手段の前記調整
   された走査に同期させる調整手段と、 前記光検出手段と前記位相感受性検出手段とに
   電気的に連結されており、前記第１の信号及び前
   記第２の信号の少なくとも一方に基づいて、前記
   物体の表面に関する形状的性質を決定する信号処
   理手段とを備える物体の表面検査装置。