JPH09145330A

JPH09145330A - 段差測定装置

Info

Publication number: JPH09145330A
Application number: JP7301580A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Iwasaki; 豊岩崎; Jun Iwasaki; 純岩崎; Yasushi Oki; 裕史大木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1995-11-20
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】段差の両側で光反射率が変化するような場合
に精度よく段差を測定することができない。【解決手段】被検物体８が鏡面であるときに検光子に
達する反射光が円偏光になるように構成され、検光子
は、アナライザ角が可変の偏光ビームスプリッタ１３、
１１を有し、２次元イメージセンサは偏光ビームスプリ
ッタ１３を透過した光を検出するための第１の２次元イ
メージセンサ１５と、偏光ビームスプリッタ１３で反射
した光を検出するための第２の２次元イメージセンサ１
７とを有し、測定手段２０は、段差に対する第１の２次
元イメージセンサ１５の出力と第２の２次元イメージセ
ンサ１７の出力との差が最大または最小になるときの偏
光ビームスプリッタ１３、１１のアナライザ角に基づい
て段差を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は段差測定装置に関し、特
にＩＣパターンや金属表面などに存在する微小段差の定
量測定に適した段差測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の段差測定装置として、O puls E誌
の1992年10月号において70〜72ページに開示されている
ように、レーザー走査型段差測定装置を応用した非接触
表面粗さ計が知られている。この非接触表面粗さ計で
は、従来の検光子に代えて偏光ビームスプリッタを用
い、この偏光ビームスプリッタの透過光と反射光とを同
時に検出している。そして、透過光の検出信号と反射光
の検出信号とに関する差信号と和信号との比に基づいて
段差を測定している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来の非接触表
面粗さ計では、検出された透過光と反射光とに関する差
信号と和信号との比に基づいて段差を測定している。し
かしながら、差信号と和信号との比に基づく測定では、
段差の両側で光反射率が変化するような場合に対応する
ことができないという不都合があった。

【０００４】さらに、上述の文献には、和信号が段差の
影響を受けない旨の記載がある。しかしながら、和信号
が段差の影響をあまり受けないのは、段差によって発生
する光の位相差がきわめて小さい場合のみである。すな
わち、上述の従来の非接触表面粗さ計では、段差が大き
くなるに連れて回折により和信号も変調され、その結果
測定精度が損なわれるという不都合があった。

【０００５】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、段差の両側で光反射率が変化していても任意
の段差を高精度に測定することのできる段差測定装置を
提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、光源と、光源からの光を被検物
体上に照明するための照明光学系と、被検物体の像を所
定の像面に結像するための対物レンズと、対物レンズと
光源との間に配設され光源からの光をその偏光成分によ
って２つの光に分割し、被検物体で反射された２つの光
を合成するための複屈折プリズムと、合成された２つの
光を特定の偏光成分に選択するための検光子と、像面に
配設され検光子を通過した光を受光する２次元イメージ
センサと、２次元イメージセンサから出力される信号に
基づいて被検物体の段差を定量的に測定するための測定
手段とを備えた段差測定装置であって、段差測定装置
は、被検物体が鏡面であるときに検光子に達する反射光
が円偏光になるように構成され、検光子は、アナライザ
角が可変の偏光ビームスプリッタを有し、２次元イメー
ジセンサは偏光ビームスプリッタを透過した光を検出す
るための第１の２次元イメージセンサと、偏光ビームス
プリッタで反射した光を検出するための第２の２次元イ
メージセンサとを有し、測定手段は、段差に対する第１
の２次元イメージセンサの出力と第２の２次元イメージ
センサの出力との差が最大または最小になるときの偏光
ビームスプリッタのアナライザ角に基づいて段差を測定
することを特徴とする段差測定装置を提供する。

【０００７】本発明の好ましい態様によれば、測定手段
は、被検物体の段差の一方の領域に対する第１の２次元
イメージセンサの出力と第２の２次元イメージセンサ
の出力との和に基づいて、一方の領域における被検物体
の第１振幅反射率を求め、被検物体の段差の他方の領域
に対する第１の２次元イメージセンサの出力と第２の２
次元イメージセンサの出力との和に基づいて、他方の領
域における被検物体の第２振幅反射率を求め、アナライ
ザ角と第１の振幅反射率と第２の振幅反射率とに基づい
て段差が２つの照明光に付与する位相差を算出し、算出
された位相差に基づいて段差を測定する。

【０００８】また本発明は、前記課題を解決するため
に、光源と、光源からの光を被検物体上に照明するため
の照明光学系と、被検物体の像を所定の像面に結像する
ための対物レンズと、対物レンズと光源との間に配設さ
れ光源からの光をその偏光成分によって２つの光に分割
し、被検物体で反射された２つの光を合成するための複
屈折プリズムと、合成された２つの光を特定の偏光成分
に選択するための検光子と、像面に配設され検光子を通
過した光を受光する２次元イメージセンサと、２次元イ
メージセンサから出力される信号に基づいて被検物体の
段差を定量的に測定するための測定手段とを備えた段差
測定装置であって、段差測定装置は、被検物体が鏡面で
あるときに検光子に達する反射光が円偏光になるように
構成され、検光子はアナライザ角が可変であり、測定手
段は、検光子のアナライザ角が２つの異なる位置にある
時の２次元イメージセンサの出力の差が最大または最小
になるときのアナライザ角に基づいて段差を測定するこ
とを特徴とする段差測定装置を提供する。

【０００９】本発明の好ましい態様によれば測定手段
は、検光子のアナライザ角が２つの異なる位置にある時
の被検物体の段差の一方の領域に対する２次元イメージ
センサの出力の和に基づいて、一方の領域における被検
物体の第１振幅反射率を求め、検光子のアナライザ角が
２つの異なる位置にある時の被検物体の段差の他方の領
域に対する２次元イメージセンサの出力の和に基づい
て、他方の領域における被検物体の第２振幅反射率を求
め、アナライザ角と第１の振幅反射率と第２の振幅反射
率とに基づいて段差が２つの照明光に付与する位相差を
算出し、算出された位相差に基づいて段差を測定する。

【００１０】

【作用】上述のように、本発明の段差測定装置は、微分
干渉顕微鏡を応用した構成を有する。一般に、微分干渉
顕微鏡では、被検物体上に存在する幾何学的な段差に対
して、ほぼ微分像に等しいコントラストを与えることが
できる。しかしながら、被検物体上に存在する一般的な
段差は、単に表面の凹凸（幾何学的な段差）だけからな
るわけではない。たとえば、ガラス基板上に蒸着された
クロームのパターンを考えると、蒸着面の境界において
クローム膜厚に相当する幾何学的段差が存在するだけで
はなく、光の反射率も段差の両側において大きく変化し
ている。

【００１１】このように、一般の段差は、入射する光の
位相および振幅をともに変調するという性質を有する。
したがって、互いに異なる段差に対しては、位相および
振幅の変調される度合いも当然に異なってくる。しかし
ながら、本発明の発明者らは、種々の研究の結果、従来
の微分干渉顕微鏡の構成を用いて、いかなる段差に対し
ても高精度な測定が可能な本発明の段差測定装置に想到
した。

【００１２】以下、本発明の段差測定装置の作用を理論
的に説明する。なお、段差は基本的に１次元特性を有す
るため、以下の解析では光学系を含め全てを１次元的に
取り扱う。実際の光学系は２次元特性を有するが、後述
の各式に対して直交する座標系を導入するだけで２次元
化を容易に行うことができることはいうまでもない。被
検物体上に一次元座標ｘを設定し、原点ｘ＝０に段差が
存在するものとする。物体はｘ＝０を除いて平坦であ
り、物体の複素振幅分布Ｏ（ｘ）が式（１）で与えられ
るものとする。

【００１３】

【数１】

【００１４】式（１）において、ａおよびｂは、それぞ
れｘ≦０の領域およびｘ＞０の領域における物体の反射
率の平方根（すなわち振幅反射率）である。また、Ψは
段差によって生じる入射光の位相変化量である。次い
で、この段差位置における微分干渉像の強度Ｉを求め
る。段差位置すなわちｘ＝０において、段差測定装置に
よって被検物体上に形成された２つの照明光は、段差を
挟んでその両側の対称な位置にある。それぞれの照明光
を構成する点像のうち照明光の中心の点像に注目する
と、この２つの点像は、段差を挟んでその両側の対称な
位置にある。すなわち２つの点像の中心間の距離を２δ
とすれば、第１の照明光の点像の中心は位置ｘ＝δにあ
り、第２の照明光の点像はｘ＝−δにある。まず、第１
の照明光の点像について考える。物体上での点像の振幅
分布をｕ（ｘ）とすれば、第１の照明光の点像の回折に
より、方向余弦α方向に回折される光の複素振幅Ｐ₁は
次の式（２）で与えられる。

【００１５】

【数２】

【００１６】同様に、第２の照明光の点像について、そ
の回折により方向余弦α方向に回折される複素振幅Ｐ₂
は、次の式（３）で与えられる。

【００１７】

【数３】

【００１８】光源から検光子直前までの間の光学系が第
１の照明光と第２の照明光に与える位相差（すなわち被
検物体として鏡面を用いたときに検光子直前における両
照明光の位相差）をθとし、検光子の方位角（アナライ
ザ角）をφとすると、検光子の透過光強度ｉ_Tと反射光
強度ｉ_Rは、次の式（４）および（５）でそれぞれ与え
られる。

【００１９】

【数４】

【００２０】

【数５】

【００２１】実際には、レンズの開口数ＮＡより小さい
方向余弦の回折光はすべて受光される。したがって、透
過光強度Ｉ_Tおよび反射光強度Ｉ_Rは、次の式（６）およ
び（７）でそれぞれ与えられる。

【００２２】

【数６】

【００２３】

【数７】

【００２４】したがって、透過光全強度Ｉ_Tと反射光全
強度Ｉ_Rとの差信号Ｓは、次の式（８）で与えられる。

【００２５】

【数８】

【００２６】式（８）に式（１）〜式（７）を代入する
と、次の式（９）に示す関係が得られる。

【００２７】

【数９】

【００２８】本発明では、式（９）において位相差θ＝
π／２と設定することにより、次の式（１０）で示す関
係が成立する。

【００２９】

【数１０】

【００３０】なお、式（９）および式（１０）におい
て、Ｃは、物体に依存しない装置定数であり、次の式
（１１）で与えられる。

【００３１】

【数１１】

【００３２】式（１０）の右辺は、次の式（１２）に示
すように、ベクトルの内積の形で表される。

【００３３】

【数１２】

【００３４】したがって、段差位置における差信号Ｓ
は、アナライザ角φが式（１３）を満たすときに最大と
なる。

【００３５】

【数１３】

【００３６】また、式（１２）を参照すれば、式（１
３）を満たすφに±π／４を加えたアナライザ角におい
て、段差位置における差信号Ｓが最小（ゼロ）になるこ
とがわかる。以下、本発明において位相差θ＝π／２と
設定する理由について説明する。まず、式（９）の右辺
において位相差θを含む部分ｃｏｓ（θ＋Ψ）は、θ＝
π／２と設定することにより、式（１０）に示すように
ｓｉｎΨとして差信号Ｓに含まれるようになる。こうし
て、微小段差に応じた微小な位相差Ψに対する差信号Ｓ
の感度は、位相差θ＝π／２と設定することにより最も
良好になる。換言すれば、位相差θ＝π／２と設定する
ことにより、微小段差に対するコントラストを大きくす
ることができる。

【００３７】次いで、位相差θ＝π／２と設定すること
により、段差の両側のエッジに対するコントラストを同
時に最大（または最小）にする事ができる。段差部分の
振幅反射率をbとし、その両側の平坦部の振幅反射率ａ
とすると、一方のエッジでは振幅反射率がａからｂへ変
化するとともに段差による位相差が０からΨに変化す
る。また、他方のエッジでは、振幅反射率がｂからａへ
変化するとともに段差による位相差がΨから０に変化す
る。

【００３８】すなわち、式（１３）の右辺において、一
方のエッジと他方のエッジとでは、ａとｂが入れ代わる
とともに段差による位相差Ψの符号が逆になる。ところ
で、ａとｂとを入れ代えるとともに位相差Ψの符号を逆
にしても、式（１３）の右辺の値は変化しない。これ
は、一方のエッジのコントラストを最大（または最小）
にするアナライザ角と他方のエッジのコントラストを最
大（または最小）にするアナライザ角とが等しいことを
意味している。換言すれば、位相差θ＝π／２と設定す
ることにより、同一のアナライザ角で段差の両側のエッ
ジに対するコントラストを同時に最大（または最小）に
できる。

【００３９】仮に、位相差θ＝π／２ではなくθ＝０と
設定すると、段差位置における差信号Ｓは、アナライザ
角φがつぎの式（１４）を満たすとき最大となる。

【００４０】

【数１４】

【００４１】上述の式（１４）において、ａとｂとを入
れ代えるとともに位相差Ψの符号を逆にすると、右辺の
値は変化してしまう。すなわち、本発明のように位相差
θ＝π／２と設定しなければ、一方のエッジに対するコ
ントラストを最大（または最小）にしても、そのときの
アナライザ角に対して他方のエッジに対するコントラス
トは、最大（または最小）にならなくなってしまう。

【００４２】このように、本発明では、検光子の直前ま
でに光学系が２つの照明光に対応する光に加える位相差
をπ／２に、すなわち検光子に達する光が円偏光になる
ようにするとともに、検光子のアナライザ角φを可変に
する。こうして、段差位置における差信号Ｓが最大とな
るときのアナライザ角から式（１３）の右辺の値を求め
ることができる。また、段差位置における差信号Ｓが最
小となるときのアナライザ角から式（１３）の右辺の値
の逆数を求めることができる。

【００４３】すなわち差信号Ｓが定性的に最大または最
小となるときのアナライザ角を測定する事により、すな
わち差信号Ｓの値を定量的に測定する（光量を直接測定
する）ことなく、段差による位相差Ψを含む量を高精度
に求めることができる。なお、式（１３）の右辺には、
位相差Ψ以外に振幅反射率ａおよびｂが含まれている。
振幅反射率ａおよびｂを求めるには、以下のように、段
差から十分離れた位置における和信号Ｗ＝Ｉ_T＋Ｉ_Rを求
めればよい。

【００４４】例えば、段差位置ｘ＝０から十分離れたｘ
＜０の位置では、以下の式に示す関係がよい近似で成り
立つ。

【００４５】

【数１５】

【００４６】式（１５）を式（４）〜式（７）を代入し
た上でθ＝π／２とすれば、段差位置ｘ＝０から十分離
れたｘ＜０の位置に対する和信号Ｗ_aは、次の式（１
６）で与えられる。

【００４７】

【数１６】

【００４８】こうして、式（１６）で与えられる和信号
Ｗ_aの平方根を計算することによって振幅反射率ａを求
めることができる。ここで、式（１６）には、振幅反射
率ａの他に装置に依存する装置定数が含まれているが、
この装置定数は計算可能な量である。ただし、実用上
は、段差および反射率が既知の試料を用いてキャリブレ
ーションを行うことにより、装置定数を求めることがで
きる。

【００４９】また、段差位置ｘ＝０から十分離れたｘ＞
０の位置に対する和信号Ｗ_bの平方根を計算することに
よって、もう一方の振幅反射率ｂも同様に求めることが
できる。こうして、差信号Ｓが最大または最小となると
きのアナライザ角から求めた式（１３）の右辺の値と和
信号Ｗ_aおよびＷ_bからそれぞれ求めた２つの振幅反射率
ａおよびｂとに基づいて、位相差Ψを算出することがで
きる。そして、算出した位相差Ψに基づいて、段差Δｈ
を次の式（１７）により求めることができる。

【００５０】

【数１７】

【００５１】ここで、λは使用する光の波長であり、ｎ
は媒質の屈折率（空気ならば１）である。なお、段差の
両側において複素屈折率が異なる場合は、２つの対応す
る点像において光の位相飛び量の差が発生する。そこ
で、光の位相飛び量をあらかじめ測定し、式（１３）に
したがって求めた位相差Ψの値をあらかじめ測定した位
相飛び量の差で補正する必要がある。ただし、光の位相
飛び量の差が誤差範囲に収まる程度であれば補正の必要
はない。

【００５２】

【実施例】以下、実施例により本発明をより具体的に説
明するが、本発明はこれに限るものではない。図１は、
本発明の第１実施例にかかる段差測定装置の構成を概略
的に示す図である。尚、図１では説明を容易にするため
に、光源１を点光源として図示しているが、実際はタン
グステンランプ等の有限な大きさを持つ光源を用いてい
る。

【００５３】光源１を射出した光は、コリメートレンズ
２を透過して平行光となり、干渉フィルター３を透過し
て波長が選択される。本実施例では、波長は５５０ｎｍ
に選択された。干渉フィルター３を透過した光は偏光板
４で直線偏光になりハーフミラー５に入射する。この時
の偏光方向は紙面に対して平行である。ハーフミラー５
で図中下方に反射された光はノマルスキープリズム６に
入射する。ノマルスキープリズム６は、入射光の偏光方
向に対して４５゜で交差する光学軸を有し、入射光を偏
光成分によって２つの光に分割するための複屈折プリズ
ムである。尚、ノマルスキープリズムの代わりにウォラ
ストンプリズム等を用いてもよい。

【００５４】ノマルスキープリズム６を介して２つに分
割された光は、対物レンズ７を介して集光され、ステー
ジ９上に載置された被検物体８上に２つの照明光を形成
する。このように、ノマルスキープリズム６の作用によ
って、被検物体８上には２つの照明光が、それぞれの中
心の間隔を僅かに隔てて形成される。

【００５５】２つの照明光に対する被検物体８からの２
つの反射光は再び対物レンズ７を通過した後、ノマルス
キープリズム６を介して合成される。ここで、ノマルス
キープリズム６は、２つの照明光に対して往復でπの整
数倍の位相差を加えるように、光軸に対する挿入位置が
規定されている。したがって、被検物体８が平坦で反射
率の変化がない表面、すなわち鏡面である場合、ノマル
スキープリズム６を介した２つの反射光の位相差はπの
整数倍になる。換言すれば、２つの照明光に対する被検
物体８からの２つの反射光は、ノマルスキープリズム６
を介して図１の紙面に平行または垂直な偏光を有する直
線偏光に合成される。

【００５６】ノマルスキープリズム６を介した合成光
は、ハーフミラー５に入射する。ハーフミラー５を透過
した合成光は１／４波長板１０に入射する。１／４波長
板１０は、被検物体８が鏡面である場合に１／４波長板
１０に入射する合成直線偏光の直線偏光方向に対して方
位角π／４で位置決めされている。したがって、被検物
体８が鏡面である場合、１／４波長板１０を介した合成
光は、円偏光となって、光軸を中心として回転可能な１
／２波長板１１に入射する。なお、１／２波長板１１は
駆動制御部１２からの信号によって任意の角度に回転す
るための駆動装置を有している。駆動制御部１２は、１
／２波長板１１の回転角を制御装置２０に供給する。

【００５７】１／２波長板１１を透過した光は、偏光ビ
ームスプリッタ１３で透過光と反射光とに分離される。
このように、１／２波長板１１は、偏光回転角が可変の
旋光子であり、回転可能な１／２波長板１１と固定され
た偏光ビームスプリッタ１３とにより、アナライザ角が
可変の偏光ビームスプリッタが構成されている。

【００５８】偏光ビームスプリッタ１３を透過した光は
レンズ１４で２次元イメージセンサ１５に結像し、光電
変換される。一方偏光ビームスプリッタ１３で反射した
光はレンズ１６で２次元イメージセンサ１７に結像し、
光電変換される。２次元イメージセンサ１５と２次元イ
メージセンサ１７は、同じ画素構成であり対応する画素
は、被検物体８上の同一の場所からの反射光を受光する
ようにアライメントされている。

【００５９】尚、２次元イメージセンサは、例えば、Ｃ
ＣＤ等のイメージセンサを用いる。２次元イメージセン
サ１５および２次元イメージセンサ１７で光電変換され
た電気信号は、２次元減算器１８と２次元加算機１９に
供給される。２次元減算器１８では、２次元イメージセ
ンサ１５からの信号と２次元イメージセンサ１７からの
信号とに基づいて差信号Ｓを各画素毎に求め、２次元加
算機１９では、２次元イメージセンサ１５からの信号と
２次元イメージセンサ１７からの信号とに基づいて和信
号Ｗを各画素毎に求める。２次元減算器１８で求められ
た差信号Ｓと２次元加算機１９で求められた和信号Ｗ
は、制御装置２０に供給される。

【００６０】制御装置２０は、減算器１８からの差信号
Ｓが最大（または最小）になるように、駆動制御部１２
を介して、１／２波長板１１を光軸回りに回転させる。
減算器１８からの差信号Ｓが最大（または最小）になっ
たときの１／２波長板１１の所定位置からの回転角度
（アナライザ角の半分の値に対応）は、駆動制御部１２
によって検出され、制御装置２０に供給される。

【００６１】制御装置２０は、すでに本発明の作用で説
明したように、差信号Ｓが最大（または最小）になった
ときの１／２波長板１１の回転角度（すなわちアナライ
ザ角）に基づいて、段差を算出する。算出された段差デ
ータは、表示装置２１に供給される。また、制御装置２
０は、選択装置２２からの指示にしたがって差信号Ｓま
たは和信号Ｗに基づく画像データを段差の測定値ととも
に表示装置２１に供給する。すなわち、制御装置２０
は、選択装置２２が差信号Ｓを選択した場合には微分干
渉像を供給し、選択装置２２が和信号Ｗを選択した場合
には明視野像を供給する。

【００６２】こうして、表示装置２１には、段差の測定
値とともに選択装置２２の切換に応じて微分干渉像また
は明視野像が表示される。この場合、微分干渉像または
明視野像には、差信号Ｓおよび和信号Ｗのプロファィル
が重ねて表示される。図２（ａ）および（ｂ）は、差信
号Ｓおよび和信号Ｗの典型的なプロファイルを示す図で
ある。図２において、横軸は被検物体８上における２つ
の照明光の位置ズレの方向に沿った位置（原点は段差位
置）を示し、縦軸は各位置での信号強度を示している。

【００６３】段差の具体的な算出手段では、図２（ａ）
の差信号Ｓが最大（または最小）になったときのアナラ
イザ角に基づいて、式（１３）の右辺の値（またはその
逆数）を求める。一方、図２（ｂ）の和信号Ｗ_aの値に
基づいて式（１６）から振幅反射率ａを求める。また、
図２（ｂ）の和信号Ｗ_bの値に基づいて式（１６）に対
応する式から振幅反射率ｂを求める。

【００６４】振幅反射率ａおよび振幅反射率ｂを求める
のに際して、反射率が既知の物体を用いてキャリブレー
ションを行い、式（１６）の装置定数を求めることはす
でに本発明の作用で説明した通りである。また、段差の
像が２２つの２次元イメージセンサのある画素にあると
き、和信号Ｗ_a及びＷ_bはその画素の前後または左右の画
素の出力を用いる。尚、その時に選択される前後または
左右の画素は、２次元イメージセンサの解像度や被検物
体等によって適当な画素が選択される。

【００６５】こうして、式（１３）の右辺の値（または
その逆数）と振幅反射率ａおよび振幅反射率ｂに基づい
て位相差Ψを求め、求めた位相差Ψを式（１７）に代入
して段差Δｈを算出することができる。このように、本
実施例では、差信号Ｓが定性的に最大または最小となる
ときのアナライザ角を測定することにより、すなわち差
信号Ｓの値を定量的に測定することなく、位相差Ψを含
む量を求める。次いで、段差の両側の振幅反射率ａおよ
び振幅反射率ｂと位相差Ψを含む量とに基づいて位相差
Ψを算出する。そして、算出した位相差Ψに基づいて、
段差Δｈを算出することができる。したがって、本実施
例では、段差の両側で光反射率が変化していても、任意
の段差を高精度に測定することができる。

【００６６】上述の実施例では、鏡面を観察したときに
直線偏光の照明光が１／４波長板１０に入射するように
構成している。しかしながら、１／４波長板１０の直前
において照明光がすでに円偏光となるように、ノマルス
キープリズム６の光軸に対する挿入位置などを規定して
光学系を調整すれば、１／４波長板１０を省略すること
ができる。

【００６７】また、上述の実施例では、光軸を中心とし
て回転可能な１／２波長板１１の作用によって、固定さ
れた偏光ビームスプリッタのアナライザ角を変化させて
いる。しかしながら、１／２波長板１１に限定されるこ
となく、偏光回転作用のある旋光子として、たとえば磁
気光学効果を用いたファラデーローテーターや電気光学
効果を応用した旋光子を用いることもできる。なお、電
気光学効果応用した旋光子では、印加電圧に応じて偏光
回転角を検知することもできる。

【００６８】さらに、偏光ビームスプリッタ１３と２次
元イメージセンサ１５および１７が一体的に回転可能で
あれば、１／２波長板１１のような偏光回転が可変の旋
光子を省略することができることはいうまでもない。図
３は、本発明の第２実施例にかかる段差測定装置の構成
を概略的に示す図である。尚、光源及び照明光学系等は
第１実施例と同様なものを用いた。

【００６９】光源２３はタングステンランプであって射
出した光は、コリメートレンズ２４を透過して平行光と
なり、干渉フィルター２５を透過して波長が選択され
る。本実施例では、波長は５５０ｎｍに選択された。干
渉フィルター２５を透過した光は偏光板２６で直線偏光
になりハーフミラー２７に入射する。この時の偏光方向
は紙面に対して平行である。

【００７０】ハーフミラー２７で図中下方に反射された
光はノマルスキープリズム２８に入射する。ノマルスキ
ープリズム２８は、入射光の偏光方向に対して４５゜で
交差する光学軸を有し、入射光を偏光成分によって２つ
の光に分割するための複屈折プリズムである。ノマルス
キープリズム２８を介して２つに分割された光は、対物
レンズ２９を介して集光され、ステージ３１上に載置さ
れた被検物体３０上に２つの照明光を形成する。

【００７１】このように、ノマルスキープリズム２８の
作用によって、被検物体３０上には２つの照明光が、そ
れぞれの中心の間隔を僅かに隔てて形成される。２つの
照明光に対する被検物体３０からの２つの反射光は再び
対物レンズ２９を通過した後、ノマルスキープリズム２
８を介して合成される。ここで、ノマルスキープリズム
２８は、２つの照明光に対して往復でπの整数倍の位相
差を加えるように、光軸に対する挿入位置が規定されて
いる。したがって、被検物体３０が平坦で反射率変化の
ない表面、すなわち鏡面である場合、ノマルスキープリ
ズム２８を介した２つの反射光の位相差はπの整数倍に
なる。換言すれば、２つの照明光に対する被検物体３０
からの２つの反射光は、ノマルスキープリズム２８を介
して図１の紙面に平行または垂直な偏光を有する直線偏
光に合成される。

【００７２】ノマルスキープリズム２８を介した合成光
は、ハーフミラー２７に入射する。ハーフミラー２７を
透過した合成光は１／４波長板３２に入射する。１／４
波長板３２は、被検物体３０が鏡面である場合に１／４
波長板３２に入射する合成直線偏光の直線偏光方向に対
して方位角π／４で位置決めされている。したがって被
検物体３０が鏡面である場合、１／４波長板３２を介し
た合成光は、円偏光となってアナライザ３３に入射す
る。アナライザ３３は、光軸を中心に回転可能な偏光板
と、モータドライバ３４から出力されるアナライザ角の
信号に基づいて偏光板を回転させるモータと、から構成
されている。モータドライバ３４は、アナライザ３３の
アナライザ角を電気信号として像形成装置３５に供給す
る。

【００７３】アナライザ３３を透過した光は、レンズ３
６で２次元イメージセンサ３７に結像し、光電変換され
る。２次元イメージセンサ３７で光電変換された信号
は、像形成装置３５に供給される。像形成装置３５は、
モータドライバ３４からのアナライザ角の信号をもと
に、所定のアナライザ角例えばφ１の時に２次元イメー
ジセンサ３７で光電変換された電気信号を取り込み、画
像蓄積装置３８に蓄積する。次いでアナライザ角がφ１
＋π／２（または−π／２）となったときに再び２次元
イメージセンサ３７で光電変換された電気信号を取り込
み、画素毎に画像蓄積装置３８に蓄積されたアナライザ
角がφ１の時の画像との差信号Ｓおよび和信号Ｗを計算
する。像形成装置３５は、この電気信号のとりこみと計
算をあらゆるφ１に対して繰り返して行う。

【００７４】像形成装置３５は、すでに本発明の作用で
説明したように、差信号Ｓが最大（または最小）になっ
たときのアナライザ３３のアナライザ角に基づいて、段
差を算出する。算出された段差データは、表示装置４０
に供給される。尚、アナライザ３３の偏光板を常に回転
させておき、像形成装置３５は差信号Ｓが最大または最
小の時のアナライザ角φ１を測定して記憶し、そのアナ
ライザ角φ１及びφ１＋π／２（または−π／２）の時
に２次元イメージセンサから出力される電気信号のみを
取り込んで記憶し、その電気信号から前述の差信号Ｓお
よび和信号Ｗを計算するようにしてもよい。

【００７５】さらに像形成装置３５は、選択装置３９か
らの指示にしたがって差信号Ｓまたは和信号Ｗに基づく
画像データを段差の測定値とともに表示装置４０に供給
する。すなわち、像形成装置３５は、選択装置３９が差
信号Ｓを選択した場合には微分干渉像を供給し、選択装
置３９が和信号Ｗを選択した場合には明視野像を供給す
る。

【００７６】こうして、表示装置４０には、段差の測定
値とともに選択装置３９の切換に応じて微分干渉像また
は明視野像が表示される。この場合、微分干渉像または
明視野像には、差信号Ｓおよび和信号Ｗのプロファィル
が重ねて表示される。以下、上述した本発明にかかる第
１実施例と同様にして、段差Δｈを算出することができ
る。図４は、本発明の第３実施例にかかる段差測定装置
の構成を概略的に示す図である。本実施例に示した段差
測定装置の構成は、大部分が図３に示した第２実施例の
段差測定装置と同じである。したがって、第２実施例と
同一の構成要素については同じ符号を付して説明を省略
し、ここでは第２実施例と異なる点についてみ述べる。

【００７７】本実施例では、アナライザとして、第２実
施例におけるモーターによって回転する偏光板の代わり
に液晶偏光装置４１を用いている。液晶偏光装置４１
は、ドライブ装置４２から印可される電圧を任意に変化
させることによって、偏光方向を任意に変えることが可
能な偏光板、すなわち、アナライザ角が任意に設定可能
なアナライザとして働く。ドライブ装置４２はアナライ
ザ角を電気信号として像形成装置３５に供給する。

【００７８】液晶偏光装置４１を透過した光は、レンズ
３６で２次元イメージセンサ３７に結像し、光電変換さ
れる。２次元イメージセンサ３７で光電変換された信号
は、像形成装置３５に供給される。像形成装置３５は、
ドライブ装置４２からのアナライザ角の信号をもとに、
所定のアナライザ角例えばφ１の時に２次元イメージセ
ンサ３７で光電変換された電気信号を取り込み、画像蓄
積装置３８に蓄積する。次いでアナライザ角がφ１＋π
／２（または−π／２）となったときに再び２次元イメ
ージセンサ３７で光電変換された電気信号を取り込み、
画素毎に画像蓄積装置３８に蓄積されたアナライザ角が
φ１の時の画像との差信号Ｓおよび和信号Ｗを計算す
る。像形成装置３５は、この電気信号の取り込みと計算
をあらゆるφ１に対して繰り返して行う。

【００７９】以下上述した本発明にかかる第２実施例と
同様にして、段差Δｈを算出することができる。尚、上
述の各実施例ではアナライザ角や１／４波長板の方位角
等の表示は代表的なもののみを示したが、これらの角度
は角度の持つ周期性から等価な角度となる全ての角度を
含んでいることは言うまでもない。

【００８０】

【効果】以上説明したように、本発明によれば、差信号
Ｓが最大または最小となるときのアナライザ角と段差の
両側の振幅反射率とに基づいて段差による位相差を算出
し、算出した段差による位相差に基づいて段差を求め
る。したがって、本発明によれば、段差の両側で光反射
率が変化していても、任意の段差を高精度に測定するこ
とのできる段差測定装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる段差測定装置の構
成を概略的に示す図である。

【図２】差信号Ｓおよび和信号Ｗの典型的なプロファィ
ルを示す図である。

【図３】本発明の第２実施例にかかる段差測定装置の構
成を概略的に示す図である。

【図４】本発明の第３実施例にかかる段差測定装置の構
成を概略的に示す図である。

【符号の説明】

１、２３・・・光源７、２９・・・対物レンズ６、２８・・・ノマルスキープリズム８、３０・・・被検物体１０、３２・・・１／４波長板１１・・・１／２波長板１３・・・偏光ビームスプリッタ１５、１７、３７・・・２次元イメージセンサ２０、３５・・・像形成装置４１・・・液晶偏光装置２１、４０・・・表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源からの光を被検物体上に
照明するための照明光学系と、被検物体の像を所定の像
面に結像するための対物レンズと、前記対物レンズと前
記光源との間に配設され前記光源からの光をその偏光成
分によって２つの光に分割し、前記被検物体で反射され
た前記２つの光を合成するための複屈折プリズムと、前
記合成された２つの光を特定の偏光成分に選択するため
の検光子と、前記像面に配設され前記検光子を通過した
光を受光する２次元イメージセンサと、前記２次元イメ
ージセンサから出力される信号に基づいて前記被検物体
の段差を定量的に測定するための測定手段とを備えた段
差測定装置であって、前記段差測定装置は、前記被検物体が鏡面であるときに
前記検光子に達する反射光が円偏光になるように構成さ
れ、前記検光子は、アナライザ角が可変の偏光ビームスプリ
ッタを有し、前記２次元イメージセンサは前記偏光ビームスプリッタ
を透過した光を検出するための第１の２次元イメージセ
ンサと、前記偏光ビームスプリッタで反射した光を検出
するための第２の２次元イメージセンサとを有し、前記測定手段は、前記段差に対する前記第１の２次元イ
メージセンサの出力と前記第２の２次元イメージセンサ
の出力との差が最大または最小になるときの前記偏光ビ
ームスプリッタのアナライザ角に基づいて前記段差を測
定することを特徴とする段差測定装置。
【請求項２】前記測定手段は、前記被検物体の段差の一方の領域に対する前記第１の２
次元イメージセンサの出力と前記第２の２次元イメージ
センサの出力との和に基づいて、前記一方の領域におけ
る前記被検物体の第１振幅反射率を求め、前記被検物体の段差の他方の領域に対する前記第１の２
次元イメージセンサの出力と前記第２の２次元イメージ
センサの出力との和に基づいて、前記他方の領域におけ
る前記被検物体の第２振幅反射率を求め、前記アナライザ角、前記第１振幅反射率及び前記第２振
幅反射率とに基づいて前記段差が前記２つの照明光に付
与する位相差を算出し、該算出された位相差に基づいて
前記段差を測定することを特徴とする請求項１に記載の
段差測定装置。
【請求項３】前記検光子は、光軸に対して固定された
偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタの入
射側に配置され且つ偏光回転角が可変の旋光子とを有す
ることを特徴とする請求項１または２に記載の段差測定
装置。
【請求項４】前記偏光回転角が可変の旋光子は、光軸
に対して回転可能な１／２波長板であることを特徴とす
る請求項３に記載の段差測定装置。
【請求項５】前記検光子は、光軸を中心として回転可
能な偏光ビームスプリッタを有し、前記第１の２次元イメージセンサおよび第２の２次元イ
メージセンサは、前記偏光ビームスプリッタと一体的に
回転するように構成されていることを特徴とする請求項
１または請求項２に記載の段差測定装置。
【請求項６】前記光源は、該光源から出射する光を特
定の波長の光に選択するための波長選択手段を有するこ
とを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の
段差測定装置。
【請求項７】前記光源は該光源から出射する光を所定
の偏光方向を有する直線偏光の光に選択する偏光選択手
段を有することを特徴とする請求項１、２、３、４、５
または６に記載の段差測定装置。
【請求項８】前記複屈折プリズムは、前記被検物体が
鏡面であるときに、分割した２つの光に対して往復でπ
の整数倍の位相差を付与するように位置決めされ、か
つ、前記被検物体で反射した前記２つの光を合成して直
線偏光を生成し、前記検光子の入射側には、前記複屈折プリズムを介して
合成された直線偏光を円偏光に変換するための１／４波
長板が設けられていることを特徴とする請求項７に記載
の段差測定装置。
【請求項９】前記被検物体が鏡面であるときに前記検
光子に達する前記合成された２つの光が円偏光となるよ
うに、前記複屈折プリズムの光軸に対する挿入位置が規
定されていることを特徴とする請求項７に記載の段差測
定装置。
【請求項１０】光源と、該光源からの光を被検物体上
に照明するための照明光学系と、被検物体の像を所定の
像面に結像するための対物レンズと、前記対物レンズと
前記光源との間に配設され前記光源からの光をその偏光
成分によって２つの光に分割し、前記被検物体で反射さ
れた前記２つの光を合成するための複屈折プリズムと、
前記合成された２つの光を特定の偏光成分に選択するた
めの検光子と、前記像面に配設され前記検光子を通過し
た光を受光する２次元イメージセンサと、前記２次元イ
メージセンサから出力される信号に基づいて前記被検物
体の段差を定量的に測定するための測定手段とを備えた
段差測定装置であって、前記段差測定装置は、前記被検物体が鏡面であるときに
前記検光子に達する反射光が円偏光になるように構成さ
れ、前記検光子はアナライザ角が可変であり、前記測定手段は、前記検光子のアナライザ角が２つの異
なる位置にある時の前記２次元イメージセンサの出力の
差が最大または最小になるときのアナライザ角に基づい
て前記段差を測定することを特徴とする段差測定装置。
【請求項１１】前記測定手段は、前記検光子のアナライザ角が２つの異なる位置にある時
の前記被検物体の段差の一方の領域に対する前記２次元
イメージセンサの出力の和に基づいて、前記一方の領域
における前記被検物体の第１振幅反射率を求め、前記検光子のアナライザ角が２つの異なる位置にある時
の前記被検物体の段差の他方の領域に対する前記２次元
イメージセンサの出力の和に基づいて、前記他方の領域
における前記被検物体の第２振幅反射率を求め、前記アナライザ角と前記第１の振幅反射率と前記第２の
振幅反射率とに基づいて前記段差が前記２つの照明光に
付与する位相差を算出し、該算出された位相差に基づい
て前記段差を測定することを特徴とする請求項６に記載
の段差測定装置。
【請求項１２】前記検光子は光軸を中心に回転可能な
偏光板を有することを特徴とする請求項１１に記載の段
差測定装置。
【請求項１３】前記検光子は、液晶偏光装置を有する
ことを特徴とする請求項１１に記載の段差測定装置。
【請求項１４】前記検光子のアナライザ角の２つの異
なる位置は、ｎ、ｍをそれぞれ奇数としたときに、ｎπ
／４およびｎπ／４＋ｍπ／２であることを特徴とする
請求項１０、１１、１２または１３に記載の段差測定装
置。
【請求項１５】前記光源は、該光源から出射する光を
特定の波長の光に選択するための波長選択手段を有する
ことを特徴とする請求項１０、１１、１２、１３または
１４に記載の段差測定装置。
【請求項１６】前記光源は該光源から出射する光を所
定の偏光方向を有する直線偏光の光に選択する偏光選択
手段を有することを特徴とする請求項１０、１１、１
２、１３、１４または１５に記載の段差測定装置。
【請求項１７】前記複屈折プリズムは、前記被検物体
が鏡面であるときに、分割した２つの光に対して往復で
πの整数倍の位相差を付与するように位置決めされ、か
つ、前記被検物体で反射した前記２つの光を合成して直
線偏光を生成し、前記検光子の入射側には、前記複屈折プリズムを介して
合成された直線偏光を円偏光に変換するための１／４波
長板が設けられていることを特徴とする請求項１６に記
載の段差測定装置。
【請求項１８】前記被検物体が鏡面であるときに前記
検光子に達する前記合成された２つの光が円偏光となる
ように、前記複屈折プリズムの光軸に対する挿入位置が
規定されていることを特徴とする請求項１６に記載の段
差測定装置。