WO2023042339A1 - 光学測定システムおよび光学測定方法 - Google Patents

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    • G03H2223/12—Amplitude mask, e.g. diaphragm, Louver filter

Definitions

  • the present invention relates to an optical measurement system and an optical measurement method using digital holography.
  • Patent Document 1 discloses a technique for inspecting defects inside and on the front and back surfaces of a wafer using a transmission image obtained by irradiating the wafer with infrared light. Also, there is a well-known device that implements wafer internal defect inspection using infrared light (see Non-Patent Document 1, etc.).
  • Digital holography has been proposed and put into practical use as a method of measuring the shape of samples with higher accuracy.
  • Digital holography is a technology that acquires the shape of the wavefront of the object light and measures the shape of the sample, etc. is.
  • Patent Document 2 discloses a configuration capable of measuring the shape of a sample by adopting a reflective optical system.
  • Patent Document 3 uses a cube-shaped beam combiner and discloses a configuration that can easily realize large numerical aperture recording and reflective illumination.
  • Patent Document 1 The technique disclosed in JP-A-2011-033449 (Patent Document 1) described above employs a measurement method based on the difference in transmittance of infrared light, and it is difficult to detect nm-order defects.
  • the wafer internal defect inspection described above also employs a measurement method based on the difference in transmittance of infrared light, and it is difficult to detect nm-order defects.
  • An optical measurement system includes a first light source that produces near-infrared radiation, a silicon-based image sensor, and a beam that splits light from the first light source into first and second light beams. and an optical system including a splitter.
  • the optical system is configured to record, with the image sensor, a first hologram obtained by illuminating the sample with the first light and modulating the light with the second light, which is divergent light.
  • the optical system may generate the first hologram from transmitted light obtained by illuminating the sample with the first light.
  • the second hologram may be recorded from transmitted light obtained by illuminating a substrate included in the sample and not to be measured with the first light.
  • the optical system may generate the first hologram from reflected light obtained by illuminating the sample with the first light.
  • the second hologram may be recorded from reflected light obtained by illuminating the reference reference surface with the first light.
  • the optical measurement system may further include a second light source that generates visible light and a processor.
  • the optical system has a first configuration for generating a first hologram from transmitted light obtained by illuminating the sample with the first light, and a first configuration for generating the first hologram from reflected light obtained by illuminating the sample with the first light. It may be changeable between a second configuration for generating a hologram.
  • a processor measures the internal structure of the sample based on a first hologram recorded when the first light source and first configuration of the optical system are combined, and measures the internal structure of the sample using a second light source and a second configuration of the optical system.
  • the surface shape of the sample may be measured based on the first hologram recorded when the configuration of (1) is combined.
  • the optical system may be an off-axis holographic optical system.
  • the optical system converts the sample into the first light so that the component corresponding to the first light and the component other than the component corresponding to the first light do not overlap in the spatial frequency domain of the hologram recorded by the image sensor.
  • an optical measurement method using an optical system including a beam splitter that splits light from a first light source that generates near-infrared rays into first light and second light.
  • the optical measurement method includes the steps of: recording a first hologram obtained by illuminating a sample with a first light and modulating the light with a second light that is divergent light with a silicon-based image sensor; recording, with the image sensor, a second hologram in which the first light is modulated with the second light.
  • An optical measurement system includes a light source, an optical system including a beam splitter for splitting light from the light source into first light and second light, and recording a hologram generated by the optical system. a first hologram obtained by illuminating a sample with the first light and modulating the light with the second light; and a processor for calculating, based on the modulated second hologram, an amplitude-phase distribution in the sample plane, which is the plane of interest of the sample.
  • the optical system includes a mechanism for changing the form of illumination with the first light.
  • the processing device is configured to calculate a synthetic amplitude-phase distribution by integrating the amplitude-phase distributions calculated for each form of illumination with the first light as they are as complex numbers.
  • the mechanism may change the angle of illumination of the first light.
  • the mechanism may change the azimuth angle while keeping the incident angle of the first light constant.
  • the optical system converts the sample into the first light so that the component corresponding to the first light and the component other than the component corresponding to the first light do not overlap in the spatial frequency domain of the hologram recorded by the image sensor.
  • the optical system may include a limiter that limits the size of the area illuminated by .
  • the processing device may provide a user interface screen for accepting the setting of the number of forms illuminated with the first light.
  • an optical measurement method using an optical system including a beam splitter that splits light from a light source into first light and second light.
  • the optical measurement method includes the step of recording, with an image sensor, a first hologram obtained by illuminating a sample with a first light and modulating the light with a second light; a step of recording a second hologram obtained by modulating light with a second light with an image sensor; a step of changing a form of illumination with the first light; a step of calculating an amplitude-phase distribution on a sample surface, which is a surface of interest of the sample, based on the hologram and the second hologram; and calculating a composite amplitude-phase distribution by accumulating complex numbers as they are.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of an optical measurement system according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a detailed configuration example of a measurement optical system in the optical measurement system according to Embodiment 1;
  • FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining the effect obtained by changing the form of illuminating illumination light in the optical measurement system according to the present embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining how object light and off-axis reference light are incident on a recording surface of an image sensor;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between a sample and off-axis reference beam R in the optical measurement system according to this embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship of spatial frequency bands for off-axis holograms in the optical measurement system according to the present embodiment;
  • 5 is a flow chart showing a processing procedure of a surface shape measuring method using the optical measuring system according to Embodiment 1;
  • 5 is a flow chart showing a processing procedure of an internal structure measuring method using the optical measuring system according to Embodiment 1;
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration example of an optical measurement system according to Embodiment 2;
  • 9 is a flow chart showing a processing procedure of a surface profile measuring method using the optical measuring system according to the second embodiment;
  • 9 is a flow chart showing a processing procedure of an internal structure measuring method using the optical measuring system according to the second embodiment;
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a hardware configuration example of a processing device included in the optical measurement system according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an example functional configuration of a processing device included in the optical measurement system according to the present embodiment
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a user interface screen provided in the optical measurement system according to the present embodiment; It is a figure which shows the example of a surface shape measurement by the optical measurement system according to this Embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of internal structure measurement by the optical measurement system according to the present embodiment
  • 1 is a schematic diagram showing an example of a composite configuration of an optical measurement system according to this embodiment;
  • the optical measurement system utilizes digital holography using divergent light, such as a point light source, as reference light.
  • divergent light such as a point light source
  • Embodiment 1 a transmissive optical system is exemplified, and in Embodiment 2, a reflective optical system is exemplified.
  • the present embodiment can include the first embodiment and the second embodiment.
  • the optical measurement system according to this embodiment measures the surface shape and internal structure of a sample. Furthermore, the optical measurement system according to this embodiment can also measure the refractive index of the sample. Although any sample can be measured, for example, it can be used for surface inspection of semiconductors, measurement of thickness and refractive index distribution of film products, evaluation of surface roughness and undulation of precision processed surfaces, observation and shape evaluation of living cells, etc. can be done.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of an optical measurement system 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 1A shows an optical system for recording in-line reference light
  • FIG. 1B shows an optical system for recording object light.
  • the optical measurement system 1 can configure the optical system shown in FIGS. 1(A) and 1(B).
  • the optical system shown in FIG. 1A corresponds to an optical system for recording an off-axis hologram ILR obtained by modulating an in-line reference beam L, which serves as a reference for recording, with an off-axis reference beam R.
  • FIG. 1A corresponds to an optical system for recording an off-axis hologram ILR obtained by modulating an in-line reference beam L, which serves as a reference for recording, with an off-axis reference beam R.
  • the optical system shown in FIG. 1(B) modulates object light O obtained by illuminating a sample S with illumination light Q with off-axis reference light R, which is divergent light, to record an off-axis hologram IOR .
  • the optical system shown in FIG. 1B generates an off-axis hologram I OR (object beam hologram: first hologram) from transmitted light obtained by illuminating the sample S with illumination light Q. .
  • An illumination light profile is also acquired using the optical system shown in FIG. In this case, sample S is not placed.
  • the processing device 100 measures the surface shape, internal structure, etc. of the sample S based on the off-axis hologram ILR and the off-axis hologram IOR .
  • optical measurement system 1 includes a light source 10, a beam expander BE, beam splitters BS1 and BS2, mirrors M1 and M1, as an optical system for recording off-axis hologram ILR .
  • M2 an objective lens MO, a pinhole P, a lens L1, a mask A1, and an image sensor D.
  • the light source 10 is composed of a laser or the like, and generates coherent light.
  • the wavelength band of the light generated by light source 10 may be varied according to the content of measurement (measurement of surface shape or measurement of internal structure).
  • the light source 10 that generates visible light when measuring the surface shape of the sample S, the light source 10 that generates visible light may be used.
  • a light source 10 that generates light having components in at least part of the wavelength range of 380 to 780 nm is used.
  • a visible light source with a peak wavelength at 532 nm may be used.
  • the light source 10 that emits near-infrared rays may be used.
  • a light source 10 is used that generates light having components in at least part of the wavelength range of 1000 to 1200 nm.
  • a near-infrared light source with a peak wavelength at 1030 nm may be used.
  • the optical measurement system according to the present embodiment is configured so that the type of light source 10 can be arbitrarily changed.
  • the image sensor D records a hologram generated by the optical system shown in FIGS. 1(A) and 1(B).
  • a general CCD (Charge-Coupled Device) image sensor or CMOS (Complementary MOS) image sensor is used as the image sensor D.
  • These image sensors are semiconductor integrated circuits consisting of electronic circuits formed on silicon substrates. That is, a silicon-based image sensor is used in the optical measurement system according to this embodiment.
  • a silicon-based image sensor has photosensitivity mainly in the visible light band, and also has photosensitivity to near-infrared light in addition to visible light.
  • the beam expander BE expands the cross-sectional diameter of light from the light source 10 to a predetermined size.
  • the beam splitter BS1 splits the light expanded by the beam expander BE into two.
  • One light split by the beam splitter BS1 corresponds to the in-line reference light L (first light), and the other light corresponds to the off-axis reference light R (second light).
  • the in-line reference light L is reflected by the mirror M2 and guided to the beam splitter BS2. Furthermore, the in-line reference light L is guided to the image sensor D through the half mirror HM2 of the beam splitter BS2.
  • An objective lens MO and a pinhole P are arranged between the mirror M2 and the beam splitter BS2.
  • the in-line reference light L is condensed by the objective lens MO and narrowed by the pinhole P in cross-sectional diameter.
  • a pinhole P corresponds to the position of the point light source of the in-line reference light L.
  • FIG. An objective lens MO and a pinhole P realize a point source of in-line reference light L.
  • the off-axis reference beam R is reflected by the mirror M1 and guided to the beam splitter BS2. Furthermore, the off-axis reference beam R is guided to the image sensor D by being reflected by the half mirror HM2 of the beam splitter BS2. A mask A1 and a lens L1 are arranged between the mirror M1 and the beam splitter BS2. After passing through the mask A1, the off-axis reference beam R is condensed by the lens L1.
  • the mask A1 has an aperture pattern SP1 in the region through which the off-axis reference beam R passes.
  • An image corresponding to the aperture pattern SP1 of the mask A1 is formed on the image sensor D.
  • the size of the aperture pattern SP1 of the mask A1 is determined so that the off-axis reference light R that has passed through the mask A1 does not illuminate a range beyond the surface of the beam splitter BS2 on the image sensor D side. Determining the size of the aperture pattern SP1 of the mask A1 in this manner suppresses the generation of noise due to unnecessary interference.
  • the off-axis reference beam R is adjusted so that the in-line reference beam L can be recorded as a hologram.
  • the in-line reference beam L and the off-axis reference beam R are superimposed by the beam splitter BS2 placed in front of the image sensor D through the optical path as described above. That is, the image sensor D obtains an off-axis hologram ILR obtained by modulating the in-line reference light L with the off-axis reference light R, which is divergent light.
  • the beam splitter BS2 is preferably configured in a cube shape so that it can be easily arranged in front of the image sensor D.
  • the point source of the in-line reference beam L and the point source of the off-axis reference beam R are brought into optical proximity by the beam splitter BS2.
  • optical measurement system 1 includes measurement optical system 30 instead of mirror M2, objective lens MO and pinhole P as an optical system for recording off-axis hologram IOR . include.
  • the measurement optical system 30 has a mechanism for changing the form of illumination light and a mechanism for limiting the illumination range. More specifically, the measurement optical system 30 includes a movable mirror MM, lenses L2, L31, L32 and a mask A2.
  • a sample S to be measured is placed between the measurement optical system 30 and the beam splitter BS2.
  • the distance required by the measurement optical system 30 is longer than the distance required by the objective lens MO and the pinhole P of the optical system shown in FIG. It is arranged at a position closer to the light source 10 side.
  • the light output from one side of the beam splitter BS1 is used as illumination light Q (first light) for illuminating the sample S.
  • the optical measurement system has a mechanism for changing the form of illumination with the illumination light Q.
  • FIG. 1B shows a movable mirror MM. More specifically, the illuminating form of the illumination light Q is changed by rotating the movable mirror MM.
  • a change in the form of illuminating the illumination light Q means a change in the angle at which the illumination light Q is illuminated. Below, the angle which illuminates the illumination light Q is also called an "illumination angle.”
  • the off-axis reference light R (second light) output from the other beam splitter BS1 is guided to the image sensor D through the optical path common to that in FIG. 1(A).
  • the object light O obtained by illuminating the sample S with the illumination light Q (that is, the light transmitted through the sample S) is transmitted through the half mirror HM2 of the beam splitter BS2 and guided to the image sensor D.
  • a lens L3, a mask A2, and a lens L2 are arranged in this order between the movable mirror MM and the beam splitter BS2.
  • Illumination light Q is condensed by lens L3 and passes through mask A2.
  • the illumination light Q that has passed through the mask A2 is further condensed by the lens L2 and forms an image on the sample S.
  • the mask A2 corresponds to a limiting portion that limits the range of illumination of the sample S with the illumination light Q to a predetermined range.
  • a mask A2 in which an opening pattern SP2 corresponding to a predetermined range is formed in the shielding member may be used.
  • the illumination light Q passes through the area corresponding to the aperture pattern SP2.
  • the image of the aperture pattern SP2 of the mask A2 passes through the lens L2 and forms an image on the sample S. That is, of the light illuminating the mask A2, only the light corresponding to the aperture pattern SP2 passes through the mask A2.
  • the range in which the illumination light Q that has passed through the mask A2 illuminates the sample S can be limited.
  • unnecessary light can be reduced and measurement accuracy can be improved.
  • the illumination range may vary depending on the thickness of the sample S.
  • the aperture pattern SP2 of the mask A2 is changed as necessary, or the illumination range is changed.
  • the position of the lens L2 for imaging the light Q onto the sample S is changed.
  • the configuration for illuminating the mask A2 with the illumination light Q is not limited to the configuration shown in FIG. 1(B), and any configuration can be adopted.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a detailed configuration example of the measurement optical system 30 in the optical measurement system 1 according to the first embodiment.
  • the illumination light Q passes through the movable mirror MM, the lens L31, the lens L32, the mask A2, and the lens L2 in this order, and forms an image on the sample S.
  • the lens L31 and the lens L32 constitute an imaging optical system 20 such as a 4f optical system.
  • the illumination light Q incident on the movable mirror MM is reflected in a direction corresponding to the angle (orientation) of the movable mirror MM and enters the imaging optical system 20 .
  • the illumination light Q propagates in the direction reflected by the movable mirror MM, passes through the aperture pattern SP2 of the mask A2, and forms an image on the sample S in the same shape as the aperture pattern SP2.
  • FIG. 2(B) shows an example of an optical system in which the illumination light Q that illuminates the sample S is parallel light. More specifically, in the optical system shown in FIG. 2B, lenses L21 and L22 are arranged instead of the lens L2 in the optical system shown in FIG. 2A. Both the lens L21 and the lens L22 are condenser lenses, and by combining them, the illumination light Q that has passed through the mask A2 illuminates the sample S as parallel light.
  • the optical systems arranged before and after the mask A2 are not limited to the optical systems shown in FIGS. 2(A) and 2(B).
  • any configuration may be adopted as long as the reflected light from the movable mirror MM can be projected so as to cover the aperture pattern SP2 of the mask A2.
  • any configuration may be adopted as long as the image of the aperture pattern SP2 of the mask A2 can be formed on the sample S.
  • the number and types of lenses can be arbitrarily designed.
  • the lenses L31 and L32 may be omitted.
  • the light-receiving surface of the image sensor D will be referred to as the "recording surface”
  • the intersection of the recording surface and the central optical axis of the beam splitter BS2 will be referred to as the "origin”.
  • the optical axis direction be the z-axis
  • two axes orthogonal to the z-axis be the x-axis and the y-axis, respectively. That is, the optical axis is perpendicular to the recording surface of the image sensor D, and the x-axis and the y-axis are parallel to the recording surface of the image sensor D. It should be noted that the same applies to other embodiments.
  • the distribution of the object light O, the off-axis reference light R, and the in-line reference light L on the recording surface of the image sensor D can be expressed by general formulas such as the following formulas (1) to (3).
  • the in-line reference light L, the object light O, and the off-axis reference light R are lights having mutually coherent angular frequencies ⁇ .
  • the off-axis hologram ILR recorded in the optical system shown in FIG. (4) It is calculated like the formula. Further, the off-axis hologram IOR recorded in the optical system shown in FIG. It is calculated as in the following (5) formula.
  • the first term on the right side corresponds to the light intensity component of the object beam O or the in-line reference beam L
  • the second term on the right side corresponds to the light intensity component of the off-axis reference beam R
  • the third term on the right side corresponds to the direct image component generated by modulating the object light O with the off-axis reference light R
  • the fourth term on the right side corresponds to the conjugate image component.
  • the component of the inline reference beam L can be removed by multiplying the complex amplitude inline hologram JOL shown in equation (8) by the inline reference beam L.
  • the method described in International Publication No. 2020/045584 Patent Document 3
  • an object beam hologram U as shown in the following equation (9) is obtained.
  • the object beam hologram U includes a frequency component that does not satisfy the sampling theorem
  • the following correction processing is applied to a plane of interest that is a predetermined distance from the recording plane (hereinafter referred to as " A hologram having information capable of reproducing the state of the sample surface is generated.
  • a hologram having information capable of reproducing the state of the sample surface is assumed to be a reproduction object beam hologram U ⁇ . If the sampling theorem is satisfied, the object light hologram U is used as it is as the reconstruction object light hologram U ⁇ .
  • the number of sampling points forming the image output from the image sensor D may be increased by interpolation.
  • the pixel pitch of the image sensor D may be subdivided by applying the division superposition process disclosed in International Publication No. 2020/045584 (Patent Document 3). The amount of calculation can be reduced by using the division superposition process.
  • a light wave distribution on an arbitrary sample surface can be reconstructed by performing diffraction calculation by plane wave expansion on the reconstruction object light hologram U ⁇ .
  • Ud be a hologram obtained by propagating the reconstruction object beam hologram U ⁇ by plane wave expansion by a distance d (on a sample plane separated by a distance d from the recording plane).
  • T m,m+1 (k x , ky ) the transmission coefficient when incident from the medium m to the medium m+1 is expressed as T m,m+1 (k x , ky ).
  • T M,M+1 (k x , ky ) is always considered to be 1.
  • the optical measurement system records multiple off-axis holograms I OR (object beam holograms or illumination beam holograms depending on the presence or absence of the sample S) by changing the illuminating form of the illumination beam Q.
  • FIG. As a form of illuminating the illumination light Q, for example, an illumination angle may be adopted.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the effect obtained by changing the illumination form of the illumination light Q in the optical measurement system according to this embodiment.
  • Object A is an object to be reproduced as an image
  • object B is an object that exists outside the sample plane and causes scattering.
  • the illumination light Q when the illumination light Q is illuminated from a single direction (single illumination angle), the diffracted light generated by scattering by the object B is reflected on the sample surface (the focal point of the illumination light). position), degrading the quality of the reconstructed image.
  • multiple images are reproduced by changing the illumination angle, and the multiple reproduced images are added.
  • object A whose signal amplitude and phase are substantially the same among multiple images, is emphasized, and the influence of object B is relatively reduced.
  • a plurality of off-axis holograms I ORi are recorded by changing the illumination angle in i ways (where i is an integer equal to or greater than 2) (illumination light Q i ).
  • Reconstruction object light holograms U ⁇ i are calculated from the off-axis holograms I ORi .
  • a light wave distribution obtained by propagating the reproducing object light hologram U ⁇ i to the sample surface (the propagation distance is the same) by plane wave expansion is defined as an object light distribution U Si .
  • the amplitude-phase distribution U Pi on the sample plane is calculated by dividing the complex amplitude object light distribution U Si by the illumination light distribution Q Si on the sample plane generated by the illumination light Q i .
  • the amplitude-phase distribution U Pi on the sample plane consists of an object light hologram (first hologram) obtained by modulating the object light O obtained by illuminating the sample S with the illumination light Q with the off-axis reference light R, and the sample It is calculated based on an illumination light hologram (second hologram) obtained by modulating the illumination light Q with the off-axis reference light R in a state where S does not exist.
  • the amplitude phase distribution U Pi is obtained by adding the phase change amount ⁇ i caused by the sample S to the phase distribution ⁇ Qi of the illumination light Q i .
  • the composite amplitude-phase distribution USA is calculated by integrating the amplitude-phase distributions UPi calculated for each lighting mode (illumination angle) as complex numbers.
  • phase components other than the sample plane it is preferable to set a sufficiently large number of illumination modes (for example, illumination angles) with the illumination light Q.
  • the signal-to-noise ratio is proportional to the square root of the number of forms that illuminate the illumination light Q. SN ratio is doubled).
  • the range in which the illumination angle can be changed is optically determined according to the size of the sample S, the resolution of the image sensor D, the width of the field of view of the image sensor D, and so on.
  • the illumination angle is changed within the optically permissible range.
  • changing the illumination angle means changing the azimuth angle while keeping the incident angle of the illumination light Q constant.
  • the number of changes in the illumination angle is typically determined based on the required quality and allowable processing time.
  • the spatial resolution (on the xy plane) may decrease, although the phase resolution does not decrease.
  • the direct image component is combined with the light intensity component and the conjugate image component in the spatial frequency band.
  • the range of the illumination light Q is restricted by a restricting portion such as the mask A2, thereby preventing image degradation due to overlapping of spatial frequency bands.
  • the spatial frequency bandwidth included in the interference fringes can be adjusted appropriately while maintaining the degree of freedom of the illumination method.
  • the control makes efficient use of the spatial frequency bandwidth that the image sensor D can record.
  • mask A1 and lens L1 implement a point source of off-axis reference light R.
  • FIG. 1 The spatial frequency f of the interference fringes at an arbitrary point on the recording surface is given by the following equation (13) using the incident angle ⁇ O of the object beam O and the incident angle ⁇ R of the off-axis reference beam R at that point: can be expressed as
  • FIG. 4 is a diagram for explaining how the object light O and the off-axis reference light R are incident on the recording surface of the image sensor D.
  • FIG. FIG. 4A shows a case where the off-axis reference beam R is a plane wave
  • FIG. 4B shows a case where the off-axis reference beam R is a spherical wave.
  • the angle formed by the object beam O and the off-axis reference beam R at an arbitrary point on the recording surface of the image sensor D is the image It depends on the position of the sensor D on the recording surface.
  • the angle ⁇ formed by the object beam O and the off-axis reference beam R at the upper end of the recording surface of the image sensor D differs greatly from the angle ⁇ formed by the lower end of the recording surface.
  • the object beam O and the off-axis reference beam R form one point on the recording surface of the image sensor D.
  • the angle does not depend on the position on the recording surface and has almost the same value.
  • the angle ⁇ formed by the object beam O and the off-axis reference beam R at the upper end of the recording surface of the image sensor D is substantially the same as the angle ⁇ formed at the lower end of the recording surface.
  • the angle formed by the ray (object beam O) generated from an arbitrary point on the sample S and the ray generated from the point source of the off-axis reference beam R is defined as It can be made substantially constant at any point.
  • zL is the distance in the z-axis direction from the point source of the off-axis reference beam R to the recording surface
  • ⁇ is the wavelength.
  • u be the spatial frequency in the x direction
  • v be the spatial frequency in the y direction.
  • the "region where the wave source exists” means the range in which the sample S is illuminated. That is, by optimizing the aperture pattern SP2 of the mask A2, the illumination range can be restricted, thereby appropriately controlling the spatial frequency band. Since the mask A2 merely limits the range of illumination of the sample S, the reproduced image is not distorted as long as the complex amplitude of the object beam O is correctly recorded.
  • the off-axis hologram IOR recorded in the optical system shown in FIG. 1(B) is calculated by the formula (5).
  • the component necessary for image reproduction is the direct image component of the third term, and the other terms are superimposed as noise components and must be removed by a bandpass filter.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the sample S and the off-axis reference beam R in the optical measurement system according to this embodiment.
  • the bandwidth Wy in the x and v directions can be approximately expressed as in the following equation (15), and the center frequency u c in the u direction and the center frequency v c in the v direction are expressed by the following equation (16) can be approximately expressed as
  • the u-direction bandwidth W x and the v-direction bandwidth W y of the conjugate image component (fourth term) can be approximately expressed as in the above equation (15).
  • the center frequency u c in the u direction and the center frequency v c in the v direction of the conjugate image component (fourth term) are obtained by inverting the sign of the above equation (16).
  • the bandwidth of the combined component of the light intensity component of the first term and the light intensity component of the second term spreads around the origin by twice the size of equation (15).
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship of spatial frequency bands for off-axis holograms in the optical measurement system according to this embodiment.
  • the sample S exists with a size of a ⁇ b around the coordinates of (0, 0, z L ).
  • a point source of off-axis reference light R is located at a distance of x R in the x direction and y R in the y direction from coordinates (0, 0, z L ).
  • the direct image component of the third term including the information of the object light O spreads in the size of the bandwidth W x ⁇ W y , and the direct image component is determined depending on the coordinates (x R , y R ) of the point source of the off-axis reference light.
  • the component of the third term should be brought close to the limit where it does not overlap with the components of the other terms (first, second, and fourth terms). There is a need.
  • the spatial frequency bandwidth is limited to an appropriate range.
  • the off-axis reference light is divergent light (point light source)
  • the relationship of the above equation (5) holds. Therefore, by limiting the illumination range of the illumination light Q, the spatial frequency bandwidth of each component is can be restricted to an appropriate range.
  • the component corresponding to the illumination light Q (the third term) and the components other than the component corresponding to the illumination light Q (the first term and The size of the range in which the sample S is illuminated with the illumination light Q (that is, the aperture pattern SP2 of the mask A2, which is the limiting portion) is determined so that the second term) does not overlap.
  • the spatial frequency band of the image sensor D can be efficiently used, and noise caused by overlapping spatial frequency bands can be suppressed.
  • the mask A2 described above is another holography optical system that uses divergent light (that is, a point light source or a light source that can be regarded as a point light source) as reference light. Also, it is effective to limit the spatial frequency bandwidth of the direct image component to a range that can be recorded by the image sensor D, for example.
  • the mask A2 used in the optical measurement system according to the present embodiment can be similar in appearance to the field stop used in an optical microscope.
  • the field stop is used for the purpose of suppressing stray light caused by extra light (light outside the field of view) hitting a wall in the optical path.
  • the noise level can be reduced by the field diaphragm, the amount of stray light that is suppressed is very small, and unless the purpose is to detect weak light, no serious problem will arise even if no active countermeasures are taken.
  • limiting the illumination range in digital holography using divergent light as reference light has the effect of limiting the spatial frequency bandwidth included in the interference fringes to the range that can be recorded by the image sensor D.
  • the mask A2 used in the optical metrology system according to this embodiment is used for this purpose.
  • the mask A2 used in the optical measurement system according to the present embodiment exerts an effect different from the effect exerted by the field stop used in the optical microscope.
  • the size of the aperture pattern (the cross-sectional area through which the illumination light passes) may be arbitrarily changed by using an optical element capable of controlling light transmittance, such as a polarizing mirror or liquid crystal.
  • an optical element capable of controlling light transmittance such as a polarizing mirror or liquid crystal.
  • An optical measurement system requires an illumination light profile for calculation of the composite amplitude-phase distribution USA , and the like.
  • diffraction calculations can be used to calculate the illumination light profile at another distance based on the illumination light profile at a sample surface at a certain distance from the recording surface. Therefore, it is not necessary to record the illumination light profile each time the distance of the sample surface from the recording surface changes.
  • the illumination light profile of the illumination light transmitted through the substrate can be calculated by performing propagation calculation in the medium using plane wave expansion for the illumination light profile.
  • the approximate thickness and refractive index of the substrate are known, there is no need to prepare a sample of the substrate alone (a sample different from the sample S to be measured) and record the illumination light profile.
  • Layers other than the substrate of the sample S can be measured using the illumination light profile transmitted through the substrate. Further, when recording can be performed only with the substrate, the propagation calculation in the medium of the substrate can be omitted by recording the profile of the illumination light transmitted through the substrate with only the substrate placed.
  • the illumination light profile recorded without the sample S is used to subtract the phase distribution ⁇ Q of the illumination light from the phase distribution of the combined amplitude-phase distribution USA .
  • the phase change amount ⁇ i caused by the sample S is calculated.
  • the surface shape of the sample S is determined using the relational expression between the phase change amount ⁇ caused by the sample S and the thickness ⁇ d of the sample S, which is shown in Equation (17) below. to measure.
  • kz1 is the z-direction wavenumber in the sample S
  • kz2 is the z-direction wavenumber in the medium in which the sample S exists
  • ⁇ is the phase correction term
  • ⁇ is the light source wavelength.
  • Wavenumbers kz1 and kz2 can be calculated according to the following equations (18) and (19), respectively.
  • n1 in the formula is the refractive index of the medium in which the sample S exists
  • the wave number k x in the x direction and the wave number k y in the y direction in the equations are the amount of phase change per unit length in the x direction and the y direction, so as in the following equations (20) and (21) , can be calculated by differentiating the phase distribution ⁇ Q of the illumination light Q on the sample surface.
  • phase correction term ⁇ in the equation (17) is used to correct the phase change due to the complex transmittance when the transmittance is a complex number due to light absorption in the sample S or the like.
  • the phase correction term ⁇ may be omitted when the phase change due to the complex transmittance can be regarded as uniform over the entire sample S because the samples S are all made of the same material.
  • the illumination light Qi may be corrected by parallel movement of the pixels on the image sensor D.
  • the amount of translation is typically determined to maximize the correlation between the object light distribution U s and the illumination light Q i .
  • the amount of information may be reduced by using a low-pass filter or polynomial approximation.
  • FIG. 7 is a flow chart showing the processing procedure of the surface profile measuring method using the optical measuring system 1 according to the first embodiment.
  • a visible light source may be used as the light source 10 in the procedure shown in FIG.
  • a process of acquiring inline reference light L is performed. More specifically, the optical system shown in FIG. 1A is constructed (step S2). Then, by generating coherent light from the light source 10, the processing device 100 acquires an off-axis hologram ILR obtained by modulating the in-line reference light L recorded on the image sensor D with the off-axis reference light R (step S4). Steps S2 and S4 need only be performed once unless the optical system related to the off-axis reference beam R is changed. Further, the processing of steps S2 and S4 is for improving the accuracy of the reproduced image, and depending on the required accuracy, the processing of steps S2 and S4 may be omitted.
  • step S6 the optical system shown in FIG. 1B is constructed.
  • a substrate having the same thickness as the substrate of the sample S may be placed at the position where the sample S is placed (sample position), or nothing may be placed at the sample position. This state corresponds to the measurement reference.
  • the movable mirror MM is driven to set one of a plurality of illumination angles (step S8). Then, by generating coherent light from the light source 10, the processing device 100 acquires the illumination light hologram Qi (x,y) (second hologram) recorded on the image sensor D (step S10).
  • the processing device 100 records a hologram with the image sensor D in which the light obtained by illuminating with the illumination light Q is modulated with the off-axis reference light R in a state where the sample S does not exist.
  • the processing device 100 instead of the sample S, causes the image sensor D to record a hologram of transmitted light obtained by illuminating only the substrate included in the sample S and not to be measured with the illumination light Q.
  • the processing device 100 calculates an illumination light profile Q ⁇ i (x, y) from the illumination light hologram Q i (x, y) (step S12).
  • steps S8 to S12 are repeated by a predetermined number (N) of illumination angles (1 ⁇ i ⁇ N).
  • a process of acquiring the amplitude-phase distribution of the sample S is performed. More specifically, the sample S is placed at its original position in the optical system shown in FIG. 1(B) (step S14). Subsequently, the movable mirror MM is driven to set one of the plurality of illumination angles (step S16). Then, the light source 10 generates coherent light, and the processing device 100 acquires the object light hologram U i (x, y) recorded on the image sensor D (step S18).
  • the processing device 100 calculates a reproduction object beam hologram U ⁇ i (x, y) from the object beam hologram U i (x, y) (step S20). Then, the processing device 100 propagates the reconstruction object light hologram U ⁇ i (x, y) and the corresponding illumination light profile Q ⁇ i (x, y) to the position of the sample surface by plane wave expansion, and the object light hologram U ⁇ i (x, y) on the sample surface. A light distribution U Si (x, y) and an illumination light distribution Q Si (x, y) are calculated (step S22). Further, the processing device 100 divides the object light distribution U Si (x, y) by the corresponding illumination light distribution Q Si (x, y) to calculate the amplitude-phase distribution U Pi (x, y) on the sample plane. (step S24).
  • steps S16 to S24 are repeated by a predetermined number (N) of illumination angles (1 ⁇ i ⁇ N).
  • the processing device 100 calculates the surface shape of the sample S.
  • the processing device 100 calculates the phase change amount ⁇ (x, y) from the argument of the composite amplitude-phase distribution U SA (x, y) on the sample plane (step S28). Then, the processing device 100 calculates the thickness ⁇ d(x, y) of the sample S using the phase change amount ⁇ (x, y) (step S30). For calculating the thickness ⁇ d of the sample S, the relational expression shown in the above equation (17) is used.
  • the processing device 100 aggregates the thickness ⁇ d(x, y) at each coordinate of the sample surface to calculate the shape profile of the sample S (step S32).
  • the surface shape of the sample S can be calculated by the above processing. Note that the refractive index and refractive index profile of the sample S can also be measured. In this case, in step S30, the refractive index n 2 (x, y) of the sample S is calculated, and in step S32, by collecting the refractive indices n 2 (x, y) at each coordinate of the sample surface, A refractive index profile of the sample S is calculated.
  • FIG. 8 is a flow chart showing a processing procedure of an internal structure measuring method using the optical measuring system 1 according to the first embodiment.
  • a near-infrared light source may be used as the light source 10 in the procedure shown in FIG.
  • the procedure shown in the flowchart of FIG. 8 is a process of imaging the intensity distribution and/or phase distribution of the composite amplitude-phase distribution U SA (x, y) instead of the processes of steps S28 to S32 shown in the flowchart of FIG. (Step S34) is adopted.
  • the processing device 100 calculates the composite amplitude-phase distribution U SA (x, y) by accumulating the amplitude-phase distribution U Pi (x, y) as complex numbers (step S26), and calculates the composite amplitude-phase distribution U Pi (x, y).
  • the internal structure of the sample S is visualized by imaging the distribution U SA (x,y).
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration example of the optical measurement system 2 according to the second embodiment.
  • FIG. 9A shows an optical system for recording in-line reference light
  • FIG. 9B shows an optical system for recording object light.
  • the optical measurement system 2 can configure the optical system shown in FIGS. 9(A) and 9(B).
  • the optical system shown in FIG. 9A is the same as the optical system for recording in-line reference light in optical measurement system 1 according to Embodiment 1 shown in FIG. 1A, so detailed description will not be repeated. .
  • the optical system shown in FIG. 9B corresponds to an optical system for recording an off-axis hologram IOR obtained by modulating an object light O obtained by illuminating a sample S with an illumination light Q with an off-axis reference light R. . More specifically, the optical system shown in FIG. 9B generates an off-axis hologram I OR (object beam hologram: first hologram) from the reflected light obtained by illuminating the sample S with the illumination light Q. . An illumination light profile is also acquired using the optical system shown in FIG. 9B. In this case, a standard reference surface is arranged instead of the sample S, as will be described later.
  • the optical system shown in FIG. 9B illuminates the sample S with the illumination light Q compared with the optical system for recording the object light in the optical measurement system 1 according to the first embodiment shown in FIG. configuration is different. Therefore, the off-axis reference beam R output from the other beam splitter BS1 is guided to the image sensor D through the optical path common to FIGS. 1(A), 1(B) and 9(A).
  • the light output from one side of the beam splitter BS1 is used as illumination light Q for illuminating the sample S.
  • the illumination light Q split by the beam splitter BS2 is reflected by the mirror M2, passes through the measurement optical system 32, and is guided to the beam splitter BS2.
  • the illumination light Q is further reflected by the half mirror HM2 of the beam splitter BS2 to illuminate the sample S.
  • Object light O obtained by illuminating the sample S with the illumination light Q (that is, light reflected by the sample S) is guided to the image sensor D through the half mirror HM2 of the beam splitter BS2.
  • the measurement optical system 32 includes a movable mirror MM, a lens L3, a mask A2, and a lens L4.
  • the illumination light Q reflected by the movable mirror MM is condensed by the lens L3 and passes through the mask A2.
  • the illumination light Q that has passed through the mask A2 is further condensed by the lens L4 and formed on the sample S as an image. That is, the image of the aperture pattern SP2 of the mask A2 is formed on the sample S through the lens L4.
  • the range in which the illumination light Q that has passed through the mask A2 illuminates the sample S can be limited.
  • unnecessary light can be reduced and measurement accuracy can be improved.
  • the form of illuminating the illumination light Q is changed by rotating the movable mirror MM.
  • the illumination range may vary depending on the thickness of the sample S.
  • the aperture pattern SP2 of the mask A2 is changed as necessary, or the illumination range is changed.
  • the position of the lens L2 for imaging the light Q onto the sample S is changed.
  • the lens L3 may be omitted when the mirror M2 and the mask A2 are arranged optically close to each other.
  • FIG. 9B acquires the illumination light profile from the reflected light obtained by illuminating the reference reference surface with the illumination light Q instead of the sample S.
  • the illumination light Q By propagating the recorded illumination light Q, it is possible to calculate the illumination light distribution QS on the sample surface at different distances. It is not necessary to record the illumination light Q every time. Further, when the coordinates of the point light source of the illumination light are displaced due to disturbance, the illumination light Q may be corrected by moving the pixels on the image sensor D in parallel.
  • a plurality of illumination light profiles are recorded while the standard reference plane is translated in the x and y directions, and the average value of the recorded multiple illumination profiles is actually calculated. It may be an illumination light profile to be used.
  • phase change amount caused by the sample S is used for measuring the surface shape of the sample S.
  • FIG. it is preferable to use visible light as the illumination light Q.
  • kx is the wave number in the x direction
  • ky is the wave number in the y direction
  • ⁇ is the phase correction term
  • Wavenumber kx and wavenumber ky can be calculated according to the above equations (20) and (21).
  • the phase correction term ⁇ may also be omitted if the phase change due to the complex reflectance can be considered uniform over the entire sample S for the reason that all the samples S are made of the same material.
  • an optical system in which the illumination light Q is parallel light may be employed.
  • the illumination light Q is a spherical wave
  • defocusing with respect to the sample surface can be detected as a concave or convex false shape.
  • Such a false shape is caused by the fact that the illumination light is a spherical wave. Therefore, when measuring the shape (in-plane profile) of the entire sample surface, an optical system is adopted in which the illumination light Q is parallel light. preferably.
  • FIG. 10 is a flow chart showing the processing procedure of the surface profile measuring method using the optical measuring system 2 according to the second embodiment.
  • a visible light source may be used as the light source 10 in the procedure shown in FIG.
  • a process of acquiring inline reference light L is performed. More specifically, the optical system shown in FIG. 9A is constructed (step S52). Then, by generating coherent light from the light source 10, the processing device 100 obtains an off-axis hologram ILR obtained by modulating the in-line reference light L recorded on the image sensor D with the off-axis reference light R (step S54). Steps S52 and S54 need only be executed once unless the optical system related to the off-axis reference beam R is changed. Further, the processing of steps S2 and S4 is for improving the accuracy of the reproduced image, and depending on the required accuracy, the processing of steps S2 and S4 may be omitted.
  • step S56 the optical system shown in FIG. 9B is constructed (step S56).
  • the sample S is not placed, and the standard reference plane is placed at the position where the sample S is placed (sample position). This state corresponds to the measurement reference.
  • the movable mirror MM is driven to set one of the plurality of illumination angles (step S58). Then, by generating coherent light from the light source 10, the processing device 100 acquires the illumination light hologram Qi (x,y) (second hologram) recorded on the image sensor D (step S60).
  • the processing device 100 calculates an illumination light profile Q ⁇ i (x, y) from the illumination light hologram Q i (x, y) (step S62).
  • steps S58 to S62 are repeated by a predetermined number (N) of illumination angles (1 ⁇ i ⁇ N).
  • step S64 a process of acquiring the amplitude-phase distribution of the sample S is executed. More specifically, the sample S is placed at its original position in the optical system shown in FIG. 9B (step S64). Subsequently, the movable mirror MM is driven to set one of the plurality of illumination angles (step S66). Then, by generating coherent light from the light source 10, the processing device 100 acquires the object light hologram Ui (x,y) recorded on the image sensor D (step S68).
  • the processing device 100 calculates a reproduction object beam hologram U ⁇ i (x, y) from the object beam hologram U i (x, y) (step S70). Then, the processing device 100 propagates the reconstruction object light hologram U ⁇ i (x, y) and the corresponding illumination light profile Q ⁇ i (x, y) to the position of the sample surface by plane wave expansion, and the object light hologram U ⁇ i (x, y) on the sample surface. A light distribution U Si (x, y) and an illumination light distribution Q Si (x, y) are calculated (step S72). Further, the processing device 100 divides the object light distribution U Si (x, y) by the corresponding illumination light distribution Q Si (x, y) to calculate the amplitude-phase distribution U Pi (x, y) on the sample plane. (step S74).
  • steps S66 to S74 are repeated by a predetermined number (N) of illumination angles (1 ⁇ i ⁇ N).
  • the processing device 100 calculates the surface shape of the sample S.
  • the processing device 100 calculates the phase change amount ⁇ (x, y) from the argument of the composite amplitude-phase distribution U SA (x, y) on the sample plane (step S78). Then, the processing device 100 uses the phase change amount ⁇ (x, y) to calculate the height h(x, y) of the sample S (step S80). For calculating the height h of the sample S, the relational expression shown in the above equation (22) is used.
  • the processing device 100 aggregates the thickness ⁇ d(x, y) at each coordinate of the sample surface to calculate the shape profile of the sample S (step S82).
  • the surface shape of the sample S can be calculated by the above processing. (c4: measurement of internal structure of sample) It is preferable to use near-infrared light as the illumination light Q for measuring the internal structure of the sample S.
  • the illumination light Q By using near-infrared light as the illumination light Q, the object light hologram U obtained by illuminating the sample S with the illumination light Q shows the internal structure of the sample S.
  • FIG. The internal structure of the sample S can be measured by setting the sample surface at an arbitrary position (at an arbitrary distance from the recording surface) with respect to the sample S.
  • FIG. 11 is a flow chart showing a processing procedure of an internal structure measuring method using the optical measuring system 2 according to the second embodiment.
  • a near-infrared light source may be used as the light source 10 in the procedure shown in FIG.
  • Step S84 The procedure shown in the flowchart of FIG. 11 replaces the processing of steps S78 to S82 shown in the flowchart of FIG. (Step S84) is adopted.
  • the processing device 100 calculates the composite amplitude-phase distribution U SA (x, y) by accumulating the amplitude-phase distribution U Pi (x, y) as complex numbers (step S76), and calculates the composite amplitude-phase distribution U Pi (x, y).
  • the internal structure of the sample S is visualized by imaging the distribution U SA (x,y).
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a hardware configuration example of the processing device 100 included in the optical measurement system according to this embodiment.
  • processing device 100 includes, as main hardware elements, processor 102, main memory 104, input unit 106, display unit 108, storage 110, interface 120, and network interface 122. , and the media drive 124 .
  • the processor 102 is typically an arithmetic processing unit such as a CPU (Central Processing Unit) or GPU (Graphics Processing Unit), and reads one or more programs stored in the storage 110 to the main memory 104 for execution. do.
  • the main memory 104 is a volatile memory such as DRAM (Dynamic Random Access Memory) or SRAM (Static Random Access Memory), and functions as a working memory for the processor 102 to execute programs.
  • the input unit 106 includes a keyboard, mouse, etc., and receives operations from the user.
  • the display unit 108 outputs results of program execution by the processor 102 to the user.
  • the storage 110 consists of a non-volatile memory such as a hard disk or flash memory, and stores various programs and data. More specifically, the storage 110 holds an operating system 112 (OS: Operating System), a measurement program 114 , hologram data 116 and measurement results 118 .
  • OS Operating System
  • measurement program 114 hologram data 116 and measurement results 118 .
  • the operating system 112 provides an environment in which the processor 102 executes programs.
  • Measurement program 114 is executed by processor 102 to implement the optical measurement method and the like according to the present embodiment.
  • the hologram data 116 corresponds to image data output from the image sensor D.
  • FIG. Measurement results 118 include measurement results obtained by execution of measurement program 114 .
  • the interface 120 mediates data transmission between the processing device 100 and the image sensor D.
  • Network interface 122 mediates data transmission between processing device 100 and an external server device.
  • the media drive 124 reads necessary data from a recording medium 126 (such as an optical disc) that stores programs to be executed by the processor 102 and stores it in the storage 110 .
  • a recording medium 126 such as an optical disc
  • the measurement program 114 and the like executed in the processing device 100 may be installed via the recording medium 126 or the like, or may be downloaded from the server device via the network interface 122 or the like.
  • the measurement program 114 may call necessary modules out of the program modules provided as part of the operating system 112 in a predetermined sequence at a predetermined timing to execute processing. In such a case, the technical scope of the present invention also includes the measurement program 114 that does not include the module. The measurement program 114 may be provided as part of another program.
  • processor 102 of the processing device 100 executing the program can be implemented in a hardwired logic circuit (for example, FPGA (Field-Programmable Gate Array), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), etc.).
  • a hardwired logic circuit for example, FPGA (Field-Programmable Gate Array), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), etc.
  • the hardware configuration example of the processing device 100 is the same in other embodiments, so detailed description will not be repeated.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a functional configuration example of the processing device 100 included in the optical measurement system according to this embodiment.
  • Each functional element shown in FIG. 13 may typically be implemented by the processor 102 of the processing device 100 executing the measurement program 114 .
  • Appropriate hardware for realizing the functional configuration shown in FIG. 13 is selected according to each era.
  • processing device 100 includes, as main functional elements, off-axis hologram acquisition module 150, illumination light hologram acquisition module 152, object light hologram acquisition module 154, hologram reconstruction module 156, amplitude phase It includes a distribution calculation module 158 , an integration module 160 , an object beam phase calculation module 162 , an object shape calculation module 164 , an imaging module 166 and an illumination angle control module 168 .
  • the off-axis hologram acquisition module 150 records the hologram recorded on the image sensor D as the off-axis hologram ILR in a state in which the optical system for recording the in-line reference light is configured.
  • the illumination light hologram acquisition module 152 acquires the illumination light hologram Q i (x, y) recorded on the image sensor D with the optical system configured for recording object light.
  • the object light hologram acquisition module 154 acquires the object light hologram U i (x, y) recorded on the image sensor D in a state where the optical system for recording the object light is configured.
  • Both the illumination light hologram acquisition module 152 and the object light hologram acquisition module 154 are configured to be able to record the detection signal of the image sensor D, and one of them is set according to a manually or automatically set state signal. Activated.
  • the hologram reproduction module 156 calculates a reproduction illumination light hologram (illumination light profile Q ⁇ i (x, y)) from the illumination light hologram Q i (x, y) acquired by the illumination light hologram acquisition module 152, and also calculates the object light
  • a reproduction object beam hologram U ⁇ i (x, y) is calculated from the object beam hologram U i (x, y) obtained by the hologram obtaining module 154 .
  • the hologram reproduction module 156 propagates the illumination light profile Q ⁇ i (x, y) and the object light hologram for reproduction U ⁇ i (x, y) to the position of the sample surface by plane wave expansion to obtain the illumination light distribution Q Si on the sample surface. (x,y) and the object light distribution U Si (x,y) are calculated.
  • the amplitude-phase distribution calculation module 158 divides the object light distribution U Si (x,y) by the corresponding illumination light distribution Q Si (x,y) to obtain the amplitude-phase distribution U Pi (x,y) at the sample plane. calculate.
  • the integration module 160 calculates the composite amplitude-phase distribution USA by integrating the amplitude-phase distributions UPi as they are as complex numbers.
  • the object light phase calculation module 162 calculates the phase change amount ⁇ (x, y) from the argument of the composite amplitude phase distribution U SA (x, y).
  • the object shape calculation module 164 uses the phase change amount ⁇ (x, y) to calculate information (thickness, refractive index, etc.) specifying the surface shape of the sample S.
  • the object shape calculation module 164 outputs the calculation result as sample S shape information.
  • Imaging module 166 images the intensity and/or phase distributions of the composite amplitude-phase distribution U SA (x,y).
  • the illumination angle control module 168 determines the types and number of illumination angles to be realized by the movable mirror MM according to the settings.
  • the illumination angle control module 168 in cooperation with the hologram reproduction module 156 and the like, drives the movable mirror MM so as to achieve a desired illumination angle.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of a user interface screen provided in the optical measurement system according to this embodiment.
  • User interface screen 170 shown in FIG. 14 is typically displayed on display 108 of processing device 100 .
  • the processing device 100 provides a user interface screen 170 for accepting the setting of the number of forms to be illuminated with the illumination light Q (first light).
  • the user interface screen 170 includes an input field 172 for inputting the number of illumination angles, a display field 174 for indicating the degree of improvement in the SN ratio, and a display field 176 for indicating the time required for measurement.
  • the input field 172 accepts the setting of the number of illumination angles to be changed (the i number described above). Based on the set number of illumination angles, the processing device 100 calculates the degree of improvement in the SN ratio and displays it in the display field 174, and also calculates the time required for measurement and displays it in the display field 176. .
  • the user sets the number of illumination angles in consideration of the quality of the measurement results (SN ratio) and the allowable takt time displayed on the user interface screen 170 .
  • An appropriate number of illumination angles may be suggested by inputting the required quality and allowable takt time.
  • the number of illumination angles may be set via a user interface screen 170 as shown in FIG.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of surface shape measurement by the optical measurement system according to this embodiment.
  • FIG. 15 shows an example of the amplitude-phase distribution of the USAF 1951 test target surface (sample surface) recorded using the optical measurement system 2 employing the reflective optics shown in FIG.
  • the light source 10 a visible light source having a peak wavelength of 532 nm was used.
  • FIGS. 15(A) and 15(C) show the intensity distribution of the amplitude phase distribution
  • FIGS. 15(B) and 15(D) show the phase distribution of the amplitude phase distribution.
  • FIGS. 15(A) and 15(B) show amplitude-phase distributions UP1 recorded at a single illumination angle of the illumination light.
  • FIG. 16 is a diagram showing an example of internal structure measurement by the optical measurement system according to this embodiment.
  • FIG. 16 shows an example of the amplitude-phase distribution of the sample surface set at 600 ⁇ m from the silicon wafer surface recorded using the optical measurement system 1 employing the reflective optical system shown in FIG.
  • the light source 10 a near-infrared light source having a peak wavelength of 1030 nm was used. It should be noted that there are internal cracks on the sample surface.
  • FIG. 16A shows the phase distribution of the amplitude phase distribution UP1 recorded at a single illumination angle of the illumination light.
  • the composite amplitude-phase distribution USA is calculated by accumulating a plurality of amplitude-phase distributions UPi as complex numbers, thereby reducing noise and improving the quality of the reproduced image. can.
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing an example of a composite configuration of an optical measurement system according to this embodiment.
  • the optical measurement system according to the present embodiment has a first configuration (see FIG. 17) for generating an object light hologram (first hologram) from transmitted light obtained by illuminating sample S with illumination light Q. 17 (B)) and a second configuration (see FIG. 17 (A)) that generates an object light hologram (first hologram) from the reflected light obtained by illuminating the sample S with the illumination light Q.
  • a first configuration see FIG. 17
  • FIG. 17 (A) for generating an object light hologram from transmitted light obtained by illuminating sample S with illumination light Q.
  • a visible light source is used as the light source 10 in the reflective optical measurement system 2 to measure the surface shape. That is, the processing device 100 measures the surface shape of the sample S based on the object light hologram recorded when the visible light source that generates visible light and FIG. 17A are combined.
  • a near-infrared light source is used as the light source 10 in the transmissive optical measurement system 1 to measure the internal structure. That is, the processing device 100 measures the internal structure of the sample S based on the object light hologram recorded when the near-infrared light source that generates near-infrared rays and FIG. 17(B) are combined.
  • a reflection optical measurement system 2 and a transmission optical measurement system 1 can be used to measure the surface shape and internal structure of a silicon wafer.
  • the process of acquiring the off-axis hologram I LR depends on the accuracy of the reconstructed image. and may be omitted if relatively high accuracy is not required.
  • the object beam hologram U(x, y) good too.
  • the complex amplitude off-axis hologram JOR shown in equation (7) is divided by the complex conjugate of the off-axis reference beam R.
  • the distribution of the off-axis reference beam R is determined based on the physical arrangement of the point light sources of the off-axis reference beam R, such as by calculating from analytical solutions of spherical waves.
  • equations (4), (6), and (9) are not used in addition to equation (8) above.
  • the processing device 100 executes arithmetic processing related to measurement of the surface shape and/or internal structure of the sample S is illustrated, but any implementation form can be adopted without being limited to this.
  • some or all of the processing handled by the processing device 100 may be performed using computing resources on the cloud.
  • the sample S to be measured is not limited. That is, the above-described process of calculating the composite amplitude-phase distribution USA by accumulating the amplitude-phase distribution UPi as it is as a complex number is applied to the measurement of an arbitrary sample S for which an improvement in the SN ratio is required. can.
  • the optical measurement system can select light for illuminating the sample from near-infrared light and visible light depending on the type of sample and the purpose of measurement.
  • the silicon-based image sensor D it has sensitivity to near-infrared rays in addition to visible light, so replacement is unnecessary.
  • surface topography and internal structure can be measured for samples such as silicon wafers.
  • the optical measurement system uses the phase information of the object light to measure the surface shape and internal structure of the sample. , nm order.
  • the internal structure of the sample can be observed with high resolution by diffraction calculation that takes into account the refractive index of the medium. As a result, it is also possible to detect nm-order defects in the sample.
  • the optical measurement system according to the present embodiment can reproduce an image at an arbitrary distance from the light wave distribution obtained by digital holography, eliminating the need for a vertical scanning mechanism.
  • the optical measurement system calculates a combined amplitude-phase distribution by integrating the amplitude-phase distributions calculated for each lighting mode (illumination angle) with the illumination light in the form of complex numbers. By accumulating the amplitude phase distribution as a complex number while changing the illumination form (illumination angle) with the illumination light, noise can be reduced and the SN ratio can be improved.
  • the optical measurement apparatus by limiting the range in which the sample is illuminated with the illumination light to a predetermined range, the Fourier Eq. Overlap in space (spatial frequency domain) can be avoided. As a result, noise due to overlap between components can be suppressed, and more accurate measurement can be achieved.

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Abstract

光学測定システムは、近赤外線を発生する第１の光源と、シリコンベースのイメージセンサと、第１の光源からの光を第１の光および第２の光に分岐するビームスプリッタを含む光学系とを含む。光学系は、サンプルを第１の光で照明して得られる光を、発散光である第２の光で変調した第１のホログラムをイメージセンサで記録するように構成されている。

Description

光学測定システムおよび光学測定方法
　本発明は、デジタルホログラフィを利用する光学測定システムおよび光学測定方法に関する。
　従来より、シリコンウェーハなどのサンプルに生じ得る欠陥を検査する技術が存在する。
　例えば、特開２０１１－０３３４４９号（特許文献１）は、ウェーハに赤外光を照射して得られた透過画像を用いてウェーハの内部及び表裏面の欠陥を検査する技術を開示する。また、赤外光によるウェーハ内部欠陥検査を実現する装置が公知である（非特許文献１など参照）。
　また、サンプルの形状をより高い精度で測定する方法として、デジタルホログラフィが提案および実用化されている。デジタルホログラフィは、参照光とサンプルに光を照明して生じる物体光とを重ね合わせて生じる干渉縞を観測することで、物体光の波面の形状を取得して、サンプルの形状などを測定する技術である。
　例えば、国際公開第２０１２／００５３１５号（特許文献２）は、反射型の光学系を採用することによりサンプルの形状を測定することができる構成を開示する。また、国際公開第２０２０／０４５５８４号（特許文献３）は、キューブ型ビーム結合器を使用するものであり、大開口数の記録および反射型照明を容易に実現できる構成を開示する。
特開２０１１－０３３４４９号 国際公開第２０１２／００５３１５号 国際公開第２０２０／０４５５８４号
ＴＯＲＡＹ，Ｗａｆｅｒ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｄｅｆｅｃｔ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　“ＩＮＳＰＥＣＴＲＡ（Ｒ）　ＩＲ”　Ｓｅｒｉｅｓ［ｏｎｌｉｎｅ］，［検索日２０２１．０９．０６］，インターネット<URL:https://www.toray-eng.com/tasmit/products/measuring/mea_020.html>
　上述の特開２０１１－０３３４４９号（特許文献１）に開示される技術は、赤外光の透過率の差に基づく測定方法を採用しており、ｎｍオーダの欠陥を検出することが難しい。また、上述のウェーハ内部欠陥検査（非特許文献１）についても、赤外光の透過率の差に基づく測定方法を採用しており、ｎｍオーダの欠陥を検出することが難しい。
　また、公知のデジタルホログラフィ（特許文献２および特許文献３など参照）において、赤外線をサンプルに照明して像を再生しようとすると、ＳＮ比（signal-to-noise　ratio）を大きくすることが難しい。
　本発明の一つの目的は、近赤外線を照射してサンプルを測定できる技術を提供することである。本発明の別の目的は、測定のＳＮ比を高めることができる技術を提供することである。
　本発明のある局面に従う光学測定システムは、近赤外線を発生する第１の光源と、シリコンベースのイメージセンサと、第１の光源からの光を第１の光および第２の光に分岐するビームスプリッタを含む光学系とを含む。光学系は、サンプルを第１の光で照明して得られる光を、発散光である第２の光で変調した第１のホログラムをイメージセンサで記録するように構成されている。
　光学系は、サンプルを第１の光で照明して得られる透過光から第１のホログラムを生成するようにしてもよい。光学系において、サンプルに代えて、サンプルに含まれる測定対象外である基板を第１の光で照明して得られる透過光から第２のホログラムが記録されてもよい。
　光学系は、サンプルを第１の光で照明して得られる反射光から第１のホログラムを生成するようにしてもよい。光学系において、サンプルに代えて、基準参照面を第１の光で照明して得られる反射光から第２のホログラムが記録されてもよい。
　光学測定システムは、可視光を発生する第２の光源と、処理装置とをさらに含んでいてもよい。光学系は、サンプルを第１の光で照明して得られる透過光から第１のホログラムを生成する第１の構成と、サンプルを第１の光で照明して得られる反射光から第１のホログラムを生成する第２の構成との間で変更可能であってもよい。処理装置は、第１の光源と光学系の第１の構成とを組み合わせたときに記録される第１のホログラムに基づいてサンプルの内部構造を測定し、第２の光源と光学系の第２の構成とを組み合わせたときに記録される第１のホログラムに基づいてサンプルの表面形状を測定するようにしてもよい。
　光学系は、オフアクシスホログラフィの光学系であってもよい。
　光学系は、イメージセンサで記録されるホログラムの空間周波数領域において、第１の光に対応する成分と第１の光に対応する成分以外の成分とが重複しないように、サンプルを第１の光で照明する範囲の大きさを制限する制限部を含んでいてもよい。
　本発明の別の局面に従えば、近赤外線を発生する第１の光源からの光を第１の光および第２の光に分岐するビームスプリッタを含む光学系を用いた光学測定方法が提供される。光学測定方法は、サンプルを第１の光で照明して得られる光を、発散光である第２の光で変調した第１のホログラムをシリコンベースのイメージセンサで記録するステップと、サンプルが存在しない状態で、第１の光を第２の光で変調した第２のホログラムをイメージセンサで記録するステップとを含む。
　本発明のさらに別の局面に従う光学測定システムは、光源と、光源からの光を第１の光および第２の光に分岐するビームスプリッタを含む光学系と、光学系により生成されるホログラムを記録するイメージセンサと、サンプルを第１の光で照明して得られる光を、第２の光で変調した第１のホログラムと、サンプルが存在しない状態で、第１の光を第２の光で変調した第２のホログラムとに基づいて、サンプルの注目している面であるサンプル面における振幅位相分布を算出する処理装置とを含む。光学系は、第１の光で照明する形態を変化させる機構を含む。処理装置は、第１の光で照明する形態毎に算出された振幅位相分布を複素数のまま積算することで合成振幅位相分布を算出するように構成されている。
　機構は、第１の光を照明する角度を変化させるようにしてもよい。
　機構は、第１の光の入射角度を一定としつつ、方位角を変化させるようにしてもよい。
　光学系は、イメージセンサで記録されるホログラムの空間周波数領域において、第１の光に対応する成分と第１の光に対応する成分以外の成分とが重複しないように、サンプルを第１の光で照明する範囲の大きさを制限する制限部を含んでいてもよい。
　処理装置は、第１の光で照明する形態の数の設定を受け付けるユーザインターフェイス画面を提供するようにしてもよい。
　本発明のさらに別の局面に従えば、光源からの光を第１の光および第２の光に分岐するビームスプリッタを含む光学系を用いた光学測定方法が提供される。光学測定方法は、サンプルを第１の光で照明して得られる光を、第２の光で変調した第１のホログラムをイメージセンサで記録するステップと、サンプルが存在しない状態で、第１の光を第２の光で変調した第２のホログラムをイメージセンサで記録するステップと、第１の光で照明する形態を変化させるステップと、第１の光で照明する形態毎に、第１のホログラムと第２のホログラムとに基づいて、サンプルの注目している面であるサンプル面における振幅位相分布を算出するステップと、第１の光で照明する形態のそれぞれについて算出された振幅位相分布を複素数のまま積算することで合成振幅位相分布を算出するステップとを含む。
　本発明のある実施の形態によれば、近赤外線を照明してサンプルを測定できる技術を実現できる。本発明の別の実施の形態によれば、測定のＳＮ比を高めることができる技術を実現できる。
実施の形態１に従う光学測定システムの構成例を示す模式図である。 実施の形態１に従う光学測定システムにおける測定用光学系の詳細構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学測定システムにおいて、照明光を照明する形態を変化させることにより得られる効果を説明するための図である。 物体光およびオフアクシス参照光のイメージセンサの記録面に入射する状態を説明するための図である。 本実施の形態に従う光学測定システムにおけるサンプルとオフアクシス参照光Ｒとの関係を説明するための図である。 本実施の形態に従う光学測定システムにおけるオフアクシスホログラムに関する空間周波数帯域の関係を説明するための図である。 実施の形態１に従う光学測定システムを用いた表面形状の測定方法の処理手順を示すフローチャートである。 実施の形態１に従う光学測定システムを用いた内部構造の測定方法の処理手順を示すフローチャートである。 実施の形態２に従う光学測定システムの構成例を示す模式図である。 実施の形態２に従う光学測定システムを用いた表面形状の測定方法の処理手順を示すフローチャートである。 実施の形態２に従う光学測定システムを用いた内部構造の測定方法の処理手順を示すフローチャートである。 本実施の形態に従う光学測定システムに含まれる処理装置のハードウェア構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学測定システムに含まれる処理装置の機能構成例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学測定システムにおいて提供されるユーザインターフェイス画面の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う光学測定システムによる表面形状の測定例を示す図である。 本実施の形態に従う光学測定システムによる内部構造状の測定例を示す図である。 本実施の形態に従う光学測定システムの複合構成の一例を示す模式図である。
　本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
　＜Ａ．光学測定システム＞
　まず、本実施の形態に従う光学測定システムは、点光源のような発散光を参照光として使用するデジタルホログラフィを利用する。本実施の形態においては、サンプルとイメージセンサとの間にレンズが存在しない、レンズレスディジタルホログラフィの構成例について説明する。
　以下の説明では、主として、オフアクシスホログラフィの光学系を採用する光学測定システムについて説明する。実施の形態１においては、透過型光学系について例示し、実施の形態２においては、反射型光学系について例示する。なお、「本実施の形態」は、実施の形態１および実施の形態２を包含し得る。
　本実施の形態に従う光学測定システムは、サンプルの表面形状および内部構造を測定する。さらに、本実施の形態に従う光学測定システムは、サンプルの屈折率を測定することもできる。任意のサンプルを測定可能ではあるが、例えば、半導体の表面検査、フィルム製品の厚さや屈折率分布の測定、精密加工面の面粗さやうねりの評価、生体細胞の観察や形状評価などに用いることができる。
　＜Ｂ．実施の形態１：透過型光学系＞
　（ｂ１：光学系）
　図１は、実施の形態１に従う光学測定システム１の構成例を示す模式図である。図１（Ａ）には、インライン参照光を記録する場合の光学系を示し、図１（Ｂ）には、物体光を記録する場合の光学系を示す。光学測定システム１は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す光学系を構成可能になっている。
　図１（Ａ）に示す光学系は、記録の基準となるインライン参照光Ｌをオフアクシス参照光Ｒで変調したオフアクシスホログラムＩＬＲを記録するための光学系に相当する。
　図１（Ｂ）に示す光学系は、サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる物体光Ｏを、発散光であるオフアクシス参照光Ｒで変調したオフアクシスホログラムＩＯＲを記録するための光学系に相当する。より具体的には、図１（Ｂ）に示す光学系は、サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる透過光からオフアクシスホログラムＩＯＲ（物体光ホログラム：第１のホログラム）を生成する。なお、図１（Ｂ）に示す光学系を用いて、照明光プロファイルも取得される。この場合には、サンプルＳは配置されない。
　処理装置１００は、オフアクシスホログラムＩＬＲおよびオフアクシスホログラムＩＯＲに基づいて、サンプルＳの表面形状および内部構造などを測定する。
　図１（Ａ）を参照して、光学測定システム１は、オフアクシスホログラムＩＬＲを記録するための光学系として、光源１０と、ビームエキスパンダＢＥと、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２と、ミラーＭ１，Ｍ２と、対物レンズＭＯと、ピンホールＰと、レンズＬ１と、マスクＡ１と、イメージセンサＤとを含む。
　光源１０は、レーザなどで構成され、コヒーレント光を発生する。本実施の形態に従う光学測定システムにおいては、光源１０が発生する光の波長帯域を測定内容（表面形状の測定または内部構造の測定）に応じて、異ならせてもよい。
　より具体的には、サンプルＳの表面形状を測定する場合には、可視光を発生する光源１０が用いられてもよい。具体的には、３８０～７８０ｎｍの少なくとも一部の波長領域の成分をもつ光を発生する光源１０が用いられる。例えば、５３２ｎｍにピーク波長をもつ可視光源が用いられてもよい。
　一方、サンプルＳの内部構造を測定する場合には、近赤外線を発生する光源１０が用いられてもよい。具体的には、１０００～１２００ｎｍの少なくとも一部の波長領域の成分をもつ光を発生する光源１０が用いられる。例えば、１０３０ｎｍにピーク波長をもつ近赤外光源が用いられてもよい。
　本実施の形態に従う光学測定システムにおいては、光源１０の種類を任意に変更可能に構成されている。
　イメージセンサＤは、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示す光学系により生成されるホログラムを記録する。イメージセンサＤは、一般的なＣＣＤ（Charge-Coupled　Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary　MOS）イメージセンサが用いられる。これらのイメージセンサは、シリコン基板上に形成された電子回路からなる半導体集積回路である。すなわち、本実施の形態に従う光学測定システムにおいては、シリコンベースのイメージセンサが用いられる。シリコンベースのイメージセンサは、主として可視光帯域に受光感度を有しているが、可視光に加えて近赤外線にも受光感度を有している。
　ビームエキスパンダＢＥは、光源１０からの光の断面径を所定サイズに拡大する。ビームスプリッタＢＳ１は、ビームエキスパンダＢＥにより拡大された光を２つに分岐する。ビームスプリッタＢＳ１により分岐される一方の光がインライン参照光Ｌ（第１の光）に相当し、他方の光がオフアクシス参照光Ｒ（第２の光）に相当する。
　インライン参照光Ｌは、ミラーＭ２により反射されて、ビームスプリッタＢＳ２へ導かれる。さらに、インライン参照光Ｌは、ビームスプリッタＢＳ２のハーフミラーＨＭ２を透過して、イメージセンサＤへ導かれる。ミラーＭ２とビームスプリッタＢＳ２との間には、対物レンズＭＯおよびピンホールＰが配置される。インライン参照光Ｌは、対物レンズＭＯによって集光されるとともに、ピンホールＰにより断面径が絞られる。ピンホールＰがインライン参照光Ｌの点光源の位置に相当する。対物レンズＭＯおよびピンホールＰがインライン参照光Ｌの点光源を実現する。
　一方、オフアクシス参照光Ｒは、ミラーＭ１により反射されて、ビームスプリッタＢＳ２へ導かれる。さらに、オフアクシス参照光Ｒは、ビームスプリッタＢＳ２のハーフミラーＨＭ２で反射されて、イメージセンサＤへ導かれる。ミラーＭ１とビームスプリッタＢＳ２との間には、マスクＡ１およびレンズＬ１が配置される。オフアクシス参照光Ｒは、マスクＡ１を通過した後に、レンズＬ１によって集光され、集光される位置である集光点ＦＰ１がオフアクシス参照光Ｒの点光源の位置に相当する。
　マスクＡ１は、オフアクシス参照光Ｒが通過する領域に開口パターンＳＰ１を有している。マスクＡ１の開口パターンＳＰ１に相当する像は、イメージセンサＤに結像する。マスクＡ１を通過したオフアクシス参照光ＲがビームスプリッタＢＳ２のイメージセンサＤ側の面を超える範囲に照明されないように、マスクＡ１の開口パターンＳＰ１の大きさが決定される。マスクＡ１の開口パターンＳＰ１の大きさをこのように決定することで、不要な干渉によるノイズの発生を抑制する。
　また、オフアクシス参照光Ｒは、インライン参照光Ｌをホログラムとして記録できるように調整される。
　インライン参照光Ｌおよびオフアクシス参照光Ｒは、上述したような光学経路によって、イメージセンサＤの前段に配置されたビームスプリッタＢＳ２によって重ね合わされることになる。すなわち、イメージセンサＤでは、インライン参照光Ｌを発散光であるオフアクシス参照光Ｒで変調したオフアクシスホログラムＩＬＲが取得される。
　ビームスプリッタＢＳ２は、イメージセンサＤの前段に配置し易いようにするために、キューブ型に構成することが好ましい。インライン参照光Ｌの点光源、および、オフアクシス参照光Ｒの点光源は、ビームスプリッタＢＳ２によって光学的に近接して配置されることになる。
　図１（Ｂ）を参照して、光学測定システム１は、オフアクシスホログラムＩＯＲを記録するための光学系として、ミラーＭ２、対物レンズＭＯおよびピンホールＰに代えて、測定用光学系３０を含む。
　測定用光学系３０は、照明光を照明する形態を変化させる機構、および、照明する範囲を制限する機構を有している。より具体的には、測定用光学系３０は、可動ミラーＭＭ、レンズＬ２，Ｌ３１，Ｌ３２およびマスクＡ２を含む。
　測定用光学系３０とビームスプリッタＢＳ２との間に、測定対象のサンプルＳが配置される。
　なお、図１（Ａ）に示す光学系の対物レンズＭＯおよびピンホールＰが必要とする距離に比較して、測定用光学系３０が必要とする距離が長い場合には、ビームスプリッタＢＳ１は、より光源１０側に近い位置に配置される。
　ビームスプリッタＢＳ１の一方から出力される光は、サンプルＳを照明するための照明光Ｑ（第１の光）として用いられる。
　本実施の形態に従う光学測定システムは、照明光Ｑで照明する形態を変化させる機構を有している。このような機構の一例として、図１（Ｂ）には、可動ミラーＭＭを示す。より具体的には、可動ミラーＭＭが回転することで、照明光Ｑを照明する形態を変化させる。この場合には、照明光Ｑを照明する形態の変化は、照明光Ｑを照明する角度の変化を意味する。以下では、照明光Ｑを照明する角度を「照明角度」とも称す。
　一方、ビームスプリッタＢＳ１の他方から出力されるオフアクシス参照光Ｒ（第２の光）については、図１（Ａ）と共通の光学経路で、イメージセンサＤへ導かれる。
　サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる物体光Ｏ（すなわち、サンプルＳを透過した光）は、ビームスプリッタＢＳ２のハーフミラーＨＭ２を透過して、イメージセンサＤへ導かれる。可動ミラーＭＭとビームスプリッタＢＳ２との間には、レンズＬ３、マスクＡ２、レンズＬ２の順で配置される。
　照明光Ｑは、レンズＬ３によって集光されて、マスクＡ２を通過する。マスクＡ２を通過した照明光Ｑは、さらにレンズＬ２によって集光されて、サンプルＳに結像する。
　マスクＡ２は、サンプルＳを照明光Ｑで照明する範囲を所定範囲に制限する制限部に相当する。制限部の一例として、遮蔽部材に所定範囲に対応する開口パターンＳＰ２が形成されているマスクＡ２を用いてもよい。照明光Ｑは、開口パターンＳＰ２に対応する領域を通過する。
　マスクＡ２の開口パターンＳＰ２の像は、レンズＬ２を通過して、サンプルＳに結像する。すなわち、マスクＡ２を照明する光のうち、開口パターンＳＰ２に対応する部分の光のみがマスクＡ２を通過することになる。これにより、マスクＡ２を通過した照明光ＱがサンプルＳを照明する範囲を制限できる。照明光Ｑの照明範囲を制限することで、不要光を低減して、測定精度を高めることができる。
　光学測定システム１においては、サンプルＳの厚さによって照明範囲が変動する場合があるので、このように変動する場合には、必要に応じて、マスクＡ２の開口パターンＳＰ２を変更する、あるいは、照明光ＱをサンプルＳに結像するためのレンズＬ２の位置を変更する、などが行われる。
　また、照明光ＱをマスクＡ２に照明する構成は、図１（Ｂ）に示される構成に限らず、任意の構成を採用できる。
　図２は、実施の形態１に従う光学測定システム１における測定用光学系３０の詳細構成例を示す模式図である。
　図２（Ａ）を参照して、照明光Ｑは、可動ミラーＭＭ、レンズＬ３１、レンズＬ３２、マスクＡ２、レンズＬ２の順に通過して、サンプルＳに結像する。レンズＬ３１とレンズＬ３２とは、４ｆ光学系などの結像光学系２０を構成する。
　可動ミラーＭＭに入射した照明光Ｑは、可動ミラーＭＭの角度（向き）に対応する方向に反射して、結像光学系２０に入射する。そして、照明光Ｑは、可動ミラーＭＭで反射された方向に伝搬し、マスクＡ２の開口パターンＳＰ２を通過した後に、開口パターンＳＰ２と同じ形状でサンプルＳ上に結像される。
　図２（Ｂ）には、サンプルＳを照明する照明光Ｑを平行光とする場合の光学系の一例を示す。より具体的には、図２（Ｂ）に示す光学系においては、図２（Ａ）に示す光学系のレンズＬ２に代えて、レンズＬ２１およびレンズＬ２２が配置されている。レンズＬ２１およびレンズＬ２２は、いずれも集光レンズであり、組み合わせることで、マスクＡ２を通過した照明光Ｑは、平行光のままサンプルＳを照明する。
　マスクＡ２の前後に配置される光学系は、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示される光学系に限定されるものではない。マスクＡ２の前段に配置される光学系としては、可動ミラーＭＭからの反射光をマスクＡ２の開口パターンＳＰ２を覆うように投影できればどのような構成を採用してもよい。また、マスクＡ２の後段に配置される光学系としては、マスクＡ２の開口パターンＳＰ２の像をサンプルＳに結像できればどのような構成を採用してもよい。これらの要件を充足する限りにおいて、レンズの枚数および種類は任意に設計できる。また、レンズに限らず、任意の光学デバイスを利用して実現すればよい。
　なお、可動ミラーＭＭとマスクＡ２とが光学的に近接して配置される場合には、レンズＬ３１，Ｌ３２を省略してもよい。
　（ｂ２：測定処理）
　次に、実施の形態１に従う光学測定システム１におけるサンプルＳの形状を測定する基本的な処理について説明する。以下の説明においては、イメージセンサＤの受光面を「記録面」とし、記録面とビームスプリッタＢＳ２の中心光軸との交点を「原点」とする。光軸方向をｚ軸とし、ｚ軸に直交する２つの軸をそれぞれｘ軸およびｙ軸とする。すなわち、光軸は、イメージセンサＤの記録面に対して垂直となり、ｘ軸およびｙ軸は、イメージセンサＤの記録面に対して平行となる。なお、他の実施の形態においても同様である。
　イメージセンサＤの記録面における物体光Ｏ、オフアクシス参照光Ｒ、インライン参照光Ｌの分布は、以下の（１）～（３）式のような一般式で表現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　インライン参照光Ｌ、物体光Ｏ、オフアクシス参照光Ｒは、互いにコヒーレントな角周波数ωをもつ光である。図１（Ａ）に示す光学系において記録されるオフアクシスホログラムＩＬＲは、（３）式で表現される光と（１）式で表現される光との合成光の光強度として、以下の（４）式のように算出される。また、図１（Ｂ）に示す光学系において記録されるオフアクシスホログラムＩＯＲは、（２）式で表現される光と（３）式で表現される光との合成光の光強度として、以下の（５）式のように算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　なお、オフアクシスホログラムＩＬＲは、物体光Ｏの状態によらず不変であるので、少なくとも一度だけ記録すればよい。
　（４）式および（５）式において、右辺の第１項は物体光Ｏまたはインライン参照光Ｌの光強度成分に相当し、右辺の第２項はオフアクシス参照光Ｒの光強度成分に相当し、右辺の第３項は物体光Ｏがオフアクシス参照光Ｒにより変調して生じる直接像成分に相当し、右辺の第４項は共役像成分に相当する。
　（４）式および（５）式に対してバンドパスフィルタを適用し、第３項の直接像成分を抽出すると、インライン参照光Ｌを記録した複素振幅オフアクシスホログラムＪＬＲおよび物体光Ｏを記録した複素振幅オフアクシスホログラムＪＯＲは、以下の（６）式および（７）式のようにそれぞれ算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、（７）式を（６）式で除算すると、オフアクシス参照光Ｒの成分が除去され、インライン参照光Ｌを基準とした複素振幅インラインホログラムＪＯＬが以下の（８）式のように算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　インライン参照光Ｌの成分は、（８）式に示される複素振幅インラインホログラムＪＯＬにインライン参照光Ｌを乗算することで除去できる。インライン参照光Ｌの算出方法は、国際公開第２０２０／０４５５８４号（特許文献３）に記載の方法を採用できる。以上の処理により、以下の（９）式に示すような物体光ホログラムＵが得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、物体光ホログラムＵが標本化定理を満たさない周波数成分を含む場合には、以下のような補正処理を適用して、記録面から所定距離だけ離れた注目している面（以下、「サンプル面」とも称す。）の状態を再生可能な情報をもつホログラムを生成する。サンプル面の状態を再生可能な情報をもつホログラムを再生用物体光ホログラムＵΣとする。なお、標本化定理を満たしている場合には、物体光ホログラムＵをそのまま再生用物体光ホログラムＵΣとする。
　補正処理の一例として、インライン参照光Ｌを除去する前に、イメージセンサＤから出力される画像を構成するサンプリング点数を補間により増加させてもよい。あるいは、国際公開第２０２０／０４５５８４号（特許文献３）に開示される分割重ね合わせ工程を適用して、イメージセンサＤの画素ピッチを細分化してもよい。分割重ね合わせ工程を用いることで、演算量を低減できる。
　再生用物体光ホログラムＵΣに対して、平面波展開による回折計算を行なうことで、任意のサンプル面における光波分布を再生できる。平面波展開によって再生用物体光ホログラムＵΣを距離ｄだけ伝搬させた（記録面から距離ｄだけ離れたサンプル面における）ホログラムをＵｄとする。
　イメージセンサＤの受光面（記録面）から再生したい距離ｄまでに含まれるＭ個の媒質（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）の距離をｄｍ、屈折率をｎｍとすれば、ホログラムＵｄは、以下の（１０）式のように一般化できる。但し、式中のｋｚｍは（１１）式に従って算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　なお、複数の媒質が存在する場合には、媒質間の境界面は記録面に対して平行であるとする。また、媒質ｍから媒質ｍ＋１に入射するときの透過係数をＴｍ，ｍ＋１（ｋｘ，ｋｙ）と表現する。但し、ＴＭ，Ｍ＋１（ｋｘ，ｋｙ）については常に１であるとみなす。
　例えば、空気中のみを距離ｄだけ伝搬させる場合には、Ｍ＝１で、ｄ１＝ｄ，ｎｍ＝１となる。
　なお、媒質ｍから媒質ｍ＋１に入射するときの透過係数が波数ｋｘ，ｋｙに依存せずにほぼ一様とみなせる場合には、Ｔｍ，ｍ＋１≡１として計算を簡略化してもよい。
　（ｂ３：照明光を照明する形態を変化させる機構）
　次に、照明光Ｑを照明する形態を変化させる機構について説明する。
　本実施の形態に従う光学測定システムは、照明光Ｑを照明する形態を変化させて複数のオフアクシスホログラムＩＯＲ（サンプルＳの有無によって、物体光ホログラムまたは照明光ホログラムになる）を記録する。照明光Ｑを照明する形態として、例えば、照明角度を採用してもよい。
　図３は、本実施の形態に従う光学測定システムにおいて、照明光Ｑを照明する形態を変化させることにより得られる効果を説明するための図である。
　図３（Ａ）～（Ｃ）を参照して、サンプル面に存在する物体Ａと、サンプル面から離れた位置にある物体Ｂとが存在する場合を想定する。物体Ａは、像として再生すべき対象であり、物体Ｂは、サンプル面以外に存在して、散乱を生じさせる物体である。
　図３（Ａ）に示すように、照明光Ｑを単一方向から照明する場合（照明角度が単一の場合）には、物体Ｂでの散乱によって生じる回折光がサンプル面（照明光の焦点位置）に影響を与えて、再生した像の品質を悪化させる。
　ここで、照明角度を変化させると、図３（Ｂ）に示すように、サンプル面上にある物体Ａの像の位置は変化しない一方で、物体Ｂでの散乱によって生じる回折光のサンプル面上の位置は、照明角度に依存して位置が変化する。
　そこで、図３（Ｃ）に示すように、照明角度を変化させて複数の像を再生し、再生した複数の像を足し合わせる。このような複数の像の足し合わせによって、信号の振幅および位相が複数の像の間でほぼ同一である物体Ａについては強調され、物体Ｂの影響は相対的に小さくなっていく。
　照明角度をｉ通り（ｉは２以上の整数）に変化させて（照明光Ｑｉ）、複数のオフアクシスホログラムＩＯＲｉを記録する。オフアクシスホログラムＩＯＲｉから再生用物体光ホログラムＵΣｉをそれぞれ算出する。そして、再生用物体光ホログラムＵΣｉを平面波展開によりサンプル面（伝搬させる距離は同一）まで伝搬させて得られる光波分布を物体光分布ＵＳｉとする。さらに、照明光Ｑｉにより生じるサンプル面における照明光分布ＱＳｉで複素振幅の物体光分布ＵＳｉを除算することでサンプル面における振幅位相分布ＵＰｉを算出する。
　このように、サンプル面における振幅位相分布ＵＰｉは、サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる物体光Ｏをオフアクシス参照光Ｒで変調した物体光ホログラム（第１のホログラム）と、サンプルＳが存在しない状態で、照明光Ｑをオフアクシス参照光Ｒで変調した照明光ホログラム（第２のホログラム）とに基づいて算出される。振幅位相分布ＵＰｉは、照明光Ｑｉの位相分布θＱｉにサンプルＳにより生じた位相変化量Δθｉが加算されたものとなる。
　最終的に、以下の（１２）式に従って、照明光で照明する形態（照明角度）毎に算出された振幅位相分布ＵＰｉを複素数のまま積算することで合成振幅位相分布ＵＳＡを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　上述の（１２）式に示すように、振幅位相分布ＵＰｉを強度（絶対値）に変換することなく、複素数のまま積算することで、ベクトルのような方向性をもつ情報として取り扱うことができる。その結果、サンプル面以外の位相成分を十分にランダムとみなせれば、互いに打ち消し合って平均値であるゼロに収束することが期待できる。この結果、物体Ｂでの散乱によって生じる回折光の影響を抑制できる。これによって、再生した像のＳＮ比を高めることができる。
　なお、振幅位相分布ＵＰｉを強度（絶対値）に変換した上で積算した場合には、強度は常に正の値であるため、物体Ｂでの散乱によって生じる回折光の影響が残り続けることになる。
　サンプル面以外の位相成分を十分にランダムとみなせるようにするためには、照明光Ｑを照明する形態（例えば、照明角度）を十分に多く設定することが好ましい。ＳＮ比は、照明光Ｑを照明する形態の数の平方根に比例することになる（例えば、４種類の照明角度で測定した場合には、１種類の照明角度で測定した場合に比較して、ＳＮ比は２倍になる）。
　照明角度を変化させることができる範囲は、サンプルＳの大きさ、イメージセンサＤの分解能、イメージセンサＤの視野の広さなどに応じて光学的に定まる。光学的に許容される範囲において、照明角度を変化させることになる。ここで、照明角度を変化させることは、照明光Ｑの入射角度を一定としつつ、方位角を変化させることを意味する。
　後述するように、照明角度を変化させる数は、典型的には、要求される品質および許容される処理時間などに基づいて決定される。
　なお、外乱により再生用物体光ホログラムＵΣｉから再生される像の座標に位置ずれが生じる場合には、位相分解能は低下しないが、空間分解能（ｘｙ平面上）が低下し得る。この場合には、再生像またはサンプルＳのずれを修正した上で積算することが好ましい。より具体的には、物体光間の相間が最大となる座標を算出し、当該算出された座標を基準として、再生像またはサンプルＳのずれを算出する。すなわち、基準となる座標からのずれを算出および補正した上で、積算処理を実行する。
　（ｂ４：照明する範囲を制限する機構）
　次に、照明する範囲を制限する機構について説明する。
　（５）式および（４）式に対してバンドパスフィルタを適用し、第３項の直接像成分を抽出するためには、空間周波数帯域において、直接像成分が光強度成分および共役像成分と重複しないようにする必要がある。そこで、本実施の形態においては、マスクＡ２などの制限部により照明光Ｑの範囲を制限することで、空間周波数帯域の重複による像劣化などを防止する。
　サンプルＳから離れた位置に配置されたマスクＡ２の開口パターンＳＰ２の像をサンプルＳに結像させることで、照明方法の自由度を維持したまま、干渉縞に含まれる空間周波数帯域幅を適切に制御することで、イメージセンサＤが記録可能な空間周波数帯域幅を効率的に利用する。
　光学測定システム１においては、マスクＡ１およびレンズＬ１がオフアクシス参照光Ｒの点光源を実現する。記録面上の任意の点における干渉縞の空間周波数ｆは、当該点における物体光Ｏの入射角度θＯとオフアクシス参照光Ｒの入射角度θＲとを用いて、以下の（１３）式のように表現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　図４は、物体光Ｏおよびオフアクシス参照光ＲのイメージセンサＤの記録面に入射する状態を説明するための図である。図４（Ａ）には、オフアクシス参照光Ｒが平面波である場合を示し、図４（Ｂ）には、オフアクシス参照光Ｒが球面波である場合を示す。
　図４（Ａ）を参照して、オフアクシス参照光Ｒが平面波である場合には、物体光Ｏとオフアクシス参照光ＲとがイメージセンサＤの記録面の任意の点でなす角度は、イメージセンサＤの記録面上の位置に依存することになる。例えば、物体光Ｏとオフアクシス参照光ＲとがイメージセンサＤの記録面の上端でなす角度αと、記録面の下端でなす角度βとは、大きく異なっている。
　これに対して、図４（Ｂ）を参照して、オフアクシス参照光Ｒが球面波である場合には、物体光Ｏとオフアクシス参照光ＲがイメージセンサＤの記録面の１点でなす角度は記録面上の位置に依存せず、ほぼ同じ値になる。例えば、物体光Ｏとオフアクシス参照光ＲがイメージセンサＤの記録面の上端でなす角度αと、記録面の下端でなす角度βとは、ほぼ同じである。
　すなわち、オフアクシス参照光Ｒを点光源にすれば、サンプルＳの任意の点から生じる光線（物体光Ｏ）とオフアクシス参照光Ｒの点光源から生じる光線とがなす角を、記録面上のいずれの点においてもほぼ一定にできる。
　物体光Ｏをオフアクシス参照光Ｒの点光源と同じｚ面上にある波源の集まりとみなすと、当該ｚ面上の波源の位置（ｘｓ，ｙｓ）と対応する空間周波数（ｕｓ，ｖｓ）との間には、以下の（１４）式に示す関係が近似的に成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　式中のｚＬは、オフアクシス参照光Ｒの点光源から記録面までのｚ軸方向の距離であり、λは波長である。また、ｘ方向の空間周波数をｕとして、ｙ方向の空間周波数をｖとする。
　（１４）式に示すように、波源（物体光Ｏ）のｚ面上の位置と空間周波数（スペクトル成分の座標）とは、近似的に線形の関係にあることが分かる。そのため、波源（物体光Ｏ）が存在する領域を制限することで、直接像成分の空間周波数帯域の広がりを制御できる。これによって、空間周波数帯域を効率的に利用できる。
　ここで、「波源が存在する領域」は、サンプルＳが照明されている範囲を意味する。すなわち、マスクＡ２の開口パターンＳＰ２を最適化することで照明範囲を制限し、これによって、空間周波数帯域を適切に制御できる。なお、マスクＡ２は、単にサンプルＳを照明する範囲を制限するものであるので、物体光Ｏの複素振幅が正しく記録されている限り、再生する像に歪みを生じさせることはない。
　次に、マスクＡ２の開口パターンＳＰ２の大きさを決定する方法について説明する。
　上述したように、図１（Ｂ）に示す光学系において記録されるオフアクシスホログラムＩＯＲは（５）式のように算出される。（５）式において、像再生に必要な成分は第３項の直接像成分であり、他の項はノイズ成分として重畳するため、バンドパスフィルタによって除去する必要がある。
　イメージセンサＤの原点の座標を（０，０，０）とし、サンプルＳの中心の座標を（０，０，ｚＬ）とする。
　図５は、本実施の形態に従う光学測定システムにおけるサンプルＳとオフアクシス参照光Ｒとの関係を説明するための図である。図５を参照して、オフアクシス参照光Ｒの点光源（集光点ＦＰ１）を、ビームスプリッタＢＳ２のハーフミラーＨＭ２についてサンプルＳ側に展開した点光源（集光点ＦＰ１’）の座標を（ｘＲ，ｙＲ，ｚＲ＝ｚＬ）とし、サンプルＳの照明範囲をｘ方向がａ、ｙ方向がｂのサイズの矩形とすると、第３項の直接像成分について、ｕ方向の帯域幅Ｗｘおよびｖ方向の帯域幅Ｗｙは、以下の（１５）式のように近似的に表現でき、ｕ方向の中心周波数ｕｃおよびｖ方向の中心周波数ｖｃは、以下の（１６）式のように近似的に表現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　また、共役像成分（第４項）のｕ方向の帯域幅Ｗｘおよびｖ方向の帯域幅Ｗｙについても、上述の（１５）式のように近似的に表現できる。一方、共役像成分（第４項）のｕ方向の中心周波数ｕｃおよびｖ方向の中心周波数ｖｃは、上述の（１６）式の符号を反転させたものとなる。
　また、第１項の光強度成分および第２項の光強度成分を合わせた成分の帯域幅は、原点を中心に（１５）式の２倍のサイズで広がることになる。
　以上の関係は、図６のように示すことができる。
　図６は、本実施の形態に従う光学測定システムにおけるオフアクシスホログラムに関する空間周波数帯域の関係を説明するための図である。図６（Ａ）には、実空間のｚ＝ｚＬ面上における、オフアクシス参照光Ｒの位置およびサンプルＳの照明範囲を示す。図６（Ｂ）には、記録面（ｚ＝０）上で記録されたホログラムを２次元フーリエ変換したスペクトルを示す。
　図６（Ａ）を参照して、実空間においては、サンプルＳは、（０，０，ｚＬ）の座標を中心にａ×ｂのサイズで存在する。オフアクシス参照光Ｒの点光源は、（０，０，ｚＬ）の座標からｘ方向にｘＲおよびｙ方向にｙＲだけ離れた位置に存在する。
　図６（Ｂ）を参照して、フーリエ空間（空間周波数領域）においては、物体光Ｏの情報を含む第３項の直接像成分が帯域幅Ｗｘ×Ｗｙのサイズで広がり、直接像成分の中心周波数は、オフアクシス参照光の点光源の座標（ｘＲ，ｙＲ）に依存して決まる。
　図６（Ｂ）に示すフーリエ空間のスペクトルから物体光Ｏの情報を含む第３項（直接像成分）のみをバンドパスフィルタで抽出するには、他の項（第１項、第２項、第４項）の成分と重複しないようにする必要がある。
　一方で、イメージセンサＤの空間周波数帯域は有限であるので、中心周波数ｕｃおよびｖｃを過剰に大きくすることも好ましくない。そのため、イメージセンサＤがもつ空間周波数帯域を効率的に利用するためには、第３項の成分を他の項（第１項、第２項、第４項）の成分と重複しない限界まで近づける必要がある。
　各々の帯域を近接させて配置するために、空間周波数帯域幅を適切な範囲に制限する。ここで、オフアクシス参照光が発散光（点光源）であれば、上述の（５）式の関係が成立するので、照明光Ｑの照明範囲を制限することによって、各成分の空間周波数帯域幅を適切な範囲に制限できる。
　このように、イメージセンサＤで記録されるホログラムのフーリエ空間（空間周波数領域）において、照明光Ｑに対応する成分（第３項）と照明光Ｑに対応する成分以外の成分（第１項および第２項）とが重複しないように、サンプルＳを照明光Ｑで照明する範囲の大きさ（すなわち、制限部であるマスクＡ２の開口パターンＳＰ２）が決定される。
　各成分の空間周波数帯域幅を適切な範囲に制限することで、イメージセンサＤがもつ空間周波数帯域を効率的に利用することができ、空間周波数帯域の重複により生じるノイズも抑制できる。
　なお、オフアクシスホログラフィの光学系に適用する場合について説明したが、上述したマスクＡ２は、発散光（すなわち、点光源、あるいは、点光源とみなせる光源）を参照光とする他のホログラフィの光学系においても、直接像成分の空間周波数帯域幅をイメージセンサＤで記録可能な範囲に制限する場合などにも有効である。
　なお、本実施の形態に従う光学測定システムで使用されるマスクＡ２は、光学顕微鏡で使用される視野絞りに外形上類似し得る。しかしながら、視野絞りは、光路の途中の壁に余計な光（視野外の光）が当たることで生じる迷光を抑制する目的で使用される。視野絞りにより、ノイズレベルの低減は可能だが、抑制される迷光はわずかであり、微弱な光を検出する目的でなければ積極的な対策を行なわなくても大きな問題とはならない。
　これに対して、発散光を参照光とするデジタルホログラフィにおける照明範囲の制限は、干渉縞に含まれる空間周波数帯域幅をイメージセンサＤで記録可能な範囲に制限する効果をもたらす。本実施の形態に従う光学測定システムで使用されるマスクＡ２は、この目的で使用される。
　このように、本実施の形態に従う光学測定システムで使用されるマスクＡ２は、光学顕微鏡で使用される視野絞りが発揮する効果とは異質の効果を発揮するものである。
　上述の説明においては、制限部の一例として、予め定められた大きさの開口パターンＳＰ２が形成されたマスクＡ２を用いる場合について説明したが、これに限らず、任意の光学素子を用いて制限部を実現してもよい。
　例えば、偏光ミラーや液晶などの光の透過率を制御できる光学素子を用いることで、開口パターン（照明光が通過する断面積）の大きさを任意に変更できるようにしてもよい。開口パターンの大きさを任意に変更可能に構成することで、サンプルＳとイメージセンサＤとの距離が変更されたり、オフアクシス参照光の点光源の位置が変更されたりしたときでも、容易に対応できる。
　（ｂ５：照明光プロファイル）
　本実施の形態に従う光学測定システムは、合成振幅位相分布ＵＳＡなどの算出に照明光プロファイルを必要とする。
　例えば、サンプルＳを順次交換して測定する場合などには、記録面からサンプル面までの距離が変化することも想定される。この場合には、回折計算により、記録面からある距離だけ離れたサンプル面における照明光プロファイルに基づいて、別の距離における照明光プロファイルを算出できる。そのため、記録面からサンプル面の距離が変化する毎に照明光プロファイルを記録する必要はない。
　サンプルＳが測定対象ではない基板を含む場合には、照明光プロファイルに対して平面波展開を用いた媒質内の伝搬計算を行なうことで、基板を透過した照明光についての照明光プロファイルを算出できる。この場合、基板のおおよその厚さおよび屈折率が既知であれば、基板のみのサンプル（測定対象のサンプルＳとは別のサンプル）を用意して照明光プロファイルを記録する必要はない。
　基板を透過した照明光プロファイルを用いて、サンプルＳの基板以外の層を測定できる。また、基板のみでの記録ができる場合には、基板のみを配置した状態で、基板を透過した照明光プロファイルを記録することで、基板の媒質内の伝搬計算を省略することもできる。
　（ｂ６：サンプルの表面形状の測定）
　次に、実施の形態１に従う光学測定システム１を用いたサンプルＳの表面形状を測定する方法について説明する。サンプルＳの表面形状の測定には、サンプルにより生じる位相変化量を用いる。この場合、照明光Ｑとして可視光を用いることが好ましい。
　本実施の形態に従う光学測定システムでは、サンプルＳが配置されていない状態で記録された照明光プロファイルを用いて、照明光の位相分布θＱを合成振幅位相分布ＵＳＡの位相分布から減算することで、サンプルＳにより生じた位相変化量Δθｉを算出する。
　実施の形態１に従う光学測定システム１においては、以下の（１７）式に示す、サンプルＳにより生じた位相変化量ΔθとサンプルＳの厚さΔｄとの関係式を用いて、サンプルＳの表面形状を測定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　式中のｋｚ１はサンプルＳ中のｚ方向の波数であり、ｋｚ２はサンプルＳが存在する媒質中のｚ方向の波数であり、δは位相補正項であり、λは光源波長である。波数ｋｚ１およびｋｚ２は、以下の（１８）式および（１９）式に従ってそれぞれ算出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　式中のｎ１はサンプルＳが存在する媒質の屈折率であり、ｎ２はサンプルＳの屈折率である。例えば、サンプルＳが真空中に存在する場合には、屈折率ｎ１＝１となる。
　式中のｘ方向の波数ｋｘおよびｙ方向の波数ｋｙは、ｘ方向およびｙ方向の単位長さ当たりの位相変化量であるので、以下の（２０）式および（２１）式のように、サンプル面における照明光Ｑの位相分布θＱを微分することで算出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　（１７）式中の位相補正項δは、サンプルＳに光吸収があるなどの理由で、透過率が複素数となる場合に、複素透過率による位相変化を補正するために用いられる。サンプルＳがすべて同じ材質であるなどの理由で、複素透過率による位相変化がサンプルＳ全体で一様であるとみなせる場合には、位相補正項δを省略してもよい。
　外乱により照明光の点光源の座標に位置ずれが生じる場合には、照明光ＱｉについてイメージセンサＤ上の画素の平行移動により補正してもよい。平行移動の量は、典型的には、物体光分布ＵＳと照明光Ｑｉとの相関が最大になるように決定される。
　照明光の波面の形状がなめらかである場合には、ローパスフィルタや多項式近似によって情報量を削減してもよい。
　図７は、実施の形態１に従う光学測定システム１を用いた表面形状の測定方法の処理手順を示すフローチャートである。図７に示す処理手順は、光源１０として可視光源が用いられてもよい。
　図７を参照して、まず、インライン参照光Ｌを取得する処理が実行される。より具体的には、図１（Ａ）に示す光学系が構成される（ステップＳ２）。そして、光源１０からコヒーレント光を発生させて、処理装置１００は、イメージセンサＤに記録されるインライン参照光Ｌをオフアクシス参照光Ｒで変調したオフアクシスホログラムＩＬＲを取得する（ステップＳ４）。なお、ステップＳ２およびＳ４は、オフアクシス参照光Ｒに関係する光学系を変更しない限り、１回のみ実行すればよい。また、ステップＳ２およびＳ４の処理は、再生像の正確さを向上させるためのものであり、要求される正確さによっては、ステップＳ２およびＳ４の処理を省略してもよい。
　続いて、照明光プロファイルを取得する処理が実行される。より具体的には、図１（Ｂ）に示す光学系が構成される（ステップＳ６）。このとき、サンプルＳが存在しない状態に維持される。サンプルＳの基板と同じ厚さをもつ基板をサンプルＳが配置される位置（サンプル位置）に配置してもよいし、サンプル位置には何も配置しないこともできる。この状態が測定のリファレンスに相当する。
　続いて、可動ミラーＭＭを駆動して複数の照明角度のいずれかの照明角度に設定する（ステップＳ８）。そして、光源１０からコヒーレント光を発生させて、処理装置１００は、イメージセンサＤに記録される照明光ホログラムＱｉ（ｘ，ｙ）（第２のホログラム）を取得する（ステップＳ１０）。
　このように、処理装置１００は、サンプルＳが存在しない状態で、照明光Ｑで照明して得られる光をオフアクシス参照光Ｒで変調したホログラムをイメージセンサＤで記録する。あるいは、処理装置１００は、サンプルＳに代えて、サンプルＳに含まれる測定対象とされない基板のみを照明光Ｑで照明して得られる透過光のホログラムをイメージセンサＤで記録する。
　処理装置１００は、照明光ホログラムＱｉ（ｘ，ｙ）から照明光プロファイルＱΣｉ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ１２）。
　ステップＳ８～Ｓ１２の処理は、予め定められた照明角度の数（Ｎ）だけ繰り返される（１≦ｉ≦Ｎ）。
　次に、サンプルＳの振幅位相分布を取得する処理が実行される。より具体的には、サンプルＳが図１（Ｂ）に示す光学系の本来の位置に配置される（ステップＳ１４）。続いて、可動ミラーＭＭを駆動して複数の照明角度のいずれかの照明角度に設定する（ステップＳ１６）。そして、光源１０からコヒーレント光を発生させて、処理装置１００は、イメージセンサＤに記録される物体光ホログラムＵｉ（ｘ，ｙ）を取得する（ステップＳ１８）。
　続いて、処理装置１００は、物体光ホログラムＵｉ（ｘ，ｙ）から再生用物体光ホログラムＵΣｉ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ２０）。そして、処理装置１００は、再生用物体光ホログラムＵΣｉ（ｘ，ｙ）および対応する照明光プロファイルＱΣｉ（ｘ，ｙ）を平面波展開によってサンプル面の位置まで伝搬させて、サンプル面における、物体光分布ＵＳｉ（ｘ，ｙ）および照明光分布ＱＳｉ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ２２）。さらに、処理装置１００は、物体光分布ＵＳｉ（ｘ，ｙ）を対応する照明光分布ＱＳｉ（ｘ，ｙ）で除算して、サンプル面における振幅位相分布ＵＰｉ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ２４）。
　ステップＳ１６～Ｓ２４の処理は、予め定められた照明角度の数（Ｎ）だけ繰り返される（１≦ｉ≦Ｎ）。
　次に、処理装置１００は、サンプルＳの表面形状を算出する。より具体的には、処理装置１００は、振幅位相分布ＵＰｉ（ｘ，ｙ）を複素数のまま積算することで、合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ２６）。
　続いて、処理装置１００は、サンプル面における合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）の偏角から位相変化量Δθ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ２８）。そして、処理装置１００は、位相変化量Δθ（ｘ，ｙ）を用いて、サンプルＳの厚さΔｄ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ３０）。サンプルＳの厚さΔｄの算出には、上述の（１７）式に示す関係式が用いられる。
　最終的に、処理装置１００は、サンプル面の各座標における厚さΔｄ（ｘ，ｙ）を集合させて、サンプルＳの形状プロファイルを算出する（ステップＳ３２）。
　以上のような処理によって、サンプルＳの表面形状を算出できる。
　なお、サンプルＳの屈折率および屈折率プロファイルを測定することもできる。この場合には、ステップＳ３０において、サンプルＳの屈折率ｎ２（ｘ，ｙ）が算出され、ステップＳ３２において、サンプル面の各座標における屈折率ｎ２（ｘ，ｙ）を集合させることで、サンプルＳの屈折率プロファイルが算出される。
　（ｂ７：サンプルの内部構造の測定）
　次に、実施の形態１に従う光学測定システム１を用いたサンプルＳの内部構造を測定する方法について説明する。サンプルＳの内部構造の測定には、照明光Ｑとして近赤外線を用いることが好ましい。照明光Ｑとして近赤外線を用いることで、サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる物体光ホログラムＵは、サンプルＳの内部構造を示す。サンプルＳに対して任意の位置（記録面から任意の距離だけ離れた位置）にサンプル面を設定することで、サンプルＳの内部構造を測定できる。
　図８は、実施の形態１に従う光学測定システム１を用いた内部構造の測定方法の処理手順を示すフローチャートである。図８に示す処理手順は、光源１０として近赤外光源が用いられてもよい。
　図８のフローチャートに示す手順は、図７に示すフローチャートに示すステップＳ２８～Ｓ３２の処理に代えて、合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）の強度分布および／または位相分布を画像化する処理（ステップＳ３４）を採用したものである。
　すなわち、処理装置１００は、振幅位相分布ＵＰｉ（ｘ，ｙ）を複素数のまま積算することで、合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）を算出し（ステップＳ２６）、算出した合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）を画像化することで、サンプルＳの内部構造を可視化する。
　＜Ｃ．実施の形態２：反射型光学系＞
　（ｃ１：光学系）
　図９は、実施の形態２に従う光学測定システム２の構成例を示す模式図である。図９（Ａ）には、インライン参照光を記録する場合の光学系を示し、図９（Ｂ）には、物体光を記録する場合の光学系を示す。光学測定システム２は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示す光学系を構成可能になっている。
　図９（Ａ）に示す光学系は、図１（Ａ）に示す実施の形態１に従う光学測定システム１においてインライン参照光を記録する場合の光学系と同じであるので、詳細な説明は繰り返さない。
　図９（Ｂ）に示す光学系は、サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる物体光Ｏをオフアクシス参照光Ｒで変調したオフアクシスホログラムＩＯＲを記録するための光学系に相当する。より具体的には、図９（Ｂ）に示す光学系は、サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる反射光からオフアクシスホログラムＩＯＲ（物体光ホログラム：第１のホログラム）を生成する。なお、図９（Ｂ）に示す光学系を用いて、照明光プロファイルも取得される。この場合には、後述するように、サンプルＳに代えて基準参照面が配置される。
　図９（Ｂ）に示す光学系は、図１（Ｂ）に示す実施の形態１に従う光学測定システム１において物体光を記録する場合の光学系と比較して、サンプルＳを照明光Ｑで照明する構成が異なっている。そのため、ビームスプリッタＢＳ１の他方から出力されるオフアクシス参照光Ｒについては、図１（Ａ）、図１（Ｂ）および図９（Ａ）と共通の光学経路で、イメージセンサＤへ導かれる。
　ビームスプリッタＢＳ１の一方から出力される光は、サンプルＳを照明するための照明光Ｑとして用いられる。
　より具体的には、ビームスプリッタＢＳ２で分岐された照明光Ｑは、ミラーＭ２により反射された後、測定用光学系３２を通過して、ビームスプリッタＢＳ２へ導かれる。照明光Ｑは、さらに、ビームスプリッタＢＳ２のハーフミラーＨＭ２で反射されてサンプルＳを照明する。サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる物体光Ｏ（すなわち、サンプルＳで反射された光）は、ビームスプリッタＢＳ２のハーフミラーＨＭ２を透過して、イメージセンサＤへ導かれる。
　測定用光学系３２は、可動ミラーＭＭ、レンズＬ３、マスクＡ２、レンズＬ４を含む。実施の形態１と同様に、可動ミラーＭＭによって反射された照明光Ｑは、レンズＬ３によって集光されて、マスクＡ２を通過する。マスクＡ２を通過した照明光Ｑは、さらにレンズＬ４によって集光されて、サンプルＳに結像する。すなわち、マスクＡ２の開口パターンＳＰ２の像は、レンズＬ４を通過して、サンプルＳに結像する。これにより、マスクＡ２を通過した照明光ＱがサンプルＳを照明する範囲を制限できる。照明光Ｑの照明範囲を制限することで、不要光を低減して、測定精度を高めることができる。また、可動ミラーＭＭが回転することで、照明光Ｑを照明する形態を変化させる。
　光学測定システム１においても、サンプルＳの厚さによって照明範囲が変動する場合があるので、このように変動する場合には、必要に応じて、マスクＡ２の開口パターンＳＰ２を変更する、あるいは、照明光ＱをサンプルＳに結像するためのレンズＬ２の位置を変更する、などが行われる。
　なお、ミラーＭ２とマスクＡ２とが光学的に近接して配置される場合には、レンズＬ３を省略してもよい。
　（ｃ２：照明光プロファイル）
　次に、光学測定システム２における照明光プロファイルについて説明する。光学測定システム２が採用する反射型光学系においては、サンプルＳを配置すべき位置（サンプル位置）に基準参照面を配置し、当該基準参照面からの反射光を照明光Ｑとして用いる。基準参照面は、平面であることが好ましく、例えば、オプティカルフラットを用いることができる。すなわち、図９（Ｂ）に示す光学系は、サンプルＳに代えて、基準参照面を照明光Ｑで照明して得られる反射光から照明光プロファイルを取得する。
　記録された照明光Ｑを伝搬させることで、距離の異なるサンプル面における照明光分布ＱＳを算出できるため、実施の形態１（透過型光学系）と同様に、記録面からの距離が変化する毎に照明光Ｑを記録する必要はない。また、外乱により照明光の点光源の座標に位置ずれが生じた場合には、照明光ＱについてイメージセンサＤ上の画素の平行移動により補正してもよい。
　基準参照面に含まれる形状誤差を除去する目的で、基準参照面をｘ方向およびｙ方向に平行移動させつつ複数の照明光プロファイルを記録して、記録した複数の照明プロファイルの平均値を実際に用いる照明光プロファイルとしてもよい。
　（ｃ３：サンプルの表面形状の測定）
　次に、実施の形態２に従う光学測定システム２を用いたサンプルＳの表面形状を測定する方法について説明する。サンプルＳの表面形状の測定には、サンプルＳにより生じる位相変化量を用いる。この場合、照明光Ｑとして可視光を用いることが好ましい。
　サンプルＳにより生じた位相変化量Δθと、サンプルＳの高さΔｈの関係は、以下の（２２）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　式中のｋｘはｘ方向の波数であり、ｋｙはｙ方向の波数であり、δは位相補正項である。
　波数ｋｘおよび波数ｋｙは上述の（２０）式および（２１）式に従って算出できる。位相補正項δについても、サンプルＳがすべて同じ材質であるなどの理由で、複素反射率による位相変化がサンプルＳ全体で一様であるとみなせる場合には、省略してもよい。
　なお、サンプル面全体にわたる形状（面内プロファイル）を測定する場合には、照明光Ｑを平行光とする光学系を採用してもよい。照明光Ｑが球面波である場合には、サンプル面に対するフォーカスずれが凹面状または凸面状の偽形状となって検出され得る。このような偽形状は、照明光が球面波であることによって生じるので、サンプル面全体にわたる形状（面内プロファイル）を測定する場合には、照明光Ｑが平行光となるような光学系を採用することが好ましい。
　図１０は、実施の形態２に従う光学測定システム２を用いた表面形状の測定方法の処理手順を示すフローチャートである。図１０に示す処理手順は、光源１０として可視光源が用いられてもよい。
　図１０を参照して、まず、インライン参照光Ｌを取得する処理が実行される。より具体的には、図９（Ａ）に示す光学系が構成される（ステップＳ５２）。そして、光源１０からコヒーレント光を発生させて、処理装置１００は、イメージセンサＤに記録されるインライン参照光Ｌをオフアクシス参照光Ｒで変調したオフアクシスホログラムＩＬＲを取得する（ステップＳ５４）。なお、ステップＳ５２およびＳ５４は、オフアクシス参照光Ｒに関係する光学系を変更しない限り、１回のみ実行すればよい。また、ステップＳ２およびＳ４の処理は、再生像の正確さを向上させるためのものであり、要求される正確さによっては、ステップＳ２およびＳ４の処理を省略してもよい。
　続いて、照明光プロファイルを取得する処理が実行される。より具体的には、図９（Ｂ）に示す光学系が構成される（ステップＳ５６）。このとき、サンプルＳは配置されず、サンプルＳが配置される位置（サンプル位置）には、基準参照面が配置される。この状態が測定のリファレンスに相当する。
　続いて、可動ミラーＭＭを駆動して複数の照明角度のいずれかの照明角度に設定する（ステップＳ５８）。そして、光源１０からコヒーレント光を発生させて、処理装置１００は、イメージセンサＤに記録される照明光ホログラムＱｉ（ｘ，ｙ）（第２のホログラム）を取得する（ステップＳ６０）。
　処理装置１００は、照明光ホログラムＱｉ（ｘ，ｙ）から照明光プロファイルＱΣｉ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ６２）。
　ステップＳ５８～Ｓ６２の処理は、予め定められた照明角度の数（Ｎ）だけ繰り返される（１≦ｉ≦Ｎ）。
　次に、サンプルＳの振幅位相分布を取得する処理が実行される。より具体的には、サンプルＳが図９（Ｂ）に示す光学系の本来の位置に配置される（ステップＳ６４）。続いて、可動ミラーＭＭを駆動して複数の照明角度のいずれかの照明角度に設定する（ステップＳ６６）。そして、光源１０からコヒーレント光を発生させて、処理装置１００は、イメージセンサＤに記録される物体光ホログラムＵｉ（ｘ，ｙ）を取得する（ステップＳ６８）。
　続いて、処理装置１００は、物体光ホログラムＵｉ（ｘ，ｙ）から再生用物体光ホログラムＵΣｉ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ７０）。そして、処理装置１００は、再生用物体光ホログラムＵΣｉ（ｘ，ｙ）および対応する照明光プロファイルＱΣｉ（ｘ，ｙ）を平面波展開によってサンプル面の位置まで伝搬させて、サンプル面における、物体光分布ＵＳｉ（ｘ，ｙ）および照明光分布ＱＳｉ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ７２）。さらに、処理装置１００は、物体光分布ＵＳｉ（ｘ，ｙ）を対応する照明光分布ＱＳｉ（ｘ，ｙ）で除算して、サンプル面における振幅位相分布ＵＰｉ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ７４）。
　ステップＳ６６～Ｓ７４の処理は、予め定められた照明角度の数（Ｎ）だけ繰り返される（１≦ｉ≦Ｎ）。
　次に、処理装置１００は、サンプルＳの表面形状を算出する。より具体的には、処理装置１００は、振幅位相分布ＵＰｉ（ｘ，ｙ）を複素数のまま積算することで、合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ７６）。
　続いて、処理装置１００は、サンプル面における合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）の偏角から位相変化量Δθ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ７８）。そして、処理装置１００は、位相変化量Δθ（ｘ，ｙ）を用いて、サンプルＳの高さｈ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ８０）。サンプルＳの高さｈの算出には、上述の（２２）式に示す関係式が用いられる。
　最終的に、処理装置１００は、サンプル面の各座標における厚さΔｄ（ｘ，ｙ）を集合させて、サンプルＳの形状プロファイルを算出する（ステップＳ８２）。
　以上のような処理によって、サンプルＳの表面形状を算出できる。
　（ｃ４：サンプルの内部構造の測定）
　サンプルＳの内部構造の測定には、照明光Ｑとして近赤外線を用いることが好ましい。照明光Ｑとして近赤外線を用いることで、サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる物体光ホログラムＵは、サンプルＳの内部構造を示す。サンプルＳに対して任意の位置（記録面から任意の距離だけ離れた位置）にサンプル面を設定することで、サンプルＳの内部構造を測定できる。
　図１１は、実施の形態２に従う光学測定システム２を用いた内部構造の測定方法の処理手順を示すフローチャートである。図１１に示す処理手順は、光源１０として近赤外光源が用いられてもよい。
　図１１のフローチャートに示す手順は、図１０に示すフローチャートに示すステップＳ７８～Ｓ８２の処理に代えて、合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）の強度分布および／または位相分布を画像化する処理（ステップＳ８４）を採用したものである。
　すなわち、処理装置１００は、振幅位相分布ＵＰｉ（ｘ，ｙ）を複素数のまま積算することで、合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）を算出し（ステップＳ７６）、算出した合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）を画像化することで、サンプルＳの内部構造を可視化する。
　＜Ｄ．処理装置１００＞
　（ｄ１：ハードウェア構成例）
　図１２は、本実施の形態に従う光学測定システムに含まれる処理装置１００のハードウェア構成例を示す模式図である。図１２を参照して、処理装置１００は、主要なハードウェア要素として、プロセッサ１０２と、主メモリ１０４と、入力部１０６と、表示部１０８と、ストレージ１１０と、インターフェイス１２０と、ネットワークインターフェイス１２２と、メディアドライブ１２４とを含む。
　プロセッサ１０２は、典型的には、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）やＧＰＵ（Graphics　Processing　Unit）などの演算処理部であり、ストレージ１１０に格納されている１または複数のプログラムを主メモリ１０４に読み出して実行する。主メモリ１０４は、ＤＲＡＭ（Dynamic　Random　Access　Memory）またはＳＲＡＭ（Static　Random　Access　Memory）といった揮発性メモリであり、プロセッサ１０２がプログラムを実行するためのワーキングメモリとして機能する。
　入力部１０６は、キーボードやマウスなどを含み、ユーザからの操作を受け付ける。表示部１０８は、プロセッサ１０２によるプログラムの実行結果などをユーザへ出力する。
　ストレージ１１０は、ハードディスクやフラッシュメモリなどの不揮発性メモリからなり、各種プログラムやデータを格納する。より具体的には、ストレージ１１０は、オペレーティングシステム１１２（ＯＳ：Operating　System）と、測定プログラム１１４と、ホログラムデータ１１６と、測定結果１１８とを保持する。
　オペレーティングシステム１１２は、プロセッサ１０２がプログラムを実行する環境を提供する。測定プログラム１１４は、プロセッサ１０２によって実行されることで、本実施の形態に従う光学測定方法などを実現する。ホログラムデータ１１６は、イメージセンサＤから出力されるイメージデータに相当する。測定結果１１８は、測定プログラム１１４の実行によって得られる測定結果を含む。
　インターフェイス１２０は、処理装置１００とイメージセンサＤとの間でのデータ伝送を仲介する。ネットワークインターフェイス１２２は、処理装置１００と外部のサーバ装置との間でのデータ伝送を仲介する。
　メディアドライブ１２４は、プロセッサ１０２で実行されるプログラムなどを格納した記録媒体１２６（例えば、光学ディスクなど）から必要なデータを読出して、ストレージ１１０に格納する。なお、処理装置１００において実行される測定プログラム１１４などは、記録媒体１２６などを介してインストールされてもよいし、ネットワークインターフェイス１２２などを介してサーバ装置からダウンロードされてもよい。
　測定プログラム１１４は、オペレーティングシステム１１２の一部として提供されるプログラムモジュールのうち、必要なモジュールを所定の配列で所定のタイミングで呼び出して処理を実行させるものであってもよい。そのような場合、当該モジュールを含まない測定プログラム１１４についても本発明の技術的範囲に含まれる。測定プログラム１１４は、他のプログラムの一部に組み込まれて提供されるものであってもよい。
　なお、処理装置１００のプロセッサ１０２がプログラムを実行することで提供される機能の全部または一部をハードワイヤードロジック回路（例えば、ＦＰＧＡ（Field-Programmable　Gate　Array）やＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）など）によって実現してもよい。
　処理装置１００のハードウェア構成例については、他の実施の形態においても同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
　（ｄ２：機能構成例）
　図１３は、本実施の形態に従う光学測定システムに含まれる処理装置１００の機能構成例を示す模式図である。図１３に示す各機能要素は、典型的には、処理装置１００のプロセッサ１０２が測定プログラム１１４を実行することで実現されてもよい。なお、図１３に示す機能構成を実現するハードウェアは各時代に応じて適切なものが選択される。
　図１３を参照して、処理装置１００は、主要な機能要素として、オフアクシスホログラム取得モジュール１５０と、照明光ホログラム取得モジュール１５２と、物体光ホログラム取得モジュール１５４と、ホログラム再生モジュール１５６と、振幅位相分布算出モジュール１５８と、積算モジュール１６０と、物体光位相算出モジュール１６２と、物体形状算出モジュール１６４と、画像化モジュール１６６と、照明角度制御モジュール１６８とを含む。
　オフアクシスホログラム取得モジュール１５０は、インライン参照光を記録する場合の光学系が構成された状態で、イメージセンサＤに記録されるホログラムをオフアクシスホログラムＩＬＲとして記録する。
　照明光ホログラム取得モジュール１５２は、物体光を記録する場合の光学系が構成された状態で、イメージセンサＤに記録される照明光ホログラムＱｉ（ｘ，ｙ）を取得する。
　物体光ホログラム取得モジュール１５４は、物体光を記録する場合の光学系が構成された状態で、イメージセンサＤに記録される物体光ホログラムＵｉ（ｘ，ｙ）を取得する。
　照明光ホログラム取得モジュール１５２および物体光ホログラム取得モジュール１５４は、いずれもイメージセンサＤの検出信号を記録できるように構成されており、手動または自動で設定される状態信号に応じて、いずれか一方が有効化される。
　ホログラム再生モジュール１５６は、照明光ホログラム取得モジュール１５２が取得した照明光ホログラムＱｉ（ｘ，ｙ）から再生用照明光ホログラム（照明光プロファイルＱΣｉ（ｘ，ｙ））を算出するとともに、物体光ホログラム取得モジュール１５４が取得した物体光ホログラムＵｉ（ｘ，ｙ）から再生用物体光ホログラムＵΣｉ（ｘ，ｙ）を算出する。
　ホログラム再生モジュール１５６は、照明光プロファイルＱΣｉ（ｘ，ｙ）および再生用物体光ホログラムＵΣｉ（ｘ，ｙ）を平面波展開によってサンプル面の位置まで伝搬させて、サンプル面における照明光分布ＱＳｉ（ｘ，ｙ）および物体光分布ＵＳｉ（ｘ，ｙ）を算出する。
　振幅位相分布算出モジュール１５８は、物体光分布ＵＳｉ（ｘ，ｙ）を対応する照明光分布ＱＳｉ（ｘ，ｙ）で除算して、サンプル面における振幅位相分布ＵＰｉ（ｘ，ｙ）を算出する。
　積算モジュール１６０は、振幅位相分布ＵＰｉを複素数のまま積算することで、合成振幅位相分布ＵＳＡを算出する。
　物体光位相算出モジュール１６２は、合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）の偏角から位相変化量Δθ（ｘ，ｙ）を算出する。
　物体形状算出モジュール１６４は、位相変化量Δθ（ｘ，ｙ）を用いて、サンプルＳの表面形状を特定する情報（厚さや屈折率など）を算出する。物体形状算出モジュール１６４は、算出結果をサンプルＳの形状情報として出力する。
　画像化モジュール１６６は、合成振幅位相分布ＵＳＡ（ｘ，ｙ）の強度分布および／または位相分布を画像化する。
　照明角度制御モジュール１６８は、設定に従って、可動ミラーＭＭが実現すべき照明角度の種類および数を決定する。照明角度制御モジュール１６８は、ホログラム再生モジュール１５６などと連係して、目的の照明角度が実現できるように、可動ミラーＭＭを駆動する。
　（ｄ３：ユーザインターフェイス）
　次に、本実施の形態に従う光学測定システムが実現する照明角度の設定に係るユーザインターフェイスの一例について説明する。
　図１４は、本実施の形態に従う光学測定システムにおいて提供されるユーザインターフェイス画面の一例を示す模式図である。図１４に示すユーザインターフェイス画面１７０は、典型的には、処理装置１００の表示部１０８上に表示される。すなわち、処理装置１００は、照明光Ｑ（第１の光）で照明する形態の数の設定を受け付けるユーザインターフェイス画面１７０を提供する。
　ユーザインターフェイス画面１７０は、照明角度の数を入力する入力欄１７２と、ＳＮ比の向上の度合いを示す表示欄１７４と、測定に要する時間を示す表示欄１７６とを含む。
　入力欄１７２には、変化させる照明角度の数（上述のｉ通り）の設定を受け付ける。処理装置１００は、設定された照明角度の数に基づいて、ＳＮ比の向上の度合いを算出して、表示欄１７４に表示するとともに、測定に要する時間を算出して、表示欄１７６に表示する。
　ユーザは、ユーザインターフェイス画面１７０に表示される、測定結果の品質（ＳＮ比）および許容されるタクトタイムなどを考慮して、照明角度の数を設定する。なお、要求される品質および許容されるタクトタイムなどを入力すると、適切な照明角度の数をサジェストするようにしてもよい。
　図１４に示すようなユーザインターフェイス画面１７０を介して、照明角度の数が設定されてもよい。
　＜Ｅ．測定例＞
　次に、本実施の形態に従う光学測定システムによる測定例を示す。
　図１５は、本実施の形態に従う光学測定システムによる表面形状の測定例を示す図である。図１５には、図９に示す反射型光学系を採用する光学測定システム２を用いて記録したＵＳＡＦ　１９５１テストターゲット表面（サンプル面）の振幅位相分布の例を示す。光源１０としては、５３２ｎｍにピーク波長をもつ可視光源を用いた。
　図１５（Ａ）および図１５（Ｃ）には、振幅位相分布の強度分布を示し、図１５（Ｂ）および図１５（Ｄ）には、振幅位相分布の位相分布を示す。
　図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）には、照明光の照明角度を単一にして記録した振幅位相分布ＵＰ１を示す。一方、図１５（Ｃ）および図１５（Ｄ）には、照明光の照明角度を５００種類に変化させて記録した振幅位相分布（合成振幅位相分布ＵＳＡ）を示す。すなわち、図１５（Ｃ）および図１５（Ｄ）には、上述したような振幅位相分布ＵＰｉ（ｉ＝５００）を複素数のまま積算することで算出された合成振幅位相分布ＵＳＡの例を示す。
　図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示す測定例においては、照明光に含まれる回折光の影響を受けて、再生した像が劣化していることが分かる。特に、図１５（Ｂ）に位相分布においては、テストターゲットに含まれるパターンの形状が不明瞭になっている。
　これに対して、複数の振幅位相分布ＵＰｉを複素数のまま積算することで、照明光に含まれる回折光の影響を抑制でき、パターンの形状のみならず、テストターゲット表面に付着した汚れも含めて明瞭に可視化されていることが分かる。
　図１６は、本実施の形態に従う光学測定システムによる内部構造状の測定例を示す図である。図１６には、図１に示す反射型光学系を採用する光学測定システム１を用いて記録したシリコンウェーハ表面から６００μｍに設定したサンプル面の振幅位相分布の例を示す。光源１０としては、１０３０ｎｍにピーク波長をもつ近赤外光源を用いた。なお、サンプル面には、内部クラックが存在している。
　図１６（Ａ）には、照明光の照明角度を単一にして記録した振幅位相分布ＵＰ１の位相分布を示す。一方、図１６（Ｂ）には、照明光の照明角度を３２種類に変化させて記録した振幅位相分布（合成振幅位相分布ＵＳＡ）の位相分布を示す。すなわち、図１６（Ｂ）には、上述したような振幅位相分布ＵＰｉ（ｉ＝３２）を複素数のまま積算することで算出された合成振幅位相分布ＵＳＡの例を示す。
　図１６（Ａ）に示す測定例においては、照明光に含まれる回折光によるスペクトルノイズの影響を受けて再生した像が劣化していることが分かる。これに対して、図１６（Ｂ）に示すように、複数の振幅位相分布ＵＰｉを複素数のまま積算することで、照明光に含まれる回折光によるスペクトルノイズの影響を抑制でき、クラックの存在が明瞭に可視化されるだけではなく、クラックの形状も明瞭に可視化されていることが分かる。
　図１５および図１６に示すように、複数の振幅位相分布ＵＰｉを複素数のまま積算して合成振幅位相分布ＵＳＡを算出することで、ノイズを低減して、再生される像の品質を向上できる。
　＜Ｆ．複合構成＞
　サンプルＳとしてシリコンウェーハを想定した場合において、表面形状および内部構造の両方を測定するためには、反射型の光学測定システム２（図９（Ｂ）参照）と透過型の光学測定システム１（図１（Ｂ）参照）とを組み合わせた複合構成を採用することができる。
　図１７は、本実施の形態に従う光学測定システムの複合構成の一例を示す模式図である。図１７を参照して、本実施の形態に従う光学測定システムは、サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる透過光から物体光ホログラム（第１のホログラム）を生成する第１の構成（図１７（Ｂ）参照）と、サンプルＳを照明光Ｑで照明して得られる反射光から物体光ホログラム（第１のホログラム）を生成する第２の構成（図１７（Ａ）参照）との間で変更可能になっている。
　図１７（Ａ）を参照して、可視光は、シリコンウェーハを透過しないので、反射型の光学測定システム２に光源１０として可視光源を用いて、表面形状を測定する。すなわち、処理装置１００は、可視光を発生する可視光源と図１７（Ａ）とを組み合わせたときに記録される物体光ホログラムに基づいてサンプルＳの表面形状を測定する。
　図１７（Ｂ）を参照して、近赤外線は、シリコンウェーハを透過するので、透過型の光学測定システム１に光源１０として近赤外光源を用いて、内部構造を測定する。すなわち、処理装置１００は、近赤外線を発生する近赤外光源と図１７（Ｂ）とを組み合わせたときに記録される物体光ホログラムに基づいてサンプルＳの内部構造を測定する。
　図１７に示すように、反射型の光学測定システム２および透過型の光学測定システム１を用いて、シリコンウェーハの表面形状および内部構造を測定できる。
　＜Ｇ．他の実施の形態＞
　上述したように、オフアクシスホログラムＩＬＲを取得する処理（図７および図８のステップＳ２およびＳ４の処理、ならびに、図１０および図１１のステップＳ５２およびＳ５４の処理）は、再生像の正確さを向上させるためのものであり、相対的に高い正確さが要求されない場合には、省略してもよい。
　オフアクシスホログラムＩＬＲを取得しない場合には、上述の（８）式に従う算出処理は行われず、（７）式に示される複素振幅オフアクシスホログラムＪＯＲをそのまま物体光ホログラムＵ（ｘ，ｙ）とすればよい。
　あるいは、（７）式に示される複素振幅オフアクシスホログラムＪＯＲをオフアクシス参照光Ｒの成分（＝Ｒ０ｅｘｐ（ｉφＲ））を除去した上で、物体光ホログラムＵ（ｘ，ｙ）としてもよい。オフアクシス参照光Ｒを除去する場合には、（７）式に示される複素振幅オフアクシスホログラムＪＯＲをオフアクシス参照光Ｒの複素共役で除算すればよい。オフアクシス参照光Ｒの分布は、オフアクシス参照光Ｒの点光源の物理的配置に基づいて、球面波の解析解から計算する等の方法で求められる。
　なお、オフアクシスホログラムＩＬＲを取得しない場合には、上述の（８）式に加えて、（４）式、（６）式、（９）式は使用されない。
　＜Ｈ．変形例＞
　上述した光学系は一例であり、要求される仕様やスペースなどの制約に応じて、光学的に等価な任意の変更を行なうことができる。例えば、単一のレンズを組レンズに変更してもよいし、ミラーに代えて任意の反射部材を用いることができる。
　また、上述の説明においては、処理装置１００がサンプルＳの表面形状および／または内部構造に測定に係る演算処理を実行する実装例について例示したが、これに限らず任意の実装形態を採用できる。例えば、処理装置１００が担当する処理の一部または全部をクラウド上のコンピューティングリソースを用いるようにしてもよい。
　また、上述の説明においては、シリコンウェーハなどのサンプルＳを測定する場合について主として説明したが、測定対象のサンプルＳは限定されることはない。すなわち、ＳＮ比の向上が要求される任意のサンプルＳの測定に対して、上述したような、振幅位相分布ＵＰｉを複素数のまま積算することで合成振幅位相分布ＵＳＡを算出する処理を適用できる。
　＜Ｉ．まとめ＞
　本実施の形態に従う光学測定システムは、サンプルの種類および測定目的に応じて、サンプルを照明する光を近赤外線および可視光から選択できる。なお、シリコンベースのイメージセンサＤを採用することで、可視光に加えて近赤外線にも受光感度を有しているため、交換などは不要である。このような光源およびイメージセンサの組み合わせを採用することで、シリコンウェーハなどのサンプルについて、表面形状および内部構造を測定できる。
　本実施の形態に従う光学測定システムは、物体光の位相情報を用いて、サンプルの表面形状および内部構造を測定するので、奥行き分解能（ｚ軸上の分解能）が焦点深度に制限されることがなく、ｎｍオーダでサンプルを測定できる。このとき、媒質の屈折率を考慮した回折計算により、サンプルの内部構造を高分解能で観察できる。その結果、サンプル内のｎｍオーダの欠陥を検出することもできる。
　本実施の形態に従う光学測定システムは、デジタルホログラフィによって得られる光波分布から任意の距離にある像を再生できるので、垂直走査機構などが不要となる。
　本実施の形態に従う光学測定システムは、照明光で照明する形態（照明角度）毎に算出された振幅位相分布を複素数のまま積算することで合成振幅位相分布を算出する。照明光で照明する形態（照明角度）を異ならせつつ、振幅位相分布を複素数のまま積算することで、ノイズを低減してＳＮ比を向上できる。
　本実施の形態に従う光学測定装置においては、サンプルを照明光で照明する範囲を所定範囲に制限することで、物体光の情報を含む成分と、光強度成分および共役光成分との間で、フーリエ空間（空間周波数領域）における重複を回避できる。この結果、成分間の重複によるノイズを抑制でき、より高精度な測定を実現できる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１，２　光学測定システム、１０　光源、２０　結像光学系、３０，３２　測定用光学系、１００　処理装置、１０２　プロセッサ、１０４　主メモリ、１０６　入力部、１０８　表示部、１１０　ストレージ、１１２　オペレーティングシステム、１１４　測定プログラム、１１６　ホログラムデータ、１１８　測定結果、１２０　インターフェイス、１２２　ネットワークインターフェイス、１２４　メディアドライブ、１２６　記録媒体、１５０　オフアクシスホログラム取得モジュール、１５２　照明光ホログラム取得モジュール、１５４　物体光ホログラム取得モジュール、１５６　ホログラム再生モジュール、１５８　振幅位相分布算出モジュール、１６０　積算モジュール、１６２　物体光位相算出モジュール、１６４　物体形状算出モジュール、１６６　画像化モジュール、１６８　照明角度制御モジュール、１７０　ユーザインターフェイス画面、１７２　入力欄、１７４，１７６　表示欄、Ａ１，Ａ２　マスク、ＢＥ　ビームエキスパンダ、ＢＳ１，ＢＳ２　ビームスプリッタ、Ｄ　イメージセンサ、Ｌ　インライン参照光、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ３１，Ｌ３２　レンズ、Ｍ１　ミラー、ＭＯ　対物レンズ、Ｐ　ピンホール、Ｓ　サンプル、ＳＰ１，ＳＰ２　開口パターン。

Claims (13)

  1. 　近赤外線を発生する第１の光源と、
    　シリコンベースのイメージセンサと、
    　前記第１の光源からの光を第１の光および第２の光に分岐するビームスプリッタを含む光学系とを備え、
    　前記光学系は、サンプルを前記第１の光で照明して得られる光を、発散光である前記第２の光で変調した第１のホログラムを前記イメージセンサで記録するように構成されている、光学測定システム。
  2. 　前記光学系は、前記サンプルを前記第１の光で照明して得られる透過光から前記第１のホログラムを生成し、
    　前記光学系において、前記サンプルに代えて、前記サンプルに含まれる測定対象外である基板を前記第１の光で照明して得られる透過光から第２のホログラムが記録される、請求項１に記載の光学測定システム。
  3. 　前記光学系は、前記サンプルを前記第１の光で照明して得られる反射光から前記第１のホログラムを生成し、
    　前記光学系において、前記サンプルに代えて、基準参照面を前記第１の光で照明して得られる反射光から第２のホログラムが記録される、請求項１に記載の光学測定システム。
  4. 　前記光学測定システムは、
    　　可視光を発生する第２の光源と、
    　　処理装置とをさらに備え、
    　前記光学系は、前記サンプルを前記第１の光で照明して得られる透過光から前記第１のホログラムを生成する第１の構成と、前記サンプルを前記第１の光で照明して得られる反射光から前記第１のホログラムを生成する第２の構成との間で変更可能であり、
    　前記処理装置は、
    　　前記第１の光源と前記光学系の前記第１の構成とを組み合わせたときに記録される前記第１のホログラムに基づいて前記サンプルの内部構造を測定し、
    　　前記第２の光源と前記光学系の前記第２の構成とを組み合わせたときに記録される前記第１のホログラムに基づいて前記サンプルの表面形状を測定するように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学測定システム。
  5. 　前記光学系は、オフアクシスホログラフィの光学系である、請求項１～４のいずれか１項に記載の光学測定システム。
  6. 　前記光学系は、前記イメージセンサで記録されるホログラムの空間周波数領域において、前記第１の光に対応する成分と前記第１の光に対応する成分以外の成分とが重複しないように、前記サンプルを前記第１の光で照明する範囲の大きさを制限する制限部を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の光学測定システム。
  7. 　近赤外線を発生する第１の光源からの光を第１の光および第２の光に分岐するビームスプリッタを含む光学系を用いた光学測定方法であって、
    　サンプルを前記第１の光で照明して得られる光を、発散光である前記第２の光で変調した第１のホログラムをシリコンベースのイメージセンサで記録するステップと、
    　前記サンプルが存在しない状態で、前記第１の光を前記第２の光で変調した第２のホログラムを前記イメージセンサで記録するステップとを備える、光学測定方法。
  8. 　光源と、
    　前記光源からの光を第１の光および第２の光に分岐するビームスプリッタを含む光学系と、
    　前記光学系により生成されるホログラムを記録するイメージセンサと、
    　サンプルを前記第１の光で照明して得られる光を、前記第２の光で変調した第１のホログラムと、前記サンプルが存在しない状態で、前記第１の光を前記第２の光で変調した第２のホログラムとに基づいて、前記サンプルの注目している面であるサンプル面における振幅位相分布を算出する処理装置とを備え、
    　前記光学系は、前記第１の光で照明する形態を変化させる機構を含み、
    　前記処理装置は、前記第１の光で照明する形態毎に算出された振幅位相分布を複素数のまま積算することで合成振幅位相分布を算出するように構成されている、光学測定システム。
  9. 　前記機構は、前記第１の光を照明する角度を変化させる、請求項８に記載の光学測定システム。
  10. 　前記機構は、前記第１の光の入射角度を一定としつつ、方位角を変化させる、請求項９に記載の光学測定システム。
  11. 　前記光学系は、前記イメージセンサで記録されるホログラムの空間周波数領域において、前記第１の光に対応する成分と前記第１の光に対応する成分以外の成分とが重複しないように、前記サンプルを前記第１の光で照明する範囲の大きさを制限する制限部を含む、請求項８～１０のいずれか１項に記載の光学測定システム。
  12. 　前記処理装置は、前記第１の光で照明する形態の数の設定を受け付けるユーザインターフェイス画面を提供する、請求項８～１１のいずれか１項に記載の光学測定システム。
  13. 　光源からの光を第１の光および第２の光に分岐するビームスプリッタを含む光学系を用いた光学測定方法であって、
    　サンプルを前記第１の光で照明して得られる光を、前記第２の光で変調した第１のホログラムをイメージセンサで記録するステップと、
    　前記サンプルが存在しない状態で、前記第１の光を前記第２の光で変調した第２のホログラムをイメージセンサで記録するステップと、
    　前記第１の光で照明する形態を変化させるステップと、
    　前記第１の光で照明する形態毎に、前記第１のホログラムと前記第２のホログラムとに基づいて、前記サンプルの注目している面であるサンプル面における振幅位相分布を算出するステップと、
    　前記第１の光で照明する形態のそれぞれについて算出された前記振幅位相分布を複素数のまま積算することで合成振幅位相分布を算出するステップとを備える、光学測定方法。
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