(57)【要約】【課題】  光の透過率が高いハーフミラーを提供する。また、Ｎ／Ｓを改善して光学薄膜や半導体等の薄膜の膜厚あるいは複素屈折率を測定できる分光測定装置を提供する。【解決手段】  反射部分と透過部分とを光軸を対称として形成し、反射部分で反射された光束が透過部分を透過するようにし、反射光と透過光とがほぼ半分の比率になるようにする。このハーフミラーを顕微分光測定装置のハーフミラーとして用い、照射光学系から投影された光束のほぼ半分が反射あるいは透過して測定試料に照射され、測定試料に投射された光束の反射光のほぼ半分がハーフミラーを透過あるいは反射して測定系に導入される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射部分と透過部分とが光軸を点対称として形成され、前記反射部分および前記透過部分は、それぞれ奇数個であるハーフミラー。
【請求項２】
照射光または透過光に対して４５度に傾斜したときに照射光束または透過光束に対して光軸の周辺部分を輪状に反射するほぼ楕円状の反射部分が形成された請求項１記載のハーフミラー。
【請求項３】
金属の打ち抜きで形成された請求項１または２記載のハーフミラー。
【請求項４】
照明用光源と、この照明用光源からの光を反射するハーフミラーとを備えた照明光学系と、この照明光学系からの光束を測定試料に投影する対物光学系と、測定試料に投影された光束の反射光を受光する受光面に結像する結像光学系とを備え、所定の入射角度に対する反射光の分光反射率を測定する顕微分光測定装置において、
前記ハーフミラーとして、反射部分と透過部分とが光軸を点対称として形成され、前記反射部分および透過部分はそれぞれ奇数個であるハーフミラーを用いる
ことを特徴とする顕微分光測定装置。
【請求項５】
前記ハーフミラーを測定試料に投影する対物出射瞳の近傍におく請求項４記載の顕微分光測定装置。
【請求項６】
前記測定試料からの反射光を複数に分割し、前記分割光の一つの光路に前記結像光学系の受光面がくるように設けられた光束分割手段と、前記分割光の他の一つの光路上に設けられた観測光学系とを備えた請求項４または５記載の顕微分光測定装置。
【請求項７】
対物光学系と照明光学系と結像光学系とは無限遠光学系を形成する請求項４なしい６のいずれか記載の顕微分光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学測定系で使用され、照射光と反射光とをほぼ５０％の割合で反射透過するハーフミラーに関する。本発明のハーフミラーは、光学薄膜あるいは半導体等の薄膜の反射率や膜厚あるいは複素屈折率等を測定するために用いられる顕微分光測定装置に使用できる。
【背景技術】
【０００２】
顕微分光測定装置の照明光学系には、反射率と透過率とを５０％対５０％とするハーフミラーを用いている。このハーフミラーは、蒸着などによるコーティングにより、反射光と透過光とが５０％対５０％となるように半透明膜を形成している。
【０００３】
このようなハーフミラーは、顕微分光測定装置では、光源からの照明光をレンズを通してハーフミラーに照射し、ハーフミラーによってその光の約５０％（吸収がない場合）を反射（または透過）し、計測光として、対物レンズ系を通して測定試料面の所定の領域に照射する。測定試料面から反射した反射光は、信号光として再び対物レンズ系を通してハーフミラーに戻り、ハーフミラーによって反射（または透過）した信号光の約５０％（吸収がない場合）を結像光学系により、測定試料面からの計測光が受光面に結像する。
【０００４】
以下の特許文献１、２は、従来のハーフミラーを用いて薄膜の膜厚あるいは複素屈折率を測定する顕微分光測定装置について説明している。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３４０８６９号公報
【特許文献２】特開平１０−１１１２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のハーフミラーを用いた顕微分光測定装置では、測定試料面から反射した信号光を再び対物レンズ系を通してハーフミラーに戻すときに、ハーフミラーによって反射（または透過）した信号光の約５０％（吸収がない場合）が透過（あるいは反射）するので、測定試料面から得る貴重な信号光の半分以上をロスしていた。特に、測定試料面の反射率が低い場合には信号光がもともと弱く、ハーフミラーでさらに半分以上ロスするので、Ｎ／Ｓが劣化し、正確な反射率の測定が難しい問題がある。
【０００７】
半導体は微細化に応じてその膜厚はさらに薄くなる傾向が続いており、短波長での反射率の測定の需要が増加している。しかし、照明用の光源は短波長での光量が少なく、また短波長での吸収がない蒸着材がない現状では、短波長光ではハーフミラーによる反射光と透過光の吸収が大きいので、短波長での顕微分光測定が困難な問題がある。また、従来のハーフミラーは透明なガラス基板などに半透明膜をコーティングして製造しているため、高価である。またハーフミラーの基板となるガラス素材も短波長光の吸収が大きいので短波長での計測には向かない問題がある。
【０００８】
薄膜の表面の反射率を測定することは一般に不透明な基板上で行われている。これは、薄い透明板では、表面反射と裏面反射との分離が難しいので、反射率の測定が困難なためである。従来、光学ガラス上の薄膜の反射率測定の場合では試料を十分に厚くし、裏面を粗面にした上、黒色塗料等を塗布していたが、膜厚が薄くなり、かつ短波長での測定が求められる現状では容易にその反射率の測定をすることができない。
【０００９】
本発明は、上述の問題を解決するもので、短波長での薄膜測定を可能とするハーフミラーを提供することを目的とする。また、測定系に採り入れられる信号光の比率を多くし、Ｎ／Ｓを改善することができるハーフミラーを提供することを目的とする。また、簡単な構成で、反射部分となる金属膜の打ち抜きのみでハーフミラーを作成でき、安価の構成でかつ短波長あるいは長波長での使用も可能なハーフミラーを提供することを目的とする。さらに、顕微分光測定装置に用いることで、薄い膜厚の測定試料の膜厚、反射率、複素屈折率の測定を可能とするハーフミラーを提供することを目的とする。本発明は、短波長あるいは長波長の光を用いて光学薄膜の膜厚、反射率、複素屈折率の測定が可能な分光顕微測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、反射部分で反射された（あるいは透過部分を透過した）測定光が対物レンズ系により、測定試料面に入射し、測定試料面で反射した反射光の光束は、光軸に対して入射光の光束とは対称の経路を通ることに着目し、ハーフミラーの反射部分と透過部分とを光軸に対称の位置に形成する。これにより照明光源からの照明光はハーフミラーの反射部分で反射（あるいは透過部分を透過）して測定試料面に入射し、測定試料面で反射した信号光は、こんどは反射部分とは光軸で対称の位置にあるハーフミラーの透過部分を透過して（あるいは透過部分と対称の位置にある反射部分で反射して）、結像光学系に入射して受光面で受光される。
【００１１】
反射部分と透過部分とは面積比において５０％対５０％とし、光軸と対称の位置に形成されているので、照明光はほぼ５０％が反射（または透過）されて対物レンズ系を通って測定試料面に入射し、測定試料面から反射される信号光の光束は対物レンズ系を通って光軸と対称な光路でハーフミラーの透過部分（または反射部分）に入射されることになるので、透過部分を透過して（または反射部分で反射して）ロスがなく測定系である結像光学系に入射することができる。
【００１２】
ハーフミラーの基板として透過率のよい石英板を用い、透過部分に紫外光の反射防止膜を形成すれば紫外光の吸収を少なくすることができるので、より、短波長での測定が可能である。また、基板に反射膜をコーティングするのではなく、反射部分を金属板とし、透過部分を金属板の打ち抜き部分とすれば、ハーフミラーをガラス基板にコーティングを施して作成するのではなく、単に機械的な金属板の加工のみで作成することもできる。使用する波長に対応する反射金属膜が表面に形成された金属板を用いることで可視光外の短波長あるいは長波長での使用も可能である。
【００１３】
さらに、ハーフミラーの光軸周りに測定試料面からの反射光が透過しない反射部分を輪状に形成しておくと、光軸周りのある出射角度以下の信号光を遮断するので、測定試料の裏面からの反射と表面からの反射とを分離することができるため、Ｎ／Ｓが向上し、計測精度を高めることができる。
【００１４】
または、顕微分光測定装置では、照射光学系、対物レンズ系はそれぞれ無限遠光学系となっていると、ハーフミラーを対物レンズ系の出射瞳の近傍にいれることで、測定試料面からの反射光束をハーフミラーでのロスを少なくして結像光学系を導くことができる。
【００１５】
すなわち、本発明の第一の観点は、ハーフミラーであり、反射部分と透過部分とが光軸を点対称として形成され、前記反射部分および前記透過部分は、それぞれ奇数個であることを特徴とする。また、照射光または透過光に対して４５度に傾斜したときに照射光束または透過光束に対して光軸の周辺部分を輪状に反射するほぼ楕円状の反射部分が形成されたことが好ましい。さらに、金属の打ち抜きで形成されたことが好ましい。
【００１６】
また、本発明の第二の観点は、第一の観点のハーフミラーを用いた顕微分光測定装置であり、照明用光源と、この照明用光源からの光を反射するハーフミラーとを備えた照明光学系と、この照明光学系からの光束を測定試料に投影する対物光学系と、測定試料に投影された光束の反射光を受光する受光面に結像する結像光学系とを備え、所定の入射角度に対する反射光の分光反射率を測定する顕微分光測定装置において、前記ハーフミラーとして、反射部分と透過部分とが光軸を点対称として形成され、前記反射部分および透過部分は、それぞれ奇数個であるハーフミラーを用いることを特徴とする。
【００１７】
なお、前記ハーフミラーを測定試料に投影する対物出射瞳の近傍におくことが好ましい。
【００１８】
また、前記測定試料からの反射光を複数に分割し、前記分割光の一つの光路に前記結像光学系の受光面がくるように設けられた光束分割手段と、前記分割光の他の一つの光路上に設けられた観測光学系とを備えることができる。
【００１９】
さらに、対物光学系と照明光学系と結像光学系とは無限遠光学系を形成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、上述の構成により、ハーフミラーを透過（あるいは反射）する信号光の比率が大きくなるため、Ｎ／Ｓが向上し、顕微分光測定などの測定精度が向上する。また、ハーフミラーでの短波長光の吸収が少ないため、短波長の光を用いた測定が可能となり、薄膜の膜厚、反射率、複素屈折率の測定が容易となる。また、透明基板を用いることなく、透過部分を金属の打ち抜きとしたハーフミラーを製作でき、安価なハーフミラーを提供できる。さらに、測定に用いる波長に対応したハーフミラーを容易に提供できる。
【００２１】
また、光軸周辺の信号光が反射されるため測定試料面からのある角度以下の信号光を遮断することができるため、測定試料の裏面からの反射と表面からの反射とを分離することができ、計測精度を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２３】
（第一実施例）
図１（ａ）は、本発明第一実施例のハーフミラーの構成を示すものであり、図１はハーフミラーの表面を示したものである。
【００２４】
ここで、３Ｒは、アルミ反射膜を蒸着した反射膜部分であり、３Ｔは、光が透過する部分を示す。この透過部分３Ｔには、反射防止膜（ＡＲ膜）をコーティングしてもよいし、またコーティングを施さなくてもよい。また３ＣＲは、光軸の周辺に施された反射膜部分である。
【００２５】
反射膜部分３Ｒと、透過部分３Ｔは、光軸と対称に形成されており、光軸を中心点とした扇状でそれぞれ３個ずつ形成され、光軸を対称点としてそれぞれ反射膜部分と透過部分とが配置される。また反射膜部分３Ｒと透過部分３Ｔとの面積比もほぼ５０対５０になり、透過する光と反射する光との比が５０対５０になるように反射膜部分３Ｒと透過部分３Ｔは形成される。
【００２６】
なお、光軸周りには、ハーフミラー３を照明入射光あるいは測定試料からの信号光に対して４５度傾けたときに、円形の反射膜となるようにアルミ反射膜３ＣＲが形成されている。
【００２７】
なお、このハーフミラーは、縦が２３ｍｍ、横２０ｍｍの石英基板に、反射膜部分３Ｒと光軸周り反射部分３ＣＲとにアルミ反射膜を蒸着したものである。
【００２８】
このハーフミラー３を用いると、照明光は反射膜部分３Ｒで約半分が反射されて測定試料方向に反射され、測定試料から反射された信号光は透過部分３Ｔを透過して測定光学系に信号光として入射される。また照明光を透過させる場合は、透過部分を通過した照明光は測定試料に入射され、測定試料から反射した信号光は反射膜部分３Ｒで反射されて測定光学系に入射されることになる。
【００２９】
（第二実施例）
図１（ｂ）は、ハーフミラーの反射部分と透過部分とが別のパターンの例を示す。この第二実施例では、反射膜部分３Ｒと透過部分３Ｔとは、それぞれ、光軸に対称の位置に形成されて、その面積比もほぼ５０％となっている。
【００３０】
なお、上記実施例は、反射膜部分３Ｒを透明基板上にコーティングした例で示したが、第一実施例のような反射と透過部分のパターンであると、ガラス基板などに反射膜をコーティングすることなく、反射を行う金属板に透過部分を打ち抜いたものでもハーフミラーを形成することができる。この場合透過部分にはいわば空洞であり、反射を行う反射部分の反射膜として機能する例えばアルミ箔や金膜などを使用すればよい。このようなハーフミラーであれば単なる打ち抜き加工で製造できるので、コストを安価にできる。
【００３１】
（顕微分光測定装置の実施例）
次に第一実施例のハーフミラーを用いた顕微分光測定装置の実施例を図２を用いて説明する。
【００３２】
図２は、顕微分光測定装置の構成を示すものである。照明用光源１からの照明光は無限系照明レンズ系２によりコリメートされて、ハーフミラー３に入射する。このハーフミラー３は、反射膜部分３Ｒと透過部分３Ｔとが光軸に対称に形成されたもので、反射膜部分３Ｒで照明光は反射して測定光として、無限系対物レンズ系４をへて測定試料５の試料表面５ａに投影される。
【００３３】
試料表面５ａからの反射光は光軸に対して入射光と対称の経路を通って再び対物レンズ系４を経て、こんどはハーフミラー３の反射膜部分３Ｒとは対称の位置にある透過部分３Ｔを透過する。この透過光は、結像レンズ系６により像面絞り８上に結像する。像面絞り８を通過した光は、分光器９により分光される。この分光器９で分光測定された反射率データはデータ処理装置１０により処理され、ｎ、ｋ、ｄの値が演算される。また結像レンズ系６からの光束は、観察光学系７に導かれ、肉眼により測定箇所の確認が行われる。ハーフミラー３の位置の光束は無限系照明レンズ系２、無限系対物レンズ系４により平行光束となっている。
【００３４】
次に本顕微分光測定装置による反射光の測定概念を図３を参照して説明する。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、無限系対物レンズ系４によって測定試料表面５ａに光源の像が形成され、反射光は再び無限系対物レンズ系４を通って結像レンズ系６によって像面絞り８の位置に結像する。いま、図３（ｂ）において、Ｂを測定点とすると、本来の測定光は、Ａ→Ｂ→Ｃなる経路をたどって像面絞り８に到達する。Ｂ点と像面絞り８とは共役の関係にあるので、像面絞り８上で小さな光源の像をつくり、像面絞り８を通過できる。
【００３６】
これに対して測定試料５の裏面（鏡面）１３で反射する光は、Ａ→Ｄ→Ｅなる経路をたどり、結局Ｂの虚像Ｂ’からの光束と同様な経路をたどる。したがって、この光束については像面絞り８の位置では結像せずリング状にぼけた像が広がる。リング状にぼけた像は、すべて像面絞り８でカットされてしまうので分光器９には到達しない。
【００３７】
またハーフミラー３の光軸周りの反射膜部分３ＣＲによって、測定試料５からの小さい出射角度以下の信号光を遮断することができるので、測定試料表面からの反射と測定試料裏面からの反射の分離が可能である。このためＮ／Ｓが改善され、測定精度が向上する。
【００３８】
このように、本実施例による顕微分光測定装置によれば、たとえ測定試料５が薄い場合であっても、測定試料５の裏面１３からの反射光は除去された状態で表面反射光のみを分光器９に導くことができるので、正確な反射率を測定することができる。
【００３９】
また、図４は、ハーフミラー３の位置が無限系対物レンズ系４の出射瞳の位置に置かれている場合の光束の例を示したものであり、測定試料５の光軸周辺近傍からの反射光もハーフミラー３が出射瞳の近傍位置でその光束がほぼ一致することを説明する図である。顕微分光測定装置では、対物レンズ系、照明レンズ系、結像レンズ系とも無限遠光学系となり、ハーフミラー３は、光束が平行な位置に入れられ、共役光学位置にないので、結像光学系での結像に影響を与えることはない。
【００４０】
（顕微分光測定装置の別の実施例）
図５は、顕微分光測定装置の第二の実施例を示す。この第二の実施例は、ハーフミラーの透過部分で照明光を透過させ、測定試料から反射した信号光はハーフミラーの反射部分で反射して結像光学系に導くようにしている点で図３に示す顕微分光測定装置の第一の実施例と異なる。また、結像光学系にＣＣＤカメラ１４を配置して測定箇所を撮影するようにしている。また、光ファイバを用いて信号光、照明光を導いている構成にしている。すなわち、照明用光源１からの照明光は光ファイバ１５によって照明光の出射端１６に導かれ、ハーフミラー３の透過部分３Ｔを通過して測定光として対物レンズ系４を経て測定試料５の表面に投影され、また信号光も光ファイバ１２の受光端１１から分光器１９に導かれている。さらに、ハーフミラー３で反射された測定試料５から信号光は、別のハーフミラー１７で分けられ、もう一つの結像レンズ系１８を経てＣＣＤカメラ１４にて撮影される。
【００４１】
これにより、ＣＣＤカメラ１４で撮影した像をデータ処理装置１０の画面で拡大表示しながら、ステージを動作させて測定試料の反射率の測定を行うことが可能である。
【００４２】
なお、上述の反射率の測定と同様の原理で、測定した分光反射率から測定試料の膜厚あるいは複素屈折率の測定を行うことができるのはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によるハーフミラーを用いることにより、短波長あるいは長波長について吸収の少ないハーフミラーを提供することができるため、短波長あるいは長波長による膜厚、反射率、複素屈折率の測定を行うことができる。このため紫外光あるいは赤外光を用いる光学測定装置の実現が可能である。また、ハーフミラーによる光の損失が少なくなるので、他の光学装置の設計の自由度が増す。また、Ｎ／Ｓの劣化が少なくなるので、光学測定の精度を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）は本発明第一実施例のハーフミラーの構成を示し、（ｂ）は別の実施例の構成を示す図。
【図２】本発明のハーフミラーを用いた顕微分光測定装置の構成を示す図。
【図３】反射率測定の原理を説明する図。
【図４】ハーフミラーと対物レンズ系との位置関係を説明する図。
【図５】顕微分光測定装置の別の構成を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１  照明用光源
２  無限系照明レンズ系
３  ハーフミラー
３Ｒ  反射膜部分
３Ｔ  透過部分
３ＣＲ  光軸周り反射膜部分
４  無限系対物レンズ系
５  測定試料
６、１８  結像レンズ系
７  観察光学系
８  像面絞り
９、１９  分光器
１０  データ処理装置
１１  受光端
１２、１５  光ファイバ
１３  試料裏面
１４  ＣＣＤカメラ
１６  出射端
１７  ハーフミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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