(57)【要約】【課題】  対象物の高さを高精度かつ迅速に計測することが可能な計測装置を提供する。【解決手段】  計測範囲内にある対象物の高さを計測する計測装置は、複数の波長を含む光を出射する光源と、軸上色収差を有する光学ユニットを含み、前記光源から出射された光を複数の光束に分割して、前記計測範囲を含むが異なる焦点範囲に前記複数の光束を前記光学ユニットによって集光させる第１光学系と、前記複数の光束について前記対象物の表面に焦点位置を有する波長を検出する検出部と、前記第１光学系と光路の一部を共有していて、前記第１光学系によって集光され前記対象物の表面で反射された前記複数の光束を前記検出部に導く第２光学系と、前記複数の光束から１つの光束を選択し、該選択された光束の前記検出部により検出された波長を用いて前記対象物の高さを算出する処理部と、を備える。【選択図】図１
2012093197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測範囲内にある対象物の高さを計測する計測装置であって、
複数の波長を含む光を出射する光源と、
軸上色収差を有する光学ユニットを含み、前記光源から出射された光を複数の光束に分割して、前記計測範囲を含むが異なる焦点範囲に前記複数の光束を前記光学ユニットによって集光させる第１光学系と、
前記複数の光束について前記対象物の表面に焦点位置を有する波長を検出する検出部と、
前記第１光学系と光路の一部を共有していて、前記第１光学系によって集光され前記対象物の表面で反射された前記複数の光束を前記検出部に導く第２光学系と、
前記複数の光束から１つの光束を選択し、該選択された光束の前記検出部により検出された波長を用いて前記対象物の高さを算出する処理部と、
を備えることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記第１光学系は、前記光源から出射された光を２つの光束に分割する分割素子を含み、
前記光学ユニットは、前記分割素子により分割された２つの光束のそれぞれを異なる焦点範囲内に集光する２つの光学素子を含み、
前記検出部は、前記２つの光学素子のそれぞれによって集光された光束について前記対象物の表面に焦点位置を有する波長をそれぞれ検出する２つの検出器を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記光学ユニットは、軸上色収差が異なる第１領域及び第２領域を有する光学素子を含み、
前記第２光学系は、前記第１領域を通過した光束のみを透過させる第１透過素子と前記第２領域を通過した光束のみを透過させる第２透過素子とを含み、
前記検出部は、前記第１透過素子及び前記第２透過素子のそれぞれを透過した光束について前記対象物の表面に焦点位置を有する波長をそれぞれ検出する２つの検出器を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記第１光学系は、通過した光束の偏光状態を異ならせる第３領域及び第４領域を有する偏光素子を含み、
前記光学ユニットは、軸上色収差が異なる第１領域及び第２領域を有する光学素子を含み、
前記第３領域を通過した光束は前記第１領域に、前記第４領域を通過した光束は前記第２領域に、それぞれ入射し、
前記第２光学系は、前記偏光素子及び前記光学素子を通過して異なる偏光状態を有する２つの光束のうち透過させる１つを選択する選択部を含み、
前記検出部は、前記選択部により選択された光束について前記対象物の表面に焦点位置を有する波長を検出する検出器を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項５】
前記光学素子は、軸上色収差が異なる２つの回折光学素子を前記第１領域及び前記第２領域にそれぞれ含む、こと特徴とする請求項３又は請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記光学素子は、軸上色収差が異なる回折光学素子及び屈折レンズを前記第１領域及び前記第２領域にそれぞれ含む、ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の計測装置。
【請求項７】
前記選択部は、
複屈折物質の２つの光学軸の位相差を可変にする可変位相差デバイスと、
前記可変位相差デバイスを通過した２つの光束のうち一方のみを透過する偏光子と、
を含む、ことを特徴とする請求項４記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点を利用した高さの計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の高さ（表面位置、膜厚）を計測する従来の計測装置として、共焦点光学系を用いる計測装置がある。この計測装置は、多波長光を軸上色収差のあるレンズにより各波長の光の焦点位置を光軸方向に沿って異ならせ、対象物からの反射光を分光し、その分光強度が最大となる波長から対象物の高さを算出する。しかし、上記の計測装置は対象物に異なる波長を結像させてその反射光の分光情報に基づいて高さを算出するため、計測精度が対象物の反射率分光特性の影響を受ける。特許文献１には、ピンホールを通過した後の分光特性を得ると共に、ピンホールを通過する前の補正用分光特性を用いて、対象物の反射率分光特性を補正する計測装置が開示されている。特許文献２には、計測精度の反射率分光特性に対する依存性への対策として、受光素子のバイアス電圧を制御することで受光感度を制御する計測装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−２２９７２０号公報
【特許文献２】特開２００７−０４０７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、対象物の表面に焦点を結んでいる波長に対して対象物の反射率が低い場合、特許文献１記載の計測装置では、受光素子に入射する受光量が少ないためそもそも計測ができない。さらに特許文献２に記載の計測装置では、バイアス電圧を制御することで受光感度は良くなるが、同時に受光素子のノイズも増加することになるので、計測精度の低下が生じる。また、特許文献２に記載の計測装置では、受光感度が不足した場合、閾値以上の受光感度を得るために少なくとも２回以上計測を行う必要があるため計測時間が長くなる。
【０００５】
従って、本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、対象物の高さを高精度かつ迅速に計測することが可能な計測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】
【０００６】
本発明は、計測範囲内にある対象物の高さを計測する計測装置であって、複数の波長を含む光を出射する光源と、軸上色収差を有する光学ユニットを含み、前記光源から出射された光を複数の光束に分割して、前記計測範囲を含むが異なる焦点範囲に前記複数の光束を前記光学ユニットによって集光させる第１光学系と、前記複数の光束について前記対象物の表面に焦点位置を有する波長を検出する検出部と、前記第１光学系と光路の一部を共有していて、前記第１光学系によって集光され前記対象物の表面で反射された前記複数の光束を前記検出部に導く第２光学系と、前記複数の光束から１つの光束を選択し、該選択された光束の前記検出部により検出された波長を用いて前記対象物の高さを算出する処理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、対象物の高さを高精度かつ迅速に計測することが可能な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る計測装置を示す図である。
【図２】第１実施形態における対象物の高さと集光波長の関係を示すグラフである。
【図３】第２実施形態に係る計測装置を示す図である。
【図４】集光素子の概略図である。
【図５】第２実施形態における対象物の高さと集光波長の関係を示すグラフである。
【図６】透過素子の概略図である。
【図７】第３実施形態に係る計測装置の概略構成図である。
【図８】切り換え部を説明する図である。
【図９】第３実施形態における偏光素子、偏向子である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第１実施形態］
図１を用いて、第１実施形態の計測装置１００について説明する。計測装置１００は、図１に示すように、高さが計測範囲内にある対象物Ｗに光を出射する光源１を備えている。光源１は、複数の異なる波長を含む光源であればよい。光源１は、ハロゲンランプや白色ＬＥＤ、ＳＬＤ(Super Luminescent Diode)を用いてもかまわないし、複数の波長の異なるレーザ光を組み合わせて用いても構わない。光源１から出射された光は、色消しレンズ２１により開口部３１に集光され、コリメータレンズ等の色消しレンズ２２により平行光とされる。開口部３１は、対象物への照明を点で行う場合はピンホールとし、また対象物への照明を線で行いたい場合はスリットとされる。その後、ハーフミラー等の分割素子４１によって光は２つの光束５１，５２に分割され、光束５１は色収差レンズ６１（軸上色収差を有する光学素子）を通過する。色収差レンズ６１を通過した光束は、図１に実線で示すように、色消しレンズ２６によって光軸Ａ上に波長に応じた焦点範囲内に集光される。
【００１０】
光束５２は、ミラー７１に反射され色収差レンズ６２を通過しミラー７２で反射された後、ハーフミラー４３等により光束５１と同一の光軸Ａを持つように合波される。そして、光束５２は、図１に点線で示すように、色消しレンズ２６によって光軸Ａ上に、光束５１とは異なる軸上色収差で波長に応じた焦点範囲内に集光される。２つの色収差レンズ６１，６２は、軸上色収差を有する光学ユニットを構成している。色収差レンズ６１，６２として屈折レンズや回折レンズ等が適用可能であるが、本実施形態では色収差レンズ６１，６２として屈折レンズを利用している。色消しレンズ２１、分割素子４１、色収差レンズ６１，６２、色消しレンズ２６等は、光源１から出射された光を少なくとも２つの光束に分割して、計測範囲を含むが互いに異なる焦点範囲内に分割された光束を集光させる第１光学系を構成している。
【００１１】
図２は、光軸Ａ上の高さ（対象物の高さ）ｚと、２つの色収差レンズ６１，６２によって光軸Ａ上に集光する波長との関係を示した図である。色収差レンズ６１，６２ともに、光軸Ａ上の高い位置に長波長の光が集光し、低い位置に短波長の光が集光する。図１に示すように、２つの色収差レンズ６１，６２によって、光源１から出射された複数波長の光による焦点範囲Ｒ１，Ｒ２がずれるように集光させる。そうすることで、光軸Ａ上の同じ高さｚに複数の波長の光を集光させることが可能となる。図２は対象物Ｗの高さｚ１にて異なる２つの波長λ１１，λ１２の光が集光することを表している。波長λ１１の光は、色収差レンズ６１と色消しレンズ２６によって対象物Ｗに集光する光で、波長λ１２の光は色収差レンズ６２と色消しレンズ２６によって対象物Ｗに集光する光である。
【００１２】
対象物Ｗの表面で反射された２つの光束は、再び色収差レンズ６１，６２、ハーフミラー４２，４４をそれぞれ通過し、色消しレンズ２４，２５によりピンホール（第２開口部）３２，３３にそれぞれ集光される。ピンホール３２に集光された光束は、色収差レンズ６１、色消しレンズ２６、色消しレンズ２４とで構成される共焦点光学系Ｌ１によって集光された波長λ１１の光である。また、ピンホール３３に集光された光は、色収差レンズ６２、色消しレンズ２６、色消しレンズ２５とで構成される共焦点光学系Ｌ２によって集光された波長λ１２の光である。波長λ１２の光は、共焦点光学系Ｌ１を用いて対象物Ｗの集光点（高さ）と共役関係を満たしていないために、ピンホール３２に集光されない。一方、波長λ１１の光は、共焦点光学系Ｌ２の対象物Ｗの集光点（高さ）と共役関係を満たしていないために、ピンホール３３に集光されない。そのため、分光器（検出器）８１によって検出される信号は、波長λ１１の光の信号のみであり、また、分光器（検出器）８２によって検出される信号は波長λ１２の光の信号のみである。分光器８１，８２は、少なくとも２つの光束５１，５２について対象物の表面に焦点位置を有する光の波長を検出する検出部を構成している。また、共焦点光学系Ｌ１， Ｌ２は、第１光学系と光路の一部を共有して、第１光学系によって集光され対象物の表面で反射された少なくとも２つの光束を検出部に導く第２光学系を構成している。
【００１３】
図２に分光器８１，８２それぞれで検出される共焦点光学系Ｌ１、Ｌ２に対応する波長λと対象物の高さｚとの関係が示されている。開口部３２，３３及び開口部３１の双方は、形状が合せられている。すなわち、開口部３１がピンホールならば開口部３２，３３はピンホールの形状であり、開口部３１がスリットならば開口部３２，３３はスリットの形状である。処理部９は、分光器８１，８２でそれぞれ得られるピーク信号値とノイズ値のＳＮ比を比較して１つの光束を選択し、選択されたＳＮ比の良い光束の検出された波長を用いて図２に示されている波長と対象物の高さの関係から対象物の高さを算出する。処理部９は、ピーク信号値を決定する際には、分光信号が最大となる画素から決まる値をピーク信号値として決定してもよいし、分光信号をフィッティングして見積もられるサブ画素の位置での分光信号の最大値をピーク信号値としてもよい。
【００１４】
［第２実施形態］
つぎに、図３を用いて第２実施形態に係る計測装置１０１について説明する。第２実施形態の計測装置では、図４に示したような軸上色収差が異なる第１領域及び第２領域を有する光学素子を用いることで光軸Ａ上に異なる焦点範囲Ｒ１とＲ２がずらして重なるように集光させる。そうすることで、第２実施形態では、光源１からの光を分割素子を用いて分割させることなく、光軸Ａ上の同じ高さｚで複数の波長の光を集光させることを可能としている。
【００１５】
図４は第２実施形態に使用する光学素子の例である。光学素子５０１は、内側の第１領域と外側の第２領域に異なる輪帯構造の２つの回折光学素子５０１ａ，５０２ｂを含んでいる。光学素子５０２は、内側の第１領域に輪帯構造の回折光学素子５０２ａを含み外側の第２領域に屈折レンズ５０２ｂを含んでいる。光学素子５０３は、左側の第１領域と右側の第２領域に異なる輪帯構造の２つの回折光学素子５０３ａ，５０３ｂを含んでいる。このように、光学素子の形状は円形でも半円でもよい。第２実施形態で使用する光学素子は、図４で示された光学素子に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。第２実施形態においては光学素子５０１を例として説明する。
【００１６】
回折レンズについて波長λ０で照明されたとき焦点距離がｆ０であったとすると、別の波長λで照明されたとき焦点距離のｆ(λ)は、次式１で与えられる。
ｆ（λ）＝（λ０／λ）ｆ０・・・（１）
説明のための例における光学素子５０１は、光軸Ａを中心とする同心円状に２つの輪帯構造の回折光学素子５０１ａ，５０１ｂを設けている。回折光学素子５０１ａは波長λ０で光が照明されたときの焦点距離がｆ１で、回折光学素子５０１ｂは波長λ０で光が照明されたときの焦点距離がｆ２(ｆ１≠ｆ２)で回折光学素子５０１ａとは異なる輪帯構造を構成している。このような互いに異なる輪帯構造５０１ａ、５０１ｂを構成する光学素子５０１は、図３に示すように、光軸Ａ上に異なる焦点範囲Ｒ１とＲ２がずれて重なるように集光させて、同じ高さｚで異なる波長の光を集光させることが可能である。対象物Ｗからの反射光は色消しレンズ２４，２５によってピンホール３２，３３に集光され、分光器８１，８２にそれぞれ入射する。
【００１７】
対象物Ｗからの反射光のうち光学素子５０１の領域５０１ａを通過した光束と領域５０１ｂを通過した光束とを分離するために、領域５０１ａ，５０１ｂの一方のみを通過した光束を透過させる透過素子６０１，６０２を用いる。２つの透過素子６０１，６０２は、光学素子の領域（第１領域）５０１ａを通過した光束のみを透過させる第１透過素子、領域（第２領域）５０１ｂを通過した光束のみを透過させる第２透過素子を構成している。透過素子６０１は、図６に示されるように、光束が透過不可能な領域６０１ａと透過可能な領域６０１ｂとから構成されている。透過不可能な領域６０１ａは集光素子５０１の領域５０１ａと対応した大きさで設計されている。ピンホール３２を通過して分光器８１に入射できるのは、光学素子５０１の領域５０１ｂを通過し透過素子の透過可能な領域６０１ｂを通過した光束である。したがって、分光器８１で分光されるのは焦点範囲Ｒ１を形成する実線で示される波長λ１１の光束となる。同様に、透過素子６０２を透過して分光器８２で分光されるのは、焦点範囲Ｒ２を形成する点線で示される波長λ１２の光束となる。処理部９では、分光器８１，８２において得られた分光信号のピーク信号値と検出器ノイズ値のＳＮ比を算出して、ＳＮ比のよいほうの分光信号の波長情報をもとに図５に示されている波長と対象物の高さの関係から対象物の高さを算出する。このように構成すれば、ある波長の光に対して反射率の低い対象物に対しても高精度かつ迅速にその高さを計測できると同時に計測装置を小型化し簡素化することができるのでコストの削減に寄与することができる。
【００１８】
［第３実施形態］
つぎに、図７を用いて第３実施形態に係る計測装置１０２について説明する。図７に示すように、計測装置１０２は、対象物Ｗに複数の波長を含む光を出射する光源１を備えている。光源１から出射された光は色消しレンズ２１によりピンホール３１で集光され、コリメータレンズ等の色消しレンズ２２で平行光とされる。平行光は、光束の空間的な偏光状態を規定するための偏光素子２０１を通過する。偏光素子２０１は、図９に示すような光軸Ａを中心とする同心円状の内外２つの領域を通過した光束を異なる偏光状態に規定する。偏光素子２０１の内側（第３領域）２０１ａを通過した光束４０１ａと外側（第４領域）２０１ｂを通過した光束４０１ｂとは偏光状態がお互いに直交する関係になる。
【００１９】
光学素子５０１の内外の輪帯構造５０１ａ，５０１ｂの領域（第１領域、第２領域）をそれぞれ通過した光束４０１ａ，４０１ｂは、数式１で示した関係にしたがって図７に示すように光軸Ａ上に異なる焦点範囲Ｒ１とＲ２がずれて重なるように集光する。対象物Ｗからの反射光は色消しレンズ２４によってピンホール３２に集光される。色消しレンズ２４とピンホール３２の間に、複屈折物質の２つの光学軸の互いの位相差を電気的に可変にするデバイス可変位相差デバイス３０１と偏光子２０２とを配置させる。偏光子２０２は、可変位相差デバイス３０１を通過した２つの光束のうち１つの光束のみを透過する。可変位相差デバイス３０１として、位相差量の可変な液晶素子、ポッケルセルや光弾性変調素子を用いることができる。可変位相差デバイス３０１と偏光子２０２とは、偏光素子２０１及び光学素子５０１を通過して互いに異なる偏光状態を有する２つの光束のうち透過させる１つを選択する選択部を構成している。
【００２０】
図８Ａと図８Ｂは選択部を説明した図である。図８Ａ、図８Ｂにおいて、Ｐ１，Ｐ２は互いに直交する２つの偏光状態を表している。図８Ａでは、可変位相差デバイス３０１を偏光状態Ｐ１，Ｐ２の光が光学軸ＯＡ１に対して４５度傾いた偏光状態で通過する。可変位相差デバイス３０１の光学軸ＯＡ１とＯＡ２の位相差がλ/２である場合、偏光状態Ｐ１、Ｐ２の光はそれぞれ光学軸ＯＡ１において４５度回転する。偏光子２０２の透過軸を図８Ａに示すように偏光状態Ｐ２のみの光が透過できるように配置する。そうすると、可変位相差デバイス３０１に偏光状態Ｐ１で入射した光のみが分光器８１に入射し分光される。図８Ｂでは偏光状態Ｐ２のみの光を分光器８１に入射させる方法を説明した図である。図８Ｂでは可変位相差デバイス３０１の光学軸ＯＡ１とＯＡ２の位相差を０にする。そうすると、偏光状態Ｐ１、Ｐ２の光は可変位相差デバイス３０１を通過しても偏光面に対する偏光状態は変化しない。したがって、可変位相差デバイス３０１に偏光状態Ｐ１で入射した光は偏光子２０２を透過できず、偏光状態Ｐ２で入射した光のみが偏光子２０２を透過して分光器８１に入射し分光される。
【００２１】
処理部９に関して説明する。まず対象物Ｗからの２つの偏光状態をもつ反射光のうち切り換え部で、図８Ａで示すように、偏光状態Ｐ１のみの光を透過させる。処理部９は、分光器８１で得られた分光信号のピーク信号値と検出器ノイズとのＳＮ比を算出する。分光信号から算出されたＳＮ比が予め定めた閾値よりも小さい場合、可変位相差デバイス３０１の電圧を制御し光学軸ＯＡ１とＯＡ２の位相差を変化させて、図８Ｂのように、偏光状態Ｐ２のみの光を分光器８１に入射させる。処理部９は、偏光状態Ｐ２のみの光から得られる分光信号からＳＮ比を算出し、偏光状態Ｐ１の分光信号から得られるＳＮ比と比較することでＳＮ比のよい偏光状態の分光信号の波長情報に用いる。処理部９は、選択された波長情報をもとに図５に示されている波長と対象物の高さとの関係から対象物の高さを算出する。このように構成すれば、ある波長の光に対して反射率の低い対象物に対しても高精度かつ迅速にその形状を計測できると同時に計測装置を小型化し簡素化することができるのでコストの削減に寄与することができる。
【００２２】
第１〜第３実施形態では、光源１から出射された光を２つの光束に分割し、検出部は、２つの光束について対象物の表面に焦点位置を有する波長を検出している。しかし、光源１から出射された光を３つ以上の光束に分割し、検出部は、３つ以上の光束について対象物の表面に焦点位置を有する波長を検出するように設けてもよい。以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【図１】
2012093197.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012093197.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012093197.tif 000011