(57)【要約】      （修正有）【課題】等倍反射型結像光学系によって結像される像の収差が大きくならない、エリプソメータ等の観察装置を提供する。【解決手段】エリプソメータ１００は、物体面からの反射光の光束を受光面４０に結像させるための結像光学系３０を備えている。結像光学系３０は、凹面主鏡３２、凸面副鏡３４、及び引き出し平面ミラー３６を含む。結像光学系３０は、物体面からの反射光の光束を、凹面主鏡３２、凸面副鏡３４、凹面主鏡３２の順番で反射させた後、引き出し平面ミラー３６を介して、受光面４０に結像させることのできる等倍反射型結像光学系で構成されている。凸面副鏡３４は、裏面鏡である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の表面からの反射光の光束を受光面に結像させるための結像光学系を備えた観察装置であって、
前記結像光学系は、凹面主鏡、凸面副鏡、及び引き出し平面ミラーを含み、前記物体の表面からの反射光の光束を、前記凹面主鏡、前記凸面副鏡、前記凹面主鏡の順番で反射させた後、前記引き出し平面ミラーを介して、前記受光面に結像させることのできる等倍反射型結像光学系で構成されており、
前記凸面副鏡は裏面鏡であることを特徴とする、観察装置。
【請求項２】
前記凸面副鏡の表面の曲率と裏面の曲率が異なっている、請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記凸面副鏡の表面の曲率が、前記凸面副鏡の裏面の曲率よりも小さい、請求項１または請求項２に記載の観察装置。
【請求項４】
前記物体の表面から前記受光面までの光路上に、平行な平面を有する少なくとも１つの光学素子が配置されている、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の観察装置。
【請求項５】
エリプソメータである、請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エリプソメータ等の観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エリプソメータは、試料の表面で光が反射又は透過する際の偏光状態の変化を観測して、その試料の光学定数（屈折率、消衰係数、等）を測定することのできる装置である。例えば、試料の表面に薄膜が存在する場合は、その薄膜の厚みや光学定数を測定することができる。
【０００３】
特許文献１には、従来のエリプソメータの一例が開示されている。特許文献１に開示されたエリプソメータは、偏光解析法を用いて観察対象の物体の像を拡大して観察可能なエリプソメトリー装置である。このエリプソメータは、光源の光路上に偏光子と位相補償子とを有し、当該偏光子及び位相補償子を通った平行光を前記物体に斜めに照射する照明系と、物体からの反射光が入射して、物体像を拡大して結像させる結像系と、前記結像系における前記反射光の光路の途中に設けられた検光子と、前記結像系により結像された像を撮像する撮像素子と、を備えている。
【０００４】
また、本発明者は、物体からの反射光を結像させるための結像光学系に、等倍反射型結像光学系の一つであるオフナー光学系を適用したエリプソメータに関する発明について特許出願を行っている（特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１０２７３１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７４８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、例えばエリプソメータ等の観察装置に等倍反射型結像光学系を適用した場合に、次のような問題があることを発見した。
【０００７】
エリプソメータにおける照明光学系の光路上には、偏光子や位相補償子などの光学素子が配置される。また、物体からの反射光を結像させる結像光学系の光路上にも、検光子などの光学素子が配置される。さらに、光路上に配置されたレンズや鏡を格納するための鏡筒の入口部及び出口部には、鏡筒の内部に埃等が入り込まないようにするためのガラス窓（入射窓及び出射窓）が設置される。これらの光学素子は、少なくとも一対の平行な平面を有している。このような平行平面を備えた光学素子が収斂光路上に配置されると、結像光学系によって結像される像の収差が大きくなってしまうという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、エリプソメータ等の観察装置において、等倍反射型結像光学系によって結像される像の収差が大きくなる問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための手段は、以下の発明である。
（１）物体の表面からの反射光の光束を受光面に結像させるための結像光学系を備えた観察装置であって、
前記結像光学系は、凹面主鏡、凸面副鏡、及び引き出し平面ミラーを含み、前記物体の表面からの反射光の光束を、前記凹面主鏡、前記凸面副鏡、前記凹面主鏡の順番で反射させた後、前記引き出し平面ミラーを介して、前記受光面に結像させることのできる等倍反射型結像光学系で構成されており、
前記凸面副鏡は裏面鏡であることを特徴とする、観察装置。
【００１０】
（２）前記凸面副鏡の表面の曲率と裏面の曲率が異なっている、上記（１）に記載の観察装置。
【００１１】
（３）前記凸面副鏡の表面の曲率が、前記凸面副鏡の裏面の曲率よりも小さい、上記（１）または（２）に記載の観察装置。
【００１２】
（４）前記物体の表面から前記受光面までの光路上に、平行な平面を有する少なくとも１つの光学素子が配置されている、上記（１）から（３）のうちいずれかに記載の観察装置。
【００１３】
（５）エリプソメータである、上記（１）から（４）のうちいずれかに記載の観察装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、エリプソメータ等の観察装置において、等倍反射型結像光学系によって結像される像の収差が大きくなる問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】エリプソメータの全体構成を示す図である。
【図２】副鏡の断面拡大図である。
【図３】実施例１のグラフである。
【図４】実施例２のグラフである。
【図５】実施例３のグラフである。
【図６】実施例４のグラフである。
【図７】実施例５のグラフである。
【図８】実施例６のグラフである。
【図９】実施例７のグラフである。
【図１０】実施例８のグラフである。
【図１１】実施例９のグラフである。
【図１２】実施例１０のグラフである。
【図１３】比較例１のグラフである。
【図１４】比較例２のグラフである。
【図１５】比較例３のグラフである。
【図１６】比較例４のグラフである。
【図１７】比較例５のグラフである。
【図１８】比較例６のグラフである。
【図１９】比較例７のグラフである。
【図２０】比較例８のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
以下では、本発明をエリプソメータに適用した例について説明する。
【００１７】
本実施形態にかかるエリプソメータ１００は、試料の表面で光が反射する際の偏光状態の変化を観測して、その試料の特性である膜厚や光学定数（屈折率、消衰係数）等を測定することのできる装置である。
【００１８】
図１は、エリプソメータ１００の全体構成を示している。
図１に示すように、エリプソメータ１００は、照明光学系１０と結像光学系３０を備えている。観察対象である試料の表面は、物体面Ｓとして表されている。
【００１９】
照明光学系１０は、光源１２、コリメータレンズ１４、集光レンズ１６、結晶偏光子１８、及び液晶偏光子２０を備えている。光源１２から発せられた照明光Ｌ１は、コリメータレンズ１４によって平行光である照明光Ｌ２に変換される。この照明光Ｌ２は、虹彩絞り１５によって光の量が調整された後、集光レンズ１６によって物体面Ｓに集光される。集光レンズ１６を通った照明光Ｌ２は、結晶偏光子１８により、直線偏光となる。液晶偏光子２０を電気的にコントロールすることにより、直線偏光を円偏光あるいは楕円偏光としたり、偏光方向を回転させることができる。これにより、照明光Ｌ２を、さまざまな偏光状態の照明光Ｌ３に変換することができる。この照明光Ｌ３は、斜め方向から物体面Ｓに照射される。例えば、照明光Ｌ３は、物体面Ｓから延びる垂線Ｎに対して約７０度の方向から照射される。このような照明光学系を備えたエリプソメータは公知であり、例えば特開２０１１−１０２７３１号公報に開示されている。
【００２０】
次に、結像光学系３０について説明する。
本実施形態のエリプソメータ１００は、結像光学系３０が、等倍反射型結像光学系の一つであるオフナー光学系によって構成されている。
【００２１】
図１に示すように、結像光学系３０は、凹面鏡で構成された主鏡３２、凸面鏡で構成された副鏡３４、及び引き出し平面ミラー３６を備えている。物体面Ｓと主鏡３２の間の光路上には、検光子３８が配置されている。物体面Ｓからの反射光の光束は、検光子３８に入射する。検光子３８を通過した反射光の光束は、主鏡３２、副鏡３４、主鏡３２、引き出し平面ミラー３６の順番で反射された後、撮像素子の受光面４０に結像するようになっている。
【００２２】
物体面Ｓと受光面４０とは、オフナー光学系において、等倍の共役の関係となっている。
物体面Ｓは、観察対象となる物体の表面であり、例えば、薄膜が形成された基板の表面である。
受光面４０は、物体面Ｓで反射した光の光束が結像する面であり、例えば、２次元ＣＣＤ等の撮像素子の受光面である。
副鏡３４は、光学系の瞳となっている。
例えば、１０μｍ角の大きさのＣＣＤ素子は、等倍の共役な関係にある物体面の１０μｍ角の領域からの光を受光する。これにより、物体面上に置かれた試料の膜厚や光学定数を、１０μｍ角単位で測定することができる。
結像光学系の収差が大きいと、物体面の１０μｍ角の領域からの光束は、共役な関係にある１０μｍ角のＣＣＤ素子だけではなく、それに隣接するＣＣＤ素子にも至る。その結果、単位面積当たりの膜厚や光学定数の計測精度が悪くなる。
【００２３】
図１に示すように、物体面Ｓから凹面主鏡３２に向かう光の光束は、テレセントリックとなっている。主鏡３２で反射した光は、絞りを兼ねる凸面副鏡３４で反射する。副鏡３４で反射した光は、再び凹面主鏡３２で反射してテレセントリックとなる。主鏡３２で反射してテレセントリックとなった光は、引出し平面ミラー３６で反射して、等倍で受光面４０に結像する。
【００２４】
結晶偏光子１８及び検光子３８は、グラントムソンプリズム（方解石プリズム）によって構成されている。なお、結晶偏光子１８及び検光子３８は、グラントムソンプリズム以外の他の偏光子によって構成されてもよい。
【００２５】
主鏡３２及び副鏡３４を格納するための鏡筒の入口部及び出口部には、鏡筒の内部に埃等が入り込まないようにするためのガラス窓（入射窓４２及び出射窓４４）が設置されている。入射窓４２及び出射窓４４は、例えば、所定の厚みを有するガラス板によって構成されている。
【００２６】
図１に示すエリプソメータ１００の光路上には、少なくとも一対の平行な平面を持つ複数の光学素子が配置されている。例えば、照明光学系１０の光路上に配置された結晶偏光子１８は、少なくとも一対の平行な平面（光の入射面及び出射面）を有している。結像光学系３０の光路上に配置された検光子３８も、少なくとも一対の平行な平面（光の入射面及び出射面）を有している。さらに、鏡筒の入口部及び出口部に配置された入射窓４２及び出射窓４４は、少なくとも一対の平行な平面をもつガラス板によって構成されている。このような平行平面を備えた光学素子が収斂光路上に配置されると、結像光学系によって結像される像の収差が大きくなってしまうという問題がある。
【００２７】
図２は、副鏡３４の断面拡大図である。
図２に示すように、副鏡３４の表面３４ａ及び裏面３４ｂは、球面状であり、かつ、凸状である。副鏡３４は、例えば、所定の厚みを有する合成石英ガラスによって構成されてもよい。副鏡３４は、石英ガラス以外の材料によって構成されてもよい。例えば、副鏡３４は、所望の波長域において高い透過率を有するガラス材料によって構成されてもよい。
【００２８】
本実施形態のエリプソメータ１００において、副鏡３４は、裏面３４ｂで光を反射する裏面鏡によって構成されている。
【００２９】
副鏡３４の表面３４ａには、光の反射を防止するための反射防止膜が形成されてもよい。この反射防止膜は、公知の反射防止膜であればよく、例えば、波長依存性の少ない単層反射防止膜、あるいは、所望の波長域において高い透過率を有する多層反射防止膜であってもよい。
【００３０】
副鏡３４の裏面３４ｂには、光を反射するための処理が施される。例えば、副鏡３４の裏面３４ｂには、波長依存性の少ないアルミニウムに代表される金属反射膜が蒸着されてもよい。または、副鏡３４の裏面３４ｂには、所望の波長域において高い反射率を有する多層誘電体反射膜が蒸着されてもよい。
【００３１】
本発明者は、等倍反射型結像光学系を適用したエリプソメータにおいて、平行平面を備えた光学素子が光路上に配置されたことに起因する収差の問題を解決するための技術について研究を行った。その結果、意外なことに、凸面副鏡３４として裏面鏡を用いることにより、このような問題を解決できることを見出した。
【００３２】
また、本発明者は、副鏡３４の厚みを調整することによって、結像光学系３０によって結像される像の収差を小さくできることを見出した。ここでいう「厚み」とは、副鏡３４の中心部における「厚みＴ」を意味する。
【００３３】
さらに、本発明者は、副鏡３４の表面３４ａの曲率Ｒ１と、副鏡３４の裏面３４ｂの曲率Ｒ２を互いに異ならせることにより、結像光学系３０によって結像される像の収差をより小さくできることを見出した。
【００３４】
本発明によれば、エリプソメータ等の観察装置において、等倍反射型結像光学系によって結像される像の収差が大きくなるという問題を解決することができる。
【００３５】
上述したように、物体面Ｓからの光を受光面４０に結像させるための結像光学系３０は、等倍反射型結像光学系の一つであるオフナー光学系によって構成されている。このような反射光学系は、屈折レンズと異なり、物体面Ｓの観察に用いる光の波長が制限されないという利点を有している。このため、本発明は、観察に用いる光の波長が制限されないため、半導体、バイオ等の様々な分野に適用できる可能性がある。
【００３６】
本発明は、エリプソメータ以外の観察装置にも適用できる。
本発明は、例えば、物体面を観察するための顕微鏡に適用できる。
本発明は、例えば、物体面の欠陥を検出するための装置に適用できる。
本発明は、例えば、物体面の反射率を測定するための装置に適用することができる。
本発明は、これらの装置以外にも、光学観察装置全般に適用できる可能性を有している。
【００３７】
［実施例］
図１に示すエリプソメータ１００によって物体面Ｓを観察したときの解像度（ＭＴＦ）の理論値及び設計値を、シミュレーションによって求めた。なお、照明光の入射角は、物体面の垂線に対して６０度に設定した。
【００３８】
実施例１〜１０のシミュレーションの条件は、以下の表１の通りである。
なお、表１において、「窓の厚み」とは、入射窓及び出射窓の厚みを意味する。
【００３９】
【表１】
2017049438.tif 000003
【００４０】
［比較例］
実施例と同様に、図１に示すエリプソメータ１００によって物体面Ｓを観察したときの解像度（ＭＴＦ）の理論値及び設計値を、シミュレーションによって求めた。ただし、比較例では、副鏡の厚みを０mmに設定し、副鏡が裏面鏡ではなく表面鏡であるという条件を反映させた。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
実施例１〜実施例１０の結果を、図３〜図１２にそれぞれ示す。
比較例１〜比較例８の結果を、図１３〜図２０にそれぞれ示す。
図３〜図２０において、ＳＴのグラフは、サジタル面の理論値を示している。ＳＤのグラフは、サジタル面の設計値を示している。ＴＴのグラフは、タンジェンシャル面の理論値を示している。ＴＤのグラフは、タンジェンシャル面の設計値を示している。
【００４３】
図３〜図２０において、解像度（ＭＴＦ）の理論値と設計値との差が大きい場合には、収差が大きいことを意味する。解像度（ＭＴＦ）の理論値と設計値との差が小さい場合には、収差が小さいことを意味する。
【００４４】
実施例１〜４と比較例１〜４をそれぞれ比較すれば分かる通り、等倍反射型結像光学系における副鏡として裏面鏡を用いることによって、収差が小さくなった。
【００４５】
実施例６〜８と比較例５〜７をそれぞれ比較すれば分かる通り、等倍反射型結像光学系における副鏡として裏面鏡を用いることによって、収差が小さくなった。
【００４６】
実施例４と実施例５を比較すれば分かる通り、副鏡の表面の曲率Ｒ１と、副鏡の裏面の曲率Ｒ２とを異ならせることにより、収差がさらに小さくなった。特に、副鏡の表面の曲率Ｒ１を、副鏡の裏面の曲率Ｒ２よりも小さくすることにより、収差がより小さくなることが判明した。
【００４７】
実施例１〜１０を見れば分かる通り、入射窓及び出射窓の厚みに応じて副鏡の厚みを調整することにより、収差を小さくすることができた。例えば、入射窓及び出射窓の厚みにほぼ比例するように副鏡の厚みを調整することにより、収差をより小さくすることができた。
【符号の説明】
【００４８】
１０    照明光学系
１２    光源
１４    コリメータレンズ
１６    集光レンズ
１８    結晶偏光子
２０    液晶偏光子
３０    結像光学系
３２    主鏡
３４    副鏡
３６    引き出し平面ミラー
３８    検光子
４０    受光面
４２    入射窓
４４    出射窓
１００  エリプソメータ
【図１】
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【図２】
2017049438.tif 000006
【図３】
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【図４】
2017049438.tif 000008
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2017049438.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
2017049438.tif 000021
【図１８】
2017049438.tif 000022
【図１９】
2017049438.tif 000023
【図２０】
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