特開 2022-69005 測定装置、及び測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022069005

(43)【公開日】2022-05-11

(54)【発明の名称】測定装置、及び測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/23 20060101AFI20220428BHJP

【ＦＩ】

G01N21/23

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020177911

(22)【出願日】2020-10-23

(71)【出願人】

【識別番号】000115902

【氏名又は名称】レーザーテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(74)【代理人】

【識別番号】100129953

【弁理士】

【氏名又は名称】岩瀬 康弘

(72)【発明者】

【氏名】西村 良浩

(72)【発明者】

【氏名】藤木 翔太

(72)【発明者】

【氏名】山岡 久紘

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA02

2G059BB08

2G059BB16

2G059EE02

2G059EE05

2G059FF01

2G059GG01

2G059JJ12

2G059JJ15

2G059JJ19

2G059JJ20

2G059JJ22

2G059KK04

2G059LL01

2G059MM01

2G059NN01

(57)【要約】

【課題】試料表面での複屈折特性を正確に測定することができる測定装置、及び測定方法を提供する。
【解決手段】本実施形態にかかる測定装置１００は、照明光Ｌ１を発生する光源１１と、
照明光Ｌ１で照明された試料３０からの反射光Ｌ２を検出する光検出器４３と、照明光Ｌ１を試料３０の表面に集光する対物レンズ２４を有し、照明光Ｌ１を試料３０に導くとともに、試料３０で反射した反射光Ｌ２を光検出器４３に導くコンフォーカル光学系１１０と、対物レンズ２４からの反射光が入射するように、コンフォーカル光学系１１０内に回転可能に配置された検光子４２と、検光子４２の回転角度を変えて撮像された複数のコンフォーカル画像に基づいて、試料３０の表面の複屈折特性を算出する処理部６０とを備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

照明光を発生する光源と、
前記照明光で照明された試料からの反射光を検出する光検出器と、
前記照明光を試料の表面に集光する対物レンズを有し、前記照明光を試料に導くとともに、前記試料で反射した反射光を前記光検出器に導くコンフォーカル光学系と、
前記対物レンズからの反射光が入射するように、前記コンフォーカル光学系内に回転可能に配置された検光子と、
前記検光子の回転角度を変えて撮像された複数のコンフォーカル画像に基づいて、前記試料の表面の複屈折特性を算出する処理部と、を備えた測定装置。

【請求項2】

前記処理部は、前記複屈折特性として、複屈折の主軸方位及び複屈折位相差の少なくとも一方を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記検光子の回転角度において基準角度を０°とした場合に、前記検光子の回転角度が０°、４５°、９０°、及び１３５°の時の前記コンフォーカル画像を撮像している請求項１、又は２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記反射光の光路中に回転可能に配置された１／４波長板をさらに備え、
前記１／４波長板を透過した反射光が前記検光子に入射しており、
前記１／４波長板の回転角度を変えて、複数のコンフォーカル画像を撮像している請求項１～３のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項5】

前記試料が、円偏光の前記照明光で照明されている請求項１～４のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項6】

前記照明光及び前記反射光の光路中に配置された微分干渉プリズムをさらに備えた請求項１～５のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項7】

照明光を発生する光源と、
前記照明光で照明された試料からの反射光を検出する光検出器と、
前記照明光を試料の表面に集光する対物レンズを有し、前記照明光を試料に導くとともに、前記試料で反射した反射光を前記光検出器に導くコンフォーカル光学系と、
前記対物レンズからの反射光が入射するように、前記コンフォーカル光学系内に回転可能に配置された検光子と、を備えたコンフォーカル顕微鏡を用いた測定方法であって、
前記検光子の回転角度を変えて、複数のコンフォーカル画像を取得するステップと、
前記複数のコンフォーカル画像に基づいて、前記試料の表面の複屈折特性を算出するステップと、を備えた測定方法。

【請求項8】

前記複屈折特性として、複屈折の主軸方位及び複屈折位相差の少なくとも一方を算出することを特徴とする請求項７に記載の測定方法。

【請求項9】

前記検光子の回転角度において基準角度を０°とした場合に、前記検光子の回転角度が０°、４５°、９０°、及び１３５°の時の前記コンフォーカル画像を撮像している請求項７、又は８に記載の測定方法。

【請求項10】

前記反射光の光路中には、回転可能に設けられた１／４波長板が配置されており、
前記１／４波長板を透過した反射光が前記検光子に入射しており、
前記１／４波長板の回転角度を変えて、複数のコンフォーカル画像を撮像している請求項７～９のいずれか１項に記載の測定方法。

【請求項11】

前記試料が、円偏光の前記照明光で照明されている請求項７～１０のいずれか１項に記載の測定方法。

【請求項12】

前記照明光及び前記反射光の光路中には微分干渉プリズムが配置されている請求項７～１１のいずれか１項に記載の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定装置、及び測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、検光子を用いて複屈折率を測定する装置が開示されている。特許文献１では、直線偏光又は円偏光のディスク基板に入射させている。ディスク基板からの透過光又は反射光を検光子に導いている。検光子を回転させ、検光子を透過して光検出器に入射した光量の変化から複屈折率を測定している。

【0003】

非特許文献１には、位相シフト法を用いた２次元複屈折率測定方法が開示されている。非特許文献１では、試料に入射する入射光が円偏光となっている。試料を透過した透過光が、１／４波長板及び検光子を介して光検出器で検出されている。１／４波長板を０°と４５°に変化させている。さらに、検光子が０～１３５°の間で４５°毎に回転している。そして、８枚の画像により複屈折の主軸方位及び大きさが求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平４―５５４５号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】「位相シフト法による２次元複屈折測定」 大谷幸利、吉澤 徹 光学 ２７巻１２号 １９９８年ｐｐ６９８～７０３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＳｉＣやＧａＮに代表される化合物半導体や、圧電結晶などの高品位結晶では、表面形状に現れる結晶欠陥以外にも、様々な検査を行うことが望まれる。例えば、結晶性の結晶歪みや複屈折性と表面凹凸で直接測定できない光学特性を検査、評価することが望まれる。

【0007】

このような光学特性は、Ｘ腺トポグラフィ、干渉計、分光光度計で行うことができる。しかしながら、試料を透過した透過光を測定するため、試料の最表面の特性を正しく測定することが困難である。また、上記の測定法では、表面の凹凸形状の影響を受けやすいため、表面を研磨する必要がある。

【0008】

非特許文献１では、透過光を検出しているため、試料の表面状態の特性を測定することが困難である。特許文献１においても、試料の表面からの反射光と、試料の裏面からの反射光が検出されてしまうため、表面状態に関する測定を正確に行うことが困難である。

【0009】

本開示は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、試料表面での複屈折特性を正確に測定することができる測定装置、及び測定方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本実施形態の一態様にかかる測定装置は、照明光を発生する光源と、前記照明光で照明された試料からの反射光を検出する光検出器と、前記照明光を試料の表面に集光する対物レンズを有し、前記照明光を試料に導くとともに、前記試料で反射した反射光を前記光検出器に導くコンフォーカル光学系と、前記対物レンズからの反射光が入射するように、前記コンフォーカル光学系内に回転可能に配置された検光子と、前記検光子の回転角度を変えて撮像された複数のコンフォーカル画像に基づいて、前記試料の表面の複屈折特性を算出する処理部と、を備えている。

【0011】

上記の測定装置において、前記処理部は、前記複屈折特性として、複屈折の主軸方位及び複屈折位相差の少なくとも一方を算出してもよい。

【0012】

上記の測定装置において、前記検光子の回転角度において基準角度を０°とした場合に、前記検光子の回転角度が０°、４５°、９０°、及び１３５°の時の前記コンフォーカル画像を撮像していてもよい。

【0013】

上記の測定装置は、前記反射光の光路中に回転可能に配置された１／４波長板をさらに備え、前記１／４波長板を透過した反射光が前記検光子に入射しており、前記１／４波長板の回転角度を変えて、複数のコンフォーカル画像を撮像してもよい。

【0014】

上記の測定装置において、前記試料が、円偏光の前記照明光で照明されていてもよい。

【0015】

上記の測定方法において、前記照明光及び前記反射光の光路中に配置された微分干渉プリズムをさらに備えていてもよい。

【0016】

本実施形態の一態様にかかる測定方法は、照明光を発生する光源と、前記照明光で照明された試料からの反射光を検出する光検出器と、前記照明光を試料の表面に集光する対物レンズを有し、前記照明光を試料に導くとともに、前記試料で反射した反射光を前記光検出器に導くコンフォーカル光学系と、前記対物レンズからの反射光が入射するように、前記コンフォーカル光学系内に回転可能に配置された検光子と、を備えたコンフォーカル顕微鏡を用いた測定方法であって、前記検光子の回転角度を変えて、複数のコンフォーカル画像を取得するステップと、前記複数のコンフォーカル画像に基づいて、前記試料の表面の複屈折特性を算出するステップと、を備えた測定方法。

【0017】

上記の測定方法において、前記複屈折特性として、複屈折の主軸方位及び複屈折位相差の少なくとも一方を算出することを特徴とする請求項７に記載の測定方法。

【0018】

上記の測定方法において、前記検光子の回転角度において基準角度を０°とした場合に、前記検光子の回転角度が０°、４５°、９０°、及び１３５°の時の前記コンフォーカル画像を撮像している請求項７、又は８に記載の測定方法。

【0019】

上記の測定方法において、前記反射光の光路中には、回転可能に設けられた１／４波長板が配置されており、前記１／４波長板を透過した反射光が前記検光子に入射しており、前記１／４波長板の回転角度を変えて、複数のコンフォーカル画像を撮像してもよい。

【0020】

上記の測定方法において、前記試料が、円偏光の前記照明光で照明されていてもよい。

【0021】

上記の測定方法において、前記照明光及び前記反射光の光路中には微分干渉プリズムが配置されていてもよい。

【発明の効果】

【0022】

本開示によれば、試料表面での複屈折特性を正確に測定することができる測定装置、及び測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本実施の形態１にかかる測定装置の全体構成を示す模式図である。

【図2】試料の断面形状を模式的に示す図である。

【図3】試料の結晶粒子の配列の乱れを説明するための模式図である。

【図4】結晶粒子の方位角による楕円偏光の角度の違いを説明する図である。

【図5】主軸方位による出光量の変化を示すグラフである。

【図6】結晶の主軸方位と、解析により得られる方位角を示すグラフである。

【図7】本実施の形態１にかかる測定方法を示すフローチャートである

【図8】本実施の形態２にかかる測定装置の全体構成を示す模式図である。

【図9】本実施の形態２にかかる測定方法を示すフローチャートである

【図10】本実施の形態３にかかる測定装置の全体構成を示す模式図である。

【図11】本実施の形態３にかかる測定方法を示すフローチャートである

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。

【0025】

実施の形態１
本実施の形態１に係る測定装置は、コンフォーカル光学系を介して、試料で反射した反射光を検出している。測定装置は反射光の検出結果に基づいて試料表面に関する測定を行っている。例えば、測定装置は、複屈折の主軸方位や、複屈折率等の複屈折特性を測定するための処理を行う。試料としては、ＳｉＣやＧａＮ等の化合物半導体や、圧電体結晶のウェハ等とすることができる。

【0026】

実施の形態１にかかる測定装置１００について、図１を用いて説明する。測定装置１００は、光源１１、コンフォーカル光学系１１０、ステージ３１、光検出器４３、及び処理部６０を備えている。測定装置１００は、コンフォーカル光学系１１０を有するコンフォーカル顕微鏡である。

【0027】

光源１１は、試料３０を照明する照明光Ｌ１を発生する。光源１１は、例えば、レーザ光源、ランプ光源などを用いることができる。コンフォーカル光学系１１０は、照明光Ｌ１を試料３０まで導く。例えば、ラインコンフォーカル光学系となっている。つまり、試料３０上にライン状の照明領域を形成する。

【0028】

コンフォーカル光学系１１０は、フィルタ１２、偏光板１３、第１の１／４波長板１４、レンズ１５、スリット１６、ハーフミラー２１、スキャナ２２、レンズ２３、対物レンズ２４、レンズ４１、検光子４２を備えている。

【0029】

光源１１からの照明光Ｌ１は、フィルタ１２に入射する。フィルタ１２は、例えば、バンドパスフィルタであり、所定の波長のみを透過する。フィルタ１２からの照明光Ｌ１は、レンズ１５で集光されて、スリット１６に入射する。スリット１６は、対物レンズ２４の焦点面と共役な位置に配置されている。スリット１６は照明光をライン状にする。スリット１６を通過した照明光Ｌ１は、偏光板１３、及び第１の１／４波長板１４により円偏光となる。

【0030】

円偏光となった照明光Ｌ１はハーフミラー２１を介して、スキャナ２２に入射する。ハーフミラー２１は、照明光Ｌ１と試料３０からの反射光Ｌ２の光路を分岐するビームスプリッタである。ハーフミラー２１は、入射光の半分を透過して、残り半分を反射する。

【0031】

なお、コンフォーカル光学系１１０における光学素子の配置は、図１に示す配置に限られるものではない。例えば、偏光板１３、及び第１の１／４波長板１４は、レンズ１５とフィルタ１２との間に配置されていてもよい。つまり、円偏光となった照明光Ｌ１がレンズ１５，及びスリット１６を通過してもよい。

【0032】

スキャナ２２は、振動ミラー、ガルバノミラー、回転ミラーなどであり、照明光Ｌ１を偏向する。例えば、試料３０上において、ライン状の照明領域の長手方向と直交する方向に照明光Ｌ１が走査される。

【0033】

スキャナ２２で走査された照明光Ｌ１は、レンズ２３を介して、対物レンズ２４に入射する。対物レンズ２４は、試料３０の表面に照明光Ｌ１を集光する。つまり、対物レンズ２４による合焦点位置は、試料３０の表面となっている。また、スリット１６と対物レンズ２４の焦点とが共役な結像関係となっているため、試料３０上において、スリット方向に対応するライン状の照明領域が形成される。例えば、試料３０上におけるライン状の照明領域の長手方向はＸ方向、スキャナ２２の走査方向はＹ方向とすることができる。

【0034】

試料３０は、ステージ３１上に載置されている。ステージ３１は、駆動ステージで有り、ＸＹＺ方向に試料３０を移動させる。ステージ３１によりＺスキャンが行われる。ステージ３１がＺ方向に移動することで、試料３０の表面に照明光Ｌ１の集光位置を合わせることができる。もちろん、ステージ３１の代わりに対物レンズ２４を光軸に沿って移動することで、集光位置を試料３０の表面に一致させてもよい。Ｚスキャンを行うことで、試料３０の全焦点画像と高さ像を得ることができる。また、表面凹凸が小さい場合は、Ｚスキャンをせずに、表面に焦点を合わせた状態で試料３０を撮像しても良い。

【0035】

試料３０で反射した反射光Ｌ２は、対物レンズ２４，レンズ２３で屈折されてスキャナ２２に入射する。反射光Ｌ２は、スキャナ２２でデスキャンされてハーフミラー２１に入射する。ハーフミラー２１は、反射光Ｌ２の半分をレンズ４１の方向に反射する。

【0036】

レンズ４１は、ハーフミラー２１からの反射光Ｌ２を光検出器４３の受光面に集光する。光検出器４３は、例えば、複数の画素が１列に配列されたラインセンサである。光検出器４３の画素は、ライン状の照明領域に対応する方向に沿って配列されている。光検出器４３の受光面と、対物レンズ２４の焦点面とが共役な位置に配置されている。光検出器４３は、コンフォーカル光学系１１０を介して、試料３０の表面からの反射光を検出する。

【0037】

もちろん、光検出器４３は、ラインセンサに限らず、０次元センサであってもよい。０次元センサを用いる場合、ピンホールや点光源と組み合わせることでコンフォーカル光学系を構成することができる。また、光検出器４３として０次元センサを用いる場合、スリット１６は不要となる。

【0038】

試料３０の表面が照明光Ｌ１の集光位置となるように、ステージ３１が試料３０の高さを変えている。図２は、試料３０の断面形状を模式的に示す図である。試料３０の表面３０ａに照明光Ｌ１の集光位置が合っている場合の照明光Ｌ１が実線で示されている。試料３０の表面３０ａから照明光Ｌ１の集光位置がずれている場合の照明光Ｌ１’が破線で示されている。なお、図２では、試料３０の対物レンズ２４（図２では不図示）側の面が表面３０ａとなり、試料３０のステージ３１側の面が裏面３０ｂとなっている。

【0039】

コンフォーカル光学系１１０では、試料３０の表面３０ａが照明光Ｌ１の焦点位置となっている場合、光検出器４３の検出光量が最も高くなる。つまり、光検出器４３は、対物レンズ２４の焦点面から外れた面からの反射光は、光検出器４３で検出されない。試料３０の表面３０ａ以外からの反射光が光検出器４３で検出されない。試料３０の裏面３０ｂで反射した反射光が光検出器４３で検出されない。試料３０の裏面３０ｂからの反射光の影響を抑制することができるため、試料３０の表面３０ａに関する測定を正確に行うことができる。

【0040】

コンフォーカル光学系１１０を用いることで、表面３０ａに凹凸や傾斜がある場合でも、直接測定することができる。つまり、光学定数の影響を受けずに測定を行うことができる。さらに、表面３０ａに凹凸がある場合でも、表面３０ａの全面において、焦点を形成することができる。上記の通り、裏面３０ｂからの反射光をカットすることができる。また、金属膜３０ｃ等のパターンが設けられている場合でも、測定に影響しない。試料３０の高さ像は、偏光と傾斜角の影響を確認するための補正画像として用いることができる。

【0041】

光干渉計で表面凹凸を測定する場合、結晶と金属面が視野内に混在していると、それらの段差を正確に測定できない。これは光学定数が材料によって異なる影響を受けるためである。一方、コンフォーカル光学系１１０を使った高さ測定では、光学定数の異なる材質でも影響を受けないため正確に段差や斜面形状を測定することができる。コンフォーカル光学系１１０により正確に測定された高さ像から、表面の粗さ、段差、傾斜角の情報が得られる。これらの情報に基づいて、偏光の測定結果の正しさを評価することや、補正することが可能となる。傾斜角度によって、偏光状態が変化するため、これを考慮して偏光測定の結果を補正することができる。

【0042】

上記のように、スキャナ２２が照明光Ｌ１により試料３０上を走査している。このため、測定装置１００は、試料３０の表面のコンフォーカル画像を取得することができる。光検出器４３が、試料３０の表面が合焦点位置となっているコンフォーカル画像を撮像する。コンフォーカル画像は、ＸＹ方向の２次元画像となる。なお、コンフォーカル光学系１１０で反射光を撮像する場合は、Ｚスキャンを行わずに、普通に撮像する場合と、Ｚスキャン（フォーカススキャン）によって視野全体に焦点の合った画像（全焦点画像）を撮像する場合とがある。凹凸が大きな表面は後者の全焦点画像を使う。Ｚスキャンを行うことで、反射像と表面の凹凸の測定も同時にできるため、高さ画像を取得することができる。

【0043】

レンズ４１と、光検出器４３との間には、検光子４２が配置されている。検光子４２は、反射光Ｌ２の光路中に回転可能に配置されている。検光子４２の回転軸は、光軸と平行になっている。検光子４２は、所定の直線偏光成分のみを透過する偏光子である。つまり、検光子４２の透過軸と平行な直線偏光が光検出器４３で検出される。また、検光子４２を回転することで、光検出器４３で検出される直線偏光の向きを変えることができる。

【0044】

なお、図１では、光検出器４３の直前に検光子４２が配置されているが、検光子４２の位置は特に限定されるものでない。ハーフミラー２１より光検出器４３側に検光子４２が配置されていても良い。ハーフミラー２１で照明光Ｌ１から分岐された反射光Ｌ２が入射するようにコンフォーカル光学系１１０内に検光子４２が配置されていればよい。

【0045】

処理部６０は、光検出器４３で撮像されたコンフォーカル画像を取得する。処理部６０は、検光子４２のそれぞれの回転角度でのコンフォーカル画像を取得する。処理部６０は、パーソナルコンピュータなどの情報処理装置である。処理部６０は、複数のコンフォーカル画像を記憶するメモリなどを有している。処理部６０は、光検出器４３の検出光量をＸＹＺ座標と対応付けて記憶する。処理部６０は、例えば、ＸＹＺ座標と検出光量とを対応付けて、全焦点画像を構築する。具体的には、全焦点画像は２次元の反射強度（明視野）の画像となる。また、処理部６０は、試料３０の高さ像を取得する。高さ像は３次元（高さは画像のグレースケールで表現）になるように、処理部６０内で再構成される。

【0046】

また、処理部６０は、位相シフト法による計算（位相シフト計算）を行うためのプロセッサなどを有している。処理部６０は、検光子４２を回転させるためのモータを制御してもよい。さらに、処理部６０は、ステージ３１の駆動を制御しても良い。

【0047】

ここで、試料３０の結晶による光学異方性について、図３を用いて説明する。図３は、試料３０に設けられた結晶３０ｄの粒子を模式的に示す平面図である。結晶には複屈折性があるとするため、方向に応じて屈折率が異なる。屈折率ｎ_１は遅相軸における屈折率であり、屈折率ｎ_２は遅相軸と直交する方向の進相軸における屈折率である。

【0048】

ここで、結晶粒子の配列が乱れている場合、結晶粒子の方位角によって、屈折率ｎ_１、ｎ_２の方向が変化する。ここでの結晶粒子の配列の乱れは、ＸＹ方向の平面的な乱れに限らず、Ｚ方向を含む３次元的な乱れである。結晶粒子の方位角に応じて、複屈折の主軸の角度が変化する。また、試料表面の歪みを結晶な３次元的な乱れとして擬似的に表すことができる。

【0049】

円偏光の照明光Ｌ１を試料３０の照射した場合の、反射光Ｌ２の偏光状態について、図４を用いて、説明する。表面反射による複屈折の影響で、反射光Ｌ２は、楕円偏光となる。複屈折の主軸が０°となるよう結晶粒子が形成されている場合、反射光Ｌ２は、Ｘ軸を長軸とし、Ｙ軸を短軸とする楕円偏光ＬＰ１となる。楕円偏光ＬＰ１のＸ軸における電場をＥ１とし、Ｙ軸における電場をＥ２とする。

【0050】

複屈折の主軸がφとなるに結晶が形成されている場合、反射光Ｌ２は、楕円偏光ＬＰ１の向きがφだけ回転した楕円偏向ＬＰ２となる。つまり、主軸方位φに応じて、楕円偏光の角度が変化する。なお、φは－１８０°以上、かつ１８０°以下の角度となっている。

【0051】

ここで、検光子４２の回転角度をθとする。なお、回転角度θは、検光子４２の透過軸のＹ軸からの角度である。反射光Ｌ２は楕円偏光になっているため、回転角度θを変えいくことで、光検出器４３での反射光Ｌ２の検出光量が変化する。また、回転角度θが同じ場合でも、主軸方位、つまり、結晶粒子の方位角に応じて、検出光量が変化する。したがって、複数の回転角度θで検出することがで、結晶粒子の方位角を求めることができる。

【0052】

非特許文献１に示された位相シフト法等による測定を行うために、検光子４２の回転角度θを変えている。回転角度θを４５°毎に変えていき、反射光の検出が行われる。例えば、初期の回転角度θを基準角度の０°として、０°、４５°、９０°、１３５°の４つの回転角度で反射光Ｌ２が検出される。つまり、検光子４２の回転角度変えることで、４つのコンフォーカル画像が撮像されている。

【0053】

ここで、θ＝０°の時の検出光量をＩ_１、θ＝４５°の時の検出光量をＩ_２とする。θ＝９０°の時の検出光量をＩ_３、θ＝１３５°の時の検出光量をＩ_４とする。図５は、検出光量Ｉ（φ）の変化を示すグラフである。図５は、Ｅ_１＝２、Ｅ_２＝１として、シミュレーションした結果を示している。複屈折率位相差は１／４波長板の位相差９０°として計算している。ここでは、φを－１８０°～１８０°の範囲で変えて、シミュレーションを行っている。

【0054】

位相シフト法による解析によって得られる複屈折の主軸方位を解析方位角φcalとすると、解析方位角φcalは以下の式（１）から求めることができる。

【数1】

【0055】

式（１）によって求められた解析方位角φcalを図６に示す。位相シフト計算による解析方位角φcalを求めることで、測定領域の主軸方位φを正確に測定することができる。このように、主軸方位φを－９０°～９０°の範囲で決定することができる。主軸方位をグレイレベルに変換することで、試料３０の表面における結晶の方位角の分布を二次元画像として可視化することができる。なお、図５，及び図６は、反射による複屈折位相差が０°の条件で計算した結果を示している。

【0056】

次に、位相シフト計算による複屈折位相差Δcalについて説明する。Δcalは表面反射による複屈折位相差であり、以下の式（２）で求めることができる。

【数2】

【0057】

なお、Ｉ_０＝（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３＋Ｉ_４）／２である。このように、位相シフト法によって、主軸方位φ、及び複屈折位相差Δcalを求めることができる。処理部６０は、検光子４２の回転角度を変えて取得された複数のコンフォーカル画像に基づいて、試料の表面の複屈折特性を算出している。以下、本実施の形態に係る測定方法について、図７を用い説明する。図７は測定方法を示すフローチャートである。

【0058】

まず、処理部６０が検光子４２を回転する（Ｓ１０１）。なお、検光子４２はモータなど自動的に回転してもよく、ユーザが手動で回転しても良い。ここでｊ＝１～４として、回転角度を４５°毎にする。ｊ＝１のとき検光子４２の回転角度が基準角度である０°となる。ｊ＝２のとき検光子４２の回転角度を４５°とする。ｊ＝３のとき検光子４２の回転角度を基準角度である９０°とし、ｊ＝４のとき検光子４２の回転角度を基準角度である１３５°とする。

【0059】

そして、処理部６０が、Ｚスキャン行う（Ｓ１０２）。つまり、ステージ３１を上下方向（Ｚ方向）に移動する。試料３０の表面３０ａに焦点位置を合わせる。検出光量が最大となるステージ３１の高さで、焦点位置が試料３０の表面３０ａと一致する。そして、処理部６０が、ＸＹ座標毎に合焦点位置での検出光量を記憶する。

【0060】

これにより、合焦点位置での偏光画像Ｉ_ｊが撮像される。偏光画像Ｉ_ｊは、画素毎に、反射光Ｌ２の検出光量（受光強度）が対応付けられた２次元コンフォーカル画像となっている。例えば、検光子４２の回転角度が０°の場合、ｊ＝１であるため、偏光画像Ｉ_１が取得される。また、Ｓ１０２により、Ｚスキャンした時の検出光量の変化から高さ像Ｈ_ｊを取得することができる。高さ像Ｈ_ｊはＸＹ座標に応じた、試料３０の表面高さを示すデータである。

【0061】

次に、処理部６０が、ｊ＝４であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。ｊ＝４ではない場合（Ｓ１０３のＮＯ）、ｊ＝４となるまで、Ｓ１０１、Ｓ１０２の処理を繰り返す。例えば、検光子４２の回転角度が０°である場合、ｊ＝１であるため、回転角度４５°にして、ｊ＝２とする。そして、処理部６０がＳ１０２のＺスキャンを行う。これにより、回転角度４５°の偏光画像Ｉ_２を取得することができる。同様に、処理部６０が、回転角度を９０°として、ｊ＝３の時の偏光画像Ｉ_３を取得する。処理部６０が、ｊ＝４として、ｊ＝４の時の偏光画像Ｉ_４を取得する。もちろん、偏光画像Ｉ_１、Ｉ_２，Ｉ_３、Ｉ_４の取得順は特に限定されるものではない。

【0062】

Ｓ１０２～Ｓ１０３の処理を行うことで、４枚のコンフォーカル画像が撮像される。ｊ＝４である場合（Ｓ１０３のＹＥＳ）、処理部６０が位相シフト計算を行う（Ｓ１０４）。ここでは、処理部６０は、以下の式（３）を用いて、複屈折の主軸方位φを求める。

【数3】

【0063】

次に処理部６０が複屈折計算を行う（Ｓ１０５）。ここでは、処理部６０が以下の式（４）を用いて、複屈折位相差Δcalを求める。

【数4】

【0064】

このようにすることで、試料３０の表面反射による偏光状態の変化を測定することができる。処理部６０は、主軸方位φと複屈折位相差Δcalを二次元コンフォーカル画像の画素毎に算出することができる。これにより、主軸方位φと複屈折位相差ΔcalのＸＹ平面における分布を求めることができる。処理部６０は、主軸方位φと複屈折位相差Δcalに応じて、表示色や濃淡を変えてモニタに表示することができる。

【0065】

なお、処理部６０は、主軸方位φと複屈折位相差Δcalの両方と算出していたが、一方のみを算出するようにしてもよい。つまり、処理部６０は、主軸方位φのみを算出しても良い。あるいは、処理部６０は、複屈折位相差Δcalのみを算出しても良い。

【0066】

本実施の形態では、偏光画像として、コンフォーカル画像を取得しているため、試料３０の裏面３０ｂからの反射光の影響を抑制することができる。つまり、試料３０の表面３０ａに焦点位置が一致したときの反射光Ｌ２がコンフォーカル光学系１１０を介して検出されている。このため、裏面３０ｂからの反射光のほとんどが検出されない。よって、試料３０の表面に関する測定を正確に行うことができる。特に、照明光を透過する材料の試料であっても、正確な測定を行うことができる。

【0067】

本実施形態にかかる測定方法は、コンフォーカル顕微鏡を用いた測定方法である。測定方法は、検光子４２の回転角度を変えて、複数のコンフォーカル画像を取得するステップと、複数のコンフォーカル画像に基づいて、試料３０の表面の複屈折特性を算出するステップと、を備えている。コンフォーカル画像を用いているため、高い空間分解能で主軸方位φ及び複屈折位相を測定することができる。

【0068】

本実施の形態にかかる測定装置１００は、化合物半導体デバイスや、圧電結晶などの様々な試料についての測定が可能となる。例えば、化合物半導体デバイスでは、表面状態がデバイスの特性が大きく影響する。したがって、表面における結晶の主軸方位や複屈折位相を求めることで、より適切な評価を行うことができる。表面の注目点、例えば、結晶欠陥周辺の評価を行うことができる。

【0069】

コンフォーカル光学系１１０により、撮像の際にＺスキャン（フォーカススキャン）を実施することで表面が凹凸や傾斜があっても試料全面に焦点のあった画像を取得できる。また、表面凹凸形状を同時に測定できるので、複屈折を凹凸の相関を調べることが可能となる。さらに、表面の斜面性による見かけの複屈折性が大きい場合は、傾斜角を複屈折特性の補正に使うことができる。また、照明光Ｌ１としては、例えば、５４６ｎｍのような単一の波長の光源１１を用いることができる。あるいは、多波長の測定を実施することで、屈折率の波長分散を得ることができる。

【0070】

さらに、波長分散が十分検出可能な波長差がある場合は、複数の波長測定を行うことで、表面形状等による見かけの複屈折性と新の複屈折を計算で分離することができる。この場合、複数波長の測定で得られた検出結果に基づいて連立方程式を解けば良い。例えば、波長を５４６ｎｍ、４５０ｎｍ、６５０ｎｍとしてそれぞれの波長での測定を行う。このようにすることで、複屈折特性の波長分散を評価することができる。

【0071】

測定装置１００により、複屈折特性を測定することで、複屈折位相差Δと主軸方位φの高精細な分布が得られる。例えば、１軸性結晶の場合、主軸方位φは結晶学的なｃ軸と一致するのが理想結晶であるが、現実結晶ではその成長方法等により結晶が歪んだりする。したがって、主軸方位に分布が生まれる可能性があり、結晶成長法や研磨方法の改善にも利用できると考えられる。表面での反射光を観察することで、観察面における転位欠陥が観察可能である（歪の観測により）。さらに、観察面における、表面凹凸としての傷はないが、応力ひずみとして残っている加工変質層（すなわち潜傷）が観察できる。

【0072】

白色光から３つの単色光を同時に照明して、３ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラで、一括多波長測定とカラー画像の取得も可能である。また、照明光Ｌ１で照明した領域からの反射光Ｌ２を検出すれば良いため、非破壊で測定を行うことができる。この場合、フィルタ１２は、３波長を透過するフィルタとすれば良い。また、第１の１／４波長板１４等の光学素子が、３波長のそれぞれについて適切な特性を持つようにすればよい。

【0073】

実施の形態２
実施の形態２にかかる測定装置について、図８を用いて説明する。図８は、測定装置１００の全体構成を示す図である。本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、第２の１／４波長板４４が追加されている。第２の１／４波長板４４以外の基本的な構成は実施の形態１と同様であるため、適宜説明を省略する。

【0074】

第２の１／４波長板４４は、反射光Ｌ２の光路中に回転可能に配置されている。具体的には、第２の１／４波長板４４は、検光子４２とレンズ４１との間に配置されている。もちろん、第２の１／４波長板４４の配置は図８の位置に限られるものではない。第２の１／４波長板４４は、検光子４２とハーフミラー２１との間に配置されていればよい。

【0075】

第２の１／４波長板４４は、回転可能に設けられている。第２の１／４波長板４４の回転軸は、反射光Ｌ２の光軸と平行になっている。例えば、処理部６０が第２の１／４波長板４４を回転するためのモータ（不図示）を制御する。あるいは、ユーザが、手動で第２の１／４波長板４４を回転させても良い。

【0076】

反射光Ｌ２が第２の１／４波長板４４を通過することで、偏光状態が変化する。そして、第２の１／４波長板４４を透過した反射光Ｌ２が、検光子４２を介して、光検出器４３に入射する。つまり、光検出器４３は、第２の１／４波長板４４及び検光子４２を透過した反射光Ｌ２を検出する。

【0077】

ここで、第２の１／４波長板４４は、基準角度を０°として、０°、４５°の２つの回転角度とする。つまり、第２の１／４波長板４４の回転角度を０°と４５°として、それぞれ反射光Ｌ２が検出される。第２の１／４波長板４４の回転角度に応じて、検光子４２に入射する反射光Ｌ２の偏光状態が変化する。

【0078】

検光子４２の回転角度は、実施の形態１と同様に、０°、４５°、９０°、１３５°の４つとなっている。したがって、第２の１／４波長板４４の回転角度が０°、４５°のそれぞれについて、４つのコンフォーカル画像（偏光画像）が取得される。本実施の形態では、合計８つのコンフォーカル画像（偏光画像）が取得される。

【0079】

本実施の形態に係る測定方法について、図９を用いて説明する。図９は、測定方法を示すフローチャートである。処理部６０が第２の１／４波長板４４を回転する（Ｓ２０１）。ここでは、ｉ＝１のとき、第２の１／４波長板４４の回転角度が０°であり、ｉ＝２のとき、第２の１／４波長板４４の回転角度が４５°であるとする。まず、処理部６０は、第２の１／４波長板４４の回転角度を０°にする。

【0080】

次に、処理部６０が検光子４２を回転する（Ｓ２０２）。ここでは、実施の形態１のステップＳ１０１と同様に、ｊ＝１～４として、それぞれ０°、４５°、９０°、１３５°とする。まず、ｊ＝１として、検光子４２の回転角度を０°とする。

【0081】

処理部６０が、ステージ３１をＺスキャンする（Ｓ２０３）。これにより、実施の形態１のステップＳ１０２と同様に、偏光画像Ｐ_ｉｊと高さ像Ｈ_ｉｊが取得される。検光子４２の回転角度が０°、第２の１／４波長板４４の回転角度が０°であるため、処理部６０は、偏光画像Ｐ_１１と、高さ像Ｈ_１１を取得する。

【0082】

次に、処理部６０は、ｊ＝４であるか否かを判定する（Ｓ２０４）。ｊ＝４ではない場合（Ｓ２０４のＮＯ）、ｊ＝４となるまで、Ｓ２０２、Ｓ２０３の処理を繰り返す。ここでは、第２の１／４波長板の回転角度が０°となっている。検光子４２の回転角度が０°である場合、ｊ＝１であるため、回転角度４５°にして、ｊ＝２とする。そして、処理部６０がＳ２０３のＺスキャンを行う。これにより、回転角度４５°の偏光画像Ｐ_１２を取得することができる。

【0083】

同様に、処理部６０が、回転角度を９０°として、ｉ＝１、ｊ＝３の時の偏光画像Ｐ_１３を取得する。処理部６０が、ｊ＝４として、ｉ＝１、ｊ＝４の時の偏光画像Ｐ_１４を取得する。もちろん、偏光画像Ｐ_１１、Ｐ_１２，Ｐ_１３、Ｐ_１４の取得順は特に限定されるものではない。そして、

【0084】

ｊ＝４となった場合（Ｓ２０４のＹＥＳ）、処理部６０が、ｉ＝２であるか否かを判定する（Ｓ２０５）。ｉ＝２ではない場合（Ｓ２０５のＮＯ）、Ｓ２０１に戻る。つまり、ｉ＝２として、Ｓ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０４の処理を繰り返す。例えば、第２の１／４波長板４４の回転角度が０°である場合、ｉ＝１であるため、回転角度４５°にして、ｉ＝２とする。Ｓ２０２、Ｓ２０３、及びＳ２０４の処理が同様に行われる。これにより、偏光画像Ｐ_２１、Ｐ_２２，Ｐ_２３、Ｐ_２４が取得される。なお、偏光画像Ｐ_１１、Ｐ_１２，Ｐ_１３、Ｐ_１４、Ｐ_２１、Ｐ_２２，Ｐ_２３、Ｐ_２４の取得順は特に限定されるものではない。

【0085】

ｉ＝２である場合（Ｓ２０５のＹＥＳ）、処理部６０が位相シフト計算を行う（Ｓ２０６）。ここでは、処理部６０は、以下の式（５）を用いて、主軸方位φを求める。

【数5】

【0086】

次に処理部６０が複屈折計算を行う（Ｓ２０７）。ここでは、処理部６０が以下の式（６）を用いて、複屈折位相差Δcalを求める。

【数6】

【0087】

このように、本実施の形態においても実施の形態１と同様に主軸方位φ及び複屈折位相差Δcalを正確に測定することができる。よって、結晶粒子の方位角や結晶状態を評価することができる。実施の形態１では主軸方位φの測定範囲が－９０°～＋９０°であったが、実施の形態２では、主軸方位φの測定範囲を－１８０°～１８０°に広げることができる。

【0088】

実施の形態３
実施の形態３にかかる測定装置について、図１０を用いて説明する。図１０は、測定装置１００の全体構成を示す図である。本実施の形態では、測定装置１００が微分干渉顕微鏡となっている。そして、測定装置は、微分干渉モードでの位相シフト法を実施している。

【0089】

図１０では、図８の構成に加えて、ノマルスキプリズム２５が追加されている。さらに、照明光Ｌ１の光路には、第１の１／４波長板１４が配置されていない。つまり、図８の構成から第１の１／４波長板１４が取り除かれている。ノマルスキプリズム２５及び第１の１／４波長板１４以外の構成については、実施の形態１、２と同様になるため、適宜説明を省略する。

【0090】

第１の１／４波長板１４が設けられていないため、直線偏光の照明光Ｌ１がスキャナ２２に入射する。スキャナ２２で反射された照明光Ｌ１は、レンズ２３を介して、ノマルスキプリズム２５に入射する。ノマルスキプリズム２５は、微分干渉プリズムであり、直線偏光の照明光Ｌ１を２本の光ビームに分岐する。つまり、照明光Ｌ１は、ノマルスキプリズム２５を透過することで、所定のシャー量だけ横方向にずれた２本の平行な光ビームとなる。なお、微分干渉プリズムは、ノマルスキプリズム２５に限らず、ウォラストンプリズムを用いてもよい。

【0091】

ノマルスキプリズム２５で分岐された２本の光ビームは直交する直線偏光となっている。つまり、２本の光ビームの一方が常光となり、他方が異常光となる。ノマルスキプリズム２５で分岐された２本の光ビームは、対物レンズ２４で集光された試料３０を照明する。２本の光ビームは、試料３０の異なる点を照明する。そして、それぞれの光ビームは試料３０で反射される。したがって、試料３０からの反射光Ｌ２は２本の光ビームを含んでいる。

【0092】

試料３０で反射した反射光Ｌ２は、対物レンズ２４を介して、ノマルスキプリズム２５に入射する。ノマルスキプリズム２５は、２本の光ビームを合成する。そして、反射光Ｌ２は、実施の形態１，２と同様の光路を伝播して、光検出器４３で検出される。

【0093】

このようにすることで、処理部６０が微分干渉画像Ｄ_ｊを取得することができる。例えば、試料３０の表面において、２本の光ビームの入射位置の間に高さの差がある場合、２つの光ビームの間に光路差（位相差）が生じる。よって、光検出器４３では、光路差に応じたコントラストが得られる。

【0094】

本実施の形態では、第２の１／４波長板４４の回転角度を０°に固定して、４枚の微分干渉画像Ｄ_１～Ｄ_４を取得する。検光子４２の回転角度が０°、４５°、９０°、１３５°のとき、ｊ＝１，２，３，４となる。微分干渉画像Ｄ_１は検光子４２の回転角度が０°の時の微分干渉画像であり、微分干渉画像Ｄ_２は検光子４２の回転角度が４５°の時の微分干渉画像である。微分干渉画像Ｄ３は検光子４２の回転角度が９０°の時の微分干渉画像である。微分干渉画像Ｄ_４は検光子４２の回転角度が１３５°の時の微分干渉画像である。

【0095】

次に、本実施の形態にかかる測定方法について、図１１を用いて説明する。まず処理部６０が検光子４２を回転する（Ｓ３０１）。上記の通り、検光子４２の回転角度が０°、４５°、９０°、１３５°として、それぞれｊ＝１，２，３，４とする。

【0096】

処理部６０がステージ３１を上下に駆動して、Ｚスキャンを行う（Ｓ３０２）。これにより、処理部６０が微分干渉画像Ｄ_ｊを取得する。ここでは、ｊ＝１であるため、微分干渉画像Ｄ_１が取得される。なお、Ｓ３０２は省略可能である。

【0097】

次に、処理部６０は、ｊ＝４であるか否かを判定する（Ｓ３０３）。ｊ＝４ではない場合（Ｓ３０３のＮＯ）、ｊ＝４となるまで、Ｓ３０１、Ｓ３０２の処理を繰り返す。第２の１／４波長板の回転角度が０°となっている。検光子４２の回転角度が０°である場合、ｊ＝１であるため、回転角度４５°にして、ｊ＝２とする。そして、処理部６０がＳ３０２のＺスキャンを行う。これにより、回転角度４５°の微分干渉画像Ｄ_２を取得することができる。

【0098】

同様に、処理部６０が、回転角度を９０°として、ｊ＝３の時の微分干渉画像Ｄ_３を取得する。処理部６０が、ｊ＝４として、ｊ＝４の時の微分干渉画像Ｄ_４を取得する。もちろん、微分干渉画像Ｄ_１、Ｄ_２，Ｄ_３、Ｄ_４の取得順は特に限定されるものではない。

【0099】

ｊ＝４となると（Ｓ３０３のＹＥＳ）、処理部６０が位相シフト計算を行う（Ｓ３０４）。処理部６０は、以下の式（７）を用いてαを算出する。

【数7】

【0100】

処理部６０は、微分量を計算する（Ｓ３０５）。処理部６０は、以下の式（８）により微分量Δｈ／ΔＳを算出する。ΔＳはノマルスキプリズム２５によるシャー量である。表面の高さをｈ（ｘ、ｙ）とすると、そのシャーＳ方向の微分量はΔｈ／ΔＳとなる。Ｓの向きはＸ方向でもＸＹ対角線方向でもよい。

【数8】

【0101】

なお、λは照明光Ｌ１の波長である。微分量は表面高さの傾きに対応する。このようにすることで、エッジなどの段差を定量測定することができる。さらに、積分処理により表面形状の測定が可能である。

【0102】

なお、実施の形態１～３は適宜組み合わせることが可能である。例えば、第２の１／４波長板４４が反射光の光路中に挿脱可能に配置することで、実施の形態１と実施の形態２の測定を切替えることができる。同様に、ノマルスキプリズム２５を照明光Ｌ１及び反射光Ｌ２の光路中に挿脱可能に配置することで、実施の形態２と実施の形態３の測定を切替えることができる。

【0103】

処理部６０は物理的に単一の装置に限られるものではない。つまり、処理部６０における処理は、複数の装置に分散されて実施されていてもよい。例えば、光検出器４３からの検出データを取得する処理部と、記憶する記憶装置は別体となっていてもよい。また、処理部６０は、分散処理を行う複数の装置であってもよい。

【0104】

上記した処理部６０の処理のうちの一部又は全部は、コンピュータプログラムによって実行されてもよい。上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ)、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ)、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

【0105】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。

【符号の説明】

【0106】

１１ 光源
１２ フィルタ
１３ 偏光板
１４ 第１の１／４波長板
１５ レンズ
１６ スリット
２１ ハーフミラー
２２ スキャナ
２３ レンズ
２４ 対物レンズ
２５ ノマルスキプリズム
３０ 試料
３０ａ 表面
３０ｂ 裏面
３０ｃ 金属膜
３１ ステージ
４１ レンズ
４２ 検光子
４３ 光検出器
４４ 第２の１／４波長板
６０ 処理部
１００ 測定装置
１１０ コンフォーカル光学系

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】