特開 2023-177950 算出方法、撮像方法、および撮像装置

(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】P2023177950

(43)【公開日】2023-12-14

(54)【発明の名称】算出方法、撮像方法、および撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/00 20060101AFI20231207BHJP

   G01N 21/88 20060101ALI20231207BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20231207BHJP

【ＦＩ】

G02B21/00

G01N21/88 H

G02B21/36

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022090926

(22)【出願日】2022-06-03

(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】前川 裕之

(72)【発明者】

【氏名】藤木 翔太

【テーマコード（参考）】

2G051

2H052

【Ｆターム（参考）】

2G051AA51

2G051AB02

2G051BA10

2G051BA11

2G051BA20

2G051BB03

2G051CA03

2H052AA05

2H052AA08

2H052AB01

2H052AC04

2H052AC10

2H052AC15

2H052AC16

2H052AC18

2H052AC34

2H052AD20

2H052AD34

2H052AF14

2H052AF25

(57)【要約】

【課題】干渉光学系の光路に配置される所定の光学素子によって生じるシャー量を容易に算出できる算出方法、撮像方法、および撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る算出方法は、撮像光学系１１０の光路に配置された所定の光学素子によって生じるシャー量の算出方法である。算出方法は、分割された２つの光の間の位相差を変えながら、撮像光学系１１０により、物体表面に含まれる二次曲面の複数の干渉画像を撮像するステップと、複数の干渉画像から、位相シフト法により位相分布を求めるステップと、位相分布に基づいて、二次曲面による干渉縞の縞間隔を測定するステップと、二次曲面を表す式中の定数および縞間隔に基づいて光学素子のシャー量を算出するステップと、を含む。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

干渉光学系の光路に配置される所定の光学素子によって生じるシャー量の算出方法であって、
前記干渉光学系によって分割された２つの光の間の位相差を変えながら、前記干渉光学系により、物体表面に含まれる二次曲面の複数の干渉画像を撮像するステップと、
前記複数の干渉画像から、位相シフト法により位相分布を求めるステップと、
前記位相分布に基づいて、前記二次曲面による干渉縞の縞間隔を測定するステップと、
前記二次曲面を表す式中の定数および前記縞間隔に基づいて前記シャー量を算出するステップと、
を含む算出方法。

【請求項2】

前記干渉光学系は共焦点光学系であり、
前記共焦点光学系を用いて前記二次曲面の３次元形状を測定するステップと、
前記３次元形状に基づいて前記定数を推定するステップと、
をさらに含む請求項１に記載の算出方法。

【請求項3】

前記測定するステップは、シャー方向に沿った前記位相分布の勾配に基づいて、前記シャー量を算出する、
請求項１または２のいずれかに記載の算出方法。

【請求項4】

前記測定するステップは、シャー方向に沿った前記位相分布の周期に基づいて前記シャー量を算出する、
請求項１または２のいずれかに記載の算出方法。

【請求項5】

前記算出するステップは、シャー方向における前記二次曲面の傾きの変化を一次式で近似する、
請求項１に記載の算出方法。

【請求項6】

前記二次曲面は球体の表面であり、
前記定数は前記球体の半径である、
請求項１または２のいずれかに記載の算出方法。

【請求項7】

請求項１または２のいずれかに記載の算出方法と、
前記干渉光学系によって分割された２つの光の行路差が所定の値になるように、前記シャー量に基づいて前記所定の光学素子の位置を調整するステップと、
前記調整するステップの後、前記干渉光学系により試料の干渉画像を撮像するステップと、
を含む撮像方法。

【請求項8】

前記試料は透明基板または透明ウェハである、
請求項７に記載の撮像方法。

【請求項9】

干渉光学系と、
前記干渉光学系の光路に配置された所定の光学素子と、
前記干渉光学系によって分割された２つの光の間の位相差を変えながら撮像された、物体表面に含まれる二次曲面の複数の干渉画像から、位相シフト法により位相分布を生成した後、前記位相分布から測定された、前記二次曲面による干渉縞の縞間隔、および前記二次曲面を表す式中の定数に基づいて、前記光学素子のシャー量を算出する処理を実行する処理部と、
を備えた撮像装置。

【請求項10】

前記干渉光学系は共焦点光学系であり、
前記処理部は、前記共焦点光学系により測定された前記二次曲面の３次元形状に基づいて前記定数を推定する処理をさらに実行する、
請求項９に記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、算出方法、撮像方法、および撮像装置に関し、特にシャー量を算出する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

化合物半導体ウェハやガラス基板などの欠陥検査・分類を高速で行う技術は、デバイスや製品の品質管理や改善のために必要不可欠である。特許文献１には、微分干渉顕微鏡を用いた欠陥検査装置が記載されている。微分干渉顕微鏡は、微分干渉プリズム（例えば、ノマルスキープリズム）により照明光を正常光と異常光に分離する。正常光と異常光の位置のずれ量はシャー量と言われる。

【0003】

図１を参照しながら正常光と異常光の行路差について説明する。図１の縦方向（Ｚ方向）は高さ方向を表している。図１の横方向（Ｓ方向）は、照明光が正常光と異常光に分離する方向、つまりシャー方向を表している。正常光および異常光は、それぞれＳ方向に振動する直線偏光およびＳ方向と垂直な方向に振動する直線偏光となっている。

【0004】

図１は、シャー量がΔＳ_１のときの正常光および異常光と、シャー量がΔＳ_２のときの正常光および異常光とを含んでいる。ΔＳ_２はΔＳ_１よりも大きい。試料５０の上面は、水平方向に対して角度Φで傾斜している。ｄ_１は、シャー量がΔＳ_１の場合に、正常光と異常光が試料５０上で反射したときの高さの差分を表している。ｄ_２は、シャー量がΔＳ_２の場合に、正常光と異常光が試料上で反射したときの高さの差分を表している。ｄ_２はｄ_１よりも大きい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平９－０６１３７０号公報

【特許文献2】特開２００４－０３７４２９号公報

【特許文献3】特開平１－２１９６０５号公報

【特許文献4】特開平１－０６９９３３号公報

【特許文献5】特許第２５２７１７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

微分干渉画像を用いて検査や分類を行う際、精度を維持するためには、欠陥のない平面部の受光信号の強度を一定にすることが好ましい。これにより、同じ閾値を用いて検査を行うことができる。受光信号の強度を一定にするためには、ノマルスキープリズムによって生じる、正常光と異常光の間の行路差を一定にする必要がある。

【0007】

正常光と異常光の間の行路差は、微分干渉プリズムのシャー量と、微分干渉プリズムの位置調整によって定まる。したがって、微分干渉プリズムのシャー量を算出できた場合、算出結果に応じて微分干渉プリズムの位置調整を行うことで、受光信号の強度を一定に維持できる。また、微分干渉プリズムのシャー量を算出できた場合、適切なシャー量を有する微分干渉プリズムを使用することで、受光信号の強度を一定に維持できる。受光信号の強度を一定にすることで、同一の装置を使って様々な試料を検査する際の検査条件を一定にすることができる。また、同一設計の異なる装置間における機差を低減できる。
同一の装置を使って様々な試料を検査する場合の課題について説明する。微分干渉プリズム（例：ノマルスキープリズム）の行路差自体は、水平に設置した段差を用いて調整できる。なお、微分干渉プリズムの行路差とは、試料によらない正常光と異常光の行路差を表している。ところが、実際の試料（例：ウェハ）は傾斜を含んでいる。特に、試料の欠陥部分は、試料自体が水平であったとしても傾斜を含んでいる。したがって、微分干渉プリズムの行路差が同じであり、かつ、同じ欠陥部分を観察した場合であっても、シャー量ΔＳが異なると正常光と異常光の間の行路差は同じにならず、同じ明るさにならない。欠陥のない部分も傾斜を含むため、微分干渉プリズムの行路差が同じになるように調整しても、シャー量ΔＳが異なると同じ明るさにならない。この場合、欠陥検査を所定の明るさの閾値で実施することが困難である。
同一設計の異なる装置間における機差を低減する方法の一例を説明する。装置Ａにおいて、微分干渉プリズムの調整、つまり微分干渉プリズムの行路差を定め、同じ条件で装置Ｂにおいて検査を行うものとする。微分干渉プリズムのシャー量を測定できる場合、装置Ａが備える微分干渉プリズムのシャー量と装置Ｂが備える微分干渉プリズムのシャー量とが互いに異なることを判定できる。シャー量が異なる場合、装置Ｂが備える微分干渉プリズムを、シャー量が許容範囲に含まれる微分干渉プリズムに交換したり、シャー量の違いで生じた、欠陥部分等の明るさの変化を補償するように微分干渉プリズムの位置を微調整したりすることができる。

【0008】

そこで微分干渉プリズムのシャー量を算出することが望まれている。しかし、段差のある試料や平面の傾斜角度に基づいて、微分干渉プリズムのシャー量を算出することは難しい。シャー量が異なる微分干渉プリズムで段差試料を撮像しても、微分干渉画像の間には十分な差異が見られない場合がある。一般にノマルスキープリズムのシャー量は顕微鏡観察画像の１～２画素程度であり、干渉強度プロファイルの幅測定などから測定することは困難である。また、平面の傾斜角度を変えることは手間がかかり、傾斜角度による反射光強度の変化を考慮しなければならないという問題がある。

【0009】

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、干渉光学系の光路に配置される所定の光学素子によって生じるシャー量を容易に算出できる算出方法、撮像方法、および撮像装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る算出方法は、
干渉光学系の光路に配置される所定の光学素子によって生じるシャー量の算出方法であって、
前記干渉光学系によって分割された２つの光の間の位相差を変えながら、前記干渉光学系により、物体表面に含まれる二次曲面の複数の干渉画像を撮像するステップと、
前記複数の干渉画像から、位相シフト法により位相分布を求めるステップと、
前記位相分布に基づいて、前記二次曲面による干渉縞の縞間隔を測定するステップと、
前記二次曲面を表す式中の定数および前記縞間隔に基づいて前記シャー量を算出するステップと、
を含む。

【0011】

また、本発明に係る撮像方法は、
上記算出方法と、
前記干渉光学系によって分割された２つの光の行路差が所定の値になるように、前記シャー量に基づいて前記所定の光学素子の位置を調整するステップと、
前記調整するステップの後、前記干渉光学系により試料の干渉画像を撮像するステップと、
を含む。

【0012】

また、本発明に係る撮像装置は、
干渉光学系と、
前記干渉光学系の光路に配置された所定の光学素子と、
前記干渉光学系によって分割された２つの光の間の位相差を変えながら撮像された、物体表面に含まれる二次曲面の複数の干渉画像から、位相シフト法により位相分布を生成した後、前記位相分布から測定された、前記二次曲面による干渉縞の縞間隔、および前記二次曲面を表す式中の定数に基づいて、前記光学素子のシャー量を算出する処理を実行する処理部と、
を備える。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、干渉光学系の光路に配置される所定の光学素子によって生じるシャー量を容易に算出できる算出方法、撮像方法、および撮像装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】シャー量と行路差の関係を説明するための図である。

【図2】実施形態１にかかる算出方法で用いられる撮像装置の構成を示す。

【図3】実施形態１にかかる算出方法および撮像方法の流れを示すフローチャートである。

【図4】球体表面の３次元形状の測定結果を示す。

【図5】球体の半径を推定する方法を説明するための図である。

【図6】白色光を用いた場合の球体表面の微分干渉画像を示す。

【図7】単色光を用いた場合の球体表面の微分干渉画像を示す。

【図8】単色光を用いた場合の微分干渉画像の全焦点画像を示す。

【図9】球体表面の位相分布を示す。

【図10】シャー方向に沿った位相分布のプロファイルを示す。

【図11】縞間隔を測定する方法を説明するための図である。

【図12】縞間隔を測定する方法を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本実施形態の具体的構成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。

【0016】

（実施形態１）
以下、実施形態１にかかる算出方法、撮像方法、および撮像装置について、図面を参照しながら説明する。実施形態１にかかる算出方法（以下、本算出方法と言う）は、撮像光学系（例えば、共焦点光学系）の光路に配置された所定の光学素子（例：微分干渉プリズム）によって生じるシャー量を算出する。撮像光学系は干渉光学系である。以下では、撮像光学系が共焦点光学系である場合を中心に説明する。また、以下では、撮像光学系が微分干渉光学系である場合を中心に説明するが、撮像光学系は他の干渉光学系（例：シアリング干渉光学系）であってもよい。

【0017】

まず、図２を参照しながら、本算出方法で用いられる撮像装置１００について説明する。撮像装置１００は、共焦点光学系を介して、試料（不図示）で反射した反射光を検出する。撮像装置１００は、反射光の検出結果に基づいて試料表面を撮像する。試料は、ＳｉＣやＧａＮ等の化合物半導体や、圧電体結晶のウェハ等であってもよい。試料は、透明ウェハや透明基板であってもよい。

【0018】

また、共焦点光学系の光路には、微分干渉プリズム（例えば、ノマルスキープリズム）などの所定の光学素子が配置される。所定の光学素子は、干渉光学系によって分割される２つの光に相対的な横ずれ変位を与える。以下では、所定の光学素子が微分干渉プリズムである場合を中心に説明するが、所定の光学素子はプリズムに限定されず、レンズや回折格子であってもよい。撮像装置１００は、微分干渉プリズムを評価するために、物体表面に含まれる二次曲面（例：球面）の微分干渉画像を撮像する。二次曲面が球面である場合、球面は、例えば、ボールベアリング用の鋼球の表面であってもよく、ガラスビーズの表面であってもよい。以下では、二次曲面が球面である場合を中心に説明するが、二次曲面は放物面や円柱であってもよい。

【0019】

撮像装置１００は、光源１１、撮像光学系１１０、ステージ３１、光検出器４３、及び処理部６０を備えている。撮像装置１００は、共焦点光学系である撮像光学系１１０を有する共焦点顕微鏡である。撮像光学系１１０は、干渉光学系とも言う。

【0020】

光源１１は、球体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、ランプ光源などである。撮像光学系１１０は、照明光Ｌ１を球体３０まで導く。撮像光学系１１０は、例えば、ライン共焦点光学系であり、球体３０上にライン状の照明領域を形成する。

【0021】

撮像光学系１１０は、フィルタ１２、ポラライザ１３、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、ノマルスキープリズム２４、対物レンズ２５、レンズ４１、１／４波長板４４、およびアナライザ４２を備えている。

【0022】

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、ポラライザ１３により直線偏光となる。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２５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。

【0023】

直線偏光の照明光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と球体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。

【0024】

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、球体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。

【0025】

スキャナ２２で反射された照明光Ｌ１は、レンズ２３を介して、ノマルスキープリズム２４に入射する。ノマルスキープリズム２４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、ノマルスキープリズム２４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本の交差する光ビームとなる。なお、微分干渉プリズムは、ノマルスキープリズム２４に限らず、ウォラストンプリズムを用いてもよい。

【0026】

ノマルスキープリズム２４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正常光となり、他方が異常光となる。ノマルスキープリズム２４で分岐された２本の光ビームは、対物レンズ２５で集光され、球体３０を照明する。２本の光ビームは、球体３０の異なる点を照明する。対物レンズ２５を通ったところで、正常光と異常光は互いに横ずれした平行光となる。横ずれ量はシャー量と言われる。横ずれの方向（シャー方向）は、例えば、ＸＹ平面において、Ｘ軸に対して－４５［ｄｅｇ］の方向であってもよい。

【0027】

対物レンズ２５による合焦点位置は、球体３０の表面となっている。また、スリット１６と対物レンズ２５の焦点とが共役な結像関係となっているため、球体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、球体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方向である。

【0028】

球体３０や試料は、ステージ３１上に載置される。ステージ３１は、駆動ステージであり、ＸＹＺ方向に球体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、球体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２５を光軸に沿って移動することで、集光位置を球体３０の表面に一致させてもよい。Ｚスキャンを行うことで、球体３０の合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球体３０を撮像してもよい。

【0029】

球体３０で反射した反射光Ｌ２は、２本の光ビームを含んでいる。球体３０で反射した反射光Ｌ２は、対物レンズ２５を介して、ノマルスキープリズム２４に入射する。ノマルスキープリズム２４は、２本の光ビームを合成する。反射光Ｌ２は、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。

【0030】

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２５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、撮像光学系１１０を介して、球体３０からの反射光を検出する。

【0031】

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共焦点光学系を構成することができる。このような場合、スリット１６は不要となる。

【0032】

球体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が球体３０の高さを変えている。

【0033】

撮像光学系１１０では、球体３０の表面が照明光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、対物レンズ２５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。

【0034】

上記のように、スキャナ２２が照明光Ｌ１により球体３０上を走査している。このため、撮像装置１００は、球体３０や試料の表面の共焦点画像を取得することができる。光検出器４３が、球体３０の表面が合焦点位置となっている共焦点画像を撮像する。共焦点画像は、ＸＹ方向の２次元画像となる。なお、撮像光学系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。

【0035】

レンズ４１と、光検出器４３との間には、１／４波長板４４およびアナライザ４２が配置されている。反射光Ｌ２が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、１／４波長板４４を透過した反射光Ｌ２が、アナライザ４２を介して、光検出器４３に入射する。つまり、光検出器４３は、１／４波長板４４およびアナライザ４２を透過した反射光Ｌ２を検出する。１／４波長板４４の光学軸は、ポラライザ１３から出射する直線偏光の向きに対して０度に設定される。これにより、ノマルスキープリズム２４を通過した正常光および異常光はそれぞれ反対向きの円偏光に変換される。

【0036】

アナライザ４２は、反射光Ｌ２の光路中に回転可能に配置されている。アナライザ４２の回転軸は、光軸と平行になっている。アナライザ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、アナライザ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、アナライザ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。

【0037】

位相シフト法による測定を行うため、アナライザ４２の回転角度θが変えられる。回転角度θを４５°毎に変えていき、反射光の検出光が行われる。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、アナライザ４２の回転角度を変えることで、４つの共焦点画像が撮像される。アナライザの回転角度がθであるとき、正常光と異常光の間の位相差は２θになる。

【0038】

処理部６０は、光検出器４３で撮像された共焦点画像を取得する。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、共焦点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、球体３０の高さ像を取得する。高さ像は３次元（高さは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。

【0039】

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備えている。処理部６０は、アナライザ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よい。

【0040】

次に、図３を参照しながら、本算出方法および実施形態１にかかる撮像方法（本撮像方法と言う）について説明する。本算出方法はステップＳ１０１からステップＳ１０９を含む。本撮像方法はステップＳ１０１からステップＳ１１１を含む。

【0041】

まず、共焦点光学系である撮像光学系１１０を用いて、球体３０の表面の３次元形状を測定する（ステップＳ１０１）。このとき、ポラライザ１３、ノマルスキープリズム２４、およびアナライザ４２は、撮像光学系１１０の光路から取り外されていてもよい。なお、ポラライザ１３とアナライザ４２のみが取り外されてもよい。ステップＳ１０１で使用される対物レンズ２５は、微分干渉観察で使用される対物レンズ２５と異なっていてもよい。

【0042】

図４は、撮像装置１００により測定された球体３０の３次元形状の一例を示している。球体３０の表面の高さがグレースケールで表されている。Ａ－Ｂ線はシャー方向に沿った線を表している。

【0043】

図３に戻り説明を続ける。次に、球体３０の表面の３次元形状に基づいて、球体３０の半径Ｒを推定する（ステップＳ１０２）。

【0044】

図５を参照して、半径Ｒの算出方法について具体的に説明する。図５は、図４のＡ－Ｂ線に沿った高さのプロファイルを示している。半径Ｒ（例：４１２６．０３３μｍ）は、高さのプロファイルを円によって最小二乗フィッティングすることで算出されている。

【0045】

図３に戻り説明を続ける。次に、微分干渉観察への切り替えを行う（ステップＳ１０３）。ノマルスキープリズム２４が配置され、シャー量を算出したい対物レンズ２５が選択される。一例として、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が０．１５、倍率が５倍の対物レンズ２５を選択する場合について説明する。光軸から見た、反射光を受光できる限界の角度θが、ＮＡから定まる。θは８．６度であり、視野内に見える部分円の半径ｒは６００μｍである。ＮＡ＝０．１５の場合の対物レンズの視野（３ｍｍ）は、反射観察できる領域の全体を含んでいる。Ｒ＝４０００μｍの場合、仮にシャー量が１～１０μｍとしても、部分円内の行路差は照明波長λ（例：５４６ｎｍ）より十分大きい。このように、部分円内の行路差がλの数倍になるように、半径ＲとＮＡと視野を設定する必要がある。

【0046】

図６は白色光を用いた場合の微分干渉画像を示しており、図７は単色光（例えば、波長５４６ｎｍ）を用いた場合の微分干渉画像を示している。なお、白色光を用いた場合にはカラー干渉縞が得られるが、図６はカラー干渉縞をグレースケールに変換したものを示している。中央の黒縞（Ｂｌａｃｋ Ｆｒｉｎｇｅ）が０次の干渉縞を表している。視野内に見える部分円の直径φは１１７０μｍとなっている。図７に示すｓ方向（干渉縞が並んでいる方向）は、ノマルスキープリズム２４のシャー方向を表している。

【0047】

図３に戻り説明を続ける。次に、処理部６０がアナライザ４２を回転する（ステップＳ１０４）。アナライザ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。

【0048】

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（ステップＳ１０５）。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。図８は、微分干渉画像Ｄ_ｊの一例を示している。図８には、球体３０の表面による干渉縞が含まれている。後述するように、微分干渉画像Ｄ_ｊに含まれる干渉縞は１本以下であってもよい。なお、Ｚスキャンを行わずに微分干渉画像Ｄ_ｊを取得してもよい。

【0049】

次に、処理部６０は、ｊ＝４であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。ｊ＝４ではない場合（ステップＳ１０６のＮＯ）、ｊ＝４となるまでステップＳ１０４およびステップＳ１０５の処理を繰り返す。アナライザ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がステップＳ１０５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を取得できる。

【0050】

同様に、処理部６０が、回転角度を９０°として、ｊ＝３のときの微分干渉画像Ｄ_３を取得する。処理部６０が、ｊ＝４として、ｊ＝４のときの微分干渉画像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。球体３０の表面の複数の微分干渉画像Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４は、正常光と異常光の間の位相差を変えながら、撮像光学系１１０およびノマルスキープリズム２４により撮像されている。なお、正常光と異常光の間の位相差を変える方法は、アナライザ４２の回転角度を変える方法には限定されない。ノマルスキープリズム２４の位置を物理的にスライドさせることで位相差を変えてもよい。ノマルスキープリズム２４は、例えば、撮像光学系１１０の光軸を横切る方向にスライドされる。

【0051】

ｊ＝４となると（ステップＳ１０６のＹＥＳ）、処理部６０が、複数の微分干渉画像Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、およびＤ_４から、位相シフト法により位相分布を求める（ステップＳ１０７）。処理部６０は、例えば、以下の式（１）を用いて、位相αを算出する。位相αの計算は、画素ごとに行われてもよい。

【数1】

【0052】

図９は、位相シフト法により求めた位相分布の一例を示している。図８と図９を比較すると、図９では明るさムラがキャンセルされている。これにより、本算出方法は、ノマルスキープリズム２４のシャー量をより正確に算出できる。換言すると、本算出方法は、反射光の強度変化による影響を排除することができる。

【0053】

図３に戻って説明を続ける。次に、ステップＳ１０７で生成された位相分布に基づいて、球体３０の表面による干渉縞の縞間隔を測定する（ステップＳ１０８）。図１０を参照しながら、干渉縞の縞間隔を求める方法について説明する。図１０の横軸は、ノマルスキープリズム２４のシャー方向を表している。縦軸は、正常光と異常光の干渉輝度、または位相α［ｒａｄ］を表している。図１０は、干渉輝度分布のシャー方向に沿ったプロファイルと、位相分布のシャー方向に沿ったプロファイルとを含んでいる。干渉輝度のプロファイルはベースライン補正を行っていないため、干渉輝度分布の周期と位相分布の周期にずれが生じている。ベースライン補正を行うことで干渉輝度分布の周期を補正できる可能性があるが、撮像光学系１１０の特性によっては最適なベースライン補正を行うことが困難な場合がある。ステップＳ１０８では、位相分布の周期または勾配に基づいて干渉縞の縞間隔を測定する。

【0054】

まず、シャー方向に沿った位相分布の周期について、図１１を参照して説明する。図１１はシャー方向に沿った位相分布のプロファイルを示しており、水平方向に延びる線分７１が位相分布の周期に対応している。位相分布のプロファイルは鋸状の形状を有しており、干渉輝度を用いた場合よりも正確に干渉縞の間隔を測定できる。これにより、シャー量をより高精度に算出できる。

【0055】

次に、シャー方向に沿った位相分布の勾配に基づき干渉縞の縞間隔を求める方法について、図１２を参照しながら説明する。図１２の横軸は、ノマルスキープリズム２４のシャー方向を表している。縦軸は干渉輝度または位相を表している。図１２には、シャー方向に沿った位相分布のプロファイルφと干渉輝度のプロファイルＩ＿ｄｉｈｃとが含まれている。位相分布のプロファイルφは、直線７２に近似できる部分φ１を含んでいる。干渉縞の縞間隔は、直線７２の傾きの逆数に２πを掛けることで算出できる。この方法は、微分干渉画像に含まれる干渉縞が１本以下の場合にも適用され得る。

【0056】

図３に戻り説明を続ける。次に、ステップＳ１０２で推定した半径Ｒと、ステップＳ１０８で測定した縞間隔に基づいて、式（２）：Δｓ＝（λ・Ｒ）／（２ｗ）を用いて微分干渉プリズムのシャー量を算出する（ステップＳ１０９）。ここで、Δｓはノマルスキープリズム２４のシャー量を表している。λは、微分干渉画像の撮像に用いた単色光の波長を表している。Ｒは、球体の半径を表している。ｗは、ステップＳ１０８で測定された縞間隔を表している。

【0057】

次に、式（２）が成立する理由について説明する。まず、ｓをシャー方向とした場合、球体の表面の高さｚのプロファイルｚ（ｓ）は、－ｒ≦ｓ≦ｒの範囲において、十分な精度で２次関数に近似できる。ｚ（ｓ）を２次関数に近似した場合、ｄｚ／ｄｓ＝－ｓ／Ｒと表される。ノマルスキープリズム２４のシャー方向における球体３０の表面の傾きの変化は、一次式で近似されている。

【0058】

したがって、ノマルスキープリズム２４によって分離される正常光と異常光の間の行路差Ｌ（ｘ）＝２＊（ｄｚ／ｄｓ）＊Δｓ＝２＊（－ｓ／Ｒ）＊Δｓとなる。行路差Ｌ（ｓ）を位相差δ（ｓ）に変換すると、δ（ｓ）＝（２π／λ）＊２＊（－ｓ／Ｒ）＊Δｓとなる。ｓ＝ｗのとき位相差は２πとなるので、式（２）：Δｓ＝（λ・Ｒ）／（２ｗ）が成立する。

【0059】

図３に戻り説明を続ける。次に、ステップＳ１０９で算出したシャー量に基づいて、ノマルスキープリズム２４の位置を調整する（ステップＳ１１０）。具体的には、撮像光学系１１０の光軸を横切る方向にノマルスキープリズム２４を移動させ、正常光と異常光の行路差を調整する。例えば、ノマルスキープリズム２４の移動量と行路差の変化量との関係が分かっている場合、シャー量に基づいて正常光と異常光の行路差を算出した後、行路差が所定の値になるようにノマルスキープリズム２４の移動量を決定してもよい。ここで、ノマルスキープリズム２４の位置調整に加えて、明るさやコントラストの調整を行ってもよい。また、シャー量が基準範囲に含まれない場合、ノマルスキープリズム２４を交換してもよい。

【0060】

次に、ステージ３１に試料を載置し、撮像光学系１１０およびノマルスキープリズム２４により試料の微分干渉画像を撮像する（ステップＳ１１１）。ステージ３１に試料を載置する前に、球体３０をステージ３１から取り除いてもよい。ステップＳ１１０で正常光と異常光の行路差を調整しているため、検査条件を揃えて検査を行うことができる。

【0061】

上述した試料は透明基板や透明ウェハであってもよい。透明基板や透明ウェハは、裏面反射光を除去することが欠陥の検出精度を高める上で重要である。したがって、共焦点光学系を用いて微分干渉画像を撮像することで、欠陥の検出精度を向上できる。

【0062】

なお、ステップＳ１０１～Ｓ１０２で球体の半径を推定することと、ステップＳ１０３～Ｓ１０８で干渉縞の縞間隔を測定することの順序は任意である。また、球体３０の半径Ｒが既知である場合、ステップＳ１０１～ステップＳ１０２を行わなくてもよい。半径Ｒが既知である場合とは、例えば、球体３０が精度よく製造されている場合や、共焦点光学系以外の手段により予め半径Ｒを測定している場合である。このような場合、撮像光学系１１０は共焦点光学系でなくてもよい。

【0063】

次に、図２および図３を参照して、実施形態１にかかる撮像装置について説明する。実施形態１にかかる撮像装置の処理部６０は、図３に示すステップＳ１０９を実行する機能を備える。また、処理部６０は、図３に示すステップＳ１０２を実行する機能をさらに備えていてもよい。

【0064】

実施形態１にかかる算出方法、撮像方法、および撮像装置によると、球体の微分干渉画像に含まれる干渉縞の縞間隔から、微分干渉プリズムのシャー量を容易に算出できる。

【0065】

また、球体の表面形状の測定と、球体による干渉縞の撮像の両方は、試料を撮像するための共焦点光学系により実行できる。したがって、共焦点顕微鏡に加えて、他の装置を用意する必要はない。また、検査に使用する共焦点光学系を用いて測定を行うことで、有意義な算出結果を取得できる。

【0066】

上述した説明では、微分干渉光学系のシャー量を算出する場合を例に挙げたが、微分干渉光学系以外の干渉光学系（例：シアリング干渉光学系）のシャー量を算出することもできる。干渉光学系の光路に、分割された２つの光に相対的な横ずれ変位を与える所定の光学素子が配置されているものとする。所定の光学素子は、プリズム型の素子には限定されず、くさび型や平板型の素子であってもよい。

【0067】

上述した説明では、干渉画像を撮像する二次曲面として球面を例に挙げたが、円柱や放物面などの干渉画像を撮像してもよい。円柱の径方向がシャー方向と一致する場合、円柱の半径をＲとすると、球面と同様にシャー量を算出できる。そして、上述した説明では球面の高さのプロファイルを２次関数で近似することで式（２）を導出したため、高さのプロファイルが２次関数で表現される場合も、式（２）と同様の式が導出される。例えば、ｚ（ｓ）＝ａｓ^２と表される場合、ｄｚ／ｄｓ＝２ａｓとなり、式（１）に対応する式：Δｓ＝（λ／２ａ）／（２ｗ）が導出される。一般化すると、二次曲面を表現する式中の定数（例：２次の係数ａや半径Ｒ）と縞間隔に基づいてシャー量を算出できる。なお、球面はｘ^２＋ｙ^２＋ｚ^２＝Ｒ^２等と表され、半径Ｒは球面を表す式中の定数である。

【0068】

一般化すると、図３のステップＳ１０１では、干渉光学系により、物体表面に含まれる二次曲面の３次元形状を測定する。ステップＳ１０２では、二次曲面を表す式中の定数を推定する。ステップＳ１０５では、二次曲面の干渉画像を撮像する。ステップＳ１０９では、二次曲面を表す式中の定数および縞間隔に基づいてシャー量を算出する。ステップＳ１１０では、干渉光学系によって分割された２つの光の行路差が所定の値になるように光学素子の位置を調整する。

【0069】

二次曲面が球面である場合、シャー量だけでなく、シャー方向も判定可能である。シャー方向が未知である場合、干渉画像に含まれる干渉縞が並ぶ方向を判定し、Ｓ軸の向きを決めるところから評価を開始してもよい。

【0070】

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】

【0071】

１００ 撮像装置
１１ 光源
１１０ 撮像光学系
１２ フィルタ
１３ ポラライザ
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 ノマルスキープリズム
２５ 対物レンズ
４１ レンズ
４２ アナライザ
４３ 光検出器
３０ 球体
３１ ステージ
５０ 試料
６０ 処理部
７１ 線分
７２ 直線
Ｌ１ 照明光
Ｌ２ 反射光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】