分光光学系および分光測定装置
【課題】屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系で配置される分光光学系により垂直落射照明を可能とし、かつ、ＤＵＶ−ＵＶ（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）領域の広帯域色補正を行うことを可能とする分光光学系および分光測定装置を提供する。
【解決手段】光源１１０と、視野絞り１１１と、リレーレンズ系１４０と、フィールドレンズ系１５０と、結像レンズ系１６０と、分光器１７０とを有し、リレーレンズ系１４０、フィールドレンズ系１５０および結像レンズ系１６０は、屈折型レンズおよび／または回折型レンズによるSchupmann光学系で配置され、かつ、リレーレンズ系１４０と結像レンズ系１６０のいずれか一方に回折型レンズを有する分光光学系であって、フィールドレンズ系１５０が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されている。
【解決手段】光源１１０と、視野絞り１１１と、リレーレンズ系１４０と、フィールドレンズ系１５０と、結像レンズ系１６０と、分光器１７０とを有し、リレーレンズ系１４０、フィールドレンズ系１５０および結像レンズ系１６０は、屈折型レンズおよび／または回折型レンズによるSchupmann光学系で配置され、かつ、リレーレンズ系１４０と結像レンズ系１６０のいずれか一方に回折型レンズを有する分光光学系であって、フィールドレンズ系１５０が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光光学系および分光測定装置に関し、特に、屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系配置により広帯域色補正を行う分光光学系および分光測定装置に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
試料面構造の欠陥検出においては、分光反射率の差が大きく、構造の違いを把握しやすいＤＵＶ−ＵＶ（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）領域の広帯域波長を利用した分光測定が必要となってきている。このとき、レンズ系は、広帯域波長および複数波長を使用する場合は色収差補正されている必要がある。色収差補正には、反射型光学系あるいは屈折型光学系を用いる方法がある。
【０００３】
反射型光学系では、シュヴァルツシルド型の色補正レンズ系を備えた紫外領域を対象とした分光光学系が、特開２００５−１２７８３０号公報（特許文献１）に記載されている。また、屈折型および屈折・反射型光学系では、投射露光レンズのレンズ枚数を最小限に抑え、高開口数、広視野を目的とした１５７ｎｍおよび１９３ｎｍの波長が対象のSchupmann光学系で構成される光学系が、特開２００１−２２１９５０号公報（特許文献２）に記載されている。また、屈折・回折型光学系では、ステッパ用広帯域透過型アライメント系への適用を目的とした、５５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長が対象の色補正レンズ系とその縦色収差補正の方法が、米国特許第５３２４９５３号明細書（特許文献３）に記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１２７８３０号公報
【特許文献２】特開２００１−２２１９５０号公報
【特許文献３】米国特許第５３２４９５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているシュヴァルツシルド型で構成される反射型光学系は、広帯域色補正が可能である。しかし、当該光学系で分光測定を行う場合、開口を入れて試料上の繰り返しパターンに対して一方向となるよう構成する必要がある。この理由は、繰り返しパターンの方向に対する入射角度の違いにより、分光波形が大きく変わってしまい、シミュレーション分光波形のデータベースであるライブラリに保持している分光波形との対応が取れなくなることを防ぐためである。
【０００５】
特許文献１に記載されている反射型光学系では、試料面への照明が斜入射となってしまう。斜入射照明は、試料面が静止している場合には問題ないが、試料面を移動させて試料全面を連続走査するような場合には問題となる。図１０は、斜入射照明の場合に試料面の上下震動により位置ずれが発生する状況を示す図である。図１０において、斜入射照明１０１０の場合、連続走査のため試料面が上下に震動し（試料１０１、１０１’）、走査対象位置がずれてしまう（走査対象位置１０１１、１０１２）という課題があった。
【０００６】
特許文献２に記載されている、投影露光用の１５７ｎｍおよび１９３ｎｍの波長が対象のSchupmann光学系で構成される屈折型および屈折・反射型光学系は、物体側の結像レンズとその結像面に反射型フィールドレンズを設置することで、垂直落射照明が可能な構成である。図１１は、垂直落射照明の場合に試料面の上下震動による位置ずれが低減される状況を示す図である。図１１において、垂直落射照明１１１０の場合、連続走査のため試料面が上下に震動しても（試料１０１、１０１’）、走査対象位置のずれは小さくなる（走査対象位置１１１１、１１１２）。しかし、特許文献２に記載されている屈折型および屈折・反射型光学系は、１５７ｎｍおよび１９３ｎｍという単波長対応の光学系であり、広帯域色補正に対応していないという課題があった。
【０００７】
特許文献３に記載されている、ステッパ用の５５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長が対象の屈折・回折型光学系は、物体側の結像レンズとその結像面にフィールドレンズ、その後方にリレーレンズを配置し、さらにリレーレンズ系に回折型レンズを備えることで、垂直落射照明と広帯域色補正が可能である。しかし、特許文献３に記載されている屈折・回折型光学系では、ＤＵＶ−ＵＶ（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）領域の広帯域色補正に対応していないという課題があった。特に、ＤＵＶ−ＵＶ領域の広帯域色補正では、使用可能な硝材が合成石英と蛍石に限られているため、当該光学系においてＤＵＶ−ＵＶ領域の広帯域色補正を行う構成とすることは困難である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系で配置される分光光学系により、図１１に示す垂直落射照明１１１０を可能とし、かつ、ＤＵＶ−ＵＶ領域の広帯域色補正を行うことを可能とする分光光学系および分光測定装置を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１０】
本発明の代表的な実施の形態による分光光学系は、垂直落射照明が可能となるように屈折・回折型光学系で構成され、結像レンズ系と、結像レンズ系の結像面に配置したフィールドレンズ系と、フィールドレンズ系を分光器上に結像するリレーレンズ系によるSchupmann光学系で配置され、さらに、リレーレンズ系もしくは結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを備える分光光学系であって、フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１２】
本発明の代表的な実施の形態によれば、結像レンズ系と、結像レンズ系の結像面に配置したフィールドレンズ系と、フィールドレンズ系を分光器上に結像するリレーレンズ系によるSchupmann光学系で配置することにより、横色収差補正が可能となる。また、リレーレンズ系もしくは結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを備え、フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されることにより、縦色収差補正が可能となる。その結果、ＤＵＶ−ＵＶ（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）領域の広帯域色補正が可能となる。
【００１３】
また、本発明の代表的な実施の形態によれば、垂直落射照明が可能となり、従来の反射型光学系の斜入射照明における課題であった、デフォーカスによる位置ずれが低減される。これらにより、高精度な分光測定（構造および膜厚測定等）が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１５】
まず、図１、図２を用いて、本発明の一実施の形態である分光光学系について説明する。図１は、本発明の一実施の形態である分光光学系の構成例を示した図である。分光光学系は、照明光学系と検出光学系とから構成される。
【００１６】
照明光学系は、照明光を照射する光源１１０と、視野絞り１１１と、折り返し部材１２０とを有する。さらに、回折型レンズ１３０を有し、視野絞り１１１を結像するリレーレンズ系１４０と、リレーレンズ系１４０の結像面に、２枚以上の屈折型レンズからなりそのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置したフィールドレンズ系１５０と、フィールドレンズ系１５０を試料１０１上に結像する結像レンズ系１６０とを有する。この構成により、光源１１０から照射された照明光を、リレーレンズ系１４０、フィールドレンズ系１５０、結像レンズ系１６０を介して、ステージ上の試料１０１に垂直落射照明する構造である。
【００１７】
同様に、検出光学系は、ステージ上の試料１０１からの正反射光が試料１０１を結像する結像レンズ系１６０と、結像レンズ系１６０の結像面に、２枚以上の屈折型レンズからなり、そのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置したフィールドレンズ系１５０と、回折型レンズ１３０を有し、フィールドレンズ系１５０を分光器１７０上に結像するリレーレンズ系１４０とを有する。この構成により、試料１０１からの正反射光を、結像レンズ系１６０、フィールドレンズ系１５０、リレーレンズ系１４０を介して、分光器１７０で受光する構造である。なお、試料１０１の試料面と分光器１７０の入射面とは、共役の関係になっている。
【００１８】
図２（ａ）は、試料１０１として用いるパターンドメディアを模式的に示した斜視図である。パターンドメディア２００は、ディスク上に磁性粒子が人工的に規則正しく並べられた記録媒体であり、例えば、ハードディスク装置などに用いられる磁気記憶媒体である。パターンドメディア２００の表面には、例えば、ユーザデータを書き込むデータ部２１０と、バースト信号、アドレス、プリアンブルなどを含む、トラッキング制御やデータアクセス制御のためのサーボ部２２０とが存在する。図２（ａ）では、ディスク面におけるデータ部２１０とサーボ部２２０の配置を模式的に線で示している。
【００１９】
図２（ｂ）は、図２（ａ）のパターンドメディア２００におけるデータ部２１０とサーボ部２２０のパターンの例を拡大して示した平面図である。図２（ｂ）のサーボ部２２１では、凹凸加工を施した基板の凸部上の磁性薄膜パターンが、パターンドメディア２００のサーボパターンに対応している。また、サーボ部２２１には、トラッキング制御を行うためのバースト信号２２２が含まれている。一方、データ部２１１には、周方向に連続したトラックを形成する磁性薄膜が凹部によって分離された状態で形成されている。このタイプのパターンドメディア２００は、ディスクリートトラックメディアと呼ばれている。
【００２０】
図２（ｃ）も同様に、図２（ａ）のパターンドメディア２００におけるデータ部２１０とサーボ部２２０のパターンの例を拡大して示した平面図である。図２（ｃ）のデータ部２１２では、データビットを形成する磁性薄膜が凹部によって分離された状態で形成されている。このタイプのパターンドメディア２００はビットパターンドメディアと呼ばれている。
【００２１】
データ部２１０に照明光を照射し、分光波形を検出して試料面を検査するような場合、サーボ部２２０に照明光スポットがかかると正確な分光波形が検出できなくなる。特に、図１０で示すような斜入射照明の場合、パターンドメディア２００のデータ部２１０の全面を連続走査する場合には、試料１０１の試料面が上下に震動し、その結果、走査対象位置１０１１、１０１２がずれ、サーボ部２２０にかかる可能性が高くなる。
【００２２】
以下では、本実施の形態の分光光学系を用いた分光測定装置の例であるハードディスク検査装置について説明する。図３は、本実施の形態の分光光学系を用いたハードディスク検査装置の構成例を示した図である。
【００２３】
ハードディスク検査装置は、試料１０１に照明光を照射し、試料１０１からの正反射光を分光検出する分光光学系３００と、検査対象である試料１０１を搭載し、試料１０１上の任意の位置で分光検出できるように、試料１０１の位置を分光光学系３００に対して相対的に移動させることができるステージ部３１０と、分光器１７０やステージ部３１０の動作を制御する制御部３２０と、分光器１７０において検出した分光波形のデータに基づいて試料１０１に形成されたパターンの形状または形状異常を検出するデータ処理部３３０とで構成される。
【００２４】
分光光学系３００は、図１に示した分光光学系と同様の構成である。このとき、分光器１７０の入射口位置を結像位置としておくと、入射口の大きさによって試料１０１において分光検出する領域の大きさを制御することができる。例えば、入射口の大きさをφ２００μｍとし、結像面での倍率を２０倍とすると、分光検出領域の大きさは検査対象ディスク（試料１０１）上でφ１０μｍとなる。
【００２５】
上述したように、２００ｎｍ付近の波長を利用しようとする場合、適用できる光学素子等は限られたものとなる。光源１１０には、波長２００ｎｍ付近以上の光を射出するキセノンランプや重水素ランプ等を用いることができる。ただし、試料１０１によっては波長４００ｎｍ程度以上でも十分性能を発揮できる場合もあり、その場合はハロゲンランプ等の可視光から赤外光の光を射出する光源１１０を用いてもよい。
【００２６】
次に、図４〜図７を用いて分光光学系３００の色収差補正の原理について説明する。まず、図４を用いて、横色収差を補正するSchupmann光学系の原理について説明する。横色収差を補正するSchupmann光学系については、例えば、Abe Offner, "Field Lenses and Secondary Axial Aberration", Applied Optics, vol.8, No.8, pp.1735-1736, Aug.1969に記載されている。Schupmann光学系では、図４に示すように、物体４０１が、試料１０１（物体４０１）を結像する結像レンズ４６０と、結像レンズ４６０の結像面に配置したフィールドレンズ４５０と、フィールドレンズ４５０を像面４０２上に結像するリレーレンズ４４０とを介して、像面４０２上に結像する構成となっている。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、主光線４０３は、結像レンズ４６０の中心、フィールドレンズ４５０の縁、リレーレンズ４４０の中心を通過し、像面４０２で結像する。また、図４（ｂ）に示すように、周縁光線４０４は、結像レンズ４６０の縁、フィールドレンズ４５０の中心、リレーレンズ４４０の縁を通過する。従って、横色収差の補正については以下の式で表すことができる。
【００２８】
【数１】
【００２９】
ここで、ｖ１、ｖ２、ｖ３、φ１、φ２、φ３、ｈｐ，１、ｈｐ，２、ｈｐ，３、ｈｍ，１、ｈｍ，２、ｈｍ，３は、それぞれ結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０のアッベ数、屈折力、主光線４０３の像高、周縁光線４０４の像高である。
【００３０】
結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０の主光線４０３の像高は、それぞれｈｐ，１＝０、ｈｐ，２≠０、ｈｐ，３＝０である。また、図４（ｂ）に示すように、結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０の周縁光線４０４の像高はそれぞれｈｍ，１≠０、ｈｍ，２＝０、ｈｍ，３≠０である。以上より数１式は無条件に成立するため、Schupmann光学系では横色収差は自動的に補正されることになる。
【００３１】
一方、縦色収差の補正については以下の式で表される。
【００３２】
【数２】
【００３３】
ここで、結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０の周縁光線４０４の像高はそれぞれｈｍ，１≠０、ｈｍ，２＝０、ｈｍ，３≠０であることから、数２式は以下の式のようになる。
【００３４】
【数３】
【００３５】
ここで、結像レンズ４６０とリレーレンズ４４０の周縁光線４０４の像高ｈｍ，１、ｈｍ，３は、結像レンズ４６０とフィールドレンズ４５０との間隔Ｂと、フィールドレンズ４５０とリレーレンズ４４０との間隔Ｃと相似の関係にあるため、以下の式が成立する。
【００３６】
【数４】
【００３７】
また、結像レンズ４６０とリレーレンズ４４０の屈折力φ１、φ３は、以下の式のように屈折率ｎ（λ）と曲率半径ｒで表される。
【００３８】
【数５】
【００３９】
さらに、結像レンズ４６０とリレーレンズ４４０のアッベ数ｖ１、ｖ３は、数５式より、以下の式で表される。
【００４０】
【数６】
【００４１】
数３式に、数４式と数６式を代入することで、縦色収差の補正について以下の式が得られる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
Schupmann光学系を用いた場合、上述のように数１式が自動的に成立し、横色収差は自動的に補正される。そのため、縦色収差の補正についての数７式が成立する光学系を検討する。
【００４４】
ここで、屈折力はレンズの屈折率に依存する。図５は、波長に対するレンズの屈折力特性の例を示した図である。数７式が成立するためには、図５に示すように、結像レンズ４６０が、短波長ほど大きい屈折力φ１（λ）の理論曲線５０１をもち、一方でリレーレンズ４４０が長波長ほど大きい屈折力φ３（λ）の理論曲線５０２をもつ必要がある。あるいは、リレーレンズ４４０が、短波長ほど大きい屈折力φ１（λ）の理論曲線５０１をもち、一方で結像レンズ４６０が長波長ほど大きい屈折力φ３（λ）の理論曲線５０２をもつ必要がある。
【００４５】
そこで、波長に対して逆の屈折力特性をもつレンズを検討する必要がある。図６は、屈折型レンズ６１０と回折型レンズ６２０の波長に対する屈折力特性を示した図である。図６（ａ）に示す屈折型レンズ６１０の場合、短波長６１１の焦点距離が短く、長波長６１２の焦点距離が長くなる。一方、図６（ｂ）に示す回折型レンズ６２０の場合、短波長６２１の焦点距離が長く、長波長６２２の焦点距離が短くなる。すなわち、屈折型レンズ６１０と回折型レンズ６２０は、波長に対して逆の屈折力特性をもつことになる。
【００４６】
従って、屈折型レンズ６１０と回折型レンズ６２０とを組合せたハイブリッドレンズにより数７式を成立させることが可能となる。本実施の形態の分光光学系３００では、結像レンズ系１６０には屈折型レンズを用い、リレーレンズ系１４０には屈折型レンズに加えて回折型レンズ１３０を用いることによってハイブリッドレンズの構成としている。なお、上述したように、回折型レンズ１３０はリレーレンズ系１４０と結像レンズ系１６０のいずれか一方に有していればよいため、リレーレンズ系１４０には屈折型レンズを用い、結像レンズ系１６０に回折型レンズ１３０を有する構成であってもよい。
【００４７】
しかし、上記ハイブリッドレンズを用いても、実際に数７式を完全に成立させることは困難であり、数３式の左辺の縦色収差を０に近づけることはできても、完全に０とすることは難しい。そこで、本実施の形態の分光光学系３００では、図１、図３に示すように、フィールドレンズ系１５０のレンズを２枚以上のレンズで構成し、そのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置する。
【００４８】
図７は、フィールドレンズ系１５０の２枚のレンズを間隔を空けて配置したときのレンズ間隔（横軸）と、照明視野上におけるＤＵＶ−ＵＶ（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）領域の波長の色ずれ（縦軸）との関係を算出したものを示した図である。なお、色ずれはパターンドメディア２００の回転方向（θ）に対して評価するため、回転方向に平行な軸をＸ軸とし、Ｘ軸方向の検出視野ずれを指標にしている。ここで、全体の色ずれは、以下の式より求めることができる。
【００４９】
【数８】
【００５０】
ここでΔｘは各波長の色ずれ（％）、Ｍａｘ．（Ｘλ）は各波長λの色ずれのうちの最大幅、Ｍｉｎ．（Ｘλ）は各波長λの色ずれのうちの最小幅、Ａｖｅ．（Ｘλ）は各波長λの色ずれの平均幅を示す。このとき、波長の色ずれは片側で評価するため２で割っている。
【００５１】
図７に示されるように、フィールドレンズ系１５０のレンズ間隔が１０ｍｍ〜３０ｍｍの間、特に２０ｍｍ〜２５ｍｍの間で、ＤＵＶ−ＵＶ領域の波長の色ずれが小さくなることが分かる。このように、フィールドレンズ系１５０のレンズを２枚以上のレンズで構成し、そのうちの１箇所において、レンズを照明視野上におけるＤＵＶ−ＵＶ領域の波長の色ずれが最小となる間隔で配置する。これにより、ＤＵＶ−ＵＶ領域での縦色収差補正が可能となる。
【００５２】
上述のように、本実施の形態の分光光学系３００では、ハイブリッドレンズの構成とするために、図１、図３に示すようにリレーレンズ系１４０は回折型レンズ１３０を有する。そこで以下に一般的な回折型レンズの設計方法を示しておく。図８は、回折型レンズの構造の例を示す図である。図８において、回折型レンズ８１０、８２０では、図８（ａ）に示す球面８１１あるいは図８（ｂ）に示す非球面８２１の連続放物面を、２πの高さ毎に切り取って等位相分（２πの倍数）を差し引くことにより不連続な位相分布の起伏形状を形成する。
【００５３】
以下に、図８（ａ）の回折型レンズ８１０を例にとって詳細を説明する。図８（ａ）に示す回折型レンズ８１０の各輪帯の最大光路差は１波長であり、ｍ番目の輪帯半径ｒｍは以下の式で表される。
【００５４】
【数９】
【００５５】
ここでλ０は設計波長、ｆは焦点距離を示す。このとき、回折型レンズ８１０の厚さｄは以下の式で表される。
【００５６】
【数１０】
【００５７】
ここで、λ０は設計波長、ｎは回折型レンズの屈折率である。数９式、数１０式により、設計波長λ０、焦点距離ｆ、屈折率ｎのパラメータを与えることにより、回折型レンズ８１０の形状を設計することができる。
【００５８】
最後に、本実施の形態のハードディスク検査装置におけるステージ部３１０、制御部３２０、データ処理部３３０について説明する。図３において、ステージ部３１０は、試料１０１の試料面と平行な方向に移動するＸステージ３１１と、試料１０１の試料面に垂直な方向に移動するＺステージ３１２および試料１０１のディスク（パターンドメディア２００）を回転させるθステージ３１３によって構成される。Ｚステージ３１２は、分光光学系３００のフォーカス位置に試料１０１を移動させるためのものであり、Ｘステージ３１１とθステージ３１３は、試料１０１の試料面の任意の位置に分光光学系３００を移動させるためのものである。
【００５９】
試料１０１の試料面の任意の位置に分光光学系３００を移動させる方法としては、ＸＹステージを用いる方法も考えられるが、試料１０１がディスクであり試料面におけるパターンも同心円状または同心円上に形成されていることからＸθステージの方が適している。さらに、ディスク表面全面を高速に検査することを目的とした場合、ＸＹステージよりもＸθステージの方が単純な動作となるためより適している。よって、本実施の形態のハードディスク検査装置では、Ｘステージ３１１とθステージ３１３によるＸθステージの構成をとっている。
【００６０】
図９は、データ処理部３３０での処理の概要について説明した図である。データ処理部３３０は、大きく分けて次の二つの処理を実行する。一つは分光反射率の算出であり、もう一つはパターン形状・欠陥検出処理である。上述の通り、本実施の形態のハードディスク検査装置では、試料１０１表面の分光反射率に基づいて試料１０１のパターン形状・欠陥を検出するものである。
【００６１】
分光光学系３００で検出が可能なのは、試料１０１表面の分光強度分布である。そこで、予め異なるパターン形状９１０を有する試料１０１に対して光学シミュレーションを行い、算出された分光反射率の波長依存性のグラフ９２０をデータベース９４０に格納しておく。次に、パターンが繰り返し形成された試料１０１の試料面に光源１１０からの照明光を分光光学系３００を通して照射し、試料面からの正反射光を分光器１７０で受光する。
【００６２】
データ処理部３３０では、分光器１７０で検出された分光強度分布に基づいて分光反射率の波長依存性のグラフ９３０を得る。最後に、データベース９４０に格納されている、光学シミュレーションによって算出された分光反射率の波長依存性のグラフ９２０から、測定によって得られた分光反射率の波長依存性のグラフ９３０と近似するものを、分光反射率の波形比較９５０によって選定することで、試料１０１の試料面の形状を特定することができる。
【００６３】
以上のように、本実施の形態の分光光学系３００によれば、屈折型レンズで構成される結像レンズ系１６０と、結像レンズ系１６０の結像面に配置したフィールドレンズ系１５０と、フィールドレンズ系１５０を分光器１７０上に結像するリレーレンズ系１４０のSchupmann光学系の配置とすることにより、横色収差補正が可能となる。また、リレーレンズ系１４０に回折型レンズ１３０を備え、フィールドレンズ系１５０を２枚以上のレンズで構成し、そのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置することにより、縦色収差補正が可能となり、ＤＵＶ−ＵＶ領域の波長の広帯域色補正が可能となる。
【００６４】
また、垂直落射照明とすることで、反射型光学系の斜入射照明において課題であった、デフォーカスによる位置ずれが低減される。さらに、広帯域色補正により、波長毎の照明位置が一致し、高精度な分光測定（構造や膜厚測定等）が可能となる。
【００６５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００６６】
例えば、本実施の形態の分光光学系３００および分光測定装置では、分光測定により、パターンドメディア２００の表面のパターン形状・欠陥を検出する構成となっているが、試料１０１はパターンドメディア２００に限らず、表面に構造やパターンを有する試料１０１であれば、その構造をデータ処理部３３０での分光反射率のマッチングによって検出することが可能である。また、試料１０１の表面の構造に限らず、分光測定による薄膜の膜厚測定等にも用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の分光光学系および分光測定装置は、屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系配置により広帯域色補正を行う分光光学系および分光測定装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施の形態である分光光学系の構成例を示した図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施の形態における試料として用いるパターンドメディアを模式的に示した斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）は、パターンドメディアにおけるデータ部とサーボ部のパターンの例を拡大して示した平面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である分光光学系を用いたハードディスク検査装置の構成例を示した図である。
【図４】横色収差を補正するSchupmann光学系の原理について説明する図である。
【図５】波長に対するレンズの屈折力特性の例を示した図である。
【図６】屈折型レンズと回折型レンズの波長に対する屈折力特性を示した図である。
【図７】本発明の一実施の形態におけるフィールドレンズ系の２枚のレンズを間隔を空けて配置したときのレンズ間隔と、照明視野上における２００ｎｍ〜４００ｎｍ領域の波長の色ずれとの関係を算出したものを示した図である。
【図８】回折型レンズの構造の例を示す図である。
【図９】本発明の一実施の形態におけるデータ処理部での処理の概要について説明した図である。
【図１０】斜入射照明の場合に試料面の上下震動により位置ずれが発生する状況を示す図である。
【図１１】垂直落射照明の場合に試料面の上下震動による位置ずれが低減される状況を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０１、１０１’…試料、１１０…光源、１１１…視野絞り、１２０…折り返し部材、１３０…回折型レンズ、１４０…リレーレンズ系、１５０…フィールドレンズ系、１６０…結像レンズ系、１７０…分光器、
２００…パターンドメディア、２１０〜２１２…データ部、２２０〜２２１…サーボ部、２２２…バースト信号、
３００…分光光学系、３１０…ステージ部、３１１…Ｘステージ、３１２…Ｚステージ、３１３…θステージ、３２０…制御部、３３０…データ処理部、
４０１…物体、４０２…像面、４０３…主光線、４０４…周縁光線、４４０…リレーレンズ、４５０…フィールドレンズ、４６０…結像レンズ、
５０１〜５０２…屈折力の理論曲線、
６１０…屈折型レンズ、６１１…短波長、６１２…長波長、６２０…回折型レンズ、６２１…短波長、６２２…長波長、
８１０…回折型レンズ、８１１…球面、８２０…回折型レンズ、８２１…非球面、
９１０…パターン形状、９２０、９３０…分光反射率の波長依存性のグラフ、９４０…データベース、９５０…分光反射率の波形比較、
１０１０…斜入射照明、１０１１〜１０１２…走査対象位置、
１１１０…垂直落射照明、１１１１〜１１１２…走査対象位置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光光学系および分光測定装置に関し、特に、屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系配置により広帯域色補正を行う分光光学系および分光測定装置に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
試料面構造の欠陥検出においては、分光反射率の差が大きく、構造の違いを把握しやすいＤＵＶ−ＵＶ（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）領域の広帯域波長を利用した分光測定が必要となってきている。このとき、レンズ系は、広帯域波長および複数波長を使用する場合は色収差補正されている必要がある。色収差補正には、反射型光学系あるいは屈折型光学系を用いる方法がある。
【０００３】
反射型光学系では、シュヴァルツシルド型の色補正レンズ系を備えた紫外領域を対象とした分光光学系が、特開２００５−１２７８３０号公報（特許文献１）に記載されている。また、屈折型および屈折・反射型光学系では、投射露光レンズのレンズ枚数を最小限に抑え、高開口数、広視野を目的とした１５７ｎｍおよび１９３ｎｍの波長が対象のSchupmann光学系で構成される光学系が、特開２００１−２２１９５０号公報（特許文献２）に記載されている。また、屈折・回折型光学系では、ステッパ用広帯域透過型アライメント系への適用を目的とした、５５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長が対象の色補正レンズ系とその縦色収差補正の方法が、米国特許第５３２４９５３号明細書（特許文献３）に記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１２７８３０号公報
【特許文献２】特開２００１−２２１９５０号公報
【特許文献３】米国特許第５３２４９５３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているシュヴァルツシルド型で構成される反射型光学系は、広帯域色補正が可能である。しかし、当該光学系で分光測定を行う場合、開口を入れて試料上の繰り返しパターンに対して一方向となるよう構成する必要がある。この理由は、繰り返しパターンの方向に対する入射角度の違いにより、分光波形が大きく変わってしまい、シミュレーション分光波形のデータベースであるライブラリに保持している分光波形との対応が取れなくなることを防ぐためである。
【０００５】
特許文献１に記載されている反射型光学系では、試料面への照明が斜入射となってしまう。斜入射照明は、試料面が静止している場合には問題ないが、試料面を移動させて試料全面を連続走査するような場合には問題となる。図１０は、斜入射照明の場合に試料面の上下震動により位置ずれが発生する状況を示す図である。図１０において、斜入射照明１０１０の場合、連続走査のため試料面が上下に震動し（試料１０１、１０１’）、走査対象位置がずれてしまう（走査対象位置１０１１、１０１２）という課題があった。
【０００６】
特許文献２に記載されている、投影露光用の１５７ｎｍおよび１９３ｎｍの波長が対象のSchupmann光学系で構成される屈折型および屈折・反射型光学系は、物体側の結像レンズとその結像面に反射型フィールドレンズを設置することで、垂直落射照明が可能な構成である。図１１は、垂直落射照明の場合に試料面の上下震動による位置ずれが低減される状況を示す図である。図１１において、垂直落射照明１１１０の場合、連続走査のため試料面が上下に震動しても（試料１０１、１０１’）、走査対象位置のずれは小さくなる（走査対象位置１１１１、１１１２）。しかし、特許文献２に記載されている屈折型および屈折・反射型光学系は、１５７ｎｍおよび１９３ｎｍという単波長対応の光学系であり、広帯域色補正に対応していないという課題があった。
【０００７】
特許文献３に記載されている、ステッパ用の５５０ｎｍ〜６５０ｎｍの波長が対象の屈折・回折型光学系は、物体側の結像レンズとその結像面にフィールドレンズ、その後方にリレーレンズを配置し、さらにリレーレンズ系に回折型レンズを備えることで、垂直落射照明と広帯域色補正が可能である。しかし、特許文献３に記載されている屈折・回折型光学系では、ＤＵＶ−ＵＶ（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）領域の広帯域色補正に対応していないという課題があった。特に、ＤＵＶ−ＵＶ領域の広帯域色補正では、使用可能な硝材が合成石英と蛍石に限られているため、当該光学系においてＤＵＶ−ＵＶ領域の広帯域色補正を行う構成とすることは困難である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系で配置される分光光学系により、図１１に示す垂直落射照明１１１０を可能とし、かつ、ＤＵＶ−ＵＶ領域の広帯域色補正を行うことを可能とする分光光学系および分光測定装置を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１０】
本発明の代表的な実施の形態による分光光学系は、垂直落射照明が可能となるように屈折・回折型光学系で構成され、結像レンズ系と、結像レンズ系の結像面に配置したフィールドレンズ系と、フィールドレンズ系を分光器上に結像するリレーレンズ系によるSchupmann光学系で配置され、さらに、リレーレンズ系もしくは結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを備える分光光学系であって、フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１２】
本発明の代表的な実施の形態によれば、結像レンズ系と、結像レンズ系の結像面に配置したフィールドレンズ系と、フィールドレンズ系を分光器上に結像するリレーレンズ系によるSchupmann光学系で配置することにより、横色収差補正が可能となる。また、リレーレンズ系もしくは結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを備え、フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されることにより、縦色収差補正が可能となる。その結果、ＤＵＶ−ＵＶ（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）領域の広帯域色補正が可能となる。
【００１３】
また、本発明の代表的な実施の形態によれば、垂直落射照明が可能となり、従来の反射型光学系の斜入射照明における課題であった、デフォーカスによる位置ずれが低減される。これらにより、高精度な分光測定（構造および膜厚測定等）が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１５】
まず、図１、図２を用いて、本発明の一実施の形態である分光光学系について説明する。図１は、本発明の一実施の形態である分光光学系の構成例を示した図である。分光光学系は、照明光学系と検出光学系とから構成される。
【００１６】
照明光学系は、照明光を照射する光源１１０と、視野絞り１１１と、折り返し部材１２０とを有する。さらに、回折型レンズ１３０を有し、視野絞り１１１を結像するリレーレンズ系１４０と、リレーレンズ系１４０の結像面に、２枚以上の屈折型レンズからなりそのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置したフィールドレンズ系１５０と、フィールドレンズ系１５０を試料１０１上に結像する結像レンズ系１６０とを有する。この構成により、光源１１０から照射された照明光を、リレーレンズ系１４０、フィールドレンズ系１５０、結像レンズ系１６０を介して、ステージ上の試料１０１に垂直落射照明する構造である。
【００１７】
同様に、検出光学系は、ステージ上の試料１０１からの正反射光が試料１０１を結像する結像レンズ系１６０と、結像レンズ系１６０の結像面に、２枚以上の屈折型レンズからなり、そのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置したフィールドレンズ系１５０と、回折型レンズ１３０を有し、フィールドレンズ系１５０を分光器１７０上に結像するリレーレンズ系１４０とを有する。この構成により、試料１０１からの正反射光を、結像レンズ系１６０、フィールドレンズ系１５０、リレーレンズ系１４０を介して、分光器１７０で受光する構造である。なお、試料１０１の試料面と分光器１７０の入射面とは、共役の関係になっている。
【００１８】
図２（ａ）は、試料１０１として用いるパターンドメディアを模式的に示した斜視図である。パターンドメディア２００は、ディスク上に磁性粒子が人工的に規則正しく並べられた記録媒体であり、例えば、ハードディスク装置などに用いられる磁気記憶媒体である。パターンドメディア２００の表面には、例えば、ユーザデータを書き込むデータ部２１０と、バースト信号、アドレス、プリアンブルなどを含む、トラッキング制御やデータアクセス制御のためのサーボ部２２０とが存在する。図２（ａ）では、ディスク面におけるデータ部２１０とサーボ部２２０の配置を模式的に線で示している。
【００１９】
図２（ｂ）は、図２（ａ）のパターンドメディア２００におけるデータ部２１０とサーボ部２２０のパターンの例を拡大して示した平面図である。図２（ｂ）のサーボ部２２１では、凹凸加工を施した基板の凸部上の磁性薄膜パターンが、パターンドメディア２００のサーボパターンに対応している。また、サーボ部２２１には、トラッキング制御を行うためのバースト信号２２２が含まれている。一方、データ部２１１には、周方向に連続したトラックを形成する磁性薄膜が凹部によって分離された状態で形成されている。このタイプのパターンドメディア２００は、ディスクリートトラックメディアと呼ばれている。
【００２０】
図２（ｃ）も同様に、図２（ａ）のパターンドメディア２００におけるデータ部２１０とサーボ部２２０のパターンの例を拡大して示した平面図である。図２（ｃ）のデータ部２１２では、データビットを形成する磁性薄膜が凹部によって分離された状態で形成されている。このタイプのパターンドメディア２００はビットパターンドメディアと呼ばれている。
【００２１】
データ部２１０に照明光を照射し、分光波形を検出して試料面を検査するような場合、サーボ部２２０に照明光スポットがかかると正確な分光波形が検出できなくなる。特に、図１０で示すような斜入射照明の場合、パターンドメディア２００のデータ部２１０の全面を連続走査する場合には、試料１０１の試料面が上下に震動し、その結果、走査対象位置１０１１、１０１２がずれ、サーボ部２２０にかかる可能性が高くなる。
【００２２】
以下では、本実施の形態の分光光学系を用いた分光測定装置の例であるハードディスク検査装置について説明する。図３は、本実施の形態の分光光学系を用いたハードディスク検査装置の構成例を示した図である。
【００２３】
ハードディスク検査装置は、試料１０１に照明光を照射し、試料１０１からの正反射光を分光検出する分光光学系３００と、検査対象である試料１０１を搭載し、試料１０１上の任意の位置で分光検出できるように、試料１０１の位置を分光光学系３００に対して相対的に移動させることができるステージ部３１０と、分光器１７０やステージ部３１０の動作を制御する制御部３２０と、分光器１７０において検出した分光波形のデータに基づいて試料１０１に形成されたパターンの形状または形状異常を検出するデータ処理部３３０とで構成される。
【００２４】
分光光学系３００は、図１に示した分光光学系と同様の構成である。このとき、分光器１７０の入射口位置を結像位置としておくと、入射口の大きさによって試料１０１において分光検出する領域の大きさを制御することができる。例えば、入射口の大きさをφ２００μｍとし、結像面での倍率を２０倍とすると、分光検出領域の大きさは検査対象ディスク（試料１０１）上でφ１０μｍとなる。
【００２５】
上述したように、２００ｎｍ付近の波長を利用しようとする場合、適用できる光学素子等は限られたものとなる。光源１１０には、波長２００ｎｍ付近以上の光を射出するキセノンランプや重水素ランプ等を用いることができる。ただし、試料１０１によっては波長４００ｎｍ程度以上でも十分性能を発揮できる場合もあり、その場合はハロゲンランプ等の可視光から赤外光の光を射出する光源１１０を用いてもよい。
【００２６】
次に、図４〜図７を用いて分光光学系３００の色収差補正の原理について説明する。まず、図４を用いて、横色収差を補正するSchupmann光学系の原理について説明する。横色収差を補正するSchupmann光学系については、例えば、Abe Offner, "Field Lenses and Secondary Axial Aberration", Applied Optics, vol.8, No.8, pp.1735-1736, Aug.1969に記載されている。Schupmann光学系では、図４に示すように、物体４０１が、試料１０１（物体４０１）を結像する結像レンズ４６０と、結像レンズ４６０の結像面に配置したフィールドレンズ４５０と、フィールドレンズ４５０を像面４０２上に結像するリレーレンズ４４０とを介して、像面４０２上に結像する構成となっている。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、主光線４０３は、結像レンズ４６０の中心、フィールドレンズ４５０の縁、リレーレンズ４４０の中心を通過し、像面４０２で結像する。また、図４（ｂ）に示すように、周縁光線４０４は、結像レンズ４６０の縁、フィールドレンズ４５０の中心、リレーレンズ４４０の縁を通過する。従って、横色収差の補正については以下の式で表すことができる。
【００２８】
【数１】
【００２９】
ここで、ｖ１、ｖ２、ｖ３、φ１、φ２、φ３、ｈｐ，１、ｈｐ，２、ｈｐ，３、ｈｍ，１、ｈｍ，２、ｈｍ，３は、それぞれ結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０のアッベ数、屈折力、主光線４０３の像高、周縁光線４０４の像高である。
【００３０】
結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０の主光線４０３の像高は、それぞれｈｐ，１＝０、ｈｐ，２≠０、ｈｐ，３＝０である。また、図４（ｂ）に示すように、結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０の周縁光線４０４の像高はそれぞれｈｍ，１≠０、ｈｍ，２＝０、ｈｍ，３≠０である。以上より数１式は無条件に成立するため、Schupmann光学系では横色収差は自動的に補正されることになる。
【００３１】
一方、縦色収差の補正については以下の式で表される。
【００３２】
【数２】
【００３３】
ここで、結像レンズ４６０、フィールドレンズ４５０、リレーレンズ４４０の周縁光線４０４の像高はそれぞれｈｍ，１≠０、ｈｍ，２＝０、ｈｍ，３≠０であることから、数２式は以下の式のようになる。
【００３４】
【数３】
【００３５】
ここで、結像レンズ４６０とリレーレンズ４４０の周縁光線４０４の像高ｈｍ，１、ｈｍ，３は、結像レンズ４６０とフィールドレンズ４５０との間隔Ｂと、フィールドレンズ４５０とリレーレンズ４４０との間隔Ｃと相似の関係にあるため、以下の式が成立する。
【００３６】
【数４】
【００３７】
また、結像レンズ４６０とリレーレンズ４４０の屈折力φ１、φ３は、以下の式のように屈折率ｎ（λ）と曲率半径ｒで表される。
【００３８】
【数５】
【００３９】
さらに、結像レンズ４６０とリレーレンズ４４０のアッベ数ｖ１、ｖ３は、数５式より、以下の式で表される。
【００４０】
【数６】
【００４１】
数３式に、数４式と数６式を代入することで、縦色収差の補正について以下の式が得られる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
Schupmann光学系を用いた場合、上述のように数１式が自動的に成立し、横色収差は自動的に補正される。そのため、縦色収差の補正についての数７式が成立する光学系を検討する。
【００４４】
ここで、屈折力はレンズの屈折率に依存する。図５は、波長に対するレンズの屈折力特性の例を示した図である。数７式が成立するためには、図５に示すように、結像レンズ４６０が、短波長ほど大きい屈折力φ１（λ）の理論曲線５０１をもち、一方でリレーレンズ４４０が長波長ほど大きい屈折力φ３（λ）の理論曲線５０２をもつ必要がある。あるいは、リレーレンズ４４０が、短波長ほど大きい屈折力φ１（λ）の理論曲線５０１をもち、一方で結像レンズ４６０が長波長ほど大きい屈折力φ３（λ）の理論曲線５０２をもつ必要がある。
【００４５】
そこで、波長に対して逆の屈折力特性をもつレンズを検討する必要がある。図６は、屈折型レンズ６１０と回折型レンズ６２０の波長に対する屈折力特性を示した図である。図６（ａ）に示す屈折型レンズ６１０の場合、短波長６１１の焦点距離が短く、長波長６１２の焦点距離が長くなる。一方、図６（ｂ）に示す回折型レンズ６２０の場合、短波長６２１の焦点距離が長く、長波長６２２の焦点距離が短くなる。すなわち、屈折型レンズ６１０と回折型レンズ６２０は、波長に対して逆の屈折力特性をもつことになる。
【００４６】
従って、屈折型レンズ６１０と回折型レンズ６２０とを組合せたハイブリッドレンズにより数７式を成立させることが可能となる。本実施の形態の分光光学系３００では、結像レンズ系１６０には屈折型レンズを用い、リレーレンズ系１４０には屈折型レンズに加えて回折型レンズ１３０を用いることによってハイブリッドレンズの構成としている。なお、上述したように、回折型レンズ１３０はリレーレンズ系１４０と結像レンズ系１６０のいずれか一方に有していればよいため、リレーレンズ系１４０には屈折型レンズを用い、結像レンズ系１６０に回折型レンズ１３０を有する構成であってもよい。
【００４７】
しかし、上記ハイブリッドレンズを用いても、実際に数７式を完全に成立させることは困難であり、数３式の左辺の縦色収差を０に近づけることはできても、完全に０とすることは難しい。そこで、本実施の形態の分光光学系３００では、図１、図３に示すように、フィールドレンズ系１５０のレンズを２枚以上のレンズで構成し、そのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置する。
【００４８】
図７は、フィールドレンズ系１５０の２枚のレンズを間隔を空けて配置したときのレンズ間隔（横軸）と、照明視野上におけるＤＵＶ−ＵＶ（２００ｎｍ〜４００ｎｍ）領域の波長の色ずれ（縦軸）との関係を算出したものを示した図である。なお、色ずれはパターンドメディア２００の回転方向（θ）に対して評価するため、回転方向に平行な軸をＸ軸とし、Ｘ軸方向の検出視野ずれを指標にしている。ここで、全体の色ずれは、以下の式より求めることができる。
【００４９】
【数８】
【００５０】
ここでΔｘは各波長の色ずれ（％）、Ｍａｘ．（Ｘλ）は各波長λの色ずれのうちの最大幅、Ｍｉｎ．（Ｘλ）は各波長λの色ずれのうちの最小幅、Ａｖｅ．（Ｘλ）は各波長λの色ずれの平均幅を示す。このとき、波長の色ずれは片側で評価するため２で割っている。
【００５１】
図７に示されるように、フィールドレンズ系１５０のレンズ間隔が１０ｍｍ〜３０ｍｍの間、特に２０ｍｍ〜２５ｍｍの間で、ＤＵＶ−ＵＶ領域の波長の色ずれが小さくなることが分かる。このように、フィールドレンズ系１５０のレンズを２枚以上のレンズで構成し、そのうちの１箇所において、レンズを照明視野上におけるＤＵＶ−ＵＶ領域の波長の色ずれが最小となる間隔で配置する。これにより、ＤＵＶ−ＵＶ領域での縦色収差補正が可能となる。
【００５２】
上述のように、本実施の形態の分光光学系３００では、ハイブリッドレンズの構成とするために、図１、図３に示すようにリレーレンズ系１４０は回折型レンズ１３０を有する。そこで以下に一般的な回折型レンズの設計方法を示しておく。図８は、回折型レンズの構造の例を示す図である。図８において、回折型レンズ８１０、８２０では、図８（ａ）に示す球面８１１あるいは図８（ｂ）に示す非球面８２１の連続放物面を、２πの高さ毎に切り取って等位相分（２πの倍数）を差し引くことにより不連続な位相分布の起伏形状を形成する。
【００５３】
以下に、図８（ａ）の回折型レンズ８１０を例にとって詳細を説明する。図８（ａ）に示す回折型レンズ８１０の各輪帯の最大光路差は１波長であり、ｍ番目の輪帯半径ｒｍは以下の式で表される。
【００５４】
【数９】
【００５５】
ここでλ０は設計波長、ｆは焦点距離を示す。このとき、回折型レンズ８１０の厚さｄは以下の式で表される。
【００５６】
【数１０】
【００５７】
ここで、λ０は設計波長、ｎは回折型レンズの屈折率である。数９式、数１０式により、設計波長λ０、焦点距離ｆ、屈折率ｎのパラメータを与えることにより、回折型レンズ８１０の形状を設計することができる。
【００５８】
最後に、本実施の形態のハードディスク検査装置におけるステージ部３１０、制御部３２０、データ処理部３３０について説明する。図３において、ステージ部３１０は、試料１０１の試料面と平行な方向に移動するＸステージ３１１と、試料１０１の試料面に垂直な方向に移動するＺステージ３１２および試料１０１のディスク（パターンドメディア２００）を回転させるθステージ３１３によって構成される。Ｚステージ３１２は、分光光学系３００のフォーカス位置に試料１０１を移動させるためのものであり、Ｘステージ３１１とθステージ３１３は、試料１０１の試料面の任意の位置に分光光学系３００を移動させるためのものである。
【００５９】
試料１０１の試料面の任意の位置に分光光学系３００を移動させる方法としては、ＸＹステージを用いる方法も考えられるが、試料１０１がディスクであり試料面におけるパターンも同心円状または同心円上に形成されていることからＸθステージの方が適している。さらに、ディスク表面全面を高速に検査することを目的とした場合、ＸＹステージよりもＸθステージの方が単純な動作となるためより適している。よって、本実施の形態のハードディスク検査装置では、Ｘステージ３１１とθステージ３１３によるＸθステージの構成をとっている。
【００６０】
図９は、データ処理部３３０での処理の概要について説明した図である。データ処理部３３０は、大きく分けて次の二つの処理を実行する。一つは分光反射率の算出であり、もう一つはパターン形状・欠陥検出処理である。上述の通り、本実施の形態のハードディスク検査装置では、試料１０１表面の分光反射率に基づいて試料１０１のパターン形状・欠陥を検出するものである。
【００６１】
分光光学系３００で検出が可能なのは、試料１０１表面の分光強度分布である。そこで、予め異なるパターン形状９１０を有する試料１０１に対して光学シミュレーションを行い、算出された分光反射率の波長依存性のグラフ９２０をデータベース９４０に格納しておく。次に、パターンが繰り返し形成された試料１０１の試料面に光源１１０からの照明光を分光光学系３００を通して照射し、試料面からの正反射光を分光器１７０で受光する。
【００６２】
データ処理部３３０では、分光器１７０で検出された分光強度分布に基づいて分光反射率の波長依存性のグラフ９３０を得る。最後に、データベース９４０に格納されている、光学シミュレーションによって算出された分光反射率の波長依存性のグラフ９２０から、測定によって得られた分光反射率の波長依存性のグラフ９３０と近似するものを、分光反射率の波形比較９５０によって選定することで、試料１０１の試料面の形状を特定することができる。
【００６３】
以上のように、本実施の形態の分光光学系３００によれば、屈折型レンズで構成される結像レンズ系１６０と、結像レンズ系１６０の結像面に配置したフィールドレンズ系１５０と、フィールドレンズ系１５０を分光器１７０上に結像するリレーレンズ系１４０のSchupmann光学系の配置とすることにより、横色収差補正が可能となる。また、リレーレンズ系１４０に回折型レンズ１３０を備え、フィールドレンズ系１５０を２枚以上のレンズで構成し、そのうちの１箇所においてレンズを所定の距離だけ離して配置することにより、縦色収差補正が可能となり、ＤＵＶ−ＵＶ領域の波長の広帯域色補正が可能となる。
【００６４】
また、垂直落射照明とすることで、反射型光学系の斜入射照明において課題であった、デフォーカスによる位置ずれが低減される。さらに、広帯域色補正により、波長毎の照明位置が一致し、高精度な分光測定（構造や膜厚測定等）が可能となる。
【００６５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００６６】
例えば、本実施の形態の分光光学系３００および分光測定装置では、分光測定により、パターンドメディア２００の表面のパターン形状・欠陥を検出する構成となっているが、試料１０１はパターンドメディア２００に限らず、表面に構造やパターンを有する試料１０１であれば、その構造をデータ処理部３３０での分光反射率のマッチングによって検出することが可能である。また、試料１０１の表面の構造に限らず、分光測定による薄膜の膜厚測定等にも用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の分光光学系および分光測定装置は、屈折・回折型レンズを用いたSchupmann光学系配置により広帯域色補正を行う分光光学系および分光測定装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施の形態である分光光学系の構成例を示した図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施の形態における試料として用いるパターンドメディアを模式的に示した斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）は、パターンドメディアにおけるデータ部とサーボ部のパターンの例を拡大して示した平面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である分光光学系を用いたハードディスク検査装置の構成例を示した図である。
【図４】横色収差を補正するSchupmann光学系の原理について説明する図である。
【図５】波長に対するレンズの屈折力特性の例を示した図である。
【図６】屈折型レンズと回折型レンズの波長に対する屈折力特性を示した図である。
【図７】本発明の一実施の形態におけるフィールドレンズ系の２枚のレンズを間隔を空けて配置したときのレンズ間隔と、照明視野上における２００ｎｍ〜４００ｎｍ領域の波長の色ずれとの関係を算出したものを示した図である。
【図８】回折型レンズの構造の例を示す図である。
【図９】本発明の一実施の形態におけるデータ処理部での処理の概要について説明した図である。
【図１０】斜入射照明の場合に試料面の上下震動により位置ずれが発生する状況を示す図である。
【図１１】垂直落射照明の場合に試料面の上下震動による位置ずれが低減される状況を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０１、１０１’…試料、１１０…光源、１１１…視野絞り、１２０…折り返し部材、１３０…回折型レンズ、１４０…リレーレンズ系、１５０…フィールドレンズ系、１６０…結像レンズ系、１７０…分光器、
２００…パターンドメディア、２１０〜２１２…データ部、２２０〜２２１…サーボ部、２２２…バースト信号、
３００…分光光学系、３１０…ステージ部、３１１…Ｘステージ、３１２…Ｚステージ、３１３…θステージ、３２０…制御部、３３０…データ処理部、
４０１…物体、４０２…像面、４０３…主光線、４０４…周縁光線、４４０…リレーレンズ、４５０…フィールドレンズ、４６０…結像レンズ、
５０１〜５０２…屈折力の理論曲線、
６１０…屈折型レンズ、６１１…短波長、６１２…長波長、６２０…回折型レンズ、６２１…短波長、６２２…長波長、
８１０…回折型レンズ、８１１…球面、８２０…回折型レンズ、８２１…非球面、
９１０…パターン形状、９２０、９３０…分光反射率の波長依存性のグラフ、９４０…データベース、９５０…分光反射率の波形比較、
１０１０…斜入射照明、１０１１〜１０１２…走査対象位置、
１１１０…垂直落射照明、１１１１〜１１１２…走査対象位置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、視野絞りと、該視野絞りを結像するリレーレンズ系と、該リレーレンズ系の結像面に配置されるフィールドレンズ系と、該フィールドレンズ系を試料上に結像する結像レンズ系と、前記試料からの正反射光を分光する分光器とを有し、
前記リレーレンズ系、前記フィールドレンズ系および前記結像レンズ系は、屈折型レンズおよび／または回折型レンズによるSchupmann光学系で配置され、かつ、前記リレーレンズ系と前記結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを有する分光光学系であって、
前記フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されていることを特徴とする分光光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の分光光学系において、
前記フィールドレンズ系と前記結像レンズ系は屈折型レンズで構成され、前記リレーレンズ系は屈折型レンズと回折型レンズで構成されることを特徴とする分光光学系。
【請求項３】
請求項１に記載の分光光学系において、
前記光源は、２００ｎｍ〜４００ｎｍ領域の光を射出するものであることを特徴とする分光光学系。
【請求項４】
請求項３に記載の分光光学系において、
前記所定の距離は１０ｍｍ〜３０ｍｍであることを特徴とする分光光学系。
【請求項５】
請求項１に記載の分光光学系と、
試料を搭載し、前記試料の位置を前記分光光学系に対して相対的に移動させることができるステージ部と、
前記分光光学系内の分光器および前記ステージ部の動作を制御する制御部と、
前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて前記試料に形成されたパターンの形状または形状異常を検出するデータ処理部とを有する構成であることを特徴とする分光測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の分光測定装置において、
前記ステージ部は、前記分光光学系によって前記試料の全面が連続走査されるように、前記試料を移動させることを特徴とする分光測定装置。
【請求項７】
請求項５に記載の分光測定装置において、
前記試料は、パターンドメディアであることを特徴とする分光測定装置。
【請求項８】
請求項５に記載の分光測定装置において、
前記データ処理部は、前記試料における異なるパターン形状に対して予め算出した分光反射率の波長依存性のグラフを格納するデータベースを有し、
前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフを取得し、
前記データベースに格納されている分光反射率の波長依存性のグラフから、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフと近似するものを、分光反射率の波形の比較により選定することによって、前記試料に形成されたパターン形状を特定することを特徴とする分光測定装置。
【請求項１】
光源と、視野絞りと、該視野絞りを結像するリレーレンズ系と、該リレーレンズ系の結像面に配置されるフィールドレンズ系と、該フィールドレンズ系を試料上に結像する結像レンズ系と、前記試料からの正反射光を分光する分光器とを有し、
前記リレーレンズ系、前記フィールドレンズ系および前記結像レンズ系は、屈折型レンズおよび／または回折型レンズによるSchupmann光学系で配置され、かつ、前記リレーレンズ系と前記結像レンズ系のいずれか一方に回折型レンズを有する分光光学系であって、
前記フィールドレンズ系が２枚以上のレンズで構成され、そのうちの１箇所においてレンズが所定の距離だけ離して配置されていることを特徴とする分光光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の分光光学系において、
前記フィールドレンズ系と前記結像レンズ系は屈折型レンズで構成され、前記リレーレンズ系は屈折型レンズと回折型レンズで構成されることを特徴とする分光光学系。
【請求項３】
請求項１に記載の分光光学系において、
前記光源は、２００ｎｍ〜４００ｎｍ領域の光を射出するものであることを特徴とする分光光学系。
【請求項４】
請求項３に記載の分光光学系において、
前記所定の距離は１０ｍｍ〜３０ｍｍであることを特徴とする分光光学系。
【請求項５】
請求項１に記載の分光光学系と、
試料を搭載し、前記試料の位置を前記分光光学系に対して相対的に移動させることができるステージ部と、
前記分光光学系内の分光器および前記ステージ部の動作を制御する制御部と、
前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて前記試料に形成されたパターンの形状または形状異常を検出するデータ処理部とを有する構成であることを特徴とする分光測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の分光測定装置において、
前記ステージ部は、前記分光光学系によって前記試料の全面が連続走査されるように、前記試料を移動させることを特徴とする分光測定装置。
【請求項７】
請求項５に記載の分光測定装置において、
前記試料は、パターンドメディアであることを特徴とする分光測定装置。
【請求項８】
請求項５に記載の分光測定装置において、
前記データ処理部は、前記試料における異なるパターン形状に対して予め算出した分光反射率の波長依存性のグラフを格納するデータベースを有し、
前記分光器において検出した分光強度分布に基づいて、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフを取得し、
前記データベースに格納されている分光反射率の波長依存性のグラフから、前記試料について測定した分光反射率の波長依存性のグラフと近似するものを、分光反射率の波形の比較により選定することによって、前記試料に形成されたパターン形状を特定することを特徴とする分光測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２５０９５８（Ｐ２００９−２５０９５８Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０３３７２（Ｐ２００８−１０３３７２）
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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