ＤＵＶ−ＵＶ帯域の分光光学系およびそれを用いた分光測定装置
【課題】屈折レンズのみを用いた光学系により垂直照明を可能とし、かつＤＵＶ−ＵＶ（１９０ｎｍ〜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100、折り返しミラー110、視野絞り120、及び試料上に集光させる物体側集光レンズ系130と、該物体側集光レンズ系の結像面に配置される像側集光レンズ系140と、前記試料からの正反射光を分光する分光器150とを有し、前記物体側集光レンズ系130と、前記像側集光レンズ系140は、波長１９０〜４００ｎｍのブロードな帯域で色補正され、かつ垂直照明可能な屈折型レンズのみで構成される分光光学系であって、レンズのワーキングディスタンス（WD）が、所定の距離以下で設定され、かつ各接合レンズ間隔Ｄが、所定の距離以上で設定されている。
【解決手段】光源100、折り返しミラー110、視野絞り120、及び試料上に集光させる物体側集光レンズ系130と、該物体側集光レンズ系の結像面に配置される像側集光レンズ系140と、前記試料からの正反射光を分光する分光器150とを有し、前記物体側集光レンズ系130と、前記像側集光レンズ系140は、波長１９０〜４００ｎｍのブロードな帯域で色補正され、かつ垂直照明可能な屈折型レンズのみで構成される分光光学系であって、レンズのワーキングディスタンス（WD）が、所定の距離以下で設定され、かつ各接合レンズ間隔Ｄが、所定の距離以上で設定されている。
【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、垂直照明が可能な屈折レンズのみを用いた光学系配置により、深紫外光（ＤＵＶ）から紫外光（ＵＶ）まで（１９０ｎｍ〜４００ｎｍ）の広帯域で色補正された、分光光学系および分光測定装置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、感度の高いＤＵＶ−ＵＶ（１９０ｎｍ〜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補正されている必要がある。色補正には、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。
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。
屈折・回折型光学系では、回折光学素子を用いて、紫外域波長λとその２倍の波長２λに対して色補正されることを特徴とする光学系が、特開２００８−９００５１号公報（特許文献２）に記載されている。
屈折型光学系では、近紫外光での高解像観察や紫外蛍光共焦点を可能とするように、３５０nm以上の近紫外から可視領域にわたって色補正され、焦点位置が一致していることを特徴とする近紫外対物レンズが、特許第３２８８４４１号公報（特許文献３）に記載されている。また、蛍石と石英をレンズ材料とし、波長２００nm程度の紫外から赤外領域に対して広帯域に色補正されていることを特徴とする結像用対物レンズが、特開昭６１−９０１１５号公報（特許文献４）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２７８３０号公報
【特許文献２】特開２００８−９００５１号公報
【特許文献３】特許第３２８８４４１号公報
【特許文献４】特開昭６１−９０１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されている光学系は、反射型のため広帯域色補正が可能であるが、反射型色補正光学系では、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、試料面を回転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３において、斜入射照明８１１の場合、連続走査のため試料面が上下に震動し（試料面１、１’）、走査対象位置がずれてしまう（走査対象位置８２１、８３１）という課題があった。
一方、特許文献２乃至４に記載されている、屈折・回折型光学系および屈折型光学系は、垂直照明が可能な構成である。図４は、垂直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４において、垂直照明８１２の場合、連続走査のため試料面が上下に震動しても（試料面１、１’）、走査対象位置のずれは小さくなる（走査対象位置８２２、８３２）。しかし、特許文献２に記載されている屈折・回折型光学系は、紫外域波長λとその２倍の波長２λのみの２波長色補正であり、広帯域色補正に対応していないという課題があった。
特許文献３に記載されている屈折型光学系は、試料面構造の欠陥検出において、感度の高い３５０nm以下の深紫外を含んだ色補正がなされていないという課題があった。
特許文献４に記載されている屈折型光学系は、紫外領域で問題となる接合レンズの接着について対応していないという課題があった。接合レンズ間の接着には、一般的にUV硬化剤（接着剤）が使用され、そこに紫外光を照射することでUV硬化剤が固められている。従って、UV硬化剤を使用した接合レンズで構成される屈折型光学系に対し、紫外光を照射しつづけると、UV硬化剤部が劣化する。このとき発生したガスがレンズ面に再付着することで、透過率が低下する。一方、レンズの接合部にUV硬化剤を使用せず、貼り合わせることで性能劣化を防ぐ方法もある。しかし、貼り合わせの場合、空気間隔が狭くなり、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）が発生する。
【０００５】
本発明の目的は、分光光学系およびそれを用いた分光測定装置において、試料面振動の影響が小さい垂直照明を可能とし、ＤＵＶ−ＵＶ（１９０ｎｍ〜４００ｎｍ）広帯域の色補正を実現する光学系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】
【０００６】
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説明すれば、以下のとおりである。
本発明の分光光学系は、光源、折り返しミラー、視野絞り、及び試料上を照明する物体側対物レンズ系からなる照明光学系と、該物体側対物レンズ系、該視野絞り、該折り返しミラー、及び該物体側の結像面に配置される像側集光レンズ系からなる検出光学系と、前記試料からの正反射光を分光する分光器とを有し、前記物体側対物レンズ系と、前記像側集光レンズ系は、波長190〜400nmのブロードな帯域で色補正され、かつ屈折型レンズのみで構成される分光光学系であって、レンズのワーキングディスタンス（ＷＤ）が、 ＷＤ≦１０．０ｍｍ を満たすように設定されるものである。これにより、ＤＵＶ−ＵＶ領域で色補正を行うことができる。
本発明の分光光学系では、さらに、各接合レンズ間隔Ｄを、１回反射を考慮して、 （λ１・λ２）／（４ｎγ）≦Ｄ に設定している。
ここで、ｎは空気の屈折率、γは分光器分解能である。また、λ2は検討波長であり、検討する帯域波長の中で一番長波長を選択する。λ1は検討波長λ2の波長に分光器分解能γ分を足したものである。
これにより、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）を発生させないようにすることができる。なお、多重反射を考慮する場合は、接合レンズ間隔Ｄを１．５倍する。
本発明の分光光学系は、さらに、照射光学系は試料を垂直に照射するものである。そのため、高速・連続検査時のデフォーカスによる位置ずれが低減される。
【０００７】
本発明の分光測定装置は、前記の分光光学系と、試料を搭載し、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、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。
本発明の分光測定装置は、さらに、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一致するものを、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ものである。なお、パターン形状には、膜厚も含まれる。
【発明の効果】
【０００８】
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説明すれば以下のとおりである。
本発明によれば、ＤＵＶ−ＵＶ（１９０ｎｍ〜４００ｎｍ）広帯域の色補正を行うことができる。また、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）の発生を防止することができる。また、垂直照明が可能となり、従来の反射型光学系の斜入射照明において課題であった、高速・連続検査時の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、試料面構造の欠陥検出において、感度の高いＤＵＶ−ＵＶ（１９０ｎｍ〜４００ｎｍ）領域において、高速かつ高精度な分光測定（構造および膜厚測定等）が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】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４】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５】色収差補正の原理と照明幅算出方法について説明する図である。
【図６】照明幅算出方法について説明する図である。
【図７】（a）は、レンズとそれを梱包する鏡筒を考慮したワーキングディスタンス（ＷＤ）を示した図である。（b）は、ワーキングディスタンス（ＷＤ）と色ずれ（Δｘ）の関係を示した図である。
【図８】2枚のレンズの空気間隔Ｄにより発生する、干渉の明暗のムラ（光量のムラ）の原理を示した図である。
【図９】（a）は、2枚のレンズの空気間隔Ｄを０〜０．５μmとした場合の模式図を示した図である。（b）は、波長１９９．５０〜２００．５０nmに対し、空気間隔Dを０〜０．５μｍ変化させたときの透過光率のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１０】（a）は、2枚のレンズの空気間隔Ｄを３０〜３０．１μmとした場合の模式図を示した図である。（b）は、波長１９９．５０〜２００．５０nmに対し、空気間隔Ｄを３０〜３０．１μｍ変化させたときの透過光率のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１１】（a）は、分光器分解能γ＝０．３nm、波長４００nmにおける透過光率に対するPeak to Valley値を、空気間隔Ｄごとにプロットしたグラフである。（b）は、分光器分解能γ＝１．０nm、波長４００nmにおける透過光率に対するPeak to Valley値を、空気間隔Ｄごとにプロットしたグラフである。
【図１２】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１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【実施例１】
【００１１】
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。
照明光学系は、照明光を照射する光源１００と、折り返し部材１１０と、視野絞り１２０と、物体側対物レンズ系１３０を介して、ステージ上の試料１に垂直照明する構造である。
同様に、検出光学系は、物体側対物レンズ系１３０と、視野絞り１２０と、折り返しミラー１１０と、物体側の結像面に配置される像側集光レンズ系１４０を介し、試料面１からの正反射光を分光する分光器１５０に垂直照明する構造である。尚、試料面１と分光器１５０の入射面は、共役関係にある。
【００１２】
図２（ａ）は、試料１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２０００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２０００の表面には、例えば、ユーザデータを書き込むデータ部２１００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２２００とが存在する。図２（ａ）では、ディスク面におけるデータ部２１００とサーボ部２２００の配置を模式的に線で示している。
図２（ｂ）は、図２（ａ）のパターンドメディア２０００におけるデータ部２１００とサーボ部２２００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２２１０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２０００のサーボパターンに対応している。また、サーボ部２２１０には、トラッキング制御を行うためのバースト信号２２２０が含まれている。一方、データ部２１１０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２０００は、ディスクリートトラックメディアと呼ばれている。
図２（ｃ）も同様に、図２（ａ）のパターンドメディア２０００におけるデータ部２１００とサーボ部２２００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２１２０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２０００はビットパターンドメディアと呼ばれている。
データ部２１００とサーボ部２２００は分離する必要がある。理由は、データ部２１００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２２００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ためである。特に、図３で示すような斜入射照明の場合、パターンドメディア２０００のデータ部２１００の全面を連続走査する場合には、試料１の試料面が上下に震動し、その結果、走査対象位置８２１、８３１がずれ、サーボ部２２００にかかる可能性が高くなる。
【００１３】
次に、図５〜図７を用いて分光光学系の色収差補正の原理について説明する。
まず、図５を用いて、色収差を補正する光学系の原理について説明する。レンズ系で異なる色の光を一点に収斂させるような物点の色消しは、式（１）で表すことができる。
【００１４】
【数１】
【００１５】
ここで、図５に示すように、レンズ枚数をＮ、各レンズの周縁光線８５０の高さをｈi、最終レンズの周縁光線の高さをｈN、最終レンズ面から物体面までの距離をＳN、各レンズの屈折力及びアッベ数をφi，νiと置く。また、各レンズ面の屈折力φiは、レンズ面の曲率半径ｒとその両側の屈折率ｎ(λ)差により、アッベ数νiは、中心波長λ0、短波長λ1、長波長λ2の屈折率により求められる。これにより色収差ΔSが導かれる。
さらに、各レンズの周縁光線の高さｈiは最終レンズの周縁光線の高さｈNとほぼ等しく、概略平行光となる。これにより、式（１）は以下の式（２）で表される。
【００１６】
【数２】
【００１７】
色収差を低減するためには、ΔSを低減すればよい。従って、Σ（φi／νi）、あるいは最終レンズ面から物体面までの距離ＳNを低減することにより色収差を低減することができる。前者は、各レンズの曲率半径，厚み，間隔を調整することで、低減が可能である。一方、後者は、レンズのワーキングディスタンス（WD）を小さくすることで、低減が可能である。
【００１８】
図７に試料１とレンズ９１０の面間隔（WD）を減少させたときの色ずれを示す。
色ずれとは、光軸に垂直な面Ｓ0における各波長の照明幅８５４差である。図５と６に示すように、面Ｓ0における各波長の照明幅８５４差の算出方法は、以下である。
先ず、光線追跡で光軸に垂直な面Ｓ0における最外結像スポット８５１の位置８５２とRMS値８５３を算出する。
次に、照明幅８５４は、結像スポット８５１の位置８５２とRMS値８５３をもとに、以下の式（３）で表される。
【００１９】
【数３】
【００２０】
ここでXλは照明幅、ｘとPλはそれぞれ結像スポットの位置とRMS値である。
以上を、各波長に対して行う。
最後、色ずれは、各波長の照明幅８５４をもとに，以下の式（４）で表される。
【００２１】
【数４】
【００２２】
ここでΔｘは各波長の色ずれ（％）、Ｍａｘ．（Ｘλ）は各波長λのうち最大の照明幅、Ｍｉｎ．（Ｘλ）は各波長λのうち最小の照明幅、Ａｖｅ．（Ｘλ）は各波長λの平均照明幅を示す。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。
面間隔（WD）を減少させ、上記で算出した各波長の色ずれをプロットしたものが図６（ｂ）のシミュレーション結果である。その結果、WD≦10.0mmにすることで、色ずれを１０％以下にすることができる。このとき、WD≦10.0mmの下限は、鏡筒９２０など、実装による制限値となる。また、WD≧10.0mmの場合、色ずれが極端に大きくなる。
【００２３】
次に、図８〜図１１を用いて、UV硬化剤（接着剤）不使用時における、レンズの貼り合わせや薄いスペーサ挿入により発生する、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）について検討する。
図８に示すように、第一レンズ９３０の表面に対し、入射角θで入射する光線９６０には、第二レンズ９５０を透過する光９６１と反射する光９７０がある。特に、反射する光９７０は、第一レンズ９３０を透過した後、第二レンズ９５０と、第一レンズ９３０の表面で反射し、第二レンズ９５０を透過する。従って、透過する光９６１と反射する光９７０では空気間隔Ｄ９８０に応じて光路長差が生じる。このとき、干渉により生じる明暗のムラ（光量のムラ）は、多重反射の場合、式（５）により表される。
【００２４】
【数５】
【００２５】
ここで、Ｉは強度、Ｅtは透過光振幅、Ｅt1は第二レンズ９５０を透過する光９６１の振幅、Ｅt2は第二レンズ９５０と、第一レンズ９３０の表面で反射（１回反射）し、第二レンズ９５０を透過する光９７０の振幅である。多重反射の場合、透過光振幅Ｅt3、Ｅt4と続く。
２光束の干渉について考える場合、第二レンズ９５０を透過する光９６１と反射する光９７０は式（６）で示す光路長差Δを持つ。
【００２６】
【数６】
【００２７】
ここで、空気の屈折率をn、空気間隔をD、入射角度をθとする。
また、第二レンズ９５０を透過する光９６１と反射する光９７０の間にはπの位相差δが生じ、式（７）で表すことができる。
【００２８】
【数７】
【００２９】
ここで、Δは光路長差、λは波長である。
式（５）、式（７）を用いて、２光束干渉の式（８）を求めることが出来る。
【００３０】
【数８】
【００３１】
Ｉは２光束干渉の透過光強度、Ｅtは透過光振幅、Ｅt1は第二レンズ９５０を透過する光９６１の振幅、Ｅt2は第二レンズ９５０と、第一レンズ９３０の表面で反射（２回反射）し、第二レンズ９５０を透過する光９７０の振幅である。干渉により生じる明暗のムラ（光量のムラ）の程度は、位相差δに依存する。
式（６）で示す光路長差Δは、πの位相差をもつことから、干渉により生じる明暗を、式（９）のように表せる。
【００３２】
【数９】
【００３３】
ここで、波長λ2は検討波長であり、λ1は検討波長λ2の波長に分光器分解能γ分を足したものである。さらに、波長λ2は検討する帯域波長の中で一番長波長を選択する。これは、長波長になるほどＤの値が大きくなるためである。
式（９）より、式（１０）、式（１１）、式（１２）を導くことができる。
【００３４】
【数１０】
【００３５】
【数１１】
【００３６】
【数１２】
【００３７】
ここで、波長λ1とλ2の差は、分光器分解能γとすることができる。分光器分解能γと整数値ｍは、反比例の関係にある。
式（１２）を式（９）に代入し、空気間隔Dを求める式（１３）が導かれる。
【００３８】
【数１３】
【００３９】
分光器分解能γと空気間隔Ｄは、反比例の関係にある。従って、分光器分解能γが大きい場合、空気間隔Ｄは小さくなる。一方、分光器の分解能γが小さい場合、空気間隔Ｄは大きくなる。
例えば、分光器分解能γが1.0nmである場合の空気間隔Dを検討する。波長帯域は200〜400nmとする。また、分光器分解能γが1.0nmであることから、検討波長を(1)200±0.25、0.50nm、(2)300±0.25、0.50nm、(3)400±0.25、0.50nmとし、各波長の空気間隔Dにおける透過光率を検討する。
【００４０】
図９（a）に示すように、第一レンズ９３０、第二レンズ９５０と空気層９４０からなる構造を仮定する。第一レンズ９３０の表面に対し、入射角θで入射する光線９６０には、第二レンズ９５０を透過する光９６１と第一レンズ９３０と、第二レンズ９５０の表面で反射し、透過する光９７０がある。この2つの光に対し、空気間隔Ｄ９８０を0〜0.5μm変化させたときの透過光率を検討する。ここで、各波長は、(1)200nm、(2)300nm、(3)400nmである。
図９（b）は、波長(1)200nmに対し、空気間隔Ｄ９８０を0〜0.5μm変化させたときの透過光率のシミュレーション結果である。図９（b）に示される、透過光率波形の波長は、それぞれ199.50nm、199.75nm、200.00nm、200.25nm、200.50nmとそれぞれの平均９９０である。その結果、空気間隔Ｄ９８０が0〜0.5μmと小さい場合、全ての波長の波形位相が一致し、平均９９０すると明暗のムラ（光量のムラ）が発生することがわかる。これは、空気間隔Ｄ９８０が小さく、透過する光９６０と反射を経て透過する光９７０との間に光路長差がほとんど生じず、お互いに打ち消しあう作用が働かないためである。
【００４１】
図１０（a）の2つの光に対し、空気間隔Ｄ９８０’を30〜30.1μm変化させたときの透過光率を検討する。ここで、各波長は、(1)200nm、(2)300nm、(3)400nmである。
図１０（b）は、波長(1)200nmに対し、空気間隔Ｄ９８０’を30μmに拡げ、 30〜30.1μm変化させたときの透過光率のシミュレーション結果である。図１０（b）に示される、透過光率波形の波長は、それぞれ199.50nm、199.75nm、200.00nm、200.25nm、200.50nmとそれぞれの平均９９０’である。その結果、空気間隔Ｄ９８０’が30〜30.1μmと大きい場合、各波長の波形位相がずれ、平均９９０’すると明暗のムラ（光量のムラ）が均一化されていることがわかる。これは、空気間隔Ｄ９８０’が大きく、透過する光９６０’と反射を経て透過する光９７０’との間に光路長差が生じ、お互いに打ち消しあう作用が働くためである。
波長λ1=401nm、波長λ2=400nm、分光器分解能γ=1.0nm、入射角度θ=0°（垂直入射）、空気の屈折率ｎがほぼ１に等しい、とした場合、式（１３）から空気間隔Ｄは、D≧40.1μｍを満たす必要がある。一方、D≧40.1μｍを満たさない場合、透過する光９６０と反射を経て透過する光９７０との間に光路長差がほとんど生じず、お互いに打ち消しあう作用が働かないため、明暗のムラ（光量のムラ）が発生する。
【００４２】
図１１(a)は、分光器分解能γ＝０．３nm、波長400nmの場合の透過光率波形に対するPeak to Valley値９９９を、空気間隔Ｄごとにプロットしたグラフである。
図１１(b)は、分光器分解能γ＝１．０nm、波長400nmの場合の透過光率波形に対するPeak to Valley値９９９’を、空気間隔Ｄごとにプロットしたグラフである。
分光器分解能γが0.3nmの場合、空気間隔Dは、式（１３）からD≧133.4μｍを満たす必要がある。一方、D≧133.4μｍを満たさない場合、透過する光９６０と反射を経て透過する光９７０との間に光路長差がほとんど生じず、お互いに打ち消しあう作用が働かないため、明暗のムラ（光量のムラ）が発生する。
図１１に示すシミュレーション結果１０４０、１０４０’と、式（１３）による結果１０５０，１０５０’に不一致が生じる。これは、実際、多重反射しているのに対し、式（１３）が1回反射のみしか考慮していないためである。式（１３）で算出される空気間隔Dを1.5倍１０６０，１０６０’する必要がある。
【実施例２】
【００４３】
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１２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。
ハードディスク検査装置は、試料１に照明光を照射し、試料１からの正反射光を分光検出する分光光学系２００と、検査対象である試料１を搭載し、試料１上の任意の位置で分光検出できるように、試料１の位置を分光光学系２００に対して相対的に移動させることができるステージ部３００と、分光器１５０やステージ部３００の動作を制御する制御部４００と、分光器１５０において検出した分光波形のデータに基づいて試料１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５００とで構成される。
分光光学系２００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１５０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１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φ４００μｍとし、結像面での倍率を８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１）上でφ５０μｍとなる。
上述したように、４００ｎｍ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１００には、波長１９０ｎｍ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１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１００を用いてもよい。
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３００、制御部４００、データ処理部５００について説明する。図１２において、ステージ部３００は、試料１の試料面と平行な方向に移動するＸステージ３０１と、試料１０１の試料面に垂直な方向に移動するＺステージ３０２および試料１のディスク（パターンドメディア２０００）を回転させるθステージ３０３によって構成される。Ｚステージ３０２は、分光光学系２００のフォーカス位置に試料１を移動させるためのものであり、Ｘステージ３０１とθステージ３０３は、試料１の任意の位置に分光光学系２００を移動させるためのものである。
試料１の任意の位置に分光光学系２００を移動させる方法として、ＸＹステージを用いてもよい。試料１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場合、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３０１とθステージ３０３によるＸθステージの構成をとっている。
【００４４】
図１３は、データ処理部５００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５００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１表面の分光反射率に基づいて試料１のパターン形状・欠陥を検出するものである。
分光光学系２００で検出が可能なのは、試料１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５１０を有する試料１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５１１をデータベース５１３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１に光源１００からの照明光を、分光光学系２００を通して照射し、試料面からの正反射光を分光器１５０で受光する。
データ処理部５００では、分光器１５０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５１２を得る。最後に、データベース５１３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５１１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５１２と近似するものを、分光反射率の波形比較５１４によって選定することで、試料１の形状を特定することができる。
【００４５】
以上のように、本実施の形態の分光光学系２００によれば、光源１００、折り返しミラー１１０、視野絞り１２０、及び試料１上を照明させる物体側対物レンズ系１３０からなる照明光学系と、物体側対物レンズ系１３０、視野絞り１２０、折り返しミラー１１０、及び試料１上の結像面に配置される像側集光レンズ系１４０からなる検出光学系と、試料１からの正反射光を分光する分光器１５０から構成される。そして、物体側対物レンズ系１３０と像側集光レンズ系１４０は、深紫外から紫外光までの波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの広帯域で色補正され、かつ屈折型レンズのみで構成される。
そして、レンズのワーキングディスタンス(WD)を WD≦10.0mm で設定することにより、色ずれ低減が可能になる。
また、各接合レンズ間隔Ｄを (λ1・λ2)／（４ｎγ）≦Ｄ で設定することにより、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）の発生抑制が可能になる。
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。
【００４６】
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。
例えば、本実施の形態の分光光学系２００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２０００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１はパターンドメディア２０００に限られず、表面に構造やパターンを有する試料１であれば、その構造をデータ処理部５００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１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】
【００４７】
本発明の分光光学系および分光測定装置は、半導体やパターンドメディア検査装置、分光測定による薄膜の膜厚測定装置等、屈折レンズを用いた光学系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。
【符号の説明】
【００４８】
１，１’・・・試料、１００・・・光源、１１０・・・折り返し部材、１２０・・・視野絞り、１３０・・・物体側対物レンズ系、１４０・・・像側集光レンズ系、１５０・・・分光器、２００・・・分光光学系、３００・・・ステージ部、３０１・・・Ｘステージ、３０２・・・Ｚステージ、３０３・・・θステージ、４００・・・制御部、５００・・・データ処理部、５１０・・・パターン形状、５１１・・・シミュレーションにより算出された分光反射率の波長依存性グラフ、５１２・・・検出された分光強度分布に基づく分光反射率の波長依存性グラフ、５１３・・・データベース、５１４・・・分光反射率の波形比較、８１１・・・斜入射照明、８１２・・・垂直照明、８２１，８２２・・・デフォーカス前の走査対象位置、８３１，８３２・・・デフォーカス後の走査対象位置、８５０・・・周縁光線、８５１・・・最外結像スポット、８５２・・・最外結像スポットの位置ｘ、８５３・・・最外結像スポットのＲＭＳ値Ｐλ、８５４・・・照明幅Ｘλ、９１０・・・レンズ、９２０・・・鏡筒、９３０，９３０’・・・第一レンズ、９４０，９４０’・・・空気、９５０，９５０’・・・第二レンズ、９６０，９６０’・・・入射光、９６１，９６１’・・・第二レンズ透過光、９７０，９７０’・・・第一及び第二レンズ面反射光、９８０，９８０’・・・空気間隔Ｄ、９９０・・・波長１９９．５０nm、１９９．７５nm、２００．００nm、２００．２５nm、２００．５０nmの透過光率波形、および波長１９９．５０〜２００．５０nmの透過光率波形の平均、
９９０’・・・波長１９９．５０〜２００．５０nmの透過光率波形の平均、９９１’・・・波長１９９．５０nmの透過光率波形、９９２’・・・波長１９９．７５nmの透過光率波形、９９３’・・・波長２００．００nmの透過光率波形、９９４’・・・波長２００．２５nmの透過光率波形、９９５’・・・波長２００．５０nmの透過光率波形、１０４０・・・波長３９９．８５〜４００．１nmの透過光率波形の平均に対するPeak to Valley値の空気間隔ごとのプロット、１０４０’・・・波長３９９．５０〜４００．５０nmの透過光率波形の平均に対するPeak to Valley値の空気間隔ごとのプロット、２０００・・・パターンドメディア、２１００〜２１２０・・・データ部、２２００〜２２１０・・・サーボ部、２２２０・・・バースト信号用パターン。
【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、垂直照明が可能な屈折レンズのみを用いた光学系配置により、深紫外光（ＤＵＶ）から紫外光（ＵＶ）まで（１９０ｎｍ〜４００ｎｍ）の広帯域で色補正された、分光光学系および分光測定装置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、感度の高いＤＵＶ−ＵＶ（１９０ｎｍ〜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補正されている必要がある。色補正には、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。
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。
屈折・回折型光学系では、回折光学素子を用いて、紫外域波長λとその２倍の波長２λに対して色補正されることを特徴とする光学系が、特開２００８−９００５１号公報（特許文献２）に記載されている。
屈折型光学系では、近紫外光での高解像観察や紫外蛍光共焦点を可能とするように、３５０nm以上の近紫外から可視領域にわたって色補正され、焦点位置が一致していることを特徴とする近紫外対物レンズが、特許第３２８８４４１号公報（特許文献３）に記載されている。また、蛍石と石英をレンズ材料とし、波長２００nm程度の紫外から赤外領域に対して広帯域に色補正されていることを特徴とする結像用対物レンズが、特開昭６１−９０１１５号公報（特許文献４）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２７８３０号公報
【特許文献２】特開２００８−９００５１号公報
【特許文献３】特許第３２８８４４１号公報
【特許文献４】特開昭６１−９０１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されている光学系は、反射型のため広帯域色補正が可能であるが、反射型色補正光学系では、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、試料面を回転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３において、斜入射照明８１１の場合、連続走査のため試料面が上下に震動し（試料面１、１’）、走査対象位置がずれてしまう（走査対象位置８２１、８３１）という課題があった。
一方、特許文献２乃至４に記載されている、屈折・回折型光学系および屈折型光学系は、垂直照明が可能な構成である。図４は、垂直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４において、垂直照明８１２の場合、連続走査のため試料面が上下に震動しても（試料面１、１’）、走査対象位置のずれは小さくなる（走査対象位置８２２、８３２）。しかし、特許文献２に記載されている屈折・回折型光学系は、紫外域波長λとその２倍の波長２λのみの２波長色補正であり、広帯域色補正に対応していないという課題があった。
特許文献３に記載されている屈折型光学系は、試料面構造の欠陥検出において、感度の高い３５０nm以下の深紫外を含んだ色補正がなされていないという課題があった。
特許文献４に記載されている屈折型光学系は、紫外領域で問題となる接合レンズの接着について対応していないという課題があった。接合レンズ間の接着には、一般的にUV硬化剤（接着剤）が使用され、そこに紫外光を照射することでUV硬化剤が固められている。従って、UV硬化剤を使用した接合レンズで構成される屈折型光学系に対し、紫外光を照射しつづけると、UV硬化剤部が劣化する。このとき発生したガスがレンズ面に再付着することで、透過率が低下する。一方、レンズの接合部にUV硬化剤を使用せず、貼り合わせることで性能劣化を防ぐ方法もある。しかし、貼り合わせの場合、空気間隔が狭くなり、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）が発生する。
【０００５】
本発明の目的は、分光光学系およびそれを用いた分光測定装置において、試料面振動の影響が小さい垂直照明を可能とし、ＤＵＶ−ＵＶ（１９０ｎｍ〜４００ｎｍ）広帯域の色補正を実現する光学系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】
【０００６】
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説明すれば、以下のとおりである。
本発明の分光光学系は、光源、折り返しミラー、視野絞り、及び試料上を照明する物体側対物レンズ系からなる照明光学系と、該物体側対物レンズ系、該視野絞り、該折り返しミラー、及び該物体側の結像面に配置される像側集光レンズ系からなる検出光学系と、前記試料からの正反射光を分光する分光器とを有し、前記物体側対物レンズ系と、前記像側集光レンズ系は、波長190〜400nmのブロードな帯域で色補正され、かつ屈折型レンズのみで構成される分光光学系であって、レンズのワーキングディスタンス（ＷＤ）が、 ＷＤ≦１０．０ｍｍ を満たすように設定されるものである。これにより、ＤＵＶ−ＵＶ領域で色補正を行うことができる。
本発明の分光光学系では、さらに、各接合レンズ間隔Ｄを、１回反射を考慮して、 （λ１・λ２）／（４ｎγ）≦Ｄ に設定している。
ここで、ｎは空気の屈折率、γは分光器分解能である。また、λ2は検討波長であり、検討する帯域波長の中で一番長波長を選択する。λ1は検討波長λ2の波長に分光器分解能γ分を足したものである。
これにより、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）を発生させないようにすることができる。なお、多重反射を考慮する場合は、接合レンズ間隔Ｄを１．５倍する。
本発明の分光光学系は、さらに、照射光学系は試料を垂直に照射するものである。そのため、高速・連続検査時のデフォーカスによる位置ずれが低減される。
【０００７】
本発明の分光測定装置は、前記の分光光学系と、試料を搭載し、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、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。
本発明の分光測定装置は、さらに、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一致するものを、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ものである。なお、パターン形状には、膜厚も含まれる。
【発明の効果】
【０００８】
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説明すれば以下のとおりである。
本発明によれば、ＤＵＶ−ＵＶ（１９０ｎｍ〜４００ｎｍ）広帯域の色補正を行うことができる。また、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）の発生を防止することができる。また、垂直照明が可能となり、従来の反射型光学系の斜入射照明において課題であった、高速・連続検査時の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、試料面構造の欠陥検出において、感度の高いＤＵＶ−ＵＶ（１９０ｎｍ〜４００ｎｍ）領域において、高速かつ高精度な分光測定（構造および膜厚測定等）が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】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４】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５】色収差補正の原理と照明幅算出方法について説明する図である。
【図６】照明幅算出方法について説明する図である。
【図７】（a）は、レンズとそれを梱包する鏡筒を考慮したワーキングディスタンス（ＷＤ）を示した図である。（b）は、ワーキングディスタンス（ＷＤ）と色ずれ（Δｘ）の関係を示した図である。
【図８】2枚のレンズの空気間隔Ｄにより発生する、干渉の明暗のムラ（光量のムラ）の原理を示した図である。
【図９】（a）は、2枚のレンズの空気間隔Ｄを０〜０．５μmとした場合の模式図を示した図である。（b）は、波長１９９．５０〜２００．５０nmに対し、空気間隔Dを０〜０．５μｍ変化させたときの透過光率のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１０】（a）は、2枚のレンズの空気間隔Ｄを３０〜３０．１μmとした場合の模式図を示した図である。（b）は、波長１９９．５０〜２００．５０nmに対し、空気間隔Ｄを３０〜３０．１μｍ変化させたときの透過光率のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図１１】（a）は、分光器分解能γ＝０．３nm、波長４００nmにおける透過光率に対するPeak to Valley値を、空気間隔Ｄごとにプロットしたグラフである。（b）は、分光器分解能γ＝１．０nm、波長４００nmにおける透過光率に対するPeak to Valley値を、空気間隔Ｄごとにプロットしたグラフである。
【図１２】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１３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【実施例１】
【００１１】
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。
照明光学系は、照明光を照射する光源１００と、折り返し部材１１０と、視野絞り１２０と、物体側対物レンズ系１３０を介して、ステージ上の試料１に垂直照明する構造である。
同様に、検出光学系は、物体側対物レンズ系１３０と、視野絞り１２０と、折り返しミラー１１０と、物体側の結像面に配置される像側集光レンズ系１４０を介し、試料面１からの正反射光を分光する分光器１５０に垂直照明する構造である。尚、試料面１と分光器１５０の入射面は、共役関係にある。
【００１２】
図２（ａ）は、試料１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２０００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２０００の表面には、例えば、ユーザデータを書き込むデータ部２１００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２２００とが存在する。図２（ａ）では、ディスク面におけるデータ部２１００とサーボ部２２００の配置を模式的に線で示している。
図２（ｂ）は、図２（ａ）のパターンドメディア２０００におけるデータ部２１００とサーボ部２２００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２２１０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２０００のサーボパターンに対応している。また、サーボ部２２１０には、トラッキング制御を行うためのバースト信号２２２０が含まれている。一方、データ部２１１０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２０００は、ディスクリートトラックメディアと呼ばれている。
図２（ｃ）も同様に、図２（ａ）のパターンドメディア２０００におけるデータ部２１００とサーボ部２２００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２１２０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２０００はビットパターンドメディアと呼ばれている。
データ部２１００とサーボ部２２００は分離する必要がある。理由は、データ部２１００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２２００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ためである。特に、図３で示すような斜入射照明の場合、パターンドメディア２０００のデータ部２１００の全面を連続走査する場合には、試料１の試料面が上下に震動し、その結果、走査対象位置８２１、８３１がずれ、サーボ部２２００にかかる可能性が高くなる。
【００１３】
次に、図５〜図７を用いて分光光学系の色収差補正の原理について説明する。
まず、図５を用いて、色収差を補正する光学系の原理について説明する。レンズ系で異なる色の光を一点に収斂させるような物点の色消しは、式（１）で表すことができる。
【００１４】
【数１】
【００１５】
ここで、図５に示すように、レンズ枚数をＮ、各レンズの周縁光線８５０の高さをｈi、最終レンズの周縁光線の高さをｈN、最終レンズ面から物体面までの距離をＳN、各レンズの屈折力及びアッベ数をφi，νiと置く。また、各レンズ面の屈折力φiは、レンズ面の曲率半径ｒとその両側の屈折率ｎ(λ)差により、アッベ数νiは、中心波長λ0、短波長λ1、長波長λ2の屈折率により求められる。これにより色収差ΔSが導かれる。
さらに、各レンズの周縁光線の高さｈiは最終レンズの周縁光線の高さｈNとほぼ等しく、概略平行光となる。これにより、式（１）は以下の式（２）で表される。
【００１６】
【数２】
【００１７】
色収差を低減するためには、ΔSを低減すればよい。従って、Σ（φi／νi）、あるいは最終レンズ面から物体面までの距離ＳNを低減することにより色収差を低減することができる。前者は、各レンズの曲率半径，厚み，間隔を調整することで、低減が可能である。一方、後者は、レンズのワーキングディスタンス（WD）を小さくすることで、低減が可能である。
【００１８】
図７に試料１とレンズ９１０の面間隔（WD）を減少させたときの色ずれを示す。
色ずれとは、光軸に垂直な面Ｓ0における各波長の照明幅８５４差である。図５と６に示すように、面Ｓ0における各波長の照明幅８５４差の算出方法は、以下である。
先ず、光線追跡で光軸に垂直な面Ｓ0における最外結像スポット８５１の位置８５２とRMS値８５３を算出する。
次に、照明幅８５４は、結像スポット８５１の位置８５２とRMS値８５３をもとに、以下の式（３）で表される。
【００１９】
【数３】
【００２０】
ここでXλは照明幅、ｘとPλはそれぞれ結像スポットの位置とRMS値である。
以上を、各波長に対して行う。
最後、色ずれは、各波長の照明幅８５４をもとに，以下の式（４）で表される。
【００２１】
【数４】
【００２２】
ここでΔｘは各波長の色ずれ（％）、Ｍａｘ．（Ｘλ）は各波長λのうち最大の照明幅、Ｍｉｎ．（Ｘλ）は各波長λのうち最小の照明幅、Ａｖｅ．（Ｘλ）は各波長λの平均照明幅を示す。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。
面間隔（WD）を減少させ、上記で算出した各波長の色ずれをプロットしたものが図６（ｂ）のシミュレーション結果である。その結果、WD≦10.0mmにすることで、色ずれを１０％以下にすることができる。このとき、WD≦10.0mmの下限は、鏡筒９２０など、実装による制限値となる。また、WD≧10.0mmの場合、色ずれが極端に大きくなる。
【００２３】
次に、図８〜図１１を用いて、UV硬化剤（接着剤）不使用時における、レンズの貼り合わせや薄いスペーサ挿入により発生する、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）について検討する。
図８に示すように、第一レンズ９３０の表面に対し、入射角θで入射する光線９６０には、第二レンズ９５０を透過する光９６１と反射する光９７０がある。特に、反射する光９７０は、第一レンズ９３０を透過した後、第二レンズ９５０と、第一レンズ９３０の表面で反射し、第二レンズ９５０を透過する。従って、透過する光９６１と反射する光９７０では空気間隔Ｄ９８０に応じて光路長差が生じる。このとき、干渉により生じる明暗のムラ（光量のムラ）は、多重反射の場合、式（５）により表される。
【００２４】
【数５】
【００２５】
ここで、Ｉは強度、Ｅtは透過光振幅、Ｅt1は第二レンズ９５０を透過する光９６１の振幅、Ｅt2は第二レンズ９５０と、第一レンズ９３０の表面で反射（１回反射）し、第二レンズ９５０を透過する光９７０の振幅である。多重反射の場合、透過光振幅Ｅt3、Ｅt4と続く。
２光束の干渉について考える場合、第二レンズ９５０を透過する光９６１と反射する光９７０は式（６）で示す光路長差Δを持つ。
【００２６】
【数６】
【００２７】
ここで、空気の屈折率をn、空気間隔をD、入射角度をθとする。
また、第二レンズ９５０を透過する光９６１と反射する光９７０の間にはπの位相差δが生じ、式（７）で表すことができる。
【００２８】
【数７】
【００２９】
ここで、Δは光路長差、λは波長である。
式（５）、式（７）を用いて、２光束干渉の式（８）を求めることが出来る。
【００３０】
【数８】
【００３１】
Ｉは２光束干渉の透過光強度、Ｅtは透過光振幅、Ｅt1は第二レンズ９５０を透過する光９６１の振幅、Ｅt2は第二レンズ９５０と、第一レンズ９３０の表面で反射（２回反射）し、第二レンズ９５０を透過する光９７０の振幅である。干渉により生じる明暗のムラ（光量のムラ）の程度は、位相差δに依存する。
式（６）で示す光路長差Δは、πの位相差をもつことから、干渉により生じる明暗を、式（９）のように表せる。
【００３２】
【数９】
【００３３】
ここで、波長λ2は検討波長であり、λ1は検討波長λ2の波長に分光器分解能γ分を足したものである。さらに、波長λ2は検討する帯域波長の中で一番長波長を選択する。これは、長波長になるほどＤの値が大きくなるためである。
式（９）より、式（１０）、式（１１）、式（１２）を導くことができる。
【００３４】
【数１０】
【００３５】
【数１１】
【００３６】
【数１２】
【００３７】
ここで、波長λ1とλ2の差は、分光器分解能γとすることができる。分光器分解能γと整数値ｍは、反比例の関係にある。
式（１２）を式（９）に代入し、空気間隔Dを求める式（１３）が導かれる。
【００３８】
【数１３】
【００３９】
分光器分解能γと空気間隔Ｄは、反比例の関係にある。従って、分光器分解能γが大きい場合、空気間隔Ｄは小さくなる。一方、分光器の分解能γが小さい場合、空気間隔Ｄは大きくなる。
例えば、分光器分解能γが1.0nmである場合の空気間隔Dを検討する。波長帯域は200〜400nmとする。また、分光器分解能γが1.0nmであることから、検討波長を(1)200±0.25、0.50nm、(2)300±0.25、0.50nm、(3)400±0.25、0.50nmとし、各波長の空気間隔Dにおける透過光率を検討する。
【００４０】
図９（a）に示すように、第一レンズ９３０、第二レンズ９５０と空気層９４０からなる構造を仮定する。第一レンズ９３０の表面に対し、入射角θで入射する光線９６０には、第二レンズ９５０を透過する光９６１と第一レンズ９３０と、第二レンズ９５０の表面で反射し、透過する光９７０がある。この2つの光に対し、空気間隔Ｄ９８０を0〜0.5μm変化させたときの透過光率を検討する。ここで、各波長は、(1)200nm、(2)300nm、(3)400nmである。
図９（b）は、波長(1)200nmに対し、空気間隔Ｄ９８０を0〜0.5μm変化させたときの透過光率のシミュレーション結果である。図９（b）に示される、透過光率波形の波長は、それぞれ199.50nm、199.75nm、200.00nm、200.25nm、200.50nmとそれぞれの平均９９０である。その結果、空気間隔Ｄ９８０が0〜0.5μmと小さい場合、全ての波長の波形位相が一致し、平均９９０すると明暗のムラ（光量のムラ）が発生することがわかる。これは、空気間隔Ｄ９８０が小さく、透過する光９６０と反射を経て透過する光９７０との間に光路長差がほとんど生じず、お互いに打ち消しあう作用が働かないためである。
【００４１】
図１０（a）の2つの光に対し、空気間隔Ｄ９８０’を30〜30.1μm変化させたときの透過光率を検討する。ここで、各波長は、(1)200nm、(2)300nm、(3)400nmである。
図１０（b）は、波長(1)200nmに対し、空気間隔Ｄ９８０’を30μmに拡げ、 30〜30.1μm変化させたときの透過光率のシミュレーション結果である。図１０（b）に示される、透過光率波形の波長は、それぞれ199.50nm、199.75nm、200.00nm、200.25nm、200.50nmとそれぞれの平均９９０’である。その結果、空気間隔Ｄ９８０’が30〜30.1μmと大きい場合、各波長の波形位相がずれ、平均９９０’すると明暗のムラ（光量のムラ）が均一化されていることがわかる。これは、空気間隔Ｄ９８０’が大きく、透過する光９６０’と反射を経て透過する光９７０’との間に光路長差が生じ、お互いに打ち消しあう作用が働くためである。
波長λ1=401nm、波長λ2=400nm、分光器分解能γ=1.0nm、入射角度θ=0°（垂直入射）、空気の屈折率ｎがほぼ１に等しい、とした場合、式（１３）から空気間隔Ｄは、D≧40.1μｍを満たす必要がある。一方、D≧40.1μｍを満たさない場合、透過する光９６０と反射を経て透過する光９７０との間に光路長差がほとんど生じず、お互いに打ち消しあう作用が働かないため、明暗のムラ（光量のムラ）が発生する。
【００４２】
図１１(a)は、分光器分解能γ＝０．３nm、波長400nmの場合の透過光率波形に対するPeak to Valley値９９９を、空気間隔Ｄごとにプロットしたグラフである。
図１１(b)は、分光器分解能γ＝１．０nm、波長400nmの場合の透過光率波形に対するPeak to Valley値９９９’を、空気間隔Ｄごとにプロットしたグラフである。
分光器分解能γが0.3nmの場合、空気間隔Dは、式（１３）からD≧133.4μｍを満たす必要がある。一方、D≧133.4μｍを満たさない場合、透過する光９６０と反射を経て透過する光９７０との間に光路長差がほとんど生じず、お互いに打ち消しあう作用が働かないため、明暗のムラ（光量のムラ）が発生する。
図１１に示すシミュレーション結果１０４０、１０４０’と、式（１３）による結果１０５０，１０５０’に不一致が生じる。これは、実際、多重反射しているのに対し、式（１３）が1回反射のみしか考慮していないためである。式（１３）で算出される空気間隔Dを1.5倍１０６０，１０６０’する必要がある。
【実施例２】
【００４３】
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１２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。
ハードディスク検査装置は、試料１に照明光を照射し、試料１からの正反射光を分光検出する分光光学系２００と、検査対象である試料１を搭載し、試料１上の任意の位置で分光検出できるように、試料１の位置を分光光学系２００に対して相対的に移動させることができるステージ部３００と、分光器１５０やステージ部３００の動作を制御する制御部４００と、分光器１５０において検出した分光波形のデータに基づいて試料１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５００とで構成される。
分光光学系２００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１５０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１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φ４００μｍとし、結像面での倍率を８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１）上でφ５０μｍとなる。
上述したように、４００ｎｍ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１００には、波長１９０ｎｍ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１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１００を用いてもよい。
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３００、制御部４００、データ処理部５００について説明する。図１２において、ステージ部３００は、試料１の試料面と平行な方向に移動するＸステージ３０１と、試料１０１の試料面に垂直な方向に移動するＺステージ３０２および試料１のディスク（パターンドメディア２０００）を回転させるθステージ３０３によって構成される。Ｚステージ３０２は、分光光学系２００のフォーカス位置に試料１を移動させるためのものであり、Ｘステージ３０１とθステージ３０３は、試料１の任意の位置に分光光学系２００を移動させるためのものである。
試料１の任意の位置に分光光学系２００を移動させる方法として、ＸＹステージを用いてもよい。試料１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場合、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３０１とθステージ３０３によるＸθステージの構成をとっている。
【００４４】
図１３は、データ処理部５００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５００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１表面の分光反射率に基づいて試料１のパターン形状・欠陥を検出するものである。
分光光学系２００で検出が可能なのは、試料１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５１０を有する試料１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５１１をデータベース５１３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１に光源１００からの照明光を、分光光学系２００を通して照射し、試料面からの正反射光を分光器１５０で受光する。
データ処理部５００では、分光器１５０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５１２を得る。最後に、データベース５１３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５１１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５１２と近似するものを、分光反射率の波形比較５１４によって選定することで、試料１の形状を特定することができる。
【００４５】
以上のように、本実施の形態の分光光学系２００によれば、光源１００、折り返しミラー１１０、視野絞り１２０、及び試料１上を照明させる物体側対物レンズ系１３０からなる照明光学系と、物体側対物レンズ系１３０、視野絞り１２０、折り返しミラー１１０、及び試料１上の結像面に配置される像側集光レンズ系１４０からなる検出光学系と、試料１からの正反射光を分光する分光器１５０から構成される。そして、物体側対物レンズ系１３０と像側集光レンズ系１４０は、深紫外から紫外光までの波長１９０ｎｍ〜４００ｎｍの広帯域で色補正され、かつ屈折型レンズのみで構成される。
そして、レンズのワーキングディスタンス(WD)を WD≦10.0mm で設定することにより、色ずれ低減が可能になる。
また、各接合レンズ間隔Ｄを (λ1・λ2)／（４ｎγ）≦Ｄ で設定することにより、干渉による明暗のムラ（光量のムラ）の発生抑制が可能になる。
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。
【００４６】
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。
例えば、本実施の形態の分光光学系２００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２０００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１はパターンドメディア２０００に限られず、表面に構造やパターンを有する試料１であれば、その構造をデータ処理部５００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１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】
【００４７】
本発明の分光光学系および分光測定装置は、半導体やパターンドメディア検査装置、分光測定による薄膜の膜厚測定装置等、屈折レンズを用いた光学系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。
【符号の説明】
【００４８】
１，１’・・・試料、１００・・・光源、１１０・・・折り返し部材、１２０・・・視野絞り、１３０・・・物体側対物レンズ系、１４０・・・像側集光レンズ系、１５０・・・分光器、２００・・・分光光学系、３００・・・ステージ部、３０１・・・Ｘステージ、３０２・・・Ｚステージ、３０３・・・θステージ、４００・・・制御部、５００・・・データ処理部、５１０・・・パターン形状、５１１・・・シミュレーションにより算出された分光反射率の波長依存性グラフ、５１２・・・検出された分光強度分布に基づく分光反射率の波長依存性グラフ、５１３・・・データベース、５１４・・・分光反射率の波形比較、８１１・・・斜入射照明、８１２・・・垂直照明、８２１，８２２・・・デフォーカス前の走査対象位置、８３１，８３２・・・デフォーカス後の走査対象位置、８５０・・・周縁光線、８５１・・・最外結像スポット、８５２・・・最外結像スポットの位置ｘ、８５３・・・最外結像スポットのＲＭＳ値Ｐλ、８５４・・・照明幅Ｘλ、９１０・・・レンズ、９２０・・・鏡筒、９３０，９３０’・・・第一レンズ、９４０，９４０’・・・空気、９５０，９５０’・・・第二レンズ、９６０，９６０’・・・入射光、９６１，９６１’・・・第二レンズ透過光、９７０，９７０’・・・第一及び第二レンズ面反射光、９８０，９８０’・・・空気間隔Ｄ、９９０・・・波長１９９．５０nm、１９９．７５nm、２００．００nm、２００．２５nm、２００．５０nmの透過光率波形、および波長１９９．５０〜２００．５０nmの透過光率波形の平均、
９９０’・・・波長１９９．５０〜２００．５０nmの透過光率波形の平均、９９１’・・・波長１９９．５０nmの透過光率波形、９９２’・・・波長１９９．７５nmの透過光率波形、９９３’・・・波長２００．００nmの透過光率波形、９９４’・・・波長２００．２５nmの透過光率波形、９９５’・・・波長２００．５０nmの透過光率波形、１０４０・・・波長３９９．８５〜４００．１nmの透過光率波形の平均に対するPeak to Valley値の空気間隔ごとのプロット、１０４０’・・・波長３９９．５０〜４００．５０nmの透過光率波形の平均に対するPeak to Valley値の空気間隔ごとのプロット、２０００・・・パターンドメディア、２１００〜２１２０・・・データ部、２２００〜２２１０・・・サーボ部、２２２０・・・バースト信号用パターン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源、折り返しミラー、視野絞り、及び試料上を照明する物体側対物レンズ系からなる照明光学系と、該物体側対物レンズ系、該視野絞り、該折り返しミラー、及び該物体側の結像面に配置される像側集光レンズ系からなる検出光学系と、前記試料からの正反射光を分光する分光器とを有し、
前記物体側対物レンズ系と、前記像側集光レンズ系は、波長190〜400nmのブロードな帯域で色補正され、かつ屈折型レンズのみで構成される分光光学系であって、
レンズのワーキングディスタンス（WD）が、次の式（１）を満たすように設定されることを特徴とする分光光学系。
（１） ＷＤ≦１０．０ｍｍ
【請求項２】
請求項１に記載の分光光学系において、さらに、
各接合レンズ間隔Ｄが、次の式（２）を満たすように設定されることを特徴とする分光光学系。
（２） （λ１・λ２）／（４ｎγ）≦Ｄ
ただし、ｎは空気の屈折率、γは分光器分解能である。また、λ2は検討波長であり、検討する帯域波長の中で一番長波長を選択する。λ1は検討波長λ2の波長に分光器分解能γ分を足したものである。
【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、深紫外から可視光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１に記載の分光光学系において、
前記照明光学系は、試料を垂直に照射するもの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において、
前記物体側照明光学系と、前記像側検出光学系は、蛍石と石英からなる屈折型レンズのみで構成されることを特徴とする分光光学系。
【請求項６】
請求項２記載の分光光学系において、
各接合レンズ間隔Ｄは、多重反射を考慮して、次の式（３）を満たすように設定されていることを特徴とする分光光学系。
（３） １．５・（λ１・λ２）／（４ｎγ）≦Ｄ
【請求項７】
請求項１に記載の分光光学系と、
前記試料を搭載し、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８】
請求項７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９】
請求項７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一致するものを、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１０】
請求項９記載の分光測定装置において、
前記パターン形状に膜厚を含むことを特徴とする分光測定装置。
【請求項１】
光源、折り返しミラー、視野絞り、及び試料上を照明する物体側対物レンズ系からなる照明光学系と、該物体側対物レンズ系、該視野絞り、該折り返しミラー、及び該物体側の結像面に配置される像側集光レンズ系からなる検出光学系と、前記試料からの正反射光を分光する分光器とを有し、
前記物体側対物レンズ系と、前記像側集光レンズ系は、波長190〜400nmのブロードな帯域で色補正され、かつ屈折型レンズのみで構成される分光光学系であって、
レンズのワーキングディスタンス（WD）が、次の式（１）を満たすように設定されることを特徴とする分光光学系。
（１） ＷＤ≦１０．０ｍｍ
【請求項２】
請求項１に記載の分光光学系において、さらに、
各接合レンズ間隔Ｄが、次の式（２）を満たすように設定されることを特徴とする分光光学系。
（２） （λ１・λ２）／（４ｎγ）≦Ｄ
ただし、ｎは空気の屈折率、γは分光器分解能である。また、λ2は検討波長であり、検討する帯域波長の中で一番長波長を選択する。λ1は検討波長λ2の波長に分光器分解能γ分を足したものである。
【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、深紫外から可視光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１に記載の分光光学系において、
前記照明光学系は、試料を垂直に照射するもの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において、
前記物体側照明光学系と、前記像側検出光学系は、蛍石と石英からなる屈折型レンズのみで構成されることを特徴とする分光光学系。
【請求項６】
請求項２記載の分光光学系において、
各接合レンズ間隔Ｄは、多重反射を考慮して、次の式（３）を満たすように設定されていることを特徴とする分光光学系。
（３） １．５・（λ１・λ２）／（４ｎγ）≦Ｄ
【請求項７】
請求項１に記載の分光光学系と、
前記試料を搭載し、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８】
請求項７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９】
請求項７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一致するものを、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１０】
請求項９記載の分光測定装置において、
前記パターン形状に膜厚を含む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１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１９７３００（Ｐ２０１０−１９７３００Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４４２３１（Ｐ２００９−４４２３１）
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【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２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【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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