光学测定系统和光学测定方法

技术领域

本发明涉及一种利用数字全息的光学测定系统和光学测定方法。

背景技术

作为测定试样的形状的方法，已知一种利用了白光干涉的测定方法和利用了共焦点的测定方法等。

在利用了白光干涉的测定方法中，使用干涉性低的光源和参考镜沿高度方向扫描试样，根据干涉条纹来获取形状。另外，在利用共焦点的测定方法中，在三维空间内对通过物镜聚光所得的光斑进行扫描来获取试样的形状。这些方法存在受到振动的影响而测定精度下降的问题。

作为更高精度地测定试样的形状的方法，提出了数字全息并得以实用化。数字全息是如下技术：观测使参考光与通过向试样照射光所产生的物体光重合而产生的干涉条纹来获取物体光的波前的形状，因此测定试样的形状等。作为利用了数字全息的测定装置，存在如以下那样的现有技术文献。

例如，国际公开第2012/005315号(专利文献1)公开了一种能够通过采用反射型的光学系统来测定试样的形状的结构。

国际公开第2014/054776号(专利文献2)公开了一种通过断层化来提取特定的z面中的信息的结构。

国际公开第2015/064088号(专利文献3)和国际公开第2019/044336号(专利文献4)公开了一种能够提高横向分辨率(XY平面)的结构。

国际公开第2020/045584号(专利文献5)公开了一种使用立方光束耦合器的结构，该结构能够容易地实现大数值孔径的记录和反射型照明。

国际公开第2020/045589号(专利文献6)公开了如下一种结构：对参考光和照明光使用针孔来去除散射光和干涉噪声，并且通过以球面波为基准来设为不需要物理的参考平面。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2012/005315号

专利文献2：国际公开第2014/054776号

专利文献3：国际公开第2015/064088号

专利文献4：国际公开第2019/044336号

专利文献5：国际公开第2020/045584号

专利文献6：国际公开第2020/045589号

发明内容

发明要解决的问题

对于如上述那样的使用了数字全息的光学测定方法，期望一种能够抑制由于散射光、不期望的光产生的噪来实现更高精度的测定的结构。本发明的一个目的在于提供一种能够抑制噪声来实现更高精度的测定的光学测定系统。

用于解决问题的方案

根据本发明的某个方面的光学测定系统包括：光源；图像传感器；以及光学系统，其包括将来自光源的光分支为第一光和第二光的分束器。光学系统构成为利用图像传感器来记录第一全息图，所述第一全息图是利用作为发散光的第二光将利用第一光对试样进行照明所得到的光进行调制所得到的全息图。光学系统包括限制部，所述限制部将利用第一光对试样进行照明所得到的光的发散限制在规定范围。

限制部可以将利用第一光对试样进行照明的范围限制在规定范围。

限制部可以将利用第一光对试样进行照明所得到的光透过的范围限制在规定范围。

可以将利用第一光对试样进行照明的范围的大小决定为使得在通过图像传感器记录的全息图的空间频率区域中第一光所对应的成分与第一光所对应的成分以外的成分不重叠。

限制部可以包括掩模，所述掩模是在遮蔽构件形成有与规定范围对应的开口图案。

限制部可以构成为能够变更开口图案的大小。

光学系统可以为离轴全息光学系统。

光学系统可以基于利用第一光对试样进行照明所得到的透过光来生成第一全息图。此时，在光学系统中，也可以基于利用第一光对作为试样的替代的、在试样所包括的测定对象以外的基板进行照明所得到的透过光来记录第二全息图。

光学系统可以基于利用第一光对试样进行照明所得到的反射光来生成第一全息图。此时，在光学系统中，可以基于利用第一光对作为试样的替代的基准参照面进行照明所得到的透过光来记录第二全息图。

光学测定系统可以还包括处理装置，所述处理装置基于第一全息图和第二全息图来计算试样的形状。

根据本发明的其它方面，提供一种使用了包括将来自光源的光分支为第一光和第二光的分束器的光学系统的光学测定方法。光学测定方法包括以下步骤：利用图像传感器来记录第一全息图，所述第一全息图是利用作为发散光的第二光将利用第一光对试样进行照明所得到的光进行调制所得到的全息图；利用图像传感器来记录第二全息图，所述第二全息图是在不存在试样的状态下利用作为发散光的第二光对第一光进行调制所得到的全息图；以及基于第一全息图和第二全息图来计算试样的形状。利用第一光对试样进行照明所得到的光的发散被限制在规定范围。

发明的效果

根据本发明的某个实施方式，能够抑制噪声来实现更高精度的测定。

附图说明

图1是示出根据实施方式1的光学测定系统的结构例的示意图。

图2是用于说明物体光和离轴参考光入射于图像传感器的记录面的状态的图。

图3是用于说明根据本实施方式的光学测定系统中的试样与离轴参考光之间的关系的图。

图4是用于说明根据本实施方式的光学测定系统中的与离轴全息图有关的空间频率区域的关系的图。

图5是示出根据实施方式1的光学测定系统中的与掩模有关的光学系统的变形例的示意图。

图6是示出使用根据实施方式1的光学测定系统所进行的测定方法的处理过程的流程图。

图7是示出根据实施方式1的变形例的光学测定系统的结构例的示意图。

图8是示出根据实施方式2的光学测定系统的结构例的示意图。

图9是示出使用根据实施方式2的光学测定系统所进行的测定方法的处理过程的流程图。

图10是示出根据实施方式2的变形例1的光学测定系统的结构例的示意图。

图11是示出根据实施方式2的变形例2的光学测定系统的结构例的示意图。

图12是示出根据实施方式2的变形例3的光学测定系统的结构例的示意图。

图13是示出根据本实施方式的光学测定系统所包括的处理装置的硬件结构例的示意图。

图14是示出根据本实施方式的光学测定系统所包括的处理装置的功能结构例的示意图。

图15是示出根据本实施方式的光学测定系统采用的掩模所带来的效果的一例的图。

具体实施方式

参照附图来详细地说明本发明的实施方式。此外，对图中的相同或相当的部分标注相同的标记且不重复说明。

首先，根据本实施方式的光学测定系统利用使用如点光源这样的发散光来作为参考光的数字全息。在本实施方式中，对在试样与图像传感器之间不存在透镜的、无透镜数字全息的结构例进行说明。

在下面的说明中，主要对采用离轴全息的光学系统的光学测定系统进行说明。在实施方式1中，例示透过型的光学系统，在实施方式2和其变形例中，例示反射型的光学系统。

根据本实施方式的光学测定系统测定试样的形状。并且，根据本实施方式的光学测定系统还能够测定试样的折射率。能够测定任意的试样，例如能够用于半导体的表面检查、膜产品的厚度、折射率分布的测定、精密加工面的表面粗糙度、波纹度的评价、生物体细胞的观察、形状评价等。

(b1：光学系统)

图1是示出根据实施方式1的光学测定系统1的结构例的示意图。在图1的(A)中示出记录同轴参考光的情况下的光学系统，在图1的(B)中示出记录物体光的情况下的光学系统。光学测定系统1能够构成图1的(A)和图1的(B)所示的光学系统。

图1的(A)所示的光学系统相当于用于记录利用离轴参考光R将作为记录的基准的同轴参考光L进行调制所得到的离轴全息图I

处理装置100基于离轴全息图I

参照图1的(A)，光学测定系统1包括光源10、扩束器BE、分束器BS1、BS2、镜M1、M2、物镜MO、针孔P、透镜L1、掩模A1、图像传感器D来作为用于记录离轴全息图I

光源10由激光器等构成，产生相干光。扩束器BE将来自光源10的光的截面直径扩大到规定尺寸。分束器BS1将通过扩束器BE被扩大后的光分支为两束。通过分束器BS1分支出的一束光相当于同轴参考光L(第一光)，另一束光相当于离轴参考光R(第二光)。

同轴参考光L被镜M2反射，并被引导到分束器BS2。并且，同轴参考光L透过分束器BS2的半透半反镜HM2，并被引导到图像传感器D。在镜M2与分束器BS2之间配置有物镜MO和针孔P。同轴参考光L通过物镜MO被聚光，并且通过针孔P被缩小截面直径。针孔P相当于同轴参考光L的点光源的位置。物镜MO和针孔P实现同轴参考光L的点光源。

另一方面，离轴参考光R被镜M1反射，并被引导到分束器BS2。并且，离轴参考光R被分束器BS2的半透半反镜HM2反射，并被引导到图像传感器D。在镜M1与分束器BS2之间配置有掩模A1和透镜L1。离轴参考光R在透过掩模A1之后，通过透镜L1被聚光，聚光的位置即聚光点FP1相当于离轴参考光R的点光源的位置。即，掩模A1和透镜L1实现离轴参考光R的点光源。

掩模A1在离轴参考光R通过的区域具有开口图案SP1。与掩模A1的开口图案SP1相当的像在图像传感器D成像。将掩模A1的开口图案SP1的大小决定为使得通过掩模A1后的离轴参考光R不会照射到超过分束器BS2的靠图像传感器D侧的面的范围。通过像这样决定掩模A1的开口图案SP1的大小，能够抑制由于不需要的干涉产生噪声。

另外，将离轴参考光R调整为能够将同轴参考光L记录为全息图。

同轴参考光L和离轴参考光R经由如上述那样的光学路径，通过配置于图像传感器D的前级的分束器BS2而重合。即，在图像传感器D中，获取利用作为发散光的离轴参考光R对同轴参考光L进行调制所得到的离轴全息图I

分束器BS2优选构成为立方型，以便容易配置于图像传感器D的前级。同轴参考光L的点光源和离轴参考光R的点光源通过分束器BS2配置为在光学上靠近。

参照图1的(B)，光学测定系统1作为用于记录离轴全息图I

此外，相比于图1的(A)所示的光学系统的物镜MO和针孔P需要的距离，在物镜MO和针孔P需要的距离长的情况下，分束器BS1和镜M2配置于更靠近光源10侧的位置。

从分束器BS1的一方输出的光作为用于对试样S进行照明的照明光Q(第一光)被使用。即，通过分束器BS1分支出的照明光Q被镜M2反射并对试样S进行照明。利用照明光Q对试样S进行照明所得到的物体光O(即、透过试样S后的光)透过分束器BS2的半透半反镜HM2，并被引导到图像传感器D。

透镜L3、掩模A2、透镜L2按照所记载的顺序配置于镜M2与分束器BS2之间。

照明光Q通过透镜L3聚光，并通过掩模A2。通过掩模A2后的照明光Q进一步通过透镜L2聚光，并在试样S成像。

掩模A2相当于将利用照明光Q(第一光)对试样S进行照明所得到的光的发散限制在规定范围的限制部。作为限制部的一例，可以使用在遮蔽构件形成有与规定范围对应的开口图案SP2的掩模A2。照明光Q通过与开口图案SP2对应的区域。

掩模A2的开口图案SP2的像通过透镜L2并在试样S成像。即，仅有对掩模A2进行照明的光中的、与开口图案SP2对应的部分的光通过掩模A2。由此，能够限制通过掩模A2后的照明光Q对试样S进行照明的范围。即，作为限制部的一例的掩模A2将利用照明光Q(第一光)对试样S进行照明的范围限制在规定范围。通过限制照明光Q的照明范围，能够削减不期望的光来提高测定精度。

在光学测定系统1中，照明范围有时根据试样S的厚度变动，因此在像这样变动的情况下，根据需要来变更掩模A2的开口图案SP2、或者变更用于将照明光Q在试样S成像的透镜L2的位置等。

此外，在镜M2与掩模A2配置为在光学上靠近的情况下，可以省略透镜L3。

另外，从分束器BS1的另一方输出的离轴参考光R(第二光)经由与图1的(A)共同的光学路径被引导到图像传感器D。

(b2：测定处理)

接着，对在根据实施方式1的光学测定系统1中测定试样S的形状的处理进行说明。在下面的说明中，将图像传感器D的受光面设为“记录面”，将记录面与分束器BS2的中心光轴的交点设为“原点”。将光轴方向设为z轴，将与z轴正交的两个轴分别设为x轴和y轴。即，光轴相对于图像传感器D的记录面垂直，x轴和y轴相对于图像传感器D的记录面平行。此外，在其它实施方式中也是同样的。

图像传感器D的记录面中的物体光O、离轴参考光R、同轴参考光L的分布能够用如以下的式(1)～(3)那样的通用式来表示。

【数1】

同轴参考光L、物体光O、离轴参考光R是互相具有相干的角频率ω的光。在图1的(A)所示的光学系统中记录的离轴全息图I

【数2】

此外，离轴全息图I

在式(4)和式(5)中，右边的第一项相当于物体光O或同轴参考光L的光强度成分，右边的第二项相当于离轴参考光R的光强度成分，右边的第三项相当于物体光O通过离轴参考光R被调制而产生的直接像成分，右边的第四项相当于共轭像成分。

当对式(4)和式(5)应用带通滤波器并提取第三项的直接像成分时，关于记录有同轴参考光L的复振幅离轴全息图J

【数3】

在此，当用式(7)除以式(6)时，离轴参考光R的成分被去除，以同轴参考光L为基准的复振幅同轴全息图J

【数4】

同轴参考光L的成分能够通过将式(8)所示的复振幅同轴全息图J

【数5】

在此，在物体光全息图U包含不满足取样定理的频率成分的情况下，应用如以下那样的校正处理来生成具有能够再生对象位置的状态的信息的全息图。下面，将具有能够再生对象位置的状态的信息的全息图设为再生用物体光全息图U

作为校正处理的一例，可以在去除同轴参考光L之前通过插值来使构成从图像传感器D输出的图像的采样点数增加。或者，应用在国际公开第2020/045584号(专利文献5)中公开的分割重合工序，将图像传感器D的像素间距细分化。通过使用分割重合工序，能够减少运算量。

通过平面波展开来对再生用物体光全息图U

如果将从图像传感器D的受光面(记录面)起到想要再生的距离d为止所包括的M个介质(m＝1，2，…，M)的距离设为d

【数6】

此外，在存在多个介质的情况下，设为介质间的边界面相对于记录面是平行的。另外，将从介质m入射于介质m+1时的透过系数表示为T

例如，在仅在空气中传播了距离d的情况下，M＝1，且d

此外，在从介质m入射于介质m+1时的透过系数不取决于波数k

(b3：限制部)

为了对式(5)和式(4)应用带通滤波器来提取第三项的直接像成分，需要使得在空间频率区域中直接像成分与光强度成分及共轭像成分不重叠。因此，在本实施方式中，利用掩模A2等限制部来限制利用照明光Q对试样S进行照明所得到的物体光O的发散，由此防止由于空间频率区域的重叠引起的像劣化。

通过使配置于与试样S分离的位置的掩模A2的开口图案SP2的像在试样S成像，在维持着照明方法的自由度的情况下适当地控制干涉条纹中包括的空间频率区域宽度，由此高效地利用图像传感器D能够记录的空间频率区域宽度。

在光学测定系统1中，掩模A1和透镜L1实现离轴参考光R的点光源。关于记录面上的任意点处的干涉条纹的空间频率f，能够使用该点处的物体光O的入射角度θ

【数7】

图2是用于说明物体光O和离轴参考光R入射于图像传感器D的记录面的状态的图。在图2的(A)中示出离轴参考光R为平面波的情况，在图2的(B)中示出离轴参考光R为球面波的情况。

参照图2的(A)，在离轴参考光R为平面波的情况下，物体光O和离轴参考光R在图像传感器D的记录面的任意点所成的角度取决于图像传感器D的记录面上的位置。例如，物体光O和离轴参考光R在图像传感器D的记录面的上端所成的角度α与在记录面的下端所成的角度β非常不同。

与此相对地，参照图2的(B)，在离轴参考光R为球面波的情况下，物体光O和离轴参考光R在图像传感器D的记录面的一点所成的角度不取决于记录面上的位置，而是几乎相同的值。例如，物体光O和离轴参考光R在图像传感器D的记录面的上端所成的角度α与在记录面的下端所成的角度β几乎相同。

即，如果将离轴参考光R设为点光源，则能够使从试样S的任意点产生的光线(物体光O)和从离轴参考光R的点光源产生的光线所成的角在记录面上的任意点几乎固定不变。

当将物体光O视为与离轴参考光R的点光源处于同一z面上的波源的集合时，在该z面上的波源的位置(xs，ys)与对应的空间频率(us，vs)之间，以下的式(13)所示的关系近似成立。

【数8】

式中的z

如式(13)所示，可知：波源(物体光O)的z面上的位置和空间频率(频谱成分的坐标)近似地处于线性关系。因此，通过限制波源(物体光O)所存在的区域，能够控制直接像成分的空间频率区域的扩散。由此，能够高效地利用空间频率区域。

在此，“波源所存在的区域”是指试样S被照明的范围。即，通过将掩模A2的开口图案SP2最优化来限制照明范围，由此能够适当地控制空间频率区域。此外，掩模A2仅仅是限制对试样S进行照明的范围，因此只要正确地记录有物体光O的复振幅，再生出的试样像就不会产生失真。

接着，对用于决定掩模A2的开口图案SP2的大小的方法进行说明。

如上述那样，在图1的(B)所示的光学系统中记录的离轴全息图I

将图像传感器D的原点的坐标设为(0，0，0)，将试样S的中心的坐标设为(0，0，zL)。

图3是用于说明根据本实施方式的光学测定系统中的试样S与离轴参考光R的关系的图。参照图3，当将离轴参考光R的点光源(聚光点FP1)关于分束器BS2的半透半反镜HM2在试样S侧展开的点光源(聚光点FP1’)的坐标设为(xR，yR，zR＝zL)，并将试样S的照明范围设为x方向为a、y方向为b的尺寸的矩形时，关于第三项的直接像成分，u方向的带宽W

【数9】

另外，关于共轭像成分(第四项)的u方向的带宽Wx和v方向的带宽Wy，也能够近似地表示为上述的式(14)那样。另一方面，共轭像成分(第四项)的u方向的中心频率u

另外，将第一项的光强度成分和第二项的光强度成分合成后的成分的带宽以原点为中心以式(14)的2倍的尺寸进行发散。

以上的关系能够如图4那样表示。

图4是用于说明根据本实施方式的光学测定系统中的与离轴全息图有关的空间频率区域的关系的图。在图4的(A)中示出实空间的z＝z

参照图4的(A)，在实空间中，试样S以(0，0，zL)的坐标为中心以a×b的尺寸存在。离轴参考光R的点光源存在于从(0，0，zL)的坐标向x方向离开x

参照图4的(B)，在傅立叶空间(空间频率区域)中，包含物体光O的信息的第三项的直接像成分以带宽W

为了通过带通滤波器从图4的(B)所示的傅立叶空间的频谱中仅提取出包含物体光O的信息的第三项(直接像成分)，需要使其不与其它项(第一项、第二项、第四项)的成分重叠。

另一方面，图像传感器D的空间频率区域是有限的，因此使中心频率u

为了使各个带宽相接近地配置，将空间频率区域宽度限制在适当的范围。在此，如果离轴参考光为发散光(点光源)，则上述的式(5)的关系成立，因此通过限制照明光Q的照明范围，能够将各成分的空间频率区域宽度限制在适当的范围。

像这样，将利用照明光Q对试样S进行照明的范围的大小决定为使得在利用图像传感器D记录的全息图的傅立叶空间(空间频率区域)中照明光Q(第一光)所对应的成分(第三项)与照明光Q所对应的成分以外的成分(第一项和第二项)不重叠。

通过将各成分的空间频率区域宽度限制在适当的范围，能够高效地利用图像传感器D所具有的空间频率区域，还能够抑制由于空间频率区域的重叠产生的噪声。

此外，对应用于离轴全息的光学系统的情况进行了说明，但在将发散光(即，点光源或能够视作点光源的光源)设为参考光的其它全息的光学系统中，上述的掩模A2在将直接像成分的空间频率区域宽度限制在图像传感器D能够记录的范围的情况等下也是有效的。

此外，在根据本实施方式的光学测定系统中使用的掩模A2与在光学显微镜中使用的视场光圈能够在外形上类似。然而，视场光圈是为了抑制由于多余的光(视场外的光)照到光路的中途的壁而产生的杂散光而使用的。虽然通过视场光圈能够降低噪声水平，但所抑制的杂散光是微少的，如果不是以检测微弱的光为目的，则即使不采取积极的对策也不会有较大问题。

与此相对地，将发散光设为参考光的数字全息中的照明范围的限制带来将干涉条纹中包括的空间频率区域宽度限制在图像传感器D能够记录的范围的效果。在根据本实施方式的光学测定系统中使用的掩模A2是为了该目的而使用的。

像这样，在根据本实施方式的光学测定系统中使用的掩模A2发挥与在光学显微镜中使用的视场光圈所发挥的效果实质上不同的效果。

在上述的说明中，作为限制部的一例，对使用形成有预先决定的大小的开口图案SP2的掩模A2的情况进行了说明，但并不限于此，可以使用任意的光学元件来实现限制部。

例如，可以是，通过使用偏光镜、液晶等能够控制光的透过率的光学元件，能够任意地变更开口图案(照明光通过的截面积)的大小。通过构成为能够任意地变更开口图案的大小，即使在试样S与图像传感器D之间的距离发生了变更、或者离轴参考光的点光源的位置发生了变更时，也能够容易地进行应对。

(b4：与掩模A2有关的光学系统的变形例)

作为用于将掩模A2的开口图案SP2的像在试样S成像的光学系统，可以采用如以下那样的光学系统来代替图1所示的结构。

图5是示出根据实施方式1的光学测定系统1中的与掩模A2有关的光学系统的变形例的示意图。

参照图5的(A)，可以配置透镜L31和L32来代替图1的(B)所示的透镜L3。即，在图5的(A)所示的光学系统中，照明光Q依次通过镜M2、透镜L31、透镜L32、掩模A2、透镜L2，并在试样S成像。透镜L31和透镜L32构成4f光学系统等的成像光学系统20。

通过掩模A2的开口图案SP2后的光以与开口图案SP2相同的形状在试样S上成像。

在图5的(B)中示出将对试样S进行照明的照明光Q设为平行光的情况下的光学系统的一例。更具体地说，在图5的(B)所示的光学系统中，配置透镜L21和透镜L22来代替图5的(A)所示的光学系统的透镜L2。透镜L21和透镜L22均为聚光透镜，通过进行组合，通过掩模A2后的照明光Q保持平行光的状态对试样S进行照明。

配置于掩模A2的前级的光学系统并不限定于图1的(B)、图5的(A)、图5的(B)中的任一方所示的光学系统。作为配置于掩模A2的前级的光学系统，可以采用能够将来自镜M2的反射光以覆盖掩模A2的开口图案SP2的方式进行投影的任意结构的光学系统。另外，作为配置于掩模A2的后级的光学系统，可以采用能够将掩模A2的开口图案SP2的像在试样S成像的任意结构的光学系统。只要满足这些必要条件，就能够任意地设计透镜的个数和种类。另外，不限于透镜，可以利用任意的光学器件来实现。

(b5：使用物体光的相位信息进行的试样的形状测定)

接着，对使用根据实施方式1的光学测定系统1来测定试样S的形状的方法进行说明。在试样S的形状测定中，使用由于试样产生的相位变化量。

通过如上述那样的过程，将通过平面波展开使再生用物体光全息图U

在此，在依次更换试样S来进行测定等情况下，设想从记录面到试样面的距离会发生变化，但无需每当距离变化就记录照明光Q(照明光轮廓)。通过衍射计算，能够根据从记录面离开某个距离的试样面的照明光Q计算出其它距离下的照明光Q。

在试样S包括不是测定对象的基板的情况下，通过使用平面波展开对照明光Q(照明光轮廓)进行介质内的传播计算，能够计算出透过基板后的照明光的轮廓。在该情况下，如果基板的大致的厚度和折射率是已知的，则无需在试样S之外准备仅为基板的试样来记录照明光Q。

能够使用计算出的透过基板后的照明光的轮廓来测定试样S的基板以外的层。另外，在能够仅通过基板来记录的情况下，也能够通过在仅配置有基板的状态下记录透过基板后的照明光，来省略基板的介质内的传播计算。

为了从物体光分布U

关于从物体光分布U

在根据实施方式1的光学测定系统1中，使用以下的式(16)所示的由于试样S产生的相位变化量Δθ与试样S的厚度Δd的关系式，来测定试样S的形状。

【数10】

Δθ＝Δd(k

式中的k

【数11】

式中的n

式中的x方向的波数k

【数12】

另外，关于式(16)中的相位校正项δ，在由于试样S存在光吸收等理由而透过率为复数的情况下，使用该相位校正项δ来较正由复数透过率引起的相位变化。在由于试样S全部为相同的材质等理由而能够视为由复数透过率引起的相位变化在整个试样S中相同的情况下，也可以省略相位校正项δ。

在由于干扰而照明光的点光源的坐标产生了位置偏移的情况下，可以通过图像传感器D上的像素的平行移动对照明光Q进行校正。将平行移动的量代表性地决定为物体光分布U

在照明光的波前形状平滑的情况下，可以通过低通滤波器、多项式近似来削减信息量。

(b6：处理过程)

图6是示出使用了根据实施方式1的光学测定系统1的测定方法的处理过程的流程图。图6所示的处理过程是利用了包括将来自光源10的光分支为第一光和第二光的分束器BS1的光学系统进行的光学测定方法。

参照图6，首先，执行获取同轴参考光L的处理。更具体地说，构成图1的(A)所示的光学系统(步骤S2)。然后，从光源10产生相干光，处理装置100获取利用离轴参考光R将图像传感器D中记录的同轴参考光L进行调制而得到的离轴全息图I

接着，执行获取照明光轮廓的处理。更具体地说，构成图1的(B)所示的光学系统(步骤S6)。此时，维持不存在试样S的状态。可以将具有与试样S的基板相同厚度的基板配置于用于配置试样S的位置(试样位置)，也能够在试样位置不配置任何。该状态相当于测定的参考。而且，从光源10产生相干光，处理装置100获取图像传感器D中记录的照明光全息图Q(x，y)(步骤S8)。像这样，处理装置100利用图像传感器D来记录在不存在试样S的状态下利用离轴参考光R将利用照明光Q进行照明所得到的光进行调制所得到的全息图。或者，处理装置10利用图像传感器D基于利用照明光Q对作为试样S的替代的、试样S所包括的测定对象以外的基板进行照明所得到的透过光来记录全息图。

处理装置100基于照明光全息图Q(x，y)来计算再生用照明光全息图(照明光轮廓Q

接着，执行获取试样S的相位振幅分布的处理。更具体地说，将试样S配置于图1的(B)所示的光学系统的本来的位置(步骤S12)。然后，使光源10产生相干光，处理装置100获取图像传感器D中记录的物体光全息图U(x，y)(步骤S14)。像这样，处理装置100执行利用图像传感器D来记录离轴全息图I

下面，处理装置100基于离轴全息图I

作为计算处理，首先，执行再生全息图的处理。更具体地说，处理装置100根据物体光全息图U(x，y)来计算再生用物体光全息图U

接着，执行计算振幅相位分布的处理。更具体地说，处理装置100将物体光分布U

接着，执行计算物体光相位的处理。更具体地说，处理装置100根据试样面的振幅相位分布U

接着，执行计算试样S的厚度的处理。更具体地说，处理装置100使用相位变化量Δθ(x，y)来计算试样S的厚度Δd(x，y)(步骤S24)。试样S的厚度Δd使用上述的式(16)所示的关系式。

最终，处理装置100集合试样面的各坐标处的厚度Δd(x，y)来计算试样S的形状轮廓(步骤S26)。

通过如以上那样的处理，能够计算出试样S的形状。

此外，还能够测定试样S的折射率和折射率分布。在该情况下，在步骤S24中，计算试样S的折射率n

关于根据实施方式1的光学测定系统1的光学系统的变形例进行例示。

图7是示出根据实施方式1的变形例的光学测定系统1A的结构例的示意图。在图7的(A)中示出记录同轴参考光的情况下的光学系统，在图7的(B)中示出记录物体光的情况下的光学系统。光学测定系统2A能够构成图7的(A)和图7的(B)所示的光学系统。

图7的(A)所示的光学系统与在图1的(A)所示的根据实施方式1的光学测定系统1中记录同轴参考光的情况下的光学系统相同，因此不重复进行详细的说明。

图7的(B)所示的光学系统是与在图1的(B)所示的根据实施方式1的光学测定系统1中记录同轴参考光的情况下的光学系统相比使掩模A2的配置位置不同的光学系统。更具体地说，掩模A2配置于从试样S到图像传感器D的光学路径上。在图7的(B)所示的光学系统中，掩模A2配置于与试样S相邻的位置。

利用照明光Q对试样S进行照明所得到的物体光O通过掩模A2，并被引导到图像传感器D。像这样，掩模A2相当于将利用照明光Q(第一光)对试样S进行照明而得到的光(物体光O)的发散限制在规定范围的限制部。

在图7的(B)所示的光学系统中，作为限制部的一例的掩模A2将利用照明光Q对试样S进行照明所得到的物体光O透过的范围限制在规定范围。通过限制物体光O的发散，能够减少不期望的光来提高测定精度。

关于掩模A2的详情，以上已进行了叙述，因此不重复进行说明。其中，只要根据掩模A2的配置位置适当地设计开口图案即可。

此外，关于处理过程等，由于与实施方式1相同，因此不重复进行详细的说明。

(d1：光学系统)

图8是示出根据实施方式2的光学测定系统2的结构例的示意图。在图8的(A)中示出记录同轴参考光的情况下的光学系统，在图8的(B)中示出记录物体光的情况下的光学系统。光学测定系统2能够构成图8的(A)和图8的(B)所示的光学系统。

图8的(A)所示的光学系统与在图1的(A)所示的根据实施方式1的光学测定系统1中记录同轴参考光的情况下的光学系统相同，因此不重复进行详细的说明。

图8的(B)所示的光学系统相当于用于记录利用离轴参考光R将利用照明光Q对试样S进行照明所得到的物体光O进行调制所得到的离轴全息图I

图8的(B)所示的光学系统是与在图1的(B)所示的根据实施方式1的光学测定系统1中记录物体光的情况下的光学系统相比利用照明光Q对试样S进行照明的结构不同的光学系统。因此，关于从分束器BS1的另一方输出的离轴参考光R，经由与图1的(A)、图1的(B)以及图8的(A)共同的光学路径被引导到图像传感器D。

使用从分束器BS1的一方输出的光来作为用于对试样S进行照明的照明光Q。

更具体地说，通过分束器BS2分支出的照明光Q在被镜M2和镜M3分别反射后通过透镜L3、掩模A2、透镜L4，并被引导到分束器BS2。照明光Q还被分束器BS2的半透半反镜HM2反射并对试样S进行照明。利用照明光Q对试样S进行照明所得到的物体光O(即，被试样S反射后的光)透过分束器BS2的半透半反镜HM2，并被引导到图像传感器D。

镜M3、透镜L3、掩模A2、透镜L4按照所记载的顺序配置在镜M2与分束器BS2之间。与实施方式1同样地，照明光Q通过透镜L3聚光，并通过掩模A2。通过掩模A2后的照明光Q进一步通过透镜L4聚光，并在试样S成像。即，掩模A2的开口图案SP2的像通过透镜L4在试样S成像。由此，能够限制通过掩模A2后的照明光Q对试样S进行照明的范围。通过限制照明光Q的照明范围，能够减少不期望的光来提高测定精度。

在光学测定系统1中，照明范围也有时根据试样S的厚度变动，因此在像这样变动的情况下，根据需要来变更掩模A2的开口图案SP2、或者变更用于将照明光Q在试样S成像的透镜L2的位置等。

此外，在镜M2与掩模A2配置为在光学上靠近的情况下，可以省略透镜L3。

(d2：测定处理)

接着，对在根据实施方式2的光学测定系统2中测定试样S的形状的处理进行说明。

由于试样S产生的相位变化量Δθ与试样S的高度Δh的关系如以下的式(21)那样。

【数13】

Δθ＝2k

式中的k

波数k

接着，对光学测定系统2中的照明光轮廓进行说明。在光学测定系统2采用的反射型光学系统中，在应该配置试样S的位置(试样位置)配置基准参照面，使用来自该基准参照面的反射光来作为照明光Q。基准参照面优选为平面，例如能够使用光学平面。即，图8的(B)所示的光学系统基于利用照明光Q对配置于应该配置试样S的位置的基准参照面进行照明所得到的反射光来获取照明光轮廓。

通过使所记录的照明光Q进行传播，能够计算距离不同的试样面的照明光分布Q

为了去除基准参照面中包括的形状误差，在使基准参照面在x方向和y方向上平行移动的同时记录多个照明光，将所记录的多个照明光的平均值设为照明光Q。

另外，在测定试样面的整体形状(面内分布)的情况下，可以采用将照明光Q设为平行光的光学系统(例如，参照图5的(B))。在照明光Q为球面波的情况下，能够将相对于试样面的焦点偏移检测为凹面状或凸面状的伪形状。这样的伪形状是由于照明光为球面波而产生的，因此在测定试样面的整体形状(面内分布)的情况下，优选采用照明光Q为平行光这样的光学系统。

(d3：处理过程)

图9是示出利用根据实施方式2的光学测定系统2进行的测定方法的处理过程的流程图。图9所示的处理过程是使用了包括将来自光源10的光分支为第一光和第二光的分束器BS1的光学系统的光学测定方法。

参照图9，首先，执行获取同轴参考光L的处理。更具体地说，构成图8的(A)所示的光学系统(步骤S52)。然后，使光源10产生相干光，处理装置100获取利用离轴参考光R将图像传感器D中记录的同轴参考光L进行调制所得到的离轴全息图I

接着，执行获取照明光轮廓的处理。更具体地说，构成图8的(B)所示的光学系统(步骤S56)。此时，不配置试样S，在用于配置试样S的位置(试样位置)配置基准参照面。该状态相当于测定的参考。而且，使光源10产生相干光，处理装置100获取图像传感器D中记录的照明光全息图Q(x，y)(步骤S58)。像这样，处理装置100通过图像传感器来记录利用离轴参考光R将利用照明光Q对作为试样S的替代的基准参照面进行照明所得到的光进行调制所得到的全息图。

处理装置100根据照明光全息图Q(x，y)来计算再生用照明光全息图(照明光轮廓Q

接着，执行获取试样S的相位振幅分布的处理。更具体地说，将试样S配置于图8的(B)所示的光学系统的本来的位置(步骤S52)。然后，使光源10产生相干光，处理装置100获取图像传感器D中记录的物体光全息图U(x，y)(步骤S54)。像这样，处理装置100执行利用图像传感器D来记录离轴全息图I

下面，处理装置100基于离轴全息图I

作为计算处理，首先，执行再生全息图的处理。更具体地说，处理装置100根据物体光全息图U(x，y)来计算再生用物体光全息图U

接着，执行计算振幅相位分布的处理。更具体地说，处理装置100将物体光分布U

接着，执行计算物体光相位的处理。更具体地说，处理装置100根据试样面的振幅相位分布U

接着，执行计算试样S的高度的处理。更具体地说，处理装置100使用相位变化量Δθ(x，y)来计算试样S的高度h(x，y)(步骤S74)。试样S的高度h的计算使用上述的式(21)所示的关系式。

最终，处理装置100集合试样面的各坐标处的厚度Δd(x，y)来计算试样S的形状轮廓(步骤S76)。

通过如以上那样的处理，能够计算出试样S的形状。

对根据实施方式2的光学测定系统2的光学系统的几个变形例进行例示。

(e1：变形例1)

图10是示出根据实施方式2的变形例1的光学测定系统2A的结构例的示意图。在图10的(A)中示出记录同轴参考光的情况下的光学系统，在图10的(B)中示出记录物体光的情况下的光学系统。光学测定系统2A能够构成图10的(A)和图10的(B)所示的光学系统。

图10的(A)所示的光学系统与在图1的(A)所示的根据实施方式1的光学测定系统1中记录同轴参考光的情况下的光学系统相同，因此不重复进行详细的说明。

图10的(B)所示的光学系统与在图8的(B)所示的根据实施方式2的光学测定系统2中记录同轴参考光的情况下的光学系统相比，使掩模A2的配置位置不同了。更具体地说，掩模A2配置于试样S与图像传感器D之间。在图7的(10)所示的光学系统中，掩模A2与试样S的图像传感器D相邻地配置。

照明光Q被分束器BS2的半透半反镜HM2反射，并对试样S进行照明。此时，照明光Q通过掩模A2，因此将利用照明光Q对试样S进行照明的范围限制在规定范围。

而且，利用照明光Q对试样S进行照明所得到的物体光O(即，被试样S反射后的光)透过分束器BS2的半透半反镜HM2，并被引导到图像传感器D。此时，利用照明光Q对试样S进行照明而产生的物体光O也通过掩模A2，因此将物体光O透过的范围限制在规定范围。

像这样，在图10的(B)所示的光学系统中，掩模A2限制照明光Q的照明范围，并且还限制利用照明光Q对试样S进行照明所得到的物体光O的透过范围。像这样，掩模A2相当于将利用照明光Q(第一光)对试样S进行照明所得到的光(物体光O)的发散限制在规定范围的限制部。通过限制物体光O的发散，能够减少不期望的光，从而提高测定精度。

关于掩模A2的详情，在以上已经叙述了，因此不重复进行说明。其中，只要根据掩模A2的配置位置适当地设计开口图案即可。

此外，关于处理过程等，与实施方式2同样，因此不重复进行详细的说明。

(e2：变形例2)

图11是示出根据实施方式2的变形例2的光学测定系统2B的结构例的示意图。在图11的(A)中示出记录同轴参考光的情况下的光学系统，在图11的(B)中示出记录物体光的情况下的光学系统。光学测定系统2B能够构成图11的(A)和图11的(B)所示的光学系统。

图11所示的光学系统将离轴参考光R的光学路径配置于图像传感器D的背面侧。根据图11所示的光学系统，除了记录同轴参考光L的情况以外，由于光学路径未跨过试样S，因此对于具有更大面积的试样S也容易进行测定。

图11的(A)所示的光学测定系统2B的光学系统与图1的(A)和图8的(A)所示的光学系统相比，关于配置镜M11和镜M12来代替镜M1这一点不同。

通过分束器BS1分支而产生的离轴参考光R在被镜M11反射之后，进一步被镜M12反射，并被引导到分束器BS2。即，镜M11和镜M12将离轴参考光R从图像传感器D的背面侧引导到分束器BS2。

其以外的结构与图1的(A)及图8的(A)所示的光学系统实质上相同。

图11的(B)所示的光学测定系统2B的光学系统相比于图8的(B)所示的光学系统，除了省略了镜M2这一点以外，其它实质上相同。

如图11的(B)所示，在根据实施方式2的变形例2的光学测定系统2B中，能够测定具有更大的试样面的试样S。此外，为了改变光学测定系统2B与试样S的相对关系，可以使光学测定系统2B移动，也可以使试样S移动。

此外，关于处理过程等，与实施方式2相同，因此不重复进行详细的说明。

(e3：变形例3)

图12是示出根据实施方式2的变形例3的光学测定系统2C的结构例的示意图。在图12的(A)中示出记录同轴参考光的情况下的光学系统，在图12的(B)中示出记录物体光的情况下的光学系统。光学测定系统2C能够构成图12的(A)和图12的(B)所示的光学系统。

图12所示的光学系统将照明光Q的照明位置配置于分束器BS2的外侧。根据图12所示的光学系统，能够减少由于在分束器BS2中的反射产生的不期望的光，从而能够抑制噪声。

图12的(A)所示的光学测定系统2C的光学系统与图11的(A)所示的光学系统相同。

图12的(B)所示的光学测定系统2C的光学系统相比于图11的(B)所示的光学系统，关于将试样S的配置位置变更到分束器BS2的外侧这一点不同。另外，以试样S的试样面相对于透镜L3的光轴具有规定角度的倾斜的方式配置试样S。对应于试样S的倾斜，也将掩模A2配置为相对于透镜L3的光轴具有规定角度的倾斜。通过使掩模A2倾斜地配置，能够使掩模A2的开口图案SP2的像在试样S成像。

在图12的(B)中示出离轴参考光R的光学路径构成在分束器BS2的纸面下侧的光学系统的例子，但也可以将分束器BS2翻转来使其构成在纸面上侧，还可以使分束器BS2旋转90度来使其构成于纸面近前侧或者纸面里侧。

此外，由于将试样S倾斜地配置，因此在再生全息图的处理中，通过平面波展开使再生用物体光全息图传播到试样面并计算光波分布，并根据试样S的倾斜将计算出的光波分布进行坐标系的旋转变换。由此，能够计算出倾斜地配置的试样S的试样面的光波分布。

此外，关于其以外的处理过程等，与实施方式2相同，因此不重复进行详细的说明。

(e4：变形例4)

在上述的变形例2和变形例3中，也可以将掩模A2配置于与上述的变形例1所示的掩模A2的配置位置同样的配置位置。

(f1：硬件结构例)

图13是示出根据本实施方式的光学测定系统中包括的处理装置100的硬件结构例的示意图。参照图13，处理装置100包括处理器102、主存储器104、输入部106、显示部108、存储装置110、接口120、网络接口122以及媒体驱动器124来作为主要的硬件要素。

处理器102代表性地为CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、GPU(Graphics Processing Unit：图形处理单元)等运算处理部，将存储装置110中保存的一个或多个程序读出到主存储器104中来执行。主存储器104是DRAM(Dynamic Random AccessMemory：动态随机存取存储器)或SRAM(Static Random Access Memory：静态随机存取存储器)之类的易失性存储器，处理器102作为用于执行程序的工作存储器发挥功能。

输入部106包括键盘、鼠标等，接受来自用户的操作。显示部108将处理器102执行程序的执行结果等输出到用户。

存储装置110包括硬盘、闪存等非易失性存储器，保存各种程序、数据。更具体地说，存储装置110保持操作系统112(OS：Operating System)、测定程序114、全息图数据116、测定结果118。

操作系统112提供处理器10执行程序的环境。通过处理器102执行测定程序114，来实现根据本实施方式的光学测定方法等。全息图数据116相当于从图像传感器D输出的图像数据。测定结果118包括通过执行测定程序114而得到的测定结果。

接口120在处理装置100与图像传感器D之间中继数据传输。网络接口122在处理装置100与外部的服务器装置之间中继数据传输。

媒体驱动器124从保存有由处理器102执行的程序等的记录介质126(例如，光盘等)读出所需的数据，并保存于存储装置110。此外，在处理装置100中执行的测定程序114等可以经由记录介质126等进行安装，也可以经由网络接口122等从服务器装置进行下载。

测定程序114也可以按规定的序列在规定的时机从作为操作系统112的一部分被提供的程序模块中调用所需的模块来执行处理。在这样的情况下，不包括该模块的测定程序114也包括在本发明的技术范围中。测定程序114可以编入到其它程序的一部分中来提供。

此外，可以通过硬线逻辑电路(例如，FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)等)来实现通过处理装置100的处理器102执行程序而提供的功能的全部或一部分。

此外，关于处理装置100的硬件结构例，在其它实施方式中也是同样的，因此不重复进行详细的说明。

(f2：功能结构例)

图14是示出根据本实施方式的光学测定系统所包括的处理装置100的功能结构例的示意图。图14所示的各功能要素代表性地通过由处理装置100的处理器102执行测定程序114来实现。此外，实现图14所示的功能结构的硬件根据各时代来选择适当的硬件。

参照图14，处理装置100包括同轴参考光获取模块150、照明光全息图获取模块152、物体光全息图获取模块154、全息图再生模块156、振幅相位分布计算模块158、物体光相位计算模块160以及物体形状计算模块162来作为主要的功能要素。

在构成了记录同轴参考光的情况下的光学系统的状态下，同轴参考光获取模块150将图像传感器D中记录的全息图记录为离轴全息图I

在构成了记录物体光的情况下的光学系统的状态下，照明光全息图获取模块152获取图像传感器D中记录的照明光全息图Q(x，y)。

在构成了记录物体光的情况下的光学系统的状态下，物体光全息图获取模块154获取图像传感器D中记录的物体光全息图U(x，y)。

照明光全息图获取模块152和物体光全息图获取模块154均构成为能够记录图像传感器D的检测信号，根据手动或自动地设定的状态信号使任一方有效化。

全息图再生模块156根据由照明光全息图获取模块152获取到的照明光全息图Q(x，y)来计算再生用照明光全息图(照明光轮廓Q

并且，全息图再生模块156通过平面波展开使照明光轮廓Q

振幅相位分布计算模块158将照明光分布Q

物体光相位计算模块160根据试样面的振幅相位分布U

物体形状计算模块162使用相位变化量Δθ(x，y)来计算用于确定试样的形状的信息(厚度、折射率等)。物体形状计算模块162将计算结果作为试样S的形状信息输出。

接着，对根据本实施方式的光学测定系统所采用的用于限制照明光Q的范围的掩模A2所带来的效果的一例进行说明。

图15是示出根据本实施方式的光学测定系统采用的掩模所带来的效果的一例的图。在图15中示出使用采用图1所示的透过型光学系统的光学测定系统1记录的USAF 1951测试目标的强度再生像的一例。

在图15的(A)中示出基于在去除了掩模A2的状态下记录的全息图的强度再生像的一例，在图15的(B)中示出基于在配置有掩模A2的状态下记录的全息图的强度再生像的一例。

在图15的(A)所示的强度再生像中，可知产生了明显的像劣化。这是由于未限制照明光的范围，因此在频谱带宽中，直接像成分与共轭像成分以及由于不满足取样定理而产生的折返光重叠。其结果是，产生了明显的像劣化。

与此相对地，在图15的(B)所示的强度再生像中，照明光的照射范围被大致限制在图中的虚线内。由此，在频谱带宽中，直接像成分不会与共轭像成分以及折返光重叠，可知像劣化得到了抑制。

并且，根据图15的(B)所示的强度再生像能够确认到：通过使用掩模A2在图像传感器D成像出与开口图案SP1相当的像，能够抑制在照明范围的边缘可能产生的刀口衍射，能够以数10μm单位抑制照明范围。

如上述那样，获取离轴全息图I

在不获取离轴全息图I

或者，可以将式(7)所示的复振幅离轴全息图J

此外，在不获取离轴全息图I

上述的光学系统是一例，能够根据所要求的规格、空间等限制在光学上进行任意等价的变更。例如，可以将单一的透镜变更为透镜组，能够使用任意的反射构件来代替镜。

另外，在上述的说明中，关于处理装置100执行试样S的形状测定所涉及的运算处理的实施例进行了例示，但并不限于此，能够采用任意的实施方式。例如，处理装置100所负责的处理的一部分或全部可以使用云上的计算资源。

在根据本实施方式的光学测定装置中，通过将利用照明光对试样进行照明的范围限制在规定范围，能够避免包含物体光的信息的成分与光强度成分及共轭光成分之间在傅立叶空间(空间频率区域)中重叠。其结果是，能够抑制由于成分间的重叠引起的噪声，从而能够实现更高精度的测定。

另外，在傅立叶空间(空间频率区域)中，设计为能够在不产生成分间的重叠的范围内确保最大限度的区域，由此能够获取更多的信息，从而能够提高测定精度。

像这样，在根据本实施方式的光学测定装置中，通过使配置于与试样面不同的位置的限制部(掩模)的像在试样位置成像，能够将试样的照明范围控制为任意的形状，能够高效地利用能够记录全息图的图像传感器的频率带宽。

另外，在根据本实施方式的光学测定装置中，通过构成为使透过配置于试样面的后级的限制部(掩模)之后的像入射到图像传感器，能够高效地利用能够记录全息图的图像传感器的频率带宽。

根据本实施方式的光学测定系统使用物体光的相位信息来测定试样的形状，因此深度分辨率(z轴上的分辨率)不会受焦点深度限制，能够以nm级测定试样的形状。另外，根据本实施方式的光学测定系统通过采用离轴全息的光学系统，能够单次记录光的复振幅的分布。由此，无需物理的扫描、相位位移等，试样面的厚度(或者高度)的测定值不会受振动影响。另外，通过单次记录的全息图作为光波的复振幅是完整的，即使进行软件的调焦、坐标修正等校正处理也能够维持测定精度。

应当认为，本次公开的实施方式在所有方面均为例示，而非限制性的。本发明的范围并不由上述的说明示出，而是由权利要求书示出，能够包括与权利要求书同等的含义和范围内的全部变更。

附图标记说明

1、1A、2、2A、2B、2C：光学测定系统；10：光源；20：成像光学系统；100：处理装置；102：处理器；104：主存储器；106：输入部；108：显示部；110：存储装置；112：操作系统；114：测定程序；116：全息图数据；118：测定结果；120：接口；122：网络接口；124：媒体驱动器；126：记录介质；150：同轴参考光获取模块；152：照明光全息图获取模块；154：物体光全息图获取模块；156：全息图再生模块；158：振幅相位分布计算模块；160：物体光相位计算模块；162：物体形状计算模块；A1、A2：掩模；BE：扩束器；BS1、BS2：分束器；D：图像传感器；FP1：聚光点；I