(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の波長を有する光を発生させる光源と、
前記光を平行光に変える光学装置と、
前記平行光を二つの経路に分離して、測定しようとする試料の両表面にそれぞれ照射させることで、前記試料の両表面から反射される反射光が前記二つの経路をそれぞれ経た後、前記平行光の進行方向の反対方向に集中し相互干渉されるようにする照射干渉手段と、
前記反射光が相互干渉される干渉光を観察し得るように表示させる表示手段と、を含んで構成されることを特徴とする表面測定装置。
【請求項２】
前記各経路は、前記光学装置の光学軸と垂直を成して分離される分離点を第１頂点とし、該第１頂点を基準にして反時計方向に第１、第２、第３及び第４辺と、第２、第３及び第４頂点とを有する矩形状の第１及び第２経路から形成され、
前記第１経路は前記第１頂点から第２頂点を経て第２辺の試料の一方の面まで形成され、前記第２経路は前記第１頂点から第４頂点及び第３頂点を経て前記試料の反対側の他方の面まで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項３】
前記第１頂点には半透過鏡を位置させて、前記平行光の経路を第１及び第２経路に分離させることを特徴とする、請求項２に記載の表面測定装置。
【請求項４】
前記第２頂点には反射鏡が設置され、前記第４頂点には１対の反射鏡が相互に対向して設置され、前記第３頂点にも反射鏡が設置して構成されることを特徴とする、請求項１又は３に記載の表面測定装置。
【請求項５】
前記第２頂点には反射鏡が設置され、前記第４頂点には五角形プリズムが設置され、前記第３頂点には反射鏡が設置されることを特徴とする、請求項３に記載の表面測定装置。
【請求項６】
前記経路は、前記光学装置の光学軸と垂直を成して分離される分離点を第１頂点とし、該第１頂点を基準に形成された第１、第２及び第３辺と、第２及び第３頂点を有する三角形状の第１及び第２経路にそれぞれ形成され、
前記第１経路は第１頂点から第２頂点を経て第２辺の試料の一方の面まで形成され、前記第２経路は前記第１頂点から第３頂点を経て前記試料の反対側の他方面まで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項７】
前記第１頂点には半透過鏡が、前記第２頂点及び第３頂点にはそれぞれ反射鏡が設置されることを特徴とする、請求項６に記載の表面測定装置。
【請求項８】
前記表示手段は、前記光源と光学装置の間に位置し、前記光学装置を通して入射される干渉された平行光を反射させる半透過鏡と、
該半透過鏡によって反射される平行光を撮影するカメラ装置とを含んで構成されることを特徴とする、請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項９】
前記平行光は、前記光学装置の光学軸上に位置された半透過鏡によって二つの経路に分離されることを特徴とする、請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項１０】
前記光は、可視光線であることを特徴とする、請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項１１】
前記試料は、可視光線が透過できない不透過性を有することを特徴とする、請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項１２】
平行光を二つの経路に分離させて試料の両表面に照射して反射させる段階と、
前記試料の両方表面から反射される反射光が相互干渉されるようにする段階と、
前記干渉された反射光の特性によって、一方の面の表面形状を基準にして他方の面の表面形状を測定する段階と、を含むことを特徴とする表面測定方法。
【請求項１３】
前記平行光が分離されて試料の両表面に照射及び反射されて干渉される時まで、それら各経路で反射された回数はすべて奇数または偶数であることを特徴とする、請求項１２に記載の表面測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面測定装置に係るもので、詳しくは、可視光線が透過し得ない不透明試料の表面特性を比較及び測定し得る表面測定装置及びその測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、前方観測赤外線装備に使われる赤外線用窓や赤外線変調伝達性能（ＭＴＦ）測定装備に使われるフィルターのような平面窓は、赤外線が透過される経路上に設置されるが、前記平面窓の表面特性としての平行度及び表面形状の誤差により光波面を歪曲させて光学装備や測定装備の性能に影響を与えるようになる。また、半導体用シリコンウエハーにおいても超精密の両面平行度を要求するようになっている。
【０００３】
一方、可視光線を透過する平面窓のような試料の表面形状測定は、通常の可視光線レーザーで構成される干渉計を利用して、断面の表面形状は勿論、可視光線透過後の光波面も測定することで、平面窓が光学系の性能に及ぼす影響を正確に周知し得るようになっている。しかし、赤外線窓または金属窓は可視光線が透過し得ないため、可視光線が透過する透明な窓とは異なった他の方法によって表面特性を測定するようになっている。
【０００４】
前記赤外線窓及び金属窓のような試料の表面特性を測定するための従来の表面測定装置において、図８に示したように、一定の波長を発生する光源１と、該光源１から発生した光を平行光５に変化させる光学装置２と、前記平行光５を反射及び透過させて、試験光線５ａと基準光線５ｂの二つの光線に分離させる半透過鏡のようなビームスプリッター３と、表面特性を測定しようとする試料４と、前記基準光線５ｂを再び反射させて前記試料４の表面から反射される反射光線５ａ’と干渉させるための基準鏡６と、前記再び反射された平行光５と反射光によって干渉された干渉光を表示する表示装置７と、を含んで構成されている。
また、前記表示装置７は、前記光源１と光学装置２間に位置した半透過鏡７ａ及びカメラ装置７ｂにより構成される。
【０００５】
このように構成された従来の表面測定装置においては、一つの光源１から測定しようとする試料４の表面に平行光５を照射して反射される光と、基準になる基準鏡６に照射して反射される光とが相互干渉を起こすようにすることで試料４の表面特性を測定するようになっている。しかし、測定しようとする試料４の表面のうち、一方の面しか測定できないため、試料４の光波面に対する総合的な分析は同時に行うことができず、したがって窓の光学的性能を正確に把握することができない。
そのため、赤外線窓を透過する赤外線レーザーで構成された干渉計を利用することによって、断面の表面形状は勿論、赤外線光線透過後の光波面も測定していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
然るに、このような従来の赤外線レーザー干渉計においては、光が見えないので干渉計自体の光学整列が難しいだけでなく、赤外線媒質に従って別途のレーザー干渉計を利用しなければならないという不都合な点があった。
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、試料の両面に平行光を照射し、該照射された平行光により反射された光が相互干渉を起こすようにして、試料の両面の平行度及び相対的な表面形状を同時に測定し得るようにすることで、光学系の構成及び整列の容易な表面測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明に係る表面測定装置においては、一定の波長を有する光を発生させる光源と、前記光を平行光に変化させる光学装置と、二つの経路に前記平行光を分離して測定しようとする試料の両面にそれぞれ照射させることで、それら両面から反射される反射光が前記各経路を経て前記平行光の進行方向の反対方向に集中して相互干渉されるようにする照射干渉手段と、前記反射光が相互干渉される干渉光を観察し得るように表示させる表示手段と、を含んで構成されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る表面測定方法においては、平行光を二つ経路に分離させて試料の両面に照射して反射させる段階と、前記試料の両面から反射される反射光が相互干渉されるようにする段階と、前記干渉された反射光の特性によって、一方の表面形状を基準にして他方の表面形状を測定する段階と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に対し、図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係る表面測定装置の構成を示した概略構成図である。
本発明に係る表面測定装置の第１実施形態においては、図１に示したように、一定の波長を有する光を発生させる光源１１と、前記光を平行光１５に変える光学装置１２と、前記平行光１５を二つの経路（Ｐ１、Ｐ２）に進行する分離光線１５ａ、１５ｂに分離して、測定しようとする試料１６の両面１６ａ、１６ｂにそれぞれ垂直に照射して、それら両面１６ａ、１６ｂから反射される各反射光１５ａ’、１５ｂ’をそれぞれ前記各経路（Ｐ１、Ｐ２）を経て前記平行光１５の進行方向の反対方向に集めて相互干渉されるようにする照射干渉手段と、前記各反射光が相互干渉される干渉光を観察できるように表示させる表示手段１７と、を含んで構成される。
【００１０】
このように構成された本発明は、可視光線レーザー光源に光路を改造したタイマン‐グリーン干渉計(Twyman-Green  interferometer)を利用したものであって、前記タイマン‐グリーン干渉計(http：//cord.org/cm/leot/course10_Mod06/Module10-6.htm参照）はレンズ、プリズム、及び平板窓などの光学装置の構成要素の欠点を測定するのに有用な装置として知られている。
【００１１】
また、前記照射干渉手段は、前記平行光１５を二つの経路（Ｐ１、Ｐ２）に進行する二つの分離光線１５ａ、１５ｂに分離させる半透過鏡のようなビームスプリッター１３と、各経路（Ｐ１、Ｐ２）にそれぞれ配置されて、前記分離された二つの分離光線１５ａ、１５ｂの進行方向を変える反射鏡（Ｍ１−Ｍ４）とで構成される。
即ち、図１に示したように、前記各経路（Ｐ１、Ｐ２）は前記平行光１５の進行方向と垂直に分離されて、二つの分離光線１５ａ、１５ｂに分離される分離点、即ち、ビームスプリッター１３が位置した地点を第１頂点とし、該第１頂点を基準に反時計方向に第１、第２、第３及び第４辺と、第２、第３、第４頂点を有する矩形状を成すように屈曲形成される。
【００１２】
即ち、前記第1経路（Ｐ１）は、第１頂点から第２頂点を経て第２辺に位置した試料１６の一方の面１６ａまでをなし、前記第２経路（Ｐ２）は第１頂点から第４頂点及び第３頂点を経て前記試料１６の反対側の面１６ｂまでをなす。このとき、前記試料１６は、場合によって矩形の第１、第３又は第４辺に位置することができる。
前記第１経路（Ｐ１）は前記第２頂点に位置した反射鏡（Ｍ１）によって形成され、前記２経路（Ｐ２）は第４頂点に位置した１対の反射鏡（Ｍ３、Ｍ４）及び第３頂点に位置した反射鏡（Ｍ２）によって形成される。
【００１３】
前記１対の反射鏡（Ｍ３、Ｍ４）は、前記分離光線１５ｂの進行方向を変化させる役割を遂行するが、通常、前記反射鏡（Ｍ３、Ｍ４）の反射面は、夫々前記平行光１５の進行方向と夫々６７．５°及び２２．５°をなすように配置される。
また、前記反射鏡（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ４、Ｍ３）は、図１に示すように、分離された分離光線１５ａ、１５ｂが試料１６の両側の表面に正確に入射するように配置される。
【００１４】
図２は本発明に係る表面測定装置に五角プリズムを使用した場合の概略図を示し、図３は本発明に係る表面測定装置の他の実施形態として平行光の経路が三角形に形成された場合の構成を示した概略構成図である。
前記第４頂点には１対の反射鏡の代りに、図２に示したように、五角プリズム１８を設置して使用することもできる。
また、本発明の表面測定装置の第２実施形態として、図３に示したように、各分離光線１５ａ、１５ｂの経路（Ｐ１、Ｐ２）を矩形に形成することなく、前記平行光１５の進行方向と垂直に分離して形成される分離点を第１頂点とし、該第１頂点を基準にして反時計方向に形成された第１、第２及び第３辺と、第２及び第３頂点とを有する三角形状の第１及び第２経路（Ｐ１、Ｐ２）により構成することもできる。
【００１５】
このとき、前記第１経路（Ｐ１）は第１頂点から第２頂点の反射鏡（Ｍ１）を経て第２辺の試料１６の一方の面１６ａまで形成され、前記第２経路（Ｐ２）は第１頂点から第３頂点の反射鏡（Ｍ２）を経て前記試料１６の反対側の面１６ｂまで形成される。
また、前記第１経路及び第２経路（Ｐ１、Ｐ２）は各分離光線１５ａ、１５ｂが各経路に沿って進行し、各試料１６が位置する地点で正確に一致するように形成される。
また、前記試料１６の各表面１６ａ、１６ｂから反射された各反射光１５ａ’、１５ｂ’は、再び第１経路及び第２経路（Ｐ１、Ｐ２）を沿って前記ビームスプリッター１３に進行し、該ビームスプリッター１３を経て再び合わせられて相互干渉する。
【００１６】
また、前記表示手段１７は前記光源１１と光学装置１２との間に形成され、前記光学装置１２を通して入射される干渉された平行光を反射させる半透過鏡１７ａと、該半透過鏡１７ａによって反射される干渉された平行光、特に、干渉によって形成された干渉縞を撮影又は表示するカメラ装置１７ｂと、から構成されている。
【００１７】
このように構成された本発明に係る表面測定装置おける可視光線不透過窓は、可視光線透過窓と同様に、光透過後の光波面を測定する。即ち、赤外線窓媒質の屈折率をｎ(λ')として均一な屈折率分布を有すると仮定し、測定された相対的誤差が窓口の径に対してＷ(r、ψ)のとき、窓を通過した後の光波面Ｗ’は次のような数学式１に表現される。
〔数学式１〕
Ｗ'(r、ψ)=ｎ(λ')Ｗ(r、ψ)/λ'
式中λ'は赤外線波長を示したものである。
【００１８】
図４は本発明に係る表面測定装置を整列した場合の干渉縞を示した図で、本発明に係る表面測定装置の整列は、図１に示したように、干渉計の出力平行光１５がビームスプリッター１３で二つの分離光線１５ａ、１５ｂに分割された後、反半時計方向に進行する光が反射鏡（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）で再び集まるように整列する。そして、光学系の構造上、ビームの直径は上下方向に大きさが変わることになる。従って、光学系の光軸整列は試料１６の面に、スクリーン上のビーム直径が一致するように反射鏡を調整した後、ピンホールをスクリーン上に置いた後、モニターを見ながら両方向に進行する光によって形成された二つのピンホールの像が一致するように微細に調整を行う。各ピンホールの位置を移動させながら整列を確認した後、整列が終了すると、ピンホールを取り除いて干渉縞を確認し得るようにする。
【００１９】
測定しようとする試料を挿入する前に、光学系によって形成される干渉縞を１個以下になるように光学系を整列する。干渉縞は全ての画面にかけて１個以下になるように整列すると、光学整列の後で得られた干渉縞は図４に示したようになる。以後、測定しようとする試料１６を表面測定装置のスクリーン上に置いて、試料１６の表面から反射されたビームが垂直に表面測定装置に入射されるように調整する。
【００２０】
図５（ａ）は本発明に係る表面測定装置によって測定された試料の両面に対する干渉縞を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）の干渉縞から得られた試料の光波面形状を示した図である。
図６（ａ）は従来の表面測定装置によって測定された試料の一方の面に対する干渉縞を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）の干渉縞から得られた試料の一方の面の光波面形状を示した図である。
図７（ａ）は従来の表面測定装置によって測定された試料の他方の面に対する干渉縞を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）の干渉縞から得られた試料の他方の面の光波面形状を示した図である。
【００２１】
以下、従来の表面測定装置によって試料の表面を測定した結果と本発明に係る表面測定装置によって測定した結果を比較して説明する。
まず、相対的表面形状の測定は赤外線変調伝達性能（ＭＴＦ）測定装備に使われる赤外線フィルターを用いた。
従来の表面測定装置または測定方法によって測定された前記試料の一面の干渉縞は図６（ａ）に示され、該干渉縞から得られた干渉縞解析プログラムの光波面形状は図６（ｂ）に示されている。
【００２２】
表面形状の誤差は光波面の誤差を２で割ったものと同様で、測定された光波面のゼルニケ（Zernike）係数はディフォーカス（defocus）が０．８３λ、沸点数差が５．４３λ、コマが４．０１λ、球面数差が１．９８λである。ここで、λは表面測定装置に使われる光源のＨｅ−Ｎｅレーザー波長の０．６３μｍである。
従来の表面測定装置及び表面測定方法によって測定された反対側の面の干渉縞と干渉縞解析プログラムから得られた光波面との誤差はそれぞれ図７（ａ）と（ｂ）に示されたように、表面形状の誤差は光波面の誤差を２で割ったものと同様で、測定された光波面のゼルニケ（Zernike）係数はディフォーカス（defocus）が３．１３λ、沸点数差が３．７λ、コマが９．２７λ、球面数差が１３．１３λである。
【００２３】
一方、本発明に係る表面測定装置及び表面測定方法によって測定された干渉縞、及びこの干渉縞によって獲得したウインドーの光波面の誤差は図５（ａ）〜（ｂ）に示されている。
即ち、干渉縞の解析結果、測定された光波面のゼルニケ（Zernike）係数はチルト(tilt）が１．９８λ、ディフォーカス（defocus）が−０．６８λ、沸点数差が０．６９λ、コマが１．８３λ、球面数差が−１．６８λであって、このとき、チルト(tilt）は両面間の平行度を表す量で、残りの係数は試料の一面を基準にして他の面の相対的形状の誤差を示したものである。従って、赤外線用窓を通過した後の光波面のゼルニケ（Zernike）係数は、媒質の屈折率ｎ(λ')を乗した後に、赤外線波長で割った値となる。ここで、λ’は赤外線の使用波長を表す。
【００２４】
このように、従来の表面測定装置及び測定方法においては、試料の表面を一面ずつ交替に測定するようになっているため、前後の両面間の平行度も分からず、測定しようとする位置を正確に一致させることが難しいので測定に多くの誤差が発生することになるが、本発明に係る表面測定装置及び測定方法においては、測定された干渉縞以外の干渉縞から得られる光波面の形状がそれら各面に対して相対的な値を有することとなるので、試料の両表面に対する平行度または表面特性を簡単に測定し得るようになるという効果がある。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る表面測定装置または測定方法においては、平行光を二つの経路に進行する二つの分離光線に分離させて試料の両面に照射して反射させ、その反射された各光線を相互干渉させて得られる干渉縞を通して、試料の両面に対する平行度または表面特性を同時に簡単に測定し得ることで、干渉計の構成及び整列を容易に行い得るという効果がある。
【００２６】
また、本発明に係る表面測定装置または測定方法においては、別途の基準面を使用せず、試料の一方の表面を基準に、その反対側の表面の平行度及び粗さなどの表面誤差の状態を容易に測定し得るという効果がある。特に、前記表面誤差は、その表面誤差によって伝達される赤外線の波面を歪曲させるなど、赤外線窓を使用している光学機器の性能に大きな影響を及ぼす重要な要素である。
本発明に係る表面測定装置または測定方法の実施形態は、平板状を有する不透過窓に関して説明しているが、通常の努力の範囲内で、レンズなどのような平板でない物体にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る表面測定装置の第１実施形態の概略構成図である。
【図２】本発明に係る五角プリズムを使用した場合の表面測定装置の概略構成図である。
【図３】本発明に係る表面測定装置の第２実施形態の概略構成図である。
【図４】本発明に係る表面測定装置が試料なしに整列された場合の干渉縞を示した写真である。
【図５】本発明に係る表面測定装置によって測定された試料の干渉縞写真であり、（ａ）は試料の両面に対する干渉縞撮影図、（ｂ）は（ａ）の干渉縞から得られた試料の光波面形状を示した図である。
【図６】従来の表面測定装置によって測定された試料の一方の面の干渉縞及び光波面形状を示した図で、（ａ）は干渉縞を示した図、（ｂ）は（ａ）の干渉縞から得られた光波面形状を示した図である。
【図７】従来の表面測定装置によって測定された試料の他方の面の干渉縞及び光波面形状を示した図で、（ａ）は試料の他方の面に対する干渉縞撮影図、（ｂ）は（ａ）の干渉縞から得られた試料の光波面形状を示した図である。
【図８】従来の表面測定装置の構成を示した概略構成図である。
【符号の説明】
１、１１…光源
２、１２…光学装置
１２ａ…光学軸
５、１５…平行光
６、１６…試料
７、１７…表示手段
７ａ、１７ａ…半透過鏡
７ｂ、１７ｂ…カメラ装置
Ｐ１、Ｐ２…経路
Ｍ１−Ｍ４…反射鏡
【図１】
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【図２】
0003694298.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003694298.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003694298.tif 000007
【図７】
0003694298.tif 000008
【図８】
0003694298.tif 000009