(57)【要約】【課題】ｎｍオーダの３次元計測を行う場合、従来の三角測量法は精度が不足し、垂直走査法、位相シフト法などの手法では多数の検出回数が必要であった。【解決手段】白色干渉を応用した計測方法で、インターフェログラムの変動の時間的周期と、わずかに差をもたせて光源を周期的に変動させ、ビートとして現れる検出光を少なくとも２度測定して位相分布を求めることで、３次元計測を高速に少ない検出回数で実現できる表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光を測定対象面と参照面とに照射し、その反射光を干渉させて２次元光検出器で干渉光の強度変化を測定し強度変化から測定対称面の表面形状を測定する方法において、
光源の強度を周期的に変化させつつ参照面または測定対象面との相対距離を変化させ、光源の強度変化の周期と、前記相対距離の変化によって生ずる干渉光の時間的強度変化の周期に、わずかに差をもたせて前記２次元光検出器に達する出力光にビートを発生させ、前記２次元光検出器で出力光を少なくとも２度検出し、検出光の強度の傾きから２次元位相分布を測定することで表面形状を測定することを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項２】
測定対象面での各点の白色干渉を生じていない光強度分布を求め、前記検出光の強度の傾きを除して２次元位相分布を測定し、表面形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定方法。
【請求項３】
白色光源と、前記白色光源の強度を周期的に変化させる手段と、参照鏡と、前記白色光源から前記参照鏡へ向かう光軸上に設けたハーフミラーと、前記参照鏡と前記ハーフミラーの距離を周期的に変化させる手段と、２次元光検出器と、前記２次元光検出器で検出した検出光の強度の傾きから２次元位相分布を算出するデータ処理手段を有することを特徴とする表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は３次元の表面形状測定の方法及び装置に関し、詳しくは白色光干渉を利用して非接触で測定対象の３次元形状を高速に測定する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象の３次元形状測定には、三角測量法があった。三角測量法では、斜め入射した光の反射光を１次元または２次元の光検出器で検出し、三角測量の原理から３次元計測を測定する。三角測量法では、２次元正弦波などのパターン光を投影する方法、光切断法などがある。しかし三角測量法では分解能を高めるためには光源から検出器への反射角を垂直方向に対して大きくする必要があり、測定不能な領域が発生するなどの問題があった。精度の面においても三角測量法は機械的な位置決め精度、入射光のパターンの精度などに影響され、数十μｍオーダが限界とされる。
【０００３】
ｎｍオーダの３次元計測には白色干渉を利用してＣＣＤカメラを検出器として、３次元の形状計測を高精度に測定する方法がある（例えば特許文献１参照）。白色干渉を利用した計測では、マイケルソン干渉計の参照鏡をピエゾ素子などで移動することでインターフェログラムのピーク点を測定する垂直走査法と、光源波長の１／４ずつ参照鏡を移動して４回程度の検出を行い、測定対称面の垂直方向の高さを光源からの位相分布として求める位相シフト方式がある。
【０００４】
垂直走査法では光源波長の周期でインターフェログラムは変動し、離散的な検出データからピーク点を検出するためＣＣＤカメラでの検出を多数行わねばならず、特許文献１においては検出回数を少なくする方法が示されているが、それでも多数の検出回数を要する。
【０００５】
位相シフト法では、測定対称面の高さを光源波長に対する位相分布として求めるため、波長の範囲内の高さ測定が可能であり、通常は４回の検出が必要となる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−６６１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、白色干渉を応用した方法でインターフェログラムの変動の時間的周期と、わずかに差をもたせて光源を周期的に変動させ、ビートとして現れる検出光を少なくとも２度測定して位相分布を求めることで、３次元計測を高速に少ない検出回数で実現するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はかかる課題を解決するものであり、請求項１の発明は、白色光を測定対象面と参照面とに照射し、その反射光を干渉させて２次元光検出器で干渉光の強度変化を測定し強度変化から測定対称面の表面形状を測定する方法において、光源の強度を周期的に変化させつつ参照面または測定対象面との相対距離を変化させ、光源の強度変化の周期と、前記相対距離の変化によって生ずる干渉光の時間的強度変化の周期に、わずかに差をもたせて前記２次元光検出器に達する出力光にビートを発生させ、前記２次元光検出器で出力光を少なくとも２度検出し、検出光の強度の傾きから２次元位相分布を測定することで表面形状を測定することを特徴とする表面形状測定方法を提供する。
【０００９】
また請求項２の発明は、測定対象面での各点の白色干渉を生じていない光強度分布を求め、前記検出光の強度の傾きを除して２次元位相分布を測定し、表面形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定方法を提供する。
【００１０】
また請求項３の発明は、白色光源と、前記白色光源の強度を周期的に変化させる手段と、参照鏡と、前記白色光源から前記参照鏡へ向かう光軸上に設けたハーフミラーと、前記参照鏡と前記ハーフミラーの距離を周期的に変化させる手段と、２次元光検出器と、前記２次元光検出器で検出した検出光の強度の傾きから２次元位相分布を算出するデータ処理手段を有することを特徴とする表面形状測定装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の表面形状測定方法及び装置によれば、白色干渉を応用することで、測定対象の位相分布を求め、高精度に３次元形状計測を実現できる。従来の３次元形状測定では、三角測量法で低い精度しか得られず、例えばｎｍオーダの高さの精度が要求される半導体ウエハーや液晶ディスプレイなどの測定には不向きであった。本発明の装置によれば、白色干渉を応用した方法によって光源の１μｍ以下の波長の位相分布を高精度に測定できる。
【００１２】
従来の装置によれば、白色干渉を応用した方法では光源波長以下の高さ分布を対象とした位相シフト法においても、４回の検出を要する。本発明の測定方法では参照鏡と測定対称面の相対距離を移動させることによる干渉光の時間的強度変化と、光源の強度変化を周期的に発生させることで、２次元光検出器に達する強度変化を周期的に変動させ、２次元光検出器で少なくとも２度、光強度を検出し２次元光強度分布の各点における傾きを検出することで、白色干渉の干渉光の位相分布を検出する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
まず本発明の方法を実施する装置の一形態を図に従って説明する。
【００１５】
図１において、光源装置１から発生する白色光はハーフミラー２で分岐され、参照鏡３、測定対象面４に達する。ハーフミラー２から参照鏡３への距離５と、ハーフミラー２から測定対象面４への距離６の差が白色光の可干渉距離以内であるとき２次元光検出器７で観測される光強度分布には干渉が生じる。参照鏡３を移動させ、距離５と距離６を等しくしたとき、２次元光検出器７で観測される光強度分布における各点の干渉成分が最大となる。
【００１６】
参照鏡３はピエゾ素子などで駆動することが可能であり、２次元光検出器７としてはＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなどが利用可能である。光源装置１としてはハロゲン光源、ＬＥＤ光源、スーパールミネッセンスダイオードなど可干渉距離が短い非コヒーレンス光源が利用可能である。
【００１７】
図２は距離５を変化させたとき、２次元光検出器７の各点で検出されるインターフェログラム９の変化を示すものであり、インターフェログラム９は、光源の波長の平均λの１／２の距離で周期的に変動する。参照鏡３の距離５が等速で変化させる場合には、グラフの横軸を時間ｔに変換しても同様のインターフェログラムを描くことが出来る。その図を図３に示す。ここでインターフェログラム１０は周期Ｔで時間的に変化するものとする。
【００１８】
光源１からの照射光１１の強度を図４のように周期Ｔ＋ΔＴ、参照鏡３の移動によるインターフェログラムの変動の位相に対して位相差φで変化させると、２次元光検出器７に達する光強度はインターフェログラム１０と照射光１１で時間的にビートが発生し、図５のように周期がＴ（Ｔ＋ΔＴ）／ΔＴ、位相差φで周期的に変動する出力光強度１２となる。この時位相差φは周期Ｔに対して１％以内程度とすると効果的にビートの発生が見られる。なおＴ０は位相差φを明示するために仮に示した基準であり、特別な意味はない。
【００１９】
２次元光検出器７で周期的に変化する光強度分布を少なくとも２回検出し、検出する間隔Δｔと各点の強度変化を求めることで、正弦的に変動する各点の微分値が求められる。データ処理装置８において、各点の微分値を合成すれば測定対象面４における微分値の分布を通常のデータ処理により容易に求めることが出来る。微分値は各点における位相の変化の度合いを表すので、その分布から測定対象面４の位相分布が求められ、位相分布は表面の凹凸を表しているので表面の３次元形状分布を求めることができる。求めた３次元形状分布を、例えばディスプレイ装置などに表示したりプリンタなどに出力することは必要に応じ適宜行えば良い。
【００２０】
また、２次元光検出器７で測定対象４の各点の光強度分布を測定する場合に、測定対象４の各点で光強度分布の差が大きい場合、時間的に変化する干渉光強度の傾きは、各点での光強度分布に比例するため、位相分布が正確に求められなくなる。そこで、距離５を、距離６と光源の可干渉距離より離して干渉を発生させない状態の光強度分布を求める。検出光の傾きを、干渉を発生させない状態の光強度分布で除することで、各点での強度分布を補正して、３次元表面形状を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の表面形状測定装置の構成例の図。
【図２】インターフェログラムを示す図。
【図３】インターフェログラムを示す図。
【図４】光源からの照射光の強度変化を説明する図。
【図５】ビートが発生した出力光強度を説明する図。
【符号の説明】
【００２２】
１・・光源装置
２・・ハーフミラー
３・・参照鏡
４・・測定対象面
５・・距離
６・・距離
７・・２次元光検出器
８・・データ処理装置
９・・インターフェログラム
１０・・インターフェログラム
１１・・照射光
１２・・出力光強度
１３・・光強度分布
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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