(57)【要約】【課題】本発明は、干渉縞の位相を高精度に変調することのできる干渉測定方法及び干渉計を提供することを目的とする。【解決手段】本干渉測定方法では、被検物（１）と参照物（２）との相対位置関係を保ちながらそれら被検物（１）及び参照物（２）に投光すべき光束の投光角度を変化させ、前記投光角度の変化に伴い干渉縞に生じる輝度変化を検出する。このように投光角度を変化させると、干渉縞の位相が変調されるが、光源の波長の変化、被検物と参照物との相対位置関係の変化を何ら伴わない。また、位相を変調するための運動は、移動ではなく回動である。よって、位相の変調精度は高い。【選択図】      図１
2006010412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物と参照物との相対位置関係を保ちながらそれら被検物及び参照物に投光すべき光束の投光角度を変化させる変化手順と、
前記投光角度の変化に伴い干渉縞に生じる輝度変化を検出する手順と
を含むことを特徴とする干渉測定方法。
【請求項２】
被検物と参照物との相対位置関係を保ちながら、それら被検物及び参照物に投光すべき光束の投光角度を変化させる角度変化手段と、
前記投光角度の変化に伴い干渉縞に生じる輝度変化を検出する検出器と
を備えたことを特徴とする干渉計。
【請求項３】
請求項２に記載の干渉計において、
前記角度変化手段は、
前記被検物の被検面の光軸との交差点がずれないように前記投光角度を変化させる
ことを特徴とする干渉計。
【請求項４】
請求項３に記載の干渉計において、
光源を射出した光束を透過又は反射して前記被検物及び前記参照物に投光すると共に、それら被検物及び参照物から射出した光束を透過又は反射して前記検出器に導光する半透過ミラーと、
前記半透過ミラーと前記検出器との間に配置され、前記被検物の被検面を前記検出器上に結像する結像光学系とを備え、
前記角度変化手段は、
前記被検物及び前記参照物に対する前記半透過ミラーの相対位置関係を保ちながら前記投光角度を変化させる
ことを特徴とする干渉計。
【請求項５】
請求項４に記載の干渉計において、
前記角度変化手段は、
前記半透過ミラーの法線が光軸の存在する平面に対し平行を保つように前記投光角度を変化させる
ことを特徴とする干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の表面形状や光学系の透過波面の形状を測定する干渉測定方法及び干渉計に関し、特に、干渉縞の位相を変調するタイプの干渉測定方法及び干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学面の形状測定や光学系の透過波面の高精度な測定に、干渉測定が適用される（非特許文献１など）。
この干渉測定に用いられる干渉計は、干渉測定の精度向上のため、互いに位相の異なる複数の干渉縞の輝度分布データを取得するよう構成されている。
干渉計にて干渉縞の位相を変調する方法は幾つかあり、参照物等の光学素子をピエゾ素子により光軸方向に移動させる方法（１）や、その距離を固定する代わりにそれら光源の波長を変化させる方法（２）などがある。
【非特許文献１】ダニエルマラカーラ(Daniel Malacara)編,「オプティカル・ショップ・テスティング（Optical Shop Testing）」，第２版,ウィレイ・インターサイエンス（Wiley-Interscience）発行,ｐ.５１０-５１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、（１）の方法では光学素子の移動誤差（移動中の振動）が位相の変調誤差の要因となり、（２）の方法では光源の設定波長の不確定さが位相の変調誤差の要因となる。
そこで本発明は、干渉縞の位相を高精度に変調することのできる干渉測定方法及び干渉計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の干渉測定方法は、被検物と参照物との相対位置関係を保ちながらそれら被検物及び参照物に投光すべき光束の投光角度を変化させる変化手順と、前記投光角度の変化に伴い干渉縞に生じる輝度変化を検出する手順とを含むことを特徴とする。
請求項２に記載の干渉計は、被検物と参照物との相対位置関係を保ちながら、それら被検物及び参照物に投光すべき光束の投光角度を変化させる角度変化手段と、前記投光角度の変化に伴い干渉縞に生じる輝度変化を検出する検出器とを備えたことを特徴とする。
【０００５】
請求項３に記載の干渉計は、請求項２に記載の干渉計において、前記角度変化手段は、前記被検物の被検面の光軸との交差点がずれないように前記投光角度を変化させることを特徴とする。
請求項４に記載の干渉計は、請求項３に記載の干渉計において、光源を射出した光束を透過又は反射して前記被検物及び前記参照物に投光すると共に、それら被検物及び参照物から射出した光束を透過又は反射して前記検出器に導光する半透過ミラーと、前記半透過ミラーと前記検出器との間に配置され、前記被検物の被検面を前記検出器上に結像する結像光学系とを備え、前記角度変化手段は、前記被検物及び前記参照物に対する前記半透過ミラーの相対位置関係を保ちながら前記投光角度を変化させることを特徴とする。
【０００６】
請求項５に記載の干渉計は、請求項４に記載の干渉計において、前記角度変化手段は、前記半透過ミラーの法線が光軸の存在する平面に対し平行を保つように前記投光角度を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、干渉縞の位相を高精度に変調することのできる干渉測定方法及び干渉計が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
［第１実施形態］
以下、図１、図２を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
本実施形態は、フィゾー型の干渉計、及びその干渉計により被検面ｏを測定する干渉測定方法の実施形態である。
先ず、本干渉計の基本構成を説明する。
【０００９】
本干渉計には、図１に示すように、レーザ光源（波長λとする。）１１、ビームエキスパンダ１２、ビームスプリッタ（ハーフミラー）１３、結像レンズ１４、撮像装置（請求項における検出器に対応。）１５、ステージ（請求項における角度変化手段に対応。）Ｓ、制御部２０などが備えられる。なお、図１では、ステージＳの形状を矩形にしたが、その形状に限定されない。
【００１０】
この干渉計のステージＳ上に、被検物１と参照物（ここでは、フィゾー部材である。）２とが固定される。ステージＳ上の被検物１及び参照物２のそれぞれの位置関係は、被検物１の被検面ｏと参照物２の参照面ｒとが正対するよう設定される。
次に、本干渉計の基本動作を説明する。
制御部２０は、レーザ光源１１を駆動する。レーザ光源１１から射出した光束は、ビームエキスパンダ１２によって適切なサイズの径の平行光束に変換された後、ビームスプリッタ１３にて反射する。
【００１１】
ビームスプリッタ１３にて反射した光束は、参照物２に入射し、その一部が参照物２の参照面ｒにて反射し、他の一部が被検物１の被検面ｏにて反射する。
参照面ｒにて反射した光束（参照光束）と、被検面ｏにて反射した光束（被検光束）とは、光路を折り返してビームスプリッタ１３に戻り、ビームスプリッタ１３を透過する。
ビームスプリッタ１３を透過した参照光束と被検光束とは、結像レンズ１４を介して撮像装置１５に入射する。
【００１２】
撮像装置１５内の撮像面上には、参照光束と被検光束とによる干渉縞が形成される。
なお、撮像装置１５の撮像面１５ａは、結像レンズ１４に関し被検面ｏと共役な位置に配置される、よって、干渉縞上の各位置の位相には、被検面ｏ上の各位置の凹凸の情報が反映される。
制御部２０は、レーザ光源１１と共に撮像装置１５を駆動し、その干渉縞の画像データ（輝度分布データ）を取得する。取得された画像データは、不図示のコンピュータによって取り込まれる。
【００１３】
ここで、本干渉計では、ステージＳが駆動されると、干渉縞の位相が変調される（詳細は後述）。
よって、制御部２０は、撮像装置１５とステージＳとを同期制御することにより、互いに位相の異なる複数の干渉縞の画像データ（画像データ群）を取得する。画像データ群は、不図示のコンピュータによって取り込まれ、公知の解析方法で解析される。その解析により被検面ｏの形状情報が求められる。
【００１４】
次に、本干渉計の特徴を説明する。
特徴は、干渉縞の位相を変調するため構成及び動作にある。位相を変調するための機構は、ステージＳである。
ステージＳは、参照物２と被検物１との相対位置関係を保ったまま、所定の回動軸の周りを回動可能である。
【００１５】
回動軸の方向は、被検物１の被検面ｏに対する光束の入射角度が変化する方向である（以下、干渉計の光軸の存在する面（図１では紙面）に垂直な方向とする。）。
回動軸の位置は、被検物１の被検面ｏにおける光軸の交差点Ａである。
回動角度θの範囲は、光軸と被検面ｏの法線とが一致した状態の回動角度θを０°とすると、例えば、０°〜３０°程度確保される。
【００１６】
因みに、この回動角度θの範囲は、少なくとも、後述する干渉縞の位相φが２π分だけ変化する範囲よりも広い範囲である。
ステージＳは、制御部２０によって駆動されると、その駆動量に応じた量だけ回動角度θの値を変化させる。よって、制御部２０は、ステージＳに与えるべき駆動量によって、回動角度θの値を設定することができる。
【００１７】
回動角度θの値が変化すると、図２に示すように、参照面ｒ及び被検面ｏに対する光束の入射角度（投光角度）もθだけ変化する。
角度θで光束が投光されると、参照面ｒにて反射する参照光束Ｌｒと、被検面ｏにて反射する被検光束Ｌｏとの光路差（撮像面までの光路の差）Ｌは、次式（１）で表される。但し、ｄは、参照面ｒと被検面ｏとの間の光学的距離（定数）である。
【００１８】
Ｌ＝２ｄｃｏｓθ  ・・・（１）
よって、干渉縞の位相φは、次式（２）で表される。但し、ｋは、レーザ光源１１から射出される光の波数（ｋ＝２π／λ）である。
φ＝ｋＬ＝２ｋｄ（１−ｃｏｓθ）  ・・・（２）
したがって、本干渉計の制御部２０は、ステージＳを駆動するだけで干渉縞の位相φを変調することができる。
【００１９】
次に、本干渉計の効果を説明する。
本干渉計においては、干渉縞の位相φを変調するに当たり、ステージＳが駆動されるだけであり、レーザ光源１１の波長λの変化、被検物１と参照物２との相対位置関係の変化を伴わない。
レーザ光源１１の波長λが固定されていれば、波長の不確定さの問題は生じないので、位相φの変調誤差の要因にはならない。
【００２０】
また、相対位置関係の保たれた被検物１及び参照物２は、仮にステージＳに振動が生じたとしても両者が等しく振動するので、被検光束と参照光束との光路差はその振動の影響を殆ど受けず、その振動は位相φの変調誤差の要因にはならない。
また、位相φを変調するための運動の種類は、移動ではなく回動（ここでは、ステージＳの回動）なので、位相φの変調精度は高い。
【００２１】
また、ステージＳの回動軸が被検面ｏにおける光軸の交差点Ａに一致しているので、撮像装置１５の撮像面１５ａ上に投影される被検面ｏの位置にはずれが生じない。
よって、上述した画像データ群の座標は、被検面ｏの座標にそれぞれ正確に対応づけられる。
［第２実施形態］
以下、図３を参照して本発明の第２実施形態を説明する。
【００２２】
本実施形態は、フィゾー型の干渉計、及びその干渉計により被検面ｏの形状を測定する干渉測定方法の実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。
相違点は、図３に示すように、被検物１及び参照物２に加え、ビームスプリッタ１３が回動可能な共通のステージＳ上に固定される点にある。ステージＳの回動軸の位置は、第１実施形態のそれと同じであり、被検面ｏにおける光軸の交差点Ａである。回動軸の方向は、干渉計の光軸の存在する面（図３では紙面）に垂直な方向である。
【００２３】
よって、干渉縞の位相φを変調する際に、被検物１と参照物２とビームスプリッタ１３が、互いの相対位置関係を保ったまま、回動する。
その回動軸の方向は、光軸の存在する平面に対しビームスプリッタ１３の法線が平行を保つような方向である。このとき、結像レンズ１４に対する被検光束の入射位置は、ステージＳの回動に伴って横ずれするものの、その入射角度は変化しない。
【００２４】
このように、入射光束の角度変化が抑えられた結像レンズ１４は、その収差が特別に厳しく補正されていなかったとしても、被検面ｏを撮像装置１５の撮像面１５ａ上に正確に結像する。
［変形例］
なお、上述した実施形態の何れかの干渉計（図１，図３参照）では、被検面ｏから見て正面の方向に受光系（結像レンズ１４及び撮像装置１５）が配置され、被検面ｏから見て９０°曲がった方向に照明系（レーザ光源１１及びビームエキスパンダ１２）が配置されているが、それら照明系と受光系との位置が反対になるよう変形してもよい。
【００２５】
図４には、第２実施形態の干渉計を変形したものを示した。
この干渉計においては、照明系（レーザ光源１１及びビームエキスパンダ１２）を射出した光束がビームスプリッタ１３を透過した後に進行する光路に、被検物１及び参照物２が配置されており、その光束がビームスプリッタ１３を反射した後に進行する光路に、受光系（結像レンズ１４及び撮像装置１５）が配置される。この場合にも、回動軸の位置及び方向は、第２実施形態の干渉計におけるそれと同じである。
【００２６】
また、上述した各実施形態、変形例の何れかの干渉計（図１，図３，図４参照）は、フィゾー型の干渉計であるが、トワイマン・グリーン型の干渉計に変形することもできる。
図５には、図４の干渉計をトワイマン・グリーン型の干渉計に変形したものを示した。
この干渉計においては、被検物１と参照物２とが異なる光路に配置されている。
なお、この干渉計では、撮像装置１５に入射する被検光束と参照光束との光路差Ｌがゼロにならないよう、参照物２の参照面ｒの光軸方向の位置は、被検面ｏの共役面ｏ’から意図的にずらされる。
【００２７】
また、上述した実施形態、変形例の何れかの干渉計（図１，図３，図４，図５参照）は、被検物１の被検面ｏを測定するものであるが、透過性を有した被検物１の被検面ｏを透過した光束の波面（被検面ｏの透過波面）を測定するよう変形することもできる。
変形された干渉計では、被検物１のビームスプリッタ１３とは反対側に、被検物１を透過した光束を折り返す折り返しミラーが配置される。また、その場合、折り返しミラーも被検物１と共通の回動可能なステージＳによって支持される。また、その場合も、回動軸の位置及び方向は、実施形態、変形例の何れかの干渉計におけるそれと同じである。
【００２８】
また、被検面ｏの透過波面を測定する場合、図６に示すようなマッハツェンダー型の干渉計を利用してもよい。このマッハツェンダー型の干渉計にも本発明が適用されている。
この干渉計においては、被検光束の光路と参照光束の光路とが完全に分離される。また、原理的に、参照光束と被検光束との光路差は、ゼロにはならない。図６において、「Ｍ」はミラー、「ＨＭ」はハーフミラーであり、その他の要素は、図１、図３、図４、図５における干渉計の各要素と同じ符号で示した。
【００２９】
この干渉計では、各ミラーＭと各ハーフミラーＨＭとが、参照物及びビームスプリッタの役割を果たす。よって、被検物１と共通の回動可能なステージＳによって支持されるのは、これらの各ミラーＭ及び各ハーフミラーＨＭである。
回動軸の方向は、光軸の存在する面に垂直な方向、回動軸の位置は、被検物１の被検面ｏにおける光軸の交差点Ａである。
【００３０】
また、上述した実施形態、変形例の何れかの干渉計においては、回動させる要素と回動させない要素とを反対にしてもよい。
例えば、第１実施形態の干渉計（図１参照）においては、回動させる要素（ステージＳに固定される要素）が、被検物１及び参照物２であったが、それ以外の要素（図１中点線で囲まれた要素）、すなわちレーザ光源１１、ビームエキスパンダ１２、ビームスプリッタ１３、結像レンズ１４、撮像装置１５としてもよい。
【００３１】
その場合、レーザ光源１１、ビームエキスパンダ１２、ビームスプリッタ１３、結像レンズ１４、撮像装置１５が回動可能な共通のステージ（不図示）によって支持される。そのステージの回動軸の位置及び方向は、第１実施形態におけるそれと同じである。
［第３実施形態］
以下、図７を参照して本発明の第３実施形態を説明する。
【００３２】
本実施形態は、フィゾー型の干渉計、及びその干渉計により被検面ｏの透過波面を測定する干渉測定方法の実施形態である。
図７に、本実施形態の干渉計を示した。図７において、符号１’で示すのが、被検物１を透過した光束を折り返す折り返しミラーである。また、被検物１は、投影露光装置の投影光学系など、重量の大きい被検物である。このため、本干渉計において回動させる要素は、被検物１及び参照物２以外の要素としてある。
【００３３】
ここでは、上述した各実施形態との相違点のみ説明する。
相違点は、図７に示すように、レーザ光源１１からの射出光が光ファイバ１２’によって導光される点と、レーザ光源１１を回動させる代わりにその光ファイバ１２’の出射端１２ａ’を回動させる点とにある。
よって、本干渉計では、光ファイバ１２’の出射端１２ａ’、ビームエキスパンダ１２、結像レンズ１４、撮像装置１５が、回動可能な共通のステージＳ”によって支持される。そのステージＳ”の回動軸の方向は、光軸の存在する面に垂直な方向、回動軸の位置は、被検物１の被検面ｏにおける光軸の交差点Ａである。
【００３４】
このように、本干渉計では、重量の大きい要素（被検物１，レーザ光源１１）を回動の対象から外すことでステージＳ”の負担を抑え、干渉縞の位相φの変調精度を保っている。
また、本干渉計では、上述した実施形態の何れかの干渉計と同様、干渉縞の位相φを変調する際に参照物２及び被検物１に投光する光束の角度を変化させる。
【００３５】
このとき、参照光束と被検光束との光路差は、被検面ｏの全面に亘り均一に変化する。よって、干渉縞の位相φも、干渉縞の全面に亘り均一に変化する。
したがって、被検物１が光学系（投影光学系など）であったとしても、また、その光学系のＮＡが大きかったとしても、その被検面ｏの透過波面の形状を正確に示す画像データ群を取得することができる。
【００３６】
因みに、この事実は、光学系の透過波面の測定に限らず、レンズやミラーの凹面又は凸面の測定に本発明を適用した場合に、同様に当てはまる。
［第４実施形態］
以下、図８、図９、図１０を参照して本発明の第４実施形態を説明する。
本実施形態は、被検物１が平行平面板であるときに好適な干渉測定方法の実施形態である。
【００３７】
本干渉測定方法には、図８に示すように、上述した実施形態、変形例の何れかの干渉計と、コンピュータ３０とからなるシステム用いられる。なお、図８には、第２実施形態の干渉計（図３参照）を代表して示した。
先ず、干渉計で生じる誤差について説明する。
被検物１が平行平面板であるときには、撮像装置１５の撮像面１５ａには、図８の円枠内に模式的に示したように、参照光束Ｌｒと被検光束Ｌｏとの他に、被検面ｏの裏面で反射して生じたノイズ光束Ｌｎも入射する。このため、干渉計が取得する画像データ群には、そのノイズ光束Ｌｎによるノイズ成分も重畳している。
【００３８】
本干渉測定方法では、干渉計が取得した画像データ群からこのノイズ成分を除去し、必要な成分（信号成分）のみを抽出し、被検面ｏの形状を正確に示すデータを得ることを試みる。
次に、本干渉測定の手順を図９に基づき説明する。
図８に示す干渉計により画像データ群を取得し、コンピュータ３０に取り込む（図９ステップＳ１）。この画像データ群は、前述した実施形態の説明で述べたとおり、ステージＳの回動角度θを変化させながら取得したものである。
【００３９】
この画像データ群は、ステージＳの回動角度θの変化に伴う干渉縞の輝度変化を示す。コンピュータ３０は、この画像データ群から、各画素の画素値変化の波形（干渉縞上の各位置の輝度変化の波形）をそれぞれ認識し、それらの波形をそれぞれフーリエ変換する（図９ステップＳ２）。
フーリエ変換してできるフーリエスペクトルには、例えば図１０に示すように、複数のピークが生じる（なお、図１０において横軸は輝度変化の周波数、縦軸は輝度である。）。
【００４０】
ここで、画像データのノイズ成分と信号成分とは、回動角度θの変化に伴いそれぞれ周期的に変化するが、その変化周波数は互いに異なる。また、ノイズ成分の変化周波数は、或る特定の周波数である。
このため、このフーリエスペクトルの特定のピーク、例えば矢印で示すピークを、ノイズ成分とみなすことができる。
【００４１】
そこで、コンピュータ３０は、フーリエスペクトルのうち、ノイズ成分を除いた特定の周波数範囲のピーク（例えば点線で囲まれたピーク）を信号成分とみなして抽出し、その実数部分と虚数部分とに基づき信号成分の輝度変化の初期位相φ’を求める。
この初期位相φ’の算出を各画素について行えば、干渉縞の位相分布が誤差無く求まる。この分布が、被検面ｏの形状を正確に示す（以上、図９ステップＳ３）。
【００４２】
以上、本干渉測定方法では、ノイズ成分と信号成分とを画像データ群の解析によって分離する。その解析には、「回動角度θの変化に伴い、画像データのノイズ成分と信号成分とは互いに異なる周波数で変化する」という事実を利用する。よって、本干渉計の特徴が、測定のさらなる高精度化のために有効に利用される。
因みに、本干渉測定方法においては、被検物１（ここでは平行平面板）の厚さがたとえ薄かったとしても、ノイズ成分と信号成分との変化周波数は確実に異なるので、同じ効果を得ることができる。
【００４３】
なお、本実施形態では、フーリエスペクトルの特定のピークの実数部分と虚数部分とに基づき、信号成分の輝度変化の初期位相φ’を直接算出した（ステップＳ３）が、次のようにしてもよい。
すなわち、フーリエスペクトルの特定のピークを逆フーリエ変換して画素値の信号成分の変化の波形を算出し、その算出を各画素について行い、それによって得られた画像データの信号成分の変化の波形に基づき、干渉縞の位相分布を求める。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１実施形態の干渉計の構成図である。
【図２】回動角度θと光路差Ｌとの関係を示す図である。
【図３】第２実施形態の干渉計の構成図である。
【図４】第２実施形態の干渉計の変形例を示す図である。
【図５】図４の干渉計をトワイマン・グリーン型の干渉計に変形したものを示す図である。
【図６】本発明が適用されたマッハツェンダー型の干渉計の構成図である。
【図７】第３実施形態の干渉計の構成図である。
【図８】第４実施形態の干渉測定方法で用いられるシステムの構成図である。
【図９】第４実施形態の干渉測定方法の手順を示すフローチャートである。
【図１０】フーリエスペクトルの例を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  被検物
ｏ  被検面
２  参照物
ｒ  参照面
１１  レーザ光源
１２  ビームエキスパンダ
１２’  光ファイバ
１３  ビームスプリッタ
１４  結像レンズ
１５  撮像装置
２０  制御部
３０  コンピュータ
【図１】
2006010412.tif 000003
【図２】
2006010412.tif 000004
【図３】
2006010412.tif 000005
【図４】
2006010412.tif 000006
【図５】
2006010412.tif 000007
【図６】
2006010412.tif 000008
【図７】
2006010412.tif 000009
【図８】
2006010412.tif 000010
【図９】
2006010412.tif 000011
【図１０】
2006010412.tif 000012