(57)【要約】  任意の被検査物体の面形状を非破壊・非接触・高精度・広傾斜角ダイナミックレンジで計測できる技術を提供する。  二光束干渉計を用いた白色干渉法において、参照平面の面方位をその入射光軸に対して変化させられるよう構成し、被検査面上の任意の位置における局所面方位に対して、前記参照平面の面方位を相対的に変化させながら、前記被検査面からの反射光と前記参照平面からの反射光の干渉により生成されるインターフェログラムを複数取得し、それらから前記被検査面上の局所面方位を求めることにより前記被検査面の面形状を計測する。
2014185133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査面と参照面を対比させることによって被検査面上の任意の位置において前記被検査面の面高さと面方位の両方を測定する面形状計測方法において、前記面高さおよび面方位共に、前記被検査面上の２以上の位置における測定データから算出することを必要とせず、前記被検査面と対比する参照面を変化させることによって、前記被検査面上の１つの位置における測定データのみで決定できるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項２】
連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する光源、または単色光を発する光源から発せられた照明光束を２分割して被検査面と参照面に入射させ、前記被検査面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を干渉計で干渉させて前記被検査面の面形状を計測する面形状計測方法において、前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位を変化させられるよう構成し、前記被検査面上の１つまたは複数の位置において前記被検査面の局所面方位を測定できるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項３】
請求項２記載の面形状計測方法において、前記参照面に平面鏡を用い、前記参照面の面方位を、互いに直交し、共に光軸に直交する２軸方向に傾斜または回転可能なよう構成することにより、前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位を変化させられるようにしたことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項４】
請求項２記載の面形状計測方法において、前記参照面に、反射面の局所面方位が、互いに直交し、共に光軸に直交する２軸方向に連続的、または離散的に変化する曲面鏡を用い、前記参照面全体を光軸に直交する２軸方向に平行移動させることにより、前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位を変化させられるようにしたことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項５】
請求項２から４のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面上の任意の位置における局所面方位に対して、前記参照面の面方位を相対的に変化させ、前記被検査面上の局所面方位と前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位が等しくなったときの前記参照面の面方位を求めることにより前記被検査面の局所面方位を測定するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項６】
請求項５記載の面形状計測方法において、前記被検査面上の局所面方位と前記参照面の面方位が等しくなたったことを、前記被検査面からの反射光束と前記参照面からの反射光束の干渉によって得られるインターフェログラムにおいて干渉コントラストが最大になることをもって判定するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項７】
請求項６記載の面形状計測方法において、前記インターフェログラムを構成する干渉強度データから相対標準偏差を算出して前記干渉コントラストとして用いるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の面形状計測方法において、干渉コントラストが最大になるときの前記参照面の面方位を求める際に、前記面方位を連続的または十分細かい刻みで離散的に変えて測定された干渉コントラストの中から最大値を見つけてその最大値に対応する前記面方位を求める代わりに、前記面方位を粗く離散的に変えて測定された複数の干渉コントラスト値に、所定の干渉コントラスト分布関数を、前記干渉コントラストの最大値に対応する面方位を未知数として適合させ、最も適合するときの面方位として求めるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項９】
請求項２から８のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面に対して照明光軸方向にＺ軸をとり、前記被検査面のＺ座標の値を前記被検査面の高さと呼ぶとき、前記被検査面上の２以上の位置において測定した面方位データから積分処理により前記各位置における前記被検査面の面高さ算出値を得る機能を備えたことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１０】
請求項２から９のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面上の任意の位置において得られたインターフェログラムを用いて、前記被検査面の局所面方位と高さの両方を測定するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の面形状計測方法において、前記照明光束として連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する照明光を前記被検査面および前記参照面に照射するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の面形状計測方法において、前記照明光束として、前記高さを測定するための連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する光源と、前記局所面方位を測定するための単色光源を備え、前記各光源からの照明光を同時または順次、前記被検査面および前記参照面に照射するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１３】
請求項１、または９から１２のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面上における測定位置を変化させるために前記被検査面を有する試料の位置を移動させる試料移動ステージを備え、前記被検査面上の２以上の位置において測定した面方位データから積分処理により前記各位置における面高さ算出値を得る機能を備え、前記各位置で測定した面高さと前記面高さ算出値を比較する機能を備えたことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の面形状計測方法において、前記各位置で測定した面高さと前記面高さ算出値を比較した結果に基づき、前記試料移動ステージを移動させたことに伴う前記試料全体の高さ変動分布を得ることができるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１５】
連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する光源と、ビームスプリッタによって照明光束を測定光束と参照光束に分割し、前記測定光束を第１の対物レンズを通して被検査面との間で往復させ、前記参照光束を前記第１の対物レンズと特性が一致するよう製作された第２の対物レンズを通して、参照面との間で往復させるよう構成し、被検査面を含む試料を搭載し測定位置を移動させると共に、前記試料と前記第１の対物レンズとの間の前記測定光束の光軸に沿った方向の相対距離を変化させることが可能な試料移動ステージを備え、前記測定光束を前記被測定面との間で往復させる光学的距離と、前記参照光束を前記参照面との間で往復させる光学的距離の相対差で表わされる光路差に変化を与えた上で、往復後の前記測定光束と前記参照光束を再合成して干渉させる干渉計と、前記試料移動ステージおよび前記干渉計を制御する制御部と、前記干渉計で得られる干渉光の強度を電気信号に変換する光検出器と、前記光検出器の出力信号を処理するデータ処理部を備え、前記被検査面上の複数のサンプリング位置で、前記試料移動ステージと前記干渉計を制御し、前記光検出器から得た出力信号を前記データ処理部で計算処理することによって、被検査面の面形状を計測する面形状計測装置において、前記干渉計の前記参照面に平面鏡を用い、前記参照面の面方位を、互いに直交し、共に光軸に直交する２軸方向に傾斜または回転可能なように設置し、前記制御部は前記参照面の面方位を前記２軸の方向に変化させると共に、前記試料移動ステージの前記測定光束の光軸に沿った方向の位置を変化させることにより前記光路差を変化させ、前記光検出器は前記面方位および前記光路差の変化に伴う前記干渉光の強度変化を電気信号に変換し、前記データ処理部は前記電気信号の変化を計算処理して、前記被検査面上の前記サンプリング位置における被検査面の局所面方位を検出するよう構成したことを特徴とする面形状計測装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の面形状計測装置において、前記局所面方位の検出は、前記参照面の面方位を前記２軸の方向で段階的に複数変化させ、前記光路差を所定の範囲で走査したときに観測される前記干渉光の干渉コントラストに、所定の干渉コントラスト分布関数を、前記干渉コントラストの最大値に対応する面方位を未知数として適合させ、最も適合するときの面方位として求めるよう構成したことを特徴とする面形状計測装置。
【請求項１７】
請求項１５または１６記載の面形状計測装置において、前記被検査面に対して照明光軸方向にＺ軸をとり、前記被検査面のＺ座標の値を前記被検査面の高さと呼ぶとき、前記被検査面上の２以上の位置において測定した面方位データから積分処理により前記各位置における前記被検査面の面高さ算出値を得る機能を備えたことを特徴とする面形状計測装置。
【請求項１８】
請求項１５から１７のいずれかに記載の面形状計測装置において、前記被検査面上の任意の位置において得られたインターフェログラムを用いて、前記被検査面の局所面方位と高さの両方を測定するよう構成したことを特徴とする面形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元物体の表面形状を計測する面形状計測方法および面形状計測装置に関する。例えば特に、反射面または屈折面が曲面から成る光学素子を、光を用いて非破壊・非接触・高精度・広傾斜角ダイナミックレンジで計測するのに好適な面形状計測方法および面形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、三次元物体の表面形状を、光を用いて非破壊・非接触で高精度に計測する技術としては、例えば、非特許文献１、および、米国特許第５,３９８,１１３号明細書（公報）（特許文献１）に記載されているように、白色光を発する光源と二光束干渉計を組み合わせ、対物レンズを経て、試料表面上の微小領域からの反射光と前記二光束干渉計内に内蔵された参照平面からの反射光からの反射光を干渉させて得られる干渉図形（インターフェログラム）を二次元イメージセンサで検出することによって試料表面の高さ分布を計測するものがある。この技術では、前記二次元イメージセンサの各画素において、その画素の有効受光領域内に入射する、前記試料表面からの反射光と、前記参照平面からの反射光が干渉を起こす。前記参照平面は、少なくとも前記試料の面形状測定中には、前記参照平面の面方位はその入射光軸に対して変化させるよう構成されておらず固定して用いるものであり、前記試料表面の傾斜角分布に関する情報は直接測定していない。特開２００６−２４２８５３公報（特許文献２）には、単色干渉法で用いる二光束干渉計内に、参照面として面精度の高い基準平面を設置する代わりに、試料と概略等しい面形状を有する基準物体を設置し、前記参照面の面方位を調整する機構を含む技術が開示されている。【０００３】
一方、別の従来技術として、例えば、非特許文献２のｐｐ．３０６〜３０７に記載されているように、オートコリメータを用いて試料表面の傾斜角分布を測定する技術もある。この技術では、傾斜角分布を積分することにより、前記試料表面の高さ分布を得ることも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５,３９８,１１３号
【特許文献２】特開２００６−２４２８５３公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐藤  敦著「白色干渉法を利用した最新の表面形状評価技術」、表面技術、Ｖｏｌ．５７，Ｎｏ．８，ｐｐ．５５４−５５８、２００６年発行
【非特許文献２】近藤  余範著「表面形状の計測技術と標準に関する調査研究」、産総研計量標準報告、Ｖｏｌ．８，Ｎｏ．３，ｐｐ．２９９−３１０、２０１１年９月発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記米国特許第５,３９８,１１３号明細書（公報）（特許文献１）に記載されているような白色干渉方式の面形状計測技術では、前記二つの反射光の波面が平行である、すなわち、前記試料表面上の前記画素に対応する被測定領域における面方位とそこへの入射光軸に対して成す角と、前記参照平面の面方位とそこへの入射光軸が成す角が等しい場合は、前記画素内で前記二つの反射光間の光路差は場所によらず等しくなるため、一様な干渉効果が得られる。ところが、前記二つの波面が平行でなく、互いにある角度で傾いている場合、前記画素内において、前記二つの反射光間で光路差が場所によって変化するため、干渉効果が一様ではなくなり、前記画素内における光路差の差が照明波長以上になると、平均化により干渉効果が打ち消されてしまうため、表面形状が計測できなくなってしまう。さらに、干渉効果を減衰させず十分なＳ／Ｎで検出できるものとするためには、前記画素内における光路差の差は照明波長の１／２以内程度に抑える必要がある。前記技術では、少なくとも前記試料の面形状測定中には、前記参照平面の面方位はその入射光軸に対して変化させるよう構成されておらず固定して用いるものであるため、前記試料表面上の被測定領域における面方位が変化した場合、このように干渉効果を減衰させる事態が発生してしまう。【０００７】
ここで、前記各画素の幅をｄ、前記対物レンズの点像幅をｄ’、照明波長をλ、前記試料表面上の前記画素に対応する被測定領域における面方位とそこへの入射光軸に対して成す角と、前記参照平面の面方位とそこへの入射光軸が成す角の差をθとする。前記点像幅ｄ’とは、前記対物レンズの点像分布関数の強度が十分に小さくなる片側の裾から反対側の裾までの幅を指すものとする。この場合ｄ’は、解像限界として一般に良く用いられるレーリー限界の１．６倍程度となる。ｄがｄ’より大きい場合には、
ｄ・ｔａｎ２θ≧λ／２  ・・・  式１
のとき、干渉効果の減衰が発生する。また、ｄがｄ’より小さい場合には、式１のｄをｄ’で置き換えて、
ｄ’・ｔａｎ２θ≧λ／２  ・・・  式２
のとき、干渉効果の減衰が発生する。どちらの場合にしても、このように干渉効果が減衰してしまわないようにするためには、
ｄ’・ｔａｎ２θ＜λ／２  ・・・  式３
としなければならず、θが式３を満たす範囲を超えると、面形状計測が困難となる。照明光に可視光を用いる場合、その中心波長はλ＝６００ｎｍ前後であり、面形状計測に好適な、作動距離の大きな対物レンズでは、開口数（ＮＡ）が大きなものでＮＡ＝０．５５程度であるため、ｄ’≧１．０６マイクロメートル程度となる。このとき、前記試料表面の傾斜角が大きなって、θ≧７．９°になると、式３は満たされなくなり、干渉効果を利用した面形状計測が困難となってしまう。【０００８】
これに対し、特開２００６−２４２８５３公報（特許文献２）で開示されている技術では、前記参照面の面方位を調整する機構を備えており、前記試料面上の傾斜角の大きい箇所での干渉効果を確保することは考慮されている。しかし前記機構は、試料の高さ分布計測を始める前に、二光束干渉計内の光軸と各光学要素との間のアライメントを試料面全体において最適化するために用いるものであり、前記技術では試料面と参照面が概略等しい面形状分布を有することを前提としているため、局所的に試料面と参照面の面形状が異なる状況は考慮されておらず、前記アライメントは前記試料面全体に対して行うのみとなっている。このため前記技術では、試料面の高さ分布自体を直接得ることはできず、参照面として設置された前記基準物体面の高さ分布に対する、前記試料面の高さの偏差の分布しか計測できない。また、前記試料面の傾斜角分布に関する情報を測定する技術も含まれていない。このように前記技術では、任意の面形状を有する試料の面形状を計測することはできない。【０００９】
一方、非特許文献２のｐｐ．３０６〜３０７に記載されているようなオートコリメータを用いて試料表面の傾斜角分布を測定する面形状計測技術においては、高精度なオートコリメータの測定範囲は±数十秒から±数百秒程度であり、測定対象となる表面形状は、平面もしくは緩やかな曲面に限られ、前記試料表面の傾斜角が大きくなると、面形状計測が困難となってしまう。【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、任意の被検査物体の面形状を非破壊・非接触・高精度・広傾斜角ダイナミックレンジで計測できる技術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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、二光束干渉計を用いた白色干渉法において、参照平面の面方位をその入射光軸に対して変化させられるよう構成し、被検査面上の任意の位置における局所面方位に対して、前記参照平面の面方位を相対的に変化させながら、前記被検査面からの反射光と前記参照平面からの反射光の干渉により生成されるインターフェログラムを複数取得し、それらから前記被検査面上の局所面方位を求めることにより前記被検査面の面形状を計測する技術を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、任意の被検査物体の面形状を、光を用いて非破壊・非接触で計測できるだけでなく、高い精度と広い傾斜角ダイナミックレンジで計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る面形状計測方装置の構成を示す図である。
【図２（ａ）】本発明の第１の実施の形態に係るインターフェログラムの例を示す図である（単色光源の場合）。
【図２（ｂ）】本発明の第１の実施の形態に係るインターフェログラムの例を示す図である（広帯域波長光源の場合）。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る面形状計測装置の動作フローを示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る面形状計測装置で参照平面の面方位を変化させたときの効果を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る面形状計測方装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る面形状計測装置の構成を示す図である。光源１にはハロゲンランプ、Ｘｅランプ、またはＬＥＤなど、連続する波長の光を発生する広帯域波長光源を用いる。光源１から出た光束は集光および平行光束化のためのレンズあるいは反射鏡から成る照明光学系２を経て平行光束３０となり、二光束干渉計３内のビームスプリッタ４に入射する。平行光束３０はビームスプリッタ４で２分割され、一方は試料側対物レンズ５を経て試料４０の表面上の照明領域４１に入射したのち反射され、試料側反射光束３１となって再び試料側対物レンズ５を経てビームスプリッタ４に戻る。試料４０は、試料移動ステージ１１上に搭載してあり、前記試料側対物レンズ５の光軸に関して、直交する２軸方向（Ｘ軸およびＹ軸とする）と光軸方向（Ｚ軸とする）に移動可能である。前記Ｘ軸およびＹ軸は、試料４０上で前記照明領域４１の位置を移動させるために用い、Ｘ−Ｙ駆動・制御部１２によってＸ座標値およびＹ座標値が制御される。前記Ｚ軸はピエゾ素子１３（図示せず）によって駆動され、Ｚ軸制御部１４によりＺ座標値を概略１ナノメートルの分解能で制御することが可能である。前記ビームスプリッタ４で２分割された光束のうちの他方は、参照側対物レンズ６を経て参照平面７に入射したのち、参照側反射光束３２となって再び参照側対物レンズ６を経て前記ビームスプリッタ４に戻る。ここで、前記試料側対物レンズ５と前記参照側対物レンズ６は、前記ビームスプリッタ４からの距離が互いに等しくなるように設置してある。また、前記参照平面７は前記参照側対物レンズ６の合焦位置に設置してあり、２軸傾斜機構１５により、光軸と直交し、前記試料移動ステージ１１のＸ−Ｙ軸に対応する２軸に関して傾斜角を変化させることができる。以下では、前記Ｘ軸に対応する方向の傾斜角をθｘ、前記Ｙ軸に対応する方向の傾斜角をθｙとする。θｘとθｙの駆動は、各々ピエゾ素子１６・１７（図示せず）によって行われ、傾斜角制御部１８により概略５マイクロラジアンの分解能で角度制御が可能である。このようにして前記ビームスプリッタ４に戻った前記試料側反射光束３１と前記参照側反射光束３２は波動光学的に結合され、干渉光束３３を生じる。干渉光束３３は結像レンズ８に入射したのち、その一部が前記結像レンズの結像面に設置した像面絞り９を通過する。前記結像レンズ８は、前記照明領域４１が前記試料側対物レンズ５の合焦位置に置かれている状態で、前記照明領域４１の像を前記結像面に結像するよう調整してある。前記像面絞り９を通過した前記干渉光束３３は、光検出器１０に導かれ、その光強度が電気信号に変換され、干渉光強度信号３４となる。干渉光強度信号３４はＡ／Ｄ変換器２０を経て、コンピュータ２１に取り込まれ、演算処理が施される。またコンピュータ２１は、前記Ｘ−Ｙ駆動・制御部１２、前記Ｚ軸制御部１４、前記傾斜角制御部１８に指令を与え、前記のＸ座標値、Ｙ座標値、Ｚ座標値、θｘ、およびθｙの各値を変化させる。
【００１６】
マイケルソン干渉計に代表される二光束干渉計では一般に、分割した二光束の間に人為的に位相差の変化を与えたのち、これらを再合成して干渉させ、位相差の変化に伴う干渉光強度の変化を記録する。位相差の変化に伴う干渉光強度の変化の数値データ、あるいは前記数値データをグラフ化した図形、あるいは前記干渉光強度の変化を空間的に明暗の光量分布として生成せしめた光学像は、インターフェログラム（干渉図形）と呼ばれる。前記位相差は、前記二光束が、各々分割されて再合成されるまでにたどった光路の光路差、すなわち光学的距離の差と、使用している光の波長で決まる。本実施例の光学系では前記二光束の間の光路差は、ビームスプリッタ４→試料側対物レンズ５→試料４０上の照明領域４１→試料側対物レンズ５→ビームスプリッタ４の光路の光学的距離と、ビームスプリッタ４→参照側対物レンズ６→参照平面７→参照側対物レンズ６→ビームスプリッタ４の光路の光学的距離の差となる。ここで、位相差をφラジアン、前記２分割された光束の間の光路差をΔＬマイクロメートル、使用している波長をλマイクロメートルとすると、
φ＝２πΔＬ／λ    ・・・  式４
となる。そこで二光束干渉計においては、前記二光束のうち一方の光路中に反射鏡を置き、前記反射鏡の位置を平行移動させることにより光学的距離を変化させてインターフェログラムを記録するように構成されているものが多い。用いる光源が単一の波長の光のみを発する単色光源の場合には、光路差が光源の波長の２倍になるごとに等しい干渉光強度変化が繰り返し発生するので、図２ａに示すような単一のＣＯＳ波形から成るインターフェログラムが得られる。一方、連続する波長の光を発生する広帯域波長光源を用いる場合には、二光束の間の干渉は、いわゆる白色干渉となり、図２ｂに示すように、光源に含まれる各波長において位相差が共通して概略ゼロになるような光路差（ゼロ光路差）において極大値を取り、その周辺においてのみ振動波形が観測されることが良く知られている。
【００１７】
以下、試料４０が試料移動ステージ１１に搭載されたのちの前記コンピュータ２１の動作を、図３の動作フローを用いて説明する。図３の動作フローの処理は、前記コンピュータ２１内に、傾斜角測定機能５０として内蔵されている。
【００１８】
本実施例ではＳｔｅｐ  ９からＳｔｅｐ  １２に示すように、前記コンピュータ２１が、前記Ｚ軸制御部１４に指令を出してＺ座標値を所定の初期位置から終了位置まで移動させるとともに、前記干渉光強度信号３４を取り込むことにより、１本のインターフェログラムを記録する。前記初期位置および終了位置は、前述のゼロ光路差が含まれるよう決定される。このとき得られるインターフェログラムの形状は概略図２ｂのようになる。ここで、干渉コントラストＣなる量を定義する。用いる光源が単色光源の場合は、干渉コントラストＣは一般に次式にて定義される。ただし、Ｚ座標を一定の刻みで、Ｚ０，Ｚ１，・・・，Ｚｎと変化させ、各Ｚｉにおける干渉光強度をＪｉとし、ｍａｘ｛Ｊｉ｝をＪ０，Ｊ１，・・・，Ｊｎの中の最大値、ｍｉｎ｛Ｊｉ｝を最小値とする。
Ｃ＝［ｍａｘ｛Ｊｉ｝−ｍｉｎ｛Ｊｉ｝］
／［ｍａｘ｛Ｊｉ｝＋ｍｉｎ｛Ｊｉ｝］  ・・・  式５
しかし、白色光源を用いる場合は、図２ｂのように干渉強度の振動波形はゼロ光路差周辺でのみ観察され、ゼロ光路差から離れるにつれて振動の方絡線は減衰していくため、上式での定義は不適切である。そこで本発明では干渉コントラストＣを、ゼロ光路差位置のｚ座標をＺｃとし、ＺａからＺｂの範囲で干渉強度の振動波形が観測され、ａ≦ｉ≦ｂの範囲における干渉強度｛Ｊｉ｝の平均値をＪ０としたときに、次式で定義するものとする。
ｂ
Ｃ＝［｛Σ(Ｊｉ−Ｊ０)＾２｝／(ｂ−ａ＋１)｝］＾(１／２)／Ｊ０
ｉ＝ａ
・・・  式６
式６はａ≦ｉ≦ｂの範囲における、｛Ｊｉ｝の相対標準偏差に等しい。この干渉コントラストの算出はＳｔｅｐ  １３で行う。本実施例ではＳｔｅｐ  ５からＳｔｅｐ  １５に示すように、前記コンピュータ２１が、前記傾斜角制御部１８に指令を出してθｘおよびθｙを所定の初期位置から終了位置まで所定の刻み分だけ移動させるごとに、前記１本のインターフェログラムの記録を行う。
【００１９】
ここで、本実施例の構成と同様の二光束干渉計を用いて、実際に行った実験の結果を図４に示す。前記実験では、前記試料４０として、予め光軸に対して所定の傾斜角を与えた平面ミラー４２を置き、前記参照平面７の傾斜角を変化させ、そのとき得られる前記参照平面７の傾斜角と前記干渉コントラストＣの関係を調べた。実験の結果、試料として置いた前記平面ミラー４２の傾斜角と、前記参照平面７の傾斜角が等しくなったときに、前記干渉コントラストＣが最大になることが確認された。また本実験では、本実施例の構成と異なる点として、前記像面絞り９は脱着可能とし、代わりにＣＣＤカメラを置けるようにし、前記干渉光束３３を前記結像レンズ８で結像させた時にできる像を観察できるようにした。その結果、前記平面ミラー４２と前記参照平面７の傾斜角が異なる時は、前記ＣＣＤカメラで取得した画像上には明暗の干渉縞が現れ、前記傾斜角の差が小さくなるにつれて前記干渉縞の間隔が広くなり、前記傾斜角が等しくなって差がなくなると、前記干渉縞が観測されなくなることが分かった。上記の２つの実験結果より、前記平面ミラー４２と前記参照平面７の傾斜角が等しくなると、前記像面絞り９の領域全体で光路差が等しくなって明暗の干渉縞が観測されず、前記平面ミラー４２を光軸方向に移動させると、前記領域内を通過する光束の位相は全体が一様に変化するため、前記干渉コントラストＣが最大になる、ということが分かる。前記試料４０の表面形状は一般に非平面であると考える必要があるが、光学顕微鏡下で微視的な前記照明領域４１における前記表面形状は近似的に十分に平面であると見なすことができるので、上記実験結果から、前記試料４０上の前記照明領域４１における局所微小平面の傾斜角は、前記干渉コントラストＣが最大になる時の前記参照平面７の傾斜角を検出することにより計測できることが分かった。また、前記平面ミラー４２の傾斜角が大きくなっても、それに合わせて前記参照平面７の傾斜角を同様に大きくすることで、前記領域内を通過する光束の位相を一様にそろえることができ、干渉コントラストを確保できる。
【００２０】
再び図３の動作フローに戻る。本実施例ではＳｔｅｐ  １６で、前記干渉コントラストＣが最大となる（θｘ，θｙ）の組を検出する。解となる（θｘ，θｙ）の組を高い精度で得るためには、Ｓｔｅｐ  １４およびＳｔｅｐ  １５において、θｘ・θｙを振る際の刻みを十分細かくする必要があるが、一方で図４から示されるように、前記干渉コントラストＣは、その極大点付近ではθｘ・θｙの変化に対して非常に緩慢な変化しか示さず、前記干渉コントラストＣの測定結果がノイズの重畳によって揺らぐと、大きな誤差を招いてしまう。そこで本発明ではＳｔｅｐ  １６において、Ｓｔｅｐ  ５からＳｔｅｐ  １５で振って得られ複数の干渉コントラストＣの数値に対して、所定のフィッティング関数Ｆ（θｘ，θｙ）を頂点位置に対応する（θｘ，θｙ）の値を未知数として最小二乗法によりフィッティングし、最も適合する結果として得られたた（θｘ，θｙ）の組を解とする。このとき求められた（θｘ，θｙ）の組が、前記試料移動ステージ１１上の搭載された前記試料４０上の前記照明領域４１における局所微小平面の、Ｘ−Ｙの２軸方向の傾斜角の測定値となる。前記試料４０上の全面について傾斜角を得るためには、Ｓｔｅp  １からＳｔｅｐ  １８に示すように、前記試料移動ステージ１１をＸ−Ｙ方向に移動させて、Ｓｔｅp  ５からＳｔｅｐ  １６に示す処理を繰り返す。このようにして本実施例では、前記試料４０上の全面において、傾斜角分布（θｘ，θｙ）を測定できる。
【００２１】
ここで、前記試料移動ステージ１１上の搭載された前記試料４０上の前記照明領域４１における局所微小平面の、Ｘ−Ｙの２軸方向の傾斜角（θｘ，θｙ）は、前記局所平面位置における試料面Ｚ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）の微分値になっている。すなわち、
θｘ＝∂Ｆ（Ｘ，Ｙ）／∂Ｘ  ，  θｙ＝∂Ｆ（Ｘ，Ｙ）／∂Ｙ  ・・・  式７
である。そこで、適切な初期値を与えることにより、Ｘ−Ｙの二次元平面上で（θｘ，θｙ）を積分することによって、逆にＺ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）の分布を再構築することが可能である。本実施例ではこの積分変換によりＺ高さに換算する傾斜角・高さ換算機能５１も備えており、上記で測定した傾斜角（θｘ，θｙ）の分布から、高さ分布Ｚ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）を求めることが可能である。
【００２２】
このようにして本実施例では、任意の被検査物体の面形状として高さ分布および傾斜角分布を、光を用いて非破壊・非接触・高精度・広傾斜角ダイナミックレンジで計測することができる。
【００２３】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を、その構成図である図５を参照しつつ説明する。
本実施例は、前記第１の実施の形態に加えて、前記試料４０上の前記照明領域４１における局所微小平面の高さＺを測定する機構を付加することにより、試料移動ステージの上下変動特性を評価することができるようにしたものである。前述のように前記第１の実施の形態では、傾斜角（θｘ，θｙ）の分布を直接測定することにより、高さ分布Ｚ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）を算出することが可能であるが、本実施例ではこれに加えて、高さ分布Ｚ＝Ｆ（Ｘ，Ｙ）を二光束干渉計を用いて直接測定する機能を有する。ここで、光学的に直接測定した高さ分布をＺ１＝Ｆ１（Ｘ，Ｙ）、傾斜角分布を積分することにより算出された高さ分布をＺ２＝Ｆ２（Ｘ，Ｙ）として区別することにする。Ｚ１においては、前記試料４０の高さ情報だけでなく、測定位置を移動させるために前記試料移動ステージ１１を駆動する際、前記ステージ面の不所望の上下高さ変動が誤差として含まれてしまう。一方で、前記ステージ面が駆動に伴って上下する際、角度方向の変動が十分小さいものであれば、傾斜角測定はその影響をほとんど受けないため、Ｚ２の方は誤差を伴わない。そこで、Ｚ１−Ｚ２の差分を算出することにより、前記試料移動ステージ１１の高さ変動特性を評価することが可能になる。そのために、本実施例では前記コンピュータ２１の中に、傾斜角測定機能５０および傾斜角・高さ換算機能５１に加えて、高さ測定機能５２と高さ差分検出機能５３を設ける。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
【００２４】
以上のように構成した本実施の形態では、第１の実施の形態で得られる効果の他に、試料移動ステージの上下変動特性を評価することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１：光源、２：照明光学系、３：二光束干渉計、４：ビームスプリッタ、５：試料側対物レンズ、６：参照側対物レンズ、７：参照平面、８：結像レンズ、９：像面絞り、１０：光検出器、１１：試料移動ステージ、１２：Ｘ−Ｙ駆動・制御部、１３・1６・１７：ピエゾ素子、１４：Ｚ軸制御部、１５：２軸傾斜機構、１８：傾斜角制御部、２０：Ａ／Ｄ変換器、２１：コンピュータ、３０：平行光束、３１：試料側反射光束、３２：参照側反射光束、３３：干渉光束、３４：干渉光強度信号、３５：インターフェログラム、４０：試料、４１：照明領域、５０：傾斜角測定機能、５１：傾斜角・高さ換算機能、５２：高さ測定機能、５３：高さ差分検出機能
【図１】
2014185133.tif 000003
【図２（ａ）】
2014185133.tif 000004
【図２（ｂ）】
2014185133.tif 000005
【図３】
2014185133.tif 000006
【図４】
2014185133.tif 000007
【図５】
2014185133.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月31日(2016.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する光源、または単色光を発する光源から発せられた照明光束を２分割して被検査面と参照面に入射させ、前記被検査面からの反射光束と前記参照面からの反射光束を干渉計で干渉させて前記被検査面の面形状を計測する面形状計測方法において、前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位を変化させられるよう構成し、前記被検査面上の１つまたは複数の位置において前記被検査面の局所面方位を測定できるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項２】
請求項１記載の面形状計測方法において、前記参照面に平面鏡を用い、前記参照面の面方位を、互いに直交し、共に光軸に直交する２軸方向に傾斜または回転可能なよう構成することにより、前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位を変化させられるようにしたことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項３】
請求項１記載の面形状計測方法において、前記参照面に、反射面の局所面方位が、互いに直交し、共に光軸に直交する２軸方向に連続的、または離散的に変化する曲面鏡を用い、前記参照面全体を光軸に直交する２軸方向に平行移動させることにより、前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位を変化させられるようにしたことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面上の任意の位置における局所面方位に対して、前記参照面の面方位を相対的に変化させ、前記被検査面上の局所面方位と前記参照面上の前記照明光束入射位置における面方位が等しくなったときの前記参照面の面方位を求めることにより前記被検査面の局所面方位を測定するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項５】
請求項４記載の面形状計測方法において、前記被検査面上の局所面方位と前記参照面の面方位が等しくなたったことを、前記被検査面からの反射光束と前記参照面からの反射光束の干渉によって得られるインターフェログラムにおいて干渉コントラストが最大になることをもって判定するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項６】
請求項５記載の面形状計測方法において、前記インターフェログラムを構成する干渉強度データから相対標準偏差を算出して前記干渉コントラストとして用いるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の面形状計測方法において、干渉コントラストが最大になるときの前記参照面の面方位を求める際に、前記面方位を連続的または十分細かい刻みで離散的に変えて測定された干渉コントラストの中から最大値を見つけてその最大値に対応する前記面方位を求める代わりに、前記面方位を粗く離散的に変えて測定された複数の干渉コントラスト値に、所定の干渉コントラスト分布関数を、前記干渉コントラストの最大値に対応する面方位を未知数として適合させ、最も適合するときの面方位として求めるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面に対して照明光軸方向にＺ軸をとり、前記被検査面のＺ座標の値を前記被検査面の高さと呼ぶとき、前記被検査面上の２以上の位置において測定した面方位データから積分処理により前記各位置における前記被検査面の面高さ算出値を得る機能を備えたことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面上の任意の位置において得られたインターフェログラムを用いて、前記被検査面の局所面方位と高さの両方を測定するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１０】
請求項９記載の面形状計測方法において、前記照明光束として連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する照明光を前記被検査面および前記参照面に照射するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１１】
請求項９記載の面形状計測方法において、前記照明光束として、前記高さを測定するための連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する光源と、前記局所面方位を測定するための単色光源を備え、前記各光源からの照明光を同時または順次、前記被検査面および前記参照面に照射するよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１２】
請求項８から１１のいずれかに記載の面形状計測方法において、前記被検査面上における測定位置を変化させるために前記被検査面を有する試料の位置を移動させる試料移動ステージを備え、前記被検査面上の２以上の位置において測定した面方位データから積分処理により前記各位置における面高さ算出値を得る機能を備え、前記各位置で測定した面高さと前記面高さ算出値を比較する機能を備えたことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の面形状計測方法において、前記各位置で測定した面高さと前記面高さ算出値を比較した結果に基づき、前記試料移動ステージを移動させたことに伴う前記試料全体の高さ変動分布を得ることができるよう構成したことを特徴とする面形状計測方法。
【請求項１４】
連続的または離散的に所定の波長帯域幅を有する光源と、ビームスプリッタによって照明光束を測定光束と参照光束に分割し、前記測定光束を第１の対物レンズを通して被検査面との間で往復させ、前記参照光束を前記第１の対物レンズと特性が一致するよう製作された第２の対物レンズを通して、参照面との間で往復させるよう構成し、被検査面を含む試料を搭載し測定位置を移動させると共に、前記試料と前記第１の対物レンズとの間の前記測定光束の光軸に沿った方向の相対距離を変化させることが可能な試料移動ステージを備え、前記測定光束を前記被測定面との間で往復させる光学的距離と、前記参照光束を前記参照面との間で往復させる光学的距離の相対差で表わされる光路差に変化を与えた上で、往復後の前記測定光束と前記参照光束を再合成して干渉させる干渉計と、前記試料移動ステージおよび前記干渉計を制御する制御部と、前記干渉計で得られる干渉光の強度を電気信号に変換する光検出器と、前記光検出器の出力信号を処理するデータ処理部を備え、前記被検査面上の複数のサンプリング位置で、前記試料移動ステージと前記干渉計を制御し、前記光検出器から得た出力信号を前記データ処理部で計算処理することによって、被検査面の面形状を計測する面形状計測装置において、前記干渉計の前記参照面に平面鏡を用い、前記参照面の面方位を、互いに直交し、共に光軸に直交する２軸方向に傾斜または回転可能なように設置し、前記制御部は前記参照面の面方位を前記２軸の方向に変化させると共に、前記試料移動ステージの前記測定光束の光軸に沿った方向の位置を変化させることにより前記光路差を変化させ、前記光検出器は前記面方位および前記光路差の変化に伴う前記干渉光の強度変化を電気信号に変換し、前記データ処理部は前記電気信号の変化を計算処理して、前記被検査面上の前記サンプリング位置における被検査面の局所面方位を検出するよう構成したことを特徴とする面形状計測装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の面形状計測装置において、前記局所面方位の検出は、前記参照面の面方位を前記２軸の方向で段階的に複数変化させ、前記光路差を所定の範囲で走査したときに観測される前記干渉光の干渉コントラストに、所定の干渉コントラスト分布関数を、前記干渉コントラストの最大値に対応する面方位を未知数として適合させ、最も適合するときの面方位として求めるよう構成したことを特徴とする面形状計測装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５記載の面形状計測装置において、前記被検査面に対して照明光軸方向にＺ軸をとり、前記被検査面のＺ座標の値を前記被検査面の高さと呼ぶとき、前記被検査面上の２以上の位置において測定した面方位データから積分処理により前記各位置における前記被検査面の面高さ算出値を得る機能を備えたことを特徴とする面形状計測装置。
【請求項１７】
請求項１４から１６のいずれかに記載の面形状計測装置において、前記被検査面上の任意の位置において得られたインターフェログラムを用いて、前記被検査面の局所面方位と高さの両方を測定するよう構成したことを特徴とする面形状計測装置。
【国際調査報告】
2014185133.tif 000009
2014185133.tif 000010