(57)【要約】本発明は、測定被検体（Ｏ）の表面又は境界面の測定用の干渉測定装置に関する。振動が測定結果に及ぼす影響を抑制するために、結合ユニット（ＶＥ）が設けられており、該結合ユニット（ＶＥ）を用いて、測定被検体（Ｏ）に配属された、測定装置の少なくとも１つの部分が前記測定被検体（Ｏ）と直接機械的に固定及び取り外し可能に結合することができる。
2004518985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定被検体（Ｏ）の表面又は境界面の測定用の干渉測定装置において、
結合ユニット（ＶＥ）が設けられており、該結合ユニット（ＶＥ）を用いて、測定被検体（Ｏ）に配属された、測定装置の少なくとも１つの部分が前記測定被検体（Ｏ）と直接機械的に固定及び取り外し可能に結合することができることを特徴とする干渉測定装置。
【請求項２】
結合ユニット（ＶＥ）は、差込−、クランプ−、緊着−、係止−、クリップ−又はネジ留め式結合部によって形成されている請求項１記載の干渉測定装置。
【請求項３】
被検光路と参照光路とを有する白色光干渉測定装置として構成されており、少なくとも反射参照面（ＲＳＰ２）は、結合ユニット（ＶＥ）を用いて測定被検体（Ｏ）と結合することができる請求項１又は２記載の干渉測定装置。
【請求項４】
被検光路と参照光路は、被検アームと参照アームとからなる相互に結合された固定ユニットを形成する請求項３記載の干渉測定装置。
【請求項５】
白色光干渉計は、変調干渉計（ＭＩ）と、被検体（Ｏ）に配属された結像干渉計（Ａｌ）とを有している請求項３又は４記載の干渉測定装置。
【請求項６】
短コヒーレントビームを放射するビーム形成ユニット（ＳＬＤ）、第１及び第２の部分ビーム（Ｔ１，Ｔ２）の形成用のビームスプリッタ（ＳＴ１）を有しており、測定のために、前記第１の部分ビーム（Ｔ１）の光路長が、前記第２の部分ビーム（Ｔ２）の光路長に対して相対的に変えられ、前記ビームスプリッタ（ＳＴ１）により形成された第１の部分ビーム（Ｔ１）は、先ず第１のアームを介して固定の第１のミラー（ＳＰ１）に配向され、第２の部分ビーム（Ｔ２）は、第２のアームを介して、反射要素（ＲＳＰ１）に配向され、前記第１のアームと第２のアームとの光路差は、前記ビームコヒーレント長よりも長く、前記第１のミラー（ＳＰ１）及び前記反射要素（ＲＳＰ１）から到来する共通に伝送されるビームは、別のビームスプリッタ（ＳＴ２）を用いて被検光路を介して測定被検体（Ｏ）へ伝送され、且つ、参照光路を介して参照ミラー（ＲＳＰ２）へ伝送され、前記参照ミラー（ＲＳＰ２）は、前記第１のミラー（ＳＰ１）と反射要素（ＲＳＰ１）との間の光路差がなくなるような、測定被検体（Ｏ）に関する距離に配設され、前記参照ミラー（ＲＳＰ２）に入射するビームと測定被検体（Ｏ）に伝送されるビームとが反射して重畳され、撮像装置（ＢＳ）を有する光検出装置によって撮像される請求項１から５迄の何れか１記載の干渉測定装置。
【請求項７】
参照光路は、固有の参照アーム内か、又は、光学ゾンデ（ＯＳ）内に形成され、前記参照アーム又は前記ゾンデにより、測定被検体（Ｏ）の方に誘導されるビームも伝送され、参照ミラー（ＲＳＰ２）は、前記参照光路に所属するビームを反射し、被検光路に所属するビームの一部分を透過する（コモンパス構成）請求項６記載の干渉測定装置。
【請求項８】
被検光路内に少なくとも１つの光学要素及び／又はビームの波面を変形する要素が設けられている請求項３から７迄の何れか１記載の干渉測定装置。
【請求項９】
被検光路内に、少なくとも１つの光学中間結像を形成するための光学装置付の光学ゾンデ（ＯＳ）が設けられている請求項３から８迄の何れか１記載の干渉測定装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの中間結像が被検光路内に形成される請求項９記載の干渉測定装置。
【請求項１１】
光学ゾンデ（ＯＳ）によって、測定被検体（Ｏ）に誘導され、且つ、当該測定被検体（Ｏ）から戻って来るビームも形成される請求項９又は１０記載の干渉測定装置。
【請求項１２】
参照ミラー（ＲＳＰ２）は平板又はプリズム上に設けられている請求項７から１１迄の何れか１記載の干渉測定装置。
【請求項１３】
ビームスプリッタ（ＳＴ１）と別のビームスプリッタ（ＳＴ２）との間に光ファイバ（ＬＦ）が設けられている請求項６から１２迄の何れか１記載の干渉測定装置。
【請求項１４】
被検光路内に、中間結像を形成するためにエンドスコープが設けられている請求項９から１３迄の何れか１記載の干渉測定装置。
【請求項１５】
被検光路内に、パノラマ光学系又はスーパーポジション光学系が設けられている請求項３から１４迄の何れか１記載の干渉測定装置。
【請求項１６】
種々異なる測定面の走査のために複数の参照面が設けられている請求項３から１５迄の何れか１記載の干渉測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、測定被検体の表面又は境界面の測定用の干渉測定装置に関する。
【０００２】
従来技術
その種の干渉測定装置は、ドイツ連邦共和国特許公開第１９７２１８４３号公報に公知技術として示されており、この公知の干渉測定装置は、変調干渉計として構成された部分と、結像干渉計として構成された、測定被検体に配属された部分とを有する白色光干渉測定装置として構成されている。結像干渉計は、狭幅な空洞内部でも測定できるように構成されている。ここで、第１の部分ビームを更に１つの参照部分ビームと少なくとも１つの測定部分ビームとに分離することが提案されており、別のビームスプリッタと参照ミラーとが共通の測定ゾンデ内に設けられている。その種の測定ゾンデは、空洞内に挿入されている。例えば、製造プロセス中、測定時に振動が生じると、測定装置及び／又は測定被検体の振動によって、測定結果が不正確になることがある。
【０００３】
白色光干渉計又は短コヒーレント干渉計の原理は、例えば、Ｐ． ｄｅ Ｇｒｏｏｔ， Ｌ． Ｄｅｃｋ， ”Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｈｉｔｅｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ” Ｊ． Ｍｏｄ． Ｏｐｔ．， Ｖｏｌ． ４２， Ｎｏ． ２３８９−４０１， １９９５ 及び Ｔ． Ｍａａｃｋ， Ｇ． Ｎｏｔｎｉ， Ｗ． Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒ， Ｗ．−Ｄ． Ｐｒｅｎｚｅｌ， ”Ｅｎｄｏｓｋｏｐｉｓｃｈｅ ３Ｄ−Ｆｏｒｍｍｅｓｓｓｙｓｔｅｍ”， Ｊａｈｒｂｕｃｈ ｆｕｅｒ Ｏｐｔｉｋ ｕｎｄ Ｆｅｉｎｍｅｃｈａｎｉｋ， ｅｄ． Ｗ． −Ｄ． Ｐｒｅｎｚｅｌ， Ｖｅｒｌａｇ Ｓｃｈｉｅｌｅ ｕｎｄ Ｓｃｈｏｅｎ， Ｂｅｒｌｉｎ， ２３１−２４０， １９９８ に説明されている。
【０００４】
更に、干渉測定装置の構成は、ドイツ連邦共和国特許公開第１９７２１８４３号公報にも示されている。この公知の測定装置では、ビーム形成ユニット、例えば、発光ダイオード又は超光発光ダイオードが、短コヒーレントビームを放射し、この短コヒーレントビームは、ビームスプリッタを介して、被検光路を通る第１の部分ビームと、参照光路を通る第２の部分ビームとに分割される。参照光路は、２つの偏向要素と、その後ろ側に設けられた固定の回折格子とを用いて、偏向要素の制御によって周期的に変えて、被検体表面を焦点深度方向に走査することができる。被検光路と参照光路とが一致する場合、光検出装置の後ろ側に接続された評価装置を用いて検出される干渉コントラストが最大となる。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許公開第４１０８９４４号公報に記載された別の白色光干渉測定装置では、参照ビーム路内の光路を変えるために、可動のミラーが用いられる。この方法でも、測定装置及び／又は測定被検体の振動が測定結果に作用しないようにすることはできない。
【０００６】
従って、本発明が基づく課題は、測定装置及び／又は測定被検体の振動が測定結果に出来る限り完全に作用しないようにした、冒頭に記載したような干渉測定装置を提供することである。
【０００７】
発明の利点
本発明によると、この課題は、結合ユニット（ＶＥ）が設けられており、該結合ユニット（ＶＥ）を用いて、測定被検体（Ｏ）に配属された、測定装置の少なくとも１つの部分が前記測定被検体（Ｏ）と直接機械的に固定及び取り外し可能に結合することができることにより解決される。
【０００８】
測定被検体と干渉測定装置とを機械的に結合することによって、測定被検体と測定装置とが振動する際、同様に運動が伝搬するので、振動により測定結果に誤差が生じることはなくなる。結合ユニットを用いて、測定被検体と測定装置とを測定過程に機械的に適合させることができる。その後、この結合を外して、後続の測定被検体に機械的に固定して結合することができ、例えば、量産する際、品質を制御することができる。
【０００９】
種々の実施例では、結合ユニットは、差込−、クランプ−、緊着−、係止−、クリップ−又はネジ留め式結合部によって形成されている。
【００１０】
原理的には、この振動補償用手段は、種々異なる干渉測定装置、例えば、典型的な干渉計及び２波長干渉計に、データ検出部を相応に構成して用いることができる。
【００１１】
干渉測定装置の有利な実施例では、被検光路と参照光路とを有する白色光干渉測定装置として干渉測定装置が構成されており、少なくとも反射参照面は、結合ユニットを用いて測定被検体と結合することができる。
【００１２】
その際、コンパクトな構成は、被検光路と参照光路は、被検アームと参照アームとからなる相互に結合された固定ユニットを形成するようにして達成される。
【００１３】
白色光干渉計が、変調干渉計と、被検体に配属された結像干渉計とを有している場合、操作性が簡単になる。つまり、一般的にコスト高な、光路変更装置付きの変調干渉計を、測定被検体に配属された結像干渉計（相応に簡単且つローブストに構成されていて、各々の測定課題に適合させることができる）から切り離すことができる。
【００１４】
詳しくは、操作に有利な構成では、短コヒーレントビームを放射するビーム形成ユニット、第１及び第２の部分ビームの形成用のビームスプリッタを有しており、測定のために、第１の部分ビームの光路長が、第２の部分ビームの光路長に対して相対的に変えられ、ビームスプリッタにより形成された第１の部分ビームは、先ず第１のアームを介して固定の第１のミラーに配向され、第２の部分ビームは、第２のアームを介して、反射要素に配向され、第１のアームと第２のアームとの光路差は、ビームコヒーレント長よりも長く、第１のミラー及び反射要素から到来する共通に伝送されるビームは、別のビームスプリッタを用いて被検光路を介して測定被検体へ伝送され、且つ、参照光路を介して参照ミラーへ伝送され、参照ミラーは、第１のミラーと反射要素との間の光路差がなくなるような、測定被検体に関する距離に配設され、参照ミラーに入射するビームと測定被検体に伝送されるビームとが反射して重畳され、撮像装置を有する光検出装置によって撮像される。
【００１５】
操作に有利な構成では、参照光路は、固有の参照アーム内か、又は、光学ゾンデ内に形成され、参照アーム又はゾンデにより、測定被検体の方に誘導されるビームも伝送され、参照ミラーは、参照光路に所属するビームを反射し、被検光路に所属するビームの一部分を透過する。
【００１６】
種々異なる測定面を簡単に測定する際、被検光路内に少なくとも１つの光学要素及び／又はビームの波面を変形する要素が設けられているようにするとよい。
【００１７】
被検光路内に、少なくとも１つの光学中間結像を形成するための光学装置付の光学ゾンデが設けられている場合、測定面の高い横方向解像度が達成できる（公開されていないドイツ連邦共和国特許出願第１００４７４９５号に詳細に記載されている）。
【００１８】
その際、有利な実施例では、少なくとも１つの中間結像が被検光路内に形成され、光学ゾンデによって、測定被検体に誘導され、且つ、当該測定被検体から戻って来るビームも形成される。
【００１９】
有利な構成では、更に、参照ミラーは平板又はプリズム上に設けられている。
【００２０】
操作に有利には、ビームスプリッタと別のビームスプリッタとの間に光ファイバが設けられている。
【００２１】
構成及び操作にとって更に有利には、被検光路内に、中間結像を形成するためにエンドスコープが設けられている。
【００２２】
更に有利な実施例では、被検光路内に、パノラマ光学系又はスーパーポジション光学系が設けられており、種々異なる測定面の走査のために複数の参照面が設けられている。
【００２３】
図面
以下、本発明について図示の実施例を用いて詳細に説明する。
【００２４】
その際、
図１は、変調干渉計と被検体に固定結合された結像干渉計とを有する干渉測定装置の第１の実施例を示す図、
図２は、結像干渉計がコモンパス構成を有していて、被検体と固定結合されている別の実施例を示す図、
図３は、共通の参照及び測定光路を有する干渉測定装置の別の構成（コモンパス構成）を示す図である。
【００２５】
実施例
図１には、測定すべき被検体Ｏから離れた変調干渉計ＭＩと、被検体Ｏに対応して設けられた結像干渉計ＡＩとを有する干渉測定装置が示されている。変調干渉計ＭＩは、短コヒーレント乃至広帯域ビームを放射するビーム形成ユニットＳＬＤ、例えば、発光ダイオード又は超光発光ダイオードを有しており、ビーム形成ユニットのビームは、ビームスプリッタＳＴ１を用いて、第１アームの第１部分ビームＴ１と第２アームの部分ビームＴ２とに分割される。この構成は、マイケルソン干渉計に相応している。第２のアームでは、第２の部分ビームＴ２が参照ミラーＲＳＰ１の形式での参照面から反射され、その際、第２のアームは、例えば、参照ミラーＲＳＰ１を動かすことによって、又は、音響光学偏向器（例えば、冒頭に挙げたドイツ連邦共和国特許公開第１９７２１８４２号公報に記載されている）を用いて周期的に変えることができる。光路を２つの音響光学偏向器で変えると、機械的に動く反射部材は必要とせず、その代わりに、固定部材、例えば、格子を用いることができる。
【００２６】
そのように構成された各アーム間の光路差は、ビーム形成ユニットＳＬＤによって形成されたビームのコヒーレント長よりも長い。両ミラーＳＰ１及びＲＳＰ１から、反射ビームがビームスプリッタＳＴ１、光ファイバＬＦ及び別のビームスプリッタＳＴ２を介して結像干渉計に達する。
【００２７】
同様にマイケルソン干渉計として構成されている結像干渉計ＡＩには、光学ゾンデＯＳを備えた被検光路と、別の参照ミラーＲＳＰ２を備えた参照光路とが構成されている。
【００２８】
被検光路では、ビームが光学ゾンデＯＳ内に入力結合されており、その結果、ビームは、測定被検体Ｏの測定すべき表面を照射する。被検体表面は、光学ゾンデＯＳを通って１つ又は複数の中間結像ＺＢを介して、イメージコンバータ乃至イメージセンサＢＳ、例えば、ＣＣＤカメラの形式での光検出装置に結像される。イメージセンサＢＳ上の測定被検体Ｏのイメージは、参照光路の第２の部分ビームの参照波と重畳される。測定被検体Ｏのイメージには、参照光路と測定光路との光路差がコヒーレント長よりも短い場合に、高い干渉コントラストが生じる。
【００２９】
その際、測定原理は、白色光干渉計（短コヒーレント干渉計）に基づいている（冒頭に挙げた刊行物に詳細に説明されている）。参照光路の長さは、全測定領域に亘って、変調干渉計ＭＩの第２のアーム内のミラーＲＳＰ１を動かすことによって変えられて、測定すべき被検体の深さ方向に走査され、その際、各測定点で、最も高い干渉コントラストが生じる参照光路の長さが検出される。中間結像によって、測定被検体の表面が高い横方向解像度で、結像光学系の直径よりも大きな区間に亘って結像することができる。光学ゾンデＯＳは、エンドスコープ乃至ボアスコープと似ているが、測定表面からのビームは、同じ光学装置によって少なくとも１つの中間結像を介して照射されて戻ってくる。図１には、別の結像要素として、幾つかのレンズＬが示されている。本来の中間結像は、光学ゾンデＯＳで形成される。
【００３０】
光学ゾンデＯＳの結像レンズの影響を正確に補償する必要がある用途では、ビームスプリッタＳＴ２と測定被検体Ｏとの間の被検光路内と同様に、ビームスプリッタＳＴ２と参照ミラーＲＳＰ２との間の参照光路内にも同じ光学ゾンデを統合するとよい。
【００３１】
図２及び３の変形構成では、干渉測定装置、つまり、結像干渉計ＡＩを、共通の参照及び測定アームを有する構成としてもよい（コモンパス構成）。干渉測定装置は、短コヒーレント（広帯域）ビーム形成ユニットで照射される。ビームスプリッタＳＴ１は、光を第１の部分ビームＴ１と第２の部分ビームＴ２とに分割し、その際、第１の部分ビームＴ１は、第１の固定ミラーＳＰ１に入射し、第２の部分ビームＴ２は、反射要素ＲＳＰ１に参照ミラーの形式で入射する。
【００３２】
そのように形成された各アーム間の光路差は、ビーム形成ユニットＳＬＤによって形成されたビームのコヒーレント長よりも長い。両ミラーＳＰ１及びＲＳＰ１により、反射ビームは、ビームスプリッタＳＴ１及び別のビームスプリッタＳＴ２を介して光学ゾンデＯＳに伝送される。この構成の特別な点は、参照ミラーＲＳＰ２が被検光路乃至光学ゾンデＯＳ自体の内部に設けられている点にある。
【００３３】
ビームの一部分は、この参照ミラーＲＳＰ２で反射され、ビームの他の部分は、測定されるべき表面に照射される。参照ミラーＲＳＰ２は、平板上にコーティングされているか、又はプリズムにコーティングされている。プリズムを用いることによって、被検体表面を照射するビームの波面、即ち、被検波を、測定すべき表面の幾何形状（例えば、傾き）に適合させることができる。測定被検体Ｏは、光学ゾンデＯＳを用いて１つ又は複数の中間結像を介して画像センサＢＳに結像され、参照波と重畳される。高さ情報を得るために、反射要素ＲＳＰ１が測定領域の上側を動かされ、又は、光路が変えられる（前述のドイツ連邦共和国特許公開第１９７２１８４２号公報に記載されている）。固定ミラーＳＰ１と反射要素ＲＳＰ１乃至両アームの光路との間の光路差が、正確に、参照ミラーＲＳＰ２と測定被検体Ｏとの間の光路差である場合、測定被検体Ｏの画像内に高い干渉コントラストが生じる。３Ｄ高さプロフィールを得るために、各画点（ピクセル）の最高コントラストを検出するための公知の方法が使用される。この構成の利点は、被検波及び参照波がほぼ同一光学系を通り、そうすることによって、収差をほぼ補償することができる。更に、この装置構成により、機械的な振動に対して一層ローブストになる。
【００３４】
測定装置の更に簡単な操作のために、ビームスプリッタＳＴ１のビームは、光ファイバＬＦを用いて別のビームスプリッタＳＴ１に伝送される（図２に示されている）。そうしない代わりに、ビームなしの構成を選択してもよい。
【００３５】
既述の構成では全て、結像干渉計Ａは、少なくとも被検光路及び参照光路の部分内に、固定の機械的なユニットとして構成されており、この機械的なユニットは、測定中、結合ユニットＶＥを用いて、結合領域ＶＢ内で、測定被検体Ｏと固定且つ取り外し可能に、直接、測定被検体Ｏと固定して結合される。結合ユニットとして、例えば、ユニオンナットを用いたねじ結合部、測定被検体Ｏのねじ穴内に回転可能な、結像干渉計ＡＩのねじ部分、プラグ結合部、係止又はクリップ結合部又はクランプ又は緊着結合部が設けられている。コモンパス構成が選択されている場合、被検光路乃至被検アームと、参照光路乃至参照アームを共通に測定被検体Ｏ内に挿入するとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
変調干渉計と被検体に固定結合された結像干渉計とを有する干渉測定装置の第１の実施例を示す図
【図２】
結像干渉計がコモンパス構成を有していて、被検体と固定結合されている別の実施例を示す図
【図３】
共通の参照及び測定光路を有する干渉測定装置の別の構成（コモンパス構成）を示す図
【国際公開パンフレット】
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2004518985.tif 000004
2004518985.tif 000005
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【国際調査報告】
2004518985.tif 000026
2004518985.tif 000027
2004518985.tif 000028
2004518985.tif 000029
2004518985.tif 000030
2004518985.tif 000031