(57)【要約】【課題】精密な平面やレンズ面形状などの評価に用いられる干渉計において、その測定精度の基準となる参照面の校正を、特別高精度な基準を用いることなく自律的に評価できる手法、およびそれを用いた干渉測定機を提供する。【解決手段】干渉測定機において、ピッチ間隔一定の回折格子を用い、光学干渉計の測定光を光学回折素子に入射した際に発生する０次光と参照面からの反射による参照光とから生成される位相出力データＩ０（ｘ、ｙ）と、前記光学干渉計の測定光を前記光学回折素子に対し斜めに入射した際に発生する±１次回折光と前記参照面からの反射による参照光とから生成される位相出力データＩ±１（ｘ、ｙ）とから、差分演算により参照面の形状誤差を算出する。校正の基準となる回折格子自身も平面度誤差およびピッチ偏差を持つが、これらを原理上完全に取り除いた形での干渉計参照面形状の校正を実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面、球面、非球面など精密面の評価に用いられる光学干渉計のうち、その光学構成の中で測定の基準となる参照面を用いるものであって、一定間隔のピッチを有する光学回折素子を用い、前記光学干渉計の測定光を前記光学回折素子に入射した際に発生する０次光と、前記参照面からの反射による参照光と、から生成される位相出力データＩ０（ｘ、ｙ）と、前記光学干渉計の測定光を前記光学回折素子に入射した際に発生する＋１次回折光と前記参照面からの反射による参照光とから生成される位相出力データＩ＋１（ｘ、ｙ）と、前記光学干渉計の測定光を前記光学回折素子に入射した際に発生する−１次回折光と前記参照面からの反射による参照光とから生成される位相出力データＩ−１（ｘ、ｙ）とから、差分演算により前記参照面の形状誤差を求めることを特徴とする光学干渉計の校正方法。
【請求項２】
請求項１に記載の校正方法を用い、前記参照面の形状誤差を校正することを特徴とする光学干渉計。
【請求項３】
前記光学回折素子から発生する前記＋１次回折光および−１次回折光による前記位相出力データが得られるよう、前記光学回折素子を傾斜する傾斜機構を有することを特徴とする請求項２に記載の光学干渉計。
【請求項４】
前記光学回折素子から発生する前記＋１次回折光および−１次回折光による前記位相出力データが得られるよう、干渉計光学系を傾斜する傾斜機構を有することを特徴とする請求項２に記載の光学干渉計。
【請求項５】
前記光学回折素子および前記傾斜機構を装置構成内に具備することを特徴とする前記請求項２ないし４のいずれかに記載の光学干渉計。
【請求項６】
前記回折光学素子として、２次元の回折パタンを持つものを用いたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の光学干渉計。
【請求項７】
前記回折光学素子として、３次元の回折パタンを持つものを用いたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の光学干渉計。
【請求項８】
前記回折光学素子として、２次元の回折パタンを持つものを用いたことを特徴とする請求項１に記載の光学干渉計の校正実施方法。
【請求項９】
前記回折光学素子として、３次元の回折パタンを持つものを用いたことを特徴とする請求項１に記載の光学干渉計の校正実施方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密な平面やレンズ面形状などの評価に用いられる３次元干渉計において、その測定精度の基準となる参照面の校正に回折格子を用いることで、特別高精度な基準を用いることなく、自律的に参照面の形状誤差を得ることができる干渉計参照面の校正方法、およびこの校正方法を用いる３次元干渉計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、鏡面や半導体ウエハなどの平坦面、および光学レンズや超精密加工部品などの形状評価に、干渉計が広く用いられている。干渉計は試料面からの反射波面と干渉計内部の参照面と呼ばれる基準面からの反射波面を干渉させて、その干渉信号から試料面形状を計測するものである。干渉計を用いた形状計測は測定感度が極めて高く、高い製作精度が要求される光学部品の製作が可能となったのもこの干渉計測技術によるところが大きい。
【０００３】
従来から、干渉計測原理を利用した、精密な平面、球面、非球面の測定法が多く提案され、幅広い分野で多用されている。光学系の構成によっては、径１００ｍｍ超の大範囲を、一括して、サブナノメートルの縦分解能で評価することができるため、その適用範囲は広い。
【０００４】
しかし、干渉計測の原理から分かるように、干渉計による形状測定は参照面と被測定面の比較測定になっているため、測定精度は参照面のそれに制限される問題がある。特に位相測定干渉計などの高精度干渉計の場合、参照面の形状誤差は最も大きな誤差要因になる。
【０００５】
一方、超精密加工技術の発展に伴い、大型でかつ高精度な平面、球面及び非球面が製作できるようになってきた。その形状精度の検査に、干渉計の果たす役割が大きく期待される。しかし、例えば天体観測や各種高精度光学機器に用いられる光学球面部品は、干渉計の基準となる参照面の精度と同等のものもあり、それらの形状を測定するには、何らかの方法で、参照面の形状誤差を取り除く必要がある。
【０００６】
そこで従来、参照面の形状誤差を干渉計の出力から分離し、正しい形状を求める手法の研究が種々なされてきた。
【０００７】
例えば、形状を絶対的に求める方法として、非特許文献１に開示されているような、３面合わせ法が従来から知られている。この方法は、表面形状が未知の面を３枚用い、２面ずつを向かい合わせ、計３種類の測定結果から個々の面の表面形状を求める方法である。
【０００８】
この方法は原理的にそれぞれの面形状を絶対的に求めることができるが、参照面や試料面を交互に交換する必要があり、その際の位置調整精度は大変厳しく要求される。そのため、例えば非特許文献２のように８自由度の調整機構を使って３面合わせ法を実現しようとする例もあるが、調整機構が複雑すぎて、必要な精度は得られていなかったようである。また、測定時間が長いので、温度ドリフトなど環境の影響に左右されやすい問題がある。なお、この方法は参照面と被測定面のほかに、もう一つの面を用いる必要があり、実用上制限を受ける場合もある。
【０００９】
ハードウェア上複雑すぎて、一般のユーザには実用的でないこの３面合わせ法に代わる方法として、参照面と試料面の２面だけを用いる方法が種々研究されてきた。参照面と試料面の２面だけでの測定には、基本的に横方向シフトを併用する必要がある。例えば非特許文献３では、光軸に対して垂直な面内で試料をある一定の角度だけ回転させ、この回転前後における極座標表示のデータから、試料の円周方向に測定した平面形状誤差を求め、次に、試料を横方向にある距離だけ移動させ、移動前後のデータから、この横方向の断面曲線を求め、そして、この断面形状を用いて、円周方向形状を連結して、平面全体の形状を得る手法が開示されている。また特許文献１にも、光軸に対して垂直な面内で試料をある一定の角度だけ回転させて繰り返し測定を実施し、その平均演算を実施することで参照面の形状誤差の影響を低減する手法が開示されている。
【００１０】
これらの方法は簡便であるが、半径方向のシフト際の試料の傾斜の影響が考慮されていない。それによって、２次曲面状の測定誤差を含むと考えられる。これに対し非特許文献４では、横方向のシフトに伴う傾斜の影響と形状の傾斜を最小自乗法で分離する方法を提案しているが、形状から抽出される放物線が移動前後のデータ範囲で違うことが無視されているようで、移動の際の姿勢変化の影響を完全に除去することはできない。
【００１１】
また、特許文献２には、第一の干渉計を基準とし、第二の干渉計を校正するための干渉計校正装置に関する技術が開示されている。干渉計の種類や光源の波長を問わず、基準となる干渉計を用いて、被検干渉計の所望の性能を簡便に校正することが可能になるが、依然として基準として用いられる干渉計の参照面の精度が測定精度にそのまま影響してしまう。また、干渉計を２台準備するのは、コスト等の様々な制約により実現するのは容易ではない。
【００１２】
一方、特許文献３には、干渉計を用いて回折格子のピッチ誤差を評価する技術についての開示がなされている。この技術では、測定対象となる回折格子面に光束を入射した際に発生する＋１次回折光、および−１次回折光それぞれを、回折格子面を傾斜させることで干渉計光学系を用いて捕捉し、得られた±１次回折光波面情報をもとに演算を行うことで、回折格子のピッチ誤差を求めることができる。回折格子は、ピッチ誤差とともに平面度誤差を有しており、＋１次光、−１次光の２つの波面情報にはこれら２つのパラメータが含まれる。特許文献３に開示の技術では、干渉計の参照面形状を考慮しておらず未知であるため、回折格子の平面度誤差を求めることは出来ないが、差分演算を行うことでこの平面度誤差の影響をキャンセルして、ピッチ誤差情報のみを抽出・評価することが可能となる。
【００１３】
但し、前述のとおり、この特許文献３に開示の技術では干渉計の参照面形状を考慮していないため、この参照面形状がそのままピッチ誤差測定結果に影響してしまう。干渉計の参照面は理想平面と比較して±２０〜３０ｎｍ程度の形状誤差を有しており、決して無視できない量である。この参照面形状の影響を取り除くためには、参照面形状と前述の回折格子の平面度誤差をそれぞれ独立かつ同時に取得する必要があるが、従来その実現は困難であった。
【００１４】
以上述べたとおり、従来、干渉計の測定基準となる参照面の精度を保障することは容易ではない。その一方で、温度・湿度といった測定環境によってはこの参照面形状が時間的に変化することがあり、オンデマンドでの簡便な参照面形状の校正手法の確立が望まれているものの、従来の校正手法はコスト・技術面及びスループットの問題のため実現が容易ではなく、干渉計の更なる高精度化の足かせとなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０００−９７６６６号公報
【特許文献２】特開２０００−９７６６１号公報
【特許文献３】特開２０１１−１４５１５１号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】G.Schulz and J.Schwider:Appl.Opt.,6(6),1077 (1967)
【非特許文献２】K.E.Elssner, R.Burow, J.Grzanna and R.Spolaczyk:Appl.Opt.,28(21),4649 (1989)
【非特許文献３】伊藤、日名地、堀内、成清：精密工学会誌、58(5)、 883(1992)
【非特許文献４】R.Mercier,M.Lamare,P.Picart,J.P.Marioge:Pure and Appl.Opt.,6,117(1997)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
そこで本発明では、これらの問題を解決する手法として、参照面形状の校正に回折格子を用いる、全く新しい校正手法を提供する。従来手法では、校正に用いる基準面の精度が校正にそのまま影響するが、本提案の手法では回折格子の形状誤差が原理的にキャンセルされるため、比較的入手しやすい精度の広範囲回折格子でも充分校正作業を行える。また、その校正作業は回折格子を左右に傾けて測定を実施するだけなので短時間で済み、オンデマンドでの校正実施が可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によれば、平面、球面、非球面など精密面の評価に用いられる光学干渉計のうち、その光学構成の中で測定の基準となる参照面を用いるものであって、一定間隔のピッチを有する光学回折素子を用い、前記光学干渉計の測定光を前記光学回折素子に入射した際に発生する０次光と、前記参照面からの反射による参照光と、から生成される位相出力データＩ０（ｘ、ｙ）と、前記光学干渉計の測定光を前記光学回折素子に入射した際に発生する＋１次回折光と前記参照面からの反射による参照光とから生成される位相出力データＩ＋１（ｘ、ｙ）と、前記光学干渉計の測定光を前記光学回折素子に入射した際に発生する−１次回折光と前記参照面からの反射による参照光とから生成される位相出力データＩ−１（ｘ、ｙ）とから、差分演算により前記参照面の形状誤差を求める、前記光学干渉計の校正方法が得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記校正方法を用い、前記参照面の形状誤差を校正することを特徴とする光学干渉計が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、前記光学回折素子から発生する前記＋１次回折光および−１次回折光による前記位相出力データが得られるよう、前記光学回折素子を傾斜する機構を有することを特徴とする、前記光学干渉計が得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、前記光学回折素子から発生する前記＋１次回折光および−１次回折光による前記位相出力データが得られるよう、干渉計光学系を傾斜する傾斜機構を有することを特徴とする、前記光学干渉計が得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、前記光学回折素子および前記傾斜機構を装置構成内に具備することを特徴とする、前記光学干渉計が得られる。
【００２３】
また、本発明によれば、前記回折光学素子として、２次元の回折パタンを持つものを用いた、前記光学干渉計の校正実施方法、あるいは前記光学干渉計が得られる。
【００２４】
更に、本発明によれば、前記回折光学素子として、３次元の回折パタンを持つものを用いた、前記光学干渉計の校正実施方法、あるいは前記光学干渉計が得られる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、回折格子を複数回傾けて測定し、得られた測定データをもとに演算を行うことで、干渉計の参照面を、特別高精度な基準を用いることなく、自律的に校正できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明にかかる第一の実施形態で用いる光学系の概略図である。
【図２】校正用試料に光が入射した場合に得られる測定光を示す概略図である。
【図３】０次光を測定するための、校正用試料表面の格子形状に光束を垂直に入射した状態を示した図である。
【００２７】
【図４】＋１次回折光を測定するために、校正用試料をθ／２だけ傾けた状態を示した図である。
【図５】−１次回折光を測定するために、校正用試料をθ／２だけ傾けた状態を示した図である。
【図６】実際に各測定において得られた位相出力データを３次元プロットしたものである。
【図７】図６の位相出力データから、参照面の平面度誤差を算出した結果を３次元プロットしたものである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明にかかる第一の実施形態を、図１から図５を用いて説明する。図１は、本発明にかかる第一の実施形態で用いる光学系１１の概略図である。ここでは、代表的な干渉計の構成を校正する場合を例として挙げて説明する。基本的な装置構成は前述の特許文献３に開示の技術と類似である。光源１２からの光を、ビームエキスパンダ１３で拡げる。ビームスプリッタ１４を透過した拡大光はコリメータ１５で平行光にした後、参照面１７に入射し、その一部は表面で反射し参照光１８となる。一方、参照面１７を透過した光は校正用試料１９の表面で反射し、測定光２０となる。なお、従来の校正手法では、校正用試料１９として高精度な平滑面を用いるが、本発明では格子形状２１を表面に有する回折格子を校正用試料１９として用いる。校正用試料は傾斜ステージ２２の上に載せ、Ｘ軸まわり、Ｙ軸まわりに傾斜できるよう構成する。校正用試料１９からの測定光２０と参照面１７からの参照光１８は重ね合わされて干渉し、ビームスプリッタ１４で進路を変更された後、光学撮像素子（ＣＣＤ）２３上で干渉パタン２４を形成する。参照面１７を位相シフト機構２５によってＺ軸方向に移動すると、参照光の光路長が変化し、結果として干渉パタン２４に変化が生じる。位相シフト機構２５で参照面１７をＺ軸方向に移動しつつ、干渉パタン２４を光学撮像素子２３で連続して取り込み、得られたデータをもとに、演算によって参照面１７の形状誤差を得る。
【００２９】
校正用試料１９に光が入射した場合に得られる測定光２０について、図２を用いて説明する。校正用試料１９に光束３１が入射すると、校正用試料１９の表面は一定のピッチｇをもつ格子形状２１となっているため、反射光として０次回折光３２の他に、Ｘ軸方向に、光束３１に対して角度＋θ、−θの方向にそれぞれ＋１次回折光３３、−１次回折光３４を発生する。またＹ軸方向についても同様に、光束３１に対して角度＋θ、−θの方向にそれぞれ＋１次回折光３５、−１次回折光３６を発生する。このとき、１次回折角θは以下の式（１）で表わされる。
【数１】
2013160742.tif 000003
ここでλは用いた光の波長である。
【００３０】
本発明では、前述の特許文献３に開示の技術とは異なり、±１次回折光のみならず、０次回折光の情報を含めた３つの波面情報を取得し、演算を実施することで参照面１７の形状誤差を求め、校正を実施する。以下、校正手法をステップを追って説明する。
【００３１】
まず、校正用試料１９表面の格子形状２１に光束３１を垂直に入射した状態で測定を実施し、０次回折光３２による干渉像を得る。いま、座標（ｘ、ｙ）における参照面１７の平面度誤差をｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ（ｘ、ｙ）とし、校正用試料１９の平面度誤差をｅＺ（ｘ、ｙ）とすると、０次光による光強度分布の位相出力Ｉ０（ｘ、ｙ）は式（２）のとおり表せる。
【数２】
2013160742.tif 000004
【００３２】
次に、図３に示すように、光束３１が校正用試料１９表面の格子形状２１に垂直に入射した状態から、校正用試料１９を、回転ステージ２２を用いてＹ軸まわり反時計方向にθ／２だけ傾斜する。こうすると、＋１次光３３が光束３１の入射方向に発生することになり、結果として＋１次光と参照光１８との干渉光による干渉パタンが得られることになる。このとき、光強度分布の位相出力ＩＸ＋１（ｘ、ｙ）は、式（３）によって得られる。
【数３】
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格子形状２１は、前記平面度誤差ｅＺ（ｘ、ｙ）の他に、基準格子ピッチｇからのずれであるピッチ偏差を有しており、（３）式においてｅＸ（ｘ、ｙ）は座標（ｘ、ｙ）位置におけるこのピッチ偏差を表す。
【００３３】
更に、図４に示すように、光束３１が校正用試料１９表面の格子形状２１に垂直に入射した状態から、校正用試料１９を、傾斜ステージ２２を用いてＹ軸まわり時計方向にθ／２だけ傾斜する。こうすると、−１次光３４が光束３１の入射方向にし、結果として−１次光と参照光１８との干渉光による干渉パタンが得られることになる。このとき、光強度分布の位相出力ＩＸ−１（ｘ、ｙ）は式（４）によって得られる。
【数４】
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以上のように、校正用試料の傾斜角度を調整しつつ測定を３回繰り返し、位相出力Ｉ０（ｘ、ｙ）、ＩＸ＋１（ｘ、ｙ）、ＩＸ−１（ｘ、ｙ）を得る。いま、式（２）〜（４）において未知数は参照面１７の平面度誤差であるｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ（ｘ、ｙ）、校正用試料１９の平面度誤差ｅＺ（ｘ、ｙ）および格子ピッチ偏差ｅＸ（ｘ、ｙ）の３つである。従って、これら３つの未知数は式（２）〜（４）を解くことにより、解析的に求めることが可能である。
【００３４】
式（２）と式（３）を連立すると、式（５）が得られる。
【数５】
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この式（５）と前記式（１）とを連立し、式（６）が得られる。
【数６】
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式（６）より、参照面１７の平面度誤差ｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ（ｘ、ｙ）は以下の式（７）のように求まる。
【数７】
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すなわち、校正用試料の傾斜角度を調整しつつ測定を３回繰り返し得られた位相出力データＩ０（ｘ、ｙ）、ＩＸ＋１（ｘ、ｙ）、ＩＸ−１（ｘ、ｙ）を用いることで、校正用試料１９の平面度誤差ｅＺ（ｘ、ｙ）および格子ピッチ偏差ｅＸ（ｘ、ｙ）に影響を受けることなく、原理的に完全な形で参照面１７の平面度誤差ｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ（ｘ、ｙ）を求めることができる。
【００３５】
実際に、校正用試料１９を用い、参照面１７の平面度誤差校正作業を実施した。図６（ａ）に示すのは、校正用試料１９の格子形状２１からの０次光による位相出力データＩ０（ｘ、ｙ）の実測データをプロットしたものであり、図６（ｂ）、（ｃ）に示すのはそれぞれ校正用試料をＹ軸まわりに±θ／２だけ傾けて測定し得られた位相出力データＩＸ＋１（ｘ、ｙ）、ＩＸ−１（ｘ、ｙ）をプロットしたものである。
【００３６】
図６（ａ）に示す０次光による位相出力データＩ０（ｘ、ｙ）と、図６（ｂ）、（ｃ）の位相出力データＩＸ＋１（ｘ、ｙ）、ＩＸ−１（ｘ、ｙ）を用い、式（６）から参照面の平面度誤差ｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ（ｘ、ｙ）を求めた結果をプロットしたものが図７（ａ）である。校正用試料１９の平面度誤差ｅＺ（ｘ、ｙ）及び格子ピッチ偏差ｅＸ（ｘ、ｙ）に影響を受けることなく、参照面１７の平面度誤差ｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ（ｘ、ｙ）を求められることを確認した。また図７（ａ）の断面形状を図７（ｂ）に示す。参照面の平面度誤差ｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ（ｘ、ｙ）はＰＶ値で２７ｎｍ程度あることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明を用いると、これまでは比較対象として必要だった特別高精度な基準面を用いることなく、かつ迅速に干渉計参照面の校正を実施することが可能となる。校正に用いる回折格子にピッチ偏差および平面度誤差形状が存在する場合においても、これらを理論上、完全に除去した形で干渉計参照面の校正が実施できる。必要なのは設置角度を変えての複数回の測定とソフトウェア演算のみで、迅速な校正作業が実施できるため、加工現場などにおけるオンデマンド校正が実現し、その産業上の利用可能性は高い。
【符号の説明】
【００３８】
１１              本発明にかかる第一の実施形態で用いる光学系
１２              光源
１３              ビームエキスパンダ
１４              ビームスプリッタ
１５              コリメータ
１７              参照面
１８              参照光
１９              校正用試料
２０              測定光
２１              格子形状
２２              傾斜ステージ
２３              光学撮像素子（ＣＣＤ）
２４              干渉パタン
２５              位相シフト機構
３１              光束
３２              ０次回折光
３３              Ｘ軸方向＋１次回折光
３４              Ｘ軸方向−１次回折光
４１              ０次光による位相出力データＩ０（ｘ、ｙ）の実測データ
４２              Ｘ軸方向＋１次回折光による位相出力データＩＸ＋１（ｘ、ｙ）の実測データ
４３              Ｘ軸方向−１次回折光による位相出力データＩＸ−１（ｘ、ｙ）の実測データ
４４              Ｉ０（ｘ、ｙ）、ＩＸ＋１（ｘ、ｙ）およびＩＸ−１（ｘ、ｙ）より求めた参照面１７の平面度誤差
４５              求めた平面度誤差および差分の断面プロファイル比較結果
【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】
2013160742.tif 000014
【図６】
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【図７】
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