(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象曲面上に被覆された膜の厚さを測定する膜厚測定方法において、
前記膜が被覆される前の前記対象曲面の反射率スペクトルを取得し、且つ前記膜が被覆された後の前記対象曲面の反射率スペクトルを取得し、それら反射率スペクトル同士の差に基づいて、前記対象曲面に被覆された前記膜の厚さを求めることを特徴とする膜厚測定方法。
【請求項２】
前記対象曲面の形状データに基づいて、光源と前記対象曲面との相対位置関係を変更し、前記光源より前記対象曲面に投射される光を用いて、反射率スペクトルを取得することを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定方法。
【請求項３】
前記対象曲面の測定点の法線が、前記光源より投射される光の光軸に略一致するように、前記光源と前記対象曲面との相対位置関係が変更されることを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定方法。
【請求項４】
前記光源は、前記対象曲面に光を投射し、その反射光において生じる光の干渉を用いて、膜厚を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の膜厚測定方法。
【請求項５】
前記膜は、レジストであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の膜厚測定方法。
【請求項６】
前記対象曲面は、光学素子成形用金型の曲面もしくは光学素子成形用金型を形成するための母型の曲面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の膜厚測定方法。
【請求項７】
対象曲面上に被覆された膜の厚さ分布を測定する膜厚分布測定方法において、
前記膜が被覆される前の前記対象曲面における複数の測定点において反射率スペクトルを取得し、且つ前記膜が被覆された後の前記対象曲面における前記複数の測定点において反射率スペクトルを取得し、それら反射率スペクトル同士の差に基づいて、前記対象曲面に被覆された前記膜の厚さを求めることを特徴とする膜厚分布測定方法。
【請求項８】
前記対象曲面の形状データに基づいて、光源と前記対象曲面との相対位置関係を変更し、前記光源より前記対象曲面の各測定点に投射される光を用いて、反射率スペクトルを取得することを特徴とする請求項７に記載の膜厚分布測定方法。
【請求項９】
前記測定点における法線が、前記光源より投射される光の光軸に略一致するように、前記光源と前記対象曲面との相対位置関係が変更されることを特徴とする請求項８に記載の膜厚分布測定方法。
【請求項１０】
前記光源は、前記対象曲面に光を投射し、その反射光において生じる光の干渉を用いて、膜厚を測定することを特徴とする請求項８又は９に記載の膜厚分布測定方法。
【請求項１１】
前記膜は、レジストであることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の膜厚分布測定方法。
【請求項１２】
前記対象曲面は、光学素子の成形用金型の曲面もしくは光学素子の成形用金型を形成するための母型の曲面であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかに記載の膜厚分布測定方法。
【請求項１３】
請求項１〜６に記載の膜厚測定方法又は請求項７〜１２のいずれかに記載の膜厚分布測定方法を用いた膜厚測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、曲面に被覆された膜の厚さを測定できる膜厚測定方法、曲面に被覆された膜の厚さ分布を測定できる膜厚分布測定方法、及びこれらの方法を用いた膜厚分布装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、急速に発展している光ピックアップ装置の分野では、極めて高精度な対物レンズなどの光学素子が用いられている。プラスチックやガラスなどの素材を、金型を用いてそのような光学素子に成形すると、均一な形状の製品を迅速に製造することができるため、かかる金型成形は、そのような用途の光学素子の大量生産に適しているといえる。ここで、金型は消耗品であり、また不測の事態による破損なども予想されることから、高精度な光学素子を成形するためには、定期的或いは不定期の金型交換が必要であるといえる。従って、光学素子を成形するための金型（光学素子成形用金型ともいう）も、一定精度のものをある程度の量だけ予め用意しておく必要があるといえる。
【０００３】
ここで、単結晶ダイヤモンド工具などを用いた切削加工で金型を製造した場合、手間がかかる上に、全く同一形状の金型を切り出すことは困難といえ、それ故金型交換前後で光学素子製品の形状バラツキが生じる恐れがあり、又コストもかかるという問題がある。
【０００４】
特に、光ピックアップ装置に用いるある種の光学素子には、収差特性を良好にすべく、光学面の光軸に同心に、断面がブレーズ形状の微細な回折輪帯を設けることが行われている。このような回折輪帯に対応した同心溝を、金型の光学面転写面に形成する場合、切削加工に手間と時間がかかるという問題がある。光学素子成形用金型を超鋼などで形成する場合、精度良く所望の光学面転写面形状を得るためには、ダイアモンド工具による切削加工等によらなくてはならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような問題に対し、例えば光学素子の光学面に対応した母光学面を有する母型に対し、化学反応を通じて電鋳等を成長させることで、金型を製作しようとする試みがある。このような電鋳による金型製作手法を用いると、例えば光学素子の回折輪帯に対応した輪帯を備えた非球面を精度良く形成した母型を一つ用意するだけで、寸法バラツキの少ない光学素子成形用金型を比較的容易に転写形成することができる。
【０００６】
しかるに、かかる手法によれば、例えば回折輪帯に対応する輪帯を形成するために、母型の表面にレジストを被覆し、電子描画を行い、現像処理し、電鋳処理を行って、光学素子成形用金型を得ることが必要となる。ここで、被覆されたレジストの膜厚により、回折輪帯の溝深さが決まるため、高度な光学特性を有する光学素子を得るためには、レジストの膜厚を許容範囲内に精度良く収める必要がある。ここで、レジストを被覆すべき母型の母光学面は、光学素子の光学面に対応して一般的には非球面形状となっているため、かかる非球面上にレジストを均一な膜厚で被覆するためには、高度な被覆技術を要する。しかしながら、高度な被覆技術を用いて母型の母光学面にレジストを被覆しても、その膜厚が測定できないのでは、均一な膜厚が被覆されているかどうか分からないという問題がある。
【０００７】
このような問題に対し、従来技術によれば、平板に被覆された膜厚を測定する方法はあるものの、曲面上に被覆された膜厚を精密に測定する技術は知られていない。一方、曲面上に被覆された膜厚を剥がせば、電子顕微鏡等を用いて膜厚を精密に測定できるが、膜厚を一旦剥がすと再度付着させることはできないため、以降の工程における処理を行えず、そのような膜厚測定では、製品の全数検査などに使えないという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、非接触で、曲面に被覆された膜の厚さを精度良く測定できる膜厚測定方法、膜の厚さ分布を測定できる膜厚分布測定方法、及びこれらの方法を用いた膜厚分布装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明の膜厚測定方法は、対象曲面上に被覆された膜の厚さを測定する膜厚測定方法において、前記膜が被覆される前の前記対象曲面の反射率スペクトルを取得し、且つ前記膜が被覆された後の前記対象曲面の反射率スペクトルを取得し、それら反射率スペクトル同士の差に基づいて、前記対象曲面に被覆された前記膜の厚さを求めるため、前記対象曲面に被覆された前記膜の厚さを非接触で精度良く測定することができる。尚、「前記膜が被覆された後の前記対象曲面」は、反射スペクトルを取得した前記膜が被覆される前の前記対象曲面と同一である他、その複製であっても良く、その場合、前記膜が被覆される前の前記対象曲面に実際に膜が被覆されるか否かは問わない。
【００１０】
図１は、膜厚測定の原理を説明するための図である。図１において、基板Ｂ（ここでは鏡面状の平板を例にとる）に、膜Ｍが被覆されているものとする。不図示の光源から、基板Ｂに向かって照射された光Ｌ１（ハロゲン光のような比較的広い可視帯域を有するものとする）の一部は、膜Ｍの表面で反射して反射光Ｌ２となり、一方、光Ｌ２の残りは、膜Ｍを透過し基板Ｂの表面で反射して反射光Ｌ３となり、膜Ｍの表面から出射する。尚、膜Ｍの表面で再び基板Ｂ側に反射する光は、ここでは無視する。
【００１１】
ここで、膜Ｍの膜厚をｄ、その屈折率をｎとすると、反射光Ｌ３は、反射光Ｌ２に対して光路差が２ｄだけ長くなることから光の干渉が生じ、膜厚ｄに応じて、所定の波長で光強度のピークが生じる。かかる反射光を固体撮像素子等で電気信号に変換し解析することで、反射光スペクトルを得ることができる。ここで光源波長は、例えばｉ線やｇ線などを用いた場合、ある程度広い波長帯域を有するため、光強度のピークが不明瞭となる。そこで、予め膜Ｍが被覆されていない基板Ｂに対して、光源から光を照射することで、その反射率スペクトルを同様にして得ることができるから、膜の被覆前後の反射スペクトルの差に基づいて、図２に示すごときグラフを得ることができる。図２は、図１に示す状態での反射光のスペクトル（反射率スペクトル）分析を行ったものであり、５８２ｎｍに山のピークがあり、５４８ｎｍ、６２２ｎｍに谷のピークがある。
【００１２】
一方、山のピークの波長をλ２ｍとし、谷のピークの波長をλ２ｍ＋１としたとき、膜Ｍの膜厚ｄ、屈折率ｎは、
ｎｄ＝（λ２ｍ×λ２ｍ＋１）／４（λ２ｍ−λ２ｍ＋１）                （１）
で表せる。従って、屈折率ｎが既知であれば、膜厚ｄを精度良く測定することができるといえる。
【００１３】
ところで、上記手法は、一般的には平板に被覆された膜の厚さを測定するものであり、光源は、被測定物である平板の表面に対して、その光軸が直交するように配置され、平板の表面から反射した光は、光源に向かうが、その途中の光路中に配置されたビームスプリッタ等により反射されてＣＣＤなどの受光面で検出されるようになっている。しかるに、曲面に被覆された膜の厚さを測定する場合、同様に配置した光源から出射される光は、曲面の頂点においては、光源に向かう方向に反射されるが、頂点以外の部分で反射された光は、曲面の角度に従い、光源以外の方向に向かうこととなるため、測定に十分な光量をＣＣＤ等で測定することはできず、測定精度が落ちる恐れがある。
【００１４】
このような課題に対する一つの解決策は、被測定物の対象曲面における測定点の法線の方向を、光源からの光軸と一致（完全に一致させる必要はなく、測定可能な程度に一致させればよい。これを略一致という）させるよう、回転ステージやＸＹＺステージなどを用いて、膜厚測定手段（ここでは光源又はビームスプリッタとＣＣＤ等、これに限られない）と被測定物の対象曲面との相対位置関係を変更することである。被測定物の対象曲面における測定点の法線の方向が、かかる光軸と一致すれば、測定点からの反射光は、上述したごとく光路中に配置されたビームスプリッタで反射された後、必ずＣＣＤ等の受光面により検出されることとなり、測定精度を向上させることができる。
【００１５】
かかる場合、どのようにして、被測定物の対象曲面における測定点の法線の方向を、光源からの光軸と一致させるかが問題である。本来的には、膜が被覆された対象曲面の形状を測定し、その形状データに基づいて、被測定物の対象曲面における測定点の法線の方向を、光源からの光軸と一致させることが好ましいといえる。しかしながら、膜が被覆された対象曲面の形状を精度良く測定することが困難である場合もある。そこで、膜が被覆される前の対象曲面の形状を測定し、その形状データに基づいて、被測定物の対象曲面における測定点の法線の方向を、光源からの光軸と一致させるようにすればよい。或いは、被測定物の複製が存在する場合、膜が被覆される前の複製の対象曲面の形状を測定し、その形状データに基づいて、被測定物の対象曲面における測定点の法線の方向を、光源からの光軸と一致させるようにしても良い。複製が複数存在するような場合、特定の複製の形状データがあれば、それに基づいて、全ての複製について測定点の法線の方向を、光源からの光軸と一致させるようにすることができるため、測定の効率を向上させることができる。
【００１６】
但し、膜が被覆される前の対象曲面にかかる形状データも、その複製にかかる形状データも存在しない場合には、膜が被覆された後の対象曲面を測定する他ない。そこで、形状データが存在しない場合、別なモードを設定することで、膜が被覆された対象曲面の形状を測定して形状データを得ることにより、それ以降は、上述と同様にして膜厚測定を行えることとなる。
【００１７】
すなわち、前記対象曲面の形状データに基づいて、光源と前記対象曲面との相対位置関係を変更し、前記光源より前記対象曲面に投射される光を用いて、反射率スペクトルを取得することができる。尚、「対象曲面に被覆される膜」は、例えば０．５〜１０μｍ程度の薄膜であると好ましいが、それに限られない。又、「光源と対象曲面との相対位置関係を変更する」とは、少なくとも一方を他方に対して移動させることをいい、どちらを移動させてもかまわない。
【００１８】
又、前記対象曲面の測定点の法線が、前記光源より投射される光の光軸に略一致するように、前記光源と前記対象曲面との相対位置関係が変更されると、前記膜厚測定手段が精度良い測定を行えるので好ましい。
【００１９】
更に、前記光源は、前記対象曲面に光を投射し、その反射光において生じる光の干渉を用いて、膜厚を測定すると好ましい。
【００２０】
又、前記膜は、レジストであると好ましい。
【００２１】
更に、前記対象曲面は、光学素子成形用金型の曲面もしくは光学素子成形用金型を形成するための母型の曲面であると、高精度な光学素子を成形できる光学素子成形用金型、もしくはその母型を形成することができるが、それに限られることはなく、例えば光学素子の光学面に被覆された反射防止膜の膜厚などを測定するのに用いることもできる。
【００２２】
第２の本発明の膜厚分布測定方法は、対象曲面上に被覆された膜の厚さ分布を測定する膜厚分布測定方法において、前記膜が被覆される前の前記対象曲面における複数の測定点において反射率スペクトルを取得し、且つ前記膜が被覆された後の前記対象曲面における前記複数の測定点において反射率スペクトルを取得し、それら反射率スペクトル同士の差に基づいて、前記対象曲面に被覆された前記膜の厚さを求めることを特徴とする。第２の本発明によれば、上述した第１の本発明を利用して、複数の測定点における膜厚を測定することで、曲面上の膜厚分布を求めることができるため、例えば回転対称な対象曲面を回転させつつ膜を塗布する際には、膜厚分布に基づいて対象曲面の回転速度を調整するなどの対処が可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。まず、本実施の形態にかかる膜厚測定方法（膜厚分布測定方法）及び膜厚測定装置を説明する。図３は、第１の実施の形態の膜厚測定装置を示すブロック図である。図４は、第１の実施の形態の膜厚測定方法を示すフローチャート図である。図５は、回転対称な被測定物の対象曲面におけ径方向の輪郭を示す図である。
【００２４】
図３において、パソコン１は、ステージドライバー２を介して回転ステージ３，Ｚステージ４，Ｘステージ５をそれぞれ独立的に駆動制御可能となっている。回転ステージ３，Ｚステージ４，Ｘステージ５の上に載置され、各ステージの移動に応じて移動する試料台６上には、対象曲面１０ａを有する被測定物１０が載置されている。
【００２５】
ハロゲンランプなどの光源７から照射される光束（径が１０μｍ程度に大きければ、対象曲面１０ａ上の研磨傷などによる散乱の影響を抑制できる）は、集光光学系８のビームスプリッタ（不図示）で反射され、被測定物１０の対象曲面１０ａに向かい、そこからの反射光は、再度集光光学系８に入射し、ビームスプリッタを透過して、ＣＣＤ等の撮像素子を含む分光器９の受光面に入射する。パソコン１は、分光器９の受光面に入射した光束の位置を電気信号として得ることができる。光源７，集光光学系８，分光器９，パソコン１が膜厚測定手段を構成する。
【００２６】
本実施の形態の膜厚測定方法を実行するに当たって、まず、膜が被覆される前の対象曲面１０ａの形状又は対象曲面１０ａの複製の形状が既知である、すなわちその形状データ（本実施の形態では、対象曲面の測定点のＸＺ座標）が存在することが必要となる。膜が被覆される前の対象曲面１０ａの形状としては、例えば被測定物を、光学素子を成形するのに用いる光学素子成形用金型を形成するための母型とするならば、その母光学面（光学素子の光学面に対応）をＮＣ機で加工する際の３次元形状データが存在することが多いので、それを用いればよい。又、一つの元型から複数の母型（複製）を成形等により得る場合には、一つの母型の形状を測定することで、その形状データを得て、それを、全ての複製の形状データとして用いることもできる。かかる形状データは、図５に示すように、被測定物１０の対象曲面１０ａの半径方向の断面外形を複数に分割して、ｋ個の微少領域（測定点に対応）に分け、各領域毎に３次元データをファイルとして、パソコン１の記憶領域に記憶される。被測定物１０は回転対称だから、中心から半径方向のデータがあれば足りるが、回転非対称の曲面に関しても膜厚測定は可能であり、その場合には、対象曲面１０ａの断面外形全てにわたっての形状データが必要となる。
【００２７】
図３，４を参照して、本実施の形態の膜厚測定方法について説明する。図４のステップＳ１０１で、膜（ここではレジスト膜）を被覆した被測定物１０を試料台６上に載置する。更に、ステップＳ１０２において、初期設定を行い、この被測定物１０の形状データを、パソコン１の記憶領域から読み出して（形状データが複数組ある場合は、その中から対応する形状データを選択して）、且つｎ＝１とおく。続くステップＳ１０３で、ｎ＝１番目の測定点（ここでは対象曲面１０ａの中心）の反射率を測定する。具体的には、光源７から出射された光（光束）に対して、膜の表面と対象曲面１０ａとから反射した光を分光器９で読み取り、図２に示すごときスペクトル成分から反射率を求める。更に、ステップＳ１０４において、得られた反射率に基づいて屈折率が求まり、また反射スペクトルのピークからピークまでの値も分かるので、（１）式より１番目の測定点の膜厚ｄを求めることができる。尚、レジスト膜の屈折率が既知であれば、それを用いても良い。
【００２８】
ステップＳ１０５で、ｋ番目の測定がまだ行われていないと判断された場合、ステップＳ１０７で、ｎ＝ｎ＋１とし、ステップＳ１０８〜Ｓ１１０で、被測定物１０の対象曲面１０ａにおけるｎ＋１番目の測定点の法線が、光源７からの光の光軸に一致するように被測定物１０を移動させる。具体的には、被測定物を移動させる状態を示す図６において、ｎ＋１番目の測定点の形状データ（２次元座標（Ｘ０ｎ，Ｚ０ｎ）で表せる）に基づいて、回転ステージ３を用いて、回転ステージ３の回転中心Ｌｃに対して被測定物１０を角度θ１ｎ回転し（ステップＳ１０８）、更にＸステージ５を用いて，被測定物１０をＸ軸に平行に−Ｘ１ｎ平行移動し（ステップＳ１０９）、更にＺステージ４を用いて、被測定物１０をＺ軸に平行に−Ｚ１ｎ移動する（ステップＳ１１０）ことで、ｎ＋１番目の測定点の法線が、光源７からの光軸と一致するようになる。尚、ステージドライバー２の駆動制御に必要な値θ１ｎ、Ｘ１ｎ、Ｚ１ｎに関しては、予め求めてパソコン１に記憶されている形状データ（Ｘ０ｎ，Ｚ０ｎ）と回転中心Ｌｃより、以下の式に基づいて算出できる。
【数１】
0003858265.tif 000002
【００２９】
このようにして、ステップＳ１０３で、ｎ＋１（すなわち２）番目の測定点の反射率を測定し、ステップＳ１０４で膜厚を演算する。同様にして、ｋ番目の測定点の膜厚演算が終了したら、ステップＳ１０６で、各測定点の膜厚の演算結果をまとめ、ファイルとして記憶することで、膜厚測定が終了する。尚、以上の膜厚測定は、対象曲面１０ａの半径方向における断面の外形に沿って、ｋ個の測定点で行った膜厚測定であるから、それらをつなぎ合わせることで、膜厚の分布が得られることに鑑みると、対象曲面の膜厚分布測定を行ったともいうことができる。
【００３０】
図７は、対象曲面に膜を被覆した被測定物の断面を示す図であり、図８は、かかる被測定物の膜厚を求めるために用いる反射率スペクトルを、測定点を変えて測定した結果を示す図である。図７に示す測定点Ａ〜Ｃにおいて、実線で示すのが、対象曲面に膜を被覆する前の反射率スペクトルと、その対象曲面に膜を被覆した後の反射率スペクトルとの差から得られた反射率スペクトルの波形であり、点線で示すのが、対象曲面と同じ素材（すなわち反射率が等しいと考えられる）における膜を被覆していない平面からの反射率スペクトルと、対象曲面に膜を被覆した後の反射率スペクトルとの差から得られた反射率スペクトルの波形である。
【００３１】
図８から明らかなように、平面の反射率スペクトルを用いた場合（点線で示す）には、波形の乱れが生じ波形の中心線が右に傾き、ピークを検出しにくくなるだけでなく、ピーク値が高周波数側にずれる傾向がある。同様のことは、対象曲面の反射スペクトルでも測定点でない反射スペクトルを用いた場合にも生じうる。これに対し、本実施の形態のごとく、各測定点毎に、膜を被覆する前の対象曲面の反射スペクトルを用いることで（実線で示す）、波形の中心線が水平になり、ピークを検出しやすくなるため、膜厚の測定を精度良く行うことができる。尚、膜を被覆する前の対象曲面の反射スペクトルを取得し、それをデータとして記憶することで、その対象曲面の複製について被覆された膜の厚さを測定する場合には、記憶された反射スペクトルのデータを用いることができるため、必ずしも同一対象曲面で膜を被覆する前後の反射スペクトルを測定する必要はない。
【００３２】
ところで、対象曲面の形状データ（Ｘ０ｎ，Ｚ０ｎ）を、予め用意しておくことは困難な場合もあるが、それにより膜厚が測定できないのであれば、膜厚測定方法の用途が限られる恐れがある。以下に述べる第２の実施の形態は、形状データが予め記憶されていない場合でも、膜厚の測定を可能とするものである。
【００３３】
図９は、第２の実施の形態の膜厚測定装置を示すブロック図である。図１０は、第２の実施の形態の膜厚測定方法を示すフローチャート図である。図９において、本実施の形態の膜厚測定装置は、図３に示す実施の形態の構成に加えて、被測定物１０の形状測定機能を有している。かかる機能を達成するために、より具体的には、試料台６上に載置された被測定物１０に向かって測定光を投射する投射部１０１と、投射部１０１に対向して配置され、被測定物１０に遮られなかった測定光を受光する受光部１０３と、試料台６と共に移動する被測定物１０の変位を光学式変位計１０２とが追加されている。
【００３４】
図９，１０を参照して、本実施の形態の膜厚測定方法について説明する。図１０のステップＳ１０１で、膜（ここではレジスト膜）を被覆した被測定物１０を試料台６上に載置する。更に、ステップＳ１０２において、初期設定を行い、且つｎ＝１とおく。続くステップＳ２０１で、この被測定物１０に関する形状データがパソコン１に記憶されているか否か判断する（かかる判断は、本実施の形態ではパソコン１が自動的行うが、作業者が記憶されたファイルを検索することで行っても良い）。記憶されていない場合、そのままでは膜厚を測定することができないため、第２のモードが設定され、ステップＳ２０２〜Ｓ２０５で、被測定物１０の形状データの測定及び取得が行われる。
【００３５】
より具体的には、ステップＳ２０２で、まずｎ＝１番目の測定点の座標を測定する。この測定は、Ｚステージ４を移動させながら、投射部１０１から投射した測定光が、被測定物１０のｎ番目の測定点に遮られるぎりぎりの位置を、受光部１０３からの出力で検出し、その測定点の高さを光学式変位計１０２により求めて、Ｚ座標とする。対象曲面１０ａに被覆された膜の厚さは１μ前後であるので、Ｚ座標として無視できる。このとき、Ｘ座標はゼロである。続くステップＳ２０３で、ｎ＝ｎ＋１として、ステップＳ２０１に戻って、ｎ＝２番目の測定点の座標を測定する。この測定は、ｎ＝２番目の測定点が、光学式変位計１０２の直下に来るようにＸステージ５を移動させ、更にＺステージ４を移動させながら、投射部１０１から投射した測定光が、被測定物１０のｎ番目の測定点に遮られるぎりぎりの位置を、受光部１０３からの出力で検出し、その測定点の高さを光学式変位計１０２により求めて、Ｚ座標とする。このときＸ座標は、ｎ＝１番目の測定点の測定位置を原点としたＸステージ５の移動量となる。ｎ＝ｋになるまで、上述の測定を繰り返し（ステップＳ２０４）、ｎ＝ｋになったとき、ステップＳ２０５で測定結果を、かかる被測定物１０の対象曲面１０ａの形状データとしてファイル化し、パソコン１に記憶する（ステップＳ２０５）。以上の動作により、被測定物１０の対象曲面１０ａの形状データが得られたので、それに被覆される膜厚のデータを求めることができる。その後、ステップＳ２０６で、各ステージを、図９（ｂ）に示すように、光源７からの照射光が対象曲面１０ａの中心に位置するように、図の右方に移動させることで、膜厚の測定準備を行う。
【００３６】
続いて、ステップＳ１０２において、初期設定を行い、且つｎ＝１とおく。ステップＳ２０１では、形状データが測定されていることから、第１のモードが選択され、膜厚測定及び膜厚データ取得が行われる。尚、膜厚測定及び膜厚データ取得に関しては、上述したステップＳ１０３〜Ｓ１１０と同じ処理を行うため、以下の説明を省略する。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、形状データが分からない場合には、まず第２のモードで被測定物１０の対象曲面１０ａの形状データを測定するので、形状データが予め分かっていない被測定物の対象曲面に被覆された膜の厚さも、容易に測定することができる。
【００３８】
続いて、対象曲面に膜を被覆する被測定物として、光学素子を成形するのに用いる光学素子成形用金型を形成するための母型を用いた例を説明する。但し、本実施の形態にかかる膜厚測定方法、膜厚分布測定方法及び膜厚測定装置は、その用途に限定されることはない。
【００３９】
図１１は、母型の製造工程を示すフローチャートである。図１２は、図１１に示す主要な工程において、処理される母型の素材又はそれと電極部材の組立体（部材Ａという）を示す断面図である。尚、本実施の形態により製作される母型は、対象曲面となるその母光学面に、光学素子の回折輪帯に対応した輪帯が形成されるものとする。
【００４０】
まず、図１１のステップＳ３０１で、Ｓｉ製の略半球型の形状を有する母型の素材１０を、金属など導電性の素材からなる円盤状の電極部材１１の中央開口１１ａに埋め込み接着剤で相対回転不能に固定し（図１２（ａ）参照）、部材Ａを得る。その後、ステップＳ３０２で、不図示の超精密旋盤（ＳＰＤＴ加工機）のチャックに部材Ａを取り付ける。更に、ステップＳ３０３で、部材Ａを回転させなから、ダイヤモンド工具により、母型の素材１０の上面を図１２（ｂ）に示すように切削加工し母光学面（成形しようとする光学素子の光学曲面に相当）１０ａを形成し、且つ電極部材１１の上面に周溝１１ａ（第１のマーク）を切削加工し、更に電極部材１１の外周面１１ｆを切削加工する。このとき、母光学面１０ａの光軸の位置は、その外形から確認することはできないが、同時に加工されることから母光学面１０ａと周溝１１ａとは、精度良く同軸に形成されることとなり、又、円筒面に形成された電極部材１１の外周面１１ｆも、光軸と精度良く同軸に形成される。
【００４１】
ここで、周溝１１ａは、例えば、暗視野部と明視野部とからなる複数の溝から形成されてよく、暗視野部、明視野部を各々複数個有するとさらに好ましい。また、周溝１１ａの凹凸形状により、後述するごとく塗布されるレジスト飛散防止の堤防としても機能させることができる。
【００４２】
更に、ステップＳ３０４で、部材Ａを超精密旋盤から取り外し、ステップＳ３０５で、不図示のＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ）加工機のステージ上にセットする。続くステップＳ３０６で、ＦＩＢ加工機のステージ上の部材Ａにおける周溝１１ａを読み取り、例えばその内側エッジから母型の素材１０の光軸の位置を決定し、ステップＳ３０７で、決定した光軸から等距離で３つ（４つ以上でも良い）の第２のマーク１１ｂを、電極部材１１上に描画する（図１２（ｂ）参照）。ダイヤモンド工具により加工形成した周溝１１ａの幅は比較的広いため、これを用いて加工の基準とすることは、加工精度を低下させる恐れがあるが、ＦＩＢ加工機は、幅が２０ｎｍの線を形成できるため、例えば十字線を形成すると、２０ｎｍ×２０ｎｍの微細なマークを形成することができ、それを加工の基準とすることで、より高精度な加工が期待できる。ステップＳ３０８で、部材ＡをＦＩＢ加工機から取り外す。
【００４３】
ステップＳ３０９で、第２のマーク１１ｂ上に保護テープ１３を貼り付ける（図１２（ｃ）参照）。この保護テープ１３は、後加工で母型の素材１０上に塗布されるレジスト膜Ｌが、第２のマーク１１ｂに付着しないようにするためのものである。レジスト膜Ｌが第２のマーク１１ｂに付着すると、加工の基準として読み取りが不適切になる恐れがある。
【００４４】
更に、ステップＳ３１０で、部材Ａを不図示のスピンコータにセットし、ステップＳ３１１で、レジスト膜Ｌを母型の素材１０上に流下させながらプレスピンを実施し、その後ステップＳ３１２で本スピンを実施し、レジスト膜Ｌの被膜を行う（図１２（ｄ）参照）。プレスピンと本スピンとを分けたのは、複雑な曲面である母光学面１０ａに、均一な膜厚のレジスト膜Ｌを被膜させるためである。
【００４５】
その後、ステップＳ３１３で、部材Ａをスピンコータから取り外し、ステップＳ３１４で、ベーキングを行ってレジスト膜Ｌの被膜を安定させる。このとき、抜き取り検査或いは全数検査で、上述した膜厚測定方法及び膜厚測定装置を用いて、レジスト膜Ｌの膜厚を測定できる。かかる測定の結果、レジスト膜Ｌの厚さが許容範囲に入っていない場合、その部材Ａは不良品として除去されることとなる。但し、レジスト膜Ｌの厚さが薄い場合、その上から新たにレジスト膜Ｌを被覆してもよい。適正な厚さのレジスト膜Ｌが形成された部材Ａについては、ステップＳ３１５で保護テープ１３を剥がす。かかる状態の部材Ａが、図１２（ｄ）に示されている。
【００４６】
続いて、ステップＳ３１６で、部材Ａを不図示の形状測定器（画像認識手段と記憶手段とを有する）にセットし、ステップＳ３１７で、形状測定器の画像認識手段を用いて、第２のマーク１１ｂを検出する。更に、ステップＳ３１８で、超精密旋盤に用いた母型の素材１０の母光学面１０ａの３次元座標を、第２のマーク１１ｂに基づく３次元座標に変換して、これを記憶手段に記憶する。このように、母光学面１０ａを新たな３次元座標で記憶し直すのは、後工程で電子ビーム描画を行う際に、母光学面１０ａの被加工面に対して、狭い電子ビームの焦点深度を合わせるために、電子銃と部材Ａとの相対位置を調整する必要があるからである。尚、第２のマーク１１ｂは、測定の際、測定データにかかる座標の基準点がどこなのかを作業者が視認するための位置認識マークとして利用できる。その後、ステップＳ３１９で部材Ａを形状測定器から取り外す。
【００４７】
ステップＳ３２０で、部材Ａを、不図示の電子ビーム描画装置の３次元ステージにセットし、ステップＳ３２１で、読取手段（走査型電子顕微鏡：電子ビーム描画装置に付属していると好ましい）を介して部材Ａの第２のマーク１１ｂを検出し、それと記憶されている母光学面１０ａの３次元座標とから、母光学面１０ａの被加工面の形状を求め、ステップＳ３２２で、求めた被加工面の形状に対して電子ビームの焦点が合うように、３次元ステージを移動させ、電子ビームＢ（図１２（ｄ）参照）を照射し、所定の処理として所望の輪帯形状を描画する。描画後、ステップＳ３２３で、３次元ステージより部材Ａを取り外し、ステップＳ３２４で現像処理を行って、輪帯形状のレジストを得る。ここで、同一点における電子ビームＢの照射時間を長くすれば、それだけレジストの除去量が増大するため、位置と照射時間（ドーズ量）を調整することで、ブレーズ形状の輪帯になるよう、レジストを残すことができる。尚、電極部材１１の外周面１１ｆを基準として、上述したごとく輪帯形状のレジストを得ることで、後述するごとく母光学面にブレース状の輪帯を形成しても良い。
【００４８】
更に、ステップＳ３２５で、プラズマシャワーによるドライエッチングを経て、母型の素材１０の母光学面１０ａの表面を彫り込んでブレーズ状の輪帯１０ｂ（実際より誇張されて描かれている）を形成する（図１２（ｅ）参照）。このとき、レジスト膜Ｌの膜厚が適正範囲（１μｍ前後）であれば、微細なブレーズ状の輪帯１０ｂの高さを精度良く許容範囲に収めることができ、光学素子の所望の光学特性を得ることができる。
【００４９】
以上の工程で加工処理された部材Ａが、母型として製作されたこととなる。その後、ステップＳ３２６で、スルファミン酸ニッケル浴中に、表面を活性処理した母型すなわち部材Ａを浸し、電極部材１１と外部の電極１４との間に電流を流すことで、電鋳２０を成長させる（図１２（ｆ）参照）。このとき、電極部材１１の外周面１１ｆに絶縁剤を塗布することで、絶縁剤が塗布された部分の電鋳形成を抑制できる。射出成形時に許容できるチルト角度を１分として以下の加工を行う場合、その基準面となる電鋳が形成されない外周面１１ｆの軸線方向長さを７ｍｍ以上とすることが望ましい。電鋳２０は、その成長の過程で、母光学面１０ａに精度良く対応した光学面転写面２０ａと、輪帯１０ｂに精度良く対応した輪帯転写面２０ｂとを形成する。
【００５０】
その後、ステップＳ３２７で、電極部材１１の外周面１１ｆを基準として、部材Ａと電鋳２０とを一体で、ＳＰＤＴ加工機の回転軸と部材Ａの光軸とを一致させるようにしてチャックに取り付け、電鋳２０の外周面２０ｃを切削加工する（図１２（ｇ）参照）。上述したように、外周面１１ｆの軸線方向長さを７ｍｍ以上とすることで、例えば部材Ａをチャックに取り付ける際に用いる支持部材（不図示）と、部材Ａとの端面平行度を考慮する必要がなく、セットの手間が省ける。
【００５１】
加えて、図１２（ｇ）に示すように、電鋳２０に、裏打ち部材との位置決め部としてのピン孔２０ｄ（中央）及びネジ孔２０ｅを加工する。その後、図１２（ｇ）の矢印Ｘで示す位置でカットすることにより、部材Ａから電鋳２０を脱型する（ステップＳ３２８）。尚、ピン孔２０ｄの代わりに円筒軸を形成しても良い。
【００５２】
ステップＳ３２９において、このようにして形成した光学素子成形用金型すなわち電鋳２０に加工処理を施し、以下に述べるように裏打ち部材と一体化することで、可動コア３０を形成する。
【００５３】
図１３は、可動コア３０の断面図である。図１３において、可動コア３０は、先端（図で右側）に配置した電鋳２０と、後端（図で左側）に配置した押圧部３６と、その間に配置された摺動部材３５とから構成される。摺動部材３５及び押圧部３６が裏打ち部材となる。
【００５４】
電鋳２０は、そのピン孔２０ｄに、円筒状の摺動部材３５の端面中央から突出したピン部３５ａを係合させることで、摺動部材３５と所定の関係で位置決めされ、更に、摺動部材３５を軸線に平行に貫通する２つのボルト孔３５ｂに挿通したボルト３７を、ネジ孔２０ｅに螺合させることで、電鋳２０は摺動部材３５に取り付けられる。
【００５５】
摺動部材３５は、ピン部３５ａの設けられた端面（図で右端）に対向する端面（図で左端）の中央に突出して形成されたネジ軸３５ｃを、略円筒状の押圧部３６の端部に形成されたネジ孔３６ａに螺合させることで、押圧部３６に対して所定の位置関係で取り付けられる。図１３において、摺動部材３５の外周面３５ｅは、電鋳２０及び押圧部３６のフランジ部３６ｂ以外の部分の外周面よりも大径となっている。
【００５６】
図１４は、このようにして形成された可動コア３０を用いて光学素子を成形する状態を示す図である。図１４において、光学面転写面４１ａを有する光学素子成形用金型４１を保持する保持部４２は、可動側キャビティ４３に固定されている。可動側キャビティ４３は、小開口４３ａと、それに同軸な大開口４３ｂとを有している。可動側キャビティ４３内に可動コア３０を挿入したときに、摺動部材３５の外周面３５ｅが、小開口４３ａの内周面と摺動し、押圧部３６のフランジ部３６ｂの外周面３６ｄが、大開口４３ｂの内周面と摺動する。かかる２つの摺動部によって案内されることで、可動側キャビティ４３に対して、大きく傾くことなく可動コア３０は軸線方向に移動可能となる。光学素子成形用金型３１、電鋳２０の間に溶融した樹脂を射出し、可動コア３０を矢印方向に加圧することで、光学素子ＯＥが成形される。本実施の形態によれば、母型の素材１０から精度良く転写形成された光学素子成形用金型としての電鋳２０を用いることで、光学素子ＯＥの光学面には、電鋳２０の光学面転写面２０ａが転写形成され、且つ輪帯転写面２０ｂに対応した回折輪帯が光軸に同心的に精度よく形成されることとなる。
【００５７】
以上、実施の形態並びに実施例を参照して本発明を説明してきたが、本発明は、上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良（実施の形態の組み合わせを含む）が可能であることは勿論である。例えば、測定の対象となる膜は、母型のみならず、光学素子整形用金型の表面に被覆されても良く、光学素子の光学面に被覆されていても良い。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、非接触で、曲面に被覆された膜の厚さを精度良く測定できる膜厚測定方法、膜の厚さ分布を測定できる膜厚分布測定方法、及びこれらの方法を用いた膜厚分布装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】膜厚測定の原理を説明するための図である。
【図２】図１に示す状態での反射光のスペクトル分析を行ったものである。
【図３】第１の実施の形態の膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図４】第１の実施の形態の膜厚測定方法を示すフローチャート図である。
【図５】回転対称な被測定物の対象曲面におけ径方向の輪郭を示す図である。
【図６】被測定物を移動させる状態を示す図である。
【図７】対象曲面に膜を被覆した被測定物の断面を示す図である。
【図８】被測定物の膜厚を求めるために用いる反射率スペクトルを、測定点を変えて測定した結果を示す図である。
【図９】第２の実施の形態の膜厚測定装置を示すブロック図である。
【図１０】第２の実施の形態の膜厚測定方法を示すフローチャート図である。
【図１１】母型の製造工程を示すフローチャートである。
【図１２】図１１に示す主要な工程において、処理される母型の素材を含む部材の断面図である。
【図１３】可動コア３０の断面図である。
【図１４】可動コア３０を用いて光学素子を成形する状態を示す図である。
【符号の説明】
１  パソコン
２  ステージドライバー
３  回転ステージ
４  Ｚステージ
５  Ｘステージ
６  試料台
７  光源
８  集光光学系
９  分光器
１０  被測定物（例えば母型）
１０ａ  対象曲面（例えば母光学面）
１０１  投射部
１０２  受光部
１０３  光学式変位計
【図１】
0003858265.tif 000003
【図２】
0003858265.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003858265.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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