JP3861666B2 - Shape measuring method and apparatus - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミロー型やマイケルソン型の干渉顕微鏡のような２光束干渉計を利用して、対象物の微少な表面形状を高精度に測定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２光束干渉計を用いた多波長干渉縞による形状測定方法は、例えば、特開２０００−３３７８３６号公報に開示されている。この方法は、干渉色のスペクトル分布において各波長毎の干渉縞強度ピークを光路長差０の位置付近で少しずつずらすことにより、本来分散のないマイケルソン型やミロー型の干渉計に分散効果を生じさせ、これによって、光路長差０の位置を中心としたスペクトル分布の対称性が崩れるため、このスペクトル分布から２系の光線束の光路長差を求める場合に、その絶対値のみならず正負の識別をも可能にしようとするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、以下に示すような問題点がある。
（１）分散効果により、各波長の強度ピークがずれるため、リファレンスのデータは、測定実験により求めなければならず、データ作成に多くの時間がかかる。（２）光の波長を変更する手段として、半値幅１０ｎｍの狭帯域フィルタをフィルタポケットに順次挿入することにしているが、この方法では、測定に時間がかかり、また取り込み画像の枚数が少ないと測定精度が低下する。
【０００４】
また、光源にレーザ光を使用するものもあるが（特開２０００−２７５００５号）、レーザ光はコヒーレント性が高いため、光学系のいたるところで干渉を引き起こしてしまい、精度の高い測定は期待できない。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、２光束干渉計と白色光源の波長可変光源あるいは波長選択フィルタとを利用して、対象物の微少な表面形状を高精度かつ迅速に測定可能な形状測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る形状測定方法は、白色光源の光の波長を変更可能な波長可変光源と２光束干渉計とを用い、前記２光束干渉計の参照面と測定対象物の測定面により生ずる２光路の光路長を所定の距離ずらすように設定した状態で、前記波長可変光源により白色光源の光の波長を所定の波長範囲内で波長走査しながら、前記２光束干渉計で観測される測定対象物の干渉画像を走査波長毎に撮像手段により撮像する工程と、
前記干渉画像の強度変化を前記走査波長毎に求める工程と、
前記干渉画像の強度変化と理論式から求めた理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差（光路長差と同じ。）を決定する工程と、
前記決定された光路差から測定対象物の表面形状の高さを算出する工程と、
を有することを特徴とする。
【０００７】
この第１の発明では、白色光源の光の波長を変えるのには波長可変光源を使用するので、所定の範囲内で波長を細かく変更することができる。そのため、２光束干渉計により観測される測定対象物の微少な形状を画像処理することで高精度に測定することが可能となる。また、画像処理においては、撮像手段により撮像された干渉画像の画像データから強度変化を算出し、この強度変化と予め計算で求めておいた理論強度変化とのマッチングにより、測定をするものであるので、迅速な測定が可能となり、しかも測定結果を３次元で表現することが可能となる。また、干渉画像を形成するにあたっては、２光束干渉計の対物レンズのフォーカス位置を可干渉距離の範囲内で測定面より下方の所定位置に設定する。これにより、測定面の凹凸形状を測定することができる。
【０００８】
第２の発明に係る形状測定方法は、白色光源の光の波長を選択的に透過可能な波長選択フィルタと２光束干渉計とを用い、前記２光束干渉計の参照面と測定対象物の測定面により生ずる２光路の光路長を所定の距離ずらすように設定した状態で、前記波長選択フィルタにより白色光源の光の波長を所定の波長範囲内で波長走査しながら、前記２光束干渉計で観測される測定対象物の干渉画像を走査波長毎に撮像手段により撮像する工程と、
前記干渉画像の強度変化を前記走査波長毎に求める工程と、
前記干渉画像の強度変化と理論式から求めた理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する工程と、
前記決定された光路差から測定対象物の表面形状の高さを算出する工程と、
を有することを特徴とする。
【０００９】
第２の発明では、前記波長可変光源に代えて波長選択フィルタを使用するものであり、第１の発明と同様な効果がある。波長選択フィルタとしては液晶チューナブルフィルタを用いることができる。
【００１０】
また、第１，第２の発明において、前記２光束干渉計の参照面と測定対象物の測定面により生ずる２光路の光路長のずらし量は、数μｍである。この場合、２光束干渉計の対物レンズ、参照ミラー、ハーフミラーまたは測定対象物のいずれかを移動させることにより、前記２光路の光路長のずれを生じさせる。また、ハーフミラーや参照ミラーを移動させた場合は、測定対象物をフォーカス位置に配置できるので、より好ましい。
【００１１】
また、測定対象物の凹凸部が可干渉距離を超える場合は、測定対象物または干渉対物レンズを光軸方向に移動させて測定する。これにより、測定可能範囲を光軸方向に広げることができる。この場合、測定対象物または干渉対物レンズの光軸方向の移動量（Ｚ軸移動量と記す。）を前記決定された光路差に加算することにより、前記凹凸部の高さを算出する。なお、以下において、干渉対物レンズとは、２光束干渉計の対物レンズと、参照ミラーと、ハーフミラーとを含むものをいう。
【００１２】
前記干渉画像の強度変化は、干渉縞が密になるように設置された平板の画像を走査波長毎に撮像し、その画像の走査波長毎の強度変化に基づいて補正する。
平板は、例えば光軸に対して斜めに設置することにより干渉縞が密になる。このときの波長毎の画像の輝度の平均値より求めた補正データを、測定対象物の測定強度変化から減算あるいは除算することにより、測定強度変化を走査波長の全般にわたって平均的な明るさの変化に補正することができる。
【００１３】
別の補正方法は、参照光のみの画像より求める方法である。この場合、前記対物レンズと測定対象物との間に黒い板を挿入して前記参照光のみの画像を得る。前記干渉画像の強度変化は、前記２光束干渉計の参照光のみの画像を走査波長毎に撮像し、その画像の走査波長毎の差分をとることにより補正する。これによって、光源の発光分光特性や、干渉計の分光特性、撮像手段の分光感度特性などの影響を排除することができる。
【００１４】
前記２光束干渉計としてミロー型またはマイケルソン型の干渉顕微鏡を使用する。
【００１５】
前記第１の発明方法を実施するための形状測定装置は、２光束干渉計と、白色光源の光の波長を所定の範囲内で走査可能な波長可変光源手段と、前記２光束干渉計により観測される測定対象物の干渉画像を撮像する撮像手段と、前記撮像された干渉画像を走査波長毎に記憶する画像メモリと、理論式から求めた理論強度変化を記憶する参照データメモリと、前記干渉画像の強度変化を求める画像強度変化算出手段と、前記干渉画像の強度変化と理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する光路差決定手段と、前記決定された光路差から測定対象物の表面形状の高さを算出する高さ算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、前記第２の発明方法を実施するための形状測定装置は、２光束干渉計と、白色光源の光の波長を所定の範囲内で選択的に透過可能な波長選択フィルタ手段と、前記２光束干渉計により観測される測定対象物の干渉画像を撮像する撮像手段と、前記撮像された干渉画像を走査波長毎に記憶する画像メモリと、理論式から求めた理論強度変化を記憶する参照データメモリと、前記干渉画像の強度変化を求める画像強度変化算出手段と、前記干渉画像の強度変化と理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する光路差決定手段と、前記決定された光路差から測定対象物の表面形状の高さを算出する高さ算出手段と、備えたことを特徴とする。
【００１７】
さらに、第１，第２の形状測定装置は、下記の特徴を有するものである。
【００１８】
測定対象物または干渉対物レンズを光軸方向に移動可能なＺ軸移動手段を有する。
【００１９】
前記波長可変光源手段は、前記白色光源の出射光または前記撮像手段への入射光の波長をコンピュータ制御するものである。
【００２０】
前記波長選択フィルタ手段は、前記白色光源の出射光または前記撮像手段への入射光をコンピュータ制御するものである。
【００２１】
前記干渉画像の強度変化を補正するための補正データを記憶する補正データメモリを有する。
【００２２】
測定対象物または干渉対物レンズの光軸方向の移動量を加算するためのＺ軸移動量加算手段を有する。
【００２３】
また、本発明の一つの態様に係る形状測定装置は、２光束干渉計と、白色光源の光の波長を所定の範囲内で走査可能な波長可変光源手段と、測定対象物の干渉画像の撮像手段とを有する干渉画像取得光学系と、
測定対象物を保持するステージまたは干渉対物レンズを光軸方向に移動させるＺ軸移動手段と、
干渉画像の画像処理手段であって、撮像された干渉画像を走査波長毎に記憶する画像メモリと、
理論式から求めた理論強度変化を記憶する参照データメモリと、
補正データを記憶する補正データメモリと、
前記画像メモリに記憶された画像データを前記補正データにより走査波長毎に補正して前記干渉画像の強度変化を求める画像強度変化算出手段と、
前記干渉画像の強度変化と理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する光路差決定手段と、
前記決定された光路差から、または、該光路差とＺ軸移動量とから、測定対象物の表面形状の高さを算出する高さ算出手段またはＺ軸移動量加算手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の別の態様に係る形状測定装置は、２光束干渉計と、白色光源の光の波長を所定の範囲内で選択的に透過可能な波長選択フィルタ手段と、測定対象物の干渉画像の撮像手段とを有する干渉画像取得光学系と、
測定対象物を保持するステージまたは干渉対物レンズを光軸方向に移動させるＺ軸移動手段と、
干渉画像の画像処理手段であって、撮像された干渉画像を走査波長毎に記憶する画像メモリと、
理論式から求めた理論強度変化を記憶する参照データメモリと、
補正データを記憶する補正データメモリと、
前記画像メモリに記憶された画像データを前記補正データにより走査波長毎に補正して前記干渉画像の強度変化を求める画像強度変化算出手段と、
前記干渉画像の強度変化と理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する光路差決定手段と、
前記決定された光路差から、または、該光路差とＺ軸移動量とから、測定対象物の表面形状の高さを算出する高さ算出手段またはＺ軸移動量加算手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。
【００２６】
実施形態１．
図１は本発明の形状測定装置の構成図である。この例は２光束干渉計としてミロー型の干渉顕微鏡を用いたものである。
図１において、１０は白色光源を用いた波長可変光源であり、白色光源１１，分光器１２，及び集光部１３より構成されている。１４はファイバーライトガイドである。
白色光源１１には、例えば、キセノンランプ（５００Ｗ）を用いている。その他には、ハロゲンランプを使用することもできる。波長可変光源１０は、予め定められた波長範囲、例えば、４５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲の波長を１ｎｍ毎に走査することができるものである。この波長可変光源１０に対する波長制御はコンピュータ５０によって行われる。
【００２７】
２０はミロー型干渉顕微鏡であり、同一光軸２１上に、ビームスプリッター２２，対物レンズ２３，参照ミラー２４，及びハーフミラー２５を備え、さらに上記光軸２１と直角の方向に波長可変光源１０からの光をビームスプリッター２２に平行に照射する照明光学系３０を備えている。
【００２８】
４０は撮像手段を構成するための２次元の撮像素子からなるＣＣＤカメラであり、ミロー型干渉顕微鏡２０により２系の光（測定対象物１００からの物体光と参照ミラー２４からの参照光）が干渉するときの干渉画像を撮像するものである。撮像された干渉画像の画像データは上記コンピュータ５０に取り込まれ、適切な画像処理を施した後、ＣＲＴ５１上に表示される。
測定対象物１００は、光軸２１（Ｚ軸）方向に移動可能なステージ１１０上に保持することが好ましい。ステージ１１０はＺ軸移動手段１１１を備え、コンピュータ５０からの移動指令によってＺ軸の移動制御が行われる。これによって、Ｚ軸方向の測定可能範囲を広げることができる。
【００２９】
本実施形態による形状測定装置では、波長可変光源１０により選択された波長の光を照明光学系３０を経由してビームスプリッター２２に照射する。ビームスプリッター２２により分割された光の一方は、測定対象物１００側に向かい、対物レンズ２３，ハーフミラー２５を経て測定対象物１００の測定面より下方の所定位置にピント合わせされ、その測定面での反射光は再び対物レンズ２３側に向かう。一方、ハーフミラー２５にて反射された光は、参照ミラー２５にて再び反射されて戻り、上記測定面での物体光と一緒になってビームスプリッター２２を透過してＣＣＤカメラ４０上に結像し、干渉画像を形成する。この干渉画像をコンピュータ５０に取り込んで画像処理を施す。
ここで、波長可変光源１０により、上記のように１ｎｍ毎に白色光源１１の波長を変えて照射するので、上記の波長範囲では１００波長分の画像データが得られる。
また、波長可変光源１０は、電子制御により白色光源１１の波長を自由に変更できるので、微少な表面形状を迅速かつ高精度に測定するのに適している。
【００３０】
また、測定領域について述べると次のようになっている。図２を参照して、対物レンズ２３のフォーカス位置は測定対象物１００の表面下所定位置に設定されている。いま、図２において、
ｄx：ハーフミラーから測定対象物までの距離
ｄ1：ハーフミラーから参照ミラーまでの距離
ｄ2：ハーフミラーからフォーカス位置までの距離
とすると、光路長差０（ｄ1＝ｄ2）の前後付近において、光の干渉強度は前述の従来技術で説明したように対称となるが、ｄ2−ｄx＞０になるようにずらすことにより、測定対象物に数μｍ以下の凹凸があっても（ｄ1−ｄx）の光路長差を正の状態でつくることができる。本実施形態ではこの範囲で測定するものである。すなわち、測定に際しては、（ｄ1−ｄx）の光路長差が数μｍとなるように、測定対象物１００をＺ軸方向に移動させる。この場合は、ｄxをずらしたことになるが、可能ならば、参照ミラー２４の位置を変え、ｄ1の方をずらしてもよい。測定対象物１００よりも参照ミラー２４をずらした方がフォーカス位置が変わらないので好ましい。また、白色光源を使用した場合、選択光のスペクトル幅が数ｎｍの時、可干渉距離は１０〜１２μｍであるので、Ｚ軸方向のずらし量はその半分の５〜６μｍである。
【００３１】
図３は本実施形態における主として画像処理装置の構成を示すブロック図、図４は本実施形態における形状測定装置による測定処理手順を示すフローチャートである。
図３において、１は図１に示した光学系による干渉画像取得光学系である。この光学系１は、主として、波長可変光源１０，ミロー型干渉顕微鏡２０，照明光学系３０及びＣＣＤカメラ４０から構成されている。また、測定対象物１００を保持するステージ１１０をＺ軸（光軸）方向に移動させるＺ軸移動手段１１１を有することが望ましい。これは、測定対象物に上記可干渉距離を超える凹凸部があっても、測定対象物１００をＺ軸方向に移動させることにより測定が可能となるためで、従ってＺ軸方向の測定可能範囲を広げることができるからである。
５は、例えば、コンピュータからなる画像処理手段で、画像強度変化算出手段５２，理論値と測定強度変化の比較手段５３，光路差決定手段５４，及び高さ算出手段５５からなり、さらに画像メモリ５６，補正データメモリ５７，及び参照データメモリ５８を備えている。
【００３２】
画像メモリ５６は、干渉画像取得光学系１により取得された上記走査波長毎の干渉画像データを複数枚のフレームとして記憶するものである。
補正データメモリ５７は、測定値（測定強度変化）を補正するためのデータを記憶させたものである。ＣＣＤカメラ４０で撮像された画像は、主に、（ａ）光源の発光分光特性、（ｂ）干渉光学系の分光特性、（ｃ）カメラの分光感度特性などの影響を受けるため、それらの影響を排除するために補正が必要である。そこで、予め補正テーブルを作成しておき、これを基にカメラで撮像された画像から得られた干渉強度変化を適正値に補正するのがよい。この補正テーブルは、例えば、波長と強度（輝度）との関係を示す図５のようなデータであって、これは、干渉縞が密になるように光軸２１に対して斜めに設置した平板をＣＣＤカメラ４０により撮像したときの画像から、その密な領域の平均強度を波長毎に測定して得たものである。この補正データで、図６に示すような測定対象物の画像強度変化が平均的な明るさとなるように減算あるいは除算することにより、図７に示すような補正された干渉強度変化が得られる。また、補正データは、例えば、図１の対物レンズ２３と測定対象物１００との間に黒い板を挿入し、参照光のみの画像を撮像し波長毎の差分をとる方法でも得ることができる。
【００３３】
参照データメモリ５８は、干渉強度変化を下記の理論式（１）より求めた計算値（理論強度変化）を記憶させたものであり、例えば、図８に示すように、予め設定された光路差設定値毎の干渉強度変化の理論値を上記走査波長毎に記憶させておく。
【００３４】
２つの光の強度Ｉ1，Ｉ2 が干渉するときの干渉画像の強度Ｉは、
Ｉ＝Ｉ1＋Ｉ2 ＋２（Ｉ1・Ｉ2 ）1/2・cos（４πｄ／λ）・・・（１）
となる。
ここで、ｄは２光路の光路差の半分であり、図２において、ｄ＝ｄ1−ｄxである。また、Ｉ1＋Ｉ2 ＝２（Ｉ1・Ｉ2 ）1/2＝１／２とし、ｄの値として、例えば、３０００〜４１００ｎｍの範囲内の値を与えると、（１）式より各走査波長λに対応する干渉強度Ｉが求まる。このようにして計算した理論強度変化が図８に示す参照データである。
【００３５】
図３，図４を参照して、測定処理手順を説明する。まず、干渉画像取得光学系１により、測定対象物の干渉画像を波長を走査しながら取得し、各走査波長に対応する干渉画像を画像メモリ５６に取り込む（Ｓ１）。
続いて、画像メモリ５６に記憶させた走査波長毎の干渉画像について、画像強度変化算出手段５２で所定の画素に注目してその干渉画像強度を読み取る（Ｓ２）。
さらに、補正データメモリ５７に記憶させた補正データを用いて干渉強度変化を補正する（Ｓ３）。
次に、比較手段５３で理論値と補正後の測定強度変化とをパターマッチングにより比較し、その比較結果に基づいて光路差決定手段５４で２光路の光路差を決定する（Ｓ４）。
そして、決定した光路差から、測定対象物の表面の高さ情報（図２のフォーカス位置からの高さ寸法）を高さ算出手段５５にて算出する（Ｓ５）。
以上の処理は走査波長毎の干渉画像の全画素について施され、測定部位の３次元画像等に処理した上で、図１のＣＲＴ５１に表示する。
【００３６】
図１２は測定結果の一例を示すものである。これは金属電極の段差部を測定したものであり、表面の粗さ程度から段差部の高さが５０ｎｍ程度であることが明瞭にあらわされており、高精度の測定が可能となっている。
【００３７】
上記の例は測定形状の凹凸部が可干渉距離を超えない場合であり、可干渉距離を超える場合には、次のように構成される。
図９は図３に対応する形状測定装置のブロック図で、図３の高さ算出手段５５の代わりに、あるいは、高さ算出手段５５の拡大した機能として、Ｚ軸移動量加算手段５９を設けた点が異なるだけである。図１０はこの場合における測定処理手順を示すフローチャートである。基本的には、図４と同様であり、次のような手順となる。
【００３８】
まず、干渉画像取得光学系１により、測定対象物の干渉画像を波長を走査しながら取得し、各走査波長に対応する干渉画像を画像メモリ５６に取り込む（Ｓ１１）。このとき、測定範囲でなければ、Ｚ軸移動手段１１１によりＺ軸を例えば一定量だけ移動させて測定範囲に入るように干渉画像取得光学系１を調整し、上記処理（Ｓ１１）を繰り返す（Ｓ１２）。
続いて、画像メモリ５６に記憶させた走査波長毎の干渉画像について、画像強度変化算出手段５２で所定の画素に注目してその干渉画像強度を読み取る（Ｓ１３）。
さらに、補正データメモリ５７に記憶させた補正データを用いて干渉強度変化を補正する（Ｓ１４）。
次に、比較手段５３で理論値と補正後の測定強度変化とをパターマッチングにより比較し、その比較結果に基づいて光路差決定手段５４で２光路の光路差を決定する（Ｓ１５）。
そして、決定した光路差とＺ軸移動量とから、測定対象物の表面の高さ情報をＺ軸移動量加算算出手段５９にて算出する（Ｓ１６）。
以上の処理は走査波長毎の干渉画像の全画素について施され、測定部位の３次元画像等に処理した上で、図１のＣＲＴ５１に表示する。
なお、ここではＺ軸移動量は、ある決められた一定量ずつ移動させるものとしているが、Ｚ軸移動量の検出手段（図示せず）を設けて計測値をフィードバックするようにしてもよい。
【００３９】
実施形態２．
図１１は本発明の別の実施形態を示す形状測定装置の構成図である。同じくミロー型干渉顕微鏡２０を用い、光源には白色光源６０を用い、さらに所定の波長範囲（例えば上記の４５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲）で波長を１ｎｍ毎に透過させる波長選択フィルタ手段として液晶チューナブルフィルタ７０とコンピュータ５０とを用いている。液晶チューナブルフィルタ７０に対する波長制御はコンピュータ５０により行われる。
測定対象物１００は、Ｚ軸方向に移動可能なステージ１１０上に置かれ保持されている。また、液晶チューナブルフィルタ７０はＣＣＤカメラ４０への入射光を選択的に透過させるように置かれているが、白色光源６０の出射光を波長走査可能にしておくこともできる。
【００４０】
本実施形態の作用を説明する。白色光源６０の光は、ビームスプリッター２２を通り、測定対象物１００を均一に照明する。測定対象物１００で反射した白色光源光は、ミロー型干渉顕微鏡２０により参照ミラー２４から反射した参照光と一緒になってＣＣＤカメラ４０に達し、測定対象物１００の干渉画像を結像する。この干渉画像をＣＣＤカメラ４０で撮像する際に、液晶チューナブルフィルタ７０により上記のように１ｎｍ毎に波長を変えて撮像する。従って、この例でも１００波長分の干渉画像が得られる。
なお、測定領域、並びに干渉画像の画像処理による測定処理手順については前述したとおりである。
【００４１】
液晶チューナブルフィルタ７０の場合も第１の実施形態と同様、電子制御により白色光源光の波長を自由に変更できるので、微少な表面形状を高精度に測定するのに適している。但し、液晶チューナブルフィルタ７０は単色光のみを透過させるので、強度変化の処理や判定が容易となる。
【００４２】
以上の各実施形態では、２光束干渉計の一例として、ミロー型干渉顕微鏡を示したが、マイケルソン型干渉顕微鏡を用いても同様である。
また、波長走査を４５０ｎｍから５５０ｎｍの範囲で１ｎｍ毎に行うようにしているが、走査波長の範囲及び走査単位は適宜決定することができる。しかし、１つのポイントで１００個程度の画像データをとることができるため、より精度の高い測定が可能となる。
また、参照データは予め計算して得たものを参照データメモリに記憶する構成としたが、それぞれの装置内に参照データを算出する手段を備える構成としてもよい。
また、画像メモリ、補正データメモリ、参照データメモリを別々のメモリとして図示したが、これらのメモリは１つのメモリ（装置）で構成することもできる。
また、Ｚ軸移動手段１１１は、ステージ１１０をＺ軸方向に移動させるものとして図示したが、対物レンズ２３，参照ミラー２４及びハーフミラー２５からなる干渉対物レンズを一体的にＺ軸方向に移動させるように構成してもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の方法及び装置によれば、２光束干渉計と白色光源の波長可変光源あるいは波長選択フィルタとを用いて、所定の波長範囲内で波長を細かく走査して干渉画像を取得し、その干渉画像から算出される強度変化と理論式から算出される理論強度変化とのマッチングにより、表面形状を測定するものであるので、測定対象物の微少な表面形状を高精度かつ迅速に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１を示す形状測定装置の構成図。
【図２】 測定領域の説明図。
【図３】 実施形態１における形状測定装置のブロック図。
【図４】 実施形態１の形状測定装置による測定処理手順を示すフローチャート。
【図５】 干渉強度変化を補正するための補正データを示す図。
【図６】 測定された干渉強度変化を示す図。
【図７】 補正後の干渉強度変化を示す図。
【図８】 理論強度変化を示す図。
【図９】 可干渉距離を超える場合における形状測定装置のブロック図。
【図１０】 その測定処理手順を示すフローチャート。
【図１１】 本発明の実施形態２を示す形状測定装置の構成図。
【図１２】 測定結果の一例を示す３次元形状図。
【符号の説明】
１：干渉画像取得光学系、５：画像処理手段、１０：波長可変光源、１１：白色光源、２０：ミロー型干渉顕微鏡、２１：光軸、２２：ビームスプリッター、２３：対物レンズ、２４：参照ミラー、２５：ハーフミラー、３０：照明光学系、４０：ＣＣＤカメラ、５０：コンピュータ、５２：画像強度変化算出手段、５３：比較手段、５４：光路差決定手段、５５：高さ算出手段、５６：画像メモリ、５７：補正データメモリ、５８：参照データメモリ、５９：Ｚ軸移動量加算手段、６０：白色光源、７０：液晶チューナブルフィルタ、１００：測定対象物、１１０：ステージ、１１１：Ｚ軸移動手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for measuring a minute surface shape of an object with high accuracy by using a two-beam interferometer such as a Milo type or Michelson type interference microscope.
[0002]
[Prior art]
A shape measuring method using multi-wavelength interference fringes using a two-beam interferometer is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-337836. In this method, the interference fringe intensity peak for each wavelength in the spectral distribution of the interference color is shifted little by little near the position where the optical path length difference is zero, thereby producing a dispersion effect on the originally non-dispersion Michelson type or Millow type interferometer. As a result, the symmetry of the spectral distribution centering on the position of the optical path length difference of 0 is broken, so that when calculating the optical path length difference of the two beam bundles from this spectral distribution, not only the absolute value but also the positive and negative It is also intended to enable identification of
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above prior art has the following problems.
(1) Since the intensity peak of each wavelength shifts due to the dispersion effect, the reference data must be obtained by a measurement experiment, and it takes a lot of time to create the data. (2) As a means for changing the wavelength of light, a narrow band filter having a half width of 10 nm is sequentially inserted into the filter pocket. However, in this method, measurement takes time and the number of captured images is small. Measurement accuracy decreases.
[0004]
Some laser beams are used as a light source (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-275005). However, since laser beams are highly coherent, they cause interference everywhere in the optical system, and high-precision measurements cannot be expected.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and uses a two-beam interferometer and a tunable light source or a wavelength selection filter of a white light source to accurately obtain a minute surface shape of an object. It is another object of the present invention to provide a shape measuring method and apparatus that can be measured quickly.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The shape measuring method according to the present invention uses a tunable light source capable of changing the wavelength of light of a white light source and a two-beam interferometer, and two optical paths generated by the reference surface of the two-beam interferometer and the measurement surface of the measurement object. Measurement object observed by the two-beam interferometer while scanning the wavelength of the light of the white light source within the predetermined wavelength range by the wavelength tunable light source in a state where the optical path length is set to be shifted by a predetermined distance. Imaging the interference image of each scanning wavelength by the imaging means,
Obtaining an intensity change of the interference image for each scanning wavelength;
Comparing the intensity change of the interference image with the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula, and determining the optical path difference between the two optical paths (same as the optical path length difference) based on the comparison result;
Calculating the height of the surface shape of the measurement object from the determined optical path difference;
It is characterized by having.
[0007]
In the first invention, the wavelength variable light source is used to change the wavelength of the light of the white light source, so that the wavelength can be finely changed within a predetermined range. Therefore, it is possible to measure with high accuracy by image processing the minute shape of the measurement object observed by the two-beam interferometer. In the image processing, the intensity change is calculated from the image data of the interference image captured by the imaging means, and measurement is performed by matching the intensity change with the theoretical intensity change obtained in advance by calculation. Therefore, rapid measurement is possible, and the measurement result can be expressed in three dimensions. In forming the interference image, the focus position of the objective lens of the two-beam interferometer is set to a predetermined position below the measurement surface within the coherent distance range. Thereby, the uneven | corrugated shape of a measurement surface can be measured.
[0008]
The shape measuring method according to the second invention uses a wavelength selective filter and a two-beam interferometer that can selectively transmit the wavelength of light from a white light source, and measures the reference surface of the two-beam interferometer and the measurement object. Observation with the two-beam interferometer while scanning the wavelength of the light of the white light source within a predetermined wavelength range by the wavelength selection filter with the optical path length of the two optical paths generated by the surface set to be shifted by a predetermined distance. Capturing an interference image of the measurement object to be measured by an imaging unit for each scanning wavelength;
Obtaining an intensity change of the interference image for each scanning wavelength;
Comparing the intensity change of the interference image with the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula, and determining the optical path difference between the two optical paths based on the comparison result;
Calculating the height of the surface shape of the measurement object from the determined optical path difference;
It is characterized by having.
[0009]
In the second invention, a wavelength selection filter is used instead of the wavelength variable light source, and the same effect as in the first invention is obtained. A liquid crystal tunable filter can be used as the wavelength selection filter.
[0010]
In the first and second inventions, the shift amount of the optical path length of the two optical paths generated by the reference surface of the two-beam interferometer and the measurement surface of the measurement object is several μm. In this case, the optical path length of the two optical paths is shifted by moving any of the objective lens, the reference mirror, the half mirror, or the measurement object of the two-beam interferometer. Further, when the half mirror or the reference mirror is moved, the measurement object can be arranged at the focus position, which is more preferable.
[0011]
When the uneven portion of the measurement object exceeds the coherence distance, measurement is performed by moving the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction. Thereby, the measurable range can be expanded in the optical axis direction. In this case, the height of the concavo-convex portion is calculated by adding the movement amount in the optical axis direction of the measurement object or the interference objective lens (denoted as the Z-axis movement amount) to the determined optical path difference. In the following, the interference objective lens means a lens including an objective lens of a two-beam interferometer, a reference mirror, and a half mirror.
[0012]
The change in the intensity of the interference image is corrected based on the change in the intensity of each scanning wavelength of the image obtained by capturing an image of a flat plate installed so that the interference fringes are dense.
For example, the flat plate is disposed obliquely with respect to the optical axis so that interference fringes become dense. By subtracting or dividing the correction data obtained from the average value of the luminance of the image at each wavelength from the measured intensity change of the measurement object, the change in the average brightness over the entire scanning wavelength is changed. Can be corrected.
[0013]
Another correction method is a method of obtaining from an image of only reference light. In this case, a black plate is inserted between the objective lens and the measurement object to obtain an image of only the reference light. The intensity change of the interference image is corrected by taking an image of only the reference light of the two-beam interferometer for each scanning wavelength and taking the difference for each scanning wavelength of the image. As a result, the influence of the light emission spectral characteristics of the light source, the spectral characteristics of the interferometer, the spectral sensitivity characteristics of the imaging means, and the like can be eliminated.
[0014]
A Milo type or Michelson type interference microscope is used as the two-beam interferometer.
[0015]
The shape measuring apparatus for carrying out the method of the first invention includes a two-beam interferometer, wavelength variable light source means capable of scanning the wavelength of light from a white light source within a predetermined range, and observation using the two-beam interferometer. Imaging means for capturing an interference image of a measurement object to be measured, an image memory for storing the captured interference image for each scanning wavelength, a reference data memory for storing a theoretical intensity change obtained from a theoretical equation, and the interference An image intensity change calculating means for obtaining an intensity change of an image, an optical path difference determining means for comparing an intensity change of the interference image with a theoretical intensity change, and determining an optical path difference between two optical paths based on the comparison result, And a height calculation means for calculating the height of the surface shape of the measurement object from the optical path difference.
[0016]
The shape measuring apparatus for carrying out the second invention method includes a two-beam interferometer, wavelength selective filter means capable of selectively transmitting the wavelength of light from a white light source within a predetermined range, and the 2 Imaging means for capturing an interference image of a measurement object observed by a beam interferometer, an image memory for storing the captured interference image for each scanning wavelength, and reference data for storing a theoretical intensity change obtained from a theoretical formula A memory, an image intensity change calculating means for obtaining an intensity change of the interference image, an optical path difference determining means for comparing an intensity change of the interference image with a theoretical intensity change and determining an optical path difference between the two optical paths based on the comparison result And a height calculating means for calculating the height of the surface shape of the measurement object from the determined optical path difference.
[0017]
Furthermore, the first and second shape measuring devices have the following characteristics.
[0018]
Z-axis moving means capable of moving the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction is provided.
[0019]
The wavelength variable light source means controls the wavelength of the light emitted from the white light source or the light incident on the imaging means.
[0020]
The wavelength selection filter means controls the light emitted from the white light source or the light incident on the imaging means.
[0021]
A correction data memory for storing correction data for correcting the intensity change of the interference image;
[0022]
Z-axis movement amount addition means for adding the movement amount of the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction is provided.
[0023]
In addition, the shape measuring apparatus according to one aspect of the present invention includes a two-beam interferometer, a tunable light source unit capable of scanning the wavelength of light of a white light source within a predetermined range, and capturing an interference image of the measurement object. An interference image acquisition optical system comprising:
Z-axis moving means for moving a stage holding the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction;
An image processing means for interference images, an image memory for storing the captured interference images for each scanning wavelength;
A reference data memory for storing the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula;
A correction data memory for storing correction data;
Image intensity change calculating means for correcting the image data stored in the image memory for each scanning wavelength by the correction data to obtain an intensity change of the interference image;
An optical path difference determining means for comparing an intensity change of the interference image with a theoretical intensity change, and determining an optical path difference between the two optical paths based on the comparison result;
From the determined optical path difference, or from the optical path difference and the Z-axis movement amount, a height calculation means or a Z-axis movement amount addition means for calculating the height of the surface shape of the measurement object;
It is provided with.
[0024]
The shape measuring apparatus according to another aspect of the present invention includes a two-beam interferometer, wavelength selection filter means capable of selectively transmitting the wavelength of light from a white light source within a predetermined range, and an interference image of a measurement object. An interference image acquisition optical system having an imaging means;
Z-axis moving means for moving a stage holding the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction;
An image processing means for interference images, an image memory for storing the captured interference images for each scanning wavelength;
A reference data memory for storing the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula;
A correction data memory for storing correction data;
Image intensity change calculating means for correcting the image data stored in the image memory for each scanning wavelength by the correction data to obtain an intensity change of the interference image;
An optical path difference determining means for comparing an intensity change of the interference image with a theoretical intensity change, and determining an optical path difference between the two optical paths based on the comparison result;
From the determined optical path difference, or from the optical path difference and the Z-axis movement amount, a height calculation means or a Z-axis movement amount addition means for calculating the height of the surface shape of the measurement object;
It is provided with.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
Embodiment 1. FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram of a shape measuring apparatus according to the present invention. In this example, a Milo type interference microscope is used as a two-beam interferometer.
In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a variable wavelength light source using a white light source, which includes a white light source 11, a spectroscope 12, and a light collecting unit 13. Reference numeral 14 denotes a fiber light guide.
For the white light source 11, for example, a xenon lamp (500 W) is used. In addition, a halogen lamp can be used. The variable wavelength light source 10 can scan a predetermined wavelength range, for example, a wavelength in the range of 450 nm to 550 nm every 1 nm. The wavelength control for the tunable light source 10 is performed by the computer 50.
[0027]
A mirror type interference microscope 20 includes a beam splitter 22, an objective lens 23, a reference mirror 24, and a half mirror 25 on the same optical axis 21, and further from the wavelength variable light source 10 in a direction perpendicular to the optical axis 21. Is provided with an illumination optical system 30 that irradiates the beam splitter 22 in parallel with the beam splitter 22.
[0028]
Reference numeral 40 denotes a CCD camera composed of a two-dimensional image pickup device for constituting an image pickup means. Two types of light (object light from the measuring object 100 and reference light from the reference mirror 24) are generated by the Milo interference microscope 20. An interference image at the time of interference is captured. The captured image data of the interference image is captured by the computer 50 and subjected to appropriate image processing, and then displayed on the CRT 51.
The measurement object 100 is preferably held on a stage 110 that can move in the direction of the optical axis 21 (Z-axis). The stage 110 includes a Z-axis moving unit 111, and Z-axis movement control is performed according to a movement command from the computer 50. Thereby, the measurable range in the Z-axis direction can be expanded.
[0029]
In the shape measuring apparatus according to the present embodiment, the beam splitter 22 is irradiated with light having a wavelength selected by the wavelength tunable light source 10 via the illumination optical system 30. One of the lights divided by the beam splitter 22 is directed to the measurement object 100 side, is focused on a predetermined position below the measurement surface of the measurement object 100 via the objective lens 23 and the half mirror 25, and is measured on the measurement surface. The reflected light goes again toward the objective lens 23 side. On the other hand, the light reflected by the half mirror 25 is reflected again by the reference mirror 25 and returned, and passes through the beam splitter 22 together with the object light on the measurement surface to form an image on the CCD camera 40. Then, an interference image is formed. The interference image is taken into the computer 50 and subjected to image processing.
Here, since the wavelength-variable light source 10 irradiates with the wavelength of the white light source 11 changed every 1 nm as described above, image data for 100 wavelengths can be obtained in the above wavelength range.
Moreover, since the wavelength variable light source 10 can freely change the wavelength of the white light source 11 by electronic control, it is suitable for measuring a minute surface shape quickly and with high accuracy.
[0030]
The measurement area is described as follows. Referring to FIG. 2, the focus position of objective lens 23 is set to a predetermined position below the surface of measurement object 100. Now, in FIG.
d x : distance from the half mirror to the measurement object d 1 : distance from the half mirror to the reference mirror d 2 : distance from the half mirror to the focus position, before and after the optical path length difference 0 (d 1 = d 2 ) In the vicinity, the interference intensity of light is symmetric as described in the above-mentioned prior art, but by shifting so that d 2 −d x > 0, even if the measurement object has irregularities of several μm or less, An optical path length difference of (d 1 -d x ) can be created in a positive state. In this embodiment, the measurement is performed within this range. That is, at the time of measurement, the measuring object 100 is moved in the Z-axis direction so that the optical path length difference of (d 1 −d x ) becomes several μm. In this case, although it means that shifting the d x, if possible, change the position of the reference mirror 24, it may be shifted towards the d 1. It is preferable to shift the reference mirror 24 from the measurement object 100 because the focus position does not change. When a white light source is used, when the spectral width of the selection light is several nm, the coherence distance is 10 to 12 μm, so the shift amount in the Z-axis direction is 5 to 6 μm, which is half of that.
[0031]
FIG. 3 is a block diagram mainly showing a configuration of the image processing apparatus in the present embodiment, and FIG. 4 is a flowchart showing a measurement processing procedure by the shape measuring apparatus in the present embodiment.
In FIG. 3, reference numeral 1 denotes an interference image acquisition optical system using the optical system shown in FIG. The optical system 1 mainly includes a wavelength tunable light source 10, a Miro type interference microscope 20, an illumination optical system 30, and a CCD camera 40. In addition, it is desirable to have a Z-axis moving unit 111 that moves the stage 110 holding the measurement object 100 in the Z-axis (optical axis) direction. This is because measurement is possible by moving the measurement object 100 in the Z-axis direction even if the measurement object has a concavo-convex portion exceeding the coherence distance, and therefore, the measurable range in the Z-axis direction is reduced. Because it can be spread.
Reference numeral 5 denotes image processing means composed of, for example, a computer, which comprises an image intensity change calculating means 52, a theoretical value / measured intensity change comparing means 53, an optical path difference determining means 54, and a height calculating means 55. , A correction data memory 57 and a reference data memory 58 are provided.
[0032]
The image memory 56 stores the interference image data for each scanning wavelength acquired by the interference image acquisition optical system 1 as a plurality of frames.
The correction data memory 57 stores data for correcting the measurement value (measurement intensity change). The image captured by the CCD camera 40 is mainly affected by (a) the light emission spectral characteristics of the light source, (b) the spectral characteristics of the interference optical system, (c) the spectral sensitivity characteristics of the camera, and so on. Correction is necessary to eliminate Therefore, it is preferable to prepare a correction table in advance and correct an interference intensity change obtained from an image captured by the camera to an appropriate value based on the correction table. This correction table is, for example, data as shown in FIG. 5 showing the relationship between wavelength and intensity (luminance), and this is a flat plate placed obliquely with respect to the optical axis 21 so that the interference fringes are dense. Is obtained by measuring the average intensity of the dense area for each wavelength from the image taken by the CCD camera 40. By subtracting or dividing the correction data so that the image intensity change of the measurement object as shown in FIG. 6 has an average brightness, a corrected interference intensity change as shown in FIG. 7 is obtained. The correction data can also be obtained, for example, by a method in which a black plate is inserted between the objective lens 23 and the measurement object 100 in FIG.
[0033]
The reference data memory 58 stores the calculated value (theoretical intensity change) obtained by calculating the interference intensity change from the following theoretical formula (1). For example, as shown in FIG. The theoretical value of the interference intensity change for each set value is stored for each scanning wavelength.
[0034]
The intensity I of the interference image when the two light intensities I 1 and I 2 interfere with each other is
I = I 1 + I 2 +2 (I 1 · I 2 ) 1/2 · cos (4πd / λ) (1)
It becomes.
Here, d is half of the optical path difference between the two optical paths, and d = d 1 −d x in FIG. Further, when I 1 + I 2 = 2 (I 1 · I 2 ) 1/2 = 1/2 and a value of d is given within a range of 3000 to 4100 nm, for example, each scan from the equation (1) The interference intensity I corresponding to the wavelength λ is obtained. The theoretical intensity change calculated in this way is the reference data shown in FIG.
[0035]
The measurement processing procedure will be described with reference to FIGS. First, the interference image acquisition optical system 1 acquires an interference image of the measurement object while scanning the wavelength, and captures an interference image corresponding to each scanning wavelength into the image memory 56 (S1).
Subsequently, with respect to the interference image for each scanning wavelength stored in the image memory 56, the image intensity change calculation means 52 pays attention to a predetermined pixel and reads the interference image intensity (S2).
Further, the interference intensity change is corrected using the correction data stored in the correction data memory 57 (S3).
Next, the comparison means 53 compares the theoretical value and the corrected measurement intensity change by pattern matching, and the optical path difference determination means 54 determines the optical path difference between the two optical paths based on the comparison result (S4).
Then, from the determined optical path difference, height information on the surface of the measurement object (height dimension from the focus position in FIG. 2) is calculated by the height calculation means 55 (S5).
The above processing is applied to all pixels of the interference image for each scanning wavelength, and after processing into a three-dimensional image of the measurement site, it is displayed on the CRT 51 in FIG.
[0036]
FIG. 12 shows an example of the measurement result. This is a measurement of the stepped portion of the metal electrode, and it is clearly shown that the height of the stepped portion is about 50 nm from the roughness of the surface, and high-precision measurement is possible.
[0037]
The above example is a case where the uneven portion of the measurement shape does not exceed the coherence distance, and is configured as follows when exceeding the coherence distance.
FIG. 9 is a block diagram of the shape measuring apparatus corresponding to FIG. 3, and a Z-axis movement amount adding means 59 is provided instead of the height calculating means 55 of FIG. 3 or as an expanded function of the height calculating means 55. The only difference is. FIG. 10 is a flowchart showing the measurement processing procedure in this case. The procedure is basically the same as in FIG. 4 and the procedure is as follows.
[0038]
First, the interference image acquisition optical system 1 acquires the interference image of the measurement object while scanning the wavelength, and captures the interference image corresponding to each scanning wavelength into the image memory 56 (S11). At this time, if it is not the measurement range, the interference image acquisition optical system 1 is adjusted so that the Z-axis moving unit 111 moves the Z-axis by a certain amount, for example, to enter the measurement range, and the above-described processing (S11) is repeated (S12). ).
Subsequently, with respect to the interference image for each scanning wavelength stored in the image memory 56, the image intensity change calculating means 52 pays attention to a predetermined pixel and reads the interference image intensity (S13).
Further, the interference intensity change is corrected using the correction data stored in the correction data memory 57 (S14).
Next, the comparison means 53 compares the theoretical value with the corrected measurement intensity change by pattern matching, and the optical path difference determination means 54 determines the optical path difference between the two optical paths based on the comparison result (S15).
Then, from the determined optical path difference and the Z-axis movement amount, the height information of the surface of the measurement object is calculated by the Z-axis movement amount addition calculating means 59 (S16).
The above processing is applied to all pixels of the interference image for each scanning wavelength, and after processing into a three-dimensional image of the measurement site, it is displayed on the CRT 51 in FIG.
Here, the Z-axis movement amount is moved by a certain fixed amount, but a Z-axis movement amount detection means (not shown) may be provided to feed back the measured value.
[0039]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 11 is a configuration diagram of a shape measuring apparatus showing another embodiment of the present invention. Similarly, a liquid crystal tunable filter is used as a wavelength selection filter means that transmits a wavelength every 1 nm in a predetermined wavelength range (for example, the above-mentioned range of 450 nm to 550 nm) using a mirro interference microscope 20 and a white light source 60 as a light source. 70 and a computer 50 are used. Wavelength control for the liquid crystal tunable filter 70 is performed by the computer 50.
The measurement object 100 is placed and held on a stage 110 that can move in the Z-axis direction. Further, although the liquid crystal tunable filter 70 is placed so as to selectively transmit the incident light to the CCD camera 40, the light emitted from the white light source 60 can be wavelength-scanned.
[0040]
The operation of this embodiment will be described. The light from the white light source 60 passes through the beam splitter 22 and illuminates the measurement object 100 uniformly. The white light source light reflected by the measurement object 100 reaches the CCD camera 40 together with the reference light reflected from the reference mirror 24 by the Mirro interference microscope 20, and forms an interference image of the measurement object 100. When this interference image is picked up by the CCD camera 40, the liquid crystal tunable filter 70 picks up the image by changing the wavelength every 1 nm as described above. Therefore, an interference image for 100 wavelengths can be obtained also in this example.
The measurement region and the measurement processing procedure by the image processing of the interference image are as described above.
[0041]
In the case of the liquid crystal tunable filter 70, the wavelength of the white light source light can be freely changed by electronic control as in the first embodiment, which is suitable for measuring a minute surface shape with high accuracy. However, since the liquid crystal tunable filter 70 transmits only monochromatic light, it is easy to process and determine the intensity change.
[0042]
In each of the above-described embodiments, the Miro type interference microscope is shown as an example of the two-beam interferometer. However, the same applies even if a Michelson type interference microscope is used.
Further, although wavelength scanning is performed every 1 nm in the range of 450 nm to 550 nm, the scanning wavelength range and scanning unit can be determined as appropriate. However, since about 100 pieces of image data can be obtained at one point, measurement with higher accuracy is possible.
In addition, although the reference data obtained by calculating in advance is stored in the reference data memory, a configuration may be provided in which each device includes a means for calculating reference data.
Further, although the image memory, the correction data memory, and the reference data memory are illustrated as separate memories, these memories may be configured by one memory (device).
Although the Z-axis moving unit 111 is illustrated as moving the stage 110 in the Z-axis direction, the interference objective lens including the objective lens 23, the reference mirror 24, and the half mirror 25 is integrally moved in the Z-axis direction. You may comprise as follows.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the method and apparatus of the present invention, an interference image is obtained by finely scanning a wavelength within a predetermined wavelength range using a two-beam interferometer and a tunable light source or wavelength selection filter of a white light source. Since the surface shape is measured by matching the intensity change calculated from the interference image and the theoretical intensity change calculated from the theoretical equation, the minute surface shape of the measurement object can be accurately and quickly measured. Can be measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a shape measuring apparatus showing Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a measurement region.
FIG. 3 is a block diagram of the shape measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 4 is a flowchart showing a measurement processing procedure performed by the shape measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing correction data for correcting a change in interference intensity.
FIG. 6 is a diagram showing a measured interference intensity change.
FIG. 7 is a diagram showing a change in interference intensity after correction.
FIG. 8 is a diagram showing a change in theoretical intensity.
FIG. 9 is a block diagram of the shape measuring apparatus when the coherence distance is exceeded.
FIG. 10 is a flowchart showing the measurement processing procedure.
FIG. 11 is a configuration diagram of a shape measuring apparatus showing Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 12 is a three-dimensional shape diagram illustrating an example of a measurement result.
[Explanation of symbols]
1: Interference image acquisition optical system, 5: Image processing means, 10: Wavelength variable light source, 11: White light source, 20: Miro type interference microscope, 21: Optical axis, 22: Beam splitter, 23: Objective lens, 24: Reference Mirror, 25: Half mirror, 30: Illumination optical system, 40: CCD camera, 50: Computer, 52: Image intensity change calculation means, 53: Comparison means, 54: Optical path difference determination means, 55: Height calculation means, 56 : Image memory, 57: correction data memory, 58: reference data memory, 59: Z-axis movement amount adding means, 60: white light source, 70: liquid crystal tunable filter, 100: measurement object, 110: stage, 111: Z Axis moving means

Claims (20)

白色光源の光の波長を変更可能な波長可変光源と２光束干渉計とを用い、前記２光束干渉計の参照面と測定対象物の測定面により生ずる２光路の光路長を所定の距離ずらすように設定した状態で、前記波長可変光源により白色光源の光の波長を所定の波長範囲内で波長走査しながら、前記２光束干渉計で観測される測定対象物の干渉画像を走査波長毎に撮像手段により撮像する工程と、
前記干渉画像の強度変化を前記走査波長毎に求める工程と、
前記干渉画像の強度変化と理論式から求めた理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する工程と、
前記決定された光路差から測定対象物の表面形状の高さを算出する工程と、
を有することを特徴とする形状測定方法。A tunable light source capable of changing the wavelength of the light of the white light source and a two-beam interferometer are used, and the optical path lengths of the two optical paths generated by the reference surface of the two-beam interferometer and the measurement surface of the measurement object are shifted by a predetermined distance. In this state, while scanning the wavelength of the light of the white light source within the predetermined wavelength range with the wavelength tunable light source, the interference image of the measurement object observed with the two-beam interferometer is captured for each scanning wavelength. Imaging by means;
Obtaining an intensity change of the interference image for each scanning wavelength;
Comparing the intensity change of the interference image with the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula, and determining the optical path difference between the two optical paths based on the comparison result;
Calculating the height of the surface shape of the measurement object from the determined optical path difference;
A shape measuring method characterized by comprising: 白色光源の光の波長を選択的に透過可能な波長選択フィルタと２光束干渉計とを用い、前記２光束干渉計の参照面と測定対象物の測定面により生ずる２光路の光路長を所定の距離ずらすように設定した状態で、前記波長選択フィルタにより白色光源の光の波長を所定の波長範囲内で波長走査しながら、前記２光束干渉計で観測される測定対象物の干渉画像を走査波長毎に撮像手段により撮像する工程と、
前記干渉画像の強度変化を前記走査波長毎に求める工程と、
前記干渉画像の強度変化と理論式から求めた理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する工程と、
前記決定された光路差から測定対象物の表面形状の高さを算出する工程と、
を有することを特徴とする形状測定方法。A wavelength selection filter and a two-beam interferometer that can selectively transmit the wavelength of the light from the white light source are used, and an optical path length of two optical paths generated by the reference surface of the two-beam interferometer and the measurement surface of the measurement object is set to a predetermined value. While the wavelength is set to be shifted, the wavelength selection filter scans the wavelength of the light of the white light source within a predetermined wavelength range, and scans the interference image of the measurement object observed with the two-beam interferometer. A step of picking up an image by the image pickup means,
Obtaining an intensity change of the interference image for each scanning wavelength;
Comparing the intensity change of the interference image with the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula, and determining the optical path difference between the two optical paths based on the comparison result;
Calculating the height of the surface shape of the measurement object from the determined optical path difference;
A shape measuring method characterized by comprising: 前記２光束干渉計の参照面と測定対象物の測定面により生ずる２光路の光路長のずらし量が、数μｍであることを特徴とする請求項１または２記載の形状測定方法。  3. The shape measuring method according to claim 1, wherein a shift amount of the optical path length of the two optical paths generated by the reference surface of the two-beam interferometer and the measuring surface of the measurement object is several μm. 前記２光束干渉計の対物レンズ、参照ミラー、ハーフミラーまたは測定対象物のいずれかを移動させることにより、前記２光路の光路長のずれを生じさせることを特徴とする請求項３記載の形状測定方法。  4. The shape measurement according to claim 3, wherein the optical path length of the two optical paths is shifted by moving any of an objective lens, a reference mirror, a half mirror, or a measurement object of the two-beam interferometer. Method. 測定対象物の凹凸部が可干渉距離を超える場合は、測定対象物または干渉対物レンズを光軸方向に移動させて測定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定方法。  The shape measurement according to any one of claims 1 to 4, wherein when the uneven portion of the measurement object exceeds the coherence distance, the measurement object or the interference objective lens is moved in the optical axis direction for measurement. Method. 測定対象物の凹凸部が可干渉距離を超える場合は、測定対象物または前記干渉対物レンズの光軸方向の移動量を前記決定された光路差に加算することにより、前記凹凸部の高さを算出することを特徴とする請求項５記載の形状測定方法。  When the uneven part of the measurement object exceeds the coherence distance, the height of the uneven part is obtained by adding the amount of movement of the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction to the determined optical path difference. 6. The shape measuring method according to claim 5, wherein the shape measuring method is calculated. 前記干渉画像の強度変化は、干渉縞が密になるように設置された平板の画像を走査波長毎に撮像し、その画像の走査波長毎の強度変化に基づいて補正することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の形状測定方法。  The intensity change of the interference image is obtained by capturing an image of a flat plate installed so that interference fringes are dense for each scanning wavelength, and correcting based on the intensity change for each scanning wavelength of the image. Item 7. The shape measuring method according to any one of Items 1 to 6. 前記干渉画像の強度変化は、前記２光束干渉計の参照光のみの画像を走査波長毎に撮像し、その画像の走査波長毎の差分をとることにより補正することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の形状測定方法。  The intensity change of the interference image is corrected by taking an image of only the reference light of the two-beam interferometer for each scanning wavelength and taking a difference for each scanning wavelength of the image. The shape measuring method according to any one of 6. 前記対物レンズと測定対象物との間に黒い板を挿入して前記参照光のみの画像を得ることを特徴とする請求項８記載の形状測定方法。  The shape measuring method according to claim 8, wherein a black plate is inserted between the objective lens and the measurement object to obtain an image of only the reference light. 前記波長選択フィルタとして液晶チューナブルフィルタを用いることを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の形状測定方法。  The shape measuring method according to claim 2, wherein a liquid crystal tunable filter is used as the wavelength selection filter. 前記２光束干渉計としてミロー型またはマイケルソン型の干渉顕微鏡を使用することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の形状測定方法。  11. The shape measuring method according to claim 1, wherein a Milo type or Michelson type interference microscope is used as the two-beam interferometer. ２光束干渉計と、
白色光源の光の波長を所定の範囲内で走査可能な波長可変光源手段と、
前記２光束干渉計により観測される測定対象物の干渉画像を撮像する撮像手段と、
前記撮像された干渉画像を走査波長毎に記憶する画像メモリと、
理論式から求めた理論強度変化を記憶する参照データメモリと、
前記干渉画像の強度変化を求める画像強度変化算出手段と、
前記干渉画像の強度変化と理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する光路差決定手段と、
前記決定された光路差から測定対象物の表面形状の高さを算出する高さ算出手段と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。A two-beam interferometer,
A tunable light source means capable of scanning the wavelength of the light of the white light source within a predetermined range;
An imaging means for imaging an interference image of a measurement object observed by the two-beam interferometer;
An image memory for storing the captured interference image for each scanning wavelength;
A reference data memory for storing the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula;
An image intensity change calculating means for obtaining an intensity change of the interference image;
An optical path difference determining means for comparing an intensity change of the interference image with a theoretical intensity change, and determining an optical path difference between the two optical paths based on the comparison result;
A height calculation means for calculating the height of the surface shape of the measurement object from the determined optical path difference;
A shape measuring apparatus comprising: ２光束干渉計と、
白色光源の光の波長を所定の範囲内で選択的に透過可能な波長選択フィルタ手段と、
前記２光束干渉計により観測される測定対象物の干渉画像を撮像する撮像手段と、
前記撮像された干渉画像を走査波長毎に記憶する画像メモリと、
理論式から求めた理論強度変化を記憶する参照データメモリと、
前記干渉画像の強度変化を求める画像強度変化算出手段と、
前記干渉画像の強度変化と理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する光路差決定手段と、
前記決定された光路差から測定対象物の表面形状の高さを算出する高さ算出手段と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。A two-beam interferometer,
Wavelength selective filter means capable of selectively transmitting the wavelength of the light of the white light source within a predetermined range;
An imaging means for imaging an interference image of a measurement object observed by the two-beam interferometer;
An image memory for storing the captured interference image for each scanning wavelength;
A reference data memory for storing the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula;
An image intensity change calculating means for obtaining an intensity change of the interference image;
An optical path difference determining means for comparing an intensity change of the interference image with a theoretical intensity change, and determining an optical path difference between the two optical paths based on the comparison result;
A height calculation means for calculating the height of the surface shape of the measurement object from the determined optical path difference;
A shape measuring apparatus comprising: 測定対象物または干渉対物レンズを光軸方向に移動可能なＺ軸移動手段を有することを特徴とする請求項１２または１３記載の形状測定装置。  14. The shape measuring apparatus according to claim 12, further comprising Z-axis moving means capable of moving the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction. 前記波長可変光源手段は、前記白色光源の出射光または前記撮像手段への入射光の波長をコンピュータ制御するものであることを特徴とする請求項１２または１４記載の形状測定装置。  The shape measuring apparatus according to claim 12 or 14, wherein the wavelength tunable light source means controls the wavelength of light emitted from the white light source or incident light to the imaging means. 前記波長選択フィルタ手段は、前記白色光源の出射光または前記撮像手段への入射光をコンピュータ制御するものであることを特徴とする請求項１３または１４記載の形状測定装置。  15. The shape measuring apparatus according to claim 13, wherein the wavelength selection filter unit is configured to computer-control light emitted from the white light source or light incident on the imaging unit. 前記干渉画像の強度変化を補正するための補正データを記憶する補正データメモリを有することを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の形状測定装置。  The shape measuring apparatus according to claim 12, further comprising a correction data memory that stores correction data for correcting an intensity change of the interference image. 測定対象物または干渉対物レンズの光軸方向の移動量を加算するためのＺ軸移動量加算手段を有することを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載の形状測定装置。  The shape measuring apparatus according to any one of claims 12 to 17, further comprising a Z-axis movement amount adding means for adding the movement amount of the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction. ２光束干渉計と、白色光源の光の波長を所定の範囲内で走査可能な波長可変光源手段と、測定対象物の干渉画像の撮像手段とを有する干渉画像取得光学系と、
測定対象物を保持するステージまたは干渉対物レンズを光軸方向に移動させるＺ軸移動手段と、
干渉画像の画像処理手段であって、撮像された干渉画像を走査波長毎に記憶する画像メモリと、
理論式から求めた理論強度変化を記憶する参照データメモリと、
補正データを記憶する補正データメモリと、
前記画像メモリに記憶された画像データを前記補正データにより走査波長毎に補正して前記干渉画像の強度変化を求める画像強度変化算出手段と、
前記干渉画像の強度変化と理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する光路差決定手段と、
前記決定された光路差から、または、該光路差とＺ軸移動量とから、測定対象物の表面形状の高さを算出する高さ算出手段またはＺ軸移動量加算手段と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。An interference image acquisition optical system having a two-beam interferometer, a wavelength variable light source means capable of scanning the wavelength of light of a white light source within a predetermined range, and an imaging means for an interference image of the measurement object;
Z-axis moving means for moving a stage holding the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction;
An image processing means for interference images, an image memory for storing the captured interference images for each scanning wavelength;
A reference data memory for storing the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula;
A correction data memory for storing correction data;
Image intensity change calculating means for correcting the image data stored in the image memory for each scanning wavelength by the correction data to obtain an intensity change of the interference image;
An optical path difference determining means for comparing an intensity change of the interference image with a theoretical intensity change, and determining an optical path difference between the two optical paths based on the comparison result;
From the determined optical path difference, or from the optical path difference and the Z-axis movement amount, a height calculation means or a Z-axis movement amount addition means for calculating the height of the surface shape of the measurement object;
A shape measuring apparatus comprising: ２光束干渉計と、白色光源の光の波長を所定の範囲内で選択的に透過可能な波長選択フィルタ手段と、測定対象物の干渉画像の撮像手段とを有する干渉画像取得光学系と、
測定対象物を保持するステージまたは干渉対物レンズを光軸方向に移動させるＺ軸移動手段と、
干渉画像の画像処理手段であって、撮像された干渉画像を走査波長毎に記憶する画像メモリと、
理論式から求めた理論強度変化を記憶する参照データメモリと、
補正データを記憶する補正データメモリと、
前記画像メモリに記憶された画像データを前記補正データにより走査波長毎に補正して前記干渉画像の強度変化を求める画像強度変化算出手段と、
前記干渉画像の強度変化と理論強度変化とを比較し、その比較結果に基づき２光路の光路差を決定する光路差決定手段と、
前記決定された光路差から、または、該光路差とＺ軸移動量とから、測定対象物の表面形状の高さを算出する高さ算出手段またはＺ軸移動量加算手段と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。An interference image acquisition optical system having a two-beam interferometer, a wavelength selection filter means capable of selectively transmitting the wavelength of the light of the white light source within a predetermined range, and an imaging means for imaging an interference image of the measurement object;
Z-axis moving means for moving a stage holding the measurement object or the interference objective lens in the optical axis direction;
An image processing means for interference images, an image memory for storing the captured interference images for each scanning wavelength;
A reference data memory for storing the theoretical intensity change obtained from the theoretical formula;
A correction data memory for storing correction data;
Image intensity change calculating means for correcting the image data stored in the image memory for each scanning wavelength by the correction data to obtain an intensity change of the interference image;
An optical path difference determining means for comparing an intensity change of the interference image with a theoretical intensity change, and determining an optical path difference between the two optical paths based on the comparison result;
From the determined optical path difference, or from the optical path difference and the Z-axis movement amount, a height calculation means or a Z-axis movement amount addition means for calculating the height of the surface shape of the measurement object;
A shape measuring apparatus comprising:
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