JP2001311611A

JP2001311611A - 表面形状測定装置

Info

Publication number: JP2001311611A
Application number: JP2000129038A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Mimura; 一弘味村; Yasuhiro Takemura; 安弘竹村; Hideyuki Nasu; 英由希那須; Toshiji Takei; 利治武居
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2001-11-09

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定物の保持器と測定ヘッドのうち移動す
る方のピッチングによる傾きから生じる誤差を補正でき
る表面形状測定装置を提供する。【解決手段】被測定物１３を保持する保持器１１と；
被測定物の表面を走査する測定ヘッド１２と；保持器１
１と測定ヘッド１２のうちの移動する方に設けられてい
る平面２３に対して、光束を照射する照射手段２１と；
平面２３で反射された照射手段２１からの光束が入射す
る位置に配置されたスポット光位置検出手段２４と；ス
ポット光位置検出手段２４からのスポット光位置に関す
るデータと保持器１１と測定ヘッド１２のうちの移動す
る方１２の位置に関するデータとに基づいて、前記表面
の形状の測定データを補正する補正手段２６とを備える
表面形状測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面形状測定装置
に関し、特に測定ヘッドにより被測定物の表面を走査
し、該表面形状を測定する表面形状測定装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】試料の表面を走査して試料表面の形状や
粗さ、たわみ、うねりなどを測定する表面形状測定装置
としては、従来から図１０に示すような、オートフォー
カス（ＡＦ）を利用した光触針（光プローブ）式の形状
測定装置があった。これは、試料３を保持するステージ
１と、その図中上方（ｚ軸方向）に測定ヘッド２を備
え、ステージ１をｚ軸に直交するｘ軸方向に移動するこ
とによって、測定ヘッド２からのプローブ光により試料
３の表面を走査して試料の形状を測定するものである。

【０００３】測定ヘッド２は、ステージ１の図中上方に
あり、ステージ１の方向（ｚ軸方向）にレーザ光を発す
るレーザ４とレーザ光の光路上に備えられたビームスプ
リッタ５と対物レンズ６とを備える。対物レンズ６は対
物レンズ移動機構７によってｚ軸方向に移動可能に構成
されている。また試料３方向からの光をビームスプリッ
タ５が反射する方向には、ＡＦセンサ７が備えられてい
る。

【０００４】レーザ４からの平行光束であるレーザ光は
ビームスプリッタ５を透過し、さらに対物レンズ６によ
り試料３の表面に集光され照射される。鏡面状の試料表
面で反射された光束は再び対物レンズ６を通過して平行
光束となり、ビームスプリッタ５で反射されＡＦセンサ
８に到り、結像される。ＡＦセンサ８からの信号を対物
レンズ移動機構７に送り、試料３の表面で光束が合焦す
るように制御する。合焦状態では光束は点状に集光さ
れ、あたかも針の先端が試料３の表面に接触しているか
のようになるので、この装置を光触針（光プローブ）式
と呼ぶ。このようにしてフォーカス状態を測定し、その
フォーカス状態データそのものを使ったり、フォーカス
状態データを使って対物レンズ６の高さを調整して、そ
の対物レンズ６の高さ情報を使うことにより、試料３の
表面の高さの変化を測定することができる。いわば1本
のプローブ光で表面形状を測定することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の表
面形状測定装置は、ステージ１または測定ヘッド２を走
査させて試料３全体の形状を測定する方法であるが、こ
の走査（移動）中に、ステージ１や測定ヘッド２を支え
る部品の歪みなどにより、図１１（ａ）に示すようなロ
ーリング（走査の進行方向ｘ軸回りの回動）、ヨーイン
グ（ｘ軸に直交するｚ軸回りの回動）、ピッチング
（ｘ、ｚ軸に直交するｙ軸回りに回動）が発生する。

【０００６】このような場合、基本的にヨーイングは試
料３の測定データに影響は与えないが、特にピッチング
は図１１（ｂ）に示すように、ピッチング角θに対応す
る光路差分の誤差が発生する。

【０００７】そこで本発明は、被測定物の保持器と測定
ヘッドのうち一方を移動することによって被測定物の表
面を走査する表面形状測定装置において、移動する方の
ピッチングによる傾きから生じる誤差を補正できる表面
形状測定装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明による表面形状測定装置は、例
えば図１に示すように、被測定物１３と測定ヘッド１２
とのうち一方を移動することによって被測定物１３の表
面を測定ヘッド１２により走査し、該表面の形状を測定
する表面形状測定装置において；被測定物１３を保持す
る保持器１１と；前記表面を走査する測定ヘッド１２
と；保持器１１と測定ヘッド１２のうちの移動する方に
設けられた平面２３であって、移動方向（ｘ軸方向）に
向けて設けられている平面２３に対して、光束を照射す
る照射手段２１、２２と；平面２３で反射された照射手
段２１、２２からの光束が入射する位置に配置されたス
ポット光位置検出手段２４と；スポット光位置検出手段
２４からのスポット光位置に関するデータと保持器１１
と測定ヘッド１２のうちの移動する方１２の位置に関す
るデータとに基づいて、前記表面の形状の測定データを
補正する補正手段２６とを備える。

【０００９】スポット光位置検出手段で、入射する光束
の位置を検出することにより、前記平面の角度変化、ひ
いては該平面を有する前記移動する方の角度変化を測定
することができる。移動方向に向けて設けられた平面
は、典型的には移動方向に直交する平面である。反射は
典型的には正反射であるが、これに限らず平面に点状に
照射された光の乱反射があってもよく、反射光に光量分
布があればよい。典型的には、移動は静止座標系に対す
る移動であり、照射手段とスポット光位置検出手段と
は、静止座標系に対して固定される。

【００１０】このように構成すると、スポット光位置検
出手段を備え、スポット光位置検出手段からのスポット
光位置に関するデータと保持器と測定ヘッドのうちの移
動する方の位置に関するデータとに基づいて、前記表面
の形状の測定データを補正する補正手段とを備えるの
で、移動する方例えば測定ヘッドの傾きによる、表面形
状に関する誤差を補正することができる。

【００１１】さらに請求項２に記載のように、また例え
ば図３に示されるように、請求項１に記載の表面形状測
定装置では、照射手段３１から平面２３に到る光路中に
配置されたビームスプリッター３２を備え；照射手段３
１からの光束がビームスプリッター３２を介して平面２
３に照射され、平面２３で反射された照射手段３１から
の光束が再びビームスプリッター３２を介して、スポッ
ト光位置検出手段２４に到るように構成してもよい。

【００１２】ここで、ビームスプリッターを介してと
は、ビームスプリッターで反射またはビームスプリッタ
ーを透過することをいう。

【００１３】このように構成すると、ビームスプリッタ
ーを備えるので、平面２３への入射光の光路と平面２３
からの反射光の光路とを一致させることができる。

【００１４】さらに請求項３に記載のように、また例え
ば図４に示されるように、請求項２に記載の表面形状測
定装置では、照射手段４１、４２は平行光束を射出する
ように構成され；ビームスプリッター４３とスポット光
位置検出手段２４との間に配置され、平面２３で反射さ
れた光をスポット光位置検出手段２４に集光する集光レ
ンズ４４を備えるようにしてもよい。

【００１５】また請求項４に記載のように、また例えば
図６に示されるように、請求項２に記載の表面形状測定
装置では、ビームスプリッター４３と平面２３との間に
配置され、照射手段５１からの光束を平行光束にして、
且つ平面２３で反射された平行光束を、スポット光位置
検出手段５４に集光するコリメータレンズ５２を備える
ようにしてもよい。

【００１６】さらに請求項５に記載のように、また例え
ば図６に示すように、請求項１乃至請求項４のいずれか
１項に記載の表面形状測定装置では、保持器１１と測定
ヘッド１２のうちの移動する方に取り付けられた、鏡面
を有する鏡面板を備え；平面２３が前記鏡面であるよう
にしてもよい。鏡面は表面が十分に平滑で且つ十分な反
射率を有する。

【００１７】また請求項６に記載のように、請求項１乃
至請求項５のいずれか１項に記載の表面形状測定装置で
は、測定ヘッド１２は、２つの光プローブを前記表面に
照射し、前記表面上の該２つの光プローブの照射された
位置の高さの差を測定するように構成してもよい。

【００１８】このような測定ヘッドでは、例えば図８に
示すように、典型的には該２つの光プローブの照射位置
は、前記走査の方向に並んでいる。特に、例えば図９に
示すように、ノマルスキー微分干渉法の原理を利用した
装置とするのが好ましい。ここで位置の高さの差は、相
対的高さを含む概念である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。なお、各図において互い
に同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複
した説明は省略する。

【００２０】図１は、本発明による第１の実施の形態で
ある表面形状測定装置の概念的斜視図である。図中、被
測定物である試料１３を載置する保持器であるステージ
１１（一部破断して図示）の鉛直方向上方に測定ヘッド
１２が備えられている。ステージ１１の試料載置面は平
面であり、該平面が水平になるように置かれている。説
明の便宜上、試料載置面とｘｙ平面が平行でｘｙ平面に
直交するｚ軸を有するｘｙｚ直角座標系をとる。この実
施の形態では、ステージ１１はｘｙｚ座標系に対して固
定的に設置されている。即ち、ｘｙｚ座標系に対して移
動しない。

【００２１】一方測定ヘッド１２は、ステージ１１の平
面の鉛直方向上方に配置され、ｘ軸方向に移動する。測
定ヘッド１２は、鏡面である平面２３を有する。平面２
３は、ピッチングによる回動がない状態で移動方向（ｘ
軸方向）に直交している。平面２３は測定ヘッド１２の
一部を平面状に加工して設けてもよいし、別途用意した
鏡面部材を取り付けることによって設けてもよい。測定
ヘッド１２は、本実施の形態では、従来技術で説明した
ＡＦ利用の構造と同様な構造を有し、１本のプローブ光
を有する。但し、これに限らず、例えば後で説明するノ
マルスキータイプでもよい。

【００２２】測定ヘッドの移動方向には、レーザダイオ
ード（ＬＤ）２１が、平面２３にレーザ光束Ｌ１を投射
するように、ｘｙｚ座標系に対して固定的に設置されて
いる。ＬＤ２１と平面２３との間には、レーザ光束Ｌ１
を細い平行な光束とするレンズ２２が設けられている。
細い平行なレーザ光束Ｌ１の光路は、平面２３の法線方
向であってもよいが、本実施の形態では、平面２３の法
線を含みｘｙ座標平面に直交する平面内にあり、法線と
該光路との角度はαである（図２参照）。

【００２３】また平面２３に対向して、一次元ＰＳＤ
（Position Sensing Detector）２４が、その受光面
が、ピッチングがない状態の平面２３に平行であるよう
に、言い換えればｘ軸に略直交する平面内にあって、ｚ
軸方向に設置されている。一次元ＰＳＤ２４は、直線状
の検出部の一方の端部と他方の端部との電位差が、光の
当たる位置によって変化し、その電位差を図ることによ
って、光の当たっている位置が分かる光検出器である。
このように一次元ＰＳＤ２４は、スポット状の光の位置
を検出できる光センサで、スポット光の光量の強度重心
位置を反映したアナログ電気信号を出力する素子であ
る。この一次元ＰＳＤ２４は、ＬＤ２１に対して固定的
に、即ちｘｙｚ座標系に対して固定的に設置されてい
る。また一次元ＰＳＤ２４の電位差方向の直線はｚ軸に
略平行である。

【００２４】一次元ＰＳＤ２４には、角度データ処理回
路２５が電気的に接続されており、さらに角度データ処
理回路２５には、測定ヘッド１２のｘ方向の位置情報も
入力できるようになっている。

【００２５】さらに測定データ処理回路２６が設けられ
ており、ＡＦ利用構造を有する測定ヘッド１２と、角度
データ処理回路２５と、電気的に接続されている。測定
データ処理回路２６は、測定ヘッド１２からはＡＦの与
える形状データを、角度データ処理回路２５からは角度
データを、また測定ヘッド１２あるいは測定ヘッド１２
をｘ方向に移動する移動機構（不図示）から測定ヘッド
１２のｘ方向の位置情報を受信して、角度データで補正
された形状データを、結果として出力する。

【００２６】図１、図２を参照して、第１の実施の形態
の作用を説明する。ＬＤ２１から出射した光束は、レン
ズ２２を通り、測定ヘッド１２の移動方向（ｘ軸方向）
正面にあたる平面２３で反射して、一次元ＰＳＤ２４に
入射する。

【００２７】ここでレンズ２２は、測定ヘッド１２がそ
の有効測定範囲分だけ移動しても、一次元ＰＳＤ２４上
にほぼスポット光になるようなビームが入射するように
調整されている。また、一次元ＰＳＤの向きは測定ヘッ
ド１２のピッチングが検出できる方向（紙面上方向）に
検出感度が出るように配置されている。

【００２８】これらの光学系は、複雑な光学系が配置し
てある測定ヘッド１２内部に新たに組込む必要はなく、
比較的簡単に測定ヘッド１２以外の部分に取付けること
ができ、簡単に既存の測定装置の性能向上を図ることが
できる。

【００２９】図２を参照して、スポット移動原理を説明
する。光学ヘッドである測定ヘッド１２の平面２３に、
レーザ光束Ｌ１がｘｚ平面内で、平面２３の法線に対し
て角度αで入射している。このとき測定ヘッド１２がピ
ッチングにより角度θだけ傾くと、レーザ光束Ｌ１の平
面２３による反射光の、一次元ＰＳＤ２４の受光面上の
位置の変化量ｚ１は、次の式で表される。

【００３０】ｚ１ = l ・ { tan(α + 2θ) - tanα }

【００３１】α＝０となるようにすると上式は、次のよ
うな式となる。

【００３２】ｚ１ = ｌ・tan （2θ)

【００３３】α＝０は、後述の実施の形態で説明するよ
うに、例えばビームスプリッタを利用することにより実
現できる。

【００３４】上式で分かるように、スポット移動量ｚ１
は測定ヘッド１２から一次元ＰＳＤ２４の受光面までの
距離ｌの影響を受ける。この距離ｌは、測定ヘッド１２
を移動するステッピングモータ（不図示）のステッピン
グ数から０．１μｍ単位で把握することができる。ま
た、リニアゲージ（不図示）によっても把握できる。こ
のような測定ヘッド１２の位置情報を用いて、測定ヘッ
ドの傾きを計算することができる。

【００３５】図１に示すように、一次元ＰＳＤ２４から
のデータは角度データ処理回路２５において、ＰＳＤ２
４からの出力及び測定ヘッド１２の位置情報に基づいて
処理され、測定データ処理回路２６において、最適なデ
ータ形式に変換され、出力される。測定データ処理回路
２６では、角度データ処理回路２５からの出力データに
基づいて、試料１３の表面の測定データの補正が行われ
る。これにより測定ヘッド１２の移動に伴うピッチング
による測定誤差は除去される。

【００３６】測定ヘッド１２の移動及びヨーイングによ
る測定ヘッド１２への入射光到達位置の変化、及び一次
元ＰＳＤ２４へ入射するスポット光の位置変化が、ＰＳ
Ｄ２４の受光面サイズに比べて十分に小さければ、この
ような光学系で、測定ヘッド１２のピッチングにより反
射光束が傾き、一次元ＰＳＤ２４に入射する略スポット
光の位置が移動するのを計測することができる。

【００３７】好ましくは、水平な面内（ｘｙ平面に平行
な面内）でＬＤ２１とＰＳＤ２４とを近づけて入射角と
反射角をできるだけ反射面２３に対して垂直になるよう
にし、ＰＳＤ２４も図中での水平方向に幅の広い受光面
を持つタイプを用いるとよい。またスポット光ではな
く、ｘｙ平面に平行な方向のラインを有するライン光源
を使用することも好適である。そのようなライン光源を
用いれば、光束の一次元ＰＳＤ２４への入射位置が、ｙ
軸方向にずれたとしても、一次元ＰＳＤ２４の検出光の
強さは変わらない。

【００３８】光源として、ＬＤ２１の他にＬＥＤ、Ｈｅ
−Ｎｅレーザなど他のレーザなどを用いることも可能で
ある。例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザでは光源から細い平行
光が出射されるのでレンズが不要になり、さらに好適で
ある。

【００３９】以上の実施の形態では、測定ヘッド１２が
移動することにより試料１３の表面を走査するものとし
て説明したが、逆に測定ヘッド１２は固定して、試料１
３を保持するステージ１１を移動させて試料１３の表面
を走査して測定するような装置としてもよく、その場合
は平面２３をステージ１１側に取付けて同じ効果を実現
させることができる。

【００４０】また、一次元ＰＳＤ２４の他に、ＣＣＤ撮
像素子を一次元（直線状）に配列したＣＣＤリニアセン
サや、複数分割フォトディテクタを用いることも可能で
ある。

【００４１】光束の測定ヘッド１２への照射地点にある
平面２３は、測定ヘッド１２の表面を特別に加工しなく
ても、平坦であってある程度の反射率が得られればよ
い。但し、加工して平面度を高めるのが好ましい。ま
た、測定ヘッド１２の一部を平面に加工する代わりに、
鏡面状の反射板を置けば、反射光量が増えるので光源光
量が小さくて済み、ＰＳＤ２４に入射する光量も大きく
なるので、周辺の光の影響を小さくすることができるの
で好適である。

【００４２】角度データ処理回路２５、測定データ処理
回路２６は、コンピュータによるソフトウェア処理、デ
ジタルハードウェア処理、アナログ演算回路処理の他ど
のような手段を用いてもよい。

【００４３】本実施の形態による表面形状測定装置を用
いれば、測定ヘッド１２のピッチングによる測定誤差を
除去することができ、事前に従来から行われていた基準
球面などを用いた誤差測定をする必要がなく、測定と同
時に誤差を測定するので信頼性も大きく、従来の測定装
置の測定ヘッド内部に新たに角度測定用の光学系を組込
む必要がなく、精度の高い表面形状測定を行うことが可
能になる。

【００４４】本実施の形態では、ＬＤ２１は平面２３の
法線を含みｘｙ座標平面に直交する平面内にあるものと
して説明したが、先に説明したように平面外であっても
よく、その場合αは、平面２３の法線を含みｘｙ座標平
面に直交する平面内成分である。またこの場合は、測定
ヘッド１２がｘ軸方向に移動し、ｌが変化するに従っ
て、レーザ光束受光面２４上の位置はｚ軸方向をはずれ
て移動するので、光検出器は、先に説明したようにｙ軸
方向に幅広のものとしたり、光束をライン光束とする
他、一次元ＰＳＤ２４の代わりに２次元ＰＳＤとしても
よい。測定データ処理回路２６では、受光面上のレーザ
光束スポットの移動距離としては、ｚ軸方向成分を採用
する。

【００４５】このように光束をｘｙ平面内で角度をつけ
て入射することにより、先に説明したｚ１＝ｌ・tan
（２θ）の式を使う場合（α＝０の場合）を実現でき
る。

【００４６】図３を参照して、第２の実施の形態を説明
する。この実施の形態では、第１の実施の形態の場合と
比較して、光源のレーザと平面２３との間にビームスプ
リッタ（ＢＳ）３２を挿入配置した点が異なる。即ち、
測定ヘッド１２がピッチングによる傾きのない状態で、
平面２３のほぼ中央部に立てた法線の延長上にＨｅ−Ｎ
ｅレーザ３１が、該法線と一致する光路をもって平面２
３にレーザ光束を照射するように配置されている。

【００４７】平面２３とレーザ３１との間の光路上にＢ
Ｓ３２が挿入配置されている。また平面２３からの光が
ＢＳ３２で反射する方向に一次元ＰＳＤ２４が配置され
ている。一次元ＰＳＤの撮像素子の配列方向が、測定ヘ
ッド１２がピッチングを起こしたときに、光束の入射位
置が移動する方向と一致するように、一次元ＰＳＤは設
置される。その他の構成は、第１の実施の形態と同様で
あるので、重複した説明は省略する。

【００４８】このように構成すると、レーザ光束の光路
中にＢＳ３２を入れて、測定ヘッド１２の移動方向（ｘ
軸方向）前面にほとんど垂直に光束が入射するようにし
たので、光束をｘｙ平面内で角度をつけて平面２３に入
射する場合と違って、測定ヘッド１２の移動による測定
ヘッド１２への入射光到達位置の変化及び一次元ＰＳＤ
２４へ入射するスポット光の位置変化は発生せず、測定
ヘッド１２のピッチングによる位置変化だけを捉えるこ
とができる。また、ｚ１＝ｌ・tan （２θ）の式を使
うことができる。したがって、光束の入射位置が更に限
定され、高精度の測定が可能になる。

【００４９】第２の実施の形態の表面形状測定装置を用
いれば、角度測定用の光束の入射位置はほぼ一定なの
で、その個所の平面度（フラットネス）のみ高精度にす
ればよく、広い範囲のフラットネスは必要ない。また、
入射側のレーザ光束の移動はなく、信頼性の高い測定を
行うことができる。

【００５０】ここでレーザとしては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ
を用いるものとしたが、その代わりに第１の実施の形態
と同様にＬＤやＬＥＤとレンズを用いる構成としてもよ
い。

【００５１】図４を参照して、本発明の第３の実施の形
態を説明する。この実施の形態では、第２の実施の形態
の場合と比較して、測定ヘッド１２がピッチングによる
傾きのない状態で、平面２３のほぼ中央部に立てた法線
の延長上に配置されているのが、光源ではなく、一次元
ＰＳＤ２４であり、一次元ＰＳＤ２４と平面２３との間
にＢＳ４３が挿入配置されている。一次元ＰＳＤの撮像
素子の配列方向は、測定ヘッド１２がピッチングを起こ
したときに、光束の入射位置が移動する方向、即ち本実
施の形態ではｚ軸方向と略一致するように、一次元ＰＳ
Ｄは設置される。光源としては、ＬＥＤ（Light Emissi
on Diode）４１が用いられ、ＬＥＤ４１は、ＬＥＤ４１
からの光がＢＳ４３で反射して、平面２３に入射するよ
うな方向に配置されている。ＬＥＤ４１とＢＳ４３との
間には、ＬＥＤ４１の発生する光を平行光束にするレン
ズ４２が設けられ、ＢＳ４３と一次元ＰＳＤ２４との間
には、平行光束を一次元ＰＳＤ２４の受光面に集光する
ように、焦点を受光面に一致させてレンズ４４が設けら
れている。その他の構成は、第１の実施の形態と同様で
あるので、重複した説明は省略する。特に、角度データ
処理回路２５、測定データ処理回路２６、それらと測定
ヘッド１２、一次元ＰＳＤ２４との接続回路は、図示を
省略してある。

【００５２】本実施の形態は、レンズ４２で平行にされ
た平行光束をＢＳ４３で反射させて測定ヘッド１２の平
面２３に照射し、平面２３からの反射光をＢＳ４３を透
過させてレンズ４４で集光させて一次元ＰＳＤ２４の受
光面上にスポット光として入射させる点に特徴がある。

【００５３】図５を参照して、本実施の形態の原理を説
明する。光学ヘッドである測定ヘッド１２が、角度θだ
け傾くと、次式で表される変化量ｚ２だけ、反射光スポ
ットの位置が移動する。ここで、レンズ４４の焦点距離
をｆとする。

【００５４】ｚ２＝２・ｆ・tanθ

【００５５】また、ｆθレンズの場合、ｚ２は次の式で
表される。この場合は、角度θとｚ２の関係が線形であ
る。

【００５６】ｚ２＝２・ｆ・θ

【００５７】このように本実施の形態では、測定ヘッド
１２のｘ方向の位置（距離ｌ）によりスポットの移動量
が影響を受けることがない。またＰＳＤ２４上にできる
スポット光の大きさが測定ヘッド１２の位置（距離ｌ）
により変化することがないという特徴があり好適であ
る。

【００５８】ＬＥＤに代えて、ＬＤその他のレーザを用
いることもできる。特にＨｅ−Ｎｅレーザ等の気体レー
ザでは、平行光が出射できるので、レンズ４２が不要に
なり好適である。

【００５９】図６を参照して、本発明の第４の実施の形
態を説明する。本実施の形態の装置は、光源からの光を
平行光にするコリメータレンズと受光素子上にスポット
を作る集光レンズとを共通にした、いわゆる「オートコ
リメータ」光学系を用いている。測定原理は、第３の実
施の形態と同じであるが、コリメータレンズと集光レン
ズとを共通にするので、第３の実施の形態に比べて部品
点数を削減できる。

【００６０】受光素子としては、リニアセンサ５４を用
いる。リニアセンサ５４は、受光部分が一列に並んだ例
えばＣＣＤやＰＤ、ＭＯＳである。もちろん、先の実施
の形態で説明したＰＳＤを用いてもよい。ここでは、角
度データ処理回路２５、測定データ処理回路２６、それ
らと測定ヘッド１２、リニアセンサ５４との接続回路
は、図示を省略してある。

【００６１】また、測定ヘッド１２のピッチングによる
角度変化θが非常に小さい場合などには、２分割ＰＤな
どを用い、２つのＰＤの境界に入射したスポットの光量
の差の変化から測定ヘッド１２の角度変化θを検出する
ことも可能である。

【００６２】更に、本実施の形態では測定ヘッド１２
に、光束を反射する平面としてのミラー２３を取付けて
反射率を上げてリニアセンサ５４に入射する光量を大き
くしている。このようにすると、信号のＳＮ比が向上し
好適である。

【００６３】図７を参照して、本発明の第５の実施の形
態を説明する。本実施の形態は、第４の実施の形態の装
置におけるＢＳ４３の代わりに、光の偏光方向によって
反射するか透過するかが決る偏光ビームスプリッタ６１
（ＰＢＳ）を用い、平面２３とＰＢＳ６１の間に、光束
の偏光状態を変える１／４波長板を挿入配置した点に特
徴がある。ここでは、角度データ処理回路２５、測定デ
ータ処理回路２６、それらと測定ヘッド１２、一次元Ｐ
ＳＤ２４との接続回路は、図示を省略してある。

【００６４】図中、光源であるＬＤ５１は直線偏光の光
束を出射するが、その光束がＰＢＳ６１に反射される向
き（通常はＳ偏光が反射）になるようにＬＤ５１の回転
を調整して配置する。ＰＢＳ６１にＬＤ５１からの光が
入射し、ＰＢＳ６１で平面２３の方向に反射される。こ
の反射光は、コリメータレンズとして機能するレンズ５
２を介して平行光束になり、１／４波長板６２に入射す
る。１／４波長板６２は、入射光ビームのＳ成分とＰ成
分との間に位相差を与える複屈折素子の一種で、位相差
π／２すなわち１／４波長の位相差を与えて、直線偏光
を円偏光に円偏光を直線偏光に変換する。したがって、
１／４波長板６２を通過したのちは、円偏光になって測
定ヘッド１２の平面２３に入射し反射される。

【００６５】このようにして反射して戻って来た円偏光
の光束は、再び１／４波長板６２に入射し、前記の説明
のように直線偏光に変換されて、今度は集光レンズとし
て機能するレンズ５２に向う。レンズ５２の焦点が、Ｐ
ＢＳ６１を介して一次元ＰＳＤ２４の受光面に一致する
ように、ＰＳＤ２４は配置されている。

【００６６】このときの直線偏光は、ＬＤ５１から出射
したときの偏光方向とはπ／２回転したＰ偏光になって
いる。したがって、レンズ５２を通過してＰＢＳ６１へ
入射すると、ＰＢＳ６１では反射せずに透過して、一次
元ＰＳＤ２４に向って光束は進みＰＳＤ２４上にスポッ
ト光を形成する。測定ヘッド１２の傾き角度θと、反射
光スポットの位置の移動量ｚ２の関係は、第３、第４の
実施の形態と同様に、図５で説明した通りである。

【００６７】このように構成することにより、ＢＳ４３
を用いた場合に無駄になっていた光量を、ＰＢＳ６１を
用いることにより、ほぼ全て測定に使用することがで
き、光源も出力の低いものを使用することができ好適で
ある。

【００６８】更にこのとき、ＬＤ５１をＯＮ／ＯＦＦ変
調し、それに同期してＰＳＤ２４からの信号の検波を行
えば、変調されていないＬＤ５１の光以外の外乱光の影
響を低減することが可能になって、ＳＮ比の向上が可能
になり好適である。本実施の形態では、ＬＤ５１を用い
るものとして説明したが、これに限らずＬＥＤを応用し
てもよい。また、気体レーザでもチョッパーなどの機材
を使えば同様の効果を実現できる。

【００６９】図８を参照して、本発明の第６の実施の形
態を説明する。以上の実施の形態の測定ヘッドは１本の
プローブ光を発して、試料の表面形状を測定するものと
して説明したが、第６の実施の形態は、２本のプローブ
光を使って、その光路差を測定して表面形状を測定する
表面形状測定装置である。２本のプローブ光の光路差を
利用して試料１３の表面形状を測定する装置では、もと
もと測定ヘッド７０のヨーイングの他、ローリングによ
る測定ヘッドの傾きも（試料１３の表面を走査するのに
測定ヘッド７０を移動させる場合）、表面形状測定デー
タへの影響はない。したがって、ピッチングによる誤差
を補正すれば、正確な表面形状測定が可能となる。

【００７０】本実施の形態の測定ヘッド７０は、不図示
の保持器に保持された試料１３の表面の走査方向（ｘ軸
方向）に敷設されたガイドレール１４に沿ってガイドさ
れるガイドローラ１５を備えている。測定ヘッド７０か
らは、ｘ軸に直交するｚ軸方向に、互いに平行な２本の
プローブ光が試料表面に向けて発せられる。この２本の
プローブ光の光路差を測定し、それを累積計算すること
により試料の表面形状を測定することができる。ここで
は保持器の他、測定ヘッド７０のｘ軸方向に向けられた
表面２３のピッチングによる傾きを測定する装置部分、
光源、ＢＳ、レンズ、ＰＳＤ、さらには、角度データ処
理回路２５、測定データ処理回路２６、それらと測定ヘ
ッド１２、一次元ＰＳＤ２４との接続回路は、図示を省
略してある。これらとしては、第１から第５の実施の形
態の装置を利用することができる。２本のプローブ光を
利用した形状測定装置としては、ノマルスキー微分干渉
法を利用した形状測定装置、あるいはヘテロダイン法や
光干渉法を利用した装置がある。

【００７１】図９を参照して、本発明の第６の実施の形
態の具体例として、ノマルスキー微分干渉法を利用した
装置の光学系である測定ヘッド７０を説明する。本測定
ヘッド７０は、被測定物である試料１３を載置する保持
器であるステージ１１（不図示）の上方に備えられてい
る。ステージ１１及び試料に対するｘｙｚ直角座標系の
取り方は第１の実施の形態と同様である。

【００７２】測定ヘッド７０は、ｘ軸方向に移動するも
のとする。測定ヘッド７０には、ｘ軸方向に向けられた
平面２３が図１の実施の形態と同様に設けられている
（便宜上分離して図示）。ここに不図示の光源２１から
レーザ光Ｌ１が照射される。

【００７３】ステージひいては試料１３の上方に、試料
１３の方向（ｚ軸方向）にレーザ光を発するレーザ７１
とレーザ光の光路上に備えられたビームスプリッタ（Ｂ
Ｓ）７２と対物レンズ７４とを備える。ＢＳ７２と対物
レンズ７４との間には、ノマルスキープリズム７３が挿
入配置されている。

【００７４】また試料１３方向からの光がＢＳ７２で反
射される方向には、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７
５が備えられ、その透過方向には第１のフォトディテク
タ７６が、ＰＢＳ７５の反射方向には第２のフォトディ
テクタ７７が備えられている。

【００７５】次に本実施の形態の測定ヘッド７０の作用
を説明する。レーザ７１からの平行光束はＢＳ７２を透
過して、ノマルスキープリズム７３に到る。ノマルスキ
ープリズム７３は、入射した光をＰ偏光とＳ偏光と分離
する複屈折作用を有しているので、これを透過した光
は、わずかにずれた２筋の平行光束として対物レンズ７
４に入射する。対物レンズ７４は、複数のレンズを組み
合わせて収差を除いた組合せレンズであり、焦点が試料
１３の表面に一致するように設定されている。したがっ
て、対物レンズ７４を通過した光束は、２本のプローブ
光として試料１３の表面に入射する。２本のプローブ光
が、ｘ軸方向に並ぶように、ノマルスキープリズム７２
の向きは調整されている。

【００７６】試料１３の表面は略鏡面であり、ここで反
射された光は、再び対物レンズ７４を通過し、平行光束
となってノマルスキープリズム７３に到る。ここで、Ｐ
偏光とＳ偏光とは合成されて一体の平行光束として、Ｂ
Ｓ７２にいたり、ＰＢＳ７５の方向に反射される。ＰＢ
Ｓ７５ではＰ偏光は透過して第１のフォトディテクタ７
６に到り、Ｓ偏光は反射して第２のフォトディテクタ７
７に到る。このようにして、第１のフォトディテクタ７
６と第２のフォトディテクタ７７とで検出された、Ｐ偏
光とＳ偏光の光路差を不図示の処理装置で検出し、試料
１３の表面形状を測定することができる。

【００７７】このように、ノマルスキー微分干渉法を利
用した形状測定装置に、測定ヘッドの傾きの誤差を補正
する手段を設けるので、２本のプローブ光を利用する表
面形状測定装置の欠点である、測定ヘッドのピッチング
による傾き誤差を除去することができ、極めて正確な表
面形状の測定ができる測定装置を提供することができ
る。

【００７８】この実施の形態でも、測定ヘッド７０を固
定して、試料保持器を移動して走査する場合は、保持器
の傾きによる誤差を補正するように構成することはいう
までもない。

【００７９】ノマルスキー微分干渉法を利用した装置の
ように、測定対象物の表面上の２つの光プローブの照射
された位置の高さの差を測定するような表面形状測定方
法では、典型的には各測定点における高さの差を積分し
て表面形状とするので、ピッチング誤差は積分により蓄
積され、非常に大きなものとなり得る。本発明の実施の
形態によれば、ピッチングによる傾き誤写を補正するこ
とができるので、そのような誤差を抑えることができ
る。

【００８０】以上のように、本発明の実施の形態によれ
ば、測定ヘッドのピッチングによる測定誤差を除去する
ので、高精度の表面形状測定が可能になり、例えば従来
行われていたような、基準球面等を用いて事前に誤差測
定しておく必要がなく、測定と同時に誤差測定ので信頼
性が高く、広い範囲の反射板のフラットネスが必要な
く、簡単な光学系で、従来の測定装置に簡単に機能を付
加することが可能で、入射側のレーザ光束の移動がな
く、信頼性が高い表面形状測定装置を提供することがで
きる。

【００８１】このような表面形状測定装置は、測定性能
が著しく向上した装置であり、特に半導体製造に使用さ
れるウェハやハードディスク、その他の略鏡面状の試料
の表面を走査して試料表面の形状や粗さ、たわみ、うね
りなどを測定するのに適している。

【００８２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、スポット
光位置検出手段を備え、スポット光位置検出手段からの
スポット光位置に関するデータと保持器と測定ヘッドの
うちの移動する方の位置に関するデータとに基づいて、
前記表面の形状の測定データを補正する補正手段とを備
えるので、移動する方の傾きによる、表面形状に関する
誤差を補正することができる表面形状測定装置を提供す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である表面形状測定
装置の概念的斜視図である。

【図２】図１の表面形状測定装置の測定ヘッドの傾きを
測定する原理を説明する概念的側面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態である表面形状測定
装置の概念的斜視図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態である表面形状測定
装置の概念的斜視図である。

【図５】図４の表面形状測定装置の測定ヘッドの傾きを
測定する原理を説明する概念的側面図である。

【図６】本発明の第４の実施の形態である表面形状測定
装置の概念的斜視図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態である表面形状測定
装置の概念的斜視図である。

【図８】本発明の第６の実施の形態である表面形状測定
装置の概念的斜視図である。

【図９】図８の表面形状測定装置で用いる測定ヘッドの
模式的側面図である。

【図１０】従来技術である表面形状測定装置を説明する
模式的側面図である。

【図１１】被測定物の揺れを説明する概念的斜視図であ
る。

【符号の説明】

１１保持器１２測定ヘッド１３試料２１ＬＤ２２レンズ２３平面２４一次元ＰＳＤ２５角度データ処理回路２６測定データ処理回路３２、４３、７２ピームスプリッター６１、７５偏光ビームスプリッター６２１／４波長板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者那須英由希東京都江東区猿江２−16−５住友大阪セメント株式会社新規技術研究所内 (72)発明者武居利治東京都江東区猿江２−16−５住友大阪セメント株式会社光電子事業部内Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA06 AA37 AA54 DD03 FF51 FF61 FF65 GG04 GG06 HH04 HH13 JJ16 LL36 LL46 MM01 NN08 PP12 QQ13 QQ14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物と測定ヘッドとのうち一方を移
動することによって前記被測定物の表面を前記測定ヘッ
ドにより走査し、該表面の形状を測定する表面形状測定
装置において；前記被測定物を保持する保持器と；前記
表面を走査する測定ヘッドと；前記保持器と前記測定ヘ
ッドのうちの移動する方に設けられた平面であって、移
動方向に向けて設けられている平面に対して、光束を照
射する照射手段と；前記平面で反射された前記照射手段
からの光束が入射する位置に配置されたスポット光位置
検出手段と；前記スポット光位置検出手段からのスポッ
ト光位置に関するデータと前記保持器と前記測定ヘッド
のうちの移動する方の位置に関するデータとに基づい
て、前記表面の形状の測定データを補正する補正手段と
を備える；表面形状測定装置。
【請求項２】前記照射手段から前記平面に到る光路中
に配置されたビームスプリッターを備え；前記照射手段
からの光束が前記ビームスプリッターを介して前記平面
に照射され、前記平面で反射された前記照射手段からの
光束が再び前記ビームスプリッターを介して、前記スポ
ット光位置検出手段に到るように構成された；請求項１
に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】前記照射手段は平行光束を射出するよう
に構成され；前記ビームスプリッターと前記スポット光
位置検出手段との間に配置され、前記平面で反射された
光を前記スポット光位置検出手段に集光する集光レンズ
を備える；請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】前記ビームスプリッターと前記平面との
間に配置され、前記照射手段からの光束を平行光束にし
て、且つ前記平面で反射された平行光束を、前記スポッ
ト光位置検出手段に集光するコリメータレンズを備え
る；請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】前記保持器と前記測定ヘッドのうちの前
記移動する方に取り付けられた、鏡面を有する鏡面板を
備え；前記平面が前記鏡面である、請求項１乃至請求項
４のいずれか１項に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】前記測定ヘッドは、２つの光プローブを
前記表面に照射し、前記表面上の該２つの光プローブの
照射された位置の高さの差を測定するように構成され
た、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の表面
形状測定装置。