JP2002267426A - 形状測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物に小さな塵埃、傷があっても測定が
中断することが少ない測定装置を得る。 【解決手段】 僅かに周波数の異なる２つのヘテロダイ
ン光を偏波面保存光ファイバ３４を介して測定光学ヘッ
ド３５に導き、ヘテロダイン光の一部を取り出して干渉
させ参照ビート信号を検出する。残りのヘテロダイン光
の一方の光は参照面４１で正反射させ、他方の光は被測
定物であるワークＷ上に最大面傾斜角度以上の開口数
（ＮＡ）を有する対物レンズ３９を用いてフォーカスさ
せ、キャッツアイ反射で戻ってきた双方の光を干渉させ
て測定ビート信号を一次元アレイセンサ４４で検出す
る。参照ビート信号と測定ビート信号の位相差を非積算
型のアナログ位相計４８により算出し、算出された参照
信号と測定信号の位相差が測定開始地点の数値と同一と
なるように測定光学ヘッド３５とワークＷの間隔を制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、形状測定装置及び
測定方法に関し、例えばカメラ、ビデオ、半導体製造装
置等に用いられる比較的大口径のレンズ、ミラー、金型
等の滑らかに連続した面形状、特に通常の干渉計では測
定困難な非球面形状や大口径の球面／平面を計測するた
めに好適な光ヘテロダインプローブを利用した形状測定
装置に良好に適用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来例の特公平２−５６６０４号
公報に開示されている光ヘテロダインプローブ形状測定
装置の構成図を示しており、ゼーマンレーザー光源１の
出射方向にはビームスプリッタ２、第１の偏光ビームス
プリッタ３、第２の偏光ビームスプリッタ４、１／４波
長板５、対物レンズ６、ワークＷ、このワークＷを支持
するワークステージ７が順次に配列されている。また、
ビームスプリッタ２の反射方向にはビート信号検出器８
が設けられ、第１の偏光ビームスプリッタ３の反射方向
にはミラー９、１／４波長板１０、レンズ１１、ミラー
１２、１３、ワークステージ７の内面に配置された参照
面１４が順次に配列されている。更に、第１の偏光ビー
ムスプリッタ３の戻り光の反射方向にはビート信号検出
器１５が設けられ、第２の偏光ビームスプリッタ４の戻
り光の反射方向にはフォーカス検出器１６が設けられて
いる。

【０００３】ワークステージ７はＸ−Ｙドライバ１７に
より駆動され、ビート信号検出器８、１５の出力は信号
処理器１８を介して検出器１９に接続されている。更
に、フォーカス検出器１６の出力はドライバ２０を介し
て対物レンズ６を光軸方向に駆動するようになってい
る。

【０００４】ゼーマンレーザー光源１から出射され、偏
光方位が直交する僅かに周波数の異なる２つの光束をｆ
１、ｆ２とすると、これらの光束ｆ１、ｆ２は第１の偏
光ビームスプリッタ３により空間的に分離され、光束ｆ
１は直進し第２の偏光ビームスプリッタ４を通過して１
／４波長板５で円偏光に変換され、対物レンズ６により
ワークＷの表面に焦点を結ぶように照射する。ワークＷ
の表面において入射方向に反射して戻る所謂キャッツア
イ（Ｃａｔ'ｓ Ｅｙｅ）反射により、反射光は対物レ
ンズ６方向に戻り、１／４波長板５を再び通過して直線
偏光に変換されるが、反射前の直線偏光とは９０°方位
が回転した状態で、第２の偏光ビームスプリッタ４に入
射する。

【０００５】この第２の偏光ビームスプリッタ４は特殊
なコーティングが施されており、戻ってきた光を２分割
して一方は透過させて第１の偏光ビームスプリッタ３に
導かれ、他方は反射してフォーカス検出器１６に導かれ
る。フォーカス検出器１６の信号を用いて、対物レンズ
６を光軸方向にサーボ制御し、ワークＷが光軸と直交方
向に移動しても、光束ｆ１は常にワークＷの表面上に焦
点を結ぶことになる。

【０００６】一方、第１の偏光ビームスプリッタ３で反
射された光束ｆ２は、ミラー３ａを経て１／４波長板１
０により円偏光に変換され、ワークステージ７に配置さ
れた参照面１４で反射されて第１の偏光ビームスプリッ
タ３に戻るが、１／４波長板１０を再度通過するために
偏光方位が９０°回転した直線偏光となっており、第１
の偏光ビームスプリッタ３を透過してビート信号検出器
１５に入射する。

【０００７】ワークＷで反射して第１の偏光ビームスプ
リッタ３に戻ってきた光束も、ビート信号検出器１５に
導かれるため、参照面１４で反射した光と干渉し、測定
ビート信号ｆ１−ｆ２がビート信号検出器１５により検
出される。

【０００８】この測定ビート信号と光源１から出射直後
の光束を干渉させて、偏光ビームスプリッタ２で反射さ
せ、ビート信号検出器８で得られた参照ビート信号との
周波数差を積分することで、リセット時からの変位を計
測し、ワークＷを光軸に直交する方向に走査させたとき
の変位からワークＷの形状が測定される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例のように、被測定物であるワークＷの表面上に光を
合焦させて、反射してきた光の波面情報を取得する方法
では、被測定面上に小さな塵埃や傷があると反射光が散
乱するため、検出器に戻る光量、位相が極端に変化し測
定困難となるという問題があり、周波数差を積分すると
いう積算型変位測定手段では、積算カウンタ誤差により
その個所で測定が中断してしまうという問題点がある。

【００１０】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
干渉光位相による測定を行うに際して、被測定面上に小
さな塵埃や傷があっても測定を中断することなく、正確
な測定を実現し得る形状測定装置及び測定方法を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項１に係る本発明は、被測定物の形状を測定する
装置であって、２つの光の一方は参照面で反射させ、他
方は被測定面上で反射させて戻ってきた双方の光を干渉
させた上で受光して測定信号を形成し、基準となる参照
信号と前記測定信号の位相差を非積算型位相計により検
出し、測定された位相差が所定状態に維持される方向に
測定光学ヘッドと被測定面との間隔を制御しながら前記
測定光学ヘッドと被測定面を光軸直交方向に相対的に位
置変化させたときの三次元方向の相対位置変化を読み取
ることにより、被測定面の三次元形状を測定すると共
に、前記測定信号の強度を監視する手段を設けたことを
特徴とする形状測定装置である。

【００１２】請求項２に係る本発明は、前記参照信号と
測定信号の位相差を検出する前記非積算型位相計は、ア
ナログ位相検波装置であることを特徴とする請求項１に
記載の形状測定装置である。

【００１３】請求項３に係る本発明は、被測定物上の塵
埃や傷に遭遇したことを前記測定信号の強度劣化から判
定し、所定時間内は遭遇前のデータを基にサーボを継続
し、所定時間を過ぎて前記測定信号の強度劣化が回復し
ていれば再び前記非積算型位相計の出力を基にサーボ継
続することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置
である。

【００１４】請求項４に係る本発明は、被測定物の形状
を測定する装置であって、２つの光の一方は参照面で反
射させ、他方は被測定面上で反射させて戻ってきた双方
の光を干渉させた上で受光して測定信号を形成し、基準
となる参照信号と前記測定信号の位相差を非積算型位相
計により検出し、測定された位相差が所定状態に維持さ
れる方向に測定光学ヘッドと被測定面との間隔を制御し
ながら前記測定光学ヘッドと被測定面を光軸直交方向に
相対的に位置変化させたときの三次元方向の相対位置変
化を読み取ることにより被測定面の三次元形状を測定し
た後に、データのＺ方向位置の連続性を検査し、不連続
な飛びがあった場合には測定位相差の１周期に相当する
長さの整数倍の数値を補正することを特徴とする形状測
定装置である。

【００１５】請求項５に係る本発明は、被測定物の形状
を測定する方法であって、２つの光の一方は参照面で反
射させ、他方は被測定面上で反射させて戻ってきた双方
の光を干渉させた上で受光して測定信号を形成し、基準
となる参照信号と前記測定信号の位相差をデータの蓄積
処理を行なわずに検出し、測定された位相が所定状態に
維持される方向に測定光学ヘッドと被測定面との間隔を
サーボ制御しながら前記測定光学ヘッドと被測定面を光
軸直交方向に相対的に位置変化させたときの三次元方向
の相対位置変化を読み取ることにより被測定面の三次元
形状を測定すると共に、前記測定信号強度が劣化した際
には、前記サーボ制御を前記測定信号強度が復帰するま
で停止し、得られた三次元形状測定結果の不連続な飛び
を測定位相差の１周期に相当する長さの整数倍分補正す
ることを特徴とする形状測定方法である。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明を図１、図２に図示の実施
の形態に基づいて詳細に説明する。図１は本実施の形態
における光ヘテロダインプローブ形状測定装置の構成図
を示し、レーザー光を射出するレーザー光源３１の出射
方向には、ＡＯＭドライバ３２により駆動され入射した
光を僅かに周波数が異なる２周波光に変換するＡＯＭ周
波数シフタ３３が設けられている。ＡＯＭ周波数のシフ
タ３３による２つの光束は、偏波面保存光ファイバ３４
及び測定光ヘッド３５を介してワークＷに投影されるよ
うになっている。

【００１７】測定ヘッド３５の入射部には、コリメータ
レンズ３６が配置され、その後方の光路上には偏光ビー
ムスプリッタ３７、１／４波長板３８、対物レンズ３９
が配列されている。偏光ビームスプリッタ３７の反射方
向には１／４波長板４０、合焦平面４１が設けられ、偏
光ビームスプリッタ３７の戻り光の反射方向には偏光板
４２、拡散レンズ４３、一次元アレイ光検出器４４が設
けられている。そして、測定ヘッド３５はＸ−Ｙ移動手
段４５により駆動され、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置測定手段４６に
よりその位置を検出するようにされている。

【００１８】測定光学ヘッド３５の一次元アレイ光検出
器４４の出力は３つのマルチプレクサ４７に接続されて
いる。また、ＡＯＭドライバ３２の２周波光の波長差の
出力はアナログ位相計４８に接続され、アナログ位相計
４８の出力はコンピュータ４９に接続されている。コン
ピュータ４９の出力は３つのマルチプレクサ４７及びサ
ーボドライバ５０に接続され、サーボドライバ５０の出
力はアクチュエータ５１を介して測定ヘッド３５をＺ方
向にサーボ制御するようにされている。更に、マルチプ
レクサ４７の出力は加算演算器５２を経てアナログ位相
計４８及び信号強度比較器５３に接続され、比較器５３
の出力はコンピュータ４９に接続されている。

【００１９】光源３１から射出したレーザー光は、ＡＯ
Ｍシフタ３３の作用で偏光方位が直交する２つの僅かに
周波数が異なる光に変換され、偏波面保存光ファイバ３
４に入射し、ファイバ３４を伝送して端末部から偏光方
位を維持した状態で測定光学ヘッド３５に２周波光を出
射する。測定光学ヘッド３５においては、光ファイバ３
４から射出された光は発散光であるため、コリメータレ
ンズ３６で平行光として偏光ビームスプリッタ３７に入
射し、２周波光のうち一方の光は反射されて参照平面４
１側に、他方の光は透過してワークＷ側に進む。参照平
面４１側に進んだ光束は１／４波長板４０で円偏光に変
換されて参照平面４１で正反射され、再び１／４波長板
４０を通って直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッ
タ３７に戻るが、偏光方位が９０°回転しているため
に、今度は透過して光検出器４４側に進む。

【００２０】ワークＷ側へ進んだ光は同様に、１／４波
長板３８で円偏光に変換されて対物レンズ３９で収斂光
となってワークＷの表面に焦点を結び、キャッツアイ反
射されて対物レンズ３９、１／４波長板３８に戻り、直
線偏光に変換されて光ビームスプリッタ３７に戻るが、
偏光方位が９０°回転しているために、今度は反射して
光検出器４４側に進む。

【００２１】この際に、対物レンズ３９はワークＷの最
大面傾斜角よりも大きな開口数（ＮＡ）を有し、また対
物レンズ３９に入射させる光も、この開口一杯に入れて
おく。参照平面４１、ワークＷで反射されたそれぞれの
光束を偏光板４２の作用で干渉させ、拡散レンズ４３を
通して一次元アレイ光検出器４４の幅一杯に入射させ
る。この検出器４４の各素子からは、２つの周波数の差
に相当する周波数の所謂ビート信号が観測されるが、ワ
ークＷの面傾斜に対応するために被測定面から正反射し
てくる光束に相当する素子からの信号を、マルチプレク
サ４７で高速に切換えると共に、隣接するセンサからの
例えば３つの信号を複数の加算器８９で加算すること
で、切換時の信号途切れをなくして取り出す。

【００２２】なお、ここで云うマルチプレクサ４７と
は、多数の入力信号の中からアドレスされた信号のみを
出力線に導く高速なスイッチ機能を有する素子を意味す
るものとする。

【００２３】この測定された測定ビート信号と基準とな
る基準ビート信号との位相差を測定すれば、参照平面４
１側に向かった光とワークＷ側に向かった光束の光路長
差の変化が分かるので、コンピュータ４９の指令によ
り、逆に位相差が一定になるように測定光学ヘッド３５
をＺ方向である光軸方向にサーボしておき、ワークＷと
測定光学ヘッド３５の相対位置をＸ−Ｙ移動手段４５を
用いて光軸に直交するＸＹ面内で変化させながら、その
移動量をＸ−Ｙ−Ｚ位置測定手段４６で検出すれば、ワ
ークＷの表面の三次元形状が原理的には測定されること
になる。

【００２４】次に、図２に示したフローチャート図を用
いて測定シーケンスについて説明する。ワークＷの予め
決められた位置において、ワークＷの表面からの反射が
キャッツアイとなるように、測定光学ヘッド３５の位置
を調整して十分な信号が得られる状態にし、サーボドラ
イバ５０の信号によりサーボを開始しながら、Ｘ−Ｙ移
動手段４５を用いてワークＷの表面の走査を開始する。
この際に、図１に示した信号強度比較器５３の出力はコ
ンピュータ４９で常に監視しておき、信号強度に異常が
なく十分な信号があれば、アナログ位相計４８の出力信
号を用いてリアルタイムにサーボをかけ、そのときの測
定光学ヘッド３５の位置をＸ−Ｙ−Ｚ位置測定手段４６
により測定し、そのデータをメモリに記憶してゆく。

【００２５】しかし、仮にワークＷの表面に小さな塵埃
や傷があった場合に、完全に対物レンズ３９で合焦した
状態であれば、光のスポット径は例えば波長λ＝６３３
ｎｍ、対物レンズＮＡ＝０．５の場合に約０．７μｍと
なり、塵埃、傷と同レベルとなって信号光は散乱されて
しまい、正しいワークＷの表面位置が計測されなくな
り、通常はサーボ不能となる。

【００２６】そこで本実施の形態では、測定信号強度を
常に監視し、塵埃や傷による信号劣化を検知した場合に
は、塵埃や傷であれば通過に必要と考えられる所定時間
だけは、リアルタイムの位相計４８の出力信号を用いず
に、劣化直前の位相計４８の出力信号を用いてサーボを
続け、所定時間の経過後に測定信号劣化が回復していれ
ば、再びリアルタイムに位相信号を用いるサーボに復帰
する。

【００２７】この場合に、ヘテロダイン干渉計の出力か
ら変位を算出する方法として、積算型の手法と非積算型
の手法が考えられる。積算型とは、参照ビート信号、測
定ビート信号をそれぞれデジタル化し、一方をアップカ
ウント、他方をダウンカウントすることでカウンタ値を
更新していく方法であり、高速処理ができるが、一旦ど
ちらかの信号が途切れるとカウンタ値はでたらめな値を
示すことになる。一方、非積算型は単純に現在の２つの
周期信号の位相差に対応する値を２πの範囲で出力する
もので、２πを超える位相差は計測不能である。

【００２８】本実施の形態では、変位（位相）検出に非
積算型のアナログ位相計４８を用いているので、測定光
学ヘッド３５からの光が塵埃、傷を通り越して信号が回
復すれば正しい位相を返すので、信号劣化検知前と後で
のデータは連続するものとして取り扱うことができる。
信号劣化中の測定データには、異常を示すフラグを付し
てデータ保存し、後処理で劣化データとして除外処理可
能なようにしておく。このような処理を続けて、所定走
査範囲を走査完了することで測定シーケンスを終了す
る。

【００２９】ただし、非積算型位相計の測定範囲は２π
しかなく、これはシングルパス干渉計の変位に換算する
とλ／２（マルチパス干渉計の場合はパスの数をＮとす
るとλ／２Ｎ）に相当するので、比較的大きな塵埃等に
遭遇し測定信号が途切れる時間が長く、その間に測定ヘ
ッドとワークＷの表面の間隔がλ／２（λ／２Ｎ）を超
えて変化した場合には、測定値は連続性を失い、段差と
して現われてしまうことになる。

【００３０】この場合においても、非積算型位相計では
誤り量がλ／２（λ／２Ｎ）の整数倍にしかならないた
め、不連続段差をλ／２（λ／２Ｎ）の整数倍で補正す
ることが可能であるので、測定完了した後に測定データ
を形状誤差データに変換し、測定時刻順に見てλ／２
（λ／２Ｎ）以上の不連続が見られるときは、その整数
倍で最も近い量を補正値としてそれ以降のデータに加減
算すればよい。即ち、測定位相差１周期分の長さを基準
長とし、この基準長以上の不連続が発生した際には基準
長の整数倍で最も近い量を補正値として、それ以降のデ
ータに加味するだけで、簡単に不連続部前後の測定値差
の補正ができることになる。

【００３１】なお、上記実施の形態では干渉させる２光
束の波長を僅かかに異ならせるヘテロダイン方式を採用
しているが、形状測定装置としては干渉光位相によって
反射面の形状を測定するものであれば、ホモダイン方
式、フリンジスキャン方式等でもよい。また、干渉計の
形態としてはマイケルソン干渉計方式を基本としている
が、他の例えばフィゾー干渉計方式等でもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る形状測
定装置は、基準となる参照信号と測定信号の位相差を非
積算型位相計により検出し、これを用いたサーボで三次
元形状を測定し、かつ測定信号の強度を監視する手段を
設けたことで、強度劣化の際にこれを認識してサーボを
停止すること、及び信号復帰後にそのまま位相計の信号
を利用してサーボをとりあえず復活させることが容易に
でき、測定信号劣化で測定動作を中断することなくスム
ーズに完了させることができる。

【００３３】一方、これとは別の本発明に係る形状測定
装置は、基準となる参照信号と測定信号の位相差を非積
算型位相計により検出し、これを用いたサーボで三次元
形状を測定した後に、データのＺ方向位置の連続性を検
査し、不連続な飛びがあった場合には測定位相差の１周
期に相当する長さの整数倍の数値を補正するようにした
ことで、測定動作を中断することなくスムーズに完了さ
せ、かつ測定途中に何らかの測定不能期間が入った場合
もその間の計測飛びを後処理で容易に補正することがで
き、安定した測定が可能となる。

【００３４】更に、これとは別の本発明に係る形状測定
方法によれば、比較的大きな塵埃に遭遇した場合も、測
定動作をスムーズに継続することができ、一方これによ
りデータ不連続となる場合にも、後処理で段差補正を容
易に行うことができるので、被測定面に小さな塵埃、傷
があっても、安定した測定が可能となると同時に、この
影響を正確に補正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態の構成図である。

【図２】測定シーケンスのフローチャート図である。

【図３】従来例の構成図である。

【符号の説明】

３１ レーザー光源 ３２ ＡＯＭドライバ ３３ ＡＯＭ周波数シフタ ３４ 偏波面保存光ファイバ ３５ 測定光学ヘッド ３７ 偏光ビームスプリッタ ３９ 対物レンズ ４０、３８ １／４波長板 ４１ 参照平面板 ４２ 偏光板 ４３ 拡散レンズ ４４ マルチプレクサ ４４ 一次元アレイセンサ ４５ Ｘ−Ｙ移動手段 ４６ Ｘ−Ｙ−Ｚ位置計測手段 ４８ アナログ位相計 ４９ コンピュータ ５０ サーボドライバ ５２ 加算演算器 ５３ 信号強度比較器 Ｗ ワーク

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の形状を測定する装置であっ
   て、２つの光の一方は参照面で反射させ、他方は被測定
   面上で反射させて戻ってきた双方の光を干渉させた上で
   受光して測定信号を形成し、基準となる参照信号と前記
   測定信号の位相差を非積算型位相計により検出し、測定
   された位相差が所定状態に維持される方向に測定光学ヘ
   ッドと被測定面との間隔を制御しながら前記測定光学ヘ
   ッドと被測定面を光軸直交方向に相対的に位置変化させ
   たときの三次元方向の相対位置変化を読み取ることによ
   り、被測定面の三次元形状を測定すると共に、前記測定
   信号の強度を監視する手段を設けたことを特徴とする形
   状測定装置。
2. 【請求項２】 前記参照信号と測定信号の位相差を検出
   する前記非積算型位相計は、アナログ位相検波装置であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 【請求項３】 被測定物上の塵埃や傷に遭遇したことを
   前記測定信号の強度劣化から判定し、所定時間内は遭遇
   前のデータを基にサーボを継続し、所定時間を過ぎて前
   記測定信号の強度劣化が回復していれば再び前記非積算
   型位相計の出力を基にサーボ継続することを特徴とする
   請求項１に記載の形状測定装置。
4. 【請求項４】 被測定物の形状を測定する装置であっ
   て、２つの光の一方は参照面で反射させ、他方は被測定
   面上で反射させて戻ってきた双方の光を干渉させた上で
   受光して測定信号を形成し、基準となる参照信号と前記
   測定信号の位相差を非積算型位相計により検出し、測定
   された位相差が所定状態に維持される方向に測定光学ヘ
   ッドと被測定面との間隔を制御しながら前記測定光学ヘ
   ッドと被測定面を光軸直交方向に相対的に位置変化させ
   たときの三次元方向の相対位置変化を読み取ることによ
   り被測定面の三次元形状を測定した後に、データのＺ方
   向位置の連続性を検査し、不連続な飛びがあった場合に
   は測定位相差の１周期に相当する長さの整数倍の数値を
   補正することを特徴とする形状測定装置。
5. 【請求項５】 被測定物の形状を測定する方法であっ
   て、２つの光の一方は参照面で反射させ、他方は被測定
   面上で反射させて戻ってきた双方の光を干渉させた上で
   受光して測定信号を形成し、基準となる参照信号と前記
   測定信号の位相差をデータの蓄積処理を行なわずに検出
   し、測定された位相が所定状態に維持される方向に測定
   光学ヘッドと被測定面との間隔をサーボ制御しながら前
   記測定光学ヘッドと被測定面を光軸直交方向に相対的に
   位置変化させたときの三次元方向の相対位置変化を読み
   取ることにより被測定面の三次元形状を測定すると共
   に、前記測定信号強度が劣化した際には、前記サーボ制
   御を前記測定信号強度が復帰するまで停止し、得られた
   三次元形状測定結果の不連続な飛びを測定位相差の１周
   期に相当する長さの整数倍分補正することを特徴とする
   形状測定方法。