JP2006284193A - 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な装置構成で高速且つ高精度な測定を実現する三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を提供する。
【解決手段】 曲率を有する測定対象面の凹凸形状を測定する方法であって、測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報を組み込んだ参照用マスクを準備し、特定波長光を測定対象面と参照面に与え、反射された測定光と参照光とを干渉させて干渉縞を形成し、干渉縞の位相を変化させて少なくとも３つの干渉縞画像を取得し、位相シフト法に基づいて測定対象面の各凹凸パターン領域における相対高さ差分を算出し、参照用マスクとフィッティングさせ、測定対象領域毎の絶対基準高さ情報及び相対高さ差分から同測定対象面の絶対高さ値を逆算し、測定対象面の曲面形状にフィッティングさせ、この近似値を解析高さ値として求める。
【選択図】 図２

Description

本発明は、干渉縞画像を利用して測定対象の表面凹凸形状（段差形状）や厚さを測定する三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法に関する。

例えば薄膜磁気ヘッドの媒体対向面（浮上面）のような複雑な段差形状を測定する場合には、一般に、測定対象の測定面から反射された測定光と、この測定面と光学的に等価位置に設けた参照面から反射された参照光とを干渉させて生成した干渉縞を利用する干渉縞解析手法が用いられる。

干渉縞解析手法としては、垂直走査白色干渉（ＶＳＩ；Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）法や、位相シフト（ＰＳＩ；Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）法が広く知られている。周知のように、垂直走査白色干渉法は、可干渉距離の短い白色光光源を使用して測定対象を高さ方向に垂直走査し、干渉縞変調量の最大となる位置を測定点の高さｈとして検出する手法であって、高さレンジを自由に設定でき、不連続な段差を含む粗面の測定も可能である。位相シフト法は、参照光と測定光の間に複数の位相差を与えたときの干渉縞の強度変化を測定することにより参照光と測定光の位相差φを算出し、この位相差φと測定光の波長λから各測定点の高さｈを演算式；ｈ＝（λ／４π）・φにより換算して求める手法であり、複数個の干渉縞画像を取り込むことで測定面内の全点の高さ測定を短時間且つ高精度に実現することができる。
特開２００１− ９９６２０号公報 特開２００１−１７４２３２号公報 特開２００２− １３９１９号公報

しかしながら、上記垂直走査白色干渉法は、位相シフト法よりも測定精度が低く、また、測定点の高さｈを検出するために全高さ位置における測定対象の干渉縞画像を取り込む必要があることから測定時間が長くなってしまう欠点がある。

一方、位相シフト法では、測定光の位相差φを利用する原理上、測定可能な高さ範囲が測定光の波長λの半分までに限定されており、しかも、測定対象が測定光の波長λに比べて十分に平滑な面でなければ正確な測定が難しい。このため、高さが大きく異なる段差形状を測定する場合には、位相シフト法のみで正確な形状を測定することはできず、位相シフト法で測定した後に垂直走査白色干渉法等により絶対的な高さを測定する必要があった。このように位相シフト法と垂直走査白色干渉法の両方を実施する手法では、さらに測定時間が長くなり、装置構成も複雑になる。

また従来では、上記いずれの手法においても測定対象面を平面的に捉えて高さ算出しており、測定対象面の曲面形状は全く考慮されていない。このため、曲率を有する測定対象面の凹凸形状を測定する場合には、該測定対象面の曲率やパターン形状によっては実際の高さ値と測定値とが大きくずれてしまう虞があった。

本発明は、簡単な装置構成で高速且つ高精度な測定を実現する三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を提供することを目的としている。

本発明は、曲率を有する測定対象面の凹凸形状を測定する場合には、測定値を曲面近似すれば測定精度が向上すること；測定対象面の絶対高さではなく、各凹凸パターン領域における微小な高さ差分（段差）のみを測定すれば位相シフト法により高速且つ高精度な測定を実現できること；及び、この位相シフト法で求めた測定値の絶対高さを特定するには、測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報を組み込んだ参照用マスクを準備し、この参照用マスクと測定値とをフィッティングさせれば容易であること；に着目してなされたものである。

すなわち、本発明は、曲率を有する凹凸形状の測定対象面から反射された測定光と参照面から反射された参照光とを干渉させて干渉縞を形成する干渉対物光学系；該干渉対物光学系を前記測定対象面の法線方向に駆動させる垂直駆動機構；干渉縞の位相を変化させる位相変化手段；該位相変化手段により位相が変えられた干渉縞画像を取得する撮像手段；及び該撮像手段が取得した少なくとも３つの干渉縞画像から測定対象面の凹凸形状を解析する解析制御手段；を有する三次元形状測定装置において、解析制御手段は、測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報を組み込んだ参照用マスクを生成し、保持するマスク設定手段と、撮像手段が取得した少なくとも３つの干渉縞画像から位相シフト法に基づいて、測定対象面の各凹凸パターン領域における相対高さ差分を示すＰＳＩ測定データを算出する位相シフト演算手段と、参照用マスクとＰＳＩ測定データをフィッティングさせ、測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報及び相対高さ差分から、同測定対象面の絶対高さ値を逆算する補正演算手段と、算出した測定対象面の絶対高さ値を該測定対象面の曲面形状にフィッティングさせ、この近似値を解析高さ値として求める近似演算手段とを備えたことを特徴としている。

近似演算手段は、最小二乗法により測定対象面の絶対高さ値を球面近似または円筒近似することが実際的である。

マスク設定手段は、垂直駆動手段を介して干渉対物光学系を垂直駆動させて垂直走査白色干渉法により取得したＶＳＩ基準データに、測定対象面の各凹凸パターン領域毎の設計高さデータを絶対基準高さ情報として関連付けることにより、参照用マスクを生成することが好ましい。

上記三次元形状測定装置は、撮像手段が取得した複数の干渉縞画像を用いて干渉縞を除去した干渉強度画像を合成し、この干渉強度画像中の特定点を、撮像手段の画像取得範囲を規定する際及び補正演算手段が参照用マスクとＰＳＩ測定データをフィッティングさせる際の位置決めマーカーに設定する位置決めマーカー設定手段をさらに備えることが好ましい。

また、上記三次元形状測定装置は、垂直駆動機構を介して干渉対物光学系を測定光波長の半分の距離単位で垂直駆動させながら干渉縞画像のコントラストが最大となる位置を検出し、該コントラストが最大となる位置に垂直駆動機構を介して干渉対物光学系を移動させる合焦手段をさらに備え、位相シフト演算手段は、コントラストの強いほうから少なくとも３つの干渉縞画像を用いて演算を実行することが好ましい。

測定対象面は薄膜磁気ヘッドの媒体対向面であって、この媒体対向面には媒体側に最も突出したＡＢＳパターン領域と、媒体側に２番目に突出した２ｎｄパターン領域と、該ＡＢＳパターン領域及び２ｎｄパターン領域よりも低く該媒体対向面の基準高さ面であるＣａｖｉｔｙパターン領域とが少なくとも形成されている。この場合には、参照用マスクは、ＡＢＳパターン領域及び２ｎｄパターン領域の絶対基準高さ情報と、Ｃａｖｉｔｙパターン領域の高さゼロ情報とを含んで形成され、解析制御手段はさらに、ＡＢＳパターン領域と２ｎｄパターン領域の段差及びＡＢＳパターン領域とＣａｖｉｔｙパターン領域の段差をそれぞれ算出する段差演算手段を備えていることが好ましい。

また、測定対象面が再生ヘッド及び記録ヘッドの少なくとも一方を有する薄膜磁気ヘッドの媒体対向面である場合には、位置決めマーカーは、干渉強度画像中の再生ヘッド及び記録ヘッドの少なくとも一方の存在領域に対応させて設定されることが好ましい。

また本発明は、製造方法の態様によれば、曲率を有する測定対象面の凹凸形状を測定する方法であって、測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報を組み込んだ参照用マスクを準備する工程；特定波長光を測定対象面と参照面に与え、測定対象面から反射された測定光と参照面から反射された参照光とを干渉させて干渉縞を形成する工程；干渉縞の位相を変化させて少なくとも３つの干渉縞画像を取得し、該少なくとも３つの干渉縞画像から位相シフト法に基づいて、測定対象面の各凹凸パターン領域における相対高さ差分を示すＰＳＩ測定データを算出する工程；参照用マスクとＰＳＩ測定データをフィッティングさせ、測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報及び相対高さ差分から同測定対象面の絶対高さ値を逆算する工程；及び算出した測定対象面の絶対高さ値を該測定対象面の曲面形状にフィッティングさせ、この近似値を解析高さ値として求める工程；を有することを特徴としている。

測定対象面の絶対高さ値は、最小二乗法により、該測定対象面の曲面形状にフィッティングさせることが実際的である。

参照用マスクは、白色光を測定対象面と参照面に与え、該測定対象面から反射された測定光と参照面から反射された参照光とを干渉させて干渉縞を形成する工程；垂直走査白色干渉法に基づいて測定対象面の干渉縞画像を垂直走査し、ＶＳＩ基準データを取得する工程；及び取得したＶＳＩ基準データに、測定対象面の各凹凸パターン領域毎の設計高さデータを絶対的な基準高さ情報として関連付けて登録する工程；により形成することができる。

同一仕様の測定対象物を複数連続して測定する場合、参照用マスクを準備する工程では、第１回目測定時に該参照用マスクを形成して登録しておき、第２回目以降の測定時には登録されている参照用マスクを読み出して利用することが実際的である。

参照用マスクを準備する工程の前に、特定波長光を測定対象面と参照面に与え、測定光と参照光の干渉により生じる干渉縞の位相を変化させて少なくとも４つの干渉縞画像を取得し、該取得した少なくとも４つの干渉縞画像を用いて干渉縞を除去した干渉強度画像を合成し、この干渉強度画像中の特定点を位置決めマーカーとして登録する工程を少なくとも１度実行し、この位置決めマーカーを基準にして、干渉縞画像の取得範囲を規定すると共に、参照用マスクとＰＳＩ測定データをフィッティングさせることが好ましい。

干渉縞を形成する工程とＰＳＩ測定データを算出する工程の間に、干渉縞画像を測定光波長の半分の距離単位で垂直走査し、該干渉縞画像のコントラストが最大となる位置を検出する工程を有し、ＰＳＩ測定データの算出には、コントラストの強いほうから少なくとも３つの干渉縞画像を用いることが好ましい。

測定対象面は薄膜磁気ヘッドの媒体対向面であって、この媒体対向面には媒体側に最も突出したＡＢＳパターン領域と、媒体側に２番目に突出した２ｎｄパターン領域と、該ＡＢＳパターン領域及び２ｎｄパターン領域よりも低く該媒体対向面の基準高さ面であるＣａｖｉｔｙパターン領域とが少なくとも形成されている。この場合には、参照用マスクは、ＡＢＳパターン領域及び２ｎｄパターン領域の絶対基準高さ情報と、Ｃａｖｉｔｙパターン領域の高さゼロ情報とを含んで形成され、解析高さ値を算出した後に、ＡＢＳパターン領域と２ｎｄパターン領域の段差を算出する工程及びＡＢＳパターン領域とＣａｖｉｔｙパターン領域の段差を算出する工程を有していることが好ましい。

また、測定対象面は、再生ヘッド及び記録ヘッドの少なくとも一方を有する薄膜磁気ヘッドの媒体対向面とすることができる。この場合には、再生ヘッド及び記録ヘッドの少なくとも一方の存在領域に対応する干渉強度画像中の領域を、上記位置決めマーカーに設定することが好ましい。

本発明によれば、簡単な装置構成で高速且つ高精度な測定を実現する三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法を提供することができる。

図１は、本発明の一測定対象である薄膜磁気ヘッドの媒体対向面（浮上面）上側に向けた状態で示す斜視図である。薄膜磁気ヘッドは、例えばＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ等の硬質な非磁性セラミック材料からなる板状のスライダ１１と、このスライダ表面１１ａのトレーリング端面１５側にＭＲヘッドとインダクティブヘッドを積層して形成された素子部１２とを主体として構成されている。

スライダ表面１１ａには、トレーリング端面１５側の端部中央に位置する略三角柱状のセンタパッド部２５と、このセンタパッド部２５よりもリーディング端面１３寄りで同センタパッド部２５の両脇に位置する多角柱状のサイドパッド部２６と、リーディング端面１３側で幅方向に延ばしたセンターレール部２１と、このセンターレール部２１の両端からトレーリング端面１５側へ延ばした一対のサイドレール部２２、２３とが設けられている。センタパッド部２５の記録媒体に対向する側の面は第１後方空気軸受面２５ａを構成し、この第１後方空気軸受面２５ａに上記素子部１２が埋め込まれている。サイドパッド部２６は、センタパッド部２５よりも大面積で形成されており、トレーリング端面１５側の第２後方空気軸受面２６ａとリーディング端面１３側の前方段差面２６ｂとを有している。センターレール部２１は、前方空気軸受面２１ａと、前方段差面２１ｂと、この前方段差面２１ｂの両端部からトレーリング端面１５側に延びる側方段差面２１ｃとを有しており、サイドレール部２２、２３は前方空気軸受面２１ａと同一面で形成されている。

上記薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈは、曲面形状をなしており、露出しているスライダ表面１１ａを絶対高さ０のＣａｖｉｔｙパターン領域として規定したとき、媒体側に最も突出するＡＢＳ（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ）パターン領域が第１後方空気軸受面２５ａ、第２後方空気軸受面２６ａ、前方空気軸受面２１ａ及びサイドレール部２２、２３により形成され、媒体側に２番目に突出する２ｎｄパターン領域が前方段差面２１ｂ、２６ｂにより形成されている。

以下で説明する本発明の三次元形状測定では、曲率を有する薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈの凹凸形状を各パターン領域毎に解析し、ＡＢＳパターン領域と２ｎｄパターン領域との段差（浅ＳＤ値）と、ＡＢＳパターン領域とＣａｖｉｔｙパターン領域の段差（深ＳＤ値）とを測定する。このＡＢＳパターン領域と２ｎｄパターン領域との段差は、薄膜磁気ヘッドの浮上量に与える影響が大きいパラメータであり、特に厳密な測定が要求される。

図２は、本発明による三次元形状測定装置の一実施形態を示す概略構成図である。三次元形状測定装置３０は、白色光を供給する光源３１、図示されていない保持機構により光源３１の光軸上に進退自在に保持された狭帯域色フィルタ３２、第１ハーフミラー３３、垂直駆動機構３４によりｚ軸方向（図示上下方向）に駆動される干渉対物レンズ３５、第２ハーフミラー３６、基本的には測定対象面と光学的に等価な位置で保持されるが、必要に応じて変位機構３７により微小変位させられる参照ミラー３８、撮像装置３９、解析制御装置４０、外部入力装置４１及びモニタ４２を備えている。解析制御装置４０は、三次元形状測定装置３０の全体処理を司る制御部４０ａ、撮像装置３９の撮像した電子画像を加工する画像処理部４０ｂ、各種演算を行なう演算部４０ｃ及び制御用のパラメータや情報を格納しておく記憶部４０ｄを備えている。

光源３１から射出された白色光は、狭帯域色フィルタ３２（光源３１の光軸上に進入している場合のみ）、第１ハーフミラー３３及び干渉対物レンズ３５を介して第２ハーフミラー３６に入射し、第２ハーフミラー３６から参照ミラー３８と測定対象面に各々与えられ、その一部が参照ミラー３８及び測定対象面で反射される。本実施形態の測定対象面は薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈである。参照ミラー３８で反射された光（以下、「参照光」という）と薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈで反射された光（以下、「測定光」という）は、第２ハーフミラー３６を通過した後、干渉対物レンズ３５により再び重ね合わされて干渉光を形成する。形成された干渉光は、第１ハーフミラー３３を通過して撮像装置３９の受光面に結像され、撮像装置３９によって電子画像化される。この電子画像は、解析制御装置４０の画像処理部４０ｂで加工されて干渉縞画像（図４）となり、制御装置４０が演算部４０ｃで実行する演算処理に用いられる。干渉縞画像及び測定結果（演算処理結果）は、モニタ４２にて視認可能である。

次に、図３に示されるフローチャートを参照し、本発明による三次元形状測定方法の手順について説明する。本三次元形状測定方法は、曲率を有する測定対象面の凹凸形状を測定する方法であって、実測定は位相シフト法のみで行なうこと、絶対基準高さ情報を組み込んだ参照用マスクを用いてＰＳＩ測定データの絶対高さを得ること及び曲率近似演算により解析高さ値を実際の値に近づけることを主な特徴とするものである。

先ず、測定対象である薄膜磁気ヘッドを、その媒体対向面Ｈを上側に向けた状態で三次元形状測定装置３０にセットする（Ｓ１０）。セット後は、測定前の初期設定工程として、位置決めマーカー設定工程（Ｓ１１）及び参照マスク設定工程（Ｓ１２）を実行する。位置決めマーカーは、撮像装置３９に撮像させる画像範囲を規定する際、及び、後述する参照用マスクとＰＳＩ測定データをフィッティングさせる際に基準とする指標である。参照用マスク６０は、薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈの凹凸パターン毎の絶対基準高さ情報を有しており、ＰＳＩ測定データの絶対高さを特定する際に参照される。この位置決めマーカー設定工程及び参照マスク設定工程は、解析制御装置４０の制御部４０ａによって実行制御される。

位置決めマーカー設定工程（Ｓ１１）において、解析制御装置４０は先ず、図示されていない保持機構を介して狭帯域色フィルタ３２を光源３１の光軸上に進入させ、この進入状態（図２では破線で示した）で光源３１からの光供給を開始させる。光源３１から射出された白色光は、狭帯域色フィルタ３２を通過することで特定波長の単色光、本実施形態では波長λの赤色光とされた後に、第１ハーフミラー３３、干渉対物レンズ３５及び第２ハーフミラー３６を介して薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈと参照ミラー３８に各々与えられる。そして、媒体対向面Ｈ及び参照ミラー３８からの反射光（測定光、参照光）が第２ハーフミラー３６及び干渉対物レンズ３５を通過して干渉し合い、図４に示されるような多数の干渉縞Ｉが形成される。次に解析制御装置４０は、変位機構３７を介して参照ミラー３８を変位させ、１／４λずつ位相をずらした４つの干渉縞画像を撮像装置３９を介して取得する。続いて、画像処理部４０ｂにおいて、４つの干渉縞画像から干渉強度画像を合成する。解析制御装置４０の制御部４０ａは、合成した干渉強度画像における薄膜磁気ヘッドの素子部１２の存在領域を、位置決めマーカーとして設定する。位置決めマーカーを含む干渉強度画像は、解析制御装置４０の記憶部４０ｄに格納される。

参照マスク設定工程（Ｓ１２）に入ると、解析制御装置４０は先ず、図示されていない保持機構を介して狭帯域色フィルタ３２を光源３１の光軸上から退避させ、この退避状態（図２では実線で示した）で光源３１からの光供給を開始させる。光源３１から射出された白色光は、第１ハーフミラー３３、干渉対物レンズ３５及び第２ハーフミラー３６を介して薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈと参照ミラー３８に各々そのまま与えられるので、形成される干渉縞は単色光による干渉縞（図４）よりも縞間隔が広くなる。次に解析制御装置４０は、垂直駆動機構３４により干渉対物レンズ３５をｚ軸方向に駆動させて測定対象面を垂直走査し、垂直走査白色干渉法に基づいてＶＳＩ基準データを取得する。このときの撮像装置３９の撮像範囲は、Ｓ１１で設定した位置決めマーカーを基準に設定する。撮像装置３９が取得した電子画像は、画像処理部４０ｂで干渉縞画像に加工された後、演算部４０ｃでＶＳＩ基準データ（図５）とされる。そして解析制御装置４０は、演算部４０ｃにて、取得したＶＳＩ基準データに薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈの各凹凸パターン領域毎の設計高さデータを絶対基準高さ情報として関連付けることにより、参照用マスク６０を作成する。測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報は、参照マスク設定工程中または同工程前に、解析制御装置４０に接続された外部入力装置４１から使用者が入力することができるが、予め解析制御装置４０の記憶部４０ｄに記憶されていてもよい。

参照用マスク６０の一例を図６に示す。本実施形態では、参照用マスク６０として、媒体対向面ＨのＡＢＳパターン領域と該ＡＢＳパターン領域の絶対基準高さ情報ｈ_A＝２μｍを含むＡＢＳマスク６１と、２ｎｄパターン領域と該２ｎｄパターン領域の絶対基準高さ情報ｈ₂＝１．９μｍを含む２ｎｄマスク６２と、Ｃａｖｉｔｙパターン領域と該Ｃａｖｉｔｙパターン領域の絶対基準高さ情報ｈ_C＝０μｍを含むＣａｖｉｔｙマスク６３とをそれぞれ作成する。作成した参照用マスク６０（６１〜６３）は、解析制御装置４０の記憶部４０ｄに格納される。

解析制御装置４０の記憶部４０ｄに格納された位置決めマーカー及び上記参照用マスク６０は、測定時に必要に応じて記憶部４０ｄから読み出され、利用される。

ここまでの初期設定工程を実行したら、続いてＳ１３以降の実測定が開始される。この実測定も解析制御装置４０の制御部４０ａによって実行制御される。

解析制御装置４０は先ず、図示されていない保持機構を介して狭帯域色フィルタ３２を光源３１の光軸上に進入させた状態（図２の破線で示す）で光源３１からの光供給を開始させ、中心波長λの測定光と参照光の干渉により図４に示すような多数の干渉縞を生じさせる（Ｓ１３）。

次に、干渉縞フォーカス処理を実行する（Ｓ１４）。この干渉縞フォーカス処理では、垂直駆動機構３４により干渉対物レンズ３５をｚ軸方向に駆動させて干渉縞画像を測定光波長λの１／２の距離単位で走査し、撮像装置３９により取得した干渉縞画像のコントラストが最大となるｚ位置を検出して、該コントラスト最大となるｚ位置に干渉対物レンズ３５を垂直駆動機構３４を介して移動させ、そのレンズ位置に固定する。干渉縞を利用した形状測定では、強度の高い干渉縞を演算に利用したほうが測定精度が高くなることが知られているが、干渉縞の変化は像の焦点ボケによるコントラスト変化に比して大きいことから、干渉縞画像のコントラスト情報をそのまま利用するだけでは合焦位置を見つけ出すことが難しい。そこで、本実施形態のように光源３１の中心波長λの半分の距離で局所的に干渉縞画像を走査すれば、得られる干渉縞画像は干渉縞が１本ずつ動いたものとなるので、測定対象面（薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈ）の反射率分布によらず、容易に合焦可能である。図７は、干渉縞画像中のある点位置での輝度変化（コントラスト変化）を表したものであるが、干渉縞画像全体でコントラストの総和を計算したときも同様のグラフになる。図７中の輝度データ（コントラストデータ）に付した丸印は各走査ポイントである。解析制御装置４０は、コントラスト最大となる位置を検出した時点で干渉縞画像の走査を終了させ、垂直駆動機構３４を介して干渉対物レンズ３５を移動させる。

干渉縞フォーカス処理を実行したら、いわゆる位相シフト法（本実施形態では４ステップ法）に基づき、測定対象面（薄膜磁気ヘッドの媒体対向面Ｈ）の各凹凸パターン領域における相対高さ差分Δｈを算出する（Ｓ１５）。より具体的に説明すると、解析制御装置４０は、先ず、変位機構３７により参照ミラー３８を変位させて干渉縞の位相を１／４波長ずつ変化させ、撮像装置３９及び画像処理部４０ｂを介して４枚の干渉縞画像ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ、ＩＤ（図８）を取得する。次に、取得した干渉縞画像ＩＡ〜ＩＤ中のある１画素における干渉光強度をそれぞれａ、ｂ、ｃ、ｄとし、（演算式１）；φ＝ｔａｎ‐¹［（ａ‐ｃ）／（ｂ‐ｄ）］から１画素の位相φを算出する。そして、算出した１画素の位相φを（演算式２）；Δｈ＝（λ／４π）・φに代入し、１画素の相対高さ差分Δｈを算出する。この相対高さ差分Δｈを算出する演算処理は、測定対象面の干渉縞画像を構成する全画素に対して繰り返し実行する。これにより、測定対象面の相対高さ差分Δｈを画素単位で示すＰＳＩ測定データが得られる。上記相対高さ差分Δｈは、測定光波長λの１／２以下の範囲内におさまる、媒体対向面Ｈの各凹凸パターン領域内での微小段差である。

上記位相差シフト法に用いる４枚の干渉縞画像ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ、ＩＤは、Ｓ１４により干渉対物レンズ３５が干渉縞のコントラストが最大となる位置で保持されているので、必然的に干渉縞コントラストの強いほうから順に４枚抽出されることになっている。干渉縞コントラストの強い干渉縞画像を用いれば、上述したように測定精度は高まる。

また上記位相シフト測定においては、位相を１／４λずつずらした４枚干渉縞画像を取得する際に参照ミラー３８を変位させることから参照ミラー３８の変位量誤差と同等の測定誤差が発生するが、本実施形態では狭帯域色フィルタ３２を使用することで干渉縞の縞間隔を測定範囲に比して十分に狭く設定しているので、測定範囲内で誤差が相殺（平均化）され、参照ミラー３８の変位による測定誤差は低減される。狭帯域色フィルタ３２を用いる代わりに、光源３１に半導体レーザーを用いたり、参照ミラー３８を光軸に対して傾斜させたりすることによっても、同様に干渉縞の本数を増大させることができる。

続いて解析制御装置４０は、Ｓ１２で設定した参照用マスク６０とＳ１５で算出したＰＳＩ測定データとを位置決めマーカーを基準にして画素単位でフィッティングさせ、絶対基準高さ情報ｈ_A、ｈ₂、ｈ_C及び相対高さ差分Δｈから、媒体対向面Ｈの絶対高さ値ｈ’をそれぞれ逆算する（Ｓ１６）。すなわち、媒体対向面Ｈの各凹凸パターン領域（ＡＢＳ、２ｎｄ、Ｃａｖｉｔｙ）毎に、同一画素位置におけるＰＳＩ測定データΔｈと絶対基準高さ情報ｈ_A（またはｈ₂またはｈ_C）を足し合わせて、当該画素位置の絶対高さ値ｈ’を算出する。

上記Ｓ１６で算出した絶対高さ値ｈ’は、媒体対向面Ｈの曲率が未だ考慮されていない値であり、媒体対向面Ｈの曲率やパターン形状によっては実際の高さ値と大きくずれてしまう虞がある。本実施形態ではこれを回避すべく、さらに、算出したすべての絶対高さ値ｈ’を画素単位で媒体対向面Ｈの曲面形状にフィッティングさせ、この近似値を解析高さ値ｈ（実測値）として算出する（Ｓ１７）。この曲面近似演算は、最小二乗法を用いた球面近似または円筒近似により実現できる。

続いて解析制御装置４０は、算出した解析高さ値ｈを用いて、媒体対向面ＨのＡＢＳパターン領域と２ｎｄパターン領域との段差（浅ＳＤ値）と、ＡＢＳパターン領域とＣａｖｉｔｙパターン領域の段差（深ＳＤ値）とを算出する（Ｓ１８）。本実施形態では、各パターン領域の全画素の解析高さ値ｈから当該パターン領域の高さ平均値を算出し、この高さ平均値から上記浅ＳＤ値及び深ＳＤ値を算出することにしている。解析高さ値ｈは媒体対向面Ｈの曲率を加味して算出した値であるから実際の高さ値とのずれが少なく、この解析高さ値ｈに基づく浅ＳＤ値及び深ＳＤ値も精度良く算出できる。

以上により、１つの薄膜磁気ヘッドの媒体対向面に対する形状測定が完了する。続けて同一仕様の薄膜磁気ヘッドの媒体対向面を測定する場合には（Ｓ１９；Ｎｏ）、新たな薄膜磁気ヘッドを三次元形状測定装置３０にセットし（Ｓ２０）、Ｓ１４〜Ｓ１９の処理を繰り返し続行する。薄膜磁気ヘッドの媒体対向面の測定を終了する場合には（Ｓ１９；Ｙｅｓ）、光源３１を消灯する等の測定終了処理を実行し（Ｓ２１）、測定を終了する。

以上の本実施形態によれば、測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報を組み込んだ参照マスク６０を予め形成しておき、位相シフト法で同測定対象面の各凹凸パターン領域における相対高さ差分Δｈを算出し、この相対高さ差分Δｈと参照マスク６０の絶対基準高さ情報に基づいて測定対象面の絶対高さ値ｈ’を特定しているので、測定光波長λに比して段差が大きい凹凸形状を有する測定対象面についても位相シフト法のみで測定することができ、簡単な装置構成で高速且つ高精度な測定を実施できる。また、算出した絶対高さ値ｈ’を測定対象面の曲面形状にフィッティングさせた近似値を実測定値として求めるので、さらに測定精度が向上している。

以上では、本発明による測定対象を薄膜磁気ヘッドの媒体対向面とした実施形態について説明したが、例えば半導体ウエハの表面形状を測定する場合などにも適用可能であり、特に曲率を有する測定対象面の凹凸形状を測定する場合に最適である。

本発明の一測定対象である薄膜磁気ヘッドの媒体対向面（浮上面）上側に向けた状態で示す斜視図である。 本発明による三次元形状測定装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明による三次元形状測定方法の手順を示すフローチャートである。 波長λの測定光と参照光の干渉により形成される干渉縞を示す模式平面図である。 参照用マスクを形成する際に用いるＶＳＩ基準データの一例を示すグラフである。 参照用マスクの一例を示す模式平面図である。 干渉縞フォーカス処理で実行する干渉縞画像の走査方法を説明するグラフである。 シフト位相法に基づく測定を説明するグラフである。

符号の説明

１１ スライダ
１１ａ スライダ表面
３０ 三次元形状測定装置
３１ 光源
３２ 狭帯域色フィルタ
３３ 第１ハーフミラー
３４ 垂直駆動機構
３５ 干渉対物レンズ
３６ 第２ハーフミラー
３７ 変位機構
３８ 参照ミラー
３９ 撮像装置
４０ 解析制御装置
４１ 外部入力装置
４２ モニタ
６０ 参照用マスク
６１ ＡＢＳマスク
６２ ２ｎｄマスク
６３ Ｃａｖｉｔｙマスク
Ｈ 媒体対向面（測定対象面）

Claims (15)

1. 曲率を有する凹凸形状の測定対象面から反射された測定光と参照面から反射された参照光とを干渉させて干渉縞を形成する干渉対物光学系；該干渉対物光学系を前記測定対象面の法線方向に駆動させる垂直駆動機構；前記干渉縞の位相を変化させる位相変化手段；該位相変化手段により位相が変えられた干渉縞画像を取得する撮像手段；及び該撮像手段が取得した少なくとも３つの干渉縞画像から前記測定対象面の凹凸形状を解析する解析制御手段；を有する三次元形状測定装置において、
   前記解析制御手段は、
   前記測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報を組み込んだ参照用マスクを生成し、保持するマスク設定手段と、
   前記撮像手段が取得した少なくとも３つの干渉縞画像から位相シフト法に基づいて、前記測定対象面の各凹凸パターン領域における相対高さ差分を示すＰＳＩ測定データを算出する位相シフト演算手段と、
   前記参照用マスクと前記ＰＳＩ測定データをフィッティングさせ、前記測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報及び相対高さ差分から、同測定対象面の絶対高さ値を逆算する補正演算手段と、
   算出した前記測定対象面の絶対高さ値を該測定対象面の曲面形状にフィッティングさせ、この近似値を解析高さ値として求める近似演算手段と、
   を備えたことを特徴としている三次元形状測定装置。
2. 請求項１記載の三次元形状測定装置において、前記近似演算手段は、最小二乗法により前記測定対象面の絶対高さ値を球面近似または円筒近似する三次元形状測定装置。
3. 請求項１または２記載の三次元形状測定装置において、前記マスク設定手段は、前記垂直駆動機構を介して前記干渉対物光学系を垂直駆動させて垂直走査白色干渉法により取得したＶＳＩ基準データに、前記測定対象面の各凹凸パターン領域毎の設計高さデータを前記絶対基準高さ情報として関連付けることにより、前記参照用マスクを生成する三次元形状測定装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置において、前記撮像手段が取得した複数の干渉縞画像を用いて干渉縞を除去した干渉強度画像を合成し、この干渉強度画像中の特定点を、前記撮像手段の画像取得範囲を規定する際及び前記補正演算手段が前記参照用マスクと前記ＰＳＩ測定データをフィッティングさせる際の位置決めマーカーに設定する位置決めマーカー設定手段をさらに備えた三次元形状測定装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置において、前記垂直駆動機構を介して前記干渉対物光学系を測定光波長の半分の距離単位で垂直駆動させながら干渉縞画像のコントラストが最大となる位置を検出し、該コントラストが最大となる位置に前記垂直駆動機構を介して前記干渉対物光学系を移動させる合焦手段をさらに備え、
   前記位相シフト演算手段は、コントラストの強いほうから少なくとも３つの干渉縞画像を用いて演算を実行する三次元形状測定装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置において、前記測定対象面は薄膜磁気ヘッドの媒体対向面であって、この媒体対向面には媒体側に最も突出したＡＢＳパターン領域と、媒体側に２番目に突出した２ｎｄパターン領域と、該ＡＢＳパターン領域及び２ｎｄパターン領域よりも低く該媒体対向面の基準高さ面であるＣａｖｉｔｙパターン領域とが少なくとも形成されており、
   前記参照用マスクは、前記ＡＢＳパターン領域及び前記２ｎｄパターン領域の絶対基準高さ情報と、前記Ｃａｖｉｔｙパターン領域の高さゼロ情報とを含んで形成され、
   前記解析制御手段はさらに、前記ＡＢＳパターン領域と前記２ｎｄパターン領域の段差及び前記ＡＢＳパターン領域と前記Ｃａｖｉｔｙパターン領域の段差をそれぞれ算出する段差演算手段を備えている三次元形状測定装置。
7. 請求項４記載の三次元形状測定装置において、前記測定対象面は、再生ヘッド及び記録ヘッドの少なくとも一方を有する薄膜磁気ヘッドの媒体対向面であり、前記位置決めマーカーは、前記干渉強度画像中の再生ヘッド及び記録ヘッドの少なくとも一方の存在領域に対応させて設定されている三次元形状測定装置。
8. 曲率を有する測定対象面の凹凸形状を測定する方法であって、
   前記測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報を組み込んだ参照用マスクを準備する工程；
   特定波長光を前記測定対象面と参照面に与え、測定対象面から反射された測定光と参照面から反射された参照光とを干渉させて干渉縞を形成する工程；
   前記干渉縞の位相を変化させて少なくとも３つの干渉縞画像を取得し、該少なくとも３つの干渉縞画像から位相シフト法に基づいて、前記測定対象面の各凹凸パターン領域における相対高さ差分を示すＰＳＩ測定データを算出する工程；
   前記参照用マスクと前記ＰＳＩ測定データをフィッティングさせ、前記測定対象面の凹凸パターン領域毎の絶対基準高さ情報及び相対高さ差分から同測定対象面の絶対高さ値を逆算する工程；及び
   算出した前記測定対象面の絶対高さ値を該測定対象面の曲面形状にフィッティングさせ、この近似値を解析高さ値として求める工程；
   を有することを特徴とする三次元形状測定方法。
9. 請求項８記載の三次元形状測定方法において、前記測定対象面の絶対高さ値は、最小二乗法により、該測定対象面の曲面形状にフィッティングさせる三次元形状測定方法。
10. 請求項８または９記載の三次元形状測定方法において、前記参照用マスクは、
    白色光を前記測定対象面と前記参照面に与え、該測定対象面から反射された測定光と前記参照面から反射された参照光とを干渉させて干渉縞を形成する工程；
    垂直走査白色干渉法に基づいて前記測定対象面の干渉縞画像を垂直走査し、ＶＳＩ基準データを取得する工程；及び
    取得したＶＳＩ基準データに、前記測定対象面の各凹凸パターン領域毎の設計高さデータを前記絶対的な基準高さ情報として関連付けて登録する工程；
    により形成する三次元形状測定方法。
11. 請求項１０記載の三次元形状測定方法において、同一仕様の測定対象物を複数連続して測定する場合、前記参照用マスクを準備する工程では、第１回目測定時に該参照用マスクを形成して登録しておき、第２回目以降の測定時には前記登録されている参照用マスクを読み出して利用する三次元形状測定方法。
12. 請求項８ないし１１のいずれか一項に記載の三次元形状測定方法において、前記参照用マスクを準備する工程の前に、特定波長光を前記測定対象面と前記参照面に与え、前記測定光と前記参照光の干渉により生じる干渉縞の位相を変化させて少なくとも４つの干渉縞画像を取得し、該取得した少なくとも４つの干渉縞画像を用いて干渉縞を除去した干渉強度画像を合成し、この干渉強度画像中の特定点を位置決めマーカーとして登録する工程を少なくとも１度実行し、
    この位置決めマーカーを基準にして、前記干渉縞画像の取得範囲を規定すると共に、前記参照用マスクと前記測定データをフィッティングさせる三次元形状測定方法。
13. 請求項８ないし１２のいずれか一項に記載の三次元形状測定方法において、前記干渉縞を形成する工程と前記ＰＳＩ測定データを算出する工程の間に、干渉縞画像を測定光波長の半分の距離単位で垂直走査し、該干渉縞画像のコントラストが最大となる位置を検出する工程を有し、前記ＰＳＩ測定データの算出には、コントラストの強いほうから少なくとも３つの干渉縞画像を用いる三次元形状測定方法。
14. 請求項８ないし１３のいずれか一項に記載の三次元形状測定方法において、前記測定対象面は薄膜磁気ヘッドの媒体対向面であって、この媒体対向面には媒体側に最も突出したＡＢＳパターン領域と、媒体側に２番目に突出した２ｎｄパターン領域と、該ＡＢＳパターン領域及び２ｎｄパターン領域よりも低く該媒体対向面の基準高さ面であるＣａｖｉｔｙパターン領域とが少なくとも形成されており、
    前記参照用マスクは、前記ＡＢＳパターン領域及び前記２ｎｄパターン領域の絶対基準高さ情報と、前記Ｃａｖｉｔｙパターン領域の高さゼロ情報とを含んで形成され、
    前記解析高さ値を算出した後に、前記ＡＢＳパターン領域と前記２ｎｄパターン領域の段差を算出する工程及び前記ＡＢＳパターン領域と前記Ｃａｖｉｔｙパターン領域の段差を算出する工程を有している三次元形状測定方法。
15. 請求項１３記載の三次元形状測定方法において、前記測定対象面は、再生ヘッド及び記録ヘッドの少なくとも一方を有する薄膜磁気ヘッドの媒体対向面であり、この再生ヘッド及び記録ヘッドの少なくとも一方の存在領域に対応する前記干渉強度画像中の領域を前記位置決めマーカーに設定する三次元形状測定方法。

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