JP2007078434A - 三次元位置測定装置、波面収差測定装置および三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測長干渉計の測定基準となる基準ミラーを保持する構造体に、ベースの変形や振動が伝播するのを防ぐ。
【解決手段】三次元形状測定のためのプローブ等を保持する移動ステージ７の三次元位置を測長干渉計１〜６によって計測する。測長干渉計１〜６に対向するＸ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー８、９、１０は、一本の根幹支柱１４から三股に分岐する片持ち梁１１、１２、１３の先端に支持される。この構造体（１１、１２、１３、１４）は、根幹支柱１４とベース１５の接触面積が小さいため、ベース１５の変形や振動が基準ミラー８、９、１０に伝播するのを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学系の波面収差を測定する波面収差測定装置や光学素子等の立体形状を計測する三次元形状測定装置において、測定子や触針の位置を測長干渉計によって計測する三次元位置測定装置、波面収差測定装置および三次元形状測定装置に関するものである。

近年の半導体集積回路の微細化要求が、半導体露光装置に用いられる投影光学系の高解像度化を進めている。高解像度化を進める有効な方法の一つとして、開口数（ＮＡ）が高く収差の少ない高精度な投影光学系を製作することが挙げられる。このような背景から、近年、投影光学系を測定する波面収差測定装置や、投影光学系内部に組み込まれるミラーやレンズ等光学素子の立体形状を測定する三次元形状測定装置には、１ｎｍ以下の精度が要求されることも珍しくない。

このような超精密測定装置には、触針や、波面収差を測定する干渉光学系（測定光学系）内のレンズやミラーからなる測定子を移動させる移動ステージと、移動ステージの座標を精密に測定する三次元位置測定装置が搭載される。その三次元位置測定装置は、最低でもＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向の位置を測定するための測長干渉計を搭載し、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向以上に移動可能な移動ステージ機構と、各測長干渉計からの射出光を３軸方向に反射させるＸ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラーを備える。

このような超精密測定装置で用いられる３個の基準ミラーを保持する構造体には、各基準ミラーの相対間距離および相対間角度が変化しないように、基準ミラーを保持した状態の構造体（基準ミラー保持構造体）が変形しないという形状安定性が要求される。その理由は、各基準ミラーの相対間距離および相対間角度が変化すると、移動ステージの三次元位置測定の基準が変化することになり、そのまま測定値の再現性劣化につながるからである。

基準ミラー保持構造体を大きく変形させる主要因として、基準ミラー保持構造体を支持するベースの変形の伝播が挙げられる。例えば、被測定物に対する移動ステージの相対座標を、基準ミラーを位置測定基準として測定する場合、被測定物のベースへの乗せ降ろしなどでベースの荷重状態が変化し、ベースは変形する。このベースの変形が、ベースと構造的につながっている基準ミラー保持構造体に伝播すると、各基準ミラーの相対間距離および相対間角度が変化してしまう。

従って、ベースの変形を基準ミラー保持構造体に伝播させ難い構造にすることが、移動ステージの三次元位置測定の基準を安定化し、測定値の再現性を向上させるために不可欠である。

このような三次元位置計測装置の基準ミラー保持構造体をベース面の変形からｎｍの精度で保守する第１の方法として、キネマティックマウントが挙げられる。キネマティックマウントは、被支持物体を過度に拘束することなく６自由度のみを拘束し、搭載面の変形から受ける変形や、被支持物体の取り置きによる変形等を軽減し、被支持物体の形状安定性を向上させることを目的として考案された支持方法である。

図９は一従来例によるキネマティックマウントの構成を示す。被支持物体２０１は、３つの脚部２０８、２１０、２１２により支持される。第１の支持機構は、支持ベース２１１に固定された脚部２１０と被支持物体２０１それぞれに設けられた円錐状の凹部２０３、２０９と、円錐状の凹部２０３、２０９に挿入される球体２０５から構成される。これによって、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向に拘束し各軸周りの回転成分ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の自由度を持つ。第２の支持機構は、支持ベース２１１に固定された脚部２０８と被支持物体２０１それぞれに設けられたＶ型溝２０２、２０７と、Ｖ型溝２０２、２０７に挿入される球体２０６から構成される。これによって、Ｙ、Ｚの２軸方向に拘束し、Ｘ、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の自由度を持つ。第３の支持機構は、支持ベース２１１に固定された脚部２１２上面と被支持物体下面に挿入される球体２０４から構成され、Ｘ、Ｙ、ωＸ、ωＹ、ωＺ方向の自由度を持ち、Ｚ方向を拘束している。

この支持形態によって、被支持物体２０１は支持ベース２１１に対し、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向と各軸周りの回転方向の独立した６つの自由度のみが拘束されることとなる。例えば、支持ベース２１１に負荷されている荷重Ｆに変化があったり、熱分布状態が変化したりすることで、支持ベース２１１が被支持物体２０１に対して無視できない量で変形した場合でも、被支持物体２０１の変形を無視できるレベルまで軽減することができる。また、被支持物体２０１をいったん台から取り外し、再びキネマティックマウント上に搭載した場合でも、被支持物体２０１の変形状態は、初期状態からほとんど変化せず、良好な再現性を得ることができる。

次に、被支持物体の変形状態に安定性を得る第２の方法として、特許文献１に開示されている方法がある。これは、被支持物体を３点で支持し、３点で受けることにより必然的に発生する過拘束状態を作り出す支持点は、６自由度を拘束する方向のみ剛性の高くなるような構造にする。そして、過拘束になる方向に前記６自由度拘束支持よりも柔らかいバネ性を持たせることにより、過拘束状態を軽減させる支持法である。

すなわち、図１０に示すように、ベース２２６と、ベース２２６の３点に固定された第１の支持部材２２３、第２の支持部材２２４、第３の支持部材２２５と、これらに固定された被支持物体２２２を備える。各支持部材のバネ定数の相互関係は、Ｘ方向において、第１の支持部材２２３のバネ定数が、第３の支持部材２２５よりも大であり、ＸＹ平面上のあらゆる方向において、第２の支持部材２２４のバネ定数が、第１の支持部材２２３よりも小さくなっている。また、Ｙ方向における第３の支持部材２２５のバネ定数が、ＸＹ平面上のあらゆる方向における第２の支持部材２２４のバネ定数よりも大きくなっている。

この支持機構を用いることにより、ベースの変形が被支持物体へ伝播する量を小さくすることが可能となる。また、被支持物体の重量と３つの支持機構の剛性に起因する、ベースに対する被支持物体の相対的な振動を起こす固有振動数も、球体と面の接触部を含むために算出が難解な第１の方法と比較して容易に計算することができる。
特開平８−１１４２５０号公報

前述のような移動ステージの三次元位置測定装置においては、ｎｍのオーダーでは、基準ミラー保持構造体に床からの振動や騒音などによる周波数を持つ外力が常時流入する。その影響で、基準ミラー保持構造体は常に周波数を持つ弾性変形を行っている。そのため、位置計測値は、一定値になることはなく、振動の振幅内の範囲でばらついた数値を示す。従って、計測再現性を得るには、ある時間で平均化することは必須である。位置計測基準の保持剛性を上げ、固有振動数を増加させることは、その弾性変形の振幅自体を小さくして、ばらつきの周波数を高くする効果があり、位置計測の平均化処理の時間を少なくすることができる。つまり、同一の計測時間では、固有振動数の高い基準ミラー保持構造体を持つ装置の方が、より振動外乱の影響を小さくすることができ、計測再現性を上げることができる。

また、本発明で対象とする被支持物体は、半導体露光装置の投影光学系の収差やその内部の光学素子形状の測定に用いられる三次元位置測定装置の基準ミラーである。ところが、近年の投影光学系の開口数（ＮＡ）の高度化、低収差化により、投影光学系は直径５００ｍｍ以上、長さ１０００ｍｍ以上大型化し、重量も１０００ｋｇ以上に増加している。その結果、測定装置の基準部となる基準ミラー保持構造体も大型化し、高重量化せざるを得ない状況である。

これに対して、上記第１の方法では、球体による支持部を、球体ではなく、面で被支持物体を支持した場合と比較すると、独立した６自由度のみの拘束という、基本的に剛性を大きくとれない機構となる。加えて、被支持物体と支持ベースの間には、１箇所の支持あたり１個の球体が存在する。すなわち、球体と被支持物体、球体と支持ベースの点接触部という応力の集中する部分が弱く、点接触部の剛性が被支持物体と支持ベース間の剛性を支配的に決定するため、剛性が小さくなる欠点があった。

点接触部の剛性は、球体のヤング率や、球体の径を大きくすることで、向上は図れるが、特に露光装置投影光学系を計測対象とする、超精密な三次元位置測定装置の基準ミラー保持構造体は、縦横高さが１ｍにもなり、重量も１０００ｋｇを越す。このような構造体を、固有振動数で１００Ｈｚ以上の剛性で支持するには、キネマティックマウント部の剛性強化のために、球体の径を極端に大型化する必要があり、物理寸法上、現実的には１箇所に球体１個の配置は実現が難しくなる。それに対する対策案として、１箇所あたりに１個ではなく、複数の物理寸法的に配置可能な大きさの球体を並べて用いることで、剛性を上げるという手法も考えられる。しかしながら、１箇所あたりが複数点支持となり１点の支持ではなくなるために、面で支持した場合と同様に、複数点の、どの位置を中心に荷重を受けるかのバラツキが発生し、変形状態の再現性劣化の原因となる。また、支持剛性が低くなると、例えば、三次元位置測定装置の基準部の支持に用いる場合、床からの振動や、装置の傾きによる重力加速度方向の変化など、外乱加速度の影響を受けやすくなり、計測再現性の劣化の原因となる。

また、上記第２の方法においても、上記第１の方法と同様の問題がある。特に露光装置の投影光学系を計測対象とする、超精密な三次元位置測定装置の基準ミラー保持構造体では、縦横高さが１ｍにもなり、重量も１０００ｋｇを越す構造体を、固有振動数で１００Ｈｚ以上の剛性で支持する。このためには、３点の支持面積を増加させ、かつ、過拘束となる方向に対する支持剛性を増加させる必要が生じ、必然的に被支持物体が支持されているベースの変形の影響を受けやすい構造となってしまう。その結果、測定対象である重量が1000kgを超える被測定物をベースに搭載した時の変形が、基準ミラー保持構造体にも伝播し、ＸＹＺ位置計測の基準となる３個の基準ミラー間の距離を変動させ、計測座標空間の直角度が変化し、位置計測再現性の劣化の原因となる。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、三次元位置計測の基準となる基準ミラーを保持する構造体にベース面の変形が与える影響を低減し、かつ、高い固有振動数を有する支持構造を実現することのできる三次元位置測定装置、波面収差測定装置および三次元形状測定装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の三次元位置測定装置は、移動ステージと、前記移動ステージに設置された３軸方向の測長干渉手段と、前記測長干渉手段の射出光を反射させる３個の基準ミラーと、前記３個の基準ミラーのうちの少なくとも２個をそれぞれ支持する複数の片持ち梁と、前記複数の片持ち梁をそれぞれ分岐させて支持する根幹支柱と、前記根幹支柱を立設支持するベースと、を備えており、各基準ミラーに対する前記移動ステージの離間距離を前記測長干渉手段によって計測することで、前記移動ステージの三次元位置を測定することを特徴とする。

位置測定の基準となる３個の基準ミラーを保持する構造体は、支持剛性が大きくて、変形伝播の少ない小さい支持面積をもつ根幹支柱によってベースに固定され、根幹支柱から二股または三股に枝分かれした片持ち梁の先端部に基準ミラーが支持される。この構成によって、ベースの変形による応力伝播のループの外に少なくとも２個の基準ミラーを保持することになるため、３個の基準ミラーの相対間距離は、ベース面の変形の影響を受けにくく一定に保つことができる。

また、基準ミラーを保持する片持ち梁の固有振動数は、単純な構造であるから容易に計算することができ、枝分かれした片持ち梁先端の軽量化をはかり、根元の剛性が大きくなる形状を持つことができる。従って、例えば三点支持構造に比べて、基準ミラーを保持する構造体の固有振動数を容易に高くすることが可能となり、より計測再現性の高い三次元位置測定装置を実現できる。

波面収差測定装置においては、測定対象である被検光学系の物体側と像側の任意の測定点へ、干渉縞を創生するための光学素子（測定子）を移動させて座標測定を行う三次元位置測定装置が、上記の構成を持つとよい。これによって、透過波面の位置測定座標基準が、光学系の搭載によるベースの変形や、光学系の重量の個体差によるベース変形量の変動、および外乱振動の影響によって変動するのを軽減することができる。その結果、再現性よく波面収差を測定することができる。

三次元形状測定装置においては、被測定物の表面に触針を接触させ、前記触針を前記被測定物の表面に沿って移動させながら、触針の位置を測定する三次元位置測定装置が、上記の構成を持つとよい。これによって、形状測定の位置測定座標の基準が、被測定物搭載によるベースの変形や、被測定物の重量の個体差によるベース変形量の変動、および外乱振動の影響によって変動するのを軽減することができる。その結果、再現性よく被測定物の三次元形状を測定することが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１ないし図４は実施例１による三次元位置計測装置を示す。これは、測長干渉手段を構成する測長干渉計１〜６を保持してＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能な３軸の移動ステージ７を有する。移動ステージ７上に設置された測長干渉計１、２、３、４、５、６からの射出光を反射させるＸ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー８、９、１０は、３個の片持ち梁１１、１２、１３と根幹支柱１４からなる構造体に保持される。そして根幹支柱１４は、ベース１５上に立設される。

図２に示すように、ステージベース１６に設置される移動ステージ７は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能な各軸の案内と各軸の駆動を可能にするアクチュエータを備え、ステージベース１６は支持体１７によって支持される。支持体１７は、移動ステージ７の移動に伴い変形するので、ベース１５と別体であることが望ましい。移動ステージ７上には、測定対象点Ｏの６自由度の座標測定（Ｘ、Ｙ、Ｚ、ωＸ、ωＹ、ωＺ）が可能な測長干渉計１〜６が配置される。その配置は、測定対象点Ｏとほぼ同一線上のＸ方向に測長干渉計１、同一線上のＹ方向に測長干渉計４、同一線上のＺ方向に測長干渉計６を配置して測定対象点Ｏの併進成分座標Ｘ、Ｙ、Ｚを測定している。また、Ｘ方向の測長干渉計１の位置からＺ方向に距離Ｌ１だけ離れた位置に測長干渉計３が設置してあり、Ｘ方向の基準ミラー８からの距離Ｘ１を測定している。このＺ位置が長さＬ１だけ異なりＸ方向の距離を測定する２つの測長干渉計１、３の距離の差（Ｘ−Ｘ１）とそのＺ方向の距離Ｌ１から、Ｙ軸に対する微小回転成分ωＹは、（Ｘ−Ｘ１）／Ｌ１のアークタンジェントで求めることができる。

同様に、Ｘ方向の測長干渉計１の位置からＹ方向に距離Ｌ２（不図示）だけ離れた位置の測長干渉計２と測長干渉計１を用いてωＺを測定する。また、Ｙ方向の測長干渉計４の位置からＺ方向に距離Ｌ３（不図示）だけ離れた位置の測長干渉計５と測長干渉計４を用いてωＹを測定する。このようにして、３軸方向に移動する移動ステージ７の６自由度の座標測定は、移動ステージ７上に設置された６個の測長干渉計１、２、３、４、５、６によって行うことができる。また、必要であれば測定されたＸ、Ｙ、Ｚ座標を用いて、目標座標との偏差から、各アクチュエータへ指令を送ることにより、任意の座標での位置決めを行うことも可能である。

一方、３つの片持ち梁１１、１２、１３と根幹支柱１４で構成される構造体は、ベース１５上に設置されている。この構造体は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の基準となる３個の基準ミラー８、９、１０を、それぞれ３個の片持ち梁１１、１２、１３の先端付近に、それぞれ測長干渉計１〜６の射出光を垂直に反射するように保持する。３個の片持ち梁１１、１２、１３は、ベース１５上の、各基準ミラー位置より最短で、かつ移動ステージ７の動きを妨げない位置に設置されている根幹支柱１４によって片持ち支持される形で一体となっている。

すなわち、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー８、９、１０は、ベース１５に対する取り付け面のみで面拘束保持された根幹支柱１４から三股へ枝分かれした片持ち梁１１、１２、１３の先端に保持される。それぞれの片持ち梁１１、１２、１３の先端は軽量化し、根元は断面積を大きくして曲げ剛性を増大させる形状をとることにより、梁の曲げの振動モードに対する動的剛性を増加させることができ、必要に応じて梁の固有振動数を上げることが可能である。このような基準ミラー保持構造体において、ベース１５の変形が、各基準ミラー８〜１０の相対位置関係に影響を及ぼしにくい理由は以下の通りである。

まず第一に、上記の基準ミラー保持構造体において、各基準ミラー８〜１０が保持されている片持ち梁１１〜１３の先端付近は、力学的に自由端である。基準ミラー８〜１０の相対間距離変動に大きな影響を与えるような基準ミラー近傍の片持ち梁先端に加わる力は存在しない。従って、基準ミラー８〜１０の相対間距離を変化させるのは、基準ミラー保持構造体の柱状部分の変形のみとなる。

第二に、基準ミラー保持構造体の根幹支柱１４のベース１５への取り付け面積を大きくとらないことで、根幹支柱１４に伝播するベース１５の変形を小さくすることができる。すなわち、ベース１５の全体の変形量に対して、根幹支柱１４に伝播する変形はその取り付け面積に比例した小さなものとなり、根幹支柱１４には変形が伝播しずらい構造となる。

第三に、ベース１５の基準ミラー相対間距離へ影響を及ぼす変形は、ほとんどがベース１５の厚さで決定する曲げ変形である。曲げ変形量は、構造体の断面の断面二次モーメントの大きさに反比例する。また、断面二次モーメントの大きさは、断面の厚さの３乗に比例するため、曲げ変形のし易さは、断面の厚さの３乗に反比例することになる。すなわち、図３に示すように、構造体全体の断面の厚さＴは、ベース１５の単体部分の厚さｔより根幹支柱１４が取り付けられた部分で極端に大きくなるため、根幹支柱１４の取り付け部の変形量は、その周辺に比べて極端に小さくなる。

この構成によって、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー８〜１０の相対間距離は、ベース１５の変形状態の変動の影響を無視できる量まで軽減することが可能となる。同時に、根幹支柱１４や片持ち梁１１〜１３の形状から容易に固有振動数を計算し、向上させることができるので、周波数をもつ外乱力に対しても、各基準ミラー間の相対振動の影響を軽減することができる。その結果、移動ステージ７上の測定対象点Ｏの三次元座標を高い再現性で計測することが可能である。

図４は一変形例を示すもので、この基準ミラー保持構造体は、二股へ枝分かれした形の２個の片持ち梁１１、１３のみを有する。これは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー８、９、１０のうちのＹ方向の基準ミラー９を根幹支柱１４に保持させ、根幹支柱１４から分岐する２つの片持ち梁１１、１３の先端付近に残りの２つの基準ミラー８、１０を保持する。この構成でも、図１の装置と同様に、ベース１５の変形が各基準ミラー８〜１０に伝播するのを抑制し、また、外乱によるミラー間の相対振動の影響も低減できる。

図５および図６は実施例２を示す。これは、実施例１と同様の三次元位置測定装置と、フィゾー型の干渉計を用いた測定光学系を搭載し、露光装置の投影光学系の収差を評価する波面収差測定装置である。測定対称である被検投影光学系５９の物体側には、フィゾー干渉計を構成する光学素子（測定子）であるＴＳレンズ６１、像側には、曲面状の反射面を有する測定子であるＲＳミラー６４が設置してある。ＴＳレンズ６１およびＲＳミラー６４は、それぞれ、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の任意の位置に移動可能な移動ステージであるＴＳ部移動ステージ６５およびＲＳ部移動ステージ６８上に搭載されている。各移動ステージ６５、６８には、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に合計６個以上の測長干渉計６６、６７、６９、７０、７７、７８が搭載されている。また、ＴＳレンズ移動空間、ＲＳミラー移動空間にはそれぞれ、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の座標位置測定の基準となる基準ミラー７１、７２、７３、７４、７５、７６が設置されている。

ＴＳ部移動ステージ６５では、ＴＳレンズ６１の被検投影光学系５９側の焦点Ｆｔｓの座標位置（ＴＳＸ、ＴＳＹ、ＴＳＺ、ＴＳωＸ、ＴＳωＹ、ＴＳωＺ）を測定する。また、ＲＳ部移動ステージ６８では、ＲＳミラー６４の曲率中心Ｃの座標位置（ＲＳＸ、ＲＳＹ、ＲＳＺ、ＲＳωＸ、ＲＳωＹ、ＲＳωＺ）を測定している。

次に光学的な構成と作用を説明する。干渉計本体５１においては、レーザ光源５２から射出するレーザービームは、レンズ５３、コリメータレンズ５５によって大きいビーム径の平行光束に変換され、ビームスプリッタ５７を透過する。そしてこの光束は、ＴＳレンズ６１中の参照面およびＲＳミラー６４で反射して干渉光としてビームスプリッタ５７へ入射し、ハーフミラーで反射して干渉光集光レンズ５６を介してカメラ５４の撮像面に干渉縞を形成する。カメラ５４は干渉縞の画像情報を演算手段であるホストコンピュータ５８へ出力する。以上が干渉計本体５１の作用である。

干渉計本体５１から射出したビームの平行光束は、ミラー６０により反射されて、ＴＳレンズ６１に入射する。ＴＳレンズ６１を透過した光束は、ＴＳレンズ６１の後側の焦点Ｆｔｓに集光する。このＴＳレンズ６１の焦点Ｆｔｓは、被検投影光学系５９の物体面上点Ｐｉにほぼ一致するようにＴＳ部駆動ステージ６５によって調整している。従って、ＴＳレンズ６１の後側の焦点Ｆｔｓ（≒Ｐｉ）へ一旦集光した光束は、被検投影光学系５９を透過して被検投影光学系５９の像面上の共役点ＥＰｉに再度集光する。

一方ＲＳミラー６４の曲率中心ＣはＲＳ部移動ステージ６８によって光束集光点である共役点ＥＰｉにほぼ一致するように調整されている。そこで共役点ＥＰｉに集光した光束はＲＳミラー６４に入射し、ここで反射されて、ほぼ同一の光路を戻り、被検投影光学系５９、ＴＳレンズ６１を透過して被検波として干渉計本体５１へと入射する。

一方、ＴＳレンズ６１へ入射した光束の一部はＴＳレンズ６１の参照面により反射されて、ほぼ同一の光路を戻って、参照光束として干渉計本体５１へ入射する。その結果、干渉計本体５１では測定光束の波面と参照光束の波面の干渉により被検投影光学系５９の波面収差を表す干渉縞が発生し、カメラ５４によって干渉縞の強度が検出される。

この時、ＴＳレンズ６１はピエゾ素子等によりＺ方向に微小量スキャンする。そして各スキャン位置での干渉縞の強度データをカメラ５４により測光して、ホストコンピュータ５８に転送し干渉縞の各位置における位相データを演算によって求める。

ここで、ＴＳレンズ６１はＴＳ部移動ステージ６５によりＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能であるので、ＴＳレンズ６１の後側焦点Ｆｔｓを被検投影光学系５９の各画面位置および任意のデフォーカス位置に設定できる構成となっている。

ＴＳレンズ６１の移動・設定と同時にＲＳミラー６４もＲＳ部移動ステージ６８により、ＴＳレンズ６１の後側焦点位置Ｆｔｓ（被検投影光学系５９の物体面上点Ｐｉ）の被検投影光学系５９による共役点ＥＰｉの位置へその曲率中心Ｃが一致するように移動する。この結果、被検投影光学系５９の画角内の各画面位置および任意のデフォーカス位置において、ほぼワンカラーに近い状態で透過波面を計測することができる。

この時同時に、測長干渉計６６、６７、７７により透過波面測定時のＴＳレンズ６１の後側焦点Ｆｔｓの座標位置（ＴＳＸｉ、ＴＳＹｉ、ＴＳＺｉ、ＴＳωＸｉ、ＴＳωＹｉ、ＴＳωＺｉ）を計測する。また、測長干渉計６９、７０、７８により、ＲＳミラー６４の曲率中心Ｃの座標位置（ＲＳＸｉ、ＲＳＹｉ、ＲＳＺｉ、ＲＳωＸｉ、ＲＳωＹｉ、ＲＳωＺｉ）を計測する。

このようにして得られたＴＳレンズ６１の後側焦点Ｆｔｓの座標位置と、ＲＳミラー６４の曲率中心Ｃの座標位置と、その座標における被検投影光学系５９の波面収差情報から、被検投影光学系５９のディストーション収差や、像面湾曲収差を求めることができる。

図６は、被検投影光学系５９を支持するフレーム５０と、２つの移動ステージであるＴＳ部移動ステージ６５、ＲＳ部移動ステージ６８と、基準ミラー７１、７２、７３、７４、７５、７６、およびこれらを保持する構造体の配置を示すものである。ＴＳ部移動ステージ側は、被検投影光学系５９を保持するベースであるフレーム５０に、根幹支柱７９が保持されている。Ｘ方向の基準ミラー７２は、片持ち梁８１で、Ｙ方向の基準ミラー７５は、片持ち梁８３で、Ｚ方向の基準ミラー７１は片持ち梁８２でそれぞれ保持されており、これらの片持ち梁８１、８２、８３は根幹支柱７９から三股に分岐し、保持されている。

ＲＳ部移動ステージ側は、被検投影光学系５９を保持するフレーム５０に、根幹支柱８０が保持されている。Ｘ方向の基準ミラー７３は、片持ち梁８４で、Ｙ方向の基準ミラー７６は、片持ち梁８６で、Ｚ方向の基準ミラー７４は片持ち梁８５でそれぞれ保持されており、これらの片持ち梁８４、８６、８５は根幹支柱８０から三股に分岐し、保持されている。

この構成により、１０００ｋｇ以上の被検投影光学系５９を搭載した場合や、被検投影光学系５９の重量が異なる場合でも、ＴＳ部ステージ６５の基準ミラー７１、７２、７５間の相対変位および相対角度が保たれる。また、ＲＳ部ステージ６８の基準ミラー７３、７４、７６間の相対変位および相対角度も保たれる。

さらに、根幹支柱７９、８０や片持ち梁８１、８２、８３、８４、８５、８６の形状から容易に固有振動数を計算し、形状や断面を変更することで、容易に固有振動数を向上させることができる。従って、周波数をもつ外乱力に対しても、各基準ミラー７１、７２、７３、７４、７５、７６間の相対振動の影響を軽減することができる。その結果、干渉縞計測時のＴｓレンズ６１、ＲＳミラー６４の三次元位置を高精度に測定することができる。

図７および図８は、実施例３による三次元形状測定装置を示すもので、定盤１１６上にＹスライド１１４が転動ガイド１１５を介して支持されており、回転モーター（不図示）に連結された送りねじ１２７によって駆動される。Ｙスライド１１４上には、Ｘスライド１０９が転動ガイド１１０を介して支持されており、送りねじ１１３と回転モーター１１１によって駆動される。さらにＸスライド１０９には移動ステージであるＺスライド１０６がＺスライドガイド１０７を介して支持されており、送りねじ１１２と回転モーター１０８によって駆動される。Ｚスライド１０６の先端には、接触式の触針であるプローブ１０４を保持するハウジング１３０が固定されている。

プローブ１０４は、測定台（ベース）１０１上の被測定物１０３の表面のＺ方向高さを測定するものであり、ハウジング１３０に対して平行板バネ１３１ａ〜１３１ｄを介してＺ方向のみ移動可能に支持されている。プローブ１０４の下端には、形状精度が高いことが保証されているマスターボール（球）１２１が取り付けられており、上部には、ミラー１０５が設けられている。Ｚスライド１０６のプローブ１０４の直上方の位置には、測長干渉計１２４が設けられており、Ｚ方向の基準ミラー１２２とプローブ１０４上部のミラー１０５との距離Ｚ１を計測する。ハウジング１３０には、ミラー１０５の位置を検出する変位センサー１３２が取り付けられており、ハウジング１３０に対するプローブ１０４の相対変位を検出する。

プローブ１０４を被測定物１０３の表面上に接触させた状態にて、Ｘ、Ｙスライド１０９、１１４を駆動し、被測定物１０３の表面上を走査する。この際、変位センサー１３２の出力値が常に一定になるように、Ｚスライド１０６の位置を制御することで、プローブ１０４の被測定物１０３への押し付け圧を一定にすることが可能となる。また、Ｚスライド１０６の先端部には、Ｚスライド１０６のＸ方向の距離を測定する測長干渉計１２５、１２６が設けられており、Ｚスライド１０６上下の２箇所の点とＸ方向の基準ミラー１２３との距離Ｘ１、Ｘ２を測定する。Ｙ方向においても同様な測長干渉計（不図示）が設けられており、Ｚスライド１０６上下の点と、Ｙ方向の基準ミラー１２８との間の距離Ｙ１、Ｙ２を測定する。

Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー１２３、１２８、１２２は、図８に示す三つの片持ち梁１１７、１３６、１３７とそれを保持する一つの根幹支柱１３８からなる構造体に保持されており、根幹支柱１３８は、測定台１０１に立設されている。

被測定物１０３の表面をプローブ１０４が、被測定物１０３への押し付け圧を一定に保ちながら走査した時の、距離Ｚ１と距離Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２を同時に測定する。これによって、被測定物１０３に接触しているマスターボール１２１の基準ミラー１２３、１２８、１２２からの相対距離を正確に知ることができる。この位置情報には、被測定物１０３の表面の３次元形状の他に、例えば、基準ミラー１２３、１２８、１２２を保持する構造体（１１７、１３６、１３７、１３８）や、測定台１０１、Ｚスライド１０６等の周波数成分を持った構造体の固有振動数が含まれる。さらに、床振動や、騒音等の環境原因の外乱力や、装置自身が作り出す外乱力によって増幅された物体間距離変動を原因とするノイズが、混入している。しかし、それらのノイズは時間的な周波数をもった成分である。従って、被測定物１０３の表面の３次元形状は、時間的な周波数を持っていない成分であるため、所定の時間に平均化を行うことによって、周波数成分のみをキャンセルし、被測定物１０３の表面の３次元形状を抽出することが可能となる。

この三次元形状測定装置においては、被測定物１０３の形状は、前述の構造体に保持されたＸ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー１２３、１２８、１２２に対するマスターボール１２１の位置情報から求められる。また、測定台１０１に搭載される被測定物１０３は、様々な形状、重量を持っており、様々な被測定物を搭載する度に、測定台１０１の変形状態が変わる。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー１２３、１２８、１２２の相対距離および相対角度変動は、被測定物１０３の測定形状誤差要因になるため、基準ミラー保持構造体は、測定台１０１の変形状態の影響を受けず、常に同一の形状であることが望まれる。また、測定中の、被測定物１０３とＸ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー１２３、１２８、１２２の相対変位の変化も誤差の要因となる。このため、測定中は、基準ミラー保持構造体と測定台１０１は強固に連結されて、基準ミラー保持構造体と測定台１０１間の固有振動数もなるべく高くとることが望ましい。

前述のように基準ミラー保持構造体は、測定台１０３に根幹支柱１３８を固定し、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー１２３、１２８、１２２を根幹支柱１３８から分岐する３つの片持ち梁１３６、１３７、１１７によって支持する。この構成により、様々な重量を持つ被測定物１０３を搭載した場合でも、三次元座標測定に重要な、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の基準ミラー１２３、１２８、１２２間の相対変位および相対角度は保たれる。

また、根幹支柱１３８や片持ち梁１３６、１３７、１１７の形状から容易に固有振動数を計算し、向上させることができる。従って、周波数をもつ外乱力に対しても、各基準ミラー１２３、１２８、１２２間の相対振動の影響も、時間平均化で問題にならない量まで軽減することができる。このようにして、三次元形状測定装置のプローブ１０４のマスターボール１２１の位置測定を高精度に行うことが可能となる。

実施例１による三次元位置測定装置の一部を破断して示す斜視図である。 図１の装置の全体を示す斜視図である。 ベースと根幹支柱からなる一体構造の断面を示す模式断面図である。 実施例１の一変形例を示す斜視図である。 実施例２による波面収差測定装置の構成を示す一部断面立面図である。 図５の装置の基準ミラー保持構造体を示す斜視図である。 実施例３による三次元形状測定装置の構成を示す一部断面立面図である。 図７の装置の基準ミラー保持構造体を示す斜視図である。 一従来例を示す図である。 別の従来例を示す図である。

符号の説明

１、２、３、４、５、６、６６、６７、６９、７０、７７、７８、１２４、１２５、１２６、１３４、１３５ 測長干渉計
７ 移動ステージ
８、９、１０、７１〜７６、１２２、１２３、１２８ 基準ミラー
１１、１２、１３、８１〜８６、１１７、１３６、１３７ 片持ち梁
１４、７９、８０、１３８ 根幹支柱
１５ ベース
６５ ＴＳ部移動ステージ
６８ ＲＳ部移動ステージ
１０４ プローブ
１０６ Ｚスライド

Claims (5)

1. 移動ステージと、前記移動ステージに設置された３軸方向の測長干渉手段と、前記測長干渉手段の射出光を反射させる３個の基準ミラーと、前記３個の基準ミラーのうちの少なくとも２個をそれぞれ支持する複数の片持ち梁と、前記複数の片持ち梁をそれぞれ分岐させて支持する根幹支柱と、前記根幹支柱を立設支持するベースと、を備えており、各基準ミラーに対する前記移動ステージの離間距離を前記測長干渉手段によって計測することで、前記移動ステージの三次元位置を測定する三次元位置測定装置。
2. 前記３個の基準ミラーをそれぞれ支持する３個の片持ち梁を前記根幹支柱から分岐させたことを特徴とする請求項１記載の三次元位置測定装置。
3. 前記３個の基準ミラーのうちの１個が前記根幹支柱に支持されていることを特徴とする請求項１記載の三次元位置測定装置。
4. 被検光学系の波面収差を干渉計で計測するために、前記被検光学系の光軸に垂直な面内の複数の測定位置で透過波面を測定する測定光学系と、各測定位置において、前記被検光学系の物体側と像側の一対の測定子の三次元位置をそれぞれ測定する一対の三次元位置測定装置と、を有する波面収差測定装置において、前記一対の三次元位置測定装置のうちの少なくとも一方が、前記測定子を搭載する移動ステージに設置された３軸方向の測長干渉手段と、前記測長干渉手段の射出光を反射させる３個の基準ミラーと、前記３個の基準ミラーのうちの少なくとも２個をそれぞれ支持する複数の片持ち梁と、前記複数の片持ち梁をそれぞれ分岐させて支持する根幹支柱と、前記根幹支柱を立設支持するベースと、を備えており、各基準ミラーに対する前記移動ステージの離間距離を前記測長干渉手段によって計測することで、前記測定子の三次元位置を測定することを特徴とする波面収差測定装置。
5. 被測定物の表面に触針を接触させ、前記触針を前記被測定物の表面に沿って移動させながら、三次元位置測定装置によって前記触針の位置を測定することで、前記被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、前記三次元位置測定装置が、前記触針を保持する移動ステージに設置された３軸方向の測長干渉手段と、前記測長干渉手段の射出光を反射させる３個の基準ミラーと、前記３個の基準ミラーのうちの少なくとも２個をそれぞれ支持する複数の片持ち梁と、前記複数の片持ち梁をそれぞれ分岐させて支持する根幹支柱と、前記根幹支柱を立設支持するベースと、を備えており、各基準ミラーに対する前記移動ステージの離間距離を前記測長干渉手段によって計測することで、前記触針の三次元位置を測定することを特徴とする三次元形状測定装置。

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