JP2010223897A - 平面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平面状の大型被検面の形状を短時間で高精度に測定できるようにする。
【解決手段】回転角度が順次変動する被検面８０に第１の光束が照射される期間、第１の光束と第２の光束との仮想光路長差を回転角度の変動に応じて周期的に変動させる。この変動期間内において、第１の光束と第２の光束との干渉光を１次元イメージセンサ２６により順次受光し、受光した干渉光の光強度を１次元イメージセンサ２６の画素毎にそれぞれ検出する。この光強度が最大となる各時点に対応した回転角度および仮想光路長差の各値に基づき被検面８０の形状情報を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、平面状の被検面の形状を測定する平面形状測定装置に関し、特に、大型な被検面の形状測定に好適な平面形状測定装置に関する。

従来、被検面の形状を高精度に測定可能な装置としては、光波干渉測定装置（干渉計）が知られている。光波干渉測定装置は、被検面の形状を光波長オーダーで測定することが可能なため、極めて高い面精度が求められる光学素子等の形状測定に広く用いられているが、光学系の開口数を大きくするに従って装置の製造コストが大幅に増大するため、汎用的な装置では、１回で測定可能な範囲が径６０〜８０ｍｍ程度とされている。

このため、径３００ｍｍを超えるような大型な被検面の形状を測定する場合には、開口合成法という手法を用いて被検面全域の測定が行われている。この手法は、径６０〜８０ｍｍ程度の複数の部分領域に被検面を分割してこの小領域ごとに測定を行い、それぞれの測定結果をデータ処理した後、各測定結果を繋ぎ合せることによって被検面の全体形状を求めるものであり、被検面の形状やデータの処理方法の違いにより種々の開口合成法が提案されている（下記特許文献１〜３参照）。

特開２００２−１６２２１４号公報 特開平８−２１９７３７号公報 特開平１０−３３２３５０号公報

近年、径３００ｍｍを超えるような平面状の大型被検面（以下「大型被検平面」と称することがある）の全形状を、短時間で高精度に測定することが要望されている。

従来の開口合成法による光波干渉測定においては、このような大型被検平面の形状測定を行う場合、被検面上に設定した複数の部分領域の各々に対応するように、干渉光学系に対する被検面の位置を相対的に順次移動させ、移動毎に干渉光学系に対して被検面が停止した状態で干渉縞の撮像を行う必要がある。このため、大型被検平面全域の測定を完了するのに多くの時間を要するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、平面状の大型被検面の形状を短時間で高精度に測定することが可能な平面形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の平面形状測定装置は以下のように構成されている。

すなわち、本発明に係る平面形状測定装置は、平面状の被検面の形状を測定する平面形状測定装置であって、
低可干渉光源からの出力光を光束分離面において第１の光束と第２の光束とに分離し、該第１の光束を前記被検面に照射するとともに該第２の光束を参照面に照射し、該被検面から反射された該第１の光束と該参照面から反射された該第２の光束とを合波して干渉光を得る干渉光学系と、
前記干渉光により得られる干渉縞を結像させる結像系と、
前記干渉縞の結像面上に配置された１次元イメージセンサと、
前記被検面に対し平行かつ前記干渉光学系の光軸に対し垂直な方向への、該被検面の該干渉光学系に対する相対位置を順次変動せしめる相対位置変動手段と、
前記干渉光学系に対して前記相対位置が変動する前記被検面に前記第１の光束が照射される期間内において、該被検面が光学平面であると仮想した場合における該第１の光束と前記第２の光束との仮想光路長差を前記相対位置の変動に応じて周期的に変動せしめる仮想光路長差変動手段と、
前記仮想光路長差が周期的に変動される期間内において、前記干渉光を前記１次元イメージセンサにより順次受光せしめ、受光された該干渉光の光強度を該１次元イメージセンサの画素毎にそれぞれ検出する干渉光強度検出手段と、
前記画素毎に検出された前記干渉光の光強度の変動状況に基づき、該光強度が該光強度の各変動期間内で最大となる各時点に対応した前記相対位置の各値を、各光強度最大時相対位置値として該画素毎にそれぞれ求める光強度最大時相対位置値算出手段と、
前記相対位置が前記各光強度最大時相対位置値となる各時点における前記仮想光路長差の各値を、各光強度最大時仮想光路長差値として前記画素毎にそれぞれ求める光強度最大時仮想光路長差値検出手段と、
前記画素毎に求められた前記各光強度最大時仮想光路長差値に基づき前記被検面の形状情報を求める形状解析手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明の平面形状測定装置において、前記相対位置変動手段は、前記被検面に対し垂直かつ前記干渉光学系の光軸に対し平行に設定された回転軸回りに該被検面を該干渉光学系に対して相対的に回転せしめ、該干渉光学系に対する該被検面の該回転軸回りの相対的な回転角度を順次変化せしめる回転手段を含んでなり、
前記光路長差変動手段は、前記干渉光学系に対して相対的に回転する前記被検面に前記第１の光束が照射される期間内において、前記仮想光路長差を前記回転角度の変化に応じて周期的に変動せしめるものであり、
前記光強度最大時相対位置値算出手段は、前記画素毎に検出された前記干渉光の光強度の変動状況に基づき、該光強度が該光強度の各変動期間内で最大となる各時点に対応した前記回転角度の各値を、前記各光強度最大時相対位置値として該画素毎にそれぞれ求めるものである、とすることができる。

また、前記仮想光路長差変動手段は、前記光束分離面から前記参照面までの光学距離を周期的に変動せしめるもの、または前記光束分離面から前記被検面までの光学距離を周期的に変動せしめるものである、とすることができる。

さらに、前記仮想光路長差は周期的な三角波状の変動パターンに従って変動するように構成されている、とすることができる。

また、前記干渉光学系に対して相対的に移動する前記被検面の該被検面と垂直な方向の変動誤差を前記相対位置と対応付けて検出する被検面変動量検出手段と、
検出された前記変動誤差に基づき、該変動誤差に応じて前記形状情報に重畳される測定誤差を補正する測定誤差補正手段と、を備えてなるとすることができる。

本発明の平面形状測定装置において、光強度最大時相対位置値算出手段により１次元イメージセンサの画素毎に求められる各光強度最大時相対位置値は、被検面に照射される第１の光束と参照面に照射される第２の光束との光路長差が実際に０（ゼロ）となるときの、干渉光学系（特に１次元イメージセンサの各画素）に対する被検面（特に１次元イメージセンサの各画素の撮像範囲に対応した、被検面内の領域）の相対位置を示している。

一方、光強度最大時仮想光路長差値検出手段によって各光強度最大時相対位置値に対応して求められる各光強度最大時仮想光路長差値は、被検面を光学平面（Optical flat）であると仮想した場合における仮想光路長差の各値であって、被検面が実際に光学平面を構成するものであれば全て０（ゼロ）となるはずのものである。

すなわち、各光強度最大時光路長差値は、実際の被検面の光学平面との形状差の情報を担持したものであり、これに基づいて解析を行うことにより、被検面の高精度な形状情報を得ることが可能となる。

また、各光強度最大時仮想光路長差値を求めるのに必要となる、被検面の各部分領域に対応した干渉光の各光強度は、干渉光学系に対する被検面の相対位置を順次変動させながら、画像取得速度が２次元イメージセンサに比較して一般に速い１次元イメージセンサを用いて得ることができるので、被検面の各部分領域毎の撮像を静止状態で行う必要があった従来の手法に比較して、平面状の大型被検面の形状を測定する場合でも測定に要する時間を短縮することが可能となる。

一実施形態に係る平面形状測定装置の概略構成図である。 図１に示す干渉計本体部の内部構成を示す図である。 図１に示す装置の解析制御装置の概略構成図である。 輪帯状領域の設定例を示す図である。 仮想光路長差の変動パターン例を示すグラフである。 干渉光強度の１変動周期内の変動状況を示すグラフである。 干渉光強度の複数の変動周期に亘る変動状況を示すグラフである。 光強度最大時仮想光路長差値の求め方の概要を示す図である。 他の実施形態に係る干渉計本体部の内部構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、上述の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態の説明に使用する各々の図は、詳細な形状や構造を示すものではなく、各部材の大きさや部材間の距離等は適宜変更してある。

まず、図１〜図３に基づき、本発明の一実施形態に係る平面形状測定装置の構成を説明する。図１に示す平面形状測定装置は、被検体８（例えば、シリコンウエハー）が有する平面状の大型（例えば、径３００〜６００ｍｍ）の被検面８０（被検体８の図中上側の面）の形状を測定解析するものであり、干渉計本体部１と、光学定盤２上に載置された被検体位置調整部３と、干渉計本体部１の位置調整を行う干渉計位置調整部４と、被検面８０の形状解析等を行う制御解析部５とを備えてなる。

上記干渉計本体部１は、図２に示すように、マイケルソン型の光学系配置をなす等光路長型の干渉光学系１０と、該干渉光学系１０により得られる干渉光を撮像する撮像系２０とを有してなる。干渉光学系１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパー・ルミネッセント・ダイオード（ＳＬＤ）、ハロゲンランプ、高圧水銀ランプ等のいずれかからなる低可干渉光源１１と、該低可干渉光源１１からの出力光のビーム径を拡大するビーム径拡大レンズ１２，１３と、該ビーム径拡大レンズ１２，１３からの光束をコリメートするコリメータレンズ１４と、該コリメータレンズ１４からの光束をスプリッタ面１５ａ（本実施形態における光束分離面）において、被検面８０に照射される第１の光束と参照面１６ａに照射される第２の光束とに分岐するビームスプリッタ１５と、該ビームスプリッタ１５からの第２の光束を参照面１６ａにおいて再帰反射する参照基準板１６と、該参照基準板１６をピエゾ素子１８により図中左右方向に微動させることによって、スプリッタ面１５ａから参照面１６ａまでの光学距離を所定の周期で変動させる光路長差変動アダプタ１７とを備えてなり、被検面８０から反射された第１の光束と参照面１６ａから反射された第２の光束とを上記スプリッタ面１５ａにおいて合波することにより、上記干渉光を得るように構成されている。

上記撮像系２０は、ビームスプリッタ１５からの光束をスプリッタ面２１ａにおいて図中上方に向かう光束と図中左方に向かう光束とに分離するビームスプリッタ２１と、主に被検面８０の回転時に撮像を行う干渉光撮像部２２と、主に被検面８０の傾き調整を行う際に撮像を行うアライメント撮像部２３とを備えてなる。干渉光撮像部２２は、ビームスプリッタ１５，２１を透過して図中上方に進行する干渉光を集光する結像レンズ２４（本実施形態における結像系）と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる１次元イメージセンサ２６を有してなる第１撮像カメラ２５とを備えてなる。この１次元イメージセンサ２６は、結像レンズ２４により結像される干渉縞の結像面上に配置されており、受光した干渉光の光強度データを画素毎に出力し得るように構成されている。

上記アライメント撮像部２３は、ビームスプリッタ２１により図中左方に反射された、上記参照面１６ａからの上記第２の光束（以下「参照光」と称する）および被検面８０からの上記第１の光束（以下「物体光」と称する）を集光する結像レンズ２７と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる２次元イメージセンサ２９を有してなる第２撮像カメラ２８とを備えてなり、結像レンズ２７により２次元イメージセンサ２８上に形成される、上記参照光によるスポット像および上記物体光によるスポット像の画像データを取得するように構成されている。

一方、図１に示すように、上記被検体位置調整部３は、被検体８を保持する保持ステージ３１と、該保持ステージ３１に保持された被検体８（被検面８０）を、図中左右方向および紙面に垂直な方向に移動せしめる被検面位置調整ステージ３２と、測定光軸Ｌに対する被検面８０の傾き調整を行う被検面傾き調整ステージ３３と、保持ステージ３１、被検面位置調整ステージ３２および被検面傾き調整ステージ３３を介して、被検面８０を回転軸Ｒ回りに回転せしめる回転ステージ３４と、該回転ステージ３４の回転角度を検出する回転エンコーダ３５と、該回転エンコーダ３５の回転時における上記回転軸Ｒ方向の変動誤差を、回転時における被検面８０の該被検面８０と垂直な方向の変動誤差として、上記回転角度と対応付けて検出する、レーザ変位計や容量型変位計等からなる変動誤差検出センサ３６（本実施形態における被検面変動量検出手段）と、を備えてなる。

また、上記干渉計位置調整部４は、図１に示すように、干渉計本体部１を図中左右方向および紙面に垂直な方向に移動せしめるＸＹステージ４１と、該ＸＹステージ４１を支持するＸ軸架台４２と、該Ｘ軸架台４２および該ＸＹステージ４１を介して干渉計本体部１を図中上下方向に移動せしめるＺステージ４３と、該Ｚステージ４３を支持するＺ軸架台４４とを備えてなる。なお、Ｚステージ４３は、被検体８の厚み（図中上下方向の長さ）等に応じて、干渉計本体部１の高さを調整するためのものであるが、このような高さ調整を行う必要がない場合は省くことも可能である。また、干渉計本体部１を紙面に垂直な方向に移動させる必要がない場合には、ＸＹステージ４１に替えて、干渉計本体部１を図中左右方向に移動せしめる１軸移動ステージ（図示略）を設けることも可能である。

上記制御解析部５は、上記１次元イメージセンサ２６により画素毎に取得された干渉光の光強度データに基づき被検面８０の形状情報を求めたり、上記被検体位置調整部３や上記干渉計位置調整部４の各ステージの駆動を制御したりする、コンピュータ等からなる解析制御装置と、該解析制御装置による解析結果や画像を表示する表示装置と、キーボードやマウス等からなる入力装置等（いずれも図示略）とを備えてなる。

図３に示すように上記解析制御装置は、該解析制御装置内に搭載されるＣＰＵやハードディスク等の記憶部および該記憶部に格納されたプログラム等により構成される輪帯状領域設定部５１、相対位置変動指令部５２、仮想光路長差変動指令部５３、干渉光強度検出部５４、光強度最大時相対位置値算出部５５、光強度最大時仮想光路長差値検出部５６、形状解析部５７および測定誤差補正部５８を備えてなる。

上記輪帯状領域設定部５１は、被検面８０の設計データに基づき、該被検面８０上に、同心の複数の輪帯状領域（詳しくは後述する）を設定するものである。

上記相対位置変動指令部５２は、上記回転ステージ３４により被検面８０を回転せしめることにより、干渉計本体部１による被観察領域が被検面８０の周方向に順次移動するように、かつ上記ＸＹステージ４１により干渉計本体部１（干渉光学系１０）を被検面８０の径方向に移動させることにより、干渉計本体部１による被観察領域が上記複数の輪帯状領域毎に順次移動するように、干渉計本体部１に対する被検面８０の相対位置を変動せしめるものである。

上記仮想光路長差変動指令部５３は、干渉計本体部１に対して相対的に回転する被検面８０に上記第１の光束が照射される期間内において、上記光路長差変動アダプタ１７により上記参照基準板１６を光軸方向に微動させることによって、該第１の光束と上記第２の光束との仮想光路長差（被検面８０が光学平面であると仮想した場合における第１の光束と第２の光束との光路長差）を上記回転角度の変化に応じて周期的に変動せしめるものである。

上記干渉光強度検出部５４は、上記仮想光路長差が周期的に変動される期間内において、上記干渉光を上記１次元イメージセンサ２６により順次受光せしめ、受光された該干渉光の光強度を該１次元イメージセンサ２６の画素毎にそれぞれ検出するものである。

上記光強度最大時相対位置値算出部５５は、１次元イメージセンサ２６の画素毎に検出された干渉光の光強度の変動状況に基づき、該光強度が該光強度の各変動周期内で最大となる各時点に対応した上記回転角度の各値を、各光強度最大時相対位置値として上記画素毎にそれぞれ求めるものである。

上記光強度最大時仮想光路長差値検出部５６は、上記回転角度が上記各光強度最大時相対位置値となる各時点における上記仮想光路長差の各値を、各光強度最大時仮想光路長差値として上記画素毎にそれぞれ求めるものである。

上記形状解析部５７は、上記画素毎に求められた上記各光強度最大時仮想光路長差値とゼロ値との差に基づき被検面８０の形状情報を求めるものである。

上記測定誤差補正部５８は、上記変動誤差検出センサ３６により検出された上記変動誤差に基づき、該変動誤差に応じて上記形状情報に重畳される測定誤差を補正し、被検面８０の補正後の形状情報を求めるものである。

なお、本実施形態においては、上記回転ステージ３４、上記ＸＹステージ４１および上記相対位置変動指令部５２により相対位置調整手段が構成されており、上記光路長差変動アダプタ１７および上記仮想光路長差変動指令部５３により仮想光路長差変動手段が構成されている。また、上述の干渉光強度検出部５４、光強度最大時相対位置値算出部５５、光強度最大時仮想光路長差値検出部５６、形状解析部５７および測定誤差補正部５８により、干渉光強度検出手段、光強度最大時相対位置値算出手段、光強度最大時仮想光路長差値検出手段、形状解析手段および測定誤差補正手段がそれぞれ構成されている。

以下、上述した平面形状測定装置の作用および測定手順について説明する。
（１）まず、図４に示すように、被検面８０上に前述した複数の輪帯状領域（図４では、模式的に４個の輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_４を例示）を設定する。これらの輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_４は、被検面８０の設計データおよび干渉計本体部１による被観察領域（図４では、模式的に４個の被観察領域Ｑ_１〜Ｑ_４を例示）の大きさ（被観察領域Ｑ_１〜Ｑ_４の大きさは互いに等しい）に基づき、上記輪帯状領域設定部５１において設定されるものであり、被検面８０上における上記回転軸Ｒの設定位置（本実施形態では、被検面の中心軸Ｃと一致するように設定される）を中心として、被検面８０を同心の輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_４に分割するようになっている。

なお、図４に示す各輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_４のうち、中央部に位置する輪帯状領域Ｐ_１は、円板形状をなすものであるが、本発明では、このような円板形状の領域も輪帯状領域と称する。また、各輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_４のうち互いに隣接するもの同士が、互いに一部重なるように領域を設定することも可能である。

（２）次に、図１に示すように被検体８を保持ステージ３１上に載置するとともに、被検面傾き調整ステージ３３を用いて、測定光軸Ｌと被検面８０の中心軸Ｃとが互いに平行となるように、被検面８０の傾き調整を行う。ここで、被検面８０と中心軸Ｃとは互いに直交しているものとする。この傾き調整は、図２に示すように被検面８０に第１の光束を照射し、該被検面８０から反射された第１の光束（物体光）により形成されるスポット像と、参照面１６ａからの第２の光束（参照光）により形成されるスポット像とを、アライメント撮像部２３の第２撮像カメラ２８により撮像し、これら２つのスポット像が互いに重なるように行われる。

（３）次いで、被検面位置調整ステージ３２を用いて、被検面８０の中心軸Ｃが回転ステージ３４の回転軸Ｒと略一致するように、回転軸Ｒと中心軸Ｃとの位置合わせを行う。なお、本実施形態においては、図４に示す各輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_４のうち、最も外周側に位置する輪帯状領域Ｐ_４の幅（径方向の長さ）が、該輪帯状領域Ｐ_４を観察する際の被観察領域Ｑ_４の径の長さよりも短くなるように設定されている。このため、回転軸Ｒと中心軸Ｃとが完全に一致するように位置合わせが行われた場合には、輪帯状領域Ｐ_４を観察する際、被観察領域Ｑ_４の一部が被検面８０の外周側にはみ出す（被観察領域Ｑ_４の最外点の軌跡を２点鎖線で示す）ことになる。逆に言えば、このはみ出す領域の範囲内であれば、上述の位置合わせの際に誤差（回転軸Ｒと中心軸Ｃとの位置ずれ）が生じても、被検面８０の全領域をカバー（走査）することが可能となり、以後の測定に支障は生じないことになる。このため、上述の位置合わせを精密に行うための機構を設ける必要はない。

（４）次に、回転ステージ３４を用いて被検面８０を回転軸Ｒ回りに回転させる。回転速度は任意に設定することが可能であるが、本実施形態では、例えば、６０秒で１回転（回転角度にして毎秒６度回転）するように設定する。

（５）次いで、被検面８０上に設定された上記輪帯状領域Ｐ_１の測定が以下の手順で行われる。

〈ａ〉まず、ＸＹステージ４１を用いて、図４に示すように被観察領域Ｑ_１が輪帯状領域Ｐ_１上に位置するように、回転する被検面８０（厳密には、回転軸Ｒ）に対する干渉計本体部１の相対位置を調整する。本実施形態では、上記相対位置変動指令部５２からの指令信号によりＸＹステージ４１が駆動されて、干渉計本体部１の位置が自動調整されるように構成されている。

〈ｂ〉次に、光路長差変動アダプタ１７を用いて参照基準板１６を光軸方向に微動させることによって、スプリッタ面１５ａから参照面１６ａまでの光学距離を所定の周期で変動させ、これにより、第１の光束と第２の光束との仮想光路長差を、上記回転角度の変動に応じて所定の周期で変動させる。本実施形態では、上記仮想光路長差が図５に示す変動パターンに従って変動するように、上記仮想光路長差変動指令部５３により光路長差変動アダプタ１７の駆動が制御されるように構成されている。

図５に示す変動パターン（Ｖ）はグラフ化すると三角波状をなすものであり、上記仮想光路長差（ｄ）が０（ゼロ）となる位置を中心として、変動周期Ｔ_０あたり±ｄ_Ｔの変動幅（本実施形態では、第２の光束の光路長に対し第１の光束の光路長が大となる方向をプラス、小となる方向をマイナスとする）で該仮想光路長差が直線的に変動するように設定されている。このときの変動周期Ｔ_０および変動幅±ｄ_Ｔは任意に設定することが可能であるが、本実施形態では、例えば、変動周期Ｔ_０を１／３０秒（回転角度（θ）に換算して０．２度）、変動幅±ｄ_１を±１０μｍ（被検面８０の形状の変動幅が±５μｍを超えないと仮定）に設定する。この設定によれば、仮想光路長差（ｄ）は、回転角度（θ）１度あたり１００μｍ（毎秒６００μｍ）の速さで変動することになる。

〈ｃ〉次いで、回転する被検面８０に対し第１の光束を照射して、該被検面８０の複数の回転位置毎に、上記被観察領域Ｑ_１内の直帯状の領域Ａ_１（１次元イメージセンサ２６の１回の撮像可能範囲に対応した領域）から反射された第１の光束と平面基準板１６の参照面１６ａからの第２の光束との干渉光を、上記１次元イメージセンサ２６により受光するとともに、上記干渉光強度検出部５４において、受光された該干渉光の光強度を１次元イメージセンサ２６の画素毎にそれぞれ検出する。このときの１次元イメージセンサ２６による撮像回数（受光回数）は任意に設定することが可能であるが、本実施形態では、例えば、毎秒３６０００回（上記変動周期Ｔ_０あたり１２００回）撮像するようにする。なお、１次元イメージセンサ２６による撮像が行われる毎に、その撮像された時点における被検面８０の回転角度が回転エンコーダ３５により検出され、その検出値が干渉光強度検出部５４に順次入力される。干渉光強度検出部５４では、１次元イメージセンサ２６の画素毎に検出した干渉光の各光強度を、上記回転角度の検出値と対応付けて上記光強度最大時相対位置値算出部５５に出力する。

〈ｄ〉次に、上記光強度最大時相対位置値算出部５５において、上述の各光強度最大時相対位置値が上記１次元イメージセンサ２６の画素毎に求められる。この各光強度最大時相対位置値は、上記干渉光強度検出部５４において１次元イメージセンサ２６の画素毎に検出された干渉光の光強度の変動状況に基づき算出される。図６、図７に模式的に示すのは、上記輪帯状領域Ｐ_１を測定した際に１次元イメージセンサ２６の所定の画素により検出された光強度の変動状況である。低可干渉光を用いているため干渉光の光強度は、上記仮想光路長差（厳密には、第１の光束と第２の光束との実際の光路長差）の変動に応じて、該光束の可干渉距離内において周期的に変化し、該実際の光路長差がゼロとなる時点（被検面８０が光学平面からの形状誤差を有している場合、仮想光路長差がゼロとなる時点とはズレが生じる）で最大となる。

図６には、この光強度の１つの変動期間Ｔ_１（変動の始点Ｐ_Ｓから終点Ｐ_Ｇまでの期間）内において光強度が最大となる時点に対応した回転角度（θ）の値（θ_Ｍ１）を例示しているが、このような変動期間は、上記仮想光路長差が周期的に変動されることによって、回転角度（θ）の変動に応じて繰り返し現れることになる（図７参照）。光強度最大時相対位置値算出部５５では、この光強度の各変動期間（Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３…）内において光強度が最大となる時点に対応した回転角度（θ）の各値が、各光強度最大時相対位置値（θ_Ｍ１，θ_Ｍ２，θ_Ｍ３…）として１次元イメージセンサ２６の画素毎にそれぞれ求められる。

なお、図６、図７では、干渉光の光強度値が連続的に変化するようにグラフ表示しているが、実際に検出される光強度の各値は、回転角度（θ）の変動に応じて離散的な値をとることになる。そこで、光強度の変動パターンのグラフに対する包絡線Ｅ（図６参照）のピーク位置に対応する回転角度（θ）の値を求め、これを上述の各光強度最大時相対位置値（θ_Ｍ１，θ_Ｍ２，θ_Ｍ３…）とする。

〈ｅ〉次いで、上記光強度最大時仮想光路長差値検出部５６において、上述の各光強度最大時仮想光路長差値が上記１次元イメージセンサ２６の画素毎に求められる。求め方の概要は、図８に示す通りである。すなわち、上記手順〈ｄ〉で求められた各光強度最大時相対位置値（θ_Ｍ１，θ_Ｍ２，θ_Ｍ３…）（図７参照）を、上記変動パターン（Ｖ）のグラフ（図５参照）における横軸の回転角度（θ）と対応付け、該回転角度（θ）が各光強度最大時相対位置値（θ_Ｍ１，θ_Ｍ２，θ_Ｍ３…）となる各時点における縦軸の仮想光路長差（ｄ）の各値を、各光強度最大時仮想光路長差値（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３…）として求める。

〈ｆ〉次に、上記形状解析部５７において、上記各光強度最大時仮想光路長差値（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３…）に基づき、上記輪帯状領域Ｐ_１内の被検面８０の形状情報が求められる。求め方の概要は以下の通りである。すなわち、各光強度最大時仮想光路長差値（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３…）は、輪帯状領域Ｐ_１の内の被検面８０の実際の形状と光学平面との形状差の２倍の値を示しており、これらを１／２倍した各値（ｄ_１／２，ｄ_２／２，ｄ_３／２…）を、輪帯状領域Ｐ_１内の被検面８０において上記所定の画素と対応した領域内の各点と対応付けることにより、輪帯状領域Ｐ_１内の被検面８０の形状情報を求めることができる。なお、図８に示す形状曲線Ｗは、上記変動パターン（Ｖ）のグラフにおいて、上記各光強度最大時相対位置値（θ_Ｍ１，θ_Ｍ２，θ_Ｍ３…）および上記各光強度最大時仮想光路長差値（ｄ_１，ｄ_２，ｄ_３…）を、横軸および縦軸の各座標値とする各点（Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３…）を滑らかに結ぶ曲線であり、上記輪帯状領域Ｐ_１内の被検面８０の、上記所定の画素の対応した領域の周方向の形状変化の状態（厳密には形状変化の割合を２倍に拡大した状態）を表している。

〈ｇ〉次いで、上記測定誤差補正部５８において、上記輪帯状領域Ｐ_１内の被検面８０の形状情報に重畳された測定誤差が補正される。この測定誤差の補正は、上記変動誤差検出センサ３６により検出された、回転時における被検面８０の該被検面８０と垂直な方向の変動誤差の各値を、上記輪帯状領域Ｐ_１内の被検面８０の形状情報の各値から減算することにより求められる。例えば、図８において回転角度θ_Ｍ２の時点における上記変動誤差が＋０．２μｍ（被検面８０が干渉計本体部１に近づく方向をプラス、離れる方向をマイナスとする）であれば、回転角度θ_Ｍ２の時点における被検面８０の形状情報の値（ｄ_２／２）から０．２μｍを減じた値を測定誤差補正後の値として求めればよい。

（６）以下、被検面８０上に設定された他の輪帯状領域Ｐ_２〜Ｐ_４の測定を順次行う。測定の手順は、上述の輪帯状領域Ｐ_１を測定する場合と同様である。すなわち、上記（５）の〈ａ〉〜〈ｇ〉の手順における輪帯状領域Ｐ_１、被観察領域Ｑ_１および領域Ａ_１を、輪帯状領域Ｐ_２〜Ｐ_４、被観察領域Ｑ_２〜Ｑ_４および領域Ａ_２〜Ａ_４にそれぞれ順次置き換えて測定を行えばよい。

（７）次に、被検面８０全域の形状情報を、上記形状解析部５７において求める。具体的には、上記輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_４に対応した各形状情報（測定誤差補正後のもの）を互いに繋ぎ合わせることにより、被検面８０全域の形状情報を求めることが可能である。

なお、本実施形態の干渉計本体部１は、マイケルソン型の光学系配置をなす干渉光学系１０を備えているが、マイケルソン型以外の他の等光路長型の干渉光学系を用いることも可能である。このような等光路長型の干渉光学系としては、主に顕微干渉計に搭載されるミロー型のものや、パスマッチ経路型と称されるもの（特開平９−２１６０６号公報、特開２００５−２７４２３６号広報等参照）が知られており、これらの干渉光学系を用いた場合でも本発明を適用することが可能である。

以下、パスマッチ経路型の干渉光学系を用いた場合の他の実施形態について説明する。この実施形態は、前述した干渉計本体部１を図９に示す干渉計本体部１Ａに置き換えたものに相当するものであり、他の構成や作用、測定手順については前述の実施形態と同様であり、説明は省略する。

図９に示すように、この干渉計本体部１Ａは、パスマッチ経路部１１０Ａを有してなる干渉光学系１１０と、干渉光撮像部１１０Ｂと、アライメント撮像部１１０Ｃとを備えてなる。

上記パスマッチ経路部１１０Ａは、低可干渉光源１１１と、該低可干渉光源１１１からの出力光をスプリッタ面１１２ａ（本実施形態における光束分離面）において、図中上方に向かう第１の光束と図中右方に向かう第２の光束とに分岐するビームスプリッタ１１２と、該ビームスプリッタ１１２からの第１の光束を反射平面１１３ａにおいて再帰反射せしめる第１平面ミラー１１３と、第２の光束を反射平面１１４ａにおいて再帰反射せしめる第２平面ミラー１１４と、該第２平面ミラー１１４をピエゾ素子１１６により図中左右方向に微動させることによって、第１の光束と第２の光束との仮想光路長差を所定の周期で変動させる光路長差変動アダプタ１１５とを備えてなり、反射平面１１３ａから反射された第１の光束と反射平面１１４ａから反射された第２の光束とをビームスプリッタ１１２を介して、図中下方に出射するように構成されている。

このパスマッチ経路部１１０Ａにおけるビームスプリッタ１１２、第１平面ミラー１１３および第２平面ミラー１１４の配置は、マイケルソン型干渉計の光学系配置と類似したものであるが、スプリッタ面１１２ａから各ミラー１１３，１１４に至る経路の光学距離が所定長分（後述する参照面１２２ａから被検面８０までの光学距離に略相当する長さ）だけ互いに異なるように設定されている点において、マイケルソン型干渉計とは異なっている。すなわち、このパスマッチ経路部１１０Ａにおいて第１の光束は、第２の光束に対して所定の光学光路長分だけ迂回（遠回り）するように構成されている。

上記干渉光学系１１０は、このパスマッチ経路部１１０Ａの他に、該パスマッチ経路部１１０Ａから出射された光束のビーム径を拡大するビーム径拡大レンズ１１７，１１８と、該ビーム径拡大レンズ１１７，１１８からの光束の光路上に配置されたビームスプリッタ１１９，１２０と、該ビームスプリッタ１２０からの光束をコリメートするコリメータレンズ１２１と、該コリメータレンズ１２１からの光束の光路上に配置された透過型の参照基準板１２２とを備えてなる。該参照基準板１２２は、コリメータレンズ１２１からの光束の一部を参照面１２２ａにおいて再帰反射せしめるとともに、その余を透過して被検面８０に照射せしめるように構成されている。

本実施形態において、第１の光束は、スプリッタ面１１２ａにおいて第２の光束と分離されたのち反射平面１１３ａから反射され、ビームスプリッタ１１２、ビーム径拡大レンズ１１７，１１８、ビームスプリッタ１１９，１２０、コリメータレンズ１２１および参照基準板１２２をこの順に透過して被検面８０に照射され、該被検面８０から反射されて参照基準板１２２に戻り、後述する経路を辿る第２の光束と合波される。

一方、第２の光束は、スプリッタ面１１２ａにおいて第１の光束と分離されたのち反射平面１１４ａから反射され、ビームスプリッタ１１２のスプリッタ面１１２ａにおいて図中下方に反射された後、ビーム径拡大レンズ１１７，１１８、ビームスプリッタ１１９，１２０およびコリメータレンズ１２１をこの順に透過して参照基準板１２２の参照面１２２ａに照射され、該参照面１２２ａから反射されて第１の光束と合波される。この、参照面１２２ａから反射された第２の光束と、被検面８０から反射された第１の光束とが互いに合波されることにより干渉光が得られる。

また、上記干渉光撮像部１１０Ｂは、前述の干渉光撮像部２２と同様の機能を有するものであり、ビームスプリッタ１２０のスプリッタ面１２０ａにおいて図中右方に反射される干渉光を集光する結像レンズ１２３（本実施形態における結像系）と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる１次元イメージセンサ１２５を有してなる第１撮像カメラ１２４とを備えてなる。この１次元イメージセンサ１２５は、結像レンズ１２３により結像される干渉縞の結像面上に配置されており、受光した干渉光の光強度データを画素毎に出力し得るように構成されている。

上記アライメント撮像部１１０Ｃは、前述のアライメント撮像部２３と同様の機能を有するものであり、参照基準板１２２からコリメータレンズ１２１およびビームスプリッタ１２０を透過し、ビームスプリッタ１１９のスプリッタ面１１９ａにおいて図中左方に反射された、被検面８０からの第１の光束（物体光）および参照面１２２ａからの第２の光束（参照光）を集光する結像レンズ１２６と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等からなる２次元イメージセンサ１２８を有してなる第２撮像カメラ１２７とを備えてなり、結像レンズ１２６により２次元イメージセンサ１２８上に形成される、上記参照光によるスポット像および上記物体光によるスポット像の画像データを取得するように構成されている。

この実施形態では、第２平面ミラー１１４を図中左右方向に微動させることによって、光束分離面（スプリッタ面１１２ａ）から参照面１２２ａまでの光学距離を周期的に変動せしめ、これにより第１の光束と第２の光束との仮想光路長差を所定の周期で変動させるように構成されている。一方、参照基準板１２２を図中上下方向に微動させることによって、光束分離面（スプリッタ面１１２ａ）から参照面１２２ａまでの光学距離を周期的に変動せしめ、これにより第１の光束と第２の光束との仮想光路長差を所定の周期で変動させるように構成することも可能である。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、図２または図９に示す形態において、被検面８０に対し干渉計本体部１，１Ａを図中上下方向に周期的に変動させることにより、光束分離面（スプリッタ面１５ａ，１１２ａ）から被検面８０までの光学距離を周期的に変動せしめ、これにより第１の光束と第２の光束との仮想光路長差を所定の周期で変動させるように構成することも可能である。

また、上述の実施形態では、被検面８０上に４個の輪帯状領域Ｐ_１〜Ｐ_４を設定しているが、被検面の大きさと被観察領域の大きさとの関係により、適宜の数の輪帯状領域を設定することが可能である。なお、被検面が１つの被観察領域内に収まるような小型のものである場合には、上述のような輪帯状領域を設定する必要はない。

さらに、上述の実施形態では、被検面８０が全体として円形をなすものとされているが、このような形状の被検面に測定対象が限定されるものではない。被検面が平面状をなすものであれば、全体としての形状は多角形や半円形など任意の形状のものに対応可能である。

また、上述の実施形態では、被検面８０が回転するように構成されているが、このような回転を伴わずに測定を行うことも可能である。例えば、干渉光学系に対して被検面が回転を伴わずに直線的に相対移動するように構成した場合でも測定を行うことができる。

１，１Ａ 干渉計本体部
２ 光学定盤
３ 被検体位置調整部
４ 干渉計位置調整部
５ 制御解析部
８ 被検体
１０，１１０ 干渉光学系
１１，１１１ 低可干渉光源
１２，１３，１１７，１１８ ビーム径拡大レンズ
１４，１２１ コリメータレンズ
１５，２１，１１２，１１９，１２０ ビームスプリッタ
１５ａ，２１ａ，１１２ａ，１１９ａ，１２０ａ スプリッタ面
１６，１２２ 参照基準板
１６ａ，１２２ａ 参照面
１７，１１５ 光路長差変動アダプタ
１８，１１６ ピエゾ素子
２０ 撮像系
２２，１１０Ｂ 干渉光撮像部
２３，１１０Ｃ アライメント撮像部
２４，２７，１２３，１２６ 結像レンズ
２５，１２４ 第１撮像カメラ
２６，１２５ １次元イメージセンサ
２８，１２７ 第２撮像カメラ
２９，１２８ ２次元イメージセンサ
３１ 保持ステージ
３２ 被検面位置調整ステージ
３３ 被検面傾き調整ステージ
３４ 回転ステージ
３５ 回転エンコーダ
３６ 変動誤差検出センサ
４１ ＸＹステージ
４２ Ｘ軸架台
４３ Ｚステージ
４４ Ｚ軸架台
５１ 輪帯状領域設定部
５２ 相対位置変動指令部
５３ 仮想光路長差変動指令部
５４ 干渉光強度検出部
５５ 光強度最大時相対位置値算出部
５６ 光強度最大時仮想光路長差値検出部
５７ 形状解析部
５８ 測定誤差補正部
８０ 被検面
Ｒ 回転軸
Ｃ 中心軸
Ｌ 測定光軸
Ｐ_１〜Ｐ_４ 輪帯状領域
Ｑ_１〜Ｑ_４ 被観察領域
Ａ_１〜Ａ_４ 撮像領域
Ｖ （仮想光路長差の）変動パターン
Ｉ 光強度
Ｗ 形状曲線
Ｅ 包絡線
Ｖ_１〜Ｖ_６ （形状曲線上の）点
Ｔ_０ （仮想光路長差の）変動周期
Ｔ_１〜Ｔ_６ （干渉光強度の）変動期間
Ｐ_Ｓ 始点
Ｐ_Ｇ 終点
θ 回転角度
θ_Ｍ１〜θ_Ｍ６ 光強度最大時相対位置値
ｄ 仮想光路長差
±ｄ_Ｔ （仮想光路長差の）変動幅
ｄ_１〜ｄ_６ 光強度最大時仮想光路長差値

Claims (6)

1. 平面状の被検面の形状を測定する平面形状測定装置であって、
   低可干渉光源からの出力光を光束分離面において第１の光束と第２の光束とに分離し、該第１の光束を前記被検面に照射するとともに該第２の光束を参照面に照射し、該被検面から反射された該第１の光束と該参照面から反射された該第２の光束とを合波して干渉光を得る干渉光学系と、
   前記干渉光により得られる干渉縞を結像させる結像系と、
   前記干渉縞の結像面上に配置された１次元イメージセンサと、
   前記被検面に対し平行かつ前記干渉光学系の光軸に対し垂直な方向への、該被検面の該干渉光学系に対する相対位置を順次変動せしめる相対位置変動手段と、
   前記干渉光学系に対して前記相対位置が変動する前記被検面に前記第１の光束が照射される期間内において、該被検面が光学平面であると仮想した場合における該第１の光束と前記第２の光束との仮想光路長差を前記相対位置の変動に応じて周期的に変動せしめる仮想光路長差変動手段と、
   前記仮想光路長差が周期的に変動される期間内において、前記干渉光を前記１次元イメージセンサにより順次受光せしめ、受光された該干渉光の光強度を該１次元イメージセンサの画素毎にそれぞれ検出する干渉光強度検出手段と、
   前記画素毎に検出された前記干渉光の光強度の変動状況に基づき、該光強度が該光強度の各変動期間内で最大となる各時点に対応した前記相対位置の各値を、各光強度最大時相対位置値として該画素毎にそれぞれ求める光強度最大時相対位置値算出手段と、
   前記相対位置が前記各光強度最大時相対位置値となる各時点における前記仮想光路長差の各値を、各光強度最大時仮想光路長差値として前記画素毎にそれぞれ求める光強度最大時仮想光路長差値検出手段と、
   前記画素毎に求められた前記各光強度最大時仮想光路長差値に基づき前記被検面の形状情報を求める形状解析手段と、を備えてなることを特徴とする平面形状測定装置。
2. 前記相対位置変動手段は、前記被検面に対し垂直かつ前記干渉光学系の光軸に対し平行に設定された回転軸回りに該被検面を該干渉光学系に対して相対的に回転せしめ、該干渉光学系に対する該被検面の該回転軸回りの相対的な回転角度を順次変化せしめる回転手段を含んでなり、
   前記光路長差変動手段は、前記干渉光学系に対して相対的に回転する前記被検面に前記第１の光束が照射される期間内において、前記仮想光路長差を前記回転角度の変化に応じて周期的に変動せしめるものであり、
   前記光強度最大時相対位置値算出手段は、前記画素毎に検出された前記干渉光の光強度の変動状況に基づき、該光強度が該光強度の各変動期間内で最大となる各時点に対応した前記回転角度の各値を、前記各光強度最大時相対位置値として該画素毎にそれぞれ求めるものである、ことを特徴とする請求項１記載の平面形状測定装置。
3. 前記仮想光路長差変動手段は、前記光束分離面から前記参照面までの光学距離を周期的に変動せしめるものである、ことを特徴とする請求項１または２記載の平面形状測定装置。
4. 前記仮想光路長差変動手段は、前記光束分離面から前記被検面までの光学距離を周期的に変動せしめるものである、ことを特徴とする請求項１または２記載の平面形状測定装置。
5. 前記仮想光路長差は周期的な三角波状の変動パターンに従って変動するように構成されている、ことを特徴とする請求項１〜４までのいずれか１項記載の平面形状測定装置。
6. 前記干渉光学系に対して相対的に移動する前記被検面の該被検面と垂直な方向の変動誤差を前記相対位置と対応付けて検出する被検面変動量検出手段と、
   検出された前記変動誤差に基づき、該変動誤差に応じて前記形状情報に重畳される測定誤差を補正する測定誤差補正手段と、を備えてなることを特徴とする請求項１〜５までのいずれか１項記載の平面形状測定装置。

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