JP2011232243A

JP2011232243A - 計測装置

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Publication number: JP2011232243A
Application number: JP2010104230A
Authority: JP
Inventors: Osamu Konouchi; 修此内
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-11-17

Abstract

【課題】被検面の形状や被検光学系の透過波面を簡便かつ迅速に計測する。
【解決手段】被検面の形状又は被検光学系の透過波面を計測する計測装置であって、光源から出射された光を参照光と被検光とに分割する分割部と、前記被検光を回折することにより分割し、当該分割された被検光を前記被検面又は前記被検光学系の瞳の複数の領域へそれぞれ出射する回折光学素子と、前記参照光と前記被検面又は前記被検光学系の反射面で反射され前記回折光学素子で再度回折された前記被検光とによって生じた互いに部分的に重なり合う複数の干渉縞を検出する検出器と、前記検出器によって検出された互いに部分的に重なり合った複数の干渉縞から、前記複数の干渉縞それぞれの情報を分離して取得し、前記取得されたそれぞれの情報から前記複数の領域それぞれにおける面形状又は透過波面を算出する処理部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検面の形状や被検光学系の透過波面を計測する計測装置に関する。

レンズの面形状の計測に関して、種々の計測方法や計測装置が提案されている。近年、天文分野或いは露光装置におけるレンズの大口径化に伴い、大口径レンズの面形状を計測する必要性が高まりつつある。従来は、被検面の形状や被検光学系の透過波面の計測において、大口径の被検面又は被検光学系の瞳の全面を照明するために、干渉光学系を大口径化又は開口数を高くするのが一般的であった。例えば、フィゾー干渉計の場合、ＴＳレンズがこの干渉光学系に該当する。また、特許文献１において、大口径の被検面を分割した面を計測し、分割された計測面を繋ぎ合わせる手法である所謂ステッチ法が提案されている。

特許第３１６２３５５号公報

しかしながら、干渉光学系を大口径化又は開口数を高くすることは、新規の設計製作と高額な設備投資が必要である。一方、ステッチ法においては、分割された面を、時間差をおいて計測する必要があるため計測時間が増大し、生産性を低下させる。

本発明は、被検面の形状や被検光学系の透過波面を簡便かつ迅速に計測することを目的とする。

本発明は、被検面の形状又は被検光学系の透過波面を計測する計測装置であって、光源から出射された光を参照光と被検光とに分割する分割部と、前記被検光を回折することにより分割し、当該分割された被検光を前記被検面又は前記被検光学系の瞳の複数の領域へそれぞれ出射する回折光学素子と、前記参照光と前記被検面又は前記被検光学系の反射面で反射され前記回折光学素子で再度回折された前記被検光とによって生じた互いに部分的に重なり合う複数の干渉縞を検出する検出器と、前記検出器によって検出された互いに部分的に重なり合った複数の干渉縞から、前記複数の干渉縞それぞれの情報を分離して取得し、前記取得されたそれぞれの情報から前記複数の領域それぞれにおける面形状又は透過波面を算出する処理部と、を備える、ことを特徴とする。

本発明によれば、被検面の形状や被検光学系の透過波面を簡便かつ迅速に計測することができる。

実施例１における計測装置を示す図実施例１における回折光学素子とその移動方向を示す図実施例１における被検面上の光束分布とCCDカメラ上の光束分布を示す図実施例１における干渉縞の時間変調周波数特性を示す図実施例１における干渉縞の時間変調周波数を示す図実施例１における干渉縞の時間変調周波数の具体例を示す図実施例２における計測装置を示す図集光レンズと被検面との偏心を示す図実施例2における回折光の集光レンズの焦点面における集光状態を示す図実施例2におけるＣＣＤカメラ上の干渉縞を示す図実施例２における干渉縞の空間変調周波数特性を示す図実施例３における計測装置を示す図実施例４における計測装置を示す図

［実施例１］
図１に実施例１の被検面の形状を計測する計測装置を示す。光源１から出射された光は、集光レンズ２、空間フィルター３、ハーフミラー４、コリメータレンズ５、ＴＳレンズ６を介して、被検面９の曲率中心に集光される。その後、光は被検面９で反射後、光路を折り返し、再度、ＴＳレンズ６、コリメータレンズ５を介して、ハーフミラー４を透過後、空間フィルター１０、結像レンズ１１を透過し、ＣＣＤカメラ１２へ被検光として導かれる。一方、ＴＳレンズ６の最終面（分割部）は、フィゾー面となっており、光源１から出射された光を参照光と被検光とに分割する。ＴＳレンズ６の最終面で反射された光は、コリメータレンズ５、ハーフミラー４、空間フィルター１０、結像レンズ１１を介して、ＣＣＤカメラ１２へ参照光として導かれる。ＴＳレンズ６は、不図示の駆動機構により光軸方向の走査を行い、所謂位相シフト法により被検面の面形状を計測することが可能となっている。被検面９の曲率中心の近傍には、回折光学素子７が配置されている。被検光は、この回折光学素子７を往復して透過する際に、回折することにより複数の光に分割される。分割された被検光は、被検面９の複数の領域へそれぞれ出射される。参照光と、被検面９で反射され回折光学素子７で再度回折された被検光とによって生じた互いに部分的に重なり合う複数の干渉縞は、ＣＣＤカメラ（検出器）１２により検出される。駆動部８により回折光学素子７をフィゾー面の光軸に対して直交する面内において駆動することにより、CCDカメラ１２により検出される複数の干渉縞の強度は時間に対して変調される。回折光学素子７は、図２Ａに示すように、例えば正方形の回折格子が２次元に配置された構造（クロスグレーティング構造）を有している。駆動部８による回折光学素子７の移動は、図２Ｂに示すように、格子方向（ＸおよびＹ方向）と異なる方向（図中の矢印２２）に設定されている。

図３Ａを用いて、本実施例の特徴である回折光学素子７による被検面９上の光に関して説明する。回折光学素子７のＸ及びＹ方向の次数ｍ、ｎの回折光を（ｍ，ｎ）と表記する。被検光は、被検面９の有効径３０１内において、光束３０２（次数（０，０））、光束３０３（次数（０，＋１））、光束３０４(次数（０，−１）)、光束３０５(次数（＋１，０）)、光束３０６(次数（−１，０）)に分割されて照明される。これらの回折光により、回折光学素子７を配置しない場合と比較して、被検面９上の照明光束径は、光束３０２（次数（０，０））に対して、領域３０７へと拡大される。尚、回折光学素子７からは、２次以上の回折光も発生するが、その強度は弱く、計測値への影響が小さいため、本実施例の説明においては省略する。より高精度の計測が要求され、これらの高次回折光を無視できない場合は被検面９の曲率中心面近傍に０次および±１次(Ｘ及びＹ方向)以外の回折光を遮断するためのマスクを配置すればよい。

次に図３Ｂを用いて、ＣＣＤカメラ１２上での光束に関して説明する。ここで、回折光学素子７の往路のＸ及びＹ方向の次数ｍ１及びｎ１、かつ、復路のＸ及びＹ方向の次数ｍ２及びｎ２の回折光を [（ｍ１，ｎ１），（ｍ２，ｎ２）]と表す。ＣＣＤカメラ１２上には、図３Ｂに示すように、領域３０８、３０９、３１０、３１１、３１２の５つの領域に互いに部分的に重なり合う複数の干渉縞が同時に形成される。５つの干渉縞は、往復回折光[（０，０）、（０，０）]、[（０，０），（＋１，＋１）] ，[（０，０），（−１，−１）]、[（＋１，＋１），（０，０）]、[（−１，−１），（０，０）]によるものである。この５つ干渉縞は、領域３０８に部分的に重なり合い、図３Ａにおける領域３０２〜３０６の面形状情報を含む。また、領域３０９には、[(０，０)，(０，＋１)]、[(０，０)，(＋１，＋２)]、[(０，０)，(−１，０)]、[(０，０)，(−２，−１)]が不要光として重なり合い、干渉する。同様に領域３１０、３１１、３１２においても、異なる次数の回折光が不要光として重なり合い、干渉する。このままでは、領域３０８の干渉縞から、領域３０２〜３０６の面形状を同時に計測することはできない。しかし、図２Ｂに示すように回折光学素子７を矢印２２の方向に走査することにより、上記干渉縞が時間に対して変調され、その変調速度差を利用して領域３０２〜３０６の面形状が同時計測可能となる。

以下に、変調速度差を使って領域３０２〜３０６の面形状を同時に計測することについて説明する。まず、Ｘ方向Ｙ方向の回折光の位相変調速度が異なるように、図２Ｂに示すように、回折光学素子７は矢印２２の方向（ＸＹ座標系で０、４５°、９０°方向以外）に走査される。この走査により発生する１次回折光の位相変調速度をω_ｇｒＸ(Ｘ方向)、ω_ｇｒＹ(Ｙ方向)とする。ＣＣＤカメラ１２の領域３０８へ到達する光束は、参照光Ｗ_ｒ及び往復回折光 [(０，０)，(０，０)]、[(０，０)，(＋１，＋１)]、[(０，０)，(−１，−１)]、[(＋１，＋１)，(０，０)]、[(−１，−１)，(０，０)]である。ＣＣＤカメラ１２の領域３０８へ到達する参照光Ｗ_ｒ [(０，０)，(０，０)]の複素振幅は、式（１）のように表すことが出来る。同様に、往復回折光 [(０，０)，(＋１，＋１)]、[(０，０)，(−１，−１)]、[(＋１，＋１)，(０，０)]、[(−１，−１)，(０，０)] の複素振幅は、それぞれ式（２）〜（６）のように表すことができる。ここで、（ｘ，ｙ）は瞳座標（被検面上の座標に対応）である。（ｘ’，ｙ’）はＣＣＤカメラ１２上の座標である。Δｘ、Δｙは被検面上での１次回折光のＸ及びＹ方向のシフト量である。Ｗ_ｉｌは被検面以外の光源１からＣＣＤカメラ１２までの干渉光学系の透過波面である。Ｗ_ｉｌ’はＷ_ｉｌからフィゾー面の形状の透過と反射における波面収差を補正した透過波面である。Ｗ_ｔは２倍の被検面形状であり、ｔは時間を表す。
Ｗ_ｒ（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_ｒ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ’（ｘ，ｙ）＋ω_ｔｓ ^＊ｔ））・・・（１）
Ｗ_０（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_０（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ（ｘ，ｙ）＋Ｗ_ｔ（ｘ，ｙ））・・・（２）
Ｗ_１（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_１（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ（ｘ，ｙ）＋Ｗ_ｔ（ｘ，ｙ＋Δｙ）＋２ω_ｇｒＹ ^＊ｔ））・・・（３）
Ｗ_２（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_２（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ（ｘ，ｙ）＋Ｗ_ｔ（ｘ，ｙ−Δｙ）−２ω_ｇｒＹ ^＊ｔ））・・・（４）
Ｗ_３（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_３（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ（ｘ，ｙ）＋Ｗ_ｔ（ｘ＋Δｘ，ｙ）＋２ω_ｇｒＸ ^＊ｔ））・・・（５）
Ｗ_４（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_４（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ（ｘ，ｙ）＋Ｗ_ｔ（ｘ−Δｘ，ｙ）−２ω_ｇｒＸ ^＊ｔ））・・・（６）
一方、図３Ｂにおける領域３０９に到達する往復回折光 [(０，０)，(０，＋１)]、[(０，０)，(＋１，＋２)]、[(０，０)，(−１，０)]、[(０，０)，(−２，−１)]の複素振幅は、順に、以下の式（７）〜（１０）のように表せる。ここで、Ｗ_ｉｌ１、Ｗ_ｉｌ２、Ｗ_ｉｌ３、Ｗ_ｉｌ４は、それぞれの回折光の光路における干渉光学系の透過波面を表す。また、Ａ_ｒ（ｘ，ｙ）とＡ_１（ｘ，ｙ）〜Ａ_８（ｘ，ｙ）は参照光と各回折光の振幅分布を表す。
Ｗ_５（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_５（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ１（ｘ，ｙ）＋Ｗ_ｔ（ｘ，ｙ）＋ω_ｇｒＹ ^＊ｔ））・・・（７）
Ｗ_６（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_６（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ２（ｘ，ｙ）＋Ｗ_ｔ（ｘ，ｙ＋Δｙ）＋３ω_ｇｒＹ ^＊ｔ））・・・（８）
Ｗ_７（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_７（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ３（ｘ，ｙ）＋Ｗ_ｔ（ｘ，ｙ−Δｙ）−３ω_ｇｒＸ ^＊ｔ））・・・（９）
Ｗ_８（ｘ’，ｙ’）＝Ａ_８（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（−ｉ（Ｗ_ｉｌ４（ｘ，ｙ）＋Ｗ_ｔ（ｘ，ｙ−２Δｙ）−３ω_ｇｒＸ ^＊ｔ））・・・（１０）
これらのＷ_ｒ及びW_０〜W_８の光束は互いに干渉しあい、下式１１で示す干渉強度Ｉ（ｘ’，ｙ’）)がＣＣＤカメラ１２により検出される。

式１１は合計１０つの光束の干渉強度であるため、合計４５（＝１０×９÷２）の干渉項の和となる。ここで各干渉項の変調速度を図５に示した。図５においては、例えば、Ｗ_ｒ行とW_０列は参照光と被検光[(０，０)，(０，０)]による干渉縞の強度の変調速度ω_ｔｓを表している。ここで、ω_ｔｓ=１３、ω_ｇｒＸ=２、ω_ｇｒＹ=１とすると、各干渉縞の強度の変調速度は図６に示す値を具体的にとる。この特性を図４にグラフ化した。図４において、４０１〜４０５は、図３Ａにおける計測領域３０２〜３０６からの被検光と参照光による干渉縞の強度の変調周波数を示す。各周波数の位相成分は、各計測領域の形状情報を有し、計測対象とすべき信号である。また４０６〜４０９は、計測領域３０９への被検光と参照光の干渉縞の強度の変調周波数であり、前述の計測対象である信号に対して、ノイズとなる成分である。さらに、４１０は領域３０２〜３０６からの被検光同士の干渉縞の強度の変調周波数を示している。図４から明らかなように、信号項４０１〜４０５の周波数は全て互いに異なり、さらに、ノイズ項４０６〜４１０とも異なる。従って、処理部Pにより、強度が時間に対して変調された複数の干渉縞を、例えば、フーリエ変換し、信号項４０１〜４０５の周波数成分の位相（複数の干渉縞それぞれの情報）を分離して取得する。処理部Pは、取得された信号項４０１〜４０５の周波数成分の位相から、被検面の複数の領域３０２〜３０６それぞれにおける面形状を算出する。

また、本実施例の説明では、回折光学素子７は、正方形の回折格子が２次元に配置されたクロスグレーティング構造を有していた。しかし、回折光学素子７は、例えば、正六角形の回折格子が２次元に配置されたハニカム構造を有するものでもよい。この場合、図３Ａにおける１次回折光の方向が９０度ピッチの４方位でなく、６０度ピッチの６方位となり、領域３０７よりもさらに広い範囲の照明が可能となる。さらに、回折光学素子７を光軸周りに回転させることも計測径を拡大するためには有効な方法である。例えば、図３Ａにおける領域３０２〜３０６の位相を計測した後、回折光学素子７を光軸周りに４５度回転させると、図３Ａにおける光束３０３〜３０６は４５度回転する。この状態で再度、回転した領域３０３〜３０６の位相計測を行う。これにより、１回目において不可能であった４５度方向の領域の計測が可能となり、１及び２回目の両計測値を用いることにより、領域３０７よりも被検面３０１全面に近い領域の計測が可能となる。

［実施例２］
図７は実施例２の計測装置を示す。本実施例２は、実施例１における回折光学素子７の駆動部８を外し、集光レンズ６の光軸（フィゾー面の光軸）を被検面９の中心に対して偏心させたものである。図８を用いて、この偏心状態の詳細を説明する。図８において、光軸１００１は、集光レンズ６と回折光学素子７の光軸を示し、光軸１００２は、被検面９の光軸を示す。ここで、光軸１００１と光軸１００２は、図８に示すように平行に偏心しており、一致していない。図８においては、紙面内の平行の偏心が示されているが、紙面直交方向においても偏心が生じている。この偏心状態において、回折光学素子７により発生した回折光の集光レンズ６の焦点面における集光状態を、図９を用いて説明する。ＸおよびＹ方向の回折次数を（m，n）として表すと、光点１００２、１００３、１００４、１００５、１００６は、順に回折光（０，０）、(＋１，０)、（−１，０）、(０，＋１)、（０，−１）の集光点を示す。一方、点１００１は、被検面９の光軸を示す。図９に示すように、各回折光の集光点と被検面９の光軸の偏心量は、偏心の方向(Ｘ，Ｙ方向)も考慮すると、全て異なる。この偏心により、ＣＣＤカメラ１２上の複数の干渉縞はティルト縞を有するが、ティルト縞の本数と方向は、図１０に示すように、互いに全て異なる。図１０Ａは、回折光(０，０)による干渉縞、図１０Ｂ〜Ｅは順に回折光(＋１，０)、（−１，０）、(０，＋１)、（０，−１）による干渉縞を示す。これらの各回折光は、実施例１と同様に被検面９の異なる領域に照明された光束であり、照射面の形状情報を有している。つまり、図１０の各干渉縞には、各回折光の照射領域の形状情報を有している。干渉縞は、実施例１と同じように、ＣＣＤカメラ１２上での光束は、図３Ｂのようになり、図１０Ａ〜Ｅの５つ干渉縞が領域３０８に部分的に重なって形成される。ここで、処理部Pは、この重なった複数の干渉縞を２次元フーリエ変換する。その結果を図１１に示した。図１１は、ＸおよびＹ方向の空間周波数Ｆｘ、Ｆｙを横軸、縦軸として図１０Ａ〜Ｅの空間周波数特性が１３０１〜１３０５として示されている。図１１から分るように、各干渉縞は異なる空間周波数成分となるため、それぞれの成分のみを抽出し、逆フーリエ変換することで、図１０Ａ〜Ｅの干渉縞に含まれる位相を分離することが可能である。従って、本実施例においても、実施例１同様に、図３Ａにおける被検面９の異なる照射領域３０２〜３０６の形状を同時に計測することが可能である。つまり、実施例１では、時間周波数差を利用して、複数の計測領域３０２〜３０６の位相を同時計測可能であったが、本実施例では空間周波数差を利用して、複数の計測領域３０２〜３０６の位相を同時計測可能となる。

［実施例３］
図１２は実施例３の計測装置を示す。本実施例は、実施例１の構成を被検光学系５０１の透過波面を計測する場合に適用したものである。ＴＳレンズ６からの光束は回折光学素子７により複数の回折光が被検光学系５０１へ入射し、反射面５０２で反射され、ＣＣＤカメラ１２上に複数の光束による干渉縞を形成する。ここで、各回折光は被検光学系５０１の瞳に対して実施例１における被検面上の光束と同じようにシフトしている。この結果、被検光学系５０１よりも開口数の小さなＴＳレンズ６によって、被検光学系５０１の瞳全域の透過波面を計測可能となる。

［実施例４］
図１３は実施例４の計測装置を示す。本実施例は、実施例１の構成において、回折光学素子７のための駆動部８を廃除し、ＴＳレンズ６の焦点面にマスク８１を配置したものである。このマスク８１は、駆動機構８２により、光軸直交方向に移動可能となっている。本実施例では、実施例１において、領域３０２〜３０６の面形状を干渉強度の変調速度差を利用して同時計測していたのとは異なり、各領域の面形状を時間差計測する。以下にその手順を詳細説明する。まず、駆動機構８２によりマスク８１をその開口位置が回折光学素子７からの回折次数[０，０]のみを透過する位置に移動させる。この状態において、ＴＳレンズ６の走査による位相シフト法で図３Ａの領域３０２の面形状を計測する。次に、マスク８１を駆動機構８２により回折次数[０，+１]のみが透過する位置へ移動させ、同様に位相シフト法により、領域３０３の面形状を計測する。同様にして、領域３０４〜３０６の面形状を順次計測する。以上の手順により、時間差での計測となるが、従来のフィゾー干渉計に回折光学素子７、マスク８１及び駆動機構８２を追加することにより、実施例１と同様の領域に面形状計測領域を拡大可能となる。

なお、上記の実施例において干渉計はフィゾー干渉計に限定されるものではなく、その他の干渉計でもかまわない。

Claims

被検面の形状又は被検光学系の透過波面を計測する計測装置であって、
光源から出射された光を参照光と被検光とに分割する分割部と、
前記被検光を回折することにより分割し、当該分割された被検光を前記被検面又は前記被検光学系の瞳の複数の領域へそれぞれ出射する回折光学素子と、
前記参照光と前記被検面又は前記被検光学系の反射面で反射され前記回折光学素子で再度回折された前記被検光とによって生じた互いに部分的に重なり合う複数の干渉縞を検出する検出器と、
前記検出器によって検出された互いに部分的に重なり合った複数の干渉縞から、前記複数の干渉縞それぞれの情報を分離して取得し、前記取得されたそれぞれの情報から前記複数の領域それぞれにおける面形状又は透過波面を算出する処理部と、を備える、ことを特徴とする計測装置。
前記回折光学素子を光軸と直交する方向に駆動する駆動部をさらに備え、
前記駆動部により前記回折光学素子を駆動しながら前記検出器により前記複数の干渉縞を検出することによって、当該検出される複数の干渉縞の強度は時間に対して変調され、前記処理部は、前記強度が変調された複数の干渉縞をフーリエ変換して、前記複数の干渉縞それぞれの情報を分離する、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
干渉光学系の光軸を前記被検面の中心又は前記被検光学系の光軸に対して偏心する状態で前記検出器により前記複数の干渉縞を検出することによって、当該検出される複数の干渉縞は、互いに異なる方向及び本数のティルト縞を有し、
前記処理部は、前記互いに異なる方向及び本数のティルト縞を有する複数の干渉縞を２次元フーリエ変換して、前記複数の干渉縞それぞれの情報を分離する、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記回折光学素子は、正方形又は正六角形の回折格子が２次元に配置された構造を有する、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の計測装置。