JP2015040825A

JP2015040825A - 計測装置

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Publication number: JP2015040825A
Application number: JP2013173381A
Authority: JP
Inventors: 北村　英明; Hideaki Kitamura; 英明北村; 蔵本　福之; Fukuyuki Kuramoto; 福之蔵本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2015-03-02
Also published as: EP2840352A1; US20150057972A1

Abstract

【課題】光学系における光量ロスが少なく、被検面を短時間に計測する計測装置を提供する。【解決手段】この計測装置１００は、第１光束を出射する第１照明装置１と、第１光束を被検光と参照光に分割するビーム分割器６と、被測定物１３で反射された被検光と参照光とを合波するビーム合波器８と、第２光束を出射する第２照明装置２と、被検光と参照光との干渉光、及び、被検物１３で反射された第２光束を検出する少なくとも１つ以上の検出器９と、検出器９による検出信号を用いて被検物１３の形状情報を算出する処理部と、第２光束を被検物１３に導く為のビーム導入器１１と、を有し、ビーム分割器６およびビーム合波器８は、光路上に別体として構成され、ビーム導入器１１は、被検光の光路におけるビーム分割器６とビーム合波器８との間、または、ビーム合波器８と検出器９との間に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、干渉計測データと非干渉計測データを用いて被検物を計測する計測装置に関する。

従来、被検物の形状を計測する装置として、非干渉計測により得られた非干渉情報と干渉計測により得られた干渉情報を基に計測する装置が知られている。特許文献１には、干渉計測と非干渉計測を用いて被検物の形状を計測する装置が開示されている。被検物の高さ情報は、光源から射出される光を被検面と参照面に導光し、双方の光束を干渉させて得られる干渉情報から取得される。被検物の横方向の寸法などの情報は、参照面に導光された参照光束をシャッタで遮光することで被検面に導光された被検光束が干渉せず、干渉縞が非形成状態の非干渉情報から取得される。従って、被検物の高さ情報と横方向の情報により被検物の形状を計測することができる。

また、特許文献２には、干渉情報を取得するための干渉計測に使用する光源と非干渉情報を取得するための非干渉計測に使用する光源を配置した装置が開示されている。干渉計測用の光源は、検出器と被検光、参照光に分割する分割器の間に配置される。非干渉計測用の光源は、参照光路を光路に結合する分割器よりも被検物側に配置される。これにより非干渉情報を取得する為の光源から射出された光束は被検光、参照光に分割する分割器で参照光路へ分割されないため、参照光束を遮光することなく非干渉情報が検出器で取得可能となる。そのため、干渉計測、非干渉計測は、シャッタ等の機械的調整することなく、光源のＯＮ、ＯＦＦ等の電気的調整により高速な切り替えによって実施される。

特開平１１−１０８６２５号公報特表２００９−５３６３２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、非干渉情報を取得する際にシャッタ等の機械的手段を用いて参照光束を遮光するため、シャッタを光路に挿入する時間が必要となり、被検物の高さを計測して横方向の寸法を計測するまでの計測時間が長くなる。また、特許文献２の装置を用いて被検物の形状を計測するためには、干渉情報の取得のために光源から射出された光は、検出器に到達するまでに多数の分割器を通過する必要がある。すなわち、特許文献２では、干渉計測の為の光源を導入する第１のビーム分割器と、被検光や参照光に分割、結合する第２ビーム分割器と、非干渉計測の光源を導入する第３のビーム分割器によって被検光束の一部が反射される。そのため、ビーム分割器を通過した回数だけ光量が低下してしまう。

同様に、非干渉計測用の光源から射出された光は、検出器に到達するまでに、非干渉計測用の光源を導入する第３のビーム分割器、干渉計測時の光束を被検光や参照光に分割、結合する第２の分割器、干渉計測用光源を導光する第１分割器を通過する必要がある。そのため、光量が低下してしまう。従って、反射率の低い黒色の被検物計測や、被検光束が散乱してしまう粗面の計測においては、検出器の受光量が小さいので、光学系における光量ロス（損失）が懸念される。

そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、光学系における光量ロスが少なく、被検物を短時間に計測する計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の計測装置は、第１光束を出射する第１照明装置と、第１光束を被検光と参照光に分割するビーム分割器と、被測定物で反射された被検光と参照光とを合波するビーム合波器と、第２光束を出射する第２照明装置と、被検光と参照光との干渉光、及び、被検物で反射された第２光束を検出する少なくとも１つ以上の検出器と、検出器による検出信号を用いて被検物の形状情報を算出する処理部と、第２光束を被検物に導く為のビーム導入器と、を有し、ビーム分割器およびビーム合波器は、光路上に別体として構成され、ビーム導入器は、被検光の光路におけるビーム分割器とビーム合波器との間、または、ビーム合波器と検出器との間に配置される。

本発明によれば、光学系における光量ロスが少なく、被検物を短時間に計測する計測装置を提供することができる。

第１実施形態に係る計測装置の概略図である。第１実施形態に係る計測装置のビーム導入器の位置を変えた場合の概略図である。第２実施形態に係る計測装置の概略図である。従来技術の計測装置の概略図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態における計測装置１００の構成図である。計測装置１００は、光源（第１照明装置）１と、光源（第２照明装置）２と、制御解析部３と、拡大レンズ４と、コリメートレンズ５および１４と、ビーム分割器６と、ミラー７および１０と、ビーム合波器８と、２次元撮像素子９と、ビーム導入器１１と、を含む。

光源１は、干渉計測用のコヒーレントな光源であり、光源２は、非干渉計測用のインコヒーレントな光源（例えば、白色ＬＥＤ）である。制御解析部３は、光源１および光源２をそれぞれ電気的に点灯制御することができ、干渉計測または非干渉計測など計測に応じて光源を切り替える制御を行うことができる。尚、本実施形態における干渉情報の取得のための光源１は、コヒーレントな波長可変光源である。

まず、Ｚ寸法（Ｚ方向の位置）を算出するために、拡大レンズ４は、光源１から放射（出射）された光束（第１光束）を拡大し、コリメートレンズ５は、拡大レンズ４で拡大された光束を平行光束にする。ビーム分割器６は、コリメートレンズ５で平行になった光束を参照光束と被検光束とに分割する。

まず、参照光束は、ミラー７にて反射され、ビーム合波器８を透過し、光検出器である２次元撮像素子９に向かう。一方、被検光束は、ミラー１０を反射し、非干渉用光源を導光するビーム導入器１１を透過する。透過した被検光束は、ビーム合波器８を透過し、搭載台１２に載せられた被検物（被検面）１３に照射される。その後、被検物１３で反射された被検光束は、再度ビーム合波器８に戻り、さらにビーム合波器８で反射することで、ビーム分割器６やビーム導入器１１を再び透過すること無く、２次元撮像素子９に向かう。尚、ビーム分割器６は、光束の光路上で、ビーム合波器８と別体に構成され、マッハツェンダー干渉計を構成する。また、本実施形態では、２次元撮像素子９を１つ用いて説明しているが、例えば、ＸＹ用の検出器として使用するものと、Ｚ用の検出器として使用するものとで複数用いてもよい。

２次元撮像素子９に向かう被検光束と参照光束は、干渉を起こし、その干渉光により２次元撮像素子９上に干渉縞が形成される。制御解析部３は、この干渉縞を、波長を変化させながら、２次元撮像素子９に複数枚撮像させる。制御解析部３は、２次元撮像素子９による撮像で得られた複数枚の画像（検出信号）から各画像における干渉縞の周波数解析を行い、被検物１３の被検面の形状（ｚ方向における位置（形状情報））を算出する演算処理を行う処理部として機能する。制御解析部３はＣＰＵ、メモリや各種演算を行う電気回路を備えるデバイス等で構成されている。

周波数の全走査量をΔＦ、光の速度Ｃ、干渉信号の位相変化量をΔφとした場合、参照光束と被検光束の光路長差Ｌは、以下の式（１）で表される。Ｚ寸法は、位相変化を計測し、式（１）を用いて解析して算出される。

次に、ＸＹ投影寸法を測定するために、コリメートレンズ１４は、光源２から放射された光束を平行光束（第２光束）にし、コリメートレンズ１４により平行にされた光束は、ビーム導入器１１に導光される。次に、ビーム導入器１１に導光された光束は、ビーム合波器８を通過し、搭載台１２に載せられた被検物１３に照射される。そして、照射後、被検物１３で反射された光束は、その後、さらにビーム合波器８にて反射し、ビーム分割器６やビーム導入器１１を通過すること無く、検出器である２次元撮像素子９に入射する。これを入射した光束は、２次元撮像素子９によって撮像される。次に、得られた非干渉情報である光強度画像から制御解析部３においてエッジ検出等の処理を行い、被検物のＸＹ投影寸法（形状情報）を測定する。

尚、本実施形態において、ビーム導入器１１は、ミラー１０とビーム合波器８の間の光路に配置されている。しかしながら、ビーム導入器１１は、ビーム分割器６とビーム合波器８の間の干渉計測用の被検光の光路上にあればよく、例えば、図２に示すようなビーム合波器８と２次元撮像素子９の間の光路上に配置する構成としてもよい。また、ビーム導入器１１は、干渉計測用の光源１と非干渉計測用の光源２が異なる波長の場合、各波長で異なる透過率、反射率の特性を持つ波長フィルタを用いてもよい。

図２において、Ｚ寸法を算出するためには、光源１からの被検光束は、ミラー１０からビーム導入器１１を透過せずに、ビーム合波器８を透過し搭載台１２に載せられた被検物１３に照射される。その後、被検物１３で反射した被検光束は、再度ビーム合波器８に戻り、さらにビーム合波器８で反射して、ビーム導入器１１を透過して２次元撮像素子９に向かう。一方、光源１からの参照光束は、ミラー７にて反射され、ビーム合波器８を透過し、ビーム導入器１１を透過して２次元撮像素子９に向かう。

また、図２において、ＸＹ投影寸法を測定するためには、まず、光源２から放射された光束は、ビーム導入器１１に導光される。ビーム導入器１１に導光された光束は、ビーム合波器８で反射して搭載台１２に載せられた被検物１３に照射される。被検物１３で反射された光束は、その後、さらにビーム合波器８にて反射し、ビーム導入器１１を透過して２次元撮像素子９に向かう。

以上により、干渉計測、非干渉計測から被検物のＸ、Ｙ、Ｚの３次元寸法を取得することができる。尚、本実施形態では、干渉計測においてコヒーレントな波長可変光源を用いた周波数走査干渉計による計測を行った。しかしながら、これに限定することなく、干渉計測用の光源１を、例えば、白色ＬＥＤなど低コヒーレント光源を用い、ステージ１２をＺ方向に駆動可能とすれば、白色干渉計測など公知の計測手段を用いて計測を行ってもよい。

ここで、本実施形態と従来技術とを比較する。図４は、従来のマイケルソン干渉計の構成の一例である。Ｚ寸法計測の際、干渉用光源３０１から放射された光束は、ビーム分割器３０２で反射され、ビーム分割器３０３で参照光、被検光に分割され、非干渉計測用光源３０８を導光するビーム分割器３０４を通過し搭載台１２上の被検物３０６に入射する。その後、被検物で反射した光束は、再びビーム分割器３０４、ビーム分割器３０３、ビーム分割器３０２を通過して検出器３０７に入射する。そのため、干渉用光源３０１から放射された被検光束は、計６回ビーム分割器を通過する必要がある。

これに対して、本実施形態では、光源１から放射された被検光束は、ビーム分割器６、ビーム導入器１１、ビーム合波器８を通過し被検物１３に照射する。その後、被検物１３で反射した後の被検光束は、ビーム合波器８で反射され、２次元撮像素子９に向かう。そのため、光源１から放射された光束は、ビーム分割器６、ビーム導入器１１を再び通過することが無く、ビーム分割器を計４回の通過でよい。

同様に、ＸＹ計測の際、図４の計測装置３００の構成では、非干渉用光源３０８から放射された光束は、ビーム分割器３０４により反射され、被検物３０６を照射する。その後、被検物３０６で反射した光束は、ビーム分割器３０４、ビーム分割器３０３、ビーム分割器３０２を通過して検出器３０７に入射する。そのため、非干渉用光源３０８から放射された光束は、ビーム分割器を計４回通過する必要がある。

これに対し、本実施形態では、光源２から放射された光束は、ビーム導入器１１で反射し、ビーム合波器８を通過後、被検物１３に照射される。その後、被検物１３で反射した光束は、ビーム合波器８で反射され、２次元撮像素子９に向かう。そのため、光源２から放射された光束は、ビーム分割器６やビーム導入器１１を通過することが無く、ビーム分割器を計３回の通過でよい。

尚、図２に示す計測装置１００においても、順番は、異なるものの、光源１から放射された光束は、ビーム分割器を計４回の通過でよく、光源２から放射された光束は、ビーム分割器を計４回の通過でよい。

従って、計測装置１００は、光量ロスの大きいビーム分割器の通過回数を低減することで、光源１および光源２の光量ロスを低減することができる。また、計測装置１００は、シャッタを挿脱しなくても、光源１および光源２が制御解析部３による電気的に点灯制御によって光源を高速に切り替えることが可能であり、干渉計測および非干渉計測をそれぞれ短時間に実施することができる。

以上の構成により、本実施形態によれば、光学系において光量ロスが少なく、短時間に被検物を計測する計測装置を提供することができる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る計測装置２００の構成を示す図である。本実施形態に係る計測装置２００は、第１実施形態に係る計測装置１００に対して、被検物１３に直接照射することで非干渉計測を行う光源として光源（第３照明装置）１７が被検物１３の上に配置されている点が異なる。光源１７は、例えば、リング照明などであってよい。反射照明によるＸＹ計測において、高精度化を実現する為の手段として、リング照明や暗視野照明等の技術が知られている。本実施形態の計測装置２００は、第１実施形態に示すような照明（落射照明）に加え、リング照明を設けることで高精度なＸＹ計測を被検物１３の形状に依存することなく実現することができる。また、被検物１３に応じて最適な計測条件を選定する為に、落射照明とリング照明とを高速に切り替える制御を行ってもよい。

光源１７は、１個または複数個のインコヒーレントな光源であり、例えば、白色ＬＥＤなどを使用してよい。光源１７は、光源１や光源２と同様に制御解析部３にて電気的に点灯制御することができ、干渉計測ごと、異なる照明方法の非干渉計測ごとに光源を切り替えることができる。そのため、第１実施形態の干渉計測、落射照明による非干渉計測に加え、リング照明を用いた非干渉計測への切り替えも高速に実施可能である。

ＸＹ計測において、光源１７を使用する場合の計測について説明する。まず、光源１７から放射された光束は、被検物１３で反射され、ビーム合波器８で反射し、ビーム分割器６やビーム導入器１１を通過すること無く、検出器である２次元撮像素子９に入射する。

これを入射した光束は、２次元撮像素子９で撮像され、第１実施形態と同様に、得られた非干渉情報である光強度画像から制御解析部３においてエッジ検出等の処理を行い、被検物のＸＹ投影寸法を測定する。次に、被検物１３のＺ寸法の測定は、第１実施形態と同様に、干渉計測を実施することで得られる。以上により、干渉情報、非干渉情報から被検物のＸ、Ｙ、Ｚの３次元寸法を取得することができる。

また、計測装置２００は、第１実施形態と同様、ビーム分割器を通過する回数が従来技術よりも少ないため、光量ロスを低減することができる。従って、本実施形態でも、高速かつ光量ロスの少ない、すなわち、光学系の光量効率が高い、被検面形状を計測する計測装置を提供することができる。また、落射照明による非干渉計測が可能であり、さらに高速に照明方法の異なる非干渉計測も高速に切り替え可能な計測装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１第１照明装置
２第２照明装置
３制御解析部
６ビーム分割器
８ビーム合波器
９２次元撮像素子
１１ビーム導入器
１３被検物
１００計測装置

Claims

第１光束を出射する第１照明装置と、
前記第１光束を被検光と参照光に分割するビーム分割器と、
被検物で反射された前記被検光と、前記参照光と、を合波するビーム合波器と、
第２光束を出射する第２照明装置と、
前記被検光と前記参照光との干渉光、及び、前記被検物で反射された第２光束を検出する検出器と、
前記検出器による検出信号を用いて前記被検物の形状情報を算出する処理部と、
前記第２光束を前記被検物に導く為のビーム導入器と、
を有し、
前記ビーム分割器と前記ビーム合波器とは、前記光路上に別体として構成され、
前記ビーム導入器は、前記被検光の光路における前記ビーム分割器と前記ビーム合波器との間、または、前記ビーム合波器と前記検出器との間に配置されている
ことを特徴とする計測装置。
前記ビーム導入器を介さず前記被検物に直接照射する第３照明装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記ビーム導入器は、前記被検光の光路における前記ビーム分割器と前記ビーム合波器との間に配置されている波長フィルタであることを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。