JP3379186B2 - 干渉計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光学部材等の面
形状を測定するのに用いるための干渉計に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】現在、光波干渉法を用いた被検面形状の
測定は、非常に高精度な測定手段として広く利用されて
いる。従来のこの種の装置は、光源からの光束を２つに
分離し、これらの間に適当な光路差（位相差）を与えた
後合成して生じる干渉縞を用いるものとして、分離され
た２光束のうち一方を被検面で反射させ、被検面の凹凸
に応じて回折された反射光を結像レンズを介して観測面
上に結像させ、これに基準面で反射された他方の光束を
干渉させて被検面の凹凸に応じて生じた干渉縞を観測す
ることにより被検面の形状を測定する２光線束干渉計が
ある。

【０００３】このような干渉計において、アライメント
光学系は測定用の光学系、結像光学系とは別に設けられ
ていた。この場合、その倍率は固定である。例えば、ま
ずアライメント光学系を用いて参照面および被検面から
の反射光でスポットを形成し、これらスポットを重ね
る、あるいはアライメントマークと重ねることによって
粗アライメントを行い、その後測定用光学系に切り換え
て干渉縞を観察しながら精密なアライメントを行ってい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の干渉
計では、アライメント専用の光学系が別に設けられてい
るため、アライメントの際と被検面測定の際に光学系を
切り換える必要があるので、操作が煩雑で装置も複雑と
なり、またそのアライメント光学系用に占有空間が必要
であり、装置全体が大型化してしまうという問題があっ
た。

【０００５】また、近年、光源の短波長化に伴い、光学
系の面精度に対する要求は厳しくなってきている。Ｘ線
用光学素子では要求精度はλ／１００（λは干渉計に用
いる光の波長：６３３ｎｍ）にまで達する。このように
厳しい面精度を測定するには干渉計もまた高精度である
必要がある。しかしながら、干渉計の収差は完全には取
り除くことはできない。

【０００６】このような干渉計の残存収差の補正方法と
しては、基準面の測定データを利用して行う場合があ
る。これは、予め非常に高精度であることが検定されて
いる基準面を干渉計で測定し、そこで得られた結果はそ
の干渉計のもつ誤差を表すと考え、この測定データの分
布を被検面の測定データから差し引くことにより、干渉
計の誤差の影響を排除するものである。

【０００７】従来の干渉計では、上記のように基準面の
データを用いて収差補正を行う場合、その基準面の面精
度は被検面の面精度に比べて十分に高精度でなければな
らないが、このような高精度な基準面を製作することが
非常に困難であるため、異なる被検面を測定する毎に曲
率を合わせた基準面を製作することはせず、一つの基準
面を種々の被検面の測定について共通に用いることが多
かった。

【０００８】従って基準面と被検面との曲率が異なる場
合にはフォーカシングをし直さなければならず、このフ
ォーカシングによって像の大きさが変化してしまい正し
い収差補正を行うことができないという問題があった。

【０００９】また、干渉計において、光源からの光束を
被検面および参照面へ導く一方前記被検面および参照面
からの反射光を結像光学系へ導くビームスプリッタとし
て偏光ビームスプリッタを用いて光を有効に利用しよう
とする場合、光路中に１／４波長板を挿入し、往復で偏
光を直交させる方法が用いられる。

【００１０】従来の干渉計では、偏光ビームスプリッタ
後の平行光の部分に１／４波長板が配置されていた。従
って、その直後のレンズ面で生じた反射防止膜の不完全
性による反射光が、測定光（参照面および被検面からの
反射光）と同じ偏光に変化し、測定光と共に偏光ビーム
スプリッタを介して結像光学系へ導かれ、測定光に重畳
するノイズとなって測定結果に大きな影響を与えてしま
うという問題もあった。

【００１１】本発明は、上記問題点を解消し、測定精度
の向上が可能な干渉計を得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係る干渉計では、光源と、
該光源からの光束を被検面および参照面へ導く一方前記
被検面および前記参照面からの反射光を結像光学系へ導
くビームスプリッタと、前記結像光学系を介して結像さ
れた干渉像を観測する検出光学系とを備えた干渉計にお
いて、前記結像光学系と前記干渉像の結像面位置との間
に挿脱可能に配置され、その後ろ側焦点位置が前記結像
面位置となるアライメント用光学部材と、を備えてい
る。

【００１３】また、請求項２に記載の発明に係る干渉計
では、さらに、前記アライメント用光学部材の挿入時に
は前記結像光学系中に設けられている絞りを開放あるい
は光学系から撤去する絞り可変手段を備えている。

【００１４】また、請求項３に記載の発明に係る干渉計
では、請求項１又は請求項２に記載の干渉計において、
さらに、減光手段を前記アライメント用光学部材と一体
に設ける構成である。また、請求項４に記載の発明に係
る干渉計では、請求項１から請求項３のいずれか一項に
記載の干渉計において、前記結像光学系は、両側テレセ
ントリック光学系で構成されている。また、請求項５に
記載の発明に係る干渉計では、請求項１から請求項４の
いずれか一項に記載の干渉計において、前記ビームスプ
リッタが偏光ビームスプリッタであり、該偏光ビームス
プリッタの後側に設けられたビームエキスパンダー内
に、或いは該ビームエキスパンダーと前記参照面を有す
るレンズとの間に１／４波長板を配置する構成である。
また、請求項６に記載の発明に係る光学部材は、請求項
１から請求項５のいずれか一項に記載の干渉計を用いて
面形状を測定したものである。

【００１５】

【作用】本発明は、光源からの光束をビームスプリッタ
によって参照面および被検面へ導く一方、前記参照面お
よび被検面からの反射光を結像光学系へ導き、その結像
光学系を介して結像された干渉像を検出光学系によって
観測する干渉計であり、結像光学系と干渉像の結像面位
置との間に、その後ろ側焦点位置が前記結像面位置とな
るよう配置されるアライメント用光学部材を挿脱可能に
備えると共に、前記結像光学系中に設けられている絞り
を開放あるいは光学系から撤去する絞り可変手段を備え
たものである。

【００１６】従って、このアライメント用光学部材を、
光学系へ挿入するだけで干渉計をアライメントモードと
することができる。例えば、アライメント用光学部材と
してレンズを挿入した場合、このアライメント用レンズ
の焦点面は干渉像の結像面位置にあるので、アライメン
ト用レンズに入射した光軸に平行な光、即ち参照面から
の反射光は中心にスポットを形成する。一方、被検面か
らの反射光が光軸に対して傾いている場合、中心から外
れた位置にスポットを形成するので、これらのスポット
が重なるように被検面の傾きを調整することによってア
ライメントがなされる。この際、絞り可変手段によって
結像光学系中に設けられている絞り（ピンホールを含
む）を光学系から撤去あるいは絞りを開放すれば、光軸
に対して傾いている被検面からの反射光がピンホールや
絞りによってカットされる不都合がなく、観察できる。

【００１７】このように、本発明によれば、１個のレン
ズ等のアライメント用光学部材を光路中に挿入するだけ
でアライメントモードにすることができ、別のアライメ
ント専用の光学系に切り換えるという従来のものに比べ
非常に構成が簡便であり、装置自体の小型化も図れる。

【００１８】なお、上記の如きアライメント用レンズを
用いる場合には、このレンズによる集光スポットは非常
に明るいため、検出光学系に配置されている撮像素子の
ダイナミックレンジを超えてしまうこともあるので、ス
ポットの光強度を落とすような減光手段を設けることが
望ましい。例えばＮＤ（neutral density ）フィルタを
付けたり、レンズ自身を色ガラス等の光透過性の低い素
材で作るなどの方法がある。

【００１９】また、アライメント用光学部材としてゾー
ンプレートを用いることもできる。この場合、１次光の
回折効率を落とすことで集光スポットの光強度を落とす
ことができる。このとき０次光の強度が十分であれば集
光スポットと同時に干渉縞パターンも観察でき、従来の
ように光学系の切り換えを行うことなくアライメントモ
ードのままで精密なアライメントまで行うことができ、
その後すぐに測定に入ることが可能である。

【００２０】また、本発明は、結像光学系を両側テレセ
ントリック光学系で構成したものである。従って、基準
面の測定データを用いて干渉計の収差補正をする場合
に、基準面と被検面との曲率が異なる際にフォーカシン
グをし直してもこのフォーカシングにより像の大きさが
変化することがないので、収差補正の精度が向上する。

【００２１】さらに、本発明は、ビームスプリッタが偏
光ビームスプリッタであり、該偏光ビームスプリッタ直
後のレンズより参照面および被検面側に１／４波長板を
配置したものである。従って、偏光ビームスプリッタ直
後のレンズからの反射光は１／４波長板を透過すること
なく偏光に変化はないので偏光ビームスプリッタを透過
してしまい、測定光に重畳することなく、測定精度に影
響しない。

【００２２】

【実施例】以下に、本発明を実施例をもって説明する。
図１は、本発明の一実施例としての偏光ビームスプリッ
タを用いたフィゾー型干渉計を示した概略構成図であ
る。図において、レーザ光源１から射出した直線偏光
は、偏光素子３１を透過後１／４波長板２を透過して円
偏光となり、集光レンズ３、ピンホール４から構成され
るスペイシャルフィルタを透過する。その後コリメータ
レンズ５によって適当な口径の平行光となった光束は、
１／４波長板６によって紙面に平行な直線偏光（Ｐ偏
光）に変換され、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７を
透過し、測定光学系へ向かう。

【００２３】測定光学系において、ＰＢＳ７を透過して
きたＰ偏光は、レンズ２１とレンズ２３からなるビーム
エキスパンダーによって光束径を変換され、フィゾーレ
ンズ２４に達する。このうち一部は参照面Ｆで反射さ
れ、その他の光は参照面Ｆを透過した後被検面２５で反
射される。これら参照面Ｆおよび被検面２５からの反射
光は、再び光路を逆進してＰＢＳ７に達するが、この間
１／４波長板２２を２回透過往復しているのでＳ偏光と
なっており、今度はＰＢＳ７で反射され結像光学系へ向
かう。本実施例においてはビームスプリッタとしてＰＢ
Ｓを用いることによって光量ロスをなくしている。

【００２４】また、レンズ３、レンズ５、レンズ２１な
どの表面で反射されたノイズ光は１／４波長板６により
往路とは逆向きの円偏光となり、１／４波長板２を透過
して直線偏光となる。この直線偏光は、その向きが往路
の直線偏光の向きと直交しており、偏光素子３１を透過
することができないため、レーザ光源１には達しない。
このように、本実施例の構成においては、レーザを不安
定にする戻り光は完全にカットされる。

【００２５】結像光学系において、ＰＢＳ７からの測定
光は、フォーカシングレンズ３２および、光軸中に挿脱
可能に配置されたピンホール３３を透過して結像面３５
に被検面２５の干渉像を結像する。この干渉像は、変倍
あるいはズームレンズ３６により撮像素子３７上に所定
の倍率で結像され、必要に応じてコンピュータで解析さ
れる。

【００２６】ここで、本実施例におけるアライメントモ
ードについて説明する。本実施例では、フォーカシング
レンズ３２と結像面３５の間に挿脱可能なアライメント
用レンズ３４を備えており、これを光路中に挿入するだ
けで干渉計はアライメントモードになる。この時、ピン
ホール３３を移動させて光学系から外しておく。

【００２７】アライメント用レンズ３４の焦点位置は結
像面３５上にあり、参照面Ｆからの反射光が光軸に対し
て平行にアライメント用レンズ３４に入射すれば光軸中
心にスポットを形成する。一方、被検面２５からの反射
光が光軸に対して傾いていると、中心からずれた位置に
スポットを形成する。そこで、これらのスポットが重な
るように被検面２５の傾きを調節すれば良い。アライメ
ント用レンズ３４の焦点距離は傾きの検出範囲、感度か
ら決定されるが、このアライメント用レンズ３４の焦点
距離およびズームレンズ３６の倍率がわかっていれば、
スポットも横ずれん量から被検面２５の傾きがわかる。
このデータを用いて被検面２５のアライメントを自動的
に行うことも可能である。

【００２８】このようにアライメント用レンズ３４を挿
入するだけでアライメントを行うことができる。なお、
本実施例では、ピンホール３３を光学系から外すことに
よって光軸に対して傾いている被検面２５からの反射光
がピンホール３３でカットされるのを防ぐ構成とした
が、ピンホール３３の代わりに絞りを用いる場合には、
これを可変絞りとし、光軸に対して傾いている反射光が
通過するのに十分な大きさに開放する構成としても良
い。

【００２９】ここでは、検出光学系において変倍あるい
はズームレンズ３６を備えているので、必要に応じてこ
れらを用い、倍率を変えることによってアライメントの
感度を変え、より精密なアライメントを行うこともでき
る。検出光学系の倍率が一定の場合には、挿入するアラ
イメント用レンズ３４の焦点距離を変化させることでア
ライメントの感度を変えることが可能である。アライメ
ント用レンズ３４を光路から外すだけで簡単に測定モー
ドとなる。

【００３０】また、このようなアライメント用レンズ３
４を用いる場合、集光スポットが非常に明るいので、撮
像装置３７のダイナミックレンジを超えてしまうことも
ある。そこで、本実施例では、レンズ３４によるスポッ
トの光強度を落とすための減光手段をレンズ３４と一体
に設け（図示せず）ている。

【００３１】もちろん、ＮＤフィルタをアライメント用
レンズ３４と一体に設ける構成に限らず、干渉計の他の
部分に挿脱可能に配置してもよい。減光手段としては、
ＮＤフィルタ等を設ける以外に、レンズ３４自体を色ガ
ラスなどの透過率の低い素材で作る方法もある。また、
偏光素子を減光手段とすることも可能である。スポット
の光強度は被検面２５の反射率によって異なるため、直
線偏光部に挿入すれば角度を変えることで透過率は自由
に変えられる。あるいは透過率が場所によって異なる可
変ＮＤフィルタもあり得る。また、レーザ光源１のパワ
ーをコントロールすることによってもスポット強度を落
とすことが可能である。もちろん、撮像装置３７の感度
が可変であれば、それによって調製するのが最も容易で
ある。

【００３２】尚、本実施例においては、アライメント用
光学レンズ３４を用いたが、アライメント用光学部材と
してゾーンプレートを用いても良い。この場合、１次光
の回折効率を落とすことによっても集光スポットの光強
度を落とすことができる。このとき、０次光の強度が十
分であれば、集光スポットと同時に干渉縞のパターンも
観察することができる。このような構成では、アライメ
ントモードのままで精密なアライメントまで行うことが
でき、ゾーンプレートを光路中から外すだけですぐに測
定モードに入ることができる。

【００３３】フォーカシングレンズ３２は被検面の位置
に応じて光軸方向に移動する。フォーカシングレンズ３
２が結像面３５に最も近づいた場合には、アライメント
用レンズ３４を挿入するスペースがない場合がある。こ
の場合には、フォーカシングレンズ３２を結像面３５か
ら遠ざけた上でアライメント用レンズ３４を挿入する。
この時点では、フォーカスは合っていないがアライメン
トには支障ない。アライメント終了後、フォーカシング
レンズ３２を再び元の位置に戻せばよい。このような場
合には、フォーカシングレンズ３２の位置を読み取るセ
ンサーおよび制御系を設ける必要がある。

【００３４】また、フォーカシングレンズ３２は被検面
２５の凹凸に応じた干渉像を結像面３５上に結像するも
のであるが、本実施例においては、このフォーカシング
レンズ３２を両側テレセントリックとし、２群のレンズ
が一体に移動するように構成した。これによって、基準
面のデータを用いて収差補正を行う場合、基準面と被検
面２５との曲率が異なる際にフォーカシングをし直して
もこのフォーカシングによって像の大きさが変化するこ
となく常に正しい収差補正を行うことができる。フォー
カシングレンズ３２には、位置検出装置が付いており、
自動的に位置出しをすることも可能である。

【００３５】なお、フォーカシングレンズ３２の間には
絞り３３が配置されている。この絞り３３によって余計
なフレアー光を除去できるが、この絞り３３の径を可変
にすれば、所望の空間分解能に応じて最適な絞り径に設
定することができる。

【００３６】また、本実施例では、ビームスプリッタと
してＰＢＳ７を用いて光を有効に利用する構成としてい
るが、１／４波長板２２はビームスプリッタを構成する
レンズ２１とレンズ２３の間の位置ｂに配置した。従来
の干渉計では、図２に示すように、ＰＢＳ７とレンズ２
１との間の平行光束部分ａ位置に配置されていた。この
場合、レンズ２１の表面で反射した光は被検面からの反
射光と同じ偏光に変化されるため、ＰＢＳ７で反射され
て結像光学系へ導かれ、ノイズとして測定光に重畳して
しまう。このようなレンズ２１の表面反射光は反射防止
膜である程度妨げることはできるが、完全には除去でき
ず、特に高精度な面測定の場合には問題となる。

【００３７】一方、本実施例ではレンズ２１の表面反射
光は１／４波長板２２を介さず偏光が変化しないのでそ
のままＰＢＳ７を透過し、測定光には重畳することなく
測定精度には影響しない。ＰＢＳ７を透過した光は、前
述したように、１／４波長板６および１／４波長板２、
偏光素子３１からなるアイソレータによってカットさ
れ、レーザ光源１への戻り光とはならない。

【００３８】また、１／４波長板２２の配置位置は、レ
ンズ２１とレンズ２３との間であれば構わないが、波長
板は結晶を用いた高価な光学素子であるため、焦点近傍
の光束系の比較的小さい位置に配置する構成とすれば１
／４波長板２２を口径の小さいものにできるのでコスト
的に有効であり望ましい。

【００３９】また、焦点よりレンズ２３側に配置した方
が、１／４波長板２２の表面での反射光の影響が低減で
きるのでより望ましい。なお、１／４波長板の表面に反
射防止膜を設けることは言うまでもない。

【００４０】波長板を収束光や発散光部分に配置する場
合、光線の角度によって位相変化量が異なるが、波長板
の厚みを薄くすれば、光線角度が極端に大きい場合以外
は特に問題ないことは予め理論計算により確認してい
る。波長板としては、厚みが１ｍｍ以下の薄いものがす
でに市販されている。

【００４１】なお、１／４波長板２２の配置は、図１中
位置ｃで示すようにレンズ２３とフィゾーレンズ２４の
間でも可能である。この場合、レンズ２１だけでなくレ
ンズ２３の表面反射光をも除去し測定光への重畳を回避
することができる。但し、レンズ２３は径が大きく（通
常のフィゾー干渉計において１００ｍｍ以上）、ＰＢＳ
７から離れているため、ここで生じる反射光は非常に弱
い。また、レンズ２３とフィゾーレンズ２４の間に１／
４波長板を配置する場合は、比較的大きな波長板が必要
となる。

【００４２】また、１／４波長板２２自身の反射光の発
生を防ぐため、レンズ２１とレンズ２３間に配置する場
合、レンズ２３とフィゾーレンズ２４との間に配置する
場合のいずれの場合も、１／４波長板２２を微小量傾け
ることが有効である。

【００４３】尚、以上の実施例においては、フィゾー型
干渉計を例にアライメント光学系、フォーカシングレン
ズ、１／４波長板の配置について示したが、本発明はこ
れに限らず、トワイマン・グリーン型干渉計においても
同様に実施可能であることは言うまでもない。

【００４４】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、挿脱可能
なアライメント用光学部材を配置するという非常に簡単
な構成で高精度なアライメントを行うことができると共
に、簡便にアライメントモードから測定モードの切り換
えもでき、専用のアライメント光学系を設けていた従来
の干渉計に比べ格段に装置全体の小型化が図れるという
効果がある。

【００４５】また、本発明による干渉計ではフォーカシ
ングによる像の変化もなく、参照面を用いた収差補正を
精度良く行うことができる。さらに、光学系のレンズの
表面反射光によるノイズを効率的に除去でき、測定精度
の向上が実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるフィゾー型干渉計の概
略構成図である。

【図２】従来の干渉計における１／４波長板の配置を示
す説明図である。

【符号の説明】

１：レーザ光源 ２，６，２２：１／４波長板 ３：集光レンズ ４：ピンホール ５：コリメータレンズ ７：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ） ２１，２３：レンズ ２４：フィゾーレンズ ２５：被検面 ３１：偏光素子 ３２：フォーカシングレンズ ３３：ピンホール ３４：アライメント用レンズ ３５：結像面（回転拡散板等） ３６：変倍あるいはズームレンズ ３７：撮像素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲田 惠司 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株式会社ニコン内 (56)参考文献 特開 平２−22527（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−181104（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−12535（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 9/02 G01B 11/24

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、該光源からの光束を被検面およ
   び参照面へ導く一方前記被検面および前記参照面からの
   反射光を結像光学系へ導くビームスプリッタと、前記結
   像光学系を介して結像された干渉像を観測する検出光学
   系とを備えた干渉計において、 前記結像光学系と前記干渉像の結像面位置との間に挿脱
   可能に配置され、その後ろ側焦点位置が前記結像面位置
   となるアライメント用光学部材と、 を備えることを特徴とする干渉計。
2. 【請求項２】 さらに、前記アライメント用光学部材の
   挿入時には前記結像光学系中に設けられている絞りを開
   放あるいは光学系から撤去する絞り可変手段を備えるこ
   とを特徴とする請求項１記載の干渉計。
3. 【請求項３】 さらに、減光手段を前記アライメント用
   光学部材と一体に設けることを特徴とする請求項１又２
   記載の干渉計。
4. 【請求項４】 前記結像光学系は、両側テレセントリッ
   ク光学系で構成されることを特徴とする請求項１から請
   求項３のいずれか一項に記載の干渉計。
5. 【請求項５】 前記ビームスプリッタが偏光ビームスプ
   リッタであり、該偏光ビームスプリッタの後側に設けら
   れたビームエキスパンダー内に、或いは該ビームエキス
   パンダーと前記参照面を有するレンズとの間に１／４波
   長板を配置することを特徴とする請求項１から請求項４
   に記載の干渉計。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５のいずれか一項に
   記載された干渉計を用いて、面形状を測定したことを特
   徴とする光学部材。