JP3613906B2

JP3613906B2 - 波面収差測定装置

Info

Publication number: JP3613906B2
Application number: JP27144796A
Authority: JP
Inventors: 幹彦石井; 隆志玄間; 勝也三好
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: DE69717575T2; US6008904A; EP0831298A3; EP0831298B1; EP0831298A2; JPH1096679A; DE69717575D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光の干渉を用いて被検物体の波面収差を測定する波面収差測定装置に関し、特に干渉縞によって球面の面精度やレンズの波面収差を測定する波面収差測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、干渉縞を用いて球面の面精度やレンズの波面収差を測定する波面収差測定装置（干渉装置）が知られている。この種の測定装置は高精度レンズの検査等に不可欠のものとなっている。
また、この種の波面収差測定装置に関し、測定精度を上げるため、干渉縞の形状強度より波面収差を演算する際の演算式にも種々の提案がなされている。これらの提案例としては、例えば特開昭６２−１２７６０１号公報、特開平７−１６７６３０号公報等に開示された技術がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術においては、干渉計中の光学系の収差、例えば被検物体と撮像素子との間に配置した収斂レンズの収差に起因する干渉縞の歪みは無視できるほど小さいことが前提となっている。そのため、その前提が崩れた場合には、球面の面精度等の測定精度が悪化してしまうという問題があった。
例えば上記特開昭６２−１２７６０１号公報に開示された技術は、参照面と被検面の曲率中心がデフォーカスした（光軸方向にずれた）場合の測定誤差を取り除く手法を提案しているが、干渉計中の収斂レンズが正弦条件を満足していること、つまり干渉縞の歪みがないことが前提となっている。そのため、上記従来の技術では、干渉縞の歪みを補正するか否かが測定精度に大きく影響する。
【０００４】
しかも、上記従来の技術では、正弦条件を満足するように収斂レンズを形成するのは難しいという問題があった。特に、フィゾー型干渉計を用いる場合、フィゾーレンズの最終レンズ面を参照面（フィゾー面）として利用するために、光学設計上の制約が増し、収斂レンズの収差に起因する干渉縞の歪みが増大してしまい、その歪みを補正するのは非常に困難であった。
本発明は、このような従来の問題に着目してなされたもので、その課題は干渉計中の光学系の収差に起因する干渉縞の歪みを簡単にしかも精度良く補正でき、その歪みによる波面収差の測定誤差を低減した波面収差測定装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、参照面による波面と被検物体による波面との合成によって干渉縞を形成する干渉計と、干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、
該干渉縞検出手段の出力に基づいて参照面と被検物体との間の波面収差を演算する演算手段とを有し、被検物体の波面収差を測定する波面収差測定装置において、
干渉計は被検物体と干渉縞検出手段との間に配置された、被検面に垂直に入射する波面を出射する光学系を有し、光線追跡による収差シミュレーションによって予め求めた光学系の歪曲収差に基づいて干渉縞の歪みを補正する補正手段を備えることを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施例に係る波面収差測定装置の全体を示す概略構成図である。
波面収差測定装置は、干渉縞によって球面や平面の面精度、レンズの波面収差等を測定するものである。この実施例では、被検物体１の被検面（球面状の反射面）１ａの面精度が波面収差として測定される。波面収差測定装置は、参照面による波面（参照ミラー１４で反射された光束の波面）と被検物体１による波面（被検面１ａで反射された光束の波面）との合成によって干渉縞を形成する干渉計２と、干渉縞を検出し、その干渉縞に応じた電気信号を出力する撮像素子（干渉縞検出手段）３０とを有する。
【０００７】
干渉計２は、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等のレーザー光源１１、ビームエキスパンダー１２、ビームスプリッター１３、参照ミラー１４、及び収斂レンズ（被検面１ａに垂直に入射する波面を出射する光学系）１５を有する。収斂レンズ１５の集光点Ｆに被検面１ａの曲率中心が一致するように、被検物体１の位置が調整されている。被検物体１の位置調整誤差のうち、被検面１ａの曲率中心が集光点Ｆから光軸Ｚ方向にずれた場合の測定誤差は、例えば上記特開昭６２−１２７６０１号公報に開示された手法により取り除かれる。
光源１１からの光束はビームエキスパンダー１２により所望の幅の光束としてビームスプリッター１３に導かれ、ここで反射された光束は参照面（参照ミラー１４の反射面）で反射され、この反射光（参照光）はビームスプリッター１３を透過して撮像素子３０上に達するように構成されている。他方、ビームスプリッター１３を透過する光源１１からの光束は、収斂レンズ１５によって集光された後、被検面１ａで反射され、この反射光（測定光）はビームスプリッター１３に戻り、ビームスプリッター１３で反射されて撮像素子３０上に達し、ここで参照光と干渉して干渉縞を形成するように構成されている。
【０００８】
さらに、波面収差測定装置は、予め求めた歪曲収差値を記憶する歪曲収差値記憶手段（以下、記憶手段という）４と、撮像素子３０で検出された干渉縞の歪みを記憶手段４に記憶された歪曲収差値を用いて補正する干渉縞歪み補正手段（以下、補正手段という）５と、補正手段５で補正された干渉縞から参照面と被検面１ａとの間の波面収差を演算する演算装置６と、演算された波面収差を表示する表示手段７と、入力手段８とを有する。
【０００９】
収斂レンズ１５は不可避的に歪曲収差を有するから、撮像素子３０上での干渉縞の光軸Ｚからの高さと、被検面１ａ上での光軸Ｚからの高さとは、線形の関係には対応しない。そこで本発明では、次のようにして干渉縞の歪みを補正している。
すなわち、先ず、被検面１ａを物体面とし、撮像素子３０を像面として、光線追跡等の収差シミュレーションによって収斂レンズ１５の歪曲収差を求める。或は、これとは逆に撮像素子３０を物体面とし、被検面１ａを像面として、収差シミュレーションによって収斂レンズ１５の歪曲収差を求めてもよい。
【００１０】
次いで、この収斂レンズ１５の歪曲収差を次式（１）によってフィッティングする。
ｆ（ｘ）＝Ｃ_１ｘ＋Ｃ_３ｘ^３＋Ｃ_５ｘ^５＋Ｃ_７ｘ^７ …（１）
但し、ｘは撮像素子３０上での干渉縞各点の光軸Ｚからの高さ、ｆ（ｘ）は被検面１ａ上での各点の光軸Ｚからの高さである。
（１）式中の係数Ｃ_１，Ｃ_３，Ｃ_５及びＣ_７は、光線追跡等の収差シミュレーションによって収斂レンズ１５毎に決定される。これらの係数Ｃ_１，Ｃ_３，Ｃ_５及びＣ_７は、歪曲収差値として記憶手段４内に記憶されている。
【００１１】
収差シミュレーションの範囲は、入力手段８により入力される開口数ＮＡと被検面１ａの曲率半径Ｒとで規定される。入力手段８は、歪曲収差のシミュレーション値や波面収差の演算をする際の光束、すなわち干渉計２によって被検面１ａに照射される光束の範囲を規定する数値として、その光束の開口数ＮＡと被検面１ａの曲率半径Ｒとを記憶手段４及び演算装置８へ入力するものである。
【００１２】
かくして、撮像素子３０で得られた干渉縞信号は、補正手段５によって、記憶手段４内に格納された係数Ｃ_１，Ｃ_３，Ｃ_５及びＣ_７を用いて上記（１）式により補正される。その補正に際して、入力手段８により入力された開口数ＮＡと被検面１ａの曲率半径Ｒとが用いられる。
このように、この第１実施例によれば、収斂レンズ１５の歪曲収差をベキ級数式でフィッティングしたフィッティング係数Ｃ_１，Ｃ_３，Ｃ_５及びＣ_７を使って、干渉縞の歪みをソフトウェアで補正している。そのため、収斂レンズ１５の収差に起因する干渉縞の歪みを簡単にしかも精度良く補正することができる。その結果、単に干渉縞の視覚的な歪みを補正することができるだけでなく、干渉縞の歪みによる波面収差の測定誤差を低減することができ、面精度等の測定精度を向上させることができる。
【００１３】
図２は第１実施例に係る波面収差測定装置による測定性能と上記従来の技術による測定性能を比較するための説明図である。同図において、横軸は被検面１ａ上の各点の座標原点（光軸Ｚ）からの高さを示し、縦軸は被検面１ａに垂直な方向への測定誤差を示し、被検面１ａ上の高さは被検面１ａの半径を１に規格化した値であり、測定誤差は光の波長λを単位とした値である。また、同図において、×印が付された曲線は、被検面１ａの曲率中心が集光点Ｆから光軸方向にずれた場合の測定誤差だけを、例えば上記特開昭６２−１２７６０１号公報に開示された手法により取り除いた場合の測定結果を示している。一方、○印の付された曲線は、光軸Ｚ方向へのずれのほか更に、この第１実施例により前記干渉縞の歪みを補正した場合の測定結果を示している。
図２から明らかなように、この第１実施例により前記干渉縞の歪みを補正することにより、測定誤差が大幅に減少することがわかる。
【００１４】
なお、この第１実施例では、歪曲収差値（歪曲収差のシミュレーション値）として係数Ｃ_１，Ｃ_３，Ｃ_５及びＣ_７が直接記憶手段４に記憶されているが、歪曲収差のシミュレーションの基になる収斂レンズ１５のレンズデータを記憶しておき、そのデータから随時歪曲収差のシミュレーション値を求めてもよい。また、シミュレーション値に代えて、歪曲収差の実測値を用い、この実測値をベキ級数式でフィッティングしてもよい。
なお、この第１実施例では、（１）式のごとく奇数次の項のみを用いているのは、歪曲収差は（収差論より）奇数次の項のみで表現できると考えられるためであるが、ｆ（ｘ）とｘの関係が精度良く表現されれば偶数項を含んでもよい。また、最高次も７次である必要はなく、さらに関係式自体も（１）式のベキ級数式に限定されるものではなく、例えば次式（２）のごときフーリエ級数式でフィッティングしてもよい。

また、入力手段８により入力する開口数ＮＡについても、被検面１ａに照射される実際の光束径を測定することにより求めてもよい。
【００１５】
次に、本発明の第２実施例に係る波面収差測定装置を図３に基づいて説明する。
上記第１実施例では干渉計２としてトワイマングリーン干渉計を用いている。これに対して、第２実施例では、干渉計２としてフィゾー型干渉計を用いている。その他の構成は第１実施例と同じである。
【００１６】
すなわち、図３に示す干渉計２は平面波を球面波に変換するためのフィゾーレンズ１６を有し、このフィゾーレンズ１６は基準となる参照面であるフィゾー面１６ａを最終レンズ面に有している。また、フィゾーレンズ１６による集光点Ｆは、基準となる球面波の中心点であると共に、参照面１６ａ（フィゾー面）の曲率中心点でもある。そして、この集光点Ｆに被検面１ａの曲率中心が一致するように被検物体１が配置され、参照面１６ａでの反射光（参照光）の波面と被検面１ａでの反射光（測定光）の波面との干渉による干渉縞が検出素子３０上に形成される。
このような構成を有する第２実施例によっても、上記第１実施例と同様の作用、効果が得られる。
【００１７】
なお、上記第２実施例のように干渉計２としてフィゾー型干渉計を用いた場合、フィゾーレンズ１６の最終面を参照面１６ａ（フィゾー面）として利用するために、光学設計上の制約が増し、干渉計２中の光学系の収差に起因する干渉縞の歪みが増大する場合が多い。このような場合に、本発明に係る波面収差測定装置は特に有効となる。
【００１８】
また、上記第１及び第２実施例に係る波面収差測定装置は、球面状の反射面である被検面１ａの面精度を波面収差として測定するものであるが、本発明は、被検レンズ（例えば、半導体製造装置の投影レンズ）の透過波面収差を測定する波面収差測定装置に適用することも可能である。このような場合の実施例を次に示す。すなわち、図４は本発明の第３実施例に係る波面収差測定装置を示している。この第３実施例では、第１実施例と同様に干渉計２としてトワイマングリーン干渉計を用いており、かつ、被検レンズ（被検物体）１０の透過波面収差を測定するように構成されている。
すなわち、干渉計２において、被検レンズ１０は、その焦点位置が収斂レンズ１５による集光点Ｆに一致するように配置されている。また、被検レンズ１０の後方には、このレンズを透過した平行光束を反射するための精度の良い平面反射鏡１８が配置されている。
このような構成を有する第３実施例によっても、上記第１実施例と同様の作用、効果が得られる。
【００１９】
なお、上記第１及び第３実施例において、被検面１ａに垂直に入射する波面を出射する光学系として、収斂レンズ１５に代えて発散光学系を用い、この光学系の歪曲収差に基づいて干渉縞の歪みを補正してもよい。
また、上記第１実施例において、球面状の反射面である被検面１ａに代えて、平面の反射面である被検面を用い、この被検面に垂直に入射する波面を出射する光学系として、収斂レンズ１５に代えてビームエキスパンダのような平行光束を出射する光学系を用い、この光学系の歪曲収差に基づいて干渉縞の歪みを補正してもよい。
さらにまた、上記第２実施例において、被検面１ａに垂直に入射する波面を出射する光学系として、収斂光学系で構成したフィゾーレンズ１６に代えて発散光学系で構成したフィゾーレンズを用い、このフィゾーレンズの歪曲収差に基づいて干渉縞の歪みを補正してもよい。
【００２０】
また、上記第２実施例において、球面状の反射面である被検面１ａに代えて、平面の反射面である被検面を用い、この被検面に垂直に入射する波面を出射する光学系として、フィゾーレンズ１６に代えてビームエキスパンダのような平行光束を出射する光学系を用い、この光学系の歪曲収差に基づいて干渉縞の歪みを補正してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る波面収差測定装置によれば、干渉計中の、被検物体と干渉縞検出手段との間に配置した、被検面に垂直に入射する波面を出射する光学系の収差に起因する干渉縞の歪みを、その光学系の歪曲収差に基づきソフトウエアで補正するので、干渉縞の歪みを簡単にしかも精度良く補正することができる。したがって、干渉縞の歪みによる波面収差の測定誤差を低減することができ、面精度等の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る波面収差測定装置を示す概略構成図
【図２】第１実施例に係る波面収差測定装置による測定性能と従来の技術による測定性能を比較するための説明図
【図３】本発明の第２実施例に係る波面収差測定装置を示す概略構成図
【図４】本発明の第３実施例に係る波面収差測定装置を示す概略構成図
【符号の説明】
１…被検物体１ａ…被検面
２…干渉計４…歪曲収差値記憶手段
５…干渉縞歪み補正手段６…演算装置
７…表示手段８…入力手段
１０…被検レンズ１１…レーザー光源
１２…ビームエキスパンダー１３…ビームスプリッター
１４…参照ミラー１５…収斂レンズ
１６…フィゾーレンズ１６ａ…フィゾー面
３０…撮像素子

Claims

参照面による波面と被検物体による波面との合成によって干渉縞を形成する干渉計と、
前記干渉縞を検出する干渉縞検出手段と、該干渉縞検出手段の出力に基づいて前記参照面と前記被検物体との間の波面収差を演算する演算手段とを有し、
前記被検物体の波面収差を測定する波面収差測定装置において、
前記干渉計は前記被検物体と前記干渉縞検出手段との間に配置された、被検面に垂直に入射する波面を出射する光学系を有し、
光線追跡による収差シミュレーションによって予め求めた前記光学系の歪曲収差に基づいて前記干渉縞の歪みを補正する補正手段を備えることを特徴とする波面収差測定装置。
前記干渉縞の歪みを補正する補正式として、ベキ級数式を用いたことを特徴とする請求項１記載の波面収差測定装置。
前記干渉縞の歪みを補正する補正式として、フーリエ級数式を用いたことを特徴とする請求項１記載の波面収差測定装置。
前記干渉計がフィゾー型干渉計であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の波面収差測定装置。