JP4183576B2

JP4183576B2 - 走査型面形状測定装置および面形状測定方法

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Publication number: JP4183576B2
Application number: JP2003206673A
Authority: JP
Inventors: 和彦川▲崎▼
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: JP2005055221A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検面に対して干渉計を走査することにより、被検面の形状を測定する走査型面形状測定装置および面形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面形状を高精度に測定する装置の１つとして、干渉計がある。干渉計は、基準となる参照面からの反射光と被検面からの反射光により干渉縞を発生させ、この干渉縞に基づいて被検面の形状を測定するものであり、レーザ光を観測領域に拡大して投射する光学系と、測定時に生じる干渉縞を結像する光学系と、結像された干渉縞像を電気信号に変換するＣＣＤなどの撮像素子とを有する。干渉計の観測領域および横分解能は、光学設計と撮像素子の画素数から決まる。干渉計においては、観測領域を大きくすると、横分解能が低くなり、逆に、横分解能を高くすると、観測領域は狭くなる。よって、測定対象の被検面のサイズや測定時の横分解能に応じて干渉計を個別に選定する必要がある。さらに、観測領域が大きい干渉計においては、使用する光学部品が大きくなるので、装置サイズが大きくなり、また価格も高価になる傾向がある。
【０００３】
観測領域が小さい干渉計を用いて大きな被検面の形状を測定する方法としては、被検面に対して干渉計を走査することにより、被検面形状を測定する方法がある。この方法の場合、被検面に対して高精度な面形状測定を行うには、走査時の運動誤差が非常に小さくなるような理想的な走査を行うことが要求される。また、精密工学会誌Vol.61,No.12,1995「非球面光学素子の超平滑研磨技術に関する研究（第１報）−オンマシン形状測定装置の開発−」に記載されているように、予め運動誤差を高精度に値付けし、補正するという方法がある。
【０００４】
また、被検面に対して干渉計を走査することにより、被検面形状を測定する測定方法において、走査時の運動誤差の影響を受けずに被検面形状を測定するための手法が、「Measurement of large plane surface shape by connecting small-aperture interferograms」（Optical engineering Feb., 1994, Vol.33, No.2, (608)）に提案されている。この手法は、被検面に対して観測領域を重複させながら干渉計を走査し、各観測領域からそれぞれ得られた各領域の形状を接続することによって被検面全体の形状を算出するものである。ここで、算出された互いに隣接する領域の形状を接続する際に、各領域の形状における重複領域のデータが一致するように、各領域の形状の傾斜成分が補正される。但し、この手法の場合、観測領域毎に十分に高い測定精度が要求される。
【０００５】
【非特許文献１】
精密工学会誌Vol.61,No.12,1995「非球面光学素子の超平滑研磨技術に関する研究（第１報）−オンマシン形状測定装置の開発−」
【非特許文献２】
「Measurement of large plane surface shape by connecting small-aperture interferograms」（Optical engineering Feb., 1994, Vol.33, No.2, (608)）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した被検面に対して干渉計を走査する測定方法の場合は、走査時の運動誤差が非常に小さくなるような理想的な走査を行うことが可能な走査機構を実現することが、また、予め運動誤差を高精度に値付けして補正する方法の場合は、走査時の運動誤差を高精度に補正することが、それぞれ、現状では非常に難しい。
【０００７】
また、運動誤差の影響を受けずに被検面形状を測定するための手法の場合は、観測領域毎に十分に高い測定精度が要求されるが、この要求通りの測定精度を実現することが現状では難しく、各観測領域からそれぞれ算出された形状には、要求された測定精度に対応する誤差より大きな誤差が存在することになる。その結果、算出された各領域の形状を接続する際に、それぞれの誤差が累積されて非常に大きなものとなり、十分に高い測定精度での被検面の形状を得ることは、困難であると考えられる。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、走査時の運動誤差の影響を減少させ、観測領域が小さい干渉計を用いて大きなサイズの被検面に対して高精度な面形状測定を行うことができる走査型面形状測定装置および面形状測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、被検面上の観測領域に対応する部分面と参照面とのそれぞれからの反射光により生じる干渉縞に基づいて前記観測領域に対応する部分面形状を測定する干渉計と、前記被検面上の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離を検出する距離検出手段と、前記干渉計と前記距離検出手段とを搭載する搭載部を有し、前記搭載部を複数の測定位置へ順に、隣り合う測定位置で前記干渉計の前記観測領域が少なくとも接するように、前記被検面に対して相対移動させる走査手段と、前記複数の測定位置のうち、少なくとも１つの測定位置で前記距離検出手段により検出された前記被検面上の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離と該少なくとも１つの測定位置で前記干渉計により測定された部分面形状とに基づいて仮想被検面形状を算出し、該算出された仮想被検面形状を基準にして前記複数の測定位置でそれぞれ測定された部分面形状を接続することによって、前記被検面の形状を算出する面形状算出手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、前記面形状算出手段は、前記部分面形状のそれぞれを前記仮想被検面形状の対応部分との残差が最小となるように補正し、該補正後の部分面形状をそれぞれ接続することを特徴とする。
【００１１】
また、前記距離検出手段は、前記被検面上の異なる複数の位置との間の高さ方向の距離をそれぞれ検出し、前記面形状算出手段は、前記仮想被検面形状の算出に、前記距離検出手段によりそれぞれ検出された前記被検面上の異なる複数の位置との間の高さ方向の距離を用いることを特徴とする。
【００１２】
また、前記距離検出手段は、前記被検面上の前記観測領域の外の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離を検出することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記目的を達成するため、被検面上の観測領域に対応する部分面と参照面とのそれぞれからの反射光により生じる干渉縞に基づいて前記観測領域に対応する部分面形状を測定する干渉計と前記被検面上の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離を検出する距離検出手段とが搭載されている搭載部を、複数の測定位置へ順に、隣り合う測定位置で前記干渉計の前記観測領域が少なくとも接するように、前記被検面に対して相対移動させることによって、前記被検面の面形状を測定する面形状測定方法であって、前記複数の測定位置のうち、少なくとも１つの測定位置で前記距離検出手段により検出された前記被検面上の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離と該少なくとも１つの測定位置で前記干渉計により測定された部分面形状とに基づいて仮想被検面形状を算出し、前記算出された仮想被検面形状を基準にして前記複数の測定位置でそれぞれ測定された部分面形状を接続することによって、前記被検面の形状を算出することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（第１実施の形態）
図１は本発明の第１実施の形態に係る走査型面形状測定装置の構成を模式的に示す図、図２は図１の計測ヘッド１に内蔵されている干渉計１１の開口部１１ａ周りを示す斜視図である。
【００１６】
平面形状測定装置は、図１に示すように、上面に光学支持面５ａが形成されている光学定盤５と、光学定盤５の光学支持面５ａに置かれた被検査物４の被検面４ａの面形状を得るためのデータを出力する計測ヘッド１と、計測ヘッド１が被検査物４の被検面４ａを走査するように計測ヘッド１を光学定盤５の光学支持面５ａと平行に移動させるための走査機構２とを備える。
【００１７】
計測ヘッド１は、図２に示すように、参照面（図示せず）と被検面４ａ上の観測領域に対応する部分面のそれぞれからの反射光により生じる光学的干渉縞像を画像データに変換して出力する干渉計１１を内蔵する。この画像データは、観測領域に対応する部分面形状を示すデータである。干渉計１１には、被検面４ａからの反射光を取り込むための開口部１１ａが形成されており、その開口部１１ａの周囲には、水平方向に張り出す複数のアーム１１ｂが設けられている。各アーム１１ｂの先端には、それぞれ、距離センサ１２が取り付けられている。
【００１８】
本実施の形態においては、４つのアーム１１ｂが干渉計１１の開口部１１ａの周りに等角度間隔で設けられており、そのうち、２つのアーム１１ｂは、互いに開口部１１ａを挟んでｘ方向に対向するように配置されている。残り２つのアーム１１ｂは、開口部１１ａを挟んでｙ方向に対向するように配置されている。すなわち、本実施の形態においては、４つの距離センサ１２が設けられており、各距離センサ１２のうち、２つの距離センサ１２は、開口部１１ａを挟んでｘ方向に沿って互いに対向するように配置されている。残りの２つの距離センサ１２は、開口部１１ａを挟んでｙ方向に沿って互いに対向するように配置されている。なお、アーム１１ｂおよび距離センサ１２の数、それらの配置は、上記に限定されることなくは、任意の数、任意の配置とすることが可能である。
【００１９】
各距離センサ１２は、それぞれの距離センサ１２の位置から被検面４ａまでの垂直方向高さを測定するためのセンサである。各距離センサ１２としては、静電容量センサや光学式センサなど、一般的な１軸距離センサを用いることができる。ここで、上記光学式センサとしては、焦点位置検出法などを用いたものが使用される。各距離センサ１２の出力は、計測ヘッド１において、被検面４ａまでの垂直方向高さを示す高さデータに変換された後に出力される。
【００２０】
走査機構２は、図１に示すように、門型の支持部３を有し、この支持部３は、駆動源（図示せず）を有し、光学定盤５に設けられたガイドレール２ｂに案内されながらｙ方向に自走可能に構成されている。支持部３には、上記ｙ方向と直交するｘ方向に延びるガイドレール２ａが設けられ、このガイドレール２ａには、移動台２ｃが移動可能に支持されている。移動台２ｃは、駆動源（図示せず）を有し、この駆動源によりガイドレール２ａに案内なされながらｘ方向に自走可能に構成されている。この走査機構２の支持部３の移動により計測ヘッド１を被検面４ａに対してｙ方向に走査することができ、移動台２ｃの移動により計測ヘッド１を被検面４ａに対してｘ方向に走査することができる。
【００２１】
計測ヘッド１から出力された画像データおよび高さデータは、ケーブル６ａを介して画像処理制御装置６に入力される。画像処理制御装置６は、ＣＰＵ、メモリ、インタフェースなどを備える装置例えばコンピュータなどから構成される。画像処理制御装置６は、入力されたデータを解析し、被検面形状を算出する面形状算出処理を行う。この面形状算出処理の詳細については、後述する。また、画像処理制御装置６は、計測ヘッド１を走査するための走査制御を行う。この走査制御では、具体的には、移動台２ｃ、支持部３のそれぞれに対する移動速度、移動方向、移動位置などを指示するための走査制御信号が生成され、各走査制御信号は、走査駆動部８に入力される。また、画像処理制御装置６には、モニタ７が接続されており、このモニタ７には、設定された測定条件、画像データ（干渉縞）、算出された被検面形状などを選択的に表示することが可能である。
【００２２】
走査駆動部８は、画像処理制御部６から入力された各走査制御信号に基づいて、移動台２ｃの駆動信号と支持部３の駆動信号をそれぞれ生成する。移動台２ｃの駆動信号は信号線８ａを介して移動台２ｃに出力され、支持部３の駆動信号は信号線８ｂを介して支持部３に出力される。
【００２３】
本実施の形態においては、計測ヘッド１が予め設定されているｘ方向の各測定位置に順に移動するように計測ヘッド１の走査が行われる場合を例に説明する。ここで、各測定位置は、互いに隣り合う測定位置において干渉計１１による観測領域の一部が重複するかまたは観測領域が接するように決定される。すなわち、互いに隣り合う測定位置は、その間隔が干渉計１１の観測領域のｘ方向長さより狭くなるかまたは同じになるように決定される。また、測定位置の数は、干渉計１１による観測領域のサイズと被検面４ａの測定対象領域のサイズとに応じて決定される。
【００２４】
画像処理制御装置６は、測定位置毎に干渉計１１により得られた画像データに基づいて各測定位置での被検面４ａの部分面形状を算出するとともに、各測定位置のうち、少なくとも１つの測定位置において距離センサ１２により得られた高さデータと当該少なくとも１つの測定位置において干渉計１１により得られた画像データとに基づいて仮想被検面形状を算出する。そして、この算出された仮想被検面形状を基準にして各測定位置での部分面形状を接続することによって、被検面４ａの面形状が算出される。ここで、互いに隣り合う測定位置において干渉計１１による観測領域の一部が重複するかまたは観測領域が接するので、互いに隣り合う部分面形状は、重複領域を有するか接することになる。
【００２５】
測定位置のそれぞれにおいて得られた部分面形状を接続する際には、それぞれの部分面形状と仮想被検面形状の対応部分との残差が最小となるように、それぞれの部分面形状に対して移動、回転などの操作が行われ、操作後の各部分面形状が接続される。
【００２６】
次に、被検面形状算出処理について図３ないし図８を参照しながら具体的に説明する。図３は図１の計測ヘッド１のｘ方向走査時における測定位置と運動誤差との一例を模式的に示す図、図４は図３の計測ヘッド１のｘ方向走査により得られる各測定位置での部分面形状と計測ヘッド１の走査に伴う運動誤差によって部分面形状に加算される誤差量との一例を模式的に示す図、図５は仮想被検面形状の算出に用いられる高さデータの一例を模式的に示す図、図６は算出された仮想被検面形状の一例を模式的に示す図、図７は図６の仮想被検面形状を基準にして部分面形状を補正する際の操作例を模式的に示す図、図８は図６の仮想被検面形状を基準にして補正された各部分面形状を模式的に示す図である。
【００２７】
本実施の形態においては、図３に示すように、計測ヘッド１を被検面４ａに対してｘ方向へ走査する際に、曲線Ａで表される運動誤差（高さ変化およびピッチングに伴う誤差）が発生するものとする。そして、このような運動誤差が発生する場合において、５つの測定位置Ｐ１〜Ｐ５に計測ヘッド１が順に移動され、各測定位置Ｐ１〜Ｐ５で計測ヘッド１により被検面４ａに対する測定が行われるものとする。ここで、高さ方向をｚ方向とすると、測定により得られる被検面４ａの形状は実際には（ｘ，ｙ，ｚ）の座標で表されるが、以下の説明においては、簡略化のために、ｙ方向の値を一定として、測定により得られる被検面４ａの形状は（ｘ，ｙａ＝一定値，ｚ）の座標で表すものとする。また、運動誤差の高さ変化は、ｚ方向の変化であり、ピッチングは、計測ヘッド１をｘ方向に走査する場合、計測ヘッド１のｙ方向の中心軸周りの揺れである。
【００２８】
このような運動誤差が発生する場合、図４に示すように、各測定位置Ｐ１〜Ｐ５において計測ヘッド１から出力された画像データは、計測ヘッド１の走査時の運動誤差によって、図中の曲線Ｂで表される誤差量が加算されたものであるので、各測定位置Ｐ１〜Ｐ５での画像データから得られた被検面４ａの部分面形状は、計測ヘッド１の走査時の運動誤差に応じた誤差量が含まれた形状Ｓ１〜Ｓ５となる。よって、このような誤差量が含まれている各部分面形状Ｓ１〜Ｓ５を接続する際には、それぞれの誤差量が重畳されることになり、各部分面形状を接続することによって得られる被検面形状は実際の被検面形状とは大きく異なるものになる場合がある。
【００２９】
そこで、本実施の形態においては、上記運動誤差に応じた誤差量が含まれる被検面４ａの部分面形状Ｓ１〜Ｓ５（各測定位置Ｐ１〜Ｐ５での画像データ）を補正するために、各測定位置Ｐ１〜Ｐ５の少なくとも１つの測定位置で各距離センサ１２により得られた高さデータと当該少なくとも１つの測定位置での画像データとを用いて仮想被検面形状が算出される。そして、この算出された仮想被検面形状を基準にして部分面形状のそれぞれを接続することによって被検面形状が算出される。
【００３０】
この仮想被検面形状の算出においては、図５に示すように、各測定位置Ｐ１〜Ｐ５のうち、１つの測定位置Ｐ３で各距離センサ１２（ｘ方向に沿って配置された距離センサ１２）により得られた高さデータｈ₃₁，ｈ₃₃と当該測定位置Ｐ３での画像データから求められた高さデータｈ₃₂とが用いられる。ここで、１つの測定位置Ｐ３で各距離センサ１２により得られた高さデータｈ₃₁，ｈ₃₃にそれぞれ対応する被検面４ａ上の位置は、Ｐ₃₁とＰ₃₃とする。また、高さデータｈ₃₂に対応する被検面４ａ上の位置は、Ｐ₃₂（＝Ｐ３）とする。
【００３１】
上記位置Ｐ₃₂（＝Ｐ３）での高さデータｈ₃₂を求める方法としては、具体的には、１つの測定位置Ｐ３で得られた画像データから対応する部分面形状が求められ、この部分面形状の各端の位置について、それぞれ、当該端の位置を含む所定幅の領域における高さデータ（部分面形状）を用いた最小二乗法などによって、それぞれの所定幅の領域における近似曲線が算出される。そして、位置Ｐ₃₁とＰ₃₃と部分面形状の各端の位置とがそれぞれ対応する近似曲線上にあるとすることによって、部分面形状の各端の位置とそれぞれの側にある位置Ｐ₃₁とＰ₃₃とが対応する近似曲線で接続される。これにより、測定位置Ｐ３で各距離センサ１２により得られた高さデータｈ₃₁，ｈ₃₃から測定位置Ｐ３での部分面形状の各端の位置までを接続する近似曲線で規定される形状と測定位置Ｐ３での部分面形状からなる仮想部分面形状が得られる。この仮想部分面形状の両端の高さ方向は高さデータｈ₃₁，ｈ₃₃により規定されるので、この高さデータｈ₃₁，ｈ₃₃と測定位置Ｐ３での画像データ（部分面形状）から、位置Ｐ₃₂の高さデータｈ₃₂を算出することが可能となる。なお、一般的には、測定可能な部分形状の高さ方向の変位（ｚ方向の変位）の範囲は、１／２波長（約３００ｎｍ）であるので、位置Ｐ₃₂の高さデータｈ₃₂を求めることができるのは、高さデータｈ₃₁，ｈ₃₃₁，ｈ₃₂のそれぞれが微小範囲にあることが条件となる。また、画像データから部分面形状を算出する際に、位相アンラップを使用すれば、上記範囲をさらに拡大することが可能である（特開２００２−１３１０２７号を参照）。
【００３２】
また、上記方法においては、上記部分面形状の各端の位置のそれぞれとそれぞれの側にある位置Ｐ₃₁とＰ₃₃とが最小二乗法などによって得られた近似曲線で接続されるが、これに代えて、例えば、測定位置Ｐ３での部分面形状の各端の位置において接線方向に伸びる直線をそれぞれ算出し、位置Ｐ₃₁とＰ₃₃と部分面形状の各端の位置とがそれぞれ対応する直線上にあるとすることによって、測定位置Ｐ３で各距離センサ１２により得られた高さデータｈ₃₁，ｈ₃₃から測定位置Ｐ３での部分面形状の各端の位置までを接続する直線で規定される形状と測定位置Ｐ３での部分面形状からなる仮想部分面形状が得られる。これにより、同様に、位置Ｐ₃₂（＝Ｐ３）での高さデータｈ₃₂を求めることができる。
【００３３】
このようにして得られた高さデータｈ₃₁，ｈ₃₂，ｈ₃₃から、図６に示すような高さデータｈ₃₁，ｈ₃₂，ｈ₃₃にそれぞれに対応する位置Ｐ₃₁，Ｐ₃₂（＝Ｐ３），Ｐ₃₃を通る仮想被検面形状Ｓｖ（図中の二点鎖線）が算出される。この仮想被検面形状Ｓｖは、被検面４ａの低次の空間周波数成分の面形状に対応するものとして見なすことができる。
【００３４】
そして、各測定位置Ｐ１〜Ｐ５で得られた部分面形状Ｓ１〜Ｓ５は、それぞれ仮想被検面形状Ｓｖの対応部分と比較される。ここで、例えば図７（ａ）に示すように、ある部分面形状Ｓｍ（ｍ＝１〜５）と仮想被検面形状Ｓｖの対応部分とを比較することによって、図７（ｂ）に示すような部分面形状Ｓｍと仮想被検面形状Ｓｖの対応部分との高さ方向の差ｄ１が運動誤差の高さ変化成分として、図７（ｃ）に示すような上記高さ方向の差ｄ１で補正した場合の部分形状Ｓｍの仮想被検面形状Ｓｖに対する回転方向の差ｄ２が運動誤差のピッチング変化成分として、それぞれ算出される。この算出された差ｄ１，ｄ２は、部分形状Ｓｍを示す値に加算された、計測ヘッド１の走査時における運動誤差に応じた誤差量に相当するものであると見なすことができる。
【００３５】
このような方法で、各部分面形状Ｓ１〜Ｓ５のそれぞれに対する差ｄ１，ｄ２が算出され、各部分面形状Ｓ１〜Ｓ５に対して、対応する差ｄ１，ｄ２のそれぞれに応じた量での高さ方向へ移動し、回転する処理が施される。これにより、図８に示すように、各部分面形状Ｓ１〜Ｓ５は、上記運動誤差により生じる誤差量が減少された面形状Ｓ１’〜Ｓ５’に補正される。そして、補正された各部分面形状Ｓ１’〜Ｓ５’を例えば平滑処理などによりそれぞれの重複領域が一致するように接続することによって、計測ヘッド１の走査時の運動誤差に応じて加算された誤差量が減少された被検面４ａの形状が得られることになる。
【００３６】
よって、本実施の形態によれば、観測領域が小さい干渉計１１を用いて大きなサイズの被検面４ａに対して高精度な面形状測定を行うことができる。換言すれば、観測領域が小さい（小口径）干渉計の横分解能を維持しながら、観測領域が大きい（大口径）干渉計を用いた測定に匹敵する測定精度を実現することが可能になる。
【００３７】
ここで、参考のために、従来の非特許文献２に示されている手法により上記各測定位置Ｐ１〜Ｐ５で得られた部分形状Ｓ１〜Ｓ５を接続する場合について図９を参照しながら説明する。図９は従来の非特許文献２に示されている手法により上記各測定位置Ｐ１〜Ｐ５で得られた部分形状Ｓ１〜Ｓ５を接続することによって得られた被検面４ａの形状を模式的に示す図である。
【００３８】
上記の従来の手法では、図９（ａ）に示すような各部分面形状Ｓ１〜Ｓ５を接続する際に、それぞれの重複領域のデータを一致させるように、各部分面形状Ｓ１〜Ｓ５が接続される。各部分面形状Ｓ１〜Ｓ５には、計測ヘッドの運動誤差（図中の曲線Ｂで示す）に応じた誤差量が加算されているので、このような誤差量が加算された各部分面形状Ｓ１〜Ｓ５をそれぞれの重複領域のデータが一致するように接続すると、それぞれに含まれる誤差量は重畳されて非常に大きなものとなる。よって、図９（ｂ）に示すように、これらの部分面形状Ｓ１〜Ｓ５を接続することによって得られる被検面４ａの形状（図中の曲線Ｃで示す）は、実際の面形状（図中の曲線Ｄで示す）と大きく異なるものとなる。
【００３９】
これに対し、本実施の形態では、上述したように、走査時の運動誤差の影響を減少させ、観測領域が小さい干渉計１１を用いて大きなサイズの被検面４ａに対して高精度な面形状測定を行うことができる。
【００４０】
（第２実施の形態）
次に、本発明の第２実施の形態について図１０ないし図１３を参照しながら説明する。図１０は本発明の第２実施の形態に係る走査型面形状測定装置の計測ヘッド１のｘ方向走査時における測定位置と運動誤差との一例を模式的に示す図、図１１は図１０の計測ヘッド１のｘ方向走査により得られる各測定位置での部分面形状と計測ヘッド１の走査に伴う運動誤差によって部分面形状に加算される誤差量との一例を模式的に示す図、図１２は本発明の第２実施の形態における仮想被検面形状算出のための推定面形状算出に用いられる高さデータの一例を模式的に示す図、図１３は算出された推定面形状を接続する際の操作の一例を模式的に示す図である。
【００４１】
本実施の形態においては、上記第１実施の形態に対し、測定位置毎で各距離センサ１２により高さデータが検出され、それぞれの高さデータが用いられて仮想被検面形状が算出される点で異なる。また、本実施の形態は、上記第１実施の形態と同じ構成を有し、その説明ついては省略する。
【００４２】
例えば、本実施の形態においては、図１０に示すように、計測ヘッド１を被検面４ａに対してｘ方向へ走査する際に、曲線Ｅで表される運動誤差（高さ変化およびピッチングに伴う誤差）が発生するものとする。そして、このような運動誤差が発生する場合において、６つの測定位置Ｐ１〜Ｐ６に計測ヘッド１が順に移動され、各測定位置Ｐ１〜Ｐ６で計測ヘッド１により被検面４ａに対する測定が行われるものとする。
【００４３】
このような運動誤差が発生する場合、図１１に示すように、各測定位置Ｐ１〜Ｐ６において計測ヘッド１から出力された画像データには、計測ヘッド１の走査時の運動誤差によって、図中の曲線Ｆで表される誤差量が加算されるので、各測定位置Ｐ１〜Ｐ６での画像データから得られた被検面４ａの部分面形状は、計測ヘッド１の走査時の運動誤差に応じた誤差量が含まれた形状Ｓ１〜Ｓ６となる。
【００４４】
本実施の形態においては、上記運動誤差に応じた誤差量が含まれる被検面４ａの部分面形状Ｓ１〜Ｓ６（各測定位置Ｐ１〜Ｐ６での画像データ）を補正するために、各測定位置Ｐ１〜Ｐ６で各距離センサ１２により得られた高さデータと各測定位置で干渉計１１により得られた画像データとを用いて仮想被検面形状が算出される。そして、この算出された仮想被検面形状を基準にして部分面形状Ｓ１〜Ｓ６のそれぞれを接続することによって被検面形状が算出される。
【００４５】
具体的には、この仮想被検面形状の算出においては、まず１つの測定位置Ｐｎ（ｎ＝１〜６）における各距離センサ１２（ｘ方向に沿って配置された２つの距離センサ１２）により得られた高さデータと当該測定位置Ｐｎでの画像データから求められた高さデータとが用いられ、各高さデータにそれぞれ対応する被検面４ａ上の位置を通る推定形状Ｓ’ｎが算出される。次いで、同様に、測定位置Ｐｎに隣接する測定位置Ｐ（ｎ＋１）で得られた各高さデータにそれぞれ対応する被検面４ａ上の位置を通る推定面形状Ｓ’（ｎ＋１）が算出される。そして、算出されたそれぞれの推定面形状Ｓ’ｎ，Ｓ’（ｎ＋１）が接続される。この接続においては、推定面形状Ｓ’ｎ，Ｓ’（ｎ＋１）間の重複領域内の形状を一致させるように推定面形状Ｓ’ｎ，Ｓ’（ｎ＋１）に対して高さ方向への移動、回転処理などの操作が行われた後に、推定面形状Ｓ’ｎ，Ｓ’（ｎ＋１）が接続される。他の測定位置とそれに隣接する測定位置でそれぞれ得られる推定面形状間においても、同様に、上記操作が行われ、各推定面形状が接続される。これらの接続された推定面形状から、仮想被検面形状が算出される。
【００４６】
ここで、図１２に示す測定位置Ｐ３と測定位置Ｐ４での推定形状を求め、それぞれの推定形状を接続する例を説明する。
【００４７】
図１３（ａ）に示すように、まず、測定位置Ｐ３での高さデータｈ₃₁，ｈ₃₂，ｈ₃₃から、高さデータｈ₃₁，ｈ₃₂，ｈ₃₃にそれぞれに対応する位置Ｐ₃₁，Ｐ₃₂（＝Ｐ３），Ｐ₃₃を通る推定面形状Ｓv３’が算出される。そして、測定位置Ｐ３に隣接する測定位置Ｐ４での高さデータｈ₄₁，ｈ₄₂，ｈ₄₃にそれぞれに対応する位置Ｐ₄₁，Ｐ₄₂（＝Ｐ４），Ｐ₄₃を通る推定面形状Ｓv４’が算出される。
【００４８】
次いで、図１３（ａ）に示すように、測定位置Ｐ３と測定位置Ｐ４でのデータからそれぞれ得られた推定面形状Ｓv３’，Ｓv４’間の重複領域Ｒにおいて、それぞれの推定面形状の重複領域Ｒ内にある位置（高さ）を近似するための近似直線Ｌ３，Ｌ４が算出される。これらの近似直線Ｌ３，Ｌ４の算出には、推定面形状Ｓv３’，Ｓv４’から補間された位置（補間された高さデータ；図中の重複領域Ｒ内の白または黒の小丸で示す位置（高さデータ））および各測定位置Ｐ３，Ｐ４において干渉計１１から得られた位置の高さデータが用いられる。そして、図１３（ｂ）に示すように、近似直線Ｌ３と近似直線Ｌ４を一致させるように、各推定形状Ｓv３’，Ｓv４’に対して高さ方向への移動、回転などの操作が行われ、各推定面形状Ｓv３’およびＳv４’の接続が行われる。
【００４９】
このように本実施の形態では、各測定位置で距離センサ１２により検出された高さデータを用いて推定面形状がそれぞれ算出され、それぞれの推定面形状間の重複領域の形状が一致するように各推定面形状を接続することによって、仮想被検面形状Ｓｖが算出される。
【００５０】
次いで、上記第１実施の形態と同様に、各測定位置Ｐ１〜Ｐ６で得られた部分面形状Ｓ１〜Ｓ６は、それぞれ仮想被検面形状Ｓｖの対応部分と比較される。この比較により、各部分面形状Ｓ１〜Ｓ６のそれぞれに対する差ｄ１（運動誤差の高さ変化成分），ｄ２（運動誤差のピッチング変化成分）が算出され、各部分面形状Ｓ１〜Ｓ６に対して、対応する差ｄ１，ｄ２のそれぞれに応じた量での高さ方向へ移動し、回転する操作が行われる。そして、補正後の各部分面形状を例えば平滑化処理などによりそれぞれの重複領域が一致するように接続することによって、計測ヘッド１の走査時の運動誤差に応じた誤差量が減少された被検面４ａの形状が得られることになる。
【００５１】
なお、上述した各実施の形態においては、走査時に高さ変化、ピッチングを含む運動誤差が生じる場合に、この運動誤差に応じた誤差量を減少させる例を示したが、さらにローリングなどが運動誤差に含まれる場合、干渉計１１および距離センサ１２のそれぞれからのデータに基づいて三次元の仮想被検面形状を算出し、この三次元の仮想被検面形状と部分面形状とを比較することによって、ローリングによる誤差量を減少させることが可能であることはいうまでもない。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の測定位置のうち、少なくとも１つの測定位置で距離検出手段により検出された被検面上の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離と該少なくとも１つの測定位置で干渉計により測定された部分面形状とに基づいて仮想被検面形状を算出し、算出された仮想被検面形状を基準にして複数の測定位置でそれぞれ測定された部分面形状を接続することによって、被検面の形状を算出するので、走査時の運動誤差の影響を減少させ、観測領域が小さい干渉計を用いて大きなサイズの被検面に対して高精度な面形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る走査型面形状測定装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１の計測ヘッド１に内蔵されている干渉計１１の開口部１１ａ周りを示す斜視図である。
【図３】図１の計測ヘッド１のｘ方向走査時における測定位置と運動誤差との一例を模式的に示す図である。
【図４】図３の計測ヘッド１のｘ方向走査により得られる各測定位置での部分面形状と計測ヘッド１の走査に伴う運動誤差によって部分面形状に加算される誤差量との一例を模式的に示す図である。
【図５】仮想被検面形状の算出に用いられる高さデータの一例を模式的に示す図である。
【図６】算出された仮想被検面形状の一例を模式的に示す図である。
【図７】図６の仮想被検面形状を基準にして部分面形状を補正する際の操作例を模式的に示す図である。
【図８】図６の仮想被検面形状を基準にして補正された各部分面形状を模式的に示す図である。
【図９】従来の非特許文献２に示されている手法により上記各測定位置Ｐ１〜Ｐ５で得られた部分形状Ｓ１〜Ｓ５を接続することによって得られた被検面４ａの形状を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の第２実施の形態に係る走査型面形状測定装置の計測ヘッド１のｘ方向走査時における測定位置と運動誤差との一例を模式的に示す図である。
【図１１】図１０の計測ヘッド１のｘ方向走査により得られる各測定位置での部分面形状と計測ヘッド１の走査に伴う運動誤差によって部分面形状に加算される誤差量との一例を模式的に示す図である。
【図１２】本発明の第２実施の形態における仮想被検面形状算出のための推定面形状算出に用いられる高さデータの一例を模式的に示す図である。
【図１３】算出された推定面形状を接続する際の操作の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１計測ヘッド
２走査機構
４ａ被検面
６画像処理制御装置
７モニタ
８走査駆動部
１１干渉計
１１ａ開口部
１２距離センサ

Claims

被検面上の観測領域に対応する部分面と参照面とのそれぞれからの反射光により生じる干渉縞に基づいて前記観測領域に対応する部分面形状を測定する干渉計と、
前記被検面上の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離を検出する距離検出手段と、
前記干渉計と前記距離検出手段とを搭載する搭載部を有し、前記搭載部を複数の測定位置へ順に、隣り合う測定位置で前記干渉計の前記観測領域が少なくとも接するように、前記被検面に対して相対移動させる走査手段と、
前記複数の測定位置のうち、少なくとも１つの測定位置で前記距離検出手段により検出された前記被検面上の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離と該少なくとも１つの測定位置で前記干渉計により測定された部分面形状とに基づいて仮想被検面形状を算出し、該算出された仮想被検面形状を基準にして前記複数の測定位置でそれぞれ測定された部分面形状を接続することによって、前記被検面の形状を算出する面形状算出手段とを備えることを特徴とする走査型面形状測定装置。
前記面形状算出手段は、前記部分面形状のそれぞれを前記仮想被検面形状の対応部分との残差が最小となるように補正し、該補正後の部分面形状をそれぞれ接続することを特徴とする請求項１記載の走査型面形状測定装置。
前記距離検出手段は、前記被検面上の異なる複数の位置との間の高さ方向の距離をそれぞれ検出し、前記面形状算出手段は、前記仮想被検面形状の算出に、前記距離検出手段によりそれぞれ検出された前記被検面上の異なる複数の位置との間の高さ方向の距離を用いることを特徴とする請求項１記載の走査型面形状測定装置。
前記距離検出手段は、前記被検面上の前記観測領域の外の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離を検出することを特徴とする請求項１記載の走査型面形状測定装置。
被検面上の観測領域に対応する部分面と参照面とのそれぞれからの反射光により生じる干渉縞に基づいて前記観測領域に対応する部分面形状を測定する干渉計と前記被検面上の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離を検出する距離検出手段とが搭載されている搭載部を、複数の測定位置へ順に、隣り合う測定位置で前記干渉計の前記観測領域が少なくとも接するように、前記被検面に対して相対移動させることによって、前記被検面の面形状を測定する面形状測定方法であって、
前記複数の測定位置のうち、少なくとも１つの測定位置で前記距離検出手段により検出された前記被検面上の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離と該少なくとも１つの測定位置で前記干渉計により測定された部分面形状とに基づいて仮想被検面形状を算出し、
前記算出された仮想被検面形状を基準にして前記複数の測定位置でそれぞれ測定された部分面形状を接続することによって、前記被検面の形状を算出することを特徴とする面形状測定方法。
前記部分面形状のそれぞれを前記仮想被検面形状の対応部分との残差が最小となるように補正し、該補正後の部分面形状をそれぞれ接続することを特徴とする請求項５記載の面形状測定方法。
前記距離検出手段は、前記被検面上の異なる複数の位置との間の高さ方向の距離をそれぞれ検出する手段からなり、前記仮想被検面形状の算出には、前記距離検出手段によりそれぞれ検出された前記被検面上の異なる複数の位置との間の高さ方向の距離が用いられることを特徴とする請求項５記載の面形状測定方法。
前記距離検出手段は、前記被検面上の前記観測領域の外の少なくとも１つの位置との間の高さ方向の距離を検出することを特徴とする請求項５記載の面形状測定方法。