JP4532556B2 - 測定物体を測定するためのミラー装置を備えた干渉計 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、測定物体を測定するための、たとえば測定物体の厚さを測定するための、ミラー装置を備えた干渉測定装置に関する。

干渉測定システムは、様々な測定物体の表面を非接触で検査するのにとりわけ適している。被検体の表面輪郭を捕捉するために、干渉計光源からの対物ビームが被測定領域表面に当射される。表面で反射した対物ビームは干渉計の検出器へ供給され、このビームと参照ビームとが合わさって干渉パターンが生成され、この干渉パターンから双方のビームの波長差が導出される。双方のビームについて測定されたこの波長差は、表面のトポグラフィ変化に対応している。

たとえば、光源が短いコヒーレントな放射を行う白色光干渉計であれば、深部走査ないしは深度走査によって測定物体をスキャンすることも可能である。その際、たとえばまだ公開されていないドイツ連邦共和国特許出願DE103 25 443.9号で説明されているように、短いコヒーレントな放射がビームスプリッタによって対物ビームと参照ビームとに分割される。被測定物体表面は、対物光学系を介して画像検出器たとえばＣＣＤカメラ（電荷結合素子 "chargecoupled device"カメラ）上に結像され、参照ビームにより形成された参照波によって重畳される。この場合、参照ビームを反射する参照ミラーの運動によって、または測定装置に対し相対的な対物光学系の動きによって、深部走査を行うことができる。物体を動かす場合、物体の像平面と参照平面とは同一平面にある。深部走査中、物体はＣＣＤカメラの視野内に固定的に保持され、物体は参照平面に対し相対的に深さ軸においてのみ動かされる。このようにして、数ナノメータのレンジの深部分解能で技術的な表面の測定を行うことができる。このような測定手法の基礎技術については、"Three-dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar" (T. Dresel, G. Haeusler, H. Venzke, Appl. Opt. 31 (7) , p. 919-925, 1992) においても述べられている。

しばしば要求されるのは、測定物体の一方の面だけを結像するのではないことである。実際の適用においてたとえば、ある測定物体の厚さを測定するために、たとえばディスク状の物体ないしは板状の物体の厚さなどを求めるために、専用対物光学系におけるミラー装置を介してそのような物体の両面が対物ビームを用いて測定される。この目的で２つの偏向ミラーを介して、対物ビームの方向がディスク状ないしは板状の物体の両面に向けて変えられる。そのような物体の両面で反射したビームは画像検出器へ供給され、これらは参照ビームとともにいわゆるコレログラムの記録に利用され、ついで高さデータ取得のために評価される。すでに説明したように測定中に深度スキャンが実行され、あるいは言い換えれば、測定物体の被測定面がカメラの焦点面を通って動かされる。これに対する代案として、電気的に制御可能なレンズまたはレンズ系によってカメラの焦点面を変えることもできる。

しかしながらこれまで述べてきたミラー装置の欠点は、２つの偏向ミラーに対する測定物体の相対的なポジションをコントロールできないことである。測定物体における第１の面もしくは第２の面に向けて配向されそこから反射して画像検出器へ供給される両方のビームが、その際に等しい長さの光路を辿るならば、測定物体の最適なポジショニングが実現される。このためには測定物体を、２つの偏向ミラーの間において精確に中央にポジショニングしなければならない。コントロールできないことに起因して測定物体がずれてポジショニングされると、すなわち２つのビームの光路がそれぞれ異なっていると、その結果として最適なポジショニングの場合と比べて測定時間が長くなってしまう。

測定物体が約２０μｍほど誤ってポジショニングされている場合、２×２０μｍ＝４０μｍだけ余分にスキャン経路を辿らせなければならない。干渉計がスキャンを行うときの典型的な測定速度は約５μｍ／秒である。その結果、８秒もの余分な測定時間が生じてしまう。このような時間の長さは、工業生産において数秒のサイクル時間ですべての測定物体を検査する場合、許容することができない。

発明の利点
従来技術に対し、請求項１記載の特徴を備えた本発明による測定装置が有する利点とは、偏向ミラーに対する測定物体の相対的なポジションをチェックできることである。これにより次の段階において重要なコンポーネントの相対的なポジショニングを最適化できるようになり、このことで測定をいっそう高速に行えるようになる。したがって測定期間が著しく短くなる。そして有利なことにこれにもかかわらず、第２の画像検出器を省くことができる。

従属請求項には本発明による干渉測定装置の有利な実施形態が示されており、これらについて以下で説明する。

図面
次に、図面を参照しながら本発明の実施例に基づき詳しく説明する。

図１は、干渉計の光学的コンポーネントの配置構造を示す平面図、図２は、専用対物光学系の光学的コンポーネントの配置構造を示す平面図、図３は、従来技術による対物光学系のミラー配置構造を示す斜視図、図４は、本発明による専用対物光学系におけるミラー配置構造を示す斜視図、図５は、ポジショニングが最適でない場合に画像検出器において記録された種々異なる側からの測定物体画像を示す図、図６は、ポジショニングが最適な場合に画像検出器において記録された種々異なる側からの測定物体画像を示す図である。

実施例の説明
図１は、マイケルソン干渉測定装置１の光学コンポーネントを備えた基本構造を示す平面図である。ここでは測定法として白色光干渉測定（短コヒーレント干渉測定）が用いられ、したがって光源１０は短コヒーレントな放射を送出する。光はビームスプリッタ１５によって、基準ビーム２０と対物ビーム２５とに分割される。基準ビーム２０はさらに、基準光路３５内に配置されている基準ミラー３０によって反射され、再びビームスプリッタ１５を介して画像検出器５５に到達する。そこにおいて基準ビーム２０の光波が対物ビーム２５の光波と重畳される。この場合、対物ビーム２５の方は対物光路５０中に配置されている専用対物光学系４５を介して測定物体５の方へ向きが変えられ、そこから反射したものである。

図２においてそのコンポーネントとして描かれている専用対物光学系４５はミラー装置４０とともに照射の役割を果たし、これによって２つの対向する方向から測定物体５を結像させるようにする。これによってたとえば測定物体５の厚さたとえばディスク状物体ないしは板状物体の厚さを求めることができる。専用対物光学系４５のミラー装置４０は少なくとも第１の偏向ミラー６０と第２の偏向ミラー６５を有している。これらのミラーは以下のように配置されている。すなわち第１の偏向ミラー６０もしくは第２の偏向ミラー６５に当射する対物ビーム２５が、第１のビーム入射側８０もしくは互いに逆平行な第２のビーム入射側８５において、被測定物体５における第１の面７０もしくはこれに対し平行な第２の面７５へ配向されるよう、配置されている。典型的には対物ビーム２５は、ディスク状物体ないしは板状物体の第１の面７０もしくは第２の面７５に対し垂直に投射される。このことをはっきりと示すために図３には、これら２つの偏向ミラー６０，６５の配置がディスク状ないしは板状の被測定物体とともに斜視図で描かれている。専用対物光学系４５ないしはミラー装置４０には、さらに別の光学コンポーネントを設けることもでき、それらはたとえばレンズ６６、プリズム６８あるいは別のミラー素子６７，６９であって、これらにより対物ビーム２５が分割され、好適には前述の２つの偏向ミラー６０，６５に向けて配向されるが、上述のプリズム６８およびミラー素子６７，６９によっても、偏向ミラー６０，６５に対するディスク状ないしは板状の物体の相対的ポジションをチェックすることはできない。これまで説明してきた測定装置の実施形態は、実際の適用において周知のものである。

さて、本発明によれば図４の斜視図に描かれているようにミラー装置４０には、これまで説明してきた構成部材に加えてさらに、第１の偏向ミラー６０および／または第２の偏向ミラー６５に対し相対的な被測定物体５のポジションを結像するために、少なくとも１つの第１のポジションミラー７０が設けられている。この場合、第１のポジションミラー７０を以下のように配置するのが有利である。すなわちポジションミラー７０に入射する対物ビーム２５が第３のビーム入射側９５において、被測定物体５の第１の面７０および第２の面７５に対し直角を成す第３の面９０に配向されるよう、第１のポジションミラー７０を配置するとよい。被測定物体５の第３の面９０は、たとえばディスク状ないしは板状の物体における薄いエッジ面である。この場合、第１および第２の偏向ミラー６０，６５からの逆平行のビーム入射側８０，８５はビーム入射側９５と、０°よりも大きく１８０°よりも小さい角度１００を成しており、つまり逆平行のビーム入射側８０，８５の方向と第３のビーム入射側９５の方向は、平行でもないし逆平行でもない。角度１００をちょうど９０°とするのが有利であり、すなわち直角を成すようにするのが有利である。

さらにミラー装置４０は第２のポジションミラー１０５を有しており、これは以下のように配置されている。すなわち、第２のポジションミラー１０５に入射する対物ビーム２５が第４のビーム入射側１１５において、被測定物体５の第３の面９０に対し平行な第４の面１１０に対して配向されるように配置されている。有利には第４のビーム入射側１１５は、第３のビーム入射側９０に対し正確に逆平行に延在している。

第１のビーム入射側８０、第２のビーム入射側８５、第３のビーム入射側９０および選択的に第４のビーム入射側１１５における対物ビーム２５は、４つの方向から測定物体５のそれぞれ異なる４つの面７０，７５，９０，１１０に当射し、そこから反射して、画像検出器５５へ供給される。入射するこれらの対物ビーム２５は、前述の基準ビーム２０とそれぞれ重畳される。画像検出器５５はたとえばカメラ殊にＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラ（"complementary metal oxide semiconductor"カメラ）であり、これは図５に示されているように画像出力装置１２０と接続されている。したがって画像出力装置１２０により、それぞれ異なる注視方向から測定物体５の記録を表示させることができる。第１の画像セクション１２５において測定物体５の第１の面の記録を見ることができる一方、第２の画像セクション１３０には測定物体５の第２の面７５の記録が表示されている。これらに加えて第３の画像セクション１３５が設けられており、この画像セクションにおいて測定物体５の第３の面９０を観察することができる。第３の画像セクション１３５を用いることによって、２つの偏向ミラー６０，６５に対する相対的なポジションをチェックすることができる。図５には、最適にポジショニングされていない状態が示されている。測定物体５の相対的ポジショニングの精確な検出は画像検出器５５により実施される。なぜならば有利には画像検出器５５は、測定物体５のポジションを求めるための評価ソフトウェアを備えたカメラだからである。

このようにして測定物体５のポジション検出を行うことによって、ポジション補正を実施することができる。基本的に測定物体５と画像検出器５５との間の光学経路を整合する必要があり、つまり測定物体５が光学系に対し相対的にずらされる。理想的には測定装置１自体は、測定物体５と画像検出器５５との間の光学経路を整合させるための補正ユニットを有している。この場合、補正ユニットは少なくともトラバーステーブルないしは処理テーブル、圧電素子、光学的に能動的な素子によって、あるいはこれらの組み合わせによって構成することができる。図６に示されているように、画像出力装置１２０の第３の画像セクション１３５においてポジション補正が首尾よく自動的に行われた後、測定物体５の対応するポジションを求めることができる。なお、測定物体５のポジションを全体的にまたは部分的にあるいは歪ませて、偏向ミラー６０，６５により結像させることができる。したがってたとえば、測定物体５の第１の面７０と偏向ミラー６０との間隔のみを結像させれば十分である。それというのも、２つの偏向ミラー６０，６５双方間の間隔は既知だからである。これと同時に、測定物体５のポジショニングが最適であれば、測定物体５における双方の面７０，７５は第１の画像セクション１２５と第２の画像セクション１３０においてシャープに結像される。そして測定物体５の本来のスキャンを実施することができる。本発明により達成される測定時間の短縮は実際の適用において証明されている。

干渉計の光学的コンポーネントの配置構造を示す平面図 専用対物光学系の光学的コンポーネントの配置構造を示す平面図 従来技術による対物光学系のミラー配置構造を示す斜視図 本発明による専用対物光学系におけるミラー配置構造を示す斜視図 ポジショニングが最適でない場合に画像検出器において記録された種々異なる側からの測定物体画像を示す図 ポジショニングが最適な場合に画像検出器において記録された種々異なる側からの測定物体画像を示す図

Claims (8)

1. 測定物体（５）を測定するための厚さ測定装置において、
   光源（１０）と、基準ビーム（２０）と対物ビーム（２５）を形成するビームスプリッタ（１５）と、基準光路（３５）内の基準ミラー（３０）と、ミラー装置（４０）を有する対物光路（５０）内の専用対物光学系（４５）と、画像検出器（５５）が設けられており、
   前記ミラー装置（４０）は、少なくとも第１の偏向ミラー（６０）と第２の偏向ミラー（６５）から成り、
   前記第１の偏向ミラー（６０）で反射した対物ビーム（２５）は、第１の向き（８０）で測定物体（５）の第１の面（７０）に照射され、前記第２の偏向ミラー（６５）で反射した対物ビーム（２５）は、前記第１の向き（８０）と逆平行な第２の向き（８５）で測定物体（５）の前記第１の面（７０）と平行な第２の面（７５）に照射され、前記第１の面（７０）および前記第２の面（７５）で反射した光が前記画像検出器（５５）に入射し、
   前記ミラー装置（４０）はさらに、測定物体（５）の像を画像検出器（５５）に結像して前記第１の偏向ミラー（６０）および／または前記第２の偏向ミラー（６５）に対する前記測定物体（５）のポジションを検出するために、少なくとも第１のポジションミラー（７０）を有することを特徴とする、
   厚さ測定装置。
2. 請求項１記載の厚さ測定装置において、
   前記第１のポジションミラー（７０）で反射した対物ビーム（２５）が、第３の向き（９５）で測定物体（５）の前記第１の面（７０）および前記第２の面（７５）に直角な第３の面（９０）に照射されるよう、該第１のポジションミラー（７０）が配置されており、該第３の面（９０）で反射した光が前記画像検出器（５５）に入射することを特徴とする厚さ測定装置。
3. 請求項２記載の厚さ測定装置において、
   前記第３の向き（９５）は前記第１の向き（８０）および前記第２の向き（８５）に対して０°よりも大きくかつ１８０°よりも小さい角度（１００）を成していることを特徴とする厚さ測定装置。
4. 請求項３記載の厚さ測定装置において、
   前記角度（１００）は直角であることを特徴とする厚さ測定装置。
5. 請求項２から４のいずれか１項記載の厚さ測定装置において、
   前記ミラー装置（４０）は第２のポジションミラー（１０５）を有しており、該第２のポジションミラー（１０５）は、前記第２のポジションミラー（１０５）で反射した対物ビーム（２５）が、第４の向き（１１５）で測定物体（５）の前記第３の面（９０）に平行な第４の面（１１０）に照射されるように配置されており、該第４の面（１１０）で反射した光が前記画像検出器（５５）に入射することを特徴とする厚さ測定装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の厚さ測定装置において、
   前記画像検出器（５５）は、測定物体（５）のポジションを求めるための評価ソフトウェアを備えたカメラであることを特徴とする厚さ測定装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項記載の厚さ測定装置において、
   測定物体（５）と画像検出器（５５）の間の光路長と基準ミラー（３０）と画像検出器（５５）の間の光路長とを整合させるための補正ユニットが設けられていることを特徴とする厚さ測定装置。
8. 請求項７記載の厚さ測定装置において、
   前記補正ユニットは少なくともトラバーステーブル、圧電素子、光学的に能動的な素子によって、あるいはこれらの組み合わせによって構成されていることを特徴とする厚さ測定装置。

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