JP4580579B2 - 表面形状測定方法および表面形状測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焦点誤差検出方法を用いて測定対象面に光を照射した場合の反射光を測定することにより当該測定対象面の表面形状を測定する表面形状測定方法および表面形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、表面形状を測定する方法としては、触針を用いる触針法と光を用いる非接触法とが知られている。前者の触針法は、触針を測定対象面に接触させて表面を走査することから、高精度な測定が可能となるものの、▲１▼接触面にスクラッチを残す、▲２▼測定時間が長いなどの理由で、利用範囲が限定されていた。これに対し、後者の非接触法は、触針式と比較して測定精度は劣るが、▲１▼非破壊検査であるため測定対象面を損傷しない、▲２▼測定時間が短い（単位時間当たりの測定情報量が多い）といった利点から、その有用性が次第に評価されるようになってきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
非接触法の表面形状測定装置としては、代表的なものに焦点誤差検出方法を用いた非接触変位計がある。非接触変位計は、非点収差法、ナイフエッジ法および臨界角法等が提案されており、構成が簡単で且つ高分解能が得られることから、現在広く製品化されている。ところが、この非接触変位計は、光源に干渉性の高いレーザを使用するため、測定対象面の面性状に大きく影響されてしまうといった問題がある。特に、照射スポット内の微少凹凸（光の波長以下）は照射光を回折させ、反射光強度分布にむらを生じさせるため、測定精度を大きく劣化させてしまう。
【０００４】
そもそも、焦点誤差検出方法を用いた非接触変位計は、いずれの方法も反射光の検出には分割フォトダイオードを使用し、その出力差が変位信号となるが、反射光強度分布が均一であることが前提となっている。従って反射光強度にむらがあると、それが変位と見なされ測定誤差の原因となる。図６は研削加工面（Ｒａ：０．１５μｍ）からの反射光を、場所を変えて撮影したものであるが、ここに示すように、同じ試料１１でも場所によって強度むらの状態が変化している。従って、この反射光を分割フォトダイオードで受光すると、変位信号がその影響を受け、測定誤差を生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、反射光強度むらの影響を最小限に止めることにより高精度な測定が可能な、表面形状測定方法および表面形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面形状測定方法は、焦点誤差検出方法を用いて、測定対象面からの反射光を測定することにより測定対象面の表面形状を測定する表面形状測定方法において、測定対象面からの反射光を２方向に分岐する第１の工程と、分岐した一方の反射光の受光状態から測定対象面の変位に対応する部分を抽出した検出光出力を得る第２の工程と、分岐した他方の反射光の受光状態をそのまま検出することにより、反射光強度分布むらを測定した参照光出力を得る第３の工程と、検出光出力と参照光出力との差から、反射光強度分布むらの影響を除去した表面形状を測定する第４の工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の表面形状測定装置は、焦点誤差検出方法を用いて、測定対象面からの反射光を測定することにより測定対象面の表面形状を測定する表面形状測定装置において、測定対象面に光を照射する光源と、測定対象面からの反射光を２方向に分岐する分岐手段と、分岐した一方の反射光の受光状態から測定対象面の変位に対応する部分を抽出する検出光出力抽出手段と、分岐した他方の反射光の受光状態をそのまま検出することにより、反射光強度分布むらを測定した参照光出力を得る参照光出力取得手段と、検出光出力と参照光出力との差から、反射光強度分布むらの影響を除去した表面形状を測定する演算手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
焦点誤差検出方法を用いた表面形状測定は、測定対象面に光を照射した場合の反射光を測定するが、この反射光には測定対象面の表面形状の影響と共に測定対象面における光の回折による反射光強度分布むらの影響が含まれている。そこで、測定対象面に光を照射したときの反射光の光路を２方向に分岐させ、分岐した一方の反射光の受光状態から測定対象面の変位に対応する部分を抽出した検出光出力と、分岐した他方の反射光の受光状態をそのまま検出した参照光出力（反射光強度分布むらを測定した結果得られる出力）との差を得ることで、測定対象面の変位のみによって変化する表面形状を測定することができる。言い換えれば、検出光出力は測定対象面の表面形状と反射光強度分布むらを測定した結果得られる出力であり、参照光出力は測定対象面の表面形状は測定せず反射光強度分布むらのみを測定した結果得られる出力であるから、その差を得ることにより反射光強度分布むらの影響を除去した表面形状を測定することができる。すなわち、これらの構成によれば、高精度な表面形状の測定が可能となる。
【０００９】
上記表面形状測定方法において、第４の工程は、検出光出力に基づいて所定の演算処理を行った結果得られる値Ｅｎから参照光出力に基づいて所定の演算処理を行った結果得られる値Ｅ０の差（Ｅｎ−Ｅ０）を求めることが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、検出光出力に基づいて所定の演算処理を行った結果得られる値Ｅｎから参照光出力に基づいて所定の演算処理を行った結果得られる値Ｅ０の差（Ｅｎ−Ｅ０）を求めることにより反射光強度分布むらの影響を除去した表面形状を測定することができる。すなわち、簡易な演算処理（構成）で高精度な表面形状の測定が可能となる。
【００１１】
上記表面形状測定装置において、光源と測定対象面との光路間に、反射光の中心部の光を除去可能な中心光除去手段を更に備えたことが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、測定対象面に光を照射したとき、光の回折によって反射光中心部の強度が強くなり、変位感度が低下する傾向があるが、反射光の中心部の光を除去可能な中心光除去手段を通過させることにより、変位感度の低下（感度減少）を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る表面形状測定方法および表面形状測定装置について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、表面形状測定装置として代表的なものに焦点誤差検出方法を用いた非接触変位計があるが、ここでは、表面形状測定装置として、ナイフエッジ法による非接触変位計を適用した場合を例に挙げるものとする。
【００１４】
図１は、本発明の表面形状測定装置１の構成を示したものである。表面形状測定装置１は、試料１１を照射し、その反射光を得る第１光学系測定部Ｓ１と、第１光学系測定部Ｓ１からの反射光をビームスプリッターＢＳを介してナイフエッジ１２を通過させた後、演算回路１３により変位信号（検出光出力）を得る第２光学系測定部Ｓ２と、第１光学系測定部Ｓ１からの反射光をビームスプリッターＢＳで直角方向に曲げて演算回路１４により強度むら信号（参照光出力）を得る第３光学系測定部Ｓ３と、第２光学系測定部Ｓ２と第３光学系測定部Ｓ３からの出力信号に基づいて差動出力を得る演算処理部Ｓ４と、により構成されている。
【００１５】
第１光学系測定部Ｓ１は、光源１５（ＬＤ（λ＝６７０ｎｍ），ビーム径８ｍｍ）と、光源１５からの照射光を平行光にするためのコリメーターレンズＬ０と、コリメーターレンズＬ０を通過した平行光を通過させると共に試料１１からの反射光を集光レンズＬ２側に曲げる偏光ビームスプリッターＰＢＳと、試料１１からの反射光を光源１５に戻さないための１／４波長板１６と、変位感度の低下を防ぐための円形マスク（中心光除去手段）２０と、試料１１に焦点を合わせるための対物レンズＬ１（ｆ＝６．５ｍｍ，ＮＡ＝０．６１５）と、偏光ビームスプリッターＰＢＳによって曲げられた光をナイフエッジ１２側へ集光する集光レンズＬ２（ｆ＝２００ｍｍ）と、によって構成されている。
【００１６】
ここで、円形マスク（中心光除去手段）２０は、同図に示すように偏光ビームスプリッターＰＢＳと対物レンズＬ１との光路間に配置されている。なお、円形マスク２０の配置位置はこれに限らず、偏光ビームスプリッターＰＢＳと集光レンズＬ２間など、測定対象物１１からの反射光が得られる位置において配置されても良い。また、円形マスク２０を平行光が得られる位置に配置すれば、ビームの口径が変化しないため測定が容易になる。また、円形マスク２０は、図２に示すように直径８ｍｍの円形ガラス板２１の中心部に直径５ｍｍ程度の円形黒色フィルム２２を貼着したものであり、この中心部に貼着された黒色フィルム２２により反射光の中心部の光を取り除くことができる。これは、回折によって反射光中心部の強度が強くなる（反射光強度むらが集中する）場合（図６中央図参照）に変位感度が低下する傾向があるが、この感度減少を抑えるためである。なお、この円形マスク２０を従来の焦点誤差検出方法を用いた表面形状測定装置に適用可能であることは言うまでもない。
【００１７】
第２光学系測定部Ｓ２は、試料１１からの反射光を分岐するビームスプリッターＢＳと、ビームスプリッターＢＳを真っ直ぐに通過した光を通過させるナイフエッジ１２と、ナイフエッジ１２を通過した光を受光する２分割フォトダイオード２ＰＤ−１と、２分割フォトダイオード２ＰＤ−１からの出力（Ａ，Ｂ）に基づいて演算処理を行う演算回路１３と、によって構成されている。そして、この演算回路１３によって、変位と強度むらが混在する変位信号（検出光出力）Ｅｎ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）が得られる。
【００１８】
また、第３光学系測定部Ｓ３は、試料１１からの反射光を分岐するビームスプリッターＢＳと、ビームスプリッターＢＳによって直角方向に曲げられた光をそのまま受光する２分割フォトダイオード２ＰＤ−２と、２分割フォトダイオード２ＰＤ−２からの出力（Ｃ，Ｄ）に基づいて演算処理を行う演算回路１４と、によって構成されている。そして、この演算回路１４によって、変位に対しては変化せず強度むらのみによって変化する強度むら信号（参照光出力）Ｅ０＝（Ｃ−Ｄ）／（Ｃ＋Ｄ）が得られる。
【００１９】
演算処理部Ｓ４は、最終的に第２光学系測定部Ｓ２と第３光学系測定部Ｓ３からの出力信号に基づいて差動出力Ｅｓを得るものであり、差動アンプ１７により構成されている。差動出力Ｅｓは、第２光学系測定部Ｓ２で得られた変位信号Ｅｎと第３光学系測定部Ｓ３で得られた強度むら信号Ｅ０とに基づいて、計算式Ｅｓ＝Ｅｎ−Ｅ０により求められる。すなわち、変位と強度むらが混在する変位信号Ｅｎから強度むらのみによって変化する強度むら信号Ｅ０を差し引くことにより、強度むらを除去した信号（差動出力）Ｅｓを得ることができる。
【００２０】
なお、第１光学系測定部Ｓ１における偏光ビームスプリッターＰＢＳと、試料１１からの反射光を光源１５に戻さないための１／４波長板１６とに代えてハーフミラーを用いるようにしても良い。また、１／４波長板１６を備えず偏光ビームスプリッターＰＢＳのみを備えた構成としても良い。さらに、第２光学系測定部Ｓ２および第３光学系測定部Ｓ３におけるビームスプリッターＢＳに代えてハーフミラーを用いるようにしても良い。この方法によれば、本測定装置１を安価で構成することができる。
【００２１】
また、第２光学系測定部Ｓ２および第３光学系測定部Ｓ３における演算回路１３，１４と、演算処理部Ｓ４における差動アンプ１７に変えて、Ａ／Ｄコンバーターでデジタル化した信号をコンピュータに取り込み、演算処理を行うようにしても良い。この方法によれば、熱によるドリフト等の問題が無くなると共にデータの保持が容易になる。
【００２２】
次に、本発明の表面形状測定装置１により、測定対象面に強度むらが生じない鏡面を使用し、基準変位特性を求めた結果について説明する。図３は、高分解能パルスステージを用いて、測定対象面を０．２μｍステップで移動させたときの変位信号の変化を示すものである。同図に示すように、変位信号Ｅｎの感度は、０．２／μｍであるとの結果が得られた。また、強度むら信号Ｅ０は変位によって変化しないことが確認できた。
【００２３】
一方、図４は、光路に障害物を置き、故意に強度むらを生じさせたときの結果を示すものである。同図に示すように、Ｅｎはオフセットし、ゼロ交差の位置が変化すると共に変位誤差（この場合、１．３μｍ）を生じた。また、Ｅ０もＥｎと共に変化するが、その変化量はＥｎのオフセット量と一致しており、その結果、差動出力Ｅｓ＝Ｅｎ−Ｅ０はゼロ点を通過した。すなわち、これらの測定結果により、本発明の表面形状測定装置１によれば、強度むらによる変位信号Ｅｎの変動を除去することが可能であることが証明できた。
【００２４】
続いて、合焦点法による表面形状の測定結果について説明する。上述のとおり、図１の表面形状測定装置１の構成および図４の変位特性から明らかなように、強度むらによる変動を除去することができる位置はゼロ点、すなわち測定対象面が対物レンズＬ１の焦点に来たときのみである。従って、表面形状の測定を行う場合は、対物レンズＬ１を常に焦点に合わせる合焦点方式を用いる必要がある。
【００２５】
そこで、本測定では、高分解能Ｘ−Ｙステージを用いて合焦点測定システムを構成して実験を行った。この場合、２つの２分割フォトダイオード２ＰＤ−１，２ＰＤ−２からの出力は光電変換後、１２ｂｉｔのＡ／Ｄコンバーターでデジタル化し、コンピュータに取り込んだ。また、ステージの制御は、ＧＰ−ＩＢを用いた。
【００２６】
また、本測定では、前述の研削加工面（Ｒａ：０．１５μｍ）の表面形状を測定したが、その結果（強度むらを除去した場合）は図５（ｂ）に示すとおりである。ここで、同図（ａ）は、触針式によるものであり、同図（ｃ）は、強度むらを除去しない場合の結果を示している。これらの結果から明らかなように、表面形状は、強度むらを除去した（本測定装置１による）場合は、除去しない場合と比較して焦点誤差信号の変化が小さく、触針式に近い高精度な値を得ることができた。
【００２７】
上述の通り、試料１１からの反射光を均等に分岐した光を、２つの２分割フォトダイオード２ＰＤ−１，２ＰＤ−２によって検出し、得られた変位信号Ｅｎ（変位と強度むらが混在する変位信号：検出光出力）とＥ０（強度むらのみによって変化する強度むら信号：参照光出力）の差分を求めることにより、強度むらを除去した信号Ｅｓを得ることができる。また、第１光学系測定部Ｓ１において、試料１１からの反射光を、図２に示す円形マスク２０を通過させて中心部の光を取り除くことにより、回折によって反射光中心部の強度が強くなる場合の変位感度の低下を防止することができる。すなわち、本発明によれば、強度むらや変位感度の低下を最小限に止めることにより、精度の高い測定結果を得ることができる。
【００２８】
なお、上記の実施例では、焦点誤差検出方法を用いた表面形状測定装置１として、ナイフエッジ法によるを適用した場合を例に挙げて説明したが、その他の非接触変位計（非点収差法および臨界角法等）においても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００２９】
また、上記の実施例では、２方向に分岐された光を受光する手段として、２分割フォトダイオード２ＰＤ−１，２ＰＤ−２を使用したが、２分割ではなく、４分割の（若しくはそれ以上の分割数を有する）フォトダイオードを使用しても良い。また、フォトダイオードに代えてＣＣＤなど他の検出素子を用いても良い。
【００３０】
また、この場合、演算回路１３，１４において行った計算式（Ｅｎ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ），Ｅ０＝（Ｃ−Ｄ）／（Ｃ＋Ｄ））および差動アンプ１７における計算式（Ｅｓ＝Ｅｎ−Ｅ０）についても、これに限られるものではない。すなわち、いずれの形態の受光手段を用いる場合であっても、測定対象面の表面形状と反射光強度分布むらとを測定した結果得られる出力と、他方の光を測定対象面の表面形状は測定せず反射光強度分布むらのみを測定した結果得られる出力とに基づいて反射光強度分布むらの影響を除去した表面形状が求められるような計算式であればよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明の表面形状測定方法および表面形状測定装置によれば、反射光強度むらを除去することにより、簡易な装置構成で精度の高い測定結果を得ることができる、などの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】図１の表面形状測定装置に利用する円形マスクを示す説明図である。
【図３】図１の表面形状測定装置における基本変位特性を示す表である。
【図４】図１の表面形状測定装置において、故意に強度むらを生じさせたときの変位特性を示す表である。
【図５】各方式により研削加工面（Ｒａ：０．１５μｍ）の表面形状を測定したときの測定結果を示す図である。
【図６】研削加工面（Ｒａ：０．１５μｍ）からの強度むらが生じた反射光を示す図である。
【符号の説明】
１ 表面形状測定装置
１１ 試料
１２ ナイフエッジ
１３ 演算回路（第２光学系測定部）
１４ 演算回路（第３光学系測定部）
１５ 光源
１６ １/４波長板
１７ 差動アンプ
２０ 円形マスク
２１ 円形ガラス板
２２ 円形黒色フィルム
ＢＳ ビームスプリッター
Ｌ０ コリメーターレンズ
Ｌ１ 対物レンズ
Ｌ２ 集光レンズ
ＰＢＳ 偏向ビームスプリッター
２ＰＤ−１ ２分割フォトダイオード（第２光学系測定部）
２ＰＤ−２ ２分割フォトダイオード（第３光学系測定部）
Ｓ１ 第１光学系測定部
Ｓ２ 第２光学系測定部
Ｓ３ 第３光学系測定部
Ｓ４ 演算処理部

Claims (4)

1. 焦点誤差検出方法を用いて、測定対象面からの反射光を測定することにより測定対象面の表面形状を測定する表面形状測定方法において、
   前記測定対象面からの反射光を２方向に分岐する第１の工程と、
   前記分岐した一方の反射光の受光状態から前記測定対象面の変位に対応する部分を抽出した検出光出力を得る第２の工程と、
   前記分岐した他方の反射光の受光状態をそのまま検出することにより、反射光強度分布むらを測定した参照光出力を得る第３の工程と、
   前記検出光出力と前記参照光出力との差から、前記反射光強度分布むらの影響を除去した表面形状を測定する第４の工程と、
   を備えたことを特徴とする表面形状測定方法。
2. 前記第４の工程は、前記検出光出力に基づいて所定の演算処理を行った結果得られる値Ｅｎから前記参照光出力に基づいて所定の演算処理を行った結果得られる値Ｅ０の差（Ｅｎ−Ｅ０）を求めることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定方法。
3. 焦点誤差検出方法を用いて、測定対象面からの反射光を測定することにより測定対象面の表面形状を測定する表面形状測定装置において、
   前記測定対象面に光を照射する光源と、
   前記測定対象面からの反射光を２方向に分岐する分岐手段と、
   前記分岐した一方の反射光の受光状態から前記測定対象面の変位に対応する部分を抽出する検出光出力抽出手段と、
   前記分岐した他方の反射光の受光状態をそのまま検出することにより、反射光強度分布むらを測定した参照光出力を得る参照光出力取得手段と、
   前記検出光出力と前記参照光出力との差から、前記反射光強度分布むらの影響を除去した表面形状を測定する演算手段と、
   を備えたことを特徴とする表面形状測定装置。
4. 前記光源と前記測定対象面との光路間に、前記反射光の中心部の光を除去可能な中心光除去手段を更に備えたことを特徴とする請求項３に記載の表面形状測定装置。

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