JP4794902B2

JP4794902B2 - 表面計測方法および装置

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Publication number: JP4794902B2
Application number: JP2005137969A
Authority: JP
Inventors: 亮寺尾
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: JP2006317199A

Description

本発明は、光学素子等の表面形状を高精度に計測するための、干渉計を用いた表面計測方法および装置に関するものである。

従来、干渉計を用いた表面粗さ等の表面計測において、計測時のフォーカス調整は、被測定面上にマーキングを設けたり、あるいは遮光部材を挿入し、モニター上の干渉縞を観察しながら調整を行っていた。しかしながら、目視によるフォーカス調整は観察者の感覚による部分が多く、厳密なフォーカス調整は難しい。このような観点から、例えば特許文献１に開示されたように、参照面と被測定面間の干渉計測により取得される第１の計測情報と、参照面と被測定面の間に遮蔽部材を挿入した状態で干渉計測により取得される第２の計測情報を比較して、遮蔽部材のナイフエッジ部による回折誤差を計算し、算出される回折誤差が最適となるように結像光学手段のフォーカスを制御するフォーカス調整方法が提案されている。
特開２０００−９７６１９号公報

しかしながら、被測定面が平面ではなく、例えば球面状、特に高ＮＡを有する球面である場合は、球面全体にフォーカスを合わせることができないという問題がある。例えば図４に示すように、フォーカス位置を球面状の被測定面１５１の端縁位置１５１ａに合わせるようにフォーカス調整を行うと、球面の中心位置１５１ｂではフォーカスがずれてしまう。逆に、被測定面１５１の中心位置１５１ｂにフォーカスを合わせようとすると、端部のフォーカスがずれてしまう。このように、従来のフォーカス調整方法では球面等の測定に対応することができず、特に空間波長周期が短い表面粗さの計測においては、フォーカスがずれていると粗さが小さく評価されてしまい、著しく信頼性が損われる。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、球面状の被測定面であっても表面粗さの計測を高精度で行うことのできる表面計測方法および装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の表面計測方法は、ステージに載置された被測定物の表面形状を、干渉計測光学系の参照面との間の光路差によって計測する表面計測方法であって、前記被測定物の表面と同じ曲率半径の校正原器の、複数の測定領域にそれぞれ対応する干渉計測光学系のフォーカス調整量を求めて記憶手段に記憶する第１工程と、第１工程において記憶されたフォーカス調整量に基づいて、被測定物の複数の測定領域に対してそれぞれ干渉計測光学系のフォーカス調整を行って表面形状を計測し、複数の測定データを得る第２工程と、第２工程で得られた複数の測定データを合成する第３工程と、を有することを特徴とする。

被測定面が球面状であってもフォーカスずれによる著しい測定誤差を生じることなく、被測定物の表面形状を精度よく測定し、表面粗さを正確に評価することができる。

また、参照面校正データを用いて被測定面の各測定データを校正することで、被測定物の表面粗さをより一層高精度よく評価することができる。

図１の（ａ）に示すフィゾー型干渉計において、まず、被測定物５の球面状の被測定面５１の曲率半径と同じ曲率半径を有し、かつ、同図の（ｂ）に示すように表面に複数の遮光部Ｓ１〜Ｓ３と反射部Ｒ１〜Ｒ３が交互に同心円状に配置されている同心円パターンＰを有する校正原器を撮像し、同心円パターンＰのうちの、例えば、遮光部Ｓ１と反射部Ｒ１からなる輪帯状の測定領域である輪帯領域Ｄ１のコントラストが良好になるようにフォーカス調整を行ってフォーカス調整量を記憶する。この工程を残りの輪帯領域Ｄ２、Ｄ３のそれぞれについて行う。次に被測定面５１を上記の校正原器で記憶した複数のフォーカス調整量で複数回に分けて計測し、各輪帯領域ごとの測定データを取得する。このように複数回に分けて各輪帯領域ごとに取得した測定データを合成することにより、被測定面５１の全面測定データ（表面形状データ）を得る。この全面測定データをＦＦＴ処理およびディジタルフィルタ処理のデータ解析を行うことにより表面粗さを求める。

図１の（ａ）はフィゾー型干渉計を用いた干渉計測光学系を示すもので、光源１からレーザ光が出射し、レンズ２を通りビームスプリッタ３により参照レンズ４に向かう。参照レンズ４の参照面４１によりレーザ光の１部は反射され、残りのレーザ光は参照レンズ４を透過し、被測定物５の被測定面５１で反射され、再び参照レンズ４に戻る。参照面４１および被測定面５１で反射されたレーザ光はビームスプリッタ３を透過し、フォーカス調整レンズ６を経て撮像機器７に干渉縞として結像される。このときフォーカス調整レンズ６の位置によりフォーカス位置を調整することができる。

撮像機器７による干渉縞画像を演算処理手段であるコンピュータ８に取り込む。コンピュータ８によって制御される参照レンズ微小駆動機構９により参照レンズ４を微小駆動し、フリンジスキャンを行うことで、干渉縞画像を被測定面５１の高さ情報として変換し、これをコンピュータ８のメモリ（記憶手段）に測定データとして記憶する。また、フォーカス調整レンズ６をフォーカス調整レンズ駆動機構１０によって光軸方向に移動させることで、光学系のフォーカス調整が行われる。

次に、校正原器を用いて各輪帯領域Ｄ１〜Ｄ３ごとにフォーカス位置（フォーカス調整量）を記憶する第１工程について説明する。

図１の（ｂ）に示す同心円パターンＰを有する校正原器をステージ１１に置く。球面状の被測定面５１においては輪帯領域でフォーカスが合うことから、同心円パターンＰによって効率のよいフォーカス位置の調整を行うのが望ましい。

ステージ１１はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸およびＹ軸まわりのθｙ軸、Ｚ軸まわりのθｚ軸を有する。上記の校正原器は被測定物５の被測定面５１と同じ曲率半径を有するもので、同心円パターンＰは、レーザ光を遮光する部分である遮光部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３と、反射する部分である反射部Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３から構成されている。

なお、本実施例では校正原器の同心円パターンは３つの遮光部と３つの反射部により構成されているが、少なくとも遮光部および反射部が２箇所以上配設されていればよい。

校正原器の同心円パターンＰの画像は、撮像機器７を経てコンピュータ８に記憶され、記憶されたデータを強度データＬとする。強度データＬから遮光部Ｓ１および反射部Ｒ１で構成される輪帯領域Ｄ１における強度データを抽出し、遮光部Ｓ１の強度データ平均値をＩmin1、また反射部Ｒ１の強度データ平均値をＩmax1とする。遮光部Ｓ１および反射部Ｒ１で構成される輪帯領域Ｄ１のコントラストＭ１を以下の式（１）で定義する。

コントラストＭ１が最大となるようにフォーカス調整レンズ６をフォーカス調整レンズ駆動機構１０により移動させる。このときのフォーカス調整レンズ駆動機構１０によるフォーカス位置ｘ１をコンピュータ８のメモリ内に記憶するとともに、遮光部Ｓ１と反射部Ｒ１で構成される輪帯領域Ｄ１の位置情報も記憶する。次に遮光部Ｓ２の強度データ平均値をＩmin2、反射部Ｒ２の強度データ平均値をＩmax2として遮光部Ｓ２および反射部Ｒ２で構成される輪帯領域Ｄ２のコントラストＭ２を以下の式（２）で定義する。

コントラストＭ２が最大となるようにフォーカス調整レンズ６を位置調整し、フォーカス調整レンズ駆動機構１０によるフォーカス位置ｘ２と、遮光部Ｓ２および反射部Ｒ２で構成される輪帯領域Ｄ２の位置情報をコンピュータ８に記憶する。同様に遮光部Ｓ３と反射部Ｒ３の強度データ平均値をそれぞれＩmin3、Ｉmax3とすると、遮光部Ｓ３および反射部Ｒ３で構成される輪帯領域Ｄ３のコントラストＭ３は、以下の式（３）で定義される。

コントラストＭ３が最大となるようなフォーカス調整レンズ駆動機構１０によるフォース位置ｘ３と、遮光部Ｓ３および反射部Ｒ３からなる輪帯領域Ｄ３の位置情報をコンピュータ８に記憶する。以上が校正原器を用いてフォーカス調整量を記憶する第１工程である。

次に、第１工程において記憶されたフォーカス位置において複数の測定データを取得し、取得した複数の測定データを合成して被測定面５１の全体の表面形状データを得る第２、第３工程について説明する。

校正原器をステージ１１からはずし、被測定物５を装着する。コンピュータ８により記憶されたフォーカス位置ｘ１までフォーカス調整レンズ６を移動させる。ステージ１１を用いて干渉縞のアライメントを行った後に、フリンジスキャンにより被測定面５１の形状を測定する。測定データはコンピュータ８により最小二乗法でピストン、ティルト、パワー成分を除いた解析データＺ１を記憶する。同様の測定をフォーカス位置ｘ２およびフォーカス位置ｘ３においても行い、それぞれピストン、ティルト、パワー成分を除去された測定データは解析データＺ２、解析データＺ３としてコンピュータ８に記憶する。

このようにフォーカス調整レンズ駆動機構１０が制御するフォーカス位置ｘ１、ｘ２、ｘ３で被測定面５１を測定した後に、解析データＺ１のうち輪帯領域Ｄ１内のみを有効とし、同様に解析データＺ２、解析データＺ３に対しても輪帯領域Ｄ２、Ｄ３内のみのデータを有効として、すべての輪帯領域の測定データを足し合わせることにより全面データを合成し、被測定面５１の全面測定データＺを得る。

全面測定データＺをＦＦＴ処理することにより被測定面５１の表面形状が含んでいる空間波長周期の短い表面粗さの形状成分（粗さ形状）を抽出することができる。また、被測定面５１の全面測定データＺにディジタルフィルタ処理を施すことにより、空間波長周期の短い粗さ形状の分布を求めることができる。

また、被測定面５１の全面測定データＺには参照面４１の表面形状が含まれているため、より高精度に被測定面５１の粗さ形状を計測するためには参照面４１の粗さ形状を分離する必要がある。そこで、以下のように参照面４１と被測定面５１の粗さ形状を分離する。図２に示すように、干渉計の測定範囲を越えるような面積の大きい被測定面１２１を有する被測定物１２をステージ１１に装着する。ステージ１１のθｙ軸、Ｘ軸およびＺ軸を用いた光軸方向の横ずらしと、θｚ軸を用いた回転により、破線で示すように被測定面１２１の分割参照領域を少なくとも２箇所以上計測し、各分割参照領域での被測定面１２１の測定データＷｋを得る。このとき、前述のように、あらかじめ記憶されたフォーカス調整レンズ駆動機構１０が制御するフォーカス位置ｘ１、ｘ２、ｘ３でそれぞれフリンジスキャンによる測定を行って各輪帯領域の測定データを得て、これらを合成したデータを各分割参照領域の測定データＷｋとする。各分割参照領域での被測定面１２１の測定データＷｋを平均化処理することにより参照面形状データＺＲを得る。

このようにして被測定面１２１の粗さ形状は平均化され、絶対平面に近づくため、参照面４１の形状が得られる。式（４）による平均化処理によって得られた参照面形状データＺＲをＦＦＴ処理することにより参照面形状データＺＲが含んでいる空間波長周期の短い表面粗さの形状成分である粗さ形状が得られる。また参照面形状データＺＲにディジタルフィルタ処理を施すことにより空間波長周期の短い粗さ形状の分布がわかる。

被測定面５１の全面測定データＺの粗さ形状および粗さ形状の分布から、参照面校正データである参照面形状データＺＲの粗さ形状および粗さ形状の分布を減算することにより、被測定面５１の粗さ形状およびその分布を精度よく計測することができる。

図３は、上記の測定工程をコンピュータのプログラムによって実行するためのフローチャートを示すもので、ステップ１で校正原器をステージの上にセットし、ステップ２で校正原器上の各輪帯領域のコントラストが最大になるようにフォーカス調整レンズの位置を調整して記憶する。コントラスト調整を行った輪帯領域の位置情報も記憶する。

ステップ３ですべての輪帯領域でコントラストが最大になるようなフォーカス調整レンズの位置と輪帯領域を記憶したか判断する。ステップ４で被測定物５をステージ１１にセットし、ステップ５で、ステップ２において記憶したすべてのフォーカス調整レンズ位置でフリンジスキャンによる表面形状の測定を行い、被測定面５１の各輪帯領域の測定データを得る。

ステップ６で、ステップ２において記憶した輪帯領域の位置情報に基づき、ステップ５で得られた複数の測定データを合成し、被測定面の全面測定データを得る。この被測定面全面データをステップ７でＦＦＴ処理することにより、被測定面の粗さ形状のデータを得る。またディジタルフィルタ処理を行い、被測定面の粗さ形状分布のデータを得る。

ステップ８で干渉計の測定範囲を越えるような被測定面を有する第２の被測定物をステージにセットし、ステップ９で分割参照領域の測定面数と測定位置を決定する。ステップ１０で、各測定位置において、ステップ５、ステップ６と同様の手順で第２の被測定物の測定データを得る。ステップ１１ですべての測定位置での第２の被測定物の測定データを取得したか判断し、ステップ１２ですべての測定位置での第２の被測定物の測定データを平均化処理して、参照面形状データを得る。

ステップ１３で参照面形状データをＦＦＴ処理することにより参照面の粗さ形状のデータを得る。またディジタルフィルタ処理を行い、参照面の粗さ形状分布のデータを得る。

ステップ１４で、ステップ７で得られた被測定面の粗さ形状のデータおよび粗さ形状分布のデータから参照面の粗さ形状のデータおよび粗さ形状分布のデータを減算することで、被測定面の校正粗さデータを得て出力する。

一実施例による表面計測装置の概略構成と校正原器の同心円パターンを示す図である。図１の装置において参照面形状データを得る工程を説明する図である。表面粗さの計測方法を示すフローチャートである。従来例を説明する図である。

符号の説明

１光源
２レンズ
３ビームスプリッタ
４参照レンズ
４１参照面
５、１２被測定物
５１、１２１被測定面
６フォーカス調整レンズ
７撮像機器
８コンピュータ
９参照レンズ微小駆動機構
１０フォーカス調整レンズ駆動機構
１１ステージ

Claims

ステージに載置された被測定物の表面形状を、干渉計測光学系の参照面との間の光路差によって計測する表面計測方法であって、
前記被測定物の表面と同じ曲率半径の校正原器の、複数の測定領域にそれぞれ対応する干渉計測光学系のフォーカス調整量を求めて記憶手段に記憶する第１工程と、
第１工程において記憶されたフォーカス調整量に基づいて、被測定物の複数の測定領域に対してそれぞれ干渉計測光学系のフォーカス調整を行って表面形状を計測し、複数の測定データを得る第２工程と、
第２工程で得られた複数の測定データを合成する第３工程と、を有することを特徴とする表面計測方法。
前記被測定物の表面は球面であって、前記校正原器が、輪帯状の遮光部と反射部が交互に同心円状に配設された同心円パターンを有することを特徴とする請求項１記載の表面計測方法。
前記被測定物の少なくとも２箇所以上の表面である分割参照領域についてそれぞれ表面形状を前記フォーカス調整量に基づいて計測し、平均化することによって参照面校正データを得る工程と、
得られた参照面校正データに基づいて、第２工程において得られた測定データを校正する工程と、を有することを特徴とする請求項１または２記載の表面計測方法。
ステージ上の被測定物の表面形状を参照面との間の光路差によって計測する干渉計測光学系と、前記被測定物の表面と同じ曲率半径で複数の測定領域を有する、前記被測定物のための校正原器と、前記校正原器を用いて測定領域ごとに得られた前記干渉計測光学系のフォーカス調整量を記憶する記憶手段と、記憶されたフォーカス調整量に基づいて、被測定物の複数の測定領域に対してそれぞれ前記干渉計測光学系のフォーカス調整を行って表面形状を計測し、得られた複数の測定データを合成する演算処理手段と、を有することを特徴とする表面計測装置。
前記校正原器は、複数の同心円パターンによる輪帯領域を有する校正原器であることを特徴とする請求項４記載の表面計測装置。