JP4794902B2 - 表面計測方法および装置 - Google Patents

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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 (5)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
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