JP4841691B2 - 表面形状計測装置及び方法 - Google Patents
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Description
まず、縞次数m1,m2の関係を使って場合分けをする。すなわち、縞次数m1とm2の関係は2波長の合成波長の計測レンジ内においては、以下の3つの場合があり、それぞれ別の計算式により縞次数mを求める。
(1)m2=m1の場合、(数6)
(2)m2=m1−1の場合、(数7)
(3)m2=m1+1の場合、(数8)
以上の動作で計測レンジを拡大できる。
まず、1つの合成波長の計測レンジ内で一意に決定できる縞次数の数nは、(数9)で与えられる。波長差を小さくすればするほど判別できる縞次数の数は大きくなる。位相差が0から2πの領域を分割して縞次数の判別に充てると、縞次数1に割り当てられる位相差幅は2π/nとなる。縞次数誤りが発生しない条件は、各波長の位相検出誤差をδφ1,δφ2とすると、(数10)となり、許容される位相検出誤差は数nが大きいほど小さくなる。例えばn=30とすると、各波長でλ/120以下としなければ、縞次数誤りは0にはならない。
(1)m2=m1の場合、(数12)
(2)m2=m1−1の場合、(数13)
(3)m2=m1+1の場合、(数14)
本発明の第1態様によれば、光を放射する光源と、
透過波長がそれぞれ異なる複数の波長フィルターと、
前記複数の波長フィルターを切替える切替装置と、
前記切替装置で切替えられた前記複数の波長フィルターのうちの1つの波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系で干渉させた干渉縞の画像を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像した画像から干渉縞の位相を算出する干渉縞位相検出部と、
前記切替装置で前記複数の波長フィルターを切替えて算出した、少なくとも2つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整するフィルター角度調整部と、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記干渉光学系と前記撮像装置と前記干渉縞位相検出部とを使用して前記被検物体の表面形状計測を行なう解析部と、を備える、表面形状計測装置を提供する。
前記2つの波長と位相を組み合わせて各画素における縞次数を算出する縞次数算出部と、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記2つの波長間の波長差と位相差を検出する縞次数分布解析部と、
前記いずれか一方の波長の演算値を補正して波長差に一致させる波長値補正部と、
前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記2つの波長の位相差が0となる場合の位相値を算出して補正する位相値補正部とを有する、
第2の態様に記載の表面形状計測装置を提供する。
予め前記波長フィルターと光軸の角度を5度〜10度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±1度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整する角度制御部で構成されると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量を算出する角度制御量算出部をさらに備え、
前記演算エラー防止部において、前記複数の波長フィルターで組み合わせる前記2つの波長(λ1,λ2)が、nを整数として、前記角度制御部の基準状態において(数20)を満たす、第3の態様に記載の表面形状計測装置を提供する。
前記少なくとも2つの波長の干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、
前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整し、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記位相算出ステップを行って前記被検物体の表面形状計測を行なう、
表面形状計測方法を提供する。
第5の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。
前記2つの波長の位相を組み合わせて各画素における縞次数を縞次数算出部で算出し、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記2波長間の波長差と位相差を縞次数分布解析部で検出し、
波長値補正部で、前記いずれか一方の波長の演算値を補正して実際の波長差に一致させ、
位相値補正部で、前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記2波長の位相差が0となる場合の位相値を算出して補正する、
第6の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。
前記2つの波長の干渉縞位相より、前記2波長の縞次数が一致する画素における縞次数を算出し、縞次数の分布のヒストグラムを算出し、
前記ヒストグラムの複数のピーク位置と前記ヒストグラムの複数のピーク間隔を検出し、
前記ピーク間隔と前記ピーク位置とから前記位相差を検出する、
第7の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。
角度制御部で、予め前記波長フィルターと光軸の角度を5度〜10度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±1度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整すると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量算出部で角度制御量を算出する、
第7の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。
図1Aは本発明の第1実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図である。
なお、ハーフミラー106と参照面108と被検ワーク保持部107hとで干渉光学系130の一例を構成している。また、結像レンズ109とカメラ110とで撮像装置(撮像機構)131の一例を構成している。
まず、ステップS104は、次回の表面形状計測のための準備動作である。すなわち、ステップS103の処理によって得た波長λ2の角度制御量を元に、回転機構104cにより、波長フィルター103と光の入射角とを制御する(ステップS104参照)。言い換えれば、回転機構104cにより、実際の波長差が設計値に一致するように、複数の波長フィルター103のうちの一方の波長フィルター103(波長λ2用の波長フィルター103)を傾ける角度を調整する。
この二回目の計測では、ステップS104での処理結果を基に波長フィルター103と光の入射角を制御した状態で、図2Aと同様なステップS101〜ステップS103を行なうことにより、二回目の表面形状計測を行なうものである。
また、図3は、図2A及び図2Bに示したステップS103の処理における解析部114の動作を示すフローチャートである。以下に、ステップS103の処理について詳しく説明する。
まず、ステップS112の処理で演算エラー防止部114dを使用して、後述する「エラー防止アルゴリズム」により実際の波長差を検出しておき、設計波長差との差Δを角度制御量算出部114fで算出する。
次に、波長フィルター103の角度制御量を角度制御量算出部114fで算出するが、ここでは、あらかじめ波長フィルター103の基準角度θを9度としておき、基準角度θの±1度の微小範囲で角度を調整するものとする。この基準角度θの選択範囲は、例えば、5度から10度の範囲内から基準角度を選択する。この範囲外であると、光の透過量が低下しすぎるため好ましくないためである。これにより、設計波長差との差Δと角度は1次近似が可能となり、傾け量θ2は(数22)で与えられる。
(1)波長差の一定制御ありでは、(数23)
(2)波長差の一定制御なしでは、(数24)
となり、(λ2−λ1)/λ1倍に低減する。
初めに、2つの波長λ1,λ2の値及び両波長の位相から、前述した(数6),(数7),(数8)と同様に各画素における縞次数mを演算エラー防止部114dの縞次数算出部114d−1で算出する(ステップS121)。ここでは四捨五入は行わない。
特許文献1の手法の計測精度は、λ1=800nm,λ2=805nmの場合、温度変化が±20℃とすると、0.03(nm/℃)×20(℃)=0.6(nm)の波長変動が発生することになる。また、50μmの段差計測時には計測精度が1.78μmとなり、精度不足となってしまう。
特許文献1の手法の計測精度は、λ1=780nm,λ2=810nmの場合、温度変化が20℃とすると、0.03(nm/℃)×20(℃)=0.6(nm)の波長変動が発生することになる。また、10μmの段差計測時には計測精度が189nmとなり、精度不足となってしまう。
図7は本発明の第2実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図である。
図7において、図1A〜図1Eと同じ構成要素については同じ符号を用いて、その説明は省略する。第2実施形態において、フィルターホイール204は、前述の第1実施形態のフィルターホイール104に対応している。第2実施形態では、フィルターホイール204に取り付けられた波長フィルター103(103A,103B,103E)は3枚となっている。3枚の波長フィルター103(103A,103B,103E)は、それぞれ、切替装置104Sで切り替え可能としている(その構成としては、例えば、図1Cにおいて、波長フィルター103Cの代わりに波長フィルター103Eを配置すればよい。)。それぞれの波長フィルター103(103A,103B,103E)の異なる透過波長をλ1,λ2,λ3とすると、2波長位相シフトの動作で組み合わせる2つの波長が常に(数21)を満たす。例えば、以下では、(λ1,λ2)及び(λ1,λ3)の2波長位相シフトを組み合わせて3波長位相シフトを行うものとし、これらの波長の組合せが、常に、(数21)を満たすものとする。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
Claims (9)
- 光を放射する光源と、
透過波長がそれぞれ異なる複数の波長フィルターと、
前記複数の波長フィルターを切替える切替装置と、
前記切替装置で切替えられた前記複数の波長フィルターのうちの1つの波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系で干渉させた干渉縞の画像を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像した画像から干渉縞の位相を算出する干渉縞位相検出部と、
前記切替装置で前記複数の波長フィルターを切替えて算出した、少なくとも2つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整するフィルター角度調整部と、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記干渉光学系と前記撮像装置と前記干渉縞位相検出部とを使用して前記被検物体の表面形状計測を行なう解析部と、を備える、
表面形状計測装置。 - 少なくとも2つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて検出した前記波長差に基づいて干渉縞の位相を補正する演算エラー防止部を備える、
請求項1に記載の表面形状計測装置。 - 前記演算エラー防止部は、
前記2つの波長と位相を組み合わせて各画素における縞次数を算出する縞次数算出部と、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記2つの波長間の波長差と位相差を検出する縞次数分布解析部と、
前記いずれか一方の波長の演算値を補正して波長差に一致させる波長値補正部と、
前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記2つの波長の位相差が0となる場合の位相値を算出して補正する位相値補正部とを有する、
請求項2に記載の表面形状計測装置。 - 光源からの光を波長フィルターに透過させ、前記波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させ、前記被検物体と前記参照面とで反射された光を重ね合わせて干渉させた光を画像として撮像し、前記撮像した画像から干渉させた光の干渉縞位相を算出する位相算出ステップを少なくとも2つの異なる波長の波長フィルターを切替えて行った後、
前記少なくとも2つの波長の干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、
前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整し、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記位相算出ステップを行って前記被検物体の表面形状計測を行なう、
表面形状計測方法。 - 前記2つの波長の干渉縞の位相を組合せて検出した波長差に基づいて位相を補正する演算エラー防止ステップを有する、
請求項5に記載の表面形状計測方法。 - 前記演算エラー防止ステップで、前記2つの波長の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記検出した実際の波長差に基づいて位相を補正する時、
前記2つの波長の位相を組み合わせて各画素における縞次数を縞次数算出部で算出し、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記2波長間の波長差と位相差を縞次数分布解析部で検出し、
波長値補正部で、前記いずれか一方の波長の演算値を補正して実際の波長差に一致させ、
位相値補正部で、前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記2波長の位相差が0となる場合の位相値を算出して補正する、
請求項6に記載の表面形状計測方法。 - 前記縞次数分布解析部で前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記2波長間の実際の波長差と位相差を検出する時、
前記2つの波長の干渉縞位相より、前記2波長の縞次数が一致する画素における縞次数を算出し、縞次数の分布のヒストグラムを算出し、
前記ヒストグラムの複数のピーク位置と前記ヒストグラムの複数のピーク間隔を検出し、
前記ピーク間隔と前記ピーク位置とから前記位相差を検出する、
請求項7に記載の表面形状計測方法。 - 前記フィルター角度調整部で、前記波長差が設計値に一致するように、前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターを傾ける角度を調整する時、
角度制御部で、予め前記波長フィルターと光軸の角度を5度〜10度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±1度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整すると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量算出部で角度制御量を算出する、
請求項7に記載の表面形状計測方法。
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