JP5208681B2 - 斜入射干渉計における測定感度の校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、斜入射干渉計における測定感度の校正方法に関する。

従来、測定対象である対象物の表面に対して光を垂直に照射して、対象物からの反射光である測定光と、参照面からの反射光である参照光とを干渉させ、発生する干渉縞を解析することで対象物の表面（以降、対象物面と呼ぶ。）の形状を測定する干渉計が知られている。
これに対し、対象物に光を斜め方向に入射角度で照射することで、光を垂直に照射する場合よりも同時に測定できる測定可能範囲を広げることができ、例えば、数μｍ以上のうねり（凹凸の高低差を示す）のある表面や、研削面のような粗面などを測定できる斜入射干渉計も知られている（例えば、特許文献１参照）。

一般的に、干渉計で生じる干渉縞は、対象物面の形状に応じた等高線とも呼ばれる。
また、干渉計の測定感度、いわゆる縞感度は、撮像した干渉縞の縞ピッチが示す対象物面の高低差の度合で表される。すなわち、縞ピッチが示す高低差が小さいほど、僅かな高低差を多数本の縞で表すことができ、測定感度がよいと言える。

垂直入射の干渉計における縞感度Λは、使用する光（例えば、レーザ光）の波長λの半分の長さで示される。これに対して、斜入射干渉計における縞感度Λは、入射角度θによって変化し、式（１）で示される。
Λ＝λ／（２cosθ） …（１）
なお、図６に示すように、実際には凹凸のある対象物面３１に対し、仮想の平面を対象物面３１の基準面４０とし、照射光Ｌ1の光軸と、対象物面３１の基準面４０の法線１６とがなす角度を入射角度θとする。図６中、基準面４０をＸ−Ｙ平面で示す。

特開２００８−３２６９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の斜入射干渉計では、入射角度θの誤差が、測定結果に大きな影響を与えてしまう。すなわち、レーザ光の波長λが十分に安定していたとしても、式（１）の関係により、入射角度θの値が正しくなければ、縞感度Λは正しい値とはならず、対象物面の凹凸による縞模様の等高線を誤った波長のものさしで測定することとなってしまう。
入射角度θの値が正しくならない原因として、次の４つの理由を挙げることができる。
まず、斜入射干渉計を製作する際には、想定した縞感度Λになるように、正確な入射角度θでレーザ光を対象物面に入射するように組み立てなければならない。しかし、意図した入射角度θでレーザ光を入射するように組み立てることは困難であり、組み立て精度の課題（第１の課題）があった。あるいは、組み立て後に、測定した入射角度θを用いて、製作した斜入射干渉計で得られる干渉縞の縞感度Λを算出する場合、入射角度θを正確に測定しなければならない。しかし、組み立てられた斜入射干渉計内で入射角度θを正確に測定するのは困難であり、測定精度の課題（第２の課題）があった。

さらに、第１の課題を解決できたとしても、経時変化および温度変化に伴って入射角度θが変化するという課題（第３の課題）があった。
一方、これらの課題を解決するために、縞感度の校正のために特別な試料片を対象物面として用いるとなると、測定の都度、その試料片を使用するという手間が増えるとともに、試料片自体が変化しないように注意して保管しなければならず、使用者の作業が煩雑となってしまうという課題（第４の課題）があった。

本発明の目的は、前述の第１から第４の課題を解決できる測定感度の校正方法であって、使用者が使用環境下で簡便に実施できる斜入射干渉計における測定感度の校正方法を提供することである。

本発明の斜入射干渉計における測定感度の校正方法は、対象物面に対して照射光を入射角度で斜め方向から照射して得られる測定光と、測定の基準となる参照光とを干渉させて生じる干渉縞像に基づき、前記対象物面の形状を測定する斜入射干渉計における測定感度の校正方法であって、前記照射光を任意の第１入射角度で照射して生じる第１干渉縞像を取得し、前記第１干渉縞像中の２点の各位相（φ1Ａ，φ1Ｂ）を当該第１干渉縞像に基づいて算出するとともに、これらの位相の差である第１位相差（Δφ1）を算出し、前記入射角度を任意の第２入射角度まで変化させて、前記第１入射角度から前記第２入射角度までの入射角度の変化量（σ）を取得し、前記照射光を前記第２入射角度で照射して生じる第２干渉縞像を取得し、前記第１干渉縞像中の２点と一致する前記第２干渉縞像中の２点の位相（φ2Ａ，φ2Ｂ）を当該第２干渉縞像に基づいて算出するとともに、これらの位相の差である第２位相差（Δφ2）を算出し、前記第１位相差（Δφ1）と前記第２位相差（Δφ2）との差異である位相差の差分（ΔΦ）を算出し、前記２点に対応する前記対象物面上の２点の高低差について、前記入射角度の変化前後の差異である高低差の変化量（ΔＨ）を、前記２点間の距離（Ｌ）および前記入射角度の変化量（σ）に基づいて算出し、前記高低差の変化量（ΔＨ）を前記位相差の差分（ΔΦ）で除して得られる算出値により前記測定感度を校正することを特徴とする。

この校正方法では、対象物面上の２点の高低差の変化量ΔＨを２点の各位相差の差分ΔΦで除して測定感度を取得するが、前者の高低差の変化量ΔＨを算出する際には、変化前後の入射角度の個々の値を用いないで、入射角度の変化量σを用いる。また、後者の２つの位相差の差分ΔΦを算出する際には、取得された干渉縞像に基づいて算出する各位相を用いるので、入射角度θ1，θ2の値を用いないで済む。
このため、入射角度θを任意の２つの角度に変化させる際に、その変化量σの値を取得すればよく、各入射角度の個々の値は不明でもよい。

以上の校正方法によれば、前述の課題１に対しては、光源の設置時に設定された照射光の入射角度の設定値に対して、実際に光源から発せられる照射光の入射角度に含まれる誤差が、従来の方法による測定感度の校正に影響を与える程度に、大きい場合であっても、入射角度の誤差の影響を受けずに、測定感度を校正できる。また、課題２に対しては、校正の際、照射光の入射角度を実際に測定する必要がないので、入射角度を測定する機器の測定誤差が大きいことによる校正への影響を受けずに済む。
さらに、課題３に対しては、測定感度の校正に経時変化および温度変化に基づく入射角度の変化の影響を受けずに済む。また、課題４に対しては、特別な試料片を用いる必要がない。
従って、斜入射干渉計において、使用者が使用環境下で簡便に測定感度の校正を実施することができる。

本発明の斜入射干渉計における測定感度の校正方法では、前記対象物面を傾斜させる傾斜手段を用いて、前記入射角度を変化させるとともに、前記入射角度の変化量として前記対象物面の傾斜角度の変化量を取得することが好ましい。
この校正方法によれば、傾斜手段を用いるだけで従来の斜入射干渉計の構成を大きく変更することなく、測定感度の校正を実施することができる。

本発明の斜入射干渉計における測定感度の校正方法では、前記照射光の照射角度を可変とする光源を用いて、前記入射角度を変化させるとともに、前記入射角度の変化量として前記照射角度の変化量を取得することが好ましい。
この校正方法によれば、照射角度可変型の光源を用いるだけで従来の斜入射干渉計の構成を大きく変更することなく、測定感度の校正を実施することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
［斜入射干渉計の構成］
図１は、本実施形態の斜入射干渉計１の主な構成を示す全体構成図であり、図２は、校正時の状態を説明する図である。
斜入射干渉計１は、主に、照射部１０、検出部２０から構成されている。照射部１０は、光源１１と、レンズ１２,１３と、三角プリズム１４と、傾斜手段としての傾斜ステージ１５とを備える。対象物３０は、対象物面３１を三角プリズム１４に向けて傾斜ステージ１５上に載置される。検出部２０は、レンズ２１と、カメラ２２とを備える。

光源１１は、照射光Ｌ1であるレーザ光を所定の照射角度で照射するレーザ光源である。光源１１からの照射光Ｌ1は、レンズ１２,１３を介して、平行光として三角プリズム１４に入射する。照射光Ｌ1の一部は、三角プリズム１４を透過して対象物３０を照射する。照射光Ｌ1は、対象物面３１の法線、すなわち、対象物面３１の基準面４０としてのステージ１５Ａの上面の法線１６に対して斜め方向から照射され、対象物面３１を反射する。この対象物面３１の反射光を測定光Ｌ2と呼ぶ。測定光Ｌ2は、再度、三角プリズム１４を透過して検出部２０に向かって進行する。

三角プリズム１４は、対象物面３１に対向配置される面を有し、この面を参照面１４Ａと呼ぶ。
照射光Ｌ1の一部は、三角プリズム１４を透過しないで参照面１４Ａを反射する反射光となる。この反射光は、参照光Ｌ3と呼ばれ、三角プリズム１４を出て検出部２０に向かって進行する。このため、測定光Ｌ2と参照光Ｌ3とが干渉し合い干渉光Ｌ4を生じる。干渉光Ｌ4は、レンズ２１を介してカメラ２２に内蔵された撮像素子に捕捉され、干渉縞の画像として撮像される。

なお、照射部１０としては、三角プリズム１４の代わりに分割素子および合成素子であってもよい。この場合、分割素子が光源１１からの照射光Ｌ1を対象物面３１に照射される光（測定光Ｌ2）と、参照光Ｌ3とに分割する。合成素子は、対象物面を反射した測定光Ｌ2と、参照光Ｌ3とを合成して干渉光Ｌ4にする。照射光Ｌ1の分割や合成には、一般的にビームスプリッタや回折格子などが用いられる。

傾斜ステージ１５は、載置された対象物３０を傾斜させるとともに、傾斜角度の変化量σ（図２参照）を測定できる装置であり、対象物３０を載置可能なステージ１５Ａと、ステージ１５Ａを傾斜させる図示しない傾斜装置とを有する。
傾斜ステージ１５は、ステージ１５Ａの傾斜角度について傾斜前後の変化量σを絶対量として測定することができ、参照面１４Ａに対して対象物面３１を正確に傾斜させることができる。この傾斜ステージ１５の傾斜角度の変化量σは、本発明の入射角度θの変化量に相当し、図１および図２に示される各入射角度θ1,θ2の差に等しい。

［縞感度の校正方法］
以降、斜入射干渉計１の測定感度である縞感度Λを校正する方法について図３も参照して説明する。図３は、縞感度Λの校正方法を示すフロー図である。
まず、対象物３０を傾斜ステージ１５のステージ１５Ａ上に載置し（工程Ｓ１１）、ステージ１５Ａを傾斜させて、対象物面３１の傾斜角度を調整する（工程Ｓ１２）。この工程Ｓ１２にて、対象物面３１に対する照射光Ｌ1の入射角度θが、図１に示す第１入射角度θ1に設定される。第１入射角度θ1は任意の角度でよい。
三角プリズム１４を介して対象物面３１に照射光Ｌ1を照射して、発生する第１干渉縞をカメラ２２にて撮像する（工程Ｓ１３）。
図４は、工程Ｓ１３にて、取得される第１干渉縞の画像の一例を示す。干渉縞の各縞は、ハッチで示した。なお、画像には、便宜上、Ｘ−Ｙ軸およびグリッド線を記載し、また、座標（ＸA，ＹA）,（ＸB，ＹB）で設定された２点Ａ,Ｂ間の距離Ｌ（傾斜ステージの傾斜方向における距離）を例示した。

次に、撮像された第１干渉縞の像中の２点Ａ，Ｂの位相φ1Ａ，φ1Ｂを算出し（工程Ｓ１４）、これらの位相φ1Ａ，φ1Ｂの差である第１位相差Δφ1を算出する（工程Ｓ１５）。ここまでの工程Ｓ１１〜工程Ｓ１５により、第１位相差Δφ1の算出工程Ｓ１が完了する。

続いて、図２に示すように、ステージ１５Ａの傾斜角度を変化量σだけ傾斜させて、照射光Ｌ1の入射角度θが、任意の第２入射角度θ2となるように設定し（工程Ｓ２１）、傾斜角度の変化量σを取得する（工程Ｓ２２）。工程Ｓ２１,Ｓ２２により、入射角度θの変更工程Ｓ２が完了する。

さらに、照射光Ｌ1の入射角度θが第２入射角度θ2である状態で、発生する第２干渉縞をカメラ２２にて撮像する（工程Ｓ３１）。
図５は、工程Ｓ３１にて、取得される第２干渉縞の画像の一例を示す。図４と対比すると、第２干渉縞の縞ピッチは、第１干渉縞よりも小さくなっている。これは、水平面に対するステージ１５Ａの傾きを大きくしたことで、例えば、対象物面３１上の２点の高低差も大きくなり、これによって、同じ２点間に発生する縞の本数が増えるためである。
次に、撮像された第２干渉縞の像中の２点Ａ，Ｂ（第２干渉縞の像中の２点Ａ，Ｂと同一）における位相φ2Ａ，φ2Ｂを算出し（工程Ｓ３２）、これらの位相φ2Ａ，φ2Ｂの差である第２位相差Δφ2を算出する（工程Ｓ３３）。ここまでの工程Ｓ３１〜工程Ｓ３３により、第２位相差Δφ2の算出工程Ｓ３が完了する。

さらに、第１位相差Δφ1と第２位相差Δφ2との差分ΔΦを式（２）により、算出する（工程Ｓ４）。
ΔΦ＝Δφ2−Δφ1 …（２）
また、２点Ａ，Ｂ間の距離Ｌおよび傾斜角度の変化量σに基づいて、傾斜前後における対象物面上の高低差の変化量ΔＨを式（３）により、近似的に算出する（工程Ｓ５）。
ΔＨ＝Ｌ・sinσ …（３）
最後に、縞感度Λを式（４）により、算出する（工程Ｓ６）。
Λ＝ΔＨ／ΔΦ …（４）
このようにして、縞感度Λの校正が完了する。

以上の校正方法の工程Ｓ１４および工程Ｓ３２において２点Ａ，Ｂの各位相φ1Ａ，φ1Ｂ,φ2Ａ，φ2Ｂを算出する際、干渉縞像上の２点Ａ，Ｂの位置は、カメラ２２の撮像素子の画素座標値を基準にして決められる。傾斜前後、すなわち入射角度θの変化前後において、２点Ａ，Ｂの画素座標値はそれぞれ一定となる。
例えば、512×512pixelの撮像素子を有するカメラを用いて第１および第２干渉縞を撮像する場合、２点Ａ，Ｂの画素座標値を以下のように設定し、各位置での位相φ2Ａ，φ2Ｂを算出する。
Ａ（ＸA，ＹA）＝（115，256）
Ｂ（ＸB，ＹB）＝（360，256）

前述のように、入射角度θの変化前後における２つの干渉縞像上の各２点Ａ，Ｂを同一の点とし、距離Ｌを一定としているため、式（３）を用いて対象物面３１上の２点の高低差について、傾斜前後の高低差の変化量ΔＨを算出するには、以下の点を考慮した方がよい。
工程Ｓ１５，Ｓ３３にて、２点の各位相差Δφ1,Δφ2は、撮像された各干渉縞像上の２点Ａ，Ｂを基準に算出される。干渉縞像上の２点Ａ，Ｂは、画素座標を基準に決められ、この画素座標値は変化しない。よって、傾斜角度の変化前後で２点の位置は一定であり、２点の距離Ｌは変化しないことを前提としている。
一方、干渉縞像上の２点Ａ，Ｂに対応する実際の対象物面３１上の２点は、傾斜角度の変化に伴って移動し、対象物面３１上の２点の距離寸法は僅かに変化する。
従って、この距離寸法の変化が、本実施形態における校正方法に影響を与えない程度に微小であることが好ましい。具体的には、傾斜ステージ１５の傾斜角度の変化量σは、数ミリ度程度とするとよい。

工程Ｓ２１において、対象物面３１を傾斜させる際、ステージ１５Ａを所定の回動軸周りに回動させる方法があるが、この回動軸としては、任意の軸を用いることができる。すなわち、傾斜角度を変化させる際の、基準位置としては特に限定されるものではなく、例えば、第１干渉縞像の中心位置を基準位置とする場合、第１干渉縞像の中心位置に対応する対象物面３１の高さ位置が一定となるように対象物面３１全体を傾斜させてもよい。または、２点Ａ，Ｂのいずれかを傾斜角度を変化させる際の基準位置としてもよい。

このような斜入射干渉計の縞感度の校正方法において、高低差の変化量ΔＨを２点Ａ，Ｂの各位相差の差分ΔΦで除して縞感度Λを取得するが、前者の高低差の変化量ΔＨを算出する際には、変化前後の入射角度θ1，θ2の値を用いないで、入射角度の変化量σを用いる。また、後者の２つの位相差の差分ΔΦを算出する際には、取得された干渉縞像に基づいて算出する各位相φ1Ａ，φ1Ｂ，φ2Ａ，φ2Ｂを用いるので、入射角度θ1，θ2の値を用いないで済む。
このため、入射角度θを任意の２つの角度に変化させる際に、その変化量σの値を取得できれば縞感度Λの値を正確に取得でき、各入射角度θ1，θ2の値は不明でもよい。

本実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
光源１１の設置時に設定された照射光Ｌ1の入射角度θの設定値に対して、実際に光源１１から発せられる照射光Ｌ1の入射角度θに含まれる誤差が、従来の方法による縞感度Λの校正に影響を与える程度に、大きい場合であっても、入射角度θの誤差の影響を受けずに、縞感度Λを校正できる。また、校正の際、照射光Ｌ1の入射角度θを測定する必要がないので、入射角度θを測定する機器の測定誤差が大きいことによる校正への影響を受けずに済む。
さらに、縞感度Λの校正に経時変化および温度変化に基づく入射角度θの変化の影響を受けずに済む。また、特別な試料片を用いる必要もない。
従って、斜入射干渉計１において、使用者が使用環境下で簡便に縞感度Λの校正を実施することができる。
また、傾斜ステージ１５を用いるだけで従来の斜入射干渉計の構成を大きく変更することなく、測定感度の校正を実施することができる。

［本発明の変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、位相を算出する箇所を２点Ａ，Ｂとして説明したが、本発明の校正方法によれば、３点以上の位相を算出する場合にも容易に適用できる。例えば、３点Ａ，Ｂ，Ｃの場合、各２点間での測定感度としての縞感度Λをそれぞれ算出し、これらの平均値を用いて測定感度を校正するという方法が採用できる。
また、前記実施形態では、対象物面を傾斜させて入射角度θを変化させる場合を説明したが、本発明の校正方法では、例えば、照射光Ｌ1の照射角度を可変とする光源を用いて、照射光Ｌ1の照射方向を変えることで、入射角度θを変化させてもよい。この校正方法によれば、照射角度可変型の光源を用いるだけで従来の斜入射干渉計の構成を大きく変更することなく、測定感度の校正を実施することができる。

本発明は、斜入射干渉計を用いた形状測定装置などに利用でき、例えば、斜入射角度を調整可能な斜入射干渉計において測定感度の校正方法として利用できる。

本発明の一実施形態に係る斜入射干渉計を示す全体構成図。 図１において、前記斜入射干渉計の測定感度の校正方法を示す図。 前記斜入射干渉計の測定感度の校正方法を示すフロー図。 前記校正の際に取得される第１干渉縞の画像の一例を示す図。 前記校正の際に取得される第２干渉縞の画像の一例を示す図。 前記斜入射干渉計における照射光の入射角度を説明する模式図。

符号の説明

１ …斜入射干渉計
３０ …対象物
３１ …対象物面
１５ …傾斜ステージ（傾斜手段）
Ｌ …２点間の距離
ΔＨ …高低差の変化量
θ, θ1 ，θ2 …入射角度
Λ …縞感度（測定感度）
σ …入射角度の変化量
φ1Ａ，φ1Ｂ …位相
Δφ1，Δφ2 …位相差
ΔΦ …位相差の差分。

Claims (3)

1. 対象物面に対して照射光を入射角度で斜め方向から照射して得られる測定光と、測定の基準となる参照光とを干渉させて生じる干渉縞像に基づき、前記対象物面の形状を測定する斜入射干渉計における測定感度の校正方法であって、
   前記照射光を任意の第１入射角度で照射して生じる第１干渉縞像を取得し、
   前記第１干渉縞像中の２点の各位相（φ1Ａ，φ1Ｂ）を当該第１干渉縞像に基づいて算出するとともに、これらの位相の差である第１位相差（Δφ1）を算出し、
   前記入射角度を任意の第２入射角度まで変化させて、前記第１入射角度から前記第２入射角度までの入射角度の変化量（σ）を取得し、
   前記照射光を前記第２入射角度で照射して生じる第２干渉縞像を取得し、
   前記第１干渉縞像中の２点と一致する前記第２干渉縞像中の２点の位相（φ2Ａ，φ2Ｂ）を当該第２干渉縞像に基づいて算出するとともに、これらの位相の差である第２位相差（Δφ2）を算出し、
   前記第１位相差（Δφ1）と前記第２位相差（Δφ2）との差異である位相差の差分（ΔΦ）を算出し、
   前記２点に対応する前記対象物面上の２点の高低差について、前記入射角度の変化前後の差異である高低差の変化量（ΔＨ）を、前記２点間の距離（Ｌ）および前記入射角度の変化量（σ）に基づいて算出し、
   前記高低差の変化量（ΔＨ）を前記位相差の差分（ΔΦ）で除して得られる算出値により前記測定感度を校正することを特徴とする斜入射干渉計における測定感度の校正方法。
2. 請求項１に記載の斜入射干渉計における測定感度の校正方法において、
   前記対象物面を傾斜させる傾斜手段を用いて、前記入射角度を変化させるとともに、前記入射角度の変化量として前記対象物面の傾斜角度の変化量を取得することを特徴とする斜入射干渉計における測定感度の校正方法。
3. 請求項１に記載の斜入射干渉計における測定感度の校正方法において、
   前記照射光の照射角度を可変とする光源を用いて、前記入射角度を変化させるとともに、前記入射角度の変化量として前記照射角度の変化量を取得することを特徴とする斜入射干渉計における測定感度の校正方法。

Images