JP5233643B2 - Shape measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、多波長干渉縞を用いて被測定物の形状を測定する形状測定装置に関し、詳しくは干渉色に基づき光干渉を生じる2系統の光束の光路長差を求め、被測定物の形状を測定する形状測定装置に関するものである。 The present invention relates to a shape measuring apparatus that measures the shape of an object to be measured using multi-wavelength interference fringes, and more specifically, obtains the optical path length difference between two light fluxes that cause optical interference based on the interference color, and shapes the object to be measured. The present invention relates to a shape measuring apparatus that measures
従来、非接触かつ高精度に被測定物の形状を測定できる形状測定技術として、2光束干渉対物レンズを用いた形状測定方法が知られている。2光束干渉対物レンズを用いた形状測定方法の一例を示す特許文献1において、測定光路と参照光路とに分割された2系統の多波長光の干渉により得られた多波長干渉縞から、該2系統の光路長差を求める際に、各色光ごとのスペクトルの強度ピークが該光路長差0の位置付近で互いに少しずつずれるようにした多波長干渉縞による形状測定方法が開示されている。かかる従来技術では、前記2系統の多波長光の干渉を、2光束干渉対物レンズを用いて観察する場合、2つの参照板の光学的厚みが互いに異なるようにしている。又、特許文献1では、2つの参照板の光学的厚みの差による、干渉色のスペクトル分布において各色強度ピークが光路長差0の位置から互いに少しずつずれるようにし、このスペクトル分布の非対称性から2系統の光束の光路長差を求める場合に、その絶対値と正負の特定を行うものである。
ところで、2光束干渉対物レンズを用いた形状測定方法において、本来的には、クリアな干渉縞を得るために、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差が0となる位置とを一致させる必要がある。そこで、かかる関係を満たすことができるように、対物レンズと2つの参照板との相互の距離が精度良く設定され作り込みが行われている。ところが、このように精度良く作り込みがなされた対物レンズと2つの参照板を用いても、例えば被測定物に保護膜がコートされている場合や、測定光路内にガラスなどの光透過体などが挿入された場合には、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差が0となる位置が一致せず、形状測定の精度が低下するという問題がある。 By the way, in the shape measuring method using the two-beam interference objective lens, in order to obtain a clear interference fringe, the optical path difference between the position where the object is in focus and the measurement optical path and the reference optical path is zero. It is necessary to match the position to be. In order to satisfy this relationship, the distance between the objective lens and the two reference plates is accurately set and built. However, even if the objective lens and the two reference plates that have been precisely built in this way are used, for example, when the object to be measured is coated with a protective film, or in the measurement optical path, a light transmitting body such as glass, etc. Is inserted, the position where the object to be measured is in focus and the position where the optical path difference between the measurement optical path and the reference optical path is zero do not match, and there is a problem that the accuracy of shape measurement is reduced.
より具体的には、特許文献1において、被測定物に保護膜がコートされている場合や、2光束干渉対物レンズと被測定物との間にガラスのような光透過体などが挿入された場合、測定光路の光路長が変化してしまい、スペクトル分布の非対称性が、2つの参照板の光学的厚みの差に起因する成分に、前記保護膜や光透過体による光路長変化に起因する成分が重畳されて、測定光路と参照光路との光路差の絶対値と正負の特定が不可能となってしまう。 More specifically, in Patent Document 1, when the object to be measured is coated with a protective film, a light transmitting body such as glass is inserted between the two-beam interference objective lens and the object to be measured. In this case, the optical path length of the measurement optical path is changed, and the asymmetry of the spectral distribution is caused by the optical path length change caused by the protective film or the light transmitting body due to the component caused by the difference in optical thickness between the two reference plates. Components are superimposed, and it becomes impossible to specify the absolute value and positive / negative of the optical path difference between the measurement optical path and the reference optical path.
このように、被測定物に保護膜がコートされていたり、2光束干渉対物レンズと被測定物との間にガラスのような光透過体などが挿入されたりして、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差0となる位置とが一致しなくなった場合、従来技術によれば、別な距離寸法で作り込んだ2光束干渉対物レンズを用いるしかなく、それによりコスト高を招いていた。 In this way, the object to be measured is coated with a protective film, or a light transmitting body such as glass is inserted between the two-beam interference objective lens and the object to be measured. When the matching position and the position at which the optical path difference between the measurement optical path and the reference optical path is zero do not match, according to the prior art, a two-beam interference objective lens made with a different distance dimension can be used. Incurred high costs.
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、観察条件に関わらず、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差0となる位置とを一致させることができる形状測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and matches the position where the object to be measured is in focus and the position where the optical path difference between the measurement optical path and the reference optical path is zero, regardless of the observation conditions. An object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus capable of performing
請求項1に記載の形状測定装置は、
光源と、
前記光源からの光束を集光する対物レンズと、
前記対物レンズから出射された光束を、被測定物に向かう測定光と、参照光とに分岐する分岐手段と、
前記被測定物から反射した測定光と、前記参照光とを合成して出射する合成手段と、
前記合成手段で合成された前記測定光と前記参照光を観察する観察手段と、
前記測定光の光路長を調整する調整手段と、を有し、
前記対物レンズと前記被測定物との間には、一部の光束を透過し残りの光束を反射する2枚のハーフミラーが配置されており、前記被測定物に近い側のハーフミラーが前記分岐手段を構成し、前記対物レンズに近い側のハーフミラーが前記合成手段を構成し、
前記調整手段は、相対的に変位可能な2つの楔状板材を組み合わせてなる前記ハーフミラーの少なくとも一方を含み、前記測定光は、前記2つの楔状部材の重合部を通過するようになっており、前記楔状部材の少なくとも一方を他方に対して変位させることにより、前記測定光の光路長を調整することを特徴とする。
The shape measuring apparatus according to claim 1 comprises:
A light source;
An objective lens for condensing the luminous flux from the light source;
Branching means for branching the light beam emitted from the objective lens into measurement light directed to the object to be measured and reference light;
Combining means for combining and emitting the measurement light reflected from the object to be measured and the reference light;
Observation means for observing the measurement light and the reference light synthesized by the synthesis means;
Have a, and adjusting means for adjusting the optical path length of the measuring light,
Between the objective lens and the object to be measured, two half mirrors that transmit a part of the light beam and reflect the remaining light beam are arranged, and the half mirror on the side close to the object to be measured Constituting a branching means, a half mirror closer to the objective lens constituting the combining means,
The adjusting means includes at least one of the half mirrors formed by combining two wedge-shaped plate members that can be relatively displaced, and the measurement light passes through the overlapping portion of the two wedge-shaped members, The optical path length of the measurement light is adjusted by displacing at least one of the wedge-shaped members with respect to the other .
本発明によれば、例え被測定物に保護膜がコートされたり、2光束干渉対物レンズと被測定物との間にガラスのような光透過体などが挿入されたりしても、前記調整手段により前記測定光の光路長を調整することができるので、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差0となる位置とを一致させることができるため、合成光に基づく高品質な干渉縞等を観察することができる。 According to the present invention, even if the object to be measured is coated with a protective film or a light transmitting body such as glass is inserted between the two-beam interference objective lens and the object to be measured, the adjusting means Since the optical path length of the measurement light can be adjusted, the position where the object to be measured is in focus can be matched with the position where the optical path difference between the measurement optical path and the reference optical path is zero, so that the combined light High quality interference fringes and the like can be observed.
又、前記調整手段は、相対的に変位可能な2つの楔状板材を組み合わせてなる前記ハーフミラーの少なくとも一方を含み、前記測定光は、前記2つの楔状部材の重合部を通過するようになっており、前記楔状部材の少なくとも一方を他方に対して変位させることにより、前記測定光の光路長を調整することを特徴とするので、例えば前記楔状部材を光軸直交方向に変位させることで、前記ハーフミラーの厚さを変化させ、それにより前記測定光の光路長を任意に変化させることができる。 Also, pre-Symbol adjusting means comprises a combination of two wedge-shaped plate material capable displaced relatively comprise at least one of the half mirror, the measuring light is adapted to pass through the overlapping portion of the two wedge-shaped members Since the optical path length of the measurement light is adjusted by displacing at least one of the wedge-shaped members with respect to the other, for example, by displacing the wedge-shaped member in the optical axis orthogonal direction, By changing the thickness of the half mirror, the optical path length of the measurement light can be arbitrarily changed.
請求項2に記載の形状測定装置は、請求項1に記載の発明において、前記楔状部材の少なくとも一方を駆動するアクチュエータを有することを特徴とする。但し、前記楔状部材の少なくとも一方は手動にて相対変位させても良い。 According to a second aspect of the present invention, in the invention according to the first aspect , the shape measuring apparatus includes an actuator that drives at least one of the wedge-shaped members. However, at least one of the wedge-shaped members may be manually displaced.
請求項3に記載の形状測定装置は、請求項1に記載の発明において、前記調整手段は、板厚又は材質の異なるハーフミラーを含み、特定の板厚又は材質を有するハーフミラーに交換することにより、前記測定光の光路長を調整することを特徴とするので、特に複雑な機構を必要とすることなく、簡便に前記測定光の光路長を変化させることができる。尚、特定の板厚又は材質を有するハーフミラーは、手動で交換しても良いし、回転可能なターレットに複数のハーフミラーを搭載し、ターレットを回転させることで機械的に交換するようにしても良い。 According to a third aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the first aspect , the adjusting means includes a half mirror having a different plate thickness or material, and is replaced with a half mirror having a specific plate thickness or material. Therefore, the optical path length of the measurement light can be easily changed without requiring a particularly complicated mechanism. A half mirror having a specific thickness or material may be replaced manually, or a plurality of half mirrors may be mounted on a rotatable turret and mechanically replaced by rotating the turret. Also good.
請求項4に記載の形状測定装置は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、前記観察手段は、前記合成光を撮像する撮像素子と、前記撮像素子からの信号を演算する演算装置とを有することを特徴とする。前記対物レンズに入射する入射光は、前記分岐手段で2系統の光束に分割され、一方は被測定物で反射された測定光として、他方は光路長が既知の参照光として、前記合成手段で合成された後、前記撮像装置に取り込まれる。よって、前記撮像装置からの信号に応じた画像と干渉縞に基づいて、前記演算装置で演算処理することで、前記被測定物の形状を求めることができる。
The shape measuring apparatus according to a fourth aspect of the present invention is the invention according to any one of the first to third aspects, wherein the observation unit calculates an image sensor that images the combined light and a signal from the image sensor. And a device. Incident light incident on the objective lens is split into two light beams by the branching unit, one as measurement light reflected by the object to be measured, the other as reference light having a known optical path length, and the combining unit. After being synthesized, it is taken into the imaging device. Therefore, the shape of the object to be measured can be obtained by performing arithmetic processing with the arithmetic device based on the image and the interference fringes according to the signal from the imaging device.
本発明によれば、観察条件に関わらず、被測定物にピントが合う位置と、測定光路と参照光路との光路差0となる位置とを一致させることができる形状測定装置を提供することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to provide a shape measuring apparatus that can match the position where the object to be measured is focused and the position where the optical path difference between the measurement optical path and the reference optical path is zero, regardless of the observation conditions. It becomes possible.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本実施の形態の形状測定装置を示す概略図であるが、鏡筒等は省略している。図1において、検査光として、光源20から出射された発散光は、照明光学系21を通り、更にビームスプリッタ24で反射して、2光束干渉対物レンズ系OBJに入射する。2光束干渉対物レンズOBJは、光源20からの光束を入射して、参照光と、被測定物14に向かう測定光の2系統に分岐し、更に被測定物14からの反射光を、参照光と合成して出射する機能を有する。2光束干渉対物レンズ系OBJから出射された合成光は、ビームスプリッタ24を通過し、センサレンズ23により集光されて、固体撮像素子であるCCDセンサ22の受光面に入射する。CCDセンサ22で得られた画像データは、パソコン等の演算部25に出力され、演算部25で演算処理を行うことで、被測定物14の形状データが得られ、形状測定が可能となり、不図示の付属モニタで観察できる。CCDセンサ22と演算手段25とで観察手段を構成する。尚、形状測定の原理と画像データに基づく演算については、例えば特開2000−337836号公報等に詳細に記載されているため、以下に説明しない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a shape measuring apparatus according to the present embodiment, but a lens barrel and the like are omitted. In FIG. 1, divergent light emitted from a
図2は、2光束干渉対物レンズ系OBJの断面図である。図3は、ハーフミラー12の拡大図である。図2において、2光束干渉対物レンズ系OBJは、円筒状の鏡筒15内に、対物レンズ10と、2枚のハーフミラー11,12とを収容している。対物レンズ10側の第1ハーフミラー(合成手段)11は、光軸に直交する平行平板であって、下面に半透過膜を蒸着している。一方、被測定物14側の第2ハーフミラー(分岐手段)12は、斜面同士を対面させた2つの楔状部材12a、12bを有している。但し、第2ハーフミラー12を平行平板とし、第1ハーフミラー11を2つの楔状部材で構成しても良い。
FIG. 2 is a sectional view of the two-beam interference objective lens system OBJ. FIG. 3 is an enlarged view of the
図2に示す状態で、楔状部材12a、12bの重合部は光軸に直交する平行平板状になり(重合部の上面と下面が平行になるの意味)、対物レンズ10に近い側の楔状部材12bの上面には、半透過膜を蒸着している。
In the state shown in FIG. 2, the overlapping portions of the wedge-
図2において、鏡筒15は側面に開口15aを有し、開口15aにアクチュエータ16を配置している。アクチュエータ16は、例えば圧電素子(ピエゾアクチュエータ)からなり、外部からの電力の供給により、図3に点線で示すように、鏡筒15に固定された楔状部材12aに対して、楔状部材12bを光軸直交方向に変位させるように機能する。アクチュエータ16としては、ピエゾアクチュエータの他に、モータや手動で操作可能なネジを駆動源として用いてもよい。
In FIG. 2, the
2光束干渉対物レンズ系OBJの機能について、図2を参照して説明する。光源20(図1)から、2光束干渉対物レンズ系OBJに入射した光束は、対物レンズ10で収束光Lに変換され、第1ハーフミラー11を通過し、第2ハーフミラー12の上面で一部の光束(参照光という)L1が反射され、第1ハーフミラー11に戻って反射された後、第2ハーフミラー12に戻って反射され、再度第1ハーフミラー11に向かう。一方、第2ハーフミラー12を透過した残りの光束(測定光という)L2は、被測定物14の表面で反射して、再び第2ハーフミラー12を透過して、第1ハーフミラー11に向かう。よって、参照光L1と測定光L2は、第1ハーフミラー11で合成され、光路長が等しい部分は干渉縞が生じることとなる、かかる合成光は、対物レンズ10を通過して、2光束干渉対物レンズ系OBJから出射した後、CCDセンサ22の受光面に結像することにより、その干渉縞が観察されることとなる。従って、本来的には、被測定物14の表面にピントが合う位置と、参照光L1と測定光L2の光路長差が0となる位置が一致するように、対物レンズ10と、ハーフミラー11,12の位置が決められる。
The function of the two-beam interference objective lens system OBJ will be described with reference to FIG. A light beam incident on the two-beam interference objective lens system OBJ from the light source 20 (FIG. 1) is converted into convergent light L by the
ここで、被測定物14に、空気と屈折率が異なる保護膜13がコートされている場合を考える。かかる場合、保護膜13の厚さに応じて測定光L2の光路長が変化するため、被測定物14の膜下の表面にピントが合う位置と、参照光L1と測定光L2の光路長差が0となる位置が一致しなくなる。
Here, a case is considered where the object to be measured 14 is coated with a
かかる場合、本実施の形態によれば、被測定物14の膜下の表面にピントが合う位置において、参照光L1と測定光L2の2系統の光路差が0となるように、CCDセンサ22からの信号に基づく画像を観察しながら、アクチュエータ16を駆動して楔状部材12bを光軸直交方向に移動させることができる。これにより、図3に示すように、空気と屈折率が異なる楔状部材12a、12bの重合部の厚さが変化(Δ)するので、かかる重合部を通過する測定光L2の距離が変化し、これにより測定光L2の光路長を変えることができる。具体的には、被測定物14に保護膜13がコートされている場合には、第2ハーフミラー12の厚さを薄くする。尚、図3から明らかであるが、楔状部材12bを光軸直交方向に移動させると、参照光L1の光路長も変化する。しかしながら、一方の光路長が長くなると、他方の光路長が短くなるので、光路差が0となる位置は一義的に決まる。
In such a case, according to the present embodiment, the
このように、測定光L2の光路長が変化するのは、被測定物14に保護膜13がコートされている場合に限られず、例えば被測定物14と2光束干渉対物レンズ系OBJとの間に、ガラスのような光透過体が挿入されたような場合でもあり得るが、かかる場合にも、楔状部材12bを光軸直交方向に移動させることで光路長調整は可能である。又、移動させるのは、被測定物14に近い側の楔状部材12aでも良い。更に、測定光の光路長を固定した上で、参照光の光路長を変更して、光路差0を実現しても良い。
As described above, the optical path length of the measurement light L2 is not limited to the case where the object to be measured 14 is coated with the
尚、光路長の調整としては、上述したように2つの楔状部材からなるハーフミラーを用いる代わりに、厚みや屈折率などが異なるハーフミラーを複数種類用意しておき、被測定物の保護膜の厚さ等に応じて、被測定物の膜下の表面にピントが合う位置において、参照光と測定光の2系統の光路差が0となるように、適切なハーフミラーを選択して交換しながら用いることが考えられる。このように、ハーフミラー入れ換え可能な構造とすることで、連続的な調整はできないが、楔状部材を移動させるアクチュエータ等が不要となるため、装置の小型化が実現できる。 As described above, in order to adjust the optical path length, instead of using a half mirror made of two wedge-shaped members as described above, a plurality of types of half mirrors having different thicknesses and refractive indexes are prepared, and the protective film of the object to be measured is prepared. Depending on the thickness, etc., select and replace an appropriate half mirror so that the optical path difference between the two systems of the reference light and measurement light becomes 0 at the position where the surface under the film of the object to be measured is in focus. It is possible to use it. As described above, the structure capable of replacing the half mirror cannot be continuously adjusted, but an actuator or the like for moving the wedge-shaped member is not required, and thus the apparatus can be reduced in size.
10…対物レンズ
11…第1ハーフミラー
12…第2ハーフミラー
12a…楔状部材
12b…楔状部材
13…被測定物保護膜
14…被測定物
15…鏡筒
16…アクチュエータ
20…検査光光源
21…照明光学系
22…CCDセンサ
23…集光レンズ
24…ビームスプリッタ
25…演算部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記光源からの光束を集光する対物レンズと、
前記対物レンズから出射された光束を、被測定物に向かう測定光と、参照光とに分岐する分岐手段と、
前記被測定物から反射した測定光と、前記参照光とを合成して出射する合成手段と、
前記合成手段で合成された前記測定光と前記参照光を観察する観察手段と、
前記測定光の光路長を調整する調整手段と、を有し、
前記対物レンズと前記被測定物との間には、一部の光束を透過し残りの光束を反射する2枚のハーフミラーが配置されており、前記被測定物に近い側のハーフミラーが前記分岐手段を構成し、前記対物レンズに近い側のハーフミラーが前記合成手段を構成し、
前記調整手段は、相対的に変位可能な2つの楔状板材を組み合わせてなる前記ハーフミラーの少なくとも一方を含み、前記測定光は、前記2つの楔状部材の重合部を通過するようになっており、前記楔状部材の少なくとも一方を他方に対して変位させることにより、前記測定光の光路長を調整することを特徴とする形状測定装置。 A light source;
An objective lens for condensing the luminous flux from the light source;
Branching means for branching the light beam emitted from the objective lens into measurement light directed to the object to be measured and reference light;
Combining means for combining and emitting the measurement light reflected from the object to be measured and the reference light;
Observation means for observing the measurement light and the reference light synthesized by the synthesis means;
Have a, and adjusting means for adjusting the optical path length of the measuring light,
Between the objective lens and the object to be measured, two half mirrors that transmit a part of the light beam and reflect the remaining light beam are arranged, and the half mirror on the side close to the object to be measured Constituting a branching means, a half mirror closer to the objective lens constituting the combining means,
The adjusting means includes at least one of the half mirrors formed by combining two wedge-shaped plate members that can be relatively displaced, and the measurement light passes through the overlapping portion of the two wedge-shaped members, A shape measuring apparatus for adjusting an optical path length of the measuring light by displacing at least one of the wedge-shaped members with respect to the other .
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