JP5472575B2

JP5472575B2 - 対向面内所定位置における対向面間距離測定装置及び方法、及びそれらを用いた高平面度加工方法

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Publication number: JP5472575B2
Application number: JP2009043796A
Authority: JP
Inventors: 真吾亀田
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-02-26
Also published as: JP2010197281A

Description

本発明は、一対の対向被測定体の対向面間距離を対向面内の所定位置において測定するための装置、及び方法に関する。より詳細には、本発明は、対向面間で１回以上反射された後に透過したそれぞれの光と反射されずに透過した光とが従う干渉条件が対向面間距離に応じて変化することを利用して、対向面の不均一さ、すなわち対向面内所定位置に依存して変化する対向面間距離を測定するための装置、及び方法に関する。
さらに、本発明は、そのような装置又は方法により対向面内の各位置における対向面間距離を測定することにより、対向面の平面度を高精度で測定し、その測定結果を利用して高平面度加工をするための方法に関する。

材料表面を高い平面度に加工するための技術が、さまざまな分野において必要とされている。例えばレーザー発振器において用いられる一対の反射ミラーは、光の干渉現象を利用することにより励起光をミラー間で増幅させるためのものであるが、この干渉条件をより厳密に制御するためには、ミラー表面の高い平面度が必要である。また、半導体技術のあらゆる分野で広く利用されているシリコンウエハについても、近年の技術進歩による半導体部品の微細化、高度化に伴い、より高純度で平面度の高いものが要求されている。また、特に科学技術研究において用いられる測定機器に関しては、極めて高い精度で光学観測を行うための大口径平面鏡等、一般に市場流通しているものを大幅に超える高い平面度が要求されることがある。

そのような高い平面度を有する平面の作成は、一例として、まず材料を研磨し、作成された平面の平面度を検査し、検査結果として所望の平面度が得られていないと判断された場合には更に研磨と検査を繰り返すといった手順により行われる。この場合、求めている平面度が高い場合には上記手順を多数回反復する必要が生じるため、より短時間で平面度を検査するための検査技法が必要とされる。
また、極めて高い平面度の平面を作成できたとしても、その平面度を正しく測定することができなければ、そもそもどの程度の平面度が達成されたのかを知ることができないから、平面度計測精度の上限は、同時に平面作成精度に対しても、その上限を設定するものである。

光の干渉現象を利用して平面度を測定する方法は、従来から知られている。
一例として、測定対象である一対の平面鏡を、研磨面が対向した状態で所定の傾斜角度を与えて重ね、そこへ光を照射した際に生じた干渉縞の位置を計測するという方法がある（図１）。図１のように重ねた一対の平面鏡において両研磨面の接触点から距離xだけ離れた位置を考えると、一方の研磨面で反射される入射光と他方の研磨面で反射される照射光との間には、仮に研磨面が完全な平面であるとした場合2xtanαの光路差が存在する。この光路差が（反射による位相のずれを考慮して）照射光波長の半整数倍に一致するようなxにおいて、それぞれの反射光が共振する（強めあう）こととなる。このようにして計算される理想的な干渉縞の位置xと、実験的に、一般的には干渉縞をフィルムで撮影し、撮影像を拡大することで計測される干渉縞位置の実測値xと、の間のずれを評価することにより研磨面の平面度を測定するという方法が、従来から用いられている。同様に光の干渉現象を利用して光路差の理想値からのずれを決定することにより平面度を測定するための方法としては、例えばフィゾー干渉計を用いる方法も広く採用されている。

その他には、測定対象に対して白色光を照射し、これを走査し、各走査点において得られた測定データに数値演算を施すことにより、測定対象の３次元構造を高精度で測定できるような、白色干渉法を利用した３次元構造解析装置も開発されている（非特許文献１）。

佐藤敦「白色干渉法を利用した最新の表面形状評価技術」表面技術 Vol. 57, p.554 (2006)

しかしながら、上記従来技術による検査技法はいずれも、より短時間で精度よく平面度を計測するという要求に応えることができない。図１を用いて例示した方法を実行するには計測や現像などを含めれば数日かかるのが通常であるし、またこの方法によって達成できる計測精度は約３ｎｍ程度までである。フィゾー干渉計による方法においても、一般的な光源（波長約６３３ｎｍのヘリウムネオンレーザー等）を用いた計測により数ｎｍを超える精度で平面度を測定することは不可能である。
この程度の精度では上述した科学技術研究における要望に応えることができないし、また上述のとおり今後更なる微細化、高度化が予想される半導体部品作成等のための技術に用いる場合にも、やはり不十分である。

また３次元構造解析装置を用いればそれらを超える精度を達成することも可能ではあるが、そもそも解析装置の構造上、測定手段としての白色光を照射する範囲が限定されるのであり、その結果平面度の測定可能な領域も、測定器のサイズに応じてその上限が自ずと定められることとなる。したがってそのような装置を上記大口径平面鏡の平面度測定に用いることは困難である。仮に用いるとしても、研磨面内全領域の平面度を測定するためには著しく大型の装置が必要となり、且つ測定には膨大な時間を要することとなる。または測定対象領域を小領域に分割した上で測定を行い、その後各測定結果を組み合わせて平面度を測定することも考えられるが、平面を検査する場合には組み合わせは困難であり、測定誤差が増大してしまう。すなわちそのような方法は適用範囲に制約があるものと言わざるを得ない。
そこで本発明は、先端技術分野、科学技術研究を含む幅広い用途に対して適用可能な、短時間で精度よく被測定体の平面度を測定するための方法、及びそれを利用した高平面度加工方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、一対の対向被測定体の対向面間所定位置における対向面間距離を測定するための装置を提供する。その測定装置は、狭帯域光発生手段と、狭帯域光発生手段より発生し一対の対向被測定体から透過された透過光を集光するための集光手段と、集光手段により集光された透過光を受光し、受光した透過光に対応する電気的像を表示するために用いることが可能な電気的信号へと、受光した透過光を変換するための受光及び変換手段と、を含む。集光手段は、対向面内所定位置から出射した透過光を集光することにより、所定位置における対向面間距離に対応した干渉条件に従って干渉する透過光を集光することが可能である。

本発明に係る測定装置により得られる上記電気的信号を、例えば画像として表示するなど適宜選択した手段を用いて解析すれば、上記所定位置において出射した透過光が従う干渉条件が判明する。干渉条件が判明すれば、その干渉条件に対応して、上記所定位置における対向面間距離を決定することが可能となる。対向面内の全領域において上記測定を繰り返せば、対向面全体に亘っての平面度を測定することができる。測定結果として得られる平面度が所望される平面度に達していなかった場合には、対向面を更に研磨し、再び本発明に係る測定装置を用いて所望の平面度が達成されたか否かを検査することが可能である。

本発明の別の態様に係る測定方法は、一対の対向被測定体の対向面内所定位置における対向面間距離を測定するための方法である。その測定方法は、狭帯域光発生手段により狭帯域光を発生させる段階と、狭帯域光発生手段により発生し、一対の対向被測定体から透過された透過光を、集光手段により集光する段階と、集光手段により集光された透過光を、受光及び変換手段により受光する段階と、受光した透過光に対応する電気的像を表示するために用いることが可能な電気的信号へと、受光した透過光を受光及び変換手段により変換する段階と、を含む。集光する段階は、対向面内所定位置から出射した透過光を集光することにより、所定位置における対向面間距離に対応した干渉条件に従って干渉する透過光を集光する段階を含む。

本発明に係る測定方法により得られる上記電気的信号を、平面度の測定、及びそれを伴う高平面度加工へと利用できることは、上記測定装置により透過光を電気的信号へと変換した場合と同様である。

本発明の更に別の態様に係る平面度測定方法は、一対の対向基板の対向面において作成した平面の平面度を測定するための方法である。その測定方法は、対向面に光反射膜を蒸着させる段階と、一対の対向基板に基板スペーサを挿入し、対向基板における対向面間距離を一定に維持する段階と、狭帯域光発生手段により発生した狭帯域光を一対の対向基板に照射する段階と、照射され、対向面内における所定位置において一対の対向基板から透過された透過光を、集光手段により集光する段階であって、所定位置から出射した透過光を集光することにより、所定位置における対向面間距離に対応した干渉条件に従って干渉する透過光を集光する段階を含む、段階と、集光手段により集光された透過光を、受光及び変換手段により受光する段階と、受光した透過光に対応する電気的像を表示するために用いることが可能な電気的信号へと、受光した透過光を受光及び変換手段により変換する段階と、表示手段により、電気的信号を用いて電気的像を表示する段階と、電気的像を解析し、対向面間距離を決定する段階と、対向面内において所定位置を新たに選択する段階と、を含み、選択された２以上の所定位置に対して対向面間距離を決定することにより、２以上の所定位置における対向面間距離の不均一さを評価し、作成した平面の平面度を決定することが可能であるような、方法である。

測定結果として得られる平面度が所望される平面度に達していなかった場合には、対向面を更に研磨し、再び本発明の測定装置を用いて所望の平面度が達成されたか否かを検査することが可能である。

本発明の更に別の態様に係る平面作成方法は、一対の対向基板の対向面において平面を作成するための方法である。その平面作成方法は、対向面を研磨する段階と、対向面に光反射膜を蒸着させる段階と、一対の対向基板に基板スペーサを挿入し、対向基板における対向面間距離を一定に維持する段階と、狭帯域光発生手段により発生した狭帯域光を一対の対向基板に照射する段階と、照射され、対向面内における所定位置において一対の対向基板から透過された透過光を、集光手段により集光する段階であって、所定位置から出射した透過光を集光することにより、所定位置における対向面間距離に対応した干渉条件に従って干渉する透過光を集光する段階を含む、段階と、集光手段により集光された透過光を、受光及び変換手段により受光する段階と、受光した透過光に対応する電気的像を表示するために用いることが可能な電気的信号へと、受光した透過光を受光及び変換手段により変換する段階と、表示手段により、電気的信号を用いて電気的像を表示する段階と、電気的像を解析し、対向面間距離を決定する段階と、対向面内において所定位置を新たに選択する段階と、選択された２以上の所定位置に対して決定された対向面間距離を用いて、２以上の所定位置における対向面間距離の不均一さを評価し、作成した平面の平面度を決定する段階と、決定された平面度を目標値と比較する段階と、を含み、比較結果に応じて対向面の再研磨が必要か否かを判断することが可能である、方法である。

本発明によれば、集光された透過光における光の干渉像を解析することにより、測定対象の平面度を高精度で測定することができる。本発明に係る装置及び方法は狭帯域光の入射方向に制限を課す必要がないため（例えば図１に示した従来技術の測定は、特定方向から入射した光のみの干渉縞を観測するものであり、このことはフィゾー干渉計においても同様である。一方本発明においては、図２に関連して後に説明するとおり、あらゆる方向からの入射光に起因する透過光が異なる入射方向ごとにそれぞれ作る干渉縞を同時に観測することが可能である。）、所定位置から出射する透過光の干渉像を各入射方向に対応した透過光干渉像の集合体として得ることが可能であり、すなわちより多くのサンプルに裏付けられた干渉像が得られることとなり、その結果、特定方向から入射した光のみの干渉に依存して測定するよりも精度のより高い、平面度測定結果を得ることが可能となる。また集光手段を、例えば焦点距離の大きい凸レンズを用いて大きな干渉像を得られるよう構成したり、集光された透過光を、例えば２次元電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサによって受光し、電気的像へと変換するよう測定装置を構成し、併せて受光素子密度を上げるなどしてイメージセンサの検出精度が高まるよう構成することによって、平面度の測定精度を更に大幅に向上させることが可能である。この点において、後述の実施例において説明されるとおり、当該技術分野において通常用いられているような現行のイメージセンサを用いた場合でさえ、従来の測定精度を大幅に上回る０．２ｎｍ程度の精度で平面度を測定できることは、本発明が奏する極めて有利な効果である。
さらに、本発明に従う平面度測定においては、集光レンズやイメージセンサなどを適宜選択し、それらを速やかに移動・走査させることで、所定位置をスムースに再設定し測定を反復することが可能である。すなわち短時間で平面度が測定できることとなる。後述の実施例において説明されるような典型的態様において、１つの所定位置における計測、解析に要する時間は５分程度である。
加えて、本発明に従う平面度測定においては、上記従来技術である白色光を用いた３次元構造解析装置を用いた測定において生じたような、測定対象に対するサイズ制限の問題も起こらない。測定する所定位置を変更するためには単に集光手段を新たな所定位置に合わせれば十分だからである。

研磨面の平面度を測定するために従来用いられている構成の概略図である。本発明の利用する原理を、干渉条件の具体例を用いて説明するための図である。本発明に係る対向面間距離測定装置のある実施形態の概略図である。本発明に係る対向面間距離測定方法のある実施形態を説明するためのフローチャートである。本発明に係る対向面間距離測定方法において観測される干渉縞の形状を原理的に説明するための概略図である。本発明に係る対向面間距離測定装置を用いることにより生じる干渉縞の写真である。本発明に係る平面度測定方法のある実施形態を説明するためのフローチャートである。本発明に係る平面度測定方法のある実施形態を用いて得られた、平面度の検査結果である。本発明に係る高平面度加工方法のある実施形態を説明するためのフローチャートである。本発明に係る対向面間距離測定装置の別の実施形態の概略図である。

これより図面を参照して、本発明に係る対向面間距離測定装置、測定方法、及びそれらを用いた高平面度加工方法の好ましい実施形態を説明する。
まず図２を用いて、後述する実施形態により対向面間距離を決定するための光学的原理を説明する。次に、そのような原理を利用する測定装置における第１の実施形態を、図３を参照しつつ説明する。引き続き、当該測定装置を利用する対向面間距離、及び平面度測定方法を、図４及び図７のフローチャートを用いて説明する。この説明中で、当該測定装置を用いることにより観察される干渉縞を原理的に説明する目的で図５を参照する。実際の干渉縞については、図６を用いて説明する。また当該測定装置を用いて測定した平面度検査結果を、図８を用いて説明する。さらに、当該測定方法を用いることにより可能となる高平面度加工方法を、図９のフローチャートを用いて説明する。
その後、測定装置における第２の実施形態について、図１０を参照しつつ説明する。

図２は、対向面Ｓ₁上のＣ₁点に入射した入射光Ｉが、Ｓ₁−Ｓ₂間で一度も反射されずに透過した場合の透過光Ｔ₁、Ｄ₁とＣ₂とで反射された後にＤ₂から透過した場合の透過光Ｔ₂、及び、Ｄ₁，Ｃ₂，Ｄ₂，及びＣ₃で反射された後にＤ₃から透過した場合の透過光Ｔ₃を表した図である。後述する第１の実施形態による測定装置を用いる場合、Ｔ₁，Ｔ₂，及びＴ₃は集光面Ｓ₃において集光された後、受光面上の１点に結像されることとなる。反射回数の違いに起因して、これら透過光がＳ₃に到達するまでに進んだ光路はそれぞれ異なる。具体的に、入射光Ｉの方向ベクトルが対向面Ｓ₁及びＳ₂の法線との間になす角をθ，対向面Ｓ₁−Ｓ₂間距離をｄとした場合、Ｔ₁，Ｔ₂，及びＴ₃の間にはそれぞれ2dcosθの光路差が生じている。したがって、この光路差が

mλ = 2dcosθ ［mは干渉次数（整数）］ … (1)

を満たす場合（ここでは入射光Ｉの波長をλとした。）、Ｔ₁，Ｔ₂，及びＴ₃は共振する（強めあう）こととなる。
上記（１）式を鑑みれば、Ｉとしてあらゆる方向θの光を入射させた上で、Ｓ₃に集光された透過光が強めあうθを特定することにより、干渉条件（１）において未知であるパラメータ、すなわち対向面間距離ｄを決定することが可能となる。
尚、上記（１）の干渉条件は後述する第１の実施形態の測定装置に対応した一例であって、添付の特許請求の範囲に記載される干渉条件がこれに制限されるものではないことは当然である。本発明の範囲内で測定装置の幾何学的構造等に修正を加えれば、それに応じて透過光の干渉条件も変化することとなる。

第１の実施形態による装置の構成
図３は、本発明に係る対向面間距離測定装置の第１の実施形態３００を表した概略図である。
一対の被測定体３０６及び３０８の対向面内所定位置３１８における対向面間距離３１４を測定するための装置３００は、狭帯域光発生手段３０２と、一対の被測定体３０６及び３０８との間の対向面間距離３１４を一定に維持するための対向面間距離維持手段３１０と、狭帯域光発生手段３０２より発生し、一対の対向被測定体３０６及び３０８を透過した透過光３１６を集光するための集光手段３２０と、集光手段３２０により集光された透過光３１６を受光し、受光した透過光に対応する電気的像を表示するために用いることが可能な電気的信号へと、受光した透過光３１６を変換するための受光及び変換手段３２２と、電気的信号を転送するための信号転送手段３２４と、転送された電気的信号を用いて電気的像を表示するための表示手段３２６と、を含む。

狭帯域光発生手段３０２は、被測定体３０６及び３０８に狭帯域光３０４を照射するための手段である。従来の光学的測定装置と異なり、照射方向をこの時点で限定する必要はない。
狭帯域光発生手段３０２として面光源体を採用すれば、被測定体３０６及び３０８に入射する光を、その入射位置や入射方向に関わらず一様なものとすることができるであろう。すなわち測定位置や干渉次数による干渉縞強度のバラつきを廃し、共振の程度を縞強度として直接的に反映した干渉縞を得ることができる。
また、狭帯域光発生手段３０２として単色光発生手段を用いたならば、より鮮明な干渉縞を観測することができると考えられる。単色光としては、約６３３ｎｍの波長を有するヘリウムネオンレーザーや、種々の半導体レーザー、ナトリウムランプ及び水銀ランプ（適切な帯域フィルタを用いれば、その輝線スペクトル内における任意の波長を有する単色光を得ることが可能である。）からの照射光等、一般に光学観測において用いられている波長の光を用いることが可能である。

ここで被測定体３０６及び３０８は、ある程度の光透過性を有することが望ましい。狭帯域光３０４を透過させた上で、その透過光３１６を集光することが、本発明に係る測定方法の実施には必要だからである。ガラスや水晶、及び透明セラミックスなどからなる被測定体は、本発明によって平面度を測るための対象として、特に適している。しかしながら、集光手段３２０や受光及び変換手段３２２として光感度の優れた部材を採用することにより、光透過性の面から必ずしも大きな制約を受けずに、被測定体を選択することは可能である。

また被測定体３０６及び３０８の対向面を光反射膜によって被覆すれば、図２において説明した多重反射が起こりやすくなり、より強く共振する鮮明な干渉縞を観測することが可能となる。これは、図２の例でいうθをより精度よく決定できることを意味し、測定装置３００の測定精度の向上に繋がる。光反射膜としては、高い反射率を有する銀やアルミニウム等が好ましい。

あるいは、被測定体３０６及び３０８の対向面を、低吸収型光反射膜により被覆することも有効である。光反射膜による入射光の吸収を抑えれば、対向面より出射する透過光の光量が増加し、結果として得られる干渉縞は更に鮮明なものとなる。このような低吸収型光反射膜は、特に高い測定精度が要求される場合に有効である。低吸収型光反射膜としては、一般に入手可能である種々の誘電体多層膜を用いることが可能である。

測定の信頼性向上の観点からは、被測定体３０６及び３０８の間に基板スペーサ等の対向面間距離維持手段３１０を挿入し、測定中に対向面間距離が変動しないよう固定することが望ましい。周辺温度の変化による対向面間距離の変動を避けるため、基板スペーサとしては、ガラス、又は水晶のような低熱膨張率基板スペーサを用いることが好ましい。

集光手段３２０としては、一般的な集光凸レンズを用いることができる。一般的な集光凸レンズは一定方向より入射する平行光線を１点に集光する性質があるため、図２の例でいう透過光Ｔ₁，Ｔ₂，及びＴ₃を１点に集光し、干渉現象を測定するのに適している。しかしながら集光手段３２０はこれに限られるものではなく、透過光を都合よく集光するために構成された如何なるレンズシステムであってもよい。集光手段３２０と後述の受光及び変換手段３２２とを一体として、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラシステムや相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラシステムとして構成すれば、所定位置３１８を新たに選択する作業がより簡易に行える。

受光及び変換手段３２２は、光を受光して電気的信号へと変換するための機能を有してさえいれば、どのようなものでもよい。上記集光手段３２０により集光した透過光３１６を直接光学的に観測することでも干渉縞は観測できるので、受光及び変換手段３２２は不可欠の要素ではない。しかしながら、例えばＣＣＤイメージセンサ、又はＣＭＯＳイメージセンサのような固体撮像素子を用いて受光した光を電気的信号へと変換すれば、その後の画像変換によって更に精密な干渉縞の解析が可能となるし、またそのような電気的信号は電子データとして記憶装置に保存するためにも好ましい。

電気的信号を転送するための信号転送手段３２４、及び転送された電気的信号を用いて電気的像を表示するための表示手段３２６も同様に、測定装置３００にとって不可欠ではなく、任意の電気パルス分析装置（例えばオシロスコープ等）を用いて電気的信号を直接分析することも可能である。しかしながら、ＣＣＤイメージセンサなどから出力された電気的信号を電気通信回線（ＬＡＮケーブル、インターネット回線等、どのようなものであってもよい。）を用いてディスプレイ等に転送し、電気的な像として解析することは、既に述べたとおり観測の精度と測定データ利用の利便性を高める上で好ましい。

第１の実施形態による装置を用いた、対向面間距離測定方法
次に、第１の実施形態による測定装置３００の動作を、図４のフローチャートを用いて説明する。測定装置３００を用いることで、本発明に係る対向面間距離測定方法、平面度測定方法、及びそれを利用した高平面度加工方法が実施可能となる。
まず、第１の実施形態による装置を用いた、対向面間距離測定方法について説明する。

図４は、測定装置３００を用いた対向面間距離測定方法のフローチャートである。

まず、ステップＳ４００において、狭帯域光発生手段３０２により狭帯域光３０４を発生させる。

次に、ステップＳ４０２において、発生した狭帯域光３０４は被測定体３０６に照射される。本発明の測定方法によれば所定位置３１８においてあらゆる方向に出射する透過光３１６が集光されるので、上述のとおり面光源によりあらゆる方向から一様な光を照射することが好ましい。照射された狭帯域光は被測定体３０６を透過し、対向面間領域３１２へと侵入する。なお、透過せず３０６の表面で反射される光は、今回の測定において無視される。

ステップＳ４０４において狭帯域光３０４は、対向面間領域３１２内で多重反射される。図２の光路図において、例えば透過光Ｔ₃は、Ｄ₁，Ｃ₂，Ｄ₂，及びＣ₃で反射される。

次に、ステップＳ４０６において、狭帯域光３０４は、透過光３１６として被測定体３０８表面から出射する。図２から明らかなとおり、対向面間領域３１２内で反射された回数に関わらず、ある入射方向に対応する出射方向は一定である。したがって、これら透過光３１６を従来の集光レンズ等により容易に集光することが可能となる。

次に、ステップＳ４０８において、集光手段３２０を用いて、所定位置３１８より出射した透過光３１６を集光する。同一の方向から入射し、対向面間領域３１２内でそれぞれ多重反射したのち対応する出射方向（図２の例においては、一般的に入射方向と同一である。）へと出射した透過光３１６を１点に集光することで、反射回数の違いにより生じる光路差に起因する透過光同士の干渉現象を観測することが可能となる。
なお、ステップＳ４０２において照射方向を制限していない以上、ステップＳ４０８においてはあらゆる方向に出射する透過光３１６が集光され、出射方向に対応したそれぞれの焦点に像を結ぶ。本明細書における干渉縞とは、この像の集合体である。

次に、ステップＳ４１０において、集光された透過光３１６を、受光及び変換手段３２２を用いて受光し、電気的信号へと変換する。既に述べたとおり、集光手段３２０と受光及び変換手段３２２とはＣＣＤカメラシステム等を用いて実装することが可能である。この場合、ステップＳ４１０の受光及び変換とは、集光された透過光３１６を多数の受光用ＣＣＤ素子が配置された受光面に結像させ、光電効果により電荷へと変換することを言う。この電気的信号は転送用ＣＣＤ素子により信号転送手段３２４へと転送される。

次に、ステップＳ４１２において、上記電気的信号を、信号転送手段３２４を用いて表示装置３２６へと転送する。信号転送手段３２４はどのようなものであってもよく、表示装置の代わりに別の電気パルス分析装置を用いるような他の実施形態においては、転送先の装置に合わせて最適な転送手段を選択することが可能である。
また、電気的信号を直接表示装置等へ転送するのではなく、磁気ディスク等の任意の記憶装置に一旦記憶させた後に、必要に応じてディスクから読み出した上で分析を行うことも可能である。この場合、ステップＳ４１２における転送先は（データの書き込みを行うためのプロセッサ等を伴った）記憶装置である。

次に、ステップＳ４１４においては、表示手段３２６により、電気的信号を用いて前記電気的像を表示する。表示手段としては、例えば電気的信号を処理するためのプロセッサ等を備えたディスプレイが考えられる。

次に、ステップＳ４１６においては、上記表示された電気的像を計測し、計測結果から面間距離３１４を算出する。ステップＳ４０８において集光される透過光３１６は出射方向に対応した１点に集光される。すなわちステップＳ４１０においても、集光された透過光３１６はその出射方向に対応した、言い換えれば入射角θに対応した受光面上の特定位置に像を結ぶ。したがって電気的像を幾何学的に計測して干渉縞のピークに対応する結像位置を特定することにより入射角θが求められ、求められたθを式（１）に代入すれば、面間距離dが決定される。

ここで、以下に説明するとおり、入射角θには軸対称の任意性があることに留意する。

図５は、被測定体５０２に狭帯域光５０４が入射する様子を表した模式図である。被測定体５０２の表面に対する法線５０６と狭帯域光５０４とのなす角、すなわち入射角はθである。

ここで、同じ入射角θで入射する狭帯域光として５０４’を考えることも可能であり、入射角θには法線軸周りの回転対称性が存在する。すなわち入射方向を法線４０６の周りに任意の角度だけ回転させても、入射角は同じθである。

図３の測定装置を用いる場合、それら回転対称であるような入射光を照射することによって得られる透過光は全て、同一入射角θを用いた（１）式により規定される干渉条件に従う。
一方で、それら回転対称の関係で結ばれる各々の透過光が集光された後に結像する点の集合は、例えば集光手段３２０として通常の集光凸レンズ等を用いる場合には、円を描く（この場合、上記円の半径を計測することで入射角θが決定される。）。

したがって、ステップＳ４１４において表示される電気的像、すなわち干渉縞は、円形縞の形をとる。このことにより、所定位置３１８における対向面間距離３１４を測定するにあたっては、出射する透過光の干渉像を各（回転対称の関係で結ばれる）入射方向に対応した透過光干渉像の集合体（円）として得ることができる。すなわち入射角θを決定するために干渉縞の半径を求める際には円周上の全ての点を利用することができるので、結果として高い測定精度が得られる。円として得られた干渉像の一例を、図６に示す。

第１の実施形態による装置を用いた、平面度測定方法
上述の対向面間距離測定方法を用いれば、対向面全体としての平面度を測定することができる。図７は、その手順を示したフローチャートである。

図７のフローチャートにおけるステップＳ７００〜Ｓ７１６は、図４のフローチャートにおけるＳ４００〜Ｓ４１６と同一のステップである。一方、図７で説明される方法においては多くの所定位置３１８に対して対向面間距離の測定を繰り返す。すなわち、ステップＳ７１６で対向面間距離を算出した後、十分な数の所定位置３１８に対して測定が終わっているかどうかの判断が行われ、終わっていない場合には、ステップＳ７１８において新たに所定位置３１８を選択する（より詳細には、新たな所定位置３１８へと集光手段３２０を移動させる。）。その後はステップＳ７０８〜Ｓ７１６を繰り返し、新たに選択された所定位置３１８に対応する対向面間距離が算出される。十分な数の所定位置３１８に対する測定が終わっている場合には、ステップＳ７２０において算出された各々の対向面間距離から平面度を算出し、測定を終了する。

図７において説明されている平面度測定方法は、図４において説明された対向面間距離測定方法をさまざまな所定位置３１８に対して実施することにより、対向面内の各所定位置における対向面間距離を求め、それに基づいて対向面の平面度を測定する方法である。

尚、ここにおいて用いられる平面度とは、平面部分における幾何学的平面からの狂いの大きさを評価するための指標一般を表す、広い概念である。例えば、上記各所定位置において求められた対向面間距離の最大値と最小値との差が大きければ、その対向平面は「よい平面」とは言えず、逆に最大値と最小値との差が小さければ、その対向平面は平面度の高い「よい平面」であると言える。ＪＩＳ規格において「指定された測定面内で、その面上のすべての点が、面の代表平面に平行な二つの平面内にあり、かつ、この平面の間の距離が最小となるときの二つの面の間の距離で表す。」として与えられている平面度の定義は、本発明の概念と整合する一例である。

この方法により得られた平面度の測定結果を、図８に示す。
図８に示す結果は、一対の平面鏡を研磨し、その研磨面を対向面として、上記方法により面内各所定位置に対応する対向面間距離を測定したものである。横軸が所定位置３１８に対応し、８０２〜８１０が、各々の所定位置における対向面間距離の測定値を表す。なお、対向面間距離は、ある基準値からの相対値として表されている。図８から分かるとおり、対向面間距離は０．２ｎｍ程度の精度で測定されている。なお、上記測定には、狭帯域光源３０２としてヘリウムネオンレーザーを、対向面間距離維持手段３１０として低熱膨張率ガラス（ゼロデュア）を、集光手段３２０、受光及び変換手段３２２、及び信号転送手段３２４としてはＢｉｔｒａｎ社製ＢＪ４１ＬＣＣＤカメラシステムを、そして表示手段３２６としては描画用アプリケーションソフトウェアを備えた通常のノート型コンピュータを用いている。

水平線８１２及び８１４は、従来技術により達成可能な精度である±３ｎｍを、本発明の測定精度と比較するために書き入れたものである。本発明は、通常用いられている構成機材を組み合わせることで実現可能な測定装置による測定方法でありながら、対向面間距離の測定精度を従来よりも大幅に向上させていることが分かる。

第１の実施形態による装置を用いた、高平面度加工方法
上述の方法による平面度の測定結果を高平面度加工のために利用することができる。すなわち、例えば材料を研磨する等して平面を作成し、上述の方法により平面度を測定し、目標とする平面度が得られていないと判断された場合には更に研磨と測定とを繰り返すという手順による、高平面度加工が可能となる。

なお、実際の高平面度加工においては、あらかじめ材料を研磨した後に、当該材料を被測定体として図３で示される測定装置を構築し、その後上述の測定方法を実施し、測定結果を検討した結果、更なる研磨が必要な場合には、上記測定装置を一旦解体した上で再研磨を行うというのが自然である。したがって、ここではそのような測定装置の構築作業をも含めて、高平面度加工方法の説明を行う。しかしながら、あらかじめ測定装置が構築された状態で研磨と測定とを繰り返すことも可能である（所要時間短縮の観点からはむしろ望ましい）。

図９は、上記測定装置の構築をも明示した上での、本発明に係る高平面度加工方法の手順を示したフローチャートである。

まず、ステップＳ９００において、材料の研磨を行う。本発明に係る測定方法は一対の被測定体を対象とするので、材料も一対のガラス基板等であることが一般的である。しかしながら、例えばあらかじめ平面度の分かっている基板を基準面材料として用意した上で、単一の基板に対して研磨を行い、基準面材料と当該基板とを一対の被測定体として平面度を測定することも可能である。

次に、ステップＳ９０２において、対向面に光反射膜を蒸着させ、基板スペーサ３１０を挿入する。光反射膜の蒸着は入射光の多重反射を誘発して鮮明な干渉縞を得るための手順であり、基板スペーサ３１０の挿入は対向面間距離固定のためである。集光レンズやイメージセンサ等を適切に選択することでも干渉縞の鮮明化は図れるのであり、本発明にとっては光反射膜が必須というわけではない。同様に、基板スペーサを用いずとも本発明の実施は可能である。
なお、光反射膜の一例である銀薄膜は酸化しやすく透過率が低いため、例えば加工の最終段階において特に高精度での測定を行う際には、銀薄膜に代わって誘電体多層膜を蒸着させることが好ましい。高反射率と低吸収率とを併せ持つ誘電体多層膜を用いれば、既に述べたとおり更に鮮明な干渉縞を得ることができるからである。典型的には、まず銀を蒸着させた段階で平面度を概算的に測定し、±１ｎｍ程度の精度が達成された時点で洗浄により銀を除去する。その後に誘電体多層膜の蒸着を行い、更に高精度での平面度測定を行う。

引き続き実行されるステップＳ９０４〜Ｓ９２２は、図８におけるＳ７００〜Ｓ７１８と同様のステップである。ステップＳ９２０で所定位置における面間距離３１４を算出し、十分な数の所定位置３１８に対して測定が終わっているかどうかの判断が行われる。
十分な数の所定位置３１８に対する測定が終わっていない場合には、ステップＳ９２２において所定位置３１８を新たに選択する。その後はステップＳ９１２へと戻り、さまざまな所定位置に対する対向面間距離を算出する。
十分な数の所定位置３１８に対する測定が終わっている場合には、ステップＳ９２４において算出された各々の対向面間距離から平面度を算出し（既に述べたとおり、平面度の定義を特定の計算式に限定する必要はないが、例えば対向面間距離の最大値と最小値との差は、平面度を評価するための一例として有用であろう。）、目標値と比較する。
目標とする平面度が得られていない場合、処理はステップＳ９００へと戻る。再び材料を研磨し、同様に平面度を測定し、目標値との比較を行う。

第２の実施形態による装置の構成
図１０は、本発明に係る対向面間距離測定装置の第２の実施形態１０００を表した概略図である。
狭帯域光発生手段１００２が、一対の被測定体１００６及び１００８から見て集光手段１０２０等と同じ側に配置されているという点は、図３に示した第１の実施形態３００と大きく異なる点である。後述するとおり、第２の実施形態による装置は、特に光透過性を持たない被測定体の平面度測定に適している。

一対の被測定体１００６及び１００８の対向面内所定位置１０１８における対向面間距離１０１４を測定するための装置１０００は、狭帯域光発生手段１００２と、一対の被測定体１００６及び１００８との間の対向面間距離１０１４を一定に維持するための対向面間距離維持手段１０１０と、狭帯域光発生手段１００２より発生し、一対の対向被測定体１００６及び１００８から透過された透過光１０１６を集光するための集光手段１０２０と、集光手段１０２０により集光された透過光１０１６を受光し、受光した透過光に対応する電気的像を表示するために用いることが可能な電気的信号へと、受光した透過光１０１６を変換するための受光及び変換手段１０２２と、電気的信号を転送するための信号転送手段１０２４と、転送された電気的信号を用いて電気的像を表示するための表示手段１０２６と、を含む。狭帯域光発生手段１００２の位置を除けば、図１０における装置１０００は図３における装置３００と同様の配置・構造とすることもできる。

ここで、被測定体１００６は光透過型基板である必要はない。装置１０００を用いた平面度測定においては被測定体１００８側から出射した透過光１０１６のみを集光するのであり、被測定体１００６側から光を透過させる必要はないためである。シリコンウエハ、及びアルミミラーや金ミラーのような金属等、透過型でない材料の平面度を測定する場合には、そのような材料を被測定体１００６として測定装置１０００を構成することが有効である。

対向面間に光反射膜を被覆することで干渉縞の鮮明化が図れることは図３の装置３００における場合と同様であるが、被測定体１００６が光透過性を有さない場合には、そのような被覆を行わずとも十分に光が反射されるのであり、したがって比較的鮮明な干渉縞が得られる。
尚、低吸収型光反射膜により対向面を被覆することは、装置１０００の構成においても依然として有効である。

集光手段１０２０と受光及び変換手段１０２２とについても、図３の装置３００における場合と同様にＣＣＤカメラシステムやＣＭＯＳカメラシステムとして構成することが可能である。
但し、装置１０００を用いた測定においては、図３の装置３００を用いた測定と異なり、最初に照射すべき狭帯域光１００４とその後に集光すべき透過光１０１６とが、一対の被測定体から見て同じ側に存在する。したがって、集光手段１０２０による透過光１０１６の集光が狭帯域光１００４の影響を受けないよう注意する必要がある。

そのような影響を避けるためには、集光手段１０２０と受光及び変換手段１０２２とを一体型とすることが有効である。これにより集光レンズ等の集光手段１０２０において狭帯域光発生手段１００２の側を向いている面への光の入射が遮断されるのであり、即ち集光手段１０２０が狭帯域光１００４を集光することを抑制できる。従来から用いられているＣＣＤカメラシステムは、このような構成をとっている。
また本発明に係る測定方法においては、集光手段１０２０を所定位置１０１８に接近させて、所定位置１０１８からの透過光のみを集光するのが通常である。そのように接近させた状態ならば、そもそも狭帯域光１００４により集光が妨害される恐れは少ないであろう。そのような僅かに入射してしまう狭帯域光をも遮断するためには、例えば集光手段１０２０に遮光カバーを装着し、被測定体１００８と集光手段１０２０との間の隙間に狭帯域光１００４が入り込むことを防ぐ等の措置が有効である。

装置１０００を用いての対向面間距離測定方法、平面度測定方法、及び高平面度加工方法は、装置３００を用いた場合と全く同じ手順で実施することが可能である。測定装置１０００、及びそれを用いた上記方法は、特に光透過性を有さない材料において平面度を測定、及び高平面を作成するために適した本発明の別の実施態様であり、本発明に係る測定装置においては対象とする材料や必要とする測定精度等に応じてこれ以外にも様々な修正を施すことができる。
そのような修正は全て請求の範囲に記載された本発明の範囲に属するのであり、当業者ならば本明細書を添付図面と共に参照することにより、ここにおいて具体的に説明された装置及び方法のさまざまなバリエーションを実施することが可能であろう。

本発明に係る測定装置及び方法を用いれば、ガラスや水晶等の光透過性材料、シリコンウエハ等の非透過性材料を含む幅広い材料において、従来の精度を大幅に超える高精度での平面度測定が可能となる。
本発明に係る測定方法は短時間で実施でき、また白色光を利用する従来の３次元構造解析装置のように、測定対象へのサイズ制限が課されることもない。

３００対向面間距離測定装置
３０２狭帯域光発生手段
３０４狭帯域光
３０６被測定体
３０８被測定体
３１０対向面間距離維持手段
３１２対向面間領域
３１４対向面間距離
３１６透過光
３１８対向面内所定位置
３２０集光手段
３２２受光及び変換手段
３２４信号転送手段
３２６表示手段
５０２被測定体
５０６入射面の法線
１０００対向面間距離測定装置
１００２狭帯域光発生手段
１００４狭帯域光
１００６被測定体
１００８被測定体
１０１０対向面間距離維持手段
１０１２対向面間領域
１０１４対向面間距離
１０１６透過光
１０１８対向面内所定位置
１０２０集光手段
１０２２受光及び変換手段
１０２４信号転送手段
１０２６表示手段

Claims

一対の対向被測定体の対向面間距離の、対向面内の位置についての不均一さを評価するための方法であって、
狭帯域光発生手段により狭帯域光を発生させる段階と、
前記狭帯域光発生手段により発生し、前記一対の対向被測定体から透過された透過光を、集光レンズにより集光する段階と、
前記集光レンズにより集光された前記透過光を、受光及び変換手段により受光する段階と、
前記受光した透過光に対応する電気的像を表示するために用いることが可能な電気的信号へと、該受光した透過光を前記受光及び変換手段により変換する段階と、
を含み、
前記集光する段階は、対向面内所定位置から出射した透過光を集光することにより、該所定位置における前記対向面間距離に対応した干渉条件に従って干渉する該透過光を集光する段階であって、
前記集光する段階と、前記受光する段階と、前記変換する段階とを、前記対向面内で前記集光レンズを走査しつつ、該対向面内の複数の異なる所定位置に対して行うことにより、該集光レンズのレンズ面よりも大きい対向面内における、前記対向面間距離の不均一さを評価するよう構成されたことを特徴とする、方法。
前記狭帯域光を発生させる段階は、単色光を発生させる段階を含む、請求項１に記載の方法。
前記単色光は、約６３３ｎｍの波長を有するヘリウムネオンレーザー、半導体レーザー、ナトリウムランプ、及び水銀ランプのいずれかから発せられる単色光である、請求項２に記載の方法。
前記狭帯域光を発生させる段階は、面光源体により該狭帯域光を発生させる段階を含む、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
前記狭帯域光発生手段と前記集光レンズとは、前記一対の対向被測定体を介してお互いが反対側に配置されている、請求項１に記載の方法。
前記一対の対向被測定体の少なくとも一方は光透過型基板である、請求項５に記載の方法。
前記光透過型基板はガラス、水晶、又は透明セラミックスのうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の方法。
前記狭帯域光発生手段と前記集光レンズとは、前記一対の対向被測定体から見て同じ側に配置されている、請求項１に記載の方法。
前記一対の対向被測定体の少なくとも一方は、シリコンウエハ、又は金属を含む、請求項８に記載の方法。
前記一対の対向被測定体における前記対向面の少なくとも一方は、光反射膜によって少なくとも部分的に被覆されている、請求項１乃至請求項９のいずれか一つに記載の方法。
前記光反射膜は低吸収型光反射膜を含む、請求項１０に記載の方法。
前記低吸収型光反射膜は誘電体多層膜を含む、請求項１１に記載の方法。
一対の対向基板の対向面において作成した平面の平面度を測定するための方法であって、
前記対向面に光反射膜を蒸着させる段階と、
前記一対の対向基板に基板スペーサを挿入し、前記対向基板における対向面間距離を一定に維持する段階と、
狭帯域光発生手段により発生した狭帯域光を前記一対の対向基板に照射する段階と、
前記照射され、前記対向面内における所定位置において前記一対の対向基板から透過された透過光を、集光レンズにより集光する段階であって、該所定位置から出射した透過光を集光することにより、該所定位置における前記対向面間距離に対応した干渉条件に従って干渉する該透過光を集光する段階を含む、段階と、
前記集光レンズにより集光された前記透過光を、受光及び変換手段により受光する段階と、
前記受光した透過光に対応する電気的像を表示するために用いることが可能な電気的信号へと、該受光した透過光を前記受光及び変換手段により変換する段階と、
表示手段により、前記電気的信号を用いて前記電気的像を表示する段階と、
前記電気的像を解析し、前記対向面間距離を決定する段階と、
前記対向面内において前記所定位置を新たに選択する段階と、
を含み、
前記集光する段階と、前記受光する段階と、前記変換する段階と、前記電気的像を表示する段階と、前記対向面間距離を決定する段階と、前記所定位置を新たに選択する段階とを、前記対向面内で前記集光レンズを走査しつつ繰り返し行うことにより、該集光レンズのレンズ面よりも大きい対向面内における、前記対向面間距離の不均一さを評価し、前記作成した平面の平面度を決定するよう構成されたことを特徴とする、方法。
一対の対向基板の対向面において平面を作成するための方法であって、
前記対向面を研磨する段階と、
前記対向面に光反射膜を蒸着させる段階と、
前記一対の対向基板に基板スペーサを挿入し、前記対向基板における対向面間距離を一定に維持する段階と、
狭帯域光発生手段により発生した狭帯域光を前記一対の対向基板に照射する段階と、
（１）前記照射され、前記対向面内における所定位置において前記一対の対向基板から透過された透過光を、集光レンズにより集光するステップであって、該所定位置から出射した透過光を集光することにより、該所定位置における前記対向面間距離に対応した干渉条件に従って干渉する該透過光を集光するステップを含む、ステップと、
（２）前記集光レンズにより集光された前記透過光を、受光及び変換手段により受光するステップと、
（３）前記受光した透過光に対応する電気的像を表示するために用いることが可能な電気的信号へと、該受光した透過光を前記受光及び変換手段により変換するステップと、
（４）表示手段により、前記電気的信号を用いて前記電気的像を表示するステップと、
（５）前記電気的像を解析し、前記対向面間距離を決定するステップと、
（６）前記対向面内において前記所定位置を新たに選択するステップと、
からなるステップ（１）から（６）を、前記対向面内で前記集光レンズを走査しつつ繰り返し行うことにより、該集光レンズのレンズ面よりも大きい対向面内における、前記対向面間距離の不均一さを評価し、作成した平面の平面度を決定する段階と、
前記決定された平面度を目標値と比較する段階と、
を含み、前記比較結果に応じて前記対向面の再研磨が必要か否かを判断することが可能である、方法。