JP5585804B2 - 表面形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、白色光による二光束干渉を使用して被測定物の表面形状を測定する方法に関し、詳しくは、外乱等の影響を抑制して高精度な測定を可能とした表面形状測定方法に係るものである。

従来のこの種の表面形状測定方法は、白色光源からの白色光を被測定物表面と参照面とに照射しながら、上記両面の相対的距離を変動させることにより干渉縞の変化を生じさせ、このときの干渉光の強度値の変化を上記被測定物表面上の複数の特定箇所について測定して得られた上記各特定箇所の干渉光強度値群に基づいて上記複数個の特定箇所の高さをそれぞれ求めて、上記被測定物表面の凹凸形状を測定する表面形状測定方法において、上記白色光源からの白色光の周波数帯域を特定周波数帯域に制限する第１の工程と、上記特定周波数帯域の白色光が照射された被測定物表面と参照面との相対的距離を変動させる第２の工程と、被測定物表面と参照面との相対的距離の変動によって生じる干渉縞の変化に応じた、被測定物表面の特定箇所における干渉光の強度値を、上記特定周波数帯域の帯域幅に応じたサンプリング間隔で順次取り込んだ干渉光強度値群を取得する第３の工程と、この干渉光強度値群から求まる干渉光の強度値変化の理論的な波形の振幅成分に基づく特性関数を推定する第４の工程と、上記推定された特性関数のピーク位置に基づいて、上記特定箇所の高さを求める第５の工程と、を実行するものとなっていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−０６６１２２号公報

しかし、このような従来の表面形状測定方法においては、光の波長によって決まる理論的な干渉光の強度変化の波形を基に計算上フィットするように特定箇所の高さを求めていたため、外乱等により上記波形が乱れた場合には、特定箇所の高さの算出誤差が大きくなってしまい、上記特定箇所における高さを正確に測定することができないという問題があった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、外乱等の影響を抑制して高精度な測定を可能とした表面形状測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による表面形状測定方法は、白色光源から白色光を二光束に分離して一方を被測定物表面に照射すると共に他方を参照面に照射し、前記両面からの反射光を干渉させながら前記両面間の相対距離を変化させて前記被測定物上の複数の測定点における干渉光の輝度変動を撮像手段で検出し、該輝度変動に基づく干渉輝度信号により前記各測定点の高さを求めて前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、前記干渉輝度信号から平均輝度値を求める第１ステップと、前記平均輝度値と、前記干渉輝度信号の最大振幅に対応する最大輝度値及び最小輝度値との間に夫々設定された所定の輝度値を基準にして前記干渉輝度信号の複数の変曲点を探索する第２ステップと、前記探索により抽出された複数の変曲点を結んで上に凸の第１の補間曲線と下に凸の第２の補間曲線とを求める第３ステップと、前記第１の補間曲線の最大値及び前記第２の補間曲線の最小値を求め、さらに前記最大値及び最小値に夫々対応する前記両面間の相対距離の中点を算出して、この中点における前記両面間の相対距離を前記被測定物表面の相対高さとして求める第４ステップと、を実行するものである。

このような構成により、白色光源から白色光を二光束に分離して一方を被測定物表面に照射すると共に他方を参照面に照射し、この両面からの反射光を干渉させながら両面間の相対距離を変化させて被測定物上の複数の測定点における干渉光の輝度変動を撮像手段で検出し、該輝度変動に基づく干渉輝度信号を求め、この干渉輝度信号から平均輝度値を求め、平均輝度値と、上記干渉輝度信号の最大振幅に対応する最大輝度値及び最小輝度値のとの間に夫々設定された所定の輝度値を基準にして上記干渉輝度信号の複数の変曲点を上記所定の輝度値を基準にして探索し、この探索により抽出された複数の変曲点を結んで上に凸の第１の補間曲線と下に凸の第２の補間曲線とを求め、第１の補間曲線の最大値及び第２の補間曲線の最小値を求め、さらにこの最大値及び最小値に夫々対応する上記両面間の相対距離の中点を算出して、この中点における上記両面間の相対距離を被測定物表面の相対高さとして求め、被測定物の表面形状を測定する。

また、前記第２ステップにおいては、前記複数の変曲点を探索開始時から順番に所定数だけ抽出するものである。これにより、複数の変曲点を探索開始時から順番に所定数だけ抽出する。

そして、撮像手段は、複数の受光素子をマトリクス状に配置したものであり、該各受光素子で検出された干渉輝度信号に基づいて受光素子毎に前記第１〜第４ステップを実行する。これにより、マトリクス状に配置した複数の受光素子で干渉輝度信号を検出し、この干渉輝度信号に基づいて受光素子毎に上記第１〜第４ステップを実行する。

請求項１に係る発明によれば、外乱等の影響を受け難い干渉輝度信号の振幅の大きい変曲点だけを抽出することができる。したがって、被測定物の表面形状を外乱等の影響を抑制して高精度に測定することができる。また、上に凸の第１の補間曲線の最大値及び下に凸の第２の補間曲線の最小値に夫々対応する被測定物表面と参照面との間の相対距離の中点を算出してこの中点における上記両面間の相対距離を被測定物表面の相対高さとして求めているので、被測定物の表面形状の測定をより高精度に行なうことができる。

また、請求項２に係る発明によれば、補間曲線を求めるための複数の変曲点を容易に探索することができる。

そして、請求項３に係る発明によれば、被測定物の表面形状の測定をより緻密に行なうことができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明による表面形状測定方法に使用する表面形状測定装置の概略構成を示す正面図である。この表面形状測定装置は、白色光による二光束干渉を利用して被測定物７の表面形状を測定するもので、ステージ１と、白色光源２と、二光束干渉対物レンズ３と、撮像手段４と、結像レンズ５と、変位手段６と、を備えて成る。

上記ステージ１は、上面に被測定物７を載置して水平面内をＸ軸、Ｙ軸方向に移動させるものであり、図示省略のモータ及びギア等を組み合わせて構成された駆動手段によって移動するようになっている。なお、Ｙ軸方向は、図１においてＸ軸に直交して手前から奥に向かう奥行き方向である。

上記ステージ１の上方には、白色光源２が設けられている。この白色光源２は、被測定物７に白色光Ｌ_１を照射してその表面形状を測定するための計測用光源となるもので、ハロゲンランプ、キセノンランプ、超高圧水銀ランプ、白色レーザ光源、白色ＬＥＤ等である。

上記ステージ１と白色光源２とを結ぶ光路上には、被測定物７に対向して二光束干渉対物レンズ３が設けられている。この二光束干渉対物レンズ３は、白色光Ｌ_１を二光束に分離して一方を被測定物７表面に照射すると共に他方を参照面８に照射し、これら両面からの反射光を干渉させるものであり、集光レンズ９と、ビームスプリッタ１０と、平面ミラー１１とを備えて構成されている。

ここで、上記集光レンズ９は、白色光源２から入射する白色光Ｌ_１を被測定物７上に集光するものである。また、上記集光レンズ９の集光点（二光束干渉対物レンズ３の焦点）と参照面８との中間位置には、ビームスプリッタ１０が設けられている。このビームスプリッタ１０は、白色光Ｌ_１を透過光と反射光の二光束に分離し、透過光を測定光Ｌ_２として被測定物７表面に照射させ、反射光を参照光Ｌ_３として参照面８に照射させるようになっている。上記参照面８には、平面ミラー１１が設けられている。この平面ミラー１１は、参照光Ｌ_３をビームスプリッタ１０側に反射させ、被測定物７表面で反射されて戻る測定光Ｌ_２と干渉させるためのものである。

上記二光束干渉対物レンズ３から白色光源２に向かう光路がハーフミラー１２で分岐された光路上には、撮像手段４が設けられている。この撮像手段４は、複数の受光素子をマトリクス状に備えて被測定物７上の二次元画像を撮像すると共に、測定光Ｌ_２と参照光Ｌ_３とが干渉した干渉光Ｌ_４を検出するものであり、例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等である。

上記二光束干渉対物レンズ３と撮像手段４とを結ぶ光路上にてハーフミラー１２の上方には、結像レンズ５が設けられている。この結像レンズ５は、上記干渉光Ｌ_４を撮像手段４の受光面上に結像するものである。

上記二光束干渉対物レンズ３には、変位手段６が設けられている。この変位手段６は、二光束干渉対物レンズ３をその光軸方向（Ｚ軸方向）に移動するもので、図示省略の例えばパーソナルコンピュータ（以下「制御用ＰＣ」という）によって制御されて二光束干渉対物レンズ３を移動範囲の例えば最下点から最上点まで所定速度で移動させる、例えばアクチュエータやピエゾ素子等である。

なお、図１において、符号１３は白色光源２から放射された白色光Ｌ_１を平行光にするコリメートレンズであり、一対のレンズで構成されている。また、符号１４は、光路を折曲する反射ミラーである。

次に、このように構成された表面形状測定装置の動作について説明する。
先ず、ステージ１がＸ軸及びＹ軸方向に移動されて、ステージ１上に載置された被測定物７上の被測定領域が二光束干渉対物レンズ３の下側に位置付けられる。続いて、白色光源２が点灯され、この白色光源２から白色光Ｌ_１が放射される。さらに、この白色光Ｌ_１は、コリメートレンズ１３で平行光にされた後、ハーフミラー１２で被測定物７側に反射されて二光束干渉対物レンズ３に入射する。

二光束干渉対物レンズ３に入射した白色光Ｌ_１は、ビームスプリッタ１０によりこれを透過する測定光Ｌ_２と、反射する参照光Ｌ_３の二光束に分離される。ここで、測定光Ｌ_２は、集光レンズ９の集光点に集光するようにして被測定物７表面に照射し、そこで反射されて二光束干渉対物レンズ３側に戻り、ビームスプリッタ１０を再透過する。一方、参照光Ｌ_３は、参照面８の平面ミラー１１に集光し、そこで反射されて被測定物７側に戻り、ビームスプリッタ１０で再反射される。そして、ビームスプリッタ１０を再透過した測定光Ｌ_２とビームスプリッタ１０で再反射した参照光Ｌ_３とは互いに干渉し、図２に示すような干渉縞が発生する。なお、図２は、Ａ−Ａ線を境界として左右で段差を有する被測定物７表面からの測定光Ｌ_２と参照光Ｌ_３との干渉縞を示している。

測定光Ｌ_２と参照光Ｌ_３とが干渉した状態の干渉光Ｌ_４は、二光束干渉対物レンズ３を射出した後、ハーフミラー１２を透過して結像レンズ５により撮像手段４の受光面に結像される。このとき、撮像手段４の各受光素子においては、干渉光Ｌ_４の輝度が検出される。

次に、制御用ＰＣによって制御された変位手段６により、二光束干渉対物レンズ３がその光軸方向（Ｚ軸方向）に所定の移動範囲の例えば最下点の位置から最上点の位置まで所定速度で移動される。同時に、撮像手段４によって撮像された上記干渉光Ｌ_４は、変位手段６としての例えばピエゾ位置と同期して制御用ＰＣ又は画像処理ボードに取込まれ、そこで輝度データに変換される。そして、受光素子毎に、ピエゾ位置と同期して取得される各輝度データと二光束干渉対物レンズ３の位置データとが画像処理ボードにて処理される。又は、制御用ＰＣの記憶部に保存される。なお、上記位置データは、変位手段６に備えた位置センサーの出力や変位手段６に供給される電圧値等によっても得ることができる。

二光束干渉対物レンズ３が変位されることにより、ビームスプリッタ１０から被測定物７表面までの距離と、ビームスプリッタ１０から参照面８までの距離とに距離の違いが生じ、測定光Ｌ_２と参照光Ｌ_３との間に光路差が生じる。したがって、測定光Ｌ_２と参照光Ｌ_３とは干渉して、この光路差に応じた干渉縞が発生することになる。この場合、上記二光束干渉対物レンズ３の変位により、上記光路差が変化して干渉縞の発生状況が変化する。その結果、撮像手段４の任意の一つの受光素子で検出される輝度は、図３に示すように、二光束干渉対物レンズ３の高さ位置に応じて変動し、複数の変曲点Ｐを有する干渉輝度信号Ｆが得られる。なお、白色光Ｌ_１による干渉においては、二光束干渉対物レンズ３の焦点が被測定物７表面に一致したとき、白色光Ｌ_１を構成する略全ての波長の光の干渉輝度信号が同位相で干渉するため干渉輝度信号Ｆの振幅が最大となる。一方、二光束干渉対物レンズ３の焦点が被測定物７表面位置から上下方向に離れるにしたがって上記各波長の光の干渉輝度信号に位相差が生じ、互いに打ち消しあって干渉輝度信号Ｆの振幅が小さくなる。

次に、上記表面形状測定装置を使用して行う表面形状測定方法について説明する。
図４は本発明による表面形状測定方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
先ず、ステップＳ１（第１ステップ）においては、撮像手段４の受光素子毎に上記記憶部から読み出された輝度データ及び二光束干渉対物レンズ３の位置データに基づいて、干渉輝度信号Ｆの平均輝度値Ｂ_ａｖが制御用ＰＣの演算部で演算して求められる。

ステップＳ２においては、図５に示すように、上記平均輝度値Ｂ_ａｖよりも高いレベルに、上記干渉輝度信号Ｆにおける複数の変曲点Ｐの探索を開始するための探索開始輝度値Ｂ_ｔｈが制御用ＰＣの操作部を操作して設定され、上記記憶部に記憶される。さらに、変曲点Ｐの探索数（例えば“４”）が上記操作部を操作して設定され上記記憶部に記憶される。なお、探索開始輝度値Ｂ_ｔｈは、上記干渉輝度信号Ｆの例えば最大振幅値と平均輝度値Ｂ_ａｖとに基づいて自動設定されてもよい。

ステップＳ３（第２ステップ）においては、上記探索開始輝度値Ｂ_ｔｈ以上の輝度値を示す変曲点Ｐが二光束干渉対物レンズ３の高さ位置の例えば低い方から高い方に向かって順次探索される。その結果、図５に示すように、探索開始時から順番に変曲点Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４の例えば４点が抽出される。

ステップＳ４（第３ステップ）においては、上記抽出された４点の変曲点Ｐ_１〜Ｐ_４における輝度データ及び二光束干渉対物レンズ３の位置データに基づいて各変曲点Ｐ_１〜Ｐ_４を結ぶ補間曲線ｆを所定の演算プログラムに基づいて制御用ＰＣの演算部で求める。

ステップＳ５（第４ステップ）においては、上記補間曲線ｆの最大値Ｐ_ｍａｘを上記演算部で求める。そして、ステップＳ６においては、上記最大値Ｐ_ｍａｘに対応した二光束干渉対物レンズ３の位置ｈを算出し、この位置ｈを被測定物７表面の相対高さとして求める。

ステップＳ７においては、測定領域の全ての測定点に対する相対高さの測定が終了したか否かを制御用ＰＣの判定部で判定する。ここで、“ＮＯ”判定となった場合には、ステップＳ３に戻って次の測定点における干渉輝度信号Ｆの変曲点Ｐ_１〜Ｐ_４の４点が抽出される。そして、ステップＳ７において、“ＹＥＳ”判定となるまでステップＳ３〜Ｓ７が繰り返し実行され、測定領域全体の表面形状の測定が終了する。そして、測定結果は、図示省略のモニター上に例えば等高線表示される。又は、プリントアウトされてもよい。なお、ステップＳ１〜Ｓ３までは、撮像手段４に直結された画像処理ボードにてリアルタイムで処理され、変曲点Ｐ_１〜Ｐ_４のみのデータが制御用ＰＣに送られて、補間曲線ｆと最大値Ｐ_ｍａｘを求める方式も可能である。

図６は本発明による表面形状測定方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。
先ず、ステップＳ１１（第１ステップ）においては、撮像手段４の受光素子毎に上記記憶部から読み出された輝度データ及び二光束干渉対物レンズ３の位置データに基づいて、干渉輝度信号Ｆの平均輝度Ｂ_ａｖが制御用ＰＣの演算部で演算して求められる。

ステップＳ１２においては、図７に示すように、上記平均輝度値Ｂ_ａｖよりも低いレベルに、上記干渉輝度信号Ｆにおける複数の変曲点Ｐの探索を開始するための探索開始輝度値Ｂ′_ｔｈが設定されて上記記憶部に記憶される。さらに、変曲点Ｐの探索数（例えば“４”）が設定され上記記憶部に記憶される。

ステップＳ１３（第２ステップ）においては、上記探索開始輝度値Ｂ′_ｔｈ以下の輝度値を示す変曲点Ｐが二光束干渉対物レンズ３の高さ位置の例えば低い方から高い方に向かって順次探索される。その結果、図７に示すように、探索開始時から順番に変曲点Ｐ′_１，Ｐ′_２，Ｐ′_３，Ｐ′_４の例えば４点が抽出される。

ステップＳ１４（第３ステップ）においては、上記抽出された４点の変曲点Ｐ′_１〜Ｐ′_４における輝度データ及び二光束干渉対物レンズ３の位置データに基づいて各変曲点Ｐ′_１〜Ｐ′_４を結ぶ補間曲線ｆを所定の演算プログラムに基づいて制御用ＰＣの演算部で求める。

ステップＳ１５（第４ステップ）においては、上記補間曲線ｆの最小値Ｐ_ｍｉｎを上記演算部で求める。そして、ステップＳ１６においては、上記最小値Ｐ_ｍｉｎに対応した二光束干渉対物レンズ３の位置ｈを算出し、この位置ｈを被測定物７表面の相対高さとして求める。

ステップＳ１７においては、測定領域の全ての測定点に対する相対高さの測定が終了したか否かを制御用ＰＣの判定部で判定する。ここで、“ＮＯ”判定となった場合には、ステップＳ１３に戻って次の測定点における干渉輝度信号Ｆの変曲点Ｐ′_１〜Ｐ′_４の４点が抽出される。そして、ステップＳ１７において、“ＹＥＳ”判定となるまでステップＳ１３〜ステップＳ１７が繰り返し実行され、測定領域全体の表面形状の測定が終了する。

図８は本発明による表面形状測定方法の第３の実施形態を示すフローチャートである。
先ず、ステップＳ２１（第１ステップ）においては、撮像手段４の受光素子毎に上記記憶部から読み出された輝度データ及び二光束干渉対物レンズ３の位置データに基づいて、干渉輝度信号Ｆの平均輝度Ｂ_ａｖが制御用ＰＣの演算部で演算されて求められる。

ステップＳ２２においては、図９に示すように、上記干渉輝度信号Ｆにおける複数の変曲点Ｐの探索を開始するための第１の探索開始輝度値Ｂ_ｔｈが上記平均輝度値Ｂ_ａｖよりも高いレベルに設定され、第２の探索開始輝度値Ｂ′_ｔｈが上記平均輝度値Ｂ_ａｖよりも低いレベルに設定されて上記記憶部に記憶される。さらに、変曲点Ｐの探索数（例えば“８”）が設定され上記記憶部に記憶される。

ステップＳ２３（第２ステップ）においては、上記第１の探索開始輝度値Ｂ_ｔｈ以上及び第２の探索開始輝度値Ｂ′_ｔｈ以下の輝度値を示す変曲点Ｐが二光束干渉対物レンズ３の高さ位置の例えば低い方から高い方に向かって順次探索される。その結果、図９に示すように、探索開始時から順番に変曲点Ｐ′_１，Ｐ_１，Ｐ′_２，Ｐ_２，Ｐ′_３，Ｐ_３，Ｐ′_４，Ｐ_４の例えば８点が抽出される。

ステップＳ２４（第３ステップ）においては、上記抽出された８点の変曲点Ｐ′_１〜Ｐ′_４及びＰ_１〜Ｐ_４における輝度データ及び二光束干渉対物レンズ３の位置データに基づいて変曲点Ｐ_１〜Ｐ_４を結ぶ第１の補間曲線ｆ_１、及び変曲点Ｐ′_１〜Ｐ′_４を結ぶ第２の補間曲線ｆ_２を所定の演算プログラムに基づいて制御用ＰＣの演算部で求める。

ステップＳ２５（第４ステップ）においては、上記第１の補間曲線ｆ_１の最大値Ｐ_ｍａｘ及び第２の補間曲線ｆ_２の最小値Ｐ_ｍｉｎを上記演算部で求める。さらに、ステップＳ２６（第４ステップ）においては、上記最大値Ｐ_ｍａｘ及び最小値Ｐ_ｍｉｎにそれぞれ対応した二光束干渉対物レンズ３の位置を算出する。そして、ステップＳ２７（第４ステップ）においては、上記二つの位置の中点Ｑを算出してこの中点Ｑにおける位置ｈを被測定物７表面の相対高さとして求める。

ステップＳ２８においては、測定領域の全ての測定点に対する相対高さの測定が終了したか否かを制御用ＰＣの判定部で判定する。ここで、“ＮＯ”判定となった場合には、ステップＳ２３に戻って次の測定点における干渉輝度信号Ｆの変曲点Ｐ′_１〜Ｐ′_４及びＰ_１〜Ｐ_４の８点が抽出される。そして、ステップＳ２８において、“ＹＥＳ”判定となるまでステップＳ２３〜ステップＳ２８が繰り返し実行され、測定領域全体の表面形状の測定が終了する。

以上の説明においては、二光束干渉対物レンズ３をその光軸方向（Ｚ軸方向）に変位させる場合について述べたが、本発明はこれに限られず、上記各光学要素を含む光学系本体部をＺ軸方向に変位させてもよく、又はステージ１をＺ軸方向に変位させてもよい。

本発明による表面形状測定方法に使用する表面形状測定装置の概略構成を示す正面図である。 上記表面形状測定装置により撮像された被測定物表面における干渉縞の一例を示す説明図である。 上記表面形状測定装置の撮像手段により検出される干渉輝度信号の一例を示す説明図である。 本発明による表面形状測定方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。 上記第１の実施形態による表面形状測定方法を示す説明図である。 本発明による表面形状測定方法の第２の実施形態を示すフローチャートである。 上記第２の実施形態による表面形状測定方法を示す説明図である。 本発明による表面形状測定方法の第３の実施形態を示すフローチャートである。 上記第３の実施形態による表面形状測定方法を示す説明図である。

符号の説明

２…白色光源
３…二光束干渉対物レンズ
４…撮像手段
６…変位手段
７…被測定物
８…参照面
Ｆ…干渉輝度信号
Ｂ_ａｖ…平均輝度値
Ｂ_ｔｈ，Ｂ′_ｔｈ…探索開始輝度値（所定の輝度値）
Ｐ，Ｐ_１〜Ｐ_４，Ｐ′_１〜Ｐ′_４…変曲点
ｆ，ｆ_１，ｆ_２…補間曲線

Claims (3)

1. 白色光源から白色光を二光束に分離して一方を被測定物表面に照射すると共に他方を参照面に照射し、前記両面からの反射光を干渉させながら前記両面間の相対距離を変化させて前記被測定物上の複数の測定点における干渉光の輝度変動を撮像手段で検出し、該輝度変動に基づく干渉輝度信号により前記各測定点の高さを求めて前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、
   前記干渉輝度信号から平均輝度値を求める第１ステップと、
   前記平均輝度値と、前記干渉輝度信号の最大振幅に対応する最大輝度値及び最小輝度値との間に夫々設定された所定の輝度値を基準にして前記干渉輝度信号の複数の変曲点を探索する第２ステップと、
   前記探索により抽出された複数の変曲点を結んで上に凸の第１の補間曲線と下に凸の第２の補間曲線とを求める第３ステップと、
   前記第１の補間曲線の最大値及び前記第２の補間曲線の最小値を求め、さらに前記最大値及び最小値に夫々対応する前記両面間の相対距離の中点を算出して、この中点における前記両面間の相対距離を前記被測定物表面の相対高さとして求める第４ステップと、
   を実行することを特徴とする表面形状測定方法。
2. 前記第２ステップにおいては、前記複数の変曲点を探索開始時から順番に所定数だけ抽出することを特徴とする請求項１記載の表面形状測定方法。
3. 前記撮像手段は、複数の受光素子をマトリクス状に配置したものであり、該各受光素子で検出された干渉輝度信号に基づいて受光素子毎に前記第１〜第４ステップを実行することを特徴とする請求項１又は２記載の表面形状測定方法。