JPH03255907A - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は高精度な非球面レンズ形状等の自由曲面の形状
測定、半導体の微細なパターン形状の測定、さらには、
曲面の上にグレーティング等の微細な段差を形成したフ
レネルレンズの形状測定等、微細な面形状を広いダイナ
ミックレンジで測定する二次元、ないし、三次元の形状
測定装置に関するものである。

従来の技術 非球面レンズなどの自由曲面形状測定において、サブミ
クロンから１０ｎｍ程度の測定精度が必要となってきて
おり、従来の接触式三次元形状測定装置や干渉計では測
定できない状況があった。そこで、測定精度が十分高（
、非球面、自由曲面も測定できる装置として考えられた
ものが特願昭５７−１８９７６１号や特願昭６０−１４
８７１５号に記されている被測定面上に光を集光し、反
射光から面形状を測定する光プローブを利用した光学式
の形状測定装置である。

発明が解決しようとする課題 しかし上記光学式想定装置では、光を被測定面上に集光
して測定する為、光のスポット径で横方向の測定分解能
が制限され、１μｍ以下の微細な形状を測定することは
できない。また、被測定面からの反射光から測定する為
、表面を無反射コートした面形状は測定できない。これ
は光学式測定装置の原理的な問題である。

一方、接触式の測定装置で、このような高精度測定を行
うには、ステージの真直度、スケールの精度と配置の問
題もあるが、接触圧の問題も大きい。たとえば、０．１
μｍの横分解能を持つ測定を行う為には、０．１μｍ以
下の先端曲率半径を持ったプローブ（接触子）が必要で
あるが、このプローブで被測定面を変形させない為には
測定面の材質によって変わるが、概略、３０〜１００ｎ
Ｎ（３〜１０μｇ）以下の接触圧にする必要がある。

この接触圧は従来の触針プローブの質量、バネ常数では
達成できない。つまり、プローブの重さのみで接触圧を
決めると、ダイヤモンドで０．１−立方のみになるし、
バネで支えるにしても、厚さ１３μｍ、輻０．２５＋ｍ
、長さ３ｍのタングステンの板バネでバネ常数がＩＮ／
ｍであり、３０ｎｍたわませるだけで３０ｎＮの力が必
要となる。被測定面の高さ変化に対しこの接触圧を一定
に保つのは至難のわざである。このような理由で、触針
式で小さい接触圧で測定することは、従来技術では非常
に難しかった。

なお、微細形状を測定する為に考えられたもので、針の
位置を被測定面のトンネル電流の量から能動的に制御す
る走査型トンネル顕微鏡があるが、これは測定面が限ら
れた金属でないと測定できないことや、ピエゾ素子で針
位置をコントロールしているに測定範囲が極めて狭いこ
となどの問題があった。

課題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解消する為に、レーザ光を集光さ
せる対物レンズのフォーカス位置にあるべき反射面の位
置がずれても、常にこの反射面にフォーカス位置が来る
よう前記対物レンズを光軸方向である２方向に移動させ
るようなオートフォーカス機能と、この反射面から反射
したレーザ光を参照光と干渉させることにより、反射面
までの距離即ち、反射面のＺ座標を測定することが可能
な手段とを有した光プローブ部と、この光プローブ部に
支持部材を介してＺ方向に移動可能に取付けられ且つ前
記反射面を備えた接触子とを有することを特徴とする。

Ｚ方向に移動可能な支持部材としては、バネ、又はスラ
イド機構などが使用できる。

作　　　用 上記のように接触子を光プローブ部に取付けたことによ
り、接触子が被測定面上を追随してそのＺ方向の位置が
いくら変化しても、光プローブ部は接触子にオートフォ
ーカスにより追随するので、光プローブ部から接触子ま
での距離は変わらない。

従って、例えば支持部材としてバネを使用した場合、バ
ネのたわみ量が一定になるので、極めて軽い一定の接触
圧で大きな被測定面をトレースすることも可能となる。

また、支持部材としてスライド機構を使用した場合、ス
ライド機構のスライドストロークはわずかでいいので、
極めて軽いスライド機構を構成することができ、やはり
、小さな一定の接触厚で大きな被測定面をトレースする
ことが可能となる。

この光プローブ部によって接触子を測定面にトレースさ
せることにより、測定面のＸｚ又はＸＹｚ座標、即ち、
測定面の形状を測定することができる。

実施例 本発明の一実施例として、本出願人が出願した特願昭５
７−１８９７６１号や特願昭６０−１４８７１５号に記
載されている光ヘテロダイン法を利用した超高精度三次
元測定機に接触プローブ部を搭載した形状測定装置につ
いて説明する。

第２図に示す同装置の全体構成において、１９は本体ベ
ースとしての下部石定盤、２０はこの下部石定盤１９と
の間にＸテーブル２１及びＸテーブル２２を介してＸ−
Ｙ方向に移動可能な上部石定盤、１５は上部石室１ｆ２
０の前面に設けられＺ方向に移動可能に支持されたＺ移
動部、２４は被測定物２５を保持するＬ字状の保持台、
２６はこの保持台２４をＹ方向の軸のまわりを回転させ
るモータとエヤースピンドルと回転角を検出するロータ
リーエンコーダからなる回転部、２７はこの回転部２６
を昇降可能に支持し且っＺ方向の軸Ｑのまわりに旋回可
能な旋回台である。

第１図に示すＺ移動部１５において、半導体レーザ１か
ら発したレーザ光Ｇはコリメートレンズ２、偏光ビーム
スプリッタ３、λ／４波長板４を透過した後、ダイクロ
イックミラー５を反射し、対物レンズ６によって板バネ
７上に集光する。

板バネ７の反射面が傾いていると、半導体レーザ光Ｇの
反射光の一部は前記対物レンズ６の開口外に向けて反射
させられるが、残部は対物レンズ６の開口内に向けて反
射させられる。板バネ７の反射面はそんなに太き（傾く
ことはないが、この光学系はレーザ光Ｇや後述する測定
光Ｆｚｌを被測定物２５の被測定面１８に直接集光して
も反射光から形状測定できるので、反射面がどの方向に
最大±３０”まで傾いても必要な光量が対物レンズ６の
開口内に反射されるよう、後述の傾き補正サーボがかか
っている。

対物レンズ６に戻ったレーザ光Ｇの反射光はダイクロイ
ックミラー５及び偏光プリズム３を全反射し、レンズ８
で集光されてハーフミラ−９で２つに分離され、ピンホ
ール１０を通過し、２つの光検出器１１で受光される。

２つの光検出器１１の出力の差がフォーカス誤差信号発
生部１２でフォーカス誤差信号となり、駆動回路１３に
よって、このフォーカス誤差信号がゼロとなるようにリ
ニアモータ１４を制御し、Ｚ移動部１５をＺ軸方向に駆
動する。Ｚ移動部１５の自重分は渦巻きバネ１６により
支持される。

板バネ７は厚さ１０μｍ程度と極めて薄く、光を反射す
る上面細部分は鏡面に研磨しており、下面側には０．１
μｍＲ程度に研磨されたダイヤモンド製の下端部５０（
第４図参照）を有する接触子としての針１７かついてい
る。被測定面１８が無い時は針１７は重力の影響でフォ
ーカス位置より数μ下に下がっており、測定時は被測定
面１８に下端部が接触し、フォーカス位置まで対物レン
ズ６が下がることによって、対物レンズ６から板バネ７
上面までの距離が常に一定になるようフォーカスサーボ
によりフォーカスサーボ光学系が上下する。Ｚ座標の測
定は板バネ７表面に集光する測定光Ｆｚｌで行う。測定
光Ｆｚｌと半導体レーザ光Ｇの板バネ７上での集光位置
は略一致する。

次に、Ｈｅ−Ｎｅゼーマンレーザ光を用いたＸＹＺ座標
の測定原理を説明する。２つの周波数ｆｌ、ｆ２で発振
するＨ　ｅ　−Ｎ　ｅ周波数安定化ゼーマンレーザ２８
から放射されたレーザ光Ｆの一部は、第一のハーフミラ
−２９を透過した後、第二のハーフミラ−３０で分離さ
れて測定位置のＸ−Ｙ座標測定に用いられる。一方、第
一のハーフミラ−２９で反射したレーザ光Ｆｚは、第３
図に示すように、偏光プリズム３１で測定光Ｆｚｌと参
照光Ｆｚ２に分離される。測定光Ｆｚｌの周波数ｆ１と
参照光Ｆｚ２の周波数ｆ２の差は数百ＫＨｚで、互いに
垂直な直線偏光になっている。尚、Ｘ−Ｙ座標測定に使
用されるレーザ光Ｆｘ、Ｆｙも、各光路途中で各偏光ビ
ームスプリッタ３２によって測定光Ｆｘ１．Ｆｙｌと参
照光Ｆｘ２．Ｆｙ２とに分離される。

Ｚ座標測定に用いられる測定光Ｆｚｌは、第３図に示す
ように、Ｐ偏波を全透過しＳ偏波を部分透過する特殊偏
光プリズム３３と、ファラデー素子３４と、λ／２板３
５とを通過し、Ｓ偏波となって偏光プリズム３６で全反
射される。モしてλ／４板３７、集光レンズ３８を通過
し、ミラー３９上に集光して反射した測定光Ｆｚｌは前
記λ／４板３７によってＰ偏波となり、前記偏光プリズ
ム３６を全透過して対物レンズ６に入射し、板バネ７に
垂直に集光される。

板バネ７からの反射光は上記入射光と同一光路を戻るが
、Ｓ偏波となって特殊偏光プリズム３３で一部反射され
た後、偏光プリズム３１で全反射され、Ｚ軸先検出器４
３に達する。被測定面１８の形状測定時は、被測定面１
８上の測定点のＺ座標の変動に応じて、針１７及び、反
射面である板バネ７も上下し、この上下の変動速度に応
じて前記反射光の周波数かドプラーシフトし、ｆｌ＋Δ
となる。

反射光の光路が板バネ７の傾きに応じてズレようとする
際は特殊偏光プリズム３３で一部反射された反射光を４
分割光検出器４０が検知し、集光レンズ移動手段４１に
より集光レンズ３８をＸ−Ｙ方向に移動させて入射光の
対物レンズ６への入射位置を変化させることにより常に
反射光が同一光路を戻るように傾き補正サーボがかけら
れる。

一方、参照光Ｆｚ２は前記偏光プリズム３１で全反射さ
れた後、レンズ４１によってＺ軸ミラー４２上に集光さ
れ、反射して前記Ｚ軸先検出器４３に達する。反射光の
周波数は、Ｘ、Ｙテーブル２１゜２２の移動真直度誤差
により、ｆ２＋δとなる。

従ってＺ軸先検出器４３では、（ｆｌ；Δ）−（ｆ２；
δ）がビート信号として検出されＺ座標検出装置４４に
おいて板バネ７の測定位置のＺ座標が正確に得られる。

前記Δの中には移動真直度誤差であるδ成分が同じたけ
含んでいるので測定値にはＸ、Ｙテーブルの移動真直度
不足は誤差として出てほこない。

尚、測定位置のＸ、Ｙ座標は、Ｚ移動部１５に設置した
Ｘ、Ｙ軸ミラー４４．４５に照射されたＦｘｌ、Ｆｙｌ
の反射光と、下部石定盤１例に設置したＸ、Ｙ軸ミラー
４６．４７に照射された参照光Ｆｘ２．Ｆｙ２の反射光
との周波数の差を、Ｘ、Ｙ軸先検出器４８．４９で検知
することにより得られる。

次に実施例における触針部について第４図に基づいて説
明する。長さ１２■、輻０．２５■、厚さ１２．７μｍ
の板バネ７の下面に金属製の針エフが接着されその下端
部５０は先端曲率半径０．１μｍのダイヤモンドからな
っている。

板バネ７のバネ定数には以下のように計算される。ヤン
グ率をＥ、板バネの長さｅ、輻ｂ、厚さｈとすると、ｋ
は、 よび接触圧との関係を述べる。曲率半径１／ρの接触湖
が平面に力Ｐで接触した時の変形量δは精密測定 （１）（青木保雄著、コロナ社）２３ページより、で表
される。使用した板バネ７の材質はタングステンで、Ｅ
は２．０Ｘ１０　　Ｎ／−であるので、ｋ＝１５Ｘ１０
−’Ｎ／ｍ＝１５ｎＮ／μｍと　なる。

このように極端に軟らかいバネでも被測定面１７の高さ
が１μｍ変化するだけで接触圧が１５ｎＮだけ変わって
しまう。一方、フォーカスサーボの追随精度は±０．０
２μｍ程度であるので、この板バネ７裏面にフォーカス
サーボを掛けると、接触圧の変化は１５ｎＮＸ０．０２
＝０．３ｎＮ以内に収まる。以下に示すように、この程
度の接触圧では、樹卵などの軟質面でも変形を与えるこ
とな（測定できる。

被測定面の変形量と接触子先端の曲率半径、おで表され
る。ここで、 θ＝４（１−σ　）／Ｅ　　　σ；ポアソン比で、θ１
．θ２はそれぞれ接触子と被測定面の値である。ダイヤ
モンドは測定面に比べ十分固いので、θ１＝Ｏと置ける
。Σρは接触子のＸ方向、及び、Ｙ方向の曲率の和で２
Ｘ１０７である。Ｐは接触圧力である。

鋼鉄とポリエチレンという固い面と軟らかい面で、変形
量δを求めてみる。理科年表によると、鋼鉄はＥ＝２＊
ｌＯ”でσ＝０．３、ポリエチレンはＥ＝７．６＊１０
でσ＝０．４６である。これらの値を上式に代入して、
鋼鉄の場合は接触圧が１μＮの時、変形量は０．８ｎｍ
、ポリエチレンの場合は接触圧が１０ｎＮの時、変形量
が０．５ｎｍとなる。この程度の変形では測定面へのキ
ズ付きや測定誤差は問題とならない。

なお、触針部の先端形状２曲率半径や板バネの大きさ、
材質については、被測定物に応じて、選ぶことができる
。

次に本発明の他の実施例における触針部について第５図
に基づいて説明する。

Ｚ移動部１５の下部に、取付は部５３を介して下端面が
半球状の接触子５１がＺ方向移動可能に取付けられる。

接触子５１の上部は前面取付は部５３によって２方向移
動可能に案内支持されるスライド部５２となっており、
その上面は鏡面になっており、測定中はフォーカスサー
ボ用半導体レーザ光Ｇと測定用周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅ
ゼーマンレーザ光Ｆｚｌが集光される。接触子５１は一
定の接触圧で被測定面１８上をトレースされ被測定面１
８の形状が測定される。

本発明は上記実施例に示すほか、種々の態様に構成する
ことができる。

たとえば、上記実施例では、凸状の非球面レンズを対象
物にしたが、これ以外の各種のものを対象物とすること
ができるのはもちろんであり、微細な集積回路の表面形
状等も対象とできる。

発明の効果 本発明は上記構成、作用を有するもので、従来よりはる
かに高精度でより微細な形状をキズっけることなく、非
常に広範囲に測定できる。また、非接触の光測定では測
定できない表面を無反射コード膜で覆われた面や、ＳＴ
Ｍや電子顕微鏡では測定できない電気的な絶縁体表面も
測定可能である。従って、従来できなかったレベルの形
状測定が可能となり、産業上、科学技術上の効果は大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における主要部の説明図、第
２図は同装置の機構系の全体構成図、第３図は同装置の
Ｚ座標測定光学系の原理図、第４図は同装置の測定用触
針プローブの拡大図、第５図は本発明の他の実施例の主
要部の説明図である。 ６・・・・・・対物レンズ、７・・・・・・板バネ、１
５・・・・・・Ｚ移動部、１７・・・・・・針（接触子
）、５１・・・・・・接触子、５２・・・・・・スライ
ド部、５３・・・・・・取付は部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光を集光させる対物レンズのフォーカス位
   置にあるべき反射面の位置がずれても、常にこの反射面
   にフォーカス位置が来るよう前記対物レンズを光軸方向
   であるＺ方向に移動させるようなオートフォーカス機能
   と、この反射面から反射したレーザ光を参照光と干渉さ
   せることにより、反射面のＺ座標を測定することが可能
   な手段とを有した光プローブと、この光プローブ部に支
   持部材を介してＺ方向に移動可能に取付けられ且つ前記
   反射面を備えた接触子と、前記光プローブ部をＸ又はＸ
   Ｙ方向に移動させる駆動手段と、Ｘ又はＸＹ方向の光プ
   ローブ部の位置を測定するＸ又はＸＹ座標測定手段とを
   有し、前記接触子を測定面にトレースさせることにより
   、測定面のＸＺ座標又はＸＹＺ座標における前記測定面
   の形状を測定するように構成したことを特徴とする形状
   測定装置。
2. （２）支持部材がバネによって構成されたものである請
   求項１記載の形状測定装置。
3. （３）支持部材がスライド機構によって構成されたもの
   である請求項１記載の形状測定装置。