JPH05288523A

JPH05288523A - 光学的表面形状測定装置

Info

Publication number: JPH05288523A
Application number: JP11326392A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Fujita; 宏夫藤田
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1992-04-07
Publication date: 1993-11-02

Abstract

(57)【要約】【目的】鏡面状表面に生じた数１０ｎｍ程度の段差を１
ｎｍの分解能で非接触測定する測定装置を実現するこ
と。【構成】周波数が異なる２ビーム光を物体面上で走査
し、反射光の位相変化を光ヘテロダイン干渉計で検出す
る。このとき、２ビーム光のピーク強度間距離を変化さ
せ、段差が発生する位置を中心とした近傍の複数の位置
に２ビーム光を照射し、各々の照射位置毎に位相を検出
し、平均化処理して段差寸法を測定する。【効果】表面の傾き、表面粗さ、位相検出ジッターによ
るノイズの影響を低減することができ、段差の測定精度
を高めることができる。また、リアルタイム処理が可能
で生産ラインのインライン測定に適用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は数１０ｎｍ程度の微小な
段差を有する表面形状の光学的測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜磁気ヘッド等を精密に加工する場
合、被加工物表面を平坦度良く加工する必要がある。被
加工物が複数の材質から構成されているとき、材質の硬
さなどの機械的性質の違いにより加工性が異なり、材質
の変化する境界でステップ状に段差が生じる。加工条件
の設定、被加工物の品質保証のためには、表面に生じた
数１０ｎｍオーダの段差寸法を精密に測定することが求
められている。このような表面形状の測定には光波干渉
法が多く用いられる。その中でも、（１）干渉縞の強度
変化から光波の位相変化を検出する干渉縞解析法、
（２）光ヘテロダイン干渉法が用いられている。（１）
の干渉縞解析法では、干渉縞パターンの明暗の強度変化
を細かい強度変化に分割して検出し、対応する位相変化
を計算機処理により１／１００波長程度で検出してい
る。（２）の光ヘテロダイン干渉法は、周波数の異なる
２つの光波を干渉させて差の周波数のビート信号を作成
し、ビート信号の位相変化を１／５００波長程度の分解
能で測定する。

【０００３】この光ヘテロダイン法では、周波数の異な
る２ビーム光を発生するのに音響光学素子が多く用いら
れている。音響光学素子（以下にＡＯと略記）を２つの
周波数ｆａ、ｆｍを持つ信号で駆動すれば、周波数が異
なり、異なる方向に回折される２ビーム光が得られる。
２ビーム光への分離を周波数ｆｍで制御し、２ビーム光
の回折角度を周波数ｆａで制御する。接近して進行する
２ビーム光を物体面に照射して走査し、各走査位置で２
ビーム光の間の光路差を位相変化として検出する差動型
ヘテロダイン干渉法は本願発明者により提案されてお
り、特許公報平３−４４２４３号公報の「光ヘテロダイ
ン干渉法による表面形状測定装置」に詳細に述べられて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】

（１）の干渉縞解析法は、干渉縞の強度変化を安定に検
出するために、特に振動による外乱を除去する必要があ
り、精度の良い防振機構を要する。また、位相の微小な
変化を安定に検出するために、複雑な光学装置、ソフト
ウエアー演算が必要となる。従って装置が高級、複雑と
なって、生産現場でのインライン的測定機としては必ず
しも適していない。（２）の２ビーム光走査を用いる差
動型光ヘテロダイン法は、段差が生じているエッジ位置
を中心とした両側の近傍に２ビーム光が照射されたとき
の位相変化を検出するが、そのような照射状態は２ビー
ム光の全走査の範囲中のわずかの状態でのみ得られる。
段差測定は１つないしわずかの位相情報をもとにしてい
るため、各種のノイズが測定値に入り込んだときは測定
の信頼性が低下する。本発明は上記の課題を解決し、簡
素な構成で、測定精度、信頼性が高く、生産場現のイン
ライン計測に適した、数１０ｎｍ程度の微小段差測定装
置を実現することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、周波数ｆａ、ｆｍの信号を発生する２つの駆
動信号源で駆動される音響光学素子から周波数が異なる
２ビーム光を発生し、該２ビーム光を表面形状が測定さ
れる被測定物面上に照射して走査し、反射した２ビーム
光の間の光路差を位相変化として検出する光ヘテロダイ
ン干渉を用いた光学的表面形状測定装置において、前記
音響光学素子を駆動する前記駆動信号源からの信号の前
記周波数ｆｍを一定値に設定し前記周波数ｆａを可変に
して、前記２ビーム光を前記被測定物面上で走査させて
位相変化を検出し、該位相変化が所定の変化を起こすと
きの走査位置を決定し、前記周波数ｆａを一定値に設定
して前記２ビーム光の中心位置を前記走査位置に設定
し、前記２ビーム光を前記周波数ｆｍを可変にして走査
して各走査位置毎に位相変化を検出し、該位相変化から
正しい位相情報を検出して表面形状を測定するものであ
る。

【０００６】

【作用】２ビーム光を構成する個々のビームの光強度分
布におけるピーク強度間距離を適当な値に設定して被測
定物面上を走査する。走査の一周期で検出された位相の
変化がピークになる位置を検出する。この位置は２ビー
ム光の中心位置が段差の生じるエッジ（段差発生位置）
に照射されている位置である。２ビーム光の中心位置を
このエッジ位置近傍に合わせるようにして２ビーム光の
走査を停止する。２ビーム光のピーク強度位置及びピー
ク強度間距離がエッジを中心として変化するように２ビ
ーム光の分離角度、回折角度を制御する。２ビーム光の
各照射位置毎に位相変化を検出する。２ビーム光の個々
のビームはエッジを中心とした両側の平面上に照射され
ているため、そのエッジ近傍での２ビーム光の間の光路
差、即ち段差が測定できる。２ビーム光の照射状態をｎ
通りに変えてｎ個の位相データを検出する。平均として
の位相差から平均段差を算出することで、面粗さ、面の
傾き、位相測定のジッターノイズの影響を低減して段差
測定精度を高める。この場合、単純に平均化するのでは
なく、統計的な演算処理を行い、ゴミなどの付着による
測定誤差を除去することもできる。

【０００７】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。図１は本発明の動作を説明するシステムブロ
ック図である。１０はレーザ光源で、Ｈｅ−Ｎｅレー
ザ、半導体レーザなどから構成され、レーザ光１００を
放射する。１１はＡＯ、１２はＡＯ１１の動作を制御す
る音響光学素子ドライバー（以下にＡＯドライバーと略
記）である。１３は第一の周波数ｆｍを発する第一の駆
動信号源、１４は第二の周波数ｆａを発する第二の駆動
信号源で、各々からの出力信号をＡＯドライバー１２に
供給する。１９は周波数可変制御部、１６０は制御部で
ある。ＡＯドライバー１２は周波数ｆｍ及びｆａの信号
を振幅変調し、ｆａを中心周波数としたとき、ｆａ±ｆ
ｍのサイドバンド周波数を持つ信号１０５を作成してＡ
Ｏ１１を駆動する。周波数ｆ０のレーザ光がＡＯ１１に
入射すると、分離角度がθｍの２ビーム光１１０、１１
５が発生する。２ビーム光の中心は非回折光１０１から
角度θａの方向に回折する。分離角度θｍ、回折角度θ
ａは各々周波数ｆｍ、ｆａに比例して変化する。

【０００８】ＡＯ１１で回折された２ビーム光１１０、
１１５の周波数はｆ０＋ｆａ＋ｆｍ及びｆ０＋ｆａ−ｆ
ｍである。２ビーム光のペアーをビームスプリッター１
２０で２方向に分割する。２０％程度の強度を持って反
射した２ビーム光を直接に受光器１２５で受光し、参照
光信号１４０を作成する。８０％程度の強度を持ってビ
ームスプリッター１２０を透過した２ビーム光は対物レ
ンズ１３０で微小なスポット径に集光され、被測定物１
５の面上を走査する。反射光はもとの光路を逆進し、再
びビームスプリッター１２０で反射して受光器１３５で
受光し、反射光信号１４５を作成する。参照光信号１４
０と反射光信号１４５は周波数が２ｆｍのビート信号で
ある。参照光信号１４０では２ビーム光の間の光路差は
一定で、位相は一定値φｒである。反射光信号１４５で
は２ビーム光の間の光路差は被測定物１５の段差によっ
て変化するため位相は変化する。この位相をφｓとす
る。１６は位相比較器で、位相φｒを基準位相とし、位
相φｓの変化を検出する。

【０００９】２ビーム光の間の距離を第一の周波数ｆｍ
により、個々のビームスポット径程度（第一の距離）に
設定して２ビーム光を被測定物１５の面上で走査する。
この走査は第二の駆動信号源１４の周波数ｆａを変化さ
せることにより行い、各走査位置で反射光信号１４５の
位相φｓを検出する。この走査はプリスキャン走査であ
る。１７はピーク位相検出部で、前記走査の一周期で検
出された位相φｓの変化が最大となるときの走査位置を
決定する。この位置は段差の生じるエッジとなる段差発
生位置に２ビーム光の中心位置が照射されたときであ
る。この位置に２ビーム光を走査したときの第二の周波
数の値をｆｅとする。信号１５０を発して周波数可変制
御部１９に働きかけ、第二の駆動信号源１４の周波数を
ｆｅに設定し、２ビーム光の中心位置を段差発生位置に
合わせて２ビーム光の走査を停止する。

【００１０】次に、周波数可変制御部１９により第一の
駆動信号源１３から発せられる第一の周波数ｆｍを変化
させ、２ビーム光のピーク強度間距離を第二の距離に設
定する。このとき２ビーム光の個々のビームの強度最大
位置は段差発生位置の両側の平面上に照射されている。
第一の周波数ｆｍを前述のプリスキャン走査の場合と異
なった周波数ｆｓに設定し、第二の距離を第一の距離か
ら変化させる。周波数ｆｍを高くすれば第二の距離は第
一の距離より長くなり、低くすれば短くなる。従って２
ビーム光は段差発生位置を中心として互いに近いたり、
反対に離れたりするように照射される。第一の周波数を
ｎ通りに変えて２ビーム光の照射状態をｎ通りに設定す
る。１８は演算部で、各照射位置毎に測定されたｎ個の
位相データを記憶し、ｎ個の位相データの平均値を求め
て段差寸法に変換する。２ビーム光は段差発生位置を中
心とした近傍へ照射されるため、表面の粗さ、面の傾
斜、位相検出のジッターなどの影響を統計的に取り除
き、位相変化の検出精度を高くするような演算処理を行
う。この２ビーム光の照射において、２ビーム光の間の
距離を変化させると共に第二の周波数ｆａを微小に変化
させ、２ビーム光の中心位置を変化させても良い。２ビ
ーム光の間の光路差Δｈと位相φの間には、Δｈ＝λΔ
φ／４πの関係がある。λはレーザ光の波長で、Ｈｅ−
Ｎｅレーザの場合には、位相の１度は０．８８ｎｍに相
当する。以上の関係を用いれば位相データから簡単な演
算で段差が測定できる。本発明では位相変化を検出する
ため、段差発生部の両側の平面の材質の変化（反射率の
変化）の影響を受けない。

【００１１】図２に２ビーム光の照射と検出される位相
の関係を示す。図２（１）は２ビーム光のプリスキャン
走査である。被測定物１５の段差が発生するエッジとな
る段差発生部２０の両側の平面２１、２２で２ビーム光
２３、２４を左から右に向かって走査する。２ビーム光
２３、２４のピーク強度間距離をＤ０に設定する。２ビ
ーム光２３、２４が面２１、２２に照射されているとき
は面の傾き、粗さに応じた光路差に対応する位相差が得
られる。２ビーム光２３、２４の中心が段差発生部２０
に照射されたとき、２ビーム光２３、２４の間の位相差
が最大になる。このとき、２ビーム光２３、２４の間の
距離Ｄ０が個々のビーム半径よりも小さければ、位相差
のピーク点は１点になって現れる。しかし、得られる位
相差は実際の段差に対応する位相差よりも小さくなる。
距離Ｄ０が個々のビームの直径程度以上になれば、得ら
れる位相差は実際の段差に対応する。このプリスキャン
走査では段差が発生する位置を検出することが目的であ
るので、Ｄ０をビーム半径程度に設定して位相変化を測
定する。ここでは段差寸法は測定しない。それは、２ビ
ーム光走査の期間中で２ビーム光の中心位置が段差発生
部２０を通過する状態はただ１点のみであり、もし、そ
の測定位置で誤差要因が入り込めば、そのとき検出され
た位相データの信頼性が低いためである。

【００１２】図２（２）はプリスキャン走査で検出され
る位相の変化を表す。横軸は２ビーム光の走査位置、縦
軸は位相である。位相変化のピークとなる位置２００を
決定する。この位置に２ビーム光を走査したときの第二
の周波数をｆｅとする。図２（３）は正確な段差Δｈを
検出するための２ビーム光の照射状態を表す。２ビーム
光２３、２４の中心位置を段差発生部２０に合わせ、第
一の周波数ｆｍを変化させてｆｓに設定し、ピーク強度
間距離をＤ１に拡大する。距離Ｄ１は２ビーム光を構成
する個々のビームの直径よりも大きくする。この照射状
態で２ビーム光２３、２４の間の位相差を検出する。次
に２ビーム光２３、２４の照射位置をわずかに変化させ
る。この変化は第一の周波数ｆｍを前述の値ｆｓからわ
ずかに変化させてもよく、また第二の周波数ｆａを前述
のｆｅからわずかに変化させてもよい。このようにして
段差発生部２０を中心としてその近傍の複数位置で段差
を検出する。このように、本発明では２ビーム光の状態
を電気信号の制御で自由に変化させることができ、段差
発生位置２０の近傍の各位置での測定が可能になるた
め、段差検出精度、信頼性が高まる。さらに、高速な位
置制御ができるため測定時間の短縮が可能である。

【００１３】以上説明したのは段差発生位置を中心とし
たその近傍での段差測定であった。さらに、段差発生位
置の近傍での形状測定の例を説明する。検出される位相
は２ビーム光の間の光路差であるため、表面形状の微分
状態が測定できる。面２１上を走査しているとき、段差
発生部２０の直前の走査位置までで検出された位相デー
タを記憶しておき、その位相データを積分（積算）すれ
ば面２１の形状が測定できる。面２２についても同様で
ある。面２１、２２の各々の形状に段差情報を加える
と、段差発生位置２０を中心とした全体の形状が得られ
る。

【００１４】図３に２ビーム光を走査する光ヘテロダイ
ン干渉を用いた光学系の構成例を示す。Ｈｅ−Ｎｅレー
ザ光源１０から放射されたレーザ光１００をシリンドリ
カルレンズ３１と凸レンズ３２の組合せにより、紙面に
平行な面内に広がりを持ち、紙面に垂直な面内に集光す
るシート状ビームに変換してＡＯ１１に照射する。シー
ト状ビームを用いるのはＡＯ１１の回折効率を高めるた
めである。ＡＯ１１からは前述のごときの２ビーム光が
発生する。ＡＯ１１を出射したシート状ビームは凸レン
ズ３３とシリンドリカルレンズ３４の組合せで再び円形
状のビームに変換される。ここで、２つのシリンドリカ
ルレンズ３１、３４は紙面に平行な面内に屈折作用を有
する。

【００１５】シリンドリカルレンズ３４を出射した２ビ
ーム光は、偏向ビームスプリッター（以下にＰＢＳと略
記）で２０％程度の強度が反射され、凸レンズ３６で集
光されて受光器１２５で受光する。一方、ＰＢＳを透過
した８０％程度の強度を有する２ビーム光を１／４波長
板３７を通して対物レンズ３８で微小なスポット径に集
光し、被測定物１５の面上に照射する。被測定物１５で
反射された２ビーム光はもとの光路を逆進してＰＢＳ３
５で反射され、凸レンズ３９で集光して受光器１３５で
受光される。物体面上に照射される２ビーム光は互いに
接近して進行する構成であるため、被測定物１５あるい
は光学装置全体に２ビームの進行方向への振動が生じた
場合でも、２ビーム光の間では振動の影響が互いにキャ
ンセルされて振動の影響を排除できる。また、参照光信
号と反射光信号は同一のレーザ光源からのビームで作成
されるため、レーザ光の強度変動、周波数変動などの影
響を受けない。このような特徴をもつ構成の光学系を用
いることで、反射光の位相変化を精度良く検出すること
ができる。

【００１６】

【発明の効果】上記のごとく本発明によれば、光ヘテロ
ダイン法を応用することで数１０ｎｍ程度の段差を光の
波長の１／５００程度である１ｎｍの分解能で検出でき
る。２ビーム光のピーク強度間距離は電気信号の周波数
だけで任意に設定できるため、２ビーム光を段差が発生
する位置の近傍の複数の位置に照射できる。各照射位置
毎に２ビーム光の間の位相差を検出し、検出した位相差
を平均化することで、表面の粗さ、面の傾き、位相検出
ジッターなどによるノイズの影響を低減でき、精度の高
い段差測定が可能になる。また、２ビーム光の照射位置
を電気的制御で行うため、振動などの外乱の発生が起き
ず、高速で安定な測定が可能である。本発明によれば位
相情報を段差の寸法情報に変換するとき簡単な変換式で
よいため、ソフトウエアー演算が簡素化できリアルタイ
ム計測が可能であり、生産現場でのインライン計測に適
している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すシステムブロック図であ
る。

【図２】２ビーム光の走査、照射位置を説明する図であ
る。

【図３】光ヘテロダイン干渉を構成する光学系の実施例
を示す図である。

【符号の説明】

１０レーザ光源１１音響光学素子１３第一の信号源１４第二の信号源１５被測定物１６位相比較器１７ピーク位相検出部１８演算部１９周波数可変制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周波数ｆａ、ｆｍの信号を発生する２つ
の駆動信号源で駆動される音響光学素子から周波数が異
なる２ビーム光を発生させ、該２ビーム光を表面形状が
測定される被測定物面上に照射して走査し、反射した２
ビーム光の間の光路差を位相変化として検出する光ヘテ
ロダイン干渉を用いた光学的表面形状測定装置におい
て、前記音響光学素子を駆動する前記駆動信号源からの
信号の前記周波数ｆｍを一定値に設定し前記周波数ｆａ
を可変にして、前記２ビーム光を前記被測定物面上で走
査させて位相変化を検出し、該位相変化が所定の変化を
起こすときの走査位置を決定し、前記周波数ｆａを一定
値に設定して前記２ビーム光の中心位置を前記走査位置
に設定し、前記２ビーム光を前記周波数ｆｍを可変にし
て走査して各走査位置毎に位相変化を検出し、該位相変
化から正しい位相情報を検出して表面形状を測定するこ
とを特徴とする光学的表面形状測定装置。