JPH056643B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、測定面の粗さとか非球面の状態を光
学的に測定する装置、特に、非点収差素子を用い
る合焦検出光学系を利用した表面形状測定装置に
関するものである。

（従来技術） 半導体材料や磁気ヘツド材料等の研摩面には極
めて正確な表面精度が要求される。このような材
料の表面精度を測定するには、触診型の表面粗さ
測定方法では正確に測定できず、光学的測定方法
によらなければならない。光学的測定方法の一つ
として、光源から発した光束を対物レンズで微小
なスポツトとして収束させて測定すべき表面上に
投射し、測定面からの反射光を非点収差素子を介
して受光することにより焦点状態を検出する合焦
検出光学系を用いて表面状態を検出する方法が考
えられるが、この方法は表面状態を高い分解能で
正確に測定でき、正確な表面精度が要求される物
体表面の表面状態を測定するのに極めて有用であ
る。

第１図はこのような非点収差素子を用いる従来
の合焦検出光学系を利用した表面状態測定装置の
構成を示す線図である。光源１から発した光束を
ハーフミラー２と対物レンズ３を経て微小スポツ
トとして収束させて測定面４上に垂直に投射す
る。測定面４で反射された光束は対物レンズ３で
集光され、ハーフミラー２で反射された後、非点
収差素子であるシリンドリカルレンズ５を経て、
対物レンズ３の焦平面近傍に配置されている光検
出器６に入射する。この光検出器６は４分割した
構成とし、各素子６ａ〜６ｄ上に測定面４で反射
されたビームスポツトのパターンが投影される。
尚、破線はシリドリカルレンズ５がない場合の結
像状態を示している。このビームスポツトのパタ
ーンは、測定面４が基準位置にあるときは光検出
器６の中心Ｏを中心とした円形のパターンとな
り、測定面４が基準位置より上下するとシリンド
リカルレンズ５の作用により長軸と短軸がそれぞ
れ逆向きの楕円形のパターンとなる。すなわち、
測定面４に凹凸が存在して測定面４が基準位置よ
り光軸方向に上下すると、この光軸方向の距離の
変位量に応じたデフオーカス状態が生じ、これに
応じた形状を有するビームスポツトパターンが光
検出器６上に投影されることになる。そして、各
素子６ａ〜６ｄの光電出力を演算処理することに
より測定面４の変位量がデフオーカス量として算
出される。４個の素子６ａ〜６ｄからの光電出力
をIa，Ib，IcおよびIdとし、デフオーカス量をＤ
とすると、 Ｄ＝（I_a＋I_b）−（I_c＋I_d）／I_a＋I_b＋I_c＋I_d……
(1) となる。この(1)式で求まるデフオーカス量Ｄと測
定面４の変位量とはほぼリニアな関係となるの
で、デフオーカス量Ｄを検出することにより測定
面４の表面状態を正確に測定することができる。

しかし、物体表面の凹凸面は傾斜している場合
が多いため、測定面４が光軸に対して傾斜しても
光軸方向の変位量Ｘを正確に測定できなければな
らない。ところが、上述した構成では測定面４が
光軸に対して角度θだけ傾斜すると、光検出器６
の入射面上では２倍の角度2θも光軸からずれてし
まい光検出器６上に投影されるビームスポツトパ
ターンが第２図に示すように光検出器６の中心か
ら測定面の傾斜方向にずれて投影されてしまう不
都合が生じてしまう。第３図は測定面４の光軸方
向の変位量Ｘと演算して得られたデフオーカス量
Ｄとの関係を示すデフオーカス曲線である。横軸
は測定面の変位量Ｘを示し、縦軸は演算して得ら
れたデフオーカス量Ｄを示し、実線は測定面４が
光軸に対して垂直な場合を示し、破線は測定面４
が光軸に対して傾斜することにより第２図に示す
ようなビームスポツトパターンが形成された場合
のデフオーカス曲線を示している。第３図から理
解できるように、測定面４が入射光の光軸に対し
て垂直な場合はデフオーカス量は測定面の変位量
に対してほぼリニアな関係となるが、測定面４が
入射光の光軸に対して傾斜するとデフオーカス量
Ｄが大きくずれてしまい、測定面４の変位量とリ
ニアに対応しなくなつてしまう。

この欠点を解消する方法として、対物レンズ３
を測定面４の傾斜に応じて光軸方向と直交する方
向に変位させて、傾斜した測定面からの反射光を
入射光束と一致させるように構成する法も考えら
れるが、対物レンズ３を精密に駆動させる装置が
必要となるばかりでなく、対物レンズ駆動の応答
速度が遅いと測定速度が遅くなる欠点がある。

（発明の目的） 本発明の目的は、上述した欠点を解消し、測定
面が光軸に対して傾斜しても、簡単な構成で正確
に表面粗さ及び表面形状などの表面の凹凸形状を
測定できる表面形状測定装置を提供することにあ
る。

（発明の概要） 本発明は、光源と、この光源から発した光束を
測定面上に微小スポツトとして投射する対物レン
ズと、測定面で反射した光束を分割する第１の光
束分割素子と、分割された一方の光束中に配置さ
れ、予め定めた関係にしたがつて開口径を変える
ことができる第１の絞り機構と、分割された他方
の光束中に配置され、第１の絞り機構の開口径よ
りも大きい開口径を有し、予め定めた関係にした
がつて開口径を変えることができる第２の絞り機
構と、第１の絞り機構を通過した光束をさらに分
割する第２の光束分割素子と、この第２光束分割
素子で分割された一方の光束中に配置された非点
収差素子と、その非点収差素子を通過した光束を
受光する４分割された受光領域を有する第１の光
検出器と、前記第２絞り機構を通過した光束を受
光する４分割された受光領域を有する第２の光検
出器と、前記第２光束分割素子で分割された他方
の光束を受光する４分割された受光領域を有する
第３の光検出器と、前記第２および第３の光検出
器の出力信号に基き測定面の傾きの大きさに応じ
て前記第１および第２の絞り機構の開口径を制御
する絞り制御回路と、前記第１の光検出器の出力
信号に基いて測定面の凹凸形状を測定する測定回
路とを具え、前記第１の信号処理回路が、４個の
受光領域の互いに対向する２個の受光領域からの
出力信号を加算して２個の加算出力を形成し、さ
らにこれら２個の加算出力の差出力を形成し、求
めた差出力から測定面の凹凸形状を決定すること
を特徴とするものである。

（実施例） 第４図は本発明による非点収差素子を用いる合
焦検出光学系を利用した表面形状測定装置の一例
の構成を示す線図である。本例では光源１０とし
てレーザ光源を用い、この光源１０から発した光
束をハーフミラー１１及び対物レンズ１２を経て
微小スポツトとして集束させ、測定面１３上に投
射する。測定面１３上に入射した光束は測定面１
３で反射され、対物レンズ１２で集光された後ハ
ーフミラー１１で反射され、絞り機構である円形
絞り１４及び非点収差素子であるシリンドリカル
レンズ１５を経て、対物レンズ１２の焦平面近傍
に配置され４分割された構成の光検出器１６に入
射する。この光検出器１６は４分割された受光領
域を有し、この光検出器を、４個の受光領域を規
定する２本の分割線が非点収差素子１５の２本の
焦線に対して45°の角度をなすように配置する。
演算処理回路１７を接続し、光検出器１６上に投
影されるビームスポツトパターンの各素子の光電
出力値に基いてデフオーカス量Ｄを検出する。

第４図において、実線は測定面１３が入射光の
光軸に対し垂直な場合を示し、破線は測定面１３
が入射光の光軸に対して角度θだけ傾斜している
場合を示している。そして、第５図に測定面１３
が光軸に対し傾斜している場合の光検出器１６上
に投影されるビームスポツトパターンを示す。第
５図から理解できるように、シリンドリカルレン
ズ１５の前方に円形絞り１４を配設しない場合
は、破線で示すようにパータンが光検出器１６の
中心からずれた位置に投影される。一方、円形絞
り１４を配設すると、反射光のうち光軸から離れ
た位置を通る光束が円形絞り１４によりカツトさ
れるため、実線で示すように光検出器１６の中心
に投影される。すなわち、測定面１３が入射光の
光軸に対して傾斜しても、傾斜角度に応じて適切
に円形絞り１４の開口径や配置位置を定めれば、
測定面で反射されたビームスポツトパターンを光
検出器１６のほぼ中心に投影することができるこ
とになる。そして、演算処理回路１７で、上述し
た(1)式に従つてデフオーカス量Ｄを求めれば、測
定面の光軸方向の変位量に応じたデフオーカス量
を検出できる。この場合、光検出器の各受光領域
からの出力信号を、全受光領域からの出力信号の
和で規格化した値に基いて測定面の変位量を演算
するようにすれば、光検出器への入射光量の変動
による影響を除くことができ、一層正確な測定を
行なうことができる。

第６図は本発明による表面形状測定装置の他の
例の構成を示す線図である。本例では第１ハーフ
ミラー１１とシリンドリカルレンズ１５との間に
第２及び第３のハーフミラー１８及び１９を配置
し、第２及び第３のハーフミラー１８及び１９の
間に第１の可動絞り２０を配設する。そして、第
２のハーフミラー１８で反射された光束を第２の
可動絞り２１を経て４分割された受光領域を有す
る第２の光検出器２２に入射させ、第３のハーフ
ミラー１９で反射された光束を第３の４分割され
た光検出器２３に入射させるよう構成する。この
ように構成すれば、測定面１３で反射されたビー
ムスポツトパターンが第２の可動絞り２１を経て
第２の光検出器２２上に、第１の可動絞り２０を
経て第３の光検出器２３上に、更にシリンドリカ
ルレンズ１５を経て第１の光検出器１６上にそれ
ぞれ投影されることになる。そして、第２及び第
３の光検出器２２及び２３を演算処理回路２４に
接続し、第２及び第３の光検出器２２及び２３か
らの光電出力を演算処理回路２４に入力させて測
定面１３の傾斜度について演算処理を行ない、こ
の演算処理回路２４の出力により駆動回路２５を
介して第１及び第２の可動絞り２０及び２１の開
口径を制御する。第１及び第２の可動絞り２０及
び２１は駆動回路２５の出力によりその開口径を
自在に可変できるものとし、本例では第１及び第
２の可動絞り２０及び２１をそれぞれ光学的に共
役な位置に配置すると共に第２の可動絞り２１の
開口径を第１の可動絞り２０の開口径より常時若
干大きくなるように設定する。

第７図は演算処理回路２４の一例の構成を示す
ブロツク線図である。４分割された構成の第２の
光検出器２２の各素子２２ａ〜２２ｄを、２２ａ
及び２２ｂを第１の差動増幅器２６に接続し、２
２ｃ及び２２ｄを第２の差動増幅器２７に接続す
る。また４分割された構成の第３の光検出器２３
の各素子２３ａ〜２３ｄを、２３ａ及び２３ｂを
第３の差動増幅器２８に接続し、２３ｃ及び２３
ｄを第４の差動増幅器２９に接続する。第１及び
第２の差動増幅器２６及び２７を第１のOR回路
３０に接続し、第３及び第４の差動増幅器２８及
び２９をそれぞれ第２のOR回路３１に接続す
る。更に第１及び第２のOR回路３０及び３１を
判別回路３２に接続し、この判別回路３２を駆動
回路２５に接続する。判別回路３２は、第１及び
第２のOR回路３０と３１の出力が共に０の場合
は第１及び第２の可動絞り２０及び２１を共に開
放するように駆動回路２５に信号を送出し、第１
及び第２のOR回路３０及び３１の出力がと共に
正の場合は第１及び第２の可動絞り２０及び２１
を共に絞り込むように駆動回路２５に信号を送出
し、第１のOR回路３０の出力が正で第２のOR
回路の出力が０の場合は第１及び第２の可動絞り
の駆動を停止するように駆動回路２５に信号を送
出するものである。

次に本実施例の動作について説明する。測定面
１３が入射光の光軸に対して垂直な状態にある場
合には、第２及び第３の光検出器２２及び２３上
には第７図の実線で示すように各光検出器の中心
に対して対称なビームスポツトパータンが投影さ
れるから、第１〜第４の差動増幅器２６〜２９の
各出力が全て０となり、第１及び第２のOR回路
３０及び３１の出力も０となり、判別回路３２は
駆動回路２５に対し第１及び第２の可動絞り２０
及び２１を開放するように指示する。また、光検
出器１６上には、その中心にビームスポツトパタ
ーンが投影されるから演算処理回路１７によりデ
フオーカス量Ｄが検出される。

測定面１３が入射光の光軸に対して傾斜してい
る場合は、第７図の破線で示すように第２及び第
３の光検出器２２及び２３上にはそれぞれ中心か
らずれた位置にビームスポツトパターンが投影さ
れるから、第１及び第２の差動増幅器２６及び２
７の出力は正又は負となりOR回路３０の出力は
正となる。また第３及び第４の差動増幅器２８及
び２９の出力も同様でありOR回路３１の出力も
正になる。そして、判別回路３２では、第１及び
第２の可動絞り２０及び２１に絞り込むように駆
動回路２５に指示する。第１及び第２の可動絞り
２０及び２１が絞り込まれると、第２及び第３の
光検出器２２及び２３上に投影されるビームスポ
ツトは徐々にその中心に向けて移行し、第１の可
動絞り２０の開口径が第２の可動絞りよりも小さ
く設定されているから先にビームスポツトがその
中心に移行し、第２のOR回路３１の出力が０と
なり絞り込み動作が停止する。これにより第１の
可動絞り２０とシリンドリカルレンズ１５を経て
第１の光検出器１６上にはその中心にビームスポ
ツトパターンが投影され、測定面１３の光軸方向
の変位量に応じた形状のビームスポツトパターン
が第１の光検出器１６の中心上に投影されること
になる。

次に、測定面１３が傾斜した状態から光軸に垂
直な状態に移行する場合について説明する。測定
面１３が光軸に対して垂直な状態に移行し始める
と、第１及び第２のOR回路３０及び３１が共に
０になり第１及び第２の可動絞りが開放するよう
に動作し、OR回路３１の出力が正になつた時点
で開放動作を停止する。このように構成すれば、
測定面１３の傾斜角度に応じて常時第１の光検出
器１６の中心にビームスポツトが投影されること
になる。この場合も演算処理回路１７で全光量で
規格化すれば、第１の可動絞り２０の絞り込み動
作により光検出器１６に入射する光量が変動して
も測定面１３の変位量に応じた正確なデフオーカ
ス量を検出することができる。

尚、上述した実施例では、可動絞りを光路内に
配設して光軸より離れた位置を通過する光束をカ
ツトして第１の光検出器の中心にビームスポツト
を投影するように構成したが、一定の開口径の円
形絞りを配設して測定面１３の傾斜角度に応じて
円形絞りを光軸に沿つて移動させて常時ビームス
ポツトを光検出器の中心に投影させることもでき
る。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、測定面の
傾きに応じて絞り機構の開口径を制御しているの
で、測定面が入射光の光軸に対して傾斜しても、
簡単な構成で正確に測定面の凹凸形状を測定する
ことができる。特に、光検出器の各受光領域から
の光電出力を全入射量で規格化すれば、絞り機構
による光量変化があつても測定面の光軸方向の変
位量に応じたデフオーカス量を正確に測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は非点収差素子を用いる合焦検出光学系
を利用した表面粗さ測定装置の構成を示す線図、
第２図は測定面が光軸に対して傾斜した場合に光
検出器上に投影されるビームスポツトのパターン
を示す線図、第３図は測定面の光軸方向の変位量
とデフオーカス量Ｄとの関係を示す線図、第４図
は本発明による非点収差素子を用いる合焦検出光
学系を利用した表面形状測定装置の一例の構成を
示す線図、第５図は第４図に示す表面形状測定装
置により光検出器上に投影されるビームスポツト
パターンを示す線図、第６図は本発明による表面
形状測定装置の変形例の構成を示す線図、第７図
は演算処理回路の構成を示すブロツク線図であ
る。 １０……光源、１１……第１のハーフミラー、
１２……対物レンズ、１３……測定面、１４……
円形絞り、１５……シリンドリカルレンズ、１６
……第１光検出器、１７，２４……演算処理回
路、１８……第２ハーフミラー、１９……第３ハ
ーフミラー、２０……第１可動絞り、２１……第
２可動絞り、２２……第２光検出器、２３……第
３光検出器、２５……駆動回路、２６……第１差
動増幅器、２７……第２差動増幅器、２８……第
３差動増幅器、２９……第４差動増幅器、３０…
…第1OR回路、３１……第2OR回路、３２……
判別回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源と、この光源から発した光束を測定面上
   に微小スポツトとして投射する対物レンズと、測
   定面で反射した光束を分割する第１の光束分割素
   子と、分割された一方の光束中に配置され、予め
   定めた関係にしたがつて開口径を変えることがで
   きる第１の絞り機構と、分割された他方の光束中
   に配置され、第１の絞り機構の開口径よりも大き
   い開口径を有し、予め定めた関係にしたがつて開
   口径を変えることができる第２の絞り機構と、第
   １の絞り機構を通過した光束をさらに分割する第
   ２の光束分割素子と、この第２光束分割素子で分
   割された一方の光束中に配置された非点収差素子
   と、その非点収差素子を通過した光束を受光する
   粉割された受光領域を有する第１の光検出器と、
   前記第２絞り機構を通過した光束を受光する４分
   割された受光領域を有する第２の光検出器と、前
   記第２光束分割素子で分割された他方の光束を受
   光する４分割された受光領域を有する第３の光検
   出器と、前記第２および第３の光検出器の出力信
   号に基き測定面の傾きの大きさに応じて前記第１
   および第２の絞り機構の開口径を制御する絞り制
   御回路と、前記第１の光検出器の出力信号に基い
   て測定面の凹凸形状を測定する測定回路とを具
   え、前記第１の信号処理回路が、４個の受光領域
   の互いに対向する２個の受光領域からの出力信号
   を加算して２個の加算出力を形成し、さらにこれ
   ら２個の加算出力の差出力を形成し、求めた差出
   力から測定面の凹凸形状を決定することを特徴と
   する表面形状測定装置。 ２ 前記測定回路が、光検出器の各受光領域の出
   力信号を全受光領域の出力信号の和で規格化した
   値に基いて測定面の凹凸形状を測定するものであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の表面形状測定装置。