JPH0727526A - 表面形状検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 縞解析を要せず、２次元の撮像素子やピエゾ
素子が不要となり、光学系が簡素化されるとともに、信
頼性が高くなる表面形状検査装置を提供する。 【構成】 レーザ発振器11からのレーザ光は、コリメー
タ12で平行光になり、ビームスプリッタ13を通過して、
被検物体15の被検面に入射する。被検面で反射した光
を、ビームスプリッタ13で反射し、分離して液晶空間光
変調器24に入射する。液晶空間光変調器24を透過する際
に位相情報を打ち消す位相分布を与え、レンズ26により
集光して光強度を光強度検出器27で測定する。制御手段
28でドライバ25を介して液晶空間光変調器24への印加電
圧を変化させ、位相変調を続ける。測定値が設定値と等
しくなれば、被検面の凹凸により生じた位相分布と、液
晶空間光変調器24による位相分布とが打ち消し合い、レ
ンズ26に平面波が入射したと判断する。液晶空間光変調
器24に表示された位相分布から被検面の凹凸形状を求め
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光計測手法により物体
の表面形状を測定する表面形状検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体の表面形状をサブミクロン精
度で測定する場合には、干渉計が用いられている。そし
て、この干渉計の一例として、形状測定に良く用いられ
ているトワイマン・グリーン干渉計をモデルとして説明
する。

【０００３】この干渉計は、周知のように、被検面と基
準面との間の形状差を、それぞれから反射される波面の
間の干渉縞により得るものである。この干渉縞から位相
情報あるいは形状情報を求める作業を縞解析といい、こ
の縞解析の手法として縞走査法がある。そして、この縞
走査法は、干渉計の光路差を、波長の数分の一ずつステ
ップ的に変化させることで得られる数枚の縞画像をコン
ピュータ処理することにより、面形状を測定するもので
ある。この縞走査法により、凹凸の判定や縞の内挿を行
なうことができ、高精度な測定が可能となる。

【０００４】また、トワイマン・グリーン干渉計は、図
４で示すように、光源となるレーザ発振器11からのレー
ザ光をコリメータ12により平行光とし、この平行光をビ
ームスプリッタ13により物体光と参照光とに分離する検
査光学系14を有する。そして、ビームスプリッタ13によ
り分離された物体光は被検物体15の被検面に入射され、
参照光は基準面となる参照鏡16に入射される。

【０００５】ここで、上述の参照光および物体光は、そ
れぞれ被検物体15の被検面および参照鏡16にて反射され
るが、これら反射光はビームスプリッタ13により重ね合
わされて干渉し、干渉縞を生じて図示下方に分離され
る。そして、これらの重ね合わされた反射光の光路上に
は、結像レンズ17および干渉縞を観測するための撮像素
子18がそれぞれ設けられている。さらに、この撮像素子
18により撮像された干渉縞画像は、電子計算機による制
御手段19により画像処理される。

【０００６】また、参照鏡16には、その参照光路を変化
させるためのピエゾ素子20が取り付けられている。この
ピエゾ素子20は、制御手段19により制御されるコントロ
ーラ21によって駆動される。

【０００７】次に、上記構成によるトワイマン・グリー
ン干渉計の動作および縞走査法について説明する。

【０００８】まず、光源であるレーザ発振器11からのレ
ーザ光は、コリメータ12により平行光となった後に、ビ
ームスプリッタ13により２分される。そして、その分離
された一方のレーザ光は、被検物体15の被検面に入射さ
れ、ここで反射されて物体光となり、光路を戻る。ま
た、分離された他方のレーザ光は、基準面となる参照鏡
16に入射され、ここで反射されて参照光となる。これら
物体光および参照光はビームスプリッタ13により重ね合
わされ、干渉して干渉縞を生じる。

【０００９】そして、干渉縞は被検面周辺部の回折の影
響を抑えるため、結像レンズ17を入れて被検面の結像面
にて観測するようにする。この干渉縞の観測は撮像素子
18により行なう。撮像素子18の観測により得られた縞画
像は制御手段19に入力され、所定の演算処理機能により
被検物体15の表面形状が求められる。この後、ピエゾ素
子20により参照鏡16を光軸に沿って移動させ、干渉計の
光路差を変化させる縞走査を行なう。

【００１０】また、縞解析を一般的に用いられている４
ステップ法について説明する。

【００１１】この４ステップ法は、参照光の光路をλ／
４ずつ４段階に変化させるものである。なお、λはレー
ザ光の波長である。このときに生じる干渉縞は、撮像素
子18により観測され、参照光の光路長の変化に対応した
４枚の画像が制御手段19の図示しないメモリに格納され
る。そして、これらの画像から被検物体15の被検面と参
照鏡16の基準面との形状差は次式により計算される。

【００１２】

【式１】 この式１におけるＩ（ｘ，ｙ）は、測定した干渉縞の光
強度分布を表しており、このＩに対する添字の０〜３
は、λ／４ずつシフトさせた干渉縞画像の順番を示す。
ここで、表示画像は、光が反射することにより２倍の大
きさに測定されるので、表面形状Ｌ（ｘ，ｙ）は次式に
より求められる。

【００１３】

【式２】

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような構成の干渉計では、表面形状が被検物体15の被検
面と参照鏡16の基準面との差として測定するため、測定
制度の絶対精度を上げるには、極めて高精度に作成した
参照鏡16を使用しなければならない。また、縞模様を測
定するために、２次元の撮像素子18が必要となる。さら
に、縞走査を行なうために、参照鏡16を予め設定した微
小量移動させるピエゾ素子20が必要となる。そして、縞
解析を行なう際に、三角関数を含んだ浮動小数点演算を
しなければならないため、解析に時間がかかるという問
題を有している。

【００１５】本発明の目的は、縞解析を要せず、そのた
め２次元の撮像素子やピエゾ素子が不要となり、光学系
が簡素化されるとともに、高信頼性を得ることができる
表面形状検査装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明による表面形状検
査装置は、レーザ光を平行光として被検物体の被検面に
入射させるとともに前記被検物体の被検面からの反射光
を分離する検査光学系と、前記被検面からの反射光を透
過させる光路上に配置され、この透過された透過光に所
望の位相分布を与える液晶空間光変調器と、この液晶空
間光変調器を透過した透過光を集光するレンズおよびこ
のレンズの焦点位置に配置され光強度を検出する測定手
段と、前記液晶空間光変調器により透過光に所望の位相
分布が与えられた状態での前記測定手段による光強度を
入力し、この光強度が設定値となるまで前記液晶空間光
変調器による位相分布を変化させ、前記設定値が得られ
たときの位相分布により前記被検面の形状を求める制御
手段とを備えたものである。

【００１７】

【作用】本発明は、被検物体の被検面により反射され、
その凹凸形状に対応した光波の位相情報を有する反射光
を、液晶空間光変調器に透過させ、この液晶空間光変調
器により透過する反射光に対し、凹凸形状に対応した位
相情報を打ち消す空間的な位相変調を加え、このときの
液晶空間光変調器に表示された位相分布から、被検面の
凹凸形状を求めることにより、光学系を簡素化して、高
信頼性を得られる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の表面形状検査装置の一実施例
を図面を参照して説明する。なお、図４に示す従来例に
対応する部分には同一符号を付して説明する。

【００１９】図１に示す表面形状検査装置も、光源とな
るレーザ発振器11からのレーザ光をコリメータ12により
平行光とし、この平行光をビームスプリッタ13を介して
被検物体15の被検面に入射させる検査光学系14を有す
る。この場合、ビームスプリッタ13は、被検物体15の被
検面からの反射光を分離させる機能を行なう。

【００２０】また、検査光学系14の光路上には液晶空間
光変調器24が配置され、この液晶空間光変調器24で分離
された反射光を透過させ、この透過光に所望の位相分布
を与える位相変調を行なうもので、ドライバ25により駆
動される。

【００２１】さらに、液晶空間光変調器24を透過した光
の光路上に集光用のレンズ26が設けられ、液晶空間光変
調器24からの透過光を集光する。そして、レンズ26の後
ろ焦点面の光軸上の点（ｘ＝ｙ＝０）、すなわち焦点位
置には測定手段としての光強度検出器27が配置され、レ
ンズ26により集光された光の強度を測定する。

【００２２】また、28は電子計算機により構成される制
御手段で、この制御手段28は光強度検出器27により測定
された光強度を入力し、この光強度と設定値とを比較す
る機能を有する。また、ドライバ25を介して液晶空間光
変調器24による位相変調を制御する、すなわち、透過光
に対する位相分布を変化させる機能を有する。そして、
光強度検出器27により測定された光強度が設定値となる
まで透過光の位相分布を繰り返し変化させるように動作
する。さらに、設定値が得られたときの位相分布から被
検面の形状を求める機能を有する。

【００２３】ここで、液晶空間光変調器24は、上述のよ
うに透過光の位相変調を行なう電気アドレス型である。
すなわち、液晶空間光変調器24の各ピクセルに加える電
圧を制御すると、液晶空間光変調器24上に電界分布が形
成され、この電界分布に対応した屈折率分布が形成でき
る。このため、各ピクセル毎の屈折率の差から、液晶空
間光変調器24を透過する光に、屈折率の差に比例した位
相分布を与えることができる。なお、液晶空間光変調器
24への印加電圧と位相変調量との関係は予め既知であ
り、液晶空間光変調器24は、０〜２πλの範囲で位相分
布を与えることができる。

【００２４】次に、上記実施例の動作について説明す
る。

【００２５】光源であるレーザ発振器11を出射したレー
ザ光は、コリメータ12により平面波の平行光にされ、ビ
ームスプリッタ13を通過した後に、被検物体15の被検面
に入射する。この被検面で反射した光は、ビームスプリ
ッタ13で反射され、分離されて液晶空間光変調器24に入
射される。そして、この液晶空間光変調器24を透過する
際に所望の位相分布が与えられ、その後、レンズ26によ
り集光され、このレンズ26の焦点位置における光強度が
光強度検出器27により測定される。

【００２６】ここで、被検面の凹凸の形状は、被検面か
らの反射光の光波の位相情報として変換されている。ま
た、液晶空間光変調器24は、上述のようにこの反射光に
対して位相変調を行なうが、この反射光の被検面の形状
に対応した位相情報を打ち消すように空間的な位相変調
を与える。

【００２７】このような位相変調を加えると、液晶空間
光変調器24を透過した光は平面波となるので、レンズ26
により焦点位置に集光される。また、液晶空間光変調器
24を透過した光が平面波でない場合は、光が焦点に完全
に集光しないので焦点における光強度が弱くなる。すな
わち、液晶空間光変調器24を透過した光が平面波になっ
たか否かは、レンズ26の焦点位置における光強度により
判定できる。

【００２８】そして、被検面の形状検出にあたっては、
液晶空間光変調器24によって、前述のように被検面の形
状に対応した光波の位相情報を打ち消す位相変調を行な
い、光波の位相情報が打ち消されたときの液晶空間光位
相変調器24に表示された位相分布から被検面の凹凸を求
める。そこで、制御手段28により、ドライバ25を介して
液晶空間光変調器24を制御し、透過光に対して上述のよ
うな位相変調を行なわせる必要がある。なお、制御手段
28には、光波の位相情報を打ち消す位相変調が行なわれ
たか、すなわち、透過光が平面波となったかを判断する
ために、その判断基準としてレンズ26に平面波が入射し
たときの焦点位置における光強度である設定値Ｉp を設
定しておく。

【００２９】この状態において、レンズ26の焦点位置に
設けた光強度検出器27の測定値を入力し、この測定値を
設定値Ｉp と比較し、これら測定値および設定値Ｉp の
両者が不一致の場合は互いに等しくなるまで、ドライバ
25を介して液晶空間光変調器24への印加電圧を変化さ
せ、位相変調を続ける。その結果、測定値が設定値Ｉp
とほぼ等しい状態になれば、被検面の凹凸により生じた
位相分布と、液晶空間光変調器24による位相分布とが打
ち消し合い、レンズ26に平面波が入射したと判断する。
そして、このときの液晶空間光変調器24に表示された位
相分布から所定の演算により被検面の凹凸形状を求め
る。

【００３０】上述した原理に基づく実際の動作は、図２
で示す反復アルゴリズムに従って実行される。

【００３１】以下、図２を参照して表面形状検査装置の
動作を説明する。

【００３２】まず、制御手段28は液晶空間光変調器24に
与えるべき位相分布の初期値φj （ｘ，ｙ）を設定する
（ステップ１）。なお、サフィックスj は、このアルゴ
リズムの反復回数であり、初期値 j＝０とする。この初
期値φj （ｘ，ｙ）はどのような値でもよい。また、こ
の初期値φj （ｘ，ｙ）は、制御手段28のメモリに保持
しておく。

【００３３】次に、上述のように初期設定した位相分布
φj （ｘ，ｙ）を、ドライバ25を介して液晶空間光変調
器24に出力し、表示させる（ステップ２）。この状態に
おいて、液晶空間光変調器24を透過し、レンズ26によっ
て集光された光の強度を光強度検出器27により測定す
る。この測定値をＩj とし、制御手段28のメモリに保持
する（ステップ３）。

【００３４】次に、位相分布φj （ｘ，ｙ）に、微小変
化である摂動Δ（ｘ，ｙ）を加える（ステップ４）。な
お、この摂動Δ（ｘ，ｙ）は、反復毎に異なる値とす
る。そして、この摂動Δ（ｘ，ｙ）を加えた位相分布φ
j+1 （ｘ，ｙ）を出力し、ドライバ25を介して液晶空間
光変調器24に表示させる（ステップ５）。同様に、この
状態における光強度を光強度検出器27により測定し、そ
の測定値をＩj+1 とする（ステップ６）。

【００３５】次に、光強度の今回測定値Ｉj+1 と前回測
定値Ｉj との比較を行なう（ステップ７）。この結果、
今回測定値Ｉj+1 が前回測定値Ｉj より小さい場合は、
前回から今回への位相分布の変化が、被検面の凹凸によ
り生じた位相分布を打ち消す位相分布への変化方向とは
逆の変化なので、この位相分布は採用せず、ステップ４
に戻り、同様の処理を繰り返す。また、ステップ４では
前回の位相分布φj （ｘ，ｙ）を基に再び摂動Δ（ｘ，
ｙ）を加えるが、この摂動Δ（ｘ，ｙ）の値は前回とは
全く異なる値とする。

【００３６】これに対し、今回測定値Ｉj+1 が前回測定
値Ｉj より大きければ、前回から今回への位相分布の変
化は、被検面の凹凸により生じた位相分布を打ち消す位
相分布への変化方向に推移していることを意味するの
で、j の値を更新する（ステップ８）。そして、メモリ
に保持されている位相分布の値および光強度の測定値も
それぞれ今回値に更新する。すなわち、今回値φj+1
（ｘ，ｙ）およびＩj+1 がφj （ｘ，ｙ）およびＩj の
値としてそれぞれ保持される。

【００３７】次に、上記繰り返し動作の収束判定を行な
う（ステップ９）。すなわち、レンズ26に平面波が入射
したときの焦点位置における光強度Ｉp を基に設定した
判定基準αＩp を用い、今回値に更新された光強度測定
値Ｉj の値を判定する。ここで、αは収束条件を決める
ための係数で、必要とする測定精度により０より大きく
１以下の任意の値を用いる。α＝１であればＩj ＝Ｉp
のとき収束条件を満足し、反復動作を終了する。すなわ
ち、レンズ26には平面波が入射されており、被検面の凹
凸により生じた位相分布は、液晶空間光変調器24の位相
分布により打ち消されていることを意味する。

【００３８】また、収束条件を満足しない場合は、今回
値に更新された位相分布φj （ｘ，ｙ）および光強度測
定値Ｉj を基にしてステップ４以降の動作を繰り返す。

【００３９】前述のように収束した場合は、メモリーに
記憶されている収束したときの位相分布をφj （ｘ，
ｙ）を用いて被検面の形状Ｌ（ｘ，ｙ）を、以下に示す
式３により求める。この演算は制御手段28により行な
う。

【００４０】

【式３】 この表面形状検査装置により実験を行なった場合の結果
を説明する。

【００４１】実験は、電子計算機によるシュミレーショ
ン実験である。そして、被検面は、深さが波長の半分、
すなわちλ／２となる放物面とした。実験結果から得ら
れた収束判定の係数αと測定精度との関係を表１にまと
めた。表１から、収束判定の係数αを０．８としたとき
のｒｍｓ測定精度は０．４０４λ、係数αを０．９とし
たときのｒｍｓ測定精度は０．０５９５λとなる。この
ように、収束判定の係数αを０．９とすれば、干渉計に
よる表面形状検出装置と比較して遜色ない測定精度が得
られる。

【００４２】

【表１】 なお、この表面形状検査装置は、本来の形状測定のほ
か、一般的な光波の位相情報を求める装置としても利用
することができる。また、表面形状の測定にあたって
も、反復アルゴリズムを変更することにより測定時間の
短い測定が可能になる。

【００４３】次に、他の実施例の表面形状検査装置を図
３を参照して説明する。

【００４４】この図３に示す表面形状検査装置は、図１
に示す表面形状検査装置において、ビームスプリッタ13
およびレンズ26間に位置させている液晶空間光変調器24
を、被検物体15およびビームスプリッタ13の間の被検物
体15の近傍に位置させたものである。

【００４５】そして、図２に示すフローチャートに従い
動作を行ない、メモリーに記憶されている収束したとき
の位相分布をφj （ｘ，ｙ）を用いて被検面の形状Ｌ
（ｘ，ｙ）を、以下に示す式４により求める。

【００４６】

【式４】 このように、液晶空間光変調器24を配置する理由を述べ
る。

【００４７】被検面に入射した平行光は、被検面が湾曲
している場合には平行光として反射されず、たとえば凹
状に湾曲した被検面では収束側に、凸状に湾曲した被検
面では発散側にそれぞれ変移する。また、この表面形状
検査装置は、液晶空間光変調器24に表示された位相分布
に基づいて被検面の凹凸形状を求めるものであるから、
各ピクセルとこれらピクセルを透過する反射光が反射さ
れた被検面上の位置とは被検面の形状に依らず一対一に
対応して定まることが好ましい。すなわち、被検面が湾
曲していても反射光は、平面形状の被検面で反射された
反射光が液晶空間光変調器24を透過する位置と同じ位置
を透過するきとが好ましい。

【００４８】ところが、反射光は上述したように被検面
の凹凸形状に応じて収束側、あるいは、発散側に変移す
るので、被検面上の同じ位置で反射された光であっても
液晶空間光変調器24を透過する位置は変化し、そのため
液晶空間光変調器24に表示される位相分布と被検面の凹
凸形状とが対応しなくなってしまう。そして、この位置
の変化の量は被検物体15から液晶空間光変調器24までの
光路長が長くなる程大きくなる。

【００４９】そこで、液晶空間光変調器24を被検物体15
の前面に近接して配置することにより、被検物体15と液
晶空間光変調器24との間の光路長を短くし、反射光が収
束側、あるいは、発散側に変移することにより液晶空間
光変調器24を透過する反射光の位置の変化を小さくする
ものである。

【００５０】

【発明の効果】本発明の表面形状検査装置によれば、従
来の干渉計によるものに比べ、参照鏡やピエゾ素子が不
要であり、光学系を簡素にすることができ、また、ピエ
ゾ素子がなくなることにより機械的駆動部分がなくな
り、測定装置の信頼性が高くなる。さらに、一点の光強
度の測定により形状検査が行なえるため、２次元の撮像
素子が不要となり、縞解析をする必要もなくなり、光学
系を簡素化できるとともに、高信頼性を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面形状検査装置の一実施例を示す構
成図である。

【図２】同上動作を説明するフローチャートである。

【図３】他の実施例の表面形状検査装置を示す構成図で
ある。

【図４】従来の干渉計による表面形状検査装置の構成図
である。

【符号の説明】

14 検査光学系 15 被検物体 24 液晶空間光変調器 26 レンズ 27 測定手段としての光強度検出器 28 制御手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を平行光として被検物体の被検
   面に入射させるとともに前記被検物体の被検面からの反
   射光を分離する検査光学系と、 前記被検面からの反射光を透過させる光路上に配置さ
   れ、この透過された透過光に所望の位相分布を与える液
   晶空間光変調器と、 この液晶空間光変調器を透過した透過光を集光するレン
   ズおよびこのレンズの焦点位置に配置され光強度を検出
   する測定手段と、 前記液晶空間光変調器により透過光に所望の位相分布が
   与えられた状態での前記測定手段による光強度を入力
   し、この光強度が設定値となるまで前記液晶空間光変調
   器による位相分布を変化させ、前記設定値が得られたと
   きの位相分布により前記被検面の形状を求める制御手段
   とを備えたことを特徴とする表面形状検査装置。