JPH095059A - 平面度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】外乱振動の影響を受けにくく、単純な装置構成
で、高精度に長尺平面鏡表面の真直度あるいは平面度を
測定できる平面度測定装置を提供する。 【構成】光源１からの光を参照光５と測定光６とに分割
する偏光ビームスプリッタ２ａと、分割された参照光５
を直角に曲げて測定光６と平行にする反射ミラー３ａ
と、両光５、６を反射して被測定面９へ照射する、それ
ぞれの反射面が４５度の角度をなすように配置された反
射ミラー３ｂ、３ｃと、両反射ミラー３ｂ、３ｃが取付
けられた移動ステージ７と、被測定面９で反射され戻っ
てきた両光５、６が合成された光の強度を検出する受光
素子１０と、受光素子１０の検出信号に基づいて両光
５、６の干渉縞の状態に対応する光路差を逐次演算し、
その演算結果から被測定面９の真直度及び平面度を決定
する演算装置１１とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高精度な長尺の平面鏡
の平面度あるいは真直度の測定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、大型で非常に滑らかに磨かれた平
面の平面度を極めて高精度に測定する必要が生じてきて
いる。例えば、半導体に使用されるウエハーは数百ｍｍ
の直径を有しているのに対し、それに必要とされる平面
度は数μｍからサブμｍオーダとなっている。また、非
常に高精度な加工機や測定機にはレーザ光の干渉を利用
した測長装置が使用されているが、可動部の位置を計測
する際の基準となる長尺の平面鏡においても、近年の装
置の大型化に対応して１ｍを越えるものも存在する。

【０００３】このような背景の中で、長尺平面鏡の平面
度を高精度に測定する試みが数々なされているが、その
一つに逐次点法による平面度測定がある。この方式は、
被測定平面上の２点あるいは３点以上の測定点間の相対
変位を逐次的に測定し、得られた測定値をつなぎ合わせ
ることにより、被測定平面の平面度を得るというもので
ある。この逐次点測定法では、測定を行う複数のセンサ
が同一部材に配置できるため、外乱振動の影響を受けに
くい、他に基準を必要としない、装置構成が単純である
等の長所を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】逐次多点法による真直
度測定に関して、小尾らによって日本機械学会論文集
（Ｃ編）５７巻５４２号（１９９１−１０）に「逐次点
測定法による真直度測定の考察」が示されている。本論
文によると、２点法による測定では、センサの傾きが誤
差の主要因となっていることが示されている。また、３
点法を含む多点法は先の２点法の欠点、すなわちセンサ
の測定中の傾きの影響を除去することを目的としている
が、新たに初期のセンサ位置校正誤差による測定誤差が
発生することを明らかにしている。

【０００５】また、上記の２方式の誤差要因のほかに、
それぞれのセンサにおいて測定中に異なったドリフトが
発生した際には測定誤差が生じることは言うまでもな
い。

【０００６】すなわち、従来の逐次２点法においては、
センサの傾き、特にピッチング誤差が測定誤差となり、
また、逐次３点法においては、各センサの初期のセンサ
位置校正誤差が測定誤差を発生させていた。

【０００７】そこで、本発明は上記に示した従来の問題
点を解決する手段とするもので、その目的とするところ
は、外乱振動の影響を受けにくく、他に基準を必要とす
ることなしに、単純な装置構成で、高精度に長尺平面鏡
等の被測定面の真直度あるいは平面度を測定できる平面
度測定装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係わる平面度測定装置は、光源と、前記光
源から出射した光を測定光と参照光とに分割し、互いに
平行な光路を通るように出射すると共に、被測定面で反
射され同一光路を通って戻ってくる前記２つの光を合成
して出射する光分割／合成部と、前記光分割／合成部か
ら平行出射された２つの光の向きを、互いの相対位置関
係を変えることなく直角に曲げて、前記被測定面へ照射
する光路変更部と、前記光路変更部が取り付けられ、前
記被測定面とほぼ平行な移動させることができる移動ス
テージと、前記移動ステージの位置を測定する位置測定
装置と、前記光分割／合成部から出射される、前記被測
定面で反射され戻ってきた前記参照光と測定光とが合成
された光を検出する受光素子と、前記受光素子が検出し
た光の強度から、前記合成された光に生じている、前記
２つの光が反射された前記被測定面上の２点での相対変
位に起因する干渉縞の状態を測定し、さらに、当該計測
された干渉縞の状態に対応する前記測定光と前記参照光
との光路差に関するデータと、当該光路差を求めた時に
前記位置測定装置で検出された前記移動ステージの位置
に関するデータとを複数組求め、これら複数組のデータ
を用いて前記被測定面の形状を算出する演算装置とを有
する。

【０００９】また、上記発明の平面度測定装置におい
て、前記光分割／合成部は、前記被測定面とほぼ平行
に、前記参照光と前記測定光とを平行出射するものであ
り、前記光路変更部は、前記光分割／合成部から平行出
射された前記参照光及び測定光を２回反射して、入射角
度に対して光の向きを９０度変えて平行出射する、４５
度の角度をなして互いの反射面が対向配置された、２つ
の反射鏡を有する構成としても良い。

【００１０】

【作用】本発明においては、外乱振動の影響を受けにく
く、他に基準を必要とすることなしに、単純な装置構成
で、高精度に被測定面の真直度や平面度を測定すること
ができる、従来の逐次２点法と基本的には同様な方法で
測定を行なう。ただし、従来の逐次測定に用いられてい
たセンサ、例えば静電容量式センサや光プローブセンサ
を、光の干渉を利用したものに置き換えることにより、
前記センサに生じるドリフトによる誤差の発生を防止す
ることができる。

【００１１】また、本発明において、従来の逐次２点法
で前記センサを取り付けていた場所に、２枚の反射鏡を
４５度の角度を成すように対向配置することで、当該２
枚の反射鏡の位置変化により、当該２枚の反射鏡と入射
してくる測定用レーザ光との相対位置関係が変化して
も、前記測定用レーザ光は、常に被測定面へ垂直に入射
する。このため、従来の２点法で誤差の要因となってい
た前記センサの傾きに相当する、２つの測定用レーザ光
の光路差の発生を防止することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を適用した平面度測定装置の一
実施例について、図１を参照して説明する。本実施例
は、最初、周知の逐次２点法を用いて平面と仮定されて
いる被測定面中の、ある直線方向での真直度を測定す
る。本実施例では、さらに、上記真直度測定を、異なる
直線上で複数回実行することで、被測定面の平面度を決
定するものである。

【００１３】本実施例は、図１に示すように、光源１
と、光源１からの光を参照光５と測定光６とに分割する
偏光ビームスプリッタ２ａと、分割された参照光５を直
角に曲げて測定光６と平行にする反射ミラー３ａと、１
／４波長板４ａと、参照光５及び測定光６を反射して被
測定面９へ照射する、それぞれの反射面が互いに４５度
の角度をなすように対向配置された反射ミラー３ｂ、３
ｃと、両反射ミラー３ｂ、３ｃが装着された移動ステー
ジ７と、移動ステージ７の位置を測定するポジションス
ケール８とを有する。

【００１４】本実施例は、さらに、被測定面９で反射さ
れ、上述した光路を通り戻ってきた参照光５と測定光６
とが合成された光を検出する受光素子１０と、受光素子
１０からの検出信号に基づいて、参照光５と測定光６と
の干渉縞の状態に対応する光路差を逐次演算し、その演
算結果を記憶すると共に、この記憶された演算結果に基
づいて、被測定面９の真直度及び平面度を決定する、記
憶部を備えた演算装置１１とを有する。

【００１５】本実施例における動作をより詳細に説明す
る。

【００１６】本実施例では、最初、光源１から出射した
光を偏光ビームスプリッタ２ａで参照光５と測定光６に
分離する。参照光５と測定光６は、偏光ビームスプリッ
タ２ａで互いに直交する直線偏光となる。

【００１７】光源１としては、例えば通常のレーザ光源
や、ゼーマン効果を利用した直交２周波のレーザ光を射
出するもの等の利用が可能である。ただし、本実施例に
おいては、参照光５と測定光６との光路差が非常に小さ
いため、特に発振周波数を安定化させる必要はない。そ
のため、安価なレーザ光源を用いることができる。

【００１８】参照光５は、反射ミラー３ａで測定光６と
平行になる。参照光５、測定光６は、その後１／４波長
板４ａを経て、それぞれ回転方向の異なる円偏光とな
る。次に、参照光５、測定光６は、反射ミラー３ｂと反
射ミラー３ｃとでそれぞれ反射され、その光の向きを９
０度曲げて、被測定面９に垂直に入射する。

【００１９】本実施例では、反射ミラー３ｂと反射ミラ
ー３ｃとの成す角度は、４５度となるように構成されて
いる。このため、これらの反射ミラー３ｂ、３ｃを固定
している移動ステージ７が傾き、参照光５及び測定光６
の、反射ミラー３ｂへの入射角度が変化しても、両光
５、６は、被測定面９へ常に垂直に入射する。

【００２０】したがって、これら両反射ミラー３ｂ、３
ｃの構成によれば、従来の逐次２点法で問題となってい
た、センサの傾きに起因する参照光５と測定光６との光
路差の発生を防ぐことができる。

【００２１】被測定面９で反射した参照光５、測定光６
は、入射時と同じ光路を通過して、再び、１／４波長板
４ａを通過することにより、入射時の直線偏光の向きに
対し９０度回転した向きになる。そのため、偏光ビーム
スプリッタ２ａでは、参照光５は透過し、測定光６は反
射して、それぞれ受光素子１０に入射する。

【００２２】移動ステージ７は、被測定面９とほぼ平行
な面上を、参照光５及び測定光６の光路方向に沿って移
動するもので、ポジションスケール８の値に基づいて、
参照光５と測定光６との間隔の距離の整数倍の位置に逐
次位置決めされる。すなわち、被測定面９における、前
回測定した測定光６の入射位置に、今回の参照光５が入
射されるように、移動ステージ７を移動させ、逐次位置
決めする。

【００２３】なお、本実施例では、上記位置決めを行う
毎に、受光素子１０により、参照光５と測定光６との光
路差に比例して生成される干渉縞による明暗に対応す
る、光の強度変化を計測する。

【００２４】演算装置１１は、移動ステージ７の位置決
め毎に、受光素子１０での検出結果を光路差に変換し
て、その変換された光路差から、参照光５及び測定光６
が入射した被測定面９上の２つの測定点での相対変位を
求める。演算装置１１は、さらに、上記求められた２つ
の測定点での相対変位と、その時点での２つの測定点の
位置に対応する移動ステージ７の位置とをそれぞれ記憶
装置に記憶させる。

【００２５】測定終了後、演算装置１１により、前記記
憶装置に記憶されている相対変位データ及び位置データ
を用いて、移動ステージ７の移動軌跡に対応する、被測
定面９内の複数の直線上における真直度をそれぞれ求
め、この求めた複数の真直度データから、被測定面９の
形状を求める。

【００２６】データ収集のための移動ステージ７の移動
軌跡としては、長尺の平面鏡の場合には、例えば、その
長手方向に沿って往復移動させ、その軌跡が縞状となる
ようにする。また、円や矩形等の広い面積を備えた被測
定面の場合には、例えば、移動軌跡が格子状となるよう
に、一軸方向に往復移動させて後に、その方向と直交す
る軸方向に往復移動させる。

【００２７】本実施例では、上述したように移動ステー
ジ７の傾きが誤差の要因とならないため、移動ステージ
７をエアスライドのような高精度なものにする必要はな
く、通常の転がりスライドで十分である。また、ポジシ
ョンスケール８の精度も、被測定面９が平面であるなら
ば、ポジションスケール８で生じる測定位置の誤差が、
形状測定精度に与える影響は小さいため、それほど精度
の高いものである必要はない。

【００２８】さらに、本実施例において、参照光５と測
定光６との間隔を例えば約５〜１０ｍｍ以下とすれば、
従来からレーザ測長で問題となっている空気ゆらぎの影
響は、ほとんど無視することができる。多少の影響がで
る場合には、光路を覆ったり、測定値を多数取り込み平
均する等の対策を講じることにより簡単に対処すること
ができる。

【００２９】本実施例によれば、長尺の平面鏡等の被測
定面の平面度を安価な装置で、非常に高精度に測定する
ことができる。また、外乱振動の影響を受けにくいた
め、測定環境が悪いところでの使用が可能である。

【００３０】次に、本発明を適用した平面度測定装置の
他の実施例を、図２を参照して説明する。

【００３１】本実施例においては、光学系の配置及び平
面度の演算方法は上記図１の実施例と同じであるが、移
動ステージ７の位置決め方法及び移動ステージの位置検
出方法が異なる。以下では、上記図１の実施例と異なる
点について説明し、その他の同じ構成については同じ符
号を付し、その詳細説明は省略する。

【００３２】本実施例は、図２に示すように、上記図１
の実施例のポジションスケール８の代わりとして、移動
ステージ７を一方向に変位させる送りねじ１４と、送り
ねじ１４を回転駆動するモータ１２と、モータ１２の回
転角を検出するロータリーエンコーダ１３とを有する。

【００３３】送りねじ１４は、被測定面９とほぼ平行な
平面内で、参照光５及び測定光６の光路方向に沿った方
向に、移動ステージ７が移動するように配置する。

【００３４】本実施例では、移動ステージ７を送りねじ
１４とモータ１２で駆動すると共に、モータ１２と同軸
上に配置されているロータリーエンコーダ１３で、モー
タ１２の回転角を計測し、その値に基づいて移動ステー
ジ７を位置決めするものである。このとき、位置決めの
制御は演算装置１１で行なうものとする。

【００３５】本実施例によれば、長尺のポジションスケ
ールを使用することなしに、移動ステージ７の位置決め
及び位置検出が行えるので、装置構成を簡単にすること
ができる。また、ポジションスケールにおいて長尺にな
ればなるほど増加するスケール誤差が、ロータリーエン
コーダ１３で実施することにより低減することができ
る。

【００３６】次に、本発明を適用した平面度測定装置の
他の実施例について、図３を参照して説明する。本実施
例は、上記図１及び図２の実施例で用いられた偏光ビー
ムスプリッタ２ａ及び反射ミラー３ａの機能を、別な方
式で実現したものである。

【００３７】ここで、図３は本実施例の特徴的な構成の
みを示し、その他の部分については一部省略している。
また、本図において、実線は参照光５の光路を示し、点
線は測定光６の光路を示す。

【００３８】本実施例は、図３に示すように、前記偏光
ビームスプリッタ２ａ及び反射ミラー３ａの代わりに、
光源１から出射された光を参照光５と測定光６とに分割
する偏光ビームスプリッタ２ｂと、分割された参照光５
を反射するコーナーキューブ１５と、コーナーキューブ
１５で反射され偏光ビームスプリッタ２ｂと透過した参
照光５を反射する反射鏡３ｄと、偏光ビームスプリッタ
２ｂとコーナーキューブ１５との間、及び、偏光ビーム
スプリッタ２ｂと反射鏡３ｄとの間にそれぞれ設けられ
た１／４波長板４ｂ、４ｂ’とを有する。

【００３９】光源１から出射した光は、偏光ビームスプ
リッタ２ｂで、参照光５と測定光６とに分割される。

【００４０】偏光ビームスプリッタ２ｂにより、その向
きが９０度曲げられた参照光５は、１／４波長板４ｂを
通り、コーナーキューブ１５へ入射する。コーナーキュ
ーブ１５では１８０度反射されて、再び１／４波長板４
ｂを通り、偏光ビームスプリッタ２ｂを透過し、１／４
波長板４ｂ’を通って、反射鏡３ｄへ入射する。反射鏡
３ｄで反射した参照光５は、再び１／４波長板４ｂ’を
通って、偏光ビームスプリッタ２ｂで９０度曲げられ、
１／４波長板４ａを通り、図中で省略されている移動ス
テージ７に装着された反射ミラー３ｂ、３ｃを介して、
被測定面９へ垂直入射する。

【００４１】上記構成の光学系によれば、コーナーキュ
ーブ１５を、図中の矢印１６の方向に移動させることに
より、参照光５の被測定面９上の位置を矢印１７の方向
へ移動させることができる。

【００４２】被測定面９で反射された参照光５は、再び
１／４波長板４ａを通り、偏光ビームスプリッタ２ｂを
透過して、受光素子１０へ出射される。

【００４３】一方、偏光ビームスプリッタ２ｂを透過し
た測定光６は、１／４波長板４ａを通り、図中で省略さ
れている移動ステージ７に装着された反射ミラー３ｂ、
３ｃを介して、被測定面９へ垂直に入射する。

【００４４】被測定面９で反射された測定光６は、１／
４波長板４ａを通り、偏光ビームスプリッタ２ｂで９０
度曲げられ、１／４波長板４ｂ’を通って、反射鏡３ｄ
へ入射する。反射鏡３ｄで反射した測定光６は、再び１
／４波長板４ｂ’を通って、偏光ビームスプリッタ２ｂ
を透過し、１／４波長板４ｂを通り、コーナーキューブ
１５へ入射する。コーナーキューブ１５では１８０度反
射されて、再び１／４波長板４ｂを通り、偏光ビームス
プリッタ２ｂで９０度曲げられ、受光素子１０へ向かっ
て出射される。

【００４５】受光素子１０は、偏光ビームスプリッタ２
ｂから合成されて出射された、参照光５と測定光６とを
受光し、両光５、６の光路差に対応して生じた干渉縞に
よる光の明暗を計測する。

【００４６】本実施例によれば、上記図１及び図２の実
施例では固定されていた、参照光５と測定光６との間隔
を、コーナーキューブ１５を矢印１６の方向に移動さ
せ、参照光５の被測定面９上の位置を矢印１７の方向へ
移動させることで、任意に変化させることができる。

【００４７】したがって、本実施例によれば、逐次測定
する２点間の間隔を任意に設定できるため、より自由度
の高い真直度及び平面度の測定が可能となる。

【００４８】本実施例では、コーナーキューブの配置位
置を変位可能とすることで、参照光５と測定光６との間
隔を変化させたが、本発明では、両光５、６の間隔を変
位させるための構成は、これに限定されるものではな
い。両光５、６が入射する被測定面９上での測定点の間
隔を変えることができるものであれば、例えば上記図１
の実施例の反射ミラー３ａの位置を図中の上下方向に変
える等、他の構成の光学系でも構わない。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、外乱振動の影響を受け
にくく、他に基準を必要とすることなしに、単純な装置
構成で、高精度に長尺平面鏡等の被測定面の真直度ある
いは平面度を測定できる平面度測定装置を提供すること
ができる。

【００５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による平面度測定装置の一実施例の構成
を示す説明図である。

【図２】本発明による平面度測定装置の他の実施例の構
成を示す説明図である。

【図３】本発明による平面度測定装置の他の実施例の要
部構成を示す説明図である。

【符号の説明】

１…光源、２ａ…偏光ビームスプリッタ、２ｂ…偏光ビ
ームスプリッタ、３ａ…反射ミラー、３ｂ…反射ミラ
ー、３ｃ…反射ミラー、３ｄ…反射ミラー、４ａ…１／
４波長板、４ｂ…１／４波長板、５…参照光、６…測定
光、７…移動ステージ、８…ポジションスケール、９…
被測定面、１０…受光素子、１１…演算装置、１２…モ
ータ、１３…ロータリーエンコーダ、１４…送りねじ、
１５…コーナーキューブ、１６…コーナーキューブの変
位方向、１７…参照光の変位方向。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、 前記光源から出射した光を測定光と参照光とに分割し、
   互いに平行な光路を通るように出射すると共に、被測定
   面で反射され同一光路を通って戻ってくる前記２つの光
   を合成して出射する光分割／合成部と、 前記光分割／合成部から平行出射された２つの光の向き
   を、互いの相対位置関係を変えることなく直角に曲げ
   て、前記被測定面へ照射する光路変更部と、 前記光路変更部が取り付けられ、前記被測定面とほぼ平
   行な移動させることができる移動ステージと、 前記移動ステージの位置を測定する位置測定装置と、 前記光分割／合成部から出射される、前記被測定面で反
   射され戻ってきた前記参照光と測定光とが合成された光
   を検出する受光素子と、 前記受光素子が検出した光の強度から、前記合成された
   光に生じている、前記２つの光が反射された前記被測定
   面上の２点での相対変位に起因する干渉縞の状態を測定
   し、さらに、当該計測された干渉縞の状態に対応する前
   記測定光と前記参照光との光路差に関するデータと、当
   該光路差を求めた時に前記位置測定装置で検出された前
   記移動ステージの位置に関するデータとを複数組求め、
   これら複数組のデータを用いて前記被測定面の形状を算
   出する演算装置とを有することを特徴とする平面度測定
   装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の平面度測定装置におい
   て、 前記光分割／合成部は、前記被測定面とほぼ平行に、前
   記参照光と前記測定光とを平行出射するものであり、 前記光路変更部は、前記光分割／合成部から平行出射さ
   れた前記参照光及び測定光を２回反射して、入射角度に
   対して光の向きを９０度変えて平行出射する、４５度の
   角度をなして互いの反射面が対向配置された、２つの反
   射鏡を有することを特徴とする平面度測定装置。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の平面度測定装置
   において、 前記光分割／合成部は、 前記光源から出射された光を分割するビームスプリッタ
   と、 前記ビームスプリッタで分割された光の一方を反射し
   て、もう一方の光と平行となるように反射して出射する
   光学要素とを少なくとも有するものであり、 前記光学要素と前記ビームスプリッタとの相対位置関係
   が変更可能であることを特徴とする平面度測定装置。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の平面度測
   定装置において、 前記移動ステージを移動させる駆動機構をさらに有する
   ことを特徴とする平面度測定装置。
5. 【請求項５】単一光源から出射した光を２つに分割し
   て、互いに平行な光路を通るように出射した後に、当該
   ２つの光の向きを変えて、被測定面へ垂直に入射させ、 前記被測定面で反射され戻ってくる前記２つの光を合成
   することで生じる干渉縞の状態を検出し、この検出結果
   に対応する前記２つの光の光路差から、前記２つの光が
   入射した前記被測定面上の２点間での相対変位を検出
   し、 前記相対変位の検出結果と、当該相対変位を検出した時
   点での前記２つの光の位置とを複数組求め、これら複数
   組のデータを用いて前記被測定面の形状を求めることを
   特徴とする平面度測定方法。
6. 【請求項６】請求項５に記載の平面度測定方法におい
   て、 前記分割した２つの光は、前記被測定面に対してほぼ平
   行に出射するものであり、 前記平行出射された２つの光は、４５度の角度を成して
   対向している２つの反射面での２回反射により直角に曲
   げられ、前記被測定面へほぼ垂直に入射させることを特
   徴とする平面度測定方法。
7. 【請求項７】光源と、 前記光源から出射した光を測定光と参照光とに分割し、
   互いに平行な光路を通るように出射すると共に、被測定
   面で反射され同一光路を通って戻ってくる前記２つの光
   を合成して出射する光分割／合成部と、 前記光分割／合成部から平行出射された２つの光の向き
   を、互いの相対位置関係を変えることなく直角に曲げ
   て、前記被測定面へ照射する光路変更部と、 前記光分割／合成部から出射される、前記被測定面で反
   射され戻ってきた前記参照光と測定光とが合成された光
   の強度を検出し、当該光の強度から、前記合成された光
   に生じている、前記２つの光が反射された前記被測定面
   上の２点での相対変位に起因する干渉縞の状態を測定す
   る干渉縞検出部とを有し、 前記光路変更部は、平行入射してくる前記参照光及び測
   定光を２回反射して、入射角度に対して９０度光の向き
   を変えて平行出射する、４５度の角度をなして互いの反
   射面が対向配置された、２つの反射鏡を有することを特
   徴とする干渉測定装置。