JPS6325502A - 表面粗さ計 - 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】 （ａ）産業上の利用分野 この発明は平滑面の微小な凹凸を計測する表面粗さ計に
関する。

（ｂ１発明の概要 この発明に係る表面粗さ計は、Ｗ４微鏡を用いて試料表
面の微小な凹凸を計測するものにおいて、茄；反射光の
光路長がその凹凸差によって異なるとき、その光路長の
差に対応する光の位相変化は光の波長によって異なる。

これに基づいて正しい凹凸差を決定するようにした。

これによって、試料表面に大きな（１波長を超える）凹
凸差があった場合でも正確な計測を行うことができるよ
うにしたものである。

（Ｃ）従来の技術 近年、軟質金属や磁気テープ、磁気へノド等の変形しや
すい物の表面のｔｎさく凹凸）を計測する必要が増大し
ている。従来の触針式の表面事且さ計を用いた場合、こ
のような変形しやすい物の表面はその測定力のため傷つ
いたり変形したりすることから正確な表面粗さの計測を
行うことが困難であった。一方、試料表面全体の凹凸の
状態を知る必要も生じているが、前記触針式の装置では
非常に時間がかかり、光ヘテロダイン式の表面粗さ計の
ような特定断面の凹凸を測定するような方式の装置では
このような計測は不可能であった。

このような２つの要求を満たしうる表面粗さ計として光
の干渉を用い試料表面全体を走査して面情報を得ること
のできる縞走査干渉式の表面粗さ計が実用化されている
。

第３図に干渉を利用して表面の微小な凹凸を計測する干
渉顕微鏡の概略構成図を示す。接眼レンズ５２．対物レ
ンズ５１からなる顕微鏡と試料５５との間には接合プリ
ズムであるビームスプリッタ５０が設けられ、顕微鏡の
光軸に垂直に入光してくる光源からの単色光（波長λ）
を試料５０方向に反射するとともにこの単色光の入光方
向と反対側に設けられている参照鏡５３方向に分割する
。参照鏡５３からの反射光（基準光）は再度ビームスプ
リッタ５０によって反射され対物レンズ５１、接眼レン
ズ５２を介して観測者に観測される。以上の光路がこの
装置の基準光路である。一方ビームスプリノタ５０から
試料５５表面へ到達した光（検査光）はこの試料５５表
面で反射したのちビームスプリッタ５０をそのまま通過
し前記対物レンズ５１．接眼レンズ５２を介して観測者
に観測される。このとき前記基準光とこの検査光とは干
渉する。基準光は結像しないため視野を一様に照らすこ
とになりその位相も全視野において一定である。一方検
査光は虚像を作るため視野の各点は試料５５表面の各点
と対応している。ここで試料５５表面に凹凸があったと
き、試料表面の各点についての検査光の光路長はその凹
凸分だけそれぞれ異なる。したがって前記基準光との位
相差も異なり干渉強度も各点毎にそれぞれ異なってくる
。位相差が２ｎπ（ｎ：整数）のとき干渉強度は最大と
なり、位相差が（２ｎ＋１）πのとき干渉強度は最小と
なる。干渉強度の差は観測者には明暗の差として観測さ
れるため、なだらかな凹凸を有する試料を観測した場合
、その凹凸の状態は等亮線様の縞となってあられれる。

この干渉縞をＣＣＤ等の受光素子上に結像させ゛ζ電気
信号に変換し、試料表面全体の凹凸を数値データとして
処理したり画像処理を行って表示したりできるようにし
１こものが縞走査干渉式の表面粗さ計である。

このような縞走査干渉式表面粗さ計では精度の高い凹凸
状態の読み取りを行うために、基準光の位相を変化させ
て複数回観測を行い観測精度の向上を図っている。これ
によって、■干渉縞の観測のみではλ／２（λ：光源の
波長）以下の凹凸の観測が困難である。■同一の干渉強
度を生じる位相差が一方の光の他方に対する進み、後れ
２通りあるため、−度の観測でその一方を特定すること
ができない。■試料表面の反射率によって検査光の強度
が変化し位相差が同一でも干渉強度が異なる場合がある
。等の欠点を解決している。

（ｄ１発明が解決しようとする問題点 ところで、このような縞走査干渉式の表面粗さ計は、特
定位相に対する検査光の位相差（以下口検査光の位相」
という。）でその計測点の凹凸（高さ）を計測するため
、試料表面の凹凸が光源の光の波長の半分（λ／２）を
超えると、同一の位相がくり返される。このとき人為的
な判断をくわえなければ正確な凹凸の決定をすることが
できなかった。このため、完全な計測の自動化を行うこ
ともできなかった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされた
もので、試料表面の凹凸の計測を異なる波長の２つの光
源でそれぞれ行い、２つの波長の差の唸りの波長に相当
する等価波長についての位相データを得ることにより凹
凸差の大きい試よ４に対しても完全な自動処理を行うこ
とのできる表面粗さ計を堤供することを目的とする。

ｆｅ）問題点を解決するための手段 この発明は、単一波長の光を照射する光源から発し基準
光路を通過した基準光と、前記光源から発し試料表面で
反射した検査光と、の位相差を計測する手段を備えた＃
＃顕微鏡を有し、前記試料表面の像を拡大して前記位相
差を読み取り試料表面の微小な凹凸を計測する表面粗さ
計において、 前記光源としてそれぞれ波長の異なる光を照射する２つ
の光源を設け、 この２つの光源を順次使用して前記走査を読み取る手段
と、読み取られた２つの位相差とそれぞれの光源から発
せられる光の波長とから前記試料表面の凹凸を計測する
手段と、を設けたことを特徴とする。

ここでこの発明の基礎となる２波長法について説明する
。

ここで、試料表面の２つの計測点Ｐ＋、Ｐｚの高低差が
λ／２のとき、これらの計測点Ｐ１．Ｐ２から到達する
検査光１工、１２の位相は同一である（ただし１周期ず
れている。）。したがって、この位相データのみでは、
計測点ＰＩ、Ｐ２が同じ高さであるのかｎλ／２（ｎ：
整数）ずれているのかを決定することはできない。

ここで光源を二つ設け、その波長をそれぞれλ１、λ２
　（λ、くλ２）とする。計測点Ｐ＋、Ｐｚの高低差が
λ、／２であった場合λ１による位相計測値はＰ、、Ｐ
２とも同じになるが、λ、≠λ２であるため、この高低
差はλ２／２とはならない。すなわち高低差がｎλ、／
２であってもλ２による位相計測値のずれによってＰ、
、Ｐ、間に高低差があることが分かる。この場合の高低
差はｎλ、／２（ｎ：整数）である可能性があるが、λ
１．λ２の波長はあらかじめ分かっているためＰ、、Ｐ
２におけるλ２による位相計測値の差でλ１が何周期ず
れたかを決定することができる。

なお（λ１．λ２）の組み合わせの周期となる高低差は
Ａ＝λ、・λ２／（λ２−λ１）である。

（以下へを「等価波長」という。）したがって、たとえ
ば、λ、＝７８０ｎｍ、　　λ−＝８３０ｎｍとすれば
、Ａ＝１２９４８ｎｍとなり、Ａ／２＃６．４μｍ程度
の高低差を単純な数値処理で決定することができる。（
この値はλ２のみで計測した場合のλｚ　／　２　＝　
４１５１重の１６倍にあたる。

１ｉ実施例 第１図はこの発明の実施例である表面粗さ計の概略構成
図である。接眼レンズ１．対物レンズ４．５からなる顕
微鏡の鏡筒内には偏光板２およびビームスプリンタ３が
設けられている。ビームスプリンタ３はこの顕微鏡の光
軸に垂直な方向から入射するレーザ光を対物レンズ方向
に反射する。

このビームスプリンタ３に入射する光はレーザ１０．１
１で生成される。レーザ１０，１１は鏡筒側方に設けら
れており、その波長は７８０ｎｍ。

８３０　ｎｍである。これらレーザ１０，１１と前記ビ
ームスプリフタ３との間にはこれらレーザ１０．１１の
双方をビームスプリッタに入射させるためのハーフミラ
−９，λ／２板８．電圧を印加することにによって通過
する光の一偏光の位相をこの偏光と直角な偏光に対して
任意にずらすことのできるＥ○素子７が配設されている
。また前記対物レンズ４，５のうち４は二重焦点レンズ
である。二重焦点レンズとは互いに直行する２つの偏光
の屈折率が異なる物質で構成されたレンズである。した
がって２つの偏光の焦点距離が異なるものである。なお
、前記ＥＯ素子７で位相をずらすことのできる偏光方向
と二重焦点レンズ４で長い焦点距離を有する偏光方向と
がビームスプリッタ３の反射によって一致するようにこ
れらは取り付けられている。

また前記接眼レンズ１にはイメージセンサであるＣＣＤ
１２が取り付けられており受光した拡大画像を電気信号
に変換する。このＣＣＤ１２の信号は画像処理装置１３
に入力されてデジタル信号に変換され、マイクロコンピ
ュータ１５に入力すれる。また画像処理装置１３にはモ
ニタ１４が接続されており、ＣＣＤ１２が受光した画像
をそのままモニタ１４に表示することもできる。このよ
うに動作させればこの装置を走査式顕微鏡として使用す
ることもできる。前記マイクロコンピュータ１５では入
力された画像処理データに基づいて試料６表面の凹凸の
状態を計算し、接続されている表示装置１６またはプリ
ンタ１７でその凹凸をイメージとして出力する。またマ
イクロコンビュ−タ１５はインターフェイス１８を介し
て前記Ｅ○素子７．レーザ１０，１１を駆動するＥＯド
ライバ１９．レーザドライバ２０．２１を制御するここ
でこの装置における基準光生成の原理を説明する。

レーザ１０または１１から照射された光はビームスプリ
ッタ３で反射されて試料６表面を照射する。その反射光
は対物レンズ４，５および接眼レンズ１によってＣＣＤ
１２上に結像するが、二重焦点レンズの作用によって一
方の偏光のみが上記のようにＣＣＤ１２上に結像する。

この偏光と垂直な他の偏光は二重焦点レンズ４で異なっ
た屈折を受けるため試料表面−点の反射光はＣＣＤ１２
全体に拡散しいわゆるピンボケの状態となる。すなわち
ＣＣＤ１２の１つの素子からみればこの偏光について試
料６表面全体からの平均化された反射光（各部位の反射
光の合成光）を受けていることになり、ＣＣＤ１２の各
素子に均一の平均化された反射光が入光するためこれを
基準光として使用することが可能となる。ただしこの偏
光（基４を光）はもう一方の偏光（ＣＣＤセンサ１２上
に結像する偏光二検査光）とは９０°の偏光方向の差が
あるため偏光板２を両偏光の偏光方向と４５゜の角度に
なるように設け、両偏光のこの方向成分を取り出して干
渉を起こさせるようにしている。

このように基準光を検査光と同一の光路を介してＣＣＤ
１２に到達せしめるようにしたことによって、装置の振
動や温度変換等による伸び縮みがあった場合でも基準光
と検査光の位相差は変化せず（光路の距離は変化する。

）、振動防止や温度と補償のだめの特別の装置を設ける
必要がなくなる。

第２図は前記マイクロコンピュータ１５の動作を示すフ
ローチャートである。ステップｎｌ（以下“ステ、／ブ
ｎｉ”を“ｎｉ”という。）でレーザ１０を駆動して第
１波長λ１による検査光の各計測点における位相を計測
する。この計測は基準光の位相をπ／２づつずらせて行
われる４回の干渉強度の測定に基づいて行われる。次に
第２波長による検査光の位相計測を行う　（ｎ２）。ｎ
ｌ。

ｎ２で計測された各計測点の位相に基づいて等価波長Δ
に基づく試料６表面の凹凸状態を算出する（ｎ３）。こ
の動作で試料６表面の一応の凹凸状態の計測は終了する
が、上述のように等価波長Δは非常に長周期の波長であ
るため微小な高低差（位相差）による振幅の差は極めて
微かである。すなわち等価波長へでは凹凸状態のアウト
ラインは誤りなく計測することができるが、微小な高低
差を精度よく読み取ることはその振幅変化が穏やかであ
ることから困難となる。このためｎ４でλ。

による検査光の位相に基づいて各計測点における凹凸状
態を正確に決定する。このときｎλ１　（計測点の高低
差はｎλ＋　／　２　：　ｎは整数）ずれた位相を判別
しなければならないが、ｎ３でアウトラインが計測され
ているため判別を誤ることはない。このデータを前記表
示装置１６またはプリンタ１７に出力しくｎ５）動作を
終える。

ｎｌ、ｎ２がこの発明の読み取る手段に対応し、ｎ３が
この発明の計測する手段に対応する。

（褐発明の効果 このようにこの発明によれば、２つの光源の波長λ１、
λ２の差の唸りに相当する等価波長ｌ〜で凹凸状態を読
み取ることができるため大きな高低差があった場合でも
その読み取りエラーが生じることがな（なる利点がある
。また等価波長の読み取りののちλ１またはλ２に基づ
いて精度の高い読み取りを行うことができるため完全に
読み取りを自動化してもエラーなくかつ精度の高い凹凸
パターンの読み取りを行うことができる。

小〕 （＠実施例の効果 さらに上記実施例では二重焦点レンズを使用したことに
より、検査光の光路と基準光の光路とを同一にすること
ができ、振動補償や温度変化による伸縮の補償を不要に
した。また、ＥＯ素子７をレーザ１０，１１とビームス
プリッタ３との間に挿入したことによって、基準光の位
相を電気的に変化させることができる。これによって稼
動部を少なくできさらには自動制御を容易にすることが
できる。さらにビームスプリンタ３を対物レンズと接眼
レンズとの間に挿入したことによって、対物レンズを試
料６に極めて接近させることができるようになり、高倍
率の対物レンズを使用することができる。また、光源に
レーザを用いたことにより照度が極めて増大し、表面反
射率の低い試料にも使用できるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である表面粗さ計の概略構成
を示すブロック図、第２図は前記表面粗さ計の制御部の
動作を示すフローチャート、第３図は一般的な干渉顕微
鏡の概略構成図である。 ２−偏光板、 ３−ビームスプリフタ、 ２−二重焦点レンズ、 ７−電気光学素子、 ９−ビームスプリフタ、 １０．１１−レーザ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）単一波長の光を照射する光源から発し基準光路を
   通過した基準光と、前記光源から発し試料表面で反射し
   た検査光と、の位相差を計測する手段を備えた顕微鏡を
   有し、 前記試料表面の像を拡大して前記位相差を読み取り試料
   表面の微小な凹凸を計測する表面粗さ計において、 前記光源としてそれぞれ波長の異なる光を照射する２つ
   の光源を設け、 この２つの光源を順次使用して前記位相差を読み取る手
   段と、読み取られた２つの位相差とそれぞれの光源から
   発せられる光の波長とから前記試料表面の凹凸を計測す
   る手段と、を設けたことを特徴とする表面粗さ計。