JPS6325503A - 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凹凸を計測する表面粗さ旧に関する
。

（ｂ１発明の概要 この発明に係る表面粗さ計は、光の半波長以下の微小な
凹凸を計測するものにおいて、試料表面の高さく凹凸）
を表す検査光と同一の光路に試料表面の凹凸判定の基準
となる基準光の光路（基準光路）を設け、検査光と基準
光とが同じ光路を通過するようにした。

これによって、装置の振動や温度変化等による光路の伸
縮に対する補償を不要にし、計測精度を保つことができ
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、磁気ヘッド等の変形しや
すい物の表面の粗さく凹凸）を計測する必要が増大して
いる。従来の触針式の表面粗さ計を用いた場合、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計測する
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５
１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Ｌ・ンズ５
２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。一方ビーノ、スプリッタ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ずこと
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
骨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
、その凹凸状態は等高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て電気信
号に変換し、試料表面全体の凹凸状態を数値データとし
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
した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
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。

とりわけ、■の欠点を解消したことにより８００　ｎｍ
　（８Ｘ　１０−７ｍ）程度の波長の光を用いて数±ｎ
ｍ　（］、ｏ−ｂｍ）前後の凹凸の読み取りが可能とな
った。

＋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針は、特
定位相に対する検査光の位相差（以下「検査光の位相」
という。）でその計測点の凹凸状態（高さ）を計測する
ため、前記基準光路および検査光路の長さが変化すると
計測値に誤差が生じ凹凸状態を正確に計測することがで
きなかった。

ところで、計測に用いる光の波長は上述のように８００
　ｎｍ程度であり計測精度は数±ｎｍであるため、装置
の微少な振動や温度の変化による装置の伸縮でも計測誤
差の原因となる。

従来はこのような計測誤差を防ぐため、厳密な振動防止
機構を設ける必要があり、また、正確な温度管理やまた
は温度変化に対する高精度の補償演算処理等を行う必要
があり、装置全体が高価になるうえ、保守に厳密さを要
求され取り扱いが面倒になる問題点があった。

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、基準光路と検査光路とを同一にすることによっ
て振動や伸縮の影響を受けない表面状態計測装置を提供
することを目的とする。

（ｅ）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有する生害顕
微鏡を有し、前記試料表面全体を走査してこの位相差を
読み取り試料観測面全体の凹凸状態を計測する表面粗さ
計において、前記基準光路を前記検査光の光路と同一に
設けたことを特徴とする。

（ｆ、１ に）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ッタ３が
設けられている。ビームスプリッタ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。

８３０ｎｍである。これらレーザ１０．１１と前記ビー
ムスプリンタ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仮８．電圧を印加することにによって通過す
る光の一部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ＥＯ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
ビームスプリンタ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ＣＣＤ　１２の信号は画像処理装置１
３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に人力されるうまた画像処理装置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
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からその凹凸状態を出力する。またマイクロコ
ンピュータ１５はインターフェイス１８を介して前記Ｅ
Ｏ素子７゜レーザ１０．１１を駆動するＥＯドライバ１
９゜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る。すなわちＣＣＤ
１２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（基準光）はもう一方の偏光（ＣＣＤセンサ
１２上に結像する偏光：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
。）、同一の計測データを得ることができる。これによ
って、振動防止や温度と補償のための特別の装置を設け
る必要がなくなる。

ところで、試料表面の２つの計測点Ｐ、、Ｐ。

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１１．ｌ’ｌ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Ｐ＋、Ｐｚが同じ高さであるのかｎ
λ／２（ｒｌ：整数）ずれているのかを決定することは
できない。そこでこの実施例では、波長の異なる２つの
レーザ１０゜１１を用いて２波長法の計測を行っている
。この２波長法について説明する。

二つの光源レーザ１０，１１の波長をそれぞれλ８．λ
２　（λ１くλ２）とする。計測点Ｐ　Ｉ　＋Ｐ２の高
低差がλ１／２であった場合λ、による位相計測値はＰ
＋、Ｐｚとも同じになるが、λ１≠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ｎ
λ、／２であってもλ２による位相計測値のずれによっ
てＰｒ、Ｐｚ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、λ９．λ２の波長はあらかじめ分かっているため、
Ｐ、、Ｐ、におけるλ２による位相計測値の差で２１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Δ−λ、・
λ２／（λ２−λ、）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、
　　λ２２−８３Ｑｎとすれば、Δ＝１２９４８ｎｍと
なり、Δ／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λ２／　２　＝　４１５　＊璽の１６倍にあ
たる。） 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ｎ、１（以下“ステップ
ｎｉ”を“ｎｉ”という。）でレーザ１０を駆動して第
１波長λ、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）。ｎｌ
。

ｎ２で計測された各計測点の位相に基づいて等価波長へ
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Ａ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Ａでは凹凸状態のアウト
ラインは誤りな（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λ１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π／１　（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。

赫発明の効果 このようにこの発明によれば、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、振動を防止するための特別な機構や厳
密な温度管理または温度変化による装置の伸縮補償を不
要にすることができる。これによって、計測施設全体を
簡略化することができるとともに、この装置の設置場所
の選定が容易になり、計測作業の効率化につながる利点
が生じる。

なお、上記実施例では、基準光路を検査光の光路と同一
にするため、二重焦点レンズを用い、焦点を合わせた偏
光を検査光として用い、焦点をずらせた偏光を基準光と
して用いた。この方法以外にも、偏光を用いて異なる２
点の像を同−ＣＯＤ素子上に結像させ、一方を基準光、
他方を検査光とする方式等種々の方式を用いることがで
きる。

（約 １＝Ｆ）実施例の効果 さらに上記実施例では２つの光源の波長λ１、λ２の差
の唸りに相当する等価波長へ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くなる利点がある。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。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ッ
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−ビームスプリッタ、 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 (2)

【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、 前記試料表面を走査して前記位相差を読み取り、その位
   相差に基づいて前記単一波長の半分以下の凹凸差を計測
   する表面粗さ計において、 前記基準光路を前記検査光の光路と同一に設けたことを
   特徴とする表面粗さ計。
2. （２）前記基準光路および検査光の光路は、前記前記試
   料と観測位置との間に挿入された二重焦点レンズを含む
   特許請求の範囲第１項記載の表面粗さ計。