JPS635208A - 表面形状測定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、表面形状測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、表面粗さ計用のセンサとして旧５ｓｓ　（Ｈｉｇ
ｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎ　５ｐｔｉｃａｌ　５ｕｒｆａｃ
ｅ　５ｅｎｓｏｒ）が既知である。第６図はこの旧６Ｓ
Ｓの構成を示す線図である。

半導体レーザ１から直線偏光した発散光束を放射する。

この発ｌｉｔ光束はコリメータレンズ２により平行光束
とされ、偏光プリズム３の偏光膜３ａで反射し、１７４
波長板４を透過し対物レンズ５で微小スポット状に集束
されて被検面６に入射する。被検面６で反射した光束は
再び対物レンズ５で集光され、１７４波長板４を透過し
て偏光プリズム３に入射する。この入射光は１７４波長
Ｖｉ４を２回透過しているからその偏光面がπ／２だけ
変化し、偏光プリズム３の偏光膜３ａを透過する。この
透過光はハーフミラ−７に入射し、その透過光は第１の
臨界角プリズム８に入射し、その反射光は第２の臨界角
プリズム９に入射する。第１臨界角プリズム８に入射し
た光束は、それぞれ臨界角に設定した２個の光学面８ａ
及び８ｂで反射し、光学面８ｂの入射面に垂直な軸線方
向に延在する分割線で２分割された受光素子１０ａ及び
ｆｏｂを有する光検出器１０に入射する。第２の臨界角
プリズム９に入射した光束は、同様にそれぞれ臨界角に
設定した２個の光学面９ａ及び９ｂで反射し、光学面９
ｂの入射面に垂直な軸線方向に延在する分割線で２分割
された受光素子１１ａ及びｌｌｂを有する光検出器１１
に入射する。第７図は臨界角プリズムの動作原理を示す
線図である。被検面６が対物レンズ５の光軸方向に変位
すると、前ピン状態又は後ピン状態に応じて被検面６か
らの反射光が発散光束又は集束光束となるので、被検面
６の光軸方向の変位量に応じて臨界角プリズム８の臨界
角に設定した光学面８ａに対する入射角が変化し、各受
光素子１０ａ及び１０ｂへの入射光量がそれぞれ変化す
る。従って、第６図の装置において受光素子１０ａ及び
１０ｂの光電出力値Ａ及びＢの差信号Ａ−Ｂ、又は受光
素子１１ａ及びｌｌｂの光電出力値Ｃ及びＤの差信号Ｃ
−Ｄを演算することにより被検面６の光軸方向の変位量
が測定される。尚、被検面６が紙面と直交する軸を中心
にして傾斜している場合（紙面内で傾斜している場合）
、各光検出器１０及び１１上に投影されるビームスポッ
トが紙面内方向で変位するため、（Ａ−Ｂ）＋　（Ｃ−
Ｄ）の信号を求めて角度成分を除去し、被検面の光軸方
向の変位情報が求められる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来の表面粗さ計では、被検面の光軸方向の変
位量を検出することができるが、被検面の角度情報を検
出することができず、従って被検面の３次元的な立体形
状を検出することができなかった。また、測定可能なダ
イナミックレンジが狭く、従って被検面の表面粗さ等の
ダイナミックレンジが狭いものにしか適用できない欠点
があ□った。更に、基準位置から変位するに従って被検
面上のスポット径が大きくなるため分解能が低下する欠
点もあった。

従って、本発明の目的は上述した欠点を除去し、光軸方
向の変位と共に被検面の角度情報を検出することができ
、更に広いダイナミックレンジを有し広い範囲に亘って
高分解能で被検面の形状を検出し得る表面形状測定装置
を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による表面形状測定装置は、対物レンズを介して
光ビームを被検面に投射する手段と、被検面で反射され
対物レンズで集光された光束を分割する手段と、それぞ
れ分割した光束をほぼ臨界角に設定した光学面を経て受
光し、この光学面の入射面に垂直な軸線及びこれと直交
する軸線に沿って４分割した受光領域を具える受光手段
と、これら４分割された受光領域の出力信号を処理しで
６被検面の光軸方向の変位を表す変位信号を出力する第
１の信号処理手段と、４分割された各受光領域の出力信
号を処理して被検面の光軸に対して垂直な平面に対する
傾き角を表す角度信号を出力する第２の信号処理手段と
を具えることを特徴とするものである。

〔作　用〕

被検面からの反射光を臨界角プリズムを経て４分割した
受光領域を有する光検出器で受光し、これら受光領域か
らの光電出力信号を演算処理することにより、被検面の
光軸方向の変位情報及び角度情報を検出することができ
る。

また、対物レンズを被検面の変位量に応じて光軸方向に
駆動する構成とすれば、常時光ビームを微小スポットと
して被検面上に投影することができ、ダイナミックレン
ジを拡大することができると共に分解能も向上する。

〔実施例〕

第１図は本発明による表面形状測定装置の一実施例の構
成を示す線図である。半導体レーザ２０から直線偏光し
た発散光ビームを放射する。この光ビームをコリメータ
レンズ２１により平行光束とし、偏光膜２２ａを有する
偏光ビームスプリッタ２２に入射させる。偏光膜２２ａ
で反射した光ビームは１７４波長板２３を透過し、対物
レンズ２４で微小スポット状に集束されて対物レンズ２
４のほぼ焦点位置に位置する被検面２５に入射する。本
例では対物レンズ２４を光軸方向に駆動するアクチュエ
ータ装置を設け、被検面２５の光軸方向の変位量に応じ
て対物レンズ２４を矢印ａ又はｂ方向に駆動する。対物
レンズ２４はレンズホルダ２６に支持されており、この
レンズホルダ２６を弾性支持部材（図示せず）を介して
対物レンズ２４の光軸方向に沿って移動自在に装置本体
に装着する。レンズホルダ２６には１対のコイル２７ａ
及び２７ｂが装着され、これらコイル２７ａ及び２７ｂ
と対向して永久磁石２８ａ及びヨーク２９ａ、永久磁石
２８ｂ及びヨーク２９ｂを装置本体側に配置する。各コ
イル２７ａ及び２７ｂに被検面２５の光軸方向の変位量
に応じた極性及び振幅の駆動電流を供給すると、変位量
に応じて対物レンズ２４が矢印ａ又はｂ方向に移動して
常に微小スポット状の光ビームが被検面２５上に投射さ
れることになる。被検面２５で反射した光束は、再び対
物レンズ２４で集光されて平行光束となり、１／４波長
板２３を透過して偏光ビームスプリッタ２２に入射する
。この入射光は１／４波長板２３を２回透過しているか
ら偏光膜２２ａを透過する。透過光はハーフミラ−面３
０ａを有するプリズム３０に入射し、その透過光は第１
の臨界角プリズム３１に入射し、その反射光は第２の臨
界角プリズム３２に入射する。第１及び第２の臨界角プ
リズム３１及び３２は、臨界角に設定した２個の光学面
３１ａ及び３１ｂ　、３２ａ及び３２ｂをそれぞれ有し
、各臨界角プリズム３１及び３２に入射した光束は光学
面３１ａ及び３１ｂ　、３２ａ及び３２ｂでそれぞれ反
射して第１及び第２の光検出器３３及び３４にそれぞれ
入射する。第１の光検出器３３は光学面３１ｂの入射面
に垂直な方向に延在する軸線（Ｙ軸）及びこれと直交す
る方向に延在する軸線（Ｘ軸）によって４分割された受
光領域Ａ、Ａ２．Ｂｌ、ＢＺを有する。第２の光検出器
３４も同様に光学面３２ｂの入射面に垂直な方向に延在
する軸線（Ｙ軸）及びこれと直交する方向に延在する軸
線（Ｘ軸）に沿って４分割された受光領域ＣＩ＋　Ｃ＊
、　ＤＩ＋　Ｄｉを有する。

第２図は演算処理回路及びアクチュエータ駆動回路の構
成を示すブロック図である。８個の受光領域＾１＋　Ａ
Ｚ＋　Ｂｌ＋　８２＋　ＣＩｌ　Ｃ２＋　０１＋　”ｚ
からの出力信号を、被検面２５の光軸方向の変位量を検
出する第１演算処理回路４０、Ｙ軸まわりの傾斜角（紙
面内での傾斜角）を検出する第２演算処理回路４１及び
Ｘ軸まわりの傾斜角（紙面と直交する面内での傾斜角）
を検出する第３演算処理回路４２にそれぞれ人力させる
。

被検面２５が対物レンズ２４の光軸方向に変位すると、
前述したように被検面２５で反射し臨界プリズム３１及
び３２に入射する光束が平行光束から発散光束又は集束
光束に変化し臨界角プリズム３１及び３２の臨界角に設
定した各光学面に対する入射角が変化し、第１光検出器
３３の受光領域Ａ１及びＡ２の受光量と受光領域Ｂ１及
びＢ２の受光量とが変化し、同様に第２光検出器３４の
受光領域Ｃ６及びＣ２の受光量と受光領域Ｄ１及びＤ２
の受光量とが変化するので、（Ａ＋＋Ａｘ）−（Ｂ＋＋
８ｇ）＋（ＣＩｌＣｚ）−（Ｄ＋＋Ｄｚ）の演算処理を
　　　゛行うことにより被検面２５の光軸方向の変位情
報を検出することができる。尚、被検面２５が対物レン
ズ２４の光軸に対して傾斜している場合各光検出器３１
及び３２上に投影されるスポットが傾斜方向に偏移して
投影されるが、第１光検出器３３上の偏移量と第２光検
出器３４上での偏移量とが等しくその方向が互いに逆方
向となるから、上述した演算を行うことにより角度によ
る偏移量が相殺され光軸方向の変位量だけが検出される
。次に、被検面２５がＹ軸を中心に傾斜している場合、
被検面からの反射光は平行光束のままで紙面内において
偏移するので、第１光検出器３３の受光領域Ａ、及びＡ
２の受光量とＢ、及びＢ２の受光量とが被検面２５のＹ
軸まわりの傾斜角度に応じて変化し、第２光検出器３４
の受光領域Ｃ１及びＣ２の受光量と受光領域り、及びＤ
２の受光量とが同様に被検面２５のＹ軸まわりの傾斜角
度に応じて変化する。従って、（Ｂ＋’４ｔｈ）−（Ａ
ｔ十Ａｚ）＋（ＣＩｌＣｚ）−（Ｄ＋＋Ｉｈ）の演算処
理を行うことにより被横面２５のＹ軸まわりの角度情報
を検出することができる。この場合、被検面２５が光軸
方向に変位していても、この変位に基づく成分は相殺さ
れ、角度成分による情報だけが検出される。次に、被検
面２５がＸ軸を中心に傾斜している場合、被検面２５か
らの反射光は紙面と直交する面内において偏移して光検
出器上に投射されるので、（ＡＩ＋Ｂｌ）−（ＡＺ＋８
２）＋（Ｃ，＋ＤＩ）−（ＣＺ十〇Ｚ）の演算処理を行
うことにより被検面２５のＸ軸まわりの角度情報を検出
することができる。この場合も同様に光軸方向変位があ
っても相殺され、Ｘ軸まわりの角度情報だけが検出され
る。

第１演算処理回路４０の出力信号は、対物レンズを駆動
するアクチュエータ装置のフォーカシングエラー信号と
して用いられる。第１演算処理回路４０の出力信号を位
相補償回路４３に供給して位相補償を行い、位相補償さ
れた出力信号をアクチュエータ駆動回路４４に供給し駆
動信号を作成してアクチュエータ４５に供給する。この
結果、フォーカシングサーボループが形成され被検面２
５の光軸方向の変位情報に応じて対物レンズ２４が光軸
方向に駆動され光ビームを被検面上に微小スポットとし
て投射することができる。このように構成することによ
り、被検面２５が光軸方向に変位しても常に微小スポッ
ト状の光ビームで走査されるので、分解能を一層向上す
ることができ、被検面上の微小な凹凸の形状及びその大
きさを正確に検出することができる。また、被検面の変
位量に応じて対物レンズが合焦位置に駆動されるので、
ダイナミックレンジを広くすることができ広い範囲に亘
って変位測定を行うことができると共に変位情報のりニ
アリティも向上する。尚、フォーカスサーボ系が作動す
るとフォーカシングエラー信号は零になるので、被検面
の変位量はアクチュエータ４５に印加する電圧又は電流
に基づいて求めることができる。

第３図は本発明による表面形状測定装置の変形例の構成
を示す線図である。アクチュエータへの印加電圧や供給
電流に基づいて変位量を求める方式ではアクチュエータ
のヒステリスや応答性等の形容を受は易いため、本例で
は対物レンズの変位に基づく静電容量の変化から被検面
の変位情報を検出する。第１図で用いた部材と同一の部
材には同一符号を付して説明する。対物レンズ２４を支
持するレンズホルダ５０の上側に測定電極５１及びこの
測定電極５１をガードするための２個のガードリング５
２ａ及び５２ｂを対物レンズの光軸を中心にして同軸状
に装着する。−方これら測定電極５１及びガードリング
５２ａ及び５２ｂ　と対向するように装置本体側に接地
電極５３を固定する。被検面２５が光軸方向に変位する
と、フォーカスサーボループによってレンズホルダ５０
、従ってこれに装着されている測定電極５１が光軸方向
に変位し、測定電極５１と接地電極５３との間の距離が
変化し、これら電極５１と５３との間で形成される静電
容量が被検面２５の変化量に応じて変化することにより
なる。従って、電極５１及び５３間の静電容量の変化を
検出することにより被検面２５の光軸方向の変位量を正
確に検出することができる。

第４図は本発明による表面形状測定装置の別の変形例の
構成を示すものであり、第４図ａは正面図、第４図すは
側面図である。本例では、上述した構成の装置をセンサ
として用い、このセンサ６０をＸ軸方向支持機構６１及
びＹ軸方向支持機構６２によって支持すると共に、これ
ら支持機構６１及び６２にＸ軸周駆動モータ６３及びＹ
軸層駆動モータ６４をそれぞれ連結し、センサ６０をＸ
軸まわり及びＹ軸まわりに傾動させＸ軸及びＹ軸まわり
の角度が補正された状態で変位情報を検出する。第５図
に駆動制御回路の構成を示す。Ｘ軸まわりの角度情報を
表す角度Ｙ信号（第２図）を位相補償回路７０に供給し
て位相補償を行い、この出力信号を駆動回路７１に供給
しＹ軸駆動モータ６４を被検面のＹ軸まわりの傾斜角度
に応じて駆動する。この結果、被検面２５がＹ軸まわり
に傾斜している場合、傾斜角度に応じてセンサ６０がＹ
軸方向支持機構を介してＹ軸を中心にして傾動すること
になる。この場合、Ｙ軸駆動モータ６４に供給され駆動
信号の電圧又は電流を積分器７２によって積分すること
により被検面のＹ軸まわりの傾斜角度を検出することが
できる。また、同様にＸ軸まわりの角度情報を表す角度
Ｘ信号（第２図）を位相補償回路７３に供給して位相補
償を行い、この出力信号を駆動回路７４に供給し被検面
のＸ軸まわりの傾斜角に応じてＸ軸駆動モータ６３を駆
動する。この結果、被検面２５がＸ軸まわりに傾斜して
いる場合、傾斜角度に応じてセンサ６０がＸ軸方向支持
機構を介してＸ軸を中心にして傾動することになる。ま
た、駆動信号の電圧又は電流を積分器７５により積分す
ることによってＸ軸まわりの傾斜角が検出される。この
ように構成すれば、被検面のＸ軸及びＹ軸まわりの傾斜
−角と光軸方向の変位量を共に検出することができ、従
って被検面の形状を正確に測定することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、臨界角に設定した
光学面を有する臨界角プリズムと４分割された受光領域
を有する光検出器とを具えているので、被検面の光軸方
向の変位量だけでなく、角度情報も検出することができ
る。

被ヰ★面の光軸方向の変位量に応じて対物レンズを光軸
方向に駆動するアクチュエータ装置を具えているので、
ダイナミックレンジが拡大され大きな変位を正確に検出
できる。更に、被検面が光軸方向に変位しても常時に微
小スポット状の光ビームが投射され、分解能を一層向上
できると共に変位情報のりニアリティも向上する。

更に、被検面の角度情報を基づいて対物レンズを傾動さ
せる手段を設ければ、被検面の光軸方向の変位と共に傾
斜角度を一層高精度に検出することができ、被検面の形
状を一層正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による表面形状測定装置の一例の構成を
示す線図、 第２図は駆動制御回路の構成を示すブロック図、第３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４図は本発明による表面形状測定装置の別の変形例の
構成を示す線図、 第５図は第４図に示す装置の駆動制御回路の構成を示す
回路図、 第６図は従来の旧σＳＳセンサの構成を示す線図、第７
図は臨界角プリズムの作用を示す線図である。 ２０・・・半導体レーザ　　２１・・・コリメータレン
ズ２２・・・偏光ビームスプリ・ツタ ２３・・・１７４波長板　　　２４・・・対物レンズ２
５・・・被検面　　　　　２６・・・レンズホルダ２７
ａ、２７ｂ　−・・コイル　　２８ａ、２８ｂ　・・・
永久磁石２９ａ、２９ｂ・・・ヨーク　　３０ａ・・・
ハーフミラ−面３１．３２・・・臨界角プリズム ３３．３４・・・光検出器　　４０．４１．４２・・・
演算処理回路４３．７０．７３・・・位相補償回路 ４４・・・アクチュエータ駆動回路 ４５・・・アクチュエータ ５０・・・レンズホルダ　　５１・・・測定電極５２ａ
　、　５２ｂ・・・ガードリング５３・・・接地電極　
　　　６０・・・センサ６１・・・Ｘ軸方向支持機構 ６２・・・Ｙ軸方向支持機構 ６３・・・Ｘ軸駆動モータ　６４・・・Ｙ軸駆動モータ
７１．７４・・・駆動回路　　７２．７５・・・積分器
時　許　出　願人　　オリンパス光学工業株式会社第１
図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対物レンズを介して光ビームを被検面に投射する手
   段と、被検面で反射され対物レンズで集光された光束を
   分割する手段と、それぞれ分割した光束をほぼ臨界角に
   設定した光学面を経て受光し、この光学面の入射面に垂
   直な軸線及びこれと直交する軸線に沿って４分割した受
   光領域を具える受光手段と、これら４分割された受光領
   域の出力信号を処理して被検面の光軸方向の変位を表す
   変位信号を出力する第１の信号処理手段と、４分割され
   た各受光領域の出力信号を処理して被検面の光軸に対し
   て垂直な平面に対する傾き角を表す角度信号を出力する
   第２の信号処理手段とを具えることを特徴とする表面形
   状測定装置。 ２、前記対物レンズを、前記変位信号に基づいて光軸方
   向に変位させる駆動手段を具えることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の表面形状測定装置。 ３、前記対物レンズを、前記角度信号に基づいて光軸方
   向に直交する軸線及びこれと直交する軸線を中心にして
   傾動させる駆動手段を具えることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の表面形状測定装置。