JPWO2013084557A1 - 形状測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】形状測定装置の振動、駆動ステージの駆動精度、温度変動、部品歪みなどに起因する載物台と干渉光学系との相対距離の微小変動の影響を受けることなく、白色光干渉縞が撮像されたときの干渉光学系の載物台に対する相対位置を正確に把握して、ワーク形状を高精度に測定できる形状測定装置を提供する。【解決手段】本発明の形状測定装置1は、白色光干渉を用いてワーク形状を測定する形状測定装置であって、ワークWを載置する載物台10と、ワークWに白色光WLを照射して白色光干渉縞を発生させる干渉光学系100と、載物台及び干渉光学系のいずれか一方の位置を光軸方向に移動させる駆動部26と、駆動部により変化する載物台と干渉光学系との相対距離Lを測定する測長器50と、相対距離に応じて変化する白色光干渉縞のコントラスト情報を得るために、白色光干渉縞を撮像する撮像部40と、を有する。【選択図】図1

Description

本発明は、白色光干渉を用いてワーク形状を測定する形状測定装置に関する。
白色光干渉を用いてワーク形状を測定する形状測定装置では、白色光干渉縞のコントラストのピーク位置を検出するために、干渉光学系がワークに対して相対的に光軸方向に走査され、白色光干渉縞が取得される。走査には、通常、静電容量センサーなどの変位計付きのピエゾステージ機構が用いられ、高精度に走査量が制御される。
これに関連する技術として、下記の特許文献1には、干渉光学系を構成する干渉対物レンズの表面に反射膜を形成し、当該反射膜にレーザー光を照射することにより、干渉対物レンズの移動量を測定する技術が開示されている。この技術によれば、ピエゾステージ機構に内蔵された静電容量センサーを用いる場合よりも、干渉対物レンズの移動量の測定精度が向上するため、ワーク形状の測定精度が向上する。
ところで、ワーク形状を測定するとき、形状測定装置の振動、駆動ステージの駆動精度、温度変動、部品歪みなどに起因して、載物台と干渉対物レンズとの相対距離が微小に変動する。
しかしながら、特許文献1の技術では、干渉対物レンズのみの移動量を測定しているため、相対距離の微小変動の影響を受ける。このため、白色光干渉縞が撮像されたときの干渉対物レンズの載物台に対する相対位置を正確に把握することができず、ワーク形状の測定精度の低下を招いている。
特開2010−237183号公報
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、形状測定装置の振動、駆動ステージの駆動精度、温度変動、部品歪みなどに起因する載物台と干渉光学系との相対距離の微小変動の影響を受けることなく、白色光干渉縞が撮像されたときの干渉光学系の載物台に対する相対位置を正確に把握して、ワーク形状を高精度に測定できる形状測定装置を提供することを目的とする。
本発明の上記目的は、下記の手段により達成される。
(1)白色光干渉を用いてワーク形状を測定する形状測定装置であって、ワークを載置する載物台と、前記ワークに白色光を照射して白色光干渉縞を発生させる干渉光学系と、前記載物台及び前記干渉光学系のいずれか一方の位置を光軸方向に移動させる駆動部と、前記駆動部により前記位置を移動させ変化する前記載物台と前記干渉光学系との相対距離を測定する測長器と、前記相対距離に応じて変化する前記白色光干渉縞のコントラスト情報を得るために、前記白色光干渉縞を撮像する撮像部と、を有する形状測定装置。
(2)前記測長器により前記相対距離を測定して得られる距離情報と、前記撮像部により前記白色光干渉縞を撮像して得られる画像情報とを対応付けて記憶する記憶部をさらに有する上記(1)に記載の形状測定装置。
(3)前記測長器により前記相対距離を測定して得られる距離情報に応じて、前記撮像部にトリガー信号を送信する第1制御部をさらに有し、前記トリガー信号が送信されたときに、前記撮像部により前記白色光干渉縞が撮像される上記(1)または(2)に記載の形状測定装置。
(4)前記測長器により測定される前記相対距離が一定量変化するごとに、前記第1制御部は、前記撮像部に前記トリガー信号を送信する上記(3)に記載の形状測定装置。
(5)前記測長器及び前記撮影部のそれぞれに、測長用トリガー信号及び撮影用トリガー信号を同時に送信する第2制御部をさらに有し、前記測長用トリガー信号が送信されたときに、前記測長器により前記相対距離が測定され、前記撮影用トリガー信号が送信されたときに、前記撮影部により前記白色光干渉縞が撮像される上記(1)または(2)に記載の形状測定装置。
(6)前記測長器は、前記干渉光学系及び前記載物台のいずれか一方に設けられている上記(1)〜(5)のいずれか1つに記載の形状測定装置。
(7)前記測長器は、第1及び第2のレーザー光を出射するレーザー測長器であって、前記載物台は、前記第1のレーザー光を反射させるための第1のミラーを有し、前記干渉光学系は、前記第2のレーザー光を反射させるための第2のミラーを有し、前記第1のレーザー光を用いて測定される前記レーザー測長器から前記載物台までの距離と、前記第2のレーザー光を用いて測定される前記レーザー測長器から前記干渉光学系までの距離との差分が算出されることにより、前記載物台と前記干渉光学系との前記相対距離が測定される上記(1)〜(5)のいずれか1つに記載の形状測定装置。
(8)前記干渉光学系は、干渉対物レンズを有し、前記干渉対物レンズは、前記白色光を前記ワークに集光する対物レンズと、前記対物レンズを通過後の前記白色光を測定光及び参照光に分離し、かつ測定光及び参照光の反射光を合成するビームスプリッターと、前記参照光を反射させる参照ミラーと、を有し、前記第2のミラーは、前記参照ミラーであり、前記レーザー測長器は、前記参照ミラーにより反射される前記第2のレーザー光を用いて前記レーザー測長器と前記干渉光学系との相対距離を測定する上記(7)に記載の形状測定装置。
(9)前記干渉光学系は、干渉対物レンズを有し、前記駆動部は、前記干渉対物レンズを光軸方向に移動させ、前記測長器は、前記載物台と前記干渉対物レンズとの相対距離を測定する上記(1)〜(8)のいずれか1つに記載の形状測定装置。
(10)前記測長器により前記相対距離を測定して得られる距離情報と、前記撮影部により前記白色光干渉縞を撮像して得られる画像情報とに基づいて、ワーク表面の高さデータを算出する算出部をさらに有する上記(1)〜(9)のいずれか1つに記載の形状測定装置。
本発明によれば、測長器により載物台と干渉光学系との相対距離が測定されるため、白色光干渉縞が撮像されたときの、干渉光学系の載物台に対する相対位置を正確に把握することができる。したがって、形状測定装置の振動、駆動ステージの駆動精度、温度変動、部品歪みなどに起因する載物台と干渉光学系との相対距離の微小変動の影響を受けることなく、ワーク形状を高精度に測定することができる。
本発明の第1実施形態に係る形状測定装置の正面図である。 形状測定装置の干渉光学系を説明するための概略図である。 本発明の第2実施形態に係る形状測定装置を説明するための概略図である。 本発明の第3実施形態に係る形状測定装置を説明するための概略図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上、誇張されて実際の比率とは異なる場合がある。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る形状測定装置1の正面図であり、図2は、形状測定装置1の干渉光学系100を説明するための概略図である。
図1に示されるように、本発明の第1実施形態に係る形状測定装置1は、載物台10、顕微鏡本体部20、干渉対物レンズ30、撮像部40、レーザー測長器50及び制御部60を有する。
載物台10は、ワークWを載置する。載物台10は、ワークWが載置される載置面10aを有し、XY駆動ステージ(不図示)により、載置面10a方向に移動される。
顕微鏡本体部20は、白色光WLの光路を構成する。図2に示されるように、顕微鏡本体部20は、白色光WLを出射する白色光光源21と、白色光光源21から出射された白色光WLを平行光に変換させるレンズ22と、フィルター23を通過した平行光を載物台10方向へ反射させるビームスプリッター24と、を有し、平行光にされた白色光WLを干渉対物レンズ30に供給する。白色光光源21には、ハロゲンランプやキセノンランプなどが用いられる。さらに、顕微鏡本体部20は、干渉対物レンズ30により発生した白色光干渉縞を撮像部40において結像させる結像レンズ25を有する。また、顕微鏡本体部20には、干渉対物レンズ30の光軸方向の位置を粗調整するZ駆動ステージ(不図示)と、干渉対物レンズ30を光軸方向に精密に移動させる駆動部26とが設けられている。駆動部26は、例えばピエゾ素子を用いた移動機構である。
干渉対物レンズ30は、顕微鏡本体部20から供給された白色光WLをワークWに照射して、白色光干渉縞を発生させる。干渉対物レンズ30は、顕微鏡本体部20に着脱可能であり、顕微鏡本体部20と結合して干渉光学系100を形成する。干渉対物レンズ30には、固定部材31により測長用ミラー32が取り付けられており、駆動部26は干渉対物レンズ30及び測長用ミラー32を光軸方向に走査させる。図2に示される干渉対物レンズ30はマイケルソン型干渉対物レンズであり、白色光WLをワークWに集光する対物レンズ33と、対物レンズ33を通過後の白色光WLを、測定光MLと参照光RLとに分離し、かつ測定光ML及び参照光RLの反射光を合成するビームスプリッター34と、参照光RLを反射させる参照ミラー35と、を有する。なお、干渉対物レンズ30には、ミラウ型干渉対物レンズが用いられてもよい。
撮像部40は、干渉光学系100により発生する白色光干渉縞を撮像し、得られた白色光干渉縞の画像を示す画像情報PIは制御部60に送信される。撮像部40は、例えばCCDカメラであり、顕微鏡本体部20の上部に設けられている。
レーザー測長器50は、載物台10と干渉対物レンズ30との相対距離Lを測定する。より具体的には、レーザー測長器50は、載物台10上に固定され、レーザー干渉を利用して、載物台10と干渉対物レンズ30に設けられている測長用ミラー32との相対距離Lを測定する。レーザー測長器50により測定される載物台10と測長用ミラー32との相対距離Lを示す距離情報LIは、制御部60に送信される。
制御部60は、各種制御及び演算処理を実行する。制御部60は、レーザー測長器50から送信される距離情報LI及び撮像部40から送信される画像情報PIを受信する受信部61と、撮像部40にトリガー信号T及び駆動部26に信号Sを送信する信号送信部62と、距離情報LIと画像情報PIとを対応付けて記憶する記憶部63と、記憶部63に記憶された距離情報LI及び画像情報PIに基づいて、ワーク表面の高さデータを算出する算出部64と、を有する。制御部60は、例えば一般的なPC(Personal Computer)である。
このように構成される形状測定装置1では、白色光光源21から出射された光は、レンズ22により拡散光から平行光に変換される。レンズ22により平行光に変換された白色光WLは、フィルター23を介して、ビームスプリッター24により反射され、干渉対物レンズ30に入射する。干渉対物レンズ30に入射された白色光WLは、対物レンズ33によりワーク表面に焦点を結ぶように集光される。
対物レンズ33を通過した白色光WLは、対物レンズ33とワークWとの間に設置されたビームスプリッター34により、ビームスプリッター34を透過してワーク表面に照射される測定光ML(以下、測定光MLが通過する光路を測定光路と称する場合がある)と、ビームスプリッター34により反射されて参照ミラー35の表面に照射される参照光RL(以下、参照光RLが通過する光路を参照光路と称する場合がある)とに分離される。
測定光ML及び参照光RLは、ワーク表面及び参照ミラー35の表面においてそれぞれ反射され、ワーク表面及び参照ミラー35の表面においてそれぞれ反射された測定光ML及び参照光RLは、ビームスプリッター34により合成される。このとき、測定光路と参照光路との光路差に起因して白色光干渉縞が発生する。そして、拡散光となっている白色光干渉縞は、対物レンズ33により再度平行光に変換される。
平行光に変換された白色光干渉縞は、ビームスプリッター24を透過し、結像レンズ25により撮影部40に結像され、撮影部40にて白色光干渉縞が撮像される。
なお、図2に示される干渉対物レンズ30では、対物レンズ33は、ビームスプリッター34とビームスプリッター24との間に配置されている。しかしながら、2つの対物レンズが、ビームスプリッター34とワークWとの間及びビームスプリッター34と参照ミラー35との間、それぞれに配置されていてもよい。
次に、本実施形態に係る形状測定装置1によるワーク形状の測定手順について説明する。
測定を開始するに先立って、ワークWが載物台10上の所定の位置に載置される。そして、撮像部40により白色光干渉縞が観察されるように、Z駆動ステージにより干渉対物レンズ30の高さが調整される。
まず、制御部60は、駆動部26に信号Sを送信することにより、干渉対物レンズ30の走査を開始させる。その後、制御部60は、レーザー測長器50の距離情報LIを取得する。同時に、制御部60は、撮像部40にトリガー信号Tを送信し、干渉光学系100により発生した白色光干渉縞を撮像部40に撮像させ、白色光干渉縞の画像を示す画像情報PIを取得する。そして、制御部60は、距離情報LIと画像情報PIとを対応付けて記憶部63に記憶する。
次に、レーザー測長器50により測定される相対距離Lが一定量(例えば数10nm)変化したとき、制御部60は、撮像部40にトリガー信号Tを送信し、白色光干渉縞を撮像させて画像情報PIを取得する。そして、制御部60は、距離情報LIと画像情報PIとを対応付けて記憶部63に記憶する。
さらに、レーザー測長器50の距離情報LIが一定量変化するごとに、制御部60は、撮像部40にトリガー信号Tを送信し、白色光干渉を撮像させて画像情報PIを取得する。そして、制御部60は、一定間隔の距離情報LIごとに、白色光干渉縞の画像を示す画像情報PIを対応付けて記憶部63に記憶する。
制御部60は、所定の回数、画像情報PIを取得した後、記憶部63に記憶された距離情報LI及び画像情報PIに基づいて、ワーク表面の高さデータを算出する。なお、距離情報LI及び画像情報PIに基づいて、ワーク表面の高さデータを算出する技術自体は一般的な技術であるため、詳細な説明は省略する。
以上のとおり、本実施形態によれば、レーザー測長器50により載物台10と干渉対物レンズ30との相対距離Lが測定されるため、白色光干渉縞が撮像されたときの干渉対物レンズ30の載物台10に対する相対位置を、正確に把握することができる。したがって、形状測定装置1の振動、XY駆動ステージ及びZ駆動ステージの駆動精度、温度変動、部品歪みなどに起因する載物台10と干渉対物レンズ30との相対距離Lの微小変動の影響を受けることなく、ワーク形状を高精度に測定することができる。
なお、本実施形態では、測長用ミラー32は、固定部材31により干渉対物レンズ30の側部に配置されている。しかしながら、測長用ミラー32の取り付け位置は、干渉対物レンズ30の側部に限定されるものではなく、測長用ミラー32は、干渉対物レンズ30の任意の位置に配置され得る。
また、本実施形態では、載物台10上にレーザー測長器50が設けられ、干渉対物レンズ30に測長用ミラー32が設けられている。しかしながら、本実施形態とは異なり、載物台10上に測長用ミラーが設けられ、干渉対物レンズ30にレーザー測長器50が設けられてもよい。
また、本実施形態では、測長器としてレーザー測長器50が用いられている。しかしながら、測長器として三角測量式の距離センサーや静電容量センサーが用いられてもよい。
<第2実施形態>
次に、図3を参照して、本発明の第2実施形態に係る形状測定装置2について説明する。本実施形態は、レーザー測長器50が差動式レーザー測長器70である点において、第1実施形態と異なる。以下、第1実施形態に係る形状測定装置1と共通する部分は説明を省略し、本実施形態に係る形状測定装置2のみに特徴のある箇所について説明する。
図3に示されるように、本実施形態に係る形状測定装置2は、差動式レーザー測長器70を有する。また、載物台10及び固定部材31の両方に測長用ミラー11,32が設けられている。
差動式レーザー測長器70は、固定部材31の上方に配置され、2本のレーザー光を出射する。2本のレーザー光はそれぞれ、載物台10上の測長用ミラー11及び固定部材31上の測長用ミラー32に照射される。そして、差動式レーザー測長器70は、差動式レーザー測長器70から載物台10上の測長用ミラー11までの距離及び差動式レーザー測長器70から固定部材31上の測長用ミラー32までの距離の差分、すなわち載物台10と干渉対物レンズ30との相対距離Lを測定する。差動式レーザー測長器70により測定された載物台10と干渉対物レンズ30との相対距離Lを示す距離情報LIは制御部60に送信される。
このような構成によれば、載物台10や干渉対物レンズ30にレーザー測長器50を配置する必要がなく、レーザー測長器50の配置場所の制限が緩和され、利便性が向上する。
なお、本実施形態では、固定部材31の上方に差動式レーザー測長器70が設けられている。しかしながら、差動式レーザー測長器70は、任意の位置に配置され得る。
<第3実施形態>
次に、図4を参照して、本発明の第3実施形態に係る形状測定装置3について説明する。本実施形態は、差動式レーザー測長器70からのレーザー光が、干渉対物レンズ30の参照ミラー35に照射される点において、第2実施形態と異なる。以下、第2実施形態に係る形状測定装置2と共通する部分は説明を省略し、本実施形態に係る形状測定装置3のみに特徴のある箇所について説明する。
図4に示されるように、本実施形態に係る形状測定装置3では、差動式レーザー測長器70から出射される2本のレーザー光はそれぞれ、載物台10上の測長用ミラー11と、干渉対物レンズ30の参照ミラー35とに反射ミラーM1,M2を介して照射される。ビームスプリッター34及び反射ミラーM1,M2の表面には、レーザー光の波長が透過しないようにコーティングが施されている。なお、反射ミラーM2は、レーザー光を反射させる一方で、白色光WLを透過させる。
そして、差動式レーザー測長器70は、差動式レーザー測長器70から載物台10上の測長用ミラー11までの距離及び差動式レーザー測長器70から干渉対物レンズ30の参照ミラー35までの距離の差分、すなわち載物台10と干渉対物レンズ30との相対距離Lを測定する。差動式レーザー測長器70により測定された載物台10と干渉対物レンズ30との相対距離Lを示す距離情報LIは、制御部60に送信される。
このような構成によれば、固定部材31を用いて測長用ミラー32を固定する必要がないため、固定部材31の取り付け誤差により生じる測定誤差がなくなり、測定精度が向上する。
本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。
例えば、上述した第1〜第3実施形態では、制御部60は撮像部40にトリガー信号Tを送信し、白色光干渉縞を撮像させて画像情報PIを取得した。しかしながら、測長用トリガー信号TL及び撮像用トリガー信号TPを同時に送信する制御部が、測長用トリガー信号TLをレーザー測長器50または差動式レーザー測長器70に送信して、載物台10と干渉対物レンズ30との相対距離Lを示す距離情報LIを取得し、撮像用トリガー信号TPを撮像部40に送信して、白色光干渉縞の画像を示す画像情報PIを取得してもよい。
また、上述した第1〜第3実施形態では、レーザー測長器50または差動式レーザー測長器70により測定される載物台10と干渉対物レンズ30との相対距離Lが一定量変化するごとに、制御部60は撮像部40にて撮像される白色光干渉縞の画像の画像を示す画像情報PIを取得した。しかしながら、白色光干渉縞の画像を示す画像情報PIを取得するタイミングは、相対距離Lが一定量変化するタイミングでなくてもよく、距離情報LIと画像情報PIとが対応付けられて記憶されていればよい。
また、上述した第1〜第3実施形態では、制御部60は、干渉対物レンズ30を静止させることなく走査させつつ、撮像部40にトリガー信号Tを送信して、白色光干渉縞の画像を取得した。しかしながら、制御部60は、撮像部40にトリガー信号Tを送信する際、干渉対物レンズ30の移動を静止させ、白色光干渉縞の画像を取得してもよい。
また、上述した第1〜第3実施形態では、干渉対物レンズ30が駆動部26により移動された。しかしながら、干渉対物レンズ30のみでなく、顕微鏡本体部20と干渉光学系100とが一体的に駆動部26により移動されてもよい。あるいは、載物台10が駆動部26により移動されてもよい。
1,2,3 形状測定装置、
10 載物台、
20 顕微鏡本体部、
21 白色光光源
26 駆動部、
30 干渉対物レンズ、
32 測長用ミラー、
33 対物レンズ、
34 ビームスプリッター、
35 参照ミラー、
40 撮像部、
50 レーザー測長器、
60 制御部、
70 差動式レーザー測長器、
100 干渉光学系、
WL 白色光、
PI 画像情報、
LI 距離情報、
L 相対距離、
ML 測定光、
RL 参照光、
T トリガー信号、
TL 測長用トリガー信号、
TP 撮像用トリガー信号。

Claims (10)

  1. 白色光干渉を用いてワーク形状を測定する形状測定装置であって、
    ワークを載置する載物台と、
    前記ワークに白色光を照射して白色光干渉縞を発生させる干渉光学系と、
    前記載物台及び前記干渉光学系のいずれか一方の位置を光軸方向に移動させる駆動部と、
    前記駆動部により前記位置を移動させ変化する前記載物台と前記干渉光学系との相対距離を測定する測長器と、
    前記相対距離に応じて変化する前記白色光干渉縞のコントラスト情報を得るために、前記白色光干渉縞を撮像する撮像部と、
    を有する形状測定装置。
  2. 前記測長器により前記相対距離を測定して得られる距離情報と、前記撮像部により前記白色光干渉縞を撮像して得られる画像情報とを対応付けて記憶する記憶部をさらに有する請求項1に記載の形状測定装置。
  3. 前記測長器により前記相対距離を測定して得られる距離情報に応じて、前記撮像部にトリガー信号を送信する第1制御部をさらに有し、
    前記トリガー信号が送信されたときに、前記撮像部により前記白色光干渉縞が撮像される請求項1または2に記載の形状測定装置。
  4. 前記測長器により測定される前記相対距離が一定量変化するごとに、前記第1制御部は、前記撮像部に前記トリガー信号を送信する請求項3に記載の形状測定装置。
  5. 前記測長器及び前記撮影部のそれぞれに、測長用トリガー信号及び撮影用トリガー信号を同時に送信する第2制御部をさらに有し、
    前記測長用トリガー信号が送信されたときに、前記測長器により前記相対距離が測定され、
    前記撮影用トリガー信号が送信されたときに、前記撮影部により前記白色光干渉縞が撮像される請求項1または2に記載の形状測定装置。
  6. 前記測長器は、前記干渉光学系及び前記載物台のいずれか一方に設けられている請求項1〜5のいずれか1項に記載の形状測定装置。
  7. 前記測長器は、第1及び第2のレーザー光を出射するレーザー測長器であって、
    前記載物台は、前記第1のレーザー光を反射させるための第1のミラーを有し、
    前記干渉光学系は、前記第2のレーザー光を反射させるための第2のミラーを有し、
    前記第1のレーザー光を用いて測定される前記レーザー測長器から前記載物台までの距離と、前記第2のレーザー光を用いて測定される前記レーザー測長器から前記干渉光学系までの距離との差分が算出されることにより、前記載物台と前記干渉光学系との前記相対距離が測定される請求項1〜5のいずれか1項に記載の形状測定装置。
  8. 前記干渉光学系は、干渉対物レンズを有し、
    前記干渉対物レンズは、
    前記白色光を前記ワークに集光する対物レンズと、
    前記対物レンズを通過後の前記白色光を測定光及び参照光に分離し、かつ測定光及び参照光の反射光を合成するビームスプリッターと、
    前記参照光を反射させる参照ミラーと、を有し、
    前記第2のミラーは、前記参照ミラーであり、
    前記レーザー測長器は、前記参照ミラーにより反射される前記第2のレーザー光を用いて前記レーザー測長器と前記干渉光学系との相対距離を測定する請求項7に記載の形状測定装置。
  9. 前記干渉光学系は、干渉対物レンズを有し、
    前記駆動部は、前記干渉対物レンズを光軸方向に移動させ、
    前記測長器は、前記載物台と前記干渉対物レンズとの相対距離を測定する請求項1〜8のいずれか1項に記載の形状測定装置。
  10. 前記測長器により前記相対距離を測定して得られる距離情報と、前記撮像部により前記白色光干渉縞を撮像して得られる画像情報とに基づいて、ワーク表面の高さデータを算出する算出部をさらに有する請求項1〜9のいずれか1項に記載の形状測定装置。
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