KR20140035795A

KR20140035795A - 공초점 계측 장치

Info

Publication number: KR20140035795A
Application number: KR1020130057000A
Authority: KR
Inventors: 유키 마츠이; 나오키 후지와라; 타카히로 스가
Original assignee: 오므론 가부시키가이샤
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-03-24
Also published as: EP2708934B1; KR101534912B1; CN103673887A; JP5994504B2; JP2014055920A; CN103673887B; EP2708934A1

Abstract

과제
높은 계측 정밀도를 달성 가능한 공초점 계측 장치를 제공한다.
해결 수단
공초점 계측 장치(101)는, 복수의 파장의 광을 출사하는 광원(21)과, 광원(21)으로부터의 광에 색수차를 발생시키는 회절 렌즈(1)와, 색수차를 생기게 한 광을 계측 대상물(200)에 집광하는 대물 렌즈(2)와, 합초하는 광을 통과시키는 핀홀(광파이버(11))와, 광의 강도를 파장마다 측정하는 측정부(분광기(23) 및 촬상 소자(24))를 구비한다. 회절 렌즈(1)는, 색수차를 발생시키기 위한 회절 패턴이 형성된 회절면(1a)과, 회절면(1a)의 반대측에 위치하는 평면(1b)을 갖는다. 회절 렌즈(1)의 평면(1b)에는, 회절 렌즈(1)의 광축(X)을 중심으로 한 원형의 차광막(4)이 배치된다.

Description

공초점 계측 장치{CONFOCAL MEASUREMENT APPARATUS}

본 발명은, 공초점(共焦点) 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치에 관한 것이다.

비접촉으로 계측 대상물의 변위를 계측하는 계측 장치 중, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치가, 예를 들면 미국특허 제5785651호 명세서(특허 문헌 1)에 개시되어 있다.

특허 문헌 1에 개시된 공초점 계측 장치는, 회절 렌즈를 이용하여, 광원으로부터 출사하는 광에, 광축에 따라 색수차를 발생시키고 있다. 특허 문헌 1에 개시되어 있는 공초점 계측 장치는, 광원으로부터 콜리메이트 렌즈까지의 광로(光路), 및 콜리메이트 렌즈로부터 분광기까지의 광로에 광파이버를 이용하고 있다.

특허 문헌 1 : 미국특허 제5785651호 명세서

변위를 계측하는 장치는, 예를 들면 제품의 검사 등에 사용된다. 제품에 응하여 형상, 소재 등이 다를 수 있다. 그러한 요인에 의존하는 일 없이 높은 계측 성능을 발휘할 것이 변위 계측 장치에 요구된다.

본 발명의 목적은, 높은 계측 정밀도를 달성 가능한 공초점 계측 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 판면에 따른 공초점 계측 장치는, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치로서, 복수의 파장의 광을 출사하는 광원과, 색수차를 발생시키기 위한 회절 패턴이 형성된 회절면과, 회절면의 반대측에 위치하는 평면을 가지며, 광원으로부터 출사하는 광에 광축 방향에 따라 색수차를 생기게 하는 회절 렌즈와, 회절 렌즈보다 계측 대상물측에 배치되고, 회절 렌즈에서 색수차를 생기게 한 광을 계측 대상물에 집광하는 대물 렌즈와, 대물 렌즈에서 집광한 광 중, 계측 대상물에서 합초(合焦)하는 광을 통과시키는 핀홀과, 핀홀을 통과한 광의 강도를 파장마다 측정하는 측정부를 구비한다. 회절 렌즈는, 회절 렌즈의 광축을 중심으로 하는 축대칭(軸對稱) 형상의 감광부(減光部)를 갖는다. 상기 구성에서 「감광(減光)」이란, 광을 약하게 한다는 의미뿐만 아니라, 광을 차단한다(차광)는 의미도 포함한다.

바람직하게는, 감광부는, 회절 렌즈의 평면에 형성된 차광막을 포함한다.

바람직하게는, 감광부가 형성된 회절 렌즈의 평면은, 핀홀로 향하여진다. 회절 렌즈의 회절면은, 대물 렌즈로 향하여진다.

바람직하게는, 감광부는, 회절 렌즈의 평면에 고정된 도료로 이루어진다.

바람직하게는, 감광부는, 회절 렌즈의 평면에 고정된 금속막으로 이루어진다.

바람직하게는, 회절면에는, 회절 패턴이 고리형상(環狀)으로 마련된다. 감광부는, 회절 패턴에 의해 둘러싸여진, 회절면의 중앙에 배치된 평면이다.

바람직하게는, 감광부의 면적은, 회절 렌즈의 유효 면적의 10%로부터 50%까지의 범위 내에 있다.

본 발명에 의하면, 공초점 계측 장치의 계측 정밀도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치(101)에서 계측한 계측 대상물의 변위의 스펙트럼 파형의 한 예를 도시하는 도면.
도 3은 도 1에 도시한 차광막(4)의 형상의 한 예를 도시한 평면으로 본 도면.
도 4는 회절 렌즈(1)의 특성을 설명하기 위한 도면.
도 5는 회절 렌즈에서 생기는 구면 수차를 설명하기 위한 그래프.
도 6은 회절 렌즈와 대물 렌즈를 조합한 구성에서 생기는 수차의 한 예를 도시한 도면.
도 7은 렌즈의 중앙부를 차광하지 않은 구성의 변위 계측에서의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 구성에서의 변위의 계측을 설명하기 위한 도면.
도 9는 회절 렌즈의 중앙부의 차폐(중앙 차폐)에 의한, 계측 정밀도의 향상을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치의 다른 구성을 도시하는 모식도.
도 11은 회절 렌즈(1)의 평면(1b)이 대물 렌즈(2)로 향하여진 경우와, 평면(1b)이 핀홀(광파이버(11))로 향하여진 경우를 대비하고 설명한 도면.
도 12는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치의 또 다른 구성을 도시하는 모식도.
도 13은 도 12에 도시된 회절 렌즈(1)의 회절면을 모식적으로 도시한 도면.
도 14는 도 12에 도시된 회절 렌즈(1)의 모식적인 단면도.
도 15는 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 16은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치(102)에 의해 계측되는 계측 대상물(200)의 한 예를 도시한 도면.
도 17은 도 16에 도시한 투명체층을 계측한 경우의 수광 파형을 도시한 파형도.
도 18은 도 17에 도시한 투명체층(200b)의 두께를 계측하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 19는 본래의 높이와, 계측된 높이와의 관계를 도시하는 도면.
도 20은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치가 실행하는 계측 처리를 설명하기 위한 플로 차트.
도 21은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치의 다른 구성례를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 관하여 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 도면중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.

또한, 이 실시의 형태에서는, 특히 구별하지 않는 한, 「감광(減光)」이라는 용어는, 광을 약하게 한다는 의미뿐만 아니라, 광을 차단한다(차광)는 의미도 포함한다.

[실시의 형태 1]

도 1은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시하는 공초점 계측 장치(101)는, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 계측 장치이다. 계측 대상물(200)은, 특히 한정되는 것이 아니다. 환언하면, 공초점 계측 장치(101)의 용도는 특정한 용도로 한정되는 것이 아니다.

공초점 계측 장치(101)는, 헤드부(10)와, 광파이버(11)와, 컨트롤러부(20)와, 모니터부(30)를 구비하고 있다. 헤드부(10)는, 공초점의 광학계를 갖는다. 헤드부(10)와 컨트롤러부(20)는, 광파이버(11)에 의해 광학적으로 접속된다. 모니터부(30)는, 컨트롤러부(20)로부터 출력되는 신호를 표시한다.

헤드부(10)는, 회절 렌즈(1)와, 대물 렌즈(2)와, 집광 렌즈(3)를 구비하고 있다. 대물 렌즈(2)는, 회절 렌즈(1)보다도 계측 대상물(200)측에 배치된다. 회절 렌즈(1)의 초점 거리는, 회절 렌즈(1)로부터 대물 렌즈(2)까지의 거리와, 대물 렌즈(2)의 초점 거리와의 차(差)보다 크게 하고 있다.

회절 렌즈(1)는, 후술하는 복수의 파장의 광을 출사하는 광원(예를 들면, 백색 광원)으로부터 출사하는 광에, 광축의 방향에 따라 색수차(色收差)를 생기게 하는 광학 소자이다. 광축(X)은, 회절 렌즈(1)의 광축을 나타낸다. 또한, 회절 렌즈(1)의 광축(X)은, 광파이버(11)로부터 출사되는 광의 광축 및 대물 렌즈(2)의 광축에 일치한다.

회절 렌즈(1)의 한쪽의 표면에는, 예를 들면 기노폼 형상 또는 바이너리 형상(스텝 형상, 계단 형상) 등의 미세한 기복(起伏) 형상이 주기적으로 형성되는, 또는, 광의 투과율을 주기적으로 변경하는 진폭형의 존 플레이트가 형성된다. 이 표면을 회절 렌즈(1)의 회절면(1a)이라고 부른다. 이 실시의 형태에서는, 회절 렌즈(1)의 회절면(1a)은, 대물 렌즈(2)로 향하여저 있다.

한편, 회절면(1a)과 반대측의 회절 렌즈(1)의 표면은 평면이다. 이 평면을 평면(1b)이라고 부른다. 회절 렌즈(1)의 광축(X)(중심 광축)이 통과하는 평면(1b)의 중앙부에는, 차광막(4)이 형성된다.

차광막(4)은, 광파이버(11)로부터 출사되어 평면(1b)의 중앙부에 도달한 광을 차단한다. 광파이버(11)로부터 출사된 광은, 평면(1b)에서의 차광막(4)의 주위의 영역(이 영역을 외주부라고 부른다)을 통과하고, 회절 렌즈(1)의 회절면(1a)에 의해 색수차를 생기게 한다.

회절 렌즈(1)는, 예를 들면, 유리 또는 수지 등의 단일 재료의 기판에, 광축 방향에 따라 색수차를 생기게 하는 패턴을 형성한 구성을 갖고 있어도 좋다. 대신에, 회절 렌즈(1)는, 예를 들면 유리 기판층 및 수지층에서 구성되어도 좋다. 수지층은, 유리 기판에 자외선 경화 수지를 도포하고, 소망하는 패턴의 형(型)을, 자외선 경화 수지를 도포한 유리 기판의 면에 꽉누르고, 자외선을 조사하여 자외선 경화 수지를 경화함으로써 형성할 수 있다. 이 방법에 의하면, 제조 비용이 염가로 된다. 또한, 환경 온도에 의한 형상의 변화가 작은 유리 기판이 구성의 대부분을 차지하기 때문에, 온도 특성이 좋다는 이점도 갖는다.

대물 렌즈(2)는, 회절 렌즈(1)에서 색수차를 생기게 한 광을 계측 대상물(200)에 집광하는 광학 소자이다. 또한, 대물 렌즈(2)는, 계측 대상물(200)로부터의 반사광을 평행광으로 콜리메이트한다. 콜리메이트된 광은 회절 렌즈(1)에 입사된다.

광파이버(11)로부터 출사된 광 중, 회절 렌즈(1)의 중앙부에 달한 광은 차광막(4)에 의해, 회절 렌즈(1)를 통과할 수가 없다. 따라서 회절 렌즈(2)의 외주부 및 대물 렌즈(2)의 외주부를 통과하는 광이 계측 대상물(200)에 도달한다. 계측 대상물(200)로부터의 반사광은, 회절 렌즈(1)의 외주부 및 대물 렌즈(2)의 외주부를 통과하여, 광파이버(11)에 입사한다. 차광막(4)은, 회절 렌즈의 중앙부를 통과하여 광파이버(11)(핀홀)에 입사한 광의 광량을 줄이는(이 실시의 형태에서는, 광량을 실질적으로 0로 하는) 감광부에 상당한다.

백색 광원으로부터 출사하는 광은, 광파이버(11)를 통하여 헤드부(10)에 유도되고 있다. 광파이버(11)로부터 출사하는 광을, 회절 렌즈(1)에서 유효하게 이용하려면, 광파이버(11)의 개구수(開口數)(NA: numerical aperture)와 회절 렌즈(1)의 개구수를 일치시킬 필요가 있다. 그 때문에, 광파이버(11)와 회절 렌즈(1)의 사이에 집광 렌즈(3)를 마련하여, 광파이버(11)의 개구수와 회절 렌즈(1)의 개구수가 일치하도록 조정하고 있다.

광파이버(11)는, 헤드부(10)로부터 컨트롤러부(20)까지의 광로임과 함께, 핀홀로서도 기능하고 있다. 즉, 대물 렌즈(2)에서 집광한 광 중, 계측 대상물(200)에서 합초하는 광은, 광파이버(11)의 개구부로 합초하게 된다. 그 때문에, 광파이버(11)는, 계측 대상물(200)에서 합초하지 않는 파장의 광을 차광하고, 계측 대상물(200)에서 합초하는 광을 통과시키는 핀홀로서 기능하게 된다. 헤드부(10)로부터 컨트롤러부(20)까지의 광로에 광파이버(11)를 이용함으로써, 핀홀이 불필요하게 된다.

공초점 계측 장치(101)는, 헤드부(10)로부터 컨트롤러부(20)까지의 광로에 광파이버(11)를 이용하지 않는 구성을 갖고 있어도 좋다. 단, 당해 광로에 광파이버(11)를 이용함으로써, 헤드부(10)를 컨트롤러부(20)에 대해 플렉시블하게 이동시키는 것이 가능해진다. 또한, 헤드부(10)로부터 컨트롤러부(20)까지의 광로에 광파이버(11)를 이용하지 않는 구성인 경우, 공초점 계측 장치(101)에 핀홀을 구비할 필요가 있다. 그러나, 광파이버(11)를 이용함에 의해, 공초점 계측 장치(101)는, 핀홀을 구비할 필요가 없다.

컨트롤러부(20)는, 백색 광원인 백색 LED(Light Emitting Diode)(21)와, 분기광 파이버(22)와, 분광기(23)와, 촬상 소자(24)와, 제어 회로부(25)를 구비하고 있다. 백색 광원으로서 백색 LED(21)를 이용하고 있지만, 백색광을 출사할 수 있는 광원이라면 다른 광원이라도 좋다.

분기광 파이버(22)는, 광파이버(11)와 접속하는 측에 1개의 광파이버(22a)를 갖음과 함께, 그 반대측에 2개의 광파이버(22b, 22c)를 갖고 있다. 또한, 광파이버(22)b는 백색 LED(21)에 광학적으로 접속되고, 광파이버(22c)는 분광기(23)에 광학적으로 접속된다. 그 때문에, 분기광 파이버(22)는, 백색 LED(21)로부터 출사하는 광을 광파이버(11)에 유도함과 함께, 광파이버(11)를 통하여 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광을 분광기(23)에 유도할 수 있다.

분광기(23)는, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광을 반사하는 요면 미러(23a)와, 요면 미러(23a)에서 반사한 광이 입사하는 회절 격자(23b)와, 회절 격자(23b)로부터 출사하는 광을 집광하는 집광 렌즈(23c)를 갖고 있다. 분광기(23)는, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광의 촬상 소자(24)에서의 합초 위치를 파장에 따라 바꿀 수 있으면 좋고 체르니-토너형, 리트로형 등의 어느 구성이라도 좋다.

촬상 소자(24)는, 분광기(23)로부터 출사하는 광의 강도를 측정한다. 촬상 소자(24)는, 예를 들면 라인 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 또는 라인 CCD(Charge Coupled Device)이다. 공초점 계측 장치(101)에서는, 분광기(23) 및 촬상 소자(24)에 의해, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광의 강도를 파장마다 측정하고, 강도의 피크치 등으로부터 합초하고 있는 광의 파장을 특정하는 측정부를 구성하고 있다. 합초하는 광의 파장과 계측 대상물(200)의 변위와의 관계를 미리 얻어 둠으로써, 계측 대상물(200)의 변위를 계측할 수 있다. 또한, 측정부는, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광의 강도를 파장마다 측정할 수 있으면, CCD 등의 촬상 소자(24)의 단체(單體)로 구성하여도 좋다. 또한, 촬상 소자(24)는, 2차원의 CMOS 또는 2차원의 CCD라도 좋다.

제어 회로부(25)는, 백색 LED(21) 또는 촬상 소자(24) 등의 동작을 제어하는 회로이다. 또한, 도시하지 않지만, 제어 회로부(25)에는, 백색 LED(21) 및 촬상 소자(24) 등의 동작을 조정하기 위한 신호를 입력하기 위한 입력 인터페이스, 및 촬상 소자(24)의 신호를 출력하기 위한 출력 인터페이스 등을 갖고 있다.

모니터부(30)는, 촬상 소자(24)가 출력한 신호를 표시한다. 예를 들면, 모니터부(30)는, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광의 스펙트럼 파형을 묘화하고, 계측 대상물의 변위가 예를 들면 123.45㎛인 것을 표시한다.

도 2는, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치(101)에서 계측한 계측 대상물의 변위의 스펙트럼 파형의 한 예를 도시하는 도면이다. 도 2에 도시하는 스펙트럼 파형에서는, 횡축이 광의 파장에 대응한 워크 높이(계측 대상물(200)로부터 헤드부(10)의 선단까지의 높이를 제로로 설정)(㎜), 종축이 광의 강도(규격화한 값)이다. 스펙트럼 파형은, 복수의 스펙트럼의 피크가 도시되어 있고, 워크 높이가 부측(負側)(광의 파장이 짧은 측)에 있는 스펙트럼의 반치폭(半値幅)과, 워크 높이가 정측(광의 파장이 긴 측)에 있는 스펙트럼의 반치폭이 개략 동등하다. 따라서 공초점 계측 장치(101)는, 워크 높이(광의 파장)가 변화하여도 스펙트럼의 반치폭이 변화하기 어려워지기 때문에, 광의 파장에 의한, 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 정밀도의 변동을 억제하고 있다.

도 3은, 도 1에 도시한 차광막(4)의 형상의 한 예를 도시한 평면으로 본 도면이다. 도 3을 참조하면, 회절 렌즈(1)의 평면(1b)의 중앙부에서, 차광막(4)에 의해 차광 영역이 형성된다. 차광 영역은 축대칭의 형상이고, 보다 특정적으로는 원형이다. 이 원의 중심은 광축(X)에 일치한다.

도 3에서, 파선으로 둘러싸여진 영역(S)의 면적은, 회절 렌즈(1)의 유효 면적을 나타낸다. 여기서 영역(S)은, 회절 패턴이 형성된 영역이 아니라, 계측에 유효한 광이 통과하는 영역을 나타내고 있다. 차광 영역의 면적은, 수광량, 즉 계측 대상물(200)로부터 헤드부(10)를 경유하여 컨트롤러부(20)에 되돌아오는 광의 양과 양호한 각도 특성이 확보될 수 있도록 정하여진다. 이 실시의 형태에서는, 회절 렌즈(1)의 유효 면적에 대한 차광 영역의 면적의 비율은, 10% 내지 50%의 범위, 바람직하게는 20 내지 40%의 범위, 보다 바람직하게는 30%가 되도록 정하여진다. 이 명세서에서 「각도 특성」이란, 계측 대상물(200)의 각도가 붙은 부분(경사 부분)의 변위를 정밀도 좋게 계측할 수 있다는 특성을 의미한다.

도 1 및 도 3으로부터 이해되는 바와 같이, 차광막(4)에 의해 회절 렌즈(1)의 평면(1b)에 형성된 차광 영역은, 광축(X)에 대해 축대칭의 형상을 갖는다. 차광 영역을 축대칭의 형상으로 함에 의해, 광축(X)에 대해 축대칭의 각도 특성을 얻을 수 있다.

회절 렌즈(1)의 표면(평면(1b))에 차광막(4)을 형성함에 의해, 차광을 위한 구성 부재의 추가가 불필요하게 된다. 차광막(4)의 재질은 특히 한정되는 것이 아니고, 회절 렌즈(1)의 표면상에 고정 가능한 막이라면 좋다. 회절 렌즈(1)의 회절면과 반대측의 면이 평면이기 때문에, 그 평면에 차광막을 용이하게 형성할 수 있다. 차광막을 형성하기 위하는 방법은, 그 차광막의 재료에 응하여 결정된다.

하나의 실시 형태에서는, 예를 들면 인쇄 기술을 이용하여, 회절 렌즈(1)의 평면(1b)의 중앙부에 흑색의 도료가 도포된다. 이 방법에 의해, 차광막(4)을 용이하게 형성할 수 있다. 흑색의 도료를 이용함에 의해, 차광 영역에 입사한 광의 반사를 억제할 수도 있다.

다른 실시 형태에서는, 차광막(4)으로서 금속막이 사용된다. 금속막은, Cr(크롬)막, 산화Cr막, Al(알루미늄)막 등을 포함할 수 있지만 이들로 한정되지 않는다. 금속막을 회절 렌즈(1)의 평면(1b)에 고정하기 위해, 증착, 스퍼터링 등 공지의 방법을 이용할 수 있다. 금속막을 차광막(4)으로서 채용함에 의해, 차광막(4)의 안정성을 높일 수 있다. 예를 들면 회절 렌즈(1)의 평면(1b)으로부터 차광막(4)이 벗겨지기 어렵게 할 수 있다.

또한, 차광막(4)은, 단층의 막이라도 좋고, 다층막이라도 좋다. 차광막(4)을 다층막에 의해 실현하는 경우, 그 다층막의 구성, 소재 등은 특히 한정되지 않는다.

상기한 바와 같이, 도 1에 도시된 구성에서는, 광원으로부터 출사되는 광에 축상(軸上) 색수차를 생기게 하기 위해 회절 렌즈(1)가 사용된다. 따라서 이 실시의 형태에 관한 구성에 의하면, 굴절 렌즈를 이용하는 경우에 비교하여, 렌즈의 매수를 대폭적으로 줄일 수 있다. 이에 의해, 소형, 경량 및 견고한 헤드부를 실현할 수 있다.

그러나, 회절 렌즈는, 설계 파장에서는 구면 수차가 생기지 않는 것이지만, 설계 파장 이외의 파장에서는, 구면 수차가 생긴다는 특성을 갖고 있다.

도 4는, 회절 렌즈(1)의 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 회절 렌즈(1)의 설계 파장을 λ₀로 하고, 파장(λ₀)의 광에 대한 회절 렌즈(1)의 초점 거리를 f₀로 한다. 또한, 회절 렌즈(1)를 통과하는 광선(L)의, 회절 렌즈(1)의 광축(X)부터의 거리를 r로 한다. 회절 렌즈(1)를 통과하는 광선(L)의 회절각을 θ로 하면, 이하의 식(1)이 성립한다.

[수식 1]

...(1)

회절 렌즈(1)의 회절 패턴의 피치를 d(r)로 한다. 1차 회절광의 회절각(θ)과 패턴 피치(d(r))와의 관계는 이하의 일반적인 회절의 식(2)에 따라 표시된다.

[수식 2]

...(2)

따라서 패턴 피치(d(r))는, 다음 식(3)과 같이 표시된다.

[수식 3]

...(3)

이상과 같이, 회절 렌즈(1)의 회절 패턴은, 어느 특정한 파장(λ₀)에 따라 설계된다. 따라서 그 파장과 다른 파장의 광이 회절 렌즈(1)에 입사한 경우에는, 구면 수차가 발생한다.

도 5는, 회절 렌즈에서 생기는 구면 수차를 설명하기 위한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 설계 파장(λ₀)에 따라 피치(d(r))가 설계되어 있기 때문에, 파장(λ₀)에서는, 위치(r)에 의하지 않고, 수차가 0이다. 여기서, 파장(λ₀)을 포함하는 어느 파장 범위에서의 최소 파장 및 최대 파장을 각각, λ_min 및 λ_max로 한다. 예를 들면 이 파장 범위는, 백색 광원으로부터 발하여지는 광의 파장 범위에 상당한다. 파장(λ_min)의 광을 회절 렌즈(1)에 입사한 경우, 또는 파장(λ_max)의 광을 회절 렌즈(1)에 입사한 경우에는, 구면 수차가 발생한다.

회절 렌즈에서 발생한 구면 수차는, 대물 렌즈(2)에 의해, 어느 정도 저감할 수 있다. 그러나, 구면 수차를 완전하게 없애는 것은 곤란하다. 따라서 설계 파장과 다른 파장의 광이 회절 렌즈(1)를 통과하는 경우, 회절 렌즈(1)의 광축(X)에 대해 상대적으로 가까운 부분을 통과하는 광과, 광축(X)에 대해 상대적으로 먼 부분을 통과하는 광에서는, 초점 거리가 다르게 된다.

도 6은, 회절 렌즈와 대물 렌즈를 조합한 구성에서 생기는 수차의 한 예를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 회절 렌즈(1) 및 대물 렌즈(2)의 광축(X)에 상대적으로 가까운 영역(위치(r)가 0에 근접한다)과 먼 영역에서는 구면 수차가 크게 다르기 때문에, 결과적으로, 회절 렌즈(1)와 대물 렌즈(2)의 광축 부근과 외주 부근에서는 초점 거리가 크게 다르게 된다. 이에 대해 회절 렌즈(1)의 광축(X)에 상대적으로 가까운 영역 또는 먼 영역만을 보면, 위치(r)에 대한 구면 수차의 변화량이 작아지고, 결과적으로, 초점 거리는 위치(r)에 대해 대강 일정하게 된다.

이와 같이, 초점 거리가 다른 영역이 있는 상태에서는, 계측 대상물로부터의 반사광의 분포의 영향을 받고서 각도 특성이 저하된다는 과제가 생길 수 있다. 따라서, 회절 렌즈(1) 또는 대물 렌즈(2)의 중앙부를 차광하고, 초점 거리가 대강 일정한 외주 부근의 영역을 통과하는 광선만을 이용하여 변위 계측을 행한다. 이에 의해, 각도 특성의 저하를 저감할 수 있다. 이 이유를 이하에 상세히 기술한다. 또한, 이하에서는 「회절 렌즈 및 대물 렌즈」를 통합하여 「렌즈」라고 부른다.

도 7은, 렌즈의 중앙부를 차광하지 않은 구성의 변위 계측에서의 문제점을 설명하기 위한 도면이다. 도 7(a)는, 계측 대상물(200)이 평탄부의 변위를 계측하는 경우의 광선의 궤적을 설명하기 위한 도면이다. 도 7(b)는, 계측 대상물(200)의 경사부의 변위를 계측하는 경우의 광선의 궤적을 설명하기 위한 도면이다. 도 7(a), 도 7(b)를 참조하면, 계측 대상물(200)이 평탄부의 변위를 계측하는 경우에는, 렌즈의 전체(중앙부 및 외주부)로부터 계측 대상물(200)에 광이 투사되고, 렌즈의 전체로 반사광을 수광한다.

이에 대해, 계측 대상물(200)의 경사부의 변위를 계측하는 경우에는, 렌즈의 전체로부터 계측 대상물(200)에 광이 투사되지만, 계측 대상물(200)에 투사된 광선의 일부(도 7(b)에서, 파선으로 도시하는 광선(L1))은, 계측 대상물(200)의 경사부로의 반사에 의해, 대물 렌즈(2)에 되돌아올 수가 없다. 따라서 실선으로 도시되는 광선(L2)과 같이 렌즈의 외주부를 통과할 뿐의 반사광을 수광하게 된다.

이와 같이, 계측 대상물(200)이 평탄부의 변위를 계측하는 경우와, 계측 대상물(200)의 경사부의 변위를 계측하는 경우에서는, 렌즈의 수광 범위가 다르다.

도 5에 도시되는 바와 같이, 위치(r)로서 취할 수 있는 값의 범위가 넓게 되면, 수차의 변화량이 커진다. 수차의 변화량이 커진다는 것은, 초점 거리의 변동량이 큰 것을 의미한다. 즉, 광이 렌즈를 통과하는 위치에 의해 계측 대상물(200)의 표면에서 합초하는 광의 파장이 다르게 된다. 그 때문에, 계측 대상물(200)이 평탄부와 경사부와 같이 렌즈의 수광 범위가 다른 조건으로 계측을 행하면, 경사부의 변위의 계측치가 본래의 변위와는 달라져 버려, 계측 대상물(200)의 각 부위에서의 변위의 계측 정밀도를 높일 수가 없다.

한편, 도 8은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 구성에서의 변위의 계측을 설명하기 위한 도면이다. 도 8(a)는, 계측 대상물(200)이 평탄부의 변위를 계측하는 경우의 광선의 궤적을 설명하기 위한 도면이다. 도 8(b)는, 계측 대상물(200)의 경사부의 변위를 계측하는 경우의 광선의 궤적을 설명하기 위한 도면이다. 도 8(a), 도 8(b)를 참조하면, 이 실시의 형태에서는, 차광막(4)에 의해, 계측 대상물(200)이 평탄부의 변위를 계측하는 경우 및 계측 대상물(200)의 경사부의 변위를 계측하는 경우의 어느 경우에도, 계측 대상물(200)로부터의 반사광은, 렌즈의 외주부를 통과한다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 렌즈의 외주부에서는, 광축(X)으로부터의 위치(r)에 의하지 않고, 수차는 거의 균일하다. 따라서 이 실시의 형태에 의하면, 계측 대상물(200)이 평탄부의 변위를 계측하는 경우와 계측 대상물(200)의 경사부의 변위를 계측하는 경우의 어느 쪽에서도 정확한 계측을 실현할 수 있다.

도 9는, 회절 렌즈의 중앙부의 차폐(중앙 차폐)에 의한, 계측 정밀도의 향상을 설명하기 위한 도면이다. 도 9(a)를 참조하면, 중앙 차폐가 없는 경우(도 7의 구성에 대응), 계측 대상물이 평탄부에서는 실제의 형상과 계측 결과와의 차이에 큰 차가 생기지 않는다. 그러나 계측 대상물의 경사부에서는, 실제의 형상과 계측 결과 사이의 괴리가 커진다.

상술한 바와 같이, 계측 대상물이 평탄부에서 반사한 광은 렌즈 전체에서 수광됨에 대해, 계측 대상물의 경사부에서는, 렌즈의 외주부만에서 수광된다. 수차의 영향에 의해, 렌즈 외주부의 초점 거리는 짧기 때문에, 보다 짧은 파장의 광이 계측 대상물 표면에서 초점을 맺는다.

광의 파장이 길수록, 계측 결과가 실제의 높이보다도 높아지기 쉽다. 역으로, 광의 파장이 짧을수록, 계측 결과가 실제의 높이보다도 낮아지기 쉽다. 따라서 계측 대상물의 경사부에서는, 계측된 높이가 본래의 높이보다 작아진다.

한편, 도 9(b)를 참조하면, 중앙 차폐가 있는 경우에는, 계측 대상물이 평탄부로부터의 반사광 및 계측 대상물의 경사부로부터의 반사광은, 모두 렌즈의 외주부를 통과한다. 따라서 수차의 변동을 작게 할 수 있다. 이 결과, 계측 대상물의 평탄부 및 경사부의 양쪽에서, 계측된 높이는, 실제의 높이에 잘 일치한다.

또한, 상기한 구성에 의하면, 회절 렌즈(1)의 회절면(1a)이 대물 렌즈(2)로 향하여짐과 함께, 회절 렌즈(1)의 평면(1b)이 핀홀(광파이버(11))로 향하여진다. 그렇지만 회절 렌즈(1) 방향은 이와 같이 한정되는 것이 아니다.

도 10은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치의 다른 구성을 도시하는 모식도이다. 도 10을 참조하면, 공초점 계측 장치(101A)에서는, 회절 렌즈(1)의 회절면(1a)이 핀홀다(광파이버(11))로 향하여짐과 함께 회절 렌즈(1)의 평면(1b)이 대물 렌즈(2)로 향하여진다. 도 1에 도시한 공초점 계측 장치(101)와 비교하여, 공초점 계측 장치(101A)에서는, 회절 렌즈(1) 방향이 반대로 되어 있다. 도 10에 도시된 공초점 계측 장치(101A)는, 도 1에 도시하는 공초점 계측 장치(101)와 마찬가지로 각도 특성을 높일 수 있다.

도 1에 도시하는 공초점 계측 장치(101)는, 회절 렌즈(1)의 평면(1b)이 핀홀(광파이버(11))로 향하여저 있음에 의해, 다음에 설명하는 효과를 얻을 수 있다.

도 11은, 회절 렌즈(1)의 평면(1b)이 대물 렌즈(2)로 향하여진 경우와, 평면(1b)이 핀홀(광파이버(11))로 향하여진 경우를 대비하여 설명한 도면이다. 도 11(a)를 참조하면, 회절 렌즈(1)의 평면(1b)이 대물 렌즈(2)로 향하여진 경우에는, 광파이버(11)로부터 나온 광중의 일부의 광선이 회절 렌즈(1) 내에서 평행광이 되어, 차광막(4)의 이측(裏側)의 면에서 반사하여 광파이버(11)에 입사된다.

예를 들면 반사률이 낮은 계측 대상물(200)의 변위를 계측하는 경우, 광파이버(11)에 입사되는 반사광의 강도가 작기 때문에, 촬상 소자(24)에서의 촬상 시간(노광 시간)을 길게 하여야 한다. 한편, 차광막(4)의 이측의 면에서 반사하여 광파이버(11)에 입사되는 광의 강도가 크기 때문에, 촬상 시간을 길게 하면 촬상 소자의 출력이 포화될 가능성이 있다. 촬상 소자의 출력의 포화를 피하기 위해, 촬상 시간을 단축하는 것이 생각되지만, 정밀도가 높은 변위의 계측을 확보하는 것이 곤란해진다.

한편, 도 11(b)에 도시하는 바와 같이 핀홀(광파이버(11))측에 차광막(4)을 마련함으로써, 차광막(4)에서 반사한 광은 퍼지면서 진행된다. 이 때문에, 반사광이 광파이버에 결합하기 어려워진다. 이에 의해, 상기한 문제를 회피할 수 있다. 따라서 정밀도가 높은 계측을 확보할 수 있다.

도 12는, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 공초점 계측 장치의 또 다른 구성을 도시하는 모식도이다. 도 12를 참조하면, 공초점 계측 장치(101B)는, 회절 렌즈(1)의 회절면(1a)의 형상의 점에서, 공초점 계측 장치(101)와 다르다.

도 13은, 도 12에 도시된 회절 렌즈(1)의 회절면을 모식적으로 도시한 도면이다. 도 14는, 도 12에 도시된 회절 렌즈(1)의 모식적인 단면도이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 회절면(1a)의 중앙부(1c)는 평면으로 형성되어 있고, 회절 패턴은 형성되어 있지 않다. 따라서 회절면(1a)에서, 회절 패턴은, 중앙부(1c)를 제외한 고리형상 영역(1d)에 형성된다.

회절면(1a)의 중앙부(1c)를 평면으로 형성함에 의해, 중앙부(1c)를 광의 회절에 기여하지 않는 영역으로 할 수 있다. 따라서 중앙부(1c)는 차광막(4)과 같은 기능을 갖는다. 즉 중앙부(1c)는, 핀홀에 되돌아오는 반사광을 감쇠시키기 위한 감광부에 상당한다. 상기한 차광 영역의 면적과 동일한 관점에서 중앙부(1c)의 면적이 정하여진다. 따라서 중앙부(1c)의 면적은, 회절 렌즈(1)의 유효 면적에 대해, 10% 내지 50%의 범위, 바람직하게는 20 내지 40%의 범위, 보다 바람직하게는 30%가 되도록 정하여진다.

또한, 도 12 내지 도 14에 도시한 회절 렌즈(1)의 평면(1b)의 중앙부(회절면(1a)의 중앙부(1c)의 반대측에 위치하는 영역)에 차광막(4)을 형성하여도 좋다. 이 경우, 차광막(4)에서 반사한 광이 핀홀에 되돌아오는 것을 가능한 한 피하기 위해, 회절 렌즈(1)의 회절면(1a)을 대물 렌즈(2)로 향하는(즉 차광막(4)이 핀홀로 향하여지는) 것이 바람직하다.

또한, 상기한 실시의 형태에서는, 회절 렌즈(1)의 평면(1b)의 중앙부에 차광막(4)이 배치된다. 그러나, 차광막(4)을, 광의 강도를 약하게 하기 위한 감광막으로 치환할 수도 있다. 이 구성의 경우, 감광막의 투과율은 특히 한정되는 것이 아니다.

상기한 바와 같이 실시의 형태 1에 의하면, 회절 렌즈(1)는, 회절 렌즈(1)의 광축(X) 주위의 중앙부로부터 핀홀에 되돌아오는 광을 감광하기 위한 차광 영역(또는 감광 영역)을 포함한다. 이에 의해 공초점 계측 장치의 각도 특성을 높일 수 있기 때문에, 변위의 계측 정밀도를 높일 수 있다.

[실시의 형태 2]

실시의 형태 1에 의하면, 회절 렌즈(1)의 구조상의 특징에 의해, 변위의 계측 정밀도를 높일 수 있다. 본 발명의 실시의 형태 2에서는, 촬상 소자로부터 출력되는 수광 신호의 처리에 의해, 변위의 계측 정밀도를 높일 수 있다.

도 15는, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치의 구성을 도시하는 모식도이다.

도 16은, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치(102)에 의해 계측되는 계측 대상물(200)의 한 예를 도시한 도면이다. 도 16을 참조하면, 계측 대상물(200)은, 하지층(200a)과, 투명체층(200b)을 갖는다. 투명체층(200b)은, 하지층(200a)의 표면에 배치된다. 투명체층(200b)의 바깥쪽의 면(상부의 면)의 반사률은, 하지층(200a)의 표면의 반사률에 비하여 작다. 또한, 투명체층(200b)의 두께(t_b)는 수광 파형의 반치폭에 비하여 작다. 예를 들면 하지층(200a)은, 실리콘 웨이퍼이고, 투명체층(200b)은, 그 실리콘 웨이퍼의 표면에 고정된 포토레지스트이다.

도 17은, 도 16에 도시한 투명체층을 계측한 경우의 수광 파형을 도시한 파형도이다. 도 17을 참조하면, 하지층(200a)(실리콘 웨이퍼)의 표면부터의 반사광의 광량이, 투명체층(200b)(포토레지스트)의 상부의 면부터의 반사광의 광량에 비하여 훨씬 크다. 또한 상술한 대로, 투명체층(200b)의 두께(t_b)는 수광 파형의 반치폭과 비교하여 작다. 이 때문에 투명체층(200b)부터의 반사광의 수광 파형은, 하지층(200a)의 표면부터의 반사광의 수광 파형에 묻히여 버린다.

도 18은, 도 17에 도시한 투명체층(200b)의 두께를 계측하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 18을 참조하면, 대물 렌즈(2)(도시 생략)로부터의 광(LB)이 주사되고, 투명체층(200b)에 입사한다. 투명체층(200b)은, 두께(t_b) 및 굴절률(n)을 갖는다.

하지층(200a)(실리콘 웨이퍼)의 높이를 계측한 상태에서는 광(LB)은 공기중을 통과한다. 한편, 투명체층(200b)을 투과하여 하지층(200a)을 계측하면, 투명체층 부분에서의 광의 굴절에 의해 투명체층 부분이 본래의 두께(t_b)의 1/n배의 두께를 갖는 것 같이 보인다. 즉, 하지층(200a)의 표면에 대해 하지층(200a)의 높이는, 이하의 식의 높이분만큼, 높게 보인다.

t_b-t_b/n=(1-1/n)t_b

광(LB)을 주사한 경우, 상기한 (1-1/n)t_b라는 높이가 계측된다. 따라서 계측된 높이를 h라고 하면, 두께(t_b)는, 이하의 식에 따라 산출된다.

t_b=h×n/(n-1)

도 19는, 본래의 높이와, 계측된 높이와의 관계를 도시하는 도면이다. 굴절률(n)이 1보다 크기 때문에, 본래의 높이(두께(t_b))는, 계측치(h)보다도 커진다.

투명체층(200b)의 굴절률(n)은 미리 구하여진다. 계측된 높이(h)로부터, 상기한 식에 따라, 두께(t_b)가 구하여진다.

도 20은, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치가 실행하는 계측 처리를 설명하기 위한 플로 차트이다. 도 20을 참조하면, 처리가 시작되면, 스텝 S1에서, 광이 주사된다. 도 15 등에는 도시되어 있지 않지만, 예를 들면 계측 대상물(200)이 재치된 스테이지가 이동함으로써, 헤드부(10)로부터 출사되는 광이 상대적으로 주사된다.

스텝 S2에서, 투명체층(200b)의 높이(h)가 계측된다. 실시의 형태 1과 마찬가지로, 헤드부(10)로부터 되돌아오는 광이 촬상 소자(24)에서 수광된다. 제어 회로부(25)는, 촬상 소자(24)가 출력한 신호의 스펙트럼 파형의 피크 파장을 해석한다. 제어 회로부(25)는, 그 피크 파장으로부터 높이(h)를 결정한다.

스텝 S3에서, 제어 회로부(25)는, 투명체층(200b)의 두께(t_b)를 산출한다. 구체적으로는, 제어 회로부(25)는, t_b=h×n/(n-1)의 식에 따라, 스텝 S2에서 결정된 높이(h)로부터 두께(t_b)를 산출하다. 또한, 굴절률(n)은, 투명체층(200b)의 종류와 관련지어저서 제어 회로부(25)의 내부에 미리 기억된다. 예를 들면, 계측할 때에, 사용자가 제어 회로부(25)에 대해 투명체층(200b)의 종류를 지정한다. 이에 의해, 제어 회로부(25)는, 굴절률(n)을 자동적으로 결정한다.

스텝 S4에서, 제어 회로부(25)는, 산출된 두께(t_b)를 출력한다. 예를 들면 제어 회로부(25)는, 모니터부(30)에 두께(t_b)의 값을 출력한다. 모니터부(30)는 두께(t_b)의 값을 표시한다.

또한, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치의 구성은 도 15에 도시되는 바와 같이 한정되는 것이 아니다. 도 21은, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 공초점 계측 장치의 다른 구성례를 도시한 도면이다. 도 21을 참조하면, 공초점 계측 장치 300은, 센서 헤드(315)와, 당해 센서 헤드(315)를 제어하는 컨트롤러(320)를 구비한다.

센서 헤드(315)는, 레이저 다이오드(301)와, 포토 다이오드(302)와, 빔 스플리터(303)와, 핀홀(307a)이 형성된 조리개판(307)과, 콜리메이트 렌즈(309)와, 소리굽쇠형상의 진동자(308)와, 진동자(308)의 암에 부착된 대물 렌즈(310)와, 진동자(308)를 진동시키기 위한 구동부(311)와, 진동자(308)의 암의 위치를 검출하기 위한 위치 검출부(312)를 구비한다.

레이저 다이오드(301)는 컨트롤러(320)로부터 전류가 공급됨에 의해 일정한 강도의 광을 빌생시킨다. 레이저 다이오드(301)로부터 발하여진 광은 빔 스플리터(303)를 투과하여 콜리메이트 렌즈(309)에 입사한다. 레이저 다이오드(301)로부터의 광은 콜리메이트 렌즈(309)에 의해 콜리메이트되어 대물 렌즈(310)에 입사한다. 대물 렌즈(310)는, 콜리메이트 렌즈(309)로부터의 광을 계측 대상물(200)의 표면에 집광시킨다.

대물 렌즈(310)는, 진동자(308)의 암에 지지된다. 진동자(308)의 부근에는, 진동자(308)의 암을 진동하기 위한 구동부(311)가 마련된다. 대물 렌즈(310)는, 진동자(308)의 암의 진동에 의해, 계측 대상물(200)에 접근한 방향 및 멀어지는 방향으로 이동한다. 위치 검출부(312)는, 광축(X)의 방향에 따른 대물 렌즈(310)의 위치를 검출한다.

레이저 다이오드(301)로부터 계측 대상물(200)을 향하여 조사된 광은, 당해 계측 대상물(200)에 의해 반사된다. 계측 대상물(200)로부터의 반사광은, 대물 렌즈(310), 콜리메이트 렌즈(309), 및 빔 스플리터(303)를 통하여 포토 다이오드(302)에 유도된다. 빔 스플리터(303)에 의해 포토 다이오드(302)에 유도된 반사광은, 조리개판(307)의 핀홀(307a)을 통과하여 포토 다이오드(302)에 입사한다.

컨트롤러(320)는, 구동부(311)에 신호를 보내어, 구동부(311)의 동작을 제어한다. 또한 컨트롤러(320)는, 위치 검출부(312)로부터의 신호 및 포토 다이오드(302)로부터의 수광 신호에 의거하여, 대물 렌즈(310)의 변위량과 수광 신호의 강도를 대응짓는다. 이에 의해, 컨트롤러(320)는, 수광 신호의 강도가 피크에 달한 때의 대물 렌즈(310)의 변위량을 검출한다. 이 변위량에 의거하여, 컨트롤러(320)는, 계측 대상물(200)의 표면의 변위를 계측한다.

상기한 구성을 갖는 공초점 계측 장치에서, 컨트롤러(320)가, 도 20에 도시하는 계측 처리를 실행할 수 있다. 따라서 하지층의 위에 마련된 투명체층의 두께를 계측할 수 있다.

도 15 및 도 21에서는, 공초점 방식의 변위 계측 장치를 나타내였다. 그러나, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 계측 처리는, 이른바 삼각 측거 방식의 변위 계측 장치에 의해서도 실행 가능하다.

본 발명의 실시의 형태 2를 총괄하면, 이하와 같다. 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 계측 장치는, 광을 발하는 광원(21, 302)과, 광원(21, 302)으로부터 계측 대상물(200)에 조사되는 광을 모으기 위한 대물 렌즈(2, 310)와, 계측 대상물(200)로부터의 반사광을 수광하는 수광 소자(24, 302)와, 수광 소자(24, 302)로부터 출력되는 수광 신호에 의거하여, 계측 대상물(200)의 변위를 산출하는 연산부(25, 320)를 구비한다. 계측 대상물(200)은, 하지층(200a)과, 하지층(200a)의 상에 배치된 투명체층(200b)을 포함한다. 연산부(25, 320)는, 수광 소자(24, 302)로부터 출력되는 수광 신호에 의거하여, 투명체층(200b)의 높이(h)를 계측한다. 연산부(25, 320)는, 계측된 높이(h)와, 투명체층(200b)의 굴절률(n)에 의거하여, 투명체층(200b)의 두께(t_b)를 산출한다. 환언하면, 연산부(25, 320)는, 투명체층(200b)의 굴절률(n)을 이용하여 계측된 높이(h)를 보정하여, 투명체층(200b)의 두께(t_b)를 결정한다. 상기한 바와 같이, 계측 장치에 의한 변위의 계측 방식은, 공초점 방식, 삼각 측거 방식을 포함하지만, 이들로 한정되지 않는다.

바람직하게는, 계측 장치는, 공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치이다. 계측 장치는, 대물 렌즈(2, 310)에서 집광한 광 중, 계측 대상물(200)에서 합초하는 광을 통과시키는 핀홀(11, 307)을 구비한다.

더욱 바람직하게는, 광원(21)이, 복수의 파장의 광을 출사하는 광원이다. 계측 장치는, 광원(21)으로부터 출사하는 광에, 광축(X)방향에 따라 색수차를 생기게 하는 회절 렌즈(1)를 구비한다.

또한, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 변위 계측 방법은, 계측 대상물의 변위를 계측하는 계측 장치를 이용한 변위 계측 방법이다. 계측 대상물(200)은, 하지층(200a)과, 하지층(200a)의 위에 배치된 투명체층(200b)을 포함한다. 계측 장치는, 광을 발하는 광원(21, 302)과, 광원(21, 302)으로부터 계측 대상물(200)에 조사되는 광을 모으기 위한 대물 렌즈(2, 310)와, 계측 대상물(200)로부터의 반사광을 수광하는 수광 소자(24, 302)와, 수광 소자(24, 302)로부터 출력되는 수광 신호에 의거하여, 계측 대상물(200)의 변위를 산출하는 연산부(25, 320)를 구비한다.

계측 방법은, 광원(21, 302)으로부터 계측 대상물(200)에 조사되는 광을 계측 대상물(200)의 표면에 따라 주사하는 스텝(S1)과, 수광 소자(24, 302)로부터 출력되는 수광 신호에 의거하여, 투명체층(200b)의 높이(h)를 계측하는 스텝(S2)과, 계측된 높이(h)와, 투명체층(200b)의 굴절률(n)에 의거하여, 투명체층(200b)의 두께(t_b)를 산출하는 스텝(S3)을 구비한다.

금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각하여야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허청구의 범위에 의해 나타나고, 특허청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1 : 회절 렌즈
1a : 회절면
1b : 평면
1c : 중앙부
1d : 고리형상 영역
2 : 대물 렌즈
3 : 집광 렌즈
4 : 차광막
10 : 헤드부
11, 22a 내지 22c : 광파이버
20 : 컨트롤러부
21 : 백색 LED
22 : 분기광 파이버
23 : 분광기
23a : 요면 미러
23b : 회절 격자
23c : 집광 렌즈
24 : 촬상 소자
25 : 제어 회로부
30 : 모니터부
101, 101A, 101B, 102, 300 : 공초점 계측 장치
200 : 계측 대상물
200a : 하지층
200b : 투명체층
301 : 레이저 다이오드
302 : 포토 다이오드
303 : 빔 스플리터
307 : 조리개판
307a : 핀홀
308 : 진동자
309 : 콜리메이트 렌즈
310 : 대물 렌즈
311 : 구동부
312 : 위치 검출부
315 : 센서 헤드
320 : 컨트롤러
S : 영역
X : 광축

Claims

공초점 광학계를 이용하여 계측 대상물의 변위를 계측하는 공초점 계측 장치로서,
복수의 파장의 광을 출사하는 광원과,
색수차를 발생시키기 위한 회절 패턴이 형성된 회절면과, 상기 회절면의 반대측에 위치하는 평면을 가지며, 상기 광원으로부터 출사하는 광에 광축 방향에 따라 색수차를 발생시키는 회절 렌즈와,
상기 회절 렌즈보다 상기 계측 대상물측에 배치되고, 상기 회절 렌즈에서 색수차를 생기게 한 광을 상기 계측 대상물에 집광하는 대물 렌즈와,
상기 대물 렌즈에서 집광한 광 중, 상기 계측 대상물에서 합초하는 광을 통과시키는 핀홀과,
상기 핀홀을 통과한 광의 강도를 파장마다 측정하는 측정부를 구비하고,
상기 회절 렌즈는, 상기 회절 렌즈의 광축을 중심으로 하는 축대칭 형상의 감광부를 갖는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 감광부는, 상기 회절 렌즈의 상기 평면에 형성된 차광막을 포함하는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 감광부가 형성된 상기 회절 렌즈의 상기 평면은, 상기 핀홀로 향하여지고,
상기 회절 렌즈의 상기 회절면은, 상기 대물 렌즈로 향하여지는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감광부는, 상기 회절 렌즈의 상기 평면에 고정된 도료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감광부는, 상기 회절 렌즈의 상기 평면에 고정된 금속막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
제1항에 있어서,
상기 회절면에는, 상기 회절 패턴이 고리형상으로 마련되고,
상기 감광부는, 상기 회절 패턴에 의해 둘러싸여진, 상기 회절면의 중앙에 배치된 평면인 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감광부의 면적은, 상기 회절 렌즈의 유효 면적의 10%로부터 50%까지의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 공초점 계측 장치.