JP6766995B2 - 位相シフト干渉計 - Google Patents

Description

本発明は、位相シフト干渉計に係り、特に、オプチカルフラット、レンズ、金属加工面、ウェハを含む半導体表面等の測定対象物の形状を測定する際に用いるのに好適な、シフト誤差による解析誤差を軽減し、少ない画像数（短い時間）で高精度な測定を実現することが可能な位相シフト干渉計に関する。

干渉計は参照面からの反射光と測定対象物からの反射光によって発生する干渉縞の位相を解析し高精度に測定対象物の形状を測定する装置である。干渉縞の位相を解析するのに多く用いられている手法が位相シフト法である（特許文献１〜３参照）。

特開平５−８７５４１号公報 特開２０００−３２９５３５号公報 特許第４８６９６５６号公報

ここで、図１に光学系として多く用いられるフィゾー型干渉計の光学構成例を示し、従来技術の問題点を述べる。フィゾー型干渉計は光源１の光束を、例えばレンズ２、ピンホール３及びレンズ５を用いて干渉計視野サイズに拡大して、測定の基準となる参照面６と測定対象物７を照射し、両面各々の面からの反射光である参照光と測定光を、ビームスプリッタ４を用いて干渉させる。位相シフト法は参照光と測定光の間の位相を相対的にシフトさせて複数枚の干渉縞を、例えばカメラ８で取り込み、数値解析によって位相を算出する方法である。

位相をシフトさせる方法として、一般的には参照面６を、例えば変位ステージ９により光軸方向Ａに平行に移動させる方法が用いられる。この場合、干渉縞位相１周期分を数分割して変位させるため、数１０ｎｍから数１００ｎｍの間隔の正確な参照面６の移動が必要となる。しかしながら、ナノメートル精度で正確に変位させる変位ステージ９の製作は無論のこと、振動や空気揺らぎが存在する測定環境下で、演算上の設定値通り正確にシフトさせることは困難を極める。すると、演算上想定したシフト量と実際のシフト量に差異が出るため、位相計算時に誤差（位相解析誤差と称する）が発生する。

この位相解析誤差を低減する方法として、一般的に、位相シフトさせる回数を増やし、画像の取得枚数を増やす方法が用いられる。これらは、より多くの画像から演算を行うことで平均化効果を利用したり、あるいは、特定のシフト誤差を想定してそれに対して誤差が相殺されるような特別な変位を与えたりする方法である。これら手法では、解析精度が高くなるにつれて、画像の取得枚数が多くなる傾向にある。

即ち、従来の位相シフト干渉計で精度の高い測定をする場合は、参照面６を高精度に変位させる高価な変位ステージ９が必要であった。さらに、変位ステージ９の変位誤差に伴う位相解析誤差を軽減するために、画像取得枚数を増やす必要があり、その分、測定時間が長くなるという問題があった。加えて、測定時間が長くなると、測定環境の振動や温度変化による参照面６の位置のドリフト的な変動が影響を受けやすくなるため、ユーザの使用環境によっては、十分な精度向上の効果が期待できないといった問題もあった。

なお、特許文献１〜３には本発明と同様に、複数の撮像素子を用いて光学的に位相をシフトさせた干渉縞を同時に撮像する技術が記載されているが、制約が多かった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、形状を測定する位相シフト干渉計において、より安価な部品構成で、より短い時間で精度の高い形状測定を実現することを課題とする。

本発明は、測定の基準となる参照面からの反射光である参照光と測定対象物からの反射または透過によって得られる測定光、又は測定対象物を配置していない参照光路と測定対象物を配置した測定光路の歪によって発生する干渉縞を位相シフト法により解析し、測定対象物の形状を測定する位相シフト干渉計において、干渉縞画像を複数のカメラにより取り込み、それぞれの前記カメラで得られた干渉縞からそれぞれ独立に位相解析を行った後に、位相解析結果を合成して、測定対象物の形状を算出することにより、前記課題を解決するものである。

ここで、相対的に位相差を付与した前記干渉縞画像を、相対的に９０°の位相差を付与した２台のカメラにより取り込んで、測定対象物の形状を測定することができる。

又、前記位相解析結果を合成する際、カメラ間で対応する画素どうしで得られた位相解析結果の平均値を算出することができる。

又、前記位相シフト法は、参照光路長又は測定光路長を長くまたは短くする方法により、実施することができる。

又、前記参照光路長又は測定光路長を長くまたは短くする際、前記参照面又は前記測定対象物を移動させるか、又は、遅延光路を増減させることができる。

従来の位相シフト干渉計では、参照面を変位させる変位ステージを高精度に作り込まなければならなかったが、本発明によれば、変位ステージのシフト誤差があっても位相解析誤差を極めて小さく抑えることができる。従って、変位ステージは比較的精度の低い安価なものでも良く、誤差を低減するために余分な測定をする必要ないにもかかわらず、高い精度の測定が実現できる。

従来のフィゾー型位相シフト干渉計の光学系の構成例を示す光路図 本発明の第１実施形態の構成を示す光路図 同じく測定手順を示す流れ図 同じく解析結果の例を示す図 同じく２台のカメラの出力の解析結果の例を比較して示す図 本発明の第２実施形態の構成を示す光路図 本発明の第３実施形態の構成を示す光路図 本発明の第４実施形態の構成を示す光路図 本発明の第５実施形態の構成を示す光路図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明に係る位相シフト干渉計の第１実施形態の構成を図２に示す。光源１００である低コヒーレンス光源１０１からの光束を偏光面が直交した二つの成分に分割する。本実施形態では、遅延光路２００を構成する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０１で水平偏光の光束ｌ₁と垂直偏光の光束ｌ₂に分割し、垂直偏光の反射光束をミラー２０３で反射させて迂回させた後に、ＰＢＳ２０２で水平偏光と垂直偏光を重ね合わせる。そして、レンズ３０１、無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）３０２及びコリメートレンズ３０３によって構成させるビーム拡大光学系３００によって拡大コリメートした後に、従来のフィゾー型位相シフト干渉計と同様に同じ光軸上に配置した、位相差発生部４００の参照面４０１と測定対象物４０２を照射し、各々の面からの反射光である参照光と測定光を得る。図において、４０３は変位ステージである。

そして、参照光と測定光からなる被検光束をＮＰＢＳ３０２によってビーム拡大光学系３００から取り出して、結像レンズ５００を透過させる。なお、この結像レンズ５００は、本位相シフト干渉計における干渉縞の結像倍率や焦点位置などといった光学設計に自由度を持たせる役目をしているだけであるため、結像レンズ５００の有無が本発明の原理に大きな影響を及ぼすものではない。

そして、位相差検出部６００のλ／４板６０１を透過させて水平偏光と垂直偏光の光束を互いに左右逆回りの円偏光にした後に、ビームスプリッタ６０２によって被検光束を分割し、それぞれの分割光路上に、異なる回転調整した偏光板６０３ａ、６０３ｂを配置することで、参照面４０１に対する測定対象物４０２からの反射光の位相差を干渉縞に可視化する。そして、位相の異なる干渉縞画像を２台のカメラ６０４ａ、６０４ｂでそれぞれ撮像する。

この位相シフト干渉計においては、迂回の光路長差Ｌ_aと参照面４０１と測定対象物４０２の表面からの反射光の光路長差Ｌ_bを一致させて、さらに、光源１００に可干渉距離ΔＬが光路長差Ｌ_aよりも短い低コヒーレンス光源１０１を使用する。すると、分割した光路上に配置した偏光板６０３ａ、６０３ｂを透過して可視化される干渉縞は、参照面４０１からの反射光による垂直偏光成分と測定対象物４０２の表面からの反射光による水平偏光成分の光束によってのみ発生する。また、２台のカメラ６０４ａ、６０４ｂによって得られる干渉縞はカメラ６０４ａ、６０４ｂの前に配置した偏光板６０３ａ、６０３ｂの設置角度に応じて、位相がシフトした干渉縞になる。例えば、偏光板６０３ａに対して偏光板６０３ｂの透過軸を光軸に垂直な面内において４５°回転させて配置すれば、相対的に９０°位相がシフトした干渉縞になる。この干渉縞はカメラ６０４ａ、６０４ｂで撮像され、例えばパソコン（ＰＣ）７００で処理される。

次に、本実施形態における位相シフト干渉計の測定手順を図３に示す。従来の位相シフト法にならって、変位ステージ４０３を機械的に微小平行移動させて、干渉縞の位相をシフトさせ（ステップＳ１）、位相差検出部６００内の光学的に位相シフトさせた２台のカメラ６０４ａ、６０４ｂで干渉縞画像を取得する（ステップＳ２）。次に、ＰＣ７００で２台のカメラ６０４ａ、６０４ｂそれぞれの画像について、従来の位相シフト法にならって干渉縞を位相解析しそれぞれ独立に形状を算出する（ステップＳ３）。そして、それぞれのカメラ６０４ａ、６０４ｂで得られた形状を加算するなど合成して測定対象物４０２の形状を決定する（ステップＳ４）。

ここで、本実施形態による効果の例を次に示す。干渉縞の位相１周期分を４分割して９０°ずつ位相シフトさせる４ステップ位相シフト法では、４枚の干渉縞画像を次式で表す。変位量は光源１０１の波長によって決まり、例えば波長６３３ｎｍの場合には、１ステップの変位量は約７９ｎｍになる。

４つの数式から次の演算を行えば、φについて解くことができ、アンラップの位相接続処理を行うことで測定対象物４０２の形状を得ることができる。

ここで、Ｉ₁からＩ₂、Ｉ₃、Ｉ₄とシフトさせる過程で、演算上の設定値（ここでは、位相９０°相当）とは異なるシフトをした場合、式（５）で演算結果には、そのシフト誤差の影響が表れる。その例として、Ｉ₂にシフト誤差Ｅｒ１が発生した場合のシミュレーション結果を図４に示す。図中（ａ１）は解析結果φ_Analysisを表し、（ａ２）はシミュレーション上の真値φ_Trueを表す。（ａ３）は解析結果と真値との差φ_Analysis−φ_Trueを表す位相解析誤差φ_Errorである。φ_Trueは図４に示すように干渉縞が１縞分だけ発生するように理想平面を傾けた状態を想定している。（ａ２）に示すように、位相解析誤差は干渉縞の位相１周期に対して、その半分の周期（２倍の周波数）で増減して発生する。この結果を一方のカメラ６０４ａから得られた干渉縞から位相シフト法により形状を算出した結果とする。

次に、カメラ６０４ａで得られる干渉縞に対して、固定で９０°位相シフトさせた他方のカメラ６０４ｂから得られる４枚の干渉縞から形状算出した結果を図５に示す。比較のために、図４に示した位相解析結果を同図中（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）に再掲示する。位相解析誤差は干渉縞位相に対して２倍の周波数で発生するため、カメラ６０４ｂで得られる干渉縞の初期位相をカメラ６０４ａで得られる干渉縞に対して９０°オフセットさせることで、位相解析誤差はちょうど反転した形で発生する。したがって、（ｃ１）、（ｃ２）、（ｃ３）に示すように、カメラ６０４ａとカメラ６０４ｂにおいて、同一位置を観測している画素どうしで算出結果の平均値を計算することで位相解析誤差をキャンセルすることができる。

従来の位相シフト干渉計では、干渉縞の位相に応じた誤差が発生することの無いように、参照面６を変位させる変位ステージ９を高精度に作り込まなければならなかった。そして、シフト誤差による位相解析誤差を軽減するために、多くの干渉縞画像を取得する必要があり、その分測定に長い時間をかける必要があった。本発明の手法では、本シミュレーション結果が示すように、変位ステージ４０３のシフト誤差があっても位相解析誤差を極めて小さく抑えることができるので、変位ステージ４０３は比較的精度の低い安価なものでも良く、より少ない画像取得枚数で、高い精度の測定が実現できる。

本実施形態においては、位相差発生部４００でλ／４板を用いていないので、レンズ球面の測定も可能である。

なお、位相シフト干渉計の構成は図２に示した第１実施形態に限定されるものではなく、例えば、図６に示す第２実施形態のように、光源１００にレーザ１０２を使用し、参照面４０１と測定対象物４０２の表面の間にλ／４板４０４を配置して、遅延光路２００を用いることなく、測定対象物４０２の表面からの反射光の偏光面を９０°回転させる光学系であっても、同様の効果を得る位相シフト干渉計を実現することができる。他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同じ符号を付して説明は省略する。

本実施形態においては、光源１００として高コヒーレンスのレーザ１０２を用いているので、設定が容易である。

また、例えば、図７に示す第３実施形態のように、位相差発生部４００に設けた偏光ビームスプリッタ４０５で参照光と測定光を分割し重ね合わせるトワイマングリーン型のような位相シフト干渉計であっても良い。図において、４０４ａ、４０４ｂはλ／４板である。他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同じ符号を付して説明は省略する。

なお、第１〜第３実施形態では、参照面４０１を変位させていたが、測定対象物４０２を変位させても良い。又、第１実施形態では、遅延光路２００内のミラー２０３を変位させて光路ｌ₂の光路長を増減させても良い。

あるいは、図８に示す第４実施形態のように、位相差発生部４００内に設けた偏光ビームスプリッタ４０５ａ、４０５ｂ、ミラー４０６ａ、４０６ｂ間に配置した透過物体である測定対象物４０２ａの波面形状を計測する際に多く用いられるマッハツェンダー型干渉計であっても適用可能である。この場合、ミラー４０６ａとミラー４０６ｂを変位ステージ４０７に載せて移動させるなどにより位相シフトが実行できる。

この図８の実施形態では、参照面はなく、測定対象物４０２ａを配置していない方の光路（図の下の光路）が参照光路４０１ａになる。即ち、何も置いていない下の参照光路４０１ａと測定対象物４０２ａを配置した上の測定光路４０１ｂとの相対的な波面の歪を干渉により測定することで、測定対象物４０２ａによる歪を計測する。

図８はΔＬ≧Ｌ_bの場合の光学系で、低コヒーレンス光源を使用してΔＬ＜Ｌ_bの場合には、図７（ｂ）に示したように、遅延光路２００を追加することにより実現できる。測定対象物４０２ａは偏光ビームスプリッタ４０５ａと４０５ｂの間に配置しても良い。

また、位相差検出部６００においては撮像系のカメラは２台に限らず、図９に示す第５実施形態のように、３台以上（図９では６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃの３台）であったとしても、誤差低減の効果を得ることができる。

また、前記実施形態においては、２台のカメラ６０４ａ、６０４ｂで得られる干渉縞の位相差が９０°の場合で説明したが、もし、干渉縞位相と同一周期（基本波）の位相解析誤差が発生する場合は、２台のカメラ６０４ａ、６０４ｂ間に与える位相差量を１８０°に設定することで誤差を解消することができる。また位相解析誤差が３分の１周期（３倍波）で発生する場合は、６０°の位相差を与えれば良い。参照面を変位させる変位ステージ４０３の特性などによって発生する位相解析誤差を相殺するような形で、各カメラ６０４ａ、６０４ｂの直前に配置した偏光板６０３ａ、６０３ｂの透過軸の角度調整などを行うことによって各カメラ６０４ａ、６０４ｂ間の位相差を付与させると効果的である。たとえ、各カメラ６０４ａ、６０４ｂで得られる干渉縞が位相差０°で同一位相であったとしても、電気的なノイズのようなランダムノイズによる誤差が低減できるため、本発明は有効である。

１００…光源
２００…遅延光路
２０１、２０２…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３００…ビーム拡大光学系
３０２…無偏光ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）
４００…位相差発生部
４０１…参照面
４０１ａ…参照光路
４０１ｂ…測定光路
４０２、４０２ａ…測定対象物
４０３、４０７…変位ステージ
４０４ａ、４０４ｂ、６０１…λ／４板
５００…結像レンズ
６００…位相差検出部
６０２…ビームスプリッタ
６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ…偏光板
６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ…カメラ
７００…パソコン（ＰＣ）

Claims (5)

1. 測定の基準となる参照面からの反射光である参照光と測定対象物からの反射または透過によって得られる測定光、又は測定対象物を配置していない参照光路と測定対象物を配置した測定光路の歪によって発生する干渉縞を位相シフト法により解析し、測定対象物の形状を測定する位相シフト干渉計において、
   干渉縞画像を複数のカメラにより取り込み、それぞれの前記カメラで得られた干渉縞からそれぞれ独立に位相解析を行った後に、位相解析結果を合成して、測定対象物の形状を算出することを特徴とする位相シフト干渉計。
2. 相対的に位相差を付与した前記干渉縞画像を、相対的に９０°の位相差を付与した２台のカメラにより取り込んで、測定対象物の形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の位相シフト干渉計。
3. 前記位相解析結果を合成する際、カメラ間で対応する画素どうしで得られた位相解析結果の平均値を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の位相シフト干渉計。
4. 前記位相シフト法は、参照光路長又は測定光路長を長くまたは短くする方法により、実施することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の位相シフト干渉計。
5. 前記参照光路長又は測定光路長を長くまたは短くする際、前記参照面又は前記測定対象物を移動させるか、又は、遅延光路を増減させることにより、位相シフトを実施することを特徴とする請求項４に記載の位相シフト干渉計。