JPH1089940A - 物体表面の微細形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 物体表面をまったく傷つけない非接触の微細
形状計測装置を提供する。 【解決手段】 コヒーレントな光を発生する光源、光を
第１の光と第２の光に分光する分光手段、第１の光を偏
向する偏向手段、第２の光と偏向後の第１の光との合成
光量に応じた大きさの電気信号を発生する第１の光電変
換手段、第２の光と偏向後の第１の光とを測定対象物体
の表面に照射する照射手段、測定対象物体の表面からの
反射光量に応じた大きさの電気信号を発生する第２の光
電変換手段、第１の光電変換手段の出力と第２の光電変
換手段の出力との差分に基づいて測定対象物体の表面の
凹凸の大きさを測定する測定手段を備える。第１の光電
変換手段の出力と第２の光電変換手段の出力の差分は、
測定対象物体の表面の高さを表わしているから、非接触
で表面の形状測定を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体表面の微細形
状計測装置に関し、たとえば表面粗さ計や三次元レーザ
・ディジタイジング・システムに適用できる物体表面の
微細形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超精密加工物体の表面検査に用いられる
表面粗さ計の公知技術の一つに、いわゆる「触針法」が
ある。これは、針の先端を検査対象物体の表面に当てて
動かしながら針の先端の上下動を記録するというもの
で、針の大きさにもよるが、ナノミクロンオーダのきわ
めて高い計測精度が得られる。また、触針法は、物体の
三次元形状を計測して、たとえば、ＣＡＥ（computer a
ided engineering）等の計算機応用装置への入力情報を
生成するシステム（三次元レーザ・ディジタイジング・
システム）にも用いられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、触針法
は、物体表面に“針”を接触させるものであったため、
接触力が強すぎたり接触面の材料が柔らかかったりした
場合に、物体表面を傷つけてしまうという問題点があっ
た。そこで、本発明は、物体表面をまったく傷つけない
非接触の微細形状計測装置の提供を目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
コヒーレントな光を発生する光源と、前記光を第１の光
と第２の光に分光する分光手段と、前記第１の光を偏向
する偏向手段と、前記第２の光と偏向後の第１の光との
合成光量に応じた大きさの電気信号を発生する第１の光
電変換手段と、前記第２の光と偏向後の第１の光とを測
定対象物体の表面に照射する照射手段と、前記測定対象
物体の表面からの反射光量に応じた大きさの電気信号を
発生する第２の光電変換手段と、前記第１の光電変換手
段の出力と前記第２の光電変換手段の出力との差分に基
づいて前記測定対象物体の表面の凹凸の大きさを測定す
る測定手段と、を備えたことを特徴とする。

【０００５】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明において、前記第１の光と第２の光の波長を異ならせ
たことを特徴とする。請求項３に係る発明は、請求項１
に係る発明において、前記照射手段の照射光若しくは該
照射光と同一の特性を有する他の照射光の光軸を、前記
測定対象物体の表面の鉛直線に対して、０度よりも大き
く且つ９０度よりも小さい角度にしたことを特徴とす
る。

【０００６】

【作用】コヒーレントな光を二つの光（第１の光、第２
の光）に分光し、その一方を偏向して該二つの光を測定
対象物体の表面に照射すると、該表面上における二つの
光の照射点が上記偏向量に対応して離れることになる。
今、便宜的に照射点をそれぞれＡ、Ｂと表わすと、Ａ、
Ｂの高さが一致している場合には、Ａ、Ｂからの二つの
反射光の周波数と位相は一致するが、Ａ、Ｂの高さが一
致していない場合には、同二つの反射光の周波数又は位
相に差を生じ、この差は上記高さに対応したものとな
る。したがって、上記構成の第１の光電変換手段は、測
定対象物体の表面に照射する前の二つの光（第２の光と
偏向後の第１の光）の位相差に相当する電気信号（便宜
的に「基準信号」と言う）を取り出すもの、また、第２
の光電変換手段は、測定対象物体の表面からの二つの反
射光（第２の光の反射光と偏向後の第１の光の反射光）
の位相差に相当する電気信号（便宜的に「測定信号」と
言う）を取り出すものであり、基準信号と測定信号の差
分は、測定対象物体の表面の高さを表わしているから、
非接触で表面の形状測定を行うことができ、物体表面を
まったく傷つけない微細形状計測装置を提供できる。

【０００７】又は、第１の光と第２の光の波長を異なら
せると、基準信号と測定信号の周波数がその波長差に応
じた低い周波数になり、広帯域の光電変換手段を使用し
なくても済みコストを低減できるから好ましい。又は、
測定対象物体の鉛直線に対して、０度よりも大きく且つ
９０度よりも小さい角度で第２の光と偏向後の第１の光
を照射すると、測定対象物体の垂直面を検出して、位相
飛びを回避できるから好ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明するが、その前に本発明の原理を解説する。 （原理）周波数ｆ₁ の波と周波数ｆ₂ （便宜的にｆ₁ ＞
ｆ₂ ）の波を混合すると、周波数ｆ₁ −ｆ₂ の波ができ
る。また、同一周波数の二つの波を混合すると、その位
相差を取り出すことができる。電波領域では、高周波の
受信信号に局部発振信号を混合（ヘテロダイン検波）す
ることにより、その周波数差に相当する低い周波数の信
号（中間周波数信号）に変換し、受信機内部における信
号の取り扱い容易化を図っている。他方、レーザ光のよ
うなコヒーレントな光も“波”であるから、同様に、周
波数ｆ₁ の“光”と周波数ｆ₂ の“光”を混合すると、
周波数ｆ₁−ｆ₂ の“光”ができ、また、同一周波数の
二つの光Ｐ₁ 、Ｐ₂ を混合すると、その位相差を取り出
すことができる。

【０００９】ここで、Ｐ₁ とＰ₂ を測定対象物体の表面
に照射し、その反射光（混合された波）の強度を測定し
た場合を考える。Ｐ₁ とＰ₂ の照射点の高さが一致して
いる限り位相差は生じないが、わずかでも高度差がある
とその差に応じた位相差が生じるから、この位相差に基
づいてＰ₁ とＰ₂ の照射点の高度差を知ることができ、
測定範囲の全域にわたって高度差を測定してプロットす
ることにより、測定対象物体の微細な表面形状を定量的
に測定できる。このような原理に基づく、好ましい実施
例は以下のとおりである。 （実施例）図１〜図９は本発明に係る物体表面の微細形
状計測装置の一実施例を示す図である。

【００１０】まず、構成を説明する。図１において、１
は単一波長で位相が揃った光Ｐ₀ （コヒーレントな光）
を発生する光源であり、特に限定しないが、ここでは、
波長６３３ナノメータのコヒーレント光を発生するＨｅ
−Ｎｅレーザを使用している。２は分光手段及び偏向手
段であり、ここでは、平凹レンズ２ａ、平凹レンズ２
ｂ、音響光学素子２ｃ、平凹レンズ２ｄ及び円筒レンズ
２ｅを順次に並べて構成している。

【００１１】音響光学素子２ｃは、超音波によって媒体
内にできる周期的な疎密に起因する光の回折を利用して
光Ｐ₀ の偏向を操作する素子であり、この音響光学素子
２ｃからは、偏向量固定の第１の光Ｐ₁ と、偏向量可変
の第２の光Ｐ₂ とが取り出される。なお、第１の光Ｐ₁
と第２の光Ｐ₂ の偏向量は、操作部２ｆからの信号で制
御されるようになっている。また、音響光学素子２ｃ以
外にも、反射鏡を適当な軸の周りに回転又は振動させて
反射光の方向を変える機械的光偏向器やポッケルス効果
と複屈折性を利用する電気光学的光偏向器などを使用で
きる。

【００１２】３及び４は第１の光Ｐ₁ と第２の光Ｐ₂ を
共に２方向に振り分けるビームスプリッタである。以
下、下側のビームスプリッタ３を真っ直ぐに通り抜けた
二つの光（Ｐ_i ；ｉは１、２）を第１の測定光（Ｐ_iａ
）と言い、上側のビームスプリッタ４で直角に曲げら
れた二つの光を第２の測定光（Ｐ_iｂ ）と言い、さら
に、上側のビームスプリッタ４を真っ直ぐに通り抜けた
二つの光を参照光（Ｐ_iｒ ）と言うことにする。

【００１３】６は参照光Ｐ_iｒ の合成光量に応じた電気
信号Ｓｒを発生する光電変換素子、７は測定対象物体で
ある。８は第１の測定光Ｐ_iａ を測定対象物体７の表面
上の測定点７ａに照射する光ヘッド、９は第２の測定光
Ｐ_iｂ を同測定点７ａに照射する光ヘッド、１０は測定
点７ａからの第１の測定光Ｐ_iａ の反射光Ｐ_iａ′ （以
下、第１の反射光と言う）の合成光量に応じた電気信号
Ｓａを発生する光電変換素子、１１は測定点７ａからの
第２の測定光Ｐ_iｂ の反射光Ｐ_iｂ′ （以下、第２の反
射光と言う）の合成光量に応じた電気信号Ｓｂを発生す
る光電変換素子である。

【００１４】これら二つの光ヘッド８、９及び二つの光
電変換素子１０、１１は、好ましくは、共通のヘッド機
構１２に搭載され、このヘッド機構１２の自由な動きに
よって、測定対象物体７の測定点７ａに様々な方向から
光を照射し及びその反射光を受けることができるように
なっている。１３は電気信号Ｓｒと電気信号Ｓａ又は電
気信号Ｓｒと電気信号Ｓｂの差分ΔＳを演算する演算器
であり、１４は上記差分に基づいて測定対象物体７の測
定点７ａの凹凸の大きさを測定すると共に、ヘッド機構
１２や測定対象物体７のステージ７ｂ及び光偏向器２ｃ
の操作部２ｆなどの各部をシーケンスコントロールする
コントローラである。

【００１５】次に、作用を説明する。既述したように、
二つの光を混合すると、二つの光の位相差の情報を取り
出すことができる。今、二つの光Ｐ_i の周波数をそれぞ
れｆ₁ 、ｆ₂ とすると、Ｐ_iは、次式（１）（２）で表
わすことができる。 Ｐ_1(t)＝Ａ₁ ｅｘｐ｛ｉ２πｆ₁ ｔ＋φ₁ ｝ ………（１） Ｐ_2(t)＝Ａ₂ ｅｘｐ｛ｉ２πｆ₂ ｔ＋φ₂ ｝ ………（２） ただし、Ａ₁ 、Ａ₂ はＰ₁ 、Ｐ₂ の振幅、φ₁ 、φ₂ は
Ｐ₁ 、Ｐ₂ の初期位相、ｔは時間、ｉは虚数単位であ
る。

【００１６】Ｐ₁ 、Ｐ₂ を干渉させた場合の強度Ｉは、 Ｉ＝＜Ｐ₁ ＋Ｐ₂ ＞² ………（３） となり、 Δｆ＝ｆ₁ −ｆ₂ ………（４） Δφ＝φ₁ −φ₂ ………（５） と置くと、上式（３）は、 Ｉ＝Ａ₁ ²＋Ａ₂ ²＋２Ａ₁ Ａ₂ ｃｏｓ（２π＋Δｆｔ＋Δφ） ………（６） と書き表すことができ、この式（６）の右辺第３項の交
流成分は、二つの光Ｐ_iの周波数差（Δｆ）と位相差
（Δφ）の情報を含むから、右辺第１項と第２項に相当
する大きさのバイアスを加えて同第１項と第２項を取り
除くことにより、 Ｉ＝２Ａ₁ Ａ₂ ｃｏｓ（２π＋Δｆｔ＋Δφ） ………（６）′ として、上記周波数差（Δｆ）と位相差（Δφ）の情報
をＩの変化で取り出すことができる。

【００１７】ここで、Δｆを０とすると、以下の作用が
得られる。すなわち、測定対象物体７の測定点７ａの表
面形状を便宜的に図２（ａ）のとおりと仮定し、同測定
点７ａの任意位置にＰ_iａ を照射すると、Ｐ₁ａ 、Ｐ₂
ａ のそれぞれの照射位置に高度差ｈがある場合には、
Ｐ₁ａ 、Ｐ₂ａ の光路長に差が付き、同図（ｂ）に示す
ように、光路長の差に応じた位相差φが生じる。

【００１８】したがって、Ｐ_iａ の反射光（第２の反射
光Ｐ_iａ′ ）を干渉させた場合の強度Ｉは、上式（６）
より、図２（ｂ）の位相差φの情報を含むから、また、
位相差Δφと高低差Δｈとの間には、次式（７）に示す
関係があるから、 Δｈ＝λ・Δφ／４π ………（７） 第２の反射光Ｐ_iａ′ の合成光を光電変換素子１０で受
光して電気信号Ｓａに変換することにより、測定対象物
体７の表面形状を光の波長λ以下の精度で測定すること
ができ、たとえば、Ｈｅ−Ｎｅレーザの波長λは約６３
３ナノメータのため、位相測定の分解能を１度とする
と、およそ０．８８ナノメータの高い精度でΔｈを測定
できる。

【００１９】周波数ｆ₁ 、ｆ₂ は、原理的には等値（ｆ
₁ ＝ｆ₂ ）でも構わないが、光電変換素子６、１０、１
１に高帯域のもの（金属−金属点接触ダイオードやジョ
セフソンダイオードなど）を使用しなければならないか
ら、コストの点で見た場合、Δｆが１０⁵ 〜１０⁶ Ｈｚ
程度になるような値にｆ₁ 、ｆ₂ を設定するのが望まし
い。一般的なフォトディテクタを使用できる。

【００２０】なお、本実施例では、第１の測定光（Ｐ_i
ａ ）の他に第２の測定光（Ｐ_iｂ ）を使用している
が、その理由は以下のとおりである。本実施例の測定法
は、光の波長以下のきわめて高い分解能を得られる点で
優れているが、たとえば、図２（ａ）の高度差ｈが比較
的大きく、位相飛び現象、すなわち一波長の整数倍を越
える位相差φ（便宜的にφ＝３６０度＋α度）が生じた
場合には、「３６０度＋α度」と「α度」の見分けがつ
かず、誤測定を免れない。図３はそのような誤測定を招
きやすい例を示す図である。段差を跨いでＰ₁ａ とＰ₂
ａ が位置しているため、Ｐ₁ａ とＰ₂ａ の光路長の差
が相当に大きくなり、段差の程度によっては一波長の整
数倍を越える位相差φが生じる。

【００２１】本実施例の第２の測定光（Ｐ_iｂ ）及びそ
の関連要素（光電変換素子１１）は、かかる誤測定を回
避するための付加要素であり、その必須とする事項は、
第２の測定光（Ｐ_iｂ ）の測定対象物体７への照射角度
を、第１の測定光（Ｐ_iａ ）の照射角度に対して、０度
よりも大きく且つ９０度よりも小さくした点にあり、さ
らに、第２の測定光（Ｐ_iｂ ）の反射光（第２の反射光
Ｐ_iｂ′ ）を受光できる位置に光電変換素子１１を配置
した点にある。なお、上記角度（０度、９０度）の臨界
的意義は、０度では第１の測定光と同じになってしまう
から、また、９０度若しくはそれ以上では光ヘッドと測
定対象物体が干渉してしまうからである。

【００２２】これによれば、図４に示すように、第２の
測定光（Ｐ_iｂ ）が段差の垂直面に照射されるため、Ｐ
₁ｂ′ とＰ₂ｂ′ の位相差が小さくなって、段差の存在
を検知でき、そのときの測定結果を破棄できるから、一
波長の整数倍を越える位相差φの検出を回避できる。な
お、第１の測定光（Ｐ_iａ ）の光軸を、適宜に、０度よ
りも大きく且つ９０度よりも小さくできるように構成す
れば、この第１の測定光（Ｐ_iａ ）を第２の測定光とし
ても使用できる。

【００２３】また、本実施例では、二つの光の一方（Ｐ
₂ａ ）の偏向量を可変としているが、その可変幅が二つ
の光の混合限界距離を越えてしまうと、冒頭で述べた原
理（ヘテロダイン検波）を利用できなくなるため、次の
ように工夫する必要がある。すなわち、図５に示すよう
に、基準側の光（Ｐ₁ａ ）を点Ｘに照射している間に、
一方の光（Ｐ₂ａ ）を偏向してその照射位置を逐次にシ
フトするが、それ以上シフトしては、二つの光の反射光
（Ｐ_iａ′ ）の合成光が得られなくなる限界点（好まし
くはその手前の点）ｙに達した時点で、測定対象物体７
のステージを移動し、基準側の光（Ｐ₁ａ ）の照射点を
ｙに移して、再び一方の光（Ｐ₂ａ ）を偏向し、その照
射位置を逐次にシフトするという動作を繰り返すように
すれば、適正な可変幅の偏向量とすることができる。

【００２４】さらに、本実施例では、図６に示すよう
に、光ヘッド８、９や光電変換素子６、１０、１１を
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸周りに回転自在に配置したため、測定対象
物体７に対して、あらゆる方向からの光照射や受光が可
能であり、たとえば、図７に示すように、測定光（Ｐ_i
ａ′ ）の反射角度が光電変換素子１０の方向とずれて
いても、光ヘッドや光電変換素子を適宜適切に回転させ
ることにより、ずれを修正して正常な受光を行うことが
できる。

【００２５】図８は、以上説明した本実施例の測定フロ
ーチャートである。このフローチャートでは、測定対象
物体７の測定範囲を入力（ステップ２０）し、計測ピッ
チ（図５（ａ）参照）を指定（ステップ２１）して計測
開始を指示（ステップ２２）すると、まず、第１の測定
光（Ｐ_iａ ）と第２の測定光（Ｐ_iｂ ）を用いた２方向
からの測定を実行（ステップ２３）し、受光可能でなけ
れば（ステップ２４のＮｏ判定）ヘッド機構１２を移動
（ステップ２５）してステップ２３を再実行し、受光可
能であれば（ステップ２４のＹｅｓ判定）、垂直面であ
るか否かを判定（ステップ２６）する。そして、垂直面
であれば（ステップ２６のＹｅｓ判定）、ヘッド機構１
２を移動（ステップ２７）してステップ２３を再実行
し、垂直面でなければ（ステップ２６のＮｏ判定）、計
測結果を出力（ステップ２８）し、以上の動作を計測範
囲が終了する（ステップ２９のＹｅｓ判定）まで繰り返
し実行する。

【００２６】また、図９は、図８のフローで測定した位
相差情報に基づいて測定対象物体７の表面形状データを
生成するフローチャートであり、特に限定しないが、Ｃ
ＡＥの計算機を利用した有限要素法（ＦＥＭ）の数値シ
ミュレーションに使用するための入力情報を生成する三
次元レーザ・ディジタイジグ・システムへの適用例であ
る。

【００２７】図９のフローでは、まず、前式（７）を用
いて、位相差Δφを高度差Δｈに変換すると共に、すべ
ての高度差Δｈの値を三次元座標に展開する（ステップ
４０）。次に、三次元平面内で隣り合う高度差Δｈの値
の間隔を求め（ステップ４１）、その間隔がビームスポ
ットの径よりも大きい場合（ステップ４２のＹｅｓ判
定）には、その間隔を曲線補間（ステップ４３）し、ビ
ームスポットの径よりも小さい場合（ステップ４２のＮ
ｏ判定）には、その間隔を直線補間（ステップ４４）し
て、ワイヤーフレームを作成する（ステップ４５）。次
に、ＦＥＭ解析用のモデルを作成するために、全体の希
望要素数や細かく分割したい部分及び粗く分割したい部
分などを指定（ステップ４６）した後、入力要素数やモ
デルの体積及び表面積から適当な要素長を決定すると共
に、各計測点から節点を作成して要素分割を行ってメッ
シング作業を実行する（ステップ４７、４８、４９）。
最後に、必要な解析条件を入力して解析ツール用の入力
ファイルを作成（ステップ５０）し処理を終了する。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、対象物を傷つけずにき
わめて高精度な表面形状測定を行うことができるため、
超微細加工物体の形状検査や三次元レーザ・ディジタイ
ジング・システムなどに用いて好適な形状検査装置を提
供できるという従来技術にない格別有利な効果が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例の概念構成図である。

【図２】二つの光の光路差と位相差の関係を示す模式図
である。

【図３】位相飛びの説明模式図である。

【図４】位相飛びを回避する説明模式図である。

【図５】偏向量の操作模式図である。

【図６】ヘッド機構の移動模式図である。

【図７】受光不能の説明図である。

【図８】一実施例の測定フロー図である。

【図９】一実施例のメッシングデータ生成フロー図であ
る。

【符号の説明】

１：光源 ２：分光手段及び偏向手段 ６：光電変換素子（第１の光電変換手段） ７：測定対象物体 ８：光ヘッド（照射手段） １０：光電変換素子（第２の光電変換手段） １３：演算器（測定手段） １４：コントローラ（測定手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コヒーレントな光を発生する光源と、 前記光を第１の光と第２の光に分光する分光手段と、 前記第１の光を偏向する偏向手段と、 前記第２の光と偏向後の第１の光との合成光量に応じた
   大きさの電気信号を発生する第１の光電変換手段と、 前記第２の光と偏向後の第１の光とを測定対象物体の表
   面に照射する照射手段と、 前記測定対象物体の表面からの反射光量に応じた大きさ
   の電気信号を発生する第２の光電変換手段と、 前記第１の光電変換手段の出力と前記第２の光電変換手
   段の出力との差分に基づいて前記測定対象物体の表面の
   凹凸の大きさを測定する測定手段と、を備えたことを特
   徴とする物体表面の微細形状計測装置。
2. 【請求項２】前記第１の光と第２の光の波長を異ならせ
   たことを特徴とする請求項１記載の物体表面の微細形状
   計測装置。
3. 【請求項３】前記照射手段の照射光若しくは該照射光と
   同一の特性を有する他の照射光の光軸を、前記測定対象
   物体の表面の鉛直線に対して、０度よりも大きく且つ９
   ０度よりも小さい角度にしたことを特徴とする請求項１
   記載の物体表面の微細形状計測装置。