JP2005195739A

JP2005195739A - 共焦点光学系及び高さ測定装置

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Publication number: JP2005195739A
Application number: JP2004000259A
Authority: JP
Inventors: Fusao Shimizu; 房生清水
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-01-05
Filing date: 2004-01-05
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】ニッポウディスクを大型としたときや低倍の対物レンズを用いたときであっても高精度に高さ測定を行うことができる共焦点光学系及び高さ測定装置を提供する。
【解決手段】光源１１からの光が照射されるピンホール群と、ピンホール群を通過した光を測定対象物５に集光させる対物レンズ１４とを備えている共焦点光学系において、ピンホール群が対物レンズ１４の焦点面と共役な位置となるように配置されたフィルム２４を回転枠２０に貼り付けた。ピンホール群はフィルム２４に蒸着された薄膜２３に形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は共焦点光学系及び高さ測定装置に関する。

図３は従来の高さ測定装置の光学系を示すブロック図である。

高さ測定装置５０１は共焦点光学系５１０と撮像素子５３０と演算制御部５４０とを備えている。

共焦点光学系５１０は光源５１１とハーフプリズム５１２と結像レンズ５１３とニッポウディスク５２０と対物レンズ５１４とλ／４板５１５とを有する。

ハーフプリズム５１２は光源５１１から出射された照明光を反射させる。

結像レンズ５１３はハーフプリズム５１２で反射された照明光を後述するピンホール５２５に集光させる。

ニッポウディスク５２０はガラス製のディスク５２１とこのディスク５２１の上面に蒸着された薄膜５２３とで構成されている。

薄膜５２３には複数の同じ径のピンホール５２５が形成されている。

ニッポウディスク５２０は光軸Ｌ１に対して斜めに配置されている。

ニッポウディスク５２０は回転用モータ５２６の回転軸ＡＸに取り付けられている。

対物レンズ５１４は光源５１１から出射された光を測定対象物５０５に集光させる。

λ／４板５１５は対物レンズ５１４の前側光路上（対物レンズ１４と測定対象物５との間）に設けられ、光波に位相差（λ／４）を与える。

撮像素子５３０は対物レンズ５１４を光軸方向に動かして対物レンズ５１４の焦点位置を変えることによって異なる焦点位置の画像を取得する。

演算制御部５４０は撮像素子５３０によって取得された複数の画像に基いて測定対象物５０５の高さを算出する。

光源５１１から出射された照明光はハーフプリズム５１２で反射され、結像レンズ５１３に入射する。照明光は結像レンズ５１３によってピンホール５２５に集光され、ピンホール５２５を通って対物レンズ５１４に入射する。対物レンズ５１４を通過した照明光はλ／４板５１５を通過し、測定対象物５０５の表面に集光される。

測定対象物５０５がピンホール５２５の位置に対応する合焦位置にあるとき、測定対象物５０５の表面からの反射光はλ／４板５１５を通過し、対物レンズ５１４によって再度ピンホール５２５に集光され、ピンホール５２５を通って結合レンズ５１３に入射する。

反射光は結像レンズ５１３によって撮像素子５３０の撮像面に結像され、共焦点画像が取得される。

測定対象物５０５がピンホール５２５の位置に対応する合焦位置にないとき、測定対象物５０５の表面からの反射光はピンホール５２５に集光しないため、ピンホール５２５を通過する光量が減少し、撮像素子５３０に達する反射光が減少する。

反射光量の減少は合焦位置以外の不要な反射光量の減少を意味し、必要な像（高コントラスト像）だけの取得が可能になる。

回転用モータ５２６を駆動してニッポウディスク５２０を回転させることによってピンホール５２５を通過した光スポットを測定対象物５０５の表面で２次元的に走査して視野全体の共焦点像を形成する。対物レンズ５１４と測定対象物５０５との間隔を相対的に変化させて取得した複数の画像に基づいて測定対象物５０５の高さを算出する。

この反射光量の減少と測定対象物５０５の表面の合焦位置からのずれ量とは相関関係にあるため、撮像素子５３０に達する反射光の光量変化率から反射光の光量が最大となる合焦位置を算出することができる。
米国特許４９２７２５４号公報

ところで、ニッポウディスク５２０の表面の平面度は高さ測定精度に密接に関係する。ニッポウディスク５２０が振れる（ピンホール５２５の高さ方向の位置がずれる）と、合焦位置の誤検出が発生し、測定精度が悪くなる。

ニッポウディスク５２０の平面度を確保するためには所定の強度が必要であり、十分な厚みを持たせなければならないが、ニッポウディスク５２０を大型としたときには回転精度を保つのが困難であり、回転によって発生する振れを抑えることは難しい。

また、測定効率を向上させるために所望のＷ．Ｄ．（動作距離）で広視野（低倍）の対物レンズ５１４を用いた場合、対物レンズ５１４の後側のＮＡ（開口数）が大きくなりフレアが発生し易くなる。フレアの発生を低減するためにはニッポウディスク５２０の傾きを大きくし、ニッポウディスク５２０の表面からの反射光を光路Ｌ１から外せばよい。

しかし、ニッポウディスク５２０の傾きを大きくすると、光学収差（アス）が発生し、測定精度が悪くなる。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題はニッポウディスクを大型としたときや広視野（低倍）の対物レンズを用いたときであっても高精度に高さ測定を行うことができる共焦点光学系及び高さ測定装置を提供することである。

上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、光源からの光が照射されるピンホール群と、前記ピンホール群を通過した光を測定対象物に集光させる対物レンズとを備えている共焦点光学系において、ピンホール群を有する膜が形成され、前記ピンホール群が前記対物レンズの焦点面と共役な位置となるように配置されたフィルムと、このフィルムを支持する回転枠とを備えていることを特徴とする。ピンホール群を有する膜が形成されたフィルムと、このフィルムを支持する回転枠とが従来例のニッポウディスクに相当する。

請求項２に記載の発明は、光源からの光が照射されるピンホール群と、前記ピンホール群を通過した光を測定対象物に集光させる対物レンズとを備えている共焦点光学系において、前記ピンホール群が前記対物レンズの焦点面と共役な位置となるように配置された金属薄板と、この金属薄板を支持する回転支持体とを備えていることを特徴とする。ピンホール群を有する金属薄板と、この金属薄板を支持する回転支持体とが従来例のニッポウディスクに相当する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の共焦点光学系と、この共焦点光学系の焦点位置を測定対象物に対して光軸方向に相対移動させ、異なる焦点位置の画像を取得する画像取得手段と、この画像取得手段によって取得された複数の画像に基いて前記測定対象物の高さを算出する算出手段とを備えていることを特徴とする。

この発明の共焦点光学系及び高さ測定装置によれば、ニッポウディスクを大型としたときや広視野（低倍）の対物レンズを用いたときであっても高精度に高さ測定を行うことができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の第１実施形態に係る高さ測定装置の光学系の構成を示すブロック図である。

高さ測定装置１は共焦点光学系１０と撮像素子（画像取得手段）３０と、演算制御部（算出手段）４０とを備えている。

共焦点光学系１０は光源１１とハーフプリズム１２と結像レンズ１３と回転枠２０と対物レンズ１４とλ／４板１５とを有する。

光源１１はハーフプリズム１２によって光軸Ｌ１から分離された光軸Ｌ２上に配置されている。光源１１としてはハロゲンランプ、水銀ランプ等が用いられる。

ハーフプリズム１２は光源１１から出射された照明光を反射させる。

結像レンズ１３はハーフプリズム１２と回転枠２０との間に配置され、ハーフプリズム１２で反射された照明光を後述するピンホール２５に集光させる。

回転枠２０は、内枠２１と、外枠２２と、内枠２１から放射状に外方へ延び、内枠２１と外枠２２とを結ぶ梁（図示せず）とで構成されている。回転枠２０の底面には薄膜２３を蒸着したフィルム２４が貼り付けられている。

回転枠２０は遠心力やフィルム２４の張力に変形に耐えるだけの強度を有する。

また、回転枠２０の底面は薄膜２３の所定の平面度を実現できるように高い平面度に仕上げられている。

更に、フィルム２４の厚さは測定対象物からの反射光が斜めに透過しても光学収差を無視できる程度の厚さである。このフィルム２４は、回転枠２０の底面の平面度を転写できる（撓まないように底面に貼り付けることができる）ように、張力をかけた状態で底面に貼り付けられている。

このとき、例えば内枠２１と外枠２２と２本の梁とで形成されるほぼ扇形の空間Ｓに嵌合可能な枠（図示せず）を作成し、この枠にフィルム２４を貼り付け、その枠を空間Ｓに嵌合させるようにしてもよい。

薄膜２３には複数の同じ径のピンホール２５が形成されている。ピンホール２５は測定範囲に対応したサンプリング数分だけ配置されている。ピンホール２５は対物レンズ１４のエアリーディスク径に対応した径を有している。

回転枠２０の中心軸は光軸Ｌ１に対して斜めに配置されている。

回転枠２０は回転用モータ２６の回転軸ＡＸ上に取り付けられている。

上述したように、回転枠２０には梁が設けられているので、回転枠２０を回転させたとき、複数のピンホール２５と梁とが交互に視野に現れる。梁は光路を遮断するため、回転枠２０の回転と撮像素子３０による画像取得タイミングとを同期させて実質的に梁を視野から排除する。

例えば、回転枠２０の回転軸ＡＸ上にエンコーダ等の回転位置検出手段を設けたり、ピンホール板２１に対応した回転ドラム２０の外周面２２Ａや底面２２Ｂに付けたマーキングを光学的、磁気的又は電気的に読み取る読取手段を設けたりすることで同期をとることができる。

λ／４板１５は対物レンズ１４の前側光路上（対物レンズ１４と測定対象物５との間）に設けられ、測定対象物５からの反射光を効率的に取得する。

対物レンズ１４は光源１１から出射された光を測定対象物５に集光させる。

撮像素子３０は対物レンズ１４と測定対象物５との間隔を相対的に変化させることによって得られる異なる焦点位置の画像を取得する。

演算制御部４０は撮像素子３０によって取得された複数の画像に基いて測定対象物５の高さを算出する。

光源１１から出射された照明光はハーフプリズム１２で反射され、結像レンズ１３に入射し、ピンホール２５に集光される。

ピンホール２５を通った照明光は対物レンズ１４に入射する。対物レンズ１４を通過した照明光はλ／４板１５を通過し、測定対象物５の表面に集光される。

測定対象物５がピンホール２５の位置に対応する合焦位置にあるとき、測定対象物５の表面からの反射光はλ／４板１５を通過し、対物レンズ１４によって再度ピンホール２５に集光される。

ピンホール２５を通った反射光は結像レンズ１３に至り、結像レンズ１３によって撮像素子３０の撮像面３１に結像され、共焦点画像が取得される。

測定対象物５がピンホール２５の位置に対応する合焦位置にないとき、測定対象物５の表面からの反射光はピンホール２５に集光しないため、ピンホール２５を通過する光量が減少し、撮像素子３０に達する反射光が減少する。

この反射光量の減少と測定対象物５の表面の合焦位置からのずれ量とは相関関係にあるため、撮像素子３０の撮像面に達する反射光の光量変化率から反射光の光量が最大となる合焦位置を算出することができる。

回転用モータ２６を駆動して回転枠２０を回転させてピンホール２５を通過した光スポットを測定対象物５の表面で２次元的に走査して視野全体の共焦点画像を形成する。対物レンズ１４と測定対象物５との間隔を相対的に変化させて取得した複数の画像に基づいて測定対象物５の高さを演算制御部４０で算出する。

この実施形態によれば、回転枠２０が大型化したときであっても回転枠２０を軽量化することができ、回転によってフィルム（薄膜）のばたつきが発生しないとともに、広視野（低倍）の対物レンズを用いた場合であっても、光学収差が発生しないため、高精度に高さ測定を行うことができる。

図２はこの発明の第２実施形態に係る高さ測定装置の光学系を示すブロック図であり、第１実施形態と共通する部分には同一符号を付してその説明を省略する。

この実施形態は回転枠２０の底面に薄膜２３を蒸着したフィルム２４が貼り付ける代わりに十分な平面度を有する金属薄板１２４を回転枠１２０に貼り付けた点で第１実施形態と相違する。

共焦点光学系１１０は光源１１とハーフプリズム１２と結像レンズ１３と回転枠１２０と対物レンズ１４とλ／４板１５とを有する。

回転枠１２０は、内枠（回転支持体）１２１、と外枠１２２と、内枠１２１から放射状に外方へ延び、内枠１２１と外枠１２２とを結ぶ梁（図示せず）とで構成されている。回転枠１２０の底面には金属薄板１２４が貼り付けられている。

金属薄板１２４にはピンホール２５が例えばエッチングによって形成されている。このとき、金属薄板１２４に対して低反射率の表面処理を行い、光学系内部のフレアを低減させるのが好ましい。

この実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

なお、対物レンズの倍率が高い、又は高い測定精度が要求されない場合には、金属薄膜１２４だけで十分な平面度及び強度を得ることができ、外枠を省略することができる。

図１はこの発明の第１実施形態に係る高さ測定装置の光学系の構成を示すブロック図である。図２はこの発明の第２実施形態に係る高さ測定装置の光学系の構成を示すブロック図である。図３は従来の高さ測定装置の光学系の構成を示すブロック図である。

符号の説明

５測定対象物
１０、１１０共焦点光学系
１１光源
１４対物レンズ
２０回転枠
２４フィルム
２５ピンホール
２２，１２２ピンホール
１２４金属薄板
３０撮像素子（画像取得手段）
４０演算制御部（算出手段）

Claims

光源からの光が照射されるピンホール群と、
前記ピンホール群を通過した光を測定対象物に集光させる対物レンズとを備えている共焦点光学系において、
ピンホール群を有する膜が形成され、前記ピンホール群が前記対物レンズの焦点面と共役な位置となるように配置されたフィルムと、
このフィルムを支持する回転枠と
を備えていることを特徴とする共焦点光学系。
光源からの光が照射されるピンホール群と、
前記ピンホール群を通過した光を測定対象物に集光させる対物レンズとを備えている共焦点光学系において、
前記ピンホール群が前記対物レンズの焦点面と共役な位置となるように配置された金属薄板と、
この金属薄板を支持する回転支持体と
を備えていることを特徴とする共焦点光学系。
請求項１又は２記載の共焦点光学系と、
この共焦点光学系の焦点位置を測定対象物に対して光軸方向に相対移動させ、異なる焦点位置の画像を取得する画像取得手段と、
この画像取得手段によって取得された複数の画像に基いて前記測定対象物の高さを算出する算出手段と
を備えていることを特徴とする高さ測定装置。