JP2011196732A - 波面収差測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
半導体検査装置やレーザ加工装置に用いられる対物レンズの瞳径は、シャックハルトマンセンサの検出視野を超える場合があるので、1回の撮像では瞳全体の収差を測定することはできない。
【解決手段】
瞳全体の収差を測定するために、シャックハルトマンセンサを走査することによって、大視野検出を行う。
【選択図】 図１(ａ)

Description

本発明は、半導体光学検査装置やプリント板レーザ加工装置等の光学装置に搭載されたレンズの波面収差測定方法及びその装置に関する。

半導体ウエハの光学検査装置は、ウエハ上の異物を検出するための装置であり、異物個数を管理する。半導体の製造工程に応じて管理したい異物サイズが異なるため、検査装置には光学的倍率可変機能が備わっている。光学的倍率を拡大すると、より小さな異物が検出可能になるが、一方でセンサで検出できる視野も小さくなるため、スループットが小さくなる。従って、半導体ラインでは、特に微細な異物管理が必要な工程に限り、倍率を拡大して検査を行っている。検査装置の検出系は、対物レンズと結像レンズから構成されており、倍率変化は一般的に、結像レンズの焦点距離を変えることによって行っている。

大量のウエハを製造するラインでは、複数の光学検査装置が使用されている。各製造工程で異物個数の許容値が予め設定されており、許容値を超えると製造装置のクリーニング等、対応策がとられる。ここで、光学検査装置Ａ、Ｂの感度（検出可能な異物サイズ）が異なると、許容値を検査装置毎に設定しなければならず、検査装置運用の大きな障害となる。光学検査装置の感度は、検出系のレンズの結像性能に大きく依存する。従って、光学検査装置の感度差を低減するためには、レンズ単体の結像性能、特に波面収差の管理を行う必要がある。

レンズの波面収差測定方法としては、特許文献１に記載のように、シャックハルトマンセンサを用いる方法が知られている。シャックハルトマンセンサの原理について図17を用いて説明する。シャックハルトマンセンサとは、センサに入射する光の波面（位相分布）をアレイレンズで分割、集光し、複数スポットの配列像として２次元センサで撮像するセンサであり、スポット配列の位置ずれから波面収差係数を算出する。同図（a)は波面とアレイレンズ、センサ面との関係を示している。幾何学的な関係から波面は数式１のように求めることが可能となる。

数式１に従い位置ずれしたスポット配列像を同図（b)に示す。同図（b)に対して、スポット重心を求め、スポット位置ずれ量を算出し、波面収差を表現する多項式にフィッティングさせることによって、各波面収差に対する係数を算出することが可能となる。
ここで、代表的な収差を同図（c)〜（f)に示す。同図（c)は数式２で表されるデフォーカス収差を示し、同図（d)は数式３で示される3次非点収差を示し、同図（e)は数式４で示される3次コマ収差を示し、同図（f)は数式５で示される3次球面収差を示す。

シャックハルトマンセンサによる波面収差測定は、光路の空気の温度変化や振動等の環境変化に影響されにくい点と、非球面レンズ等で生じる測定波長以上の局所的な波面変化にも対応できる点で、従来、主流であった干渉計による方式と比べ、有利である。この公知例では、露光装置の投影レンズが測定対象となっている。一方、光学検査装置の検出系のレンズは、対物レンズと結像レンズより成る。

上述のように、倍率可変のため、結像レンズの焦点距離が変化する。これは結像レンズを交換するか、ズームレンズにすることによって実現される。波面収差は、投影レンズのように、対物レンズと結像レンズを１セットで測定することもできるが、得られた収差は、対物レンズで発生したプラスの収差を、結像レンズのマイナスの収差でキャンセルされた結果の可能性もあり、この場合、異なる焦点距離の結像レンズに変えると、収差が大きく変化する可能性がある。従って、対物レンズ単体の収差測定が望ましい。ただし、対物レンズ単体では結像しない（無限系である）ので、上記公知例とは異なる構成での測定方法が必要となる。

プリント板用のレーザ加工装置においても、上記の半導体用光学検査装置の対物レンズと同様、無限系のｆθレンズが使われている。この装置は、ｆθレンズの瞳位置に設置されたガルバノミラーで平行光を偏向し、ｆθレンズに入射させることで、プリント基板上を集光ビームで走査する。ｆθレンズは、ガルバノミラーによる光の偏向角θとｆθレンズの焦点距離の積ｆθでプリント基板上のビーム位置が決まるよう、意図的な歪みを与えられたレンズである。ｆθレンズも結像レンズではないので、従来の結像型と異なる測定法が必要となる。レーザ加工装置において、ｆθレンズの収差は、集光ビームの走査位置毎の加工形状に影響を及ぼすので、走査範囲で均一な加工形状を得るには、収差（波面収差）を管理する必要がある。

上記のシャックハルトマンセンサを用いた波面収差測定では、測定対象レンズの収差の他に、測定光学系のレンズアレイやリレーレンズの収差を含んだ収差が測定される。そこで、特許文献１では、測定対象レンズを干渉計他、別手段で単体計測を行っておき、測定光学系収差を含んだデータから、単体での対象レンズのデータを差し引くことによって、測定光学系収差を算出する手法が開示されている。

一方、特許文献２では、測定対象レンズのみを、回転等、姿勢変化させて２回測定し、各測定値の差分を求めることにより、測定光学系の収差をキャンセルし、測定対象レンズのみの収差を算出する方法が開示されている。

特開２００４−１４７６４号公報 特開２００６−３００１６号公報

しかし、半導体検査装置やレーザ加工装置に用いられる対物レンズの場合は、その瞳径がシャックハルトマンセンサの検出視野を超える場合があるので、1回の撮像では非検レンズの瞳全体の波面収差を測定することはできないという問題がある。

本発明の目的の一つは、上記課題を解決し、従来測定できなかったシャックハルトマンセンサの視野範囲を超える大きな瞳を持つレンズに対しても収差測定が可能な波面収差測定方法及び波面収差測定装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的及び新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

瞳全体の波面収差を測定するために、シャックハルトマンセンサを走査することによって、大視野検出を行う。シャックハルトマンセンサの走査方法としては、2次元センサをステップ＆リピートで2次元的に走査する方法と、瞳径をカバーする1次元センサにより、1次元的に走査する方法がある。

シャックハルトマンセンサが搭載されたステージ走査を行う場合、ステージのヨーイング、ピッチング、真直度が瞳全域合成時のスポット集光位置の誤差に影響を与える。そこで、ステージのヨーイング、ピッチング、真直度を高精度に測定し、取得データに補正を行う必要がある。ヨーイング、ピッチング、真直度の測定には、レーザ測長器を用いる方法や、オートコリメータを用いる方法がある。

以下、シャックハルトマンセンサの視野範囲を超えた大視野の収差測定するための手順を述べる。第1のステップとして、ステージを走査するためのステージ移動命令を入力する。第2のステップとして、入力されたステージ移動命令に従い、ステージを所定の位置に移動させる。第3のステップとして、第2のステップで移動した所定のステージ位置にてシャックハルトマンセンサにより瞳の撮像を行う。第4のステップとして、第2のステップで移動した所定のステージ移動箇所にてレーザ測長器の値を記録する。第5のステップとして、記録されたレーザ測長器の値からステージのヨーイング量、ピッチング量、真直度を算出し、シャックハルトマンセンサによって撮像されたデータに対してステージ誤差の補正を行う。第6のステップとして、補正されたデータのつなぎ合わせを行い、大視野での撮像データを作成し、収差解析を行う。

さらに、本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次の通りである。
（１）シャックハルトマンセンサを平面内で移動し、撮像を行い、取得データをつなぎ合わせることによって、シャックハルトマンセンサの視野以上の視野での収差測定を行うことを特徴とする波面収差測定方法である。
（２）シャックハルトマンセンサの視野以上の瞳径を有するレンズの波面収差を測定する波面収差測定方法であって、前記レンズに光を照射させながら、前記シャックハルトマンセンサを搭載したステージを前記レンズの瞳位置で走査させて複数領域を撮像し、得られた複数のスポット輝度画像から複数のスポット変位データを算出するステップと、レーザ側長器により前記ステージの移動量及び傾き量を測定するステップと、前記複数のスポット変位データを、前記測定されたステージの移動量及び傾き量を用いて補正してつなぎ合わせ、スポット座標データを作成するステップと、前記作成されたスポット座標データを波面解析して前記レンズの波面収差を測定するステップと、を有することを特徴とする波面収差測定方法である。
（３）レンズの波面収差を測定する波面収差測定装置であって、前記レンズに光を照射する光照射手段と、前記レンズの瞳位置で走査され複数領域を撮像するシャックハルトマンセンサと、前記シャックハルトマンセンサを搭載して走査するステージと、前記シャックハルトマンセンサによる複数領域の撮像により得られた複数のスポット輝度画像から複数のスポット変位データを算出するスポット変位データ算出手段と、前記ステージの移動量及び傾き量を測定するレーザ側長器と、前記スポット変位データ算出手段により得られた複数のスポット変位データを、前記レーザ側長器にて測定されたステージの移動量及び傾き量を用いて補正してつなぎ合わせ、スポット座標データを作成するスポット座標データ作成手段と、前記作成されたスポット座標データを葉面解析して前記レンズの波面収差を測定する波面収差測定手段と、を有することを特徴とする波面収差測定装置である。
（４）（３）記載の波面収差測定装置であって、さらに、前記波面収差測定手段により測定された波面収差を表示する表示手段とを有することを特徴とする波面収差測定装置である。
（５）アレイレンズ上を1次元ラインセンサが移動し、撮像を行い、各ラインの取得輝度データを配列し、配列された輝度データからスポット変位量を算出することによって、アレイレンズ上の波面収差測定を行うことを特徴とする波面収差測定方法である。
（６）レンズの波面収差を測定する波面収差測定方法であって、前記レンズに光を照射させながら、アレイレンズと１次元ラインセンサを搭載したステージを前記レンズの瞳位置で走査させて複数領域を撮像し、得られた複数のスポット輝度画像から複数の輝度データを算出するステップと、レーザ側長器により前記ステージの移動量及び傾き量を測定するステップと、前記複数の輝度データを、前記測定されたステージの移動量及び傾き量を用いて補正して、複数の理想的な撮像位置での輝度データを算出するステップと、前記算出された複数の理想的な撮像位置での輝度データを用いて、複数の理想的な撮像位置でのスポット変位データを算出し、当該複数の理想的な撮像位置でのスポット変位データをつなぎ合わせ、スポット座標データを作成するステップと、前記作成されたスポット座標データを波面解析して前記レンズの波面収差を測定するステップと、を有することを特徴とする波面収差測定方法である。
（７）レンズの波面収差を測定する波面収差測定装置であって、前記レンズに光を照射する光照射手段と、前記レンズの瞳位置で走査され複数領域を撮像する１次元ラインセンサと、前記１次元ラインセンサとは独立にレンズの瞳位置に配置されたアレイレンズと、前記１次元ラインセンサを搭載して走査するステージと、前記１次元ラインセンサによる複数領域の撮像により得られた複数のスポット輝度画像から複数の輝度データを算出する輝度データ算出手段と、前記ステージの移動量及び傾き量を測定するレーザ側長器と、前記輝度データ算出手段により得られた複数の輝度データを、前記レーザ側長器にて測定されたステージの移動量及び傾き量を用いて補正して、複数の理想的な撮像位置での輝度データを算出する手段と、前記算出された複数の理想的な撮像位置での輝度データを用いて、複数の理想的な撮像位置でのスポット変位データを算出し、前記複数の理想的な撮像位置でのスポット変位データをつなぎ合わせ、スポット座標データを作成するスポット座標データ作成手段と、前記作成されたスポット座標データを葉面解析して前記レンズの波面収差を測定する波面収差測定手段と、を有することを特徴とする波面収差測定装置である。
（８）（７）記載の波面収差測定装置であって、さらに、前記波面収差測定手段により測定された波面収差を表示する表示手段とを有することを特徴とする波面収差測定装置である。

本発明によれば、従来測定できなかったシャックハルトマンセンサの視野範囲を超える大きな瞳を持つレンズに対しても収差測定が可能な波面収差測定方法及び波面収差測定装置を提供することができる。

第1の実施例における、波面収差測定装置のzx面から見たときの装置概略の構成を示す図である。 波面収差測定装置のxy面から見たときのシャックハルトマンセンサ付近の構成を示す図である。 第1の実施例における、大視野測定のフローチャートを示した図である。 第1の実施例における、シャックハルトマンセンサにて瞳を9分割して撮像する場合のセンサの移動イメージ図である。 装置インターフェースに入力するセンサステージの移動量（x、y軸）およびその移動順序のスケジュールを示す。 入力されるスケジュールに基づき撮像されたスポット輝度画像のイメージ図である。 撮像されたスポット輝度画像からスポット重心を算出し、スポットの基準座標およびその箇所からの変位量を算出した結果を示す。 各撮像位置でのレーザ測長器の値を示す。 第1の実施例における、ステージ移動時に測定したレーザ測長器の値からステージ誤差（xy面内回転量、x、y方向オフセット量)の算出方法を示した図である。 xy面内ステージ回転に伴い発生するx方向オフセット量の算出方法を示した図である。 xy面内ステージ回転に伴い発生するy方向オフセット量の算出方法を示した図である。 第1の実施例における、ステージ移動時に測定したレーザ測長器の値からステージ誤差（zx面内回転量)の算出方法を示した図である。 zx面内ステージ回転に伴い発生するx方向オフセット量の算出方法を示した図である。 第1の実施例における、ステージ移動時に測定したレーザ測長器の値からステージ誤差（yz面内回転量)の算出方法を示した図である。 yz面内ステージ回転に伴い発生するy方向オフセット量の算出方法を示した図である。 第1の実施例における、ステージ移動誤差から算出されたシャックハルトマンセンサのスポット位置のオフセット量、回転量のリスト図である。 実際に撮像されたスポット座標とステージ移動誤差がない場合に撮像されるべき理想座標との位置関係を示す図である。 撮像されたスポット座標から補間によって導出された理想座標でのスポット変位量を示す図である。 視野分割して撮像された全データを座標統合したデータを示す。 第1の実施例における、装置GUIを示す図である。 第2の実施例における、波面収差測定装置のzx面から見たときの装置概略の構成を示す図である。 波面収差測定装置のxy面から見たときのラインセンサ付近の構成を示す図である。 波面収差測定装置のxy面から見たときのラインセンサとアレイレンズの位置関係を示す図である。 第2の実施例における、大視野測定のフローチャートを示した図である。 第2の実施例における、ラインセンサにて瞳上を1次元走査して撮像する場合のセンサの移動イメージ図である。 センサの理想的に撮像される座標を示す図である。 入力されるスケジュールに基づき撮像されたスポット輝度画像のイメージ図である。 センサによって撮像された各画素の輝度データを示す図である。 各撮像位置でのレーザ測長器の値を示す。 第2の実施例における、ステージ移動時に測定したレーザ測長器の値からステージ誤差（xy面内回転量、x、y方向オフセット量)の算出方法を示した図である。 xy面内ステージ回転に伴い発生するx方向オフセット量の算出方法を示した図である。 xy面内ステージ回転に伴い発生するy方向オフセット量の算出方法を示した図である。 第2の実施例における、ステージ移動時に測定したレーザ測長器の値からステージ誤差（zx面内回転量)の算出方法を示した図である。 zx面内ステージ回転に伴い発生するx方向オフセット量の算出方法を示した図である。 第2の実施例における、ステージ移動誤差から算出されたシャックハルトマンセンサのスポット位置のオフセット量、回転量のリスト図である。 実際に撮像されたスポット座標とステージ移動誤差がない場合に撮像されるべき理想座標との位置関係を示す図である。 撮像されたスポット座標から補間によって導出された理想座標でのスポット変位量を示す図である。 第2の実施例における、実際に撮像された座標の輝度から理想座標での輝度を補間により算出する方法を示した図である。 補間すべき点がどの三角形に含まれるか判定する方法を示した図である。 座標関係から輝度補間を行う方法を示した図である。 撮像されたスポット座標から補間によって導出された理想座標でのスポット変位量を示す図である。 第2の実施例における、装置GUIを示す図である。 シャックハルトマンセンサにおいて、入射波面とアレイレンズ、センサ面の関係を示した図である。 レンズのスポット像を示す図である。 デフォーカス収差を示す図である。 非点収差を示す図である。 コマ収差を示す図である。 球面収差を示す図である。

点光源を用いて無限系の対物レンズの波面収差を測定するシャックハルトマン型測定装置において、対物レンズの瞳位置で、シャックハルトマンセンサを走査することにより大視野での収差測定を行う。走査時のセンサ搭載ステージのピッチング、ヨーイングを補正し、集光スポット位置の補正を行い、補正データをつなぎ合わせることによって大視野での波面収差解析を行う。本発明の実施の形態を、以下、図を用いて説明する。

本発明の第1の実施例を、図1〜図8に基づいて説明する。図1は本実施例の全体構成図である。同図（a)はzx面から見た装置構成図を示し、同図（b)はxy面上面から見たセンサ200周辺部の装置構成図を示す。光源100から照射される平行光は、ビームエキスパンダ101によってビーム径の調整がなされた後、ミラー102によって折り曲げられ、集光レンズ103に入射される。光源100、ビームエキスパンダ101、ミラー102、集光レンズ103はxyzステージ104に搭載されており、x軸、y軸、z軸に移動可能な構成を有している。集光レンズ103から射出する光は一度、集光し、発散光となった後、非検レンズ400に入射する。非検レンズ400はステージ209によって固定されている。非検レンズ400を通過した光の波面をシャックハルトマンセンサ200によって測定する。シャックハルトマンセンサ200はxyステージ208に固定されており、非検レンズ400の瞳全面の収差を測定するためにxy方向に走査可能である。ステージ208のx軸方向の移動量、y軸方向移動時の真直度及びzx面内の傾きを測定するためにレーザ測長器201、202がステージ209に搭載されており、測長用の反射ミラー203がステージ208に搭載されている。またステージのy軸方向の移動量、x軸方向移動時の真直度、xy面内の傾き及びyz面内の傾きを測定するためにレーザ測長器204、205、206がステージ209に搭載されており、測長用の反射ミラー207がステージ208に搭載されている。

装置入力インターフェース500により外部から光源位置およびシャックハルトマンセンサの撮像位置および移動順序等のスケジュールが入力される。光源ステージ移動命令501が光源ステージ制御装置300に送信され、光源ステージ104が移動する。次に、センサステージ移動命令502がセンサステージ制御装置301に送信され、センサステージ208が移動する。次に、センサ撮像命令503がセンサ制御装置302に送信され、センサ200が撮像を行う。次に、レーザ測長器値記録命令504がレーザ測長器制御装置303に送信され、レーザ測長器201、202、204、205、206の値を記録する。502〜504は撮像スケジュールに従い繰り返し、実行される。次に、座標統合演算505では各撮像位置にて記録された各レーザ測長器の値を用いて、撮像データに対して、ステージ移動誤差の補正を行い、大視野につなぎ合わせを行ったデータが作成される。大視野データに対して収差解析を行い、解析の結果が装置出力インターフェース画面506に出力される。

図2は大視野画像統合のフローチャートの詳細を示す。500、501、502、503、504、506は図1にて説明した内容と同様である。ここでは505の座標統合演算について詳細を説明する。5051ではセンサによって撮像されたスポット輝度画像からスポット重心を算出し、スポットの基準位置からの変位量を算出する。5052ではレーザ測長器の値からステージのヨーイング量、ピッチング量、真直度を算出し、それに伴って生じるセンサの理想的な撮像位置からのオフセット量および回転量の算出を行う。5053では5052によって算出されたオフセット量および回転量に基づき、ステージ誤差が生じないときの理想的な撮像位置でのスポット変位量を、5051にて算出されたスポット変位量を用いて補間法によって算出する。5054では5053によって算出された理想的な撮像位置でのスポット変位量を用いて各撮像位置間でのつなぎ合わせを行う。以上により505の座標統合演算が可能となる。

図3は入力する撮像スケジュールと取得されるスポット変位量データおよび、記録されるレーザ測長器値の一例を示した図である。同図（a)は瞳を9分割して撮像する場合のセンサの移動イメージ図を示す。図中番号（1)から（9)は撮像順番を示す。同図（b)は同図（a)に基づき装置インターフェースに入力するセンサステージ中心の移動座標（X、Y）およびその移動順序のスケジュールを示す。同図（c)は入力されるスケジュールに基づき撮像されたスポット輝度画像のイメージ図を示す。同図（d)は撮像されたスポット輝度画像からスポット重心を算出し、スポットの基準座標およびその箇所からの変位量を算出した結果である。ここで座標原点をセンサ中心にとる。また各シートは各撮像位置でのデータを示し、9セットのデータが作成される。同図（e)は各撮像位置でのレーザ測長器の値を示す。図中x1、x2、y1、y2、y3はそれぞれ、図1に示すレーザ測長器201、202、203、204、205、206の出力値に対応する。なお、ここでは９分割して撮像する例を示したが、これに限られず、任意の数に分割して撮像しても構わない。

図4は一例としてレーザ測長器202、205、206を用いてxy面内に生じるオフセット量、回転量の算出方法を説明する図である。同図（a)においてレーザ測長器によって測定される値をそれぞれ、202=x2、205=y2、206=y3とする。図3（b)に示したステージ移動命令（X、Y）に対して実際にステージが移動した移動量をx’、y’、回転量をθとする。同図拡大図にはレーザ測長器205、206と回転量θの関係を示す。xy面内での回転量はy2、y3および、レーザ測長器間の取り付け間隔dを用いて、数式６のように示される。またレーザ測長器のy方向移動量は数式７のようにy2とy3の平均値とする。

同図（b)はステージが回転したときに生じるx方向オフセット量を示し、同図（c)は同様にステージが回転したときに生じるy方向オフセット量を示す。x方向オフセット量Δx、y方向オフセット量Δyはそれぞれ、数式８、数式９で示される。

数式８、数式９より、レーザ測長器の値x2、y（y2とy3の平均)とステージの実際の移動量x’、y’との関係は数式１０、数式１１になる。

数式１０と数式１１の連立方程式を解くことにより、レーザ測長器の値x2、y2、y3からステージの実際の移動量x’、y’を数式１２、数式１３のように求めることが可能となる。

このとき発生するオフセット量は図3（b)のステージ移動命令（X、Y）と実際にステージが移動した移動量（x’、y’）との差から、数式１４、数式１５のように求めることが可能となる。

図5はレーザ測長器201、202を用いてzx面内に生じる回転量を算出し、zx面内の回転によって生じるxy面内のオフセット量の算出方法を説明する図である。同図（a)においてレーザ測長器201、202によって測定される値をそれぞれx1、x2とする。同図拡大図にレーザ測長器201、202と回転量θ₂の関係を示す。zx面内での回転量はx1、x2および、レーザ測長器間の取り付け間隔d₂を用いて、数式１６のように示される。

同図（b)に示すように、アレイレンズ210とCCD受光面211の間隔をfとすると、xy面内でのオフセット量は数式１７となる。

図6はレーザ測長器204、206を用いてyz面内に生じる回転量を算出し、yz面内の回転によって生じるxy面内のオフセット量の算出方法を説明する図である。同図（a)においてレーザ測長器204、206によって測定される値をそれぞれy1、y3とする。同図拡大図にレーザ測長器204、206と回転量θ_３の関係を示す。yz面内での回転量はy1、y3および、レーザ測長器間の取り付け間隔d₃を用いて、数式１８のように示される。

同図（b)に示すように、アレイレンズ210とCCD受光面211の間隔をfとすると、xy面内でのオフセット量は数式１９となる。

図4、5、6よりステージのヨーイング、ピッチング、真直度から生じる撮像位置の回転量は数式６となり、オフセット量は数式２０、数式２１となる。

図7は上記で求めたオフセット量および回転量に基づき、ステージ誤差がない状態での理想的な撮像位置でのスポット変位量を、図3（d)に示したスポット変位量データを用いて、補間によって求める方法を示す。図7（a)に示す各撮像位置でのオフセット量、回転量から、ステージ誤差がない状態での理想的な撮像位置の導出を数式２２を用いて行う。

ここでx_off、y_offはオフセット量を示し、θは回転量を示す。またx_pos、y_posは実際に撮像されたスポット座標を示し、x、yはステージ誤差がないときの理想座標を示す。同図（b)は撮像されたスポット座標と理想座標との位置関係を示す。図中の黒丸は実際に撮像されたスポット位置を示し、実線矢印はその位置でのスポット変位量を示す。また白丸は理想座標でのスポット位置を示し、点線矢印はその位置でのスポット変位量を示す。同図拡大図を用いて線形補間による理想座標でのスポット変位量の算出方法を以下に説明する。スポットの理想座標をx、yとすると、周囲4点の実際に撮像されたスポット変位を用いて、数式２３によりx方向スポット変位を、数式２４によりy方向スポット変位をそれぞれ算出することができる。

上記の線形補間によって理想座標におけるスポット変位データが同図（c)に示すように新たに9セット作成される。本データに対して、図3（b)のステージ移動命令（X、Y）のオフセットを足し合わせ（各位置での撮像データの原点はセンサ中心にとってあるため)、座標統合することによって、図7（d)に示す大視野でのスポット座標データを作成することが可能となる。本データに対して例えば、ゼルニケの多項式フィッティング等を行うことにより、球面収差、コマ収差、非点収差、球面収差等の波面解析を行うことが可能となる。

図8は装置出力インターフェース５０６のGUI表示例を示す。入力としては、光源位置の座標設定パラメータ、およびセンサステージ撮像スケジュールとし、出力は大視野にて波面解析を行った結果を示す。波面解析を行った結果の波面収差は収差量の大小に応じて濃淡のグラデーションとしてもよいし、異なる色で表示しても構わない。

次に、本発明の第2の実施例を、図9〜図14に基づいて説明する。
図9は第２の実施例の全体構成図である。同図（a)はzx面から見た装置構成図を示し、同図（b)はxy面から見たセンサ212周辺部の装置構成図を示す。装置構成は図1で説明した構成と類似しており、同一箇所の説明は省略し、異なる箇所を主として説明する。主な異なる箇所はセンサが1次元のラインセンサ212であることと、センサとは独立にアレイレンズ213が非検レンズ瞳上にセッティングされていることである。同図（c)は瞳面上でのアレイレンズ213とラインセンサ212の関係を示す。アレイレンズ213は瞳面全体を覆うサイズである。ラインセンサ212はアレイレンズ213に対し、アレイレンズの焦点距離離れた高さを一定に保ち、y軸方向に移動しながら、撮像を行う。本方式により、大視野の収差測定が可能となる。またラインセンサはy軸方向に1画素しかないため、ステージのy軸方向のピッチングの影響を受けないことから、図１にて用いたレーザ測長器204は本構成においては省略可能である。

本装置入出力インターフェースおよび制御に関しても図1にて説明した構成と類似しており、同一箇所の説明は省略し、以下異なる部分を主として説明する。特に、図9（a)の605の座標統合演算が図1（a)の505とは異なるため、図10を用いて詳細を説明する。

図10は大視野画像統合のフローチャートの詳細を示す。600、601、602、603、604、606は図1及び図２中の500、501、502、503、504、506の内容と同様である。ここでは605の座標統合演算の詳細について説明する。6051ではレーザ測長器によって測定された値から、各撮像位置でのセンサのオフセット量、回転量の算出を行う。6052では6051によって算出されたオフセット量および回転量に基づき、ステージ誤差が生じないときの理想的な撮像位置での輝度データを、603にて撮像して得た輝度データから補間によって算出する。6053では6052によって算出された理想的な撮像位置での輝度データからスポット重心を算出し、スポット変位の算出を行う。以上により605の座標統合演算が可能となる。

図11は入力する撮像スケジュールと取得されるスポット変位データおよび、記録されたレーザ測長器の値の一例を示した図である。同図（a)はy方向にステージ走査する場合のセンサの移動イメージ図を示す。センサの中心座標はX_posに設定され、y軸座標Ys_posからデータ取得開始し、移動間隔Dsにて撮像され、Ye_posにて取得終了する。同図（b)は同図（a)のスケジュールに基づき得られる理想撮像座標を示す。ここで、図中点線で囲まれたセンサ中心座標の列を（X₀、Y₀）と呼ぶことにする。同図（c)は同図（a)のスケジュールに基づき撮像されたスポット輝度画像のイメージ図を示す。同図（d)は撮像された輝度データを示す。同図（e)は各撮像位置でのレーザ測長器の値を示す。図中x1、x2、y2、y3はそれぞれ、図9に示すレーザ測長器201、202、205、206に対応する。

図12は例えばレーザ測長器202、205、206を用いてxy面内に生じるオフセット量、回転量の算出方法を説明する図である。本算出方法は図4にて説明した内容と同様の算出方法が適用できる。図12（a)においてレーザ測長器202、205、206によって測定される値をそれぞれx2、y2、y3とする。図11（b)に示したセンサ中心移動（X₀、Y₀）に対して実際にステージが移動した移動量をx’、y’、回転量をθとする。同図拡大図にはレーザ測長器205、206と回転量θの関係を示す。レーザ測長器の値x2、y2、y3からステージが実際に移動した移動量x’、y’を数式２５、数式２６のように求めることが可能となる。

ここで、θ、yはそれぞれ数式２７、数式２８によって求められる。

このとき発生するオフセット量は図11（b)のセンサ中心の理想撮像座標（X₀、Y₀）と実際のステージ移動量（x’、y’）との差から、数式２９、数式３０のように求めることが可能となる。

図13はレーザ測長器201、202を用いてzx面内に生じる回転量を算出し、zx面内の回転によって生じるxy面内のオフセット量の算出方法を説明する図である。同図（a)においてレーザ測長器201、202によって測定される値をそれぞれx1、x2とする。同図拡大図にレーザ測長器201、202と回転量θ₂の関係を示す。zx面内での回転量はx1、x2および、レーザ測長器間の取り付け間隔d₂を用いて、数式３１のように示される。

同図（b)に示すように、アレイレンズ213とCCD面212の間隔をfとすると、xy面内でのオフセット量は数式３２となる。

図12、13よりステージのヨーイング、ピッチング、真直度から生じる撮像位置の回転量は数式２７となり、オフセット量は数式３３、数式３４となる。

図14は上記で求めたオフセット量および回転量に基づき、ステージ誤差がない状態での理想的な撮像位置から、実際に撮像した位置を算出する方法を示す。同図（a)に示す各撮像位置でのオフセット量、回転量のリストから、実際に撮像した座標の算出を数式３５を用いて行う。

ここでx_off、y_offはオフセット量を示し、θは回転量を示す。またx_０、y_０は理想座標を示し、x、yは実際に撮像した座標を示す。同図（b)は撮像された理想座標と実際に撮像された座標の関係を示す図である。また同図（c)は図11（b)の理想座標に対して、数式３５の座標変換を行い、実際に撮像した座標データを示す。

図15は実際に撮像された座標の輝度から理想座標での輝度を補間により算出するための一実施例を示す。補間には3点補間を用いる。同図（a)に示すように3点の選出には、理想座標の格子点の値に対応する1点と、その上下4点で形成する4つの三角形を候補として、どの三角形に格子点が含まれるかを判定することによって求める。判定は、三角形の中心と格子点を結ぶ線分が三角形の辺と交差するかで判断する。三角形の中心は、例えば、（1、2)、（2、1)、（2、2)の三角形の場合、x、y座標はそれぞれ数式３６、数式３７で求める。

次に線分交差の判定法について同図（b)を用いて説明する。網掛け部は、y > ax+bを満たす。左に寄せるとy-ax-b>0となる。一方、網掛け外は、y-ax-b<0となる。（x3、y3)と（x4、y4)を結ぶ線分が直線と交差する条件は、数式３８となる。

実際には、直線を表す式は数式３９であり、

従って、数式３８に対応させると、

次に数式４０にて見つかった格子点を内包する三角形各点から格子点の輝度を線形補間で求める方法について同図（c)を用いて説明する。線形補間は数式４１にて行う。

ここで、Vは三角形を構成する点から求めたい格子点への輝度ベクトルを示し、V1は三角形を構成する点から他の構成点への輝度ベクトルを示し、V2 は三角形を構成する点からもう一方の構成点への輝度ベクトルを示す。補間のためには、係数α、βが求まれば良い。
α、βの計算は、輝度値zの値を含めないで求められるように、xy座標に射影したベクトルを考える（射影しても、線形のためα、βは同じ値を取る）。

左からW1を掛けると、数式４３となり、左からW2を掛けると、数式４４となる。

数式４３、４４より、α、βはそれぞれ数式４５、数式４６のように求まる。

ここで、数式４７、数式４８、数式４９、数式５０、数式５１のようになり、

輝度値zは、数式４１より与えられるため、数式５２となる。

以上により、三角形に内包された格子点の輝度値が補間で求められる。
得られた輝度画像からスポットの重心を算出し、同図（d)に示すスポットの変位量を算出する。本データに対して例えば、ゼルニケの多項式フィッティングを行い、球面収差、コマ収差、非点収差、球面収差等の波面解析を行う。

図16は装置出力インターフェース６０６のGUI表示例を示す。入力としては、光源位置の設定パラメータ、およびラインセンサステージ移動スケジュールとし、出力は大視野にて波面解析を行った結果を示す。波面解析を行った結果の波面収差は収差量の大小に応じて濃淡のグラデーションとしてもよいし、異なる色で表示しても構わない。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、本願において開示された発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に纏めると、下記の通りである。
（１）本発明によれば、従来測定できなかったシャックハルトマンセンサの視野範囲を超える大きな瞳を持つレンズの収差測定が可能となる。
（２）本発明によれば、レンズの波面収差を管理することが可能となり、半導体光学検査装置やプリント基板レーザ加工装置の異物検出感度や加工形状が均一化され、半導体ラインでの複数の光学検査装置の運用効率が向上し、レーザ加工の品質が向上するといった効果が得られる。

100・・・光源、101・・・ビームエキスパンダ、102・・・ミラー、103・・・集光レンズ、104・・・光源用xyzステージ、200・・・シャックハルトマンセンサ、201、202、204、205、206・・・レーザ測長器、203、207・・・レーザ測長器反射ミラー、208・・・シャックハルトマンセンサ用xyステージ、209・・・非検レンズ固定ステージ、210・・・アレイレンズ、211・・・シャックハルトマンセンサ受光面、212・・・ラインセンサ、213・・・アレイレンズ、300・・・光源用xyzステージ制御装置、301・・・センサ用xyステージ制御装置、302・・・シャックハルトマンセンサ制御装置、303・・・レーザ測長器制御装置、400・・・非検レンズ、500・・・装置入力インターフェース、501・・・光源用xyzステージ移動命令、502・・・シャックハルトマンセンサ用xyステージ移動命令、503・・・シャックハルトマンセンサ撮像命令、504・・・レーザ測長器値読み取り命令、505・・・座標統合演算処理、5051・・・スポット変位算出処理、5052・・・ステージオフセット量、回転量算出処理、5053・・・補間によるスポット変位算出処理、5054・・・座標統合処理、506・・・装置出力インターフェース、600・・・装置入力インターフェース、601・・・光源用xyzステージ移動命令、602・・・ラインセンサ用xyステージ移動命令、603・・・ラインセンサ撮像命令、604・・・レーザ測長器値読み取り命令、605・・・座標統合演算処理、6051・・・ステージオフセット量、回転量算出処理、6052・・・補間による輝度算出処理、6053・・・輝度からスポット座標算出処理、 606・・・装置出力インターフェース、

Claims (18)

1. シャックハルトマンセンサを平面内で移動し、撮像を行い、取得データをつなぎ合わせることによって、シャックハルトマンセンサの視野以上の視野での収差測定を行うことを特徴とする波面収差測定方法。
2. 前記シャックハルトマンセンサが搭載されているステージの移動量及び傾き量を測定し、前記つなぎ合わせの際に、前期測定により得た測定データを用いて補正を行うことを特徴とする請求項1の波面収差測定方法。
3. 前記つなぎ合わせは、ステージの移動誤差、傾き誤差を含む状態でシャックハルトマンセンサによって撮像された座標でのスポット変位データから、前記測定されたステージの移動量及び傾き量を用いて、ステージの移動誤差、傾き誤差がない場合にシャックハルトマンセンサによって撮像される理想的な座標でのスポット変位データを補間によって算出することを特徴とする請求項2の波面収差測定方法。
4. シャックハルトマンセンサの視野以上の瞳径を有するレンズの波面収差を測定する波面収差測定方法であって、
   前記レンズに光を照射させながら、前記シャックハルトマンセンサを搭載したステージを前記レンズの瞳位置で走査させて複数領域を撮像し、得られた複数のスポット輝度画像から複数のスポット変位データを算出するステップと、
   レーザ側長器により前記ステージの移動量及び傾き量を測定するステップと、
   前記複数のスポット変位データを、前記測定されたステージの移動量及び傾き量を用いて補正してつなぎ合わせ、スポット座標データを作成するステップと、
   前記作成されたスポット座標データを波面解析して前記レンズの波面収差を測定するステップと、
   を有することを特徴とする波面収差測定方法。
5. 請求項４記載の波面収差測定方法であって、
   前記スポット座標データを作成するステップでは、前記測定されたステージの移動量及び傾き量に基づいて、前記複数のスポット変位データを用いて補間法により理想的な撮像位置でのスポット変位データを算出し、前記算出された理想的な撮像位置でのスポット変位データを用いて前記スポット座標データを作成することを特徴とする波面収差測定方法。
6. 請求項４又は５記載の波面収差測定方法であって、
   前記ステージの移動量及び傾き量を測定するステップでは、異なる位置に配置された複数のレーザ側長器を用いて測定することを特徴とする波面収差測定方法。
7. レンズの波面収差を測定する波面収差測定装置であって、
   前記レンズに光を照射する光照射手段と、
   前記レンズの瞳位置で走査され複数領域を撮像するシャックハルトマンセンサと、
   前記シャックハルトマンセンサを搭載して走査するステージと、
   前記シャックハルトマンセンサによる複数領域の撮像により得られた複数のスポット輝度画像から複数のスポット変位データを算出するスポット変位データ算出手段と、
   前記ステージの移動量及び傾き量を測定するレーザ側長器と、
   前記スポット変位データ算出手段により得られた複数のスポット変位データを、前記レーザ側長器にて測定されたステージの移動量及び傾き量を用いて補正してつなぎ合わせ、スポット座標データを作成するスポット座標データ作成手段と、
   前記作成されたスポット座標データを葉面解析して前記レンズの波面収差を測定する波面収差測定手段と、
   を有することを特徴とする波面収差測定装置。
8. 請求項７記載の波面収差測定装置であって、
   前記レーザ側長器は、異なる位置に複数個配置されていることを特徴とする波面収差測定装置。
9. 請求項７又は８記載の波面収差測定装置であって、
   さらに、前記波面収差測定手段により測定された波面収差を表示する表示手段と、
   を有することを特徴とする波面収差測定装置。
10. 請求項９記載の波面収差測定装置であって、
    前記表示手段は、前記シャックハルトマンセンサが複数領域撮像する撮像スケジュールも併せて表示することを特徴とする波面収差測定装置。
11. アレイレンズ上を1次元ラインセンサが移動し、撮像を行い、各ラインの取得輝度データを配列し、配列された輝度データからスポット変位量を算出することによって、アレイレンズ上の波面収差測定を行うことを特徴とする波面収差測定方法。
12. 前記ラインセンサが搭載されているステージの移動量、傾き量を測定し、前記各ラインの取得輝度データを配列する際に、前期測定により得た測定データを用いて補正を行うことを特徴とする請求項１１の波面収差測定方法。
13. 前記各ラインの取得輝度データの配列には、ステージの移動誤差、傾き誤差を含む状態でラインセンサによって撮像された各ラインの輝度データから、前記測定されたステージの移動量、傾き量を用いて、ステージの移動誤差、傾き誤差がない場合にラインセンサによって撮像される理想的な座標で各ラインの輝度データを補間によって算出することを特徴とする請求項１２の波面収差測定方法。
14. レンズの波面収差を測定する波面収差測定方法であって、
    前記レンズに光を照射させながら、アレイレンズと１次元ラインセンサを搭載したステージを前記レンズの瞳位置で走査させて複数領域を撮像し、得られた複数のスポット輝度画像から複数の輝度データを算出するステップと、
    レーザ側長器により前記ステージの移動量及び傾き量を測定するステップと、
    前記複数の輝度データを、前記測定されたステージの移動量及び傾き量を用いて補正して、複数の理想的な撮像位置での輝度データを算出するステップと、
    前記算出された複数の理想的な撮像位置での輝度データを用いて、複数の理想的な撮像位置でのスポット変位データを算出し、当該複数の理想的な撮像位置でのスポット変位データをつなぎ合わせ、スポット座標データを作成するステップと、
    前記作成されたスポット座標データを波面解析して前記レンズの波面収差を測定するステップと、
    を有することを特徴とする波面収差測定方法。
15. レンズの波面収差を測定する波面収差測定装置であって、
    前記レンズに光を照射する光照射手段と、
    前記レンズの瞳位置で走査され複数領域を撮像する１次元ラインセンサと、
    前記１次元ラインセンサとは独立にレンズの瞳位置に配置されたアレイレンズと、
    前記１次元ラインセンサを搭載して走査するステージと、
    前記１次元ラインセンサによる複数領域の撮像により得られた複数のスポット輝度画像から複数の輝度データを算出する輝度データ算出手段と、
    前記ステージの移動量及び傾き量を測定するレーザ側長器と、
    前記輝度データ算出手段により得られた複数の輝度データを、前記レーザ側長器にて測定されたステージの移動量及び傾き量を用いて補正して、複数の理想的な撮像位置での輝度データを算出する手段と、
    前記算出された複数の理想的な撮像位置での輝度データを用いて、複数の理想的な撮像位置でのスポット変位データを算出し、前記複数の理想的な撮像位置でのスポット変位データをつなぎ合わせ、スポット座標データを作成するスポット座標データ作成手段と、
    前記作成されたスポット座標データを葉面解析して前記レンズの波面収差を測定する波面収差測定手段と、
    を有することを特徴とする波面収差測定装置。
16. 請求項１５記載の波面収差測定装置であって、
    前記レーザ側長器は、異なる位置に複数個配置されていることを特徴とする波面収差測定装置。
17. 請求項１５又は１６記載の波面収差測定装置であって、
    さらに、前記波面収差測定手段により測定された波面収差を表示する表示手段と、
    を有することを特徴とする波面収差測定装置。
18. 請求項１７記載の波面収差測定装置であって、
    前記表示手段は、前記１次元ラインセンサが複数領域撮像する撮像スケジュールも併せて表示することを特徴とする波面収差測定装置。

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