JP4680296B2

JP4680296B2 - 干渉計測方法およびこれを用いる干渉計測装置

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Publication number: JP4680296B2
Application number: JP2008506076A
Authority: JP
Inventors: 文之高橋; 博之塚原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JPWO2007108060A1; WO2007108060A1

Description

本発明は，干渉計測方法及びこれを用いる干渉計測装置に関し，特に光学窓のついたパッケージで保護された光学部品の表面形状を，干渉法を使用して高精度に計測する方法及びこれを用いる干渉計測装置に関する。

微細構造を有し，並進移動や傾き等の変位を伴うＭＥＭＳ（Micro
Electro Mechanical Systems）として，光学部品の例では波長多重通信に使用される光フィルタ，光クロスコネクター等がある。

図１は，光学窓１１のついたパッケージ１００で保護されたＭＥＭＳ光学部品１０の断面を示す図である。かかる光学部品１０の加工精度や，動的特性を評価するために，干渉計測装置を用いることが知られている。（例えば，特許文献１，２）。

かかる特許文献１，２に示される干渉計測装置を用いる方法は，物体反射光と参照光を干渉させる干渉光学系を有し，前記干渉光学系により生成される干渉縞を観察するものである。

図２Ａ，図２Ｂは，かかる干渉計測方法を使用してＭＥＭＳを計測する従来の方法を説明する図である。

図２Ａはガラス越し計測を前提としない干渉光学系を示す図である。まずレンズ２を通して照射光Ｌｏをハーフミラー４に入力する。ハーフミラー４で，入射した照射光Ｌｏを参照ミラー８と計測対象１０に向かう２つの方向に分ける。

参照ミラー８と計測対象１０からそれぞれ反射した光はハーフミラー４で再び重なり干渉縞が発生し，計測光Ｌｒとしてレンズ１５を通して出力される。ここで，干渉計測にはレーザとそれ以外の光源が使用されるが，レーザは可干渉距離が非常に長く，不要な部分での干渉が生じるなどの理由から，レーザ以外の光源が使用されることが多い。

レーザ以外の光源では可干渉距離が比較的短いため，干渉縞を発生させるには参照ミラー８側と計測対象１０側の光学距離がおよそ等しくなくてはならない。ところが図２Ａに示すように計測対象１０の前に光学窓１１がある場合，計測対象１０側の光学距離は，(ｎ-１)ｄだけ増える。なお，ｎは，光学窓材料の屈折率であり，ｄは光学窓の厚みである。

したがって，ハーフミラー４からの参照ミラー８側と計測対象１０側で光学距離が異なってしまい干渉縞が生じなくなる。

このために，図２Ｂに示すように，参照ミラー８側にも両者の光学距離を同じにするために，補償ガラス７を挿入し，参照ミラー８側と計測対象１０側で光学距離が異なってしまうという問題を回避することが考えられる。

ここで，図２Ａにおいては，問題点として光学距離の差のみを注目している。しかし，光学窓１１越しの干渉計測では光学窓１１に成膜した光学薄膜（反射防止膜等）からの反射光が原因で干渉縞コントラストが落ちて干渉計測が困難となる問題が生じることも考慮しなければならない。

なお，ここでは説明のため計測対象である光学部品は通信用であり使用波長が赤外であるとして説明する。このような場合，光学窓１１に成膜する反射防止膜は通信に使用される赤外光を反射しないように設計されている。しかし，それ以外の波長域については無関心である場合がある。

例えば，図２Ｃに示す波長域と反射率の関係を示すグラフにおいて，目的の波長領域（この場合赤外）Ｉでは，反射率を低く抑えているが，それ以外の波長域（可視光領域）ＩＩで反射率は考慮されていず，反射光Ｌr0を生じる特性を持つ反射防止膜１１ａが成膜された光学窓１１を通して計測対象を計測しなければならない場合が生じる。

図３Ａに示すように，計測対象１０からの反射光Ｌr１と参照ミラー８からの参照光Ｌr２がハーフミラー４で干渉し，干渉光Ｌｒが出力される。通常干渉計測は，可視光領域ＩＩの波長域で行うため，図３Ｂに，図３Ａの○で囲んだ部分を拡大して示すように，光学窓１１の反射防止膜１１ａにより，照射光の一部Ｌr0が反射してしまう。

すなわち，図３Ｂに示すように，光学窓１１に反射防止膜１１ａが生膜されていて，上記のように，赤外光を反射しないように設計されているが，可視光域ＩＩでの反射は考慮されていない。したがって，反射防止膜１１ａ面で，可視光領域ＩＩでの反射光Ｌro が生じる。このような，計測対象１０以外からの反射光Ｌroは，干渉縞のコントラスト悪化の原因となる。

図４は，光学窓１１越しによる干渉計測における問題点を更に説明する図である。いま，図４ａに示すように，可視光域ＩＩにおける波長λ₁とλ₂で干渉計測を行った場合，波長λ₂では反射率が低く不要反射が少ない。このために，コントラストの高い干渉縞が取得できる（図４ｂ，図４ｃ）。一方，波長λ₁を使用した場合，光学窓１１の反射防止膜１１ａによる反射光Ｌro が多くなり干渉縞コントラストが低下する（図４ｄ，図４ｅ）。

このように，干渉縞のコントラストが低下すると，計測対象１０であるＭＥＭＳの高さの計測結果にノイズが増え，コントラスト低下の程度によっては計測自体が不可能となる場合がある。
反射防止膜特開２００２−５６１９号公報特開２００４−１７７２２５号公報

したがって，本発明の目的は，かかる反射防止膜による不要反射波によって起きる干渉縞のコントラストの低下による問題を解決する干渉計測方法およびこれを用いる干渉装置を提供することにある。

かかる目的を達成する本発明の第１の側面は，光学薄膜が形成された光学窓で保護された計測対象の表面形状を計測する干渉計測装置であって，広帯域な波長分布特性を有する光を出力する照明装置と，前記照明装置から出力される光を入力し，中心波長の異なる複数の波長フィルタを切り替え可能で，少なくとも一の波長光を選択出力する，波長フィルタ選択手段と，前記波長フィルタ選択手段により選択された波長光を参照光と，前記計測対象向かう照射光とに分岐し，更に前記照射光による前記計測対象からの反射光と前記参照光による干渉光を生成出力するハーフミラーを有し，
前記波長フィルタ選択手段は，前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択するように構成されたことを特徴とする。

前記第１の側面において，前記波長フィルタ選択手段は，複数の波長光を選択出力し，前記複数の波長光における干渉光の干渉縞の平均的コントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択するように構成してもよい。

また，前記第１の側面において，前記波長フィルタ選択手段は，現在選択中の波長フィルタで取得した干渉縞コントラストを空間的に平均した値が所定の閾値以下である場合，別の波長フィルタを選択し，干渉縞コントラストが所定の閾値以上となる波長フィルタの組み合わせを選択するように構成してもよい。

前記第１の側面において，さらに，分光器を備え，前記参照光を遮蔽した状態で，前記光学窓からの反射特性を評価し，前記波長フィルタ選択手段は，前記分光器により評価される反射特性に基づき，最適な波長フィルタの選択を行うように構成してもよい。

さらに，前記において，前記分光器における反射特性の評価を制御ＰＣに入力し，このＰＣにより，前記反射特性の評価データに基づき，前記波長フィルタ選択手段に最適な波長選択フィルタを選択させるように構成してもよい。

また，前記第１の側面において，前記複数の波長フィルタは，それぞれ中心波長の異なる波長カットフィルタであって，前記波長フィルタ選択手段により選択された波長カットフィルタにより波長成分の除去された光を前記ハーミラーに入力するように構成してもよい。

さらにまた，前記第１の側面において，前記照明装置は，それぞれ中心波長の異なる発光を出力する複数の発光ダイオードを有し，前記波長フィルタ選択手段は，前記少複数の発光ダイオードの少なくとも一つの発光ダイオードを選択駆動して，前記選択駆動される発行ダイオードからの対応する一の波長光を選択出力するように構成してもよい。

上記目的を達成する本発明の第２の側面は，光学薄膜が形成された光学窓で保護された計測対象の表面形状を計測する干渉計測方法であって，広帯域な波長分布特性を有する光を波長フィルタ選択手段に入力し，前記波長フィルタ選択手段により，少なくとも一つの波長光を選択出力し，前記選択された波長光を参照光と，前記計測対象向かう照射光とに分岐し，更に前記照射光による前記計測対象からの反射光と前記参照光による干渉光を生成し，前記波長フィルタ選択手段は，前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択することを特徴とする。

図１は，光学窓のついたパッケージで保護されたＭＥＭＳ光学部品の断面を示す図である。図２Ａは，ガラス越し計測を前提としない干渉光学系を示す図である。図２Ｂは，参照ミラー側と計測対象側で光学距離が異なってしまうという問題を回避する構成を示す図である。図２Ｃは，可視光領域と，反射防止膜の波長域を示す図である。図３Ａは，光学窓越しによる干渉計測における問題点を説明する図（その１）である。図３Ｂは，図３Ａの○で囲んだ部分の拡大図である。図４は，光学窓越しによる干渉計測における問題点を説明する図（その２）である。図５Ａは，本発明の基本的概念構成を示す図である。図５Ｂは，波長と反射率分布の関係グラフにおいて，特定波長の選択を説明する図である。図５Ｃは，波長と反射率分布の関係グラフにおいて，複数の波長域の選択を説明する図である。図５Ｄは，波長と反射率分布の関係グラフにおいて，不要反射の多い波長領域のカットを説明する図である。図６は，図５Ａ〜５Ｄを用いて説明した本発明原理に従う，本発明の実施例の干渉計測装置を示す図である。図７は，挟帯域波長選択フィルタの選択方法の一例フローである。図８は，２つの波長の干渉縞をそれぞれ独立して取得する場合の構成を示す図である。図９は，光路上に複数の波長カットフィルタを配置できるそれぞれフィルタを有する多連のフィルタチェンジャを示す図である。図１０は，照明光源としてＬＥＤ（発光素子）を用いる例を説明する図である。

以下に，図面に従い，本発明の実施の形態例を説明する。なお，実施の形態例は，本発明の理解のためのものであり，本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。

図５Ａは，本発明の基本的概念構成を示す図である。

本発明では，図２Ｂに示した干渉計測装置における照明光Ｌｏの照明装置１と，ハーフミラー４との間に，中心波長の異なる複数の波長フィルタ２５を切り替えることが可能な波長フィルタ選択手段（フィルタチェンジャー）２３を備える。

それら複数の波長フィルタ２５のうち不要反射が少なく干渉縞コントラストが高くなる波長フィルタを自動的に選んで干渉計測を行う。これにより，先に述べた問題点を解決する。

例えば照明装置１から出射する広帯域な波長分布を持った照射光Ｌｏのうち図５Ｂに示す波長と反射率分布の関係グラフにおける可視光域ＩＩ中の選択された特定の波長域Ａ（好ましくは，反射率が最も低くなる波長領域）を取り出す波長フィルタ２５を，波長フィルタ選択手段２３により選択して干渉計測を行う。

これにより，図４ｂ，図４ｃに示したように，コントラストが良好な干渉縞画像を得ることが可能となる。また単一波長の光を使った干渉ではなく，複数の波長域Ａ，Ｂを選択使用して，干渉を行うような場合，図５Ｃに示すように，波長と反射率分布グラフにおいて，使用する複数の波長域Ａ，Ｂにより平均的にコントラストが向上するような波長フィルタのペアを自動的に選ぶようにする。

図５Ｃの例は２波長Ａ，Ｂの場合である。また例えば垂直走査干渉法のように，白色光源のような広帯域の波長域を持つ照明光を使用する場合，図５Ｄに示すように不要反射の多い波長領域Ｘ，Ｙ，Ｚをカットするフィルタを使用することで干渉縞コントラストを改善することも可能となる。

上記の様な本発明原理により，主に可視光を反射する特性を持った光学薄膜１１ａ（図３Ｂ参照）が成膜された光学窓越しであっても，コントラストの高い干渉縞が取得可能となる。
［実施例］
図６は，上記図５Ａ〜５Ｄを用いて説明した本発明原理に従う，本発明の実施例の干渉計測装置を示す図である。

キセノン光源などの広帯域な波長分布を持つ照明装置１から出射した光をライトガイド２で，波長フィルタ選択手段（フィルタチェンジャ）２３により選択された一のフィルタ２５に導き，計測に使用する波長を選択する。

選択した波長光をハーフミラー４により計測対象１０方向に導き，干渉対物レンズ９で計測対象１０と参照ミラー８の干渉縞を発生させる。干渉対物レンズ９は計測対象１０と参照ミラー８に計測光を集光させるための結像レンズ５と，計測光を計測対象１０と参照ミラー８の方向に分割するためのハーフミラー６，参照ミラー８，光学窓１１による光学距離の増加を補償するための光学距離補償板７，計測光を一時的に参照側光路で遮蔽する光路遮蔽板３６から構成される。

計測対象１０と参照ミラー８および光学窓１１から反射した光は再びハーフミラー６で重なり干渉が生じる。結像レンズ１５で結像させた干渉縞をＣＣＤカメラ１６で撮像しＰＣ（パーソナルコンピュータ）１７に記録する。ＰＣ１７ではＣＣＤカメラ１６で撮像した干渉縞画像から干渉縞の解析を行い計測対象１０の表面形状を算出する。

干渉縞から高精度に高さを算出する方法として公知の技術である位相シフト法を行う場合，ピエゾステージ１８で計測対象１０を垂直方向に一定距離動かしつつ複数の干渉縞画像を取得し，その複数の干渉縞画像から計測対象１０の表面形状を求める。

計測視野や計測対象の姿勢は粗動ステージ２０を用いて調整することができる。

フィルタチェンジャ２３には，あらかじめ中心波長の異なる複数の挟帯域波長選択フィルタ２５をセットしておく。

図７はかかる挟帯域波長選択フィルタ２５の選択方法の一例フローである。最初に使用する波長選択フィルタ２５を光路３上にセットする（ステップＳ１）。干渉縞画像を取得し（ステップＳ２），視野の所定領域あるいは全体における干渉縞コントラストの平均Ｅを算出する（ステップＳ３）。

干渉縞コントラストの空間平均Ｅがあらかじめ設定した閾値Ｔ以下の場合（ステップＳ４，ＮＯ），フィルタチェンジャ２３にセットされている別の波長選択フィルタ２５に変更して（ステップＳ６，ＮＯ，Ｓ７），初めと同様に干渉縞コントラスト平均Ｅを閾値Ｔと比較する。

もし干渉縞コントラスト平均Ｅが閾値Ｔより大きい場合（ステップＳ４，ＹＥＳ）にはコントラストが干渉縞解析に十分であるとして取得した干渉画像から計測対象１０の表面形状を算出する（ステップＳ５）。閾値Ｔとして例えば０．１を設定すれば計測可能な干渉縞が得られると考えられる。

全ての波長選択フィルタ２５に対して閾値Ｔ以上のコントラストが得られない場合（ステップＳ６，ＹＥＳ）には，フィルタチェンジャー２３にセットした波長選択フィルタ２５では計測が不可能として，ＰＣ１７のモニターから作業者にメッセージを送る。

図７に示した波長選択の方法の他に，光路遮蔽板３６で一時的に計測対象１０と光学窓１１からの反射光のみを，ハーフミラー１２及び結像レンズ１３で分光器１４に集光し，光学窓１１の分光特性を評価した結果から最良な波長選択フィルタ２５の組み合わせを決定するようにしてもよい。

また，その他の波長選択方法として，光学窓１１からの反射特性がデータとしてあらかじめ分かっている場合には，ＰＣ１７に特性データを入力し，そのデータを基に最適な波長選択フィルタを選択してもよい。

図５Ｃに示したように複数波長の選択を行う場合には，図８，図９の構成の光学系を使用する。すなわち，２つの波長の干渉縞をそれぞれ独立して取得する場合は図８の構成が使用でき，ハーフミラー３５を含む光学系により中心波長Ａの波長選択フィルタ２５で干渉縞を取得後，別の中心波長Ｂに変更して再度干渉縞を取得する。

２つの異なる波長が混じった光源が必要な場合は図８において，光源１の他に別の光源１−２，ライトガイド２−２，フィルタチェンジャ２３−２，波長選択フィルタ２３−２を用意し，ハーフミラー３４，３５を使用して複数波長が混じった計測光を作る。

２以上の波長を使用する場合も上記２つの波長の場合と同様に光源，あるいは波長選択フィルタの変更回数を増やせばよい。

図５Ｄに示したように広帯域波長のうち複数の波長帯域Ｘ，Ｙ，Ｚをカットしたい場合は一つの光源に対して同時に複数の波長をカットする必要がある。この場合は図９に示すように光路３上に複数の波長カットフィルタを配置できるそれぞれフィルタ２７を有する多連のフィルタチェンジャ２６を使用すればよい。図９は同時に３つの波長域をカットすることができる例である。

ＰＣ１７は計測対象の位置や姿勢を変えるための粗動ステージコントローラ２１，高精度位相シフト法を行う際に使用するピエゾステージコントローラ１９により，それぞれ粗銅ステージ２０及びピエゾステージ１８を制御する。さらに，必要な波長を選択するためのフィルタチェンジャコントローラ２４，波長選択フィルタ２５を切り替える場合に変化する光量を適切に保つための照明コントローラ２２をそれぞれ制御しながら計測を行う。

また，波長選択フィルタ２５は可視光帯域のみでなく，例えば計測光に赤外や紫外領域の帯域の光を使用してもよい。

ここで，上記説明では波長選択を行うために，照明光源として広帯域波長分布の照明装置１の光源と波長選択フィルタ２５を使用する例を説明したが，図１０に示すように，照明光源として中心波長の異なる発光素子としてＬＥＤ２８を複数個用意し，波長を切り替えたい場合には使用するＬＥＤ２８をＬＥＤコントローラ２９で発光させて切り替えるようにしてもよい。選択された波長のＬＥＤの発光は，ステージコントローラ３１によりハーフミラー４に合わせされる。

上記に説明したように，光学薄膜が成膜された光学窓越しの干渉計測を行う場合において，光学薄膜からの反射光が少ない波長を計測光として使用することにより，コントラストの高い干渉縞を取得することができ，その結果計測ノイズが減少した高精度な表面形状計測が可能となり，産業上寄与するところ大である。

Claims

光学薄膜が形成された光学窓で保護された計測対象の表面形状を計測する干渉計測装置であって，
広帯域な波長分布特性を有する光を出力する照明装置と，
前記照明装置から出力される光を入力し，中心波長の異なる複数の波長フィルタを切り替え可能で，少なくとも一の波長光を選択出力する，波長フィルタ選択手段と，
前記波長フィルタ選択手段により選択された波長光を参照光と，前記計測対象向かう照射光とに分岐し，更に前記照射光による前記計測対象からの反射光と前記参照光による干渉光を生成出力するハーフミラーを有し，
前記波長フィルタ選択手段は，前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する，
ように構成されたことを特徴とする干渉計測装置。
請求項１において，
前記波長フィルタ選択手段は，複数の波長光を選択出力し，
前記複数の波長光における干渉光の干渉縞の平均的コントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する，ことを特徴とする干渉計測装置。
請求項１において，
前記波長フィルタ選択手段は，現在選択中の波長フィルタで取得した干渉縞コントラストを空間的に平均した値が所定の閾値以下である場合，別の波長フィルタを選択し，干渉縞コントラストが所定の閾値以上となる波長フィルタの組み合わせを選択することを特徴とする干渉計測装置。
請求項１において，
さらに，分光器を備え，前記参照光を遮蔽した状態で，前記光学窓からの反射特性を評価し，前記波長フィルタ選択手段は，前記分光器により評価される反射特性に基づき，最適な波長フィルタの選択を行うことを特徴とする干渉計測装置。
請求項４において，
前記分光器における反射特性の評価を制御ＰＣに入力し，
該ＰＣにより，前記反射特性の評価データに基づき，前記波長フィルタ選択手段に最適な波長選択フィルタを選択させることを特徴とする干渉計測装置。
請求項１において，
前記複数の波長フィルタは，それぞれ中心波長の異なる波長カットフィルタであって，
前記波長フィルタ選択手段により選択された波長カットフィルタにより波長成分の除去された光を前記ハーミラーに入力することを特徴とする干渉計測装置。
請求項１において，
前記照明装置は，それぞれ中心波長の異なる発光を出力する複数の発光ダイオードとを有し，
前記波長フィルタ選択手段は，前記少複数の発光ダイオードの少なくとも一つの発光ダイオードを選択駆動して，前記選択駆動される発行ダイオードからの対応する一の波長光を選択出力することを特徴とする干渉計測装置。
光学薄膜が形成された光学窓で保護された計測対象の表面形状を計測する干渉計測方法であって，
広帯域な波長分布特性を有する光を波長フィルタ選択手段に入力し，
前記し波長フィルタ選択手段により，少なくとも一の波長光を選択出力し，
前記選択された波長光を参照光と，前記計測対象向かう照射光とに分岐し，
更に前記照射光による前記計測対象からの反射光と前記参照光による干渉光を生成し，
前記波長フィルタ選択手段は，前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する，
ことを特徴とする干渉計測方法。
請求項８において，
前記波長フィルタ選択手段により，複数の波長光を選択出力し，
前記複数の波長光における干渉光の干渉縞の平均的コントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する，
ことを特徴とする干渉計測方法。
請求項８において，
前記波長フィルタ選択手段により，現在選択中の波長フィルタで取得した干渉縞コントラストを空間的に平均した値が所定の閾値以下である場合，別の波長フィルタを選択し，干渉縞コントラストが所定の閾値以上となる波長フィルタの組み合わせを選択することを特徴とする干渉計測方法。
光学薄膜が形成された光学窓で保護された光学部品の表面形状を計測する工程を有してなり、該光学部品を製造する方法であって，該表面形状を計測する工程は，
広帯域な波長分布特性を有する光を波長フィルタ選択手段に入力し，
前記し波長フィルタ選択手段により，少なくとも一の波長光を選択出力し，
前記選択された波長光を参照光と，前記光学部品に向かう照射光とに分岐し，
更に前記照射光による前記光学部品からの反射光と前記参照光による干渉光を生成し，
前記波長フィルタ選択手段は，前記ハーフミラーからの干渉光における干渉縞のコントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する，
ことを特徴とする光学部品の製造方法。
請求項１１において，
前記波長フィルタ選択手段により，複数の波長光を選択出力し，
前記複数の波長光における干渉光の干渉縞の平均的コントラストが所定閾値以上若しくは最大となる波長フィルタの組み合わせを選択する，
ことを特徴とする光学部品の製造方法。
請求項１１において，
前記波長フィルタ選択手段により，現在選択中の波長フィルタで取得した干渉縞コントラストを空間的に平均した値が所定の閾値以下である場合，別の波長フィルタを選択し，干渉縞コントラストが所定の閾値以上となる波長フィルタの組み合わせを選択することを特徴とする光学部品の製造方法。