JPH01270605A

JPH01270605A - 表面形状測定器

Info

Publication number: JPH01270605A
Application number: JP9960088A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Yamamoto; 山本　満則
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1988-04-22
Publication date: 1989-10-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、表面形状測定器に関する。

〔従来の技術〕

試料の表面形状を測定する機器はいろいろあるが、その
中でも、非破壊で測定できること、試料の大きさや重さ
に制限されないこと、測定時間が早いことなどの利点を
有していることから、ビーム走査と焦点検出法とを組み
合わせた表面形状測定器が優れており、その−っとして
特開昭６１−２１９８０５号公報に記載のものがある。

これは、光源からの光を対物レンズから一定距離離れた
位置に集光させ、この集光点と被測定物体表面との位置
関係を焦点検出の原理により検出することにより、物体
表面の凹凸を測定するものである。

第２図は焦点検出法として瞳分割法を用いた表面形状測
定器の光学系及び処理回路を示している。

レーザ光源１からのレーザビームは空間フィルター２．
コリメータレンズ３．偏光ビームスプリッタ４．λ／４
板５を通って瞳位置に置かれた垂直走査用のガルバノメ
ータミラー６に入射し、続いて瞳伝送レンズ７．８を通
って瞳位置に置かれた水平走査用のポリゴンミラー９に
入射する。更に瞳投影レンズ１０．結像レンズ１１を通
って対物レンズ１２に入射し、回折により制限されるス
ポット即ち先触針子を試料１３上に形成する。こごで、
プリズム１４．アイピース１５．コンデンサレンズ１６
．ランプ１７は、試料１３を眼視観測するために設けら
れている。これにより試料１３の被測定部の様子を目で
確認できる。

試料１３からの反射光は入射時と同し経路を逆に通って
偏光ヒームスプリンタ４に戻ってくる。

更に、瞳分割ミラー１８によって光束が分割され、夫々
結像レンズ１９．２０を通って半導体装置検出器２１．
２２に入射する。半導体装置検出器２１．２２によって
夫々測定されたスポット位置は、夫々プリアンプ２３．
２４；２５．２６と加算器２７．２８を通って差動増幅
器２９に入力される。

差動増幅器２９から出力されたアナログ的な検出信号３
０はザンプルホールｌ”　　Ａ／Ｄ変換回路３１に入力
されデジタル化される。このデジタル化された信号に基
づいて焦点検出が行なわれるのであるが、回路３１はガ
ルハメータミラー６及びポリゴンミラー９の駆動回路３
２の同期信号に同期しており、二次元画像をフレームメ
モリ３３に格納する。３４は画像処理コンビ、ｙＬ−タ
ーであって、鳥徹図等の各種の処理をして表面形状測定
の結果をＣＲＴ３５に表示したり或はプリンＩ・アラ）
−シたりする。

そして、コリメータレンズ３をズームレンズで構成しビ
ーム径を調整するようにすれば、対物レンズ１２の倍率
を変更しなくても光触釘子の径を変更できるようになっ
ている。

又、この測定器は、対物レンズ１２の瞳位置と共役な位
置にガルバノメータミラー６及びポリゴンミラー９が配
置されているため、瞳の情報を利用する臨界角法による
検出法や瞳分割法による検出法が使えると共に、瞳の情
報を利用しない８点収差法でも誤差のない形状測定が行
えるという特徴を持っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記表面形状測定器では、光学系のもつ像面
湾曲収差によって測定誤差を生しるという問題点があっ
た。以下それについて説明する。

第８図は、対物レンズ１２によるレーザビーＪ、の集光
の様子を示す図である。偏向を行っていない場合、レー
ザビームは軸上光３６として光軸０に沿って進み、光軸
０上の点へに集光する。こごで、３７は点へを通り且つ
光軸０に垂直な面であって、近軸像面と呼ばれるもので
ある。次に偏向を行った場合、対物レンズ１２に像面湾
曲収差が無いとすると、レーザビームは軸外光３８とし
て近軸像面３７上の点Ｂに集光する。ところが、実際に
は、対物レンズ１２ば像面湾曲収差を持つため、レーザ
ビームは軸外光３９として点Ｂより対物レンズ１２に近
い点Ｃに集光する。４０は偏向角を変化させた時のレー
ザビームの集光点Ｃを重ねて成る面即ち像面湾曲収差に
よる湾曲面であり、これは対物レンズ１２の合焦位置で
もある。ここでは湾曲面４（）は対物レンズ１２側に曲
がっているが、逆の場合や複雑な形になる場合もある。

このように像面湾曲収差のある状態で近軸像面３７の位
置を試料位置としてそこに平面を置いて形状測定した場
合、軸上では合焦位置と試料位置が一致しているため、
合焦位置からのずれ量は零であるが、軸外では合焦位置
と試料位置にずれが生しるため、合焦位置からのずれを
高さ変化として検出してしまう。その結果、試料が平面
であるにも拘わらず、測定した結果は曲面になってしま
う。以上のように、」−述の如き表面形状測定器では、
試料の形状を測定した場合、試料の形状信号に像面湾曲
収差による誤差信号が加わり、正しい形状測定結果が得
られないという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、光学系の収差によって発
生する誤差を補正して正確なな形状測定が行える表面形
状測定器を捉供することを目的としている。

〔課題を解決するだめの手段及び作用〕本発明による表
面形状測定器は、上述の如き表面形状測定器において、
光学系の収差によって生じる誤差を補正する手段を設け
たことにより、該誤差が補正されるようにしたものであ
る。それは、例えば平面を測定することでその光学系の
像面湾曲収差量が測定でき、それを用いて測定値の補正
を行うようにしたものである。

［実施例〕以下図示した各実施例に基づき上記従来例と同一の部材
には同一符号を付して本発明の詳細な説明する。

第１図は第１実施例の光学系及び処理回路を示しており
、１３′は平面度の高いミラー若しくはオプティカルフ
ラットのような平面から成っていて試料１３と同し位置
に交換可能に配置される参照平面である。４１は瞳伝送
レンズ７及び８間に配置されたスリット、４２．４３は
偏光ビームスブリック４と瞳分割ミラー１８との間に配
置された瞳伝送レンズ、４４は瞳伝送レンズ４２及び４
３間に配置されたピンホールであって、スリット４１及
びピンボール４４は試料１３からの反射光以外の余分な
光を遮断するために配置されている。

尚、スリット４１及びピンボール４４は少なくとも一方
が配置されていれば良い。又、ピンホール４４が配置さ
れない場合は瞳伝送レンズ４２及び４３は必要がない。

４４はコンピュータ３４に接続された外部記憶装置であ
る。そして、ガルバノメータミラー６からポリゴミラー
９までが走査光学系４５を構成し、瞳伝送レンズ４２か
ら差動増幅器２９までが焦点検出系４６を構成している
。

本実施例は上述の如く構成されているから、レーザ光Ｒ
１から出たレーザビームは、空間フィルター２．コリメ
ータレンズ３．偏光ビームスプリッタ４、λ／４板５を
通って走査光学系４５に入射する。走査光学系４５を出
たレーザビームは対物レンズ１２に入射し、参照平面１
３′上に１光する。参照平面１３′で反射したレーザビ
ームは、入射時の経路を逆に戻り、偏光ビームスプリッ
タ４で反射されて焦点検出系４６に入射する。焦点検出
系４６から出た信号３０′は参照平面１３′を測定した
信号であるから、光学系の像面湾曲収差による誤差（以
後誤差と呼ぶ。）である。これはフレームメモリ３３に
格納された後コンピュータ３４を介して外部記憶装置４
４に記憶される。

次に、形状測定を行いたい試料（以下試料と呼ぶ）１３
に対して参照平面１３′を測定した時と同しように測定
を行なう。この時焦点検出系４Ｇから得られる信号３０
は試料１３の真の形状信号に誤差が加わったものである
。信号３０はフレームメモリ３３に格納される。コンピ
ュータ３４はフレームメモリ３３の測定データを内部メ
モリに読み込み、該測定データから外部記憶装置４４の
誤差データを引き算する。その結果、測定データから像
面湾曲収差による誤差が補正された真の形状測定データ
が得られ、これをもとに測定結果の表示が行なわれる。

尚、参照平面１３’を測定して得られた誤差データを外
部記憶装置４４に記憶する場合、積算。

スムージング等の処理を行っても良い。特に、参照平面
１３゛の測定場所を変えながら積算すると、参照平面１
３’自体の形状データがキャンセルされて測定光学系の
みの誤差データが得られるので、良い補正データが得ら
れる。又、参照平面１３′による誤差データの測定を一
度行って外部記憶装置４４に記１．Ｏシた後は、その記
４．１された誤差データを繰り返し補正に用いれば良い
ので測定毎に誤差データを測定する必要はない。

第２図は第２実施例の光学系及び処理回路を示しており
、４７はＰ偏光のレーザビームを発するレーザ光源、４
８は空間フィルター、４９はコリメータレンズ、５０は
ビームスプリッタ、５１はミラーである。５２はＳ偏光
のレーザビームを発するレーザ光源、５３は空間フィル
ター、５４はコリメータレンズ、５５はビームスプリッ
タ、５６は偏光ビームスプリッタである。５７及び５８
は第１実施例の焦点検出系４６と同じ焦点検出系である
。５９は差動増幅器である。

第３図は本実施例の対物レンズ１２から試料１３までの
間の部分の拡大図であって、６０は偏光ビームスプリッ
タ、６１は試料１３に集光するレーザビームと参照平面
１３′に集光するレーザビームの光路長を等しくするた
めに参照平面１３′の前に置かれた補償板である。　。

本実施例は上述の如く構成されているから、レーザ光源
４７から出たＰ偏光のレーザビームは空間フィルタ４８
．コリメータレンズ４９を通り、ビームスプリンタ５０
．ミラー５１で反射されて偏光ビームスプリッタ５６に
入射する。一方、し−ザ光源５２から出たＳ偏光のレー
ザビームは空間フィルター５３．コリメータレンズ５４
を通り、ビームスブリック５５で反射されて偏光ビーム
スプリッタ５６に入射する。そしてＰ偏光及びＳ偏光の
レーザビームは偏光ビームスプリッタ５６で一緒になり
、走査光学系４５を通り、対物レンズ１２に入射する。

対物レンズ１２から出たレーザビームは偏光ビームスプ
リンタ６０に入射する。

ここでＰ偏光のレーザビームは、偏光ビームスプリッタ
６０を通過して試料１３上に集光する。−方、Ｓ偏光の
レーザビームは偏光ビームスプリンタ６０で反射され、
補償板６１を通って対物レンズ１２の合焦位置に置かれ
た参照平面１３’上に集光する。試料１３．参照平面１
３′で反射された夫々のレーザビームは、偏光ビームス
プリッタ６０で再び一緒になり、入射時は同し経路を逆
に戻る。戻ってきたレーザビームのうちＰ偏光のレーザ
ビームは、偏光ビームスプリッタ５６を通過し、ミラー
５１で反射され、ビームスプリッタ５３を通って焦点検
出系５７に入射する。−・方、Ｓ偏光のレーデビームは
、偏光ビームスプリッタ５６で反射され、ビームスプリ
ッタ５５を通って焦点検出系５８に入射する。焦点検出
系５７から出力される信号６２は、試料１３を測定した
信号即ち試料１３の真の形状信号に誤差が加わった信号
である。一方、焦点検出系５８から出力される信号６３
は参照平面１３′を測定した信号即ち誤差のみの信号で
ある。信号６２．６３は差動増幅器５９に入り、ここで
信号６２から信号６３を引く演算が行なわれる。この結
果、誤差を含んだ形状信号から誤差が差し引かれ、真の
形状信号６４が得られる。この形状信号６４はフレーム
メモリ３３に格納され、その後コンピュータ３４によっ
て測定結果の表示が行なわれる。

尚、レーザ光源は振動方向が直交する二つの偏光が得ら
れるものであれば一個でも良い。又、レーザビームの波
長は同しであっても異なっていても良い。

第４図は第２実施例の変形例の要部拡大図であって、こ
れは対物レンズを二つ用いている。偏光ビームスブリッ
ク６５に入射したＰ偏光、Ｓ偏光の光のうちＰ偏光のレ
ーザビームは偏光ビームスプリッタ６５を通過し、対物
レンズ１２に入射して試料１３上に集光する。一方、Ｓ
偏光のレーザビームは対物レンズ１２′に入射して参照
平面１３′上に集光する。かくして、対物レンズが一個
の場合と同しような効果が得られる。

第５図は第３実施例の光学系及び処理回路を示しており
、６６は波長λ１のレーザ光源、６７は偏光ビームスブ
リック、６８はλ／４板である。

６９は波長λ２のレーザ光源、７０は偏光ビームスブリ
ック、７１はλ／４板である。７２．７３は何れも波長
λ、の光を透過させ且つ波長λ２の光を反射するダイク
ロイックミラーである。

第６図は本実施例の対物レンズ１２から試料１３までの
拡大図である。

本実施例は上述の如く構成されているから、レーザ光ａ
６６から出た波長λ、のレーザビームは、空間フィルタ
ー４８．コリメータレンズ４９を通った後偏光ビームス
プリッタ６７で反射され、λ／４板６８を通り、ミラー
５１で反射されてダイクロイックミラー７２に入射する
。一方、レーザ光源６９から出た波長λ２のレーザビー
ムは、空間フィルター５３．コリメータレンズ５４を通
った後、偏光ビームスプリッタ７０で反射され、λ／４
板７１を通り、ダイクロイックミラー７２に入射する。

ダイクロイックミラー７２は特定の波長の光を反射し、
それ以外の光は透過させる性質をもつミラーであって、
ここでは波長λ１の光を透過させ且つ波長λ２の光は反
射するので、両方のレーザビームはダイクロイックミラ
ー７５で一緒になり、走査光学系４５を通って対物レン
ズ１２に入射する。対物レンズ１２から出たレーザビー
ムは、ダイクロイックミラー７３に入射する。

ここで波長λ１のレーザビームはダイクロイックミラー
７３を通過して試料１３上に集光する。−方波長λ２の
レーザビームは、ダイクロイ・７クミラー７３で反射さ
れ、補償板６１を通って対物レンズ１２の合焦位置に置
かれた参照平面１３゛上に集光する。試料１３．参照平
面１３′で反射された夫々のレーザビームはダイクロイ
ックミラー７３で再び一緒になり、入射時と同し経路を
逆に戻る。戻ってきたレーザビームのうち、波長λＩの
レーザビームは、ダイクロイックミラー７２を通過し、
ミラー５１で反射され、λ／４板６８゜偏光ビームスプ
リンタ６７を通って焦点検出系５７に入射する。一方波
長λ２のレーザビームは、ダイクロイックミラー７２で
反射され、λ／４板７１、偏光ビームスプリッタ７０を
通って焦点検出系５８に入射する。焦点検出系５７から
出力される信号７４は試料１３を測定した信号即ち真の
形状信号に誤差が加わった信号である。一方焦点検出系
５８から出力される信号７５は参照平面１３′を測定し
た信号即ち誤差のみの信号である。

信号７４．７５は差動増幅器５９に入り、ここで信号７
４から信号７５を引く演算が行われる。この結果誤差を
含んだ形状信号から誤差が差し引かれ、真の形状信号７
６が得られる。この形状信号７６はフレームメモリ３３
に格納され、その後コンピュータ３４によって測定結果
の表示が行われる。

尚、レーザ光源は二つの波長の光が得られるものであれ
ば一個でも良い。又、第２実施例と同様に本実施例でも
、対物レンズを二つ用いても同し効果が得られる。即ぢ
、第４図において、偏光ビームスプリッタ６５をダイク
ロインクミラーに代えれば、本実施例と同じ効果が得ら
れる。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明による表面形状測定器は、光学系の
収差によって発生する誤差を補正して“正確な形状測定
が行えるという実用上重要な利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による表面形状測定器の第１実施例の光
学系及び処理回路を示す図、第２図は第２実施例の光学
系及び処理回路を示す図、第３図は上記第２実施例の対
物レンズから試料までの間の部分の拡大図、第４図は上
記第２実施例の変形例の要部拡大図、第５図は第３実施
例の光学系及び処理回路を示す図、゛第６図は上記第３
実施例の対物レンズから試料までの間の部分の拡大図、
第７回は従来例の光学系及び処理回路を示す図、第８図
は上記実施例の対物レンズによるレーザビームの集光の
様子を示す図である。１．４７，５２，６６、’６９・・・・レーザ光源、２
．４Ｂ、５３．７０・・・・空間フィルタ、３，４９．
５４・・・・コリメータレンズ、４，６０，６５゜６７
・・・・偏光ビームスプリッタ、５，６８．７１・・・
・λ／４板、６・・・・ガルバノメータミラー、７゜８
．４２．４３・・・・瞳伝送レンズ、９・・・・ポリゴ
ンミラー、１０・・・・瞳投影レンズ、１１．１９゜２
０・・・・結像レンズ、１２．１２’・・・・対物レン
ズ、１３・・・・試料、１３′・・・・参照平面、１４
・・・・プリズム、１５・・・・アイピース、１６・・
・・コンデンサレンズ、１７・・・・ランプ、１８・・
・・瞳分割ミラー、２１．２２・・・・半導体装置検出
器、２３゜２４．２５．２６・・・・プリアンプ、２７
．２８・・・・加算器、２９．５９・・・・差動増幅器
、３０・・・・検出信号、３１・・・・サンプルホール
ド・Ａ／Ｄ変換回路、３２・・・・駆動回路、３４・・
・・画像処理コロンピユータ、３５・・・・ＣＲＴ、４１・・・・スリッ
ト、４４・・・・ピンホール、４５・・・・走査光学系
、４６．５７．５８・・・・焦点検出系、５０．５５・
・・・ビームスプリンタ、５１・・・・ミラー、６１・
・・・補償板、６２．６３・・・・信号、６４・・・・
形状信号。

Claims

【特許請求の範囲】

光源と、前記光源から発した光を試料上に集光する対物
レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され
ていて前記対物レンズに入る光の入射角度を変えること
により前記集光された光で試料上を走査する光偏向部材
と、試料面で反射した光を受けて試料面の所定の合焦位
置からのズレを検出する焦点検出光学系とを具備して成
る表面形状測定器において、光学系の収差によって生じ
る誤差を補正する手段を設けたことを特徴とする表面形
状測定器。