JPH063372B2 - 表面粗さ測定装置 - Google Patents

表面粗さ測定装置

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JPH063372B2
JPH063372B2 JP7384187A JP7384187A JPH063372B2 JP H063372 B2 JPH063372 B2 JP H063372B2 JP 7384187 A JP7384187 A JP 7384187A JP 7384187 A JP7384187 A JP 7384187A JP H063372 B2 JPH063372 B2 JP H063372B2
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正明 安達
康秀 中井
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は超精密加工面などの被測定面を走査してその
表面粗さを測定するための装置に関する。
(従来の技術とその問題点) 磁気ディスクや光ディスク、それに半導体ウエハなどに
おいては、その表面を超精密加工するとともに、加工後
の表面粗さを高精度で測定しておく必要がある。このよ
うな表面粗さの測定においては、通常、機械的な触針式
の粗さ計が用いられるが、被測定面が軟かい場合には測
定によって被測定面に傷が付いてしまうため、非接触式
の表面粗さ測定装置を使用することが望ましい。この種
の非接触式表面粗さ測定装置として代表的なものは光学
式の装置であるが、そのうちでミロー型干渉機構を利用
した装置の例を第9図に示す。同図において、光源1か
ら与えられた光Lはハーフミラー2で反射され、集光レ
ンズ3によって集光されて、ミロー型干渉機構4に到達
する。このミロー型干渉機構4は、透明板5の一部に遮
光部6を設け、さらに、この透明板5に平行にビームス
プリッタ(ハーフミラー)7を配設して形成されてい
る。
そして、このミロー型反射機構4に入射した光のうちの
一部はそのまま図の下方へと進み、被測定物8の被測定
面9で反射されて反射光LSとなる。この反射光LSは
ミロー型反射機構4を逆向き(上向き)に通って集光レ
ンズ3に到達する。
一方、集光レンズ3から透明板5を経てビームスプリッ
タ7に到達した光の残りの部分は、このビームスプリッ
タ7の表面で反射された後、透明板5の表面(参照面1
0)でも反射されて反射光LRとなる。そして、さらに
ビームスプリッタ7で反射された後に透明板5を透過
し、集光レンズ3に向かって進行する。
このため、集光レンズ3を通して図の上方に向う光I
は、被測定面9で反射した光LSと参照面10で反射さ
れた光LRとの干渉光となる。そして、これらの2種類
の反射光LS,LRの光路差は、ビームスプリッタ7
と参照面10との間の往復に要する光学距離と、ビー
ムスプリッタ7と被測定面9との間の往復に要する光学
距離との差となっている。したがって、これらの光学距
離をそれぞれDR,DSと書くと、(DR−DS)の値
と、照射光Lの波長λとの関係によって定まる位相差δ
が2つの反射光LR,LSの間に生じ、その位相差δに
応じて干渉光Iの強度が変化する。このため、干渉光I
の強度を光センサ11で検出すれば、ビームスプリッタ
7と被測定面9との間の距離、したがって被測定面9の
うち光照射を行なっている部分の高さがわかる。そし
て、被測定物8を図の水平方向に並進移動させ、それに
よって被測定面9の全体を走査することによって、被測
定面9の粗さが測定される。
より定量的には被測定面9のz方向の高さを、面内位置
を示す(x,y)座標を変数としてh(x,y)のよう
に書いたとき、被測定面9からの反射光LSの波面は、 Wt(x,y)=a exp[i2kh(x,y)]…(1) と書ける。ただし、aは振幅であり、kは照射光Lの波
数(=2π/λ)、λは照射光Lの波長である。また、
参照面10からの反射光LRの波面は、 Wr(x,y)=b exp(ikδ)…(2) と書ける。ただし、bは振幅であり、δは参照面10で
の反射による位相変化量である。
このため、光センサ11で検出される干渉光Iの強度
は、 I(x,y,δ) =|Wt(x,y)+Wr(x,y)|2 =α+β cos[k{2h(x,y)−δ}]…(3) となる。ここで、 α≡a2+b2,β≡2ab…(4) である。
(3)式によって、高さh(x,y)が変化した場合に
は、干渉光Iの強度I(x,y,δ)は第10図のよう
に変化することがわかる。このため、干渉光Iの最大
値: Max=(a+b)2…(5) と、最小値: Min=(a−b)2…(6) それに、これらの差(強度幅): U=4ab…(7) を定義すると、(3)式をh(x,y)について解くこと
により、 h(x,y)=(1/2)cos−1(M/U)…(8) M=2I(x,y,δ)−(Max+Min)…(9) と書けるため、Max,Min,Uを知った上で強度I
(x,y,δ)を検出すれば、被測定面9の高さh
(x,y)の分布(したがって表面粗さ)を知ることが
できる。ただし、参照面10は平滑であり、δ≒0であ
るとした。
ところが、(3)式は余弦関数を含んでいるために高さh
(x,y)の変化に対して周期(λ/2)を有する周期
関数となっている。したがって、被測定面9の傾斜や曲
がりなどのよって高さh(x,y)が(λ/4)以上の
変動幅を持っていると第10図の山点maxや谷点minが
必然的にこの変動幅の中に入ってしまう。そして、これ
らの山点maxや谷点inの付近では高さh(x,y)に対
する強度I(x,y,δ)の変化率が小さいため、この
ような場合には測定精度が低下してしまうという問題が
あった。
(発明の目的) この発明は従来技術における上述の問題の克服を意図し
ており、高さの変動幅が大きな被測定面などについても
高精度で表面粗さ測定を行なうことのできる表面粗さ測
定装置を提供することを目的とする。
(目的を達成するための手段) この発明は、被測定面と所定の参照面とに測定光を照射
して、前記被測定面からの第1の反射光と前記参照面か
らの第2の反射光とを干渉させ、前記被測定面を走査し
つつこの干渉光の強度を光センサで検出してゆくことに
よって前記被測定面の表面粗さを測定する表面粗さ測定
装置であって、上記目的を達成するため、前記被測定面
のうち、その時点において前記光センサで検出を行なっ
ている被検出領域の近傍領域からの反射光と前記参照面
からの反射光との光路差を求め、前記近傍領域と前記参
照面との光学的位置関係を検出する光学的位置関係検出
手段と、前記被測定面と前記参照面とを相対的に移動さ
せて、前記被測定面と前記参照面との光学的位置関係を
調整する移動機構と、前記光学的位置関係検出手段から
出力される前記光路差に基づいて、第1と第2の反射光
の位相差がπ/2の奇数倍付近の所定範囲内の値となる
ように、前記移動機構を制御して前記被測定面と前記参
照面とを調整量だけ相対的に移動させ、前記被測定面と
前記参照面との光学的位置関係を調整制御する光学的位
置関係調整制御手段と、前記光センサによる検出結果に
前記光学的位置関係調整制御手段による前記調整量を加
え、前記検出結果を補正する補正手段とを備え、前記調
整制御を行ないつつ前記走査と前記検出とを行ない、前
記検出結果に前記補正を施して前記被測定面の表面粗さ
を測定するようにしている。
(実施例) A.実施例の構成 第1図は、この発明の一実施例である表面粗さ測定装置
100を示す図である。この装置100は、被測定物8
を支持・移動させるための支持機構20と、後述する光
学系や検出系を含んだセンサヘッド30とを備えてい
る。このうち、支持機構20は、固定台12上を図のx
方向に移動する電動スライドテーブル22を有してお
り、この電動スライドテーブル22は、リニアアクチュ
エータ23の駆動力によって上記移動を行なう。
電動スライドテーブル22上には、3個のPZT24a
〜24cがほぼ正三角形状に固定配置されており、この
PZT24a〜24c上にサンプル台25が取付けられ
ている。被測定物(サンプル)8はこのサンプル台25
上に載置されている。PZT24a〜24cはPZTコ
ントローラ52から与えられるPZT制御信号Vによっ
て図のZ方向に個別に伸縮する。その結果、サンプル台
25(したがって被測定物8の被測定面9)は、その面
の姿勢と法線方向nについての位置(図示例ではz方向
の高さ)とが可変となっている。
一方、センサヘッド30は、中空円筒状のセンサ筒45
の下端に、集光レンズ31とミロー型干渉機構32とを
備えている。ただし、この実施例では、第2図に示すよ
うに、集光レンズ31として、その下面が平坦なレンズ
(ミロ型対物レンズ)を使用し、この平坦面を参照面3
3として使用する。また、この参照面33の中心部付近
には遮光層61が埋込まれている。さらに、ハーフミラ
ー34は第9図のビームスプリッタ7と同様の機能を果
する。
集光レンズ31の上方には、第1図の単色光源35から
の光を部分反射するハーフミラー36が設けられてお
り、さらにこのハーフミラー36の上方には遮光部37
が設けられている。この遮光部37の中心には所定のサ
イズ(たとえば直径10μm)のピンホール38が穿設
されており、このピンホール38の上方には光電子増倍
管39が位置決めされている。また、遮光板37の下面
には、上記ピンホール38を中心とした同心円上に3個
のシリコンフォトディテクタ40a〜40cはほぼ等角
度間隔で固定されている。これらのフォトディテクタ4
0a〜40cは比較的大きなセンサ面を有しているとと
もに、上記光電子増倍管39のセンサ面に対して固定的
な位置関係を有している。
後述する説明から明らかとなるように、以上の光学的構
成のうち、ミロー型干渉機構32,ピンホール38およ
び光電子増倍管39によって、被測定面9のうちその時
点において光照射している領域A(第3図)の中心に存
在する被検出領域Pと光電子増倍管39の受光面(セン
サ面)との間の光学的位置関係(光学的距離)を検出す
る検出光学系が形成される。また、ミロー型干渉機構3
2およびフォトディテクタ40a〜40cによって、第
3図の被検出領域Pを囲む3個の近傍領域Ra〜Rcと
参照面33との光学的位置関係の検出光学系が形成され
る。
次に、信号処理系統について説明する。この装置100
の信号処理系統は2系統に大別されており、そのうちの
ひとつは検出データから表面粗さを演算して求める系統
である。この系統は、光電子増倍管39とフォトディテ
クタ40a〜40cのそれぞれの検出出力(干渉信号)
Sp,sa〜Scを取込んで、これらに対して後述する
演算を行ない、表面粗さを求めるコンピュータ50と、
測定結果をプロットするプロッタ65とによって形成さ
れている。
一方、他の信号処置系統は、走査制御とPZT24a〜
24cの伸縮制御とを行なうためのものである。この系
統では、フォトディテクタ40a〜40cの検出出力
(干渉信号)Sa〜Scを取込んでPZTコントローラ
52に駆動制御信号を出力する。この実施例では上記コ
ンピュータ50によってこの機能を実現させている。ま
た、コンピュータ50から走査移動のための走査制御信
号をリニアアクチュエータ電源回路53に出力する。
B.実施例の動作 次に、この装置100の動作を、実施例の特徴部を中心
にして説明する。
まず、光源35からの光Lによって被測定面9上の光照
射領域Aと参照面33とを照射し、それによって生ずる
2種類の反射光LS,LR(第3図)から干渉光Iを得
るまでの光学的原理は従来例と同様である。ただし、そ
の時点で凹凸を検出しようとしている被検査領域Pより
も大きな領域を光照射領域Aとしている。
干渉光Iのうち、被検査領域Pからの反射光LSを含む
光は、ピンホール38を通って光電子増倍管39に与え
られ、この光電子増倍管39においてその強度に応じた
光電変換信号(干渉信号)Spに変換される。また、干
渉光Iのうち、第3図の近傍領域Ra〜Rcのそれぞれ
からの反射光を含む光はそれぞれフォトディテクタ40
a〜40cによって検出されて光電変換される。
これらのうち、フォトディテクタ40a〜40cの受光
面はピンホール38の断面積と比較してある程度大きな
面積とされているため、フォトディテクタ40a〜40
cのそれぞれの光電変換信号(干渉信号)Sa〜S
cは、近傍領域Ra〜Rcのそれぞれの内部の凹凸を平
均化した高さを反映した信号となっている。つまり、第
4図のような凹凸を持った被測定面9の場合には、近傍
領域Ra〜Rcのそれぞれの平均高さHa〜Hc(Hc
は図示省略。)を反映した干渉信号Sa〜Scが得られ
ることになる。
このような光学系および検出系の配置によって干渉信号
Sp,Sa〜Scが得られるが、実際の粗さ測定を開始
する前に、まず、コンピュータ50からPZTコントロ
ーラ52にPZT制御信号Vを与えて、PZT24a〜
24cを、光Lの波長λ程度の範囲で一度伸長させる。
このとき、コンピュータ50は干渉信号Sa〜Scを取
込みつつ上記伸長制御を行なっている。それによってP
ZT24a〜24cの長さ変化(したがって被測定面9
の全体的な上下変化)に対する干渉信号Si(i=p,a〜
c)の変化を観察する。
第5図に例示するように、この変化は正弦波状となる。
そして、このプロセスを通じて干渉信号の最大値Simax
および最小値Simin(i=p,a〜c)を求める。
ただし、この第5図において、Di(i=p,a〜c)
は、各領域P,Ra〜Rcで反射される光と、参照面3
3で反射される光との光路差であり、δi(i=p,a〜
c)はこれらの光路差Diに対応する位相差である。
その後、近傍領域Ra〜Rcについての各干渉信号Sa
〜Scがそれぞれの最大値と最小値との平均値Sa0,
Sb0,Sc0となる位置までPZT24a〜24cを
伸縮しておく。
これらのルーチンは第6図に例示されているが、そのう
ち、干渉信号Sa〜Scがその平均値(中央値)となる
ようにPZT24a〜24cを位置決めするステップに
おいては、上記平均値Sa0,Sb0,Sc0とその時
点における干渉信号Sa,Sb,Scとのそれぞれの偏
差をΔa,Δb,Δcとして、PZT24aについて
は、 Δa0=(Δa+Δb+Δc)/3 +ρ(Δb+Δc−2Δa)…(10) を偏差パラメータとし、この偏差パラメータΔa0がゼ
ロまたはその近傍の値となるように、PZT24aを駆
動する。他のPZT24a,24cについては(10)式内
の添字a,b,cを循環的に変えたものを使用する。また、
ρはあらかじめ設定しておいた傾斜補正係数である。
このようにすることによって、被測定面9は、第5図の
点Qに相当する高さに調整される。このようにするの
は、点Qにおいては、被測定面9の高さ変化に対する干
渉信号Siの変化率(第5図のグラフの微分係数)が最
も大きくなっており、測定精度が最大となるためであ
る。もっとも、一般には、位相差δiが(π/2)の奇
数倍となっている点(第5図中、白丸で示す。)をQと
すればよく、上記のものに限定されない。以下、これら
のすべてを総称して点Qと呼ぶことにする。
なお、これらの点Qは、上述した光路差Diが、光Lの
波長λの1/4の奇数倍となっているような場合に相当す
るが、点Qの近傍(たとえば干渉信号の振幅の±0.2
倍程度)に相当する位相差(光路差)としても、上記変
化率としてかなりの値が得られる。
このようにして、PZT24a〜24cは最も高い感度
を持った位相差に相当する高さに調整され、被測定面9
と参照面33とは光学的に平行とされる。ただし、「光
学的に平行」とは、それぞれ反射された光を干渉させた
ときに、光束の断面の各部分の位相が1波長内で同一と
なっていることを言うものとする。したがって、後述す
る変形例(第8図)のように、被測定面9と参照面33
とが幾何学的には非平行であってもよい。
次に、実際の粗さ測定処理について説明する。なお、以
下の処理は、第7図のフローチヤートにも示されてい
る。まず、第1図のリニアアクチュエータ23を駆動し
て電動テーブル22をx方向に順次移動させ、それによ
って光走査を開始する。そして、干渉信号Sa〜Scを
コンピュータ60が取込み、それらの平均値: S=(Sa+Sb+Sc)/3…(17) を算出する。
一方、第6図のルーチンで求めた最大値Simaxおよ
び最小値Siminによって、振幅: Bi=(Simax−Simin)/2(i=a〜c)
…(18) があらかじめ求められており、これらの振幅Bi以下の
値を持つ正のしきい値STHが設定されている。
次に、干渉信号Sa〜Scが、それらの中央値Sa0〜
Sc0に対して、 (Si0−STH)≦Si≦(Si0+STH)…(20) (i=a〜c)となっているかどうか、つまり、位相差
が第5図の点Q付近の所定範囲G内の値になっているか
どうかを判断する。そして、(20)式が満たされていない
ときには、PZTコントローラ52にPZT制御信号V
を出力し、(19)式の条件が満されるまでPZT24a〜
24cを伸縮させて参照面33との間の位置関係を調整
する。また、このような伸縮によって生じた被測定面9
全体の高さ変化量(換言すれば、被測定面9と参照面3
3との光学的位置関係調整量)d(t)も求めておく。た
だし、tは時間パラメータであり、上記高さ変化量d
(t)が走査の進行に伴って変化するために、このような
パラメータ表示がなされている。
具体的には、PZT制御信号Vに含まれる各PZT24
a〜24cの制御量Va(t)〜Vc(t)の平均値を(21)式
のように積分することによって、上記高さ変化量d(t)
が求められている。ただし、(21)式中のgは定数であ
る。
Vs(t)= [Va(t)+Vb(t)+Vc(t)]/3…(22) したがって、第7図中に破線で囲んだ部分は、被測定面
9と参照面33との光学的位置関係を調整制御するとと
もに、その調整による被測定面9の位置変化量を求めて
おくルーチンとなっている。
このような処理の後、コンピュータ50は改めて干渉信
号Sp,Sa〜Scを取込み、光路差Di(i=p,a〜
c)を、次の(23)〜(25)式に基いて演算して求める。
Di=(λ/2π)sin−1(K1i/K2i)…(23) K1i≡2Si−(Simax+simin)…(24) K2i≡Simax−Simin…(25) (i=p,a〜c) 上記(23)〜(25)式が、干渉信号の値から光路差を求める
式になっていることは、(23)〜(25)式をSiについて解
いて、 Si=[(Simax−Simin)sin(2πDi/
λ) +(Simax+Simin)]/2…(26) とすることによって容易に理解できる。このうち、 (Simax−Simin)/2(=Bi) は振幅であり、 (Simax+Simin)/2 は原点移動量である。
次に、このようにして求まった光路差Di(i=p,a〜c)
のうち、近傍領域Ra〜Rcに対応する光路差Da〜D
cを平均化して、平均光路差Dを(16)式のように求め
る。
D≡(Da+Db+Dc)/3…(27) そして、この平均光路差Dを用いて、被検出領域Pにつ
いての見かけの凹凸量Zpを、 Zp=(Dp−D)/2…(28) のように求める。ただし、(28)式の右辺における除算
は、被測定面9の凹凸変化量の2倍が光路差変化量とな
ることを考慮して入れられている。
この式からわかるように、見かけの凹凸量Zpは、被検
出領域Pと近傍領域Ra〜Rcとの間の相対的凹凸関係
を表現する値を持っている。つまり、光路差Da〜Dc
は各近傍領域Ra〜Rcの平均高さHa〜Hcを反映し
た値となっているが、それらを平均化して光照射領域A
全体としての平均高さを求め、それを基準として光検出
領域Pの高さを見ていることになる。
このため、次のステップでは、見かけの凹凸量Zpに、
被測定面9全体の上下位置変化量d(t)を加えて、(29)
式のような補正を行なう。
H=Zp+d(t)…(29) こうして求まった真の凹凸量Hは、たとえばプロッタ6
5に出力されて記録紙上に記録される。走査によって以
上の処理を被測定面9の各位置について行なうことによ
り、被測定面の粗さが測定される。
以上の処理によって、近傍領域Ra〜Rcで反射された
光と参照面33で反射された光との位相差は、常に第5
図の所定範囲G(つまり高感度域)の中の値に維持され
る。そして、近傍領域Ra〜Rcの高さを基準とした被
検出領域Pの高さはあまり大きくないため、被検出領域
Pで反射された光と参照面33で反射された光との位相
差も、ほぼ上記範囲G内の値となる。その結果、被測定
面6全体にうねりや傾斜があっても、高感度の表面粗さ
測定が行なわれることになる。
D.変形例 上記実施例ではミロー干渉機構を用いているが、第8図
のようにトワイマングリーン干渉機構を利用した装置に
おいて、基準板80の反射表面としての参照面81の法
線方向nの位置や姿勢を、基準板支持部83と固定面8
4との間に介挿させたPZT82a〜82cで変化させ
て、参照面81の光学的位置を調整制御してもよい。た
だし第8図において、参照面81への光は、ハーフミラ
ー87と対物レンズ85とを介して与えられる。また、
被測定面9への光は集光レンズ86を介して与えられて
いる。
もちろん、参照面と被測定面との双方の位置や姿勢を変
え得るように双方を可変支持機構で支持して、双方の光
学的位置を調整してもよい。
さらに、上記実施例では3つの近傍領域Ra〜Rcにつ
いての検出結果を用いているが、検出する近傍領域の数
を限定するものではなく、いくつであってもよい。もっ
とも、被測定面上にある程度の領域について、その空間
的な位置・姿勢を正確に知るためには、3つ以上の近傍
領域を設定することが望ましい。また、方向による誤差
を減少させるためには、上記実施例のように被検出領域
Pを等角度で取り囲むように近傍領域を設定することが
好ましい。
被測定面を移動させることによって走査を行なう場合の
みでなく、センサヘッド側を移動させる場合などにもこ
の発明は適用できる。
(発明の効果) 以上説明したように、この発明によれば、常に干渉光の
高感度域で被測定面の凹凸が検出され、さらに、このよ
うな高感度域での検出を行なうための被測定面と参照面
との光学的位置関係の調整量による補正もなされている
ため、高さの変動幅が大きな被測定面についても高精度
の粗さ測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、実施例の概略構成を示す図、 第2図は、実施例におけるセンサヘッドの内部構成を示
す図、 第3図ないし第5図は、実施例の動作説明図、第6図お
よび第7図は、実施例の動作を示すフローチヤート、 第8図は、この発明の変形例を示す図、 第9図は、従来装置の配置図、 第10図は、従来装置の動作原理図である。 8…被測定物、9…被測定面、 24a〜24c,82a〜82c…PZT, 31…集光レンズ、32…ミロー型干渉機構、 33,81…参照面、35…光源、 37…遮光板、38…ピンホール、 39…光電子増倍管、 40a〜40c…フォトディテクタ、 P…被検出領域、Ra〜Rc…近傍領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被測定面と所定の参照面とに測定光を照射
    して、前記被測定面からの第1の反射光と前記参照面か
    らの第2の反射光とを干渉させ、前記被測定面を走査し
    つつこの干渉光の強度を光センサで検出してゆくことに
    よって前記被測定面の表面粗さを測定する表面粗さ測定
    装置であって、 前記被測定面のうち、その時点において前記光センサで
    検出を行なっている被検出領域の近傍領域からの反射光
    と前記参照面からの反射光との光路差を求め、前記近傍
    領域と前記参照面との光学的位置関係を検出する光学的
    位置関係検出手段と、 前記被測定面と前記参照面とを相対的に移動させて、前
    記被測定面と前記参照面との光学的位置関係を調整する
    移動機構と、 前記光学的位置関係検出手段から出力される前記光路差
    に基づいて、第1と第2の反射光の位相差がπ/2の奇
    数倍付近の所定範囲内の値となるように、前記移動機構
    を制御して前記被測定面と前記参照面とを調整量だけ相
    対的に移動させ、前記被測定面と前記参照面との光学的
    位置関係を調整制御する光学的位置関係調整制御手段
    と、 前記光センサによる検出結果に前記光学的位置関係調整
    制御手段による前記調整量を加え、前記検出結果を補正
    する補正手段とを備え、 前記調整制御を行ないつつ前記走査と前記検出とを行な
    い、前記検出結果に前記補正を施して前記被測定面の表
    面粗さを測定することを特徴とする表面粗さ測定装置。
JP7384187A 1987-03-26 1987-03-26 表面粗さ測定装置 Expired - Fee Related JPH063372B2 (ja)

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