JPH0642163Y2 - 光学式形状測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は光学式形状測定装置に関し、光学式形状測定装
置の測定精度を向上させるものである。

〈従来の技術〉 第３図は従来の光学式形状測定装置の一例を示す構成図
である。

第３図において、レーザダイオード10より出射された光
は、コリメータレンズ11で平行光とされ、偏光ビームス
プリッタ12で反射される。反射光は、対物レンズ14を通
って、被測定物15に照射される。ここで、被測定物15の
反射面が、対物レンズ14の焦点位置にある時には、反射
光は、対物レンズ14を通過すると平行光となり、偏光ビ
ームスプリッタ12を通って、臨界角プリズム16に入射さ
れる。臨界角プリズム16は、平行光が入射した時に臨界
角（θ）となるように調整されており、平行光は全て反
射され、２分割フォトダイオード18へ入射されるため、
２分割フォトダイオード18のＡ素子、Ｂ素子とも同じ光
量を受けるので、差動増幅器20を経た後のフォーカスエ
ラー信号は０となる。

被測定物15と対物レンズ14が近すぎる場合は、対物レン
ズ14を出た光は発散光となり、臨界角プリズム16のａ点
で反射する光量が減るため、２分割フォトダイオード18
のＡ素子が受ける光量が少なくなり、フォーカスエラー
信号は負（−）となる。

一方、被測定物15と対物レンズ14が離れすぎている場合
は、臨界角プリズム16に入射する光が収束光となるの
で、２分割フォトダイオード18のＢ素子の受ける光量が
少なくなり、フォーカスエラー信号は正（＋）となる。

これら２つの場合に、フォーカスエラー信号は両極性を
とるので、図示しない制御回路に送られ、対物レンズ14
をフォーカス方向に駆動する。

このような構成においては、平行光からフォーカスエラ
ー信号を検出できる利点があり、臨界角プリズム16での
反射を数回繰り返すことにより、高い検出感度を得るこ
とができ、測定点周囲のデータを取り込むことにより、
非接触で被測定物の形状を測定することができる。

〈考案が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記従来技術に示す光学式形状測定装置
においては、フォーカスエラー信号の横分解能は、光ス
ポット径により制限され、決定されていたため、第４図
（イ）に示すような、光スポット径（図中1.6μｍ）よ
り幅の狭い被測定物15上の溝15aを測定することは不可
能であった。即ち、被測定物15上の溝15aに光スポット
を当てた場合、溝15aの両端のエッジと中央とで回折が
起こるが、上記従来技術に示した２分割フォトダイオー
ド18では、被測定物15からの反射光の光強度パターン
は、第４図（ロ）に示すようになり、±１次の回折光の
微小なズレを読み取ることができないため、横分解能を
向上させることができないという課題があった。

本考案は上記従来技術の課題を踏まえて成されたもので
あり、被測定物からの反射光の光強度パターンをアレイ
素子上で±１次回折光が微小に変位することを検出し、
演算処理することにより、光のスポット径以下の溝幅の
ような特定な形状を１μｍ以下の横分解能で測定するこ
とができ、又、被測定物の面の傾きや反射率むら等も検
出できるため、これらの測定データを用いて、フォーカ
スエラー検出光学系から得られるフォーカスエラー信号
を補正する構成とすることにより、被測定物の面の傾き
や反射率むら等の影響を排除することができ、更に横分
解能を向上させることができる光学式形状測定装置を提
供することを目的としたものである。

〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するための本考案の第１の構成は、対物
レンズをフォーカス方向に駆動し、被測定物上に光スポ
ットを集光し、その反射光の光強度パターンを測定し
て、演算処理することにより、前記被測定物の形状を測
定するようにした光学式形状測定装置において、前記被
測定物からの反射光の光強度パターンを測定するための
アレイ素子と、このアレイ素子の出力信号を加算処理す
る演算処理部と、前記被測定物からの反射光よりフォー
カスエラー信号を得るためのフォーカスエラー検出光学
系と、このフォーカスエラー検出光学系から得られたフ
ォーカスエラー信号を前記演算処理部からの演算結果に
より補正する第２の演算処理部とを設けた構成としたこ
とを特徴とするものである。

又、第２の構成は、第１の構成の光学式形状測定装置に
おいて、前記被測定物上の光スポットの拡大像を前記ア
レイ素子上に結像させるための結像光学系を設けた構成
としたことを特徴とするものである。

〈作用〉 本考案によれば、アレイ素子によって、被測定物からの
反射光を細かく分割して処理を行うことにより、溝幅の
ような特定の形状を１μｍ以下の横分解能で測定でき、
被測定物面の傾きや反射率むらなども検出できるため、
これらの信号を用いて、フォーカスエラー信号の補正を
行うことにより、それらの影響を排除でき、測定精度を
向上できる。又、結像光学系を用いて、拡大像を結像さ
せ、その強度パターンから測定することにより、光学系
の収差の影響を小さくでき、更に測定精度が向上すると
共に、得られる像がフーリエ変換像でないため、データ
処理が簡易化される。

〈実施例〉 以下、本考案を図面に基づいて説明する。

第１図は本考案の光学式形状測定装置の第１の実施例を
示す構成図である。なお、第１図において第３図と同一
要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。

第１図において、13は1/4波長板、17は被測定物15から
の反射光を２つに分岐するビームスプリッタ、19はビー
ムスプリッタ17により分岐された一方の光を受光するア
レイ素子、21はアレイ素子19の出力信号を加算処理する
演算処理部、22はビームスプリッタ17により分岐された
他方の光よりフォーカスエラー信号を得るためのフォー
カスエラー検出光学系、23はフォーカスエラー検出光学
系22から得られたフォーカスエラー信号を前記演算処理
部21からの演算結果により補正する第２の演算処理部で
ある。

このような構成において、レーザダイオード10より出射
された光は、コリメータレンズ11で平行光とされ、偏光
ビームスプリッタ12で反射される。反射光は1/4波長板1
3を通って、対物レンズ14にて集光され、被測定物15上
に照射される。照射された光は、被測定物15で反射さ
れ、対物レンズ14、1/4波長板13、偏光ビームスプリッ
タ12を通って、ビームスプリッタ17で２つに分割され
る。一方の光は、アレイ素子19に入射され、被測定物15
からの反射光の光強度パターンに応じた信号となって、
演算処理部21に送られ、加算処理後、測定データである
溝幅等の光スポット内のパターン信号が得られると共
に、その測定データは、演算処理部23に送られる。他方
の光は、フォーカスエラー検出光学系22に入射され、フ
ォーカスエラー信号となって、演算処理部23に送られ
る。演算処理部23では、演算処理部21からの測定データ
により補正され、フォーカスエラー信号となって出力さ
れる。

上記構成において、アレイ素子19上では、第４図（ロ）
に示すような±１次回折光による光強度パターンが微小
に変位することを検出し、その信号を演算処理部21にて
加算処理することにより、光のスポット径以下の溝幅も
測定する。なお、横分解能は、アレイ素子の分割数によ
って決定されるものである。又、演算処理部21の測定デ
ータを用いて、フォーカスエラー信号を補正することに
より、被測定物15の面の傾きや反射率むら等の影響を排
除できるため、更に横分解能を向上させている。

又、横分解能を上げることにより、溝幅の検出だけでは
なく、エッジの検出も可能となるため、演算処理手段と
して、エッジの明暗パターンを記憶したものと測定パタ
ーンとの相関をとることにより行っても良く、LSI等の
パターンのラインやスペースを測定することもできる。

第２図は本考案の光学式形状測定装置の第２の実施例を
示す構成図である。なお、第２図において第１図と相違
する点は、ビームスプリッタ17にて分岐された被測定物
15からの一方の反射光が、結像光学系24を通して、アレ
イ素子19に入射させるようにした点であり、第２図にお
いて第１図と同一要素には同一符号を付して重複する説
明は省略する。

ここで、第１図装置においては、光スポット径より小さ
な溝幅パターン等を測定することは可能となるが、被測
定物15の形状の測定を平行光での光強度パターンにて測
定しているため、光路中の光学要素の収差の影響を受け
易く、測定精度を悪化させる原因となり、又、アレイ素
子19上に得られる像がフーリエ変換像であるため、測定
データの処理が複雑であった。

本考案の第２の実施例は、この点を踏まえ、被測定物15
に光を集光し、その反射光を結像光学系24を通して、ア
レイ素子19上に被測定物15上の光スポットの拡大像を結
像させ、その光強度パターンにより被測定物15の形状を
測定している。又、その測定結果により、フォーカスエ
ラー信号の補正を行うようにしている。したがって、光
路上の光学要素の収差の影響を小さくできるため、より
高精度の形状測定が可能となると共に、得られる像がフ
ーリエ変換像でないため、測定データ処理を簡易化でき
る。

〈考案の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように、本考案に
よれば、被測定物からの反射光の光強度パターンをアレ
イ素子上で±１次回折光が微小に変位することを検出し
て、演算処理する構成としている。その結果、光のスポ
ット径以下の溝幅のような特定な形状を１μｍ以下の横
分解能で測定することができる。又、被測定物の面の傾
きや反射率むら等も検出できるため、これらの測定デー
タを用いて、フォーカスエラー検出光学系から得られる
フォーカスエラー信号を補正する構成とすることによ
り、被測定物の面の傾きや反射率むら等の影響を排除す
ることができ、更に横分解能を向上させることができる
ため、高精度な形状測定が可能になる。又、被測定物の
形状の測定を平行光の状態での光強度パターンを測定す
るのではなく、結像光学系を用い、被測定物上の光スポ
ットの拡大像を結像させ、その光強度パターンから測定
するようにしたことにより、光路上の光学要素の収差の
影響を小さくできるため、より高精度な形状測定を可能
にすると共に、得られる像がフーリエ変換像でないた
め、測定データの処理を簡易化できるなどの効果を有す
る光学式形状測定装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の光学式形状測定装置の第１の実施例を
示す構成図、第２図は本考案の光学式形状測定装置の第
２の実施例を示す構成図、第３図は従来例を示す構成
図、第４図は溝による光の回折及び２分割フォトダイオ
ード上での回折光の状態を示す図である。 10……レーザダイオード、11……コリメータレンズ、12
……偏光ビームスプリッタ、13……1/4波長板、14……
対物レンズ、15……被測定物、17……ビームスプリッ
タ、19……アレイ素子、21,23……演算処理部、22……
フォーカスエラー検出光学系、24……結像光学系。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】対物レンズをフォーカス方向に駆動し、被
   測定物上に光スポットを集光し、その反射光の光強度パ
   ターンを測定して、演算処理することにより、前記被測
   定物の形状を測定するようにした光学式形状測定装置に
   おいて、 前記被測定物からの反射光の光強度パターンを測定する
   ためのアレイ素子と、このアレイ素子の出力信号を加算
   処理する演算処理部と、前記被測定物からの反射光より
   フォーカスエラー信号を得るためのフォーカスエラー検
   出光学系と、このフォーカスエラー検出光学系から得ら
   れたフォーカスエラー信号を前記演算処理部からの演算
   結果により補正する第２の演算処理部とを設けた構成と
   したことを特徴とする光学式形状測定装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の光学式形状測定装置におい
   て、前記被測定物上の光スポットの拡大像を前記アレイ
   素子上に結像させるための結像光学系を設けた構成とし
   たことを特徴とする光学式形状測定装置。