JP4904844B2

JP4904844B2 - 超精密形状測定方法

Info

Publication number: JP4904844B2
Application number: JP2006042547A
Authority: JP
Inventors: 和人山内; 秀和三村
Original assignee: JTEC Corp
Current assignee: JTEC Corp
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2026-02-20
Also published as: US20090135431A1; WO2007097244A1; JP2007218852A; EP1925907A1; US7616324B2; EP1925907B1; EP1925907A4

Description

本発明は、超精密形状測定方法に係わり、更に詳しくは例えば放射光施設で用いられる硬Ｘ線、軟Ｘ線を集光させるため平面ミラーあるいは平面に近い形状の球面ミラーや非球面ミラーを超精密に測定することが可能な超精密形状測定方法に関する。

ナノメートルの精度でミラー形状を測定する方法としては、ミラー表面上において、一定間隔で法線ベクトルを測定し、そのデータを積分することで、形状データを求める方法（Long Trace Profiler）と、干渉計を用いた方法が一般的に用いられている。前者の法線ベクトルを測定する方法（特許文献１参照）は、被測定物の表面上の多数の点で法線ベクトルを測定し、その点の位置と基準線に対する傾き角度を算出し、隣接する測定点間を補間する方法で形状を出している。従って、高精度に形状を測定するには、測定点の間隔を狭める必要があり、広い面積を測定するには測定点の数が膨大になって、測定時間が長くなるといった問題を有している。また、後者の干渉計による計測（特許文献２参照）では、測定開口の大きさが、限られているため、測定開口よりも大きな形状を計測する場合、ミラーステージ台のＸＹステージを用いて、各測定を隣会う領域と重ねながら測定を行い、測定終了後に、重ね合わせ領域における重ね合わせ誤差が最小となるように各データを結合し、全体形状を求める方法が用いられている。

重ね合わせ領域を用いる方法では、測定データの確からしさは、つなぎ合わせ時の角度の正確性により決定される。干渉計での計測では、ヌルフリンジ状態での計測では、ナノメートルを切る測定精度での計測が可能である。干渉計で用いられている参照面では、あらかじめ３面合わせ方などにより、形状が１ｎｍ以下の精度で知ることが可能な平面参照面が用いられている。しかし、ヌルフリンジの状態での計測が不可能な形状である場合、計測データ内にフリンジに相当する計測誤差が発生する。その誤差の影響により、つなぎ合わせ時の各データ間のつなぎ合わせ角度を正確に算出することが不可能である。その誤差は、つなぎ合わせるたびに積分されるため、全体形状を求める際に大きく影響する。

そのため、干渉計によるつなぎ合わせ計測の場合、正しいスティッチング角度を求めることが要求される。そこで、特許文献３では、各データの計測時において、別途高精度に測定されたミラー姿勢の角度を計測し、それを用いて各データを結合する方法が用いられている。つなぎ合わせによる計測の場合、干渉計の参照面と試料ステージの関係を維持する必要がある。従って、特許文献３の方法では、環境温度の安定性と、角度の計測精度が形状精度の鍵を握っている。ここで、特許文献３記載の測定方法は、液晶表示パネル用のガラス基板のような大面積を有する表面形状をサブミクロンオーダーで測定するのに適しているが、ナノ若しくはサブナノオーダーの精度で形状を超精密に測定する用途には不向きである。現在最高の市販のリニアエンコーダーでも、絶対精度は、５×１０^-8rad程度である。計測データ全体にわたってナノメートルの精度を達成するためには、より高精度につなぎ合わせ角度を求める必要がある。

本発明者らは、非特許文献１にてＸ線ミラーの形状を全空間波長領域でＰＶ値：１ｎｍ以下の測定再現性をもって高精度に計測するシステムを既に提案している。その測定原理は、高い空間分解能が期待できるマイケルソン型顕微干渉計を用いたスティッチングによる形状計測を基本とし、スティッチング誤差を中長周期の空間波長領域における高精度計測が可能なフィゾー型干渉計のデータを用いて補正するものである。このスティッチングでは、隣り合う領域の形状計測データの中で共通に計測されている重なり領域の一致度を利用して、隣り合う計測データの傾きを最適に補正するのであるが、その際、参照面のわずかな形状誤差及びフォーカス距離の違いによる影響などから生じるわずか０．１ｎｍレベルの形状誤差であっても、スティッチング後の全体形状における長周期成分の誤差が生じることになる。そこで、非特許文献１に記載された計測システムでは、各1ショットの形状測定データに含まれる測定誤差により、隣り合う形状データをつなぎ合わせる際に生じる角度誤差のばらつきを１×１０^-7rad以下に抑えることができるように、マイケルソン型顕微干渉計のフォーカス距離の誤差を０．３μｍ以内に抑制するとともに、重なり領域の評価区間を最適化することにより、フィゾー型干渉計による最適な補正方法を確立し、二つの測定器の性能が最大限に発揮されるようにしたのである。

非特許文献１に記載された計測システムを用いて形状計測を行い、数値制御ＰＣＶＭ（Plasma chemical vaporization machining）及びＥＥＭ（Elastic emission machining）により平面ミラー及び楕円ミラーを作製した。既に、SPring-8の１ｋｍビームラインの波長０．０６ｎｍのＸ線を用いて平面ミラーを評価した結果、反射Ｘ線ビームにおいて十分均一な反射強度分布を持つことを確認した。また、楕円形状の集光ミラーは、同ビームラインにおいて、回折限界集光の性能を確認した。この時、設計および計測された集光ビームの強度プロファイルの半値幅は１８０ｎｍであり、このプロファイルは表面形状プロファイルを考慮に入れたフレネルキルヒホッフ回折積分計算から予想されたプロファイルと同等であることも確かめている。

ところで、より小さな集光ビームを実現するためには、入射角度が大きく、より急峻な形状、すなわち開口数の大きな楕円ミラーを設計し作製する必要がある。回折限界での集光において強度プロファイルの半値幅が約３０ｎｍの性能を持つ集光ミラーの楕円形状を設計したが、この曲面形状をフィゾー型干渉計で一括して計測することはできない。フィゾー型干渉計では、参照面表面と被測定物表面間の角度が１×１０^-4radを超えると、フリンジパターンが高密度となり、表面プロファイルデータが取得できないのである。非特許文献１で提案された測定方法は、被測定物表面の測定対象領域の全体をフィゾー型干渉計で一括計測できることを前提としているので、フィゾー型干渉計の参照面と被測定物表面間の角度が１×１０^-4radを超えるような部分を有するより急峻な形状を有する被測定物の全面を測定することができない。
特許第３５９８９８３号公報特許第２５３１５９６号公報特許第３５６２３３８号公報山内和人，山村和也，三村秀和，佐野泰久，久保田章亀，関戸康裕，上野一匡，Alexei Souvorov，玉作賢治，矢橋牧名，石川哲也，森勇藏：高精度Ｘ線ミラーのための干渉計を利用した形状計測システムの開発，精密工学会誌，６９（２００３）８５６．

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、放射光施設で用いられる硬Ｘ線、軟Ｘ線を集光させるため平面ミラーあるいは平面に近い形状の曲面ミラーを、ナノ若しくはサブナノオーダーの精度で超精密に測定することが可能であり、特に一方向に長い領域における楕円形状や円筒形状で１×１０^-4radを超えるような傾斜部分を有する急峻な形状の被測定物の測定に適した超精密形状測定方法を提供する。

第１発明は、前述の課題解決のために、マイケルソン型顕微干渉計を用いて、被測定曲面よりも狭い領域の顕微測定データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、フィゾー型干渉計による全体形状データを用いて、隣接する顕微測定データの重合領域の一致度を利用して隣接する顕微測定データ間の傾きを最適に補正してスティッチングすることにより全体形状を測定する超精密形状測定方法であって、フィゾー型干渉計による全体形状計測において、被測定曲面と形状データが既知の基準平面をフィゾー型干渉計で同時に計測し、フィゾー型干渉計の参照面に対して被測定曲面と基準平面を同時に順次傾けて、被測定曲面よりも狭い領域の部分形状データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、隣接する部分形状データ間の相対角度を基準平面の傾け角として計測し、隣接する部分形状データを前記傾け角と重合領域の一致度を利用してスティッチングすることを特徴とする超精密形状測定方法を構成した（請求項１）。

ここで、前記被測定曲面が曲面ミラー、基準平面が平面ミラーであり、曲面ミラーと平面ミラーとをフィゾー型干渉計の参照面に対して略平行に並べるとともに、曲面ミラーを下段傾斜ステージ上に直接設置し、平面ミラーを下段傾斜ステージ上に設けた上段傾斜ステージ上に設置し、前記下段傾斜ステージを操作して曲面ミラーと平面ミラーを共に順方向に順次傾けてフィゾー型干渉計による曲面ミラーの形状計測を行うとともに、平面ミラーの傾け角を計測し、前記平面ミラーの前記参照面に対する傾斜角度がフィゾー型干渉計による形状計測限界角度になる前に前記上段傾斜ステージを操作して該平面ミラーのみを逆方向に傾け、その後のフィゾー型干渉計による形状計測を可能な状態を維持することが好ましい（請求項２）。

また、前記被測定曲面が曲面ミラーであり、前記基準平面が該曲面ミラーの一部に形成されたものであり、基準平面付きの曲面ミラーを、傾斜ステージ上に設置してフィゾー型干渉計の参照面に対して略平行に配置し、前記傾斜ステージを操作して曲面ミラーを順次傾けてフィゾー型干渉計による曲面ミラーの形状計測を行うとともに、基準平面の傾け角を計測することも好ましい（請求項３）。この場合、前記曲面ミラーの被測定曲面と基準平面とのなす最大角度が、前記フィゾー型干渉計による形状計測限界角度の２倍以内であることが必要である（請求項４）。

また、第２発明は、前述の課題解決のために、マイケルソン型顕微干渉計を用いて、被測定曲面よりも狭い領域の顕微測定データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得すると同時に、フィゾー型干渉計によって各顕微測定データの傾け角を直接的又は間接的に計測して取得し、隣接する顕微測定データを前記傾け角と重合領域の一致度を利用してスティッチングすることにより全体形状を測定する超精密形状測定方法であって、マイケルソン型顕微干渉計に固定した姿勢計測用平面ミラーと、それと略平行に配した形状データが既知の基準平面とをフィゾー型干渉計で同時に計測して、両干渉計間の相対姿勢と、フィゾー型干渉計の参照面に対する基準平面の傾け角を正確に計測するとともに、前記基準平面に対して相対位置と角度が正確に規定された被測定曲面をマイケルソン型顕微干渉計で計測し、フィゾー型干渉計の参照面に対して被測定曲面と基準平面を同時に順次傾けて計測を繰り返すことにより、それぞれ傾け角が計測された顕微測定データを複数取得することを特徴とする超精密形状測定方法を構成した（請求項５）。

ここで、前記被測定曲面が曲面ミラー、基準平面が平面ミラーであり、曲面ミラーを下段回転ステージ上に直接設置し、平面ミラーを下段回転ステージ上に設けた上段回転ステージ上に設置し、前記下段回転ステージを操作して曲面ミラーと平面ミラーを共に順方向に順次傾けてフィゾー型干渉計によって平面ミラーの傾け角を計測するとともに、曲面ミラーをマイケルソン型顕微干渉計で計測して顕微測定データを取得し、前記平面ミラーの前記参照面に対する傾斜角度がフィゾー型干渉計による形状計測限界角度になる前に前記上段回転ステージを操作して該平面ミラーのみを逆方向に傾け、その後のフィゾー型干渉計による平面ミラーの傾け角の計測を可能な状態を維持することが好ましい（請求項６）。

大型のフィゾー型干渉計を用いることで、被測定物が平面ミラーであれば、フィゾー型干渉計の参照面を基準とした、平面ミラーの姿勢を高精度に測定することができる。本発明は、この原理を利用することで、マイケルソン型顕微干渉計により計測された顕微測定データのスティッチングによって全体形状を得る計測において、フィゾー型干渉計により得られた複数枚の部分形状データ及び高分解能のマイケルソン型顕微干渉計により得られた複数枚の顕微測定データを、各計測と同時に取得された姿勢データを利用し、高精度にスティッチングする方法を提案する。測定温度環境の変化、ステージの移動時の重心移動などによる装置全体における歪み、変形、姿勢変化が生じても、平面領域と測定領域の位置相対関係が維持しさえすれば、平面領域を基準とし、計測時におけるミラー姿勢を精度よく決定できる。

具体的には、傾斜角度が急峻な形状を有する曲面ミラーに隣接した領域に、平面ミラーを設置し、二枚のミラーを同時に傾斜させることで、スティッチング計測における曲面ミラーの傾斜角度を決定する。平面ミラーの傾きが急峻となる場合、平面ミラーのみを動かし、その前後を比較することで、同精度で、平面ミラーの傾け量が分かるため、姿勢測定をしながら連続的に形状データを取得できる。更に、高分解能のマイケルソン型顕微干渉計と、二次元のステージを組み合わせることで、より急峻な形状に対しても対応可能である。

以上にしてなる本発明の超精密形状測定方法は、計測領域は狭いが空間分解能が高く高精度形状計測が可能なマイケルソン型顕微干渉計と、中長周期の空間波長領域における高精度形状計測が可能なフィゾー型干渉計とを組合せ、両干渉計の性能が最大限に発揮するようにし、広い面積の被測定曲面をフィゾー型干渉計による形状精度で、マイケルソン型顕微干渉計による空間分解能で測定することができる。更に、被測定曲面がフィゾー型干渉計で形状を一括計測できないような急峻な傾斜を有する場合でも全空間波長領域において１ｎｍ以上のＰＶ高さ精度（サブナノオーダー）でＸ線ミラーの表面形状を測定することができる。

本発明の超精密形状測定方法は、原理的には曲面であればどのような形状でも測定可能であるが、好ましくは曲率半径が５０〜１００ｍｍよりも大きな被測定曲面を有する曲面ミラーを対象としている。例えば、被測定曲面としては、円柱面（円筒面）、楕円柱面（楕円筒面）、放物柱面、双曲柱面、楕円体面等があるが、主に凹面ミラーを対象としている。

本発明では、１×１０^-4radを超えるような傾斜部分を有する急峻な楕円柱面形状を計測するために、フィゾー型干渉計を用いた計測方法の性能向上を行った。それには、楕円ミラーのフィゾー型干渉計の参照面に対する傾け角を調整することにより、各場所における部分形状データを取得する。各部分形状データを高精度につなぎ合わせることで全体形状を作製する。その際、スティッチング角度を一般的に用いられている部分形状データ間の重合領域の誤差を最小にすることにより求める方法ではなく、表面プロファイル測定時に高精度に測定されたミラーの傾け角を利用した方法により求めている。そして、スティッチング角度を高精度に測定するために、ミラーの傾け角度を１×１０^-8radの精度で測定可能なシステムとした。

本実施形態で使用したマイケルソン型顕微干渉計Ａは、ＺＹＧＯ社のNew View 100HRであり、最大計測領域は５．１ｍｍ×４．８ｍｍである。また、フィゾー型干渉計Ｂは、ＺＹＧＯ社のGPI HP-HRであり、最大計測領域は２００ｍｍφである。ここで、被測定曲面が非球面や円筒面であっても、全体形状を一括で測定可能であれば、フィゾー型干渉計Ｂを用いることで、約１０ｍｍ以上の長空間波長領域において、１ｎｍ以下の高い精度で形状の測定が可能である。

第１発明は、マイケルソン型顕微干渉計Ａを用いて、被測定曲面よりも狭い領域の顕微測定データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、フィゾー型干渉計Ｂによる全体形状データを用いて、隣接する顕微測定データの重合領域の一致度を利用して隣接する顕微測定データ間の傾きを最適に補正してスティッチングすることにより全体形状を測定する超精密形状測定方法を前提としている。

ここで、マイケルソン型顕微干渉計Ａを用いて、被測定曲面よりも狭い領域の顕微測定データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得する方法は公知である。本発明では、より急峻な傾斜面を有する曲面ミラーの被測定曲面の全体形状をフィゾー型干渉計で一括計測できない場合にその威力を発揮する。つまり、フィゾー型干渉計Ｂによる全体形状計測において、被測定曲面と形状データが既知の基準平面をフィゾー型干渉計で同時に計測し、フィゾー型干渉計の参照面に対して被測定曲面と基準平面を同時に順次傾けて、被測定曲面よりも狭い領域の部分形状データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、隣接する部分形状データ間の相対角度を基準平面の傾け角として計測し、隣接する部分形状データを前記傾け角と重合領域の一致度を利用してスティッチングするのである。このように測定した全体形状データを利用して、マイケルソン型顕微干渉計で計測した複数の顕微測定データを互に誤差を最小にしてスティッチングするのである。

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１はフィゾー型干渉計Ｂによる平面ミラーの姿勢計測の原理を示している。フィゾー型干渉計Ｂは、計測ミラーが平面形状であれば、１ｎｍの精度で形状を測定できる。これは、正確に言うならば、平面ミラーと参照面間の距離を１ｎｍで測定していることを意味している。計測されたデータは、平面補正処理され、計測データとして表示される。ここで、平面補正処理しないデータには、参照面と、平面ミラー間の姿勢関係の情報が含まれていることになる。各点における計測精度が１ｎｍであり、例えば１００ｍｍのミラーを考えると、図１で示ように、Δｈ＝ｈ１-ｈ２＝１×１０^-9ｍ、Ｄ＝１×１０^-1ｍとすると、参照面１
と平面ミラー２の傾き角度はΔｈ／Ｄ＝１×１０^-8radの精度で測定することができる。
また、２点のみの計測ではなく、面データとしてデータを取得できるので、極めて精度よく、かつ、再現性よく角度を測定することが可能となる。

この原理を利用した超精密形状測定装置を図２に示す。本実施形態では、母線が直線である二次曲面で、導線に沿って延びた帯状である曲面ミラー３の表面形状を測定する場合を示す。曲面ミラー３と平面ミラー２をフィゾー型干渉計の参照面１に対して、平行に並べる。両ミラー２，３は、二段に重なったピエゾθφ傾斜ステージに設置されている。下段傾斜ステージ４は載置面積が広く、一部に上段傾斜ステージ５が設置されている。そして、曲面ミラー３を下段傾斜ステージ４上に姿勢を微調整可能な支持台６を介して設置し、平面ミラー２を上段傾斜ステージ５上に設置している。前記平面ミラー２と曲面ミラー３とは、前記フィゾー型干渉計Ｂの参照面１に対してヌルフリンジ状態で計測できるように、初期姿勢が設定されている。

前記上段傾斜ステージ５を操作することにより、平面ミラー２のみを傾斜させることが可能である。また、下段傾斜ステージ４を操作することにより、二枚の平面ミラー２と曲面ミラー３とを同時に傾けることが可能である。前記下段傾斜ステージ４を操作して曲面ミラー３と平面ミラー２を共に順方向に順次傾けてフィゾー型干渉計Ｂによる曲面ミラー３の形状計測を行うとともに、平面ミラー２の傾け角を計測し、前記平面ミラー２の前記参照面１に対する傾斜角度がフィゾー型干渉計Ｂによる形状計測限界角度になる前に前記上段傾斜ステージ５を操作して該平面ミラー２のみを逆方向に傾け、その後のフィゾー型干渉計Ｂによる形状計測を可能な状態を維持するのである。

上記フィゾー型干渉計Ｂによる計測の手順を図３に図式的に示す。平面ミラー２全体と曲面ミラー３の少なくとも一部分の領域が計測可能なように、両ミラー２，３の傾きを調整する。図３（ａ）のように計測を実施する。ここで、計測可能な領域をＭで示している。その時、取得される計測データには、平面ミラー２の形状データと曲面ミラー３の一部分の形状データ（部分形状データ）が取得される。曲面ミラー３の測定領域を変更するために、図３（ｂ）に示すように、下段傾斜ステージ４を操作して、両ミラー２，３を傾ける。その場合、既に計測した部分形状データとこれから計測する部分形状データに所定幅の重合領域を設ける。その後、計測を行う。その計測データにも、平面ミラー２の全体領域と曲面ミラー３の一部分の領域が測定される。一つ前の平面ミラー２の形状データを平面補正処理なしで比べることで、この二つの計測間の傾け角がわかる。これを連続して実施する。

平面ミラー２が参照面１に対する傾斜角度がある一定角度を超えるとデータの取得が不可能となる。そのために、図３（ｃ）に示すように、平面ミラー２のみを傾斜可能な上段傾斜ステージ５を操作することにより逆方向に傾けて戻し、再び図３（ｄ）に示すように、両ミラー２，３を同時に傾けて測定を行うのである。

尚、前述の実施形態では、平面ミラー２と曲面ミラー３とが独立したミラーであったが、楕円ミラーの傾斜角度が小さい場合には、基準平面が曲面ミラーの一部に形成された基準平面付きの曲面ミラー７を、図示しない傾斜ステージ上に設置してフィゾー型干渉計Ｂの参照面に対して略平行に配置し、前記傾斜ステージを操作して曲面ミラー７を順次傾けてフィゾー型干渉計による曲面ミラーの形状計測を行うとともに、基準平面の傾け角を計測することも可能である。図中、７Ａは被測定曲面、７Ｂは基準平面を示している。この場合、前記曲面ミラー７の被測定曲面７Ａと基準平面７Ｂとのなす最大角度が、前記フィゾー型干渉計Ｂによる形状計測限界角度の２倍以内であることが必要である。

第２発明は、マイケルソン型顕微干渉計Ａを用いて、被測定曲面よりも狭い領域の顕微測定データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得すると同時に、フィゾー型干渉計Ｂによって各顕微測定データの傾け角を直接的又は間接的に計測して取得し、隣接する顕微測定データを前記傾け角と重合領域の一致度を利用してスティッチングすることにより全体形状を測定する超精密形状測定方法を前提としている。そして、本発明は、図５に示すように、マイケルソン型顕微干渉計Ａに固定プレート８を介して固定した姿勢計測用平面ミラー９と、それと略平行に配した形状データが既知の基準平面を有する平面ミラー１０とをフィゾー型干渉計Ｂで同時に計測して、両干渉計Ａ，Ｂ間の相対姿勢と、フィゾー型干渉計Ｂの参照面１１に対する平面ミラー１０の傾け角を正確に計測するとともに、前記平面ミラー１０に対して相対位置と角度が正確に規定された被測定曲面を有する曲面ミラー１２をマイケルソン型顕微干渉計Ａで計測し、フィゾー型干渉計Ｂの参照面１１に対して曲面ミラー１２と平面ミラー１０を同時に順次傾けて計測を繰り返すことにより、それぞれ傾け角が計測された顕微測定データを複数取得するのである。

具体的には、曲面ミラー１２を下段回転ステージ１３上に直接設置し、平面ミラー１０を下段回転ステージ１３上に設けた上段回転ステージ１４上に設置し、前記下段回転ステージ１３を操作して曲面ミラー１２と平面ミラー１０を共に順方向に順次傾けてフィゾー型干渉計Ｂによって平面ミラー１０の傾け角を計測するとともに、曲面ミラー１２をマイケルソン型顕微干渉計Ａで計測して顕微測定データを取得し、前記平面ミラー１０の前記参照面１１に対する傾斜角度がフィゾー型干渉計Ｂによる形状計測限界角度になる前に前記上段回転ステージ１４を操作して該平面ミラー１０のみを逆方向に傾け、その後のフィゾー型干渉計Ｂによる平面ミラー１０の傾け角の計測を可能な状態を維持するのである。

図５に示した超精密形状測定装置は、極めて急峻な曲面形状を計測する場合に適している。本超精密形状測定装置は、マイケルソン型顕微干渉計Ａとフィゾー型干渉計Ｂとを組み合わせて、曲面ミラー１２の傾け角とその姿勢での顕微測定データを取得し、各顕微測定データを実測した傾け角を利用してスティッチングし、全体形状を高空間分解能で測定することができるのである。この場合、マイケルソン型顕微干渉計Ａとフィゾー型干渉計Ｂの姿勢関係が、曲面ミラーの形状計測中に一定、若しくは測定されなければならない。この図に示すように、マイケルソン型顕微干渉計Ａに接続された固定プレート８上に、姿勢計測用平面ミラー９を設置することで、マイケルソン型顕微干渉計Ａとフィゾー型干渉計Ｂの姿勢関係を１×１０^-8radの精度で測定することができるのである。また、曲面ミラーを移動させる必要がある場合は、最下段にＺＸステージを組み合わせることで可能となる。その際、ＺＸステージ駆動におけるピッチング、ヨーイングなどが発生するが、それによる角度変化も平面ミラー１０による傾斜角度データに含まれるので、それらの誤差を取り除くことができる。

次に、図２に示した超精密形状測定装置を用いて曲面ミラーの形状を測定した結果を図６〜図１１に示す。

曲率半径約５０ｍの大きさ１００ｍｍ×５０ｍｍの円筒面ミラーを、フィゾー型干渉計による計測時に取得した干渉縞模様を図６に示し、その部分的な形状計測データを図７に示している。図６に示した干渉縞模様からわかるように、両端部はフリンジ間隔が極めて高密度であるため、この両端の部分において形状計測データの取得は不可能である。つまり、フィゾー型干渉計の参照面に対して１×１０^-4radを超える範囲は計測不可能であるので、図７に示されているように、ヌルフリンジ部分を中心としてその角度範囲内しか形状計測データが取得されない。

図８は、図２に示した超精密形状測定装置を用い、下段傾斜ステージ４に円筒面ミラーを設置し、上段傾斜ステージ５に同じサイズの平面ミラーを設置したときの、干渉縞模様である。図８の右側は円筒面ミラーの干渉縞模様、左側は平面ミラーの干渉縞模様である。このように、平面ミラーではヌルフリンジの状態での計測が可能である。

図９は、下段傾斜ステージ４と上段傾斜ステージ５に、共に平面ミラーを設置した時の、両ミラーの長手方向の傾きの差と経過時間の関係である。ここで、両ミラーの設置から３０分後に両ミラーを１×１０^-7rad傾け、６０分後に同じ角度量を戻しているにも係わらず、１×１０^-8radで傾き角度の差が安定していることがわかる。この結果から、平面ミラーの傾け角度を測定することにより、曲面ミラーを傾け角度が１×１０^-8radオーダで測定可能であることがわかる。

図１０は、図２で示した方法により、測定された円筒面ミラーの全体形状データである。また、図１１は、円筒面ミラーを上下反転して超精密形状測定装置に設置し、測定を行った時に得られた全体形状データの差プロファイルである。計測におけるシステム全体のエラー誤差を含んでいるにもかかわらず、ＰＶが２ｎｍ以下であることがわかる。

このように、フィゾー型干渉計による部分形状データをスティッチングすることにより得られる全体形状データでも通常の高精度なミラーの形状計測に利用することができる。しかし、波長０．０６ｎｍ（１５ｋｅＶ）のＸ線を半値幅が３０ｎｍ以下に集光させるには、０．５ｍｍ以上の全空間波長領域で１ｎｍ（ＰＶ）以上の精度が必要である。このような硬Ｘ線の回折限界の極限状態での集光を達成するには、フィゾー型干渉計とマイケルソン型顕微干渉計を組み合わせた形状計測が不可欠となるのである。

フィゾー型干渉計による平面ミラーの姿勢計測の原理を示した説明図である。第１発明の実施形態である超精密形状測定装置の概念図である。同じく測定原理を示す説明図である。基準平面を設けた曲面ミラーの簡略斜視図である。第２発明の実施形態である超精密形状測定装置の概念図である。フィゾー型干渉計によって計測した円筒面ミラーの干渉縞模様である。同じくフィゾー型干渉計によって計測した円筒面ミラーの形状計測データを示すグラフである。円筒面ミラーと平面ミラーを並べてフィゾー型干渉計によって計測した干渉縞模様を示し、右側は円筒面ミラーの干渉縞模様、左側は平面ミラーの干渉縞模様である。図２の超精密形状測定装置において、下段傾斜ステージと上段傾斜ステージに、共に平面ミラーを設置した時の両ミラーの長手方向の傾きの差と経過時間の関係を示すグラフである。フィゾー型干渉計による部分形状データをスティッチングすることにより得られた円筒面ミラーの全体形状データを示すグラフである。円筒面ミラーを上下反転して測定を行った時に得られた全体形状データの差プロファイルを示すグラフである。

符号の説明

Ａマイケルソン型顕微干渉計
Ｂフィゾー型干渉計
１参照面
２平面ミラー
３曲面ミラー
４下段傾斜ステージ
５上段傾斜ステージ
６支持台
７曲面ミラー
７Ａ被測定曲面
７Ｂ基準平面
８固定プレート
９姿勢計測用平面ミラー
１０平面ミラー
１１参照面
１２曲面ミラー
１３下段回転ステージ
１４上段回転ステージ

Claims

マイケルソン型顕微干渉計を用いて、被測定曲面よりも狭い領域の顕微測定データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、フィゾー型干渉計による全体形状データを用いて、隣接する顕微測定データの重合領域の一致度を利用して隣接する顕微測定データ間の傾きを最適に補正してスティッチングすることにより全体形状を測定する超精密形状測定方法であって、フィゾー型干渉計による全体形状計測において、被測定曲面と形状データが既知の基準平面をフィゾー型干渉計で同時に計測し、フィゾー型干渉計の参照面に対して被測定曲面と基準平面を同時に順次傾けて、被測定曲面よりも狭い領域の部分形状データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得するとともに、隣接する部分形状データ間の相対角度を基準平面の傾け角として計測し、隣接する部分形状データを前記傾け角と重合領域の一致度を利用してスティッチングすることを特徴とする超精密形状測定方法。
前記被測定曲面が曲面ミラー、基準平面が平面ミラーであり、曲面ミラーと平面ミラーとをフィゾー型干渉計の参照面に対して略平行に並べるとともに、曲面ミラーを下段傾斜ステージ上に直接設置し、平面ミラーを下段傾斜ステージ上に設けた上段傾斜ステージ上に設置し、前記下段傾斜ステージを操作して曲面ミラーと平面ミラーを共に順方向に順次傾けてフィゾー型干渉計による曲面ミラーの形状計測を行うとともに、平面ミラーの傾け角を計測し、前記平面ミラーの前記参照面に対する傾斜角度がフィゾー型干渉計による形状計測限界角度になる前に前記上段傾斜ステージを操作して該平面ミラーのみを逆方向に傾け、その後のフィゾー型干渉計による形状計測を可能な状態を維持してなる請求項１記載の超精密形状測定方法。
前記被測定曲面が曲面ミラーであり、前記基準平面が該曲面ミラーの一部に形成されたものであり、基準平面付きの曲面ミラーを、傾斜ステージ上に設置してフィゾー型干渉計の参照面に対して略平行に配置し、前記傾斜ステージを操作して曲面ミラーを順次傾けてフィゾー型干渉計による曲面ミラーの形状計測を行うとともに、基準平面の傾け角を計測する請求項１記載の超精密形状測定方法。
前記曲面ミラーの被測定曲面と基準平面とのなす最大角度が、前記フィゾー型干渉計による形状計測限界角度の２倍以内である請求項３記載の超精密形状測定方法。
マイケルソン型顕微干渉計を用いて、被測定曲面よりも狭い領域の顕微測定データを互に隣接するデータ間に重合領域を設けて複数取得すると同時に、フィゾー型干渉計によって各顕微測定データの傾け角を直接的又は間接的に計測して取得し、隣接する顕微測定データを前記傾け角と重合領域の一致度を利用してスティッチングすることにより全体形状を測定する超精密形状測定方法であって、マイケルソン型顕微干渉計に固定した姿勢計測用平面ミラーと、それと略平行に配した形状データが既知の基準平面とをフィゾー型干渉計で同時に計測して、両干渉計間の相対姿勢と、フィゾー型干渉計の参照面に対する基準平面の傾け角を正確に計測するとともに、前記基準平面に対して相対位置と角度が正確に規定された被測定曲面をマイケルソン型顕微干渉計で計測し、フィゾー型干渉計の参照面に対して被測定曲面と基準平面を同時に順次傾けて計測を繰り返すことにより、それぞれ傾け角が計測された顕微測定データを複数取得することを特徴とする超精密形状測定方法。
前記被測定曲面が曲面ミラー、基準平面が平面ミラーであり、曲面ミラーを下段回転ステージ上に直接設置し、平面ミラーを下段回転ステージ上に設けた上段回転ステージ上に設置し、前記下段回転ステージを操作して曲面ミラーと平面ミラーを共に順方向に順次傾けてフィゾー型干渉計によって平面ミラーの傾け角を計測するとともに、曲面ミラーをマイケルソン型顕微干渉計で計測して顕微測定データを取得し、前記平面ミラーの前記参照面に対する傾斜角度がフィゾー型干渉計による形状計測限界角度になる前に前記上段回転ステージを操作して該平面ミラーのみを逆方向に傾け、その後のフィゾー型干渉計による平面ミラーの傾け角の計測を可能な状態を維持してなる請求項５記載の超精密形状測定方法。