JP7282367B2 - differential interferometer - Google Patents
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Description
本発明は、干渉信号の密度が一定であり、被測定物の表面における凹凸の解釈上の問題がないだけでなく、参照面を必要としない簡易で迅速な観測が可能な微分干渉計に関し、特にレーザー光を用いた微分干渉計に好適なものである。 The present invention relates to a differential interferometer in which the density of interference signals is constant, there is no problem in interpreting unevenness on the surface of the object to be measured, and simple and rapid observation is possible without requiring a reference surface. It is particularly suitable for differential interferometers using laser light.
干渉計は、物体の位置や姿勢、更には物体までの距離などの測定などの他に、表面粗さや平面形状の計測、微生物等の観察にも広く使用されている。また、微分干渉計による計測や観察に際しては、対物レンズの半径方向に沿ってシアする手法、つまり、平行に横ずれさせた2つの光を用いた手法による光学系が知られている。例えば対物レンズの半径方向に沿ってシアする光学系の従来技術として、下記非特許文献1~3に開示されたものが挙げられる。 Interferometers are widely used not only to measure the position and orientation of objects and the distance to objects, but also to measure surface roughness and planar shape, and to observe microorganisms. Also, for measurement and observation using a differential interferometer, there is known an optical system that employs a method of shearing along the radial direction of an objective lens, that is, a method of using two beams laterally shifted in parallel. For example, non-patent documents 1 to 3 below disclose conventional optical systems that shear along the radial direction of an objective lens.
これら非特許文献1~3の光学系は相互に異なる技術であるものの、収束あるいは拡散している光の波面を分割して干渉信号を生成し、対物レンズの半径方向に沿って光を分けた差分干渉計を実現している。 Although the optical systems of Non-Patent Documents 1 to 3 are mutually different technologies, they split the wavefront of converging or diverging light to generate an interference signal, and split the light along the radial direction of the objective lens. A differential interferometer is realized.
また、平面形状を測定する手法としては、フィゾー干渉計が代表的なものである。しかし、このフィゾー干渉計では、測定対象とは別に形状が既知の参照面が必要であり、この参照面の形状が未知であると、測定対象の形状を決定できない欠点を有していた。その解決法として、下記非特許文献4に開示された3枚合わせ法を用いる技術が従来技術として知られている。 A Fizeau interferometer is a representative method for measuring a planar shape. However, this Fizeau interferometer requires a reference surface with a known shape in addition to the object to be measured. As a solution to this problem, a technique using a three-sheet stacking method disclosed in Non-Patent Document 4 below is known as a conventional technique.
しかし、非特許文献1~3による光学系では、対物レンズの半径に比例してシア量が変化するため、位置によってシア量が異なる結果として、半径が大きくなった場合、2つの光が大きく離れた距離の間での差分となり、得られる干渉信号の密度が粗になる等、被測定物の表面の凹凸の解釈が困難になる欠点を有していた。 However, in the optical systems according to Non-Patent Documents 1 to 3, the shear amount changes in proportion to the radius of the objective lens. This has the drawback that it is difficult to interpret the unevenness of the surface of the object to be measured, such as the fact that the density of the obtained interference signal becomes coarse due to the difference between the distances.
この一方、3枚合わせ法を用いた非特許文献4の技術では、同等の測定対象を3枚以上用意しなければならず、測定対象や参照面を入れ替えながら測定を繰り返す必要があり、この結果として、作業が煩雑であり測定に多大な時間や労力を要していた。 On the other hand, in the technique of Non-Patent Document 4 using the three-sheet alignment method, it is necessary to prepare three or more equivalent measurement objects, and it is necessary to repeat the measurement while replacing the measurement object and the reference surface. As a result, the work is complicated and requires a great deal of time and labor for measurement.
他方、上記特許文献1~3も知られている。例えば特許文献1には、凹面と凸面が対向する形で配置された一対のアキシコンレンズにより基板に対する距離を検出する技術が開示されている。また、特許文献2には、凹円錐状の屈折面と凸円錐状の屈折面とが対向する形で配置された一対のプリズム部材に反射光が入射される技術が開示されている。さらに、特許文献3には、凹形状プリズムと凸形状プリズムとが対向する形で配置された一対のプリズムを介して光を対象物に照射する技術が開示されている。 On the other hand, the above patent documents 1 to 3 are also known. For example, Patent Literature 1 discloses a technique of detecting a distance to a substrate using a pair of axicon lenses having concave and convex surfaces facing each other. Further, Patent Document 2 discloses a technique in which reflected light is incident on a pair of prism members in which a concave conical refracting surface and a convex conical refracting surface are arranged to face each other. Furthermore, Patent Document 3 discloses a technique of irradiating an object with light through a pair of prisms in which a concave prism and a convex prism are arranged to face each other.
しかし、これら特許文献1~3であっても、シア量が対物レンズの半径に沿って変化するのに伴い、干渉信号の密度が変化する問題点は解消できなかった。他方、参照面を必要とせずに簡易且つ精密に測定する計測技術の必要性が高まっていた。
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、干渉信号の密度が一定であり、被測定物の表面における凹凸の解釈上の問題がないだけでなく、参照面を必要としない簡易で迅速な観測が可能な微分干渉計を提供することを目的とする。
However, even these Patent Documents 1 to 3 cannot solve the problem that the density of the interference signal changes as the shear amount changes along the radius of the objective lens. On the other hand, there has been a growing need for a measurement technique that allows easy and precise measurement without requiring a reference surface.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above background. An object of the present invention is to provide a differential interferometer capable of observation.
上記課題を解決した請求項1記載の発明は、円錐状に一端側を突出した突出端とする凸型アキシコンレンズと、
前記突出端の形状と合致する円錐状に一端側を窪ました凹端とすると共に、前記突出端に対して該凹端を対向して配置した凹型アキシコンレンズと、
光束を被測定物に照射して該被測定物で反射させた反射光をこれら一対のアキシコンレンズに入射する光源と、
一対のアキシコンレンズを経由した反射光を直接受光しこの反射光に含まれている干渉縞を把握可能な受光素子と、
を含む微分干渉計であって、
これら一対のアキシコンレンズの屈折率が相互に同一であり、突出端と凹端との間の隙間が全体にわたって一定の大きさとされたことを特徴とする微分干渉計である。
The invention according to claim 1, which solves the above problems, is a convex axicon lens having a protruding end that protrudes from one end side in a conical shape,
a concave axicon lens having a concave end with one end recessed in a conical shape that matches the shape of the protruding end, and having the concave end arranged opposite to the protruding end;
a light source that irradiates an object to be measured with a light flux and reflects the reflected light from the object to be measured to enter the pair of axicon lenses;
a light receiving element capable of directly receiving reflected light via a pair of axicon lenses and grasping interference fringes contained in the reflected light;
A differential interferometer comprising
The differential interferometer is characterized in that the refractive indices of the pair of axicon lenses are the same, and the gap between the projecting end and the concave end is set to a constant size throughout.
請求項1の発明のような微分干渉計によれば、一端側を円錐状に突出した突出端とする凸型アキシコンレンズと、この突出端の形状と合致する円錐状に一端側を窪ました凹端とした凹型アキシコンレンズとを、突出端に対してこの凹端を対向してこれらアキシコンレンズを配置した。さらに、これら一対のアキシコンレンズの屈折率は相互に同一であり、突出端と凹端との間の隙間が全体にわたって一定の大きさにされている。また、光源が光束を照射して被測定物の表面で反射させるのに伴い、被測定物で反射した反射光をこれら一対のアキシコンレンズに入射する。 According to the differential interferometer of the invention of claim 1, there is provided a convex axicon lens having a conically protruding end on one end side, and a conically recessed one end side that matches the shape of the protruding end. A concave axicon lens with a concave end was arranged with the concave end facing the projecting end. Furthermore, the refractive indices of the pair of axicon lenses are the same, and the gap between the projecting end and the concave end is made constant throughout. In addition, as the light source irradiates a light beam and reflects it off the surface of the object to be measured, the light reflected by the object to be measured enters the pair of axicon lenses.
以上より、本請求項に係る微分干渉計は、突出端と凹端との間の隙間が一定の大きさで屈折率が相互に同一の一対のアキシコンレンズのいずれかの他端側から入射した反射光が、それぞれ円錐状に形成された突出端と凹端との間を通過するが、この際に何れの箇所を反射光が通過しても、一定のシア量で2つに別れてシアしこれら2つの光は相互に平行な平行光となるのに伴って干渉縞を生じさせる。 As described above, in the differential interferometer according to the present claim, the gap between the protruding end and the concave end is constant and the refractive index is the same for a pair of axicon lenses. The reflected light passes between the protruding end and the concave end, which are formed in a conical shape. These two beams are sheared and become parallel beams parallel to each other, resulting in interference fringes.
したがって、シア量が従来技術のように対物レンズの半径により変化すること無く、干渉信号の密度が一定となり、被測定物の表面における凹凸の解釈上の問題が生じないようになる。また、従来技術のような参照面を当然に必要としないため、1回の測定で計測や観察ができ、測定時間を短縮できるのに伴い、簡易で迅速な観測も可能になる。 Therefore, unlike the prior art, the shear amount does not vary with the radius of the objective lens, the density of the interference signal is constant, and there is no problem in interpreting the unevenness of the surface of the object to be measured. In addition, since a reference surface unlike the prior art is naturally not required, measurement and observation can be performed in a single measurement, and the measurement time can be shortened, thereby enabling simple and rapid observation.
請求項2の発明は、被測定物で反射した反射光が、凸型アキシコンレンズの他端側或いは凹型アキシコンレンズの他端側から入射され、前記突出端と前記凹端との間を介しつつ、これら各アキシコンレンズを経由してシア量を有した2つの光に分かれた状態とされ、干渉縞を把握可能な受光素子がこれら2つの光を受光する請求項1に記載の微分干渉計である。 In the invention according to claim 2 , the reflected light reflected by the object to be measured is incident from the other end side of the convex axicon lens or the other end side of the concave axicon lens, and the distance between the projecting end and the concave end is 2. The light receiving element capable of grasping the interference fringes receives these two lights, which are divided into two lights having a shear amount via each axicon lens while passing through the axicon lens. It is a differential interferometer.
このように反射光が、いずれかのアキシコンレンズの他端側から入射され、突出端と凹端との間を介しつつ、これら各アキシコンレンズを経由するのに伴って、反射光が所定のシア量を有して2つの光に分かれる。この結果として、他方のアキシコンレンズの他端側に干渉縞が表示され、これを受光素子が受光する。このため、被測定物の表面における凹凸等を単に目視で確認するのでなく、受光素子で受光することで凹凸等を記録や解析等し易くなる。 In this way, the reflected light enters from the other end side of one of the axicon lenses, passes between the protruding end and the concave end, and passes through each of these axicon lenses. , and split into two lights. As a result, interference fringes are displayed on the other end side of the other axicon lens, and are received by the light receiving element. For this reason, it becomes easier to record, analyze, etc., the unevenness, etc., by receiving light with the light receiving element, instead of simply visually confirming the unevenness, etc. on the surface of the object to be measured.
請求項3の発明は、突出端と凹端との間の隙間の大きさを調整する調整機構を有した請求項1または請求項2に記載の微分干渉計である。このように隙間の大きさを調整機構により調整することで、必要な解像度に合わせた測定精度が得られるようになる。 The invention according to claim 3 is the differential interferometer according to claim 1 or claim 2, which has an adjusting mechanism for adjusting the size of the gap between the projecting end and the concave end. By adjusting the size of the gap with the adjustment mechanism in this way, it is possible to obtain measurement accuracy that matches the required resolution.
請求項4の発明は、一対のアキシコンレンズのいずれか一方をこれらアキシコンレンズの中心軸に沿った方向に平行移動して突出端と凹端との間の隙間の大きさを調整しうる請求項1~3のいずれかに記載の微分干渉計である。このように突出端と凹端との間の隙間の大きさを調整することで、上記と同様に必要な解像度に合わせた測定精度が得られるようになる。 According to the fourth aspect of the invention, the size of the gap between the protruding end and the concave end can be adjusted by translating either one of the pair of axicon lenses in the direction along the central axis of the axicon lenses. A differential interferometer according to any one of claims 1 to 3. By adjusting the size of the gap between the projecting end and the recessed end in this manner, it is possible to obtain measurement accuracy that matches the required resolution, as described above.
請求項5の発明は、光源がコヒーレントな光束を発生するレーザー素子とされた請求項請求項1~4のいずれかに記載の微分干渉計である。このように光源をコヒーレントな光束を発生するレーザー素子としたことで、被測定物の表面で反射した反射光も比較的観測し易い光となり、より精度の高い計測が可能となる。
The invention of claim 5 is the differential interferometer according to any one of claims 1 to 4, wherein the light source is a laser element that generates a coherent light beam. By using a laser element that generates a coherent light beam as the light source in this manner, the reflected light reflected by the surface of the object to be measured becomes light that is relatively easy to observe, enabling more accurate measurement.
本発明に係る微分干渉計によれば、干渉信号の密度が一定であり、被測定物の表面における凹凸の解釈上の問題が生じないだけでなく、参照面を必要としない簡易で迅速な観測が可能になるという優れた効果を奏する。 According to the differential interferometer according to the present invention, the density of the interference signal is constant, and there is no problem in interpreting the unevenness of the surface of the object to be measured. It has an excellent effect that it becomes possible.
以下、本発明に係る微分干渉計の第1の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1に示すように本実施形態の微分干渉計10においては、レーザー光を発生する光源であってコヒーレントな光束を発生するレーザー素子12の隣に、このレーザー素子12からのレーザー光を平行光とするコリメータレンズ14が配置されている。
A first embodiment of a differential interferometer according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, in the
このコリメータレンズ14を透過して平行光Kとなった光軸C上には、この平行光Kを下方に送り出すためのビームスプリッタ16が配置されている。このビームスプリッタ16に対して光軸Cと直交する下方向には、被測定物HであるLSI用のシリコンウエハー等が配置されていて、本実施形態によればこの被測定物Hの表面粗さを計測し得るようになっている。
A
したがって、ビームスプリッタ16を経由して下方に送り出されたレーザー素子12からの光束とされる平行光Kがこの被測定物Hに送り込まれて照射されると共に被測定物Hの表面HSで反射し、反射した反射光Rがビームスプリッタ16側に戻るようになる。また、このビームスプリッタ16の上側には、図2に示すように、円錐状に一端側を窪ました凹端20Aとする凹型アキシコンレンズ20及び、円錐状に一端側を突出した突出端22Aとする凸型アキシコンレンズ22がそれぞれ配置されている。そして、これら一対のアキシコンレンズ20、22は相互に同一屈折率を有するように、BK7等の同一のガラス材でそれぞれ形成されている。
Therefore, the parallel light K, which is a light flux from the
これら突出端22Aの形状及び凹端20Aの形状は、相互に合致する頂角を有した直円錐状にそれぞれ形成されているだけでなく、突出端22Aに対して凹端20Aを対向した姿勢で配置されている。このため、円錐状に突出した突出端22Aの頂点と円錐状に窪ました凹端20Aの頂点とが相互に対向して中心軸C1、C2が相互に一致するのに伴い、これら突出端22Aと凹端20Aとの間の図1及び図3に示す隙間Gが全体にわたって一定の寸法になっている。
The shape of the projecting
他方、図2に示すように、この凸型アキシコンレンズ22の他端側が突出端22Aの中心軸C2に対して直交する形の平らな平面22Bに形成されると共に、同じく凹型アキシコンレンズ20の他端側が凹端20Aの中心軸C1に対して直交する形の平らな平面20Bに形成されている。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the other end of the
図1に示すように、一対のアキシコンレンズ20、22の上方には、受光素子とされるCCDカメラ24が配置されていて、凸型アキシコンレンズ22の他端側の平面22Aに映し出された干渉縞等の画像をこのCCDカメラ24で撮影することが可能となる。また、このCCDカメラ24にコンピュータ等を接続することで、CCDカメラ24で撮影した画像の処理も可能となる。
As shown in FIG. 1, above the pair of
以上より、被測定物Hの表面HSで反射した反射光Rがビームスプリッタ16を透過して他端側の平面20Bから凹型アキシコンレンズ20に入射され、図3に示す入射角θ1(θ1=90-α/2)で円錐状とされた凹端20Aの界面K1から隙間Gに入射されるのに伴い、屈折角θ2 で屈折する。ここでαは、凹型アキシコンレンズ20の凹端20Aにおける頂角の角度である。また、下記凸型アキシコンレンズ22の突出端22Aにおける頂角の角度も同じとなる。なお、この頂角とは図2に示す2本の母線Bのなす角の内の最大角である。
As described above, the reflected light R reflected by the surface HS of the object to be measured H is transmitted through the
図3に示すように、凹端20Aの界面K1から出た光の一部は、突出端22Aの界面K2で反射し、残りの部分は屈折して突出端22Aに入射する。この時、一対のアキシコンレンズ20、22の屈折率及び頂角が相互に等しいので、屈折して突出端22Aに入射した光は、被測定物Hから凹型アキシコンレンズ20に入射された反射光Rと平行な透過光L1となって、凸型アキシコンレンズ22内を進む。
As shown in FIG. 3, part of the light emitted from the interface K1 of the
一方、界面K2で反射した光は、界面K1で再度反射した後、 界面K2で屈折して突出端22Aに入射する。突出端22Aに入射したこの光も、被測定物Hから凹型アキシコンレンズ20に入射された反射光Rと平行な透過光L2となって、凸型アキシコンレンズ22内を進む。
On the other hand, the light reflected by the interface K2 is reflected again by the interface K1 and then refracted by the interface K2 to enter the projecting
この結果、凸型アキシコンレンズ22に直接入射した透過光L1と一旦反射してから凸型アキシコンレンズ22に入射した透過光L2とにより、凸型アキシコンレンズ22の他端側の平面22Bを観察した場合、平面22Bの半径方向に微分した図4に示すような干渉縞Sが生じることになる。
As a result, the transmitted light L1 that is directly incident on the
そして、凸型アキシコンレンズ22の他端側に配置したCCDカメラ24でこの干渉縞Sを撮影する事が可能になる。ただし、LSI用のシリコンウエハー等の被測定物Hの表面粗さにより反射光Rが影響されて、元の光束から変化する。このことで等間隔であってきれいな干渉縞Sとはならずに若干変形するのに伴って、この変形を検出して表面粗さを計測可能となる。
Then, the interference fringes S can be photographed by a
さらに、本実施形態の微分干渉計10は、一対のアキシコンレンズ20、22のいずれか一方の中心軸C1、C2に沿った方向にいずれかのアキシコンレンズを平行移動して、突出端22Aと凹端20Aとの間の隙間Gの大きさを調整しうる調整機構28をも有している。
Further, the
具体的には図1に示すように、一対のアキシコンレンズ20、22の他端側寄りの箇所にリング状に形成されたブラケット30、32がそれぞれ固定されていて、それぞれのブラケット30、32の図1における右端部に突出した形で保持部30A、32Aが形成されている。
More specifically, as shown in FIG. 1, ring-shaped
また、凹型アキシコンレンズ20に固定された下部ブラケット30の下部保持部30Aには図2及び図3に示す中心軸C1、C2に沿った方向に伸びるガイドシャフト34の下端が固定されている。これに対して、凸型アキシコンレンズ22に固定された上部ブラケット32の上部保持部32Aにはこのガイドシャフト34がスライド可能に支持されている。このため、本実施形態では、凹型アキシコンレンズ20に対して凸型アキシコンレンズ22が相対的に移動可能となっている。
A lower end of a
他方、直線上に歯が並んだラック36がこの上部保持部32Aの図1に示す右側に固定されている。このラック36に噛み合うピニオンギア38がステッピングモータやサーボモータ等のモータ40の回転軸40Aに取り付けられていて、このモータ40の動作を制御する制御手段であってCPU等を内蔵したコントローラ42が、このモータ40に接続されている。さらに、このコントローラ42は、干渉縞等の画像を撮影するCCDカメラ24及びこのCCDカメラ24で撮影した画像を表示するCRTモニタやLCD等の表示装置であるディスプレイ44にも接続されている。
On the other hand, a
以上より、本実施形態の調整機構28は、一対のブラケット30、32、ガイドシャフト34、ラック36、ピニオンギア38、モータ40及びコントローラ42等により構成され、この調整機構28のコントローラ42によりモータ40の動作を制御することで、図2及び図3の中心軸C1、C2に沿った方向に凸型アキシコンレンズ22を凹型アキシコンレンズ20に対して相対的に微小移動する結果、隙間Gの大きさが調整可能となる。
As described above, the adjusting
これに伴い、この調整機構28により隙間Gの大きさが調整されると、2つの透過光L1、L2のシア量が変化することと併せて凸型アキシコンレンズ22の半径方向へ透過光L1、L2がスキャニングし、さらには必要な解像度に合わせた測定精度が簡単に得られるようになる。
Accompanying this, when the size of the gap G is adjusted by the adjusting
さらに、コントローラ42にはCCDカメラ24も接続されていることから、CCDカメラ24でとらえた映像をコントローラ42内で処理して被測定物Hの表面粗さを数値化することもでき、ディスプレイ44で干渉縞自体や数値化した表面粗さの値を表示することもできる。
Furthermore, since the
次に、凸型アキシコンレンズ22内を進む2つの透過光L1、L2のシア量である光のずれ量x及び光路差pについて説明する。なおここで隙間Gにおける間隔の寸法をdとする。
まず、2つの透過光L1、L2のずれ量はx=2dtanθ2cosθ1となる。また、光路差p は、下記(1)式より2dn2cosθ2であることが求まる。
p=(2dn2/cosθ2) - 2dn1tanθ2sinθ1 (1)式
=(2dn2/cosθ2) (1-sin2θ2)=2dn2cosθ2
Next, the light shift amount x and the optical path difference p, which are shear amounts of the two transmitted lights L1 and L2 traveling through the
First, the amount of deviation between the two transmitted lights L1 and L2 is x=2d tan θ 2 cos θ 1 . Also, the optical path difference p is found to be 2dn 2 cos θ 2 from the following equation (1).
p = ( 2dn2 / cosθ2 ) - 2dn1 tanθ2 sinθ1 (1 ) Formula = ( 2dn2 / cosθ2 ) (1- sin2θ2 ) = 2dn2 cosθ2
この結果、被測定物Hの表面粗さ等の表面形状をf(r)とした場合、観測される干渉信号Iは下記(2)式により求まる。なおここで2つの透過光L1、L2の波長をそれぞれλとする。
I=2(f(r+2d tanθ2 cosθ1)-f(r) + dn2 cosθ2)/ λ\och (2)式
この(2)式より、凸型アキシコンレンズ22の平面22B上の半径方向に沿って、一定間隔の2点間の高さの差が干渉信号Iとして得られることが理解できる。
As a result, when the surface shape such as the surface roughness of the object H to be measured is f(r), the observed interference signal I is obtained by the following equation (2). It should be noted that the wavelengths of the two transmitted lights L1 and L2 are assumed to be λ here.
I=2(f(r+2d tan θ 2 cos θ 1 )−f(r) + dn 2 cos θ 2 )/λ\och (2) Equation From this equation (2), on the
例えば円錐の頂角αをそれぞれ179度とし、それぞれガラス材とされる一対のアキシコンレンズ20、22の屈折率をn1=1.5, 隙間G内の媒体を空気として屈折率をn2=1.0 とした場合、入射角θ1は前述の式より0.5度であり、光のずれ量xは2dtanθ2cosθ1=0.026d となり、0.026dの間隔で被測定物Hの表面形状における高低差を知ることができる。
For example, the apex angle α of the cone is 179 degrees, the refractive index of the pair of
この際、隙間Gの間隔dが全体にわたって一定なので、被測定物Hにおける表面形状の半径方向の微分を等密度で直接観察できる。つまり、間隔dを小さくすれば、高密度に被測定物Hの表面形状の一対のアキシコンレンズ20、22における半径方向に沿った微分を観察することができる。そして、一定間隔で得られた干渉縞Sなので、前述のCCDカメラ24により撮影された干渉縞Sからコントローラ42内のCPU等による計算結果として、被測定物Hの表面形状を復元することで、被測定物Hの絶対形状の測定を容易に実現することができる。
At this time, since the interval d of the gap G is constant over the entire area, the differential of the surface shape of the object H to be measured in the radial direction can be directly observed with equal density. In other words, if the distance d is made small, the differential of the surface shape of the object H to be measured can be observed along the radial direction on the pair of
次に、本実施形態に係る微分干渉計10の作用を以下に説明する。
本実施形態の微分干渉計10によれば、円錐状に一端側を突出した突出端22Aとする凸型アキシコンレンズ22と、この突出端22Aの形状と合致する円錐状に一端側を窪ました凹端20Aとした凹型アキシコンレンズ20とが用いられている。
Next, the operation of the
According to the
そして、本実施形態では、同一の材質を採用して各アキシコンレンズ20、22が相互に同一の屈折率とされるだけでなく、突出端22Aの頂点と凹端20Aの頂点とが相互に対向して、これら突出端22Aと凹端20Aとの間の隙間Gを全体にわたって一定に設定しつつ、これら一対のアキシコンレンズ20、22を配置した。さらには、凸型アキシコンレンズ22の他端側が突出端22Aの中心軸C1、C2に対して直交する形の平面22Bに形成されると共に、凹型アキシコンレンズ20の他端側が凹端20Aの中心軸C1、C2に対して直交する形の平面20Bに形成されている。
In this embodiment, not only are the
他方、コヒーレントな光束を発生するレーザー素子12が、光束を照射して被測定物Hの表面HSで反射させるのに伴い、被測定物Hで反射した反射光Rが、凹型アキシコンレンズ20の他端側の平面20Bから入射される。これに伴い、突出端22Aと凹端20Aとの間の隙間Gを介しつつ、これら各アキシコンレンズ20、22を経由した反射光Rが所定のシア量を有して2つの透過光L1、L2に分かれた結果、凸型アキシコンレンズ22の平面22Bに干渉縞Sが表示され、これをCCDカメラ24が受光して被測定物Hの表面形状を計測する。
On the other hand, the
つまり、本実施形態に係る微分干渉計10は、凹型アキシコンレンズ20の他端側から入射した反射光Rが、それぞれ円錐状に形成された突出端22Aと凹端20Aとの間の隙間Gを通過する際に、2つの透過光L1、L2に別れてシアするもののこれら2つの透過光L1、L2は平行光となって図4に示す干渉縞Sとなる。
That is, in the
以上のように突出端22Aや凹端20Aの頂点同士を相互に対向させて中心軸C1、C2を一致させるのに伴って突出端22Aと凹端20Aとの間の隙間Gを一定に設定したことで、何れの箇所を反射光Rが通過しても、一定のシア量を有した2つの透過光L1、L2が平行光として確実に得られる。したがって、本実施形態によれば、干渉信号の密度が一定となり、被測定物Hの表面HSの凹凸の解釈上の問題が生じないだけでなく、参照面を必要としない簡易で迅速な計測や観測が可能にもなる。
As described above, the apexes of the projecting
さらに、光源としてコヒーレントな光束を発生するレーザー素子12を採用すると共に、受光素子としてCCDカメラ24を採用したことで、被測定物Hの表面HSで反射した反射光Rも比較的観測し易い光となるだけでなく、被測定物Hの表面HSの凹凸等を干渉信号として高精度な計測や観測が可能になる。
Furthermore, by adopting the
他方、本実施形態の微分干渉計10は、中心軸C1、C2に沿った方向に凹型アキシコンレンズ20に対して凸型アキシコンレンズ22を平行移動して隙間Gの大きさを調整しうる調整機構28をも有しているので、この調整機構28により隙間Gの大きさを調整することで、必要な解像度に合わせた測定精度が簡単に得られるようになる。
On the other hand, the
次に、本発明に係る微分干渉計の第2の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図5に示すように本実施形態の微分干渉計10においても第1の実施形態と全く同じ形状の凸型アキシコンレンズ22及び凹型アキシコンレンズ20が用いられている。ただし、本実施形態では、下側に凸型アキシコンレンズ22を配置し、上側に凹型アキシコンレンズ20を配置した構成とし、調整機構28が、固定された凸型アキシコンレンズ22に対して、凹型アキシコンレンズ20が相対的に移動可能となっている。
Next, a second embodiment of a differential interferometer according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 5, also in the
これに伴い、下側に位置する突出端22Aに対して上側に位置する凹端20Aを対向した姿勢で配置されている。そして、上下逆となっているものの本実施形態においても、円錐状に突出した突出端22Aの頂点と円錐状に窪ました凹端20Aの頂点とが相互に対向し、これら突出端22Aと凹端20Aとの間の隙間Gが全体にわたって一定になっている。
Along with this, the recessed
したがって、本実施形態も被測定物Hで反射した反射光Rが入射されるのに伴い、一対のアキシコンレンズ20、22を反射光Rが経由し、凹型アキシコンレンズ20の平面20Bに干渉縞Sが第1の実施形態と同様に生じる。そして、この反射光RをCCDカメラ24によって受光でき、同様に干渉信号の密度が一定となり、本実施形態においても被測定物Hの表面HSの凹凸の解釈上の問題が生じないだけでなく、参照面を必要としない簡易で迅速な観測が可能になる。
Therefore, in this embodiment as well, as the reflected light R reflected by the object H to be measured is incident, the reflected light R passes through the pair of
ただし、第1の実施形態では、円錐の中心軸C1、C2から外の周辺部に向かって透過光L1、L2がシアするのに対して、本実施形態では円錐の周辺部から中心軸C1、C2へ向かって透過光L1、L2がシアする点が異なる。 However, in the first embodiment, the transmitted light beams L1 and L2 are sheared from the central axes C1 and C2 of the cone toward the outer periphery. The difference is that the transmitted lights L1 and L2 are sheared toward C2.
なお、上記実施形態では、一方の端部を円錐面とすると共に他方の端部を平面とし、円錐面の凹凸によりそれぞれ平凹アキシコンレンズあるいは平凸アキシコンレンズと呼ぶレンズを採用したが、単に一方の面を円錐面とした凹アキシコンレンズや凸アキシコンレンズを採用しても良い。この一方、上記実施形態では、いずれかのアキシコンレンズの他端側の平面に対して垂直に反射光を入射させたが、反射光を傾かせてこの平面に入射させても良い。 In the above-described embodiment, a lens with one end having a conical surface and the other end having a flat surface, which is called a plano-concave axicon lens or a plano-convex axicon lens depending on the unevenness of the conical surface, is used. A concave axicon lens or a convex axicon lens having one conical surface may simply be adopted. On the other hand, in the above-described embodiment, the reflected light is incident perpendicularly to the plane on the other end side of any of the axicon lenses, but the reflected light may be inclined and incident on this plane.
さらに、干渉縞は目視でも確認可能であるものの、上記実施形態のようにCCDカメラだけでなく、CMOSカメラ、撮像デバイス、その他のフィルム等により干渉縞の画像を記録することとしても良く、また、カメラでとらえた映像を前述のようにコンピュータ等で処理して被測定物の表面粗さを数値化しても良い。そして、各実施形態のようにCRTモニタやLCD等の表示装置で干渉縞や数値化した値を表示しても良い。 Furthermore, although the interference fringes can be visually confirmed, the image of the interference fringes may be recorded not only by the CCD camera as in the above embodiment, but also by a CMOS camera, an imaging device, other films, etc. The image captured by the camera may be processed by a computer or the like as described above to quantify the surface roughness of the object to be measured. Then, as in each embodiment, the interference fringes and numerical values may be displayed on a display device such as a CRT monitor or LCD.
被測定物Hとしては、LSI用のシリコンウエハー等の他、球面状に形成された物体の球面の精度を測定することが考えられるが、1回の測定で観察可能なため、 半透明の微生物等の生物試料を被測定物とし、この微生物等の形状を絶対測定する際にも本発明は適している。 As the object H to be measured, in addition to silicon wafers for LSI, it is possible to measure the accuracy of the spherical surface of an object formed in a spherical shape. The present invention is also suitable for absolute measurement of the shape of microorganisms, etc., using biological samples such as microbes as objects to be measured.
また、一対のアキシコンレンズ20、22の材質としては、例えばBK7としたが、他のガラス材や透明なプラスチック類、蛍石などが採用できる。一対のアキシコンレンズ20、22間の隙間の大きさも用途に合わせて種々変更することができる。
Also, the material of the pair of
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、本発明は係る実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 Although the embodiments according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本発明は、LSI用のシリコンウエハー等の平滑な面を有した材料の表面粗さの測定、球面状に形成された物体の球面の精度測定、微生物の観察の他に、さまざまな試料表面の半径方向に沿った微分をリアルタイム観測できるので、各種産業分野に適用可能となる。 The present invention can be used to measure the surface roughness of a material having a smooth surface such as a silicon wafer for LSI, measure the accuracy of the spherical surface of an object formed in a spherical shape, observe microorganisms, and measure the surface of various samples. Real-time observation of differentiation along the radial direction enables application to various industrial fields.
10 微分干渉計
12 レーザー素子(光源)
16 ビームスプリッタ
20 凹型アキシコンレンズ
20A 凹端
20B 平面
22 凸型アキシコンレンズ
22A 突出端
22B 平面
24 CCDカメラ(受光素子)
28 調整機構
C1、C2 中心軸
G 隙間
H 被測定物
HS 表面
K1、K2 界面
L1、L2 透過光
S 干渉縞
x 光のずれ量
α 頂角
10
16
28 Adjustment mechanism C1, C2 Central axis G Gap H Object to be measured HS Surface K1, K2 Interface L1, L2 Transmitted light S Interference fringes x Light deviation amount α Vertex angle
Claims (5)
前記突出端の形状と合致する円錐状に一端側を窪ました凹端とすると共に、前記突出端に対して該凹端を対向して配置した凹型アキシコンレンズと、
光束を被測定物に照射して該被測定物で反射させた反射光をこれら一対のアキシコンレンズに入射する光源と、
一対のアキシコンレンズを経由した反射光を直接受光しこの反射光に含まれている干渉縞を把握可能な受光素子と、
を含む微分干渉計であって、
これら一対のアキシコンレンズの屈折率が相互に同一であり、突出端と凹端との間の隙間が全体にわたって一定の大きさとされたことを特徴とする微分干渉計。 a convex axicon lens having a protruding end protruding from one end side in a conical shape;
a concave axicon lens having a concave end with one end recessed in a conical shape that matches the shape of the protruding end, and having the concave end arranged opposite to the protruding end;
a light source that irradiates an object to be measured with a light flux and reflects the reflected light from the object to be measured to enter the pair of axicon lenses;
a light receiving element capable of directly receiving reflected light via a pair of axicon lenses and grasping interference fringes contained in the reflected light;
A differential interferometer comprising
A differential interferometer characterized in that the refractive indices of the pair of axicon lenses are the same, and the gap between the protruding end and the concave end is made constant throughout.
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