2023-114757 形状測定装置の調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023114757

(43)【公開日】2023-08-18

(54)【発明の名称】形状測定装置の調整方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20230810BHJP

   G01B 9/04 20060101ALI20230810BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 D

G01B9/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022017252

(22)【出願日】2022-02-07

(71)【出願人】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(74)【代理人】

【識別番号】100170069

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 一樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128635

【弁理士】

【氏名又は名称】松村 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100140992

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲政

(72)【発明者】

【氏名】川田 善之

(72)【発明者】

【氏名】森山 克文

(72)【発明者】

【氏名】森井 秀樹

【テーマコード（参考）】

2F064

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F064AA09

2F064CC10

2F064EE01

2F064FF07

2F064GG22

2F064HH03

2F064HH08

2F064JJ01

2F064MM03

2F064MM32

2F065AA50

2F065AA53

2F065BB05

2F065DD06

2F065FF52

2F065FF61

2F065GG24

2F065HH03

2F065JJ03

2F065JJ26

2F065MM06

2F065PP02

2F065PP12

2F065PP24

2F065QQ25

2F065QQ31

(57)【要約】

【課題】 白色干渉顕微鏡の調整を容易に実施することが可能な形状測定装置の調整方法を提供する。
【解決手段】 光源からの光を測定光と参照光としてそれぞれ調整用マスターと参照面に照射し、調整用マスター及び参照面によりそれぞれ反射された測定光及び参照光の合波光を用いて測定対象物の被測定面の形状を測定する形状測定装置の調整方法であって、調整用マスターを測定して粗さパラメータを計算するステップと、粗さパラメータが最大となる位置に参照面を移動させるステップとを備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源からの光を測定光と参照光としてそれぞれ調整用マスターと参照面に照射し、前記調整用マスター及び前記参照面によりそれぞれ反射された前記測定光及び前記参照光の合波光を用いて測定対象物の被測定面の形状を測定する形状測定装置の調整方法であって、
前記調整用マスターを測定して粗さパラメータを計算するステップと、
前記粗さパラメータが最大となる位置に前記参照面を移動させるステップと、
を備える形状測定装置の調整方法。

【請求項2】

前記粗さパラメータとして、算術平均粗さＲａ又はＳａを計算する、請求項１に記載の形状測定装置の調整方法。

【請求項3】

前記参照面を収納する参照面収納部が可逆的に熱変形する材料で形成されており、
前記参照面収納部の温度を制御することにより前記参照面を移動させる、請求項１又は２に記載の形状測定装置の調整方法。

【請求項4】

直動機構により前記参照面を移動させる、請求項１又は２に記載の形状測定装置の調整方法。

【請求項5】

前記粗さパラメータと前記参照面の位置との関係を取得するステップと、
１か所以上の前記参照面の位置ごとに前記粗さパラメータを計算し、前記粗さパラメータと前記参照面の位置との関係に基づいて前記粗さパラメータが最大となる位置を計算するステップと、
を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の形状測定装置の調整方法。

【請求項6】

前記調整用マスターとして、対物レンズの視野範囲を覆う範囲で同一パターンの繰り返しパターンを有するマスターを用いる、請求項１から５のいずれか１項に記載の形状測定装置の調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は形状測定装置の調整方法に係り、特に測定対象物の被測定面の形状を測定する形状測定装置の調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

測定対象物の３次元形状を測定する装置としては、走査型白色干渉計を用いるものが知られている。走査型白色干渉計は、白色光源を光源として用いて、マイケルソン型又はミラウ型等の光路干渉計を利用して、測定対象物の被測定面の３次元形状を非接触で測定する。

【0003】

特許文献１には、光源から対物レンズを介して測定対象物の被測定面に照射され、被測定面で反射された測定光と、光源から対物レンズを介して参照面に照射され、参照面で反射された参照光とを干渉させることにより、被測定面の光軸方向の高さを計測する形状測定装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１－０９９７８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図１３に示す走査型白色干渉計（白色干渉顕微鏡）では、光源からの光Ｌ０が、ビームスプリッタ２４ｂにより測定光Ｌ１ｉと参照光Ｌ２ｉに分割され、測定対象物Ｗの被測定面Ｗａと参照面２４ｃでそれぞれ反射される。被測定面Ｗａ及び参照面２４ｃでそれぞれ反射された測定光Ｌ１ｒ及び参照光Ｌ２ｒは、ビームスプリッタ２４ｂにより同一光路上で重ね合わされて合波光Ｌ３となる（以下の説明では、測定光Ｌ１ｉ、Ｌ１ｒ及び参照光Ｌ２ｉ、Ｌ２ｒを、それぞれ測定光Ｌ１及び参照光Ｌ２と総称する場合がある。）。この合波光Ｌ３から得られる干渉パターン（干渉縞）のコントラスト又は位相の変化等を求めることにより、測定対象物Ｗの被測定面Ｗａの形状（例えば、３次元形状、高さ等）を測定することができる。

【0006】

図１３の（ａ）は、対物レンズ２４ａにより集光された測定光Ｌ１ｉが測定対象物Ｗの被測定面Ｗａに合焦している例を示している。以下の説明では、図１３の（ａ）に示すように、測定光Ｌ１ｉが被測定面Ｗａに合焦する位置（測定光Ｌ１ｉが被測定面Ｗａに合焦する場合の対物レンズ２４ａと測定対象物Ｗの位置関係）を合焦位置という。なお、図１３の（ａ）に示す例では、測定光Ｌ１の光路長（測定光路長）Ｄ１（ａ）と、参照光Ｌ２の光路長（参照光路長）Ｄ２（ａ）とは異なっている（Ｄ１（ａ）≠Ｄ２（ａ））。

【0007】

一方、図１３の（ｂ）は、測定光路長Ｄ１（ｂ）と参照光路長Ｄ２（ｂ）とが一致している例を示している（Ｄ１（ｂ）＝Ｄ２（ｂ））。この場合、測定光Ｌ１ｒ及び参照光Ｌ２ｒの位相が一致する。以下の説明では、図１３の（ｂ）に示すように、測定光路長Ｄ１（ｂ）と参照光路長Ｄ２（ｂ）とが一致する位置（測定光路長Ｄ１（ｂ）と参照光路長Ｄ２（ｂ）とが一致する場合の対物レンズ２４ａ、ビームスプリッタ２４ｂ、測定対象物Ｗ及び参照面２４ｃの位置関係）を干渉位置（干渉縞発生位置）という。なお、図１３の（ｂ）に示す例では、対物レンズ２４ａにより集光された測定光Ｌ１ｉが測定対象物Ｗの被測定面Ｗａに合焦していない。

【0008】

図１３の（ｂ）に示すように、測定光Ｌ１ｉが被測定面Ｗａに合焦していない場合、合波光Ｌ３から求められる被測定面Ｗａの形状（図１４の測定形状Ｆ１２）が、実際の形状（図１４の実形状Ｆ１０）よりも崩れてしまう。また、合波光Ｌ３の光強度が低下するため、感度の低下に起因する測定精度の低下が発生したり、測定不能となったりしてしまう場合がある。

【0009】

このため、上記のような白色干渉顕微鏡では、合焦位置と参照位置とが合致するように調整される。具体的には、対物レンズ２４ａにより集光された測定光Ｌ１ｉが測定対象物Ｗの被測定面Ｗａに合焦し、かつ、測定光路長Ｄ１と参照光路長Ｄ２とが一致するように調整される。

【0010】

上記のような白色干渉顕微鏡の調整では、パターンが印刷された平面基板を観察し、作業者が合焦状態を目視で観察しながら手動で各光学要素の位置の調整を実施する。そして、作業者が、対物レンズ２４ａがパターンに合焦する合焦位置と干渉位置とが合致するように手動で調整を実施し、調整結果の確認を行っていた。

【0011】

上記のような白色干渉顕微鏡の測定精度を確保するためには、例えば、測定対象物Ｗ及び測定対象箇所が変更される都度、白色干渉顕微鏡の調整及び確認作業を高頻度で行うことが好ましい。しかしながら、白色干渉顕微鏡の調整及び確認作業の実施頻度は作業者に依存しているため、調整が十分に行われていない調整不良状態のまま測定対象物Ｗの測定を行われてしまう場合があり、その場合には精度の低い低信頼データが流出してしまうという問題がある。

【0012】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、白色干渉顕微鏡の調整を容易に実施することが可能な形状測定装置の調整方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光源からの光を測定光と参照光としてそれぞれ調整用マスターと参照面に照射し、調整用マスター及び参照面によりそれぞれ反射された測定光及び参照光の合波光を用いて測定対象物の被測定面の形状を測定する形状測定装置の調整方法であって、調整用マスターを測定して粗さパラメータを計算するステップと、粗さパラメータが最大となる位置に参照面を移動させるステップとを備える。

【0014】

本発明の第２の態様に係る形状測定装置の調整方法は、第１の態様において、粗さパラメータとして、算術平均粗さＲａ又はＳａを計算する。

【0015】

本発明の第３の態様に係る形状測定装置の調整方法は、第１又は第２の態様において、参照面を収納する参照面収納部が可逆的に熱変形する材料で形成されており、参照面収納部の温度を制御することにより参照面を移動させる。

【0016】

本発明の第４の態様に係る形状測定装置の調整方法は、第１又は第２の態様において、直動機構により参照面を移動させる。

【0017】

本発明の第５の態様に係る形状測定装置の調整方法は、第１から第４の態様のいずれかにおいて、粗さパラメータと参照面の位置との関係を取得するステップと、１か所以上の参照面の位置ごとに粗さパラメータを計算し、粗さパラメータと参照面の位置との関係に基づいて粗さパラメータが最大となる位置を計算するステップとを備える。

【0018】

本発明の第６の態様に係る形状測定装置の調整方法は、第１から第５の態様のいずれかにおいて、マスターとして、対物レンズの視野範囲を覆う範囲で同一パターンの繰り返しパターンを有するマスターを用いる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、粗さパラメータが最大となる位置に参照面を移動させることにより、形状測定装置の合焦位置と干渉位置が合致するように、形状測定装置の調整を容易に行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置を示す図である。

【図2】図２は、粗さパラメータと参照面位置との関係を示すグラフである。

【図3】図３は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置の調整方法を示すフローチャートである。

【図4】図４は、合焦度と測定形状の関係を示す図である。

【図5】図５は、実施例２に係る形状測定装置を示す図である。

【図6】図６は、実施例２の変形例に係る形状測定装置を示す図である。

【図7】図７は、粗さパラメータと参照面位置との関係を示すグラフである。

【図8】図８は、実施例４に係る形状測定装置を示す図である。

【図9】図９は、実施例５に係るマスターの例を示す平面図である。

【図10】図１０は、実施例６に係るマスターの例を示す平面図である。

【図11】図１１は、実施例７に係るマスターの例を示す平面図及び斜視図である。

【図12】図１２は、図１１に示すマスターを用いた場合のＸＹ方向のそれぞれの断面における合焦度の評価結果を示す図である。

【図13】図１３は、白色干渉顕微鏡の例を示す図である。

【図14】図１４は、実形状と測定波形の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面に従って本発明に係る形状測定装置の調整方法の実施の形態について説明する。

【0022】

［形状測定装置］
図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置を示す図である。なお、図中の互いに直交するＸＹＺ方向のうちでＸＹ方向は水平方向に平行な方向であり、Ｚ方向は上下方向に平行な方向である。

【0023】

図１に示すように、形状測定装置１は、白色干渉顕微鏡１０と、駆動機構１２と、スケール１４と、データ処理部１００とを備える。

【0024】

白色干渉顕微鏡１０は、マイケルソン型の走査型白色干渉顕微鏡である。白色干渉顕微鏡１０は、光源部２０と、ビームスプリッタ２２と、干渉対物レンズ２４と、結像レンズ２６と、カメラ２８とを備える。被測定面ＷａからＺ方向上方側に沿って、干渉対物レンズ２４と、ビームスプリッタ２２と、結像レンズ２６と、カメラ２８の順で配置されている。また、ビームスプリッタ２２に対してＸ方向（Ｙ方向でも可）に対向する位置に光源部２０が配置されている。

【0025】

光源部２０は、データ処理部１００の制御の下、ビームスプリッタ２２に向けて平行光束の白色光Ｌ０（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を出射する。この光源部２０は、図示は省略するが、発光ダイオード、半導体レーザ、ハロゲンランプ、及び高輝度放電ランプなどの白色光Ｌ０を出射可能な光源と、この光源から出射された白色光Ｌ０を平行光束に変換するコレクタレンズとを備える。

【0026】

ビームスプリッタ２２は、例えばハーフミラーが用いられる。ビームスプリッタ２２は、光源部２０から入射した白色光Ｌ０の一部を測定光Ｌ１ｉとしてＺ方向下方側の干渉対物レンズ２４に向けて反射する。また、ビームスプリッタ２２は、干渉対物レンズ２４から入射する後述の合波光Ｌ３の一部をＺ方向上方側に透過して、この合波光Ｌ３を結像レンズ２６に向けて出射する。

【0027】

干渉対物レンズ２４は、マイケルソン型であり、対物レンズ２４ａとビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとを備える。被測定面ＷａからＺ方向上方側に沿ってビームスプリッタ２４ｂ及び対物レンズ２４ａが順に配置され、また、ビームスプリッタ２４ｂに対してＸ方向（Ｙ方向でも可）に対向する位置に参照面２４ｃが配置されている。以下マイケルソン型の干渉光学系を用いて説明するが、干渉光学系はマイケルソン型に限るものでは無く、ミラウ型やリニック型等、公知の干渉光学系を採用する事ができる。

【0028】

対物レンズ２４ａは、集光作用を有しており、ビームスプリッタ２２から入射した測定光Ｌ１を、ビームスプリッタ２４ｂを通して被測定面Ｗａに集光させる。

【0029】

ビームスプリッタ２４ｂは、本発明の干渉部に相当するものであり、例えばハーフミラーが用いられる。ビームスプリッタ２４ｂは、対物レンズ２４ａから入射する白色光Ｌ０の一部を参照光Ｌ２ｉとして分割し、残りの測定光Ｌ１ｉを透過して被測定面Ｗａに出射し且つ参照光Ｌ２ｉを参照面２４ｃに向けて反射する。なお、図中の符号Ｄ１は、ビームスプリッタ２４ｂと被測定面Ｗａとの間の測定光Ｌ１の光路長である測定光路長を示す。ビームスプリッタ２４ｂを透過した測定光Ｌ１ｉは、被測定面Ｗａに照射された後、被測定面Ｗａにより反射されてビームスプリッタ２４ｂに戻る。

【0030】

参照面２４ｃは、例えば反射ミラーが用いられ、ビームスプリッタ２４ｂから入射した参照光Ｌ２ｉをビームスプリッタ２４ｂに向けて反射する。この参照面２４ｃは、不図示の位置調整機構（例えば、ボールねじ機構、アクチュエータ等）によってＸ方向の位置を手動で調整可能である。これにより、ビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間の参照光Ｌ２の光路長である参照光路長Ｄ２を調整することができる。この参照光路長Ｄ２は、測定光路長Ｄ１と一致（略一致を含む）するように調整される。

【0031】

ビームスプリッタ２４ｂは、被測定面Ｗａから戻る測定光Ｌ１と参照面２４ｃから戻る参照光Ｌ２との合波光Ｌ３を生成し、この合波光Ｌ３をＺ方向上方側の対物レンズ２４ａに向けて出射する。この合波光Ｌ３は、対物レンズ２４ａ及びビームスプリッタ２２を透過して結像レンズ２６に入射する。

【0032】

結像レンズ２６は、ビームスプリッタ２２から入射した合波光Ｌ３をカメラ２８の撮像面（図示は省略）に結像させる。具体的には結像レンズ２６は、対物レンズ２４ａの焦点面上における点を、カメラ２８の撮像面上の像点として結像する。

【0033】

カメラ２８は、図示は省略するがＣＣＤ（Charge Coupled Device）型又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の撮像素子を備える。カメラ２８は、結像レンズ２６により撮像面に結像された合波光Ｌ３を撮像し、この撮像により得られた合波光Ｌ３の撮像信号を信号処理して撮像画像を出力する。

【0034】

駆動機構１２は、本発明の走査部に相当する。駆動機構１２は、リニアモータ或いはモータ駆動機構により構成されており、白色干渉顕微鏡１０を走査方向であるＺ方向に移動自在に保持している。この駆動機構１２は、データ処理部１００の制御の下、白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に沿って走査する。

【0035】

なお、駆動機構１２は、被測定面Ｗａに対して白色干渉顕微鏡１０をＺ方向に相対的に走査可能であればよく、例えば被測定面Ｗａ（被測定面Ｗａを支持する支持部）をＺ方向に走査してもよい。

【0036】

スケール１４は、白色干渉顕微鏡１０のＺ方向位置を検出する位置検出センサであり、例えばリニアスケールが用いられる。このスケール１４は、白色干渉顕微鏡１０のＺ方向位置を繰り返し検出し、その位置検出結果をデータ処理部１００に対して繰り返し出力する。

【0037】

データ処理部１００は、操作部１０８からの操作入力に応じて、白色干渉顕微鏡１０（形状測定装置１）による被測定面Ｗａの三次元形状の測定動作を制御し、被測定面Ｗａの三次元形状の演算等を行う。データ処理部１００は、各種の演算を実行するプロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等）と、プロセッサの作業領域となるメモリ（例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等）と、各種のプログラム及びデータを保存するためのストレージデバイス（例えば、ＳＳＤ（Solid State Drive）又はＨＤＤ（Hard Disk Drive）等）を含んでいる。

【0038】

データ処理部１００は、ストレージに保存されたプログラムをプロセッサにより実行することにより、後述の各種の機能（形状測定部１０２、粗さパラメータ計算部１０４及び合致度判定部１０６）を実現可能となっている。

【0039】

なお、データ処理部１００の機能は、１つのプロセッサにより実現されてもよいし、同種または異種の複数のプロセッサで実現されてもよい。また、データ処理部１００の機能は、汎用のコンピュータにより実現されるようにしてもよい。

【0040】

操作部１０８は、データ処理部１００に対する作業者の操作入力を受け付けるための操作部材（例えば、キーボード及びマウス等）を含んでいる。

【0041】

出力部１１０は、データ処理部１００によるプログラムの実行結果、演算結果のデータ等を出力するための装置である。出力部１１０は、例えば、操作ＵＩ（User Interface）及び検出結果を表示するためのモニタ（例えば、液晶ディスプレイ等）を含んでいる。また、出力部１１０は、モニタに加えて又はモニタに代えて、プリンタ又はスピーカ等を含んでいてもよい。

【0042】

［形状測定装置の調整手順］
合焦位置と干渉位置が合致していない場合に周期的な凹凸形状パターンの形状を有する調整用マスター（以下、マスターという。）Ｍの表面形状の測定を行うと、図１４に示した例と同様に、測定形状Ｆ１２が実形状Ｆ１０と比較して崩れてしまい、測定形状Ｆ１２について求めた粗さパラメータは、実形状Ｆ１０について求めた粗さパラメータよりも小さくなる。そして、合焦位置と干渉位置の合致度が低くなるほど（例えば、測定光Ｌ１ｉのマスターＭに対する合焦度が低くなるほど、又は測定光路長Ｄ１と参照光路長Ｄ２との差が大きくなるほど）、測定形状Ｆ１２の実形状Ｆ１０からの乖離がより大きくなり、粗さパラメータがより小さくなる傾向を有する。

【0043】

本実施形態に係る形状測定装置１では、形状測定部１０２により、周期的な凹凸形状パターンを有するマスターＭの表面形状を３次元計測し、粗さパラメータ計算部１０４により、測定形状について粗さパラメータを求める。そして、合致度判定部１０６により、この粗さパラメータを指標として合焦位置と干渉位置の合致度を判定する。ここで、粗さパラメータは、合焦位置と干渉位置が合致している度合を示す合致度パラメータ（測定光Ｌ１ｉがマスターＭに合焦し、かつ、測定光Ｌ１ｒ及び参照光Ｌ２ｒが干渉するための合致度を示す合致度パラメータ）として用いられる。

【0044】

ここで、マスターＭとしては、例えば、周期的な凹凸形状パターンが表面に形成された平板状のものを用いることができる。マスターＭの表面に形成されるパターンは、例えば、各種解像度チャートに用いられるパターン、例えば、放射状（スターチャート）、市松模様（checkered pattern）、グリッドチャート、ＵＳＡＦ １９５１ターゲット（United States Air Force MIL-STD-150A standard of 1951）、ＩＳＯ１２２３３準拠（ＩＳＯ：International Organization for Standardization）の解像度チャート（ＣＩＰＡ（Camera & Imaging Products Association）解像度チャート）等の全部又は一部を使用することができる。また、マスターＭとしては、粗さ標準片（例えば、疑似粗さ標準片、ランダム形状粗さ標準片等）を用いることも可能である。なお、マスターＭの種類は上記に限定されるものではなく、一部に周期的なパターンを含むものであればよい。

【0045】

また、粗さパラメータとしては、ＩＳＯ又はＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）により定義された各種の粗さを表現するパラメータを活用することができる。具体的には、線粗さパラメータ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２０１３）又は面粗さパラメータ（ＪＩＳ Ｂ０６８１－２：２０１８）を利用することができる。線粗さパラメータとしては、例えば、Ｒｚ（最大高さ粗さ：測定形状において最も高い点から最も低い点までの距離）、Ｒａ（算術平均粗さ：測定形状において表面の平均面に対する各点の高さの差の絶対値の平均）、又は複数の断面から計算したＲｚ等の平均値や中央値など統計量等を用いることができる。面粗さパラメータとしては、例えば、Ｓｚ（最大高さ粗さ）又はＳａ（算術平均粗さ）等を用いることができる。

【0046】

（粗さパラメータに基づく合致度判定の具体例）
図２は、粗さパラメータとしてＳａを用いた場合の粗さパラメータと参照面位置との関係を示すグラフである。

【0047】

本実施形態では、まず、測定光Ｌ１ｉをマスターＭの表面に合焦させる。次に、測定光Ｌ１ｉをマスターＭの表面に合焦させた状態で、参照面２４ｃを移動させながら複数の位置でマスターＭの測定を行って、粗さパラメータを求め、粗さパラメータの最大値（ピーク値）Ｐｏを求める。

【0048】

次に、粗さパラメータの最大値Ｐｏに対応する参照面２４ｃの位置Ａｏを、合焦位置と干渉位置の合致度が最も高い参照面２４ｃの設定目標位置とする。そして、この位置Ａｏに参照面２４ｃを移動させることにより、形状測定装置１の調整を行う。

【0049】

これにより、合致度が最大となる位置に参照面２４ｃを移動させることができ、形状測定装置１の調整を容易に行うことができる。

【0050】

なお、上記の例では、粗さパラメータの最大値Ｐｏに対応する参照面２４ｃの位置Ａｏに参照面２４ｃを移動させるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、粗さパラメータの最大値Ｐｏを基準として、粗さパラメータの許容範囲内（例えば、Ｐｏ×８０％）に対応する位置に参照面２４ｃを移動させるようにしてもよい。

【0051】

［形状測定装置の調整方法］
図３は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置の調整方法を示すフローチャートである。

【0052】

まず、参照面２４ｃの位置を初期位置に移動させる（ステップＳ１０）。ここで、初期位置とは、形状測定装置１の調整の開始時における参照面２４ｃの位置である。参照面２４ｃの初期位置は、例えば、参照面２４ｃの±Ｘ方向の移動可能な範囲（ＤＯＦ：Depth of field）の端部、あるいは過去の調整において粗さパラメータが最大となった位置の近傍（例えば、過去のピーク位置を中心にＤＯＦのＲ１％の範囲内の端部）等に設定することができる。ここで、一例でＲ１＝２０（％）である。

【0053】

次に、測定光Ｌ１ｉをマスターＭの表面に合焦させる。そして、測定光Ｌ１ｉをマスターＭの表面に合焦させた状態でマスターＭの表面形状の測定を行って（ステップＳ１２）、マスターＭの表面形状の測定結果から粗さパラメータを算出する（ステップＳ１４）。

【0054】

次に、参照面２４ｃの位置を微小量移動させて（ステップＳ１６）、粗さパラメータの算出を繰り返し、粗さパラメータのピーク位置（最大となる位置）を探索する（ステップＳ１２～Ｓ１８）。具体的には、粗さパラメータのピーク位置を山登り法（Hill climbing method）により探索し、粗さパラメータがピークとなる参照面２４ｃの位置を検知した場合に（ステップＳ１８のＹｅｓ）、ステップＳ１２～Ｓ１８のループを終了する。

【0055】

なお、本実施形態では、山登り法の例について説明したが、本発明はこれに限定されず、山登り法以外の局所探索アルゴリズムを適用することも可能である。また、複数の粗さパラメータの測定値について近似曲線（例えば、最小２乗近似又は多項式近似等）を求めて、粗さパラメータの最大値（ピーク値）Ｐｏを求めてもよい。

【0056】

次に、粗さパラメータがピークとなる参照面２４ｃの位置を検知すると、粗さパラメータのピーク位置に参照面２４ｃの位置を移動させる（ステップＳ２０）。

【0057】

本実施形態によれば、周期的な凹凸パターンを持つマスターＭを用いるので、粗さパラメータによって傾向を適切かつ効果的に評価することができる。また、既存の粗さパラメータ計算プログラムを流用可能であるため、形状測定装置１の調整をより簡便に実現することができる。さらに、粗さパラメータにはフィルタが適用されているため、マスターＭの傾斜又は歪み等の影響を受けることがないので、合焦位置と干渉位置の合致度を高精度に評価することができる。

【0058】

また、合焦位置と干渉位置の合致度を示す指標を粗さパラメータという数値で算出することができるため、再現性が高く、かつ高精度に調整することが可能になる。さらに、形状測定装置１の調整の自動化が可能となる。

【0059】

［実施例１］
実施例１は、粗さパラメータとして、特に算術平均粗さＲａ又はＳａを利用するものである。

【0060】

図４に示すように、測定光Ｌ１ｉの合焦度を低くしていくと（ピントずれを大きくしていくと）、測定形状の波形Ｆ１～Ｆ３は、実形状Ｆ０から乖離していく。

【0061】

ここで、干渉位置において（測定光路長Ｄ１（ｂ）と参照光路長Ｄ２（ｂ）とが一致する場合）、合焦度が比較的高い場合（測定形状Ｆ１及びＦ２の場合）には、測定形状の波形は崩れるものの、波形のピークの高さに大きな差異が生じない場合がある。この場合、最大高さ粗さＲｚ及びＳｚでは、合焦度を正確に評価することが困難になる場合がある。

【0062】

このため、実施例１では、粗さパラメータとして、算術平均粗さＲａ又はＳａを用いることで、波形の崩れを粗さパラメータに含めて評価可能とする。これにより、より高精度に干渉位置の調整が可能となる。

【0063】

［実施例２］
図５は、実施例２に係る形状測定装置を示す図である。

【0064】

図５に示すように、実施例２に係る形状測定装置１Ａは、温調機（温度センサ３４及び温度制御ユニット１１２）を用いて参照面２４ｃの位置の調整を行う。

【0065】

図５に示すように、形状測定装置１Ａでは、干渉対物レンズ２４はホルダ２４ｄを含んでいる。

【0066】

ホルダ２４ｄは、例えば真鍮のような金属材料、すなわち可逆的に熱変形する材料で形成されている。このホルダ２４ｄは、レンズ鏡胴２４ｄ１と参照面収納部２４ｄ２とを備える。レンズ鏡胴２４ｄ１は、Ｚ方向に延びた筒形状に形成されており、対物レンズ２４ａ及びビームスプリッタ２４ｂを収納（保持）する。参照面収納部２４ｄ２は、レンズ鏡胴２４ｄ１におけるビームスプリッタ２４ｂの保持位置からＸ方向に延びた筒形状に形成されており、参照面２４ｃを収納する。

【0067】

温度調整部３２は、参照面収納部２４ｄ２の近傍に設けられており、温度制御ユニット１１２の制御の下、少なくともビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間の温度、すなわち参照面収納部２４ｄ２の温度を調整する。この温度調整部３２としては、例えば、ヒータ及びペルチェ素子などが用いられる。

【0068】

参照面収納部２４ｄ２は、可逆的に熱変形する材料で形成されているので、温度変化に応じて可逆的に熱変形（膨張又は収縮）する。これにより、温度調整部３２により参照面収納部２４ｄ２の温度を変化させることで、参照面収納部２４ｄ２を熱変形させてこの熱変形に応じて参照面２４ｃのＸ方向位置を調整可能である。

【0069】

温度センサ３４は、本発明の温度測定部に相当する。温度センサ３４は、参照面収納部２４ｄ２の近傍に設けられており、ホルダ２４ｄの中で少なくとも参照面収納部２４ｄ２（ビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間）の温度を測定し、その温度測定結果を温度制御ユニット１１２の温度取得部１１６へ出力する。この温度センサ３４の測定結果は、温度制御ユニット１１２による温度調整部３２の制御に利用される。

【0070】

断熱材３０は、干渉対物レンズ２４の全体、温度調整部３２、及び温度センサ３４を覆うように設けられている。これにより、断熱材３０の内部の温度、特に参照面収納部２４ｄ２及びその近傍の温度が外部の影響を受けて変化することが防止される。

【0071】

図５に示すように、温度制御ユニット１１２は、制御目標温度保存部１１４、温度取得部１１６、計算処理部１１８及び出力制御部１２０を含んでいる。

【0072】

制御目標温度保存部１１４は、ホルダ２４ｄ内の温度（例えば、参照面収納部２４ｄ２の温度、ビームスプリッタ２４ｂと参照面２４ｃとの間の温度）と、参照面２４ｃの位置（Ｘ方向の位置）との対応関係を示すルックアップテーブルＬＵＴを保存する。

【0073】

計算処理部１１８は、制御目標温度保存部１１４に保存されたＬＵＴを参照して、参照面２４ｃの設定目標位置に移動させるために必要な温度調整部３２の出力を計算する。具体的には、計算処理部１１８は、参照面２４ｃの設定目標位置に対応するホルダ２４ｄ内の温度（制御目標温度）をＬＵＴから読み出し、ホルダ２４ｄ内の温度を制御目標温度にするための温度調整部３２の出力を計算する。

【0074】

出力制御部１２０は、計算処理部１１８による計算結果に基づいて温度調整部３２の出力を制御して、ホルダ２４ｄ内の温度を制御目標温度にする。ここで、ホルダ２４ｄ内の温度制御は、例えば、フィードバック制御、ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）等により行うことが可能である。

【0075】

実施例２によれば、参照面２４ｃの位置を温度という数値を用いて管理することができるので、より高精度、高分解能かつ高再現性での調整が可能となる。

【0076】

（変形例）
図６は、実施例２の変形例に係る形状測定装置を示す図である。

【0077】

図６に示すように、変形例に係る形状測定装置１Ｂは、モータＭを用いた直動機構を用いて参照面２４ｃの位置の調整を行う。

【0078】

モータ制御部１３０は、参照面２４ｃのＸ方向の位置を取得してモータＭの回転量を制御（フィードバック制御、ＰＩＤ制御）し、参照面２４ｃを設定目標位置に移動させる。

【0079】

変形例によれば、モータＭを用いて参照面２４ｃの位置を制御することができるので、より高精度、高分解能かつ高再現性での調整が可能となる。
なお、本変形例では、モータＭを用いた直動機構を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ピエゾ素子等のアクチュエータを用いた直動機構を採用することも可能である。

【0080】

［実施例３］
実施例３は、あらかじめ粗さパラメータと参照面２４ｃの位置との関係を取得しておき、マスターＭの測定を行って得られた粗さパラメータと、この関係を参照して参照面２４ｃの位置を確認可能としたものである。ここで、粗さパラメータと参照面２４ｃの位置との関係としては、例えば、粗さパラメータの値と参照面２４ｃの位置（相対位置）との相関関係を示す相関グラフ（図７のグラフＧ１参照）、又は粗さパラメータの最大値と、参照面２４ｃの目標設定位置との対応関係を示すテーブル等を用いることができる。

【0081】

実施例３では、まず、データ処理部１００により、マスターＭの測定を行い、マスターＭの測定結果から粗さパラメータの値を計算する。そして、粗さパラメータと参照面２４ｃの位置との関係を参照して、参照面２４ｃの位置が設定目標位置からずれていないかを点検する。

【0082】

例えば、図７に示す粗さパラメータと参照面２４ｃの位置との関係において、「粗さパラメータの最大値Ｐｏに対して所定の割合Ｒ（％）以下の値となった場合には、形状測定装置１の再調整が必要」等の点検基準を作成する。なお、一例でＲ＝７５％である。

【0083】

マスターＭの測定の結果得られた粗さパラメータの値が、Ｐｔ＝Ｒ×Ｐｏ以下の場合には、形状測定装置１の参照面２４ｃの位置の調整を開始する。

【0084】

具体的には、まず、参照面２４ｃの位置を変えて、少なくとも２か所でマスターＭの測定を行い、少なくとも２か所の参照面２４ｃの位置ごとの粗さパラメータを算出する。ここで、２か所の参照面２４ｃの位置Ａ１及びＡ２については、相対位置Ａ２－Ａ１（すなわち、位置Ａ１とＡ２のＸ方向の相対的な位置関係（距離））のみが判明しており、絶対位置（Ｘ方向の座標）は判明していないものとする。

【0085】

次に、位置Ａ１及びＡ２における粗さパラメータＰ１及びＰ２をそれぞれ計算し、図７に示すように、相関グラフＧ１と重ね合わせることにより、参照面２４ｃの位置Ａ１又はＡ２と目標設定位置Ａｏとの位置関係（移動の向き及び距離）が求められる。

【0086】

次に、この位置関係に基づいて、位置Ａ１又はＡ２を起点（移動開始位置）として参照面２４ｃを目標設定位置Ａｏまで移動させる。

【0087】

実施例３によれば、相関グラフＧ１を用いることにより、参照面２４ｃの移動開始位置（Ａ１又はＡ２）から目標設定位置Ａｏまでの移動の向き及び距離を計算することができる。

【0088】

なお、実施例３では、少なくとも２か所の参照面２４ｃの位置について粗さパラメータを算出したが、本発明はこれに限定されない。例えば、相関グラフＧ１の増減の方向がわかっている場合には、参照面２４ｃの位置１か所のみから目標設定位置Ａｏまでの移動の向き及び距離を計算してもよい。粗さパラメータＰ１及びＰ２の大小関係から相関グラフＧ１の増減の方向を特定し、（Ａ１，Ｐ１）及び（Ａ２，Ｐ２）のいずれかと相関グラフＧ１から目標設定位置Ａｏまでの移動の向き及び距離を計算してもよい。

【0089】

［実施例４］
実施例３では、マスターＭの測定を行うことにより参照面２４ｃの位置の再調整を行うようにしたが、所定のタイミングでマスターＭの測定を行うことにより、参照面２４ｃの状態の点検を行うことも可能である。

【0090】

例えば、長期間の使用や環境温度変化によって、合焦位置と干渉位置がずれる場合がある。このような場合には、測定精度が低い状態で、形状測定装置を使い続けてしまう懸念がある。

【0091】

このため、定期的にマスターＭを測定し、粗さパラメータを算出して合焦位置と干渉位置の合致度を参照することで、上記のような感度低下状態を検知することが可能となる。これにより、形状測定装置の信頼性の向上を図ることができる。

【0092】

また、粗さパラメータの低下をトリガーとして自動的に合焦位置と干渉位置を合致させる調整を行うことも可能である。これにより、より信頼性の高い形状測定装置を提供することが可能となる。

【0093】

以下、実施例４に係る形状測定装置の具体例について説明する。図８は、実施例４に係る形状測定装置を示す図である。

【0094】

図８に示すように、本実施形態に係る形状測定装置１Ｃは、マスターＭと測定対象物Ｗとを測定光Ｌ１ｉの光路上に選択的に進出させるための切替機構１６を含んでいる。形状測定装置１Ｃでは、この切替機構１６によりマスターＭと測定対象物Ｗとを切り替え可能となっており、所定のタイミングでマスターＭの測定を行うことにより、参照面２４ｃの状態の点検を行うことが可能となっている。

【0095】

切替機構１６としては、例えば、アクチュエータ又はモータ等により、マスターＭ及び測定対象物Ｗが載置されたステージＳＴを移動させる機構、又はマスターＭ及び測定対象物ＷをステージＳＴに移動させるためのロボットアーム等を用いることができる。

【0096】

切替制御部１４０は、所定のタイミングで切替機構１６を制御して、マスターＭと測定対象物Ｗとを切り替える。

【0097】

（合致度の確認を行うタイミング）
マスターＭを用いて合致度を確認するタイミング（時期的条件）としては、下記の例が考えられる。

【0098】

（ａ）測定対象物Ｗの測定実行回数が一定値を超えた場合に確認を実施する。この場合、測定実行回数を制限することにより、調整不良状態で測定実行してしまう測定対象物Ｗの最大数を制限することが可能になる。

【0099】

（ｂ）一定時間又は一定日数経過時に確認を実施する。この場合、調整不良状態で測定対象物Ｗの測定が実行されてしまった場合であっても、調整不良状態で測定された測定対象物Ｗ及び測定データを測定日等により特定することができる。これにより、調整不良状態で測定された測定データを容易にトレースすることができ、再測定を行うことが可能になる。

【0100】

（ｃ）測定のバッチ（例えば、ロット等）の開始時に確認を実施する。この場合、調整不良状態で測定実行してしまう測定対象物Ｗがバッチに制限される。これにより、調整不良状態で測定された測定データを容易にトレースすることができ、再測定を行うことが可能になる。

【0101】

なお、確認の実施タイミングは、上記に例示列挙したものに限定されない。上記の（ａ）～（ｃ）及びこれらの組み合せを作業者が選択又は設定可能としてもよい。

【0102】

［実施例５］
実施例５は、形状測定装置の調整のためのマスターＭとして、対物レンズ２４ａの視野を十分に覆う範囲で同一パターンの繰り返しとなっているようなマスターＭ１を使用するものである。このようなマスターＭ１としては、例えば、ロンキールーリング、位相格子又は回折格子等を用いることができる。

【0103】

図９は、実施例５に係るマスターの例を示す平面図である。図９に示す例は、マスターＭ１としてロンキールーリングを用いたものである。図９において、符号ＶＦは、対物レンズ２４ａの視野範囲を示している。ロンキールーリングは、例えば、ガラス基板上にクロムを蒸着し、エッチング処理を施して黒色塗料を充填することにより、一定間隔の縞状のパターンを形成したものである。

【0104】

実施例５によれば、対物レンズ２４ａの視野範囲ＶＦの全域において、ピッチが一定の画像を取得することができる。すなわち、視野範囲ＶＦの全域で同一情報を利用することができるので、統計的な処理が容易となり、高精度な調整が可能となる。

【0105】

さらに、実施例５によれば、対物レンズ２４ａを介して得られる画像がマスターＭ１と白色干渉顕微鏡１０の相対位置決め精度に依存しないため、再現性及び信頼性が高い調整及び確認が可能となる。

【0106】

［実施例６］
実施例６は、実施例５と同様のマスターＭ１を回転させて測定を行うことを可能としたものである。実施例６に係る形状測定装置１は、ステージＳＴをＺ軸回りに回転可能となっている。

【0107】

実施例６によれば、図１０に示すように、マスターＭ１を９０°回転させることにより、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの光軸ずれを含めた焦点位置を確認することが可能となっている。これにより、白色干渉顕微鏡１０の鏡筒のＸＹ方向の光軸ずれを検出することが可能となる。さらに、ＸＹ方向のピッチ誤差を同時に確認することが可能となる。

【0108】

［実施例７］
実施例７は、形状測定装置の調整のためのマスターＭとして、対物レンズ２４ａの視野を十分に覆う範囲で、２方向に同一パターンの繰り返しとなっているようなマスターＭ２を使用するものである。このようなマスターＭ２としては、互いに直交する２方向に沿って周期構造を持つマスター、例えば、表面に市松模様（checkered pattern）が形成されたマスターを採用することができる。

【0109】

図１１は、市松模様が形成されたマスターの例を示す平面図及び斜視図であり、図１２は、図１１に示すマスターを用いた場合のＸＹ方向のそれぞれの断面における合焦度の評価結果（実形状からの測定形状を乖離）を示す図である。

【0110】

実施例７によれば、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの光軸ずれを含めた焦点位置を確認することが可能となっている。これにより、白色干渉顕微鏡１０の鏡筒のＸＹ方向の光軸ずれを検出することが可能となる。また、測定形状の算出をＸＹ方向のいずれかに限定することにより、方向ごとの光軸ずれを検知することが可能になる。さらに、ＸＹ方向のピッチ誤差を同時に確認することが可能となる。

【0111】

また、実施例７では、市松模様のパターンを用いる場合について説明したが、例えば、互いに直交する方向に等間隔でグリッドが形成されたグリッドチャートでも同様の効果を得ることができる。また、図１１及び図１２に示す例では、ＸＹ方向に等間隔の正方形状のパターンの繰り返しパターンを用いたが、長方形パターンの繰り返し又は平行四辺形パターンの繰り返しであってもよい。長方形パターンの繰り返し又は平行四辺形パターンの場合であっても、パターンの各辺に直交する方向の光軸ずれを検知することが可能になる。

【符号の説明】

【0112】

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…形状測定装置、１０…白色干渉顕微鏡、１２…駆動機構、１４…スケール、１６…切替機構、２０…光源部、２２…ビームスプリッタ、２４…干渉対物レンズ、２４ａ…対物レンズ、２４ｂ…ビームスプリッタ、２４ｃ…参照面、２４ｄ…ホルダ、２６…結像レンズ、２８…カメラ、３０…断熱材、３２…温度調整部、３４…温度センサ、１００…データ処理部、１０２…形状測定部、１０４…粗さパラメータ計算部、１０６…合致度判定部、１０８…操作部、１１０…出力部、１１２…温度制御ユニット、１１４…制御目標温度保存部、１１６…温度取得部、１１８…計算処理部、１２０…出力制御部、１３０…モータ制御部、１４０…切替制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】