专利名称：三维形状测量装置及三维形状测量方法
技术领域：
本发明涉及利用干涉条纹图像对测量对象的表面凹凸形状(台阶形状)和厚度进行测量的三维形状测量装置及三维形状测量方法。
背景技术：
在对例如薄膜磁头的介质相对面(浮上面)那样的复杂的台阶形状进行测量时，一般使用利用干涉条纹的干涉条纹解析方法，所述干涉条纹是使从测量对象的测量面反射的测量光和从设置在与该测量面在光学上等价位置上的参照面反射的参照光进行干涉而生成的。
作为干涉条纹解析方法，垂直扫描白光干涉(VSIVerticalScanning Interferometry)法和相移(PSIPhase Shift Interferometry)法被广泛公知。众所周知，垂直扫描白光干涉法是使用可干涉距离短的白光光源在高度方向上对测量对象进行垂直扫描、并检测出干涉条纹调制量为最大的位置作为测量点的高度h的方法。高度范围(RANGE)可以自由设定，也能够测量包含不连续台阶的粗糙面。相移(SHIFT)法是如下方法通过测量在参照光和测量光之间赋予了多个相位差时的干涉条纹的强度变化，来计算参照光和测量光的相位差φ，根据该相位差φ和测量光的波长λ，使用运算方程式h＝(λ/4π)·φ换算并求出各个测量点的高度h。通过获得多个干涉条纹图像，可以在短时间内高精度地实现测量面内的所有点的高度测量。
专利文献1日本特开2001-99620号公报专利文献2日本特开2001-174232号公报专利文献3日本特开2002-13919号公报但是，上述垂直扫描白光干涉法存在下述缺点测量精度比相移法低，并且，为了检测测量点的高度h而需要取得整个高度位置上的测量对象的干涉条纹图像，所以测量时间变长。
另一方面，在相移法中，在利用测量光的相位差φ的原理上，可测量的高度范围被限定在测量光的波长λ的一半以内，并且，如果测量对象与测量光的波长λ相比不是充分平滑的面，则很难进行准确测量。因此，在测量高度有很大不同的台阶形状时，仅使用相移法不能测量正确的形状，而需要在用相移法测量之后再使用垂直扫描白光干涉法等测量绝对高度。如此，在实施相移(SHIFT)法和垂直扫描白光干涉法这两者的方法中，测量时间进一步变长，并且装置结构也变得复杂。
此外，以前，在上述的任一方法中都是平面地捕捉测量对象面后算出高度，完全不考虑测量对象面的曲面形状。因此，在对具有曲率的测量对象面的凹凸形状进行测量时，存在实际高度值与测量值随该测量对象面的曲率和图案形状而有很大不同的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够以简单的装置结构高速且高精度地实现测量的三维形状测量装置及三维形状测量方法。
本发明的着眼点在于，在测量具有曲率的测量对象面的凹凸形状的情况下，对测量值进行曲面近似，测量精度就提高；如果不测量测量对象面的绝对高度，而仅测量各凹凸图案区域中的微小高度差分(台阶高差)，就可以通过相移法实现高速且高精度的测量以及，为了确定用该相移法求出的测量值的绝对高度，准备加入了测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息的参照用掩码，使该参照用掩码和测量值拟合(FITTING)，就能够容易进行。
即，本发明是一种三维形状测量装置，具有干涉物镜光学系统，使从具有曲率的凹凸形状的测量对象面反射的测量光和从参照面反射的参照光干涉，形成干涉条纹；垂直驱动机构，在测量对象面的法线方向驱动该干涉物镜光学系统；相位变化机构，使干涉条纹的相位变化；摄像机构，获得由该相位变化机构改变了相位的干涉条纹图像；以及解析控制机构，根据该摄像机构取得的至少3个干涉条纹图像来解析测量对象面的凹凸形状；该解析控制机构具有掩码设定机构，生成并保持加入了测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息的参照用掩码；相移运算机构，基于相移法，根据摄像机构取得的至少3个干涉条纹图像，计算表示测量对象面的各凹凸图案区域中的相对高度差分的PSI测量数据；修正运算机构，使参照用掩码与上述PSI测量数据拟合，根据测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息及相对高度差分，逆计算出该测量对象面的绝对高度值；近似运算机构，使所算出的上述测量对象面的绝对高度值和该测量对象面的曲面形状拟合，求出该近似值作为解析高度值。
实际上，近似运算机构利用最小二乘法对测量对象面的绝对高度值进行球面近似或圆柱近似。
最好是，掩码设定机构将测量对象面的每个凹凸图案区域的设计高度数据作为绝对基准高度信息，与通过垂直驱动机构垂直驱动干涉物镜光学系统并利用垂直扫描白色干涉法取得的VIS基准数据建立关联，从而生成参照用掩码。
最好是，上述三维形状测量装置还具有定位标记设定机构，该定位标记设定机构使用摄像机构取得的多个干涉条纹图像来合成除去了干涉条纹的干涉强度图像，将该干涉强度图像中的特定点设定为规定摄像机构的图像取得范围时、和修正运算机构使参照用掩码和PSI测量数据拟合时的定位标记。
此外，最好是，上述三维形状测量装置还具有对焦机构，该对焦机构一边通过垂直驱动机构按测量光波长的一半的距离单位垂直驱动干涉物镜光学系统，一边检测干涉条纹图像的对比度成为最大的位置，在该对比度成为最大的位置，通过垂直驱动机构移动干涉物镜光学系统；相移运算机构使用对比度大的干涉条纹图像中的至少三个干涉条纹图像来执行运算。
最好是，测量对象面是薄膜磁头的介质相对面，该介质相对面上至少形成有在介质侧最突出的ABS图案区域，在介质侧其次突出的第二图案区域，比该ABS图案区域和第二图案区域低且作为该介质相对面的基准高度面的凹部图案区域；参照用掩码包括ABS图案区域及第二图案区域的绝对基准高度信息、和凹部图案区域的高度零信息而形成；解析控制机构还包括台阶高差运算机构，台阶高差运算机构分别计算ABS图案区域和第二图案区域的台阶高差、以及ABS图案区域和凹部图案区域的台阶高差。
此外，最好是，在测量对象面是具有再现头和记录头中的至少一个的薄膜磁头的介质相对面的情况下，定位标记对应干涉强度图像中的再现头和记录头中的至少一个的存在区域而设定着。
此外，根据制造方法的方式，本发明是测量具有曲率的测量对象面的凹凸形状的方法，其具有准备参照用掩码的工序，该参照用掩码中加入了测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息；形成干涉条纹的工序，将特定波长光提供给上述测量对象面和参照面，使从测量对象面反射的测量光和从参照面反射的参照光进行干涉，形成干涉条纹；计算PSI测量数据的工序，使干涉条纹的相位变化而取得至少3个干涉条纹图像，并基于相移法，根据该至少3个干涉条纹图像来计算表示测量对象面的各凹凸图案区域中的相对高度差分的PSI测量数据；使参照用掩码与上述PSI测量数据拟合，根据测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息和相对高度差分，逆计算出该测量对象面的绝对高度值的工序；使计算出的测量对象面的绝对高度值和该测量对象面的曲面形状拟合，求出该近似值作为解析高度值的工序。
实际上，通过最小二乘法使测量对象面的绝对高度值和该测量对象面的曲面形状拟合。
参照用掩码可以通过下述工序形成将白色光提供给测量对象面和参照面，使从该测量对象面反射的测量光和从参照面反射的参照光进行干涉，形成干涉条纹的工序；基于垂直扫描白色干涉法对测量对象面的干涉条纹图像进行垂直扫描，取得VIS基准数据的工序；将测量对象面的每个凹凸图案区域的设计高度数据作为绝对基准高度信息，与所取得的VIS基准数据建立关联进行注册的工序。
实际上，在对多个同一规格的测量对象物进行连续的测量时，在准备参照用掩码的工序中，在第一次测量时形成该参照用掩码并注册，在第二次以后的测量时读取并利用已注册的参照用掩码。
最好是，在准备参照用掩码的工序之前，至少执行一次如下工序将特定波长光提供给测量对象面和参照面，使由测量光和参照光的干涉而产生的干涉条纹的相位变化，取得至少4个干涉条纹图像，使用该取得的至少4个干涉条纹图像来合成除去了干涉条纹的干涉强度图像，并将该干涉强度图像中的特定点作为定位标记进行注册；将该定位标记作为基准来规定干涉条纹图像的取得范围，并且，使参照用掩码和上述PSI测量数据拟合。
最好是，在形成干涉条纹的工序和计算PSI测量数据的工序之间，具有以测量光波长的一半的距离单位对干涉条纹图像进行垂直扫描、并检测出该干涉条纹图像的对比度为最大的位置的工序，在PSI测量数据的计算中使用对比度大的干涉条纹图像中的至少三个干涉条纹图像。
最好是，测量对象面是薄膜磁头的介质相对面，在该介质相对面上至少形成有在介质侧最突出的ABS图案区域，在介质侧其次突出的第二图案区域，比该ABS图案区域及第二图案区域低的、作为该介质相对面的基准高度面的凹部图案区域；参照用掩码包含ABS图案区域及第二图案区域的绝对基准高度信息、和凹部图案区域的高度零信息而形成；并且在计算出解析高度值之后，具有计算ABS图案区域与第二图案区域的台阶高差的工序，和计算ABS图案区域与凹部图案区域的台阶高差的工序。
此外，测量对象面可以是具有再现头和记录头中的至少一个的薄膜磁头的介质相对面。这种情况下，最好是，将与该再现头和记录头中的至少一个的存在区域对应的上述干涉强度图像中的区域设定为上述定位标记。
根据本发明，可以提供一种三维形状测量装置及三维形状测量方法，能够以简单的装置结构实现高速且高精度的测量。
图1是表示作为本发明的一个测量对象的薄膜磁头的朝向介质相对面(浮上面)上侧的状态的立体图。
图2是表示本发明涉及的三维形状测量装置的一个实施方式的简略结构图。
图3是表示本发明涉及的三维形状测量方法的顺序的流程图。
图4是表示由波长λ的测量光和参照光的干涉形成的干涉条纹的模式平面图。
图5是在形成参照用掩码时使用的VSI基准数据的一个例子的曲线图。
图6是表示参照用掩码的一个例子的模式平面图。
图7是说明在干涉条纹聚焦处理中执行的干涉条纹图像的扫描方法的曲线图。
图8是说明基于移相法的测量的曲线图。
具体实施例方式
图1是表示作为本发明的一个测量对象的薄膜磁头的朝向介质相对面(浮上面)上侧的状态的立体图。薄膜磁头以板状的滑块11和元件部12为主体构成，所述板状的滑块11由例如Al2O3-TiC等硬质的无磁性陶瓷材料形成，所述元件部12是在该滑块表面11a的后部端面15侧上层叠MR磁头和感应头而形成的。
在滑块表面11a上设置有大致三角柱状的中心垫部25，位于后部端面15侧的端部中央；多角柱状的侧垫部26，比该中心垫部25更靠近前部端面13，并且位于该中心垫部25的两边；中心护栏部21，在前部端面13侧在宽度方向上延伸；一对侧护栏部22、23，从该中心护栏部21的两端向后部端面15侧延伸。中心垫部25的与记录介质相对的面构成第一后方空气轴承面25a，在该第一后方空气轴承面25a中嵌入所述元件部12。侧垫部26以比中心垫部25大的面积形成，具有后部端面15侧的第二后方空气轴承面26a和前部端面13侧的前方台阶面26b。中心护栏部21具有前方空气轴承面21a、前方台阶面21b和从该前方台阶面21b的两端部向后部端面15侧延伸的侧方台阶面21c。侧护栏部22、23与前方空气轴承面21a被形成在同一个面上。
上述薄膜磁头的介质相对面H形成曲面形状，在将露出的滑块表面11a规定为绝对高度为0的凹部图案区域时，由第一后方空气轴承面25a、第二后方空气轴承面26a、前方空气轴承面21a及侧护栏部22、23形成在介质侧最突出的ABS(Air Bearing Surface空气轴承面)图案区域，由前方台阶面21b、26b形成在介质侧其次突出的第二图案区域。
在下面说明的本发明的三维形状测量中，按各图案区域解析具有曲率的薄膜磁头的介质相对面H的凹凸形状，并测量ABS图案区域和第二图案区域的台阶(浅SD值)、以及ABS图案区域和凹部图案区域的台阶(深SD值)。该ABS图案区域和第二图案区域的台阶是对薄膜磁头的浮上量有很大影响的参数，需要特别精密的测量。
图2是表示本发明涉及的三维形状测量装置的一个实施方式的简略结构图。三维形状测量装置30具有光源31，供给白光；窄带滤色片32，通过图中未示的保持机构进退自如地被保持在光源31的光轴上；第一半透半反镜33；干涉物镜35，在z轴方向(图示的上下方向)被垂直驱动机构34驱动；第二半透半反镜36；参照镜38，基本上被保持在与测量对象面在光学上等价的位置，但根据需要由位移机构37进行微小位移；摄像装置39；解析控制装置40；外部输入装置41及监视器42。解析控制装置40具有担当三维形状测量装置30的整体处理的控制部40a、加工摄像装置39所拍摄的电子图像的图像处理部40b、进行各种运算的运算部40c及预先存储了控制用参数和信息的存储部40d。
从光源31射出的白光经窄带滤色片32(仅限于在光源31的光轴上进入的情况)、第一半透半反镜33及干涉物镜35，入射到第二半透半反镜36，从第二半透半反镜36被分别提供给参照镜38和测量对象面，其一部分在参照镜38和测量对象面被反射。本实施方式的测量对象面是薄膜磁头的介质相对面H。在参照镜38被反射的光(以下称为“参照光”)和在薄膜磁头的介质相对面H被反射的光(以下称为“测量光”)通过第二半透半反镜36之后，由干涉物镜35再次重合而形成干涉光。所形成的干涉光通过第一半透半反镜33后，在摄像装置39的受光面上成像，并由摄像装置39形成电子图像。该电子图像在解析控制装置40的图像处理部40b被加工成为干涉条纹图像(图4)，用于解析控制装置40在运算部40c执行的运算处理。干涉条纹图像及测量结果(运算处理结果)可在监视器42上看到。
接着，参照图3所示的流程图说明本发明涉及的三维形状测量方法的步骤。本三维形状测量方法是测量具有曲率的测量对象面的凹凸形状的方法，主要特征是实际测量仅使用相移法进行；使用加入了绝对基准高度信息的参照用掩码来获得PSI测量数据的绝对高度；以及通过曲率近似运算来使解析高度值接近实际值。
首先，将作为测量对象的薄膜磁头以其该介质相对面H朝向上侧的状态设置在三维形状测量装置30上(S10)。设置后，作为测量前的初始设定工序，执行定位标记设定工序(S11)及参照掩码设定工序(S12)。定位标记是在规定由摄像装置39拍摄的图像范围时、以及使后述的参照用掩码和PSI测量数据拟合(FITTING)时成为基准的指标。参照用掩码60具有薄膜磁头的介质相对面H的每个凹凸图案的绝对基准高度信息，在确定PSI测量数据的绝对高度时进行参照。该定位标记设定工序及参照掩码设定工序，由解析控制装置40的控制部40a执行及控制。
定位标记设定工序(S11)中，首先，解析控制装置40通过未图示的保持机构使窄带滤色片32进入到光源31的光轴上，在该进入状态下(图2中用虚线表示)开始从光源31的光供给。从光源31射出的白光通过窄带滤色片32后成为特定波长的单色光，在本实施方式中成为波长λ的红色光，之后，经第一半透半反镜33、干涉物镜35及第二半透半反镜36被分别提供给薄膜磁头的介质相对面H和参照镜38。然后，来自介质相对面H及参照镜38的反射光(测量光、参照光)通过第二半透半反镜36及干涉物镜35后相互干涉，形成如图4所示的多个干涉条纹I。接着，解析控制装置40通过位移机构37使参照镜38位移，并通过摄像装置39获得分别相差1/4λ相位的四个干涉条纹图像。接着，在图像处理部40b，由四个干涉条纹图像合成干涉强度图像。解析控制装置40的控制部40a将所合成的干涉强度图像中的薄膜磁头的元件部12的存在区域设定为定位标记。包含定位标记的干涉强度图像被存储在解析控制装置40的存储部40d。
若进入参照掩码设定工序(S12)，则解析控制装置40首先通过未图示的保持机构使窄带滤色片32从光源31的光轴上退出，并在该退出状态(图2中用实线表示)下开始从光源31的光供给。由于从光源31射出的白光经第一半透半反镜33、干涉物镜35及第二半透半反镜36后被分别原样提供给薄膜磁头的介质相对面H和参照镜38，所以，所形成的干涉条纹与由单色光形成的干涉条纹(图4)相比，条纹间隔变宽。接着，解析控制装置40通过垂直驱动机构34在z轴方向上驱动干涉物镜35，从而垂直扫描测量对象，基于垂直扫描白光干涉法取得VSI基准数据。以在S11中设定的定位标记为基准，设定此时的摄像装置39的摄像范围。摄像装置39所取得的电子图像在图像处理部40b被加工为干涉条纹图像之后，在运算部40c成为VSI基准数据(图5)。然后，解析控制装置40在运算部40c将薄膜磁头的介质相对面H的各个凹凸图案区域的设计高度数据作为绝对基准高度信息，同取得的VSI基准数据建立关联，从而，生成参照用掩码60。使用者可以在参照掩码设定工序中或该工序之前，从与解析控制装置40连接的外部输入装置41输入测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息，但也可以预先存储在解析控制装置40的存储部40d。
图6示出了参照用掩码60的一个例子。在本实施方式中，作为参照用掩码60，分别生成有ABS掩码61，包含介质相对面H的ABS图案区域和该ABS图案区域的绝对基准高度信息hA＝2μm；第二掩码62，包含第二图案区域和该第二图案区域的绝对基准高度信息h2＝1.9μm；空腔掩码63，包含凹部图案区域和该凹部图案区域的绝对基准高度信息hC＝0μm。所生成的参照用掩码60(61～63)存储在解析控制装置40的存储部40d。
在测量时，根据需要从存储部40d读取并利用存储在解析控制装置40的存储部40d中的定位标记及上述参照用掩码60。
如果执行了到此为止的初始设定工序，则接着开始S13以后的实际测量。该时间测量也通过解析控制装置40的控制部40a执行控制。
解析控制装置40首先在通过未图示的保持机构使窄带滤色片32进入了光源31的光轴上的状态下(图2中用虚线表示)，开始从光源31的光供给，通过中心波长λ的测量光和参照光的干涉，生成如图4所示的多个干涉条纹(S13)。
接着，执行干涉条纹聚焦处理(S14)。在该干涉条纹聚焦处理中，通过垂直驱动机构34在z轴方向上驱动干涉物镜35，从而以测量光波长λ的1/2的距离单位扫描干涉条纹图像，并检测出通过摄像装置39取得的干涉条纹图像的对比度为最大的z位置，再通过垂直驱动机构34使干涉物镜35移动到该对比度为最大的z位置，并固定在该透镜位置。在利用了干涉条纹的形状测量中，已知将强度高的干涉条纹用于运算，则测量精度变高，但由于干涉条纹的变化与像的对焦模糊引起的对比度变化相比要大，所以，仅原样利用干涉条纹图像的对比度信息，很难找到对焦位置。因此，如果像本实施方式那样以光源31的中心波长λ的一半的距离局部扫描干涉条纹图像，则得到的干涉条纹图像是干涉条纹1条1条地移动的图像，所以不依赖于测量对象面(薄膜磁头的介质相对面H)的反射率分布，可容易地对焦。图7表示在干涉条纹图像中的某一点位置上的亮度变化(对比度变化)，但是，在整个干涉条纹图像计算了对比度的总合时，也形成同样的曲线图。在图7中的亮度数据(对比度数据)中付与的圆形标记是各个扫描点。解析控制装置40在检测出对比度成为最大的位置的时刻，结束干涉条纹图像的扫描，并通过垂直驱动机构34使干涉物镜35移动。
如果执行了干涉条纹聚焦处理，则基于所谓相移法(本实施方式中的四步法)计算测量对象面(薄膜磁头的介质相对面H)的各凹凸图案区域的相对高度差分Δh(S15)。更具体地说，解析控制装置40首先通过位移机构37使参照镜38位移，从而使干涉条纹的相位每次变化1/4波长，并通过摄像装置39及图像处理部40b取得4个干涉条纹图像IA、IB、IC、ID(图8)。接着，将取得的干涉条纹图像IA～ID中的某一个像素中的干涉光强度分别设为a、b、c、d，根据算式1φ＝tan-1[(-c)/(b-d)]计算1个像素的相位φ。并且，将算出的1个像素的相位φ代入到算式2Δh＝(λ/4π)·φ，来计算1个像素的相对高度差分Δh。对构成测量对象面的干涉条纹图像的全部像素，重复执行该计算相对高度差分Δh的运算处理。由此，获得以像素单位表示测量对象面的相对高度差分Δh的PSI测量数据。上述相对高度差分Δh是收敛在测量光波长λ的1/2以下范围内的、介质相对面H的各个凹凸图案区域内的微小阶差。
由于通过S14干涉物镜35被保持在干涉条纹的对比度成为最大的位置，所以必然从干涉条纹对比度较强的开始按顺序提取用于上述相移法的4个干涉条纹图像IA、IB、IC、ID。如果使用干涉条纹对比度大的干涉条纹图像，则如上所述地测量精度提高。
此外，在上述相移测量中，在取得相位分别相差1/4λ的4个干涉条纹图像时，由于使参照镜38位移从而产生与参照镜38的位移量误差相同的测量误差，但在本实施方式中，通过使用窄带滤色片32，将干涉条纹的条纹间隔设定为与测量范围相比充分狭小，所以在测量范围内误差相抵消(平均化)，降低参照镜38的位移引起的测量误差。取代窄带滤色片32，通过在光源31上使用半导体激光器、或者使参照镜38相对于光轴倾斜，也同样可以增加干涉条纹的条数。
接着，解析控制装置40以定位标记为基准，使在S12设定的参照用掩码60和在S15计算出的PSI测量数据按像素单位拟合，并利用绝对基准高度信息hA、h2、hC及相对高度差分Δh，分别逆计算出介质相对面H的绝对高度值h’(S16)。即，对介质相对面H的每个凹凸图案区域(ABS、第二、凹部)，将同一像素位置上的PSI测量数据Δh和绝对基准高度信息hA(或h2或hC)相加，从而算出该像素位置的绝对高度值h’。
在上述S16中算出的绝对高度值h’是还没考虑介质相对面H的曲率的值，存在随介质相对面H的曲率和图案(PATTERN)形状的不同，从而与实际高度值相差较大的可能。在本实施方式中，为了回避该问题，进一步以像素单位使算出的所有绝对高度值h’与介质相对面H的曲面形状拟合(FITTING)，将该近似值作为解析高度值h(实测值)计算出(S17)。该曲面近似运算可以通过使用了最小二乘法的球面近似或圆柱近似来实现。
接着，解析控制装置40使用计算出的解析高度值h，计算介质相对面H的ABS图案区域与第二图案区域的台阶高差(浅SD值)、以及ABS图案区域与凹部图案区域的台阶高差(深SD值)(S18)。在本实施方式中，根据各图案区域的所有像素的解析高度值h计算该图案区域的高度平均值，并根据高度平均值计算上述浅SD值和深SD值。由于解析高度值h是加入介质相对面H的曲率而算出的值，所以与实际高度值的差距小，还可以高精度地算出基于该解析高度值h的浅SD值及深SD值。
如上所述，对1个薄膜磁头的介质相对面的形状测量结束。在接着测量同一规格的薄膜磁头的介质相对面时(S19的“否”)，将新的薄膜磁头设置在三维形状测量装置30上(S20)，并重复连续进行S14～S19的处理。在结束薄膜磁头的介质相对面的形状测量时(S19的“是”)，执行关掉光源31等测量结束处理(S21)，结束测量。
根据以上的本实施方式，由于预先形成加入了测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息的参照用掩码60，用相移法计算该测量对象面的各凹凸图案区域的相对高度差分Δh，基于该相对高度差分Δh和参照用掩码60的绝对基准高度信息来确定测量对象面的绝对高度值h’，所以，即使对具有与测量光波长λ相比台阶高差较大的凹凸形状的测量对象面，也可以仅用相移法来测量，能够以简单的装置结构来实施高速且高精度的测量。此外，由于将使算出的绝对高度值h’和测量对象面的曲面形状拟合的近似值作为实际测量值求出，所以进一步提高了测量精度。
以上说明了本发明涉及的将薄膜磁头的介质相对面作为测量对象的实施方式，但例如也可以适用于测量半导体晶片表面形状的情况，特别是最适用于测量具有曲率的测量对象面的凹凸形状的情况。
权利要求
1.一种三维形状测量装置，具有干涉物镜光学系统，使从具有曲率的凹凸形状的测量对象面反射的测量光和从参照面反射的参照光干涉，形成干涉条纹；垂直驱动机构，在上述测量对象面的法线方向驱动该干涉物镜光学系统；相位变化机构，使上述干涉条纹的相位变化；摄像机构，获得由该相位变化机构改变了相位的干涉条纹图像；以及解析控制机构，根据该摄像机构取得的至少3个干涉条纹图像来解析上述测量对象面的凹凸形状；其特征在于，上述解析控制机构具有掩码设定机构，生成并保持加入了上述测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息的参照用掩码；相移运算机构，基于相移法，根据上述摄像机构取得的至少3个干涉条纹图像，计算表示上述测量对象面的各凹凸图案区域中的相对高度差分的PSI测量数据；修正运算机构，使上述参照用掩码与上述PSI测量数据拟合，根据上述测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息及相对高度差分，逆计算出该测量对象面的绝对高度值；近似运算机构，使所算出的上述测量对象面的绝对高度值和该测量对象面的曲面形状拟合，求出该近似值作为解析高度值。
2.如权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，上述近似运算机构利用最小二乘法对上述测量对象面的绝对高度值进行球面近似或圆柱近似。
3.如权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，上述掩码设定机构将上述测量对象面的每个凹凸图案区域的设计高度数据作为上述绝对基准高度信息，与通过上述垂直驱动机构垂直驱动上述干涉物镜光学系统并利用垂直扫描白色干涉法取得的VIS基准数据建立关联，从而生成上述参照用掩码。
4.如权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，还具有定位标记设定机构，所述定位标记设定机构使用上述摄像机构取得的多个干涉条纹图像来合成除去了干涉条纹的干涉强度图像，并将该干涉强度图像中的特定点设定为规定上述摄像机构的图像取得范围时、和上述修正运算机构使上述参照用掩码和上述PSI测量数据拟合时的定位标记。
5.如权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，还具有对焦机构，所述对焦机构一边通过上述垂直驱动机构按测量光波长的一半的距离单位垂直驱动上述干涉物镜光学系统，一边检测干涉条纹图像的对比度成为最大的位置，在该对比度成为最大的位置，通过上述垂直驱动机构移动上述干涉物镜光学系统；上述相移运算机构使用对比度大的干涉条纹图像中的至少三个干涉条纹图像来执行运算。
6.如权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，上述测量对象面是薄膜磁头的介质相对面，该介质相对面上至少形成有在介质侧最突出的ABS图案区域，在介质侧其次突出的第二图案区域，比该ABS图案区域和第二图案区域低且作为该介质相对面的基准高度面的凹部图案区域；上述参照用掩码包括上述ABS图案区域及上述第二图案区域的绝对基准高度信息、和上述凹部图案区域的高度零信息而形成；上述解析控制机构还包括台阶高差运算机构，所述台阶高差运算机构分别计算上述ABS图案区域和上述第二图案区域的台阶高差、以及上述ABS图案区域和上述凹部图案区域的台阶高差。
7.如权利要求4所述的三维形状测量装置，其特征在于，上述测量对象面是具有再现头和记录头中的至少一个的薄膜磁头的介质相对面，上述定位标记与上述干涉强度图像中的再现头和记录头中的至少一个的存在区域对应地设定。
8.一种三维形状测量方法，测量具有曲率的测量对象面的凹凸形状，其特征在于，具有准备参照用掩码的工序，该参照用掩码中加入了上述测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息；形成干涉条纹的工序，将特定波长光提供给上述测量对象面和参照面，使从测量对象面反射的测量光和从参照面反射的参照光进行干涉，形成干涉条纹；计算PSI测量数据的工序，使上述干涉条纹的相位变化而取得至少3个干涉条纹图像，并基于相移法，根据该至少3个干涉条纹图像来计算表示上述测量对象面的各凹凸图案区域中的相对高度差分的PSI测量数据；使上述参照用掩码与上述PSI测量数据拟合，根据上述测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息和相对高度差分，逆计算出该测量对象面的绝对高度值的工序；使计算出的上述测量对象面的绝对高度值和该测量对象面的曲面形状拟合，求出该近似值作为解析高度值的工序。
9.如权利要求8所述的三维形状测量方法，其特征在于，通过最小二乘法使上述测量对象面的绝对高度值和该测量对象面的曲面形状拟合。
10.如权利要求8所述的三维形状测量方法，其特征在于，上述参照用掩码通过下述工序形成将白色光提供给上述测量对象面和上述参照面，使从该测量对象面反射的测量光和从上述参照面反射的参照光进行干涉，形成干涉条纹的工序；基于垂直扫描白色干涉法对上述测量对象面的干涉条纹图像进行垂直扫描，取得VIS基准数据的工序；将上述测量对象面的每个凹凸图案区域的设计高度数据作为上述绝对基准高度信息，与所取得的VIS基准数据建立关联并进行注册的工序。
11.如权利要求10所述的三维形状测量方法，其特征在于，在对同一规格的测量对象物进行连续多次的测量时，在准备上述参照用掩码的工序中，在第一次测量时形成该参照用掩码并注册，在第二次以后的测量时读取并利用上述已注册的参照用掩码。
12.如权利要求8所述的三维形状测量方法，其特征在于，在准备上述参照用掩码的工序之前，至少执行一次如下工序将特定波长光提供给上述测量对象面和上述参照面，使由上述测量光和上述参照光的干涉而产生的干涉条纹的相位变化，取得至少4个干涉条纹图像，使用该取得的至少4个干涉条纹图像来合成除去了干涉条纹的干涉强度图像，并将该干涉强度图像中的特定点作为定位标记进行注册；将该定位标记作为基准来规定上述干涉条纹图像的取得范围，并且，使上述参照用掩码和上述PSI测量数据拟合。
13.如权利要求8所述的三维形状测量方法，其特征在于，在形成上述干涉条纹的工序和计算上述PSI测量数据的工序之间，具有以测量光波长的一半的距离单位对干涉条纹图像进行垂直扫描、并检测出该干涉条纹图像的对比度最大的位置的工序，在上述PSI测量数据的计算中使用对比度大的干涉条纹图像中的至少三个干涉条纹图像。
14.如权利要求8所述的三维形状测量方法，其特征在于，上述测量对象面是薄膜磁头的介质相对面，在该介质相对面上至少形成有在介质侧最突出的ABS图案区域，在介质侧其次突出的第二图案区域，比该ABS图案区域及第二图案区域低的、作为该介质相对面的基准高度面的凹部(cavity)图案区域；上述参照用掩码包含上述ABS图案区域及上述第二图案区域的绝对基准高度信息、和上述凹部图案区域的高度零信息而形成；并且在计算出上述解析高度值之后，具有计算上述ABS图案区域与上述第二图案区域的台阶高差的工序，和计算上述ABS图案区域与上述凹部图案区域的台阶高差的工序。
15.如权利要求13所述的三维形状测量方法，其特征在于，上述测量对象面是具有再现头和记录头中的至少一个的薄膜磁头的介质相对面，将与该再现头和记录头中的至少一个的存在区域对应的上述干涉强度图像中的区域设定为上述定位标记。
全文摘要
一种能够以简单的装置结构实现高速且高精度的测量的三维形状测量装置及三维形状测量方法。该测量方法具有准备参照用掩码的工序；形成干涉条纹的工序；计算PSI测量数据的工序，使干涉条纹的相位变化而取得至少3个干涉条纹图像，并基于相移法，根据该至少3个干涉条纹图像来计算表示测量对象面的各凹凸图案区域中的相对高度差分的PSI测量数据；使参照用掩码与PSI测量数据拟合，根据测量对象面的每个凹凸图案区域的绝对基准高度信息和相对高度差分，逆计算出该测量对象面的绝对高度值的工序；使计算出的测量对象面的绝对高度值和该测量对象面的曲面形状拟合，求出该近似值作为解析高度值的工序。
文档编号G01B11/24GK1880913SQ200610071670
公开日2006年12月20日 申请日期2006年3月30日 优先权日2005年3月31日
发明者阿部浩, 安田光次, 矢泽诚 申请人:阿尔卑斯电气株式会社