JP2006258557A - 光干渉計およびそれを用いた形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料の大きさや重さと無関係に同じ速度で且つ高速に干渉縞を得ることができるようにする。
【解決手段】 低コヒーレンス光源２２の出射光Ｐ０を第１のビームスプリッタ２４に入射し、第１のビームスプリッタ２４から出射された第１の光Ｐ１を固定長折返し部２５に入射し固定長光路を経由させて参照光Ｐｒを得る。また、第１のビームスプリッタ２４から出射された第２の光Ｐ２を第２のビームスプリッタ２６を介して可変長折返し部３０に入射して可変長の光路を経由させて折り返し、その折り返し光Ｐ３′を試料表面２に入射させ、その反射光Ｐ５を再度可変長折返し部３０によって可変長の光路を経由させてから、第１のビームスプリッタ２４へ戻して試料光Ｐｘを得て、参照光Ｐｒとの間で干渉縞を生じさせている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイケルソン型の光干渉計およびそれを用いた形状測定装置において、試料表面の凹凸の変化を広い範囲にわたって精度よく測定できるようにするための技術に関する。

物品の表面状態を微細に検査するために、マイケルソン型の光干渉計を用いた形状測定装置が従来から使用されている。

一般的に知られているマイケルソン型の光干渉計は、レーザ光などのコヒーレント光をビームスプリッタにより２つの光に分け、その一方を参照鏡により折り返してビームスプリッタから参照光として出射させ、他方を試料の表面に照射し、その試料の表面で反射した光を試料光としてビームスプリッタに戻して参照光と同一光軸上で重ね合わせて、両光をその光路差に応じて強度干渉させている。

このような光干渉計を用いて試料の表面形状を測定する場合には、一般的に参照光側の光路長を変化させて、その変化に伴う干渉状態の変化（明暗変化）を試料の表面の部位毎に検出し、その干渉状態の変化から表面の凹凸を測定している。

しかし、上記のようにコヒーレント光を用いた光干渉計では、光路差が光波長の整数倍のいずれの点においても同一干渉状態となり、例えば試料の表面に光の波長以上の段差があった場合、その段差の大きさを特定することが困難で、測定範囲が狭いという問題がある。

これを解消する技術として、光源として白色光等の低コヒーレンス光を用い、参照光と試料光の光路長がほぼ等しい領域だけで干渉が生じるように構成したものがある。

図１３は、低コヒーレンス光によるマイケルソン型の光干渉計を用いた形状測定装置１０の構成を示している。

図１３において、光干渉計１１は、低コヒーレンス光源１２から出射された光Ｐ０をコリメートレンズ１３により平行光Ｐ０′に変換してビームスプリッタ１４へ入射する。

ビームスプリッタ１４は、光軸Ｌ１で入射される平行光Ｐ０′を、その光軸Ｌ１と直交する光軸Ｌ２に沿った第１の光Ｐ１と、入射光Ｐ０と同一の光軸Ｌ１で同一方向に透過する第２の光Ｐ２に分けて出射する。

第１の光Ｐ１は、その光軸Ｌ１に直交する反射面を有する参照鏡１５に入射され、その反射により折り返された折り返し光Ｐ１′が、ビームスプリッタ１４へ逆向きに入射し、その一部が参照光Ｐｒとしてビームスプリッタ１４を透過する。なお、この参照鏡１５には、ビームスプリッタ１４に対する距離を微細に可変できるように、例えば圧電素子等による変位装置１６が設けられている。

また、第２の光Ｐ２は試料１の表面２に入射し、その反射光Ｐ２′がビームスプリッタ１４に逆向きに入射し、その一部が試料光Ｐｘとして参照光Ｐｒと同一光軸で出射される。

ここで、前記したように、低コヒーレンス光源１２の出射光Ｐ０はコヒーレンス性が低い光であるので、同一時刻に出射された光同士については相関があって強調干渉するが、異なる時刻に出射された光同士は非相関で各光の干渉は生じない。

つまり、ビームスプリッタ１４と参照鏡１５との間の往復の光路長２・ａと、ビームスプリッタ１４と試料１の表面２との間の往復の光路長２・ｂとが等しいとき、参照光Ｐｒと試料光Ｐｘとは互いに強め合って、その光軸の延長線上から見て最も明るくなり、その状態から両光路長に差が生じてくるにしたがって相関が弱まって暗くなり、両光路長の差が所定以上になると、参照光Ｐｒと試料光Ｐｘとが完全に非相関となり最も暗くなる。

上記参照光Ｐｒと試料光Ｐｘとの干渉は、平行光Ｐ０′のビーム幅内でそれぞれ独立に生じ、しかも、ビームスプリッタ１４と試料１の表面２との距離は、その表面２の各部位の凹凸によって異なる。

したがって、例えば図１３に示しているように、試料１の表面２が緩慢に一方向に傾斜していて、その中間部についての光路長２・ｂが光路長２・ａと等しい場合、ビームスプリッタ１４の上端面側からみると、図１４の（ａ）のように、中央が明部で両側が暗部の干渉縞を観察することができる。

そして、この状態から、参照鏡１５をビームスプリッタ１４側に近づけて光路長２・ａを短くすると、試料１の表面２においてその光路長２・ａに等しい光路長２・ｂを与える位置が高段側に移動することになり、図１４の（ｂ）のように、明部の位置が一端１ａ側へ移動する。また、逆に、参照鏡１５をビームスプリッタ１４から遠ざけて光路長２・ａを長くすると、試料１の表面２においてその光路長２・ａに等しい光路長２・ｂを与える位置が低段側に移動することになり、図１４の（ｃ）のように、明部の位置が他端１ｂ側へ移動する。

したがって、試料１の表面２の観察対象部全域について明部が生じるように光路長２・ａを変化させ、試料１の表面２の部位毎に最も明るくなったときの参照鏡１５の基準点からの移動量を求めることにより、試料１の表面２の各部位の高さ変位量を把握できる。

この干渉縞の情報を取得して試料１の表面２の形状を定量的に測定するために、ビームスプリッタ１４の上端面側には、光学顕微鏡１８および画像センサ１９が配置されている。

光学顕微鏡１８は、ビームスプリッタ１４から出射される参照光Ｐｒと試料光Ｐｘの画像を拡大して画像センサ１９に出射する。

画像センサ１９は、例えばＣＣＤからなり、多数の微小な光電変換素子（図示せず）が縦横に配列された受光面で光学顕微鏡１８からの出射光を受け、２次元の画像情報を出力する。

この２次元の画像情報は、図示しない形状解析部に送られ、明部の位置と参照鏡１５の基準点からの移動距離とに基づいて、試料１の表面２の各部位の３次元座標が求められる。

上記のように低コヒーレンス光によるマイケルソン型の光干渉計を用いた形状測定装置の基本的な構成は、次の特許文献１に記載されている。

米国特許第４３４０３０６号公報

しかしながら、上記形状測定装置のように、参照鏡１５をビームスプリッタ１４に対して進退させて干渉縞を変化させる方法では、参照鏡１５の位置変化に伴い、前述のように明部が移動するものの、光学顕微鏡１８が捉える試料表面の分解能および明部のコントラストは、光学顕微鏡１８の焦点付近以外では劣化するため、試料１の表面２の各部位の３次元座標も精度よく得ることができず、凹凸の大きな表面をもつ試料に用いることが困難となる。

例えば、図１５の（ａ）のように、前記ビームスプリッタ１４と光学顕微鏡１８とを含めた光学系Ｕから参照鏡１５までの距離と、光学系Ｕから段差のある試料１の表面２の高段部２ａまでの距離とが共にＡで等しい状態で、且つその位置で光学顕微鏡１８のピントが参照鏡１５にあっている場合、干渉縞（明部）が生じる高段部２ａの表面画像も画像センサ１９で明瞭に検知される。そして、この状態から、図１５の（ｂ）のように、参照鏡１５を光学系Ｕから試料１の表面２の段差Δ分遠ざけてその距離Ａ＋Δにすると、干渉縞（明部）は試料１の表面２の低段部２ｂに生じるが、このとき、光学顕微鏡１８のピントは高段部２ａに合っているので、低段部２ｂの表面画像は不明瞭になってしまう。この問題は、大きな高さ変位のある試料の表面形状を測定する場合に特に顕著となる。

この問題を解決するために、光学顕微鏡１８のピント位置に参照鏡１５を固定しておき、試料１側を進退移動させることが考えられる。

例えば、図１５の（ａ）に示した状態から図１５の（ｃ）のように、光学系Ｕから試料１を段差Δ分だけ近づけると、光学系Ｕから試料１の表面２の低段部２ｂまでの距離はＡであるので、この低段部２ｂに干渉縞（明部）が生じ、また、光学系Ｕのピントは低段部２ｂに合うため、干渉縞が生じる位置の画像を明瞭に捉えることができる。

しかし、測定対象となる試料１自体を、前記圧電素子等を用いた変位機構１６で進退移動させようとすると、試料１の重さや大きさなどの違いにより、その変位のスピードが大きく変化してしまう。このため、重さや大きさがほぼ等しい試料以外の測定を正確に行うことができず、測定対象の試料について汎用性に欠けるという問題がある。しかも、上記のように圧電素子等を用いた変位機構１６では、光路長を大きく変化させることができず、表面に大きな段差がある試料の測定が困難である。

これを解決するために、試料１自体は固定しておき、測定系全体を試料１に対して移動させることも考えられるが、その場合、測定系全体を移動させるための大掛かりな変位機構を採用しなければならず、高速な測定が行えない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、重さや大きさが異なる試料を測定する場合であっても同じ速度で且つ高速に光路長を変化させてその試料表面に干渉縞を生じさせ、広い範囲にわたってその表面の凹凸の変位を測定できる光干渉計および形状測定装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光干渉計は、
低コヒーレンス光源（２２）と、
前記低コヒーレンス光源の出射光を受けて互いに光軸が直交する第１の光（Ｐ１）と第２の光（Ｐ２）とに分けて出射するとともに、前記第１の光と逆向きに入射される光の一部を参照光（Ｐｒ）とし、前記第２の光と逆向きに入射される光の一部を試料光（Ｐｘ）とし、前記参照光と試料光とを同一光軸上に重ね合わせて出射する第１のビームスプリッタ（２４）と、
前記第１の光を受け、一定長の光路を経由させて前記第１のビームスプリッタへ逆向きに折り返し入射する固定長折返し部（２５）と、
前記第２の光を受けて、その一部を第３の光（Ｐ３）として透過させるとともに、該第３の光に対して逆向きに折り返し入射される光（Ｐ３′）の一部を、その光と直交する光軸で試料表面に向かう第４の光（Ｐ４）として出射し、該第４の光に対して試料表面で反射されて逆向きに入射される第５の光（Ｐ５）の一部を第６の光として前記第３の光と同一方向に出射し、さらに、前記第６の光に対して逆向きに折り返し入射される光（Ｐ６′）の一部を第７の光（Ｐ７）として前記第１のビームスプリッタ側へ透過させる第２のビームスプリッタ（２６）と、
前記第３の光および前記第６の光を受けて、可変長の光路を経由させて前記第２のビームスプリッタ側へ同一光軸で逆向きに折り返し入射するとともに、前記第３の光および第６の光に対する折り返しの光路長を変化させて、前記第１のビームスプリッタから出射される前記参照光と試料光との間に生じる干渉縞を変化させる可変長折返し部（３０）とを備えている。

また、本発明の請求項２の光干渉計は、請求項１記載の光干渉計において、
前記可変長折返し部は、
一面側に反射面が形成された平板状のミラー本体（３２）を有し、該ミラー本体をその反射面と平行な軸を中心に回動させるように構成され、前記第２のビームスプリッタから出射された前記第３の光および前記第６の光を入射光（Ｓａ）として前記軸に直交する平面に沿って受け入れ、前記反射面で反射する回動ミラー（３１）と、
複数の平面状の反射面を有し、前記入射光に対して前記回動ミラーから出射される１次反射光（Ｓｂ）を受けて、該１次反射光の光軸と平行で且つ離間した光軸の２次反射光（Ｓｃ）を前記回動ミラーへ出射する第１の反射体（５０）と、
前記２次反射光を受けた前記回動ミラーから前記入射光の光軸と平行な光軸で出射された３次反射光（Ｓｄ）を、該３次反射光の光軸と直交する平面状の反射面で受けて該３次反射光と一致する光軸の４次反射光（Ｓｅ）を前記回動ミラーへ出射する第２の反射体（５５）とを有し、
前記第２の反射体から出射された前記４次反射光を、前記３次反射光、前記２次反射光および前記１次反射光と逆経路で順次折り返して、前記入射光と一致する光軸で逆向きに出射させるとともに、前記ミラー本体を回動させることにより前記入射光に対する折り返しの光路長を変化させることを特徴としている。

また、本発明の請求項３の光干渉計は、請求項２記載の光干渉計において、
前記回動ミラーは、
前記ミラー本体（３２）と、固定基板（３４、３５）と、前記固定基板の縁部と前記ミラー本体の外縁との間を連結し且つ長さ方向に捩れ変形して、前記ミラー本体を回動自在に支持する軸（３３）と、前記ミラー本体を回動させる回動駆動手段（４０、４１、４２、４５）とを有していることを特徴としている。

また、本発明の請求項４の光干渉計は、請求項２または請求項３記載の光干渉計において、
前記第１の反射体は、直角ミラー、直角プリズム、コーナーミラー、コーナープリズムのいずれかであることを特徴としている。

また、本発明の請求項５の形状測定装置は、
低コヒーレンス光源（２２）から出射されて一定長の光路を経由した参照光と、前記低コヒーレンス光源からの出射光に対して試料表面が反射する試料光とを同一光軸上に重ね合わせるとともに、前記低コヒーレンス光源から前記試料表面を経由して前記参照光と同一光軸上に重ね合わされるまでの光路長を可変することにより前記参照光と試料光との間で干渉縞を生じさせるマイケルソン型の光干渉計（２１）と、光学顕微鏡（１８）と画像センサ（１９）とを有し前記参照光と試料光の画像を検出する画像検出部（６０）とを有し、前記光路長の変化に対して前記画像センサで検出される試料表面の各部位の明るさ変化に基づいて、前記試料表面の形状を測定する形状測定装置において、
前記光干渉計が、前記請求項１から請求項４までのいずれかに記載の光干渉計であることを特徴としている。

上記のように本発明の光干渉計では、第１のビームスプリッタから出射された第２の光を第２のビームスプリッタを介して可変長折返し部に入射して可変長の光路を経由させて折り返し、その折り返し光を試料表面に入射させ、その反射光を再度可変長折返し部によって可変長の光路を経由させてから、第１のビームスプリッタへ戻して、試料光を得て、参照光との間で干渉縞を生じさせている。

このため、参照光についての光路長を固定させた状態で、試料自体を変位させることなく試料光についての光路長を可変させることができる。したがって、試料の大きさや重さと無関係に同じ速度で且つ高速に干渉縞を得ることができ、種々の試料に対応でき、汎用性が極めて高くなる。

また、可変長折返し部を、ミラー回転構造にしたものでは、大きな光路長変化をさらに高速に得ることができる。

さらに、上記光干渉計を用いた形状測定装置では、干渉縞が生じる部分の画像情報を常に明瞭に取得することができ、形状測定を円滑に行うことができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した形状測定装置２０の構成を示している。

この形状測定装置２０は、光干渉計２１、前記した光学顕微鏡１８、画像センサ１９からなる画像検出部６０および形状解析部６５とを有している。ここで、画像検出部６０を構成する光学顕微鏡１８、画像センサ１９は前記従来装置のものと同一である。

光干渉計２１は、低コヒーレンス光源２２、コリメートレンズ２３、第１のビームスプリッタ２４、固定長折返し部２５、第２のビームスプリッタ２６および可変長折返し部３０とにより構成されている。

キセノン光源やＳＬＤ等の低コヒーレンス光源２２から出射された光Ｐ０は、コリメートレンズ２３により平行光Ｐ０′に変換されて第１のビームスプリッタ２４に入射される。なお、低コヒーレンス光源２２の出射光Ｐ０が平行光の場合には、コリメートレンズ２３を省略できる。

第１のビームスプリッタ２４は、コリメートレンズ２３から出射された光Ｐ０′を光軸Ｌ１に沿って受け入れて、光軸Ｌ１と直交する光軸Ｌ２に沿った第１の光Ｐ１と、光軸Ｌ１に沿って透過する第２の光Ｐ２とに分けて出射する。また、この第１のビームスプリッタ２４は、第１の光Ｐ１と逆向きに入射される光（後述の折り返し光Ｐ１′）の一部を参照光Ｐｒとし、第２の光Ｐ２と逆向きに入射される光（後述の折り返し光Ｐ６′）の一部を試料光Ｐｘとし、参照光Ｐｒと試料光Ｐｘとを光軸Ｌ１と直交する光軸Ｌ２上に重ね合わせて画像検出部６０側へ出射する。

固定長折返し部２５は、第１の光Ｐ１を受けて、一定長の光路を経由させて第１のビームスプリッタ２４へ第１の光Ｐ１と逆向きの折り返し光Ｐ１′として入射する。

ここで、固定長折返し部２５の構成は任意であり、最も単純には、図１に示しているように、第１の光Ｐ１に直交する反射面を有する固定された参照鏡２５ａのみで構成することができる。ただし、可変長折返し部３０の構成によっては試料光についての光路長が長くなる場合があり、そのような場合には、図２や図３に示すような固定長折返し部２５を採用することで装置を小型化できる。

即ち、図２の固定長折返し部２５は、第１の光Ｐ１の光軸Ｌ２に対して４５°の傾きをもつ２つの平面鏡２５ｂ、２５ｃと、２つの直角ミラー２５ｄ、２５ｅとにより、光路長を稼いでから参照鏡２５ａで折り返すように構成している。

また、図３の固定長折返し部２５は、平行に対向する一対の平面鏡２５ｇ、２５ｈの間を複数回反射させてから参照鏡２５ａで折り返すように構成している。

固定長折返し部２５から出射された折り返し光Ｐ１′の一部は第１のビームスプリッタ２４を透過し、参照光Ｐｒとして光軸Ｌ２に沿って出射される。

一方、第２の光Ｐ２は一定光路長Ｋを経て、第２のビームスプリッタ２６に入射される。なお、この光路長Ｋは、第１のビームスプリッタ２４と第２のビームスプリッタ２６との端面同士を密着させて一体化することによりゼロにすることができる。

第２のビームスプリッタ２６は、入射された第２の光Ｐ２の一部を第３の光Ｐ３として透過させ可変長折返し部３０へ出射し、この第３の光Ｐ３に対して可変長折返し部３０側で折り返されて逆向きに入射される光（後述の折り返し光Ｐ３′）の一部を、試料照射用の第４の光Ｐ４として、光軸Ｌ１に直交する光軸Ｌ３に沿って試料１の表面２へ出射する。

また、第２のビームスプリッタ２６は、第４の光Ｐ４に対して試料１の表面２で反射されて逆向きに入射される第５の光Ｐ５の一部を第６の光Ｐ６として第３の光Ｐ３と同一向きで可変長折返し部３０に出射し、さらに、その第６の光Ｐ６に対して可変長折返し部３０側で折り返されて逆向きに入射される光（後述の折り返し光Ｐ６′）の一部を第７の光Ｐ７として透過させ第１のビームスプリッタ２４側へ出射する。

可変長折返し部３０は、第３の光Ｐ３および第６の光Ｐ６を受け、可変長の光路を経由させて第２のビームスプリッタ２６へ逆向きに折り返し入射するとともに、その光路長を変化させて、第１のビームスプリッタ２４から出射される参照光Ｐｒと試料光Ｐｘとの間に生じる干渉縞を変化させる。

この可変長折返し部３０の構成は任意であり、例えば最も単純なものとして図４に示しているように、第３の光Ｐ３、第６の光Ｐ６に直交する反射面を有する平面鏡３０ａを、前述した従来装置のように圧電素子等からなる変位装置３０ｂによって第２のビームスプリッタ２６に対して進退させる構成等、種々の構成が採用できるが、いずれの構成であっても、試料１とは完全に独立に構成することができ、試料１の大きさや重さ等の影響を全く受けないため、同じ速度で光路長を変化させることができる。なお、図４に示す構成の可変長折返し部３０を採用した場合、光路長は比較的短くて済むので、固定長折返し部２６として図１に示しているような単純な構成のものでよい。

ただし、図１に示した実施形態では、図４の構成のものより大きな光路長変化が高速に得られるミラー回動型のものを採用している。

このミラー回動型の可変長折返し部３０は、回動ミラー３１、第１の反射体５０および第２の反射体５５とにより構成されている。

回動ミラー３１は、一面側に反射面３２ａが形成された平板状のミラー本体３２をその反射面３２ａと平行な軸３３を中心に回動させるように構成され、第２のビームスプリッタ２６から出射された第３の光Ｐ３および第６の光Ｐ６を入射光Ｓａとして前記回動の軸３３に直交する平面に沿って受け入れてミラー本体３２の反射面で反射して第１の反射体５０へ出射する。

回動ミラー３１は、所謂ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical
System）技術により形成され、半導体基板のエッチング技術を利用して小型に且つ高い寸法精度で構成されている。

図５は、回動ミラー３１のより詳細な構成例を示したものである。図５において、ミラー本体３２は横長矩形の平板状に形成され、その一面側に反射面３２ａが形成されている。ミラー本体３２の上下には、横長矩形の固定基板３４、３５が平行に配置されている。

上側の固定基板３４の下縁中央とミラー本体３２の上縁中央の間および下側の固定基板３５の上縁中央とミラー本体３２の下縁中央の間は、互いに一直線状に並んだ軸３３、３３によって連結されている。

この軸３３の幅および厚さは、長さ方向に所望の回動角度範囲において捩れ変形し、またその変形状態から復帰できるように設定されており、この上下一対の軸３３の捩れ変形により、ミラー本体３２は、固定基板３４、３５に対してその軸３３を中心に往復回動できるようになっている。ただし、軸３３の厚さは、ミラー本体３２、固定基板３４、３５の厚さと共通である。

また、このようにミラー本体３２、固定基板３４、３５および軸３３で一体的に形成されたブロックは、回転駆動力を静電的に与えるために導電性を有している。

なお、ここでは２つの互いに分離した固定基板３４、３５を用いているが、この固定基板３４、３５の両端間を連結して枠状に形成した一つの固定基板の内側に、２本の軸３３を介してミラー本体３２を回動自在に支持する構造であってもよい。

固定基板３４、３５は、絶縁性を有する支持基板３６の一面側に互いに平行に設けられたスペーサ３７、３８の上に重なり合うように固定されている。また、支持基板３６の一面側で、ミラー本体３２の背面の両端に対向する位置には、電極板４０、４１が固定されている。

そして、この一対の電極板４０、４１とミラー本体３２を含むブロックの間に、駆動信号発生器４５から、例えば図６の（ａ）、（ｂ）のように、互いに電圧レベルが反転する駆動信号Ｖａ、Ｖｂを印加すれば、電極板４０、４１とミラー本体３２の背面両端との間に、静電的な吸引力が交互に生じ、ミラー本体３２が往復回動する。

ここで、駆動信号Ｖａ、Ｖｂの周波数を、ミラー本体３２の形状や重さ、軸３３のバネ定数などで決まるミラー本体３２の固有振動数に対応した値に設定すれば、少ない駆動電力で大きな回動振幅が得られる。

また、前記したように、この回動ミラー３１は、ＭＥＭＳ技術によりミラー本体３２を含めて全体的に非常に小型且つ軽量に形成され、しかも、ミラー本体３２の形状を限定する要素はないので、この例のように軸３３に対して左右対称に形成できる。したがって、振動を生じることなく、ミラー本体３２を数１００Ｈｚ〜数１０ｋＨｚで高速に往復回動させることが可能であり、高速な形状測定が可能となる。この場合、駆動信号の位相とミラー角度との関係、あるいは駆動信号の位相と折り返しの光路長との関係を予め求めておき、その関係に基づいて試料１の表面２の高さの変位を求める。

また、回動ミラー３１を任意の角度で一時的に停止させて測定を行う場合には、駆動信号発生器４５からいずれか一方の電極板に一定電圧を印加すればよく、その電圧を変えることで、回動ミラー３１の角度を可変できる。この場合、予め印加電圧と角度、印加電圧と折り返しの光路長との関係を求めておき、その関係を用いて試料１の表面２の高さの変位を求める。

なお、回動ミラー３１の構造は上記のものに限定されるものではなく、種々の形状変更が可能であり、また、駆動方式も前記した静電的な力だけでなく、磁石やコイルを用いて得られる磁気的な力を用いてもよい。また、圧電素子等を用いて機械的な力を与えてもよい。

このように構成された回動ミラー３１から光軸Ｌ４に沿って出射される１次反射光Ｓｂは、第１の反射体５０に入射される。

第１の反射体５０は、例えば２つ互いに直交する平面状の反射面５０ａ、５０ｂを有する直角ミラー（または直角プリズム）からなり、２つの反射面５０ａ、５０ｂに直交する平面上の光軸Ｌ４で１次反射光Ｓｂを受け、その１次反射光Ｓｂの光軸Ｌ４と平行で且つ離間した光軸Ｌ５の２次反射光Ｓｃを回動ミラー３１へ出射する。なお、ここでは、第１の反射体５０として、直角ミラーまたは直角プリズムのように２つの互いに直交する反射面５０ａ、５０ｂを有するものを用いているが、互いに直交する３つの反射面を有するコーナミラー、コーナープリズムで構成してもよく、また、４つ以上の反射面を有するものであってもよい。

回動ミラー３１は、この２次反射光Ｓｃを受けて、入射光Ｓａの光軸Ｌ１と平行な光軸Ｌ６の３次反射光Ｓｄを第２の反射体５５に出射する。

第２の反射体５５は例えば平面鏡であり、３次反射光Ｓｄをその光軸Ｌ６と直交する反射面５５ａで受けて３次反射光Ｓｄと逆向きの４次反射光Ｓｅを回動ミラー３１へ出射する。

この４次反射光Ｓｅは３次反射光Ｓｄと逆経路で回動ミラー３１へ入射され、この４次反射光Ｓｅに対して回動ミラー３１で反射された５次反射光Ｓｇが２次反射光Ｓｃと逆経路をたどり第１の反射体５０に入射される。さらに、５次反射光Ｓｆに対して第１の反射体５０で反射された６次反射光Ｓｇが１次反射光Ｓａと逆経路をたどり回動ミラー３１に再び入射されて、６次反射光Ｓｇに対して回動ミラー３１で反射された７次反射光Ｓｈが入射光Ｓａ（第３の光Ｐ３、第６の光Ｐ６）と一致する光軸で前記折り返し光Ｐ３′、Ｐ６′として逆向きに出射される。

ここで、回動ミラー３１のミラー本体３２は、図１に示しているように、その反射面３２ａと光軸Ｌ１、Ｌ６のなす角度が所定値θ（例えば４１°）を中心にして数度（例えば±３°）の範囲を回動するものとする。

上記構成の可変長折返し部３０の場合、ミラー本体３２の反射面３２ａが、光軸Ｌ１に対して角θをなしている状態において、光軸Ｌ１上の点Ｘ（例えば第２のビームスプリッタ２６の可変長折返し部３０側の端面と光軸Ｌ１との交点）から入射した光Ｓａに対する７次反射光Ｓｈが点Ｘまで戻ってくるまでの全体の光路長Ｐ（θ）は、
Ｐ（θ）＝２［Ａ（θ）＋Ｂ（θ）＋Ｃ（θ）］
と表すことができる。

ここで、光路長Ａ（θ）は、図７に示しているように、点Ｘからミラー本体３２の反射面３２ａと光軸Ｌ１とが交わる点Ｘ１までの距離、光路長Ｂ（θ）は、点Ｘ１で反射した光が第１の反射体５０の反射面５０ａ、５０ｂを経由してミラー本体３２の反射面３２ａの点Ｘ２に戻るまでの距離、光路長Ｃ（θ）は、点Ｘ２から光軸Ｌ６と第２の反射体５５の反射面５５ａとが交わる点Ｘ３までの距離である。

ここでは上記の光路長の詳細式は示さないが、光路長Ｐ（θ）は、θに関する正弦関数におおよそ近似され、上記各光路のうち光路長Ａ（θ）の変化分が支配的であることが分かっている。

したがって、例えば図１に示した状態から、ミラー本体３２が、図７の（ａ）のように、角度θａまで反時計回りに回転したとき、光路長Ａ（θａ）は光路長Ａ（θ）より短くなるので、全体の光路長Ｐ（θａ）も光路長Ｐ（θ）より短くなる。

また、逆に、ミラー本体３２が、図７の（ｂ）のように、角度θｂまで時計回りに回転したとき、光路長Ａ（θｂ）は光路長Ａ（θ）より長くなるので、全体の光路長Ｐ（θｂ）も光路長Ｐ（θ）より長くなる。

図８は、θを±３°の範囲で変化させたときの光路長Ｐ（θ）の変化特性（−３°の光路長を基準としている）を示している。この図８から明らかなように、θを±３°の範囲で変化させたとき、１ｍｍ以上の光路長Ｐ（θ）の変化が連続的に得られる。

なお、回動ミラー３１の初期位置や第１の反射体５０に対する相対位置を設定することによって、光路長の変化特性を、例えばθが０°のときに光路長が最大になる等、所望の形にすることができる。

第２のビームスプリッタ２６から出射され、可変長折返し部３０に入射された第３の光Ｐは、可変長折返し部３０で可変の光路長Ｐ（θ）を経由して折り返され、折り返し光Ｐ３′として第２のビームスプリッタ２６に入射され、その折り返し光Ｐ３′の一部が、第４の光Ｐ４の光として試料１の試料１の表面２に照射される。

ここで、折り返し光Ｐ３′のうち、第２のビームスプリッタ２６を透過する成分もあるが、この成分についての光路長は、参照光についての光路長と大きく異なるように設定されていて、参照光と非相関であるため、測定には無効な光となる。

一方、第４の光Ｐ４に対して試料１の表面２で反射された第５の光Ｐ５は第２のビームスプリッタ２６に入射され、その一部が第６の光Ｐ６として再び可変長折返し部３０へ出射され、第３の光Ｐ３の場合と同一の光路長を経由して、折り返し光Ｐ６′として第２のビームスプリッタ２６に入射される。そして、この折り返し光Ｐ６′の一部が第７の光Ｐ７として第２のビームスプリッタ２６を透過し、第１のビームスプリッタ２４に入射され、この第７の光Ｐ７の一部が、前記試料光Ｐｘとして、画像検出部６０の光学顕微鏡１８に出射されることになる。なお、この２回目の折り返し光Ｐ６′の後に可変長折返し部３０で折り返されて第２のビームスプリッタ２６を透過する光も無効な光となる。

したがって、第１のビームスプリッタ２４から出射された第２の光Ｐ２に対して、第７の光Ｐ７が戻ってくるまでの全光路長Ｑは、第２のビームスプリッタ２６から試料１の表面２までの距離をＺとすれば、
Ｑ＝２［Ｋ＋Ｐ（θ）＋Ｚ］
となる。

そして、試料１の表面２に例えばΔの段差があってその高段部２ａと低段部２ｂがそれぞれ平坦で且つ光軸Ｌ３に直交し、高段部２ａが距離Ｚの位置にある場合において、試料側の全光路長Ｑが固定長折返し部２５による折り返しの光路長Ｗと等しく、さらに、光学顕微鏡１８の焦点が高段部２ａに合っているとき、その高段部２ａについての試料光Ｐｘと参照光Ｐｒとの相関関係が完全一致し、低段部２ｂについての試料光Ｐｘと参照光Ｐｒとの光路に２Δ分の差が生じて両光が非相関となる。

したがって、画像センサ１９が検出する画像は、図９のように、試料１の表面２の高段部２ａ全体が一様に明るくなり、低段部２ｂ全体が一様に暗くなる。また、高段部２ａの表面画像は焦点があっていて明瞭に検出されるが、低段部２ｂの画像は焦点が合っていないため不明瞭（ぼやける）となり、干渉が強く生じている部分、つまり観察したい部分の表面画像を明瞭に把握することができる。

また、この状態から可変長折返し部３０の回動ミラー３１を回転駆動して、光路長Ｐ（θ）を例えばΔ／２だけ短くすると、試料１の表面２のうち、その短縮分を相殺する位置、即ち、低段部２ｂについての試料光Ｐｘと参照光Ｐｒとの相関関係が一致することになり、図１０のように、試料１の表面２の低段部２ｂ全体が一様に明るくなり、高段部２ａ全体が一様に暗くなる。また、光学顕微鏡１８の焦点が合う距離は変わっていないので、低段部２ｂの表面画像に焦点が合い、上記同様に、干渉が強く生じている部分の表面画像を明瞭に検出できる。

なお、上記説明では、動作を理解しやすいように、試料１の表面２にそれぞれの高さが一様な高段部２ａと低段部２ｂがあるものとしていたが、実際の試料１の表面２には、例えば図１１のように、複雑な凹凸や傾斜がある。

したがって、その形状を正確に把握するためには、可変長折返し部３０の光路長Ｐ（θ）をΔ′／２ステップ（あるいは連続的でもよい）で微小に変化させて、参照光との相関がとれる距離ＺをΔ′ステップで変え、各距離について画像センサ１９によって検出される各明部Ｓ（ｉ，ｊ）のｘｙ座標（画素の配列位置に対応）を形状解析部６５が記憶して、その記憶された明部座標と上記変化させた光路長との関係から、試料１の表面２の各部位の高さを求める。そして、この処理によって得られた試料１の表面２の３次元の形状情報を、例えば図示しない表示装置に表示させたり、あるいはその情報を必要とする他装置へ送る。

なお、この３次元情報の取得処理は、例えば、形状解析部６５が可変長折返し部３０の回動ミラー３１の角度制御を行いながら、画像センサ１９の出力を記憶することにより行われる。

以上説明したように、実施形態の形状測定装置２０に用いられている光干渉計２１では、参照光についての光路長を固定とし、試料光についての光路長を可変する構成でありながら、試料自体の位置を変位させずに、試料と独立した可変長折返し部３０によって試料光の光路長を可変させている。

このため、試料１の重さや大きさ等に影響されずに、同じ速度で且つ高速に光路長を可変でき、種々の試料についての形状測定を行うことができ、汎用性が格段に高くなる。

また、可変長折返し部３０をミラー回動型にしたものでは、測定範囲が広く、より高速な測定が行える。

なお、上記実施形態では、コリメートレンズ２３から出射された光Ｐ０′のうち、第１のビームスプリッタ２４で反射された光（第１の光Ｐ１）を固定長折返し部２５に出射し、第１のビームスプリッタ２４を透過した光（第２の光Ｐ２）を第２のビームスプリッタ２６に出射していたが、図１２に示す形状測定装置２０のように、コリメートレンズ２３から出射された光Ｐ０′のうち、第１のビームスプリッタ２４を透過した光（第１の光Ｐ１）を固定長折返し部２５に出射し、第１のビームスプリッタ２４から光軸Ｌ１に直交する光軸で出射される光（第２の光Ｐ２）を第２のビームスプリッタ２６に入射する構成でもよい。

また、前記実施形態では、低コヒーレンス光源２２、第１のビームスプリッタ２４、第２のビームスプリッタ２６および可変長折返し部３０が共通の光軸Ｌ１に沿って一直線上に並んでいるが、これは本発明を限定するものではなく、上記構成要素の間に平面鏡等を挿入して各要素の配置を任意に変更できる。

本発明の実施形態の全体構成図 実施形態の要部の別の構成例を示す図 実施形態の要部の別の構成例を示す図 実施形態の要部の別の構成例を示す図 実施形態の要部の詳細図 実施形態の要部の駆動信号図 実施形態の要部の動作説明図 実施形態の要部のミラー角度と光路長の変化特性図 実施形態の動作時に得られる画像の一例を示す図 実施形態の動作時に得られる画像の一例を示す図 試料の表面形状の一例と測定方法との関係を示す図 実施形態の変形例を示す図 従来装置の構成図 従来装置の動作説明図 従来装置の動作説明図

符号の説明

１……試料、２……表面、１８……光学顕微鏡、１９……画像センサ、２０……形状測定装置、２１……光干渉計、２２……低コヒーレンス光源、２３……コリメートレンズ、２４……第１のビームスプリッタ、２５……固定長折返し部、２６……第２のビームスプリッタ、３０……可変長折返し部、３１……回動ミラー、３２……ミラー本体、３３……軸、３４、３５……固定基板、３６……支持基板、３７、３８……スペーサ、４０、４１……電極板、４５……駆動信号発生器、５０……第１の反射体、５５……第２の反射体、６０……画像検出部、６５……形状解析部

Claims (5)

1. 低コヒーレンス光源（２２）と、
   前記低コヒーレンス光源の出射光を受けて互いに光軸が直交する第１の光（Ｐ１）と第２の光（Ｐ２）とに分けて出射するとともに、前記第１の光と逆向きに入射される光の一部を参照光（Ｐｒ）とし、前記第２の光と逆向きに入射される光の一部を試料光（Ｐｘ）とし、前記参照光と試料光とを同一光軸上に重ね合わせて出射する第１のビームスプリッタ（２４）と、
   前記第１の光を受け、一定長の光路を経由させて前記第１のビームスプリッタへ逆向きに折り返し入射する固定長折返し部（２５）と、
   前記第２の光を受けて、その一部を第３の光（Ｐ３）として透過させるとともに、該第３の光に対して逆向きに折り返し入射される光（Ｐ３′）の一部を、その光と直交する光軸で試料表面に向かう第４の光（Ｐ４）として出射し、該第４の光に対して試料表面で反射されて逆向きに入射される第５の光（Ｐ５）の一部を第６の光として前記第３の光と同一方向に出射し、さらに、前記第６の光に対して逆向きに折り返し入射される光（Ｐ６′）の一部を第７の光（Ｐ７）として前記第１のビームスプリッタ側へ透過させる第２のビームスプリッタ（２６）と、
   前記第３の光および前記第６の光を受けて、可変長の光路を経由させて前記第２のビームスプリッタ側へ同一光軸で逆向きに折り返し入射するとともに、前記第３の光および第６の光に対する折り返しの光路長を変化させて、前記第１のビームスプリッタから出射される前記参照光と試料光との間に生じる干渉縞を変化させる可変長折返し部（３０）とを備えた光干渉計。
2. 前記可変長折返し部は、
   一面側に反射面が形成された平板状のミラー本体（３２）を有し、該ミラー本体をその反射面と平行な軸を中心に回動させるように構成され、前記第２のビームスプリッタから出射された前記第３の光および前記第６の光を入射光（Ｓａ）として前記軸に直交する平面に沿って受け入れ、前記反射面で反射する回動ミラー（３１）と、
   複数の平面状の反射面を有し、前記入射光に対して前記回動ミラーから出射される１次反射光（Ｓｂ）を受けて、該１次反射光の光軸と平行で且つ離間した光軸の２次反射光（Ｓｃ）を前記回動ミラーへ出射する第１の反射体（５０）と、
   前記２次反射光を受けた前記回動ミラーから前記入射光の光軸と平行な光軸で出射された３次反射光（Ｓｄ）を、該３次反射光の光軸と直交する平面状の反射面で受けて該３次反射光と一致する光軸の４次反射光（Ｓｅ）を前記回動ミラーへ出射する第２の反射体（５５）とを有し、
   前記第２の反射体から出射された前記４次反射光を、前記３次反射光、前記２次反射光および前記１次反射光と逆経路で順次折り返して、前記入射光と一致する光軸で逆向きに出射させるとともに、前記ミラー本体を回動させることにより前記入射光に対する折り返しの光路長を変化させることを特徴とする請求項１記載の光干渉計。
3. 前記回動ミラーは、
   前記ミラー本体（３２）と、固定基板（３４、３５）と、前記固定基板の縁部と前記ミラー本体の外縁との間を連結し且つ長さ方向に捩れ変形して、前記ミラー本体を回動自在に支持する軸（３３）と、前記ミラー本体を回動させる回動駆動手段（４０、４１、４２、４５）とを有していることを特徴とする請求項２記載の光干渉計。
4. 前記第１の反射体は、直角ミラー、直角プリズム、コーナーミラー、コーナープリズムのいずれかであることを特徴とする請求項２または請求項３記載の光干渉計。
5. 低コヒーレンス光源（２２）から出射されて一定長の光路を経由した参照光と、前記低コヒーレンス光源からの出射光に対して試料表面が反射する試料光とを同一光軸上に重ね合わせるとともに、前記低コヒーレンス光源から前記試料表面を経由して前記参照光と同一光軸上に重ね合わされるまでの光路長を可変することにより前記参照光と試料光との間で干渉縞を生じさせるマイケルソン型の光干渉計（２１）と、光学顕微鏡（１８）と画像センサ（１９）とを有し前記参照光と試料光の画像を検出する画像検出部（６０）とを有し、前記光路長の変化に対して前記画像センサで検出される試料表面の各部位の明るさ変化に基づいて、前記試料表面の形状を測定する形状測定装置において、
   前記光干渉計が、前記請求項１から請求項４までのいずれかに記載の光干渉計であることを特徴とする形状測定装置。

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