JP2007147299A - 変位測定装置及び変位測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的三角測距方式と共焦点方式とを組み合わせながらも，上記光学的三角測距方式が抱えるスペックルノイズの問題及び上記共焦点方式が抱える構成の複雑化などの問題を一挙に解消することのできる変位測定装置及び変位測定方法を提供すること。
【解決手段】色収差を有するレンズ４を有する照射系光学機器Ａから試料５に対して光を斜めに照射させ，上記試料５からの反射光を受光器１４を有する受光系光学機器Ｂで受光する。上記受光器１４で受光された上記反射光の入射位置を測定することにより，その入射位置に応じた試料５の高さ変位（試料高さ）を測定することができる。また，上記入射位置における受光量が所定値以上であることをもって試料５に照射された波長光のいずれかが試料５上で焦点を結んでいると判断できるため，この場合は，上記焦点を求めることで試料５の高さ変異（試料高さ）を測定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は，試料から反射した反射光の受光量から試料の高さ変位を測定する変位測定装置及び方法に関し，特に，色収差を有するレンズを透過した多波長光が各波長毎に異なる位置で焦点を結像するという性質を利用して試料の高さ変位を測定する変位測定装置及び方法に関するものである。

従来，試料の高さの変位を測定する変位測定法として，三角測量を応用した光学的三角測距方式の変位測定法が公知である。この変位測定法は，可干渉性のある指向性の強い半導体レーザなどのレーザ光を測定対象試料に照射させた場合に，上記試料から拡散反射された光線の一部をＣＣＤやＰＳＤなどの受光素子上でスポットを結ぶように光学系機器を配置させ，上記試料表面の起伏による試料表面までの照射距離の変動に応じて移動する上記受光素子上のスポットの移動量を測定し，その測定された移動量を上記試料の高さの変位量に変換する手法である。

また，共焦点光学系を用いて試料の高さ変位を測定する共焦点方式の変位測定法として，多波長光を色収差のあるレンズ（以下「色収差レンズ」と称す）に透過させた場合に，上記色収差レンズの光軸上に各波長毎に異なる焦点位置が現れるという性質を利用して，試料から反射した反射光を各波長毎に受光し，最も強い受光量の受光位置から特定波長の焦点位置を求め，この焦点位置を上記試料の高さ位置とする公知の方法がある。このような公知の方法を用いて試料の高さ変位を測定する変位測定装置が特許文献１（試料高さ判別装置）及び特許文献２（Distance measuring confocal microscope（共焦点方式の距離測定顕微鏡））に開示されている。

ここで，図９及び図１０を用いて，従来の共焦点方式の変位測定装置の一例である上記特許文献１に記載の試料高さ判別装置Ｙの動作原理について説明する。ここに，図９は上記試料高さ判別装置Ｙの概略構成図，図１０は高さの異なる試料に光が照射されたときの様子を示す模式図である。
図９に示すように，従来の試料高さ判別装置Ｙは，Ｘｅランプ等からなる複数の波長成分（例えば３つの波長λ１，λ２，λ３）を含むランプ光（多波長光）を出射する光源１０１，ピンホール１０２及び１０６，ビームスプリッタ１０３，色収差を有するレンズ１０４，試料１０５，処理部１１０，レンズ１１１，１１３，プリズム１１２，ラインセンサ１１４を備えて概略構成されている。

このように構成された試料高さ判別装置Ｙでは，光源１０１から発せられたランプ光はピンホール１０２を通過した後にビームスプリッタ１０３を透過して，レンズ１０４で収束され，試料１０５に照射される。そして，上記試料１０５で拡散反射した光はレンズ１０４を透過後，上記ビームスプリッタ１０３で反射され，その後，ピンホール１０６を通過した後に，レンズ１１１により平行光に変換される。更に，上記レンズ１１１で変換された平行光は，プリズム１１２によって該平行光に含まれる複数の波長成分に分光（分離）され，その後，レンズ１１３を介して上記ラインセンサ１１４上の各波長に対応する入射位置Ｑ（λ１），Ｑ（λ２），Ｑ（λ３）に導かれる。

いま，上記試料高さ判別装置装置Ｙにおいて，上記光源１０１から３つの波長λ１，λ２，λ３（λ１＜λ２＜λ３の関係を有する）を有する光が出射されたと仮定する。この場合，色収差を有する上記レンズ１０４によって，該レンズ１０４を透過した光は，上記色収差により，各波長λ１，λ２，λ３に応じた焦点距離だけ進んだ地点で焦点を結ぶことになる。
なお，一般にレンズの焦点距離ｆは，レンズの肉厚をｄ，レンズの屈折率をｎ，レンズの局率半径をｒ１，ｒ２とすると，以下の式（１）で近似的に表すことができる。

上式（１）によれば，焦点距離ｆはレンズの屈折率ｎに依存していることが分かる。また，一般にこの屈折率ｎは光の波長が短いほど大きくなる。このような周知事項と上式（１）から，波長が短い光ほどその焦点距離が短いことが理解できる。
したがって，図９に示すように，上記色収差を有するレンズ１０４を通過した光のうち，最も短い波長λ１の光は上記レンズ１０４に最も近い位置Ｐ１１で焦点を結び（結像し），最も長い波長λ３を有する光は上記レンズ１０４から最も遠い位置Ｐ１３で焦点を結ぶことになる。

上記焦点位置の異なる３つの波長λ１，λ２，λ３を有する光（ランプ光）が，例えば，図１０（ａ）に示す試料１０５ａに照射され，図示するように波長λ２の光の焦点Ｐ１２と一致する上記試料の頂部で反射したとする。この場合，波長λ１及びλ３と較べて波長λ２の光が多く上記レンズ１０４へ向けて反射されるため，上記ラインセンサ１１４（図９参照）に上記波長λ２の光が最も多く入射されることになる。上記ラインセンサ１１４に入射された光は該ラインセンサ１１４で各波長（λ１，λ２，λ３）毎の位置でそれぞれの受光量が求められ，その後，上記処理部１１０によって，最も受光量の多い波長λ２が特定され，この特定された波長λ２の光の焦点位置が試料１０５ａの高さに決定される。
また，図１０（ｂ）に示すように，照射された光が波長λ３の光の焦点Ｐ１３と一致する試料台の表面（試料の存在しない位置）で反射した場合は，上記焦点１３で反射した波長λ３の光が上記ラインセンサ１１４に最も多く入射されるため，上記波長λ３の光の焦点Ｐ１３の位置が試料の高さに決定される。更にまた，図１０（ｃ）に示すように，照射された光が波長λ１の光の焦点Ｐ１と一致する上記試料１０５ｃの頂部で反射した場合は，この波長λ１の光が上記ラインセンサ１１４に最も多く入射されるため，上記波長λ１の光の焦点Ｐ１１の位置が試料１０５ｃの高さに決定される。
特開平１０−９８２７号公報 米国特許第５７８５６５１号明細書

しかしながら，上記光学的三角測距方式の変位測定法では，試料表面の変位量によって受光素子上で結ぶスポットの大きさが変化しないように，指向性の強い半導体レーザなどのレーザ光が用いられるが，このレーザ光は光軸径が細くて可干渉性があるため，試料で散乱反射した反射光が互いに干渉し合うことにより，縞状あるいはごま塩状のランダムなスペックルノイズが発生する。このようなスペックルノイズは上記受光素子上のスポットをぼかし，不明瞭にするため，測定精度の向上の妨げとなり，問題である。
一方，可干渉性の小さい単色光や白色光を用いた共焦点方式を上記光学的三角測距方式の変位測定法に適用すれば上記スペックルノイズの問題は生じないが，このような光は指向性が低く，発散性があるため，上記受光素子上に十分小さいスポットを形成することができず，却って測定精度を低下させることになり好ましくない。

また，上記特許文献１や２に記載の共焦点光学系を用いて試料の高さ変位を測定する共焦点方式の変位測定法では，可干渉性の少ない白色光などが用られているため，上記スペックルノイズの問題は生じない。しかしながら，複数の波長成分を含む白色光などの多波長光が試料に対して鉛直方向に照射され，照射時と同光路を通って反射した反射光を受光素子に導く構成となっているため，試料からの反射光が上記受光素子に入射する前段において，上記反射光を各波長に分光するプリズムなどの分光器が必須となる。そのため，装置の構成が複雑化し，装置規模が拡大するという問題がある。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，上記光学的三角測距方式と上記共焦点方式とを組み合わせながらも，上記光学的三角測距方式が抱える上記スペックルノイズの問題及び上記共焦点方式が抱える構成の複雑化などの問題を一挙に解消することのできる変位測定装置及び変位測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は，光源から出射された複数の波長光からなる多波長光を色収差を有する色収差レンズで収束すると共に収束された光を試料に対して所定の傾斜角で照射する照射系光学手段と，上記照射系光学手段により照射された光の上記試料からの反射光を受光する受光手段と，上記受光手段で受光される反射光の受光量分布に基づいて上記試料表面近傍で結像する波長光の焦点の位置情報を取得する位置情報取得手段と，上記位置情報取得手段により取得された上記焦点の位置情報に基づいて上記試料の高さ変位を算定する変位算定手段と，を備えた変位測定装置として構成される。
このように，試料に対して光を斜め方向から照射させることにより，試料高さに応じて光の反射方向が異なるため，ＣＣＤやＰＣＤなどの受光手段の受光面に結像される焦点も光学的三角測距方式の原理に基づいて上記試料高さに応じて異なる位置に現れることになる。そして，この位置を変換することにより試料高さ（高さ変位）を算定することができる。即ち，分光器を設けて反射光を角波長毎に分光し，波長毎の受光量を求めるようなことをしなくても，試料高さを算定することが可能となる。そのため，上記分光器を排除することができ，該分光器を排除した分だけ装置の複雑化，規模の拡大を防止することができる。また，可干渉性のあるレーザ光を用いなくても，上記受光手段の受光面上に焦点が結像されるため，スペックルノイズの影響による測定精度の低下も生じなくなる。
ここで，上記位置情報取得手段が，上記受光手段で受光された上記反射光の受光量分布における最大受光量の分布位置に基づいて上記焦点の位置情報を取得することが考えられる。最大受光量に対応する焦点が求める高さ変位（位置）に最も近いからである。
また，上記受光手段が，該受光手段の光軸が上記照射系光学手段により照射された試料上の照射点近傍を通り，且つ，上記照射系光学手段の光軸と略垂直となる位置に配置されておれば，反射光に対する受光範囲を最大とすることができるため，試料からの反射光を良好に受光することができる。この場合，試料に照射される光に含まれる複数の波長の平均波長の光の焦点を上記受光手段の光軸が通るように上記受光手段を配置し，或いは，複数の波長の上記色収差レンズに対するそれぞれの屈折率の平均値と略同一の屈折率を有する波長光の焦点を上記受光手段の光軸が通るように上記受光手段を配置することが望ましい。
また，上記光源から出射される多波長光は，スペックルノイズを低減させるという観点からすれば可干渉性の小さい光であることが望ましく，非可干渉性光であればより好ましい。
また，本変位測定装置では多波長光を用いるため，各波長光が他の波長光のノイズとなることが多少なりともあり得る。このようなノイズを低減するために，上記光源が，波長の異なる単色光を既定の順序で時分割出射するものであることが望ましい。この場合，上記受光手段側でも同じ時間分割のタイミングで受光面の焦点位置が測定される。これにより，他の波長光がノイズとならないため，測定精度を高めることができる。
なお，上記色収差レンズは，色収差を有し，入射した光を収束するレンズであるが，その一例として，複数のスリットを有するフレネルレンズが該当する。

また，本発明は，上記変位測定装置に適用される変位測定方法と捉えることもできる。
即ち，光源から出射された複数の波長光からなる多波長光を色収差のある色収差レンズで収束させると共に収束された収束光を試料に対して所定の傾斜角で照射させ，上記試料からの反射光を受光し，受光した反射光の受光量分布に基づいて上記試料表面近傍で結像する波長光の焦点の位置情報を取得し，この取得された上記焦点の位置情報に基づいて上記試料の高さ変位を算定することにより，上記試料の高さ変位を測定する方法であっても，上記変位測定装置と同様の効果が奏される。

本発明によれば，分光器を設けて反射光を角波長毎に分光し，波長毎の受光量を求めるようなことをしなくても，試料高さを算定することが可能となる，上記分光器を排除することができ，その分だけ装置の複雑化，規模の拡大を防止することができる。
また，可干渉性のあるレーザ光を用いなくても，上記受光手段の受光面上に焦点が結像されるため，スペックルノイズの影響による測定精度の低下も生じなくなる。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。なお，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係る変位測定装置Ｘの概略構成を説明する模式図，図２は入射光が試料表面上の波長λ２の光の焦点で反射したときの状態を示す図，図３は入射光が試料表面上の波長λ１の光の焦点で反射したときの状態を示す図，図４は入射光が試料表面上の波長λ３の光の焦点で反射したときの状態を示す図，図５は図２〜図３の各状態における受光量分布を示す受光量分布図，図６は試料の高さの変位量を測定する方法を説明する図，図７は入射光が試料表面上の反射点Ｋで反射したときの状態を示す図，図８は図７の状態における受光量分布を示す受光量分布図である。
なお，図１は，予め定められた基準高さＨで波長λ２の光が焦点を結び，その後，受光器１４へ反射したときの様子を示している。

まず，図１を用いて，上記変位測定装置Ｘの概略構成及び概略動作について説明する。なお，当該変位測定装置Ｘの具体例としては，例えば，半導体材料（ウエハ）や圧延板などのシート状の試料の高さ或いは厚さを測定する装置，上記試料の表面粗さを測定する装置，上記試料の平坦度を測定する装置などが該当する。
上記変位測定装置Ｘは，大別して，光源１，該光源１から出射された光を収束してピンホール２へ導くレンズ１１，上記ピンホール２から出射された発散状の光を収束して試料５の表面に導くレンズ４（色収差レンズの一例）を備えて構成される照射系光学機器Ａ（照射系光学手段の一例）と，試料５からの反射光を収束して後記する受光器１４（受光手段の一例）の受光面上に焦点を結像するレンズ１３，上記反射光を受光してその受光量を求める受光器１４を備えて構成される受光系光学機器Ｂと，上記受光器１４の受光面に入射した光の受光量に基づいて所定の演算処理を実行するＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭなどを備えた電子計算機を含む処理部１０（位置情報取得手段，変位算定手段の一例）とを備えて概略構成される。
本実施の形態では，試料５に対して所定の入射角θ（傾斜角に相当）で光を照射するよう上記照射系光学機器Ａが配置されている。この入射角θは０＜θ＜９０を満たせばよいが，各構成要素の配置干渉を防止する観点，上記受光器１４に入射される反射光の入射効率の観点からすれば，上記入射角θは４５度前後であることが好ましい。

上記光源１は，複数の波長光からなる多波長光を出射するＸｅランプやハロゲンランプなどの点光源である。ここでは説明の便宜上，波長λ１，λ２，λ３の各波長光からなる光を多波長光として説明するが，もちろん，これに限られることはなく，例えば，後述するように，上記レンズ４によって異なる焦点を結ぶ波長が多数含まれていてもよい。
上記多波長光は非可干渉性光であることが好ましい。非可干渉性光を用いれば，可干渉光を用いた場合に生じる前記スペックルノイズの問題が低減し，測定精度を高めることができる。
上記波長λ１，λ２，λ３はそれぞれλ１＜λ２＜λ３の関係を有する。このような関係を有する光を例示すると，波長λ１が青色光，波長λ２が緑色光，波長λ３が赤色光であることが挙げられる。

上記光源１から出射した発散状の多波長光は，レンズ１１により上記ピンホール２で焦点を結ぶように収束される。これにより，上記光源１から出射された光に含まれるノイズ光や不要な光が除去される。即ち，上記ピンホール２を通過できないノイズ光などは上記ピンホール２で遮断される。なお，上記レンズ１１としては，色収差のない（色収差が補正された）レンズが用いられる。

上記ピンホール２を通過した波長λ１，λ２，λ３を含む光は，その後，色収差のあるレンズ４に照射される。このとき，上記レンズ４の色収差により，入射した多波長光は上記各波長λ１，λ２，λ３毎に応じた位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で焦点を結ぶ（結像する）ように収束されて，試料５の表面上に照射される。
この実施の形態では，色収差レンズの一例として上記レンズ４を例示して説明するが，少なくとも色収差があり，入射光を収束するものであれば，凸レンズ，球面レンズ，フレネルレンズ（ＰＦレンズ）などの如何なるレンズでも使用することが可能である。
ただし，上記レンズ４に代えてフレネルレンズを用いる場合は，このフレネルレンズは波長の短い光ほど焦点距離が長くなるという通常のレンズとは反対の性質を有するため，後述する処理部１０ではこの点を考慮して演算，算定処理を行う必要がある。

上記光源１，レンズ１１，レンズ４を含む照射系光学機器Ａから試料５に照射された光が，上記試料５の表面で反射すると，その反射光の一部は上記レンズ１３に入射した後に，該レンズ１３によって収束され，上記受光器１４の受光面上で焦点を結像する。なお，上記レンズ１３も上記レンズ同様に色収差のないのものを用いる。
上記受光器１４は，入射した光の光量（輝度）を測定するものであって，例えば，入射光の画像をラインＣＣＤや二次元ＣＣＤなどの撮像手段で撮像して，該撮像された画像データから光量を求める装置や，受光した光の強度に応じた電流を生成するフォトダイオードなどの受光素子を備え，生成された電流値から光量を測定する装置などが該当する。また，上記入射光の入射位置を検出する一次元或いは二次元のＰＳＤ（位置検出素子）などを用いてもかまわない。
本実施の形態では，上記受光器１４は，受光器１４の受光面の中心法線（即ち，受光器１４の光軸）が上記光源１から出射され上記レンズ４により収束された光の上記試料５上の照射点近傍と通り，且つ，上記光源１及び上記レンズ４の光軸（中心軸）と略垂直となる位置に配置されている。このような位置関係に上記受光器１４を配置することにより，反射光を効率よく受光することができる。もちろん，上記レンズ１３は，その光軸が上記受光器１４の受光面の中心法線を通るように配置されている。
上記受光器１４の配置位置の具体例としては，例えば，試料５に照射される光に含まれる複数の波長（波長λ１，λ２，λ３）の平均波長（例えば波長λ２）の光の焦点を上記受光器１４の受光面の中心法線が通るように配置する例や，複数の波長（波長λ１，λ２，λ３）の上記レンズ４に対するそれぞれの屈折率の平均値と略同一の屈折率を有する波長光（例えば波長λ２）の焦点を上記受光器１４の受光面の中心法線が通るように配置する例が挙げられる。
上記受光器１４において反射光の受光量が測定されると，測定された受光量の分布状態（受光量分布）から，上記処理部１０によって，上記試料５の表面で結像する光の焦点の位置情報が取得（演算）され，その後，上記焦点の位置情報に基づいて上記試料５の高さ変位が算定される。ここで，上記演算及び算定処理を実行する処理部１０が位置情報取得手段，変位算定手段の一例に相当する。

以下に，上記試料５の表面上で結像する光の焦点の位置情報を取得して試料の高さを算定する手法について説明する。なお，本変位測定装置Ｘにおいて，上記レンズ１３及び上記受光器１４は，図１に示すように，波長λ２の光の焦点Ｐ２を高さ変位の測定基準位置として設定され，この焦点Ｐ２で光が反射したときの波長λ２の反射光が受光器１４の受光面の中央位置Ｑ２に入射するように上記レンズ１３及び上記受光器１４が配置されているものとする。具体的には，上記レンズ１３の光軸及び上記受光器１４の中心線が上記測定基準位置（焦点Ｐ２）を通るように配置されている。また，上記波長λ２の光は，予め定められた基準高さＨで焦点を結ぶよう上記照射系光学機器Ａが選定或いは配置されているものとする。
更に，波長λ１及びλ３の光の焦点Ｐ１，Ｐ３で光が反射したときの受光器１４における入射位置Ｑ１及びＱ３は既知とする。なお，予め基準試料の表面を上記焦点Ｐ１又はＰ３にセットした状態で光を照射させることにより上記入射位置Ｑ１及びＱ３の位置情報を取得することが可能である。

本変位測定装置Ｘにおいて，例えば，図２に示すように，試料５に対して光を照射させたときに，ちょうど基準高さＨの位置（即ち焦点Ｐ２と一致する試料５上の位置）で光が反射した場合は，その位置で焦点Ｐ２を結ぶ波長λ２の光が最も多く受光器１４へ反射することになる。また，波長λ１の光は試料５の上方で焦点Ｐ１を結んだ後に試料５に照射されるため，そして，波長λ３の光は焦点Ｐ３を結ぶ前に試料５に照射されるため，それぞれの反射光は広範囲に拡散し，波長λ２の光に較べると上記受光器１４に反射する光量は少なくなる。
なお，この場合，上述したように，上記受光器１４は，上記焦点Ｐ２で光が反射したときに波長λ２の反射光が受光器１４の受光面の中央位置Ｑ２に入射するように配置されているため，上記受光器１４で受光された反射光の受光量分布５１は図５（ａ）に示すようになる。

また，図３に示すように，上記基準高さＨよりも高い位置（焦点Ｐ１と一致する位置）で光が反射した場合は，その位置で焦点Ｐ１を結ぶ波長λ１の光が最も多く受光器１４へ反射することになる。この場合，試料５に入射した光は上記基準高さＨの上方で反射するため，その反射光は上記レンズ１３に対して斜めに入射する。そのため，光学的三角測距方式の原理により，図３に示すように，上記受光器１４の中央の入射位置Ｑ２からずれた位置Ｑ１に反射光が入射することになる。なお，図５（ｂ）にこのときの受光量分布５２を示す。
また，図４に示すように，上記基準高さＨよりも低い位置（焦点Ｐ３と一致する位置）で光が反射した場合は，その位置で焦点Ｐ３を結ぶ波長λ３の光が最も多く受光器１４へ反射することになる。この場合，試料５に入射した光は上記基準高さＨの下方で反射するため，その反射光は上記レンズ１３に対して斜めに入射する。そのため，光学的三角測距方式の原理により，図４に示すように，上記受光器１４の中央の入射位置Ｑ２から上記入射位置Ｑ１とは反対方向へずれた入射位置Ｑ３に反射光が入射することになる。なお，図５（ｃ）にこのときの受光量分布５３を示す。

上述したように，本変位測定装置Ｘでは，試料５上の光の反射位置（例えば基準高さＨの位置（焦点Ｐ２））に応じた受光面の位置（例えば入射位置Ｑ２）に上記反射光が入射し，また，その受光面の位置には上記光の反射位置に応じた波長の反射光が最も多く入射するため，上記受光器１４で受光した反射光の受光量分布（図５参照）から最も受光量の多い位置（例えばＱ２）上記光の反射位置，即ち，試料の高さ位置（高さ変位）を求めることができる。

例えば，上記受光器１４で受光された受光量から，図５（ａ）に示す受光量分布５１が得られたと仮定する。
図５（ａ）を参照すると，入射位置Ｑ２において受光量が最大となっていることがわかる。この場合は，上記受光量の最大値が予め取得された後記する閾値受光量よりも大きい場合は，図２に示すように，上記波長λ２の光の焦点Ｐ２が試料５上で結像していると判断できる。なお，上記閾値受光量は，例えば，予め基準試料の表面を基準高さＨ（焦点Ｐ２）に設置したときの上記基準試料からの反射光を受光し，この受光量の最大値にディファレンスを考慮して所定の倍率（例えば０．９５）を乗じた値を上記閾値受光量として処理部１０内に記憶しておいたものを用いる。
上記判断は，処理部１０により行われる。即ち，上記処理部１０では，図５（ａ）の受光量分布５１から，該受光量分布５１における最大受光量が求められ，この最大受光量と上記閾値受光量とを比較することによって行われる。
上記処理部１０の判断処理により，上記波長λ２の光の焦点Ｐ２が試料５上に結像していると判断されると，上記波長λ２の光の焦点Ｐ２の位置情報が取得される。この場合，前述の如く波長λ２の光が基準高さＨで焦点Ｐ２を結像するよう上記レンズ４などの照射系光学機器Ａが配置されているため，上記処理部１０により上記焦点Ｐ２の位置情報として「基準高さＨ」が取得される。
このとき，上記焦点Ｐ２の位置情報は「基準高さＨ」であるため，上記試料５は基準高さＨから変位していないと判断され，試料５の高さ変位が「０」と算定される。もちろん，このときの上記試料５の絶対高さは「基準高さＨ」である。

次に，本変位測定装置Ｘにおいて，上記受光器１４で受光された受光量から，図５（ｂ）に示す受光量分布５２が求められたと仮定する。この場合も，上記受光量分布５２から，入射位置Ｑ１において受光量が最大となっていることがわかる。このとき，上記受光量の最大値が上述と同様にして予め取得しておいた閾値受光量よりも大きい場合は，図３に示すように，上記波長λ１の光の焦点Ｐ１が試料５上に結像していると判断できる。かかる判断も上述と同様に上記処理部１０により行われる。なお，このときの上記閾値受光量は，基準試料の表面を焦点Ｐ１に設置したときの上記基準試料からの反射光の受光量の最大値にディファレンスを考慮して所定の倍率（例えば０．９５）を乗じた値である。
上記波長λ１の光の焦点Ｐ１が試料５上に結像していると判断された場合は，上記処理部１０では，上記受光量分布５２から，最大受光量に対応する入射位置Ｑ１の位置情報が求められ，その位置情報に対応する波長λ１の光の焦点Ｐ１の位置情報が求められる（取得される）。
具体的には，図６（ａ）に示す座標系を基にして上記焦点Ｐ１の位置情報を求める。ここに，図６（ａ）は，試料５の平面方向をｘ軸とし，測定基準位置である焦点Ｐ２を通る鉛直方向を求める焦点の高さｈ（ｘ）軸としたときの座標である。なお，上記焦点Ｐ２の座標は｛０，Ｈ｝（Ｈ：基準高さ）であり，原点Ｏの座標は｛０，０｝である。
図６（ａ）の座標系から，焦点Ｐ１の座標｛ｘ１，ｈ（ｘ１）｝は，波長λ１の焦点距離をｆ１，波長λ２の焦点距離をｆ２とすると，下記式（２），（３）のように表される。なお，焦点距離ｆ１，ｆ２は上記した式（１）から求めることができる。
ｘ１＝（ｆ１−ｆ２）ｃｏｓθ …（２）
ｈ（ｘ１）＝−（ｆ１−ｆ２）ｓｉｎθ＋Ｈ …（３）
なお，このようにして求められた上記焦点Ｐ１の座標｛ｘ１，ｈ（ｘ１）｝が該焦点Ｐ１の位置情報である。
上式（２）及び（３）により得られた焦点Ｐ１の座標｛ｘ１，ｈ（ｘ１）｝は，原点Ｏの座標｛０，０｝を基準としたときの相対位置を示すものであるが，上記原点Ｏが上記試料５が載置された試料台の表面に設定されている場合は，上記試料５の上記焦点Ｐ１における絶対高さ（試料高さ）を示す。
また，本変位測定装置Ｘでは，入射角θだけ傾斜させて光を試料５に照射させているため，基準となる原点Ｐ２からｘ軸方向に“ｘ１”だけずれた地点における高さ変位“ｈ（ｘ１）”が求められるが，このずれ“ｘ１”は上式（２）から算定可能であるため，高さを測定する位置に“ｘ１”のずれが生じることとなるが，そのずれた位置における高さは正確に測定されるため，上記ずれ“ｘ１”は精度低下を招く要因とはならない。

また，同じように，上記受光器１４で受光された受光量から，図５（ｃ）に示す受光量分布５３が求められた場合は，該受光量分布５３から，入射位置Ｑ３における最大受光量が予め取得しておいた閾値受光量よりも大きい場合は，図４に示すように，上記波長λ３の光の焦点Ｐ３が試料５上に結像していると判断できる。かかる判断も上述と同様に上記処理部１０により行われる。なお，このときの上記閾値受光量は，基準試料の表面を焦点Ｐ３に設置したときの上記基準試料からの反射光の受光量の最大値にディファレンスを考慮して所定の倍率（例えば０．９５）を乗じた値である。
このとき，上記処理部１０では，上述した上記焦点Ｐ１の位置情報の取得方法と同じようにして，上記受光量分布５３から，該受光量分布５３における最大受光量の入射位置Ｑ３の位置情報が求められ，その位置情報に対応する波長λ３の光の焦点Ｐ３の位置情報が取得される。
即ち，図６（ｂ）に示す座標系から，焦点Ｐ３の位置情報である座標｛ｘ３，ｈ（ｘ３）｝は，波長λ３の焦点距離をｆ３とすると，下記式（４），（５）のように表される。
ｘ３＝（ｆ３−ｆ２）ｃｏｓθ …（４）
ｈ（ｘ３）＝−（ｆ３−ｆ２）ｓｉｎθ＋Ｈ …（５）
なお，このようにして求められた上記焦点Ｐ３の座標｛ｘ３，ｈ（ｘ１）｝が該焦点Ｐ３の位置情報である。
また，上式（４）及び（５）により得られた焦点Ｐ３の座標｛ｘ３，ｈ（ｘ１）｝も，原点Ｏの座標｛０，０｝を基準としたときの相対位置を示すものであるが，上記原点Ｏが上記試料５が載置された試料台の表面に設定されている場合は，上記試料５の上記焦点Ｐ３における絶対高さ（試料高さ）を示す。

ここまでは，３つの波長λ１，λ２，λ３を有する光を試料５に照射させたときに，いずれかの波長が試料５の表面上で焦点を結ぶ場合に限定して，上記試料の高さ変位を算定する手法について説明してきた。しかしながら，試料５の高さ変位を測定する上で，必ずしも試料５の表面で上記各波長のいずれかが焦点を結ぶとは限らない。
例えば，図７に示すように，波長λ１の光の焦点Ｐ１と，波長λ２の光の焦点Ｐ２との間の試料５上の反射点Ｋで光が反射した場合は，その反射光の受光量は，図８の受光量分布図に示す受光量分布５４のように，受光器１４の受光面上の入射位置Ｑｋで最大となる。
ここで，光の焦点が上記反射点Ｋとなる波長が上記光源１に存在している場合には上記入射位置Ｑｋで強い受光量が観測されるが，存在していない場合には上記反射点Ｋでは光が広がった状態で照射されているため，該反射点Ｋで反射して上記入射位置Ｑｋに到達する光の光量は弱くなる（図８参照）。
しかしながら，上記受光器１４の受光面上では上記入射位置Ｑｋ付近で受光量が最大値となることに変わりがないため，同様に上記試料の高さを算定することは可能である。但し，上記受光器１４の受光面上で受光される光の光量の最大値が弱まるため，高さ測定の精度が低下することが考えられるが，上記受光器１４で受光される光の光量（輝度）の重心位置を求めること等によって精度向上を図ることが可能である。
なお，通常，ハロゲンランプなどの白色光には多数の波長成分が含まれているため，上記のように上記受光器１４で受光される光の光量（輝度）の重心位置を求める手法を用いずとも十分な分解能をもって試料高さを求めることができるが，例えば，試料高さ検出の精度（分解能）を得る必要がある場合，或いは光源としてＲＧＢ光を用いた場合等には，上記手法による試料高さ検出が好適となる。

上述の実施の形態では，光源１として，複数の波長光からなる多波長光を出射するＸｅランプやハロゲンランプなどの点光源を用いた例について説明した。しかし，本変位測定装置Ｘでは多波長光を用いるため，各波長光が他の波長光のノイズとなることが多少なりともあり得る。そのため，上記光源１に代えて，波長の異なる単色光を既定の順序で時分割出射するように構成された光源を用いた実施例が考えられる。
例えば，波長λ１の青色光，波長λ２の緑色光，波長λ３の赤色光を発光するＬＥＤを順番に所定間隔毎に発光させるようにすれば，上記受光器１４側で各ＬＥＤ光の個別の受光量分布を得ることできる。このようにすれば，他の波長光がノイズとなって受光量分布に現れないため，ノイズによる測定精度の低下を防止することができる。

本発明は，半導体材料（ウエハ）や圧延板などのシート状の試料の高さ或いは厚さを測定する装置，上記試料の表面粗さを測定する装置，上記試料の平坦度を測定する装置など，試料の高さ変位を測定する変位測定装置全般に利用可能である。

本発明の実施の形態に係る変位測定装置Ｘの概略構成を説明する模式図。 入射光が試料表面上の波長λ２の光の焦点で反射したときの状態を示す図。 入射光が試料表面上の波長λ１の光の焦点で反射したときの状態を示す図。 入射光が試料表面上の波長λ３の光の焦点で反射したときの状態を示す図。 図２〜図３の各状態における受光量分布を示す受光量分布図。 試料の高さの変位量を測定する方法の一例を説明する図。 入射光が試料表面上の反射点Ｋで反射したときの状態を示す図。 図７の状態における受光量分布を示す受光量分布図。 従来の試料高さ判別装置Ｙの概略構成図。 従来の試料高さ判別装置Ｙにおいて，高さの異なる試料に光が照射されたときの様子を示す模式図。

符号の説明

Ｘ…変位測定装置
Ａ…照射系光学機器
Ｂ…受光系光学機器
１…光源
２…ピンホール
４…レンズ（色収差レンズの一例）
５…試料
１０…処理部（位置情報取得手段，変位算定手段の一例）
１１，１３…レンズ
１４…受光器（受光手段の一例）

Claims (7)

1. 光源から出射された複数の波長光からなる多波長光を色収差を有する色収差レンズで収束すると共に収束された光を試料に対して所定の傾斜角で照射する照射系光学手段と，
   上記照射系光学手段により照射された光の上記試料からの反射光を受光する受光手段と，
   上記受光手段で受光される反射光の受光量分布に基づいて上記試料表面近傍で結像する波長光の焦点の位置情報を取得する位置情報取得手段と，
   上記位置情報取得手段により取得された上記焦点の位置情報に基づいて上記試料の高さ変位を算定する変位算定手段と，
   を具備してなることを特徴とする変位測定装置。
2. 上記位置情報取得手段が，上記受光手段で受光された上記反射光の受光量分布における最大受光量の分布位置に基づいて上記焦点の位置情報を取得してなる請求項１に記載の変位測定装置。
3. 上記受光手段が，該受光手段の光軸が上記照射系光学手段により照射された試料上の照射点近傍を通り，且つ，上記照射系光学手段の光軸と略垂直となる位置に配置されてなる請求項１又は２のいずれかに記載の変位測定装置。
4. 上記多波長光が非可干渉性光である請求項１〜３のいずれかに記載の変位測定装置。
5. 上記光源が，波長の異なる単色光を既定の順序で時分割出射するものである請求項１〜４のいずれかに記載の変位測定装置。
6. 上記色収差レンズが，フレネルレンズである請求項１〜５のいずれかに記載の変位測定装置。
7. 光源から出射された複数の波長光からなる多波長光を色収差のある色収差レンズで収束させると共に収束された収束光を試料に対して所定の傾斜角で照射させる光照射工程と，
   上記試料からの反射光を受光し，受光した反射光の受光量分布に基づいて上記試料表面近傍で結像する波長光の焦点の位置情報を取得する位置情報取得工程と，
   上記位置情報取得工程により取得された上記焦点の位置情報に基づいて上記試料の高さ変位を算定する変位算定工程と，
   を具備してなることを特徴とする変位測定方法。

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