JP2008215886A - 表面変位測定システム及び表面変位測定方法 - Google Patents

表面変位測定システム及び表面変位測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】測定原理の異なる２つの測定系を備える表面変位測定システムにおいて、両測定系の測定点を一致させることで同一測定点における両光学系の同時測定を可能とし、かつ同一の測定点９において両光学系の測定精度を向上させること、自己校正を行なうこと及びコストを低減することを可能とする。
【解決手段】２光束測定系４Ａは、レンズの焦点と測定点９とが一致している場合に、出射光を平行光線に変換するピンホール付き対物レンズ７Ａを備えており、ピンホール付き対物レンズ７Ａを通過した出射光の光量値から表面変位を算出するものであると共に、総和法測定系５Ａは、出射光の出射角から測定点９における局所的な傾斜角を測定して、表面変位を算出するものであり、ピンホール付き対物レンズ７Ａの中心付近には、出射光を素通りさせるためのピンホール８が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面変位測定システム及び表面変位測定方法に関するものであり、より詳細には、光学的に測定原理の異なる２つの表面変位測定系をハイブリッド化した表面変位測定システム及び表面変位測定方法に関するものである。
物体の表面の局所的な起伏の状態を示す表面変位の測定は、半導体・ＦＰＤ（Flat panel display）製造業界や、精密機械工業等の分野で重要視されている。例えば、半導体・ＦＰＤ製造業の分野においては、半導体ＩＣ（Integrated circuit）やディスプレーパネルの製造は、生産コストの削減・生産効率向上のため、出来るだけ大きなシリコンウエハーやフラットパネル面にパターンニングを行った後、目的用途にあった大きさにカットすることによって行われている。
この際、シリコンウエハーやフラットパネル自身の自重により、シリコンウエハーやフラットパネルの表面にうねりや起伏を作る可能性があり、正確にパターンニングを行なうためには、シリコンウエハーやフラットパネルの表面の起伏を数ｎｍオーダーで測定する必要がある。
また、精密機械の分野においては、部材の表面の起伏を数μｍオーダーで測定することにより、回転軸、回転軸受、ブレーキディスク等の交換が予知でき、過度の交換を不要にする経済的な効果ばかりでなく、不慮の事故を未然に防ぐことも可能となる。
また、部材の表面の起伏を数μｍオーダーで測定することにより、微小な切削量をオンラインで実測する加工機や、被加工物の熱膨張による誤差を排除した精密加工も可能となる。このため、これまでに物体の表面変位を測定する各種の方法が開発されているが、いずれも測定解像度・測定範囲に制限が存在するという問題点があった。
このような、問題点に対し、測定解像度が数ｎｍと数μｍとの２つの表面変位測定系をハイブリッド化する事によって、物体の表面の起伏の状態の高測定解像度・高測定範囲・リアルタイム測定を実現した従来の技術としてハイブリッドシステム１００が、非特許文献１に開示されている。
ここで、図７に基づき、ハイブリッドシステム１００の構成の概要について説明する。図７は、ハイブリッドシステム１００の構成を示す概要図である。
ハイブリッドシステム１００は、μｍ測定用の２光束法光学系１０１と、ｎｍ測定用の総和法光学系１０２とを備えるシステムである。
２光束法光学系１０１と総和法光学系１０２（以下、「両光学系」と呼ぶ場合がある）とは、それぞれ測定原理及び測定解像度などは異なっているが、共に物体の表面変位を測定するものであり、共通な光学素子（ハーフミラーなど）も存在している。したがって、両光学系をハイブリッド化すれば、それぞれの特長を１つのシステムで効果的に利用することができるだけでなく、共通な光学素子の節約ができるのでコスト的にも安価となる。ここで、両光学系のそれぞれの構成及び測定原理の概要について説明する。
まず、２光束法光学系１０１では、レーザーから発生したレーザー光が、２枚のハーフミラーを透過し、対物レンズ１０３を通過し、物体の表面上の第１測定点１０４で反射することによって生じた散乱光（出射光）を再び対物レンズ１０３で集めるようになっている。
このようにして集められた散乱光は、対物レンズ１０３の直上のハーフミラーによって光路を右向きに変換され、集光レンズ１０５によって、集光点１０６に集光される。
さらに、前記散乱光は、集光レンズ１０５の右側にあるハーフミラーによって、２つの光路に分岐され、分岐されたそれぞれの光は、それぞれ、第１フォトダイオード１０７及び第２フォトダイオード１０８に入射する。
第１フォトダイオード１０７は、光学的には、集光点１０６に至る前の光の光量値を測定することになり、第２フォトダイオード１０８は、集光点１０６通過後の光の光量値を測定することになる。
２光束法光学系１０１は、第１フォトダイオード１０７・第２フォトダイオード１０８が測定するそれぞれの光量値の変化を物体の表面変位の測定に利用するものである。したがって、２光束法光学系１０１においては、なるべく正確な光量の変化の測定のためには、レンズの焦点と測定点とが一致している場合に、出射光を平行光線に変換する必要があり、そのため前記第１表面変位測定系は、対物レンズ１０３を備えている必要がある。
なお、第１フォトダイオード１０７・第２フォトダイオード１０８が測定するそれぞれの光量値の変化は、前記レンズの焦点（対物レンズ１０３の焦点）と測定点とがずれることで、前記平行光線が非平行光線に変化することにより生じる（＊１）。
一方、総和法光学系１０２は、レーザーから発したレーザー光の光路を直下のハーフミラーで左向きに変換し、さらに、光路を反射鏡で下向きに変換することによって、レーザー光を第２測定点１０５に入射させるようになっている。
第２測定点１０５で反射することによって生じた出射光の光路は、前記反射鏡によって右向きに変換され、そのままハーフミラーを透過してＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ１０９に入射する。
総和法光学系１０２は、ＣＣＤカメラ１０９に入射した光の位置を測定することによって、物体の表面の傾きを算出し、その算出結果を表面変位の測定に利用するものである。このような測定原理の違いにより、総和法光学系１０２では、２光束法光学系１０１のような対物レンズ１０３の存在は、却って邪魔なものとなる。
上田正紘他、３名著 「反射法と総和法を併用した表面凹凸の高感度，高レンジ測定システム」レーザ学会第３４４回研究会報告（レーザ計測） Ｎｏ．ＲＴＭ−０６−０２ ２００６年２月，ｐｐ．７−１１．
しかしながら、上記従来のハイブリッドシステム１００では、対物レンズ１０３を必要とする測定系（２光束法光学系１０１）と、対物レンズ１０３を必要しない測定系（総和法光学系１０２）とをハイブリッド化したために、２つの表面変位測定用光学系の測定点が異なってしまい（第１測定点１０４及び第２測定点１０５）、両光学系の光学軸を同一にすることが出来ないという問題点がある。すなわち、両光学系は、厳密な意味で、同一の測定点における表面変位の測定を同時に行なうことができないので、同一の測定点における表面変位の測定に関して両光学系の測定精度を向上させたり、自己校正を行ったりすることができないという問題点を有している。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、測定原理の異なる２つの測定系を備える表面変位測定システムにおいて、両測定系の測定点を一致させることで同一測定点における両光学系の同時測定を可能とし（＊２）、かつ同一の測定点において両光学系の測定精度を向上させること、自己校正を行なうこと及びコストを低減することが可能な表面変位測定システムを提供することにある。
本発明の表面変位測定システムは、前記課題を解決するために、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記対物レンズの中心付近には、前記出射光を素通りさせるためのピンホールが設けられていることを特徴としている。
また、本発明の表面変位測定方法は、前記課題を解決するために、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムを用いた表面変位測定方法において、前記表面変位測定システムの第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量の変化から前記表面変位を算出するものであると共に、前記表面変位測定システムの第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものである場合において、前記対物レンズの中心付近に、前記出射光を素通りさせるためのピンホールを設けることを特徴としている。
前記構成及び方法によれば、表面変位測定システム及び表面変位測定方法に用いられる表面変位測定システムは、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備えるものである。
それゆえ、第１表面変位測定系及び第２表面変位測定系（以下「両測定系」と呼ぶ。）のそれぞれの特長を１つのシステムで効果的に利用することができる。例えば、両測定系の測定精度が異なっていれば、必要に応じて両測定系の測定精度を使い分けることが可能となるため単独で用いた場合と比較して測定範囲を広げることができる。
また、両測定系のそれぞれの測定原理は異なっておりそれぞれの解像度も一般的には異なっているので、測定対象に応じて解像度を使い分けることが可能となる。よって、両測定系が測定対象とする測定面の種類が異なっている場合にも、必要に応じて両測定系を使い分けることで、所望の測定面に対して適切な測定が可能となる。
なお、測定面の種類としては、鏡面、散乱面、両性質を併せ持つような、たとえば液晶やプラズマデイスプレイ等、が考えられるが、これらに限られず、本発明はあらゆる測定面に対して適用可能である。
また、両測定系に共通に利用できる光学素子が存在する場合には、該共光学素子の節約ができるのでコストを低減させることができる。
ところで、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものである。
したがって、なるべく正確な光量の変化の測定のためには、レンズの焦点と測定点とが一致している場合に、対物レンズを通過した出射光が、平行光線に変換されるようにする必要があり、そのため前記第１表面変位測定系は、対物レンズを備えている必要がある。
一方、第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記対物レンズの存在は、却って邪魔なものとなる。
また、表面変位測定システム又は、表面変位測定方法では、前記対物レンズの中心付近には、前記出射光を素通りさせるためのピンホールが設けられている。それゆえ、前記第１表面変位測定系は、前記対物レンズのピンホール以外の部分によって集められた光の光量値を測定すれば良いことになる。
なお、ここで、「素通り」とは、出射光がピンホールを通過する場合を意味し、レンズの実体がない部分を通過することを意味する。また、単に「通過」と記載した場合には、出射光が実体のあるレンズの部分を通過することを意味する。
第２表面変位測定系による表面変位測定の場合の測定面の傾斜角は極めて小さく、かつ光源をレーザーとした場合、ビーム断面も極めて小くできるので、このピンホールの径はレンズ径に比べて極めて小さくでき、したがって第１表面変位測定系に用いられる対物レンズの性能もそれほど損なわれることはない。
それゆえ、両測定系の測定精度をそれぞれが単独の場合とほぼ同じ精度に維持しつつ、両測定系の測定点を一致させることで同一測定点における同時測定を可能とすることができる。
また、通常の対物レンズの中心付近に、前記出射光を素通りさせるためのピンホールを設けるといった、簡単な方法で、前記測定点を、前記第１表面変位測定系及び前記第２表面変位測定系において同一の点とすることが可能であり、特殊な対物レンズを用いたり、新たに光学素子を追加したりする必要がない。それゆえ、新たな光学素子を用いる必要がないので、表面変位測定システムの構成を単純化できる。したがって、表面変位測定システムのコストを低減させることが可能である。
それゆえ、測定原理の異なる２つの測定系を備える表面変位測定システムにおいて、両測定系の測定点を一致させることで同一測定点における両光学系の同時測定を可能とし、かつ同一の測定点において両光学系の測定精度を向上させること、自己校正を行なうこと及びコストを低減することが可能な表面変位測定システムを提供することができる。
また、本発明の表面変位測定システムは、前記構成に加えて、前記第１表面変位測定系は、前記対物レンズを通過した出射光を、あらかじめ定められた集光点に集光させる集光手段と、前記集光点に集光する前後における前記対物レンズを通過した出射光のそれぞれの光量値を測定する前光量測定手段及び後光量測定手段を備えることが好ましい。
また、本発明の表面変位測定システムは、前記構成に加えて、前記第１表面変位測定系を前記物体の表面に沿って移動させるための移動手段を備え、前記第１表面変位測定系は、前記移動手段を前記物体の表面上における２つの測定点間で移動させた場合に、前記前光量測定手段及び前記後光量測定手段によって測定されるそれぞれの光量値の変化から前記２つの測定点間における表面変位を算出することが好ましい。
前記構成によれば、移動手段により、前記第１表面変位測定系を、２つの測定点間で前記物体の表面に沿って移動させながら、前記前光量測定手段及び前記後光量測定手段によって測定される前記対物レンズを通過した出射光の、前記集光点に集光する前後におけるそれぞれの２つの光量値を測定するようになっている。それゆえ、前記出射光の規格化強度として、それぞれの２つの光量値の差を、該２つの光量値の和で割った量として算出することができる。それゆえ、表面変位の測定において、光源の出力変動や、測定点の反射率変化による影響を低減させることができる。
また、本発明の表面変位測定システムは、前記構成に加えて、前記第２表面変位測定系は、前記光源から発生した光の前記測定点に対する入射光の入射角と、前記出射光の出射角とのずれの大きさから、前記局所的な傾斜角を算出する傾斜角算出手段を備えることが好ましい。
また、本発明の表面変位測定システムは、前記構成に加えて、前記第２表面測定系を前記物体の表面に沿って移動させるための移動手段を備え、前記第２表面測定系は、前記移動手段を前記物体の表面上における微小な距離を有する２つの測定点間で移動させた場合に、前記２つの測定点間の微小変位と、前記傾斜角測定手段が測定した前記２つ測定点近傍の局所的な傾斜角との積から、該２つの測定点近傍における微小表面変位を算出し、
さらに、前記微小表面変位の積分又は総和をとることにより、任意の距離を有する２つの測定点間における表面変位を算出することが好ましい。
前記構成によれば、前記第２表面変位測定系を、２つの測定点間で前記物体の表面に沿って移動させながら前記２つの測定点間の微小変位と、前記傾斜角測定手段が測定した前記２つ測定点近傍の局所的な傾斜角との積から、該２つの測定点近傍における微小表面変位を算出し、さらに、前記微小表面変位の積分又は総和をとることにより、任意の距離を有する２つの測定点間における表面変位を算出する。
すなわち、局所的な傾斜角を入射光の入射角と前記出射光の出射角とのずれの大きさを利用して算出する。それゆえ、前記ずれの大きさは、測定点から傾斜角算出手段までの距離が大きければ大きいほど大きくなるので、傾斜角の小さな変化量を大きな変化量に変換して測定することができる。よって、前記傾斜角の小さな変化量の測定精度を高めることができ、結果として、表面変位測定システムの表面変位の測定感度を高めることができる。
また、本発明の表面変位測定システムは、前記課題を解決するために、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記対物レンズは、集光作用がある状態から集光作用がない状態へ可逆的に変化させることが可能なレンズであることを特徴としている。
前記対物レンズは、集光作用がある状態から集光作用がない状態へ可逆的に変化させることが可能なレンズである。
前記構成によれば、レンズの作用をＯＮ・ＯＦＦすることができるので、レンズの作用のＯＮ・ＯＦＦ切り替えにより、両測定系を使い分け可能とし、前記測定点を、前記第１表面変位測定系及び前記第２表面変位測定系において同一の点とすることが可能となる。それゆえ、新たな光学素子を用いる必要がないので、表面変位測定システムの構成を単純化できる。
「集光作用がある状態から集光作用がない状態へ可逆的に変化させる」とは、例えば、液晶レンズなどで可能であるように、凸レンズ及び凹レンズの状態から単なるガラス板と同様の状態に変化させることである。すなわち、「レンズの作用のＯＮ」の場合には、凸レンズには集光作用があり、「レンズの作用ＯＦＦ」の場合には、凸レンズには集光作用がないことを意味する。
また、本発明の表面変位測定システムは、前記構成課題を解決するために、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記出射光の光路を、前記測定点と前記対物レンズとの間で変化させる光路変化手段を備えることを特徴としている。
前記構成によれば、前記測定点を、前記第１表面変位測定系及び前記第２表面変位測定系において同一の点としたまま、前記第１表面変位測定系及び前記第２表面変位測定のそれぞれの光の光路を異ならせることができる。
それゆえ、多少構成が複雑化するものの、両光学系による同一の測定点における測定を同時に行なうことができる。
本発明の表面変位測定システムは、前記課題を解決するために、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記測定点が、前記第１表面変位測定系及び前記第２表面変位測定系において同一の点とされていること特徴とする
前記構成によれば、表面変位測定システムは、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備えるものである。
それゆえ、第１表面変位測定系及び第２表面変位測定系（以下、「両測定系」と呼ぶ。）のそれぞれの特長を１つのシステムで効果的に利用することができる。例えば、両測定系の測定精度が異なっていれば、必要に応じて両測定系の測定精度を使い分けることが可能となるため単独で用いた場合と比較して測定範囲を広げることができる。
また、両測定系のそれぞれの測定原理は異なっておりそれぞれの解像度も一般的には異なっているので、測定対象に応じて解像度を使い分けることが可能となる。よって、両測定系が測定対象とする測定面の種類が異なっている場合にも、必要に応じて両測定系を使い分けることで、所望の測定面に対して適切な測定が可能となる。
また、両測定系に共通に利用できる光学素子が存在する場合には、該共光学素子の節約ができるのでコストを低減させることができる。
ところで、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものである。
したがって、なるべく正確な光量の変化の測定のためには、レンズの焦点と測定点とが一致している場合に、対物レンズを通過した出射光が、平行光線に変換されるようにする必要があり、そのため前記第１表面変位測定系は、対物レンズを備えている必要がある。
一方、第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記出射光の光路の測定できれば良く、必ずしも前記対物レンズを備えている必要はない。
また、測定点が、前記第１表面変位測定系及び前記第２表面変位測定系において同一の点とされている。
それゆえ、測定原理の異なる２つの測定系を備える表面変位測定システムにおいて、同一測定点における両光学系の同時測定を可能とし、同一の測定点において両光学系の測定精度を向上させること、自己校正を行なうこと及びコストを低減することが可能な表面変位測定システムを提供することにある。
本発明の表面変位測定システムは、以上のように、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記対物レンズの中心付近には、前記出射光を素通りさせるためのピンホールが設けられているものである。
また、本発明の表面変位測定方法は、以上のように、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムを用いた表面変位測定方法において、前記表面変位測定システムの第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量の変化から前記表面変位を算出するものであると共に、前記表面変位測定システムの第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものである場合において、前記対物レンズの中心付近に、前記出射光を素通りさせるためのピンホールを設ける方法である。
また、本発明の表面変位測定システムは、以上のように、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記対物レンズは、集光作用がある状態から集光作用がない状態へ可逆的に変化させることが可能なレンズであるものである。
また、本発明の表面変位測定システムは、以上のように、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記出射光の光路を、前記測定点と前記対物レンズとの間で変化させる光路変化手段を備えるものである。
また、本発明の表面変位測定システムは、以上のように、光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、前記測定点が、前記第１表面変位測定系及び前記第２表面変位測定系において同一の点とされているものである。
それゆえ、測定原理の異なる２つの測定系を備える表面変位測定システムにおいて、同一測定点における両光学系の同時測定を可能とし、同一の測定点において両光学系の測定精度を向上させること、自己校正を行なうこと及びコストを低減することが可能な表面変位測定システムを提供することが可能となるという効果を奏する。
本発明の一実施形態について図１ないし図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。
〔実施の形態１〕
まず、図１に基づき、本発明の一実施形態である表面変位測定システム１０の構成について説明する。図１は、表面変位測定システム１０の構成を示す概要図である。図１に示すように、表面変位測定システム１０は、半導体レーザー（光源）１、アパーチャー２、長焦点距離レンズ３Ａ、２光束測定系（第１表面変位測定系）４Ａ、総和法測定系（第２表面変位測定系）５Ａとを備える構成である。
なお、測定点９は、表面変位測定システム１０が、半導体レーザー（光源）１から発したレーザー光を入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、物体の表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する場合の物体の表面上の点である。
半導体レーザー（光源）１は、レーザー光（光）を発生させるためのものである。アパーチャー２は、レーザー光を整形するものであり、そのピンホール（小孔）径はφＡであるとする。
長焦点距離レンズ３Ａ（焦点距離はＦである）は、測定点９上にほぼ焦点を結ぶようにレーザー光を照射させるものである。なお、ここでは、総和法測定系５Ａで厳密に焦点を結ぶように測定系を構成しているので、２光束測定系４Ａに対しては厳密には焦点を結んでいなくても良い。
２光束測定系４Ａは、測定点９で入射光が反射することによって生じた出射光をレンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換するためのピンホール付き対物レンズ７Ａを備えており、該ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８以外の部分を通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものである。総和法測定系５Ａは、出射光の出射角から測定点９近傍における局所的な微小面の傾斜角を測定して、局所的な表面変位を算出するものである。
次に、測定原理の異なる２つの測定系である２光束測定系４Ａ及び、総和法測定系５Ａの構成及び測定原理について詳細に説明する。
２光束測定系４Ａは、本実施の形態では、表面変位のμｍの精度での測定を可能とするものであり、接眼レンズ（集光手段）３Ｂ、ハーフミラー（第１表面変位測定系）６Ｂ、ハーフミラー（第１表面変位測定系）６Ｃ、ピンホール付き対物レンズ（対物レンズ，第１表面変位測定系）７Ａ、測定点９、集光点（第１表面変位測定系）１１、第１フォトダイオード（前光量測定手段，第１表面変位測定系）１２Ａ、第２フォトダイオード（後光量測定手段，第１表面変位測定系）１２Ｂ、第１アパーチャー（第１表面変位測定系）１３Ａ、及び第２アパーチャー（第１表面変位測定系）１３Ｂを備える測定系である。
接眼レンズ３Ｂは、ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８以外の部分を通過した出射光を、あらかじめ定められた集光点１１に集光させるためのものである。
ハーフミラー６Ｂは、ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８以外の部分を通過した出射光の光路を右向きに変換するものである。ハーフミラー６Ｃは、集光点１１に集光する前後における前記通過した出射光のそれぞれの光量を測定できるようにするためのものである。
ピンホール付き対物レンズ７Ａは、対物レンズの中心付近に、半導体レーザー１からの出射光を素通りさせるためのピンホール８が設けらたものである。集光点１１は、接眼レンズ３Ｂの焦点のことである。
第１フォトダイオード１２Ａは、集光点１１に集光する前における光の光量値を測定できるようにするためのものである。第２フォトダイオード１２Ｂは、集光点１１に集光した後における光の光量を測定できるようにするためのものである。
第１アパーチャー（第１表面変位測定系）１３Ａ及び第２アパーチャー（第１表面変位測定系）１３Ｂは、それぞれ、第１フォトダイオード１２Ａ、第２フォトダイオード１２Ｂが測定する光の光量値を調整するためのものであり、初期状態（表面変位が０である基準面にある状態）においては、それぞれのピンホール径及び位置が、第１フォトダイオード１２Ａ、第２フォトダイオード１２Ｂが測定する光の光量値が等しくなるように調整されている。
なお、２光束測定系４Ａの全体は、図示していないが、２光束測定系４Ａを物体の表面に沿って移動させるための移動手段に搭載されている。
次に、図１及び図２（ａ）〜図２（ｃ）に基づき、２光束測定系４Ａの測定原理について説明する。
図１に示すように、半導体レーザー１からでたレーザー光はアパーチャー２によって、成形され、直下のハーフミラー６Ａ及びハーフミラー６Ｂを透過して、ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８を素通りして測定点９に入射する。測定点９近傍の微小面が粗面の場合、レーザー光はそこからあらゆる方向に散乱されて出射光が生じる。
これらの出射光のうち、ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８を素通りした出射光及びピンホール８以外の部分（焦点距離はｆ０とする）を通過した出射光の光路は、ハーフミラー６Ｂによって、右向きに変換される。右向きに変換された前記通過した出射光は、接眼レンズ３Ｂ（焦点距離はｆ１とする）に入射し、この接眼レンズ３Ｂによって、前記通過した出射光は、集光点１１に集光される。
この途中に、ハーフミラー６Ｃを挿入して集光される光を２光束に分離し、ハーフミラー６Ｃで反射して下向きに光路を変換された光は、光学的には、集光点１１よりも距離ｑ（集光点１１と第２アパーチャー１３Ｂとの距離）だけ接眼レンズ３Ｂ側に近く配置した第１アパーチャー１３Ａのピンホールを通して第１フォトダイオード１２Ａで受光し、ハーフミラー６Ｃを透過する光は、集光点１１よりも距離ｑだけ遠く位置した第２アパーチャー１３Ｂのピンホールを通して第２フォトダイオード１２Ｂで受光することになる。
図２（ａ）〜図２（ｃ）には２光束測定系４Ａで、測定点近傍の微小面（以下、「測定面」という場合がある。）の光軸方向への移動に対する光量変化の原理を示す概念図である。なお、ここでは、簡単のため、ピンホール付き対物レンズ７Ａの代わりに、通常の対物レンズ７Ｂを用いた場合について説明し、ピンホール８の影響については、後で検討する。
図２（ａ）は、測定点９と対物レンズ７Ｂの焦点が一致している場合（以下焦点でΔｆ０＝０とし、焦点よりも対物レンズ７Ｂから遠ざかる方向でΔｆ０＞０とする。）であり、第１アパーチャー１３Ａ・第２アパーチャー１３Ｂのそれぞれのピンホール径及びそれらの位置が、第１フォトダイオード１２Ａ・第２フォトダイオード１２Ｂが測定する光の光量が等しくなるように調整されている。
図２（ｂ）は、対物レンズ７Ｂの焦点よりも対物レンズ７Ｂ側に、測定面が近づいている場合（―Δｆ０（Δｆ０＜０の場合を示す））を示している。
図２（ｃ）は、対物レンズ７Ｂの焦点よりも測定面が対物レンズ７Ｂ側から遠ざかっている場合（＋Δｆ０（Δｆ０＞０の場合を示す））を示している。
この状態で、測定面が上（Δｆ０＜０）下（Δｆ０＞０）すると、それぞれの第１フォトダイオード１２Ａ・第２フォトダイオード１２Ｂでの光の強度は、図２（ｂ）・図２（ｃ）から明らかなように、互いに逆方向に増減する。ここで、第１フォトダイオード１２Ａ・第２フォトダイオード１２Ｂでの光の強度をそれぞれＩ１・Ｉ２とし出射光の規格化強度Ｉを次式（１）のように定義する。
Ｉ＝（Ｉ１―Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
＝−２（ｆ１／ｆ０）２（１／ｑ）Δｆ０ ・・・（１）
すなわち、規格化強度Ｉは、Δｆ０に正比例し、そのときの傾き（すなわち感度Ｋ）は、次式（２）となる。
Ｋ＝Ｉ／Δｆ０＝−２（ｆ１／ｆ０）２（１／ｑ）・・・（２）
以上のように、２光束測定系４Ａは、前記移動手段を物体の表面上における２つの測定点間で移動させた場合に、第１フォトダイオード１２Ａ及び第２フォトダイオード１２Ｂによって測定されるそれぞれの光量値の変化から前記２つの測定点間における表面変位を算出するようになっている。
すなわち、２光束測定系４Ａを、２つの測定点間で物体の表面に沿って移動させながら、第１フォトダイオード１２Ａ及び第２フォトダイオード１２Ｂによって測定される対物レンズを通過した出射光の、集光点１１に集光する前後におけるそれぞれの２つの光量値を測定するようになっている。
それゆえ、前記出射光の規格化強度として、第１フォトダイオード１２Ａ及び第２フォトダイオード１２Ｂによって測定されるそれぞれの２つの光量値の差を、該２つの光量値の和で割った量として算出することができる。それゆえ、表面変位の測定において、半導体レーザー１の出力変動や、測定点９の反射率変化による影響を低減させることができる。
以上の測定原理により、測定周波数は数ｋＨｚ、測定解像度はμｍ単位での変位測定が可能であり、測定範囲は±３００μｍ程度である２光束測定系４Ａを構成することも可能である。
次に、図１及び図３に基づき、総和法測定系５Ａの構成及び測定原理について説明する。総和法測定系５Ａ、本実施の形態では、表面変位のｎｍの精度での測定を可能とするものであり、ハーフミラー（第２表面変位測定系）６Ａ、測定点（第１表面変位測定系，第２表面変位測定系）９、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）（傾斜角算出手段，第２表面変位測定系）カメラ１４を備える測定系である。
ハーフミラー６Ａは、半導体レーザー１からでたレーザー光を透過させて測定点９に入射させると共に、測定点９で反射することによって生じた出射光のうち、２光束測定系４Ａのピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８を素通りした光の光路を右向きに変換してＣＣＤカメラ１４に入射させるものである。ＣＣＤカメラ１４は、ここでは、受光素子として用いられている。
次に、図１に基づき総和法測定系５Ａの測定原理の概要を説明し、その後、図３に基づき該測定原理の詳細について説明する。
図１に示すように、半導体レーザー１からのレーザー光は、直後の小径φＡのアパーチャー２で整形され、長焦点距離レンズ３Ａ（焦点距離Ｆ）で測定面上に焦点を結ぶように照射される。（総和法測定系５Ａでは厳密に焦点を結ぶように構成されている）。
このレーザー光をアパーチャー２直後のハーフミラー６Ａで２光束に分離して、測定点９での出射光を利用する。測定点９からの出射光は、測定面の傾き（傾斜角）を測定するために最終的にＣＣＤカメラ１４上でその位置が測定される。この測定面の傾きと微小な移動距離（微小変位）との積から、測定点近傍における局所的な高さの変化（微小表面変位）が求められ、さらにこれらの積分又は総和を求めることによって任意の２つの測定点間の高さ変化（表面変位）が求められる。これが総和法測定系５Ａの測定原理の概要である。
次に、図３に基づき、総和法測定系５Ａの測定原理の詳細について説明する。なお、図３の総和法測定系５Ａでは、反射鏡１５Ａが光路の途中に存在している場合について説明するが、反射鏡１５Ａの追加により、総和法測定系５Ａの測定原理が実質的に変わってしまうことはない。
図３に示すように、半導体レーザー１から発したレーザー光はハーフミラー６ＡのＯＨを透過し、反射鏡１５ＡのＯＭで反射した後、測定点９（原点Ｏで示す）に入射する。測定点９に入射した光は、測定点９で反射することによって出射光が生じ、測定点９近傍の微小面（測定面）の傾斜角（水平面からの傾き）をδθとすると、反射の法則から、入射光と２δθだけ光路を変換された出射光は、反射鏡１５Ａ、及びハーフミラー６Ａで反射してＣＣＤカメラ１４の１点Ｑ（Ｘ，Ｙ）に入射する。
ここで、δθ＝０のときのＣＣＤカメラ１４に対する出射光の入射位置を原点にとりＯＳとし、ＯＳＱ間の距離をＱ、ＯＳＯＨ間の距離をＤＳ、ＯＨＯＭ間の距離をＤＬ、及びＯＭＯ間の距離をＤＺとし、測定面からＣＣＤカメラ１４の受光面までの距離をＤとすれば、簡単な幾何学から次式（３）を得る。
ｔａｎ（２δθ）＝（Ｑ／Ｄ）（ただし、Ｄ＝ＤＳ＋ＤＬ＋ＤＺ）・・・（３）
ここで、δθの傾きで、測定面上を微小距離δｐ（測定点と原点Ｏとの微小な距離）だけ移動したとすると、δθ＜＜１の条件がなりたつとして、（３）式を用いると、局所的な表面変位ΔＺは、次式（４）で与えられる。
ΔＺ＝ｔａｎ（δθ）δｐ＝（１／２）（Ｑ／Ｄ）δｐ ・・・（４）
すなわち、ＣＣＤカメラ１４の受光面上の位置Ｑ（Ｘ，Ｙ）を測定すれば、測定面の傾斜角が定まり、この傾斜角と微小距離δｐとの積から局所的な表面変位が求められる。
したがって、物体の表面上の任意の位置ｐ点における原点Ｏを基準とした表面変位Ｚは、次のようにして求められる。すなわち、原点Ｏで表面変位Ｚは、次式（５）の積分、又は、次式（６）の総和によって求められる。
Figure 2008215886
・・・（５）
さらに、（５）式を総和法で表せば次式（６）となる。
Figure 2008215886
・・・（６）
ただし、ｉ＝１，２，３，・・・・，ｎ（ｎは自然数）とする。
すなわち、表面変位測定システム１０の総和法測定系５Ａは、半導体レーザー１から発生した光の測定点９に対する入射光の入射角と、測定点９で反射することによって生じた出射光の出射角とのずれの大きさから、局所的な傾斜角をＣＣＤカメラ１４を利用して算出するように構成すれば良い。
また、総和法測定系５Ａ全体は、図示しない前記物体の表面に沿って移動させるための移動手段に搭載されており、総和法測定系５Ａを前記移動手段を前記物体の表面上における微小な距離を有する２つの測定点間で移動させた場合に、２つの測定点間で前記物体の表面に沿って移動させながら前記２つの測定点間の微小変位と、ＣＣＤカメラ１４が測定した前記２つ測定点近傍の局所的な傾斜角との積から、該２つの測定点近傍における微小表面変位を算出し、さらに、前記微小表面変位の積分又は総和をとることにより、任意の距離を有する２つの測定点間における表面変位を算出するようになっている。
このようにすれば、総和法測定系５Ａを、２つの測定点間で前記物体の表面に沿って移動させながら前記２つの測定点間の微小変位と、ＣＣＤカメラ１４が測定した前記２つ測定点近傍の局所的な傾斜角との積（微小表面変位）を求め、さらに、これを積分又は総和することにより、任意の距離を有する２つの測定点間における表面変位を算出することが可能となる。
すなわち、局所的な傾斜角を入射光の入射角と前記出射光の出射角とのずれの大きさを利用して算出する。それゆえ、前記ずれの大きさは、測定点９からＣＣＤカメラ１４までの距離が大きければ大きいほど大きくなるので、傾斜角の小さな変化量を大きな変化量に変換して測定することができる。よって、前記傾斜角の小さな変化量の測定精度を高めることができ、結果として、表面変位測定システム１０の表面変位の測定感度を高めることができる。
以上の測定原理により、測定周波数は数１０Ｈｚ、測定解像度はｎｍ単位での変位測定が可能であり、測定範囲は任意である総和法測定系５Ａを構成することも可能である。
次に、図１に基づき、表面変位測定システム１０のハイブリッド化について説明する。
表面変位測定システム１０は、２光束測定系４Ａ及び総和法測定系５Ａ（以下「両測定系」と呼ぶ。）備えるものすなわち両測定系をハイブリッド化したものである。
このハイブリッド化により、２光束測定系４Ａ及び総和法測定系５Ａのそれぞれの特長を１つの表面変位測定システム１０で効果的に利用することができる。例えば、両測定系の測定精度が異なっていれば、必要に応じて両測定系の測定精度を使い分けることが可能となるため単独で用いた場合と比較して測定範囲を広げることができる。
また、両測定系のそれぞれの測定原理は異なっておりそれぞれの解像度も上述のように異なっているので、測定対象に応じて解像度を使い分けることが可能となる。よって、両測定系が測定対象とする測定面の種類が異なっている場合にも、必要に応じて両測定系を使い分けることで、所望の測定面に対して適切な測定が可能となる。
なお、表面変位測定システム１０は、鏡面、散乱面、両性質を併せ持つような、たとえば液晶やプラズマデイスプレイ等、あらゆる測定面に対して適用可能である。
また、両測定系に共通に利用できる光学素子が存在する場合には、該共光学素子の節約ができるのでコストを低減させることができる。
ところで、２光束測定系４Ａは、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものである。
したがって、なるべく正確な光量の変化の測定のためには、レンズの焦点と測定点とが一致している場合に、対物レンズを通過した出射光が、平行光線に変換されるようにする必要があり、そのため２光束測定系４Ａは、対物レンズを備えている必要がある。
一方、総和法測定系５Ａは、出射光の出射角から測定点９における局所的な傾斜角を測定して、表面変位を算出するものであり、出射光の入射光に対する光路のずれを測定できれば良く、前記対物レンズの存在は、却って邪魔なものとなる。
従って、表面変位測定システム１０においては、対物レンズを必要とする２光束測定系４Ａと対物レンズを必要としない総和法測定系５Ａをハイブリッド化したものであるため、対物レンズの存在により、両測定系の測定点を一致させることが容易でない。
そこで、表面変位測定システム１０では、μｍ測定用の対物レンズの中心付近には、ｎｍ測定用の出射光を素通りさせるために、円筒状に一部くり抜かれたピンホール８が設けられたピンホール付き対物レンズ７Ａを採用したものである。
なお、ここで、「素通り」とは、出射光がピンホールを通過する場合を意味し、レンズの実体がない部分を通過することを意味する。また、単に「通過」と記載した場合には、出射光が実体のあるレンズの部分を通過することを意味する。
それゆえ、２光束測定系４Ａは、ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８以外の部分を通過した光の光量値を測定すれば良いことになる。
一方、総和法測定系５Ａは、ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８を素通りする出射光の光路を測定すれば良いことになる。
総和法測定系５Ａによるｎｍ測定の場合の測定面の傾斜角は極めて小さく、かつここでの半導体レーザーのビーム断面も極めて小くできるので、このピンホール８の径はレンズ径に比べて極めて小さくでき、したがってμｍ測定用の対物レンズの性能もそれほど損なわれることはない。
それゆえ、両測定系の測定精度をそれぞれが単独の場合とほぼ同じ精度に維持しつつ、両測定系の測定点を一致（測定点９）させることで同一測定点における同時測定を可能とすることができる。
また、通常の対物レンズの中心付近に、出射光を素通りさせるためのピンホール８を設けるといった、簡単な方法で、測定点９を、２光束測定系４Ａ及び総和法測定系５Ａにおいて同一の点とすることが可能であり、特殊な対物レンズを用いたり、新たに光学素子を追加したりする必要がない。
それゆえ、新たな光学素子を用いる必要がないので、表面変位測定システム１０の構成を単純化できる。したがって、表面変位測定システム１０のコストを低減させることが可能である。
それゆえ、測定原理の異なる２つの測定系を備える表面変位測定システム１０において、両測定系の測定点を一致させることで同一の測定点９における両光学系の同時測定を可能とし、かつ同一の測定点９において両光学系の測定精度を向上させること、自己校正を行なうこと及びコストを低減することが可能な表面変位測定システム１０を提供することができる。
なお、ハーフミラー６Ｂの小孔（不図示）に関しては、開ける方法と、開けない方法との両方の場合が考えられるが、いずれの場合にもｎｍ測定用の出射光はハーフミラー６Ｂを透過してＣＣＤカメラ１４に入射し、ｎｍ測定用の信号光となる。
一方、μｍ測定用の出射光の大半は、ハーフミラー６Ｂで半分反射されて（半分は上方に透過する）接眼レンズ３Ｂに入射し、μｍ測定用の信号光となる。すなわち、ハーフミラー６Ｂにおける小孔はあってもなくても良い。なお、両方の方法の効果の違いについては、後ほど説明する。
また、ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８の径やハーフミラー６Ｂの小孔の径は、わずかに傾いた測定面からの反射光がここを素通りして最終的にＣＣＤカメラ１４上に到達し得る程度の大きさとする。
すなわち、ピンホール８の径は、図１を参照すると、次式（７）を満たすようにする。
φＬ＞（φＡ・ｆ０）／Ｆ ・・・（７）
ここで、φＬはピンホール８の径、φＡはアパーチャー２のピンホール径、ｆ０はピンホール付き対物レンズ７Ａの焦点距離、Ｆは長焦点距離レンズ３Ａの焦点距離である。
また、ハーフミラー６Ｂに小孔を開ける場合には、ハーフミラー６Ｂの小孔の径φＨは、次式（８）を満たすようにする。
φＨ＞｛φＬ（ｆ０＋ｈ）｝／ｆ０ ・・・（８）
ここで、ｈは、ピンホール付き対物レンズ７Ａとハーフミラー６Ｂとの間の距離である。
次に、図４に基づき、ピンホール付き対物レンズ７Ａにおけるピンホール８の両測定系への影響について説明する。
上述のようにピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８とハーフミラー６Ｂの小孔はμｍ測定用の２光束測定系４Ａには必要であるが、ｎｍ測定用の総和法測定系５Ａには不要である。しかし、その小孔径は極めて小さいため、２光束測定系４Ａにもあまり影響しない。ここではそれらの影響について検討する。なお、以下では、出射光を、それぞれ２光束測定系４Ａに使用される散乱光と、総和法測定系５Ａに用いられる反射光とに分けて説明する。
測定面からはμｍ測定用の２光束測定系４Ａに用いられる散乱光（出射光）及びｎｍ測定用の総和法測定系５Ａに用いられる反射光（出射光）が、それぞれ散乱及び反射し、これらのピンホール付き対物レンズ７Ａやハーフミラー６Ｂで、反射したり透過しながら信号光（平行光線、出射光）となったり、雑光になったりするのでこれらを図４にまとめる。
図４に示すように、散乱光の一部はピンホール付き対物レンズ７Ａ（図４では単に「対物レンズ７Ａ」と書く）のピンホール８及びレンズ面（ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８以外の部分）をそれぞれ素通り、及び透過し、ＣＣＤカメラ１４に到達して雑光（雑光ｎ１、雑光ｎ２、雑光ｎ４）になる。
しかし、これらは散乱光でＣＣＤカメラ１４の受光面上ではほぼ均一に分布するので、反射光の位置の検出にはそれほど影響しない。すなわち、これらが雑光となることは無い。欠落光となりうる雑光は、図４に示すように、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の３通りの場合考えられる。
（Ａ）ピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８及びハーフミラー６Ｂの小孔を素通りしてＣＣＤカメラ１４の受光面上に入射する光は、本来は通常の対物レンズで集光されハーフミラー６Ｂで反射されて受光素子の第１フォトダイオード１２Ａ及び第２フォトダイオード１２Ｂに入射すべき光であるので、信号光に対する欠落光となる。（雑光ｎ１及び雑光ｎ２）
（Ｂ）雑光ｎ３はピンホール付き対物レンズ７Ａで集光されずに接眼レンズ３Ｂに到達した光で、これは信号光とはなり得ない光である。
（Ｃ）一方、反射光は本来、ＣＣＤカメラ１４の受光面上に入射すべき光で、雑光ｎ５は第１フォトダイオード１２Ａ及び第２フォトダイオード１２Ｂに入射しているので、これも雑光となる。
以下、上記（Ａ）〜（Ｃ）の場合の欠落光の影響について説明する。
まず、（Ａ）の場合であるが、本欠落光の影響を調べるには、本来、第１フォトダイオード１２Ａ及び第２フォトダイオード１２Ｂに入射すべき光でありながら上方に素通りする光の光量がどの程度かを検討すればよい。
小孔の無い通常の対物レンズとハーフミラー６Ｂとの場合には該対物レンズで集光された光は基本的に第１フォトダイオード１２Ａ及び第２フォトダイオード１２Ｂに向かうので（これがいわゆる信号光となる）、測定面が完全散乱体として、信号光量をＩ０、上方に素通りする誤差要因光量をΔＩＥとすれば、次式（９）の関係を得る。
ΔＩＥ／Ｉ０＝−（φＬ／φ０）２ ・・・（９）
このＩＥは、第１フォトダイオード１２Ａ・第２フォトダイオード１２Ｂに入射すべき信号ながら到達しない信号なので、両者の光量を等しく減じることになる（ＩＥ＜０）。すなわち、上記（１）式の規格化強度Ｉは、第１フォトダイオード１２Ａ・第２フォトダイオード１２Ｂに入射する光のそれぞれの光量Ｉｐ１・Ｉｐ２が、
Ｉｐ１＝Ｉｐ１＋ΔＩＥ
Ｉｐ２＝Ｉｐ２＋ΔＩＥ ・・・・（１０）
となり、それによって規格化強度Ｉは次式のように僅かに変化してＩ＋ΔＩとなる。
Ｉ＋ΔＩ＝（Ｉｐ１−Ｉｐ２）／（Ｉｐ１＋Ｉｐ２＋２ΔＩＥ）
したがって、
ΔＩ／Ｉ≒−２ΔＩＥ／（Ｉｐ１＋Ｉｐ２）
＝−２ΔＩＥ／Ｉ０＝２（φＬ／φ０）２ ・・・（１１）
この規格化強度Ｉの変化による測定感度Ｋの変化分ΔＫ（＝Ｉ／ｆ０）は次式（１２）で与えられる。
Ｋ＋ΔＫ＝（Ｉ＋ΔＩ）／ｆ０より、
ΔＫ／Ｋ＝ΔＩ／Ｉ＝２（φＬ／φ０）２ ・・・（１２）
このように、測定感度Ｋが一律に２（φＬ／φ０）２倍だけ大きくなることになる。しかし、これは校正曲線を用いれば全く問題なく、誤差として取り扱われるべきものではない。すなわち、ΔＫの感度の増加によるｆ０の変化分Δｆ０は次式で与えられるので、ピンホール８のない通常の対物レンズのときよりは次式（１３）式で与えられるように常に一定の比率だけ若干小さく測定されることになるだけである。
ｆ０＋Δｆ０＝Ｉ／（Ｋ＋ΔＫ）＝ｆ０（１−ΔＫ／Ｋ）、より
Δｆ０／ｆ０＝−ΔＫ／Ｋ＝−２（φＬ／φ０）２ ・・・（１３）
例えば、φ０＝２０ｍｍ、ΦＬ＝２ｍｍの対物レンズを用いれば、ΔＩ／Ｉ（ΔＫ／Ｋ）＝２（ΦＬ／Φ０）２＝０．０２となるが、実際にはある程度の指向性があり、これよりは数倍は大きくなると考えられる。
次に、（Ｂ）の場合についてであるが、図４の雑光ｎ３は、散乱光がピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８を素通りしてハーフミラー６Ｂで反射して接眼レンズ３Ｂに導かれる光で、これは信号光とは異なっている。
測定面からピンホール付き対物レンズ７Ａのピンホール８で広がる散乱光を考えると、接眼レンズ３Ｂ上でのその径φＥは、次式（１４）となる。
φＥ＝（φＬ・ａ）／ｆ０ ・・・（１４）
ａを測定点９から接眼レンズ３Ｂまでの距離とすると、ｈを対物レンズからハーフミラー６Ｂまでの距離、ｌをハーフミラー６Ｂから接眼レンズ３Ｂまでの距離として、
ａ＝ｆ０＋ｈ＋ｌ ・・・（１５）
となる。また、この反射光は測定点９を接眼レンズ３Ｂで結像する光学系となっているので、接眼レンズ３Ｂからの結像距離ｂは、ｆＥを接眼レンズ３Ｂの焦点距離として、
１／ａ＋１／ｂ＝ｆＥ ・・・（１６）となり、レンズ公式を満たす。
すなわち、
ｂ＝（ａ・ｆＥ）／（ａ−ｆＥ）・・・（１７）
と求められる。通常、この結像距離ｂはｆＥに比較して十分大きい。また、この散乱光の成分が接眼レンズ３Ｂの集光点１１付近に置かれた第１アパーチャー１３Ａ・第２アパーチャー１３Ｂのピンホール（共に直径をｐとする）を素通りする光量ΔＩＰは、接眼レンズ３Ｂのレンズ面での全光量ＩＲと、集光点１１の近傍でのこのレーザーのビーム径φＰを用いて次式（１８のようになる。
ΔＩＰ＝ＩＲ（ｐ／φＰ）２＝ＩＲ［ｂ・ｐ／｛φＥ（ｂ−ｆＥ）｝］２・・・（１８）
ただし、φＰ＝φＥ｛（ｂ−ｆＥ）／ｂ｝である。
この値は光学系や反射面の条件が決まれば一定となり、この一定光量が２光束測定系４Ａの信号光に加わることになる。上述のように、ｂがｆＥに比べて十分大きいときにはΔＩＰはＩＲに比べて十分小さくなる。
さて、この場合には上式（１０）で検討したそれぞれの第１フォトダイオード１２Ａ・第２フォトダイオード１２Ｂに入射する光量Ｉｐ１・Ｉｐ２がΔＩＰの同量だけ増加することになり、
すなわち、Ｉｐ１＋ΔＩＰ、Ｉｐ２＋ΔＩＰ ・・・（１９）
結果的に、以下のようになる。
ΔＩ／Ｉ≒−２ΔＩＰ／（Ｉｐ１＋Ｉｐ２）＝−２ΔＩＰ／Ｉ０
ΔＫ／Ｋ＝ΔＩ／Ｉ＝−２ΔＩＰ／Ｉ０
Δｆ０／ｆ０＝−ΔＫ／Ｋ＝２ΔＩＰ／Ｉ０＝２（ＩＲ／Ｉ０）（ｐ／φＰ）２、
＝（φＬ／φ０）２（ｐ／φＰ）２ ・・・（２０）
ただし、ＩＲ／Ｉ０＝（１／２）（φＬ／φ０）２である。
ここに、ＩＥ／Ｉ０は、（１１）式に示すようピンホール付き対物レンズ７Ａの全領域に入射する光の光量に対するピンホール８を素通りする光の光量である。さらに、（ｐ／φＰ）２の値はｂがｆＥに比べて十分大きいと考えられ、ｐ／φＰが十分小さく、したがってその自乗であるからさらに十分小さくなる。
例えば、ｐ／φＰ＝１／１０としても（ｐ／φＰ）２＝０．０１程度となる。さらに、先ほどの例を用いれば（φＬ／φ０）２＝０．０１程度となり、（２０）式は、Δｆ０／ｆ０＝１０−４となって、極めて小さくなる。したがってこの効果は全く無視しうる。
最後に（Ｃ）の場合であるが、本来、ＣＣＤカメラ１４に入射すべき光がハーフミラー６Ｂで反射して接眼レンズ３Ｂに入射する光（雑光ｎ５）の影響について検討する。
反射光が接眼レンズ３Ｂに到達するときには、その光の断面径φＲは、
φＲ≒φＡ（ａ／Ｆ） ・・・（２１）
となる。したがって、ピンホール８の径φＰは、
φＰ≒φＲ（ｂ−ｆＥ）／ｂ ・・・（２２）
となる。したがって、雑光ｎ５が接眼レンズ３Ｂを通過するときの光量をＩＬとすれば、ピンホール８を素通りする光量ΔＩＰは、
ΔＩＰ＝ＩＬ（ｐ／φＰ）２ ・・・（２３）
となる。すなわち、これだけの雑光が信号光に加わることになる。したがって、次式（２４）のようになる。
ΔＩ／Ｉ≒−２ΔＩＰ／（Ｉｐ１＋Ｉｐ２）＝−２ΔＩＰ／Ｉ０、
ΔＫ／Ｋ＝ΔＩ／Ｉ＝−２ΔＩＰ／Ｉ０、
Δｆ０／ｆ０＝−ΔＫ／Ｋ＝２ΔＩＰ／Ｉ０＝２（ＩＬ／Ｉ０）（ｐ／φＰ）２
・・・（２４）
Ｉ０は接眼レンズ３Ｂに到達する散乱光と反射光の全光量である。この式（２４）からわかるように、この場合にもΔｆ０／ｆ０は一定値だけ大きくなるだけである。しかし、値そのものは（ｐ／φＰ）２が必ずしも小さくはならず適当な大きさになると考えられる。
ここでは、測定感度Ｋの測定値に対する３種類の欠落光の影響について検討したが、いずれも光学系が決まれば一定値となり、それだけを加算すればよいと判明した。すなわち、予めその影響を考慮した校正曲線を用いれば正しく測定できるものである。
以上のように、対物レンズの中心に小さなピンホール８を空けたピンホール付き対物レンズ７Ａを用いるといった、極めて単純な方法によって両測定系を一体化した表面変位測定システム１０を構成することが可能である。このピンホール８を空けたことによって生じる測定値の減少も、近軸光学を用いた解析から、その分を考慮した校正曲線を利用することによって全く問題にならないことが判明した。
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図５に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
図５は、本発明の他の実施の形態である表面変位測定システム５０の構成を示す概要図である。
表面変位測定システム５０は、図５に示すように、半導体レーザー（光源）１、２光束測定系（第１表面変位測定系）４Ａ、総和法測定系（第２表面変位測定系）５Ａ（以下、実施の形態１のように「両測定系」という場合がある。）とを備える構成である。なお、表面変位測定システム１０におけるアパーチャー２及び長焦点距離レンズ３Ａは簡単のため省略しているが、表面変位測定システム５０もこれらを備えていることが好ましい。
２光束測定系４Ｂは、表面変位測定システム１０の２光束測定系４Ａに相当するものであり、ピンホール付き対物レンズ７Ａが通常の対物レンズ７Ｂに置き換わっている点と、測定点９と対物レンズ７Ｂとの間にハーフミラー（光路変換手段，第２表面変位測定系）６Ｄが挿入されている点が表面変位測定システム１０との相違点である。
にハーフミラー６Ｄは、出射光の光路を、測定点９と対物レンズ７Ｂとの間で変化させるものである。
総和法測定系５Ｂは、表面変位測定システム１０の総和法測定系５Ａに相当するものであり、測定点９、ハーフミラー６Ａ、ハーフミラー６Ｄ、反射鏡１５Ａ、反射鏡１５Ｂ、及びＣＣＤカメラ１４を備える測定系である。総和法測定系５Ａとの相違点は、反射鏡１５Ａ、反射鏡１５Ｂ及び上述のハーフミラー６Ｄを備えている点である。
反射鏡１５（第２表面変位測定系）Ａ、及び反射鏡１５（第２表面変位測定系）Ｂは、出射光の光路を変換するものであるが、測定原理上は任意の構成である。
表面変位測定システム５０は、ハーフミラー６Ｄで測定点９の反射直後の出射光の光路を変化させることで、２光束測定系４Ｂと総和法測定系５Ｂとで同一の測定点９を共有できるようにしている。
以上より、表面変位測定システム５０は、多少構成が複雑化するものの、両光学系による同一の測定点における測定を同時に行なうことができる。
それゆえ、測定原理の異なる２つの測定系を備える表面変位測定システム５０において両測定系の測定点を一致させる（測定点９）ことが可能であり、かつ同一の測定点９において両光学系の測定精度を向上させること、自己校正を行なうこと及びコストを低減することが可能な表面変位測定システム５０を提供することができる。
〔実施の形態３〕
本発明の他の実施の形態について図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１及び２と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１及び２の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６は、本発明の他の実施の形態である表面変位測定システム６０の構成を示す概要図である。
表面変位測定システム６０は、図６に示すように、半導体レーザー（光源）１、２光束測定系（第１表面変位測定系）４Ｃ、総和法測定系（第２表面変位測定系）５Ｃ（以下、実施の形態１のように「両測定系」という場合がある。）とを備える構成である。なお、表面変位測定システム１０におけるアパーチャー２及び長焦点距離レンズ３Ａは簡単のため省略しているが、表面変位測定システム６０もこれらを備えていることが好ましい。
２光束測定系４Ｃは、表面変位測定システム１０の２光束測定系４Ａに相当するものであり、ピンホール付き対物レンズ７Ａが特殊な液晶レンズ７Ｃに置き換わっている点が表面変位測定システム１０との相違点である。
総和法測定系５Ｃは、表面変位測定システム１０の総和法測定系５Ａに相当するものであり、ピンホール付き対物レンズ７Ａが液晶レンズ７Ｃに置き換わっている点が相違点である。その他は全く表面変位測定システム１０の２光束測定系４Ａと同一の構成である。
液晶レンズ７Ｃは、集光作用がある状態から集光作用がない状態へ可逆的に変化させることが可能なレンズであり、レンズの作用をＯＮ・ＯＦＦすることができるので、レンズの作用のＯＮ・ＯＦＦ切り替えにより、両測定系を使い分け可能とし、測定点９を、２光束測定系４Ｃ及び総和法測定系５Ｃにおいて同一の点とすることが可能となる。それゆえ、新たな光学素子を用いる必要がないので、表面変位測定システムの構成を単純化できる。
ここで、「集光作用がある状態から集光作用がない状態へ可逆的に変化させる」とは、例えば、液晶レンズなどで可能であるように、凸レンズ及び凹レンズの状態から単なるガラス板と同様の状態に変化させることである。すなわち、「レンズの作用のＯＮ」の場合には、凸レンズには集光作用があり、「レンズの作用ＯＦＦ」の場合には、凸レンズには集光作用がないことを意味する。
それゆえ、液晶レンズのレンズの作用のＯＮ・ＯＦＦ切り替えという特殊な過程が必要となるが、測定原理の異なる２つの測定系を備える表面変位測定システム６０において、両測定系の測定点を一致させることで同一測定点９における両光学系の同時測定を可能とし、かつ同一の測定点９において両光学系の測定精度を向上させること、自己校正を行なうこと及びコストを低減することが可能な表面変位測定システム６０を提供することができる。
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的手段に含まれる。
本発明は、半導体・ＦＰＤ製造業の分野において広く適用することができる。例えば、シリコンウエハーやフラットパネルの表面の起伏を数ｎｍオーダーで測定するための表面変位測定システムとして適用することができる。また、本発明は、精密機械の分野においてにおいても広く適用することができる。例えば、部材の表面の起伏を数μｍオーダーで測定するための表面変位測定システムとして適用することができる。
本発明における表面変位測定システムの実施の一形態を示す概要図である。 （ａ）は、対物レンズの焦点と測定点とが一致している初期状態を示す概要図であり、（ｂ）は、対物レンズ側に測定点が近づいている状態を示す概要図であり、（ｃ）は、対物レンズから測定点が離れている状態を示す概要図である。 上記表面変位測定システムにおける総和法表面変位測定系の測定原理を説明するための概要図である。 上記表面変位測定システムにおける対物レンズに設けられたピンホールの影響を説明するための図である。 本発明における表面変位測定システムの他の実施の形態を示す概要図である。 本発明における表面変位測定システムのさらに他の実施の形態を示す概要図である。 従来のハイブリッドシステムの構成を示す概要図である。
符号の説明
１ 半導体レーザー（光源）
２ アパーチャー
３Ａ 長焦点距離レンズ
３Ｂ 接眼レンズ（集光レンズ，第１表面変位測定系）
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ ２光束測定系（第１表面変位測定系）
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 総和法測定系（第２表面変位測定系）
６Ａ ハーフミラー（第２表面変位測定系）
６Ｃ ハーフミラー（第１表面変位測定系）
６Ｂ ハーフミラー（第１表面変位測定系）
６Ｄ ハーフミラー（光路変換手段，第２表面変位測定系）
７Ａ ピンホール付き対物レンズ（対物レンズ，第１表面変位測定系）
７Ｂ 対物レンズ（第１表面変位測定系）
７Ｃ 液晶レンズ（対物レンズ，第１表面変位測定系，第２表面変位測定系）
８ ピンホール（第１表面変位測定系，第２表面変位測定系）
９ 測定点（第１表面変位測定系，第２表面変位測定系）
１０，５０，６０ 表面変位測定システム
１１ 集光点（第１表面変位測定系）
１２Ａ 第１フォトダイオード（前光量測定手段，第１表面変位測定系）
１２Ｂ 第２フォトダイオード（後光量測定手段，第１表面変位測定系）
１３Ａ 第１アパーチャー（第１表面変位測定系）
１３Ｂ 第２アパーチャー（第１表面変位測定系）
１４ ＣＣＤカメラ（傾斜角算出手段，第２表面変位測定系）
１５Ａ，１５Ｂ 反射鏡（第２表面変位測定系）

Claims (9)

  1. 光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、
    前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、
    前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、
    前記対物レンズの中心付近には、前記出射光を素通りさせるためのピンホールが設けられていることを特徴とする表面変位測定システム。
  2. 前記第１表面変位測定系は、
    前記対物レンズを通過した出射光を、あらかじめ定められた集光点に集光させる集光手段と、
    前記集光点に集光する前後における前記対物レンズを通過した出射光のそれぞれの光量値を測定する前光量測定手段及び後光量測定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の表面変位測定システム。
  3. 前記第１表面変位測定系を前記物体の表面に沿って移動させるための移動手段を備え、
    前記第１表面変位測定系は、
    前記移動手段を前記物体の表面上における２つの測定点間で移動させた場合に、
    前記前光量測定手段及び前記後光量測定手段によって測定されるそれぞれの光量値の変化から前記２つの測定点間における表面変位を算出することを特徴とする請求項２に記載の表面変位測定システム。
  4. 前記第２表面変位測定系は、
    前記光源から発生した光の前記測定点に対する入射光の入射角と、前記出射光の出射角とのずれの大きさから、前記局所的な傾斜角を算出する傾斜角算出手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の表面変位測定システム。
  5. 前記第２表面測定系を前記物体の表面に沿って移動させるための移動手段を備え、
    前記第２表面測定系は、
    前記移動手段を前記物体の表面上における微小な距離を有する２つの測定点間で移動させた場合に、
    前記２つの測定点間の微小変位と、前記傾斜角測定手段が測定した前記２つ測定点近傍の局所的な傾斜角との積から、該２つの測定点近傍における微小表面変位を算出し、
    さらに、前記微小表面変位の積分又は総和をとることにより、任意の距離を有する２つの測定点間における表面変位を算出することを特徴とする請求項４に記載の表面変位測定
    システム。
  6. 光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムを用いた表面変位測定方法において、
    前記表面変位測定システムの第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量の変化から前記表面変位を算出するものであると共に、
    前記表面変位測定システムの第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものである場合において、
    前記対物レンズの中心付近に、前記出射光を素通りさせるためのピンホールを設けることを特徴とする表面変位測定方法。
  7. 光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、
    前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、
    前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、
    前記対物レンズは、
    集光作用がある状態から集光作用がない状態へ可逆的に変化させることが可能なレンズであることを特徴とする表面変位測定システム。
  8. 光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、
    前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、
    前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、
    前記出射光の光路を、前記測定点と前記対物レンズとの間で変化させる光路変化手段を備えることを特徴とする表面変位測定システム。
  9. 光を発生させる光源を備え、該光源が発した光を物体の表面上の測定点に入射させ、反射させることによって生じた出射光の状態を測定して、前記測定点における表面の起伏の状態を示す局所的な表面変位を算出する第１及び第２表面変位測定系を備える表面変位測定システムにおいて、
    前記第１表面変位測定系は、レンズの焦点と前記測定点とが一致している場合に、前記出射光を平行光線に変換する対物レンズを備えており、該対物レンズを通過した出射光の光量値から前記表面変位を算出するものであると共に、
    前記第２表面変位測定系は、前記出射光の出射角から前記測定点における局所的な傾斜角を測定して、前記表面変位を算出するものであり、
    前記測定点が、前記第１表面変位測定系及び前記第２表面変位測定系において同一の点とされていること特徴とする表面変位測定システム。
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