JP2008216099A - 形状測定装置及びその方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ウェーハの端部のように、その半径方向において比較的大きくに変化する表面形状を高精度かつ短時間で測定すること。
【解決手段】計算機１１が、ＣＣＤカメラ１０により干渉計３０を通じて得られる干渉縞の像が、測定領域ｗａにおける端部ｗｅを除く領域において、Ｘ軸（試料ｗの半径方向に平行な軸）に対してほぼ平行に伸びて形成される複数本の縞の像となる平行縞形成状態となるように、変位装置２１ａ、２２ａを制御し、調節後の干渉縞の像の輝度データに基づいて、Ｘ軸の各位置におけるキャリア波（Ｙ軸方向の輝度データの列が表す空間的周期波）それぞれの位相Φを算出し、その位相Φ(x)からＸ軸方向の表面形状値ｈ(x)を算出する。
【選択図】図１
【解決手段】計算機１１が、ＣＣＤカメラ１０により干渉計３０を通じて得られる干渉縞の像が、測定領域ｗａにおける端部ｗｅを除く領域において、Ｘ軸（試料ｗの半径方向に平行な軸）に対してほぼ平行に伸びて形成される複数本の縞の像となる平行縞形成状態となるように、変位装置２１ａ、２２ａを制御し、調節後の干渉縞の像の輝度データに基づいて、Ｘ軸の各位置におけるキャリア波（Ｙ軸方向の輝度データの列が表す空間的周期波）それぞれの位相Φを算出し、その位相Φ(x)からＸ軸方向の表面形状値ｈ(x)を算出する。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体ウェーハのような円形板状の試料における端部付近の表面形状を測定する形状測定装置及びその測定方法に関するものである。
一般に、円形板状である半導体ウェーハ（以下、ウェーハという）は、その中央部の平坦度は十分に確保されているが、端部（円周部）付近の平坦度が十分でない状態（いわゆるダレが形成された状態）であることが多い。
一方、近年、１枚のウェーハから得られる半導体チップの数を極力増やすため、ウェーハの端部（エッジ）により近い部分まで高い平坦度が要求される。このため、ウェーハの端部付近の表面形状を高精度で測定することが重要となっている。
例えば、特許文献１や非特許文献１には、ウェーハのエッジ先端にブロック部材を当接させ、そのブロック部材のウェーハに当接する面の位置を基準とし、触針式の形状計を移動させながらウェーハの表面形状を測定する技術が示されている。
ここで、ウェーハは、その半径方向にダレが生じるものであり、周方向における表面形状の変化はほとんど生じない。
これに対し、特許文献２には、ウェーハの半径方向の表面形状をその周方向の所定範囲にわたって複数測定し、それらの測定値を平均化することにより、ウェーハのダレを高精度で測定する技術が示されている。
一方、近年、１枚のウェーハから得られる半導体チップの数を極力増やすため、ウェーハの端部（エッジ）により近い部分まで高い平坦度が要求される。このため、ウェーハの端部付近の表面形状を高精度で測定することが重要となっている。
例えば、特許文献１や非特許文献１には、ウェーハのエッジ先端にブロック部材を当接させ、そのブロック部材のウェーハに当接する面の位置を基準とし、触針式の形状計を移動させながらウェーハの表面形状を測定する技術が示されている。
ここで、ウェーハは、その半径方向にダレが生じるものであり、周方向における表面形状の変化はほとんど生じない。
これに対し、特許文献２には、ウェーハの半径方向の表面形状をその周方向の所定範囲にわたって複数測定し、それらの測定値を平均化することにより、ウェーハのダレを高精度で測定する技術が示されている。
さらに、特許文献２には、干渉計を用いた位相シフト法（縞走査法或いはフリンジスキャン法とも称される）により、ウェーハの２次元の表面形状を（表面高さの分布）を測定する技術が示されている。
特許文献２に示されるように、位相シフト法による形状測定では、干渉計の参照面又は試料（ウェーハ）の位置を光軸方向に変化させることにより、干渉計により得られる干渉縞の像を複数の状態に変化させ、これら複数の干渉縞の像の輝度データからウェーハの表面形状値を算出する。
また、干渉計を用いた空間キャリア周波数法により、試料の２次元の表面形状を測定する技術が知られている。空間キャリア周波数法による形状測定では、干渉計の参照面又は試料を傾けることにより、干渉計により得られる干渉縞の本数を増やした状態とし、その干渉縞の数を空間キャリア周波数と捉え、フーリエ変換及び逆フーリエ変換を行うことによって試料の２次元の表面形状値を算出する。
特開２０００−１４６５６９号公報
特開２００４−１８４１９４号公報
M.Kimura etc. , "A New Method for the Precise Measurement of Wafer Roll off of Silicon Polished Wafer", Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)
特許文献２に示されるように、位相シフト法による形状測定では、干渉計の参照面又は試料（ウェーハ）の位置を光軸方向に変化させることにより、干渉計により得られる干渉縞の像を複数の状態に変化させ、これら複数の干渉縞の像の輝度データからウェーハの表面形状値を算出する。
また、干渉計を用いた空間キャリア周波数法により、試料の２次元の表面形状を測定する技術が知られている。空間キャリア周波数法による形状測定では、干渉計の参照面又は試料を傾けることにより、干渉計により得られる干渉縞の本数を増やした状態とし、その干渉縞の数を空間キャリア周波数と捉え、フーリエ変換及び逆フーリエ変換を行うことによって試料の２次元の表面形状値を算出する。
しかしながら、特許文献１や非特許文献１に示される触針式の形状測定や、特許文献２に示される位相シフト法による形状測定（複数の干渉縞像を観測する方式）は、測定に非常に時間がかかるという問題点があった。
また、前述した空間キャリア周波数法による形状測定は、フーリエ変換後の特定のフーリエスペクトルを、他のフーリエスペクトルと分離して抽出する処理が必要となる。その処理は、干渉縞の空間周波数についてローパスフィルタ処理を行うのと同様の処理であり、これは、干渉縞のバックグランド強度分布や明暗変化の振幅が緩やかに変化する、即ち、試料の表面形状の変化がごく緩やかであることが前提となっている。このため、空間キャリア周波数法では、ウェーハの端部のように、その半径方向において比較的大きくに変化する表面形状を高精度で測定することができないという問題点があった。
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、ウェーハの端部のように、その半径方向において比較的大きくに変化する表面形状を高精度かつ短時間で測定することができる形状測定装置及びその測定方法を提供することにある。
また、前述した空間キャリア周波数法による形状測定は、フーリエ変換後の特定のフーリエスペクトルを、他のフーリエスペクトルと分離して抽出する処理が必要となる。その処理は、干渉縞の空間周波数についてローパスフィルタ処理を行うのと同様の処理であり、これは、干渉縞のバックグランド強度分布や明暗変化の振幅が緩やかに変化する、即ち、試料の表面形状の変化がごく緩やかであることが前提となっている。このため、空間キャリア周波数法では、ウェーハの端部のように、その半径方向において比較的大きくに変化する表面形状を高精度で測定することができないという問題点があった。
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、ウェーハの端部のように、その半径方向において比較的大きくに変化する表面形状を高精度かつ短時間で測定することができる形状測定装置及びその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、円形板状或いはほぼそれに近い形状の試料（半導体ウェーハがその典型例）における端部からその内側の所定範囲にわたる領域（以下、測定領域という）の表面形状を測定する形状測定装置であり、次の（１）〜（６）に示す各構成要素を備えるものである。
（１）前記測定領域を観測する干渉計の出力光において形成される干渉縞の像を撮像する撮像手段。
（２）前記干渉計における参照面（参照光を反射する面）の向き又は前記測定領域の面の向きを変更する向き変更手段。
（３）前記向き変更手段を制御することにより、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像が、前記測定領域における前記端部を除く領域において前記試料の半径方向に平行な軸（以下、基準軸という）に対し、平行もしくは平行に近い方向に伸びて形成される複数本の縞の像となるように調節する干渉縞像調節手段。
（４）前記干渉縞像調節手段による調節後に、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像の輝度データを収録する輝度データ収録手段。
（５）前記基準軸の各位置における、その基準軸に直交する方向の前記輝度データの列が表す空間的周期波（前記基準軸に直交する方向に輝度値が周期的に変化する波）それぞれの位相を算出する位相算出手段。
（６）前記位相算出手段により算出された前記位相に基づいて、前記測定領域における前記基準軸方向の表面形状値を算出する表面形状値算出手段。
（１）前記測定領域を観測する干渉計の出力光において形成される干渉縞の像を撮像する撮像手段。
（２）前記干渉計における参照面（参照光を反射する面）の向き又は前記測定領域の面の向きを変更する向き変更手段。
（３）前記向き変更手段を制御することにより、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像が、前記測定領域における前記端部を除く領域において前記試料の半径方向に平行な軸（以下、基準軸という）に対し、平行もしくは平行に近い方向に伸びて形成される複数本の縞の像となるように調節する干渉縞像調節手段。
（４）前記干渉縞像調節手段による調節後に、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像の輝度データを収録する輝度データ収録手段。
（５）前記基準軸の各位置における、その基準軸に直交する方向の前記輝度データの列が表す空間的周期波（前記基準軸に直交する方向に輝度値が周期的に変化する波）それぞれの位相を算出する位相算出手段。
（６）前記位相算出手段により算出された前記位相に基づいて、前記測定領域における前記基準軸方向の表面形状値を算出する表面形状値算出手段。
前述したように、半導体ウェーハ（円形板状の試料の典型例）は、その半径方向にダレが生じるものであり、周方向における表面形状の変化はほとんど生じない。従って、前記干渉縞像調節手段による調節後に、干渉計及び前記撮像手段を通じて得られる干渉縞の像の輝度データは、前記基準軸（試料の半径方向に平行な軸）の方向の各位置において、その基準軸に直交する方向のデータ列として見ると、所定の空間周波数の周期波（前記空間的周期波）を表すデータ列となる。そして、前記基準軸の各位置における前記空間的周期波それぞれの位相は、前記基準軸方向の表面形状の変化を表すことになる。従って、本発明によれば、前記位相算出手段により算出された位相に基づいて、試料の前記基準軸方向の表面形状値（プロファイル）を光学的に高精度で測定（算出）できる。
しかも、１回の干渉縞像の測定によって前記基準軸方向の表面形状を測定（算出）できるので、短時間での測定が可能である。
しかも、１回の干渉縞像の測定によって前記基準軸方向の表面形状を測定（算出）できるので、短時間での測定が可能である。
ここで、前記位相算出手段の具体例としては、例えば、前記測定領域の前記端部を除く領域における前記空間的周期波と空間周波数がほぼ等しいｓｉｎ波（サイン波）及びｃｏｓｉｎ波（コサイン波）それぞれを表すデータに基づく直交検波処理により前記位相を算出するものが考えられる。
また、本発明に係る形状測定装置は、さらに次の（７）〜（９）に示す構成要素を備えるものが考えられる。
（７）前記干渉計の出力光を集光することにより、その干渉計の出力光に重畳された物体光及び参照光それぞれが集光された２つのスポット像を前記撮像手段に結像させるスポット結像レンズ。
（８）前記撮像手段に対し、前記干渉縞の像を結像させる第１状態と、前記スポット結像レンズにより前記２つのスポット像を結像させる第２状態とを切り替える結像状態切替手段。
（９）前記干渉縞像調節手段が備えるものであり、前記結像状態切替手段により前記第２状態に切り替えられて前記撮像手段により得られる前記２つのスポット像の位置関係が予め定められた位置関係となるよう（即ち、両位置関係のずれに応じて）前記向き変更手段を制御するスポット像調節手段。
測定対象となる試料それぞれの前記測定領域の表面形状が大きく異ならなければ、前記干渉計における参照面の向きと、前記測定領域の面の向きとの相対関係により、干渉計により得られる干渉縞の像の概ねの内容が定まる。
同様に、前記２つのスポット像の位置関係（相対位置）も、前記干渉計における参照面の向きと、前記測定領域の面の向きとの相対関係によって概ね定まる。
従って、前記２つのスポット像の位置関係が、試料の形状測定のために適当な干渉縞の像が得られるときの標準的な位置関係となるように、前記干渉計における参照面の向きと、前記測定領域の面の向きとの相対関係を設定（調節）すれば、概ね、試料の形状測定のために適当な干渉縞の像が得られる状態となる。これにより、前記干渉縞像調節手段による干渉縞の像の調節において、干渉縞の像のみに基づいて（画像処理のみによって）調節するよりも調節が容易となる。
また、本発明は、前述した本発明に係る形状測定装置が備える各手段の実行内容を実行する形状測定方法として捉えることもできる。
また、本発明に係る形状測定装置は、さらに次の（７）〜（９）に示す構成要素を備えるものが考えられる。
（７）前記干渉計の出力光を集光することにより、その干渉計の出力光に重畳された物体光及び参照光それぞれが集光された２つのスポット像を前記撮像手段に結像させるスポット結像レンズ。
（８）前記撮像手段に対し、前記干渉縞の像を結像させる第１状態と、前記スポット結像レンズにより前記２つのスポット像を結像させる第２状態とを切り替える結像状態切替手段。
（９）前記干渉縞像調節手段が備えるものであり、前記結像状態切替手段により前記第２状態に切り替えられて前記撮像手段により得られる前記２つのスポット像の位置関係が予め定められた位置関係となるよう（即ち、両位置関係のずれに応じて）前記向き変更手段を制御するスポット像調節手段。
測定対象となる試料それぞれの前記測定領域の表面形状が大きく異ならなければ、前記干渉計における参照面の向きと、前記測定領域の面の向きとの相対関係により、干渉計により得られる干渉縞の像の概ねの内容が定まる。
同様に、前記２つのスポット像の位置関係（相対位置）も、前記干渉計における参照面の向きと、前記測定領域の面の向きとの相対関係によって概ね定まる。
従って、前記２つのスポット像の位置関係が、試料の形状測定のために適当な干渉縞の像が得られるときの標準的な位置関係となるように、前記干渉計における参照面の向きと、前記測定領域の面の向きとの相対関係を設定（調節）すれば、概ね、試料の形状測定のために適当な干渉縞の像が得られる状態となる。これにより、前記干渉縞像調節手段による干渉縞の像の調節において、干渉縞の像のみに基づいて（画像処理のみによって）調節するよりも調節が容易となる。
また、本発明は、前述した本発明に係る形状測定装置が備える各手段の実行内容を実行する形状測定方法として捉えることもできる。
本発明によれば、試料の前記基準軸方向（半径方向に平行な方向）の表面形状値（プロファイル）を、干渉計を用いて光学的に高精度で測定（算出）できる。しかも、１回の干渉縞像の測定によって前記基準軸方向の表面形状を測定できるので、短時間での測定が可能である。
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の実施の形態は、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は本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｚの概略構成図、図２は形状測定装置Ｚによる形状測定手順を表すフローチャート、図３は形状測定装置Ｚにより試料の向き調節を行う際の干渉計における光路及び出力像を表す図、図４は形状測定装置Ｚによるキャリア波の位相算出処理（直交検波処理）の過程で得られるデータの一例を画像として表した図、図５は形状測定装置Ｚによるキャリア波の位相算出処理（直交検波処理）の過程で得られるデータを表すグラフ、図６は形状測定装置Ｚにより算出されたキャリア波の位相と表面形状値とを表すグラフである。
ここに、図１は本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｚの概略構成図、図２は形状測定装置Ｚによる形状測定手順を表すフローチャート、図３は形状測定装置Ｚにより試料の向き調節を行う際の干渉計における光路及び出力像を表す図、図４は形状測定装置Ｚによるキャリア波の位相算出処理（直交検波処理）の過程で得られるデータの一例を画像として表した図、図５は形状測定装置Ｚによるキャリア波の位相算出処理（直交検波処理）の過程で得られるデータを表すグラフ、図６は形状測定装置Ｚにより算出されたキャリア波の位相と表面形状値とを表すグラフである。
まず、図１を参照しつつ、形状測定装置Ｚの構成について説明する。
本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｚは、図１（ｂ）に示すように、円形板状或いはそれに近い形状を有する半導体ウェーハ（以下、試料ｗという）における端部（試料のエッジｗｅ）からその内側の所定範囲にわたる領域（以下、測定領域ｗａという）の表面形状を測定する装置である。なお、図１（ｂ）に示す記号ｗｏは、試料ｗの中心位置を表す。
以下、測定領域ｗａにおいて、試料ｗの半径方向に平行な方向の座標軸をＸ軸（基準軸に相当）とし、これに直交する方向の座標軸をＹ軸とする。
形状測定装置Ｚは、図１に示すように、レーザ光源１、干渉計３０、スポット結像レンズ７、回転式レンズ保持具８、レンズ切替モータ９、ＣＣＤカメラ１０、計算機１１、回転ステージ１２、昇降ステージ１３、変位式試料支持部２１、２２、変位装置２１ａ、２２ａ、固定式試料支持部２３などを備えて構成されている。
また、干渉計３０は、フィゾー干渉計であり、第１レンズ２、ビームスプリッタ３、第２レンズ４、参照ガラス５、干渉縞結像レンズ６を備えて構成されている。
本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｚは、図１（ｂ）に示すように、円形板状或いはそれに近い形状を有する半導体ウェーハ（以下、試料ｗという）における端部（試料のエッジｗｅ）からその内側の所定範囲にわたる領域（以下、測定領域ｗａという）の表面形状を測定する装置である。なお、図１（ｂ）に示す記号ｗｏは、試料ｗの中心位置を表す。
以下、測定領域ｗａにおいて、試料ｗの半径方向に平行な方向の座標軸をＸ軸（基準軸に相当）とし、これに直交する方向の座標軸をＹ軸とする。
形状測定装置Ｚは、図１に示すように、レーザ光源１、干渉計３０、スポット結像レンズ７、回転式レンズ保持具８、レンズ切替モータ９、ＣＣＤカメラ１０、計算機１１、回転ステージ１２、昇降ステージ１３、変位式試料支持部２１、２２、変位装置２１ａ、２２ａ、固定式試料支持部２３などを備えて構成されている。
また、干渉計３０は、フィゾー干渉計であり、第１レンズ２、ビームスプリッタ３、第２レンズ４、参照ガラス５、干渉縞結像レンズ６を備えて構成されている。
レーザ光源１から干渉計３０に供給された光は、第１レンズ２及び第２レンズ４により、例えば直径４０ｍｍ程度の平行光に変換され、参照ガラス５に入射する。
そして、参照ガラス５に入射した平行光は、その一部が、参照ガラス５の下面である参照面５ａに反射し、その反射光である参照光が、再び参照ガラス５及び第２レンズ４を逆方向に透過し、ビームスプリッタ３に至る。
一方、参照ガラス５に入射した平行光の残りの一部は、参照ガラス５を通過して試料ｗの測定領域ｗａを含む領域を照射し、その反射光である物体光が、再び参照ガラス５及び第２レンズ４を逆方向に透過し、前記参照光と重なってビームスプリッタ３に至る。
そして、前記参照光と前記物体光とが重なった干渉光が、ビームスプリッタ３で反射され、干渉縞結像レンズ６を通過してＣＣＤカメラ１０に入力される。ここで、干渉縞結像レンズ６は、干渉計３０の出力光の径をＣＣＤカメラ１０の光検出部に応じた大きさに調節することにより、干渉縞の像をＣＣＤカメラ１０に結像させるレンズである。
ＣＣＤカメラ１０は、試料の測定領域ｗａを観測する干渉計３０の出力光において形成される干渉縞の像を撮像するカメラ（撮像手段）である。
そして、参照ガラス５に入射した平行光は、その一部が、参照ガラス５の下面である参照面５ａに反射し、その反射光である参照光が、再び参照ガラス５及び第２レンズ４を逆方向に透過し、ビームスプリッタ３に至る。
一方、参照ガラス５に入射した平行光の残りの一部は、参照ガラス５を通過して試料ｗの測定領域ｗａを含む領域を照射し、その反射光である物体光が、再び参照ガラス５及び第２レンズ４を逆方向に透過し、前記参照光と重なってビームスプリッタ３に至る。
そして、前記参照光と前記物体光とが重なった干渉光が、ビームスプリッタ３で反射され、干渉縞結像レンズ６を通過してＣＣＤカメラ１０に入力される。ここで、干渉縞結像レンズ６は、干渉計３０の出力光の径をＣＣＤカメラ１０の光検出部に応じた大きさに調節することにより、干渉縞の像をＣＣＤカメラ１０に結像させるレンズである。
ＣＣＤカメラ１０は、試料の測定領域ｗａを観測する干渉計３０の出力光において形成される干渉縞の像を撮像するカメラ（撮像手段）である。
図４（ａ）は、形状測定装置Ｚにおいて、ＣＣＤカメラ１０によって得られる測定領域ｗａの干渉縞の画像の一例である。
形状測定装置Ｚでは、図４（ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ１０により得られる干渉縞の像が、測定領域ｗａにおける端部ｗｅを除く領域において、Ｘ軸（試料ｗの半径方向に平行な軸）に対してほぼ平行に伸びて形成される複数本の縞の像となる状態（以下、平行縞形成状態という）に調節した上で、Ｘ軸方向における表面形状（表面高さの分布）を測定する。
前述したように、試料ｗ（半導体ウェーハ）は、その半径方向（測定領域ｗａにおけるＸ軸方向）にダレが生じるものであり、Ｙ軸方向における表面形状の変化はほとんど生じない。
従って、前記平行縞形成状態では、ＣＣＤカメラ１０を通じて得られる干渉縞の像の輝度データは、Ｘ軸の方向の各位置において、Ｙ軸方向のデータ列（輝度データの列）として見ると、所定の空間周波数を有する周期波（空間的周期波）を表すデータ列となる。以下、このＹ軸方向のデータ列が表す空間的周期波をキャリア波という。
そして、Ｘ軸の各位置におけるキャリア波それぞれの位相は、Ｘ軸方向の表面形状の変化を表すことになる。従って、Ｘ軸の各位置におけるキャリア波それぞれの位相（Ｘ軸方向のキャリア波の分布）を算出すれば、その位相に基づいて、測定領域ｗａのＸ軸方向の表面形状値（プロファイル）を光学的に高精度で測定（算出）することができる。しかも、１回の干渉縞像の測定によってＸ軸方向の表面形状を測定（算出）できるので、短時間での測定が可能である。
なお、図４（ａ）に示す例は、Ｘ軸の各位置において、Ｙ軸方向に６本（濃淡６組）の縞が形成された干渉縞の像を示している。
ここで、図４（ａ）に示すような平行縞形成状態の干渉縞を得るためには、参照ガラス５の参照面５ａと測定領域ｗａの表面とを、それらが非平行となる所定の向き関係に設定する必要がある。
形状測定装置Ｚでは、図４（ａ）に示すように、ＣＣＤカメラ１０により得られる干渉縞の像が、測定領域ｗａにおける端部ｗｅを除く領域において、Ｘ軸（試料ｗの半径方向に平行な軸）に対してほぼ平行に伸びて形成される複数本の縞の像となる状態（以下、平行縞形成状態という）に調節した上で、Ｘ軸方向における表面形状（表面高さの分布）を測定する。
前述したように、試料ｗ（半導体ウェーハ）は、その半径方向（測定領域ｗａにおけるＸ軸方向）にダレが生じるものであり、Ｙ軸方向における表面形状の変化はほとんど生じない。
従って、前記平行縞形成状態では、ＣＣＤカメラ１０を通じて得られる干渉縞の像の輝度データは、Ｘ軸の方向の各位置において、Ｙ軸方向のデータ列（輝度データの列）として見ると、所定の空間周波数を有する周期波（空間的周期波）を表すデータ列となる。以下、このＹ軸方向のデータ列が表す空間的周期波をキャリア波という。
そして、Ｘ軸の各位置におけるキャリア波それぞれの位相は、Ｘ軸方向の表面形状の変化を表すことになる。従って、Ｘ軸の各位置におけるキャリア波それぞれの位相（Ｘ軸方向のキャリア波の分布）を算出すれば、その位相に基づいて、測定領域ｗａのＸ軸方向の表面形状値（プロファイル）を光学的に高精度で測定（算出）することができる。しかも、１回の干渉縞像の測定によってＸ軸方向の表面形状を測定（算出）できるので、短時間での測定が可能である。
なお、図４（ａ）に示す例は、Ｘ軸の各位置において、Ｙ軸方向に６本（濃淡６組）の縞が形成された干渉縞の像を示している。
ここで、図４（ａ）に示すような平行縞形成状態の干渉縞を得るためには、参照ガラス５の参照面５ａと測定領域ｗａの表面とを、それらが非平行となる所定の向き関係に設定する必要がある。
形状測定装置Ｚでは、参照ガラス５の参照面５ａと測定領域ｗａの表面との向き関係を調節可能とするため、試料ｗは以下のように支持される。
即ち、試料ｗは、変位装置２１ａ及び２２ａによってそれぞれ独立して上下方向に変位可能（位置調節可能）に構成された２つの変位式試料支持部２１、２２と、固定式試料支持部２３とにより３箇所で支持（３点支持）され。変位装置２１ａ、２２ａは、例えばペルチェ素子などにより構成され、計算機１１によってその変位位置（高さ）が制御される。
この変位装置２１ａ、２２ａは、試料ｗを支持する２つの変位式試料支持部２１、２２を変位させることにより、試料ｗの表面の向き、即ち、測定領域ｗａの面の向きを変更するものである（向き変更手段の一例）。
このように、本実施形態では、試料ｗを３箇所で支持する３つの試料支持部２１〜２３のうちの２つをそれぞれ独立して変位させる機構により、測定領域ｗａの面の向きを変更する。
図１（ｂ）に示す例では、一方の変位装置２１ａにより、測定領域ｗａの表面のＸ軸方向の傾きが調節され、他方の変位装置２２ａにより、測定領域ｗａの表面のＹ軸方向の傾きが調節されるよう構成されている。
即ち、試料ｗは、変位装置２１ａ及び２２ａによってそれぞれ独立して上下方向に変位可能（位置調節可能）に構成された２つの変位式試料支持部２１、２２と、固定式試料支持部２３とにより３箇所で支持（３点支持）され。変位装置２１ａ、２２ａは、例えばペルチェ素子などにより構成され、計算機１１によってその変位位置（高さ）が制御される。
この変位装置２１ａ、２２ａは、試料ｗを支持する２つの変位式試料支持部２１、２２を変位させることにより、試料ｗの表面の向き、即ち、測定領域ｗａの面の向きを変更するものである（向き変更手段の一例）。
このように、本実施形態では、試料ｗを３箇所で支持する３つの試料支持部２１〜２３のうちの２つをそれぞれ独立して変位させる機構により、測定領域ｗａの面の向きを変更する。
図１（ｂ）に示す例では、一方の変位装置２１ａにより、測定領域ｗａの表面のＸ軸方向の傾きが調節され、他方の変位装置２２ａにより、測定領域ｗａの表面のＹ軸方向の傾きが調節されるよう構成されている。
また、昇降ステージ１３及び回転ステージ１２は、試料ｗにおける測定領域ｗａの位置を変更する装置を構成するものである。
ここで、昇降ステージ１３は、計算機１１からの制御指令に従って、回転ステージ１２を昇降させるものである。
そして、回転ステージ１２は、昇降ステージ１３によりその上面（支持部）が各試料支持部２１〜２３よりも上側となるように持ち上げられることにより、試料ｗを支持する状態（以下、試料支持状態という）となる。回転ステージ１２は、その試料支持状態において、計算機１１からの制御指令に従ってその上面（支持部）を回転及び停止させることにより、試料ｗにおける測定領域ｗａの位置（光の照射位置）を変更する。測定領域ｗａの位置の変更後は、昇降ステージ１３は、計算機１１からの制御指令に従って回転ステージ１２を降下させ、試料ｗが各試料支持部２１〜２３により支持された状態に戻す。
ここで、昇降ステージ１３は、計算機１１からの制御指令に従って、回転ステージ１２を昇降させるものである。
そして、回転ステージ１２は、昇降ステージ１３によりその上面（支持部）が各試料支持部２１〜２３よりも上側となるように持ち上げられることにより、試料ｗを支持する状態（以下、試料支持状態という）となる。回転ステージ１２は、その試料支持状態において、計算機１１からの制御指令に従ってその上面（支持部）を回転及び停止させることにより、試料ｗにおける測定領域ｗａの位置（光の照射位置）を変更する。測定領域ｗａの位置の変更後は、昇降ステージ１３は、計算機１１からの制御指令に従って回転ステージ１２を降下させ、試料ｗが各試料支持部２１〜２３により支持された状態に戻す。
一方、スポット結像レンズ７は、ＣＣＤカメラ１０の前方に配置された場合に、干渉計３０の出力光を集光することにより、干渉計３０の出力光に重畳された物体光及び参照光それぞれが集光された２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２をＣＣＤカメラ１０に結像させるレンズである。以下、スポット結像レンズ７がＣＣＤカメラ１０の前方に配置された状態をスポット結像状態といい、干渉縞結像レンズ６がＣＣＤカメラ１０の前方に配置された状態を緩装縞結像状態という。
形状測定装置Ｚでは、干渉縞結像レンズ６とスポット結像レンズ７とが回転式レンズ保持具８によって保持される。さらに、計算機１１によって制御されるレンズ切替モータ９が、その回転式レンズ保持具８を、回転駆動させて所定位置で位置決めすることにより、前記干渉縞結像状態（第１状態に相当）と、前記スポット結像状態（第２状態に相当）とを切り替え可能に構成されている（結像状態切替手段の一例）。
形状測定装置Ｚでは、干渉縞結像レンズ６とスポット結像レンズ７とが回転式レンズ保持具８によって保持される。さらに、計算機１１によって制御されるレンズ切替モータ９が、その回転式レンズ保持具８を、回転駆動させて所定位置で位置決めすることにより、前記干渉縞結像状態（第１状態に相当）と、前記スポット結像状態（第２状態に相当）とを切り替え可能に構成されている（結像状態切替手段の一例）。
図３は、前記スポット結像状態で試料ｗの向き調節を行う際の干渉計３０における光路を表す図（ａ）及び干渉計３０の出力像を表す図（ｂ）、（ｃ）である。
前記スポット結像状態では、物体光が発生しない状態（試料ｗを参照ガラス５に対向配置しない状態や、参照ガラス５と試料ｗとの間に吸光部材が配置された状態など）である場合、図３（ｂ）に示すように、ＣＣＤカメラ１０により、参照光のスポット像Ｐ１のみ現れる像が得られる。
一方、前記スポット結像状態において、物体光が発生する状態（試料ｗを参照ガラス５に対向配置する状態）である場合は、参照ガラス５の参照面５ａと測定領域ｗａの表面とが非平行に設定されていると、図３（ａ）に示すように、参照光の光路Ｒ１と、物体光の光路Ｒ２とにズレが生じる。このため、図３（ｃ）に示すように、ＣＣＤカメラ１０により、参照光のスポット像Ｐ１と物体光のスポット像Ｐ２との両方が現れる像が得られる。
前記スポット結像状態では、物体光が発生しない状態（試料ｗを参照ガラス５に対向配置しない状態や、参照ガラス５と試料ｗとの間に吸光部材が配置された状態など）である場合、図３（ｂ）に示すように、ＣＣＤカメラ１０により、参照光のスポット像Ｐ１のみ現れる像が得られる。
一方、前記スポット結像状態において、物体光が発生する状態（試料ｗを参照ガラス５に対向配置する状態）である場合は、参照ガラス５の参照面５ａと測定領域ｗａの表面とが非平行に設定されていると、図３（ａ）に示すように、参照光の光路Ｒ１と、物体光の光路Ｒ２とにズレが生じる。このため、図３（ｃ）に示すように、ＣＣＤカメラ１０により、参照光のスポット像Ｐ１と物体光のスポット像Ｐ２との両方が現れる像が得られる。
ここで、測定対象となる試料ｗそれぞれの測定領域ｗａの表面形状が大きく異ならなければ、参照面５ａの向きと測定領域ｗａの面の向きとの相対関係により、干渉計３０により得られる干渉縞の像の概ねの内容が定まる。
同様に、２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２の位置関係（相対位置）も、参照面５ａの向きと測定領域ｗａの面の向きとの相対関係によって概ね定まる。
従って、２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２の位置関係が、試料ｗの形状測定のために適当な干渉縞の像（図４（ａ）に示すような前記平行縞形成状態）が得られるときの標準的な位置関係となるように、試料ｗの面の向き（傾き）を調節すれば、前記干渉縞結像状態において、概ね、試料ｗの形状測定のために適当な干渉縞の像が得られる状態となる。
同様に、２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２の位置関係（相対位置）も、参照面５ａの向きと測定領域ｗａの面の向きとの相対関係によって概ね定まる。
従って、２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２の位置関係が、試料ｗの形状測定のために適当な干渉縞の像（図４（ａ）に示すような前記平行縞形成状態）が得られるときの標準的な位置関係となるように、試料ｗの面の向き（傾き）を調節すれば、前記干渉縞結像状態において、概ね、試料ｗの形状測定のために適当な干渉縞の像が得られる状態となる。
一方、計算機１１は、所定のプログラムを実行して各種の演算処理及び制御処理を実現するＣＰＵ（プロセッサの一例）、そのＣＰＵにより実行されるプログラムや各種のデータが記憶されるハードディスクドライブなどの記憶部、キーボードやマウスなどの情報入力装置、液晶ディスプレイなどの情報出力装置等を備えた計算機である。
さらに、計算機１１は、ＣＣＤカメラ１０からの画像情報（輝度データ）の入力や、各種の駆動装置９、１２、１３、２１ａ、２２ａに対する制御信号の出力を行うための信号入出力インターフェースも備えている。
以下、計算機１１が実行するものとして説明する各処理は、計算機１１が備えるＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって実現される。
さらに、計算機１１は、ＣＣＤカメラ１０からの画像情報（輝度データ）の入力や、各種の駆動装置９、１２、１３、２１ａ、２２ａに対する制御信号の出力を行うための信号入出力インターフェースも備えている。
以下、計算機１１が実行するものとして説明する各処理は、計算機１１が備えるＣＰＵが所定のプログラムを実行することによって実現される。
次に、図２に示すフローチャートを参照しつつ、形状測定装置Ｚによる形状測定手順について説明する。なお、以下に示すＳ１、Ｓ２、…は、処理手順（ステップ）の識別符号を表す。
［ステップＳ１〜Ｓ５］
まず、計算機１１が、レンズ切替モータ９を制御することにより、前記スポット結像状態（スポット結像レンズ７がＣＣＤカメラ１０前方に配置される状態）に設定される（Ｓ１、結像状態切替手順の一例）。
次に、前記スポット結像において、試料ｗを配置しない状態（物体光が発生しない状態）で、計算機１１が、ＣＣＤカメラ１１により得られる画像（参照光のスポット像Ｐ１のみが形成された図３（ｂ）の画像）の輝度データを収録（取得して記憶部に記憶）する（Ｓ２）。
次に、計算機１１が、ステップＳ２で得た輝度データから、参照光のスポット像Ｐ１の位置（例えば、所定輝度以上の領域の中心位置）を検出し、これをスポット像Ｐ１の標準位置として記憶部に記憶させる（Ｓ３）。
次に、試料ｗが試料支持部２１〜２３に載置された状態で、計算機１１が、昇降ステージ１３及び回転ステージ１２を制御することにより、測定領域ｗａの設定（所望の測定領域ｗａを光照射位置に配置すること）を行う（Ｓ４）。
次に、測定領域ｗａが設定された状態で、計算機１１が、変位装置２１ａ、２２ａを制御することにより、試料ｗの向き（即ち、変位式試料支持部２１、２２それぞれの高さ）を所定の初期状態に設定する（Ｓ５）。
［ステップＳ１〜Ｓ５］
まず、計算機１１が、レンズ切替モータ９を制御することにより、前記スポット結像状態（スポット結像レンズ７がＣＣＤカメラ１０前方に配置される状態）に設定される（Ｓ１、結像状態切替手順の一例）。
次に、前記スポット結像において、試料ｗを配置しない状態（物体光が発生しない状態）で、計算機１１が、ＣＣＤカメラ１１により得られる画像（参照光のスポット像Ｐ１のみが形成された図３（ｂ）の画像）の輝度データを収録（取得して記憶部に記憶）する（Ｓ２）。
次に、計算機１１が、ステップＳ２で得た輝度データから、参照光のスポット像Ｐ１の位置（例えば、所定輝度以上の領域の中心位置）を検出し、これをスポット像Ｐ１の標準位置として記憶部に記憶させる（Ｓ３）。
次に、試料ｗが試料支持部２１〜２３に載置された状態で、計算機１１が、昇降ステージ１３及び回転ステージ１２を制御することにより、測定領域ｗａの設定（所望の測定領域ｗａを光照射位置に配置すること）を行う（Ｓ４）。
次に、測定領域ｗａが設定された状態で、計算機１１が、変位装置２１ａ、２２ａを制御することにより、試料ｗの向き（即ち、変位式試料支持部２１、２２それぞれの高さ）を所定の初期状態に設定する（Ｓ５）。
［ステップＳ６〜Ｓ１１］
次に、計算機１１が、ＣＣＤカメラ１１により得られる画像（参照光及び物体光それぞれの２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２が形成された図３（ｃ）の画像）の輝度データを収録する（Ｓ６）。
次に、計算機１１が、ステップＳ６で得た輝度データから、参照光のスポット像Ｐ１及び物体光のスポット像Ｐ２それぞれの位置を検出する（Ｓ７）。ここで、計算機１１は、輝度データから抽出される２つのスポット像のうち、その位置が、ステップＳ３で検出したスポット像Ｐ１の標準位置に対して所定範囲内である方を、参照光のスポット像Ｐ１であると判別する。
次に、計算機１１が、ステップＳ７で検出した２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２の位置関係（相対位置）と、予め計算機１１の記憶部に記憶された目標の位置関係との差異（以下、スポット位置の差異という）を算出し、そのスポット位置の差異が所定の誤差範囲内に収まっているか否かを判別する（Ｓ８）。
ここで、目標の位置関係は、試料ｗの形状測定のために適当な干渉縞の像（図４（ａ）に示すような前記平行縞形成状態）が得られるときの標準的な位置関係であり、予め実験的に（或いは、シミュレーション計算等により）取得しておく情報である。
ここで、計算機１１は、前記スポット位置の差異が所定の誤差範囲内に収まっていないと判別すると、そのスポット位置の差異（Ｘ軸方向の差分とＹ軸方向の差分）に応じて、試料ｗの向きの補正値（即ち、変位装置２１ａ、２２ａそれぞれの変位位置の補正値）を計算する（Ｓ９）。さらに計算機１１が、その補正値に基づいて変位装置２１ａ、２２ａを制御することにより、試料ｗの向きを補正し（Ｓ１０）、その上で、再び前述したステップＳ６〜Ｓ８の処理を実行する。
計算機１１は、このステップＳ６〜Ｓ１０の処理を実行することにより、前記レンズ切替モータ９によって前記スポット結像（第２状態）に切り替えられている（Ｓ１）際に、ＣＣＤカメラ１０により得られる２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２の位置関係が、予め定められた目標の位置関係となるよう変位装置２１ａ、２２ａ（向き変更手段の一例）を制御する（スポット像調節手段、及びその手順の一理）。
そして、計算機１１が、ステップＳ６〜Ｓ１０の処理により、前記スポット位置の差異が所定の誤差範囲内に収まったと判別すると、レンズ切替モータ９を制御することにより、前記干渉縞結像状態（干渉縞結像レンズ６がＣＣＤカメラ１０前方に配置される状態）へ切り替られる（Ｓ１１、結像状態切替手順の一例）。
次に、計算機１１が、ＣＣＤカメラ１１により得られる画像（参照光及び物体光それぞれの２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２が形成された図３（ｃ）の画像）の輝度データを収録する（Ｓ６）。
次に、計算機１１が、ステップＳ６で得た輝度データから、参照光のスポット像Ｐ１及び物体光のスポット像Ｐ２それぞれの位置を検出する（Ｓ７）。ここで、計算機１１は、輝度データから抽出される２つのスポット像のうち、その位置が、ステップＳ３で検出したスポット像Ｐ１の標準位置に対して所定範囲内である方を、参照光のスポット像Ｐ１であると判別する。
次に、計算機１１が、ステップＳ７で検出した２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２の位置関係（相対位置）と、予め計算機１１の記憶部に記憶された目標の位置関係との差異（以下、スポット位置の差異という）を算出し、そのスポット位置の差異が所定の誤差範囲内に収まっているか否かを判別する（Ｓ８）。
ここで、目標の位置関係は、試料ｗの形状測定のために適当な干渉縞の像（図４（ａ）に示すような前記平行縞形成状態）が得られるときの標準的な位置関係であり、予め実験的に（或いは、シミュレーション計算等により）取得しておく情報である。
ここで、計算機１１は、前記スポット位置の差異が所定の誤差範囲内に収まっていないと判別すると、そのスポット位置の差異（Ｘ軸方向の差分とＹ軸方向の差分）に応じて、試料ｗの向きの補正値（即ち、変位装置２１ａ、２２ａそれぞれの変位位置の補正値）を計算する（Ｓ９）。さらに計算機１１が、その補正値に基づいて変位装置２１ａ、２２ａを制御することにより、試料ｗの向きを補正し（Ｓ１０）、その上で、再び前述したステップＳ６〜Ｓ８の処理を実行する。
計算機１１は、このステップＳ６〜Ｓ１０の処理を実行することにより、前記レンズ切替モータ９によって前記スポット結像（第２状態）に切り替えられている（Ｓ１）際に、ＣＣＤカメラ１０により得られる２つのスポット像Ｐ１、Ｐ２の位置関係が、予め定められた目標の位置関係となるよう変位装置２１ａ、２２ａ（向き変更手段の一例）を制御する（スポット像調節手段、及びその手順の一理）。
そして、計算機１１が、ステップＳ６〜Ｓ１０の処理により、前記スポット位置の差異が所定の誤差範囲内に収まったと判別すると、レンズ切替モータ９を制御することにより、前記干渉縞結像状態（干渉縞結像レンズ６がＣＣＤカメラ１０前方に配置される状態）へ切り替られる（Ｓ１１、結像状態切替手順の一例）。
［ステップＳ１２〜Ｓ１６］
次に、前記干渉縞結像状態において、計算機１１が、ＣＣＤカメラ１１により得られる画像（干渉縞の像が形成された画像）の輝度データを収録する（Ｓ１２）。ここで、ステップＳ１〜Ｓ１０の処理により、試料ｗの向き調節が概ね完了しているので、このステップＳ１２で得られる干渉縞の画像は、図４（ａ）に示す前記平行縞形成状態の画像、或いはほぼそれに近い画像である。
次に、計算機１１が、ステップＳ１２で収録した輝度データに基づいて、干渉縞画像における縞の数を検出する（Ｓ１３）。ここで、検出対象となる干渉縞の画像は、ほぼ前記平行縞形成状態の画像であるので、輝度データにおけるＹ軸方向の輝度の濃淡の繰り返し回数を検出するという簡易な処理により、縞の数を検出できる。
次に、計算機１１が、ステップＳ１３で検出した縞の数が予め定められた目標数であるか否かを判別する（Ｓ１４）。
ここで、計算機１１は、縞の数が目標数ではないと判別すると、縞の数の目標数に対する差分に応じて、試料ｗの向きの補正値（即ち、変位装置２１ａ、２２ａそれぞれの変位位置の補正値）を計算する（Ｓ１５）。さらに計算機１１が、その補正値に基づいて変位装置２１ａ、２２ａを制御することにより、試料ｗの向きを補正し（Ｓ１６）、その上で、再び前述したステップＳ１２〜Ｓ１４の処理を実行する。
計算機１１は、以上に示したステップＳ６〜Ｓ１６の処理を実行することにより、変位装置２１ａ、２２ａ（向き変更手段の一例）を制御（Ｓ１０、Ｓ１６）し、ＣＣＤカメラ１０により得られる干渉縞の像が、図４（ａ）に示す理想的な前記平行縞形成状態の像となるように調節する（干渉縞像調節手段及びその手順の一例）。
なお、ステップＳ１４で縞の数が目標数であると判別される直前に、計算機１１が、ステップＳ１２（輝度データ収録手順の一例）において収録する最新の輝度データが、干渉縞像の調節処理（ステップＳ６〜Ｓ１６）による調節後に、ＣＣＤカメラ１０により得られる干渉縞の像の輝度データである。
次に、前記干渉縞結像状態において、計算機１１が、ＣＣＤカメラ１１により得られる画像（干渉縞の像が形成された画像）の輝度データを収録する（Ｓ１２）。ここで、ステップＳ１〜Ｓ１０の処理により、試料ｗの向き調節が概ね完了しているので、このステップＳ１２で得られる干渉縞の画像は、図４（ａ）に示す前記平行縞形成状態の画像、或いはほぼそれに近い画像である。
次に、計算機１１が、ステップＳ１２で収録した輝度データに基づいて、干渉縞画像における縞の数を検出する（Ｓ１３）。ここで、検出対象となる干渉縞の画像は、ほぼ前記平行縞形成状態の画像であるので、輝度データにおけるＹ軸方向の輝度の濃淡の繰り返し回数を検出するという簡易な処理により、縞の数を検出できる。
次に、計算機１１が、ステップＳ１３で検出した縞の数が予め定められた目標数であるか否かを判別する（Ｓ１４）。
ここで、計算機１１は、縞の数が目標数ではないと判別すると、縞の数の目標数に対する差分に応じて、試料ｗの向きの補正値（即ち、変位装置２１ａ、２２ａそれぞれの変位位置の補正値）を計算する（Ｓ１５）。さらに計算機１１が、その補正値に基づいて変位装置２１ａ、２２ａを制御することにより、試料ｗの向きを補正し（Ｓ１６）、その上で、再び前述したステップＳ１２〜Ｓ１４の処理を実行する。
計算機１１は、以上に示したステップＳ６〜Ｓ１６の処理を実行することにより、変位装置２１ａ、２２ａ（向き変更手段の一例）を制御（Ｓ１０、Ｓ１６）し、ＣＣＤカメラ１０により得られる干渉縞の像が、図４（ａ）に示す理想的な前記平行縞形成状態の像となるように調節する（干渉縞像調節手段及びその手順の一例）。
なお、ステップＳ１４で縞の数が目標数であると判別される直前に、計算機１１が、ステップＳ１２（輝度データ収録手順の一例）において収録する最新の輝度データが、干渉縞像の調節処理（ステップＳ６〜Ｓ１６）による調節後に、ＣＣＤカメラ１０により得られる干渉縞の像の輝度データである。
［ステップＳ１７］
次に、計算機１１が、ステップＳ１２で収録した最新の輝度データに基づいて、Ｘ軸の各位置におけるキャリア波（Ｙ軸方向の輝度データの列が表す空間的周期波）それぞれの位相Φを、直交検波処理により算出する（位相算出手段及びその手順の一例）。
以下、計算機１１が実行する、直交検波処理による位相Φの算出処理について説明する。
一般に、直交検波では、処理対象の時間領域の信号ｆ(t)を分岐し、その分岐信号各々に対し、それと周波数がほぼ等しいｃｏｓｉｎ波の信号（cosωt）とｓｉｎ波の信号（sinωt）各々を乗算し、さらに、その乗算後の信号各々にローパスフィルタ処理を施し、処理後の信号のａｒｃｔａｎ（tan-1）計算を行う。これにより、処理対象の信号ｆ(t)の位相を検出できる。
一方、ステップＳ１７では、計算機１１は、時間領域での直交検波処理ではなく、Ｙ軸方向の空間領域(y)での直交検波処理を実行する。
次に、計算機１１が、ステップＳ１２で収録した最新の輝度データに基づいて、Ｘ軸の各位置におけるキャリア波（Ｙ軸方向の輝度データの列が表す空間的周期波）それぞれの位相Φを、直交検波処理により算出する（位相算出手段及びその手順の一例）。
以下、計算機１１が実行する、直交検波処理による位相Φの算出処理について説明する。
一般に、直交検波では、処理対象の時間領域の信号ｆ(t)を分岐し、その分岐信号各々に対し、それと周波数がほぼ等しいｃｏｓｉｎ波の信号（cosωt）とｓｉｎ波の信号（sinωt）各々を乗算し、さらに、その乗算後の信号各々にローパスフィルタ処理を施し、処理後の信号のａｒｃｔａｎ（tan-1）計算を行う。これにより、処理対象の信号ｆ(t)の位相を検出できる。
一方、ステップＳ１７では、計算機１１は、時間領域での直交検波処理ではなく、Ｙ軸方向の空間領域(y)での直交検波処理を実行する。
ステップＳ１７の処理では、まず、計算機１１は、測定領域ｗａの試料端部ｗｅを除く領域におけるキャリア波（空間的周期波）の空間周波数（Ｙ軸方向の濃淡周波数）を算出する。例えば、Ｘ軸方向の複数の位置のキャリア波の空間周波数の平均値等を算出する。
次に、計算機１１は、そのキャリア波の空間周波数を有する（空間周波数が等しい）ｃｏｓｉｎ波及びｓｉｎ波それぞれを表すデータを生成する。ここで、ｃｏｓｉｎ波及びｓｉｎ波それぞれを表すデータの値は、ＣＣＤカメラ１０を通じて得られる輝度に相当する値である。以下、それぞれｃｏｓ輝度データ、ｓｉｎ輝度データという。
図４（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ計算機１１により生成されたｃｏｓ輝度データ及びｓｉｎ輝度データを画像として表したものである。
次に、計算機１１は、そのキャリア波の空間周波数を有する（空間周波数が等しい）ｃｏｓｉｎ波及びｓｉｎ波それぞれを表すデータを生成する。ここで、ｃｏｓｉｎ波及びｓｉｎ波それぞれを表すデータの値は、ＣＣＤカメラ１０を通じて得られる輝度に相当する値である。以下、それぞれｃｏｓ輝度データ、ｓｉｎ輝度データという。
図４（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ計算機１１により生成されたｃｏｓ輝度データ及びｓｉｎ輝度データを画像として表したものである。
次に、計算機１１は、ｃｏｓ輝度データ及びｓｉｎ輝度データの各値の積（乗算値）を、画素ごと（位置ごと）に算出する。以下、算出したデータを、それぞれｃｏｓ輝度積データ及びｓｉｎ輝度積データという。
図４（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ計算機１１により計算されたｃｏｓ輝度積データ及びｓｉｎ輝度積データを画像として表したものである。
さらに、計算機１１は、ｃｏｓ輝度積データ及びｓｉｎ輝度積データ各々について、Ｙ軸方向におけるガウシアン分布の重み付け処理（ガウシアンフィルタ処理）を行う。これは、ローパスフィルタ処理（次に示す加算処理又は平均処理）の重み付けを行う処理であり、省略してもよい。
図４（ｆ）、（ｇ）は、それぞれ計算機１１によりガウシアンフィルタ処理が施された後のｃｏｓ輝度積データ及びｓｉｎ輝度積データを画像として表したものである。以下、図４（ｆ）、（ｇ）各々に示す画像を、それぞれ画像ｆ及び画像ｇという。
図４（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ計算機１１により計算されたｃｏｓ輝度積データ及びｓｉｎ輝度積データを画像として表したものである。
さらに、計算機１１は、ｃｏｓ輝度積データ及びｓｉｎ輝度積データ各々について、Ｙ軸方向におけるガウシアン分布の重み付け処理（ガウシアンフィルタ処理）を行う。これは、ローパスフィルタ処理（次に示す加算処理又は平均処理）の重み付けを行う処理であり、省略してもよい。
図４（ｆ）、（ｇ）は、それぞれ計算機１１によりガウシアンフィルタ処理が施された後のｃｏｓ輝度積データ及びｓｉｎ輝度積データを画像として表したものである。以下、図４（ｆ）、（ｇ）各々に示す画像を、それぞれ画像ｆ及び画像ｇという。
次に、計算機１１は、画像ｆ及び画像ｇそれぞれの輝度データについて、Ｘ軸の各位置ごとに、Ｙ軸方向に全ての輝度を加算（積算）又は平均化する。これは、ローパスフィルタ処理に相当するものである。以下、この加算又は平均化により得られるＸ軸の各位置ごとの輝度データを、それぞれｃ(x)（ｃｏｓ輝度データに対応）、ｓ(x)（ｓｉｎ輝度データに対応）とする。
図５は、データｃ(x)、ｓ(x)を表すグラフである。なお、Ｘ軸の座標は、試料ｗのエッジからの距離に換算し、輝度データは、±５０の範囲で正規化している。
次に、計算機１１は、データｃ(x)、ｓ(x)のａｒｃｔａｎ計算を行うことにより、Ｘ軸の各位置ごとのキャリア波の位相Φ(x)を算出する［Φ(x)＝tan-1（ｓ(x)／ｃ(x)）］。
図６に、計算機１１により算出した位相Φのグラフの一例を示す。なお、Ｘ軸の座標は、試料ｗのエッジからの距離に換算している。
以上に示したように、計算機１１は、ステップＳ１７において、測定領域ｗａの端部ｗｅを除く領域におけるキャリア波（空間的周期波）と空間周波数が等しいｓｉｎ波及びｃｏｓｉｎ波それぞれを表すデータに基づく直交検波処理により、キャリア波の位相Φ(x)を算出する（位相算出手段及びその手順の一例）。
図５は、データｃ(x)、ｓ(x)を表すグラフである。なお、Ｘ軸の座標は、試料ｗのエッジからの距離に換算し、輝度データは、±５０の範囲で正規化している。
次に、計算機１１は、データｃ(x)、ｓ(x)のａｒｃｔａｎ計算を行うことにより、Ｘ軸の各位置ごとのキャリア波の位相Φ(x)を算出する［Φ(x)＝tan-1（ｓ(x)／ｃ(x)）］。
図６に、計算機１１により算出した位相Φのグラフの一例を示す。なお、Ｘ軸の座標は、試料ｗのエッジからの距離に換算している。
以上に示したように、計算機１１は、ステップＳ１７において、測定領域ｗａの端部ｗｅを除く領域におけるキャリア波（空間的周期波）と空間周波数が等しいｓｉｎ波及びｃｏｓｉｎ波それぞれを表すデータに基づく直交検波処理により、キャリア波の位相Φ(x)を算出する（位相算出手段及びその手順の一例）。
［ステップＳ１８］
次に、計算機１１は、ステップＳ１７（位相算出手順）で算出した位相Φ(x)に基づいて、測定領域ｗａにおけるＸ軸方向の表面形状値ｈ(x)を算出するし、算出結果を記憶部に記憶させる（Ｓ１８、表面形状値算出手段及びその手順の一例）。
図６に示すように、キャリア波の位相Φ(x)は、２πの周期で折り返され、不連続な状態となっている。一方、試料ｗの表面形状の変化は連続的である（滑らかに変化する）。
そこで、計算機１１は、ステップＳ１８において、試料ｗの表面形状の変化が連続的であることを前提とし、位相Φ(x)の接続処理（いわゆるアンラップ処理）を行うことにより、測定領域ｗａのＸ軸方向における表面形状値ｈ(x)（プロファイル）を計算する。
ここで、干渉計３０がフィゾー干渉計である場合、干渉縞の「明部」と「明部」との間隔（キャリア波の波長）が、照射光（レーザ光源１の出力光）の波長λの１／２の長さに相当する。従って、計算機１１は、位相接続（アンラップ処理）した後の位相Φ’(x)に、（λ／４π）を乗算することによって表面形状地ｈ(x)を算出する。
図６に、計算機１１により算出した表面形状地ｈ(x)のグラフの一例を示す。なお、Ｘ軸の座標は、試料ｗのエッジからの距離に換算している。
次に、計算機１１は、ステップＳ１７（位相算出手順）で算出した位相Φ(x)に基づいて、測定領域ｗａにおけるＸ軸方向の表面形状値ｈ(x)を算出するし、算出結果を記憶部に記憶させる（Ｓ１８、表面形状値算出手段及びその手順の一例）。
図６に示すように、キャリア波の位相Φ(x)は、２πの周期で折り返され、不連続な状態となっている。一方、試料ｗの表面形状の変化は連続的である（滑らかに変化する）。
そこで、計算機１１は、ステップＳ１８において、試料ｗの表面形状の変化が連続的であることを前提とし、位相Φ(x)の接続処理（いわゆるアンラップ処理）を行うことにより、測定領域ｗａのＸ軸方向における表面形状値ｈ(x)（プロファイル）を計算する。
ここで、干渉計３０がフィゾー干渉計である場合、干渉縞の「明部」と「明部」との間隔（キャリア波の波長）が、照射光（レーザ光源１の出力光）の波長λの１／２の長さに相当する。従って、計算機１１は、位相接続（アンラップ処理）した後の位相Φ’(x)に、（λ／４π）を乗算することによって表面形状地ｈ(x)を算出する。
図６に、計算機１１により算出した表面形状地ｈ(x)のグラフの一例を示す。なお、Ｘ軸の座標は、試料ｗのエッジからの距離に換算している。
［ステップＳ１９、Ｓ２０］
次に、計算機１１は、ステップＳ１９で算出した試料ｗの表面形状値ｈ(x)にを所定の評価式（評価値算出式）に適用することにより、その試料ｗのエッジだれの評価値を計算し、計算結果を出力（表示部への出力や、外部装置への出力）する（Ｓ１９）。
前記評価値としては、例えば、測定領域ｗａにおける最も内側（試料ｗの中心側）の位置の表面形状値ｈ(x)を基準とし、その基準に対する表面形状値ｈ(x)の差が、所定の最大許容値以内となる位置（Ｘ軸上の位置）等が考えられる。
さらに、計算機１１は、セットされた試料ｗについて、所定の測定終了条件（予定していた全ての測定領域ｗａの形状測定が終了したこと等）が成立したか否かを判別する（Ｓ２０）。
ここで、計算機１１は、前記測定終了条件が成立していないと判別した場合は、前述したステップＳ４と同様に、新たな測定領域ｗａの設定処理を実行し（Ｓ２１）、その新たな測定領域ｗａについて、前述したステップＳ１２〜Ｓ２０の処理を繰り返す。なお、同一の試料ｗについての２回目以降のステップＳ１２〜Ｓ２０の処理においては、試料ｗの向き補正（Ｓ１５、Ｓ１６）の処理は実行されない（補正を行わなくても適切な干渉縞像が得られる）場合が多いと考えられる。
一方、計算機１１は、前記測定終了条件が成立したと判別した場合は、セットされた試料ｗについての形状測定処理を終了させる。
次に、計算機１１は、ステップＳ１９で算出した試料ｗの表面形状値ｈ(x)にを所定の評価式（評価値算出式）に適用することにより、その試料ｗのエッジだれの評価値を計算し、計算結果を出力（表示部への出力や、外部装置への出力）する（Ｓ１９）。
前記評価値としては、例えば、測定領域ｗａにおける最も内側（試料ｗの中心側）の位置の表面形状値ｈ(x)を基準とし、その基準に対する表面形状値ｈ(x)の差が、所定の最大許容値以内となる位置（Ｘ軸上の位置）等が考えられる。
さらに、計算機１１は、セットされた試料ｗについて、所定の測定終了条件（予定していた全ての測定領域ｗａの形状測定が終了したこと等）が成立したか否かを判別する（Ｓ２０）。
ここで、計算機１１は、前記測定終了条件が成立していないと判別した場合は、前述したステップＳ４と同様に、新たな測定領域ｗａの設定処理を実行し（Ｓ２１）、その新たな測定領域ｗａについて、前述したステップＳ１２〜Ｓ２０の処理を繰り返す。なお、同一の試料ｗについての２回目以降のステップＳ１２〜Ｓ２０の処理においては、試料ｗの向き補正（Ｓ１５、Ｓ１６）の処理は実行されない（補正を行わなくても適切な干渉縞像が得られる）場合が多いと考えられる。
一方、計算機１１は、前記測定終了条件が成立したと判別した場合は、セットされた試料ｗについての形状測定処理を終了させる。
以上に示した実施形態では、干渉計３０としてフィゾー干渉計を採用した例を示したが、これに限るものでなく、斜入射干渉計やマイケルソン干渉計、トワイマングリーン干渉計など、他の干渉計を採用することも可能である。
また、前述した実施形態では、ローパスフィルタ処理として、ガウシアン重み付け処理及び加算処理（積算処理）を採用した例を示したが、前述の実施形態においてガウシアン重み付け処理を省略した実施形態や、重み付けを行う各種の平均化処理、ＦＦＴによるローパスフィルタ処理など、他の処理を採用することも考えられる。
また、前述の実施形態では、試料ｗを３点支持する試料支持部２１〜２３のうちの２つを独立して変位させる機構を採用した例を示した。しかしながら、同様の支持機構を、干渉計３０における参照面５ａが形成された部材である参照ガラス５の支持機構として採用し、試料ｗの面の向きは固定（固定式の支持機構）とした構成であってもかまわない。
また、前述した実施形態では、ローパスフィルタ処理として、ガウシアン重み付け処理及び加算処理（積算処理）を採用した例を示したが、前述の実施形態においてガウシアン重み付け処理を省略した実施形態や、重み付けを行う各種の平均化処理、ＦＦＴによるローパスフィルタ処理など、他の処理を採用することも考えられる。
また、前述の実施形態では、試料ｗを３点支持する試料支持部２１〜２３のうちの２つを独立して変位させる機構を採用した例を示した。しかしながら、同様の支持機構を、干渉計３０における参照面５ａが形成された部材である参照ガラス５の支持機構として採用し、試料ｗの面の向きは固定（固定式の支持機構）とした構成であってもかまわない。
本発明は、半導体ウェーハのような円形板状の試料における端部付近の表面形状を測定する形状測定装置に利用可能である。
Ｚ…形状測定装置
１…レーザ光源
２…第１レンズ
３…ビームスプリッタ
４…第２レンズ
５…参照ガラス
６…干渉縞結像レンズ
７…スポット結像レンズ
８…回転式レンズ保持具
９…レンズ切替モータ
１０…ＣＣＤカメラ
１１…計算機
１２…回転ステージ
１３…昇降ステージ
２１、２２…変位式試料支持部
２１ａ、２２ａ…変位装置
２３…固定式試料支持部
３０…干渉計
Ｐ１…参照光のスポット像
Ｐ２…物体光のスポット像
Ｓ１、Ｓ２・・ …処理手順（ステップ）
１…レーザ光源
２…第１レンズ
３…ビームスプリッタ
４…第２レンズ
５…参照ガラス
６…干渉縞結像レンズ
７…スポット結像レンズ
８…回転式レンズ保持具
９…レンズ切替モータ
１０…ＣＣＤカメラ
１１…計算機
１２…回転ステージ
１３…昇降ステージ
２１、２２…変位式試料支持部
２１ａ、２２ａ…変位装置
２３…固定式試料支持部
３０…干渉計
Ｐ１…参照光のスポット像
Ｐ２…物体光のスポット像
Ｓ１、Ｓ２・・ …処理手順（ステップ）
Claims (6)
- 略円形板状の試料における端部からその内側の所定範囲にわたる測定領域の表面形状を測定する形状測定装置であって、
前記測定領域を観測する干渉計の出力光において形成される干渉縞の像を撮像する撮像手段と、
前記干渉計における参照面の向き又は前記測定領域の面の向きを変更する向き変更手段と、
前記向き変更手段を制御することにより、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像が、前記測定領域における前記端部を除く領域において前記試料の半径方向に平行な基準軸に対し略平行に伸びて形成される複数本の縞の像となるように調節する干渉縞像調節手段と、
前記干渉縞像調節手段による調節後に、前記撮像手段により得られる前記干渉縞の像の輝度データを収録する輝度データ収録手段と、
前記基準軸の各位置における、該基準軸に直交する方向の前記輝度データの列が表す空間的周期波それぞれの位相を算出する位相算出手段と、
前記位相算出手段により算出された前記位相に基づいて、前記測定領域における前記基準軸方向の表面形状値を算出する表面形状値算出手段と、
を有してなることを特徴とする形状測定装置。 - 前記位相算出手段が、前記測定領域の前記端部を除く領域における前記空間的周期波と空間周波数が略等しいｓｉｎ波及びｃｏｓｉｎ波それぞれを表すデータに基づく直交検波処理により前記位相を算出してなる請求項１に記載の形状測定装置。
- 前記干渉計の出力光を集光することにより、該干渉計の出力光に重畳された物体光及び参照光それぞれが集光された２つのスポット像を前記撮像手段に結像させるスポット結像レンズと、
前記撮像手段に対し、前記干渉縞の像を結像させる第１状態と、前記スポット結像レンズにより前記２つのスポット像を結像させる第２状態とを切り替える結像状態切替手段と、を具備し、
前記干渉縞像調節手段が、前記結像状態切替手段により前記第２状態に切り替えられて前記撮像手段により得られる前記２つのスポット像の位置関係が予め定められた位置関係となるよう前記向き変更手段を制御するスポット像調節手段を具備してなる請求項１又は２のいずれかに記載の形状測定装置。 - 略円形板状の試料における端部からその内側の所定範囲にわたる測定領域の表面形状を測定する形状測定方法であって、
干渉計により得られる前記測定領域への照射光に基づく干渉縞の像を撮像手段により撮像する干渉縞撮像手順と、
前記干渉計における参照面の向き又は前記測定領域の面の向きを変更する向き変更手段を制御することにより、前記干渉縞撮像手順により得られる前記干渉縞の像が、前記測定領域における前記端部を除く領域において前記試料の半径方向に平行な基準軸に対し略平行に伸びて形成される複数本の縞の像となるよう調節する干渉縞像調節手順と、
前記干渉縞像調節手順による調節後に、前記干渉縞撮像手順により得られる前記干渉縞の像の輝度データを収録する輝度データ収録手順と、
前記基準軸の各位置における、該基準軸に直交する方向の前記輝度データの列が表す空間的周期波それぞれの位相を所定のプロセッサにより算出する位相算出手順と、
前記位相算出手順により算出された前記位相に基づいて、前記測定領域における前記基準軸方向の表面形状値を所定のプロセッサにより算出する表面形状値算出手順と、
を有してなることを特徴とする形状測定方法。 - 前記位相算出手順が、前記測定領域の前記端部を除く領域における前記空間的周期波と空間周波数が略等しいｓｉｎ波及びｃｏｓｉｎ波それぞれを表すデータに基づく直交検波処理により前記位相を算出する手順である請求項４に記載の形状測定方法。
- 前記撮像手段に対し、前記干渉縞の像を結像させる第１状態と、前記干渉計の出力光を所定のレンズで集光することによって該干渉計の出力光に重畳された物体光及び参照光それぞれが集光された２つのスポット像を前記撮像手段に結像させる第２状態とを切り替える結像状態切替手順を有し、
前記干渉縞像調節手順が、前記結像状態切替手順により前記第２状態に切り替えられている際に前記撮像手段により得られる前記２つのスポット像の位置関係が予め定められた位置関係となるよう前記向き変更手段を制御するスポット像調節手順を有してなる請求項４又は５のいずれかに記載の形状測定方法。
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