JP2008241499A - 干渉計測装置およびフォーカス調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉計測装置により長時間計測する場合に，ｚ軸方向の距離の時間的変動に対して，フォーカス位置を計測開始時の状態に高精度に戻すことができるようにする。
【解決手段】初期状態フォーカス評価量記録手段８１は，初期状態の非合焦点位置におけるフォーカス評価量または検査視野内で高さの異なる２点以上のフォーカス評価量を記録する。フォーカス調整時には，ｚ軸方向の各点のフォーカス評価量記録手段８３によって，ｚ軸ステージを順次上下させながらｚ軸方向の各点におけるフォーカス評価量を計測し，フォーカス誤差量算出手段８４によって，初期状態におけるフォーカス評価量との差分をフォーカス誤差量として算出する。または２点以上のフォーカス誤差量の和を求める。フォーカス誤差量またはその和が最小となる位置を，ずれ量としてｚ軸ステージを調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は，物体の表面形状を計測する場合などに用いられる干渉計測装置に関し，特に，高精度にフォーカストラッキングを行うための技術に関するものである。干渉計測装置は，サンプルの表面形状を高精度に計測することが可能で，光学レンズや磁気ディスク，半導体ウェハ，ＭＥＭＳ (Micro Electro Mechanical Systems) などの様々なサンプルの品質検査や品質管理などに利用される。

図１１に，マイケルソン型の干渉光学系を示す。光源１０１から出射した可干渉性の強い光を，ハーフミラー１０２ａ，レンズ１０４ａ，ハーフミラー１０２ｂにより，装置土台１１０上のＸ−Ｙ−Ｚステージ１０９に置かれたサンプル１０３と参照ミラー１０５に照射する。サンプル１０３と参照ミラー１０５で反射した光を再びハーフミラー１０２ｂで重ね合わせることで，レンズ１０４ｂを通してＣＣＤ１０７から干渉縞画像が得られる。

干渉縞画像の任意の位置を（ｘ，ｙ）＝ｐとし，干渉縞の光強度をＩ（ｐ）とすると，
Ｉ（ｐ）＝α（ｐ）＋β（ｐ）ｃｏｓ｛φ（ｐ）｝ …（１）
である。ここでα（ｐ），β（ｐ）は光学系により決まる定数である。φ（ｐ）は，画像内の位置ｐにおける位相である。位相φ（ｐ）は，ハーフミラー１０２ｂからサンプル１０３までの光路長ｎｄ₁ （ｐ）とハーフミラー１０２ｂから参照ミラー１０５までの光路長ｎｄ₂ （ｐ）の差Ｌ（ｐ）に比例する。Ｌ（ｐ）は，Ｌ（ｐ）＝ｎｄ₂ （ｐ）−ｎｄ₁ （ｐ）であり，通常光路差と呼ばれる。ここでｎは屈折率である。位相φ（ｐ）と光路差Ｌ（ｐ）には，次の（２）式の関係がある。

φ（ｐ）＝（２π／λ）Ｌ（ｐ） …（２）
ここでλは，光源波長である。参照ミラーの形状と姿勢角が既知であれば，（２）式からサンプル表面形状や姿勢角を求めることが可能となる。

こうした干渉計で１つのサンプル表面形状や姿勢角の変化を長時間計測する場合，干渉光学系のフォーカス制御を高精度に行う必要がある。なぜなら，長時間計測を行う場合，装置伸縮の影響により干渉光学系のフォーカス位置が移動することが避けられないためである。

この様子を図１２に例として示す。図１２（Ａ）に示すように，時刻ｔ₀ ではハーフミラー１０２ｂからサンプル１０３までの光路長がｄ₂ であるが，図１２（Ｂ）に示すように時刻ｔ₁ において，干渉計の伸縮により，サンプル１０３がＰ₁ の位置からＰ₂ の位置へとΔＺだけ下に変移すると，その結果，光路長もｄ₃ （＝ｄ₂ ＋ΔＺ）に変化する。一方，ハーフミラー１０２ｂから参照ミラー１０５までの光路長ｄ₁ は，装置全体のサイズに比べて十分に短く，長時間の計測中に長さはほぼ一定である。このようにサンプル１０３が動くと，計測を行う都度フォーカス位置が変化するため，高精度な計測を行うことが困難となる。

このような干渉計伸縮による計測精度悪化を防ぐためには，計測を行う都度，図１２（Ｃ）に示すように，フォーカス位置を最初のフォーカス位置に戻す必要がある。

従来のフォーカス制御の方法は，例えば以下のように行われている。フォーカス制御では，図１２（Ａ），（Ｂ）に示すように，干渉計の伸縮によりずれた−ΔＺだけ移動したサンプル位置Ｐ₂ を，ｚ軸ステージを＋ΔＺ移動させることで，図１２（Ｃ）に示すように，元のサンプル位置Ｐ₁ と同じ位置Ｐ₃ に戻すことを行う。

このようにフォーカス制御を行う場合，フォーカス誤差量ΔＺ（＝補正量ΔＺ）を知る必要がある。通常，図１３（Ａ），（Ｂ）に示すように，フォーカス位置に従い値が変化するようなフォーカス関数を利用してフォーカスずれ量を検出し，フォーカス制御を行う。図１３（Ａ）は，時刻ｔ₀ におけるサンプル位置Ａ点におけるフォーカス関数ｅ_A （ｚ）の状態の一例を示すグラフである。時刻ｔ₀ におけるｚ軸ステージの初期位置をｚ₀ としている。このとき検出されるフォーカス値はｅ_A （ｚ₀ ）である。図１３（Ｂ）は，時刻ｔ₁ におけるサンプル位置Ａ点におけるフォーカス関数ｅ_A （ｚ−ΔＺ）の状態を示すグラフである。ΔＺだけ干渉計が伸縮した分だけ，フォーカス関数が右にΔＺだけシフトする。

図１４は，フォーカス関数を利用してフォーカス誤差ΔＺを検出する方法を説明する図である。まず図１４（Ａ）に示すように，計測開始時刻ｔ₀ のサンプルのＡ点におけるフォーカス値ｅ_A （ｚ₀ ）を記録しておく。次に，図１４（Ｂ）に示すように，次の計測時刻ｔ₁ において，ｚ軸ステージを所定の範囲だけ動かしながらサンプルのＡ点におけるフォーカス値ｅ_A （ｚ_k ）と，そのときのステージ位置ｚ_k とを記録しておく。

図１４（Ｃ）に示すように，時刻ｔ₀ で記録したフォーカス値ｅ_A （ｚ₀ ）とｅ_A （ｚ_k ）の差分の絶対値Ｅ
Ｅ（ｊ）＝｜ｅ_A （ｚ₀ ）−ｅ_A （ｚ_j −ΔＺ）｜ …（３）
（ただし，ｚ_k ＝ｚ_j −ΔＺ）
をフォーカス状態の評価関数とすると，Ｅ（ｊ）がもっとも小さくなるステージ位置ｚ₄ が，元のフォーカス位置とわかる。そこで，ステージ位置ｚ₄ に移動して，時刻ｔ₁ での計測を行うことで，フォーカス位置が変わらない安定な計測が可能となる。

なお，フォーカスの調整に関して記載された従来技術の文献としては，例えば下記の特許文献１〜３に記載されたものがあり，特許文献１には，位相差方式の焦点検出を行うカメラにおいて，経時変化の影響を受けない高精度で速度の速い焦点検出を行うカメラが開示されている。また，特許文献２には，合焦評価手段と合焦調整手段を設けることにより，温度変化，湿度変化によって撮像面での結像状態が変化することを確実に防止する電子カメラが開示されている。また，特許文献３には，光源から発した光を被測定物表面と参照面に分岐し，各々から反射してきた光を重ねて干渉縞を発生させ，自動的にピント合せ並びに傾き調整を行って被測定物を制御する装置が開示されている。

しかし，上記従来の技術のいずれにおいても，物体の表面形状を長時間にわたり，高精度に計測することを可能にするため，非合焦点位置に着目してフォーカストラッキングを行う方法，また検査視野内でサンプルと参照ミラー間の光路差（参照ミラーの平面度が十分に高ければ光路差はサンプル高さに比例するため，以降「サンプルと参照ミラー間の光路差」を簡単に「光路差」あるいは「高さ」と表現する）の異なる２点以上を選択し，選択位置の各フォーカス評価値から演算した値をもとにフォーカストラッキングを行う方法は考えられていない。
特開２００６−１４６０３１号公報 特開２００２−１８５８４５号公報 特開２００１−２９６１０４号公報

図１４に示した方法によりフォーカス制御を行う場合の問題点を図１５に示す。図１５（Ａ）に示したフォーカス誤差量の評価値が最小となる付近を拡大したのが，図１５（Ｂ）である。図１５（Ｂ）に示されるように，フォーカス誤差量を評価する関数が最小付近で変化が緩やかであるため，評価量が最小となる位置，すなわち正確なフォーカス位置の判別が困難となる。実際の計測では計測ノイズがあるため，さらにフォーカス位置の誤検出のおそれが高くなる。図１５に示す例は，時刻ｔ₀ におけるサンプル位置がフォーカス関数ｅ（ｚ）の最大値付近であったためである。

本発明は上記問題点の解決を図り，フォーカス誤差量を評価する関数の変化が緩やかでない部分を基準としてフォーカス位置を検出することにより，初期状態からのｚ軸方向のずれ量を精度よく検出し，フォーカス位置を高精度に調整することができるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するため，第１の発明は，フォーカスを調整する際に，初期状態におけるフォーカス関数が最大となる位置を基準にフォーカス誤差量を求めて，ｚ軸方向のずれ量ΔＺを検出するのではなく，フォーカス関数が最大となる位置から外れた位置のフォーカス評価量を基準に，ｚ軸方向の各点におけるフォーカス誤差量を求めて，それが最小となる位置をｚ軸方向のずれ量ΔＺとして位置の調整を行う。

すなわち，第１の発明は，測定サンプルと参照ミラーの間の光路差を利用する干渉光学系装置と，干渉光学系のフォーカス量を変えることが可能なｚ軸ステージと，撮像した干渉縞画像から任意の画素位置のフォーカス評価量を算出する手段とを備える干渉計測装置において，フォーカス調整後の初期状態においてｚ軸方向のフォーカス評価量の変化を表すフォーカス関数ｅ（ｚ）の最大値より外れた位置におけるフォーカス評価量ｅ（ｚ₀ ）を記録しておき，その後の計測においてフォーカス調整が必要になったときには，ｚ軸ステージを上下させながらｚ軸方向の各点ｚ_k （ｋ＝１，２，…，ｍ）におけるフォーカス評価量ｅ（ｚ_k ）を計測して記録し，前記初期状態において記録したフォーカス評価量ｅ（ｚ₀ ）と前記ｚ軸方向の各点ｚ_k のフォーカス評価量ｅ（ｚ_k ）との差分から，ｚ軸方向の各点ｚ_k におけるフォーカス誤差量を演算し，その演算したフォーカス誤差量の結果から，フォーカス誤差量が最小となる位置を算出し，その算出した位置にｚ軸ステージを戻して初期状態と同じ状態に復帰させることによりフォーカスを調整する。

第２の発明は，検査視野内で高さの異なる２点以上を選択，またはサンプルを傾けて高さの異なる２点を選択する機構を持ち，選択位置の各フォーカス評価値から演算した値をもとにフォーカストラッキングを行うことにより，物体の表面形状を長時間にわたり，高精度計測することを可能にする。

すなわち，第２の発明は，フォーカス調整後の初期状態で撮像した干渉縞画像内において，測定サンプルと参照ミラーの間の光路差が異なる２箇所以上の画素位置ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）におけるフォーカス評価量ｅ_i （ｚ₀ ）を記録しておき，その後の計測においてフォーカス調整が必要になったときには，ｚ軸ステージを上下させながらｚ軸方向の各点ｚ_k （ｋ＝１，２，…，ｍ）における前記２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス評価量ｅ_i （ｚ_k ）を計測して記録し，前記初期状態において記録したフォーカス評価量ｅ_i （ｚ₀ ）と前記ｚ軸方向の各点ｚ_k のフォーカス評価量ｅ_i （ｚ_k ）との差分から，ｚ軸方向の各点ｚ_k における前記２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス誤差量を演算し，前記ｚ軸方向の各点ｚ_k ごとに，前記２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス誤差量の和を算出し，その算出したフォーカス誤差量の和の結果から，そのフォーカス誤差量の和が最小となる位置を算出し，その算出した位置にｚ軸ステージを戻して初期状態と同じ状態に復帰させることによりフォーカスを調整する。

第２の発明において，光路差の異なる２箇所以上の画素位置ｉが測定サンプルの姿勢角度に起因して選択不可能な場合には，測定サンプルの姿勢角度を調整するゴニオステージにより測定サンプルを傾斜させ，光路差の異なる２箇所以上の画素位置ｉを選択する。

また，上記発明において，フォーカス評価量としては，干渉縞画像から検出した干渉縞コントラストを使用することができる。

本発明により，同一サンプルを長時間計測する際に干渉計が延伸してフォーカス状態が変わっても，常に計測開始時のフォーカス状態に戻すことが可能となり，長時間にわたる高精度な干渉計測が可能となる。

以下，本発明の実施の形態を図面を用いながら説明する。

図１に，装置の全体構成図を示す。光源１から照射した光をレンズ４ｃ，ハーフミラー２ａ，レンズ４ａ，ハーフミラー２ｂを経由してサンプル３に照射する。同時に，光源１から照射したパルス光をレンズ４ｃ，ハーフミラー２ａ，レンズ４ａ，ハーフミラー２ｂを経由してピエゾに接続した参照ミラー５に照射する。サンプル３および参照ミラー５より反射した光は，ハーフミラー２ｂにより重なり，干渉し，レンズ４ａ，ハーフミラー２ａ，レンズ４ｂを経由してＣＣＤカメラ７に干渉縞画像が結像され，制御装置８のメモリに記録される。

サンプル３は，サンプルの撮像位置を調整するためのＸ−Ｙ−Ｚ−θステージ９と，サンプルの姿勢角を調整するためのθ_xyステージ１０に置かれる。制御装置８とステージコントローラ１１により，計測およびフォーカス制御に最適な位置となるようにステージ位置が制御される。また，位相シフトコントローラ１３によって，位相シフタ１２による位相制御が行われる。これらの基本的な構成の概要は，従来の装置とほぼ同様である。

図２は，本発明の実施の形態に係る制御装置８のブロック構成図である。制御装置８は，例えばＣＰＵやメモリ等からなるパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）であり，ソフトウェアプログラム等によって構成される干渉縞画像解析手段８０，初期状態フォーカス評価量記録手段８１，ｚ軸ステージ制御手段８２，ｚ軸方向の各点のフォーカス評価量記録手段８３，フォーカス誤差量算出手段８４，最小値検出手段８５，フォーカス調整手段８６を備える。

干渉縞画像解析手段８０は，ＣＣＤ７から得た干渉縞画像を解析し，干渉縞コントラストからサンプルの特定の点のフォーカス評価量を求める。初期状態フォーカス評価量記録手段８１は，フォーカス調整後の初期状態においてｚ軸方向のフォーカス評価量の変化を表すフォーカス関数ｅ（ｚ）の最大値より外れた位置におけるフォーカス評価量ｅ（ｚ₀ ）を記録する。または，初期状態フォーカス評価量記録手段８１は，フォーカス調整後の初期状態において干渉縞画像内における異なった光路差の２箇所以上の画素位置ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）におけるフォーカス評価量ｅ_i （ｚ₀ ）を記録する。

ｚ軸ステージ制御手段８２は，外部からのフォーカスの調整指示または計測のためにフォーカスの調整が必要になったときに，あらかじめ定められた範囲内でｚ軸ステージを上下させる制御を行う。ｚ軸方向の各点のフォーカス評価量記録手段８３は，ｚ軸方向の各点ｚ_k （ｋ＝１，２，…，ｍ）において撮像した干渉縞画像を干渉縞画像解析手段８０によって解析した結果から，特定の画素位置のフォーカス評価量ｅ（ｚ_j −ΔＺ），または２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス評価量ｅ_i （ｚ_j −ΔＺ）を求めて，記録する。なおここで，ｚ_k ＝ｚ_j −ΔＺであり，ΔＺが初期状態からのｚ軸方向のずれ量（誤差）である。

フォーカス誤差量算出手段８４は，前記初期状態において記録したフォーカス評価量ｅ（ｚ₀ ）と前記ｚ軸方向の各点のフォーカス評価量ｅ（ｚ_j −ΔＺ）との差分の絶対値を，ｚ軸方向の各点におけるフォーカス誤差量として求める。または，フォーカス誤差量算出手段８４は，前記２箇所以上の画素位置ｉにおける，初期状態において記録したフォーカス評価量ｅ_i （ｚ₀ ）とｚ軸方向の各点のフォーカス評価量ｅ_i （ｚ_j −ΔＺ）との差分の絶対値をフォーカス誤差量として求め，その各画素位置ｉにおけるフォーカス誤差量の和を算出する。

最小値検出手段８５は，フォーカス誤差量算出手段８４が算出したフォーカス誤差量または各画素位置ｉにおけるフォーカス誤差量の和の中で，それが最小になるｚ軸方向の位置を求め，求めた位置をｚ軸方向のずれ量ΔＺとして検出する。フォーカス調整手段８６は，ｚ軸ステージをずれ量ΔＺだけ戻して，すなわちフォーカス誤差量またはその和が最小になる位置まで戻して，初期状態と同じ状態に復帰させることによりフォーカスを調整する。

フォーカス誤差量算出手段８４で算出するフォーカス誤差量として，初期状態におけるフォーカス評価量と，現時点におけるフォーカス評価量との差分の絶対値を用いるのではなく，前記差分の二乗値を用いてもよい。実質的に同等である。

フォーカス評価量としては，例えば干渉縞画像解析手段８０が干渉縞画像から検出した干渉縞コントラストを使用することができる。

図３は，フォーカス関数としての干渉縞コントラストを説明する図である。図３（Ａ）に示す装置による測定において，フォーカス制御を行うために用いるフォーカス関数のフォーカス評価量としては，干渉縞コントラストを用いる。干渉縞コントラストｅ（ｐ）は，図３に示すように，
ｅ（ｐ）＝β（ｐ）／α（ｐ） …（４）
として求められる。なおα（ｐ），β（ｐ） は，（１）式で示した干渉計固有の定数である。

図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は，サンプル３のＸ１からＸ２までの位置での干渉縞強度とそれに対応する干渉縞コントラストを示している。例えば，サンプル３が傾いていれば，各位置の光路差の違いにより，干渉縞コントラストが変化するため，フォーカス関数として使用可能である。なお，干渉縞コントラストがもっとも高くなる位置は，光路差ｄ₁ （ｐ）と光路差ｄ₂ （ｐ）が等しくなる位置である。

サンプル３の高さと干渉縞コントラストは，位相シフト法や空間キャリア法などの高精度縞解析技術を用いることで，干渉縞画像から高精度に算出することが可能である。例えば位相シフト法を行うにはピエゾスキャナ等を使用した位相シフタ１２で参照ミラー５の位置を動かして複数の干渉縞画像を撮像する。それらの複数の干渉縞画像から高さとコントラストを高精度に算出することができる。

例えば，位相シフタ１２により，光路差を次の５通りに変化させて干渉縞を撮像した場合の例を示す。位相シフタ１２の光路差を考慮した干渉縞は，次の（５）式のように表される。

δ₁ ＝０°，δ₂ ＝９０°，δ₃ ＝１８０°，δ₄ ＝２７０°，δ₅ ＝３６０°
Ｉ_k （ｐ）＝α（ｐ）＋β（ｐ）ｃｏｓ（φ（ｐ）＋δ_k ） …（５）
位相φ（ｐ）は，撮像した５枚の干渉縞画像から，次式で高精度に算出することが可能である。

また，コントラストｅ（ｐ）は，同様に５枚の干渉縞模様から，次式のように高精度で算出することができる。

〔第１の実施の形態〕
次に，第１の実施の形態によるフォーカス位置の調整方法について説明する。第１の実施の形態では，初期状態においてフォーカス関数が最大となる位置から外れた位置のフォーカス評価量を記録しておき，そのフォーカス評価量を基準に，ｚ軸方向の各点におけるフォーカス誤差量を求めて，それが最小となる位置をｚ軸方向のずれ量ΔＺとして検出する。

図４および図５は，ステージ位置とフォーカス値の関係を説明する図である。図４（Ａ）に示すように，時刻ｔ₀ ではハーフミラー２ｂからサンプル３までの光路長がｄ₂ であるが，図４（Ｂ）に示すように時刻ｔ₁ において，装置全体の伸縮により，サンプル３がＰ₁ の位置からＰ₂ の位置へとΔＺだけ下に変移すると，その結果，光路長もｄ₃ （＝ｄ₂ ＋ΔＺ）に変化する。一方，ハーフミラー２ｂから参照ミラー５までの光路長ｄ₁ は，装置全体のサイズに比べて十分に短く，長時間の計測中に長さはほぼ一定である。このようにサンプル３が動くと，計測を行う都度フォーカス位置が変化するため，高精度な計測を行うことが困難となる。

このような干渉計伸縮による計測精度の悪化を防ぐために，本実施の形態では，以下に説明する方法によってサンプル３のずれ量ΔＺを検出し，図４（Ｃ）に示すように，フォーカス位置を最初のフォーカス位置に戻すことを行う。

図５（Ａ）は，時刻ｔ₀ におけるサンプル位置Ａのフォーカス関数ｅ_A （ｚ）を示している。図１３および図１４を用いて説明した従来方法では，このフォーカス関数ｅ_A （ｚ）が最大値をとる位置を，初期状態（時刻ｔ₀ ）の基準となるフォーカス値として記録しておき，ある時間が経過した後のフォーカス調整時（時刻ｔ₁ ）には，時刻ｔ₀ で記録したフォーカス値と，時刻ｔ₁ におけるフォーカス関数との差分を，フォーカス誤差量（誤差関数）としていた。

本実施の形態では，図５（Ａ）に示すように，初期状態（時刻ｔ₀ ）の基準となるフォーカス値として，フォーカス関数ｅ_A （ｚ）が最大値をとる位置ではなく，最大値をとる位置から外れたＰ₁ の位置のフォーカス値ｅ_A （ｚ₀ ）を記録しておく。最大値からどのくらい離れた位置のフォーカス値を記録しておくかは，フォーカス関数の形状を考慮してあらかじめ任意に定めておくことができる。望ましい点としては，最大値の位置に近く，かつフォーカス関数の傾きが明確に現れる点である。

時刻ｔ₁ において，図４（Ｂ）に示すように，ｚ軸ステージがΔＺだけ下がったとすると，時刻ｔ₁ におけるサンプル位置Ａのフォーカス関数は，図５（Ｂ）に示すように，ｅ_A （ｚ−ΔＺ）となる。

図６は，本実施の形態におけるずれ量ΔＺの検出方法を説明する図である。図６において，グラフ上で黒丸で示した点は，実際に計測したフォーカス値の位置を表している。図６（Ａ）に示す初期状態の時刻ｔ₀ におけるフォーカス関数のグラフにおいて，最大値から外れた位置におけるフォーカス値ｅ_A （ｚ₀ ）を記録しておく。

時刻ｔ₁ においては，同じ画素位置におけるフォーカス値を，ｚ軸ステージを所定の範囲で順次上下させながら計測する。図６（Ｂ）は，時刻ｔ₁ において，ｚ軸ステージの高さを変化させながら計測した点のフォーカス値の並びを示している。計測点の番号をｊとすると，フォーカス値の並びはｅ_A （ｚ_j −ΔＺ）となる。なお，このフォーカス値の並びをフォーカス関数ともいう。

時刻ｔ₁ に計測したフォーカス関数ｅ_A （ｚ_j −ΔＺ）と，初期状態において記録したフォーカス値ｅ_A （ｚ₀ ）との差分の絶対値を，フォーカス誤差関数Ｅとすれば，そのグラフは，図６（Ｃ）に示すようになる。

フォーカス誤差関数Ｅ＝｜ｅ_A （ｚ₀ ）−ｅ_A （ｚ_j −ΔＺ）｜
このフォーカス誤差関数が最小値をとる点（フォーカス誤差量が０となる点）は，図６（Ｃ）から明らかなように，ｚ₄ ＝ｚ₀ ＋ΔＺの点と，図示Ｐ₄ の点である。これらの点の検出は，図１４および図１５に示したフォーカス誤差量の最小値の検出の場合に比べて，フォーカス位置付近におけるフォーカス誤差量の変化が大きいため，従来の手法よりも精度よくフォーカス位置を検出することができる。

ここで，フォーカス関数の対称性のため，図６（Ｃ）のフォーカス誤差関数におけるＰ₄ のｚ軸位置にも最小点が出現してしまい，Ｐ₄ とｚ₄ のどちらの位置を元のｚ₀ からずれた位置と認定してよいのかわからなくなり，フォーカス位置の誤検出を引き起こすおそれがある。このように，評価量が最小となる点が２点ある場合，評価対象関数の傾斜方向を計算することで，どちらの評価量が最初に登録した位置かを判断する。例えば時刻ｔ₀ と時刻ｔ₁ における傾斜方向を，次の２つの式により評価することができる。

ΔＥ_A （ｚ₀ ）＝ｅ_A （ｚ₁ ）−ｅ_A （ｚ₀ ）
ΔＥ_A （ｚ_j −ΔＺ）＝ｅ_A （ｚ_j+1 −ΔＺ）−ｅ_A （ｚ_j −ΔＺ）
フォーカス位置は，Ｅ（ｊ）が最小付近で，かつΔＥ（ｚ₀ ）とΔＥ_A （ｚ_j −ΔＺ）の符号が一致する位置を選択する。

これにより，ずれ量ΔＺを精度よく検出し，図４（Ｃ）に示すように，ｚ軸ステージを時刻ｔ₀ の初期状態の位置に復帰させることができる。

〔第２の実施の形態〕
次に，第２の実施の形態によるフォーカス位置の調整方法について説明する。第２の実施の形態では，検査視野内で高さの異なる２点以上を選択し，選択位置の各フォーカス評価値から演算した値をもとに，ずれ量ΔＺを検出してフォーカストラッキングを行う。検査視野内で高さの異なる２点以上を選択できない場合，サンプルを傾けて高さの異なる２点を選択する機構を利用する。

図７は，検査視野内で高さの異なる２点以上を選択する方法を説明する図である。サンプル３を撮像した干渉縞画像において，例えばサンプル３の表面の高さが一様であり，高さの異なる２点以上を選択することができない場合，図７に示すようにθ_xyステージ１０等を用いてサンプル３を傾斜させる。サンプル３を傾斜させることにより，サンプル３の表面上のＡ点，Ｂ点における光路差（フォーカス値）がΔｄだけ異なることになり，その干渉縞画像を取得することができるようになる。

図８（Ａ）に，時刻ｔ₀ のときのＡ点およびＢ点におけるフォーカス関数ｅ_A （ｚ），ｅ_B （ｚ）の例を示す。それぞれのフォーカス関数は，Δｄだけ互いにずれた位置となる。このようなＡ点，Ｂ点の時刻ｔ₀ におけるフォーカス値ｅ_A （ｚ₀ ），ｅ_B （ｚ₀ ）を記録しておく。

図８（Ｂ）は，時刻ｔ₁ のときのＡ点およびＢ点におけるフォーカス関数ｅ_A （ｚ−ΔＺ），ｅ_B （ｚ−ΔＺ）を示している。本実施の形態においては，時刻ｔ₁ におけるフォーカス誤差関数として，
Ｅ（ｊ）＝｜ｅ_A （ｚ₀ ）−ｅ_A （ｚ_j −ΔＺ）｜
＋｜ｅ_B （ｚ₀ ）−ｅ_B （ｚ_j −ΔＺ）｜ …（６）
を用いる。（６）式のフォーカス誤差関数は，図８（Ｃ）のようになり，フォーカス位置付近での評価量が大きく，また図６（Ｃ）のようにフォーカス位置以外で評価量が小さくなることもない。なお，本説明図では，説明の都合でΔｄ≒ΔＺとしているが，特にΔｄをΔＺとする必要性はない。また，本実施の形態では，時刻ｔ₀ における初期フォーカス値をＡ点，Ｂ点の２点として説明したが，一般的には光路差が異なる２つ以上の位置におけるフォーカス誤差関数でフォーカス制御を行う。

Ｅ（ｊ）＝Σ_i ｜ｅ_i （ｚ₀ ）−ｅ_i （ｚ_j −ΔＺ）｜ …（７）
ここでｉは，ｔ₀ において登録した初期フォーカス位置を識別するための添え字であり，Σ_i は，ｉに関するフォーカス誤差量の総和を表している。

以上により，長時間にわたる計測においてフォーカス制御を精度よく正確に行うことが可能となる。

図９は，本実施の形態の全体の処理フローチャートである。まず，ステップＳ１では，図１に示す装置を用い，ＣＣＤ７によって干渉縞画像を撮像する。ステップＳ２では，干渉縞画像を撮像した結果からハーフミラー２ｂと参照ミラー５間の距離ｄ₁ と，ハーフミラー２ｂとサンプル３間の距離ｄ₂ との光路差を求め，サンプル３の高さを算出する。ステップＳ３では，複数の光路差が１視野内に存在するかどうかを判定する。すなわち，撮像したサンプル３に異なる光路差の部分があるかどうかを判定する。ある場合には，ステップＳ５へ進む。

もし，撮像したサンプル３に異なる光路差が存在しない場合には，ステップＳ４へ進み，フォーカス制御が行える程度の光路差が干渉縞画像内に生じるように，ステージコントローラ１１によりθ_xyステージ１０を制御することにより，サンプル３を自動的に傾けるか，または操作者にサンプルを傾けるようメッセージを出力して促し，ステップＳ１に戻って同様に干渉縞画像の撮像を繰り返す。ステップＳ５では，光路差の異なる複数位置ｉ（ｉ＝１，…，ｎ）のフォーカス値を，ｅ（ｉ）として記録する。

次に，ステップＳ６では，焦点（フォーカス）位置の調整を行う。焦点位置の調整処理の詳細については，図１０を用いて後述する。焦点位置を調整した後，ステップＳ７では，干渉縞画像を撮像し，ステップＳ８では，干渉縞画像から光路差を求め，サンプルの各点の高さを算出する。ステップＳ９では，求めた高さを記録する。計測が終了するまで，ステップＳ６〜Ｓ９を繰り返す（ステップＳ１０）。

図１０は，焦点位置調整（図９のステップＳ６）の詳細な処理フローチャートである。ステップＳ６１では，ｚ軸ステージを初期位置ｚ₁ とし，ｚ₁ から順次あらかじめ決められた微小な単位で，ｚ_j （ｊ＝１，…，ｍ）に移動する。なお，ｚ_j は必ずしも等間隔である必要はなく，また正方向，逆方向が混在する移動であってもよい。ステップＳ６２では，干渉縞画像を撮像する。ステップＳ６３では，撮像した干渉縞画像から位相シフト法や空間キャリア法などの高精度縞解析技術を用いて，フォーカス値ｅ（ｚ_j ，ｉ）を算出する。

次に，ステップＳ６４では，フォーカス評価値Ｅ（ｊ）＝Σ_i ｜ｅ（ｉ）−ｅ（ｚ_j ，ｉ）｜を算出し，記録する。以上のステップＳ６１〜Ｓ６４を，ｊを１ずつインクリメントしながら，ｊ＝ｍまで繰り返す（ステップＳ６５）。

ステップＳ６６では，フォーカス評価値Ｅ（ｊ）が最小となるｊ＝ｋを求める。続いて，ステップＳ６７では，求めたｋからｚ軸ステージを，ｚ_k の位置に移動する。これにより，確実にフォーカス制御を行うことができる。

上記実施の形態において，初期フォーカス値を取得した後に，光源１の光量が時間の経過とともに変動し，干渉縞コントラストが変動することも考えられる。このような場合の対処としては，例えば初期状態とフォーカス調整時におけるフォーカス関数の最大値が一定の値になるように正規化してから上記の処理を行う方法，また，フォーカス誤差関数としてフォーカス値そのものの差ではなく，２点以上のフォーカス値の比の差を用いる方法などが考えられる。

なお，ここでは第２の実施の形態における処理フローチャートについて説明したが，第１の実施の形態による処理内容についても，上記第１の実施の形態の説明と第２の実施の形態の処理フローチャートから容易に類推できるので，第１の実施の形態についての処理フローチャートを用いた説明は省略する。

以上のフォーカス調整の処理は，制御装置８が備えるコンピュータとソフトウェアプログラムとによって実現することができ，そのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して提供することも，ネットワークを通して提供することも可能である。

本発明の実施の形態に係る装置の全体構成図である。 図１に示す制御装置のブロック構成図である。 フォーカス関数としての干渉縞コントラストを説明する図である。 ステージ位置とフォーカス値の関係を説明する図である。 ステージ位置とフォーカス値の関係を説明する図である。 第１の実施の形態によるずれ量ΔＺの検出方法を説明する図である。 検査視野内で高さの異なる２点以上を選択する方法を説明する図である。 第２の実施の形態によるずれ量ΔＺの検出方法を説明する図である。 第２の実施の形態の全体の処理フローチャートである。 第２の実施の形態における焦点位置調整の処理フローチャートである。 マイケルソン型の干渉光学系の例を示す図である。 ステージ位置とフォーカス値の関係を説明する図である。 ステージ位置とフォーカス値の関係を説明する図である。 従来のフォーカス誤差ΔＺを検出する方法を説明する図である。 従来のフォーカス制御を行う場合の問題点を説明する図である。

符号の説明

１ 光源
２ａ，２ｂ ハーフミラー
３ サンプル
４ａ，４ｂ，４ｃ レンズ
５ 参照ミラー
７ ＣＣＤ
８ 制御装置
９ Ｘ−Ｙ−Ｚ−θステージ
１０ θ_xyステージ
１１ ステージコントローラ
１２ 位相シフタ
１３ 位相シフトコントローラ
８０ 干渉縞画像解析手段
８１ 初期状態フォーカス評価量記録手段
８２ ｚ軸ステージ制御手段
８３ ｚ軸方向の各点のフォーカス評価量記録手段
８４ フォーカス誤差量算出手段
８５ 最小値検出手段
８６ フォーカス調整手段

Claims (8)

1. 測定サンプルと参照ミラーの間の光路差を利用する干渉光学系装置と，干渉光学系のフォーカス量を変えることが可能なｚ軸ステージと，撮像した干渉縞画像から任意の画素位置のフォーカス評価量を算出する手段とを備える干渉計測装置において，
   フォーカス調整後の初期状態においてｚ軸方向のフォーカス評価量の変化を表すフォーカス関数ｅ（ｚ）の最大値より外れた位置におけるフォーカス評価量ｅ（ｚ₀ ）を記録する手段と，
   前記初期状態からのｚ軸方向のずれ量ΔＺを検出してフォーカスを調整する際に，ｚ軸ステージを上下させながらｚ軸方向の各点ｚ_k （ｋ＝１，２，…，ｍ）におけるフォーカス評価量ｅ（ｚ_k ）を計測し記録する手段と，
   前記初期状態において記録したフォーカス評価量ｅ（ｚ₀ ）と前記ｚ軸方向の各点ｚ_k のフォーカス評価量ｅ（ｚ_k ）との差分から，ｚ軸方向の各点ｚ_k におけるフォーカス誤差量を演算する手段と，
   前記演算したフォーカス誤差量の結果から，フォーカス誤差量が最小となる位置を算出し，その算出した位置にｚ軸ステージを戻して初期状態と同じ状態に復帰させる手段とを備える
   ことを特徴とする干渉計測装置。
2. 測定サンプルと参照ミラーの間の光路差を利用する干渉光学系装置と，干渉光学系のフォーカス量を変えることが可能なｚ軸ステージと，撮像した干渉縞画像から任意の画素位置のフォーカス評価量を算出する手段とを備える干渉計測装置において，
   フォーカス調整後の初期状態で撮像した干渉縞画像内において，測定サンプルと参照ミラーの間の光路差が異なる２箇所以上の画素位置ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）におけるフォーカス評価量ｅ_i （ｚ₀ ）を記録する手段と，
   前記初期状態からのｚ軸方向のずれ量ΔＺを検出してフォーカスを調整する際に，ｚ軸ステージを上下させながらｚ軸方向の各点ｚ_k （ｋ＝１，２，…，ｍ）における前記２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス評価量ｅ_i （ｚ_k ）を計測し記録する手段と，
   前記初期状態において記録したフォーカス評価量ｅ_i （ｚ₀ ）と前記ｚ軸方向の各点ｚ_k のフォーカス評価量ｅ_i （ｚ_k ）との差分から，ｚ軸方向の各点ｚ_k における前記２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス誤差量を演算し，前記ｚ軸方向の各点ｚ_k ごとに，前記２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス誤差量の和を算出する手段と，
   前記算出したフォーカス誤差量の和の結果から，そのフォーカス誤差量の和が最小となる位置を算出し，その算出した位置にｚ軸ステージを戻して初期状態と同じ状態に復帰させる手段とを備える
   ことを特徴とする干渉計測装置。
3. 前記光路差の異なる２箇所以上の画素位置ｉが測定サンプルの姿勢角度に起因して選択不可能な場合に，測定サンプルの姿勢角度を調整するゴニオステージにより測定サンプルを傾斜させ，光路差の異なる２箇所以上の画素位置ｉを選択する手段を備える
   ことを特徴とする請求項２記載の干渉計測装置。
4. 前記フォーカス評価量として干渉縞画像から検出した干渉縞コントラストを使用する
   ことを特徴とする請求項１，請求項２または請求項３記載の干渉計測装置。
5. 測定サンプルと参照ミラーの間の光路差を利用する干渉光学系装置と，干渉光学系のフォーカス量を変えることが可能なｚ軸ステージと，撮像した干渉縞画像から任意の画素位置のフォーカス評価量を算出する手段とを有する干渉計測装置におけるフォーカス調整方法において，
   フォーカス調整後の初期状態においてｚ軸方向のフォーカス評価量の変化を表すフォーカス関数ｅ（ｚ）の最大値より外れた位置におけるフォーカス評価量ｅ（ｚ₀ ）を記録する過程と，
   前記初期状態からのｚ軸方向のずれ量ΔＺを検出してフォーカスを調整する際に，ｚ軸ステージを上下させながらｚ軸方向の各点ｚ_k （ｋ＝１，２，…，ｍ）におけるフォーカス評価量ｅ（ｚ_k ）を計測し記録する過程と，
   前記初期状態において記録したフォーカス評価量ｅ（ｚ₀ ）と前記ｚ軸方向の各点ｚ_k のフォーカス評価量ｅ（ｚ_k ）との差分から，ｚ軸方向の各点ｚ_k におけるフォーカス誤差量を演算する過程と，
   前記演算したフォーカス誤差量の結果から，フォーカス誤差量が最小となる位置を算出し，その算出した位置にｚ軸ステージを戻して初期状態と同じ状態に復帰させる過程とを有する
   ことを特徴とするフォーカス調整方法。
6. 測定サンプルと参照ミラーの間の光路差を利用する干渉光学系装置と，干渉光学系のフォーカス量を変えることが可能なｚ軸ステージと，撮像した干渉縞画像から任意の画素位置のフォーカス評価量を算出する手段とを備える干渉計測装置におけるフォーカス調整方法において，
   フォーカス調整後の初期状態で撮像した干渉縞画像内において，測定サンプルと参照ミラーの間の光路差が異なる２箇所以上の画素位置ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）におけるフォーカス評価量ｅ_i （ｚ₀ ）を記録する過程と，
   前記初期状態からのｚ軸方向のずれ量ΔＺを検出してフォーカスを調整する際に，ｚ軸ステージを上下させながらｚ軸方向の各点ｚ_k （ｋ＝１，２，…，ｍ）における前記２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス評価量ｅ_i （ｚ_k ）を計測し記録する過程と，
   前記初期状態において記録したフォーカス評価量ｅ_i （ｚ₀ ）と前記ｚ軸方向の各点ｚ_k のフォーカス評価量ｅ_i （ｚ_k ）との差分から，ｚ軸方向の各点ｚ_k における前記２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス誤差量を演算し，前記ｚ軸方向の各点ｚ_k ごとに，前記２箇所以上の画素位置ｉのフォーカス誤差量の和を算出する過程と，
   前記算出したフォーカス誤差量の和の結果から，そのフォーカス誤差量の和が最小となる位置を算出し，その算出した位置にｚ軸ステージを戻して初期状態と同じ状態に復帰させる過程とを有する
   ことを特徴とするフォーカス調整方法。
7. 前記光路差の異なる２箇所以上の画素位置ｉが測定サンプルの姿勢角度に起因して選択不可能な場合に，測定サンプルの姿勢角度を調整するゴニオステージにより測定サンプルを傾斜させ，光路差の異なる２箇所以上の画素位置ｉを選択する過程を有する
   ことを特徴とする請求項６記載のフォーカス調整方法。
8. 前記フォーカス評価量として干渉縞画像から検出した干渉縞コントラストを使用する
   ことを特徴とする請求項５，請求項６または請求項７記載のフォーカス調整方法。

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