JP2010121960A - 測定装置及び被検物の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 被検物の表面の高さや形状を高精度に測定する。
【解決手段】 第１の微小開口を通過した照明光を被検物に向けて照射させ、被検物からの反射光を得る共焦点光学系と、第２の微小開口を通過する反射光を検出する光検出部と、反射光における波面収差を検出する収差検出部と、被検物に対する共焦点光学系の焦点位置を光軸方向に変位させる変位部と、変位部により共焦点光学系の位置焦点を複数変位させたときに得られる反射光の強度と波面収差とに基づいて、被検物の表面形状を計測する計測部と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検物の表面形状などを測定する測定装置及び被検物の測定方法に関する。

従来、半導体ウェハ基板や、集積素子などの微細パターンの検査や測定などに用いる測定装置として、共焦点顕微鏡が挙げられる。この共焦点顕微鏡は、共焦点用微小開口（共焦点ピンポール）を通過した照明光を被検物に照射し、被検物の表面で反射した反射光を再び共焦点用ピンホールを通過させて、該共焦点用ピンホールを通過した反射光を検出することで測定を行う。共焦点顕微鏡を用いて被検物を測定するときには、共焦点光学系又は被検物のいずれか一方を、その光軸方向に所定量移動させた後、移動した各位置で反射光をそれぞれ検出する。検出される反射光は、共焦点光学系の焦点位置に被検物の表面が位置したときに光強度が最大となることから、反射光の光強度が最大となるときの共焦点光学系又は被検物の移動量、言い換えれば被検物に対する共焦点光学系の焦点位置の変位量を求めることで、被検物の表面の高さや形状を測定することが可能となる。
特開２００８−４６３６１号公報

しかしながら、共焦点光学系又は被検物の移動量によっては、移動前の位置と、移動後の位置との間に反射光の光強度が最大となる位置が存在する場合があることから、反射光の光強度が最大となるときの共焦点光学系又は被検物の移動量から被検物の表面の高さや被検物の形状を求めるだけでは、被検物の高さや形状を高精度に測定できていないのが現状である。

本発明は、被検物の表面の高さや形状を高精度に測定することができるようにした測定装置及び被検物の測定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明を例示する測定装置の一態様は、第１の微小開口を通過した照明光を被検物に向けて照射させ、前記被検物からの反射光を得る共焦点光学系と、第２の微小開口を通過する前記反射光を検出する光検出部と、前記反射光の波面を検出する波面検出部と、前記被検物又は前記共焦点光学系のいずれか一方を該共焦点光学系の光軸方向に移動させることで、前記被検物に対する前記共焦点光学系の焦点位置を変位させる変位部と、前記被検物に対する前記共焦点光学系の焦点位置を変位させたときに得られる前記反射光の強度と前記波面検出部により検出される波面とから、前記被検物の表面形状を計測する計測部と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明を例示する被検物の測定方法の一態様は、第１の微小開口を通過した照明光を共焦点光学系を介して被検物に向けて照射させ、前記被検物からの反射光を得る照射工程と、第２の微小開口を通過する前記反射光を検出する光検出工程と、前記反射光の波面を検出する波面検出工程と、前記被検物又は前記共焦点光学系のいずれか一方を該共焦点光学系の光軸方向に移動させることで、前記被検物に対する前記共焦点光学系の焦点位置を変位させる変位工程と、前記被検物に対する前記共焦点光学系の焦点位置を変位させたときに得られる前記反射光の強度と前記波面検出工程により検出される波面とから、前記被検物の表面形状を計測する計測工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、被検物の反射光の強度の他に、反射光の波面を用いて被検物の表面形状を計測することから、被検物の形状を高精度で測定することができる。

図１は、本実施形態の測定装置１０の概略の一例を示す図である。

測定装置１０は、光源１１、共焦点光学系１２、光検出器１３、波面センサ１４、ステージ１５及びコントローラ１６から構成される。光源１１は、共焦点光学系１２の側方、詳細には後述するビームスプリッタ３３の側方に設けられ、共焦点光学系１２に向けて照明光を出射する。光源１１としては、例えばハロゲンランプやキセノンランプの他に、レーザ光を発する光源などが用いられる。

共焦点光学系１２は、光源１１からの照明光をステージ１５に載置された被検物４５に導光するとともに、被検物４５にて反射された反射光を光検出器１３や波面センサ１４に向けて導光する。この共焦点光学系１２は、ピンホールディスク３１、コリメータレンズ３２、ビームスプリッタ３３、対物レンズ系３４、ビームスプリッタ３５、結像レンズ系３６、ピンホールディスク３７を有している。これら光学部材のうち、ピンホールディスク３１、コリメータレンズ３２、ビームスプリッタ３３は、光源１１の光軸（Ｌ１）上に配置される。ピンホールディスク３１は、例えば反射防止処理が施された遮光性の薄い円板からなる。このピンホールディスク３１には、共焦点ピンホール３１ａが設けられており、光源１１からの照射光の一部を共焦点ピンホール３１ａにて通過させる。コリメータレンズ３２は、ピンホールディスク３１の共焦点ピンホール３１ａを通過した光を平行光に変換する。

ビームスプリッタ３３は、コリメータレンズ３２により平行光に変換された照明光のうち、特定の偏光成分の光（例えばＰ偏光の光）を透過させ、残りの偏光成分（例えばＳ偏光の光）の光を反射する偏光ビームスプリッタが用いられる。

共焦点光学系１２は、光源１１の光軸（Ｌ１）と直交する直線（Ｌ２）上に、被検物４５側から、対物レンズ系３４、ビームスプリッタ３３，３５、結像レンズ系３６、ピンホールディスク３７の順で配置される。なお、図１においては、対物レンズ系３４と結像レンズ系３６を単一のレンズにて表しているが、これらレンズ系は、単一のレンズであっても良いし、複数のレンズから構成されていてもよい。

対物レンズ系３４は、ビームスプリッタ３３により反射された照明光をステージ１５に載置された被検物４５の表面に共焦点ピンホール３１ａの像（点像）として集光照射する。被検物４５の表面に集光照射された共焦点ピンホール３１ａの像は、被検物４５の表面で反射されることから、対物レンズ系３４は、その反射光を平行光に変換し、ビームスプリッタ３３に向けて出射させる。なお、図示は省略したが、ビームスプリッタ３３と対物レンズ系３４との間には、透過する光をλ／４偏光させる偏光板が設けられている。この偏光板を設けることで、ビームスプリッタ３３により反射したＳ偏光の光は、対物レンズ系３４に入射する直前にλ／４偏光され、また被検物４５からの反射光が対物レンズ系３４を出射した直後にλ／４偏光される。これにより、反射光はＳ偏光の光に対してλ／２偏光されたＰ偏光の光となる。この反射光はビームスプリッタ３３を透過する。

ビームスプリッタ３５は、ビームスプリッタ３３を透過した反射光を、結像レンズ系１３、及び波面センサ１４の双方に分割する。このビームスプリッタ３５に到達する反射光は、ビームスプリッタ３３を通過したＰ偏光の光であることから、このビームスプリッタ３５においては偏光ビームスプリッタではなく、例えば光強度によって反射光を分割するものが用いられる。

結像レンズ系３６は、ビームスプリッタ３５を透過した平行光からなる反射光を集光する。ピンホールディスク３７は、ピンホールディスク３１と同様の構成からなるので、ここではその詳細を省略する。このピンホールディスク３７は、結像レンズ系３６を透過した反射光が結像する位置に設けられる。なお、符号３７ａは共焦点ピンホールである。

光検出器１３は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳなどの二次元の撮像素子から構成される。この光検出器１３は、ピンホールディスク３７の共焦点ピンホール３７ａを通過した反射光を受光する。なお、光検出器１３として二次元の撮像素子としているが、ピンホールディスク３５の共焦点ピンホール３５ａを通過した反射光を受光できる撮像素子であれば二次元の撮像素子を用いなくともよい。

波面センサ１４は、ビームスプリッタ３５の側方に、光軸（Ｌ２）に直交する直線（Ｌ３）上に配置される。この波面センサ１４は、例えばシャックハルトマンセンサなどが用いられ、ビームスプリッタ３５により反射された反射光の波面を検出する。なお、シャックハルトマンセンサについては、周知であることから、ここでは、その詳細を省略する。なお、この波面センサ１４は、結像レンズ系３６の出射瞳位置における波面を検出できる位置に配置されることが好ましい。

ステージ１５は、被検物４５が位置決め固定される。このステージ１５は、ステージ駆動機構４０によりｘｙ平面上に沿って、またｚ方向に移動される。ステージ駆動機構４０によりステージ１５をｘｙ平面上で移動させることで、測定を行う被検物４５のｘ方向及びｙ方向の位置が調整される。また、ステージ駆動機構４０によりステージ１５をｚ方向に移動させることで、被検物４５に対する共焦点光学系１２の焦点位置を変位させることができる。なお、ここで示す共焦点光学系１２の焦点位置とは、共焦点光学系１２を介して結像される光が合焦する位置である。つまり、対物レンズ系３４の焦点距離Ｆ分離れた位置が共焦点光学系１２の焦点位置となる。なお、図１においては、共焦点光学系１２の焦点位置と被検物４５の表面とが一致している場合を示している。以下、ステージ１５を移動させることで、被検物４５に対する共焦点光学系１２の焦点位置を変位させているが、この他に、共焦点光学系１２をｚ方向に移動させることで、被検物４５に対する共焦点光学系１２の焦点位置を変位させてもよい。

以下、ステージ１５をｚ方向に所定量移動させた後、光検出器１３及び波面センサ１４による反射光の検出を繰り返し行うことで、被検物４５の表面の高さを求める場合について説明する。また、光検出器１３及び波面センサ１４による反射光の検出が行われるステージ１５のｚ方向の位置を測定位置Ｐ_i（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）と称して説明する。

コントローラ１６は、測定装置１０の各部を制御する。なお、図示はしないが、このコントローラ１６は、表示装置と接続されており、例えば測定した被検物４５の形状や、被検物の表面の各位置の高さなど、被検物４５を測定した結果を表示する。このコントローラ１６は、強度算出部５１、波面収差算出部５２、範囲設定部５３、高さ算出部５４の機能を有している。

強度算出部５１は、光検出器１３から出力される検出信号（輝度信号）を受けて、反射光の光強度Ｉを測定位置毎に算出する。なお、適正な環境下においては、輝度信号と光強度との間には一定の比例関係があることから、強度算出部５１は、ステージ１５を一定量移動させたときに光検出器１３から出力される輝度信号を用いて反射光の光強度Ｉを算出する。

図２（ａ）は、反射光の光強度Ｉの分布を示す。なお、横軸はステージ１５の位置（Ｚ座標）であり、縦方向は反射光の光強度Ｉである。ステージ１５をｚ方向に移動させると、反射光の光強度がなめらかに変化し、対物レンズ系３４の焦点位置Ｐ_iに被検物４５の表面があるときに、つまり被検物４５の表面の位置が共焦点ピンポール３７ａと共役の位置となる場合に、反射光の光強度Ｉが最大値となる。なお、図２においては、測定位置Ｐ_nと測定位置Ｐ_n+1との間で反射光の光強度Ｉが最大値となる場合について示している。

波面収差算出部５２は、波面センサ１４からの検出信号を用いて、測定位置Ｐ_i毎の波面収差を算出する。なお、波面収差を算出するとは、波面収差の式を求めることである。図示は省略するが、波面センサ１４は、例えばマイクロレンズがマトリクス状に配列されたマイクロレンズアレイと、マイクロレンズのそれぞれに対応するように例えばＣＣＤアレイとを備えている。例えば波面収差のない平行波が波面センサ１４に入力される場合、ＣＣＤアレイでは各マイクロレンズによって結像される点像が各マイクロレンズの光軸上に結像される。一方、波面収差の生じる平行波が波面センサ１４に入力されるときには、点像が各マイクロレンズの光軸上から離れた位置に、つまり、光軸からずれて結像されることになる。この点像のズレは、マイクロレンズに入射する位置での波面の傾きを示しているので、この波面の傾きを求めることで、反射光の波面収差を求めることができる。

図３（ａ）は、波面センサ１４による検出信号から求めた測定位置Ｐ_n-3，Ｐ_n-2，Ｐ_n-1，Ｐ_n，Ｐ_n+1，Ｐ_n+2，Ｐ_n+3，Ｐ_n+4における波面収差を示す。例えば波面収差をＷ、反射光の光軸Ｌ３からの距離をＲとした場合、測定位置Ｐ_iにおける波面収差Ｗ_iの式は、（１）式で求められる。
Ｗ_i＝ａ_iＲ²＋ｂ_i・・・・（１）

なお、係数ａ_iは必ずしも正の値となる訳ではなく、対物レンズ系３４から被検物４５までの距離が対物レンズ系３４の焦点距離Ｆよりも長い場合には係数ａ_iは正の値となり、対物レンズ系３４から被検物４５までの距離が対物レンズ系４５の焦点距離Ｆよりも短い場合には係数ａ_iは負の値となる。また、図３（ａ）においては、ｂ_i＝０となる場合を示しているが、これに限定する必要はなく、波面収差の中心が光軸からずれている場合には、（１）のｂ_iはｂ_i＝０とはならない。

範囲設定部５３は、高さ算出部５４にて用いる測定位置Ｐ_iの範囲を設定する。隣り合う測定位置までのステージ１５の移動量によっては、測定位置Ｐ_iのいずれかで反射光の光強度Ｉが最大値となる場合もあるが、例えば図２（ｂ）に示すように、測定位置Ｐ_nと、測定位置Ｐ_n+1との間の符号「◇」で示す位置で反射光の光強度Ｉが最大値となる場合もある。このような場合に対処するために、範囲設定部５２は、強度算出部５１によって算出された各測定位置における反射光の光強度Ｉを参照して、測定位置Ｐ_iのうち、高さ検出部５３にて使用する範囲（以下、対象範囲）を設定する。なお、この対象範囲としては、反射光の光強度Ｉが高い上位８カ所の測定位置が含まれる範囲（例えば図２（ｂ）で示す測定位置Ｐ_n-3，Ｐ_n-2，Ｐ_n-1，Ｐ_n，Ｐ_n+1，Ｐ_n+2，Ｐ_n+3，Ｐ_n+4）が挙げられる。

高さ算出部５４は、範囲設定部５３により設定された対象範囲に含まれる測定位置にて求められた波面収差の式を用いて、被検物４５の表面の高さを算出する。例えば、図２（ｂ）に示すように、設定された対象範囲に含まれる測定位置がＰ_n-3、Ｐ_n-2、Ｐ_n-1、Ｐ_n、Ｐ_n+1、Ｐ_n+2、Ｐ_n+3、Ｐ_n+4の計８カ所からなる場合には、各測定位置における波面収差の式が収差算出部５２により求められている。この式から、係数ａ_iと測定位置におけるステージ１５の座標Ｚ_iとを用いた最小二乗法などから、係数ａ_iと座標Ｚ_iとの関係式を求める。この関係式は、例えば（２）式で求められる。
ａ_i＝ｄＺ_i＋ｃ・・・・（２）

図３（ｂ）は、各測定位置におけるステージ１５の座標Ｚ_iと、係数ａ_iとの関係を示す。図２及び図３（ａ）に示すように、対物レンズ系３４から被検物４５までの距離が対物レンズ系３４の焦点距離Ｆよりも長ければ係数ａ_iは正の値となり、対物レンズ系３４から被検物４５までの距離が対物レンズ系３４の焦点距離Ｆよりも短ければ係数ａ_iは負の値をとることがわかっている。また、対物レンズ系３４から被検物４５までの距離が対物レンズ系３４の焦点距離Ｆに近づくにつれて、係数ａ_iは「０」に近づく。つまり、共焦点光学系１２の焦点位置に被検物４５の表面が位置した場合には、被検物４５の表面を反射し対物レンズ系３４により変換される反射光は曲率が０の反射光、つまり波面収差の生じない反射光となる。また、係数ａ_iと曲率とは比例関係にあることから、高さ算出部５４は、（２）式を用いて係数ａ_iが「０」になるときのステージ１５の座標Ｚ_iを求める。この（２）式から求められるステージ１５の座標Ｚ_iは、基準位置からのステージ１５の移動量、つまり、被検物４５の表面の高さを示すものである。

この測定装置１０においては、図４のフローチャートに示す手順で被検物４５の測定が行われる。ステップＳ１０１は、ｘｙ平面における被検物４５の位置調整を行う処理である。例えば測定開始を示す指令を受けると、コントローラ１６は、ステージ１５に載置された被検物４５が測定を行える位置にあるか否かを判定し、測定を行える位置にないと判定された場合に、ステージ駆動機構４０を介してステージ１５を位置調整する。なお、位置調整されたステージの位置が基準位置となる。

ステップＳ１０２は、照明光を発光する処理である。コントローラ１６は、光源１１を点灯させることで、照明光が共焦点光学系１２に向けて照射される。

ステップＳ１０３は、反射光の光強度Ｉを算出する処理である。ステップＳ１０２において照明光が発光されると、その照明光は、共焦点光学系１２を介して被検物４５に照射される。このとき、被検物４５の表面で反射した光が、共焦点光学系１２を介して光検出器１３に入力される。被検物４５の反射光を光検出器１３により検出されると、コントローラ１６は、その検出信号を用いて、反射光の光強度Ｉを算出する。

ステップＳ１０４は、反射光の波面収差を算出する処理である。被検物４５からの反射光の一部は、ビームスプリッタ３５により反射された後、波面センサ１４により検出される。波面センサ１４からの検出信号を用いて、コントローラ１６は、測定位置における反射光の波面収差を求める。なお、波面収差は、例えば（１）式から求められる。

ステップＳ１０５は、全ての測定位置における測定が終了したか否かを判定する処理である。全ての測定位置における測定を終了した場合には、コントローラ１６はＹｅｓと判定し、ステップＳ１０６に進む。一方、全ての測定位置における測定が終了していない場合には、コントローラ１６はＮｏと判定し、ステップＳ１０９に進む。なお、ステップＳ１０９は、ステージをｚ方向に移動させる処理であり、次の測定位置に向けてステージ１５を移動させる。このステップＳ１０８の処理が終了すると、ステップＳ１０４に進む。このようにして、全ての測定位置における測定が行われるまで、これら処理が繰り返し実行される。

ステップＳ１０６は、対象範囲を設定する処理である。ステップＳ１０３において各測定位置における反射光の光強度Ｉが算出されていることから、コントローラ１６は、測定位置毎に算出された反射光の光強度Ｉのうち、光強度が高い範囲を対象範囲として設定する。

ステップＳ１０７は、被検物の高さを算出する処理である。コントローラ１６は、ステップＳ１０６において設定された対象範囲に含まれる測定位置毎の波面収差の式を読み出し、係数ａ_iと測定位置Ｐ_iにおけるステージ１５の座標Ｚ_iとの関係式を例えば最小二乗法を用いて求める。この式は、（２）式で求められる。この関係式を求めた後、コントローラ１６は、係数ａ_iがａ_i＝０となるときのステージ１５の座標Ｚ_iを求める。なお、算出された座標Ｚ_iは、基準位置からのステージ１５の移動量、言い換えれば、被検物４５に対する共焦点光学系１２の変位量であることから、この座標Ｚ_iから被検物４５の表面の高さが求められる。

ステップＳ１０８は、測定を終了するか否かを判定する処理である。なお、コントローラは、被検物４５の表面の全ての箇所における測定を行ったと判定した場合には、このステップＳ１０８の判定がＹｅｓとなり、被検物４５の測定が終了する。一方、被検物４５の表面の全ての箇所における測定を行っていないと判定した場合には、ステップＳ１０１に戻る。このようにして、被検物４５の表面が測定される。

このように、算出された反射光の光強度Ｉから光強度の高い範囲を対象範囲として設定し、対象範囲内に含まれる各測定位置において得られる波面の波面収差を用いて、被検物４５の表面の高さを算出することから、測定位置と次の測定位置との間に反射光の光強度が最大となる位置が存在している場合であっても、被検物４５の表面の高さを高精度に測定することが可能となる。

なお、上述した被検物４５の測定の際には、測定位置毎に照明光を発光させる処理（ステップＳ１０２の処理）を行うようにしているが、このステップＳ１０２の処理を省略することも可能である。つまり、測定位置毎に照明光を発光させるのではなく、照明光を常時発光させておき、光検出器１３における測定位置毎の反射光の検出タイミングを制御すればよい。

本実施形態では、対象範囲に含まれる全ての測定位置の波面収差の式を利用して、係数ａ_iがａ_i＝０となるときのステージ１５の座標Ｚ_iを被検物４５の表面の高さとして求めているが、対象範囲に含まれる全ての測定位置の波面収差の式を利用する必要はなく、対象範囲に含まれる測定位置の一部を選択的に用いることも可能である。なお、測定位置の一部を選択するとは、例えば、図２（ｂ）で示す測定位置Ｐ_n-3、Ｐ_n-2、Ｐ_n-1、Ｐ_n、Ｐ_n+1、Ｐ_n+2、Ｐ_n+3、Ｐ_n+4のうち、測定位置Ｐ_n-3、Ｐ_n-1、Ｐ_n、Ｐ_n+2、Ｐ_n+4を選択することが挙げられる。

本実施形態では、波面センサ１４により反射光の波面を検出しているが、これに限定する必要はなく、例えばビームスプリッタ３５において反射した反射光を分割し、分割された光を干渉させることで得られる干渉光の波面を検出することも可能である。以下、分割された反射光を分割し、分割された反射光を干渉させる場合について説明する。なお、図５においては、波面センサとして、シェアプレート６１、回転拡散板６２、レンズ６３及び撮像素子６４が、順に配置される。なお、以下では、本実施形態と同一の構成に対しては、同一の符号を用いて説明する。

シェアプレート６１は、例えば反射型のシェアプレートが用いられる。この反射型のシェアプレートは、例えば反射率の異なる２枚の反射板、又は傾斜角が異なる２枚の反射板を接合することにより生成され、反射光の反射時に、その反射率の違いや反射板の傾斜角を利用して反射光を分割する。なお、以下では、シェアプレート６１により反射された反射光の光軸方向をＬ４として説明する。このシェアプレート６１は、２つに分割された反射光を回転拡散板６２の板面にて干渉させる。例えばシェアプレート６１により分割された２つの反射光の波面を干渉させたときに、フォーカス成分が０となる場合には、干渉によって生じる干渉縞の延びる方向が反射光の分割方向に一致する（図６参照）。一方、フォーカス成分が０とならない場合には、干渉縞が延びる方向は反射光の分割方向に対して交差する方向になる（図７参照）。なお、シェアプレート６１として反射型のシェアプレートを挙げているが、反射型のシェアプレートの他に、反射光の透過時に反射光を複屈折させることで反射光を例えば２つの光に分割する透過型のシェアプレートを用いることも可能である。

回転拡散板６２は、光軸（Ｌ４）に沿った軸６２ａを回転中心として回転する。上述したように、シェアプレート６１を通過した反射光は２つに分割され、回転拡散板６２の入射面側でこれら反射光が干渉する。この干渉した反射光が回転拡散板６２を透過する際に、干渉した反射光の位相が変調され、干渉縞のコヒーレンスを低下させる。

レンズ６３は、干渉した反射光の透過時に、コヒーレンスが低下した干渉縞をフーリエ変換し、撮像素子６４の撮像面上に結像させる。なお、このレンズ６３は、その焦点距離をＦ₁とした場合に、撮像素子６４及び回転拡散板６２のそれぞれに対して、焦点距離Ｆ₁離して配置される。撮像素子６４は、レンズ６３によってフーリエ変換された干渉縞の像を撮像する。図８に示すように、撮像素子６４によって撮像された干渉縞の像は、例えば座標（ｕ，ｖ）の位置（図８中符号７１，７２）がピークとなる。なお、干渉した反射光がレンズ６３を透過する際にレンズ６３により物理的にフーリエ変換しているが、これに限定する必要はなく、例えば回転拡散板６２を透過する反射光を撮像素子６４により撮像し、撮像した像に対してフーリエ変換することも可能である。

図８に示す、干渉縞のピーク７１の座標（ｕ，ｖ）は、以下の手順で算出される。例えば回転拡散板５２上に生じる干渉縞のｙ方向のピッチ成分をｐ_y、ｚ方向のピッチ成分をｐ_zとし、レンズ６３の焦点距離をＦ₁、干渉縞の波長をλとすると、干渉縞の強度のピークの座標（ｕ，ｖ）は、（３）式で求められる。
（ｕ，ｖ）＝（λＦ₁／ｐ_y，Ｆ₁λ／ｐ_z）・・・・（３）

また、干渉縞の回転角をγとすると、回転角γは、（４）式で求められる。
γ＝ａｒｃｔａｎ（ｖ／ｕ）・・・・（４）

なお、曲率半径をκ、２つの反射光のズレをｓ、干渉縞のピッチをｐとすると、曲率半径κは、（５）式で求められる。
κ^-1＝ｓｐ／（λ・（sinγ））・・・・（５）

上述した（４）式を（５）式に代入すると、（６）式が得られる。
κ^-1＝ｓｐ／｛λ・sin（ａｒｃｔａｎ（ｖ／ｕ））｝・・・（６）

この（６）式を用いることで、干渉縞の強度のピークの座標から曲率κを求めることができる。つまり、コントローラ１６の高さ判定部５３は、上述した（６）式を用いて各測定位置Ｐ_iにおける曲率κ_iを求める。この曲率κ_iを求めた後、高さ判定部５３は、曲率κ_iと測定した測定位置Ｐ_iの座標Ｚ_iとから、最小二乗法により近似直線を求める。上述したように、共焦点光学系の焦点位置に被検物の表面が位置しているときには、波面収差の生じない、つまり、曲率が０となることから、この近似直線から曲率κ_iが０となるステージの座標Ｚ_iを求め、その座標Ｚ_iから被検物４５の高さを求めればよい。なお、この場合も、光検出器１３により反射光の光強度を求め、反射光の光強度が高い所定の範囲を対象範囲とした上で、対象範囲内に含まれる光強度を有する測定位置Ｐ_iに対する曲率κ_iを（６）式を用いて求めればよい。

本実施形態では、ステージ駆動機構によりステージをｘｙ平面上で移動させることで照明光が照射される被検物のｘ方向及びｙ方向の位置を調整しているが、この他に、照明光をｘｙ平面上で走査させることも可能である。この場合、共焦点光学系にガルバノミラーなどのスキャンニングミラーを配置し、このスキャンニングミラーの傾きを調整することで、該スキャンニングミラーにより反射された照明光をｘｙ平面上で走査させればよい。この場合、ステージはｚ方向に移動させるだけで済むので、被検物の表面からの反射光の強度を高速で取得することができる。

本実施形態では、反射光の波面を検出したり、分割した反射光を干渉させることで得られる干渉縞のピークを検出することで反射光の曲率を求めているが、この他に、周知の臨界角法、非点収差法及びフーコーテスト法を用いて反射光の波面のフォーカス成分を検出し、各測定位置で検出される反射光の波面を用いて、被検物の高さを求めることも可能である。

本実施形態においては、光検出部により検出された反射光の強度を算出する強度算出部と、波面検出部により検出された波面から波面収差を算出する収差算出部と、を備え、計測部は、算出される反射光の強度のうち、反射光の強度が高い所定の範囲における波面の波面収差を用いることで、被検物の高さを算出することが好ましい。

また、測定部は、反射光の波面の曲率が所定の値となるときの被検物に対する共焦点光学系の焦点位置を求めることで、被検物の高さを算出することが好ましい。

また、波面検出部は、反射光を干渉させる干渉部材と、干渉部材により干渉された反射光を検出する撮像素子と、を有し、計測部は、反射光を干渉させたときに得られる干渉縞の向きや該干渉縞の細かさから反射光の波面の曲率を求めることが好ましい。

また、共焦点光学系は、被検物と第２の微小開口との間に設けられ、反射光を光検出部に向けて集光させる集光光学系と、反射光を前記集光光学系及び波面検出部のそれぞれに向けて分割する光分割部材と、をさらに備えていることが好ましい。

共焦点光学系を用いた測定装置の一例を示す図である。 （ａ）は、ステージの座標Ｚ_iと反射光の光強度Ｉの関係を示す図、（ｂ）は、対象範囲を示す図である。 （ａ）は、測定位置毎において得られる反射光の波面収差を示す図、（ｂ）は、ステージの座標Ｚ_iと係数ａ_iとの関係を示す図である。 被検物の測定を行う手順を示すフローチャートである。 反射光を分割し、分割した反射光を干渉させることで、反射光の波面のフォーカス成分を算出する場合の要部の概略を示す図である。 フォーカス成分が０となる反射光を分割し、それぞれの光を干渉させたときに生じる干渉縞の一例である。 フォーカス成分を有する反射光を分割し、それぞれの光を干渉させたときに生じる干渉縞の一例である。 撮像素子の撮像面に生じる干渉縞のピークの位置を示す図である。

符号の説明

１０…測定装置、１１…光源、１２…共焦点光学系、１３…光検出器、１４…波面センサ、１５…ステージ、３１，３７ピンホールディスク、３３，３５…ビームスプリッタ、３４…対物レンズ系、３６…結像レンズ系、４５…被検物、６１…シェアプレート、６２…回転拡散板、６３…レンズ、６４…撮像素子

Claims (6)

1. 第１の微小開口を通過した照明光を被検物に向けて照射させ、前記被検物からの反射光を得る共焦点光学系と、
   第２の微小開口を通過する前記反射光を検出する光検出部と、
   前記反射光の波面を検出する波面検出部と、
   前記被検物又は前記共焦点光学系のいずれか一方を該共焦点光学系の光軸方向に移動させることで、前記被検物に対する前記共焦点光学系の焦点位置を変位させる変位部と、
   前記被検物に対する前記共焦点光学系の焦点位置を変位させたときに得られる前記反射光の強度と前記波面検出部により検出される波面とから、前記被検物の表面形状を計測する計測部と、
   を備えたことを特徴とする測定装置。
2. 請求項１記載の測定装置において、
   前記光検出部により検出された前記反射光の強度を算出する強度算出部と、
   前記波面検出部により検出された波面から波面収差を算出する収差算出部と、を備え、
   前記計測部は、算出される前記反射光の強度のうち、前記反射光の強度が高い所定の範囲における前記波面の波面収差を用いることで、前記被検物の高さを算出することを特徴とする測定装置。
3. 請求項２に記載の測定装置において、
   前記測定部は、前記反射光の波面の曲率が所定の値となるときの前記被検物に対する前記共焦点光学系の焦点位置を求めることで、前記被検物の高さを算出することを特徴とする測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の測定装置において、
   前記波面検出部は、前記反射光を干渉させる干渉部材と、前記干渉部材により干渉された反射光を検出する撮像素子と、を有し、
   前記計測部は、前記反射光を干渉させたときに得られる干渉縞の向きや該干渉縞の細かさから前記反射光の波面の曲率を求めることを特徴とする測定装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の測定装置において、
   前記共焦点光学系は、
   前記被検物と前記第２の微小開口との間に設けられ、前記反射光を前記光検出部に向けて集光させる集光光学系と、
   前記反射光を前記集光光学系及び前記波面検出部のそれぞれに向けて分割する光分割部材と、
   をさらに備えていることを特徴とする測定装置。
6. 第１の微小開口を通過した照明光を共焦点光学系を介して被検物に向けて照射させ、前記被検物からの反射光を得る照射工程と、
   第２の微小開口を通過する前記反射光を検出する光検出工程と、
   前記反射光の波面を検出する波面検出工程と、
   前記被検物又は前記共焦点光学系のいずれか一方を該共焦点光学系の光軸方向に移動させることで、前記被検物に対する前記共焦点光学系の焦点位置を変位させる変位工程と、
   前記被検物に対する前記共焦点光学系の焦点位置を変位させたときに得られる前記反射光の強度と前記波面検出工程により検出される波面とから、前記被検物の表面形状を計測する計測工程と、
   を備えたことを特徴とする被検物の測定方法。

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