JP2013224899A - 表面形状測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速測定を可能とする表面形状測定装置及び方法を提供する。
【解決手段】本発明は、光源１からの射出光Ｌ１を参照光Ｌ２と測定光Ｌ３とに分割する分割部と、参照光Ｌ２を回折させる第１回折格子４と、第１回折格子４で回折した参照光Ｌ２を反射して第１回折格子４に再度入射させる反射部と、第１回折格子４に再度入射して再度回折した参照光Ｌ２Ａと被検面８ａで反射した測定光Ｌ３Ａとが光干渉した干渉光Ｌ４を受光すると共に、干渉光Ｌ４における波長毎の干渉強度信号を検出する検出部（ＣＣＤ１１）と、第１回折格子４をその格子溝の方向と直交する方向に移動させる移動部（ピエゾステージ５）と、移動部による第１回折格子４の移動量に応じて変化する波長毎の干渉強度信号に基づいて干渉光Ｌ４における波長毎の干渉強度信号の位相を算出する算出部と、算出した波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて被検面８ａの高さを測定する測定部と、を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、多波長位相シフトによる表面形状測定装置及び方法に関するものである。

従来の位相シフト法による表面形状測定を説明する模式図を図１２に示す。

図１２の光源１００は可干渉性の高い単色の光である。光源１００からの光は、ハーフミラー１０１で２分割され、被検面１０４と参照面１０２とにそれぞれ照射される。被検面１０４及び参照面１０２からのそれぞれの戻り光が、ハーフミラー１０１を介して重ね合わせされる。２つの戻り光が重ね合わされて生じた光干渉の干渉強度信号をＣＣＤ１０５で検出する。干渉強度信号は、参照面１０２側と被検面１０４側との光路長の差に応じて、正弦波状に変化する。１波長分の光路長の差で、１周期の正弦波となる。位相シフト法では、この正弦波の初期位相を検出することで、被検面１０４の高さを測定する。

位相シフト法における正弦波の初期位相の検出は以下のようにして行う。まず、ピエゾステージ１０３により参照面１０２をｘ軸方向に微動させる。この参照面１０２の微動により参照面１０２側の光路長を変化させ、そのときに得られる干渉信号強度の変化をＣＣＤ１０５で検出する。このようにすることで、初期位相を検出する。たとえば、参照面１０２を、光源１００からの光の波長の１／８ずつ、４ステップで移動させる。このときのＣＣＤ１０５で検出される干渉信号強度をそれぞれＩ_１，Ｉ_２，Ｉ_３，Ｉ_４とすると、初期位相φはｔａｎφ＝（Ｉ_１−Ｉ_３）／（Ｉ_２−Ｉ_４）で求められる。

被検面１０４及び参照面１０２からのそれぞれの戻り光の光路長差ｓは、得られた初期位相φからｓ＝φ／２π×λで求められる。そして、被検面１０４の高さは光路長差ｓの半分となる。ただし、位相は０〜２π（ｒａｄ）の範囲で折り返しが生じるため、測定可能な高さは、１／２波長分となり、高さ方向に非常に狭い範囲しか測定できない。測定範囲を広げるため、たとえば、複数の波長に切り替えて、各波長において位相シフト法を実施する多波長位相シフト法がある（特許文献１参照）。１つの波長では、１／２波長分の高さしか求められないが、複数の波長を切り替えることで、高さ方向に広い範囲を測定する。

米国特許第４８３２４８９号明細書

しかしながら、従来の方法では、多波長位相シフト法を実施する際の参照面１０２の走査量を波長に合わせて変える必要がある。このため、用いる波長の数に応じて異なる走査量の走査を繰り返す必要がある。従って、高さ方向に広い測定範囲を得るために多くの波長を採用すると、測定時間が増加するという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するもので、高さ方向に広い測定範囲を得るために多くの波長を用いても、高速な測定が可能な表面形状測定装置及び方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の表面形状測定装置は、複数の波長を有する射出光を射出する光源と、
前記射出光を参照光と測定光とに分割する分割部と、
入射した前記参照光を回折させる第１回折格子と、
前記第１回折格子で回折した前記参照光を反射して前記第１回折格子に再度入射させる反射部と、
前記第１回折格子に再度入射して再度回折した前記参照光と被検物の被検面に照射されて反射した前記測定光とが光干渉した干渉光を受光すると共に、前記干渉光における波長毎の干渉強度信号を検出する検出部と、
前記第１回折格子をその格子溝の方向と直交する方向に移動させる移動部と、
前記第１回折格子の移動量に応じて変化した前記波長毎の干渉強度信号に基づいて前記干渉光における波長毎の干渉強度信号の位相を算出する算出部と、
前記算出部で算出した前記波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて前記被検面の高さを測定する測定部と、を備える。

また、本発明の表面形状測定装置は、複数の波長を有する射出光を射出する光源と、
前記射出光を参照光と測定光とに分割する分割部と、
入射した前記参照光を回折させる第１回折格子と、
前記第１回折格子で回折した前記参照光を回折させて前記第１回折格子に再度入射させる第２回折格子と、
前記第１回折格子に再度入射して再度回折した前記参照光と被検物の被検面に照射されて反射した前記測定光とが光干渉した干渉光を受光すると共に、前記干渉光における波長毎の干渉強度信号を検出する検出部と、
前記第２回折格子をその格子溝の方向と直交する方向に移動させる移動部と、
前記第２回折格子の移動量に応じて変化した前記波長毎の干渉強度信号に基づいて前記干渉光における波長毎の干渉強度信号の位相を算出する算出部と、
前記算出部で算出した前記波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて前記被検面の高さを測定する測定部と、を備える。

また、本発明の表面形状測定方法は、複数の波長を有する射出光を射出し、
前記射出光を参照光と測定光とに分割し、
第１回折格子に入射した前記参照光を回折させ、
前記第１回折格子で回折した前記参照光を反射部で反射させて前記第１回折格子に再度入射させて再度回折させ、
前記第１回折格子で再度回折した前記参照光と被検物の被検面に照射されて反射した前記測定光とを光干渉させた干渉光を検出部で受光することで前記干渉光における波長毎の干渉強度信号を検出し、
前記第１回折格子をその格子溝の方向と直交する方向に移動させ、
前記第１回折格子の移動量に応じて変化した前記波長毎の干渉強度信号に基づいて前記干渉光における波長毎の干渉強度信号の位相を算出し、
算出した前記波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて前記被検面の高さを測定する。

また、本発明の表面形状測定方法は、複数の波長を有する射出光を射出し、
前記射出光を参照光と測定光とに分割し、
第１回折格子に入射した前記参照光を回折させ、
前記第１回折格子で回折した前記参照光を第２回折格子で回折させて前記第１回折格子に再度入射させて再度回折させ、
前記第１回折格子で再度回折した前記参照光と被検面に照射されて反射した前記測定光とを光干渉させた干渉光を検出部で受光することで前記干渉光における波長毎の干渉強度信号を検出し、
前記第２回折格子をその格子溝の方向と直交する方向に移動させ、
前記第２回折格子の移動量に応じて変化した前記波長毎の干渉強度信号に基づいて前記干渉光における波長毎の干渉強度信号の位相を算出し、
算出した前記波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて前記被検面の高さを測定する。

以上のように、本発明の表面形状測定装置及び方法によれば、高さ方向に広い測定範囲を得るために多くの波長を用いても、高速に測定を実施することができる。

本発明の第１実施形態に係る表面形状測定装置の模式図 第１実施形態に係る表面形状測定装置のＣＣＤ部の拡大模式図 第１実施形態の変形例に係る表面形状測定装置の模式図 第１実施形態に係る回折角の説明図 第１実施形態に係る回折格子での位相変調の説明図 第１実施形態に係る検出される位相のグラフを示す図 第１実施形態に係る位相結合後のグラフを示す図 第１実施形態に係る波長の逆数を横軸にとったグラフを示す図 第１実施形態に係る反射部の変形例を示す図 第２実施形態に係る表面形状測定装置の模式図 第２実施形態に係る検出部の説明図 第２実施形態の変形例に係る表面形状測定装置の模式図 第２実施形態の他の変形例に係る表面形状測定装置の模式図 従来の位相シフト干渉測定装置の構成を示す図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１Ａは、第１実施形態における表面形状測定装置の模式図である。

第１実施形態における表面形状測定装置は、光源１と、ビームスプリッタ３と、第１回折格子４と、第２回折格子６と、ＣＣＤ１１とを備える。

光源１は、複数の波長を有する射出光Ｌ１を射出する。

ビームスプリッタ３は、分割部の一例として機能し、射出光Ｌ１を参照光Ｌ２と測定光Ｌ３とに分割する。

第１回折格子４は、入射した参照光Ｌ２を回折させる。

第２回折格子６は、反射部の一例として機能し、第１回折格子４で回折した参照光Ｌ２を反射して第１回折格子４に再度入射させる。再度入射して第１回折格子４で再度回折した参照光Ｌ２Ａと被検物８の被検面８ａに照射されて反射した測定光Ｌ３Ａとは、ビームスプリッタ３を介して、光干渉して干渉光Ｌ４を形成する。

ＣＣＤ１１は、検出部の一例として機能し、干渉光Ｌ４における波長毎の干渉強度信号を検出する。

更に、第１実施形態における表面形状測定装置は、ピエゾステージ５と、位相検出部４２と、被検面高さ算出部４３とを備える。

ピエゾステージ５は、移動部の一例として機能し、第１回折格子４と連結されて、第１回折格子４をその格子溝の方向と直交する方向に移動させる。ピエゾステージ５による第１回折格子４の移動に応じて干渉光Ｌ４における波長毎の干渉強度信号が変化する。ステージ駆動部４１は、ピエゾステージ５を駆動する駆動信号をピエゾステージ５に入力して、ピエゾステージ５を駆動させる。

位相検出部４２は、算出部の一例として機能し、干渉光Ｌ４における波長毎の干渉強度信号の位相を算出する。より具体的には、位相検出部４２は、ステージ駆動部４１と同期してＣＣＤ１１からの干渉強度信号を波長毎に取得し、波長毎に取得した干渉強度信号からそれぞれ位相を算出する。

被検面高さ算出部４３は、測定部の一例として機能し、位相検出部４２で算出した波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて、被検物８の被検面８ａの高さを測定する。

以下、第１実施形態における表面形状測定装置の各構成について、より詳細に説明する。

図１Ａにおいて、光源１は、ハロゲンランプ、キセノンランプ、白色ＬＥＤ、又は、極短パルスレーザなどの広い帯域の波長の光を放射する白色光源である。光源１からは、点光源とみなせるように、十分に小さな開口より光束３０が射出光Ｌ１として射出される。

レンズ２は、光源１とビームスプリッタ３との間に配置され、光源１の光束３０を集光する光学部材である。

ビームスプリッタ３は、射出光Ｌ１の光束３０を、参照光Ｌ２の光束３１と測定光Ｌ３の光束３５との２つに分割する分割部である。ビームスプリッタ３は、干渉強度を向上させるために、光束３１と光束３５の光強度がほぼ１対１となることが好ましい。この場合、ビームスプリッタ３として、分割比が１対１のハーフミラーを採用する。

レンズ２３は、ビームスプリッタ３と第１回折格子４との間に配置される。レンズ２３は、ビームスプリッタ３で反射した光束３１（参照光Ｌ２）を平行光にするとともに、第１回折格子４からの光束３４（参照光Ｌ２Ａ）を集光する光学部材である。

第１回折格子４は、透過型の回折格子で、図１Ａのｚ軸方向に直線状の格子溝を有するブレーズド回折格子であり、ｘｙ面内で光を一方向にのみ回折させる。ビームスプリッタ３で分割された一方の光束３１が入射するように、かつ、格子溝の形成された面が光束３１の光軸ＯＡ１に対してほぼ垂直となるように、第１回折格子４を配置する。第１回折格子４の表面は、反射防止膜が形成され表面反射を極力小さくする。たとえば、ＭｇＦ_２などの単層反射膜、又は、多層の反射防止膜、又は、波長以下の微細構造による反射防止膜を第１回折格子４の表面に形成する。なお、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は互いに直交する。また、ｘｙ面はｘ軸とｙ軸とで定義される平面、ｙｚ面はｙ軸とｚ軸とで定義される平面、ｚｘ面はｚ軸とｘ軸とで定義される平面を示す。そして、ｘｙ面、ｙｚ面、ｚｘ面は互いに直交する。

ピエゾステージ５は、ステージ駆動部４１からの駆動信号により、第１回折格子４を、その格子溝の方向と直交する方向に微動させる。この微動により、光束３１および第２回折格子６で反射した光束３３に位相変調を加える。第１回折格子４の微動方向は、図１Ａではｙ軸方向となる。

第２回折格子６は、反射型の回折格子で、図１Ａのｚ軸方向に平行な直線状の格子溝を有するブレーズド回折格子である。第２回折格子６は、ｘｙ面内で光を一方向にのみ回折させる。第１回折格子４からの光束３２は、第２回折格子６で回折し、光束３３となる。光束３３の光路は、光束３２と同じで、進行方向が逆になる。

第１回折格子４と第２回折格子６とは、両者の格子溝方向は互いに平行、かつ、格子溝の形成された面が互いに平行となるように配置される。第１回折格子４の格子溝のピッチをｐとすると、第２回折格子６の格子溝のピッチはｐ／２である。このような第１回折格子４と第２回折格子６との配置により、光束３１に含まれるすべての波長において、光束３２と光束３３との光路は同じで、進行方向だけが逆になる。第１回折格子４と第２回折格子６との格子溝のピッチの関係については後述する。

レンズ７は、ビームスプリッタ３と被検面８ａとの間に配置され、ビームスプリッタ３を透過した光束３５（測定光Ｌ３）を平行光にして被検面８ａに照射する。また、レンズ７は、被検面８ａからの反射光（測定光Ｌ３Ａ）を集光する。

被検物８の被検面８ａは、レンズ７で平行光にされた光束３５の光軸ＯＡ２に対して、ほぼ垂直に配置される。被検物８は、たとえば、パターンが形成された半導体素子、太陽電池、ＬＥＤ、又は、ＭＥＭＳなどである。

ＣＣＤ１１は、２次元上に素子が配置された撮像カメラであり、光源１からの射出光Ｌ１の波長帯域に感度を有する。レンズ１２がビームスプリッタ３とＣＣＤ１１との間に配置されている。被検面８ａとＣＣＤ１１とは、レンズ７およびレンズ１２により結像関係となるように配置される。ＣＣＤ１１は、光強度を波長毎に検出できるユニットを複数備える。ＣＣＤ１１の複数のユニットのうちの１つのユニット２４は、例えば、図１Ｂに示すように、複数の波長フィルタ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄをそれぞれの画素に配置して構成される。ＣＣＤの１つのユニット２４で被検面８ａの１つの場所を検出する。複数波長の検出を同時に行うためには、測定に用いる波長毎に波長フィルタを用いる必要がある。１つのユニット２４には少なくとも２個以上のフィルタを配置する。なお、ＣＣＤ１１は、ＣＭＯＳでもよい。

図１Ａのレンズ１２の焦点面は、ビームスプリッタ３を介して、レンズ２、レンズ２３およびレンズ７の焦点面と重なり合う位置に配置される。

ピエゾステージ５は、第１回折格子４をその格子溝の方向と直交する方向へ移動させることで、透過する光束３１の位相を変調させる。透過した光束３２は、第２回折格子６で反射して光束３３となって同じ光路を戻り、再び、第１回折格子４で位相変調される。

制御及び演算ユニット４０は、表面形状測定装置を統合的に制御及び演算する装置である。制御及び演算ユニット４０は、ステージ駆動部４１と、位相検出部４２と、被検面高さ算出部４３とを備える。

以上のように構成された表面形状測定装置の動作を、以下に説明する。

光源１から射出光Ｌ１として射出された光束３０は、レンズ２で集光されて、ビームスプリッタ３に入る。ビームスプリッタ３は、射出光Ｌ１の光束３０を、参照光Ｌ２の光束３１と測定光Ｌ３の光束３５とに分ける。

測定光Ｌ３の光束３５は、レンズ７で平行光にされて、被検面８ａに照射される。被検面８ａで反射した測定光Ｌ３Ａである光束３６は、レンズ７で集光され、ビームスプリッタ３で反射し、レンズ１２を経てＣＣＤ１１に入射する。

参照光Ｌ２の光束３１は、レンズ２３で平行光にされ第１回折格子４に入射する。第１回折格子４はブレーズド回折格子であるので、光束３１をほぼ１方向に回折する。第１回折格子４で回折した光束３１は、光束３２として第２回折格子６に入射する。第２回折格子６に入射した光束３２は、第２回折格子６で反射回折して、光束３３として、再び、第１回折格子４に入射する。その後、光束３３は、第１回折格子４で再度回折して、レンズ２３に入射して、光束３４としてレンズ２３で集光される。

レンズ２３とレンズ１２とは互いの焦点面がビームスプリッタ３上で一致するように配置されているため、光束３３がレンズ２３で集光されて形成された光束３４は、ビームスプリッタ３を透過して、レンズ１２により平行光となる。また、レンズ２３とレンズ７とも互いの焦点面が一致するように配置されているため、測定光Ｌ３Ａの光束３６と参照光Ｌ２Ａの光束３４とがビームスプリッタ３上で光干渉して干渉光Ｌ４を形成する。ＣＣＤ１１は、光束３４と光束３６との干渉光Ｌ４を受光する。ＣＣＤ１１の１つのユニット２４（図１Ｂ参照）には、複数の特定の波長を通す波長フィルタが配置されている。このため、被検面８ａの場所ごとに、干渉光Ｌ４における波長毎の干渉強度信号をＣＣＤ１１で得る。また、レンズ７とレンズ１２とにより、被検面８ａとＣＣＤ１１とは結像関係にあるので、ＣＣＤ１１上に被検面８ａが投影される。このため、ＣＣＤ１１は、被検面８ａの各位置における干渉光Ｌ４の波長毎の干渉強度信号を、各１つのユニット２４にて検出する。

ここで、第１回折格子４と第２回折格子６とのそれぞれの構造、および、配置について説明する。

図２に示すように回折格子への入射角をθ、回折角をφ、波長をλ、回折格子ピッチをｐとすると、回折方程式は、式１で表される。

ｓｉｎθ＋ｓｉｎφ＝ｎ×λ／ｐ ・・・（式１）
第１実施形態において、使用する回折次数ｎは１であるので、式１にｎ＝１を代入すると、式２となる。

ｓｉｎθ＋ｓｉｎφ＝λ／ｐ ・・・（式２）
ここで、図１Ａの第１回折格子４の格子のピッチはｐ、入射角θは０（ｒａｄ）、すなわち垂直入射なので、第２回折格子６での回折角φ_１は、式３となる。

ｓｉｎφ_１＝λ／ｐ ・・・（式３）
第２回折格子６の格子のピッチは、第１回折格子４のピッチｐの半分、すなわちｐ／２である。また、第２回折格子６への入射角θ_２はφ_１であるので、第２回折格子６での回折角φ_２は、式４で表される。

ｓｉｎφ_１＋ｓｉｎφ_２＝λ／（ｐ／２） ・・・（式４）
式４に式３を代入すると、式５となる。

ｓｉｎφ_２＝λ／ｐ ・・・（式５）
式３と式５とにより、φ_１＝φ_２となるので、図１Ａの第１回折格子４と第２回折格子６とにおいて、波長毎に回折角は異なるが、第２回折格子６の反射回折光（光束３３）は、第２回折格子６への入射光（光束３２）と同方向となり、波長毎に同じ光路を戻る。従って、第１回折格子４と第２回折格子６とで構成される参照面側からの反射光（光束３４）を、入射光（光束３１）と同一の光路で、平行光として図１Ａのビームスプリッタ３に戻すことが可能である。

ここで、第１実施形態において、被検面８ａの高さ測定の高速化に寄与するピエゾステージ５の作用について説明する。

第１回折格子４は、ステージ駆動部４１の指令により、ピエゾステージ５によって格子溝の方向に直交する方向（ｙ軸方向）に微動する。図３に示すように、第１回折格子４の移動量ｗにより、第１回折格子４を出る光束３２の位相は、ηだけ変化する。このηを位相変調量とする。第１回折格子４の移動量ｗを１ピッチ分、すなわちｐとすると、光束３２の位相は２π（ｒａｄ）変化する。よって、第１回折格子４の移動量ｗと位相変調量ηとは、η＝２πｗ／ｐで表される。このように、位相変調量ηは波長に依存しない。また、４ステップの位相シフト法では、参照面側にπ／４（ｒａｄ）毎の４つの位相変調を与え、そのときに得られる４つの強度値から高さ測定を実施する。たとえば、第１回折格子４を、ｐ／８ピッチごとに、４ステップ、すなわち、ｐ／８、２×ｐ／８、３×ｐ／８、４×ｐ／８でそれぞれ移動させる場合を考える。ピエゾステージ５の移動量をｗ＝ｐ／８、２×ｐ／８、３×ｐ／８、４×ｐ／８とすると、位相変調量はη＝２π／８、２π×２／８、２π×３／８、２π×４／８（ｒａｄ）となる。ただし、図１Ａの第１回折格子４を出射した光束３２は、第２回折格子６で反射して光束３３として同じ光路を戻り、再び、第１回折格子４で位相変調されるため、光束３４の位相変調量は２ηとなる。位相変調量ηは波長に依存しないため、波長それぞれにおいて第１回折格子４の移動量ｗに比例した正確な位相変調を行うことができる。

ここで、ピエゾステージ５と第１回折格子４とを用いて位相変調を実施することによる効果について説明する。

たとえば、白色光のような広帯域の射出光Ｌ１に対して、従来のように光路長を変化させて位相変調を行おうとする。すると、波長毎に光路長の変化量が異なるため、波長毎に個別に位相変調を実施する必要がある。このため、位相変調に時間がかかる。さらに、光路長を変化させて位相変調を行う場合、光路長の変化量を１波長程度に制御する必要があり、正確な調節が困難である。このため、波長毎に異なる光路長を付与して、個別に位相変調を実施すると、多くの時間を要する上に、波長毎の位相変調量にばらつきが生じる場合がある。

一方、第１実施形態のように、第１回折格子４を格子溝の方向に直交する方向に変位させることで、白色光のような広帯域の射出光Ｌ１に対して、同時に、全ての波長について同じ量の位相変調を実施できる。これを同時に行うことで、波長毎の位相変調量のばらつきを低減できる。また、第１回折格子４の移動量は、第１回折格子４のピッチ程度、たとえば、数十波長以上にできる。一般的に、ピエゾステージ５は、ヒステリシスがあるため、移動誤差が生じる場合がある。これに対して、第１実施形態では、従来の位相シフト干法のように参照面を１波長程度移動させるよりも、移動量を大きくとることができる。この結果、ピエゾステージ５の移動誤差を相対的に小さくすることができる。このため、従来よりも、波長毎の位相変調量のばらつきを低減できる。

次に、被検面高さ算出部４３において、ＣＣＤ１１で得られた干渉強度信号の干渉信号強度から被検面８ａの高さの検出を行う動作について、説明する。

ステージ駆動部４１の指令によりピエゾステージ５を駆動させ、そのときのＣＣＤ１１からの干渉強度信号をピエゾステージ５の駆動と同期して位相検出部４２で取得する。そして、位相検出部４２で取得した干渉強度信号に基づき、位相検出部４２にて、位相検出を行う。

位相検出をする際に、第１回折格子４の移動量ｗを、ｗ＝ｐ／８、２×ｐ／８、３×ｐ／８、４×ｐ／８と、４ステップ動かすとする。このときの、それぞれの移動量ｗでの波長λでの干渉強度信号をＩ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４とする。すると、波長λにおける干渉強度信号の位相φ_λは、式６で得られる。

φ_λ＝ａｔａｎ（Ｉ_１−Ｉ_３）／（Ｉ_２−Ｉ_４） ・・・（式６）
これを波長毎に算出し、波長λと位相φとの関係を得る。ただし、位相φは０〜２π（ｒａｄ）で折り返すので、得られる位相φの位相データは、図４に示すように、横軸に波長（ｎｍ）を取り、縦軸に位相φ（ｒａｄ）を取ると、０〜２π（ｒａｄ）で折り返すグラフとなる。図４では、位相０〜２π（ｒａｄ）で折り返されているが、容易に繋ぎ合わせることができる。図４の位相データにおいて位相のつなぎ合わせを行うと、図５のグラフとなる。位相の繋ぎ合わせは、たとえば、図４のグラフの右側から左側へ、隣接するデータ間で、πｒａｄ以上の位相差があるとき、−２πｒａｄを加え、−πｒａｄ以下の位相差があるときに＋２πｒａｄを加える操作を図１Ａの位相検出部４２で行う。図５は、横軸が波長（ｎｍ）であり、縦軸が位相φ（ｒａｄ）であって、図４のグラフにおいて、位相を繋ぎ合わせたグラフである。

次に、図１Ａの位相検出部４２で得られた位相から、被検面８ａの高さを被検面高さ算出部４３で計算する。

干渉強度信号は、ビームスプリッタ３から出射して第２回折格子６で反射した後にビームスプリッタ３に戻る光の光路長と、ビームスプリッタ３から出射して被検面８ａでの反射した後にビームスプリッタ３に戻る光の光路長との差により変化する。１波長分の光路長差で、干渉強度信号の位相が２πｒａｄだけ変化することとなる。波長λでの干渉信号位相をφ_λとすると、光路長差ｈは、式７で得られる。

ｈ＝φ_λ×λ／２π ・・・（式７）
式７から、φ_λ／２π＝ｈ／λ であるので、横軸を波長λの逆数とし、縦軸を位相φ／２πとして図５を変形させる。すると、図６に示すように、直線状のグラフとなる。図６のグラフの傾きを示す係数（傾き係数）が光路長差ｈとなるので、図６のデータに対して、たとえば、最小二乗法で傾き係数を図１Ａの被検面高さ算出部４３で求める。このようにして傾き係数を算出することで、光路長差ｈが得られる。反射光路であるから、被検面８ａの高さは、光路長差ｈの１／２として被検面高さ算出部４３で求めることができる。

ここで、第１実施形態に係る表面形状測定装置による測定時間について、従来と比較して説明する。

従来の測定では、波長を切り替える毎に参照面を高精度に走査する必要がある。図１２のピエゾステージ１０３で、安定走査を行うためには、走査開始部分での非線形な動きを除く動作や、また、ピエゾステージ１０３の戻り操作が必要であり、測定時間が大幅に増加することとなる。たとえば、走査開始時での動作が安定するまでの時間を１００ｍｓｅｃとし、１ステップの移動と画像取得とに要する時間を３０ｍｓｅｃとする。そして、ピエゾステージ１０３の戻り時間を３０ｍｓｅｃとし、波長切り替えを４回とする。この場合、最終のピエゾステージ戻り時間を除いて、１回の測定に（１００＋３０×４）×４＋３０×３＝９７０ｍｓｅｃ必要となる。

一方、第１実施形態に係る表面形状測定装置による測定では、波長を切り替える必要が無いため、測定時間は（１００＋３０×４）＝２２０ｍｓｅｃとなる。このように、第１実施形態に係る表面形状測定装置により測定時間を大幅に短縮することが可能である。

以上のように、第１実施形態の表面形状測定装置によれば、高さ方向に広い測定範囲を得るために多くの波長を用いても、高速に表面形状測定を実施することができる。

なお、第１実施形態では、図１Ａの第１回折格子４で回折した光を元の光路に戻すために、反射型の第２回折格子６を用いている。一方で、第２回折格子６の代わりに、図７に示すように、第１回折格子４の直後に配置されたレンズ２０と、レンズ２０の焦点面に配置されたミラー２１とを用いても良い。

図７のように構成すれば、第１回折格子４で回折した光束３１は、レンズ２０によって焦点面に集光する。この焦点面にミラー２１の表面が配置されているので、光束３１は、ミラー２１の表面で反射して光束３４となり、レンズ２０に再び入射する。このとき、レンズ２０の焦点面上に反射点があるので、レンズ２０に入射する光束３１とレンズ２０から射出する光束３４とは同じ光路を通る。このため、第１回折格子４に入射する光束３１と、第１回折格子４から出射する光束３４とは、共に光軸ＯＡ１に沿って同じ光路を通る。

このように、図１Ａの第２回折格子６の代わりに図７のレンズ２０とミラー２１とを用いると、高次回折光による迷光がでない。ただし、光束３４を元の光路（光束３１の通った光路）に精度良く戻すのは、レンズ２０とミラー２１とを用いる場合よりも、図１Ａの第２回折格子６を用いる場合の方が容易である。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る表面形状測定装置について、図８を用いて説明する。第１実施形態に係る表面形状装置と共通する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、円筒レンズ２２とレンズ７ａとが、ビームスプリッタ３と被検面８ａとの間に配置されている点、ＣＣＤ１１ａが採用される点、及び、第３回折格子９と円筒レンズ１０ａとがレンズ１２とＣＣＤ１１ａとの間に配置されている点である。これにより、図８では、被検面８ａの測定を直線状に制限して、直線方向の測定の分解能を向上させる。

以下、各構成について説明する。

円筒レンズ２２は、第１円筒レンズの一例として機能し、その円筒軸は、ｘ軸方向に平行である。ｘｙ面内において、円筒レンズ２２はレンズ作用を持たず、円筒レンズ２２を通過する光束３５は、レンズ７ａによって被検面８ａ上に集光する。ｙｚ面内においては、円筒レンズ２２はレンズ作用を持つ。これにより、ｙｚ面内においては、円筒レンズ２２と、レンズ７ａとにより、光束３５は平行光として被検面８ａにほぼ垂直に照射される。このように円筒レンズ２２を配置することで、光束３５は、被検面８ａ上に、ｚ軸方向と平行な直線状に配列された集光スポットを形成する。この場合、被検面８ａからの測定光Ｌ３Ａ（光束３６）は、レンズ７ａと円筒レンズ２２とを介して、ビームスプリッタ３上に集光し、その後、ビームスプリッタ３で反射して、レンズ１２に入射する。レンズ１２の焦点面がビームスプリッタ３上の光束３６の集光位置と一致するように、レンズ１２を配置する。これにより、レンズ１２に入射した光束３６は、平行光となって、レンズ１２から出射する。このとき、光束３６と光束３４とは、ビームスプリッタ３で合波されて、干渉光Ｌ４となる。この干渉光Ｌ４が、レンズ１２を介して第３回折格子９に入射する。

第３回折格子９は透過型の回折格子であり、ビームスプリッタ３とＣＣＤ１１ａとの間における干渉光Ｌ４の光路上に配置される。第３回折格子９の格子溝方向はｚ軸方向と平行である。ｘｙ面内において、第３回折格子９は、レンズ１２からの干渉光Ｌ４を回折させる。なお、ｚｘ面内において、第３回折格子９は、干渉光Ｌ４に対して回折作用を奏さない。

円筒レンズ１０ａは、第２円筒レンズの一例として機能し、ｆ−θレンズ機能を持つ円筒レンズであり、その円筒軸はｚ軸方向に平行である。この円筒レンズ１０ａは、ｘｙ面内において、第３回折格子９で回折して分光した干渉光Ｌ４を集光して、ＣＣＤ１１ａに入射させる。円筒レンズ１０ａは、ｚｘ面内においてはレンズ作用を持たないため、レンズ１２を出射した干渉光Ｌ４は平行光のままＣＣＤ１１ａに入射する。干渉光Ｌ４の集光スポットは、円筒レンズ１０ａの作用により、ＣＣＤ１１ａ上にｚ軸方向（第１方向）と平行に直線状に配列されるように形成される。この場合、干渉光Ｌ４を受光するためのＣＣＤ１１ａは、円筒レンズ１０ａの焦点面に配置される。このＣＣＤ１１ａは、図１ＢのＣＣＤ１１のような波長フィルタを持つユニット構造ではなく、通常の２次元の画素のＣＣＤである。なお、ＣＣＤ１１ａは、ＣＣＤではなくＣＭＯＳでもよい。

図９に、波長λの干渉光Ｌ４におけるＣＣＤ１１ａへのｘｙ面内での集光状態を示す。第３回折格子９で回折した干渉光Ｌ４は、波長毎に異なる角度で円筒レンズ１０ａに入射する。波長毎に異なる角度で入射した干渉光Ｌ４は、円筒レンズ１０ａのレンズ作用により、波長毎にＣＣＤ１１ａ上の異なる位置に集光する。これにより、ＣＣＤ１１ａ上には、複数の直線状のスポットが形成される。これら複数の直線状の集光スポットの強度はＣＣＤ１１ａにてそれぞれ検出される。こうして、干渉光Ｌ４の波長毎の干渉強度信号はＣＣＤ１１ａにより検出される。なお、干渉光Ｌ４によるＣＣＤ１１ａ上のスポットの位置は、円筒レンズ１０ａの焦点距離をｆ_３、第３回折格子９の格子のピッチをｐ_３とすると、光軸ＯＡ１からｆ_３×λ／ｐ_３の位置となる。

仮に、円筒レンズ１０ａを用いずに、第３回折格子９のみを配置した場合、第３回折格子９で波長毎に分光した干渉光Ｌ４は、互いのスポットが重なってＣＣＤ１１ａ上に結像されてしまう。ＣＣＤ１１ａ上で集光スポットが重なると、波長毎の干渉強度信号を分離して検出できない。このため、円筒レンズ１０ａを用いて直線状に配列された集光スポットを形成することで、ＣＣＤ１１ａ上において、干渉光Ｌ４における波長毎の集光スポットが重ならないようにする。

ただし、円筒レンズ１０ａと第３回折格子９とを上述のように配置した場合、ＣＣＤ１１ａ上には直線状に配列された集光スポットが形成される。仮に、円筒レンズ２２を配置しなければ、被検面８ａの面の情報を直線の情報として扱ってしまう。このため、被検面８ａ内での分解能が著しく低下する。これを防止するために、第２実施形態では円筒レンズ２２を設けて、被検面８ａ上にも直線状に配列された集光スポットを形成し、分解能の低下を防止している。

第１実施形態（図１Ａ及び図１Ｂの構成）では、被検面８ａを面で測定できるため、一度に被検面８ａの多くの領域を測定できる。ただし、図１Ｂに示すようにＣＣＤ１１の複数の画素を１つのユニットとして波長別の検出を実施するため、分解能を高くすることができない場合がある。

一方、第２実施形態（図８の構成）では、被検面８ａを直線状に測定することで、第１実施形態に比べて、高い分解能で測定を実施できる。さらに、第３回折格子９と円筒レンズ１０ａとを用いることで、第１実施形態のようにフィルタを用いる場合よりも、効率よく干渉光Ｌ４を波長毎に分けることができる。このため、第１実施形態よりも光効率が良くなり、図８のＣＣＤ１１ａでの検出精度が良くなる。

なお、第１、第２実施形態において、ビームスプリッタ３の厚みによる収差を補正するため、ビームスプリッタ３の反射面が被検物８側にあるときは、ビームスプリッタ３と被検物８との間に、ビームスプリッタ３と同じ厚みの厚み補正板を入れてもよい。また、同様に、ビームスプリッタ３の反射面が第１回折格子４側にあるときは、ビームスプリッタ３と第１回折格子４との間に、ビームスプリッタ３と同じ厚みの厚み補正板を入れてもよい。

なお、図１Ａ及び図８では、ビームスプリッタ３での反射角を９０°として図示している。しかしながら、干渉光Ｌ４等の光束およびレンズ１２等の光学素子が互いに干渉しない範囲で、角度を変えても良い。

なお、図１Ａ及び図８では、第１回折格子４を透過型とし、第２回折格子６を反射型としている。しかしながら、これらの代わりに、光路上でビームスプリッタ３から近い方から、反射型の第１回折格子と反射型の第２回折格子としてもよい。この場合、第１、第２回折格子の格子溝方向を平行に配置し、第２回折格子の格子溝のピッチを第１回折格子の格子溝のピッチの１／２とする。第１回折格子の格子溝のピッチに対して第２回折格子の格子溝のピッチを１／２とすることで、式４、式５より、第２回折格子で回折した光を再度第１回折格子に入射させることができる。

また、図１Ａ及び図８の第２回折格子６を透過型とした場合に、第１、第２回折格子の格子溝方向を平行に配置し、第１回折格子と第２回折格子との格子溝のピッチを等しくし、更に、第２回折格子を透過回折した光を垂直反射するミラーを設けてもよい。この場合も、第２回折格子で回折した光を再度第１回折格子に入射させることができる。

なお、第１回折格子４と第２回折格子６の間に複数の回折格子を配置し、複数回回折させてもよい。ただし、回折格子は２枚の場合が、回折による光ロスを最も少なくできる。

なお、第１回折格子４及び第２回折格子６の断面形状を、のこぎり型（ブレーズド）型とすることで、必要な方向のみの回折光が得られ、光量のロスと、不要回折光による迷光とが最も少なくなる。回折格子の断面形状は、正弦型、あるは、矩形型でもよいが、正弦型、あるは、矩形型の場合は、不要回折光が生じるので、撮像部（ＣＣＤ１１又は１１ａ）に不要回折光が入らないようにする部材を設ける必要がある。

なお、ビームスプリッタ３の反射を考慮したときに、第１回折格子４あるいは第２回折格子６と被検面８ａとが互いで平行でないときは、被検面８ａに傾斜があるように測定される。被検面８ａに傾斜があると、高さ方向の走査範囲を広く取る必要があるので、被検面８ａあるいは、第１回折格子４と第２回折格子６とを傾斜調整することで互いに平行となるようにして測定を行うのが望ましい。

なお、第１回折格子４の走査ステップとして４ステップを用いているが、３ステップ以上であれば、初期位相を検出できることが知られている。

また、第１回折格子４の移動部としてピエゾステージ５を採用しているが、高精度のサーボモータあるいは、コギングを低減したパルスモータによる微動ステージを移動部に用いても良い。

なお、第１実施形態及び第２実施形態では、位相変調を行うため、第１回折格子４をピエゾステージ５で微動させ、第２回折格子６を固定としている。しかしながら、回折格子間の相対的な変位量で位相変調は可能なため、それぞれの変形例として図１Ｃ及び図１０にそれぞれ示すように、第１回折格子４を固定とし、ステージ駆動部４１からの指示により第２回折格子６を移動部の一例であるピエゾステージ５で微動させるようにしてもよい。

なお、第２実施形態では、図８に示すようにレンズ７ａと第１円筒レンズの一例としての円筒レンズ２２とを用いて被検面８ａ上にｚ軸と平行な直線状の集光スポットを形成している。その代わりに、図１１に示す第２実施形態の変形例のように、第１円筒レンズの他の例としての円筒レンズ２２ａと図１Ａのレンズ７とを採用しても良い。図１１の円筒レンズ２２ａは、その円筒軸が、ｚ軸方向に平行である。ｘｙ面内において円筒レンズ２２ａはレンズ作用を持ち、レンズ７からの平行光は、円筒レンズ２２ａによって被検面８ａ上に集光される。一方、ｙｚ面内において円筒レンズ２２ａはレンズ作用を持たず、レンズ７からの平行光はそのまま被検面８ａ上に照射される。このように、円筒レンズ２２ａとレンズ７とを用いて、被検面８ａ上にｚ軸と平行な直線状の集光スポットを形成できる。

なお、図８の円筒レンズ１０ａに関しても、ＣＣＤ１１ａ上に直線状の集光スポットを形成できる光学部材であればよい。被検面８ａ上の直線状のスポット（図８の第１集光スポットＳ１）の長手方向（第１方向）と、第３回折格子９の格子溝の長手方向（第１方向）と、ＣＣＤ１１ａ上の直線状のスポット（図８の第２集光スポットＳ２）の長手方向（第１方向）と平行となるように、これらの光学部材を構成すればよい。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、半導体素子、太陽電池、ＬＥＤ、および、ＭＥＭＳなどの表面形状計測定、又は、検査などに適用できる。

１ 光源
２、７、７ａ、１２、２３ レンズ
３ ビームスプリッタ
５ ピエゾステージ
４ 第１回折格子
６ 第２回折格子
９ 第３回折格子
８ 被検物
８ａ 被検面
１０ａ、２２、２２ａ 円筒レンズ
１１、１１ａ ＣＣＤ
２０ レンズ
２１ ミラー
２４ １つのユニット
３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６ 光束
４０ 制御及び演算ユニット
４１ ステージ駆動部
４２ 位相検出部
４３ 被検面高さ算出部
Ｌ１ 射出光
Ｌ２、Ｌ２Ａ 参照光
Ｌ３、Ｌ３Ａ 測定光
Ｌ４ 干渉光
Ｓ１ 第１集光スポット
Ｓ２ 第２集光スポット
ＯＡ１、ＯＡ２ 光軸

Claims (8)

1. 複数の波長を有する射出光を射出する光源と、
   前記射出光を参照光と測定光とに分割する分割部と、
   入射した前記参照光を回折させる第１回折格子と、
   前記第１回折格子で回折した前記参照光を反射して前記第１回折格子に再度入射させる反射部と、
   前記第１回折格子に再度入射して再度回折した前記参照光と被検物の被検面に照射されて反射した前記測定光とが光干渉した干渉光を受光すると共に、前記干渉光における波長毎の干渉強度信号を検出する検出部と、
   前記第１回折格子をその格子溝の方向と直交する方向に移動させる移動部と、
   前記第１回折格子の移動量に応じて変化した前記波長毎の干渉強度信号に基づいて前記干渉光における波長毎の干渉強度信号の位相を算出する算出部と、
   前記算出部で算出した前記波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて前記被検面の高さを測定する測定部と、
   を備える表面形状測定装置。
2. 複数の波長を有する射出光を射出する光源と、
   前記射出光を参照光と測定光とに分割する分割部と、
   入射した前記参照光を回折させる第１回折格子と、
   前記第１回折格子で回折した前記参照光を回折させて前記第１回折格子に再度入射させる第２回折格子と、
   前記第１回折格子に再度入射して再度回折した前記参照光と被検物の被検面に照射されて反射した前記測定光とが光干渉した干渉光を受光すると共に、前記干渉光における波長毎の干渉強度信号を検出する検出部と、
   前記第２回折格子をその格子溝の方向と直交する方向に移動させる移動部と、
   前記第２回折格子の移動量に応じて変化した前記波長毎の干渉強度信号に基づいて前記干渉光における波長毎の干渉強度信号の位相を算出する算出部と、
   前記算出部で算出した前記波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて前記被検面の高さを測定する測定部と、
   を備える表面形状測定装置。
3. 前記測定光を集光して前記被検面に第１方向と平行な直線状の第１集光スポットを形成する第１円筒レンズと、
   前記ビームスプリッタと前記検出部との間における前記干渉光の光路上に配置されると共に前記第１方向と平行な格子溝を有する第３回折格子と、
   前記第３回折格子で回折した前記干渉光を集光して前記検出部に前記第１方向と平行な直線状の第２集光スポットを形成する第２円筒レンズと、
   を更に備える請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
4. 前記第１方向は、前記第１集光スポットの長手方向である、
   請求項３に記載の表面形状測定装置。
5. 複数の波長を有する射出光を射出し、
   前記射出光を参照光と測定光とに分割し、
   第１回折格子に入射した前記参照光を回折させ、
   前記第１回折格子で回折した前記参照光を反射部で反射させて前記第１回折格子に再度入射させて再度回折させ、
   前記第１回折格子で再度回折した前記参照光と被検物の被検面に照射されて反射した前記測定光とを光干渉させた干渉光を検出部で受光することで前記干渉光における波長毎の干渉強度信号を検出し、
   前記第１回折格子をその格子溝の方向と直交する方向に移動させ、
   前記第１回折格子の移動量に応じて変化した前記波長毎の干渉強度信号に基づいて前記干渉光における波長毎の干渉強度信号の位相を算出し、
   算出した前記波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて前記被検面の高さを測定する、表面形状測定方法。
6. 複数の波長を有する射出光を射出し、
   前記射出光を参照光と測定光とに分割し、
   第１回折格子に入射した前記参照光を回折させ、
   前記第１回折格子で回折した前記参照光を第２回折格子で回折させて前記第１回折格子に再度入射させて再度回折させ、
   前記第１回折格子で再度回折した前記参照光と被検面に照射されて反射した前記測定光とを光干渉させた干渉光を検出部で受光することで前記干渉光における波長毎の干渉強度信号を検出し、
   前記第２回折格子をその格子溝の方向と直交する方向に移動させ、
   前記第２回折格子の移動量に応じて変化した前記波長毎の干渉強度信号に基づいて前記干渉光における波長毎の干渉強度信号の位相を算出し、
   算出した前記波長毎の干渉強度信号の位相に基づいて前記被検面の高さを測定する、表面形状測定方法。
7. 前記被検面に照射される前記測定光は、第１円筒レンズにより第１方向と平行な直線状の第１集光スポットに集光されて前記被検面に照射され、
   前記干渉光は、前記第１方向と平行な格子溝を有する第３回折格子で回折した後に、第２円筒レンズにより前記第１方向と平行な直線状の第２集光スポットに集光されて前記検出部に入射する、請求項５又は６に記載の表面形状測定方法。
8. 前記第１方向は、前記第１集光スポットの長手方向である、
   請求項７に記載の表面形状測定方法。

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