JP2014055920A - 共焦点計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い計測精度を達成可能な共焦点計測装置を提供する。
【解決手段】共焦点計測装置１０１は、複数の波長の光を出射する光源２１と、光源２１からの光に色収差を発生させる回折レンズ１と、色収差を生じさせた光を計測対象物２００に集光する対物レンズ２と、合焦する光を通過させるピンホール（光ファイバ１１）と、光の強度を波長ごとに測定する測定部（分光器２３および撮像素子２４）とを備える。回折レンズ１は、色収差を発生させるための回折パターンが形成された回折面１ａと、回折面１ａの反対側に位置する平面１ｂとを有する。回折レンズ１の平面１ｂには、回折レンズ１の光軸Ｘを中心とした円形の遮光膜４が配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点計測装置に関する。

非接触で計測対象物の変位を計測する計測装置のうち、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点計測装置が、たとえば米国特許第５７８５６５１号明細書（特許文献１）に開示されている。

特許文献１に開示された共焦点計測装置は、回折レンズを用いて、光源から出射する光に、光軸に沿って色収差を生じさせている。特許文献１に開示されている共焦点計測装置は、光源からコリメートレンズまでの光路、およびコリメートレンズから分光器までの光路に光ファイバを用いている。

米国特許第５７８５６５１号明細書

変位を計測する装置は、たとえば製品の検査などに用いられる。製品に応じて形状、素材などが異なり得る。それらの要因に依存することなく高い計測性能を発揮することが変位計測装置に要求される。

本発明の目的は、高い計測精度を達成可能な共焦点計測装置を提供することである。

本発明の一局面に従う共焦点計測装置は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点計測装置であって、複数の波長の光を出射する光源と、色収差を発生させるための回折パターンが形成された回折面と、回折面の反対側に位置する平面とを有し、光源から出射する光に光軸方向に沿って色収差を発生させる回折レンズと、回折レンズより計測対象物側に配置され、回折レンズで色収差を生じさせた光を計測対象物に集光する対物レンズと、対物レンズで集光した光のうち、計測対象物において合焦する光を通過させるピンホールと、ピンホールを通過した光の強度を波長ごとに測定する測定部とを備える。回折レンズは、回折レンズの光軸を中心とする軸対称形状の減光部を有する。上記構成において「減光」とは、光を弱めるという意味だけでなく、光を遮断する（遮光）という意味も含む。

好ましくは、減光部は、回折レンズの平面に形成された遮光膜を含む。
好ましくは、減光部が形成された回折レンズの平面は、ピンホールに向けられる。回折レンズの回折面は、対物レンズに向けられる。

好ましくは、減光部は、回折レンズの平面に固定された塗料からなる。
好ましくは、減光部は、回折レンズの平面に固定された金属膜からなる。

好ましくは、回折面には、回折パターンが環状に設けられる。減光部は、回折パターンによって囲まれた、回折面の中央に配置された平面である。

好ましくは、減光部の面積は、回折レンズの有効面積の１０％から５０％までの範囲内にある。

本発明によれば、共焦点計測装置の計測精度を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置１０１で計測した計測対象物の変位のスペクトル波形の一例を示す図である。 図１に示した遮光膜４の形状の一例を示した平面視図である。 回折レンズ１の特性を説明するための図である。 回折レンズにおいて生じる球面収差を説明するためのグラフである。 回折レンズと対物レンズとを組合わせた構成において生じる収差の一例を示した図である。 レンズの中央部を遮光しない構成の変位計測での問題点を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る構成での変位の計測を説明するための図である。 回折レンズの中央部の遮蔽（中央遮蔽）による、計測精度の向上を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置の別の構成を示す模式図である。 回折レンズ１の平面１ｂが対物レンズ２に向けられた場合と、平面１ｂがピンホール（光ファイバ１１）に向けられた場合とを対比して説明した図である。 本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置のさらに別の構成を示す模式図である。 図１２に示された回折レンズ１の回折面を模式的に示した図である。 図１２に示された回折レンズ１の模式的な断面図である。 本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置１０２によって計測される計測対象物２００の一例を示した図である。 図１６に示した透明体層を計測した場合の受光波形を示した波形図である。 図１７に示した透明体層２００ｂの厚みを計測する方法を説明するための図である。 本来の高さと、計測された高さとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置が実行する計測処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置の他の構成例を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

また、この実施の形態では、特に区別しない限り、「減光」との用語は、光を弱めるという意味だけでなく、光を遮断する（遮光）という意味も含む。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置の構成を示す模式図である。図１に示す共焦点計測装置１０１は、共焦点光学系を利用して計測対象物２００の変位を計測する計測装置である。計測対象物２００は、特に限定されるものではない。言い換えると、共焦点計測装置１０１の用途は特定の用途に限定されるものではない。

共焦点計測装置１０１は、ヘッド部１０と、光ファイバ１１と、コントローラ部２０と、モニタ部３０とを備えている。ヘッド部１０は、共焦点の光学系を有する。ヘッド部１０とコントローラ部２０とは、光ファイバ１１によって光学的に接続される。モニタ部３０は、コントローラ部２０から出力される信号を表示する。

ヘッド部１０は、回折レンズ１と、対物レンズ２と、集光レンズ３とを備えている。対物レンズ２は、回折レンズ１よりも計測対象物２００側に配置される。回折レンズ１の焦点距離は、回折レンズ１から対物レンズ２までの距離と、対物レンズ２の焦点距離との差より大きくしてある。

回折レンズ１は、後述する複数の波長の光を出射する光源（たとえば、白色光源）から出射する光に、光軸の方向に沿って色収差を生じさせる光学素子である。光軸Ｘは、回折レンズ１の光軸を示す。なお、回折レンズ１の光軸Ｘは、光ファイバ１１から出射される光の光軸および対物レンズ２の光軸に一致する。

回折レンズ１の一方の表面には、たとえばキノフォーム形状あるいはバイナリ形状（ステップ形状、階段形状）などの微細な起伏形状が周期的に形成される、あるいは、光の透過率を周期的に変更する振幅型のゾーンプレートが形成される。この表面を回折レンズ１の回折面１ａと呼ぶ。この実施の形態では、回折レンズ１の回折面１ａは、対物レンズ２に向けられている。

一方、回折面１ａと反対側の回折レンズ１の表面は平面である。この平面を平面１ｂと呼ぶ。回折レンズ１の光軸Ｘ（中心光軸）が通る平面１ｂの中央部には、遮光膜４が形成される。

遮光膜４は、光ファイバ１１から出射されて平面１ｂの中央部に到達した光を遮断する。光ファイバ１１から出射された光は、平面１ｂにおける遮光膜４の周囲の領域（この領域を外周部と呼ぶ）を通過し、回折レンズ１の回折面１ａによって色収差を生じさせる。

回折レンズ１は、たとえば、ガラスまたは樹脂などの単一材料の基板に、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンを形成した構成を有していてもよい。代わりに、回折レンズ１は、たとえばガラス基板層および樹脂層で構成されてもよい。樹脂層は、ガラス基板に紫外線硬化樹脂を塗布し、所望のパターンの型を、紫外線硬化樹脂を塗布したガラス基板の面に押し付け、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化することで形成することができる。この方法によれば、製造コストが安価になる。さらに、環境温度による形状の変化が小さいガラス基板が構成の大部分を占めるため、温度特性がよいという利点も有する。

対物レンズ２は、回折レンズ１で色収差を生じさせた光を計測対象物２００に集光する光学素子である。また、対物レンズ２は、計測対象物２００からの反射光を平行光へとコリメートする。コリメートされた光は回折レンズ１に入射される。

光ファイバ１１から出射された光のうち、回折レンズ１の中央部に達した光は遮光膜４によって、回折レンズ１を通過できない。したがって、回折レンズ２の外周部および対物レンズ２の外周部を通る光が計測対象物２００に到達する。計測対象物２００からの反射光は、回折レンズ１の外周部および対物レンズ２の外周部を通り、光ファイバ１１に入射する。遮光膜４は、回折レンズの中央部を通って光ファイバ１１（ピンホール）に入射する光の光量を減らす（この実施の形態では、光量を実質的に０にする）減光部に相当する。

白色光源から出射する光は、光ファイバ１１を介してヘッド部１０に導かれている。光ファイバ１１から出射する光を、回折レンズ１で有効に利用するには、光ファイバ１１の開口数（ＮＡ：numerical aperture）と回折レンズ１の開口数とを一致させる必要がある。そのため、光ファイバ１１と回折レンズ１との間に集光レンズ３を設けて、光ファイバ１１の開口数と回折レンズ１の開口数とが一致するように調整している。

光ファイバ１１は、ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路であるとともに、ピンホールとしても機能している。つまり、対物レンズ２で集光した光のうち、計測対象物２００で合焦する光は、光ファイバ１１の開口部で合焦することになる。そのため、光ファイバ１１は、計測対象物２００で合焦しない波長の光を遮光し、計測対象物２００で合焦する光を通過させるピンホールとして機能することになる。ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路に光ファイバ１１を用いることで、ピンホールが不要となる。

共焦点計測装置１０１は、ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路に光ファイバ１１を用いない構成を有していても良い。ただし当該光路に光ファイバ１１を用いることで、ヘッド部１０をコントローラ部２０に対してフレキシブルに移動させることが可能になる。また、ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路に光ファイバ１１を用いない構成の場合、共焦点計測装置１０１にピンホールを備える必要がある。しかし、光ファイバ１１を用いることにより、共焦点計測装置１０１は、ピンホールを備える必要がない。

コントローラ部２０は、白色光源である白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）２１と、分岐光ファイバ２２と、分光器２３と、撮像素子２４と、制御回路部２５とを備えている。白色光源として白色ＬＥＤ２１を用いているが、白色光を出射することができる光源であれば他の光源であってもよい。

分岐光ファイバ２２は、光ファイバ１１と接続する側に一本の光ファイバ２２ａを有するとともに、その反対側に二本の光ファイバ２２ｂ、２２ｃを有している。なお、光ファイバ２２ｂは白色ＬＥＤ２１に光学的に接続され、光ファイバ２２ｃは分光器２３に光学的に接続される。そのため、分岐光ファイバ２２は、白色ＬＥＤ２１から出射する光を光ファイバ１１に導くとともに、光ファイバ１１を介してヘッド部１０から戻る光を分光器２３に導くことができる。

分光器２３は、ヘッド部１０から戻る光を反射する凹面ミラー２３ａと、凹面ミラー２３ａで反射した光が入射する回折格子２３ｂと、回折格子２３ｂから出射する光を集光する集光レンズ２３ｃとを有している。分光器２３は、ヘッド部１０から戻る光の撮像素子２４における合焦位置を波長によって変えることができればよく、ツェルニターナ型、リトロー型などのいずれの構成であってもよい。

撮像素子２４は、分光器２３から出射する光の強度を測定する。撮像素子２４は、たとえばラインＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）あるいはラインＣＣＤ（Charge Coupled Device）である。共焦点計測装置１０１では、分光器２３および撮像素子２４によって、ヘッド部１０から戻る光の強度を波長ごとに測定し、強度のピーク値等から合焦している光の波長を特定する測定部を構成している。合焦する光の波長と計測対象物２００の変位との関係を予め得ておくことで、計測対象物２００の変位を計測することができる。なお、測定部は、ヘッド部１０から戻る光の強度を波長ごとに測定することができれば、ＣＣＤなどの撮像素子２４の単体で構成してもよい。また、撮像素子２４は、２次元のＣＭＯＳあるいは２次元のＣＣＤであってもよい。

制御回路部２５は、白色ＬＥＤ２１あるいは撮像素子２４などの動作を制御する回路である。また、図示していないが、制御回路部２５には、白色ＬＥＤ２１および撮像素子２４などの動作を調整するための信号を入力するための入力インターフェース、および撮像素子２４の信号を出力するための出力インターフェースなどを有している。

モニタ部３０は、撮像素子２４が出力した信号を表示する。たとえば、モニタ部３０は、ヘッド部１０から戻る光のスペクトル波形を描画し、計測対象物の変位がたとえば１２３．４５μｍであることを表示する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置１０１で計測した計測対象物の変位のスペクトル波形の一例を示す図である。図２に示すスペクトル波形では、横軸が光の波長に対応するワーク高さ（計測対象物２００からヘッド部１０の先端までの高さをゼロに設定）（ｍｍ）、縦軸が光の強度（規格化した値）である。スペクトル波形は、複数のスペクトルのピークが図示されており、ワーク高さが負側（光の波長が短い側）にあるスペクトルの半値幅と、ワーク高さが正側（光の波長が長い側）にあるスペクトルの半値幅とが略等しい。したがって、共焦点計測装置１０１は、ワーク高さ（光の波長）が変化してもスペクトルの半値幅が変化しにくくなるので、光の波長による、計測対象物２００の変位を計測する精度の変動を抑えている。

図３は、図１に示した遮光膜４の形状の一例を示した平面視図である。図３を参照して、回折レンズ１の平面１ｂの中央部において、遮光膜４により遮光領域が形成される。遮光領域は軸対称な形状であり、より特定的には円形である。この円の中心は光軸Ｘに一致する。

図３において、破線にて囲まれた領域Ｓの面積は、回折レンズ１の有効面積を表す。ここで領域Ｓは、回折パターンが形成された領域ではなく、計測に有効な光が通過する領域を示している。遮光領域の面積は、受光量、すなわち計測対象物２００からヘッド部１０を経てコントローラ部２０に戻る光の量と良好な角度特性とが確保できるように定められる。この実施の形態では、回折レンズ１の有効面積に対する遮光領域の面積の割合は、１０％〜５０％の範囲、好ましくは２０〜４０％の範囲、より好ましくは３０％となるように定められる。この明細書において「角度特性」とは、計測対象物２００の角度のついた部分（傾斜部分）の変位を精度よく計測できるという特性を意味する。

図１および図３から理解されるように、遮光膜４により回折レンズ１の平面１ｂに形成される遮光領域は、光軸Ｘに対して軸対称な形状を有する。遮光領域を軸対称な形状とすることにより、光軸Ｘに対して軸対称な角度特性を得ることができる。

回折レンズ１の表面（平面１ｂ）に遮光膜４を形成することによって、遮光のための構成部材の追加が不要となる。遮光膜４の材質は特に限定されるものではなく、回折レンズ１の表面上に固定可能な膜であればよい。回折レンズ１の回折面と反対側の面が平面であるので、その平面に遮光膜を容易に形成することができる。遮光膜を形成するための方法は、その遮光膜の材料に応じて決定される。

１つの実施形態では、たとえば印刷技術を用いて、回折レンズ１の平面１ｂの中央部に黒色の塗料が塗布される。この方法により、遮光膜４を容易に形成することができる。黒色の塗料を用いることによって、遮光領域に入射した光の反射を抑えることもできる。

別の実施形態では、遮光膜４として金属膜が用いられる。金属膜は、Ｃｒ（クロム）膜、酸化Ｃｒ膜、Ａｌ（アルミニウム）膜などを含み得るがこれらに限定されない。金属膜を回折レンズ１の平面１ｂに固定するために、蒸着、スパッタリングなど公知の方法を用いることができる。金属膜を遮光膜４として採用することにより、遮光膜４の安定性を高めることができる。たとえば回折レンズ１の平面１ｂから遮光膜４を剥がれにくくすることができる。

さらに、遮光膜４は、単層の膜でもよく、多層膜であってもよい。遮光膜４を多層膜によって実現する場合、その多層膜の構成、素材などは特に限定されない。

上記のように、図１に示された構成では、光源から出射される光に軸上色収差を生じさせるために回折レンズ１が用いられる。したがって、この実施の形態に係る構成によれば、屈折レンズを用いる場合に比較して、レンズの枚数を大幅に減らすことができる。これにより、小型、軽量および堅牢なヘッド部を実現することができる。

しかしながら、回折レンズは、設計波長では球面収差が生じないものの、設計波長以外の波長では、球面収差が生じるという特性を有している。

図４は、回折レンズ１の特性を説明するための図である。図４を参照して、回折レンズ１の設計波長をλ₀とし、波長λ₀の光に対する回折レンズ１の焦点距離をｆ₀とする。さらに、回折レンズ１を通過する光線Ｌの、回折レンズ１の光軸Ｘからの距離をｒとする。回折レンズ１を通過する光線Ｌの回折角をθとすると、以下の式（１）が成立する。

回折レンズ１の回折パターンのピッチをｄ（ｒ）とする。一次回折光の回折角θとパターンピッチｄ（ｒ）との関係は以下の一般的な回折の式（２）に従って表される。

したがってパターンピッチｄ（ｒ）は、次の式（３）のように表される。

以上のように、回折レンズ１の回折パターンは、ある特定の波長λ₀に従って設計される。したがって、その波長と異なる波長の光が回折レンズ１に入射した場合には、球面収差が発生する。

図５は、回折レンズにおいて生じる球面収差を説明するためのグラフである。図５を参照して、設計波長λ₀に従ってピッチｄ（ｒ）が設計されているため、波長λ₀では、位置（ｒ）によらず、収差が０である。ここで、波長λ₀を含むある波長範囲での最小波長および最大波長をそれぞれ、λ_minおよびλ_maxとする。たとえばこの波長範囲は、白色光源から発せられる光の波長範囲に相当する。波長λ_minの光を回折レンズ１に入射した場合、あるいは波長λ_maxの光を回折レンズ１に入射した場合には、球面収差が発生する。

回折レンズで発生した球面収差は、対物レンズ２によって、ある程度低減することができる。しかし、球面収差を完全になくすことは困難である。したがって、設計波長と異なる波長の光が回折レンズ１を通過する場合、回折レンズ１の光軸Ｘに対して相対的に近い部分を通過する光と、光軸Ｘに対して相対的に遠い部分を通過する光とでは、焦点距離が異なることになる。

図６は、回折レンズと対物レンズとを組合わせた構成において生じる収差の一例を示した図である。図６を参照して、回折レンズ１および対物レンズ２の光軸Ｘに相対的に近い領域（位置ｒが０に近づく）と遠い領域とでは球面収差が大きく異なるため、結果的に、回折レンズ１と対物レンズ２の光軸付近と外周付近とでは焦点距離が大きく異ることになる。これに対して回折レンズ１の光軸Ｘに相対的に近い領域もしくは遠い領域だけを見ると、位置ｒに対する球面収差の変化量が小さくなり、結果的に、焦点距離は位置ｒに対して概ね一定になる。

このように、焦点距離が異なる領域がある状態では、計測対象物からの反射光の分布の影響を受けて角度特性が低下するという課題が生じうる。よって、回折レンズ１もしくは対物レンズ２の中央部を遮光し、焦点距離が概ね一定な外周付近の領域を通過する光線のみを用いて変位計測を行なう。これにより、角度特性の低下を低減することができる。この理由を以下に詳述する。なお、以下では「回折レンズおよび対物レンズ」をまとめて「レンズ」と呼ぶ。

図７は、レンズの中央部を遮光しない構成の変位計測での問題点を説明するための図である。図７（ａ）は、計測対象物２００の平坦部の変位を計測する場合の光線の軌跡を説明するための図である。図７（ｂ）は、計測対象物２００の傾斜部の変位を計測する場合の光線の軌跡を説明するための図である。図７（ａ），図７（ｂ）を参照して、計測対象物２００の平坦部の変位を計測する場合には、レンズの全体（中央部および外周部）から計測対象物２００に光が投射されて、レンズの全体で反射光を受光する。

これに対して、計測対象物２００の傾斜部の変位を計測する場合には、レンズの全体から計測対象物２００に光が投射されるが、計測対象物２００に投射された光線の一部（図７（ｂ）において、破線で示す光線Ｌ１）は、計測対象物２００の傾斜部での反射により、対物レンズ２に戻ることができない。したがって、実線で示される光線Ｌ２のようにレンズの外周部を通るのみで反射光を受光することになる。

このように、計測対象物２００の平坦部の変位を計測する場合と、計測対象物２００の傾斜部の変位を計測する場合とでは、レンズの受光範囲が異なる。

図５に示されるように、位置ｒとして取りうる値の範囲が広くなると、収差の変化量が大きくなる。収差の変化量が大きくなるということは、焦点距離の変動量が大きいことを意味する。すなわち、光がレンズを通過する位置によって計測対象物２００の表面で合焦する光の波長が異なることとなる。そのため、計測対象物２００の平坦部と傾斜部のようにレンズの受光範囲が異なる条件で計測を行なうと、傾斜部の変位の計測値が本来の変位とは異なってしまい、計測対象物２００の各部位における変位の計測精度を高めることができない。

一方、図８は、本発明の実施の形態１に係る構成での変位の計測を説明するための図である。図８（ａ）は、計測対象物２００の平坦部の変位を計測する場合の光線の軌跡を説明するための図である。図８（ｂ）は、計測対象物２００の傾斜部の変位を計測する場合の光線の軌跡を説明するための図である。図８（ａ），図８（ｂ）を参照して、この実施の形態では、遮光膜４によって、計測対象物２００の平坦部の変位を計測する場合および計測対象物２００の傾斜部の変位を計測する場合のいずれの場合にも、計測対象物２００からの反射光は、レンズの外周部を通る。図５に示すように、レンズの外周部では、光軸Ｘからの位置ｒによらず、収差はほぼ均一である。したがってこの実施の形態によれば、計測対象物２００の平坦部の変位を計測する場合と計測対象物２００の傾斜部の変位を計測する場合のいずれにおいても正確な計測を実現できる。

図９は、回折レンズの中央部の遮蔽（中央遮蔽）による、計測精度の向上を説明するための図である。図９（ａ）を参照して、中央遮蔽が無い場合（図７の構成に対応）、計測対象物の平坦部では実際の形状と計測結果との差に大きな違いが生じない。しかし計測対象物の傾斜部では、実際の形状と計測結果との間の乖離が大きくなる。

上述のように、計測対象物の平坦部で反射した光はレンズ全体で受光されるのに対して、計測対象物の傾斜部では、レンズの外周部のみで受光される。収差の影響により、レンズ外周部の焦点距離は短いため、より短い波長の光が計測対象物表面で焦点を結ぶ。

光の波長が長いほど、計測結果が実際の高さよりも高くなりやすい。逆に、光の波長が短いほど、計測結果が実際の高さよりも低くなりやすい。したがって計測対象物の傾斜部では、計測された高さが本来の高さより小さくなる。

一方、図９（ｂ）を参照して、中央遮蔽がある場合には、計測対象物の平坦部からの反射光および計測対象物の傾斜部からの反射光は、いずれもレンズの外周部を通る。したがって、収差の変動を小さくすることができる。この結果、計測対象物の平坦部および傾斜部の両方において、計測された高さは、実際の高さによく一致する。

なお、上記の構成によれば、回折レンズ１の回折面１ａが対物レンズ２に向けられるとともに、回折レンズ１の平面１ｂがピンホール（光ファイバ１１）に向けられる。しかしながら回折レンズ１の向きはこのように限定されるものではない。

図１０は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置の別の構成を示す模式図である。図１０を参照して、共焦点計測装置１０１Ａでは、回折レンズ１の回折面１ａがピンホール（光ファイバ１１）に向けられるとともに回折レンズ１の平面１ｂが対物レンズ２に向けられる。図１に示した共焦点計測装置１０１と比較して、共焦点計測装置１０１Ａでは、回折レンズ１の向きが逆になっている。図１０に示された共焦点計測装置１０１Ａは、図１に示す共焦点計測装置１０１と同様に角度特性を高めることができる。

図１に示す共焦点計測装置１０１は、回折レンズ１の平面１ｂがピンホール（光ファイバ１１）に向けられていることにより、次に説明する効果を得ることができる。

図１１は、回折レンズ１の平面１ｂが対物レンズ２に向けられた場合と、平面１ｂがピンホール（光ファイバ１１）に向けられた場合とを対比して説明した図である。図１１（ａ）を参照して、回折レンズ１の平面１ｂが対物レンズ２に向けられた場合には、光ファイバ１１から出た光のうちの一部の光線が回折レンズ１内で平行光となり、遮光膜４の裏側の面で反射して光ファイバ１１に入射される。

たとえば反射率の低い計測対象物２００の変位を計測する場合、光ファイバ１１に入射される反射光の強度が小さいため、撮像素子２４での撮像時間（露光時間）を長くしなければならない。一方、遮光膜４の裏側の面で反射して光ファイバ１１に入射される光の強度が大きいために、撮像時間を長くすると撮像素子の出力が飽和する可能性がある。撮像素子の出力の飽和を避けるために、撮像時間を短くすることが考えられるが、精度の高い変位の計測を確保することが困難となる。

一方、図１１（ｂ）に示すようにピンホール（光ファイバ１１）側に遮光膜４を設けることで、遮光膜４で反射した光は広がりながら進む。このため、反射光が光ファイバに結合しにくくなる。これにより、上記の問題を回避することができる。したがって、精度の高い計測を確保することができる。

図１２は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置のさらに別の構成を示す模式図である。図１２を参照して、共焦点計測装置１０１Ｂは、回折レンズ１の回折面１ａの形状の点で、共焦点計測装置１０１と異なる。

図１３は、図１２に示された回折レンズ１の回折面を模式的に示した図である。図１４は、図１２に示された回折レンズ１の模式的な断面図である。図１３および図１４を参照して、回折面１ａの中央部１ｃは平面に形成されており、回折パターンは形成されていない。したがって、回折面１ａにおいて、回折パターンは、中央部１ｃを除く環状領域１ｄに形成される。

回折面１ａの中央部１ｃを平面に形成することにより、中央部１ｃを光の回折に寄与しない領域とすることができる。したがって中央部１ｃは遮光膜４と同様の機能を有する。すなわち中央部１ｃは、ピンホールに戻る反射光を減衰させるための減光部に相当する。上記の遮光領域の面積と同一の観点で中央部１ｃの面積が定められる。したがって中央部１ｃの面積は、回折レンズ１の有効面積に対して、１０％〜５０％の範囲、好ましくは２０〜４０％の範囲、より好ましくは３０％となるように定められる。

なお、図１２〜図１４に示した回折レンズ１の平面１ｂの中央部（回折面１ａの中央部１ｃの反対側に位置する領域）に遮光膜４を形成してもよい。この場合、遮光膜４で反射した光がピンホールに戻ることをできるだけ避けるために、回折レンズ１の回折面１ａを対物レンズ２に向ける（すなわち遮光膜４がピンホールに向けられる）ことが望ましい。

さらに、上記の実施の形態では、回折レンズ１の平面１ｂの中央部に遮光膜４が配置される。しかしながら、遮光膜４を、光の強度を弱めるための減光膜に置き換えることもできる。この構成の場合、減光膜の透過率は特に限定されるものではない。

上記のように実施の形態１によれば、回折レンズ１は、回折レンズ１の光軸Ｘ周囲の中央部からピンホールに戻る光を減光するための遮光領域（または減光領域）を含む。これにより共焦点計測装置の角度特性を高めることができるので、変位の計測精度を高めることができる。

［実施の形態２］
実施の形態１によれば、回折レンズ１の構造上の特徴により、変位の計測精度を高めることができる。本発明の実施の形態２では、撮像素子から出力される受光信号の処理によって、変位の計測精度を高めることができる。

図１５は、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置の構成を示す模式図である。
図１６は、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置１０２によって計測される計測対象物２００の一例を示した図である。図１６を参照して、計測対象物２００は、下地層２００ａと、透明体層２００ｂとを有する。透明体層２００ｂは、下地層２００ａの表面に配置される。透明体層２００ｂの表側の面（上部の面）の反射率は、下地層２００ａの表面の反射率に比べて小さい。さらに、透明体層２００ｂの厚みｔ_bは受光波形の半値幅に比べて小さい。たとえば下地層２００ａは、シリコンウェハであり、透明体層２００ｂは、そのシリコンウェハの表面に固定されたフォトレジストである。

図１７は、図１６に示した透明体層を計測した場合の受光波形を示した波形図である。図１７を参照して、下地層２００ａ（シリコンウェハ）の表面からの反射光の光量が、透明体層２００ｂ（フォトレジスト）の上部の面からの反射光の光量に比べてはるかに大きい。また上述の通り、透明体層２００ｂの厚みｔ_bは受光波形の半値幅に比べて小さい。このため透明体層２００ｂからの反射光の受光波形は、下地層２００ａの表面からの反射光の受光波形に埋もれてしまう。

図１８は、図１７に示した透明体層２００ｂの厚みを計測する方法を説明するための図である。図１８を参照して、対物レンズ２（図示せず）からの光ＬＢが走査されて、透明体層２００ｂに入射する。透明体層２００ｂは、厚みｔ_bおよび屈折率ｎを有する。

下地層２００ａ（シリコンウェハ）の高さを計測した状態では光ＬＢは空気中を通る。一方、透明体層２００ｂを透過して下地層２００ａを計測すると、透明体層部分での光の屈折により透明体層部分が本来の厚みｔ_bの１／ｎ倍の厚みを有するように見える。つまり、下地層２００ａの表面に対して下地層２００ａの高さは、以下の式の高さの分、高く見える。

ｔ_b−ｔ_b／ｎ＝（１−１／ｎ）ｔ_b
光ＬＢを走査した場合、上記の（１−１／ｎ）ｔ_bという高さが計測される。したがって、計測された高さをｈとすると、厚みｔ_bは、以下の式に従って算出される。

ｔ_b＝ｈ×ｎ／（ｎ−１）
図１９は、本来の高さと、計測された高さとの関係を示す図である。屈折率ｎが１より大きいため、本来の高さ（厚みｔ_b）は、計測値ｈよりも大きくなる。

透明体層２００ｂの屈折率ｎは予め求められる。計測された高さｈから、上記の式に従って、厚みｔ_bが求められる。

図２０は、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置が実行する計測処理を説明するためのフローチャートである。図２０を参照して、処理が開始されると、ステップＳ１において、光が走査される。図１５等には図示されていないが、たとえば計測対象物２００が載置されたステージが移動することで、ヘッド部１０から出射される光が相対的に走査される。

ステップＳ２において、透明体層２００ｂの高さｈが計測される。実施の形態１と同様に、ヘッド部１０から戻る光が撮像素子２４で受光される。制御回路部２５は、撮像素子２４が出力した信号のスペクトル波形のピーク波長を解析する。制御回路部２５は、そのピーク波長から高さｈを決定する。

ステップＳ３において、制御回路部２５は、透明体層２００ｂの厚みｔ_bを算出する。具体的には、制御回路部２５は、ｔ_b＝ｈ×ｎ／（ｎ−１）との式に従って、ステップＳ２において決定された高さｈから厚みｔ_bを算出する。なお、屈折率ｎは、透明体層２００ｂの種類と関連付けられて制御回路部２５の内部に予め記憶される。たとえば、計測の際に、使用者が制御回路部２５に対して透明体層２００ｂの種類を指定する。これにより、制御回路部２５は、屈折率ｎを自動的に決定する。

ステップＳ４において、制御回路部２５は、算出された厚みｔ_bを出力する。たとえば制御回路部２５は、モニタ部３０に厚みｔ_bの値を出力する。モニタ部３０は厚みｔ_bの値を表示する。

なお、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置の構成は図１５に示されるように限定されるものではない。図２１は、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置の他の構成例を示した図である。図２１を参照して、共焦点計測装置３００は、センサヘッド３１５と、当該センサヘッド３１５を制御するコントローラ３２０とを備える。

センサヘッド３１５は、レーザダイオード３０１と、フォトダイオード３０２と、ビームスプリッタ３０３と、ピンホール３０７ａが形成された絞り板３０７と、コリメートレンズ３０９と、音叉状の振動子３０８と、振動子３０８のアームに取り付けられた対物レンズ３１０と、振動子３０８を振動させるための駆動部３１１と、振動子３０８のアームの位置を検出するための位置検出部３１２とを備える。

レーザダイオード３０１はコントローラ３２０から電流が供給されることによって一定の強度の光を発生させる。レーザダイオード３０１から発せられた光はビームスプリッタ３０３を透過してコリメートレンズ３０９に入射する。レーザダイオード３０１からの光はコリメートレンズ３０９によってコリメートされて対物レンズ３１０に入射する。対物レンズ３１０は、コリメートレンズ３０９からの光を計測対象物２００の表面に集光させる。

対物レンズ３１０は、振動子３０８のアームに支持される。振動子３０８の近傍には、振動子３０８のアームを振動するための駆動部３１１が設けられる。対物レンズ３１０は、振動子３０８のアームの振動により、計測対象物２００に接近する方向および遠ざかる方向に移動する。位置検出部３１２は、光軸Ｘの方向に沿った対物レンズ３１０の位置を検出する。

レーザダイオード３０１から計測対象物２００へ向けて照射された光は、当該計測対象物２００によって反射される。計測対象物２００からの反射光は、対物レンズ３１０、コリメートレンズ３０９、およびビームスプリッタ３０３を介してフォトダイオード３０２に導かれる。ビームスプリッタ３０３によってフォトダイオード３０２に導かれた反射光は、絞り板３０７のピンホール３０７ａを通過してフォトダイオード３０２に入射する。

コントローラ３２０は、駆動部３１１に信号を送り、駆動部３１１の動作を制御する。さらにコントローラ３２０は、位置検出部３１２からの信号およびフォトダイオード３０２からの受光信号に基づいて、対物レンズ３１０の変位量と受光信号の強度とを対応付ける。これにより、コントローラ３２０は、受光信号の強度がピークに達したときの対物レンズ３１０の変位量を検出する。この変位量に基づいて、コントローラ３２０は、計測対象物２００の表面の変位を計測する。

上記の構成を有する共焦点計測装置において、コントローラ３２０が、図２０に示す計測処理を実行することができる。したがって、下地層の上に設けられた透明体層の厚みを計測することができる。

図１５および図２１では、共焦点方式の変位計測装置を示した。しかしながら、本発明の実施の形態２に係る計測処理は、いわゆる三角測距方式の変位計測装置によっても実行可能である。

本発明の実施の形態２を総括すると、以下のとおりである。本発明の実施の形態２に係る計測装置は、光を発する光源（２１，３０２）と、光源（２１，３０２）から計測対象物（２００）に照射される光を集めるための対物レンズ（２，３１０）と、計測対象物（２００）からの反射光を受光する受光素子（２４，３０２）と、受光素子（２４，３０２）から出力される受光信号に基づいて、計測対象物（２００）の変位を算出する演算部（２５，３２０）とを備える。計測対象物（２００）は、下地層（２００ａ）と、下地層（２００ａ）の上に配置された透明体層（２００ｂ）とを含む。演算部（２５，３２０）は、受光素子（２４，３０２）から出力される受光信号に基づいて、透明体層（２００ｂ）の高さ（ｈ）を計測する。演算部（２５，３２０）は、計測された高さ（ｈ）と、透明体層（２００ｂ）の屈折率（ｎ）とに基づいて、透明体層（２００ｂ）の厚み（ｔ_b）を算出する。言い換えると、演算部（２５，３２０）は、透明体層（２００ｂ）の屈折率（ｎ）を用いて計測された高さ（ｈ）を補正して、透明体層（２００ｂ）の厚み（ｔ_b）を決定する。上記のとおり、計測装置による変位の計測方式は、共焦点方式、三角測距方式を含むが、これらに限定されない。

好ましくは、計測装置は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点計測装置である。計測装置は、対物レンズ（２，３１０）で集光した光のうち、計測対象物（２００）において合焦する光を通過させるピンホール（１１，３０７）を備える。

さらに好ましくは、光源（２１）が、複数の波長の光を出射する光源である。計測装置は、光源（２１）から出射する光に、光軸（Ｘ）方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズ（１）を備える。

また、本発明の実施の形態２に係る変位計測方法は、計測対象物の変位を計測する計測装置用いた変位計測方法である。計測対象物（２００）は、下地層（２００ａ）と、下地層（２００ａ）の上に配置された透明体層（２００ｂ）とを含む。計測装置は、光を発する光源（２１，３０２）と、光源（２１，３０２）から計測対象物（２００）に照射される光を集めるための対物レンズ（２，３１０）と、計測対象物（２００）からの反射光を受光する受光素子（２４，３０２）と、受光素子（２４，３０２）から出力される受光信号に基づいて、計測対象物（２００）の変位を算出する演算部（２５，３２０）とを備える。

計測方法は、光源（２１，３０２）から計測対象物（２００）に照射される光を計測対象物（２００）の表面に沿って走査するステップ（Ｓ１）と、受光素子（２４，３０２）から出力される受光信号に基づいて、透明体層（２００ｂ）の高さ（ｈ）を計測するステップ（Ｓ２）と、計測された高さ（ｈ）と、透明体層（２００ｂ）の屈折率（ｎ）とに基づいて、透明体層（２００ｂ）の厚み（ｔ_b）を算出するステップ（Ｓ３）とを備える。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 回折レンズ、１ａ 回折面、１ｂ 平面、１ｃ 中央部、１ｄ 環状領域、２ 対物レンズ、３ 集光レンズ、４ 遮光膜、１０ ヘッド部、１１，２２ａ〜２２ｃ 光ファイバ、２０ コントローラ部、２１ 白色ＬＥＤ、２２ 分岐光ファイバ、２３ 分光器、２３ａ 凹面ミラー、２３ｂ 回折格子、２３ｃ 集光レンズ、２４ 撮像素子、２５ 制御回路部、３０ モニタ部、１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２，３００ 共焦点計測装置、２００ 計測対象物、２００ａ 下地層、２００ｂ 透明体層、３０１ レーザダイオード、３０２ フォトダイオード、３０３ ビームスプリッタ、３０７ 絞り板、３０７ａ ピンホール、３０８ 振動子、３０９ コリメートレンズ、３１０ 対物レンズ、３１１ 駆動部、３１２ 位置検出部、３１５ センサヘッド、３２０ コントローラ、Ｓ 領域、Ｘ 光軸。

Claims (7)

1. 共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点計測装置であって、
   複数の波長の光を出射する光源と、
   色収差を発生させるための回折パターンが形成された回折面と、前記回折面の反対側に位置する平面とを有し、前記光源から出射する光に光軸方向に沿って色収差を発生させる回折レンズと、
   前記回折レンズより前記計測対象物側に配置され、前記回折レンズで色収差を生じさせた光を前記計測対象物に集光する対物レンズと、
   前記対物レンズで集光した光のうち、前記計測対象物において合焦する光を通過させるピンホールと、
   前記ピンホールを通過した光の強度を波長ごとに測定する測定部とを備え、
   前記回折レンズは、前記回折レンズの光軸を中心とする軸対称形状の減光部を有する、共焦点計測装置。
2. 前記減光部は、前記回折レンズの前記平面に形成された遮光膜を含む、請求項１に記載の共焦点計測装置。
3. 前記減光部が形成された前記回折レンズの前記平面は、前記ピンホールに向けられ、
   前記回折レンズの前記回折面は、前記対物レンズに向けられる、請求項１に記載の共焦点計測装置。
4. 前記減光部は、前記回折レンズの前記平面に固定された塗料からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の共焦点計測装置。
5. 前記減光部は、前記回折レンズの前記平面に固定された金属膜からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の共焦点計測装置。
6. 前記回折面には、前記回折パターンが環状に設けられ、
   前記減光部は、前記回折パターンによって囲まれた、前記回折面の中央に配置された平面である、請求項１に記載の共焦点計測装置。
7. 前記減光部の面積は、前記回折レンズの有効面積の１０％から５０％までの範囲内にある、請求項１〜６のいずれか１項に記載の共焦点計測装置。
   

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