JP2018040644A - 走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測にあたって、傾斜角度の大きな計測対象物（試料）の表面についても適切な計測を可能とする。【解決手段】走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法であって、計測対象物に対し照射した光源からの光の干渉信号の包絡線を取得し、包絡線の半値幅に基づき、観測される見かけ上のコヒーレンス長である観測コヒーレンス長ｌｃ'を取得し、観測コヒーレンス長ｌｃ'に基づき、計測対象物の表面の傾斜角度を計測する。【選択図】図４

Description

本発明は、白色光源を用いた干渉計測により三次元形状計測を行う方法に関する。

走査型白色干渉顕微鏡は、白色光を試料に照射し、得られる干渉信号を高さ情報に変換することで三次元計測を行う装置であり、得られる干渉信号から各種計算をして表面形状、高さ、段差、膜厚、表面粗さ、同種材・異種材等の判定をする。

例えば、特許文献１では、走査型白色干渉顕微鏡の参照面ミラーを傾斜させることにより、計測対象物の傾斜角を求める方法が記載されている。特許文献２では、薄膜が存在する場合に、走査型白色干渉顕微鏡により得られた干渉パターンが重なり合って歪め合う現象を、テンプレートを用いることでピーク分離する方法が記載されている。

国際公開第２０１４／１８５１３３号 特開２０１１−２２１０２７号公報

走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元計測においては、光線光学で与えられる対物レンズの開口数ＮＡ（numerical aperture）に応じて定められる角度より内側での計測では、見かけ上のコヒーレンス長は顕著に変化しない。よって、このような条件でのコヒーレンス長には、これまで特に注意が払われていない。

ただし、開口数ＮＡを越えた高傾斜面計測において、測定される見かけ上のコヒーレンス長は大きくなる。このような状況下では、傾斜角度を求める際に特許文献１では、参照面ミラーの傾斜を大きくする、例えば開口数ＮＡ以上に参照面ミラーを傾けると戻り光が少なくなるため暗くなってしまい、開口数ＮＡ以上における傾斜角度の計測は難しかった。

また、試料に膜が形成されている場合、高傾斜面の計測においては、観測されるコヒーレンス長の延びが、膜による影響なのか高傾斜面による影響なのかの区別および着眼はされてこなかった。

本発明は、計測対象物の表面における傾斜角度の大きい高傾斜面の適切な計測を実現し得る走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法を提供する。

本発明は、走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法であって、計測対象物に対し照射した光源からの光の干渉信号の包絡線を取得し、前記包絡線の半値幅に基づき、観測される見かけ上のコヒーレンス長である観測コヒーレンス長ｌｃ'を取得し、前記観測コヒーレンス長に基づき、前記計測対象物の表面の傾斜角度を計測する。

本発明によれば、干渉信号の包絡線の半値幅に基づき、観測コヒーレンス長を取得した上で、計測対象物（試料）の表面の傾斜角度を計測することができる。よって、計測対象物の表面における傾斜角度の大きい高傾斜面でも適切に傾斜角度を計測することができ、表面の形状、特性を把握することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る走査型白色干渉顕微鏡の全体構成図である。 図２は、試料の表面の傾斜角度θの定義を示す図である。 図３は、走査型白色干渉顕微鏡により観測される一般的な干渉信号を示すグラフである。 図４は、計測対象物の表面における、低傾斜面および高傾斜面のそれぞれにおいて、カメラの１ピクセル（１画素）に相当する領域を拡大して示す図である。 図５は、カメラの１ピクセルにおける高さ差分を示す図である。 図６は、傾斜角度に対応した高さ差分をプロットしたグラフを示す。 図７は、計測対象物の表面の局所曲率半径を求める方法を説明する概念図である。 図８は、計測対象物の表面における、低傾斜面および高傾斜面のそれぞれにおいて、カメラの１ピクセルに相当する領域に発生する干渉縞を拡大して示す図である。 図９は、広範囲での干渉縞と１ピクセルの関係を示す模式図であり、（ａ）は低傾斜面における関係を示し、（ｂ）は高傾斜面における関係を示す。 図１０は、所定の傾斜角度において、１ピクセルに入力される輝度の振幅値を表す式（１２）をプロットしたグラフである。 図１１は、膜を有する計測対象物において、高傾斜面の計測を行う状況を説明する概念図である。 ２つの輝点の干渉縞の分離の可否を説明する概念図であり、（ａ）は観測される干渉縞の包絡線の中心がコヒーレンス長ｌｃの半分となったときを分離できる上限と仮定した場合の説明図であり、（ｂ）は見かけ上の延びΔｚの補正後の説明図である。 図１３は、式（５）および式（１３）を所定の条件においてプロットして得られるグラフである。

以下、本発明に係る走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法の好適な実施形態を、図１〜図１３に基づいて詳述する。

図１は、本発明の実施の形態に係る走査型白色干渉顕微鏡の全体構成図である。走査型白色干渉顕微鏡１００は、装置本体１０と、計測対象の試料Ｓ（計測対象物）が載置されたステージ２０と、得られたデータを処理するコンピュータ（プロセッサ）３０とを含む。装置本体１０は、白色光源１１と、フィルタ１２と、ビームスプリッタ１３と、二光束干渉対物レンズ（対物レンズ）１４と、カメラ１５と、ピエゾアクチュエータ１６と、を含む。

矢印Ａで示すように白色光源１１から出射された光（白色光）は、フィルタ（例えば波長フィルタ、偏光フィルタなど）１２を通過した後、ビームスプリッタ１３で二光束干渉対物レンズ１４へ導かれる（矢印Ｂ）。光は二光束干渉対物レンズ１４内のビームスプリッタで、計測対象物（試料Ｓ自体およびその内部の物質を含む）側へ向かう第１の光と、図示せぬ参照ミラー側へ向かう第２の光の２つに分割される。計測対象物に対して対向して配置される二光束干渉対物レンズ１４内のビームスプリッタから計測対象物までの光学距離と、当該ビームスプリッタから参照ミラーまでの光学距離が等しくなった時に、計測信号が２つの光の干渉信号の形態で観測可能となり、カメラ１５がこの干渉信号を干渉縞（干渉パターン）として撮像し、干渉信号がコンピュータ３０に保持、格納される。また、図１の実施形態では、ビームスプリッタ１３から図示せぬ参照ミラーまでの距離が固定されているため、ピエゾアクチュエータ１６を用いて掃引させることにより（矢印Ｃの動き）、計測対象物との距離を変化させている。走査型白色干渉顕微鏡１００はコヒーレンス長の短い白色光源を用いるため（コヒーレンス長〜１μｍ）、干渉信号が得られた位置が、計測対象物が存在するＺ位置（深さ位置）となる。

図２は、測定対象物である試料Ｓの表面の傾斜角度θの定義を示す図であり、図１の走査型白色干渉顕微鏡の全体構成図の一部を用いている。測定対象物に対して鉛直方向におろした線から、測定対象物の表面の接線に対する法線に見込んだ角度を傾斜角度θと定義している。図２の例では、点Ｐ_１における傾斜角度はθ_１であり、点Ｐ_２における傾斜角度はθ_２である。

一方、光線光学下においては、図２の傾斜角度θによって定められる対物レンズ１４の臨界角度（対物レンズの中心を通過する軸上の１点から出て対物レンズに入る光のうち最も外側の光の角度）がΘの場合、対物レンズ１４の開口数ＮＡ（numerical aperture）は、下記の式（１）に求められる。尚、ｎは屈折率（測定対象物側の空間の物質の屈折率）であり、通常、空気の場合１である。対物レンズ１４の開口数ＮＡが高いほど水平分解能は高くなり、また、焦点深度が小さくなるため垂直分解能も高くなる。

図３は、走査型白色干渉顕微鏡１００により観測される一般的な干渉信号、すなわち計測対象物（試料Ｓ）に対し、白色光源１１から照射した光（白色光）の干渉信号を示すグラフである。走査型白色干渉顕微鏡１００のカメラ１５で観測される信号強度Ｉは、式（２）で示すように、参照光強度のＩ_１および測定試料からの反射光強度Ｉ_２のオフセット項（第１項および第２項）、および干渉信号である第３項からなる。第３項中のΔpは光路長差（ＯＰＤ：Optical Path Difference）であり、図１で説明した二光束干渉対物レンズ１４内の図示せぬビームスプリッタから計測対象物（試料Ｓ自体およびその内部の物質を含む）側までの光学距離と図示せぬビームスプリッタから図示せぬ参照ミラー側までの光学距離の差である。

式（２）の干渉項である第３項は図３の実線で示す干渉信号に相当し、破線で表す干渉信号の包絡線は、式（３）の３つの因子から構成される。３つの因子は、光源、すなわち白色光源１１の波長スペクトル特性ｆ_１（λ_ｉ）、波長フィルタ（フィルタ１２に含まれる）のスペクトル特性ｆ_２（λ_ｉ）、カメラ１５の感度であるスペクトル特性ｆ_３（λ_ｉ）である。λ_ｉは光源の波長である。

これらから決まる図３の包絡線の半値幅はコヒーレンス長として観測される。コヒーレンス長ｌｃは式（４）で与えられるが、式（４）は、傾斜角度θ＝０°（０度）における式であり、計測対象物の表面の性状による影響を受けていない光源のコヒーレンス長の値である。式（４）において、λ_ｃ：光源の中心波長、Δλ：光源の波長の半値幅、ｃ：光速、Δｆ：光源の周波数の半値幅である。また、この式は、傾斜角度θ＝０°を前提とした状態において、白色光源１１とフィルタ１２の波長フィルタの特性（白色光源の波長や波長フィルタの透過波長等）によって決まる一義的な値を示すものであり、基本となるコヒーレンス長である基本コヒーレンス長ｌｃとして定義される。

図４は、計測対象物である試料Ｓの表面における、低傾斜面Ｓ_１および高傾斜面Ｓ_２のそれぞれにおいて、カメラ１５の１ピクセル（１画素）に相当する領域を拡大して示すものである。ここでの１ピクセルに相当する領域は、計測対象物の断面を示しており（横軸が半径方向のｘ座標、縦軸が高さ方向のｚ座標）、それぞれの領域における表面が表れている。本図における表面は、１ピクセルにおいて変化する表面の状態を概念的に示したものであり、実際に記録される信号ではない。

掃引時に得られる干渉信号は、計測対象物の表面に対して得られるが、低傾斜面Ｓ_１では１ピクセルの横方向（ｘ方向）に渡って表面の位置は高さ方向（ｚ方向）で大きく変動しない。よって、１ピクセルに入力される、表面ごとに得られる複数のフレームごとの干渉信号ＳＧ_１はそれぞれ近い高さのものが得られ、それぞれ重なり合う度合いが大きくなり、干渉して強め合う。従って半値幅が小さく高さの大きい合成された干渉信号、すなわち山型の包絡線ＥＣ_１が得られる。

一方、高傾斜面Ｓ_２では、１ピクセルの横方向（ｘ方向）に渡って表面の位置は高さ方向（ｚ方向）で大きく変動する。よって、１ピクセルに入力される、表面ごとに得られる複数のフレームごとの干渉信号ＳＧ_２は様々な高さに応じたものが得られ、重なり合う度合いが小さくなり、干渉して強め合いにくい。従って半値幅が大きく高さの小さい合成された干渉信号、すなわち台形のような形状をした包絡線ＥＣ_２が得られる。すなわち見かけ上、基本コヒーレンス長ｌｃがあたかも延びたように観測される。

図５は、カメラ１５の１ピクセルに着目したものであり、カメラ１５のピクセルサイズ（画素サイズ；１ピクセルの１辺）がＷｃ、対物レンズ１４の倍率がＸの場合、実際に１ピクセルにおいて観測される領域は、Ｗｃ／Ｘを１辺とする正方形の領域になる。そして、１ピクセルにおける一端と他端では、異なる高さ情報（異なる表面の位置情報）が入力されると仮定する（図５ではＺ_１およびＺ_２）。このとき、一端と他端を結ぶ表面の角度をθ、すなわち傾斜角度とすると、１ピクセルに入力される表面の位置の変動量に相当する高さ差分であるΔｚ（＝Ｚ_２−Ｚ_１）は、式（５）で与えられることとなる。

図６は、式（５）で得られる高さ差分Δｚを、傾斜角度θに応じてグラフ上にプロットしたものであり、１ピクセルに入力される高さ差分は、表面の傾斜角度θが０°であれば（例えば図４の低傾斜面Ｓ_１付近）、０であることは自明である。また、式（５）より、傾斜角度θが増大するにつれ、１ピクセルに入力される高さ差分Δｚは増大することも自明である。すなわち、傾斜角度０°においては、見かけ上、コヒーレンス長の伸長の影響は０であり、式（４）の基本コヒーレンス長ｌｃがそのまま観測される。一方、傾斜角度θが大きくなるにつれ、高さ差分Δｚは、式（５）に従い増大する。このようにして実際に、走査型白色干渉顕微鏡１００を用いた観測により取得される観測コヒーレンス長（見かけ上のコヒーレンス長）ｌｃ'は傾斜角度に従って変化し、式（６）で与えられる。すなわち、高さ差分Δｚは、傾斜角度θに応じて基本コヒーレンス長ｌｃが延びる値であるコヒーレンス長の延びに相当する。そして、観測コヒーレンス長ｌｃ'は、走査型白色干渉顕微鏡１００の白色光源１１およびフィルタ１２の波長フィルタによって定められる基本コヒーレンス長ｌｃと、傾斜角度θに応じて基本コヒーレンス長ｌｃが延びる値である延びΔｚの和である。

基本コヒーレンス長ｌｃ、カメラ１５のピクセルサイズＷｃ、および対物レンズの倍率Ｘは既知であり、観測されるコヒーレンス長ｌｃ'を計測することにより、式（５）および式（６）を用いて、傾斜角度θ（ｔａｎθ）、高さ差分Δｚを求めることができる。このようにして、計測対象物の表面の形状、すなわち計測対象物の表面の傾斜角度を計測することができる。

図７は、図４および図５で説明した、カメラの１ピクセル内で捉えられた表面の位置変化を利用し、当該ピクセルにおける計測対象物の表面の局所曲率半径を求める方法を説明する概念図である。ピクセルにおける両端の点をＰ_１、Ｐ_２とし、点Ｐ_１、Ｐ_２を通る半径ｒの円が点Ｐ_１、Ｐ_２それぞれでの半径ｒ_１、ｒ_２の間の中心を通る半径（半径ｒ_１、ｒ_２の各々から角度θ’ずれた半径）が、表面上の任意の仮想点Ｐに位置すると仮定する。すなわち、１ピクセル内で計測された時の局所曲率半径は同じと想定できるため、ｒ＝ｒ_１＝ｒ_２が成立し、代表点は、両端の半径ｒ_１、ｒ_２を均等な角度θ’で分割する半径ｒが通過する点Ｐである。この仮想点Ｐにおける半径ｒが、局所曲率半径であると仮定すると、式（７）で表される関係が成立することとなる。

高さ差分Δｚを観測した後、図６のグラフおよび式（５）から傾斜角度θを求めることができ、式（７）には未知の変数θ_１、θ_２、局所曲率半径rの３つが残ることになる。よって、式（７）の３つの連立方程式を解くことで、局所曲率半径ｒ、ひいては局所曲率１／ｒを算出することが可能となる。すなわち、高さ差分Δｚである延びΔｚと、傾斜角度θから、計測対象物の表面の局所曲率半径ｒを算出することが可能である。なお、局所曲率半径（局所曲率）は、表面の高さｚが検出できれば、光線光学の分野で周知の式（８）より求めることができるが、高さであるｚの２階微分が分母にあるためノイズが大きい。それに対して式（７）は傾斜角度θから局所曲率半径を求めているため、ノイズに強い計測手法といえる。

次に、適切な基本コヒーレンス長ｌｃを設定するための手法について説明する。図４における高傾斜面Ｓ_２の如き高傾斜面を計測する場合、傾斜角度９０度（９０°）まで測ると仮定すると、傾斜角度９０°の点から所定の傾斜角度θcをとる点において、カメラの１ピクセルの距離に相当する長さは、式（９）で与えられる。ｘ_９０は傾斜角度９０°の点におけるピクセルのｘ座標の値、ｘ_θｃは所定の傾斜角度θcをとる点におけるピクセルのｘ座標の値である。

式（９）より、傾斜角度９０°からカメラ１ピクセル分ずれた傾斜角度θcは、式（１０）で与えられる。式（６）において基本コヒーレンス長ｌｃをむやみに大きくし過ぎると、見かけ上延びたコヒーレンス長（観測コヒーレンス長）ｌｃ'に対するΔｚの影響度が小さくなり、傾斜角度の計測精度が落ちてしまうため、基本コヒーレンス長ｌｃは所定の大きさに抑えることが望ましい。しかしながら、基本コヒーレンス長ｌｃが短すぎると光量不足や干渉縞の出現時間の極小化などの弊害が生じ得る。

そこで、傾斜角度９０°まで計測できることを前提条件とし、カメラ１ピクセル分ずれた傾斜角度θc（８８°付近等）の表面の位置において延びΔｚが基本コヒーレンス長ｌｃと等しくなれば、計測可能な全傾斜角度において分解能を保ちつつ計測ができる。よって、傾斜角度θcにおける見かけ上延びるΔｚを、光源および波長フィルタから設定可能な基本コヒーレンス長ｌｃの最大値の目安とすることができ、式（１１）を条件として基本コヒーレンス長ｌｃを設定する。すなわち、基本コヒーレンス長ｌｃは、傾斜角度９０°に対応する計測対象物の表面から、カメラの１画素分に相当する傾斜角度θｃだけずれた表面における延びΔｚ以下になるように設定されることが望ましい。基本コヒーレンス長ｌｃは最大でカメラ１ピクセル分ずれた傾斜角度θcにおいてｌｃ：Δｚ＝１：１（ｌｃ＝Δｚ）となる。ここでは傾斜角度９０°まで計測できることを前提条件としたが、既に測定試料の傾斜角度が分かっており傾斜角度９０°までの計測が不要であるときには、例えば傾斜角度６０°でも同様に計算することが可能であり、基本コヒーレンス長ｌｃも小さくできることから、計測できる傾斜角度は犠牲になるものの、ｚ分解能が高くなる。

次に、高傾斜面における干渉信号の劣化対策について説明する。図８は、図４と同様に、計測対象物である試料Ｓの表面における、低傾斜面Ｓ_１および高傾斜面Ｓ_２のそれぞれにおいて、カメラ１５の１ピクセル（１画素）に相当する領域を拡大して示すものである。ただし、図４とは異なり、ここでの１ピクセルに相当する領域は、図４で得られた計測対象物の断面である１ピクセルに垂直なｘｙ平面上で、表面の形状が干渉縞によって表れたものを示したものであり、実際に１ピクセルにおいて記録される信号である（横軸が半径方向のｘ座標、縦軸がｘ座標およびｚ座標に直交するｙ座標）。従来、開口数ＮＡ以内での観察（低傾斜面Ｓ_１の観察）では発生しなかった現象であるが、高傾斜面Ｓ_２のように開口数ＮＡから求まる傾斜角度よりも大きな領域では、１ピクセル内に多数の干渉縞が入力されるため、干渉信号は打ち消し合って弱め合う現象が発生する。

図９は図８の表現を変えたものであり、広範囲での干渉縞と１ピクセルの関係を示す模式図である。干渉縞の明から明の幅および暗から暗の幅が１波長（λ）分に相当し、明から暗の幅が半波長λ／２に相当する。図９（ａ）に示すように、低傾斜面Ｓ_１では、干渉縞の各明暗の信号の幅に相当する高さ差分Δｚは、光源の波長λの半分に相当するλ／２より小さい。この結果、Δｚがλ／２より小さいという条件を満たすような低傾斜面Ｓ_１では、図８でも示したように、１ピクセル内で干渉縞の信号が打ち消し合い難い。

一方、図９（ｂ）に示すように、Δｚがλ／２より大きいという条件を満たすような高傾斜面Ｓ_２では、１ピクセル内に複数の明暗の干渉縞が入り打ち消し合ってしまう。この打消し合いは１ピクセルの領域内で発生するため、傾斜角度が大きくなり干渉縞の本数が多くなるにつれ、得られる干渉信号の強度も徐々に小さくなる。

図１０は、所定の傾斜角度において、１ピクセルに入力される輝度の振幅値（任意単位）を表す式（１２）をプロットしたグラフである。式（１２）は、1ピクセルに入力される高さ差分Δzを波長λで割り波数とし、さらに干渉次数ｍを用いて、カメラ１ピクセルに入ってくる干渉縞の本数が多くなるにつれ、輝度の振幅値、すなわち干渉信号が弱くなっていくことを表現している。そして、図１０は、干渉信号の強度が大きくなる極大値における干渉縞の参考事例をも示すものである。このグラフが示す輝度の振幅値はいわば干渉信号の強度であり、計測する傾斜角度が二光束干渉対物レンズの開口数ＮＡから定まる臨界角度を越えた角度領域において、干渉信号が弱め合ってしまう傾斜角度が式（１２）で決まる周期性をもって存在することが直感的に理解される。

干渉信号の強度が小さいということは、観測される信号強度が小さくなる、すなわち信号ノイズ比Ｓ／Ｎが悪化するため、その傾斜角度においてばらつきが大きくなり、正確な形状計測ができなくなるおそれがある。このような潜在的な課題に対応するため、計測された見かけ上延びた観測コヒーレンス長ｌｃ'から計測した傾斜角度を求める（式（５）および式（６）を参照）。そこからその傾斜角度（干渉信号の弱い傾斜角度）の近傍での平均化処理や、フーリエ解析を用いた当該傾斜角度に対応する周期成分の除去等の方法により、信号ノイズ比Ｓ／Ｎを上げることにより、形状計測の信頼性を向上させることができる。

次に膜を有する計測対象物の計測方法について説明する。図１１は膜ｆを有する計測対象物の試料Ｓにおいて、高傾斜面Ｓ_２の計測を行う状況を説明する概念図である。ｘｙ座標上において、試料Ｓの最外表面の座標が（ｘ_１，ｚ_２）、膜ｆの内側に相当する内表面の座標が（ｘ_１，ｚ_１）であると仮定する。傾斜角度０°における膜の膜厚ｔは、任意の傾斜角度においてはｚ_２−ｚ_１として表現され、式（１３）で与えられる。この式は、鉛直方向より観測した時の膜ｆの膜厚ｔを示す。局所曲率半径ｒは、座標（ｘ_１，ｚ_１）における局所曲率半径である（すなわち、座標（ｘ_１，ｚ_２）での局所曲率半径は、ｒ＋ｔ）。尚、膜ｆは試料Ｓの表面に存在することは必須ではなく、試料Ｓの内部に存在する層のようなものであってもよい。また、膜ｆは単層膜であっても多層膜であってもよい。

光学の分野では２つの輝点を分離できる定義として、例えばレイリーの分解能（０．６１＊λ／ＮＡ）で知られるような式が存在する。ここでは単純に観測される干渉縞の包絡線の中心がコヒーレンス長ｌｃの半分となったときを分離できる上限と仮定したものを図１２（ａ）に、また、後述の見かけ上の延びΔｚの補正後を図１２（ｂ）に示す。そして、式（６）をもとに次式（１４）を実際に分離できる高さδとして議論する。

図１３は式（１３）および式（１４）を所定の条件（ピクセルサイズＷｃ、対物レンズの倍率Ｘ、膜の膜厚ｔ、局所曲率半径ｒ等を適宜設定）においてプロットして得られるグラフである。式（１４）をプロットして得られるグラフが、実線で示した「実際に分離できる高さ」であり、式（１３）をプロットして得られるグラフが、破線で示した「鉛直方向より観測した時の膜厚」である。

この図から、傾斜角度０°を中心とした所定幅の低傾斜面の領域においては、鉛直方向より観察した時の膜ｆの膜厚よりも、観測されるコヒーレンス長、すなわち実際に分解できる高さの方が小さいために、観測される干渉縞は重ならないため、膜でも干渉信号を試料から分離して、当該膜の有無の判別を行うことが可能であることを示している。そして、約±２３°において、鉛直方向より観察した時の膜厚よりもコヒーレンス長の延び、すなわち分離できる高さδが上回っていることが分かる。このことは、±２３°以上の傾斜角度においては観測される干渉縞が重なり出すため、膜の有無の判断を行うことが困難であることを意味する。そこで式（５）および図６より把握可能なコヒーレンス長の延びΔｚを観測コヒーレンス長ｌｃ’から差し引きする補正を行う。すなわち、補正後の分離できる高さδ’は、式（１４）からΔｚを差し引いた下記の式（１５）により与えられる。

この結果、補正後の分離できる高さδ’は見かけ上延びることがなくなり傾斜角度依存性をもたなくなるため、図１３の一点鎖線で示すように補正後の分離できる高さδ’は傾斜角度に対して依存しなくなり光源のコヒーレンス長、すなわち基本コヒーレンス長ｌｃのみで決まるようになり、計測対象物の膜の有無を低傾斜面のみならず高傾斜面（本例では±２３°を超える領域）においても判断することが可能となる。図１３の一点鎖線で示す「補正後の分離できる高さδ’」に示すように、その傾斜角度における計算上求まる半値幅の干渉縞の信号と差分をとった後の干渉縞波形から、膜の膜厚を求めることが可能である。そして高傾斜面においても膜の傾斜角度の計測が可能となる。

本発明によれば、干渉信号の包絡線の半値幅に基づき、観測コヒーレンス長を取得した上で、計測対象物（試料）の表面の傾斜角度を計測することができる。よって、計測対象物の表面における傾斜角度の大きい高傾斜面でも適切に傾斜角度を計測することができ、表面の形状、特性を把握することができる。

特に本発明によれば、光源および波長フィルタを含む走査型白色干渉顕微鏡から定まる、傾斜角度θ＝０°における基本コヒーレンス長と、干渉縞波形の変化、特にその半値幅に相当する観測コヒーレンス長を計測することで、計測対象物（試料）の表面の傾斜角度を計測することができる。

また、本発明によれば、計測位置における表面の局所曲率半径を求めることも可能となる。従来の計測対象物のＺ位置（高さ位置）から局所曲率半径を求める方法によれば、計算式の分母に２階微分がくるためノイズが大きかったが、本発明によれば傾斜角度から求めるためノイズは小さくなる。

また、本発明によれば、適切な基本コヒーレンス長を設定することが可能であり、観測コヒーレンス長に対する基本コヒーレンス長の影響を抑えることができるため、正確な観測コヒーレンス長が得られ、ひいては正確な傾斜角度を計測することが可能となる。

また、本発明によれば、膜を有する計測対象物に関しても、所定の傾斜角度に対する観測コヒーレンス長が分かっているため、コヒーレンス長の延びを差し引く補正により高傾斜面の計測においても膜の計測が可能となる。例えば、計算上求まる半値幅以上の干渉縞が観測された際に、膜体の有無の判別ができるようになる。また、その時、その角度における計算上求まる半値幅の干渉縞の信号と差分をとった後の干渉縞波形から膜厚を求めることも可能である。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明によれば、走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法にあたって、傾斜角度の大きな試料の表面についても適切な計測を可能とすることができる。

１０ 装置本体
１１ 白色光源（光源）
１２ フィルタ（波長フィルタを含む）
１３ ビームスプリッタ
１４ 二光束干渉対物レンズ（対物レンズ）
１５ カメラ
１６ ピエゾアクチュエータ
２０ ステージ
３０ コンピュータ
１００ 走査型白色干渉顕微鏡
Ｓ 試料（計測対象物）
ｆ 膜

Claims (6)

1. 走査型白色干渉顕微鏡を用いた三次元形状計測方法であって、
   計測対象物に対し照射した光源からの光の干渉信号の包絡線を取得し、
   前記包絡線の半値幅に基づき、観測される見かけ上のコヒーレンス長である観測コヒーレンス長ｌｃ'を取得し、
   前記観測コヒーレンス長ｌｃ'に基づき、前記計測対象物の表面の傾斜角度を計測する、三次元形状計測方法。
2. 請求項１に記載の三次元形状計測方法であって、
   前記観測コヒーレンス長ｌｃ'が、前記走査型白色干渉顕微鏡の前記光源および波長フィルタによって定められる基本コヒーレンス長ｌｃと、前記傾斜角度に応じて前記基本コヒーレンス長ｌｃが延びる値である延びΔｚの和である、三次元形状計測方法。
3. 請求項２に記載の三次元形状計測方法であって、
   前記延びΔｚと前記傾斜角度から、前記計測対象物の表面の局所曲率半径を算出する、三次元形状計測方法。
4. 請求項３に記載の三次元形状計測方法であって、
   前記基本コヒーレンス長ｌｃは、傾斜角度９０度に対応する前記計測対象物の表面から、前記干渉信号を捉えるカメラの１画素分に相当する傾斜角度θｃだけずれた表面における前記延びΔｚ以下になるように設定される、三次元形状計測方法。
5. 請求項１に記載の三次元形状計測方法であって、
   前記走査型白色干渉顕微鏡が、前記計測対象物に対して対向して配置される対物レンズと、前記干渉信号を捉えるカメラとを有し、
   前記対物レンズの開口数から定まる臨界角度を越える傾斜角度において、前記カメラの１画素内において干渉信号が打消し合う近傍の傾斜角度では平均化処理、またはフーリエ解析を用いた当該傾斜角度に対応する周期成分の除去により、信号ノイズ比Ｓ／Ｎを向上させる、三次元形状計測方法。
6. 請求項２に記載の三次元形状計測方法であって、
   前記観測コヒーレンス長ｌｃ'から前記延びΔｚを差し引きすることで、前記計測対象物の膜の有無を判断する、三次元形状計測方法。

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