JP2021173623A

JP2021173623A - 測定装置、及び測定方法

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Publication number: JP2021173623A
Application number: JP2020077204A
Authority: JP
Inventors: 友紀松下; Tomonori Matsushita
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Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2020-04-24
Publication date: 2021-11-01
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Abstract

【課題】干渉光に基づいて測定対象の形状を測定する場合、測定対象の凹凸寸法が波長よりも大きい場合に、高精度な形状測定を実施できない。【解決手段】測定装置は、光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光のうち所定波長の光を透過させ、かつ所定の波長範囲内で透過させる前記光の波長を変更可能な分光素子と、前記分光素子から出射された光を、測定対象に照射される測定光と、参照体で反射される参照光とに分離し、前記測定対象で反射された前記測定光と、前記参照体で反射された前記参照光とを合成した干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受光する受光部と、前記分光素子から透過される光の波長を変化させた場合の前記受光部での受光量の変化であるスペクトル情報に基づいて、前記測定対象の位置を算出する位置算出部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、測定装置、及び測定方法に関する。

従来、光源から出射された光を参照光と測定光とに分離し、対象物で反射された測定光と、参照体で反射された参照光とを合成して干渉光を形成し、干渉光の光量に基づいて対象物の形状や対象物までの距離を測定する測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような測定装置では、測定光と参照光との光路長差が波長の整数倍となる場合に、干渉光の光量が最大となり、光路長差が波長の整数倍とならない場合に光量が減少する。したがって、干渉光の光強度に基づいて、測定装置から対象物の測定点までの距離を算出したり、対象物の形状を測定したりすることができる。
例えば、特許文献１では、参照体または光学系（ビームスプリッター）を可動部で移動させることで、測定光及び参照光の光路長を変化させ、光路長差に基づく干渉縞パターン、つまり、受光部で受光される干渉光の受光量（光強度）に基づいて、対象物の形状を測定する。

つまり、光干渉を用いた測定装置において、測定光及び参照光の波長をλとし、光学系を対象物に向かって移動量ｚだけ移動させた場合に、受光部で受光される光の受光量がピーク値(最大)になったとする。この場合、受光部で受光される光の強度（受光量）Ｉと、λ、ｚとの関係は、以下の式（１）に示す関係となる。
Ｉ∝１＋ｃｏｓ（２π／λ×２ｚ）…（１）
対象物の表面に異物等による凹凸が存在し、測定光の進路方向に対する当該凹凸の寸法がδである場合、以下の式(２)に示す関係となる。
Ｉ∝１＋ｃｏｓ｛２π／λ×２（ｚ−δ）｝…（２）
したがって、受光部で受光される光の光量Ｉを測定することで、凹凸の寸法δを測定することが可能となる。

特開２０１８−６３１５３号公報

しかしながら、従来の干渉計では、凹凸の寸法δが波長λ以内である場合、高精度に寸法δを測定することはできるが、寸法δが波長λよりも大きくなる場合、正確に寸法δを測定することはできない。例えば、対象物の表面に光路差が数倍変化する急峻な勾配の突起や孔部等がある場合では、突起の高さや孔部の深さがどの程度の寸法δであるかを予測することが不可能である。

第一態様の測定装置は、光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光のうち所定波長の光を透過させ、かつ所定の波長範囲内で透過させる前記光の波長を変更可能な分光素子と、前記分光素子から出射された光を、測定対象に照射される測定光と、参照体で反射される参照光とに分離し、前記測定対象で反射された前記測定光と、前記参照体で反射された前記参照光とを合成した干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受光する受光部と、前記分光素子から透過される光の波長を変化させた場合の前記受光部での受光量の変化であるスペクトル情報に基づいて、前記測定対象の位置を算出する位置算出部と、を備えることを特徴とする。

第二態様に係る測定方法は、光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光のうち所定波長の光を透過させ、かつ所定の波長範囲内で透過させる前記光の波長を変更可能な分光素子と、前記分光素子から出射された光を、測定対象に照射される測定光と、参照体で反射される参照光とに分離し、前記測定対象で反射された前記測定光と、前記参照体で反射された前記参照光とを合成した干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受光する受光部と、を備える測定装置における測定方法であって、前記分光素子から透過される光の波長を変化させた場合の前記受光部での受光量の変化であるスペクトル情報を取得し、前記スペクトル情報に基づいて、前記測定対象の位置を算出することを特徴とする。

第一実施形態の測定装置の概略構成を示す図。第一実施形態の受光部の概略構成を示す平面図。第一実施形態の測定方法を示すフローチャート。第一実施形態において、分光素子を透過する光の波長を分光波長域内で変化させた場合の、基準画素におけるスペクトル情報の一例を示す図。図３のステップＳ１の動作の詳細を示すフローチャート。第一実施形態において、測定対象に対して異物が付着していた場合の干渉光のスペクトル情報の一例を示す図。第二実施形態の測定装置の概略構成を示す図。第三実施形態の測定装置の概略構成を示す図。第三実施形態において、一つの画素で受光される干渉光のスペクトル情報の一例を示す図。図９における一部の波長域を拡大した拡大図。変形例２に係る干渉光学系の概略構成を示す図。変形例３に係る干渉光学系の概略構成を示す図。

［第一実施形態］
以下、第一実施形態に係る測定装置について説明する。
図１は、第一実施形態の測定装置１の概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の測定装置１は、光源部１０と、分光素子２０と、干渉光学系３０と、受光部４０と、制御部５０と、を含んで構成されている。

光源部１０は、光を出射する光源を備えて構成されている。光源としては、分光素子２０において光を分光可能な分光波長域の各波長に対する光量が均一な光を出射すればよい。例えば、本実施形態では、分光素子２０は、可視光域から近赤外域を分光波長域とし、当該分光波長域から、透過させる光のピーク波長を変化させる。この場合、可視光域から近赤外域の分光波長域の各波長に対して、閾値以上の光量の光を出射可能な光源（例えば、ハロゲンランプ等）を用いる。

分光素子２０は、光源部１０から出射された光が入射され、所定波長の光を分光して出射する（透過させる）。この分光素子２０は、分光波長を切り替えることが可能な波長可変型の光学素子である。本実施形態では、分光素子２０として、波長可変型のファブリーペローエタロン素子を用いる。
このような波長可変型のファブリーペローエタロン素子により構成された分光素子２０は、一対のミラーを有し、かつ、静電アクチュエーター等により一対のミラーの間隔（ミラーギャップ）を任意の値に設定することができる。これにより、分光素子２０は、ミラーギャップに応じた波長の光を透過させることが可能となる。
分光素子２０において、分光可能な分光波長域は、予め決められており、本実施形態では、４００ｎｍ〜１０００ｎｍを分光波長域とする。なお、分光波長域としては、これに限定されるものではなく、例えば紫外域から赤外域を含む範囲であってもよく、赤外域のみを分光波長域としてもよい。
なお、本実施形態では、分光素子２０としてファブリーペローエタロン素子を用いるが、その他の素子が用いられてもよい。例えば、分光素子２０として、ＡＯＴＦ（Acousto-Optic Tunable Filter）、ＬＣＴＦ（ Liquid Crystal Tunable Filter）等を用いてもよい。

干渉光学系３０は、分光素子２０を透過した光を、測定対象Ｗに向かう測定光と、参照体３３に向かう参照光とに分離し、測定対象Ｗで反射された測定光と、参照体３３で反射された参照光とを合成することで干渉光を生成して受光部４０に向かって出射させる。
具体的には、干渉光学系３０は、図１に示すように、ハーフミラー３１と、ビームスプリッター３２と、参照体３３と、昇降機構３４と、を含んで構成されている。

ハーフミラー３１は、分光素子２０を透過した光を測定対象Ｗに向かう方向に透過させ、測定対象Ｗ側から入射する光を受光部４０に向かって反射させる。
ビームスプリッター３２は、ハーフミラー３１を透過した光を、測定光と参照光とに分割する。つまり、ビームスプリッター３２は、測定光を測定対象Ｗに向かって透過させ、参照光を参照体３３に向かって反射させる。このビームスプリッター３２は、例えば無偏光ビームスプリッターであって、入射光を１：１の比率で、測定光と参照光とに分割する。また、ビームスプリッター３２は、測定対象Ｗで反射された測定光を透過させ、参照体３３で反射された参照光を反射させることで、測定光と参照光とを合成して干渉光を生成する。
参照体３３は、参照光を反射させるミラーである。
昇降機構３４は、測定光の光路長（測定光路長）を変化させる機構であり、本実施形態では、測定装置１を測定対象Ｗが載置されるステージ１００に対して進退させる。なお、昇降機構３４としては、測定装置１の全体をステージ１００に対して進退させる構成を例示するがこれに限定されない。例えば、昇降機構３４は、ビームスプリッター３２及び参照体３３をステージ１００に対して進退させる構成としてもよく、ステージ１００を測定装置１に対して進退させる構成としてもよい。
なお、本実施形態では、昇降機構３４は、測定光路の光路長を変化させるものであり、参照光路の光路長は固定値である例を示す。

受光部４０は、ビームスプリッター３２で合成され、ハーフミラーで反射された干渉光を受光する。
図２は、受光部４０の概略構成を示す平面図である。
この受光部４０は、干渉光の光軸に対して垂直な矩形平面状の受光面４１を有する。この受光面４１には、複数の画素４２がマトリクス状に配置されている。各画素４２は、分光素子２０において、透過する光の波長の変更可能な波長域（分光波長域）に対して受光感度を有し、各画素４２は干渉光が受光されることで、受光量に応じた受光信号を出力する。
ここで、以降の説明において、複数の画素４２のうちの１つは、基準画素４２Ａであり、その他の画素４２を周囲画素４２Ｂと称する。基準画素４２Ａは、測定装置１における測定基準となる画素４２であり、例えば、マトリクス状に配置された画素４２のうちの中央に配置された画素４２を基準画素４２Ａとすることができる。なお、基準画素４２Ａは、受光面４１の中央の画素４２に限定されない。例えば、矩形状に配置される各画素４２のうち、１つの角部に配置された画素４２を基準画素４２Ａとしてもよい。

制御部５０は、測定装置１の動作を制御し、測定対象Ｗの表面形状を測定する。制御部５０は、測定装置１と通信可能に接続されたコンピューターにより構成されていてもよく、測定装置１に組み込まれたマイコンにより構成されていてもよい。制御部５０は、メモリーやハードディスク等により構成される記憶部、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成された演算部を含んで構成されている。そして、制御部５０は、演算部が記憶部に記憶されたプログラムを読み出し実行することで、図１に示すように、波長指令部５１、光路長調整部５２、及び位置算出部５３として機能する。

波長指令部５１は、分光素子２０を制御して、分光素子２０を透過させる光の波長を切り替える。例えば、本実施形態では、静電アクチュエーターによりミラーギャップを変化させることで、透過させる光の波長を変更するファブリーペローエタロン素子を分光素子２０として用いる。この場合、波長指令部５１は、分光素子２０の静電アクチュエーターに印加する電圧を制御することで、分光素子２０から透過させる光の波長を変化させる。

光路長調整部５２は、測定光路の光路長（測定光路長ｌｓ）と、参照光路の光路長（参照光路長ｌｒ）との差である光路長差ｓ（＝｜ｌｓ−ｌｒ｜）を調整する。
なお、本実施形態では、参照光路長ｌｒは固定値である。したがって、光路長調整部５２は、昇降機構３４を駆動させることで、干渉光学系３０を含む測定装置１をステージ１００に対して進退させることで、測定光路長ｌｓを変化させ、これにより、光路長差ｓを変化させる。

位置算出部５３は、受光部４０の各画素での干渉光の受光量、つまり、各画素から出力される受光信号に基づいて、各画素に対応した測定対象Ｗの各測定点の位置を算出する。具体的には、位置算出部５３は、波長指令部５１によって分光素子２０を透過させる光の波長を変化させることで得られる各画素での受光量の変化であるスペクトル情報に基づいて、各測定点の位置を算出する。
なお、波長指令部５１、光路長調整部５２、及び位置算出部５３の詳細な処理については後述する。

［測定装置１を用いた測定方法］
次に、上記のような測定装置１を用いて、測定対象Ｗの表面形状を測定する測定方法について説明する。
図３は、本実施形態の測定方法を示すフローチャートである。
測定装置１を用いた測定方法では、まず、測定装置１の光路長調整部５２は、昇降機構３４を制御して、測定装置１と測定対象Ｗとの位置関係を基準位置に設定する（ステップＳ１）。
このステップＳ１では、分光素子２０から所定の基準波長の光を透過させた場合に、受光部４０の基準画素４２Ａの受光量がピーク値（最大値）となり、かつ、スペクトル情報に含まれるピーク波長の数が最小となるように、昇降機構３４を調整する。本実施形態では、基準波長が４８０ｎｍである例を示す。

つまり、干渉光は、光路長差ｓが、下記式（３）の条件を満たす場合に、測定光と参照光との位相が一致することで光量がピーク値となる。
ｓ＝｜ｌｓ−ｌｒ｜＝ｎλ …（３）
図４は、分光素子２０を透過する光の波長を分光波長域内で変化させた場合の、基準画素４２Ａにおけるスペクトル情報の一例を示す図である。図４において、実線は、次数ｎがｎ＝１の場合のスペクトル情報であり、破線は、ｎ＝５の場合のスペクトル情報である。
図４に示すように、干渉光の受光量は、光路長差ｓが基準波長である４８０ｎｍの整数倍となるときにピーク値となる。ここで、次数ｎがｎ＝１である場合、分光波長域において、ピーク波長は４８０ｎｍのみであるが、次数ｎを増加させると、スペクトル情報に含まれるピーク波長の数、つまり、分光波長域内でのピーク波長の数も増加する。例えば、ｎ＝５の場合では、図４に示すように、４つのピーク波長が検出される。

分光波長域に含まれるピーク数が多い場合、波長変化量に対する画素４２での受光変化量が大きく、分解能が粗くなる。これに対して、分光波長域に含まれるピーク数の数が少ない場合、波長変化量に対する画素４２での受光変化量が小さく、高分解能な測定が実施可能となる。
したがって、ステップＳ１では、光路長調整部５２は、ピーク波長の数が最小値である例えば「１」となるように、昇降機構３４を制御して、測定光路長ｌｓを調整する。

図５は、ステップＳ１の動作の詳細を示すフローチャートである。
ステップＳ１では、例えば、光路長調整部５２は、昇降機構３４を制御し、測定装置１を測定対象Ｗから最も離れた位置に移動させる。つまり、光路長調整部５２は、測定光路長ｌｓを最大値に設定する（ステップＳ１１）。この際、光路長調整部５２は、さらに、光路長差を設定するための高さ変数ｉを初期化（ｉ＝１）する。

次に、波長指令部５１は、分光素子２０を制御して、分光素子２０から透過させる光の波長を、基準波長である４８０ｎｍに設定し、光源部１０から光を出射させる（ステップＳ１２）。これにより、分光素子２０から基準波長の光が透過され、基準波長の干渉光が受光部４０で受光される。
この後、光路長調整部５２は、受光部４０の基準画素４２Ａから出力される受光信号を参照しながら、測定装置１をステージ１００に近接する方向に移動させ、測定光路長ｌｓを減少させる（ステップＳ１３）。
そして、光路長調整部５２は、基準画素４２Ａから出力される受光信号が最大値（ピーク値）になったか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４でＮＯと判定される場合は、受光信号が最大値となるまで、ステップＳ１３を継続する。
ステップＳ１４でＹＥＳと判定される場合、光路長調整部５２は、受光信号が最大値となる高さ位置で昇降機構３４を停止させ、波長指令部５１は、分光素子２０から透過させる光の波長を分光波長域で順次切り替え、スペクトル情報を取得する（ステップＳ１５）。つまり、光路長差ｓが基準波長の整数倍となる位置での、スペクトル情報を取得する。
また、ステップＳ１５では、光路長調整部５２は、取得されたスペクトル情報と、測定装置１の高さ位置とを、高さ変数ｉに対応付けて、記憶部に記憶する。

次に、光路長調整部５２は、高さ変数ｉ−１に対応するスペクトル情報を記憶部から読み出し、高さ変数ｉのスペクトル情報に含まれるピーク数Ｍ_ｉが、高さ変数ｉ−１のスペクトル情報に含まれるピーク数Ｍ_ｉ−１以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。
ステップＳ１６でＹＥＳと判定される場合、高さ変数ｉに１を加算して（ステップＳ１７）、ステップＳ１２に戻る。
一方、ステップＳ１６でＮＯと判定される場合、及び、測定光路長ｌｓが昇降機構３４により設定可能な最小値まで移動した場合、光路長調整部５２は、昇降機構３４を制御して、高さ変数ｉ−１に対応する高さ位置に測定装置１を移動させる（ステップＳ１８）。
つまり、ピーク数Ｍ_ｉ−１に対して、ピーク数Ｍ_ｉが大きくなる場合、測定光路長ｌｓ＜参照光路長ｌｒとなったことを意味するので、高さ変数ｉ−１の光路長差ｓが、ｎ＝１の次数に対応した光路長差である。また、測定光路長ｌｓを昇降機構３４で変更可能な最小値まで移動させるまで、ピーク数Ｍ_ｉがピーク数Ｍ_ｉ−１より小さい場合では、基準画素４２Ａでピーク値が得られた直近の高さ位置、つまり高さ変数ｉ−１に対応する高さ位置の光路長差ｓが、最小次数に対応した光路長差である。
以上により、スペクトル情報に含まれるピーク数の数が最も少なくなるように、つまり、次数ｎが最小となるように、光路長差ｓが調整される。

以上のように、ステップＳ１での光路長差の調整処理を実施した後、波長指令部５１は、分光素子２０から透過させる光の波長を分光波長域で順次切り替え、受光部４０の全ての画素４２でのスペクトル情報を取得する（ステップＳ２）。

そして、位置算出部５３は、各画素４２に対応する測定対象Ｗの各測定点の位置、つまり、各測定点の測定装置１からの距離を、スペクトル情報に基づいて算出する（ステップＳ３）。

ここで、ステップＳ３における測定点の測定装置１からの距離の算出方法について、従来の例を比較して説明する。
例えば、特許文献１に記載のような従来の測定方法では、光源から波長を固定したレーザー光を照射し、当該レーザー光を測定光と参照光とに分離し、測定対象で反射された測定光と、参照体で反射された参照光との干渉光を得る。このような従来の測定方法では、受光量に応じた受光信号と、その微分信号を用いることで、レーザー光の１波長内の微小な形状を測定することができる。

しかしながら、測定装置と測定対象との距離が、波長の整数倍で変化する場合、干渉光の光強度は同一となる。したがって、レーザー光の１波長よりも大きい形状変化を測定することはできない。なお、測定対象の表面が滑らかに変化している場合では、受光部の隣り合う画素での受光量の変化から形状の予測を行うことができるが、測定対象の表面に異物等があり、形状が大きく変化する場合には対応できない。
図６は、測定対象Ｗに対して異物が付着していた場合の干渉光のスペクトル情報の一例を示す図である。図６において、破線は、異物がない場合のスペクトル情報であり、実線は、１２０ｎｍの異物が付着している場合、一点鎖線は３６０ｎｍの異物が付着している場合、二点鎖線は、６００ｎｍの異物が付着している場合の干渉光のスペクトル情報である。
図６に示すように、分光素子２０から４８０ｎｍの光を透過させる場合、測定対象Ｗに１２０ｎｍの異物が付着している場合の光強度、３６０ｎｍの異物が付着している場合の光強度、及び６００ｎｍの異物が付着している場合の光強度は、共に「０」となる。したがって、上記のように、従来の測定方法のように受光部で検出される受光量（光強度）のみを用いる場合では、１波長を超える形状変化は測定することができない。

これに対して、本実施形態では、位置算出部５３は、スペクトル情報に基づいて、測定装置１から測定対象Ｗまでの距離を算出する。つまり、図６に示すように、異物のサイズが異なる場合、４８０ｎｍでの干渉光の光強度が同一であっても、その他の波長での干渉光の光強度は、それぞれ異なる値となる。したがって、図６に示すように、異物のサイズに応じて、異なる形状のスペクトル情報が得られる。

そこで、本実施形態の位置算出部５３は、各画素４２で取得されたスペクトル情報の形状、すなわち、受光量がピーク値となるピーク波長、及び、ピーク波長間のピーク間隔とに基づいて、測定対象Ｗの各測定点の測定装置１からの距離を算出する。
すなわち、位置算出部５３は、各画素４２のスペクトル情報を取得することで、受光量がピーク値となる各ピーク波長を検出することができ、各ピーク波長とピーク間隔から、上述した式（３）における次数ｎを算出することができる。これにより、位置算出部５３は、各画素４２で受光した干渉光の光路長差ｓを算出することができる。また、本実施形態では、参照光路長ｌｒが固定値であるため、光路長差ｓから測定光路長ｌｓを容易に算出することができる。この測定光路長ｌｓは、干渉光学系３０におけるビームスプリッター３２から、測定対象Ｗの各画素４２に対応する測定点までの距離の２倍であるので、測定光路長ｌｓから、測定装置１から測定対象Ｗの各測定点までの距離をそれぞれ算出することができる。

つまり、本実施形態では、ステップＳ１において、基準画素４２Ａに対応する測定対象Ｗの基準点での光路長差ｓが、基準波長λの整数倍となるように、測定装置１と測定対象Ｗとの位置合わせを行う。さらに、ステップＳ２において、分光素子２０で透過させる光の波長を変化させることで、周囲画素４２Ｂを含めた各画素４２のスペクトル情報を取得する。これにより、ステップＳ３では、位置算出部５３は、測定対象Ｗの基準点の測定装置１からの距離を基準として、各測定点の基準点に対する測定装置１からの距離を高精度に算出することができる。
このため、測定対象Ｗにおける基準点に対する各測定点の位置も高精度に算出でき、各測定点の位置から、測定対象Ｗの凹凸や傾斜状態等の表面形状を高精度に測定することが可能となる。

また、本実施形態では、測定装置１から測定対象Ｗまでの各測定点までの距離Δｈは、下記式（４）により算出できる。
Δｈ＝∂ｈ／∂ｚ×Δｚ＋∂ｈ／∂λ×Δλ・・・（４）
式（４）において、第１項の∂ｈ／∂ｚは、昇降機構３４で測定装置１をステージ１００に対して進退させる際の分解能であり、第２項の∂ｈ／∂λは、分光素子２０において透過させる光の波長を変更する際の分解能である。従来の測定方法では、波長λを固定しているため、第２項がなく、第１項のみの分解能で測定される。これに対して、本実施形態では、第１項及び第２項で、それぞれ独立した物理量を扱うことで、従来に比べてより高精度な測定が可能となる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の測定装置１は、光を出射する光源部１０と、光源部１０から出射された光から、所定波長の光を透過させ、かつ所定の波長範囲内で透過させる光の波長を変更可能な分光素子２０と、分光素子２０から出射された光を、測定対象Ｗに照射される測定光と、参照体３３で反射される参照光とに分離し、測定対象Ｗで反射された測定光と、参照体３３で反射された参照光とを合成した干渉光を生成する干渉光学系３０と、干渉光を受光する受光部４０と、分光素子２０を透過させる光の波長を変化させた場合の受光部４０での受光量の変化であるスペクトル情報に基づいて、測定対象Ｗの位置を算出する位置算出部５３と、を備える。

つまり、本実施形態では、測定光及び参照光の波長を変化させ、各波長に対する干渉光の受光量を取得することで、波長と受光量との関係を示すスペクトル情報を取得する。
受光部４０で受光される干渉光の光量がピークとなる条件は、式（３）に示す通りであり、異なる次数ｎの複数の光路長差ｓで、干渉光の光量がピークとなる。したがって、特定の波長の光のみを用いて干渉光を測定した場合では、このような次数ｎの違いによる光路長差ｓを検出することができない。これに対して、本実施形態では、受光部４０で受光される干渉光のスペクトル情報には、複数のピーク波長が含まれることがあり、これらのピーク波長と、ピーク間隔を検出すれば、次数ｎを算出でき、精度よく光路長差ｓを算出することができる。したがって、測定対象Ｗに、干渉光の波長よりも大きい、異物が付着している場合や、凹凸が形成されている場合、急峻な傾斜勾配がある場合でも、その異物や凹凸のサイズ、測定対象Ｗの傾斜を高精度に算出することができる。

本実施形態の測定装置１は、測定光及び参照光の光路長差を調整する光路長調整部５２をさらに備える。そして、この光路長調整部５２は、スペクトル情報の波長範囲内（分光波長域内）に含まれるピーク波長の数が最小となるように光路長差ｓを調整する。
分光波長域内に含まれるピーク数が最小となる場合、次数ｎが最小値に設定されたことを意味する。例えば、光路長差ｓが４８０ｎｍに調整された場合、分光素子２０を透過する光の波長が４８０ｎｍの時に、受光部４０で受光量がピークとなるが、分光波長域内にその他のピーク波長は出現しない。このようなスペクトル情報におけるピーク波長を高精度に検出することができ、測定精度の向上を図ることができる。つまり、式（４）における第２項の∂ｈ／∂λが小さくなり、高い分解能で、測定装置１から測定対象Ｗまでの距離を算出することができる。

本実施形態では、光路長調整部５２は、干渉光学系３０と測定対象Ｗとの距離である測定距離を変化させる。
具体的には、測定装置１は、干渉光学系３０を含む測定装置１自身を、測定対象Ｗが載置されたステージ１００に対して進退させる昇降機構３４を備える。そして、光路長調整部５２は、昇降機構３４を制御することで、参照光路長ｌｒを固定したまま、測定光路長ｌｓを変化させる。
このように、参照光路長ｌｒを固定したまま測定光路長ｌｓを変化させることで、位置算出部５３により算出された光路長差ｓの値から、測定光路長ｌｓを正確に求めることができる。測定光路長ｌｓは、ビームスプリッター３２から出射された測定光が測定対象Ｗで反射されてビームスプリッター３２に戻るまでの距離であるので、測定光路長ｌｓの半値がビームスプリッター３２から測定対象Ｗまでの距離として算出することができる。

本実施形態の測定装置１では、受光部４０は複数の画素４２を有する。そして、光路長調整部５２は、複数の画素４２のうちの１つを基準画素４２Ａとし、基準画素４２Ａで所定の基準波長（例えば、４８０ｎｍ）の光を受光させた時に受光量がピークとなる位置に光路長差を変化させる。
これにより、基準画素４２Ａに対応する測定対象Ｗの基準点に対する、周囲画素４２Ｂに対応する各測定点の位置を正確に算出することができる。また、基準画素４２Ａのスペクトル情報において次数ｎが最小値（例えば「１」）となるように、光路長差が設定されることで、その他の周囲画素４２Ｂに対する測定点に異物や凹凸等の形状変化がある場合に、基準画素４２Ａのスペクトル情報に対して、スペクトル情報のスペクトル形状が大きく変化する。つまり、測定対象Ｗの各測定点に異物等による形状変化がある場合、各周囲画素４２Ｂのスペクトル情報は、基準画素４２Ａのスペクトル情報に対して、ピーク波長の位置及びピーク間隔の変化が顕著に現れる。したがって、高い分解能で測定対象Ｗの各測定点の測定装置１からの距離を算出でき、当該距離に基づいて、測定対象Ｗの表面形状を高精度に測定することができる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態について説明する。
第一実施形態では、測定装置１が昇降機構３４を有し、昇降機構３４によって、測定装置１をステージ１００に対して進退させることで、測定光路長ｌｓを変化させた。
これに対して、本実施形態は、参照光路長ｌｒを変化させる点で第一実施形態と相違する。なお、以降の説明において、既に説明した構成については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図７は、本実施形態の測定装置１Ａの概略構成を示す図である。
本実施形態の測定装置１Ａは、第一実施形態と同様に、光源部１０と、分光素子２０と、干渉光学系３０Ａと、受光部４０と、制御部５０と、を備えている。
ここで、本実施形態の干渉光学系３０Ａは、ハーフミラー３１、ビームスプリッター３２、参照体３３、及び参照体移動機構３５を備えて構成されている。
参照体移動機構３５は、参照体３３をビームスプリッター３２に対して進退させる機構である。
すなわち、本実施形態では、ステージ１００に測定対象Ｗを載置した状態で、測定光路長ｌｓを変更することができず、代わりに、参照体３３をビームスプリッター３２に対して進退させることで、参照光路長ｌｒを変更することが可能に構成されている。

このような本実施形態では、第一実施形態と略同様の測定方法により、測定対象Ｗの表面形状を測定することができる。
ここで、本実施形態では、ステップＳ１において、光路長調整部５２は、参照体移動機構３５を制御して、参照体３３のビームスプリッター３２に対する位置を調整する。例えば、ステップＳ１１で参照体３３をビームスプリッター３２から最も離れた位置に移動させておき、ステップＳ１３で、参照体３３をビームスプリッター３２に向かって移動させる。これにより、上記第一実施形態と同様の処理により、基準画素４２Ａで基準波長の干渉光を受光した時に、受光量がピークとなり、次数ｎが最小となる位置に、参照体３３を移動させる。
なお、以降の処理に関しては、第一実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態の測定装置１Ａでは、光路長調整部５２は、参照光の光路長を変化させる。
具体的には、測定装置１Ａは、干渉光学系３０Ａのビームスプリッター３２と参照体３３との距離を変化させる参照体移動機構３５を備える。そして、光路長調整部５２は、参照体移動機構３５を制御することで、測定光路長ｌｓを固定したまま、参照光路長ｌｒを変化させる。
このように、測定光路長ｌｓを固定したまま参照光路長ｌｒを変化させることで、位置算出部５３により算出された光路長差ｓの値から、測定光路長ｌｓを正確に求めることができる。つまり、参照体３３の移動量から参照光路長ｌｒを算出することができ、光路長差ｓと、算出された当該参照光路長ｌｒとに基づいて、測定光路長ｌｓ、及び、ビームスプリッター３２から測定対象Ｗまでの距離を算出することができる。

［第三実施形態］
上述した第一実施形態及び第二実施形態では、ステップＳ１において、基準画素４２Ａで受光される基準波長の干渉光の受光量がピークとなるように、光路長差ｓを調整する例を示した。
これに対して、第三実施形態では、光路長調整部５２による光路長差の調整をせずに、測定対象Ｗの形状を測定する点で、上記第一及び第二実施形態と相違する。

図８は、本実施形態の測定装置１Ｂの概略構成を示す図である。
図８に示すように、本実施形態の測定装置１Ｂは、光源部１０と、分光素子２０と、干渉光学系３０Ｂと、受光部４０と、制御部５０Ａとを備える。
そして、本実施形態の干渉光学系３０Ｂは、図８に示すように、ハーフミラー３１、ビームスプリッター３２、及び参照体３３を備えるが、昇降機構３４や参照体移動機構３５が設けられていない。

また、本実施形態の制御部５０Ａは、波長指令部５１、及び位置算出部５３Ａとして機能する。
本実施形態では、位置算出部５３Ａは、スペクトル情報のみを用いて、各画素に対応した測定点の位置を算出する。ここで、本実施形態では、光路長差ｓは、所定値以上の比較的大きい値に設定されていることが好ましい。つまり、本実施形態では、式（３）における次数ｎが比較的大きい値を取り、例えば、ｎ＝１００以上となるように、測定光路長ｌｓと参照光路長ｌｒとの光路長差ｓが予め設定されている。

具体的には、本実施形態の測定装置１Ｂでは、ステップＳ１の処理が省略され、ステージ１００に測定対象Ｗを載置した後、ステップＳ２の処理を実施して、各画素４２のスペクトル情報を取得する。
この後、ステップＳ３において、位置算出部５３Ａは、各画素４２に対するスペクトル情報を用いて、各測定点の位置を測定する。ここで、本実施形態では、上述したように、光路長差ｓが所定値以上となり、次数ｎが例えば１００次以上の高次となる。
図９及び図１０は、本実施形態において、一つの画素４２で受光される干渉光のスペクトル情報の一部の例を示す図である図９及び図１０において破線は、異物がない場合のスペクトル情報、破線は１２０ｎｍの異物が付着している場合のスペクトル情報、一点鎖線は３６０ｎｍの異物が付着している場合のスペクトル情報、二点鎖線は６００ｎｍの異物が付着している場合のスペクトル情報である。
ｎが高次である場合、図９及び図１０に示すように、狭い波長域内に複数のピーク波長が現れ、図９のように、サイズが異なる複数種類の異物が付着している場合でも、同一のピーク波長が検出される場合がある。しかしながら、スペクトル情報における他の波長域を参照すれば、図１０のように、異物の種類によって、それぞれピーク波長が異なっていることが分かる。したがって、位置算出部５３Ａは、各スペクトル情報のピーク波長と、ピーク間隔を検出することで、各画素４２に対応した測定対象Ｗの各測定点の測定装置１Ｂからの距離を算出することができる。

本実施形態では、昇降機構３４や参照体移動機構３５が設けられないため、昇降機構３４や参照体移動機構３５の駆動時の振動が発生しない。したがって、振動に基づいた測定誤差も発生せず、測定精度の向上を図ることができる。さらに、昇降機構３４や参照体移動機構３５として、高分解能な移動機構を設ける必要がないため、測定装置１Ｂのコストを低減できるとともに、測定装置１Ｂの小型化をも図ることができる。

［変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

［変形例１］
上記第一実施形態及び第二実施形態では、ステップＳ１において光路長差ｓを調整した後、ステップＳ２で分光素子２０を透過させる光の波長を変化させて、各画素４２についてスペクトル情報を取得した。
これに対し、ステップＳ１のステップＳ１４及びステップＳ１５において、基準画素４２Ａだけでなく、周囲画素４２Ｂのスペクトル情報を取得してもよい。この場合、ステップＳ２の処理を省略できる。

［変形例２］
上記実施形態では、干渉光学系３０のハーフミラー３１は、分光素子２０を透過した光をビームスプリッター３２に向かって透過させ、ビームスプリッター３２側から入射する干渉光を受光部４０に向かって反射させた。これに対して、ハーフミラー３１は、分光素子２０を透過した光をビームスプリッター３２に向かって反射し、ビームスプリッター３２側から入射する干渉光を受光部４０に向かって透過させる構成としてもよい。
また、ハーフミラー３１の代わりに、偏光ビームスプリッターを用いてもよい。
図１１は、変形例２に係る干渉光学系３０Ｃの概略構成を示す図である。なお、図１１において、昇降機構３４又は参照体移動機構３５は省略する。
例えば、図１１に示す干渉光学系３０Ｃでは、分光素子２０を透過した光は、偏光変換素子３６Ａに入射されることで直線偏光（例えばＰ偏光）の光に変換される。偏光変換素子３６Ａと透過した光は、偏光ビームスプリッター３６Ｂに入射され、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッター３６Ｂを透過して、ビームスプリッター３２に向かって出射される。偏光ビームスプリッター３６Ｂとビームスプリッター３２との間にはλ／４板３６Ｃが設けられ、λ／４板３６Ｃを透過することで円偏光となった光は、上記実施形態と同様に、ビームスプリッター３２で測定光及び参照光に分離される。また、測定対象Ｗで反射された測定光、及び参照体３３で反射された参照光は、再びビームスプリッター３２に入射して合成され、干渉光として偏光ビームスプリッター３６Ｂに向かって出射される。そして、λ／４板３６Ｃによって、円偏光からＳ偏光に変換された干渉光は、偏光ビームスプリッター３６Ｂにより反射されて、受光部４０に受光される。

［変形例３］
図１２は、変形例３に係る干渉光学系３０Ｄの概略構成を示す図である。なお、図１２において、昇降機構３４は省略する。
上記実施形態では、ビームスプリッター３２は、測定光をそのまま透過させ、参照光を参照体３３に向かって反射させることで、分光素子２０からの光を測定光と参照光とに分離したが、これに限定されない。
例えば、図１２に示す干渉光学系３０Ｄのビームスプリッター３７は、その表面に、入射光のうちの半分を透過させ、残りの半分を反射させる光学膜が形成されている。このようなビームスプリッター３７では、入射光のうち、光学膜を透過する光が測定光となり、光学膜で反射される光が参照光となる。つまり、光学膜は本開示の参照体を構成する。この場合、光学膜で反射された参照光と、測定対象Ｗで反射された測定光とにより干渉光が生成される。

［変形例４］
上記実施形態では、受光部４０が複数の画素４２を有し、各画素４２から独立したスペクトル情報が取得される例を示したが、これに限定されない。
例えば、受光部４０は、測定対象Ｗの所定の測定点で反射された光のみを受光してもよい。
また、受光部４０は、複数の画素が矩形状の受光面４１にマトリクス状に配置される例を示したが、複数の画素４２が一直線上に配置されるラインセンサーであってもよい。

［変形例５］
第一実施形態では、光路長調整部５２は、昇降機構３４を制御することで測定光路長ｌｓを変化させ、第二実施形態では、光路長調整部５２は、参照体移動機構３５を制御することで、参照光路長ｌｒを変化させる例を示した。これに対して、昇降機構３４及び参照体移動機構３５の双方が設けられ、光路長調整部５２は、昇降機構３４及び参照体移動機構３５の双方を調整して、測定光路長ｌｓ及び参照光路長ｌｒの双方を変化させてもよい。

［変形例６］
第一実施形態では、ステップＳ１１において、測定光路長ｌｓを昇降機構３４で設定可能な最大値に設定し、測定光路長ｌｓを減少させながら、基準画素からの受光信号が最大となる際のスペクトル情報のピーク数を監視して、ピーク数が最小となる測定装置１の高さ位置を検出した。
これに対して、測定光路長ｌｓを昇降機構３４で設定可能な最小値に設定し、測定光路長ｌｓを増大させながら、スペクトル情報のピーク数を監視して、ピーク数が最小となる測定装置１の高さ位置を検出してもよい。
なお、第二実施形態において、参照光路長ｌｒを変化させる場合も同様である。

［変形例７］
上記実施形態では、光源部１０とハーフミラー３１との間に分光素子２０を配置する例を示したが、これに限定されない。例えば、ハーフミラー３１と受光部４０との間に分光素子２０が設けられる構成としてもよい。

［変形例８］
上記実施形態の測定装置１，１Ａ，１Ｂとして、ステージ１００に載置された測定対象Ｗを測定する装置を例示したがこれに限定されない。
例えば、多関節アーム等を備えたロボットアームに測定装置を適用してもよい。この場合、多関節アームのアーム先端に測定装置１，１Ａ，１Ｂを設けることで、作業対象までの距離を測定装置１，１Ａ，１Ｂにより測定することができる。

［本発明のまとめ］
本発明の第一態様に係る測定装置は、光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光のうち所定波長の光を透過させ、かつ所定の波長範囲内で透過させる前記光の波長を変更可能な分光素子と、前記分光素子から出射された光を、測定対象に照射される測定光と、参照体で反射される参照光とに分離し、前記測定対象で反射された前記測定光と、前記参照体で反射された前記参照光とを合成した干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受光する受光部と、前記分光素子から透過される光の波長を変化させた場合の前記受光部での受光量の変化であるスペクトル情報に基づいて、前記測定対象の位置を算出する位置算出部と、を備えることを特徴とする。
このような構成では、受光部で受光される干渉光のスペクトル情報には、複数のピーク波長が含まれることがあり、これらのピーク波長とピーク間隔を検出すれば、測定光と参照光の光路長差を精度よく算出することができる。したがって、測定対象に、干渉光の波長よりも大きい、異物が付着している場合や、凹凸が形成されている場合でも、その異物や凹凸のサイズを高精度に算出することができる。

本態様の測定装置において、前記測定光及び前記参照光の光路長差を調整する光路長調整部をさらに備え、前記光路長調整部は、前記スペクトル情報の前記波長範囲内に含まれるピーク波長の数が最小となるように前記光路長差を調整することが好ましい。
これにより、エラー検出部は、受光部により測定を実施する時間に対する、波長シフトの発生頻度の程度に基づいて、エラーを検出することができ、より適正にエラー検出を行うことができる。

第一態様及び第二態様に係る分光装置において、前記干渉フィルターは、前記ギャップ寸法を変化させるギャップ変更部を備え、前記ギャップセンサーにより検出される前記分光波長が前記目標波長に近づくように、前記ギャップ変更部をフィードバック制御するフィードバック制御部を備えることが好ましい。
干渉光の光強度がピークとなる条件は、測定光路長ｌｓ、参照光路長ｌｒ、次数ｎ、波長λを用いて、ｓ＝ｎλである。したがって、分光波長域内に含まれるピーク数が最小となる場合、次数ｎが最小値に設定されたことを意味する。このような光路長差を設定することで、スペクトル情報におけるピーク波長を高精度に検出することができ、測定精度の向上を図ることができる。

本態様の測定装置において、前記光路長調整部は、前記測定光の光路長を変化させることが好ましい。
これにより、例えば、参照光路長を固定したまま測定光路長を変化させることで、位置算出部により算出された光路長差の値から、測定光路長を正確に求めることができる。

本態様の測定装置において、前記光路長調整部は、前記参照光の光路長を変化させてもよい。
これにより、例えば、参照体の変化量から参照光路長を算出し、位置算出部により算出された光路長差の値から参照光路長を減算すれば、測定光路長を正確に求めることができる。

本態様の測定装置において、前記受光部は複数の画素を有し、前記光路長調整部は、複数の前記画素のうちの１つを基準画素とし、前記基準画素で所定の基準波長の光を受光させた時に前記受光量がピークとなる位置に前記光路長差を変化させることが好ましい。
これにより、基準画素に対応する測定対象の基準点の位置に対し、基準画素以外の周囲画素に対応する各測定点の位置を正確に算出することができる。
また、基準画素のスペクトル情報に含まれるピーク波長の数が最小となるように光路長差が調整されている場合、周囲画素に対応した測定点に異物や凹凸等の形状変化があれば、そのスペクトル情報のスペクトル形状が、基準画素のスペクトル情報のスペクトル形状に対して大きく変化する。つまり、測定対象の各測定点に異物等による形状変化がある場合、基準画素スペクトル情報に対して、ピーク波長の位置及びピーク間隔の変化が顕著に現れる。したがって、高い分解能で測定対象の各測定点の位置を測定することができる。

本発明の第二態様に係る測定方法は、光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光のうち所定波長の光を透過させ、かつ所定の波長範囲内で透過させる前記光の波長を変更可能な分光素子と、前記分光素子から出射された光を、測定対象に照射される測定光と、参照体で反射される参照光とに分離し、前記測定対象で反射された前記測定光と、前記参照体で反射された前記参照光とを合成した干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受光する受光部と、を備える測定装置における測定方法であって、前記分光素子から透過される光の波長を変化させた場合の前記受光部での受光量の変化であるスペクトル情報を取得し、前記スペクトル情報に基づいて、前記測定対象の位置を算出することを特徴とする。
これにより、第一態様の測定装置と同様に、測定対象に、干渉光の波長よりも大きい、異物が付着している場合や、凹凸が形成されている場合でも、その異物や凹凸のサイズを高精度に算出することができる。

１，１Ａ，１Ｂ…測定装置、１０…光源部、２０…分光素子、３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ…干渉光学系、３１…ハーフミラー、３２…ビームスプリッター、３３…参照体、３４…昇降機構、３５…参照体移動機構、３６Ａ…偏光変換素子、３６Ｂ…偏光ビームスプリッター、３６Ｃ…λ／４板、３７…ビームスプリッター、４０…受光部、４２…画素、４２Ａ…基準画素、４２Ｂ…周囲画素、５０，５０Ａ…制御部、５１…波長指令部、５２…光路長調整部、５３，５３Ａ…位置算出部、１００…ステージ、Ｗ…測定対象。

Claims

光を出射する光源部と、
前記光源部から出射された光のうち所定波長の光を透過させ、かつ所定の波長範囲内で透過させる前記光の波長を変更可能な分光素子と、
前記分光素子から出射された光を、測定対象に照射される測定光と、参照体で反射される参照光とに分離し、前記測定対象で反射された前記測定光と、前記参照体で反射された前記参照光とを合成した干渉光を生成する干渉光学系と、
前記干渉光を受光する受光部と、
前記分光素子から透過される光の波長を変化させた場合の前記受光部での受光量の変化であるスペクトル情報に基づいて、前記測定対象の位置を算出する位置算出部と、
を備えることを特徴とする測定装置。
請求項１に記載の測定装置において、
前記測定光及び前記参照光の光路長差を調整する光路長調整部をさらに備え、
前記光路長調整部は、前記スペクトル情報の前記波長範囲内に含まれるピーク波長の数が最小となるように前記光路長差を調整する
ことを特徴とする測定装置。
請求項２に記載の測定装置において、
前記光路長調整部は、前記測定光の光路長を変化させる
ことを特徴とする測定装置。
請求項２または請求項３に記載の測定装置において、
前記光路長調整部は、前記参照光の光路長を変化させる
ことを特徴とする測定装置。
請求項２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、
前記受光部は複数の画素を有し、
前記光路長調整部は、複数の前記画素のうちの１つを基準画素とし、前記基準画素で所定の基準波長の光を受光させた時に前記受光量がピークとなる位置に前記光路長差を変化させる
ことを特徴とする測定装置。
光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光のうち所定波長の光を透過させ、かつ所定の波長範囲内で透過させる前記光の波長を変更可能な分光素子と、前記分光素子から出射された光を、測定対象に照射される測定光と、参照体で反射される参照光とに分離し、前記測定対象で反射された前記測定光と、前記参照体で反射された前記参照光とを合成した干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受光する受光部と、を備える測定装置における測定方法であって、
前記分光素子から透過される光の波長を変化させた場合の前記受光部での受光量の変化であるスペクトル情報を取得し、
前記スペクトル情報に基づいて、前記測定対象の位置を算出する
ことを特徴とする測定方法。