JP4576510B2 - 測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は測定装置及び測定方法に関し、特に詳しくは液体と固体の相界面の位置を測定する測定装置及び測定方法、あるいは表面形状を測定する測定装置及び測定方法に関する。

結晶をさせる結晶成長方法では様々な方法が利用されている。例えば、溶液や溶融物が注入された容器等の中で結晶を成長させる結晶成長方法がある。この結晶成長方法では、プロセス中に液体と固体の相界面の位置を測定することが重要である。なぜなら、この相界面の位置は結晶の高さを示し、そして、この結晶の高さにより、結晶成長装置のヒータ等の調整が行なわれるからである。すなわち、結晶の高さをｉｎ−ｓｉｔｕでモニタすることによって、プロセスの制御を最適化している。さらに、結晶の高さを測定することによって、結晶化速度を算出することが可能になる。

液体と固体との相界面における反射光により結晶成長時に相界面の位置を測定する方法及び装置が開示されている（特許文献１）。この方法では、液体中にグラファイト管を浸漬させている。グラファイト管の下部には光学窓が設けられている。光学窓を介して液体に光を入射させている。そして、液体と固体との相界面で反射した光を検出している。光学窓が相界面に対して斜めに設けられているため、光学窓からの反射光を測定に影響しないものとしている。また、この測定方法では、共焦点光学系又は位相測定干渉計を用いている。

特開２００３−３５５１２号公報

しかしながら、上述の相界面の位置を測定する測定装置では、以下に示す問題点があった。上述の装置では、液体側から光を照射しているため液体の対流によって測定精度が悪くなってしまうという問題点があった。すなわち、液体の対流によって液体の密度や屈折率が変化し、測定誤差が生じてしまうことがあった。特に結晶の成長速度が極端に遅い場合、結晶化速度を測定するため、例えば、数ヶ月や１年程度の間プロセスを実行する必要がある。このように長期間測定を行う必要がある場合、液体の対流による測定誤差の影響が顕著に表れてしまっていた。

なお、上述の問題点は結晶の成長速度の測定だけでなく、固体が液体に溶解する速度を測定する場合においても同様に生じてしまった。すなわち、固体と液体との界面の位置を測定する測定装置では、測定誤差が生じるという問題点あった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、固体と液体との界面の位置あるいは表面形状を正確に測定する測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる測定装置は、物体（例えば、本発明の実施の形態にかかるフォトマスク９１）と参照面とに光を照射して、前記物体で反射された反射光と前記参照面で反射された反射光との位相差に基づいて前記物体の表面形状を測定する測定装置であって、光源（例えば、本発明の実施の形態にかかる光源１１）と、光源からの光と前記物体との相対位置が変わるよう走査する走査手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるＡＯＤ１２及びガルバノミラー１７）と、前記光源からの光を分岐して互いに干渉性を有する第１の可干渉光と第２の可干渉光とを生成し、前記参照面で反射された前記第１の可干渉光と前記物体の表面で反射された第２の可干渉光とを合成するマッハ・ツェンダー干渉光学系（例えば、本発明の実施の形態にかかるマッハ・ツェンダー干渉光学系３０）と、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との焦点位置をずらすよう、前記マッハ・ツェンダー干渉光学系の前記第１の可干渉光及び前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方の光路に配置されたレンズ（例えば、本発明の実施の形態にかかる凸レンズ４５及び凹レンズ４６）と、前記マッハ・ツェンダー干渉光学系から出射された前記第１の可干渉光を前記参照面に集光して照射し、前記第２の可干渉光を前記物体の表面に集光して照射する光学手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるレンズ４２）と、前記マッハ・ツェンダー干渉光学系によって合成された光を共焦点光学系を介して検出し、検出された光の強度に応じた検出信号を出力する検出器（例えば、本発明の実施の形態にかかる検出器７２）と、前記検出信号に基づいて前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との位相差を求め、前記位相差に基づいて前記物体の表面の形状を算出する処理装置（例えば、本発明の実施の形態にかかる処理装置５９）とを備えるものである。これにより、簡易な構成で表面形状を正確に測定することができる。

本発明の第２の態様にかかる測定装置は、上記の測定装置において、前記参照面を有する参照物体が前記物体の上に設けられ、前記物体に対向する面に気体を噴出する噴出部と気体を吸引する吸引部とを有するエアパッドにより前記参照物体が支持され、前記エアパッドと前記参照面との間にエアギャップが設けられた状態で、前記参照物体が前記物体の上に設けられているものである。これにより、物体と参照面との距離を一定に保つことができるため、正確な測定を行うことができる。

本発明の第３の態様にかかる測定装置は、容器（例えば、本発明の実施の形態にかかる容器５１）内に取り付けられた固体（例えば、本発明の実施の形態にかかる固体５５）と前記固体を浸漬するよう前記容器内に注入された液体（例えば、本発明の実施の形態にかかる液体５２）との界面の参照面に対する位置を測定する測定装置であって、光源（例えば、本発明の実施の形態にかかる光源１１）と、前記光源からの光を分岐して互いに干渉性を有する第１の可干渉光と第２の可干渉光とを生成する可干渉光生成手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるＰＢＳ３２）と、前記可干渉光生成手段によって生成された前記第１の可干渉光及び前記第２の可干渉光を前記容器の前記固体が取り付けられた面から前記容器の内側に入射させる光学手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるレンズ４２）であって、前記第１の可干渉光を参照面に集光して照射し、前記第２の可干渉光を前記界面に集光して照射する光学手段と、前記参照面で反射された前記第１の可干渉光の反射光と前記界面で反射された第２の可干渉光の反射光とを合成する光合成手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるＰＢＳ３２）と、前記光合成手段によって合成された光を共焦点光学系を介して検出し、干渉光の強度に応じた検出信号を出力する検出器（例えば、本発明の実施の形態にかかる検出器７２）と、前記検出信号に基づいて前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との位相差を求め、前記位相差に基づいて前記界面の前記参照面に対する位置を測定する処理装置（例えば、本発明の実施の形態にかかる処理装置５９）とを備えるものである。これにより、正確に固体と液体との界面の位置を測定することができる。

本発明の第４の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記光源からの光を走査して、前記参照面上での前記第１の可干渉光の位置及び前記界面上での第２の可干渉光の位置を移動させる走査手段（例えば、本発明の実施の形態にかかるＡＯＤ１２及びガルバノミラー１７）をさらに備えるものである。これにより、正確に固体と液体との界面の形状を測定することができる。

本発明の第５の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記測定装置がマッハ・ツェンダー干渉光学系（例えば、本発明の実施の形態にかかるマッハ・ツェンダー干渉光学系３０）を備え、前記マッハ・ツェンダー干渉光学系に前記可干渉光生成手段と前記光合成手段とが設けられているものである。これにより、簡易な構成で正確に界面の位置を測定することができる。

本発明の第６の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記第１の可干渉光又は前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方の光路に設けられ、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との焦点位置をずらすレンズ（例えば、本発明の実施の形態にかかる凸レンズ４５及び凹レンズ４６）をさらに備え、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光が前記参照面の同じ位置に入射されるものである。これにより、界面の位置をより正確に測定を行うことができる。

本発明の第７の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との焦点位置をずらすレンズを可変焦点距離レンズにより構成するものである。これにより、容易に焦点位置を調整することができる。

本発明の第８の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とが前記マッハ・ツェンダー干渉光学系において異なる光路で往復するものである。これにより、より正確に測定することができる。

本発明の第９の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記第１の可干渉光の光路上に挿入可能に設けられたシャッタを備え、前記シャッタによって、前記第１の可干渉光を遮光した状態で、前記第２の可干渉光を前記検出器で検出した結果に基づいて前記位相差による測定結果をフェーズアンラッピングするものである。これにより、簡易にフェーズアンラッピングを行なうことができ、正確な測定を行うことができる。

本発明の第１０の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記マッハ・ツェンダー干渉光学系において、第１の偏光ビームスプリッタ（例えば、本発明の実施の形態にかかるＰＢＳ３２）により前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とが生成され、前記第１の偏光ビームスプリッタで生成された前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とが前記第２の偏光ビームスプリッタ（例えば、本発明の実施の形態にかかるＰＢＳ３９）を介して前記物体又は参照面にそれぞれ入射し、前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタの間の前記第１の可干渉光の光路中に第１の１／２波長板（例えば、本発明の実施の形態にかかる１／２波長板３８）が配置され、前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタの間の前記第２の可干渉光の光路中に第２の１／２波長板（例えば、本発明の実施の形態にかかる１／２波長板３３）が配置されているものである。これにより、簡易な構成で正確に測定することができる。

本発明の第１１の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記参照面に対して光軸と垂直な方向にずれて配置された前記界面に前記第２の可干渉光を入射させるよう、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との入射位置をずらすものである。これにより、簡易な構成で測定することができる。

本発明の第１２の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との間に位相差を与える位相差生成手段（例えば、本発明の実施の形態にかかる光学くさび３５ｂ）をさらに備え、前記位相差生成手段により前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との間に与えられる位相差を変えて前記検出器で光を検出するものである。これにより、フリンジスキャンをすることができ、より正確に測定を行うことができる。

本発明の第１３の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記位相差生成手段が前記第１の可干渉光及び前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方の光路に設けられた光学くさびと、前記光学くさびを光軸に対して垂直な方向に駆動する駆動装置（例えば、本発明の実施の形態にかかる駆動装置６５）とを備えることを特徴とするものである。これにより、簡易な構成で測定することができる。

本発明の第１４の態様にかかる測定装置は、上述の測定装置において、前記光学くさびが前記第２の可干渉光の光路に設けられ、前記光学くさびの光軸に対する角度を変えることにより、前記第２の可干渉光を前記第１の可干渉光に対して傾けた状態で前記界面に入射させるものである。これにより、より正確に測定を行うことができる。

本発明の第１５の態様にかかる測定方法は、マッハ・ツェンダー干渉光学系を介して物体と参照面とに光を照射して、前記物体で反射された反射光と前記参照面で反射された反射光との位相差に基づいて前記物体の表面形状を測定する測定方法であって、光源からの光と前記物体との相対位置が変わるよう走査するステップと、前記光源からの光を前記マッハ・ツェンダー干渉光学系に設けられた第１の光学手段により分岐して第１の可干渉光と第２の可干渉光とを生成するステップと、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との焦点位置にずらすよう前記第１の可干渉光及び前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方を屈折させるステップと、焦点位置がずれた第１の可干渉光と第２の可干渉光とをマッハ・ツェンダー干渉光学系に設けられた第２の光学手段により重ね合わせるステップと、前記重ね合わされた第１の可干渉光と第２の可干渉光とのうち、前記第１の可干渉光を参照面に集光して照射するステップと、前記重ね合わされた第１の可干渉光と第２の可干渉光とのうち、前記第２の可干渉光を物体の界面に集光して照射するステップと、前記参照面で反射された第１の可干渉光の反射光と前記物体の表面で反射された第２の可干渉光の反射光とを前記第２の光学手段により分岐するステップと、前記第２の光学手段により分岐された第１の可干渉光の反射光と前記第２の可干渉光の反射光とを前記第１の光学手段で合成するステップと、前記第１の光学手段で合成された反射光を共焦点光学系を介して検出するステップと、前記検出された光の強度に基づいて前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との位相差を求め、前記位相差に基づいて前記物体の表面の形状を算出するステップとを有するものである。これにより、正確に表面の形状を測定することができる。

本発明の第１６の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記参照面を有する参照物体を前記物体の上に設け、前記物体に対向する面に気体を噴出する噴出部と気体を吸引する吸引部とを有するエアパッドにより前記参照物体を支持し、前記エアパッドと前記参照面との間にエアギャップが設けられた状態で、前記参照物体が前記物体の上に設けているものである。これにより、参照面と物体との距離を一定に保つことができるため、正確に測定を行うことができる。

本発明の第１７の態様にかかる測定方法は、容器内に取り付けられた固体と前記固体を浸漬するよう前記容器内に注入された液体との界面の参照面に対する位置を測定する測定方法であって、光源からの光を分岐して第１の可干渉光と第２の可干渉光とを生成するステップと、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とのうち、前記第１の可干渉光を前記参照面に集光して照射するステップと、前記第１の可干渉光と第２の可干渉光とのうち、前記第２の可干渉光を前記界面に集光して照射するステップと、前記参照面で反射された前記第１の可干渉光の反射光と前記界面で反射された前記第２の可干渉光の反射光とを合成するステップと、前記合成された反射光を共焦点光学系を介して検出するステップと、前記検出された光の強度に基づいて前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との位相差を求め、前記位相差に基づいて前記界面の参照面に対する位置を算出するステップとを有するものである。これにより、正確に界面の位置を測定することができる。

本発明の第１８の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記参照面上での前記第１の可干渉光の位置及び前記界面上での第２の可干渉光の位置を走査するステップをさらに備えるものである。

本発明の第１９の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記マッハ・ツェンダー干渉光学系に設けられた第１の光学手段により前記光源からの光が第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とに分岐され、前記第１の光学手段により、前記第１の可干渉光の反射光と前記第２の可干渉光の反射光とを合成するものである。これにより、容易に測定を行うことができる。

本発明の第２０の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記参照面と前記界面が光軸に対して垂直な方向に異なった位置に配置され、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光の焦点位置をずらして、前記第１の可干渉光を前記参照面に集光し、前記第２の可干渉光を前記界面に集光するものである。これにより、容易に測定を行うことができる。

本発明の第２１の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、可変焦点距離レンズにより、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光の焦点位置をずらすものである。これにより、容易に焦点位置を調整することができる。

本発明の第２２の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記マッハ・ツェンダー干渉光学系において前記第１の可干渉光の光路と前記第２の可干渉光との光路が異なるものである。これにより、より正確に測定を行うことができる。

本発明の第２３の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記第１の可干渉光を遮光した状態で、前記第２の可干渉光を前記共焦点光学系により検出し、前記第２の可干渉光による測定結果に基づいて前記位相差による測定結果をフェーズアンラッピングするものである。これにより、容易にフェーズアンラッピングを行うことができ、正確に測定を行うことができる。

本発明の第２４の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記参照面と前記界面が光軸に対して平行な方向に異なった位置に配置され、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とを異なる位置に入射させるよう、瞳の位置で前記第１の可干渉光又は前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方の傾きを変化させるものである。これにより、容易に測定を行うことができる。

本発明の第２５の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との間の位相差を変えて前記合成された反射光を検出するものである。これにより、正確に測定を行うことができる。

本発明の第２６の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記界面に対して前記第２の可干渉光の入射角を調整して、前記第２の可干渉光の傾きを前記第１の可干渉光の傾きに対して略一致させるものである。これにより、正確に測定を行うことができる。

なお、上述の測定方法において、指定のない限りそれぞれのステップは記述された順番で処理されなくてもよい。また、上述の測定装置に備えられた各手段は物理的に１つの部材でなくてもよく、さらに１つの部材で２つ以上の手段を構成してもよい。

本発明によれば、固体と液体との界面の位置あるいは表面形状を正確に測定することができる測定方法及び測定装置を提供することができる。

本発明の実施例ついて以下に図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施例を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施例に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。
発明の実施の形態１．

本発明にかかる測定装置について図１を用いて説明する。図１において、１は測定装置、１１は光源、１２は音響光学偏向器（Ａｃｏｕｓｔｉｃ−Ｏｐｔｉｃｓ Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ 以下、ＡＯＤ）、１３はレンズ、１４はミラー、１５はレンズ、１６は偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ 以下、ＰＢＳ）、１７はガルバノミラー、１８はレンズ、１９はミラー、２０はミラー、２１はレンズ、２２は１／４波長板、３０はマッハ・ツェンダー干渉光学系と、３２は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、３３は１／２波長板、３４はミラー、３５は光学くさび、３６は光学くさび、３７はミラー、３８は１／２波長板、３９は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４０はレンズ、４１はレンズ、４２はレンズ、５０は試料、５９は処理装置、６１は第１の可干渉光、６２は第２の可干渉光、６５は駆動装置、７１はレンズ、７２は検出器である。

測定装置１はレーザコンフォーカル（共焦点）光学系と、レーザコンフォーカル（共焦点）光学系の中に挿入されたマッハ・ツェンダー干渉光学系３０とを備えている。ここでマッハ・ツェンダー干渉光学系３０とは一般的なマッハ・ツェンダー光学計から光源及び検出器を除いた構成要素であり、光を２本の可干渉光に分岐するビームスプリッタと２本の可干渉光を重ね合わせるビームスプリッタとの２つのビームスプリッター及び一方のビームスプリッタからの光を他方のビームスプリッタに反射する２つのミラーを有する光学系を示している。なお、本実施の形態では、光を２本の可干渉光に分岐するビームスプリッタと２本の可干渉光を合成するビームスプリッタとがＰＢＳで構成されている。

測定装置１は試料５０に設けられた固体の界面の参照面に対する高さ方向の位置を光の位相差に基づいて測定する。すなわち、光源１１からの光をマッハ・ツェンダー干渉光学系３０で分岐して、固体の界面と参照面とにぞれぞれ入射させる。そして、固体の界面で反射する反射光と参照面で反射する反射光の位相差によって、参照面に対する固体の界面の相対位置が測定される。そして、この参照面に対する固体の界面の相対位置により、結晶の成長速度あるいは溶解速度を算出する。このとき、反射光の検出がレーザコンフォーカル光学系を用いて行なわれる。なお、試料５０の参照面に垂直な方向を高さ方向とし、参照面に平行な方向を横方向とする。

まず、測定装置１の構成について説明する。測定装置１に設けられた光源１１は例えば、レーザ光源などの点光源でありコヒーレント長の長いコヒーレント光を出射する。光源１１からの光ビームはＡＯＤ１２に入射する。ＡＯＤ１２は光源１１からの光ビームを偏向して、光ビームと試料５０との相対位置を変化させる。ここでは、試料５０上で光ビームが光軸に垂直な方向に走査されるものとする。説明の明確化のため、ＡＯＤ１２によって走査される方向をＸ方向とする。ＡＯＤ１２は例えば、レーザ光を試料５０上で４００μｍ程度走査する。ＡＯＤ１２により偏向された光ビームはレンズ１３で屈折され、ミラー１４に入射する。ミラー１４に入射した光は、反射されレンズ１５に入射する。レンズ１５に入射した光は屈折され、ＰＢＳ１６に入射する。偏光ビームスプリッタは、通常、入射した光のうちＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過する。ここでは、光源１１からの光ビームがＰＢＳ１６を透過するように設定されている。

ＰＢＳ１６を通過した光ビームはガルバノミラー１７に入射する。ガルバノミラー１７は光ビームをレンズ１８の方向に反射する。さらにガルバノミラー１７は光ビームの反射角を変化させて光ビームを光軸と垂直な方向に走査する。すなわち、試料５０と光ビームとの相対位置を変化させて、光ビームの走査を行う。ここで、ガルバノミラー１７は、上記のＸ方向と垂直なＹ方向に光ビームを走査するもとのする。ガルバノミラー１７は例えば、レーザ光試料上でＹ方向に４００μｍ程度走査する。このガルバノミラー１７と上述のＡＯＤ１２によって、光ビームが二次元走査される。すなわち、測定装置１はガルバノミラー１７及びＡＯＤ１２から構成される二次元スキャナーを備えている。そして、ＡＯＤ１２とガルバノミラー１７の走査により試料５０上で、例えば、４００μｍ×４００μｍの領域が照明され、この領域の測定が行なわれる。なお、上記の説明では、ＡＯＤ１２及びガルバノミラー１７を用いて二次元走査を行ったが、走査する手段はこれに限るものではない。例えば、ガルバノミラー１７をＸＹ方向に走査可能なガルバノミラーをしてもよい。この場合、ＡＯＤ１２は不要となる。

ガルバノミラー１７で反射された光ビームは、レンズ１８で屈折され、ミラー１９及びミラー２０で反射され、レンズ２１で屈折され、１／４波長板２２に入射する。１／４波長板２２は入射した光の互いに垂直な方向の振動成分に１／４波長の位相差を与える。ここで、１／４波長板２２にはＰＢＳ１６を通過したＰ偏光の光ビームが入射している。したがって、１／４波長板２２を通過した光ビームは円偏光に偏光される。１／４波長板２２によって円偏光に偏光された光ビームは、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０のＰＢＳ３２に入射する。なお、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０はＰＢＳ３２とミラー３４とミラー３７とＰＢＳ３９とを備えている。マッハ・ツェンダー干渉光学系３０のＰＢＳ３２とミラー３４とミラー３７とＰＢＳ３９とは、それぞれの反射面が平行に配置されている。そして、ＰＢＳ３２の反射面は光軸に対して４５°になるように配置されている。ＰＢＳ３２はＳ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過する。したがって、円偏光のうちＳ偏光成分がＰＢＳ３２で反射され、Ｐ偏光成分がＰＢＳ３２を通過する。ここではＰＢＳ３２を透過する光量とＰＢＳ３２により反射される光量が略同じになる。

ＰＢＳ３２、ミラー３４、ミラー３７及びＰＢＳ３９はマッハ・ツェンダー干渉光学系を構成している。すなわち、ＰＢＳ３２に入射した光ビームは、２本の可干渉光に分岐され、異なる光路を伝播していく。このうち、ＰＢＳ３２で反射された光ビームを第１の可干渉光６１とし、ＰＢＳ３２を透過した光ビームを第２の可干渉光６２とする。そして、第１の可干渉光６１の光路には一対の光学くさび３６とミラー３７と１／２波長板３８とＰＢＳ３９とが配置されている。第２の可干渉光６２の光路には１／２波長板３３とミラー３４と一対の光学くさび３５とＰＢＳ３９とが配置されている。

ここで、一対の光学くさび３５のそれぞれを光学くさび３５ａ、光学くさび３５ｂとし、一対の光学くさび３６のそれぞれを光学くさび３６ａ、光学くさび３６ｂする。光学くさび３５と光学くさび３６とは、第１の可干渉光６１の光路長と第２の可干渉光６２の光路長とを同じあるいはレーザ波長の整数倍にするように設けられる。例えば、光学くさび３５及び光学くさび３６に用いられている４つの光学くさびを同じ形状、同じ材質として、光学的な性質を同じにする。これにより、第１の可干渉光６１の光路長と第２の可干渉光６２の光路長とが同じ光路長となる。

そして、４つの光学くさびはそれぞれ配置が異なっている。光学くさびは、例えば、透明な物質から形成され、空気との屈折率の違いにより、入射光を屈折させる。さらに光学くさびは、入射面に対して出射面が微小角度だけ傾斜されて形成されている。したがって、対向する面が平行とならず、傾斜角に応じた角度だけ入射光の光軸を傾けて出射させる。

ここで、説明の明確化のため、光学くさび３６ａのＰＢＳ３２側の面を光学くさび３６ａの入射面とし、光学くさび３６ｂ側の面を光学くさび３６ａの出射面とする。光学くさび３６ｂの光学くさび３６ａ側の面を光学くさび３６ｂの入射面とし、ミラー３７側の面を光学くさび３６ｂの出射面とする。同様に光学くさび３５ａのミラー３４側の面を光学くさび３５ａの入射面とし、光学くさび３５ｂ側の面を光学くさび３５ａの出射面とする。光学くさび３５ｂの光学くさび３５ａ側の面を光学くさび３５ｂの入射面とし、ＰＢＳ３９側の面を光学くさび３５ｂの出射面とする。

光学くさび３６ａの入射面と光学くさび３６ｂの出射面とは平行になり、光学くさび３６ａの出射面と光学くさび３６ｂの入射面とは平行となる。一方、光学くさび３５ａの出射面と光学くさび３５ｂの入射面とは平行となるが、光学くさび３５ａの入射面と光学くさび３５ｂの出射面とが平行にならない。すなわち、１対の光学くさび３６の入射面と出射面とは平行になっているが、１対の光学くさび３５の入射面と出射面とは異なる角度となっている。

第１の可干渉光６１は一対の光学くさび３６を通過して、ミラー３７に入射する。光学くさび３６ａと光学くさび３６ｂの互いに対向する面が平行になっており、１対の光学くさび３６の入射面と出射面とが平行になっている。このため、一対の光学くさび３６に入射する第１の可干渉光６１の光軸と一対の光学くさび３６から出射する第１の可干渉光６１との光軸は同じ方向になる。ここで、第１の可干渉光６１の光軸とは第１の可干渉光６１の光束の中心線であり、この光軸に沿って第１の可干渉光６１が伝播する。ミラー３７で反射された第１の可干渉光６１は１／２波長板３８でＰ偏光に偏光される。そして、Ｐ偏光に偏光された第１の可干渉光６１はＰＢＳ３９に入射する。

一方、ＰＢＳ３２を透過した第２の可干渉光６２は、１／２波長板３３に入射する。第２の可干渉光６２は１／２波長板３３により、Ｐ偏光からＳ偏光に偏光される。Ｓ偏光に偏光された第２の可干渉光６２はミラー３４で反射され、一対の光学くさび３５に入射する。一対の光学くさび３５は瞳の位置に配置されている。すなわち、光学くさび３５ａと光学くさび３５ｂとの中間が、瞳の位置になる。なお、測定装置１は光学くさび３５ｂを矢印の方向に駆動するための駆動装置６５を備えている。駆動装置６５は、例えば、アクチュエータ及び駆動回路を備えている。そして、処理装置５９からの制御信号により、光学くさび３５ｂを矢印の方向に移動させてフリンジスキャンを行なう。これについては後述する。

ここで、一対の光学くさび３５は一対の光学くさび３６とは異なり、入射面と出射面とが傾いて配置されている。したがって、一対の光学くさび３６から出射される第１の可干渉光６１とは異なり、一対の光学くさび３５から出射される第２の可干渉光６２は光軸が傾く。すなわち、一対の光学くさび３５に入射する光と一対の光学くさび３５から出射する光の光軸は傾斜している。ここで、第２の可干渉光６２の光軸とは第２の可干渉光６２の光束の中心線であり、この光軸に沿って第２の可干渉光６２が伝播する。そして、第２の可干渉光６２は瞳の位置で、光軸の角度が変化する。したがって、試料５０上において、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とは異なる位置に照射される。すなわち、試料上において、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とは横方向に所定の間隔だけずれた位置に入射する。一対の光学くさび３５から出射した光は、ＰＢＳ３９に入射する。

ＰＢＳ３９に入射した第１の可干渉光６１は１／２波長板３８によりＰ偏光に偏光されている。よって、第１の可干渉光６１はＰＢＳ３９を透過する。一方、ＰＢＳ３９に入射した第２の可干渉光６２は１／２波長板３３によりＳ偏光に偏光されている。よって、第２の可干渉光６２はＰＢＳ３９で反射される。したがって、第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２はレンズ４０に入射する。レンズ４０に入射した第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２は屈折され、レンズ４１に入射する。レンズ４１にに入射した第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２は屈折され、レンズ４２に入射する。レンズ４２は対物レンズであり、入射した第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２をそれぞれ集光して、試料５０を照明する。すなわち、試料５０がレンズ４２の焦点位置となるよう配置されている。このとき、第２の可干渉光６２が一対の光学くさび３５で屈折されているため、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とが異なる位置に集光される。すなわち、第１の可干渉光６１の光路と第２の可干渉光６２の光路とがずれた状態で光がＰＢＳ３９から試料５０まで伝播する。換言すると第２の可干渉光６２はレンズ４０〜レンズ４２の主軸とは異なる方向に伝播する。

次に、試料５０で反射した反射光について説明する。なお、説明の明確化のため、光源１１から試料５０に入射する光を入射光とし、入射光のうち試料５０で反射され検出器７２まで伝播する光を反射光とする。試料５０で反射された第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２の反射光はそれぞれの入射光の光路と同じ光路で試料５０まで伝播していく。すなわち、反射光はレンズ４２、レンズ４１及びレンズ４０により屈折され、ＰＢＳ３９に入射する。このとき、第１の可干渉光６１の反射光の光路と第２の可干渉光６２の反射光の光路とがずれた状態で光が試料５０からＰＢＳ３９まで伝播する。第１の可干渉光６１の反射光はＰ偏光であるため、ＰＢＳ３９を通過して、１／２波長板３８に入射する。一方、第２の可干渉光６２の反射光はＳ偏光であるため、ＰＢＳ３９で反射され、一対の光学くさび３５に入射する。すなわち、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０において、第１の可干渉光６１の入射光と第１の可干渉光６１反射光とが同じ光路を反対方向に伝播し、第２の可干渉光６２の入射光と第２の可干渉光６２反射光とが同じ光路を反対方向に伝播する。さらに、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０において、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２の反射光とは全く異なる光路で伝播していく。換言すれば、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とがマッハ・ツェンダー干渉光学系３０において異なる光路で往復する

ＰＢＳ３９を透過した第１の可干渉光６１の反射光は１／２波長板３８を通過する。ことき、第１の可干渉光６１の反射光はＰ偏光からＳ偏光に偏光される。Ｓ偏光に偏光された第１の可干渉光６１の反射光はミラー３７で反射され、一対の光学くさび３６に入射する。そして、一対の光学くさび３６に入射した反射光は一対の光学くさび３６で屈折され、ミラー３２に入射する。一対の光学くさび３６は上述のように、対向する面が平行に配置されているため、平行な光軸となるよう第１の可干渉光６１の反射光を屈折する。一対の光学くさび３６で屈折された第１の可干渉光６１の反射光はＰＢＳ３２に入射する。このとき、第１の可干渉光６１の反射光は１／２波長板３８でＳ偏光に偏光されているため、ＰＢＳ３２で反射される。このようにマッハ・ツェンダー干渉光学系３０において、第１の可干渉光６１の入射光と反射光とは、同じ光路を伝播するため、第１の可干渉光６１の入射光と反射光の光軸は一致する。

一方、ＰＢＳ３９から一対の光学くさび３５に入射した第２の可干渉光６２の反射光は第２の可干渉光６２の入射光と同じ光路で伝播していく。すなわち、第２の可干渉光６２の反射光は一対の光学くさび３５で屈折される。このとき、第２の可干渉光６２の入射光と反射光は同じ光軸となるように屈折される。一対の光学くさび３５から出射した第２の可干渉光６２の反射光はミラー３４で反射され、１／２波長板３３に入射する。１／２波長板３３に入射した第２の可干渉光６２の反射光はＰ偏光に偏光され、ＰＢＳ３２に入射する。よって、ＰＢＳ３２に入射した第２の可干渉光６２の反射光は、ＰＢＳ３２を通過する。このようにマッハ・ツェンダー光学系において、第２の可干渉光６２の入射光と反射光とは、同じ光路を伝播するため、第２の可干渉光６２の入射光と反射光の光軸は一致する。

このようにマッハ・ツェンダー干渉光学系３０において、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２のそれぞれは、その入射光と反射光との光軸が一致するよう伝播していく。そして、ＰＢＳ３２によって第１の可干渉光６１の反射光と第２の可干渉光６２の反射光とは合成され、干渉光となる。このとき、第１の可干渉光６１の光路と第２の可干渉光６２の光路とは同じ光路長になるように設定されている。具体的には、一対の光学くさび３５と一対の光学くさび３６並びに１／２波長板３３と１／２波長板３８をそれぞれ同一形状、同一材質の光学部品で構成している。したがって、レーザ光を走査しながら、ＰＢＳ３２によって合成された第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とを検出器７２で検出することにより、試料５０に応じた干渉縞を観察することができる。このとき、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とは異なる光路を通過していく。これにより、一対の光学くさび３５で第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との試料５０上における入射位置をずらした場合でも、干渉縞の像が２重像となるのを防ぐことができる。

このように第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２は、試料５０で反射されるため、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０を往復する。このとき、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０から出射した第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２の反射光は、入射光と同じ光路を伝播して、ＰＢＳ１６に入射する。すなわち、第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２の反射光は１／２波長板２２を通過し、レンズ２１を通過し、ミラー２０で反射され、ミラー１９で反射され、レンズ１８で屈折され、ミラー１７で反射され、ＰＢＳ１６に入射する。このとき、第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２の反射光は１／２波長板２２により、円偏光に偏光されている。

そして、ＰＢＳ１６に入射した光のうち、ＰＢＳ１６で反射された光はレンズ７１で屈折され、検出器７２に入射する。すなわち、第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２の反射光が入射光から分離される。そして、検出器７２は入射した光の強度に応じた信号を処理装置５９に出力する。なお、コンフォーカル光学系を構成するため、光源１１と試料５０、並びに、試料５０と検出器７２の検出画素とがそれぞれ互いに共役な結像関係となるよう配置される。すなわち、点光源である光源１１からの光を試料５０上に集光され、かつ、試料５０で反射した光は対物レンズであるレンズ４２により検出器７２の検出画素上に集光される。試料５０からの反射光をコンフォーカル光学系により検出している。

そして、レーザ光をＡＯＤ１２でＸ方向に移動させて、走査を行う。ＡＯＤ１２により走査を行うと、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２は光学くさび３５ｂで与えられた間隔を保ったまま試料上の同じ方向に走査される。ここで、１次元ＣＣＤである検出器７２の検出画素はＸ方向すなわち、走査方向に配置されている。ＡＯＤ１２は入射光と反射光とを分岐するＰＢＳ１６と光源１１との間に配置されている。したがって、ＡＯＤ１２に走査によって、検出器７２に入射する反射光がＸ方向に移動する。ここで、検出器７２を例えば、複数の検出画素がＸ方向に沿って配置された１次元ＣＣＤとする。これにより、検出器７２に入射する反射光がＸ方向に移動しても、検出器７２を移動させることなく検出を行なうことができる。すなわち、ＡＯＤ１２の走査に応じて、検出器７２の検出画素を隣の検出画素に順番にずらしていく。具体的には、ＡＯＤ１２により、検出画素のピッチに対応する距離だけＸ方向に走査させる。これにより、Ｘ方向に配列された検出画素のうち、反射光が入射する検出画素が隣の検出画素に移動する。このとき、所定の検出画素以外の検出画素からの信号は測定に寄与しないようにする。すなわち、コンフォーカル光学系により反射光を検出するため、所定の検出画素以外の検出画素に入射した光には、試料５０の所定の面以外の面で反射した光が含まれる。したがって、高さ方向の分解能を向上するため、試料５０の所定の面以外の面で反射した光を測定から排除する。

Ｘ方向に１ライン分の走査が終了したら、ガルバノミラー１７によりＹ方向に走査して、光源１１からの光を試料５０上の次のラインに移動させる。このとき、ガルバノミラー１７はＰＢＳ１６と試料５０との間に配置されているため、ガルバノミラー１７で走査した光は検出器７２に入射する。上記と同様にＸ方向の走査を行い、反射光を検出する。これを繰り返し行って二次元走査を行う。二次元走査されている間の、検出器７２からの検出信号は処理装置５９に出力される。すなわち、処理装置５９に入力された検出信号の強度が反射光の位相差に応じた干渉光強度に基づくものとなる。処理装置５９は各位置における検出信号から干渉光強度の二次元分布を算出する。この干渉光強度の二次元分布が干渉縞となる。

上述の構成でラスタスキャンを行なって、試料５０からの干渉光による干渉縞の像を撮像する。これにより、コンフォーカル光学系で、二次元の干渉縞の撮像が可能になる。ここで、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とは試料上で異なる位置にずれて照射されている。したがって、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との位相差には、集光された位置の高さ方向の情報が含まれている。第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との位相差を検出することによって、試料５０の参照面に対する固体の高さ方向の位置を測定することができる。また、コンフォーカル光学系を用いているため、測定対象の固体の界面及び参照面以外からの迷光を除去することができる。

具体的には光学くさび３５ｂにを矢印の方向に駆動して、フリンジスキャンを行なう。すなわち、位相シフト法により測定を行うため、処理装置５９により光学くさび３５ｂを駆動して、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との間に、レーザ光の１波長分までの光路差を与えていく。そして、所定の位相差を与えている状態で二次元走査を行い、干渉縞を撮像する。与えた位相差を変えて干渉縞を複数撮像し（例えば、位相差π／２、π、３π／２、２π）、干渉縞を走査する。処理装置５９には、光学くさび３５ｂの駆動により与えた位相差とそのときの干渉光強度が対応付けられて記憶されている。そして、処理装置５９は干渉縞の明るさの変化から、初期位相（光学くさび３５ｂにより与えた位相差が０の時の第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との間の位相差）を計算する。そして、全ての位置において初期位相を計算し、その初期位相を距離に換算することにより、界面形状を測定することができる。なお、処理装置５９は位相差を算出するとき、位相接続（フェーズアンラッピング）を行なう。可干渉光による測定とは別に、コンフォーカル光学系によって試料表面の形状を測定し、その測定結果に応じてフェーズアンラッピングを行なうことができる。このフェーズアンラッピング方法については後述する。

次に、試料５０の構成について図２を用いて説明する。図２は試料５０の構成を示す断面図である。図１で付した符号と同一の符号は同一の構成要素を示すため説明を省略する。試料５０は容器５１と液体５２とカバーガラス５３と接着材５４と固体５５と参照物体５６とを備えている。

容器５１は例えば、ガラスなどの透明な材質により構成されている。容器５１は液体５２が注入される凹部が形成されている。その凹部の底面は平坦に形成されている。また、容器５１の底面、すなわち凹部の底面の反対側の面も平坦に形成される。したがって、容器５１の底は平坦に形成される。そして、平坦な凹部の底面には接着材５４を介して固体５５と参照物体５６とが取り付けられている。接着材５４には例えば、光学セメントなどの光源１１からの光を透過するものが用いられる。参照物体５６と固体５５とは光源１１からの光を透過する材質とする。参照物体５６には、例えば、透明な材質などを用いる。例えば、参照物体５６には平坦なガラス板を用いることが好ましい。そして、容器５１の凹部には固体５５と参照物体５６とを浸漬するように液体５２が注入される。液体５２が注入された容器５１の上面にはカバーガラス５３が取り付けられている。これにより、液体５２が容器の外側にこぼれるのを防ぐことができる。なお、試料５０は透明なＸＹステージ上に載置されるが、図２では省略して図示している。

ここで、固体５５と液体５２との界面の位置を測定するための方法について説明する。まず、図１で示した容器５１の底面側から第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とを入射させる。ここで、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とは試料５０上において、横方向にずれているため、第１の可干渉光６１を参照物体５６に入射させ、第２の可干渉光６２を測定する固体５５に入射させることができる。第１の可干渉光６１は容器５１の底及び接着材５４を透過して参照物体５６に入射する。このとき、図１で示したレンズ４２により第１の可干渉光６１は参照物体５６と液体５２との界面に集光する。そして、第１の可干渉光６１は、参照物体５６と液体５２との屈折率の差により、参照物体５６と液体５２との界面すなわち、参照物体５６の容器５１の底面とは反対側の面で反射される。この参照物体５６と液体５２との界面が参照面となる。また、参照物体５６と液体５２との界面で反射される第１の可干渉光６１の反射光が干渉計の参照光となる。一方、第２の可干渉光６２は容器５１の底及び接着材５４を透過して固体５５に入射する。ここで、このとき、図１で示したレンズ４２により第２の可干渉光６２は固体５５と液体５２との界面に集光する。そして、第２の可干渉光６２は、固体５５と液体５２との界面すなわち、固体５５の容器５１の底面とは反対側の面で反射される。この、固体５５と液体５２との界面が高さ方向の位置を測定する測定面となる。

参照物体５６と液体５２との界面で反射された第１の可干渉光６１の反射光と固体５５と液体５２との界面で反射された第２の可干渉光６２の反射光とは、図１で示したコンフォーカル光学系を介して検出器７２で検出される。すなわち、参照物体５６と液体５２との界面及び固体５５と液体５２との界面のそれぞれの界面は、光源１１の出射面及び検出器７２の受光面のそれぞれと互いに共役な関係となっている。

ここで、参照物体５６は固体５５と略同じ高さになるようものとする。マッハ・ツェンダー干渉光学系３０における、第１の可干渉光６１の光路長と第２の可干渉光６２の光路長とは等しくなるように設定している。したがって、反射光が入射した位置における参照物体５６と固体５５との界面の高さが等しいあるいはレーザ光の波長の整数倍の場合、干渉光が明るくなる。すなわち、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とが同じ位相であるため、干渉光の振幅が強くなる。そして、参照物体５６と固体５５との界面の高さがずれていくと、干渉光が徐々に暗くなっていき、光源１１からのレーザ光の１／２波長ずれたとき、最も暗くなる。このように、固体５５と参照物体５６との高さの差により、第１の可干渉光６１の反射光と第２の可干渉光６２の反射光との位相が異なる。この第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との位相差が、干渉縞の明暗すなわち干渉光強度に反映される。したがって、ＰＢＳ３２で合成された干渉光を検出器７２で検出することにより、光が入射した位置における参照物体５６に対する固体５５の高さ方向の相対位置が検出される。そして、上述のようにレーザ光を二次元走査することによって、固体５５と液体５２との界面の形状を三次元的に測定することができる。

このように容器５１の凹部の底面に固体５５及び参照物体５６を取り付け、容器５１の底面から容器５１の内部に光を入射させることにより、液体５２の影響を防ぐことができる。すなわち、本実施の形態では、液体５２を介さずに固体５５又は参照物体５６に光入射して、固体５５又は参照物体５６と液体５２との界面で反射された反射光を検出している。これにより液体５２のゆらぎなどによる測定への影響を防ぐことができ、精度良く界面の形状を測定することができる。

また、コンフォーカル光学系を介して干渉光を検出しているため、所定の面以外で反射された迷光を除去することができる。例えば、試料５０の容器５１と接着材５４との界面や容器５１の外側表面で反射された光を除去することができる。よって、固体５５と液体５２との界面での反射率が低い場合でも、正確に測定することができる。

次に固体５５と液体５２との界面が、参照面に対して傾斜している場合について、図３を用いて説明する。この場合、図３に示す第２の可干渉光６２ａのように、入射光が反射面（固体５５と液体５２との界面）に対して垂直な方向から傾いて照明される。換言すれば、第２の可干渉光６２ａの波面が反射面から傾いてしまう。固体５５と液体５２との界面が、参照物体５６と液体５２との界面から傾いていると、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とが平行に入射された場合、第２の可干渉光６２の反射光の波面が第１の可干渉光６１の反射光の波面に対して傾いてしまう。この場合、二次元走査によって撮像される干渉縞の間隔が狭くなっていまう。すなわち、第２の位置に応じて第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との間に位相差が生じ、干渉縞の数が増えてしまう。

これを防ぐため、本実施の形態では、一対の光学くさび３５を図３の矢印の方向に回転させて入射光の角度を変えている。具体的には、干渉縞の数が少なくなるように一対の光学くさび３５を駆動することにより、第２の可干渉光６２の入射角度を調整している。そして、図３の第２の可干渉光６２ｂのように、固体５５と液体５２との界面に対して垂直に入射している。これにより、固体５５と液体５２との界面が参照面に対して傾いている場合でも、干渉縞の数の増加を防ぐことができ、精度の高い測定を行うことができる。上記の方法は、例えば、接着材５４により接着した固体５５が傾斜して接着された場合に有効である。

参照物体５６に対する固体５５の高さを測定することによって、結晶の成長速度や固体の溶解速度を測定することができる。すなわち、ある一定時間経過した後の固体の高さの差が成長速度や溶解速度を示す。具体的には干渉縞の模様の変化によって、成長速度又は溶解速度の測定を行うことができる。さらに、本実施の形態にかかる測定装置では、コンフォーカル光学系を用いているため１分子層レベルの測定が可能であるため、極めて小さい成長速度あるいは溶解速度の物質についての測定が可能となる。また、溶液注入前から光学系の調整を行なうことができるため、溶液注入直後からの固体の高さの変化を測定することができる。すなわち、溶液注入前では、固体５５又は参照物体５６と空気との界面に焦点を合わせるよう調整を行うことにより、溶液注入直後から測定することができる。したがって、自由落下を利用した微小重力環境での実験のように実験時間が限られている場合において、測定までの時間のロスがなくなるので、実質的に長時間の測定が可能になる。なお、測定装置１により測定対象となる固体を特に限定されるものではない。例えば、固体５５を結晶として、液体５２を結晶の溶融物として結晶の成長速度を測定することができる。あるいは固体５５を結晶とし、液体５２をその結晶の材料となる物質が溶解する溶液として、結晶の溶解速度を測定することができる。さらには、固体をたんぱく質などの生化学物質とし、その生化学物質が溶解する速度を測定することも可能である。

測定時間が長時間になり、参照物体５６が液体５２に溶け出してしまう場合、参照物体５６の上に保護膜を形成するようにする。この保護膜は液体５２に全く溶け出さない材質であることが好ましい。あるいは、保護膜が液体５２に溶け出してしまう材質であっても、長時間の測定後、保護膜が参照面上に残存しているような膜厚で保護膜を形成すればよい。なお結晶の成長速度又は溶解速度が極めて遅い場合、フリンジスキャンした結果をフーリエ変換することにより、より高精度の測定を行なうことができる。

成長速度又は溶解速度が極めて遅い場合、測定精度を上げるために長時間の測定が可能になる。測定を長時間行う場合、固体５５の表面の傾きが変化してしまう場合がある。この場合、その固体５５の表面の傾きの変化をモニタすることができる。これについて図４を用いて説明する。図４は試料５０の構成を模式的に示す上面図である。なお、図４ではカバーガラスを省略して図示している。図４において、６３は第１の可干渉光６１を二次元走査して照明される第１の照明領域、６４は第２の可干渉光６２を二次元走査して照明される第２の照明領域である。すなわち、第１の可干渉光６１を走査することにより照明される第１の照明領域６３を実線で示し、第１の可干渉光６１を走査することにより照明される第２の照明領域６４を点線で示している。

上述のように固体５５の表面が傾いている場合、すなわちチルトしている場合、干渉縞の本数が多くなる。測定装置１では、第２の可干渉光６２の傾きを変えることにより、干渉縞の本数を少なくしている。すなわち、干渉縞の本数が少なくなるように、随時、第２の可干渉光６２の傾きが一対の光学くさび３５の駆動により調整されている。したがって、第２の可干渉光６２の傾きと第１の可干渉光６１との傾きの差が固体５５の表面の傾きを示すことになる。

この固体表面の傾きの変化をモニタするため、図４に示すように第１の照明領域６３のみならず第２の照明領域６４が参照物体５６上になるように、レーザ光の走査領域を広げる。ここでは、Ｘ方向の走査距離を長くして、第２の可干渉光６２が参照物体５６に入射されるようにする。参照物体５６の表面は平坦であるため、第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２が参照物体６５に平行に入射しているとき、干渉縞の本数が最も少なくなる。一方、第１の可干渉光６１が参照物体５６に照射され、第２の可干渉光が固体５５に入射されているとき、第２の可干渉光６２のチルト角は固体５５の表面の傾斜角に対応した角度となると、干渉縞の本数が最も少なくなる。したがって、長時間の測定でも、第２の可干渉光６２を固体に入射させたときに最も干渉縞の本数が少なくなる場合の入射角と、第２の可干渉光６２とを参照物体５６に入射させたときに最も干渉縞の本数が少なくなる第２の可干渉光６２の入射角との差から、固体５５の傾斜角をモニタすることができる。そして、この測定を定期的に行うことによる、固体５５の表面の傾斜角の変化をモニタすることができる。

本実施の形態では、マッハ・ツェンダー干渉光学系を用いて、レーザ光を第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とに分岐している。マッハ・ツェンダー干渉光学系３０では、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とが全く異なる光路を伝播するため、容易に光路に異なる光学部品を配置することができる。すなわち、第１の可干渉光６１の光路と第２の可干渉光６２の光路に例えば、異なる配置の光学くさびを置くことができる。さらには、ＮＤフィルタなどを配置することによって、第１の可干渉光の強度と第２の可干渉光の強度を調整すること可能である。これにより、干渉縞のコントラストを高くすることができる。特に、参照物体５６の上に保護膜を設けると、保護膜の材質によって参照面と測定面とで反射率が大きく異なってしまう場合がある。この場合、光量の調整により、コントラストを向上することができる。もちろん、一方の光路に光学部材を配置した場合、他の光路にその光学部材と光路長が等しい透明なガラス板などを挿入し、光路長を揃えるようにする。また、上記の説明では、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との初期の光路長を等しいものとして説明したが、光路長の差をレーザ光の波長の整数倍としてもよく、任意の位相差を設けてもよい。この場合、光路長の差をレーザ光のコヒーレント長以下とする。なお、上記の説明では、第２の可干渉光６２の光路中に設けられた光学くさび３５ｂを駆動して、位相差を変えたが、光学くさび３５ａあるいは第１の可干渉光６１の光路中に設けられた光学くさび３６ａ又は光学くさび３６ｂを駆動しても位相差を変えてもよい。

次に、コンフォーカル光学系の測定結果に応じたフェーズアンラッピング方法について説明する。このフェーズアンラッピング方法のため、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０にはシャッター４３が設けられている。シャッター４３は第１の可干渉光６１の光路中に挿入可能に設けられている。すなわち、シャッター４３を移動させることにより、第１の可干渉光６１の光路中にシャッター４３を出し入れすることができる。シャッタ４３を矢印の方向に移動させると第１の可干渉光６１が遮光される。この場合、検出器７２は第２の可干渉光６２のみが入射し、第２の可干渉光６２のみを検出する。また、シャッター４３を光路上から除去することにより、上記の２本の干渉光ビームによる測定を行うことができる。

第２の可干渉光６２のみを用いた場合の測定について説明する。第２の可干渉光６２はコンフォーカル光学系を介して検出器７２で検出される。コンフォーカル光学系は通常、光軸と平行な方向に１００ｎｍ程度の空間分解能を有している。したがって、第１の可干渉光６１を遮光して、第２の可干渉光６２のみにより測定を行うことによって、試料５０の界面の高さを１００ｎｍ程度の分解能で測定することができる。そして、第２の可干渉光６２をコンフォーカル光学系で測定した後、上記の干渉光による界面の高さ測定を行う。そして、コンフォーカル光学系の測定結果に基づいて、可干渉光による高さ測定の結果に対してフェーズアンラッピングを行なう。

このフェーズアンラッピング方法について図５を用いて説明する。図５（ａ）は試料５０の表面の高さを示す図である。図５（ｂ）は第１の可干渉光６１をシャッター４３により遮光して、第２の可干渉光６２をコンフォーカル光学系で測定したときの試料表面の高さ測定の結果を示す図である。図５（ｃ）は第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２の位相差に基づく試料表面の高さ測定の結果を示す図である。図５（ｄ）は図５（ｂ）の測定結果に基づいて、図５（ｃ）の測定結果をフェーズアンラッピングした結果である。

図５（ａ）に示すように、試料５０には表面に段差を有している。試料表面の段差はｎλ／２よりも大きい段差である。なお、媒質の屈折率をｎとし、レーザ光の波長をλとする。この場合、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との間の位相差による表面高さの測定では、図５（ｃ）に示すようにフェーズラッピングが生じてしまう。すなわち、測定結果から算出した位相が不連続になってしまう。このように、試料５０の表面にｎλ／２以上の凹凸が形成されている場合、位相が３６０°以上ずれてしまい、フェーズラッピングが生じてしまう。干渉計を利用した高さ測定には、フェーズラッピングによってｎλ／２の不確定性があり、特に不連続な面では、高精度の測定が困難である。そこで、本実施の形態では、下記のように、低分解能での高さ測定を行い、その情報に基づいてフェーズアンラッピングを行なっている。

まず、第２の可干渉光６２のみをコンフォーカル光学系により検出する。コンフォーカル光学系は１００ｎｍ程度の分解能である。そして、第２の可干渉光６２をガルバノミラー１７によりＹ方向に走査する。ここで、第２の可干渉光６２を走査をしている間、最大輝度が得られるように、試料５０とレンズ４２との間の距離を調整する。例えば、試料５０を載置するステージを光軸の方向、すなわちＺ方向に駆動可能なステージとしてもよく、あるいはレンズ４２を試料５０に対して近づけてもよい。検出器７２の所定の画素における検出信号が最も強くなるよう、試料５０とレンズ４２との間の距離を調整する。コンフォーカル光学系では、検出器７２の所定の画素における検出信号が最も強くなっているとき、すなわち、検出器７２で最大輝度が得られるとき、試料５０の表面が合焦点位置となっている。したがって、このときの試料５０とレンズ４２との距離は試料５０の表面の高さを示す。すなわち、合焦点位置にあるときの試料５０とレンズ４２との距離に基づいて、試料の表面高さを１００ｎｍ程度の分解能で測定することができる。この測定結果は図５（ｂ）に示すようになる。この測定では、位相差に基づく測定とは異なり、１ｎｍ程度の高分解能での測定を行うことができない。このように、最大輝度が得られるフォーカス高さによって、試料表面の高さを１００ｎｍ程度の分解能で求めることができる。

次に、試料５０の表面での反射光が１次元ＣＣＤである検出器７２の隣の画素に入射するよう、ＡＯＤ１２により、光源１１からのレーザ光をＸ方向に走査する。これにより、試料５０からの反射光が検出器７２の隣の画素に入射するようになる。そして、同様にＹ方向の走査を行いながら、隣の画素からの検出信号が最も強くなるように焦点位置を変えて測定を行う。Ｙ方向とＸ方向の走査を繰り返すことにより、試料５０の表面高さを１００ｎｍ程度の分解能で２次元測定することができる。このように、コンフォーカル光学系において最大輝度が得られたフォーカス高さを求めることによって、試料表面の３次元形状を１００ｎｍ程度の分解能で測定することができる。この１００ｎｍ程度の分解能での測定結果に基づいて位相接続（フェーズアンラッピング）を行なう。

次に位相差に基づく表面高さの測定を行う。具体的には、シャッター４３を光路上から除去し、上記のように第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との間の位相差によって、試料５０の表面高さを測定する。この測定では、１ｎｍ程度の高い分解能で表面高さを測定することができる。位相差に基づく測定結果は図５（ｃ）に示すようにλ／２の整数倍の不確定性が含まれる。すなわち、ｎλ／２以上の段差等があり、位相差が３６０°以上ずれてしまうと不連続な測定結果になってしまう。位相差に基づく測定に含まれるλ／２の整数倍の不確定性をコンフォーカル光学系による１００ｎｍ程度の分解能での測定結果により除去する。具体的にはコンフォーカル光学系による測定結果によって、基準となる点と測定点の間の位相差が３６０°以上あるかないか、あるいは７２０°以上あるかないか等を算出する。そして、位相差に基づく表面高さの測定結果を位相接続する。隣り合う点に３６０°以上の位相飛びがある場合でも、コンフォーカル光学系による１００ｎｍ程度の分解能での測定結果に基づいて、位相を繋ぎ合わせることができる。このようにしてフェーズアンラッピングすることにより、図５（ｄ）に示すよう、連続した表面形状を合成することができる。このように、図５（ｄ）のフェーズアンラッピング結果と図５（ａ）の表面形状とは略一致する。これにより、例えば、試料表面に段差がある場合や、試料表面があまり平坦でない場合でも、正確に表面高さの測定を行うことができる。これらの処理は処理装置５９で行なうことができる。
発明の実施の形態２．

本実施の形態では、実施の形態１と異なり、ウォラストンプリズム又はノマルスキープリズムを用いて光の試料上での照射位置をずらしている。すなわち、実施の形態１ではマッハ・ツェンダー干渉光学系３０により２レーザ光からの光を２つに分岐して、そのマッハ・ツェンダー干渉光学系３０の２つの光路に設けられた光学くさびを異なる配置として試料５０上の照射位置をずらしていた。一方、本実施の形態では、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０ではなく、ウォラストンプリズム又はノマルスキープリズムを用いて、レーザ光を２つに分岐していている。すなわち、本実施の形態では第１の可干渉光６１と第２の可干渉光を生成する手段がＰＢＳ３２からウォラストンプリズム又はノマルスキープリズムに偏光されている。さらに、本実施の形態ではマッハ・ツェンダー干渉光学系３０に設けられた光学くさびではなく、ウォラストンプリズム又はノマルスキープリズムを用いて、その試料上の位置をずらしている。本実施の形態にかかる測定装置について図６を用いて説明する。なお、実施の形態１と同様の構成及び方法については説明を省略する。

図６において、８１はコンフォーカル光学系であり、図１で示した光源１１からレンズ２１までの光学系及び検出器７２までの光学系と同様の構成を有する光学系である。すなわち、本実施の形態では、コンフォーカル光学系の構成は実施の形態１と同様である。８２はウォラストンプリズム、８３はウォラストンプリズムを駆動する駆動装置である。

コンフォーカル光学系８１から出射されたレーザ光は１／４波長板２２に入射する。１／４波長板２２は入射した直線偏光のレーザ光を円偏光に偏光してウォラストンプリズム８２に出射する。ウォラストンプリズム８２は入射した光を第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２に分岐する。このとき、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とはある角度を持って試料５０の方向に出射する。そして、第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２は対物レンズであるレンズ４２に入射する。レンズ４２は第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２のそれぞれを試料５０上に集光して照射する。具体的には第１の可干渉光６１は参照物体５６と液体５２との界面に集光し、第２の可干渉光６２は固体５５と液体５２との界面に集光する。

レンズ４２からの光は実施の形態１と同様に試料５０の容器５１の底から光を照射する。ここで、ウォラストンプリズム８２は対物レンズの瞳の位置に配置されている。したがって、異なる角度でウォラストンプリズム８２から出射された第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とは、試料５０上の異なる位置に入射する。そして、第１の可干渉光６１のうち参照物体５６と液体５２との界面で反射された反射光は、レンズ４２を介してウォラストンプリズム８２に入射する。第２の可干渉光６２は固体５５と液体５２との界面で反射された反射光は、レンズ４２を介してウォラストンプリズム８２に入射する。ウォラストンプリズム８２に入射した第１の可干渉光６１の反射光と第２の可干渉光６２の反射光とが合成され、コンフォーカル光学系８１の検出器で検出される。

そして、駆動装置８３によって、ウォラストンプリズム８２を駆動し、フリンジスキャンを行なう。具体的には図６の矢印の方向にウォラストンプリズム８２を移動させ、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２の位相差を変調する。そして、検出した信号を実施の形態１と同様に処理装置５９で演算処理する。これにより、実施の形態１と同様に参照面に対する固体５５の位置を測定することが可能になる。

なお、上述の説明では、ウォラストンプリズム８２によりレーザ光を第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２に分岐したが、ノマルスキープリズムなどの他の光分岐手段により分岐してもよい。ウォラストンプリズム及びノマルスキープリズムをフリンジスキャンにて走査する距離は、マイケルソン干渉計のようにリファレンス面をスキャンする場合と比べてかなり大きい。よって、位相の制御を容易に行うことができる。
発明の実施の形態３．

本実施の形態にかかる測定装置について図７を用いて説明する。本実施の形態にかかる測定装置１は実施の形態１と同様にコンフォーカル光学系とマッハ・ツェンダー光学系３０とを備えている。そして、本実施の形態では、マッハ・ツェンダー光学系３０のそれぞれの光路に第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との間の焦点位置を変える凸レンズ４５又は凹レンズ４６がそれぞれ配設されている。なお、実施の形態１と同様の構成及び方法については説明を省略する。

本実施の形態では、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０において第１の可干渉光６１の光路中に凸レンズ４５が配置され、第２に可干渉光６２の光路中に凹レンズ４６が配置されている。したがって、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２との焦点位置が異なる。すなわち、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光は光軸方向において異なる位置が焦点位置となる。よって、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とは異なる高さに集光される。ここで、凸レンズ４５と凹レンズ４６とはほぼ同じ光路長になるように設定されている。また、一対の光学くさび３５と一対の光学くさび３６とが実施の形態１と異なり、同じ配置となっている。すなわち、一対の光学くさび３５のうちの光学くさび３５ａと光学くさび３５ｂの対向する面が平行に配置される。したがって、ＰＢＳ３９で重ね合わされた第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とはＰＢＳ３９から試料５０までの光路において、同じ光軸に沿って伝播していく。すなわち、実施の形態１と異なり光を横方向にずらさないで試料５０を照明する。よって、試料５０上の同じ位置に第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２が入射する。このように、ＰＢＳ３２及びＰＢＳ３９を用いて光を分岐、合成することにより、２本の可干渉光がマッハ・ツェンダー干渉光学系３０の外側で同じ光路を伝播していく。

試料５０に照射される第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２について図８を参照して説明する。図８は試料５０の構成を示す拡大断面図である。実施の形態１及び２と異なり、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とが試料５０上において横方向にずれていないため、第２の可干渉光６２のみならず第１の可干渉光６１も固体５５に入射する。しかしながら、第１の可干渉光６１の光路に配置された凸レンズ４５と第２の可干渉光６２の光路に配置された凹レンズ４６は焦点距離が異なる。したがって、図８に示すように第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２の焦点位置が異なる。ここでは、第１の可干渉光６１は容器５１の底の外側の表面に集光されている。すなわち、第１の可干渉光６１が集光する容器５１の外側の表面が参照面となる。一方、第２の可干渉光６２は固体５５と液体５２との界面に集光されている。

容器５１の外側の表面で反射された第１の可干渉光６１の反射光と、固体５５と液体５２との界面で反射された第２の可干渉光６２の反射光をＰＢＳ３９により合成して、検出器７２で検出する。このとき、コンフォーカル光学系により反射光が検出されるため、所定の面以外の面で反射された迷光を除去することができる。すなわち、第１の可干渉光６１のうち容器５１の外側の表面以外で反射された光が第１の可干渉光６１の光路を伝播しても、焦点位置が異なっているためコンフォーカル光学系で除去される。第２の可干渉光６２のうち固体５５と液体５２の界面以外で反射された光が第２の可干渉光６２の光路を伝播しても、焦点位置が異なっているためコンフォーカル光学系で除去される。このように、所定の面以外の面で反射された迷光は検出器７２に入射されない。そして、第１の可干渉光６１の光路と第２の可干渉光６２の光路にそれぞれ異なる焦点距離を持つ凸レンズ又は凹レンズを配置しているため、同じ光軸上であっても、第１の可干渉光６１では参照面で反射された反射光を検出し、第２の可干渉光６２では測定面で反射された反射光を検出することができる。したがって、参照面に対する固体５５と液体５２との界面の位置を測定することができる。そして、実施の形態１と同様に二次元走査して、固体表面の三次元形状を測定することができる。

このように実施の形態１〜３では、試料５０の容器５１の底面側からレーザ光を照射している。したがって、液体５２の変動による測定の影響を除去することができ、正確に固体の表面の高さ方向の位置を測定することができる。そして、コンフォーカル光学系により、光を検出しているため固体の界面以外からの迷光を除去することができ、固体５５と液体５２との界面からでの反射率が低い場合でも、正確に測定を行うことができる。

なお、上述の説明では、一方の光路に凸レンズ４５を挿入し、他方の光路に凹レンズ４６を挿入したが、焦点位置をずらす構成をこの構成に限られるものではない。例えば、一方の光路のみにレンズを挿入し、他方の光路にはそのレンズと同じ光路長を有する平坦なガラス板を挿入してもよい。あるいは、焦点距離の異なる凸レンズを光路にそれぞれ挿入してもよく、また、焦点距離の異なる凹レンズを光路にそれぞれ挿入してもよい。

なお、焦点位置をずらすために設けるレンズの少なくとも一方は、可変焦点距離レンズとすることが好ましい。すなわち、図７における凹レンズ４６又は凸レンズ４５の少なくともいずれか一方を可変焦点距離レンズとする。これにより、焦点距離が可変となるため、試料面とリファレンス面の間隔に合わせて焦点面を調整することができる。

この可変焦点距離レンズの構成について図９を用いて説明する。図９は可変焦点距離レンズの構成を示す図である。なお、ここでは、凹レンズ４６に可変焦点距離レンズを用いた例を説明するが、凸レンズ４５を可変焦点距離レンズとしてもよい。図９（ａ）は、凹レンズ４６の正面図であり、図９（ｂ）は凹レンズ４６の断面図である。

図９（ａ）に示すよう可変焦点距離レンズである凹レンズ４６は円形をしている。図９（ｂ）に示すよう、凹レンズ４６は透明なガラス板４６ａとガラス板４６ｂとを備えている。円板状のガラス板４６ａ及びガラス板４６ｂは所定の隙間を開けて対向配置されている。ガラス板４６ａとガラス板４６ｂとは円筒状のシール４６ｅによって固定されている。ガラス板４６ａとガラス板４６ｂとの間の空間は円筒状のシール４６ｅによって密閉されている。ガラス板４６ａとガラス板４６ｂの間には透明な流体４６ｃが挟持されている。すなわち、ガラス板４６ａとガラス板４６ｂの間の空間に流体４６ｃを充填しておく。

一対のガラス板の内部の空間にはパイプ４６ｆを介してシリンダ４６ｄが接続されている。外部に設けられたピストンなどにより、シリンダ４６ｄを矢印の方向に動かす。これにより、流体４６ｃの圧力が変化させることができる。この結果、ガラス板４６ａ及びガラス板４６ｂを凹ませたり、膨らませたりすることができる。ガラス板４６ａ及びガラス板４６ｂを凹ませたり、膨らませたりすることで、レンズとして作用する。このガラス板４６ａ及びガラス板４６ｂの形状に応じて、レンズ４６の焦点距離が変化する。流体４６ｃの圧力を変化させることにより、焦点距離を調整することができる。可変焦点距離レンズを第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２の少なくともいずれか一方に配置することにより、焦点面を容易に調整することができる。

なお、本実施の形態においても実施の形態１と同様にフェーズアンラッピングを行なうことができる。すなわち、コンフォーカル光学系により１００ｎｍ程度の分解能で表面高さの測定を行い、位相差に基づく測定結果をフェーズアンラッピングする。この場合も、図１に示した構成と同様に、マッハ・ツェンダー干渉光学系の第１の可干渉光６１の光路中に出し入れ可能なシャッターを設ける。これにより、表面に段差等がある場合でも、正確に測定することができる。このフェーズアンラッピングにより、表面に段差がある試料５０の表面形状を測定することができる。
発明の実施の形態４．

本実施の形態にかかる測定装置で測定される試料について図１０を用いて説明する。本実施の形態では、実施の形態３と同様の構成を有する測定装置を用いており、その測定対象の試料５０が異なるものである。本実施の形態では、試料５０として、フォトマスク９１を用いている。そして、フォトマスク９１の表面形状を測定する。試料５０にはフォトマスク９１と、フォトマスク９１に異物が付着するのを防ぐガラス板９３と、ガラス板９３をフォトマスク９１に取り付ける支持具９２とが設けられている。例えば、矩形状のフォトマスク９１の上に額縁状に設けられた支持具９２を介して透明なガラス板９３が取り付けられている。ガラス板９３とフォトマスク９１との表面が一定の間隔を保った状態で、ガラス板９３がフォトマスク９１を覆うように配設されている。この試料５０がＸＹステージ９４の上に載置されている。第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２は球面波であり、それぞれフォトマスク９１又はガラス板９３に集光されている。

本実施の形態にかかる測定装置１は、図７で示したように光源１１からの光がマッハ・ツェンダー干渉光学系３０で分岐される。そして、凸レンズ４５と凹レンズ４６とにより各光路を伝播する可干渉光の焦点位置をずらしている。したがって、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２の位相差はガラス板９３の表面とフォトマスク９１の表面との高さ方向の距離の差に基づいたものとなる。検出器７２で第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とを合成することによって生成された干渉光を検出する。そして、処理装置５９で検出器７２からの検出信号に基づいて、位相差を算出し、その位相差に基づいてガラス板９３の表面とフォトマスク９１の表面との距離を求める。さらに、実施の形態１と同様にレーザ光を二次元走査すれば、ガラス板表面に対するフォトマスク９１の表面形状を測定することができる。なお、ＸＹステージ９４で走査してもよい。

ここで、参照面とするのはガラス板９３のフォトマスク９１側の面とすることが好ましい。すなわち、光源１１から光が入射する入射側とは反対側のガラス板９３の面を参照面とする。これにより、ガラス板９３によって生じる球面収差を対物レンズなどにより補正することができる。すなわち、ガラス板９３のフォトマスク９１側の面を参照面とすることで、第１の可干渉光６１及び第２の可干渉光６２がガラス板９３の板厚を往復する。このガラス板９３の板厚により生じる球面収差の補正を対物レンズであるレンズ４２で行う。これにより、第１の可干渉凹６１及び第２の可干渉光６２に対して補正を行うことができる。

なお、試料であるフォトマスク９１が大型化すると、フォトマスク９１の上に配置するガラス板９３や光学系を支持する支持機構も大型化する。この結果、光学系の支持機構の剛性が不足し、試料と光学系間の相対的な振動による変位量が大きくなる。これにより、参照面を有するガラス基板９３とフォトマスク９１との間の距離が一定でなくなり、表面形状の測定を正確にできない場合がある。これを防ぐための構成について、図１１を用いて説明する。図１１は試料であるフォトマスク９１の近傍の構成を模式的に示す図であり、ガラス基板９３を支持する支持具の構成を説明するための図である。

フォトマスク９１の上には、ガラス板９３が設けられている。このガラス板９３が干渉計における参照面を有する参照物体となる。さらに、ガラス板９３の上には、レンズ４２が配置されている。このレンズ４２はフォトマスク９１に第１の可干渉光６１を集光し、ガラス板９３に第２の可干渉光６２を集光する対物レンズである。ガラス板９３の外側にはエアパッド９５が設けられている。エアパッド９５は例えば、ガラス板９３の全周を囲むよう枠状に形成されている。すなわち、ガラス板９３が矩形状である場合、エアパッド９５はガラス板９３を囲むよう額縁状となっている。なお、ガラス板９３が円形である場合は、エアパッド９５をリング状とする。

エアパッド９５にはエアを吸引する吸引部９５ａとエアを噴出する噴出部９５ｂとが設けられている。エアパッド９５の噴出部９５ｂは圧縮空気が封入されたエアタンク（図示せず）と接続されている。噴出部９５ｂからエアを噴出させることによって、エアパッド９５がフォトマスク９１から浮上する。すなわち、エアパッド９５とフォトマスク９１との間に微小隙間が形成される。エアパッド９５の吸引部９５ａは吸引ポンプ（図示せず）と接続されている。吸引部９５ｂはエアパッド９５とフォトマスク９１との間に微小隙間からエアを吸引する。これにより、剛性を向上することができる。エアの供給圧及び吸引速度を一定とすれば、エアパッド９５とフォトマスク９１との間の微小なエアギャップを一定にすることができる。

参照面を有するガラス板９３はエアパッド９５により支持されている。エアパッド９５とフォトマスク９１との間の微小なエアギャップが一定であるため、ガラス板９３とフォトマスク９１との間の距離を一定に保つことができる。したがって、ガラス板９３の参照面とフォトマスク９１の表面との間の距離も一定に保つことができる。これにより、フォトマスク９１と光学系との間の相対的な振動による変位量が大きくなった場合でも、参照面からの距離を正確に測定することができる。また、エアパッド９５とフォトマスク９１の間に微小なエアギャップが設けられているため、フォトマスク９１の表面に損傷が与えられるおそれがない。静圧のエアパッド９５により、参照面を有する参照物体を支持することにより正確に測定を行うことができる。なお、エアパッド９５は外周全体に設ける構成に限らず、ガラス基板９３の外周に複数のエアパッド９５を対称的に設けてもよい。

なお、上記の測定装置１により表面形状を測定する対象物体は、フォトマスクに限られず、様々な物体とすることができる。この場合、表面形状を測定する物体の上に、透明な板などを配設して参照面とする。これにより、表面形状を測定することができる。また、上記のフェーズアンラッピング方法を用いれば、半田のバンプ等の段差がある試料の形状測定を精度よく行うことができる。もちろん、これ以外の測定に用いてもよい。本実施の形態では、マッハ・ツェンダー干渉光学系３０の各光路にレンズを配設して、第１の可干渉光６１と第２の可干渉光６２とで焦点位置を光軸に沿って変えている。もちろん、レンズはいずれか一方の光路中に挿入すればよい。この場合、他方の経路に光路長を調整するための透明板を挿入することが好ましい。

本発明の実施の形態１にかかる測定装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる測定装置の試料周辺の構成を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる測定装置の試料周辺の構成を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる測定装置の試料周辺の構成を示す上面図である。 本発明にかかる測定装置において用いることができるフェーズアンラッピング方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２にかかる測定装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる測定装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる測定装置の試料周辺の構成を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる測定装置に用いられる可変焦点距離レンズの構成を示す図である。 本発明の実施の形態４にかかる測定装置の試料周辺の構成を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる測定装置の試料周辺の構成を示す図である。

符号の説明

１ 測定装置、１１ 光源、１２ ＡＯＤ、１３ レンズ、１４ ミラー、
１５ レンズ、１６ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、１７ ガルバノミラー、
１８ レンズ、１９ ミラー、２０ ミラー、２１ レンズ、２２ １／４波長板、
３０ マッハ・ツェンダー干渉光学系、３２ ＰＢＳ、３３ １／２波長板、
３４ ミラー、３５ 一対の光学くさび、３６ 一対の光学くさび、３７ ミラー、
３８ １／２波長板、３９ ＰＢＳ、４０ レンズ、４１ レンズ、４２ レンズ、
４３ シャッター
５０ 試料、５１ 容器、５２ 液体、５３ カバーガラス、５４ 接着材、
５５ 固体、５６ 参照物体、５９ 処理装置、６１ 第１の可干渉光、
６２ 第２の可干渉光、６２ 第１の照明領域、６４ 第２の照明領域、６５ 駆動装置
７１ レンズ、７２ 検出器
９１ フォトマスク、９２ 支持具、９３ ガラス板、９４ ＸＹステージ
９５ エアパッド

Claims (24)

1. 物体と参照面とに光を照射して、前記物体で反射された反射光と前記参照面で反射された反射光との位相差に基づいて前記物体の表面形状を測定する測定装置であって、
   光源と、
   光源からの光と前記物体との相対位置が変わるよう走査する走査手段と、
   前記光源からの光を分岐して互いに干渉性を有する第１の可干渉光と第２の可干渉光とを生成し、前記参照面で反射された前記第１の可干渉光と前記物体の表面で反射された第２の可干渉光とを合成するマッハ・ツェンダー干渉光学系と、
   前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との焦点位置をずらすよう、前記マッハ・ツェンダー干渉光学系の前記第１の可干渉光及び前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方の光路に配置されたレンズと、
   前記マッハ・ツェンダー干渉光学系から出射された前記第１の可干渉光を前記参照面に集光して照射し、前記第２の可干渉光を前記物体の表面に集光して照射する光学手段と、
   前記マッハ・ツェンダー干渉光学系によって合成された光を共焦点光学系を介して検出し、検出された光の強度に応じた検出信号を出力する検出器と、
   前記検出信号に基づいて前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との位相差を求め、前記位相差に基づいて前記物体の表面の形状を算出する処理装置とを備える測定装置。
2. 前記参照面を有する参照物体が前記物体の上に設けられ、
   前記物体に対向する面に気体を噴出する噴出部と気体を吸引する吸引部とを有するエアパッドにより前記参照物体が支持され、
   前記エアパッドと前記参照面との間にエアギャップが設けられた状態で、前記参照物体が前記物体の上に設けられている請求項１に記載の測定装置。
3. 容器内に取り付けられた固体と前記固体を浸漬するよう前記容器内に注入された液体との界面の参照面に対する位置を測定する測定装置であって、
   光源と、
   マッハ・ツェンダー干渉光学系と、
   前記マッハ・ツェンダー干渉光学系に設けられ、前記光源からの光を分岐して互いに干渉性を有する第１の可干渉光と第２の可干渉光とを生成する可干渉光生成手段と、
   前記可干渉光生成手段によって生成された前記第１の可干渉光及び前記第２の可干渉光を前記容器の前記固体が取り付けられた面から前記容器の内側に入射させる光学手段であって、前記第１の可干渉光を参照面に集光して照射し、前記第２の可干渉光を前記界面に集光して照射する光学手段と、
   前記マッハ・ツェンダー干渉光学系に設けられ、前記参照面で反射された前記第１の可干渉光の反射光と前記界面で反射された第２の可干渉光の反射光とを合成する光合成手段と、
   前記光合成手段によって合成された光を共焦点光学系を介して検出し、干渉光の強度に応じた検出信号を出力する検出器と、
   前記検出信号に基づいて前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との位相差を求め、前記位相差に基づいて前記界面の前記参照面に対する位置を測定する処理装置とを備える測定装置。
4. 前記参照面上での前記第１の可干渉光の位置及び前記界面上での第２の可干渉光の位置を移動させる走査手段をさらに備える請求項３に記載の測定装置。
5. 前記第１の可干渉光又は前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方の光路に設けられ、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との焦点位置をずらすレンズをさらに備え、
   前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光が前記参照面の同じ位置に入射される請求項３、又は４に記載の測定装置。
6. 前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との焦点位置をずらすレンズを可変焦点距離レンズにより構成する請求項５に記載の測定装置。
7. 前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とが前記マッハ・ツェンダー干渉光学系において異なる光路で往復する請求項３、又は４に記載の測定装置。
8. 前記第１の可干渉光の光路上に挿入可能に設けられたシャッタを備え、
   前記シャッタによって、前記第１の可干渉光を遮光した状態で、前記第２の可干渉光を前記検出器で検出した結果に基づいて前記位相差による測定結果をフェーズアンラッピングする請求項７に記載の測定装置。
9. 前記マッハ・ツェンダー干渉光学系において、
   第１の偏光ビームスプリッタにより前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とが生成され、
   前記第１の偏光ビームスプリッタで生成された前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とが前記第２の偏光ビームスプリッタを介して前記物体又は参照面にそれぞれ入射し、
   前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタとの間の前記第１の可干渉光の光路中に第１の１／２波長板が配置され、
   前記第１の偏光ビームスプリッタと前記第２の偏光ビームスプリッタとの間の前記第２の可干渉光の光路中に第２の１／２波長板が配置されている請求項７、又は８に記載の測定装置。
10. 前記参照面に対して光軸と垂直な方向にずれて配置された前記界面に前記第２の可干渉光を入射させるよう、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との入射位置をずらす請求項３、又は４に記載の測定装置。
11. 前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との間に位相差を与える位相差生成手段をさらに備え、
    前記位相差生成手段により前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との間に与えられる位相差を変えて前記検出器で光を検出する請求項１乃至１０のいずれかに記載の測定装置。
12. 前記位相差生成手段が前記第１の可干渉光及び前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方の光路に設けられた光学くさびと、
    前記光学くさびを光軸に対して垂直な方向に駆動する駆動装置とを備えることを特徴とする請求項１１に記載の測定装置。
13. 前記光学くさびが前記第２の可干渉光の光路に設けられ、
    前記光学くさびの光軸に対する角度を変えることにより、前記第２の可干渉光を前記第１の可干渉光に対して傾けた状態で前記界面に入射させる請求項１２に記載の測定装置。
14. マッハ・ツェンダー干渉光学系を介して物体と参照面とに光を照射して、前記物体で反射された反射光と前記参照面で反射された反射光との位相差に基づいて前記物体の表面形状を測定する測定方法であって、
    光源からの光と前記物体との相対位置が変わるよう走査するステップと、
    前記光源からの光を前記マッハ・ツェンダー干渉光学系に設けられた第１の光学手段により分岐して第１の可干渉光と第２の可干渉光とを生成するステップと、
    前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との焦点位置にずらすよう前記第１の可干渉光及び前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方を屈折させるステップと、
    焦点位置がずれた第１の可干渉光と第２の可干渉光とをマッハ・ツェンダー干渉光学系に設けられた第２の光学手段により重ね合わせるステップと、
    前記重ね合わされた第１の可干渉光と第２の可干渉光とのうち、前記第１の可干渉光を参照面に集光して照射するステップと、
    前記重ね合わされた第１の可干渉光と第２の可干渉光とのうち、前記第２の可干渉光を物体の界面に集光して照射するステップと、
    前記参照面で反射された第１の可干渉光の反射光と前記物体の表面で反射された第２の可干渉光の反射光とを前記第２の光学手段により分岐するステップと、
    前記第２の光学手段により分岐された第１の可干渉光の反射光と前記第２の可干渉光の反射光とを前記第１の光学手段で合成するステップと、
    前記第１の光学手段で合成された反射光を共焦点光学系を介して検出するステップと、
    前記検出された光の強度に基づいて前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との位相差を求め、前記位相差に基づいて前記物体の表面の形状を算出するステップとを有する測定方法。
15. 前記参照面を有する参照物体を前記物体の上に設け、
    前記物体に対向する面に気体を噴出する噴出部と気体を吸引する吸引部とを有するエアパッドにより前記参照物体を支持し、
    前記エアパッドと前記参照面との間にエアギャップが設けられた状態で、前記参照物体が前記物体の上に設けている請求項１４に記載の測定方法。
16. 容器内に取り付けられた固体と前記固体を浸漬するよう前記容器内に注入された液体との界面の参照面に対する位置を測定する測定方法であって、
    マッハ・ツェンダー干渉光学系に設けられた第１の光学手段を用いて、光源からの光を分岐して第１の可干渉光と第２の可干渉光とを生成するステップと、
    前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とのうち、前記第１の可干渉光を前記参照面に集光して照射するステップと、
    前記第１の可干渉光と第２の可干渉光とのうち、前記第２の可干渉光を前記界面に集光して照射するステップと、
    前記第１の光学手段を用いて、前記参照面で反射された前記第１の可干渉光の反射光と前記界面で反射された前記第２の可干渉光の反射光とを合成するステップと
    前記合成された反射光を共焦点光学系を介して検出するステップと、
    前記検出された光の強度に基づいて前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との位相差を求め、前記位相差に基づいて前記界面の参照面に対する位置を算出するステップとを有する測定方法。
17. 前記参照面上での前記第１の可干渉光の位置及び前記界面上での第２の可干渉光の位置を走査するステップをさらに備える請求項１６に記載の測定方法。
18. 前記参照面と前記界面が光軸に対して平行な方向に異なった位置に配置され、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光の焦点位置をずらして、前記第１の可干渉光を前記参照面に集光し、前記第２の可干渉光を前記界面に集光する請求項１４、１５、１６又は１７に記載の測定方法。
19. 可変焦点距離レンズにより、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光の焦点位置をずらす請求項１８に記載の測定方法。
20. 前記マッハ・ツェンダー干渉光学系において前記第１の可干渉光の光路と前記第２の可干渉光との光路が異なる請求項１６、又は１７に記載の測定方法。
21. 前記第１の可干渉光を遮光した状態で、前記第２の可干渉光を前記共焦点光学系により検出し、
    前記第２の可干渉光による測定結果に基づいて前記位相差による測定結果をフェーズアンラッピングする請求項２０に記載の測定方法。
22. 前記参照面と前記界面が光軸に対して垂直な方向に異なった位置に配置され、前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光とを異なる位置に入射させるよう、瞳の位置で前記第１の可干渉光又は前記第２の可干渉光の少なくともいずれか一方の傾きを変化させる請求項１６、又は１７に記載の測定方法。
23. 前記第１の可干渉光と前記第２の可干渉光との間の位相差を変えて前記合成された反射光を検出する請求項１４乃至２２のいずれかに記載の測定方法
24. 前記界面に対して前記第２の可干渉光を垂直に入射させるよう、前記第２の可干渉光の傾きを前記第１の可干渉光の傾きに対して変化させる請求項１４乃至２３のいずれかに記載の測定方法。

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