WO2012081252A1

WO2012081252A1 - 表面形状測定方法及び表面形状測定装置

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Publication number: WO2012081252A1
Application number: PCT/JP2011/007012
Authority: WO
Inventors: 福井　厚司; 寛歳追風
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-06-21
Also published as: CN102713504A; JPWO2012081252A1; CN102713504B; KR20120099504A; US20130077100A1; JP5172040B2; KR101422971B1

Abstract

　本表面形状測定方法は、異なる波長を含む白色光（８Ａ）を参照光（８Ｃ）と測定光（８Ｂ）とに分割し、測定光（８Ｂ）を被測定面（３）に入射させ、参照光（８Ｃ）を第１回折格子（２０）に入射させ、第１回折格子（２０）から第１光路を通って第２回折格子（２１）に入射した後に第２回折格子（２１）から第１光路を通って第１回折格子（２０）に入射して第１回折格子（２０）から出射した参照光（８Ｃ）と、被測定面（３）で反射した測定光（８Ｂ）と、を合成して干渉光（８Ｄ）として、被測定面（３）の表面形状を測定する。

Description

表面形状測定方法及び表面形状測定装置

　本発明は、白色干渉を用いた表面形状測定方法及び表面形状測定装置に関するものである。

　半導体ウエハ又は液晶表示器用ガラス基板などの精密加工品の凹凸形状を、白色光の干渉を用いて測定する表面形状測定装置が知られている。従来の表面形状測定装置（特許文献１参照）を、図１５を用いて説明する。

　従来の表面形状測定装置１００は、白色光源１０１からの白色光を、第１レンズ１０２を通してハーフミラー１０３まで導き、ハーフミラー１０３で反射した白色光を、第２レンズ１０４によって集光している。さらに、従来の表面形状測定装置１００は、集光した白色光を、ビームスプリッタ１０５を介して被測定面１０６に照射するように構成されている。ビームスプリッタ１０５は、被測定面１０６に照射する白色光（以下、測定光とする。）と、参照面１０７に照射する白色光（以下、参照光とする。）とに分割する分割手段である。参照光は、参照面１０７の反射部１０７ａで反射した後にビームスプリッタ１０５に再び入射する。一方、測定光は、被測定面１０６で反射した後にビームスプリッタ１０５に再び入射する。ビームスプリッタ１０５は、反射部１０７ａで反射した参照光と、被測定面１０６で反射した測定光とを再び同一の経路に合成する合成手段としての機能も有する。このとき、被測定面１０６からビームスプリッタ１０５までの距離Ｌ１と、ビームスプリッタ１０５から参照面１０７までの距離Ｌ２との距離の差（測定光と参照光との光路長差）に応じた干渉現象が発生する。その干渉現象が発生した白色光（以下、干渉光とする。）は、結像レンズ１０８を介してＣＣＤカメラ１０９で撮像される。ＣＣＤカメラ１０９は、干渉光と共に、被測定面１０６を撮像する。

　ここで、図示しない移動手段によって、ビームスプリッタ１０５を上下に変動させて、距離Ｌ１と距離Ｌ２の位置関係を変化させることにより、測定光と参照光との光路長差を変化させる。これにより、ＣＣＤカメラ１０９に入射する干渉光が、強め合ったり、又は、弱め合ったりする。例えば、ＣＣＤカメラ１０９で撮像される領域内の被測定面１０６の特定箇所に着目した場合に、ビームスプリッタ１０５の位置を変動させる。これに伴い、特定箇所における干渉光の強度の信号（以下、干渉強度信号とする。）を測定することで、図１６の（ａ）～（ｃ）に示したグラフを得ることが可能である。図１６の（ａ）～（ｃ）は、縦軸にＣＣＤカメラ１０９で検出した干渉強度信号の強度を示し、横軸に被測定面１０６からビームスプリッタ１０５までの距離Ｌ１（被測定面１０６の高さ）を示したものである。

　理論的には、干渉強度信号の強度と被測定面１０６の高さとの関係を示すグラフは、図１６の（ａ）に示すような干渉強度信号の波形信号として求められる。この波形信号に基づいて、被測定面１０６の高さを求めることができる。但し、実際には、予め設定した間隔寸法（サンプリング間隔寸法）だけ移動する毎にＣＣＤカメラ１０９によって干渉光を撮像するため、得られるデータ群は、図１６の（ｂ）に示すように離散的である。このため、取得した離散的なデータから干渉強度信号の波形信号を求める必要がある。そこで、図１６の（ｂ）に示した離散的なデータから、特性関数を求めることで、図１６の（ｃ）に示すように、干渉強度信号の波形信号を近似する。従来の表面形状測定装置１００は、この近似した干渉強度信号の波形信号に基づいて、被測定面１０６の高さを求めている。

特開２００１－６６１２２号公報

　しかしながら、従来の表面形状測定装置１００では、測定光と参照光との光路長差が非常に僅かであるような、限られた光路長差の範囲でなければ、干渉強度信号を検出することができない。このため、光路長差の変化量を非常に細かくして被測定面１０６の高さ形状を測定する必要がある。従って、測定回数が多くなり、被測定面１０６の高さの測定に多くの時間を必要とする。特に、被測定面１０６の高低差が大きくなる程、測定に要する時間が顕著に長くなる。

　本発明は、係る課題を解決するもので、干渉強度信号を検出可能な光路長差の範囲を広げ、高速に被測定面の測定が可能な表面形状測定方法及び表面形状測定装置を提供することを目的とする。

　本発明は、前記目的を達成するため、以下のように構成している。

　本発明の１つの態様によれば、
　異なる波長を含む白色光を参照光と測定光とに分割し、
　前記参照光を第１回折格子に入射させた後、第１光路を通って第２回折格子に入射させ、更にその後に、前記第２回折格子から前記第１光路を通って前記第１回折格子に入射させた前記参照光と、被測定面に入射させて該被測定面で反射させた前記測定光とを合成して干渉光とし、
　前記干渉光における干渉強度を検出し、
　前記干渉強度に基づいて前記被測定面の表面形状を測定する表面形状測定方法を提供する。

　また、本発明の別の態様によれば、
　異なる波長を含む白色光を照射する光源と、
　前記白色光を参照光と測定光とに分割する分割部と、
　前記測定光が照射される被測定物が載置されるテーブルと、
　第１ピッチで第１方向の格子が形成されると共に前記参照光が垂直に入射する第１回折格子と、
　前記第１ピッチの半分のピッチで前記第１方向の格子が形成され、かつ、前記第１回折格子と平行に配置されると共に、前記第１回折格子を出射した前記参照光が入射する第２回折格子と、
　前記第２回折格子を出射した後に前記第１回折格子を出射した前記参照光と前記被測定物で反射した前記測定光とを合成して干渉光とする合成部と、
　前記干渉光における干渉強度を検出する検出部と、
　前記干渉強度に基づいて前記被測定物の表面形状を測定する測定部と、を備える表面形状測定装置を提供する。

　また、本発明のさらに別の態様によれば、
　異なる波長を含む白色光を照射する光源と、
　前記白色光を参照光と測定光とに分割する分割部と、
　前記測定光が照射される被測定物が載置されるテーブルと、
　第１ピッチで第１方向の格子が形成されると共に前記参照光が垂直に入射する第１回折格子と、
　前記第１ピッチで前記第１方向の格子が形成され、かつ、前記第１回折格子と平行に配置されると共に、前記第１回折格子から出射した前記参照光が入射する第２回折格子と、
　前記第２回折格子を出射した前記参照光を反射して前記第２回折格子に入射させる鏡と、
　前記鏡で反射した後に前記第２回折格子と前記第１回折格子との順に出射した前記参照光と前記被測定物で反射した前記測定光とを合成して干渉光とする合成部と、
　前記干渉光における干渉強度を検出する検出部と、
　前記干渉強度に基づいて前記被測定物の表面形状を測定する測定部と、を備える表面形状測定装置を提供する。

　以上のように、本発明の表面形状測定方法及び表面形状測定装置によれば、干渉強度信号を検出可能な光路長差の範囲を広げ、被測定面の測定を高速に行うことが可能である。

　本発明の特徴は、添付された図面についての実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１Ａは、第１実施形態に係る表面形状測定装置の模式図であり、図１Ｂは、第１実施形態に係る表面形状測定装置のＣＰＵのブロック図であり、図１Ｃは、第１実施形態における参照ユニットを示した模式図であり、図１Ｄは、第１実施形態の変形例における参照ユニットを示した模式図であり、図１Ｅは、第２実施形態に係る表面形状測定装置のＣＰＵのブロック図であり、図２は、第１実施形態における第１回折格子と第２回折格子とで回折する参照光の様子を説明する説明図であり、図３Ａは、従来の表面形状測定方法における光路長差が－４０～４０μｍの場合の干渉強度信号と光路長差との関係を表すグラフであり、図３Ｂは、従来の表面形状測定方法における光路長差が－５～５μｍの場合の干渉強度信号と光路長差との関係を表すグラフを示した図であり、図４は、従来の表面形状測定方法における干渉強度信号と干渉強度信号を波長分解した様子を説明する説明図であり、図５は、従来の表面形状測定方法における干渉強度信号の位相と波長との関係を表すグラフを示した図であり、図６Ａは、第１実施形態に係る表面形状測定装置における光路長差が－４０～４０μｍの場合の干渉強度信号と光路長差との関係を表すグラフであり、図６Ｂは、第１実施形態に係る表面形状測定装置における光路長差が－５～５μｍの場合の干渉強度信号と光路長差との関係を表すグラフであり、図７は、第１実施形態に係る表面形状測定装置における干渉強度信号と干渉強度信号を波長分解した様子を説明する説明図であり、図８は、第１実施形態に係る表面形状測定装置における干渉強度信号の位相と波長との関係を表すグラフを示した図であり、図９は、第１実施形態に係る表面形状測定装置の動作を表すフローチャートであり、図１０は、第３実施形態における参照ユニットの構成を示す模式図であり、図１１Ａは、第４実施形態における参照ユニットの構成を示す模式図であり、図１１Ｂは、第４実施形態の変形例における参照ユニットの構成を示す模式図であり、図１１Ｃは、第４実施形態の更なる変形例における参照ユニットの構成を示す模式図であり、図１２は、第５実施形態における参照ユニットの構成を示す模式図であり、図１３は、第５実施形態の変形例１における参照ユニットの構成を示す模式図であり、図１４は、第５実施形態の変形例２における参照ユニットの構成を示す模式図であり、図１５は、従来の表面形状測定装置の構成を示す模式図であり、図１６は、従来の表面形状測定装置によって干渉強度信号の波形を求めるまでを示す図であって、（ａ）は理論的な干渉強度信号の波形を示す図、（ｂ）は実測した干渉強度信号のプロットを示す図、（ｃ）は特性関数から近似した干渉強度信号の波形を示す図であり、図１７Ａは、第１から第５実施形態に適用可能な回折格子の断面形状の一例を説明する図であり、図１７Ｂは、第１から第５実施形態に適用可能な回折格子の断面形状の他の例を説明する図であり、図１７Ｃは、第１から第５実施形態に適用可能な回折格子の断面形状の更に他の例を説明する図である。

　本発明の記述では、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。

　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実施形態に係る表面形状測定装置１を示した模式図である。まず、表面形状測定装置１の概要を述べる。表面形状測定装置１は、被測定物２の表面である被測定面３に、特定周波数帯域の白色光を照射して反射光を受光する光学系ユニット４と、光学系ユニット４を制御及び駆動する制御駆動系ユニット５と、被測定物２を載置するためのテーブル６とを備えている。被測定物２は、例えば、非球面レンズ又は回路基板などである。光学系ユニット４には、参照ユニット７が備えられる。この参照ユニット７にも白色光が照射される。この参照ユニット７の詳細については後述するため、ここでは説明を省略する。

　表面形状測定装置１は、被測定面３で反射した白色光と参照ユニット７内で反射した白色光とを干渉させることで、被測定面３の面内（図１Ａに示したＸ軸とＹ軸とで定まるＸ－Ｙ平面）の高さ情報（図１Ａに示したＺ軸方向での位置）を測定する。換言すれば、表面形状測定装置１は、被測定面３の表面形状を測定する。この場合、表面形状測定装置１は、予め設定した基準面６ａからの高さ情報を測定する。基準面６ａとしては、被測定物２を載置するテーブル６の表面を用いることが好ましい。基準面６ａとしてテーブル６の表面を用いることで被測定物２が未知であっても、表面形状を測定可能である。なお、被測定物２の平均高さが既知の場合は、この平均高さの位置を基準面６ａとして設定しても良い。また、テーブル６は、表面形状測定装置１が設置された設置床に固定されている。

　以下に表面形状測定装置１の構造の詳細について、図１Ａを用いて説明する。

　まず、表面形状測定装置１が備える光学系ユニット４について説明する。光学系ユニット４は、参照ユニット７と、白色光源８と、集光レンズ９と、ハーフミラー１０と、第１対物レンズ１１と、第２対物レンズ１２と、結像レンズ１３と、カメラ１４とを備えている。

　白色光源８は、照射波長帯域が４００～１８００ｎｍの光源である。白色光源８を点光源とみなせるように、白色光が出射される開口を十分に小さくしている。この白色光源８には、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を有する光源を用いることが好ましい。

　集光レンズ９は、白色光源８から照射される白色光をハーフミラー１０上に集光させる光学系であって、ハーフミラー１０上に焦点を有するように配置されている。

　ハーフミラー１０は、集光レンズ９によって集光された白色光８Ａを、被測定面３に照射される白色光（以下、測定光８Ｂとする。）と、参照ユニット７に照射される白色光（以下、参照光８Ｃとする。）との２つの白色光（測定光８Ｂと、参照光８Ｃ）に分割する分割手段（分割部）の一例として機能する。さらに、ハーフミラー１０は、被測定面３に照射された後に被測定面３から反射した測定光８Ｂと、参照ユニット７に照射された後に参照ユニット７内から反射した参照光８Ｃとを１つの光束の白色光（以下、干渉光８Ｄとする。）に合成する合成手段（合成部）の一例としても機能する。すなわち、ハーフミラー１０は、分割手段の一例と合成手段の一例とを１つの部材で構成するものである。このとき、分割されてから合成されるまでの測定光８Ｂの光路長と、分割されてから合成されるまでの参照光８Ｃの光路長との間に差（以下、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差とする。）が生じる。このため、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差に対応して、干渉光８Ｄに生じる干渉縞の強度が変化する。なお、干渉光８Ｄの干渉縞を効率良く発生させるために、ハーフミラー１０の分割比は、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光強度がほぼ１対１となるように設定されることが望ましい。

　第１対物レンズ１１は、測定光８Ｂを被測定面３に照射する光学系であって、ハーフミラー１０を介して集光レンズ９の反対側に配置される。第１対物レンズ１１から出射した測定光８Ｂが、被測定面３の表面に略垂直に照射されるように、被測定物２がテーブル６に載置されている。言い換えれば、第１対物レンズ１１から出射した測定光８Ｂの光軸がテーブル６の平らな表面に略直交するように、テーブル６が配置されている。

　第２対物レンズ１２は、参照光８Ｃを参照ユニット７に照射する光学系であって、第２対物レンズ１２の焦点位置がハーフミラー１０上で、集光レンズ９の焦点位置と一致するように配置されている。

　参照ユニット７は、第２対物レンズ１２から参照ユニット７に入射した参照光８Ｃを、参照ユニット７の内部で反射させた後に参照ユニット７から出射させるものである。参照ユニット７から出射した参照光８Ｃは、再び、第２対物レンズ１２に入射する。この場合、参照ユニット７に入射する際の参照光８Ｃの光路と、参照ユニット７から出射する際の参照光８Ｃの光路が一致するように、参照ユニット７が設置されている。なお、参照ユニット７の作用については後述する。

　結像レンズ１３は、ハーフミラー１０を介して第２対物レンズ１２の反対側に配置される。結像レンズ１３に入射した干渉光８Ｄは、カメラ１４に向けて出射する。

　カメラ１４は、一例として、ＣＣＤ又はＣＭＯＳなどの２次元上に撮像素子が配置された撮像装置であり、白色光源８の波長帯域に感度を有しており、干渉強度信号を検出する検出手段（検出部）の一例として機能する。カメラ１４は、結像レンズ１３を介して、ハーフミラー１０と反対側に配置されている。カメラ１４は、干渉縞が生じた干渉光８Ｄを撮像すると共に、結像レンズ１３と、ハーフミラー１０と、第１対物レンズ１１とを介して、被測定面３の画像をカメラ１４で撮像する。また、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が変動するに際して、干渉強度信号を取得する間隔寸法（以下、サンプリング間隔寸法とする。）毎に、干渉光８Ｄと共に被測定面３の画像が撮像される。撮像により取得されたデータは、制御駆動系ユニット５によって収集される。なお、サンプリング間隔寸法は、例えば、カメラ１４の撮像画素の１画素単位とする。サンプリング間隔寸法は、予め設定された所定の間隔寸法である。

　ここで、白色光源８から出射した白色光８Ａが通る経路について説明する。白色光源８から出射した白色光８Ａは、集光レンズ９を介してハーフミラー１０に入射する。ハーフミラー１０に入射した白色光８Ａは、測定光８Ｂと参照光８Ｃとに分割される。ハーフミラー１０で２つに分割された白色光（測定光８Ｂと、参照光８Ｃ）のうち一方の白色光（測定光８Ｂ）は、第１対物レンズ１１を介して被測定面３に入射した後に、この被測定面３で反射して第１対物レンズ１１によって集光され、再びハーフミラー１０に入射する。一方、ハーフミラー１０で２つに分割された白色光（測定光８Ｂと、参照光８Ｃ）のうち他方の白色光（参照光８Ｃ）は、第２対物レンズ１２を介して参照ユニット７に入射する。詳細は後述するが、参照ユニット７に入射した参照光８Ｃは、参照ユニット７の内部で反射した後に、参照ユニット７から出射する。参照ユニット７から出射した参照光８Ｃは、第２対物レンズ１２によって集光され、再び、ハーフミラー１０に入射する。再度、ハーフミラー１０に入射した測定光８Ｂと参照光８Ｃとは、ハーフミラー１０によって同一の光束に合成される（干渉光８Ｄとなる）。干渉光８Ｄは、結像レンズ１３を介してカメラ１４に入射する。

　次に、制御駆動系ユニット５について説明する。制御駆動系ユニット５は、ＣＰＵ１６と、カメラ１４によって撮像された干渉光８Ｄの干渉縞及びＣＰＵ１６での演算結果などの各種データを記憶する記憶メモリ１７と、サンプリング間隔寸法及びその他の設定情報を入力するマウス又はキーボードなどの入力装置１８と、測定結果を表示するモニタ１９と、光学系ユニット４と被測定面３との相対距離を変化させることで測定光８Ｂと参照光８Ｃの光路長差を変化させる駆動装置１５とを備える。

　ＣＰＵ１６は、表面形状測定装置１の全体を統括的に制御し、演算処理を行うための中央処理装置である。ＣＰＵ１６は、図１Ｂに示す動作制御部１６ａと、測定手段（測定部）の一例としての処理を行う演算部１６ｂとの機能を有する。動作制御部１６ａは、カメラ１４と、記憶メモリ１７と、駆動装置１５とを動作制御する機能を有する。演算部１６ｂは、カメラ１４で取得した干渉光８Ｄの干渉縞に基づいて干渉強度信号を取得し、この干渉強度信号に基づいて被測定面３の表面形状を測定する機能を有する。動作制御部１６ａと、演算部１６ｂとの処理については、詳細を後述する。さらに、ＣＰＵ１６には、入力装置１８とモニタ１９とが接続されている。このため、操作者は、モニタ１９に表示される操作画面を観察しながら、入力装置１８から各種の設定情報の入力を行い、動作制御部１６ａ及び演算部１６ｂに必要な情報を入力することができる。また、モニタ１９には、被測定面３の測定終了後に、測定した被測定面３の表面形状が、画像又は数値として表示される。

　駆動装置１５は、ＣＰＵ１６の動作制御部１６ａからの指示に応じて、光学系ユニット４を、テーブル６に対して、図１Ａ中に示した互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に駆動する３軸駆動型のサーボモータなどの駆動機構を備えたものである。テーブル６に対して、駆動装置１５によって光学系ユニット４を図１Ａに示したＺ軸方向に移動させることで、被測定面３と光学系ユニット４との距離が近くなれば、測定光８Ｂの光路長が短くなる。また、被測定面３と光学系ユニット４との距離が遠くなれば、測定光８Ｂの光路長が長くなる。一方で、被測定面３と光学系ユニット４との間の距離が変化しても、参照光８Ｃの光路長は変わらない。このため、光学系ユニット４が図１Ａに示したＺ軸方向に移動することにより、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が変化する。なお、光学系ユニット４が移動する代わりに、被測定物２の載置されるテーブル６を、直交３軸方向に移動させてもよい。この場合は、表面形状測定装置１が設置された設置床に光学系ユニット４を固定することになる。

　次に、光学系ユニット４が備える参照ユニット７について、詳細を説明する。参照ユニット７は、第１回折格子２０と第２回折格子２１とを備えている。第１回折格子２０は、参照ユニット７内で第２対物レンズ１２に近い位置に配置され、参照光８Ｃを回折及び透過させる。第２回折格子２１は、参照ユニット７内で第１回折格子２０よりも第２対物レンズ１２から遠い位置に配置され、第１回折格子２０で回折及び透過した参照光８Ｃを回折及び反射させる。なお、図示するに際して、反射型の回折格子についてはハッチングを付して、透過型の回折格子との違いを明確にしている。

　この参照ユニット７に入射した参照光８Ｃは、まず、第１回折格子２０に入射する。第１回折格子２０に入射した参照光８Ｃは、第１回折格子２０にて回折すると共に第１回折格子２０を透過する。第１回折格子２０を透過した参照光８Ｃは、次に、第２回折格子２１に入射する。第２回折格子２１に入射した参照光８Ｃは、第２回折格子２１にて回折するとともに第２回折格子２１にて反射する。第２回折格子２１にて反射した参照光８Ｃは、再び、第１回折格子２０に入射する。再び、第１回折格子２０に入射した参照光８Ｃは、第１回折格子２０にて回折すると共に第１回折格子２０を透過し、その後、参照ユニット７から第２対物レンズ１２に向けて出射される。以下の説明では、参照ユニット７に入射する際の参照光８Ｃを第０参照光とし、第１回折格子２０を透過した第０参照光を第１参照光とし、第２回折格子２１で反射した第１参照光を第２参照光とし、第１回折格子２０を透過した第２参照光を第３参照光とする。

　第１回折格子２０は、透過型の回折格子であり、第１方向に平行な直線状の格子（溝）が形成された平面（第１格子面２０ａ）を有する。第２対物レンズ１２によって平行光化された第０参照光が、図１Ａに示した矢印Ａの方向から入射するように第１回折格子２０が配置されている。図１Ａに示した矢印Ａの方向とは、第１格子面２０ａの表面に対して垂直な方向である。また、この第１回折格子２０は、一例としてブレーズド回折格子を用いあり、その第１方向が、図１Ａに示したＸ軸方向と平行となるように配置されている。さらに、第１格子面２０ａが第２回折格子２１と対向するように第１回折格子２０が配置されている。このため、図１Ａに示した矢印Ｂの方向に第０参照光が、第１回折格子２０にて回折するとともに、第１回折格子２０を透過する（第１参照光として矢印Ｂの方向に出射する）。また、第１格子面２０ａには反射防止膜が形成され、表面反射の発生を抑制している。なお、反射防止膜としては、一般的な単層あるいは多層の薄膜反射防止膜を用いる。また、白色光源８から照射される波長帯域に対応した反射防止膜を用いる。

　第２回折格子２１は、反射型の回折格子であり、第２方向に平行な直線状の格子（溝）が形成された平面（第２格子面２１ａ）を有している。この第２格子面２１ａに対して、図１Ａに示した矢印Ｂの方向から第１参照光が入射するように、第２回折格子２１が配置されている。また、この第２回折格子２１は、一例として、ブレーズド回折格子であり、第１方向が、例えば、図１Ａに示したＸ軸方向と平行となるように配置されている。この場合、第１回折格子２０と第２回折格子２１との格子（溝）方向（第１方向と第２方向）は互いに平行であり、第１格子面２０ａと第２格子面２１ａも互いに平行となるように配置されている。また、第１回折格子２０の格子ピッチ（第１ピッチｐ_１）をｐとすると、第２回折格子２１の格子ピッチ（第２ピッチｐ_２）は、ｐの半分のピッチ、すなわちｐ／２となる。これらにより、第２回折格子２１に入射した第１参照光が、図１Ａに示した矢印Ｃの方向（矢印Ｂの方向と対向方向）に第２回折格子２１で反射する（第２参照光として矢印Ｂの方向と対向方向に出射する）。つまり、第２回折格子２１で反射した第１参照光（すなわち第２参照光）は、第１参照光の光路を逆進するようにして、第１回折格子２０に再度、入射する。換言すると、第１回折格子２０を透過した後に第２回折格子２１に入射する際の第１参照光の光路と、第２回折格子２１で反射した後に第１回折格子２０に入射する際の第２参照光の光路と、が一致する。また、第２参照光は、第１回折格子２０に再度入射することで、さらに第１回折格子２０で回折及び透過し、第１回折格子２０から第３参照光として図１Ａに示した矢印Ｄの方向（矢印Ａの方向と対向方向）へ出射する。この場合、第１回折格子２０を透過した第２参照光は、第３参照光として、第０参照光の光路を逆進することとなる。すなわち、参照ユニット７に入射する際の第０参照光の光路と、参照ユニット７から出射する際の第３参照光の光路とは一致する。

　ここでは、特に、第１回折格子２０を透過した後に第２回折格子２１に入射する際の第１参照光の光路と、第２回折格子２１で反射した後に第１回折格子２０に入射する際の第２参照光の光路とが一致するように、第１回折格子２０と第２回折格子２１との条件を設定することが重要である。これは、詳細は後述するが、参照光８Ｃに対して波長毎に異なる光路長差を付与するためである。なお、ブレーズド回折格子は、格子面が鋸状に形成されている。具体的には、第１回折格子２０と第２回折格子２１とをブレーズド回折格子とすると図１Ｃのように表現できる。この図１Ｃは、図１Ａの参照ユニット７を拡大した図である。しかし、常にブレーズド回折格子を図示していては、図面が複雑になるため、図１Ａに記載される第１回折格子２０と第２回折格子２１との様に、簡略化して回折格子を記載する場合がある。

　ここで、第１回折格子２０と第２回折格子２１とが充足すべき構成条件について説明する。

　一般的に、回折格子への入射角をθ、回折角をη、回折格子に入射する光の波長をλ、回折格子の格子ピッチをｐ、回折次数をｎ、とすると、回折方程式は次の式（１）で表すことができる。

．．．．．．．．（１）

　式（１）から、第１回折格子２０に入射する第０参照光の入射角をθ_１、回折角をη_１、第１回折格子２０の第１ピッチをｐ_１、とした場合、第１回折格子２０における回折方程式は次の式（２）で表すことができる。

．．．．．．．．（２）

　また式（１）から、第２回折格子２１に入射する第１参照光の入射角をθ_２、回折角をη_２、第２回折格子２１の第２ピッチをｐ_２、とした場合、第２回折格子２１における回折方程式は次の式（３）で表すことができる。

．．．．．．．．（３）

　ここで、第１回折格子２０から第２回折格子２１に入射する際の第１参照光の光路と、第２回折格子２１から第１回折格子２０に入射する際の第２参照光の光路と、が一致するためには、少なくとも、第１回折格子２０と第２回折格子２１との格子（溝）方向（第１方向と第２方向）を互いに平行にする必要がある。同時に、第１回折格子２０における回折角η_１と第２回折格子２１における回折角η_２とが一致する必要がある。よって、回折角η_１と回折角η_２とは次の式（４）の関係を満たす必要がある。

．．．．．．．．（４）

　この式（４）を式（３）に代入することで、次の式（５）を得ることができる。

．．．．．．．．（５）

　ここで、第１実施形態において、第１格子面２０ａと、第２格子面２１ａとは平行になるように、第１回折格子２０と第２回折格子２１とが配置されている。このため、第１回折格子２０における回折角η_１と、第２回折格子２１における入射角θ_２とは、等しくなる。すなわち、回折角η_１と入射角θ_２は、次の式（６）の関係で表すことができる。

．．．．．．．．（６）

　式（６）を式（５）に代入することで、次の式（７）を得ることができる。

．．．．．．．．（７）

　次に、式（７）と式（２）から、第１回折格子２０の第１ピッチｐ_１と第２回折格子２１の第２ピッチｐ_２との関係は次の式（８）で表すことができる。

．．．．．．．．（８）

　なお、式（８）では、第１ピッチｐ_１と、第２ピッチｐ_２とが波長に依存するため、異なる複数の波長を含む白色光を用いる第１実施形態において、式（８）に基づいて第１ピッチｐ_１及び第２ピッチｐ_２を決定するのは容易でない。特に、第２格子面２１ａに入射する参照光の位置及び波長によって第２ピッチｐ_２を変化させる必要があるため、そのような特殊な格子ピッチを有する回折格子を作成するのは非常に困難である。また、第２回折格子２１に入射する参照光の位置と、参照光の入射する位置における第２ピッチｐ_２とを正確に一致させる必要があるため、光学系の調節が非常に困難である。そこで、第１実施形態において、第０参照光が第１格子面２０ａの表面に垂直に入射するように、第１回折格子２０を設置する。これにより、第１回折格子２０に入射する際の参照光の入射角θ_１は０（ｒａｄ）とすることができる。よって式（６）の入射角θ_１に０（ｒａｄ）を代入することで、次の式（９）で第１ピッチｐ_１と第２ピッチｐ_２との関係を表すことができる。

．．．．．．．．（９）

　式（９）より、第１ピッチｐ_１と第２ピッチｐ_２との関係は、波長によらず一定の関係となるため、このような関係の第１回折格子２０と第２回折格子２１とを容易に作成することができる。また、第２回折格子２１に参照光の入射する位置における参照光の波長と第２ピッチｐ_２と正確に一致させる必要がないため、第１回折格子２０と第２回折格子２１との調節を容易に行うことができる。

　なお、第１実施形態では、光量の損失を抑えるために、使用する回折次数ｎは１である。よって、式（１）から、第１回折格子２０における回折方程式を式（１０）で表すことが可能である。

．．．．．．．．（１０）

　ここで、第２格子面２１ａが第１格子面２０ａに対して角度ψだけ傾斜して配置されている場合について説明する。説明を簡単にするため、第１回折格子２０に入射する参照光の入射角を０（ｒａｄ）とし、回折次数ｎを１とする。また、第２回折格子２１への参照光の入射角θ_２はη_１＋ψとなるため、この場合の式（７）は次の式（１１）で表すことができる。

．．．．．．．．（１１）

　式（１１）と式（２）から、第１ピッチｐ_１と第２ピッチｐ_２との関係は、波長に依存することがわかる。よって、第２格子面２１ａが第１格子面２０ａに対して角度ψだけ傾斜して配置されていては、上述の通り、第１ピッチｐ_１と第２ピッチｐ_２とを容易に決定することができない。従って、第１格子面２０ａと第２格子面２１ａとが平行な向きに配置されなければならない。

　以上のことから、第１回折格子２０と第２回折格子２１とが満たすべき条件についてまとめると、次の４つの条件となる。

　　まず、第１に、第１回折格子２０と第２回折格子２１との格子（溝）方向（第１方向と第２方向）が互いに平行となるように、第１回折格子２０と第２回折格子２１とを配置する必要がある。

　　第２に、式（４）の関係を満たすため、第１格子面２０ａと、第２格子面２１ａとは平行に配置されている必要がある。

　　第３に、式（６）の関係を満たすために、第１回折格子２０は、参照光が第１格子面２０ａに垂直に入射するように配置されている必要がある。

　　第４に、式（９）の関係を満たすため、第２回折格子２１の第２ピッチｐ_２は、第１回折格子２０の第１ピッチｐ_１の半分のピッチである必要がある。

　これらの４つの条件を満たす第１回折格子２０と第２回折格子２１とを用いることで、第１回折格子２０から第２回折格子２１に入射する際の第１参照光の光路と、第２回折格子２１から第１回折格子２０に入射する際の第２参照光の光路と、を一致させることができる。

　また、第１参照光の光路と第２参照光の光路とを一致させることで、第１回折格子２０に入射する際の第０参照光の光路と、第１回折格子２０から出射する際の第３参照光の光路と、も一致する。式（１）及び式（１０）から、第１回折格子２０にη_１の角度で入射する第２参照光は、０（ｒａｄ）の角度で第１回折格子２０を透過する第３参照光となるからである。なお、第０参照光が第１回折格子２０に入射する際の角度は０（ｒａｄ）である。

　次に、参照ユニット７に入射する際の参照光（すなわち第０参照光）と、参照ユニット７から出射する際の参照光（すなわち第３参照光）との違いについて説明する。

　図２に、第０参照光に含まれかつ互いに異なる３つの波長λ_１、λ_２、λ_３の光が、第１回折格子２０及び第２回折格子２１の両方で回折する様子を示す。この場合、λ_１～λ_３は以下の式（１２）の関係をとる。

．．．．．．．．（１２）

　式（１０）から、第１回折格子２０で回折する際の回折角η_１は、波長に依存する。このため、第０参照光は、第１回折格子２０に入射することにより、波長毎に分割され、波長毎に異なる光路を進行する第１参照光となる。また、第２回折格子２１で回折する際の回折角η_２は、式（４）より、η_１＝η_２の関係となる。すなわち、波長毎に異なる光路を進行する第１参照光は、第２回折格子２１で反射することで、波長毎に進行してきた光路を逆進する第２参照光となる。図２を用いて具体的に述べると、第１参照光に含まれる波長λ_１の光の進行方向（図２に示した矢印Ｂの方向）と、第２参照光に含まれる波長λ_１の光の進行方向（図２に示した矢印Ｃの方向）とは、互いに逆行する方向の関係にある。波長λ_２、λ_３についても同様である。ここで、第１回折格子２０と第２回折格子２１との間隔（第１格子面２０ａから第２格子面２１ａに降ろした垂線の長さ）をＬとすると、波長λ_１における第１回折格子２０と第２回折格子２１との間での光路長ｓ_１は、式（１０）を用いて次の式（１３）で表すことができる。

．．．．．．．．（１３）

　各波長λ_１～λ_３に対応する第１回折格子２０と第２回折格子２１との間の光路長ｓ_１～ｓ_３は、式（１２）と式（１３）から次の式（１４）の関係が導きだすことが可能である。

．．．．．．．．（１４）

　すなわち、式（１４）から、第１回折格子２０と第２回折格子２１との両方で回折することで、波長毎に異なる光路長が付与されていることがわかる。つまり、参照ユニット７から出射した参照光（第３参照光）は、参照ユニット７に入射した参照光（第０参照光）に対して、波長毎に異なる光路長が付与されたものである。

　このように、透過型の第１回折格子２０と反射型の第２回折格子２１との組合せといった、簡単な構成で、参照光８Ｃに対して波長毎に異なる光路長差を付与することが可能である。また、第１回折格子２０と第２回折格子２１とを隣接して配置することが可能であるため、装置の小型化が可能である。

　また、第１格子面２０ａが第２回折格子２１と対向する位置となるように第１回折格子２０を配置している。これは、第１回折格子２０を出射する際に、参照光８Ｃを回折させるためである。この場合、参照光８Ｃは第１格子面２０ａの表面に対して垂直に入射するため、第１回折格子２０の波長分散の影響を受けない。なお、第１格子面２０ａが、第２対物レンズ１２と対向する位置となるように第１回折格子２０を配置した場合は、参照光８Ｃは、第１格子面２０ａで回折した後に、第１回折格子２０内に入射する。そのため、参照光８Ｃは、波長分散の影響を受け、屈折角が変化してしまう。このため、第１回折格子２０と第２回折格子２１との間に、屈折角の変化を補正する補正板を配置する方が好ましい。

　なお、第１実施形態において、一例として、被測定面３の大きさを、直径１ｍｍの円とし、第１対物レンズ１１と第２対物レンズ１２との焦点距離を等しくしている。この場合、第１対物レンズ１１から出射する測定光８Ｂの光束径、及び、第２対物レンズ１２から出射する参照光８Ｃの光束径は、それぞれ、少なくとも直径１ｍｍ以上必要であり、第１回折格子２０の第１格子面２０ａの大きさも直径１ｍｍ以上必要である。この場合、第２回折格子２１の第２格子面２１ａは、参照光８Ｃに含まれる波長の光のうち、測定に用いる波長の光を全て反射させるだけの大きさで形成することが好ましい。具体的に、好ましい第２回折格子２１の第２格子面２１ａの大きさについて、以下に説明する。なお、説明のために、第２格子面２１ａの大きさとして、回折方向（図２に示したＺ軸方向）の長さについて説明する。

　図２において、参照光８Ｃに含まれる波長であって、測定に用いる波長のうち、最小の波長をλ_１（ここでは、説明のためλ_ｍｉｎ．とする。）、最大の波長をλ_３（ここでは、説明のためλ_ＭＡＸ．とする。）とする。また、最小波長λ_ｍｉｎ．における第１回折格子２０での回折角をη_ｍｉｎ．とし、最大波長λ_ＭＡＸ．における第１回折格子２０での回折角をη_ＭＡＸ．とする。また、第１回折格子２０と第２回折格子２１との距離（第１格子面２０ａから第２格子面２１ａに下ろした垂線の距離）をＬとする。最小波長λ_ｍｉｎ．の参照光８Ｃは、第１格子面２０ａにおける出射位置から、Ｌｔａｎη_ｍｉｎ．だけ、回折方向（図２に示したＺ軸方向）にずれて第２回折格子２１に入射する。一方、最大波長λ_ＭＡＸ．の参照光８Ｃは、第１格子面２０ａにおける出射位置から、Ｌｔａｎη_ＭＡＸ．だけ、回折方向（図２に示したＺ軸方向）にずれて第２回折格子２１に入射する。つまり、第２格子面２１ａの回折方向に対する長さをＳとした場合、次の式（１５）関係を求めることができる。

．．．．．．．．（１５）

　式（１５）のｔａｎη_ｍｉｎ．及びｔａｎη_ＭＡＸ．は式（１０）から求めることが可能である。また、第１回折格子２０に入射する参照光８Ｃの光束の直径をｒとした場合、式（１６）で表されることが望ましい。より多くの参照光８Ｃを反射させることで、光量の低下を防止するためである。

．．．．．．．．（１６）

　式（１６）の条件を満たす第２格子面２１ａを有する第２回折格子２１を、第１回折格子２０を透過した最小波長λ_ｍｉｎ．の参照光８Ｃが入射する位置に配置することで、参照光８Ｃに含まれる波長のうち、測定に用いる最小の波長から最大の波長までを有効に回折及び反射することが可能である。

　なお、第１実施形態において、一例として、第１回折格子２０の第１ピッチｐ_１を１２μｍとし、第２回折格子２１の第２ピッチｐ_２を６μｍとし、第１回折格子２０と第２回折格子２１との距離Ｌを５０ｍｍとしている。

　ここで、波長毎に異なる光路長を付与した参照光８Ｃを用いて被測定面３を測定する方法について説明する前に、まず、波長毎に異なる光路長差を付与しない参照光を用いる方法、すなわち、従来の表面形状測定方法について説明する。従来の表面形状測定方法において、測定光と参照光との光路長差を変化させた際に検出する干渉強度信号の関係を示したグラフを図３Ａ及び図３Ｂに示す。ここでは、実験のため、白色光源８の波長帯域を４００～７００ｎｍの一様な強度分布としている。これらの図３Ａ及び図３Ｂは、縦軸に検出した干渉光の干渉強度信号を示し、横軸に測定光と参照光との光路長差を示す。なお、光路長差が負の場合とは、参照光の光路長が測定光の光路長よりも長い場合を示す。また、光路長差が正の場合とは、測定光の光路長が参照光の光路長よりも長い場合を示す。また、図３Ａは、測定光と参照光との光路長差が－４０～４０μｍの場合における干渉強度信号の関係を示したものである。また、図３Ｂは、図３Ａにおける測定光と参照光との光路長差が－５～５μｍの範囲（図３Ａに示したＡ－Ａ’の範囲）を拡大したものである。図３Ｂより、干渉強度信号のピークは測定光と参照光との光路長差が－１～１μｍの範囲でのみ明確に確認できることがわかる。

　また、図３Ａ及び図３Ｂに示した干渉強度信号は、図４に示すように、白色光源８に含まれる各波長の干渉強度信号の重ね合わせとして検出されている。よって、フーリエ変換を用いることにより、検出した干渉強度信号を正弦波毎に分解することができる。これにより、波長毎の干渉強度信号を得ることができる。

　また、図４で、測定光と参照光との光路長差が０になる位置を測定基準とすると、測定基準から距離ｄだけ異なる位置にある被測定面３での波長λの干渉強度信号の位相φ（ｒａｄ）は、ｋを定数として、次の式（１７）で与えられる。

．．．．．．．．（１７）

　この場合、測定基準と被測定面との間の光路は、反射光路であるから、光路長の変化は距離ｄの２倍であり、干渉では、λ／２で１周期の正弦波となる。すなわち、ｋ＝π／２となる。このとき、横軸にｋ／λ、縦軸に干渉強度信号の位相φを座標とするグラフは、図５に示すように傾きｄの直線で表すことができる。従来の表面形状測定方法では、この傾きｄから、被測定面３の測定基準からの距離ｄを求められる。

　このような従来の表面形状測定方法では、測定光と参照光との光路長差が０の位置（測定基準）になった場合に、各波長の干渉強度信号の位相が一致し、干渉強度信号のピークとして検出される。その一方で、測定光と参照光との光路長差を有する位置（測定基準でない位置）では各波長の干渉強度が打ち消しあい、干渉強度信号は、ほとんど消えてしまう。このため、干渉強度信号は、限られた狭い範囲でしか検出することができない。仮に、従来の表面形状測定方法を、図１Ａに示した表面形状測定装置１で実施した場合、光学系ユニット４と、被測定面３との相対距離が、略基準位置（測定光と参照光との光路長差が０になる位置）になければ、被測定面３の形状を測定することが不可能である。

　また、光学系ユニット４と被測定面３との相対距離が略基準位置になければ干渉強度信号を検出できないような場合には、どの位置で干渉強度信号を検出するか既知でないため、フーリエ変換を用いるためにも、走査方向における干渉強度信号取得のサンプリング間隔寸法を細かくする必要がある。従って、被測定面３の表面形状の凹凸が大きくなる程、走査範囲を広くしなければならず、測定時間が増大する上に、処理すべきデータ数が増大してしまい、多くのデータ処理時間が必要となる。また、このような細かいサンプリング間隔寸法で取得した膨大なデータであっても、測定に使用できる有効なデータはごく一部である。干渉強度信号のピークの存在しない領域のデータは、振幅がほぼ０の無駄なデータだからである。この無駄なデータは、サンプリングした干渉強度信号の大多数を占めるため、効率が悪く、処理を行うＣＰＵ１６などの制御手段にも過度の負荷を強いるものである。

　このような従来の表面形状測定方法に対して、第１実施形態に係る、図１Ａに示した表面形状測定装置１を用いて行う表面形状測定方法について説明する。表面形状測定装置１を用いて、被測定面３をＺ軸方向に走査する際に検出する干渉強度信号の関係を示したグラフを図６Ａ及び図６Ｂに示す。この場合、実験のために、白色光源８の波長帯域を４００～７００ｎｍの一様な強度分布としている。この図６Ａ及び図６Ｂは、縦軸に検出した干渉光の干渉強度信号を示し、横軸に測定光と参照光との光路長差を示す。この場合、ハーフミラー１０から第２回折格子２１までの距離を、白色光源８が出射する白色光の中心波長（５５０ｎｍ）に基づいて、ハーフミラー１０から被測定面３までの距離と略等しくなるように設定している。従って、白色光源８が照射する白色光の中心波長において、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が０になる位置に測定基準が設定されている。なお、光路長差が負の場合は、参照光８Ｃの光路長差が測定光８Ｂの光路長差よりも長い場合を示し、光路長差が正の場合は、測定光８Ｂの光路長が参照光８Ｃの光路長よりも長い場合を示している。また、図６Ｂは、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が－４０～４０μｍの場合における干渉強度信号の関係を示したものである。図６Ｂは、図６Ａにおける測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が－５～５μｍの範囲（図６Ａに示したＢ－Ｂ’の範囲）を拡大したものである。図６Ｂより、従来の表面形状測定方法に比べて広い範囲で干渉強度信号を検出することが可能であることがわかる。また、図６Ａから、干渉強度信号は、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が－２０～２０μｍの範囲（図６Ａに示したＣ－Ｃ’の範囲）でも十分に確認できることがわかる。これは、図７に示したように、参照ユニット７によって、参照光８Ｃに対して波長毎に異なる光路長を付与したからである。詳細を述べると、波長毎に異なる光路長を付与した参照光８Ｃに干渉を生じさせたため、波長毎に異なる位置に干渉強度信号のピークが現れたからである。

　また、図６Ａで得られた干渉強度信号から、フーリエ変換によって、波長毎の干渉強度信号に分解することができる。この場合、測定基準（測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が０になる位置）から距離ｄだけ離れた位置における被測定面３での波長λの干渉強度信号の位相φ（ｒａｄ）は、次の式（１８）で与えられる。

．．．．．．．．（１８）

　式（１８）においては、式（１７）の場合と同様にｋ＝π／２である。この場合、参照光８Ｃには波長毎に異なる光路長差が付与されているため、式（１７）と異なり、干渉強度信号の位相φは、参照光８Ｃの波長毎に付与した光路長ｓに依存する。なお、光路長ｓは式（１３）で求めることができる。

　式（１８）に基づいて、横軸にｋ／λ、縦軸に位相φを座標軸としたグラフを、図８に示す。ちなみに、図５の場合と異なり、図８のグラフが曲線を示すのは、波長毎に付与した光路長ｓの影響を受けているからである。従って、この曲線から、測定基準からの距離ｄを求めるには、波長毎に付与した光路長ｓの影響を除外すればよい。具体的には、予め測定しておいた第１回折格子２０と第２回折格子２１との距離Ｌと、第１回折格子２０の第１ピッチｐ_１とを用い、式（１３）及び式（１８）から非線形最小二乗法などを用いて直線に近似し、近似した直線の傾きから、測定基準からの距離ｄを求めることが可能である。この距離ｄに、基準面６ａからの測定基準の位置を加えることで、被測定面３の高さを計測することが可能である。

　このように、表面形状測定装置１を用いることで、測定光と参照光との光路長差が大きくても、干渉強度信号を検出可能である。このため、走査方向のサンプリング間隔寸法を広くすることができ、測定の高速化が可能である。

　なお、基準面６ａの位置をテーブル６の表面に一致させた場合は、図６Ａに示したＣの位置を、この基準面６ａに一致させるように、初期条件としての測定基準を設定することが好ましい。図６Ａに示したＣの位置は、干渉強度信号を検出可能な位置であって、測定光と参照光との光路長差が最大になる位置であると共に、測定光の光路長が参照光の光路長よりも長くなる位置である。干渉強度信号の検出可能な領域を有効に利用することができるため、被測定面３の表面形状を高速に測定することが可能である。具体的には、測定基準を、テーブル６の表面から高さ方向（図１Ａに示したＺ軸方向）に２０μｍずらした位置に設定することで、被測定面３の表面形状を測定する。

　また、被測定物２の平均高さを基準面６ａの位置とした場合は、この基準面６ａと測定基準の位置とを一致させることが好ましい。具体的には、測定光８Ｂの光路長と、参照光８Ｃの光路長と、が基準面６ａで一致するように初期条件としての測定基準を設定する。これにより、干渉強度信号を検出可能な領域を効率良く利用することができるため、被測定面３の表面形状を高速に測定することが可能である。

　次に、第１実施形態に係る表面形状測定装置１を用いた場合に、従来の表面形状測定方法に比べて、どの程度高速に測定可能なのかを、具体的な数値を用いて説明する。

　図３Ｂから、従来の表面形状測定方法では、測定光と参照光との光路長差が約２μｍ（－１～１μｍ）の範囲にある場合でしか干渉強度信号を検出することができない。一方で、表面形状測定装置１では、図６Ａから分かるように、測定光と参照光との光路長差が約４０μｍ（－２０～２０μｍ）で干渉強度信号を検出することが可能である。すなわち、第１実施形態に係る表面形状測定装置１を用いることで、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差について、従来の約２０倍の範囲で干渉強度信号を検出することができる。

　さらに、従来の表面形状測定方法と、第１実施形態に係る表面形状測定装置１を用いた表面形状測定方法との差異を明確にするため、表面に４０μｍの凹凸形状が形成された被測定面３を測定する場合について説明する。従来の表面形状測定方法では、測定光と参照光との光路長差が２μｍの範囲になければ、干渉強度信号を検出することができない。そのため、４０μｍの凹凸形状を検出するためには、干渉強度信号が発生する幅を含めて測定する必要があり、少なくとも４５μｍの範囲を走査する必要がある。また、被測定面３の表面形状を精度良く検出するために、例えば、１００種類の光路長差と干渉強度との関係を検出する場合、つまり、１００回のサンプリングを行う場合、干渉強度信号を検出できる範囲は２μｍであるため、サンプリング間隔寸法は０．０２μｍとなる。走査する範囲は４５μｍであるから、全領域におけるサンプリング数は、２２５０となる。つまり有効な１００のデータを取得するために、従来の表面形状測定方法では、２２５０回のサンプリングを行う必要がある。

　一方、第１実施形態に係る表面形状測定装置１では、干渉強度信号を－２０μｍ～２０μｍの範囲で検出可能であるため、被測定面３の全体を含む範囲を一回で検出可能である。また、４０μｍの領域を１００のサンプリング数で検出を行うため、サンプリング間隔寸法は０．４μｍである。このとき、全領域におけるサンプリング数も、１００となる。つまり、有効な１００個のデータを取得するために、１００回のサンプリングを行えばよい。従って、従来の表面形状測定方法では２２５０回のサンプリングを行う必要があったものに対して、第１実施形態に係る表面形状測定装置１では、２２．５倍の速度で測定が可能となる。以上のことから、表面形状測定装置１を用いることで、従来の表面形状測定方法に比べて高速化を図ることが可能である。

　また、例えば、表面形状測定装置１でサンプリング間隔寸法を０．０２μｍとし、２２５０回のサンプリングを行った場合は、取得するデータの数が２２５０となる。取得したデータ全てにおいて干渉強度信号を検出することが可能であるため、２２５０種類の光路長差と干渉強度信号との関係をサンプリングすることができる。従って、表面形状測定装置１にて、従来の表面形状測定方法と同じサンプリング間隔寸法で測定を行った場合には、従来の２２．５倍のデータ数で被測定面３の表面の測定ができる。つまり、表面形状測定装置１を用いて、従来の方法と同じサンプリング間隔寸法で測定を行えば、測定精度を向上させることも可能である。

　次に、表面形状測定装置１が行う処理のフローチャートを、図１Ａ、図１Ｂ、及び図９を用いて説明する。

　ステップＳ１では、ＣＰＵ１６により、サンプリング間隔寸法と、基準面６ａの位置と、測定基準の位置と、光学系ユニット４の初期位置等の初期条件が設定される。なお、ステップＳ１では、これらの初期条件が、操作者による入力装置１８の操作によって設定されてもよいし、又は、記憶メモリ１７に予め設定されていてもよい。

　次いで、ステップＳ２では、設定されたサンプリング間隔寸法で干渉強度信号をカメラ１４で検出する。このとき、ＣＰＵ１６の動作制御部１６ａは、光学系ユニット４を図１Ａで示したＺ軸方向に移動を開始させるための変動開始の指示を駆動装置１５に与える。駆動装置１５は、ＣＰＵ１６の動作制御部１６ａからの指示に従って光学系ユニット４をテーブル６に対してＺ軸方向に移動させる。これにより、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が変動する。さらにこのとき、ＣＰＵ１６の動作制御部１６ａは、光学系ユニット４がステップＳ１で設定されたサンプリング間隔寸法を移動する度に、カメラ１４で干渉光の干渉強度信号を検出して、記憶メモリ１７に順次記憶する。また、記憶メモリ１７は、駆動装置１５のサーボモータに取り付けられた図示しないエンコーダからの値に基づいて、干渉強度信号と、この干渉強度信号を検出したＺ軸方向の基準面６ａからの位置とを対応させて記憶する。なお、Ｚ軸方向と直交するＸ軸方向とＹ軸方向の位置も、駆動装置１５のサーボモータに取り付けられた図示しないエンコーダからの値に基づいて、記憶メモリ１７に記憶される。

　次いで、ステップＳ３では、ＣＰＵ１６の演算部１６ｂが、カメラ１４で検出した干渉強度信号についてフーリエ変換を行い、波長毎の干渉強度信号を算出する。

　次いで、ステップＳ４では、ＣＰＵ１６の演算部１６ｂで算出した波長毎の干渉強度信号に基づいて、被測定面３のＺ軸方向の基準面６ａからの位置を測定する。具体的には、ＣＰＵ１６の演算部１６ｂで式（１３）と式（１８）を用いて、被測定面３の基準面６ａからのＺ軸方向の位置を算出する。

　次いで、ステップＳ５では、ＣＰＵ１６の演算部１６ｂで算出した被測定面３の基準面６ａからのＺ軸方向の位置、すなわち、被測定面３の高さをモニタ１９に表示する。

　以上のように、表面形状測定装置１を用いることで、被測定面３と光学系ユニット４との位置関係が測定基準（測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が０の位置）から離れた位置関係であっても、干渉強度信号を検出することが可能である。つまり、表面形状測定装置１によって、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が大きい場合であっても干渉強度信号を検出することができるため、表面形状を高速に測定することが可能である。

　なお、駆動装置１５としては、サーボモータに限られるものではなく、圧電素子又はステッピングモータを用いてもよい。

　なお、白色光源８の波長帯域を広くすると、図８に示したグラフの横軸ｋ／λの範囲を広く取ることができるため、測定精度を向上させることができる。しかし、一般的に、白色光源８の波長帯域を広くすると、干渉強度信号を検出できる範囲が狭くなる。その一方で、表面形状測定装置１では、白色光源８の波長帯域を広くしても、干渉強度信号を検出できる範囲が十分に広いため、測定速度の低下を抑えつつ、測定精度の向上を図ることが可能である。

　なお、第１回折格子２０と第２回折格子２１との間隔Ｌを広くすることで、干渉強度信号を検出可能な、測定光と参照光との光路長差の領域を広げることが可能である。これは、波長毎に付与される光路長が大きくなるからである。これを利用して、例えば、被測定面３のＺ軸方向に形成された凹凸形状よりも広い範囲で干渉強度信号が検出可能なように第１回折格子２０と第２回折格子２１とを調節すればよい。これにより、形成された凹凸の範囲よりも狭い範囲を走査するだけで表面形状の測定ができ、測定時間の短縮が可能である。

　なお、図１Ａでは、ハーフミラー１０での反射角を９０°として図示しているが、光学系ユニット４を構成する各部品が互いに接触しない範囲で角度を変えても良い。

　なお、第１回折格子２０及び第２回折格子２１の断面形状はのこぎり型（ブレーズド）型とすることで、必要な方向のみの回折光（第１実施形態においては１次回折光）が得られ、光量のロスと、不要回折光（１次回折光以外）による迷光が最も少なくなる。なお、これらの回折格子の断面形状は、正弦型、あるいは、矩形型を用いることも可能だが、不要な回折光が生じるため、正弦型、あるいは、矩形型を用いた場合はカメラ１４に入らないように除去する手段を別途設けることが必要となる。

　なお、第１回折格子２０の格子（溝）方向と第２回折格子２１の格子（溝）方向とは、図１Ａに示したＸ軸方向と平行であるとして説明したが、これらの格子（溝）方向が平行になるように第１回折格子２０と第２回折格子２１とが配置されていればよい。例えば、第１回折格子２０の格子（溝）方向と第２回折格子２１の格子（溝）方向とが共にＺ軸方向に平行となるように、第１回折格子２０と第２回折格子２１とが配置されてもよい。この場合、参照光８Ｃの回折方向は図１Ａに示したＸ軸方向となる。

　なお、干渉強度信号を得るために、光学系ユニット４をＺ軸方向に走査したが、駆動装置１５によって参照ユニット７をＹ軸方向に移動して、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差を変化させても良い。

　ここで、参照ユニット７の変形例を説明する。変形例は、第１回折格子２０と第２回折格子２１とを、一体として、１つの部材である回折格子２００で構成したものである。具体的には、図１Ｄに示すように、回折格子２００として、透明な平面基板である基板２０３の互いに平行な２つの面に、第１格子面２０１と、第２格子面２０２とが形成される。この第１格子面２０１が、第１回折格子２０の第１格子面２０ａに相当する。また、第２格子面２０２が、第２回折格子２１の第２格子面２１ａに相当する。すなわち、第１格子面２０１と第２格子面２０２とが満たすべき条件は、上述した、第１回折格子２０と第２回折格子２１とが満たすべき条件と同じである。なお、図１Ｄでは、第１格子面２０１と、第２格子面２０２とがブレーズド回折格子であることを明確に図示ししている。また、第１格子面２０１は透過型の回折格子として機能し、第２格子面２０２は反射型の回折格子として機能する。

　この変形例により、２枚の基板にそれぞれ回折格子の格子面を形成して第１回折格子２０と第２回折格子２１とを構成するのと機能的に同様に、測定を行うことができる。

　１つの基板２０３の両面に第１格子面２０１と、第２格子面２０２とを形成することで、格子面間の距離、及び、格子面に平行な方向への変動を最小限に抑えることができる。格子面間の距離の変動は、各波長における光路長の変化になり、高さを測定する際の誤差になる。また、格子面に平行な方向の変動は、干渉信号強度の変動につながる。具体的には、被測定面３の高さの計算において、各波長へのスペクトル分解を行う中での測定誤差となる。従って、１つの基板２０３の両面に格子面を形成することで、これらの変動要因を最小限にすることができ、測定精度の低下を防ぐことができる。

　一方、回折格子（格子面）を２つの別々の基板に形成すると、格子面間の距離を簡単に広げられる。格子面間の距離が狭すぎると、±１次回折光を分離できず、±１次回折光が交じり合ってしまう場合がある。この場合、光路長差が波長の１／２に近くなると参照光８Ｃの強度が極端に小さくなって、干渉強度信号がほとんど検出されなくなり、測定できなくなることがある。つまり、回折格子（格子面）を２つの別々の基板に形成すると、±１次回折光を分離するのに十分な距離を、容易に調節することができる。

　（第２実施形態）
　第２実施形態に係る表面形状測定装置の構成自体は、第１実施形態に係る表面形状測定装置１と大略同じであるため、構成自体の説明を省略する。図１Ｅに示すように、ＣＰＵ１６は、動作制御部１６ａと演算部１６ｃとを有している。このＣＰＵ１６の演算部１６ｃによって、干渉強度信号から被測定面３のＺ軸方向の位置を検出する演算処理のみが、第１実施形態とは異なる。この演算処理について、以下に説明する。

　式（１８）の、非線形部分ｋ×ｓ／λは、ＣＰＵ１６の演算部１６ｃによって、カメラ１４で撮像したデータを用いることで除去することができる。カメラ１４が備える各撮像素子で検出した干渉強度信号から得られる信号の位相をφ_ｊとし、カメラ１４が備える撮像素子全体で検出した干渉強度信号から得られる位相の平均値をφ_ａｖｒ．とし、各撮像素子に対応する被測定面３の測定基準（測定光と参照光との光路長差が０になる位置）からの距離をｄ_ｊとし、データ数をｍとする。この場合、光路長ｓは撮像素子に依存しないため、式（１８）は、次の式（１９）で表すことができる。

．．．．．．．．（１９）

　式（１９）中のΣは総和を示す。ＣＰＵ１６の演算部１６ｃでの演算において、式（１９）よりｋ×ｓ／λを消去すると、次の式（２０）で表すことができる。

．．．．．．．．（２０）

　式（２０）の、Σｄ_ｊ／ｍ、φ_ａｖｒ．は定数なので、式（２０）に基づいて作成したグラフは直線となる。この直線の傾きより、ＣＰＵ１６の演算部１６ｃで、被測定面３の測定基準からの距離ｄ_ｊを求めることができる。

　このような処理をＣＰＵ１６の演算部１６ｃで行うことで、参照ユニット７で付与した各波長における光路長の影響によって図８に示したような曲線となったグラフを、計算によって直線化することが可能である。これにより、被測定面３の測定基準からの距離ｄ_ｊを算出する計算を簡単化し、計算時間を短縮することができる。

　なお、ＣＰＵ１６の演算部１６ｃにおいて、非線形部分ｋ×ｓ／λを除去するために、撮像素子全体で検出した干渉強度信号から得られる位相の平均値を用いたが、特定の撮像素子あるいは、カメラ１４の撮像素子全体から間引いた複数個の撮像素子を用いて計算量を削減してもよい。

　（第３実施形態）
　第３実施形態に係る表面形状測定装置は、第１実施形態に係る表面形状測定装置１について、参照ユニット７を、構成が異なる参照ユニット２２に置換したものである。以下に、異なる構成についてのみ説明する。また、第１回折格子とは、参照ユニットに入射した参照光が、最初に入射する回折格子を示す。また、第２回折格子とは、第１回折格子の後に参照光が入射する回折格子を示すものとして説明する。

　図１０に第３実施形態に係る参照ユニット２２を示す。参照ユニット２２は、第１実施形態に係る参照ユニット７が備える透過型の第１回折格子２０を、反射型の第１回折格子２３に置換したものである。さらに、参照ユニット２２は、第１実施形態に係る参照ユニット７が備える反射型の第２回折格子２１を、反射型の第２回折格子２４に置換したものである。また、第２回折格子２４の第２ピッチｐ_２は第１回折格子２３の第１ピッチｐ_１の半分の格子ピッチである。

　また、第１回折格子２３と第２回折格子２４との関係は、第１実施形態に係る第１回折格子２０と、第２回折格子２１との関係と同じである。このように、共に反射型の回折格子を備えることにより、透過型の回折格子を用いた場合に生じる、参照光８Ｃの透過による減衰を低減することが可能である。このため、より明確な干渉光を検出することが可能となり、測定の精度を向上させることが可能である。

　但し、透過型の回折格子を用いる場合よりも、回折格子の間隔Ｌを広く取る必要があるため、装置の小型化を主目的においた場合は、第１実施形態に係る参照ユニット７を用いることが好ましい。なお、参照光８Ｃの光量を上げる必要がある場合は、第３実施形態に係る参照ユニット２２を用いることが好ましい。なお、第３実施形態に係る参照ユニット２２を第２実施形態に係る表面形状測定装置に用いても良い。

　（第４実施形態）
　第４実施形態に係る表面形状測定装置は、第１実施形態に係る表面形状測定装置１について、参照ユニット７を、構成が異なる参照ユニット２５に置換したものである。以下に、第１実施形態と異なる構成についてのみ説明する。

　図１１Ａに第４実施形態に係る参照ユニット２５を示す。参照ユニット２５は、第１実施形態に係る参照ユニット７が備える透過型の第１回折格子２０と反射型の第２回折格子２１とを、透過型の第１回折格子２６と透過型の第２回折格子２７とに置換したものである。更に、参照ユニット２５は、第２回折格子２７を透過した参照光８Ｃを、その参照光８Ｃの光路を逆進させるように反射する参照鏡２８を備えたものである。また、第１回折格子２６は、第１方向に平行な直線状の格子（溝）が形成された平面である第１格子面２６ａを有する。また、第２回折格子２７は、第２方向に平常な直線状の格子（溝）が形成された平面である第２格子面２７ａを有している。また、参照鏡２８は、平面上の鏡面が形成された反射面２８ａを備えている。

　参照ユニット２５に入射した参照光８Ｃは、まず、第１回折格子２６にて回折及び透過する。第１回折格子２６を透過した参照光８Ｃは、次に、第２回折格子２７に入射する。第２回折格子２７に入射した参照光８Ｃは、第２回折格子２７にて回折及び透過する。第２回折格子２７を透過した参照光８Ｃは、次に、参照鏡２８に入射し、反射する。参照鏡２８から反射した参照光８Ｃは、再度、第２回折格子２７に入射する。第２回折格子２７に再度入射した参照光８Ｃは、第２回折格子２７にて回折及び透過する。再度、第２回折格子２７を透過した参照光８Ｃは、更に、第１回折格子２６に対して２度目の入射を行う。第１回折格子２６に２度目の入射を行った参照光８Ｃは、第１回折格子２６にて回折及び透過する。第１回折格子２６を２度透過した参照光８Ｃは、参照ユニット２５から出射する。

　このような参照ユニット２５に入射した参照光８Ｃは、第１実施形態に係る参照ユニット７と同様、波長毎に異なる光路長差を付与される。ここで、参照光８Ｃに対して波長毎に異なる光路長差を付与するための第１回折格子２６と第２回折格子２７と参照鏡２８との関係について説明する。なお、以下の説明では、第１回折格子２６の第１ピッチをｐ_１、第１回折格子２６に入射する参照光８Ｃの角度をθ_１、第１回折格子２６での回折角をη_１とし、第２回折格子２７の第２ピッチをｐ_２、第２回折格子２７に入射する参照光８Ｃの角度をθ_２、第２回折格子２７での回折角をη_２とし、回折次数をｎとする。

　参照鏡２８は、第２回折格子２７を透過した参照光８Ｃを、参照光８Ｃの光路上で逆進させるために、第２回折格子２７と対向して配置されている（第２格子面２７ａと反射面２８ａとは平行に配置されている）。この場合、参照光８Ｃは、異なる波長であっても同一の方向から参照鏡２８に入射しなければ、参照光８Ｃの光路を逆進せず、再度、第２回折格子２７に入射しない。このため、参照鏡２８に入射する参照光８Ｃは、同一の方向に第２回折格子２７で回折しなければならない。つまり、参照鏡２８に入射する際の参照光８Ｃの回折角は０（ｒａｄ）である必要がある。なお、回折角が０（ｒａｄ）でない場合は、波長毎に回折角の値が異なるため、第２回折格子２７を透過した参照光８Ｃは、同一の方向から参照鏡２８に入射しない。これらから、式（３）の回折角η_２に０（ｒａｄ）を代入して、次の式（２１）が得られる。

．．．．．．．．（２１）

　また、第１回折格子２６と第２回折格子２７とは、第１実施形態に係る第１回折格子２０と第２回折格子２１との関係と同様、第１回折格子２６と第２回折格子２７との格子（溝）方向（第１方向と第２方向）は互いに平行であり、第１格子面２６ａと第２格子面２７ａとが平行になるように配置する必要がある。従って、式（６）の関係が成り立つ。更に、第１実施形態で述べたように、第１格子面２６ａに対して垂直に入射する必要がある。従って、入射角θ_１は０（ｒａｄ）となる。これらのことから、式（２１）は次の式（２２）で表すことができる。

．．．．．．．．（２２）

　式（２２）からｐ_１とｐ_２は等しくする必要があることがわかる。以上をまとめると、第１回折格子２６と第２回折格子２７と参照鏡２８とが充足すべき構成条件は次の４つとなる。

　　第１に、第１回折格子２６と第２回折格子２７との格子（溝）方向（第１方向と第２方向）は互いに平行となるように、第１回折格子２０と第２回折格子２１とを配置する。

　　第２に、参照光８Ｃが第１格子面２６ａに垂直に入射するように、第１回折格子２６を配置する。

　　第３に、第１格子面２６ａと第２格子面２７ａと反射面２８ａとが平行になるように、第１回折格子２６と第２回折格子２７と参照鏡２８を配置する。

　　第４に、第１ピッチｐ_１と、第２ピッチｐ_２とが等しい。

　これらの４つの構成条件を満たす第１回折格子２６、第２回折格子２７、参照鏡２８を備える参照ユニット２５を用いることで、参照ユニット２５に入射する参照光８Ｃに対して、波長毎に異なる光路長を付与して、波長毎に位相をずらすことができる。従って、被測定面３と光学系ユニット４との位置関係が測定基準（測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が０の位置）から離れた位置関係であっても、干渉強度信号を検出することが可能である。つまり、第４実施形態に係る表面形状測定装置１によって、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が大きい場合であっても干渉強度信号を検出することができるため、表面形状を高速に測定することが可能である。

　なお、第１格子面２６ａと第２格子面２７ａとの大きさの関係は、第１実施形態に係る第１格子面２０ａと第２格子面２１ａとの大きさの関係と同じである。

　また、第１格子面２６ａが第２回折格子２７と対向するように第１回折格子２６を配置する。これは、参照光８Ｃが第１回折格子２６を出射する際に、参照光８Ｃを回折させるためである。この場合、参照光８Ｃは第１格子面２６ａの表面に対して垂直に入射するため、第１回折格子２６の波長分散の影響を受けない。また、第２格子面２７ａが第１回折格子２６と対向するように第２回折格子２７を配置する。これは、第２回折格子２７に入射する際に、参照光８Ｃを回折させるためである。この場合、第２格子面２７ａで回折した参照光８Ｃの回折角は０（ｒａｄ）であるから、第２回折格子２７を透過する際に、波長分散の影響を受けない。つまり、第１格子面２６ａと第２格子面２７ａとを対向するように、第１回折格子２６と、第２回折格子２７とを配置することで、これらを透過する際の波長分散の影響を低減することが可能である。

　また、第１回折格子２６と第２回折格子２７とには、同じ回折格子を用いることが可能である。部品の種類を減らすことができるため、設備の製造コストの低減を図ることが可能である。さらに、被測定物２を変更した場合に装置の設定を容易に変更することが可能である。第１回折格子２６と第２回折格子２７とに同じ変更を行えばよいからである。なお、第４実施形態に係る参照ユニット２５を第２実施形態に係る表面形状測定装置に用いても良い。

　ここで、参照ユニット２５の変形例を説明する。変形例は、第１回折格子２６と第２回折格子２７とを、一体として、１つの部材である回折格子２０４で構成したものである。具体的には、図１１Ｂに示すように、回折格子２０４として、透明な平面基板である基板２０５の互いに平行な２つの面に、第１格子面２０６と、第２格子面２０７とが形成される。第１格子面２０６が、第１回折格子２６の第１格子面２６ａに相当する。また、第２格子面２０７が、第２回折格子２７の第２格子面２７ａに相当する。そして、参照鏡２８は変形例でも同じである。すなわち、第１格子面２０６と第２格子面２０７と参照鏡２８とが満たすべき条件は、上述した、第１回折格子２６と第２回折格子２７と参照鏡２８とが満たすべき条件と同じである。なお、図１１Ｂでは、第１格子面２０６と、第２格子面２０７とがブレーズド回折格子であることを明確に図示している。また、第１格子面２０６と、第２格子面２０７とは、共に、透過型の回折格子として機能する。

　この変形例により、２枚の基板にそれぞれ回折格子の格子面を形成して第１回折格子２６と第２回折格子２７とを構成するのと機能的に同様に、測定を行うことができる。

　１つの基板２０５の両面に第１格子面２０６と、第２格子面２０７とを形成することで、格子面間の距離、及び、格子面に平行な方向への変動を最小限に抑えることができる。格子面間の距離の変動は、各波長における光路長の変化になり、高さを測定する際の誤差になる。また、格子面に平行な方向の変動は、干渉信号強度の変動につながる。具体的には、被測定面３の高さの計算において、各波長へのスペクトル分解を行う中での測定誤差となる。従って、１つの基板２０５の両面に格子面を形成することで、これらの変動要因を最小限にすることができ、測定精度の低下を防ぐことができる。

　一方、回折格子（格子面）を２つの別々の基板に形成すると、格子面間の距離を簡単に広げられる。格子面間の距離が狭いと、±１次回折光を分離できず、±１次回折光が交じり合ってしまう場合がある。この場合、光路長差が波長の１／２に近くなると参照光８Ｃの強度が極端に小さくなって、干渉強度信号がほとんど検出されなくなり、計測できなくなることがある。つまり、回折格子（格子面）を２つの別々の基板に形成すると、±１次回折光を分離するのに十分な距離を、容易に調節することができる。

　また、更なる変形例として、第１回折格子２６と第２回折格子２７と参照鏡２８とを、一体として、１つの部材で構成してもよい。具体的には、図１１Ｃに示すように、１つの部材２０８として、透明な平面基板である第１基板２０９の互いに平行な２つの面に、第１格子面２１０と、第２格子面２１１とが形成される。さらに、透明な平面基板である第２基板２１２が、第２格子面２１１を共有して配置される。この場合、第２基板２１２の第２格子面２１１と平行な面に参照鏡２１３が配置される。図１１Ｃでは、第１格子面２１０が、第１回折格子２６の第１格子面２６ａに相当する。また、第２格子面２１１が、第２回折格子２７の第２格子面２７ａに相当する。そして、参照鏡２１３が参照鏡２８に相当する。

　なお、第２回折格子２７と参照鏡２８とを、一体として、１つの部材で構成し、第１回折格子２６を別部材としてもよい。

　（第５実施形態）
　第５実施形態に係る表面形状測定装置は、第４実施形態に係る参照ユニット２５を、構成が異なる参照ユニット２９に置換したものである。以下に、第４実施形態と異なる構成についてのみ説明する。

　図１２に第５実施形態に係る参照ユニット２９を示す。参照ユニット２９は、第４実施形態に係る参照ユニット２５が備える透過型の第１回折格子２６と透過型の第２回折格子２７とを、反射型の第１回折格子３０と、反射型の第２回折格子３１とにそれぞれ置換したものである。また、第２回折格子３１の第２ピッチｐ_２は第１回折格子３０の第１ピッチｐ_１と等しい。

　また、第１回折格子３０と第２回折格子３１との関係は、第４実施形態に係る第１回折格子２６と、第２回折格子２７との関係と同じである。このように、共に反射型の回折格子を備えることにより、透過型の回折格子を用いた場合に生じる、参照光８Ｃの減衰を低減することが可能である。このため、より明確な干渉光を検出することが可能となり、測定の精度を向上させることが可能である。

　但し、透過型の回折格子を用いる場合よりも、回折格子の間隔を広く取る必要があるため、装置の小型化を主目的においた場合は、第４実施形態に係る参照ユニット２５を用いることが好ましい。なお、参照光８Ｃの光量を上げる必要がある場合は、第５実施形態に係る参照ユニット２９を用いることが好ましい。

　また、第１回折格子３０と第２回折格子３１とには、同じ回折格子を用いることが可能である。部品の種類を減らすことができるため、設備の製造コストの低減を図ることが可能である。さらに、被測定物２を変更した場合に装置の設定を容易に変更することが可能である。なお、第５実施形態に係る参照ユニット２９を第２実施形態に係る表面形状測定装置に用いても良い。

　＜変形例１＞
　第５実施形態の変形例１として、図１３に参照ユニット３２を示す。第５実施形態に係る参照ユニット２９が備える反射型の第２回折格子３１を、透過型の第２回折格子３３へと置換したものが変形例１に係る参照ユニット３２である。なお、第２回折格子３３の第２ピッチｐ_２は第１回折格子３０の第１ピッチｐ_１と等しい。また、第１回折格子３０と第２回折格子３３との関係は、第４実施形態に係る第１回折格子２６と、第２回折格子２７との関係と同じである。

　このような参照ユニット３２を用いることで、参照ユニット３２に入射する参照光８Ｃに対して、波長毎に異なる光路長を付与して、波長毎に位相をずらすことができる。従って、被測定面３と光学系ユニット４との位置関係が測定基準（測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が０の位置）から離れた位置関係であっても、干渉強度信号を検出することが可能である。つまり、変形例１に係る表面形状測定装置によって、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が大きい場合であっても干渉強度信号を検出することができるため、表面形状を高速に測定することが可能である。

　＜変形例２＞
　第５実施形態の変形例２として、図１４に参照ユニット３４を示す。第５実施形態に係る参照ユニット２９が備える反射型の第１回折格子３０を、透過型の第１回折格子３５へと置換したものが変形例２に係る参照ユニット３４である。なお、第２回折格子３１の第２ピッチｐ_２は第１回折格子３５の第１ピッチｐ_１と等しい。また、第１回折格子３５と第２回折格子３１との関係は、第４実施形態に係る第１回折格子２６と、第２回折格子２７との関係と同じである。

　このような参照ユニット３４を用いることで、参照ユニット３４に入射する参照光８Ｃに対して、波長毎に異なる光路長を付与して、波長毎に位相をずらすことができる。従って、被測定面３と光学系ユニット４との位置関係が測定基準（測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が０の位置）から離れた位置関係であっても、干渉強度信号を検出することが可能である。つまり、変形例２に係る表面形状測定装置によって、測定光８Ｂと参照光８Ｃとの光路長差が大きい場合であっても干渉強度信号を検出することができるため、表面形状を高速に測定することが可能である。

　なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、各回折格子の格子面の断面形状としては、図１７Ｃのようにブレーズド回折格子４３、すなわち、鋸歯の各表面で反射が起こる分光素子に限られない。他の例として、図１７Ａのように基板に溝４０を彫ったタイプの格子面４４、又は、図１７Ｂのように屈折率の違う部分４１、４２を組み合わせたタイプの格子面４５なども回折格子として使用することができる。

　なお、前記の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、添付図面を参照しながら実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

　本発明の表面形状測定方法及び表面形状測定装置は、被測定面の表面形状を高速に測定することができる。このため、本発明の表面形状測定方法及び表面形状測定装置は、半導体ウエハ又は液晶表示器用ガラス基板などの精密加工品の表面形状の測定の用途、例えば、凹凸形状を、白色光の干渉を用いて高速に測定するのに好適である。

Claims

　異なる波長を含む白色光８Ａを参照光８Ｃと測定光８Ｂとに分割し、
　前記参照光を第１回折格子２０に入射させた後、第１光路を通って第２回折格子２１に入射させ、更にその後に、前記第２回折格子２１から前記第１光路を通って前記第１回折格子２０に入射させた前記参照光と、被測定面３に入射させて該被測定面で反射させた前記測定光とを合成して干渉光８Ｄとし、
　前記干渉光における干渉強度を検出し、
　前記干渉強度に基づいて前記被測定面の表面形状を測定する表面形状測定方法。
　前記参照光を、前記第１光路を通って前記第２回折格子２１に入射させた後に、更に、鏡で反射させ、更にその後に、前記第２回折格子から前記第１光路を通って前記第１回折格子に入射させる、請求項１に記載の表面形状測定方法。
　前記参照光は、前記第１回折格子により波長毎に光路長が変えられて前記第１回折格子から前記第２回折格子に入射する、請求項１に記載の表面形状測定方法。
　異なる波長を含む白色光を照射する光源８と、
　前記白色光を参照光と測定光とに分割する分割部１０と、
　前記測定光が照射される被測定物２が載置されるテーブル６と、
　第１ピッチで第１方向の格子が形成されると共に前記参照光が垂直に入射する第１回折格子と、
　前記第１ピッチの半分のピッチで前記第１方向の格子が形成され、かつ、前記第１回折格子と平行に配置されると共に、前記第１回折格子を出射した前記参照光が入射する第２回折格子と、
　前記第２回折格子を出射した後に前記第１回折格子を出射した前記参照光と前記被測定物で反射した前記測定光とを合成して干渉光とする合成部１０と、
　前記干渉光における干渉強度を検出する検出部４と、
　前記干渉強度に基づいて前記被測定物の表面形状を測定する測定部１６と、を備える表面形状測定装置。
　前記分割部と前記合成部とを１つの部材で兼用する、請求項４に記載の表面形状測定装置。
　前記第１回折格子は透過型の回折格子であり、前記第２回折格子は反射型の回折格子である請求項４に記載の表面形状測定装置。
　前記第１回折格子と前記第２回折格子とは共に反射型の回折格子である請求項４に記載の表面形状測定装置。
　前記第１回折格子と前記第２回折格子とが一体として１つの部材２００で形成されている、請求項４に記載の表面形状測定装置。
　異なる波長を含む白色光を照射する光源８と、
　前記白色光を参照光と測定光とに分割する分割部１０と、
　前記測定光が照射される被測定物が載置されるテーブル６と、
　第１ピッチで第１方向の格子が形成されると共に前記参照光が垂直に入射する第１回折格子と、
　前記第１ピッチで前記第１方向の格子が形成され、かつ、前記第１回折格子と平行に配置されると共に、前記第１回折格子から出射した前記参照光が入射する第２回折格子と、
　前記第２回折格子を出射した前記参照光を反射して前記第２回折格子に入射させる鏡と、
　前記鏡で反射した後に前記第２回折格子と前記第１回折格子との順に出射した前記参照光と前記被測定物で反射した前記測定光とを合成して干渉光とする合成部１０と、
　前記干渉光における干渉強度を検出する検出部４と、
　前記干渉強度に基づいて前記被測定物の表面形状を測定する測定部１６と、を備える表面形状測定装置。
　前記第１回折格子と前記第２回折格子とは共に反射型の回折格子である請求項９に記載の表面形状測定装置。
　前記第１回折格子と前記第２回折格子とは共に透過型の回折格子である請求項９に記載の表面形状測定装置。
　前記第１回折格子は反射型の回折格子であり、前記第２回折格子は透過型の回折格子である請求項９に記載の表面形状測定装置。
　前記第１回折格子は透過型の回折格子であり、前記第２回折格子は反射型の回折格子である請求項９に記載の表面形状測定装置。
　前記第１回折格子と前記第２回折格子とが一体として１つの部材２０４で形成されている、請求項９に記載の表面形状測定装置。
　前記第１回折格子と前記第２回折格子と前記鏡とが一体として１つの部材２０８で形成されている、請求項９に記載の表面形状測定装置。