WO2018037619A1 - 計測装置 - Google Patents

Abstract

計測精度の向上を図ると共に、計測効率の向上を図ることのできる計測装置を提供する。計測装置１は、撮像系４Ａ，４Ｂにより撮像し得られた干渉縞画像を基に、ワークＷの所定の計測領域内に予め設定した一部のｚ位置調査領域について、ｚ方向複数位置における複素振幅データを取得する。続いて、該複数通りの複素振幅データからｚ位置調査領域に係る複数通りの強度画像を取得し、該複数通りの強度画像を基にｚ位置調査領域のｚ方向における位置を決定する。そして、この位置における複素振幅データを計測領域全体について取得して、計測領域に係る三次元計測を実行する。

Description

計測装置

　本発明は、被計測物の形状を計測する計測装置に関するものである。

　従来、被計測物の形状を計測する計測装置として、干渉計を利用した計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。中には、位相の異なる複数の干渉縞画像を基に位相シフト法により計測を行う計測装置などもある（例えば、特許文献２参照）。

　しかしながら、被計測物を撮像手段の合焦範囲内に適切に設置しないと、焦点の合った精度の良い画像データを取得することができず、計測精度が低下するおそれがあった。

　そのため、従来では、計測を開始する前に被計測物を合焦範囲内に設置する前処理等を精度よく行う必要があり、計測に要する時間が全体として長くなるおそれがあった。また、高さ計測の計測レンジが合焦範囲の制約を受けるおそれもあった。

　これに対し、近年では、焦点ぼけ収差を補正する機能を備えた干渉撮像装置なども見受けられる（例えば、特許文献３参照）。焦点ぼけ収差を補正することで、焦点ぼけの生じた画像データを演算処理により焦点の合った画像データに変換できるため、精度の良い画像データを取得することができる。結果として、計測精度の向上を図ることができる。

特開平８－２１９７２２号公報 特開平１１－３３７３２１号公報 特表２０１６－５０４９４７号公報

　しかしながら、特許文献３に係る従来技術では、被計測物が存在し得る光軸方向（高さ方向）所定範囲内の光軸方向複数位置についてそれぞれ収差補正画像を作成し、その中から焦点の合った画像を抽出する構成となっている。つまり、撮像手段により撮像し得られた画像全体について収差補正処理を行った収差補正画像を複数通り作成しなければならないため、処理負荷が極めて大きく、かかる処理に要する時間も長くなるおそれがあった。結果として、計測効率が著しく低下するおそれがあった。

　本発明は、上記事情等に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測精度の向上を図ると共に、計測効率の向上を図ることのできる計測装置を提供することにある。

　以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。

　手段１．入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物（例えばウエハ基板）に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系（特定光学系）と、
　前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
　前記所定の光学系から出射される出力光を撮像可能な撮像手段と、
　前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像を基に前記被計測物の所定の計測領域（被計測物の全域又はその一部）に係る計測を実行可能な画像処理手段とを備えた計測装置であって、
　前記画像処理手段は、
　前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像を基に、前記計測領域内に予め設定した一部の特定領域について、光軸方向所定位置における複素振幅データを少なくとも光軸方向所定範囲内における所定間隔ごとに複数通り取得する第１データ取得手段と、
　前記第１データ取得手段により取得された前記特定領域に係る前記所定間隔ごとの複数通りの複素振幅データから前記特定領域に係る前記所定間隔ごとの複数通りの強度（輝度）画像を取得する画像取得手段と、
　前記画像取得手段により取得された前記複数通りの強度画像を基に、光軸方向における所定の位置（例えば最も焦点の合う強度画像が得られた位置）を決定する位置決定手段と、
　前記位置決定手段により決定された位置における複素振幅データを前記計測領域全体について取得する第２データ取得手段と、
　前記第２データ取得手段により取得された複素振幅データを基に前記計測領域に係る計測を実行する計測実行手段とを備えていることを特徴とする計測装置。

　尚、「所定の光学系」には、「参照光及び計測光を内部で干渉させた上で干渉光として出力する光学系」のみならず、「参照光及び計測光を内部で干渉させることなく、単に合成光として出力する光学系」も含まれる。但し、「所定の光学系」から出力される「出力光」が「合成光」の場合には、「干渉縞画像」を撮像するために、少なくとも「撮像手段」により撮像される前段階において、所定の干渉手段を介して「干渉光」に変換することとなる。

　つまり、光の干渉を生じさせること（干渉縞画像を撮像すること）を目的として、入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な光学系を「干渉光学系」と称することができる。従って、上記手段１において（以下の各手段においても同様）、「所定の光学系（特定光学系）」を「干渉光学系」と換言してもよい。

　上記手段１によれば、まず最初に計測領域全体ではなく、計測領域内に予め設定した一部の特定領域（限られた狭い範囲）についてのみ、光軸方向複数位置における複素振幅データを取得し、これを基に被計測物（特定領域）に焦点の合う最適な位置をサーチして決定する。その後、かかる位置における計測領域全体ついての複素振幅データを取得して、該計測領域に係る計測を行う。

　これにより、計測領域に係る計測を行う上で必要なデータを取得するための処理にかかる負荷を軽減すると共に、該処理に要する時間を短縮することができる。結果として、計測精度の向上を図ると共に、計測効率の向上を図ることができる。

　尚、上記「所定間隔」としては、例えば光軸方向における「合焦範囲」や「計測レンジ」の間隔などが挙げられる。

　手段２．前記位置決定手段は、前記画像取得手段により取得された前記複数通りの強度画像を基に、前記特定領域の光軸方向位置を決定することを特徴とする手段１に記載の計測装置。

　上記手段２によれば、被計測物（特定領域）の光軸方向における位置（高さ方向位置）を特定し、かかる位置における計測領域全体の複素振幅データを取得して計測を行う構成となる。これにより、単に所定間隔ごとに複数通り取得した複素振幅データの中から最適なデータを抽出するだけの構成に比べて、被計測物（特定領域）に焦点の合ったより最適で精度の良いデータを取得することができる。結果として、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

　手段３．前記特定領域は、前記計測領域に係る光軸方向の計測を行う際に基準となる領域であることを特徴とする手段２に記載の計測装置。

　上記手段３によれば、計測基準となる特定領域に焦点の合ったより最適で精度の良いデータの下で計測を行うことができ、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

　手段４．前記特定領域が複数箇所に設定されていることを特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の計測装置。

　上記手段４によれば、特定領域が複数あることで、計測領域全体の複素振幅データを取得すべき、より最適な位置を見付けやすくなる。

　また、例えば被計測物が反っていたり、傾いた状態となっている等して、計測領域に高低差が生じているような場合、仮に前記特定領域が１箇所しか設定されていないと、計測領域全体に焦点の合ったデータを取得できないおそれがある。

　これに対し、本手段のように特定領域が複数あることで、複数の特定領域ごとに上記手段１に係る一連の処理を実行することができ、全体として計測領域全体に焦点の合ったデータを取得することが可能となる。例えば計測領域のうち第１の領域については、光軸方向における第１位置におけるデータを用い、第２の領域については、光軸方向における第２位置におけるデータを用いることにより、計測領域全体に焦点の合ったデータを取得することが可能となる。

　手段５．前記参照光と前記計測光との間に相対的な位相差を付与する位相シフト手段を備え、
　前記画像処理手段は、
　前記位相シフト手段により複数通り（例えば３又は４通り）に位相シフトされた前記出力光を前記撮像手段により撮像し得られた複数通りの干渉縞画像を基に、前記被計測物の所定の計測領域に係る計測を実行可能に構成されていることを特徴とする手段１乃至４のいずれかに記載の計測装置。

　手段６．前記照射手段は、
　前記所定の光学系に対し入射させる、第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
　前記所定の光学系に対し入射させる、第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段とを備え、
　前記撮像手段は、
　前記所定の光学系に対し前記第１光を入射することにより前記所定の光学系から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
　前記所定の光学系に対し前記第２光を入射することにより前記所定の光学系から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段とを備えたことを特徴とする手段１乃至５のいずれかに記載の計測装置。

　上記手段６のように、波長の異なる２種類の光を利用すれば、計測レンジを広げることができる。ひいては、第１データ取得手段が計測レンジ間隔で特定領域に係る複素振幅データを取得する場合に、処理負担の軽減を図ることができる。

　尚、「第１照射手段」から照射される「第１光」は、少なくとも「第１波長の偏光（第１偏光）」を含んだ光であればよく、その後「所定の光学系」においてカットされる他の余分な成分を含んだ光（例えば「無偏光」や「円偏光」）であってもよい。

　同様に、「第２照射手段」から照射される「第２光」は、少なくとも「第２波長の偏光（第２偏光）」を含んだ光であればよく、その後「所定の光学系」においてカットされる他の余分な成分を含んだ光（例えば「無偏光」や「円偏光」）であってもよい。

　また、「所定の光学系（特定光学系）」から出力される「第１光に係る出力光」には「第１光に係る参照光及び計測光の合成光、又は、該合成光を干渉させた干渉光」が含まれ、「第２光に係る出力光」には「第２光に係る参照光及び計測光の合成光、又は、該合成光を干渉させた干渉光」が含まれる。

　手段７．前記被計測物は、バンプが形成されたウエハ基板であることを特徴とする手段１乃至６のいずれかに記載の計測装置。

　上記手段７によれば、ウエハ基板に形成されたバンプの計測を行うことができる。ひいては、バンプの検査において、その計測値に基づいてバンプの良否判定を行うことができる。従って、かかる検査において、上記各手段の作用効果が奏されることとなり、精度よく良否判定を行うことができる。結果として、バンプ検査装置における検査精度及び検査効率の向上を図ることができる。

計測装置の概略構成図である。 計測装置の電気的構成を示すブロック図である。 第１光の光路を示す光路図である。 第２光の光路を示す光路図である。 計測処理の流れを示すフローチャートである。 ワークと撮像素子との位置関係などを説明するための説明図である。 ワークと撮像素子との位置関係などを説明するための説明図である。 バンプの形成されたウエハ基板を示す側面模式図である。 バンプの三次元計測について説明するための説明図である。 バンプの二次元計測について説明するための説明図である。

　以下、計測装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る計測装置１の概略構成を示す模式図であり、図２は計測装置１の電気的構成を示すブロック図である。以下、便宜上、図１の紙面前後方向を「Ｘ軸方向」とし、紙面上下方向を「Ｙ軸方向」とし、紙面左右方向を「Ｚ軸方向」として説明する。

　計測装置１は、マイケルソン干渉計の原理に基づき構成されたものであり、特定波長の光を出力可能な照射手段としての２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）と、該投光系２Ａ，２Ｂからそれぞれ出射される光が入射される干渉光学系３と、該干渉光学系３から出射される光を撮像可能な撮像手段としての２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）と、投光系２Ａ，２Ｂや干渉光学系３、撮像系４Ａ，４Ｂなどに係る各種制御や画像処理、演算処理等を行う制御装置５とを備えている。

　ここで、「制御装置５」が本実施形態における「画像処理手段」を構成し、「干渉光学系３」が本実施形態における「所定の光学系（特定光学系）」を構成する。尚、本実施形態においては、光の干渉を生じさせること（干渉縞画像を撮像すること）を目的として、入射する所定の光を２つの光（計測光及び参照光）に分割し、該２つの光に光路差を生じさせた上で、再度合成して出力する光学系を「干渉光学系」という。つまり、２つの光を内部で干渉させた上で干渉光として出力する光学系のみならず、２つの光を内部で干渉させることなく、単に合成光として出力する光学系についても「干渉光学系」と称している。従って、本実施形態にて後述するように、「干渉光学系」から、２つの光（計測光及び参照光）が干渉することなく合成光として出力される場合には、少なくとも撮像される前段階（例えば撮像系の内部など）において、所定の干渉手段を介して干渉光を得ることとなる。

　まず、２つの投光系２Ａ，２Ｂ（第１投光系２Ａ，第２投光系２Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１投光系２Ａは、第１発光部１１Ａ、第１光アイソレータ１２Ａ、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａなどを備えている。ここで「第１発光部１１Ａ」が本実施形態における「第１照射手段」を構成する。

　図示は省略するが、第１発光部１１Ａは、特定波長λ₁の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。

　かかる構成の下、本実施形態では、第１発光部１１Ａから、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ₁（例えばλ₁＝１５００ｎｍ）の直線偏光がＺ軸方向左向きに出射される。ここで「波長λ₁」が本実施形態における「第１波長」に相当する。以降、第１発光部１１Ａから出射される波長λ₁の光を「第１光」という。

　第１光アイソレータ１２Ａは、一方向（本実施形態ではＺ軸方向左向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＺ軸方向右向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第１発光部１１Ａから出射された第１光のみを透過することとなり、戻り光による第１発光部１１Ａの損傷や不安定化などを防止することができる。

　第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａは、直角プリズム（直角二等辺三角形を底面とする三角柱状のプリズム。以下同様。）を貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面１３Ａｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。「第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａ」が本実施形態における「第１導光手段」を構成する。

　以下同様であるが、無偏光ビームスプリッタは、偏光状態も含め、入射光を所定の比率で透過光と反射光とに分割するものである。本実施形態では、１：１の分割比を持った所謂ハーフミラーを採用している。つまり、透過光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分、並びに、反射光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分が全て同じ比率で分割されると共に、透過光と反射光の各偏光状態は入射光の偏光状態と同じとなる。

　尚、本実施形態では、図１の紙面に平行な方向（Ｙ軸方向又はＺ軸方向）を偏光方向とする直線偏光をＰ偏光（Ｐ偏光成分）といい、図１の紙面に垂直なＸ軸方向を偏光方向とする直線偏光をＳ偏光（Ｓ偏光成分）という。

　また、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａは、その接合面１３Ａｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａの接合面１３ＡｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第１光アイソレータ１２Ａを介して、第１発光部１１ＡからＺ軸方向左向きに入射する第１光の一部（半分）をＺ軸方向左向きに透過させ、残り（半分）をＹ軸方向下向きに反射させるように配置されている。

　第２投光系２Ｂは、上記第１投光系２Ａと同様、第２発光部１１Ｂ、第２光アイソレータ１２Ｂ、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂなどを備えている。ここで「第２発光部１１Ｂ」が本実施形態における「第２照射手段」を構成する。

　第２発光部１１Ｂは、上記第１発光部１１Ａと同様、特定波長λ₂の直線偏光を出力可能なレーザ光源や、該レーザ光源から出力される直線偏光を拡大し平行光として出射するビームエキスパンダ、強度調整を行うための偏光板、偏光方向を調整するための１／２波長板などを備えている。

　かかる構成の下、本実施形態では、第２発光部１１Ｂから、Ｘ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した方向を偏光方向とする波長λ₂（例えばλ₂＝１５０３ｎｍ）の直線偏光がＹ軸方向上向きに出射される。ここで「波長λ₂」が本実施形態における「第２波長」に相当する。以降、第２発光部１１Ｂから出射される波長λ₂の光を「第２光」という。

　第２光アイソレータ１２Ｂは、第１光アイソレータ１２Ａと同様、一方向（本実施形態ではＹ軸方向上向き）に進む光のみを透過し逆方向（本実施形態ではＹ軸方向下向き）の光を遮断する光学素子である。これにより、第２発光部１１Ｂから出射された第２光のみを透過することとなり、戻り光による第２発光部１１Ｂの損傷や不安定化などを防止することができる。

　第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａと同様、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面１３Ｂｈには例えば金属膜などのコーティングが施されている。「第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂ」が本実施形態における「第２導光手段」を構成する。

　また、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂは、その接合面１３Ｂｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂの接合面１３ＢｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。より詳しくは、第２光アイソレータ１２Ｂを介して、第２発光部１１ＢからＹ軸方向上向きに入射する第２光の一部（半分）をＹ軸方向上向きに透過させ、残り（半分）をＺ軸方向右向きに反射させるように配置されている。

　次に干渉光学系３の構成について詳しく説明する。干渉光学系３は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０、１／４波長板２１，２２、参照面２３、設置部２４などを備えている。

　偏光ビームスプリッタ２０は、直角プリズムを貼り合せて一体としたキューブ型の公知の光学部材であって、その接合面（境界面）２０ｈには例えば誘電体多層膜などのコーティングが施されている。

　偏光ビームスプリッタ２０は、入射される直線偏光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光成分（Ｐ偏光成分とＳ偏光成分）に分割するものである。本実施形態における偏光ビームスプリッタ２０は、Ｐ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する構成となっている。

　偏光ビームスプリッタ２０は、その接合面２０ｈを挟んで隣り合う２面のうちの一方がＹ軸方向と直交しかつ他方がＺ軸方向と直交するように配置されている。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の接合面２０ｈがＹ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜するように配置されている。

　より詳しくは、上記第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡからＹ軸方向下向きに反射した第１光が入射する偏光ビームスプリッタ２０の第１面（Ｙ軸方向上側面）２０ａ、並びに、該第１面２０ａと相対向する第３面（Ｙ軸方向下側面）２０ｃがＹ軸方向と直交するように配置されている。「偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａ」が本実施形態における「第１入出力部」に相当する。

　一方、第１面２０ａと接合面２０ｈを挟んで隣り合う面であって、上記第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢからＺ軸方向右向きに反射した第２光が入射する偏光ビームスプリッタ２０の第２面（Ｚ軸方向左側面）２０ｂ、並びに、該第２面２０ｂと相対向する第４面（Ｚ軸方向右側面）２０ｄがＺ軸方向と直交するように配置されている。「偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂ」が本実施形態における「第２入出力部」に相当する。

　また、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃとＹ軸方向に相対向するように１／４波長板２１が配置され、該１／４波長板２１とＹ軸方向に相対向するように参照面２３が配置されている。

　１／４波長板２１は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有する。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射される直線偏光（参照光）は１／４波長板２１を介して円偏光に変換された上で参照面２３に対し照射される。また、参照面２３で反射した参照光は、再度、１／４波長板２１を介して円偏光から直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに入射する。

　一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄとＺ軸方向に相対向するように１／４波長板２２が配置され、該１／４波長板２２とＺ軸方向に相対向するように設置部２４が配置されている。

　１／４波長板２２は、直線偏光を円偏光に変換しかつ円偏光を直線偏光に変換する機能を有する。つまり、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射される直線偏光（計測光）は１／４波長板２２を介して円偏光に変換された上で設置部２４に置かれた被計測物としてのワークＷに対し照射される。また、ワークＷにて反射した計測光は、再度、１／４波長板２２を介して円偏光から直線偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに入射する。

　次に２つの撮像系４Ａ，４Ｂ（第１撮像系４Ａ，第２撮像系４Ｂ）の構成について詳しく説明する。第１撮像系４Ａは、１／４波長板３１Ａ、第１偏光板３２Ａ、第１撮像手段を構成する第１カメラ３３Ａなどを備えている。

　１／４波長板３１Ａは、第２無偏光ビームスプリッタ１３ＢをＺ軸方向左向きに透過してきた直線偏光（第１光の参照光成分及び計測光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものである。

　第１偏光板３２Ａは、１／４波長板３１Ａにより円偏光に変換された第１光の各成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる第１光の参照光成分と計測光成分とを特定の位相について干渉させることができる。「第１偏光板３２Ａ」が本実施形態における「位相シフト手段」及び「干渉手段」を構成する。

　本実施形態に係る第１偏光板３２Ａは、Ｚ軸方向を軸心として回転可能に構成されると共に、その透過軸方向が４５°ずつ変化するように制御される。具体的には、透過軸方向がＹ軸方向に対し「０°」、「４５°」、「９０°」、「１３５°」となるように変化する。

　これにより、第１偏光板３２Ａを透過する第１光の参照光成分及び計測光成分を４通りの位相で干渉させることができる。つまり、位相が９０°ずつ異なる干渉光を生成することができる。具体的には、位相が「０°」の干渉光、位相が「９０°」の干渉光、位相が「１８０°」の干渉光、位相が「２７０°」の干渉光を生成することができる。

　第１カメラ３３Ａは、レンズや撮像素子３３Ａａ（図６参照）等を備えてなる公知のものである。本実施形態では、第１カメラ３３Ａの撮像素子３３Ａａとして、ＣＣＤエリアセンサを採用している。勿論、撮像素子３３Ａａは、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。また、レンズとしては、テレセントリックレンズを用いることが好ましい。

　第１カメラ３３Ａによって撮像された画像データは、第１カメラ３３Ａ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。

　具体的には、第１光に係る位相「０°」の干渉縞画像、位相「９０°」の干渉縞画像、位相「１８０°」の干渉縞画像、位相「２７０°」の干渉縞画像が第１カメラ３３Ａにより撮像されることとなる。

　第２撮像系４Ｂは、第１撮像系４Ａと同様、１／４波長板３１Ｂ、第２偏光板３２Ｂ、第２撮像手段を構成する第２カメラ３３Ｂなどを備えている。

　１／４波長板３１Ｂは、第１無偏光ビームスプリッタ１３ＡをＹ軸方向上向きに透過してきた直線偏光（第２光の参照光成分及び計測光成分）をそれぞれ円偏光に変換するためのものである。

　第２偏光板３２Ｂは、第１偏光板３２Ａと同様、１／４波長板３１Ｂにより円偏光に変換された第２光の各成分を選択的に透過させるものである。これにより、回転方向の異なる第２光の参照光成分と計測光成分とを特定の位相について干渉させることができる。「第２偏光板３２Ｂ」が本実施形態における「位相シフト手段」及び「干渉手段」を構成する。

　本実施形態に係る第２偏光板３２Ｂは、Ｙ軸方向を軸心として回転可能に構成されると共に、その透過軸方向が４５°ずつ変化するように制御される。具体的には、透過軸方向がＸ軸方向に対し「０°」、「４５°」、「９０°」、「１３５°」となるように変化する。

　これにより、第２偏光板３２Ｂを透過する第２光の参照光成分及び計測光成分を４通りの位相で干渉させることができる。つまり、位相が９０°ずつ異なる干渉光を生成することができる。具体的には、位相が「０°」の干渉光、位相が「９０°」の干渉光、位相が「１８０°」の干渉光、位相が「２７０°」の干渉光を生成することができる。

　第２カメラ３３Ｂは、第１カメラ３３Ａと同様、レンズや撮像素子３３Ｂａ（図６参照）等を備えてなる公知のものである。本実施形態では、第１カメラ３３Ａと同様、第２カメラ３３Ｂの撮像素子３３Ｂａとして、ＣＣＤエリアセンサを採用している。勿論、撮像素子３３Ｂａは、これに限定されるものではなく、例えばＣＭＯＳエリアセンサ等を採用してもよい。また、レンズとしては、テレセントリックレンズを用いることが好ましい。

　第１カメラ３３Ａと同様、第２カメラ３３Ｂによって撮像された画像データは、第２カメラ３３Ｂ内部においてデジタル信号に変換された上で、デジタル信号の形で制御装置５（画像データ記憶装置５４）に入力されるようになっている。

　具体的には、第２光に係る位相「０°」の干渉縞画像、位相「９０°」の干渉縞画像、位相「１８０°」の干渉縞画像、位相「２７０°」の干渉縞画像が第２カメラ３３Ｂにより撮像されることとなる。

　ここで制御装置５の電気的構成について説明する。図２に示すように、制御装置５は、計測装置１全体の制御を司るＣＰＵ及び入出力インターフェース５１、キーボードやマウス、あるいは、タッチパネルで構成される「入力手段」としての入力装置５２、液晶画面などの表示画面を有する「表示手段」としての表示装置５３、カメラ３３Ａ，３３Ｂにより撮像された画像データ等を順次記憶するための画像データ記憶装置５４、各種演算結果を記憶するための演算結果記憶装置５５、各種情報を予め記憶しておく設定データ記憶装置５６を備えている。なお、これら各装置５２～５６は、ＣＰＵ及び入出力インターフェース５１に対し電気的に接続されている。

　次に計測装置１の作用について説明する。尚、後述するように、本実施形態における第１光及び第２光の照射は同時に行われるものであり、第１光の光路と第２光の光路が一部で重なることとなるが、ここでは、より分かりやすくするため、第１光及び第２光の光路ごとに異なる図面を用いて個別に説明する。

　まず第１光の光路について図３を参照して説明する。図３に示すように、波長λ₁の第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第１発光部１１ＡからＺ軸方向左向きに出射される。

　第１発光部１１Ａから出射された第１光は、第１光アイソレータ１２Ａを通過し、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射した第１光の一部はＺ軸方向左向きに透過し、残りはＹ軸方向下向きに反射する。

　このうち、Ｙ軸方向下向きに反射した第１光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａに入射する。一方、Ｚ軸方向左向きに透過した第１光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。

　ここで、捨て光となる光を、必要に応じて波長計測あるいは光のパワー計測に利用すれば、光源を安定化させ如いては計測精度の向上を図ることができる。

　偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａからＹ軸方向下向きに入射した第１光は、そのＰ偏光成分がＹ軸方向下向きに透過して第３面２０ｃから参照光として出射される一方、そのＳ偏光成分がＺ軸方向右向きに反射して第４面２０ｄから計測光として出射される。

　偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射した第１光に係る参照光（Ｐ偏光）は、１／４波長板２１を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、参照面２３で反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第１光に係る参照光は、再度、１／４波長板２１を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに再入射する。

　一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射した第１光に係る計測光（Ｓ偏光）は、１／４波長板２２を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、ワークＷで反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第１光に係る計測光は、再度、１／４波長板２２を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに再入射する。

　ここで、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから再入射した第１光に係る参照光（Ｓ偏光）が接合面２０ｈにてＺ軸方向左向きに反射する一方、第４面２０ｄから再入射した第１光に係る計測光（Ｐ偏光）は接合面２０ｈをＺ軸方向左向きに透過する。そして、第１光に係る参照光及び計測光が合成された状態の合成光が出力光として偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射される。

　偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに対しＺ軸方向左向きに入射した第１光に係る合成光は、その一部がＺ軸方向左向きに透過し、残りがＹ軸方向下向きに反射する。このうち、Ｚ軸方向左向きに透過した合成光（参照光及び計測光）は第１撮像系４Ａに入射することとなる。一方、Ｙ軸方向下向きに反射した合成光は、第２光アイソレータ１２Ｂによりその進行を遮断され、捨て光となる。

　第１撮像系４Ａに入射した第１光に係る合成光（参照光及び計測光）は、まず１／４波長板３１Ａにより、その参照光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換され、その計測光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。

　第１光に係る合成光は、続いて第１偏光板３２Ａを通過することにより、その参照光成分と計測光成分とが第１偏光板３２Ａの角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第１光に係る干渉光が第１カメラ３３Ａにより撮像される。

　次に第２光の光路について図４を参照して説明する。図４に示すように、波長λ₂の第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＺ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）が第２発光部１１ＢからＹ軸方向上向きに出射される。

　第２発光部１１Ｂから出射された第２光は、第２光アイソレータ１２Ｂを通過し、第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射する。第２無偏光ビームスプリッタ１３Ｂに入射した第２光の一部はＹ軸方向上向きに透過し、残りはＺ軸方向右向きに反射する。

　このうち、Ｚ軸方向右向きに反射した第２光（偏光方向がＸ軸方向及びＹ軸方向に対し４５°傾斜した直線偏光）は、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂに入射する。一方、Ｙ軸方向上向きに透過した第２光は、何らかの光学系等に入射することなく、捨て光となる。

　ここで、捨て光となる光を、必要に応じて波長計測あるいは光のパワー計測に利用すれば、光源を安定化させ如いては計測精度の向上を図ることができる。

　偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂからＺ軸方向右向きに入射した第２光は、そのＳ偏光成分がＹ軸方向下向きに反射して第３面２０ｃから参照光として出射される一方、そのＰ偏光成分がＺ軸方向右向きに透過して第４面２０ｄから計測光として出射される。

　偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから出射した第２光に係る参照光（Ｓ偏光）は、１／４波長板２１を通過することにより左回りの円偏光に変換された後、参照面２３で反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第２光に係る参照光は、再度、１／４波長板２１を通過することで、左回りの円偏光からＰ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃに再入射する。

　一方、偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄから出射した第２光に係る計測光（Ｐ偏光）は、１／４波長板２２を通過することにより右回りの円偏光に変換された後、ワークＷで反射する。ここで、光の進行方向に対する回転方向は維持される。その後、第２光に係る計測光は、再度、１／４波長板２２を通過することで、右回りの円偏光からＳ偏光に変換された上で偏光ビームスプリッタ２０の第４面２０ｄに再入射する。

　ここで、偏光ビームスプリッタ２０の第３面２０ｃから再入射した第２光に係る参照光（Ｐ偏光）は接合面２０ｈをＹ軸方向上向きに透過する一方、第４面２０ｄから再入射した第２光に係る計測光（Ｓ偏光）は接合面２０ｈにてＹ軸方向上向きに反射する。そして、第２光に係る参照光及び計測光が合成された状態の合成光が出力光として偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射される。

　偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに入射する。第１無偏光ビームスプリッタ１３Ａに対しＹ軸方向上向きに入射した第２光に係る合成光は、その一部がＹ軸方向上向きに透過し、残りがＺ軸方向右向きに反射する。このうち、Ｙ軸方向上向きに透過した合成光（参照光及び計測光）は第２撮像系４Ｂに入射することとなる。一方、Ｚ軸方向右向きに反射した合成光は、第１光アイソレータ１２Ａによりその進行を遮断され、捨て光となる。

　第２撮像系４Ｂに入射した第２光に係る合成光（参照光及び計測光）は、まず１／４波長板３１Ｂにより、その参照光成分（Ｐ偏光成分）が右回りの円偏光に変換され、その計測光成分（Ｓ偏光成分）が左回りの円偏光に変換される。ここで、左回りの円偏光と右回りの円偏光は回転方向が異なるので干渉しない。

　第２光に係る合成光は、続いて第２偏光板３２Ｂを通過することにより、その参照光成分と計測光成分とが第２偏光板３２Ｂの角度に応じた位相で干渉する。そして、かかる第２光に係る干渉光が第２カメラ３３Ｂにより撮像される。

　次に、制御装置５によって実行される計測処理の手順について図５のフローチャート等を参照しつつ詳しく説明する。以下、この計測処理について説明する際には、第１カメラ３３Ａの撮像素子３３Ａａ面、又は、第２カメラ３３Ｂの撮像素子３３Ｂａ面をｘ－ｙ平面とし、これに直交する光軸方向をｚ方向として説明する。勿論、この座標系（ｘ，ｙ，ｚ）と、計測装置１全体を説明するための座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は異なる座標系である。

　先ずステップＳ１において、ワークＷの所定の計測領域に係る干渉縞画像を取得する処理を実行する。本実施形態では、ここで第１光に係る位相の異なる４通りの干渉縞画像、及び、第２光に係る位相の異なる４通りの干渉縞画像を取得する。以下、詳しく説明する。

　ワークＷを設置部２４へ設置した後、第１撮像系４Ａの第１偏光板３２Ａの透過軸方向を所定の基準位置（例えば「０°」）に設定すると共に、第２撮像系４Ｂの第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を所定の基準位置（例えば「０°」）に設定する。

　続いて、第１投光系２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから第２光を照射する。その結果、干渉光学系３の偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから第１光に係る合成光（参照光及び計測光）が出射されると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから第２光に係る合成光（参照光及び計測光）が出射される。

　そして、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光を第１撮像系４Ａにより撮像すると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。

　尚、ここでは第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向がそれぞれ「０°」に設定されているため、第１カメラ３３Ａでは第１光に係る位相「０°」の干渉縞画像が撮像され、第２カメラ３３Ｂでは第２光に係る位相「０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。

　そして、各カメラ３３Ａ，３３Ｂからそれぞれ撮像された画像データが制御装置５へ出力される。制御装置５は、入力した画像データを画像データ記憶装置５４に記憶する。

　次に制御装置５は、第１撮像系４Ａの第１偏光板３２Ａ、及び、第２撮像系４Ｂの第２偏光板３２Ｂの切替処理を行う。具体的には、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂをそれぞれ透過軸方向が「４５°」となる位置まで回動変位させる。

　該切替処理が終了すると、制御装置５は、上記一連の１回目の撮像処理と同様の２回目の撮像処理を行う。つまり、制御装置５は、第１投光系２Ａから第１光を照射すると同時に、第２投光系２Ｂから第２光を照射し、偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから出射された第１光に係る合成光を第１撮像系４Ａにより撮像すると同時に、偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから出射された第２光に係る合成光を第２撮像系４Ｂにより撮像する。これにより、第１光に係る位相「９０°」の干渉縞画像が取得されると共に、第２光に係る位相「９０°」の干渉縞画像が撮像されることとなる。

　以降、上記１回目及び２回目の撮像処理と同様の撮像処理が２回繰り返し行われる。つまり、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を「９０°」に設定した状態で３回目の撮像処理を行い、第１光に係る位相「１８０°」の干渉縞画像を取得すると共に、第２光に係る位相「１８０°」の干渉縞画像を取得する。

　その後、第１偏光板３２Ａ及び第２偏光板３２Ｂの透過軸方向を「１３５°」に設定した状態で４回目の撮像処理を行い、第１光に係る位相「２７０°」の干渉縞画像を取得すると共に、第２光に係る位相「２７０°」の干渉縞画像を取得する。

　このように、４回の撮像処理を行うことにより、ワークＷの所定の計測領域に係る計測を行う上で必要な全ての画像データ（第１光に係る４通りの干渉縞画像、及び、第２光に係る４通りの干渉縞画像からなる計８つの干渉縞画像）を取得することができる。

　続くステップＳ２において、制御装置５は、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面における光の複素振幅データＥｏ（ｘ，ｙ）を取得する処理を実行する。詳しくは、画像データ記憶装置５４に記憶された第１光に係る４通りの干渉縞画像、及び、第２光に係る４通りの干渉縞画像を基に、第１光及び第２光それぞれに係る撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面での光の複素振幅データＥｏ（ｘ，ｙ）を取得する。

　第１光又は第２光に係る４通りの干渉縞画像の同一座標位置（ｘ，ｙ）における干渉縞強度、すなわち輝度Ｉ₁（ｘ，ｙ）、Ｉ₂（ｘ，ｙ）、Ｉ₃（ｘ，ｙ）、Ｉ₄（ｘ，ｙ）は、下記［数１］の関係式で表すことができる。

　ここで、Δφ(ｘ，ｙ)は、座標（ｘ，ｙ）における計測光と参照光との光路差に基づく位相差を表している。また、Ａ(ｘ，ｙ)は干渉光の振幅、Ｂ(ｘ，ｙ)はバイアスを表している。但し、参照光は均一であるため、これを基準として見ると、Δφ(ｘ，ｙ)は「計測光の位相」を表し、Ａ(ｘ，ｙ)は「計測光の振幅」を表すこととなる。

　従って、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面に到達した計測光の位相Δφ（ｘ，ｙ）は、上記［数１］の関係式を基に、下記［数２］の関係式で求めることができる。

　また、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面に到達した計測光の振幅Ａ（ｘ，ｙ）は、上記［数１］の関係式を基に、下記［数３］の関係式で求めることができる。

　そして、上記位相Δφ（ｘ，ｙ）と振幅Ａ（ｘ，ｙ）から、下記［数４］の関係式を基に撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面における複素振幅データＥｏ（ｘ，ｙ）を算出することができる。ここで、ｉは虚数単位を表している。

　続くステップＳ３において、制御装置５は、ワークＷの所定の計測領域内に予め設定した一部の特定領域について、ｚ方向複数位置における複素振幅データを取得する処理を実行する。上記ステップＳ２，Ｓ３に係る一連の処理を実行する機能により本実施形態における第１データ取得手段が構成される。

　尚、「特定領域」は、ｚ方向におけるワークＷの位置を事前に調査するために任意に設定した領域である。以下、かかる「特定領域」を「ｚ位置調査領域Ｖ」という（図７参照）。例えば、ワークＷが図８に示すようなウエハ基板１００である場合には、バンプ１０１の高さ計測の基準面となり得るパターン部１０２をｚ位置調査領域Ｖとして設定することができる。

　以下、ステップＳ３の処理について詳しく説明する。まずｚ方向の所定位置における既知の複素振幅データから、ｚ方向の異なる位置における未知の複素振幅データを取得する方法について説明する。

　ここでは、ｚ方向に距離ｄ離れた２つの座標系（ｘ－ｙ座標系とξ－η座標系）を考える。そして、ｘ－ｙ座標系をｚ＝０とし、ｘ－ｙ座標系での既知の光の複素振幅データをＥｏ（ｘ，ｙ）で表し、ｘ－ｙ平面から距離d離れたξ－η平面での未知の光の複素振幅データをＥｏ（ξ，η）と表すと、下記［数５］に示す関係となる。ここで、λは波長を表す。

　これをＥｏ（ξ，η）について解くと、下記［数６］のようになる。

　そして、本実施形態では、図６，７に示すように、上記ステップＳ２で取得した撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面における複素振幅データＥｏ（ｘ，ｙ）を基に、ワークＷ上のｚ位置調査領域Ｖについて、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面からｚ方向への距離ＬがＬ０，Ｌ１，Ｌ２・・・Ｌｎ離れた位置それぞれにおける複素振幅データＥｏＬ０（ξ，η），ＥｏＬ１（ξ,η），・・・，ＥｏＬｎ（ξ，η）を取得する。

　続くステップＳ４において、制御装置５は、ワークＷ上のｚ位置調査領域Ｖについて、ｚ方向複数位置における強度（輝度）画像を取得する処理を実行する。かかるステップＳ４の処理を実行する機能により本実施形態における画像取得手段が構成される。

　詳しくは、上記ステップＳ３において取得した複素振幅データＥｏＬ０（ξ，η），ＥｏＬ１（ξ,η），・・・，ＥｏＬｎ（ξ，η）からそれぞれ強度画像を取得する。尚、ξ－η平面における複素振幅データがＥｏ（ξ，η）で表されるとき、ξ－η平面における強度画像Ｉ（ξ，η）は下記［数７］の関係式で求めることができる。

　続くステップＳ５において、制御装置５は、ｚ方向におけるワークＷの位置を決定する処理を実行する。かかるステップＳ５の処理を実行する機能により本実施形態における位置決定手段が構成される。

　詳しくは、上記ステップＳ４にて取得したｚ位置調査領域Ｖに係る複数の強度画像を基に、ｚ方向におけるｚ位置調査領域Ｖの位置を決定する。以下、強度画像のコントラストからｚ位置調査領域Ｖの位置を決定する方法について説明する。

　例えば図７に示すように、ワークＷが存在し得るｚ方向所定範囲Ｑを高さ計測の計測レンジ間隔で区分けし、撮像素子３３Ａａ，３３Ｂａ面からｚ方向への距離ＬがＬ０，Ｌ１，Ｌ２，・・・，Ｌｎ離れた位置（ｚ＝Ｌ０，Ｌ１，・・・，Ｌｎ）を設定した場合において、ｚ方向各位置（ｚ＝Ｌ０，Ｌ１，・・・，Ｌｎ）におけるｚ位置調査領域Ｖの強度画像について「ｚ位置調査領域Ｖ」と「その他の部分」との輝度のコントラストを求める。続いて、この中で最もコントラストが高い強度画像が得られた位置（ｚ＝Ｌｍ）を抽出する。そして、この位置（ｚ＝Ｌｍ）における複素振幅データＥｏＬｍ（ξ，η）を基に三次元計測を行い、ｚ位置調査領域Ｖの高さ情報を取得する。これを基に「強度画像の位置情報（ｚ＝Ｌｍ）」＋「ｚ位置調査領域Ｖの高さ情報」により、ｚ方向におけるｚ位置調査領域Ｖの絶対位置を取得する。

　尚、ｚ位置調査領域Ｖの位置を決定する方法としては、上述した強度画像のコントラストから求める方法のみならず、他の方法を採用してもよい。例えば強度画像の輝度から求める方法を採用してもよい。

　かかる方法では、輝度画像は実際に物体がある面で最も強くなるという性質を利用する。具体的には、ｚ方向各位置（ｚ＝Ｌ０，Ｌ１，・・・，Ｌｎ）におけるｚ位置調査領域Ｖの強度画像において、ｚ位置調査領域Ｖの平均輝度を求める。続いて、この中で最も平均輝度が高い強度画像が得られた位置（ｚ＝Ｌｍ）を抽出する。その後、上記同様、この位置（ｚ＝Ｌｍ）における複素振幅データＥｏＬｍ（ξ，η）を基に三次元計測を行い、ｚ位置調査領域Ｖの高さ情報を取得する。これを基に「強度画像の位置情報（ｚ＝Ｌｍ）」＋「ｚ位置調査領域Ｖの高さ情報」により、ｚ方向におけるｚ位置調査領域Ｖの絶対位置を取得する。

　続くステップＳ６において、制御装置５は、上記ステップＳ５において決定したワークＷ（ｚ位置調査領域Ｖ）のｚ方向位置における計測領域全体の複素振幅データを取得する。かかるステップＳ６の処理を実行する機能により本実施形態における第２データ取得手段が構成される。

　続くステップＳ７において、制御装置５は、三次元計測処理を実行する。かかるステップ７の処理を実行する機能により本実施形態における計測実行手段が構成される。

　詳しくは、上記ステップＳ６において得られた計測領域全体の複素振幅データＥｏ（ξ，η）から、下記［数８］の関係式を基に、計測光の位相φ（ξ，η）と、計測光の振幅Ａ（ξ，η）を算出する。

　計測光の位相φ（ξ，η）は、下記［数９］の関係式により求めることができる。

　計測光の振幅Ａ（ξ，η）は、下記［数１０］の関係式により求めることができる。

　その後、位相－高さ変換処理を行い、ワークＷの表面の凹凸形状を３次元的に示す高さ情報ｚ（ξ，η）を算出する。

　高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記［数１１］の関係式により算出することができる。

　ここで、波長の異なる２種類の光（波長λ₁，λ₂）を用いて計測を行った場合には、その合成波長λ₀の光で計測を行ったことと同じこととなる。そして、その計測レンジはλ₀／２に拡大することとなる。合成波長λ₀は、下記式（Ｍ１）で表すことができる。

　λ₀＝（λ₁×λ₂）／（λ₂－λ₁）　・・・（Ｍ１）
　但し、λ₂＞λ₁とする。

　例えばλ₁＝１５００ｎｍ、λ₂＝１５０３ｎｍとすると、上記式（Ｍ１）から、λ₀＝７５１．５００μｍとなり、計測レンジはλ₀／２＝３７５．７５０μｍとなる。

　より詳しく説明すると、本実施形態では、まず波長λ₁の第１光に係る４通りの干渉縞画像の輝度Ｉ₁（ｘ，ｙ）、Ｉ₂（ｘ，ｙ）、Ｉ₃（ｘ，ｙ）、Ｉ₄（ｘ，ｙ）を基に（上記［数１］参照）、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における第１光に係る計測光の位相φ₁（ξ，η）を算出することができる（上記［数９］参照）。

　第１光に係る計測の下、座標（ξ，η）における高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記式（Ｍ２）で表すことができる。

　ｚ(ξ，η)＝ｄ₁(ξ，η)／２
　　　　　　＝[λ₁×φ₁(ξ，η)／４π]＋[ｍ₁(ξ，η)×λ₁／２]  ・・・（Ｍ２）
　但し、ｄ₁(ξ，η)は、第１光に係る計測光と参照光との光路差を表し、ｍ₁(ξ，η)は、第１光に係る縞次数を表す。

　よって、位相φ₁（ξ，η）は下記式（Ｍ２´）で表すことができる。

　φ₁(ξ，η)＝(４π／λ₁)×ｚ(ξ，η)－２πｍ₁(ξ，η)  ・・・（Ｍ２´）
　同様に、波長λ₂の第２光に係る４通りの干渉縞画像の輝度Ｉ₁（ｘ，ｙ）、Ｉ₂（ｘ，ｙ）、Ｉ₃（ｘ，ｙ）、Ｉ₄（ｘ，ｙ）を基に（上記［数１］参照）、ワークＷ面上の座標（ξ，η）における第２光に係る計測光の位相φ₂（ξ，η）を算出することができる（上記［数９］参照）。

　第２光に係る計測の下、座標（ξ，η）における高さ情報ｚ（ξ，η）は、下記式（Ｍ３）で表すことができる。

　ｚ(ξ，η)＝ｄ₂(ξ，η)／２
　　　　　　＝[λ₂×φ₂(ξ，η)／４π]＋[ｍ₂(ξ，η)×λ₂／２]  ・・・（Ｍ３）
　但し、ｄ₂(ξ，η)は、第２光に係る計測光と参照光との光路差を表し、ｍ₂(ξ，η)は、第２光に係る縞次数を表す。

　よって、位相φ₂（ξ，η）は下記式（Ｍ３´）で表すことができる。

　φ₂(ξ，η)＝(４π／λ₂)×ｚ(ξ，η)－２πｍ₂(ξ，η)  ・・・（Ｍ３´）
　ここで、波長λ₁の第１光に係る縞次数ｍ₁(ξ，η)、及び、波長λ₂の第２光に係る縞次数ｍ₂(ξ，η)は、２種類の光（波長λ₁，λ₂）の光路差Δｄ及び波長差Δλを基に求めることができる。光路差Δｄ及び波長差Δλは、それぞれ下記式（Ｍ４），（Ｍ５）のように表すことができる。

　Δｄ＝（λ₁×φ₁－λ₂×φ₂）／２π　・・・（Ｍ４）
　Δλ＝λ₂－λ₁  ・・・（Ｍ５）
　但し、λ₂＞λ₁とする。

　尚、２波長の合成波長λ₀の計測レンジ内において、縞次数ｍ₁，ｍ₂の関係は、以下の３つの場合に分けられ、各場合ごとに縞次数ｍ₁(ξ，η)、ｍ₂(ξ，η)を決定する計算式が異なる。ここで、例えば縞次数ｍ₁(ξ，η)を決定する場合について説明する。勿論、縞次数ｍ₂(ξ，η)についても、同様の手法により求めることができる。

　例えば「φ₁－φ₂＜－π」の場合には「ｍ₁－ｍ₂＝－１」となり、かかる場合、ｍ₁は下記式（Ｍ６）のように表すことができる。

　ｍ₁＝（Δｄ／Δλ）－（λ₂／Δλ）
　　　＝(λ₁×φ₁－λ₂×φ₂)／２π(λ₂－λ₁)－λ₂／(λ₂－λ₁)・・・（Ｍ６）
　「－π＜φ₁－φ₂＜π」の場合には「ｍ₁－ｍ₂＝０」となり、かかる場合、ｍ₁は下記式（Ｍ７）のように表すことができる。

　ｍ₁＝Δｄ／Δλ
　　　＝（λ₁×φ₁－λ₂×φ₂）／２π（λ₂－λ₁）・・・（Ｍ７）
　「φ₁－φ₂＞π」の場合には「ｍ₁－ｍ₂＝＋１」となり、かかる場合、ｍ₁は下記式（Ｍ８）のように表すことができる。

　ｍ₁＝（Δｄ／Δλ）＋（λ₂／Δλ）
　　　＝(λ₁×φ₁－λ₂×φ₂)／２π(λ₂－λ₁)＋λ₂／(λ₂－λ₁)・・・（Ｍ８）
　このようにして得られた縞次数ｍ₁(ξ，η)又はｍ₂(ξ，η)を基に、上記式（Ｍ２），（Ｍ３）から高さ情報ｚ（ξ，η）を得ることができる。

　例えばワークＷがウエハ基板１００（図８，９参照）でバンプ１０１が計測対象となっている場合、計測基準面であるパターン部１０２に対するバンプ１０１の高さＨＢは、バンプ１０１の絶対高さｈｏから、該バンプ１０１周辺のパターン部１０２の絶対高さｈｒを減算することにより求めることができる〔ＨＢ＝ｈｏ－ｈｒ〕。ここで、パターン部１０２の絶対高さｈｒとしては、例えばパターン部１０２上の任意の１点の絶対高さや、パターン部１０２上の所定範囲の絶対高さの平均値などを用いることができる。また、「バンプ１０１の絶対高さｈｏ」や、「パターン部１０２の絶対高さｈｒ」は、高さ情報ｚ（ξ，η）として求めることができる。

　そして、このように求められたワークＷの計測結果（高さ情報）は、制御装置５の演算結果記憶装置５５に格納される。

　以上詳述したように、本実施形態では、まず最初にワークＷの計測領域全体ではなく、計測領域内に予め設定した一部のｚ位置調査領域Ｖについてのみ、光軸方向複数位置における複素振幅データを取得し、これを基に焦点の合う最適なワークＷ（ｚ位置調査領域Ｖ）の位置をサーチして決定する。その後、かかる位置におけるワークＷの計測領域全体ついての複素振幅データを取得して、該計測領域に係る計測を行う。

　これにより、計測領域に係る計測を行う上で必要なデータを取得するための処理にかかる負荷を軽減すると共に、該処理に要する時間を短縮することができる。結果として、計測精度の向上を図ると共に、計測効率の向上を図ることができる。

　さらに、本実施形態では、ワークＷ（ｚ位置調査領域Ｖ）のｚ方向位置を特定し、かかる位置における計測領域全体の複素振幅データを取得して計測を行う構成となっているため、単に所定間隔（計測レンジ）ごとに複数通り取得した複素振幅データの中から最適なデータを抽出するだけの構成に比べて、ワークＷ（ｚ位置調査領域Ｖ）に焦点の合ったより最適で精度の良いデータを取得することができる。結果として、さらなる計測精度の向上を図ることができる。

　また、本実施形態では、波長λ₁の第１光を偏光ビームスプリッタ２０の第１面２０ａから入射させると共に、波長λ₂の第２光を偏光ビームスプリッタ２０の第２面２０ｂから入射させることにより、第１光に係る参照光及び計測光と、第２光に係る参照光及び計測光がそれぞれ異なる偏光成分（Ｐ偏光又はＳ偏光）に分割されるため、偏光ビームスプリッタ２０に入射した第１光と第２光は互いに干渉することなく、別々に偏光ビームスプリッタ２０から出射されることとなる。つまり、偏光ビームスプリッタ２０から出射される光を所定の分離手段を用いて第１光と第２光とに分離する必要がない。

　その結果、第１光及び第２光として波長の近い２種類の光を用いることができ、三次元計測に係る計測レンジをより広げることができる。加えて、第１光に係る出力光の撮像と、第２光に係る出力光の撮像を同時に行うことができるため、総体的な撮像時間を短縮でき、計測効率の向上を図ることができる。

　尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

　（ａ）被計測物としてのワークＷは、上記実施形態に例示したウエハ基板１００に限定されるものではない。例えばクリーム半田が印刷されたプリント基板などをワークＷ（被計測物）としてもよい。

　また、予め設定された良否の判定基準に従い、計測対象となるバンプやクリーム半田の良否を検査する検査手段を設けたバンプ検査装置や半田印刷検査装置において、計測装置１を備えた構成としても良い。

　（ｂ）上記実施形態では、ワークＷの所定の計測領域について特に言及していないが、ワークＷの大きさに応じて、ワークＷ全域を計測領域として設定してもよいし、ワークＷの一部を計測領域として設定してもよい。

　例えば、上記実施形態においてワークＷを設置する設置部２４を変位可能に構成し、ワークＷの表面を複数の計測領域に分割し、各計測領域を順次移動しつつ各計測領域の形状計測を行っていき、複数回に分けてワークＷ全体の形状計測を行う構成としてもよい。

　（ｃ）干渉光学系（所定の光学系）の構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、干渉光学系として、マイケルソン干渉計の光学構成を採用しているが、これに限らず、例えばマッハ・ツェンダー干渉計やフィゾー干渉計の光学構成など、入射光を参照光と計測光に分割してワークＷの計測を行う構成であれば、他の光学構成を採用してもよい。

　（ｄ）上記実施形態では、波長の異なる２種類の光を利用してワークＷの計測を行う構成となっているが、これに限らず、１種類の光のみを利用してワークＷの計測を行う構成としてもよい。

　また、波長の異なる２種類の光を利用する場合においては、上記実施形態に係る構成に限らず、従来の計測装置と同様に、第１波長光と第２波長光を合成した状態で干渉光学系へ入射させ、ここから出射される干渉光を所定の光学分離手段（ダイクロイックミラー等）により波長分離し、第１波長光に係る干渉光と、第２波長光に係る干渉光とを得て、各波長光に係る干渉光を個別に撮像した干渉縞画像を基にワークＷの計測を行う構成としてもよい。

　また、２つの光源から出射される波長の異なる２種類の光を重ね合わせた状態で干渉光学系へ入射させ、ここから出射される光を光学分離手段により波長分離し、上記各波長の光に係る干渉光を個別に撮像する構成を上記実施形態に組み合わせ、波長の異なる３種類以上の光を利用してワークＷの計測を行う構成としてもよい。

　（ｅ）投光系２Ａ，２Ｂの構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、第１投光系２Ａから波長λ₁＝１５００ｎｍの光が照射され、第２投光系２Ｂから波長λ₂＝１５０３ｎｍの光が照射される構成となっているが、各光の波長はこれに限定されるものではない。但し、計測レンジを広げるためには、２つの光の波長差をより小さくすることが好ましい。

　（ｆ）上記実施形態では、第１光及び第２光について、それぞれ位相が９０°ずつ異なる４通りの干渉縞画像を取得する構成となっているが、位相シフト回数及び位相シフト量は、これらに限定されるものではない。例えば位相が１２０°（又は９０°）ずつ異なる３通りの干渉縞画像を取得してワークＷの計測を行う構成としてもよい。

　（ｇ）上記実施形態では、位相シフト手段として、透過軸方向を変更可能に構成された偏光板３２Ａ，３２Ｂを採用しているが、位相シフト手段の構成は、これに限定されるものではない。

　例えばピエゾ素子等により参照面２３を光軸に沿って移動させることで物理的に光路長を変化させる構成を採用してもよい。

　但し、かかる構成や上記実施形態では、計測に必要なすべての干渉縞画像を取得するまでに一定時間を要するため、計測時間が長くなるばかりでなく、その空気の揺らぎや振動等の影響を受けるため、計測精度が低下するおそれがある。

　これに対し、例えば第１撮像系４Ａにおいて、１／４波長板３１Ａを透過した第１光に係る合成光（参照光成分及び計測光成分）を４つの光に分割する分光手段（プリズム等）を備えると共に、位相シフト手段として、第１偏光板３２Ａに代えて、前記分光手段から出射された４つの光に対してそれぞれ異なる位相差を付与するフィルタ手段を備え、該フィルタ手段を透過した４つの光を第１カメラ３３Ａ（又は複数のカメラ）により同時撮像する構成としてもよい。勿論、第２撮像系４Ｂについても同様の構成としてもよい。

　かかる構成とすれば、計測に必要なすべての干渉縞画像を同時に取得することができる。つまり、２種類の光に係る計８通りの干渉縞画像を同時に取得することができる。結果として、計測精度の向上を図ると共に、総体的な撮像時間を大幅に短縮でき、計測効率の飛躍的な向上を図ることができる。

　（ｈ）上記実施形態では、ｚ方向におけるワークＷ（ｚ位置調査領域Ｖ）の位置を決定する過程において、高さ計測の計測レンジ間隔で複素振幅データ等を取得する構成となっているが、これに限らず、例えば合焦範囲間隔で複素振幅データ等を取得する構成としてもよい。

　（ｉ）上記実施形態では、ステップＳ６において得られた計測領域全体の複素振幅データを基に、ステップＳ７において三次元計測を行う構成となっている。これに代えて又は加えて、ステップＳ６において得られた計測領域全体の複素振幅データを基に、計測領域全体の強度画像を取得し、二次元計測を行う構成としてもよい。

　ステップＳ７において二次元計測のみを行う場合には、その計測結果を基に、例えば計測対象となったバンプ１０１（図１０参照）の位置ズレΔｘ，Δｙや、外径Ｄ、面積Ｓなどを、予め設定した基準値と比較判定し、この比較結果が許容範囲内にあるか否かによって、バンプ１０１の良否を判定する二次元検査を行うことができる。

　また、ステップＳ７において二次元計測及び三次元計測の両方を行う場合には、二次元計測（二次元検査）の結果を基にして、計測対象となるバンプ１０１が存在する場所を特定してから三次元検査を行ったり、三次元計測により得られた三次元データに対し強度画像をマッピングするなど、複数種類の計測を組み合せた総合的な検査を行うことができる。

　（ｊ）上記実施形態においては、レンズを備えたカメラを使用しているが、必ずしもレンズは必要なく、レンズのないカメラを使用しても、上記実施形態によれば、焦点の合った画像を計算により求めることができる。

　（ｋ）上記実施形態では、ワークＷ（ｚ位置調査領域Ｖ）のｚ方向位置を特定し、かかる位置における計測領域全体の複素振幅データを取得して計測を行う構成となっているが、計測領域全体の複素振幅データを取得するｚ方向位置は、これに限定されるものではない。例えば最も焦点の合う強度画像が得られた位置（ｚ＝Ｌｍ）における計測領域全体の複素振幅データを取得して計測を行う構成としてもよい。

　（ｌ）上記実施形態で例示したウエハ基板１００では、バンプ１０１の高さ計測の基準面となるパターン部１０２をｚ位置調査領域Ｖとして設定しているが、必ずしもｚ位置調査領域Ｖが基準面となり得る部位である必要はなく、他の部位でもよい。

　（ｍ）上記実施形態では、特に言及していないが、ｚ位置調査領域Ｖが複数箇所に設定された構成としてもよい。ｚ位置調査領域Ｖが複数あることで、計測領域全体の複素振幅データを取得すべき、より最適な位置を見付けやすくなる。

　１…計測装置、２Ａ…第１投光系、２Ｂ…第２投光系、３…干渉光学系、４Ａ…第１撮像系、４Ｂ…第２撮像系、５…制御装置、１１Ａ…第１発光部、１１Ｂ…第２発光部、１２Ａ…第１光アイソレータ、１２Ｂ…第２光アイソレータ、１３Ａ…第１無偏光ビームスプリッタ、１３Ｂ…第２無偏光ビームスプリッタ、２０…偏光ビームスプリッタ、２０ａ…第１面、２０ｃ…第３面、２０ｂ…第２面、２０ｄ…第４面、２１，２２…１／４波長板、２３…参照面、２４…設置部、３１Ａ…１／４波長板、３１Ｂ…１／４波長板、３２Ａ…第１偏光板、３２Ｂ…第２偏光板、３３Ａ…第１カメラ、３３Ｂ…第２カメラ、３３Ａａ，３３Ｂａ…撮像素子、１００…ウエハ基板、１０１…バンプ、１０２…パターン部、Ｖ…ｚ位置調査領域、Ｗ…ワーク。

Claims (7)

1. 　入射する所定の光を２つの光に分割し、一方の光を計測光として被計測物に照射可能としかつ他方の光を参照光として参照面に照射可能とすると共に、これらを再び合成して出射可能な所定の光学系と、
   　前記所定の光学系に対し入射させる所定の光を出射可能な照射手段と、
   　前記所定の光学系から出射される出力光を撮像可能な撮像手段と、
   　前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像を基に前記被計測物の所定の計測領域に係る計測を実行可能な画像処理手段とを備えた計測装置であって、
   　前記画像処理手段は、
   　前記撮像手段により撮像し得られた干渉縞画像を基に、前記計測領域内に予め設定した一部の特定領域について、光軸方向所定位置における複素振幅データを少なくとも光軸方向所定範囲内における所定間隔ごとに複数通り取得する第１データ取得手段と、
   　前記第１データ取得手段により取得された前記特定領域に係る前記所定間隔ごとの複数通りの複素振幅データから前記特定領域に係る前記所定間隔ごとの複数通りの強度画像を取得する画像取得手段と、
   　前記画像取得手段により取得された前記複数通りの強度画像を基に、光軸方向における所定の位置を決定する位置決定手段と、
   　前記位置決定手段により決定された位置における複素振幅データを前記計測領域全体について取得する第２データ取得手段と、
   　前記第２データ取得手段により取得された複素振幅データを基に前記計測領域に係る計測を実行する計測実行手段とを備えていることを特徴とする計測装置。
2. 　前記位置決定手段は、前記画像取得手段により取得された前記複数通りの強度画像を基に、前記特定領域の光軸方向位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 　前記特定領域は、前記計測領域に係る光軸方向の計測を行う際に基準となる領域であることを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
4. 　前記特定領域が複数箇所に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の計測装置。
5. 　前記参照光と前記計測光との間に相対的な位相差を付与する位相シフト手段を備え、
   　前記画像処理手段は、
   　前記位相シフト手段により複数通りに位相シフトされた前記出力光を前記撮像手段により撮像し得られた複数通りの干渉縞画像を基に、前記被計測物の所定の計測領域に係る計測を実行可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の計測装置。
6. 　前記照射手段は、
   　前記所定の光学系に対し入射させる、第１波長の偏光を含む第１光を出射可能な第１照射手段と、
   　前記所定の光学系に対し入射させる、第２波長の偏光を含む第２光を出射可能な第２照射手段とを備え、
   　前記撮像手段は、
   　前記所定の光学系に対し前記第１光を入射することにより前記所定の光学系から出射される前記第１光に係る出力光を撮像可能な第１撮像手段と、
   　前記所定の光学系に対し前記第２光を入射することにより前記所定の光学系から出射される前記第２光に係る出力光を撮像可能な第２撮像手段とを備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の計測装置。
7. 　前記被計測物は、バンプが形成されたウエハ基板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の計測装置。

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