JP2013036848A - 高さ計測装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被計測物が様々な屈折率で、かつ様々な厚さの透明媒質の下に配置されていても、その被計測物の高さを容易に計測する。
【解決手段】高さ計測装置１は、照明光から分岐された第１照明光を被計測物６に導く対物レンズ２４と、照明光から分岐された第２照明光を参照ミラー２８に導く対物レンズ２６と、第２照明光の光路長を調整する移動部３６と、被計測物６及び参照ミラー２８で反射される２つの照明光の干渉像を撮像する高速度カメラ１２と、対物レンズ２４と被計測物６とを光軸方向に相対移動するピエゾ駆動装置１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被計測物の高さを計測する高さ計測装置及び高さ計測方法に関する。

被計測物の高さを計測するために、白色光で二光束干渉対物レンズ系を用いて被計測物及び参照ミラーを照明し、その対物レンズ系と被計測物とを光軸方向に相対移動しながら、被計測物からの反射光と参照ミラーからの反射光との干渉像を高速に撮像する光学顕微鏡型の高さ計測装置が使用されている（例えば、特許文献１参照）。この高さ計測装置では、得られた撮像信号から各画素の合焦度を表す情報を求め、画素毎に最も高い合焦度が検出された光軸方向の位置を、その画素に対応する点の相対高さと決定している。これにより、被計測面がフィルム面、ガラス表面、又は金属光沢面などの極めて表面粗さの小さい平滑な表面であっても、その表面の高さ分布を高精度に計測できる。

特開２００９−３００１００号公報

最近、例えばＣＣＤ撮像素子の保護用ガラス板の下面から素子面までの高さ（距離）の分布、又は積層フィルムの界面の高さ分布（形状）など、屈折率が１より大きい透明媒質の下に配置された状態で被計測物の計測対象面の高さ分布を計測することが求められている。しかしながら、従来の二光束干渉対物レンズ系を用いる高さ計測装置では、被計測物側の光路に屈折率が１より大きい透明媒質が存在すると、その屈折率及び透明媒質の厚さに応じて光路長差が生じるため、その光路長差が対物レンズの焦点深度及び／又は可干渉距離を越えると、高いコントラストの干渉縞が生成されなくなり、その計測対象面の高さ分布が計測できなくなる。

この対策として、参照ミラー側の光路に被計測物側の透明媒質（光が伝わる物質）と同じ透明媒質を挿入する機構を設けることも考えられる。しかしながら、この方法では、予め様々な被計測物で使用される透明媒質と同じ材質で同じ程度の厚さの透明媒質を準備する必要があり、汎用性に欠けるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、被計測物又は被計測面が様々な屈折率で、かつ様々な厚さの透明媒質の下に配置されていても、その被計測物又は被計測面の高さを容易に計測できるようにすることを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、被計測物の高さを計測する高さ計測装置が提供される。この高さ計測装置は、計測用の光を第１光束及び第２光束に分岐する分岐光学系と、その第１光束をその被計測物に導く第１対物光学系と、その第２光束を集光する第２対物光学系と、その第２対物光学系で集光されたその第２光束を反射する参照部材と、その分岐光学系とその第２対物光学系との間のその第２光束の光路長を調整する光路長調整装置と、その被計測物で反射されその第１対物光学系を介して戻されるその第１光束と、その参照部材で反射されその第２対物光学系を介して戻されるその第２光束との干渉像を受光する撮像装置と、その第１対物光学系とその被計測物とをその第１対物光学系の光軸方向に相対移動する移動装置と、その移動装置でその第１対物光学系とその被計測物とを相対移動させたときにその撮像装置の検出信号に基づいてその被計測物の高さ情報を求める演算装置と、を備えるものである。

また、第２の態様によれば、被計測物の高さを計測する高さ計測方法が提供される。この計測方法は、計測用の光を第１光束及び第２光束に分岐することと、その第１光束をその被計測物に導くことと、その第２光束を集光して反射することと、その被計測物で反射されたその第１光束と、その反射されたその第２光束との干渉像を検出することと、その干渉像に基づいてその第２光束の光路長を調整することと、その第１光束とその被計測物とをその第１光束の光軸方向に相対移動しながらその干渉像の検出信号を得ることと、その干渉像の検出信号に基づいてその被計測物の高さ情報を求めることと、を含むものである。

本発明の態様によれば、第２光束の光路長を調整することができるため、被計測物又は被計測面が透明媒質の下に配置されていても、その被計測物又は被計測面の高さを容易に計測できる。

実施形態の一例に係る高さ計測装置を示す一部を断面で表した図である。 （ａ）は撮像信号を示す図、（ｂ）は相関度計算用の関数の一例を示す図、（ｃ）は相関度計算用の位置ずれした関数を示す図、（ｄ）は計算された相関度を示す図である。 （ａ）は図１中の二光束干渉対物レンズ系及び被計測物を示す図、（ｂ）は図３（ａ）の状態から参照面用の対物レンズ及び参照ミラーを移動させた状態を示す図である。 高さ計測方法の一例を示すフローチャートである。 ミロー型の二干渉対物レンズを示す断面図である。 （ａ）は第１実施例に係る二光束干渉対物レンズ系及び被計測物を示す一部を断面で表した図、（ｂ）は図６（ａ）とは異なる面を計測対象にした状態を示す図である。 第１実施例の高さ計測方法を示すフローチャートである。 第２実施例に係る高さ計測装置を示す図である。 （ａ）は第３実施例に係る二光束干渉対物レンズ系及び被計測物を示す図、（ｂ）は図９（ａ）とは異なる面を計測対象にした状態を示す図である。 （ａ）は第４実施例に係る二光束干渉対物レンズ系及び被計測物を示す図、（ｂ）は被計測物を押しつぶした状態の要部を示す図である。

以下、本発明の実施形態の一例につき図１〜図５を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る顕微鏡よりなる高さ計測装置１を示す。図１において、高さ計測装置１は、撮像部１０、顕微鏡本体４０、コンピュータを含む制御用プロセッサ４６、及び液晶ディスプレイ等のモニタ装置４８を備えている。顕微鏡本体４０は、Ｌ字型の顕微鏡べ一ス４２及びこれに支持された試料台４４を備え、試料台４４の上面に角度調整機構（不図示）を介して例えば平板状の被計測物６が載置されている。

撮像部１０は、高速度カメラ１２、顕微鏡鏡筒装置１４、ピエゾ駆動装置１８、二光束干渉対物レンズ系２０、及び顕微鏡用の照明装置１６を備えている。撮像部１０は、顕微鏡べ一ス４２に支持されている。照明装置１６は、広帯域の実質的に白色光とみなすことができる照明光を出射する例えば水銀ランプ等と光ファイバとを組み合わせた光源１６ａ、波長選択フィルタ（不図示）、及びその照明光を二光束干渉対物レンズ系２０側に導くビームスプリッタ１６ｂ等を有する。
その照明光の波長帯の幅は、一例として２００ｎｍ以上である。この場合、中心波長をλ、波長帯の幅をΔλとすると、可干渉距離は、ほぼλ²／Δλとなる。そこで、例えば中心波長λを５００ｎｍ、波長帯の幅Δλを少なくとも２００ｎｍとすると、可干渉距離は１．２５μｍ以下になる。なお、波長帯の幅を２００ｎｍより狭くして、可干渉距離を１．２５μｍより大きい値、例えば数μｍ〜数１０μｍにすることも可能である。撮像カメラは、本実施形態では高速度カメラを用いているが、通常のＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラを用いることもできる。

二光束干渉対物レンズ系２０は、その照明光を第１照明光及び第２照明光に分割するビームスプリッタ２２、その第１照明光を被計測物６の計測対象面６ａ（例えば表面）に導く対象物用の明視野対物レンズ２４、高平面度の参照面２８ａを有する参照ミラー２８、及びその第２照明光を参照面２８ａに導く参照面用の明視野対物レンズ２６を有する。本実施形態の二光束干渉対物レンズ系２０は、リニーク型の干渉光学系を例示している。以下、対象物用の対物レンズ２４の光軸に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に垂直な方向にＸ軸を、図１の紙面に平行な方向にＹ軸を取って説明する。本実施形態では、参照面用の対物レンズ２６の光軸はＹ軸に平行である。

また、二光束干渉対物レンズ系２０は、ビームスプリッタ２２及び対象物用の対物レンズ２４を支持するフレーム２１、フレーム２１に固定された固定円筒部材３３、固定円筒部材３３内にＹ方向に移動可能に収容された可動円筒部材３０、及び可動円筒部材３０内に止めネジ３２を介して固定された連動円筒部材２７を有する。さらに、二光束干渉対物レンズ系２０は、固定円筒部材３３に設けられたスリット部を介して可動円筒部材３０に連結されたレバー部材３５、及び固定円筒部材３３に支持部３４を介して固定されてレバー部材３５をＹ方向に移動させる電動マイクロメータよりなる移動部３６を有する。連動円筒部材２７内に止めネジ３１を介して参照面用の対物レンズ２６が固定され、連動円筒部材２７の端部に角度調整機構（不図示）を含む取り付け部材２９を介して参照ミラー２８が固定されている。移動部３６によってレバー部材３５を介して可動円筒部材３０をＹ方向に移動することによって、参照面用の対物レンズ２６及び参照ミラー２８を一体的にＹ方向に移動して、その第２照明光の光路長を調整できる。

移動部３６は、例えば計測精度が１μｍ程度のエンコーダを内蔵しており、所定の基準位置から距離Ｄ（例えばＤ＝３．５ｍｍ程度）の範囲内で、制御用プロセッサ４６内の移動制御部４６ｅに設定された距離だけ対物レンズ２６及び参照ミラー２８をＹ方向に移動する。移動部３６としては、リニアエンコーダ及びリニアモータの組み合わせ等も使用可能である。

また、顕微鏡鏡筒装置１４は、その内部に結像レンズ（図示せず）を備え、計測対象面６ａで反射される第１照明光及び参照面２８ａで反射される第２照明光を高速度カメラ１２の撮像面に結像させる。その結果として高速度カメラ１２の撮像面上に干渉縞が形成される。顕微鏡鏡筒装置１４内の結像レンズと対物レンズ２４とを含んで撮像光学系が構成されている。高速度カメラ１２は、例えば１／２０００秒間に１枚の割合で撮像可能であり、その撮像した画像をデジタル信号（撮像信号）に変換して、制御用プロセッサ４６の画像メモリ４６ｃに出力する。

ピエゾ駆動装置１８は、印加電圧を変えることにより体積が変化するピエゾ素子を備えており、本実施形態においては、例えば１秒間に１５回程度の割合で、例えば１０ｎｍ程度のステップ移動幅でほぼ連続的にＺ方向に所定幅の可動範囲内を往復移動可能となっている。このピエゾ駆動装置１８が、二光束干渉対物レンズ系２０のフレーム２１を−Ｚ方向に保持しているため、ピエゾ駆動装置１８が駆動されることにより、二光束干渉対物レンズ系２０は、撮像部１０内の撮像光学系の光軸（対物レンズ２４の光軸）に沿ったＺ方向に往復移動される。この結果、二光束干渉対物レンズ系２０（対物レンズ２４）と被計測物６とが対物レンズ２４の光軸方向に相対移動する。ピエゾ駆動装置１８の動作は、制御用プロセッサ４６内のピエゾ駆動制御部４６ｄによって制御される。さらに、高さ計測装置１は、試料台４４（被計測物６）をＺ方向に２０ｍｍ程度の範囲内で移動する例えばステッピングモータ及び移動量を高精度に計測する装置を含むＺステージ４５、及び試料台４４をＸ方向、Ｙ方向に移動するＸＹステージ（不図示）を備えている。なお、Ｚステージ４５の代わりに、又はＺステージ４５とともに、撮像部１０を全体としてＺ方向に移動する駆動装置を設けてもよい。

制御用プロセッサ４６内の演算制御部４６ａは、ピエゾ駆動制御部４６ｄ及びピエゾ駆動装置１８を介して二光束干渉対物レンズ系２０をＺ方向に移動させるのに同期して、高速度カメラ１２から画像メモリ４６ｃに一連の干渉像の画像の撮像信号を取り込む。さらに、演算制御部４６ａは、その各画像の撮像信号を処理して、後述のように干渉像に基づいて各画素に対応する計測対象面６ａのＸ方向、Ｙ方向の位置毎のＺ方向の位置（高さ又は相対高さ）を求める。さらに、演算制御部４６ａは、計測対象面６ａの干渉像又は高さ分布を表す画像を並行して、又は切り替えてモニタ装置４８に表示する。また、制御用プロセッサ４６内の干渉縞制御部４６ｂは、画像メモリ４６ｃから読み出した各画像の撮像信号より干渉像（干渉縞）のコントラストを計算し、一例としてそのコントラストが最大になるように移動制御部４６ｅ及び移動部３６を介して参照面用の対物レンズ２６及び参照ミラー２８をＹ方向に移動し、その位置で対物レンズ２６及び参照ミラー２８を静止させる。また、ピエゾ駆動制御部４６ｄはＺステージ４５の動作も制御している。

次に、高さ計測装置１を用いて被計測物６の計測対象面６ａの高さ分布（表面形状）を計測するときの基本的な動作につき説明する。まず、対象物用の対物レンズ２４と被計測物６との間に、屈折率が１より大きい透明物体８が存在しないものとする。この場合、計測対象面６ａが平均的に撮像光学系（対象物用の対物レンズ２４）の焦点位置（ベストフォーカス位置）にあるときに、計測対象面６ａで反射される第１照明光と参照ミラー２８の参照面２８ａで反射される第２照明光とのビームスプリッタ２２で合成される位置における光路長が互いに等しくなり、干渉像のコントラストが最大になるように、可動円筒部材３０内の参照面用の対物レンズ２６及び参照ミラー２８のＹ方向の位置が上記の所定の基準位置に設定されている。なお、参照ミラー２８の傾斜角の調整方法については後述する。

この状態で、光源１６ａから出射されてビームスプリッタ１６ｂにおいて反射された照明光は、二光束干渉対物レンズ系２０の中のビームスプリッタ２２に到達する。そして、照明光はビームスプリッタ２２において２分割され、一方の第１照明光は対象物用の対物レンズ２４を通過して計測対象面６ａに照射され、他方の第２照明光は参照面用対物レンズ２６を通過して参照面２８ａに照射される。そして、計測対象面６ａ及び参照面２８ａにおいて反射された照明光は、ビームスプリッタ２２で再び重ね合わされ、共に高速度カメラの撮像面上に結像される。その結果、高速度カメラ１２の撮像面上に干渉縞が形成される。

上記計測時において、ピエゾ駆動装置１８の下端は、ピエゾ駆動制御部４６ｄに制御されＺ軸方向に走査されているため、二光束干渉対物系レンズ２０（対象物用の対物レンズ２４）がそれぞれのＺ方向の位置（Ｚ位置）に移動された状態における干渉像が、高速度カメラ１２の撮像面上に結像される。その干渉像は白色干渉縞であり、計測対象面６ａからの反射光と参照面２８ａからの反射光との光路長の差が０になる位置（計測対象面６ａ内の各位置が参照面２８ａと共役な面を横切る位置）でその干渉像の光強度が最も高くなる。そこで、二光束干渉対物レンズ系２０のＺ位置毎に、例えば以下に説明する方法で、干渉像の撮像信号より、干渉像の光強度が最も高くなる画素（合焦度が最も高い画素）を求めることで、計測対象面６ａ内のＺ方向の位置の分布（高さ分布又は表面形状）を求めることができる。

制御用プロセッサ４６において、計測対象面６ａの高さ分布を求める方法の一例につき説明する。ピエゾ駆動装置１８で二光束干渉対物レンズ系２０のＺ位置をある位置に移動したときの、対象物用の対物レンズ２４に対する計測対象面６ａのＺ方向の相対的な位置をＸｉ（ｉ＝１〜ｎ）とする。その位置Ｘｉで画像メモリ４６ｃに取り込まれた干渉像の撮像信号から得られるある画素の光強度Ｑの値（濃度値又は輝度）をＹｉとする。また、図２（ａ）に示すように、位置Ｘｉの光強度値Ｙｉを表すデータ点列をＭ（Ｘｉ，Ｙｉ）とする。添字ｉは上述のようにほぼ連続的に取得される画像データの番号であり、ここではｎ枚分の画像の撮像信号が取得される。

次に、その取得したデータ点列Ｍに最もフィットする関数を第１関数Ｆ１（Ｚ）とする。なお、図２（ａ）において、位置Ｚの原点は、例えば計測対象面６ａ上で対物レンズ２４の光軸が通る位置（Ｘ方向、Ｙ方向の基準位置）に対応する画素の光強度値が最大値を取るときの位置Ｘｉ（この値をＰｓとする）である。その光強度値Ｙｉは、一例としてそのまま最大値になるときが計測対象面６ａ上の点が合焦している状態（ここでは干渉縞の光強度が最大の状態でもある）を表す信号として使用可能である。従って、単にその光強度値Ｙｉが最大になるときの位置Ｘｉを干渉縞の強度が最も高くなる位置とすることも可能である。

ただし、撮像光学系（対物レンズ２４）の焦点深度等から、対物レンズ２４の焦点面近傍に計測対象面６ａがあるときは、光強度値Ｙｉの変化は小さくなり、光強度値Ｙｉが最大値を取る位置Ｘｉを高精度に求めることが困難な場合がある。そこで、他の例として、その第１関数Ｆ１（Ｚ）から、その第１関数Ｆ１（Ｚ）がピークとなる部分の前後における変化が大きくなるような相関値を求めることができる第２関数Ｆ２（Ｚ）を選択する。ただし、第２関数Ｆ２（Ｚ）は例えばＺ位置の原点に関して対称になるようにシフトしている。この際に、光学系と被計測物とを光軸に沿って相対移動させたときの光強度値の変化（変化特性）は光学系によって決まるため、その第１関数Ｆ１（Ｚ）の形（係数等）は光学系によって定めることができる。

その第２関数Ｆ２としては、例えば第１関数Ｆ１の一次微分の二乗、第１関数Ｆ１の一次微分の絶対値、第１関数Ｆ１においてＹｉの値が増加する部分及び減少する部分のそれぞれに対応して極大又は極小となる部分ができる関数、又は第１関数Ｆ１の定数倍（例えば数倍）等が使用できる。ここでは、一例として、図２（ｂ）に示すように、第１関数Ｆ１（Ｚ）の定数倍に相当する関数を第２関数Ｆ２（Ｚ）として説明する。

演算制御部４６ａでは、図２（ｃ）に示すように、第２関数Ｆ２（Ｚ）を光軸方向（Ｚ軸方向）に所定範囲でシフトし、Ｚ方向の各位置Ｘｉにおける光強度値Ｙｉと、位置Ｘｉにおけるシフト後の第２関数Ｆ２（Ｚ）の値との相関値Ｅを次式（添字ｉに関する積和）から計算する。ここで、ａはＺ方向の第２関数Ｆ２（Ｚ）のシフト量を示している。
Ｅ＝Σ｛Ｙｉ・Ｆ２（Ｘｉ−ａ）｝ …（１）
図２（ｃ）に示すように、シフト量ａをマイナスからプラスに変化させて光強度値Ｙｉと第２関数Ｆ２（Ｘｉ−ａ）との相関値Ｅを求めると、図２（ｄ）に示すように、シフト量ａがある値のときに相関値Ｅが大きくなり、シフト量ａがその値のときに相関値Ｅが極大（又は極小）となる。式（１）で表される相関値Ｅのピーク値（極大値又は極小値）を求めるために、次式に示すように、式（１）をシフト量ａにより偏微分し、この偏微分した値が０になるときのシフト量ａを求める。このシフト量ａに上記の原点のＺ方向の位置の値Ｐｓを加算して得られる値（Ｐｓ＋ａ）が、当該画素において干渉像の強度が最大になるときの計測対象面６ａ上の対応する位置のＺ位置、すなわちこの位置の高さ（原点からの相対高さ）となる。

∂Ｅ／∂ａ＝０ …（２）
この式（２）を満足するシフト量ａを求める方法としては、解析的に求める方法、又はニュートン法若しくは逐次代入法などの数値演算法がある。ピエゾ駆動装置１８によるステップ移動幅を例えば１０ｎｍとすると、そのように相関値Ｅに基づいてシフト量ａを求める方法によって、そのステップ移動幅の例えば１／１００００以下（０．００１ｎｍ以下）の分解能で計測対象面６ａの高さ分布を計測できる。なお、上記の各画素の光強度値Ｙｉ（合焦度信号）の代わりに、例えば連続する３つの画像に関して当該画素を含む例えば３×３個の画素群の光強度値をラプラシアンフィルタ等に通して得られる値（光強度値の二次微分値等）を使用してもよい。

次に、本実施形態の高さ計測装置１において、図１に２点鎖線で示すように、対象物用の対物レンズ２４と被計測物６との間に、屈折率が１より大きい例えば平板状の透明物体８が配置される場合の高さ計測方法の一例につき図４のフローチャートを参照して説明する。この際に、一例として、予め図４のステップ１０２において、参照ミラー２８の角度調整が次の手順で行われている。まず、オペレータは、図１の対象物用の対物レンズ２４の代わりに図５のミロー型の二光束干渉対物レンズ２４Ｍを装着し、試料台４４上に表面の平面度が良好な基準ミラー６Ｓを載置する。

図５において、二光束干渉対物レンズ２４Ｍは、レンズ枠５０内に上方から順に対物レンズ５１、小型の参照ミラー５２、及び平板状のビームスプリッタ５３を保持して構成されている。二光束干渉対物レンズ２４Ｍにおいて、図１のビームスプリッタ２２で分岐された第１照明光Ｌ１は、対物レンズ５１を通過してビームスプリッタ５３で基準ミラー６Ｓに向かう計測光Ｌ１Ａと参照ミラー５２に向かう参照光Ｌ１Ｂとに分かれる。そして、基準ミラー６Ｓで反射された計測光Ｌ１Ａ及び参照ミラー５２で反射された参照光Ｌ１Ｂは、ビームスプリッタ５３で合成され、対物レンズ５１及び図１のビームスプリッタ２２を介して、高速度カメラ１２の撮像面に計測光Ｌ１Ａと参照光Ｌ１Ｂとで形成される干渉縞の像を結像する。

この場合、オペレータは、高速度カメラ１２で撮像される干渉像をモニタ装置４８に表示させて、その干渉像の干渉縞が一色（全面でほぼ均一な光強度になる状態）になるように、試料台４４の角度調整機構（不図示）を用いて基準ミラー６Ｓの角度を調整する。これによって、基準ミラー６Ｓの反射面は撮像光学系の光軸に垂直になる。その後、オペレータは、二光束干渉対物レンズ２４Ｍを図１の対象物用の対物レンズ２４に交換してから、基準ミラー６Ｓで反射された第１照明光及び図１の参照ミラー２８で反射された第２照明光の干渉像をモニタ装置４８に表示させる。そして、その干渉像の干渉縞が一色になるように、取り付け部材２９の角度調整機構（不図示）を介して参照ミラー２８の角度を調整する。これによって、参照面２８ａは参照面用の対物レンズ２６の光軸に垂直になる。

その後、図４のステップ１０４において、オペレータは、図３（ａ）に示すように、試料台４４に被計測物６を載置し、被計測物６と対象物用の対物レンズ２４との間に１より大きい屈折率を持つ平板状の透明物体８を配置する。その後、照明装置１６からビームスプリッタ２２に照明光Ｌａの照射が開始され（ステップ１０６）、ビームスプリッタ（ＢＳ）２２によって照明光Ｌａが第１照明光Ｌ１及び第２照明光Ｌ２に分割される（ステップ１０８）。なお、対物レンズ２４，２６は、一例として無限遠補正タイプであり、この場合、対物レンズ２４，２６の焦点面の一点からの光は対物レンズ２４，２６を通過して平行光束になってビームスプリッタ１６ｂに向かう。言い替えると、図３（ａ）に点線で示すように、照明装置１６の視野絞り１６ｃの光軸上の点から出射される照明光は、視野レンズ１６ｄ及びビームスプリッタ１６ｂを介して平行光束になってビームスプリッタ２２に入射する。そこで、図３（ａ）等では、説明の便宜上、ビームスプリッタ２２に光軸に平行に入射する照明光のみを点線で表している。

そして、第１照明光Ｌ１は対象物用の対物レンズ２４から透明物体８を介して計測対象面６ａに照射され、第２照明光Ｌ２は参照面用の対物レンズ２６から参照面２８ａに照射される（ステップ１１０）。計測対象面６ａで反射されて透明物体８及び対物レンズ２４を通過した第１照明光Ｌ１及び参照面２８ａで反射されて対物レンズ２６を通過した第２照明光Ｌ２は、ビームスプリッタ２２で合成されて反射光Ｌｂとなり、反射光Ｌｂは図１の結像レンズ（不図示）を介して、高速度カメラ１２の撮像面上に結像し、その結果干渉像を形成する（ステップ１１２）。その干渉像は高速度カメラ１２により撮像され、その画像がモニタ装置４８に表示される（ステップ１１４）。

このとき、透明物体８の屈折率をｎ（ｎ＞１）、厚さをｄとすると、対象物用の対物レンズ２４に対する光軸上の焦点位置は、透明物体８がない場合の焦点位置７Ｍから−Ｚ方向に距離ｚ１（＝ｄ（１−１／ｎ））だけ降下する。そのため、次のステップ１１６において、一例としてオペレータは、不図示の入力装置から制御用プロセッサ４６のピエゾ駆動制御部４６ｄを介してＺステージ４５を駆動して、対物レンズ２４の焦点位置が平均的にほぼ計測対象面６ａに合致するように、試料台４４（被計測物６）のＺ位置を降下させる。

さらに、透明物体８における第１照明光Ｌ１の光路長はｄ（ｎ−１）だけ増加し、第１照明光Ｌ１の光路長は距離ｚ１に関しても増加している。この結果、第１照明光Ｌ１の光路長は、第２照明光Ｌ２の光路長に比べて次のδ１だけ増加している。
δ１＝ｄ（ｎ−１）＋ｚ１＝ｄ（ｎ−１）＋ｄ（１−１／ｎ）
＝ｄ（ｎ−１／ｎ） …（３）
一例として、屈折率ｎを１．５、透明物体８の厚さｄを２ｍｍ程度とすると、光路長の増加分δ１は１．６７ｍｍとなり、増加分δ１は第１照明光と第２照明光との可干渉距離（例えば１．２５μｍ程度、又は数μｍ〜数１０μｍ等）を大幅に越えてしまう。このため、高速度カメラ１２の撮像面にコントラストの高い干渉縞の像が形成されなくなり、計測対象面６ａの高さの計測ができない。

そこで、ステップ１１８において、制御用プロセッサ４６内の干渉縞制御部４６ｂは、画像メモリ４６ｃから読み出される撮像信号から干渉像のコントラストを求め、このコントラストが最大になるように、図３（ｂ）に示すように、移動制御部４６ｅ及び移動部３６を介して参照面用の対物レンズ２６及び参照ミラー２８をＹ方向に移動し、その干渉像のコントラストが最大になる位置で対物レンズ２６及び参照ミラー２８の位置を固定する。参照ミラー２８の参照面２８ａの基準位置７Ｒからの＋Ｙ方向への移動量ｙ１は、ほぼ式（３）の光路長の変化量δ１と等しい。その後、ステップ１２０において、制御用プロセッサ４６内の演算制御部４６ａは、ピエゾ駆動制御部４６ｄ及びピエゾ駆動装置１８を介して二光束干渉対物レンズ系２０を所定範囲内でＺ方向に移動させながら、高速度カメラ１２で撮像される一連の干渉像の撮像信号を画像メモリ４６ｃに取り込む。

次のステップ１２２において、演算制御部４６ａは、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明したように、二光束干渉対物レンズ系２０のＺ位置、すなわち対物レンズ２４に対する計測対象面６ａのＺ方向の相対的な位置Ｘｉ（ｉ＝１〜ｎ）における各画素の光強度値Ｙｉから式（１）の相関値Ｅを求め、各画素に関してその相関値Ｅが極値を取るときの第２関数Ｆ２（Ｘｉ−ａ）のシフト量ａ（相対高さ）を求める。次のステップ１２４で、計測対象面６ａの各位置の相対高さを示す情報がモニタ装置４８に表示される。

このように本実施形態の高さ計測装置１は、照明光Ｌａを第１照明光Ｌ１及び第２照明光Ｌ１に分岐するビームスプリッタ２２と、第１照明光Ｌ１を被計測物６に導く対象物用の対物レンズ２４と、第２照明光Ｌ２を集光する参照面用の対物レンズ２６と、対物レンズ２６で集光された第２照明光Ｌ２を反射する参照ミラー２８と、を備えている。さらに、高さ計測装置１は、ビームスプリッタ２２と参照面用の対物レンズ２６（ひいては参照ミラー２８）との間の第２照明光Ｌ２の光路長を調整する移動部３６と、被計測物６で反射された第１照明光Ｌ１と参照ミラー２８で反射された第２照明光Ｌ２との干渉像を撮像する高速度カメラ１２と、対象物用の対物レンズ２４と被計測物６とを対物レンズ２４の光軸方向（Ｚ方向）に相対移動するピエゾ駆動装置１８と、対物レンズ２４と被計測物６とをＺ方向に相対移動させたときに高速度カメラ１２の撮像信号に基づいて被計測物６の高さ分布を求める制御用プロセッサ４６（演算制御部４６ａ）と、を備えている。また、高さ計測装置１は、第１照明光の光路に透明物体８が配置されているときに、図４に示す計測方法で被計測物６の高さ分布を求めている。

本実施形態によれば、ステップ１１８で、移動部３６によって参照ミラー２８で反射される第２照明光の光路長を調整することができる。従って、被計測物６が、１と異なる様々な屈折率で、かつ様々な厚さの透明物体８（透明媒質）の下に配置されていても、移動部３６によって、被計測物６から反射される第１照明光と参照ミラー２８で反射される第２照明光との光路長の差を容易に可干渉距離の範囲内に収めることができ、白色干渉方式で被計測物６の高さを容易に計測できる。

本実施形態の二光束干渉対物レンズ系２０で使用される対物レンズ２４，２６の倍率は例えば１０倍（開口数０．３）である。対物レンズ２４，２６としては、さらに高倍の対物レンズを用いることもできる。対物レンズ２４，２６として例えば１００倍（開口数０．７）の対物レンズを用いる場合、透明物体８の影響で球面収差が発生する場合がある。このような場合、対物レンズ２４，２６として収差補正機能付き対物レンズを用いれば、球面収差を補正することができ、球面収差が補正されることで目視による合焦が容易になる。
また、移動部３６を用いて対物レンズ２６及び参照ミラー２８を移動する代わりに、例えば対物レンズ２６とビームスプリッタ２２との間に電圧によって屈折率の変化する電気光学素子よりなる基板を配置し、この基板に例えば透明電極膜を介して印加する電圧を制御してもよい。

［第１実施例］
この第１実施例では、図１の高さ計測装置１を用いて、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、デジタルカメラ等に使用されるＣＣＤ撮像素子５５の保護用のガラス板５６の下面５６ａから撮像素子部５７の表面までの間隔ｈをＸ方向、Ｙ方向の位置（ｘ，ｙ）の関数ｈ（ｘ，ｙ）として計測する。光透過性で平板状のガラス板５６の屈折率ｎ１は１より大きく、その平均的な厚さをｄ１とする。このような計測は、ＣＣＤ撮像素子５５の製造工程の管理上で必要になることがある。なお、図６（ａ）、（ｂ）において、図３（ａ）、（ｂ）に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。また、ＣＣＤ撮像素子５５は、撮像素子部５７が固定される素子ベース５８及び素子ベース５８上にガラス板５６を支持する矩形の枠状の支持部５９を有する。

高さ計測装置１を用いてＣＣＤ撮像素子５５のガラス板５６を通して、撮像素子部５７までの間隔ｈ（ｘ，ｙ）を計測する方法の一例につき図７のフローチャートを参照して説明する。まず、図７のステップ１３２において、図６（ａ）の試料台４４上にＣＣＤ撮像素子５５を載置し、照明光Ｌａの照射を開始させて、ＣＣＤ撮像素子５５からの反射光及び参照ミラー２８からの反射光によって形成される干渉像を図１のモニタ装置４８に表示させる。そして、オペレータは、例えば目視によってモニタ装置４８にガラス板５６の下面５６ａの像が表示されるように、図１のＺステージ４５を駆動して試料台４４を降下させる（試料台４４に対して相対的に二光束干渉対物レンズ系２０を含む撮像部１０を上昇させる）。これによって、対象物用の対物レンズ２４のガラス板５６が存在する場合の焦点位置がガラス板５６の下面５６ａに合わせ込まれる。ガラス板５６の存在による第１照明光Ｌ１の光路長の変化量（式（３）でｎ，ｄにそれぞれｎ１，ｄ１を代入して計算される値）は可干渉距離を大きく越えているため、この状態では干渉像は形成されていない。

そこで、次のステップ１３４において、下面５６ａから反射される第１照明光Ｌ１と参照ミラー２８から反射される第２照明光Ｌ２の反射光Ｌｂによる干渉像のコントラストが最大になるように、移動部３６を介して参照面用の対物レンズ２６及び参照ミラー２８をＹ方向に距離ｙ２だけ移動する。次のステップ１３６において、図１の干渉縞制御部４６ｂでは、その干渉像（干渉縞）のコントラストを例えば予め記憶されている目標値と比較し、そのコントラストが目標値よりも小さい場合には、ステップ１３２及び１３４を繰り返す。その後、ステップ１３６でその干渉像のコントラストが目標値以上になったときに、コントラストが十分に高いとみなして、ステップ１３８に移行する。そして、図４のステップ１２０，１２２と同様に、ピエゾ駆動装置１８で二光束干渉対物レンズ系２０をＺ方向に走査させて図１の高速度カメラ１２の撮像信号を取り込み、下面５６ａの位置（ｘ，ｙ）毎の高さ分布ｆ（ｘ，ｙ）を取得する。

次のステップ１４０において、オペレータは、例えば目視によってモニタ装置４８に撮像素子部５７の表面５７ａの像が表示されるように、図６（ｂ）に示すように、図１のＺステージ４５を駆動して試料台４４を上昇させる（試料台４４に対して相対的に撮像部１０を降下させる）。このように試料台４４をＺ方向に移動する際には、例えばＺステージ４５によるＺ方向の移動量が不図示の計測装置で計測されてオフセットＺｏｆとして制御用プロセッサ４６内に記憶される。そして、対象物用の対物レンズ２４のガラス板５６が存在する場合の焦点位置が撮像素子部５７の表面５７ａに合わせ込まれる。なお、この状態では、ガラス板５６による第１照明光Ｌ１の光路長の変化は図６（ａ）の状態と同じであるため、参照面用の対物レンズ２６及び参照ミラー２８の位置は調整する必要がない。そこで、ステップ１３８と同様に、二光束干渉対物レンズ系２０をＺ方向に走査させて高速度カメラ１２の撮像信号を取り込み、表面５７ａの位置（ｘ，ｙ）毎の高さ分布ｇ（ｘ，ｙ）を取得する。この高さ分布ｇ（ｘ，ｙ）には上記のＺ方向のオフセットＺｏｆが加算されている。

次のステップ１４２において、図１の演算制御部４６ａは、次式からＣＣＤ撮像素子５５のガラス板５６の下面５６ａから撮像素子５７の表面５７ａまでの間隔の分布ｈ（ｘ，ｙ）を求めることができる。
ｈ（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ）−ｇ（ｘ，ｙ） …（４）

［第２実施例］
この第２実施例では、図８に示すように、高さ計測装置１Ａを用いて、恒温チャンバー６０内の低温又は高温下での被計測物６２の表面の高さ（表面形状）又はその変化を計測する。被計測物６２は、例えば薄型ディスプレイなどに使用する偏光フィルムなどのプラスチックフィルムである。例えば温度を次第に高くした雰囲気下での被計測物６２の表面の変形量を正確に計測するために高さ計測装置１Ａが使用される。なお、図８において図１に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

図８において、恒温チャンバー６０の上部には、内部を観察可能とし、かつ気密化するために平板状のガラス板６１が設置されており、恒温チャンバー６０内のガラス板６１の下方にフィルム状の被計測物６２が載置されている。恒温チャンバー６０内の雰囲気は、不図示の温度調整機構によって低温から高温までの任意の試験温度に設定し、かつその試験温度に保つことができる。また、高さ計測装置１Ａは、撮像部１０を備えているが、図１の顕微鏡本体４０は備えていない。撮像部１０は、二光束干渉対物レンズ系２０の対象物用の対物レンズ２４がガラス板６１の上方に配置されるように、不図示のフレームに支持されている。これ以外の構成は図１の高さ計測装置１と同様である。

この第２実施例の高さ計測装置１Ａにより、被計測物６２の表面６２ａの高さを計測する場合には、まず例えばＺ方向の駆動部（不図示）によって撮像部１０のＺ方向の位置を調整して、対象物用の対物レンズ２４の焦点を表面６２ａに合わせる。この状態では、ガラス板６１の設置による第１照明光の光路長の変化によって、高速度カメラ１２の撮像面に検出可能なコントラストを持つ干渉像は形成されない。そこで、第１実施例と同様に、表面６２ａで反射される第１照明光と、参照ミラー２８で反射される第２照明光との光路長を合わせて、干渉像のコントラストを高くするために、移動部３６を介して対物レンズ２６及び参照ミラー２８のＹ方向の位置を調整する。これによって、高速度カメラ１２で高いコントラストの干渉像を撮像できるため、対物レンズ２４と被計測物６２との間に屈折率が１より大きく任意の厚さのガラス板６１が配置されていても、第１実施例と同様に白色光を用いる二光束干渉方式で被計測物６２の表面の高さを計測できる。

［第３実施例］
この第３実施例では、図１の高さ計測装置１を用いて、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、屈折率ｎ１の第１フィルム６５、屈折率ｎ２の第２フィルム６６、及び第３フィルム６７を貼り合わせてなる積層フィルム６４の表面及び界面の形状を計測する。なお、図９（ａ）、（ｂ）において、図３（ａ）、（ｂ）に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。また、屈折率ｎ１及びｎ２は予め計測されており、その計測値は図１の制御用プロセッサ４６の演算制御部４６ａの記憶部に記憶されている。

この第３実施例では、まず積層フィルム６４の表面６５ａ（第１フィルム６５の表面）の高さ分布ｆ（ｘ，ｙ）を二光束干渉方式で計測する。次に、図９（ａ）に示すように、図１のＺステージ４５を用いて対象物用の対物レンズ２４の焦点に第１フィルム６５と第２フィルム６６との間の界面（境界面）６６ａに合わせ込み、干渉像のコントラストが高くなるように移動部３６を介して対物レンズ２６及び参照ミラー２８を移動する。この状態で、界面６６ａの高さ分布ｇ（ｘ，ｙ）を二光束干渉方式で計測する。第１実施例と同様に、高さ分布ｇ（ｘ，ｙ）はＺ方向のオフセットが調整されている。

このとき、第１フィルム６５の屈折率はｎ１であり、高さ分布ｇ（ｘ，ｙ）は光学距離（光路長）であるため、図１の演算制御部４６ａは次式から界面６６ａの実際の高さ分布ｇ’（ｘ，ｙ）を求める。
ｇ’（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ）−｛ｆ（ｘ，ｙ）−ｇ（ｘ，ｙ）｝／ｎ１
＝（１−１／ｎ１）ｆ（ｘ，ｙ）＋ｇ（ｘ，ｙ）／ｎ１ …（５）
次に、図９（ｂ）に示すように、図１のＺステージ４５を用いて対象物用の対物レンズ２４の焦点に第２フィルム６６と第３フィルム６７との間の界面６７ａに合わせ込み、干渉像のコントラストが高くなるように移動部３６を介して対物レンズ２６及び参照ミラー２８を移動する。この状態で、界面６７ａの高さ分布ｉ（ｘ，ｙ）を二光束干渉方式で計測する。このときも、第２フィルム６６の屈折率はｎ２であり、高さ分布ｉ（ｘ，ｙ）は光学距離であるため、演算制御部４６ａは次式から界面６７ａの実際の高さ分布ｉ’（ｘ，ｙ）を求めることができる。
ｉ’（ｘ，ｙ）＝ｇ’（ｘ，ｙ）−｛ｇ’（ｘ，ｙ）−ｉ（ｘ，ｙ）｝／ｎ２
＝（１−１／ｎ１）ｆ（ｘ，ｙ）＋（１／ｎ１−１／ｎ２）ｇ（ｘ，ｙ）
＋ｉ（ｘ，ｙ）／ｎ２ …（６）

［第４実施例］
この第４実施例では、図８の高さ計測装置１Ａと同様な構成の図１０（ａ）の高さ計測装置１Ｂを用いて、静圧装置６８によって可変の静圧が加えられた例えばシート状の被計測物７３の表面の歪状態を計測する。被計測物７３は、例えばプリンタ用の紙である。なお、被計測物７３としては、プリンタのロール又は液晶ディスプレイの駆動用ＩＣ等も適用できる。被計測物７３がプリンタ用の紙又はプリンタのロールである場合には、これらの搬送機構又は駆動機構等の設計において、これらの部材の表面の静圧下の歪状態の計測結果が利用される。また、被計測物７３が液晶ディスプレイの駆動用ＩＣである場合には、例えばこの駆動用ＩＣとガラス基板上の電極とを圧着させるときに、圧着プロセスの工程管理上、圧着状態の計測結果が利用される。なお、図１０（ａ）において図１に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１０（ａ）において、静圧装置６８は、大きい平板状のベース部７０と、ベース部７０の上面に配置され、被計測物７３が載置される平板状のテーブル７４と、被計測物７３の表面を覆うように配置される大きい平板状の光透過性のガラス板７２と、ガラス板７２に被計測物７３側への静圧を加える駆動部７１とを有する。また、静圧装置６８のガラス板７２の上方に高さ計測装置１Ｂの二光束干渉対物レンズ系２０の対象物用の対物レンズ２４が配置されている。

この第４実施例で被計測物７３の表面の歪状態を計測するには、まず静圧装置６８のガラス板７２を自由な状態の被計測物７３の表面に極めてわずかに接触する程度のＺ位置に設定する。この状態では、被計測物７３には実質的に静圧は加えられていない。このとき、図７のステップ１３２〜１３８と同様にして、二光束干渉方式で被計測物７３の表面の高さ分布ｆ（ｘ，ｙ）を計測する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、静圧装置６８のガラス板７２を被計測物７３の表面側（−Ｚ方向）に付勢して、被計測物７３の表面に所定の静圧を加える。このとき、図７のステップ１４０と同様にして、二光束干渉方式で被計測物７３の表面の高さ分布ｇ（ｘ，ｙ）を計測する。この結果、第１照明光の光路に静圧付加用のガラス板７２が配置されていても、静圧による被計測物７３の表面の変形量の分布ｊ（ｘ，ｙ）を、次式から求めることができる。

ｊ（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ）−ｇ（ｘ，ｙ） …（７）
なお、上述の実施形態及び実施例において、干渉縞を生成する方法として二光束干渉光学系を用いた構成を例示したが、この構成に限定されず、例えば微分干渉光学系を用いて干渉縞を生成する構成でも良く、さらには、縞投影法を用いて干渉縞を生成する構成でも良い。

なお、本発明は上述の実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。

１，１Ａ，１Ｂ…高さ計測装置、６…被計測物、８…透明物体、１０…撮像部、１２…高速度カメラ、１８…ピエゾ駆動装置、２０…二光束干渉対物レンズ系、２４…対象物用明視野対物レンズ、２６…参照面用明視野対物レンズ、２８…参照ミラー、３６…移動部、４６…制御用プロセッサ、４８…モニタ装置

Claims (9)

1. 被計測物の高さを計測する装置であって、
   計測用の光を第１光束及び第２光束に分岐する分岐光学系と、
   前記第１光束を前記被計測物に導く第１対物光学系と、
   前記第２光束を集光する第２対物光学系と、
   前記第２対物光学系で集光された前記第２光束を反射する参照部材と、
   前記分岐光学系と前記第２対物光学系との間の前記第２光束の光路長を調整する光路長調整装置と、
   前記被計測物で反射され前記第１対物光学系を介して戻される前記第１光束と、前記参照部材で反射され前記第２対物光学系を介して戻される前記第２光束との干渉像を受光する撮像装置と、
   前記第１対物光学系と前記被計測物とを前記第１対物光学系の光軸方向に相対移動する移動装置と、
   前記移動装置で前記第１対物光学系と前記被計測物とを相対移動させたときに前記撮像装置の検出信号に基づいて前記被計測物の高さ情報を求める演算装置と、
   を備えることを特徴とする高さ計測装置。
2. 前記光路長調整装置は、前記第２対物光学系と前記参照部材とを一体的に前記第２対物光学系の光軸方向に移動する駆動装置を有することを特徴とする請求項１に記載の高さ計測装置。
3. 前記光路長調整装置は、前記撮像装置の検出信号から得られる前記干渉像のコントラストに基づいて前記駆動装置を駆動する制御部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高さ計測装置。
4. 前記移動装置は、前記分岐光学系、前記第１対物光学系、前記第２対物光学系、及び前記参照部材を含む光学系を一体的に前記第１対物光学系の光軸方向に移動することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の高さ計測装置。
5. 前記計測用の光は、２００ｎｍ以上の波長帯を含む光であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の高さ計測装置。
6. 被計測物の高さを計測する方法であって、
   計測用の光を第１光束及び第２光束に分岐することと、
   前記第１光束を前記被計測物に導くことと、
   前記第２光束を集光して反射することと、
   前記被計測物で反射された前記第１光束と、前記反射された前記第２光束との干渉像を検出することと、
   前記干渉像に基づいて前記第２光束の光路長を調整することと、
   前記第１光束と前記被計測物とを前記第１光束の光軸方向に相対移動しながら前記干渉像の検出信号を得ることと、
   前記干渉像の検出信号から前記被計測物の高さ情報を求めることと、
   を含む高さ計測方法。
7. 前記第２光束の光路長の調整は、前記第１光束の光路中に配置される媒質による光路長の変化に応じて行われる請求項６に記載の高さ計測方法。
8. 前記第２光束の光路長を調整することは、前記第１光束及び前記第２光束を分岐する分岐光学系に対して前記第２光束を集光する光学系及び前記第２光束を反射する参照部材を一体的に前記第２光束の光軸方向に移動することである請求項６又は７に記載の高さ計測方法。
9. 前記第２光束の光路長を調整することは、前記干渉像のコントラストに基づいて行われることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の高さ計測方法。

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