JP2013213695A

JP2013213695A - 形状測定装置

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Publication number: JP2013213695A
Application number: JP2012083244A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Takemura; 安弘竹村
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を提供する。
【解決手段】コヒーレント光源１２と、走査光学系２１と、第１検出光学系３１とを備えた共焦点光学系１Ａと、試料Ｓの表面上までの高さを変化させる可動機構２９とを備え、共焦点光学系１Ａに光束を分岐するビームスプリッタ２４を設けると共に、ビームスプリッタ２４により分岐された一方の光束を反射し第１検出光学系３１に入射させる参照ミラー２６を設け、試料Ｓ上の測定対象部位の隣接する３箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この３箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に試料Ｓの各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置に関し、特に詳しくは、走査型の共焦点光学系を用いて微細な３次元形状の測定あるいは観察を行う形状測定装置に関するものである。

微細な３次元形状の測定／観察を行う装置として、白色光干渉光学系を用いた装置（特許文献１、２）や共焦点光学系を用いた装置（非特許文献１）が知られている。
いずれの装置も、高さ方向の測定は、光学系と試料（対象物）との距離（測定高さ）を所定の間隔でずらしながら、試料に照明光を照射し、試料から出射した光束の光量を測定することにより行う。

白色光干渉光学系を用いた装置においては、可視光域の広いスペクトル成分を有するコヒーレンスの低い光束を試料と参照面に照射して、それぞれから反射した光束を合波し、撮像素子に入射させる。この撮像素子の各画素上では、試料から反射した光束と参照面から反射した光束とが重なりあうが、光源のコヒーレンスが低いので、それぞれの光路長がほぼ一致した領域のみ干渉波形が現れる。この干渉波形の包絡線ピークの位置から各画素に対応した試料の部位の高さが測定され、ピーク時の干渉振幅により試料の当該部位の強度画像が得られる。

試料と光学系との距離は、所定の間隔にてサンプリングしていく。ここで、ピークの位置を求めるには、垂直走査白色光干渉（ＶＳＩ：Vertical Scanning Interferometry）法を基本として、幾つかの方法が提案されている（特許文献３等参照）。
一方、共焦点光学系を用いた装置については、幾つかの方式があるが、レーザを光源として共焦点光学系を構成し、試料上にできたレーザスポット位置を測定面内で走査して、各サンプリングポイントにおける反射光量を検出することにより、２次元画像を得る方式が広く用いられている。この共焦点光学系を用いる場合、通常の白色光方式と比較して測定面内の分解能（横分解能）やコントラストが高いのが特徴であり、特にＮＡが大きい対物レンズを使用した場合には、波長レベルの高さ方向分解能（縦分解能）が得られる。

特表２００９−５０９１５０号公報特表平０９−５０３０６５号公報特許第３５１１０９７号公報

河田聡、南茂夫、「光学走査顕微鏡」、光学、１９８９年発行、第１８巻、第８号、第３８０頁

ところで、従来の白色光干渉光学系を用いた装置では、共焦点光学系を用いた装置と比較して横分解能が低いという問題点があった。
一方、共焦点光学系を用いた装置では、対物レンズのＮＡが小さいときに、ＮＡの二乗に比例して縦分解能が著しく低くなるという問題点があった。
このように、それぞれの方式により特長が異なり、横分解能と縦分解能の両方が高い形状測定装置が得られないという問題点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、共焦点光学系を用いた装置の場合に、横分解能と縦分解能の双方を高めることができ、したがって、横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については対物レンズの焦点距離に関わりなく波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、共焦点光学系を用いた形状測定装置について、走査光学系に第１の光源から出射した光束を分岐する第１の分岐手段を設けると共に、第１の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し検出光学系に入射させる反射手段を設け、試料上の測定対象部位の隣接する３箇所以上の測定高さの干渉出力（出力光量）を検出し、この３箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力（出力光量）のピーク位置（高さ）と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することとすれば、横分解能と縦分解能の双方を高めることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の形状測定装置は、第１の光源と、前記第１の光源から出射した光束を試料の表面上にて走査しつつ前記表面上に収束させる走査光学系と、前記試料と相互作用した光束を検出する検出光学系とを備えた共焦点光学系と、前記試料の表面上までの高さを変化させる可変手段とを備えた形状測定装置であって、
前記共焦点光学系に前記光束を分岐する第１の分岐手段を設けると共に、前記第１の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し前記検出光学系に入射させる反射手段を設け、
前記試料上の測定対象部位の隣接する３箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この３箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することを特徴とする。

前記高さの位相解析を行う範囲を、前記干渉パターンの１周期を超えて設定し、前記範囲の始点から干渉パターンの１周期を超えた各測定点の始点からの相対的な位相を、前記１周期の範囲に対応させて位相解析を行うことが好ましい。
前記干渉パターンのピーク位置と振幅は、位相シフト（ＰＳＩ）法を用いて算出することが好ましい。

前記光源と比べてコヒーレンスの低い第２の光源と、この第２の光源から発生した第２の光束を前記走査光学系の対物レンズを介して前記試料の表面上に導く第２の光学系と、前記試料と相互作用した第２の光束を結像させる結像レンズと、この結像レンズの結像面に配置した撮像素子とからなり、前記反射手段を前記共焦点光学系と共有する低コヒーレンス光学系を備え、前記反射手段から前記分岐手段までの光学距離は、前記分岐手段から前記対物レンズの焦点までの光学距離と略等しく、前記試料の高さ測定の対象となる位置に対応する低コヒーレンス像の位置における各高さの情報から、前記低コヒーレンス像の測定部位に対する画素の強度がピークとなる高さを求め、このピークとなる高さの周辺の高さについて、前記共焦点光学系の干渉出力データから、前記共焦点光学系におけるピーク位置の出射光量を求めることが好ましい。
前記第１の分岐手段は，前記反射手段への分岐比が１／３以下であることが好ましい。

校正時または測定開始時に、前記第１の光源の名目上の波長から求められる干渉パターンの１周期分の高さ変位の中から４箇所以上の位置を選び出して干渉出力を取得し、これらの干渉出力データから実際の波長を求めることが好ましい。
前記４箇所以上の位置にて取得する干渉出力データは、前記試料の表面上の走査面内の1点または１ラインのデータのみとすることが好ましい。

本発明の形状測定装置によれば、共焦点光学系に光束を分岐する第１の分岐手段を設けると共に、第１の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し検出光学系に入射させる反射手段を設け、試料上の測定対象部位の隣接する３箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この３箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出するので、横分解能と縦分解能の双方を高めることができる。したがって、横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については対物レンズの焦点距離に関わりなく波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を実現することができる。

本発明の一実施形態の形状測定装置を示す概略構成図である。本発明の一実施形態の形状測定装置における様々な干渉波形を示す図である。本発明の一実施形態の形状測定装置によりデータを取得する手順を示す流れ図である。本発明の一実施形態の形状測定装置により取得したデータから対象部位の高さと出射光量を求める手順を示す流れ図である。

本発明の形状測定装置を実施するための形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態の形状測定装置を示す概略構成図であり、この形状測定装置１は、共焦点光学系１Ａと、低コヒーレンス光学系１Ｂと、形状測定装置１の動作制御及び信号処理を実行する制御装置２と、形状測定装置１からの微細な３次元形状の画像や測定に関する情報等を表示するためのディスプレイ（図示略）とを備えている。
共焦点光学系１Ａは、コヒーレントな光束を出射する第１照明光学系１１と、この第１照明光学系１１から出射した光束を試料Ｓの表面上にて走査しつつ、この表面上に収束させる走査光学系２１と、試料Ｓから発生する光をピンホール（共焦点絞り）３４を介して検出する第１検出光学系３１とを備えている。

第１照明光学系１１は、コヒーレントな光束を出射するコヒーレント光源（第１の光源）１２と、コヒーレント光源１２から出射する光束を平行光化するコリメータレンズ１３とを備えている。
コヒーレント光源１２は、コヒーレントな光束を出射するレーザ光源、例えば、紫色レーザ光を発光する半導体レーザ（ＬＤ）である。このコヒーレント光源１２は、制御装置２により制御されるレーザ駆動回路（図示略）により駆動される。

走査光学系２１は、第１走査ミラー２２と、瞳リレーレンズ（ｆθレンズ）や走査ミラー等を組み合わせて光路を構成する光学系２３と、ビームスプリッタ（第１の分岐手段）２４と、対物レンズ２５と、参照ミラー（反射手段）２６と、対物レンズ２７とを備えている。
第１走査ミラー２２はレゾナンスミラーにより構成されており、この第１走査ミラー２２を紙面に垂直なＹ軸の回りに回転させることで、反射する光束をＸ軸方向（紙面に水平な一方向）に偏向させる。この第１走査ミラー２２は、ミラー駆動部（図示略）により回転可能であり、その回転駆動は制御装置２により制御されている。

光学系２３は、瞳リレーレンズ（ｆθレンズ）や走査ミラー（図示略）等を組み合わせた光学系である。この光学系２３では、図示しない走査ミラーを紙面に水平なＸ軸の回りに回転させることで、光束をＹ軸方向（紙面に垂直な一方向）に偏向させることが可能である。
参照ミラー２６は、この参照ミラー２６からビームスプリッタ２４までの光学距離が、ビームスプリッタ２４から対物レンズ２７の焦点面までの光学距離と略等しくなる位置に配置され、ビームスプリッタ２４により分岐され対物レンズ２５により集光された光束を、参照光束として元の方向に反射し、第１検出光学系３１に入射させる。

なお、参照光束の生成に関するビームスプリッタ２４、対物レンズ２５、参照ミラー２６の機能を対物レンズ２７に組み込んだ干渉対物レンズが市販されている。干渉対物レンズには、ミラウ型、マイケルソン型があり、これらは共に使用可能であるが、マイケルソン型は低倍率等、ワーキングディスタンス（ＷＤ）が長い対物レンズに好適である。したがって、これらの干渉対物レンズを使用する場合、低コヒーレンス光学系１Ｂも使用しなければ、ビームスプリッタ２４、対物レンズ２５、参照ミラー２６を図示の位置に配設することは不要となる。

ステージ２８は試料Ｓを載置するもので、光軸に沿って移動させることで試料Ｓの表面の高さを変化させることができるように可動機構（可変手段）２９上に固定されている。この可動機構２９により試料Ｓの表面の高さを変化させることで、光束の縦走査を行うことができる。なお、可動機構２９を可動させる替わりに、対物レンズ２７を可動機構２９に固定し、試料Ｓとの距離を可変にしてもよい。

このように、第１走査ミラー２２により、試料Ｓの表面にて光束をＸ軸方向に偏向させる動作を行うことにより、試料Ｓの表面（ＸＹ平面）における一次元走査（Ｘ軸方向の走査）が可能である。
また、第１走査ミラー２２による光束をＸ軸方向に偏向させる動作と、光学系２３による光束をＹ軸方向に偏向させる動作とを組み合わせれば、試料Ｓの表面（ＸＹ平面）の二次元走査が可能になる。
この第１走査ミラー２２によりＸ軸方向に偏向された光束は、ビームスプリッタ２４を透過して対物レンズ２７に入射し、試料Ｓ上に集光される。

第１検出光学系３１は、ビームスプリッタ３２と、ピンホールレンズ３３と、ピンホール（共焦点絞り）３４と、光検出器３５とを備えている。
ビームスプリッタ３２は、第１照明光学系１１と走査光学系２１との間に配置され、試料Ｓに照射する光束と試料Ｓから発生する光束とを分離する。

ピンホールレンズ３３は、ビームスプリッタ３２から入射する光をピンホール３４に集光する。
光検出器３５は、ピンホール３４を通過して入射する光を検出し、その受光量を電気信号に変換して出力する素子であり、この光検出器３５としては、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管等を挙げることができる。
この光検出器３５では上記の電気信号を制御装置２に出力し、この制御装置２では演算部６２が光検出器３５からの電気信号に基づき表示画像の電気信号を作製し、ディスプレイ（図示略）にて表示画像を表示する。

この共焦点光学系１Ａにおいては、コヒーレント光源１２から出射された光束は、コリメータレンズ１３により平行光とされた後、ビームスプリッタ３２を透過し、走査光学系２１の第１走査ミラー２２に入射する。
この走査光学系２１に入射した光束は、第１走査ミラー２２により試料Ｓの表面のＸＹ平面内のＸ軸方向に偏向され、ビームスプリッタ２４を透過して対物レンズ２７により試料Ｓの表面の任意の位置に焦点が合わされて照射される。
例えば、試料Ｓの表面にて、光束をＸ軸方向に偏向させる動作を、Ｙ軸方向に沿って繰り返し行うことにより、試料Ｓの表面（ＸＹ平面）の二次元走査が可能である。

この共焦点光学系１Ａでは、試料Ｓ上の測定対象部位の隣接する３箇所以上の測定高さの干渉出力（出力光量）を検出し、この３箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力（出力光量）のピーク位置（高さ）と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に、試料Ｓの各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することができる。

一方、低コヒーレンス光学系１Ｂは、試料Ｓに低コヒーレンス（白色）の光を照射する第２照明光学系（第２の光学系）４１と、この光が照射された試料Ｓからの反射光を検出する第２検出光学系５１とを備えている。
この低コヒーレンス光学系１Ｂは、ビームスプリッタ２４、対物レンズ２７、対物レンズ２５、参照ミラー２６を共焦点光学系１Ａと共有しており、上述したビームスプリッタ２４により光路を分岐させている。

第２照明光学系４１は、白色の照明光を出射する白色光源（第２の光源）４２と、コレクタレンズ４３と、ハーフミラー４４とを備えている。このハーフミラー４４により光路を分岐させており、試料Ｓおよび参照ミラー２６から戻ってきた光束は、ハーフミラー４４で反射されて、第２検出光学系５１に到達する。

白色光源４２としては、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ等が挙げられる。
コレクタレンズ４３は、白色光源４２から出射された白色光を集光して結像させる。その際、白色光干渉光学系では、対物レンズを通して、光源の像が試料Ｓ面上および参照ミラー２６上に結像するようにすることが多いが、必ずしもそのようにする必要はない。例えば、光源の像が対物レンズ２７および対物レンズ２５の瞳面近傍に結像するように設定することも可能である。
ハーフミラー４４は、白色光源４２から出射される光を透過させる一方、試料Ｓから発生する光を反射させる光学素子である。

第２検出光学系５１は、ハーフミラー４４と、結像レンズ５２と、この結像レンズ５２の結像面に配置した撮像素子５３とを備えている。
ハーフミラー４４は、第２照明光学系４１と第２検出光学系５１の分岐を行うもので、第２照明光学系４１の光軸に配置されることで、試料Ｓにて反射された光を結像レンズ５２側へ反射させる。結像レンズ５２は、入射光を撮像素子５３の撮像面に集光させ、試料Ｓの像を撮像素子５３上に結像させる。撮像素子５３は、入射光を検出することにより試料Ｓの画像を形成する。

この低コヒーレンス光学系１Ｂにおいては、白色光源４２から出射された白色の照明光は、コレクタレンズ４３、ハーフミラー４４を通過し、ビームスプリッタ２４に入射する。その後、この白色の照明光はビームスプリッタ２４にて反射され、対物レンズ２７により試料Ｓ上に集光される。

試料Ｓの表面にて反射された光は、対物レンズ２７を通過し、ビームスプリッタ２４にて反射され、さらにハーフミラー４４にて反射され、結像レンズ５２にて集光されて撮像素子５３の撮像面に結像する。これにより、試料Ｓの観察画像（非共焦点画像）が形成される。それと同時に、ビームスプリッタ２４を透過した照明光は、参照ミラー２６で反射され、再びビームスプリッタ２４を透過してハーフミラー４４で反射され、結像レンズ５２を通って撮像素子５３に入射する。

この低コヒーレンス光学系１Ｂを用いることにより、試料Ｓの高さ測定の対象となる位置に対応する低コヒーレンス像の位置（画素）における各測定高さの出力から、この低コヒーレンス像の強度がピークとなる高さを求め、このピークとなる高さの周辺の高さについて、共焦点光学系１Ａの出力データから、出力光量のピーク値、すなわち試料Ｓの対象部位の出射光量を求めることができる。

また、制御装置２は、共焦点光学系１Ａの二次元走査を制御する図示しない制御部と、ステージ２８の高さを制御する制御部６１と、共焦点光学系１Ａ及び低コヒーレンス光学系１Ｂそれぞれからの出力信号を基に各種演算を行う演算部６２と、撮像素子５３からの出力信号を入力し演算部６２に送る受像回路６３とにより構成されている。

次に、この形状測定装置１の動作について説明する。
まず、ステージ２８の縦走査の範囲を決め、この縦走査の開始位置にステージ２８をセットする。ここでは、コヒーレント干渉波形の種類や白色光干渉を併用するか否かに合わせて、データ取得を行う。

（１）図２のコヒーレント干渉波形（１）に対応している場合
まず、ステージ２８の位置を縦方向に一定間隔で動かしながら、所定の縦走査の範囲のデータ取得を行い、その後、取得したデータを用いてＰＳＩ法等により各対象部位の高さ、出射光量を算出（推定）する。
ＰＳＩ法は、干渉の周期を一定間隔に分割して干渉出力データを取るのが基本であり、例えば、４箇所以上のデータを使用する場合には、分割する位置にはある程度の誤差が許容されている。この詳細については、文献１「Kieran G. Larkin，J.O.S.A，Vol.13，No.4，p.832，1996」に記載されている。
また、光学系の焦点深度が浅い場合には、焦点ずれによる受光強度の変化が波長と同等の距離の中で発生するので、干渉波形の１周期程度の間隔内で処理をしていく必要がある。
例えば、５箇所から取得したデータを使用する５ステップ法を用いた場合、データ取得の間隔は、用いる光源のレーザ波長の１／８程度が好ましい。これにより、干渉出力変化の１周期内に、４つの測定位置が入ることになる。

したがって、所定の縦走査の範囲のデータ取得が終了したら、下記の解析により、干渉波形のバイアス及び位相を求める。
ここでは、光検出器３５について、検出光量がピークに対して一定割合（例えば５０％）以上となっている測定高さの範囲のみ、下記の解析を行う。
なお、上記の一定割合の判定を行う場合、検出光量が干渉により変動するので、測定ごとの移動平均を取る等して、測定データの平滑化を図るとよい。
所定の縦走査の範囲のデータ取得が終了したら、干渉波形のバイアス及び位相を求める。

干渉波形Ｓ（ｚ）は、下記の式（１）により表すことができる。

ただし、式（１）中、ｚは原点からの縦（光軸）方向の測定位置、φは原点からのピーク位置（位相）、λは波長、Ａは振幅、Ｂはバイアス、ｎは屈折率（既知）である。

この形状測定装置１では、光束は試料Ｓで反射するので、高さ変位（ｚ）に対して２倍の光路長変化を受けることになる。
なお、Ａ、Ｂ、λ、φの４つの未知数は、４つ以上の測定高さにおける高さ変位（ｚ）各々について干渉出力Ｓ（ｚ）を取得することで求めることができる。
上記の演算を、使用するデータ位置（測定高さ）を一定個数ずつずらして繰り返して行うと、各々の位置（測定高さ）の近傍の干渉ピークの位置（包絡線のピーク位置から干渉パターン周期の１／４ずれた位置）と、その干渉出力Ｓ（ｚ）が求められる。そこで、ひとつずつずらして繰り返し演算を行えば、演算量は多くなるものの、振幅の変化が急激な場合に対応することができる。

次いで、この干渉出力Ｓ（ｚ）が最も大きい位置（包絡線のピーク位置）について、次のようにして試料Ｓからの出射光の光量を求める。
ここで、参照光の振幅をＡ_ｒ、試料Ｓからの光の振幅をＡ_０とすると、式（１）のバイアスＢ及び振幅Ａは、次の式（２）及び式（３）により表すことができる。
Ｂ＝Ａ_ｒ ^２＋Ａ_０ ^２ ……（２）
Ａ＝２Ａ_ｒ・Ａ_０ ……（３）
ただし、参照光の光量（Ａ_ｒ ^２）は一定で、事前に測定しておくことが可能であるから、式（２）を用いて、バイアスから参照光の光量を差し引くことにより、試料からの光の光量（Ａ_０ ^２）を求めることができる。また、参照光の振幅Ａ_ｒは定数であるから、試料Ｓからの光の振幅Ａ_０はＡと比例するとみなすことができ、したがって、式（３）のＡを求めることで、相対値としての試料Ｓからの光の振幅をＡ_０を求めることができる。

なお、干渉を使わない通常の反射型共焦点光学系では、フォーカスずれ（上記のｚに相当）に対する検出光量の特性を取ると、ピーク光量に対して半分の光量となるｚの範囲が、対物レンズのＮＡが０．９程度以上の高いときには、概ね波長のオーダーとなる。したがって、共焦点光学系のｚ方向の分解能は、可視光を用いた場合、０．１μｍ〜１μｍとなる。
これに対して、上記のように位相を解析してピーク位置を求めた場合、共焦点光学系のＳＮ比等に依存するが、干渉周期の１／１００〜１／１００００の分解能を得ることができる。この分解能は、可視光においては０．１ｎｍ〜０．０１μｍ程度に相当する。

なお、共焦点光学系に干渉を導入することにより、光量の変化が通常の光学系と比較して急峻になるので、ピークを示す干渉周期を特定し易くなり、高さ変化の大きい試料Ｓに対しても、高分解能で高さを検出することが可能となる。

（２）図２のコヒーレント干渉波形（２）に対応する場合
対物レンズのＮＡが比較的小さく、かつ焦点深度が深い場合には、光検出器３５の各画素については、ピーク光量に対して一定以上の割合になる範囲が広くなる。これに伴ない、その期間に含まれる干渉周期の数も多くなり、特にピークの近くでは干渉周期毎の光量変化が小さくなる。
ここで、焦点深度が波長より著しく深い場合、例えば、波長が１μｍ以下かつ焦点深度が５０μｍ以上の場合には、振幅とバイアスが一定とみなせるような、焦点深度より十分小さく、かつ波長の１／２より長い間隔、例えば２μｍの中で決められた数のデータを取得し、上記（１）と同様の処理を行う。

ただし、処理する３つ以上のデータの範囲が１周期を超えると、下記の式（４）のようになる。

ただし、式（４）中、ｚは原点からの縦（光軸）方向の測定位置、φは原点からのピーク位置（位相）、λは波長、Ａは振幅、Ｂはバイアス、ｎは屈折率（既知）、Ｎは整数である。

この場合、位相が一意に決まらなくなるので、測定したデータ範囲の平均の位置に最も近いＮを採用する必要がある。この式（４）においても、Ｂ及びＡは一定とみなすことができるので、全く問題はない。
次いで、上記のデータ範囲を一つずつずらして計算し、Ａの値が最も大きくなる位置の近傍の位相と振幅（Ａ）を採用する。
なお、３ステップ法を用いる場合に、測定開始時に出力光量の変化が大きい場合には、干渉周期内で４箇所以上のデータをとり、このデータに基づき波長を正確に求めておき、次いで、干渉周期に対して０度＋３６０度×ｎ、９０度＋３６０度×ｎ、１８０度＋３６０度×ｎ（ただし、ｎは整数）の各ステップでデータを取得するのがよい。
この方法では、縦方向の走査範囲が長くなった場合においても高速化が可能である。

（３）図２のコヒーレント干渉波形（３）で焦点深度が非常に深い場合
焦点深度が非常に深く、コヒーレント干渉波形（３）のようになると、振幅とバイアスがほぼ一定に近くなるので、包絡線ピークを正確に求めることが難しくなる。
そこで、低コヒーレンス光学系１Ｂを併用して、低コヒーレンス干渉法（ＶＳＩ法）により包絡線ピーク位置を求める。
低コヒーレンス光学系１Ｂを用いる場合には、ビームスプリッタ２４から試料Ｓの表面までの光学距離と、ビームスプリッタ２４から参照ミラー２６までの光学距離とを、正確に一致させる必要がある。その理由は、コヒーレンス長が短い光は、光路長がコヒーレンス長以下（数μｍ程度）で一致しないと干渉パターンが得られないからである。

この場合には、共焦点光学系１Ａの干渉出力データ（共焦点画像）及び共焦点光学系１Ａの１点あるいは１ラインの干渉出力部分データの取得時に、同じステージ位置で低コヒーレンス画像の取得を行う。
なお、ＶＳＩ法を用いて低コヒーレンス光学系１Ｂのデータにより高さを求める場合、精度良く高さを求めるには、測定高さのステップをより細かく設定する必要がある。その場合、低コヒーレンス画像の取得は、共焦点画像を取得するときだけではなく、その間の高さでも取得を行うとよい。
低コヒーレンス画像の取得時には、共焦点光学系１Ａの半導体レーザ等のコヒーレント光源１２の出力をオフにし、共焦点光学系１Ａの干渉出力データの取得時には、シャッタ等を用いて低コヒーレンス光学系１Ｂから出力される光束が共焦点光学系１Ａに入らないようにする必要がある。

この場合のデータ取得の手順を図３を用いて説明する。
まず、縦走査開始位置にステージ２８をセットする（ステップＳ１）。
次いで、縦走査開始後、最初に一定以上の光量が検出された画素またはラインについて、高さ４箇所で１点または１ラインの共焦点データを取得し、これらの共焦点データから波長を算出する（ステップＳ２）。

このようにして波長を算出することができたならば、低コヒーレンス画像を取得し（ステップＳ３）、次いで、設定された共焦点画像取得間隔から共焦点画像を取得するか否かの判定を行い（ステップＳ４）、共焦点画像を取得する場合には共焦点画像取得の動作を行い（ステップＳ５）、次いで、対物レンズが縦走査終了位置に到達したか否かを判定し（ステップＳ６）、対物レンズが縦走査終了位置に到達していなかった場合には、対物レンズを縦方向に移動させ（ステップＳ７）て再度、低コヒーレンス画像取得（ステップＳ３）以降のステップを行い、対物レンズが縦走査終了位置に到達していた場合には、画像取得を終了する（ステップＳ８）。

なお、低コヒーレンス画像の取得は、そのコヒーレンス長（数μｍ〜数十μｍ）より十分短い間隔で行なっていく必要があるが、共焦点画像は、焦点深度の数分の１程度の間隔に設定すればよい。このように、低コヒーレンス画像と比較して、共焦点画像の取得回数を小さくすることができる。
また、低コヒーレンス光学系１Ｂの白色光源４２がレーザダイオード（ＬＥＤ）等の比較的高速にオン／オフできるものである場合には、別途シャッター等を用いずに、白色光源４２自体でオン／オフしてもよい。

次に、このようにして取得したデータから、対象部位（画素）の高さと出射光量を求める手順について、図４に基づき説明する。
縦走査が終了したら、取得した低コヒーレンス画像データの各画素について、高さ（ｚ位置）と干渉出力のパターンを作成する（ステップＳ１１）。このパターンの一例が図２の「（４）白色光干渉波形」である。

次いで、このパターンから包絡線ピーク位置、すなわち、対象画素に相当する部位の高さを求める（ステップＳ１２）。白色光（低コヒーレンス）干渉の包絡線ピーク位置を求める方法については、最も簡便には、各測定高さのデータを補間したり、移動平均を取ったりして求めることができるが、そのほかにも、できるだけ少ないデータで精度の高い検出を行うために、既に様々な方法が提案されている（例えば、上記の文献１等）。
ここで算出した高さに隣接する高さ３箇所以上の共焦点光学系１Ａの出力データを用いて、白色光干渉包絡線ピークに隣接する走査画像取得位置（高さ）５箇所の対象画素干渉波形の位相を算出し（ステップＳ１３）、次いで、走査画像対象画素の出射光強度を算出する（ステップＳ１４）。

（４）上記の（１）〜（３）の場合において、測定の最初に波長を求めて測定回数を削減する場合
測定の最初に波長を求めることにより、測定回数の削減が可能である。その場合、次の手順で測定を行う。
まず、縦走査開始位置にステージ２８をセットする。
次いで、縦走査開始後、最初に一定以上の光量が検出された画素またはラインについて、高さ４箇所で１点または１ラインの共焦点データを取得し、式（１）によりこれらの共焦点データから波長を算出する。

これらの共焦点データを画面に表示した場合、波長は画面全体に亘って一定であるから、画面上の全てのデータを取る必要はなく、面内走査は、副走査方向の走査は止めておいて１ラインのみの走査を行うか、あるいは全く面内走査を行わず１点のみのデータを取得しても良い。

その後、画面全体のデータを取る際には、干渉波形１周期につき、波長の１／８ずつ（すなわち干渉波形Ｓ（ｚ）の１／４ずつ）位置をずらして計３回のデータをとり、３ステップ法でピーク位置と出力を求める。通常、走査による共焦点画像を取得する方が、白色光画像を取得するよりも時間がかかるので、共焦点画像の取得回数が減れば、それだけ測定の高速化が期待される。

なお、１ラインの各画素で波長を求めた場合には、これを平均して波長の実測値としてもよい。
また、干渉波形の１周期を４分割して移動していくので、共焦点画像をとった３回の他に、残りの１回で１画素または１ラインのデータを取得することにより、これら計４回のデータを基に波長を算出し、測定途中で波長を補正してもよい。これにより、測定中の波長変動の影響を軽減することができる。

上記の（１）〜（４）においては、参照光路の分岐比を１／１０程度とした場合、光検出器３５に入る光量は１／１００程度となり、試料Ｓ上で相互作用した結果１／１００００程度の光量になったとしても、参照光との干渉パターンを検出することが可能である。

以上説明したように、本実施形態の形状測定装置１によれば、試料Ｓ上の測定対象部位の隣接する３箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この３箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に試料Ｓの各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出するので、横分解能と縦分解能の双方を高めることができる。したがって、横方向については共焦点型の分解能を有し、縦方向については対物レンズの焦点距離に関わりなく波長オーダーまたはそれ以下の分解能を有する三次元の形状計測装置を実現することができる。

１形状測定装置
１Ａ共焦点光学系
１Ｂ低コヒーレンス光学系
２制御装置
１１第１照明光学系
１２コヒーレント光源（第１の光源）
２１走査光学系
２２第１走査ミラー
２４ビームスプリッタ（第１の分岐手段）
２５、２７対物レンズ
２６参照ミラー（反射手段）
２８ステージ
２９可動機構
３１第１検出光学系
３２ビームスプリッタ
３５光検出器
４１第２照明光学系（第２の光学系）
４２白色光源（第２の光源）
５１第２検出光学系
５２結像レンズ
５３撮像素子
Ｓ試料

Claims

第１の光源と、前記第１の光源から出射した光束を試料の表面上にて走査しつつ前記表面上に収束させる走査光学系と、前記試料と相互作用した光束を検出する検出光学系とを備えた共焦点光学系と、前記試料の表面上までの高さを変化させる可変手段とを備えた形状測定装置であって、
前記共焦点光学系に前記光束を分岐する第１の分岐手段を設けると共に、前記第１の分岐手段により分岐された一方の光束を反射し前記検出光学系に入射させる反射手段を設け、
前記試料上の測定対象部位の隣接する３箇所以上の測定高さの干渉出力を検出し、この３箇所以上の測定高さの近傍の干渉出力のピーク位置と振幅を求める操作を各測定高さ毎に繰り返し行い、得られた干渉パターンの振幅の最大値及びその高さを基に前記試料の各測定対象部位の高さ及び出射光量を算出することを特徴とする形状測定装置。
前記高さの位相解析を行う範囲を、前記干渉パターンの１周期を超えて設定し、前記範囲の始点から干渉パターンの１周期を超えた各測定点の始点からの相対的な位相を、前記１周期の範囲に対応させて位相解析を行うことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
前記干渉パターンのピーク位置と振幅は、位相シフト（ＰＳＩ）法を用いて算出することを特徴とする請求項１または２記載の形状測定装置。
前記光源と比べてコヒーレンスの低い第２の光源と、この第２の光源から発生した第２の光束を前記走査光学系の対物レンズを介して前記試料の表面上に導く第２の光学系と、前記試料と相互作用した第２の光束を結像させる結像レンズと、この結像レンズの結像面に配置した撮像素子とからなり、前記反射手段を前記共焦点光学系と共有する低コヒーレンス光学系を備え、
前記反射手段から前記分岐手段までの光学距離は、前記分岐手段から前記対物レンズの焦点までの光学距離と略等しく、前記試料の高さ測定の対象となる位置に対応する低コヒーレンス像の位置における各高さの情報から、前記低コヒーレンス像の測定部位に対する画素の強度がピークとなる高さを求め、このピークとなる高さの周辺の高さについて、前記共焦点光学系の干渉出力データから、前記共焦点光学系におけるピーク位置の出射光量を求めることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の形状測定装置。
前記第１の分岐手段は，前記反射手段への分岐比が１／３以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の形状測定装置。
校正時または測定開始時に、前記第１の光源の名目上の波長から求められる干渉パターンの１周期分の高さ変位の中から４箇所以上の位置を選び出して干渉出力を取得し、これらの干渉出力データから実際の波長を求めることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の形状測定装置。
前記４箇所以上の位置にて取得する干渉出力データは、前記試料の表面上の走査面内の1点または１ラインのデータのみとしたことを特徴とする請求項６記載の形状測定装置。