JP2015052536A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測面に関する計測値を得るのに有利な計測装置を提供する。【解決手段】計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、前記干渉信号を生成する干渉光学系を含む計測ヘッドと、前記計測面におけるアライメントターゲットの位置を前記干渉信号に基づいて求め、前記アライメントターゲットの位置と前記干渉信号とに基づいて、前記計測値を求める処理部と、を有することを特徴とする計測装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、計測面に関する計測値を得る計測装置に関する。

天体観測のために地上に設置される望遠鏡の主鏡の大きさは、望遠鏡の性能を向上させるために、次第に大きくなってきている。例えば、すばる望遠鏡においては、１枚のミラーで構成される主鏡は、８．２ｍの大きさを有する。

近年では、複数の六角形のミラー（セグメントミラー）を繋ぎ合わせて構成された複合ミラーを主鏡として用いる望遠鏡が提案されている。例えば、ＴＭＴ（Ｔｈｉｒｔｙ Ｍｅｔｅｒ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ）の主鏡は、４９２枚のセグメントミラー（外周円の直径１．５ｍ、対角の長さ１．４４ｍの六角形のミラー）からなる複合ミラーを用いて、その有効口径３０ｍを実現しようとしている。

このような複合ミラーを構成するセグメントミラーを高精度に製造するためには、その反射面（ミラー面）を形成するための基板の形状（表面形状）を正確に計測する必要がある。例えば、ＴＭＴの主鏡を構成するセグメントミラーの計測においては、数ｎｍＲＭＳ程度の高い計測精度が必要とされている。このように大きな面の表面形状を数ｎｍＲＭＳ程度の精度で計測する技術として、接触型プローブを用いた計測装置が提案されている（特許文献１及び２参照）。

ＴＭＴの設置が想定されているハワイのマウナケア山の山頂付近は、その温度が２℃前後の低温になるため、通常、セグメントミラーが計測される２３℃の室温とは２０℃程度の温度差がある。このため、セグメントミラーの基板の熱収縮や計測時に用いる基板の取り付け冶具などの熱変形による計測誤差を考慮して、マウナケア山の山頂付近の温度と同じ２℃前後の低温においてセグメントミラー（の基板）を計測することが要求されている。

そこで、２℃前後の低温に維持された恒温チャンバーの内部に計測物（セグメントミラー）を収納して、恒温チャンバーの上面に光が透過する透過窓を配置し、かかる透過窓を介して計測物の形状を計測する非接触型プローブを用いた計測装置が提案されている。

一方、計測装置では、セグメントミラーの基板などの計測物を計測装置に設置したときの設置位置の正確さに応じて発生する計測誤差を低減することが重要となる。計測プローブに対する計測物の設置位置の誤差に起因する計測誤差（セッティング誤差）は、数ｎｍＲＭＳ程度の非常に高い精度で計測物を計測する場合、無視できないものとなる。セッティング誤差を低減する技術は、特許文献２に開示されている。

特許文献２では、図１７に示すように、計測物Ｔａの設置位置を示す３つの球面Ｔｂ、Ｔｃ及びＴｄを、計測物Ｔａの表面に設けている。そして、計測物Ｔａの表面に設けられた３つの球面Ｔｂ、Ｔｃ及びＴｄを接触型プローブＣＰで走査することで、セッティング誤差の原因となる接触型プローブＣＰに対する計測物Ｔａの設置位置の誤差を低減させている。

特開２００９−１４５０９５号公報 特開平１１−１７３８３５号公報

しかしながら、特許文献２の技術では、接触型プローブの先端形状が大きく、且つ、計測物の表面に設けられた球面も大きいため、接触型プローブと計測物との高精度な位置合わせが難しい。その結果、計測物の形状を数ｎｍＲＭＳ程度の精度で計測することが困難である。

また、上述したように、恒温チャンバーの内部に配置された計測物を計測する場合、接触型プローブでは、恒温チャンバーの隔壁が障害となり、計測物の表面に設けられた球面を走査することができない。従って、セッティング誤差の原因となる接触型プローブに対する計測物の設置位置の誤差を低減させることができない。

一方、恒温チャンバーに配置された透過窓を介して計測物の形状を計測する非接触型プローブを用いた計測装置は、恒温チャンバーの内部に配置された計測物の設置位置の誤差を低減するための構成を有していない。従って、かかる計測装置では、非接触型プローブに対する計測物の設置位置の誤差に起因するセッティング誤差を低減することができず、計測物の形状を数ｎｍＲＭＳ程度の精度で計測することが困難である。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、計測面に関する計測値を得るのに有利な計測装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、前記干渉信号を生成する干渉光学系を含む計測ヘッドと、前記計測面におけるアライメントターゲットの位置を前記干渉信号に基づいて求め、前記アライメントターゲットの位置と前記干渉信号とに基づいて、前記計測値を求める処理部と、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、計測面に関する計測値を得るのに有利な計測装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。 図１に示す計測装置の外観を示す概略図である。 干渉光学系と計測面とのＸＹ面内でのアライメントを説明するための図である。 干渉光学系と計測面とのＸＹ面内でのアライメントを説明するための図である。 計測面に形成されたアライメントマークを示す図である。 本発明の第２の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。 集光ビームと、計測面及び透過窓のそれぞれに形成されたアライメントマークとのアライメントを説明するための図である。 計測面及び透過窓のそれぞれに形成されたアライメントマークを示す図である。 本発明の第４の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。 図１０に示す計測装置の透過窓の構成を示す概略図である。 計測面及び第１透過窓のそれぞれに形成されたアライメントマークを示す図である。 本発明の第５の実施形態における計測装置の構成を示す概略図である。 干渉光学系と、計測面に形成されたアライメントマークとのアライメントを説明するための図である。 干渉光学系と、計測面に形成されたアライメントマークとのアライメントを説明するための図である。 計測面に形成されたアライメントマークを示す図である。 従来の計測装置の構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における計測装置１の構成を示す概略図である。図２は、計測装置１の外観を示す概略図である。計測装置１は、計測面（物体の面）で反射した計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブ（計測ヘッド）を備えた３次元形状計測装置として具現化される。計測装置１は、干渉光学系によって生成される干渉信号から計測面に関する計測値（例えば、計測面の形状に関する計測値）を得る。計測装置１は、例えば、曲率を有し、外周円の直径が１ｍを超すような計測面の形状（例えば、望遠鏡の主鏡として使用可能な複合ミラーを構成するセグメントミラーやその基板の表面形状）の計測に好適である。

計測装置１は、主な構成として、光源１０２と、ステージ１１２と、基準ミラー１１１と、干渉光学系１０３と、オートフォーカス系１４０と、検出部１０７Ａと、第１処理部１３０と、第２処理部１３１とを有する。干渉光学系１０３は、主に、干渉光学系１０４及び干渉光学系１０５で構成される。計測装置１において、干渉光学系１０３は、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。

光源１０１及び１０２は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。光源１０１及び１０２には、一般には、波長６６３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザが用いられ、光源１０１及び１０２から射出される光（平行光）は、直径６ｍｍ程度の大きさで用いられる。光源１０１及び光源１０２のそれぞれと後段の偏光ビームスプリッタとの間には、光ファイバやミラーなどが配置されていてもよい。

光源１０１から射出された光は、ステージ１１２に保持された干渉光学系１０４の偏光ビームスプリッタに入射する。かかる偏光ビームスプリッタは、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。光源１０１から射出された光は、基準ミラー１１１と両面１１４とで反射した第１計測光の光路長の変化を求めるために用いられ、偏光ビームスプリッタや参照面となるコーナーキューブ１１３などを通過して検出部１０７Ｂで検出される。

光源１０２から射出された光は、ステージ１１２に保持された干渉光学系１０５の偏光ビームスプリッタ１１７に入射する。干渉光学系１０５は、光源１０２からの光を２つの光に分割し、一方の光を、両面ミラー１１４及び集光レンズ１１８を介して計測面１２１に入射させ、他方の光を参照面に入射させ、計測面１２１で反射した光と参照面で反射した光とを干渉させる光学系である。本実施形態では、コーナーキューブ１１６が参照面となる。

光源１０２から射出された光は、両面ミラー１１４と計測面１２１とで反射した第２計測光の光路長の変化を求めるために用いられる。なお、光源１０１及び１０２から射出された光は、図１では、Ｙ軸又はＺ軸に平行であるように図示されているが、実際には、若干の傾き誤差を含んでいる。

計測装置１は、ダブルパス光学系である干渉光学系１０４及びシングルパス光学系である干渉光学系１０５を含む干渉光学系１０３を用いて、第１計測光の光路長の変化及び第２計測光の光路長の変化を求める。これにより、計測装置１は、計測面１２１の形状を高精度に計測することができる。

ステージ１１２は、図２に示すように、Ｘ軸駆動部２０１及びＹ軸駆動部２０２によって、ＸＹ平面内で駆動される。また、ステージ１１２は、Ｙ軸駆動部２０２及びＺ軸駆動部２０３によって、ＹＺ平面内で駆動される。Ｘ軸駆動部２０１、Ｙ軸駆動部２０２及びＺ軸駆動部２０３は、干渉光学系１０３を保持するステージ１１２を位置決めする位置決め機構として機能する。

偏光ビームスプリッタ１１７は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。従って、光源１０２からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１１７で反射してＺ軸と略平行な光となり、λ／４板１１５に入射する。また、光源１０２からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ１１７を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブ１１６に入射する。

λ／４板１１５に入射した光（計測光）は、λ／４板１１５を透過して円偏光の光となり、両面ミラー１１４で反射される。両面ミラー１１４で反射した光は、λ／４板１１５を再び透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ１１７を透過し、集光レンズ１１８を介して、計測ステージ１２２に保持された計測面１２１の上に集光される（計測面１２１の上に焦点を結ぶ）。計測光を計測面１２１の上に集光させる際には、オートフォーカス系１４０が用いられる。

ここで、オートフォーカス系１４０について、計測光を計測面１２１の上に集光させる方法とともに説明する。計測装置１において、集光レンズ１１８は、オートフォーカス系（調整部）１４０によって、集光レンズ１１８の光軸に沿った方向における位置が制御されている。具体的には、オートフォーカス系１４０は、集光レンズ１１８の焦点深度の範囲内に計測面１２１上の計測箇所が収まる（位置する）ように、集光レンズ１１８と計測面１２１との間の距離を調整（制御）する。

オートフォーカス系１４０は、例えば、計測部１４２と、フォーカス制御部１４３とを含む。オートフォーカス系１４０は、干渉光学系１０３を保持するステージ１１２及びＺ軸駆動部２０３を用いて、集光レンズ１１８の光軸に沿った方向における集光レンズ１１８の位置を制御する。計測部１４２は、集光レンズ１１８の光軸に沿った方向における位置（集光レンズ１１８によって集光される光のフォーカス状態）を計測する。また、フォーカス制御部１４３は、計測部１４２の計測結果（フォーカス状態）に基づいて、集光レンズ１１８の焦点深度の範囲内に計測面１２１上の計測箇所が収まるように、Ｚ軸駆動部２０３によるステージ１１２の駆動を制御する。Ｚ軸駆動部２０３は、上述したように、ステージ１１２をＺ軸方向に駆動する駆動部であるため、ステージ１１２によって保持される干渉光学系１０３の集光レンズ１１８を、集光レンズ１１８の光軸に沿った方向に移動させることができる。

計測部１４２の構成の一例について説明する。集光レンズ１１８によって集光される光が集光レンズ１１８の焦点深度の範囲外となると、計測面１２１で反射して集光レンズ１１８を再度通過した光は平行光ではなく、収束又は発散する。従って、シリンドリカルレンズと４分割センサとで計測部１４２を構成し、計測面１２１で反射した光を、ハーフミラー１４１を介して計測部１４２に入射させることによって、フォーカス状態を計測することができる。なお、ハーフミラー１４１は、ハーフミラー１４１を透過する光（透過光）とハーフミラー１４１で反射される光（反射光）とを適当な割合で分割する光学部品であって、透過光と反射光とをそれぞれ５０％に分割する光学部品に限定されるものではない。このように、計測部１４２は、計測面１２１で反射し、集光レンズ１１８に再度入射して、偏光ビームスプリッタ１１７を含む光学系に戻る光を利用して、フォーカス状態を計測することができる。

このようなダブルパス光学系の干渉光学系とシングルパス光学系の干渉光学系とを組み合わせて構成される非接触型プローブを備えた計測装置は、例えば、特願２０１２−１６５１３９に開示されている。

本実施形態の主な特徴として、計測面１２１の表面には、アライメントターゲットとしてのアライメントマーク１１９及び１２０が形成されている。また、計測装置１においては、オートフォーカス系１４０によって、集光レンズ１１８の焦点深度の範囲内に計測面１２１上の計測箇所が収まるよう調整することができる。従って、計測装置１は、オートフォーカス系１４０を利用して、計測面１２１の上のアライメントマーク１１９及び１２０に、集光レンズ１１８によって集光された光を照射する（入射させる）ことが可能である。

上述したように、計測装置１においては、集光レンズ１１８の焦点深度の範囲内に計測面１２１の上の計測箇所が収まるよう調整されている。従って、計測面１２１で反射した光（計測光）は、集光レンズ１１８を再び透過して平行光となり、偏光ビームスプリッタ１１７を透過してλ／４板１１５に入射する。

λ／４板１１５を透過して両面ミラー１１４で反射した計測光は、λ／４板１１５を再び透過してＳ偏光の光となる。λ／４板１１５を透過した計測光は、偏光ビームスプリッタ１１７及びハーフミラー１０６のそれぞれで反射され、レンズ１０８及びフォトダイオード１０９で構成された検出部１０７Ａに入射する。なお、ハーフミラー１０６は、ハーフミラー１０６を透過する光（透過光）とハーフミラー１０６で反射される光（反射光）とを適当な割合で分割する光学部品であって、透過光と反射光とをそれぞれ５０％に分割する光学部品に限定されるものではない。

一方、コーナーキューブ１１６に入射した光は、コーナーキューブ１１６で入射した方向に反射される。コーナーキューブ１１６で反射して、偏光ビームスプリッタ１１７に再び入射した光（参照光）は、偏光ビームスプリッタ１１７を透過し、偏光ビームスプリッタ１１７で反射した計測光とともに、ハーフミラー１０６で反射される。ハーフミラー１０６で反射した計測光及び参照光は、レンズ１０８及びフォトダイオード１０９で構成された検出部１０７Ａに入射する。

検出部１０７Ａでは、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。計測装置１において、第１処理部１３０は、検出部１０７Ａで検出されたヘテロダイン干渉信号の光量信号（強度）に基づいて、計測光、又は、計測光と参照光と合わせた信号光の光量の変化を求める。また、第２処理部１３１は、検出部１０７Ａで検出されたヘテロダイン干渉信号の位相情報に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。

計測装置１では、図２に示すＸ軸駆動部２０１及びＹ軸駆動部２０２によってステージ１１２をＸＹ平面内で駆動させながら、第１処理部１３０によってヘテロダイン干渉信号の光量情報を取得する。換言すれば、干渉光学系１０５からの光、即ち、集光レンズ１１８によって集光される光が計測面１２１上の複数の位置（計測箇所）に入射するように、干渉光学系１０３を位置決めしながら第１処理部１３０でヘテロダイン干渉信号の光量情報を取得する。そして、第１処理部１３０で取得されるヘテロダイン干渉信号の光量情報に基づいて計測光の光量の変化を求めることで、計測面１２１の表面に形成されたアライメントマーク１１９及び１２０の位置（形状）を高精度に計測する。

また、計測装置１では、Ｘ軸駆動部２０１及びＹ軸駆動部２０２によってステージ１１２をＸＹ平面内で駆動させながら、第２処理部１３１でヘテロダイン干渉信号の位相情報を取得する。換言すれば、干渉光学系１０５からの光、即ち、集光レンズ１１８によって集光される光が計測面１２１の上の複数の位置（計測箇所）に入射するように、干渉光学系１０３を位置決めしながら第２処理部１３１でヘテロダイン干渉信号の位相情報を取得する。そして、第２処理部１３１で取得されるヘテロダイン干渉信号の位相情報に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面１２１の形状を計測する（計測値を得る）。

本実施形態では、干渉光学系１０３として、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブについて説明したが、干渉光学系１０３は、ホモダイン干渉方式を利用した非接触型プローブであってもよい。また、本実施形態の計測装置１は、ステージ１１２をＸＹ平面内で移動させながら検出部１０７Ａで干渉信号を取得して計測光の光量の変化及び光路長の変化を求めるものである。従って、計測装置１は、物体の表面形状に限らず当該変化に相関のある物体の特性を計測することが可能であり、例えば、物体の表面粗さを計測することもできる。

図３、図４（ａ）乃至図４（ｄ）を参照して、集光レンズ１１８を含む干渉光学系１０３と、アライメントマーク１１９及び１２０が形成された計測面１２１とのＸＹ面内（計測面内）でのアライメント（位置合わせ）を説明する。図３に示すように、干渉光学系１０３を構成する集光レンズ１１８によって計測光が集光され、集光ビーム３０１が形成されている。干渉光学系１０３をＸＹ面内で移動させることで、計測面１２１に形成されたアライメントマーク１１９及び１２０のそれぞれに、集光ビーム３０１を照射する（入射させる）ことができる。集光ビーム３０１のスポットサイズ（径）は、集光レンズ１１８の光学設計に依存するが、直径１０μｍから直径１００μｍ程度の大きさに絞り込むことができる。

また、計測装置１では、オートフォーカス系１４０によって、計測面１２１の上のアライメントマーク１１９及び１２０が集光レンズ１１８の焦点深度の範囲内に収まるように、集光レンズ１１８の光軸方向の位置を制御することが可能である。従って、干渉光学系１０３がＸ軸とＹ軸とを含むＸＹ平面内で移動することで、集光レンズ１１８によって集光された集光ビーム３０１は、ＸＹ面内の任意の位置に移動することができる。

図４（ａ）は、アライメントマーク１１９の形状の一例を示す概略図である。なお、アライメントマーク１１９とアライメントマーク１２０とは同一の構成を有するため、ここでは、アライメントマーク１１９を例に説明する。アライメントマーク１１９は、４角形状の外枠と、かかる外枠の内側に配置された十字形状とを有する田の字マークである。アライメントマーク１１９は、Ｙ軸方向に沿った３つの縦線４０３、４０４及び４０５と、Ｘ軸方向に沿った３つの横線とを含む。Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに沿った線は、図４（ｂ）に示すように、石英からなる基板である計測面１２１の上に、幅ｗ、深さｄで形成されている。図４（ｂ）は、アライメントマーク１１９の縦線４０３の断面を示す概略図である。アライメントマーク１１９は、例えば、４角形状の外枠を１ｍｍ角とし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに沿った線の幅ｗを１００μｍ、深さをλ／４に相当する１５８ｎｍ程度とすればよい。但し、第１処理部１３０においてヘテロダイン干渉信号の光量信号がアライメントマーク１１９の形状に応じて良好に求めることができれば、アライメントマーク１１９は、上述した形状に限定されるものではない。換言すれば、ヘテロダイン干渉信号の光量信号から、基準位置に対するアライメントマーク１１９の位置が良好に求めることができればよい。

また、図４（ｂ）には、干渉光学系１０３がＸ軸方向に移動することで、集光レンズ１１８によって集光された集光ビーム３０１が、計測面１２１に形成されたアライメントマーク１１９（の縦線４０３）の上を移動する様子も示している。干渉光学系１０３では、上述したように、オートフォーカス系１４０によって、計測面１２１の上のアライメントマーク１１９及び１２０が常に集光レンズ１１８の焦点深度の範囲内に収まるように、集光レンズ１１８の光軸方向の位置が制御されている。

集光レンズ１１８で集光された集光ビーム３０１をＸ軸方向又はＹ軸方向に移動させた場合について説明する。図４（ｂ）には、集光ビーム３０１がアライメントマーク１１９の縦線４０３の上をＸ軸方向に移動した場合の集光スポット３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ及び３０１ｅが示されている。集光スポット３０１ａ乃至３０１ｅのそれぞれに対応するヘテロダイン干渉信号の光量分布（光量情報）４０８を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）を参照するに、光量４０８ａ、４０８ｂ、４０８ｃ、４０８ｄ及び４０８ｅのそれぞれが集光スポット３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄ及び３０１ｅに対応している。図４（ｃ）では、アライメントマーク１１９の近傍での集光ビーム３０１のＸ軸方向（又はＹ軸方向）の位置を横軸に採用し、ヘテロダイン干渉信号の光量（Ｉｏｐ）を縦軸に採用している。

ここで、例えば、集光ビーム３０１のスポットサイズを１０μｍ、アライメントマーク１１９の縦線４０３の幅ｗを５μｍ、深さｄを計測光の代表的な波長であるＨｅ−Ｎｅレーザの６３３ｎｍのλ／４に相当する１５８ｎｍとする。また、アライメントマーク１１９の縦線４０３乃至４０５のそれぞれの近傍でのヘテロダイン干渉信号の光量を、図４（ｄ）に示すように、光量４０８、４０９及び４１０とする。図４（ｄ）では、アライメントマーク１１９の近傍での集光ビーム３０１のＸ軸方向（又はＹ軸方向）の位置を横軸に採用し、ヘテロダイン干渉信号の光量（Ｉｏｐ）を縦軸に採用している。

計測装置１では、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すように、アライメントマーク１１９の縦線４０３乃至４０５のそれぞれに対応した良好な光量４０８、４０９及び４１０を得ることが可能である。従って、集光ビーム３０１がアライメントマーク１１９の上を、例えば、Ｘ軸方向に移動した場合、アライメントマーク１１９のＸ軸方向の位置を高精度に示す光量４０８、４０９及び４１０を含む光量分布（光量情報）４０７を取得することができる。同様に、集光ビーム３０１を、アライメントマーク１１９の上をＹ軸方向に移動させることで、アライメントマーク１１９のＹ軸方向の位置を高精度に示す光量分布（光量情報）を取得することが可能である。

このようにして得られたアライメントマーク１１９のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置に基づいて、アライメントマーク１１９の中心位置４０６と集光ビーム３０１のＸＹ面内での位置関係を高精度に求めることが可能となる。また、集光ビーム３０１のスポットサイズやアライメントマーク１１９の縦線４０３の幅ｗや深さｄなどの設計値を最適に調整することによって、図４（ｃ）に示す光量分布４０８を、コントラストのより大きな光量分布にすることができる。

更に、計測装置１では、計測面１２１に形成されたアライメントマークの中心位置、即ち、２つのアライメントマーク１１９及び１２０のそれぞれの中心位置が計測面１２１上で既知である。従って、計測面１２１と集光ビーム３０１との相対的な位置関係、或いは、計測面１２１と集光レンズ１１８を含む干渉光学系１０３との相対的な位置関係を、計測面１２１の全面にわたって、数μｍ程度の高い精度で求めることができる。具体的には、図５に示すように、２つのアライメントマーク１１９及び１２０のそれぞれの計測面１２１上の位置座標（Ｘ１，Ｙ１）及び（Ｘ２，Ｙ２）が既知である。そして、２つのアライメントマーク１１９及び１２０の位置と、集光レンズ１１８を含む干渉光学系１０３との相対的な位置関係がわかっている。従って、干渉光学系１０３からの集光ビーム３０１を、計測面１２１の任意の位置に、数μｍ程度の高い精度で移動させることができる。

従って、干渉光学系１０３と計測面１２１とを数μｍ程度の高い精度でアライメントすることが可能となるため、干渉光学系１０３に対する計測面１２１の設置位置の誤差に起因する計測誤差、即ち、セッティング誤差を低減することができる。例えば、計測面１２１の形状を求める際の補正処理として、アライメントマーク１１９及び１２０と計測光との計測面内での位置ずれに基づいて、アライメントマーク１１９及び１２０と計測光とのアライメントを行う。そして、かかるアライメントが行われた後に取得されるヘテロダイン干渉信号に基づいて計測面１２１の形状を求めればよい。これにより、計測装置１は、セッティング誤差を著しく抑え、計測面１２１の形状を数ｎｍＲＭＳ程度の高い精度で計測することができる。

また、ヘテロダイン干渉信号に基づいて計測面１２１の形状を求め、その求めた結果からアライメントマーク１１９及び１２０と計測光との計測面内での位置ずれによる誤差を除去してもよい。換言すれば、干渉光学系１０３と計測面１２１との相対的な位置ずれから、セッティング誤差を推定し、数値補正を行うことによってセッティング誤差を取り除いてもよい。この場合、計測や数値シミュレーションを予め行うことによって、干渉光学系１０３と計測面１２１との相対的な位置ずれに応じて発生するセッティング誤差を把握しておく必要がある。但し、干渉光学系１０３と計測面１２１との相対的な位置ずれに基づいて干渉光学系１０３と計測面１２１とのアライメントを行うことなく、計測面１２１の形状を、セッティング誤差を抑えて高精度に求めることができる。

更に、数値補正を行うことによってセッティング誤差を取り除く場合には、計測面１２１の形状を求めた後に、干渉光学系１０３と計測面１２１との相対的な位置ずれを求めてもよい。

また、図５に示すように、計測面１２１上の位置座標（Ｘ３，Ｙ３）及び（Ｘ４，Ｙ４）のそれぞれに位置する２つのエッジ部５０１及び５０２を、アライメントマーク１１９及び１２０の代わりに用いてもよい。計測面１２１のエッジ部５０１及び５０２の位置と、集光レンズ１１８を含む干渉光学系１０３との位置関係を求めることで、干渉光学系１０３からの集光ビーム３０１を、計測面１２１の任意の位置に、数μｍ程度の高い精度で移動させることができる。

＜第２の実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態における計測装置２の構成を示す概略図である。計測装置２は、計測装置１と同様に、計測面で反射した計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブ（計測ヘッド）を備えた３次元形状計測装置として具現化される。

計測装置２は、主な構成として、光源１０１と、ステージ１１２と、基準ミラー１１１と、干渉光学系６０１と、オートフォーカス系１４０と、検出部６１１と、第１処理部６３０と、第２処理部６３１とを有する。干渉光学系６０１は、本実施形態では、光源１０１からの光が計測面１２１と基準ミラー１１１との間を２回往復するダブルパスのヘテロダイン干渉系を構成する。計測装置２において、干渉光学系６０１は、非接触型プローブ（光プローブ）として機能する。また、第１の実施形態と同様に、計測面１２１の表面には、アライメントターゲットとしてのアライメントマーク６０７及び６０８が形成されている。

光源１０１から射出された光（平行光）は、ステージ１１２に保持された干渉光学系６０１の偏光ビームスプリッタ６０３に入射する。光源１０１は、波長及び偏光方向が互いに異なる２つの光、本実施形態では、偏光方向が互いに直交するＳ偏光の光とＰ偏光の光とを射出する。偏光ビームスプリッタ６０３は、Ｓ偏光の光を反射し、Ｐ偏光の光を透過するように構成されている。従って、光源１０１からの光のうち、Ｓ偏光の光は偏光ビームスプリッタ６０３で反射してＺ軸と略平行な光となり、λ／４板６０２に入射する。また、光源１０１からの光のうち、Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッタ６０３を透過してＹ軸と略平行な光となり、参照面としてのコーナーキューブ６０４に入射する。

λ／４板６０２に入射した光は、λ／４板６０２を透過して円偏光の光となり、基準ミラー（基準面）１１１で反射される。基準ミラー１１１で反射した光は、λ／４板６０２を再び透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ６０３を透過してλ／４板６０５に入射する。λ／４板６０５に入射した光は、λ／４板６０５を透過して円偏光の光となり、集光レンズ６０６を介して、計測ステージ１２２に保持された計測面１２１の上に集光される（計測面１２１の上に焦点を結ぶ）。計測光を計測面１２１の上に集光させる際には、オートフォーカス系１４０が用いられる。

計測面１２１で反射した光は、集光レンズ６０６を透過して平行光となり、λ／４板６０５に入射する。λ／４板６０５に入射した光は、λ／４板６０５を透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ６０３で反射され、コーナーキューブ６０４に入射する。コーナーキューブ６０４で反射した光は、偏光ビームスプリッタ６０３で反射され、λ／４板６０５及び集光レンズ６０６を介して、再度、計測面１２１の上に集光される。計測面１２１で反射した光は、集光レンズ６０６を透過して平行光となり、λ／４板６０５に入射する。以下では、計測面１２１で２回反射された光を計測光と称する。λ／４板６０５に入射した計測光は、λ／４板６０５を透過してＰ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ６０３を透過してλ／４板６０２に入射する。λ／４板６０２に入射した光は、λ／４板６０２を透過して円偏光の光となり、基準ミラー（基準面）１１１で反射される。基準ミラー１１１で反射した光は、λ／４板６０２を再び透過してＳ偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ６０３で反射され、レンズ６１０及びフォトダイオード６０９で構成された検出部６１１に入射する。

一方、コーナーキューブ６０４に入射した光は、コーナーキューブ６０４で入射した方向に反射され、偏光ビームスプリッタ６０３に入射する。以下では、計測面１２１で反射されることなく、コーナーキューブ６０４で反射された光を参照光と称する。偏光ビームスプリッタ６０３に入射した参照光は、偏光ビームスプリッタ６０３を透過し、偏光ビームスプリッタ６０３で反射した計測光とともに、検出部６１１に入射する。検出部６１１では、計測光と参照光との干渉光が検出され、かかる干渉光に対応する干渉信号、本実施形態では、ヘテロダイン干渉信号が取得される。

計測装置２において、第１処理部６３０は、検出部６１１で検出されたヘテロダイン干渉信号の光量信号（強度）に基づいて、計測光の光量の変化を求める。また、第２処理部６３１は、検出部６１１で検出されたヘテロダイン干渉信号の位相情報に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。

計測装置２では、Ｘ軸駆動部２０１及びＹ軸駆動部２０２によってステージ１１２をＸＹ平面内で駆動させながら、第１処理部６３０によってヘテロダイン干渉信号の光量情報を取得する。換言すれば、干渉光学系６０１からの光、即ち、集光レンズ６０６によって集光される光が計測面１２１上の複数の位置（計測箇所）に入射するように、干渉光学系６０１を位置決めしながら第１処理部６３０でヘテロダイン干渉信号の光量情報を取得する。そして、第１処理部６３０で取得されるヘテロダイン干渉信号の光量情報に基づいて計測光の光量の変化を求めることで、計測面１２１の表面に形成されたアライメントマーク６０７及び６０８の位置（形状）を高精度に計測する。

また、計測装置２では、Ｘ軸駆動部２０１及びＹ軸駆動部２０２によってステージ１１２をＸＹ平面内で駆動させながら、第２処理部６３１でヘテロダイン干渉信号の位相情報を取得する。換言すれば、干渉光学系６０１からの光、即ち、集光レンズ６０６によって集光される光が計測面１２１の上の複数の位置（計測箇所）に入射するように、干渉光学系６０１を位置決めしながら第２処理部６３１でヘテロダイン干渉信号の位相情報を取得する。そして、第２処理部６３１で取得されるヘテロダイン干渉信号の位相情報に基づいて計測光の光路長の変化を求めることで、計測面１２１の形状を計測する。

計測装置２においても、計測装置１と同様に、集光レンズ６０６の焦点深度の範囲内に計測面１２１の上の計測箇所が収まる（位置する）ように、集光レンズ６０６の光軸方向における位置が制御されている。これにより、計測面１２１で反射して集光レンズ６０６に入射した光（計測光）は、平行光として偏光ビームスプリッタ６０３で反射され、コーナーキューブ６０４で反射された光（参照光）とともに、検出部６１１で検出される。従って、検出部６１１において、良好なヘテロダイン信号が検出される。このように、干渉光学系６０１をダブルパスのヘテロダイン干渉系で構成した場合にも、計測面１２１の形状を高精度に計測することができる。具体的には、計測装置２は、干渉光学系６０１を保持するステージ１１２をＸＹ平面内で移動させながら、検出部６１１でヘテロダイン干渉信号を取得することで、計測面１２１の形状を高精度に計測することができる。

また、本実施形態の計測装置２は、ステージ１１２をＸＹ平面内で移動させながら検出部６１１で干渉信号を取得して計測光の光量の変化及び光路長の変化を求めるものである。従って、計測装置２は、物体の表面形状に限らず当該変化に相関のある物体の特性を計測することが可能であり、例えば、物体の表面粗さを計測することもできる。

集光レンズ６０６を含む干渉光学系６０１と、アライメントマーク６０７及び６０８が形成された計測面１２１とのＸＹ面内（計測面内）でのアライメント（位置合わせ）を説明する。アライメントマーク６０７及び６０８は、例えば、４角形状の外枠と、かかる外枠の内側に配置された十字形状とを有する田の字マークである。本実施形態では、アライメントマーク６０７及び６０８の上において、集光レンズ６０６で集光された光をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査する。計測光を計測面１２１の上に集光させる際には、オートフォーカス系１４０を用いればよい。そして、第１処理部６３０において、ヘテロダイン干渉信号の光量情報の変化に基づいて、計測面１２１に形成されたアライメントマーク６０７及び６０８と干渉光学系６０１との相対的な位置を高精度に計測する。

このように、ダブルパス光学系を用いた計測装置２においても、シングルパス光学系を用いた計測装置１と同様に、干渉光学系６０１と計測面１２１とを、数μｍ程度の高い精度でアライメント（位置合わせ）することができる。従って、干渉光学系６０１に対する計測面１２１の設置位置の誤差に起因する計測誤差、即ち、セッティング誤差を低減することができる。これにより、計測装置２は、計測装置１と同様に、セッティング誤差を著しく抑え、計測面１２１の形状を数ｎｍＲＭＳ程度の高い精度で計測することができる。

＜第３の実施形態＞
図７は、本発明の第３の実施形態における計測装置３の構成を示す概略図である。計測装置３は、計測面で反射した計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブ（計測ヘッド）を備えた３次元形状計測装置として具現化される。また、計測装置３では、計測面１２１がチャンバー７１５の内部に配置（収納）されており、チャンバー７１５（の壁面）に配置された透過窓７１０を介して、計測面１２１の形状を計測する。透過窓７１０は、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザに対して透明な合成石英基板で構成されている。透過窓７１０のチャンバー７１５の内側の表面（計測面により近い面）には、アライメントマーク７１１及び７１２が形成されている。また、計測面１２１にも、アライメントマーク７１３及び７１４が形成されている。

本実施形態では、計測光の位相の変化に基づいて計測面１２１の形状を計測するため、透過窓７１０は、屈折率分布の均一性に関する光学特性に優れた材料、例えば、合成石英で構成する。かかる光学特性としては、波長３６５ｎｍにおいて、ホモジニティ１ｐｐｍ程度、複屈折１０ｎｍ／ｃｍ程度、波長６３３における透過波面はλ／４程度である。

計測装置３において、第１処理部７３０は、検出部１０９で検出されたヘテロダイン干渉信号の光量信号に基づいて、計測光の光量の変化を求める。また、第２処理部７３１は、検出部１０９で検出されたヘテロダイン干渉信号の位相情報に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。

干渉光学系７０１は、計測装置１の干渉光学系１０３と同様に、シングルパス光学系を構成する。但し、計測装置３では、透過窓７１０を介して、計測面１２１に形成されたアライメントマーク７１３及び７１４の位置を計測するため、集光レンズ７０３は、透過窓７１０の光学特性を考慮して光学設計されている。例えば、透過窓７１０を透過した計測光の波面収差が小さくなるように、集光レンズ７０３は光学設計されている。これにより、計測面１２１に形成されたアライメントマーク７１３及び７１４や透過窓７１０に形成されたアライメントマーク７１１及び７１２に対して、波面収差が小さく、且つ、良好に小さく絞られた光（集光ビーム）を照射することが可能となる。従って、計測装置３は、透過窓７１０を介してアライメントマーク７１３及び７１４を計測する際に、計測装置１の干渉光学系１０５を用いた場合と比較して、計測光の光量の変化をより良好に求めることが可能となる。換言すれば、計測面１２１に形成されたアライメントマーク７１３及び７１４の位置を良好に計測することができる。同様に、透過窓７１０に形成されたアライメントマーク７１１及び７１２の位置も良好に計測することができる。

また、計測装置３においては、計測光の計測面１２１及び透過窓７１０の表面反射を利用して、オートフォーカス系１４０によって、計測面１２１及び透過窓７１０の計測面側の表面に計測光を集光すればよい。

計測装置３では、集光レンズ７０３によって集光された光を用いて、計測面１２１及び透過窓７１０の両方に形成されたアライメントマークを計測する。従って、透過窓７１０の計測面側の面及び干渉光学系側の面のどちらにアライメントマークが形成されているのかに応じて、透過窓７１０を透過した光の波面収差が小さくなるように、光学系を調整する必要がある。例えば、透過窓７１０の計測面側の面にアライメントマーク７１１及び７１２が形成されている場合には、上述したように、透過窓７１０の光学特性を考慮して集光レンズ７０３を光学設計すればよい。これにより、計測面１２１及び透過窓７１０の両方に形成されたアライメントマークを、波面収差の少ない良好な光（集光ビーム）で計測することが可能となる。一方、透過窓７１０の干渉光学系側の面にアライメントマークが形成されている場合には、透過窓７１０の光学特性を除いて良好な光をアライメントマークに照射するための収差補正光学系を別途用いればよい。

このように、計測装置３においては、透過窓７１０に形成されたアライメントマーク７１１及び７１２と干渉光学系７０１との相対的な位置関係を高精度に計測することができる。また、計測面１２１に形成されたアライメントマーク７１３及び７１４と干渉光学系７０１との相対的な位置関係を高精度に計測することができる。これにより、干渉光学系７０１と透過窓７１０と計測面１２１との相対的な位置関係を高精度に把握することが可能となる。

図８を参照して、集光ビーム８０１と、計測面１２１に形成されたアライメントマーク７１３及び７１４、及び、透過窓７１０に形成されたアライメントマーク７１１及び７１２とのアライメント（位置合わせ）を説明する。図８は、集光レンズ７０３で集光された集光ビーム８０１をアライメントマーク７１１及び７１２の上で移動させながら、ヘテロダイン干渉信号の光量の変化を第１処理部７３０で求める様子を示している。同様に、図８は、干渉光学系７０１及び集光レンズ７０３のＺ軸方向の位置を変更した後、集光ビーム８０１をアライメントマーク７１３及び７１４上で移動させながら、ヘテロダイン干渉の光量の変化を第２処理部７３０で求める様子も示している。

図９（ａ）は、透過窓７１０の計測面側の面の位置座標（Ｘ５，Ｙ５）及び（Ｘ６，Ｙ６）のそれぞれに形成されたアライメントマーク７１１及び７１２を示す概略図である。図９（ｂ）は、計測面１２１の計測面側の面の位置座標（Ｘ７，Ｙ７）及び（Ｘ８，Ｙ８）のそれぞれに形成されたアライメントマーク７１３及び７１４を示す概略図である。図９（ａ）に示すように、アライメントマーク７１１及び７１２の位置（位置座標（Ｘ５，Ｙ５）及び（Ｘ６，Ｙ６））は、透過窓７１０上で既知である。なお、アライメントマーク７１１及び７１２は、第１の実施形態と同様に、透過窓７１０のエッジ部に置換することも可能である。また、図９（ｂ）に示すように、アライメントマーク７１３及び７１４の位置（位置座標（Ｘ７，Ｙ７）及び（Ｘ８，Ｙ８））は、計測面１２１上で既知である。

計測装置３では、４つのアライメントマーク７１１乃至７１４のそれぞれの位置と、集光レンズ７０３を含む干渉光学系７０１（干渉光学系７０２）との相対的な位置関係を求める。これにより、干渉光学系７０１からの集光ビーム８０１を、計測面１２１及び透過窓７１０の任意の位置に、数μｍ程度の高い精度で移動させることができる。また、計測光により計測面１２１の上の任意の位置（計測箇所）を計測するときに、計測光が透過窓７１０のどの位置を透過しているか（即ち、透過窓７１０における計測光の通過位置）を求めることができる。

このように、計測装置３では、計測面１２１がチャンバー７１５の内部に配置されていない場合と同様に、集光レンズ７０３を含む干渉光学系７０１と計測面１２１とを、数μｍ程度の高い精度でアライメント（位置合わせ）することができる。従って、干渉光学系７０１に対する計測面１２１の設置位置の誤差に起因する計測誤差、即ち、セッティング誤差を低減することができる。これにより、計測装置３は、計測装置１と同様に、セッティング誤差を著しく抑え、計測面１２１の形状を数ｎｍＲＭＳ程度の高い精度で計測することができる。

また、透過窓７１０には、一般に、λ／１０、即ち、６３ｎｍ程度の厚さのむらがある。従って、透過窓７１０を介して計測面１２１の形状を高精度に計測するためには、計測面１２１の全面にわたって、透過窓７１０のどの位置を計測光が透過しているのかを把握し、透過窓７１０の厚さのむらによる計測誤差を補正する必要がある。本実施形態では、計測面１２１の任意の位置を計測しているときに、透過窓７１０のどの位置を計測光が透過しているのかを求めることが可能であるため、透過窓７１０の厚さのむらによる計測誤差を補正することができる。例えば、計測光が計測面１２１上の計測箇所に入射したときに取得されるヘテロダイン干渉信号に基づいて計測面１２１の形状を求める。そして、その求めた結果から、アライメントマーク７１１及び７１２と計測光との透過窓面内での位置関係に基づいて求まる透過窓７１０の厚さのむらによる誤差を除去すればよい。なお、透過窓７１０の厚さむらは、透過波面計測用の干渉計などを用いて、予め計測することが可能である。

このように、計測装置３においては、集光レンズ７０３を含む干渉光学系７０１と、透過窓７１０と、計測面１２１との相対的な位置関係を高精度に把握することができる。従って、計測装置３は、干渉光学系７０１に対する計測面１２１の設置位置の誤差に起因する計測誤差、即ち、セッティング誤差を低減するとともに、透過窓７１０の厚さむらによる計測誤差も低減することができる。換言すれば、計測装置３は、透過窓７１０の厚さむらなどの光学特性のむらによる誤差を補償することができる。これにより、計測装置３は、チャンバー７１５の内部に配置された計測面１２１に対しても、その形状を高精度に計測することができる。

＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態における計測装置４の構成を示す概略図である。計測装置４は、計測面で反射した計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブ（計測ヘッド）を備えた３次元形状計測装置として具現化される。また、計測装置４では、計測面１２１がチャンバー１０１５の内部に配置（収納）されており、チャンバー１０１５（の壁面）に配置された透過窓１０１０を介して、計測面１２１の形状を計測する。

透過窓１０１０は、図１１に示すように、干渉光学系１００１と計測面１２１との間に配置される第１透過窓１０１０ａと、第１透過窓１０１０ａよりも干渉光学系側に配置される第２透過窓１０１０ｂとを含む。このように、透過窓１０１０は、計測光の光路上において多重の透過窓を含む。第１透過窓１０１０ａと第２透過窓１０１０ｂとは、接合部材１０１９及び１０２０によって一体化されている。第１透過窓１０１０ａ及び第２透過窓１０１０ｂは、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザに対して透明な合成石英基板で構成されている。第１透過窓１０１０ａのチャンバー１０１５の内側の表面（計測面側の表面）には、アライメントマーク１０１１及び１０１２が形成されている。なお、第１透過窓１０１０ａ及び第２透過窓１０１０ｂのそれぞれに複数のアライメントマークを形成してもよい。また、計測面１２１にも、アライメントマーク１０１３及び１０１４が形成されている。

計測装置４では、第１透過窓１０１０ａに形成されたアライメントマーク１０１１及び１０１２を用いて、透過窓１０１０と干渉光学系１００１との位置関係を求めることが可能である。また、計測装置４において、第１処理部１０３０は、検出部１０９で検出されたヘテロダイン干渉信号の光量信号に基づいて、計測光の光量の変化を求める。また、第２処理部１０３１は、検出部１０９で検出されたヘテロダイン干渉信号の位相情報に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。

干渉光学系１００１は、計測装置１の干渉光学系１０３と同様な構成を有する。但し、計測装置４では、透過窓１０１０を介して、計測面１２１に形成されたアライメントマーク１０１３及び１０１４を計測するため、集光レンズ１００３は、透過窓１０１０の光学特性を考慮して光学設計されている。従って、計測装置４は、透過窓１０１０を介してアライメントマーク１０１３及び１０１４を計測する際に、計測装置１の干渉光学系１０５を用いた場合と比較して、計測光の光量の変化をより良好に求めることが可能となる。また、第１処理部１０３０も、計測装置１の第１処理部１３０と比較して、透過窓１０１０を介してアライメントマーク１０１３及び１０１４を計測する際に、計測光の光量の変化をより良好に求めることができるように最適化されている。

従って、計測装置４は、透過窓１０１０に形成されたアライメントマーク１０１１及び１０１２と干渉光学系１００１との相対的な位置関係を高精度に求めることができる。また、計測装置４は、計測面１２１に形成されたアライメントマーク１０１３及び１０１４と干渉光学系１００１との相対的な位置関係を高精度に求めることができる。これにより、計測装置４は、干渉光学系１００１と透過窓１０１０と計測面１２１との相対的な位置関係を高精度に把握することが可能である。

また、計測装置４においては、計測装置３と同様に、計測光の計測面１２１及び第１透過窓１０１０ａの表面反射を利用して、オートフォーカス系１４０によって、計測面１２１及び第１透過窓１０１０ａの計測面側の表面に計測光を集光すればよい。

図１１は、集光レンズ１００３で集光された集光ビーム１０１６をアライメントマーク１０１１及び１０１２の上で移動させながら、ヘテロダイン干渉信号の光量の変化を第１処理部１０３０で求める様子を示している。同様に、図１１は、干渉光学系１００１及び集光レンズ１００３のＺ軸方向の位置を変更した後、集光ビーム１００１をアライメントマーク１０１３及び１０１４上で移動させながら、ヘテロダイン干渉の光量の変化を第２処理部１０３０で求める様子も示している。

図１２（ａ）は、第１透過窓１０１０ａの計測面側の面の位置座標（Ｘ９，Ｙ９）及び（Ｘ１０，Ｙ１０）のそれぞれに形成されたアライメントマーク１０１１及び１０１２を示す概略図である。図１２（ｂ）は、計測面１２１の計測面側の面の位置座標（Ｘ１１，Ｙ１１）及び（Ｘ１２，Ｙ１２）のそれぞれに形成されたアライメントマーク１０１３及び１０１４を示す概略図である。図１２（ａ）に示すように、アライメントマーク１０１１及び１０１２の位置（位置座標（Ｘ９，Ｙ９）及び（Ｘ１０，Ｙ１０））は、第１透過窓１０１０ａ上で既知である。同様に、図１２（ｂ）に示すように、アライメントマーク１０１３及び１０１４の位置（位置座標（Ｘ１１，Ｙ１１）及び（Ｘ１２，Ｙ１２））は、計測面１２１上で既知である。

計測装置４では、４つのアライメントマーク１０１１乃至１０１４のそれぞれの位置と、集光レンズ１００３を含む干渉光学系１００１（干渉光学系１００２）との相対的な位置関係を求める。これにより、干渉光学系１００１からの集光ビーム１０１６を、計測面１２１及び透過窓１０１０の任意の位置に、数μｍ程度の高い精度で移動させることができる。また、計測光により計測面１２１の上の任意の位置（計測箇所）を計測するときに、計測光が透過窓１０１０のどの位置を透過しているか（即ち、透過窓１０１０における計測光の通過位置）を求めることができる。

このように、計測装置４では、計測面１２１がチャンバー１０１５の内部に配置されていない場合と同様に、集光レンズ１００３を含む干渉光学系１００１と計測面１２１とを、数μｍ程度の高い精度でアライメント（位置合わせ）することができる。従って、干渉光学系１００１に対する計測面１２１の設置位置の誤差に起因する計測誤差、即ち、セッティング誤差を低減することができる。これにより、計測装置４は、計測装置３と同様に、セッティング誤差を著しく抑え、計測面１２１の形状を数ｎｍＲＭＳ程度の高い精度で計測することができる。

また、計測装置４では、計測装置３と同様に、計測面１２１の任意の位置を計測しているときに、透過窓１０１０のどの位置を計測光が透過しているのかを求めることが可能であるため、透過窓１０１０の厚さのむらによる計測誤差を補正することができる。なお、透過窓１０１０の厚さむらは、透過波面計測用の干渉計などを用いて、予め計測することが可能である。

このように、計測装置４においては、集光レンズ１００３を含む干渉光学系１００１と、透過窓１０１０と、計測面１２１との相対的な位置関係を高精度に把握することができる。従って、計測装置４は、干渉光学系１００１に対する計測面１２１の設置位置の誤差に起因する計測誤差、即ち、セッティング誤差を低減するとともに、透過窓１０１０の厚さむらによる計測誤差も低減することができる。これにより、計測装置４は、チャンバー１０１５の内部に配置された計測面１２１に対しても、その形状を高精度に計測することができる。

＜第５の実施形態＞
図１３は、本発明の第５の実施形態における計測装置３の構成を示す概略図である。計測装置５は、計測面で反射した計測光の光路長の変化を計測する機能を有し、本実施形態では、ヘテロダイン干渉方式を利用した非接触型プローブ（計測ヘッド）を備えた３次元形状計測装置として具現化される。計測装置５において、干渉光学系１３０１は、計測装置２の干渉光学系６０１と同様に、計測光が計測面１２１で２回反射するダブルパス光学系の構成になっている。換言すれば、干渉光学系１３０１は、計測面１２１の形状を計測する際に、計測面１２１に計測光１３０９が入射した後、干渉光学系１３０１の複数の光学系を経由した計測光１３１０が再度入射する光学系となっている。また、計測装置５においては、計測装置２の干渉光学系６０１とは異なり、計測光の光路中に集光レンズ６０６などの集光光学系を配置しない簡易な構成となっている。

計測面１２１の表面には、アライメントターゲットとしてのアライメントマーク１３０７及び１３０８が形成されている。計測装置５では集光光学系を用いていないため、計測面１２１での計測光は、光源１０１から射出される平行光の直径である６ｍｍの大きさを維持する。従って、計測面１２１に形成されたアライメントマーク１３０７及び１３０８に対する計測光の光軸方向の位置合わせに、オートフォーカス系を用いる必要はない。

計測装置５において、第１処理部１３３０は、検出部６１１で検出されたヘテロダイン干渉信号の光量信号（強度）に基づいて、計測光の光量の変化を求める。また、第２処理部１３３１は、検出部６１１で検出されたヘテロダイン干渉信号の位相情報に基づいて、計測光の光路長の変化を求める。

また、計測装置５では、計測面１２１に形成されたアライメントマーク１３０７及び１３０８を用いて、計測面１２１と干渉光学系１３０１との相対的な位置関係を求めることが可能である。従って、計測装置５は、計測面１２１と干渉光学系１３０１との相対的な位置関係を、平行光の直径である６ｍｍ以下の精度で、簡便に把握することができる。

図１４、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）を参照して、干渉光学系１３０１（からの計測光１３０９）と、計測面１２１に形成されたアライメントマーク１３０７及び１３０８とのアライメント（位置合わせ）を説明する。図１４は、干渉光学系１３０１からの計測光１３０９をアライメントマーク１３０７及び１３０８の上で移動させながら、ヘテロダイン干渉信号の光量の変化を第１処理部１３３０で求める様子を示している。ここで、アライメントマーク１３０７及び１３０８を照射する光として、計測光１３０９の代わりに、計測光１３１０を用いてもよい。

計測装置５では、干渉光学系１３０１をＸ軸とＹ軸とを含むＸＹ面内で移動させることで、干渉光学系１３０１からの計測光１３０９をＸＹ面内の任意の位置に移動させることができる。従って、干渉光学系１３０１をＸＹ面内で移動させることで、計測面１２１に形成されたアライメントマーク１３０７及び１３０８のそれぞれに計測光１３０９を照射することができる。計測光１３０９のサイズは、光源１０１の光学設計に依存するが、直径６ｍｍ程度とする。

また、計測装置５では、計測面１２１が光軸方向であるＺ軸方向の所定の位置から多少シフトしても、アライメントマーク１３０７及び１３０８に照射される計測光１３０９のサイズは、光源１０１から射出される光の直径である６ｍｍとほぼ同じである。

図１５（ａ）は、アライメントマーク１３０７の形状の一例を示す概略図である。なお、アライメントマーク１３０７とアライメントマーク１３０８とは同一の構成を有するため、ここでは、アライメントマーク１３０７を例に説明する。本実施形態では、アライメントマーク１３０７は、計測面１２１に照射される直径６ｍｍの平行光を考慮して、田の字マークではなく、４角形状の外枠のみで構成されている。アライメントマーク１３０７は、例えば、４角形状の外枠を１ｍｍ角とし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに沿った線の幅ｗを１ｍｍ、深さをλ／４に相当する１５８ｎｍ程度とする。但し、アライメントマーク１３０７は、４角形状の外枠に限定されるものではない。

図１５（ｂ）には、干渉光学系１３０１をＸ軸方向（又はＹ軸方向）に移動させながら、計測面１２１に形成されたアライメントマーク１３０７（又は１３０８）に計測光１３０９を照射したときに得られる光量分布（光量情報）１５０５が示されている。図１５（ｂ）では、アライメントマーク１３０７の近傍での計測光１３０９のＸ軸方向（又はＹ軸方向）の位置を横軸に採用し、ヘテロダイン干渉信号の光量（Ｉｏｐ）を縦軸に採用している。計測光１３０９がアライメントマーク１３０７の中央付近に照射されている場合に求められる光量１５０４は、計測光１３０９がアライメントマーク１３０７の周辺に照射されている場合に求められる光量１５０３とは異なる。従って、アライメントマーク１３０７及び１３０８に計測光１３０９を照射しながら、第１処理部１３３０で光量を求めることによって、計測光１３０９とアライメントマーク１３０７及び１３０８との相対的な位置関係を求めることができる。

計測装置５では、計測光１３０９がアライメントマーク１３０７の上を、例えば、Ｘ軸方向に移動した場合、アライメントマーク１３０７のＸ軸方向の位置を高精度に示す光量分布（光量情報）を取得することができる。同様に、計測光１３０９を、アライメントマーク１３０７の上をＹ軸方向に移動させることで、アライメントマーク１３０７のＹ軸方向の位置を高精度に示す光量分布（光量情報）を取得することが可能である。

このようにして得られたアライメントマーク１３０７のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置に基づいて、アライメントマーク１３０７の中心位置と計測光１３０９のＸＹ面内での位置関係を高精度に求めることが可能となる。また、計測光１３０９のサイズやアライメントマーク１３０７の縦線の幅ｗや深さｄなどを最適に調整することによって、図１５（ｂ）に示す光量分布１５０５を、コントラストのより大きな光量分布にすることができる。

また、計測装置５においては、図１６に示すように、２つのアライメントマーク１３０７及び１３０８のそれぞれの計測面１２１上の位置座標（Ｘ１３，Ｙ１３）及び（Ｘ１４，Ｙ１４）が既知である。従って、計測面１２１と計測光１３０９との相対的な位置関係、或いは、計測面１２１と干渉光学系１３０１との相対的な位置関係を、計測面１２１の全面にわたって、高い精度で求めることができる。これにより、干渉光学系１３０１からの計測光１３０９を、計測面１２１の任意の位置に、高い精度で移動させることができる。

このように、集光光学系を有していない計測装置５においても、干渉光学系１３０１と計測面１２１とを、高い精度でアライメント（位置合わせ）することができる。従って、干渉光学系１３０１に対する計測面１２１の設置位置の誤差に起因する計測誤差、即ち、セッティング誤差を低減することができる。これにより、計測装置５は、計測装置２と同様に、セッティング誤差を著しく抑え、計測面１２１の形状を高い精度で計測することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、田の字マークのアライメントマークや４角形状の外枠のアライメントマークを計測面に形成し、かかるアライメントマークに基づいて、干渉光学系と計測面との相対的な位置関係を求めている。但し、アライメントマークとして３次元形状のマークを形成し、かかるアライメントマークに計測光を照射したときに得られる光量情報の変化に基づいて、干渉光学系と計測面との相対的な位置関係を求めてもよい。

Claims (13)

1. 計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光とを干渉させて得られる干渉信号から前記計測面に関する計測値を得る計測装置であって、
   前記干渉信号を生成する干渉光学系を含む計測ヘッドと、
   前記計測面におけるアライメントターゲットの位置を前記干渉信号に基づいて求め、前記アライメントターゲットの位置と前記干渉信号とに基づいて、前記計測値を求める処理部と、
   を有することを特徴とする計測装置。
2. 前記処理部は、基準位置に対する前記アライメントターゲットの位置のずれに基づいて前記計測面と前記計測光との間のアライメントが行われて得られた前記干渉信号に基づいて前記計測値を求めることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記処理部は、基準位置に対する前記アライメントターゲットの位置のずれがある状態で得られた前記干渉信号と前記ずれの量とに基づいて前記計測値を求めることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
4. 前記干渉光学系は、前記計測面に入射する計測光を集光する集光レンズを含み、
   前記処理部は、前記集光レンズの焦点深度の範囲内に前記計測面が位置するように前記計測光のフォーカス状態が調整されて得られた前記干渉信号に基づいて前記位置を求めることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
5. 前記計測光が透過する透過窓を含み且つ前記計測面を収納するチャンバーを有し、
   前記処理部は、前記透過窓におけるアライメントターゲットの位置を前記干渉信号に基づいて求め、該アライメントターゲットの位置にも基づいて前記計測値を求める、ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記処理部は、基準位置に対する前記透過窓におけるアライメントターゲットの位置のずれに基づいて、前記透過窓の光学特性のむらによる前記計測値の誤差を補償する、ことを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
7. 前記アライメントターゲットは、前記計測面により近い前記透過窓の面に含まれていることを特徴とする請求項５又は６に記載の計測装置。
8. 前記アライメントターゲットは、前記透過窓のエッジ部を含むことを特徴とする請求項５乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
9. 前記アライメントターゲットは、前記透過窓に形成されたアライメントマークを含むことを特徴とする請求項５乃至７のうちいずれか１項に記載の計測装置。
10. 前記透過窓は、前記計測光の光路上において多重の透過窓を含むことを特徴とする請求項５乃至９のうちいずれか１項に記載の計測装置。
11. 前記計測面における前記アライメントターゲットは、前記計測面に形成されたアライメントマークを含むことを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の計測装置。
12. 前記計測面における前記アライメントターゲットは、前記計測面のエッジ部を含むことを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の計測装置。
13. 前記計測値は、前記計測面の形状に関することを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の計測装置。

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