(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次光源としての複数のビームスポットからなるビームスポットアレイを第１のレンズによりフーリエー変換し、該第１のレンズのフーリエー変換面にあるフィルタにより前記複数のスポット光を輪帯もしくは疑似輪帯の照明光に変換し、該変換された輪帯もしくは疑似輪帯の照明光をフーリエー変換光学系によりフーリエー変換して輪帯もしくは疑似輪帯照明スポットアレイを得て対物レンズの瞳に入射し、該対物レンズの瞳から出射される前記輪帯もしくは疑似輪帯照明スポットアレイの各照明スポット光を、被検出対象物上の対応する複数の検出箇所の各々に集光照射する照射工程と、
該照射工程により前記複数の検出箇所の各々に集光照射された各照明スポット光による反射光を、前記対物レンズを通して共焦点検出光学系により共焦点検出して各光電変換手段で各共焦点検出信号を検出する共焦点検出工程と、
該共焦点検出工程で検出された各共焦点検出信号の強度に基づいて前記被検出対象物上の前記各検出箇所での立体形状を検出する立体形状検出工程とを有することを特徴とする立体形状検出方法。
【請求項２】
前記照射工程において、前記フィルタにより輪帯の照明光に変換する輪帯の外輪径に対する内輪径の比が０．１以上で０．９以下であることを特徴とする請求項１記載の立体形状検出方法。
【請求項３】
前記立体形状検出工程において、前記被検出対象物もしくは前記対物レンズを光軸方向に相対的に移動させ、前記各光電変換手段から前記移動に応じて検出される複数の共焦点検出信号の強度を用いて最大となる位置データを求めて被検査対象物上の各検出箇所における表面形状とすることを特徴とする請求項１記載の立体形状検出方法。
【請求項４】
前記立体形状検出工程において、前記各照明スポット光の径が最小となるフォーカス位置を前記被検出対象物上の各検出箇所の表面に対して上下方向に変化させるように、前記被検出対象物もしくは前記対物レンズを光軸方向に相対的に移動させ、前記各光電変換手段から前記移動に応じて検出される共焦点検出信号の強度が所望の閾値以上になるものの中から、最も上方の位置データを求めて被検出対象物上の各検出箇所における表面の立体形状候補とすることを特徴とする請求項１記載の立体形状検出方法。
【請求項５】
前記立体形状検出工程において、前記被検出対象物もしくは前記照明スポットアレイを照射光軸とほぼ直角な方向に移動させ、被検出対象物から広い範囲の立体形状を検出することを特徴とする請求項１または３または４記載の立体形状検出方法。
【請求項６】
２次光源としての複数のビームスポットからなるビームスポットアレイを第１のレンズによりフーリエー変換し、該第１のレンズのフーリエー変換面にあるフィルタにより前記複数のスポット光を輪帯もしくは疑似輪帯の照明光に変換し、該変換された輪帯もしくは疑似輪帯の照明光をフーリエー変換光学系によりフーリエー変換して輪帯もしくは疑似輪帯照明スポットアレイを得て対物レンズの瞳に入射し、該対物レンズの瞳から出射される前記輪帯もしくは疑似輪帯照明スポットアレイの各照明スポットを、被検出対象物上の対応する複数の検出箇所の各々に集光照射する照射光学系と、
該照射光学系により前記複数の検出箇所の各々に集光照射された各照明スポット光による反射光を、前記対物レンズを通して共焦点検出して各光電変換手段で各共焦点検出信号を検出する共焦点検出光学系と、
該共焦点検出光学系の各光電変換手段によって得られた各共焦点検出信号を処理する信号処理回路とを備えたことを特徴とする共焦点検出装置。
【請求項７】
前記照射光学系において、前記フィルタにより輪帯の照明光に変換する輪帯の外輪径に対する内輪径の比が０．１以上で０．９以下であることを特徴とする請求項６記載の共焦点検出装置。
【請求項８】
２次光源としての複数のビームスポットからなるビームスポットアレイを第１のレンズによりフーリエー変換し、該第１のレンズのフーリエー変換面にあるフィルタにより前記複数のスポット光を輪帯もしくは疑似輪帯の照明光に変換し、該変換された輪帯もしくは疑似輪帯の照明光をフーリエー変換光学系によりフーリエー変換して輪帯もしくは疑似輪帯照明スポットアレイを得て対物レンズの瞳に入射し、該対物レンズの瞳から出射される前記輪帯もしくは疑似輪帯照明スポットアレイの各照明スポット光を、被検出対象物上の対応する複数の検出箇所の各々に集光照射する照射光学系と、
該照射光学系により前記複数の検出箇所の各々に集光照射された各照明スポット光による反射光を、前記対物レンズを通して共焦点検出して各光電変換手段で各共焦点検出信号を検出する共焦点検出光学系と、
該共焦点検出光学系で検出された各共焦点検出信号の強度に基づいて前記被検出対象物上の各検出箇所での立体形状を検出する信号処理回路とを備えたことを特徴とする立体形状検出装置。
【請求項９】
前記照射光学系において、更に、光源と、該光源から出射されるビームを前記２次光源としてのビームスポットアレイに変換する光学系とを有することを特徴とする請求項８記載の立体形状検出装置。
【請求項１０】
更に、前記被検出対象物もしくは前記対物レンズを光軸方向に相対的に移動させ、この移動量に応じた複数の共焦点検出信号を前記共焦点検出光学系の各光電変換手段から検出させる移動制御手段を備えたことを特徴とする請求項８記載の立体形状検出装置。
【請求項１１】
前記信号処理回路において、前記移動量に応じて前記共焦点検出光学系の各光電変換手段から検出される複数の共焦点検出信号の強度を用いて最大となる位置データを求めることにより被検査対象物上の各検出箇所における表面形状とするように構成したことを特徴とする請求項１０記載の立体形状検出装置。
【請求項１２】
更に、前記各照明スポット光の径が最小となるフォーカス位置を前記被検出対象物上の各検出箇所の表面に対して上下方向に変化させるように、前記被検出対象物もしくは前記対物レンズを光軸方向に相対的に移動させ、この移動量に応じた複数の共焦点検出信号を前記共焦点検出光学系の各光電変換手段から検出させる移動制御手段を備え、前記信号処理回路において、前記各光電変換手段から前記移動に応じて検出される共焦点検出信号の強度が所望の閾値以上になるものの中から、最も上方の位置データを求めて被検出対象物上の各検出箇所における表面の立体形状候補とするように構成したことを特徴とする請求項８記載の立体形状検出装置。
【請求項１３】
更に、前記被検出対象物もしくは前記照明スポットアレイを照射光軸とほぼ直角な方向に移動させる移動手段を備えたことを特徴とする請求項８記載の立体形状検出装置。
【請求項１４】
更に、前記共焦点検出光学系の対物レンズと前記被検出対象物との間の光軸方向の相対変位を検出する補助検出手段と、該補助検出手段によって検出された相対変位に基づいて前記被検出対象物もしくは前記対物レンズを光軸方向に相対的に移動させるように制御する移動制御手段を備えたことを特徴とする請求項８記載の立体形状検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に凹凸や突起等を有する被検出対象物、特に表面が透明に形成された被検出対象物における表面の凹凸や突起等の高さである立体形状を高精度に検出可能な立体形状検出方法およびその装置並びに共焦点検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面に凹凸のある物体の表面形状を検出する方法として、従来共焦点顕微法が知られている。この従来方法は以下の通りである。即ち、物体の表面に顕微鏡対物レンズにより微小なスポットを照射する。この投影スポットが物体上で最も小さくなる時、反射光が再び顕微鏡対物レンズで最小のスポットを結像する位置に結像スポット像とほぼ同一径の微小開口を通して検出する。この様な構成になっていると投影スポットが物体表面上で最小とならず広がると、即ちデフォーカスすると微小開口を通過する光量は小さくなる。従って、微小開口の背後においた検出器で光量を検出すると、物体上で最小スポットとなるとき検出値が最大となるので表面の高さを検出することが可能になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の共焦点検出法で透明な物体の表面の高さ、更には透明な物質の多層構造からなる物体を検出する時、特に物体の最上面が透明で最上面からの反射に比べ下層面の反射率が大きいと、下層面からの反射光量が大きくなり正確に表面を検出することが難しく、検出精度が悪くなると云う課題があった。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決すべく、表面が透明に形成された被検出対象物における表面の凹凸や突起等の高さである立体形状を高精度に検出可能にした立体形状検出方法およびその装置並びに共焦点検出装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、表面が透明に形成された被検出対象物における表面の凹凸や突起等の高さである立体形状を高精度に、且つ高速度で検出可能にした立体形状検出方法およびその装置並びに共焦点検出装置を提供することにある。
【０００５】
また、本発明の更に他の目的は、被検出対象物の表面に形成された光に対して透明な膜に形成されたパターンや透明な膜上に形成された異物や傷等の欠陥を高精度に検査すること可能にした共焦点検出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、被検出対象物上の検出箇所に、輪帯もしくは疑似輪帯の照明光により形成された１個以上のスポット照明光を照射し、前記検出箇所に照射されたスポット照明光の反射光を共焦点検出することにより得られる信号の強度に基いて被検出対象物の立体形状を検出することを特徴とする立体形状検出方法である。
また、本発明は、被検出対象物上の複数の検出箇所の各々に、輪帯もしくは疑似輪帯の照明光により形成された複数のスポット照明光の各々を照射し、前記各検出箇所に照射された各スポット照明光の反射光を共焦点検出することにより得られる信号の強度に基いて被検出対象物の複数の検出箇所の立体形状を検出することを特徴とする立体形状検出方法である。
また、本発明は、前記立体形状検出方法における輪帯の照明光において、輪帯の外輪径に対する内輪径の比が０．１以上で０．９以下であることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、前記立体形状検出方法において、前記被検出対象物もしくは前記スポット照明光を該スポット照明光の光軸方向に相対的に移動させ、該動きに応じた前記反射光を共焦点検出することを特徴とする。
また、本発明は、前記立体形状検出方法において、前記動きに応じて得られる複数の共焦点検出信号の強度を用いて最大となる位置データを内挿して求めることにより立体形状を検出することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、前記立体形状検出方法において、前記動きとして前記スポット照明光の径が最小となるフォーカス位置を前記被検出対象物の表面の上下方向に変化させ、該スポット照明光に対応する共焦点検出信号の強度が所望の閾値以上になるものの中から、最も上方の位置データを被検出対象物の表面の立体形状候補とすることを特徴とする。
また、本発明は、前記立体形状検出方法において、前記被検出対象物もしくは前記スポット照射光を照射光軸とほぼ直角な方向に移動させ、被検出対象物から広い範囲の立体形状を検出することを特徴とする。
また、本発明は、前記立体形状検出方法において、前記スポット照明光の複数を少なくとも１次元的に配列して形成し、該複数配列スポット照明光と前記被検出対象物とを前記スポット照明光の配列方向に交差する方向に相対的に位置変化させて被検出対象物の立体形状の２次元分布を求めることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、被検出対象物上の検出箇所に、輪帯もしくは疑似輪帯の照明光により形成された１個以上のスポット照明光を対物レンズを通して照射する輪帯照明微小スポット照射光学系と、該輪帯照明微小スポット照射光学系により前記検出箇所に照射されたスポット照明光の反射光を前記対物レンズを通して共焦点検出する光電変換手段を有する共焦点検出光学系と、該共焦点検出光学系の光電変換手段によって得られた信号を処理する信号処理回路とを備えたことを特徴とする共焦点検出装置である。
また、本発明は、被検出対象物上の複数の検出箇所の各々に、輪帯もしくは疑似輪帯の照明光により形成された複数のスポット照明光の各々を対物レンズを通して照射する輪帯照明微小スポット照射光学系と、該輪帯照明微小スポット照射光学系により前記各検出箇所に照射された各スポット照明光の反射光を前記対物レンズを通して共焦点検出する複数の光電変換手段を有する共焦点検出光学系と、該共焦点検出光学系の複数の光電変換手段の各々によって得られた信号を処理する信号処理回路とを備えたことを特徴とする共焦点検出装置である。
【００１０】
また、本発明は、前記共焦点検出装置における共焦点検出光学系において、対物レンズ等による最小径スポットを結像する位置に、最小スポット径内の光のみを限定して検出する光学要素を設置して構成することを特徴とする。
また、本発明は、前記共焦点検出装置における輪帯照明微小スポット照射光学系において、輪帯の外輪径に対する内輪径の比を０．１以上で０．９以下で構成したことを特徴とする。
また、本発明は、被検出対象物上の検出箇所に、輪帯もしくは疑似輪帯の照明光により形成された１個以上のスポット照明光を対物レンズを通して照射する輪帯照明微小スポット照射光学系と、該輪帯照明微小スポット照射光学系により前記検出箇所に照射されたスポット照明光の反射光を前記対物レンズを通して共焦点検出する光電変換手段を有する共焦点検出光学系と、該共焦点検出光学系の光電変換手段によって得られた信号の強度に基いて被検出対象物上の検出箇所における立体形状を検出する信号処理回路とを備えたことを特徴とする立体形状検出装置である。
【００１１】
また、本発明は、被検出対象物上の複数の検出箇所の各々に、輪帯もしくは疑似輪帯の照明光により形成された複数のスポット照明光の各々を対物レンズを通して照射する輪帯照明微小スポット照射光学系と、該輪帯照明微小スポット照射光学系により前記各検出箇所に照射された各スポット照明光の反射光を前記対物レンズを通して共焦点検出する複数の光電変換手段を有する共焦点検出光学系と、該共焦点検出光学系の複数の光電変換手段の各々によって得られた信号の強度に基いて被検出対象物上の複数の検出箇所の各々における立体形状を検出する信号処理回路とを備えたことを特徴とする立体形状検出装置である。
また、本発明は、前記立体形状検出装置において、更に、前記被検出対象物もしくは前記スポット照明光を該スポット照明光の光軸方向に相対的に移動させ、この移動量に応じた複数の共焦点検出信号を前記共焦点検出光学系の光電変換手段から検出させる移動制御手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、前記立体形状検出装置において、更に、前記スポット照明光を該スポット照明光の光軸方向に移動させるように対物レンズを移動させる対物レンズ移動手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、前記立体形状検出装置における信号処理回路において、前記共焦点検出光学系から移動量に応じて得られる複数の共焦点検出信号の強度を用いて最大となる位置データを内挿して求めることにより立体形状を検出するように構成したことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記立体形状検出装置において、更に、前記スポット照明光の径が最小となるフォーカス位置を前記被検出対象物の表面の上下方向に変化させるように前記被検出対象物もしくは前記スポット照明光を該スポット照明光の光軸方向に相対的に移動させ、この移動量に応じた複数の共焦点検出信号を前記共焦点検出光学系の光電変換手段から検出させる移動制御手段を備え、前記信号処理回路において、共焦点検出信号の強度が所望の閾値以上になるものの中から所望の検出面の高さの候補を求めるように構成したことを特徴とする。
また、本発明は、前記立体形状検出装置において、更に、前記被検出対象物もしくは前記スポット照射光を照射光軸とほぼ直角な方向に移動させる移動手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、前記立体形状検出装置において、輪帯照明微小スポット照射光学系を、スポット照明光の複数を少なくとも１次元的に配列して構成することを特徴とする。
また、本発明は、前記立体形状検出装置において、更に、前記共焦点検出光学系と被検出対象物との間の光軸方向の相対変位を検出する補助検出手段と、該補助検出手段によって検出された相対変位に基いて前記被検出対象物もしくは前記スポット照明光を該スポット照明光の光軸方向に相対的に移動させるように制御する移動制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
以上説明したように、被検出対象物の表面上の検出する箇所に輪帯照明光からなるスポット照明光を照射するため、スポット照射光は対物レンズの瞳上で輪帯状の強度分布（輪帯状の強度の強い部分があり、その内側で光軸付近に近い部分の強度はほぼ０か輪帯状の強度の強い部分に比べ充分小さな強度になっている。）を有し、微小なスポットを投影することができ、しかも、透明な表面層の下に高い反射面があったとしてもそれからの共焦点検出信号を小さくして物体面を十分な精度で検出することが可能となる。更に、同じ開口数の対物レンズで比較した場合、輪帯照明であるため焦点深度が浅くなり、その分高さ検出感度を高くすることができ、しかも透明な表面に対する入射角が大きくなって反射率を大きくすることができて表面の検出を正確に行うことができる。
また、前記構成によれば、輪帯照明光からなるスポット照明光を複数にし、この複数のスポット照射光による反射光を同時に検出できるように構成することにより、高速検出が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る立体形状検出方法及びその装置並びに共焦点検出装置の実施の形態について図面を用いて説明する。
本発明に係る被検出対象物に対して検出する立体形状としては、透明な物体の表面に形成された凹凸もしくは支柱状の突起の高さまたは透明な物質の多層構造からなる物体の表面の層厚さ（高さ）等がある。このように、本発明は、特に表面が透明な被検出対象物において、その表面の凹凸や突起等の高さなどの立体形状を高精度に検出するためのものである。
まず、本発明に係る立体形状検出装置並びに共焦点検出装置の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る立体形状検出装置並びに共焦点検出装置の第１の実施の形態を示す構成図である。光源１としては、ＹＡＧの第二高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光源を用いた。このように、光源１としてＹＡＧの第二高調波を用いたのは、レーザパワーが高く、波長として可視光の内、緑の比較的短い波長が得られるからである。なお、光源１としてレーザ光を用いているが、ある程度の検出光量が得られるものであれば良く、例えば、発光ダイオード、水銀ランプ等の比較的点光源に近いものを用いても良い。また、検出光量は小さくなり、高速検出には不向きであるがハロゲンランプ等を用いても本発明を実施することができる。
【００１５】
即ち、レーザ光源１から出射されたレーザビームは、点線で示した輪帯照明微小スポット照射光学系２に入射される。入射したレーザ光は、互いに直交して配置されたシリンドリカルレンズ２０１及び２０２等によって構成されるビームエキスパンダにより所望の扁平な形状（少なくとも一次元的に伸びたスリット状光束）に整形される。この整形されたレーザ光は、少なくとも一次元的に配列されたレンズアレイ２１を通ることによりΣ０面上で１０μｍ〜数十μｍ程度の径の少なくとも一次元的に配列されたビームスポットアレイに変換される。なお、２１０は、レンズアレイ２１の出射端に設けられたピンホールを示す。しかし、このピンホール２１０は必ずしも必要とされない。要するにレンズアレイ２１のよってΣ０面上に少なくとも一次元的に配列されたビームスポットアレイの２次光源が形成されれば良い。
このようにΣ０面を通過したスポットアレイレーザ光は、再び広がって、例えばミラー２１１で反射されてレンズ２２に入射することになる。このとき、この広がった光を構成する各スポット光の主光線は、互いに平行である。そして、レンズ２２は、Σ０面を前側焦点にし、Σ１面を後側焦点にしている。Σ１面には図２に示すパターンが描画された透明なガラスのフィルター２５があり、その中心に半径Ｒ１の黒丸パターン（遮光パターン）２５１が描画され、この黒丸パターンの外側には半径Ｒ２より大きい部分２５２が黒く（遮光するように）描画されている。従って、Σ０面上の各スポット光の複素振幅は、レンズ２２によりΣ１面上でフーリェー変換され、このフーリェー変換面にあるパターン２５１によりフィルタリングされる。即ち、図２に示すフィルタ２５により総てのスポット光が、同時に輪帯照明光に変換される。
【００１６】
そして、このフィルタ２５を透過した光は、再び焦点距離ｆ３のレンズ２３によりΣ２面上でフーリェー変換され、Σ２面上では、少なくとも一次元的に配列された輪帯照明スポットアレイ２６０が得られる。Σ２面上のスポットアレイ２６０は、焦点距離ｆ４のレンズ系２４により対物レンズ２７の瞳２７１上にフーリェ変換される。即ち、瞳２７１上には、Σ１面を透過直後の光強度分布がｆ４／ｆ３の倍率で結像されている。即ち、瞳２７１の半径をＲｐとすると、この瞳中心からＲｄ（Ｒｄ＝Ｒ１・（ｆ４／ｆ３））の半径の領域内には光がなく、この外側が半径Ｒ２・（ｆ４／ｆ３）Ｒ２または瞳半径Ｒｐの小さい方Ｒｅまで光がある照明光が対物レンズ２７の瞳２７１を通過することになる。この結果、被検出対象物である物体３の表面は、対物レンズ２７を透過した光によって輪帯照明スポットアレイで照射されることになる。
ところで、対物レンズ２７は、このレンズ２７を光軸方向に高速で所望の量だけ駆動するレンズ駆動機構２７２に取り付けられている。この対物レンズ２７の倍率は４０倍〜１００倍と大きいため、この駆動量が、輪帯照明微小スポットアレイの各ビームウエストの光軸方向移動量に高い精度で等しくなる。物体（被検出対象）３に投影された輪帯照明微小スポットアレイ光は、物体表面で反射し、再び対物レンズ２７に入射し、一点鎖線で示した共焦点検出光学系４に導かれ検出される。共焦点検出系４は、ビームスプリッタ４１及びレンズ４２により照射スポットの像をピンホールアレイ４３上の少なくとも一次元的に配列された各ピンホール４３０上に結像する。この際、輪帯照明微小スポットアレイ２６０の例えばｎ番目のスポット（図３に示すようにスポット径が最小となる光軸上の位置のスポット）が物体面３１０上にフォーカス状態であればこのｎ番目のピンホール４３０ｎを通過する光強度は大きくなり、逆にｍ番目のスポットが物体面３１０上にフォーカス状態でない（デフォーカス状態の）時にはｍ番目のスポット像を通すｍ番目のピンホール４３０ｍを通過する光強度は小さくなる。各ピンホール４３０を透過する光の強度が各々光検出素子アレイ４４により個別に検出される。
【００１７】
次に、対物レンズ２７の開口数ＮＡと、輪帯照明における輪帯の外輪径Ｒｅに対する内輪径Ｒｄの比ｒとの関係の実施例について説明する。本実施例は、対物レンズ２７の開口数ＮＡを０．７程度にし、輪帯照明における輪帯の外輪径Ｒｅに対する内輪径Ｒｄの比ｒ＝Ｒｄ／Ｒｅを０．１程度以上で０．９程度以下とした。輪帯照明の外径Ｒｅは本発明の効果を考えるとできるだけ物体への入射角を大きく採る方が良いため対物レンズ２７の開口数ＮＡに相当するようにする。即ち、Ｒｅ＝Ｒｐ≦Ｒ２とすると、輪帯照明の最大の入射角θｘに対し、最小の入射角θｉは次に示す（数１）式で与える。
ｓｉｎθｘ＝ＮＡ
ｓｉｎθｉ＝ｒ・ＮＡ                                  （数１）
ところで、ｒの値が上記の範囲を超えて０．１以下であると輪帯照明の効果が充分発揮できず、共焦点検出で用いられる輪帯照明でない（ｒ＝０）場合と余り変わらなくなる。他方ｒ＞０．９になると照射スポット周りのリング状光が強くなり、また光の利用効率が不十分になる。
【００１８】
次に、輪帯照明によって被検出対象物が透明であっても測定点の表面から得られる信号のＳ／Ｎ比を増大させることができることについて図３を用いて説明する。図３には、対物レンズ２７のＮＡ（開口数）を０．７にしたときにおける、輪帯照明（ｒ＝０．５）の場合と輪帯照明でない（ｒ＝０）場合とで比較してフォーカス（Δｆ＝０）及びデフォーカス（Δｆ≠０）時における物体面上のスポット分布を示す。
測定しようとする物体面を示すフォーカス位置では、輪帯照明（ｒ＝０．５）の場合は、輪帯照明でない（ｒ＝０）の場合に比べ、中心のスポット径はある程度小さくなる。しかし、逆に、周辺のリング上のサイドローブが大きくなるので、輪帯照明においてｒを０．９以上に大きくしすぎると、光のエネルギーも中心部に比べサイドローブ部の比率が大きくなり不利となる。
物体面ではない面を示すデフォーカス位置においては、輪帯照明（ｒ＝０．５）の場合は、測定点付近の強度が小さくなるのに対して、輪帯照明でない（ｒ＝０）場合には広いデフォーカス範囲で、測定点中心部の強度が最大になっている。デフォーカスの場合でも、輪帯照明においてｒを０．９以上に大きくしすぎると広いデフォーカス範囲で測定点中心部の光強度分布が周辺部に比べ小さくならず検出感度を低下させることになる。従って、輪帯照明におけるｒは、被対象物の層構造によって最適に選べばよい。
【００１９】
以上説明したように、図３から明らかなように、輪帯照明を用いると、物体面ではない面を示すデフォーカス位置から得られるスポット強度が著しく減少することにより、測定点における測定しようとする物体面を示すフォーカス位置から得られるスポット強度のＳ／Ｎ比を著しく増大させることができ、測定しようとする物体面の検出感度を著しく増大させることができる。
即ち、被検出対象物の表面の検出したい箇所（測定点）に対して照射される輪帯照明光からなるスポット照明光は、対物レンズ２７の瞳２７１上で輪帯状の強度分布（輪帯状の強度の強い部分とその内側で光軸に近い部分での強度をほぼ０か輪帯状の強度の強い部分に比べて充分小さい強度となっている部分とで形成される。）を有しているため、次に説明する顕著な効果を奏することができる。
【００２０】
即ち、第１の効果は、対物レンズ２７の瞳２７１上において輪帯状のスポット照明光であるため、検出したい箇所に微小なスポット照明光を投影することができる。
第２の効果は、図３に示すように最小に絞られた位置から光軸方向にはずれた位置での分布が輪帯状になっているため、物体面３１０が最小スポット位置からはずれると、即ちデフォーカス状態では光軸と交わる物体面には殆ど光が当たらないため、共焦点検出信号が遙かに小さくなり、その結果、透明な表面層３１の下に高い反射面３２０があっても物体面３１０を十分な精度で検出することが可能となる。
第３の効果は、同じ開口数の対物レンズで比較した場合、輪帯照明であるため焦点深度が浅くなり、その分高さ検出感度を高くすることができる。
【００２１】
第４の効果は、輪帯照明であるため、反射率が小さい入射角が０度付近の光がなく、表面３１０には入射角の大きな照明がなされ、透明な表面３１０での反射率が図３に示すように大きくなり、表面３１０の検出を正確に行うことが可能となる。
【００２２】
次に、輪帯照明における輪帯の外輪径Ｒｅに対する内輪径Ｒｄの比ｒを制御するための輪帯条件制御機構２５５について説明する。輪帯条件制御機構２５５は、図４に示すように異なるｒもしくは遮光パターン２５１の透過率を変えた複数の輪帯フィルタ２５ａ〜２５ｄが用意され、自動的に光路に対して切り替えて実装されるように構成される。即ち、全体制御部５０に対してキーボードや記録媒体やネットワーク等の入力手段５１を用いて被検出対象物３の種類等の情報が入力されて記憶されると、全体制御部５０は、入力された被検出対象物３の種類等の情報に基いて何の輪帯フィルタを選択すれば良いかを決定し、この決定された選択データを輪帯条件制御機構２５５に提供することによって、被検出対象物に適合した輪帯フィルタが選択されることになる。
なお、輪帯フィルタ２５として、中央のパターン２５１を遮光パターンによって形成した場合について説明したが、中央のパターン２５１を少し光を透過させるように構成し、疑似輪帯照明光（２５１の部分が光をわずか通して強度が弱くなると疑似輪帯照明光となる。）にしてもよい。
【００２３】
次に、光検出素子アレイ４４により個別に検出された強度信号Ｉｋ（ｈｚ）（ｋ＝１〜ｎ）を基に、各スポット位置（測定点）ｋでの被検出対象物３の表面高さを信号処理回路５において算出する方法について説明する。即ち、光検出素子アレイ４４により個別に検出された強度信号Ｉｋ（ｈｚ）は、信号処理回路５に送られ、Ａ／Ｄ変換されて各アレイの番地ｋの強度信号Ｉｋ（ｈｚ）がメモリ（図示せず）に記録される。ここで、ｈｚは、全体制御部５０がレンズ駆動機構２７２を制御する信号、即ちスポットアレイの光軸（測定点ｋ）上の最小絞り込み位置情報（測定点ｋにおける対物レンズ２７と物体３との間のＺ方向の相対位置ｈｚ）であり、全体制御部５０からレンズ駆動機構２７２に与えた最小絞り込み位置情報である。即ち、全体制御部５０は、レンズ駆動機構２７２に駆動情報ｈｚを送信すると共に信号処理回路５にも送信し、この情報に基づき対物レンズ２７を光軸方向にｈｚ微動しながら信号処理回路５は、光検出素子アレイ４４によりｋ（ｋ＝１〜ｎ）点における強度信号Ｉｋ（ｈｚ）を採取することを繰り返してメモリに記憶し、所望の範囲の駆動を終了したら、得られている情報Ｉｋ（ｈｚ）から各スポット位置ｋでの表面の高さを以下の方法により求める。
なお、上記実施例の説明では、レンズ駆動機構２７２により対物レンズ２７を光軸方向にｈｚ微動（微移動）させたが、被検出対象物３を搭載するステージにＺステージを設けてこのＺステージを対物レンズ２７の光軸方向にｈｚ微動させて被検出対象物３の物体面をｈｚ微動させてもよい。しかし、対物レンズ２７の方がＺステージや検出系全体より軽量であるため、対物レンズ２７を光軸方向に微移動させた方が高速に駆動でき、高速検出を実現することができる。
【００２４】
次に、信号処理回路５においてｋ（ｋ＝１〜ｎ）点における強度信号Ｉｋ（ｈｚ）被検出対象物３の物体面の立体形状を高精度に求める実施例について説明する。即ち、信号処理回路５は、各スポット位置ｋでの高さのそれぞれを、この各スポット位置で得られた情報Ｉｋ（ｈｚ）から独立に求められるのでｋ＝ｎ点における実施例を図５に示している。図５の横軸はｎ点における対物レンズと物体との相対位置ｈｚであり、縦軸は検出強度Ｉｎ（ｈｚ）である。光検出素子アレイ４４から得られるデータＩｎ（ｈｚ）は離散的であるため、信号処理回路５は各スポット位置ｋ＝ｎにおけるピーク値で示される真の表面高さｈｒを内挿により求める。各スポット位置ｋ＝ｎに対して輪帯照明されるため、図３に示す如く、得られる信号が大きい所ほど真の表面（フォーカス位置）に近い。また、Ｉｎ（ｈｚ）があるレベルＩＴ以上ある中で、ｈｚが大きい所ほど、即ち表面が高いほど真の表面である。この様な判断に基づき最上面の高さを求めることができる。  即ち、被検出対象物３もしくはスポット照射光を照射光の光軸方向ｚに相対的に動かすと共に、この動きｈｚに応じてｎ点からの反射光を共焦点検出して検出強度信号Ｉｎ（ｈｚ）を得ることによってピーク位置を示すデータ（例えばｈＭ）に基いて立体形状を検出することができる。
尚、上記のような判断を下すことにより、検出したい面の候補を絞っていくことが可能である。従って、用途によっては最上面だけではなく、透明な層の下の面を求めることも可能である。
【００２５】
即ち、被検出対象物３において表面は透明であるため、被検出対象物３に対して輪帯照明の微小スポットを照射した際、この輪帯照明の微小スポットが図１に示す被検出対象物３の最上面３１０や屈折率の異なる複数の境界面３２０で反射することにより図５に示すようなＡ点、Ｂ点、Ｃ点においてピークとなる検出強度信号Ｉｎ（ｈｚ）が得られ、検出したい面の候補であることが分かる。このうちＡ点が最上面であるからここが検出位置データの候補（ｈＭ）であることが分かる。そこで、信号処理回路５は、Ａ点の位置近傍でＩｎ（ｈｚ）の最大の値を与えるｈＭを基に、この１つ隣のｈＭ−とｈＭ＋に対するＩｎ（ｈＭ−）とＩｎ（ｈＭ＋）及びＩｎ（ｈＭ）の３つのデータからｎ点における真の最大を与えるｈｒを内挿法で求める。内挿の方法は２次式近似等を用いる。
即ち、被検出対象物３もしくはスポット照射光を照射光の光軸方向ｚに相対的に動かすと共に、この動き（ｈＭを基に、この１つ隣のｈＭ−とｈＭ＋）に応じて得られる複数の共焦点検出信号の強度（例えばＩｎ（ｈＭ−）とＩｎ（ｈＭ＋）及びＩｎ（ｈＭ））を用いて最大となる位置データ（ｈｒ）を内挿して求めることによって精度の高い立体形状（ｈｒ）を得ることができる。
【００２６】
また、スポット照明光の径が最小となるフォーカス位置を、被検出対象物３の表面３１０の上方から下方になるように或いは下方から上方になるように変化させ、このスポット照明光に対応する共焦点検出信号の強度Ｉｎ（ｈｚ）が所望の閾値ＩＴ以上になるものの中Ａ点で示すように最も上方の高さ位置（ｈＭ）をもって検出位置データ候補とすることにより、下地での反射があっても間違わずに最上面３１０を正確に検出することができる。
なお、３１は、被検出対象物３の表面の透明層を示し、３２は、その下の透明層を示す。従って、３１０は、被検出物体３の最上面（物体面）を示し、３２０は、その下の屈折率の異なる境界面を示す。
【００２７】
このように信号処理回路５は、光検出素子アレイ４４から得られるスポットアレイの各点ｋ＝１〜ｎについて上記の方法により最上面の位置（高さ）ｈｒを求め、全体制御部５０からの指令で、被検出物体３と検出系を相対的に一次元アレイの方向と交差する方向（例えば直角の方向）に移動し（移動機構（図示せず）としては、例えば被検出物体３を載置したステージであっても良いし、検出系を支持したステージでも良い。）、同様にして光検出素子アレイ４４から得られるスポットアレイの各点ｋ＝１〜ｎについて高さを順次求めていくことにより、被検出物体３の最上面の凹凸形状、立体形状を計測することができる。特に、光検出素子アレイ４４からは、同時に複数点の検出強度信号Ｉｋ（ｈｚ）が検出できるので、被検出物体３と検出系を相対的に移動させる回数を少なくして、被検出物体３全体に対する立体形状を測定することができ、検出速度の高速化を実現することができる。
【００２８】
即ち、輪帯照明光からなるスポット照明光を複数１次元状に配列し、被検出対象物３もしくはスポット照射光を照射光の光軸方向ｚに相対的に微動させつつ光検出素子アレイ４４から得られるスポットアレイの各点ｘについて最上面の位置（高さ）ｈｚ（ｘ）を求め、配列ｘ方向と交差する方向（例えば直交するｙ方向）に複数配列スポット照明光と被検出対象物３とを、例えばＹステージ（図示せず）を駆動することによって相対的に移動させて位置変化させることにより、被検出対象物の立体形状二次元分布ｈｚ（ｘ，ｙ）を求めることが可能となる。
なお、レーザビームをビームエキスパンダによって２次元的に拡げ、２次元的に配列されたレンズアレイ２１を通すことにより、ピンホール２１０からは２次元的に配列されたビームスポットアレイを出力し、ピンホールアレイ４３および光検出素子アレイ４４を２次元的配列することによって、一度に、被検出物体３の最上面の２次元的な凹凸形状、立体形状を計測することができることになる。
【００２９】
次に、本発明に係る立体形状検出装置並びに共焦点検出装置の第２の実施の形態について説明する。図６は、本発明に係る立体形状検出装置並びに共焦点検出装置の第２の実施の形態を示す図である。上記第１の実施形態で説明したように対物レンズ２７は、倍率が大きいため対物レンズの焦点位置から物体面が数μｍ以上離れてしまうと、焦点位置が物体の上にあるか下にあるか分からなくなってしまう。そこで、第１の実施の形態で説明した光学系だけでは、大きな段差のある被検出対象物３を測定したりする場合や、被検出対象物３を測定し始めるときに焦点の物体表面に対する方向を見失ってしまう。そこで、第２の実施の形態では、精度が数μｍ程度の補助の高さ検出系６を上記検出系と一体に固定して取り付けておく。図６に示す補助検出系６は、物体面上にスポット光６１を斜入射する斜め照射投影系６１と、物体で反射したスポット光をポジションセンサ６３上に結像させるレンズ６２とを備えた光てこ方式の検出系で構成される。
【００３０】
この様に、補助検出系６を上記検出系と一体に設けることにより、ポジションセンサ６３の信号から物体上のスポットの高さ、即ち物体面の高さが数μｍ程度の精度で検出することができる。従って、補助検出系６で検出された数μｍ程度の精度の物体面の高さ情報を、全体制御部５０に送ることによって、全体制御部５０ではこの信号を元に対物レンズ２７もしくは被検出物体３を駆動することによって、被検出対象物３の検出物体面（最上面）の位置を、対物レンズ２７からの輪帯照明の微小スポットの焦点位置にほぼ合わせることができる。
即ち、全体制御部５０は、補助検出系６で検出される対物レンズ２７の焦点位置と検出物体面が一致する位置から、レンズ駆動機構２７２またはＺステージを制御して例えばプラス（上）Δｈだけオフセットさせた位置に短時間に高さ方向に位置合わせし、次に、Δｈ〜０〜―Δｈと下に向けて対物レンズ２７と被検出物体３の位置を相対的に変化させながら上記第１の実施の形態で説明した方法により計測して行く。この様に補助検出系６を用いることにより高速で、間違いの無い検出が可能になる。
【００３１】
即ち、被検出対象物３の立体形状二次元分布ｈｚ（ｘ，ｙ）を求める際、ｙ方向の相対的な位置変化（移動）に伴う検出系と被検出対象物３との間のｚ方向の相対変位を上記補助検出系６で検出し、上記のように補正制御することにより２次元の広がりのあるサンプル（被検出対象物）を広い領域に亘って立体形状を高精度に検出することが可能となる。
補助検出系６としては上記の図６の実施例に限らず、図１に示す検出系の不感帯となる領域においてほぼ同じ精度で広い検出領域を有するものであればどのような補助検出系を用いても良い。
【００３２】
次に、本発明に係る立体形状検出装置並びに共焦点検出装置の第３の実施の形態について説明する。以上説明した第１および第２の実施の形態は、本発明を表面の高さ計測、或いは表面形状の計測に適用した実施の形態であるが、更に一般的に共焦点検出系として、焦点合わせに実施することも可能である。即ち、本発明の輪帯照明による共焦点検出を行えば、焦点検出精度が特に表面が透明で下地の反射率が大きな物体の検出に有利である。この際輪帯照明によるスポットが１個でも、或いは複数でも良い。例えば比較的平坦な物体を検出する場合、輪帯照明のスポットは１点でよいし、検出視野内で凹凸のある場合には複数の輪帯照明のスポットを同時照射すれば、検出視野内の所望の位置に焦点を合わせることができる。
この様に物体表面のパターン検出に本発明に係る輪帯照明共焦点検出系を用いる場合にはパターン検出光学系内に本検出系を実装した第３の実施の形態にする必要がある。
【００３３】
図７はこの実装を行った第３の実施の形態を示す図である。図７と図１の同一番号は同一物或いは同一機能を有する。即ち、１は輪帯照明共焦点検出用の照明光源であり、単一波長λ０を有する。２は輪帯照明光学系である。４１’は共焦点検出系４の偏光ビームスプリッタであり、２７は対物レンズである。７はパターン検出光学系であり、７１はその照明系、７２は撮像素子等の検出器である。７３は偏光ビームスプリッタであり、照明光の中Ｐ偏光のみを通過させ、検出照明光に用いられる。偏光ビームスプリッタ７３を透過した光は、結像レンズ（チューブレンズ）７４を透過し、１／４波長板７５を通り円偏光となり、波長選択ビームスプリッタ８で反射され、対物レンズ２７に入る。波長選択ビームスプリッタ８は、波長λ０±Δλの狭い範囲の光のみを透過し、パターン検出系の白色照明光の殆どの波長を反射する。従って殆ど白色光でパターン検出することができる。物体３で反射して戻ってきた白色光の光は、波長選択ビームスプリッタ８で反射し、１／４波長板７５を通り、Ｓ偏光になり偏光ビームスプリッタ７３で反射し、撮像素子等の検出器７２で検出される。従って、検出器７２によって被検出対象物３上に形成されたパターンや欠陥等についての白色光に基づく画像信号を検出することができ、画像信号処理回路７６において画像信号に基づく上記パターンの欠陥検査等を行うことができる。
【００３４】
輪帯照明検出系の光源１としては、５３２ｎｍの波長λ０で、図の紙面に対し平行なＰ偏光のレーザ光を出射する固体レーザで構成される。輪帯照明光学系２は、図１で説明した第１の実施の形態のものと基本的には同じであるが、本第３の実施の形態では、輪帯照明の微小スポットが２次元的に配列している。この輪帯照明の２次元スポットアレイは、偏光ビームスプリッタ４１を通過した後、レンズ２４（４２）を通り、１／４波長板４８を通過することにより円偏光に変換される。この円偏光に変換された輪帯照明の２次元スポットアレイは、波長λ０（５３２ｎｍ）の光を９０％以上の透過率で透過する波長選択ビームスプリッタ８を透過し、対物レンズ２７を透過し、被検出対象物３の表面に照射される。被検出対象物３で反射した光は、対物レンズ２７、および波長選択ビームスプリッタ８を透過し、１／４波長板４８で円偏光からＳ偏光に変換され、結像用のレンズ２４（４２）を透過後、偏光ビームスプリッタ４１’で反射されて２次元ピンホールアレイ４３’に入射し、２次元センサアレイ４４’により２次元的に共焦点検出される。
輪帯照明共焦点検出系の焦点位置と、パターン検出系の焦点位置は予め一致するように調整されているので、輪帯照明共焦点検出系で上述の方法で焦点合わせすれば、パターン検出光学系においても合焦点検出される。
【００３５】
従って、輪帯照明共焦点検出系で被検出対象物３の表面に形成された光に対して透明な膜（例えば酸化膜等の絶縁膜）の表面に焦点を合わせ、パターン検出光学系により光に対して透明な膜（例えば酸化膜の絶縁膜）に形成されたスルーホール等のパターンや透明な膜（例えば酸化膜の絶縁膜）上に形成された異物や傷等の欠陥を白色光に基づく画像信号から検査することが可能となる。
特に、透明な膜に形成されたパターンや欠陥等を検査するために白色照明を施したのは、透明な膜において生じる光干渉をなくすためである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、共焦点検出の照射スポット光に輪帯照明光を用いることにより、特に透明物体の表面の位置（高さ）検出（立体形状検出）において、表面の下にある反射面の影響を受けにくくして、正確に検出することが可能となる効果を奏する。
また、本発明によれば、共焦点検出の照射スポット光に輪帯照明光を用いることにより、液晶表示装置のスペーサに用いる高さ数μｍの透明部材の高さを正確に検出することができる効果を奏する。
【００３７】
また、本発明によれば、共焦点検出のための輪帯照明の微小スポットをアレイ状にすることによって、被検出対象物上の複数の点の立体形状を同時に測定することができ、検出速度の向上を図ることができる効果を奏する。
また、本発明によれば、被検出対象物の表面に形成された光に対して透明な膜に形成されたパターンや透明な膜上に形成された異物や傷等の欠陥を白色光に基づく画像信号から高精度に検査することが可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る立体形状検出装置並びに共焦点検出装置における第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る輪帯照明を実現するフィルタの一実施例を示す図である。
【図３】本発明の効果を説明するためのスポット強度分布を示す図である。
【図４】本発明に係る輪帯条件制御機構の一実施例を示す図である。
【図５】測定点ｎ点における対物レンズと物体の相対位置ｈｚと検出強度Ｉｎ（ｈｚ）との関係を示す図である。
【図６】本発明に係る立体形状検出装置並びに共焦点検出装置において補助検出系を備えた第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図７】本発明に係る輪帯照明共焦点検出装置をパターン検出に適用した第３の実施の形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…光源、２…輪帯照明微小スポット照射光学系（輪帯照明光学系）、２０１、２０２…シリンドリカルレンズ、２１…レンズアレイ、２１０…ピンホール、２２…レンズ、２４（４２）…レンズ系、２５…輪帯照明用フィルタ、２５１…遮光パターン、２６０…輪帯照明スポットアレイ、２７…対物レンズ、２７１…瞳、３…被検出対象物、３１…表面の透明層、３１０…物体面（最上面）、３２…下層の透明層、３２０…境界面（反射面）、４…共焦点検出系、４１…ビームスプリッタ、４１’…偏光ビームスプリッタ、４２…レンズ、４３…ピンホールアレイ、４３’…２次元ピンホールアレイ、４３０…ピンホール、４４…光検出素子アレイ、４４’…２次元センサアレイ、５…信号処理回路、５０…全体制御部、６…補助光学系、７…パターン検出光学系、８…波長選択ビームスプリッタ、７１…パターン検出照明系、７２…検出器、７３…偏光ビームスプリッタ、７４…レンズ、４８、７５…１／４波長板、７６…画像信号処理回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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