(57)【要約】【課題】測定対象となるウェハのエッジ位置を基準としたときの測定領域の表面形状データを正確に算出する。【解決手段】基準位置検出部は、エッジから規定距離だけ離れた基準位置に基準パターンが形成された基準サンプルの表面形状から基準位置を検出する。エッジ位置検出部は、基準サンプルの第１エッジ位置を検出する。エッジ間距離算出部は、対象ウェハの第２エッジ位置を検出し、第１、第２エッジ位置のエッジ間距離を算出する。表面形状算出部は、基準位置を基準座標として、ロールオフ部の表面形状データを算出する。座標変換部は、基準位置から、規定距離にエッジ間距離を加えて座標オフセットを求め、表面形状データの座標に座標オフセットを加えて、第２エッジ位置を基準とする座標系に表面形状データを座標変換する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェハの表面の所定の測定領域の表面形状を測定する形状測定装置であって、
測定光を照射する光源と、
前記測定光の前記ウェハからの反射光を受光し、前記ウェハの表面形状を測定するシャックハルトマン方式のＳＨセンサと、
前記ウェハのエッジを測定するエッジ測定部と、
エッジから規定距離だけ離れた基準位置に基準パターンが形成された基準サンプルの表面形状を前記ＳＨセンサに測定させ、前記基準位置を検出する基準位置検出部と、
前記基準サンプルのエッジを前記エッジ測定部に測定させ、前記基準サンプルのエッジ位置である第１エッジ位置を検出するエッジ位置検出部と、
測定対象である対象ウェハのエッジを前記エッジ測定部に測定させ、前記対象ウェハのエッジ位置である第２エッジ位置を検出し、前記第１、第２エッジ位置のエッジ間距離を算出するエッジ間距離算出部と、
前記対象ウェハの前記測定領域の表面形状を前記ＳＨセンサに測定させ、前記基準位置を基準座標として、前記測定領域の表面形状データを算出する表面形状算出部と、
前記基準位置から、前記規定距離に前記エッジ間距離を加えた離距だけ離れた位置を基準座標とする座標系に前記表面形状データを座標変換する座標変換部とを含む形状測定装置。
【請求項２】
前記エッジ測定部は、前記光源に対してウェハの反対側に設置されたカメラであり、
一部の光が前記ウェハのエッジの外部を通過するように前記測定光を反射し、前記ウェハからの反射光を透過して前記ＳＨセンサに導き、且つ、前記外部を通過した光を前記カメラに導くハーフミラーを更に備える請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記光源は、インコヒーレント光を出力する請求項１又は２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記光源は、
前記インコヒーレント光を出力する光源素子と、
前記光源素子の出力側に設けられたピンホールと、
前記ピンホールを通過した光を平行光に変換するレンズとを備える請求項３記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記光源素子と前記ピンホールとの間に設けられた集光レンズを更に備える請求項４記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記光源は、ＳＨセンサ用の第１光源と、前記第１光源とは異なる位置に設置されたエッジ測定部用の第２光源とを含み、
前記エッジ測定部は、前記第２光源に対して前記ウェハの反対側に設置されたカメラである請求項１記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記エッジ測定部は、レーザー変位計である請求項１記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記エッジ測定部は、接触式変位計である請求項１記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記基準位置検出部は、前記ＳＨセンサの分解能よりも小さな分解能で前記基準位置を検出する請求項１〜８のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記基準パターンは、マスクパターンであり、
前記基準サンプルを表面と平行な方向に移動させる移動部を更に備え、
前記基準位置検出部は、前記基準サンプルが前記ＳＨセンサの分解能よりも短い距離移動する都度、前記基準サンプルの表面形状を前記ＳＨセンサにより測定させ、測定結果に基づいて前記基準位置を検出する請求項９記載の形状測定装置。
【請求項１１】
前記基準パターンは、周期的に変化する波形パターンであり、
前記基準位置検出部は、前記波形パターンを前記ＳＨセンサに１回測定させ、測定結果に基づいて前記基準位置を検出する請求項９記載の形状測定装置。
【請求項１２】
前記基準サンプルは、前記ウェハの形状を模擬した板状の鏡面物体により構成される請求項１〜１１のいずれかに記載の形状測定装置。
【請求項１３】
前記測定領域はロールオフ部である請求項１〜１２のいずれかに記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャックハルトマン方式のセンサを用いてウェハの表面形状を測定する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、シャックハルトマン方式のセンサを用いてウェハの表面形状を測定する技術に関するものである。
【０００３】
シリコンやサファイア等で構成されるウェハからデバイスを製造する場合、ナノメートルオーダーの非常に微細な配線デザインが要求されている。これを実現するためにウェハの表面形状の平坦性の要求も高まっている。そこで、ウェハの平坦性を検査する測定装置においても非常に微細な測定精度が要求されている。
【０００４】
ウェハの測定装置では、ウェハの表面形状、特にロールオフ部と呼ばれるエッジ近傍の（例えばエッジ端から１〜５ｍｍの範囲）の平面からずれ形状を測定することが必要となる。
【０００５】
図１８は、シャックハルトマン方式の波面センサであるＳＨセンサを用いてウェハのロールオフ部を測定した場合の問題点を説明する図である。ウェハの表面は、中心からエッジに向けて平面部、ロールオフ部、及び面取り部に分けられる。
【０００６】
ロールオフ部の表面形状を測定する際には、ウェハ上におけるロールオフ部の位置座標を決定する必要がある。通常は、ウェハのエッジ位置を基準にして、ウェハの中心とエッジとを結んだ線上（半径方向）に座標が設定される。この際、高精度（例えば、１０μｍ以下）で座標の位置決めを実現する必要がある。
【０００７】
これを実現する場合、以下の２つの問題が生じる。問題１）ＳＨセンサは光源光のウェハから反射光を受光して、表面形状を測定する。ロールオフ部や平面部の反射光はＳＨセンサの撮像面に到達することができる。そのため、ＳＨセンサは平面部及びロールオフ部の表面形状を測定することができる。しかしながら、面取り部よりエッジ側で反射された反射光はエッジの外側に向けて反射されるため、ＳＨセンサの撮像面に到達せず、ＳＨセンサはこの領域の表面形状を認識することができない。したがって、ＳＨセンサは、エッジ位置を基準としたときの平面部及びロールオフ部の表面形状の座標を正確に求めることができないという問題がある。
【０００８】
問題２）ＳＨセンサを構成するレンズアレイのレンズピッチは通常１００μｍ前後であるのが一般的である。そのため、ＳＨセンサがエッジ位置を検出できたとしても、これ以上の分解能でエッジ位置を認識することができないという問題がある。なお、レンズピッチが１００μｍ程度である理由は、ＳＨセンサを構成する撮像素子の画素ピッチは５μｍ程度であり、ＳＨセンサの原理上、レンズピッチは画素ピッチに対して２０倍程度以上確保する必要があるからである。
【０００９】
そこで、特許文献１では、ＳＨセンサを用いてウェハの表面形状データを算出する形状測定装置において、ＳＨセンサとは別に設けられた撮像装置により測定対象となるウェハのエッジ位置を検出し、検出したエッジ位置を基準として表面形状データを求めることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１１−２２６９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１の手法では、ＳＨセンサが表面形状を測定する測定領域と、エッジ位置との距離が既知であるとして、表面形状データが算出されているが、測定領域とエッジ位置との距離はウェハごとに異なっている。そのため、特許文献１の手法では、エッジ位置から測定領域までの距離を正確に特定することができず、エッジ位置を基準とした測定領域の表面形状データを正確に算出することができないという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、測定対象となるウェハのエッジ位置を基準としたときの測定領域の表面形状データを正確に算出する形状測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）本発明の一態様による形状測定装置は、ウェハの表面の所定の測定領域の表面形状を測定する形状測定装置であって、測定光を照射する光源と、前記測定光の前記ウェハからの反射光を受光し、前記ウェハの表面形状を測定するシャックハルトマン方式のＳＨセンサと、前記ウェハのエッジを測定するエッジ測定部と、エッジから規定距離だけ離れた基準位置に基準パターンが形成された基準サンプルの表面形状を前記ＳＨセンサに測定させ、前記基準位置を検出する基準位置検出部と、前記基準サンプルのエッジを前記エッジ測定部に測定させ、前記基準サンプルのエッジ位置である第１エッジ位置を検出するエッジ位置検出部と、測定対象である対象ウェハのエッジを前記エッジ測定部に測定させ、前記対象ウェハのエッジ位置である第２エッジ位置を検出し、前記第１、第２エッジ位置のエッジ間距離を算出するエッジ間距離算出部と、前記対象ウェハの前記測定領域の表面形状を前記ＳＨセンサに測定させ、前記基準位置を基準座標として、前記測定領域の表面形状データを算出する表面形状算出部と、前記基準位置から、前記規定距離に前記エッジ間距離を加えた離距だけ離れた位置を基準座標とする座標系に前記表面形状データを座標変換する座標変換部とを含む。
【００１４】
この構成によれば、エッジから規定距離離れた基準位置に基準パターンが形成された基準サンプルがＳＨセンサにより測定され、基準位置が検出される。また、エッジ測定部により基準サンプルのエッジが測定され、基準サンプルのエッジ位置である第１エッジ位置が検出される。以上により校正処理が終了される。
【００１５】
次に、エッジ測定部により対象ウェハのエッジが測定され、対象ウェハのエッジ位置である第２エッジ位置が検出され、第１、第２エッジ位置のエッジ間距離が求められる。次に、ＳＨセンサにより対象ウェハの測定領域が測定され、測定領域の基準位置を基準座標としたときの、対象ウェハの表面形状データが算出される。
【００１６】
次に、規定距離にエッジ間距離を加えた距離だけ基準位置から離れた位置を基準座標とする座標系に表面形状データが座標変換される。ここで、規定距離にエッジ間距離を加えた距離は、基準位置から第２エッジ位置までの距離を表すため、この座標系は、第２エッジ位置を基準座標とする座標系となる。よって、対象ウェハのエッジ位置を基準としたときの測定領域の表面形状データを正確に算出することができる。
【００１７】
（２）前記エッジ測定部は、前記光源に対してウェハの反対側に設置されたカメラであり、一部の光が前記ウェハのエッジの外部を通過するように前記測定光を反射し、前記ウェハからの反射光を透過して前記ＳＨセンサに導き、且つ、前記外部を通過した光を前記カメラに導くハーフミラーを更に備えてもよい。
【００１８】
この構成によれば、１つの光源で、測定領域の表面形状とエッジとを測定することができる。
【００１９】
（３）前記光源は、インコヒーレント光を出力することが好ましい。
【００２０】
この場合、ＳＨセンサを構成するマイクロレンズのエッジ部で発生した回折光による干渉縞パターンの発生を防止できる。そのため、ある１つのマイクロレンズに対応する撮像面のブロック内で輝度分布の重心の位置をそのブロックでの結像点として求める構成を採用した場合、求めた結像点が幾何光学的に得られる本来の結像点からずれることを防止できる。
【００２１】
（４）前記光源は、前記インコヒーレント光を出力する光源素子と、前記光源素子の出力側に設けられたピンホールと、前記ピンホールを通過した光を平行光に変換するレンズとを備えてもよい。
【００２２】
この構成によれば、レンズの手前にはピンホールが設けられている。これにより、レンズにはあたかも点光源から出力されたような光が入射されるため、レンズは、光源素子から出力された光をより正確に平行光に変換できる。
【００２３】
（５）前記光源素子と前記ピンホールとの間に設けられた集光レンズを更に備えてもよい。
【００２４】
この構成によれば、光源素子から出力された光のうちピンホールを通過する光の割合を大きくできる。その結果、光源素子から出力された光の平行光への変換効率を高めることができる。
【００２５】
（６）前記光源は、ＳＨセンサ用の第１光源と、前記第１光源とは異なる位置に設置されたエッジ測定部用の第２光源とを含み、前記エッジ測定部は、前記第２光源に対して前記ウェハの反対側に設置されたカメラであってもよい。
【００２６】
この構成によれば、ＳＨセンサ用の第１光源を測定領域に照射してＳＨセンサに測定領域の表面形状を測定させ、エッジ測定部用の第２光源をエッジに照射してエッジ測定部にエッジを測定させることができる。
【００２７】
（７）前記エッジ測定部は、レーザー変位計であってもよい。
【００２８】
この構成によれば、レーザ変位計でエッジが測定されるため、ＳＨセンサの分解能以下の精度でエッジを測定することができる。
【００２９】
（８）前記エッジ測定部は、接触式変位計であってもよい。
【００３０】
この構成によれば、接触式変位計でエッジが測定されるため、ＳＨセンサの分解能以下の精度でエッジを測定することができる。
【００３１】
（９）前記基準位置検出部は、前記ＳＨセンサの分解能よりも小さな分解能で前記基準位置を検出してもよい。
【００３２】
この構成によれば、ＳＨセンサの分解能よりも小さな分解能で基準位置を検出することができる。
【００３３】
（１０）前記基準パターンは、マスクパターンであり、前記基準サンプルを表面と平行な方向に移動させる移動部を更に備え、前記基準位置検出部は、前記基準サンプルが前記ＳＨセンサの分解能よりも短い距離移動する都度、前記基準サンプルの表面形状を前記ＳＨセンサにより測定させ、測定結果に基づいて前記基準位置を検出してもよい。
【００３４】
この構成によれば、基準サンプルがＳＨセンサの分解能よりも短い距離移動される都度、基準サンプルの表面形状がＳＨセンサに測定されるため、基準位置をＳＨセンサの分解能よりも低い分解能で検出することができる。
【００３５】
（１１）前記基準パターンは、周期的に変化する波形パターンであり、前記基準位置検出部は、前記波形パターンを前記ＳＨセンサに１回測定させ、測定結果に基づいて前記基準位置を検出してもよい。
【００３６】
この構成によれば、基準サンプルには周期的に変化する波形パターンが基準パターンとして形成されているため、波形パターンをＳＨセンサに１回の測定させるだけで、基準位置を検出することができる。
【００３７】
（１２）前記基準サンプルは、前記ウェハの形状を模擬した板状の鏡面物体により構成されてもよい。
【００３８】
この構成によれば、ウェハとは異なる板状の鏡面物体を用いて基準サンプルが作成されるため、基準サンプルを安価に作成することができる。
【００３９】
（１３）前記測定領域はロールオフ部であってもよい。
【００４０】
この構成によれば、ロールオフ部の表面形状を正確に検出することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、対象ウェハのエッジ位置を基準としたときの測定領域の表面形状データを正確に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態による形状測定装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態による形状測定装置の校正処理を説明する図である。
【図３】ＳＨセンサの測定原理を示す説明図である。
【図４】ＳＨセンサにおける波面角度の算出式を説明するための図である。
【図５】ＳＨセンサで測定された波面角度から測定対象物の対象ウェハを求める算出方法を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態による形状測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態による形状測定装置のハードウェア構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態による形状測定装置のハードウェア構成の別の一例を示した図である。
【図９】マスク領域が形成された基準サンプルから基準位置を検出する手法の説明図である。
【図１０】波形領域が形成された基準サンプルから基準位置を検出する手法の説明図である。
【図１１】エッジ測定部としてレーザ距離計を採用した場合の形状計測装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
【図１２】エッジ測定部として、接触式変位計を採用した場合の形状測定装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
【図１３】図１０の手法を用いて基準位置を検出する態様を採用した場合の形状測定装置のハードウェア構成の一例を示した図である。
【図１４】基準サンプルを微動させて基準位置を検出する態様を採用した場合の形状測定装置のハードウェa構成の一例を示した図である。
【図１５】本実施の形態における光源の構成の一例を示した図である。
【図１６】ある１つのマイクロレンズに対応する撮像面上のブロックにおける輝度分布を示した図である。
【図１７】図１６の輝度分布を切断線で切ったときの輝度分布を示したグラフである。
【図１８】シャックハルトマン方式の波面センサであるＳＨセンサを用いてウェハのロールオフ部を測定した場合の問題点を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１８に示すようにウェハの表面は、中心からエッジに向けて平面部、ロールオフ部、面取り部に分けられる。平面部は、ウェハの表面の平坦な領域である。ロールオフ部は、エッジ部に向けて緩やかな傾斜を持つ領域である。面取り部は、エッジ部に向けてロールオフ部よりも大きな傾斜を持つ領域である。ウェハを評価する場合、平面部の表面形状はもとより、ロールオフ部の表面形状も有効な評価指標となる。そこで、本実施の形態では、ロールオフ部の表面形状を測定する場合を例に挙げて説明する。但し、これは一例であり、ロールオフ部以外の領域（例えば、平面部）を測定領域として設定し、表面形状を測定してもよい。
【００４４】
図１は、本発明の実施の形態による形状測定装置のブロック図である。形状測定装置は、光源１０１、ＳＨ（シャックハルトマン）センサ１０２、エッジ測定部１０３、及び制御部１１０を含む。
【００４５】
光源１０１は、ウェハに測定光を照射する。ＳＨセンサ１０２は、測定光のウェハからの反射光を受光し、ウェハの表面形状を測定するシャックハルトマン方式の波面センサである。エッジ測定部１０３は、ウェハのエッジを測定する。
【００４６】
図７は、本発明の実施の形態による形状測定装置のハードウェア構成の一例を示す図である。図７では、エッジ測定部１０３としてカメラ１０３ａが採用されている。光源１０１は、ウェハＷの上側に設けられ、ウェハＷの表面と平行な方向に測定光７０１を照射する。ウェハＷのエッジの上側にはハーフミラー１０４が配置されている。ハーフミラー１０４は、測定光７０１の一部がウェハＷに到達し、測定光７０１の残りがエッジの外側を通過するように測定光７０１を反射させる。
【００４７】
ＳＨセンサ１０２は、ウェハＷの外周領域の真上に配置されている。カメラ１０３ａは、ＳＨセンサ１０２に対してウェハＷを挟んで真下に配置されている。ここで、外周領域は、ロールオフ部、面取り部、エッジを含む領域とする。
【００４８】
光源１０１から照射された測定光７０１は、ハーフミラー１０４により反射され、９０度偏向され、ウェハＷの外周領域を照射する。ハーフミラー１０４により、反射された測定光７０１の一部はウェハＷにより反射される。反射光７０２はハーフミラー１０４を透過してＳＨセンサ１０２に入射する。これにより、ＳＨセンサ１０２は、ロールオフ部の表面形状を測定する。
【００４９】
一方、ハーフミラー１０４により反射された測定光７０１の一部は、ウェハＷに反射されず、ウェハＷの外側を通過して、直接、カメラ１０３ａに入射する。これにより、カメラ１０３ａはエッジを測定する。
【００５０】
図８は、本発明の実施の形態による形状測定装置のハードウェア構成の別の一例を示した図である。図８ではウェハＷの表面を真上から見た状態が示されている。図８の例では、光源１０１ａ、１０１ｂの２つの光源が設けられている。光源１０１ａ（第１光源の一例）はＳＨセンサ１０２用の光源であり、光源１０１ｂ（第２光源の一例）はカメラ１０３ａ用の光源である。
【００５１】
また、図８の例では、光源１０１ａ、ハーフミラー１０４、及びＳＨセンサ１０２の配置は、図７と同じであるが、光源１０１ｂ及びカメラ１０３ａの配置が図７とは異なる。光源１０１ｂ及びカメラ１０３ａはウェハＷと同じ高さであってウェハＷの表面と平行に配置されている。また、光源１０１ｂ及びカメラ１０３ａはウェハＷを中心として対向して配置されている。
【００５２】
光源１０１ａから照射された測定光７０１ａはハーフミラー１０４により反射され、９０度偏向され、ウェハＷの外周領域を反射し、反射光となってＳＨセンサ１０２に入射される。これにより、ＳＨセンサ１０２は、ロールオフ部の表面形状を測定する。
【００５３】
一方、光源１０１ｂから照射された測定光７０１ｂは、一部がウェハＷにより遮蔽されてカメラ１０３ａに入射される。これにより、エッジのシルエット像がカメラ１０３ａに入射し、カメラ１０３ａはエッジを測定する。以下、エッジ測定部１０３としてカメラ１０３ａを採用したものとして説明する。
【００５４】
図１に戻り、制御部１１０は、例えば、マイクロコントローラにより構成され、光源制御部１１１、基準位置検出部１１２、エッジ位置検出部１１３、エッジ間距離算出部１１４、表面形状算出部１１５、及び座標変換部１１６を含む。
【００５５】
光源制御部１１１は、光源１０１に電力を供給し、光源１０１を点灯させる。基準位置検出部１１２は、エッジから規定距離ａだけ離れた基準位置に基準パターンが形成された基準サンプルの表面形状をＳＨセンサ１０２に測定させ、基準位置を検出する。図２は、本発明の実施の形態による形状測定装置の校正処理を説明する図である。基準サンプルＲＷはエッジから規定距離ａ離れた位置に基準位置Ｒ０が設定されている。ここで、規定距離ａは、既知であり、例えば、エッジからロールオフ部内の想定されるある位置までの径方向に沿った距離を持つ。
【００５６】
基準サンプルＲＷは、測定対象となる対象ウェハＴＷとは別に対象ウェハＴＷを模擬して予め作成されたものである。基準サンプルＲＷは、対象ウェハＴＷと同一の材料を用いて作成されてもよいし、対象ウェハＴＷとは別の材料を用いて作成されてもよい。別の材料としては、例えば、鏡面物体が採用される。基準サンプルＲＷにおいて、基準位置Ｒ０には図９、図１０に示すようなマスク領域９０１又は、波形領域１００１が基準パターンとして形成されている。ＳＨセンサ１０２により例えば、図３（Ａ）に示す測定画像Ｐ３０１が撮像されたとする。測定画像Ｐ３０１は、垂直方向にｙ軸、水平方向にｘ軸が設定された座標系を持つとする。また、測定画像Ｐ３０１は、例えば、垂直方向の中央の座標がｙ＝０に設定され、ｙ＝０の直線上に基準サンプルＲＷの径方向が位置決めされているとする。基準サンプルＲＷには、ｘ軸上のある位置を通り、ｙ軸と平行な直線上に基準位置Ｒ０が形成されている。そのため、基準位置Ｒ０は、ｘ座標のみの値を持つデータとして、基準位置検出部１１２により検出される。そして、基準位置検出部１１２は、基準位置Ｒ０の座標がｘ座標の原点となるようにＳＨセンサ１０２の座標系を設定する。
【００５７】
図１に戻り、エッジ位置検出部１１３は、図２に示すように、基準サンプルＲＷのエッジをエッジ測定部１０３に測定させ、基準サンプルＲＷのエッジ位置である第１エッジ位置Ｅ１を検出する。ここで、エッジ測定部１０３が例えば図２に示すような測定画像Ｐ２０１を撮像したとする。この場合、エッジ位置検出部１１３は、まず、エッジの輪郭Ｅ１ａを検出する。輪郭Ｅ１ａの検出手法としては、例えば、測定画像Ｐ２０１において、輝度が規定値以上の領域を抽出し、抽出した領域の縁の部分を輪郭Ｅ１ａとして検出する手法を採用すればよい。或いは、測定画像Ｐ２０１を微分することでエッジの輪郭Ｅ１ａを検出する手法を採用してもよい。そして、エッジ位置検出部１１３は、輪郭Ｅ１ａのピークの位置を特定し、その位置を第１エッジ位置Ｐ１（ｅ１ｘ、ｅ１ｙ）として検出すればよい。ここで、図２に示すように、測定画像Ｐ２０１は、垂直方向にｙ軸、水平方向にｘ軸が設定されているとする。この場合、エッジ位置検出部１１３は、例えば、輪郭Ｅ１ａにおいてｘ成分の値が最大となる位置を第１エッジ位置Ｐ１（ｅ１ｘ、ｅ１ｙ）として検出すればよい。
【００５８】
エッジ間距離算出部１１４は、図２に示すように、対象ウェハＴＷのエッジをエッジ測定部１０３に測定させ、対象ウェハＴＷのエッジ位置である第２エッジ位置Ｅ２を検出する。ここで、エッジ測定部１０３により撮像された対象ウェハＴＷの測定画像を測定画像Ｐ２０２とすると、エッジ間距離算出部１１４は、エッジ位置検出部１１３と、同様にして、測定画像Ｐ２０２から第２エッジ位置Ｐ２（ｅ２ｘ、ｅ２ｙ）を検出すればよい。
【００５９】
そして、エッジ間距離算出部１１４は、第１、第２エッジ位置Ｅ１、Ｅ２のエッジ間距離ｂを算出する。これにより、対象ウェハＴＷと基準サンプルＲＷとのエッジのずれが分かる。ここで、基準サンプルＲＷ及び対象ウェハＴＷは、同じサンプル支持台１３０１（図１３参照）に載置され、ｘ軸のずれはないとする。よって、エッジ間距離算出部１１４は、第１、第２エッジ位置Ｐ１、Ｐ２のｘ成分の差分を求め、この差分を現実空間の距離に換算し、エッジ間距離ｂを算出すればよい。ここで、エッジ間距離算出部１１４は、エッジ測定部１０３の座標系と現実空間とを対応付ける所定の係数を用いて、エッジ間距離ｂを算出すればよい。
【００６０】
表面形状算出部１１５は、対象ウェハＴＷのロールオフ部の表面形状をＳＨセンサ１０２に測定させ、基準位置Ｒ０を基準座標として、ロールオフ部の表面形状データを算出する。ここで、表面形状データは、ロールオフ部の各位置の高さを示す高さデータが所定行×所定列で配列されたデータ構造を持つ。具体的には、図３（Ａ）に示すように、測定画像Ｐ３０１からは、結像点４２ｃ毎に高さデータが得られるため、表面形状データは、結像点４２ｃに対応して高さデータが配列されたデータ構造を持つ。
【００６１】
座標変換部１１６は、図２に示すように、基準位置Ｒ０から、規定距離ａにエッジ間距離ｂを加えた離距ｃ（＝ａ＋ｂ）を求める。ここで、規定距離ａは既知であるため、距離ｃ（＝ａ＋ｂ）は、基準位置Ｒ０から第２エッジ位置Ｅ２までの距離を表す。そして、座標変換部１１６は、距離ｃ（＝ａ＋ｂ）をＳＨセンサ１０２の座標系の距離に換算し、座標オフセットを求める。
【００６２】
そして、座標変換部１１６は、表面形状算出部１１５により算出された表面形状データの座標に座標オフセットを加え、第２エッジ位置Ｅ２を基準とする座標系に表面形状データを座標変換する。例えば、図５において、ｘＡが基準位置Ｒ０に対応する基準座標として設定されたとする。この場合、座標変換部１１６は、ｘＡに座標オフセットｘＣを加えた座標を基準座標とする座標系を設定し、この座標系に表面形状データを座標変換する。ここで、座標オフセットｘＣは、ｘ成分のみ値を持ちｙ成分の値は持っていないものとする。これにより、対象ウェハＴＷのロールオフ部の表面形状データを構成する各高さデータの座標は、第２エッジ位置Ｅ２からの距離を正確に表すことになる。その結果、第２エッジ位置Ｅ２を基準としたときのロールオフ部の表面形状データを正確に求めることができる。
【００６３】
図３は、ＳＨセンサ１０２の測定原理を示す説明図である。ＳＨセンサ１０２は、マイクロレンズアレイ４１及びマイクロレンズアレイ４１の後方に設けられた撮像素子４２を含む。マイクロレンズアレイ４１は、複数のマイクロレンズ４１１が所定行×所定列でアレイ状に配列されたレンズである。撮像素子４２は、複数の画素が所定行×所定列でアレイ状に配列された撮像素子であり、例えば、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサが採用される。
【００６４】
ＳＨセンサ１０２は、入射光をマイクロレンズ４１１で結像し、得られた入射光の像を撮像素子４２に撮像させる。撮像素子４２の撮像面４２ａは、各マイクロレンズ４１１に対応して複数のブロック４２ｂに分けられる。入射光が平面波の場合、図３（Ａ）に示すように、入射光は各ブロック４２ｂの中心に結像される。
【００６５】
一方、入射光に歪みが生じている場合、図３（Ｂ）に示すように、入射光は各ブロック４２ｂにおいて、中心からずれて結像される。よって、各ブロック４２ｂにおいて、結像点４２ｃの中心からのずれを求めることで、平面波に対する波面の角度（波面角度）が分かり、波面角度からウェハの各位置での傾きが分かり、その傾きを積分することで、ウェハの各位置での高さデータが得られる。
【００６６】
図４は、ＳＨセンサ１０２における波面角度の算出式を説明するための図である。マイクロレンズ４１１は撮像素子４２側に凸のドーム状の断面形状を持つ。基準結像点Ｐ４０１は、波面が撮像素子４２の撮像面と平行な平面波ＷＶ１の撮像素子４２における結像点を示す。基準結像点Ｐ４０１は、マイクロレンズ４１１の光軸４１１ａと撮像素子４２との交点である。観測結像点Ｐ４０２は、波面が撮像素子４２の撮像面から傾斜した観測波ＷＶ２の撮像素子４２における結像点を示す。図４において、マイクロレンズアレイ４１と撮像素子４２との間の距離をＦとする。また、基準結像点Ｐ４０１と観測結像点Ｐ４０２との間の距離をＬとする。
【００６７】
幾何学的関係から、波面角度αは、ｔａｎα＝Ｌ／Ｆで表される。よって、表面形状算出部１１５は、ＳＨセンサ１０２の撮像素子４２により撮像された測定画像から、各ブロック４２ｂにおける観測結像点Ｐ４０２の基準結像点Ｐ４０１からのずれ量（距離Ｌ）を求め、α＝ｔａｎ−１（Ｌ／Ｆ）により、各ブロック４２ｂにおける波面角度αを算出する。
【００６８】
なお、ＳＨセンサ１０２は、対象ウェハＴＷの径方向にｘ軸、ｘ軸と直交する方向をｙ軸として２次元の画像データを撮像する。そのため、観測結像点Ｐ４０２から基準結像点Ｐ４０１のずれ量はｘ成分とｙ成分とのずれ量が存在するが、本実施の形態では、径方向にそった対象ウェハＴＷの高さデータの変化を測定することを主眼としている。そこで、表面形状算出部１１５は、ｘ成分のずれ量を図４に示す距離Ｌとして求め、波面角度αを求める。なお、表面形状算出部１１５は、ブロック４２ｂにおける輝度分布の重心の位置を求め、その位置を観測結像点Ｐ４０２として求めればよい。この場合、表面形状算出部１１５は、輝度の重心の位置を撮像素子４２の分解能よりも小さなサブピクセルレベルで算出してもよい。これにより、より正確に波面角度を求めることができる。
【００６９】
図５は、ＳＨセンサ１０２で測定された波面角度から対象ウェハの表面形状を求める算出方法を説明するための図である。上側の曲線はＳＨセンサ１０２により測定される波面５０１を示し、下側の曲線は対象ウェハＴＷの表面形状を示す。なお、図５では、ｘ軸と平行なある１ラインにおける波面５０１及び対象ウェハＴＷの表面形状が示されている。
【００７０】
対象ウェハＴＷの表面形状はナノメートルオーダーで変化し、ＳＨセンサ１０２と対象ウェハＴＷとの距離は１００ｍｍ程度であるため、ＳＨセンサ１０２と測定対象物との距離Ｄを一定とみなすことができる。
【００７１】
波面５０１上のある位置Ｐ５０１のｘ座標をｘ０とする。位置Ｐ５０１の波面角度αは、位置Ｐ５０１の接線に対する法線と対象ウェハＴＷとの交点（位置Ｐ５０２）の高さの情報を表す。この場合、位置Ｐ５０２のｘ座標は、ｘ＝ｘ０＋Ｄ・ｔａｎαで表される。また、対象ウェハＴＷの位置Ｐ５０２における傾きφ（ｘ）は、φ（ｘ）＝（１／２）・αで表される。
【００７２】
よって、表面形状算出部１１５は、φ（ｘ）＝（１／２）・α、ｘ＝ｘ０＋Ｄ・ｔａｎαを位置Ｐ５０２の傾きとして求める。そして、表面形状算出部１１５は、ｘ軸と平行なある１ラインにおいて、傾きφ（ｘ）をロールオフ部の全域でｘについて積分して、高さデータΦ（ｘ）（＝∫φ（ｘ）ｄｘ）を求める。表面形状算出部１１５は、この積分をｘ軸と平行な全てのラインに対して行い、対象ウェハＴＷのロールオフ部の全域での表面形状データを求める。
【００７３】
図９は、マスク領域９０１が形成された基準サンプルＲＷから基準位置Ｒ０を検出する手法の説明図である。基準サンプルＲＷには、エッジから規定距離ａ離れた位置に長方形状のマスク領域９０１が形成されている。ここで、マスク領域９０１は、他の領域と反射率が大きく異なっており、光を反射しない領域である。マスク領域９０１の作成方法としては、例えば、フォトリソグラフィにより無反射面を形成する方法や、無反射コート、薄膜シート等の無反射物体を印刷する方法が挙げられる。
【００７４】
一部にマスク領域９０１が含まれるように測定領域Ｄ９３を設定し、測定領域Ｄ９３に測定光を照射し、ＳＨセンサ１０２で撮像すると、結像点Ｄ９がアレイ状に配列された測定画像Ｐ９が得られる。結像点Ｄ９は、明領域Ｄ９１と暗領域Ｄ９２とに分けられる。明領域Ｄ９１と暗領域Ｄ９２との境界がマスク領域９０１の境界を示すが、ＳＨセンサ１０２では、マイクロレンズアレイ４１のピッチ以下の分解能は得られない。
【００７５】
そこで、基準位置検出部１１２は、マイクロレンズアレイ４１のピッチ以下の分解能（例えば１０μｍごと）で基準サンプルＲＷを径方向（中心からエッジへ向かう方向）に段階的に移動させる。そして、基準位置検出部１１２は、基準サンプルＲＷが移動する都度、ＳＨセンサ１０２に測定領域Ｄ９３を撮像させ、ある結像点Ｄ９４の輝度の変化をモニタする。
【００７６】
すると、グラフＧ９０１が得られる。グラフＧ９０１は結像点Ｄ９４の輝度の変化を示したグラフであり、横軸は基準サンプルＲＷの移動距離を示し、縦軸は輝度を示している。移動距離が０の場合、結像点Ｄ９４にはマスク領域９０１の影響を受けておらず、輝度が高い。以後、結像点Ｄ９４がマスク領域９０１の影響を受けるまで、高い輝度を維持している。そして、移動距離が５０μｍ程度になると、結像点９４にマスク領域９０１の影響が現れ始め、以後、基準サンプルＲＷが移動するにつれて、徐々に輝度が低下する。そして、移動距離が１２５μｍ程度になると、結像点Ｄ９４は完全にマスク領域９０１の影響を受けて、輝度が０になる。
【００７７】
このように、基準サンプルＲＷを微動させて、ある結像点Ｄ９４の輝度をモニタすると、グラフＧ９０１に示すように、輝度がステップ状に変化するグラフが得られる。
【００７８】
次に、基準位置検出部１１２は、グラフＧ９０１を微分する。すると、上に凸の釣り鐘型のグラフＧ９０２が得られる。次に、基準位置検出部１１２は、グラフＧ９０２から移動距離に対する重心を基準位置Ｒ０として検出し、基準位置Ｒ０の座標をＳＨセンサ１０２の基準座標として設定する。これにより、ＳＨセンサ１０２の分解能以下の精度で、基準座標を検出することができる。
【００７９】
図１４は、基準サンプルＲＷを微動させて基準位置Ｒ０を検出する態様を採用した場合の形状測定装置のハードウェア構成の一例を示した図である。
【００８０】
サンプル支持台１３０１は、対象ウェハＴＷ或いは基準サンプルＲＷといった測定対象物１３０４が設置される。サンプル支持台１３０１には、複数のピン１３０２が設けられている。ピン１３０２としては、測定対象物１３０４を支持する支持ピンの他、測定対象物１３０４を位置決めするための位置決めピン等が含まれる。
【００８１】
置換部１３０３は、現在、サンプル支持台１３０１に設置されている測定対象物１３０４を別の測定対象物１３０４に置き換えるための装置である。ここで、置換部１３０３としては、測定対象物１３０４を自動的に置き換えるロボット機構を採用してもよいし、測定対象物１３０４を手動で置き換える手動機構を採用してもよい。
【００８２】
サンプル支持台１３０１の下部には、移動部１４０３が設けられている。移動部１４０３、ステージ１４０１及び微動機構１４０２を含む。ステージ１４０１は、サンプル支持台の下部に設けられ、微動機構１４０２により矢印の方向に移動される。これにより、基準サンプルＲＷが段階的に微動される。微動機構１４０２は、ピエゾ素子や、機械式や手動ネジ式でステージ１４０１を微動させる装置で構成されている。
【００８３】
なお、微動機構１４０２は、基準位置Ｒ０を検出するための目標とする分解能（１０μｍ）でステージ１４０１を移動させることができることに加えて、レンズピッチ（１００μｍ）を超える長さの分解能でもステージ１４０１を移動させることができる。
【００８４】
図１０は、波形領域１００１が形成された基準サンプルＲＷから基準位置Ｒ０を検出する手法の説明図である。波形領域１００１は、基準サンプルＲＷにおいて、エッジから規定距離ａ離れた位置に形成された長方形の領域である。波形領域１００１には、周期的に断面形状の高さが変化する波形パターンＷＰが形成されている。図１０の例では、波形パターンＷＰとして、サインカーブが採用されている。なお、波形パターンＷＰとしては、サインカーブに限定されず、例えば、三角波を採用してもよい。本実施の形態では、波形パターンとして、例えば、周期が０．５ｍｍ、振幅が０．０５μｍの波形パターンを採用する。なお、周期としては、少なくとも、ＳＨセンサ１０２のレンズピッチよりも大きな値を採用すればよい。
【００８５】
ＳＨセンサ１０２の測定領域Ｄ１１の幅Ｄ１１ａは、波形領域１００１の幅Ｈ１よりも大きなサイズに設定されている。波形パターンＷＰは、例えばフォトリソグラフィなどの手法を用いて形成できる。
【００８６】
波形領域１００１に測定光を照射し、ＳＨセンサ１０２で撮像すると、図１０に示す測定画像Ｐ１０が得られる。測定画像Ｐ１０には、波形パターンＷＰに対応する周期的な明暗パターンで複数の結像点Ｄ１０が配列されている。
【００８７】
グラフＧ１００１は、測定画像Ｐ１０内のモニタ領域Ｄ１２における結像点の輝度をプロットしたグラフであり、縦軸は輝度を示し、横軸は、モニタ領域Ｄ１２のｘ軸の座標を表している。なお、モニタ領域Ｄ１２において一番左に位置する結像点は、測定画像Ｐ１０の左端から５００μｍに位置しているため、グラフＧ１００１では、横軸の開始位置には５００μｍがプロットされている。
【００８８】
ここで、波形領域１００１に形成された波形パターンＷＰのある位置（ここでは、モニタ領域Ｄ１２において左端から１つめのピークの位置とする）が基準サンプルＲＷのエッジから規定距離ａ離れた位置であるという情報を基準位置検出部１１２は予め持っている。したがって、基準位置検出部１１２は、グラフＧ１００１において、波形領域１００１に形成された既知の波形パターンＷＰをフィッティングして、左端から１つめのピークの位置を基準位置Ｒ０として検出し、基準位置Ｒ０の座標をＳＨセンサ１０２の基準座標として設定する。
【００８９】
このように、図１０の手法によれば、ＳＨセンサ１０２の１回の撮像により、レンズピッチ以下の分解能で基準位置Ｒ０を検出することができる。
【００９０】
図１３は、図１０の手法を用いて基準位置Ｒ０を検出する態様を採用した場合の形状測定装置のハードウェア構成の一例を示した図である。図１０の手法を用いた場合、基準サンプルＲＷを微動させる必要がない。そのため、図１３では、移動部１４０３が省かれている。それ以外の構成は図１４と同じであるため、説明を省く。
【００９１】
図６は、本発明の実施の形態による形状測定装置の動作を示すフローチャートである。まず、基準サンプルＲＷがサンプル支持台１３０１に載置され、ＳＨセンサ１０２により基準パターンが測定される（Ｓ６０１）。次に、基準位置検出部１１２は、ＳＨセンサ１０２の測定結果から基準位置Ｒ０を検出する（Ｓ６０２）。この場合、基準位置検出部１１２は、図９又は図１０の手法を用いて基準位置Ｒ０を検出すればよい。
【００９２】
次に、エッジ位置検出部１１３は、エッジ測定部１０３に基準サンプルＲＷのエッジを測定させる（Ｓ６０３）。ここで、エッジ測定部１０３は、基準サンプルＲＷのエッジを撮像することで、図２に示すような基準サンプルＲＷのエッジのシルエットが現れた測定画像を取得する。
【００９３】
次に、エッジ位置検出部１１３は、基準サンプルＲＷのエッジ位置である第１エッジ位置Ｅ１を検出する（Ｓ６０４）。なお、エッジ測定部１０３は、例えば、５μｍ程度の分解能を持つカメラで構成されているため、マイクロレンズアレイ４１のレンズピッチ以下の分解能で第１エッジ位置Ｅ１を検出することができる。
【００９４】
以上により、基準サンプルＲＷを用いた校正処理が終了する。
【００９５】
次に、サンプル支持台１３０１に対象ウェハＴＷが載置され、エッジ間距離算出部１１４は、エッジ測定部１０３に対象ウェハＴＷのエッジを測定させる（Ｓ６０５）。
【００９６】
次に、エッジ間距離算出部１１４は、エッジ測定部１０３により撮像された測定画像から第２エッジ位置Ｅ２を検出する（Ｓ６０６）。第２エッジ位置Ｅ２も第１エッジ位置Ｅ１と同様、マイクロレンズアレイのレンズピッチ以下の分解能で検出される。
【００９７】
次に、エッジ間距離算出部１１４は、第１エッジ位置Ｅ１と第２エッジ位置Ｅ２との差分を求め、エッジ間距離ｂを算出する（Ｓ６０７）。
【００９８】
次に、表面形状算出部１１５は、ＳＨセンサ１０２にロールオフ部の表面形状を測定させる（Ｓ６０８）。次に、表面形状算出部１１５は、ＳＨセンサ１０２により撮像された測定画像から、基準位置Ｒ０を基準座標とし、対象ウェハＴＷの表面形状データを算出する（Ｓ６０９）。
【００９９】
次に、座標変換部１１６は、規定距離ａとエッジ間距離ｂとを加算し、距離ｃ（＝ａ＋ｂ）を算出し、距離ｃ（＝ａ＋ｂ）をＳＨセンサ１０２の座標系の距離に換算し、座標オフセットｘＣを求める（Ｓ６１０）。
【０１００】
次に、座標変換部１１６は、対象ウェハＴＷの表面形状データを構成する各高さデータの座標に座標オフセットｘＣを加え、第２エッジ位置Ｅ２を基準とする座標系に表面形状データを座標変換する（Ｓ６１１）。
【０１０１】
以上により、第２エッジ位置Ｅ２を基準としたときのロールオフ部の表面形状データが得られる。
【０１０２】
上記説明では、エッジ測定部１０３としてカメラ１０３ａを採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、エッジ測定部１０３として、レーザ距離計を採用してもよい。図１１は、エッジ測定部１０３としてレーザ距離計１０３ｂを採用した場合の形状計測装置のハードウェア構成の一例を示す図である。レーザ距離計１０３ｂは、測定対象物１３０４のエッジと対向する位置に配置されている。そして、レーザ距離計１０３ｂは、エッジに向けてレーザ光を照射してから、エッジの各位置からの反射光を受光するまでの時間を計測することで、自身の位置からエッジの各位置までの距離を測定する。
【０１０３】
エッジ位置検出部１１３は、基準サンプルＲＷのエッジをレーザ距離計１０３ｂに測定させ、レーザ距離計１０３ｂに最も近い基準サンプルＲＷの位置を第１エッジ位置Ｅ１として検出する。また、エッジ間距離算出部１１４は、対象サンプルＴＷのエッジをレーザ距離計１０３ｂに測定させ、レーザ距離計１０３ｂに最も近い基準サンプルＲＷの位置を第２エッジ位置Ｅ２として検出する。そして、エッジ間距離算出部１１４は、第１エッジ位置Ｅ１と第２エッジ位置Ｅ２との差分をとりエッジ間距離を求める。
【０１０４】
ここで、レーザ距離計１０３ｂは１０μｍオーダーの分解能でエッジの各位置の距離を求めることができる。そのため、レーザ距離計１０３ｂを用いても、カメラ１０３ａを用いた場合と同様の効果が得られる。
【０１０５】
また、エッジ測定部１０３として、接触式変位計を採用してもよい。図１２は、エッジ測定部１０３として、接触式変位計１０３ｃを採用した場合の形状測定装置のハードウェア構成の一例を示す図である。接触式変位計１０３ｃはプローブ１２０１をエッジの各位置に当接させ、プローブ１２０１の変化を検出することで、エッジの形状を計測する。
【０１０６】
エッジ位置検出部１１３は、基準サンプルＲＷのエッジを接触式変位計１０３ｃに測定させ、接触式変位計１０３ｃに最も近い基準サンプルＲＷの位置を第１エッジ位置Ｅ１として検出する。また、エッジ間距離算出部１１４は、対象サンプルＴＷのエッジを接触式変位計１０３ｃに測定させ、接触式変位計１０３ｃに最も近い基準サンプルＲＷの位置を第２エッジ位置Ｅ２として検出する。そして、エッジ間距離算出部１１４は、第１エッジ位置Ｅ１と第２エッジ位置Ｅ２との差分をとりエッジ間距離を求める。
【０１０７】
ここで、接触式変位計１０３ｃも、１０μｍオーダーの分解能でエッジの各位置の距離を求めることができる。そのため、接触式変位計１０３ｃを用いても、カメラ１０３ａを用いた場合と同様の効果が得られる。
【０１０８】
次に、本実施の形態の形状測定装置に用いられる光源１０１について具体的に説明する。ＳＨセンサ１０２は、平行光の波面の角度を測定するものである。そのため、ＳＨセンサの光源１０１としては、波面の揃った光を出力する光源１０１を採用することが好ましい。そこで、一般的に、ＳＨセンサ１０２の光源としては、波面の揃った単色光を出力するレーザ光源が採用されている。
【０１０９】
但し、本形状計測装置では、ウェハの表面での反射された平行光の進行方向が分かれば充分であるため、ＳＨセンサの光源としてレーザ光源を用いる必然性はなく、平行光を出力できる光源であればどのような光源が採用されてもよい。
【０１１０】
図３（Ａ）に示すＳＨセンサ１０２において、マイクロレンズアレイ４１を通過した光は、主にマイクロレンズ４１１で集光されて点像（結像点４２ｃ）になるが、一部の光はマイクロレンズ４１１のエッジ部等で回折され、隣接するマイクロレンズ４１１に入射して、不要な回折光になる。そして、回折光同士又は回折光及び結像点４２ｃが重なると点像上及び点像の周辺に干渉縞１６０２（図１６参照）が生じる。
【０１１１】
図１６は、ある１つのマイクロレンズ４１１に対応する撮像面上のブロック４２ｂにおける輝度分布を示した図である。図１７は、図１６の輝度分布を切断線１６０１で切ったときの輝度分布を示したグラフであり、縦軸は輝度を示し、横軸は切断線１６０１上の位置を示す。なお、図１６において、濃度が薄い（白に近い）ほど輝度が高く、濃度が濃い（黒に近い）ほど輝度が低いことを示している。
【０１１２】
ブロック４２ｂにおいて、結像点４２ｃを通るように切断線１６０１を設定したときの切断線１６０１上での輝度分布は、幾何光学的には、ｓｉｎｃ関数のような結像点４２ｃを中心に左右対称な形状を持つと考えられる。しかしながら、コヒーレント光を照射した場合、上述した干渉縞１６０２が発生し、切断線１６０１上での輝度分布は、結像点４２ｃを中心として左右対称な形状にはならない。つまり、ブロック４２ｂにける輝度分布が幾何光学的に予測される本来の輝度分布からずれてしまう。
【０１１３】
そのため、ブロック４２ｂにおいて輝度分布の重心の位置を求め、その位置を結像点として採用すると、この結像点が本来の結像点からずれるという問題が生じる。
【０１１４】
また、コヒーレント光を採用した場合、ＳＨセンサに入射する光線の入射角度等が微小に変化するとその変化に応じて回折光の重なり方が変化し、干渉縞の濃淡パターンも変化するため、入射角度等の僅かな変動により、算出した重心の位置が本来の結存点からずれてしまう。
【０１１５】
そこで、本実施の形態では、光源としてインコヒーレント光を出力するインコヒーレント光源を採用する。図１５は、本実施の形態における光源１０１の構成の一例を示した図である。
【０１１６】
光源１０１は、光源素子１５０１、集光レンズ１５０２、ピンホール１５０３、凸レンズ１５０４、及び筐体１５０５を備える。光源素子１５０１は、例えば、発光ダイオード等のインコヒーレント光を出力する光源素子により構成され、発光面が筐体１５０５の開口側に位置するように筐体１５０５内に配置されている。
【０１１７】
集光レンズ１５０２は、光源素子１５０１とピンホール１５０３との間の位置において主面が光軸Ｌ１５と直行するように設けられている。ピンホール１５０３は、光軸Ｌ１５と直行するように筐体１５０５内に設けられた仕切板１５０３ａに形成された貫通穴により構成されている。なお、仕切板１５０３ａは、ピンホール１５０３が光軸Ｌ１５上に位置するように筐体１５０５内に設けられている。
【０１１８】
凸レンズ１５０４は、主面が光軸Ｌ１５と直行し、且つ、ピンホール１５０３に対して筐体１５０５の開口側に設けられている。そして、凸レンズ１５０４は、ピンホール１５０３を通過した光を平行光に変換する。凸レンズ１５０４により平行光に変換された光は筐体１５０５の開口から出力され、測定対象物を照射する。
【０１１９】
ここで、凸レンズ１５０４の手前にはピンホール１５０３が設けられている。これにより、凸レンズ１５０４にはあたかも点光源から出力されたような光が入射されるため、凸レンズ１５０４は、光源素子１５０１から出力された光をより正確に平行光に変換できる。また、光源素子１５０１とピンホール１５０３との間には集光レンズ１５０２が設けられている。これにより、光源素子１５０１から出力された光のうちピンホール１５０３を通過する光の割合を大きくすることができる。その結果、光源素子１５０１から出力された光の平行光への変換効率を高めることができる。
【０１２０】
このように、図１５に示す光源１０１はコヒーレント光源であるため、レーザ光源を採用した場合のようにマイクロレンズ４１１のエッジ部で発生した回折光による干渉縞パターンの発生を防止できる。その結果、ブロック４２ｂにおける輝度分布の重心の位置が本来の結像点からずれることが抑制され、本来の結像点の位置を正確に求めることができる。
【０１２１】
また、図１５に示す光源１０１は、ＬＥＤや電球等からなる光源素子１５０１、集光レンズ１５０２、ピンホール１５０３、及び凸レンズ１５０４といった比較的安価な材料で構成されているため、レーザ光源を採用した場合に比べてコストダウンを図ることができる。更に、図１５に示す光源１０１はインコヒーレント光源であるため、レーザ光源を採用した場合に比べて、光源１０１のコンパクト化を図ることができる。また、インコヒーレント光源としてＬＥＤを採用した場合、インコヒーレント光源は、寿命時間が約５０００〜１００００時間であるレーザ光源に比べて寿命時間が長い。その結果、光源素子１５０１の交換回数が減少し、メンテナンス性の向上を図ることができる。
【０１２２】
なお、光源素子１５０１が出力する光は、測定対象物に対して吸収の小さな波長を持つことが好ましい。測定対象物として、本実施の形態では、シリコンやサファイア等が想定されているため、光源素子１５０１が出力する光としては、シリコンやサファイア等に対して吸収が少ない波長帯の光を採用することが好ましい。また、本実施の形態では、光源１０１から出力された光は、ハーフミラー（ビームスプリッタ）やレンズ等の光学素子を通過するため、これらの光学素子で吸収が少ない波長帯の光を採用することが好ましい。シリコン、サファイア、ハーフミラー、レンズ等での吸収が少ない光としては可視光が挙げられるため、光源素子１５０１は可視光を出力することが好ましい。
【０１２３】
光源素子１５０１としては、発光ダイオードを採用したが、これ以外でも、電球などの一般的な光源が採用されてもよい。ここで、電球は、フィラメントや放電素子をガラス球殻に封入したものである。但し、指向性、輝度、寿命、コスト、及び汎用性等を考慮すると電球に比べ、発光ダイオードを光源素子１５０１として採用することが好ましい。
【０１２４】
なお、図１５に示す光源１０１において、集光レンズ１５０２は省かれてもよい。また、図１５に示す光源１０１は、図７に示すようにＳＨセンサ１０２及びカメラ１０３ａにより兼用される光源１０１として採用されてもよい。また、図８に示すように、ＳＨセンサ１０２の光源１０１ａと、カメラ１０３ａの光源１０１ｂとが個別に設けられている場合、図１５に示す光源１０１は、光源１０１ａに適用されればよい。また、図１１、図１２に示すように、エッジ測定部１０３がレーザ距離計１０３ｂ又は接触式変位計１０３ｃで構成される場合、図１５に示す光源１０１は、ＳＨセンサ１０２の光源１０１に適用されればよい。
【符号の説明】
【０１２５】
１０１、１０１ａ、１０１ｂ  光源
１０２  ＳＨセンサ
１０３  エッジ測定部
１０３ａ  カメラ
１０３ｂ  レーザ距離計
１０３ｃ  接触式変位計
１０４  ハーフミラー
１１０  制御部
１１１  光源制御部
１１２  基準位置検出部
１１３  エッジ位置検出部
１１４  エッジ間距離算出部
１１５  表面形状算出部
１１６  座標変換部
９０１  マスク領域
１００１  波形領域
１４０３  移動部
ａ  規定距離
ｂ  エッジ間距離
ＷＰ  波形パターン
【図１】
2014167462.tif 000003
【図２】
2014167462.tif 000004
【図３】
2014167462.tif 000005
【図４】
2014167462.tif 000006
【図５】
2014167462.tif 000007
【図６】
2014167462.tif 000008
【図７】
2014167462.tif 000009
【図８】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１６】
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