(57)【要約】  ２波長位相シフト干渉法を用いた物体の表面形状計測装置の計測精度を向上する。低コヒーレンス光源１０１と透過波長の異なる複数の波長フィルター１０３と角度制御部１０４ｃと解析部１１４とを備え、２波長位相シフト干渉法を行った際に解析部１１４において２波長の波長差を検出し、一方の波長を演算した波長値と位相値を補正して縞次数の演算エラーを防止する。次に、波長フィルター１０３の角度を制御することにより実際の波長差を設計値に一致させる。これにより常に２波長の波長差が一定に制御され、温度変化又は時間経過による波長変動があっても高精度に表面形状を計測できる。
2010038418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放射する光源と、
透過波長がそれぞれ異なる複数の波長フィルターと、
前記複数の波長フィルターを切替える切替装置と、
前記切替装置で切替えられた前記複数の波長フィルターのうちの１つの波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系で干渉させた干渉縞の画像を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像した画像から干渉縞の位相を算出する干渉縞位相検出部と、
前記切替装置で前記複数の波長フィルターを切替えて算出した、少なくとも２つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整するフィルター角度調整部と、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記干渉光学系と前記撮像装置と前記干渉縞位相検出部とを使用して前記被検物体の表面形状計測を行なう解析部と、を備える、
表面形状計測装置。
【請求項２】
少なくとも２つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて検出した前記波長差に基づいて干渉縞の位相を補正する演算エラー防止部を備える、
請求項１に記載の表面形状計測装置。
【請求項３】
前記演算エラー防止部は、
前記２つの波長と位相を組み合わせて各画素における縞次数を算出する縞次数算出部と、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２つの波長間の波長差と位相差を検出する縞次数分布解析部と、
前記いずれか一方の波長の演算値を補正して波長差に一致させる波長値補正部と、
前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記２つの波長の位相差が０となる場合の位相値を算出して補正する位相値補正部とを有する、
請求項２に記載の表面形状計測装置。
【請求項４】
前記フィルター角度調整部は、
予め前記波長フィルターと光軸の角度を５度〜１０度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±１度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整する角度制御部で構成されると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量を算出する角度制御量算出部をさらに備え、
前記演算エラー防止部において、前記複数の波長フィルターで組み合わせる前記２つの波長（λ１，λ２）が、ｎを整数として、前記角度制御部の基準状態において(数１)を満たす、
請求項３に記載の表面形状計測装置。
【数１】
2010038418.tif 000030
【請求項５】
光源からの光を波長フィルターに透過させ、前記波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させ、前記被検物体と前記参照面とで反射された光を重ね合わせて干渉させた光を画像として撮像し、前記撮像した画像から干渉させた光の干渉縞位相を算出する位相算出ステップを少なくとも２つの異なる波長の波長フィルターを切替えて行った後、
前記少なくとも２つの波長の干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、
前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整し、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記位相算出ステップを行って前記被検物体の表面形状計測を行なう、
表面形状計測方法。
【請求項６】
前記２つの波長の干渉縞の位相を組合せて検出した波長差に基づいて位相を補正する演算エラー防止ステップを有する、
請求項５に記載の表面形状計測方法。
【請求項７】
前記演算エラー防止ステップで、前記２つの波長の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記検出した実際の波長差に基づいて位相を補正する時、
前記２つの波長の位相を組み合わせて各画素における縞次数を縞次数算出部で算出し、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２波長間の波長差と位相差を縞次数分布解析部で検出し、
波長値補正部で、前記いずれか一方の波長の演算値を補正して実際の波長差に一致させ、
位相値補正部で、前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記２波長の位相差が０となる場合の位相値を算出して補正する、
請求項６に記載の表面形状計測方法。
【請求項８】
前記縞次数分布解析部で前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２波長間の実際の波長差と位相差を検出する時、
前記２つの波長の干渉縞位相より、前記２波長の縞次数が一致する画素における縞次数を算出し、縞次数の分布のヒストグラムを算出し、
前記ヒストグラムの複数のピーク位置と前記ヒストグラムの複数のピーク間隔を検出し、
前記ピーク間隔と前記ピーク位置とから前記位相差を検出する、
請求項７に記載の表面形状計測方法。
【請求項９】
前記フィルター角度調整部で、前記波長差が設計値に一致するように、前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターを傾ける角度を調整する時、
角度制御部で、予め前記波長フィルターと光軸の角度を５度〜１０度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±１度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整すると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量算出部で角度制御量を算出する、
請求項７に記載の表面形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に対し光を照射することで、その干渉光により物体の表面形状を計測する技術において、特に複数の異なる波長の光を切替えて照射する多波長位相シフト干渉法に係る物体の表面形状計測装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の表面形状を精度良く計測する手法として、光波の干渉を用いた位相シフト干渉法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この位相シフト法の特徴として、参照平面をある既知量だけ移動させた時に得られる複数の干渉縞画像から、干渉縞の位相を解析することにより、バックグラウンド又はノイズの影響をキャンセルすることができる。これにより、位相シフト干渉法では、位相検出精度が波長の１／１００程度と高いことが挙げられる。【０００３】
しかし、実際、ある画素（ｘ，ｙ）の位相は、整数ｍ（以下、縞次数と呼ぶ）を用いて（数１）で与えられる。これに対し、この手法で検出できる干渉縞位相は（数１）中のφ１（ｘ，ｙ）であり、位相が０から２πまでである。そのままでは物体表面の形状を表さないため、位相が２πを超えて折り返される部分を検出して繋ぎ合わせる「位相結合」という手法がある。しかしながら、この手法でも不連続部分又は半波長以上の段差があると、干渉縞が不連続となるため、形状を精度良く計測することが不可能となってしまう。【０００４】
【数１】
2010038418.tif 000003
【０００５】
このような問題に対して、２つの異なる波長の光を切替えて照射する「２波長位相シフト干渉法」が知られている（例えば、特許文献２参照）。この手法は、波長の異なる２つの光の位相を比較し、その位相差が０から２πまでの範囲で、一方の光の波長の縞次数を一意に決定できる手法である。ここで、縞次数を求める方の光の波長と位相をそれぞれλ１，φ１（ｘ，ｙ）とし、縞次数ｍ（ｘ，ｙ）が決定できたとすると、物体の表面高さｈ（ｘ，ｙ）は、（数２）で与えられるため、基本的には１波長の位相シフトの精度で計測できる。【０００６】
【数２】
2010038418.tif 000004
【０００７】
また、２波長（波長λ１，λ２）の位相を合成し、位相差が０から２πの区間を１波長とする光を生成したと考えると、その合成波長の光で位相を検出したことと等価となる。ここで合成波長λeqは、（数３）で表される。単波長の計測レンジはλ１／２となるのに対して、２波長の合成波長の計測レンジはλeq／２に拡大する。【０００８】
【数３】
2010038418.tif 000005
【０００９】
具体的手法を以下に示す。まず、波長λ１，λ２それぞれで位相シフトを行う。各画素において検出される位相をφ１，φ２とすると、（数４）となる。ここで、ｈ（ｘ，ｙ）は画素（ｘ，ｙ）における高さを表し、ｍ１（ｘ，ｙ），ｍ２（ｘ，ｙ）は両波長の理想縞次数を表す。次に、この位相値を用いて２波長間の光路差ΔＤを（数５）により求める。【００１０】
【数４】
2010038418.tif 000006
【００１１】
【数５】
2010038418.tif 000007
【００１２】
これより画素（ｘ，ｙ）の波長λ１の縞次数は、以下のようにして求められる。
まず、縞次数ｍ１，ｍ２の関係を使って場合分けをする。すなわち、縞次数ｍ１とｍ２の関係は２波長の合成波長の計測レンジ内においては、以下の３つの場合があり、それぞれ別の計算式により縞次数ｍを求める。
（１）ｍ２＝ｍ１の場合、（数６）
（２）ｍ２＝ｍ１−１の場合、（数７）
（３）ｍ２＝ｍ１＋１の場合、（数８）【００１３】
【数６】
2010038418.tif 000008
【００１４】
【数７】
2010038418.tif 000009
【００１５】
【数８】
2010038418.tif 000010
【００１６】
これらの場合分けは、「（１）−π＜（φ１−φ２）＜π」、「（２）（φ１−φ２）＞π」、「（３）（φ１−φ２）＜−π」の条件で判別する。このようにして求めた縞次数ｍを四捨五入することで決定できる。
以上の動作で計測レンジを拡大できる。【００１７】
この手法の応用として、さらに異なる波長の光を照射して異なる２つの合成波長を生成し、合成波長に対して、さらに２波長位相シフト干渉法を適応することで、合成波長をさらに伸長する多波長位相シフト干渉法がある。【００１８】
２波長位相シフト干渉法を含む多波長位相シフト干渉法は、ノイズに弱いという問題がある。その理由を以下で説明する。
まず、１つの合成波長の計測レンジ内で一意に決定できる縞次数の数ｎは、（数９）で与えられる。波長差を小さくすればするほど判別できる縞次数の数は大きくなる。位相差が０から２πの領域を分割して縞次数の判別に充てると、縞次数１に割り当てられる位相差幅は２π／ｎとなる。縞次数誤りが発生しない条件は、各波長の位相検出誤差をδφ１，δφ２とすると、（数１０）となり、許容される位相検出誤差は数ｎが大きいほど小さくなる。例えばｎ＝３０とすると、各波長でλ／１２０以下としなければ、縞次数誤りは０にはならない。【００１９】
【数９】
2010038418.tif 000011
【００２０】
【数１０】
2010038418.tif 000012
【００２１】
したがって、位相の検出精度は１波長と同等でも、計測レンジを拡大すればするほど縞次数決定の際にエラーを生じやすくなる。そして、（数１０）を満たさなくなると縞次数に誤差が生じ、計測結果に半波長単位の誤差が発生する。誤差の外部要因としては、ランダム誤差の他に、２波長間の位相ズレ、及び、計測結果の解析工程において実際に照射されている光の波長と演算に用いる波長値に差異があることの２つが挙げられる。【００２２】
誤差原因のうち、２波長間の位相ズレに対しては、２波長位相シフト干渉法の計測精度向上を目的とした縞次数エラー補正アルゴリズムが考案されている（例えば、特許文献３参照）。これは、縞次数算出の四捨五入工程において、四捨五入前後の縞次数を比較することで２波長間の位相ズレの影響を検出し、それをキャンセルするように四捨五入前の縞次数に補正値を加算もしくは減算することで、縞次数を補正しようという手法である。【００２３】
これを解析的に述べると、各波長の位相シフトで得られる実際の位相は、前述の（数４）に位相ズレδを含んでおり、（数１１）のように表される。【００２４】
【数１１】
2010038418.tif 000013
【００２５】
（数１１）の位相ズレδはｈ（ｘ，ｙ）＝０における２波長間の位相差である。これを（数６）、（数７）、（数８）に代入すると、以下の３つの場合となる。
（１）ｍ２＝ｍ１の場合、（数１２）
（２）ｍ２＝ｍ１−１の場合、（数１３）
（３）ｍ２＝ｍ１＋１の場合、（数１４）【００２６】
【数１２】
2010038418.tif 000014
【００２７】
【数１３】
2010038418.tif 000015
【００２８】
【数１４】
2010038418.tif 000016
【００２９】
つまり、（数１２）から（数１４）のどの場合も（数１５）となる。δ＝０の場合は（数６）と一致するが、そうでない場合はｍ１からのズレが生じる。δ＝０の理想的な場合、ｍ＝ｍ１となるのでｍ１を理想縞次数と呼ぶ。理想縞次数ｍ１と算出された縞次数との間の差をΔｍとする。差Δｍにランダム誤差が重畳すると、四捨五入の段階で誤差分が０．５を超えやすくなり、縞次数エラーの発生割合が高くなることが考えられる。【００３０】
【数１５】
2010038418.tif 000017
【００３１】
これに対し、前述の縞次数エラー補正アルゴリズムでは、まず、縞次数ｍを四捨五入した後の値をｍ’として、差（ｍ’−ｍ）の分布を求める。この分布は−１／２から１／２までとなっており、これをヒストグラム化すると図９Ａ及び図９Ｂのようになる。位相ズレδの影響があると分布のピークが０からシフトし、そのシフト量が位相ズレδの項に等しいため、ランダム誤差の影響を受けずに位相ズレδの項を検出することができる。シフト量を検出し、縞次数ｍから差し引いた後、もう一度四捨五入をすることで、縞次数エラーを防止するのが特許文献３の手法である。【００３２】
また、特許文献３では、一般的に２波長の合成波長の計測レンジを超える表面形状においては、前述した縞次数エラーの補正を行うことができないため、１つの計測レンジに当たる部分だけを抽出するラベリング方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開２００３−３４４０２５号公報
【特許文献２】米国特許第４８３２４８９号
【特許文献３】特開２００５−３２６２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
しかしながら、前述した従来の多波長位相シフト干渉法では、測定レンジを広げることが可能であるが、測定精度が低下してしまう。具体的には、前述した従来のアルゴリズムでは、照射される光の波長が既知として扱われるが、温度変化又は時間経過により、光の波長の実波長と演算値が異なる場合がある。そのような場合、ノイズの検出精度、及び、縞次数エラーの補正精度が低下するという問題がある。【００３５】
以下の各数式において、演算値には「’」をつけて、実際の値と区別することにする。位相φ１，φ２は前述の（数１１）で与えられ、（数５）及び（数６）の場合、（数１６），（数１７）のようになる。ここでλ１’，λ２’は演算上の値である。【００３６】
【数１６】
2010038418.tif 000018
【００３７】
【数１７】
2010038418.tif 000019
【００３８】
（数１６），（数１７）に（数１１）を代入して、縞次数ｍと理想縞次数ｍ１との関係（数１８），（数１９）が得られる。これより、理想縞次数ｍ１が大きくなるほど誤差Δｍも大きくなることが分かる。【００３９】
【数１８】
2010038418.tif 000020
【００４０】
【数１９】
2010038418.tif 000021
【００４１】
以上のように、従来のアルゴリズムでは縞次数の四捨五入時の誤差分だけに注目しているが、縞次数により誤差Δｍが異なるため補正精度が不十分であり、誤差Δｍが大きくなるところではエラーが発生してしまう。【００４２】
本発明は、前記従来技術の問題を解決するものであり、従来の多波長位相シフト干渉法に比べて、高精度に物体の表面形状を計測する表面形状計測装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
前記目的を達成するために、本発明は、以下のように構成している。
本発明の第１態様によれば、光を放射する光源と、
透過波長がそれぞれ異なる複数の波長フィルターと、
前記複数の波長フィルターを切替える切替装置と、
前記切替装置で切替えられた前記複数の波長フィルターのうちの１つの波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系で干渉させた干渉縞の画像を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像した画像から干渉縞の位相を算出する干渉縞位相検出部と、
前記切替装置で前記複数の波長フィルターを切替えて算出した、少なくとも２つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整するフィルター角度調整部と、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記干渉光学系と前記撮像装置と前記干渉縞位相検出部とを使用して前記被検物体の表面形状計測を行なう解析部と、を備える、表面形状計測装置を提供する。【００４４】
本発明の第２態様によれば、少なくとも２つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて検出した前記波長差に基づいて干渉縞の位相を補正する演算エラー防止部を備える、第１の態様に記載の表面形状計測装置を提供する。【００４５】
本発明の第３態様によれば、前記演算エラー防止部は、
前記２つの波長と位相を組み合わせて各画素における縞次数を算出する縞次数算出部と、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２つの波長間の波長差と位相差を検出する縞次数分布解析部と、
前記いずれか一方の波長の演算値を補正して波長差に一致させる波長値補正部と、
前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記２つの波長の位相差が０となる場合の位相値を算出して補正する位相値補正部とを有する、
第２の態様に記載の表面形状計測装置を提供する。【００４６】
本発明の第４態様によれば、前記フィルター角度調整部は、
予め前記波長フィルターと光軸の角度を５度〜１０度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±１度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整する角度制御部で構成されると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量を算出する角度制御量算出部をさらに備え、
前記演算エラー防止部において、前記複数の波長フィルターで組み合わせる前記２つの波長（λ１，λ２）が、ｎを整数として、前記角度制御部の基準状態において(数２０)を満たす、第３の態様に記載の表面形状計測装置を提供する。【００４７】
【数２０】
2010038418.tif 000022
【００４８】
本発明の第５態様によれば、光源からの光を波長フィルターに透過させ、前記波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させ、前記被検物体と前記参照面とで反射された光を重ね合わせて干渉させた光を画像として撮像し、前記撮像した画像から干渉させた光の干渉縞位相を算出する位相算出ステップを少なくとも２つの異なる波長の波長フィルターを切替えて行った後、
前記少なくとも２つの波長の干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、
前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整し、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記位相算出ステップを行って前記被検物体の表面形状計測を行なう、
表面形状計測方法を提供する。【００４９】
本発明の第６態様によれば、前記２つの波長の干渉縞の位相を組合せて検出した波長差に基づいて位相を補正する演算エラー防止ステップを有する、
第５の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。【００５０】
本発明の第７態様によれば、前記演算エラー防止ステップで、前記２つの波長の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記検出した実際の波長差に基づいて位相を補正する時、
前記２つの波長の位相を組み合わせて各画素における縞次数を縞次数算出部で算出し、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２波長間の波長差と位相差を縞次数分布解析部で検出し、
波長値補正部で、前記いずれか一方の波長の演算値を補正して実際の波長差に一致させ、
位相値補正部で、前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記２波長の位相差が０となる場合の位相値を算出して補正する、
第６の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。【００５１】
本発明の第８態様によれば、前記縞次数分布解析部で前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２波長間の実際の波長差と位相差を検出する時、
前記２つの波長の干渉縞位相より、前記２波長の縞次数が一致する画素における縞次数を算出し、縞次数の分布のヒストグラムを算出し、
前記ヒストグラムの複数のピーク位置と前記ヒストグラムの複数のピーク間隔を検出し、
前記ピーク間隔と前記ピーク位置とから前記位相差を検出する、
第７の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。【００５２】
本発明の第９態様によれば、前記フィルター角度調整部で、前記波長差が設計値に一致するように、前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターを傾ける角度を調整する時、
角度制御部で、予め前記波長フィルターと光軸の角度を５度〜１０度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±１度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整すると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量算出部で角度制御量を算出する、
第７の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。【００５３】
前記構成にかかる装置及び方法によれば、波長変動の影響を抑制することで、これまでより高精度に物体の表面形状を計測することができ、さらに、縞次数の演算エラーを最小限にして、形状計測精度を向上することができ、また、波長差を常に設計波長差に一致させることで、前記式の条件から波長変動によってズレることを防ぎ、時間経過又は温度変化に対する計測精度の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によれば、温度変化の大きな環境や、物体の表面性状が粗く縞次数エラーが発生しやすい物体に対して、多波長位相シフト干渉法での計測において、高精度に物体の表面形状を計測することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、【００５６】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図であり、
【図１Ｂ】図１Ｂは、前記第１実施形態における前記干渉計測装置の切替装置の構成を示す概略図であり、
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ｂの矢印Ｃから見た、前記第１実施形態における前記干渉計測装置の切替装置の構成を示す概略図であり、
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ｂの矢印Ｄから見た、前記第１実施形態における前記干渉計測装置の切替装置の構成を示す概略図であり、
【図１Ｅ】図１Ｅは、前記干渉計測装置の解析部の構成を示すブロック図
【図２Ａ】図２Ａは、前記第１実施形態における表面形状計測方法における初回の計測フローチャートであり、
【図２Ｂ】図２Ｂは、前記第１実施形態における表面形状計測方法における２回目以降の計測フローチャートであり、
【図３】図３は、前記第１実施形態における解析部の動作フローチャートであり、
【図４】図４は、前記第１実施形態におけるエラー防止アルゴリズムの計測フローチャートであり、
【図５】図５は、前記第１実施形態における縞次数分布の補正前ヒストグラムを示す図であり、
【図６】図６は、前記第１実施形態における縞次数分布の補正後ヒストグラムを示す図であり、
【図７】図７は、本発明の第２実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図であり、
【図８】図８は、前記第２実施形態における表面形状計測方法の計測フローチャートであり、
【図９Ａ】図９Ａは、従来の縞次数補正アルゴリズムの補正原理図であり、
【図９Ｂ】図９Ｂは、従来の縞次数補正アルゴリズムの補正原理図であり、
【図１０】図１０は、回路パターンの計測の場合の波長フィルターと光軸の角度ずれに対する波長変化量を示すグラフであり、
【図１１】図１１は、ディスプレイパネル用電極パターンの計測の場合の波長フィルターと光軸の角度ずれに対する波長変化量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本発明の記述では、添付図面において、同じ部品については同じ参照符号を付して説明を省略している。
【００５８】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を説明する。
【００５９】
（第１実施形態）
図１Ａは本発明の第１実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図である。
【００６０】
図１Ａにおいて、一例として低コヒーレンス光源である光源１０１は、複数の波長（例えば、波長λ１，λ２の両方の波長）を持つ光を放射する光源である。この光源１０１としては、例えば、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、ハロゲンランプ、高周波を重畳したＬＤ（Luminescent Diode）などを用いる。特に、ＳＬＤは、数１０ｎｍの波長帯域で高輝度な光を放射することが可能であり、２波長位相シフト法に適した光源である。
【００６１】
光源１０１から放射された光は、コリメートレンズ１０２によって平行光となる。コリメートレンズ１０２は、２つの異なる波長λ１，λ２の両方において、出射する光をできるだけ平行にし、かつ、計測視野内で光量分布をできるだけ均一にするものが望ましい。例えば、ＳＬＤ又はＬＤから出射する光の光量分布を均一にするために、コリメートレンズ１０２の一例としてアナモルフィックプリズム（Anamorphic Prism）などが用いられる。
【００６２】
平行光とされた光は、波長フィルター１０３により波長を限定される。波長フィルター１０３は、透過波長が光源１０１の放射する光の波長帯に含まれ、波長フィルター１０３を透過後の２つの波長（λ１，λ２）は、常に（数２１）の関係を満たすものである。ここで、ｎは整数である。
【００６３】
【数２１】
2010038418.tif 000023
【００６４】
２つの波長（λ１，λ２）として、例えば、波長７８０ｎｍと８１０ｎｍの組合せは（数２１）の関係を満たし、合成波長λeq≒２１μｍ程度となり、１波長のみの場合に比べて、測定範囲が２６倍程度に拡大する。これにより、多波長位相シフト干渉法を用いて、高さのばらつきの大きな物体の表面形状計測が可能となる。
【００６５】
また、波長フィルター１０３の透過波長帯域は、計測するのに十分な可干渉距離を確保できるものが望ましく、例えば透過波長帯域が数ｎｍ程度の干渉フィルターなどを用いる。透過波長帯域が３ｎｍの場合、可干渉距離は１００μｍ程度となる。この値は、本発明において、設置精度を考慮しても十分な値と言える。波長フィルター１０３は、切替装置（切替機構）１０４Ｓの一例としてのフィルターホイール１０４に複数個取り付けられ、フィルターホイール１０４により、異なる波長を透過する波長フィルター１０３にそれぞれ切替えが可能である。ここでは、フィルターホイール１０４を用いたが、光源１０１からの光が透過する光路に対してエアシリンダなどにより複数の波長フィルターを出入りさせて、複数の波長フィルターを切り替えてもよい。
【００６６】
切替装置１０４Ｓは、一例として、図１Ａ〜図１Ｅに示すように、フィルターホイール１０４と回転機構（角度制御部）１０４ｃとモータ１０４ｂとで構成している。フィルターホイール１０４には、複数の波長フィルター１０３を有している。一例として、図１Ｃに示すように、波長フィルター１０３は、それぞれ異なる波長を透過する４枚の波長フィルター１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄ（例えば、波長λ１用の波長フィルター１０３Ａ，１０３Ｃと波長λ２用の波長フィルター１０３Ｂ，１０３Ｄと）で構成されている。フィルターホイール１０４の回転中心には、軸１０４ａが固定され、軸１０４ａにはモータ１０４ｂの回転軸が連結されている。そして、モータ１０４ｂが回転駆動されると、フィルターホイール１０４が所定角度だけ回転して、光源１０１からの光が透過する波長フィルター１０３を別の波長フィルター１０３に切り替えることができるようにしている。フィルターホイール１０４に設けられた回転機構（傾斜機構）１０４ｃで、光源１０１からの光の光軸に対する波長フィルター１０３の傾きを調整することもできる。この回転機構（角度制御部）１０４ｃとしては公知の機構を使用することができる。
【００６７】
回転機構１０４ｃは、フィルター角度調整部の一例として機能し、温度変化又は時間経過により想定される波長変動を鑑みて、波長フィルター１０３と光源１０１からの光の光軸との角度を調整するものである。そのため、あらかじめ光の入射角（波長フィルター１０３に入射する光の光軸と直交する軸に対する角度）を所定の角度（基準角度）θ（例えば、５度〜１０度の範囲内で決定される値（初期値）、例えば９度）としておき、基準角度θの±１度の範囲において０．０１度以下の精度で前記角度を制御できるものが望ましい。これを実現する装置又は機構としては、例えばステッピングモータを用いた回転ステージがある。
【００６８】
波長フィルター１０３を透過した光は、反射ミラー１０６Ａでハーフミラー１０６側に反射された後、ハーフミラー１０６に入射する。そして、波長フィルター１０３を透過した光は、ハーフミラー１０６で分割され、分割された光が、ＸＹステージなどの被検ワーク保持部１０７ｈで保持された被検物体１０７と参照面１０８とにそれぞれ入射する。被検物体１０７は、計測対象物である。その後、被検物体１０７と参照面１０８とでそれぞれ反射した光は、再び、ハーフミラー１０６で重ね合わされて互いに干渉する。そして、重ね合わされた光は、結像レンズ１０９を透過して、カメラ１１０に結像される。すなわち、干渉させて結像レンズ１０９を透過した光を、カメラ１１０の受光素子上に結像させて撮像する。参照面１０８は、ピエゾステージ１１１に取り付けられており、ピエゾステージ１１１を駆動することにより、参照面１０８が光軸方向へ移動することができる。このピエゾステージ１１１は、少なくとも光源の波長程度の距離を移動させることができる。
なお、ハーフミラー１０６と参照面１０８と被検ワーク保持部１０７ｈとで干渉光学系１３０の一例を構成している。また、結像レンズ１０９とカメラ１１０とで撮像装置（撮像機構）１３１の一例を構成している。
【００６９】
自動ステージ１１２及び位置記録部１１３は、各波長フィルター１０３を透過した光に対して結像レンズ１０９及びカメラ１１０をピントが合う位置に予めそれぞれ移動させ、それらの位置をそれぞれ記録しておく。そして、制御部１０００の制御の下に、計測開始と共にフィルターホイール１０４による波長切替えと同期して所定の位置に、結像レンズ１０９及びカメラ１１０を、それぞれ移動させる。すなわち、例えば、第１波長λ１と第２波長λ２との間での波長フィルター１０３の切替に応じて、第１波長λ１用の位置と第２波長λ２用の位置とに、結像レンズ１０９及びカメラ１１０をそれぞれ移動させることを意味する。これは、前述の７８０ｎｍと８１０ｎｍの２波長（λ１，λ２）の組合せにおいて、結像レンズ１０９に無視できない光軸上の色収差が存在するため、これを補正するためである。計測中に移動するカメラ１１０により取り込んだ画像は、カメラ１１０から解析部１１４に入力されて、入力された画像の情報は解析部１１４で解析される。すなわち、本実施形態の表面形状計測装置での処理は、回転機構１０４ｃでの角度制御処理以外は、解析部１１４で行なわれる。解析部１１４は、図１Ｅに示すように、干渉縞位相検出部の一例としての位相算出部１１４ｃと、演算エラー防止部１１４ｄと、表面高さ算出部１１４ｅと、角度制御量算出部１１４ｆとで構成されている。この解析部１１４は、切替装置１０４Ｓと、角度制御部１０４ｃと、カメラ１１０と、位置記録部１１３と、自動ステージ１１２と、ピエゾステージ１１１とにそれぞれ接続されて、互いに、必要な情報を入力又は出力可能としており、制御部１０００での制御の下に、表面形状計測装置の表面形状計測動作を行うものである。また、制御部１０００は、解析部１１４と光源１０１とそれぞれ直接接続されていると共に、解析部１１４を介して、切替装置１０４Ｓと、回転機構１０４ｃと、カメラ１１０と、位置記録部１１３と、自動ステージ１１２と、ピエゾステージ１１１とに間接的にそれぞれ接続されて、それぞれの動作を制御するようにしている。
【００７０】
図２Ａは形状計測についての計測フローチャートを示す図であり、前述した図１Ａに構成を示した２波長干渉計による形状計測の方法について、図１Ａ及び図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら説明する。以下の処理は、制御部１０００の制御の下に解析部１１４自体で行われる。
【００７１】
初めに、波長λ１の位相シフトを行う（ステップＳ１０１参照）。切替装置１０４Ｓにおいて波長フィルター１０３を波長λ１用の波長フィルター１０３に切替え（波長λ１に設定し）、回転機構１０４ｃにより波長フィルター１０３を所定の角度（基準角度）θ（例えば、５度〜１０度の範囲内で決定される値（初期値）、例えば９度）に傾ける。そして、自動ステージ１１２により、位置記録部１１３に記録されておりかつ波長λ１のピントが合う位置に、結像レンズ１０９及びカメラ１１０を、それぞれ移動させ、位相シフトの動作を行う。
【００７２】
次に、波長λ２の位相シフトを行う（ステップＳ１０２参照）。切替装置１０４Ｓにおいて波長フィルター１０３を波長λ１用の波長フィルター１０３から波長λ２用の波長フィルター１０３に切替え、角度制御部１０４ｃにより波長フィルター１０３を所定の角度（基準角度）θ（例えば、５度〜１０度の範囲内で決定される値（初期値）、例えば９度）に傾ける。そして、自動ステージ１１２により、位置記録部１１３に記録されておりかつ波長λ２のピントが合う位置に、結像レンズ１０９及びカメラ１１０を、それぞれ移動させ、位相シフトの動作を行う。
【００７３】
次に、カメラ１１０で撮像した画像を解析部１１４の位相算出部１１４ｃに取り込み、取り込んだ画像を解析部１１４の位相算出部１１４ｃで解析する（ステップＳ１０３参照）。取り込んだ画像が解析部１１４により解析されて、物体の表面形状データ（物体の表面高さ）及び波長λ２の角度制御量が解析部１１４で算出される。これで、一回目の表面形状計測動作を終了する。
【００７４】
図２Ｂは、前記した図２Ａの形状計測についての計測フローチャートにより行なった表面形状計測後に行なう、二回目以降の表面形状計測についての計測フローチャートを示す図である。以下の処理も、制御部１０００の制御の下に解析部１１４自体で行われる。
まず、ステップＳ１０４は、次回の表面形状計測のための準備動作である。すなわち、ステップＳ１０３の処理によって得た波長λ２の角度制御量を元に、回転機構１０４ｃにより、波長フィルター１０３と光の入射角とを制御する（ステップＳ１０４参照）。言い換えれば、回転機構１０４ｃにより、実際の波長差が設計値に一致するように、複数の波長フィルター１０３のうちの一方の波長フィルター１０３（波長λ２用の波長フィルター１０３）を傾ける角度を調整する。
この二回目の計測では、ステップＳ１０４での処理結果を基に波長フィルター１０３と光の入射角を制御した状態で、図２Ａと同様なステップＳ１０１〜ステップＳ１０３を行なうことにより、二回目の表面形状計測を行なうものである。
【００７５】
以上のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３、ステップＳ１０４、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３が、表面形状計測動作と、計測条件を一定化させる波長制御の動作である。
また、図３は、図２Ａ及び図２Ｂに示したステップＳ１０３の処理における解析部１１４の動作を示すフローチャートである。以下に、ステップＳ１０３の処理について詳しく説明する。
【００７６】
まず、解析部１１４の位相算出部１１４ｃで、２波長の干渉光画像よりそれぞれ位相シフトを行い、干渉縞の位相φ１，φ２を算出する（ステップＳ１１１参照）。
【００７７】
次に、位相算出部１１４ｃで算出した位相φ１，φ２及び波長λ１，λ２の入力値を元に、解析部１１４の演算エラー防止部１１４ｄで、前述した（数６），（数７），（数８）により縞次数ｍを算出する（ステップＳ１１２参照）。言い換えれば、演算エラー防止部１１４ｄで、２つの波長の位相を組み合わせて実際の波長差を検出し、検出した実際の波長に基づいて位相を補正する。ここでは、まず、縞次数算出の前に、演算エラー防止部１１４ｄで、理想縞次数ｍ１とのズレΔｍが最小となるよう、波長値と位相値とを補正する「エラー防止アルゴリズム」を実行する。この「エラー防止アルゴリズム」については後述する。補正された波長値と位相値とを用いて、（数６），（数７），（数８）により、縞次数ｍを演算エラー防止部１１４ｄで算出する。
【００７８】
次に、位相φ１及び縞次数ｍを用いて、前述の（数２）により物体の表面高さｈ（ｘ，ｙ）を解析部１１４の表面高さ算出部１１４ｅで求める（ステップＳ１１３）。
【００７９】
次に、実際に照射されている光の波長差を設計値に一致させるのに必要な、波長フィルター１０３と光の入射角とを解析部１１４の角度制御量算出部１１４ｆで算出する（ステップＳ１１４）。
まず、ステップＳ１１２の処理で演算エラー防止部１１４ｄを使用して、後述する「エラー防止アルゴリズム」により実際の波長差を検出しておき、設計波長差との差Δを角度制御量算出部１１４ｆで算出する。
次に、波長フィルター１０３の角度制御量を角度制御量算出部１１４ｆで算出するが、ここでは、あらかじめ波長フィルター１０３の基準角度θを９度としておき、基準角度θの±１度の微小範囲で角度を調整するものとする。この基準角度θの選択範囲は、例えば、５度から１０度の範囲内から基準角度を選択する。この範囲外であると、光の透過量が低下しすぎるため好ましくないためである。これにより、設計波長差との差Δと角度は１次近似が可能となり、傾け量θ２は（数２２）で与えられる。
【００８０】
【数２２】
2010038418.tif 000024
【００８１】
ここで、λ０は波長フィルター１０３の波長（ｎｍ）であり、Δは補正したい波長量（ｎｍ）である。ａは波長フィルター１０３の特性及び基準角度により定まる係数であり、例えば本実施形態の干渉フィルターでは、ａ＝７８１．３という値をとる。８００ｎｍ付近の波長では、±１度の範囲で約±１ｎｍの波長制御が行える。波長フィルター１０３の温度特性が前記の波長では０．０３ｎｍ／℃で与えられるため、これで、波長変動に十分に対応可能なことが分かる。
【００８２】
また、ステップＳ１１４の処理では、角度制御量算出部１１４ｆで、２つの波長のうちの一方の波長を制御して波長差を設計値に一致させる。２つの波長のうちの一方の波長を制御することで波長差を常に固定する手法の効果は、（数２３），（数２４）により確認することができる。波長差λ２−λ１を一定に制御する場合と一定に制御しない場合について、それぞれλ１の変化に対する縞次数の数ｎの変化量Δｎは、
（１）波長差の一定制御ありでは、（数２３）
（２）波長差の一定制御なしでは、（数２４）
となり、（λ２−λ１）／λ１倍に低減する。
【００８３】
【数２３】
2010038418.tif 000025
【００８４】
【数２４】
2010038418.tif 000026
【００８５】
例えば、波長λ１を７８０ｎｍ，波長λ２を８１０ｎｍとし、温度変化により波長λ１の波長フィルター１０３の透過波長のみが変化したとする。波長−温度特性が０．０３ｎｍ／℃程度として、温度変化が３０度であったとすれば、波長λ１の変化は０．９ｎｍである。すると、温度変化前の縞次数の数ｎ＝２６において、波長制御なしの場合の変化量はΔｎ＝０．８３５に対し、波長差制御を行った場合の変化量はΔｎ＝０．０３とほとんど変化しない。これにより、前述の（数２１）の縞次数の数ｎの変化が大幅に抑制され、縞次数の数ｎが常に整数に近い値をとる。これで２波長の計測レンジを超える表面形状であっても「エラー防止アルゴリズム」が有効となる。ラベリングなどの方法によらないことから、計測対象を広域化することに意義がある。
【００８６】
図４は、演算エラー防止部１１４ｄを使用して行なう、「エラー防止アルゴリズム」部分の動作を示すフローチャートである。以下の処理を行うため、演算エラー防止部１１４ｄは、図１Ｅに示すように、縞次数算出部１１４ｄ−１と、縞次数分布解析部１１４ｄ−２と、波長値補正部１１４ｄ−３と、位相値補正部１１４ｄ−４とで構成されている。
初めに、２つの波長λ１，λ２の値及び両波長の位相から、前述した（数６），（数７），（数８）と同様に各画素における縞次数ｍを演算エラー防止部１１４ｄの縞次数算出部１１４ｄ−１で算出する（ステップＳ１２１）。ここでは四捨五入は行わない。
【００８７】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの縞次数分布解析部１１４ｄ−２により、求めた視野内における縞次数から縞次数の分布ｍ（ｘ，ｙ）を作成し、その作成された縞次数の分布ｍ（ｘ，ｙ）から適切な画素を抽出して、縞次数ｍのヒストグラムを算出する（ステップＳ１２２）。ここで、適切な画素を抽出するとは、干渉縞のコントラストが、しきい値より高い部分の画素（有効として取扱い可能な画素）を抽出することを意味する。画素の抽出には、（数６）のｍ１＝ｍ２の条件が望ましい。実際に計測を行って得られたヒストグラムを図５に示す。（数１８）からも分かるように、ヒストグラムはΔλ／Δλ’ごとにピークを持ち、（数１８）の第２項によるシフトを伴った分布となる。
【００８８】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの縞次数分布解析部１１４ｄ−２により、前記ヒストグラムの複数のピーク位置とヒストグラムの複数のピーク間隔とを求め、実際の波長差を算出する（ステップＳ１２３）。ピーク間隔の算出方法としては様々な方法が考えられるが、フーリエ変換によりパワースペクトルを求めるなどノイズに強い方法が望ましい。このピーク間隔に演算波長差Δλ’を掛けて実際の波長差Δλを算出することができる。
【００８９】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの波長値補正部１１４ｄ−３により、演算波長差Δλ’を実際の波長差Δλに一致させる（ステップＳ１２４）。波長λ１もしくは波長λ２を補正して演算の波長差Δλ’を実際の波長差Δλに一致させることで、（数１９）の第１項を「０」とする。
【００９０】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの位相値補正部１１４ｄ−４により、補正された波長値に基づきヒストグラムのピーク位置を更新する（ステップＳ１２５）。ヒストグラムを再算出しなくても、（数１８）よりピークの位置だけ更新すればよい。
【００９１】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの位相値補正部１１４ｄ−４により、各ピーク位置と理想縞次数との差を算出する（ステップＳ１２６）。これは（数１９）の第２項を精度良く求めることを目的としている。ここで、差の算出には、各ピーク位置と理想縞次数との差を全て求め、平均するなどの方法が考えられる。
【００９２】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの縞次数分布解析部１１４ｄ−２により、前記ピーク位置から前記２波長の位相差、すなわち、２波長間の位相ズレδを求める（ステップＳ１２７）。（数１９）の第２項の値をＸとすると（数２５）により位相ズレδを求めることができる。
【００９３】
【数２５】
2010038418.tif 000027
【００９４】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの位相値補正部１１４ｄ−４により、位相φ２を位相ズレδだけ進める処理を行う（ステップＳ１２８）。各画素における位相φ２を位相ズレδだけ進めるには、様々な方法があるが、単純に各画素のφ２に位相ズレδを加え、２πを超える部分もしくは０を下回る部分に、２πを差し引くか加えることにより得られる。
【００９５】
次に、演算エラー防止部１１４ｄにより、補正された波長λ２’’及び位相φ２’の値より、縞次数分布ｍ（ｘ，ｙ）を算出し、四捨五入を行うことで各画素における縞次数ｍを決定する（ステップＳ１２９）。この時点で得られるヒストグラムは、図６に示すようにピークが理想縞次数ｍ１に一致している。
【００９６】
かかる構成によれば、２波長位相シフトにおいて、温度変化又は時間経過により想定される波長変動によらず、縞次数誤りを最小限とすることができ、従来のアルゴリズムに比べて、計測精度を向上することができる。以下に、計測精度が向上する例について説明する。
【００９７】
回路パターンの計測の場合、計測対象物の段差オーダーは１０〜５０μｍであり、計測レンジを１００μｍとするとき、必要な計測精度は１００ｎｍである。
特許文献１の手法の計測精度は、λ１＝８００ｎｍ，λ２＝８０５ｎｍの場合、温度変化が±２０℃とすると、０．０３（ｎｍ／℃）×２０（℃）＝０．６（ｎｍ）の波長変動が発生することになる。また、５０μｍの段差計測時には計測精度が１．７８μｍとなり、精度不足となってしまう。
【００９８】
これに対して、第１実施形態の計測では、３７．３ｎｍの計測精度で計測可能である。このとき、必要な波長フィルター１０３の角度制御量は、２０℃の温度変化に対応するために、λ２＝±０．６ｎｍ（±０．０７％）の範囲で光源からの光の波長を制御する場合、角度θ＝５°を基準に、４°〜６°の範囲で制御すればよい。図１０は、波長フィルター１０３と光源１０１からの光の光軸の角度ずれに対する波長変化量を示すグラフである。
【００９９】
ディスプレイパネル用電極パターンの計測の場合、計測対象物の段差オーダーは１〜１０μｍであり、計測レンジを２０μｍとするとき、必要な計測精度は１０ｎｍである。
特許文献１の手法の計測精度は、λ１＝７８０ｎｍ，λ２＝８１０ｎｍの場合、温度変化が２０℃とすると、０．０３（ｎｍ／℃）×２０（℃）＝０．６（ｎｍ）の波長変動が発生することになる。また、１０μｍの段差計測時には計測精度が１８９ｎｍとなり、精度不足となってしまう。
【０１００】
これに対して、第１実施形態の計測では、７．４１ｎｍの計測精度で計測可能である。この時、必要な波長フィルターの角度制御量は、λ２＝±０．６ｎｍ（±０．０７％）の範囲で波長を制御する場合、２０℃の温度変化に対応するために、θ＝５°を基準に４°〜６°の範囲で制御すればよい。図１１は、波長フィルター１０３と光源１０１からの光の光軸の角度ずれに対する波長変化量を示すグラフである。なお、温度変化量が等しい場合、計測レンジにかかわらず、波長変化量は変わらない。
【０１０１】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図である。
図７において、図１Ａ〜図１Ｅと同じ構成要素については同じ符号を用いて、その説明は省略する。第２実施形態において、フィルターホイール２０４は、前述の第１実施形態のフィルターホイール１０４に対応している。第２実施形態では、フィルターホイール２０４に取り付けられた波長フィルター１０３（１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｅ）は３枚となっている。３枚の波長フィルター１０３（１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｅ）は、それぞれ、切替装置１０４Ｓで切り替え可能としている（その構成としては、例えば、図１Ｃにおいて、波長フィルター１０３Ｃの代わりに波長フィルター１０３Ｅを配置すればよい。）。それぞれの波長フィルター１０３（１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｅ）の異なる透過波長をλ１，λ２，λ３とすると、２波長位相シフトの動作で組み合わせる２つの波長が常に（数２１）を満たす。例えば、以下では、（λ１，λ２）及び（λ１，λ３）の２波長位相シフトを組み合わせて３波長位相シフトを行うものとし、これらの波長の組合せが、常に、（数２１）を満たすものとする。
【０１０２】
図８は形状計測についての計測フローチャートを示す図である。図７に構成を示した干渉計測装置である３波長位相シフト干渉計による形状計測の方法について、図７及び図８を参照しながら説明する。なお、第２実施形態の３波長位相シフトでは、前述した第１実施形態における２波長位相シフト及びエラー防止アルゴリズムを組み合わせた動作となっている。以下の処理は、解析部１１４の制御の下に行われるか、又は、解析部１１４自体で行われる。
【０１０３】
初めに、波長λ１とλ２による２波長位相シフトを行う（ステップＳ２０１参照）。この動作は、前述した図２Ａ及び図２ＢにおけるステップＳ１０１の処理からステップＳ１０３の処理に対応する。ただし、ステップＳ１０３の処理の解析においては、図３のステップＳ１１１の処理からステップＳ１１２の処理までとし、波長λ２と位相φ２の補正値及び縞次数ｍａを得る。
【０１０４】
次に、波長λ１とλ３による２波長位相シフトを行う（ステップＳ２０２参照）。ステップＳ２０１の処理と同様にして、波長λ３と位相φ３の補正値及び縞次数ｍｂを得る。
【０１０５】
次に、縞次数ｍａ，ｍｂより合成位相φａ，φｂを生成する（ステップＳ２０３参照）。合成位相φａは、（数２６）で求められる。合成位相φｂに関しても、合成位相φａと同様にして求められる。
【０１０６】
【数２６】
2010038418.tif 000028
【０１０７】
次に、合成位相φａ，φｂに関して２波長位相シフトを行う（ステップＳ２０４参照）。この動作は、図２Ａ及び図２ＢにおけるステップＳ１０１の処理からステップＳ１０３の処理及び図３におけるステップＳ１１１の処理からステップＳ１１２の処理に対応する。合成位相φａ，φｂに関しては、ステップＳ２０１の処理，ステップＳ２０２の処理で波長と位相が補正されている限り、補正を行う必要はない。求めた縞次数を四捨五入して、縞次数ｍｃを得る。
【０１０８】
次に、縞次数ｍｃ及び縞次数ｍａから、（数２７）により、３波長合成波長の計測レンジ内の縞次数ｍを算出する（ステップＳ２０５参照）。
【０１０９】
【数２７】
2010038418.tif 000029
【０１１０】
次に、得られた縞次数ｍを四捨五入して、（数２）に代入することで、高さｈ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ２０６参照）。
【０１１１】
次に、ステップＳ２０１の処理及びステップＳ２０２の処理において検出した波長差に基づいて、図３のステップＳ１１４の処理と同様にして波長差を設計値に一致させる（ステップＳ２０７参照）。これにより、実際の波長λ２，λ３が補正され、（数２１）に示す縞次数の数が整数となり、次回の計測のステップＳ２０１の処理及びステップＳ２０２の処理においても、誤差検出精度を維持することができる。
【０１１２】
かかる構成とすることで、温度変化又は時間経過により想定される波長変動又は物体の表面形状に関わらず、波長誤差と位相ズレを補正して、これまでの多波長位相シフト干渉法での計測に比べて、高精度に物体の表面形状を計測することができる。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明に係る表面形状計測装置及び方法は、波長誤差と位相ズレに対して演算値を補正し波長差を一定に固定することで、温度変化の大きな環境での計測、又は、物体の表面性状が粗く縞次数エラーが発生しやすい物体に対しての計測精度を向上することができ、また、マスターを計測することで光源の波長校正への応用も考えられる。よって、本発明は、物体の表面形状を評価するために、例えば、ディスプレイパネルの電極、回路パターン、又は、金属加工部品などの表面形状計測に使用することができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図１Ａ】
2010038418.tif 000031
【図１Ｂ】
2010038418.tif 000032
【図１Ｃ】
2010038418.tif 000033
【図１Ｄ】
2010038418.tif 000034
【図１Ｅ】
2010038418.tif 000035
【図２Ａ】
2010038418.tif 000036
【図２Ｂ】
2010038418.tif 000037
【図３】
2010038418.tif 000038
【図４】
2010038418.tif 000039
【図５】
2010038418.tif 000040
【図６】
2010038418.tif 000041
【図７】
2010038418.tif 000042
【図８】
2010038418.tif 000043
【図９Ａ】
2010038418.tif 000044
【図９Ｂ】
2010038418.tif 000045
【図１０】
2010038418.tif 000046
【図１１】
2010038418.tif 000047
【手続補正書】
【提出日】平成22年1月28日(2010.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に対し光を照射することで、その干渉光により物体の表面形状を計測する技術において、特に複数の異なる波長の光を切替えて照射する多波長位相シフト干渉法に係る物体の表面形状計測装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の表面形状を精度良く計測する手法として、光波の干渉を用いた位相シフト干渉法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この位相シフト法の特徴として、参照平面をある既知量だけ移動させた時に得られる複数の干渉縞画像から、干渉縞の位相を解析することにより、バックグラウンド又はノイズの影響をキャンセルすることができる。これにより、位相シフト干渉法では、位相検出精度が波長の１／１００程度と高いことが挙げられる。
【０００３】
しかし、実際、ある画素（ｘ，ｙ）の位相は、整数ｍ（以下、縞次数と呼ぶ）を用いて（数１）で与えられる。これに対し、この手法で検出できる干渉縞位相は（数１）中のφ１（ｘ，ｙ）であり、位相が０から２πまでである。そのままでは物体表面の形状を表さないため、位相が２πを超えて折り返される部分を検出して繋ぎ合わせる「位相結合」という手法がある。しかしながら、この手法でも不連続部分又は半波長以上の段差があると、干渉縞が不連続となるため、形状を精度良く計測することが不可能となってしまう。
【０００４】
【数１】
2010038418.tif 000048
【０００５】
このような問題に対して、２つの異なる波長の光を切替えて照射する「２波長位相シフト干渉法」が知られている（例えば、特許文献２参照）。この手法は、波長の異なる２つの光の位相を比較し、その位相差が０から２πまでの範囲で、一方の光の波長の縞次数を一意に決定できる手法である。ここで、縞次数を求める方の光の波長と位相をそれぞれλ１，φ１（ｘ，ｙ）とし、縞次数ｍ（ｘ，ｙ）が決定できたとすると、物体の表面高さｈ（ｘ，ｙ）は、（数２）で与えられるため、基本的には１波長の位相シフトの精度で計測できる。
【０００６】
【数２】
2010038418.tif 000049
【０００７】
また、２波長（波長λ１，λ２）の位相を合成し、位相差が０から２πの区間を１波長とする光を生成したと考えると、その合成波長の光で位相を検出したことと等価となる。ここで合成波長λeqは、（数３）で表される。単波長の計測レンジはλ１／２となるのに対して、２波長の合成波長の計測レンジはλeq／２に拡大する。
【０００８】
【数３】
2010038418.tif 000050
【０００９】
具体的手法を以下に示す。まず、波長λ１，λ２それぞれで位相シフトを行う。各画素において検出される位相をφ１，φ２とすると、（数４）となる。ここで、ｈ（ｘ，ｙ）は画素（ｘ，ｙ）における高さを表し、ｍ１（ｘ，ｙ），ｍ２（ｘ，ｙ）は両波長の理想縞次数を表す。次に、この位相値を用いて２波長間の光路差ΔＤを（数５）により求める。
【００１０】
【数４】
2010038418.tif 000051
【００１１】
【数５】
2010038418.tif 000052
【００１２】
これより画素（ｘ，ｙ）の波長λ１の縞次数は、以下のようにして求められる。
まず、縞次数ｍ１，ｍ２の関係を使って場合分けをする。すなわち、縞次数ｍ１とｍ２の関係は２波長の合成波長の計測レンジ内においては、以下の３つの場合があり、それぞれ別の計算式により縞次数ｍを求める。
（１）ｍ２＝ｍ１の場合、（数６）
（２）ｍ２＝ｍ１−１の場合、（数７）
（３）ｍ２＝ｍ１＋１の場合、（数８）
【００１３】
【数６】
2010038418.tif 000053
【００１４】
【数７】
2010038418.tif 000054
【００１５】
【数８】
2010038418.tif 000055
【００１６】
これらの場合分けは、「（１）−π＜（φ１−φ２）＜π」、「（２）（φ１−φ２）＞π」、「（３）（φ１−φ２）＜−π」の条件で判別する。このようにして求めた縞次数ｍを四捨五入することで決定できる。
以上の動作で計測レンジを拡大できる。
【００１７】
この手法の応用として、さらに異なる波長の光を照射して異なる２つの合成波長を生成し、合成波長に対して、さらに２波長位相シフト干渉法を適応することで、合成波長をさらに伸長する多波長位相シフト干渉法がある。
【００１８】
２波長位相シフト干渉法を含む多波長位相シフト干渉法は、ノイズに弱いという問題がある。その理由を以下で説明する。
まず、１つの合成波長の計測レンジ内で一意に決定できる縞次数の数ｎは、（数９）で与えられる。波長差を小さくすればするほど判別できる縞次数の数は大きくなる。位相差が０から２πの領域を分割して縞次数の判別に充てると、縞次数１に割り当てられる位相差幅は２π／ｎとなる。縞次数誤りが発生しない条件は、各波長の位相検出誤差をδφ１，δφ２とすると、（数１０）となり、許容される位相検出誤差は数ｎが大きいほど小さくなる。例えばｎ＝３０とすると、各波長でλ／１２０以下としなければ、縞次数誤りは０にはならない。
【００１９】
【数９】
2010038418.tif 000056
【００２０】
【数１０】
2010038418.tif 000057
【００２１】
したがって、位相の検出精度は１波長と同等でも、計測レンジを拡大すればするほど縞次数決定の際にエラーを生じやすくなる。そして、（数１０）を満たさなくなると縞次数に誤差が生じ、計測結果に半波長単位の誤差が発生する。誤差の外部要因としては、ランダム誤差の他に、２波長間の位相ズレ、及び、計測結果の解析工程において実際に照射されている光の波長と演算に用いる波長値に差異があることの２つが挙げられる。
【００２２】
誤差原因のうち、２波長間の位相ズレに対しては、２波長位相シフト干渉法の計測精度向上を目的とした縞次数エラー補正アルゴリズムが考案されている（例えば、特許文献３参照）。これは、縞次数算出の四捨五入工程において、四捨五入前後の縞次数を比較することで２波長間の位相ズレの影響を検出し、それをキャンセルするように四捨五入前の縞次数に補正値を加算もしくは減算することで、縞次数を補正しようという手法である。
【００２３】
これを解析的に述べると、各波長の位相シフトで得られる実際の位相は、前述の（数４）に位相ズレδを含んでおり、（数１１）のように表される。
【００２４】
【数１１】
2010038418.tif 000058
【００２５】
（数１１）の位相ズレδはｈ（ｘ，ｙ）＝０における２波長間の位相差である。これを（数６）、（数７）、（数８）に代入すると、以下の３つの場合となる。
（１）ｍ２＝ｍ１の場合、（数１２）
（２）ｍ２＝ｍ１−１の場合、（数１３）
（３）ｍ２＝ｍ１＋１の場合、（数１４）
【００２６】
【数１２】
2010038418.tif 000059
【００２７】
【数１３】
2010038418.tif 000060
【００２８】
【数１４】
2010038418.tif 000061
【００２９】
つまり、（数１２）から（数１４）のどの場合も（数１５）となる。δ＝０の場合は（数６）と一致するが、そうでない場合はｍ１からのズレが生じる。δ＝０の理想的な場合、ｍ＝ｍ１となるのでｍ１を理想縞次数と呼ぶ。理想縞次数ｍ１と算出された縞次数との間の差をΔｍとする。差Δｍにランダム誤差が重畳すると、四捨五入の段階で誤差分が０．５を超えやすくなり、縞次数エラーの発生割合が高くなることが考えられる。
【００３０】
【数１５】
2010038418.tif 000062
【００３１】
これに対し、前述の縞次数エラー補正アルゴリズムでは、まず、縞次数ｍを四捨五入した後の値をｍ’として、差（ｍ’−ｍ）の分布を求める。この分布は−１／２から１／２までとなっており、これをヒストグラム化すると図９Ａ及び図９Ｂのようになる。位相ズレδの影響があると分布のピークが０からシフトし、そのシフト量が位相ズレδの項に等しいため、ランダム誤差の影響を受けずに位相ズレδの項を検出することができる。シフト量を検出し、縞次数ｍから差し引いた後、もう一度四捨五入をすることで、縞次数エラーを防止するのが特許文献３の手法である。
【００３２】
また、特許文献３では、一般的に２波長の合成波長の計測レンジを超える表面形状においては、前述した縞次数エラーの補正を行うことができないため、１つの計測レンジに当たる部分だけを抽出するラベリング方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開２００３−３４４０２５号公報
【特許文献２】米国特許第４８３２４８９号
【特許文献３】特開２００５−３２６２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
しかしながら、前述した従来の多波長位相シフト干渉法では、測定レンジを広げることが可能であるが、測定精度が低下してしまう。具体的には、前述した従来のアルゴリズムでは、照射される光の波長が既知として扱われるが、温度変化又は時間経過により、光の波長の実波長と演算値が異なる場合がある。そのような場合、ノイズの検出精度、及び、縞次数エラーの補正精度が低下するという問題がある。
【００３５】
以下の各数式において、演算値には「’」をつけて、実際の値と区別することにする。位相φ１，φ２は前述の（数１１）で与えられ、（数５）及び（数６）の場合、（数１６），（数１７）のようになる。ここでλ１’，λ２’は演算上の値である。
【００３６】
【数１６】
2010038418.tif 000063
【００３７】
【数１７】
2010038418.tif 000064
【００３８】
（数１６），（数１７）に（数１１）を代入して、縞次数ｍと理想縞次数ｍ１との関係（数１８），（数１９）が得られる。これより、理想縞次数ｍ１が大きくなるほど誤差Δｍも大きくなることが分かる。
【００３９】
【数１８】
2010038418.tif 000065
【００４０】
【数１９】
2010038418.tif 000066
【００４１】
以上のように、従来のアルゴリズムでは縞次数の四捨五入時の誤差分だけに注目しているが、縞次数により誤差Δｍが異なるため補正精度が不十分であり、誤差Δｍが大きくなるところではエラーが発生してしまう。
【００４２】
本発明は、前記従来技術の問題を解決するものであり、従来の多波長位相シフト干渉法に比べて、高精度に物体の表面形状を計測する表面形状計測装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
前記目的を達成するために、本発明は、以下のように構成している。
本発明の第１態様によれば、光を放射する光源と、
透過波長がそれぞれ異なる複数の波長フィルターと、
前記複数の波長フィルターを切替える切替装置と、
前記切替装置で切替えられた前記複数の波長フィルターのうちの１つの波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系で干渉させた干渉縞の画像を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像した画像から干渉縞の位相を算出する干渉縞位相検出部と、
前記切替装置で前記複数の波長フィルターを切替えて算出した、少なくとも２つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整するフィルター角度調整部と、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記干渉光学系と前記撮像装置と前記干渉縞位相検出部とを使用して前記被検物体の表面形状計測を行なう解析部と、を備える、表面形状計測装置を提供する。
【００４４】
本発明の第２態様によれば、少なくとも２つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて検出した前記波長差に基づいて干渉縞の位相を補正する演算エラー防止部を備える、第１の態様に記載の表面形状計測装置を提供する。
【００４５】
本発明の第３態様によれば、前記演算エラー防止部は、
前記２つの波長と位相を組み合わせて各画素における縞次数を算出する縞次数算出部と、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２つの波長間の波長差と位相差を検出する縞次数分布解析部と、
前記いずれか一方の波長の演算値を補正して波長差に一致させる波長値補正部と、
前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記２つの波長の位相差が０となる場合の位相値を算出して補正する位相値補正部とを有する、
第２の態様に記載の表面形状計測装置を提供する。
【００４６】
本発明の第４態様によれば、前記フィルター角度調整部は、
予め前記波長フィルターと光軸の角度を５度〜１０度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±１度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整する角度制御部で構成されると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量を算出する角度制御量算出部をさらに備え、
前記演算エラー防止部において、前記複数の波長フィルターで組み合わせる前記２つの波長（λ１，λ２）が、ｎを整数として、前記角度制御部の基準状態において(数２０)を満たす、第３の態様に記載の表面形状計測装置を提供する。
【００４７】
【数２０】
2010038418.tif 000067
【００４８】
本発明の第５態様によれば、光源からの光を波長フィルターに透過させ、前記波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させ、前記被検物体と前記参照面とで反射された光を重ね合わせて干渉させた光を画像として撮像し、前記撮像した画像から干渉させた光の干渉縞位相を算出する位相算出ステップを少なくとも２つの異なる波長の波長フィルターを切替えて行った後、
前記少なくとも２つの波長の干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、
前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整し、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記位相算出ステップを行って前記被検物体の表面形状計測を行なう、
表面形状計測方法を提供する。
【００４９】
本発明の第６態様によれば、前記２つの波長の干渉縞の位相を組合せて検出した波長差に基づいて位相を補正する演算エラー防止ステップを有する、
第５の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。
【００５０】
本発明の第７態様によれば、前記演算エラー防止ステップで、前記２つの波長の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記検出した実際の波長差に基づいて位相を補正する時、
前記２つの波長の位相を組み合わせて各画素における縞次数を縞次数算出部で算出し、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２波長間の波長差と位相差を縞次数分布解析部で検出し、
波長値補正部で、前記いずれか一方の波長の演算値を補正して実際の波長差に一致させ、
位相値補正部で、前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記２波長の位相差が０となる場合の位相値を算出して補正する、
第６の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。
【００５１】
本発明の第８態様によれば、前記縞次数分布解析部で前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２波長間の実際の波長差と位相差を検出する時、
前記２つの波長の干渉縞位相より、前記２波長の縞次数が一致する画素における縞次数を算出し、縞次数の分布のヒストグラムを算出し、
前記ヒストグラムの複数のピーク位置と前記ヒストグラムの複数のピーク間隔を検出し、
前記ピーク間隔と前記ピーク位置とから前記位相差を検出する、
第７の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。
【００５２】
本発明の第９態様によれば、前記フィルター角度調整部で、前記波長差が設計値に一致するように、前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターを傾ける角度を調整する時、
角度制御部で、予め前記波長フィルターと光軸の角度を５度〜１０度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±１度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整すると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量算出部で角度制御量を算出する、
第７の態様に記載の表面形状計測方法を提供する。
【００５３】
前記構成にかかる装置及び方法によれば、波長変動の影響を抑制することで、これまでより高精度に物体の表面形状を計測することができ、さらに、縞次数の演算エラーを最小限にして、形状計測精度を向上することができ、また、波長差を常に設計波長差に一致させることで、前記式の条件から波長変動によってズレることを防ぎ、時間経過又は温度変化に対する計測精度の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によれば、温度変化の大きな環境や、物体の表面性状が粗く縞次数エラーが発生しやすい物体に対して、多波長位相シフト干渉法での計測において、高精度に物体の表面形状を計測することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、前記第１実施形態における前記干渉計測装置の切替装置の構成を示す概略図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ｂの矢印Ｃから見た、前記第１実施形態における前記干渉計測装置の切替装置の構成を示す概略図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、図１Ｂの矢印Ｄから見た、前記第１実施形態における前記干渉計測装置の切替装置の構成を示す概略図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、前記干渉計測装置の解析部の構成を示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、前記第１実施形態における表面形状計測方法における初回の計測フローチャートである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、前記第１実施形態における表面形状計測方法における２回目以降の計測フローチャートである。
【図３】図３は、前記第１実施形態における解析部の動作フローチャートである。
【図４】図４は、前記第１実施形態におけるエラー防止アルゴリズムの計測フローチャートである。
【図５】図５は、前記第１実施形態における縞次数分布の補正前ヒストグラムを示す図である。
【図６】図６は、前記第１実施形態における縞次数分布の補正後ヒストグラムを示す図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図である。
【図８】図８は、前記第２実施形態における表面形状計測方法の計測フローチャートである。
【図９Ａ】図９Ａは、従来の縞次数補正アルゴリズムの補正原理図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、従来の縞次数補正アルゴリズムの補正原理図である。
【図１０】図１０は、回路パターンの計測の場合の波長フィルターと光軸の角度ずれに対する波長変化量を示すグラフである。
【図１１】図１１は、ディスプレイパネル用電極パターンの計測の場合の波長フィルターと光軸の角度ずれに対する波長変化量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
本発明の記述では、添付図面において、同じ部品については同じ参照符号を付して説明を省略している。
【００５７】
以下、図面を参照して本発明における実施形態を説明する。
【００５８】
（第１実施形態）
図１Ａは本発明の第１実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図である。
【００５９】
図１Ａにおいて、一例として低コヒーレンス光源である光源１０１は、複数の波長（例えば、波長λ１，λ２の両方の波長）を持つ光を放射する光源である。この光源１０１としては、例えば、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、ハロゲンランプ、高周波を重畳したＬＤ（Luminescent Diode）などを用いる。特に、ＳＬＤは、数１０ｎｍの波長帯域で高輝度な光を放射することが可能であり、２波長位相シフト法に適した光源である。
【００６０】
光源１０１から放射された光は、コリメートレンズ１０２によって平行光となる。コリメートレンズ１０２は、２つの異なる波長λ１，λ２の両方において、出射する光をできるだけ平行にし、かつ、計測視野内で光量分布をできるだけ均一にするものが望ましい。例えば、ＳＬＤ又はＬＤから出射する光の光量分布を均一にするために、コリメートレンズ１０２の一例としてアナモルフィックプリズム（Anamorphic Prism）などが用いられる。
【００６１】
平行光とされた光は、波長フィルター１０３により波長を限定される。波長フィルター１０３は、透過波長が光源１０１の放射する光の波長帯に含まれ、波長フィルター１０３を透過後の２つの波長（λ１，λ２）は、常に（数２１）の関係を満たすものである。ここで、ｎは整数である。
【００６２】
【数２１】
2010038418.tif 000068
【００６３】
２つの波長（λ１，λ２）として、例えば、波長７８０ｎｍと８１０ｎｍの組合せは（数２１）の関係を満たし、合成波長λeq≒２１μｍ程度となり、１波長のみの場合に比べて、測定範囲が２６倍程度に拡大する。これにより、多波長位相シフト干渉法を用いて、高さのばらつきの大きな物体の表面形状計測が可能となる。
【００６４】
また、波長フィルター１０３の透過波長帯域は、計測するのに十分な可干渉距離を確保できるものが望ましく、例えば透過波長帯域が数ｎｍ程度の干渉フィルターなどを用いる。透過波長帯域が３ｎｍの場合、可干渉距離は１００μｍ程度となる。この値は、本発明において、設置精度を考慮しても十分な値と言える。波長フィルター１０３は、切替装置（切替機構）１０４Ｓの一例としてのフィルターホイール１０４に複数個取り付けられ、フィルターホイール１０４により、異なる波長を透過する波長フィルター１０３にそれぞれ切替えが可能である。ここでは、フィルターホイール１０４を用いたが、光源１０１からの光が透過する光路に対してエアシリンダなどにより複数の波長フィルターを出入りさせて、複数の波長フィルターを切り替えてもよい。
【００６５】
切替装置１０４Ｓは、一例として、図１Ａ〜図１Ｅに示すように、フィルターホイール１０４と回転機構（角度制御部）１０４ｃとモータ１０４ｂとで構成している。フィルターホイール１０４には、複数の波長フィルター１０３を有している。一例として、図１Ｃに示すように、波長フィルター１０３は、それぞれ異なる波長を透過する４枚の波長フィルター１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ，１０３Ｄ（例えば、波長λ１用の波長フィルター１０３Ａ，１０３Ｃと波長λ２用の波長フィルター１０３Ｂ，１０３Ｄと）で構成されている。フィルターホイール１０４の回転中心には、軸１０４ａが固定され、軸１０４ａにはモータ１０４ｂの回転軸が連結されている。そして、モータ１０４ｂが回転駆動されると、フィルターホイール１０４が所定角度だけ回転して、光源１０１からの光が透過する波長フィルター１０３を別の波長フィルター１０３に切り替えることができるようにしている。フィルターホイール１０４に設けられた回転機構（傾斜機構）１０４ｃで、光源１０１からの光の光軸に対する波長フィルター１０３の傾きを調整することもできる。この回転機構（角度制御部）１０４ｃとしては公知の機構を使用することができる。
【００６６】
回転機構１０４ｃは、フィルター角度調整部の一例として機能し、温度変化又は時間経過により想定される波長変動を鑑みて、波長フィルター１０３と光源１０１からの光の光軸との角度を調整するものである。そのため、あらかじめ光の入射角（波長フィルター１０３に入射する光の光軸と直交する軸に対する角度）を所定の角度（基準角度）θ（例えば、５度〜１０度の範囲内で決定される値（初期値）、例えば９度）としておき、基準角度θの±１度の範囲において０．０１度以下の精度で前記角度を制御できるものが望ましい。これを実現する装置又は機構としては、例えばステッピングモータを用いた回転ステージがある。
【００６７】
波長フィルター１０３を透過した光は、反射ミラー１０６Ａでハーフミラー１０６側に反射された後、ハーフミラー１０６に入射する。そして、波長フィルター１０３を透過した光は、ハーフミラー１０６で分割され、分割された光が、ＸＹステージなどの被検ワーク保持部１０７ｈで保持された被検物体１０７と参照面１０８とにそれぞれ入射する。被検物体１０７は、計測対象物である。その後、被検物体１０７と参照面１０８とでそれぞれ反射した光は、再び、ハーフミラー１０６で重ね合わされて互いに干渉する。そして、重ね合わされた光は、結像レンズ１０９を透過して、カメラ１１０に結像される。すなわち、干渉させて結像レンズ１０９を透過した光を、カメラ１１０の受光素子上に結像させて撮像する。参照面１０８は、ピエゾステージ１１１に取り付けられており、ピエゾステージ１１１を駆動することにより、参照面１０８が光軸方向へ移動することができる。このピエゾステージ１１１は、少なくとも光源の波長程度の距離を移動させることができる。
なお、ハーフミラー１０６と参照面１０８と被検ワーク保持部１０７ｈとで干渉光学系１３０の一例を構成している。また、結像レンズ１０９とカメラ１１０とで撮像装置（撮像機構）１３１の一例を構成している。
【００６８】
自動ステージ１１２及び位置記録部１１３は、各波長フィルター１０３を透過した光に対して結像レンズ１０９及びカメラ１１０をピントが合う位置に予めそれぞれ移動させ、それらの位置をそれぞれ記録しておく。そして、制御部１０００の制御の下に、計測開始と共にフィルターホイール１０４による波長切替えと同期して所定の位置に、結像レンズ１０９及びカメラ１１０を、それぞれ移動させる。すなわち、例えば、第１波長λ１と第２波長λ２との間での波長フィルター１０３の切替に応じて、第１波長λ１用の位置と第２波長λ２用の位置とに、結像レンズ１０９及びカメラ１１０をそれぞれ移動させることを意味する。これは、前述の７８０ｎｍと８１０ｎｍの２波長（λ１，λ２）の組合せにおいて、結像レンズ１０９に無視できない光軸上の色収差が存在するため、これを補正するためである。計測中に移動するカメラ１１０により取り込んだ画像は、カメラ１１０から解析部１１４に入力されて、入力された画像の情報は解析部１１４で解析される。すなわち、本実施形態の表面形状計測装置での処理は、回転機構１０４ｃでの角度制御処理以外は、解析部１１４で行なわれる。解析部１１４は、図１Ｅに示すように、干渉縞位相検出部の一例としての位相算出部１１４ｃと、演算エラー防止部１１４ｄと、表面高さ算出部１１４ｅと、角度制御量算出部１１４ｆとで構成されている。この解析部１１４は、切替装置１０４Ｓと、角度制御部１０４ｃと、カメラ１１０と、位置記録部１１３と、自動ステージ１１２と、ピエゾステージ１１１とにそれぞれ接続されて、互いに、必要な情報を入力又は出力可能としており、制御部１０００での制御の下に、表面形状計測装置の表面形状計測動作を行うものである。また、制御部１０００は、解析部１１４と光源１０１とそれぞれ直接接続されていると共に、解析部１１４を介して、切替装置１０４Ｓと、回転機構１０４ｃと、カメラ１１０と、位置記録部１１３と、自動ステージ１１２と、ピエゾステージ１１１とに間接的にそれぞれ接続されて、それぞれの動作を制御するようにしている。
【００６９】
図２Ａは形状計測についての計測フローチャートを示す図であり、前述した図１Ａに構成を示した２波長干渉計による形状計測の方法について、図１Ａ及び図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら説明する。以下の処理は、制御部１０００の制御の下に解析部１１４自体で行われる。
【００７０】
初めに、波長λ１の位相シフトを行う（ステップＳ１０１参照）。切替装置１０４Ｓにおいて波長フィルター１０３を波長λ１用の波長フィルター１０３に切替え（波長λ１に設定し）、回転機構１０４ｃにより波長フィルター１０３を所定の角度（基準角度）θ（例えば、５度〜１０度の範囲内で決定される値（初期値）、例えば９度）に傾ける。そして、自動ステージ１１２により、位置記録部１１３に記録されておりかつ波長λ１のピントが合う位置に、結像レンズ１０９及びカメラ１１０を、それぞれ移動させ、位相シフトの動作を行う。
【００７１】
次に、波長λ２の位相シフトを行う（ステップＳ１０２参照）。切替装置１０４Ｓにおいて波長フィルター１０３を波長λ１用の波長フィルター１０３から波長λ２用の波長フィルター１０３に切替え、角度制御部１０４ｃにより波長フィルター１０３を所定の角度（基準角度）θ（例えば、５度〜１０度の範囲内で決定される値（初期値）、例えば９度）に傾ける。そして、自動ステージ１１２により、位置記録部１１３に記録されておりかつ波長λ２のピントが合う位置に、結像レンズ１０９及びカメラ１１０を、それぞれ移動させ、位相シフトの動作を行う。
【００７２】
次に、カメラ１１０で撮像した画像を解析部１１４の位相算出部１１４ｃに取り込み、取り込んだ画像を解析部１１４の位相算出部１１４ｃで解析する（ステップＳ１０３参照）。取り込んだ画像が解析部１１４により解析されて、物体の表面形状データ（物体の表面高さ）及び波長λ２の角度制御量が解析部１１４で算出される。これで、一回目の表面形状計測動作を終了する。
【００７３】
図２Ｂは、前記した図２Ａの形状計測についての計測フローチャートにより行なった表面形状計測後に行なう、二回目以降の表面形状計測についての計測フローチャートを示す図である。以下の処理も、制御部１０００の制御の下に解析部１１４自体で行われる。
まず、ステップＳ１０４は、次回の表面形状計測のための準備動作である。すなわち、ステップＳ１０３の処理によって得た波長λ２の角度制御量を元に、回転機構１０４ｃにより、波長フィルター１０３と光の入射角とを制御する（ステップＳ１０４参照）。言い換えれば、回転機構１０４ｃにより、実際の波長差が設計値に一致するように、複数の波長フィルター１０３のうちの一方の波長フィルター１０３（波長λ２用の波長フィルター１０３）を傾ける角度を調整する。
この二回目の計測では、ステップＳ１０４での処理結果を基に波長フィルター１０３と光の入射角を制御した状態で、図２Ａと同様なステップＳ１０１〜ステップＳ１０３を行なうことにより、二回目の表面形状計測を行なうものである。
【００７４】
以上のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３、ステップＳ１０４、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３が、表面形状計測動作と、計測条件を一定化させる波長制御の動作である。
また、図３は、図２Ａ及び図２Ｂに示したステップＳ１０３の処理における解析部１１４の動作を示すフローチャートである。以下に、ステップＳ１０３の処理について詳しく説明する。
【００７５】
まず、解析部１１４の位相算出部１１４ｃで、２波長の干渉光画像よりそれぞれ位相シフトを行い、干渉縞の位相φ１，φ２を算出する（ステップＳ１１１参照）。
【００７６】
次に、位相算出部１１４ｃで算出した位相φ１，φ２及び波長λ１，λ２の入力値を元に、解析部１１４の演算エラー防止部１１４ｄで、前述した（数６），（数７），（数８）により縞次数ｍを算出する（ステップＳ１１２参照）。言い換えれば、演算エラー防止部１１４ｄで、２つの波長の位相を組み合わせて実際の波長差を検出し、検出した実際の波長に基づいて位相を補正する。ここでは、まず、縞次数算出の前に、演算エラー防止部１１４ｄで、理想縞次数ｍ１とのズレΔｍが最小となるよう、波長値と位相値とを補正する「エラー防止アルゴリズム」を実行する。この「エラー防止アルゴリズム」については後述する。補正された波長値と位相値とを用いて、（数６），（数７），（数８）により、縞次数ｍを演算エラー防止部１１４ｄで算出する。
【００７７】
次に、位相φ１及び縞次数ｍを用いて、前述の（数２）により物体の表面高さｈ（ｘ，ｙ）を解析部１１４の表面高さ算出部１１４ｅで求める（ステップＳ１１３）。
【００７８】
次に、実際に照射されている光の波長差を設計値に一致させるのに必要な、波長フィルター１０３と光の入射角とを解析部１１４の角度制御量算出部１１４ｆで算出する（ステップＳ１１４）。
まず、ステップＳ１１２の処理で演算エラー防止部１１４ｄを使用して、後述する「エラー防止アルゴリズム」により実際の波長差を検出しておき、設計波長差との差Δを角度制御量算出部１１４ｆで算出する。
次に、波長フィルター１０３の角度制御量を角度制御量算出部１１４ｆで算出するが、ここでは、あらかじめ波長フィルター１０３の基準角度θを９度としておき、基準角度θの±１度の微小範囲で角度を調整するものとする。この基準角度θの選択範囲は、例えば、５度から１０度の範囲内から基準角度を選択する。この範囲外であると、光の透過量が低下しすぎるため好ましくないためである。これにより、設計波長差との差Δと角度は１次近似が可能となり、傾け量θ２は（数２２）で与えられる。
【００７９】
【数２２】
2010038418.tif 000069
【００８０】
ここで、λ０は波長フィルター１０３の波長（ｎｍ）であり、Δは補正したい波長量（ｎｍ）である。ａは波長フィルター１０３の特性及び基準角度により定まる係数であり、例えば本実施形態の干渉フィルターでは、ａ＝７８１．３という値をとる。８００ｎｍ付近の波長では、±１度の範囲で約±１ｎｍの波長制御が行える。波長フィルター１０３の温度特性が前記の波長では０．０３ｎｍ／℃で与えられるため、これで、波長変動に十分に対応可能なことが分かる。
【００８１】
また、ステップＳ１１４の処理では、角度制御量算出部１１４ｆで、２つの波長のうちの一方の波長を制御して波長差を設計値に一致させる。２つの波長のうちの一方の波長を制御することで波長差を常に固定する手法の効果は、（数２３），（数２４）により確認することができる。波長差λ２−λ１を一定に制御する場合と一定に制御しない場合について、それぞれλ１の変化に対する縞次数の数ｎの変化量Δｎは、
（１）波長差の一定制御ありでは、（数２３）
（２）波長差の一定制御なしでは、（数２４）
となり、（λ２−λ１）／λ１倍に低減する。
【００８２】
【数２３】
2010038418.tif 000070
【００８３】
【数２４】
2010038418.tif 000071
【００８４】
例えば、波長λ１を７８０ｎｍ，波長λ２を８１０ｎｍとし、温度変化により波長λ１の波長フィルター１０３の透過波長のみが変化したとする。波長−温度特性が０．０３ｎｍ／℃程度として、温度変化が３０度であったとすれば、波長λ１の変化は０．９ｎｍである。すると、温度変化前の縞次数の数ｎ＝２６において、波長制御なしの場合の変化量はΔｎ＝０．８３５に対し、波長差制御を行った場合の変化量はΔｎ＝０．０３とほとんど変化しない。これにより、前述の（数２１）の縞次数の数ｎの変化が大幅に抑制され、縞次数の数ｎが常に整数に近い値をとる。これで２波長の計測レンジを超える表面形状であっても「エラー防止アルゴリズム」が有効となる。ラベリングなどの方法によらないことから、計測対象を広域化することに意義がある。
【００８５】
図４は、演算エラー防止部１１４ｄを使用して行なう、「エラー防止アルゴリズム」部分の動作を示すフローチャートである。以下の処理を行うため、演算エラー防止部１１４ｄは、図１Ｅに示すように、縞次数算出部１１４ｄ−１と、縞次数分布解析部１１４ｄ−２と、波長値補正部１１４ｄ−３と、位相値補正部１１４ｄ−４とで構成されている。
初めに、２つの波長λ１，λ２の値及び両波長の位相から、前述した（数６），（数７），（数８）と同様に各画素における縞次数ｍを演算エラー防止部１１４ｄの縞次数算出部１１４ｄ−１で算出する（ステップＳ１２１）。ここでは四捨五入は行わない。
【００８６】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの縞次数分布解析部１１４ｄ−２により、求めた視野内における縞次数から縞次数の分布ｍ（ｘ，ｙ）を作成し、その作成された縞次数の分布ｍ（ｘ，ｙ）から適切な画素を抽出して、縞次数ｍのヒストグラムを算出する（ステップＳ１２２）。ここで、適切な画素を抽出するとは、干渉縞のコントラストが、しきい値より高い部分の画素（有効として取扱い可能な画素）を抽出することを意味する。画素の抽出には、（数６）のｍ１＝ｍ２の条件が望ましい。実際に計測を行って得られたヒストグラムを図５に示す。（数１８）からも分かるように、ヒストグラムはΔλ／Δλ’ごとにピークを持ち、（数１８）の第２項によるシフトを伴った分布となる。
【００８７】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの縞次数分布解析部１１４ｄ−２により、前記ヒストグラムの複数のピーク位置とヒストグラムの複数のピーク間隔とを求め、実際の波長差を算出する（ステップＳ１２３）。ピーク間隔の算出方法としては様々な方法が考えられるが、フーリエ変換によりパワースペクトルを求めるなどノイズに強い方法が望ましい。このピーク間隔に演算波長差Δλ’を掛けて実際の波長差Δλを算出することができる。
【００８８】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの波長値補正部１１４ｄ−３により、演算波長差Δλ’を実際の波長差Δλに一致させる（ステップＳ１２４）。波長λ１もしくは波長λ２を補正して演算の波長差Δλ’を実際の波長差Δλに一致させることで、（数１９）の第１項を「０」とする。
【００８９】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの位相値補正部１１４ｄ−４により、補正された波長値に基づきヒストグラムのピーク位置を更新する（ステップＳ１２５）。ヒストグラムを再算出しなくても、（数１８）よりピークの位置だけ更新すればよい。
【００９０】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの位相値補正部１１４ｄ−４により、各ピーク位置と理想縞次数との差を算出する（ステップＳ１２６）。これは（数１９）の第２項を精度良く求めることを目的としている。ここで、差の算出には、各ピーク位置と理想縞次数との差を全て求め、平均するなどの方法が考えられる。
【００９１】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの縞次数分布解析部１１４ｄ−２により、前記ピーク位置から前記２波長の位相差、すなわち、２波長間の位相ズレδを求める（ステップＳ１２７）。（数１９）の第２項の値をＸとすると（数２５）により位相ズレδを求めることができる。
【００９２】
【数２５】
2010038418.tif 000072
【００９３】
次に、演算エラー防止部１１４ｄの位相値補正部１１４ｄ−４により、位相φ２を位相ズレδだけ進める処理を行う（ステップＳ１２８）。各画素における位相φ２を位相ズレδだけ進めるには、様々な方法があるが、単純に各画素のφ２に位相ズレδを加え、２πを超える部分もしくは０を下回る部分に、２πを差し引くか加えることにより得られる。
【００９４】
次に、演算エラー防止部１１４ｄにより、補正された波長λ２’’及び位相φ２’の値より、縞次数分布ｍ（ｘ，ｙ）を算出し、四捨五入を行うことで各画素における縞次数ｍを決定する（ステップＳ１２９）。この時点で得られるヒストグラムは、図６に示すようにピークが理想縞次数ｍ１に一致している。
【００９５】
かかる構成によれば、２波長位相シフトにおいて、温度変化又は時間経過により想定される波長変動によらず、縞次数誤りを最小限とすることができ、従来のアルゴリズムに比べて、計測精度を向上することができる。以下に、計測精度が向上する例について説明する。
【００９６】
回路パターンの計測の場合、計測対象物の段差オーダーは１０〜５０μｍであり、計測レンジを１００μｍとするとき、必要な計測精度は１００ｎｍである。
特許文献１の手法の計測精度は、λ１＝８００ｎｍ，λ２＝８０５ｎｍの場合、温度変化が±２０℃とすると、０．０３（ｎｍ／℃）×２０（℃）＝０．６（ｎｍ）の波長変動が発生することになる。また、５０μｍの段差計測時には計測精度が１．７８μｍとなり、精度不足となってしまう。
【００９７】
これに対して、第１実施形態の計測では、３７．３ｎｍの計測精度で計測可能である。このとき、必要な波長フィルター１０３の角度制御量は、２０℃の温度変化に対応するために、λ２＝±０．６ｎｍ（±０．０７％）の範囲で光源からの光の波長を制御する場合、角度θ＝５°を基準に、４°〜６°の範囲で制御すればよい。図１０は、波長フィルター１０３と光源１０１からの光の光軸の角度ずれに対する波長変化量を示すグラフである。
【００９８】
ディスプレイパネル用電極パターンの計測の場合、計測対象物の段差オーダーは１〜１０μｍであり、計測レンジを２０μｍとするとき、必要な計測精度は１０ｎｍである。
特許文献１の手法の計測精度は、λ１＝７８０ｎｍ，λ２＝８１０ｎｍの場合、温度変化が２０℃とすると、０．０３（ｎｍ／℃）×２０（℃）＝０．６（ｎｍ）の波長変動が発生することになる。また、１０μｍの段差計測時には計測精度が１８９ｎｍとなり、精度不足となってしまう。
【００９９】
これに対して、第１実施形態の計測では、７．４１ｎｍの計測精度で計測可能である。この時、必要な波長フィルターの角度制御量は、λ２＝±０．６ｎｍ（±０．０７％）の範囲で波長を制御する場合、２０℃の温度変化に対応するために、θ＝５°を基準に４°〜６°の範囲で制御すればよい。図１１は、波長フィルター１０３と光源１０１からの光の光軸の角度ずれに対する波長変化量を示すグラフである。なお、温度変化量が等しい場合、計測レンジにかかわらず、波長変化量は変わらない。
【０１００】
（第２実施形態）
図７は本発明の第２実施形態における表面形状計測装置の一例としての干渉計測装置を示す概略図である。
図７において、図１Ａ〜図１Ｅと同じ構成要素については同じ符号を用いて、その説明は省略する。第２実施形態において、フィルターホイール２０４は、前述の第１実施形態のフィルターホイール１０４に対応している。第２実施形態では、フィルターホイール２０４に取り付けられた波長フィルター１０３（１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｅ）は３枚となっている。３枚の波長フィルター１０３（１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｅ）は、それぞれ、切替装置１０４Ｓで切り替え可能としている（その構成としては、例えば、図１Ｃにおいて、波長フィルター１０３Ｃの代わりに波長フィルター１０３Ｅを配置すればよい。）。それぞれの波長フィルター１０３（１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｅ）の異なる透過波長をλ１，λ２，λ３とすると、２波長位相シフトの動作で組み合わせる２つの波長が常に（数２１）を満たす。例えば、以下では、（λ１，λ２）及び（λ１，λ３）の２波長位相シフトを組み合わせて３波長位相シフトを行うものとし、これらの波長の組合せが、常に、（数２１）を満たすものとする。
【０１０１】
図８は形状計測についての計測フローチャートを示す図である。図７に構成を示した干渉計測装置である３波長位相シフト干渉計による形状計測の方法について、図７及び図８を参照しながら説明する。なお、第２実施形態の３波長位相シフトでは、前述した第１実施形態における２波長位相シフト及びエラー防止アルゴリズムを組み合わせた動作となっている。以下の処理は、解析部１１４の制御の下に行われるか、又は、解析部１１４自体で行われる。
【０１０２】
初めに、波長λ１とλ２による２波長位相シフトを行う（ステップＳ２０１参照）。この動作は、前述した図２Ａ及び図２ＢにおけるステップＳ１０１の処理からステップＳ１０３の処理に対応する。ただし、ステップＳ１０３の処理の解析においては、図３のステップＳ１１１の処理からステップＳ１１２の処理までとし、波長λ２と位相φ２の補正値及び縞次数ｍａを得る。
【０１０３】
次に、波長λ１とλ３による２波長位相シフトを行う（ステップＳ２０２参照）。ステップＳ２０１の処理と同様にして、波長λ３と位相φ３の補正値及び縞次数ｍｂを得る。
【０１０４】
次に、縞次数ｍａ，ｍｂより合成位相φａ，φｂを生成する（ステップＳ２０３参照）。合成位相φａは、（数２６）で求められる。合成位相φｂに関しても、合成位相φａと同様にして求められる。
【０１０５】
【数２６】
2010038418.tif 000073
【０１０６】
次に、合成位相φａ，φｂに関して２波長位相シフトを行う（ステップＳ２０４参照）。この動作は、図２Ａ及び図２ＢにおけるステップＳ１０１の処理からステップＳ１０３の処理及び図３におけるステップＳ１１１の処理からステップＳ１１２の処理に対応する。合成位相φａ，φｂに関しては、ステップＳ２０１の処理，ステップＳ２０２の処理で波長と位相が補正されている限り、補正を行う必要はない。求めた縞次数を四捨五入して、縞次数ｍｃを得る。
【０１０７】
次に、縞次数ｍｃ及び縞次数ｍａから、（数２７）により、３波長合成波長の計測レンジ内の縞次数ｍを算出する（ステップＳ２０５参照）。
【０１０８】
【数２７】
2010038418.tif 000074
【０１０９】
次に、得られた縞次数ｍを四捨五入して、（数２）に代入することで、高さｈ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ２０６参照）。
【０１１０】
次に、ステップＳ２０１の処理及びステップＳ２０２の処理において検出した波長差に基づいて、図３のステップＳ１１４の処理と同様にして波長差を設計値に一致させる（ステップＳ２０７参照）。これにより、実際の波長λ２，λ３が補正され、（数２１）に示す縞次数の数が整数となり、次回の計測のステップＳ２０１の処理及びステップＳ２０２の処理においても、誤差検出精度を維持することができる。
【０１１１】
かかる構成とすることで、温度変化又は時間経過により想定される波長変動又は物体の表面形状に関わらず、波長誤差と位相ズレを補正して、これまでの多波長位相シフト干渉法での計測に比べて、高精度に物体の表面形状を計測することができる。
なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明に係る表面形状計測装置及び方法は、波長誤差と位相ズレに対して演算値を補正し波長差を一定に固定することで、温度変化の大きな環境での計測、又は、物体の表面性状が粗く縞次数エラーが発生しやすい物体に対しての計測精度を向上することができ、また、マスターを計測することで光源の波長校正への応用も考えられる。よって、本発明は、物体の表面形状を評価するために、例えば、ディスプレイパネルの電極、回路パターン、又は、金属加工部品などの表面形状計測に使用することができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を放射する光源と、
透過波長がそれぞれ異なる複数の波長フィルターと、
前記複数の波長フィルターを切替える切替装置と、
前記切替装置で切替えられた前記複数の波長フィルターのうちの１つの波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系で干渉させた干渉縞の画像を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像した画像から干渉縞の位相を算出する干渉縞位相検出部と、
前記切替装置で前記複数の波長フィルターを切替えて算出した、少なくとも２つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整するフィルター角度調整部と、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記干渉光学系と前記撮像装置と前記干渉縞位相検出部とを使用して前記被検物体の表面形状計測を行なう解析部と、を備える、
表面形状計測装置。
【請求項２】
少なくとも２つの波長での干渉縞の位相を組み合わせて検出した前記波長差に基づいて干渉縞の位相を補正する演算エラー防止部を備える、
請求項１に記載の表面形状計測装置。
【請求項３】
前記演算エラー防止部は、
前記２つの波長と位相を組み合わせて各画素における縞次数を算出する縞次数算出部と、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２つの波長間の波長差と位相差を検出する縞次数分布解析部と、
前記いずれか一方の波長の演算値を補正して波長差に一致させる波長値補正部と、
前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記２つの波長の位相差が０となる場合の位相値を算出して補正する位相値補正部とを有する、
請求項２に記載の表面形状計測装置。
【請求項４】
前記フィルター角度調整部は、
予め前記波長フィルターと光軸の角度を５度〜１０度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±１度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整する角度制御部で構成されると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量を算出する角度制御量算出部をさらに備え、
前記演算エラー防止部において、前記複数の波長フィルターで組み合わせる前記２つの波長（λ１，λ２）が、ｎを整数として、前記角度制御部の基準状態において(数１)を満たす、
請求項３に記載の表面形状計測装置。
【数１】
2010038418.tif 000075
【請求項５】
光源からの光を波長フィルターに透過させ、前記波長フィルターを透過した光を分岐して被検物体と参照面とに照射し、それぞれで反射された光を重ね合わせて干渉させ、前記被検物体と前記参照面とで反射された光を重ね合わせて干渉させた光を画像として撮像し、前記撮像した画像から干渉させた光の干渉縞位相を算出する位相算出ステップを少なくとも２つの異なる波長の波長フィルターを切替えて行った後、
前記少なくとも２つの波長の干渉縞の位相を組み合わせて波長差を検出し、
前記波長差に基づいて、前記波長フィルターに入射する光の光軸に対する前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターの傾斜角度を調整し、
前記一方の波長フィルターの傾斜角度を調整した状態で、前記位相算出ステップを行って前記被検物体の表面形状計測を行なう、
表面形状計測方法。
【請求項６】
前記２つの波長の干渉縞の位相を組合せて検出した波長差に基づいて位相を補正する演算エラー防止ステップを有する、
請求項５に記載の表面形状計測方法。
【請求項７】
前記演算エラー防止ステップで、前記２つの波長の位相を組み合わせて波長差を検出し、前記検出した実際の波長差に基づいて位相を補正する時、
前記２つの波長の位相を組み合わせて各画素における縞次数を縞次数算出部で算出し、
前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２波長間の波長差と位相差を縞次数分布解析部で検出し、
波長値補正部で、前記いずれか一方の波長の演算値を補正して実際の波長差に一致させ、
位相値補正部で、前記いずれか一方の波長の位相を補正して前記２波長の位相差が０となる場合の位相値を算出して補正する、
請求項６に記載の表面形状計測方法。
【請求項８】
前記縞次数分布解析部で前記縞次数算出部で算出された前記縞次数の分布より前記２波長間の実際の波長差と位相差を検出する時、
前記２つの波長の干渉縞位相より、前記２波長の縞次数が一致する画素における縞次数を算出し、縞次数の分布のヒストグラムを算出し、
前記ヒストグラムの複数のピーク位置と前記ヒストグラムの複数のピーク間隔を検出し、
前記ピーク間隔と前記ピーク位置とから前記位相差を検出する、
請求項７に記載の表面形状計測方法。
【請求項９】
前記フィルター角度調整部で、前記波長差が設計値に一致するように、前記複数の波長フィルターのうちの一方の波長フィルターを傾ける角度を調整する時、
角度制御部で、予め前記波長フィルターと光軸の角度を５度〜１０度の範囲内で設定された値に傾けた状態を基準基準とし、±１度の範囲で前記波長フィルターの角度を調整すると共に、
前記縞次数分布解析部で算出した波長差と前記設計値との差に基づき、角度制御量算出部で角度制御量を算出する、
請求項７に記載の表面形状計測方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
2010038418.tif 000076
【図１Ｂ】
2010038418.tif 000077
【図１Ｃ】
2010038418.tif 000078
【図１Ｄ】
2010038418.tif 000079
【図１Ｅ】
2010038418.tif 000080
【図２Ａ】
2010038418.tif 000081
【図２Ｂ】
2010038418.tif 000082
【図３】
2010038418.tif 000083
【図４】
2010038418.tif 000084
【図５】
2010038418.tif 000085
【図６】
2010038418.tif 000086
【図７】
2010038418.tif 000087
【図８】
2010038418.tif 000088
【図９Ａ】
2010038418.tif 000089
【図９Ｂ】
2010038418.tif 000090
【図１０】
2010038418.tif 000091
【図１１】
2010038418.tif 000092
【国際調査報告】
2010038418.tif 000093
2010038418.tif 000094