(57)【要約】 【課題】  受光可能散乱角度範囲を調整する手段を設けることによって、被測定物の性状に合った適切な測定を可能にする測定器を提供すること。【解決手段】  レーザー１から被測定面Ｗに光が照射されると、散乱光が生じる。同一散乱角度θの散乱光束Ｓは、対物レンズ３によって位置Ｆ´に集光される。位置Ｆ´と略同位置には散乱角度制限絞り５が設けられており、集光位置Ｆ´が開口部５２の内部に位置している場合に限り、散乱光束Ｓは散乱角度制限絞り５を通過される。集光位置Ｆ´は散乱角度θのみによって決定されるため、散乱角度制限絞り５は、それを通過されて受光素子８で受光される散乱光の受光可能散乱角度範囲を規定する。受光可能散乱角度範囲は、開口部５２の形状の調整によって自由に調整できる。そのため、被測定物の性状に最も合った受光可能散乱角度範囲を設定し、測定を精度良くできる。【選択図】 図１
2006058224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に光を照射する光源と、
前記被測定物からの散乱光を受光する受光素子と、
前記被測定物と前記受光素子との間に設けられ、前記被測定物からの散乱光の光束を制限する第一開口部を有する第一光束制限手段と、
前記第一開口部の形状を調整する第一調整機構と、
を備えることを特徴とする測定器。
【請求項２】
被測定物に光を照射する光源と、
前記被測定物からの散乱光を受光する受光素子と、
前記被測定物と前記受光素子との間に設けられ、互いに異なる形状の複数の第一開口部を有する第一光束制限手段と、
前記複数の第一開口部の中から任意に選択される一の第一開口部を、前記被測定物からの散乱光の光路上に挿入させる第一切替え機構と、
を備えることを特徴とする測定器。
【請求項３】
被測定物に光を照射する光源と、
前記被測定物からの散乱光を受光する受光素子と、
前記被測定物と前記受光素子との間に選択的に挿入され、互いに異なる形状の第一開口部を有する複数の第一光束制限手段と、
を備えることを特徴とする測定器。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の測定器において、
前記各第一開口部の形状を調整する第一調整機構が設けられることを特徴とする測定器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の測定器において、
前記被測定物と前記受光素子との間には、対物レンズが、その焦点距離だけ被測定物から隔てられた位置に設けられ、
前記対物レンズと前記受光素子との間には、前記第一光束制限手段が、前記対物レンズからその焦点距離だけ隔てられた位置に配置され、
前記第一光束制限手段と前記受光素子との間には、前記第一光束制限手段を通過された前記被測定物からの散乱光を前記受光素子に入射するリレーレンズが設けられ、
このリレーレンズと前記受光素子との間には、前記リレーレンズを通過された前記被測定物からの散乱光の光束を制限する第二開口部を有する第二光束制限手段が、前記リレーレンズからその焦点距離だけ隔てられた位置に設けられる、
ことを特徴とする測定器。
【請求項６】
請求項５に記載の測定器において、
前記第二光束制限手段は、互いに異なる形状の複数の第二開口部を有し、
これら複数の第二開口部の中から任意に選択される一の第二開口部を、前記リレーレンズを通過された前記被測定物からの散乱光の光路上に挿入させる第二切替え機構が設けられる、
ことを特徴とする測定器。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の測定器において、
前記被測定物と前記受光素子との間には、対物レンズが、その焦点距離だけ被測定物から隔てられた位置に設けられ、
前記対物レンズと前記受光素子との間には、前記第一光束制限手段が、前記対物レンズからその焦点距離だけ隔てられた位置に配置され、
前記第一光束制限手段と前記受光素子との間には、前記第一光束制限手段を通過された前記被測定物からの散乱光を前記受光素子に入射するリレーレンズが設けられ、
このリレーレンズからその焦点距離だけ前記受光素子側に隔たった位置に選択的に挿入され、互いに異なる形状の第二開口部を有する複数の第二光束制限手段が設けられる、
ことを特徴とする測定器。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれかに記載の測定器において、
前記第二開口部の形状を調整する第二調整機構が設けられることを特徴とする測定器。
【請求項９】
請求項５から請求項８のいずれかに記載の測定器において、
前記光源は、前記被測定物に対して垂直に光を照射するものとされ、
遮光性を有する略点状の点状遮光部材が、前記対物レンズの前記受光素子側の焦点位置に配置される、
ことを特徴とする測定器。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の測定器において、
前記光源と前記被測定物との間に設けられ、前記光源からの光をリング状の光束に形成する光束形成光学素子と、
前記リング状光束を集光して前記被測定物に照射する集光レンズと、
が設けられることを特徴とする測定器。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の測定器において、
前記受光素子は、その受光面に配置される複数の光電変換素子を備えて構成され、
これらの各光電変換素子は、その受光量に応じた電気信号を出力することを特徴とする測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物に光を照射して散乱させ、この散乱光の検出を通じて被測定物の表面性状を測定する測定器が知られている。
図６に、従来の測定器の一例を示す。この図に示されるように、レーザー１からの直線光は、ハーフミラー２で反射されて被測定物Ｗの表面に垂直に照射される。この光は、被測定物Ｗの表面性状に応じて散乱される。
図６では、散乱光として、特に、散乱角度θのものが示されている。これは、散乱角度θの散乱光のみが発生することを意味するものではない。θ以外の散乱角度の散乱光も実際には生じているが、簡略化のため、これらの図示は省略したのである。
被測定物Ｗからの散乱光は、ハーフミラー２を透過された後、対物レンズ３によって集光されてＣＣＤ８に入射される。ここで、ＣＣＤ８と対物レンズ３との間の距離は、対物レンズ３の焦点距離に等しい。ＣＣＤ８からは、その受光量に応じた電気信号が出力される。図６においては、ＣＣＤ８が被測定物Ｗ上における光の照射位置（散乱位置）の真上（散乱角度ゼロの位置）に配置されているので、散乱角度の小さい散乱光の強度が大きいほどＣＣＤ８の受光量は増大し、大きな値の電気信号が出力される。
ここで、被測定物Ｗの表面粗さについて言えば、表面粗さが小さく、表面が滑らかで平面に近ければ、大きな散乱角度の散乱光は生じにくくなるから、散乱角度の小さい散乱光の強度が大きくなりＣＣＤ８からの電気信号の出力値が大きくなる。また、被測定物Ｗの表面粗さが大きければ、大きな散乱角度の散乱光が生じやすくなるから、小さい散乱角度の散乱光の強度は逆に小さくなりＣＣＤ８からの電気信号の出力値が小さくなる。したがって、ＣＣＤ８からの電気信号の出力値は、被測定物Ｗの表面粗さ測定に利用できる。
また、被測定物Ｗからの散乱光の強度または角度分布は、被測定物Ｗの表面を構成している物質の性質によっても変化される。この変化は、ＣＣＤ８における受光量の変化として検出されるから、これを通じて被測定物Ｗの表面を構成している物質を推定することもできる。
以上のように、図６の測定器を用いれば、ＣＣＤ８からの電気信号の検出を通じて被測定物Ｗの表面性状の測定を行うことができる。
【０００３】
また、特許文献１に、従来の測定器の他の例が示されている。
この測定器では、被測定物としてのウエハに対して斜めに特定方位から光が照射され、そのときの散乱光が光電子増倍管（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ：フォトマル）によって光電検出される。光電子増倍管からは、その受光強度に応じた電流信号が出力され、この出力電流信号に基づいてウエハの表面性状を測定できる。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−８２３７６号公報（第３、４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図６または特許文献１に示される測定器は、所定角度範囲内の散乱角度の散乱光のみを受光素子（ＣＣＤ、フォトマル）で受光することによって測定を行う。この所定角度範囲のことを、以下、受光可能散乱角度範囲という。受光可能散乱角度範囲は、受光素子が受光できる散乱光の散乱角度の範囲であり、例えば図６においては、−θｍａｘ≦θ≦θｍａｘ、で規定される角度範囲である。被測定物からの散乱光のうち、受光可能散乱角度範囲内の散乱角度で散乱される光は受光素子の受光面（図６では、ＣＣＤ８の下面）に入射されて検出され、また、受光可能散乱角度範囲外の散乱角度（図６では、θ＜−θｍａｘ、θ＞θｍａｘ）で散乱される光は受光素子の受光面に入射されず検出されない。
ところで、測定を精度良く行うためには、被測定物の性状を考慮した上で最適な受光可能散乱角度範囲をその都度設定して測定を行うのが好ましい。例えば、反射率の著しく低い被測定物を測定する場合などには、受光素子における受光量を確保するために受光可能散乱角度範囲を通常よりも広くすることによって、測定の精度を向上できる可能性がある。
しかし、図６または特許文献１に示される測定器では、受光素子の位置および受光面積等が固定されているために、受光可能散乱角度範囲は一定不変で変更できない。そのため、被測定物の種類によっては、測定を適切にできない場合があるという問題がある。
また、受光素子の位置を変更可能にすれば受光可能散乱角度範囲を変更できる（例えば、図６においては、ＣＣＤ８を上下方向に移動させればθｍａｘの値を変更できる）が、この場合は、受光素子を移動させるための駆動機構を別途設ける必要があり、さらには、受光素子の精密な位置決め手段が必要になる等によって、構造が複雑化し、また、高価な測定器になってしまうという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、受光可能散乱角度範囲を調整する簡素な手段を設けることによって、被測定物の性状に合った適切な測定を可能にするとともに、構造が簡素で、かつ、安価な測定器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の測定器は、被測定物に光を照射する光源と、前記被測定物からの散乱光を受光する受光素子と、前記被測定物と前記受光素子との間に設けられ、前記被測定物からの散乱光の光束を制限する第一開口部を有する第一光束制限手段と、前記第一開口部の形状を調整する第一調整機構と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
この発明では、第一開口部によって散乱光の光束を制限することによって、受光素子で受光される散乱光の散乱角度範囲が規定される。すなわち、第一開口部の形状が受光可能散乱角度範囲を規定している。そのため、第一調整機構によって第一開口部の形状を調整すれば、受光可能散乱角度範囲を調整できる。
したがって、この発明によれば、被測定物の性状に合わせて受光可能散乱角度範囲を適宜調整して測定を高精度に行うことができる。
第一開口部および第一調整機構を構成させるためには、例えば、第一光束制限手段に孔を穿設し、この孔の一部を塞ぐように移動可能とされた遮光部材を設ければよい。このとき、遮光部材によって塞がれていない孔の部分が第一開口部となっており、遮光部材を移動させることにより第一開口部の形状を調整できる、そのため、本発明の第一調整機構が構成されている。このように、簡素な方法で第一開口部および第一調整機構を構成できるから、この発明によれば、構成が簡素で、かつ、安価な測定器を提供できる。
【０００９】
また、本発明の測定器は、被測定物に光を照射する光源と、前記被測定物からの散乱光を受光する受光素子と、前記被測定物と前記受光素子との間に設けられ、互いに異なる形状の複数の第一開口部を有する第一光束制限手段と、前記複数の第一開口部の中から任意に選択される一の第一開口部を、前記被測定物からの散乱光の光路上に挿入させる第一切替え機構と、を備えることを特徴とするものであってもよい。
この発明によれば、第一切替え機構によって散乱光の光路上に位置される第一開口部を切り替えることで、受光可能散乱角度範囲を調整できる。
【００１０】
ここで、前記各第一開口部の形状を調整する第一調整機構が設けられることが好ましい。
この構成によれば、受光可能散乱角度範囲の調整方法のバリエーションを増やすことができる。例えば、第一光束制限手段には、円形状、円輪形状、楕円形状、半円形状、扇形形状、矩形状、直線スリット状など、互いに異なる形状の複数の第一開口部を形成できるとともに、第一調整機構によって、これらの各第一開口部の形状を調整できる。なお、第一調整機構としては、可動遮光部材を利用した前述の方法が例示できる。このように、使用者は、被測定物の性状に合わせて最適な形状の第一開口部を選択し、さらには、この第一開口部の形状を適宜調整しながら測定できる。そのため、この発明によれば、より高精度な測定を行うことができる。
【００１１】
また、本発明の測定器は、被測定物に光を照射する光源と、前記被測定物からの散乱光を受光する受光素子と、前記被測定物と前記受光素子との間に選択的に挿入され、互いに異なる形状の第一開口部を有する複数の第一光束制限手段と、を備えることを特徴とするものであってもよい。
この発明によれば、被測定物と受光素子との間に、複数設けられる第一光束制限手段のうちのいずれか一つを選択的に挿入することによって、受光可能散乱角度範囲を調整できる。
なお、第一光束制限手段を挿入しない状態で測定することも可能である。このときの受光可能散乱角度範囲は、被測定物に対する受光素子の位置関係、および、受光素子の受光面の面積、形状等によって規定される。
【００１２】
ここで、前記各第一光束制限手段における第一開口部の形状を調整する第一調整機構が設けられることが好ましい。
この構成によれば、受光可能散乱角度範囲の調整方法のバリエーションを増やすことができる。使用者は、被測定物の性状に合わせて、最適な形状の第一開口部を有する第一光束制限手段を選択し、さらには、当該第一開口部の形状を適宜調整しながら測定できる。そのため、この発明によれば、より高精度な測定を行うことができる。
【００１３】
本発明では、前記被測定物と前記受光素子との間には、対物レンズが、その焦点距離だけ被測定物から隔てられた位置に設けられ、前記対物レンズと前記受光素子との間には、前記第一光束制限手段が、前記対物レンズからその焦点距離だけ隔てられた位置に配置され、前記第一光束制限手段と前記受光素子との間には、前記第一光束制限手段を通過された前記被測定物からの散乱光を前記受光素子に入射するリレーレンズが設けられ、このリレーレンズと前記受光素子との間には、前記リレーレンズを通過された前記被測定物からの散乱光の光束を制限する第二開口部を有する第二光束制限手段が、前記リレーレンズからその焦点距離だけ隔てられた位置に設けられる、ことが好ましい。
【００１４】
この発明では、光源からの光が被測定物において散乱され、この散乱光が、対物レンズ、第一光束制限手段、リレーレンズ、第二光束制限手段を、順次経由されて受光素子に入射されるようになっている。
以下、図１および図２を参照しながら説明する。
光源（１：図１および図２中の符号。以下、同様）からの光は被測定物（Ｗ）上に照射され、被測定物（Ｗ）からは連続的な散乱角度分布をもった散乱光が出射される。
【００１５】
まず、図１を参照して、本発明の第一光束制限手段（５）の作用を説明する。説明の都合上、被測定物（Ｗ）から散乱角度θをもって散乱される光線について見る。図１において、被測定物（Ｗ）上における異なる二点Ｐ１およびＰ２から、同一の散乱角度θをもって散乱される光線を、それぞれＳ１およびＳ２とする。光線Ｓ１およびＳ２は、被測定物（Ｗ）から出射されると、互いに平行な状態で対物レンズ（３）に入射される。対物レンズ（３）は、平行光Ｓ１およびＳ２を、対物レンズ（３）からその焦点距離（ｆ１）と略等しい距離だけ隔たった位置Ｆ´に略点状に集光させる。ところで、集光位置Ｆ´は、第一光束制限手段（５）の配置位置と略一致している。ここで、集光位置Ｆ´が第一光束制限手段（５）における第一開口部（５２）の内部に存在していれば、光線Ｓ１およびＳ２は第一開口部（５２）内を通過されることによって第一光束制限手段（５）を通過される。また、逆に、集光位置Ｆ´が第一開口部（５２）の内側に存在していないのであれば、光線Ｓ１およびＳ２は第一光束制限手段（５）によって遮断される。このように、光線Ｓ１およびＳ２が第一光束制限手段（５）を通過されるか否かは集光位置Ｆ´によって決まる。ところで、集光位置Ｆ´は、散乱角度θのみによって決まる（位置Ｐ１、Ｐ２によらない）ものであるから、結局、光線Ｓ１およびＳ２が第一光束制限手段（５）を通過されるか否かは、散乱角度θによって決まる。したがって、第一光束制限手段（５）によれば、それを通過される散乱光の散乱角度範囲を制限でき、前記の受光可能散乱角度範囲が規定されていることになる。受光素子（８）には、受光可能散乱角度範囲内の散乱角度をもって被測定物（Ｗ）から散乱された光のみが入射され、逆に、受光可能散乱角度範囲外の散乱角度の散乱光は入射されない。
【００１６】
次に、図２を参照して、本発明の第二光束制限手段（７）の作用を説明する。説明の都合上、被測定物（Ｗ）上における一点Ｐから散乱角度θ１およびθ２（θ１≠θ２）をもって散乱される光線Ｓ１およびＳ２について見る。なお、散乱角度θ１およびθ２は、前記受光可能散乱角度範囲内の散乱角度であるものとし、光線Ｓ１およびＳ２は第一光束制限手段（５）を通過できるものとする。
さて、被測定物（Ｗ）から出射された光線Ｓ１およびＳ２は、それぞれの散乱角度θ１およびθ２をもって直進され、対物レンズ（３）に入射される。ここで、対物レンズ（３）と被測定物（Ｗ）との間の距離が対物レンズ（３）の焦点距離（ｆ１）に等しいため、被測定物（Ｗ）上の同一点Ｐから出射された光線Ｓ１およびＳ２は、対物レンズ（３）を通過すると互いに略平行となる。そして、光線Ｓ１およびＳ２は、互いに略平行な状態のまま、第一光束制限手段（５）を通過され、その先に設けられるリレーレンズ（６）に入射される。リレーレンズ（６）は、略平行な光線Ｓ１およびＳ２を、リレーレンズ（６）からその焦点距離（ｆ２）と略等しい距離だけ隔たった位置Ｆ´´に略点状に集光させる。ところで、集光位置Ｆ´´は、第二光束制限手段（７）の配置位置と略一致している。ここで、集光位置Ｆ´´が第二光束制限手段（７）における第二開口部（７２）の内部に存在していれば、光線Ｓ１およびＳ２は第二開口部（７２）内を通過されることによって第二光束制限手段（７）を通過される。また、逆に、集光位置Ｆ´´が第二開口部（７２）の内側に存在していないのであれば、光線Ｓ１およびＳ２は第二光束制限手段（７）によって遮断される。このように、光線Ｓ１およびＳ２が第二光束制限手段（７）を通過されるか否かは集光位置Ｆ´´によって決まる。ところで、集光位置Ｆ´´は、光線Ｓ１およびＳ２の出射位置Ｐのみによって決まる（散乱角度θ１、θ２によらない）ものであるから、結局、光線Ｓ１およびＳ２が第二光束制限手段（７）を通過されるか否かは、散乱光出射位置Ｐによって決まる。したがって、第二光束制限手段（７）によれば、それを通過される散乱光の被測定物（Ｗ）上における出射位置を制限でき、そのため、被測定物（Ｗ）上において散乱光を取得する範囲（以下、散乱光取得範囲、という。ただし、散乱光取得範囲⊆被測定物上における光源による光の照射範囲）を規定できる。受光素子（８）には、散乱光取得範囲内から出射された散乱光のみが入射され、逆に、散乱光取得範囲外から出射された散乱光は入射されない。
【００１７】
以上のように、この発明では、第一光束制限手段（５）によって受光素子（８）における受光可能散乱角度範囲を調整でき、かつ、第二光束制限手段（７）によって被測定物（Ｗ）上における散乱光取得範囲を調整できる。そのため、この発明によれば、測定に必要な散乱光のみを厳密に取り出して受光素子（８）に入射できるから、測定をより高精度に行うことができる。
【００１８】
また、本発明の測定器は、前記第二光束制限手段は、互いに異なる形状の複数の第二開口部を有し、これら複数の第二開口部の中から任意に選択される一の第二開口部を、前記リレーレンズを通過された前記被測定物からの散乱光の光路上に挿入させる第二切替え機構が設けられる、ことを特徴とするものであってもよい。
この発明によれば、第二切替え機構によって散乱光の光路上に位置される第二開口部を切り替えることで、被測定物上における散乱光取得範囲を調整できる。
【００１９】
また、本発明の測定器は、前記被測定物と前記受光素子との間には、対物レンズが、その焦点距離だけ被測定物から隔てられた位置に設けられ、前記対物レンズと前記受光素子との間には、前記第一光束制限手段が、前記対物レンズからその焦点距離だけ隔てられた位置に配置され、前記第一光束制限手段と前記受光素子との間には、前記第一光束制限手段を通過された前記被測定物からの散乱光を前記受光素子に入射するリレーレンズが設けられ、このリレーレンズからその焦点距離だけ前記受光素子側に隔たった位置に選択的に挿入され、互いに異なる形状の第二開口部を有する複数の第二光束制限手段が設けられる、ことを特徴とするものであってもよい。
この発明によれば、リレーレンズと受光素子の間に、複数設けられる第二光束制限手段のうちのいずれか一つを選択的に挿入することによって、被測定物上における散乱光取得範囲を調整できる。
なお、第二光束制限手段を挿入しない状態で測定することも可能である。このときの散乱光取得範囲は、光源による被測定物上における光の照射範囲に等しい。
【００２０】
また、本発明では、前記第二開口部の形状を調整する第二調整機構が設けられることが好ましい。
この発明によれば、第二開口部の形状を調整することにより、被測定物上における散乱光取得範囲を調整できる。
特に、一つの第二光束制限手段が複数の第二開口部を有する前記の構成や、複数の第二光束制限手段が各々第二開口部を有する前記の構成のように、互いに形状の異なる第二開口部が複数設けられている場合には、散乱光取得範囲の調整方法のバリエーションを増やすことができる。例えば、複数の第二開口部としては、円形状、円輪形状、楕円形状、半円形状、扇形形状、矩形状、直線スリット状など、互いに異なる形状のものを複数形成でき、さらに、第二調整機構によって、各第二開口部の形状を調整できる。このように、使用者は、被測定物の性状に合わせて最適な形状の第二開口部を選択し、さらには、この第二開口部の形状を適宜調整しながら測定できる。そのため、この発明によれば、より高精度な測定を行うことができる。
【００２１】
また、本発明の測定器は、前記光源は、前記被測定物に対して垂直に光を照射するものとされ、遮光性を有する略点状の点状遮光部材が、前記対物レンズの前記受光素子側の焦点位置に配置される、ことを特徴とするものであってもよい。
例えば、光源として垂直落射照明装置を用い、これによって被測定物に垂直に光を照射（落射）する場合、被測定物からは散乱光とともに、正反射光が生じる。ここで、被測定物の反射率が著しく高い場合などには、正反射光の強度が著しく強くなってしまい、これが受光素子にそのまま入射されてしまうと、測定に悪影響が及ぶ可能性がある。つまり、散乱光は正反射光に比べて微弱なので、散乱光とともに正反射光が受光素子に入射されると、散乱光の検出が困難になってしまうおそれがある。また、光源として透過照明装置を用いた場合には、正反射光の代わりに直進透過光が生じ、特に被測定物の透光率が著しく高い場合などには、測定に悪影響を及ぼす。なお、正反射光または直進透過光の影響を画像処理によって除去する方法もあるが、被測定物の性状により除去の仕方に差異が生じるので煩雑である。
この発明では、被測定物からの正反射光（または、直進透過光）は、対物レンズによってその焦点位置に集光され、この位置に配置される点状遮光部材によって遮断されるから、受光素子に入射されることはなく、測定に悪影響が及ぶことはない。そのため、この発明によれば、測定精度を向上できる。
また、点状遮光部材は、略点状であるから、点状に集光された正反射光（あるいは、直進透過光）のみを遮断でき、測定に必要な散乱光まで遮断してしまうこともない。
【００２２】
また、本発明の測定器は、前記光源と前記被測定物との間に設けられ、前記光源からの光をリング状の光束に形成する光束形成光学素子と、前記リング状光束を集光して前記被測定物に照射する集光レンズと、が設けられることを特徴とするものであってもよい。
この発明では、光源からの光がリング状光束に形成された後、集光レンズによって集光され被測定物にリング斜め照明として照射される。そのため、垂直落射照明を用いた場合における正反射光、あるいは、透過照明を用いた場合における直進透過光のような、強度が著しく強く、散乱光による測定を阻害する光が生じることはない。そのため、この発明によれば、散乱光検出による測定の精度を向上できる。
【００２３】
また、本発明では、前記受光素子は、その受光面に配置される複数の光電変換素子を備えて構成され、これらの各光電変換素子は、その受光量に応じた電気信号を出力することが好ましい。
この発明によれば、受光素子の受光面に配置された複数の光電変換素子によって、受光面の各位置ごとの受光量を、各光電変換素子からの電気信号の出力値として取得できる。そのため、この発明の受光素子は、いわゆるエリアセンサを構成している。この点、図６や特許文献１に示される測定器における受光素子が、その受光面全体の受光量に応じた電気信号を出力していたのと顕著な差異があると言える。
特に、被測定物から同一散乱角度θで散乱される散乱光によって構成される光束が、受光素子の受光面上の同一点に集光されて入射されるような構成とすれば、散乱光束の散乱角度θと、その散乱光束の受光面上における入射位置（点）とが一対一に対応する。すると、散乱光束の散乱角度θと、受光面上の各光電変換素子とを互いに対応付けることができる。そのため、各光電変換素子から出力される電気信号の値から、各散乱角度の散乱光強度を知ることができ、散乱光強度の散乱角度分布を簡単にかつ正確に取得できるから、測定精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、各実施形態に共通する構成要素については、共通の符号を付して、その説明を簡略化もしくは省略することがある。
＜第一実施形態＞
図１および図２に本発明の第一実施形態にかかる測定器を示す。
図１において、光源としてのレーザー１からの直線光束は、ハーフミラー２で反射し、直進方向を変更した後、被測定面Ｗに垂直に照射（落射）される。
被測定面Ｗからは、その性状（形状、構成物質等）に応じて、正反射光束Ｒと、散乱光束Ｓとが生じる。正反射光束Ｒは、被測定面Ｗの法線方向に進行する光であり、散乱光束Ｓは、被測定面Ｗの法線方向に対して交差する方向に進行する光である。今、図１においては、散乱光束Ｓとして、散乱角度（被測定面Ｗの法線方向に対してなす角度）θのもののみが代表的に示されているが、これは、図示を簡略にするためである。実際には、被測定面Ｗからは散乱角度がθ以外の散乱光束も生じている。
【００２５】
正反射光束Ｒと散乱光束Ｓとは、ともにハーフミラー２を透過され、対物レンズ３に入射される。なお、被測定面Ｗと対物レンズ３との距離は、対物レンズ３の焦点距離ｆ１に等しい。
正反射光束Ｒは、対物レンズ３の焦点Ｆに集光される。また、散乱光束Ｓは、対物レンズ３から、その焦点距離ｆ１と略同じ距離だけ隔たった位置Ｆ´に集光される。なお、散乱光束Ｓが対物レンズ３によってＦ´に集光されるのは、散乱光束Ｓが平行光束であるためである。
【００２６】
対物レンズ３の焦点Ｆの位置には、本発明の点状遮光遮光部材としての正反射光カットマスク４が配置される。正反射光カットマスク４は、例えば、微小基板に蒸着されたアルミニウム膜等によって略点状に形成されおり、遮光性を有し、焦点Ｆに集光された正反射光束Ｒを遮断（カット）する。そのため、後述する受光素子８は、正反射光を受光することなく、散乱光のみを受光し、それを利用して被測定面Ｗの表面性状を測定できる。また、正反射光カットマスク４は、略点状であるから、焦点Ｆに点状に集光された正反射光束Ｒのみを遮断でき、測定に必要な散乱光束Ｓまで遮断してしまうこともない。
【００２７】
対物レンズ３から、その焦点距離ｆ１だけ隔たった位置には、本発明の第一光束制限手段としての散乱角度制限絞り５が配置されている。
散乱角度制限絞り５は、遮光性を有する遮光部材５１と、例えば円形状の開口部５２（本発明の第一開口部）とを備えており、開口部５２の形状、面積等によって、通過される散乱光束が制限されるようになっている。
今、散乱角度θの散乱光束Ｓは、散乱角度制限絞り５と略同じ位置Ｆ´に集光されている。ここで、集光位置Ｆ´が開口部５２の内部に形成されていれば散乱光束Ｓは散乱角度制限絞り５を通過することができ、一方、集光位置Ｆ´が遮光部材５１上に形成されていれば散乱光束Ｓは散乱角度制限絞り５を通過できない。このように、散乱光束Ｓが散乱角度制限絞り５を通過できるか否かは、集光位置Ｆ´によって決まる。ところで、集光位置Ｆ´は前記の通り散乱光束Ｓの散乱角度θのみによって決まる（被測定面Ｗ上における散乱光の出射位置にはよらない）から、散乱光束Ｓが散乱角度制限絞り５を通過できるか否かは、散乱角度θのみによって決まる。このように、散乱角度制限絞り５は、それを通過できる散乱光束Ｓの散乱角度範囲、すなわち、後述する受光素子８で受光できる散乱光束Ｓの散乱角度範囲（以下、受光可能散乱角度範囲、という）を規定する。つまり、受光可能散乱角度範囲内の散乱角度をもって被測定面Ｗから散乱される光束は、開口部５２内を通過されて受光素子８に入射され、逆に、受光可能散乱角度範囲外の散乱角度をもって被測定面Ｗから散乱される光束は、遮光部材５１に照射されて遮断され、受光素子８に入射されることがないようになっている。
【００２８】
遮光部材５１は、いずれも遮光性を備える複数枚の可動羽根によって構成されており、各可動羽根を操作することにより、開口部５２の形状を連続的に変化させることができる。そのため、受光可能散乱角度範囲は可変であり、被測定面Ｗの性状に合った最適な範囲を設定できるから、測定精度を向上できる。
なお、ここに、本発明の第一開口部としての開口部５２の形状を調整する本発明の第一調整機構が構成されていることになる。
【００２９】
図１に示す散乱光束Ｓの散乱角度θは、前記受光可能散乱角度範囲内の散乱角度であるとして、説明を続ける。
この仮定のもとで、散乱光束Ｓの集光位置Ｆ´は開口部５２の内部に位置されていることになるから、散乱光束Ｓは、散乱角度制限絞り５を通過される。その後、散乱光束Ｓは、リレーレンズ６、本発明の第二光束制限手段としての散乱光取得範囲制限絞り７、を順次経由されて、受光素子８に入射される。
【００３０】
集光位置Ｆ´から放射状に進行する散乱光束Ｓは、リレーレンズ６によって集光され、受光素子８の受光面（図１においては、下面）上の一点Ｉに実像を結ぶようになっている。すなわち、リレーレンズ６の焦点距離ｆ２、リレーレンズ６と散乱角度制限絞り５との間の距離ａ、リレーレンズ６と受光素子８との間の距離ｂの間に、（条件１）ａ＞ｆ２（実像を結ぶための条件）、および、（条件２）１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ２（レンズの公式）、の二つの条件が成立している。
【００３１】
散乱光取得範囲制限絞り７は、リレーレンズ６から、その焦点距離ｆ２だけ隔たった位置に配置されている。
散乱光取得範囲制限絞り７は、遮光性を有する遮光部材７１と、例えば円形状の開口部７２（本発明の第二開口部）とを備えており、開口部７２の形状、面積等によって、通過される散乱光束が制限されるようになっている。特に、散乱光取得範囲制限絞り７は、後で詳述するように、被測定面Ｗ上における散乱光取得範囲（図１においては、Ａ、で示す）を規定する。散乱光取得範囲Ａ内から出射される散乱光は、開口部７２内を通過されて受光素子８に入射され、逆に、散乱光取得範囲Ａ外から出射される散乱光は、遮光部材７１に照射されて遮断され、受光素子８に入射されることがないようになっている。
【００３２】
遮光部材７１は、いずれも遮光性を備える複数枚の可動羽根によって構成されており、各可動羽根を操作することにより、開口部７２の形状を連続的に変化させることができる。そのため、散乱光取得範囲Ａは可変であり、被測定面Ｗの性状に合った最適な範囲を設定できるから、測定精度を向上できる。
なお、ここに、本発明の第二開口部としての開口部７２の形状を調整する本発明の第二調整機構が構成されていることになる。
【００３３】
受光素子８の受光面（図１においては、下面）には、多数の微小なＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ：図示せず）が隙間なく、かつ、整然と配置されている。各ＣＣＤは、本発明の光電変換素子を構成しており、その受光量に応じた電気信号を出力する。
図１に示されるように、散乱角度θの散乱光束Ｓは、受光面上の一点Ｉに集光入射されている。これを言い換えると、受光面上における散乱光の入射位置（点Ｉ）は、その散乱光の散乱角度（θ）によって決まってくる。そのため、受光面における各ＣＣＤに入射される散乱光の散乱角度はそれぞれ決まっている。そのため、各ＣＣＤから出力される電気信号の値から、当該ＣＣＤと対応する散乱角度の散乱光束の強度を知ることができ、さらには、散乱光強度の散乱角度分布を簡単にかつ正確に取得できるから、測定精度を向上できる。
【００３４】
続いて、散乱光取得範囲制限絞り７の作用を、図２を用いて説明する。
図２には、説明の都合上、被測定面Ｗ上の一点Ｐから、散乱角度θ１およびθ２をもって散乱される二条の散乱光線Ｓ１およびＳ２が示されている。点Ｐから出射された光線Ｓ１およびＳ２は、それぞれの散乱角度の方向に進行し、対物レンズ３に入射する。ここで、被測定面Ｗと対物レンズ３との間の距離が対物レンズ３の焦点距離ｆ１に等しいことから、被測定面Ｗ上の同一点Ｐより出射された光線Ｓ１およびＳ２は、対物レンズ３を通過すると互いに平行な光線になる。
その後、平行光線Ｓ１およびＳ２は、散乱角度制限絞り５を通過し、リレーレンズ６に入射する。リレーレンズ６は、平行光線Ｓ１およびＳ２を、リレーレンズ６からその焦点距離ｆ２だけ隔たった位置Ｆ´´に集光させる。
集光位置Ｆ´´と略同じ位置には、前記の通り、散乱光取得範囲制限絞り７が配置されている。ここで、集光位置Ｆ´´が開口部７２の内部に形成されていれば、光線Ｓ１およびＳ２は散乱光取得範囲制限絞り７を通過することができ、一方、集光位置Ｆ´´が遮光部材７１上に形成されていれば、光線Ｓ１およびＳ２は散乱光取得範囲制限絞り７を通過できない。このように、光線Ｓ１およびＳ２が散乱光取得範囲制限絞り７を通過できるか否かは、集光位置Ｆ´´によって決まる。ところで、集光位置Ｆ´´は被測定面Ｗ上の点Ｐの位置のみによって決まる（散乱角度θ１およびθ２にはよらない）から、光線Ｓ１およびＳ２が散乱光取得範囲制限絞り７を通過できるか否かは、点Ｐの位置のみによって決まる。このように、散乱光取得範囲制限絞り７は、それを通過できて受光素子８に入射される散乱光線（Ｓ１およびＳ２）の被測定面Ｗ上における取得範囲、すなわち、散乱光取得範囲を規定する。つまり、散乱光取得範囲内から散乱される散乱光は、開口部７２内を通過されて受光素子８に入射され（もちろん、散乱角度制限絞り５を通過することが前提）、逆に、散乱光取得範囲外から散乱される散乱光は、遮光部材７１に照射されて遮断され、受光素子８に入射されることがないようになっている。
【００３５】
以上のように、本実施形態の測定器によれば、散乱角度制限絞り５によって受光可能散乱角度範囲を、散乱光取得範囲制限絞り７によって散乱光取得範囲を、それぞれ適宜調節することによって、被測定面Ｗの性状に合った最適な測定を行うことができる。
なお、本実施形態の測定器を用いた測定としては、金属、ウエハ等の加工表面または塗装面の性状検出、傷検出、異物検出等が例示できる。
【００３６】
＜第二実施形態＞
続いて、本発明の第二実施形態について説明する。
図３に本実施形態にかかる測定器を示す。
本実施形態では、前記第一実施形態とは異なり、ハーフミラー２が対物レンズ３の上方（図３中）に配置されている。レーザー１からの直線光束は、レンズ９、ハーフミラー２、対物レンズ３を順次経由されて被測定面Ｗに垂直に照射（落射）されるようになっている。
この他の点は、前記第一実施形態と同様である。
【００３７】
＜第三実施形態＞
続いて、本発明の第三実施形態について説明する。
図４に本実施形態にかかる測定器を示す。
レーザー１からの直線光束は、本発明の光束形成光学素子としてのコーンレンズ１０によってリング状の光束に形成される。リング状光束は、レンズ１１、円輪状ミラー１２、対物レンズ３を順次経由されて、被測定面Ｗに対して全方位からリング状に照射され、いわゆるリング斜め照明が実現されている。ここで、レンズ１１および対物レンズ３は、リング状光束を集光して被測定面Ｗに照射する本発明の集光レンズを構成している。コーンレンズ１０としては、例えば、特開平１０−３００４３８号公報に開示されている構成のものを採用できる。また、円輪状ミラー１２は、図４においては、その中心軸がレーザー１からの直線光束の向きに対して略４５°傾いている。
【００３８】
今、被測定面Ｗの法線方向に対して照射光の方向がなす角度をψとすると、この照射光が被測定面Ｗで正反射して生じる正反射光の方向も、被測定面Ｗの法線方向に対してψの角度をなしている。この正反射光は、対物レンズ３を経由された後、円輪状ミラー１２に照射されて、レーザー１の方に進行していくことになるから、いずれにせよ、正反射光が受光素子８によって受光されるおそれはない。そのため、前記第一実施形態におけるような正反射光カットマスク４を設ける必要はなく、また、受光素子８で受光される光を純粋な散乱光のみに制限できる。
この他の点は、前記第一実施形態と同様である。
【００３９】
なお、本発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、散乱角度制限絞り５および散乱光取得範囲制限絞り７に設けられる開口部はそれぞれ一つ（開口部５２および７２）であったが、本発明では、開口部がそれぞれ複数設けられる構成であってもよい。
図５に、散乱角度制限絞り５について、その一例を示す。なお、以下の例は散乱光取得範囲制限絞り７にもそのまま応用できる。
散乱角度制限絞り５は、長尺矩形状の基板５３を備える。基板５３は遮光性材料、例えば、プラスチックによって構成されている。基板５３の長手方向に沿って、円形絞り５４Ａ、線状絞り５４Ｂ、扇形絞り５４Ｃ、円輪形絞り５４Ｄ、点状絞り５４Ｅが順次設けられている。
【００４０】
各絞り５４Ａ〜Ｅは、それぞれ、基板５３に穿設される円形孔５５Ａ〜Ｅを備えて構成される。
円形絞り５４Ａにおいては、円形孔５５Ａ内部における外側部分を、円形孔５５Ａと同心円輪形状の遮光部材５１Ａが塞ぐことができるようになっており、円形孔５５Ａ内部のうち遮光部材５１Ａによって塞がれていない円形部分に円形開口部５２Ａが形成されている。円輪形遮光部材５１Ａは、複数の可動羽根（図示せず）によって構成されており、各可動羽根を駆動することで、その遮光範囲を調整できる。そのため、円形開口部５２Ａの径は自由に調整できる。
線状絞り５４Ｂにおいては、円形孔５５Ｂに遮光性の円形回転部材５６Ｂが回転可能に嵌合される。円形回転部材５６Ｂには、線状孔５７Ｂが穿設され、さらに、線状孔５７Ｂの長手方向部分を塞ぐことができる遮光部材５１Ｂが設けられている。線状孔５７Ｂのうち、遮光部材５１Ｂによって塞がれていない部分が線状開口部５２Ｂとなっている。遮光部材５１Ｂの遮光範囲は可変であり、線状開口部５２Ｂの大きさは自由に調整できる。また、円形回転部材５６Ｂを回転させることにより線状開口部５２Ｂの向きを自由に調整できる。
扇形絞り５４Ｃにおいては、円形孔５５Ｃに中心角２７０°の扇形状の遮光部材５１Ｃが回転可能に嵌合されている。円形孔５５Ｃ内部のうち遮光部材５１Ｃによって塞がれていない中心角度９０°の扇形状の部分が扇形開口部５２Ｃとなっている。遮光部材５１Ｃを回転させることにより、扇形開口部５２Ｃの向きを自由に調整できる。なお、遮光部材５１Ｃの中心角度は２７０°でなくてもよい。
円輪形絞り５４Ｄにおいては、円形孔５５Ｄに例えばガラス製の透光性円板５６Ｄが嵌合される。透光性円板５６Ｄの中心および円周部分には、円形孔５５Ｄと同心円形状および同心円輪形状の二つの遮光部材５１Ｄが配設される。透光性円板５６Ｄのうち遮光部材５１Ｄによって塞がれていない部分が円輪形開口部５２Ｄとなっている。各遮光部材５１Ｄは、複数の可動羽根によって構成されており、その遮光範囲が可変とされている。そのため、円輪形開口部５２Ｄの内径および外形は自由に調整できる。
点状絞り５４Ｅにおいては、円形孔５５Ｅ内部の略全体を遮光部材５１Ｅが塞いでいる。遮光部材５１Ｅには、点状孔５６Ｅが穿設されており、これが点状開口部５２Ｅとなっている。遮光部材５１Ｅは移動可能とされ、これにより、点状開口部５２Ｅの位置を自由に調整できる。
【００４１】
以上の開口部５２Ａ〜Ｅは、本発明の第一開口部を構成する。これらの開口部の中から任意に選択される一の開口部を、図１における開口部５２の位置に挿入させることによって、当該一の開口部に対応する受光可能散乱角度範囲が設定される。なお、前記のように、各開口部の形状、向きまたは位置は可変であるから、受光可能散乱角度範囲をさらに調整することも可能である。このように、受光可能散乱角度範囲を設定するに際して、使用者の選択の幅が広くなるから、被測定物の性状に応じて最適な受光可能散乱角度範囲を設定した上で、より精度の高い測定を行うことができる。
一例として、測定に際して点状開口部５２Ｅを選択した場合には、受光素子８で受光される散乱光の散乱角度を指定した測定が可能である。さらに、点状開口部５２Ｅは移動可能なので、当該指定散乱角度は自由に変更可能である。
【００４２】
基板５３の側面には、切欠５８Ａ〜Ｅが形成され、この各切欠に、ばね１３によって付勢された鋼球１４が嵌り込むことによって、各開口部の切り替えが行われる。このようにして本発明の第一切替え機構が構成されている。
また、開口部５２Ａ〜Ｅは、その形状が調整可能であるから、本発明の第一調整機構が構成されていることになる。なお、ここでいう「形状」には、例えば、線状開口部５２Ｂ、扇形開口部５２Ｃの向きや、点状開口部５２Ｅの位置も含まれるものとする。
【００４３】
以上の例においては、一つの散乱角度制限絞り５の基板５３に、互いに異なる形状の開口部５２Ａ〜Ｅを設けることとしていたが、散乱角度制限絞り５を複数設けて、その各々に開口部を一つずつ設ける構成としてもよい。このときも、各開口部は、互いに形状が異なるものとされる。このときは、複数の散乱角度制限絞り５の中から任意に選択される一の散乱角度制限絞り５を、図１における散乱角度制限絞り５の位置に挿入することによって、開口部の切り替えが行われる。
【００４４】
また、前記各実施形態においては、散乱角度制限絞り５の開口部５２が対物レンズ３およびリレーレンズ６の光軸と同心の円形開口部とされていた。そのため、受光可能散乱角度範囲は、最大受光可能散乱角度をθｍａｘとして、−θｍａｘ≦θ≦θｍａｘ、のように原点（θ＝０）対称な角度範囲となっていた。しかし、本発明では、開口部５２の形状を適宜調整することによって、受光可能散乱角度範囲を調整できる。例えば、−３０°≦θ≦４５°、のような、原点非対称な受光可能散乱角度範囲も実現可能である。また、−４５°≦θ≦−３０°かつ１０°≦θ≦５０°、のように複数の角度範囲を含んだ受光可能散乱角度範囲を実現することもできる。
【００４５】
また、前記各実施形態においては、受光素子８として、その受光面にＣＣＤを多数配置したものを用いていたが、本発明では、受光素子、あるいは、受光素子の受光面に複数配置される光電変換素子として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor：相補性金属酸化膜半導体）デバイス撮像素子、光電子増倍管、例えばＣｄＳ系の光導電セル、フォトダイオード等の種々の光検出器を採用できる。
【００４６】
また、前記各実施形態においては、被測定面Ｗに光を照射する方式として垂直落射照明、または、斜め照明のうち全方位から光を照射するリング斜め照明を採用していたが、本発明では、透過照明や、また、特定方位からのみ光を照射する斜め照明を採用してもよい。
また、前記実施形態では、光源としてレーザー１を設けていたが、本発明では、これに限らず種々の光源を採用できる。
また、前記第三実施形態では、リング状光束を形成するコーンレンズ１０を用いてリング斜め照明を形成していたが、本発明では、いわゆるリング照明装置、例えば、ファイバー照明装置によって直接リング斜め照明を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、金属、ウエハ等の被測定物の性状測定、例えば、加工表面、塗装面等の形状（凹凸）測定、傷測定、異物測定に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる測定器を示す図。
【図２】前記第一実施形態における散乱光取得範囲制限絞りの作用を説明するための図
【図３】本発明の第二実施形態にかかる測定器を示す図。
【図４】本発明の第三実施形態にかかる測定器を示す図。
【図５】本発明にかかる測定器の散乱角度制限絞りの変形例を示す図。
【図６】従来技術にかかる測定器の一例を示す図。
【符号の説明】
【００４９】
１…レーザー
３…対物レンズ
４…正反射光カットマスク
５…散乱角度制限絞り
６…リレーレンズ
７…散乱光取得範囲制限絞り
８…受光素子
１０…コーンレンズ
５１、５１Ａ〜Ｅ…遮光部材
５２、５２Ａ〜Ｅ…開口部
７１…遮光部材
７２…開口部
【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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