(57)【要約】【課題】  散乱光の集光のための素子を要せずに高解像度で表面の凹凸を測定可能な表面測定装置および表面測定方法を実現する。【解決手段】  本発明の表面測定装置は、測定面１７をｘ方向またはｙ方向に動かしながら、レーザー光源２１から光を測定面１７に当て、その反射光を受光部の受光面３１に照射する。照射点である点Ｑ（Ｘ、Ｙ）の座標を測定し、そこから、測定面１７の各点における、ｘ方向やｙ方向の角度を計算し、ｘ方向・ｙ方向の幅データも用いて微小な高さを求める。その微小な高さを、目標地点まで足し合わせていって、その地点の高さ（凹凸）を得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定基準面に配置された試料の測定面の凹凸を測定する表面測定装置において、
上記測定基準面をｘｙ平面とするｘｙｚ座標を考え、原点ＯGから、ｘ軸方向に微小な所定の距離Δｘずつ、かつ、ｙ軸方向に微小な所定の距離Δｙずつ離れた複数の格子点を考え、
測定面上の点であって、そのｘ座標およびｙ座標が上記格子点の一つに一致する任意の一つの点をＡとするとき、Ａに対応する格子点および、その格子点にｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点にて四角形形状に囲まれた微小領域内で、測定面上に点Ａの接平面を考え、
上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚxと称し、
上記点Ａからｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚyと称し、
上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘ、さらにｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚと称するとき、
上記原点ＯGから、いずれかの上記格子点上にある測定面上の任意の点Ｐまで、ｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点のうちから、格子点を順次選択していき、選択した格子点について、上記ｚ軸方向の差であるΔｚx、Δｚy、Δｚのうち、次の格子点までの移動方向に対応するものをそれぞれ求め、求めたｚ軸方向の差をすべて足し合わせたものを、上記原点ＯGと上記点Ｐとのｚ軸方向の差ｚとし、これを試料の測定面の凹凸量とする高さ演算手段を備えたことを特徴とする表面測定装置。
【請求項２】
上記高さ演算手段は、
光を試料の測定面に当てて、その反射光を受光面で点Ｑとしてとらえ、
測定面の傾斜がない場合に点Ｑが位置する位置を受光面の原点ＯSとし、
測定面の傾斜がｘ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＸ軸とし、
測定面の傾斜がｙ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＹ軸とするようなＸＹ座標を上記受光面に設定し、
点Ｑの座標（Ｘ、Ｙ）を測定することで、Δｚx、Δｚy、Δｚを求めることを特徴とする請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項３】
測定面の各点の傾斜角をθとし、測定面の傾斜方向を示す直線をｘｙ平面に射影した直線と、ｘ軸とのなす角をαとするとき、
上記高さ演算手段は、
光を試料の測定面に当てて、その反射光を受光面で点Ｑとしてとらえ、
測定面の傾斜がない場合に点Ｑが位置する位置を受光面の原点ＯSとし、
点Ｑが原点ＯSに一致するように、上記測定面から受光面までの上記光の経路上で上記光を反射する反射鏡を、反射鏡における光の入射直線と反射直線とを含む平面内で角θだけ動かすとともに原点ＯGから反射鏡への光の入射直線を軸として角αだけ動かし、
θとαとを測定することで、Δｚx、Δｚy、Δｚを求めることを特徴とする請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項４】
上記高さ演算手段は、
上記試料の測定面と上記受光面との間に設けられ、上記測定面からの反射光を集光して上記受光面に到達させる凸レンズを備えたことを特徴とする請求項２に記載の表面測定装置。
【請求項５】
上記高さ演算手段は、
移動することで上記試料を走査する第１光学系と、
上記第１光学系の移動にかかわらず静止する第２光学系とを備え、
上記第１光学系は、
光源からの光を試料の測定面に当てて、その反射光を受光面で点としてとらえる第１部分系と、
上記光源からの光を分岐させて補正用光として出射する第２部分系と、
上記第２部分系から出射後、上記第２光学系で反射して戻ってきた補正用光を補正用受光面で点としてとらえる第３部分系とを備え、
上記第２光学系は、上記第２部分系から出射した上記補正用光を反射して上記第３部分系に入射させる補正用光反射部を備えていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項６】
上記光が上記試料の測定面に当たって反射した光の一部を上記受光面に到達させるとともに、他の一部を別の経路に導く第１分岐部と、
上記第１分岐部からの光を２つに分岐させる第２分岐部と、
上記第２分岐部で分岐した２つの光をそれぞれ受光するとともに、上記試料の測定面の凹凸に応じて少なくとも一方の受光光量が変化する、２つの受光部とを備えたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項７】
上記光の一部を上記試料の測定面に到達させるとともに、他の一部を別の第１経路に導き、また、上記光が上記試料の測定面に当たって反射した光の一部を上記受光面に到達させるとともに、他の一部を上記第１経路とは別の第２経路に導く第３分岐部と、
上記第３分岐部からの上記第１経路の光を反射させて上記第３分岐部を透過させて上記第２経路に導く反射部とを備えることによって、
マイケルソンの干渉計の構成を備えたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項８】
コンピュータを請求項１ないし７のいずれかに記載の表面測定装置における高さ演算手段として機能させるためのプログラムであることを特徴とする表面測定プログラム。
【請求項９】
請求項８に記載の表面測定プログラムを格納したことを特徴とする、表面測定プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１０】
測定基準面に配置された試料の測定面の凹凸を測定する表面測定方法において、
上記測定基準面をｘｙ平面とするｘｙｚ座標を考え、原点ＯGから、ｘ軸方向に微小な所定の距離Δｘずつ、かつ、ｙ軸方向に微小な所定の距離Δｙずつ離れた複数の格子点を考え、
測定面上の点であって、そのｘ座標およびｙ座標が上記格子点の一つに一致する任意の一つの点をＡとするとき、Ａに対応する格子点および、その格子点にｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点にて四角形形状に囲まれた微小領域内で、測定面上に点Ａの接平面を考え、
上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚxと称し、
上記点Ａからｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚyと称し、
上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘ、さらにｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚと称するとき、
上記原点ＯGから、いずれかの上記格子点上にある測定面上の任意の点Ｐまで、ｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点のうちから、格子点を順次選択していき、選択した格子点について、上記ｚ軸方向の差であるΔｚx、Δｚy、Δｚのうち、次の格子点までの移動方向に対応するものをそれぞれ求め、求めたｚ軸方向の差をすべて足し合わせたものを、上記原点ＯGと上記点Ｐとのｚ軸方向の差ｚとし、これを試料の測定面の凹凸量とすることを特徴とする表面測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面測定装置および表面測定方法、表面測定プログラム、表面測定プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、液晶パネルやプラズマディスプレイパネルはテレビジョンをはじめ、パーソナルコンピュータ、携帯電話等のモニターとしてその利用が急速に増え、日本、韓国等で世界の半分以上が開発、生産されている。このフラットパネルは最終的にはそれぞれの用途に合った大きさに、ときには携帯電話等の小さな製品用にカットされることもあるが、生産時のパネル大きさが大きければ大きいほど生産効率が上がり、コストも下げられる。
【０００３】
そのため、パネルの大きさは年々大型化し、それは“世代”で表される。現在は“第５世代”（１１００ｍｍ×１３００ｍｍ）から“第６世代”（１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）への移行期にあり、近い将来には“第７世代”（１８００ｍｍ×２２００ｍｍ）が考えられている。この製造過程で一番問題となるのがその平面化への研磨である。研磨しながらその平面性を検査するためにはリアルタイムの表面凹凸測定法の開発が不可欠である。このフラットパネルの平面精度に対して、現在要求されている凹凸の測定解像度は精々１μｍであるが、過去の発展を考慮すれば、近い将来には数ｎｍの測定解像度が不可欠となることは明らかである。本発明はそれを見込んだものである。
【０００４】
これまでに表面凹凸を測定する各種の方法が開発されている（非特許文献１〜３）。中でもリアルタイム性と高解像度の測定可能性といった実用的な観点から、キーエンス社製の対物レンズを振動させた共焦点法（非特許文献１）と我々が開発した２光束レーザー法（非特許文献２）が有用である。これら２つの方法はいずれも測定周波数数ｋＨｚ、測定解像度１μｍ、測定範囲１〜１００μｍ程度である。これらは光学的な原理が全く異なっており、前者では対物レンズを電磁石で振動させてピント合わせを行っているが、後者はその必要がなく、より安定性の高い動作が可能である。これらの光学的な方法とは全く異なった電子線アレイ検査装置も開発されている（非特許文献４）。これは製造工程中の途中段階で半導体や液晶ディスプレイ基板の通電状況をチェックするもので、表面検査装置とは異なるが有用なものである。非特許文献５は、光学的測定について記載している。
【非特許文献１】キーエンス社、２００４総合カタログ（２００４−２）、“レーザー式変位センサー”、ｐ．６９４
【非特許文献２】上月具挙、朱立民、本田知己、上田正紘、“２光束レーザー法による表面凹凸のリアルタイム測定法の検討”、レーザー学会第３２０回研究会報告「レーザー計測」、Ｎｏ．ＲＴＭ−０４−０７（２００４）ｐｐ．７−１２
【非特許文献３】レーザーテック社、２００３年カタログ、“大型ステージ付きレーザー顕微鏡「１ＬＭ１１２０」
【非特許文献４】島津製作所、“検査装置からリードする島津の半導体・ＦＰＤ戦略“ぶーめらん”（Ｓｐｅｃｉａｌ  Ｆｅａｔｕｒｅ）、Ｖｏｌ．８（２００４）、ｐ．１９、２０
【非特許文献５】田幸敏治他著、光学的測定ハンドブック第６刷（朝倉書店、東京、１９９０）ｐ．５０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の光学的な測定方法に共通な原理は、測定面からの散乱光をレンズでピントを合わせて集光する、いわゆる共焦点型のものである。そのため、散乱光の集光のための素子が必要になる。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、散乱光の集光のための素子を要せずに高解像度で表面の凹凸を測定可能な表面測定装置および表面測定方法、表面測定プログラム、表面測定プログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明に係る表面測定装置は、測定基準面に配置された試料の測定面の凹凸を測定する表面測定装置において、上記測定基準面をｘｙ平面とするｘｙｚ座標を考え、原点ＯGから、ｘ軸方向に微小な所定の距離Δｘずつ、かつ、ｙ軸方向に微小な所定の距離Δｙずつ離れた複数の格子点を考え、測定面上の点であって、そのｘ座標およびｙ座標が上記格子点の一つに一致する任意の一つの点をＡとするとき、Ａに対応する格子点および、その格子点にｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点にて四角形形状に囲まれた微小領域内で、測定面上に点Ａの接平面を考え、上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚxと称し、上記点Ａからｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚyと称し、上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘ、さらにｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚと称するとき、上記原点ＯGから、いずれかの上記格子点上にある測定面上の任意の点Ｐまで、ｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点のうちから、格子点を順次選択していき、選択した格子点について、上記ｚ軸方向の差であるΔｚx、Δｚy、Δｚのうち、次の格子点までの移動方向に対応するものをそれぞれ求め、求めたｚ軸方向の差をすべて足し合わせたものを、上記原点ＯGと上記点Ｐとのｚ軸方向の差ｚとし、これを試料の測定面の凹凸量とする高さ演算手段を備えたことを特徴としている。
【０００８】
上記の構成により、上記原点ＯGから、いずれかの上記格子点上にある測定面上の任意の点Ｐまで格子点を選択し、選択順に沿ってｚ軸方向の差を求めて足し合わせていく。したがって、Δｚx、Δｚy、Δｚを求めるだけで、表面の凹凸の情報を得ることができる。それゆえ、散乱光の集光のための素子を要せずに高解像度で表面の凹凸を測定することができるという効果を奏する。
【０００９】
また、本発明に係る表面測定装置は、上記の構成に加えて、上記高さ演算手段は、光を試料の測定面に当てて、その反射光を受光面で点Ｑとしてとらえ、測定面の傾斜がない場合に点Ｑが位置する位置を受光面の原点ＯSとし、測定面の傾斜がｘ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＸ軸とし、測定面の傾斜がｙ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＹ軸とするようなＸＹ座標を上記受光面に設定し、点Ｑの座標（Ｘ、Ｙ）を測定することで、Δｚx、Δｚy、Δｚを求めることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係る表面測定装置は、上記の構成に加えて、測定面の各点の傾斜角をθとし、測定面の傾斜方向を示す直線をｘｙ平面に射影した直線と、ｘ軸とのなす角をαとするとき、上記高さ演算手段は、光を試料の測定面に当てて、その反射光を受光面で点Ｑとしてとらえ、測定面の傾斜がない場合に点Ｑが位置する位置を受光面の原点ＯSとし、測定面の傾斜がｘ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＸ軸とし、測定面の傾斜がｙ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＹ軸とするようなＸＹ座標を上記受光面に設定し、点Ｑ（Ｘ、Ｙ）と原点ＯSとの距離をｑとし、点Ｑと、測定面で光が照射された点と、原点ＯSとを順に結んで出来る角をψとし、定面から上記測定基準面に垂直に出射した光が受光面に垂直に入射するときの光の通過経路の長さをＤとし、
tanψ＝ｑ／Ｄ、
θ＝ψ／２、
α＝tan-1Ｙ／Ｘ
からθとαを求め、Δｚx、Δｚy、Δｚを、
tanθx＝tanθcosα
tanθy＝tanθsinα
Δｚx＝tanθx・Δｘ
Δｚy＝tanθy・Δｙ
Δｚ＝Δｚx＋Δｚy
により求めることを特徴としている。
【００１１】
上記の構成により、θ、αを求めて、ｚ軸方向の差を求める。したがって、上記の構成による効果に加えて、より簡単な構成で表面の凹凸を測定することができるという効果を奏する。
【００１２】
また、本発明に係る表面測定装置は、上記の構成に加えて、測定面の各点の傾斜角をθとするとき、上記高さ演算手段は、光を試料の測定面に当てて、その反射光を受光面で点Ｑとしてとらえ、測定面の傾斜がない場合に点Ｑが位置する位置を受光面の原点ＯSとし、測定面の傾斜がｘ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＸ軸とし、測定面の傾斜がｙ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＹ軸とするようなＸＹ座標を上記受光面に設定し、点Ｑ（Ｘ、Ｙ）と原点ＯSとの距離をｑとし、点Ｑと、測定面で光が照射された点と、原点ＯSとを順に結んで出来る角をψとし、測定面から上記測定基準面に垂直に出射した光が受光面に垂直に入射するときの光の通過経路の長さをＤとし、
tanψ＝ｑ／Ｄ、
θ＝ψ／２、
からθを求め、
tanψx＝Ｘ／Ｄ
tanψy＝Ｙ／Ｄ
からψx、ψyを求め、
θ≪１のときや、θが微小なときに、Δｚx、Δｚy、Δｚを、
θx≒ψx／２
θy≒ψy／２
Δｚx＝tanθx・Δｘ
Δｚy＝tanθy・Δｙ
Δｚ＝Δｚx＋Δｚy
により求めることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成により、θ、ψx、ψyを求めて、ｚ軸方向の差を求める。したがって、上記の構成による効果に加えて、より簡単な構成で表面の凹凸を測定することができるという効果を奏する。
【００１４】
また、本発明に係る表面測定装置は、上記の構成に加えて、測定面の各点の傾斜角をθとし、測定面の傾斜方向を示す直線をｘｙ平面に射影した直線と、ｘ軸とのなす角をαとするとき、上記高さ演算手段は、光を試料の測定面に当てて、その反射光を受光面で点Ｑとしてとらえ、測定面の傾斜がない場合に点Ｑが位置する位置を受光面の原点ＯSとし、点Ｑが原点ＯSに一致するように、上記測定面から受光面までの上記光の経路上で上記光を反射する反射鏡を、反射鏡における光の入射直線と反射直線とを含む平面内で角θだけ動かすとともに原点ＯGから反射鏡への光の入射直線を軸として角αだけ動かし、θとαとを測定することで、Δｚx、Δｚy、Δｚを求めることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明に係る表面測定装置は、上記の構成に加えて、測定面の各点の傾斜角をθとし、測定面の傾斜方向を示す直線をｘｙ平面に射影した直線と、ｘ軸とのなす角をαとするとき、上記高さ演算手段は、光を試料の測定面に当てて、その反射光を受光面で点Ｑとしてとらえ、測定面の傾斜がない場合に点Ｑが位置する位置を受光面の原点ＯSとし、
点Ｑが原点ＯSに一致するように、上記測定面から受光面までの上記光の経路上で上記光を反射する反射鏡を、反射鏡における光の入射直線と反射直線とを含む平面内で角φだけ動かすとともに原点ＯGから反射鏡への光の入射直線を軸として角αだけ動かし、
θ＝φ
からθを求め、Δｚx、Δｚy、Δｚを、
tanθx＝tanθcosα
tanθy＝tanθsinα
Δｚx＝tanθx・Δｘ
Δｚy＝tanθy・Δｙ
Δｚ＝Δｚx＋Δｚy
により求めることを特徴としている。
【００１６】
上記の構成により、点Ｑが原点ＯSに一致するように、反射鏡を、反射鏡における光の入射直線と反射直線とを含む平面内で角φだけ、原点ＯGから反射鏡への光の入射直線を軸として角αだけ、動かす。したがって、上記の構成による効果に加えて、より簡単な構成で表面の凹凸を測定することができるという効果を奏する。
【００１７】
また、本発明に係る表面測定装置は、上記の構成に加えて、上記高さ演算手段は、上記試料の測定面と上記受光面との間に設けられ、上記測定面からの反射光を集光して上記受光面に到達させる凸レンズを備えたことを特徴としている。
【００１８】
上記の構成により、測定面からの反射光を集光して受光面に到達させる凸レンズが備えられている。その結果、測定面の傾斜に応じた角度を持って測定面から反射してくる光が、凸レンズにて集光された後に上記受光面に到達する。したがって、測定面の傾きが大きくても、受光面の大きさをあまり大きくしなくても反射光が受光面内に十分収まるようにすることができる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、大きな傾斜角度を持つ測定面であっても、通常入手可能な光学系で極めて簡便に測定することができるという効果を奏する。
【００１９】
また、本発明に係る表面測定装置は、上記の構成に加えて、上記高さ演算手段は、移動することで上記試料を走査する第１光学系と、上記第１光学系の移動にかかわらず静止する第２光学系とを備え、上記第１光学系は、光源からの光を試料の測定面に当てて、その反射光を受光面で点としてとらえる第１部分系と、上記光源からの光を分岐させて補正用光として出射する第２部分系と、上記第２部分系から出射後、上記第２光学系で反射して戻ってきた補正用光を補正用受光面で点としてとらえる第３部分系とを備え、上記第２光学系は、上記第２部分系から出射した上記補正用光を反射して上記第３部分系に入射させる補正用光反射部を備えていることを特徴としている。
【００２０】
上記の構成により、第１光学系が自重などにより試料面に対し傾くと、上記補正用光反射部に対しても傾くことになるので、上記補正用光反射部から戻って来た補正用光が上記補正用受光面上で到達する位置は、傾かない場合とは異なる位置になる。したがって、この補正用受光面上のずれの情報を用いて、第１光学系の傾きによる誤差を補正することが可能になる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、簡単な構成で、装置の傾きを補正して正しい測定値を得ることができる。
【００２１】
また、本発明に係る表面測定装置は、上記の構成に加えて、上記光の一部が上記試料の測定面に当たって反射した光の一部を上記受光面に到達させるとともに、他の一部を別の経路に導く第１分岐部と、上記第１分岐部からの光を２つに分岐させる第２分岐部と、上記第２分岐部で分岐した２つの光をそれぞれ受光するとともに、上記試料の測定面の凹凸に応じて少なくとも一方の受光光量が変化する、２つの受光部とを備えたことを特徴としている。
【００２２】
それゆえ、上記の構成による効果に加えて、２つの受光部の少なくとも一方の受光光量の変化を測定することで、測定面の凹凸の情報を得ることができる。
【００２３】
また、本発明に係る表面測定装置は、上記の構成に加えて、上記光を上記試料の測定面に到達させるとともに、他の一部を別の第１経路に導き、また、上記光が上記試料の測定面に当たって反射した光の一部を上記受光面に到達させるとともに、他の一部を上記第１経路とは別の第２経路に導く第３分岐部と、上記第３分岐部からの上記第１経路の光を反射させて上記第３分岐部を透過させて上記第２経路に導く反射部とを備えることによって、マイケルソンの干渉計の構成を備えたことを特徴としている。
【００２４】
それゆえ、上記の構成による効果に加えて、マイケルソンの干渉計の原理に基づき照射領域の凹凸状態を測定することができる。
【００２５】
また、本発明に係る表面測定プログラムは、コンピュータを上記のいずれかに記載の表面測定装置における高さ演算手段として機能させるためのプログラムであることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明に係る表面測定プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記表面測定プログラムを格納したことを特徴としている。
【００２７】
また、本発明に係る表面測定方法は、測定基準面に配置された試料の測定面の凹凸を測定する表面測定方法において、上記測定基準面をｘｙ平面とするｘｙｚ座標を考え、原点ＯGから、ｘ軸方向に微小な所定の距離Δｘずつ、かつ、ｙ軸方向に微小な所定の距離Δｙずつ離れた複数の格子点を考え、測定面上の点であって、そのｘ座標およびｙ座標が上記格子点の一つに一致する任意の一つの点をＡとするとき、Ａに対応する格子点および、その格子点にｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点にて四角形形状に囲まれた微小領域内で、測定面上に点Ａの接平面を考え、上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚxと称し、上記点Ａからｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚyと称し、上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘ、さらにｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚと称するとき、上記原点ＯGから、いずれかの上記格子点上にある測定面上の任意の点Ｐまで、ｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点のうちから、格子点を順次選択していき、選択した格子点について、上記ｚ軸方向の差であるΔｚx、Δｚy、Δｚのうち、次の格子点までの移動方向に対応するものをそれぞれ求め、求めたｚ軸方向の差をすべて足し合わせたものを、上記原点ＯGと上記点Ｐとのｚ軸方向の差ｚとし、これを試料の測定面の凹凸量とすることを特徴としている。
【００２８】
上記の構成により、上記原点ＯGから、いずれかの上記格子点上にある測定面上の任意の点Ｐまで格子点を選択し、選択順に沿ってｚ軸方向の差を求めて足し合わせていく。したがって、Δｚx、Δｚy、Δｚを求めるだけで、表面の凹凸の情報を得ることができる。それゆえ、散乱光の集光のための素子を要せずに高解像度で表面の凹凸を測定することができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明に係る表面測定装置は、上記測定基準面をｘｙ平面とするｘｙｚ座標を考え、原点ＯGから、ｘ軸方向に微小な所定の距離Δｘずつ、かつ、ｙ軸方向に微小な所定の距離Δｙずつ離れた複数の格子点を考え、測定面上の点であって、そのｘ座標およびｙ座標が上記格子点の一つに一致する任意の一つの点をＡとするとき、Ａに対応する格子点および、その格子点にｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点にて四角形形状に囲まれた微小領域内で、測定面上に点Ａの接平面を考え、上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚxと称し、上記点Ａからｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚyと称し、上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘ、さらにｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚと称するとき、上記原点ＯGから、いずれかの上記格子点上にある測定面上の任意の点Ｐまで、ｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点のうちから、格子点を順次選択していき、選択した格子点について、上記ｚ軸方向の差であるΔｚx、Δｚy、Δｚのうち、次の格子点までの移動方向に対応するものをそれぞれ求め、求めたｚ軸方向の差をすべて足し合わせたものを、上記原点ＯGと上記点Ｐとのｚ軸方向の差ｚとし、これを試料の測定面の凹凸量とする高さ演算手段を備えた構成である。
【００３０】
また、本発明に係る表面測定方法は、上記測定基準面をｘｙ平面とするｘｙｚ座標を考え、原点ＯGから、ｘ軸方向に微小な所定の距離Δｘずつ、かつ、ｙ軸方向に微小な所定の距離Δｙずつ離れた複数の格子点を考え、測定面上の点であって、そのｘ座標およびｙ座標が上記格子点の一つに一致する任意の一つの点をＡとするとき、Ａに対応する格子点および、その格子点にｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点にて四角形形状に囲まれた微小領域内で、測定面上に点Ａの接平面を考え、上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚxと称し、上記点Ａからｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚyと称し、上記点Ａからｘ軸方向に上記Δｘ、さらにｙ軸方向に上記Δｙだけ上記接平面上を進んだ場合のｚ軸方向の差をΔｚと称するとき、上記原点ＯGから、いずれかの上記格子点上にある測定面上の任意の点Ｐまで、ｘ軸方向に隣接する格子点、ｙ軸方向に隣接する格子点、および、格子の対角線位置で隣接する格子点のうちから、格子点を順次選択していき、選択した格子点について、上記ｚ軸方向の差であるΔｚx、Δｚy、Δｚのうち、次の格子点までの移動方向に対応するものをそれぞれ求め、求めたｚ軸方向の差をすべて足し合わせたものを、上記原点ＯGと上記点Ｐとのｚ軸方向の差ｚとし、これを試料の測定面の凹凸量とする構成である。
【００３１】
これにより、Δｚx、Δｚy、Δｚを求めるだけで、表面の凹凸の情報を得ることができる。それゆえ、散乱光の集光のための素子を要せずに高解像度で表面の凹凸を測定することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
〔１．はじめに〕
本来フラットパネルはほぼ平面になっており、本方法は、その鏡面としての特徴を生かしてその面からの反射光を利用するものである。このように、本発明では、従来とは全く異なった原理で、その解像度を飛躍的に上げ得る画期的な方法を提案する。本方法は、解像度に関しては数ｎｍの解像度を容易に得ることができ、またリアルタイム性に関しても従来の方法と同等のものである。
【００３３】
また、本方法は、反射鏡を１次元的に、または２次元的に回転することによって、さらに平面以外、例えば円筒状凹面や球状凹面の表面凹凸測定に対しても容易に適用できる。詳しくは後述する。
【００３４】
なお、ここでは説明の便宜上凹凸と表現しているが、試料（測定対象物）を水平台に置いたときに水平面と比べて測定面が全体的に片方に傾斜した形状になっているようなもの等に対しても本装置を適用可能なのは言うまでもない。また、全体的に凹形状や全体的に凸形状のものに対しても同様である。また、測定面は曲面に限らず、平面でもよい。また、試料を置く台における試料を置く面、すなわち測定基準面は水平でなくてもよい。
【００３５】
〔２．測定原理、方法、および測定システム〕
〔２．１  測定原理〕
１．で触れたように、本方法の原理は、対象とするフラットパネル面がほぼ鏡面状態になっているので、その面からの反射光を利用するものである。すなわち、表面に凹凸が存在すれば、必ずその面は局所的に傾きを有することになり、したがってその面からの反射光が完全なフラット面からの方向とは異なった方向に反射され、受光面上の異なった位置に到達する。すなわち、この位置を測定すれば照射面の傾きが求まり、その移動距離との積で高さ変化が求められる。これが本方法の測定原理で、原理、方法のみならず、後述のように実際の光学系やそれを実現するシステムも極めて単純である。
【００３６】
〔表面測定装置の測定光学系〕
図１に本表面測定装置の測定光学系１１を示す。なお、説明の便宜上、図１中、上へ向かう方向は、例えば鉛直方向上向きとすることができるが、これに限定されない。レーザー光源２１からのレーザー光をアパーチャー２２で整形し、ハーフミラー２３を透過後、反射鏡２５によって試料としてのパネル１６の測定面１７上の点Ｐに照射する。測定面１７上で反射した光を再び反射鏡２５で反射させ、ハーフミラー２３で反射後、受光部３０のスクリーンである受光面３１上の点Ｑを照射する。レーザー光源２１は、レーザービームの指向性の観点からＨｅ−Ｎｅレーザーが好適である。なお、点Ｑは、照射面ではある程度広がりを持つので、位置の読み取りはその広がった領域の中心位置とする。
【００３７】
図中、ハーフミラー（半透鏡）２３および反射鏡２５の、レーザー光が入射する点をそれぞれＯH、ＯMとする。ＯHから受光面３１に伸ばした垂線の足をＯSとする。すなわち、ＯSは、測定面１７上から水平な測定面に対して垂直（ｚ軸）に反射された光が受光面上に到達する点であり、これを受光面３１上の基準点とする。
【００３８】
点Ｐからの反射光が反射鏡２５に入射する点をＭとする。反射鏡２５からの反射光がハーフミラー２３に入射する点をＨとする。
【００３９】
ハーフミラー２３および反射鏡２５は互いに平行であり、いずれも、直線ＯHＯMに対して４５°傾いている。
【００４０】
直線ＰＭと直線ＨＱは互いに平行である。
【００４１】
ＯHとＯMとの間の距離をＤLとする。ＯMとＰとの間の距離をＤZとする。ＯHとＯSとの間の距離をＤSとする。
【００４２】
後述の図７の構成と異なり、ハーフミラー２３と反射鏡２５とを使うことで、全体をコンパクトにすることができる。
【００４３】
〔測定面の様子〕
パネル１６の測定面１７の各点Ｐの様子を図２に示す。同図に示すように、パネル１６の測定面１７の各点Ｐは、凹凸によりそれぞれ所定の傾斜角θを有している。
【００４４】
〔ｘｙ座標軸の設定〕
また、図３に示すように、パネル１６に対して直交座標系を導入する。原点をＯGとする。ｚ軸は、水平な、つまり平面形状の測定基準面Ｇに対して垂直方向上向きである。ｘ軸、ｙ軸は水平方向である。この座標系における点Ｐの座標を（ｘ、ｙ、ｚ）とする。点Ｐからｘｙ平面に下ろした垂線の足をＰTとする。原点ＯGの取り方は任意であり、したがってｘ＝０、ｙ＝０のときｚ＝０となる点を原点ＯGとしてもよい。
【００４５】
〔ＸＹ座標軸の設定〕
図４に示すように、受光面３１に対して、水平方向にＸ軸、Ｙ軸を持つ直交座標系を導入する。上述のＯSを原点とする。この直交座標系の設定方法は以下の通りである。すなわち、まず、測定台のｘ軸に対してのみ傾斜しておりｙ軸には傾斜していない平面を測定台に置いて測定面１７の原点ＯGにレーザーを当てる。受光面にスポットが生じる。受光面の原点ＯSとそのスポットとを結ぶ線をＸ軸にする。
【００４６】
同じく測定台のｙ軸に対してのみ傾斜しておりｘ軸には傾斜していない平面を測定台に置いて測定面１７の原点ＯGにレーザーを当てる。受光面にスポットが生じる。受光面の原点ＯSとそのスポットとを結ぶ線をＹ軸にする。このようにして直交座標系を設定する。
【００４７】
〔ｘｙ平面への格子点設定〕
ｘｙ平面には、後述するステッピングモーターのｘ軸方向の１ステップの距離Δｘおよびステッピングモーターのｙ軸方向の１ステップの距離Δｙだけ離れた点によって、複数の格子点があると考える。すなわち、ｙ軸に平行でｘ軸方向の間隔がΔｘである複数の直線とｘ軸に平行でｙ軸方向の間隔がΔｙである複数の直線とが交わる格子点があるということである。図５は、それらの格子点のうち、隣接しあう４つの格子点でできる四角形を示している。ここで、Δｘ、Δｙは微小であり、測定面１７は、微小な区間においては、測定面１７上の点を含む接平面に近似することができる。なお、図５では、原点ＯGの接平面ＯGＡＢＣを示しているが、別の点でも同様に作図することができる。点Ｅは、原点ＯGに対し、格子点上の対角線位置にある点である。点Ａはｙ座標が０であり、ｘ座標は、ステッピングモーターのｘ軸方向の１ステップの距離Δｘである。点Ｃはｘ座標が０であり、ｙ座標は、ステッピングモーターのｙ軸方向の１ステップの距離Δｙである。なお、ステッピングモーターの両方向の傾き角βを
Δｙ／Δｘ≡tanβ
と定義する。βは例えば４５°である。βが４５°であるというのは、Δｘ＝Δｙ、すなわち格子点でできる四角形が正方形であるということである。点Ｅからｘ軸、ｙ軸に下ろした垂線の足をそれぞれＤ、Ｆとする。点ＯG、Ｄ、ＦをΔｚだけｚ軸方向へずらした点をそれぞれＧ、Ｊ、Ｉとする。
【００４８】
ステッピングモーターによる、対角線位置にある格子点同士を結んだ直線の傾斜角をθpとする。また、測定面１７の、点Ｐにおける接平面とｘ軸とのなす角をθxとし、同じくｙ軸とのなす角をθyとする。すなわち、図５ではθpは角ＢＯGＥであり、θxは角ＡＯGＤであり、θyは角ＣＯGＦである。
【００４９】
したがって、ＯGＥの長さをΔｐEとすると、
Δｚ＝ＥＢ＝ＤＪ＝ＦＩ＝tanθp・ΔｐE
である。また、ステッピングモーターによる格子点とは無関係に、測定面１７の傾斜（角度θ）に沿った移動によってｚ軸方向へΔｚだけずれるときにｘｙ平面内でずれる距離をΔｐとすると、
Δｚ＝tanθ・Δｐ
である。また、Δｚx、Δｚyを
Δｚx≡ＤＡ＝ＣＩ＝tanθx・Δｘ
Δｚy≡ＡＪ＝ＦＣ＝tanθy・Δｙ
と定義する。ここで、Δｚx、ΔｚyはΔｚのそれぞれｘ成分、ｙ成分であり、
Δｚ＝Δｚx＋Δｚy
が成り立つ。
【００５０】
〔受光面の様子〕
図１に示すように、反射光が垂直入射光と傾く角度をψとするとき、測定面１７が上記傾きθを有していれば、反射光は垂直入射光に対してψ＝２θだけ傾き、受光面３１上では基準点ＯSから外れた点Ｑ（Ｘ、Ｙ）の位置に照射される。
【００５１】
測定面１７から受光面３１までの全距離、すなわち測定面１７から測定基準面に垂直に出射した光が、受光面３１に垂直に入射するときの光の通過経路の長さをＤとする。すなわち、
Ｄ＝ＤS＋ＤL＋ＤZ
である。
【００５２】
また、図４に示すように、ＯSから点Ｑ（Ｘ、Ｙ）までの距離をｑとする。また、直線ＯSＱの傾斜角αを
Ｙ／Ｘ≡tanα
と定義する。すなわち、αは、上述のように、測定面１７の凹凸がｘ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＸ軸とし、測定面１７の凹凸がｙ方向にのみある場合に点Ｑが位置する直線をＹ軸とした場合に、点ＱがＸ軸からずれる角を表すものである。したがって、αは、測定面１７の傾斜方向を示す直線をｚ軸に垂直な方向から見た場合の、その直線がｘ軸からずれる角を表すものである。言い換えれば、αは、測定面１７の傾斜方向を示す直線をｘｙ平面に射影した直線と、ｘ軸とのなす角である。
【００５３】
このとき、簡単な幾何学から次式の関係を得る。すなわち、
tanψ＝ｑ／Ｄ                  ・・・（１）
である。
【００５４】
また、ψのＸ軸、Ｙ軸の両方向成分を、それぞれ以下のようにψx、ψyと定義する。すなわち、
tanψx≡Ｘ／Ｄ                ・・・（１−１）
tanψy≡Ｙ／Ｄ                ・・・（１−２）
である。
【００５５】
〔各量間の関係〕
このとき、幾何学的計算により、
tanψx＝tanψcosα＝tan２θcosα
tanψy＝tanψsinα＝tan２θsinα
tanθx＝tanθcosα
tanθy＝tanθsinα
の関係がある。そして、θ≪１のときや、θが微小なときには、ψx、ψyが２θx、２θyにそれぞれほぼ等しくなる。
【００５６】
なお、上記式（１−１）、（１−２）より、
Ｙ／Ｘ＝tan（２θy）／tan（２θx）
である。そのため、θ≪１のときや、θが微小なときには、
Ｙ／Ｘ≒θy／θx
となる。すなわち、受光面３１上の照射位置方向Ｙ／Ｘが、測定面１７の傾き方向θy／θxと等しくなる。
【００５７】
〔Δｚの算出〕
このとき、Δｚは次式で与えられる。
Δｚ＝tanθ・Δｐ              ・・・（２）
同様にして、
Δｚx＝tanθx・Δｘ            ・・・（２−１）
Δｚy＝tanθy・Δｙ            ・・・（２−２）
となる。θ≪１のときや、θが微小なときには、
Δｚ≒θ・Δｐ
≒（１／２）（ｑ／Ｄ）・Δｐ      ・・・（２’）
Δｚx≒θx・Δｘ
≒（１／２）（Ｘ／Ｄ）・Δｘ    ・・・（２’−１）
Δｚy≒θy・Δｙ
≒（１／２）（Ｙ／Ｄ）・Δｙ    ・・・（２’−２）
となる。
【００５８】
すでに述べたように、
Δｚ＝Δｚx＋Δｚy
である。したがって、
Δｚ＝tanθx・Δｘ＋tanθy・Δｙ
となる。なお、これにより、三角形ＯGＢＥに注目して、幾何学的計算によって
tanθp＝ＢＥ／ＯGＥ
＝tanθcos（α−β）
となる。
【００５９】
〔ｚの算出〕
以上のようにして、測定面１７のｘｙ平面上の微小な区間Δｐにおける微小な高さ変化Δｚを求められる。これを基本にして、測定面上の任意の位置における、原点ＯGを基準とした高さｚは以下のようにして求められる。
【００６０】
すなわち、測定面１７上の任意の位置Ｐにおける高さｚは、Δｚの積分または総和をとって以下のようになる。すなわち、積分をとれば、式（３）のようになる。ただし、ｐ＝（ｘ2＋ｙ2）1/2であり、ｚ0、ｚx0、ｚy0はｐが０のときのｚの値である。また、ｘ、ｙの成分で表せば、式（３−１）、（３−２）のようになる。ここで、ｚ＝ｚx＋ｚyである。
【００６１】
【数１】
2006162586.tif 000003
【００６２】
また、総和をとれば、式（４）のようになる。ただし、θiはｉ番目のθであり、Δｐiはｉ番目のΔｐであり、ｉ＝１、２、…、ｎであり、ｉ＝１は原点位置、ｉ＝ｎは測定面上の最終位置点Ｐを示す。すなわち、
Δｘi≡ｘi+1−ｘi  （１≦ｉ≦ｎ）、ｘ1＝０
Δｙi≡ｙi+1−ｙi  （１≦ｉ≦ｎ）、ｙ1＝０
Δｐi＝（Δｘi2＋Δｙi2）1/2である。ここで、ｘi、ｙiは、それぞれｉ番目のｘ、ｙである。また、
Δｚxi≡tanθxi・Δｘi
Δｚyi≡tanθyi・Δｙi
であるから、ｚをｘ、ｙの成分で表せば、式（４−１）、（４−２）のようになる。ここで、ｚ＝ｚx＋ｚyである。
【００６３】
【数２】
2006162586.tif 000004
【００６４】
これらの式中のθ、θx、θy（またはθi、θxi、θyi）は、Ｑ（Ｘ、Ｙ）、すなわち受光面上のスポット位置測定およびそれを用いた計算によって求められ、またｘ、ｙは、レーザー光源または測定面の実際の移動距離であるから既知の量で、したがって（３）式や（４）式から任意の位置ＰT（ｘ、ｙ）における高さｚを測定できる。これが本方法の表面凹凸測定原理、および測定方法である。
【００６５】
このように、本測定法の実用化には、レーザー光源、または測定面を移動する移動装置と、積分器、または加算器を用いることができる。
【００６６】
〔２．２  測定システム〕
測定システムは、式（２）、式（４）を実行して表面凹凸（高さ）ｚを求めるためのもので、図６にその概略を示す。
【００６７】
表面測定装置１０は、ステッピングモーター（図示せず）等にて測定面１７をｘ方向またはｙ方向に動かしながら、レーザー光源２１から光を測定面１７に当て、その反射光を受光部３０の受光面に照射する。照射点である点Ｑ（Ｘ、Ｙ）の座標を測定し、そこから、測定面１７の各点における、ｘ方向やｙ方向の角度を計算し、ｘ方向・ｙ方向の幅データも用いて微小な高さを求める。その微小な高さを、目標地点まで足し合わせていって、その地点の高さ（凹凸）を得るようになっている。なお、測定面１７を移動させる代わりに、レーザー光源２１を移動させてもよい。
【００６８】
パーソナルコンピュータ等からなる中央制御部５２（高さ演算手段）から測定面移動用駆動系５３（またはレーザー光源の移動用駆動系）への信号すなわちステッピングモーターへの駆動信号と、その移動に同期して受光部３０のスクリーン（受光面３１）上のスポット位置を測定する時刻に関した信号（測定タイミング信号）を出し、任意の時刻ｔi（ただしｉ＝１、２、…、ｎ）における上記のＰT（ｘ、ｙ）iを記録する。
【００６９】
また、レーザー光源（例えばＨｅ−Ｎｅレーザーのような連続光源）２１からのレーザー光は、図１に示した測定光学系１１を通して測定面１７に常時照射され、その反射光が受光面３１にスポットとして常時照射されているので、中央制御部５２からの測定タイミング信号によって同じく時刻ｔiにおけるその位置Ｑ（Ｘ、Ｙ）iが測定され、記録される。すなわち、時刻ｔiにおける受光位置Ｑ（Ｘ、Ｙ）iが測定される。
【００７０】
これらの、時刻tiにおける位置情報としてのＰT（ｘ、ｙ）iと傾き情報としてのＱ（Ｘ、Ｙ）iの値とを用いて、すでに述べたようにしてΔｚ（換言すればΔｚxiとΔｚyi）を求め、さらに式（４）からそれらをある時間、すなわちある空間にわたって総和をとったｚを求める。
【００７１】
また、その計算の結果得られる、測定面上の位置Ｐにおける高さｚを、２次元マップとして表示する。
【００７２】
より具体的には、以下の通りである。すなわち、ステッピングモーター等の測定面移動用駆動系５３で停まる点はすでに述べたように、ｘ軸方向、ｙ軸方向の間隔がそれぞれΔｘ、Δｙの格子状であり、各格子点を「ポイント」と称する。
【００７３】
まず傾斜角θやずれ角α等の測定は、全ポイントを、個別に測ればよく、ステッピングモーターは任意の順序で動かせばよい。任意のポイントについて任意の順序でＸとＹとを測り、ポイントごとにθやαとを計算する。各ポイントの持つθとαは、各ポイントに対するＸ、Ｙの値のみで決まり、どのような順序で測定したとしても、すなわち、ステッピングモーターをどのように動かしたとしてもよい。
【００７４】
次いで、各ポイントについて中央制御部５２がz＝ΣΔzを計算する（特に断りのない限り、Σは総和を表すこととする）。このときにはステッピングモーターを実際に動かす必要はない。そして、各ポイントのzを計算するには、「原点から対象ポイント（今zを求めようとしているポイント）に至るのに通過する全ポイント（言い換えれば移動経路）」を、あらかじめ決めたなんらかのルールに従って決定し、それらについてΔz(i)をそれぞれ計算しておき、それらを足し合わせればよい。なお、「通過」、「移動」等と表現しているが、実際にステッピングモーターを動かすわけではなく、計算に使うポイントを順次選択するという意味である。
【００７５】
そして、ｘ方向のみ移動した場合はΔｚxのみを求める。ｙ方向のみ移動した場合はΔｚyのみを求める。両方向すなわち対角線方向に移動した場合はΔｚxとΔｚyを求める。それらを足し合わせてｚとする。なお、ｘ軸の負の方向に移動する場合は、Δｘ（＞０）を−Δｘに置き換えればよい。同様に、ｙ軸の負の方向に移動する場合は、Δｙ（＞０）を−Δｙに置き換えればよい。
【００７６】
例えば、各格子点が原点ＯGからｘ方向にａステップ、ｙ方向にｂステップ離れているとすると、ａ＝ｂである格子点については、対角線方向にａ回移動してΔｚxとΔｚyを求めればよい。ａ＞ｂである格子点については、対角線方向にｂ回移動してΔｚxとΔｚyを求め、ｘ方向に（ａ−ｂ）回移動してΔｚxのみを求めればよい。ａ＜ｂである格子点については、対角線方向にａ回移動してΔｚxとΔｚyを求め、ｙ方向に（ｂ−ａ）回移動してΔｚyのみを求めればよい。あるいは、ａとｂの大小関係にかかわりなく、まずｘ方向にａ回移動してΔｚxのみを求め、次いでｙ方向にｂ回移動してΔｚyのみを求めるというようにしてもよい。
【００７７】
〔３．実験結果〕
２．の原理、方法を検証するために、図１１に示すような、理論的に既知の半径Ｒ＝２０００ｍｍの円筒状凹面４８に対して、本発明に従った測定を行える光学設計ソフトウエア（「Ｚｅｍａｘ」）によるシミュレーション実験を行った。２．の式（４）に基づく、「Ｚｅｍａｘ」によるシミュレーションの結果得られたzをＺSとする。また、上記Ｒの値や円筒形状に基づいて数学的な理論計算によって求めたzをＺFとする。求めたＺSとＺFとを図１２に示す。図中には、垂直に照射したレーザー光のｘ軸方向位置Δｘと、その反射光が受光面（観測面）３１を照射する位置Ｑと受光面３１上の原点ＯSとの距離ｑも併せて示している。Δｘは０．１ｍｍ刻み、ｑは３０μｍ刻みである。図に示す結果より、ＺSとＺFとは有効数字４桁でほとんど一致しており、本方法が有効であることがわかった。
【００７８】
さらに、これらの結果は、受光面３１での移動量（この場合は３０μｍ）に対する凹凸の変位量（この場合は数ｎｍ〜数１００ｎｍ）を正確に測定できることを示している。すなわち、次節で検討している測定の超解像度性が検証できる。
【００７９】
〔４．検討〕
〔４．１  測定の超高解像度性〕
前述のｑの測定解像度を（ｑ）resとし、Δｐの測定解像度を（Δｐ）resとすると、本方法の測定分解能（Δｚ）resは、式（２’）から明らかなように、（ｑ）resと２Ｄとの比、および（Δｐ）resの積で、次式によって与えられる。すなわち、
（Δｚ）res＝（（ｑ）res／２Ｄ）・（Δｐ）res    ・・・（５）
である。
【００８０】
４．４に述べるように、測定可能な傾きは受光面の大きさによって決まるので、この面はできるだけ大きくしたほうがよいが、現実的に高解像度の大きな面は高価となる。そこで、縮小光学系でＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ上への結像を考える。縮小していない辺の長さをＬ１とし、縮小している辺の長さをＬ２とする。その場合の解像度は４．４の（８）式で与えられ、たとえばＣＣＤカメラの実用的な解像度ｄres＝５μｍ、すなわち（ｑ）res＝５μｍのＣＣＤカメラ、Ｌ１／Ｌ２＝２０の縮小光学系を用いたとしても、（ｑ）res＝１００μｍが可能である。また、測定面移動、またはレーザー光源移動用として最小移動距離５μｍのステッピングモーターによる移動を考えたとしても、Δｐ＝５μｍとなるので、Ｄ＝３００ｍｍとすれば、（Δｚ）res＝１．７ｎｍが可能である。このように、本方法では超高解像度の表面凹凸測定が可能となる。
【００８１】
〔４．２  測定誤差〕
本方法は上記のように超解像度の計測が可能であるが、これはΔｚを計算する式（２）中のｑやΔｐに測定誤差のない、理想的な場合である。それぞれに測定誤差εｑ、εΔｐが生じれば、Δｚには次式で与えられる誤差εΔｚが生じる。すなわち、
Δｚ＋εΔｚ＝｛（ｑ＋εｑ）／２Ｄ｝・（Δｐ＋εΔｐ）
である。ここで、
Δｚ＝（ｑ／２Ｄ）・Δｐ
であり、また、
εｑ・εΔｐ≒０
とすれば、
εΔｚ／Δｚ＝εΔｐ／Δｐ＋εｑ／ｑ      ・・・（６）
である。
【００８２】
このように、εΔｚはεｑ、εΔｐ等が大きいほど大きくなるので、これらを小さくしなければならない。εΔｐは主にステッピングモーターの駆動位置誤差である。また、εｑは受光面でのスポット位置の読み取り誤差で、その誤差要因として考えられる主たるものは、
（１）測定光学系の振動による誤差
（２）レーザー光に特有なスペックル誤差
（３）縮小光学系における集光レンズの球面収差
である。（１）に関しては、光学系の各素子間の振動は言うに及ばず、測定物体とその光学系間の振動を極力抑える必要がある。光学系と被測定物体間の振動は測定を防振台の上で行うなどの対策が必要である。また、（２）に関しては、最も簡便な方法は、位置測定データを平均化することである。たとえば、スペックルは物体照射面が１μｍ程度の微小変化に対しても大きく変化するので、それらの平均化によってかなり正確な測定が可能となる。このとき測定誤差εｑは、ｎ回の平均化によってｎ-1/2倍だけ軽減できる（非特許文献５参照）。もちろん、この場合には、ｎ・（Δｐ）resの微小変化に対しての平均的な測定となる。すなわち、測定値自身の誤差は小さくなるが、式（５）からわかるように、測定領域に関する解像度（△ｐ）resが大きく（悪く）なるので、高さに関する解像度（△ｚ）resが大きく（悪く）なる。
【００８３】
〔４．３  リアルタイム性〕
測定周波数は、ステッピングモーターの１ステップの送り時間（その周期をＴsとする）と、データの平均化回数ｎやデータの取得、処理時間に依存する。データ取得、処理時間は受光面上でのスポット位置の読み取り時間と、主にはそのデータ処理用のＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバーターの処理時間に依存するが、これは現在のＡ／Ｄコンバーターの処理時間を考えれば無視し得るものである。したがって、本システムのリアルタイム性、換言すれば測定周波数ｆMは、ステッピングモーターの送り速度と、１ステップの送りで１個のデータが得られるのでその平均化回数ｎとに依存する。したがって、測定周波数ｆMは、測定周期がＴM＝ｎＴsとなるのでｆM＝１／ＴM＝１／（ｎＴs）となる。たとえば、Ｔs＝１ｍｓ、ｎ＝１０とすると、ｆM＝１００Ｈｚとなる。このときの測定面上のスキャン速度Ｖは、ステッピングモーターの１ステップの送り距離をΔｐとすれば、Ｖ＝Δｐ／Ｔsとなり、たとえばΔｐ＝５μｍ、Ｔs＝１ｍｓとすればＶ＝５ｍｍ／ｓとなる。この速度はほとんど滑らかなフラットパネルの凹凸測定には十分実用的であると考えられる。
【００８４】
また、５．の円筒状凹面や球面状凹面のような多少の凹凸の考えられる凹面に対しては、スキャン速度ＶＲは、反射鏡の１ステップの微小回転時間をＴs、微小回転角度を△θ、および反射鏡の回転中心から測定面までの距離をＤZとすれば、ＶＲ＝（Δθ／Ｔs）ＤZとなる。たとえば、反射鏡にガルバノメーターを用いれば、その角度解像度を０．０１°＝１．７４×１０-4、１ステップの送り時間を１０-3ｓ、ＤZ＝１００ｍｍとすれば、角速度ω（＝Δθ／Ｔs）は１０°／ｓとなり、測定面上のスキャン速度ＶＲは１７．４ｍｍ／ｓとなる。
【００８５】
〔４．４  測定可能な表面凹凸状態（傾き）〕
本方法は、２．で述べているように、測定面からの反射光が必ず受光面内に到達することが不可欠で、この凹凸が急激に変化するような場合には受光面から外れて測定不可能になる。本発明で対象としているような応用に際しては、測定表面がかなりフラットで、その凹凸の傾きが比較的緩やかであるので、この問題はそれほど大きな問題ではない。しかし、５．以降のその他への応用に際しては問題となりうるので、測定可能な表面凹凸状態（傾き）に対して検討する。
【００８６】
図７に示すように、受光面の大きさをＸ軸方向にａ、Ｙ軸方向にｂとすれば、簡単な考察から、ψの最大値ψmax、ψxの最大値ψxmax、ψyの最大値ψymaxは次式となる。すなわち、
ψmax＝tan-1｛（ａ2＋ｂ2）1/2／２Ｄ｝                 ・・・（７−１）
ψxmax＝tan-1（ａ／２Ｄ）                            ・・・（７−２）
ψymax＝tan-1（ｂ／２Ｄ）                            ・・・（７−３）
である。
【００８７】
この図では簡単のため、受光面への到達位置に関しては全く同じなので、図１の反射鏡２５とハーフミラー２３は取り除いて物体の測定面からの反射光をそのまま反射させている。たとえば、受光面に直接、ａ＝ｂ＝１０ｍｍのＣＣＤカメラを用い、Ｄ＝３００ｍｍとすると、測定面上の測定可能な最大傾きは、
ψxmax＝ψymax＝tan-1（１／６０）＝０．９５°
とかなり小さくなる。
【００８８】
これだけ小さな最大傾きでは、本発明で対象とするようなほとんど平面的な液晶フラットパネルに対しても問題となりうる。これを解決するために、図８のような縮小光学系の利用を考える。すなわち、受光面３３として、たとえば大きな寸法Ａ×Ｂのスクリーンのようなものを考え、そこに投射されたレーザースポットを、集光レンズ３４などを用いた縮小光学系（縮小倍率Ｍ＝ａ／Ａ）によって、高解像度の大きさａ×ｂのＣＣＤカメラ３５上に結像する。なお、ここでは、Ｍ≪１とする。この場合には、たとえば大きさａ×ｂ＝１０ｍｍ×１０ｍｍのＣＣＤカメラであっても、Ｍ＝１／２０程度の縮小光学系を用いれば、Ａ×Ｂ＝２００ｍｍ×２００ｍｍの受光面寸法となるので、Ｄ＝３００ｍｍとすれば、
ψxmax＝ψymax＝tan-1（１／３）
のように、比較的大きな傾きまでを測定することができる。ただし、一方でこの場合、式（５）の受光面解像度（ｑ）resは縮小倍率倍だけ落ちて（これを（ｑ）’resとする）、
（ｑ）’res＝ｄres・（１／Ｍ）                        ・・・（８）
となる。
【００８９】
〔４．５  大きな傾きの凹凸面への適用〕
４．４で述べたように、本方法は基本的に小さな傾きの凹凸面に適用されるものであるが、以下のようなシステムを考えることによって、大きな傾きの凹凸面へも適用可能である。
【００９０】
これは、図９に示すように、図１の測定光学系１１中に用いられている反射鏡２５に回転可能な機構（たとえば、ガルバノミラーやポリゴンミラー）を導入した反射鏡４５を用いる。これは、測定面１７をｘｙ平面内で移動させた結果反射レーザー光が受光面の原点ＯSを大きく外れるときには、反射鏡４５を適当に回転させて、この反射鏡４５からの反射光が常にＯSを照射するように、すなわちこの反射鏡４５からのレーザー光が常に元のレーザー光の方向（この場合は水平）に反射されるようにする、という考え方に基づくものである。そこで、図１の構成とは異なり測定面１７と測定光学系４１との相対位置は変えずに、測定面１７上の各点についてレーザー光が当たるように反射鏡４５をその都度調節すればその光は必ず常にＯSを照射するので、前述の各格子点のようにｘ座標・ｙ座標が既知である各点にレーザー光が当たるように反射鏡４５を回転させて、そのときの反射鏡４５の回転角度を測定すればよい。このとき反射鏡４５の回転角度が元の角度からφであったとすれば、簡単な反射の法則から、これは測定面の傾きθを表すことになる。したがって、このφを上記の式（１）〜（８）に適用すれば、これまでの結果はすべて成立する。
【００９１】
すなわち、点Ｑが原点ＯSに一致するように、反射鏡４５を、反射鏡４５における光の入射直線と反射直線とを含む平面（図９中、紙面）内で角φだけ回転させるとともに、原点ＯGから反射鏡４５への光の入射直線、つまりｚ軸を軸として角αだけ回転させる。そして、
θ＝φ
からθを求めればよい。
【００９２】
また、上述のように前述の各格子点のようにｘ座標・ｙ座標が既知である各点にレーザー光が当たるようにするときに必要な、ｚ軸の周りの反射鏡４５の回転角が、前述のαと同じものとなる。反射鏡４５をｚ軸の周りに角αだけ回転させるには、例えば、反射鏡４５全体を別の支持体（図示せず）（Ａとする）で支持し、その支持体Ａが、別の支持体（図示せず）（Ｂとする）によって、ｚ軸の周りに回転可能なように支持される構成とすればよい。この支持体Ａは、反射鏡４５の上記角φの回転を妨げないように、かつ、光の入射・反射を妨げないようにする必要があるので、例えば、反射鏡４５の角φの回転軸を支持するようにすればよい。
【００９３】
この場合のシステムとしては、上記の受光面での照射位置を読み取る代わりに、この反射鏡の回転角度をそのまま表面の傾きとするようなシステムに変更すればよい。
【００９４】
〔４．６  照射光ビーム径〕
照射光ビーム径（φBとする）内の領域からの反射光によって受光面上の位置情報が得られることから、結局、傾きの情報は、この領域の平均値から得られるということができる。
【００９５】
すなわち、物体表面が局所的にφB程度か、またはそれよりも細かく凹凸変化していればその情報を詳細に得ることが不可能となるが、一方では、それを覆う程度に大きな領域の平均的な傾きとして求めることができる利点がある。さらに、平均化の処理に際しては１個のデータはある特定の位置での情報であるが、ｎ回平均とすればそれらの全領域の平均的な傾きとなる。ただ、一般的には、φBよりもはるかに緩やかな凹凸の鏡面に近い液晶フラットパネル面を対象とする場合は、このφBの大きさは大きな問題ではないと考えられる。
【００９６】
また、本システムでは、レーザー光源として安定性が良く、発散角度の小さいＨｅ−Ｎｅレーザー光源（波長６３２．８ｎｍ）を用いるとともに、開口０．５ｍｍφ程度のアパーチャーを利用するのがよい。
【００９７】
〔５．円筒状凹面や球状凹面への応用〕
以上の検討結果は、平面への応用を対象としたが、本方法は、以下に述べるように反射鏡をポリゴンミラーやガルバノミラーを用いて１次元、または２次元的に回転することによって、円筒状凹面や球状凹面へも適用できる。これらは、超高精度の凹面精度測定が不可欠な各種台座に有効である。
【００９８】
〔５．１  円筒状凹面への応用〕
図１０は、反射鏡の回転による本方法の、試料としての円筒体４６の測定面（照射面）である円筒状凹面４７への応用を示している。同図に示すように、図１の反射鏡２５をｘ−ｚ面内でφだけ回転させる（１次元的な回転）と、レーザー光は、回転中心ＯMを中心とした半径ＤZの円周線上を照射する。すなわち、この場合には、反射光は、測定面が平面のときと全く同じように、受光面３１上のＯSに集光される。したがって、２．および４．の結果が適用できる。すなわち、４．５で述べたのと同様に、この場合は、測定面または測定光学系４１の移動および受光面の照射位置測定の代わりに、円筒体４６の円筒状凹面４７の照射位置が前述の各格子点等のように位置が既知の点になるように反射鏡４５を回転させ、照射位置が常に受光面の原点ＯSになるようにする。そして、反射鏡４５の回転角度を測定すれば、各位置での凹面円周上の凹凸を求めることができる。すなわち、表面上の凹凸による傾きが検出され、それに基づき高さ差の総和から凹凸量が求められる。
【００９９】
すなわち、図９の場合同様、点Ｑが原点ＯSに一致するように、反射鏡４５を、反射鏡４５における光の入射直線と反射直線とを含む平面（図９中、紙面）内で角φだけ回転させるとともに、原点ＯGから反射鏡への光の入射直線、つまりｚ軸を軸として角αだけ回転させる。そして、
θ＝φ
からθを求めればよい。なお、支持体については前述の通りであるので説明を省略する。
【０１００】
〔５．２  球状凹面への応用〕
反射鏡の回転を、ｘ−ｚ面だけでなく、ｙ−ｚ面内でも回転して（２次元的な回転）、レーザー光の照射方向をｘ、ｙ両方向に変化させれば、照射レーザー光の焦点位置は回転中心を中心とした球面となるので、その球面上の凹凸状態を、５．１と全く同じように検査できる。
【０１０１】
〔６．より大きな傾斜を持った測定面への対応〕
測定表面の傾斜が大きいときにはそこからの反射光が受光面を大きく外れることがあり、図１での点Ｑが受光面外となり測定不可能となる。その対策として、前述の４．４では、図８のような縮小光学系を考えたが、この方法では測定面と最終受光面間に大きな受光面が不可欠である。
【０１０２】
ここでは、さらに大きな傾きの測定面に対応し得、かつより簡潔な方法を述べる。
【０１０３】
図１において、図１３に示すように、ハーフミラー２３と受光面３１との間に凸（集光）レンズ２６を置く。凸レンズ２６の中心を通る光軸は、直線ＯHＯSと一致する。
【０１０４】
なお、話を簡単にするため、以下の説明は、ハーフミラー２３と反射鏡２５とを無いものと仮定する。そうすると、往路は図１４のようになり、復路は図１５のようになる。凸レンズ２６の中心を通り光軸に平行な直線をＬとする。
【０１０５】
図１４に示すように、レーザー光源２１からの照射光は、そのまま直進して、傾きθを持った測定面１７に到達する。
【０１０６】
図１５に示すように、測定面１７からの反射光は、光軸に対しψだけ傾斜する。なお、前述の通り、ψ＝２θである。
【０１０７】
凸レンズ２６上で反射光が通る点をＫとする。点Ｋと直線Ｌとの距離をｋとする。反射光は、点Ｋを通り、後述の受光面３１を置かないと仮定した場合は直線Ｌ上の点Ｎ（結像位置）に到達する。
【０１０８】
凸レンズ２６の焦点距離をｆとする。測定面１７と凸レンズ２６との距離をａとし、凸レンズ２６と点Ｎとの距離をｂとする。したがって、結像公式から
１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ
である。例えば、ｆ＝５０ｍｍ、ａ＝７０ｍｍ、ｂ＝１７５ｍｍである。
【０１０９】
凸レンズ２６と点Ｎ（結像位置）との間に受光面３１を置く。受光面３１と点Ｎとの距離をｃとする。受光面３１上で上記反射光が達する点を、図１の場合と同様にＱとする。点Ｑと直線Ｌとの距離をｑとする。なお、図１３中、Ｑ’は、凸レンズ２６を置かない図１の場合の到達点である。同じく、Ｈ’は図１の場合のＨである。
【０１１０】
このとき、簡単な幾何学的計算により
ｋ／ｑ＝ｂ／ｃ      （９）
ｋ／ａ＝tanψ       （１０）
となる。そのため、ｑを測定して、ψを求めれば、ψ＝２θよりθを求めることができる。これが本方法の測定原理である。
【０１１１】
ｋが凸レンズ２６の有効半径（Ａとする）に等しいとき、ψは最大になる（ψmaxとする）。同じくｑも最大になる（ｑmaxとする）。したがって、ｋ＝Ａのとき、式（９）（１０）はそれぞれ
Ａ／ｑmax＝ｂ／ｃ      （１１）
Ａ／ａ＝tanψmax       （１２）
となる。
【０１１２】
ψが最大のときθも最大値となる（θmaxとする）。したがって
ψmax＝２θmax
である。θmaxは、測定可能な、測定面１７の最大傾き角度である。
【０１１３】
ｋ＝Ａ＝５０ｍｍ、ｂ＝１７５ｍｍ、ｃ＝２０ｍｍとすると、式（１１）よりｑmaxは５．７ｍｍとなる。これは通常のＣＣＤ寸法程度の値である。
【０１１４】
また、ｋ＝Ａ＝５０ｍｍ、ａ＝７０ｍｍとすると、式（１２）よりψ＝ψmax＝３５．６°となり、よってθはθ＝θmax＝１７．８°と、実用上十分大きな値になる。すなわち、凸レンズ２６の有効半径Ａが適度に大きければ、θmaxは十分大きな値となる。
【０１１５】
このように、往路と復路とで同じ凸レンズ２６を光が通るようにし、諸定数を適宜設定すれば、測定面１７の傾きが大きくても、受光面３１の大きさをあまり大きくしなくても済む。すなわち、本方法を用いれば、大きな傾斜角度を持つ測定面であっても、通常入手可能な光学系で極めて簡便に測定できる。
【０１１６】
〔７．センサーの誤差の影響への対応〕
スキャン系のたわみ等によるセンサー自身の傾きによる誤差の影響について検討した。
【０１１７】
測定台は重いことが多いため、これを移動させるのではなく、これは固定し、測定光学系（センサーヘッド）のほうを移動させることが考えられる。本発明は大きな面積の表面凹凸をｎｍ精度で測定するものであるが、これを実現するために、以下の構成では、たとえばセンサーヘッド自身の自重によるスキャン時の誤差の影響等を正確に測定することができるようにしている。
【０１１８】
図１６は、センサーヘッドの自重による傾きを測定する光学系を示す。なお、図１の構成と同じ部材は同じ部材番号を付して説明を省略する。点線内の測定光学系６１（第１光学系）はスキャン系のセンサーヘッドで、これは自重によってある程度傾く可能性がある。測定光学系６１はその内部に、反射鏡６２、ハーフミラー（半透鏡、ビームスプリッタ）６３、受光面６５を備えている。
【０１１９】
反射鏡６４（第２光学系、補正用光反射部）は、センサーヘッドとは独立に固定した反射鏡である。すなわち、センサーヘッドが移動しても、反射鏡６４は静止したままである。
【０１２０】
レーザー光源２１を出た光は、これまでの説明と同様に、ハーフミラー２３を透過し、反射鏡２５で反射し、点Ｖ１にて測定光学系６１を出射し、試料の測定面１７で反射し、反射鏡２５で反射し、ハーフミラー２３で反射し、受光面３１に到達するようになっている。これらの部材により第１部分系が構成されている。
【０１２１】
また、同じくレーザー光源２１を出た光は、前述の経路とは別に、ハーフミラー２３で反射し、反射鏡６２で反射し、ハーフミラー６３を透過し、点Ｖ２にて測定光学系６１を出射し、反射鏡６４で反射し、ハーフミラー６３で反射し、受光面６５に到達するようになっている。ハーフミラー２３、反射鏡６２、ハーフミラー６３により第２部分系が構成され、ハーフミラー６３により第３部分系が構成されている。ΣΔＳは点Ｖ２と反射鏡６４との距離である。
【０１２２】
受光面３１、受光面６５はいずれもＣＣＤを用いたもので、受光面３１は試料表面（測定面１７）の傾きを測定するためのものであり、受光面６５はセンサーヘッド自身の傾きを測定するためのものである。これを実現するためには、図中のハーフミラー６３の反射と透過との比率は、ハーフミラー２３では１：１であるのに対して、９：１程度のものが良い。これにより、反射鏡６４からの反射光の大半をこのハーフミラー６３で反射して受光面６５に向かわせ、受光面３１にはほとんど向かわないようにし、その結果、反射鏡６４からの反射光の大半は受光面６５に、試料表面からの反射光の大半は受光面３１に受光されるようにしている。
【０１２３】
さて、センサーヘッド自身が傾いた場合には、その角度と同じ角度だけセンサーヘッドとは独立に固定された反射鏡６４や試料表面が傾いたことと等価となり、このことは、図１７や図１８のように表すことができる。すなわち、センサーヘッド自身がωだけ傾いた場合、そこでの反射光が受光面６５上でＴだけ移動したとすれば（図１８参照）、
tan２ω＝Ｔ／（Ｌ＋ΣΔＳ）
したがって
ω＝tan-1（Ｔ／（Ｌ＋ΣΔＳ））／２        ・・・（１３）
（ただし、Ｌ＝ＬZ＋Ｌs）
ここに、ＬZ、ＬS、ΣΔＳはそれぞれ図１６に示す距離である。Ｌ＝ＬZ＋ＬSはセンサーに固定の一定距離であるが、ΣΔＳはスキャンとともに変化する距離である。
【０１２４】
このセンサー自身の傾きによる受光面３１上の反射光位置ずれΔｑは、試料面から受光面３１までの光路長をＤとすれば、図１９を参照して、
Δｑ＝Ｄtan２ω                              ・・・・・（１４）
となる。すなわち、受光面３１上でのスポット位置の、受光面３１の原点からの位置ずれ量ｑ’は、試料の測定面１７自身の凹凸による傾きθによる位置ずれ量ｑに（１４）式の位置ずれΔｑが加算、または減算されて、
ｑ’＝ｑ±Δｑ＝Ｄ・（tan２θ±tan２ω）      ・・・・・（１５）
となる。式中の±は、センサーヘッド、したがってレーザー光が下向きに傾いた場合にはその測定面が逆に上向きになったのと同じ効果となる（図１７参照）ように座標の向きを決めればよい。
【０１２５】
最後に、図２０に示すように、センサー自身が傾きωを有したときの試料面の測定位置（図中、Ｂ）は、傾きがない場合（図中、Ａ）に比較して、次式で表されるΔＵだけずれている。すなわち、
ΔＵ＝±ＤZ・tanω                            ・・・・・（１６）
である。すなわち、予定位置からΔＵだけ異なった位置を測定していることになる。式中の±は、レーザー光が前方下向きの場合には進行方向に対して真下より後方を照射することになるので、「−」となり、レーザー光が前方上向きの場合には進行方向に対して真下より前方を照射することになるので、「＋」となる（図２０参照）。なお、センサーヘッドの進行方向を正の方向とする。
【０１２６】
このようにして、受光面６５からの座標情報からＴを算出してそれによりωを算出し、それによりΔｑとΔＵを求める。そして試料の凹凸を測定し、測定値を用いた計算時に受光面３１上の座標情報をΔｑで補正するとともに、測定位置の情報をΔＵで補正すればよい。したがって、この補正用受光面上のずれの情報を用いて、第１光学系の傾きによる誤差を補正することが可能になる。
【０１２７】
例えば、センサーヘッドがｘ方向正の向きに進行し、レーザー光が前方上向きに傾斜した場合には、傾斜していない場合の測定面１７上の測定点の座標を（ｘ、ｙ）とすると、今測定したのは点（ｘ、ｙ）ではなく点（ｘ＋ΔＵ、ｙ）に対するデータである、と考えることができる。そして、そのときに実際に受光面で測定された座標を（Ｘ’、Ｙ’）とすると、センサーヘッドの傾斜の影響を取り除いた値、すなわち試料の測定面１７自身の凹凸による傾きθによる位置ずれのみを反映した値Ｘ、Ｙは
Ｘ＝Ｘ’・ｑ／ｑ’
Ｙ＝Ｙ’・ｑ／ｑ’
となる。ただし、
ｑ’＝（Ｘ’2＋Ｙ’2）1/2
である。また、ｑとｑ’との関係は上記式（１５）の通りである。
【０１２８】
〔８．「２光束レーザー法」との併用による測定範囲の拡大〕
図２１に示す構成は、本測定光学系に、非特許文献２の構成を追加したものである。
【０１２９】
すなわち、本測定法のｎｍオーダー測定と、２光束法のμｍオーダーの測定の両測定を可能にした広範囲の測定システムである。同図に示すように、試料面からの反射光の一部は受光面３１に用いられ、他の一部は２光束法用に用いられる。レーザー光源２１を出射して反射鏡２５で反射した光は、試料の測定面１７に入射する前に、２光束法の測定部７２にも入射するようになっている。
【０１３０】
測定部７２には、二つのフォトダイオード（受光素子）ＰＤ１・ＰＤ２（受光部）、ピンホールＡ１・Ａ２、対物レンズ７５、接眼レンズ７６、およびハーフミラー（半透鏡、ビームスプリッタ）７３（第１分岐部）・７４（第２分岐部）が設けられている。
【０１３１】
接眼レンズ７６、ピンホールＡ１およびピンホールＡ２は、測定面１７からの反射光の変化に応じてフォトダイオードＰＤ１・ＰＤ２に入射する光量を変化させる光量変化手段として機能する。
【０１３２】
レーザー光源２１を出射して反射鏡２５で反射した光は、ハーフミラー７３、対物レンズ７５を順に通過して、物体の測定面１７へと入射する。ここで、対物レンズ７５から測定面１７までの距離が対物レンズ７５の焦点距離に近い状態となるように、試料が配置される。
【０１３３】
測定面１７から反射した光は、対物レンズ７５を通過し、その一部はハーフミラー７３にて反射され、接眼レンズ７６に入射する。接眼レンズ７６を通過した光は、ハーフミラー７４によって、フォトダイオードＰＤ１に向かう光束とフォトダイオードＰＤ２に向かう光束との２光束に分けられる。
【０１３４】
ハーフミラー７４を通過する光束は、接眼レンズ７６の焦点距離よりも離れた位置に配置されたピンホールＡ１を介して、フォトダイオードＰＤ１に入射する。
【０１３５】
ハーフミラー７４にて反射された光束は、接眼レンズ７６の焦点距離よりも近い位置に配置されたピンホールＡ２を介して、フォトダイオードＰＤ２に入射する。
【０１３６】
非特許文献２の構成同様、上記２つの受光部（ＰＤ１・ＰＤ２）の少なくとも一方の受光光量の変化を測定することで、測定面の凹凸の情報を得ることができる。
【０１３７】
〔９．干渉計との併用による微細凹凸変化の測定〕
図２２に示す構成は、本測定光学系に、公知のマイケルソンの干渉計を追加したものである。これは、測定領域の平均的な凹凸と（これは本測定系によって可能）その領域内の局所的な凹凸（これは干渉計によって可能）の両者を測定できるものである。
【０１３８】
レーザー光源２１を出射して反射鏡２５で反射した光の一部は、ハーフミラー９１（第３分岐部）を透過し、測定面１７で反射される。その光の一部は前述のように反射鏡２５へと到達するが、他の一部は、ハーフミラー９１で反射し、レンズ９３を通過してスクリーン９４に到達する。また、同じくレーザー光源２１を出射して反射鏡２５で反射した光の他の一部は、ハーフミラー９１で反射し、反射鏡９２（反射部）で反射され、ハーフミラー９１を通過し、レンズ９３を通過してスクリーン９４に到達する。
【０１３９】
すなわち、ハーフミラー９１は、上記光を上記試料の測定面１７に到達させるとともに、他の一部を別の第１経路（ハーフミラー９１と反射鏡９２との間）に導き、また、上記光が上記試料の測定面１７に当たって反射した光の一部を上記受光面３１に到達させるとともに、他の一部を上記第１経路とは別の第２経路（ハーフミラー９１とスクリーン９４との間）に導くようになっている。また、反射鏡９２は、ハーフミラー９１からの上記第１経路の光を反射させてハーフミラー９１を透過させて上記第２経路に導くようになっている。
【０１４０】
例えば、図２３に示すように、測定面１７が局所的に微小な角度δだけ傾いていたとすると、傾斜した測定面１７と測定基準面１８からの反射光はそれぞれα、βのように反射点に高低差が生じる。測定面１７と測定基準面１８とが一致する点をＡとし、測定面１７における上記光の反射点をＢとし、ＡＢの長さをａとすると高低差はδａとなるので、、それらの光の間には２δａだけの光路差が生じる。そして、それらが干渉すると、マイケルソンの干渉計の原理に基づき、スクリーン９４上の
２δａ＝ｍλ            ・・・・・・（１７）
（ｍは整数）を満たす場所で、強めあいの干渉が生じて明るい縞となる。すなわち、
２δａ＝λ
を満たす高さ変化毎に明るい縞が生じる。周知のように、この縞の形状、間隔、方向等から、照射領域の凹凸状態が測定できる。
【０１４１】
なお、上記実施形態の表面測定装置、特に高さ演算手段の各部や各処理ステップは、ＣＰＵ（中央制御部）などの演算手段が、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶手段に記憶されたプログラムを実行し、キーボードなどの入力手段、ディスプレイなどの出力手段、あるいは、インターフェース回路などの通信手段を制御することにより実現することができる。したがって、これらの手段を有するコンピュータが、上記プログラムを記録した記録媒体を読み取り、当該プログラムを実行するだけで、本実施形態の表面測定装置、特に高さ演算手段の各種機能および各種処理を実現することができる。また、上記プログラムをリムーバブルな記録媒体に記録することにより、任意のコンピュータ上で上記の各種機能および各種処理を実現することができる。
【０１４２】
この記録媒体としては、マイクロコンピュータで処理を行うために図示しないメモリ、例えばＲＯＭのようなものがプログラムメディアであっても良いし、また、図示していないが外部記憶装置としてプログラム読取り装置が設けられ、そこに記録媒体を挿入することにより読取り可能なプログラムメディアであっても良い。
【０１４３】
また、何れの場合でも、格納されているプログラムは、マイクロプロセッサがアクセスして実行される構成であることが好ましい。さらに、プログラムを読み出し、読み出されたプログラムは、マイクロコンピュータのプログラム記憶エリアにダウンロードされて、そのプログラムが実行される方式であることが好ましい。なお、このダウンロード用のプログラムは予め本体装置に格納されているものとする。
【０１４４】
また、上記プログラムメディアとしては、本体と分離可能に構成される記録媒体であり、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ等のディスクのディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、フラッシュＲＯＭ等による半導体メモリを含めた固定的にプログラムを担持する記録媒体等がある。
【０１４５】
また、インターネットを含む通信ネットワークを接続可能なシステム構成であれば、通信ネットワークからプログラムをダウンロードするように流動的にプログラムを担持する記録媒体であることが好ましい。
【０１４６】
さらに、このように通信ネットワークからプログラムをダウンロードする場合には、そのダウンロード用のプログラムは予め本体装置に格納しておくか、あるいは別な記録媒体からインストールされるものであることが好ましい。
【０１４７】
〔１０．おわりに〕
プラズマディスプレイフラットパネルや液晶ディスプレイ等のフラットパネルの高平面磨き工程で不可欠な超高解像度、換言すれば超高精度の平面度測定法を開発した。具体的には、測定面からの反射レーザー光の照射スポット位置測定から傾きの情報を、そしてステッピングモーターの位置、および微小移動距離から、任意の位置での微小な高さ変化を計算し、さらにある基準点からのそれらの総和をとることによって任意位置での高さそのものを求めるシステムの原理と方法、さらにはその実用的な装置について述べ、加えてこのシステムの解像度、誤差、リアルタイム性、測定限界等について検討した。結論として、以下のことがわかった。
（１）本測定システムは、レーザー光源、反射鏡、ハーフミラー、ＣＣＤカメラ等の平面的な受光器から成る光学系と、測定面を移動してスキャンする装置、並びにそのスキャン位置での傾きと移動距離の積（微小な高さ）を逐次加算し、それらの結果を表示する情報処理系から成る極めて単純なシステムである。
（２）システムの理論的な平面度測定解像度は数ｎｍで、これは液晶プラズマディスプレイ用フラットパネル製造に将来必ず必要となる表面研磨工程に有用な技術である。
（３）システムの測定周波数は１００Ｈｚと、上記の研磨工程に十分絶え得るものである。
（４）本方法は、反射鏡を１次元的に、回転する機構と回転面に垂直に平行移動することによって、円筒状凹面、さらには２次元的に回転する機構によって球状凹面体にも適用できる。
【０１４８】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
フラットディスプレイパネル等のような用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明に係る表面測定装置の測定光学系の一構成例を示す図である。
【図２】試料の測定面での光の反射の様子を示す図である。
【図３】測定面での光の入射位置を示す図である。
【図４】受光面での光の入射位置を示す図である。
【図５】測定面を示す図である。
【図６】本発明に係る表面測定装置の一構成例を示す図である。
【図７】受光面の構成例を示す図である。
【図８】受光部の構成例を示す図である。
【図９】本発明に係る表面測定装置の測定光学系の一構成例を示す図である。
【図１０】本発明に係る表面測定装置の測定光学系の一構成例を示す図である。
【図１１】本発明に係るシミュレーション実験の様子を示す図である。
【図１２】図１１のシミュレーション実験の結果を示す図である。
【図１３】本発明に係る表面測定装置の測定光学系の一構成例を示す図である。
【図１４】照射光の経路を示す図である。
【図１５】反射光の経路を示す図である。
【図１６】本発明に係る表面測定装置の測定光学系の一構成例を示す図である。
【図１７】測定光学系が傾斜した場合の構成を示す図である。
【図１８】測定光学系が傾斜した場合の光の入射位置の変化を示す図である。
【図１９】測定光学系が傾斜した場合の光の入射位置の変化を示す図である。
【図２０】測定光学系が傾斜した場合の光の入射位置の変化を示す図である。
【図２１】本発明に係る表面測定装置の測定光学系の一構成例を示す図である。
【図２２】本発明に係る表面測定装置の測定光学系の一構成例を示す図である。
【図２３】試料の測定面の傾斜と光路差との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１０    表面測定装置
１１    測定光学系
１６    パネル（試料）
１７    測定面
１８    測定基準面
２１    レーザー光源
２２    アパーチャー
２３    ハーフミラー
２５    反射鏡
２６    凸レンズ
３０    受光部
３１    受光面
３３    受光面
３４    集光レンズ
３５    ＣＣＤカメラ
４１    測定光学系
４５    反射鏡
４６    円筒体（試料）
４７    円筒状凹面（測定面）
４８    円筒状凹面（測定面）
５２    中央制御部（高さ演算手段）
５３    測定面移動用駆動系
５６    受光位置測定系
６１    測定光学系（第１光学系）
６２    反射鏡
６３    ハーフミラー
６４    反射鏡（第２光学系、補正用光反射部）
６５    受光面
７２    測定部
７３    ハーフミラー（第１分岐部）
７４    ハーフミラー（第２分岐部）
７５    対物レンズ
７６    接眼レンズ
９１    ハーフミラー（第３分岐部）
９２    反射鏡（反射部）
９３    レンズ
９４    スクリーン
Ａ１、Ａ２    ピンホール
ＰＤ１、ＰＤ２    フォトダイオード（受光部）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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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１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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