(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査物に発散光を照射する光源と、
前記被検査物の背面側に配置された凹面鏡と、
前記凹面鏡によって反射された光を透過させて回折光を形成する回折格子と、
前記回折光により形成される干渉縞を撮像する撮像部と、
前記干渉縞の撮像データに基づいて所定の演算を行う演算処理部と、を備え、
前記凹面鏡を反射して前記被検査物を透過した前記収束光に基づいて前記撮像部上に前記被検査物の像を共役結像させる、前記凹面鏡と前記撮像部との間に配されたレンズを有し、
前記撮像部は、前記回折光がトールボット像を形成する位置に配置され、
特定方向に振動する偏光を形成する第１偏光形成手段と、前記特定方向に直交する方向に振動する偏光を形成する第２偏光形成手段とを更に備え、
前記第１偏光形成手段により形成された偏光と、前記第２偏光形成手段により形成された偏光とが、交互に前記撮像部に入射され、
前記演算処理部は、フーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、該空間周波数スペクトルのデータに基づいて前記被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を算出する演算と、
前記第１入射手段により入射された偏光を撮像した撮像データと、前記第２入射手段により入射された偏光を撮像した撮像データと、に基づいて、両者の光路長の差を算出する演算と、を実行すること特徴とする透過波面計測装置。
【請求項２】
前記第１偏光形成手段は、特定方向に振動する偏光のみを通す第１偏光板であり、
前記第２偏光形成手段は、前記特定方向に直交する方向に振動する偏光のみを通す第２偏光板であり、
前記第１偏光板と前記第２偏光板とが、前記光源の直近、又は前記回折格子と前記撮像部との間の位置で交互に配置される、請求項１に記載の透過波面計測装置。
【請求項３】
被検査物に発散光を照射する光源と、
前記被検査物の背面側に配置された凹面鏡と、
前記凹面鏡によって反射された光を透過させて回折光を形成する回折格子と、
前記回折光により形成される干渉縞を撮像する撮像部と、
前記干渉縞の撮像データをフーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、該空間周波数スペクトルのデータに基づいて前記被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算する演算処理部と、を備え、
前記凹面鏡を反射して前記被検査物を透過した前記収束光に基づいて前記撮像部上に前記被検査物の像を共役結像させる、前記凹面鏡と前記撮像部との間に配されたレンズを有し、
前記撮像部は、前記回折光がトールボット像を形成する位置に配置され、
光路上の前記被検査物よりも上流側と下流側とに偏光板がそれぞれ配置され、
前記被検査物よりも上流側の前記偏光板と、前記被検査物よりも下流側の前記偏光板とは、相互に直交する方向からわずかにずれた方向に振動する偏光を形成することを特徴とする透過波面計測装置。
【請求項４】
前記被検査物の直近には、
前記光源から照射された発散光を前記被検査物に向けて透過させると共に、前記凹面鏡で反射された収束光を前記レンズに向けて透過させる１枚の前記偏光板と、
前記偏光板と前記被検査物との間に配置され、入射される光に位相差を与えて出射する波長板と、が設けられ、
前記波長板が入射される光を楕円偏光に変換する、請求項３に記載の透過波面計測装置。
【請求項５】
前記偏光板は、前記光源の直近に配置された第１偏光板と、前記回折格子と前記撮像部との間に配置された第２偏光板とで構成され、
前記第１偏光板により形成される偏光の振動方向と前記第２偏光板により形成される偏光の振動方向とが、相互に直交する方向からわずかにずれている、請求項３に記載の透過波面計測装置。
【請求項６】
凹面鏡の正面に配置された被検査物に光源から発散光を照射する照射工程と、
前記凹面鏡が前記被検査物から所定の距離だけ離れ且つ、前記光源から光軸がずれた位置に配置された回折格子に向けて光を反射する反射工程と、
前記元回折格子に前記凹面鏡を反射した光を透過させ、該回折格子によって回折光を形成し、前記凹面鏡を反射して前記被検査物を透過した前記収束光に基づいて前記撮像部上に前記被検査物の像を共役結像させる結像工程と、
前記回折光がトールボット像を形成する位置に配置された撮像部で前記回折光を撮像する撮像工程と、
前記撮像部が撮像した前記トールボット像の画像データに基づいて所定の演算を行う演算工程と、を有し、
特定方向に振動する偏光を形成する第１偏光形成手段と、前記特定方向に直交する方向に振動する偏光を形成する第２偏光形成手段と、を交換して、前記第１偏光形成手段により形成された偏光と前記第２偏光形成手段により形成された偏光とを交互に前記撮像部に入射する偏光形成手段交換工程をさらに有し、
前記演算工程では、フーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、該空間周波数スペクトルのデータに基づいて前記被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算する工程と、
前記第１偏光形成手段からの偏光を撮像した撮像データと、前記第２偏光形成手段からの偏光を撮像した撮像データと、に基づいて、光路長の差を算出する工程とを含むことを特徴とする透過波面の計測方法。
【請求項７】
前記第１偏光形成手段は、特定方向に振動する偏光のみを通す第１偏光板であり、
前記第２偏光形成手段は、前記特定方向に直交する方向に振動する偏光のみを通す第２偏光板であり、
偏光形成手段交換工程では、前記第１偏光板と前記第２偏光板とを光路上で交換する、請求項６に記載の透過波面の計測方法。
【請求項８】
凹面鏡の正面に配置された被検査物に光源から発散光を照射する照射工程と、
前記凹面鏡が前記被検査物から所定の距離だけ離れ且つ、前記光源から光軸がずれた位置に配置された回折格子に向けて光を反射する反射工程と、
前記元回折格子に前記凹面鏡を反射した光を透過させ、該回折格子によって回折光を形成し、前記凹面鏡を反射して前記被検査物を透過した前記収束光に基づいて前記撮像部上に前記被検査物の像を共役結像させる結像工程と、
前記回折光がトールボット像を形成する位置に配置された撮像部で前記回折光を撮像する撮像工程と、
前記撮像部が撮像した前記トールボット像の画像データをフーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、該空間周波数スペクトルのデータに基づいて前記被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算する演算工程と、を有し、
光路上の前記被検査物よりも上流側と下流側とに偏光板をそれぞれ配置し、
前記被検査物よりも上流側の前記偏光板と、前記被検査物よりも下流側の前記偏光板とは、相互に直交する方向からわずかにずれた方向に振動させる偏光をそれぞれ形成することを特徴とする透過波面の計測方法。
【請求項９】
前記被検査物の直近に、
前記光源から照射された発散光を前記被検査物に向けて透過させると共に、前記凹面鏡で反射された収束光を前記レンズに向けて透過させる１枚の前記偏光板と、
前記偏光板と前記被検査物との間に配置され、入射される光に位相差を与えて出射させる波長板と、を設け、
前記波長板に入射される光を楕円偏光に変換する、請求項８に記載の透過波面の計測方法。
【請求項１０】
前記偏光板を、前記光源の直近に配置された第１偏光板と、前記回折格子と前記撮像部との間に配置された第２偏光板とで構成し、
前記第１偏光板により通される偏光と前記第２偏光板により通される偏光とを、相互に直交する方向からわずかにずれた方向に振動させる、請求項８に記載の透過波面の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検査物を透過した光の波面を計測する透過波面計測装置及び被検査物を透過した光の波面を計測する透過波面計測方法に関し、さらに詳しくは、偏光解析を利用した透過波面計測装置及び透過波面計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス基板やプラスチック基板は、太陽電池パネル、カメラのフィルタ、液晶パネル眼鏡等、様々な用途に使用されている。こうした基板は、製造時に屈折むらが基板の内部に生じることがあり、その屈折むらは理想波面を歪ませてしまうという問題がある。また、このような基板は、製造時にその表面に凹凸を発生させてしまうこともある。
【０００３】
屈折むら等を検査する手法の１つにマッハツェンダー干渉法を利用した装置がある。マッハツェンダー干渉法とは、異なる光路を通った光を重ね合わせたときに生じる干渉を利用した干渉法である。具体的には、同一の光源から出た光を二つに分けて別々の光路を通し、再び光を重ね合わせたときに、各光路を進行した光が位相のズレにより生じる干渉を起こし、明暗の縞となって表れることを利用したものである。しかし、マッハツェンダー干渉法を利用した装置は、装置の規模が大きくなる点、除振台が必要である点、計測可能な範囲が狭い点等の種々の問題がある。
【０００４】
一方、トールボット干渉法を利用して基板内の屈折率のむらや表面の凹凸を測定する技術が存在する。
【０００５】
特許文献１により提案されている技術は、トールボット干渉計を用いて屈折率分布を計測している。この技術は、トールボット干渉計を用いて、被検物の屈折率とは異なる屈折率を有する媒質中に被検物を配置し、この被検物に参照光を入射させて被検物の透過波面を計測している。そして、この技術は、透過波面の計測結果を用いて被検物の屈折率分布を算出している。
【０００６】
この屈折率分布計測方法では、透過波面を計測するステップにおいて、第１の波長における第１の透過波面と、第１の波長とは異なる第２の波長における第２の透過波面とを計測している。また、屈折率分布を算出するステップにおいて、第１および第２の透過波面の計測結果と、被検物と同一形状および特定の屈折率分布を有する基準被検物が媒質中に配置されているときの第１および第２の波長に対応する各透過波面とを用いて、被検物の形状成分を除去することによって、被検物の屈折率分布を算出している。
【０００７】
この特許文献１に提案されている技術のように、トールボット干渉計を用いて屈折率分布を計測する従来の技術においては、屈折率分布に変化が生じていることを測定することによって、基板の不良の有無を判定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２４７６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
屈折率分布の変化が生じる原因は、基板の内部歪、及び基板の表面の凹凸の両方がある。ところが、特許文献１に提案されている技術のように、トールボット干渉計だけを用いて屈折率分布を計測する従来の技術では、屈折率分布の変化が基板の内部歪によって生じているのか、基板の表面の凹凸により生じているのかを区別することが極めて困難である。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、屈折率分布の変化が基板の内部歪によって生じているのか、基板の表面の凹凸により生じているのかを区別することができる透過波面計測装置及び透過波面計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明に係る透過波面計測装置は、被検査物に発散光を照射する光源と、前記被検査物の背面側に配置された凹面鏡と、前記凹面鏡によって反射された光を透過させて回折光を形成する回折格子と、前記回折光により形成される干渉縞を撮像する撮像部と、前記干渉縞の撮像データに基づいて所定の演算を行う演算処理部と、を備え、前記レンズは、前記凹面鏡を反射して前記被検査物を透過した前記収束光に基づいて前記撮像部上に前記被検査物の像を共役結像させ、前記撮像部は、前記回折光がトールボット像を形成する位置に配置され、特定方向に振動する偏光を形成する第１偏光形成手段と、前記特定方向に直交する方向に振動する偏光を形成する第２偏光形成手段とを更に備え、前記第１偏光形成手段により形成された偏光と、前記第２偏光形成手段により形成された偏光とが、交互に前記撮像部に入射され、前記演算処理部は、フーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、該空間周波数スペクトルのデータに基づいて前記被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を算出する演算と、前記第偏光形成射手段により入射された偏光を撮像した撮像データと、前記第２偏光形成手段により入射された偏光を撮像した撮像データと、に基づいて、両者の光路長の差を算出する演算とを実行することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、撮像部は、回折光がトールボット像を形成する位置に配置されているので、レンズが形成する共役結像とトールボット像の位置とを一致させることができる。そのため、共役結像して得られた被検査物の像と計測された位相分布とを正確に位置合わせすることができる。その結果、トールボット像である干渉縞の撮像データをフーリエ変換法によって得られたデータに基づいて被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を正確に演算することができる。
【００１３】
そして、上記の第１偏光形成手段及び第２偏光形成手段を備え、第１偏光形成手段により形成された偏光と、第２偏光形成手段により形成された偏光とが、交互に撮像部に入射され、演算処理部が、第１偏光形成手段及び第２偏光形成手段により入射された偏光を撮像した撮像データに基づいて、両者の光路長の差を算出するので、被検査物の内部歪と被検査物の表面の凹凸とを定量的に区別することができる。すなわち、被検査物の表面の凹凸が上記演算により差し引かれ、被検査物の内部歪に起因する屈折率変化による光路長の差だけを算出することができる。
【００１４】
本発明に係る透過波面計測装置において、前記第１偏光形成手段は、特定方向に振動する偏光のみを通す第１偏光板であり、前記第２偏光形成手段は、前記特定方向に直交する方向に振動する偏光のみを通す第２偏光板であり、前記第１偏光板と前記第２偏光板とを光路上に交互に配置することができる。
【００１５】
この発明によれば、第１偏光板と第２偏光板とが、光路上に交互に配置されるので、第１偏光板及び第２偏光板により入射された偏光撮像部に入射させることができる。そして、撮像部が撮像した撮像データに基づいて、両者の光路長の差を算出することにより、被検査物の内部歪と被検査物の表面の凹凸とを定量的に区別することができる。
【００１６】
上記課題を解決するための本発明に係る透過波面計測装置は、被検査物に発散光を照射する光源と、前記被検査物の背面側に配置された凹面鏡と、前記凹面鏡によって反射された光を透過させて回折光を形成する回折格子と、前記回折光により形成される干渉縞を撮像する撮像部と、前記干渉縞の撮像データをフーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、該空間周波数スペクトルのデータに基づいて前記被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算する演算処理部と、を備え、前記レンズは、前記凹面鏡を反射して前記被検査物を透過した前記収束光に基づいて前記撮像部上に前記被検査物の像を共役結像させ、前記撮像部は、前記回折光がトールボット像を形成する位置に配置され、光路上の前記被検査物よりも上流側と下流側とに偏光板がそれぞれ配置され、前記被検査物よりも上流側の前記偏光板と、前記被検査物よりも下流側の前記偏光板とは、相互に直交する方向からわずかにずれた方向に振動する偏光をそれぞれ形成することを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、撮像部は、回折光がトールボット像を形成する位置に配置されているので、レンズが形成する共役結像とトールボット像の位置とを一致させることができる。そのため、共役結像して得られた被検査物の像と計測された位相分布とを正確に位置合わせすることができる。その結果、トールボット像である干渉縞の撮像データをフーリエ変換法によって得られたデータに基づいて被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を正確に演算することができる。
【００１８】
そして、光路上の被検査物よりも上流側と下流側とに偏光板がそれぞれ配置され、被検査物よりも上流側の偏光板と、被検査物よりも下流側の偏光板とは、相互に直交する方向からわずかにずれた方向に振動する偏光をそれぞれ形成するので、被検査物に内部歪が存在する場合及び内部歪が存在しない場合の両方の場合に、偏光板が光を遮断せず、がトールボット像を形成させることができる。その結果、撮像部が１回撮像したトールボット像の画像データを分析することによって、被検査物の不良が内部歪か表面の凹凸かを区別することができる。
【００１９】
本発明に係る透過波面計測装置において、前記被検査物の直近には、前記光源から照射された発散光を前記被検査物に向けて透過させると共に、前記凹面鏡で反射された収束光を前記レンズに向けて透過させる１枚の前記偏光板と、前記偏光板と前記被検査物との間に配置され、入射される光に位相差を与えて出射する波長板と、が設けられ、前記波長板が入射される光を楕円偏光に変換する。
【００２０】
この発明によれば、偏光板と波長板とが上記のように設けられているので、波長板は、偏光板を一度透過した光を楕円偏光し、さらに、凹面鏡から反射された偏光をもう一度楕円偏光して再び偏光板に透過させている。そのため、最初に偏光板を透過した光と、再び偏光板を透過する光とは、振動する方向、すなわち、偏光方向が直交する方向からわずかにずれている。その結果、再び偏光板に送られる光が偏光板によって遮断されることなく偏光板を透過する。そして、偏光板を透過した光に基づいてトールボット像を形成させることができる。
【００２１】
本発明に係る透過波面計測装置において、前記偏光板は、前記光源の直近に配置された第１偏光板と、前記回折格子と前記撮像部との間に配置された第２偏光板とで構成され、前記第１偏光板により形成される偏光の振動方向と前記第２偏光板により形成される偏光の振動方向とが、相互に直交する方向からわずかにずれている。
【００２２】
この発明によれば、第１偏光板と第２偏光板とを設け、第１偏光板により形成される偏光の振動方向と第２偏光板により形成される偏光の振動方向とを相互に直交する方向からわずかにずらしているので、光を第２偏光板で遮断させることなく、透過させることができる。そのため、第２偏光板を透過した光に基づいてトールボット像を形成させることができる。
【００２３】
上記課題を解決するための本発明に係る透過波面の計測方法は、凹面鏡の正面に配置された被検査物に光源から発散光を照射する照射工程と、前記凹面鏡が前記被検査物から所定の距離だけ離れ且つ、前記光源から光軸がずれた位置に配置された回折格子に向けて光を反射する反射工程と、前記元回折格子に前記凹面鏡を反射した光を透過させ、該回折格子によって回折光を形成し、前記凹面鏡を反射して前記被検査物を透過した前記収束光に基づいて前記撮像部上に前記被検査物の像を共役結像させる結像工程と、前記回折光がトールボット像を形成する位置に配置された撮像部で前記回折光を撮像する撮像工程と、前記撮像部が撮像した前記トールボット像の画像データに基づいて所定の演算を行う演算工程と、を有し、特定方向に振動する偏光を形成する第１偏光形成手段と、前記特定方向に直交する方向に振動する偏光を形成する第２偏光形成手段と、を交換して、前記第１偏光形成手段により形成された偏光と前記第２偏光形成手段により形成された偏光とを交互に前記撮像部に入射する偏光形成手段交換工程をさらに有し、前記演算工程では、フーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、該空間周波数スペクトルのデータに基づいて前記被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算する工程と、前記第１偏光形成手段からの偏光を撮像した撮像データと、前記第２偏光形成手段からの偏光を撮像した撮像データと、に基づいて、光路長の差を算出する工程とを含むことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、共役結像して得られた被検査物の像と計測された位相分布とを正確に位置合わせすることができる。そのため、トールボット像である干渉縞の撮像データをフーリエ変換法によって得られたデータに基づいて被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を正確に演算することができる。
【００２５】
そして、上記の第１偏光形成手段及び第２偏光形成手段を備え、第１偏光形成手段により形成された偏光と、第２偏光形成手段により形成された偏光とが、交互に前記撮像部に入射され、演算処理部が、第１偏光形成手段及び第２偏光形成手段により入射された偏光を撮像した撮像データに基づいて、両者の光路長の差を算出するので、被検査物の内部歪と被検査物の表面の凹凸とを定量的に区別することができる。
【００２６】
本発明に係る透過波面の計測方法において、前記第１偏光形成手段は、特定方向に振動する偏光のみを通す第１偏光板であり、前記第２偏光形成手段は、前記特定方向に直交する方向に振動する偏光のみを通す第２偏光板であり、偏光形成手段交換工程では、前記第１偏光板と前記第２偏光板とを、前記レーザー光の光路上で交換する。
【００２７】
この発明によれば、第１偏光板と第２偏光板とが、光路上に交互に配置されるので、第１偏光板及び第２偏光板により入射された偏光撮像部に入射させることができる。そして撮像部が撮像した撮像データに基づいて、両者の光路長の差を算出することにより、被検査物の内部歪と被検査物の表面の凹凸とを定量的に区別することができる。
【００２８】
上記課題を解決するための本発明に係る透過波面の計測方法は、凹面鏡の正面に配置された被検査物に光源から発散光を照射する照射工程と、前記凹面鏡が前記被検査物から所定の距離だけ離れ且つ、前記光源から光軸がずれた位置に配置された回折格子に向けて光を反射する反射工程と、前記元回折格子に前記凹面鏡を反射した光を透過させ、該回折格子によって回折光を形成し、前記凹面鏡を反射して前記被検査物を透過した前記収束光に基づいて前記撮像部上に前記被検査物の像を共役結像させる結像工程と、前記回折光がトールボット像を形成する位置に配置された撮像部で前記回折光を撮像する撮像工程と、前記撮像部が撮像した前記トールボット像の画像データをフーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、該空間周波数スペクトルのデータに基づいて前記被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算する演算工程と、を有し、光路上の前記被検査物よりも上流側と下流側とに偏光板をそれぞれ配置し、前記被検査物よりも上流側の前記偏光板と、前記被検査物よりも下流側の前記偏光板とは、相互に直交する方向からわずかにずれた方向に振動させる偏光をそれぞれ形成することを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、共役結像して得られた被検査物の像と計測された位相分布とを正確に位置合わせすることができるので、トールボット像である干渉縞の撮像データをフーリエ変換法によって得られたデータに基づいて被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を正確に演算することができる。
【００３０】
そして、光路上の被検査物よりも上流側と下流側とに偏光板がそれぞれ配置され、被検査物よりも上流側の偏光板と、被検査物よりも下流側の偏光板とは、相互に直交する方向からわずかにずれた方向に振動する偏光をそれぞれ形成するので、被検査物に内部歪が存在する場合及び内部歪が存在しない場合の両方の場合に、偏光板が光を遮断せず、がトールボット像を形成させることができる。その結果、撮像部が１回撮像したトールボット像の画像データを分析することによって、被検査物の不良が内部歪か表面の凹凸かを区別することができる。
【００３１】
本発明に係る透過波面の計測方法において、前記被検査物の直近に、前記光源から照射された発散光を前記被検査物に向けて透過させると共に、前記凹面鏡で反射された収束光を前記レンズに向けて透過させる１枚の前記偏光板と、前記偏光板と前記被検査物との間に配置され、入射される光に位相差を与えて出射させる波長板と、を設け、前記波長板に入射される光を楕円偏光に変換する。
【００３２】
この発明によれば、偏光板と波長板とを上記のように設けているので、波長板は、偏光板を一度透過した光を楕円偏光し、さらに、凹面鏡から反射された偏光をもう一度楕円偏光して再び偏光板に透過させている。そのため、最初に偏光板を透過した光と、再び偏光板を透過する光とは、振動する方向、すなわち、偏光方向が直交する方向からわずかにずれている。その結果、再び偏光板に送られる光が偏光板によって遮断されることなく偏光板を透過する。そして、偏光板を透過した光に基づいてトールボット像を形成させることができる。
【００３３】
本発明に係る透過波面の計測方法において、前記偏光板を、前記光源の直近に配置された第１偏光板と、前記回折格子と前記撮像部との間に配置された第２偏光板とで構成し、前記第１偏光板により通される偏光と前記第２偏光板により通される偏光とを、相互に直交する方向からわずかにずれた方向に振動させる。
【００３４】
この発明によれば、第１偏光板と第２偏光板とを設け、第１偏光板により形成される偏光の振動方向と第２偏光板により形成される偏光の振動方向とを相互に直交する方向からわずかにずらしているので、光を第２偏光板で遮断させることなく、透過させることができる。そのため、第２偏光板を透過した光に基づいてトールボット像を形成させることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、屈折率分布の変化が、基板の内部歪によって生じているのか、基板の表面の凹凸により生じているのかを区別することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る第１実施形態の透過波面計測装置を模式的に示した概略図である。
【図２】図１に示した透過波面計測装置に用いられている２次元回折格子に形成されたスリットを模式的に示した概略図である。
【図３】透過波面計測装置を構成する凹面鏡、レンズ及び回折格子の位置関係を示す説明図である。
【図４】図２に示す２次元回折格子により形成されたトールボット像を模式的に示した概略図である。
【図５】図４に示したトールボット像の画像データをフーリエ変換して得られた空間周波数スペクトを示す説明図である。
【図６】１次スペクトルのデータに基づいて逆フーリエ変換を行う過程を模式的に示した説明図である。
【図７】被検査物を斜めに横切って進行した収束光の光路と、被検査物をその厚さ方向に直進する平行光の光路とを模式的に示した説明図である。
【図８】本発明に係る第２実施形態の透過波面計測装置を模式的に示した概略図である。
【図９】本発明に係る第３実施形態の透過波面計測装置を模式的に示した概略図である。
【図１０】本発明に係る透過波面計測装置の変形例を模式的に示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の記載や図面にのみ限定されるものではない。
【００３８】
［基本構成］
本発明の透過波面計測装置１は、図１、図８及び図９に示すように、被検査物１００に発散光２０を照射する光源２と、被検査物１００の背面側に配置された凹面鏡３と、凹面鏡３によって反射された収束光３０を平行光に変換するレンズ４と、平行光を透過させて回折光を形成する回折格子５と、回折光により形成される干渉縞を撮像する撮像部６と、干渉縞の撮像データに基づいて所定の演算を行う演算処理部７と、を備えている。レンズ４は、凹面鏡３を反射して被検査物１００を透過した収束光３０に基づいて撮像部６上に被検査物１００の像を共役結像させている。また、撮像部６は、回折光がトールボット像を形成する位置に配置されている。この透過波面計測装置１は、次の２つの実施形態に大別することができる。
【００３９】
第１実施形態の透過波面計測装置１Ａは、図１に示すように、特定方向に振動する偏光を形成する第１偏光形成換手段１１と、特定方向に直交する方向に振動する偏光を形成する第２偏光形成手段１２とを備えている。第１偏光形成手段１１により形成された偏光と、第２偏光形成手段１２により形成された偏光とは、交互に撮像部６に入射される。
【００４０】
演算処理部７は、フーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、空間周波数スペクトルのデータに基づいて被検査物の屈折率と厚みとの積算値の分布を算出する演算と、第１偏光形成手段１１からの偏光を撮像した撮像データと、第２偏光形成手段１２からの偏光を撮像した撮像データと、に基づいて、両者の光路長の差を算出する演算とを実行する。
【００４１】
他の実施形態の透過波面計測装置１Ｂ，１Ｃは、レーザー光の光路上の被検査物１００よりも上流側と下流側とに偏光板がそれぞれ配置され、被検査物１００よりも上流側の偏光板１３，１４と、被検査物１００よりも下流側の偏光板１３，１５とが、相互に直交する方向からわずかにずれた方向に振動する偏光をそれぞれ形成する。なお、この透過波面計測装置１Ｂ，１Ｃの演算処理部７は、干渉縞の撮像データをフーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、空間周波数スペクトルのデータに基づいて前記被検査物１００の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算する。この実施形態の透過波面計測装置１Ｂ，１Ｃは、さらに、２つの実施形態に分けることができる。これらの実施形態を第２実施形態及び第３実施形態として説明する。
【００４２】
第２実施形態の透過波面計測装置１Ｂは、図８に示すように、被検査物１００の直近に、光源２から照射された発散光２０を被検査物１００に向けて透過させると共に、凹面鏡３で反射された収束光３０をレンズ４に向けて透過させる１枚の偏光板１３と、この偏光板１３と被検査物１００との間に配置され、入射した光に位相差を与えて出射する波長板１６と、が設けられる。波長板１６は、入射される光を楕円偏光に変換する。
【００４３】
第３実施形態の透過波面計測装置１Ｂは、図９に示すように、光源２の直近に配置された第１偏光板１４と、回折格子５と撮像部６との間に配置された第２偏光板１５とを備えている。第１偏光板１４により形成される偏光の振動方向と第２偏光板１５により形成される偏光の振動方向とは、相互に直交する方向からわずかにずれている。
【００４４】
本発明の透過波面計測装置１、及び透過波面計測装置１により実施される透過波面の計測方法によれば、屈折率分布の変化が、被検査物１００である基板の内部歪によって生じているのか、基板の表面の凹凸により生じているのかを区別することができるという特有の効果を奏する。
【００４５】
以下、透過波面計測装置１の具体的な構成について説明する。なお、はじめに、トールボット効果の概要を説明し、その後に、透過波面計測装置１の構成について実施形態ごとに説明する。
【００４６】
［トールボット効果］
位相が揃った平行光４０を回折格子５５に照射した場合、平行光４０は回折格子５５によって回折される。回折された回折光は互いに重ね合わされて干渉縞を形成する。この干渉縞の光強度｜ｕ（ｘ，ｙ；ＺＴ）｜２は、次の（式１）により表すことができる。
【００４７】
【数１】
0006482791.tif 000002
【００４８】
（式１）のｕは干渉光の複素振幅、ｎ、ｍは回折格子５５からの回折光の次数、Ａｎはｎ次の回折光の振幅、Ａｍはｍ次の回折光の振幅、＊は複素共役、ＺＴは回折格子５からの距離、Ｚ０は回折格子５５と凹面鏡３が反射した収束光の収束点の共役点との間の距離をそれぞれ表している。また、λは光源２が発する光の波長、ｄは回折格子５５の回折ピッチ（周期）、Ｗは被検査物１００の収差をそれぞれ表している。
【００４９】
（式１）の位相項において、ＺＴ又はＺ０により周期的に変化する成分である。次の（式２）で表されるＮが整数となるようにＺＴ及びＺ０を選ぶことによって、回折格子５５の直後の光強度分布が復元された干渉縞が形成される。そのため、（式２）に示されたＮが整数になる位置では、自己像が明確に形成される。この現象はトールボット効果といわれ、回折格子５５とトールボット像との間の距離はトールボット距離といわれている。
【００５０】
【数２】
0006482791.tif 000003
【００５１】
回折格子５５の前に物体を置いた場合、波面の伝播速度が物体の内部で変わるので、物体通過後の波面は歪、回折格子５５の自己像もこの歪を反映して歪む。歪んだ自己像の投影画像には物体を反映した周期の乱れが発生する。この周期の乱れを検出することによって、この物体の屈折率の局所変化を定量的に画像化した微分位相画像を再構成することができる。こうした干渉計がトールボット干渉計である。以下、トールボット干渉計を応用した透過波面計測装置１の各構成について実施形態ごとに説明する。
【００５２】
［第１実施形態］
第１実施形態の透過波面計測装置１Ａは、図１に示すように、光源２、凹面鏡３、レンズ４、回折格子５、撮像部６、及び演算処理部７を備えている。また、透過波面計測装置１Ａは、偏光形成手段１１，１２を備えている。各構成について、具体的に説明する。
【００５３】
〈光源〉
光源２は、計測の対象、測定の精度、当該透過波面計測装置１Ａで得たデータの処理の内容等その他の事情に応じて種々の波長の単色光を発するデバイスを用いることができる。例えば、光源２としては、波長が６３５ｎｍの単色光を発するレーザーダイオードを用いることができる。ただし、レーザーダイオードは、そのレーザー光の波長が６３５ｎｍであることには限定されず、必要に応じた波長のレーザー光を発するレーザーダイオードを用いることができる。
【００５４】
この光源２によって照射される発散光２０は、光源２から広がり、凹面鏡３の正面に配置された被検査物１００の全体に照射される。この光源２は、レンズ４の光軸の位置からレンズ４の半径方向外側にずれた位置に設置されている。具体的には、光源２は、凹面鏡３によって反射され、レンズ４に向かって進行する収束光３０の光路よりもレンズ４の半径方向外側に配置されている。
【００５５】
〈凹面鏡〉
凹面鏡３は、光源２から照射された発散光２０を反射し、収束光３０をレンズ４に向けて照射させる。凹面鏡３は、反射した収束光３０を被検査物１００の全体に透過することができる直径に形成されている。また、凹面鏡３は、レンズ４に収束光３０を確実に照射することができるように凹面鏡３とレンズ４との距離に応じ、その曲面の半径が適切な寸法に形成されている。
【００５６】
なお、被検査物１００が光源２に相対的に近い位置に配置される場合、屈折率と厚みとの積算値の分布の計測結果は誤差が大きくなり且つ、正確に計測することができる被検査物１００のサイズは小さくなる。そのため、被検査物１００は、凹面鏡３に相対的に近い位置に配置することが好ましい。この場合の凹面鏡３の表面と被検査物１００との距離は光軸上の距離である。
【００５７】
〈レンズ〉
レンズ４は、両面が凸面に形成された凸レンズである。レンズ４は、凹面鏡３によって反射された収束光３０を平行光４０に変換している。また、レンズ４は、凹面鏡３が反射し、被検査物１００を透過した収束光３０に基づいて、後述する撮像部６５上に被検査物１００の像を共役結像している。なお、レンズ４は、必要に応じて適切な焦点距離のものを選定すればよい。
【００５８】
なお、レンズ４が収束光３０を平行光４０に変換するは、この透過波面計測装置１Ａに必須の要件ではなく、レンズ４で収束する角度が異なる別の収束光に変換したり、拡散光に変換したりすることもできる。また、レンズ４を設けることは、この透過波面計測装置１Ａに必須の構成でなく、必要に応じて設ければよい。その場合、回折格子５は、収束光３０を透過させることができるように、適切な位置に配置される。レンズ４０が必須ではないこと、及びレンズ４０を設けた場合に平行光４０に変換することが必須ではないことは、後述する透過波面計測装置１Ｂ，１Ｃ，１Ｄについても同様である。
【００５９】
〈回折格子〉
回折格子５は、レンズ４によって変換された平行光４０を透過させ、回折光を形成している。この回折格子５は２次元の回折格子５であり、図２に示すように、Ｘ方向に延びる複数のスリット５１とＹ方向に延びる複数のスリット５２とが相互に直交して構成されている。この回折格子５は、図３に示すように、レンズ４から（式３）のＺＧで表された距離だけ離れた位置に配置されている。なお、（式３）において、ｆはレンズ４の焦点距離、Ｒは、凹面鏡３とレンズ４の焦点距離との間の距離、ｄは回折格子５の回折ピッチ（周期）、λは波長をそれぞれ表している。
【００６０】
【数３】
0006482791.tif 000004
【００６１】
この回折格子５は、その一面側から照射された光を透過させ、透過した光を他面側から複数の回折光に分けている。具体的には、回折格子５は、直交する２つの方向に格子周期を有する直交回折格子５であり、当該回折格子５を透過した光を、Ｘ方向とＹ方向とに分け、回折光を形成する。回折格子５により形成される複数の回折光は、干渉することによって回折格子５から一定の距離だけ離れた位置に干渉縞を形成する。回折格子５からトールボット距離Ｌ１だけ離れた位置に形成される干渉縞がトールボット像である。図４は、撮像部６が撮像したトールボット像５５を示している。トールボット像５５は、図２に示した回折格子５を構成している複数のスリット５１，５２の形状が明確に現れている。そのため、この透過波面計測装置１Ａは、直交する２方向の波面の歪を同時に計測することを可能にしている。
【００６２】
ここで、回折格子５の回折光が形成する干渉縞について説明する。回折格子５によって形成される干渉縞は、図３の符号Ｌ１で示した距離がトールボット距離である場合、回折格子５の自己像が明確に現れる。これに対し、符号Ｌ１で示した距離がトールボット距離の半分の距離である場合、トールボット距離の位置での感度の１／２で、位相が反転した干渉縞が形成される。また、トールボット距離の位置では、形成される干渉縞は矩形波として現れる。これに対し、トールボット距離の位置及びトールボット距離の半分の距離の位置以外の位置では、形成される干渉縞は、正弦波になる。なお、トールボット距離の位置以外では、干渉縞のコントラストが不鮮明になる。
【００６３】
本明細書では、回折格子５と次に説明する撮像部６との距離Ｌ１がトールボット距離の場合を透過波面計測装置１の実施形態の代表例として説明している。しかし、撮像部６は、処理部７でデータ処理を行うときに必要なデータの種類に応じ、トールボット距離の半分の距離の位置に配置してもよい。また、撮像部６は、処理部７で低い感度の干渉縞のデータが必要な場合には、トールボット距離の位置及びトールボット距離Ｌ１の半分の距離の位置以外の位置に配置してもよい。その場合、高次のトールボット像を利用することによって、高感度の計測をすることができる。
【００６４】
〈撮像部〉
撮像部６は、回折格子５により形成される複数の回折光が干渉することによって現れる干渉縞を撮像する。撮像部６は、撮像した干渉縞をデジタル信号に変換することができるセンサ、例えば、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の２次元撮像素子が用いられている。この撮像部６は、回折格子５に形成されているスリット間のピッチの２倍以上の画素数を有するものが用いられている。
【００６５】
撮像部６は、回折格子５から発せられた回折光がトールボット像を形成する位置に配置されている。具体的には、撮像装置は、次の（式２−１）で表されるＺＴの位置に配置されている。なお、（式２−１）は、（式２）のＮに１を代入して表された式である。
【００６６】
ＺＴ＝２ｄ２／λ・・・・（式２−１）
【００６７】
また、上述したように、撮像部６が配置される位置は、レンズ４が被検査物１００の像を共役結像する位置でもある。このように、撮像部６は、レンズ４が共役結像を形成すると共に、回折格子５がトールボット像を形成する位置に配置されている。そのため、レンズ４が形成する共役結像と、回折格子５により形成されるトールボット像の位置とは一致され、共役結像して得られた被検査物１００の面と計測された位相分布とが正確に位置合わせされる。その結果、演算処理部７は、トールボット像である干渉縞の撮像データをフーリエ変換法によって得られたデータに基づいて被検査物１００の屈折率と厚みとの積算値の分布を正確に演算することができる。
【００６８】
〈偏光形成手段〉
偏光形成手段は、特定方向に振動する偏光を形成する第１偏光形成手段１１と、特定方向に直交する方向に振動する偏光を形成する第２偏光形成手段１２とにより構成されている。図１に示す第１偏光形成手段１１は、特定方向に振動する成分のみを通す第１偏光板１４であり、第２偏光形成手段１２は、特定方向に直交する方向に振動する成分のみを通す第２偏光板１５である。透過波面計測装置１Ａでは、第１偏光板１４と第２偏光板１５とが、回折格子５と撮像部６との間で交互に配置される。そして、透過波面計測装置１Ａは、第１偏光板１４からの偏光を撮像部６に入射し、撮像された画像データに基づいて屈折率分布の測定を行うことと、第２偏光板１５からの偏光を撮像部６に入射し、撮像された画像データに基づいて屈折率分布の測定を行うこととを交互に行う。
【００６９】
なお、偏光形成手段は、偏光板を回折格子５と撮像部６との間で第１偏光板１４と第２偏光板１５とを交互に配置する構成には限定されない。偏光形成手段は、例えば、第１偏光板１４と第２偏光板１５とを光源２の直前で交互に配置するように構成してもよい。また、偏光形成手段は、電圧を印加して偏光軸を偏光することができるデバイスを用いてもよい。
【００７０】
この透過波面計測装置１Ａは、上述した構成によって、次の各工程が行われる。
【００７１】
まず、凹面鏡３の正面に配置された被検査物１００に光源２から発散光２０を照射する。次いで、凹面鏡３がレンズ４に向けて収束光３０を反射する。なお、レンズ４は、被検査物１００から所定の距離だけ離れ且つ、光源２から光軸がずれた位置に配置されている。次いで、このレンズ４が収束光３０を平行光４０に変換する。次いで、回折格子５が、レンズ４と所定の間隔を空けて配置された回折格子５に平行光を透過させ、回折光を形成する。また、回折格子５は、凹面鏡３を反射して被検査物１００を透過した収束光３０に基づいて撮像部６上に被検査物１００の像を共役結像させる。その後、撮像部６が回折光を撮像する。この撮像部６は、回折光がトールボット像を形成する位置に配置されている。
【００７２】
また、この透過波面計測装置１Ａでは、第１偏光形成手段である第１偏光板１１と、第２偏光形成手段である第２偏光板１２とが、交互に交換される。第１偏光板１１と第２偏光板１２とは、交互に撮像部６に偏光を入射し、撮像部６は、交互に入射された偏光を撮像している。
【００７３】
撮像部６が撮像したトールボット像の画像データは、以下に説明する演算処理部７によって所定の演算処理が行われる。演算処理部７について、具体的に説明する。
【００７４】
〈演算処理部〉
この演算処理部７は、コンピュータ等が利用される。この演算処理部７は、特に図示していないが、データ取得部、記憶部、演算部及び表示部を備えている。データ取得部は、撮像部６が撮像した干渉縞画像のデータを取得している。記憶部は、撮像部６により撮像された干渉縞画像のデータを記憶している。表示部は、撮像した画像や演算した結果に基づいてデータを処理して得られたグラフ等を表示する。
【００７５】
演算部は、回折光により形成された干渉縞の撮像データをフーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、この空間周波数スペクトルのデータに基づいて被検査物１００の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算している。具体的には、まず、干渉縞画像データをフーリエ変換して空間周波数スペクトルを得る。次いで、空間周波数スペクトル中から１次スペクトルを切り取り、これを原点に戻して逆フーリエ変換する。その後、逆フーリエ変換して得られたデータに基づいて微分値を演算して位相分布を得ている。また、演算部は演算された微分位相像のデータに基づいて種々の解析を行っている。また、演算部は、第１偏光板１４により入射された偏光を撮像した撮像データと、第２偏光板１５により入射された偏光を撮像した撮像データと、に基づいて、両者の光路長の差を算出する。
【００７６】
演算部が行う演算のうち、まず、積算値の分布を演算するまでの演算処理について説明する。なお、以下では、フーリエ変換して得られた１次のピークを利用して演算する場合を代表例として説明する。ただし、透過波面計測装置１Ａでは、２次以上の高次のピークを利用して演算することもできる。２次以上の高次のピークを利用して演算できることは、後述する透過波面計測装置１Ｂ，１Ｃ，１Ｄについても同様である。
【００７７】
（位相分布の演算）
演算部で行うフーリエ変換、逆フーリエ変換及び波面の微分値の演算は、次の（式４）、（式５）及び（式６）によってそれぞれ行っている。
【００７８】
【数４】
0006482791.tif 000005
【００７９】
なお、（式４）のＶは、（１式）で定義したνという関数をフーリエ変換して得られた関数である。
【００８０】
【数５】
0006482791.tif 000006
【００８１】
【数６】
0006482791.tif 000007
【００８２】
演算部は、まず、図４に示したトールボット像の画像データを（式４）によりフーリエ変換し、空間周波数スペクトル６０を演算する。図５は、得られた空間周波数スペクトル６０を図示したものである。図５に示すように、干渉パターンの周期に対応したピークは、図５の横方向及び縦方向のいずれにも中心から一定の間隔を空けて形成されている。
【００８３】
演算部は、次に、図６に示すように、空間周波数スペクトルのうち１次スペクトル６１，６２，６３，６４を、切り取って原点に戻し、（式５）により逆フーリエ変換してトールボット像の位相分布（波面の微分値のデータ）を求める。その後、逆フーリエ変換して得られたトールボット像の位相分布（波面の微分値のデータ）に基づいて（式６）により演算して波面の位相分布を求めている。
【００８４】
（位相分布の校正）
演算処理部７は、上記の位相分布を求める際に、被検査物１００を透過した収束光３０に基づく回折光を撮像した画像データから、被検査物１００を透過せずに直接レンズ４に到達した収束光３０に基づく回折光を撮像した画像データを差し引く校正を行っている。
【００８５】
凹面鏡３を反射し、被検査物１００を透過した収束光３０に基づく回折光を撮像した撮像データは、凹面鏡３の表面のうねりが含まれ、被検査物１００それ自体の表面のうねり及び／又は厚さのばらつきだけを反映していないおそれがある。透過波面計測装置１Ａは、凹面鏡３を反射し、被検査物１００を透過せずに直接レンズ４に到達した収束光３０に基づく回折光をあらかじめ撮像しておく。そして、凹面鏡３を反射し、被検査物１００を透過した収束光３０に基づく回折光を撮像した撮像データから、凹面鏡３のみを反射した場合の回折光を差し引く校正を行うことによって、凹面鏡３の表面のうねりが測定結果に反映されることを防止している。
【００８６】
（波面の演算）
演算処理部７は、校正を行った後の位相分布に基づいて、波面を求めている。波面を求める演算は、次の（式７）と（式８）を用いて行っている。
【００８７】
【数７】
0006482791.tif 000008
【００８８】
【数８】
0006482791.tif 000009
【００８９】
まず、（式７）によって、校正された位相分布のデータから微分波面を求める。次いで、（式８）により微分波面を１方向に積分を行って、波面を求める。（式８）は、台形公式法により積分をＸ方向に行う式である。Ｙ方向の波面を求める場合は、Ｘ方向と同様に、（式８）を用いてＹ方向について積分を行う。
【００９０】
（波面曲率の演算）
また、演算処理部７は、校正を行った後のデータに基づいて得られた位相分布のデータから波面の曲率を演算する。次の（式９）は、波面の曲率を演算する際の式である。なお、この（式９）は、上記した（式６）を置き換えた式である。
【００９１】
【数９】
0006482791.tif 000010
【００９２】
（式９）において、ｄは回折ピッチ（周期）、λは波長、１／ｒは曲率をそれぞれ表している。
【００９３】
（屈折率分布の定量化）
演算処理部７は、演算部が以上に求めた各データに基づいて、（式１０）を用い、屈折率の変位の分布（屈折率の変化量）を求め、屈折率分布の定量化を行っている。その際、演算処理部７は、収束光３０が被検査物１００を透過する光路を平行光４０が被検査物１００を透過する光路に置換する補正を行っている。
【００９４】
【数１０】
0006482791.tif 000011
【００９５】
（式１０）のＷは波面、Δｎは屈折率の変化、Ｄは被検査物１００の厚さ、θは被検査物１００を横切る収束光３０が光軸となす角度を表している。
【００９６】
凹面鏡３から反射された収束光３０は、図７に示すように、光軸以外の位置では被検査物１００を斜めに横切るようにして透過する。また、透過する収束光３０の光軸に対する角度は、光軸から離れるにつれて大きくなる。そのため、演算された波面は、現実に平行光４０が被検査物１００を透過した場合の画像データに基づいて演算した波面に比べ誤差を含むことになる。本発明の透過波面計測装置１Ａは、平行光４０が被検査物１００を透過した場合の光路に置換する補正を行って、演算された波面にこうした誤差が含まれることを防止している。
【００９７】
次に、偏光の光路長の差を算出する演算処理とその意義について説明する。
【００９８】
偏光の光路長の差を算出する演算処理は、第１偏光板１１を用いたときのトールボット像の画像データに基づいて算出された屈折率分布と、第２偏光板１２を用いたときのトールボット像の画像データに基づいて算出された屈折率分布との差を求めている。
【００９９】
第１偏光板１１を用いて行う測定では、第１偏光板１１を回折格子５と撮像部６との間に配置し、撮像部６でトールボット像を撮像する。演算処理部７は、撮像部６で撮像された画像データに基づいて屈折率分布を算出する。すると、被検査物１００の表面に存在する凹凸による光路長変化分布と内部歪の屈折率変化による偏光の光路長変化分布とが足し合わされた分布が測定される。
【０１００】
次に、第１偏光板１１を第２偏光板１２に取り換えて同様に測定する。すると、被検査物１００の表面に存在する凹凸による光路長変化分布と内部歪の屈折率変化による偏光の光路長変化分布とが足し合わされた分布が測定される。
【０１０１】
内部歪による屈折率変化は、偏光方向によって変わる。一方、被検査物１００の表面に存在する凹凸による光路長変化分布は、偏光方向によって変化しない。したがって、第１偏光板１１を用いたときの光路長と、第２偏光板１２を用いたときの光路長のとの差を求めると、表面の凹凸に起因する光路長変化分布が差し引かれ、内部歪に起因する屈折率変化による光路長変化分布だけを求めることができる。その結果、定量的に表面の凹凸に起因する不良と、内部歪に起因する不良とを区別することができる。この第１実施形態の透過波面計測装置１Ａの特徴は、不良が被検査物１００の内部歪なのか、被検査物１００の表面に存在する凹凸なのかを定量的に区別することができる点にある。
【０１０２】
［第２実施形態］
第２実施形態の透過波面計測装置１Ｂは、図８に示すように、光源２、凹面鏡３、レンズ４、回折格子５、撮像部６、及び演算処理部７を備えている。なお、第２実施形態の透過波面計測装置１Ｂが備えるこれらの構成は、第１実施形態の透過波面計測装置１Ａが備える構成と同様である。そのため、第２実施形態の透過波面計測装置１Ｂにおいて、第１実施形態の透過波面計測装置１Ａが備える構成と同様の構成については、図面に同じ符号を付して、その説明を省略する。
【０１０３】
第２実施形態の透過波面計測装置１Ｂは、被検査物１００の直近に、１枚の偏光板１３と、波長板１６とを備えている。偏光板１３は、光源２から照射された発散光２０を被検査物１００に向けて透過させると共に、凹面鏡３で反射された収束光３０をレンズ４に向けて透過させている。波長板１６は、偏光板１３と被検査物１００との間に配置されている。
【０１０４】
波長板１６、入射される光を楕円偏光に変換することによって、入射される光に位相差を与えて出射する。具体的には、波長板１６は、光源２から発せられ、被検査物１００を最初に透過するまでの光路（以下、「往路」という。）において、この波長板１６を透過した際に形成する偏光の振動方向と、凹面鏡３により反射された光路（以下、「復路」という。）において、再び波長板１６を透過した際に形成する偏光の振動方向と、を相互に直交する方向からわずかにずらしている。
【０１０５】
ここで、波長板１６により形成される偏光方向を、往路と復路とで相互に直交する方向からわずかにずらす意義について説明する。
【０１０６】
まず、クロスニコル方法について説明する。クロスニコル方法は、偏光解析を利用した検査方法であり、内部歪を検査する代表的な方法の１つとして知られている。クロスニコル方法は、互いに直交する偏光軸を持つ２枚の偏光板の間に被検査物を置き、２枚の偏光板の間に置かれた被検査物に一方の偏光板側から光を入射させることにより行う検査方法である。
【０１０７】
被検査物に内部歪がない場合、入射された光は、互いに直行する偏光板に遮断されて光は透過しない。一方、被検査物内部歪がある場合、偏光が変化するので、一部光が透過する。クロスニコル方法は、光が透過したか否かにより、被検査物の内部歪の有無を検査している。
【０１０８】
このクロスニコル方法の原理を、図８に示す透過波面計測装置１Ｂにそのまま適用した場合について検討する。
【０１０９】
透過波面計測装置１Ｂにおいては、光は、光源２と凹面鏡３とを結ぶ光路と、凹面鏡３とレンズ４とを結ぶ光路とで被検査物１００を１回ずつ透過する。すなわち、光は被検査物１００内部を往復する。偏光板１３と波長板１６とを、図８に示すように配置した場合、偏光板１３は、この偏光板１３が持つ軸方向に一致する直線偏光のみを透過させる。
【０１１０】
ここで、波長板１６が１／４波長板である場合について検討する。
【０１１１】
この場合、偏光板１３を透過した偏光は、軸方向を調整した１／４波長板を透過すると円偏光となる。この円偏光は、被検査物１００を透過し、凹面鏡３で反射され、再び被検査物１００を透過する。再び被検査物１００を透過するとき、被検査物１００に内部歪がなければ、円偏光はそのまま保たれる。その後、円偏光が１／４波長板１６を透過すると、往路で１／４波長板を１回透過しているので、円偏光は、この１／４波長板１６を２回透過することになる。そのため、円偏光が１／２波長板１６を透過したことと等価となる。
【０１１２】
直線偏光が１／２波長板１６を透過した場合、その偏光方向は元の偏光方向に対し直交する方向に変換される。そのため凹面鏡３で反射された光が再び偏光板１３に入射したとき、光は上述したクロスニコル方法と同じ原理によって遮断される。
【０１１３】
被検査物１００に内部歪がある場合、光の一部は被検査物１００の内部歪に応じて偏光板１３を透過する。つまり、内部歪に比例して透過強度が変化する。これに対し、被検査物１００に内部歪が無く、且つ被検査物１００の表面に凹凸が存在する場合、偏光の変化は生じないため、光が全く透過しない。そのため、撮像部６で撮像したとき、真っ暗な画像しか撮像できず、トールボット干渉計の機能が働かない。このことは、被検査物１００の表面に凹凸が存在するにもかかわらず、被検査物１００に内部歪が存在しない場合には、被検査物１００の表面に存在する凹凸を発見することができないこと意味する。
【０１１４】
この不都合を回避するために、波長板１６として１／４波長板ではなく、例えば、１／５波長板等、意図的に位相を１／４からずらした波長板１６を使用する。位相が１／４からずれた波長板１６を使用した場合、波長板１６が形成する偏光は、波長板１６を透過する往路の光と復路の光の両方がともに楕円偏光になる。なお、被検査物１００に内部歪がある場合、楕円偏光の楕円率が変化する。
【０１１５】
そのため、偏光が振動する方向は、往路と復路とで相互に直交する方向からわずかにずれている。その結果、光が偏光板１３を透過して波長板１６を透過した後に、凹面鏡３で反射され、再び波長板１６を透過して偏光板１３を透過した場合でも、光が偏光板１３によって遮断されることがない。
【０１１６】
したがって、意図的に１／４から位相をずらした波長板１６を使用した場合、被検査物１００に内部歪があるときには、楕円偏光の楕円率が変化するため、透過光に強度の変動を与え、トールボット像に影響を与える。一方、内部歪がない場合でも、一部の光が偏光板１３を透過するので、トールボット干渉計は正常に機能する。なお、この透過波面計測装置１Ｂでは、意図的に１／４から位相をずらした波長板１６を使用することには限定されず、１／４波長板１６の軸を偏光板１３の軸からわずかにずらしてもよい。
【０１１７】
以上の構成を有する透過波面計測装置１Ｂは、以下の工程を実施して計測を行っている。
【０１１８】
まず、光源２が発散光２０を凹面鏡３の正面に配置された被検査物１００に照射する。発散光２０が光源２から被検査物１００に到達するまでに、発散光２０は、偏光板１３を透過し、その後に波長板１６を透過する。発散光２０は波長板１６を透過することにより、楕円偏光される。
【０１１９】
次いで、凹面鏡３が、被検査物１００から所定の距離だけ離れ且つ、光源２から光軸がずれた位置に配置されたレンズ４に向けて収束光３０を反射する。凹面鏡３を反射した収束光３０がレンズ４に到達するまでに、収束光３０は被検査物１００、波長板１６及び偏光板１３を透過する。収束光３０が波長板１６を透過する際、収束光３０は楕円偏光される。
【０１２０】
次いで、レンズ４が収束光３０を平行光に変換する。この平行光は、レンズ４と所定の間隔を空けて配置された２次元回折格子５に透過される。回折格子５は、回折光を形成する。また、回折格子５は、凹面鏡３を反射して被検査物１００を透過した収束光３０に基づいて撮像部６上に被検査物１００の像を共役結像させる。なお、撮像部６は、回折光がトールボット像を形成する位置に配置されている。
【０１２１】
次いで、撮像部６が、トールボット像を撮像する。演算処理部７は、撮像部６が撮像したトールボット像の画像データをフーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、空間周波数スペクトルのデータに基づいて被検査物１００の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算する。
【０１２２】
演算処理部７がこのデータの処理を行うことによって、被検査物１００に不良が存在するか否か判断することができる。また、データの処理をした結果、被検査物１００に不良が存在することが判明した場合、その不良は、被検査物１００の内部歪なのか、被検査物１００の表面に存在する凹凸なのかを解析することができる。そして、第２実施形態の透過波面計測装置１Ｂの特徴は、１つの画像データに基づいて、不良が、被検査物１００の内部歪なのか、被検査物１００の表面に存在する凹凸なのかを区別することができる点にある。
【０１２３】
［第３実施形態］
第３実施形態の透過波面計測装置１Ｃは、図９に示すように、光源２、凹面鏡３、レンズ４、回折格子５、撮像部６、及び演算処理部７を備えている。なお、これらの構成は、第１実施形態の透過波面計測装置１Ａが備える構成と同様である。そのため、第３実施形態の透過波面計測装置１Ｃにおいて、第１実施形態の透過波面計測装置１Ａが備える構成と同様の構成については、図面に同じ符号を付して、その説明を省略する。
【０１２４】
第３実施形態の透過波面計測装置１Ｃも、第２実施形態の透過波面計測装置１Ｂと同様に、クロスニコル方法の原理を応用している。この透過波面計測装置１Ｃは、図９に示すように、２枚の偏光板１４，１５を備えている。２枚の偏光板１４，１５のうち、第１偏光板１４は、光源２の直近に配置され、もう１枚の第２偏光板１５は、回折格子５と撮像部６との間に配置されている。第１偏光板１４により形成される偏光の振動方向と第２偏光板１５により形成される偏光の振動方向とは、相互に直交する方向からわずかにずれている。
【０１２５】
この透過波面計測装置１Ｃにおいても、第１偏光板１４が形成する偏光の振動方向と第２偏光板１５が形成する偏光の振動方向とが直交する場合、第２実施形態の透過波面計測装置１Ｂのところで説明したように、被検査物１００に内部歪が存在しないとき、光が第２偏光板１５を透過せず、トールボット干渉計が機能しない。そのため、第１偏光板１４により形成される偏光の振動方向と第２偏光板１５により形成される偏光の振動方向とを、相互に直交する方向からわずかにずらしている。
【０１２６】
この透過波面計測装置１Ｃにおいては、偏光板１４，１５を被検査物１００の直近に配置する必要がない。また、透過波面計測装置１Ｃは、偏光板１４，１５を光源２の直近と撮像部６の直近とに配置して構成されているので、光源２や撮像部６と同程度の大きさの偏光板を用いることができる。そのため、被検査物１００を交換するときの操作性がよい。
【０１２７】
この透過波面計測装置１Ｃは、以下の工程を実施して計測を行っている。
【０１２８】
まず、光源２が発散光２０を凹面鏡３の正面に配置された被検査物１００に照射する。光源２から照射された発散光２０は、第１偏光板１４を透過して被検査物１００を透過する。次いで、凹面鏡３が、レンズ４に向けて収束光３０を反射する。凹面鏡３を反射した収束光３０は、被検査物１００を透過する。
【０１２９】
次いで、レンズ４がレーザー光を平行光に変換する。この平行光は、レンズ４と所定の間隔を空けて配置された２次元回折格子５に透過される。回折格子５は、回折光を形成する。また、回折格子５は、凹面鏡３を反射して被検査物１００を透過した収束光３０に基づいて撮像部６上に被検査物１００の像を共役結像させる。その際、回折光は、第２偏光板１５を透過する。なお、撮像部６は、回折光がトールボット像を形成する位置に配置されている。
【０１３０】
次いで、撮像部６が、トールボット像を撮像する。なお、演算処理部７は、撮像部６が撮像したトールボット像の画像データをフーリエ変換法によって空間周波数スペクトルを演算し、空間周波数スペクトルのデータに基づいて被検査物１００の屈折率と厚みとの積算値の分布を演算する。
【０１３１】
演算処理部７がこのデータの処理を行うことによって、被検査物１００に不良が存在するか否か、不良が、被検査物１００の内部歪なのか、被検査物１００の表面に存在する凹凸なのかを解析することができる。そして、第３実施形態の透過波面計測装置１Ｃの特徴は、１つの画像データに基づいて、不良が、被検査物１００の内部歪なのか、被検査物１００の表面に存在する凹凸なのかを区別することができる点にある。
【０１３２】
なお、この透過波面計測装置１Ｃについても、光源２として偏光特性を持つものを用いることができる。光源２からの偏光は楕円偏光でもよい。光源２として偏光特性を持つものを用いた場合、光源２の前に置いた偏光板は不要となる。
【０１３３】
［変形例］
次に、図１０を参照して透過波面計測装置の変形例について説明する。
【０１３４】
透過波面計測装置１Ｄは、光源２、凹面鏡３、レンズ４、回折格子５、撮像部６、及び演算処理部７を備えている。なお、透過波面計測装置１Ｄが備えるこれらの構成は、第１実施形態の透過波面計測装置１Ａが備える構成と同様である。そのため、透過波面計測装置１Ｄにおいて、第１実施形態の透過波面計測装置１Ａが備える構成と同様の構成については、図面に同じ符号を付して、その説明を省略する。
【０１３５】
また、透過波面計測装置１Ｄが備える下記の構成は、第１実施形態から第３実施形態までのすべての実施形態の透過波面計測装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃに適用することできる。そのため、図面には、第１実施形態から第３実施形態までの各透過波面計測装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃが備える偏光板１１，１２，１３，１４，１５及び波長板１６の記載を省略している。
【０１３６】
この透過波面計測装置１Ｄは、被検査物１００の外周縁よりも外側の一定の範囲をマスキングするためのマスク板１７を備えている。このマスク板１７は、凹面鏡３の直前に配置される被検査物１００と一定の間隔を空け、被検査物１００よりも光源２側の位置に配置されている。
【０１３７】
被検査物１００を透過する光の透過率は、被検査物１００外周縁が凹面鏡３の外周縁よりも内側に位置する場合、被検査物１００外周縁と凹面鏡３の外周縁とが同じ位置にある場合よりも低い。その場合、被検査物１００の外側を通り凹面鏡３で反射した強い光が測定系に戻る。この光が、回折格子５で回折し、内側に回り込む現象が起こる。この現象は、測定誤差を生じさせる。特に、被測定サンプルの周辺部に検出すべき歪がある場合は、著しく検出能力を下げることになる。
【０１３８】
マスク板１７は、被検査物１００の外側を通る不必要な光を遮断し、上記の不都合が生じることを防止している。このマスク板１７を設けた透過波面計測装置１Ｄは、適正なトールボット像を得ることができる。
【０１３９】
なお、マスク板１７を設ける構成は、偏光板１１，１２，１３，１４，１５及び波長板１６を有しない透過波面計測装置１に適用することもできる。
【符号の説明】
【０１４０】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ  透過波面計測装置
２  光源
３  凹面鏡
４  レンズ
５  回折格子
６  撮像部
７  演算部
１１  第１偏光板（第１偏光手段）
１２  第２偏光板（第２偏光手段）
１３  偏光板
１４  第１偏光板
１５  第２偏光板
１６  波長板
１７  マスク板
２０  発散光
３０  収束光
４０  平行光
５１，５２  スリット
５５  トールボット像
６１，６２，６３，６４  １次スペクトル
１００  被検査物
【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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