(57)【要約】【課題】非接触で2点間の高さの差を測定可能な光干渉式測定装置を提供する。【解決手段】照射光を発する光源114、照射光を第1参照光と第1検査光に分割する第1半透鏡41、第1参照光と第1測定点91に照射されて第1測定光路長を進んだ第1検査光とを干渉させ、第1干渉縞を形成させる第1光学素子31、照射光を第2参照光と第2検査光に分割する第2半透鏡42、第2参照光と第2測定点92に照射されて第2測定光路長を進んだ第2検査光とを干渉させ、第2干渉縞を形成させる第2光学素子32、第1干渉縞と第2干渉縞の合成干渉縞を検出する干渉縞検出素子153、合成干渉縞から、第1測定光路長と第2測定光路長との光路差に応じて変動する干渉縞成分を抽出する抽出モジュール310、及び干渉縞成分から、第1測定点91と第2測定点92の高さの差を算出する算出モジュール330を備える。【選択図】図1
2008268121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射光を発する光源と、
前記照射光を第１参照光と第１検査光に分割する第１半透鏡と、
前記第１参照光と第１測定点に照射されて第１測定光路長を進んだ前記第１検査光との第１干渉縞を形成させる第１光学素子と、
前記照射光を第２参照光と第２検査光に分割する第２半透鏡と、
前記第２参照光と第２測定点に照射されて第２測定光路長を進んだ前記第２検査光との第２干渉縞を形成させる第２光学素子と、
前記第１干渉縞と前記第２干渉縞の合成干渉縞を検出する干渉縞検出素子と、
前記合成干渉縞から、前記第１測定光路長と前記第２測定光路長との光路差に応じて変動する干渉縞成分を抽出する抽出モジュールと、
前記干渉縞成分から、前記第１測定点と前記第２測定点の高さの差を算出する算出モジュール
とを備えることを特徴とする光干渉式測定装置。
【請求項２】
前記第１半透鏡が、前記第１測定点に対して前記照射光のコヒーレンス長の半分よりも短い第１の測定距離をおいて配置されることを特徴とする請求項１に記載の光干渉式測定装置。
【請求項３】
前記第２半透鏡が、前記第２測定点に対して前記照射光のコヒーレンス長の半分よりも短い第２の測定距離をおいて配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光干渉式測定装置。
【請求項４】
前記第1光学素子及び前記第2光学素子が、前記第１検査光と前記第２検査光の干渉、前記第１検査光と前記第２参照光の干渉、前記第１参照光と前記第２検査光の干渉、及び前記第１参照光と前記第２参照光の干渉を妨げることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光干渉式測定装置。
【請求項５】
前記抽出モジュールが、前記合成干渉縞のスペクトルの包絡線を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光干渉式測定装置。
【請求項６】
前記抽出モジュールが、前記包絡線の極値点の間隔を抽出することを特徴とする請求項５に記載の光干渉式測定装置。
【請求項７】
前記照射光の波長成分を選択的に透過させる分光器を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光干渉式測定装置。
【請求項８】
前記第１検査光、前記第１参照光、前記第２検査光、及び前記第２参照光のそれぞれの波長成分を選択的に透過させる分光器を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光干渉式測定装置。
【請求項９】
前記光源が、前記照射光の波長を変化させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光干渉式測定装置。
【請求項１０】
前記合成干渉縞のスペクトル分布から前記照射光のスペクトル分布を除去する補正モジュールを更に備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光干渉式測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は計測技術に関し、特に光干渉式測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を製造する際、シリコン基板にエッチング法で形成された段の高さや、シリコン基板上に形成された金属配線の膜厚等を正確に測定することが望まれる。従来、段の高さを測定する際には触針式段差計が使用されていた。しかし触針式段差計の触針がシリコン基板に接触すると、シリコン基板に傷や汚れがつくおそれがある。また触針の先端に異物が付着すると、正確に段の高さを測定することができない。また段の高さを測定可能な装置としては、走査型原子間力顕微鏡(AFM)がある（例えば、特許文献1参照。）。しかしAFMはナノメートルレベルの測定が可能であるものの、サブミクロン以上の段の高さを測定するのは困難である。またAFMの走査可能範囲は狭いため、離れた2点間の高さの差を正確に測定することができない。
【特許文献１】特開2004-12466号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、非接触で2点間の高さの差を測定可能な光干渉式測定装置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】
【０００４】
本発明の特徴は、（イ）照射光を発する光源と、（ロ）照射光を第1参照光と第1検査光に分割する第1半透鏡と、（ハ）第1参照光と第1測定点に照射されて第1測定光路長を進んだ第1検査光とを干渉させ、第1干渉縞を形成させる第1光学素子と、（ニ）照射光を第2参照光と第2検査光に分割する第2半透鏡と、（ホ）第2参照光と第2測定点に照射されて第2測定光路長を進んだ第2検査光とを干渉させ、第2干渉縞を形成させる第2光学素子と、（ヘ）第1干渉縞と第2干渉縞の合成干渉縞を検出する干渉縞検出素子と、（ト）合成干渉縞から、第1測定光路長と第2測定光路長との光路差に応じて変動する干渉縞成分を抽出する抽出モジュールと、（チ）干渉縞成分から、第1測定点と第2測定点の高さの差を算出する算出モジュールとを備える光干渉式測定装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、非接触で2点間の高さの差を測定可能な光干渉式測定装置を提供可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【０００７】
（第1の実施の形態）
第1の実施の形態に係る光干渉式測定装置は、図1に示すように、照射光を発する光源114、照射光を第1参照光と第1検査光に分割する第1半透鏡41、第1参照光と被測定物190の第1測定点91に照射されて第1測定光路長を進んだ第1検査光とを干渉させ、第1干渉縞を形成させる第1光学素子31、照射光を第2参照光と第2検査光に分割する第2半透鏡42、第2参照光と被測定物190の第2測定点92に照射されて第2測定光路長を進んだ第2検査光とを干渉させ、第2干渉縞を形成させる第2光学素子32、及び第1干渉縞と第2干渉縞の合成干渉縞を検出する干渉縞検出素子153を備える。光干渉式測定装置はさらに中央演算処理装置(CPU)300を備える。CPU300は、合成干渉縞から第1測定光路長と第2測定光路長との光路差に応じて変動する干渉縞成分を抽出する抽出モジュール310、及び干渉縞成分に基づいて第1測定点91と第2測定点92の高さの差を算出する算出モジュール330を備える。なお第1測定点91が含まれる第1測定面291と、第2測定点92が含まれる第2測定面292とは平行である。
【０００８】
光源114には紫外域から赤外域まで(185nm〜2,000nm)の連続スペクトルに対応可能なキセノンランプ、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、あるいはマルチモードレーザダイオード等の多波長光源が使用可能である。照射光の光強度である照射光強度S0(λ)は、例えば下記(1)式で表される。:
S0(λ) = D×exp{-(λ-λCS / ΔλS)2}    …(1)
(1)式においてDは定数を表し、λCSは光源114から照射される照射光の照射光中心波長を表し、ΔλSは光源114の発光帯域幅を表す。
【０００９】
光源114には照射光を伝搬する光ファイバ等の共通光導波路29が接続されている。共通光導波路29には分光器3が接続されている。図2に示すように、分光器3は照射光の透過可能な波長成分の波長λを時間tに応じて走査する。分光器3は例えば図3に示すファブリペロ共振構造を有する。この場合、分光器3は内部に空洞が設けられた筐体14を有する。筐体14には外部から内部の空洞に向かって入力側内部筐体13が挿入されている。入力側内部筐体13は共通光導波路29とフェルール192を接続している。フェルール192の端面には入力側半透鏡125が配置されている。また筐体14には外部から内部に向かって入力側内部筐体13と対向する位置に出力側内部筐体12が挿入されている。出力側内部筐体12は共通光導波路30とフェルール191を接続している。フェルール191の端面には出力側半透鏡124が配置されている。筐体14に圧力等を加えると筐体14に撓みが生じ、入力側半透鏡125と出力側半透鏡124との間隔LOが変化する。
【００１０】
共通光導波路29で分光器3に向かって伝搬された照射光の一部は入力側半透鏡125で反射され、その他は入力側半透鏡125を透過する。入力側半透鏡125を透過した照射光の一部は出力側半透鏡124表面で反射され、一部は出力側半透鏡124を透過する。反射された照射光は入力側半透鏡125方向に進行し、入力側半透鏡125表面で再び出力側半透鏡124に向かって反射される。このとき、照射光のうち出力側半透鏡124から入力側半透鏡125方向に進行する波長成分と、入力側半透鏡125から出力側半透鏡124方向に進行する波長成分との位相が揃う場合、波長成分の光強度は減衰しない。しかし照射光のうち出力側半透鏡124から入力側半透鏡125方向に進行する波長成分と、入力側半透鏡125から出力側半透鏡124方向に進行する波長成分との位相が揃わない場合、波長成分の光強度は減衰する。したがって、入力側半透鏡125と出力側半透鏡124との間隔LOを変化させることにより、分光器3を透過する照射光の波長を選択することが可能となる。分光器3の波長分解能をΔλRとすると、分光器3の周波数分解能Δνは下記(2)式で与えられる。
【００１１】
Δν =  cΔλR  /  λCS2          …(2)
(2)式においてcは光速を表す。照射光のコヒーレンス長LCは、下記(3)式で与えられる。                                                                       
LC = c / Δν   …(3)
図1に示すように分光器3には、分光器3を透過した照射光を伝搬する光ファイバ等の共通光導波路30が接続されている。共通光導波路30には照射光を2方向に分割するスプリッタ21が接続されている。スプリッタ21には、光ファイバカプラ（光ファイバ型ビームスプリッタ）、ハーフミラー、あるいは薄膜導波路分岐装置等が使用可能である。スプリッタ21には、それぞれ光ファイバ等の光導波路である第1光学素子31及び第2光学素子32が接続されている。第1光学素子31及び第2光学素子32は照射光を伝搬する。ここで第2光学素子32の光路長LR2は、コヒーレンス長LCの半分よりも長い下記(4)式で与えられる迂回光路長LFだけ第1光学素子31の光路長LR1よりも長い。
【００１２】
LF ≫ (LC / 2)  …(4)
第1光学素子31の端面は、第1測定面291の第1測定点91と対向するように配置される。図4に示すように、第1光学素子31は石英(SiO2)等からなるコア130a及びクラッド131aを有する。石英と空気との屈折率差により、第1光学素子31の端面が第1半透鏡41として機能する。照射光の一部は第1半透鏡41で第1参照光として反射され、照射光の他の一部は第1半透鏡41を第1検査光として透過する。第1半透鏡41は、図1に示す第1測定面291に対して垂直方向に第1の測定距離LT1をおいて配置される。第1半透鏡41から放射された第1検査光の光軸は、第1測定面291に対して垂直である。第1検査光は第1測定点91で反射されて、第1半透鏡41に戻ってくる。したがって第1検査光は、第1半透鏡41と第1測定点91との間で、第1の測定距離LT1の2倍の長さである下記(6)式で与えられる第1測定光路長F1を進む。下記(5)式及び(6)式に示すように、第1の測定距離LT1はコヒーレンス長LCの半分よりも短くなるよう設定され、第1測定光路長F1はコヒーレンス長LCよりも短くなるよう設定される。:
2LT1 < LC       …(5)
F1 = 2LT1                …(6)
第1半透鏡41に戻った第1検査光の一部は第1半透鏡41を透過し、第1光学素子31に入射してスプリッタ21に向かって進行する。他に、第1半透鏡41に戻った第1検査光の一部は第1半透鏡41で反射され、再び第1測定点91に向かって進行する。このとき、第1測定点91から第1半透鏡41に進行する第1検査光の波長成分と、第1半透鏡41から第1測定点91に進行する第1検査光の波長成分との位相が揃う場合、波長成分の光強度は減衰しない。しかし、 第1測定点91から第1半透鏡41に進行する第1検査光の波長成分と、第1半透鏡41から第1測定点91に進行する第1検査光の波長成分との位相が揃わない場合、波長成分の光強度は減衰する。したがって第1検査光において、第1半透鏡41と第1測定点91との間の多重反射の時に位相が揃わない波長帯域の光強度は減衰する。
【００１３】
上記(5)式で示したように、第1測定光路長F1はコヒーレンス長LCよりも短い。そのため第1測定光路長F1に相当する光路差により、第1半透鏡41で反射された第1参照光は、第1測定点91で反射され再び第1光学素子31に入射した第1検査光と干渉する。照射光の光強度に対する、第1光学素子31内をスプリッタ21に向かって進行する第1参照光と第1検査光の干渉強度の比である第1の光強度比RS1は、下記(7)式で与えられる。:
RS1={R1Ra+ηaR2Ra-2(ηaR1RaR2Ra)1/2cos2φa}/{1+ηaR1RaR2Ra-2(ηaR1RaR2Ra)1/2cos2φa} …(7)
ここで、R1Raは第1半透鏡41の反射率、R2Raは第1測定面291の反射率を表す。ηaは第1半透鏡41と第1測定点91の間での光損失を表し、下記(8)式で与えられる。またφaは位相を表し、下記(9)式で与えられる。(8)式においてqは照射光のビーム径を表す。:
ηa= 1 / {1 + (λ×F1) / (2πq2)}2 …(8)
φa= πF1 / λ …(9)
以下において簡略化のため、Aを第1半透鏡41と第1測定点91との間の可干渉度を表す定数として、第1の光強度比RS1を下記(10)式で与える。
【００１４】
RS1  = 1 + A cos {2π×F1 / λ}  …(10)
第1参照光及び第1検査光は、第1光学素子31で伝搬され、スプリッタ21で2方向に分割される。さらに第1参照光及び第1検査光は、共通光導波路33で伝搬される。
【００１５】
第2光学素子32の端面は、第2測定点92と対向するように配置される。第2光学素子32もコア及びクラッドを有する。第2光学素子32の端面が第2半透鏡42として機能する。照射光の一部は第2半透鏡42で第2参照光として反射され、照射光の他の一部は第2半透鏡42を第2検査光として透過する。第2半透鏡42は、第2測定面292に対して垂直方向に第2の測定距離LT2をおいて配置される。なお第1測定面291の垂直方向において、第2半透鏡42が配置された位置の高さと第1半透鏡41が配置された位置の高さは同じである。第2半透鏡42から放射された第2検査光の光軸は、第2測定面292に対して垂直である。第2検査光は第2測定点92で反射されて、第2半透鏡42に戻ってくる。したがって第2検査光は、第2半透鏡42と第2測定点92との間で、第2の測定距離LT2の2倍の長さである下記(12)式で与えられる第2測定光路長F2を進む。下記(11)式及び(12)式に示すように、第2の測定距離LT2はコヒーレンス長LCの半分よりも短くなるよう設定され、第2測定光路長F2はコヒーレンス長LCよりも短くなるよう設定される。:
2LT2 < LC      …(11)
F2 = 2LT2                …(12)
第2測定光路長F2に相当する光路差によって、第2半透鏡42で反射された第2参照光は、第2測定点92で反射され再び第2光学素子32に入射した第2検査光と干渉する。照射光の光強度に対する、第2光学素子32内をスプリッタ21に向かって進行する第2参照光と第2検査光の干渉強度の比である第2の光強度比RS2は、下記(13)式で与えられる。:
RS2={R1Rb+ηbR2Rb-2(ηbR1RbR2Rb)1/2cos2φb}/{1+ηbR1RbR2Rb-2(ηbR1RbR2Rb)1/2cos2φb} …(13)
ここでR1Rbは第2半透鏡42の反射率、R2Rbは第2測定面292の反射率を表す。ηbは第2半透鏡42と第2測定点92の間での光損失を表し、下記(14)式で与えられる。またφbは位相を表し、下記(15)式で与えられる。:
ηb= 1 / {1 + (λ×F2) / (2πq2)}2 …(14)
φb= πF2 / λ …(15)
以下において簡略化のため、Bを第2半透鏡42と第2測定点92との間の可干渉度を表す定数として、第2の光強度比RS2を下記(16)式で与える。
【００１６】
RS2  = 1 + B cos {2π×F2 / λ}  …(16)
第2参照光及び第2検査光は、図1に示す第2光学素子32で伝搬され、スプリッタ21で2方向に分割される。さらに第2参照光及び第2検査光は共通光導波路33で伝搬される。よって共通光導波路33は、第1参照光、第1検査光、第2参照光、及び第2検査光を伝搬する。ここで第2光学素子32の光路長LR2は、(4)式で与えられる迂回光路長LFだけ第1光学素子31の光路長LR1より長い。したがって第1光学素子31を往復した光の光路と、第2光学素子32を往復した光の光路との光路差は、迂回光路長LFの2倍以上となる。そのため光路差はコヒーレンス長LCより長くなるため、第1参照光と第2参照光は干渉しない。
【００１７】
また第1光学素子31の光路長LR1の2倍及び第1測定光路長F1の和と、第2光学素子32の光路長LR2の2倍及び第2測定光路長F2の和との差の絶対値は、下記(17)式に示すようにコヒーレンス長LCよりも長くなるよう設定される。したがって、第1検査光と第2検査光は干渉しない。
【００１８】
|2LR1 + F1 - (2LR2 + F2)| ≫ LC  …(17)
また第1光学素子31の光路長LR1の2倍及び第1測定光路長F1の和と、第2光学素子32の光路長LR2の2倍との差の絶対値は、下記(18)式に示すようにコヒーレンス長LCよりも長くなるよう設定される。したがって、第1検査光と第2参照光は干渉しない。
【００１９】
|2LR1 + F1 - 2LR2| ≫ LC        …(18)
また第1光学素子31の光路長LR1の2倍と、第2光学素子32の光路長LR2の2倍及び第2測定光路長F2の和との差の絶対値は、下記(19)式に示すようにコヒーレンス長LCよりも長くなるよう設定される。したがって、第1参照光と第2検査光は干渉しない。
【００２０】
|2LR1 - (2LR2 + F2)| ≫ LC              …(19)
共通光導波路33には、第1参照光、第1検査光、第2参照光、及び第2検査光を受光する干渉縞検出素子153が接続されている。干渉縞検出素子153には、CCDイメージセンサ等が使用可能である。ここで、干渉縞検出素子153が受光する第1参照光及び第1検査光が形成する第1干渉縞の光強度である第1検査光強度S1(λ)は下記(20)式で与えられる。
【００２１】
S1(λ) = (1/4) × S0(λ) ×TL1(λ) ×RS1  …(20)
(20)式において照射光強度S0(λ)に係る1/4は、照射光がスプリッタ21を合計2回経由することによる光強度の損失を示している。TL1(λ)は、照射光、第1参照光及び第1検査光が干渉縞検出素子153に到着するまで経由する共通光導波路29、共通光導波路30、第1光学素子31及び共通光導波路33等の透過率を示している。
【００２２】
また干渉縞検出素子153が受光する第2参照光及び第2検査光が形成する第2干渉縞の光強度である第2検査光強度S2(λ)は下記(21)式で与えられる。
【００２３】
S2(λ) = (1/4) × S0(λ) ×TL2(λ) ×RS2  …(21)
(21)式においてTL2(λ)は、照射光、第2参照光及び第2検査光が干渉縞検出素子153に到着するまで経由する共通光導波路29、共通光導波路30、第1光学素子31、及び共通光導波路33等の透過率を示している。(20)式及び(21)式より、第1干渉縞と第2干渉縞の合成干渉縞の光強度である出力光強度SOUT(λ)は、下記(22)式で与えられる。図5は、中心波長λCSが880nm、波長分解能ΔλRが3.6nm、迂回光路長LFが7.2m、コヒーレンス長LCが200μmの場合の出力光強度SOUT(λ)のスペクトルの一例である。
【００２４】
SOUT(λ) = S1(λ) + S2(λ)
=  (1/4) × S0(λ) ×{TL1(λ) ×RS1 +  TL2(λ) ×RS2}
=  (1/4)×S0(λ) [{TL1(λ)+TL2(λ)}+TL1(λ)×A cos{2π×F1 /λ}
+ TL2(λ)×B cos {2π×F2 /λ}]  …(22)
ここで下記(23)式及び(24)式で与えられる変数α, βを定義すると、(22)式で与えられた出力光強度SOUT(λ)は下記(25)式に変形される。
【００２５】
α= TL1(λ)×A   …(23)
β= TL2(λ)×B   …(24)
SOUT(λ)=(1/4)×S0(λ) [{TL1(λ)+TL2(λ)}+
2αcos{(π/λ)(F1 - F2)}cos{(π/λ)(F1+F2)}
+(β-α)cos{(2π/λ)×F2}]
=(1/4)×S0(λ) [{TL1(λ)+TL2(λ)}+
2αcos{(π/λ)(F1 - F2)}cos{(π/λ)(F1+F2)}
+(β-α)cos{(2π/λ)×F2}]  …(25)
(25)式の第2項のcos{(π/λ)(F1 - F2)}は、出力光強度SOUT(λ)のスペクトルの低周波成分として現れる。低周波成分は、図6に示すように、出力光強度SOUT(λ)のスペクトルの包絡線で表現される。ここで低周波成分の極大点又は極小点は2πの周期ごとに現れる。そこでnを2以上の整数として、n番目の極大点を与える波長をλnとし、n-1番目の極大点を与える波長をλn-1とすると、下記(26)式が成立する。
【００２６】
(π/λn)(F1 - F2) - (π/λn-1)(F1 - F2) = 2π      …(26)
(26)式より、出力光強度SOUT(λ)の低周波成分の極大点どうしの間隔、又は極小点どうしの間隔であるピーク間隔Pは下記(27)式で与えられる。
【００２７】
P = 1/λn - 1/λn-1
= 2 / (F1 - F2)                …(27)
第1半透鏡41及び第2半透鏡42の位置が固定されていれば、第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)のみに依存して第1測定光路長と第2測定光路長との光路差(F1 - F2)は変動し、結果として合成干渉縞の低周波成分のピーク間隔Pが変動する。なお低周波成分のピーク間隔Pの変動は、第1検査光の光強度と第2検査光の光強度との差に影響されない。
【００２８】
図1に示す干渉縞検出素子153は、合成干渉縞の出力光強度SOUT(λ)をCPU300に伝送する。CPU300の補正モジュール306は、合成干渉縞の出力光強度SOUT(λ)を常時受信する。補正モジュール306は、移動平均法により合成干渉縞の出力光強度SOUT(λ)を補正する。ここで「移動平均法」について説明する。図6に示すように出力光強度SOUT(λ)のスペクトルが得られた場合、図1に示す補正モジュール306は、上記(25)式の第2項に含まれる低周波成分cos{(π/λ)(F1 - F2)}の1周期以上で照射光強度S0(λ)のスペクトル分布の1周期未満の幅の区間を定義する。さらに補正モジュール306は、定義された区間における出力光強度SOUT(λ)の平均値を算出し、区間の中心にプロットする。次に補正モジュール306は区間を波長方向に移動させ、移動された区間における出力光強度SOUT(λ)の平均値を算出し、区間の中心にプロットする。以後、補正モジュール306は区間の移動と出力光強度SOUT(λ)の平均値の算出を繰り返し、算出された出力光強度SOUT(λ)の平均値の集合である図7に示す移動平均線を算出する。
【００２９】
図6に例示する出力光強度SOUT(λ)のスペクトル分布には、照射光強度S0(λ)のスペクトル分布、上記(25)式の第2項に含まれる低周波成分cos{(π/λ)(F1 - F2)}のスペクトル分布、(25)式の第2項に含まれる高周波成分cos{(π/λ)(F1 + F2)}のスペクトル分布、及び(25)式の第3項で与えられる反射光成分(β-α)cos{(2π/λ)×F2}のスペクトル分布が重畳している。ここで低周波成分cos{(π/λ)(F1 - F2)}の周期以上で、照射光強度S0(λ)のスペクトル分布の周期よりも短い区間を設定して出力光強度SOUT(λ)の移動平均線を算出すると、低周波成分cos{(π/λ)(F1 - F2)}のスペクトル分布、高周波成分cos{(π/λ)(F1 + F2)}のスペクトル分布、及び反射光成分(β-α)cos{(2π/λ)×F2}のスペクトル分布が平均化される。そのため図7に示す移動平均線は、照射光強度S0(λ)のスペクトル分布のみを反映する。
【００３０】
図1に示す補正モジュール306は、下記(28)式に示すように、出力光強度SOUT(λ)を移動平均線で近似された照射光強度S0(λ)で割って、出力光強度SOUT(λ)のスペクトル分布から照射光強度S0(λ)のスペクトル分布を除去し、図8に示す補正された出力光強度SOUT_C(λ)のスペクトル分布を算出する。
【００３１】
SOUT_C(λ) = SOUT(λ) / S0(λ)
= (1/4)[{TL1(λ)+TL2(λ)}+
2αcos{(π/λ)(F1 - F2)}cos{(π/λ)(F1 + F2)}
+(β-α)cos{(2π/λ)×F2}]                    …(28)
ここで光の周波数νと、光速cと、波長λの関係は、下記(29)式で与えられる。
【００３２】
ν= c /λ              …(29)
図1に示す変換モジュール307は(29)式を用いて、波長λの関数である(28)式を図9に示す周波数νの関数に変換する。周波数νの関数で表される補正された出力光強度SOUT_C(ν)は、下記(30)式で与えられる。
【００３３】
SOUT_C(ν) = (1/4)[{TL1(c /ν)+ TL2(c /ν)}+
2αcos{(πν/ c)(F1 - F2)}cos{(πν/ c)(F1 + F2)}
+(β-α)cos{(2πν/ c)×F2}]                        …(30)
(30)式で与えられる出力光強度SOUT_C(ν)の低周波成分のn番目の極大点を与える周波数をνnとし、n-1番目の極大点を与える波長をνn-1とすると、下記(31)式が成立する。
【００３４】
(πνn  / c)(F1 - F2) - (πνn-1  / c)(F1 - F2) = 2π        …(31)
(31)式より、出力光強度SOUT_C(ν)の低周波成分のピーク間隔Pは下記(32)式で与えられる。
【００３５】
P = (νn - νn-1) / c
= 2 / (F1 - F2)                …(32)
よって出力光強度SOUT_C(ν)の低周波成分のピーク間隔Pも、第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)のみに依存して変動する。例えば図10は、第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)が0μm、4.56μm、7.89μm、11.04μmの時の出力光強度SOUT_C(ν)のスペクトルである。高さの差(LT1 - LT2)が小さくなるにつれて、合成干渉縞の低周波成分のピーク間隔Pが広くなる。図1に示す抽出モジュール310は出力光強度SOUT_C(ν)から、低周波成分のピーク間隔Pを抽出する。算出モジュール330は、例えば図11に示す予め取得された2つの測定点の高さの差(LT1 - LT2)と低周波成分のピーク間隔Pとの関係を用いて、図1に示す抽出モジュール310が抽出した低周波成分のピーク間隔Pから第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を算出する。
【００３６】
CPU300にはデータ記憶装置200が接続されている。データ記憶装置200は干渉縞成分記憶モジュール201、関係記憶モジュール202、及び結果記憶モジュール203を備える。干渉縞成分記憶モジュール201は、抽出モジュール310で抽出された合成干渉縞の低周波成分のピーク間隔Pを保存する。関係記憶モジュール202は、予め取得された2つの測定点の高さの差(LT1 - LT2)と低周波成分のピーク間隔Pとの関係を保存する。結果記憶モジュール203は、算出モジュール330で算出された第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を保存する。
【００３７】
以上説明した光干渉式測定装置において、共通光導波路29, 30, 33、第1光学素子31、第2光学素子32のそれぞれには、シングルモード光ファイバ、グレーテッドインデックス型光ファイバ、及びステップインデックス型光ファイバ等が使用可能である。なお図12に示すように、第1半透鏡41と第1測定点91の間にレンズ45を配置し、第2半透鏡42と第2測定点92の間にレンズ46を配置してもよい。レンズ45, 46は、光を集光する集光レンズでもよいし、光を平行光にするコリメートレンズでもよい。またレンズ45, 46のそれぞれの表面は、反射防止コーティングされていてもよい。
【００３８】
次に図13を用いて、第1の実施の形態に係る光干渉式測定方法について説明する。
【００３９】
(a) ステップS101で図1に示す光源114は、(1)式で与えられる照射光強度S0(λ)のスペクトルを有する照射光を発する。照射光は共通光導波路29で分光器3に伝搬される。ステップS102で分光器3は、図2に示すように、時間tに応じて照射光の波長成分を選択的に透過させる。図1に示す分光器3を透過した照射光は共通光導波路30でスプリッタ21に伝搬される。ステップS103で照射光は、スプリッタ21で第1光学素子31と第2光学素子32の2方向に分割される。スプリッタ21で第1光学素子31に向かって分割された照射光は、第1光学素子31で第1半透鏡41に伝搬される。スプリッタ21で第2光学素子32に向かって分割された照射光は、第1光学素子31の光路長LR1よりも迂回光路長LFだけ長い第2光学素子32で第2半透鏡42に伝搬される。
【００４０】
(b) ステップS201で、第1光学素子31で伝搬された照射光は、第1半透鏡41で一部が第1参照光として反射され、一部が第1半透鏡41を第1検査光として透過する。ステップS202で第1検査光は第1測定点91に向かって進行し、第1測定点91で反射される。第1測定点91で反射された第1検査光は、第1半透鏡41を再び透過し、第1光学素子31に入射する。第1半透鏡41と第1測定点91との間を往復する時に、第1検査光は第1測定光路長F1を進む。ステップS203で、第1半透鏡41で反射された第1参照光は、第1測定光路長F1を進んだ第1検査光と干渉する。その後、第1参照光及び第1検査光は、第1光学素子31及びスプリッタ21を経て、共通光導波路33で干渉縞検出素子153に伝搬される。
【００４１】
(c) ステップS301で、第2光学素子32で伝搬された照射光は、第2半透鏡42で一部が第2参照光として反射され、一部が第2半透鏡42を第2検査光として透過する。ステップS302で第2検査光は第2測定点92に向かって進行し、第2測定点92で反射される。第2測定点92で反射された第2検査光は、第2半透鏡42を再び透過し、第2光学素子32に入射する。第2半透鏡42と第2測定点92との間を往復する時に、第2検査光は第2測定光路長F2を進む。
【００４２】
(d) ステップS303で、第2半透鏡42で反射された第2参照光は、第2測定光路長F2を進んだ第2検査光と干渉する。その後、第2参照光及び第2検査光は、第2光学素子32及びスプリッタ21を経て、共通光導波路33で干渉縞検出素子153に伝搬される。なお、ステップS301乃至ステップS303の進行は、ステップS201乃至ステップS203の進行と並行する。また、ステップS103、ステップS201乃至ステップS203、ステップS301乃至ステップS303は、ステップS102で時間tに応じて選択的に透過される照射光の波長成分のそれぞれについて連続的に実施される。
【００４３】
(e) ステップS401で干渉縞検出素子153は、第1検査光及び第1参照光による第1干渉縞、及び第2検査光及び第2参照光による第2干渉縞の合成干渉縞を検出する。干渉縞検出素子153は、検出した合成干渉縞の上記(25)式で与えられる出力光強度SOUT(λ)をCPU300に伝送する。ステップS402でCPU300の補正モジュール306は、合成干渉縞の出力光強度SOUT(λ)を受信する。次に補正モジュール306は、出力光強度SOUT(λ)のスペクトル分布の移動平均線を算出する。その後、補正モジュール306は出力光強度SOUT(λ)のスペクトル分布を移動平均線で近似された照射光強度S0(λ)のスペクトル分布で割り、(28)式で与えられる補正された出力光強度SOUT_C(λ)を算出する。補正モジュール306は、出力光強度SOUT_C(λ)を変換モジュール307に伝送する。
【００４４】
(f) ステップS403で変換モジュール307は、(28)式で与えられる出力光強度SOUT_C(λ)を受信する。次に変換モジュール307は波長λの関数である(28)式を、周波数νの関数である(30)式に変換する。変換モジュール307は、(30)式で与えられる出力光強度SOUT_C(ν)を抽出モジュール310に伝送する。ステップS404で抽出モジュール310は、出力光強度SOUT_C(ν)を受信する。次に抽出モジュール310は、出力光強度SOUT_C(ν)のスペクトルに含まれる低周波成分のピーク間隔Pを抽出する。抽出モジュール310は、抽出した低周波成分のピーク間隔Pの値を干渉縞成分記憶モジュール201に保存する。
【００４５】
(g) ステップS405で算出モジュール330は、例えば図11に示す予め取得された2つの測定点の高さの差(LT1 - LT2)と低周波成分のピーク間隔Pとの関係を、図1に示す関係記憶モジュール202から読み出す。次に算出モジュール330は、高さの差(LT1 - LT2)とピーク間隔Pとの関係を、間隔を変数とする高さの差(LT1 - LT2)の近似式で近似する。その後、算出モジュール330は、抽出モジュール310が抽出した低周波成分のピーク間隔Pの値を干渉縞成分記憶モジュール201から読み出す。算出モジュール330は、ピーク間隔Pの値を近似式に代入し、第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を算出する。最後に算出モジュール330は算出した高さの差(LT1 - LT2)を結果記憶モジュール203に保存し、第1の実施の形態に係る光干渉式測定方法を終了する。
【００４６】
従来、非接触で段の高さを測定する共焦点式段差計があった。共焦点式段差計は段の近傍を光で走査する際、反射光強度が一定となるようレンズの位置を変動させる。共焦点式段差計はレンズの位置の変動量を変位センサで検出し、変位量に基づいて段の高さを算出する。しかし共焦点式段差計で測定可能な高さの分解能は、変位センサに依存するため高くない。さらに光の回折限界により、空間分解能も波長オーダに限られる。また共焦点式段差計は段の高さを算出する際、段の上面と下面の共焦点位置をそれぞれ求め、共焦点位置の差を算出する。したがって走査時間がかかり、測定分解能も可変焦点レンズの位置分解能の半分以下となるという問題があった。
【００４７】
これに対し第1の実施の形態に係る光干渉式測定装置は、第1測定光路長と第2測定光路長との光路差(F1 - F2)に基づいて第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を算出するため、高さの差(LT1 - LT2)が波長よりも短い場合も測定可能である。また上記(4)式、(17)式乃至(19)式を満たす限り、第1光学素子31の光路長LR1と第2光学素子32の光路長LR2が変化しても、高さの差(LT1 - LT2)の測定結果に影響を及ぼさない。したがって、第1測定点91と第2測定点92とが離れていても、正確に高さの差(LT1 - LT2)を測定することが可能となる。
【００４８】
（第1の実施の形態の第1の変形例）
上記(25)式の第2項に含まれるcos{(π/λ)(F1 - F2)}に着目すると、出力光強度SOUT(λ)のスペクトルの低周波成分の任意の第1の波長λ1における第1の周期G1は下記(33)式で与えられ、第1の波長λ1と異なる第2の波長λ2における低周波成分の第2の周期G2は下記(34)式で与えられる。また第1の周期G1と第2の周期G2との差は、下記(35)式で与えられる。さらに(35)式から、第1測定光路長F1と第2測定光路長F2との差(F1 - F2)は下記(36)式で与えられる。
【００４９】
G1 = (F1 - F2) / (2×λ1)         …(33)
G2 = (F1 - F2) / (2×λ2)          …(34)
G1 - G2 = (F1 - F2)×{(1 / (2×λ1)) - (1 / (2×λ2))}  …(35)
F1 - F2 = (G1 - G2) / {(1 / (2×λ1)) - (1 / (2×λ2))}  …(36)
上記(6)式、(12)式、及び(36)式より、第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)は下記(37)式で与えられる。
【００５０】
LT1 - LT2 = (G1 - G2) / {(1 / λ1) - (1 / λ2)}  …(37)
ここで、第1の周期G1と第2の周期G2との差(G1 - G2)は、第1の波長λ1から第2の波長λ2までの間の低周波成分の干渉縞の数を表す。したがって第1の波長λ1から第2の波長λ2までの間における出力光強度SOUT(λ)のスペクトルの低周波成分による干渉縞の数が分かれば、上記(37)式から、第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を算出可能である。
【００５１】
以上示した原理を適用する第1の変形例において、図1に示す抽出モジュール310は合成干渉縞の出力光強度SOUT(λ)のスペクトルのデータから、任意の第1の波長λ1と第2の波長λ2の間の低周波成分の極大点を抽出する。なお抽出モジュール310は、合成干渉縞の出力光強度SOUT(λ)のスペクトルの包絡線を計算し、任意の第1の波長λ1と第2の波長λ2の間の包絡線の極大点を抽出してもよい。
【００５２】
算出モジュール330は抽出された極大点の数を数える。また算出モジュール330は、上記(37)式に第1の波長λ1の値、第2の波長λ2の値、及び抽出された極大点の数を代入し、第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を算出する。なお第1の変形例においては、干渉縞成分記憶モジュール201は抽出モジュール310で抽出された第1の波長λ1の値、第2の波長λ2の値、及び極大点を保存する。関係記憶モジュール202は、上記(37)式を保存する。
【００５３】
次に図13を用いて、第1の実施の形態の第1の変形例に係る光干渉式測定方法について説明する。
【００５４】
(a) ステップS101乃至ステップS103、ステップS201乃至ステップS203、ステップS301乃至ステップS303、ステップS401、及びステップS402が第1の実施の形態と同様に実施される。ステップS403は省略される。次にステップS404で図1に示す抽出モジュール310は、任意の第1の波長λ1と第2の波長λ2との間における出力光強度SOUT(λ)のスペクトルの低周波成分の極大点を、第1測定光路長F1と第2測定光路長F2との光路差に応じて変動する干渉縞成分として抽出する。抽出モジュール310は、抽出した第1の波長λ1の値、第2の波長λ2の値、及び低周波成分の極大点を干渉縞成分記憶モジュール201に保存する。
【００５５】
(b) ステップS405で算出モジュール330は、抽出モジュール310によって抽出された第1の波長λ1の値、第2の波長λ2の値、及び低周波成分の極大点を干渉縞成分記憶モジュール201から読み出し、極大点の数を数える。また算出モジュール330は、関係記憶モジュールから上記(37)式を読み出す。次に算出モジュール330は、第1の波長λ1の値、第2の波長λ2の値、及び極大点の数を(37)式に代入することにより、第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を算出し、第1の実施の形態の第1の変形例に係る光干渉式測定方法を終了する。
【００５６】
以上説明した第1の実施の形態の第1の変形例に係る光干渉式測定装置及び光干渉式測定方法によっても、高い精度で第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を測定することが可能となる。なお抽出モジュール310は、任意の第1の波長λ1と第2の波長λ2との間における出力光強度SOUT(λ)のスペクトルの低周波成分の極小点の数、あるいは出力光強度SOUT(λ)のスペクトルの包絡線における極小点の数を、第1測定光路長F1及び第2測定光路長F2の光路差に応じて変動する干渉縞成分として抽出してもよい。
【００５７】
（第1の実施の形態の第2の変形例）
第2の変形例に係る光干渉式測定装置は、図14に示すように、第2光学素子32の端面の配置位置を設定するレール170を備える。第2光学素子32の端面は、レール170に沿って移動する。第1測定面291の垂直方向において、レール170が配置された位置の高さはどこも同じである。したがって第2光学素子32の端面は、第1測定面291に対して平行に移動する。図14に示す光干渉式測定装置のその他の構成要素は、図1と同様であるので説明は省略する。第2の変形例に係る光干渉式測定装置によれば、第2光学素子32の端面をレール170に沿って移動させながら、複数の高さの差(LT1 - LT2)を測定することが可能となる。したがって、第1測定点91を基準とする高さの面内分布を測定することが可能となる。
【００５８】
（第2の実施の形態）
図1に示す光干渉式測定装置においては、光源114とスプリッタ21の間に、共通光導波路29、分光器3、及び共通光導波路30が配置されている。これに対し第2の実施の形態に係る光干渉式測定装置においては、図15に示すように、光源114とスプリッタ21の間には、共通光導波路34のみが配置されている。但しスプリッタ21と干渉縞検出素子153の間に、共通光導波路35及び分光器3が配置されている。分光器3は例えば図16に示すように、レンズ53及び回折格子54を備える。レンズ53は、共通光導波路35の端部から照射される第1検査光、第1参照光、第2検査光、及び第2参照光を平行光にする。回折格子54は、第1検査光、第1参照光、第2検査光、及び第2参照光を干渉縞検出素子153に向けて反射する。ここで回折格子54は、第1検査光、第1参照光、第2検査光、及び第2参照光のそれぞれの波長成分を、波長毎に異なる方角に反射される。そのため干渉縞検出素子153の複数の画素のそれぞれに、異なる波長成分が入射される。第2の実施の形態に係る光干渉式測定装置のその他の構成要素は、図1又は図12と同様であるので説明は省略する。
【００５９】
次に図17を用いて、第2の実施の形態に係る光干渉式測定方法について説明する。
【００６０】
(a) ステップS111で図15に示す光源114は、照射光強度S0(λ)のスペクトルを有する照射光を発し、照射光は共通光導波路34でスプリッタ21に伝搬される。その後、ステップS113、ステップS211、ステップS212、ステップS311、及びステップS312が、それぞれ図13のステップS103、ステップS201、ステップS202、ステップS301、及びステップS302と同様に実施される。
【００６１】
(b) 図17のステップS213で、互いに干渉しあう第1参照光及び第1検査光は、図15に示す第1光学素子31及びスプリッタ21を経て、共通光導波路35で分光器3に伝搬される。またステップS313で、互いに干渉しあう第2参照光及び第2検査光は、第2光学素子32及びスプリッタ21を経て、共通光導波路35で分光器3に伝搬される。
【００６２】
(c) ステップS410で分光器3は、第1参照光、第1検査光、第2参照光、及び第2検査光のそれぞれの波長成分を干渉縞検出素子153に反射する。その後、図17のステップS411乃至ステップS415が図13のステップS401乃至ステップS405と同様に実施された後、第2の実施の形態に係る光干渉式測定方法を終了する。
【００６３】
以上説明した第2の実施の形態に係る光干渉式測定装置及び光干渉式測定方法によれば、分光器3をCPU300の近くに配置することが可能となる。そのため、分光器3の透過波長等を容易に設定可能となる。
【００６４】
（第3の実施の形態）
第3の実施の形態に係る光干渉式測定装置は図15に示す光干渉式測定装置と異なり、図18に示す変調駆動回路115を備える。変調駆動回路115は、図19に示すように、時間tに応じて変動する駆動電流を図18に示す光源114に供給する。時間tに応じて変動する駆動電流が供給されることにより、半導体レーザ共振器等の光源114は、図2に示すように時間tに応じて照射光の波長を変化させる。光源114が照射光の波長を変化させるため、図18に示す光干渉式測定装置は分光器が不要であり、共通光導波路35は干渉縞検出素子153に直接接続されている。図18に示す光干渉式測定装置のその他の構成要素は、図15に示す光干渉式測定装置と同様であるので説明は省略する。
【００６５】
次に図20を用いて第3の実施の形態に係る光干渉式測定方法について説明する。
【００６６】
ステップS101で図18に示す変調駆動回路115は、時間tに応じて変動する駆動電流を光源114に供給する。駆動電流を供給された光源114は、時間tに応じて波長が変化する照射光を発する。照射光は共通光導波路34でスプリッタ21に伝搬される。ステップS103、ステップS201、ステップS202、ステップS301、及びステップS302が図13と同様に実施された後、図20のステップS203で、干渉しあう第1参照光及び第1検査光は、第1光学素子31及びスプリッタ21を経て、共通光導波路35で干渉縞検出素子153に伝搬される。またステップS303で、干渉しあう第2参照光及び第2検査光は、第2光学素子32及びスプリッタ21を経て、共通光導波路35で干渉縞検出素子153に伝搬される。その後、ステップS401乃至ステップS405が図13と同様に実施された後、第3の実施の形態に係る光干渉式測定方法を終了する。
【００６７】
以上説明した第3の実施の形態に係る光干渉式測定装置及び光干渉式測定方法によれば、分光器による照射光の光強度損失がなくなる。そのため、出力光強度SOUT(λ)の低減を防止することが可能となる。なお変調駆動回路115は、時間tに応じて鋸刃状に駆動電流を変動させてもよい。
【００６８】
（第4の実施の形態）
第4の実施の形態に係る光干渉式測定装置は、図18に示す光干渉式測定装置と異なり、図21に示すように光源114に共通光導波路34aが接続され、共通光導波路34aにスプリッタ20が接続されている。スプリッタ20には、照射光導波路80aと共通光導波路34bとが接続されている。照射光導波路80aには波長フィルタ85が接続されている。波長フィルタ85は、照射光導波路80aで伝搬された照射光の一部の波長成分を選択的に透過させる。波長フィルタ85は、多層膜干渉フィルタ、ファブリペロフィルタ、あるいはファイバブラッググレーティング等が使用可能である。波長フィルタ85には、波長フィルタ85を透過した照射光を伝搬する照射光導波路80bが接続されている。照射光導波路80bには、照射光を受光する照射光受光素子154が接続されている。波長フィルタ85が配置されているため、光源114から発せられた照射光の波長が波長フィルタ85の透過波長帯域の中心と一致した場合に、照射光受光素子154は最も強い光強度で照射光を受光する。以下、照射光の波長が透過波長帯域の中心と一致するときの駆動電流を、設定駆動電流と呼ぶことにする。
【００６９】
光源114に半導体レーザ共振器等を用いると、変調駆動回路115で駆動電流を管理しても、周囲の温度変化により照射光の波長が変化する場合がある。また光源114がファブリペロ構造を有する場合、図22に示すように、温度変化によりモードホッピング（波長跳び）が生じる場合がある。光源114に面発光レーザ(VCSEL : Vertical Cavity Surface Emitting Laser)光源を用いた場合、照射光の波長は駆動電流にほぼ比例して変化する。しかし周囲の温度が変化すれば、駆動電流が同一であっても、図23に示すように照射光の波長が変化してしまう場合がある。
【００７０】
そこで図21に示す変調駆動回路115及び照射光受光素子154には、フィードバック回路116が接続されている。フィードバック回路116は、変調駆動回路115が光源114に供給した駆動電流と、照射光受光素子154が受光する照射光の光強度を監視する。またフィードバック回路116は、図24に示すように、初期状態における透過波長帯域の中心波長と設定駆動電流とを記憶している。ここで図25に示すように、照射光受光素子154が中心波長の照射光を受光した時の駆動電流が温度変化により設定駆動電流より弱まった場合、フィードバック回路116は変調駆動回路115が光源114に供給する駆動電流の走査範囲をマイナス方向にシフトさせ、光源114が初期状態と同じ波長範囲の照射光を発するよう設定する。また照射光受光素子154が中心波長の照射光を受光した時の駆動電流が温度変化により設定駆動電流から強まった場合、フィードバック回路116は変調駆動回路115が光源114に供給する駆動電流の走査範囲をプラス方向にシフトさせ、光源114が初期状態と同じ波長範囲の照射光を発するよう設定する。
【００７１】
図21に示す光干渉式測定装置のその他の構成要素は図18と同様であるので、説明は省略する。次に図26を用いて、第4の実施の形態に係る光干渉式測定方法を説明する。
【００７２】
(a) ステップS51で図21に示す変調駆動回路115は、初期設定で定められた走査範囲で駆動電流を光源114に供給する。またフィードバック回路116は、駆動電流を監視する。ステップS52で光源114は、駆動電流に応じた波長の照射光を発する。照射光は共通光導波路34aで伝搬され、スプリッタ20で照射光導波路80a方向と共通光導波路34b方向に分割される。照射光導波路80a方向に分割された照射光は、照射光導波路80aで波長フィルタ85に伝搬される。
【００７３】
(b) ステップS53で、波長フィルタ85の透過波長帯域と等しい帯域の照射光の波長成分が、波長フィルタ85を透過する。波長フィルタ85を透過した照射光は照射光導波路80bで伝搬され、ステップS54で照射光受光素子154によって受光される。照射光受光素子154は、受光した照射光の光強度をフィードバック回路116に伝送する。ステップS55でフィードバック回路116は、照射光受光素子154が受光した照射光の光強度が設定駆動電流で最大となっているか否かを監視する。設定駆動電流で最大となっていない場合、ステップS56に進む。設定駆動電流で最大となっている場合、ステップS60に進む。
【００７４】
(c) 照射光受光素子154が受光した照射光の光強度が設定駆動電流よりも弱い駆動電流で最大となっている場合、ステップS56でフィードバック回路116は、変調駆動回路115の駆動電流の走査範囲をマイナス方向にシフトさせる。照射光受光素子154が受光した照射光の光強度が設定駆動電流よりも強い駆動電流で最大となっている場合、フィードバック回路116は、変調駆動回路115の駆動電流の走査範囲をプラス方向にシフトさせる。ステップS60で、第3の実施の形態に係る光干渉式測定方法と同様に第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を測定し、第4の実施の形態に係る光干渉式測定方法を終了する。
【００７５】
温度変化に伴い照射光の波長が変調すると、上記(25)式より第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を算出する際に誤差が生じる。これに対し、第4の実施の形態に係る光干渉式測定装置及び光干渉式測定方法によれば、フィードバック回路116が温度変化に伴う照射光の波長変調を防止する。そのため、高い精度で第1測定点91と第2測定点92の高さの差(LT1 - LT2)を算出することが可能となる。
【００７６】
（第5の実施の形態）
第1の実施の形態においては、図1に示すように、段を有する被測定物190の第1測定面291と第2測定面292の高さの差を求めた。これに対し、図27に示すように、被測定物290の平坦な表面に密着して配置された被測定膜390の膜厚を測定することも可能である。この場合、第1半透鏡41は被測定膜390の表面である第1測定面391に対して垂直方向に第1の測定距離LT1をおいて配置される。第1半透鏡41を透過した第1検査光は、第1測定面391上の第1測定点491で反射されて、第1半透鏡41に戻ってくる。また第2半透鏡42は被測定物290の表面である第2測定面292に対して垂直方向に第2の測定距離LT2をおいて配置される。第2半透鏡42を透過した第2検査光は、第2測定面392上の第2測定点492で反射されて、第2半透鏡42に戻ってくる。図27に示すその他の構成要素は図1と同様であるので、説明は省略する。
【００７７】
図28は、被測定膜390の膜厚に相当する第1測定点491と第2測定点492の高さの差(LT1 - LT2)が100μmの時の出力光強度SOUT_C(ν)のスペクトルである。図29は高さの差(LT1 - LT2)が80μmの時の出力光強度SOUT_C(ν)のスペクトルであり、図30は高さの差(LT1 - LT2)が60μmの時の出力光強度SOUT_C(ν)のスペクトルであり、図31は高さの差(LT1 - LT2)が40μmの時の出力光強度SOUT_C(ν)のスペクトルである。図32に示すように、被測定膜390の膜厚が薄くなるにつれて、合成干渉縞の低周波成分のピーク間隔Pが広くなる。よって、予め取得された2つの測定点の高さの差(LT1 - LT2)と低周波成分のピーク間隔Pとの関係を用いて、図27に示す抽出モジュール310が抽出した低周波成分のピーク間隔Pから、算出モジュール330は被測定膜390の膜厚(LT1 - LT2)を算出する。なお図12、図14、図15、図18、及び図21のそれぞれに示した光干渉式測定装置によっても、被測定膜390の膜厚を測定可能であることはいうまでもない。
【００７８】
従来、薄膜の膜厚測定の方法としては静電容量法があった。静電容量法によれば、薄膜を電極で挟んで薄膜の静電容量を測定し、測定された静電容量と薄膜の既知の誘電率を用いて薄膜の膜厚を算出していた。しかし静電容量法は薄膜を電極で挟む必要があるため薄膜を傷つけるおそれがあり、また薄膜の誘電率が分からない場合は膜厚を算出できないという問題があった。また静電容量の測定時に、電磁ノイズの影響を受けやすいという問題があった。これに対し第5の実施の形態によれば、被測定膜390の誘電率が不明であっても、非接触かつ高い精度で被測定膜390の膜厚を測定することが可能となる。
【００７９】
（第5の実施の形態の変形例）
図27に示す被測定膜390の材料がガラス、石英、サファイア等からなり、被測定膜390が透明である場合、第1検査光は一部が第1測定面391上で反射され、他の一部が被測定膜390に入射して被測定物290の表面で反射する。被測定膜390の膜厚の2倍がコヒーレンス長LCよりも短い場合、被測定膜390に入射して被測定物290の表面で反射した第1検査光は、被測定膜390表面で反射した第1検査光と干渉する。この場合、照射光の光強度に対する、(7)式で与えられた第1の光強度比RS1に含まれる第1測定面391の反射率R2Raは、下記(38)式で与えられる。:
R2Ra={R3Ra+ηMR4Ra-2(ηMR3RaR4Ra)1/2cos2φM}/{1+ηMR3RaR4Ra-2(ηMR3RaR4Ra)1/2cos2φM} …(38)
ここで、R3Raは被測定膜390の表面の反射率、R4Raは被測定膜390の裏面の反射率を表す。ηMは被測定膜390の表面と裏面の間での光損失を表し、下記(39)式で与えられる。またφMは位相を表し、下記(40)式で与えられる。:
ηM= 1 / {1 + (λ×2M) / (2πq2)}2 …(39)
φM= 2πM / λ …(40)
この場合、Hを定数として、第1の光強度比RS1は下記(41)式で簡略化される。
【００８０】
RS1  = 1 + (1 + H×cos4Mπ/λ) cos {2π×F1 / λ}  …(41)
よって、出力光強度SOUT_C(ν)の低周波成分の包絡線の極大点を与える周波数は、(41)式に含まれる(H×cos4Mπ/λ)によって変調される。しかし極小点を与える周波数は、(H×cos4Mπ/λ)によって変調されない。したがって被測定膜390が透明な場合、抽出モジュール310は、出力光強度SOUT_C(ν)の低周波成分の包絡線の極小点どうしの間隔を低周波成分のピーク間隔Pとして抽出するとよい。
【００８１】
従来、透明薄膜の膜厚測定方法としては、薄膜の表面からの反射光と裏面からの反射光とを干渉させ、薄膜の膜厚を分光学的に求める方法があった。しかし分光学的方法では、薄膜の屈折率が既知でない場合には、薄膜の膜厚を算出できないという問題があった。また薄膜に対する不純物のドーピング量や薄膜のひずみにより薄膜の屈折率は変化するため、薄膜の屈折率を膜厚測定前に逐一測定する必要があった。これに対し第5の実施の形態の変形例によれば、透明な被測定膜390の屈折率が不明であっても、非接触かつ高い精度で被測定膜390の膜厚を測定することが可能となる。
【００８２】
（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば図33に示す光干渉式測定装置において、第1光学素子31の端面には、図34に示すように第1反射防止膜61が配置されている。したがって第1光学素子31で伝搬された照射光は第1光学素子31の端面で反射されず、第1測定面291に向かって放射される。また図33に示す第2光学素子32の端面には第2反射防止膜62が配置されている。さらに第1反射防止膜61及び第2反射防止膜62と被測定物190の間には、半透鏡基板140が配置されている。半透鏡基板140面151と第1測定面291との間の垂直方向距離を第1の測定距離LT1とし、半透鏡基板140の面151と第2測定面292との間の垂直方向距離を第2の測定距離LT2とする。なお第1測定面291の垂直方向において、半透鏡基板140の面151が配置された位置の高さはどこも同じである。
【００８３】
半透鏡基板140の第1反射防止膜61及び第2反射防止膜62に対向する面150には、反射防止処理がされている。これに対し半透鏡基板140の被測定物190に対向する面151には、反射防止処理がされていない。したがって第1光学素子31から放射された照明光の一部は半透鏡基板140の面151で第1参照光として反射され、他の一部は第1検査光として半透鏡基板140を透過する。よって半透鏡基板140の面151の第1参照光を反射する部分が第1半透鏡141として機能する。また第2光学素子32から放射された照明光の一部は半透鏡基板140の面151で第2参照光として反射され、他の一部は第2検査光として半透鏡基板140を透過する。よって半透鏡基板140の面151の第2参照光を反射する部分が第2半透鏡142として機能する。
【００８４】
半透鏡基板140を透過した第1検査光は第1測定点91で反射されて、半透鏡基板140に戻ってくる。したがって第1検査光は、半透鏡基板140と第1測定点91との間で、第1の測定距離LT1の2倍の長さである上記(6)式で与えられる第1測定光路長F1を進む。また半透鏡基板140を透過した第2検査光は第2測定点92で反射されて、半透鏡基板140に戻ってくる。したがって第2検査光は、半透鏡基板140と第2測定点92との間で、第2の測定距離LT2の2倍の長さである上記(12)式で与えられる第2測定光路長F2を進む。図33に示す光干渉式測定装置のその他の構成要素は、図1と同様であるので説明は省略する。なお第1反射防止膜61と半透鏡基板140の間、及び第2反射防止膜62と半透鏡基板140の間のそれぞれに、レンズを配置してもよい。
【００８５】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光干渉式測定装置の第１の模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る分光器による時間毎の選択波長を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る第１光学素子を示す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る合成干渉縞の第１のスペクトルである。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る合成干渉縞の第２のスペクトルである。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る移動平均線を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る補正された合成干渉縞のスペクトルの第１の例である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る補正された合成干渉縞のスペクトルの第２の例である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る補正された合成干渉縞のスペクトルの第３の例である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る高さの差とピーク間隔との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る光干渉式測定装置の第２の模式図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る光干渉式測定方法を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る光干渉式測定装置の模式図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係る光干渉式測定装置の模式図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る分光器を示す模式図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態に係る光干渉式測定方法を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の第３の実施の形態に係る光干渉式測定装置の模式図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係る変調駆動回路による時間毎の駆動電流を示すグラフである。
【図２０】本発明の第３の実施の形態に係る光干渉式測定方法を示すフローチャートである。
【図２１】本発明の第４の実施の形態に係る光干渉式測定装置の模式図である。
【図２２】本発明の第４の実施の形態に係る照射光の波長の温度依存性を示す第１のグラフである。
【図２３】本発明の第４の実施の形態に係る照射光の波長の温度依存性を示す第２のグラフである。
【図２４】本発明の第４の実施の形態に係る照射光の波長と駆動電流との関係を示す第１のグラフである。
【図２５】本発明の第４の実施の形態に係る照射光の波長と駆動電流との関係を示す第２のグラフである。
【図２６】本発明の第４の実施の形態に係る光干渉式測定方法を示すフローチャートである。
【図２７】本発明の第５の実施の形態に係る光干渉式測定装置の模式図である。
【図２８】本発明の第５の実施の形態に係る補正された合成干渉縞のスペクトルの第１の例である。
【図２９】本発明の第５の実施の形態に係る補正された合成干渉縞のスペクトルの第２の例である。
【図３０】本発明の第５の実施の形態に係る補正された合成干渉縞のスペクトルの第３の例である。
【図３１】本発明の第５の実施の形態に係る補正された合成干渉縞のスペクトルの第４の例である。
【図３２】本発明の第５の実施の形態に係る膜厚とピーク間隔との関係を示すグラフである。
【図３３】本発明のその他の実施の形態に係る光干渉式測定装置の模式図である。
【図３４】本発明のその他の実施の形態に係る第１光学素子及び第１反射防止膜を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８７】
3…分光器
12…出力側内部筐体
13…入力側内部筐体
14…筐体
20, 21…スプリッタ
29, 30, 33, 34, 34a, 34b, 35…共通光導波路
31…第1光学素子
32…第2光学素子
41…第1半透鏡
42…第2半透鏡
45, 46, 53…レンズ
54…回折格子
61…第1反射防止膜
62…第2反射防止膜
80a, 80b…照射光導波路
85…波長フィルタ
91…第1測定点
92…第2測定点
114…光源
115…変調駆動回路
116…フィードバック回路
124…出力側半透鏡
125…入力側半透鏡
130a…コア
131a…クラッド
140…半透鏡基板
141…第1半透鏡
142…第2半透鏡
150, 151…面
153…干渉縞検出素子
154…照射光受光素子
170…レール
190…被測定物
191, 192…フェルール
200…データ記憶装置
201…干渉縞成分記憶モジュール
202…関係記憶モジュール
203…結果記憶モジュール
290…被測定物
291…第1測定面
292…第2測定面
300…CPU
306…補正モジュール
307…変換モジュール
310…抽出モジュール
330…算出モジュール
390…被測定膜
391…第1測定面
392…第2測定面
491…第1測定点
492…第2測定点
【図１】
2008268121.tif 000003
【図２】
2008268121.tif 000004
【図３】
2008268121.tif 000005
【図４】
2008268121.tif 000006
【図５】
2008268121.tif 000007
【図６】
2008268121.tif 000008
【図７】
2008268121.tif 000009
【図８】
2008268121.tif 000010
【図９】
2008268121.tif 000011
【図１０】
2008268121.tif 000012
【図１１】
2008268121.tif 000013
【図１２】
2008268121.tif 000014
【図１３】
2008268121.tif 000015
【図１４】
2008268121.tif 000016
【図１５】
2008268121.tif 000017
【図１６】
2008268121.tif 000018
【図１７】
2008268121.tif 000019
【図１８】
2008268121.tif 000020
【図１９】
2008268121.tif 000021
【図２０】
2008268121.tif 000022
【図２１】
2008268121.tif 000023
【図２２】
2008268121.tif 000024
【図２３】
2008268121.tif 000025
【図２４】
2008268121.tif 000026
【図２５】
2008268121.tif 000027
【図２６】
2008268121.tif 000028
【図２７】
2008268121.tif 000029
【図２８】
2008268121.tif 000030
【図２９】
2008268121.tif 000031
【図３０】
2008268121.tif 000032
【図３１】
2008268121.tif 000033
【図３２】
2008268121.tif 000034
【図３３】
2008268121.tif 000035
【図３４】
2008268121.tif 000036