(57)【要約】【課題】計測対象面の表面形状を高精度で計測可能な表面形状測定装置を提供する。【解決手段】  表面形状計測装置１Ａは、所定の波長幅を有する計測光を出力する計測光供給部１０と、計測対象面Ｓ１からの反射光と参照光生成部４０で生成される参照光とを干渉させる計測光学系２０と、計測位置を制御する計測位置制御手段２５と、干渉光強度を検出する検出手段３０と、干渉光強度の光路長差についての変化から計測対象面Ｓ１の形状を導出する表面形状導出手段５２とを備える。そして、参照光生成部４０は、計測光学系２０からの光を反射させて参照光とする参照面４１ａ〜４１ｄを複数有し、その複数の参照面４１ａ〜４１ｄは、隣接する参照面４１ａ〜４１ｄで生成される参照光間に計測光の波長に基づく微小計測間隔αに対応した光路長差が生成されるように配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長幅を有する計測光を出力する計測光供給部と、
前記計測光を分岐して一方の光を計測対象面の計測位置に照射し他方の光を参照光を生成するための参照光生成部に入力すると共に、前記計測対象面からの反射光と前記参照光生成部によって生成される参照光とを干渉させる計測光学系と、
前記計測光学系と前記計測対象面との相対的な位置を変更することによって前記計測位置を制御する計測位置制御手段と、
前記計測光学系によって前記反射光及び前記参照光を干渉させて得られる干渉光強度を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出された前記干渉光強度の光路長差についての変化から前記計測対象面の形状を導出する表面形状導出手段と、
を備え、
前記参照光生成部は、前記計測光のうち分岐された他方の光を反射させて前記参照光とする参照面を複数有し、
前記複数の参照面は、隣接する参照面各々で生成される参照光間に前記計測光の波長に基づく微小計測間隔に対応した光路長差が生じるように配置されていることを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２】
前記反射光と前記参照光との光路長差を制御する光路長差制御手段を更に備え、
前記光路長差制御手段は、前記計測位置制御手段を制御して前記計測位置を調整すると共に、調整された前記計測位置において、前記参照光生成部に入力される前記他方の光の前記複数の参照面への照射を制御することによって前記光路長差を制御することを特徴とする請求項１に記載の表面形状計測装置。
【請求項３】
前記光路長差制御部は、前記微小計測間隔より大きい広域計測間隔を複数設定し、前記計測位置制御手段を制御して前記広域計測間隔で計測位置を、前記計測対象面への前記一方の光の照射方向に移動させて、各計測位置において前記他方の光を前記複数の参照面に照射させて前記干渉光強度の変化を計測する計測条件で前記光路長差を制御することを特徴とする請求項２に記載の表面形状計測装置。
【請求項４】
前記参照光生成部は、前記複数の参照面が段違いに形成されている参照ミラーを有しており、
前記複数の参照面における隣接する参照面間の段差高さは、前記微小計測間隔の１以上の整数倍であることを特徴とする請求項２又は３に記載の表面形状計測装置。
【請求項５】
前記光路長差制御部は、前記他方の光の照射方向に略直交する方向に前記参照ミラーを移動させることによって前記他方の光を前記複数の参照面に選択的に照射させて前記光路長差を制御することを特徴とする請求項４に記載の表面形状計測装置。
【請求項６】
前記参照光生成部は、
前記計測光学系と前記参照ミラーとの間に配置されると共に、前記他方の光を、前記複数の参照面のうち２つ以上の参照面に一度に光を照射可能な略平行光にする集光光学系と、
前記集光光学系と前記参照ミラーとの間に配置されると共に、前記集光光学系からの前記略平行光が照射される参照面を選択する参照面選択部を有し、
前記光路長差制御部は、
前記参照面選択部を制御して前記略平行光が照射される参照面を前記複数の参照面から選択することによって前記光路長差を制御することを特徴とする請求項４に記載の表面形状計測装置。
【請求項７】
前記参照面選択部は、
光を遮蔽する基体に、前記複数の参照面各々の面積より小さい面積を有しており光を通す通光部が設けられて構成されており、
前記光路長差制御部は、
前記略平行光の照射方向に略直交する方向に前記基体を移動させて前記略平行光のうち前記通光部を通った光を前記複数の参照面に選択的に照射させることによって前記光路長差を制御することを特徴とする請求項６に記載の表面形状計測装置。
【請求項８】
前記参照光生成部は、
前記計測光学系と前記参照ミラーとの間に配置されると共に、前記他方の光を集束する集束光学系と、
前記集束光学系の光軸上に配置されると共に、前記集束光学系によって集束される光を順に分岐する複数の分岐手段と、
前記複数の分岐手段によって分岐された光の光路上に配置されると共に、前記複数の参照面と同数の複数のシャッタと、
を有し、
前記複数の参照面は、前記複数の分岐手段で分岐された光の光路上に配置されており、
前記複数のシャッタは、対応する前記複数の参照面と前記複数の分岐手段との間に配置されており、
前記光路長差制御部は、
前記シャッタを開閉することによって前記複数の参照面に選択的に光を照射させて前記光路長差を制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の表面形状計測装置。
【請求項９】
前記検出手段は、複数の受光領域を有する受光面を有し、
前記参照光生成部は、
前記複数の参照面が段違いに形成されている参照ミラーと、
前記計測光学系と前記参照ミラーとの間に配置されると共に、前記他方の光が前記複数の参照面のうちの２以上の参照面に一度に照射されるように前記他方の光を集束する集束光学系と、
を有し、
前記複数の参照面における隣接する参照面間の段差高さは、前記微小計測間隔の１以上の整数倍であり、
前記参照ミラーは、前記複数の参照面と前記複数の受光領域とが対応するように前記受光面に対して配置されており、
前記表面形状導出手段は、前記複数の受光領域と前記複数の参照面との対応関係を利用して前記複数の受光領域で検出される前記干渉光強度の前記光路長差についての変化から前記計測対象面の形状を導出することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の表面形状計測装置。
【請求項１０】
前記複数の受光領域各々は一方向に延在しており、
前記受光面は、前記受光領域の延在方向に略直交する方向に前記複数の受光領域が配列されて構成されており、
複数の参照面各々は一方向に延在しており、
前記参照ミラーは、前記参照面の延在方向及び前記他方の光の照射方向に略直交する方向に配列されて構成されていることを特徴とする請求項９に記載の表面形状計測装置。
【請求項１１】
前記受光面は、前記複数の受光領域が２次元状に配列されて構成されており、
前記参照ミラーは、前記複数の参照面が２次元状に配列されて構成されていることを特徴とする請求項９に記載の表面形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象面からの反射光と参照光とを干渉させて、得られる干渉光強度の変化から計測対象面の形状を計測する表面形状計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
計測対象面の表面形状を計測する方法として、白色干渉法や位相シフト法など干渉計を利用した方法が知られている。このような干渉計を利用した方法では、光源から出力される計測光を２つに分岐し、一方を計測対象面に照射し、他方を参照面に照射する。計測対象面から反射した光（以下、反射光と称す）と、参照面によって反射された光（以下、参照光と称す）とを干渉させて得られる干渉光の強度を検出する。そして、反射光又は参照光の光路長を変化させて得られる干渉光強度の変化を利用して表面形状を計測する（例えば、特許文献１〜４参照）。
【０００３】
より具体的に、特許文献１に記載の装置の場合について説明する。この装置は、白色干渉法を利用したものである。特許文献１に記載の装置では、光源から出力された光が、ハーフミラーで分岐されて垂直走査白色干渉法は、一定の波長幅を有する計測光（白色光）を用いて計測対象となる試料の表面を垂直方向に走査し、計測対象面からの反射光と、参照光とを干渉させて、得られる干渉光強度の変化から計測対象面の形状を計測する方法である。このような計測方法では、計測光が波長幅に応じた短いコヒーレンス長を有するため、反射光と参照光との光路長が一致した付近でしか干渉が起こらず、その光路長が一致したときに干渉光強度の振幅（干渉強さ）が最大となる。したがって、反射光または参照光の光路長を変化させて計測対象面を垂直方向に走査し、得られる干渉強さのピーク位置を求めることで、計測位置における計測対象面の垂直方向の高さを導出することができる。さらに、このような計測を２次元で行えば、計測対象面の表面形状が計測できる。
【０００４】
特許文献１に記載の装置は、その基本的な構成は顕微鏡であるが、対物レンズとして、内部にビームスプリッタと参照ミラーとを有する干渉対物レンズを用いている。このような構成において、干渉対物レンズを計測光の照射方向である垂直方向に移動させることにより、計測対象面の垂直方向の走査による高さの計測を行うことができる。
【０００５】
特許文献１に記載の装置では、ある程度の計測間隔で計測対象面からの反射光と参照光との光路長差を変化させて、各計測点での干渉光強度を取得する。そして、得られた干渉光強度の光路長差についての変化に対し、オフセットを引いて絶対値変換した後にデータの平滑化等によって包絡線に相当する曲線を求め、そのピーク位置によって計測対象面の高さを導出する。
【特許文献１】米国特許第５，１３３，６０１号公報
【特許文献２】特許第２９６６５６８号明細書
【特許文献３】特許第３３１０９４５号明細書
【特許文献４】特開昭６３−２３３３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１等の干渉計を利用した方法では、ある程度以上の細かい計測間隔（微小計測間隔）、例えば１００ｎｍ程度の間隔で光路長差を変化させる必要がある。このような微小計測間隔での位置調整は、通常、ピエゾステージなどの微小移動ステージを利用するが、その場合でも、上記のような微小な計測間隔を正確には制御できず、結果として、表面形状計測の計測精度が低下する場合がある。
【０００７】
そこで、本発明は、計測対象面の表面形状を高精度で計測可能な表面形状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】
【０００８】
本発明に係る表面形状計測装置は、（１）所定の波長幅を有する計測光を出力する計測光供給部と、（２）計測光を分岐して一方の光を計測対象面の計測位置に照射し他方の光を参照光を生成するための参照光生成部に入力すると共に、計測対象面からの反射光と参照光生成部によって生成される参照光とを干渉させる計測光学系と、（３）計測光学系と計測対象面との相対的な位置を変更することによって計測位置を制御する計測位置制御手段と、（４）計測光学系によって反射光及び参照光を干渉させて得られる干渉光強度を検出する検出手段と、（５）検出手段によって検出された干渉光強度の光路長差についての変化から計測対象面の形状を導出する表面形状導出手段と、を備え、（６）参照光生成部は、計測光のうち分岐された他方の光を反射せしめて参照光とする参照面を複数有し、（７）複数の参照面は、隣接する参照面各々で生成される参照光間に計測光の波長に基づく微小計測間隔に対応した光路長差が生じるように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
この場合、計測光供給部から出力される計測光は、計測光学系によって分岐される。この分岐された計測光のうちの一方の光は、計測位置制御手段によって設定された計測対象面の計測位置に照射され、分岐された計測光のうちの他方の光は、参照光生成部に入力される。そして、計測対象面で反射された反射光と、参照光生成部で生成された参照光とが計測光学系で干渉された後、検出手段によって検出される。検出手段で検出された干渉光強度の反射光と参照光との光路長差についての変化から表面形状導出手段が計測対象面の形状を導出する。
【００１０】
上記表面形状計測装置では、参照光生成部が有する複数の参照面は、隣接する参照面各々で生成される参照光間に上記微小計測間隔に対応した光路長差が生成されるように配置されている。従って、計測位置制御手段によって制御された計測位置において、参照光生成部が有する複数の参照面で参照光を生成することによって、隣接する参照面で生成される参照光間に微小計測間隔に対応した光路長差が生じることになる。この場合、予め上記の配置関係で配置された複数の参照面に光を照射することで微小計測間隔に対応した光路長差による計測が実施されるので、その計測を高精度に実施することが可能であり、結果として、表面形状計測の精度の向上が図られる。
【００１１】
また、本発明に係る表面形状計測装置では、反射光と参照光との光路長差を制御する光路長差制御手段を更に備え、光路長差制御手段は、計測位置制御手段を制御して計測位置を調整すると共に、調整された計測位置において、参照光生成部に入力される他方の光の複数の参照面への照射を制御することによって光路長差を制御することが好適である。
【００１２】
このように、光路長差制御手段は、計測位置制御手段を制御して計測位置を調整し、その計測位置におい上記他方の光の複数の参照面への照射を制御することで光路長差が制御される。そのため、所望の計測位置における微小計測間隔での計測を高精度に実施できることになる。
【００１３】
そして、本発明に係る表面形状計測装置では、上記光路長差制御手段は、微小計測間隔より大きい広域計測間隔を複数設定し、計測位置制御手段を制御して広域計測間隔で計測位置を、計測対象面への一方の光の照射方向に移動させて、各計測位置において前記他方の光を複数の参照面に照射させて干渉光強度の変化を計測する計測条件で光路長差を制御することが好ましい。
【００１４】
この場合、光路長差制御手段は、広域計測間隔で設定される複数の計測位置において、複数の参照面に上記他方の光を照射して干渉光強度の変化を計測する計測条件で光路長差を制御しているので、光路長差を、広域計測間隔及び微小計測間隔に対応する光路長差で制御可能である。このように、広域計測間隔及び微小計測間隔を利用しているので、計測点数を減少させることができる。その結果、計測時間の短縮が図れている。
【００１５】
また、本発明に係る表面形状計測装置では、参照光生成部は、複数の参照面が段違いに形成されている参照ミラーを有しており、複数の参照面における隣接する参照面間の段差高さは、微小計測間隔の１以上の整数倍であることが好ましい。
【００１６】
この構成では、計測光学系によって分岐された計測光のうち他方の光が、参照ミラーの複数の参照面に照射されることで、隣接する参照面で生成される参照光に隣接する参照面間の段差高さに対応した光路長差が生じることになる。
【００１７】
更に、本発明に係る表面形状計測装置では、光路長差制御部は、他方の光の照射方向に略直交する方向に参照ミラーを移動させることによって他方の光を複数の参照面に選択的に照射させて光路長差を制御することが好適である。
【００１８】
この場合、光路長差制御手段が参照ミラーを移動させて、複数の参照面が有する参照面に選択的に光を照射させているので、光の照射される参照面を変えることで容易に微小計測間隔に対応する光路長差を単位として、光路長差を制御することができる。
【００１９】
更にまた、本発明に係る表面形状計測装置では、参照光生成部は、計測光学系と参照ミラーとの間に配置されると共に、前記他方の光を、複数の参照面のうち２つ以上の参照面に一度に光を照射可能な略平行光にする集光光学系と、集光光学系と参照ミラーとの間に配置されると共に、集光光学系からの略平行光が照射される参照面を選択する参照面選択部を有し、光路長差制御部は、参照面選択部を制御して略平行光が照射される参照面を複数の参照面から選択することによって光路長差を制御することが好ましい。
【００２０】
この構成では、集光光学系から出力される上記略平行光が照射される参照面が参照面選択部によって制御されるので、参照面選択部によって選択される参照面を変えることで容易に微小計測間隔に対応する光路長差を単位として、光路長差を制御することができる。
【００２１】
また、本発明に係る表面形状計測装置では、上記参照面選択部は、光を遮蔽する基体に、複数の参照面各々の面積より小さい面積を有しており光を通す通光部が設けられて構成されており、光路長差制御部は、略平行光の照射方向に略直交する方向に基体を移動させて略平行光のうち通光部を通った光を複数の参照面に選択的に照射させることによって光路長差を制御することが好適である。
【００２２】
参照光選択部が、基体に通光部が形成されて構成されているので、集光光学系からの略平行光は、通光部の部分のみ参照光選択部を通過することになる。この通光部は、参照面より小さい面積を有しているので、光路長差制御部が、上記のように基体を移動させることで確実に光が照射される参照面を選択できる結果、参照光の光路長を微小計測間隔に対応する光路長差に基づいて制御することができる。
【００２３】
更に、本発明に係る表面形状計測装置では、参照光生成部は、計測光学系と参照ミラーとの間に配置されると共に、前記他方の光を集束する集束光学系と、集束光学系の光軸上に配置されると共に、集束光学系によって集束される光を順に分岐する複数の分岐手段と、複数の分岐手段によって分岐された光の光路上に配置されると共に、複数の参照面と同数の複数のシャッタと、を有し、複数の参照面は、複数の分岐手段で分岐された光の光路上に配置されており、複数のシャッタは、複数の参照面と複数の分岐手段との間に配置されており、光路長差制御部は、シャッタを開閉することによって複数の参照面に選択的に光を照射させて光路長差を制御することが好ましい。
【００２４】
この構成では、集束光学系で集束される光は、各分岐手段によって分岐された後、参照面に向かって伝播することになる。分岐手段と参照面との間には、シャッタが配置されているので、上記のように光路長差制御部がシャッタの開閉を制御することで参照面への光の照射を制御できる。この場合、予め配置された参照面への光の照射をシャッタによって制御して、参照光の光路長を変化させ、参照面の移動が伴わない。従って、参照面の移動による移動誤差が生じないので、更に高精度に光路長差を制御できることになる。
【００２５】
更にまた、本発明に係る表面形状計測装置では、検出手段は、複数の受光領域を有する受光面を有し、参照光生成部は、複数の参照面が段違いに形成されている参照ミラーと、計測光学系と参照ミラーとの間に配置されると共に、他方の光が複数の参照面のうちの２以上の参照面に一度に照射されるように他方の光を集束する集束光学系と、を有し、複数の参照面における隣接する参照面間の段差高さは、微小計測間隔の１以上の整数倍であり、参照ミラーは、複数の参照面と複数の受光領域とが対応するように受光面に対して配置されており、表面形状導出手段は、複数の受光領域と複数の参照面との対応関係を利用して複数の受光領域で検出される干渉光強度の光路長差についての変化から計測対象面の形状を導出することが好適である。
【００２６】
この場合、集束光学系が、複数の参照面のうち２つ以上の参照面に一度に上記他方の光が照射されるように集束しており、複数の参照面と複数の受光領域とが対応するように配置されている。そのため、光が一度に照射された２つ以上の参照面で生じる参照光が、複数の受光領域のうち対応する受光領域で受光され検出されることになる。そして、光を受けた２つ以上の受光領域の検出結果の違いは、光の照射された参照面の段差高さに起因する光路長差に基づいている。すなわち、上記構成では、微小計測間隔に対応した光路長差の生じた参照光を一度に複数検出でき、それに基づいて、表面形状導出手段が表面形状を導出するため、計測時間を短縮することが可能である。また、微小計測間隔に対応する光路長差の生じた参照光を生じさせるために、参照面の移動を伴わないのでより高精度に計測を実施することが可能である。
【００２７】
この場合、複数の受光領域各々は一方向に延在しており、受光面は、受光領域の延在方向に略直交する方向に複数の受光領域が配列されて構成されており、複数の参照面各々は一方向に延在しており、参照ミラーは、参照面の延在方向及び他方の光の照射方向に略直交する方向に配列されて構成されているとすることが可能である。
【００２８】
更にまた、上記受光面は、複数の受光領域が２次元状に配列されて構成されており、参照ミラーは、複数の参照面が２次元状に配列されて構成されているとすることもできる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明による表面形状計測装置によれば、計測対象面を高精度に計測することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、図面を参照して本発明に係る表面形状計測装置の実施形態について説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００３１】
（第１の実施形態）
【００３２】
図１は、本発明による表面形状計測装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。この表面形状計測装置１Ａは、計測光供給部１０と、計測光学系２０と、サンプルステージ（計測位置制御手段）２５と、検出手段３０と、参照光生成部４０と、計測制御装置５０とを備えて構成されている。
【００３３】
本実施形態による表面形状計測装置１Ａは、所定の波長幅を有する計測光を試料Ｓの上面である計測対象面Ｓ１に照射し、計測対象面Ｓ１からの反射光、及び反射光に対する光路長差が制御可能な参照光を干渉させて、得られる干渉光強度の光路長差についての変化から計測対象面Ｓ１の形状を計測するように構成されている。ここで、表面形状計測装置１Ａにおける計測光の照射方向となる垂直方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する水平方向をＸ方向及びＹ方向とし、また、紙面をＸＺ平面とする。
【００３４】
計測対象面Ｓ１の形状計測に用いられる計測光は、計測光供給部１０によって供給される。計測光供給部１０は、Ｘ方向に沿った軸Ａｘを光軸とし、電源１１によって駆動され白色光を供給する計測光源１２と、白色光を平行光とするレンズ１３と、波長フィルタであるバンドパスフィルタ１４とを有している。計測光源１２としては、ハロゲンランプが例示される。この計測光供給部１０の構成において、計測光源１２からの白色光が所定の透過特性を有するバンドパスフィルタ１４を透過することにより、所定の中心波長、及び波長幅を有する計測光が生成される。生成された計測光は、図１に示すように、計測光供給部１０からＸ方向に沿って計測光学系２０へと供給される。
【００３５】
計測光学系２０は、Ｚ方向に沿った軸Ａｚを光軸とし、対物レンズ２１と、ビームスプリッタ２２とを有して構成されている。ビームスプリッタ２２は、光軸Ａｚに対して４５°の角度で傾いて配置されており、計測光の一部を反射し残りの部分を透過することによって計測光を２つに分岐する。ビームスプリッタ２２で反射された計測光供給部１０からの計測光は、下方に位置するサンプルステージ２５上の試料Ｓの計測対象面Ｓ１へと光軸Ａｚに沿って照射される。
【００３６】
ビームスプリッタ２２とサンプルステージ２５との間には、対物レンズ２１が設置されている。この対物レンズ２１は、無限遠補正対物レンズであって、ビームスプリッタ２２からの計測光を計測対象面Ｓ１上の計測位置へと集束させる。対物レンズ２１の光学倍率は、測定視野や、水平面内の分解能等によって決定すればよい。なお、対物レンズ２１は有限遠補正対物レンズも使用することが可能である。また、対物レンズ２１は、試料Ｓの計測対象面Ｓ１で反射された反射光を集光してビームスプリッタ２２に向けて出射する。このようにビームスプリッタ２２から対物レンズ２１に入射されて計測対象面Ｓ１に照射された後、反射光として対物レンズ２１によって集光されて再度ビームスプリッタ２２に到達する光路が計測光路である。
【００３７】
一方、ビームスプリッタ２２を透過した計測光は、ビームスプリッタ２２に対して計測光供給部１０と反対側に配置された参照光生成部４０に、図１に示すように、計測光学系２０からＸ方向に沿って入射される。参照光生成部４０は、複数（図１では４つ）の参照面４１ａ〜４１ｄを利用して参照光を生成してビームスプリッタ２２に戻す。
【００３８】
参照光生成部４０は、参照ミラー４１と、対物レンズ４２とを有しており、参照ミラー４１は、スライドステージ４３に取り付けられている。
【００３９】
参照ミラー４１の構成について、図１及び図２を利用して説明する。図２は、図１に示した参照ミラーの斜視図である。
【００４０】
参照ミラー４１は、鏡面側が階段状に構成されており高さ（図１においてＸ方向の長さ）が異なるミラーである。参照ミラー４１が有する各段の面が対物レンズ４２から照射される光を反射させて参照光とする参照面４１ａ〜４１ｄである。
【００４１】
図２に示すように、各参照面４１ａ〜４１ｄは、一方向（図２のＹ方向）に延在している。各参照面４１ａ〜４１ｄの面積は測定視野以上あればよく、参照面４１ａ〜４１ｄの幅（図１及び図２のＺ方向の長さ）β１は、数μｍから数ｍｍとすることができる。また、隣接する参照面４１ａ〜４１ｄ間の段差高さαはλ／（ｎ×２）である。ここで、λは、計測光の中心波長であり、ｎは１以上の整数であり、例えば４である。なお、後述するように段差高さαは、計測光の波長に基づく微小計測間隔であり参照光と反射光との光路長差を生じさせるためのものであり、上記段差高さαの式に含まれる数字２は、往復の光路長を考慮したものである。この参照ミラー４１は、例えば、微細加工技術によって作製される。
【００４２】
参照ミラー４１は、図１に示すように、Ｚ方向に移動可能なスライドステージ４３上に設けられている。そして、参照ミラー４１は、段方向（参照面４１ａ〜４１ｄに略直交する方向）がＸ方向と一致しており、例えば参照面４１ｃが対物レンズ４２の集束位置（焦点位置）になるように配置されている。
【００４３】
対物レンズ４２は、対物レンズ２１と同様に無限遠補正対物レンズである。なお、対物レンズ２１に有限遠補正対物レンズを使用した場合は、対物レンズ４２も有限補正のものとする。対物レンズ４２は、ビームスプリッタ２２に対して対物レンズ２１に対応する位置、すなわち、図１の場合では、ビームスプリッタ２２から対物レンズ２１，４２までの距離が同じになるように配置されている。対物レンズ４２は、ビームスプリッタ２２で分岐された計測光の他方の光を集束して、スライドステージ４３上に設けられた参照ミラー４１に照射する。この際、対物レンズ４２は、隣接する参照面４１ａ〜４１ｄに一度に光が照射されないようにビープスプリッタ２２を透過した光を集束するようになっている。
【００４４】
このような参照光生成部４０の構成において、計測光学系２０から対物レンズ４２に入射した光が、集束され参照面４１ａ〜４１ｄで反射した後、参照光として対物レンズ２１を通ってビームスプリッタ２２に到達する光路が参照光路となっている。この参照光路を通ってビームスプリッタ２２に到達した参照光は、計測光路を通った反射光と干渉し、得られた干渉光が光軸Ａｚに沿って対物レンズ２１の上方へと出射される。
【００４５】
上述した計測光路の光路長は、試料Ｓと対物レンズ２１との間の距離を変えることによって変化する。また、参照光路の光路長は、参照ミラー４１をＺ方向に移動させることによって対物レンズ４２からの光が照射される参照面４１ａ〜４１ｄを変更することよって変化する。表面形状計測装置１Ａでは、上記計測光路及び参照光路の光路長を変化させることで反射光と参照光との光路長差が制御可能となっている。
【００４６】
対物レンズ２１及びビームスプリッタ２２に対して光軸Ａｚに沿って上方には、検出手段３０が設置されている。検出手段３０は、ビームスプリッタ２２側から順に配置される結像レンズ３１と、ＣＣＤカメラ３２とを有する。対物レンズ２１に有限遠補正対物レンズを使用している場合には、結像レンズ３１は用いなくてもよい。ＣＣＤカメラ３２は、計測光学系２０において反射光及び参照光が干渉した干渉光の強度（干渉光強度）を検出する。ビームスプリッタ２２から上方へと出射された干渉光は、結像レンズ３１によって集束されつつＣＣＤカメラ３２へと入射し、その干渉光強度がＣＣＤカメラ３２によって検出される。
【００４７】
計測光学系２０による試料Ｓの計測対象面Ｓ１の計測条件は、試料Ｓを載置するサンプルステージ２５、及び、参照ミラー４１を載置するスライドステージ４３によって設定または変更される。サンプルステージ２５は、水平方向（Ｘ方向、Ｙ方向）及び鉛直方向（Ｚ方向）に駆動可能な電動ステージであり、試料Ｓの計測対象面Ｓ１における計測位置を設定するために用いられる。スライドステージ４３は、一軸方向（図１では、Ｚ方向）に駆動可能な電動ステージであり、対物レンズ４２で集束される光が照射される参照面４１ａ〜４１ｄを選択するためのものである。
【００４８】
サンプルステージ２５及びスライドステージ４３の駆動は、それぞれサンプルステージコントローラ６０、及びスライドステージコントローラ６５によって制御されている。上記サンプルステージ２５及びスライドステージ４３の移動分解能は例えばサブμｍ単位でよい。
【００４９】
これらの計測光供給部１０、計測光学系２０、検出手段３０、サンプルステージ２５、及びスライドステージ４３に対し、コンピュータなどからなる計測制御装置５０が設けられている。この計測制御装置５０には、ＣＣＤカメラ３２、サンプルステージコントローラ６０、及びスライドステージコントローラ６５が接続されている。計測制御装置５０は、表面形状計測装置１Ａの上記各部の動作を制御することにより、試料Ｓの計測対象面Ｓ１の形状計測を制御する。
【００５０】
計測制御装置５０は、光路長差制御部５１と、表面形状導出部５２とを有している。光路長差制御部５１は、試料Ｓの表面形状の計測において、計測光学系２０での反射光と参照光との光路長差などの計測条件を制御する。また、表面形状導出部５２は、ＣＣＤカメラ３２によって検出された反射光と参照光との干渉光強度の光路長差についての変化から計測対象面Ｓ１の形状を導出する。光路長差制御部５１及び表面形状導出部５２の機能については、表面形状の計測方法を説明するときに詳述する。
【００５１】
次に、図１に示した表面形状計測装置１Ａを用いた表面形状計測方法の一例として、所定の波長幅を有する計測光を用いた表面形状計測方法（垂直走査白色干渉法）について、図３を参照して説明する。図３は、計測対象面Ｓ１からの反射光と、参照ミラー４１からの参照光との干渉信号を示すグラフであり、横軸は、サンプルステージ２５に対する対物レンズ２１の相対的な位置（以下、単に、「対物レンズの位置」という）を、縦軸は干渉光強度を示している。
【００５２】
このような計測光を用いた形状計測では、計測光が波長幅に応じた短いコヒーレント長を有する。このため、図３のグラフＦに示すように、得られる干渉信号は反射光と参照光との光路長が一致して光路長差＝０となる対物レンズ２１の位置において干渉強さ（干渉信号の振幅）が最大となり、その付近の一定範囲で干渉が発生している信号となる。したがって、光路長差を変化させて干渉光強度の変化を計測し、その干渉強さが最大となる位置を求めることにより、そのときの反射光及び参照光の光路長から、計測対象面Ｓ１の水平面内での計測を実施した場所での計測対象面Ｓ１の垂直方向（計測光の照射方向）の高さを導出することができる。
【００５３】
また、図３のグラフＧは干渉信号Ｆの包絡線を示している。このような包絡線Ｇは光路長差に対する干渉強さの変化に対応しており、したがって、包絡線Ｇのピーク位置が計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さに対応している。
【００５４】
以下においては、反射光と参照光とが干渉可能な対物レンズ２１の位置（光路長差）の範囲を可干渉距離として、図３に示す通り定義することとする。この可干渉距離（コヒーレンス長）は、計測光の波長幅によって決まるものである。また、この光路長差の制御は、図１に示した表面形状計測装置１Ａにおいては試料ＳをＺ方向に駆動すること及び参照ミラー４１をＺ方向に駆動することによって行われる。
【００５５】
干渉光強度の光路長差についての変化における上記したピーク位置の決定、及びそれによる計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さの導出は、図３に示した干渉信号Ｆの波形全体を一定の計測間隔で取得することによって実行することができる。この場合、干渉信号Ｆの計測間隔は、計測光の波長等を考慮してある程度以上の細かい間隔とする必要がある。
【００５６】
そこで、表面形状計測装置１Ａを利用した表面形状計測方法では、図３のグラフ中に模式的に示すように、反射光と参照光との光路長差について、微小計測間隔、及び微小計測間隔よりも大きい広域計測間隔を利用して、干渉信号の計測を行う。
【００５７】
これらの計測間隔のうち、微小計測間隔は、特定の光路長差の近傍における局所的な干渉信号、及びそのピーク値を求めるための計測間隔であり、表面形状計測装置１Ａでは、隣接する参照面４１ａ〜４１ｄ間の段差高さαとして設定されている。一方、広域計測間隔は、可干渉範囲における上記局所的な干渉信号（干渉カーブ）、及びそのピーク位置を求めるための計測間隔であり、好ましくは、計測光の波長幅（コヒーレンス長）等に基づいて設定される。この広域計測間隔は、サンプルステージ２５を駆動して試料ＳをＺ方向に移動させることで試料Ｓと対物レンズ２１との間の距離を変えることで調整される。
【００５８】
微小計測間隔及び広域計測間隔を利用した計測方法では、計測対象面Ｓ１におけるある計測位置（第１の計測位置）において所定の微小計測間隔に対応する光路長差で参照光の光路長を所定回数変化させながら干渉光強度を計測する。そして、第１の計測位置から広域計測間隔分だけ鉛直方向に移動した計測対象面Ｓ１における次の計測位置（第２の計測位置）において、第１の計測位置の場合と同様にして所定回数分の干渉光強度を計測する。これらを繰り返しながら、鉛直方向に互いに広域計測間隔離れた複数の計測位置での局所的な計測を実施する。そして、それらの計測結果と、干渉信号が正弦波信号で近似可能であることとを利用して、表面形状導出部５２が計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さを導出する。
【００５９】
表面形状導出部５２による計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さを導出する方法について説明する。
【００６０】
前述したように干渉信号は正弦波信号で近似可能である。よって、各計測位置において検出された微小計測間隔での干渉光強度を、正弦波近似計算にて補完し、その計測位置での局所的な干渉信号を算出する。次いで、各計測位置での干渉信号及びそのピーク強度から更に図３に示した包絡線Ｇを算出し、次いで、その包絡線Ｇのピーク位置を特定して、計測対象面Ｓ１の高さを算出する。
【００６１】
ところで、正弦波信号は以下の式で表される。
【数１】
2007333470.tif 000003
ここで、Ｉは干渉信号の強度、Ａは振幅、Ｂはオフセット、φは位相、φ０は初期位相である。
【００６２】
微小な変位量は位相の変位量としてφで表されるので、式（１）において未知数は３個となる。よって、最低３点で計測を行えば、上記した干渉光強度Ｉの式は一意に決まることになる。従って、正弦波信号近似を利用して表面形状を導出する場合、参照ミラー４１が有する複数の参照面の数は３つ以上が好ましく、図１では、４つの参照面４１ａ〜４１ｄとしている。これにより、参照ミラー４１をＺ方向に移動させることで、微小計測間隔での計測を３回以上可能である。また、広域計測間隔は可干渉距離の１／４以下が好ましい。これにより、必ず可干渉距離内に３ヶ所以上干渉光強度が存在する場所を測定でき、結果として、包絡線Ｇを算出できるからである。
【００６３】
なお、ここでは、局所的な干渉信号のピーク値を、正弦波信号近似を利用するとしたが、標準偏差計算によってそのピーク値を算出してもよい。標準偏差計算でピーク値を算出する場合には、微小計測間隔での計測は４回以上必要であり、参照ミラー４１が有する複数の参照面の数は、４つ以上必要となる。
【００６４】
以下、図４を利用して上記表面形状計測についてより具体的に説明する。図４は、表面形状計測装置を利用した表面形状計測の一例のフローチャートである。
【００６５】
先ず、計測制御装置５０の光路長差制御部５１において、計測対象となる試料Ｓの種類、計測光供給部１０から供給される計測光の中心波長λ、波長幅、及び、参照ミラー４１で実現されている段差高さ（微小計測間隔）α等の諸条件を考慮して、広域計測間隔を設定する（Ｓ１０１）。
【００６６】
また、微小計測間隔及び広域計測間隔を参照し、試料Ｓの計測対象面Ｓ１上で設定された計測位置に対する計測条件を設定する（Ｓ１０２）。ここで設定される計測条件としては、例えば、干渉強さの垂直方向での広域計測点数、その広域計測点数によって決まる各計測位置において実施する微小計測間隔での局所的な計測点数、などがある。
【００６７】
なお、ステップＳ１０１及びＳ１０２において設定される広域計測間隔及び計測条件については、光路長差制御部５１において計測毎に設定してもよく、あるいはあらかじめ設定されたものを光路長差制御部５１に記憶させておいてもよい。また、広域計測間隔及び計測条件の設定は、自動で、または操作者の入力等によって手動で行うことができる。
【００６８】
計測条件の設定が終了したら、設定した各計測位置における計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さの計測を実行する。このとき、光路長差制御部５１は、設定された計測条件にしたがってサンプルステージコントローラ６０を制御することでサンプルステージ２５を駆動し、これによって反射光と参照光との光路長差を制御する。まず、サンプルステージ２５によって試料ＳをＺ方向に移動させて、試料Ｓをサンプルステージ２５によって設定された第１の計測位置に移動させる（Ｓ１０３）。
【００６９】
続いて、微小計測間隔での局所的な干渉光強度の変化を計測する（Ｓ１０４）。具体的には、光路長差制御部５１はスライドステージコントローラ６５を制御することでスライドステージ４３を駆動して、参照面４１ａ〜４１ｄに順に光を照射させる。そして、各参照面４１ａ〜４１ｄに光が照射されて順に生成される参照光と、反射光との干渉光強度をＣＣＤカメラ３２が検出する。なお、参照面４１ａ〜４１ｄの数より、微小計測間隔での設定された計測回数が少ない場合は、その計測回数に対応する数だけ、参照面４１ａ〜４１ｄに光を照射するようにすればよい。
【００７０】
次いで、所定の計測位置での全計測が終了したかどうか確認する（Ｓ１０５）。そして、計測が終了していなければ、更にサンプルステージ２５を駆動して試料の位置を変化させて次の計測位置に設定し（Ｓ１０６）、上記同様にして微小計測間隔での計測を実施する。
【００７１】
例えば、現時点での計測位置が第１の計測位置であれば、試料ＳをＺ方向に広域計測間隔だけ移動させて設定される第２の計測位置において計測を行う。
【００７２】
所定の計測範囲での全計測が終了したら各計測位置でそれぞれに対して得られる局所的な干渉強度を正弦波近似計算にて補完して各計測位置での局所的な干渉信号及びそのピーク強度を求める。次いで、包絡線Ｇを表す干渉信号を最初に求めた局所的な干渉信号及びピーク強度より算出する。最後に包絡線Ｇを表す干渉信号のピーク位置を特定して、計測対象面の高さを求める（Ｓ１０７）。これをＣＣＤカメラ３２の受光面が有する画素毎に実施することで表面形状を計測できる。
【００７３】
また、更に水平面内における計測対象面Ｓ１の複数の位置で垂直方向の高さを計測する必要がある場合には、対物レンズ２１に対する計測対象面Ｓ１の位置を水平面内で変えて繰り返して上記の計測を行う。以上により、計測対象面Ｓ１の表面形状が計測される。
【００７４】
ここでは、全計測位置での全計測が終了したのちに、各計測位置での局所的な干渉信号を求めて計測対象面の高さを算出しているが、１つの計測位置での計測が終了したときに、その計測位置での干渉信号を求めてから次の計測位置での計測に移るようにしてもよい。
【００７５】
図５は、上記のようにして実際に算出した干渉信号、及び包絡線の干渉信号を示す図である。図５の横軸は、サンプルステージ２５に対する対物レンズ２１の相対的な位置を示しており、縦軸は、干渉光強度を示している。計測において微小計測間隔α、すなわち、参照ミラー４１の段差高さαは、７５ｎｍとした。また、参照面４１ａ〜４１ｄは、図１に示すように、４つとしている。図５に示した結果を得るための表面形状計測では、バンドパスフィルタとして、中心波長が約６００ｎｍで波長幅が約４０ｎｍのものを使用した。また、広域計測間隔は、約２．５μｍとして、３つの計測位置で計測している。試料Ｓとしては、平面基板とした。
【００７６】
図５に示すように、３つの計測位置において、それぞれ微小計測間隔αに対応する光路長差において４つの干渉光強度を計測することによって、確かに全体の干渉信号、及び包絡線の干渉信号が算出できている。
【００７７】
図１に示した表面形状計測装置１Ａにおいては、試料Ｓの位置を広域計測間隔で垂直方向に走査しながら、各計測位置において、計測光路長を固定した状態で、参照光路を微小計測間隔に対応する光路長差で変化させて計測を実施している。各計測によって得られた干渉光強度に基づいて、各計測位置での局所的な干渉信号を算出し、互いに広域計測間隔離れた各計測位置での局所的な干渉信号から全体の干渉信号及び包絡線Ｇを求めて、計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さの導出を行っている。
【００７８】
このように、微小計測間隔及び広域計測間隔の２種類の計測間隔を設定して計測光による走査を行うことにより、広域計測間隔をある程度広くとって全体としての計測点数を大幅に減らすことができる。したがって、短い計測時間で高速に計測対象面Ｓ１の形状を計測することが可能となる。
【００７９】
表面形状計測装置１Ａでは、上記微小計測間隔での計測に複数の参照面４１ａ〜４１ｄを有する参照ミラー４１を採用していることが重要である。
【００８０】
参照面４１ａ〜４１ｄは段差高さαで複数段に配置されており、その段差高さαは微小計測間隔に対応するように設定されている。従って、Ｘ方向に沿った光の照射方向に略直交する方向（図１では、Ｚ方向）に参照ミラー４１を参照面４１ａ〜４１ｄの幅に対応する長さで移動することで、参照光路に微小計測間隔に対応する光路長の変化を生じせしめることができている。
【００８１】
この場合、参照面４１ａ〜４１ｄの幅β１は特に限定されないため、参照ミラー４１を微小計測間隔より長く（例えば、数μｍ程度）移動させても微小計測間隔での計測が実施できる。これにより、試料Ｓや参照ミラー４１をピエゾステージ等の微小移動ステージを利用して実際に微小計測間隔で移動させながら計測する場合に比べて高い精度で微小計測間隔に対応する光路長差を制御できる。その結果、表面形状計測の精度が向上している。
【００８２】
また、サンプルステージ２５及びスライドステージ４３として、ピエゾステージより移動分解能の粗い電動ステージを利用できるので、表面形状計測装置１Ａの製造コストの低減が図れている。
【００８３】
ところで、上記説明での第１及び第２の計測位置等の各計測位置での局所的な複数の干渉光強度の結果から得られる２つの正弦波信号（局所的な干渉信号）は理論的には連続する。この計測結果から算出される正弦波信号に不一致が生じるのは、サンプルステージ２５の移動誤差に起因しており、これは、上記２つの正弦波信号の初期位相差として表される。
【００８４】
そこで、初期位相差を利用してサンプルステージ２５の移動誤差を補正しながら表面形状を導出することが好適である。これは、次のように実施すればよい。
【００８５】
すなわち、例えば第１及び第２の計測位置各々での局所的な干渉信号を算出した後に、それらの初期位相差を算出する。そして、サンプルステージ２５の想定移動量を、算出した初期位相差で補正してサンプルステージ２５の真の移動量を求める。この補正を全てのサンプルステージ２５の移動量に対して行って計測位置を補正した後、全体の干渉信号Ｆ及び包絡線Ｇを求め、計測対象面Ｓ１の高さを算出する。この場合、計測位置が補正されて実際の値に近づいているので、表面形状を高精度に算出することができる。
【００８６】
（第２の実施形態）
【００８７】
第２の実施形態として、図１に示した表面形状計測装置１Ａが有するサンプルステージが、少なくともＺ方向の移動にピエゾステージを利用している場合について説明する。装置構成は、前述したようサンプルステージが微小移動ステージを利用している点以外は、第１の実施形態と同様である。
【００８８】
そこで、サンプルステージ２５が上記のようにピエゾステージを利用している場合の測定方法について説明する。先ず、干渉信号の算出に正弦波信号近似を利用する場合について説明する。
【００８９】
この場合、光路長差制御部５１が広域計測間隔を、参照ミラー４１が例えば４段の場合、λ／２として、サンプルステージ２５を順次移動させる。なお、λは計測光の中心波長である。次いで、各移動位置（計測位置）において、参照ミラー４１を利用して微小計測間隔での計測のために設定した計測点数（３点以上）分だけの干渉光強度を計測する。そして、表面形状導出部５２が、サンプルステージ２５の移動位置での局所的な干渉信号を正弦波信号近似を利用して算出する。
【００９０】
干渉信号の一周期は計測光の中心波長λに相当する。そして、光路は往復であるため、実際の光路長はサンプルステージ２５の移動距離の２倍である。よって、上記のようにサンプルステージ２５をλ／２ずつ移動させることで、干渉信号の次の周期に移動することになる。そのため、上記のように広域計測間隔（この場合、λ／２）離れた各移動位置で局所的な干渉光強度を計測した後、それらによって局所的な干渉信号を算出することで、結果として、全体の干渉信号Ｆ及び包絡線Ｇを求めることが可能である。よって、第１の実施形態の場合と同様に、計測対象面Ｓ１の高さ及び計測対象面Ｓ１の形状が得られる。
【００９１】
この場合、例えば、参照ミラー４１が段差を有していない従来の装置のように、ピエゾステージを実際に微小計測間隔（例えば、５ナノメートル）で移動させながら計測を実施していく場合に比べて、ピエゾステージの移動回数を大幅に低減できる。その結果、測定時間の短縮が可能である。更に、ピエゾステージの移動量が微小計測間隔より長いため、ピエゾステージの移動誤差を低減できる。その結果、計測精度の悪化が低減されて、高精度な表面形状計測が可能となっている。
【００９２】
図６は、上記のようにサンプルステージにピエゾステージを利用して上記のようにして実際に算出した干渉信号を示す図である。図６の横軸及び縦軸は、図５の横軸及び縦軸と同様である。また、計測においてピエゾステージを利用して、ピエゾステージを、約３００ｎｍで移動させている点以外は、図５の場合と同様にして計測した。なお、図７では、代表的な計測位置での４つの局所的な計測点を示している。図６に示すように、この場合でも、全体の干渉信号が確かに算出できていることがわかる。
【００９３】
以上説明したように、サンプルステージ２５がピエゾステージであって解析に正弦波信号近似を利用する場合、第１の実施形態で説明したように、各計測位置で算出した干渉信号の初期位相差からピエゾステージの移動量を補正しながら高さを算出することも可能である。この場合には、第１の実施形態の場合と同様に、表面形状をより高い精度で計測できる。
【００９４】
更に、サンプルステージ２５がピエゾステージを利用している場合には、正弦波信号近似を適用せずに表面形状を計測することも可能である。この場合には、サンプルステージ２５を広域計測間隔として（λ／ｎ×参照面の数）で移動する。すなわち、参照ミラー４１で調整可能な参照光路の光路長差分だけ参照ミラー４１を移動させながら計測し、その光路長差の和に相当する次の光路長差の位置にサンプルステージ２５を移動して計測する。そして、これを繰り返す。
【００９５】
この場合も、サンプルステージ２５を微小計測間隔で移動する場合より、ピエゾステージを有するサンプルステージ２５の例えば鉛直方向の移動回数を低減できる。その結果、測定時間の短縮が可能である。更に、ピエゾステージの移動量が微小計測間隔より長いため、ピエゾステージの移動誤差が低減できる。これにより、計測精度の悪化が低減され、より高精度に表面形状を計測できる。この場合には、正弦波近似を利用しないため、参照ミラー４１の参照面数は、２つ以上であればよい。
【００９６】
（第３の実施形態）
【００９７】
第３の実施形態として、図１に示した表面形状計測装置１Ａによる位相シフト法を適用した表面形状計測方法について説明する。
【００９８】
図１に示した表面形状計測装置１Ａは、試料Ｓとして面精度が高いもの（例えば、ハードディスクや光学部品等）の表面形状を計測するときには、いわゆる位相シフト法を利用して表面形状を計測することも可能である。位相シフト法を適用する場合には、参照ミラー４１として、４ステップ段差以上、すなわち、４つ以上参照面を有するものを利用する。
【００９９】
位相シフト法を適用した場合の表面形状計測方法について説明する。すなわち、先ず、光路長差制御部５１がサンプルステージコントローラ６０を通してサンプルステージ２５を駆動して、試料Ｓを移動させながらフォーカス調整を行う。その位置にて、光路長差制御部５１は、スライドステージ４３を駆動して、対物レンズ４２からの光の照射方向に対して略直交する方向（図１では、Ｚ方向）に参照面４１ａ〜４１ｄを順に移動させて参照面４１ａ〜４１ｄに順番に光を照射する。これにより、参照面数分（図１の参照ミラー４１の場合は、４つ）の干渉光強度を測定する。
【０１００】
表面形状導出部５２は、得られた４つの干渉光強度から以下の式に基づいて干渉光量を計算する。
【数２】
2007333470.tif 000004
ここで、φ（ｘ，ｙ）は、計測対象面の位相である。φ（ｔ）は、位相シフト量である。Ｉｍはｍ回目の干渉光強度である。
【０１０１】
次に、表面形状導出部５２は、次式に基づいてその測定位置での高さＨ（ｘ，ｙ）を算出する。
【数３】
2007333470.tif 000005
【０１０２】
この場合、サンプルステージ２５としてピエゾステージを利用しなくても良いので、表面形状計測装置１Ａの製造コストの低減を図ることが可能である。更に、垂直分解能として例えば０．１ｎｍが実現可能であるため、試料Ｓとしてウエハやハードディスク、フィルムなどの表面形状に好適に利用可能である。
【０１０３】
（第４の実施形態）
【０１０４】
図７は、本発明に係る表面形状計測装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。
【０１０５】
表面形状計測装置１Ｂの構成は、参照光生成部７０がコリメートレンズ７１と、参照面選択部７２とを有する点で、表面形状計測装置１Ａの構成と主に相違する。この点を中心にして表面形状計測装置１Ｂについて説明する。
【０１０６】
参照光生成部７０は、対物レンズ４２と、コリメートレンズ（集光光学系）７１と、スライドステージ４３に取り付けられた参照面選択部７２と、参照ミラー４１とを有する。参照光生成部７０が有する対物レンズ４２は、対物レンズ２１と同様に無限遠補正対物レンズであれば、計測光学系２０によって分岐された計測光の他方の光を集束できればよい。参照ミラー４１及びスライドステージ４３の構成は、第１の実施形態の表面形状計測装置１Ａの場合と同様である。なお、対物レンズ２１が有限遠補正対物レンズである場合には、対物レンズ４２も有限遠補正のものにすることは第１の実施形態の場合と同様である。
【０１０７】
コリメートレンズ７１は、対物レンズ４２によって集束された光を再度平行光にするためのものである。コリメートレンズ７１は、生成する平行光が参照ミラー４１の鏡面側の全面を照射可能な大きさになるように選択され配置されている。
【０１０８】
上記コリメートレンズ７１で生成された平行光に対して、光の照射される各参照面４１ａ〜４１ｄを選択するために参照面選択部７２がコリメートレンズ７１と参照ミラー４１との間に設けられている。参照面選択部７２は、光を遮蔽する材質からなる平板状の基体７３に参照面４１ａ〜４１ｄとほぼ同じ形状のスリット（通光部）７４が形成されて構成されており、コリメートレンズ７１と参照ミラー４１との間に配置されている。参照面選択部７２の基体７３はスライドステージ４３に取り付けられており、Ｚ方向に移動可能となっている。ここでは、通光部をスリット７４としたが、コリメートレンズ７１からの光を通せば特に限定されず、例えば、上記平行光の波長に対して透明な材質から形成されていてもよい。
【０１０９】
この構成では、スライドステージ４３を駆動して基体７３をＺ方向に移動することによって、スリット７４を通して参照面４１ａ〜４１ｄに順番に光が照射される。その結果、参照光路の光路長が変化することになる。
【０１１０】
表面形状計測装置１Ｂを利用した表面形状計測方法は、上記のように参照面選択部７２を平行光の伝播方向に略直交する方向（図７ではＺ方向）に移動させることで、計測光学系２０から参照光生成部７０に入力される光を照射する参照面４１ａ〜４１ｄを選択している点以外は、第１の実施形態の場合と同様である。すなわち、ステップＳ１０４において、スライドステージ４３を駆動することでスリット７４を移動させて、参照面４１ａ〜４１ｄに順に光を照射させて、参照光路の光路長を微小計測間隔に対応する光路長差で変更しながら干渉光強度を計測する。そして、ステップＳ１０７において、各計測位置での局所的な干渉光強度を利用して、表面形状導出部５２が計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さを算出する。
【０１１１】
この場合も、広域計測間隔及び微小計測間隔を利用して計測対象面の垂直方向の高さを算出しているので、図１に示した表面形状計測装置１Ａの場合と同様に、計測時間を大幅に短縮できている。
【０１１２】
また、複数段の参照面４１ａ〜４１ｄを有する参照ミラー４１を利用して局所的な微小計測間隔での計測を実施していることの効果も表面形状計測装置１Ａの場合と同様である。すなわち、試料Ｓや参照ミラー４１をピエゾステージ等の微小移動ステージを利用して実際に微小計測間隔で移動させながら計測する場合より高い精度で微小計測間隔に対応する光路長差を制御できる。その結果、表面形状計測の精度が向上している。また、サンプルステージ２５及びスライドステージ４３として、ピエゾステージより移動分解能の粗い電動ステージを利用できるので、表面形状計測装置１Ａの製造コストの低減が図れている。
【０１１３】
上記表面形状計測装置１Ｂを利用した表面形状計測方法においても、表面形状計測装置１Ａの場合と同様に、各計測位置（例えば、第１及び第２の計測位置）での局所的な干渉信号を算出した後に、それらの初期位相差を算出し、計測位置を補正しながら計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さ算出することもできる。この場合、より高精度に表面形状を計測することが可能である。
【０１１４】
また、表面形状計測装置１Ｂにおいても、第２の実施形態で説明したように、サンプルステージ２５として、少なくともＺ方向の移動にピエゾステージ（微小移動ステージ）を利用したものとすることも可能である。更に、第３の実施形態で説明したように、位相シフト法を利用した表面形状計測を実施することも可能である。このようにピエゾステージを利用して表面形状計測を実施する場合や、位相シフト法を利用して表面形状計測を実施する場合の計測方法は、参照光路の光路長差を、前述したように、参照面選択部７２を移動させて光が照射される参照面４１ａ〜４１ｄを選択することによって変更している点、以外は、第２及び第３の実施形態と同様である。
【０１１５】
（第５の実施形態）
【０１１６】
図８は、本発明に係る表面形状計測装置の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。
【０１１７】
表面形状計測装置１Ｃの構成は、参照光生成部８０が、複数（図８では３つ）のビームスプリッタ（分岐手段）８１Ａ〜８１Ｃと、ビームスプリッタ８１Ａ〜８１Ｃで分岐された光の光路上に配置された複数（図８では４つ）の参照ミラー８２〜８５と、参照ミラー８２〜８５の数と同数のシャッタ８６Ａ〜８６Ｄとを有する点で、表面形状計測装置１Ａの構成と主に相違する。この点を中心にして表面形状計測装置１Ｃについて説明する。
【０１１８】
参照光生成部８０は、対物レンズ（集束光学系）４２と、複数のビームスプリッタ８１Ａ〜８１Ｃと、参照ミラー８２〜８５と、シャッタ８６Ａ〜８６Ｄとを有する。対物レンズ４２は、図１に示した表面形状計測装置１Ａと同様の構成である。
【０１１９】
ビームスプリッタ８１Ａ〜８１Ｃは、対物レンズ４２の光軸Ａｘに４５°傾けて配置されており、対物レンズ４２によって集束される光の一部を反射させて、他の部分を透過させることよって、対物レンズ４２から入射される光を分岐する。ビームスプリッタ８１Ａ，８１Ｂで反射された光は上方（図８中において、Ｚ方向）に向けて伝播され、その光路上には参照ミラー８２〜８４が配置されている。また、各ビームスプリッタ８１Ａ〜８１Ｃを透過した光はＸ方向に伝播し、その光路上には参照ミラー８５が配置されている。このような配置であるため、複数のビームスプリッタの数は、参照光生成部８０が有する複数の参照ミラーの数より１つ少ない数でよい。
【０１２０】
各参照ミラー８２〜８５で反射した光は、各参照ミラー８２〜８５に入射する光路と同様の光路を逆に伝播して参照光としてビームスプリッタ２２に入射された後、試料Ｓからの反射光と干渉する。そして、その干渉光強度が、ＣＣＤカメラ３２で検出される。
【０１２１】
参照ミラー８２〜８５は、例えば平板状であり、各参照ミラー８２，８３，８４，８５が有する鏡面８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄが、照射される光を反射させて参照光を生成する参照面である。参照ミラー８２〜８５は、隣接する参照ミラー８２〜８５間において微小計測間隔αに対応する光路長差が発生するように配置されている。
【０１２２】
より具体的に、参照ミラー８２〜８５の配置について、参照ミラー８５が対物レンズ４２の焦点位置（集束位置）に配置されているとし、その参照ミラー８５の鏡面８５ａの位置を基準として説明する。
【０１２３】
この場合、参照ミラー８４は、その鏡面８４ａがビームスプリッタ８１Ｃに対して鏡面８５ａに対応する位置、すなわち、ビームスプリッタ８１Ｃで反射された光のＺ方向における集束位置から微小計測間隔αだけ更に上方に位置するように配置されている。また、参照ミラー８３は、その鏡面８３ａがビームスプリッタ８１Ｂに対して鏡面８５ａに対応する位置から微小計測間隔αの２倍の長さ２αだけ更に上方に位置するように配置されており、参照ミラー８２は、その鏡面８２ａがビームスプリッタ８１Ａに対して鏡面８５ａに対応する位置から微小計測間隔αの３倍の長さ３αだけ更に上方に位置するように配置されている。これにより、隣接する鏡面８２ａ〜８２ｄで生成される参照光の微小計測間隔αに対応する光路長差が生じることになる。
【０１２４】
上記参照ミラー８２〜８５とビームスプリッタ８１Ａ〜８１Ｃとの間には、シャッタ８６Ａ〜８６Ｄが配置されている。シャッタ８６Ａ〜８６Ｄは、光路長差制御部５１によって制御されるシャッタコントローラ９０によって駆動される。
【０１２５】
この構成では、光路長差制御部５１がシャッタコントローラ９０を利用してシャッタ８６Ａ〜８６Ｄを所定の順番で開閉することによって、シャッタ８６Ａ〜８６Ｄに対応する参照ミラー８２〜８５への光の照射が制御される。隣接する参照ミラー８２〜８５は、それらによって生成される参照光間に微小計測間隔αに対応した光路長差が生じるように配置されているので、上記のように参照ミラー８２〜８５への光の照射が変更されることによって、参照光路の光路長差が制御されることになる。
【０１２６】
表面形状計測装置１Ｃを利用した表面形状計測方法は、シャッタ８６Ａ〜８６Ｄの開閉により光を照射する参照ミラー８２〜８５を選択して参照光路の光路長を変化させる点以外は、第１の実施形態の表面形状計測装置１Ａを利用した表面形状計測方法と同様である。
【０１２７】
すなわち、ステップＳ１０４において、光路長差制御部５１が、シャッタ８６Ａ〜８６Ｄを駆動して、例えば、シャッタ８６Ｄ側からシャッタ８６Ａ側に向かって順番に開く。この際、開いているシャッタ以外は閉じた状態にする。このようにして、参照ミラー８２〜８５に順に光を照射させて、参照光路の光路長を微小計測間隔αに対応する光路長差で変化させながら干渉光強度を検出する。そして、ステップＳ１０７において、各計測位置での局所的な干渉光強度を利用して、表面形状導出部５２が計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さを算出する。
【０１２８】
この場合も、広域計測間隔及び微小計測間隔を利用して計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さを算出しているので、図１に示した表面形状計測装置１Ａの場合と同様に、計測時間を大幅に短縮できている。
【０１２９】
また、微小計測間隔αに基づいて配置された参照ミラー８２〜８５への光の照射を制御することによって、局所的な微小計測間隔での計測を実施していることの効果も表面形状計測装置１Ａの場合と同様である。すなわち、試料Ｓ又は参照ミラー４１をピエゾステージ等の微小移動ステージを利用して実際に微小計測間隔で移動させながら計測する場合より高い精度で微小計測間隔に対応する光路長差を変化させることが可能である。その結果、表面形状計測の精度が向上している。また、サンプルステージ２５として、ピエゾステージより移動分解能の粗い電動ステージを利用できるので、表面形状計測装置１Ｃの製造コストの低減が図れている。
【０１３０】
また、表面形状計測装置１Ｃにおいても、第２の実施形態で説明したように、サンプルステージとして、少なくともＺ方向の移動にピエゾステージ（微小移動ステージ）を利用したものとすることも可能である。更に、第３の実施形態で説明したように、位相シフト法を利用した表面形状計測を実施することも可能である。このようにピエゾステージを利用して表面形状計測を実施する場合や、位相シフト法を利用して表面形状計測を実施する場合の計測方法は、参照光路の光路長差を、前述したように、複数のシャッタ８６Ａ〜８６Ｄの開閉を制御して光が照射される参照ミラー８２〜８５を選択することによって変更している点以外は、第２及び第３の実施形態と同様である。
【０１３１】
（第６の実施形態）
【０１３２】
図９は、本発明に係る表面形状計測装置の第６の実施形態の構成を示すブロック図である。
【０１３３】
図９に示すように、表面形状計測装置１Ｄの構成は、参照光生成部１００が、図１０及び図１１に示す参照ミラー１１０を有する点で、第１の実施形態の表面形状計測装置１Ａの構成と相違する。図１０は、図９に示した参照ミラーの平面図である。図１１は、図１０のＸＩ―ＸＩ線に沿った断面図である。
【０１３４】
図１０及び図１１に示すように、参照ミラー１１０は、一方向（図１０ではＹ方向）に延在した複数（図１０及び図１１では３つ）の参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕを有する参照面群１０１が参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕの配列方向（図１０ではＺ方向）に複数（図１０及び図１１では３つ）配列されたものである。
【０１３５】
各参照面群１０１が有する参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕは、参照ミラー１１０の厚さ方向（図１１のＸ方向、段方向）に微小計測間隔αを段差高さとして階段状に設けられている。すなわち、参照ミラー１１０における各参照面群１０１の領域は、微小計測間隔αを段差高さとして階段状に形成されたミラーに対応しており、参照ミラー１１０は、この階段状ミラーを一組として複数組み合わされたものに対応する。参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕの幅（参照面群１０１の配列方向の長さ）β２は、例えば、β２＝ＣＣＤカメラの画素サイズ／対物レンズの倍率として、０．７５μｍである。この参照ミラー１１０は、例えば、微細加工技術を利用して高精度に作製されており、いわゆる微細構造製品（ＭＥＭＳ）である。
【０１３６】
図１２は、ＣＣＤカメラの受光面の平面図である。図１２に示すように、受光面３３は、複数の画素（受光領域）３４が２次元状に配列されたものである。また、受光面３３は、複数の画素３４を有する画素列（一方向に延在する受光領域）３５が、各画素列３５の延在方向と直交する方向に複数配列されたものでもある。ここでは、画素３４は略正方形としている。
【０１３７】
表面形状計測装置１Ｄが有する対物レンズ４２は、複数の参照面群１０１に一度に光を照射可能に計測光学系２０からの光を集束する。この対物レンズ４２の光学倍率は、各参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕの幅β２が図１２に示すＣＣＤカメラ３２の受光面３３の画素３４の一辺（幅）γの整数倍になるように決定されている。ここでは、参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕの幅β２と受光面３３の画素３４の幅γとが同じになるように対物レンズ４２の倍率が決定されているものとする。
【０１３８】
そして、参照ミラー１１０は、各参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕがＣＣＤカメラ３２の受光面３３の各画素列３５に正確に投影されるように配置されている。より詳細に説明すると、参照ミラー１１０は、図１２に示す複数の画素列３５のうち画素列３５の配列方向（図１２中、Y方向）に並んだ３つの画素列３５，３５，３５にそれぞれ各参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕによって生成される参照光と、計測対象面Ｓ１からの反射光との干渉光の強度が検出されるように配置されている。
【０１３９】
具体的には、例えば、図１２で示すように、「ｓ」、「ｔ」、「ｕ」と付された画素３４からなる各画素列３５に、それぞれ参照面１０１ｓ、参照面１０１ｔ、参照面１０１ｕからの参照光と、反射光との干渉光の干渉光強度が検出されるように配置されている。なお、この対応関係は、表面形状計測装置１Dにおける参照ミラー１１０と他の光学系との配置関係に基づいて表面形状導出部５２が割り当てればよい。
【０１４０】
なお、図１２の各画素３４に付した「ｓ」、「ｔ」、「ｕ」は、上記のように、画素列（又は画素）と参照ミラー１１０が有する複数の参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕとの対応関係の説明のために便宜的に付したものである。以下の説明では、参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕに対応する各画素列３５，３５，３５をそれぞれ画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕとも称す。
【０１４１】
上述したように、画素列３５の配列方向に並んだ３つの画素列３５，３５，３５間の干渉光強度には、参照ミラー１１０の各参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕの段差高さ（微小計測間隔）αに起因した参照光路の光路長差による変化が生じている。そのため、各画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕで検出される干渉光強度を利用して、ある計測位置での局所的な干渉信号が算出される。この場合、微小計測間隔αに対応する光路長差が変化した複数の干渉光強度を一度に取得できる。
【０１４２】
表面形状導出部５２は、画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕと、段差高さαの差との対応関係と、各画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕでの検出結果とから正弦波信号近似を利用して局所的な干渉信号を算出し、それらを利用して表面形状を導出する。上記画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕと、段差高さαの差との対応関係は、例えば、画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕ、参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕ及び参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕ間の段差高さ（微小計測間隔）αとの対応関係をテーブル等にして予め表面形状導出部５２に記憶させておけばよい。
【０１４３】
表面形状導出部５２が局所的な干渉光強度を算出する際、上記のように画素列３５ｓ〜３５ｔ毎の検出結果を利用してもよいが、この場合、一定方向に順に並んだ３つの画素列３５，３５，３５に対して１つの局所的な干渉信号のピーク値が算出されることになる。そこで、参照ミラー１１０における参照面群１０１の配列方向の分解能を向上する観点から、次のような移動平均を利用することが好ましい。
【０１４４】
すなわち、表面形状導出部５２は、ある３つの画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕを一組として、その組に含まれる各画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕで検出される干渉光強度から計算された値である局所的な干渉信号のピーク値を、その組に含まれる画素列３５ｔのデータとする。このような処理を「平均をとる」とも称す。また、上記の一組に対して画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕの配列方向に対して一画素列分ずらした次の３つの画素列３５ｔ，３５ｕ，３５ｓの組で検出される干渉光強度から計算された値をその組が有する画素列３５ｕのデータとする。そして、このように一画素列３５ずつずらしながら、画素列３５の配列方向に並んだ３つの画素列３５，３５，３５の検出結果に対して平均をとり、３つの画素列３５のうちの１つに割り当てることを順に実施することによって、各画素列３５で検出された検出結果に対して移動平均をとる。
【０１４５】
そして、各画素列３５に新しく割り当てられたデータを利用して計測対象面Ｓ１での垂直方向の高さを算出することによって計測対象面Ｓ１の形状を導出する。
【０１４６】
この場合、上記のように移動平均を取って新しく各画素列３５に割り当てられたデータでは、画素列３５分のデータを表面形状の導出に使用できるので、参照面群１０１の配列方向の分解能の向上を図ることが可能である。
【０１４７】
表面形状計測装置１Ｄを利用した表面形状計測方法では、ステップＳ１０４において参照ミラー１１０に計測光学系２０からの光を照射することで、所定数の微小計測間隔の計測を一度に実施する点、及び、ステップＳ１０７において局所的な干渉信号を前述したように画素列３５ｓ，３５ｔ，３５ｕ間の検出結果を利用して実施する点以外は、第１の実施形態の表面形状計測装置１Ａを利用した表面形状計測方法と同様である。
【０１４８】
この場合も、広域計測間隔及び微小計測間隔を利用して計測対象面の垂直方向の高さを算出しているので、図１に示した表面形状計測装置１Ａの場合と同様に、計測時間を大幅に短縮できている。また、参照ミラー１１０を利用している場合、参照ミラー１１０に光を照射することによって微小計測間隔に対応する光路長差を有する複数の参照光が一度に生成され、結果として、微小計測間隔離れた複数の計測点を一度に計測できることになる。そのため、更に計測時間を短くできている。また、参照ミラー１１０が、微細加工技術を利用して作製されているので、微細計測間隔を精度よく設定できている。そして、更に、微小計測間隔で計測するときに、ステージの移動を伴わないので、より高精度な計測が実現できている。また、サンプルステージ２５として、ピエゾステージより移動分解能の粗い電動ステージを利用できるので、表面形状計測装置１Ｄの製造コストの低減が図れている。
【０１４９】
上記表面形状計測装置１Ｄを利用した表面形状計測方法においても、表面形状計測装置１Ａの場合と同様に、各計測位置（例えば、第１及び第２の計測位置）での局所的な干渉信号を算出した後に、それらの初期位相差を算出し、計測位置を補正しながら計測対象面Ｓ１の垂直方向の高さ算出することもできる。この場合、より高精度に表面形状を計測することが可能である。
【０１５０】
また、表面形状計測装置１Ｄにおいても、第２の実施形態で説明したように、サンプルステージ２５として、少なくともＺ方向の移動にピエゾステージを利用したものとすることも可能である。更に、第３の実施形態で説明したように、位相シフト法を利用した表面形状計測を実施することも可能である。なお、位相シフト法を利用する場合は、参照ミラー１１０が有する参照面の数を４つ以上としておく。このようにピエゾステージを利用して表面形状計測を実施する場合や、位相シフト法を利用して表面形状計測を実施する場合の計測方法は、参照光路の光路長差を、前述したように、参照ミラー１１０が有する複数の参照面１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕ間で生じせしめている点以外は、第２及び第３の実施形態と同様である。
【０１５１】
表面形状計測装置１Ｄの参照光生成部１００が有する参照ミラーとしては、図１３及び図１４に示すような参照ミラー１２０とすることもできる。図１３は、参照ミラーの他の例の平面図である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図である。
【０１５２】
参照ミラー１２０は、複数（図１３では３つ）の参照面１２１ｓ，１２１ｔ，１２１ｕを有する参照面群１２１を複数有している。各参照面１２１ｓ〜１２１ｕの形状は、ＣＣＤカメラ３２の受光面３３が有する画素３４と相似形であって、図１３では略正方形としている。なお、図１３に示すハッチングは、同じ参照面１２１ｓ〜１２１ｕを示すために便宜上付しているものである。
【０１５３】
参照面１２１ｓ，１２１ｔ，１２１ｕは、図１４に示すように、段違いに配置されており、参照面１２１ｓ，１２１ｔ間の段差高さ、及び、参照面１２１ｔ，１２１ｕ間の段差高さは、それぞれ微小計測間隔αである。
【０１５４】
参照ミラー１２０を利用する場合も、対物レンズ４２は、複数の参照面群１２１に一度に光を照射可能に計測光学系２０からの光を集束している。また、対物レンズ４２の光学倍率は、参照面１２１ｓ（１２１ｔ，１２１ｕ）の縦横幅（一辺の長さ）β３とも受光面３３の画素３４の一辺の長さ（幅）γの整数倍になるように決定しておく。ここでは、前述したように、参照面１２１ｓ（１２１ｔ，１２１ｕ）の一辺の長さβ３と受光面３３の画素３４の一辺の長さ（幅）γとが同じになるように対物レンズ４２の倍率が決定されているものとする。そして、各参照面１２１ｓ〜１２１ｕが、ＣＣＤカメラ３２が有する受光面３３の各画素３４上に正確に投影されるように配置する。
【０１５５】
図１５は、図１３に示した各参照面と画素との対応関係の一例を示すための受光面の平面図である。図１５において、各画素３４に付している「ｓ」、「ｔ」、「ｕ」は、参照ミラー１１０の場合と同様に参照面１３１ｓ，１３１ｔ，１３１ｕとの対応関係を示すためのものである。以下の説明では、参照面１２１ｓ，１２１ｔ，１２１ｕに対応する各画素３４、３４、３４をそれぞれ画素３４ｓ，３４ｔ，３４ｕとも称す。
【０１５６】
この場合、画素３４ｓ，３４ｔ，３４ｕが参照面１２１ｓ，１２１ｔ，１２１ｕに対応するので、画素３４ｓ，３４ｔ，３４ｕ毎に微小計測間隔αに対応する光路長差を有する干渉光強度を検出できることになる。そして、参照ミラー１１０において画素列３５を利用した解析を２次元に拡張することによって表面形状を計測することが可能である。そして、参照ミラー１２０を利用することによって、縦方向（図１３中、Ｙ方向）と横方向（図１３中、Ｚ方向）との分解能を揃えることができる。
【０１５７】
また、表面形状導出部５２による表面形状の導出においては、参照ミラー１１０の場合と同様に、分解能向上のために移動平均を利用することも好適である。この場合には、例えば、図１５に示すように、略Ｌ字形の領域（図１５中、一点鎖線で囲まれる領域）内の３つの画素３４ｓ，３４ｔ，３４ｕで検出される干渉光強度に対して正弦波信号近似等を実施して、局所的な干渉信号のピーク値を計算する。次いで、その計算結果を、例えば、上記略Ｌ字形の例えば角部に位置する画素３４ｔの値とする。そして、この略Ｌ字形の領域を所定の規則で移動させながら、図１５に示した各画素３４ｓ，３４ｔ，３４ｕに新しいデータを割り当て、それらを利用して表面形状を導出する。
【０１５８】
また、図１５に一緒に示しているように、十字（クロス）型に配置される領域（図１５中の点線で囲まれる領域）内の横３つの画素３４ｓ，３４ｕ，３４ｔ及び縦３つの画素３４ｔ，３４ｕ，３４ｓを利用して縦方向及び横方向それぞれの各画素３４ｓ〜３４ｔで検出される干渉光強度に対して正弦波信号近似等を実施して、それぞれの方向の局所的な干渉信号のピーク値を算出し、更にそれらを平均する。次いで、その平均値（新しいデータ）を、上記十字型の領域内の例えば中央に位置する画素３４ｕに割り当てる。そして、この十字型の領域を所定の規則に則って移動させながら同様の処理を実施して、各画素３４ｓ〜３４ｕに新しいデータを割り当て、それらを利用して表面形状を導出する。
【０１５９】
また、画素３４と相似形の参照面を利用する場合には、図１６及び図１７に示す参照ミラー１３０を利用することも好ましい。図１６は、参照ミラーの更に他の例の平面図である。図１７は、図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿った断面図である。
【０１６０】
参照ミラー１３０は、複数（図１６では４つ）の参照面１３１ｓ，１３１ｔ，１３１ｕ，１３１ｖを有する参照面群１３１が２次元的に配置されたものである。各参照面１３１ｓ〜１３１ｕの形状は、ＣＣＤカメラ３２の受光面３３が有する画素３４と相似形であって、図１６では略正方形としている。なお、図１６に示すハッチングは、同じ参照面１３１ｓ〜１３１ｖを示すために便宜上付しているものである。
【０１６１】
各参照面群１３１が有する参照面１３１ｓ，１３１ｔ，１３１ｕ，１３１ｖは、図１７に示すように、段違いになっており、参照面１３１ｓ，１３１ｔ間の段差高さ、参照面１３１ｔ，１３１ｕ間の段差高さ、及び、参照面１３１ｕ，１３１ｖ間の段差高さはそれぞれ微小計測間隔αである。
【０１６２】
表面形状計測装置１Ｄにおいて、参照ミラー４１の配置は、参照ミラー１２０の場合と同様に受光面３２との対応関係に基づいて配置されている。図１８は、図１６に示した各参照面１３１ｓ，１３１ｔ，１３１ｕ，１３１ｖと画素との対応関係の一例を示すための受光面の平面図である。図１７において、各画素３４に付している「ｓ」、「ｔ」、「ｕ」、「ｖ」は、参照ミラー１１０，１２０の場合と同様に参照面１３１ｓ，１３１ｔ，１３１ｕ，１３１ｖとの対応関係を示すためのものである。以下の説明では、参照面１３１ｓ，１３１ｔ，１３１ｕ，１３１ｖに対応する各画素３４，３４，３４，３４をそれぞれ画素３４ｓ，３４ｔ，３４ｕ，３４ｖとも称す。
【０１６３】
表面形状導出手段５２による表面形状の算出は、各画素３４ｓ，３４ｔ，３４ｕ，３４ｖの干渉光強度を利用して参照ミラー１１０及び参照ミラー１２０の場合と同様に実施する。なお、高さの異なる参照面１３１ｓ，１３１ｔ，１３１ｕ，１３１ｖが４つあるので、解析に最小二乗法を利用することでより高精度に表面形状を算出することができる。参照ミラー１３０を利用する場合であって試料Ｓの面精度が高い場合には、前述したように位相シフト法を利用して表面形状を算出してもよい。
【０１６４】
以上、本発明に係る表面形状計測装置の実施形態について説明したが、本発明に係る方面形状計測装置は、上記実施形態に限定されない。
【０１６５】
検出手段３０は、ＣＣＤカメラ３２としたが、受光面３３に画素が配置されてなる検出器であって、画素毎に干渉光強度を計測できるものであれば特に限定されない。ただし、第６の実施形態の場合については、受光面が有する複数の受光領域（例えば、画素自体や、画素列）と、参照ミラーが有する参照面との対応関係を構築できるものであることが必要である。
【０１６６】
参照ミラー４１では、参照面４１ａ〜４１ｄは、参照面４１ａから参照面４１ｄに向けて段差高さαずつ低くなるとしたが、隣接する参照面４１ａ〜４１ｄ間の段差高さは、微小計測間隔αの１以上の整数倍であればよく、必ずしも隣接する参照面間の段差高さは複数の参照面間で一定でなくてもよい。これは、第６の実施形態の表面形状計測装置１Ｂの複数の参照ミラー８２〜８５の配置に関しても同様である。更に、第７の実施形態で説明した参照ミラー１１０，１２０，１３０が有する各参照面群を構成する複数の参照面に関しても同様である。
【０１６７】
また、第４の実施形態では、コリメートレンズ（集光光学系）は、複数の参照面の２つ以上の参照面に一度に光を照射できるように略平行光を生成可能に選択され配置されていればよい。また、第６の実施形態においては、対物レンズ（集束光学系）４２は、複数の参照面の２つ以上の参照面に一度に光を照射できるように計測光学系から入射される光を集束可能に選択され配置されていればよい。
【０１６８】
更に、第２〜第６の実施形態においては、微小計測間隔に対応する光路長差で検出された干渉強度信号に基づいた局所的な干渉信号のピーク値の算出は、正弦波信号近似を利用しているが、第１の実施形態で説明したように、標準偏差計算を利用して上記局所的な干渉信号のピーク値を算出することも可能である。この場合は、微小計測間隔に対応する光路長差での計測は４回以上必要であるため、参照光生成部７０，８０，１００が有する複数の参照面も４つ以上必要となる。
【０１６９】
更にまた、計測光供給手段１０が有する計測光源としてハロゲンランプを例示したが、計測光源としては、特定波長中心のＬＥＤを使用することも可能である。この場合は、バンドパスフィルタ１４は用いなくても良い。
【０１７０】
また、以上の説明では、表面形状計測装置１Ａ（１Ｂ〜１Ｄ）が有する複数の参照面の数として、４つ又は３つとしているが、前述したように、位相シフト法を利用して表面形状を導出する場合には、４つ以上あればよい。また、正弦波信号近似を利用して表面形状を導出する場合には、３つ以上あればよい。更に、第２の実施形態で説明したようにサンプルステージがピエゾステージ等の微小移動ステージを利用しており、更に、解析に正弦波信号近似を利用しない場合には、複数の参照面は２つ以上であればよい。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１】本発明による表面形状計測装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した参照ミラーの斜視図である。
【図３】計測対象面からの反射光と、参照光との干渉信号を示すグラフである。
【図４】表面形状計測装置を利用した表面形状計測の一例のフローチャートである。
【図５】図１の表面形状計測装置を利用して実際に算出した干渉信号を示すグラフである。
【図６】サンプルステージにピエゾステージを利用して実際に算出した干渉信号を示すグラフである。
【図７】本発明に係る表面形状計測装置の第４の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明に係る表面形状計測装置の第５の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明に係る表面形状計測装置の第６の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１０】図９に示した参照ミラーの平面図である。
【図１１】図１０のＸＩ―ＸＩ線に沿った断面図である。
【図１２】ＣＣＤカメラの受光面の平面図である。
【図１３】参照ミラーの他の例の平面図である。
【図１４】図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図である。
【図１５】図１３に示した各参照面と画素との対応関係の一例を示すための受光面の平面図である。
【図１６】参照ミラーの更に他の例の平面図である。
【図１７】図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿った断面図である。
【図１８】図１６に示した各参照面と画素との対応関係の一例を示すための受光面の平面図である。
【符号の説明】
【０１７２】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，1Ｄ…表面形状計測装置、１０…計測光供給部、２０…計測光学系、２５…サンプルステージ（計測位置制御手段）、３０…検出手段、３３…受光面、３４，３４ｓ，３４ｔ，３４ｕ，３４ｖ…画素（受光領域）、３５，３５ｓ，３５ｔ，３５ｕ…画素列（一方向に延在する受光領域）、４０…参照光生成部、４１…参照ミラー、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ…参照面、４２…対物レンズ（集束光学系）、５１…光路長差制御部（光路長差制御手段）、５２…表面形状導出部（表面形状導出手段）、７０…参照光生成部、７１…コリメートレンズ（集光光学系）、７２…参照面選択部、７３…基体、７４…スリット（通光部）、８０…参照光生成部、８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃ…ビームスプリッタ（分岐手段）、８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄ…鏡面（参照面）、８６Ａ，８６Ｂ，８６Ｃ，８６Ｄ…シャッタ、１００…参照光生成部、１０１ｓ，１０１ｔ，１０１ｕ…参照面、１１０，１２０，１３０…参照ミラー、１２１ｓ，１２１ｔ，１２１ｕ…参照面、１３１ｓ，１３１ｔ，１３１ｕ，１３１ｖ…参照面。
【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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