(57)【要約】【課題】表面にパターンが形成された試料の場合でも前記パターンの影響を受けず、かつ、高さ情報の分解能に比べて広い有効計測面積が可能となる表面測定装置を提供すること。【解決手段】表面測定装置は、試料３に光を照射するための光源１と、前記試料３と前記光源１との間の光路中に設けられ、光を直進する第１の光束と一方向に回折する第２の光束との２つに分割するための非対称回折格子パターンを含む非対称回折格子パターン素子１０と、前記試料３の表面で反射した前記第１および第２の光束に基づいて、前記試料３の前記表面の高さ情報を取得するための手段４，５とを具備している。【選択図】図１
2007147388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に光を照射するための光源と、
前記試料と前記光源との間の光路中に設けられ、光を直進する第１の光束と一方向に回折する第２の光束との２つに分割するための非対称回折格子パターンを含む非対称回折格子パターン素子と、
前記試料の表面で反射した前記第１および第２の光束に基づいて、前記試料の前記表面の高さ情報を取得するための手段と
を具備してなることを特徴とする表面測定装置。
【請求項２】
前記光源は白色光源であり、かつ、該白色光源と前記非対称回折格子パターン素子との間に設けられた狭帯域バンドパスフィルターをさらに具備してなることを特徴とする請求項１に記載の表見測定装置。
【請求項３】
前記非対称回折格子パターンは、遮光部と透明部と掘り込み部との３つが繰り返し並んだ構造を持った一次元の回折格子を備え、かつ、前記遮光部と前記透明部と前記掘り込み部との線幅比をそれぞれｎ：１：１とし、前記透明部を通過する光と掘り込み部を通過する光の位相差とをφとした時、
｛３６０°／（ｎ＋２）｝＋φ＝１８０°
の関係を概ね満たすことを特徴とする請求項１に記載の表面測定装置。
【請求項４】
前記遮光部と前記透明部と前記掘り込み部との線幅比はそれぞれ２：１：１、前記透明部を通過する光と前記掘り込み部を通過する光との位相差が９０°であることを特徴とする請求項３に記載の表面測定装置。
【請求項５】
前記非対称回折格子パターンは、透明部と第１の掘り込み部と第２の掘り込み部との３つが繰り返し並んだ構造を持った一次元の回折格子を備え、前記透明部と前記第１の掘り込み部と前記第２の掘り込み部との線幅比がそれぞれ１：２：１、前記透明部を通過する光と前記第１の掘り込み部を通過する光との位相差が９０°、前記透明部を通過する光と前記第２の掘り込み部を通過する光との位相差が１８０°であることを特徴とする請求項１に記載の表面測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面を測定するための表面測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
平面基板の平坦性などを非接触で測定する装置は、従来からさまざまな方式のものが提案され（特許文献１）、販売されている。しかし、どの平坦度測定装置も次に示す２つの課題に対しては、十分に満足のゆくものが未だにない。
【０００３】
（１）測定対象基板の表面にパターンがある場合の計測。  
（２）要求される高さ情報の計測精度に比べて、測定対象の有効面積が著しく広い場合の測定。
【０００４】
一般的な平坦度測定装置は、たとえば基板表面での反射光と参照面での反射光とを干渉させ、このときの干渉縞から高さ情報を読み取るものが多い。しかし、基板表面にパターンがある場合、該パターンの象と干渉縞とが重なり合ってしまうので、高精度の計測が難しい。
【０００５】
また、一般的な平坦度測定装置は、顕微鏡とほぼ同様な光学系が用いられている。そのため、高さ情報の分解能を上げようとすると、同時に高倍で干渉縞の像を拡大せざるをえない結果となり、測定有効面積が狭くなってしまう。
【特許文献１】特開平１１−１０８６２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、表面にパターンが形成された試料の場合でも前記パターンの影響を受けず、かつ、高さ情報の分解能に比べて広い有効計測面積が可能となる表面測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る表面測定置は、試料に光を照射するための光源と、前記試料と前記光源との間の光路中に設けられ、光を直進する第１の光束と一方向に回折する第２の光束との２つに分割するための非対称回折格子パターンを含む非対称回折格子パターン素子と、前記試料の表面で反射した前記第１および第２の光束に基づいて、前記試料の前記表面の高さ情報を取得するための手段とを具備してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、表面にパターンが形成された試料の場合でも前記パターンの影響を受けず、かつ、高さ情報の分解能に比べて広い有効計測面積が可能となる表面測定装置を実現できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る高さ測定装置の構成概略を示す図である。
【００１１】
本実施形態の高さ測定装置は、一般の落斜照明タイプの光学顕微鏡とよく似た構成を備えている。即ち、ハロゲンランプなどの光源１から発した光は、コレクターレンズＣＬで集光された後、照明σ絞りＡＳ、視野絞りＦＳ、リレーレンズＲＬを通過し、ハーフミラーＨＭで下向きに光軸を曲げられ、試料３の表面（試料表面）を照明する。試料表面で反射した光は、対物レンズＯＢＪと結像レンズＩＭＧを通過した後、撮像素子４の受光面に試料表面の像を結像する。
【００１２】
図１の構成では、視野絞りＦＳの近傍にＰＳＧ素子１０が配置されておいる。一般に、高さ測定装置は、視野絞りＦＳの近傍に凹部等の構造を持っている。そのため、ＰＳＧ素子１０は、凹部等の構造内に設置すれば良く、ＰＳＧ素子設置のための特別な構造は通常は不要である。ＰＳＧ素子１０は所定の位置に高精度に設置される必要はない。このことから、ＰＳＧ素子１０の設置箇所として上記凹部等の構造を利用することが可能となり、さらにＰＳＧ素子設置のための特別な構造を設ける必要がある場合でも、該構造は容易に実現される。
【００１３】
ＰＳＧ素子１０を通過する光が所望の波長に限定されるために、狭帯域バンドパスフィルター２が光源１とＰＳＧ素子１０との間に配置されている。ただし、光源１にレーザーなどの単色光源を用いる場合は、狭帯域バンドパスフィルター２は必要ないが、スペックル対策として、例えば高速で回転させたすりガラスなどを配置する必要がある。
【００１４】
試料表面と撮像素子４の受光面は共役関係にあるため、試料表面の像を受光面に結像することができるが、一般的なケーラー照明法を採用している顕微鏡では、視野絞りＦＳと試料表面も共役関係にあるため、同様に視野絞りＦＳと撮像素子４の受光面も共役関係にある。したがって、視野絞りＦＳの近傍に配置したパターンの像も受光面に結像することになる。ただし、試料表面と受光面と前記ＰＳＧパターンがそれぞれ共役の関係である必要はなく、これらのうちの二つが共役の関係であっても構わない。
【００１５】
視野絞りＦＳの近傍に配置したＰＳＧ素子１０は、通常の一次元回折格子では２つ存在する１次回折光のうち、どちらか一方を消滅させる特徴があるため、照射された光を直進する０次回折光といずれか一方の１次回折光との２光束に分割することができる。これら０次回折光と一方の１次回折光はリレーレンズＲＬ、対物レンズＯＢＪを通過した後に一旦試料表面に結像し、ここで反射した後に再び撮像素子４の受光面に結像される。
【００１６】
試料表面が図２に示すように距離Ｚだけ下がり、平面Ｓ０から平面Ｓ１へずれると、０次光の行路はＯＰＯからＯＰ’Ｏとなる。そのため、行路長は、
【数１】
2007147388.tif 000003
だけ長くなる。
【００１７】
一方、１次光の被計測面への入射角をθ1 とおくと、行路はＡＰＢからＡ’Ｐ’Ｂ’と変わる。そのため、行路長は、
【数２】
2007147388.tif 000004
だけ長くなる。
【００１８】
したがって、１次光は０次光に対して、
【数３】
2007147388.tif 000005
だけ行路長が長くなり、結果としてこの行路長差に相当する位相遅れが発生する。
【００１９】
撮像素子４の受光面では、０次光と１次光による二光束干渉が形成される。０次光は受光面に対して垂直に入射されるが、１次光は角度θ2 だけ傾いて入射される（図３（ａ))。被計測面の高さがＳ０であった場合の二光束干渉を図３（ｂ）とすると、被計測面が距離Ｚだけ下がったＳ１であるときの二光束干渉は図３（ｃ）となる。図３（ｄ）は、図３（ｂ）と図３（ｃ）との重ねた図である。
【００２０】
このとき、受光面で観察される干渉縞の移動量をΔＸとすると、
【数４】
2007147388.tif 000006
となり、Ｚに比例する式で表される。
【００２１】
このように撮像素子の受光面に形成される干渉縞は被計測面の高さＺに比例して横ずれするため、この横ずれ量ΔＸを計測することで、高さ情報を得ることが可能となる（図４）。
【００２２】
ただし、実際の計測では、横ずれ量の絶対値よりも、干渉縞の周期Ｌとの比の方が重要である。１次回折光の入射角θ2 と干渉縞の周期Ｌは、入射光の波長をλとすると、
【数５】
2007147388.tif 000007
と表されるため、ΔＸ／Ｌは、
【数６】
2007147388.tif 000008
となる。
【００２３】
さらに、二光束干渉は極めて広い焦点深度があることで知られている。即ち、試料表面に、測定に対して障害になりそうな微細なパターンが形成されている場合、これら微細なパターンの焦点深度に比べてＰＳＧ素子の焦点深度は著しく広い。したがって、前記微細なパターンがぼけてしまうほどデフォーカスさせても、所望の干渉縞は充分なコントラストで観察することが可能である。この性質を利用することで、パターン付の被測定基板であっても、なんら変わらない精度での高さ測定が可能となる。
【００２４】
次にＰＳＧ素子１０の表面に形成されたＰＳＧパターンについて説明する。
【００２５】
ここで説明するＰＳＧパターンとは、透過型の一次元回折格子光学素子であり、通常の一次元回折格子では一対で存在する１次回折光のうち、どちらか一方が消滅する性質を有する。したがって、２次以上の回折光を投影レンズの開口数（ＮＡ）アパチャー等のストッパーで遮蔽してやると、このＰＳＧパターンは照射光を直進する０次回折光と一方に回折した１次回折光の２光束に分割することができる。このような機能を有するＰＳＧパターンには、主に図５に示す一部遮光型と図６に全透明型の２つが考えられる。
【００２６】
図５に示す一部遮光型ＰＳＧパターンは、遮光部と透明部と掘り込み部の３つが繰り返し並んだ構造をしており、それぞれの線幅比をｎ：１：１とし、透明部を透過した光と掘り込み部を透過した光の位相差をφとすると、ｎとφの関係が概ね、
【数７】
2007147388.tif 000009
を満たす特徴がある。その代表例が線幅比２：１：１、掘り込み位相差９０°でＰＳＧパターンである。
【００２７】
一方、図６に示す全透明型ＰＳＧパターンは、透明部と９０°掘り込み部と１８０°掘り込み部が繰り返し並んだ構造をしており、それぞれの線幅比が１：２：１であることを特徴としている。この全透明型ＰＳＧパターンは、一部遮光型に比べて透過光の強度はほぼ２倍となる利点があるが、ＰＳＧ素子製造の上での加工し易さと言う点では一部遮光型に劣る。
【００２８】
次に具体的な計測方法について説明する。
【００２９】
光源１には白色光のハロゲンランプを用い、狭帯域バンドパスフィルター２で波長を波長λの近傍に絞っている。照明σ絞りＡＳでσサイズを絞り、開口絞りＰＳでの回折光分布が、図７に示す関係、即ち丁度二次以上の高次回折光を遮蔽するように、照明σ絞りＡＳと開口絞りＰＳの開口部が調整されている。このように、０次光と１次光の２つの回折光だけが、欠けることなく光学系の内部を透過させることで、この光学系の収差による悪影響を排除することができるなどの利点がある。
【００３０】
ＰＳＧ素子１０には、図８に示すようにガラス基板上に上下対称になるように配置・形成されている。また、撮像素子４には、図９に示す像が得られる。この像を画像処理装置に取り込み、黒枠の部分の信号プロファイルを取り出すと、黒枠Ａと黒枠Ｂでずれた信号プロファイルが得られるので、この相対的なずれ量を取得し、被測定基板９の高さ情報に換算される。このときの相対的なずれ量と干渉縞の周期Ｌとの比は、
【数８】
2007147388.tif 000010
となり、計測感度は光源の波長λと被測定基板への１次光の入射角θ1 で決まることが解かる。
【００３１】
例えば、対物レンズに開口数０．９の高ＮＡレンズを用い、入射角θ1 を６０°としたときの波長と測定精度の関係を見積もると、次表のとおりとなる。
【表１】
2007147388.tif 000011
【００３２】
このように、一般的な赤色半導体レーザー（波長６５０ｎｍ）を用い、検出できる相対的な干渉縞のずれ量が周期Ｌの１／７２程度であっても、分解能２．３ｎｍの高さ測定が可能である。さらに波長２５０ｎｍ程度の紫外線レーザーを用い、検出できる相対的な干渉縞のずれ量を周期Ｌの１／１８０まで改善できれば、０．３５ｎｍの分解能が期待できることを示している。
【００３３】
また、対物レンズＯＢＪを低倍から高倍へと換えても、観察される干渉縞の周期長は不変であり、そのまま測定分解能を変えることが可能である。即ち、干渉縞の１周期分に相当する横ずれを測定可能レンジと仮定すると、測定分解能の緩和は測定可能レンジの拡大を意味する。一般的な青紫半導体レーザー（波長４０５ｎｍ）を用い、対物レンズを低倍から高倍へと換えたときの計測可能レンジと計測分解能を見積もると、次表のとおりとなる。
【表２】
2007147388.tif 000012
【００３４】
このようにコース（粗）測定からファイン（精）測定までを同一の装置で、対物レンズを切り替えるだけで実現できる。
【００３５】
２つの信号プロファイル間の相対的なずれ量を算出する方法としては、例えば折り返し相関法等が挙げられる。この折り返し相関法とは、黒枠Ａと黒枠Ｂのいずれか一方の信号プロファイルを折り返し、他方と相関係数の大小からずれ量を算出する一般的な数学的手法である。
【００３６】
図８に示すような向きが反対称の２つのＰＳＧ構造をペアにすることで、光学系の収差や光軸調整誤差などの悪影響を回避させる働きがある。例えば、光学系全体、あるいは特定の光学系にコマ収差が存在する場合、ＰＳＧパターンの受光面での像は横ずれするが、向きの反対称の２つのＰＳＧパターンの双方が同じだけ横ずれするため、両者の相対的な位置関係は不変となる。即ち、コマ収差が測定精度を貶めることはない。また、球面収差や非点収差が存在する場合、受光面の画角内でオフセットに分布が発生するが、画角の同じ位置では常に一定であり、同一位置で測定している限り、球面収差や非点収差の影響を受けることはない。さらに、光軸ずれがある場合は定在波の傾きが変わるが、反対称の２つのＰＳＧパターン間で、どちらも同じ向きに同じだけ傾くことになり、両者の相対的な位置関係は不変となる。このように、本実施形態の高さ測定装置は対物レンズＯＢＪや結像レンズＩＭＧに収差等が残存している場合でも、何ら精度を劣化させることがない。
【００３７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る平坦度測定装置について説明する。なお、以下の図において、既出の図と対応する部分には既出の図と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。
【００３８】
本実施形態の平坦度測定装置は、図１０に示すように、第１の実施形態で説明した高さ測定装置と、試料（被計測基板）３を水平方向に移動させるステージ２０と、ステージの駆動をコントロールする駆動コントローラーを具備することを特徴とする。また、前述した画像処理装置とこの駆動コントローラーは同一の処理装置であっても良い。
【００３９】
試料表面上の測定位置を移動させつつ、各測定位置での高さ情報を収集することで、この試料表面の平坦度を取得することができる。
【００４０】
また、高さ測定装置に具備されたＰＳＧ素子１０は、例えば図１１に示すように、ガラス基板上に複数個配置し、複数チャンネルを同時に計測することで、計測自体の高速化を図ることもできる。
【００４１】
ただし、光学系の球面収差や非点収差の影響によって、各ＰＳＧパターン間でオフセットが発生するため、同一被測定基板の同一位置での高さをすべてのＰＳＧパターンで測定することで、このオフセットの分布を予め把握しておく必要がある。
【００４２】
一般的な干渉顕微鏡タイプの平坦度測定器では、測定範囲を広げるために、複数の測定エリアをオーバーラップさせて測定し、そのオーバーラップ部分が同じ値になるように補正をせると、２つの干渉縞が若干交差して重なることになるため、図１４（ａ）のような凸形状でのモアレ縞は図１６（ａ）となり、逆に凹形状の場合は図１６（ｂ）となる。したがって、図１４（ｂ）と比較することで、簡単に凸凹を判断することができる。
【００４３】
（第４の実施形態）
次に実施形態の高さ測定機装置を、顕微鏡のフォーカスセンサーとして利用する一例を説明する。
【００４４】
形状計測などを目的とした装置では、フォーカスセンサーとしての高精度の高さ計測が必要である。また、高さ計測と、実際の形状計測用の像の取り込みとを切り替えて使用する場合は異なり、異なる測定での絶対値を直接比較することが可能である。したがって前述のようにオーバーラップさせる必要がなく、高速測定が可能である。
【００４５】
（第３の実施形態）
次に平坦度を視覚的に観察できる平坦度測定装置について説明する。
【００４６】
光学系に、ＰＳＧパターンを被測定基板上に縮小して投影する、所謂縮小光学系を採用することで、ＰＳＧ素子１０による１次光の回折角が小さく抑えたまま、試料表面への入射角を大きくすることができる。この場合、ＰＳＧパターンの周期長も同時に大きくすることになる。このような条件では、要求させる試料表面の高さ精度に比べ、ＰＳＧ素子１０の設置精度は相対的に緩和することが可能となり、次に示すような、ＰＳＧ素子を回転させるような機構を設けても、高さ測定精度に対する悪影響を充分に抑えることが可能となる。
【００４７】
この平坦度測定装置は、図１２に示すように、光源１とＰＳＧ素子１０の間にシャッター６を備え、かつ、ＰＳＧ素子１０は光軸に対して回転する機構（回転機構）を備えている。回転機構は例えば周知のモーターで構成される。ここで使用するＰＳＧ素子１０は、図１３に示すように、ほぼ有効面積の全体に同じ向きのＰＳＧパターンを備えている。上記回転機構により、以下のように、ＰＳＧ素子１０はシャッター６と同期して回転する。
【００４８】
例えば、ＰＳＧ素子１０の回転角を０度に設定したときにシャッター６を開き、またＰＳＧ素子１０の回転角を１８０度に設定したときに再びシャッター６を開くとすると、この２条件での像を重ねることでモアレ縞が形成される。例えば、試料表面が図１４（ａ）に示すような形状をしている場合、観察されるモアレ縞は図１４（ｂ）のようになる。このように、基板の形状を視覚的に認識することが可能となる。特に、図１５（ａ）の形状をしたシャッターを採用し、ＰＳＧ素子（図１３）とシャッターの回転数が丁度１：２になるように高速で回転させると、図１４（ｂ）に示すようなモアレ縞をライブで観察することが可能となる。
【００４９】
本実施形態では、開口部が１つのシャッターを用いたが、中心対称の位置に２つの開口部を設けたシャッターを用い、ＰＳＧ素子と同じ回転数で回転させても同様の結果が得られることは言うまでも無い。
【００５０】
この方法では、広い面積の平坦性をモアレ縞のうねりとして視覚的に観察することが可能となる。
【００５１】
ただし、このままでは凸形状と凹形状の区別がつかない。この場合、図１５（ｂ）に示すように、中心対称ではない２つの開口部を設けたシャッターが有効となる。このシャッターをＰＳＧ素子と同じ回転数で回転させると、２つの干渉縞が若干交差して重なることになるため、図１４（ａ）のような凸形状でのモアレ縞は図１６（ａ）となり、逆に凹形状の場合は図１６（ｂ）となる。したがって、図１４（ｂ）と比較することで、簡単に凸凹を判断することができる。
【００５２】
（第４の実施形態）
次に実施形態の高さ測定機装置を、顕微鏡のフォーカスセンサーとして利用する一例を説明する。
【００５３】
形状計測などを目的とした装置では、フォーカスセンサーとしての高精度の高さ計測が必要である。また、高さ計測と、実際の形状計測用の像の取り込みとを切り替えて使用する場合には、今まで説明してきた実施例を参照すれば充分だが、これらを同時に行いたい場合には、図１７または図１９に示す機構が必要となる。
【００５４】
視野絞りＦＳとは、試料３を照明する領域を絞り、不要な迷光を減らす働きがある。一般的に顕微鏡の有効画角よりも照明されている領域は狭い。この視野絞りＦＳによって絞られている照明領域の外側で、かつ、有効画角の内側にあたる領域をフォーカス計測に使用することで、形状計測と同時にフォーカス計測ができる形状計測装置が実現できる。
【００５５】
ただし、ＰＳＧパターンに照明するときの照明σは小さく絞る必要があるが、一般の光学顕微鏡本体は大σで照明する場合が多い。このため、視野絞りＦＳと通過する光のσと、ＰＳＧパターンに照明される光のσは異なる条件となる。
【００５６】
図１７は、視野絞りＦＳとＰＳＧパターンを一体化することで、図１８のように同一のＰＳＧ素子１１に作りこむことで、顕微鏡のフォーカス原点出しを容易に行うことができる装置を示している。光ファイバーやリレー光学系を用い、ミラーを用いてＰＳＧパターンを照明している。
【００５７】
一方、図１９は、ハーフミラーＨＭ１からの距離が視野絞りＦＳと同じになる位置にＰＳＧ素子１２が配置され、このＰＳＧ素子を照明する光は図１７と同様に光ファイバーやリレー光学系を用いて供給されている。このとき用いるＰＳＧ素子１２は、図２０に示す配置をしており、視野絞りＦＳの開口部に相当する領域（点線内）は遮蔽している。
【００５８】
また、検出器は撮像素子４に限定されるものではなく、図２１に示す装置を用いても良い。この装置は、受光素子４１、集光レンズ４２、およびスリット４３で構成され、図２２に示すように、ＰＳＧパターン（同図（ａ））と対比する形で、スリット（同図ｂ）、（同図ｃ）、あるいは（同図ｄ）が用意されている。ＰＳＧパターン（同図ａ）の中心とスリット（同図ｂ）の中心を揃えると、試料３の高さがベストフォーカスと一致したときにする光強度が最大となる。また、スリット（同図ｃ）を用いた場合は、ベストフォーカスのときには領域４３１と領域４３２の光強度は等しくなり、デフォーカスのときは領域４３１と領域４３２とで強度差が発生する。このときの強度差からデフォーカスの向きも把握することができる。さらにまた、スリット（同図ｄ）を用いた場合、３つの領域４３０，４３１，４３２の強度はそれぞれ図２３に示す関係にあるため、これらの関係から、ベストフォーカス、およびデフォーカスの向きを簡単に把握することができる。
【００５９】
以上をまとめると（構成、効果）、以下のとおりである。
【００６０】
構成
（１）試料に照明光を照射し、この試料の表面からの反射光を受光面で捕らえ、この試料の表面の高さ情報を取得する高さ測定装置において、照明光を射出する光源と試料との間に、照明光を直進する光束と一方向に回折する光束の２つに分割するＰＳＧパターンが形成されたＰＳＧ素子が設けられている。この試料の表面と受光面と前記ＰＳＧパターンがそれぞれ共役の関係であっても構わない。
【００６１】
（２）上記（１）の光源は単色のレーザーである。
【００６２】
（３）上記（１）の光源は白色光源であり、この光源と前記ＰＳＧ素子の間に狭帯域バンドパスフィルターを配し、このＰＳＧ素子に照射される照明光が狭帯域の単色光である。
【００６３】
（４）上記（１）のＰＳＧパターンは、一次元の回折格子で、遮光部と透明部と掘り込み部の３つが繰り返し並んだ構造で、遮光部と透明部と掘り込み部の線幅比をそれぞれｎ：１：１とし、透明部を通過する光と掘り込み部を通過する光の位相差をφとした時、｛３６０°／（ｎ＋２）｝＋φ＝１８０°の関係を概ね満たす。
【００６４】
（５）上記（４）において、遮光部と透明部と掘り込み部の線幅比をそれぞれ２：１：１で、透明部を通過する光と掘り込み部を通過する光の位相差が９０°である。
【００６５】
（６）上記（１）のＰＳＧパターンは、一次元の回折格子で、透明部と第１の掘り込み部と第２の掘り込み部の３つが繰り返し並んだ構造で、透明部と第１の掘り込み部と第２の掘り込み部線幅比がそれぞれ１：２：１で、透明部を通過する光と第１の掘り込み部を通過する光の位相差が９０°で、透明部を通過する光と第２の掘り込み部を通過する光の位相差が１８０°である。
【００６６】
（７）上記（１）のＰＳＧ素子には、向きが反対称の２つのＰＳＧパターンが近接して形成されている。
【００６７】
（８）上記（１）において、受光面には撮像素子が配され、さらに、該撮像素子で取得した画像を解析するための演算装置を備えている。
【００６８】
（９）上記（１）は、さらに、被測定基板を移動させるステージを備えている。
【００６９】
（10）上記（１）において、光源とＰＳＧ素子との間にシャッターを備え、かつ、前記ＰＳＧ素子は光軸に対して回転する機構を備えている。
【００７０】
効果
受光面で観察された干渉縞は、ＰＳＧパターンの像であるが、この像は０次光と一方の１次光の干渉の結果、形成されるものであるため、試料の表面の高さに比例して敏感に横ずれする特徴がある。
【００７１】
ただし、ＰＳＧパターンは光源の波長に対してユニークであるため、光源は単一波長であることが望ましい。特に、ハロゲンランプなどの白色光源では可干渉性が小さいためにスペックルが発生しない。したがって、白色光源と狭帯域バンドパスフィルターの組み合わせが、良好な干渉縞を得るうえで優れている。
【００７２】
受光面で所望の２光束以外の光束が混入すると、計測誤差を増加させる原因となる。この不必要な光束の原因としては、ＰＳＧ素子が本来消滅させるべき回折光を完璧に消滅できていないことが考えられる。上記（４）や（６）の構造を備えたＰＳＧ素子は、片方の１次回折光をほぼ完全に消滅させる機能を有するため、高さの測定精度の向上が期待できる。特に上記（５）のＰＳＧパターンは、最もコントラストの高い干渉縞が得られる。一方、上記（６）の構造を備えたＰＳＧパターンは、上記（５）のＰＳＧパターンに比べ、それぞれの回折光の強度がほぼ２倍になり、光源の強度が弱い場合や、被測定基板の表面反射率が小さい場合などに有効である。
【００７３】
向きが反対称のＰＳＧパターンを並べ、それぞれの像の相対的な位置ずれを測定する方法は、通過する光学系の収差による悪影響を受けずに、高精度の測定を可能とする利点があり、光軸調整などの光学系の調整が十分に成されていない、あるいは、十分な調整が困難な光学系であっても、何ら変わらずに高精度の計測を可能にするものである。
【００７４】
さらに、撮像素子と解析用の演算装置を備えることで、測定時間の短縮が図られる。またさらに、稼動ステージを備えることで、広い範囲での高さ分布が把握できる。
【００７５】
上記（１０）の高さ測定装置では、干渉縞の位置ずれをモアレ縞として視覚的に観察できる。例えば、被測定基板を載せたステージを移動させながら観察することもでき、被測定基板の形状をライブに観察することが可能となる。
【００７６】
以上述べた実施形態に係る高さ測定装置および平坦度測定装置は、特に、超高平坦度基板の高さ測定や平坦度測定に使用される。例えば、半導体装置の製造工程で用いられるポリシングプロセス後のウェハ表面のマクロ平坦度の検査や、フラットパネルディスプレー（例えば、ＬＣＤやＳＥＤ(surface emission display)）などの表示装置製造工程や、ハードディスク記録装置などの平坦度測定、あるいはリソグラフィ工程に用いられるホトマスクの高精度欠陥検査装置に搭載される高精度高さセンサー等に使用される。
【００７７】
本発明は、高さ測定装置および平坦度測定装置以外の表面測定装置にも適用できる。
【００７８】
さらに、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００７９】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施形態の高さ測定装置の構成を示す図。
【図２】実施形態の高さ測定の基本原理である、０次光と１次光との位相差と高さの関係を示す図。
【図３】高さ変化によって、受光面での干渉縞がずれる様子を示す図。
【図４】０次光と１次光との位相差と、干渉縞の横ずれの関係を示す図。
【図５】ＰＳＧ素子に配置される一部遮光型ＰＳＧパターンの構造を示す図。
【図６】ＰＳＧ素子に配置される全透過型ＰＳＧパターンの構造を示す図。
【図７】最適測定条件である、回折光と遮光アパチャーとの関係を示す図。
【図８】ＰＳＧ素子に配置されるＰＳＧパターンのレイアウトを示す図。
【図９】観察される像と信号プロファイルを示す図。
【図１０】実施形態の表面平坦度測定装置の構成を示す図。
【図１１】ＰＳＧ素子に配置されるＰＳＧパターンのレイアウトを示す図。
【図１２】他の実施形態の表面平坦度測定装置の構成を示す図。
【図１３】ＰＳＧ素子に配置されるＰＳＧパターンのレイアウトを示す図。
【図１４】被測定基板のトポグラフィと、実施形態の表面平坦度測定装置が観察するモアレ縞とを示す図。
【図１５】実施形態の表面平坦度測定装置に搭載されるシャッターの形状を示す図。
【図１６】実施形態の表面平坦度測定装置によって観察されるモアレ縞を示す図。
【図１７】実施形態のフォーカスセンサの構成を示す図。
【図１８】ＰＳＧ素子の構成を示す図。
【図１９】他の実施形態のフォーカスセンサの構成を示す図。
【図２０】他のＰＳＧ素子の構成を示す図。
【図２１】検出器の構成を示す図。
【図２２】ＰＳＧパターンと検出器のスリット４３の構造を示す図。
【図２３】設定フォーカスと光強度との関係を示す図。
【符号の説明】
【００８１】
１…光源、２…狭帯域バンドパスフィルター、３…試料、４…撮像素子、５…演算装置、６…シャッター、１０，１１，１２…ＰＳＧ素子、２０…高精度試料ステージ、４１…受光素子、４２…集光レンズ、４３…スリット、４３０…スリット領域０、４３１…スリット領域１、４３２…スリット領域２、ＣＬ…コレクターレンズ、ＲＬ…リレーレンズ、ＯＢＪ…対物レンズ、ＩＭＧ…結像レンズ、ＦＳ…視野絞り、ＡＳ…照明σ絞り、ＰＳ…開口絞り、ＨＭ，ＨＭ１…ハーフミラー、ＰＳＧ…ＰＳＧパターン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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