(57)【要約】【課題】  様々な試料の形状を簡便に測定することができる干渉計及び測定方法を提供すること。【解決手段】  本発明の一態様にかかる干渉計は、レーザ光源１１と、Ｘスキャナ１６と、回転可能に設けられた１／２波長板２０と、Ｙスキャナ２３と、２本の光ビームに分岐するＰＢＳ２６と、一方の光ビームを集光する試料用対物レンズ２７と、他方の光ビームを集光する参照用対物レンズ３０と、参照用対物レンズ３０で集光された光ビームを反射する参照用ミラー３１と、測定光と参照光との合成光を、照明光から分岐する第１の無偏光ビームスプリッタ２２と、合成光の光路中に設けられた１／４波長板４２と、１／４波長板４２からの合成光を第１偏光板５１を介して受光する第１ラインセンサ５２を備えるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料で反射された測定光と、参照用ミラーで反射された参照光とを合成した合成光を受光センサで受光し、前記測定光と前記参照光との位相差に基づいて前記試料の形状を測定する干渉計であって、
照明光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射された照明光を偏向させて第１の方向に走査する第１のスキャナと、
前記照明光の光路中に回転可能に設けられた１／２波長板と、
前記１／２波長板を通過した照明光と前記試料との相対位置を変化させて第２の方向に走査する第２のスキャナと、
前記１／２波長板を通過した照明光を偏光状態に応じて２本の光ビームに分岐する偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッタで分岐された２本の光ビームのうち一方を集光して試料に入射させるとともに、前記試料で反射した測定光が入射する試料用対物レンズと、
前記偏光ビームスプリッタで分岐された２本の光ビームのうち他方を集光する参照用対物レンズと、
前記参照用対物レンズで集光された前記他方の光ビームを反射して、前記参照用対物レンズに参照光として入射させる参照用ミラーと、
前記偏光ビームスプリッタによって生成された前記測定光と前記参照光との合成光を、前記１／２波長板を通過した前記照明光から分岐する第１の無偏光ビームスプリッタと、
前記第１の無偏光ビームスプリッタで前記照明光から分岐された合成光の光路中に設けられた１／４波長板と、
前記１／４波長板を通過した合成光の光路中に設けられた偏光板と、
前記第１の方向に対応した方向に配列された画素を有する受光センサであって、前記試料と共役な位置に配置され、前記偏光板を通過した合成光を受光する受光センサと、
前記受光センサからの検出信号に基づいて、前記試料の形状を算出する処理装置とを備えた干渉計。
【請求項２】
前記第１の無偏光ビームスプリッタで分岐された合成光を３つに分岐する第２の無偏光ビームスプリッタ、及び第３の無偏光ビームスプリッタをさらに備え、
前記第２の無偏光ビームスプリッタ、及び第３の無偏光ビームスプリッタで３つに分岐された合成光のそれぞれの光路中に前記偏光板、及び前記受光センサが設けられ、
前記３つに分岐された合成光の光路に設けられた偏光板の偏光軸の角度がそれぞれ異なっている請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記第２のスキャナが前記照明光を偏向させて第２の方向に走査する振動ミラーであり、
前記第１の無偏光ビームスプリッタが前記第１のスキャナと、前記第２のスキャナとの間に配置されている請求項１又は２に記載の干渉計。
【請求項４】
試料で反射された測定光と、参照用ミラーで反射された参照光とを合成した合成光を受光センサで受光し、前記測定光と前記参照光との位相差に基づいて前記試料の形状を測定する測定方法であって、
レーザ光を照明光として出射し、
前記照明光を偏向させて第１の方向に走査し、
前記第１の方向に走査された照明光を１／２波長板に入射させ、
前記１／２波長板を通過した照明光と前記試料との相対位置を変化させて第２の方向に走査し、
前記１／２波長板を通過した照明光を偏光状態に応じて２本の光ビームに分岐し、
前記分岐された２本の光ビームのうち一方を集光して試料に入射させ、
前記偏光ビームスプリッタで分岐された２本の光ビームのうち他方を集光して、参照用ミラーに入射させ、
前記試料で反射した測定光と、前記参照用ミラーで反射した参照光とを合成して、合成光を生成し、
前記測定光と前記参照光との合成光を、前記１／２波長板を通過した前記照明光から分岐し、
前記照明光から分岐された合成光を１／４波長板に入射させ、
前記１／４波長板を通過した合成光を偏光板に入射させ、
前記偏光板を通過した合成光を、前記試料と共役な位置に配置され、前記第１の方向に沿って画素が設けられている受光センサで受光し、
前記受光センサからの検出信号に基づいて、前記試料の形状を算出する測定方法。
【請求項５】
前記１／４波長板を通過した合成光を３つに分岐して、
前記３つに分岐された合成光を、前記偏光板を介して、３つの前記受光センサで同時に受光する請求項４に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は干渉計、及び形状の測定方法に関し、特に詳しくは、照明光を分岐して試料、及び参照用ミラーにそれぞれ入射させる干渉計、及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメータ、サブナノメータオーダの高さ方向分解能を持つ位相シフト干渉計が開示されている（特許文献１、及び特許文献２）。これらの位相シフト干渉計では、マイケルソン型干渉計を利用している。例えば、特許文献２の位相シフト干渉計では、レーザ光をビームスプリッタで分岐して、一方を試料に入射させ、他方を集光して参照用のミラーに入射させている。そして、試料、及び参照用ミラーでの反射光をビームスプリッタで合成して、１／４波長板に入射させている。そして、１／４波長板を通過した光を３つに分岐して、３つのカメラで撮像している。従って、試料に対する測定光路と参照用ミラーに対する参照光路との間に位相差に応じて、干渉縞が生じる。ここで、３つのカメラの前には、偏光角が０、π／４、π／２の偏光板がそれぞれ挿入されている。従って、３つのカメラからの信号には、光路差に応じた干渉縞が発生する。すなわち、３つのカメラで撮影された干渉縞パターンの明部と暗部とが光路差に応じて変化する。従来の位相シフト干渉計では、この干渉縞のパターンによって、試料表面の形状を測定している。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３２９５３５号公報
【特許文献２】特開平７−１９８３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の干渉計では、試料が変わると、正確に表面形状を測定できない場合があるという問題点がある。すなわち、試料に応じて反射率が変化してしまうため、干渉縞のパターンのコントラストが低くなってしまう。例えば、試料の反射率と参照用ミラーの反射率が大きく異なる場合、干渉縞パターンの明部と暗部との差が小さくなってしまう。
【０００５】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、様々な試料の形状を簡便に測定することができる干渉計及び測定方法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】
【０００６】
本発明の第１の態様にかかる干渉計は、試料で反射された測定光と、参照用ミラーで反射された参照光とを合成した合成光を受光センサで受光し、前記測定光と前記参照光との位相差に基づいて前記試料の形状を測定する干渉計であって、照明光を出射するレーザ光源（例えば、本発明の実施の形態にかかる光源１１）と、前記レーザ光源から出射された照明光を偏向させて第１の方向に走査する第１のスキャナ（例えば、本発明の実施の形態にかかるＸスキャナ１６）と、前記照明光の光路中に回転可能に設けられた１／２波長板（例えば、本発明の実施の形態にかかる１／２波長板２０）と、前記１／２波長板を通過した照明光と前記試料との相対位置を変化させて第２の方向に走査する第２のスキャナ（例えば、本発明の実施の形態にかかるＹスキャナ２３）と、前記１／２波長板を通過した照明光を偏光状態に応じて２本の光ビームに分岐する偏光ビームスプリッター（例えば、本発明の実施の形態にかかるＰＢＳ２６）と、前記偏光ビームスプリッタで分岐された２本の光ビームのうち一方を集光して試料に入射させるとともに、前記試料で反射した測定光が入射する試料用対物レンズ（例えば、本発明の実施の形態にかかる試料用対物レンズ２７）と、前記偏光ビームスプリッタで分岐された２本の光ビームのうち他方を集光する参照用対物レンズ（例えば、本発明の実施の形態にかかる参照用対物レンズ３０）と、前記参照用対物レンズで集光された前記他方の光ビームを反射して、前記参照用対物レンズに参照光として入射させる参照用ミラー（例えば、本発明の実施の形態にかかる参照用ミラー３１）と、前記偏光ビームスプリッタによって生成された前記測定光と前記参照光との合成光を、前記１／２波長板を通過した前記照明光から分岐する第１の無偏光ビームスプリッタ（例えば、本発明の実施の形態にかかる第１の無偏光ビームスプリッタ２２）と、前記第１の無偏光ビームスプリッタで前記照明光から分岐された合成光の光路中に設けられた１／４波長板（例えば、本発明の実施の形態にかかる１／４波長板４２）と、前記１／４波長板を通過した合成光の光路中に設けられた偏光板（例えば、本発明の実施の形態にかかる第１偏光板５１）と、前記第１の方向に対応した方向に配列された画素を有する受光センサであって、前記試料と共役な位置に配置され、前記偏光板を通過した合成光を受光する受光センサ（例えば、本発明の実施の形態にかかる第１ラインセンサ５２）と、前記受光センサからの検出信号に基づいて、前記試料の形状を算出する処理装置（例えば、本発明の実施の形態にかかる処理装置６０）とを備えたものである。
【０００７】
本発明の第２の態様にかかる干渉計は、上述の干渉計において、前記第１の無偏光ビームスプリッタで分岐された合成光を３つに分岐する第２の無偏光ビームスプリッタ（例えば、本発明の実施の形態にかかる第２の無偏光ビームスプリッタ５０）、及び第３の無偏光ビームスプリッタ（例えば、本発明の実施の形態にかかる第３の無偏光ビームスプリッタ５４）をさらに備え、前記第２の無偏光ビームスプリッタ、及び第３の無偏光ビームスプリッタで３つに分岐された合成光のそれぞれの光路中に前記偏光板（例えば、本発明の実施の形態にかかる第１偏光板５１、第２偏光板５５、及び第３偏光板５７）、及び前記受光センサ（例えば、本発明の実施の形態にかかる第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８）が設けられ、前記３つに分岐された合成光の光路に設けられた偏光板の偏光軸の角度がそれぞれ異なっているものである。
【０００８】
本発明の第３の態様にかかる干渉計は、上述の干渉計において、前記第２のスキャナが前記照明光を偏向させて第２の方向に走査する振動ミラーであり、前記第１の無偏光ビームスプリッタが前記第１のスキャナと、前記第２のスキャナとの間に配置されているものである。
【０００９】
本発明の第４の態様にかかる測定方法は、試料で反射された測定光と、参照用ミラーで反射された参照光とを合成した合成光を受光センサで受光し、前記測定光と前記参照光との位相差に基づいて前記試料の形状を測定する測定方法であって、レーザ光を照明光として出射し、前記照明光を偏向させて第１の方向に走査し、前記第１の方向に走査された照明光を１／２波長板に入射させ、前記１／２波長板を通過した照明光と前記試料との相対位置を変化させて第２の方向に走査し、前記１／２波長板を通過した照明光を偏光状態に応じて２本の光ビームに分岐し、前記分岐された２本の光ビームのうち一方を集光して試料に入射させ、前記偏光ビームスプリッタで分岐された２本の光ビームのうち他方を集光して、参照用ミラーに入射させ、前記試料で反射した測定光と、前記参照用ミラーで反射した参照光とを合成して、合成光を生成し、前記測定光と前記参照光との合成光を、前記１／２波長板を通過した前記照明光から分岐し、前記照明光から分岐された合成光を１／４波長板に入射させ、前記１／４波長板を通過した合成光を偏光板に入射させ、前記偏光板を通過した合成光を、前記試料と共役な位置に配置され、前記第１の方向に沿って画素が設けられている受光センサで受光し、前記受光センサからの検出信号に基づいて、前記試料の形状を算出するものである。
【００１０】
本発明の第５の態様にかかる測定方法は、上述の測定方法において、前記１／４波長板を通過した合成光を３つに分岐して、前記３つに分岐された合成光を前記偏光板を介して、３つの前記受光センサで同時に受光するものである。
【００１１】
なお、上述の測定方法において、指定のない限りそれぞれのステップは記述された順番で処理されなくてもよい。また、上述の干渉計に備えられた各手段は物理的に１つの部材でなくてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、様々な試料の形状を簡便に測定することができる干渉計及び測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施例ついて以下に図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施例を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施例に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものを実質的に同様の内容を示している。
発明の実施の形態１．
【００１４】
本発明にかかる干渉計について図１を用いて説明する。図１は干渉計の全体構成を模式的に示す図である。図１において、１００は測定装置、１１は光源、１２はミラー型プリズム、１３はミラー型プリズム、１４はビームエキスパンダ、１５はＸビームエキスパンダ、１６はＸスキャナ、１７はＸビームコンパンダ、１８はフォーカシングレンズ、１９はミラー型プリズム、２０は１／２波長板、２１はフォーカシングレンズ、２２は第１の無偏光ビームスプリッタ、２３はＹスキャナ、２４は結像レンズ、２５はリレーレンズ、２６は偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ  以下、ＰＢＳ）、２７は試料用対物レンズ、２８は試料、３０は参照用対物レンズ、３１は参照用ミラー、３２は焦点調整機構、３３は角度調整機構、４１はフォーカシングレンズ、４２は１／４波長板、５０は第２の無偏光ビームスプリッタ、５１は第１偏光板、５２は第１ラインセンサ、５４は第３の無偏光ビームスプリッタ、５５は第２偏光板、５６は第２ラインセンサ、５７は第３偏光板、５８は第３ラインセンサ、６０は処理装置、６１はＸスキャナ駆動部、６２は１／２波長板回転機構、６３はＹスキャナ駆動部である。
【００１５】
本実施の形態にかかる測定装置１００は干渉計を利用して試料２８の形状を測定するものである。測定装置１００はコンフォーカル光学系を構成している。さらに、コンフォーカル光学系の中に、マイケルソン型干渉計を挿入している。そして、試料２８で反射した光と、参照面となる参照用ミラー３１で反射された光と、合成して受光している。
【００１６】
光源１１は、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザなどの連続発振型レーザ光源であり、照明光となるレーザ光を出射する。光源１１は波長６３２．８ｎｍで可干渉性のレーザ光を出射する。光源１１は、点光源であり、直線偏光を出射する。もちろん、光源１１は、Ｈｅ−Ｎｅレーザに限られるものではない。なお、光源１１としては、消光比が１００：１以上のものを用いることが好ましい。本実施の形態にかかる測定装置１００では、光源１１からのレーザ光をＰＢＳ２６で分岐して、試料２８、及び参照用ミラー３１にそれぞれ照射する。そして、試料で反射された測定光と、参照用ミラーで反射された参照光とはＰＢＳ２６で合成される。測定光と参照光との合成光を第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８で受光する。そして、測定光と参照光との位相差に基づいて試料２８の表面形状を測定する。
【００１７】
まず、光源１１からのレーザ光によって試料２８、及び参照用ミラー３１を照明するための照明光学系について説明する。光源１１からの出射したレーザ光は、ミラー型プリズム１２、及びミラー型プリズム１３の表面で反射される。ミラー型プリズム１３で反射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１４に入射する。ビームエキスパンダ１４は一対のレンズを備えており、入射した光ビームのビーム径を拡大する。このビームエキスパンダ１４によって、例えば、照明光のビーム径が４ｍｍに拡大される。ここで、レーザ光の伝播方向をＺ方向として、Ｚ方向に垂直な平面において直交する方向をＸ方向とＹ方向とする。
【００１８】
ビームエキスパンダ１４から出射されたレーザ光は、Ｘビームエキスパンダ１５に入射する。Ｘビームエキスパンダ１５はＸ方向にビーム径を拡大する。これにより、ビームスポットが円形から楕円形に変換される。Ｘビームエキスパンダ１５は、例えば、一対のアナモフィックプリズムから構成される。あるいは、Ｘビームエキスパンダ１５をシリンドリカルレンズによって構成してもよい。Ｘビームエキスパンダ１５は、例えば、Ｘ方向のビーム径を３〜５倍に拡大する。例えば、Ｘビームエキスパンダ１５がビーム径を３倍に拡大する場合、Ｘ方向において４ｍｍであったビーム径が１２ｍｍに拡大される。
【００１９】
Ｘスキャナ１６は、例えば、音響光学偏向器（ＡＯＤ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ−Ｏｐｔｉｃｓ  Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）であり、Ｘ方向にレーザ光を走査する。具体的には、Ｘスキャナ１６は、例えば、二酸化テルルなどの音響光学結晶と、音響光学結晶に接合された圧電素子等のトランスジューサを有している。Ｘスキャナ駆動部６１は、オシレータなどを備えており、超音波周波数の電気信号をＸスキャナ１６のトランスジューサに印加する。従って、ＡＯＤに設けられたトランスジューサにより超音波が発生する。超音波周波数の圧力波を加えることにより、音響光学結晶内で入射光の偏光面が周期的に変化するような格子が形成される。これを異方ブラッグ回折と呼ぶが、この異方ブラッグ回折により、１次回折光に出射光の約７０％が集中する。これにより、効率のよい偏光器を構成することができる。超音波周波数を変調することにより、レーザ光を角度変調することができる。この１次回折光を取り出すことによって、レーザ光をＸ方向に偏向させることができる。
【００２０】
Ｘスキャナ１６は、ＸＹ平面において、Ｘ方向が長手方向になっており、Ｙ方向が短手方向となっている。これにより、Ｘ方向にビーム径が拡大された楕円形のビームスポットを有するレーザ光を走査することができる。ここで、レーザ光の直線偏光の偏光面は、超音波によって９０°回転する。Ｘスキャナ１６の偏向角は、例えば１°程度である。また、レーザ光が赤色である場合、超音波周波数を７５〜９０ＭＨｚとすることができる。なお、レーザ光を青色とした場合は、超音波周波数を９０〜１１０ＭＨｚとすることができる。また、Ｘスキャナ１６は、レーザ光を１５ｋＨｚ程度で走査する。このように、Ｘスキャナ１６はレーザ光を高速で走査する。ここで、Ｘスキャナ１６の走査周期は、後述するラインセンサの露光時間よりも十分短いものとなっている。Ｘスキャナ１６で高速で走査しているため、照明光は実質的にライン状の光に変換される。
【００２１】
Ｘスキャナ１６から出射したレーザ光は、Ｘビームコンパンダ１７に入射する。Ｘビームコンパンダ１７は、Ｘ方向にビーム径を縮小する。これにより、Ｘビームエキスパンダ１５によって楕円形となったビーム径が円形に変換される。Ｘビームコンパンダ１７も、例えば、１対のアノモフィックプリズムにより構成される。また、Ｘビームコンパンダ１７もシリンドリカルレンズによって構成してもよい。Ｘビームコンパンダ１７を通過することによって、ビーム径が元に戻る。さらに、Ｘビームコンパンダ１７を用いることによって、ビームの偏向角度を広くすることができる。例えば、Ｘビームコンパンダ１７によってビームを１／３に縮小した場合、Ｘスキャナ１６による偏向角が３倍になる。これにより、１°であったＸスキャナ１６の偏向角を３°に広くすることができる。このように、Ｘビームコンパンダ１７を用いることによって、Ｘスキャナ１６の角度倍率を大きくすることができる。従って、レーザ光を３°の偏向角で走査することができる。
【００２２】
Ｘビームコンパンダ１７を通過したレーザ光は、フォーカシングレンズ１８に入射する。フォーカシングレンズ１８はレーザ光を屈折して、ミラー型プリズム１９の方向に出射する。フォーカシングレンズ１８から出射したレーザ光は、ミラー型プリズム１９に焦点を結ぶ。Ｘスキャナ１６では高速に走査しているため、ミラー型プリズム１９の反射面には、実質的にライン状の光が入射する。ミラー型プリズム１９で反射されたレーザ光は、１／２波長板２０に入射する。１／２波長板２０は、遅相軸と進相軸との位相を１／２波長分ずらす。１／２波長板２０には、１／２波長板回転機構６２が取り付けられている。１／２波長板回転機構６２は、１／２波長板２０を回転させるためのサーボモータ等を備えている。１／２波長板回転機構６２によって、１／２波長板２０の光学軸を任意の角度に回転することができる。ここで、１／２波長板２０の光学軸と、レーザ光の偏光面との成す角度をφ（鋭角）とすると、レーザ光が１／２波長板２０を通過することにより、レーザ光の偏光面が２φ回転する。１／２波長板２０を回転させることで、レーザ光の偏光面の角度を調整することができる。これにより、直線偏光の偏光面を任意の角度に制御することができる。
【００２３】
１／２波長板２０によって偏光面が回転したレーザ光は、フォーカシングレンズ２１に入射する。フォーカシングレンズ２１は、フォーカシングレンズ１８とともに、Ｘスキャナ１６のスキャン中心を、後述するＹスキャナ２３に投影する。フォーカシングレンズ２１で屈折されたレーザ光は、第１の無偏光ビームスプリッタ２２に入射する。第１の無偏光ビームスプリッタ２２は、反射光と透過光との光量の比が略１：１になるようレーザ光を分岐する。従って、レーザ光の略半分が第１の無偏光ビームスプリッタ２２を透過する。ここで、第１の無偏光ビームスプリッタ２２は、入射レーザ光の偏光状態に依存せずに、光を透過する。すなわち、Ｐ偏光でもＳ偏光でも、同様の割合で光を透過する。従って、偏光面の角度によらず、レーザ光の略半分が透過する。すなわち、１／２波長板２０を回転させた場合でも、第１の無偏光ビームスプリッタ２２を通過するレーザ光の光量は変化しない。
【００２４】
第１の無偏光ビームスプリッタ２２を透過した光ビームは、Ｙスキャナ２３に入射する。Ｙスキャナ２３は、ガルバノミラーなどの振動ミラーであり、レーザ光をＹ方向に走査する。すなわち、Ｙスキャナ駆動部６３からの制御信号によってミラーの回転角度が変化する。Ｙスキャナ駆動部６３の制御信号に基づいてレーザ光がＹ方向に偏向する。これにより、レーザ光をＹ方向に走査することができる。すなわち、Ｙスキャナ２３はＸスキャナ１６の走査方向と垂直な方向に走査する。これにより、２次元走査をすることができ、試料２８の所定の領域を照明することができる。Ｙスキャナ２３は２０〜３０Ｈｚでレーザ光をＹ方向に走査する。すなわち、Ｙスキャナ２３はＸスキャナよりも低速で走査する。なお、フォーカシングレンズ１８、及びフォーカシングレンズ２１は、Ｙスキャナ２３である振動ミラーの反射面に、Ｘスキャナ１６のスキャン中心を投影している。Ｘスキャナ１６、及びＹスキャナ２３によって、レーザ光をラスタ走査することができる。
【００２５】
Ｙスキャナ２３で走査されたレーザ光は、結像レンズ２４、及びリレーレンズ２５に入射する。結像レンズ２４、リレーレンズ２５は、Ｙスキャナ２３のミラー表面を後述する対物レンズの後側焦点に投影する。ここで、結像レンズ２４とリレーレンズ２５との間が１次結像面Ａとなる。すなわち、結像レンズ２４とリレーレンズ２５との間の１次結像面Ａに１次像が結像される。１次結像面Ａにおいて、レーザ光による２次元の走査領域が形成される。この２次元の走査領域が試料用対物レンズ２７によって試料２８上に縮小投影され、参照用対物レンズ３０によって、参照用ミラー３１に縮小投影される。これにより、光ビームをラスタ走査することができる。
【００２６】
リレーレンズ２５を通過したレーザ光は、ＰＢＳ２６に入射する。ＰＢＳ２６は、Ｓ偏光成分を反射して、Ｐ偏光成分を透過する。従って、ＰＢＳ２６によって、１／２波長板２０を通過したレーザ光が２本の光ビームに分岐される。ＰＢＳ２６の反射面は光軸に対して４５°傾いている。レーザ光を照明光として用いているため、照明光は、ＰＢＳ２６によって可干渉性の高い光ビームに分岐される。ＰＢＳ２６と透過した光ビームは、下方に設けられた試料用対物レンズ２７に入射する。すなわち、ＰＢＳ２６で分岐された２本の光ビームのうち、一方の光ビームは試料用対物レンズ２７に入射する。試料用対物レンズ２７は、Ｐ偏光の光ビームを集光して、試料２８に入射させる。従って、試料２８がレーザ光によって照明される。なお、試料２８は図示しないステージ上に載置されている。
【００２７】
ＰＢＳ２６で反射したＳ偏光の光ビームは、側方に設けられた参照用対物レンズ３０に入射する。すなわち、参照用対物レンズ３０は、ＰＢＳ２６で分岐された２本の光ビームのうち、他方の光ビームを集光して、参照用ミラー３１に入射させる。これによって、参照用ミラー３１が照明される。参照用ミラー３１は、例えば、平坦で、反射率が略１００％の平面鏡である。従って、参照用ミラー３１は入射光のほとんど全てを正反射する。このようにＰＢＳ２６によって分岐された光ビームのうちの一本が試料２８を照明する照明光となり、他方が参照用ミラー３１を照明する照明光となる。なお、試料２８を照明する照明光と、参照用ミラー３１を照明する照明光は、Ｘスキャナ１６、及びＹスキャナ２３によって同様の方向に走査されている。従って、参照用ミラー３１と試料２８とで照明される領域は略同じとなる。また、参照用対物レンズ３０と、試料用対物レンズ２７は、例えば、同じタイプに対物レンズであり、焦点距離や、光路長のみならず、波面収差特性等の収差特性までも等しくなっている。
【００２８】
参照用ミラー３１の裏面側には、焦点調整機構３２と角度調整機構３３とが取り付けられている。焦点調整機構３２は、焦点を調整するためのネジなどを備えている。このネジを回転させることによって、参照用ミラー３１が参照用対物レンズ３０の光軸に沿って、平行移動する。これにより、参照用対物レンズ３０の焦点を参照用ミラー３１の表面に合わせることができる。すなわち、参照用ミラー３１を参照用対物レンズ３０の合焦点位置に配置することができる。焦点調整機構３２により、焦点位置合わせが行なわれる。角度調整機構３３は、参照用ミラー３１の角度を調整するため、例えば、参照用ミラー３１の対角に設けられたネジを備えている。このネジを回転させることによって、参照用ミラー３１の反射面の角度を変化させることができる。これにより、干渉縞パターンの粗密を変化させることができる。すなわち、参照用対物レンズ３０の光軸に対して傾斜させると、照明位置に応じて光路差が生じる。ここで、傾斜角を大きくすると光路長の変化が大きくなり、干渉縞パターンの密度が高くなる。このように、角度調整機構３３を設けることによって、干渉縞パターンの明部と暗部のピッチを調整することができる。なお、後述するように本実施の形態ではコンフォーカル光学系を構成しているため、参照用ミラー３１の角度は、参照用対物レンズ３０の合焦点位置から外れない程度に傾けることができる。
【００２９】
次に、試料２８で反射した光と、参照用ミラー３１で反射した光を検出するための検出光学系について説明する。本実施の形態では、共焦点光学系（コンフォーカル光学系）を介して、光を検出している。さらに、共焦点光学系の中に、マイケルソン型干渉計を挿入している。さらに、マイケルソン型干渉計には、試料用対物レンズ２７と参照用対物レンズ３０が配設されている。ここで、試料２８で反射した光を測定光とし、参照用ミラーで反射した光を参照光とする。このとき、試料２８で反射した測定光は試料用対物レンズ２７に入射する。そして、測定光は試料用対物レンズ２７を介して、ＰＢＳ２６に入射する。ここで、測定光は、Ｐ偏光であるため、ＰＢＳ２６を透過する。参照用ミラー３１で反射した参照光は、参照用対物レンズ３０に入射する。すなわち、参照用ミラー３１は、参照用対物レンズ３０で集光された光ビームを反射して、参照用対物レンズ３０に参照光として入射させる。そして、参照光は、参照用対物レンズ３０を介してＰＢＳ２６に入射する。ここで、参照光は、Ｓ偏光であるためＰＢＳ２６で反射される。従って、ＰＢＳ２６によって、測定光と参照光とが合成され、１本の光ビームとなる。ここで、ＰＢＳ２６によって合成された１本の光ビームを合成光とする。すなわち、測定光と参照光とがＰＢＳ２６によって合成されることによって、合成光が生成される。このように、マイケルソン型干渉計では、照明光がＰＢＳ２６で分岐されるとともに、試料２８で反射した測定光と、参照用ミラー３１で反射された参照光とがＰＢＳ２６で１本の光ビームに合成される。
【００３０】
ＰＢＳ２６から出射した合成光は、リレーレンズ２５に入射する。ここで、測定光、及び参照光は、１次結像面Ａで拡大結像される。そして、リレーレンズ２５で屈折された合成光は結像レンズ２４に入射する。結像レンズ２４は合成光を平行ビームにして、出射する。結像レンズ２４からの合成光はＹスキャナ２３で反射される。ここで、Ｙスキャナ２３に入射した合成光は、デスキャンされる。すなわち、Ｙスキャナ２３に再度入射することによって、Ｙ方向の偏向が相殺される。
【００３１】
Ｙスキャナ２３でデスキャンされた合成光は、第１の無偏光ビームスプリッタ２２に入射する。第１の無偏光ビームスプリッタ２２は、上述の通り、偏光状態によらず、入射光を略１：１に分岐する。従って、第１の無偏光ビームスプリッタ２２に入射した合成光のうち、略半分が反射する。すなわち、第１の無偏光ビームスプリッタ２２に入射した測定光の略半分と、参照光の略半分とが、第１の無偏光ビームスプリッタ２２によって反射される。この第１の無偏光ビームスプリッタ２２によって、合成光を１／２波長板２０を通過した照明光から分岐することができる。すなわち、照明光の光路から合成光が分離される。照明光から分岐された合成光は、１／４波長板４２に入射する。１／４波長板４２は、遅相軸と進相軸の位相を１／４波長分ずらす。１／４波長板４２を通過した合成光は、フォーカシングレンズ４１に入射する。フォーカシングレンズ４１は、入射光を屈折させる。
【００３２】
１／４波長板４２は、互いに垂直な方向に振動する直線偏光が通過したときに、これらの間に１／４波長の光路差を与える。従って、円偏光が１／４波長板４２に入射すると、光は直線偏光となって出射する。また。１／４波長板４２の光学軸と同じ方向の直線偏光が入射すると、光はそのまま出射する。１／４波長板４２を出射した合成光は、フォーカシングレンズ４１を介して第２の無偏光ビームスプリッタ５０に入射する。第２の無偏光ビームスプリッタ５０は、偏光状態によらず、入射した合成光を反射又は透過する。これにより、第２の無偏光ビームスプリッタ５０は合成光を２本の光ビームに分岐する。ここで、第２の無偏光ビームスプリッタ５０で反射した光ビームは第１偏光板５１を介して第１ラインセンサ５２に入射する。
【００３３】
また、第２の無偏光ビームスプリッタ５０を透過した合成光は、第３の無偏光ビームスプリッタ５４に入射する。第３の無偏光ビームスプリッタ５４は、偏光状態によらず、入射光を反射又は透過する。これにより、第３の無偏光ビームスプリッタ５４は第２の無偏光ビームスプリッタ５０を透過した合成光を２本の光ビームに分岐する。これにより、第１の無偏光ビームスプリッタ２２で反射された合成光が、３本の光ビームに分岐される。第３の無偏光ビームスプリッタ５４で反射された合成光は、第２偏光板５５を介して第２ラインセンサ５６に入射する。また、第３の無偏光ビームスプリッタ５４を透過した合成光は、第３偏光板５７を介して第３ラインセンサ５８に入射する。
【００３４】
ここで、第２の無偏光ビームスプリッタ５０と第３の無偏光ビームスプリッタ５４は、合成光を略３等分する。すなわち、第２の無偏光ビームスプリッタ５０の透過率は略６７％であり、反射率は略３３％である。さらに、第３の無偏光ビームスプリッタ５４の透過率は略５０％であり、反射率は略５０％である。これにより、第１の無偏光ビームスプリッタ２２で反射された合成光を１／３ずつの光ビームに分割することができる。従って、第１偏光板５１、第２偏光板５５、及び第３偏光板５７に入射する合成光の光量を略等しくすることができる。
【００３５】
ここで、第１偏光板５１、第２偏光板５５、及び第３偏光板５７は、偏光軸がそれぞれ異なる角度で配置されている。従って、第１偏光板５１、第２偏光板５５、及び第３偏光板５７を通過する合成光の輝度はそれぞれ異なるものとなる。第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８で受光される合成光の光量はそれぞれ異なるものとなる。これについては後述する。
【００３６】
第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８は同じ構成の光検出器である。第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８は、例えば、１次元ＣＣＤセンサであり、検出画素となる受光素子が一列に配列されている。ここで、検出画素は、Ｘ方向に沿って配列されている。すなわち、受光素子は、Ｘスキャナ１６の走査方向に対応する方向に配列されている。第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８では、露光時間において受光した光量に応じた信号電荷が画素毎に蓄積される。ここで、第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８の露光時間は、Ｘスキャナ１６の走査周期に比べて十分長くなっている。従って、Ｘスキャナ１６で走査されたライン状の光が、ラインセンサの１回の露光時間で検出される。すなわち、Ｘ方向の１ライン分の照明領域から反射した合成光が、１回の電荷転送で検出される。ラインセンサの１回の露光時間では、Ｘスキャナ１６での１ライン分の走査領域からの合成光が受光される。そして、Ｙスキャナ２３で順次Ｙ方向に照明光を走査して、ラインセンサで合成光を受光していく。これにより、２次元の走査領域からの合成光がラインセンサによって受光される。そして、ラインセンサの全検出画素からの検出信号をメモリ等に記憶して、データをつなぎ合わせる。これにより、２次元の走査領域の形状を測定することができる。このようにして、２次元の走査領域における干渉縞パターンを撮影することができる。
【００３７】
第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８は入射した光の強度に応じた検出信号を処理装置６０に出力する。フォーカシングレンズ４１は、第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８の受光面にそれぞれ合成光を結像している。すなわち、フォーカシングレンズ４１からの距離が、第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８とで等しくなっている。
【００３８】
なお、レーザコンフォーカル光学系を構成するため、光源１１と試料２８とが、互いに共役な結像関係となるよう配置される。また、光源１１と参照用ミラー３１とが、互いに共役な結像関係となるよう配置される。さらに、第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８のそれぞれは、試料２８と互いに共役な結像関係となるよう配置される。すなわち、点光源である光源１１からの照明光は試料２８上に集光され、かつ、試料２８で反射した測定光は第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、又は第３ラインセンサ５８の検出画素上に集光される。さらに、点光源である光源１１からの照明光は参照用ミラー３１の反射面に集光され、かつ、参照用ミラー３１の反射面で反射した参照光は第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、又は第３ラインセンサ５８の検出画素上に集光される。従って、合焦点位置以外からの測定光、及び参照光は、検出画素から外れて消失する。すなわち、試料２８、及び参照用ミラー３１が合焦点位置である場合、測定光、及び参照光の光量が高くなる。このようにコンフォーカル光学系を介して合成光を受光することによって、Ｚ方向の分解能を向上することができ、精度の高い測定を行うことができる。
【００３９】
第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８はそれぞれの検出画素毎に受光した光の光量に応じた検出信号を出力する。第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８からの検出信号は、処理装置６０に入力される。処理装置６０に入力された検出信号の強度が反射光の位相差に応じた干渉光強度に基づくものとなる。処理装置６０は、例えば、検出信号をＡ／Ｄ変換して、メモリ等に記憶させる。処理装置６０は、例えば、パーソナルコンピュータ等の演算処理装置を有している。処理装置６０によって、画素毎の検出信号に対応する干渉光強度の二次元分布を得ることができる。干渉光強度に応じて、測定光と参照光との光路長の差を算出する。この光路長の差に応じて試料の表面形状を測定する。この処理装置６０での処理については後述する。さらに、処理装置６０は、Ｘスキャナ駆動部６１、１／２波長板回転機構６２、及びＹスキャナ駆動部６３を制御する。なお、処理装置６０は物理的に単一な装置にかぎるものではない。
【００４０】
次に、レーザ光の偏光状態について図２、及び図３を用いて説明する。図２は、ＰＢＳ２６から試料２８までの構成、及びＰＢＳ２６から参照用ミラー３１までの構成を模式的に示す斜視図である。図３はＰＢＳ２６から試料２８までの構成、及びＰＢＳ２６から参照用ミラー３１までの構成を模式的に示す上面図である。すなわち、図２、及び図３は、コンフォーカル光学系に挿入されたマイケルソン型干渉計の一部の構成を示す図である。なお、図２、及び図３において、光路中に描かれた線分は、直線偏光の偏光面を仮想的に示している。
【００４１】
ＰＢＳ２６は入射したレーザ光のＰ偏光成分を透過して、Ｓ偏光成分を反射する。ここで、ＰＢＳ２６に入射するレーザ光は直線偏光となっている。そして、直線偏光の偏光面は、図１で示した１／２波長板２０の回転角度に応じた角度となっている。従って、１／２波長板２０を回転させることにより、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の割合を変化させることができる。すなわち、１／２波長板２０を回転させることによって、ＰＢＳ２６を透過する光量と、反射する光量との割合が変化する。従って、照明光のＰ偏光成分をＳ偏光成分よりも多くすることができる。ＰＢＳ２６は照明光を偏光状態に応じて２本の可干渉ビームに分岐する。
【００４２】
ここで、レーザ光のＰ偏光成分は、ＰＢＳ２６を通過して、試料用対物レンズ２７に入射する。そして、試料用対物レンズ２７は、Ｐ偏光成分を集光して、試料２８に入射させる。そして、試料２８で反射した測定光は、試料用対物レンズ２７を介してＰＢＳ２６に入射する。一方、レーザ光のＳ偏光成分は、ＰＢＳ２６で反射して参照用対物レンズ３０に入射する。そして、参照用対物レンズ３０は、Ｓ偏光成分を集光して、参照用ミラー３１に入射させる。参照用ミラー３１で反射した参照光は、参照用対物レンズ３０を介してＰＢＳ２６に入射する。
【００４３】
ここで、参照用ミラー３１は、反射率が略１００％である。一方、試料２８の反射率は、試料２８の材質や、状態に応じて変化する。従って、試料２８での反射率は、通常、参照用ミラー３１よりも低くなる。ここで、１／２波長板２０の回転角度を調整する。これにより、試料２８で反射してＰＢＳ２６を透過する測定光と、参照用ミラー３１で反射してＰＢＳ２６を反射する参照光の光量を略等しくすることができる。すなわち、合成光における測定光と参照光の割合を略等しくすることができる。これにより、測定光と参照光の割合を略等しいと、後述するように、例えば、位相差が±９０°のとき、合成光が円偏光となる。しかしながら、測定光と参照光との強度が異なると、位相差が±９０°であっても、合成光が円偏光とならない。すなわち、参照光と測定光との強度が異なると、強度比に応じて偏光状態が変わってしまう。本実施の形態では、１／２波長板２０を用いて参照光と測定光の割合を略等しくしているため、偏光状態が位相差のみに応じて変化する。これにより、正確に測定することができる。さらに、干渉縞パターンのコントラストを高くすることができ、正確に測定することができる。具体的には、Ｓ偏光成分とレーザ光の偏光面との成す角度をθ（鋭角）とすると、θは１／２波長板２０の回転角度によって変化する。例えば、θを大きくするよう、１／２波長板２０を回転させると、Ｐ偏光成分が多くなる。反対にθを小さくするよう、１／２波長板２０を回転させるとＳ偏光成分が多くなる。このようにして、合成光のうちの測定光と参照光の割合を調整できる。
【００４４】
例えば、試料２８が液体中のたんぱく質であるとする。この場合、液体とたんぱく質の屈折率の差は小さいため、試料２８の表面での反射率は約０．５％になってしまうことがある。ここで、θを９０°に近づけると、照明光のＰ偏光成分がＳ偏光成分よりも大きくなる。従って、試料２８での反射率が参照用ミラー３１の反射率に比べて極端に低い場合でも、合成光のうちの測定光と参照光との割合を略等しくすることができる。これにより、合成光の偏光状態が、位相差のみに応じて変化する。さらに、干渉縞パターンのコントラストを高くすることができる。従って、試料２８の材質等が変わった場合でも、精度よく測定することができる。試料２８の反射率に応じて、１／２波長板２０の回転角度を調整することによって、反射率が大きく異なる試料２８でも、簡便に測定することができる。従って、様々な試料２８の測定を容易に行うことができる。
【００４５】
次に、合成光によって撮像される干渉縞パターンについて説明する。例えば、試料用対物レンズ２７と参照用対物レンズ３０とを同じタイプのものとする。すなわち、試料用対物レンズ２７と参照用対物レンズ３０の、焦点距離や光路長を等しくする。そして、試料用対物レンズ２７から試料２８までの距離を、参照用対物レンズ３０から参照用ミラー３１までの距離と略等しくする。参照用ミラー３１の表面は平坦であるため、参照用ミラー３１までの光路長は、角度調整機構３３で調整した角度に応じたものとなる。従って、試料２８の表面形状に応じて、測定光と参照光との光路長に差が生じる。例えば、試料２８の突出している箇所では、測定光の光路長が短くなる。従って、測定光（Ｐ偏光）の位相が参照光（Ｓ偏光）の位相よりも進んだ状態となる。一方、試料２８が窪んでいる箇所では、測定光の光路長が長くなる。従って、測定光（Ｐ偏光）の位相が参照光（Ｓ偏光）の位相よりも遅れた状態となる。
【００４６】
参照光と測定光との光路長が等しい場合、参照光と測定光との位相が等しくなる。この場合、合成光は直線偏光となる。参照光と測定光との光路長が異なる場合、参照光（Ｓ偏光）と測定光（Ｐ偏光）との間に位相差が生じる。従って、位相差に応じて、合成光の偏光状態が変化する。ラインセンサで撮像される干渉縞のパターンは、合成光の偏光状態に応じて変化する。すなわち、ラインセンサの前には、１／４波長板４２、及び１枚の偏光板が挿入されている。そして、第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８の手前に設けられている第１偏光板５１、第２偏光板５５、及び第３偏光板５７の偏光軸が異なっている。従って、測定光と参照光との間の特定の位相差が生じているときに、偏光板を通過する合成光の光量が最大となる。そして、この特定の位相差が、第１偏光板５１、第２偏光板５５、及び第３偏光板５７によって異なっている。換言すると、第１偏光板５１、第２偏光板５５、及び第３偏光板５７を透過する合成光の光量は、偏光状態に応じて変化する。第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８の撮像される干渉縞パターンがそれぞれ異なるものとなる。
【００４７】
ここで、ＰＢＳ２６で合成された合成光の偏光状態、及び合成光が１／４波長板４２を通過したときの偏光状態を位相差に応じて図４に示す。図４（ａ）〜図４（ｄ）の左側にはそれぞれ、ＰＢＳ２６で合成された時点での偏光状態が示され、図４（ａ）〜図４（ｄ）の右側にはそれぞれ、合成光が１／４波長板４２を通過した時点での偏光状態を示している。図４では、４通りの位相差が生じた場合の偏光状態を代表して示している。具体的には、図４（ａ）は、光路長が等しく、位相差がない時の偏光状態を示している。図４（ｂ）は測定光の位相が９０°進んでいるときの偏光状態を示している。すなわち、図４（ｂ）は試料用対物レンズ２７から試料２８までの距離が、参照用対物レンズ３０から参照用ミラー３１までの距離よりも、λ／８（往復でλ／４）だけ短い場合を示している。図４（ｃ）は、測定光の位相が１８０°進んでいるときの偏光状態を示している。図４（ｃ）は試料用対物レンズ２７から試料２８までの距離が、参照用対物レンズ３０から参照用ミラー３１までの距離よりも、λ／４（往復でλ／２）だけ短い場合を示している。図４（ｄ）は、測定光の位相が９０°遅れているときの偏光状態を示している。図４（ｄ）は試料用対物レンズ２７から試料２８までの距離が、参照用対物レンズ３０から参照用ミラー３１までの距離よりも、λ／８（往復でλ／４）だけ長い場合を示している。
【００４８】
測定光と参照光との光路長が等しいとき、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との位相が等しくなる。さらに、測定光と参照光との強度が略等しくなっているため、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが略等しくなっている。従って、ＰＢＳ２６で合成された合成光は、図４（ａ）に示すように４５°の直線偏光となる。測定光が参照光に対して９０°進んでいるとき、合成光は図４（ｂ）に示すように左回転円偏光となる。測定光が参照光に対して１８０°進んでいるとき、合成光は図４（ｃ）に示すように−４５°の直線偏光となる。測定光が参照光に対して９０°遅れているとき、合成光は、図４（ｄ）に示すように右回転円偏光となる。すなわち、位相差が０°の時と、位相差が１８０°の時では、直線偏光の偏光面が９０°異なる。また、位相差が＋９０°の時と−９０°の時では、円偏光の向きが反対になる。また、位相差が上記の値以外のとき、合成光は楕円偏光となる。なお、位相差が３６０°以上ある場合は、３６０×ｉ（ｉは整数）を減算して、−１８０°〜１８０°の範囲の位相差に着目すればよい。このように、測定光と参照光の光路長に基づき生じる位相差に応じて、合成光の偏光状態が変化する。
【００４９】
ここで、合成光の光路中には、１／４波長板４２が挿入されている。１／４波長板４２の光学軸は、４５°傾斜している。そして、１／４波長板４２は入射光の偏光状態に応じて、出射光の偏光状態を制御する。具体的には、１／４波長板４２の光学軸は、図４（ａ）に示す直線偏光の偏光面と一致している。従って、図４（ａ）に示す４５°の直線偏光が１／４波長板４２を通過しても、合成光は４５°の直線偏光のままである。また、図４（ｂ）に示す左回転円偏光が１／４波長板４２を通過すると、合成光は９０°の直線偏光となる。図４（ｃ）に示す−４５°の直線偏光が１／４波長板４２を通過すると、−４５°の直線偏光のままである。図４（ｄ）に示す右回転円偏光が１／４波長板４２を通過すると、合成光は０°の直線偏光となる。すなわち、１／４波長板４２の遅相軸、又は進相軸と、直線偏光の偏光面が一致している場合、１／４波長板４２を通過しても合成光の偏光状態が変化しない。一方、円偏光の場合、１／４波長板４２を通過すると直線偏光となる。
【００５０】
１／４波長板４２を通過した合成光の一部は、第２の無偏光ビームスプリッタ５０で反射され第１偏光板５１に入射する。また、１／４波長板４２を通過した合成光の一部は、第２の無偏光ビームスプリッタ５０を透過して、第３の無偏光ビームスプリッタ５４に入射する。そして、合成光の一部は第３の無偏光ビームスプリッタ５４を介して、第２偏光板５５又は、第３偏光板５７に入射する。すなわち、第２の無偏光ビームスプリッタ５０を通過した合成光の一部は、第３の無偏光ビームスプリッタ５４で反射され、第２偏光板５５に入射する。また、１／４波長板４２を通過した合成光の一部は、第３の無偏光ビームスプリッタ５４を透過して、第３偏光板５７に入射する。このとき、偏光状態によらず、光を分岐する無偏光ビームスプリッタで合成光を３本の光ビームに分割している。そのため、第１偏光板５１、第２偏光板５５、及び第３偏光板５７に入射する合成光の偏光状態は、変化していない。従って、図４（ａ）〜図４（ｄ）の右側に示したどの偏光状態の合成光であっても、第１偏光板５１、第２偏光板５５、及び第３偏光板５７に１／３ずつ、入射する。
【００５１】
ここで、第１偏光板５１の偏光軸は０°となっている。すなわち、図４（ｄ）の右側に示す直線偏光の偏光面と第１偏光板５１の偏光軸とが一致している。従って、測定光が参照光に対して９０°遅れている部分では、合成光が第１偏光板５１を通過する。反対に、測定光が参照光に対して９０°進んでいる部分では、偏光面と偏光軸が直交しているため、合成光が第１偏光板５１で遮光される。第１ラインセンサ５２では、測定光が参照光に対して９０°遅れている部分を明部とし、９０°進んでいる部分を暗部とする干渉縞パターンが得られる。第２偏光板５５の偏光軸は、４５°となっている。すなわち、図４（ａ）の右側に示す直線偏光の偏光面と第２偏光板５５の偏光軸とが、一致している。従って、測定光と参照光とが同位相の部分では、合成光が第２偏光板５５を通過する。反対に、測定光が参照光に対して１８０°進んでいる部分では、偏光面と偏光軸が直交しているため、合成光が第２偏光板５５で遮光される。第２ラインセンサ５６では、測定光と参照光とが同位相の部分を明部とし、１８０°進んでいる部分を暗部とする干渉縞パターンが得られる。
【００５２】
第３偏光板５７の偏光軸は、９０°となっている。すなわち、図４（ｂ）の右側に示す直線偏光の偏光面と第３偏光板５７の偏光軸とが、一致している。従って、測定光が参照光に対して９０°進んでいる部分では、合成光が第３偏光板５７を通過する。反対に、測定光が参照光に対して９０°遅れている部分では、偏光面と偏光軸が直交しているため、合成光が第３偏光板５７で遮光される。第３ラインセンサ５８では、測定光が参照光に対して９０°進んでいる部分を明部とし、９０°遅れている部分を暗部とする干渉縞パターンが得られる。このように、第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８では、測定光と参照光との位相差、すなわち光路長に応じた干渉縞パターンが現れる。そして、第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８で撮影される干渉縞パターンは、明部と暗部の位置が異なる。従って、位相差、及び光源１１の波長に基づいて、試料２８の表面形状を測定することができる。すなわち、検出画素毎に、合成光の位相差を算出することによって、試料２８の表面形状を測定することができる。
【００５３】
位相差に基づいて、試料２８の形状を測定するための演算処理は、例えば、処理装置６０で行なわれる。ここで、第１ラインセンサ５２、第２ラインセンサ５６、及び第３ラインセンサ５８の検出光強度をそれぞれＩ（０°）、Ｉ（４５°）、及びＩ（９０°）とすると、干渉縞パターンの位相差αは以下の式で求めることができる。
ｔａｎα＝｛Ｉ（０°）−Ｉ（４５°）｝／｛Ｉ（４５°）−Ｉ（９０°）｝
例えば、処理装置６０にａｒｃｔａｎのテーブルを予め記憶させておく。そして、処理装置６０に記憶されたａｒｃｔａｎのテーブルを参照して、位相差αを算出する。走査領域に対して得られた全画素に対して、合成光の位相差αを算出する。すなわち、合成光の位相差αの分布を算出する。そして、この位相差αの分布とレーザ波長とに基づいて試料２８の参照用ミラーに対する高さを画素毎に算出する。これにより、Ｚ方向における試料２８の表面の位置が検出される。この結果、試料上のナノメートルオーダの段差を精度良く測定することができる。さらに、画素の高さをつなぎ合わせることによって、試料２８のプロファイルを表示することができる。この測定結果は、処理装置６０の表示モニタ上に表示される。このようにして、試料の形状を可視化、測定することができる。なお、試料２８の形状の算出は、上述の方法に限らず、既知の算出方法を用いることができる。
【００５４】
このように、本実施の形態にかかる測定装置１００では、コンフォーカル光学系を用いて測定を行っているため、Ｚ方向の分解能を向上することができる。さらに、本実施の形態にかかる測定装置１００では、Ｘスキャナ１６で照明光をＸ方向に走査している。そして、Ｘ方向に沿って設けられた検出画素を有する１次元の受光センサで合成光を受光している。そのため、測定時間を短縮することができる。さらに、本実施の形態にかかる測定装置１００では、照明光を試料２８、及び参照用ミラー３１に対してスポット状に集光している。そのため、可干渉性の高い光ビームを合成することができる。
【００５５】
さらに、照明光から合成光を分岐する第１の無偏光ビームスプリッタ２２を、Ｘスキャナ１６とＹスキャナ２３との間に配置している。これにより、合成光がＹ方向にデスキャンされる。すなわち、Ｙスキャナ２３でＹ方向にデスキャンされた後の、ライン状の合成光を取り出すことができる。これにより、ライン状の光で照明するスリットコンフォーカル光学系を簡便に構成することができる。そして、第１の無偏光ビームスプリッタ２２とＸスキャナ１６との間に測定光と参照光の割合を調整するための１／２波長板２０を挿入している。これにより、測定光と参照光との割合を略等しくすることができる。よって、位相差に応じた偏光状態が図４に示すようになる。すなわち、位相差が±９０°のとき、円偏光状態となる。また、位相差が０°のとき、＋４５°の直線偏光状態となる。このように、測定光と参照光との割合を略等しくしているため、位相差の違いによって偏光状態が一義的に決まる。換言すると、測定光と参照光との割合の違いによる偏光状態の乱れを防ぐことができる。従って、上記の演算を行なうことにより、位相計算を正確に行なうことができる。よって、位相差に応じた形状測定を正確に行うことができる。さらに、干渉縞パターンのコントラストを向上することができる。このように、測定装置１００では、１／２波長板２０の回転角度を変化させることにより、測定光と、参照光との光量を調整している。これにより、簡便な構成で干渉縞パターンのコントラストを高くすることができ、正確に測定することができる。さらに、光路差が生じるフィルターなどを片側の光路のみに挿入する必要がないため、正確な測定を行うことができる。
【００５６】
なお、Ｙスキャナ２３は、ガルバノミラーなどの振動ミラーに限られるものではなく、１／２波長板２０を通過した照明光と試料２８との相対位置を変化させて、Ｙ方向に走査を行うものであればよい。例えば、Ｙ方向に走査するＹスキャナ２３は、振動ミラーではなく、ステージであってもよい。すなわち、ステージをＸＹステージなどの駆動ステージとする。そして、駆動ステージをＸスキャナ１６の走査方向と垂直な方向に駆動して、Ｙ方向に走査する。これにより、２次元領域を照明することができる。この場合、１／２波長板２０は、ＰＢＳ２６とＸスキャナ１６との間に挿入されていればよい。このような構成であっても、２次元走査することができる。
【００５７】
なお、本実施の形態にかかる測定装置１００では、第１の無偏光ビームスプリッタ２２からの合成光を第２の無偏光ビームスプリッタ５０、及び第３の無偏光ビームスプリッタ５４で３本の光ビームに分岐している。そして、第２の無偏光ビームスプリッタ５０、及び第３の無偏光ビームスプリッタ５４で分岐された３本の光ビームの光路のそれぞれに、偏光板、及びラインセンサを配置している。これにより、３つの異なる干渉縞パターンを同時に撮像することができる。従って、単純な演算処理で位相を試料２８の形状に対応する位相を測定することができる。これにより、リアルタイムで、試料２８の形状を測定することができる。なお、受光センサの数は３に限られるものではない。例えば、第１の無偏光ビームスプリッタ２２で分岐された合成光を１つのラインセンサで受光してもよい。このとき、ラインセンサの前には、偏光板を回転可能に設ける。そして、偏光板の回転角度を変化させ、合成光をラインセンサで受光すればよい。
【００５８】
また、ラインセンサは、１次元ＣＣＤセンサに限られるものではない。すなわち、Ｘスキャナ１６の走査方向に対応する方向に沿って検出画素が設けられている受光センサであればよい。また、受光センサを所定の露光時間で信号電荷が蓄積される電荷蓄積方式のセンサとし、受光センサの露光時間をＸスキャナ１６の走査周期より短くすることが好ましい。これにより、１ライン分の検出信号が１回の電荷転送で出力されるため、測定時間を短縮することができる。例えば、ＣＣＤセンサの他、ＣＭＯＳセンサ等を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる測定装置のＰＢＳ２６周辺の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる測定装置のＰＢＳ２６周辺の構成を示す上面図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる測定装置における偏光状態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１１  光源、１２  ミラー型プリズム、１３  ミラー型プリズム、
１４  ビームエキスパンダ、１５  Ｘビームエキスパンダ、１６  Ｘスキャナ、
１７  Ｘビームコンパンダ、１８はフォーカシングレンズ、１９  ミラー型プリズム、
２０  １／２波長板、２１  フォーカシングレンズ、
２２  第１の無偏光ビームスプリッタ、２３  Ｙスキャナ、２４  結像レンズ、
２５  リレーレンズ、２６  偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、
２７  試料用対物レンズ、２８  試料、３０  参照用対物レンズ、
３１  参照用ミラー、３２  焦点調整機構、３３  角度調整機構、
４１  フォーカシングレンズ、４２  １／４波長板、
５０  第２の無偏光ビームスプリッタ、５１  第１偏光板、５２  第１ラインセンサ、
５４  第３の無偏光ビームスプリッタ、５５  第２偏光板、５６  第２ラインセンサ、
５７  第３偏光板、５８  第３ラインセンサ、６０  処理装置、
６１  Ｘスキャナ駆動部、６２  １／２波長板回転機構、６３  Ｙスキャナ駆動部、
【図１】
2007225341.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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