特許 6044315 変位計測方法および変位計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6044315

(24)【登録日】2016年11月25日

(45)【発行日】2016年12月14日

(54)【発明の名称】変位計測方法および変位計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01C 3/06 20060101AFI20161206BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20161206BHJP

【ＦＩ】

   G01C3/06 120P

   G01B11/00 B

【請求項の数】9

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2012-271349(P2012-271349)

(22)【出願日】2012年12月12日

(65)【公開番号】特開2014-115242(P2014-115242A)

(43)【公開日】2014年6月26日

【審査請求日】2015年7月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松井 優貴

(72)【発明者】

【氏名】菅 孝博

(72)【発明者】

【氏名】滝政 宏章

【審査官】 神谷 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２０８１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２８０５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０８１９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３０５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１６３００６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２６１９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５７９０２４２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０７３４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０２４７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０４０７１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｇ０１Ｃ ３／００− ３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

拡散したスペクトルを有する光を点状光源より出射させ、
前記光に軸上色収差を生じさせるとともに、当該軸上色収差を生じさせた光を光学素子によって計測対象物に集光させ、
前記光学素子で集光した光のうち、前記計測対象物において合焦する光を開口に通過させ、
前記開口を通過した光のスペクトルを求め、
前記スペクトルのピーク波長に基づいて、前記光学素子と前記計測対象物との間の距離を前記計測対象物の変位として計測する、変位計測方法であって、
前記計測対象物の分光反射特性を求めるステップと、
前記求められた分光反射特性を用いて、当該分光反射特性が距離の計測にもたらす誤差を軽減するように、前記計測対象物に対して前記光学素子を位置決めして、前記スペクトルの前記ピーク波長に基づいて、前記距離を求めるステップとを備える、変位計測方法。

【請求項2】

前記計測対象物の分光反射特性を求めるステップは、
前記光学素子と前記計測対象物との間の距離を変化させて、各距離において、前記開口を通過した光のスペクトルの極大点を取得するステップを備える、請求項１に記載の変位計測方法。

【請求項3】

前記開口を通過した光のスペクトルの極大点が、前記分光反射特性における極大点または極小点となる、前記光学素子と前記計測対象物との間の距離を検出するステップと、
前記検出された距離を、前記変位の計測を行なうときの前記光学素子と前記計測対象物との間の基準距離に設定するステップとをさらに備える、請求項１に記載の変位計測方法。

【請求項4】

前記検出するステップにおいて、前記分光反射特性の極値点が複数検出された場合には、前記設定するステップにおいて、前記複数の前記極値点のうち、前記光学素子と前記計測対象物との間の距離の変化の範囲である計測範囲の中心に最も近い極値点が得られる距離を前記基準距離に設定する、請求項３に記載の変位計測方法。

【請求項5】

前記検出するステップにおいて、前記分光反射特性の極値点が複数検出された場合には、前記設定するステップにおいて、前記複数の前記極値点のうち、前記光学素子と前記計測対象物との間の距離の変化の範囲である計測範囲の中心に最も近い極大点に対応した距離を前記基準距離に設定する、請求項３または４に記載の変位計測方法。

【請求項6】

前記光学素子が前記光を集光させる前記計測対象物の位置を変化させながら、前記光学素子と前記計測対象物との間の距離と、前記基準距離との間の差異を検出するステップをさらに備える、請求項３に記載の変位計測方法。

【請求項7】

拡散したスペクトルを有する光を出射する点状光源と、
前記光に軸上色収差を生じさせるとともに、当該軸上色収差を生じさせた光を計測対象物に集光させる光学素子と、
前記光学素子で集光した光のうち、前記計測対象物において合焦する光を通過する開口と、
前記開口を通過した光のスペクトルを求めて、前記スペクトルのピーク波長に基づいて、前記光学素子と前記計測対象物との間の距離を前記計測対象物の変位として計測する計測部とを備え、
前記計測部は、前記計測対象物の分光反射特性を求め、
前記光学素子は、前記求められた分光反射特性を用いて、当該分光反射特性が距離の計測にもたらす誤差を軽減するように、前記計測対象物に対して位置決めされる、変位計測装置。

【請求項8】

前記計測部は、前記光学素子と前記計測対象物との間の距離を変化させて、各距離において、前記開口を通過した光のスペクトルの極大点を取得する、請求項７に記載の変位計測装置。

【請求項9】

前記計測部は、
前記開口を通過した光のスペクトルの極大点が、前記分光反射特性における極大点または極小点となる、前記光学素子と前記計測対象物との間の距離を検出して、前記検出された距離を、前記変位の計測を行なうときの前記光学素子と前記計測対象物との間の基準距離に設定する、請求項７に記載の変位計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測するための変位計測方法および、その計測方法を行なうための変位計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、計測対象物の変位を計測するための種々の計測方法および計測装置が提案されている。たとえば特開２０１２−２０８１０２号公報（特許文献１）は、共焦点光学系を利用して計測対象物の変位を計測する共焦点計測装置を開示する。この共焦点計測装置は、白色ＬＥＤと、白色ＬＥＤから出射する光に、光軸方向に沿って色収差を生じさせる回折レンズと、対物レンズと、ピンホールと、ピンホールを通過した光の波長を測定する波長測定部とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−２０８１０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特開２０１２−２０８１０２号公報に開示された共焦点計測装置は、計測対象物からの反射光強度が最大となる波長に基づいて、変位を計測する。計測対象物の反射率の波長依存性が小さい場合には、変位を正確に計測することができる。しかしながら、計測対象物の反射率の波長依存性が大きくなると、変位を正確に計測することが難しくなる。

【0005】

本発明の目的は、計測対象物の反射率の波長依存性による測定への影響を低減可能な変位計測方法および、その計測方法を行なうための変位計測装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

ある局面において、本発明は、拡散したスペクトルを有する光を点状光源より出射させ、前記光に軸上色収差を生じさせるとともに、当該軸上色収差を生じさせた光を光学素子によって計測対象物に集光させ、光学素子で集光した光のうち、計測対象物において合焦する光を開口に通過させ、開口を通過した光のスペクトルを求め、スペクトルのピーク波長に基づいて、光学素子と計測対象物との間の距離を求める、変位計測方法であって、計測対象物の分光反射特性を求めるステップと、求められた分光反射特性を用いて、当該分光反射特性が距離の計測にもたらす誤差を軽減するようにして距離を求めるステップとを備える。

【0007】

好ましくは、計測対象物の分光反射特性を求めるステップは、光学素子と計測対象物との間の距離を変化させて、各距離において、開口を通過した光のスペクトルの極大点を取得するステップを備える。

【0008】

好ましくは、変位計測方法は、開口を通過した光のスペクトルの極大点が、分光反射特性における極大点または極小点となる、光学素子と計測対象物との間の距離を検出するステップと、検出された距離を、変位の計測を行なうときの光学素子と前記計測対象物との間の基準距離に設定するステップとをさらに備える。

【0009】

好ましくは、検出するステップにおいて、分光反射特性の極値点が複数検出された場合には、設定するステップにおいて、複数の極値点のうち、光学素子と計測対象物との間の距離の変化の範囲である計測範囲の中心に最も近い極値点が得られる距離を基準距離に設定する。

【0010】

好ましくは、検出するステップにおいて、分光反射特性の極値点が複数検出された場合には、設定するステップにおいて、複数の極値点のうち、光学素子と計測対象物との間の距離の変化の範囲である計測範囲の中心に最も近い極大点に対応した距離を基準距離に設定する。

【0011】

好ましくは、変位計測方法は、光学素子が光を集光させる計測対象物の位置を変化させながら、光学素子と計測対象物との間の距離と、基準距離との間の差異を検出するステップをさらに備える。

【0012】

他の局面において、本発明は、変位計測装置であって、拡散したスペクトルを有する光を出射する点状光源と、前記光に軸上色収差を生じさせるとともに、当該軸上色収差を生じさせた光を計測対象物に集光させる光学素子と、光学素子で集光した光のうち、計測対象物において合焦する光を通過する開口と、開口を通過した光のスペクトルを求めて、スペクトルのピーク波長に基づいて、光学素子と計測対象物との間の距離を求める計測部とを備える。計測部は、計測対象物の分光反射特性を求め、求められた分光反射特性を用いて、当該分光反射特性が距離の計測にもたらす誤差を軽減するようにして距離を求める。

【0013】

好ましくは、計測部は、光学素子と計測対象物との間の距離を変化させて、各距離において、開口を通過した光のスペクトルの極大点を取得する。

【0014】

好ましくは、計測部は、開口を通過した光のスペクトルの極大点が、分光反射特性における極大点または極小点となる、光学素子と計測対象物との間の距離を検出して、検出された距離を、変位の計測を行なうときの光学素子と前記計測対象物との間の基準距離に設定する。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、計測対象物の反射率の波長依存性による測定への影響を低減できる。したがって、本発明によれば、計測対象物の反射率の波長依存性が大きい場合にも、計測対象物の変位を精度よく計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施の形態に係る変位計測装置である、共焦点計測装置の構成を示す模式図である。

【図2】計測対象物２００の透明薄膜との相対位置の計測に関する第１の例を説明するための図である。

【図3】ヘッド部（センサヘッド）の位置と、スペクトル測定部における受光波形との間の関係を示した波形図である。

【図4】図３に示される受光波形が生じる場合における、ヘッド部１０（センサヘッド）の位置と計測値との間の関係を示したグラフである。

【図5】ヘッド部１０（センサヘッド）の位置と計測値の誤差との間の関係を示したグラフである。

【図6】受光量（図４に示す受光波形から得られる受光強度のピーク値）と計測値誤差との関係を示した図である。

【図7】計測値誤差の生じる原因を説明するための図である。

【図8】計測対象物２００の相対位置の計測に関する第２の例を説明するための図である。

【図9】図８に示される構成により計測対象物の変位を計測した時の計測結果を示した図である。

【図10】計測対象物２００の透明薄膜との相対位置の計測に関する第３の例を説明するための図である。

【図11】計測対象物２００の透明薄膜との相対位置の計測に関する第４の例を説明するための図である。

【図12】本発明の実施の形態１による変位計測の原理を説明するための図である。

【図13】本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置の変位計測方法を説明するためのフローチャートである。

【図14】本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置の変位計測方法を説明するためのフローチャートである。

【図15】分光反射特性において極大点または極小点が複数ある場合に極大点を選択する理由を説明するための図である。

【図16】本発明の実施の形態２に係る計測方法による計測結果を示した図である。

【図17】本発明の実施の形態に係る共焦点計測装置の他の構成例を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

【0018】

図１は、本発明の実施の形態に係る変位計測装置である、共焦点計測装置の構成を示す模式図である。図１に示す共焦点計測装置１００は、共焦点光学系を利用して計測対象物２００の変位を計測する変位計測装置である。

【0019】

共焦点計測装置１００は、ヘッド部１０と、光ファイバ１１と、コントローラ部２０と、モニタ部３０と、移動機構４０とを備えている。ヘッド部１０は、共焦点の光学系を有する。ヘッド部１０とコントローラ部２０とは、光ファイバ１１によって光学的に接続される。モニタ部３０は、コントローラ部２０から出力される信号を表示する。

【0020】

ヘッド部１０は、回折レンズ１と、対物レンズ２と、集光レンズ３とを備えている。回折レンズ１の焦点距離は、回折レンズ１から対物レンズ２までの距離と、対物レンズ２の焦点距離との差より大きくしてある。

【0021】

回折レンズ１は、後述する複数の波長の光を出射する光源（たとえば、白色光源）から出射する光に、光軸の方向に沿って軸上色収差を生じさせる光学素子である。光軸Ａは、回折レンズ１の光軸を示す。なお、回折レンズ１の光軸Ａは、光ファイバ１１から出射される光の光軸および対物レンズ２の光軸に一致する。さらに回折レンズ１の光軸Ａの方向は、共焦点計測装置１００の測定軸の方向（Ｚ方向）に一致する。

【0022】

回折レンズ１の一方の表面には、たとえばキノフォーム形状あるいはバイナリ形状（ステップ形状、階段形状）などの微細な起伏形状が周期的に形成される、あるいは、回折レンズ１の一方の表面に、光の透過率を周期的に変更する振幅型のゾーンプレートが形成される。なお、回折レンズ１の構成は、上記の記載の構成に限定されるものではない。

【0023】

回折レンズ１は、たとえば、ガラスまたは樹脂などの単一材料の基板に、光軸方向に沿って色収差を生じさせるパターンを形成した構成を有していてもよい。代わりに、回折レンズ１は、たとえばガラス基板層および樹脂層で構成されてもよい。樹脂層は、ガラス基板に紫外線硬化樹脂を塗布し、所望のパターンの型を、紫外線硬化樹脂を塗布したガラス基板の面に押し付け、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化することで形成することができる。この方法によれば、製造コストが安価になる。さらに、環境温度による形状の変化が小さいガラス基板が構成の大部分を占めるため、温度特性がよいという利点も有する。なお、軸上色収差を生じさせる光学素子としては、回折レンズ１に限らず、たとえば複数枚のレンズを組み合わせたものであってもよい。

【0024】

対物レンズ２は、回折レンズ１で色収差を生じさせた光を計測対象物２００に集光する光学素子である。また、対物レンズ２は、計測対象物２００からの反射光を平行光へとコリメートする。コリメートされた光は回折レンズ１に入射される。なお、図１に示された構成では、対物レンズ２は、回折レンズ１よりも計測対象物２００側に配置されている。ただし対物レンズ２と回折レンズ１との配置関係はこのように限定されるものではない。

【0025】

複数の波長の光を出射する光源に、白色光源を用いる場合について以下に説明する。白色光源から出射する光は、光ファイバ１１を介してヘッド部１０に導かれている。光ファイバ１１から出射する光を回折レンズ１で有効に利用するには、光ファイバ１１の開口数（ＮＡ：numerical aperture）と回折レンズ１の開口数とを一致させる必要がある。そのため、光ファイバ１１と回折レンズ１との間に集光レンズ３を設けて、光ファイバ１１の開口数と回折レンズ１の開口数とが一致するように調整している。

【0026】

光ファイバ１１は、ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路であるとともに、開口としても機能している。つまり、対物レンズ２で集光した光のうち、計測対象物２００で合焦する光は、光ファイバ１１の開口部で合焦することになる。そのため、光ファイバ１１は、計測対象物２００で合焦しない波長の光を遮光し、計測対象物２００で合焦する光を通過させる開口として機能することになる。ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路に光ファイバ１１を用いることで、ピンホールが不要となる。

【0027】

共焦点計測装置１００は、ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路に光ファイバ１１を用いない構成を有していても良い。ただし当該光路に光ファイバ１１を用いることで、ヘッド部１０をコントローラ部２０に対してフレキシブルに移動させることが可能になる。また、ヘッド部１０からコントローラ部２０までの光路に光ファイバ１１を用いない構成の場合、共焦点計測装置１００にピンホールを備える必要がある。しかし、光ファイバ１１を用いることにより、共焦点計測装置１００は、ピンホールを備える必要がない。

【0028】

計測部としてのコントローラ部２０は、白色光源である白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）２１と、分岐光ファイバ２２と、分光器２３と、撮像素子２４と、制御回路部２５とを備えている。拡散したスペクトルを有する白色光を出射させる点状光源として白色ＬＥＤ２１を用いているが、可視光の波長領域全般において、拡散したスペクトルを有する白色光を出射することができる点状光源であれば他の光源であってもよい。

【0029】

分岐光ファイバ２２は、光ファイバ１１と接続する側に一本の光ファイバ２２ａを有するとともに、その反対側に二本の光ファイバ２２ｂ、２２ｃを有している。光ファイバ２２ｂは白色ＬＥＤ２１に光学的に接続され、光ファイバ２２ｃは分光器２３に光学的に接続される。そのため、分岐光ファイバ２２は、白色ＬＥＤ２１から出射する光を光ファイバ１１に導くとともに、光ファイバ１１を介してヘッド部１０から戻る光を分光器２３に導くことができる。

【0030】

分光器２３は、ヘッド部１０から戻る光を反射する凹面ミラー２３ａと、凹面ミラー２３ａで反射した光が入射する回折格子２３ｂと、回折格子２３ｂから出射する光を集光する集光レンズ２３ｃとを有している。分光器２３は、ヘッド部１０から戻る光の撮像素子２４における合焦位置を波長によって変えることができればよく、ツェルニターナ型、リトロー型などのいずれの構成であってもよい。

【0031】

撮像素子２４は、分光器２３から出射する光の強度を測定する。撮像素子２４は、たとえばラインＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）あるいはラインＣＣＤ（Charge Coupled Device）である。共焦点計測装置１００では、分光器２３および撮像素子２４によって、ヘッド部１０から戻る光の強度を波長ごとに測定し、すなわち、ヘッド部１０から戻る光のスペクトルを求め、強度のピーク値等から合焦している光の波長を特定するスペクトル測定部を構成している。合焦する光の波長と計測対象物２００の変位との関係を予め得ておくことで、計測対象物２００の変位を計測することができる。測定部は、ヘッド部１０から戻る光の強度を波長ごとに測定することができれば、ＣＣＤなどの撮像素子２４の単体で構成してもよい。また、撮像素子２４は、２次元のＣＭＯＳあるいは２次元のＣＣＤであってもよい。

【0032】

制御回路部２５は、白色ＬＥＤ２１、撮像素子２４あるいは移動機構４０などの動作を制御する回路である。

【0033】

モニタ部３０は、撮像素子２４が出力した信号を表示する。たとえば、モニタ部３０は、ヘッド部１０から戻る光のスペクトル波形を描画し、計測対象物の変位がたとえば１２３．４５μｍであることを表示する。

【0034】

移動機構４０は、制御回路部２５の制御により、ヘッド部１０を、共焦点計測装置１００の測定軸に沿った方向（Ｚ方向）に移動させて、ヘッド部１０を位置決めする。移動機構４０によって、ヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離を変更させることができる。

【0035】

制御回路部２５は、移動機構４０によってヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離を変化させ、同時に、スペクトル測定部の受光量を示す信号をスペクトル測定部から取得する。ここで「受光量」とは、スペクトル測定部で取得された受光波形から得られる受光強度のピーク値を意味する。制御回路部２５は、ヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離に対する受光量の変化を示す波形の極値点に対応した位置にヘッド部１０を位置決めする。このときのヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離が、計測対象物２００の変位を計測するときのヘッド部１０と計測対象物２００との間の基準距離となる。

【0036】

「受光量の極値点」とは、受光量の波形における極大点または極小点に相当する。たとえば、距離に対する受光量の変化量が一定の大きさ以下となる部分を極大点または極小点と定義することができる。「極大点」とは、たとえば距離に対する受光量の変化量が正値から次第に減少してある値以下（理想的には０）となる部分である。「極小点」とは、たとえば距離に対する受光量の変化量が負値から次第に増加して（変化量の絶対値は減少する）、ある値（理想的には０）となる部分である。

【0037】

本発明の実施の形態に係る変位計測装置である共焦点計測装置１００は、計測対象物２００からの反射光の受光強度が最大となる波長から変位を計測する。計測対象物の反射率の波長依存性が小さい場合には、正確に距離を計測することができる。しかしながら、たとえば干渉膜が形成された基板の計測の場合には、反射率が波長に応じて大きく変化する。したがって変位の正確な測定が困難になるという課題が生じる。

【0038】

本発明の実施の形態では、変位の計測に先立って、移動機構４０によってヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離を変化させて、測定部の受光量の波形を取得する。その受光量の極大点または極小点に対応する位置にヘッド部１０を位置決めする。これにより計測対象物２００の反射率の波長依存性が大きい場合にも、計測対象物の変位を精度よく計測することができる。

【0039】

この点について、まず、反射率が波長に応じて大きく変化する計測対象物の変位を計測する場合に起こり得る問題点を説明し、次に、本発明の実施の形態に係る共焦点計測装置１００が、そのような課題を解決することができることを説明する。

【0040】

（第１の計測例およびその課題）
図２は、計測対象物２００の透明薄膜との相対位置の計測に関する第１の例を説明するための図である。計測対象物２００の透明薄膜との相対位置の計測は、変位の計測に対応する。図２を参照して、計測対象物２００は、基板２００ａおよび基板２００ａの表面に形成された透明薄膜２００ｂからなる。計測開始時には、計測対象物２００とヘッド部１０（センサヘッド）との間の距離が、所定の距離に定められる。このときのヘッド部１０の位置から計測対象物２００までの距離が基準距離である。この実施の形態では、基準距離を計測中心距離として、ヘッド部１０が＋Ｚ方向および−Ｚ方向に移動可能である。ヘッド部１０の移動範囲が共焦点計測装置１００の「計測範囲」である。

【0041】

計測対象物２００に、ヘッド部１０から光を投光した場合には、透明薄膜２００ｂの表面（透明薄膜２００ｂと空気との界面）において反射光が生じるだけでなく、透明薄膜２００ｂと基板２００ａとの界面においても反射光が生じる。これらの反射光の間で干渉が生じる。

【0042】

この実施の形態では、ヘッド部１０は計測対象物２００に白色光を照射する。干渉光の強度は、透明薄膜の厚さだけでなく、光の波長によっても変化することが知られている（たとえば特開２００２−８１９１９６号公報を参照）。したがって図２に示されるように、透明薄膜が形成された基板に白色光を照射して、その反射光の受光波形を取得すると、波長に応じて受光強度が変化するスペクトルが得られる（たとえば特開２００２−８１９１９６号公報の図７を参照）。

【0043】

図３は、ヘッド部（センサヘッド）の位置と、スペクトル測定部における受光波形との間の関係を示した波形図である。図３を参照して、干渉の影響によって、受光強度のピークの高さが変化する。図３では、異なる線種によって複数の受光波形を示す。

【0044】

図４は、図３に示される受光波形が生じる場合における、ヘッド部１０（センサヘッド）の位置と計測値との間の関係を示したグラフである。図４に示したグラフは、受光波形のピーク位置（図３を参照）から計測値を求めた結果であり、横軸にヘッド部１０の位置を示し、縦軸に計測値を示す。センサヘッド位置に対する計測値の関係は、本来であれば直線の関係である（センサヘッド位置＝計測値）。しかしながら、図４に示されるように、干渉の影響によってセンサヘッド位置に対する計測値の関係は、直線に対してわずかにうねっている線として表される。

【0045】

図５は、ヘッド部１０（センサヘッド）の位置と計測値の誤差との間の関係を示したグラフである。「計測値の誤差」とは、センサヘッド位置に対する計測値の本来の関係（直線）と、実際の関係（うねりを有する線）との間のずれに相当する。本来は、ヘッド部１０（センサヘッド）の位置に関わらず、計測値の誤差は０とならなければならない。しかしながら図５に示されるように、センサヘッド位置に応じて正方向および負方向に交互に振れる誤差が発生する。このような誤差は干渉の影響によるものである。

【0046】

図６は、受光量（図４に示す受光波形から得られる受光強度のピーク値）と計測値誤差との関係を示した図である。図６を参照して、受光量の極値点、すなわち、受光量の波形の極大点または極小点となる部分において、計測値誤差がほぼ０になる。なお、計測値誤差が０であるということは、計測値と真値とが等しいということである。

【0047】

図７は、計測値誤差の生じる原因を説明するための図である。図７を参照して、受光波形は、分光反射特性と共焦点波形との積により得られる。「分光反射特性」は、スペクトル測定部での反射光の受光量の波長依存性として表すことができる。透明薄膜が無い場合、分光反射特性は波長に対して緩やかな変化しか示さない。このため、図７には透明薄膜が無い場合の分光反射特性を示していない。

【0048】

透明薄膜が無い場合には、共焦点波形と受光波形とでは、受光強度がピークとなる波長が同じである。したがって計測誤差は０である。一方、表面に透明薄膜が形成された基板の場合には、干渉のために、波長に対する反射光の受光量が大きく変化する。共焦点波形のピークとなるワーク高さ（波長）において、分光反射特性の変化（傾き）が存在する場合、分光反射特性と共焦点波形との積の結果、受光波形と共焦点波形とで、受光強度がピークとなる波長がずれることが起こりうる。このずれが計測値誤差に相当する。

【0049】

（第２の計測例およびその課題）
図８は、計測対象物２００の相対位置の計測に関する第２の例を説明するための図である。図９は、図８に示される構成により計測対象物の変位を計測した時の計測結果を示した図である。

【0050】

図８および図９を参照して、計測対象物２００では、基板２００ａの表面の一部に透明薄膜２００ｂが形成されている。すなわち、計測対象物２００の表面は、透明薄膜２００ｂが有る部分と、透明薄膜２００ｂが無い部分とが混在している。

【0051】

たとえば基板のそりあるいはうねりの検査のため、計測対象物２００の表面内（たとえばＸ方向に沿って）高さ計測が行なわれる。この場合には、図９に示されるように、透明薄膜２００ｂが有る部分では、干渉の影響によって透明薄膜２００ｂの厚み以上の段差が計測される。さらに、段差の計測値は、ヘッド部１０の高さ位置に応じて変化する。すなわち、使う波長に応じて段差の計測値が変化するという課題がある。

【0052】

（第３の計測例およびその課題）
図１０は、計測対象物２００の透明薄膜との相対位置の計測に関する第３の例を説明するための図である。図１０を参照して、ガラス基板２０１とマスク２０２との間のギャップが特定の距離となるように、ガラス基板２０１とマスク２０２とが配置される。ガラス基板２０１の表面には、透明薄膜２０１ｂが形成されている。この構成において、ガラス基板２０１とマスク２０２との間のギャップが、上記の特定の距離を含む規格の範囲内であるかどうかが検査される。

【0053】

図１１は、計測対象物２００の透明薄膜との相対位置の計測に関する第４の例を説明するための図である。図１１を参照して、基板２００ａは、たとえばガラスなどの透明基板である。この例では、基板２００ａ（透明基板）の厚みが計測される。

【0054】

図１０に示されるように、透明薄膜のある面と、透明薄膜の無い面との間のギャップを計測する場合には、干渉の影響によって、そのギャップの計測値が実際の値からずれるという課題が生じうる。図１１に示された例においても同様に、透明基板の厚み計測を行なった場合には、干渉の影響によって、透明基板の厚みの計測値が実際の値からずれるという課題が生じうる。さらに、ヘッド部１０のＺ方向の位置に応じて、図１０に示すギャップの計測値あるいは図１１に示される透明基板の厚みの計測値が異なるという課題も生じ得る。

【0055】

本発明の実施の形態では、干渉の影響を受けにくい波長を選択して、変位を計測することにより、上記の課題を解決する。以下に、各実施の形態について詳細に説明する。

【0056】

［実施の形態１］
再び図１を参照して、実施の形態１では、移動機構４０によりヘッド部１０をＺ方向に移動させるとともにスペクトル測定部により反射光を受光する。制御回路部２５は、スペクトル測定部から受光量を示す信号を受信する。この信号は、分光反射特性（干渉波形）を示す。

【0057】

制御回路部２５は、移動機構４０を制御して、分光反射特性（干渉波形）における受光量の極大点または極小点に対応する距離となるように、ヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離を調整する。上述のようにヘッド部１０の位置を変化させることにより、ヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離が調整される。

【0058】

図１２は、本発明の実施の形態１による変位計測の原理を説明するための図である。図１２を参照して、分光反射特性の極値点（極大点または極小点の部分）では、ワーク高さ（波長）に対する受光量の変化は小さく、ほぼ一定とみなすことができる。受光波形は、分光反射特性と共焦点波形との積により得られる。したがって受光強度がピークとなる波長を、受光波形と共焦点波形とで一致させることができる。

【0059】

これにより、実施の形態１によれば、ヘッド部１０から透明薄膜２００ｂまでの距離を正確に計測することができる。したがって透明薄膜が形成された基板の反りあるいはうねり、基板とマスクとの間のギャップ、透明基板の厚みなどを正確に計測することができる。

【0060】

図１３は、本発明の実施の形態１に係る共焦点計測装置の変位計測方法を説明するためのフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、主として制御回路部２５により実行される。図１３を参照して、ステップＳ１において、制御回路部２５は、移動機構４０によりヘッド部１０を移動させて、スペクトル測定部の受光量を示す信号（すなわち分光反射特性を示す信号）をスペクトル測定部から取得する。

【0061】

ステップＳ２において、制御回路部２５は、スペクトル測定部より受信した信号に基づいて、計測範囲内における受光量の極大点または極小点を検出する。

【0062】

ステップＳ３において、制御回路部２５は、検出された受光量の極大点または極小点の数が複数であるか否かを判定する。計測範囲内において受光量の極大点または極小点の数が１つである場合、ステップＳ４において、その極大点または極小点に対応する位置を計測開始時のヘッド部１０の位置に決定する。このときのヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離が、計測開始時の距離、すなわち計測中心距離（本発明における「基準距離」に相当）である。

【0063】

一方、計測範囲内において受光量の極大点または極小点の数が複数である場合、ステップＳ５において、制御回路部２５は、計測範囲の中心に最も近い極大点または極小点に対応する位置を計測開始時のヘッド部１０の位置に決定する。これにより計測中心距離が決定される。

【0064】

ステップＳ４またはステップＳ５の処理において、制御回路部２５は、移動機構４０を制御して、ヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離が計測中心距離となるようにヘッド部１０を位置決めする。ステップＳ４またはステップＳ５の処理に続き、ステップＳ６において変位が計測される。たとえば、上記第１〜第３の計測例のいずれかが実行される。なお、第３の計測例の場合には、計測対象物２００をＸ方向に走査して、ヘッド部１０が光を集光させる計測対象物２００の位置を変化させながら、ヘッド部１０と計測対象物２０との間の距離と上記「基準距離」との間の差異が検出される。

【0065】

実施の形態１によれば、変位の計測に先立って、ヘッド部１０を測定軸方向に移動させる。測定部の受光量に基づいて、分光反射特性の波形の極大点または極小点（すなわち受光量の極大点または極小点）となる位置にヘッド部１０が位置決めされる。これにより、変位計測に対する分光反射特性の影響を抑えることができるので、正確な計測が可能になる。したがって、たとえば計測対象物２００の透明薄膜との相対位置を正確に計測することができる。

【0066】

さらに実施の形態１によれば、計測範囲の中に受光量の極大点または極小点が複数ある場合には、計測中心に最も近い受光量の極大点または極小点に対応した位置にヘッド部１０を位置決めする。これにより、白色光源の発光強度が高い波長を用いて計測ができるので、スペクトル測定部からの受光信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。この結果、より正確な計測が可能となる。

【0067】

［実施の形態２］
図１４は、本発明の実施の形態２に係る共焦点計測装置の変位計測方法を説明するためのフローチャートである。図１３および図１４を参照して、実施の形態２に係る変位計測方法は、ステップＳ５に代えてステップＳ５Ａの処理が実行される点において実施の形態１に係る変位計測方法と異なる。ステップＳ５Ａにおいて、制御回路部２５は、計測範囲の中心に最も近い極大点に対応する位置を計測開始時のヘッド部１０の位置に決定して、その位置へとヘッド部１０を位置決めする。

【0068】

図１５は、分光反射特性において極大点または極小点が複数ある場合に極大点を選択する理由を説明するための図である。図１５を参照して、受光強度のピーク位置を示す波長における分光反射特性の受光量をａとし、受光量ａに対応する波長からわずかに短波長側にずれた波長における分光反射特性の受光量をｂとし、受光量ａに対応する波長からわずかに長波長側にずれた波長における分光反射特性の受光量をｃとする。

【0069】

分光反射特性の極大点に相当する位置にヘッド部１０の位置を調整しようとする場合には、ヘッド部１０の位置が極大点に対応した位置からずれると計測値誤差が発生する。しかし、極大点からの位置ずれに対する分光反射特性の変化率が小さい。言い換えると受光量の変化の比率（｜ｂ−ａ｜／ａ、または｜ｃ−ａ｜／ａ）が小さい。このため計測誤差を小さくすることができる。

【0070】

一方、分光反射特性の極小点に相当する位置にヘッド部１０の位置を調整しようとする場合には、ヘッド部１０の位置が極小点の位置からずれたときに誤差が発生する。この場合には、分光反射特性の波形の変化率が急峻である。すなわち受光量の変化の比率（｜ｂ−ａ｜／ａ、または｜ｃ−ａ｜／ａ）が分光反射特性の極大点近傍における受光量の変化の比率に比べて大きい。このため計測誤差が大きくなりやすい。

【0071】

実施の形態２によれば、制御回路部２５は、計測範囲の中心に最も近い極大点に対応する位置にヘッド部１０を位置決めする。したがって、計測誤差をより小さくすることができる。

【0072】

続いて、上記の実施の形態に従って変位計測を測定した結果について説明する。この実施例では、透明基板のうねりの計測を行なった。

【0073】

（１）条件
ヘッド部１０の計測中心距離は２０ｍｍであり、計測範囲は±１ｍｍであった。計測対象物２００に、透明薄膜が表面の一部に形成されたガラス基板を用いた。

【0074】

（２）ヘッド部の高さ調整値の算出
計測対象物２００の透明薄膜部分にヘッド部１０を移動させて、Ｚ方向に２１ｍｍ（計測中心距離に対して−１ｍｍ移動）から１９ｍｍ（計測中心距離に対して＋１ｍｍ移動）までヘッド部１０を移動させて、移動中の計測値と受光量のピークとをプロットした。測定のピッチは２５μｍであった。

【0075】

図１６は、本発明の実施の形態２に係る計測方法による計測結果を示した図である。図１６を参照して、計測中心に最も近い極大点部を求めると、計測値が０．１２５ｍｍとなるところであった。

【0076】

（３）ヘッド部の高さ調整
制御回路部２５により移動機構４０を制御して、共焦点計測装置１００の計測値が０．１２５ｍｍとなるように、ヘッド部１０を移動させた。

【0077】

（４）計測
計測対象物２００（基板）のうねりを計測した。透明薄膜（干渉膜）の影響を受けない正確な計測が可能であることを確認できた。

【0078】

なお、実施の形態１においては、ヘッド部１０の位置に対して分光反射特性の極値点が求められる。しかしながら図１６に示されるように、計測値に対して極値点を求めてもよい。このとき計測値にはわずかな誤差が含まれているが、受光量が極値点となる計測値を求めて、その極値点となる計測値が得られるように、計測値を確認しながらヘッド部１０の位置を調整することによって、ヘッド部１０の位置を分光反射特性の極値点に正確に合わせることができる。

【0079】

また、上記の各実施の形態では、ヘッド部１０が移動される。しかし、図１７に示すように、移動機構４０は、計測対象物２００が載せられたステージ２５０をＺ方向に移動させてもよい。あるいは、移動機構４０は、ヘッド部１０およびステージ２５０の両方を同時にまたは交互に移動可能であってもよい。すなわち移動機構４０は、ヘッド部１０と計測対象物２００との間の測定軸方向の距離を変化させるものであればよい。

【0080】

また、上記の各実施の形態では、移動機構４０を制御する制御回路部はコントローラ部２０の内部に配置されているが、このように限定される必要はない。移動機構４０を制御する制御回路部を、共焦点計測装置１００の外部に設ける構成であってもよい。

【0081】

また、計測対象物の分光反射特性を求める具体的方法および構成は上述のように限定されるものではない。たとえば、特開２００２−８１９１６号公報（たとえば図６）に開示されているような光学系を別途設けて、この光学系によって分光反射特性を求めてもよい。

【0082】

また、求められた分光反射特性を用いて、当該分光反射特性が距離の計測にもたらす誤差を軽減するようにして、ヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離を求めるための具体的方法は、上述のように限定されるものではない。たとえば、計測対象物の分光反射特性を記録しておいて、それを用いて、計測対象物の分光反射特性が平坦であった場合に得られるはずの、開口を通過した光スペクトルを換算して求めて、そのピーク波長に基づいて、ヘッド部１０と計測対象物２００との間の距離を求めてもよい。

【0083】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0084】

１ 回折レンズ、２ 対物レンズ、３，２３ｃ 集光レンズ、１０ ヘッド部、１１，２２ａ〜２２ｃ 光ファイバ、２０ コントローラ部、２１ 白色ＬＥＤ、２２ 分岐光ファイバ、２３ 分光器、２３ａ 凹面ミラー、２３ｂ 回折格子、２４ 撮像素子、２５ 制御回路部、３０ モニタ部、４０ 移動機構、１００ 共焦点計測装置、２００ 計測対象物、２００ａ 基板、２００ｂ，２０１ｂ 透明薄膜、２０１ ガラス基板、２０２ マスク、Ａ 光軸。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】