特許 6820515 表面形状測定装置及び表面形状測定方法

(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】6820515

(24)【登録日】2021年1月7日

(45)【発行日】2021年1月27日

(54)【発明の名称】表面形状測定装置及び表面形状測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20210114BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/24 K

【請求項の数】12

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2017-41711(P2017-41711)

(22)【出願日】2017年3月6日

(65)【公開番号】特開2018-146391(P2018-146391A)

(43)【公開日】2018年9月20日

【審査請求日】2020年1月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100083116

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 憲三

(72)【発明者】

【氏名】森井 秀樹

【審査官】 續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−００１９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０４０６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１７／００５２０１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−１６１３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０３１３６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１６４５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０２９４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４７９８４６９（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／２４

Ｇ０１Ｂ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物を支持する支持部と、
前記測定対象物の被測定面の表面形状を測定する光を出力する光源、前記光源から出力された光を前記被測定面に照射する複数の倍率の異なる対物レンズ、及び前記被測定面の測定画像を取得する撮影部を少なくとも有する光学部と、
前記支持部を前記被測定面の面内方向に移動させる面内方向移動手段と、
前記被測定面の概略形状情報を取得する概略形状取得手段と、
前記概略形状情報に基づいて前記被測定面を傾斜状領域と平坦状領域とで構成される複数の測定面に分割する被測定面分割手段と、
前記分割した前記傾斜状領域と前記平坦状領域とに前記光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて前記複数の対物レンズのうち使用する倍率の対物レンズを選択する対物レンズ選択手段と、
前記分割した前記傾斜状領域と前記平坦状領域とに前記光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて前記光源の光量を調整する光量調整手段と、
前記支持部を前記被測定面の面内方向に移動させることにより、前記分割した各測定面を前記選択した対物レンズ及び前記調整した光量に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定手段と、
前記取得した複数の測定データを接続するデータ接続手段と、を備えた表面形状測定装置。

【請求項2】

前記対物レンズの測定視野は前記測定対象物の被測定面よりも狭く、スティッチング測定により前記被測定面の表面形状を測定する請求項１に記載の表面形状測定装置。

【請求項3】

前記対物レンズを通して前記被測定面に照射した光のうち前記対物レンズに戻り測定に寄与する照射光の測定寄与照射量Ｇを検出する測定寄与照射光量検出手段を設けた請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。

【請求項4】

前記対物レンズ選択手段は前記分割した前記傾斜状領域及び前記平坦状領域について、照射した光の全照射光量Ｆに対する前記測定寄与照射量Ｇの割合Ｇ／Ｆに基づいて使用する倍率の対物レンズを選択する請求項１から３の何れか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項5】

前記光量調整手段は前記分割した前記傾斜状領域及び前記平坦状領域について、前記平坦状領域を測定するときの前記測定寄与照射量Ｇを基準光量とし、前記傾斜状領域を測定するときの前記測定寄与照射量Ｇが前記基準光量になるように前記光源の光量を調整する請求項１から４の何れか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項6】

前記測定対象物の前記被測定面の表面形状はうねり形状である請求項１から５の何れか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項7】

前記概略形状取得手段は、三角測量方式のレーザー変位計、ステレオカメラ、パターン投影装置の何れかである請求項１から６の何れか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項8】

前記概略形状取得手段は、前記測定対象物のＣＡＤデータを保持する保持手段である請求項１から６の何れか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項9】

前記概略形状取得手段は、前記光学部の対物レンズよりも倍率の小さな低倍率レンズを用いた白色干渉計である請求項１から６の何れか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項10】

前記被測定面分割手段で分割された複数の測定面について前記対物レンズ選択手段で選択した対物レンズマップを表示する表示部を有する請求項１から９の何れか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項11】

前記光学部は白色干渉計又はレーザー共焦点顕微鏡である請求項１から１０の何れか１項に記載の表面形状測定装置。

【請求項12】

測定対象物を支持する支持部と、
前記測定対象物の被測定面の表面形状を測定する光を出力する光源、前記光源からの出力された光を前記被測定面に照射する倍率の異なる複数の対物レンズ、及び前記被測定面の測定画像を取得する撮影部を少なくとも有する光学部と、を少なくとも有する表面形状測定装置を用いて前記被測定面の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、
前記被測定面の概略形状情報を取得する概略形状取得工程と、
前記概略形状情報に基づいて前記被測定面を傾斜状領域と平坦状領域とで構成される複数の測定面に分割する被測定面分割工程と、
前記分割した前記傾斜状領域と前記平坦状領域とに前記光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて前記複数の対物レンズのうち使用する倍率の対物レンズを選択する対物レンズ選択工程と、
前記分割した前記傾斜状領域と前記平坦状領域とに前記光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて前記光源の光量を調整する光量調整工程と、
前記支持部を前記被測定面の面内方向に移動させることにより、前記分割した各測定面を前記選択した対物レンズ及び前記調整した光量に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定工程と、
前記取得した複数の測定データを接続するデータ接続工程と、を備えた表面形状測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表面形状測定装置及び表面形状測定方法に係り、特に光源、複数の倍率の異なる対物レンズ、及び測定画像を取得する撮影部を少なくとも有する光学部によって測定対象物の被測定面の表面形状を測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

表面形状測定装置は、測定対象物の被測定面の３次元形状を測定する装置であり、被測定面の表面形状を測定する光を出力する光源、光源から出力された光を被測定面に照射する対物レンズ、及び被測定面の測定画像を取得する撮影部で少なくとも構成された表面形状測定装置としては、例えば白色干渉顕微鏡（特許文献１）あるいはレーザー共焦点顕微鏡が知られている。

【0003】

そして、上記構成の光学部の表面形状測定装置は、測定準備アライメントとして、異なる倍率の複数の対物レンズの中から適正な倍率の対物レンズの選択及び光源の適正な光量調整を少なくとも行う必要がある。この測定準備アライメントを適正に行うか否かによって、被測定面の表面形状の測定精度が異なる。

【0004】

ところで、上記光学部のように対物レンズを備えた表面形状測定装置においては、対物レンズの測定視野等の制限により、１回の測定で測定可能な被測定面の測定範囲に制限がある場合が多い。このため、測定対象物を水平移動可能なステージ上に載置し、被測定面を複数回測定し、その後でソフトウェア処理等を用いて計算することで複数枚の測定データを接続するスティッチング測定を行うことが知られている。

【0005】

したがって、スティッチング測定を高精度に行うには、複数回の測定ごとに対物レンズの倍率選択及び光量調整の測定準備アライメントを適正に行う必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１６−１３６０９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来、対物レンズの選択や光源の光量調整は、操作者の経験に基づいて行っていたので、操作者の習熟度によって表面形状の測定精度にバラツキが生じるという問題があった。特にスティッチング測定においては、複数回の測定ごとの測定精度にバラツキがあると、複数枚の測定データを接続して得られる表面形状の精度が悪くなり深刻な問題であった。

【0008】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、表面形状測定を高精度化できる表面形状測定装置及び表面形状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】

【0009】

本発明の一態様に係る表面形状測定装置は目的を達成するために、測定対象物を支持する支持部と、測定対象物の被測定面の表面形状を測定する光を出力する光源、光源から出力された光を被測定面に照射する複数の倍率の異なる対物レンズ、及び被測定面の測定画像を取得する撮影部を少なくとも有する光学部と、支持部を被測定面の面内方向に移動させる面内方向移動手段と、被測定面の概略形状情報を取得する概略形状取得手段と、概略形状情報に基づいて被測定面を傾斜状領域と平坦状領域とで構成される複数の測定面に分割する被測定面分割手段と、分割した傾斜状領域と平坦状領域とに光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて複数の対物レンズのうち使用する倍率の対物レンズを選択する対物レンズ選択手段と、分割した傾斜状領域と平坦状領域とに光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて光源の光量を調整する光量調整手段と、支持部を被測定面の面内方向に移動させることにより、分割した各測定面を選択した対物レンズ及び調整した光量に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定手段と、取得した複数の測定データを接続するデータ接続手段と、を備えた。光学部としては白色干渉計又はレーザー共焦点顕微鏡を適用することができる。

【0010】

本発明の表面形状測定装置によれば、被測定面の表面形状測定を行う際の対物レンズの選択及び光源の光量調整の測定準備アライメントを適正に行うことができるので表面形状測定を高精度化でき、特にスティッチング測定において有効である。

【0011】

本発明の表面形状測定装置において、対物レンズの測定視野は測定対象物の被測定面よりも狭く、スティッチング測定により被測定面の表面形状を測定することが好ましい。スティッチング測定において本発明は特に有効だからである。

【0012】

本発明の表面形状測定装置としては、光学部は白色干渉計を好適に使用することができる。

【0013】

本発明の表面形状測定装置において、対物レンズを通して被測定面に照射した光のうち対物レンズに戻り測定に寄与する照射光の測定寄与照射量Ｇを検出する測定寄与照射光量検出手段を設けることが好ましい。

【0014】

そして、対物レンズ選択手段は分割した傾斜状領域と平坦状領域とについて、照射した光の全照射光量Ｆに対する測定寄与照射量Ｇの割合Ｇ／Ｆに基づいて使用する倍率の対物レンズを選択する。これにより、傾斜状領域と平坦状領域とによって測定を高精度に行うための適正な倍率の対物レンズを選択することができる。

【0015】

また、光量調整手段は分割した傾斜状領域及び平坦状領域について、平坦状領域を測定するときの測定寄与照射量Ｇを基準光量とし、傾斜状領域を測定するときの測定寄与照射量Ｇが基準光量になるように光源の光量を調整する。これにより、傾斜状領域と平坦状領域とによって測定を高精度に行うための適正な光源光量を調整することができる。

【0016】

本発明の表面形状測定装置において、測定対象物の被測定面の表面形状はうねり形状であることが好ましい。測定対象物の被測定面の表面形状である場合において本発明は特に有効だからである。

【0017】

本発明の表面形状測定装置において、概略形状取得手段は、三角測量方式のレーザー変位計、ステレオカメラ、パターン投影装置の何れかであることが好ましい。

【0018】

本発明の表面形状測定装置において、概略形状取得手段は、測定対象物のＣＡＤデータを保持する保持手段であることが好ましい。

【0019】

本発明の表面形状測定装置において、概略形状取得手段は、光学部の対物レンズよりも倍率の小さな低倍率レンズを用いた白色干渉計であることが好ましい。

【0020】

本発明の表面形状測定装置において、被測定面分割手段で分割された複数の測定面について対物レンズ選択手段で選択した対物レンズマップを表示する表示部を有することが好ましい。

【0021】

本発明の一態様に係る表面形状測定方法は目的を達成するために、測定対象物を支持する支持部と、測定対象物の被測定面の表面形状を測定する光を出力する光源、光源からの出力された光を被測定面に照射する倍率の異なる複数の対物レンズ、及び被測定面の測定画像を取得する撮影部を少なくとも有する光学部と、を少なくとも有する表面形状測定装置を用いて被測定面の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、被測定面の概略形状情報を取得する概略形状取得工程と、概略形状情報に基づいて被測定面を傾斜状領域と平坦状領域とで構成される複数の測定面に分割する被測定面分割工程と、分割した傾斜状領域と平坦状領域とに光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて複数の対物レンズのうち使用する倍率の対物レンズを選択する対物レンズ選択工程と、分割した傾斜状領域と平坦状領域とに光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて光源の光量を調整する光量調整工程と、支持部を被測定面の面内方向に移動させることにより、分割した各測定面を選択した対物レンズ及び設定した光量に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定工程と、取得した複数の測定データを接続するデータ接続工程と、を備えた。

【0022】

本発明の表面形状測定方法によれば、被測定面の表面形状測定を行う際の対物レンズの選択及び光源の光量調整の測定準備アライメントを適正に行うことができるので表面形状測定を高精度化でき、特にスティッチング測定において有効である。

【発明の効果】

【0023】

本発明の表面形状測定装置及び表面形状測定方法によれば、被測定面の表面形状測定を行う際の対物レンズの選択及び光源の光量調整の測定準備アライメントを適正に行うことができるので表面形状測定を高精度化できる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施の形態の表面形状測定装置の全体構成図

【図2】光学部の干渉部に設けられた倍率の異なる複数の種類の対物レンズの一例を示す概念図

【図3】撮像素子の撮像面のｘｙ座標上における干渉縞の画素配列を示した図

【図4】干渉部のｚ位置と輝度値との関係及び干渉縞曲線を例示した図

【図5】被測定面の異なる点の異なるｚ座標値と干渉縞曲線との関係を例示した図

【図6】スティッチング測定による表面形状測定の説明図

【図7】うねり形状の被測定面を有する測定対象物の一例を示す斜視図

【図8】概略形状取得手段の一態様のレーザー変位計を説明する説明図

【図9】概略形状取得手段の一態様のステレオカメラを説明する説明図

【図10】概略形状取得手段の一態様の白色干渉計を説明する説明図

【図11】表面形状測定装置の処理部に搭載した被測定面分割手段、対物レンズ選択手段、光量調整手段、測定面形状測定手段、データ接続手段の説明図

【図12】段差閾値の説明図

【図13】うねり形状の被測定面を傾斜角度調整と平坦状領域との複数の測定面に分割した一例を説明する説明図

【図14】対物レンズ選択手段によって傾斜状領域と平坦状領域とに倍率の異なる対物レンズを選択する一例を説明する説明図

【図15】見込角θ１の対物レンズで傾斜角度θ２の被測定面に光を照射したときの光の挙動を説明する説明図

【図16】被測定面の傾斜角度と、全照射光量に対する測定に寄与する測定寄与照射光量の割合との関係を表したグラフ

【図17】本発明の実施の形態の表面形状測定方法のフローチャート

【図18】対物レンズマップの説明図

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、添付図面にしたがって本発明の表面形状測定装置及び表面形状測定方法の好ましい実施の形態について説明する。

【0026】

本発明は以下の好ましい実施の形態により説明される。本発明の範囲を逸脱することなく、多くの手法により変更を行うことができ、本実施の形態以外の他の実施の形態を利用することができる。したがって、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

【0027】

ここで、図中、同一の記号で示される部分は、同様の機能を有する同様の要素である。また、本明細書中で、数値範囲を“ 〜 ”を用いて表す場合は、“ 〜 ”で示される上限、下限の数値も数値範囲に含むものとする。

【0028】

［表面形状測定装置］
本実施の形態の表面形状測定装置では、測定対象物の被測定面の表面形状を測定する光を出力する光源、光源から出力された光を被測定面に照射する対物レンズ、及び被測定面の測定画像を取得する撮影部を少なくとも有する光学部として、垂直走査型の白色干渉計の例で以下に説明する。

【0029】

また、対物レンズの測定視野が測定対象物の被測定面よりも小さくスティッチング測定を行う場合で説明する。

【0030】

図１は、本発明の実施の形態の表面形状測定装置の全体構成を示した構成図である。

【0031】

図１における表面形状測定装置１は、マイケルソン型の干渉計を用いて測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状等を非接触により３次元測定する所謂、マイケルソン型の走査型白色干渉計（顕微鏡）であり、測定対象物Ｐの干渉縞（干渉画像）を取得する光学部２と、測定対象物Ｐが載置される支持部としてのステージ１０と、表面形状測定装置１の各種制御や光学部２により取得された干渉縞像に基づいて各種演算処理を行うパーソナルコンピュータ等の演算処理装置からなる処理部１８等を備える。

【0032】

なお、本実施の形態では、マイケルソン型の走査型白色干渉計の例で説明するが、周知のミロー型の走査型白色干渉計であってもよい。また、測定対象物Ｐが配置される測定空間において、互いに直交する水平方向の２つの座標軸をｘ軸（紙面に平行する軸）とｙ軸（紙面に直交する軸）とし、ｘ軸及びｙ軸に直交する鉛直方向の座標軸をｚ軸とする。ｚ軸は後記する測定光軸Ｚ−０に平行である。そして、処理部１８は、被測定面Ｓ上の点をｘ軸のｘ座標、ｙ軸のｙ座標、ｚ軸のｚ座標で示すｘｙｚ座標をもっており、被測定面Ｓの３次元位置を得ることができる。

【0033】

ステージ１０は、ｘ軸及びｙ軸に略平行する平坦面であって測定対象物Ｐを載置するステージ面１０Ｓを有する。また、ステージ１０は、ステージ１０を光学部２に対して相対的に被測定面Ｓの面内方向に水平移動させる面内方向移動手段３５と、を備えている。

【0034】

面内方向移動手段３５は、ｘアクチュエータ３４とｙアクチュエータ３６とで構成される。そして、ステージ１０は、ｘアクチュエータ３４の駆動によりｘ軸方向に水平移動し、ｙアクチュエータ３６の駆動によりｙ軸方向に水平移動する。このステージ１０のｘ軸方向及びｙ軸方向への移動により、ステージ１０に載置された測定対象物Ｐの被測定面Ｓを光学部２に対して移動させる。

【0035】

なお、ｘアクチュエータ３４及びｙアクチュエータ３６のように本明細書においてアクチュエータという場合には、ピエゾアクチュエータやモータなどの任意の駆動装置を示す。

【0036】

また、ステージ面１０Ｓに対向する位置、即ち、ステージ１０の上側には、筐体２Ａ（図２参照）により一体的に保持された光学部２が配置される。

【0037】

光学部２は、ｘ軸に平行な光軸Ｚ−１を有する光源部１２と、ｚ軸に平行な光軸（測定光軸Ｚ−０）を有する干渉部１４と、撮影部１６とを有する。光源部１２の光軸Ｚ−１は、干渉部１４及び撮影部１６の測定光軸Ｚ−０に対して直交し、干渉部１４と撮影部１６との間において測定光軸Ｚ−０と交差する。なお、光軸Ｚ−１は、必ずしもｘ軸と平行でなくてもよい。

【0038】

光源部１２は、測定対象物Ｐを照明する照明光として波長幅が広い白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を出射する光源４０と、光源４０から拡散して出射された照明光を略平行な光束に変換するコレクタレンズ４２とを有する。光源４０及びコレクタレンズ４２の各々の中心とする軸は光源部１２の光軸Ｚ−１として同軸上に配置される。

【0039】

また、光源４０としては、発光ダイオード、半導体レーザー、ハロゲンランプ、高輝度放電ランプなど、任意の種類の発光体を用いることができる。

【0040】

この光源部１２から出射された照明光は、干渉部１４と撮影部１６との間に配置され、光軸Ｚ−１と測定光軸Ｚ−０とが交差する位置に配置されたハーフミラー等のビームスプリッタ４４に入射する。そして、ビームスプリッタ４４（ビームスプリッタ４４の平坦な光分割面（反射面））で反射した照明光が光軸Ｚ−０に沿って進行して干渉部１４に入射する。

【0041】

干渉部１４は、マイケルソン型干渉計により構成され、光源部１２から入射した照明光を測定光と参照光とに分割する。そして、測定光を測定対象物Ｐに照射するとともに参照光を参照ミラー５２に照射し、測定対象物Ｐから戻る測定光と参照ミラー５２から戻る参照光とを干渉させた干渉光を生成する。

【0042】

干渉部１４は、集光作用を有し、倍率の異なる複数の対物レンズ５０と、光を反射する参照面であって平坦な反射面を有する参照ミラー５２と、光を分割する平坦な光分割面を有するビームスプリッタ５４を有する。対物レンズ５０、参照ミラー５２、及びビームスプリッタ５４の各々の中心とする軸は干渉部１４の測定光軸Ｚ−０として同軸上に配置される。参照ミラー５２の反射面はビームスプリッタ５４の側方位置に、測定光軸Ｚ−０と平行に配置される。

【0043】

図２は、光学部２の干渉部１４に設けられた対物レンズ５０を示す概念図である。

【0044】

図２に示すように、光学部２を保持する筐体２Ａの被測定面Ｓ側の面にはレボルバー２Ｂが設けられ、レボルバー２Ｂには低倍率レンズ５０Ａ，中倍率レンズ５０Ｂ、高倍率レンズ５０Ｃが固定されている。そして、処理部１８の指示でレボルバー２Ｂを回転させることにより干渉部１４の測定走査に用いる対物レンズ５０を選択することができる。

【0045】

なお、対物レンズ５０は上記の３種類に限定するものではなく、低倍率レンズ５０Ａ，中倍率レンズ５０Ｂ、高倍率レンズ５０Ｃのうちの２つを組み合わせてもよく、あるいは４つ以上の対物レンズ５０を設けて倍率を細かく分けてもよい。

【0046】

図１に戻って、光源部１２から干渉部１４に入射した照明光は、対物レンズ５０により集光作用を受けた後、ビームスプリッタ５４に入射する。

【0047】

ビームスプリッタ５４は、例えばハーフミラーであり、ビームスプリッタ５４に入射した照明光は、ビームスプリッタ５４を透過する測定光と、ビームスプリッタ５４の光分割面で反射する参照光とに分割される。

【0048】

ビームスプリッタ５４を透過した測定光は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射された後、被測定面Ｓから干渉部１４へと戻り、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４を透過した測定光が対物レンズ５０に入射する。

【0049】

一方、ビームスプリッタ５４で反射した参照光は、参照ミラー５２の光反射面で反射した後、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４で反射した参照光が対物レンズ５０に入射する。

【0050】

これにより、干渉部１４から測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射されて干渉部１４に戻る測定光と、参照ミラー５２で反射した参照光とが重ね合わされた干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズ５０により集光作用を受けた後、干渉部１４から撮影部１６に向けて出射される。

【0051】

また、照明光が測定光と参照光とに分割された後、測定光と参照光とが重ね合わされるまでの測定光と参照光の各々が通過した光路の光学的距離を、測定光の光路長及び参照光の光路長といい、それらの差を測定光と参照光の光路長差というものとする。

【0052】

干渉部１４を測定光の測定光軸Ｚ−０（ｚ軸）に沿って垂直方向に測定走査することで測定光の光路長を変化させる走査手段としての干渉部アクチュエータ５６を有する。そして、干渉部アクチュエータ５６の駆動により干渉部１４がｚ軸方向（測定走査方向）に移動する。これにより、対物レンズ５０の焦点面の位置（高さ）がｚ軸方向に移動すると共に、被測定面Ｓとビームスプリッタ５４との距離が変化することで測定光の光路長が変化し、測定光と参照光との光路長差が変化する。

【0053】

撮影部１６は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの各点に照射された測定光と、参照光とによる干渉光の輝度情報から干渉縞を取得する干渉縞取得部であり、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラに相当し、ＣＣＤ型の撮像素子６０と、結像レンズ６２とを有する。撮像素子６０と結像レンズ６２の各々の中心とする軸は撮影部１６の測定光軸Ｚ−０として同軸上に配置される。なお、撮像素子６０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像素子等、任意の撮像手段を用いることができる。

【0054】

干渉部１４から出射された干渉光は、上述のビームスプリッタ４４に入射し、ビームスプリッタ４４を透過した干渉光が撮影部１６に入射する。

【0055】

撮影部１６に入射した干渉光は、結像レンズ６２により撮像素子６０の撮像面６０Ｓに干渉縞像を結像する。ここで、結像レンズ６２は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの測定光軸Ｚ−０周辺の領域に対する干渉縞像を高倍率に拡大して撮像素子６０の撮像面６０Ｓに結像する。

【0056】

また、結像レンズ６２は、干渉部１４の対物レンズ５０の焦点面上における点を、撮像素子６０の撮像面上の像点として結像する。即ち、撮影部１６は、対物レンズ５０の焦点面の位置にピントが合うように（合焦するように）設計されている。

【0057】

撮像素子６０の撮像面６０Ｓに結像された干渉縞像は、撮像素子６０により電気信号に変換されて干渉縞として取得される。そして、その干渉縞は、処理部１８に与えられる。

【0058】

以上のように光源部１２、干渉部１４、及び撮影部１６等により構成される光学部２は、全体が一体的としてｚ軸方向に直進移動可能に設けられる。例えば、光学部２は、ｚ軸方向に沿って立設された不図示のｚ軸ガイド部に直進移動可能に支持される。そして、ｚアクチュエータ７０の駆動により光学部２全体がＺ軸方向に直進移動する。これにより、干渉部１４をｚ軸方向に移動させる場合よりも、撮影部１６のピント位置をｚ軸方向に大きく移動させることができ、例えば、測定対象物Ｐの厚さ等に応じて撮影部１６のピント位置を適切な位置に調整することができる。

【0059】

処理部１８は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状を測定する際に、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向に移動させながら撮影部１６の撮像素子６０から干渉縞を順次取得する。そして、取得した干渉縞に基づいて被測定面Ｓの３次元形状データを被測定面Ｓの表面形状を示すデータとして取得する。

【0060】

ここで、処理部１８が干渉縞に基づいて被測定面Ｓの３次元形状データを取得する処理について説明する。

【0061】

撮影部１６の撮像素子６０は、ｘ軸及びｙ軸からなるｘｙ平面（水平面）に沿って２次元的に配列された多数の受光素子（画素）から構成されている。そして、各画素において受光される干渉縞の輝度値、即ち、撮像素子６０により取得される干渉縞の各画素の輝度値は、各画素に対応する被測定面Ｓの各点で反射した測定光と参照光との光路長差に応じた干渉光の強度（輝度情報）を示す。

【0062】

ここで、図３に示すように、撮像素子６０の撮像面６０Ｓのｘｙ座標上の干渉縞におけるｍ列目、ｎ行目の画素を（ｍ，ｎ）を表すものとする。そして、画素（ｍ，ｎ）のｘ軸方向に関する位置（以下、ｘ軸方向に関する位置を「ｘ位置」という）を示すｘ座標値をｘ（ｍ，ｎ）と表するものとする。そして、ｙ軸方向に関する位置（以下、ｙ軸方向に関する位置「ｙ位置」という）を示すｙ座標値をｙ（ｍ，ｎ）と表すものとする。

【0063】

また、画素（ｍ，ｎ）に対応する測定対象物Ｐの被測定面Ｓ上の点のｘ位置を示すｘ座標値をＸ（ｍ，ｎ）と表し、ｙ位置を示すｙ座標値をＹ（ｍ，ｎ）と表すものとし、その点をｘｙ座標値により（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））と表すものとする。
なお、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点とは、ピントが合っている状態において画素（ｍ，ｎ）の位置に像点が結像される被測定面Ｓ上の点を意味する。

【0064】

このとき、撮像素子６０により取得される干渉縞の画素（ｍ，ｎ）の輝度値は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長差に応じた大きさを示す。

【0065】

即ち、図１の干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に測定走査させて光学部２（撮影部１６）に対する干渉部１４の相対的なｚ軸方向の位置（以下、「ｚ位置」という）を変位させると、撮影部１６のピント位置（対物レンズ５０の焦点面）もｚ軸方向に移動し、ピント位置も干渉部１４と同じ変位量で変位する。また、ピント位置が変位すると、被測定面Ｓの各点に照射される測定光の光路長も変化する。

【0066】

そして、干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置を変位させながら、即ち、測定光の光路長を変化させながら、撮像素子６０から干渉縞を順次取得して干渉縞の任意の画素（ｍ，ｎ）の輝度値を検出する。

【0067】

ここで、処理部１８は、干渉部１４の所定の基準位置からの変位量（干渉部１４のｚ位置）を、ポテンショメータやエンコーダなどの不図示の位置検出手段からの検出信号により検出することができる。または、位置検出手段を使用することなく干渉部１４のｚ位置を制御する場合、例えば、干渉部アクチュエータ５６に与える駆動信号により一定変位量ずつ干渉部１４を移動させる場合には、その総変位量により検出することができる。

【0068】

そして、干渉部１４が基準位置のときのピント位置のｚ位置を測定空間におけるｚ座標の基準位置（原点位置）として、かつ、干渉部１４の基準位置からの変位量をピント位置のｚ座標値として取得することができる。なお、ｚ座標値は、原点位置よりも高い位置（撮影部１６に近づく位置）を正側、低い位置（ステージ面１０Ｓに近づく位置）を負側とする。また、干渉部１４の基準位置、即ち、ｚ座標の原点位置は任意のｚ位置に設定、変更することができる。

【0069】

図４の（Ａ）〜（Ｃ）は、干渉部１４を測定対象物Ｐの被測定面Ｓに近接した位置からｚ軸方向に上昇させながら撮影部１６の撮像素子６０から画像を取得したときの干渉部１４のｚ位置と輝度値との関係を示した図である。

【0070】

図４の（Ａ）のように、測定光の光路長Ｌ１が参照光の光路長Ｌ２よりも小さいと干渉は小さく、輝度値は略一定となる。そして、図４の（Ｂ）のように、測定光の光路長Ｌ１と参照光の光路長Ｌ２とが同じ、即ち光路長差が０となる場合に干渉が大きくなり、最も大きな輝度値を示す。さらに、図４の（Ｃ）のように、測定光の光路長Ｌ１が参照光の光路長Ｌ２よりも大きいと再び干渉は小さくなり、輝度値は略一定となる。これにより、図４の（Ｄ）に示す干渉縞曲線Ｑに沿った輝度値が得られる。

【0071】

即ち、任意の画素（ｍ，ｎ）における干渉縞曲線Ｑは、その画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長差が所定値より大きい場合には略一定の輝度値を示し、光路長差がその所定値より小さいときには、光路長差が減少するにつれて輝度値が振動すると共にその振幅が大きくなる。

【0072】

したがって、図４（Ｄ）に示すように、干渉縞曲線Ｑは、測定光と参照光との光路長が一致したときに（光路長差が０のときに）、最大値を示すと共に、その干渉縞曲線Ｑの包絡線における最大値を示す。

【0073】

また、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長は、撮影部１６のピント位置が被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致したときに一致する。

【0074】

したがって、干渉縞曲線Ｑが最大値を示すとき（又は干渉縞曲線Ｑの包絡線が最大値を示すとき）のピント位置は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致しており、そのときのピント位置のｚ座標値は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

【0075】

以上のことから、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動させながら（測定光の光路長を変化させながら）、撮像素子６０から干渉縞を順次取得し、各画素（ｍ，ｎ）の輝度値をピント位置のｚ座標値に対応付けて取得する。即ち、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉縞の各画素（ｍ，ｎ）の輝度値を取得する。そして、各画素（ｍ，ｎ）について、図３（Ｄ）のような干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値（干渉縞位置）を、各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）として検出する。

【0076】

なお、Ｚ（ｍ，ｎ）は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

【0077】

また、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出する方法は周知であり、どのような方法を採用してもよい。例えば、ピント位置の微小間隔ごとのｚ座標値において干渉縞を取得することで、各画素（ｍ，ｎ）について、図３（Ｄ）のような干渉縞曲線Ｑを実際に描画することができる程度に輝度値を取得することができる。そして、取得した輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

【0078】

または、ピント位置の各ｚ座標値において取得した輝度値に基づいて最小二乗法等により干渉縞曲線Ｑを推測し、又は、干渉縞曲線Ｑの包絡線を推測する。そして、その推測した干渉縞曲線Ｑ又は包絡線に基づいて輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

【0079】

以上のようにして、処理部１８は、干渉縞（撮像素子６０の撮像面６０Ｓ）の各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を検出することで、被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））の相対的な高さを検出することができる。

【0080】

そして、被測定面Ｓ上の各点のｘ座標値Ｘ（ｍ，ｎ）、ｙ座標値Ｙ（ｍ，ｎ）、及びｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を被測定面Ｓの３次元形状データ（表面形状を示すデータ）として取得することができる。

【0081】

例えば、図５に示すようにｘ軸方向に並ぶ３つの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３が相違する場合に、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉縞のそれらの画素の輝度値を取得する。その結果、それらの画素の各々に関してピント位置がｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３のときに輝度値が最大値を示す干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が取得される。したがって、それらの干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、それらの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３を検出することができる。このようにして、被測定面Ｓの３次元形状データを取得することにより、測定対象物Ｐの表面形状測定を行う。

【0082】

上述のように光学部２として垂直走査型の白色干渉計を使用した場合、干渉部１４に使用する対物レンズ５０の最大撮影面積である測定視野Ｗ等の制限により、１回の測定で測定可能な被測定面Ｓの測定視野に制限がある場合が多い。

【0083】

このため、図６に示すように、測定対象物Ｐをｘ軸方向及びｙ軸方向に水平移動可能なステージ１０上に載置し、測定対象物Ｐの被測定面Ｓを一定の割合で測定範囲が重なるように移動させながら複数回測定する。そして、その後でソフトウェア処理等を用いて計算することで複数枚の測定データを接続することにより被測定面Ｓの表面形状を測定するスティッチング測定を行う。

【0084】

なお、本実施の形態では、被測定面Ｓを一定の割合で測定範囲が重なるように測定する例で説明するが、重ねない場合もありえる。図６のＷは対物レンズ５０の測定視野を示しているが、実際には幅がＷの正方形の面積である。

【0085】

ところで、従来技術でも述べたように、光源４０、倍率の異なる複数の対物レンズ５０、及び撮影部１６を備えた光学部２を有する表面形状測定装置１においては、測定準備アライメントとして、干渉部１４に設けられた複数の倍率の異なる対物レンズ５０の選択及び光源４０の光量調整を少なくとも行う必要がある。

【0086】

この測定準備アライメントを適正に行うか否かによって、表面形状の測定精度が異なる。特に、図７に示すように、表面形状が傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋを有するうねり形状の被測定面Ｓを複数回測定し、その後に複数枚の測定データを接続するスティッチング測定を行う場合、傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとの測定精度にバラツキが生じ易い。したがって、複数回の測定ごとに対物レンズ５０の選択及び光源４０の光量調整に関する測定準備アライメントを適正に行わないと、表面形状測定の精度が悪くなる。

【0087】

そこで、本発明の実施の形態の表面形状測定装置１は、上記の基本構成に加えて、表面形状測定を高精度に行うための以下の構成を備えるようにした。

【0088】

即ち、図１に示すように、主として、概略形状取得手段７２と、被測定面分割手段７４と、対物レンズ選択手段７５と、光量調整手段７６と、測定面形状測定手段７７と、データ接続手段７８と、を備えた。

【0089】

（概略形状取得手段）
概略形状取得手段７２は、被測定面Ｓの概略形状情報を取得するものであり、被測定面Ｓにおける傾斜状領域Ｄ（図７参照）と平坦状領域Ｋ（図７参照）とを識別できる程度の比較的低精度のものでよく、高速かつ広範囲で測定が可能であることが優先される。概略形状取得手段７２としては、次の３通りのものを採用することが好ましい。

【0090】

１つ目の概略形状取得手段７２は、三角測量方式のレーザー変位計、ステレオカメラ、パターン投影装置、等を別途設ける場合である。図８は三角測量方式のレーザー変位計７２Ａを被測定面Ｓの面内方向に沿って移動させることにより被測定面Ｓの傾斜状領域Ｄや平坦状領域Ｋの概略形状を取得している概念図である。

【0091】

三角測量方式のレーザー変位計７２Ａは、測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射されたレーザーの拡散反射の一部が受光レンズを通過して受光素子上にスポットを形成し、測定対象物Ｐまでの距離が変位すると、スポットも移動する。そのスポット位置を検出することにより被測定面Ｓの概略形状を測定する方法である。反射光のなかの拡散反射光を受光することにより、測定範囲を広くとることができる。

【0092】

ステレオカメラ７２Ｂは、測定対象物Ｐの被測定面Ｓを複数の異なる方向から同時に撮影することにより、その奥行き方向の情報も記録でき、１台で両眼視差を再現し、立体的な空間把握のできる立体写真の撮影が可能である。

【0093】

図９は２つのカメラ７３で測定対象物Ｐの被測定面Ｓを撮像している図であり、これにより被測定面Ｓの概略形状を取得することができる。

【0094】

図示しないが、パターン投影法は、パターン光を測定対象物Ｐの被測定面Ｓに投影し、画像に写ったパターン上の点の三次元座標を求める方法である。そして、パターン上の各点から三角測量の原理で、それらの点に対応する三次元座標で三次元形状データを取得することにより被測定面Ｓの概略形状を取得することができる。

【0095】

これらの三角測量方式のレーザー変位計７２Ａ、ステレオカメラ７２Ｂ、パターン投影装置等の概略形状取得手段７２は公知のものを使用することができる。

【0096】

レーザー変位計７２Ａ、ステレオカメラ７２Ｂ、パターン投影装置等の新たに設置が必要な概略形状取得手段７２は、図１に示すように例えば光学部２の側方位置に配置される。また、ステージ１０を光学部２の下方位置と概略形状取得手段７２の下方位置とに往復移動させるステージ移動手段８０が設けられる。これにより、概略形状取得手段７２によりステージ１０上に載置された測定対象物Ｐの被測定面Ｓの概略形状が取得されると、ステージ移動手段８０によってステージ１０が光学部２の下方まで移動する。なお、本実施の形態では、１つのステージ１０を光学部２の下方位置と概略形状取得手段７２の下方位置とで移動させるようにしたが、概略形状取得手段７２のためのステージを別途設け、概略形状取得手段７２による概略形状取得が終了したら、ユーザが測定対象物Ｐをステージ１０に載せ変えるようにしてもよい。

【0097】

２つ目の概略形状取得手段７２は、測定対象物ＰのＣＡＤ（computer-aided-design）データを保持する保持手段（図示せず）であり、処理部１８の記憶手段を使用することができる。このように、測定対象物ＰのＣＡＤデータを保持する保持手段を概略形状取得手段７２として利用すれば、１つ目の概略形状取得手段７２のように、概略形状取得手段７２を別途設ける必要がない。また、保持手段に保持されたＣＡＤデータは既に測定対象物Ｐの３次元形状データを有している。これにより、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの概略形状を測定する必要もないので、測定の時間短縮に寄与する。

【0098】

３つ目の概略形状取得手段７２は、干渉部１４の対物レンズ５０として広い範囲を高速で測定できる低倍率レンズを用いた白色干渉計で概略形状を事前測定する場合である。この場合は、本実施の形態の表面形状測定装置１の干渉部１４に既設の対物レンズ５０における低倍率レンズ５０Ａを使用することで構成できる。したがって、３つ目の概略形状取得手段７２の場合にも、概略形状取得手段７２を別途設ける必要がない。

【0099】

そして、図１０に示すように、低倍率レンズ５０Ａに切り替えた干渉部１４により、被測定面Ｓの複数の特徴点近傍をサンプリング測定することで、被測定面Ｓの概略形状を取得することができる。特徴点は例えば被測定面Ｓの段差エッジ部分等である。

【0100】

これらの概略形状取得手段７２で取得された被測定面Ｓの概略形状情報は被測定面分割手段７４に送られる。

【0101】

（被測定面分割手段）
被測定面分割手段７４は、概略形状取得手段７２によって取得した概略形状情報に基づいて被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとで構成され１つの面積が対物レンズ５０の測定視野Ｗ以下の複数の測定面Ｎに分割するものである。

【0102】

ここで、傾斜状領域Ｄ及び平坦状領域Ｋとは、概略形状情報を表示部２０（図１参照）に表示したときに、被測定面Ｓ全体の概観として傾斜状に見える領域と平坦状に見える領域を言い、被測定面Ｓの細かな凹凸を拡大したときの傾斜や平坦は含まない。

【0103】

また、傾斜状領域Ｄとは傾斜面及びその近傍領域を言い、傾斜面が１つであることに限らず、傾斜角度の異なる傾斜面が繋がっている場合も含む。平坦状領域Ｋとは平坦面及びその近傍領域を言い、平坦とは略平坦であればよい。

【0104】

図１１は、被測定面分割手段７４、及び詳細を後記する対物レンズ選択手段７５、光量調整手段７６、測定面形状測定手段７７、データ接続手段７８をパーソナルコンピュータ等の演算処理装置からなる処理部１８に搭載した場合である。

【0105】

なお、被測定面分割手段７４、対物レンズ選択手段７５、光量調整手段７６、測定面形状測定手段７７、及びデータ接続手段７８は、処理部１８に搭載せずに専用のハードウェアとして構成することもできるが、本実施の形態では、処理部１８において実行されるプログラムを用いて構築される。即ち、処理部１８のＣＰＵ（Central-Processing-Unit）が演算処理装置を構成し、被測定面分割手段７４、対物レンズ選択手段７５、光量調整手段７６、測定面形状測定手段７７、データ接続手段７８として機能する。

【0106】

図１１に示すように、処理部１８は被測定面分割手段７４、対物レンズ選択手段７５、光量調整手段７６、測定面形状測定手段７７と、データ接続手段７８を搭載し、概略形状取得手段７２からの概略形状情報が被測定面分割手段７４に入力される。また、概略形状取得手段７２における概略形状情報の３次元座標（ｘｙｚ座標）も処理部１８に入力される。

【0107】

そして、被測定面分割手段７４は、概略形状取得手段７２により取得した概略形状情報の３次元座標と、ステージ１０に載置された測定対象物Ｐの３次元座標とを整合する。これにより、測定対象物Ｐと概略形状情報との位置合わせが行われる。そして、概略形状情報に基づいて被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとで構成され１つの面積が測定視野Ｗ以下の複数の測定面Ｎに分割する。この場合、被測定面Ｓを一定の割合で測定面Ｎが重なるように分割する。

【0108】

被測定面分割手段７４は、傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとの高低差で形成される段差の閾値（以下、段差閾値という）によって識別することが好ましい。

【0109】

図１２に示すように、例えば、うねり形状のうねり最大高さｈ（測定対象物Ｐの最大厚みｈ１-最小厚みｈ２）が１００μｍある場合に、段差閾値Ｒを例えば１０μｍに設定する。これにより、被測定面分割手段７４は、被測定面Ｓにおいて１０μｍ以上の高低差を有する領域を傾斜状領域Ｄとして判定し、１０μｍ未満の高低差を有する領域を平坦状領域Ｋとして判断する。段差閾値Ｒをどの程度に設定するかは被測定面Ｓのうねり形状のうねり最大高さｈ、うねり幅の大きさ、うねり周期等に基づいて決定することができる。

【0110】

段差閾値Ｒを幾つに設定するかは、被測定面分割手段７４に予め設定しておいてもよいが、ユーザが入力部２２等を利用して被測定面分割手段７４に任意に設定することが好ましい。これにより、被測定面Ｓの表面形状に応じて被測定面Ｓの分割数を適正に選択することができる。

【0111】

図１３は、図７に示したうねり形状の被測定面Ｓを被測定面分割手段７４により、ｘ軸方向とｙ軸方向とに四角形状の１６個の測定面Ｎ_１〜Ｎ_１６に分割し、分割した各測定面Ｎについて測定面に存在する最大高さを測定走査するのに最小限必要な干渉部１４の最小走査範囲Ｚ_１〜Ｚ_８を設定した説明図である。

【0112】

図１３の（Ａ）は分割した１６個の測定面Ｎの最小走査範囲Ｚ_１〜Ｚ_８を示し、（Ｂ）は分割した１６個の測定面Ｎ_１〜Ｎ_１６を示す。図１３の（Ｂ）において、網状部分は測定面Ｎ同士の重なり部分を示す。また、図１３の（Ｃ）は干渉部１４の対物レンズ５０の測定視野Ｗを示す。

【0113】

図１３の（Ｂ）に示すように、１６個の測定面ＮをＮ_１からＮ_１６と名前を付けたとすると、例えば測定面Ｎ_１及び測定面Ｎ_９の最小走査範囲はＺ_１となる。また、測定面Ｎ_８及び測定面Ｎ_１６の最小走査範囲はＺ_８となる。測定面Ｎ_２〜Ｎ_７及び測定面Ｎ_１０〜Ｎ_１５についても同様に最小測定走査設定Ｚ_２〜Ｚ_７を設定することができる。

【0114】

なお、被測定面分割手段７４が被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに分割する別の方法としては、表示部２０と入力部２２とを用いてユーザが被測定面分割手段７４に対して分割領域を指定することもできる。即ち、表示部２０に表示した概略形状情報をユーザが目視して傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに識別し、識別した分割領域の位置座標（ｘｙ座標）を入力する。そして、被測定面分割手段７４は、ユーザからの指定に基づいて被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに分割する。また、被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに分割できれば、上記の分割方法に限定するものではない。

【0115】

（対物レンズ選択手段）
以下説明するように、対物レンズ選択手段７５は、分割した各測定面Ｎについて傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに光源４０から光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて複数の対物レンズ５０の中から使用する倍率の対物レンズ５０を選択する。

【0116】

図１４は、被測定面分割手段７４によって分割された傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに、対物レンズ選択手段７５によって倍率の異なる対物レンズ５０を選択する一例を示した説明図である。

【0117】

測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状が図１４のようにうねり形状の場合、対物レンズ５０を通して被測定面Ｓに照射された光は散乱し易い。これにより、対物レンズ５０に戻る光が弱くなり、撮影部１６においてノイズの多い画像になるため測定精度が悪くなる。

【0118】

一方、対物レンズ５０の特質として、開口数（ＮＡ）の高い高倍率レンズ５０Ｃは開口数の低い低倍率レンズ５０Ａに比べて微弱な光でも明るく高解像にとらえることができ、低倍率レンズ５０Ａは高倍率レンズ５０Ｃに比べて測定視野が広い。

【0119】

したがって、図１４に示すように、対物レンズ選択手段７５は、測定視野Ｗが広いが傾斜面に対する測定精度が悪い低倍率レンズ５０Ａを平坦状領域Ｋの測定に選択し、傾斜面に対する測定精度は良いが測定視野Ｗが狭い高倍率レンズ５０Ｃを傾斜状領域Ｄの測定に選択する。これにより、傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋの両方を高精度に測定でき、しかも平坦状領域Ｋに測定視野が広い低倍率レンズ５０Ａを使用することによって短時間で広範囲を測定でき、測定準備アライメントの時間短縮を図ることができる。

【0120】

なお、図１４における符号Ｗｘは被測定面Ｓの面内方向（ｘ軸）の測定面Ｎの幅を示し、Ｗｚは干渉部１４のｚ軸方向の走査範囲を示す。

【0121】

次に、傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとによって複数の対物レンズ５０の中から適正な倍率の対物レンズ５０をどのように選択するかの対物レンズ選択方法を説明する。

【0122】

図１５は、見込角θ１の対物レンズ５０で傾斜角度θ２の被測定面Ｓに光を照射したときの光の挙動を説明する説明図である。図１５において、傾斜角度θ２は水平面１７に対する被測定面Ｓの傾斜角度である。

【0123】

即ち、空気中において、見込角θ１の対物レンズ５０から傾斜角度θ２の測定対象物Ｐの被測定面Ｓへ光を照射した場合、対物レンズ５０に戻る、いわゆる測定に寄与する照射光Ａと対物レンズ５０に戻らない、いわゆる測定に寄与しない照射光Ｂとがある。符号Ｃは、対物レンズ５０に戻らない照射光Ｂの反射領域を示し、符号１５は被測定面Ｓに対して垂直な法線である。

【0124】

図１５において、空気中では、開口数（ＮＡ）＝ｓｉｎθ１の関係がなりたつので、被測定面Ｓの傾斜角度θ２の理論的な測定限界傾斜角度θ２_ｍａｘは、ａｓｉｎ（ＮＡ）で表すことができる。例えばＮＡが０．３の対物レンズ５０の場合、測定限界傾斜角度θ２_ｍａｘは約１７°となる。即ち、被測定面Ｓの傾斜角度θ２＜ａｓｉｎ（ＮＡ）の式を満足すれば測定可能と言える。換言すると、ＮＡが０．３の対物レンズ５０の場合には被測定面Ｓの傾斜角度が１７°を超えると測定不可であり、１７°以下であれば測定可能と判断できる。

【0125】

しかしながら実際にはθ２＜ａｓｉｎ（ＮＡ）の式は理論的な測定限界傾斜角度θ２_ｍａｘであり、対物レンズ５０を選択する判断基準としてそのまま適用することは現実的でない。現実的な判断基準は対物レンズ５０を通して被測定面Ｓに照射する光の全照射光量（Ｆ）に対して、対物レンズ５０に戻る測定に寄与する測定寄与照射光量（Ｇ）の割合（Ｇ／Ｆ）によって決定することが好ましい。

【0126】

図１６は、例えばＮＡが０．３の対物レンズ５０において一様な照射光を想定した場合、被測定面Ｓの傾斜角度θ２と、全照射光量（Ｆ）に対する測定寄与照射光量（Ｇ）の割合（Ｇ／Ｆ）との関係を表したグラフである。

【0127】

図１６の横軸は被測定面Ｓの傾斜角度θ２（°）を示し、縦軸はＧ／Ｆを示す。そして、Ｇ／Ｆが０．２未満（２０％未満）になるとＮＡが０．３の対物レンズ５０では測定不可となり、０．３よりも大きなＮＡ（大きな倍率）の対物レンズ５０を選択する必要がある。図１５のグラフから、Ｇ／Ｆが０．２は傾斜角度θ２が約１２°であり、現実的には、傾斜角度１２°が測定限界傾斜角度θ２_ｍａｘになる。

【0128】

このことから、干渉部１４に備える複数の対物レンズ５０のそれぞれについて測定限界傾斜角度θ２_ｍａｘにおけるＧ／Ｆを予め予備試験等により求めておく。そして、傾斜状領域Ｄ及び平坦状領域Ｋの測定寄与照射光量（Ｇ）を知ることによって、傾斜状領域Ｄ及び平坦状領域Ｋを高精度に測定するための適正な倍率の対物レンズ５０を選択することができる。なお、全照射光量（Ｆ）は測定しなくても光源４０の出力から知ることができる。

【0129】

したがって、本発明の実施の形態の表面形状測定装置１は、測定寄与照射光量（Ｇ）を検出する測定寄与照射光量検出手段８２（図２及び図１１参照）を更に設けることが好ましい。そして、対物レンズ選択手段７５は、分割した傾斜状領域Ｄと平坦状領域ＫとによってＧ／Ｆに基づいて使用する倍率の対物レンズ５０を選択する。これにより、傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとによって複数の対物レンズ５０の中から適正な倍率の対物レンズ５０を選択することができる。

【0130】

なお、適正な倍率の対物レンズ５０の選択方法として、測定寄与照射光量検出手段８２に限定するものではない。傾斜状領域Ｄや平坦状領域Ｋの傾斜角度を測定して測定限界傾斜角度θ２_ｍａｘを求めることができれば、直接的な指数である測定限界傾斜角度θ２_ｍａｘに基づいて適正な倍率の対物レンズ５０を選択してもよい。あるいは概略形状取得手段７２で取得した測定対象物Ｐの概略形状情報を表示部２０に表示し、操作者が目視で傾斜状領域Ｄや平坦状領域Ｋの傾斜角度の程度を判定して対物レンズ５０を選択してもよい。

【0131】

（光量調整手段）
以下説明するように、光量調整手段７６は、分割した各測定面Ｎについて傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに光源４０から光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて光源４０の光量調整を行う。

【0132】

光源４０の光量調整についても、図１５で説明した考えを用いることができる。例えばＮＡが０．３の対物レンズ５０において一様な照射光を想定した場合、被測定面Ｓの傾斜角度θ２と、全照射光量（Ｆ）に対する測定に寄与する測定寄与照射光量（Ｇ）の割合（Ｇ／Ｆ）との関係は図１６のグラフになる。

【0133】

ここで、被測定面Ｓの傾斜角度θ２が例えば６°のときのＧ／Ｆ（約０．５６）は傾斜角度θ２が０°のときのＧ／Ｆ（１．０）の約半分になり、光量不足により測定精度が低下する。

【0134】

したがって、光量調整手段７６は、被測定面Ｓの傾斜角度θ２が例えば６°のときには、傾斜角度θ２が０°のときの光量の約２倍に調整する。このように、傾斜角度θ２が０°のときの光量を基準光量として、被測定面Ｓの傾斜角度が大きくなることで生じる光量不足による測定精度低下を避けることができる。これにより、被測定面Ｓがうねり形状のように小さな傾斜角度から大きな傾斜角度まで複数の測定面Ｎが存在する場合であっても、各測定面Ｎの表面形状を高精度に測定することができる。

【0135】

したがって、光量調整手段７６は、測定寄与照射光量検出手段８２で検出した測定寄与照射光量（Ｇ）を光源４０の光量調整方法に利用することができる。即ち、光量調整手段は平坦状領域Ｋを測定するときの測定寄与照射量Ｇを基準光量とし、傾斜状領域Ｄを測定するときの測定寄与照射量Ｇが基準光量になるように光源４０の光量を調整する。

【0136】

これによって、傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとの光量が同じになるので、両方の領域Ｄ，Ｋを高精度に測定することができ且つ測定精度を均一化することができる。

【0137】

（測定面形状測定手段）
測定面形状測定手段７７は、ステージ１０を面内方向移動手段３５により被測定面Ｓの面内方向に移動させることにより、分割した各測定面Ｎを選択した対物レンズ５０及び調整した光源４０の光量に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得するものである。

【0138】

即ち、測定面形状測定手段７７は、面内方向移動手段３５により被測定面Ｓの面内方向に移動させることにより、分割した各測定面Ｎを選択した対物レンズ５０及び調整した光源４０の光量に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する。

【0139】

即ち、図１３で示した１６個の測定面Ｎ_１〜Ｎ_１６ごとに設定した最小走査範囲Ｚ_１〜Ｚ_８の範囲で干渉部１４を垂直方向に測定走査し、各測定面Ｎ_１〜Ｎ_１６の表面形状を測定する。処理部１８は、例えば最初に測定面Ｎ_１について最小走査範囲Ｚ_１だけ測定走査して測定面Ｎ_１の表面形状を取得する。次に、測定面Ｎ_２について最小走査範囲Ｚ_２だけ測定走査して測定面Ｎ_２の表面形状を取得する。これを測定面Ｎ_１６まで繰り返す。

【0140】

（データ接続手段）
データ接続手段７８は、測定面形状測定手段７７で取得した各測定面Ｎの測定データを接続するものである。これにより、被測定面Ｓ全体の表面形状を測定することができる。データ接続手段７８による各測定面Ｎの接続方法はソフトウェア処理等の公知の方法を採用することができる。

【0141】

［表面形状測定方法］
次に、上記の如く構成した本発明の表面形状測定装置１を用いて、うねり形状の被測定面Ｓを有する測定対象物Ｐの表面形状を測定する表面形状測定方法について説明する。

【0142】

図１７は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状をスティッチング測定方法で測定するステップフローである。説明し易いように本実施の表面形状測定方法では、図７に示すように、ｘ軸方向のみにうねり形状を有し、ｘ軸方向の長さが干渉部１４の対物レンズ５０の測定視野Ｗよりも長く、ｙ軸方向の長さが測定視野Ｗよりも僅かに短い測定対象物Ｐの例で説明する。

【0143】

先ず概略形状取得手段７２は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの概略形状情報を取得する概略形状取得工程を行う（ステップ１０）。概略形状取得手段７２は、上記した三角測量方式のレーザー変位計、ステレオカメラ、パターン投影装置、ＣＡＤ（computer-aided-design）データを保持する保持手段、干渉部１４の対物レンズとして広視野な低倍率レンズを用いた白色干渉計の何れでもよい。

【0144】

次に被測定面分割手段７４は、概略形状取得手段７２による概略形状情報の３次元座標とステージ１０に載置された測定対象物Ｐの３次元座標とを整合し、概略形状情報に基づいて被測定面Ｓを傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとで構成され１つの面積が測定視野Ｗ以下の複数の測定面に分割する被測定面分割工程を行う（ステップ２０）。

【0145】

次に対物レンズ選択手段７５は、分割した各測定面Ｎについて傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに光源４０から光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて複数の対物レンズ５０のうち使用する倍率の対物レンズ５０を選択する対物レンズ選択工程を行う（ステップ３０）。

【0146】

この対物レンズ選択工程において、図１８に示すように、分割した複数の傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとの各測定面Ｎについて上記した対物レンズ選択方法で選択した対物レンズ５０の対物レンズマップＦを表示部２０に表示することが好ましい。

【0147】

図１８の（Ａ）は、被測定面Ｓのうねり形状をｘ軸方向とｚ軸方向とで示したものである。実際にはｙ軸方向にもうねりがあるが、図では省略している。図１８の（Ｂ）は、図１８の（Ａ）のうねり形状を分割した複数の傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとについて選択した対物レンズ５０の対物レンズマップＦの一例を表示部２０に表示したものである。１０の（Ｃ）は、低倍率レンズ５０Ａ、中倍率レンズ５０Ｂ、及び高倍率レンズ５０Ｃの測定視野Ｗ_１，Ｗ_２，Ｗ_３の大きさを示したものである。

【0148】

図１８の（Ｂ）のように、対物レンズマップＦには、各測定面Ｎの測定範囲を四角形で表示するとともに、異なる倍率の対物レンズ５０を異なる色で表示することが好ましい。例えば対物レンズマップＦには、低倍率レンズ５０Ａで測定する測定面Ｎ_Ｒを赤色で示し、中倍率レンズ５０Ｂで測定する測定面Ｎ_Ｇを緑色で示し、高倍率レンズ５０Ｃで測定する測定面Ｎ_Ｂを青色で示すことができる。なお、斜線部分は測定面の重なり合う部分である。

【0149】

これにより、操作者に対して、測定面Ｎごとに使用する対物レンズ５０の倍率を目視で確認させることができ、倍率に応じて対物レンズ５０が面積の異なる測定範囲をもつことを明示することができる。

【0150】

また、対物レンズマップＦを表示部２０に表示することで、表示しない場合に比べて、より最適な対物レンズ５０の選択プランの様子をユーザは実感することができる。

【0151】

次に、光量調整手段７６は、分割した各測定面Ｎについて傾斜状領域Ｄと平坦状領域Ｋとに光源４０から光を照射したときの測定に寄与する測定寄与照射量に応じて光源４０の光量調整を行う光量調整工程を行う（ステップ４０）。

【0152】

次に処理部１８の測定面形状測定手段７７は、ステージ１０を被測定面Ｓの面内方向に移動させることにより、分割した各測定面Ｎを選択した対物レンズ５０及び調整した光源光量に基づいて表面形状を個々に測定して複数の測定データを取得する測定面形状測定工程を行う（ステップ５０）。

【0153】

次に、処理部１８のデータ接続手段７８は、取得した複数の測定データを接続するデータ接続工程を行う（ステップ６０）。

【0154】

これにより、スティッチング測定において、被測定面Ｓの表面形状測定を行う際の適正な倍率の対物レンズ５０の選択及び光源４０の適正な光量の調整の測定準備アライメントを行うことができるので被測定面Ｓの表面形状測定を高精度化できる。

【0155】

上記の説明した本実施の形態では、対物レンズ５０の測定視野Ｗが被測定面Ｓよりも小さく、スティッチング測定を行う例で説明したが、スティッチング測定に限定するものではない。対物レンズ５０の測定視野Ｗが被測定面Ｓと同等以上の場合であっても、本発明のように、概略形状取得工程（ステップ１０）〜データ接続工程（ステップ６０）を行うことによって、特にうねり形状の被測定面Ｓの表面形状を高精度に測定することができる。

【0156】

なお、ステージ１０を光学部２に対して水平移動させることで説明したが、ステージ１０に対して光学部２を水平移動させてもよい。また、本実施の形態では、被測定面Ｓがうねり形状である場合で説明したが、この形状に限定するものではなく、表面が凹凸の高低差を有する形状であればよい。

【0157】

なお、上記した本実施の形態の表面形状測定装置１では、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状を測定する光を出力する光源４０、光源４０から出力された光を被測定面Ｓに照射する対物レンズ５０、及び被測定面Ｓの測定画像を取得する撮影部１６を少なくとも有する光学部２として、垂直走査型の白色干渉計の例で説明したが、本発明はレーザー共焦点顕微鏡にも適用することができる。

【符号の説明】

【0158】

Ｐ…測定対象物、Ｑ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３…干渉縞曲線、Ｓ…被測定面、Ｚ−０，Ｚ−１…光軸、Ｎ…測定面、Ｄ…傾斜状領域、Ｋ…平坦状領域、Ａ…測定に使用可能な照射光、Ｂ…測定に使用不可な照射光、Ｃ…対物レンズ５０に戻らない反射光、Ｆ…対物レンズ分割マップ、Ｚ…走査範囲、１…表面形状測定装置、２…光学部、２Ａ…筐体、２Ｂ…レボルバー、１０…ステージ、１０Ｓ…ステージ面、１２…光源部、１４…干渉部、１６…撮影部、１８…処理部、２０…表示部、２２…入力部、３４…ｘアクチュエータ、３５…面内方向移動手段、３６…ｙアクチュエータ、４０…光源、４２…コレクタレンズ、４４，５４…ビームスプリッタ、５０…対物レンズ、５０Ａ…低倍率レンズ、５０Ｂ…中倍率レンズ、５０Ｃ…高倍率レンズ、５２…参照ミラー、５６…干渉部アクチュエータ、６０…撮像素子、６０Ｓ…撮像面、６２…結像レンズ、７０…ｚアクチュエータ、７２…概略形状取得手段、７４…被測定面分割手段、７５…対物レンズ選択手段、７６…光量調整手段、７７…測定面形状測定手段、７８…データ接続手段、８０…ステージ移動手段、８２…測定寄与照射光量測定手段

【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】

【図18】