JP2007017285A - 変位測定装置及び変位測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定分解能の低下を伴わずに広範な測定幅をもって試料の変位を測定することが可能な変位測定装置及び変位測定方法を提供すること。
【解決手段】光源１０ａから出射される光の出射位置をＴａに設定し，光源１０ｂから出射される光の出射位置を上記出射位置Ｔａよりもレンズ４側へずらした位置Ｔｂに設定し，上記各光源１０ａ，１０ｂから出射された光が色収差を有するレンズ４によって試料に照射され，そして，上記試料からの反射光を受光し，その受光した反射光に含まれる複数の波長光（波長帯域λ１〜λ２）それぞれの光強度に基づいて上記試料の上記レンズ４の光軸方向の変位を測定する。上記各光源の出射位置がずらされたことにより結像点（結像点の分散領域）の位置が異なることを利用することにより，当該装置の測定レンジを拡大させる。
【選択図】図１

Description

本発明は，試料から反射した反射光の光強度に基づいて試料の変位を測定する技術に関し，特に，色収差を有するレンズ等の光学系を透過した多波長光が各波長毎に異なる位置で結像するという性質を利用して上記試料の変位を測定する変位測定装置及び方法に関するものである。

従来，試料の高さの変位を測定する変位測定法として，三角測量を応用した光学的三角測距方式の変位測定法が公知である。この変位測定法は，可干渉性のある指向性の強い半導体レーザなどのレーザ光を測定対象試料に照射させた場合に，上記試料から拡散反射された光線の一部をＣＣＤやＰＳＤなどの受光素子上でスポットを結ぶように光学系機器を配置させ，上記試料表面の起伏などにより変動する該試料表面までの照射距離に応じて移動する上記受光素子上のスポットの移動量を測定し，その測定された移動量を上記試料の高さの変位量に換算する手法である。

また，共焦点光学系を用いて試料の高さ変位を測定する共焦点方式の変位測定法として，多波長光を色収差のあるレンズ（以下「色収差レンズ」と称す）に透過させた場合に，上記色収差レンズを透過した各波長光が光軸方向に異なる位置で結像するという性質を利用して，試料から反射した反射光を各波長毎に受光し，最も強い受光量の受光位置から特定波長の結像位置を求め，この結像位置を上記試料の高さ位置とする公知の方法がある。このような公知の方法を用いて試料の高さ変位を測定する変位測定装置が特許文献１（試料高さ判別装置）及び特許文献２（Distance measuring confocal microscope（共焦点方式の距離測定顕微鏡））に開示されている。

ここで，図７及び図８を用いて，上記色収差レンズを用いた従来の共焦点方式の変位測定装置の一例である上記特許文献１に記載の試料高さ判別装置Ｙの動作原理について説明する。ここに，図７は上記試料高さ判別装置Ｙの概略構成図，図８は高さの異なる試料に光が照射されたときの様子を示す模式図である。
図７に示すように，従来の試料高さ判別装置Ｙは，Ｘｅランプ等からなる複数の波長成分（例えば３つの波長λ１１，λ１２，λ１３）を含むランプ光（多波長光に相当）を出射する光源１０１と，ピンホール１０２，１０６と，ハーフミラーなどからなるビームスプリッタ１０３と，色収差を有するレンズ１０４と，処理部１１０と，レンズ１１１，１１３と，プリズム１１２と，ラインセンサ１１４とを備えて概ね構成される。

このように構成された試料高さ判別装置Ｙでは，上記レンズ１０４の光軸上に配置された光源１０１から発せられたランプ光はピンホール１０２を通過した後，上記ビームスプリッタ１０３を透過し，更にレンズ１０４で収束されて，試料１０５に照射される。そして，上記試料１０５で反射した光はレンズ１０４を透過した後，上記ビームスプリッタ１０３で反射される。その後，上記ビームスプリッタ１０３からの反射光に含まれる特定の波長光のみがピンホール１０６で結像することにより該ピンホール１０６を通過して，レンズ１１１により平行光に変換される。上記レンズ１１１で変換された平行光は，プリズム１１２によって該平行光に含まれる複数の波長成分に分光（分離）され，その後，レンズ１１３を介して上記ラインセンサ１１４上の各波長λ１１，λ１２，λ１３に対応する入射位置Ｑ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃に導かれる。例えば，波長λ１１の光が試料１０５の頂部で結像して反射した場合は，波長λ１１の光が入射位置Ｑ₁₁に最も多く照射される。

いま，上記試料高さ判別装置Ｙにおいて，上記光源１０１から３つの波長λ１１，λ１２，λ１３（λ１１＜λ１２＜λ１３の関係を有する）を有する光が出射されたと仮定する。この場合，色収差を有する上記レンズ１０４によって，該レンズ１０４を透過した光は上記波長毎に分散され，上記レンズ１０４の主点Ｏから各波長λ１１，λ１２，λ１３に応じた距離Ｚ₁₁，Ｚ₁₂，Ｚ₁₃だけ進んだ地点Ｐ₁₁，Ｐ₁₂，Ｐ₁₃で結像する（共役像を結ぶ）ことになる。即ち，図示するように，上記レンズ１０４によって分散された波長λ１１，λ１２，λ１３それぞれ光は，光軸上において光軸方向Ｚに分散された位置Ｐ₁₁，Ｐ₁₂，Ｐ₁₃で結像される。
なお，一般にレンズの焦点距離ｆは，レンズの肉厚をｄ，レンズの屈折率をｎ，レンズの局率半径をｒ１，ｒ２とすると，以下の近似式（１）で表すことができる。

上式（１）によれば，焦点距離ｆはレンズの屈折率ｎに依存していることが分かる。また，この屈折率ｎは光の波長が短いほど大きくなることが周知である。このような周知事項と上式（１）から，波長が短い光ほどその焦点距離が短かくなることが理解できる。
したがって，図７に示すように，上記色収差を有するレンズ１０４を通過した光のうち，最も短い波長λ１１の光は上記レンズ１０４に最も近い位置Ｐ₁₁で結像し（共役像を結び），最も長い波長λ１３を有する光は上記レンズ１０４から最も遠い位置Ｐ₁₃で結像することになる。

上記結像位置の異なる３つの波長λ１１，λ１２，λ１３を有する光（多波長光）が，例えば，図８（ａ）に示す試料１０５ａに照射され，図示するように波長λ１２の光の結像点Ｐ₁₂と一致する上記試料の頂部で反射したとする。この場合，波長λ１１及びλ１３と較べて波長λ１２の光が多く上記レンズ１０４へ向けて反射されるため，上記ラインセンサ１１４（図７参照）に上記波長λ１２の光が最も多く入射されることになる。上記ラインセンサ１１４に入射された光は該ラインセンサ１１４により各波長λ１１，λ１２，λ１３毎の位置Ｑ₁₁，Ｑ₁₂，Ｑ₁₃でそれぞれ波長光の受光量が求められ，その後，上記処理部１１０によって，最も受光量の多い波長λ１２が特定される。この特定された波長λ１２の光の結像点Ｐ₁₂の位置が試料１０５ａの高さに決定される。
また，図８（ｂ）に示すように，照射された光が波長λ１３の光の結像点Ｐ₁₃と一致する試料台の表面（試料の存在しない位置）で反射した場合は，上記結像点Ｐ₁₃で反射した波長λ１３の光が上記ラインセンサ１１４に最も多く入射されるため，上記波長λ１３の光の結像点Ｐ₁₃の位置が試料の高さに決定される。更にまた，図８（ｃ）に示すように，照射された光が波長λ１１の光の結像点Ｐ₁₁と一致する上記試料１０５ｃの頂部で反射した場合は，この波長λ１１の光が上記ラインセンサ１１４に最も多く入射されるため，上記波長λ１１の光の結像点Ｐ₁₁の位置が試料１０５ｃの高さに決定される。
特開平１０−９８２７号公報 米国特許第５７８５６５１号明細書

上述した従来公知の試料高さ判別装置Ｙにおいては，図７に示す各波長光の結像点を含む分散領域Ｐ₀（破線で囲まれた領域）の光軸方向Ｚの長さΔＺ₁₀（以下「分散長さ」と称す）は，当該試料高さ判別装置Ｙで測定し得る試料高さの測定幅（測定レンジ）を示すものである。しかしながら，上記分散領域Ｐ₀の分散長さΔＺ₁₀は有限であるため，従来の試料高さ判別装置Ｙでは，上記分散長さΔＺ₁₀を超える試料の変位量を測定することができないという問題点があった。特に，ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＳＬＤ(Super Luminescent Diode)などのように，寿命が長く，電力消費量の極めて低いの半導体発光素子を光源として用いた場合は，発光される光の波長帯域が狭いため，必然的に測定幅（測定レンジ）がランプ系の光源と較べて一層狭くなるという問題がある。
一方，上記分散長さΔＺ₁₀がレンズの光学特性に応じて異なることは自明である。例えば，図９に示すように，分散率の高い高分散レンズを用いたときの波長帯域λ１１〜λ１３における分散長さΔＺ_Hiは分散率の低い低分散レンズを用いたときの分散長さΔＺ_Lowよりも長くなる。なお，図９はレンズの分散率に応じた波長と分散長さとの相関特性を示す相関特性図であり，実線は高分散レンズ，破線は低分散レンズの相関特性を示す。
したがって，上記高分散レンズを用いることにより，装置の測定幅（測定レンジ）を広げることができる。しかしながら，高分散レンズを用いた場合は，測定分解能（測定精度）が著しく低下するという問題を伴う。即ち，図９の相関特性曲線の傾きΔＺ／Δλは高分散レンズのほうが大きいため，Δλをラインセンサなどで検出されるピーク波長の誤差或いは揺らぎとして捉えると，高分散レンズを用いた場合はピーク波長の検出誤差（Δλ）が分散長さに与える影響が低分散率の場合に較べて大きくなり，高い測定精度を得ることができない。要するに，広い測定範囲の確保という観点からは高分散レンズは適しているが，その反面，測定誤差の影響を強く受けるため，十分な測定精度を得ることができないという問題がある。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，測定分解能の低下を伴わずに広範な測定幅をもって試料の変位を測定することが可能な変位測定装置及び変位測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は，光源より出射され，色収差を有するレンズなどの第１の光学系によって試料に照射された多波長光の上記試料からの反射光を受光し，その受光した反射光に含まれる複数の波長光それぞれの光強度に基づいて上記試料の上記第１の光学系の光軸方向の変位を測定する変位測定装置に適用され，上記光源により出射される上記多波長光の出射位置が，上記第１の光学系の光軸方向に所定間隔ずらされて複数設定されてなる変位測定装置として構成される。
このように構成されることにより，異なる出射位置それぞれから多波長光を出射させて上記第１の光学系に入射させることで，上記出射位置に応じた位置（領域）に各波長光の結像を出現させることができる。これにより，異なる出射位置から出射されたそれぞれの多波長光に対応する分散された結像を試料の変位測定に用いることで，当該変位測定装置の測定幅（測定レンジ）を広げることが可能となる。このとき，上記第１の光学系の分散率を大きくすることなく測定幅が広げられるため，測定分解能（測定精度）の低下という不具合を招くことはない。
なお，上記複数の出射位置は，上記第１の光学系を透過した光を収束させるため，上記第１の光学系の焦点より該第１の光学系から離れた位置，即ち，上記第１の光学系の焦点よりも後方に設定されたものであることが望ましい。ここに，上記第１の光学系の焦点とは，上記第１の光学系に太陽光などの平行光を照射させたときに像を結ぶ点（焦点）のことをいう。

ここで，上記複数の出射位置それぞれから出射されたそれぞれの多波長光が上記第１の光学系によって収束されることにより像を結ぶ各波長毎の結像点を含む分散領域が連続するように上記出射位置が設定されてなることが望ましい。もちろん，上記分散領域が途切れてさえいなければ，一部重複した状態で連続していてもよい。なお，上記分散領域が途切れていた場合は，途切れ区間における試料の変位を測定することができなくなり，測定精度が低下するため好ましくない。
また，上記第１の光学系の光軸方向に隣接して設定された第１の出射位置と第２の出射位置が，上記第１の出射位置から出射された多波長光が上記第１の光学系によって収束されることにより像を結ぶ各波長毎の結像点を含む分散領域の上記第１の光学系の光軸方向の分散長さをΔＺとし，上記第１の光学系の横倍率をＭとした場合に，上記第１の光学系の光軸方向に次式（２）により導出される間隔Ｄを隔てて設定されてなることが考えられる。
Ｄ≦ΔＺ／Ｍ² ……（２）
このように，少なくとも上式（２）により導き出される間隔Ｄだけずらして上記出射位置を設定すれば，上記分散領域を連続して出現させることが可能となる。

また，上記複数の出射位置から多波長光を出射する手法としては，例えば，上記光源を上記複数の出射位置それぞれに配設することが考えられる。
或いは，少なくとも一つ光源を上記複数の出射位置それぞれの間で移動自在に支持し，上記複数の出射位置を移動しながら上記光源から上記多波長光を出射することも考えられる。
前者の手法は，複数の光源を要するものの光源を移動させる必要がないため，一旦光源が配設されればその出射位置の調整を行う必要がない点で有利であり，また，後者の手法は，上記複数の出射位置全てに光源を設ける必要がないためコストの削減，構成の簡素化という点で有利である。

ここで，上記光源は，上記多波長光を発光する発光器と，該発光器から発光された多波長光を伝播して上記第１の光学系に出射する可撓性ある光ファイバーなどの光伝播ケーブルとを備えたものであることが望ましい。
本来，上記第１の光学系の光軸上に光の出射位置を設定することが好ましいが，本発明では複数の出射位置が上記第１の光学系の光軸方向に所定間隔ずらされて設定されるため，上記光軸上に全ての出射位置を設定することはできず，上記第１の光学系の光軸から焦平面方向（即ち光軸に垂直な方向）へずらされて設定されることになる。上記焦平面方向へのずれは，測定分解能を低下させる要因となるため，最小限に抑えることが好ましい。そのため，光ファイバーなどのように照射径の極小な光伝播ケーブルを用いて上記複数の出射位置を設定すれば，上記複数の出射位置の配置間隔を多くともケーブルの直径程度に抑えることができ，ひいては測定分解能（測定精度）を向上させることができる。
この場合，上記複数の出射位置に対応して複数の上記光伝播ケーブルが設けられてなり，上記発光器が複数の上記光伝播ケーブル間を移動自在に支持されてなる構成を採用した場合は，上記発光器の設置数を減少させて，コスト削減を実現すると共に，装置を簡素化することができる。

また，上記光源から出射された多波長光を上記複数の出射位置それぞれで結像するように収束する第２の光学系を備えた構成も考えられる。即ち，上記第２の光学系によって収束され像を結んだ結像点が上記出射位置となる。

また，本発明を変位測定方法と捉えることもできる。即ち，色収差を有する光学系の光軸方向に所定間隔ずらされた複数の出射位置から複数の波長光からなる多波長光を上記光学系に対して出射する多波長光出射工程と，上記光学系により収束された多波長光の上記試料からの反射光を受光する受光工程と，上記受光工程で受光された反射光に含まれる複数の波長光それぞれの光強度に基づいて上記試料の上記光学系の光軸方向の変位を測定する測定工程と，を具備してなる変位測定方法として捉えることができる。このような変位測定方法であっても上述の変位測定装置で発揮される効果が奏される。

本発明によれば，光軸方向に異なる複数の出射位置それぞれから多波長光を出射させて上記第１の光学系に入射させることで，上記出射位置に応じた位置（領域）に各波長光の結像を出現させることができる。これにより，異なる出射位置から出射されたそれぞれの多波長光に対応する分散された結像を試料の変位測定に用いることで，上記第１の光学系の分散率を大きくすることなく，当該変位測定装置の測定幅（測定レンジ）を広げることが可能となる。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態及び実施例について説明し，本発明の理解に供する。なお，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係る変位測定装置Ｘの概略構成図，図２は光源の概略構成を説明する図，図３は分光器で分光された各波長光のスペクトルの挙動を示す図，図４は本発明の第１の実施例に係る変位測定装置Ｘ１の概略構成図，図５は本発明の第２の実施例に係る変位測定装置Ｘ２の概略構成図，図６は本発明の第３の実施例に係る変位測定装置Ｘ３の概略構成図，図７は従来の試料高さ判別装置Ｙの概略構成図，図８は従来の試料高さ判別装置Ｙにおいて高さの異なる試料に光が照射されたときの様子を示す模式図，図９はレンズの分散率に応じた波長と分散長さとの相関特性を示す相関特性図である。

まず，図１を用いて，上記変位測定装置Ｘの概略構成及び概略動作について説明する。なお，当該変位測定装置Ｘの具体例としては，例えば，半導体材料（ウエハなど）や圧延板などのシート状の試料の高さ或いは厚さを測定する装置，上記試料の表面粗さを測定する装置，上記試料の平坦度を測定する装置などが該当する。
上記変位測定装置Ｘは，試料から反射した反射光に含まれる複数の波長光それぞれの光強度を示すスペクトルに基づいて上記試料の高さ変位を測定するものであって，大別して，２つの光源１０ａ，１０ｂと，色収差を有し且つ横倍率Ｍのレンズ４（第１の光学系の一例）と，２つの分光器２ａ，２ｂ（受光手段の一例）と，解析装置３とを備えて概略構成される。

上記光源１０ａ，１０ｂは，複数の波長光からなる多波長光を出射するＸｅランプやハロゲンランプなどの発光器１１ａ，１１ｂを含む点光源である。ここでは説明の便宜上，上記光源１０ａ，１０ｂは波長λ１〜λ２（λ１＜λ２）の波長帯域を有する光を多波長光として光軸方向Ｚへ出射するものとして説明するが，もちろん，これに限られることはなく，上記レンズ４によってその光軸方向Ｚに異なる位置で共役像を結ぶ２以上の複数の波長光が含まれた光であれば足りる。
なお，この実施の形態では，Ｘｅランプやハロゲンランプなどの発光器１１ａ，１１ｂを含む点光源を例示するが，上記Ｘｅランプやハロゲンランプなどの発光器よりも長寿命，低消費電力のＬＥＤ，ＳＬＤなどの半導体発光素子などの発光器を含む点光源を用いてもかまわない。

上記光源１０ａとしては，上記多波長光を発光する発光器１１ａと，該発光器１１ａが発光することにより出射された多波長光（波長帯域λ１〜λ２）を収束する色収差のない（色収差が補正された）レンズ１２ａと，上記レンズ１２ａにより収束された光の結像点において収束された光を一端で受光し，受光した光を出射位置Ｔａ（出射位置に相当）に配置された他端の出射口１３ａ−１まで伝播して，上記出射位置Ｔａにおいて上記出射口１３ａ−１から上記レンズ４に向けて光を出射する光ファイバーケーブル１３ａ（以下「光ファイバー」と略す）と，を備えて構成されたものを用いる。上記光ファイバーケーブル１３ａは，後述するように，試料の頂部で結像して反射した光を最も多く受光して上記分光器２ａに案内する役割をも担う。なお，上記光ファイバーケーブル１３ａが光伝播ケーブルの一例である。
また，上記光源１０ｂは，上記光源１０ａとほぼ同様に構成されている。そのため，ここでは上記光源１０ａの各構成要素を示す符号に付された“ａ”を“ｂ”に置き換えることで上記光源１０ｂの構成要素の説明を省略するが，上記光源１０ｂの光ファイバーケーブル１３ｂの出射口１３ｂ−１から出射される光の出射位置Ｔｂが，上記光ファイバーケーブル１３ａの出射位置Ｔａから上記レンズ４の光軸方向Ｚに所定間隔ずらされて設定されている点において上記光源１０ａとは異なる。言い換えれば，本変位測定装置Ｘにおいては，上記レンズ４の光軸方向Ｚに所定間隔ずらされて複数の出射位置Ｔａ，Ｔｂが設定されている。
具体的には，上記光源１０ｂの出射位置Ｔｂは上記光源１０ａの出射位置Ｔａよりも上記レンズ４に近い位置に設定されている。即ち，上記出射位置Ｔａは上記出射位置Ｔｂよりも上記レンズの光軸に沿って後方に設定されている。そのため，上記出射口１３ｂ−１は上記出射口１３ａ−１よりも上記レンズの光軸に沿って上記レンズ４側に配置されている。これは，色収差を有する上記レンズ４に多波長光が入射した場合に，上記レンズ４によって収束された多波長光の結像点の分散領域を上記レンズ４の光軸方向Ｚにずらして出現させるためである。
なお，この実施の形態では，２つの出射位置Ｔａ，Ｔｂが設定されている例について説明するが，例えば，２以上の複数の出射位置それぞれが光軸方向Ｚにずらされて設定された場合にも本発明を適用することができることはいうまでもない。
また，上記光ファイバーケーブル１３ａ，１３ｂを用いずに，上記発光器１１ａ，１１ｂが点光源として上記出射位置Ｔａ，Ｔｂに配設された実施例も考えられる。この場合は，前記した試料高さ判別装置Ｙ（図７参照）と同じように，試料の頂部で結像して反射した光を最も多く分光器２ａ，２ｂに案内するビームスプリッタやピンホールを要する。
また，上記光源１０ａ，１０ｂに代えて，図２に示すように，屈折率の異なるレンズ７ａ及び７ｂ（第２の光学系の一例）を用いて，上記発光器１１ａから出射された多波長光を上記出射位置Ｔａで結像するように上記レンズ７ａを配置し，上記発光器１１ｂから出射された多波長光を上記出射位置Ｔｂで結像するように上記レンズ７ｂを配置した構成の光源を採用してもよい。この場合，上記レンズ７ａ，７ｂによって多波長光が像を結ぶ結像点が出射位置Ｔａ，Ｔｂとみなされる。

上記出射口１３ａ−１（即ち出射位置Ｔａ）及び上記出射口１３ｂ−１（即ち出射位置Ｔｂ）は，上記レンズ４に入射した光が該レンズ４を透過した後に結像せずに発散することを回避するべく，いずれも上記レンズ４の焦点（不図示）よりも該レンズ４から離れた位置，即ち，上記レンズ４の焦点の後方位置に配置されている。
更にまた，上記出射口１３ａ−１及び１３ｂ−１それぞれは，上記レンズ４の光軸を中心にして上記レンズ４の焦平面方向（即ちレンズ４の光軸に垂直な方向）に近接するように配置されている。これにより，上記出射口１３ａ−１及び１３ｂ−１は上記レンズ４の光軸上に概ね配置される。なお，図１では，説明の便宜上，上記出射口１３ａ−１及び１３ｂ−１の焦平面方向の配置間隔を大きく表している。

上記レンズ４は，上記光源１０ａ，１０ｂから出射された波長帯域λ１〜λ２の光（多波長光）を収束する色収差を有するレンズである。本実施の形態では，横倍率がＭのレンズを用いる。上記光源１０ａ及び１０ｂから上記レンズ４に向けて光が出射されると，その光に含まれる波長帯域λ１〜λ２の光は，上記レンズ４を透過することにより，該レンズ４によって上記波長帯域λ１〜λ２に含まれる各波長に応じて光軸方向に分散された結像点で共役像を結ぶように収束される。
具体的には，図１に示すように，上記光源１０ａから出射された最も短い波長λ１の光は，上記レンズ４によって，該波長λ１応じた結像点Ｐ１ａで結像するように収束され，最も長い波長λ２の光は該波長λ２応じた結像点Ｐ２ａで結像するように収束される。また，上記光源１０ｂから出射された最も短い波長λ１の光は，上記レンズ４によって，該波長λ１応じた結像点Ｐ１ｂで結像するように収束され，最も長い波長λ２の光は該波長λ２応じた結像点Ｐ２ｂで結像するように収束される。もちろん，上記波長λ１〜λ２に含まれるその他の波長の光は，上記結像点Ｐ１ａ〜Ｐ２ａ間，或いは上記結像点Ｐ１ｂ〜Ｐ２ｂ間において該当する波長に応じた結像点で結像するように収束される。
なお，上記結像点Ｐ１ａは上記レンズ４の主平面Ｚ₀から距離Ｚ₁だけ進んだ地点であり，上記結像点Ｐ２ａ及びＰ１ｂは上記主平面Ｚ₀から距離Ｚ₂だけ進んだ地点であり，更に，上記結像点Ｐ２ｂは上記主平面Ｚ₀から距離Ｚ₃だけ進んだ地点とする。
以下，上記光源１０ａから出射されて上記レンズ４によって共役像を結ぶ結像点Ｐ１ａ〜Ｐ２ａの集合を分散領域Ｐ０ａ（図１）とし，同様に結像点Ｐ１ｂ〜Ｐ２ｂの集合を分散領域Ｐ０ｂ（図１）とする。

上記分散領域Ｐ０ａ及びＰ０ｂは，図１に示すように，それぞれの分散領域Ｐ０ａ，Ｐ０ｂが光軸方向Ｚに沿って連続して出現している。このように分散領域Ｐ０ａ，Ｐ０ｂが連続して出現するように，上記出射口１３ｂ−１（即ち出射位置Ｔｂ）は上記出射口１３ａ−１（即ち出射位置Ｔａ）よりも所定間隔Ｄだけ上記レンズ４側へ離れた位置に配置されている。即ち，上記出射口１３ａ−１と上記出射口１３ｂ−１とは上記レンズ４の光軸方向Ｚに所定間隔Ｄだけずらされて配置されている。

ここで，上記所定間隔Ｄは，以下のようにして導くことができる。
即ち，上記所定間隔Ｄを上記レンズ４の光軸上の光源側に配置された共役点（以下「物点」と称す）が上記レンズ４の光軸に沿って上記レンズ４に近づく方向へ移動した距離とみなし，この移動により上記レンズ４による上記移動する前の上記物点の共役像側の共役点（以下「像点」と称す）がΔＸだけ移動したとすると，上記レンズ４の縦倍率αは，上記各移動距離Ｄ及びΔＸを用いて下記式（３）のように表すことできる。なお，一般に縦倍率とは，レンズの光軸上の物点が光軸上に沿って所定量だけ移動した場合の，上記像点の移動量と上記物点の移動量との比のことをいう。
α＝ΔＸ／Ｄ ……（３）
また，上記縦倍率αは上記レンズ４の横倍率Ｍを用いて次式（４）のように表される。
α＝Ｍ² ……（４）
上式（３）及び（４）から，次式（５）を導くことができる。
Ｄ＝ΔＸ／Ｍ² ……（５）
ここで，上記像点の移動量を示すΔＸを，上記光源１０ａの出射口１３ａ−１が出射位置ＴａからＴｂに移動した場合に上記出射口１３ａ−１から出射された波長λ１の光の結像点Ｐ１ａ（上記分散領域Ｐ０ａの始点Ｚ₁）が移動した移動量とすると，上記ΔＸが上記分散領域Ｐ０ａの光軸方向Ｚの分散長さΔＺａ（＝Ｚ₂−Ｚ₁）のときに，上記分散領域Ｐ０ａの終端地点Ｚ₂（結像点Ｐ２ａのある地点）から移動後の光源１０ａによる別なる分散領域が出現することになる。このとき，移動後の光源１０ａを上記光源１０ｂとすると，上記所定間隔Ｄは，上式（５）のΔＸをΔＺａに置き換えることにより，下記式（６）のように表すことができる。
Ｄ＝ΔＺａ／Ｍ² ……（６）
上記（６）式により導き出された所定間隔Ｄだけ隔てて上記出射口１３ａ−１及び１３ｂ−１を配置することにより，上記分散領域Ｐ０ａ及びＰ０ｂとを連続して光軸方向Ｚに出現させることができる。なお，上記分散領域Ｐ０ａ及びＰ０ｂが必ずしも完全に連続している必要はない。少なくとも，上記分散領域Ｐ０ａ及びＰ０ｂが途切れない状態で連続していれば足りる。例えば，一部重なった状態で連続していてもよい。そのためには，少なくとも，上記所定間隔Ｄは下記式（７）を満足すればよい。
Ｄ≦ΔＺａ／Ｍ² ……（７）

上記分光器２ａ，２ｂは，試料から反射され上記レンズ４により収束されて再び上記光ファイバーケーブル１３ａ，１３ｂの各出射口１３ａ−１，１３ｂ−１に入射され，上記光ファイバーケーブル１３ａ，１３ｂの途中経路に設けられた図示しない分岐器により分岐された反射光を受光して，その受光した光をプリズムなどにより該光に含まれる波長光毎に分光し，分光された各波長光の光強度（例えば光子量や輝度）を測定して電気的な信号（デジタルデータや電流或いは電圧信号など）に変換するものである。例えば，分光された各波長光の画像をラインＣＣＤや二次元ＣＣＤなどの撮像手段で撮像して，該撮像された画像データから求められた各波長光の輝度をデジタルデータに変換する装置や，フォトダイオードなどの受光素子を備え，分光された各波長光の輝度に応じた電流又は電圧を生成する装置などが該当する。また，分光された各波長光の入射位置を検出して該入射位置に入射した光量を求めて電子データに変換する一次元或いは二次元のＰＳＤ（位置検出素子）などを用いたものであってよい。
なお，上記分光器２ａは上記光源１０ａにより出射された光の試料からの反射光を分光するものであり，上記分光器２ｂは上記光源１０ｂにより出射された光の試料からの反射光を分光するものである。

上記各分光器２ａ，２ｂで生成された各波長光分光の光強度を示す電気信号は解析装置３に伝送される。そして，該解析装置３において所定の解析処理に供される。
上記解析装置３は，上記分光器２ａ，２ｂから伝送された各波長光に対応する電気信号に基づいて所定の解析処理に必要な種々の演算処理を実行するＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭなどを備えた電子計算機や，解析結果を表示する液晶表示装置などを含んで構成される。
この解析装置３に上記電気信号が入力されると，該解析装置３によって，入力された電気信号から各波長毎の光強度を示すスペクトル（光強度の分布状態）が求められる。なお，このスペクトルは，上記各分光器２ａ，２ｂ毎に求められる。上記解析装置３で求められたスペクトルの一例を図３に示す。
例えば，上記レンズ４の光軸方向Ｚの位置Ｚ₁に試料の表面がある場合は，上記位置Ｚ₁で結像して反射した波長光λ１が最も多く上記分光器２ａへ入射され，上記解析装置３によって，上記各分光器２ａからの電気信号に基づいて図３（ａ）左側のスペクトルが求められ，上記各分光器２ｂからの電気信号に基づいて図３（ａ）右側のスペクトルが求められる。この場合，図３（ａ）左側のスペクトル図から上記結像点Ｐ１ａで反射した波長λ１の光強度が最も強く現れていることから，上記結像点Ｐ１ａの位置Ｚ₁が試料表面の高さ位置と判定される。
また，上記レンズ４の光軸方向Ｚの位置Ｚ₂に試料の表面がある場合は，同様にして，上記各分光器２ａからの電気信号に基づいて図３（ｂ）左側のスペクトルが求められ，上記各分光器２ｂからの電気信号に基づいて図３（ｂ）右側のスペクトルが求められる。この場合，図３（ｂ）左側のスペクトル図から上記結像点Ｐ２ａで反射した波長λ２の光強度が最も強く現れていること，そして，図３（ｂ）右側のスペクトル図から上記結像点Ｐ１ｂで反射した波長λ１の光強度が最も強く現れていることから，上記結像点Ｐ２ａ及びＰ１ｂの位置Ｚ₂が試料表面の高さ位置と判定される。
更にまた，上記レンズ４の光軸方向Ｚの位置Ｚ₃に試料の表面がある場合は，上記各分光器２ａからの電気信号に基づいて図３（ｃ）左側のスペクトルが求められ，上記各分光器２ｂからの電気信号に基づいて図３（ｃ）右側のスペクトルが求められ，図３（ｂ）右側のスペクトル図から上記結像点Ｐ２ｂで反射した波長λ２の光強度が最も強く現れていることから，上記結像点Ｐ２ｂの位置Ｚ₃が試料表面の高さ位置と判定される。
このように，一つの光源を用いた従来の装置に較べて，本変位測定装置Ｘでは二つの光源１０ａ，１０ｂを設け，更に，各光源から出射される多波長光の出射位置Ｔａ，Ｔｂを上記所定間隔Ｄだけ光軸方向Ｚにずらして配置しているため，出射位置Ｔａから出射されて光軸方向に結像が分散した分散領域Ｐ０ａと，該分散領域Ｐ０ａの終端地点Ｚ₂から始まり，出射位置Ｔｂから出射されて光軸方向に結像が分散した分散領域Ｐ０ｂとを試料の変位測定に用いることができるため，高分散レンズを用いることなく当該変位測定装置Ｘの測定レンジを広くすることが可能となる。

なお，上述した実施の形態では，色収差を有する第１の光学系の一例として上記レンズ４を例示して説明してきたが，少なくとも色収差があり，入射された光を収束するものであれば，凸レンズ，球面レンズ，フレネルレンズ（ＰＦレンズ）などの如何なるレンズでも用いることが可能である。ただし，上記レンズ４に代えてフレネルレンズを用いる場合は，このフレネルレンズは波長の短い光ほどレンズから結像点までの距離が長くなり，波長の長い光ほどレンズから結像点までの距離が短くなる通常のレンズとは反対の性質を有するため，この点を考慮して解析処理を行う必要がある。

上述の実施の形態では，２つの分光器２ａ，２ｂを含んで構成された変位測定装置Ｘ（図１参照）を例示して説明してきた。ここでは，上記変位測定装置Ｘの構成とは若干異なる構成の変位測定装置Ｘ１について図４をもちいて説明する。ここに，図４は上記変位測定装置Ｘ１の概略構成図である。なお，以下の説明において，上記実施の形態に係る変位測定装置Ｘと共通する構成要素については，上記変位測定装置Ｘの構成要素に付された符号と同じ符号を付すことによりその説明を省略する。
図４に示すように，上記変位測定装置Ｘ１は，一つの分光器２が設けられている点において二つの分光器２ａ，２ｂを備える上記変位測定装置Ｘとはその構成が異なる。また，光ファイバーケーブル１３ａ，１３ｂから分岐された反射光の光強度（光量）に応じた信号（電流又は電圧などの電気信号）を出力するフォトダイオード５ａ，５ｂ（光検出手段の一例）が新たに配設されている点も相違する。
この変位測定装置Ｘ１は，装置の構成を簡素化するために分光器を共有する実施例であるが，分光器を共有にした場合は，光源１０ａから出射された光の反射光と光源１０ｂから出射された光の反射光との区別ができなくなるため，上記光ファイバーケーブル１３ａ，１３ｂ毎にフォトダイオード５ａ，５ｂを設けている。
上記フォトダイオード５ａ，５ｂから出力された出力信号は前記した解析装置３に伝送され，この解析装置３において，該解析装置３側で予め設定された閾値以上の出力があるかどうかを判定する判定処理に供される。なお，上記解析装置３は上記判定処理を実行可能なようにプログラムされている。
このように構成された変位測定装置Ｘ１では，一つの分光器２から得られた信号に基づいてスペクトルが求められることになるが，例えば，求められたスペクトルに強い光強度を示すものがある場合は，上記フォトダイオード５ａ，５ｂのいずれかの出力信号が上記閾値以上となるため，その強い光強度を示すスペクトルがいずれの光源から出射された光の反射光に含まれたものであるかどうかを判別することができる。

また，上述の実施の形態では，２つの光源１０ａ，１０ｂを備えた例について説明したが，例えば，図５に示す第２の実施例に係る変位測定装置Ｘ２のように，上述変位測定装置Ｘと同様に二つ光ファイバーケーブル１３ａ，１３ｂを配設し，上記光ファイバーケーブル１３ａと１３ｂとの間を前記発光器１１ａなどを移動自在に支持するようにして，一つの発光器１１ａを用いて上記二つ光ファイバーケーブル１３ａ，１３ｂそれぞれに交互に光を照射させるようにする実施例が考えられる。
或いは，図示しないが，一つの光源のみを設け，この光源を前記した出射位置Ｔａ，Ｔｂ間で移動自在となるように支持して，出射位置Ｔａ及びＴｂから交互に光を出射する実施例も考えられる。
このように構成すれば，装置を簡素化することができ，且つ，コスト削減に寄与することができる。

ここでは，図６を用いて，本発明の第３の実施例に係る変位測定装置Ｘ３について説明する。なお，図６は上記変位測定装置Ｘ３の概略構成図である。
上記変位測定装置Ｘ３は，上述した実施の形態に係る変位測定装置Ｘの構成に加えて，前記した従来の高さ変位測定装置Ｙ（図７）が具備するビームスプリッタ１０３と同様のハーフミラーなどからなるビームスプリッタ６を具備して構成されている。
光源１０ｂの出射位置Ｔｂは，上述の変位測定装置Ｘとは異なり，図６に示すように，上記レンズ４の光軸に直交する方向へ該光軸から距離Ｌ２だけ離れた位置に設定されており，該出射位置Ｔｂから出射される多波長光の出射軸が上記レンズ４の光軸と直交するように上記出射口１３ｂ−１が配置されている。ここで，上記出射位置Ｔｂから出射される多波長光の出射軸と上記光軸との交点をＳとする。
また，光源１０ａの出射位置Ｔａは，上記レンズ４の光軸上の上記交点Ｓから距離Ｌ１だけ上記レンズ４から遠ざかる方向に離れた位置に設定されており，上記出射位置Ｔａから出射される多波長光の出射軸が上記レンズ４の光軸を通るように上記出射口１３ａ−１が配置されている。
上記ビームスプリッタ６は，上記レンズ４の主平面に対して４５°の角度の傾斜角で，上記交点Ｓにおいて上記光源１０ｂから出射された多波長光を上記レンズ４に向けて反射させる位置に配置されている。
上述した実施の形態では，上記出射位置Ｔａ及びＴｂの上記レンズ４の焦平面方向（即ちレンズ４の光軸に垂直な方向）へのずれにより測定分解能が低下するというおそれがあったが，本変位測定装置Ｘ３が上述の如く構成されることにより，上記出射位置Ｔａから出射される多波長光の出射軸と上記出射位置Ｔｂから出射され上記ビームスプリッタ６で反射された多波長光の出射軸とを一致させることができるため，測定分解能の低下を解消することができる。

なお，上記変位測定装置Ｘ３においては，上記光源１０ａから出射された光は上記ビームスプリッタ６を透過し，更にレンズ４で収束されて，図示しない試料に照射される。そして，上記試料で反射した光は上記レンズ４を透過した後，上記ビームスプリッタ６を透過して再び上記出射口１３ａ−１に入射する。上記出射口１３ａ−１に入射した光は図示しない分岐器などにより分岐され，分光器２ａに導かれる。
また，上記光源１０ｂから出射された光は上記ビームスプリッタ６で上記レンズ４の方向へ反射され，その後，レンズ４で収束されて，図示しない試料に照射される。そして，上記試料で反射した光は上記レンズ４を透過した後，上記ビームスプリッタ６で反射され，再び上記出射口１３ｂ−１に入射して，図示しない分岐器などにより分岐されて，分光器２ｂに導かれる。
そして，各分光器２ａ，２ｂからの信号に基づいて解析装置３で求められたスペクトルから資料の高さ変位が求められる。

本発明は，半導体材料（ウエハ）や圧延板などのシート状の試料の高さ或いは厚さを測定する装置，上記試料の表面粗さを測定する装置，上記試料の平坦度を測定する装置など，試料の高さ変位を測定する変位測定装置全般に利用可能である。

本発明の実施の形態に係る変位測定装置Ｘの概略構成図。 光源の概略構成を説明する図。 分光器で分光された各波長光のスペクトルの挙動を示す図。 本発明の第１の実施例に係る変位測定装置Ｘ１の概略構成図。 本発明の第２の実施例に係る変位測定装置Ｘ２の概略構成図。 本発明の第３の実施例に係る変位測定装置Ｘ３の概略構成図。 従来の試料高さ判別装置Ｙの概略構成図。 従来の試料高さ判別装置Ｙにおいて高さの異なる試料に光が照射されたときの様子を示す模式図。 レンズの分散率に応じた波長と分散長さとの相関特性を示す相関特性図。

符号の説明

２ａ，２ｂ…分光器（受光手段の一例）
３…解析装置
４…レンズ（第１の光学系の一例）
５…フォトダイオード（ＰＤ）
６…ビームスプリッタ
７ａ，７ｂ…レンズ（第２の光学系の一例）
１０ａ，１０ｂ…光源
１１ａ，１１ｂ…発光器
１２ａ，１２ｂ…レンズ
１３ａ，１３ｂ…光ファイバーケーブル（光伝播ケーブルの一例）

Claims (9)

1. 複数の波長光からなる多波長光を出射する光源と，
   上記光源から出射された上記多波長光を収束すると共に収束された多波長光を試料に向けて照射する色収差を有する第１の光学系と，
   上記第１の光学系により収束された多波長光の上記試料からの反射光を受光する受光手段と，を備え，
   上記受光手段により受光された反射光に含まれる複数の波長光それぞれの光強度に基づいて上記試料の上記第１の光学系の光軸方向の変位を測定する変位測定装置であって，
   上記光源により出射される上記多波長光の出射位置が，上記第１の光学系の光軸方向に所定間隔ずらされて複数設定されてなることを特徴とする変位測定装置。
2. 上記複数の出射位置それぞれから出射されたそれぞれの多波長光が上記第１の光学系によって収束されることにより像を結ぶ各波長毎の結像点を含む上記多波長光毎の分散領域が連続するように上記出射位置が設定されてなる請求項１に記載の変位測定装置。
3. 上記第１の光学系の光軸方向に隣接して設定された第１の出射位置と第２の出射位置が，上記第１の出射位置から出射された多波長光が上記第１の光学系によって収束されることにより像を結ぶ各波長毎の結像点を含む分散領域の上記第１の光学系の光軸方向の分散長さをΔＺとし，上記第１の光学系の横倍率をＭとした場合に，上記第１の光学系の光軸方向に次式により導出される間隔Ｄを隔てて設定されてなる請求項１又は２のいずれかに記載の変位測定装置。
   Ｄ≦ΔＺ／Ｍ²
4. 上記光源が上記複数の出射位置それぞれに配設されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の変位測定装置。
5. 上記光源が上記複数の出射位置それぞれの間を移動自在に支持されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の変位測定装置。
6. 上記光源が，上記多波長光を発光する発光器と，該発光器から発光された多波長光を伝播して上記第１の光学系に出射する可撓性ある光伝播ケーブルとを備えてなる請求項１〜５のいずれかに記載の変位測定装置。
7. 上記複数の出射位置に対応して複数の上記光伝播ケーブルが設けられてなり，上記発光器が複数の上記光伝播ケーブル間を移動自在に支持されてなる請求項６に記載の変位測定装置。
8. 上記光源から出射された多波長光を上記複数の出射位置それぞれで結像するように収束する第２の光学系を備えてなる請求項１〜３のいずれかに記載の変位測定装置。
9. 色収差を有する光学系の光軸方向に所定間隔ずらされた複数の出射位置から複数の波長光からなる多波長光を上記光学系に対して出射する多波長光出射工程と，
   上記光学系により収束された多波長光の上記試料からの反射光を受光する受光工程と，
   上記受光工程で受光された反射光に含まれる複数の波長光それぞれの光強度に基づいて上記試料の上記光学系の光軸方向の変位を測定する測定工程と，
   を具備してなることを特徴とする変位測定方法。

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