形状計測装置、及び形状計測装置の調整方法
【課題】正確に調整可能な形状計測装置を提供する。
【解決手段】第１の光を発する第１の発光部１１、及び第２の光を発する第２の発光部１２と、第１の光及び第２の光を受ける格子３と、平坦な基板が配置されるステージ１４と、格子３を透過した第１の光を第１の入射角で基板表面に入射させ、格子３を透過した第２の光を第２の入射角で基板表面に入射させる投影光学系５と、第１の光による基板表面の格子３の第１の変形像、及び第２の光による基板表面の格子３の第２の変形像に基づき、基板表面の高さ方向の位置を算出する高さ算出部と、基板表面の高さ方向の位置が投影光学系５の焦点位置と一致するよう、ステージ１４を移動させる移動装置１５と、を備える、形状計測装置。
【解決手段】第１の光を発する第１の発光部１１、及び第２の光を発する第２の発光部１２と、第１の光及び第２の光を受ける格子３と、平坦な基板が配置されるステージ１４と、格子３を透過した第１の光を第１の入射角で基板表面に入射させ、格子３を透過した第２の光を第２の入射角で基板表面に入射させる投影光学系５と、第１の光による基板表面の格子３の第１の変形像、及び第２の光による基板表面の格子３の第２の変形像に基づき、基板表面の高さ方向の位置を算出する高さ算出部と、基板表面の高さ方向の位置が投影光学系５の焦点位置と一致するよう、ステージ１４を移動させる移動装置１５と、を備える、形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は形状計測技術に関し、特に形状計測装置、及び形状計測装置の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
格子パターン投影法又はモアレ法と、位相シフト法と、を組み合わせた高さ計測方法において、高さ方向の計測分解能を上げるためには、投影する格子のピッチを小さくする、あるいは被測定物体への光の入射角を大きくするなどの方法がとられる。しかし、高さ方向の計測分解能を上げると、位相と、高さと、の関係において、狭い高さの範囲で位相が折り返され、位相が不連続になる、いわゆる「位相とび」が生じる。従来、測定物表面の形状がなめらかで連続であるとの仮定の下、隣接する画素間での位相差が小さくなるように、位相に２πを加算又は減算して位相を接続するいわゆる「位相アンラップ」が行われている。しかし、大きな段差があるなど、測定物の表面がなめらかでない場合、誤った位相接続がなされる場合がある。
【０００３】
これに対し、大きいピッチの格子と、小さいピッチの格子と、を測定物表面に投影し、位相が折り返されるまでの高さの範囲を拡げる方法が提案されている。例えば、特開平１１−８３４５４号公報（以下、「特許文献１」という。）は、ピッチが可変である液晶格子を用いた高さ計測方法を開示している。また、特開２００４−３６１１４２号公報（以下、「特許文献２」という。）は、測定物に対してそれぞれ異なる角度を設けて配置された２つの投影光学系を用いて、等高線間隔の異なる２種類のモアレ縞画像を撮像する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−８３４５４号公報
【特許文献２】特開２００４−３６１１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した高さ計測方法においては、測定物を投影光学系の焦点位置に配置することにより、計測精度が向上する。これに対し、測定物が、投影光学系の焦点位置からずれると、格子の投影像がぼけるため、計測精度が低下する。そこで本発明は、測定物を保持するステージの配置を正確に調整可能な形状計測装置及び形状計測装置の調整方法を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様によれば、（ａ）第１の光を発する第１の発光部、及び第２の光を発する第２の発光部と、（ｂ）第１の光及び第２の光を受ける格子と、（ｃ）平坦な基板が配置されるステージと、（ｄ）格子を透過した第１の光を第１の入射角で基板表面に入射させ、格子を透過した第２の光を第２の入射角で基板表面に入射させる投影光学系と、（ｅ）第１の光による基板表面の格子の第１の変形像、及び第２の光による基板表面の格子の第２の変形像に基づき、基板表面の高さ方向の位置を算出する高さ算出部と、（ｆ）基板表面の高さ方向の位置が投影光学系の焦点位置と一致するよう、ステージを移動させる移動装置と、を備える、形状計測装置が提供される。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、（ａ）格子に対して、第１の発光部から第１の光を照射し、第２の発光部から第２の光を照射することと、（ｂ）格子を透過した第１の光、及び格子を透過した第２の光を投影光学系に透過させて、第１の光を第１の入射角で平坦な基板表面に入射させ、第２の光を第２の入射角で基板表面に入射させることと、（ｃ）第１の光による基板表面の格子の第１の変形像、及び第２の光による基板表面の格子の第２の変形像に基づき、基板表面の高さ方向の位置を算出することと、（ｄ）基板表面の高さ方向の位置が投影光学系の焦点位置と一致するよう、基板が配置されたステージを移動させることと、を含む、形状計測装置の調整方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、正確に調整可能な形状計測装置及び形状計測装置の調整方法を提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置の模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る格子の上面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る中央演算処理装置のブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、位相と、の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、位相差と、の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、第１の補正された位相差と、の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、第２の補正された位相差と、の関係を示す第１のグラフである。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る第２の補正された位相差と、第１の光による位相と、の関係を示す第２のグラフである。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る第２の補正された位相差と、第１の光による位相と、の差を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、位相接続された第１の光による位相と、の関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る位相接続された第１の光による位相に含まれる計測誤差を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る第１の補正された位相差に含まれる計測誤差を示すグラフである。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測方法を示す第１のフローチャートである。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測方法を示す第２のフローチャートである。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法を示す第１のフローチャートである。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法を示す第２のフローチャートである。
【図１７】本発明の第２の実施の形態に係る形状計測装置の第１の模式図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る形状計測装置の第２の模式図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係る形状計測装置の第１の模式図である。
【図２０】本発明の第３の実施の形態に係る形状計測装置の第２の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置は、図１に示すように、第１の光を発する第１の発光部１１、及び第２の光を発する第２の発光部１２と、第１の光及び第２の光を受ける格子３と、測定物４が配置されるステージ１４と、格子３を透過した第１の光、及び格子３を透過した第２の光の両方が透過する投影光学系５であって、第１の光を第１の入射角θAで測定物４表面に入射させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４表面に入射させる投影光学系５と、第１の光による測定物４表面の格子３の第１の変形像、及び第２の光による測定物４表面の格子３の第２の変形像を撮像するイメージセンサ６と、を備える。
【００１２】
第１及び第２の発光部１１、１２は、例えば格子３と平行な面上に並んで配置される。そのため、第１の発光部１１と格子３の間の光路長と、第２の発光部１２と格子３の間の光路長と、は等しい。ただし、第１及び第２の発光部１１、１２は、格子３と平行でなくともよい。また、例えば第１の発光部１１と、第２の発光部１２と、は、少なくとも一方が後述する投影光学系５の光軸からずれて（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓで）配置されている。第１及び第２の発光部１１、１２のそれぞれは、例えば別個の光源であり、蛍光放電管、低圧水銀灯、キセノンランプ、半導体レーザ、及び発光ダイオード（ＬＥＤ）等が使用可能である。第１の発光部１１が発する第１の光の波長と、第２の発光部１２が発する第２の光の波長は、同じであっても、異なっていてもよい。第１の発光部１１が第１の光を発する間、第２の発光部１２は消灯される。また、第２の発光部１２が第２の光を発する間、第１の発光部１１は消灯される。なお、第１の発光部１１及び第２の発光部１２は、第１の光が第１の入射角θAで測定物４表面に入射し、第２の光が第２の入射角θBで測定物４表面に入射する限りにおいて、照明レンズ２１の光軸に関して非対称に配置されていてもよい。
【００１３】
第１の発光部１１及び第２の発光部１２から発せられた第１及び第２の光の進行方向には、照明レンズ２１が配置されている。照明レンズ２１は、第１の発光部１１及び第２の発光部１２のそれぞれの任意の１点から放射された光を平行光にする。例えば、第１の発光部１１及び第２の発光部１２は、照明レンズ２１の光軸に関して対称に配置されている。そのため、第１の発光部１１及び第２の発光部１２から発せられた第１及び第２の光は、それぞれ照明レンズ２１の主に外縁に入射して屈折される。よって、照明レンズ２１を透過した第１及び第２の光のそれぞれは、照明レンズ２１の光軸に対して斜めに進行する。
【００１４】
格子３は、照明レンズ２１を透過した第１及び第２の光の進行方向に配置されている。例えば、格子３は照明レンズ２１の光軸に対して略垂直に配置される。なお「光軸に対して略垂直」とは、例えば光軸に対して９０°から１１０°である。図２に示すように、格子３は、光を通す複数の透光部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・及び光を遮る複数の遮光部１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ・・・がピッチＰｄで周期的に設けられた２次元格子パターンを有する。格子３は、図１に示す照明レンズ２１を透過して平面波となった光によって照明される。格子３には、駆動機構２２１が接続されている。駆動機構２２１は、照明レンズ２１の光軸に対して格子３を略垂直方向に移動させる。
【００１５】
格子３を透過した光の進行方向には、集光レンズ２２が配置されている。集光レンズ２２は、第１の発光部１１から発せられ格子３を透過した第１の光と、第２の発光部１２から発せられ格子３を透過した第２の光と、のそれぞれを集光する。集光レンズ２２の後焦点面には、開口絞り２３が配置されている。開口絞り２３の位置は、第１及び第２の発光部１１、１２の位置と共役である。
【００１６】
開口絞り２３を透過した第１及び第２の光の進行方向には、投影レンズ２４が配置されている。集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４は、両側テレセントリックレンズを構成しており、第１の発光部１１から発せられ格子３を透過した第１の光と、第２の発光部１２から発せられ格子３を透過した第２の光と、のそれぞれを平行光にする。集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４が構成する両側テレセントリックレンズの横倍率をＭとすると、格子３の投影像のピッチＰｅは、格子３のピッチＰｄのＭ倍である。例えば以上説明した照明レンズ２１、集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４が、投影光学系５を構成している。
【００１７】
ステージ１４は、投影レンズ２４を透過した第１及び第２の光の進行方向に配置されており、例えば格子３が配置される物体面に対して結像する位置に配置される。また、ステージ１４は、投影レンズ２４の光軸に対して斜めに配置されている。ステージ１４には移動装置１５が接続されている。移動装置１５は、ステージ１４を任意の方向に移動させる。照明レンズ２１、集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４はケーラー照明を用いた投影光学系を構成するため、ステージ１４上の測定物４の表面は第１の光又は第２の光でムラ無く照射される。
【００１８】
第１の発光部１１から発せられた第１の光は、ステージ１４上の測定物４の表面に第１の入射角θAで入射し、測定物４の表面で反射されて、第１の出射角−θAで出射する。集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４が両側テレセントリックレンズを構成しているため、第１の入射角θA及び第１の出射角−θAは、測定物４の表面の位置によらず、ほぼ一定となる。
【００１９】
また、第２の発光部１２から発せられた第２の光は、ステージ１４上の測定物４の表面に第１の入射角θAよりも小さい第２の入射角θBで入射し、測定物４の表面で反射されて、第２の出射角−θBで出射する。集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４が両側テレセントリックレンズを構成しているため、第２の入射角θB及び第２の出射角−θBは、測定物４の表面の位置によらず、ほぼ一定となる。
【００２０】
第１の発光部１１が第１の光を発し、第２の発光部１２が消灯された場合、測定物４の表面には、第１の入射角θAで入射した第１の光によって格子３の第１の像が投影される。投影された格子３の第１の像は、測定物４の表面の凹凸形状に応じて変形する。また、第２の発光部１２が第２の光を発し、第１の発光部１１が消灯された場合、測定物４の表面には、第２の入射角θBで入射した第２の光によって格子３の第２の像が投影される。投影された格子３の第２の像は、測定物４の表面の凹凸形状に応じて変形する。
【００２１】
ステージ１４上の測定物４で反射された第１及び第２の光の進行方向には、集光レンズ２５が配置されている。投影レンズ２４の光軸と、集光レンズ２５の光軸と、は同一平面上に存在し、ステージ１４上で交差する。投影レンズ２４の光軸と、集光レンズ２５の光軸と、は面対称である。集光レンズ２５は、第１の発光部１１から発せられ測定物４表面で反射された第１の光と、第２の発光部１２から発せられ測定物４表面で反射された第２の光と、のそれぞれを集光する。集光レンズ２５の後焦点面には、開口絞り２６が配置されている。
【００２２】
開口絞り２６を透過した第１及び第２の光の進行方向には、撮像レンズ２７が配置されている。撮像レンズ２７は、第１の発光部１１から発せられ測定物４表面で反射された第１の光と、第２の発光部１２から発せられ測定物４表面で反射された第２の光と、のそれぞれを平行光にする。
【００２３】
集光レンズ２５、開口絞り２６、及び撮像レンズ２７は、両側テレセントリックレンズを構成している。イメージセンサ６は、集光レンズ２５、開口絞り２６、及び撮像レンズ２７が構成する両側テレセントリックレンズの結像点に配置されている。イメージセンサ６は、測定物４の表面に形成された格子３の第１の変形像と、第２の変形像と、を撮像し、光電変換する。イメージセンサ６には電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ等が使用可能である。
【００２４】
イメージセンサ６には、図３に示す中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００が接続されている。ＣＰＵ３００は、記録部３０１を備える。図１に示す第２の発光部１２が第２の光を放射せず、第１の発光部１１が第１の光を放射し、格子３が初期位置である第１の位置に配置されていた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第１の変形像を、第１の光による第１の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）として記録する。
【００２５】
また、駆動機構２２１で格子３を第１の位置から第２の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４表面の格子３の第１の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第１の変形像を、第１の光による第２の光強度分布Ｉ12（ｘ，ｙ）として記録する。
【００２６】
さらに格子３を第２の位置から第３の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４表面の格子３の第１の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第１の変形像を、第１の光による第３の光強度分布Ｉ13（ｘ，ｙ）として記録する。
【００２７】
またさらに格子３を第３の位置から第４の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４表面の格子３の第１の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第１の変形像を、第１の光による第４の光強度分布Ｉ14（ｘ，ｙ）として記録する。
【００２８】
第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）のそれぞれは、ｘ方向及びｙ方向に配置された複数の画素から構成される。複数の画素のそれぞれは、光強度のデータを有する。第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）は、下記（１）〜（４）式で与えられる。
Ｉ11（ｘ，ｙ）＝Ａ1×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ1（ｘ，ｙ））＋Ｂ1 ・・・（１）
Ｉ12（ｘ，ｙ）＝Ａ1×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ1（ｘ，ｙ）＋π／２）＋Ｂ1・・・（２）
Ｉ13（ｘ，ｙ）＝Ａ1×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ1（ｘ，ｙ）＋π）＋Ｂ1 ・・・（３）
Ｉ14（ｘ，ｙ）
＝Ａ1×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ1（ｘ，ｙ）＋３×π／２）＋Ｂ1・・・（４）
ここで、Ａ1、Ｂ1は各画素における定数であり、Ａ1は振幅を、Ｂ1はバイアス項を示す。Ｐｅは、格子３の第１の変形像のピッチである。Ａ1の値は集光レンズ２２、投影レンズ２４、及び集光レンズ２５等のレンズ特性、並びに第１及び第２の発光部１１、１２が発する第１及び第２の光の光強度、測定物４の表面の反射率、及びイメージセンサ６の感度によって定まる。Ｂ1の値は、レンズ特性、測定物４の表面の反射率、第１及び第２の発光部１１、１２が発する第１及び第２の光の光強度、及びイメージセンサ６の感度の他に、迷光等の要因によって定まる。φ1（ｘ，ｙ）は第１の光を用いて格子３を測定物４表面に投影した場合の測定物４表面の位相の分布を示す。
【００２９】
次に、第１の発光部１１が第１の光を放射せず、第２の発光部１２が第２の光を放射し、格子３が初期位置である第１の位置に配置されていた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第２の変形像を、第２の光による第１の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）として記録する。
【００３０】
また、駆動機構２２１で格子３を第１の位置から第２の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４の表面の格子３の第２の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第２の変形像を、第２の光による第２の光強度分布Ｉ22（ｘ，ｙ）として記録する。
【００３１】
さらに格子３を第２の位置から第３の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４の表面の格子３の第２の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第２の変形像を、第２の光による第３の光強度分布Ｉ23（ｘ，ｙ）として記録する。
【００３２】
またさらに格子３を第３の位置から第４の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４の表面の格子３の第２の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第２の変形像を、第２の光による第４の光強度分布Ｉ24（ｘ，ｙ）として記録する。
【００３３】
第２の発光部１２による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）のそれぞれも、ｘ方向及びｙ方向に配置された複数の画素から構成される。第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）は、下記（５）〜（８）式で与えられる。
Ｉ21（ｘ，ｙ）＝Ａ2×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ2（ｘ，ｙ））＋Ｂ2 ・・・（５）
Ｉ22（ｘ，ｙ）＝Ａ2×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ2（ｘ，ｙ）＋π／２）＋Ｂ2・・・（６）
Ｉ23（ｘ，ｙ）＝Ａ2×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ2（ｘ，ｙ）＋π）＋Ｂ2 ・・・（７）
Ｉ24（ｘ，ｙ）
＝Ａ2×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ2（ｘ，ｙ）＋３×π／２）＋Ｂ2・・・（８）
ここで、Ａ2、Ｂ2は各画素における定数であり、Ａ2は振幅を、Ｂ2はバイアス項を示す。Ｐｅは、格子３の第２の変形像のピッチであり、格子３の第１の変形像のピッチと同じである。φ2（ｘ，ｙ）は第２の光を用いて格子３を投影した場合の測定物４表面の位相の分布を示す。
【００３４】
図３に示すＣＰＵ３００は、位相算出部３０２をさらに備える。位相算出部３０２は、下記（９）式に従って、第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）から、第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）を算出する。
φ1（ｘ，ｙ）＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ14−Ｉ12）／（Ｉ11−Ｉ13）｝ ・・・（９）
ここで、第１の発光部１１から第１の光を照射された測定物４表面の任意の座標において、第１の入射角θAで測定物４表面に入射した第１の光による位相φ1は、図４に示すように、測定物４の高さに対して不連続であり、−πからπで折り返される。位相φ1の１周期に相当する測定物４の高さ範囲Δｈ1は、下記（１１）式で与えられる。
Δｈ1＝Ｐｅ／２ｔａｎθA ・・・（１０）
【００３５】
また、図３に示すＣＰＵ３００の位相算出部３０２は、下記（１１）式に従って、第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）から、第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）を算出する。
φ2（ｘ，ｙ）＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ24−Ｉ22）／（Ｉ21−Ｉ23）｝ ・・・（１１）
ここで、第２の発光部１２から第２の光を照射された測定物４表面の任意の座標において、第２の入射角θBで測定物４表面に入射した第２の光による位相φ2は、図４に示すように、測定物４の高さに対して不連続であり、−πからπで折り返される。位相φ2の１周期に相当する測定物４の高さ範囲Δｈ2は、下記（１２）式で与えられる。
Δｈ2＝Ｐｅ／２ｔａｎθB ・・・（１２）
第２の入射角θBは第１の入射角θAよりも小さいため、第２の光による位相φ2で生じる位相とびの回数は、第１の光による位相φ1で生じる位相とびの回数よりも少ない。
【００３６】
さらに、図３に示す位相算出部３０２は、下記（１３）式に示すように、第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）と、第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）と、から、位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を算出する。図５に示すように、位相差φDも、測定物４の高さに対して不連続である。
φD（ｘ，ｙ）＝φ1（ｘ，ｙ）−φ2（ｘ，ｙ） ・・・（１３）
【００３７】
図３に示すＣＰＵ３００は、位相接続部３０３をさらに備える。位相接続部３０３は、位相差の分布φD（ｘ，ｙ）の−πより小さい位相差φDには、下記（１４）式に示すように、２πを加算し、位相差の分布φD（ｘ，ｙ）のπより大きい位相差φDからは、下記（１５）式に示すように、２πを減算して、第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）を算出する。
φD（ｘ，ｙ）＜−πの場合、φCD1（ｘ，ｙ）＝φD（ｘ，ｙ）＋２π ・・・（１４）
φD（ｘ，ｙ）＞πの場合、φCD1（ｘ，ｙ）＝φD（ｘ，ｙ）−２π ・・・（１５）
図６に示すように、第１の補正された位相差φCD1は、下記（１６）式で与えられる広い高さ範囲Δｈ12に対して連続である。
Δｈ12＝Δｈ1Δｈ2／（Δｈ2−Δｈ1） ・・・（１６）
【００３８】
さらに図３に示す位相接続部３０３は、下記（１７）式に示すように、第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）にΔｈ2を乗じた後、Δｈ2とΔｈ1との差で除し、第２の補正された位相差の分布φCD2（ｘ，ｙ）を算出する。
φCD2（ｘ，ｙ）＝φCD1（ｘ，ｙ）×Δｈ2／（Δｈ2−Δｈ1） ・・・（１７）
図７に示す例では、φCD2（ｘ，ｙ）の位相が、−４πから４πに広がっている。また図７に示すように、測定物４表面の任意の座標において、第２の補正された位相差φCD2は、上記（１６）式で与えられる広い高さ範囲Δｈ12に対して連続である。さらに、図８に示すように、高さに対して第２の補正された位相差φCD2を与える関数の傾きは、高さに対して第１の光による位相φ1を与える関数の傾きに、連続な部分において近似する。換言すれば、高さに対する第２の補正された位相差φCD2の比は、高さに対する第１の光による位相φ1の比に近似する。
【００３９】
さらに図３に示す位相接続部３０３は、図９に示すように、測定物４の表面の座標毎に、第２の補正された位相差φCD2と、第１の光による位相φ1と、の差を算出し、さらに、下記（１８）式に示すように、算出された差を２πで除した値に最も近い整数ｎを算出する。
ｎ≒（φCD2−φ1）／２π ・・・（１８）
なお、上記（１８）式の右辺が整数になる場合もあるが、計測誤差により整数でない実数となる場合がある。そのため、右辺が与える実数に最も近い整数ｎを求める。具体的には、右辺が与える実数を四捨五入して整数ｎを求めればよい。
【００４０】
上記（１８）式で算出される整数ｎが、２π毎の位相とびの位相次数となる。図３に示す位相接続部３０３は、下記（１９）式に示すように、測定物４表面の総ての座標にわたって、位相次数ｎを用いて第１の光による位相φ1を位相接続する。
φ1C＝φ1＋２ｎπ ・・・（１９）
位相接続された第１の光による位相φ1Cは、高さ計測分解能に関して位相接続される前の第１の光による位相φ1と同じ精度を有し、かつ図１０に示すように、上記（１６）式で与えられる広い高さ範囲Δｈ12に対して連続である。
【００４１】
図３に示すＣＰＵ３００に含まれる高さ算出部３０４は、位相接続された第１の光による位相の分布φ1C（ｘ，ｙ）の単位系を変換し、図１に示す測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出する。この場合、上記（１０）式で与えられる高さ範囲Δｈ1が位相の範囲２πと等価であるので、図３に示す高さ算出部３０４は、位相接続された第１の光による位相の分布φ1C（ｘ，ｙ）を下記（２０）式に代入し、測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出する。
Ｈ（ｘ，ｙ）＝（φ1C（ｘ，ｙ）／２π）×Δｈ1 … （２０）
【００４２】
なお、高さ算出部３０４は、第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）に基づいて測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出してもよい。ただし、位相接続された第１の光による位相の分布φ1C（ｘ，ｙ）に基づいて測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出したほうが、測定誤差が低くなる。例えば、シミュレーションにより、第１の光による位相φ1と、第２の光による位相φ2と、のそれぞれに、±０．１ｒａｄ範囲の計測誤差をランダムに与えた場合、図１１に示すように、位相接続された第１の光による位相φ1Cに含まれる計測誤差は、第１の光による位相φ1に含まれる計測誤差と同程度である。しかし、図１２に示すように、第１の補正された位相差φCD1に含まれる計測誤差は、位相接続された第１の光による位相φ1Cに含まれる計測誤差と比較して大きくなる。
【００４３】
図３に示すＣＰＵ３００は、図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、格子３の配置を設定する制御部３０５をさらに備える。ＣＰＵ３００には、入力装置３４０、出力装置３４１、プログラム記憶装置３３０、及びデータ記憶装置３３１が接続されている。入力装置３４０としては、例えばキーボード、マウスやボイスデバイス等が使用可能である。出力装置３４１としては、プリンタ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）やＣＲＴディスプレイ等が使用可能である。プログラム記憶装置３３０は、ＣＰＵ３００を制御するオペレーティングシステム等を保存する。データ記憶装置３３１は、ＣＰＵ３００による演算結果を逐次格納する。データ記憶装置３３１及びプログラム記憶装置３３０としては、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスクや磁気テープなどのプログラムを記録する記録媒体等が使用可能である。
【００４４】
次に第１の実施の形態に係る形状計測方法を、図１３及び図１４のフローチャートを参照して説明する。なお、図３に示すＣＰＵ３００による演算結果は、データ記憶装置３３１に逐次格納される。
（ａ）ステップＳ１００で、図１に示す測定物４をステージ１４上に配置する。次に測定物４の観察が好適に行われる場所までステージ１４を移動させ、駆動機構２２１によって格子３のパターンを初期位置に配置する。ステップＳ１０１で図３に示す制御部３０５は、自然数をとる変数ｍに１を割り当てる。
【００４５】
（ｂ）ステップＳ１０２で図１に示す第１の発光部１１から第１の光を発する。これにより、測定物４の表面に格子３の第１の変形像が形成される。ステップＳ１０３で、図３に示す記録部３０１は、撮像された格子３の第１の変形像を第１の光による第ｍの光強度分布Ｉ1m（ｘ，ｙ）として記録する。記録部３０１は、第ｍの光強度分布Ｉ1m（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ１０４で制御部３０５は、変数ｍが４以上であるか否かを判断する。変数ｍが４未満である場合はステップＳ１０５に進み、変数ｍが４以上である場合はステップＳ２０１に進む。
【００４６】
（ｃ）ステップＳ１０５で制御部３０５は図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、ピッチＰｄの四分の一の距離を移動するよう、格子３を移動させる。ステップＳ１０６で図３に示す制御部３０５は、変数ｍに１を加算し、ステップＳ１０２に戻る。ステップＳ１０２乃至ステップＳ１０６のループを繰り返すことにより、第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）がデータ記憶装置３３１に保存される。
【００４７】
（ｄ）ステップＳ２０１で図３に示す制御部３０５は、自然数をとる変数ｋに１を割り当てる。また、格子パターンをステップＳ１００と同じ初期位置に移動させる。ステップＳ２０２で図１に示す第２の発光部１２から第２の光を発する。これにより、測定物４の表面に格子３の第２の変形像が形成される。
【００４８】
（ｅ）ステップＳ２０３で、図３に示す記録部３０１は、撮像された格子３の第２の変形像を第２の光による第ｋの光強度分布Ｉ2k（ｘ，ｙ）として記録する。記録部３０１は、第ｋの光強度分布Ｉ2k（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ２０４で制御部３０５は、変数ｋが４以上であるか否かを判断する。変数ｋが４未満である場合はステップＳ２０５に進み、変数ｋが４以上である場合は図１４のステップＳ３０１に進む。
【００４９】
（ｆ）ステップＳ２０５で制御部３０５は図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、ピッチＰｄの四分の一の距離を移動するよう、格子３を移動させる。ステップＳ２０６で図３に示す制御部３０５は、変数ｋに１を加算し、ステップＳ２０２に戻る。ステップＳ２０２乃至ステップＳ２０６のループを繰り返すことにより、第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）がデータ記憶装置３３１に保存される。
【００５０】
（ｇ）図１４のステップＳ３０１で、図３に示す位相算出部３０２は、データ記憶装置３３１から第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）を読み出す。次に位相算出部３０２は、上記（９）式に従って、第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）から第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５１】
（ｈ）ステップＳ３０２で位相算出部３０２は、データ記憶装置３３１から第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）を読み出す。次に位相算出部３０２は、上記（１１）式に従って、第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）から第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５２】
（ｉ）ステップＳ３０３で位相算出部３０２は、上記（１３）式に従って、第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）と、第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）と、の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を算出する。位相算出部３０２は、算出した位相差の分布φD（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ３０４で位相接続部３０３は、データ記憶装置３３１から位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を読み出す。次に、位相接続部３０３は、位相差の分布φD（ｘ，ｙ）について、−πより小さい位相差φDには２πを加算し、πより大きい位相差φDからは２πを減算して、第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５３】
（ｊ）ステップＳ３０５で位相接続部３０３は、上記（１７）式に従って、第２の補正された位相差の分布φCD2（ｘ，ｙ）を算出する。高さに対する第２の補正された位相差φCD2の比は、高さに対する第１の光による位相φ1の比に近似する。ステップＳ３０６で位相接続部３０３は、上記（１８）式に示すように、第２の補正された位相差φCD2と、第１の光による位相φ1と、の差に基づいて、位相次数ｎを算出する。
【００５４】
（ｋ）ステップＳ３０７で位相接続部３０３は、上記（１９）式に示すように、測定物４表面の総ての座標にわたって、位相次数ｎを用いて第１の光による位相φ1を位相接続する。位相接続部３０３は、位相接続された第１の光による位相φ1をデータ記憶装置３３１に保存する。
【００５５】
（ｌ）ステップＳ３０８で高さ算出部３０４は、データ記憶装置３３１から位相接続された第１の光による位相φ1を読み出す。次に高さ算出部３０４は、上記（２０）式を用いて、位相接続された第１の光による位相φ1の単位系を変換し、図１に示す測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出する。その後、出力装置３４１は高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を出力し、第１の実施の形態に係る形状計測方法を終了する。
【００５６】
以上示した第１の実施の形態に係る形状計測装置及び形状計測方法によれば、一つの投影光学系５のみを用いて、第１の光を第１の入射角θAで測定物４の表面に入射させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４の表面に入射させることが可能となる。そのため、投影光学系を複数設ける必要がなく、コストを低下させることが可能となる。また、一つの格子３のみを用いて、測定物４への入射角が異なる光による二つの変形格子像を測定物４の表面に形成することが可能となるため、高価な液晶格子を用いる必要がなく、コストを低下させることが可能となる。さらに、位相接続により、広い高さ範囲にわたって、測定物４の表面形状を計測することが可能となる。そのため、例えば、表面形状が段を有し滑らかに連続していない表面実装用半導体パッケージのリード端子の平坦度計測や検査を高い精度で行うことが可能となる。
【００５７】
測定物４の高さ分布Ｈ（ｘ，ｙ）を計測する際には、測定物４は焦点位置にあるのが好ましく、上述したように、図１３のステップＳ１００で、測定物４の観察が好適に行われる場所までステージ１４を移動させる。そこで、以下、図１５及び図１６のフローチャートを用いて、測定物４の観察が好適に行われる場所までステージ１４を移動させるための第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法について説明する。
【００５８】
（ａ）ステップＳ１１０で、平坦な基板を、キャリブレーション用ワークとして、図１に示すステージ１４に配置する。次に、格子３の投影像が目視においてぼけない程度に、移動装置１５によって、ステージ１４上の平坦な基板を、投影光学系５の概略焦点位置に移動させる。また、駆動機構２２１によって格子３のパターンを初期位置に配置する。ステップＳ１１１で図３に示す制御部３０５は、自然数をとる変数ｍに１を割り当てる。
【００５９】
（ｂ）ステップＳ１１２で図１に示す第１の発光部１１から第１の光を発する。これにより、平坦な基板の表面に格子３の第１の変形像が形成される。ステップＳ１１３で、図３に示す記録部３０１は、撮像された格子３の第１の変形像を第１の光による第ｍの光強度分布Ｉ1m（ｘ，ｙ）として記録する。記録部３０１は、第ｍの光強度分布Ｉ1m（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ１１４で制御部３０５は、変数ｍが４以上であるか否かを判断する。変数ｍが４未満である場合はステップＳ１１５に進み、変数ｍが４以上である場合はステップＳ２１１に進む。
【００６０】
（ｃ）ステップＳ１１５で制御部３０５は図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、ピッチＰｄの四分の一の距離を移動するよう、格子３を移動させる。ステップＳ１１６で図３に示す制御部３０５は、変数ｍに１を加算し、ステップＳ１１２に戻る。ステップＳ１１２乃至ステップＳ１１６のループを繰り返すことにより、第１の光による平坦な基板上の第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）がデータ記憶装置３３１に保存される。
【００６１】
（ｄ）ステップＳ２１１で図３に示す制御部３０５は、自然数をとる変数ｋに１を割り当てる。また、格子パターンをステップＳ１１０と同じ初期位置に移動させる。ステップＳ２１２で図１に示す第２の発光部１２から第２の光を発する。これにより、平坦な基板の表面に格子３の第２の変形像が形成される。
【００６２】
（ｅ）ステップＳ２１３で、図３に示す記録部３０１は、撮像された格子３の第２の変形像を第２の光による第ｋの光強度分布Ｉ2k（ｘ，ｙ）として記録する。記録部３０１は、第ｋの光強度分布Ｉ2k（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ２１４で制御部３０５は、変数ｋが４以上であるか否かを判断する。変数ｋが４未満である場合はステップＳ２１５に進み、変数ｋが４以上である場合は図１４のステップＳ３１１に進む。
【００６３】
（ｆ）ステップＳ２１５で制御部３０５は図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、ピッチＰｄの四分の一の距離を移動するよう、格子３を移動させる。ステップＳ２１６で図３に示す制御部３０５は、変数ｋに１を加算し、ステップＳ２１２に戻る。ステップＳ２１２乃至ステップＳ２１６のループを繰り返すことにより、第２の光による平坦な基板上の第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）がデータ記憶装置３３１に保存される。
【００６４】
（ｇ）図１６のステップＳ３１１で、図３に示す位相算出部３０２は、データ記憶装置３３１から第１の光による平坦な基板上の第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）を読み出す。次に位相算出部３０２は、上記（９）式に従って、第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）から第１の光による平坦な基板上の位相の分布φ1（ｘ，ｙ）を算出する。
【００６５】
（ｈ）ステップＳ３１２で位相算出部３０２は、データ記憶装置３３１から第２の光による平坦な基板上の第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）を読み出す。次に位相算出部３０２は、上記（１１）式に従って、第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）から第２の光による平坦な基板上の位相の分布φ2（ｘ，ｙ）を算出する。
【００６６】
（ｉ）ステップＳ３１３で位相算出部３０２は、上記（１３）式に従って、第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）と、第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）と、の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を算出する。ここで、ステージ１４上の平坦な基板が、投影光学系５の焦点位置にある場合、第１の光による位相φ1と、第２の光による位相φ2（ｘ，ｙ）と、は等しくなる。位相差φDがゼロの場合、図３に示すＣＰＵ３００に含まれる判定部３０６は、ステージ１４上の平坦な基板が、投影光学系５の焦点位置にあると判定する。この場合、ステージ１４の位置は適正であるため、第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法を終了する。ステージ１４上の平坦な基板が、投影光学系５の焦点位置にない場合は、位相算出部３０２は、算出した平坦な基板上の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存し、ステップＳ３１４に進む。
【００６７】
（ｊ）ステップＳ３１４で位相接続部３０３は、データ記憶装置３３１から平坦な基板上の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を読み出す。次に、位相接続部３０３は、平坦な基板上の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）について、−πより小さい位相差φDには２πを加算し、πより大きい位相差φDからは２πを減算して、平坦な基板上の第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）を算出する。
【００６８】
（ｋ）ステップＳ３１５で位相接続部３０３は、上記（１７）式に従って、平坦な基板上の第２の補正された位相差の分布φCD2（ｘ，ｙ）を算出する。高さに対する第２の補正された位相差φCD2の比は、高さに対する第１の光による位相φ1の比に近似する。ステップＳ３１６で位相接続部３０３は、上記（１８）式に示すように、平坦な基板上の第２の補正された位相差φCD2と、平坦な基板上の第１の光による位相φ1と、の差に基づいて、位相次数ｎを算出する。
【００６９】
（ｌ）ステップＳ３１７で位相接続部３０３は、上記（１９）式に示すように、平坦な基板表面の総ての座標にわたって、位相次数ｎを用いて第１の光による位相φ1を位相接続する。位相接続部３０３は、位相接続された第１の光による平坦な基板上の位相φ1をデータ記憶装置３３１に保存する。
【００７０】
（ｍ）ステップＳ３１８で高さ算出部３０４は、データ記憶装置３３１から位相接続された第１の光による平坦な基板上の位相φ1を読み出す。次に高さ算出部３０４は、上記（２０）式を用いて、位相接続された第１の光による位相φ1の単位系を変換し、平坦な基板の高さＨを算出する。ステップＳ３１９で、移動装置１５は、平坦な基板の高さＨの位置と、予め取得された投影光学系５の焦点位置と、の差に基づき、当該差がゼロになるよう、ステージ１４を移動させ、第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法を終了する。なお、再びステップＳ１１０乃至ステップＳ３１３を実施して、ステージ１４上の平坦な基板が投影光学系５の焦点位置にあるか確認してもよい。
【００７１】
従来においては、格子３の投影像のコントラストの強さのみに基づいて、ステージ１４が適正な位置に配置されているか判定している。しかし、コントラストの強さは、投影光学系からの距離に対してなだらかに変化するため、焦点調整の精度は低い。また、コントラストの評価は、光量分布、被測定物の反射ムラ、及び外乱光の影響を受けやすい。さらに、高さに対するコントラストの強さは、偶関数であるため、ステージ１４の移動方向が二通り考えられることになる。
【００７２】
これに対し、基板表面の位相差は焦点からのずれに対して、線形に変化するため、位相差に基づく焦点調整は精度が高い。また、位相に基づく焦点調整は、光量分布、被測定物の反射ムラ、及び外乱光の影響を受けにくい。さらに、図１０に示すように、高さに対する位相の関数は、偶関数ではないため、ステージ１４の移動方向が二通り考えられるということも生じない。よって、第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法によれば、高い精度でステージ１４の配置を決定することが可能となる。
【００７３】
なお、上述した例では、平坦な基板の高さＨの位置と、予め取得された投影光学系５の焦点位置と、の差に基づき、当該差がゼロになるよう、ステージ１４を移動させたが、ステップＳ３１３で位相差φDをモニタしながらステージ１４を移動させ、位相差φDがゼロになった時点でステージ１４の移動を止めてもよい。
【００７４】
また、図１３乃至図１６を参照して上記説明した方法においては、第１の光による第１乃至第４の光強度分布を取得した後、第２の光による第１乃至第４の光強度分布を取得する例を示した。これに対し、第１の光による第１の光強度分布を取得した後、格子３を移動させずに、第１の光を消灯して第２の光を点灯し、第２の光による第１の光強度分布を取得してもよい。これにより、第１の光による第１の光強度分布を取得する際の格子３の位置と、第２の光による第１の光強度分布を取得する際の格子３の位置と、が、より正確に一致するようになる。
【００７５】
この場合、第１の光による第１の光強度分布と、第２の光による第１の光強度分布と、を取得した後に、格子３をピッチＰｄの四分の一の距離を移動させ、第１の光を点灯し、第２の光を消灯して、第１の光による第２の光強度分布を取得し、格子３を移動させずに、第１の光を消灯して第２の光を点灯し、第２の光による第２の光強度分布を取得する。さらに、格子３をピッチＰｄの四分の一の距離を移動させ、第１の光を点灯し、第２の光を消灯して、第１の光による第３の光強度分布を取得し、格子３を移動させずに、第１の光を消灯して第２の光を点灯し、第２の光による第３の光強度分布を取得する。またさらに、格子３をピッチＰｄの四分の一の距離を移動させ、第１の光を点灯し、第２の光を消灯して、第１の光による第４の光強度分布を取得し、格子３を移動させずに、第１の光を消灯して第２の光を点灯し、第２の光による第４の光強度分布を取得する。
（第２の実施の形態）
図１７及び図１８に示す第２の実施の形態に係る形状計測装置においては、第１の発光部１１と、第２の発光部１２と、が同一の光源２０１に含まれている。また、第２の実施の形態に係る形状計測装置は、光源２０１の一部を覆う可動マスク２１１をさらに備える。
【００７６】
図１７に示すように、可動マスク２１１が光源２０１の第２の発光部１２を覆うと、光源２０１の投影光学系５の光軸からずれた位置の第１の発光部１１が第１の光を格子３に照射する。また、図１８に示すように、可動マスク２１１が光源２０１の第１の発光部１１を覆うと、光源２０１の投影光学系５の光軸からずれた位置の第２の発光部１２が第２の光を格子３に照射する。第２の実施の形態の形状計測装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。
【００７７】
第２の実施の形態に係る形状計測装置においても、一つの投影光学系５のみを用いて、第１の光を第１の入射角θAで測定物４の表面に入射させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４の表面に入射させることが可能となる。第２の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法は、第１の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００７８】
（第３の実施の形態）
図１９及び図２０に示す第３の実施の形態に係る形状計測装置においては、第１の発光部１１と、第２の発光部１２と、が単一の面光源２０２に含まれている。また、第３の実施の形態に係る形状計測装置は、第１及び第２の発光部１１、１２と共役な位置に交換可能に配置される、図１９に示す第１の絞り３１と、図２０に示す第２の絞り３２と、をさらに備える。
【００７９】
図１９に示すように、第１及び第２の発光部１１、１２と共役な位置に配置された第１の絞り３１は、第１の発光部１１が発した第１の光を遮光し、投影光学系５の光軸からずれた位置の第２の発光部１２が発した第２の光を透過させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４表面に入射させる。
【００８０】
また、図２０に示すように、第１及び第２の発光部１１、１２と共役な位置に配置された第２の絞り３２は、第２の発光部１２が発した第２の光を遮光し、投影光学系５の光軸からずれた位置の第１の発光部１１が発した第１の光を透過させ、第１の光を第１の入射角θAで測定物４表面に入射させる。
【００８１】
第３の実施の形態の形状計測装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。 第３の実施の形態に係る形状計測装置においても、一つの投影光学系５のみを用いて、第１の光を第１の入射角θAで測定物４の表面に入射させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４の表面に入射させることが可能となる。第３の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法は、第１の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００８２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、実施の形態では、第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）を用いて位相の分布φ1（ｘ，ｙ）を算出する例を示したが、理論上、３回以上位相シフトさせて得られた光強度分布を用いれば、位相の算出は可能である。
【００８３】
また、実施の形態では、第１の入射角θAが第２の入射角θBよりも大きいと説明したが、第１の入射角θAが第２の入射角θBよりも小さくても、測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）の算出は可能である。さらに、実施の形態では、格子パターン投影法により、変形格子像から位相を求め、高さを算出する例を示したが、本発明はモアレ法にも適応可能である。例えば、図１に示した光学系と同様の光学系を用い、図３に示したＣＰＵ３００内部に参照格子像を表す関数を記録し、撮像された変形格子像と、参照格子像と、の積をとることにより、モアレ縞を生成することが可能となる。モアレ縞位相から高さを算出する方法は、実施の形態で説明した変形格子像から算出された位相から高さを算出する方法と同様である。
【００８４】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００８５】
３ 格子
４ 測定物
５ 投影光学系
６ イメージセンサ
１１ 第１の発光部
１２ 第２の発光部
１４ ステージ
１５ 移動装置
２１ 照明レンズ
２２、２５ 集光レンズ
２４ 投影レンズ
２７ 撮像レンズ
１２１ａ 透光部
１２２ａ 遮光部
２０１ 光源
２０２ 面光源
２１１ 可動マスク
２２１ 駆動機構
３０１ 記録部
３０２ 位相算出部
３０３ 位相接続部
３０４ 高さ算出部
３０５ 制御部
３０６ 判定部
３３０ プログラム記憶装置
３３１ データ記憶装置
３４０ 入力装置
３４１ 出力装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は形状計測技術に関し、特に形状計測装置、及び形状計測装置の調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
格子パターン投影法又はモアレ法と、位相シフト法と、を組み合わせた高さ計測方法において、高さ方向の計測分解能を上げるためには、投影する格子のピッチを小さくする、あるいは被測定物体への光の入射角を大きくするなどの方法がとられる。しかし、高さ方向の計測分解能を上げると、位相と、高さと、の関係において、狭い高さの範囲で位相が折り返され、位相が不連続になる、いわゆる「位相とび」が生じる。従来、測定物表面の形状がなめらかで連続であるとの仮定の下、隣接する画素間での位相差が小さくなるように、位相に２πを加算又は減算して位相を接続するいわゆる「位相アンラップ」が行われている。しかし、大きな段差があるなど、測定物の表面がなめらかでない場合、誤った位相接続がなされる場合がある。
【０００３】
これに対し、大きいピッチの格子と、小さいピッチの格子と、を測定物表面に投影し、位相が折り返されるまでの高さの範囲を拡げる方法が提案されている。例えば、特開平１１−８３４５４号公報（以下、「特許文献１」という。）は、ピッチが可変である液晶格子を用いた高さ計測方法を開示している。また、特開２００４−３６１１４２号公報（以下、「特許文献２」という。）は、測定物に対してそれぞれ異なる角度を設けて配置された２つの投影光学系を用いて、等高線間隔の異なる２種類のモアレ縞画像を撮像する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−８３４５４号公報
【特許文献２】特開２００４−３６１１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した高さ計測方法においては、測定物を投影光学系の焦点位置に配置することにより、計測精度が向上する。これに対し、測定物が、投影光学系の焦点位置からずれると、格子の投影像がぼけるため、計測精度が低下する。そこで本発明は、測定物を保持するステージの配置を正確に調整可能な形状計測装置及び形状計測装置の調整方法を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様によれば、（ａ）第１の光を発する第１の発光部、及び第２の光を発する第２の発光部と、（ｂ）第１の光及び第２の光を受ける格子と、（ｃ）平坦な基板が配置されるステージと、（ｄ）格子を透過した第１の光を第１の入射角で基板表面に入射させ、格子を透過した第２の光を第２の入射角で基板表面に入射させる投影光学系と、（ｅ）第１の光による基板表面の格子の第１の変形像、及び第２の光による基板表面の格子の第２の変形像に基づき、基板表面の高さ方向の位置を算出する高さ算出部と、（ｆ）基板表面の高さ方向の位置が投影光学系の焦点位置と一致するよう、ステージを移動させる移動装置と、を備える、形状計測装置が提供される。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、（ａ）格子に対して、第１の発光部から第１の光を照射し、第２の発光部から第２の光を照射することと、（ｂ）格子を透過した第１の光、及び格子を透過した第２の光を投影光学系に透過させて、第１の光を第１の入射角で平坦な基板表面に入射させ、第２の光を第２の入射角で基板表面に入射させることと、（ｃ）第１の光による基板表面の格子の第１の変形像、及び第２の光による基板表面の格子の第２の変形像に基づき、基板表面の高さ方向の位置を算出することと、（ｄ）基板表面の高さ方向の位置が投影光学系の焦点位置と一致するよう、基板が配置されたステージを移動させることと、を含む、形状計測装置の調整方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、正確に調整可能な形状計測装置及び形状計測装置の調整方法を提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置の模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る格子の上面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る中央演算処理装置のブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、位相と、の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、位相差と、の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、第１の補正された位相差と、の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、第２の補正された位相差と、の関係を示す第１のグラフである。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る第２の補正された位相差と、第１の光による位相と、の関係を示す第２のグラフである。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る第２の補正された位相差と、第１の光による位相と、の差を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係る高さと、位相接続された第１の光による位相と、の関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る位相接続された第１の光による位相に含まれる計測誤差を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る第１の補正された位相差に含まれる計測誤差を示すグラフである。
【図１３】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測方法を示す第１のフローチャートである。
【図１４】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測方法を示す第２のフローチャートである。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法を示す第１のフローチャートである。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法を示す第２のフローチャートである。
【図１７】本発明の第２の実施の形態に係る形状計測装置の第１の模式図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係る形状計測装置の第２の模式図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係る形状計測装置の第１の模式図である。
【図２０】本発明の第３の実施の形態に係る形状計測装置の第２の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置は、図１に示すように、第１の光を発する第１の発光部１１、及び第２の光を発する第２の発光部１２と、第１の光及び第２の光を受ける格子３と、測定物４が配置されるステージ１４と、格子３を透過した第１の光、及び格子３を透過した第２の光の両方が透過する投影光学系５であって、第１の光を第１の入射角θAで測定物４表面に入射させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４表面に入射させる投影光学系５と、第１の光による測定物４表面の格子３の第１の変形像、及び第２の光による測定物４表面の格子３の第２の変形像を撮像するイメージセンサ６と、を備える。
【００１２】
第１及び第２の発光部１１、１２は、例えば格子３と平行な面上に並んで配置される。そのため、第１の発光部１１と格子３の間の光路長と、第２の発光部１２と格子３の間の光路長と、は等しい。ただし、第１及び第２の発光部１１、１２は、格子３と平行でなくともよい。また、例えば第１の発光部１１と、第２の発光部１２と、は、少なくとも一方が後述する投影光学系５の光軸からずれて（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓで）配置されている。第１及び第２の発光部１１、１２のそれぞれは、例えば別個の光源であり、蛍光放電管、低圧水銀灯、キセノンランプ、半導体レーザ、及び発光ダイオード（ＬＥＤ）等が使用可能である。第１の発光部１１が発する第１の光の波長と、第２の発光部１２が発する第２の光の波長は、同じであっても、異なっていてもよい。第１の発光部１１が第１の光を発する間、第２の発光部１２は消灯される。また、第２の発光部１２が第２の光を発する間、第１の発光部１１は消灯される。なお、第１の発光部１１及び第２の発光部１２は、第１の光が第１の入射角θAで測定物４表面に入射し、第２の光が第２の入射角θBで測定物４表面に入射する限りにおいて、照明レンズ２１の光軸に関して非対称に配置されていてもよい。
【００１３】
第１の発光部１１及び第２の発光部１２から発せられた第１及び第２の光の進行方向には、照明レンズ２１が配置されている。照明レンズ２１は、第１の発光部１１及び第２の発光部１２のそれぞれの任意の１点から放射された光を平行光にする。例えば、第１の発光部１１及び第２の発光部１２は、照明レンズ２１の光軸に関して対称に配置されている。そのため、第１の発光部１１及び第２の発光部１２から発せられた第１及び第２の光は、それぞれ照明レンズ２１の主に外縁に入射して屈折される。よって、照明レンズ２１を透過した第１及び第２の光のそれぞれは、照明レンズ２１の光軸に対して斜めに進行する。
【００１４】
格子３は、照明レンズ２１を透過した第１及び第２の光の進行方向に配置されている。例えば、格子３は照明レンズ２１の光軸に対して略垂直に配置される。なお「光軸に対して略垂直」とは、例えば光軸に対して９０°から１１０°である。図２に示すように、格子３は、光を通す複数の透光部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・及び光を遮る複数の遮光部１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ・・・がピッチＰｄで周期的に設けられた２次元格子パターンを有する。格子３は、図１に示す照明レンズ２１を透過して平面波となった光によって照明される。格子３には、駆動機構２２１が接続されている。駆動機構２２１は、照明レンズ２１の光軸に対して格子３を略垂直方向に移動させる。
【００１５】
格子３を透過した光の進行方向には、集光レンズ２２が配置されている。集光レンズ２２は、第１の発光部１１から発せられ格子３を透過した第１の光と、第２の発光部１２から発せられ格子３を透過した第２の光と、のそれぞれを集光する。集光レンズ２２の後焦点面には、開口絞り２３が配置されている。開口絞り２３の位置は、第１及び第２の発光部１１、１２の位置と共役である。
【００１６】
開口絞り２３を透過した第１及び第２の光の進行方向には、投影レンズ２４が配置されている。集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４は、両側テレセントリックレンズを構成しており、第１の発光部１１から発せられ格子３を透過した第１の光と、第２の発光部１２から発せられ格子３を透過した第２の光と、のそれぞれを平行光にする。集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４が構成する両側テレセントリックレンズの横倍率をＭとすると、格子３の投影像のピッチＰｅは、格子３のピッチＰｄのＭ倍である。例えば以上説明した照明レンズ２１、集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４が、投影光学系５を構成している。
【００１７】
ステージ１４は、投影レンズ２４を透過した第１及び第２の光の進行方向に配置されており、例えば格子３が配置される物体面に対して結像する位置に配置される。また、ステージ１４は、投影レンズ２４の光軸に対して斜めに配置されている。ステージ１４には移動装置１５が接続されている。移動装置１５は、ステージ１４を任意の方向に移動させる。照明レンズ２１、集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４はケーラー照明を用いた投影光学系を構成するため、ステージ１４上の測定物４の表面は第１の光又は第２の光でムラ無く照射される。
【００１８】
第１の発光部１１から発せられた第１の光は、ステージ１４上の測定物４の表面に第１の入射角θAで入射し、測定物４の表面で反射されて、第１の出射角−θAで出射する。集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４が両側テレセントリックレンズを構成しているため、第１の入射角θA及び第１の出射角−θAは、測定物４の表面の位置によらず、ほぼ一定となる。
【００１９】
また、第２の発光部１２から発せられた第２の光は、ステージ１４上の測定物４の表面に第１の入射角θAよりも小さい第２の入射角θBで入射し、測定物４の表面で反射されて、第２の出射角−θBで出射する。集光レンズ２２、開口絞り２３、及び投影レンズ２４が両側テレセントリックレンズを構成しているため、第２の入射角θB及び第２の出射角−θBは、測定物４の表面の位置によらず、ほぼ一定となる。
【００２０】
第１の発光部１１が第１の光を発し、第２の発光部１２が消灯された場合、測定物４の表面には、第１の入射角θAで入射した第１の光によって格子３の第１の像が投影される。投影された格子３の第１の像は、測定物４の表面の凹凸形状に応じて変形する。また、第２の発光部１２が第２の光を発し、第１の発光部１１が消灯された場合、測定物４の表面には、第２の入射角θBで入射した第２の光によって格子３の第２の像が投影される。投影された格子３の第２の像は、測定物４の表面の凹凸形状に応じて変形する。
【００２１】
ステージ１４上の測定物４で反射された第１及び第２の光の進行方向には、集光レンズ２５が配置されている。投影レンズ２４の光軸と、集光レンズ２５の光軸と、は同一平面上に存在し、ステージ１４上で交差する。投影レンズ２４の光軸と、集光レンズ２５の光軸と、は面対称である。集光レンズ２５は、第１の発光部１１から発せられ測定物４表面で反射された第１の光と、第２の発光部１２から発せられ測定物４表面で反射された第２の光と、のそれぞれを集光する。集光レンズ２５の後焦点面には、開口絞り２６が配置されている。
【００２２】
開口絞り２６を透過した第１及び第２の光の進行方向には、撮像レンズ２７が配置されている。撮像レンズ２７は、第１の発光部１１から発せられ測定物４表面で反射された第１の光と、第２の発光部１２から発せられ測定物４表面で反射された第２の光と、のそれぞれを平行光にする。
【００２３】
集光レンズ２５、開口絞り２６、及び撮像レンズ２７は、両側テレセントリックレンズを構成している。イメージセンサ６は、集光レンズ２５、開口絞り２６、及び撮像レンズ２７が構成する両側テレセントリックレンズの結像点に配置されている。イメージセンサ６は、測定物４の表面に形成された格子３の第１の変形像と、第２の変形像と、を撮像し、光電変換する。イメージセンサ６には電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ等が使用可能である。
【００２４】
イメージセンサ６には、図３に示す中央演算処理装置（ＣＰＵ）３００が接続されている。ＣＰＵ３００は、記録部３０１を備える。図１に示す第２の発光部１２が第２の光を放射せず、第１の発光部１１が第１の光を放射し、格子３が初期位置である第１の位置に配置されていた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第１の変形像を、第１の光による第１の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）として記録する。
【００２５】
また、駆動機構２２１で格子３を第１の位置から第２の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４表面の格子３の第１の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第１の変形像を、第１の光による第２の光強度分布Ｉ12（ｘ，ｙ）として記録する。
【００２６】
さらに格子３を第２の位置から第３の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４表面の格子３の第１の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第１の変形像を、第１の光による第３の光強度分布Ｉ13（ｘ，ｙ）として記録する。
【００２７】
またさらに格子３を第３の位置から第４の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４表面の格子３の第１の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第１の変形像を、第１の光による第４の光強度分布Ｉ14（ｘ，ｙ）として記録する。
【００２８】
第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）のそれぞれは、ｘ方向及びｙ方向に配置された複数の画素から構成される。複数の画素のそれぞれは、光強度のデータを有する。第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）は、下記（１）〜（４）式で与えられる。
Ｉ11（ｘ，ｙ）＝Ａ1×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ1（ｘ，ｙ））＋Ｂ1 ・・・（１）
Ｉ12（ｘ，ｙ）＝Ａ1×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ1（ｘ，ｙ）＋π／２）＋Ｂ1・・・（２）
Ｉ13（ｘ，ｙ）＝Ａ1×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ1（ｘ，ｙ）＋π）＋Ｂ1 ・・・（３）
Ｉ14（ｘ，ｙ）
＝Ａ1×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ1（ｘ，ｙ）＋３×π／２）＋Ｂ1・・・（４）
ここで、Ａ1、Ｂ1は各画素における定数であり、Ａ1は振幅を、Ｂ1はバイアス項を示す。Ｐｅは、格子３の第１の変形像のピッチである。Ａ1の値は集光レンズ２２、投影レンズ２４、及び集光レンズ２５等のレンズ特性、並びに第１及び第２の発光部１１、１２が発する第１及び第２の光の光強度、測定物４の表面の反射率、及びイメージセンサ６の感度によって定まる。Ｂ1の値は、レンズ特性、測定物４の表面の反射率、第１及び第２の発光部１１、１２が発する第１及び第２の光の光強度、及びイメージセンサ６の感度の他に、迷光等の要因によって定まる。φ1（ｘ，ｙ）は第１の光を用いて格子３を測定物４表面に投影した場合の測定物４表面の位相の分布を示す。
【００２９】
次に、第１の発光部１１が第１の光を放射せず、第２の発光部１２が第２の光を放射し、格子３が初期位置である第１の位置に配置されていた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第２の変形像を、第２の光による第１の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）として記録する。
【００３０】
また、駆動機構２２１で格子３を第１の位置から第２の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４の表面の格子３の第２の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第２の変形像を、第２の光による第２の光強度分布Ｉ22（ｘ，ｙ）として記録する。
【００３１】
さらに格子３を第２の位置から第３の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４の表面の格子３の第２の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第２の変形像を、第２の光による第３の光強度分布Ｉ23（ｘ，ｙ）として記録する。
【００３２】
またさらに格子３を第３の位置から第４の位置までピッチＰｄの四分の一の距離を移動させて、測定物４の表面の格子３の第２の変形像を移動させた場合、図３に示す記録部３０１は、図１に示すイメージセンサ６で撮像された格子３の第２の変形像を、第２の光による第４の光強度分布Ｉ24（ｘ，ｙ）として記録する。
【００３３】
第２の発光部１２による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）のそれぞれも、ｘ方向及びｙ方向に配置された複数の画素から構成される。第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）は、下記（５）〜（８）式で与えられる。
Ｉ21（ｘ，ｙ）＝Ａ2×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ2（ｘ，ｙ））＋Ｂ2 ・・・（５）
Ｉ22（ｘ，ｙ）＝Ａ2×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ2（ｘ，ｙ）＋π／２）＋Ｂ2・・・（６）
Ｉ23（ｘ，ｙ）＝Ａ2×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ2（ｘ，ｙ）＋π）＋Ｂ2 ・・・（７）
Ｉ24（ｘ，ｙ）
＝Ａ2×ｃｏｓ（２πｘ／Ｐｅ＋φ2（ｘ，ｙ）＋３×π／２）＋Ｂ2・・・（８）
ここで、Ａ2、Ｂ2は各画素における定数であり、Ａ2は振幅を、Ｂ2はバイアス項を示す。Ｐｅは、格子３の第２の変形像のピッチであり、格子３の第１の変形像のピッチと同じである。φ2（ｘ，ｙ）は第２の光を用いて格子３を投影した場合の測定物４表面の位相の分布を示す。
【００３４】
図３に示すＣＰＵ３００は、位相算出部３０２をさらに備える。位相算出部３０２は、下記（９）式に従って、第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）から、第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）を算出する。
φ1（ｘ，ｙ）＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ14−Ｉ12）／（Ｉ11−Ｉ13）｝ ・・・（９）
ここで、第１の発光部１１から第１の光を照射された測定物４表面の任意の座標において、第１の入射角θAで測定物４表面に入射した第１の光による位相φ1は、図４に示すように、測定物４の高さに対して不連続であり、−πからπで折り返される。位相φ1の１周期に相当する測定物４の高さ範囲Δｈ1は、下記（１１）式で与えられる。
Δｈ1＝Ｐｅ／２ｔａｎθA ・・・（１０）
【００３５】
また、図３に示すＣＰＵ３００の位相算出部３０２は、下記（１１）式に従って、第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）から、第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）を算出する。
φ2（ｘ，ｙ）＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｉ24−Ｉ22）／（Ｉ21−Ｉ23）｝ ・・・（１１）
ここで、第２の発光部１２から第２の光を照射された測定物４表面の任意の座標において、第２の入射角θBで測定物４表面に入射した第２の光による位相φ2は、図４に示すように、測定物４の高さに対して不連続であり、−πからπで折り返される。位相φ2の１周期に相当する測定物４の高さ範囲Δｈ2は、下記（１２）式で与えられる。
Δｈ2＝Ｐｅ／２ｔａｎθB ・・・（１２）
第２の入射角θBは第１の入射角θAよりも小さいため、第２の光による位相φ2で生じる位相とびの回数は、第１の光による位相φ1で生じる位相とびの回数よりも少ない。
【００３６】
さらに、図３に示す位相算出部３０２は、下記（１３）式に示すように、第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）と、第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）と、から、位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を算出する。図５に示すように、位相差φDも、測定物４の高さに対して不連続である。
φD（ｘ，ｙ）＝φ1（ｘ，ｙ）−φ2（ｘ，ｙ） ・・・（１３）
【００３７】
図３に示すＣＰＵ３００は、位相接続部３０３をさらに備える。位相接続部３０３は、位相差の分布φD（ｘ，ｙ）の−πより小さい位相差φDには、下記（１４）式に示すように、２πを加算し、位相差の分布φD（ｘ，ｙ）のπより大きい位相差φDからは、下記（１５）式に示すように、２πを減算して、第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）を算出する。
φD（ｘ，ｙ）＜−πの場合、φCD1（ｘ，ｙ）＝φD（ｘ，ｙ）＋２π ・・・（１４）
φD（ｘ，ｙ）＞πの場合、φCD1（ｘ，ｙ）＝φD（ｘ，ｙ）−２π ・・・（１５）
図６に示すように、第１の補正された位相差φCD1は、下記（１６）式で与えられる広い高さ範囲Δｈ12に対して連続である。
Δｈ12＝Δｈ1Δｈ2／（Δｈ2−Δｈ1） ・・・（１６）
【００３８】
さらに図３に示す位相接続部３０３は、下記（１７）式に示すように、第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）にΔｈ2を乗じた後、Δｈ2とΔｈ1との差で除し、第２の補正された位相差の分布φCD2（ｘ，ｙ）を算出する。
φCD2（ｘ，ｙ）＝φCD1（ｘ，ｙ）×Δｈ2／（Δｈ2−Δｈ1） ・・・（１７）
図７に示す例では、φCD2（ｘ，ｙ）の位相が、−４πから４πに広がっている。また図７に示すように、測定物４表面の任意の座標において、第２の補正された位相差φCD2は、上記（１６）式で与えられる広い高さ範囲Δｈ12に対して連続である。さらに、図８に示すように、高さに対して第２の補正された位相差φCD2を与える関数の傾きは、高さに対して第１の光による位相φ1を与える関数の傾きに、連続な部分において近似する。換言すれば、高さに対する第２の補正された位相差φCD2の比は、高さに対する第１の光による位相φ1の比に近似する。
【００３９】
さらに図３に示す位相接続部３０３は、図９に示すように、測定物４の表面の座標毎に、第２の補正された位相差φCD2と、第１の光による位相φ1と、の差を算出し、さらに、下記（１８）式に示すように、算出された差を２πで除した値に最も近い整数ｎを算出する。
ｎ≒（φCD2−φ1）／２π ・・・（１８）
なお、上記（１８）式の右辺が整数になる場合もあるが、計測誤差により整数でない実数となる場合がある。そのため、右辺が与える実数に最も近い整数ｎを求める。具体的には、右辺が与える実数を四捨五入して整数ｎを求めればよい。
【００４０】
上記（１８）式で算出される整数ｎが、２π毎の位相とびの位相次数となる。図３に示す位相接続部３０３は、下記（１９）式に示すように、測定物４表面の総ての座標にわたって、位相次数ｎを用いて第１の光による位相φ1を位相接続する。
φ1C＝φ1＋２ｎπ ・・・（１９）
位相接続された第１の光による位相φ1Cは、高さ計測分解能に関して位相接続される前の第１の光による位相φ1と同じ精度を有し、かつ図１０に示すように、上記（１６）式で与えられる広い高さ範囲Δｈ12に対して連続である。
【００４１】
図３に示すＣＰＵ３００に含まれる高さ算出部３０４は、位相接続された第１の光による位相の分布φ1C（ｘ，ｙ）の単位系を変換し、図１に示す測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出する。この場合、上記（１０）式で与えられる高さ範囲Δｈ1が位相の範囲２πと等価であるので、図３に示す高さ算出部３０４は、位相接続された第１の光による位相の分布φ1C（ｘ，ｙ）を下記（２０）式に代入し、測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出する。
Ｈ（ｘ，ｙ）＝（φ1C（ｘ，ｙ）／２π）×Δｈ1 … （２０）
【００４２】
なお、高さ算出部３０４は、第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）に基づいて測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出してもよい。ただし、位相接続された第１の光による位相の分布φ1C（ｘ，ｙ）に基づいて測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出したほうが、測定誤差が低くなる。例えば、シミュレーションにより、第１の光による位相φ1と、第２の光による位相φ2と、のそれぞれに、±０．１ｒａｄ範囲の計測誤差をランダムに与えた場合、図１１に示すように、位相接続された第１の光による位相φ1Cに含まれる計測誤差は、第１の光による位相φ1に含まれる計測誤差と同程度である。しかし、図１２に示すように、第１の補正された位相差φCD1に含まれる計測誤差は、位相接続された第１の光による位相φ1Cに含まれる計測誤差と比較して大きくなる。
【００４３】
図３に示すＣＰＵ３００は、図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、格子３の配置を設定する制御部３０５をさらに備える。ＣＰＵ３００には、入力装置３４０、出力装置３４１、プログラム記憶装置３３０、及びデータ記憶装置３３１が接続されている。入力装置３４０としては、例えばキーボード、マウスやボイスデバイス等が使用可能である。出力装置３４１としては、プリンタ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）やＣＲＴディスプレイ等が使用可能である。プログラム記憶装置３３０は、ＣＰＵ３００を制御するオペレーティングシステム等を保存する。データ記憶装置３３１は、ＣＰＵ３００による演算結果を逐次格納する。データ記憶装置３３１及びプログラム記憶装置３３０としては、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスクや磁気テープなどのプログラムを記録する記録媒体等が使用可能である。
【００４４】
次に第１の実施の形態に係る形状計測方法を、図１３及び図１４のフローチャートを参照して説明する。なお、図３に示すＣＰＵ３００による演算結果は、データ記憶装置３３１に逐次格納される。
（ａ）ステップＳ１００で、図１に示す測定物４をステージ１４上に配置する。次に測定物４の観察が好適に行われる場所までステージ１４を移動させ、駆動機構２２１によって格子３のパターンを初期位置に配置する。ステップＳ１０１で図３に示す制御部３０５は、自然数をとる変数ｍに１を割り当てる。
【００４５】
（ｂ）ステップＳ１０２で図１に示す第１の発光部１１から第１の光を発する。これにより、測定物４の表面に格子３の第１の変形像が形成される。ステップＳ１０３で、図３に示す記録部３０１は、撮像された格子３の第１の変形像を第１の光による第ｍの光強度分布Ｉ1m（ｘ，ｙ）として記録する。記録部３０１は、第ｍの光強度分布Ｉ1m（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ１０４で制御部３０５は、変数ｍが４以上であるか否かを判断する。変数ｍが４未満である場合はステップＳ１０５に進み、変数ｍが４以上である場合はステップＳ２０１に進む。
【００４６】
（ｃ）ステップＳ１０５で制御部３０５は図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、ピッチＰｄの四分の一の距離を移動するよう、格子３を移動させる。ステップＳ１０６で図３に示す制御部３０５は、変数ｍに１を加算し、ステップＳ１０２に戻る。ステップＳ１０２乃至ステップＳ１０６のループを繰り返すことにより、第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）がデータ記憶装置３３１に保存される。
【００４７】
（ｄ）ステップＳ２０１で図３に示す制御部３０５は、自然数をとる変数ｋに１を割り当てる。また、格子パターンをステップＳ１００と同じ初期位置に移動させる。ステップＳ２０２で図１に示す第２の発光部１２から第２の光を発する。これにより、測定物４の表面に格子３の第２の変形像が形成される。
【００４８】
（ｅ）ステップＳ２０３で、図３に示す記録部３０１は、撮像された格子３の第２の変形像を第２の光による第ｋの光強度分布Ｉ2k（ｘ，ｙ）として記録する。記録部３０１は、第ｋの光強度分布Ｉ2k（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ２０４で制御部３０５は、変数ｋが４以上であるか否かを判断する。変数ｋが４未満である場合はステップＳ２０５に進み、変数ｋが４以上である場合は図１４のステップＳ３０１に進む。
【００４９】
（ｆ）ステップＳ２０５で制御部３０５は図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、ピッチＰｄの四分の一の距離を移動するよう、格子３を移動させる。ステップＳ２０６で図３に示す制御部３０５は、変数ｋに１を加算し、ステップＳ２０２に戻る。ステップＳ２０２乃至ステップＳ２０６のループを繰り返すことにより、第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）がデータ記憶装置３３１に保存される。
【００５０】
（ｇ）図１４のステップＳ３０１で、図３に示す位相算出部３０２は、データ記憶装置３３１から第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）を読み出す。次に位相算出部３０２は、上記（９）式に従って、第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）から第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５１】
（ｈ）ステップＳ３０２で位相算出部３０２は、データ記憶装置３３１から第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）を読み出す。次に位相算出部３０２は、上記（１１）式に従って、第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）から第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５２】
（ｉ）ステップＳ３０３で位相算出部３０２は、上記（１３）式に従って、第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）と、第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）と、の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を算出する。位相算出部３０２は、算出した位相差の分布φD（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ３０４で位相接続部３０３は、データ記憶装置３３１から位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を読み出す。次に、位相接続部３０３は、位相差の分布φD（ｘ，ｙ）について、−πより小さい位相差φDには２πを加算し、πより大きい位相差φDからは２πを減算して、第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）を算出する。
【００５３】
（ｊ）ステップＳ３０５で位相接続部３０３は、上記（１７）式に従って、第２の補正された位相差の分布φCD2（ｘ，ｙ）を算出する。高さに対する第２の補正された位相差φCD2の比は、高さに対する第１の光による位相φ1の比に近似する。ステップＳ３０６で位相接続部３０３は、上記（１８）式に示すように、第２の補正された位相差φCD2と、第１の光による位相φ1と、の差に基づいて、位相次数ｎを算出する。
【００５４】
（ｋ）ステップＳ３０７で位相接続部３０３は、上記（１９）式に示すように、測定物４表面の総ての座標にわたって、位相次数ｎを用いて第１の光による位相φ1を位相接続する。位相接続部３０３は、位相接続された第１の光による位相φ1をデータ記憶装置３３１に保存する。
【００５５】
（ｌ）ステップＳ３０８で高さ算出部３０４は、データ記憶装置３３１から位相接続された第１の光による位相φ1を読み出す。次に高さ算出部３０４は、上記（２０）式を用いて、位相接続された第１の光による位相φ1の単位系を変換し、図１に示す測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を算出する。その後、出力装置３４１は高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）を出力し、第１の実施の形態に係る形状計測方法を終了する。
【００５６】
以上示した第１の実施の形態に係る形状計測装置及び形状計測方法によれば、一つの投影光学系５のみを用いて、第１の光を第１の入射角θAで測定物４の表面に入射させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４の表面に入射させることが可能となる。そのため、投影光学系を複数設ける必要がなく、コストを低下させることが可能となる。また、一つの格子３のみを用いて、測定物４への入射角が異なる光による二つの変形格子像を測定物４の表面に形成することが可能となるため、高価な液晶格子を用いる必要がなく、コストを低下させることが可能となる。さらに、位相接続により、広い高さ範囲にわたって、測定物４の表面形状を計測することが可能となる。そのため、例えば、表面形状が段を有し滑らかに連続していない表面実装用半導体パッケージのリード端子の平坦度計測や検査を高い精度で行うことが可能となる。
【００５７】
測定物４の高さ分布Ｈ（ｘ，ｙ）を計測する際には、測定物４は焦点位置にあるのが好ましく、上述したように、図１３のステップＳ１００で、測定物４の観察が好適に行われる場所までステージ１４を移動させる。そこで、以下、図１５及び図１６のフローチャートを用いて、測定物４の観察が好適に行われる場所までステージ１４を移動させるための第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法について説明する。
【００５８】
（ａ）ステップＳ１１０で、平坦な基板を、キャリブレーション用ワークとして、図１に示すステージ１４に配置する。次に、格子３の投影像が目視においてぼけない程度に、移動装置１５によって、ステージ１４上の平坦な基板を、投影光学系５の概略焦点位置に移動させる。また、駆動機構２２１によって格子３のパターンを初期位置に配置する。ステップＳ１１１で図３に示す制御部３０５は、自然数をとる変数ｍに１を割り当てる。
【００５９】
（ｂ）ステップＳ１１２で図１に示す第１の発光部１１から第１の光を発する。これにより、平坦な基板の表面に格子３の第１の変形像が形成される。ステップＳ１１３で、図３に示す記録部３０１は、撮像された格子３の第１の変形像を第１の光による第ｍの光強度分布Ｉ1m（ｘ，ｙ）として記録する。記録部３０１は、第ｍの光強度分布Ｉ1m（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ１１４で制御部３０５は、変数ｍが４以上であるか否かを判断する。変数ｍが４未満である場合はステップＳ１１５に進み、変数ｍが４以上である場合はステップＳ２１１に進む。
【００６０】
（ｃ）ステップＳ１１５で制御部３０５は図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、ピッチＰｄの四分の一の距離を移動するよう、格子３を移動させる。ステップＳ１１６で図３に示す制御部３０５は、変数ｍに１を加算し、ステップＳ１１２に戻る。ステップＳ１１２乃至ステップＳ１１６のループを繰り返すことにより、第１の光による平坦な基板上の第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）がデータ記憶装置３３１に保存される。
【００６１】
（ｄ）ステップＳ２１１で図３に示す制御部３０５は、自然数をとる変数ｋに１を割り当てる。また、格子パターンをステップＳ１１０と同じ初期位置に移動させる。ステップＳ２１２で図１に示す第２の発光部１２から第２の光を発する。これにより、平坦な基板の表面に格子３の第２の変形像が形成される。
【００６２】
（ｅ）ステップＳ２１３で、図３に示す記録部３０１は、撮像された格子３の第２の変形像を第２の光による第ｋの光強度分布Ｉ2k（ｘ，ｙ）として記録する。記録部３０１は、第ｋの光強度分布Ｉ2k（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存する。ステップＳ２１４で制御部３０５は、変数ｋが４以上であるか否かを判断する。変数ｋが４未満である場合はステップＳ２１５に進み、変数ｋが４以上である場合は図１４のステップＳ３１１に進む。
【００６３】
（ｆ）ステップＳ２１５で制御部３０５は図１に示す駆動機構２２１に指示信号を送り、ピッチＰｄの四分の一の距離を移動するよう、格子３を移動させる。ステップＳ２１６で図３に示す制御部３０５は、変数ｋに１を加算し、ステップＳ２１２に戻る。ステップＳ２１２乃至ステップＳ２１６のループを繰り返すことにより、第２の光による平坦な基板上の第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）がデータ記憶装置３３１に保存される。
【００６４】
（ｇ）図１６のステップＳ３１１で、図３に示す位相算出部３０２は、データ記憶装置３３１から第１の光による平坦な基板上の第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）を読み出す。次に位相算出部３０２は、上記（９）式に従って、第１の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）から第１の光による平坦な基板上の位相の分布φ1（ｘ，ｙ）を算出する。
【００６５】
（ｈ）ステップＳ３１２で位相算出部３０２は、データ記憶装置３３１から第２の光による平坦な基板上の第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）を読み出す。次に位相算出部３０２は、上記（１１）式に従って、第２の光による第１乃至第４の光強度分布Ｉ21（ｘ，ｙ）〜Ｉ24（ｘ，ｙ）から第２の光による平坦な基板上の位相の分布φ2（ｘ，ｙ）を算出する。
【００６６】
（ｉ）ステップＳ３１３で位相算出部３０２は、上記（１３）式に従って、第１の光による位相の分布φ1（ｘ，ｙ）と、第２の光による位相の分布φ2（ｘ，ｙ）と、の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を算出する。ここで、ステージ１４上の平坦な基板が、投影光学系５の焦点位置にある場合、第１の光による位相φ1と、第２の光による位相φ2（ｘ，ｙ）と、は等しくなる。位相差φDがゼロの場合、図３に示すＣＰＵ３００に含まれる判定部３０６は、ステージ１４上の平坦な基板が、投影光学系５の焦点位置にあると判定する。この場合、ステージ１４の位置は適正であるため、第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法を終了する。ステージ１４上の平坦な基板が、投影光学系５の焦点位置にない場合は、位相算出部３０２は、算出した平坦な基板上の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）をデータ記憶装置３３１に保存し、ステップＳ３１４に進む。
【００６７】
（ｊ）ステップＳ３１４で位相接続部３０３は、データ記憶装置３３１から平坦な基板上の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）を読み出す。次に、位相接続部３０３は、平坦な基板上の位相差の分布φD（ｘ，ｙ）について、−πより小さい位相差φDには２πを加算し、πより大きい位相差φDからは２πを減算して、平坦な基板上の第１の補正された位相差の分布φCD1（ｘ，ｙ）を算出する。
【００６８】
（ｋ）ステップＳ３１５で位相接続部３０３は、上記（１７）式に従って、平坦な基板上の第２の補正された位相差の分布φCD2（ｘ，ｙ）を算出する。高さに対する第２の補正された位相差φCD2の比は、高さに対する第１の光による位相φ1の比に近似する。ステップＳ３１６で位相接続部３０３は、上記（１８）式に示すように、平坦な基板上の第２の補正された位相差φCD2と、平坦な基板上の第１の光による位相φ1と、の差に基づいて、位相次数ｎを算出する。
【００６９】
（ｌ）ステップＳ３１７で位相接続部３０３は、上記（１９）式に示すように、平坦な基板表面の総ての座標にわたって、位相次数ｎを用いて第１の光による位相φ1を位相接続する。位相接続部３０３は、位相接続された第１の光による平坦な基板上の位相φ1をデータ記憶装置３３１に保存する。
【００７０】
（ｍ）ステップＳ３１８で高さ算出部３０４は、データ記憶装置３３１から位相接続された第１の光による平坦な基板上の位相φ1を読み出す。次に高さ算出部３０４は、上記（２０）式を用いて、位相接続された第１の光による位相φ1の単位系を変換し、平坦な基板の高さＨを算出する。ステップＳ３１９で、移動装置１５は、平坦な基板の高さＨの位置と、予め取得された投影光学系５の焦点位置と、の差に基づき、当該差がゼロになるよう、ステージ１４を移動させ、第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法を終了する。なお、再びステップＳ１１０乃至ステップＳ３１３を実施して、ステージ１４上の平坦な基板が投影光学系５の焦点位置にあるか確認してもよい。
【００７１】
従来においては、格子３の投影像のコントラストの強さのみに基づいて、ステージ１４が適正な位置に配置されているか判定している。しかし、コントラストの強さは、投影光学系からの距離に対してなだらかに変化するため、焦点調整の精度は低い。また、コントラストの評価は、光量分布、被測定物の反射ムラ、及び外乱光の影響を受けやすい。さらに、高さに対するコントラストの強さは、偶関数であるため、ステージ１４の移動方向が二通り考えられることになる。
【００７２】
これに対し、基板表面の位相差は焦点からのずれに対して、線形に変化するため、位相差に基づく焦点調整は精度が高い。また、位相に基づく焦点調整は、光量分布、被測定物の反射ムラ、及び外乱光の影響を受けにくい。さらに、図１０に示すように、高さに対する位相の関数は、偶関数ではないため、ステージ１４の移動方向が二通り考えられるということも生じない。よって、第１の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法によれば、高い精度でステージ１４の配置を決定することが可能となる。
【００７３】
なお、上述した例では、平坦な基板の高さＨの位置と、予め取得された投影光学系５の焦点位置と、の差に基づき、当該差がゼロになるよう、ステージ１４を移動させたが、ステップＳ３１３で位相差φDをモニタしながらステージ１４を移動させ、位相差φDがゼロになった時点でステージ１４の移動を止めてもよい。
【００７４】
また、図１３乃至図１６を参照して上記説明した方法においては、第１の光による第１乃至第４の光強度分布を取得した後、第２の光による第１乃至第４の光強度分布を取得する例を示した。これに対し、第１の光による第１の光強度分布を取得した後、格子３を移動させずに、第１の光を消灯して第２の光を点灯し、第２の光による第１の光強度分布を取得してもよい。これにより、第１の光による第１の光強度分布を取得する際の格子３の位置と、第２の光による第１の光強度分布を取得する際の格子３の位置と、が、より正確に一致するようになる。
【００７５】
この場合、第１の光による第１の光強度分布と、第２の光による第１の光強度分布と、を取得した後に、格子３をピッチＰｄの四分の一の距離を移動させ、第１の光を点灯し、第２の光を消灯して、第１の光による第２の光強度分布を取得し、格子３を移動させずに、第１の光を消灯して第２の光を点灯し、第２の光による第２の光強度分布を取得する。さらに、格子３をピッチＰｄの四分の一の距離を移動させ、第１の光を点灯し、第２の光を消灯して、第１の光による第３の光強度分布を取得し、格子３を移動させずに、第１の光を消灯して第２の光を点灯し、第２の光による第３の光強度分布を取得する。またさらに、格子３をピッチＰｄの四分の一の距離を移動させ、第１の光を点灯し、第２の光を消灯して、第１の光による第４の光強度分布を取得し、格子３を移動させずに、第１の光を消灯して第２の光を点灯し、第２の光による第４の光強度分布を取得する。
（第２の実施の形態）
図１７及び図１８に示す第２の実施の形態に係る形状計測装置においては、第１の発光部１１と、第２の発光部１２と、が同一の光源２０１に含まれている。また、第２の実施の形態に係る形状計測装置は、光源２０１の一部を覆う可動マスク２１１をさらに備える。
【００７６】
図１７に示すように、可動マスク２１１が光源２０１の第２の発光部１２を覆うと、光源２０１の投影光学系５の光軸からずれた位置の第１の発光部１１が第１の光を格子３に照射する。また、図１８に示すように、可動マスク２１１が光源２０１の第１の発光部１１を覆うと、光源２０１の投影光学系５の光軸からずれた位置の第２の発光部１２が第２の光を格子３に照射する。第２の実施の形態の形状計測装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。
【００７７】
第２の実施の形態に係る形状計測装置においても、一つの投影光学系５のみを用いて、第１の光を第１の入射角θAで測定物４の表面に入射させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４の表面に入射させることが可能となる。第２の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法は、第１の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００７８】
（第３の実施の形態）
図１９及び図２０に示す第３の実施の形態に係る形状計測装置においては、第１の発光部１１と、第２の発光部１２と、が単一の面光源２０２に含まれている。また、第３の実施の形態に係る形状計測装置は、第１及び第２の発光部１１、１２と共役な位置に交換可能に配置される、図１９に示す第１の絞り３１と、図２０に示す第２の絞り３２と、をさらに備える。
【００７９】
図１９に示すように、第１及び第２の発光部１１、１２と共役な位置に配置された第１の絞り３１は、第１の発光部１１が発した第１の光を遮光し、投影光学系５の光軸からずれた位置の第２の発光部１２が発した第２の光を透過させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４表面に入射させる。
【００８０】
また、図２０に示すように、第１及び第２の発光部１１、１２と共役な位置に配置された第２の絞り３２は、第２の発光部１２が発した第２の光を遮光し、投影光学系５の光軸からずれた位置の第１の発光部１１が発した第１の光を透過させ、第１の光を第１の入射角θAで測定物４表面に入射させる。
【００８１】
第３の実施の形態の形状計測装置のその他の構成要素は、第１の実施の形態と同様である。 第３の実施の形態に係る形状計測装置においても、一つの投影光学系５のみを用いて、第１の光を第１の入射角θAで測定物４の表面に入射させ、第２の光を第２の入射角θBで測定物４の表面に入射させることが可能となる。第３の実施の形態に係る形状計測装置の調整方法は、第１の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。
【００８２】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、実施の形態では、第１乃至第４の光強度分布Ｉ11（ｘ，ｙ）〜Ｉ14（ｘ，ｙ）を用いて位相の分布φ1（ｘ，ｙ）を算出する例を示したが、理論上、３回以上位相シフトさせて得られた光強度分布を用いれば、位相の算出は可能である。
【００８３】
また、実施の形態では、第１の入射角θAが第２の入射角θBよりも大きいと説明したが、第１の入射角θAが第２の入射角θBよりも小さくても、測定物４の高さの分布Ｈ（ｘ，ｙ）の算出は可能である。さらに、実施の形態では、格子パターン投影法により、変形格子像から位相を求め、高さを算出する例を示したが、本発明はモアレ法にも適応可能である。例えば、図１に示した光学系と同様の光学系を用い、図３に示したＣＰＵ３００内部に参照格子像を表す関数を記録し、撮像された変形格子像と、参照格子像と、の積をとることにより、モアレ縞を生成することが可能となる。モアレ縞位相から高さを算出する方法は、実施の形態で説明した変形格子像から算出された位相から高さを算出する方法と同様である。
【００８４】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００８５】
３ 格子
４ 測定物
５ 投影光学系
６ イメージセンサ
１１ 第１の発光部
１２ 第２の発光部
１４ ステージ
１５ 移動装置
２１ 照明レンズ
２２、２５ 集光レンズ
２４ 投影レンズ
２７ 撮像レンズ
１２１ａ 透光部
１２２ａ 遮光部
２０１ 光源
２０２ 面光源
２１１ 可動マスク
２２１ 駆動機構
３０１ 記録部
３０２ 位相算出部
３０３ 位相接続部
３０４ 高さ算出部
３０５ 制御部
３０６ 判定部
３３０ プログラム記憶装置
３３１ データ記憶装置
３４０ 入力装置
３４１ 出力装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光を発する第１の発光部、及び第２の光を発する第２の発光部と、
前記第１の光及び前記第２の光を受ける格子と、
平坦な基板が配置されるステージと、
前記格子を透過した前記第１の光を第１の入射角で前記基板表面に入射させ、前記格子を透過した前記第２の光を第２の入射角で前記基板表面に入射させる投影光学系と、
前記第１の光による前記基板表面の前記格子の第１の変形像、及び前記第２の光による前記基板表面の前記格子の第２の変形像に基づき、前記基板表面の高さ方向の位置を算出する高さ算出部と、
前記基板表面の高さ方向の位置が前記投影光学系の焦点位置と一致するよう、前記ステージを移動させる移動装置と、
を備える、形状計測装置。
【請求項２】
前記格子の第１の変形像に基づき前記基板表面の第１の光による位相を算出し、前記格子の第２の変形像に基づき前記基板表面の第２の光による位相を算出し、前記第１の光による位相と、前記第２の光による位相と、の差である位相差を算出する位相算出部を更に備える、請求項１に記載の形状計測装置。
【請求項３】
前記位相差がない場合、前記基板表面の高さ方向の位置が前記投影光学系の焦点位置と一致していると判定する判定部を更に備える請求項２に記載の形状計測装置。
【請求項４】
前記位相差を位相接続して、第１の補正された位相差を算出し、前記第１の補正された位相差に、前記第２の光による位相の１周期に相当する第２の高さ範囲を乗じ、さらに前記第２の高さ範囲と、前記第１の光による位相の１周期に相当する第１の高さ範囲と、の差で除し、第２の補正された位相差を算出する位相接続部を更に備える、請求項２又は３に記載の形状計測装置。
【請求項５】
前記位相接続部が、前記第２の補正された位相差と、前記第１の光による位相と、の差に基づいて算出される位相次数を用いて、前記第１の光による位相を位相接続し、
前記高さ算出部が、前記位相接続された第１の光による位相から、前記高さ方向の位置を算出する、
請求項４に記載の形状計測装置。
【請求項６】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、が別個の光源である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項７】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、の少なくとも一方が、前記投影光学系の光軸からずれて配置されている、請求項６に記載の形状計測装置。
【請求項８】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、が同一の光源に含まれ、
前記光源の一部を覆う可動マスクを更に備え、
前記可動マスクが前記第２の発光部を覆う際に、前記第１の発光部が前記第１の光を前記格子に照射し、前記可動マスクが前記第１の発光部を覆う際に、前記第２の発光部が前記第２の光を前記格子に照射する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項９】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、の少なくとも一方が、前記投影光学系の光軸からずれて配置されている、請求項８に記載の形状計測装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２の発光部と共役な位置に交換可能に配置される第１及び第２の絞りを更に備え、
前記第１の絞りが配置された際に前記第１の光が遮光され、前記第２の光が前記第２の入射角で前記基板表面に入射し、前記第２の絞りが配置された際に前記第２の光が遮光され、前記第１の光が前記第１の入射角で前記基板表面に入射する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２の発光部が単一の面光源に含まれる、請求項１０に記載の形状計測装置。
【請求項１２】
格子に対して、第１の発光部から第１の光を照射し、第２の発光部から第２の光を照射することと、
前記格子を透過した前記第１の光、及び前記格子を透過した前記第２の光を投影光学系に透過させて、前記第１の光を第１の入射角で平坦な基板表面に入射させ、前記第２の光を第２の入射角で前記基板表面に入射させることと、
前記第１の光による前記基板表面の前記格子の第１の変形像、及び前記第２の光による前記基板表面の前記格子の第２の変形像に基づき、前記基板表面の高さ方向の位置を算出することと、
前記基板表面の高さ方向の位置が前記投影光学系の焦点位置と一致するよう、前記基板が配置されたステージを移動させることと、
を含む、形状計測装置の調整方法。
【請求項１３】
前記格子の第１の変形像に基づき前記基板表面の第１の光による位相を算出し、前記格子の第２の変形像に基づき前記基板表面の第２の光による位相を算出することと、
前記第１の光による位相と、前記第２の光による位相と、の差である位相差を算出することと、
を更に含む、請求項１２に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１４】
前記位相差がない場合、前記基板表面の高さ方向の位置が前記投影光学系の焦点位置と一致していると判定することを更に含む、請求項１３に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１５】
前記位相差を位相接続して、第１の補正された位相差を算出すること、
前記第１の補正された位相差に、前記第２の光による位相の１周期に相当する第２の高さ範囲を乗じ、さらに前記第２の光による高さ範囲と、前記第１の光による位相の１周期に相当する第１の高さ範囲と、の差で除し、第２の補正された位相差を算出することと、
を更に含む、請求項１４に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１６】
前記第２の補正された位相差の分布と、前記第１の光による位相の分布と、の差に基づいて算出される位相次数を用いて、前記第１の光による位相を位相接続することを更に含み、
前記位相接続された第１の光による位相から、前記高さ方向の位置が算出される、
請求項１５に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１７】
前記第１の補正された位相差に、前記第２の光による位相の１周期に相当する第２の高さ範囲を乗じ、さらに前記第２の高さ範囲と、前記第１の光による位相の１周期に相当する第１の高さ範囲と、の差で除して、前記第２の補正された位相差を算出する、請求項１６に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１８】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、が別個の光源である、請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１９】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、の少なくとも一方が、前記投影光学系の光軸からずれて配置されている、請求項１８に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項２０】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、が同一の光源に含まれ、
前記光源の一部を可動マスクで覆うことを更に含み、
前記可動マスクが前記第２の発光部を覆う際に、前記第１の発光部が前記第１の光を前記格子に照射し、前記可動マスクが前記第１の発光部を覆う際に、前記第２の発光部が前記第２の光を前記格子に照射する、請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項２１】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、の少なくとも一方が、前記投影光学系の光軸からずれて配置されている、請求項２０に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項２２】
前記第１及び第２の発光部と共役な位置に第１及び第２の絞りを順次配置することを更に含み、
前記第１の絞りが配置された際に前記第１の光が遮光され、前記第２の光が前記第２の入射角で前記基板表面に入射し、前記第２の絞りが配置された際に前記第２の光が遮光され、前記第１の光が前記第１の入射角で前記基板表面に入射する、請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項２３】
前記第１及び第２の発光部が単一の面光源に含まれる、請求項２２に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１】
第１の光を発する第１の発光部、及び第２の光を発する第２の発光部と、
前記第１の光及び前記第２の光を受ける格子と、
平坦な基板が配置されるステージと、
前記格子を透過した前記第１の光を第１の入射角で前記基板表面に入射させ、前記格子を透過した前記第２の光を第２の入射角で前記基板表面に入射させる投影光学系と、
前記第１の光による前記基板表面の前記格子の第１の変形像、及び前記第２の光による前記基板表面の前記格子の第２の変形像に基づき、前記基板表面の高さ方向の位置を算出する高さ算出部と、
前記基板表面の高さ方向の位置が前記投影光学系の焦点位置と一致するよう、前記ステージを移動させる移動装置と、
を備える、形状計測装置。
【請求項２】
前記格子の第１の変形像に基づき前記基板表面の第１の光による位相を算出し、前記格子の第２の変形像に基づき前記基板表面の第２の光による位相を算出し、前記第１の光による位相と、前記第２の光による位相と、の差である位相差を算出する位相算出部を更に備える、請求項１に記載の形状計測装置。
【請求項３】
前記位相差がない場合、前記基板表面の高さ方向の位置が前記投影光学系の焦点位置と一致していると判定する判定部を更に備える請求項２に記載の形状計測装置。
【請求項４】
前記位相差を位相接続して、第１の補正された位相差を算出し、前記第１の補正された位相差に、前記第２の光による位相の１周期に相当する第２の高さ範囲を乗じ、さらに前記第２の高さ範囲と、前記第１の光による位相の１周期に相当する第１の高さ範囲と、の差で除し、第２の補正された位相差を算出する位相接続部を更に備える、請求項２又は３に記載の形状計測装置。
【請求項５】
前記位相接続部が、前記第２の補正された位相差と、前記第１の光による位相と、の差に基づいて算出される位相次数を用いて、前記第１の光による位相を位相接続し、
前記高さ算出部が、前記位相接続された第１の光による位相から、前記高さ方向の位置を算出する、
請求項４に記載の形状計測装置。
【請求項６】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、が別個の光源である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項７】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、の少なくとも一方が、前記投影光学系の光軸からずれて配置されている、請求項６に記載の形状計測装置。
【請求項８】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、が同一の光源に含まれ、
前記光源の一部を覆う可動マスクを更に備え、
前記可動マスクが前記第２の発光部を覆う際に、前記第１の発光部が前記第１の光を前記格子に照射し、前記可動マスクが前記第１の発光部を覆う際に、前記第２の発光部が前記第２の光を前記格子に照射する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項９】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、の少なくとも一方が、前記投影光学系の光軸からずれて配置されている、請求項８に記載の形状計測装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２の発光部と共役な位置に交換可能に配置される第１及び第２の絞りを更に備え、
前記第１の絞りが配置された際に前記第１の光が遮光され、前記第２の光が前記第２の入射角で前記基板表面に入射し、前記第２の絞りが配置された際に前記第２の光が遮光され、前記第１の光が前記第１の入射角で前記基板表面に入射する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の形状計測装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２の発光部が単一の面光源に含まれる、請求項１０に記載の形状計測装置。
【請求項１２】
格子に対して、第１の発光部から第１の光を照射し、第２の発光部から第２の光を照射することと、
前記格子を透過した前記第１の光、及び前記格子を透過した前記第２の光を投影光学系に透過させて、前記第１の光を第１の入射角で平坦な基板表面に入射させ、前記第２の光を第２の入射角で前記基板表面に入射させることと、
前記第１の光による前記基板表面の前記格子の第１の変形像、及び前記第２の光による前記基板表面の前記格子の第２の変形像に基づき、前記基板表面の高さ方向の位置を算出することと、
前記基板表面の高さ方向の位置が前記投影光学系の焦点位置と一致するよう、前記基板が配置されたステージを移動させることと、
を含む、形状計測装置の調整方法。
【請求項１３】
前記格子の第１の変形像に基づき前記基板表面の第１の光による位相を算出し、前記格子の第２の変形像に基づき前記基板表面の第２の光による位相を算出することと、
前記第１の光による位相と、前記第２の光による位相と、の差である位相差を算出することと、
を更に含む、請求項１２に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１４】
前記位相差がない場合、前記基板表面の高さ方向の位置が前記投影光学系の焦点位置と一致していると判定することを更に含む、請求項１３に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１５】
前記位相差を位相接続して、第１の補正された位相差を算出すること、
前記第１の補正された位相差に、前記第２の光による位相の１周期に相当する第２の高さ範囲を乗じ、さらに前記第２の光による高さ範囲と、前記第１の光による位相の１周期に相当する第１の高さ範囲と、の差で除し、第２の補正された位相差を算出することと、
を更に含む、請求項１４に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１６】
前記第２の補正された位相差の分布と、前記第１の光による位相の分布と、の差に基づいて算出される位相次数を用いて、前記第１の光による位相を位相接続することを更に含み、
前記位相接続された第１の光による位相から、前記高さ方向の位置が算出される、
請求項１５に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１７】
前記第１の補正された位相差に、前記第２の光による位相の１周期に相当する第２の高さ範囲を乗じ、さらに前記第２の高さ範囲と、前記第１の光による位相の１周期に相当する第１の高さ範囲と、の差で除して、前記第２の補正された位相差を算出する、請求項１６に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１８】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、が別個の光源である、請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項１９】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、の少なくとも一方が、前記投影光学系の光軸からずれて配置されている、請求項１８に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項２０】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、が同一の光源に含まれ、
前記光源の一部を可動マスクで覆うことを更に含み、
前記可動マスクが前記第２の発光部を覆う際に、前記第１の発光部が前記第１の光を前記格子に照射し、前記可動マスクが前記第１の発光部を覆う際に、前記第２の発光部が前記第２の光を前記格子に照射する、請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項２１】
前記第１の発光部と、前記第２の発光部と、の少なくとも一方が、前記投影光学系の光軸からずれて配置されている、請求項２０に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項２２】
前記第１及び第２の発光部と共役な位置に第１及び第２の絞りを順次配置することを更に含み、
前記第１の絞りが配置された際に前記第１の光が遮光され、前記第２の光が前記第２の入射角で前記基板表面に入射し、前記第２の絞りが配置された際に前記第２の光が遮光され、前記第１の光が前記第１の入射角で前記基板表面に入射する、請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の形状計測装置の調整方法。
【請求項２３】
前記第１及び第２の発光部が単一の面光源に含まれる、請求項２２に記載の形状計測装置の調整方法。
【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】
【図１９】
【図２０】
【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】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１３−８３５０９（Ｐ２０１３−８３５０９Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２７９９（Ｐ２０１１−２２２７９９）
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００６６６６）アズビル株式会社 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月７日（２０１１．１０．７）
【出願人】（０００００６６６６）アズビル株式会社 (1,808)
【Ｆターム（参考）】
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