DE112017004212T5

DE112017004212T5 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE112017004212T5
Application number: DE112017004212.7T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Ishigaki; Takahiro Mamiya
Original assignee: CKD Corp
Current assignee: CKD Corp
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2019-05-09
Also published as: JP2018031632A; JP6246875B1; TW201807373A; CN109564089B; US20190178625A1; WO2018037619A1; TWI627383B; US10495438B2; KR102021400B1; CN109564089A; KR20190038906A

Abstract

Es wird eine Messvorrichtung angegeben, welche die Messgenauigkeit und die Messungseffizienz verbessert. Eine Messvorrichtung 1 erhält komplexe Amplitudendaten an einer Mehrzahl von Positionen in einer z-Richtung bezüglich eines z-Positionssuchbereichs, der ein vorher festgelegter Teil von einem vorgegebenen Messbereich eines Werkstücks W ist, basierend auf von Abbildungssystemen 4A und 4B aufgenommenen und erhaltenen Interferenzstreifenbildern. Die Messvorrichtung 1 erhält anschließend eine Mehrzahl von Intensitätsbildern bezüglich des z-Positionssuchbereichs aus der Mehrzahl von komplexen Amplitudendaten und bestimmt die Position des z-Positionssuchbereichs in der z-Richtung, basierend auf der Mehrzahl von Intensitätsbildern. Die Messvorrichtung 1 erhält dann komplexe Amplitudendaten an der bestimmten Position des gesamten Messbereichs und führt eine dreidimensionale Messung bezüglich des Messbereichs durch.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Messvorrichtung, dazu eingerichtet, die Form eines Messobjekts zu messen.
Hintergrund
Eine Messvorrichtung, die ein Interferometer verwendet, ist allgemein als eine Messvorrichtung bekannt, die zum Messen der Form eines Messobjekts eingerichtet ist (wie z. B. in Patentliteratur 1 beschrieben). Darunter gibt es auch eine Messvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Messung nach dem Phasenverschiebungsverfahren durchzuführen, basierend auf einer Mehrzahl von Interferenzstreifenbildern mit unterschiedlichen Phasen (wie z. B. in Patentliteratur 2 beschrieben).
Wird ein Messobjekt nicht geeignet in einem Fokusbereich einer Abbildungseinheit positioniert, kann dies jedoch leicht dazu führen, dass fokussierte Bilddaten nicht mit hoher Genauigkeit erhalten werden und die Messgenauigkeit verringert wird.
Üblicherweise ist es daher notwendig, vor Beginn der Messung einen vorbereitenden Arbeitsschritt durchzuführen, bei dem das Messobjekt mit hoher Genauigkeit in den Fokusbereich gebracht wird. Dies kann leicht die gesamte für die Messung erforderliche Zeitspanne erhöhen. Der Messbereich für die Höhenmessung kann durch den Fokusbereich eingeschränkt werden.
Eine kürzlich vorgeschlagene Interferenzabbildungs-Vorrichtung hat die Funktion, eine Aberration außerhalb des Fokus (Unschärfeaberration) zu korrigieren (wie z. B. in Patentliteratur 3 beschrieben). Die Korrektur der Unschärfeaberration wandelt unscharfe Bilddaten durch eine arithmetische Operation in fokussierte Bilddaten um und liefert dadurch Bilddaten mit hoher Genauigkeit. Dadurch wird die Messgenauigkeit verbessert.
Zitierliste
Patentliteratur

PTL 1: JP H08-219722A
PTL 2: JP H11-337321A
PTL 3: JP 2016-504947A

Zusammenfassung
Technisches Problem
Die Technologie nach dem in der Patentliteratur 3 beschriebenen Stand der Technik ist dazu eingerichtet, in Bezug auf eine Mehrzahl von Positionen in einer optischen Achsenrichtung (Höhenrichtung) in einem vorgegebenen Bereich in der optischen Achsenrichtung, in der ein Messobjekt lokalisiert werden darf, aberrationskorrigierte Bilder zu erzeugen und ein fokussiertes Bild aus den erzeugten aberrationskorrigierten Bildern zu extrahieren. Dementsprechend ist es notwendig, eine Mehrzahl von aberrationskorrigierten Bildern zu erzeugen, indem ein Aberrationskorrekturvorgang an dem gesamten von der Abbildungseinheit aufgenommenen Bild durchgeführt wird. Dies hat eine extrem hohe Verarbeitungslast und kann leicht die Verarbeitungszeit erhöhen. Dadurch kann die Messungseffizienz deutlich verringert werden.
Unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Umstände ist ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, eine Messvorrichtung bereitzustellen, welche die Messgenauigkeit verbessert und die Messungseffizienz verbessert.
Problemlösung
Im Folgenden wird jeder der verschiedenen Aspekte beschrieben, die zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme geeignet sind. Funktionen und vorteilhafte Auswirkungen, die für jeden der Aspekte charakteristisch sind, werden ebenfalls in angemessener Weise beschrieben.
Aspekt 1. Es ist eine Messvorrichtung angegeben, die ein vorgegebenes optisches System umfasst, das dazu eingerichtet ist, ein vorgegebenes einfallendes Licht in zwei Lichter bzw. Lichtstrahlen aufzuteilen, einen der beiden Lichtstrahlen als Messlicht auf ein Messobjekt einzustrahlen und den anderen der beiden Lichtstrahlen als Referenzlicht auf eine Referenzfläche einzustrahlen und die beiden Lichtstrahlen zu überlagertem Licht zu rekombinieren und das überlagerte Licht zu emittieren; eine Beleuchtungseinheit, die dazu eingerichtet ist, vorgegebenes Licht zu emittieren, das dazu gebracht wird, in das vorgegebene optische System einzutreten; eine Abbildungseinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Bild des Ausgangslichts aufzunehmen, das von dem vorgegebenen optischen System emittiert wird; und einen Bildprozessor, der dazu eingerichtet ist, eine Messung bezüglich eines vorgegebenen Messbereichs des Messobjekts durchzuführen, basierend auf einem Interferenzstreifenbild, das von der Abbildungseinheit aufgenommen und erhalten wurde.
Der Bildprozessor umfasst eine erste Datenerfassungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von komplexen Amplitudendaten an einer vorgegebenen Position in einer optischen Achsenrichtung an vorgegebenen Intervallen in mindestens einem vorgegebenen Bereich in der optischen Achsenrichtung in Bezug auf einen spezifischen Bereich zu erhalten, der ein vorher festgelegter Teil des Messbereichs ist, basierend auf dem von der Abbildungseinheit aufgenommenen und erhaltenen Interferenzstreifenbild; eine Bilderfassungseinheit, die dazu eingerichtet ist, aus der Mehrzahl von komplexen Amplitudendaten an den vorgegebenen Intervallen bezüglich des spezifischen Bereichs, die von der ersten Datenerfassungseinheit erhalten wurden, eine Mehrzahl von Intensitätsbildern an den vorgegebenen Intervallen bezüglich des spezifischen Bereichs zu erhalten; eine Positionsbestimmungseinheit, die dazu eingerichtet ist, die vorgegebene Position in der optischen Achsenrichtung zu bestimmen, basierend auf der Mehrzahl von Intensitätsbildern, die von der Bilderfassungseinheit erhalten wurden; eine zweite Datenerfassungseinheit, die dazu eingerichtet ist, komplexe Amplitudendaten bezüglich des ganzen Messbereichs an der Position, die von der Positionsbestimmungseinheit bestimmt wurde, zu erhalten; und eine Messungsausführungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Messung in Bezug auf den Messbereich durchzuführen, basierend auf den komplexen Amplitudendaten, die von der zweiten Datenerfassungseinheit erhalten wurden.
Das „vorgegebene optische System“ beinhaltet nicht nur „ein optisches System, das eine Interferenz von Referenzlicht und Messlicht innerhalb desselben bewirkt und das Referenzlicht und das Messlicht als interferierende Lichtstrahlen ausgibt“, sondern auch „ein optisches System, das Referenzlicht und Messlicht als einfaches überlagertes Licht ausgibt, ohne Interferenz des Referenzlichts und des Messlichts innerhalb desselben zu bewirken“. Wenn das von dem „vorgegebenen optischen System“ ausgegebene „Ausgangslicht“ „überlagertes Licht“ ist, soll das überlagerte Licht mittels einer vorgegebenen Interferenzeinheit in einem Zustand wenigstens vor dem Abbildungsvorgang durch die „Abbildungseinheit“ in „Interferenzlicht“ umgewandelt werden, um „Interferenzstreifenbilder“ aufzunehmen.
Dementsprechend kann ein optisches System, das dazu eingerichtet ist, vorgegebenes einfallendes Licht in zwei Lichtstrahlen aufzuteilen, einen der Lichtstrahlen als Messlicht auf ein Messobjekt und den anderen der Lichtstrahlen als Referenzlicht auf eine Referenzfläche einzustrahlen und die beiden Lichtstrahlen zu überlagertem Licht zu rekombinieren und das überlagerte Licht zum Zweck der Interferenz von Lichtstrahlen (Aufnahme von Interferenzstreifenbildern) zu emittieren, als „Interferenzoptik“ bezeichnet werden. Dementsprechend kann in dem vorstehend beschriebenen Aspekt 1 das „vorgegebene optische System (spezifisches optisches System)“ als „Interferenzoptik“ betrachtet werden (dasselbe gilt für die entsprechenden nachfolgend beschriebenen Aspekte).
Die vorstehend beschriebene Messvorrichtung nach Aspekt 1 erhält komplexe Amplitudendaten an einer Mehrzahl von Positionen in der optischen Achsenrichtung nicht in Bezug auf den gesamten Messbereich, sondern nur in Bezug auf den spezifischen Bereich (begrenzter enger Bereich), der ein im Voraus im Messbereich festgelegter Teil ist, und sucht und bestimmt eine fokussierte optimale Position auf dem Messobjekt (spezifischer Bereich), basierend auf den erhaltenen komplexen Amplitudendaten. Die Messvorrichtung nach Aspekt 1 erhält anschließend komplexe Amplitudendaten an der bestimmten Position bezogen auf den gesamten Messbereich und führt Messungen in Bezug auf den Messbereich durch.
Diese Konfiguration reduziert die Verarbeitungslast für die Gewinnung der zur Messung des Messbereichs erforderlichen Daten und verkürzt die für eine solche Verarbeitung erforderliche Zeitspanne. Dadurch wird die Messgenauigkeit verbessert und die Messungseffizienz verbessert.
Das obige „vorgegebene Intervall“ kann beispielsweise ein „Fokussierbereich“ in der optischen Achsenrichtung oder ein Intervall eines „Messbereichs“ sein.
Aspekt 2. In der in Aspekt 1 beschriebenen Messvorrichtung kann die Positionsbestimmungseinheit eine Position des spezifischen Bereichs in der optischen Achsenrichtung bestimmen, basierend auf der Mehrzahl von Intensitätsbildern, die von der Bilderfassungseinheit erhalten wurden.
Die vorstehend beschriebene Messvorrichtung nach Aspekt 2 ist dazu eingerichtet, die Position in der optischen Achsenrichtung (Position in der Höhenrichtung) des Messobjekts (spezifischer Bereich) zu bestimmen, komplexe Amplitudendaten des gesamten Messbereichs an der spezifizierten Position zu erhalten und Messungen durchzuführen. Diese Konfiguration kann die optimalen Daten mit der höheren Genauigkeit, auf das Messobjekt (spezifischer Bereich) fokussiert, erhalten, verglichen mit einer Konfiguration, die einfach optimale Daten aus einer Mehrzahl von verschiedenen komplexen Amplitudendaten extrahiert, die in vorgegebenen Abständen erhalten werden. Dadurch verbessert diese Konfiguration die Messgenauigkeit weiter.
Aspekt 3. Bei der in Aspekt 2 beschriebenen Messvorrichtung kann der spezifische Bereich ein Bereich sein, der als Grundlage für die Messung in Richtung der optischen Achse in Bezug auf den Messbereich dient.
Das vorstehend beschriebene Messgerät nach Aspekt 3 ermöglicht die Messung unter den optimalen Daten mit der höheren Genauigkeit, wenn auf den spezifischen Bereich als Messbasis fokussiert wird. Diese Konfiguration verbessert die Messgenauigkeit weiter.
Aspekt 4. In der in einem der Aspekte 1 bis 3 beschriebenen Messvorrichtung wird der spezifische Bereich an einer Mehrzahl von Positionen festgelegt.
Die vorstehend beschriebene Messvorrichtung nach Aspekt 4 legt die Mehrzahl der spezifischen Bereiche fest und ermöglicht es so, die optimale Position, an der die komplexen Amplitudendaten des gesamten Messbereichs erhalten werden sollen, leichter zu finden.
Wenn der Messbereich einen Höhenunterschied aufweist, der z. B. durch Verwerfung oder Neigung des Messobjekts verursacht wird, ist es wahrscheinlich, dass bei Festlegung nur eines bestimmten Bereichs nicht auf den gesamten Messbereich fokussiert bzw. bezogen Daten aufgenommen werden.
Bei der Konfiguration dieses Aspekts andererseits wird die Mehrzahl der spezifischen Bereiche festgelegt und die in Aspekt 1 vorstehend beschriebene Verarbeitungsreihe in Bezug auf jeden der Mehrzahl der spezifischen Bereiche durchgeführt. Diese Konfiguration kann somit Daten liefern, die sich auf den gesamten Messbereich als Ganzes fokussieren bzw. beziehen. Die auf den gesamten Messbereich bezogenen Daten können beispielsweise durch die Verwendung von Daten an einer ersten Position in der optischen Achsenrichtung für einen ersten in dem Messbereich enthaltenen Bereich und durch die Verwendung von Daten an einer zweiten Position in der optischen Achsenrichtung für einen zweiten Bereich erhalten werden.
Aspekt 5. Die in einem der Aspekte 1 bis 4 beschriebene Messvorrichtung kann weiter eine Phasenverschiebungseinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine relative Phasendifferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht vorzusehen. Der Bildprozessor kann dazu eingerichtet sein, eine Messung in Bezug auf den vorgegebenen Messbereich des Messobjekts durchzuführen, basierend auf einer Mehrzahl von Interferenzstreifenbildern, die von der Abbildungseinheit erhalten werden, welche Bilder des Ausgangslichts mit einer um ein Vielfaches durch die Phasenverschiebungseinheit verschobenen Phase aufnimmt.
Aspekt 6. In der in einem der Aspekte 1 bis 5 beschriebenen Messvorrichtung kann die Beleuchtungseinheit eine erste Beleuchtungseinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, erstes Licht zu emittieren, das polarisiertes Licht einer ersten Wellenlänge beinhaltet und das dazu gebracht wird, in das vorgegebene optische System einzutreten; und eine zweite Beleuchtungseinheit, die dazu eingerichtet ist, ein zweites Licht zu emittieren, das polarisiertes Licht einer zweiten Wellenlänge beinhaltet und das dazu gebracht wird, in das vorgegebene optische System einzutreten. Die Abbildungseinheit kann eine erste Abbildungseinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, ein Bild vom Ausgangslicht in Bezug auf das erste Licht aufzunehmen, das von dem vorgegebenen optischen System emittiert wird, wenn das erste Licht in das vorgegebene optische System eintritt; und eine zweite Abbildungseinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Bild vom Ausgangslicht in Bezug auf das zweite Licht aufzunehmen, das von dem vorgegebenen optischen System emittiert wird, wenn das zweite Licht in das vorgegebene optische System eintritt.
Die Verwendung der beiden verschiedenen Arten von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen wie dem vorstehend beschriebenen Aspekt 6 erweitert den Messbereich. Diese Konfiguration reduziert entsprechend die Verarbeitungslast, wenn die erste Datenerfassungseinheit in den Intervallen des Messbereichs komplexe Amplitudendaten bezüglich des spezifischen Bereichs erhält.
Das „erste Licht“, das von der „ersten Beleuchtungseinheit“ ausgestrahlt wird, muss Licht sein, das wenigstens „polarisiertes Licht einer ersten Wellenlänge (erstes polarisiertes Licht)“ umfasst, und kann Licht mit anderen Zusatzkomponenten (z. B. „unpolarisiertes Licht“ und „zirkular polarisiertes Licht“) sein, die anschließend von dem „vorgegebenen optischen System“ abgetrennt bzw. ausgefiltert werden.
Ebenso muss das von der „zweiten Beleuchtungseinheit“ ausgestrahlte „zweite Licht“ Licht sein, das mindestens „polarisiertes Licht einer zweiten Wellenlänge (zweites polarisiertes Licht)“ beinhaltet und Licht mit anderen Zusatzkomponenten (z. B. „unpolarisiertes Licht“ und „zirkular polarisiertes Licht“) sein kann, die anschließend von dem „vorgegebenen optischen System“ abgetrennt bzw. ausgefiltert werden.
Das von dem „vorgegebenen optischen System (spezifischen optischen System)“ ausgegebene „Ausgangslicht in Bezug auf das erste Licht“ beinhaltet „überlagertes Licht aus Referenzlicht und Messlicht in Bezug auf das erste Licht oder Interferenzlicht, das durch Interferenz des überlagerten Lichts erzeugt wird“. Das „Ausgangslicht in Bezug auf das zweite Licht“ beinhaltet „überlagertes Licht aus Referenzlicht und Messlicht in Bezug auf das zweite Licht oder Interferenzlicht, das durch die Interferenz des überlagerten Lichts entsteht“.
Aspekt 7. In der in einem der Aspekte 1 bis 6 beschriebenen Messvorrichtung kann das Messobjekt ein Wafersubstrat mit einer darauf ausgebildeten Erhebung sein.
Die vorstehend beschriebene Messvorrichtung nach Aspekt 7 ermöglicht die Messung von Erhebungen, die auf dem Wafersubstrat gebildet sind. Bei der Erhebungs-Überprüfung kann die gute oder schlechte Qualität der Erhebung basierend auf dem Messwert bestimmt werden. Die Erhebungs-Überprüfung hat dementsprechend die Funktionen und die vorteilhaften Auswirkungen der jeweiligen vorstehend beschriebenen Aspekte und gewährleistet die Bestimmung der guten oder schlechten Qualität mit hoher Genauigkeit. Infolgedessen verbessert diese Konfiguration die Prüfgenauigkeit und die Prüfeffizienz mit einer Erhebungs-Prüfvorrichtung.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung;
2 ist eine Blockdarstellung der elektrischen Konfiguration der Messvorrichtung;
3 ist ein Strahlengangs-Diagramm zur Darstellung eines optischen Strahlengangs eines ersten Lichts;
4 ist ein Strahlengangs-Diagramm zur Darstellung eines optischen Strahlengangs eines zweiten Lichts;
5 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf eines Messvorgangs zeigt;
6 ist ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen einem Werkstück und einem Abbildungselement und dergleichen veranschaulicht;
7 ist ein Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen dem Werkstück und dem Abbildungselement und dergleichen veranschaulicht;
8 ist eine Seitenansicht eines Wafersubstrats mit darauf gebildeten Erhebungen;
9 ist ein Diagramm zur Darstellung einer dreidimensionalen Messung einer Erhebung; und
10 ist ein Diagramm zur Darstellung einer dreidimensionalen Messung von Erhebungen.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Messvorrichtung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das den schematischen Aufbau einer Messvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform veranschaulicht. 2 ist ein Blockdiagramm, das den elektrischen Aufbau der Messvorrichtung 1 veranschaulicht. In der folgenden Beschreibung wird aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Richtung senkrecht zur Blattebene von 1 als „X-Achsenrichtung“, eine Richtung von unten nach oben auf der Blattebene als „Y-Achsenrichtung“ und eine Links-Rechts-Richtung der Blattebene als „Z-Achsenrichtung“ bezeichnet.
Die Messvorrichtung 1 ist nach dem Prinzip des Michelson-Interferometers ausgebildet und beinhaltet zwei Projektionsoptiken 2A und 2B (erste Projektionsoptik 2A und zweite Projektionsoptik 2B), die als Beleuchtungen zum Emittieren von Licht bestimmter Wellenlängen dienen, eine Interferenzoptik 3, die dazu eingerichtet ist, dass die jeweils von den Projektionsoptiken 2A und 2B emittierten Lichtstrahlen eintreten, zwei Abbildungssysteme 4A und 4B (erstes Abbildungssystem 4A und zweites Abbildungssystem 4B), die als Abbildungseinheiten dienen, um Bilder von den von der Interferenzoptik 3 emittierten Lichtstrahlen aufzunehmen, und ein Steuergerät 5, das dazu eingerichtet ist, verschiedene Steuerungen, Bildverarbeitung, Berechnungen und dergleichen durchzuführen, die an den Projektionsoptiken 2A und 2B, der Interferenzoptik 3, den Abbildungssystemen 4A und 4B und dergleichen beteiligt sind.
Das „Steuergerät 5“ ist gemäß dieser Ausführungsform als „Bildprozessor“ und die „Interferenzoptik 3“ als „vorgegebenes optisches System (spezifisches optisches System)“ gemäß dieser Ausführungsform ausgebildet. In dieser Ausführungsform bezeichnet die „Interferenzoptik“ ein optisches System, das dazu eingerichtet ist, ein vorgegebenes einfallendes Licht in zwei Lichtstrahlen (Messlicht und Referenzlicht) aufzuteilen, die beiden Lichtstrahlen mit einer optischen Wegdifferenz zu versehen, die beiden Lichtstrahlen zu rekombinieren und das überlagerte Licht auszugeben, um eine Interferenz des Lichts zu bewirken (Aufnahme eines Interferenzstreifenbildes). Mit anderen Worten ist die „Interferenzoptik“ ist nicht auf ein optisches System beschränkt, das intern eine Interferenz von zwei Lichtstrahlen bewirkt und das Interferenzlicht ausgibt, sondern kann auch ein optisches System sein, das einfach zwei Lichtstrahlen überlagert und das überlagerte Licht ausgibt, ohne intern eine Interferenz von zwei Lichtstrahlen zu bewirken. Dementsprechend, wie später in dieser Ausführungsform beschrieben, wird, wenn zwei Lichtstrahlen (Messlicht und Referenzlicht) als das überlagerte Licht ohne Interferenz durch die „Interferenzoptik“ ausgegeben werden, mittels einer vorgegebenen Interferenzeinheit zumindest in einem Zustand vor der Abbildung (z. B. innerhalb des Abbildungssystems) Interferenzlicht erhalten.
Im Folgenden wird die Konfiguration der beiden Projektionsoptiken 2A und 2B (erste Projektionsoptik 2A und zweite Projektionsoptik 2B) im Detail beschrieben. Die erste Projektionsoptik 2A beinhaltet beispielsweise einen ersten Lichtemitter 11A, einen ersten Lichtisolator 12A und einen ersten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13A. Der „erste Lichtemitter 11A“ ist entsprechend der Ausführungsform als „erste Beleuchtungseinheit“ ausgebildet.
Obwohl nicht veranschaulicht, beinhaltet der erste Lichtemitter 11A beispielsweise eine Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, linear polarisiertes Licht einer bestimmten Wellenlänge λ₁ auszugeben, einen Strahlaufweiter, der dazu eingerichtet ist, das linear polarisierte Licht aus der Laserlichtquelle aufzuweiten und das aufgeweitete Licht als paralleles Licht zu emittieren, einen Polarisator, der dazu eingerichtet ist, die Intensität anzupassen, und eine Halbwellenplatte, die dazu eingerichtet ist, die Polarisationsrichtung einzustellen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration emittiert der erste Lichtemitter 11A gemäß der Ausführungsform nach links in Richtung der Z-Achse linear polarisiertes Licht einer Wellenlänge λ₁ (z. B. λ₁ = 1500 nm) mit einer Polarisationsrichtung, die eine Richtung ist, die um 45 Grad zur X-Achsenrichtung und zur Y-Achsenrichtung geneigt ist. Die „Wellenlänge λ₁ “ entspricht der „ersten Wellenlänge“ gemäß der Ausführungsform. In der folgenden Beschreibung wird das vom ersten Lichtemitter 11A emittierte Licht der Wellenlänge λ₁ als „erstes Licht“ bezeichnet.
Der erste Lichtisolator 12A ist ein optisches Element, das dazu eingerichtet ist, nur Licht zu transmittieren, das sich in eine Richtung bewegt (nach links in der Z-Achsenrichtung gemäß der Ausführungsform), aber Licht abzublocken, das sich in eine umgekehrte Richtung bewegt (nach rechts in der Z-Achsenrichtung gemäß der Ausführungsform). Diese Konfiguration ermöglicht die Transmission nur des ersten Lichts, das vom ersten Lichtemitter 11A emittiert wird, und verhindert so die Beschädigung und Destabilisierung des ersten Lichtemitters 11A durch zurückkehrendes Licht.
Der erste nichtpolarisierende Strahlteiler 13A ist ein würfelförmiges, bekanntes optisches Element, das durch das Zusammenfügen von rechtwinkligen Prismen (Dreiecksprismen mit einer Unterseite in Form eines gleichschenkligen rechtwinkligen Dreiecks: dasselbe gilt nachstehend) zu einem Bauteil gebildet ist, und dessen Verbindungsfläche 13Ah beispielsweise mit einer Metallfolie beschichtet ist. Der „erste nichtpolarisierende Strahlteiler 13A“ ist nach dieser Ausführungsform als „erste Lichtführungseinheit“ ausgebildet.
Der nichtpolarisierende Strahlteiler ist dazu eingerichtet, einfallendes Licht einschließlich Polarisationszustand in transmittiertes Licht und reflektiertes Licht in einem vorgegebenen Verhältnis aufzuteilen. Das Gleiche gilt im Folgenden. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Halbspiegel mit einem Teilungsverhältnis von 1:1 als nichtpolarisierender Strahlteiler eingesetzt. Der Halbspiegel teilt das einfallende Licht auf, um eine P-polarisierte Lichtkomponente und eine S-polarisierte Lichtkomponente des transmittierten Lichts und eine P-polarisierte Lichtkomponente und eine S-polarisierte Lichtkomponente des reflektierten Lichts bereitzustellen, alle mit identischen Raten, und die jeweiligen Polarisationszustände des transmittierten Lichts und des reflektierten Lichts bereitzustellen, die identisch mit dem Polarisationszustand des einfallenden Lichts sind.
Gemäß dieser Ausführungsform wird linear polarisiertes Licht mit einer Polarisationsrichtung, die eine Richtung parallel zur Blattebene von 1 (Y-Achsenrichtung oder Z-Achsenrichtung) ist, als P-polarisiertes Licht (P-polarisierte Lichtkomponente) bezeichnet. Linear polarisiertes Licht mit einer Polarisationsrichtung, die die X-Achsenrichtung senkrecht zur Blattebene von 1 ist, wird als S-polarisiertes Licht (S-polarisierte Lichtkomponente) bezeichnet.
Der erste nichtpolarisierende Strahlteiler 13A ist so angeordnet, dass eine von zwei Oberflächen, die über die Verbindungsfläche 13Ah aneinander angrenzen, senkrecht zur Y-Achsenrichtung und die andere der beiden Oberflächen senkrecht zur Z-Achsenrichtung ist. Mit anderen Worten, die Verbindungsfläche 13Ah des ersten nichtpolarisierenden Strahlteilers 13A ist so angeordnet, dass sie um 45 Grad zur Y-Achsenrichtung und zur Z-Achsenrichtung geneigt ist. Genauer gesagt, ist der erste nichtpolarisierende Strahlteiler 13A dazu eingerichtet, dass er einen Teil (die Hälfte) des ersten Lichts, das vom ersten Lichtemitter 11A über den ersten Lichtisolator 12A nach links in Richtung Z-Achse eintritt, nach links in Richtung Z-Achse transmittiert und den verbleibenden Teil (die restliche Hälfte) des ersten Lichts nach unten in Richtung Y-Achse reflektiert.
Wie die vorstehend beschriebene erste Projektionsoptik 2A beinhaltet die zweite Projektionsoptik 2B beispielsweise einen zweiten Lichtemitter 11B, einen zweiten Lichtisolator 12B und einen zweiten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13B. Der „zweite Lichtemitter 11B“ ist entsprechend der Ausführungsform als die „zweite Beleuchtungseinheit“ ausgebildet.
Wie der vorstehend beschriebene erste Lichtemitter 11A beinhaltet der zweite Lichtemitter 11B beispielsweise eine Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, linear polarisiertes Licht einer bestimmten Wellenlänge λ₂ auszugeben, einen Strahlaufweiter, der dazu eingerichtet ist, das linear polarisierte Licht aus der Laserlichtquelle aufzuweiten und das aufgeweitete Licht als paralleles Licht zu emittieren, einen Polarisator, der dazu eingerichtet ist, die Intensität anzupassen, und eine Halbwellenplatte, die dazu eingerichtet ist, die Polarisationsrichtung einzustellen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration emittiert der zweite Lichtemitter 11B gemäß der Ausführungsform nach oben in der Y-Achsenrichtung linear polarisiertes Licht einer Wellenlänge λ₂ (z. B. λ₂ = 1503 nm) mit einer Polarisationsrichtung, die eine Richtung ist, die um 45 Grad zur Richtung der X-Achse und der Z-Achse geneigt ist. Die „Wellenlänge λ₂ “entspricht der „zweiten Wellenlänge“ entsprechend der Ausführungsform. In der folgenden Beschreibung wird das vom zweiten Lichtemitter 11B emittierte Licht der Wellenlänge λ₂ als „zweites Licht“ bezeichnet.
Wie der erste Lichtisolator 12A ist der zweite Lichtisolator 12B ein optisches Element, das dazu eingerichtet ist, nur Licht zu transmittieren, das sich in eine Richtung bewegt (nach oben in der Y-Achsenrichtung gemäß der Ausführungsform), aber Licht zu blockieren, das sich in eine umgekehrte Richtung bewegt (nach unten in der Y-Achsenrichtung gemäß der Ausführungsform). Diese Konfiguration ermöglicht die Transmission nur des zweiten Lichts, das vom zweiten Lichtemitter 11B emittiert wird, und verhindert so die Beschädigung und Destabilisierung des zweiten Lichtemitters 11B durch zurückkehrendes Licht.
Wie der erste nichtpolarisierende Strahlteiler 13A ist der zweite nichtpolarisierende Strahlteiler 13B ein würfelförmiges, bekanntes optisches Element, das durch das Zusammenfügen von rechtwinkligen Prismen gebildet ist, und seine Verbindungsfläche 13Bh ist beispielsweise mit einem Metallfilm beschichtet. Der „zweite nichtpolarisierende Strahlteiler 13B“ ist gemäß dieser Ausführungsform als die „zweite Lichtführungseinheit“ gebildet.
Der zweite nichtpolarisierende Strahlteiler 13B ist so angeordnet, dass eine von zwei über die Verbindungsfläche 13Bh aneinander angrenzenden Oberflächen senkrecht zur Y-Achsenrichtung und die andere der beiden Oberflächen senkrecht zur Z-Achsenrichtung verläuft. Mit anderen Worten ist die Verbindungsfläche 13Bh des zweiten nichtpolarisierenden Strahlteilers 13B so angeordnet, dass sie um 45 Grad zur Y-Achsenrichtung und zur Z-Achsenrichtung geneigt ist. Genauer gesagt, ist der zweite nichtpolarisierende Strahlteiler 13B so angeordnet, dass er einen Teil (die Hälfte) des zweiten Lichts, das vom zweiten Lichtemitter 11B über den zweiten Lichtisolator 12B nach oben in Y-Achsenrichtung eintritt, in Y-Achsenrichtung nach oben transmittiert und den verbleibenden Teil (die restliche Hälfte) des zweiten Lichts nach rechts in Z-Achsenrichtung reflektiert.
Im Folgenden wird die Konfiguration der Interferenzoptik 3 beschrieben. Die Interferenzoptik 3 beinhaltet beispielsweise einen polarisierenden Strahlteiler (PBS) 20, Viertelwellenplatten 21 und 22, eine Referenzfläche 23 und eine Platzierungsstruktur 24.
Der polarisierende Strahlteiler 20 ist ein würfelförmiges, bekanntes optisches Element, das durch das Zusammenfügen von passenden Rechtwinkelprismen gebildet ist, und seine Verbindungsfläche (Begrenzungsfläche) 20h ist beispielsweise mit einem dielektrischen Mehrschichtfilm beschichtet.
Der polarisierende Strahlteiler 20 ist dazu eingerichtet, linear polarisiertes einfallendes Licht in zwei polarisierte Lichtkomponenten (P-polarisierte Lichtkomponente und S-polarisierte Lichtkomponente) mit polarisierenden Richtungen senkrecht zueinander aufzuteilen. Gemäß dieser Ausführungsform ist der polarisierende Strahlteiler 20 dazu eingerichtet, die P-polarisierte Lichtkomponente zu transmittieren und die S-polarisierte Lichtkomponente zu reflektieren.
Der polarisierende Strahlteiler 20 ist so angeordnet, dass eine von zwei über die Verbindungsfläche 20h aneinander angrenzenden Oberflächen senkrecht zur Y-Achsenrichtung und die andere der beiden Oberflächen senkrecht zur Z-Achsenrichtung steht. Mit anderen Worten, die Verbindungsfläche 20h des polarisierenden Strahlteilers 20 ist so angeordnet, dass sie um 45 Grad zur Y-Achsenrichtung und zur Z-Achsenrichtung geneigt ist.
Genauer gesagt, sind eine erste Oberfläche (obere Seitenfläche in Y-Achsenrichtung) 20a des polarisierenden Strahlteilers 20, in die das erste Licht, das vom vorstehenden ersten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13A nach unten in Y-Achsenrichtung reflektiert wird, eintritt, und eine dritte Oberfläche (untere Seitenfläche in Y-Achsenrichtung) 20c gegenüber der ersten Oberfläche 20a senkrecht zur Y-Achsenrichtung angeordnet. Die „erste Oberfläche 20a des polarisierenden Strahlteilers 20“ entspricht nach dieser Ausführungsform dem „ersten Eingabe-Ausgabe-Element“.
Eine zweite Oberfläche (linke Seitenfläche in Z-Achsenrichtung) 20b des polarisierenden Strahlteilers 20, die eine Oberfläche ist, die an die erste Oberfläche 60a über die Verbindungsfläche 20h angrenzt und in die das zweite Licht, das in Z-Achsenrichtung von dem vorstehenden zweiten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13B nach rechts reflektiert wird, eintritt, und eine vierte Oberfläche (rechte Seitenfläche in Z-Achsenrichtung) 20d gegenüber der zweiten Oberfläche 20b sind so angeordnet, dass sie senkrecht zur Z-Achsenrichtung stehen. Die „zweite Oberfläche 20b des polarisierenden Strahlteilers 20“ entspricht nach dieser Ausführungsform dem „zweiten Eingabe-Ausgabe-Element“.
Die Viertelwellenplatte 21 ist in Y-Achsenrichtung der dritten Oberfläche 20c des polarisierenden Strahlteilers 20 gegenüberliegend angeordnet, und die Referenzfläche 23 ist in Y-Achsenrichtung der Viertelwellenplatte 21 gegenüberliegend angeordnet.
Die Viertelwellenplatte 21 dient der Umwandlung von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht und der Umwandlung von zirkular polarisiertem Licht in linear polarisiertes Licht. Dementsprechend wird linear polarisiertes Licht (Referenzlicht), das von der dritten Oberfläche 20c des polarisierenden Strahlteilers 20 emittiert wird, von der Viertelwellenplatte 21 in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt und auf die Referenzfläche 23 eingestrahlt. Das von der Referenzfläche 23 reflektierte Referenzlicht wird von der Viertelwellenplatte 21 aus dem zirkular polarisierten Licht in das linear polarisierte Licht zurückverwandelt und tritt in die dritte Oberfläche 20c des polarisierenden Strahlteilers 20 ein.
Die Viertelwellenplatte 22 ist andererseits in Z-Achsenrichtung gegenüber der vierten Oberfläche 20d des polarisierenden Strahlteilers 20 angeordnet und die Platzierungsstruktur 24 in Z-Achsenrichtung gegenüber der Viertelwellenplatte 22 angeordnet.
Die Viertelwellenplatte 22 dient der Umwandlung von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht und der Umwandlung von zirkular polarisiertem Licht in linear polarisiertes Licht. Dementsprechend wird linear polarisiertes Licht (Messlicht), das von der vierten Oberfläche 20d des polarisierenden Strahlteilers 20 emittiert wird, von der Viertelwellenplatte 22 in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt und auf ein auf der Platzierungsstruktur 24 platziertes Werkstück W als Messobjekt gestrahlt. Das von dem Werkstück W reflektierte Messlicht wird von der Viertelwellenplatte 22 aus dem zirkular polarisierten Licht in das linear polarisierte Licht zurückverwandelt und tritt in die vierte Oberfläche 20d des polarisierenden Strahlteilers 20 ein.
Im Folgenden wird die Konfiguration der beiden Abbildungssysteme 4A und 4B (erstes Abbildungssystem 4A und zweites Abbildungssystem 4B) im Detail beschrieben. Das erste Abbildungssystem 4A beinhaltet eine Viertelwellenplatte 31A, einen ersten Polarisator 32A und eine erste Kamera 33A, die als erste Abbildungseinheit ausgebildet ist.
Die Viertelwellenplatte 31A ist dazu eingerichtet, jeweils linear polarisierte Lichtstrahlen, die durch den zweiten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13B nach links in Z-Richtung (Referenzlichtkomponente und Messlichtkomponente des ersten Lichts) transmittiert werden, in zirkular polarisierte Lichtstrahlen umzuwandeln.
Der erste Polarisator 32A ist dazu eingerichtet, die jeweiligen Komponenten des ersten Lichts, das von der Viertelwellenplatte 31A in das zirkular polarisierte Licht umgewandelt wird, selektiv zu transmittieren. Diese Konfiguration bewirkt eine Interferenz zwischen der Referenzlichtkomponente und der Messlichtkomponente des ersten Lichts mit unterschiedlichen Drehrichtungen in Bezug auf eine bestimmte Phase. Der „erste Polarisator 32A“ ist gemäß dieser Ausführungsform als die „Phasenverschiebungseinheit“ und als die „Interferenzeinheit“ ausgebildet.
Der erste Polarisator 32A gemäß der Ausführungsform ist dazu eingerichtet, sich um die Richtung der Z-Achse als axiales Zentrum zu drehen, und wird gesteuert, um seine Richtung der Transmissionsachse um jeweils 45 Grad zu ändern. Genauer gesagt, wird der erste Polarisator 32A gesteuert, um die Richtung der Transmissionsachse auf „0 Grad“, „45 Grad“, „90 Grad“ und „135 Grad“ relativ zur Richtung der Y-Achse zu ändern.
Diese Konfiguration bewirkt Interferenz der Referenzlichtkomponente und der Messlichtkomponente des ersten Lichts, das durch den ersten Polarisator 32A in vier verschiedenen Phasen transmittiert wird. Dadurch entstehen Interferenzlichter mit Phasen, die sich um jeweils 90 Grad voneinander unterscheiden. Genauer gesagt, erzeugt dies ein Interferenzlicht mit einer Phase von „0 Grad“, ein Interferenzlicht mit einer Phase von „90 Grad“, ein Interferenzlicht mit einer Phase von „180 Grad“ und ein Interferenzlicht mit einer Phase von „270 Grad“.
Die erste Kamera 33A hat eine bekannte Konfiguration, die eine Linse bzw. ein Objektiv, ein Abbildungselement 33Aa (dargestellt in 6) und dergleichen beinhaltet. Gemäß der Ausführungsform wird ein CCD-Flächensensor als Abbildungselement 33Aa der ersten Kamera 33A eingesetzt. Das Abbildungselement 33Aa ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. So kann beispielsweise ein CMOS-Flächensensor oder dergleichen als Abbildungselement 33Aa verwendet werden. Bevorzugt wird ein telezentrisches Objektiv als Objektiv bzw. Linse verwendet.
Die von der ersten Kamera 33A aufgenommenen Bilddaten werden innerhalb der ersten Kamera 33A in digitale Signale umgewandelt und als die digitale Signale in das Steuergerät 5 (Bilddaten-Speichervorrichtung 54) eingegeben.
Genauer gesagt werden ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „0 Grad“, ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „90 Grad“, ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „180 Grad“ und ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „270 Grad“ in Bezug auf das erste Licht von der ersten Kamera 33A aufgenommen.
Wie das erste Abbildungssystem 4A beinhaltet das zweite Abbildungssystem 4B eine Viertelwellenplatte 31B, einen zweiten Polarisator 32B und eine zweite Kamera 33B, die als die zweite Abbildungseinheit ausgebildet ist.
Die Viertelwellenplatte 31B ist dazu eingerichtet, linear polarisierte Lichtstrahlen, die durch den ersten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13A nach oben in Y-Richtung (Referenzlichtkomponente und Messlichtkomponente des zweiten Lichts) transmittiert werden, in zirkular polarisierte Lichtstrahlen umzuwandeln.
Wie der erste Polarisator 32A ist der zweite Polarisator 32B dazu eingerichtet, die jeweiligen Komponenten des zweiten Lichts, das von der Viertelwellenplatte 31B in das zirkular polarisierte Licht umgewandelt wird, selektiv zu transmittieren. Diese Konfiguration bewirkt eine Interferenz von der Referenzlichtkomponente und der Messlichtkomponente der zweiten Lichts mit unterschiedlichen Drehrichtungen in Bezug auf eine bestimmte Phase. Der „zweite Polarisator 32B“ ist gemäß dieser Ausführungsform als „Phasenverschiebungseinheit“ und als „Interferenzeinheit“ ausgebildet.
Der zweite Polarisator 32B gemäß der Ausführungsform ist dazu eingerichtet, sich um die Richtung der Y-Achse als axiales Zentrum zu drehen und wird gesteuert, um seine Richtung der Transmissionsachse um jeweils 45 Grad zu ändern. Genauer gesagt, wird der zweite Polarisator 32B gesteuert, um die Richtung der Transmissionsachse auf „0 Grad“, „45 Grad“, „90 Grad“ und „135 Grad“ relativ zur Richtung der X-Achse zu ändern.
Diese Konfiguration bewirkt Interferenz der Referenzlichtkomponente und der Messlichtkomponente des zweiten Lichts, die durch den zweiten Polarisator 32B in vier verschiedenen Phasen transmittiert werden. Dadurch entstehen Interferenzlichter mit Phasen, die sich um jeweils 90 Grad voneinander unterscheiden. Genauer gesagt, erzeugt dies ein Interferenzlicht mit einer Phase von „0 Grad“, ein Interferenzlicht mit einer Phase von „90 Grad“, ein Interferenzlicht mit einer Phase von „180 Grad“ und ein Interferenzlicht mit einer Phase von „270 Grad“.
Wie die erste Kamera 33A weist die zweite Kamera 33B eine bekannte Konfiguration auf, die ein Objektiv bzw. Linse, ein Abbildungselement 33Ba (dargestellt in 6) und dergleichen beinhaltet. Gemäß der Ausführungsform wird, wie bei der ersten Kamera 33A, ein CCD-Flächensensor als Abbildungselement 33Ba der zweiten Kamera 33B eingesetzt. Das Abbildungselement 33Ba ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. So kann beispielsweise ein CMOS-Flächensensor oder dergleichen als Abbildungselement 33Ba verwendet werden. Bevorzugt wird ein telezentrisches Objektiv als Objektiv verwendet.
Wie bei der ersten Kamera 33A werden die von der zweiten Kamera 33B aufgenommenen Bilddaten innerhalb der zweiten Kamera 33B in digitale Signale umgewandelt und in Form der digitalen Signale in das Steuergerät 5 (Bilddaten-Speichervorrichtung 54) eingegeben.
Genauer gesagt werden ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „0 Grad“, ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „90 Grad“, ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „180 Grad“ und ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „270 Grad“ in Bezug auf das zweite Licht von der zweiten Kamera 33B aufgenommen.
Im Folgenden wird der elektrische Aufbau des Steuergeräts 5 beschrieben. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet das Steuergerät 5 CPU und Eingabe-Ausgabe-Schnittstellen 51, die dazu eingerichtet sind, die gesamte Messvorrichtung 1 zu steuern, eine Eingabevorrichtung 52, die durch eine Tastatur und eine Maus oder durch ein Touchpanel als „Eingabeeinheit“ ausgebildet ist, eine Anzeigevorrichtung 53, die als die „Anzeigeeinheit“ ausgebildet ist und einen Bildschirm, wie beispielsweise einen Flüssigkristallbildschirm, beinhaltet, eine Bilddaten-Speichervorrichtung 54, die dazu eingerichtet ist, um die von den Kameras 33A und 33B aufgenommenen Bilddaten und dergleichen sequentiell zu speichern, eine Berechnungsergebnis-Speichervorrichtung 55, die dazu eingerichtet ist, Ergebnisse verschiedener Berechnungen zu speichern, und eine Einstelldaten-Speichervorrichtung 56, die dazu eingerichtet ist, verschiedene Informationen im Voraus zu speichern. Diese Vorrichtungen 52 bis 56 sind elektrisch mit der CPU und den Eingabe-Ausgabe-Schnittstellen 51 verbunden.
Im Folgenden werden die Funktionen des Messgerätes 1 beschrieben. Wie später beschrieben, führt die Konfiguration dieser Ausführungsform gleichzeitig die Einstrahlung des ersten Lichts und des zweiten Lichts durch und bewirkt, dass sich der Strahlengang des ersten Lichts und der Strahlengang des zweiten Lichts teilweise überlappen. Zum besseren Verständnis werden der Strahlengang des ersten Lichts und der Strahlengang des zweiten Lichts in verschiedenen Zeichnungen dargestellt und einzeln beschrieben.
Der Strahlengang des ersten Lichts wird zunächst mit Bezug auf 3 beschrieben. Wie in 3 dargestellt, wird das erste Licht der Wellenlänge λ₁ (linear polarisiertes Licht mit der um 45 Grad zur X-Achsenrichtung und Y-Achsenrichtung geneigten Polarisationsrichtung) vom ersten Lichtemitter 11A nach links in Z-Achsenrichtung emittiert.
Das erste Licht, das vom ersten Lichtemitter 11A emittiert wird, durchläuft den ersten Lichtisolator 12A und tritt in den ersten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13A ein. Ein Teil des ersten Lichts, das in den ersten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13A eintritt, wird in Richtung Z-Achse nach links transmittiert, während der verbleibende Teil in Richtung Y-Achse nach unten reflektiert wird.
Das in Y-Achsenrichtung nach unten reflektierte erste Licht (linear polarisiertes Licht mit der Polarisationsrichtung, die um 45 Grad zur X-Achsenrichtung und der Z-Achsenrichtung geneigt ist) tritt in die erste Oberfläche 20a des polarisierenden Strahlteilers 20 ein. Das erste Licht, das in Richtung der Z-Achse nach links transmittiert wird, gelangt andererseits nicht in ein optisches System oder Ähnliches, sondern bleibt als Verlustlicht zurück.
Dieses Verlustlicht kann zur Messung der Wellenlänge oder gegebenenfalls zur Messung der Lichtleistung verwendet werden. Dadurch wird die Lichtquelle stabilisiert und damit die Messgenauigkeit verbessert.
Von dem ersten Licht, das in die erste Oberfläche 20a des polarisierenden Strahlteilers 20 nach unten in der Y-Achsenrichtung eintritt, wird die P-polarisierte Lichtkomponente in Y-Achsenrichtung nach unten transmittiert und von der dritten Oberfläche 20c als Referenzlicht emittiert, während die S-polarisierte Lichtkomponente in Z-Achsenrichtung nach rechts reflektiert und von der vierten Oberfläche 20d als Messlicht emittiert wird.
Das Referenzlicht (P-polarisiertes Licht) in Bezug auf das erste von der dritten Oberfläche 20c des polarisierenden Strahlteilers 20 emittierte Licht durchläuft die Viertelwellenplatte 21, die in im Uhrzeigersinn zirkular polarisiertes Licht umgewandelt wird, und wird dann von der Referenzfläche 23 reflektiert. Dabei wird die Drehrichtung in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichts beibehalten. Das Referenzlicht in Bezug auf das erste Licht durchläuft anschließend erneut die Viertelwellenplatte 21, um vom im Uhrzeigersinn zirkular polarisierten Licht in S-polarisiertes Licht umgewandelt zu werden, und tritt wieder in die dritte Oberfläche 20c des polarisierenden Strahlteilers 20 ein.
Das Messlicht (S-polarisiertes Licht) in Bezug auf das erste von der vierten Oberfläche 20d des polarisierenden Strahlteilers 20 emittierte Licht andererseits durchläuft die Viertelwellenplatte 22, um in zirkular polarisiertes Licht gegen den Uhrzeigersinn umgewandelt zu werden, und wird dann von dem Werkstück W reflektiert. Dabei wird die Drehrichtung in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichts beibehalten. Das Messlicht in Bezug auf das erste Licht durchläuft anschließend erneut die Viertelwellenplatte 22, um aus dem gegen den Uhrzeigersinn zirkular polarisierten Licht in P-polarisiertes Licht umgewandelt zu werden, und tritt dann wieder in die vierte Oberfläche 20d des polarisierenden Strahlteilers 20 ein.
Das Referenzlicht (S-polarisiertes Licht) in Bezug auf das erste Licht, das erneut in die dritte Oberfläche 20c des polarisierenden Strahlteilers 20 eintritt, wird von der Verbindungsfläche 20h nach links in Richtung Z-Achse reflektiert, während das Messlicht (P-polarisiertes Licht) in Bezug auf das erste Licht, das erneut in die vierte Oberfläche 20d eintritt, durch die Verbindungsfläche 20h nach links in Richtung Z-Achse transmittiert wird. Das überlagerte Licht, das durch die Überlagerung des Referenzlichts und des Messlichts in Bezug auf das erste Licht erzeugt wird, wird dann als das Ausgangslicht von der zweiten Oberfläche 20b des polarisierenden Strahlteilers 20 emittiert.
Das überlagerte Licht (Referenzlicht und Messlicht) in Bezug auf das von der zweiten Oberfläche 20b des polarisierenden Strahlteilers 20 emittierte erste Licht tritt in den zweiten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13B ein. Ein Teil des überlagerten Lichts in Bezug auf das erste Licht, das in den zweiten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13B nach links in Z-Achsenrichtung eintritt, wird nach links in Richtung Z-Achse transmittiert, während der verbleibende Teil nach unten in Y-Achsenrichtung reflektiert wird. Das überlagerte Licht (Referenzlicht und Messlicht), das in Z-Achsenrichtung nach links transmittiert wird, tritt in das erste Abbildungssystem 4A ein. Das in Y-Achsrichtung nach unten reflektierte überlagerte Licht wird andererseits durch den zweiten Lichtisolator 12B blockiert und bleibt als Verlustlicht zurück.
Wenn das überlagerte Licht (Referenzlicht und Messlicht) in Bezug auf das erste Licht in das erste Abbildungssystem 4A eintritt, wandelt die Viertelwellenplatte 31A die Referenzlichtkomponente (S-polarisierte Lichtkomponente) des ersten Lichts in gegen den Uhrzeigersinn zirkular polarisiertes Licht um und die Messlichtkomponente (P-polarisierte Lichtkomponente) des ersten Lichts in im Uhrzeigersinn zirkular polarisiertes Licht um. Das gegen den Uhrzeigersinn zirkular polarisierte Licht und das im Uhrzeigersinn zirkular polarisierte Licht haben unterschiedliche Drehrichtungen und interferieren daher nicht miteinander.
Wenn das überlagerte Licht in Bezug auf das erste Licht anschließend den ersten Polarisator 32A durchläuft, interferieren die Referenzlichtkomponente und die Messlichtkomponente davon in einer Phase entsprechend dem Winkel des ersten Polarisators 32A miteinander. Ein Bild des Interferenzlichts in Bezug auf das erste Licht wird dann von der ersten Kamera 33A aufgenommen.
Der Strahlengang des zweiten Lichts wird nachfolgend mit Bezug auf 4 beschrieben. Wie in 4 dargestellt, wird das zweite Licht der Wellenlänge λ₂ (linear polarisiertes Licht mit der um 45 Grad zur X-Achsenrichtung und zur Z-Achsenrichtung geneigten Polarisationsrichtung) vom zweiten Lichtemitter 11B nach oben in Y-Achsenrichtung emittiert.
Das zweite Licht, das vom zweiten Lichtemitter 11B emittiert wird, durchläuft den zweiten Lichtisolator 12B und tritt in den zweiten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13B ein. Ein Teil des zweiten Lichts, das in den zweiten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13B eintritt, wird nach oben in Richtung der Y-Achse transmittiert, während der verbleibende Teil nach rechts in Richtung der Z-Achse reflektiert wird.
Das zweite Licht, das in Richtung der Z-Achse nach rechts reflektiert wird (linear polarisiertes Licht mit der Polarisationsrichtung, die um 45 Grad zur Richtung der X-Achse und der Y-Achse geneigt ist), tritt in die zweite Oberfläche 20b des polarisierenden Strahlteilers 20 ein. Das zweite Licht andererseits, das in Y-Achsenrichtung nach oben transmittiert wird, gelangt nicht in ein optisches System oder Ähnliches, sondern bleibt als Verlustlicht zurück.
Dieses Verlustlicht kann zur Messung der Wellenlänge oder gegebenenfalls zur Messung der Lichtleistung verwendet werden. Dadurch wird die Lichtquelle stabilisiert und damit die Messgenauigkeit verbessert.
In Bezug auf das zweite Licht, das in die zweite Oberfläche 20b des polarisierenden Strahlteilers 20 nach rechts in Richtung Z-Achse eintritt, wird die S-polarisierte Lichtkomponente davon in Richtung der Y-Achse nach unten reflektiert und von der dritten Oberfläche 20c als Referenzlicht emittiert, während seine P-polarisierte Lichtkomponente in Richtung Z-Achse nach rechts transmittiert und von der vierten Oberfläche 20d als Messlicht emittiert wird.
Das Referenzlicht (S-polarisiertes Licht) in Bezug auf das von der dritten Oberfläche 20c des polarisierenden Strahlteilers 20 emittierte zweite Licht durchläuft die Viertelwellenplatte 21, um in zirkular polarisiertes Licht gegen den Uhrzeigersinn umgewandelt zu werden, und wird dann von der Referenzfläche 23 reflektiert. Dabei wird die Drehrichtung in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichts beibehalten. Das Referenzlicht in Bezug auf das zweite Licht durchläuft anschließend erneut die Viertelwellenplatte 21, um aus dem gegen den Uhrzeigersinn zirkular polarisierten Licht in P-polarisiertes Licht umgewandelt zu werden, und tritt wieder in die dritte Oberfläche 20c des polarisierenden Strahlteilers 20 ein.
Das Messlicht (P-polarisiertes Licht) in Bezug auf das von der vierten Oberfläche 20d des polarisierenden Strahlteilers 20 emittierte zweite Licht anderseits durchläuft die Viertelwellenplatte 22, um in im Uhrzeigersinn zirkular polarisiertes Licht umgewandelt zu werden, und wird dann von dem Werkstück W reflektiert. In diesem Schritt wird die Drehrichtung relativ zur Ausbreitungsrichtung des Lichts beibehalten. Das Messlicht in Bezug auf das zweite Licht durchläuft anschließend erneut die Viertelwellenplatte 22, um vom im Uhrzeigersinn zirkular polarisierten Licht in S-polarisiertes Licht umgewandelt zu werden, und tritt dann wieder in die vierte Oberfläche 20d des polarisierenden Strahlteilers 20 ein.
Das Referenzlicht (P-polarisiertes Licht) in Bezug auf das zweite Licht, das erneut in die dritte Oberfläche 20c des polarisierenden Strahlteilers 20 eintritt, wird durch die Verbindungsfläche 20h nach oben in Y-Achsenrichtung transmittiert, während das Messlicht (S-polarisiertes Licht) in Bezug auf das zweite Licht, das erneut in die vierte Oberfläche 20d eintritt, von der Verbindungsfläche 20h nach oben in Y-Achsenrichtung reflektiert wird. Das durch Überlagern des Referenzlichts und des Messlichts in Bezug auf das zweite Licht erzeugte überlagerte Licht wird dann als Ausgangslicht von der ersten Oberfläche 20a des polarisierenden Strahlteilers 20 emittiert.
Das überlagerte Licht (Referenzlicht und Messlicht) in Bezug auf das von der ersten Oberfläche 20a des polarisierenden Strahlteilers 20 emittierte zweite Licht tritt in den ersten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13A ein. Ein Teil des überlagerten Lichts in Bezug auf das zweite Licht, das in den ersten nichtpolarisierenden Strahlteiler 13A nach oben in Richtung Y-Achse eintritt, wird nach oben in Richtung Y-Achse transmittiert, während der verbleibende Teil nach rechts in Richtung Z-Achse reflektiert wird. Das in Y-Achsrichtung nach oben transmittierte überlagerte Licht (Referenzlicht und Messlicht) tritt in das zweite Abbildungssystem 4B ein. Das überlagerte Licht, das nach rechts in Richtung der Z-Achse reflektiert wird, wird andererseits durch den ersten Lichtisolator 12A blockiert und bleibt als Verlustlicht zurück.
Wenn das überlagerte Licht (Referenzlicht und Messlicht) in Bezug auf das zweite Licht in das zweite Abbildungssystem 4B eintritt, wandelt die Viertelwellenplatte 31B die Referenzlichtkomponente (P-polarisierte Lichtkomponente) davon in im Uhrzeigersinn zirkular polarisiertes Licht um und wandelt die Messlichtkomponente (S-polarisierte Lichtkomponente) davon in gegen den Uhrzeigersinn zirkular polarisiertes Licht um. Das gegen den Uhrzeigersinn zirkular polarisierte Licht und das im Uhrzeigersinn zirkular polarisierte Licht haben unterschiedliche Drehrichtungen und interferieren daher nicht miteinander.
Wenn das überlagerte Licht in Bezug auf das zweite Licht anschließend den zweiten Polarisator 32B durchläuft, interferieren die Referenzlichtkomponente und die Messlichtkomponente davon in einer Phase entsprechend dem Winkel des zweiten Polarisators 32B miteinander. Ein Bild des Interferenzlichts in Bezug auf das zweite Licht wird dann von der zweiten Kamera 33B aufgenommen.
Im Folgenden wird ein von dem Steuergerät 5 durchgeführtes Messverfahren anhand des Flussdiagramms von 5 und dergleichen ausführlich beschrieben. In der folgenden Beschreibung des Messverfahrens wird die Abbildungselement-Oberfläche 33Aa der ersten Kamera 33A oder die Abbildungselement-Oberfläche 33Ba der zweiten Kamera 33B als x-y-Ebene bezeichnet und eine optische Achsenrichtung senkrecht zur x-y-Ebene als z-Richtung bezeichnet. Dieses Koordinatensystem (x, y, z) ist ein anderes Koordinatensystem als das Koordinatensystem (X, Y, Z), das in Bezug auf die Messvorrichtung 1 beschrieben ist.
Bei Schritt S1 führt das Steuergerät 5 einen Vorgang zum Erhalten von Interferenzstreifenbildern in Bezug auf einen vorgegebenen Messbereich des Werkstücks W durch. Gemäß der Ausführungsform erhält das Steuergerät 5 vier verschiedene Interferenzstreifenbilder verschiedener Phasen in Bezug auf das erste Licht und vier verschiedene Interferenzstreifenbilder verschiedener Phasen in Bezug auf das zweite Licht. Im Folgenden wird dieser Vorgang ausführlich beschrieben.
Nachdem das Werkstück W auf die Platzierungsstruktur 24 gelegt wurde, stellt das Steuergerät 5 die Transmissionsachsenrichtung des ersten Polarisators 32A des ersten Abbildungssystems 4A auf eine vorgegebene Referenzposition (z. B. „0 Grad“) und stellt die Transmissionsachsenrichtung des zweiten Polarisators 32B des zweiten Abbildungssystems 4B auf eine vorgegebene Referenzposition (z. B. „0 Grad“) ein.
Das Steuergerät 5 bewirkt anschließend, dass das erste Licht von der ersten Projektionsoptik 2A abgestrahlt wird, und bewirkt gleichzeitig, dass das zweite Licht von der zweiten Projektionsoptik 2B abgestrahlt wird. Dadurch wird das überlagerte Licht (Referenzlicht und Messlicht) in Bezug auf das erste Licht von der zweiten Oberfläche 20b des polarisierenden Strahlteilers 20 der Interferenzoptik 3 emittiert, und gleichzeitig das überlagerte Licht (Referenzlicht und Messlicht) in Bezug auf das zweite Licht von der ersten Oberfläche 20a des polarisierenden Strahlteilers 20 emittiert.
Ein Bild des überlagerten Lichts in Bezug auf das erste Licht, das von der zweiten Oberfläche 20b des polarisierenden Strahlteilers 20 emittiert wird, wird vom ersten Abbildungssystem 4A aufgenommen, und gleichzeitig wird ein Bild des überlagerten Lichts in Bezug auf das zweite Licht, das von der ersten Oberfläche 20a des polarisierenden Strahlteilers 20 emittiert wird, vom zweiten Abbildungssystem 4B aufgenommen.
Die Transmissionsachsenrichtungen des ersten Polarisators 32A und des zweiten Polarisators 32B sind jeweils auf „0 Grad“ eingestellt. Dementsprechend nimmt die erste Kamera 33A ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „0 Grad“ bezogen auf das erste Licht auf, und die zweite Kamera 33B nimmt ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „0 Grad“ bezogen auf das zweite Licht auf.
Die von den jeweiligen Kameras 33A und 33B aufgenommenen Bilddaten werden an das Steuergerät 5 ausgegeben. Das Steuergerät 5 speichert die eingegebenen Bilddaten in der Bilddaten-Speichervorrichtung 54.
Das Steuergerät 5 führt anschließend einen Umschaltvorgang des ersten Polarisators 32A des ersten Abbildungssystems 4A und des zweiten Polarisators 32B des zweiten Abbildungssystems 4B durch. Genauer gesagt dreht und verschiebt das Steuergerät 5 den ersten Polarisator 32A und den zweiten Polarisator 32B in entsprechende Positionen mit der Transmissionsachsenrichtung von „45 Grad“.
Nach Abschluss des Umstellvorgangs führt das Steuergerät 5 einen zweiten Abbildungsvorgang durch, der dem Ablauf des vorstehend beschriebenen ersten Abbildungsvorgangs ähnlich ist. Genauer gesagt, bewirkt das Steuergerät 5, dass das erste Licht von der ersten Projektionsoptik 2A abgestrahlt wird, und gleichzeitig, dass das zweite Licht von der zweiten Projektionsoptik 2B abgestrahlt wird. Ein Bild des überlagerten Lichts in Bezug auf das erste Licht, das von der zweiten Oberfläche 20b des polarisierenden Strahlteilers 20 emittiert wird, wird vom ersten Abbildungssystem 4A aufgenommen, und gleichzeitig wird ein Bild des überlagerten Lichts in Bezug auf das zweite Licht, das von der ersten Oberfläche 20a des polarisierenden Strahlteilers 20 emittiert wird, vom zweiten Abbildungssystem 4B aufgenommen. Das Steuergerät 5 erhält dementsprechend ein Interferenzstreifenbild mit der Phase von „90 Grad“ bezogen auf das erste Licht und ein Interferenzstreifenbild mit der Phase von „90 Grad“ bezogen auf das zweite Licht.
Zwei weitere Abbildungsvorgänge werden anschließend ähnlich wie beim ersten Abbildungsvorgang und beim zweiten, vorstehend beschriebenen Abbildungsvorgang durchgeführt. Genauer gesagt, wird ein dritter Abbildungsvorgang durchgeführt, bei dem die Transmissionsachsenrichtungen des ersten Polarisators 32A und des zweiten Polarisators 32B auf „90 Grad“ eingestellt werden. Das Steuergerät 5 erhält dementsprechend ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „180 Grad“ bezogen auf das erste Licht und ein Interferenzstreifenbild mit der Phase „180 Grad“ bezogen auf das zweite Licht.
Ein vierter Abbildungsvorgang wird dann mit dem Einstellen der Transmissionsachsenrichtungen des ersten Polarisators 32A und des zweiten Polarisators 32B auf „135 Grad“ durchgeführt. Das Steuergerät 5 erhält dementsprechend ein Interferenzstreifenbild mit der Phase von „270 Grad“ bezogen auf das erste Licht und ein Interferenzstreifenbild mit der Phase von „270 Grad“ bezogen auf das zweite Licht.
Durch die Durchführung der vier vorstehend beschriebenen Abbildungsverfahren erhält das Steuergerät 5 alle für die Messung des vorgegebenen Messbereiches auf dem Werkstück W erforderlichen Bilddaten (insgesamt acht Interferenzstreifenbilder, darunter vier verschiedene Interferenzstreifenbilder in Bezug auf das erste Licht und vier verschiedene Interferenzstreifenbilder in Bezug auf das zweite Licht).
Im nachfolgenden Schritt S2 führt das Steuergerät 5 einen Vorgang zum Erhalten komplexer Amplitudendaten Eo(x,y) des Lichts auf der Abbildungselement-Oberfläche 33Aa und auf der Abbildungselement-Oberfläche 33Ba durch. Genauer gesagt, erhält das Steuergerät 5 komplexe Amplitudendaten Eo(x,y) des Lichts auf der Abbildungselement-Oberfläche 33Aa und auf der Abbildungselement-Oberfläche 33Ba in Bezug auf das erste Licht und das zweite Licht, basierend auf den vier verschiedenen Interferenzstreifenbildern in Bezug auf das erste Licht und den vier verschiedenen Interferenzstreifenbildern in Bezug auf das zweite Licht.
Die Interferenzstreifenintensitäten der vier verschiedenen Interferenzstreifenbilder in Bezug auf das erste Licht oder in Bezug auf das zweite Licht an einer identischen Koordinatenposition (x,y), d. h. die Leuchtdichtewerte I₁(x,y), I₂(x,y), I₃(x,y) und I₄(x,y), werden durch die nachstehend angegebenen Formeln von [Math. 1] ausgedrückt:
$\begin{matrix} I_{1} (x, y) = B (x, y) + A (x, y) cos [Δ ϕ (x, y)] \\ I_{2} (x, y) = B (x, y) + A (x, y) cos [Δ ϕ (x, y) + 90 °] \\ I_{3} (x, y) = B (x, y) + A (x, y) cos [Δ ϕ (x, y) + 180 °] \\ I_{4} (x, y) = B (x, y) + A (x, y) cos [Δ ϕ (x, y) + 270 °] \end{matrix}$
Hierin bezeichnet Δϕ(x,y) eine Phasendifferenz basierend auf der optischen Wegdifferenz zwischen dem Messlicht und dem Referenzlicht an den Koordinaten (x,y). A(x,y) bezeichnet eine Amplitude des Interferenzlichts und B(x,y) bezeichnet eine Verzerrung. Das Referenzlicht ist jedoch gleichmäßig. Unter diesem Gesichtspunkt bezeichnet Δϕ(x,y) eine „Phase des Messlichts“ und A(x,y) eine „Amplitude des Messlichts“.
Dementsprechend wird die Phase Δϕ(x,y) des Messlichts, das die Abbildungselement-Oberfläche 33Aa oder die Abbildungselement-Oberfläche 33Ba erreicht, durch eine nachstehend angegebene Formel von [Math. 2] bestimmt, basierend auf den vorstehend genannten Formeln von [Math. 1]:
$Δ ϕ (x, y) = arctan \frac{I_{4} (x, y) - I_{2} (x, y)}{I_{1} (x, y) - I_{3} (x, y)}$
Die Amplitude A(x,y) des Messlichts, das die Abbildungselement-Oberfläche 33Aa oder die Abbildungselement-Oberfläche 33Ba erreicht, wird durch eine nachstehend angegebene Formel von [Math. 3] bestimmt, basierend auf den vorstehend genannten Formeln von [Math. 1]:
$A (x, y) = \frac{1}{2} \times \sqrt{{I_{1} (x, y) - I_{3} (x, y)}^{2} + {I_{4} (x, y) - I_{2} (x, y)}^{2}}$
Die komplexen Amplitudendaten Eo(x,y) auf der Abbildungselement-Oberfläche 33Aa und auf der Abbildungselement-Oberfläche 33Ba werden dann aus der obigen Phase Δϕ(x,y) und der Amplitude A(x,y) gemäß einer nachstehend angegebenen Formel von [Math. 4] berechnet, wobei i eine imaginäre Einheit bezeichnet.
$E_{0} (x, y) = A (x, y) e^{i ϕ (x, y)}$
Im nachfolgenden Schritt S3 führt das Steuergerät 5 einen Vorgang zum Erhalten komplexer Amplitudendaten an einer Mehrzahl von Positionen in der z-Richtung in einem im Voraus im vorgegebenen Messbereich des Werkstücks W festgelegten spezifischen Teilbereich (bzw. spezifischen Bereich) durch. Die erste Datenerfassungseinheit ist dazu eingerichtet, die Verarbeitungsreihe der vorstehend beschriebenen Schritte S2 und S3 gemäß der Ausführungsform durchzuführen.
Der „spezifische Bereich“ bezeichnet einen Bereich, der beliebig festgelegt wird, um vorab nach der Position des Werkstücks W in der z-Richtung zu suchen. In der folgenden Beschreibung wird der „spezifische Bereich“ als „z-Positionssuchbereich V“ bezeichnet (wie in dargestellt). Wenn beispielsweise das Werkstück W ein Wafersubstrat 100 ist, wie in 8 dargestellt, kann ein strukturierter Teil 102, der als Referenzfläche für die Messung von Erhebungen 101 spezifiziert werden kann, als z-Positionssuchbereich V festgelegt werden.
Im Folgenden wird die Verarbeitung von Schritt S3 im Detail beschrieben. Zunächst wird ein Verfahren zum Erhalten von unbekannten komplexen Amplitudendaten an verschiedenen Positionen in der z-Richtung aus bekannten komplexen Amplitudendaten an einer vorgegebenen Position in der z-Richtung beschrieben.
Es sind zwei Koordinatensysteme (x-y-Koordinatensystem und ξ-η-Koordinatensystem) vorgesehen, die um einen Abstand d in z-Richtung voneinander entfernt sind. Der nachstehende mathematische Zusammenhang, der durch [Math. 5] beschrieben wird, ist vorgesehen, wobei z= 0 im x-y-Koordinatensystem ist, Eo(x,y) bekannte komplexe Amplitudendaten des Lichts im x-y-Koordinatensystem sind und Eo(ξ,η) unbekannte komplexe Amplitudendaten des Lichts in einer ξ-η-Ebene, die um den Abstand d von einer x-y-Ebene entfernt ist, bezeichnet. Dabei bezeichnet λ die Wellenlänge.
$\begin{matrix} E_{0} (x, y) = \frac{1}{λ} \int_{- \infty}^{\infty} \int_{- \infty}^{\infty} E_{0} (ξ, η) \frac{exp (- i \frac{2 π}{λ} \sqrt{d^{2} + {(ξ - x)}^{2} + {(η - y)}^{2}})}{\sqrt{d^{2} + {(ξ - x)}^{2} + {(η - y)}^{2}}} d ξ d η \\ = F^{- 1} {F (E_{0} (ξ, η)) \cdot F (g (ξ, η, x, y))} \\ g (ξ, η, x, y) = \frac{1}{λ} \frac{exp (- i \frac{2 π}{λ} \sqrt{d^{2} + {(ξ - x)}^{2} + {(η - y)}^{2}})}{\sqrt{d^{2} + {(ξ - x)}^{2} + {(η - y)}^{2}}} \end{matrix}$

: Fourier-Transformation
: Inverse Fourier-Transformation

Der nachstehende Ausdruck [Math. 6] wird erhalten, indem dieser Ausdruck nach Eο(ξ,η) aufgelöst wird:
$E_{0} (ξ, η) = F^{- 1} {\frac{F (E_{0} (x, y))}{F (g (ξ, η, x, y))}}$
Gemäß der Ausführungsform, wie in 6 und 7 dargestellt, werden komplexe Amplitudendaten EoL0(ξ,η), EοL1(ξ,η), ...., EoLn(ξ,η) an jeweiligen Positionen in einem Abstand L= L0, L1, L2,.....Ln von der Abbildungselement-Oberfläche 33Aa oder der Abbildungselement-Oberfläche 33Ba im z-Positionssuchbereich V auf dem Werkstück W erhalten, basierend auf den komplexen Amplitudendaten Eo(x,y) auf der Abbildungselement-Oberfläche 33Aa oder auf der Abbildungselement-Oberfläche 33Ba, die bei dem vorstehend beschriebenen Schritt S2 erhalten wurden.
Im nachfolgenden Schritt S4 führt das Steuergerät 5 einen Vorgang zum Erhalten von Intensitäts-(Leuchtdichte-)Bildern an einer Mehrzahl von Positionen in der z-Richtung im z-Positionssuchbereich V auf dem Werkstück W durch. Die Bilderfassungseinheit ist dazu eingerichtet, die Verarbeitung von Schritt S4 gemäß der Ausführungsform durchzuführen.
Genauer gesagt werden Intensitätsbilder aus den komplexen Amplitudendaten EoL0(ξ,η), EοL1(ξ,η), ...., EoLn(ξ,η), die bei Schritt S3 erhalten wurden, erhalten. Wenn komplexe Amplitudendaten in der ξ-η-Ebene als Eo(ξ,η) ausgedrückt werden, kann ein Intensitätsbild I(ξ,η) in der ξ-η-Ebene gemäß einer Formel von [Math. 7] wie nachstehend angegeben erhalten werden:
$I (ξ, η) = {| E_{0} (ξ, η) |}^{2}$
Im nachfolgenden Schritt S5 führt das Steuergerät 5 einen Vorgang zum Bestimmen der Position des Werkstücks W in z-Richtung durch. Die Positionsbestimmungseinheit ist dazu eingerichtet, Schritt S5 gemäß der Ausführungsform durchzuführen.
Genauer gesagt wird die Position des z-Positionssuchbereichs V in z-Richtung bestimmt, basierend auf der Mehrzahl von Intensitätsbildern im z-Positionssuchbereich V, die bei Schritt S4 erhalten wurden. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bestimmen der Position des z-Positionssuchbereichs V basierend auf dem Kontrast der Intensitätsbilder beschrieben.
So wird beispielsweise, wie in 7 dargestellt, ein vorgegebener z-Richtungsbereich Q, in dem sich das Werkstück W wahrscheinlich befindet, in Intervalle eines Messbereichs für die Höhenmessung eingeteilt und Positionen (z= L0, L1, ...., Ln) in einem Abstand L= L0, L1, ...., Ln in z-Richtung von der Abbildungselement-Oberfläche 33Aa oder der Abbildungselement-Oberfläche 33Ba festgelegt. Im Intensitätsbild des z-Positionssuchbereichs V an jeder der Positionen in z-Richtung (z= L0, L1, ...., Ln) wird ein Leuchtdichtekontrast zwischen dem „z-Positionssuchbereich V“ und dem „verbleibenden Bereich“ berechnet. Eine Position (z= Lm), bei dem aus den Intensitätsbildern ein Intensitätsbild mit dem höchsten Kontrast erhalten wird, wird dann extrahiert. Die Höheninformation des z-Positionssuchbereichs V wird durch dreidimensionale Messung basierend auf komplexen Amplitudendaten EoLm(ξ,η) an dieser Position (z= Lm) erhalten. Ausgehend von der „Positionsinformation des Intensitätsbildes (z=Lm)“ + „Höheninformation des z-Positionssuchbereichs V“ wird dann eine absolute Position des z-Positionssuchbereichs V in der z-Richtung erhalten.
Das Verfahren zum Bestimmen der Position des z-Positionssuchbereichs V ist nicht auf das Verfahren beschränkt, das auf dem Kontrast des vorstehend beschriebenen Intensitätsbildes basiert, sondern es kann ein anderes Verfahren verwendet werden. So kann beispielsweise ein Verfahren verwendet werden, das auf der Leuchtdichte des Intensitätsbildes basiert.
Dieses letztgenannte Verfahren nutzt den Vorteil, dass das Leuchtdichtebild die höchste Leuchtdichte in einer Fläche liefert, in der sich ein Objekt tatsächlich befindet. Genauer gesagt wird eine mittlere Leuchtdichte des z-Positionssuchbereichs V unter Berücksichtigung der Intensitätsbilder des z-Positionssuchbereichs V an den jeweiligen Positionen in z-Richtung (z= L0, L1, ....., Ln) berechnet. Eine Position (z= Lm), bei der ein Intensitätsbild mit der höchsten durchschnittlichen Leuchtdichte unter den Intensitätsbildern erhalten wird, wird dann extrahiert. Wie im vorstehenden Fall wird die Höheninformation des z-Positionssuchbereichs V durch dreidimensionale Messung basierend auf den komplexen Amplitudendaten EoLm(ξ,η) an dieser Position (z= Lm) erhalten. Ausgehend von der „Positionsinformation des Intensitätsbildes (z=Lm)“ + „Höheninformation des z-Positionssuchbereichs V“ wird dann die absolute Position des z-Positionssuchbereichs V in z-Richtung erhalten.
Im nachfolgenden Schritt S6 erhält das Steuergerät 5 komplexe Amplitudendaten des gesamten Messbereichs an der Position in z-Richtung des Werkstücks W (z-Positionssuchbereich V), die in Schritt S5 bestimmt wurde. Die zweite Datenerfassungseinheit ist dazu eingerichtet, indem Schritt S6 gemäß der Ausführungsform durchzuführen.
Im nachfolgenden Schritt S7 führt das Steuergerät 5 eine dreidimensionale Messung durch. Die Messungsausführungseinheit ist dazu eingerichtet, die Verarbeitung von Schritt S7 gemäß der Ausführungsform durchzuführen.
Genauer gesagt werden die Phase ϕ(ξ,η) des Messlichts und die Amplitude A(ξ,η) des Messlichts nach einer nachstehend angegebenen Formel von [Math. 8] aus den komplexen Amplitudendaten Eo(ξ,η) des gesamten Messbereichs berechnet, die bei Schritt S6 erhalten wurden.
$E_{0} (ξ, η) = A (ξ, η) e^{i ϕ (ξ, η)}$
Die Phase ϕ(ξ,η) des Messlichts wird aus der nachstehenden Formel von [Math. 9] wie folgt berechnet:
$ϕ (ξ, η) = arctan \frac{IM [E_{0} (ξ, η)]}{Re [E_{0} (ξ, η)]}$
Die Amplitude A(ξ,η) des Messlichts wird aus einer Formel von [Math. 10] wie folgt berechnet:
$A (ξ, η) = \sqrt{{(Re [E_{0} (ξ, η)])}^{2} + {(Im [E_{0} (ξ, η)])}^{2}}$
Das Steuergerät 5 führt anschließend einen Phasen-Höhen-Umrechnungsvorgang durch, um eine Höheninformation z(ξ,η) zu berechnen, die dreidimensional eine konvex-konkave Form auf der Oberfläche des Werkstücks W anzeigt.
Die Höheninformation z(ξ,η) wird durch eine unten angegebene Formel von [Math. 11] berechnet.
$Z (ξ, η) = \frac{1}{2} ϕ (ξ, η) \frac{λ}{2 π}$
Die Messung mit zwei verschiedenen Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen (Wellenlängen λ₁ und λ₂ ) entspricht der Messung mit einem Licht einer überlagerten Wellenlänge λ₀ , und der Messbereich wird auf λ₀/2 erweitert. Die überlagerte Wellenlänge λ₀ wird durch die nachstehende Gleichung (M1) ausgedrückt:
$λ_{0} = (λ_{1} \times λ_{2}) / (λ_{2} - λ_{1})$
wobei λ₂ > λ₁.
Zum Beispiel, wenn λ₁= 1500 nm und λ₂= 1503 nm, dann ist λ₀= 751,500 µm gemäß der vorstehenden Gleichung (M1), und der Messbereich ist λ₀/2= 375,750 µm.
Genauer gesagt, wird gemäß der Ausführungsform zunächst eine Phase ϕ₁(ξ,η) des Messlichts in Bezug auf das erste Licht an Koordinaten (ξ,η) auf der Oberfläche des Werkstücks W berechnet (wie in [Math. 9] vorstehend beschrieben), basierend auf den Leuchtdichtewerten I₁(x,y), I₂(x,y), I₃(x,y) und I₄(x,y) der vier verschiedenen Interferenzstreifenbilder in Bezug auf das erste Licht mit der Wellenlänge λ₁ (wie in [Math. 1] vorstehend dargestellt).
Bei der Messung in Bezug auf das erste Licht wird die Höheninformation z(ξ,η) an den Koordinaten (ξ,η) durch die unten angegebene Gleichung (M2) ausgedrückt:
$\begin{matrix} z (ξ, η) = d_{1} (ξ, η) / 2 \\ = [λ_{1} \times ϕ_{1} (ξ, η) / 4 π] + [m_{1} (ξ, η) \times λ_{1} / 2] \end{matrix}$
wobei d₁(ξ,η) eine optische Wegdifferenz zwischen dem Messlicht und dem Referenzlicht in Bezug auf das erste Licht bezeichnet, und m₁(ξ,η) eine Streifenfolge in Bezug auf das erste Licht bezeichnet.
Die Phase ϕ₁ (ξ,η) wird entsprechend durch die nachstehende Gleichung (M2') ausgedrückt:
$ϕ_{1} (ξ, η) = (4 π l λ_{1}) \times z (ξ, η) - 2 π m_{1} (ξ, η)$
In ähnlicher Weise wird eine Phase ϕ₂ (ξ,η) des Messlichts in Bezug auf das zweite Licht an den Koordinaten (ξ,η) auf der Oberfläche des Werkstücks W berechnet (wie in [Math. 9] oben dargestellt), basierend auf den Leuchtdichtewerten I₁(x,y), I₂(x,y), I₃(x,y) und I₄(x,y) der vier Interferenzstreifenbilder in Bezug auf das zweite Licht mit der Wellenlänge λ₂ (wie in [Math. 1] vorstehend dargestellt).
Bei der Messung in Bezug auf das zweite Licht wird die Höheninformation z(ξ,η) an den Koordinaten (ξ,η) durch die unten angegebene Gleichung (M3) ausgedrückt:
$\begin{matrix} z (ξ, η) = d_{2} (ξ, η) / 2 \\ = [λ_{2} \times ϕ_{2} (ξ, η) / 4 π] + [m_{2} (ξ, η) \times λ_{2} / 2] \end{matrix}$
wobei d₂(ξ,η) eine optische Wegdifferenz zwischen dem Messlicht und dem Referenzlicht in Bezug auf das zweite Licht bezeichnet, und m₂(ξ,η) eine Streifenfolge in Bezug auf das zweite Licht bezeichnet.
Die Phase ϕ₂(ξ,η) wird entsprechend durch die nachstehende Gleichung (M3') beschrieben:
$ϕ_{2} (ξ, η) = (4 π l λ_{2}) \times z (ξ, η) - 2 π m_{2} (ξ, η)$
Die Streifenfolge m₁(ξ,η) in Bezug auf das erste Licht mit der Wellenlänge λ₁ und die Streifenfolge m₂(ξ,η) in Bezug auf das zweite Licht mit der Wellenlänge λ₂ werden basierend auf einer optischen Wegdifferenz Δd und einer Wellenlängendifferenz Δλ der beiden verschiedenen Lichtstrahlen (mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂) bestimmt. Die optische Wegdifferenz Δd und die Wellenlängendifferenz Δλ werden jeweils durch die nachstehenden Gleichungen (M4) und (M5) ausgedrückt:
$Δ d = (λ_{1} \times ϕ_{1} - λ_{2} \times ϕ_{2}) / 2 π$
$Δλ = λ_{2} - λ_{1}$
wobei λ₂ > λ₁.
Im Messbereich der überlagerten Wellenlänge λ₀ der beiden Wellenlängen wird die Beziehung zwischen den Streifenfolgen m₁ und m₂ in die folgenden drei Fälle eingeteilt. Zur Bestimmung der Streifenfolgen m₁(ξ,η) und m₂(ξ,η) in den jeweiligen Fällen werden verschiedene Rechenausdrücke verwendet. Im Folgenden wird eine Technik beschrieben, mit der z. B. die Streifenfolge m₁(ξ,η) bestimmt werden kann. Eine ähnliche Technik kann verwendet werden, um die Streifenfolge m₂(ξ,η) zu bestimmen.
Zum Beispiel, wenn „ϕ₁ - ϕ₂ < -π“, dann ist „m₁ - m₂= -1“. In diesem Fall wird m₁ durch die nachstehende Gleichung (M6) ausgedrückt:
$\begin{matrix} m_{1} = (Δ d / Δλ) - (λ_{2} / Δλ) \\ = (λ_{1} \times ϕ_{1} - λ_{2} \times ϕ_{2}) / 2 π (λ_{2} - λ_{1}) - λ_{2} / (λ_{2} - λ_{1}) \end{matrix}$
In dem Fall „-π < ϕ₁ - ϕ₂ < π“ gilt „m1 - m₂= 0“. In diesem Fall wird m₁ durch die nachstehende Gleichung (M7) ausgedrückt:
$\begin{matrix} m_{2} = Δ d / Δλ \\ = (λ_{1} \times ϕ_{1} - λ_{2} \times ϕ_{2}) / 2 π (λ_{2} - λ_{1}) \end{matrix}$
In dem Fall „ϕ₁ - ϕ₂ > π“ gilt „m₁ - m₂= +1“. In diesem Fall wird m₁ durch die nachstehende Gleichung (M8) ausgedrückt:
$\begin{matrix} m_{1} = (Δ d / Δλ) + (λ_{2} / Δλ) \\ = (λ_{1} \times ϕ_{1} - λ_{2} \times ϕ_{2}) / 2 π (λ_{2} - λ_{1}) + λ_{2} / (λ_{2} - λ_{1}) \end{matrix}$
Die Höheninformation z(ξ,η) wird gemäß den vorstehenden Gleichungen (M2) oder (M3) berechnet basierend auf den so erhaltenen Streifenfolgen m₁(ξ,η) oder m₂(ξ,η).
Wenn beispielsweise das Werkstück W ein Wafersubstrat 100 (wie in 8 und 9 dargestellt) ist und eine Erhebung 101 ein Messobjekt ist, wird eine Höhe HB der Erhebung 101 relativ zu einem strukturierten Teil 102, das eine Messreferenzfläche ist, bestimmt, indem eine absolute Höhe hr des strukturierten Teils 102 in der Umgebung der Erhebung 101 von einer absoluten Höhe ho der Erhebung 101 abgezogen wird [HB = ho - hr]. Die absolute Höhe hr des strukturierten Teils 102 kann beispielsweise eine absolute Höhe an einem beliebigen Punkt auf dem strukturierten Teil 102 oder ein Mittelwert aus absoluten Höhen in einem vorgegebenen Bereich des strukturierten Teils 102 sein. Die „absolute Höhe ho der Erhebung 101“ und die „absolute Höhe hr des strukturierten Teils 102“ können auch als die Höheninformation z(ξ,η) bestimmt werden.
Das Messergebnis (Höheninformation) des Werkstücks W, das so bestimmt wurde, wird in der Berechnungsergebnis-Speichervorrichtung 55 des Steuergeräts 5 gespeichert.
Wie vorstehend im Detail beschrieben, erhält die Konfiguration der Ausführungsform zunächst komplexe Amplitudendaten an einer Mehrzahl von Positionen in der optischen Achsrichtung nicht bezogen auf den gesamten Messbereich des Werkstücks W, sondern nur auf den im Voraus als Teil des Messbereichs festgelegten z-Positionssuchbereich V und sucht und bestimmt die fokussierte optimale Position des Werkstücks W (z-Positionssuchbereich V) basierend auf den erhaltenen komplexen Amplitudendaten. Die Konfiguration der Ausführungsform erhält anschließend komplexe Amplitudendaten über den gesamten Messbereich des Werkstücks W an der bestimmten Position und führt die Messung des Messbereichs durch.
Diese Konfiguration reduziert die Verarbeitungslast für die Gewinnung der für die Messung des Messbereichs erforderlichen Daten und verkürzt die für eine solche Verarbeitung erforderliche Zeit. Dadurch wird die Messgenauigkeit verbessert und die Messwirksamkeit verbessert.
Des Weiteren gibt die Konfiguration gemäß der Ausführungsform die Position in der z-Richtung des Werkstücks W (z-Position Suchbereich V) vor, erhält die komplexen Amplitudendaten des gesamten Messbereichs an der Position und führt die Messung durch. Diese Konfiguration kann die optimalen Daten mit der höheren Genauigkeit, fokussiert bzw. bezogen auf das Werkstück W (z-Position Suchbereich V), erhalten, verglichen mit einer Konfiguration, die einfach optimale Daten aus einer Mehrzahl von verschiedenen komplexen Amplitudendaten extrahiert, die in vorgegebenen Intervallen (Messbereiche) erhalten werden. Dadurch verbessert diese Konfiguration die Messgenauigkeit weiter.
Die Konfiguration der Ausführungsform bewirkt, dass das erste Licht mit der Wellenlänge λ₁ in die erste Oberfläche 20a des polarisierenden Strahlteilers 20 eintritt und dass das zweite Licht mit der Wellenlänge λ₂ in die zweite Oberfläche 20b des polarisierenden Strahlteilers 20 eintritt. Durch diese Konfiguration werden das Referenzlicht und das Messlicht in Bezug auf das erste Licht sowie das Referenzlicht und das Messlicht in Bezug auf das zweite Licht jeweils in verschiedene polarisierte Lichtkomponenten (P-polarisiertes Licht oder S-polarisiertes Licht) aufgeteilt. Das erste Licht und das zweite Licht, das in den polarisierenden Strahlteiler 20 eintritt, interferieren entsprechend nicht miteinander, sondern werden separat vom polarisierenden Strahlteiler 20 emittiert. Dementsprechend entfällt die Notwendigkeit, das vom polarisierenden Strahlteiler 20 emittierte Licht in das erste Licht und das zweite Licht durch eine vorgegebene Trenneinheit aufzuteilen.
Damit ermöglicht diese Konfiguration die Verwendung von zwei verschiedenen Lichtern (bzw. Lichtstrahlen) mit nahe beieinander liegenden Wellenlängen als erstes Licht und zweites Licht und erweitert den Messbereich bei der dreidimensionalen Messung weiter. Zusätzlich ermöglicht diese Konfiguration gleichzeitig die Abbildung des Ausgangslichts in Bezug auf das erste Licht und die Abbildung des Ausgangslichts in Bezug auf das zweite Licht. Dies verkürzt die Gesamtaufnahmezeit und verbessert die Effizienz der Messung.
Die vorliegende Offenbarung beschränkt sich nicht nur auf die Beschreibung der obigen Ausführungsform, sondern kann auch beispielsweise durch die nachfolgend beschriebenen Konfigurationen umgesetzt werden. Die vorliegende Offenbarung kann weiterhin durch andere Anwendungen und andere Änderungen umgesetzt werden, die im Folgenden nicht ausdrücklich beschrieben werden.
(a) Das Werkstück W als Messobjekt ist nicht auf das in der obigen Ausführungsform dargestellte Wafersubstrat 100 beschränkt. So kann beispielsweise eine Leiterplatte mit darauf gedruckter Lötpaste das Werkstück W (Messobjekt) sein.
Eine Erhebungs-Prüfvorrichtung oder eine Lötdruck-Prüfvorrichtung, die mit einer Prüfeinheit ausgestattet ist, die dazu eingerichtet ist, die gute oder schlechte Qualität der Erhebung oder der Lötpaste als Messobjekt gemäß den zuvor festgelegten guten oder schlechten Qualitätsbestimmungskriterien zu prüfen, kann mit der Messvorrichtung 1 bereitgestellt werden.
(b) Die vorstehende Ausführungsform beschreibt nicht spezifisch den vorgegebenen Messbereich des Werkstücks W. Der gesamte Bereich des Werkstücks W kann als der Messbereich oder ein Teil des Werkstücks W kann als der Messbereich entsprechend der Größe des Werkstücks W festgelegt werden.
So kann beispielsweise die Platzierungsstruktur 24, auf der das Werkstück W gemäß der Ausführungsform platziert ist, beweglich ausgebildet werden. Die Oberfläche des Werkstücks W kann in eine Mehrzahl von Messbereichen unterteilt werden, und die Formmessung des gesamten Werkstücks W kann durch mehrfache Formmessung an den jeweiligen Messbereichen mit sukzessiver Änderung des Messbereichs durchgeführt werden.
(c) Die Konfiguration der Interferenzoptik (vorgegebenes optisches System) ist nicht auf die der vorstehenden Ausführungsform beschränkt. Die vorstehende Ausführungsform verwendet beispielsweise die optische Konfiguration eines Michelson-Interferometers als Interferenzoptik. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, sondern jede andere optische Konfiguration, z. B. eine optische Konfiguration eines Mach-Zehnder-Interferometers oder eine optische Konfiguration eines Fizeau-Interferometers, kann verwendet werden, um einfallendes Licht in Referenzlicht und Messlicht aufzuteilen und die Messung des Werkstücks W durchzuführen.
(d) Die vorstehende Ausführungsform verwendet zwei verschiedene Arten von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, um die Messung des Werkstücks W durchzuführen. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, sondern es kann auch mit nur einer Art von Licht die Messung des Werkstücks W durchgeführt werden.
Die Konfiguration der Verwendung von zwei verschiedenen Arten von Lichtern mit unterschiedlichen Wellenlängen ist nicht auf die Konfiguration der vorstehenden Ausführungsform beschränkt. Wie bei einer herkömmlichen Messvorrichtung kann eine Modifikation dazu eingerichtet sein, zu bewirken, dass überlagertes Licht aus Licht der ersten Wellenlänge und Licht der zweiten Wellenlänge in eine Interferenzoptik eintritt, um zu bewirken, dass aus der Interferenzoptik emittiertes Interferenzlicht durch eine vorgegebene optische Trenneinheit (z. B. einen dichroitischen Spiegel) einer Wellenlängentrennung unterzogen wird, um somit Interferenzlicht in Bezug auf das Licht der ersten Wellenlänge und Interferenzlicht in Bezug auf das Licht der zweiten Wellenlänge zu erhalten, und um eine Messung des Werkstücks W durchzuführen, basierend auf Interferenzstreifenbildern, die durch einzelne Aufnahmen der interferierenden Lichtstrahlen in Bezug auf die Lichtstrahlen mit den jeweiligen Wellenlängen erhalten werden.
Eine weitere Modifikation kann dazu eingerichtet sein, die Messung des Werkstücks W durchzuführen, indem drei oder mehr verschiedene Arten von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, indem eine Konfiguration, bei der ein überlappender Zustand von zwei verschiedenen Arten von Licht, die von zwei Lichtquellen emittiert werden und unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, in eine Interferenzoptik eintritt, bei der das von der Interferenzoptik emittierte Licht durch eine optische Trenneinheit einer Wellenlängentrennung unterzogen wird, und bei der individuelle Bilder von Interferenzlichtern in Bezug auf Licht mit den jeweiligen Wellenlängen aufgenommen werden, mit der Konfiguration der Ausführungsform kombiniert wird.
(e) Die Konfigurationen der Projektionsoptiken 2A und 2B sind nicht auf die der vorstehend beschriebenen Ausführungsform beschränkt. So ist beispielsweise die obige Ausführungsform dazu eingerichtet, das Licht mit der Wellenlänge λ₁ von 1500 nm aus der ersten Projektionsoptik 2A zu strahlen und das Licht mit der Wellenlänge λ₂ von 1503 nm aus der zweiten Projektionsoptik 2B zu strahlen. Die Wellenlängen der jeweiligen Lichtstrahlen sind jedoch nicht auf die der Ausführungsform beschränkt. Es ist jedoch vorzuziehen, die kleinere Wellenlängendifferenz zwischen zwei Lichtstrahlen zu haben, um den Messbereich zu erweitern.
(f) Die vorstehende Ausführungsform ist dazu eingerichtet, um vier verschiedene Interferenzstreifenbilder mit Phasen zu erhalten, die sich jeweils um 90 Grad voneinander unterscheiden, bezogen auf das erste Licht und das zweite Licht. Die Anzahl der Phasenverschiebungen und der Wert der Phasenverschiebung sind jedoch nicht auf die der Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel kann eine Modifikation dazu eingerichtet sein, drei verschiedene Interferenzstreifenbilder mit Phasen zu erhalten, die sich um 120 Grad (oder 90 Grad) voneinander unterscheiden, und eine Messung des Werkstücks W durchzuführen.
(g) Die vorstehende Ausführungsform verwendet die Polarisatoren 32A und 32B, die dazu eingerichtet sind, um die Richtung der Transmissionsachse zu ändern, als die Phasenverschiebungseinheit. Die Konfiguration der Phasenverschiebungseinheit ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
So kann beispielsweise eine verwendete Modifikation dazu eingerichtet sein, die optische Weglänge physikalisch zu verändern, indem die Referenzfläche 23 mittels eines piezoelektrischen Elements oder dergleichen entlang der optischen Achse bewegt wird.
In dieser modifizierten Konfiguration und der Konfiguration der vorstehenden Ausführungsform ist eine bestimmte Zeitspanne erforderlich, um alle für die Messung erforderlichen Interferenzstreifenbilder zu erhalten. Dies erhöht die Messzeit und kann die Messgenauigkeit aufgrund des möglichen Einflusses von Luftströmungen, Vibrationen und dergleichen verringern.
So kann beispielsweise nach einer modifizierten Konfiguration das erste Abbildungssystem 4A mit einer spektroskopischen Einheit (z. B. Prisma) versehen werden, die dazu eingerichtet ist, überlagertes Licht (Referenzlichtkomponente und Messlichtkomponente) in Bezug auf das erste durch die Viertelwellenplatte 31A transmittierte Licht in vier Lichtstrahlen aufzuteilen, und es kann auch mit einer Filtereinheit versehen werden, die dazu eingerichtet ist, anstelle des ersten Polarisators 32A als Phasenverschiebungseinheit unterschiedliche Phasendifferenzen zu den vier von der spektroskopischen Einheit emittierten Lichtstrahlen bereitzustellen. Abbildungen der vier durch die Filtereinheit transmittierten Lichtstrahlen können gleichzeitig von der ersten Kamera 33A (oder von einer Mehrzahl von Kameras) aufgenommen werden. Das zweite Abbildungssystem 4B kann eine ähnlich modifizierte Konfiguration aufweisen.
Diese modifizierte Konfiguration ermöglicht es, alle für die Messung erforderlichen Interferenzstreifenbilder gleichzeitig zu erhalten. Genauer gesagt, können insgesamt acht verschiedene Interferenzstreifenbilder in Bezug auf zwei verschiedene Lichtarten gleichzeitig erhalten werden. Dies verkürzt die gesamte Abbildungszeit erheblich, wodurch die Messeffizienz deutlich verbessert und gleichzeitig die Messgenauigkeit verbessert wird.
(h) Die vorstehende Ausführungsform ist dazu eingerichtet, die komplexen Amplitudendaten und dergleichen in den Intervallen des Messbereichs für die Höhenmessung bei der Bestimmung der Position des Werkstücks W (z-Positionssuchbereich V) in der z-Richtung zu erhalten. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, sondern eine Modifikation kann dazu eingerichtet sein, die komplexen Amplitudendaten und dergleichen in Abständen von z. B. einem Fokussierbereich zu erhalten.
(i) Die vorstehende Ausführungsform ist dazu eingerichtet, eine dreidimensionale Messung bei Schritt S7 durchzuführen, basierend auf den komplexen Amplitudendaten des gesamten Messbereichs, die bei Schritt S6 erhalten wurden. Anstelle dieser Konfiguration oder zusätzlich zu dieser Konfiguration kann es eine modifizierte Konfiguration geben, um Intensitätsbilder des gesamten Messbereichs zu erhalten und eine zweidimensionale Messung durchzuführen, basierend auf den komplexen Amplitudendaten des gesamten Messbereichs, die bei Schritt S6 erhalten wurden.
Im Falle einer nur zweidimensionalen Messung bei Schritt S7 kann die zweidimensionale Prüfung durchgeführt werden, indem beispielsweise Positionsversätze Δx und Δy, ein Außendurchmesser D und eine Fläche S einer Erhebung 101 (wie in 10 dargestellt) als Messobjekt mit im Voraus festgelegten Referenzwerten verglichen werden und die gute oder schlechte Qualität der Erhebung 101 bestimmt wird, basierend auf der Bestimmung, ob die Ergebnisse des Vergleichs innerhalb des zulässigen Bereichs liegen.
Im Falle der Durchführung sowohl der zweidimensionalen Messung als auch der dreidimensionalen Messung kann eine umfassende Messung durch Kombination mehrerer verschiedener Arten von Messungen durchgeführt werden, indem eine Position angegeben wird, an der sich die Erhebung 101 als Messobjekt befindet, basierend auf dem Ergebnis der zweidimensionalen Messung (zweidimensionale Prüfung) oder indem Intensitätsbilder auf dreidimensionale Daten abgebildet werden, die durch dreidimensionale Messung erhalten wurden.
(j) Die vorstehende Ausführungsform verwendet die mit Objektiven ausgestatteten Kameras. Das Objektiv bzw. die Linse ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Ein fokussiertes Bild kann durch Berechnung erhalten werden, auch wenn Kameras ohne Objektive in der obigen Ausführungsform verwendet werden.
(k) Die vorstehende Ausführungsform ist dazu eingerichtet, die Position in z-Richtung des Werkstücks W (z-Positionssuchbereich V) anzugeben, die komplexen Amplitudendaten des gesamten Messbereichs an der spezifizierten Position zu erhalten und die Messung durchzuführen. Die Position in z-Richtung, in der die komplexen Amplitudendaten des gesamten Messbereichs erhalten werden, ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. So kann beispielsweise eine modifizierte Konfiguration komplexe Amplitudendaten des gesamten Messbereichs an einer Position (z= Lm) erhalten, an der ein am meisten fokussiertes Intensitätsbild erhalten wird, und eine Messung durchführen.
(l) In dem in der obigen Ausführungsform dargestellten Wafersubstrat 100 wird der strukturierte Teil 102 als die Referenzfläche der Höhenmessung der Erhebung 101 als z-Positionssuchbereich V eingestellt. Der z-Positionssuchbereich V muss nicht ein Abschnitt sein, der als Referenzfläche dient, sondern kann ein anderer Abschnitt sein.
(m) Obwohl in der obigen Ausführungsform nicht ausdrücklich beschrieben, kann der z-Positionssuchbereich V auf eine Mehrzahl verschiedener Positionen festgelegt werden. Durch das Festlegen der Mehrzahl von z-Positionssuchbereichen V kann die optimale Position, in der die komplexen Amplitudendaten des gesamten Messbereichs erhalten werden sollen, leichter gefunden werden.
Bezugszeichenliste
1 ... Messvorrichtung, 2A... erste Projektionsoptik, 2B... zweite Projektionsoptik, 3... Interferenzoptik, 4A... erstes Abbildungssystem, 4B... zweites Abbildungssystem, 5... Steuergerät, 11A... erster Lichtemitter, 11B... zweiter Lichtemitter, 12A... erster Lichtisolator, 12B... zweiter Lichtisolator, 13A... erster nichtpolarisierender Strahlteiler, 13B... zweiter nichtpolarisierender Strahlteiler, 20... polarisierender Strahlteiler, 20a... erste Oberfläche, 20c... dritte Oberfläche, 20b... zweite Oberfläche, 20d... vierte Oberfläche, 21, 22... Viertelwellenplatten, 23... Referenzfläche, 24... Platzierungsstruktur, 31A... Viertelwellenplatte, 31B... Viertelwellenplatte, 32A... erster Polarisator, 32B... zweiter Polarisator, 33A... erste Kamera, 33B... zweite Kamera, 33Aa, 33Ba... Abbildungselemente, 100... Wafersubstrat, 101... Erhebung, 102... strukturierter Teil, V... z-Positionssuchbereich, W... Werkstück
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H08219722 A [0005]
JP H11337321 A [0005]
JP 2016504947 A [0005]

Claims

Messvorrichtung, aufweisend: ein vorgegebenes optisches System, dazu eingerichtet, ein vorgegebenes einfallendes Licht in zwei Lichtstrahlen aufzuteilen, einen der beiden Lichtstrahlen als Messlicht auf ein Messobjekt einzustrahlen und den anderen der beiden Lichtstrahlen als Referenzlicht auf eine Referenzfläche einzustrahlen, und die beiden Lichtstrahlen zu überlagertem Licht zu rekombinieren und das überlagerte Licht zu emittieren; eine Beleuchtungseinheit, dazu eingerichtet, vorgegebenes Licht zu emittieren, das dazu gebracht wird, in das vorgegebene optische System einzutreten; eine Abbildungseinheit, dazu eingerichtet, ein Bild des Ausgangslichts aufzunehmen, das von dem vorgegebenen optischen System emittiert wird; und einen Bildprozessor, dazu eingerichtet, eine Messung bezüglich eines vorgegebenen Messbereichs des Messobjekts durchzuführen, basierend auf einem Interferenzstreifenbild, das von der Abbildungseinheit aufgenommen und erhalten wurde, wobei der Bildprozessor aufweist: eine erste Datenerfassungseinheit, dazu eingerichtet, eine Mehrzahl von komplexen Amplitudendaten an einer vorgegebenen Position in einer optischen Achsenrichtung an vorgegebenen Intervallen in wenigstens einem vorgegebenen Bereich in der optischen Achsenrichtung in Bezug auf einen spezifischen Bereich zu erhalten, der ein vorher festgelegter Teil des Messbereichs ist, basierend auf dem von der Abbildungseinheit aufgenommenen und erhaltenen Interferenzstreifenbild; eine Bilderfassungseinheit, dazu eingerichtet, aus der Mehrzahl von komplexen Amplitudendaten an den vorgegebenen Intervallen bezüglich des spezifischen Bereichs, die von der ersten Datenerfassungseinheit erhalten wurden, eine Mehrzahl von Intensitätsbildern an den vorgegebenen Intervallen bezüglich des spezifischen Bereichs zu erhalten; eine Positionsbestimmungseinheit, dazu eingerichtet, die vorgegebene Position in der optischen Achsenrichtung zu bestimmen, basierend auf der Mehrzahl von Intensitätsbildern, die von der Bilderfassungseinheit erhalten wurden; eine zweite Datenerfassungseinheit, dazu eingerichtet, komplexe Amplitudendaten bezüglich des ganzen Messbereichs an der Position, die von der Positionsbestimmungseinheit bestimmt wurde, zu erhalten; und eine Messungsausführungseinheit, dazu eingerichtet, eine Messung mit Bezug auf den Messbereich durchzuführen, basierend auf den komplexen Amplitudendaten, die von der zweiten Datenerfassungseinheit erhalten wurden.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Positionsbestimmungseinheit basierend auf der Mehrzahl von Intensitätsbildern, die von der Bilderfassungseinheit erhalten wurden, eine Position des spezifischen Bereichs in der optischen Achsenrichtung bestimmt.
Messvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der spezifische Bereich ein Bereich ist, der als eine Basis für die Messung in der optischen Achsenrichtung bezüglich des Messbereichs verwendet wird.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der spezifische Bereich an einer Mehrzahl von Positionen festgelegt wird.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter aufweisend: eine Phasenverschiebungseinheit, dazu eingerichtet, eine relative Phasendifferenz zwischen dem Referenzlicht und dem Messlicht vorzusehen, wobei der Bildprozessor dazu eingerichtet ist, eine Messung bezüglich des vorgegebenen Messbereichs des Messobjekts durchzuführen, basierend auf einer Mehrzahl von Interferenzstreifenbildern, die durch die Abbildungseinheit erhalten wurden, die Bilder von dem Ausgangslicht aufnimmt, das eine Phase hat, die durch die Phasenverschiebungseinheit um eine Mehrzahl von Malen verschoben wurde.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beleuchtungseinheit umfasst: eine erste Beleuchtungseinheit, dazu eingerichtet, ein erstes Licht zu emittieren, das polarisiertes Licht einer ersten Wellenlänge enthält und das dazu gebracht wird, in das vorgegebene optische System einzutreten; und eine zweite Beleuchtungseinheit, dazu eingerichtet, ein zweites Licht zu emittieren, das polarisiertes Licht einer zweiten Wellenlänge enthält und das dazu gebracht wird, in das vorgegebene optische System einzutreten, und wobei die Abbildungseinheit umfasst: eine erste Abbildungseinheit, dazu eingerichtet, ein Bild des Ausgangslichts bezüglich des ersten Lichts aufzunehmen, das von dem vorgegebenen optischen System emittiert wird, wenn das erste Licht in das vorgegebene optische System eintritt; und eine zweite Abbildungseinheit, dazu eingerichtet, ein Bild des Ausgangslichts bezüglich des zweiten Lichts aufzunehmen, das von dem vorgegebenen optischen System emittiert wird, wenn das zweite Licht in das vorgegebene optische System eintritt.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Messobjekt ein Wafersubstrat mit einer darauf gebildeten Erhebung ist.