JP4839301B2 - 形状測定装置 - Google Patents
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Description
また,特許文献2には,光をウェハ1の主面及び主面側の参照面のそれぞれに照射するよう分光するとともに,それらの反射光である測定光及び参照光による干渉光を,プリズム等によりウェハの裏面側へ導き,その干渉光に含まれる測定光及び参照光それぞれを,再度ウェハの裏面及び裏面側の参照面それぞれへ分光し,それらの反射光による干渉光を,干渉画像を検出するための受光器に出射する形状測定装置が示されている。
特許文献2に示される発明によれば,振動によって生じる被測定物の変位分が主面側と裏面側とで相殺され,被測定物の振動の影響を受けずに高精度な厚み測定が可能となる。また,光路に光学系以外のものが挿入されないので,干渉光に乱れを生じさせることもない。
また,干渉光を主面側から裏面側へ導く光の伝送経路の状態(温度や湿度等)によって測定光及び参照光の位相の揺らぎが生じる場合があり,より高い測定精度が要求された場合に,そのような位相の揺らぎが測定誤差として無視できなくなるという課題も生じ得る。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,被測定物の振動の影響を受けず,また,干渉光の乱れや揺らぎを生じさせることなく,被測定物の厚みを簡易に高精度で測定できる形状測定装置を提供することにある。
(1)所定の光源から出射されるそれぞれ周波数が異なる第1の測定光及び第2の測定光のそれぞれを分岐させて前記被測定物の表裏相対する部位であるおもて面の測定部位及びうら面の測定部位の各方向へ導く導光手段。
(2)前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第1の測定光を前記おもて面の測定部位に照射させるとともに,前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第2の測定光を第1の参照面に照射させ,前記おもて面の測定部位からの前記第1の測定光の反射光と前記第1の参照面からの前記第2の測定光の反射光とを干渉させ,その干渉光の強度信号を出力するおもて面側のヘテロダイン干渉計。
(3)前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第2の測定光を前記うら面の測定部位に照射させるとともに,前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第1の測定光を第2の参照面に照射させ,前記うら面の測定部位からの前記第2の測定光の反射光と前記第2の参照面からの前記第1の測定光の反射光とを干渉させ,その干渉光の強度信号を出力するうら面側のヘテロダイン干渉計。
(4)前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計のそれぞれから出力される強度信号の位相差を検出し,その検出信号を前記被測定物の厚みに相当する第1の測定値として出力する第1の位相検波手段。
同様に,前記うら面側のヘテロダイン干渉計の出力信号の位相には,前記うら面の測定部位自体の形状の成分と,その被測定物の振動による変位量の成分とが反映される。
また,前記おもて面側のヘテロダイン干渉計と前記うら面側のヘテロダイン干渉計とでは,前記第1の測定光及び前記第2の測定光のいずれを参照光又は物体光とするかの対応関係が逆になっている。即ち,被測定物の一方の面(おもて面)において物体光となっている前記第1の測定光が,他方の面(うら面)において参照光となっており,前記一方の面において参照光となっている前記第2の測定光が,前記他方の面において物体光となっている。
このため,前記第1の位相検波手段により検出される位相差は,後述する(1)式〜(3)式に示されるように前記被測定物の振動による変位量の成分が相殺され,前記おもて面の測定部位自体の形状の成分及び前記うら面の測定部位自体の形状の成分のみが反映された変位量,即ち,前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みに相当する測定値となる。
そこで,本発明に係る形状測定装置が,さらに次の(5)〜(11)に示す各構成要素を備えることが考えられる。
(5)前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第1の測定光及び前記第2の測定光を前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに分岐させるおもて面側の主副分光手段。
(6)前記おもて面側の主副分光手段により分岐された前記副光(即ち,分岐された前記第1の測定光及び前記第2の測定光)を干渉させるおもて面側の副光干渉手段。
(7)前記おもて面側の副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力するおもて面側の副光強度検出手段。
(8)前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第1の測定光及び前記第2の測定光を前記うら面側のヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに分岐させるうら面側の主副分光手段。
(9)前記うら面側の主副分光手段により分岐された前記副光を干渉させるうら面側の副光干渉手段。
(10)前記うら面側の副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力するうら面側の副光強度検出手段。
(11)前記おもて面側の副光強度検出手段及び前記うら面側の副光強度検出手段のそれぞれから出力される強度信号の位相差を検出し,その検出信号を前記被測定物の厚みの補正用の第2の測定値として出力する第2の位相検波手段。
前記(5)〜(11)に示される各構成要素をさらに備えた形状測定装置においては,前記第1の測定光及び前記第2の測定光について,前記おもて面及び前記うら面のそれぞれへ導かれる経路において位相の揺らぎが生じた場合,その揺らぎの成分の合計が,前記第2の位相検波手段により検出される位相差に反映される。従って,前記第1の位相検波手段により検出される位相差から,前記第2の位相検波手段により検出される位相差を差し引いて得られる位相差は,前記位相の揺らぎの影響が除去された測定値となる。
(12)前記第1の位相検波手段から出力される前記第1の測定値に基づいて,前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みを算出してその算出値を出力する第1の厚み算出手段。
(13)前記第1の位相検波手段から出力される前記第1の測定値と前記第2の位相検波手段から出力される前記第2の測定値との差に基づいて,前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みを算出してその算出値を出力する第2の厚み算出手段。
なお,本発明に係る形状測定装置が,前記第1の厚み算出手段又は前記第2の厚み算出手段を備える外部装置と接続され,本発明に係る形状測定装置がその外部装置に対して前記第1の測定値や前記第2の測定値を出力することも考えられる。
そこで,本発明に係る形状測定装置が,前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計のそれぞれから前記第1の位相検波手段に伝送される強度信号の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する第1の振幅補正手段を具備することが考えられる。
同様に,本発明に係る形状測定装置が,前記おもて面側の副光強度検出手段及び前記うら面側の副光強度検出手段のそれぞれから前記第2の位相検波手段に伝送される強度信号の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する第2の振幅補正手段を具備することも考えられる。
これにより,前記強度信号の振幅が,被測定物の表面状態のばらつきや光源による測定光の出力のばらつき等,被測定物の厚み以外の要因によって大きくばらついた場合でも,そのばらつきが測定誤差となることを防止でき,安定した精度での厚み測定が可能となる。
そこで,2つの測定光の光路を重ねることによるノイズ混入の影響を無視できない場合には,前記導光手段が,前記第1の測定光及び前記第2の測定光を,前記光源から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまで相互に重ならない光路で導くものであることが考えられる。
さらに,前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が,前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを相互に重ならない光路を経由させて前記おもて面の測定部位及び前記第1の参照面それぞれに照射させるものであり,前記うら面側のヘテロダイン干渉計が,前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを相互に重ならない光路を経由させて前記第2の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させるものであることが考えられる。
これにより,前記第1の測定光及び前記第2の測定光が導光経路において混合されず,ノイズ混入による測定精度の悪化を防止できる。
そこで,前記揺らぎの影響を無視できない場合には,前記導光手段が,前記第1の測定光及び前記第2の測定光を,前記光源から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまで同じ光路で導くものであることが考えられる。 同様に,本発明に係る形状測定装置が,厚み補正用の前記第2の測定値を出力する前記第2の位相検波手段を備える場合には,前記導光手段が,少なくとも前記おもて面側の主副分光手段から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に至るまでの前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれの前記主光を同じ光路で導くとともに,少なくとも前記うら面側の主副分光手段から前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまでの前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれの前記主光を同じ光路で導くものであることが考えられる。
さらに,前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が,前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを分光させて前記おもて面の測定部位及び前記第1の参照面それぞれに照射させるものであり,前記うら面側のヘテロダイン干渉計が,前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを分光させて前記第2の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させるものであることが考えられる。
これにより,前記第1の測定光及び前記第2の測定光の導光経路において前記揺らぎが生じても,その揺らぎは2つの測定光に等しく影響するので,前記揺らぎに起因する測定精度の悪化を防止できる。
なお,本発明に係る形状測定装置が,厚み補正用の前記第2の測定値を出力する前記第2の位相検波手段を備える場合,前記主副分光手段に至るまでの2つの測定光に揺らぎのばらつきが生じても,そのばらつきは前記第2の測定値によって補正できる。
そして,2つの測定光の光路を重ねることによるノイズが測定精度に与える影響と,前記揺らぎによるノイズが測定精度に与える影響とのいずれが大きいかは測定環境等の条件によって異なるので,2つの測定光の導光手法は状況に応じて適宜選択すればよい。
以上より,本発明に係る形状測定装置を用いれば,被測定物の振動の影響を受けず,また,干渉光の乱れや揺らぎを生じさせることなく,被測定物の厚みを簡易に高精度で測定できる。
ここに,図1は本発明の実施形態に係る形状測定装置Xの構成図,図2は形状測定装置Xに適用可能な二偏波光源の実施例を表す概略構成図,図3は形状測定装置Xに適用可能な干渉計の第1実施例を表す概略構成図,図4は形状測定装置Xに適用可能な干渉計の第2実施例を表す概略構成図,図5は形状測定装置Xに適用可能なヘテロダイン干渉計の第3実施例を表す概略構成図,図6は形状測定装置Xに適用可能なヘテロダイン干渉計の第4実施例を表す概略構成図,図7は形状測定装置Xに適用可能な信号処理部の実施例を表す概略構成図,図8は検波器における入力信号の振幅(信号強度)と出力信号の値(位相差)との関係の一例を表すグラフ,図9は形状測定装置Xを用いた被測定物の厚み分布測定方法の一例を表す模式図,図10は形状測定装置Xを用いて被測定物の厚み分布測定を行った場合の測定部位の分布の一例を表す模式図である。
以下,図1に示す構成図を参照しながら,本発明の実施形態に係る形状測定装置Xについて説明する。
形状測定装置Xは,例えば半導体ウェハなどの薄板状の被測定物1の厚みを非接触で測定するために用いられる測定装置である。
図1に示すように,形状測定装置Xは,二偏波光源2と,偏光ビームスプリッタ3(以下,PBS3と記載する)と,複数のミラーa11〜a13,b11,b12と,A面側ヘテロダイン干渉計a20及びB面側ヘテロダイン干渉計b20と,A面側補正用干渉計a30及びB面側補正用干渉計b30と,第1位相検波器4と,第2位相検波器5と,計算機6とを備えている。
以下,便宜上,被測定物1の一方の面(図1における上側の面)をA面(前記おもて面に相当),これと表裏の関係にある他方の面をB面(前記うら面に相当)という。また,被測定物1の厚みの測定位置におけるA面側の表面部分をA面測定部位1a(前記おもて面の測定部位に相当),そのA面測定部位1aと表裏相対するB面の表面部分をB面測定部位1b(前記うら面の測定部位に相当)という。
なお,図1には示されていないが,形状測定装置Xは,被測定物1の周辺のエッジ部を支持(例えば3点支持)する支持部と,その支持部を2次元方向(被測定物1の両測定面に平行な2次元方向)に移動させることにより被測定物1を2次元方向に移動させる移動機構とを備えている。そして,形状測定装置Xは,その移動機構により被測定物1を移動させることにより,被測定物1における前記A面測定部位1a及び前記B面測定部位1bの位置を変更しつつ測定値を得る。
なお,図1においては,便宜上,両ビーム光P1,P2が異なる軸に沿って出射されているように記載されているが,本実施形態においては,両ビーム光P1,P2は同じ軸(同じ光路)又は一部重なる光路に沿って出射されるものとする。第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2は,単波長光であり,それぞれの周波数は,特に限定されるものではないが,例えば,一方のビーム光の周波数ωは5×108MHz程度(可視光のレーザ光源を採用した場合の例)であり,両ビーム光の周波数の差は数十kHz程度である。また,二偏波光源2が出射する第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2は,それぞれ偏波面の方向が異なる。ここでは,2つのビーム光P1,P2の偏波面は直交しているものとする。これら第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2が,それぞれ周波数が異なる前記第1の測定光及び前記第2の測定光の一例である。
なお,2つのビーム光P1,P2は,1つのビーム光を出射する光源と,出射されたビーム光を2分岐させるビームスプリッタと,2分岐された一方のビーム光の周波数を変換する音響光学素子等により生成されることも考えられる。
図1に示す例では,2つのビーム光P1,P2が同じ光路で導かれるので,両ビーム光の導光経路において揺らぎが生じても,その揺らぎは2つのビーム光P1,P2に等しく影響するので,揺らぎに起因する測定精度の悪化を防止できる。
なお,第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2を前記A面測定部位1a及び前記B面測定部位1bのそれぞれへ導く光学機器としては,ミラーの他,光ファイバ等も考えられる。
さらに,前記A面側PBS(a21)は,前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光と,前記A面側参照板a24の表面からの前記第2ビーム光P2の反射光との両方を,前記A面側第1偏光板a25の方向(同じ方向)へ導く。
なお,4分の1波長板a22の存在により,前記A面側PBS(a21)から前記A面測定部位1a側へ出射される第1ビーム光P1の偏光の状態(P偏光かS偏光か)と,前記A面測定部位1aに反射して前記A面側PBS(a21)に入射される第1ビーム光P1の偏光の状態とが入れ替わる。同様に,4分の1波長板a23の存在により,前記A面側PBS(a21)から前記A面測参照板a24側へ出射される第2ビーム光P2の偏光の状態と,前記A面測参照板a24に反射して前記A面側PBS(a21)に入射される第2ビーム光P2の偏光の状態とが入れ替わる。
前記A面側第1偏光板a25は,所定方向(両ビーム光の偏波面の方向の中間方向)の偏波面の光のみを透過させることにより,前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光と,前記A面側参照板a24の表面からの前記第2ビーム光P2の反射光とを干渉させる。その干渉光(以下,A面測定干渉光という)は,前記A面側第1光検出器a26に入力(入射)される。
前記A面側第1光検出器a26は,前記A面測定干渉光を受光して光電変換を行うことにより,前記A面測定干渉光の強度信号Sig1(電気信号)を出力する。
即ち,前記B面側ヘテロダイン干渉計b20(前記うら面側のヘテロダイン干渉計に相当)は,図1に示すように,偏光ビームスプリッタb21(以下,B面側PBS(b21)という),2つの4分の1波長板b22及びb23,B面側参照板b24,偏光板b25(以下,B面側第1偏光板b25という)及び光検出器b26(以下,B面側第1光検出器b26という)を備えている。一方の4分の1波長板b22は,前記B面側PBS(b21)と前記B面測定部位1bとの間に配置され,他方の4分の1波長板b23は,前記B面側PBS(b21)と前記B面側参照板b24との間に配置されている。
さらに,前記B面側PBS(b21)は,前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光と,前記B面側参照板b24の表面からの前記第1ビーム光P1の反射光との両方を,前記B面側第1偏光板b25の方向(同じ方向)へ導く。
なお,4分の1波長板b22の存在により,前記B面側PBS(b21)から前記B面測定部位1b側へ出射される第2ビーム光P2の偏光の状態(S偏光かP偏光か)と,前記B面測定部位1bに反射して前記B面側PBS(b21)に入射される第2ビーム光P2の偏光の状態とが入れ替わる。同様に,4分の1波長板b23の存在により,前記B面側PBS(b21)から前記B面測参照板b24側へ出射される第1ビーム光P1の偏光の状態と,前記B面測参照板b24に反射して前記B面側PBS(b21)に入射される第1ビーム光P1の偏光の状態とが入れ替わる。
前記B面側第1偏光板b25は,所定方向(両ビーム光の偏波面の方向の中間方向)の偏波面の光のみを透過させることにより,前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光と,前記B面側参照板b24の表面からの前記第1ビーム光P1の反射光とを干渉させる。その干渉光(以下,B面測定干渉光という)は,前記B面側第1光検出器b26に入力(入射)される。
前記B面側第1光検出器b26は,前記B面測定干渉光を受光して光電変換を行うことにより,前記B面測定干渉光の強度信号Sig2(電気信号)を出力する。
同様に,前記B面側ヘテロダイン干渉計b20の出力信号Sig2の位相は,前記B面測定部位1bの表面位置(高さ)に応じて定まるが,出力信号Sig2の位相には,前記B面測定部位1b自体の形状(凹凸)の成分と,前記被測定物1の振動による変位量の成分との両方が反映される。
また,前述したように,前記A面側ヘテロダイン干渉計a20と前記B面側ヘテロダイン干渉計b20とでは,前記第1ビーム光P1及び前記第2ビーム光P2のいずれを参照光又は物体光とするかの対応関係が逆になっている。
このため,前記第1位相検波器4により検出される位相差ΔΦsは,被測定物1の振動による変位量の成分がA面側とB面側とで相殺され,前記A面測定部位1a自体の形状(凹凸)の成分及び前記B面測定部位1b自体の形状(凹凸)の成分のみが反映された変位量,即ち,被測定物1における前記A面測定部位1a及びB面測定部位1bの位置の厚みに相当する測定値となる。
前記A面側BS(a31)は,前記A面測定部位1aの方向へ導かれた第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2を,前記A面側ヘテロダイン干渉計a20に入力される直前の位置において,そのA面側ヘテロダイン干渉計a20に入力されるビーム光(以下,主光という)と,それ以外のビーム光(以下,副光という)とに分岐させる(前記おもて面側の主副分光手段の一例)。
前記A面側第2偏光板a32は,所定方向(両ビーム光の偏波面の方向の中間方向)の偏波面の光のみを透過させることにより,前記A面側BS(a31)により分岐された前記副光(即ち,分岐された第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2)を干渉させる(前記おもて面側の副光干渉手段の一例)。
前記A面側第2光検出器a33は,前記A面側第2偏光板a32により得られる干渉光を受光して光電変換を行うことにより,その干渉光の強度信号Ref1(電気信号)を出力する(前記おもて面側の副光強度検出手段の一例)。
即ち,前記B面側補正用干渉計b30は,図1に示すように,ビームスプリッタb31(以下,B面側BS(b31)という),偏光板b32(以下,B面側第2偏光板b32という)及び光検出器b33(以下,B面側第2光検出器b33という)を備えている。
前記B面側BS(b31)は,前記B面測定部位1bの方向へ導かれた第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2を,前記B面側ヘテロダイン干渉計b20に入力される直前の位置において,そのB面側ヘテロダイン干渉計b20に入力されるビーム光(主光)と,それ以外のビーム光(副光)とに分岐させる(前記うら面側の主副分光手段の一例)。
前記B面側第2偏光板b32は,所定方向(両ビーム光の偏波面の方向の中間方向)の偏波面の光のみを透過させることにより,前記B面側BS(b31)により分岐された前記副光(即ち,分岐された第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2)を干渉させる(前記うら面側の副光干渉手段の一例)。
前記B面側第2光検出器b33は,前記B面側第2偏光板b32により得られる干渉光を受光して光電変換を行うことにより,その干渉光の強度信号Ref2(電気信号)を出力する(前記うら面側の副光強度検出手段の一例)。
前記第1ビーム光P1及び前記第2ビーム光P2について,前記二偏波光源2から前記PBS3及びミラーa11〜a13,b11,b12によりA面測定部位1a及びB面測定部位1bのそれぞれへ導かれる経路において位相の揺らぎが生じた場合,その揺らぎの影響が前記第1位相検波器4により検出される位相差ΔΦsに反映され,それが測定誤差となる。
しかしながら,そのような位相の揺らぎの成分のA面側及びB面側の合計は,前記第2位相検波器5により検出される位相差ΔΦrに反映される。従って,前記第1位相検波器4により検出される位相差ΔΦsから,前記第2位相検波器5により検出される位相差ΔΦrを差し引く補正を行うことにより得られる位相差(ΔΦs−ΔΦr)は,2つのヘテロダイン干渉計a20,b20に至るまでの両ビーム光P1,P2の位相の揺らぎの影響が除去された測定値となる。
形状測定装置Xにおいては,前記計算機6は,前記第1位相検波器4から出力される測定値である位相差ΔΦsと,前記第2位相検波器5から出力される測定値である位相差ΔΦrとの差に基づいて,被測定物1における前記A面測定部位1a及び前記B面測定部位1bの位置の厚みを算出し,その算出値を出力する(前記第2の厚み算出手段の一例)。なお,算出値の出力とは,例えば,前記計算機6が備える記憶部(ハードディスク等)へ書き込むこと,所定の通信インターフェースを通じて外部装置へ送信すること,又は液晶表示装置等の所定の表示部に算出値の情報を表示させること等を意味する。
まず,数式で用いられる符号について説明する。
ω:第1ビーム光L1の周波数。
ω+Δω:第2ビーム光L2の周波数。
λ:第1ビーム光L1の波長。なお,Δω/ωの値はごく小さいので,λは第2ビーム光L2の波長と等しいと近似できる。
L1:A面側PBS(a21)からA面測定部位1aまでの光路長。
L2:B面側PBS(b21)からB面測定部位1bまでの光路長。
M1:A面側PBS(a21)からA面側参照板a24表面までの光路長。
M2:B面側PBS(b21)からB面側参照板b24表面までの光路長。
ΔL1:A面測定部位1aの形状に基づく表面変位量(表面高さ)。
ΔL2:B面測定部位1bの形状に基づく表面変位量(表面高さ)。
ΔN:被測定物1の振動による変位量。
なお,tは時間,iは自然数の変数を表す。
前記入力光に位相揺らぎの差がない状態或いはそう近似できる程度の状態とする方法としては,例えば,前記A面測定部位1a及び前記B面測定部位1bの方向へ導かれる両ビーム光P1,P2の光路を極力同一の光路とすることや,その光路の周囲を覆う断熱材を設けることにより両ビーム光P1,P2の光路の温度を極力一定に保持すること等が考えられる。また,両ビーム光P1,P2をA面測定部位1a及びB面測定部位1bへ導くミラーや光ファイバ等の導光手段を,固定された堅牢な(高強度の)支持部材に固着させること等も有効である。
まず,前記A面側ヘテロダイン干渉計a20の出力信号Sig1の強度I1は,次の(1)式により表される。
前記(1)式及び(2)式(最終行に記載の式)において,"4π/λ"以降の項が,各周波数Δωの周期変化の位相を決定する。そして,前記入力光に位相揺らぎの差がない状態における前記第1位相検波器4により検出される出力信号Sig1,Sig2の位相差Φs’は,次の(3)式により表される。
なお,(ΔL1−ΔL2)は,被測定物1の厚みの絶対値を表すものでなく,他の測定部位の厚みに対する相対値を評価する指標(相対的な厚みを表す値)であるが,半導体ウェハ等の被測定物の形状測定においては,相対的な厚みを表す値の分布を得ることに重要な意味がある。
例えば,位相検波器により,前記A面側第1光検出器a26の検出信号Sig1と,前記A面側第2光検出器a33の検出信号Ref1との位相差ΔΦaを検出した場合,各測定部位における位相差ΔΦaの分布において,いわゆる位相とびが多数回生じるため,被測定物1の厚み分布を表す連続した値の分布を正確に求めることが困難となる。
これに対し,位相差ΔΦsから補正用の位相差ΔΦrを差し引いて得られる位相差(ΔΦs−ΔΦr)は,2つのヘテロダイン干渉計a20,b20に至るまでの両ビーム光P1,P2の位相の揺らぎの影響が除去された測定値となる。
そこで,計算機6が,前記(3)式におけるΔΦs’を,(ΔΦs−ΔΦr)に置き換えた式に基づいて被測定物1の厚み(ΔL1−ΔL2)を算出すれば,その算出値は,両ビーム光P1,P2の位相の揺らぎの影響を受けない値となる。
そして,前記形状測定装置X’における計算機6は,前記第1位相検波器4から出力される測定値である位相差ΔΦsに基づいて,被測定物1における前記A面測定部位1a及び前記B面測定部位1bの位置の厚みを算出し,その算出値を出力する(前記第1の厚み算出手段の一例)。この場合,計算機6は,前記(3)式におけるΦs’をΦsに置き換えた式に基づいて被測定物1の厚み(ΔL1−ΔL2)を算出する。
また,前記A面側補正用干渉計a30及び前記B面側補正用干渉計b30を備える形状測定装置Xにおいては,前記ビームスプリッタa31,b31に至るまでの2つのビーム光P1,P2に生じた揺らぎのばらつきは,補正用の位相差ΔΦrによって補正できる。従って,両ビーム光P1,P2を被測定物1のA面測及びB面側へ導くミラーや光ファイバ等の導光手段は,少なくともA面側の前記ビームスプリッタa31から前記A面側ヘテロダイン干渉計a20に至るまでの両ビームP1,P2の分岐光(主光)を同じ光路で導き,また,少なくともB面側の前記ビームスプリッタb31から前記B面側ヘテロダイン干渉計b20に至るまでの両ビームP1,P2の分岐光(主光)を同じ光路で導くものであればよい。
また,図1には示されていないが,前記形状測定装置Xは,被測定物1を移動可能に支持する(被測定物1を移動させて位置決めする)移動機構を備えている。前記形状測定装置Xは,前記移動機構によって被測定物1を移動させることにより,被測定物1の複数の測定部位について厚み測定を行う。前記移動機構は,例えば,被測定物1を一次元方向(直線方向)又は二次元方向(X軸方向及びY軸方向)に移動させる機構や,被測定物1を回転させる機構等である。
これにより,前記形状測定装置Xは,被測定物1の厚み分布(表面形状)を測定することができる。
以下,前記二偏波光源2’及び各干渉計a20−1,b20−1,a30−1,b30−1について,図1に示した二偏波光源2及び各干渉計a20,b20,a30,b30と異なる点についてのみ説明する。
前記単波長レーザ光源c1は,周波数ωの単波長レーザ光を出力するレーザ光源である。例えば,前記短波長レーザ光源c1として,波長633nmのレーザ光を出力するヘリウムネオンレーザ等を採用することが考えられる。
前記単波長レーザ光源c1の出射光は,前記ビームスプリッタc2により2分岐され,その一方の分岐光がそのままミラーc3,c4により導光されて前記第1ビーム光P1として前記PBS3(偏光ビームスプリッタ)へ導かれる。なお,このPBS3は,無偏光のビームスプリッタであってもよい。
また,前記ビームスプリッタc2により2分岐された他方の分岐光は,前記光周波数シフターc5によってΔωだけ周波数シフト(周波数ωから周波数ω+Δωへの周波数変換)が施され,その後,ミラーc6により導光されて前記第2ビーム光P2として前記PBS3(偏光ビームスプリッタ)へ導かれる。前記光周波数シフターc5は,例えば,音響光学素子(AOM)等である。
また,前記ミラーc4及び前記ミラーc6は,前記第1ビーム光P1及び前記第2ビーム光P2それぞれを,相互に重ならない光路で前記PBS3へ入射させる。
これにより,前記PBS3及びその分岐光(前記第1ビーム光P1及び前記第2ビーム光P2の分岐光)は,A面側の前記ミラーa11,a12,a13及びB面側の前記ミラーb11,b12により,前記PBS3から前記A面側ヘテロダイン干渉計a20−1及び前記B面側ヘテロダイン干渉計b20−1に至るまで相互に重ならない光路で導く。
なお,図2には,前記ビームスプリッタc2により2分岐された一方の分岐光についてのみ,前記光周波数シフターc5によって周波数シフトを行う例を示したが,前記ビームスプリッタc2により2分岐された2つの分岐光それぞれを,周波数のシフト量の異なる(シフト量の差がΔωである)周波数シフターによって周波数シフトを行うことも考えられる。
また,2つのビーム光P1,P2を同軸で出射するゼーマンレーザの出力光を,偏光ビームスプリッタによって第1ビーム光P1と第2ビーム光P2とに分離し,分離後の第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2を異なる光路(重ならない光路)で前記PBS3(偏光ビームスプリッタ)に入射させることも考えられる。
前記A面側PBS(a21)は,前記ミラーa11〜a13(図1参照)によって前記第2ビーム光P2とは異なる光路で導かれた前記第1ビーム光P1を透過させることにより,その第1ビーム光P1を前記A面測定部位1aに照射させるとともに,前記第2ビーム光P2を反射することにより,その第2ビーム光P2を前記A面側参照板a24の表面(第1の参照面)に照射させる。図3に示す例では,前記第1ビーム光P1及び前記第2ビーム光P2は,それぞれ前記A面測定部位1aの表面及び前記A面側参照板a24の表面に対して垂直入射される。
さらに,前記A面側PBS(a21)は,前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光を前記ビームスプリッタa28の方向へ反射するとともに,前記A面側参照板a24の表面からの前記第2ビーム光P2の反射光を前記ミラーa27の方向へ透過させる。さらに,前記ミラーa27が,前記A面側参照板a24の表面からの前記第2ビーム光P2の反射光を前記ビームスプリッタa28の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタa28を透過した前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光と,前記ビームスプリッタa28に反射した前記A面側参照板a24の表面からの前記第2ビーム光P2の反射光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記A面側第1偏光板a25を通過することによって相互に干渉する。その干渉光(前記A面測定干渉光)は,前記A面側第1光検出器a26に入力(入射)され,前記A面測定干渉光の強度信号Sig1が得られる。
前記B面側PBS(b21)は,前記ミラーb11,b12によって前記第1ビーム光P1とは異なる光路で導かれた前記第2ビーム光P2を透過させることにより,その第2ビーム光P2を前記B面測定部位1bに照射させるとともに,前記第1ビーム光P1を反射することにより,その第1ビーム光P1を前記B面側参照板b24の表面(第2の参照面)に照射させる。図3に示す例では,前記第2ビーム光P2及び前記第1ビーム光P1は,それぞれ前記B面測定部位1bの表面及び前記B面側参照板b24の表面に対して垂直入射される。
さらに,前記B面側PBS(b21)は,前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光を前記ビームスプリッタb28の方向へ反射するとともに,前記B面側参照板b24の表面からの前記第1ビーム光P1の反射光を前記ミラーb27の方向へ透過させる。さらに,前記ミラーb27が,前記B面側参照板b24の表面からの前記第1ビーム光P1の反射光を前記ビームスプリッタb28の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタb28を透過した前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光と,前記ビームスプリッタb28に反射した前記B面側参照板b24の表面からの前記第1ビーム光P1の反射光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記B面側第1偏光板b25を通過することによって相互に干渉する。その干渉光(前記B面測定干渉光)は,前記B面側第1光検出器b26に入力(入射)され,前記B面測定干渉光の強度信号Sig2が得られる。
前記A面側BS(a31)は,それぞれ異なる光路で導かれた第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2を,前記A面側ヘテロダイン干渉計a20−1に入力される直前の位置において,そのA面側ヘテロダイン干渉計a20−1に入力される前記主光と,それ以外の前記副光とに分岐させ,前記第1ビーム光P1の副光を前記ミラーa34の方向へ導くとともに,それとは異なる光路(重ならない光路)で前記第2ビーム光P2の副光を前記ビームスプリッタa35の方向へ導く。
さらに,前記ミラーa34が,前記第1ビーム光P1の副光を前記ビームスプリッタa35の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタa35を透過した前記第2ビーム光P2の副光と,前記ビームスプリッタa35に反射した前記第1ビーム光P1の副光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記A面側第2偏光板a32を通過することによって相互に干渉する。その干渉光は,前記A面側第2光検出器a33に入力(入射)され,その干渉光の強度信号Ref1が得られる。
前記B面側BS(a31)は,それぞれ異なる光路で導かれた第2ビーム光P2及び第1ビーム光P1を,前記B面側ヘテロダイン干渉計b20−1に入力される直前の位置において,そのB面側ヘテロダイン干渉計a20−1に入力される前記主光と,それ以外の前記副光とに分岐させ,前記第2ビーム光P2の副光を前記ミラーb34の方向へ導くとともに,それとは異なる光路(重ならない光路)で前記第1ビーム光P1の副光を前記ビームスプリッタb35の方向へ導く。
さらに,前記ミラーb34が,前記第2ビーム光P2の副光を前記ビームスプリッタb35の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタb35を透過した前記第1ビーム光P1の副光と,前記ビームスプリッタb35に反射した前記第2ビーム光P2の副光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記B面側第2偏光板b32を通過することによって相互に干渉する。その干渉光は,前記B面側第2光検出器b33に入力(入射)され,その干渉光の強度信号Ref2が得られる。
そして,前記第1位相検波器4,前記第2位相検波器5及び前記計算機6は,以上のようにして得られた信号Sig1,Sig2,Ref1,Ref2に基づいて,前述したのと同じ処理を実行することによって被測定物1の厚み(ΔL1−ΔL2)を算出する。
前記形状測定装置Xが,図2及び図3に示した光学系を備えることにより,前記第1ビーム光P1及び前記第2ビーム光P1が導光経路において混合されず,ノイズ混入による測定精度の悪化を防止できる。
なお,図3に示される干渉計a20−1,b20−1,a30−1,b30−1は,2つの測定光(第1ビーム光P1及び第2ビーム光P2)の光路(導光経路)の間隔が比較的狭い場合に好適である。
図3に示した干渉計a20−1,b20−1,a30−1,b30−1においては,1つの偏光ビームスプリッタa21もしくはb21,又は1つのビームスプリッタa31もしくはb31が,前記第1ビーム光P1及び前記第2ビーム光P2の両方を2分岐させたが,この第2実施例における干渉計a20−2,b20−2,a30−2,b30−2では,前記第1ビーム光P1及び前記第2ビーム光P2が個別の光学系によって分岐される。
前記ミラーa24’は,前記ミラーa11〜a13(図1参照)によって前記第1ビーム光P1とは異なる光路で導かれた前記第2ビーム光P2を,前記偏光ビームスプリッタa21’の方向へ反射する。このミラーa24’の表面は,当該A面側ヘテロダイン干渉計a20−2における参照面である。
また,前記偏光ビームスプリッタa21’は,前記第2ビーム光P2とは異なる光路で導かれた前記第1ビーム光P1を透過させることにより,その第1ビーム光P1を前記A面測定部位1aに照射させる。図4に示す例では,前記第1ビーム光P1は,前記A面測定部位1aの表面に対して垂直入射され,前記第2ビーム光P2は,前記ミラーa24’の表面(参照面)に対して斜め入射される。
さらに,前記偏光ビームスプリッタa21’は,前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光を前記A面側第1偏光板a25の方向へ反射するとともに,前記ミラーa24’の表面(参照面)からの前記第2ビーム光P2の反射光を前記A面側第1偏光板a25方向へ透過させる。これにより,前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光と,前記ミラーa24’の表面(参照面)からの前記第2ビーム光P2の反射光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記A面側第1偏光板a25を通過することによって相互に干渉する。その干渉光(前記A面測定干渉光)は,前記A面側第1光検出器a26に入力(入射)され,前記A面測定干渉光の強度信号Sig1が得られる。
前記ミラーb24’は,前記ミラーb11,b12(図1参照)によって前記第2ビーム光P2とは異なる光路で導かれた前記第1ビーム光P1を,前記偏光ビームスプリッタb21’の方向へ反射する。このミラーb24’の表面は,当該B面側ヘテロダイン干渉計b20−2における参照面である。
また,前記偏光ビームスプリッタb21’は,前記第1ビーム光P1とは異なる光路で導かれた前記第2ビーム光P2を透過させることにより,その第2ビーム光P2を前記B面測定部位1bに照射させる。図4に示す例では,前記第2ビーム光P2は,前記B面測定部位1bの表面に対して垂直入射され,前記第1ビーム光P1は,前記ミラーb24’の表面(参照面)に対して斜め入射される。
さらに,前記偏光ビームスプリッタb21’は,前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光を前記B面側第1偏光板b25の方向へ反射するとともに,前記ミラーb24’の表面(参照面)からの前記第1ビーム光P1の反射光を前記B面側第1偏光板b25方向へ透過させる。これにより,前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光と,前記ミラーb24’の表面(参照面)からの前記第1ビーム光P1の反射光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記B面側第1偏光板b25を通過することによって相互に干渉する。その干渉光(前記B面測定干渉光)は,前記B面側第1光検出器b26に入力(入射)され,前記B面測定干渉光の強度信号Sig2が得られる。
前記ビームスプリッタa31’は,前記第2ビーム光P2とは異なる光路で導かれた前記第1ビーム光P1を,前記A面側ヘテロダイン干渉計a20−2に入力される直前の位置において,そのA面側ヘテロダイン干渉計a20−2に入力される前記主光と,それ以外の前記副光とに分岐させ,前記第1ビーム光P1の副光を前記ビームスプリッタa35の方向へ導く。
また,前記ビームスプリッタa31”は,前記第1ビーム光P1とは異なる光路で導かれた前記第2ビーム光P2を,前記A面側ヘテロダイン干渉計a20−2に入力される直前の位置において,そのA面側ヘテロダイン干渉計a20−2に入力される前記主光と,それ以外の前記副光とに分岐させ,前記第2ビーム光P2の副光を前記ミラーa34の方向へ導く。
さらに,前記ミラーa34が,前記第2ビーム光P2の副光を前記ビームスプリッタa35の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタa35を透過した前記第1ビーム光P1の副光と,前記ビームスプリッタa35に反射した前記第2ビーム光P2の副光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記A面側第2偏光板a32を通過することによって相互に干渉する。その干渉光は,前記A面側第2光検出器a33に入力(入射)され,その干渉光の強度信号Ref1が得られる。
前記ビームスプリッタb31’は,前記第1ビーム光P1とは異なる光路で導かれた前記第2ビーム光P2を,前記B面側ヘテロダイン干渉計b20−2に入力される直前の位置において,そのB面側ヘテロダイン干渉計b20−2に入力される前記主光と,それ以外の前記副光とに分岐させ,前記第2ビーム光P2の副光を前記ビームスプリッタb35の方向へ導く。
また,前記ビームスプリッタb31”は,前記第2ビーム光P2とは異なる光路で導かれた前記第1ビーム光P1を,前記B面側ヘテロダイン干渉計b20−2に入力される直前の位置において,そのB面側ヘテロダイン干渉計b20−2に入力される前記主光と,それ以外の前記副光とに分岐させ,前記第1ビーム光P1の副光を前記ミラーb34の方向へ導く。
さらに,前記ミラーb34が,前記第1ビーム光P1の副光を前記ビームスプリッタb35の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタb35を透過した前記第2ビーム光P2の副光と,前記ビームスプリッタb35に反射した前記第1ビーム光P1の副光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記B面側第2偏光板b32を通過することによって相互に干渉する。その干渉光は,前記B面側第2光検出器b33に入力(入射)され,その干渉光の強度信号Ref2が得られる。
前記形状測定装置Xが,図4に示した光学系を備えることによっても,前記第1ビーム光P1及び前記第2ビーム光P1が導光経路において混合されず,ノイズ混入による測定精度の悪化を防止できる。
しかしながら,測定部位からの測定光の反射光の強度が十分に高い場合には,前記A面側ヘテロダイン干渉計a20−2及び前記B面側ヘテロダイン干渉計b20−2の構成から,4分の1波長板a22,b22が除かれ,さらに,偏向ビームスプリッタa21’,b21’が通常のビームスプリッタに置き換えられた構成を有するヘテロダイン干渉計が採用されてもよい。
これら第3実施例及び第4実施例におけるヘテロダイン干渉計a20−3,b20−3,a20−4,b20−4は,測定光(ビーム光)を被測定物1の表面に斜めに入射させるものである。
前記A面側ヘテロダイン干渉計a20−3においては,前記A面側PBS(a21)が,それを透過した前記第1ビーム光P1が前記A面側測定部位1aの表面(平面)に対して斜めに入射するよう配置されている。
そして,前記A面側PBS(a21)は,前記第2ビーム光P2とは異なる光路で導かれた前記第1ビーム光P1を透過させることにより,その第1ビーム光P1を前記A面測定部位1aに照射させる(斜め入射させる)とともに,前記第2ビーム光P2を反射することにより,その第2ビーム光P2を前記A面側参照板a24の表面(第1の参照面)に照射させる(斜め入射させる)。
また,前記ビームスプリッタa28は,前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光(正反射光)を前記A面側第1偏光板a25の方向へ透過させるとともに,前記A面側参照板a24の表面からの前記第2ビーム光P2の反射光(正反射光)を前記A面側第1偏光板a25の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタa28を透過した前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光と,前記ビームスプリッタa28に反射した前記A面側参照板a24の表面からの前記第2ビーム光P2の反射光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記A面側第1偏光板a25を通過することによって相互に干渉する。その干渉光(前記A面測定干渉光)は,前記A面側第1光検出器a26に入力(入射)され,前記A面測定干渉光の強度信号Sig1が得られる。
前記B面側ヘテロダイン干渉計b20−3においては,前記B面側PBS(b21)が,それを透過した前記第2ビーム光P2が前記B面側測定部位1bの表面(平面)に対して斜めに入射するよう配置されている。
そして,前記B面側PBS(b21)は,前記第1ビーム光P1とは異なる光路で導かれた前記第2ビーム光P2を透過させることにより,その第2ビーム光P2を前記B面測定部位1bに照射させる(斜め入射させる)とともに,前記第1ビーム光P1を反射することにより,その第1ビーム光P1を前記B面側参照板b24の表面(第2の参照面)に照射させる(斜め入射させる)。
また,前記ビームスプリッタb28は,前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光(正反射光)を前記B面側第1偏光板b25の方向へ透過させるとともに,前記B面側参照板b24の表面からの前記第1ビーム光P1の反射光(正反射光)を前記B面側第1偏光板b25の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタb28を透過した前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光と,前記ビームスプリッタb28に反射した前記B面側参照板b24の表面からの前記第1ビーム光P1の反射光とが,同じ光路に沿って(光軸が重なった状態で)進行しつつ前記B面側第1偏光板b25を通過することによって相互に干渉する。その干渉光(前記B面測定干渉光)は,前記B面側第1光検出器b26に入力(入射)され,前記B面測定干渉光の強度信号Sig2が得られる。
図5に示すように,測定光を被測定物1に対して斜め入射させるヘテロダイン干渉計が採用された形状測定装置も,本発明の実施形態の一例である。
そして,前記A面側ヘテロダイン干渉計a20−4においては,前記第1ビーム光P1がそのまま前記A面測定部位1aに斜め入射する。
また,前記ミラーa27’が,前記第2ビーム光P2を反射して前記A面側参照板a24の表面(第1の参照面)に斜め入射させる。
そして,前記ビームスプリッタa28が,前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光(正反射光)を前記A面側第1偏光板a25の方向へ透過させるとともに,前記A面側参照板a24の表面からの前記第2ビーム光P2の反射光(正反射光)を前記A面側第1偏光板a25の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタa28を透過した前記A面測定部位1aからの前記第1ビーム光P1の反射光と,前記ビームスプリッタa28に反射した前記A面側参照板a24の表面からの前記第2ビーム光P2の反射光とが相互に干渉する。
同様に,前記B面側ヘテロダイン干渉計b20−4においては,前記第2ビーム光P2がそのまま前記B面測定部位1bに斜め入射する。
また,前記ミラーb27’が,前記第1ビーム光P1を反射して前記B面側参照板b24の表面(第2の参照面)に斜め入射させる。
そして,前記ビームスプリッタb28が,前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光(正反射光)を前記B面側第1偏光板b25の方向へ透過させるとともに,前記B面側参照板b24の表面からの前記第1ビーム光P1の反射光(正反射光)を前記B面側第1偏光板b25の方向へ反射する。これにより,前記ビームスプリッタb28を透過した前記B面測定部位1bからの前記第2ビーム光P2の反射光と,前記ビームスプリッタb28に反射した前記B面側参照板b24の表面からの前記第1ビーム光P1の反射光とが相互に干渉する。
図6に示すようなヘテロダイン干渉計が採用された形状測定装置も,本発明の実施形態の一例である。
図8は,ロックインアンプ等からなる前記第1位相検波器4及び前記第2位相検波器5における入力信号の振幅(信号強度)と出力信号の値(前記位相差ΔΦs,ΔΦr)との関係の一例を表すグラフである。
図8に示されるように,ロックインアンプ等からなる前記第1位相検波器4及び前記第2位相検波器5は,入力信号の振幅(強度)が大きく変化すると,それに応じて出力値(位相差)が大きく変化してしまう特性を有する場合がある。そのため,干渉光の強度信号強Sig1,Sig2,Ref1,Ref2の振幅が,被測定物1の表面状態のばらつきや光源出力のばらつき等,被測定物1の厚み以外の要因によって大きくばらつくと,そのばらつきが測定誤差となってしまう。以下,その測定誤差を防止するための構成について説明する。
図7に示す実施例においては,前記信号処理部が,前記光検出器a26,a33,b26,b33の検出信号(干渉光の強度信号)の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する振幅補正回路4a,5a,4b,5bを備えている。これら振幅補正回路4a,5a,4b,5bは,出力信号の振幅をフィードバックして入力信号に対する増幅ゲインを自動調節するいわゆる自動ゲインコントローラである。
そして,前記第1位相検波器4は,前記振幅補正回路4a,4bによって振幅が調節された後の干渉光の強度信号Sig1’,Sig2’を入力し,干渉光の位相差ΔΦsを検出する。
同様に,前記第2位相検波器5は,前記振幅補正回路5a,5bによって振幅が調節された後の干渉光の強度信号Ref1’,Ref2’を入力し,干渉光の位相差ΔΦrを検出する。
前記形状測定装置Xが,図7に示す構成を備えることにより,干渉光の強度信号強Sig1,Sig2,Ref1,Ref2の振幅が,被測定物1の表面状態のばらつきや光源出力のばらつき等,被測定物1の厚み以外の要因によって大きくばらついた場合でも,そのばらつきが測定誤差となることを防止でき,安定した精度での厚み測定が可能となる。
以上に示したように,前記形状測定装置Xは,被測定物1の振動の影響を受けることなく,被測定物1の特定の部位の厚みを高精度かつ高速で測定できる。そこで,被測定物1をその中央部や端部等で支持し,被測定物1をその厚み方向に直交する平面内(被測定物1の表裏各面に平行な面内)で移動させつつ前記形状測定装置Xにより厚み測定を行えば,被測定物1の厚み分布を高精度で容易に測定できる。図9は,そのような厚み分布測定方法の一例を表すものである。
さらに,その支持軸41は,ステッピングモータ等の回転駆動部42によって回転駆動される。これにより,被測定物1は,その中央部を回転中心として回転される。
また,前記支持軸41及び前記回転駆動部42は,直線移動機構43により,被測定物1の表裏各面に平行な方向(厚み方向に直交する方向)に所定の移動範囲内で直線移動される。即ち,前記直線移動機構43は,被測定物1をその半径方向に沿って移動させる。
また,前記支持軸41,前記回転駆動部42及び前記直線移動機構43を備えた被測定物支持機構は,前記形状測定装置Xにおける前記A面側ヘテロダイン干渉計a20(或いは,a20−1〜a20−4のいずれか)による測定光(前記第1ビーム光P1)の照射位置と前記B面側ヘテロダイン干渉計b20(或いは,b20−1〜b20−4のいずれか)による測定光(前記第2ビーム光P2)no照射位置との間に被測定物1を支持する。
例えば,1回の測定ごとに,被測定物1を一定角度ずつ回転させるとともに,一定長さだけ直線移動させた場合,図10に示すように,測定部位1a,1bは,被測定物1の表面における渦巻き線(波線)に沿って順次変化する。
そして,前記被測定物支持機構41〜43により前記被測定物1の保持位置を二次元方向に移動させつつ前記形状測定装置Xによる厚み測定を順次行い,その測定データを所定の記憶部に記憶させれば,被測定物1の厚み分布データが得られる。その際,被測定物1を一定速度で連続的に回転及び直線移動させつつ,前記形状測定装置Xによって周期的に厚み測定(測定データの記録)を実行すれば,厚み分布測定を高速で実行できる。もちろん,前記被測定物支持機構41〜43によって被測定物1の保持位置を順次位置決め(停止)するごとに前記形状測定装置Xによる厚み測定(測定データの記録)を行ってもよい。
ここで,円盤状の被測定物1の厚みが薄い場合,その被測定物1は,図9に示すように一部で支持されると,わずかな風圧や床の振動によって厚み方向(図9においては上下方向)に振動する。しかしながら,前記形状測定装置Xは,被測定物1がそのように振動しても,その振動の影響を受けずに高精度で被測定物1の厚み分布を測定できる。
なお,被測定物1をその表面に平行な面内(厚み方向に直交する面内)で位置決めする機構は,図9に示す機構の他,いわゆるX−Yプロッタのように,被測定物1の支持部(前記支持軸41)を交差する2直線それぞれに沿って移動させる機構であってもよい。
また,図9に示す例は,被測定物1がその中央部で支持される例であるが,被測定部1がその端部において複数の支持部によって支持され(例えば,3つの支持部により3点支持され),その複数の支持部が,所定の回転機構や直線移動機構等によって移動される実施例も考えられる。これにより,被測定物1の中央部を含む測定部位について厚み分布測定を行うことが可能となる。
1 :被測定物
1a:A面測定部位
1b:B面測定部位
2,2’:二偏波光源
3 :偏光ビームスプリッタ
4 :第1位相検波器
5 :第2位相検波器
6 :計算機
a11〜a13,b11,b12:ミラー
a20,a20−1〜a20−4:A面側ヘテロダイン干渉計
a30,a30−1,a30−2:A面側補正用干渉計
b20,b20−1〜b20−4:B面側ヘテロダイン干渉計
b30,b30−1,b30−2:B面側補正用干渉計
P1 :第1ビーム光
P2 :第2ビーム光
Claims (9)
- 被測定物の厚みを非接触で測定するために用いられる形状測定装置であって,
所定の光源から出射されるそれぞれ周波数が異なる第1の測定光及び第2の測定光のそれぞれを分岐させて前記被測定物の表裏相対する部位であるおもて面の測定部位及びうら面の測定部位の各方向へ導く導光手段と,
前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第1の測定光を前記おもて面の測定部位に照射させるとともに,前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第2の測定光を第1の参照面に照射させ,前記おもて面の測定部位からの前記第1の測定光の反射光と前記第1の参照面からの前記第2の測定光の反射光とを干渉させ,その干渉光の強度信号を出力するおもて面側のヘテロダイン干渉計と,
前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第2の測定光を前記うら面の測定部位に照射させるとともに,前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第1の測定光を第2の参照面に照射させ,前記うら面の測定部位からの前記第2の測定光の反射光と前記第2の参照面からの前記第1の測定光の反射光とを干渉させ,その干渉光の強度信号を出力するうら面側のヘテロダイン干渉計と,
前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計のそれぞれから出力される強度信号の位相差を検出し,その検出信号を前記被測定物の厚みに相当する第1の測定値として出力する第1の位相検波手段と,
を具備してなることを特徴とする形状測定装置。 - 前記おもて面の測定部位の方向へ導かれた前記第1の測定光及び前記第2の測定光を前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに分岐させるおもて面側の主副分光手段と,
前記おもて面側の主副分光手段により分岐された前記副光を干渉させるおもて面側の副光干渉手段と,
前記おもて面側の副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力するおもて面側の副光強度検出手段と,
前記うら面の測定部位の方向へ導かれた前記第1の測定光及び前記第2の測定光を前記うら面側のヘテロダイン干渉計に入力される主光とそれ以外の副光とに分岐させるうら面側の主副分光手段と,
前記うら面側の主副分光手段により分岐された前記副光を干渉させるうら面側の副光干渉手段と,
前記うら面側の副光干渉手段により得られる干渉光を受光してその強度信号を出力するうら面側の副光強度検出手段と,
前記おもて面側の副光強度検出手段及び前記うら面側の副光強度検出手段のそれぞれから出力される強度信号の位相差を検出し,その検出信号を前記被測定物の厚みの補正用の第2の測定値として出力する第2の位相検波手段と,
を具備してなる請求項1に記載の形状測定装置。 - 前記第1の位相検波手段から出力される前記第1の測定値に基づいて,前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みを算出してその算出値を出力する第1の厚み算出手段を具備してなる請求項1に記載の形状測定装置。
- 前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計のそれぞれから前記第1の位相検波手段に伝送される強度信号の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する第1の振幅補正手段を具備してなる請求項1又は3のいずれかに記載の形状測定装置。
- 前記第1の位相検波手段から出力される前記第1の測定値と前記第2の位相検波手段から出力される前記第2の測定値との差に基づいて,前記被測定物における前記おもて面の測定部位及び前記うら面の測定部位の位置の厚みを算出してその算出値を出力する第2の厚み算出手段を具備してなる請求項2に記載の形状測定装置。
- 前記おもて面側の副光強度検出手段及び前記うら面側の副光強度検出手段のそれぞれから前記第2の位相検波手段に伝送される強度信号の振幅を予め定められた目標レベルに自動調節する第2の振幅補正手段を具備してなる請求項2又は5のいずれかに記載の形状測定装置。
- 前記導光手段が,前記第1の測定光及び前記第2の測定光を,前記光源から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまで相互に重ならない光路で導いてなり,
前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が,前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを相互に重ならない光路を経由させて前記おもて面の測定部位及び前記第1の参照面それぞれに照射させ,
前記うら面側のヘテロダイン干渉計が,前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを相互に重ならない光路を経由させて前記第2の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させてなる請求項1〜6のいずれかに記載の形状測定装置。 - 前記導光手段が,前記第1の測定光及び前記第2の測定光を,前記光源から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計及び前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまで同じ光路で導いてなり,
前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が,前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを分光させて前記おもて面の測定部位及び前記第1の参照面それぞれに照射させ,
前記うら面側のヘテロダイン干渉計が,前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを分光させて前記第2の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させてなる請求項1〜6のいずれかに記載の形状測定装置。 - 前記導光手段が,少なくとも前記おもて面側の主副分光手段から前記おもて面側のヘテロダイン干渉計に至るまでの前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれの前記主光を同じ光路で導くとともに,少なくとも前記うら面側の主副分光手段から前記うら面側のヘテロダイン干渉計に至るまでの前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれの前記主光を同じ光路で導いてなり,
前記おもて面側のヘテロダイン干渉計が,前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを分光させて前記おもて面の測定部位及び前記第1の参照面それぞれに照射させ,
前記うら面側のヘテロダイン干渉計が,前記導光手段により同じ光路で導かれてきた前記第1の測定光及び前記第2の測定光それぞれを分光させて前記第2の参照面及び前記うら面の測定部位それぞれに照射させてなる請求項2,5又は6のいずれかに記載の形状測定装置。
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