JP2000283747A

JP2000283747A - 触針反射器

Info

Publication number: JP2000283747A
Application number: JP9261099A
Authority: JP
Inventors: Keiji Kubo; 圭司久保; Keiichi Yoshizumi; 恵一吉住; Yukio Imada; 行雄今田; Hiroyuki Takeuchi; 博之竹内; Koji Handa; 宏治半田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-13
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP3700459B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光学式測定装置に備えられ、被測定面に追従
して移動するとともに測定光を反射させる触針反射器に
おいて、反射面の姿勢変動を出来るだけ少なくして、測
定精度の低下を防止する。【解決手段】被測定面で反射された測定光Ｌ₁ を受光
して被測定面の位置情報を得る光学式測定装置に用いら
れる触針反射器６０である。被測定面に当接する接触子
６２と測定光Ｌ₁ を反射する反射面とを有する応動部６
８と、被測定面と直交する方向に間隔をあけて平行に配
置され弾力的に変形可能な一対の板片６６ａ、６６ｂを
有し、その先端に前記応動部６８を支持し、その基端が
光学式測定装置２０に支持される平行板状支持腕６６と
を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、触針反射器に関
し、詳しくは、被測定面に測定光を照射して被測定面の
変位や形状を測定する光学式測定装置に配備される部材
であって、被測定面における光の反射性や被測定面に対
する追随性を改善して測定性能を向上させる触針反射器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光を利用して物体の変位や形状を測定す
る技術は、広く知られている。被測定面に測定光を照射
し、被測定面で反射した測定光を受光することで、測定
光に含まれる被測定面の変位あるいは形状に関する情報
が得られる。特開平３−２５５９０７号公報には、三次
元物体の表面にレーザ光からなる測定光を照射し、物体
表面で反射した測定光と基準となる参照光との行程差を
検出することで、測定装置と物体表面との間の距離に関
する情報を取得し、このような測定を物体の全面に対し
て行うことで、物体の表面形状を測定する形状測定装置
が示されている。

【０００３】上記公報には、測定光を被測定面で直接に
反射させるのではなく、ダイアモンド製の針状をなす接
触子を被測定面に当接させ、接触子の背面に設けられた
鏡面状の反射面で測定光を反射させる技術も示されてい
る。接触子および反射面は、弾力的に変形自在な板バネ
で片持ち梁状に支持され、物体表面に向かって付勢され
ており、被測定面の凹凸や形状変化に追随して移動す
る。このような機構の装置を、以下では「触針反射器」
と呼ぶ。

【０００４】上記した触針反射器では、測定光を常に反
射特性が良好な反射面で反射させるので、被測定面の反
射特性の影響を受けずに、正確で安定した光学測定が可
能になる。すなわち、被測定面が光の反射率が低い粗面
などであると、十分な反射光が得られないので、測定が
全く行えなかったり測定精度が低下したりしてしまう。
被測定面の場所によって反射率に違いがあった場合も、
測定精度を低下させることになる。被測定面の凹凸面や
局部的な傾斜面で反射した反射光は、その方向が変わっ
てしまい、測定装置の受光部で受光でき難くなる。

【０００５】しかし、前記した触針反射器では、反射面
の反射率は常に一定でしかも極めて良好である。測定光
に対する反射面の姿勢が変わらなければ、反射光の方向
も一定になる。したがって、前記した触針反射器を備え
た光学式測定器は、被測定面の材質や特性、形状に影響
を受けずに、安定した正確な測定が行えるという利点を
有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記した触針反射器の
技術においても、被測定面の形状によっては、測定が不
正確になる場合がある。バネ板で片持ち梁式に支持され
た反射面は、バネ板の反りや変形の程度によって、反射
面の姿勢すなわち測定光に対する角度が変動する。バネ
板の変形量が大きくなるほど、測定光に対する反射面の
傾斜角度が大きくなるため、反射光の方向が大きくずれ
ることになる。変形時にバネ板が捩じれることでも反射
面が傾くことになる。

【０００７】触針反射器の接触子を、被測定面の凹凸や
表面形状に沿わせて忠実に移動させるには、接触子を支
持するバネ板が応答性良く広い範囲で迅速に変形できる
ことが必要とされるが、バネ板の変形が容易で変形量が
大きくなるほど、反射面の姿勢や傾きも大きく変動する
ことになって、測定の精度を低下させてしまう。本発明
の課題は、前記した光学式測定装置における触針反射器
の技術において、反射面の姿勢変動を出来るだけ少なく
して、測定精度の低下を防止することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる触針反射
器は、被測定面で反射された測定光を受光して被測定面
の位置情報を得る光学式測定装置に用いられる触針反射
器であって、前記被測定面に当接する接触子と前記測定
光を反射する反射面とを有する応動部と、前記被測定面
と直交する方向に間隔をあけて平行に配置され弾力的に
変形可能な一対の板片を有し、その先端に前記応動部を
支持し、その基端が前記光学式測定装置に支持される平
行板状支持腕とを備える。〔光学式測定装置〕被測定面で反射された測定光を受光
して被測定面の位置情報を得る光学式測定装置であれ
ば、その測定機構や内部構造、利用用途などは限定され
ない。

【０００９】具体的には、物体の表面形状を三次元的に
測定する三次元形状測定装置や、薄板材の厚みあるいは
厚みの変動量を測定する厚み測定装置あるいは厚み変動
測定装置などに適用される。測定機構として、いわゆる
三角測量の原理を利用するものや、測定光と参照光との
位相差あるいは行程差を測定するもの、測定光と参照光
との干渉作用を利用するものなどが挙げられる。具体的
には、前記した特開平３−２５５９０７号公報に開示さ
れた技術が適用できる。

【００１０】測定光は、単独の光線である場合と、波長
や位相が異なる複数の光線を組み合わせる場合とがあ
る。複数の測定光が混合あるいは合成された光を用いる
場合がある。複数の測定光を用いる場合、一つの触針反
射器で複数の測定光を反射させても良いし、複数の測定
光毎に異なる触針反射器を用いる場合もある。〔被測定面〕光学式測定装置の測定対象となる被測定面
は、金属、ガラス、セラミック、樹脂その他の任意の材
料からなるものが用いられる。被測定面の場所によっ
て、異なる材質部分が混在している場合もある。被測定
面は、実質的に平坦面であるもののほか、曲面であるも
の、溝や孔などの凹凸があるものでも良い。〔触針反射器〕光学式測定装置のうち、測定光の照射方
向で被測定面に近接した位置に取り付けられる。被測定
面の形状や測定条件に合わせて、被測定面に接離する方
向に移動自在に取り付けられていてもよい。〔応動部〕応動部には、接触子と反射面とを有する。

【００１１】接触子は、被測定面の細かな凹凸形状にも
追随できるように、被測定面に対して実質的に点接触で
きるものが好ましい。具体的には、先端が円錐状や角錐
状あるいは針状をなすものが用いられる。被測定面に押
し付けられたときに変形し難い硬質で剛性の高い材質の
ものが好ましい。具体的にはダイアモンドなどが用いら
れる。

【００１２】反射面は、測定光の反射率が一定で高い材
料で構成される。金属やガラス質の材料からなる鏡面が
好ましい。接触子の材料自体の背面を鏡面に仕上げるこ
とで、反射面とすることもできる。表面の反射特性を向
上させるコーティングを施しておくこともできる。反射
面の寸法形状は、測定光のビーム径や測定精度などの条
件に合わせて設定される。

【００１３】接触子と反射面との配置は、反射面の中心
に立てた垂線が、接触子の中心線と一致し、前記垂線の
延長方向に、接触子の頂点すなわち被測定面への接触点
が配置されるようにすることが好ましい。〔平行板状支持腕〕板片の材料としては、バネ鋼その他
の金属からなり、弾力的に変形可能な材料が用いられ
る。セラミックや樹脂、ガラスなどの材料や複数の材料
からなる複合体も使用できる。

【００１４】板片の平面形状は、その厚み方向に対して
は弾力的な変形が容易であるとともに、厚み方向以外の
方向には変形し難く、また、捩じれ難い形状を有してい
るのが好ましい。具体的には、短冊状のもののほか、光
学式測定装置に取り付けられる基部側が広く先端の応動
部側が狭くなった台形状のものなどが用いられる。板片
の一部に、軽量化や変形特性を調整するための切り抜き
や切り欠きを設けておくことができる。

【００１５】板片として、左右に間隔をあけて配置され
た一対の帯部を有するものが用いられる。左右の帯部が
独立して変形することで、板片の全体が左右方向に傾い
たり捩じれたりすることが少なくなる。左右の帯部の間
隔を、前記基端側では広く前記応動部側では狭くしてお
けば、応動部の安定した支持と、厚み方向への変形性お
よびそれ以外の方向への耐変形性を向上させることがで
きる。

【００１６】一対の板片は、被測定面と直交する方向に
間隔をあけて平行に配置される。板片同士の間隔は、支
持腕全体としての変形のし易さ、および、変形したとき
の応動部の姿勢の傾きの程度などを考慮して適切に設定
される。一対の板片は、先端に応動部を支持するととも
に、基端は光学式測定装置の本体部分に支持される。そ
の結果、一対の平行な板片と両端の応動部および装置本
体とが、力学機構的に平行四辺形をなす、いわゆる平行
リンク機構を構成することになる。

【００１７】一対の平行な板片で構成された平行板状支
持腕に支持された応動部を、板片の面と直交する方向に
動かすと、両方の板片が別個に変形して、両板片と応動
部および装置本体で構成される平行四辺形が歪んだ形に
なる。このとき、両板片の先端位置は応動部が動いた方
向に位置をずらすだけで相対的な位置関係はほとんど変
わらないので、両板片の先端に取り付けられた応動部
は、姿勢を変えることなく平行移動をすることになる。
応動部の姿勢が変わらなければ、反射面の姿勢すなわち
測定光に対してなす角度も変わることがない。〔触針反射器の使用〕触針反射器を光学式測定装置に取
り付けた状態で、触針反射器の接触子を被測定面に当接
させる。この状態から、さらに触針反射器を被測定面の
方向に少し移動させた状態にすると、平行板状支持腕が
少したわんで、その反発力によって、接触子を被測定面
に押圧することになる。この押圧力を適切に設定してお
くことで、接触子が上下何れの方向に移動しても、被測
定面から離れることがない。

【００１８】接触子が被測定面に押圧された状態で、測
定光を反射面に照射する。測定光は反射面で反射して光
学式測定装置の本体側に戻っていき、目的の測定が実行
される。このとき、反射面の位置と、被測定面に対する
接触子の接触位置とは、物理的に正確に対応しているの
で、反射面の位置を測定することは、実質的に被測定面
の表面位置に対する測定を行うことになる。例えば、反
射面と接触子先端との距離が予め判っていれば、その距
離を補正することで、被測定面の表面位置が特定され
る。また、被測定面の表面位置の変動を測定する場合に
は、被測定面の表面位置が判らなくても反射面の位置の
変動を測定すれば、実質的に被測定面の表面位置の変動
を測定していることになる。

【００１９】被測定面に対して、光学式測定装置の全体
あるいは測定光の照射部および触針反射器を移動させる
と、被測定面の凹凸に合わせて、触針反射器の接触子が
被測定面と接離する方向に弾力的に移動する。このと
き、平行板状支持腕を構成する一対の板片が変形するこ
とで、接触子を有する応動部が移動することになるの
で、応動部および反射面の姿勢が大きく変わることな
く、接触子と一体となった反射面が移動する。その結
果、測定光に対する反射面の姿勢が大きく変動すること
なく、正確で安定した光学式測定が可能になる。

【００２０】

【発明の実施の形態】〔光学式測定装置の全体構造〕図
１の実施形態は、半導体ウエハ用の厚み変動測定装置の
全体構造を示している。ウエハｗは、垂直に立てられた
状態で円環状の中空スピンドル１０に保持されており、
中空スピンドル１０の回転駆動によってウエハｗは垂直
面内で回転する。ウエハｗの両面側方にそれぞれ光学式
変位計２０が配置されている。図では、表側のみが示さ
れているが、裏側にも表側と対称位置に光学式変位計２
０が配置されている。一対の光学式変位計２０は全体
が、ウエハｗの面と平行な方向に移動自在に取り付けら
れており、光学式変位計２０による変位の測定位置は、
ウエハｗの半径上を左右に移動する。具体的には、光学
変位計２０の取付台２２を、ボールネジ２４の回転駆動
によって直線的に移動させる。〔光学式変位計〕図２に
は、ウエハｗの両側の光学式変位計２０、２０のうち、
片側の変位計２０の構造を詳細に示している。反対側の
変位計２０についても同様の構造を備えている。

【００２１】光学式変位計２０は、測定光学系３０と受
光部５０とを有する。測定光学系３０には、参照光Ｌ₀
と測定光Ｌ₁ とが混合された出力光Ｌ₀ ＋Ｌ₁が供給さ
れる。出力光Ｌ₀ ＋Ｌ₁ は、周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザを出力するレーザ出力装置（図示せず）から供給さ
れる。一つのレーザ出力装置の出力光を２方向に分割し
て、両側の測定光学系３０に供給する。

【００２２】測定光学系３０では、出力光Ｌ₀ ＋Ｌ₁
が、収束レンズ３２で絞り込まれたあと、分岐混合部と
なる偏光ビームスプリッタ３４に供給される。収束レン
ズ３２は、出力光Ｌ₀ ＋Ｌ₁ を絞り込むことで、測定光
Ｌ₁ をウエハｗの表面位置に正確に収束させて照射す
る。但し、ウエハｗの表面に直接に収束させるではな
く、触針反射器６０の反射面に収束させる。偏光ビーム
スプリッタ３４では、測定光Ｌ ₁ はそのまま真っ直ぐに
進み、参照光Ｌ₀ は直角方向に反射して、両者が分岐さ
れる。このような分岐は、レーザ出力装置で出力される
測定光Ｌ₁ と参照光Ｌ₀との偏光方向の違いによって生
じる。

【００２３】測定光Ｌ₁ はλ／４波長板３７を通過した
あと、ウエハｗの表面に向かう。ウエハｗの表面には触
針反射器６０が当接しており、測定光Ｌ₁ は触針反射器
６０で反射されて、再び偏光ビームスプリッタ３４へと
戻される。偏光ビームスプリッタ３４を出た参照光Ｌ₀
は、λ／４波長板３６を通過したあと、参照ミラー３８
で反射して再び偏光ビームスプリッタ３４に戻る。偏光
ビームスプリッタ３４から参照ミラー３８までの距離
は、偏光ビームスプリッタ３４から触針反射器６０まで
の距離と同じに設定されている。

【００２４】参照光Ｌ₀ は偏光ビームスプリッタ３４を
直進する。測定光Ｌ₁ は偏光ビームスプリッタ３４で直
角方向に反射されて参照光Ｌ₀ と同じ方向に進むことに
なる。その結果、偏光ビームスプリッタ３４からは、参
照光Ｌ₀ と測定光Ｌ₁ との混合光Ｌ₀ ＋Ｌ₁ が出力され
る。但し、それまでの光の行程が、測定光Ｌ₁ では触針
反射器６０までの距離によって変わり、参照光Ｌ₀ では
変わらないので、両方の光の行程差あるいは位相差が生
じている。

【００２５】偏光ビームスプリッタ３４から出力される
混合光Ｌ₀ ＋Ｌ₁ は、複数のミラー５２、コリメートレ
ンズ５４、フォーカスレンズ５６を経て、受光部５０に
入力される。コリメートレンズ５４は、混合光Ｌ₀ ＋Ｌ
₁ を平行光にし、フォーカスレンズ５６は、混合光Ｌ₀
＋Ｌ₁ を受光部５０の受光面に収束させて、測定光Ｌ₁
がウエハｗの表面で反射することで生じる傾きやズレを
修正し、受光部５０の受光面に確実に入力させる。受光
部５０では、光信号を電気信号に変換したり、参照光Ｌ
₀ と測定光Ｌ₁ の波長や位相を電気的に分析し、そのデ
ータを演算処理することで、ウエハｗの表面位置あるい
はその変化を数値情報として得る。参照光Ｌ₀ と測定光
Ｌ₁ とを干渉させることで、前記した行程あるいは位相
の違いを拡大あるいは明確化させて干渉縞として現出さ
せれば、光電変換素子においてウエハｗの変位情報を電
気的信号として取り出し易くなる。

【００２６】ウエハｗの表面に沿って場所を変えて、上
記のような測定を行うことで、ウエハｗの場所による表
面位置の変動すなわち変位が求められる。ウエハｗの両
面に配置された光学式変位計２０、２０で、ウエハｗの
表面変位をそれぞれ測定する。ウエハｗの両面の表面変
位を合計したものが、ウエハｗの厚み変動を表す。な
お、厚み変動の測定では、ウエハｗの厚みそのものを測
定する必要はなく、面方向における厚みの違いやバラツ
キを厚み変動として測定すればよい。左右の光学式変位
計２０、２０の間隔が判っていれば、両方の変位計２
０、２０に対するウエハｗの位置情報からウエハｗの厚
みを知ることができる。〔触針反射器〕図３〜５に示す
ように、触針反射器６０は、光学式変位計２０のウエハ
ｗ側の先端に取り付けられている基部６１と、接触子６
２と反射面６４とを有する応動部６３とが、平行板状支
持腕６５により連結されている。

【００２７】接触子６２は、ダイアモンドで作製され、
先端が１０μｍ程度の小さなものであり、先端をウエハ
ｗの表面に当接して、実質的に点接触で当接する。反射
面６４はガラスや金属の鏡面で構成され、測定光Ｌ₁ を
効率良く反射する。測定光Ｌ₁の照射方向に対して反射
面６４は正対し、その測定光Ｌ₁ の照射方向を延長した
先に接触子６２の先端が配置されている。

【００２８】平行板状支持腕６５は、図４に示すよう
に、バネ板などの弾力的に変形容易な材料からなる２枚
の板片６６、６６が上下に間隔をあけて平行に配置され
ている。基部６１と応動部６３とで固定された２枚の平
行な板片６６、６６は、平行四辺形のリンク機構、いわ
ゆる平行リンク機構を構成している。板片６６、６６
は、例えば、厚さが１０μｍ程度、長さが１０mm程度の
板バネ材で作製される。

【００２９】図５に示すように、板片６６、６６の平面
外形は、基部６１側が広く、応動部６３側が狭い台形状
をなし、この台形状の外形の中央に一回り小さな台形状
の切り抜き部６７が貫通している。残った部分の板片６
６、６６は、左右に間隔をあけて配置された細い帯部６
８、６８が、基部６１側では広く応動部６３側では狭く
なった「ハ」字形に配置された構造になっている。

【００３０】このような構造の触針反射器６０におい
て、光学式変位計２０に対して、ウエハｗの表面が上方
側に変位すると、接触子６２はウエハｗの表面に押され
て上方に移動し、平行板状支持腕６５を上方に押し上げ
る。前記した平行リンク機構を構成する上下の板片６
６、６６は、板片６６と板片６６とが平行状態を保った
ままで別個に上方側に反るように変形するので、応動部
６３は基部６１に対して実質的に平行状態を保ったまま
で上下動する。応動部６３に備えた反射面６４も平行移
動をするので、測定光Ｌ₁ に対して正対した状態のまま
で上下移動が行われる。その結果、ウエハｗの表面の変
位に関わらず、常に測定光Ｌ₁ の入射方向と同じ方向に
反射光を戻すことができる。

【００３１】ウエハｗの表面変位は上下両方向に生じる
可能性がある。触針反射器６０を予めウエハｗの表面に
軽く押し付けて、平行板状支持腕６５を弾力的に変形さ
せた状態で測定を行えば、上下両方向の表面変位に対し
て、接触子６２をウエハｗに確実に当接させることがで
きる。具体的には、平行板状支持腕６５が１００μｍ程
度の弾力変形をした状態で配置しておくことができる。

【００３２】前記したように、測定光Ｌ₁ の反射光の方
向が傾いたりズレたりすると、受光部５０の受光面で正
確に受光することが困難になるが、前記した平行リンク
機構を構成する平行板状支持腕６５を用いる触針反射器
６０であれば、反射光の傾きやズレを生じ難くすること
ができる。また、前記した左右の帯部６８、６８で構成
される平面「ハ」字形構造を有する平行板状支持腕６６
を備えていれば、応動部６８が「ハ」字形の左右方向に
傾くこと、あるいは、平行板状支持腕６５に捩じれが生
じることを有効に阻止でき、測定光Ｌ₁ の反射方向をよ
り適正に維持することができる。

【００３３】なお、上記反射光の傾きやズレを防止する
機能は、前記したフォーカスレンズ５６と共通する機能
である。したがって、触針反射器６０を備えていれば、
フォーカスレンズ５６は無くても目的の機能は達成され
る。但し、触針反射器６０に加えてフォーカスレンズ５
６も備えておけば、より高い機能を発揮させることがで
きる。

【００３４】また、触針反射器６０を使用することで、
反射面６４による高い効率での反射機能が発揮できる。
ウエハｗの表面が反射率の低い材料であったり、場所に
よって反射率が違うような構造でも、反射率が高く、し
かも常に一定である反射面６４で測定光Ｌ₁ を反射させ
れば、常に正確で安定した変位測定が可能になる。

【００３５】

【発明の効果】本発明にかかる触針反射器は、前記した
平行板状支持腕を備えていることで、被測定面の凹凸や
形状変化に合わせて平行板状支持腕を弾力的に変形させ
て接触子および反射面を備えた応動部を移動させても、
応動部の姿勢が大きく変動したり傾いたりすることがな
く、測定光に対する反射面の姿勢あるいは傾きを常に一
定に維持することができる。その結果、光学式測定の測
定精度を格段に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を表す測定装置全体の斜視図

【図２】測定機構の詳細構造図

【図３】触針反射器の斜視図

【図４】同上の側面図

【図５】同上の底面図

【符号の説明】

２０光学式変位計３０測定光学系６０触針反射器６１基部６２接触子６３応動部６４反射面６５平行板状支持腕６６、６６板片６８、６８帯部Ｌ₀ 参照光Ｌ₁ 測定光ｗウエハ

フロントページの続き (72)発明者今田行雄大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者竹内博之大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者半田宏治大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2F062 AA66 BB08 BB14 BC28 CC30 EE01 EE62 FF03 FF17 GG41 GG73 GG75 HH14 HH33 2F065 AA30 AA49 CC19 FF09 FF52 GG05 HH04 JJ01 JJ15 LL12 LL36 LL37 MM04 2F069 AA46 AA60 BB15 CC06 DD30 GG02 GG07 GG62 HH04 HH09 JJ06 JJ17 LL03 LL06 MM04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定面で反射された測定光を受光して
被測定面の位置情報を得る光学式測定装置に用いられる
触針反射器であって、前記被測定面に当接する接触子と
前記測定光を反射する反射面とを有する応動部と、前記
被測定面と直交する方向に間隔をあけて平行に配置され
弾力的に変形可能な一対の板片を有し、その先端に前記
応動部を支持し、その基端が前記光学式測定装置に支持
される平行板状支持腕とを備える触針反射器。
【請求項２】前記板片が、前記基端側が広く前記応動
部側が狭い台形状をなす請求項１に記載の触針反射器。
【請求項３】前記板片が、左右に間隔をあけて配置さ
れた一対の帯部を有し、左右の帯部の間隔が、前記基端
側では広く前記応動部側では狭い請求項１または２に記
載の触針反射器。