JP2016017854A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透明体、インライン、高速、非接触、大口径化の要求に対応できる形状測定装置を提供する。
【解決手段】光源であるレーザ光源１０から光ビーム１１を測定物２０の被測定面２１に照射しながら光ビーム１１を被測定面２１上で主走査方向Ｄｍに走査すると共に、主走査方向Ｄｍ及び被測定面２１の法線方向Ｄｎに直交する副走査方向Ｄｓに光ビーム１１と測定物２０とを相対移動させて、被測定面２１からの反射光１３の傾斜分布を積分演算することにより被測定面２１の表面形状を求める構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置に関し、特に、高度な平坦性をもった測定物の表面形状測定装置に関する。

産業上、高度な平坦性をもった測定物としては、以下の半導体ウェハ、ストレージ用ディスク基板、ＨＤＤに使用されるガラスディスク基板、アルミディスク基板、光ディスク基板用原盤等が挙げられる。半導体ウェハとしては、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＳＯＩ、サファイア基板、ＧａＮ基板等が挙げられる。

特に、次世代半導体として、ＳｉＣ、ＳＯＩウェハ等の新規な半導体ウェハの平坦度測定に対する産業上の要求は、インラインで大口径のウェハを高速、非破壊（非接触）で測定すること、さらに、透明体でも測定できることである。そこで、求められる精度は、産総研計量標準研究部門（将来の半導体ウェハを睨んで研究開発をしている）で検討されている値を参照すると、３００ｍｍ以上の大きさのウェハに対して、数ｎｍの測定精度が求められている。

このような高度の平坦度を測定する方法としては、大きく分けて、三角測量、焦点検出法、光干渉法に分けられる。三角測量は、広いスパンを測定できるが、精度が低く、また、高速測定も苦手である。焦点検出法は、レーザ顕微鏡等を使用するため、精度が高いが、一度で測定する測定スパンが狭く、インラインで高速で測定するには向いていない。光干渉法は、測定精度も悪くなく、大面積のものの高速測定も可能であり、インラインに向いている。しかし、測定基準となる参照面を大口径化すると、重力の影響でその参照面がたわむため、測定誤差が生じること、また、透明体の測定ができないといった問題が有り、将来の測定要求として挙げるインライン、大口径、高速、非破壊（非接触）、透明体の測定には向いていない。従って、既存の測定方法には、透明体、インライン、高速、非接触、大口径化の全部の要求に対応できる方法は無い。

この課題を解決する一つの有力な方法として、産総研の計量研究部門で取り上げている光走査型傾斜角測定方法が挙げられる（非特許文献１）。この光走査型傾斜角測定方法は、古くから知られている光梃子の原理を用いた方法である。

また、特開２００４−２７９１３２（特許文献１）は、このような、課題を解決するために、考案された。それによると、光源から出射した光ビームが、コリメータレンズを通り、平行ビームを形成し、モータに付属する１枚のミラーにより、ビームを偏向することによりビームをスキャンするように工夫されている。スキャンされたビームが凹球面ミラーにより反射され、被測定物表面に概略垂直に当たるように到達し、被測定物表面の傾斜角の変動に応じて反射された光ビームが、往路を逆に進行し、光源の前に置かれたハーフミラーにより、ＰＳＤ検出器に導かれる。ＰＳＤ検出器上でのビームの位置変動により、傾斜角を計算するようにし、時々刻々の傾斜角の差分を積分することにより、被測定物の表面形状を測定するようになっている。この方法によれば、高速に表面形状をインラインで測定することが可能とされている。

近藤 余範 表面形状の計測技術と標準に関する調査研究 産総研計量標準報告Vol.8,No.3 299-310

特開２００４−２７９１３２号 公報

しかし、非特許文献１の光走査型傾斜角測定方法では、ペンタプリズムを並進させるため、インラインで流れているウェハを測定するほど、高速で測定することはできない。また、ビームが、測定表面に垂直に入射するために、ＳｉＣのような透明体を測定する場合、表面反射光と裏面反射光が干渉するために、表面だけの形状情報を得ることができないという問題があった。また、特許文献１の形状測定装置は、大面積ウェハを測定するには、大きな凹球面鏡を用意する必要があり、大面積を一度に計測する装置として、必ずしも現実的ではない。また、被測定物表面にほぼ垂直に当たるために、被測定物が透明体の場合、ＰＳＤ検出器上には、表面反射光と裏面反射光が到達し、干渉を起こすために、正確な表面形状を測定することができないという問題があった。

したがって、本発明の目的は、透明体、インライン、高速、非接触、大口径化の要求に対応できる形状測定装置を提供することにある。

［１］上記目的を達成するため、光源から光ビームを測定物の被測定面に照射しながら前記光ビームを前記被測定面上で主走査方向に走査すると共に、前記主走査方向及び前記被測定面の法線方向に直交する副走査方向に前記光ビームと前記測定物とを相対移動させて、前記被測定面からの反射光の傾斜分布を積分演算することにより前記被測定面の表面形状を求める形状測定装置であって、前記光ビームを前記主走査方向に偏向する第１のビーム偏向手段と、前記第１のビーム偏向手段で偏向された光ビームが一方側から入射され、偏向された前記光ビームが他方側から被測定面に向かって照射される第１のテレセントリックｆθ光学系と、前記副走査方向の方向ベクトルで規定される面に対して、前記第１のテレセントリックｆθ光学系に対称な位置に配置される前記第１のテレセントリックｆθ光学系と等価な第２のテレセントリックｆθ光学系と、前記被測定面で反射された前記光ビームのスポット位置を検出するビーム検出手段と、を有し、前記被測定面に照射される前記光ビームは、前記被測定面の法線に対して傾斜して照射されることを特徴とする形状測定装置を提供する。

［２］前記第２のテレセントリックｆθ光学系と前記ビーム検出手段との間に前記第１のビーム偏向手段と等価な第２のビーム偏向手段を配置し、前記第２のビーム偏向手段の反射点は前記第１のビーム偏向手段の反射点と共役な位置とされていることを特徴とする上記［１］に記載の形状測定装置であってもよい。

［３］また、前記第２のテレセントリックｆθ光学系と前記ビーム検出手段との間に、前記第２のテレセントリックｆθ光学系の像側の開口数と前記集光手段の物側の開口数が等しくなるように前記集光手段が配置されていることを特徴とする上記［１］に記載の形状測定装置であってもよい。

［４］また、前記第１のビーム偏向手段、及び第２のビーム偏向手段は、ポリゴンミラー又はガルバノミラーであることを特徴とする上記［１］から［３］のいずれか１に記載の形状測定装置であってもよい。

［５］また、前記被測定面の反射光側に、前記被測定面の裏面で反射した光ビームを遮蔽する遮蔽手段を有することを特徴とする上記［１］から［４］のいずれか１に記載の形状測定装置であってもよい。

本発明の形状測定装置によれば、透明体、インライン、高速、非接触、大口径化の要求に対応できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置の全体斜視図である。 図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置の上平面図であり、図２（ｂ）は、正面図である。 図３（ａ）は、図１においてＡ方向から見た面Ｍｓであり、光ビーム１１の面Ｍｓへの投影ベクトルを示す図であり、図３（ｂ）は、ＰＳＤ上のｘ’ｚ’座標上に光ビームスポットが投影された図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の全体斜視図である。 図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の上平面図であり、図５（ｂ）は、正面図である。 図６は、本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の全体斜視図である。 図７（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の上平面図であり、図７（ｂ）は、正面図である。 図８は、本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置の正面図である。 図９（ａ）は、本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置の遮光板の構成配置を示す正面図（部分）であり、図９（ｂ）は、（ａ）の方向に合わせて図示した各光ビーム１１、１４の光強度のガウシアン分布Ｉ_１１、Ｉ_１４と遮光板との位置関係を示す図である。

（本発明の第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置の全体斜視図である。また、図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置の上平面図であり、図２（ｂ）は、正面図である。

（第１の実施の形態の構成）
本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置１は、光源であるレーザ光源１０から光ビーム１１を測定物２０の被測定面２１に照射しながら光ビーム１１を被測定面２１上で主走査方向Ｄｍに走査すると共に、主走査方向Ｄｍ及び被測定面２１の法線方向Ｄｎに直交する副走査方向Ｄｓに光ビーム１１と測定物２０とを相対移動させて、被測定面２１からの反射光１１を積分演算することにより被測定面２１の表面形状を求める形状測定装置である。

また、この形状測定装置１は、光ビーム１１を主走査方向Ｄｍに偏向する第１のビーム偏向手段である第１のポリゴンミラー３０と、第１のポリゴンミラー３０で偏向された光ビーム１１が一方側から入射され、偏向された光ビーム１１が他方側から被測定面２１に向かって照射される第１のテレセントリックｆθ光学系４０と、副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓで規定される面Ｍｓに対して、第１のテレセントリックｆθ光学系４０に対称な位置に配置される第１のテレセントリックｆθ光学系４０と等価な第２のテレセントリックｆθ光学系１４０と、被測定面２１で反射された光ビームのスポット位置を検出するビーム検出手段であるＰＳＤ（光位置センサ：Position Sensitive Detector）２００と、を有し、被測定面２１に照射される光ビーム１１は、被測定面２１の法線方向Ｄｎに対して傾斜して照射される。

（光路）
レーザ光源１０から照射された光ビーム１１は、図１、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、光軸Ｌ１に沿って進む。第１のポリゴンミラー３０により、光ビーム１１は偏向され、光軸Ｌ２を中心にして所定の走査角（±Φ）で偏向される。光軸Ｌ１と光軸Ｌ２は、所定の角度で交差する。本実施の形態では、９０°で交差するが、交差角はこれに限られず、例えば６０°等の任意の角度に設定することができる。

光軸Ｌ２上には、第１の折り返しミラー５０が配置され、光ビーム１１は、図２（ｂ）に示すように、被測定面２１に対して入射角φで入射する。第１のポリゴンミラー３０により走査角（±θ）で偏向された光ビーム１１は、すべて第１の折り返しミラー５０で反射されて被測定面２１に対して入射角φで入射する。すなわち、光ビーム１１は、第１のポリゴンミラー３０により偏向されることにより、被測定面２１上を主走査方向Ｄｍに走査する。

副走査方向Ｄｓは、図１、図２（ａ）に示すように、主走査方向Ｄｍ及び被測定面２１の法線方向Ｄｎに直交する方向である。すなわち、被測定面２１上であって主走査方向Ｄｍと直交する方向である。

被測定面２１に入射する光ビーム１１は、図２（ｂ）に示すように、反射角φで反射する。反射した光ビーム１１は、光軸Ｌ２上に配置された第２の折り返しミラー１５０、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第２のポリゴンミラー１３０、集光レンズ１９０を通ってＰＳＤ２００に導光される。

ここで、副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓで規定される、すなわち、副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓを法線ベクトルとする面Ｍｓに対して、上記示した第２の折り返しミラー１５０、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第１のポリゴンミラー１３０は対称に配置される。あるいは、主走査方向Ｄｍの線に対して、線対称に配置される。

第２のポリゴンミラー１３０で偏向された光ビーム１１は、光軸Ｌ２と所定の角度で交差する光軸Ｌ３に沿って進む。なお、本実施の形態では、光軸Ｌ２と光軸Ｌ３は９０°で交差し、光軸Ｌ３は光軸Ｌ１と平行である。ただし、光軸Ｌ３と光軸Ｌ２の交差角はこれに限られず、例えば６０°等の任意の角度に設定することができる。

上記の光路、光学系において、少なくとも、図１、図２（ａ）に示す、第１のポリゴンミラー３０の反射点Ｐ１から第２のポリゴンミラー１３０の反射点Ｐ２までが、面Ｍｓに対称または主走査方向Ｄｍの線に対して線対称であればよい。

なお、ポリゴンミラーを用いた走査光学系では、ポリゴンミラーの各面の角度誤差に起因する走査光路の振れを補正するために、副走査方向にパワーを有するシリンドリカルレンズ等を用いた、いわゆる面倒れ補正光学系を用いる場合がある。本実施の形態においても、面倒れ補正光学系を用いることができるが、以下では、面倒れ補正を行なわない構成として説明する。

（レーザ光源１０）
本実施の形態では、光源としてレーザ光源１０を使用する。レーザ光源としては、半導体レーザ、固体レーザ、ガスレーザ等の種々のレーザを使用することができる。レーザ光源１０は、光強度分布がガウシアンであり、連続発振可能なものを使用する。レーザ波長は種々のものが使用できるが、本実施の形態では、緑色レーザ（５３２nm）を用いた。
また、レーザ光源１０は、図１、図２（ａ）に示すように、出射後にコリメートレンズ１５により、平行ビーム（コリメート光）とされる。また、半導体レーザの場合は、コリメートレンズ１５以外にビーム整形のためのアナモルフィックプリズム、ビームエキスパンダ等のビーム整形光学系を配置してもよい。

（測定物２０）
本実施の形態に係る形状測定装置１が測定の対象とするのは、半導体ウェハ、ストレージ用ディスク基板、ＨＤＤに使用されるガラスディスク基板、アルミディスク基板、光ディスク基板用原盤等が挙げられる。半導体ウェハとしては、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＳＯＩ、サファイア基板、ＧａＮ基板等が挙げられる。また、次世代半導体として、ＳｉＣ、ＳＯＩウェハ等が挙げられる。測定物２０は、上記の半導体ウェハ等が一定の基板厚さにスライスされた状態で、後述する移動ステージ上に載置される。

（第１のポリゴンミラー３０）
第１のビーム偏向手段としては、ポリゴンミラースキャナ、一定角度でミラーを往復運動させるガルバノミラースキャナ、レゾナントスキャナ、ＭＥＭＳミラー等が挙げられるが、本実施の形態では、等速回転運動するポリゴンミラーを使用する。第１のポリゴンミラー３０は、例えば、６面のポリゴンミラーを使用し、モータにより所定方向に所定の回転速度（ｒｐｍ）で回転する。

（第１のテレセントリックｆθ光学系４０）
第１のテレセントリックｆθ光学系４０は、テレセントリックなｆθレンズである。ｆθレンズは、像高をＹ、レンズの焦点距離をｆ、レンズへの入射角度をθとすると、Ｙ＝ｆθで表されるレンズである。これにより、ポリゴンミラーやカルバノミラーなどの等速回転運動によって走査されたレーザビームは、電気的な補正をかけることなく、焦点平面上（被測定面２１上）を等速直線運動で動くスポットになる。

テレセントリックな光学系は、主光線が光軸に平行である光学系である。第１のテレセントリックｆθ光学系４０は、片側テレセントリック光学系であって、像側（測定物２０側）がテレセントリックとされて配置される。

したがって、第１のテレセントリックｆθ光学系４０は、図１からわかるように、被測定面２１に対して、主走査方向Ｄｍに常に垂直に光ビーム１１が照射される。また、この光ビーム１１は、第１のポリゴンミラー３０の回転に伴って、被測定面２１上を主走査方向Ｄｍに等速直線運動でビーム走査される。

第１のテレセントリックｆθ光学系４０は、所定の枚数のレンズの組み合わせにより構成されている。なお、図１等では２枚のレンズを図示しているがこれに限られず、所定の仕様を満たすための必要枚数のレンズで構成することができる。第１のテレセントリックｆθ光学系４０は、所定の焦点距離ｆの集光作用を有し、コリメートレンズ１５を出た平行光は、この集光作用により焦点位置（被測定面２１上）に所定のビーム径に集光される。

（第１の折り返しミラー５０）
本実施の形態では、図１、図２（ｂ）に示すように、第１の折り返しミラー５０により、第１のテレセントリックｆθ光学系４０から出射した光ビーム１１を反射させて被測定面２１上に所定の入射角φで照射する。第１の折り返しミラー５０は、長尺状の平面ミラーである。

（第２のポリゴンミラー１３０、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第２の折り返しミラー１５０）
図１、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第２のポリゴンミラー１３０、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、及び第２の折り返しミラー１５０は、副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓで規定される面Ｍｓに対して、それぞれ、第１のポリゴンミラー３０、第１のテレセントリックｆθ光学系４０、及び第１の折り返しミラー５０に対称な位置に配置されている。

すなわち、本実施の形態では、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０とビーム検出手段であるＰＳＤ２００との間に第１のポリゴンミラー３０と等価な第２のポリゴンミラー１３０を配置し、第２のポリゴンミラー１３０の反射点Ｐ２は第１のポリゴンミラー３０の反射点Ｐ１と共役な位置とされている。

ここで、第２のポリゴンミラー１３０、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第２の折り返しミラー１５０は、それぞれ、第１のポリゴンミラー３０、第１のテレセントリックｆθ光学系４０、及び第１の折り返しミラー５０と、形状仕様、光学的仕様等が等価（同等）なものである。本実施の形態では、第２のポリゴンミラー１３０、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第２の折り返しミラー１５０は、それぞれ、第１のポリゴンミラー３０、第１のテレセントリックｆθ光学系４０、及び第１の折り返しミラー５０と同じものを、それぞれ、副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓで規定される面Ｍｓに対して対称な配置にして使用している。

なお、第２のポリゴンミラー１３０の回転方向も副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓで規定される面Ｍｓに対して対称とされるので、第２のポリゴンミラー１３０の回転方向は第１のポリゴンミラー３０と逆の回転方向とされる。

（集光レンズ１９０）
被測定面２１で反射した反射光（戻り光）１２は第２のテレセントリックｆθ光学系１４０で平行光とされる。集光レンズ１９０は、この平行光を集光してＰＳＤ２００上に光ビームスポットを集光する。なお、集光レンズ１９０は、コリメートレンズ１５と等価なレンズを使用することができる。

（ＰＳＤ２００）
ビーム検出手段は、ＰＳＤ（光位置センサ：Position Sensitive Detector）、あるいはＣＭＯＳ、ＮＭＯＳを使用できるが、ＣＭＯＳ、ＮＭＯＳの場合は、位置検出にデジタル処理が必要になるので、ＰＳＤがより好ましい。本実施の形態では、ＰＳＤ２００を使用する。ＰＳＤを使う場合、検出器上でのビームの位置に応じて、被測定面２１上の傾斜角θが計算され、後述する式により、変位が計算される。

（移動ステージ３００）
移動ステージ３００は、図２（ｂ）に示すように、測定物２０を載置した状態で、被測定面２１に照射される光ビーム１１と副走査方向Ｄｓに対して相対移動させるものである。移動ステージ３００は、ベース４００に対して副走査方向Ｄｓに移動可能とされ、一定速度で移動、または、第１のポリゴンミラー３０等と同期して移動可能である。移動ステージ３００は、例えば、スライドガイド、リニアボールガイド、クロスローラガイド等の直動ガイドを備え、モータ等によるボールねじ駆動等により、測定物２０を副走査方向に所定のタイミングで、又は連続的に移動制御するものである。

（ベース４００）
上記示したレーザ光源１０、測定物２０、第１のポリゴンミラー３０、第１のテレセントリックｆθ光学系４０、第１の折り返しミラー５０、第２のポリゴンミラー１３０、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第２の折り返しミラー１５０、集光レンズ１９０、ＰＳＤ２００、移動ステージ３００等のすべての部材は、図２（ｂ）で示すベース４００により支持され、上記示した所定の光路、所定の光学配置となるように支持される。

（形状測定装置１の動作）
図２（ａ）に示す制御部５００により、第１のポリゴンミラー３０、第２のポリゴンミラー１３０、移動ステージ３００が同期して駆動され、レーザ光源１０から出射されて被測定面２１に照射、反射した光ビーム１１の光梃子による位置変動をＰＳＤ２００で検出することにより、被測定面２１の表面形状を求める。

第１のポリゴンミラー３０と第２のポリゴンミラー１３０は、同期して、互いに逆方向に回転駆動される。また、回転するミラー面の回転位相角も合うように、光ビーム１１を検出して走査開始位置を検出するビーム位置センサ４１、１４１に基づいて、制御部５００により制御される。これにより、レーザ光源１０から出射された光ビーム１１は、第１のポリゴンミラー３０の反射点と共役な位置とされた第２のポリゴンミラー１３０の反射点に戻る。さらに、第２のポリゴンミラー１３０で反射した光ビーム１１は、ＰＳＤ２００に入射する。

以下において、レーザ光源１０から出射された光ビーム１１が各光学系を通過する順に説明する。

レーザ光源１０から出射された光ビーム１１は、コリメートレンズ１５により平行ビーム（コリメート光）とされる。この光ビーム１１は、光軸Ｌ１に沿って進み、第１のポリゴンミラー３０のミラー面で反射される。

図１、図２（ａ）に示すように、光ビーム１１は、光軸Ｌ２を中心にして所定の走査角（±Φ）で偏向されて第１のテレセントリックｆθ光学系４０に入射する。光ビーム１１は、第１のポリゴンミラー３０の回転により、図２（ａ）に示すＬ２−１からＬ２−２までの範囲で偏向される。光ビーム１１の偏向開始Ｌ２−１の位置は、第１のテレセントリックｆθ光学系４０に設けられたビーム位置センサ４１により検出され、回転同期の基準信号とされる。Ｌ２−１からＬ２−２までの範囲で偏向される光ビーム１１は、すべてにおいて、光軸Ｌ２に平行に出射される。また、第１のテレセントリックｆθ光学系４０の焦点距離ｆに従って集光しながら第１の折り返しミラー５０へ進む。

第１の折り返しミラー５０は、第１のテレセントリックｆθ光学系４０からの光ビーム１１を反射させて、所定の角度φで被測定面２１上に照射する。この光ビーム１１は、第１のポリゴンミラー３０の回転に伴って、被測定面２１上を主走査方向Ｄｍに等速直線運動でビーム走査される。

第１のテレセントリックｆθ光学系４０から被測定面２１までの光路長は第１のテレセントリックｆθ光学系４０の焦点距離ｆとされていることから、光ビーム１１は、被測定面２１上に集光される。被測定面２１上で反射した光ビーム１１は、入射角度φと同じ反射角度φで反射される。

被測定面２１上で反射した光ビーム１１は、主走査方向Ｄｍの線に対して、線対称に配置された第２の折り返しミラー１５０、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０を通って第２のポリゴンミラー１３０の点Ｐ２に到達する。被測定面２１上の主走査方向Ｄｍのどの位置で反射した光ビーム１１であっても、この点Ｐ２に到達する。また、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０を出たところで、光ビーム１１は平行光となっている。

第２のポリゴンミラー１３０の点Ｐ２で反射した光ビーム１１は、図１、図２（ａ）に示すように、集光レンズ１９０によりＰＳＤ２００上に光ビームスポットが集光される。このＰＳＤ２００上に集光される光ビームスポット１３は、被測定面２１が平坦であれば、ＰＳＤ２００の中心部に戻るが、被測定面２１が平坦からずれた傾斜を有している場合は、光梃子の原理により、ＰＳＤ２００の中心部からずれた位置に光ビームスポット１３が集光される。本実施の形態に係る形状測定装置１は、次に示すように、このＰＳＤ２００の光ビームスポットのずれを検出して積分することにより被測定面２１の表面形状を求める。

（表面形状の測定方法）
図３（ａ）は、図１においてＡ方向から見た面Ｍｓであり、光ビーム１１の面Ｍｓへの投影ベクトルを示す。被測定面２１が平坦であれば、被測定面２１上で反射される光ビーム１１は、面Ｍｓ上においてＺ方向に一致するが、被測定面２１が平坦でなく傾きθを有している場合は、入射角度から２θだけずれて反射された光ビーム１２となる。

図３（ｂ）は、ＰＳＤ上のｘ’ｚ’座標上に光ビームスポットが投影された図である。被測定面２１の傾きθにより２θだけずれて反射された光ビーム１２は、第２の折り返しミラー１５０でＺ方向が逆転し、また、第２のポリゴンミラー１３０でＸ方向が逆転するので、ＰＳＤ２００上では、図３（ｂ）に示すｘ’ｚ’座標上に光ビームスポット１３が投影される。

図３（ａ）で示す面Ｍｓ上において、被測定面２１上における光ビームの主走査方向をｘ軸に取り、測定物２０の被測定面２１表面からの高さ方向をｚとすると、

である。ここでθ（ｘ）は、被測定面２１上の主走査方向の座標ｘにおける被測定面２１の傾斜角である。傾斜分布はθ(x)を指す。
被測定面２１が起伏の少ない滑らかな面であれば、θ≪１とできるので、このとき、

である。従って、θ(x)の積分

を実行すれば、光束走査方向の面形状を得ることができる。

傾斜分布θ(x)は、ＰＳＤ２００に入射する光ビームスポット１３の位置によって得る。被測定面２１が傾斜分布θ(x)を持てば、被測定面２１に入射する光束は、座標ｘで平坦面における反射方向から２θ(x)異なる方向へ反射する。よって、被測定面２１とＰＳＤ２００の距離をＬ、ＰＳＤ２００の受光面における光ビームスポット１３の受光面中心からの位置をΔ(x)とすると、θ≪１のとき、Δ(x)は、θ(x)及びｆに比例し、Δ(x)＝２ｋθ(x)ｆの関係がある。ここで、ｆはテレセントリックｆθ光学系の焦点距離、ｋはＰＳＤ２００の配置を含む本装置の光学系により決まる係数である。従って、ＰＳＤ２００によって得られたΔ(x)から、傾斜分布θ(x)を知ることができ、結局、

を数値的に実行することにより、被測定面からの反射光の傾斜分布を積分演算することにより被測定面２１の表面形状が得られる。

上記求められた被測定面２１の表面形状は、副走査方向Ｄｓのあるｙ値における表面形状であるので、測定物２０を移動ステージ３００により移動させながら測定することにより、測定物２０の全範囲において被測定面２１の表面形状を求めることができる。

（実施例１）
レーザ光源１０として、緑色レーザ（５３２ｎｍ）を用いた。ビーム整形には、ビームエキスパンダを用い、ビーム径１０ｍｍの平行ビームに整形した。第１のポリゴンミラー３０、及び第２のポリゴンミラー１３０には、６面のポリゴンミラーを使用し、２０００ｒｐｍで回転させた。光ビーム１１は、上から見た第１のテレセントリックｆθ光学系４０の中心軸から９０°の角度で第１のポリゴンミラー３０に入射させた。第１のテレセントリックｆθ光学系４０から出射した光ビーム１１は、第１の折り返しミラー５０により、４５°の角度で下方に折り返し、焦点近傍に被測定面２１が来るように、測定物２０を配置し、光ビーム１１は、被測定面２１上で約２０ミクロンに絞られ、主走査方向Ｄｍには９０°で入射し、副走査方向には４５°で入射させた。光ビーム１１は、スキャン幅２００ｍｍを毎秒２００往復、すなわち、２００Ｈｚでスキャンさせた。測定物２０には、直径２００ｍｍのＳｉウェハを使用し、自動ステージで、４ｍｍ／ｓの速度で副走査方向Ｄｓに移動させた。このように光ビーム１１をスキャンさせ、測定物２０を移動させ、直径２００ｍｍのＳｉウェハの全面を５０秒で測定できた。Ｓｉウェハからの直接反射光は、スキャニング光学系を構成する各光学要素をスキャニング光学系を通る時とは逆の順序で辿っていく。すなわち、最初に第２の折り返しミラー１５０で第２のテレセントリックｆθ光学系１４０の方向に折り曲げられ、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０を通り、概略平行ビームとなって、第２のポリゴンミラー１３０により、スキャニング光学系のレーザ光源１０と共役な位置に配置されたＰＳＤ２００に導く。被測定面２１の主走査方向Ｄｍに対する傾斜角が発生すると、ＰＳＤ２００上で、光ビームスポット１３が主走査方向に振れ、振れ量を検出することにより、傾斜角が計算できる。第２のポリゴンミラー１３０は、スキャニング光学系と検出光学系では、逆向きに回転し、しかも、回転位置が、同じ位置になるように同期して回転させる。その結果、直径２００ｍｍのＳｉウェハの全面を５０秒で測定できた。以下に、主要な仕様を列挙する。
レーザ波長 ５３２ｎｍ
レーザ光源出射パワー ２０ｍＷ
スキャニング ポリゴンミラー ミラー面数：６枚 回転速度：２０００ｒｐｍ、スキャニング角度：２８°、入射ビーム径：１０ｍｍ
テレセントリックｆθ光学系 レンズ構成：５枚の球面レンズ、焦点距離ｆ：２８７ｍｍ、ビーム径：２０μｍ
校正 ミラー面への照射ビームのＣＣＤカメラによる観察
測定物 Ｓｉウェハ（直径２００ｍｍ）
信号の評価 オシロスコープにより、ＰＳＤ上でのスポットの偏向を観察

（本発明の第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置１は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１において、偏向手段であるポリゴンミラーをガルバノミラーとして構成するものであり、その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の全体斜視図である。また、図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る形状測定装置の上平面図であり、図５（ｂ）は、正面図である。すなわち、第１の実施の形態において、第１のポリゴンミラー３０を第１のガルバノミラー３５とし、第２のポリゴンミラー１３０を第２のガルバノミラー１３５としたものである。以下、第１の実施の形態と重複する説明は省略する。

（第１のガルバノミラー３５）
第１のビーム偏向手段としては、ポリゴンミラースキャナ、一定角度でミラーを往復運動させるガルバノミラースキャナ、レゾナントスキャナ、ＭＥＭＳミラー等が挙げられるが、本実施の形態では、所定の角度範囲を往復回転運動する第１のガルバノミラー３５を使用する。第１のガルバノミラー３５は、例えば、片面ミラーを使用し、モータ等の回転アクチュエータにより角度範囲（±Φ）を所定の周期で往復運動する。

（第２のガルバノミラー１３５、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第２の折り返しミラー１５０）
図４、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、第２のガルバノミラー１３５、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、及び第２の折り返しミラー１５０は、副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓで規定される面Ｍｓに対して、それぞれ、第１のガルバノミラー３５、第１のテレセントリックｆθ光学系４０、及び第１の折り返しミラー５０に対称な位置に配置されている。

すなわち、本実施の形態では、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０とビーム検出手段であるＰＳＤ２００との間に第１のガルバノミラー３５と等価な第２のガルバノミラー１３５を配置し、第２のガルバノミラー１３５の反射点Ｐ２は第１のガルバノミラー３５の反射点Ｐ１と共役な位置とされている。

ここで、第２のガルバノミラー１３５、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第２の折り返しミラー１５０は、それぞれ、第１のガルバノミラー３５、第１のテレセントリックｆθ光学系４０、及び第１の折り返しミラー５０と、形状仕様、光学的仕様等が等価（同等）なものである。本実施の形態では、第２のガルバノミラー１３５、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第２の折り返しミラー１５０は、それぞれ、第１のガルバノミラー３５、第１のテレセントリックｆθ光学系４０、及び第１の折り返しミラー５０と同じものを、それぞれ、副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓで規定される面Ｍｓに対して対称な配置にして使用している。

なお、第２のガルバノミラー１３５の回転方向も副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓで規定される面Ｍｓに対して対称とされるので、第２のガルバノミラー１３５の回転は第１のガルバノミラー３５と逆位相の回転とされる。

（実施例２）
実施例２において、ポリゴンミラーに代わり、ガルバノミラーを使用した。ポリゴンミラーの場合は、ミラーが一方向に絶え間なく連続して回転するために、スキャンが絶え間なく起こり、ステージを連続的に移動しても、データの取得も連続的に取得できる。ガルバノミラーの場合は、往復運動するために、スキャンが線形でなくなる領域がある。線形である領域のみをスキャンとして採用するために、あらかじめ、往復運動のどの時間帯を測定に使用するかを決めておく。ガルバノミラースキャナには、ファンクションジェネレータから１００Ｈｚの三角波が入力され、それに応じて、ガルバノミラーが往復運動する。一方、スキャニングが非線形の時間帯に、ステージを２０μｍ移動させ、移動が終了した時点から線形なスキャニングの時間帯になるようにタイミングを調整する。したがって、１００Ｈｚの三角波入力に対して、２００スキャン／ｓでスキャンした。その結果、直径２００ｍｍのウェハを５０秒間で検査することができた。ガルバノミラースキャナのポリゴンミラーに対する利点は、ミラーが一面しかないので、ミラー面が多数あるポリゴンミラーにみられるような面倒れの影響がなく、副走査方向の測定点のばらつきがなくなるメリットがある。

（本発明の第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置１は、第１の実施の形態に係る形状測定装置１において、第２のポリゴンミラー１３０を省略した構成としている。なお、第２の実施の形態に係る形状測定装置１における第２のガルバノミラー１３５を省略した構成とすることもできる。

図６は、本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の全体斜視図である。図７（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る形状測定装置の上平面図であり、図７（ｂ）は、正面図である。第３の実施の形態に係る形状測定装置１は、第１の実施の形態のレーザ光源１０から第２のテレセントリックｆθ光学系１４０までの構成は同様であるので、異なる構成について以下に説明し、重複する説明は省略する。

第３の実施の形態では、図６、図７（ａ）に示すように、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０とＰＳＤ２００との間に集光手段としての集光レンズ１８０を配置している。第２のテレセントリックｆθ光学系１４０の像側の開口数と集光レンズ１８０の物側の開口数が等しくなるように集光レンズ１８０が配置されている。このような配置とすると、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０から点Ｐ２に入射する光ビームは、すべて集光レンズ１８０に入射し、光軸上においてＰＳＤ２００の検出面に集光させることができる。

集光レンズ１８０の物体側（第２のテレセントリックｆθ光学系１４０側）の開口数Ｎ.Ａ.は、走査角（±Φ）から、Ｎ.Ａ.＝ｓｉｎΦである。例えば、集光レンズ１８０の像側の開口数も同じ開口数とする。これにより、集光レンズ１８０の系の倍率は１となる。

集光レンズ１８０の焦点距離をＦとすると、図７（ａ）に示すように、第１のポリゴンミラー３０の反射点Ｐ１と共役な点Ｐ２が、集光レンズ１８０の物側の２Ｆ点、ＰＳＤ２００の検出面が像側の２Ｆ点となるように配置する。

なお、上記示した第１のポリゴンミラー３０の反射点Ｐ１と共役な点Ｐ２が、集光レンズ１８０の物側の２Ｆ点となる配置は、配置の一例であるが、ＰＳＤ２００の検出面で光ビームが集光されるためには、点Ｐ２が、集光レンズ１８０の物側のＦ点よりも大きくなる配置とされる必要がある。

（実施例３）
レーザ波長 ５３２ｎｍ
レーザ光源出射パワー ２０ｍＷ
スキャニング ポリゴンミラー ミラー面数：６枚 回転速度：２０００ｒｐｍ、スキャニング角度：２８°、入射ビーム径：１０ｍｍ
テレセントリックｆθ光学系 レンズ構成：５枚の球面レンズ、焦点距離ｆ：２８７ｍｍ、ビーム径：２０μｍ
集光レンズ１８０のＮ.Ａ.＝ｓｉｎ（２８°）＝０．４７
集光レンズ１８０の焦点距離Ｆ：２０ｍｍ

（本発明の第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置１は、第１から第３の実施の形態に係る形状測定装置１において、第１の折り返しミラー５０及び第２の折り返しミラー１５０を省略した構成である。

図８は、本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置の正面図である。本発明の第４の実施の形態に係る形状測定装置１は、レーザ光源１０から第１のテレセントリックｆθ光学系１４０までをベース４１０に載置し、ベース４００に載置された移動ステージ３００上の測定物２０に入射角φで光ビーム１１を照射させる。一方、第２のテレセントリックｆθ光学系１４０からＰＳＤ２００までをベース４２０に載置し、第１から第３の実施の形態と同様に、副走査方向Ｄｓの方向ベクトルＮｓで規定される面Ｍｓに対して、ベース４２０上の第２のテレセントリックｆθ光学系１４０、第２のポリゴンミラー１３０等が対称な位置に配置される。これにより、第１の折り返しミラー５０及び第２の折り返しミラー１５０を省略することが可能となる。

（本発明の第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置１は、被測定面２１の反射光側に、被測定面２１の裏面２２で反射した光ビーム１４の透過を阻害する遮蔽手段として、少なくともレーザ光源１０のレーザ波長の透過率が小さい遮光板１７０を有して構成されている。

図９（ａ）は、本発明の第５の実施の形態に係る形状測定装置の遮光板の構成配置を示す正面図（部分）であり、図９（ｂ）は、（ａ）の方向に合わせて図示した各光ビーム１１、１４の光強度のガウシアン分布Ｉ_１１、Ｉ_１４と遮光板との位置関係を示す図である。なお、図示しない構成は、第１から第４の実施の形態に係る形状測定装置１と同様であるので、図示及び説明を省略する。

測定物として、例えばＳｉＣのような透明体を測定する場合は、図９（ａ）に示すように、被測定面２１上での光ビーム１１の反射以外に、裏面２２での反射光が光ビーム１４として第２の折り返しミラー１５０へ向かって反射される。したがって、透明体を測定する場合は、裏面反射光による影響が生じることになる。

図９（ｂ）に示すように、被測定面２１上で反射した光ビーム１１と、裏面２２で反射した光ビーム１４は、光強度のガウシアン分布において一部が干渉する。本実施の形態では、例えば、光ビーム１４の光強度分布が１／ｅ^２より大きい領域を遮光板１７０でカットするようにする。これにより、光ビーム１４の光強度分布Ｉ_１４の１／ｅ^２より大きい領域の戻り光がＰＳＤ２００に入射しない構成とすることができる。したがって、例えばＳｉＣのような透明体を測定する場合でも、裏面反射光による影響を受けずに、または、影響を軽減して、被測定面２１の形状測定を行なうことができる。

図９（ｂ）に示す遮光板１７０の端面１７１が、光ビーム１４の光強度分布Ｉ_１４の例えば１／ｅ^２の位置にくるように遮光板１７０の位置を調節する。遮光板１７０による遮光量は、上記のものには限られず、ガウシアン分布の半値（５０％）等任意に設定することが可能である。

（本発明の実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、次のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態に係る形状測定装置は、テレセントリックｆθ光学系を使用しているので、被測定面２１に対して、主走査方向Ｄｍに常に垂直に光ビーム１１が照射される。これにより、第１の折り返しミラー５０以降の光学系を対称な位置に配置する構成とすることができる。
（２）被測定面２１に照射される光ビーム１１は、被測定面２１の法線方向Ｄｎに対して傾斜して照射される。これにより、例えばＳｉＣのような透明体を測定する場合でも、裏面反射光による影響を軽減して、被測定面２１の形状測定を行なうことができる。また、遮光板１７０により、裏面２２で反射した光ビーム１４の一部を容易にカットすることができ、これにより、裏面反射光による影響を受けずに、または、影響を軽減して、被測定面２１の形状測定を行なうことができる。
（３）本発明の実施の形態に係る形状測定装置は、主走査方向Ｄｍに光ビーム１１を走査させながら、この光ビーム１１と測定物２０とを副走査方向Ｄｓに相対移動させる構成とされているので、被測定面２１をインライン、高速、非接触で形状測定を行なうことができる。また、主走査方向Ｄｍのスキャン幅を増加させることで、大口径化の要求に対応することができる。

以上、本発明に好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々の変形、応用が可能である。

１…形状測定装置
１０…レーザ光源
１１、１２…光ビーム
１３…光ビームスポット
１５…コリメートレンズ
２０…測定物
２１…被測定面
３０…第１のポリゴンミラー
３５…第１のガルバノミラー
４０…第１のテレセントリックｆθ光学系
４１…ビーム位置センサ
５０…第１の折り返しミラー
１３０…第２のポリゴンミラー
１３５…第２のガルバノミラー
１４０…第２のテレセントリックｆθ光学系
１４１…ビーム位置センサ
１５０…第２の折り返しミラー
１７０…遮光板
１８０…集光レンズ
１９０…集光レンズ
２００…ＰＳＤ
３００…移動ステージ
４００…ベース

Claims (5)

1. 光源から光ビームを測定物の被測定面に照射しながら前記光ビームを前記被測定面上で主走査方向に走査すると共に、前記主走査方向及び前記被測定面の法線方向に直交する副走査方向に前記光ビームと前記測定物とを相対移動させて、前記被測定面からの反射光の傾斜分布を積分演算することにより前記被測定面の表面形状を求める形状測定装置であって、
   前記光ビームを前記主走査方向に偏向する第１のビーム偏向手段と、
   前記第１のビーム偏向手段で偏向された光ビームが一方側から入射され、偏向された前記光ビームが他方側から被測定面に向かって照射される第１のテレセントリックｆθ光学系と、
   前記副走査方向の方向ベクトルで規定される面に対して、前記第１のテレセントリックｆθ光学系に対称な位置に配置される前記第１のテレセントリックｆθ光学系と等価な第２のテレセントリックｆθ光学系と、
   前記被測定面で反射された前記光ビームのスポット位置を検出するビーム検出手段と、を有し、
   前記被測定面に照射される前記光ビームは、前記被測定面の法線に対して傾斜して照射されることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記第２のテレセントリックｆθ光学系と前記ビーム検出手段との間に前記第１のビーム偏向手段と等価な第２のビーム偏向手段を配置し、前記第２のビーム偏向手段の反射点は前記第１のビーム偏向手段の反射点と共役な位置とされていることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記第２のテレセントリックｆθ光学系と前記ビーム検出手段との間に集光手段を配置し、前記第２のテレセントリックｆθ光学系の像側の開口数と前記集光手段の物側の開口数が等しくなるように前記集光手段が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記第１のビーム偏向手段、及び前記第２のビーム偏向手段は、ポリゴンミラー又はガルバノミラーであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
5. 前記被測定面の反射光側に、前記被測定面の裏面で反射した光ビームの透過を阻害する遮蔽手段を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の形状測定装置。

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