JP3700459B2

JP3700459B2 - 触針反射器

Info

Publication number: JP3700459B2
Application number: JP09261099A
Authority: JP
Inventors: 圭司久保; 恵一吉住; 行雄今田; 博之竹内; 宏治半田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000283747A

Description

【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、被測定物の被測定面の変位または形状を測定す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測定光を反射する反射面とを有する応動部と、前記光学式測定装置に支持される側が広く前記応動部側が狭い台形状をなし、かつ中央部分に前記光学式測定装置に支持される側が広く前記応動部側が狭い切り抜き部が設けられている同一形状の２枚の板片を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することにより構成される平行リンク機構とを備える。
〔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２０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Ｌ₁ 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 ＋Ｌ₁ 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Ｌ₀ 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２０、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６２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６６、６６は、左右に間隔をあけて配置された細い帯部６８、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６６、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５６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

Claims

被測定物の被測定面の変位または形状を測定す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測定光を反射する反射面とを有する応動部と、
前記光学式測定装置に支持される側が広く前記応動部側が狭い台形状をなし、かつ中央部分に前記光学式測定装置に支持される側が広く前記応動部側が狭い切り抜き部が設けられている同一形状の２枚の板片を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することにより構成される平行リンク機構とを備える触針反射器。