JP4436665B2 - 測定用プローブ及び形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定面の位置情報を得るための光学式の測定用プローブ及び形状測定方法に関する。

光学式測定装置は、被測定面に対して測定光を照射し、被測定面で反射された測定光を受光することにより、測定光に含まれる被測定面の変位や形状に関する情報を得るものである。測定光を被測定面に直接的に照射すると、被測定面の反射特性や傾斜の影響により、高精度の測定が困難である。そのため、従来、被測定面に追随する機能と測定光を反射する機能とを備えた種々の測定用プローブが提案されている。

例えば、特許文献１には、２枚の平行な板ばねを備えた測定用プローブが記載されている。板ばねはその基端が光学測定装置の本体側に固定され、その先端には、被測定面に接触する接触子が取り付けられている。接触子の背面には、測定光を反射する反射面が設けられている。接触子は板ばねにより被測定面に弾性的に押圧され、被測定面の凹凸や形状変化に追随して変位する。

また、特許文献２に記載の測定用プローブは、鉛直方向に移動可能なエアスライドを備えている。エアスライドの下端に接触子が取り付けられ、その上端が反射面を構成している。エアスライドの重量はばねにより支持されている。
特開２０００−２８３７４７号公報 特開平６−２６５３４０号公報

しかし、これら従来の測定用プローブには以下の問題がある。

第１に、特許文献１に記載のものでは、正確な測定のためには接触子の反射面が測定光に対して垂直であることが不可欠であるが、被測定物の凹凸によって測定用プローブの反射面の角度が微妙に変化するため、測定光が反射面に常に垂直に照射するようにすることが困難である。また、測定用プローブを交換した際に、反射面を測定光に対して垂直に設定することが困難である。

第２に、特許文献２に記載のものでは、前述のエアスライドとその重量を支持するばねとを使用した測定用プローブは、水平方向に配置することができない。
第３に、特許文献１、２に記載されたものでは、ともに、測定用プローブは、被測定面に対して接触子を微少距離だけ移動させる機構を備えていない。そのため、測定開始時には被測定物のエッジに接触子を乗り上げさせることにより被測定面上に接触子を配置させる必要がある。そのため、被測定面が損傷したり、測定方向と垂直方向の力が作用することによって測定用プローブのばねや接触子が破損したりすることがある。

このような従来の測定用プローブにおける問題点を解決するために、本出願人は、まったく新しい発想の測定用プローブを、特願２００２−２５１２４４号で提案している。その代表例を図８を用いて説明する。

図８に示す測定用プローブ１０は、円筒状の固定部材２０の内部に、棒状の可動部材２１が収容されている。可動部材２１の先端には、先尖状の接触子２５が取り付けられている。可動部材２１の基端には、測定光Ｌ１を反射するための反射面２７が形成されている。可動部材２１は、空気軸受２２によって、固定部材２０に支持されている。可動部材２１の基端部の外周には磁性体２３が設けられ、固定部材２０の内部には、磁性体２３に磁力を作用させることで可動部材２１をその軸線２８の方向に移動させるための磁力発生部２４が収容されている。

可動部材２１の先端の接触子２５は、この可動部材２１が軸線２８の方向に移動することで、測定対象の被測定面としてのウェハ６の表面６ａに接触されるように構成されている。可動部材２１は、反射面２７への測定光Ｌ１の入射方向と、その軸線２８の方向とが一致するように、固定部材２０の内部に配置されている。

空気軸受２２は円筒状であり、その外周部が固定部材２０の内周部に固定されている。空気軸受２２には軸方向に貫通する断面円形の挿通孔２２ａが設けられ、この挿通孔２２ａに可動部材２１が挿通されている。挿通孔２２ａの孔壁と可動部材２１の外周面との間には、隙間２９が形成されている。空気軸受２２には、挿通孔２２ａの孔壁で開口する複数の吸気口２２ｂ及び複数の排気口２２ｃが形成されている。空気供給源３０から所定圧力の空気が吸気口２２ｂを介して隙間２９に供給されるとともに、排気口２２ｃを介して隙間２９から空気が排出される。この空気流により隙間２９は可動部材２１を支持する空気軸受として機能する。空気軸受２２は可動部材２１を非接触の状態で支持するので、可動部材２１は、上述のようにその軸線２８の方向に移動可能であるが、その他の方向には正常時には移動しない。

磁力発生部２４は、固定部材２０の内周に固定されるとともに、可動部材２１の軸線２８の方向に並ぶように配置された２個のコイル３２Ａ、３２Ｂを備えている。コイル３２Ａ、３２Ｂは、可動部材２１に固定された磁性体２３の周囲を取り囲んでいる。各コイル３２Ａ、３２Ｂには、マイクロコンピュータ３４とＤ／Ａコンバータ３５とアンプ３６とを備えた電流供給装置３７から、電流が供給される。コイル３２Ａ、３２Ｂに通電すると、磁性体２３に、可動部材２１をその軸線２８の方向に移動させる力が発生する。コイル３２Ａ、３２Ｂは磁気回路を構成するためのヨーク３８の内部に収容されている。このため、コイル３２Ａ、３２Ｂで生じる磁力を効率よく磁性体２３に作用させることができる。

本発明は、この新しい発想の測定用プローブを具現化し、被測定面に対する追随性を向上するとともに、被測定面の凹凸に対する反射面の傾きを無くして測定精度を向上させることと、測定用プローブの水平配置を可能とすることを課題とする。また、本発明は、被測定物や接触子に損傷を与えることなく被測定物を交換できるようにすることを課題とする。

上記課題を解決するために第１の本発明は、被測定面の位置情報を得る測定用プローブが、
磁性材料からなる円筒状の固定部材と、
前記固定部材に挿入され、被測定面に接触する接触子を先端に備え、測定光を反射する反射面が基端に形成された非磁性材料からなる棒状の可動部材と、
前記可動部材の基端側に外ばめ固定された円筒状の磁性体と、
前記固定部材の先端部に設けられて内径が前記磁性体の外径より小さく、前記可動部材を軸線方向に移動可能に支持する軸受と、
前記固定部材の前記磁性体と対向する位置に内ばめ固定され前記磁性体に作用して前記接触子を被測定面に接触させる方向に前記可動部材を移動させる力を発生させる第１のコイルと、
前記固定部材に前記第１のコイルと隣接させて内ばめ固定され前記磁性体に作用して前記接触子を被測定面から引離す方向に前記可動部材を移動させる力を発生させる第２のコイルと、
前記磁性体の先端側延長線上の前記軸受の基端側端面に配置された非磁性材料からなる円環状の第１のスペーサと、
前記磁性体の基端側延長線上の前記固定部材の基端側内壁に配置された非磁性材料からなる円環状の第２のスペーサとを有し、前記第１のコイルは、前記可動部材の先端側での巻き数が前記可動部材の基端側での巻き数より少なくなっているものである。

このような構成であると、軸受と固定部材を磁気回路の一部としているので、磁力発生部で発生した磁力は効率の良い最短の磁気回路で磁性体に作用することができ、このため、磁力発生部のたとえばコイルの巻き数を少なくかつ電流量も小さくできる。また、固定部材は放熱部材となり、磁力発生部で発生した熱を広い面積で放散できるので、温度上昇を低く抑えることができ、熱収縮の少ない安定した測定ができる。また、固定部材の内部に熱がこもることが少ないので、温度が一定になるまでの時間が短くなり、電源を入れてから測定するまでの時間が短くなる。さらに、固定部材を磁性材料で構成したために、この固定部材に設けられる磁力発生部において磁気回路を構成する外側のヨーク部を無くすることができ、この点においても測定用プローブの形状を小型化できるとともに部品点数を少なくできて経済的である。

また、軸受及び固定部材の存在にもとづき磁化による吸着や残留磁気による吸引を起こすことを、第１及び第２の非磁性体にて防止できるため、すなわち軸受及び固定部材からの力を遮断できるため、第１及び第２の磁力発生部で発生した磁力のみを磁性体に作用させて可動部材を移動させることができ、したがって安定した制御を行うことができる。

しかも、第１及び第２の非磁性体によって磁性体の可動範囲を規制することができるため、磁性体に作用する力を安定した動作範囲内に収めることができる。

このような構成であると、第１の磁力発生部が可動部材の先端側で磁界強度が弱くなるように構成されているため、後述のように接触子の可動範囲を大きくできるとともに、可動範囲のどの位置においても略均一な測定圧を得ることができ、このため被測定物を傷つけることが無く、急激な凹凸があっても接触子が自由に追随することができる。その結果、接触子の走行速度を早くして測定時間を短くしても、精度の良い測定結果を得ることができる。

第２の本発明は、被測定面の形状を測定するに際し、
磁性材料からなる円筒状の固定部材と、
前記固定部材に挿入され、被測定面に接触する接触子を先端に備え、測定光を反射する反射面が基端に形成された非磁性材料からなる棒状の可動部材と、
前記可動部材の基端側に外ばめ固定された円筒状の磁性体と、
前記固定部材の先端部に設けられて内径が前記磁性体の外径より小さく、前記可動部材を軸線方向に移動可能に支持する軸受と、
前記固定部材の前記磁性体と対向する位置に内ばめ固定され前記磁性体に作用して前記接触子を被測定面に接触させる方向に前記可動部材を移動させる力を発生させる第１のコイルと、
前記固定部材に前記第１のコイルと隣接させて内ばめ固定され前記磁性体に作用して前記接触子を被測定面から引離す方向に前記可動部材を移動させる力を発生させる第２のコイルと、
前記磁性体の先端側延長線上の前記軸受の基端側端面に配置された非磁性材料からなる円環状の第１のスペーサと、
前記磁性体の基端側延長線上の前記固定部材の基端側内壁に配置された非磁性材料からなる円環状の第２のスペーサとを有し、前記第１のコイルは、前記可動部材の先端側での巻き数が前記可動部材の基端側での巻き数より少なくなっている測定用プローブを用い、
前記測定用プローブにおける前記第２のコイルにより前記接触子を被測定面から所定距離だけ引離したときの前記反射面の位置を測定し、
前記測定した反射面の位置が予め設定された位置であることを確認した後に、前記第１のコイルにより前記接触子を被測定面に接触させて被測定面の測定を行うものである。

このようにすると、被測定面の平坦度の測定時などにおいては、被測定面が無い退避位置で反射面の位置を測定してその情報をメモリ部に記憶し、反射面がメモリ部に記憶された位置に存在することを確認した後に、可動部材を測定位置まで移動させて測定を開始することができる。

第１の本発明によれば、可動部材を非磁性材料で構成し、軸受と固定部材を磁性材料で構成しているので、磁性体に作用して可動部材を移動させるために磁力発生部で発生した磁力を、効率の良い磁気回路で磁性体に作用させることができる。また、固定部材が放熱部材となり、磁力発生部で発生した熱を放散しやすくできる。

また、磁性体と軸受との間、及び、磁性体と固定部材との間に、第１及び第２の非磁性体を介在させたので、軸受及び固定部材からの力を遮断し第１及び第２の磁力発生部で発生した磁力のみを磁性体に作用させて可動部材を移動させることができる。

また、第１及び第２の非磁性体によって磁性体の可動範囲を規制することができるため、磁性体に作用する磁力を安定した動作範囲内に収めることができる。

第２の本発明によれば、第１の本発明において、第１の磁力発生部が、可動部材の先端側で磁界強度が弱くなるように構成されているようにしたため、後述のように接触子の可動範囲を大きくできるとともに、どの位置においても略均一な測定圧を得ることができる。

第３の本発明によれば、測定用プローブにおける第２の磁力発生部により接触子を被測定面から所定距離だけ引離したときの反射面の位置を測定し、前記測定した反射面の位置が予め設定された位置であることを確認した後に、第１の磁力発生部により前記接触子を被測定面に接触させて被測定面の測定を行うため、被測定面の平坦度の測定時などにおいては、被測定面が無い退避位置で反射面の位置を測定し、測定した反射面の位置が予め設定された位置であることを確認した後に、可動部材を測定位置まで移動させて測定を開始することができる。したがって、測定をスムーズに進行できるとともに、測定用プロープの接触子や可動部材の側面に測定対象が当たったり、それにより破損が生じたりするというようなことがなくなる。

したがって本発明によると、本発明が具現化しようとしている新しい発想の測定用プローブを具体的に実現することができる。このような測定用プローブは、従来の２枚の平行な板ばねを備えた測定用プローブと比較すると、被測定面に対する追随性が格段に向上するとともにヒステリシスもなく、測定精度を向上することができる。また、被測定面の凹凸に対する反射面の傾きを無くして測定精度を向上させることができる。さらに、水平方向の配置も可能となる。

次に、本発明の実施の形態の測定用プローブを、図面を参照しながら、図８に示したものと同一の部材には同一の参照番号を付して、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る測定用プローブ１０の接触子２５をウェハ６に接触させて測定している状態を示し、図２は同じ測定用プローブ１０の接触子２５をウェハ６から引離した状態すなわち測定装置へのウェハ６の着脱時の状態を示している。図３は図１及び図２に示す測定用プローブの主要部品の構成図、図４は図１〜図３の測定用プローブ１０を備えた光学式測定装置の一例である厚み変動測定装置の斜視図、図５は図４の厚み変動測定装置における参照光と測定光の光路を示す図である。

図４に示すように、厚み変動測定装置１は、架台２の上に、ウェハ保持ステージ３とセンサ移動ステージ４とを備えている。ウェハ保持ステージ３は、ダイレクトドライブモータ５と、環状のスピンドル７とを備える。スピンドル７は、ダイレクトドライブモータ５によって図中のＸＹ軸面内で回転駆動されるとともに、その内周に厚み変動の測定対象としての円盤状のウェハ６を保持する。センサ移動ステージ４は、モータ８によって回転するボールねじ９によりガイドに沿ってＸ軸方向に移動可能であるとともに、ウェハ６の両側に光学式変位計１１、１１をそれぞれ備えている。

図５は、ウェハ６の両側の光学式変位計１１、１１のうちの一方の構造を示している。他方の光学式変位計１１も同様の構造である。
それぞれの光学式変位計１１は、本発明にもとづく測定用プローブ１０と、光発生部１２と、測定光学系１３と、受光部１４と、演算部１５とを備えている。光発生部１２は、周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザを出力するレーザ出力装置を備えることで、参照光Ｌ０と測定光Ｌ１とが混合された出力光Ｌ０＋Ｌ１を測定光学系１３に供給する。

測定光学系１３では、出力光Ｌ０＋Ｌ１は、収束レンズ１３ａで絞り込まれた後、分岐混合部となる偏光ビームスプリッタ１３ｂに供給される。収束レンズ１３ａは、出力光Ｌ０＋Ｌ１を絞り込むことで、ウェハ６の表面６ａに接する測定用プローブ１０の反射面２７に測定光Ｌ１を正確に収束させる。偏光ビームスプリッタ１３ｂでは、測定光Ｌ１はそのまま直進するが参照光Ｌ０は直交方向に反射し、両者が分岐される。この分岐は測定光Ｌ１と参照光Ｌ０の偏光方向の違いによる。

測定光Ｌ１は、λ／４板１３ｃを通過した後、ウェハ６の表面６ａの近傍に位置する測定用プローブ１０に向かう。そして測定光Ｌ１は、測定用プローブ１０の反射面２７で反射されて、再びビームスプリッタ１３ｂへと戻される。一方、偏光ビームスプリッタ１３ｂを出た参照光Ｌ０は、λ／４板１３ｄを通過した後、参照ミラー１３ｅで反射されて再び偏光ビームスプリッタ１３ｂに戻る。偏光ビームスプリッタ１３ｂから参照ミラー１３ｅまでの距離は、偏光ビームスプリッタ１３ｂから測定用プローブ１０までの距離と同じに設定されている。

参照ミラー１３ｅで反射された参照光Ｌ０は偏光ビームスプリッタ１３ｂを直進し、測定用プローブ１０の反射面２７で反射された測定光Ｌ１は偏光ビームスプリッタ１３ｂで反射されて参照光Ｌ０と同方向に進む。その結果、偏光ビームスプリッタ１３ｂからは、参照光Ｌ０と測定光Ｌ１の混合光Ｌ０＋Ｌ１が出力される。測定光Ｌ１の行程が変位構造の測定用プローブ１０の反射面２７までの距離によって変化するのに対して、参照光Ｌ０の行程は一定であるので、偏光ビームスプリッタ１３ｂから出力された混合光Ｌ０＋Ｌ１においては、両方の光の行程差あるいは位相差が生じている。

偏光ビームスプリッタ１３ｂから出力された混合光Ｌ０＋Ｌ１は、複数のミラー１３ｆ、コリメートレンズ１３ｇ、フォーカスレンズ１３ｈを経て、受光部１４に入射する。受光部１４は、光信号を電気信号に変換する。演算部１５は、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、ウェハ６の表面６ａの位置またはその変化を数値情報として得る。メモリ部１６は、演算部１５で演算処理された数値情報の一部を記憶する。

ウェハ６の表面６ａに沿って場所を変えて、上記のような測定を行うことで、ウェハ６の表面位置の変動すなわち変位が求められる。ウェハ６の両面に配置された光学式変位計１１、１１でウェハ６の表面変位をそれぞれ測定する。そしてウェハ６の両面の表面変位を合計したものが、ウェハ６の厚み変動を表す。なお、厚み変動の測定ではウェハ６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。なお、左右の光学式変位計１１、１１の間隔が分かっていれば、両方の光学式変位計１１、１１に対するウェハ６の位置情報からウェハ６の厚みを知ることができる。

図５に示すように、測定用プローブ１０は、光学式変位計１１の測定光Ｌ１の照射方向で被測定面であるウェハ６の表面６ａに近接した位置に設置される。ここでは、測定用プローブ１０は水平方向に配置されている。

図１〜図３を参照して、測定用プローブ１０の構成を説明する。測定用プローブ１０は、光学式変位計１１に固定される固定部材２０と、被測定物としてのウェハ６の表面６ａの凹凸に対応して自由に移動できる棒状の可動部材２１とを有する。固定部材２０は、空気軸受２２と磁力発生部２４とを収納する円筒状のハウジング４０と、蓋４１とを備えて、測定用プローブ１０を光学式変位計１１にビス３９で固定している。

可動部材２１における固定部材２０のハウジング４０から突出した部分の先端には、ウェハ６の表面６ａに接するダイヤモンド等からなる接触子２５が、接着剤などで固着されている。可動部材２１における反対側の基端部の端面には、測定光Ｌ１を反射するために鏡面に磨かれた反射面２７が形成されている。可動部材２１の基端側には、鉄等で作られた円筒形の磁性体２３が外ばめ状態で固定されている。

固定部材２０を構成するハウジング４０において、可動部材２１の先端部に対応する部分には空気軸受２２が内ばめ状態で固定され、可動部材２１の磁性体２３に対応する部分には環状の磁力発生部２４が内ばめ状態で固定されている。さらに磁力発生部２４の内側にはスペーサ４２Ａが圧入されている。

また、ハウジング４０内の空気軸受２２に可動部材２１の先端部が挿入されかつ磁力発生部２４に可動部材２１が挿入された状態で、中心部に磁性体２３の外径よりも小さい穴４３が形成されるとともにこの孔４３に隣接して形成された切欠部４５にスペーサ４２Ｂが圧入された蓋４１が被せられ、この蓋４１がビス４４でハウジング４０に固定されている。この構成によって、製造時の組立が容易であるだけでなく、接触子２５の磨耗時の交換などの維持管理が極めて容易となる。

磁力発生部２４は、非磁性材料で作られた円筒状のケーシング４６と、このケーシング４６の中央部に設けられたヨーク４７によって隔てられた２つのコイル３２Ａ、３２Ｂとを備える。コイル３２Ａは被測定面であるウェハ６の表面６ａに接触子２５を加圧する方向に磁性体２３に磁力を作用させるコイルであり、コイル３２Ｂは被測定面であるウェハ６の表面６ａから接触子２５を引離す方向に磁性体２３に磁力を作用させるコイルである。

３７は電流供給装置で、マイクロコンピュータ３４と、コイル３２Ａに電流を供給する第１の電流供給回路３３Ａと、コイル３２Ｂに電流を供給する第２の電流供給回路３３Ｂとを有する。第１の電流供給回路３３Ａには、Ｄ／Ａコンバータ３５Ａとアンプ３６Ａａと、アンプ３６Ａａよりも弱い電流をコイル３２Ａに供給することができるアンプ３６Ａｂと、これらアンプ３６Ａａ、３６Ａｂを切り換えるための切り換えスイッチ３１とが設けられている。第２の電流供給回路３３Ｂには、Ｄ／Ａコンバータ３５Ｂと、アンプ３６Ｂとが設けられている。

したがって、電流供給装置３７からコイル３２Ａに電流が供給されると、図１に示すように接触子２５がウェハ６の表面６ａに加圧される。逆にコイル３２Ａの電流が止められ、コイル３２Ｂに電流が供給されると、図２に示すように接触子２５がウェハ６の表面６ａから引離され、厚み変動測定装置１（図４）に対しウェハ６を自由に着脱できる。

上記構成の測定用プローブ１０において、可動部材２１はアルミニュウム等の非磁性材料で構成され、空気軸受２２と固定部材２０を構成するハウジング４０及び蓋４１とは磁性材料であるステンレスＳＵＳ４３０などの材料で作られているので、コイル３２Ａで発生する磁力はハウジング４０と空気軸受２２及びヨーク４７とを通る磁気回路で磁性体２３に作用し、コイル３２Ｂで発生する磁界はハウジング４０と蓋４１及びヨーク４７とを通る磁気回路で磁性体２３に作用する。

したがって、磁力発生部２４で発生した磁力は、効率の良い磁気回路で磁性体２３に作用する。また、ハウジング４０と蓋４１は放熱部材となり、コイル３２Ａ、３２Ｂで発生した熱を広い面積で放散するので、温度上昇を低く抑えることができ、熱安定性の良いプローブ１０が得られる。また熱が内部にこもりにくいので、温度が一定になるまでの時間が短くなり、電源を入れてから測定するまでの要待機時間が短くなる。更に部品点数も少なくなり、経済的で小型のプローブ１０とすることができる。

スペーサ４２Ａは軸線２８の方向に沿った磁性体２３と空気軸受２２との間に設けられるものであり、またスペーサ４２Ｂは軸線２８の方向に沿った磁性体２３と蓋４１との間に設けられるものであるが、これらスペーサ４２Ａ、４２Ｂは、樹脂などの非磁性材料で作られている。したがって、磁性体２３と空気軸受２２との２つの磁性材料や、磁性体２３と蓋４１との２つの磁性材料が近接している場合において、磁界が加わったときに生じる磁化による吸着や、残留磁気による吸引を起こすことが無く、磁力発生部２４で発生した磁力のみが磁性体２３に作用し可動部材２１を軸線方向に移動させるので、安定した制御を行うことができる。その結果、コイル３２Ａに電流が供給されている測定状態から、コイル３２Ｂに電流が供給されウェハ６を自由に着脱する状態に急に切り替わったとしても、あるいはその逆の場合でも、可動部材２１がスムーズに移動することができる。

図６は、磁性体２３と磁力発生部２４との関係を示す図であって、図６（Ａ）（Ｂ）はこれら磁性体２３と磁力発生部２４との関係を示す部分断面図、図６（Ｃ）は磁性体２３の位置と可動部材２１に作用する力との関係を示す曲線の図である。詳細には、図６（Ａ）は本発明の実施の形態の構成を示すもので、磁性体２３と磁力発生部２４における軸線２８よりも上部だけを見た部分断面図である。図６（Ｂ）は従来の構成のコイルを用いたものの部分断面図である。

本発明の実施の形態においては、図６（Ａ）に示すように、被測定面６ａに接する接触子２５を加圧するコイル３２Ａは、可動部材２１の基端側よりも先端側で巻き数を少なくし、コイル３２Ａの磁界強度を可動部材２１の先端側で弱くしている。また、コイル３２Ａの導線に電流が流れると、磁界強度は電流に比例し導線からの距離の３乗に反比例するので、コイル３２Ａの内側で巻き数を少なくしている。すなわち、巻き数を少なくした部分では、他の部分と比べ、コイル３２Ａの外径は同じであるが、その内径が大きくなるように構成されている。

被測定面から接触子２５を引離すコイル３２Ｂに電流が供給されると、磁性体２３すなわち可動部材２１は、発生した磁界により吸引され、可動部材２１の基端側に位置され非磁性材料で作られたスペーサ４２Ｂに当たって停止する。このときの磁性体２３における可動部材２１の先端側の位置をａとする。次にコイル３２Ｂの電流が止められ、コイル３２Ａに電流が供給されると、被測定物がない場合には、可動部材２１は先端側へ移動し、その先端側に設けられ非磁性材料で作られたスペーサ４２Ａに磁性体２３が当たって停止する。このときの磁性体２３の先端側の位置をｂとすると、この測定用プローブ１０における可動部材２１の可動範囲はａからｂまでとなる。なお、スペーサ４２Ａ、４２Ｂによって、磁性体２３の可動範囲を、可動部材２１が安定して移動できる範囲に規制している。

ここで、スペーサ４２Ａが無い場合を考えると、可動部材２１は、コイル３２Ａでできる磁力で磁性体２３を最も強く吸引する位置で停止する。このときの磁性体２３の先端側の位置をｃとする。このｃの位置で可動部材２１が停止しているときには、磁性体２３に作用して可動部材２１を軸線２８の方向に移動させる力が０となる。図６（Ｃ）の曲線７０は、このときの磁性体２３の位置と可動部材２１に作用する力との関係を示している。

図６（Ｂ）は、従来の考え方にもとづきコイル３２Ａにおいて導線を均一に巻いたときの構成を示す部分断面図である。この構成において、コイル３２Ａに電流が供給されると、スペーサ４２Ａが無い場合には、可動部材２１は、コイル３２Ａでできる磁力で磁性体２３を最も強く吸引する位置で停止する。このときの磁性体２３の先端側の位置をｄする。図６（Ｃ）の曲線８０は、このときの磁性体２３の位置と可動部材２１に作用する力との関係を示している。

曲線７０と曲線８０とを比較すると、スペーサ４２Ｂに接しているときの磁性体２３の先端部の位置から、可動部材２１に作用する力が０となるときの磁性体２３の先端部の位置までの距離は、曲線７０の方が長くなる。また曲線８０では動き始めると可動部材２１に作用する力が急激に上昇するが、曲線７０では緩やかに上昇している。したがって、コイル３２Ａにおける可動部材２１の基端側よりも先端側で巻き数を少なくし、コイル３２Ａの磁界強度を可動部材２１の先端側で弱くすることにより、可動部材２１の可動範囲すなわち測定可能範囲を大きくすることが出来るとともに、磁性体２３の可動範囲であるａからｃまでのどの範囲においても略均一な測定圧で測定することが出来る。なお、実際の測定では測定圧は完全に均一にする必要は無く、許容範囲内に収まれば十分である。

また、本発明の光学式測定装置においては、コイル３２Ａとコイル３２Ｂのうち、どちらか一方のコイルを常時通電する構成としている。その理由は、以下の通りである。すなわち、測定用プローブ１０は水平に装着されているので、コイル３２Ｂに電流を供給してウェハ６の表面６ａから接触子２５を引離した状態で通電を停止しても、操作上なんら問題はない。しかしながら、通電中にコイル３２Ａ、３２Ｂに流れていた電流により発生していた熱が無くなるので、測定用プローブ１０の温度は低下し、各部材が収縮する。この状態で、次の測定に移行しコイル３２Ａに電流を流すと、この熱により測定用プローブ１０の各部材が膨張する。特にコイル３２Ａの近傍にある可動部材２１の温度が上昇すると、測定中にその長さが伸びるので、伸びた分が測定誤差となる。これに対し、本発明のものでは、上記のようにどちらか一方のコイルを常時通電することで常にほぼ一定の熱が発生しているので、測定中の伸び縮みによる測定誤差が無くなり、精度の良い測定結果が得られる。なお、コイル３２Ａとコイル３２Ｂで発熱する熱は、磁性体２３に作用する関係で略同一となる。

また、本発明の光学式測定装置においては、接触子２５が被測定表面６ａに接触し測定をしている時には、図１の如く切換スイッチ３１はアンプ３６Ａａに接続されその電流がコイル３２Ａに供給される。これに対し、接触子２５を表面６ａに接触させるために、図２の如くコイル３２Ｂに通電している状態から、コイル３２Ａに通電する状態へ切り換えるときには、図２の如く切換スイッチ３１はアンプ３６Ａｂに切り換わり、アンプ３６Ａａから供給されていた場合よりも弱い電流がコイル３２Ａに通電される。

その理由は、次の通りである。測定時の接触子２５の測定圧は、被測定物としてのウェハ６の表面６ａに急激な凹凸があっても常に接触子２５が表面６ａに接触して行くだけの強さであることが必要である。接触子２５の走行速度を早くして測定時間を短くしようとすると、それだけ測定圧を強くする必要がある。一方、接触子２５を表面６ａに接触させる時の加速度が大きいと、接触子２５が表面６ａに接触する時の衝撃により可動部材２１に生じる振動や、コイル３２Ａにより作られた磁力線が可動部材２１の軸線方向に対して必ずしも一様でないために可動部材２１に生じる振動が、空気軸受２２の隙間２９の範囲内ではあるが大きくなり、反射面２７が傾いて、測定光Ｌ１と反射光の光軸がずれ、参照光Ｌ０との干渉強度が瞬間的に消えたり小さくなったりして測定値がリセットされることが起る。測定値がリセットされると、後述のメモリ部１６に記憶された、コイル３２Ｂに通電した時の反射面２７の位置Ａと違った値となって出てくるので、測定ができなくなる。また、加速度が大きいとウェハ６の表面６ａを傷つけることもある。したがって一般的には接触子２５を表面６ａに接触させる時の加速度が小さい方が望ましい。本発明では、コイル３２Ａに電流を供給する電流供給装置３７に電流値の切替スイッチ３１を設け、接触子２５が被測定表面６ａから離されてから再度接触するまでの間の電流値を、測定を行っている間の電流値よりも低くして、それぞれの状況に応じた最適状態に設定して測定できるので、測定値がリセットされることや被測定表面６ａに傷がつくことが無くなる。

さらに、本発明の光学式測定装置においては、コイル３２Ａに通電したときの反射面２７の位置と、コイル３２Ｂに通電したときの反射面２７の位置Ａ（図２）とを測定し記憶するメモリ部１６（図５）を備えている。そして、反射面２７の位置がＡであることを確認した後、被測定表面６ａの測定に移行する構成としている。このため、ウェハ６の平坦度の測定時などでは、ウェハ６の存在しない待避位置で反射面２７の位置を測定し、反射面２７の位置がＡであることを確認した後に、測定用プロープとしての接触子２５を測定位置まで移動させて測定を開始することができる。したがって、測定がスムーズに進行できるとともに、接触子２５の側面にウェハ６が当たって破損するというようなことが無くなる。

本発明の光学式測定装置では、測定の前にまずしなければならないことは、接触子２５の位置がどこにあるかを検出することであるが、その方法としてａ）カメラなどのセンサを装着する方法、ｂ）コイル３２Ａ・３２Ｂに電流を流して推定する方法などが考えられる。ａ）では非常に狭い場所で装着が困難であること、ｂ）では位置の推定ができるが電流を流して確実に可動しているのかわからないなどの欠点がある。これに対し、本発明では測定装置の機能をそのまま使用して反射面２７の位置から接触子の位置を確認するので、安心して次のステップに移行することができる。

図７は、本発明にもとづく測定用プローブ１０を備えた三次元形状測定装置５１を示す。この三次元形状測定装置５１は、下部定石盤５２上にＸテーブル５３及びＹテーブル５４を介して配置された保持台５５を備えている。被測定物であるレンズ５７は下部定石盤５２上に配置されている。保持台５５にはＺ軸移動部５８が取り付けられており、このＺ軸移動部５８に本発明にもとづく測定用プローブ１０が取り付けられている。ここでは測定用プローブ１０は鉛直方向に配置されており、可動部材２１の姿勢は鉛直方向下向きである。光発生部５９で発生したレーザ光は、レンズ等により構成された光学系６０により、参照光として、下部定石盤５２上のＸ参照ミラー６１及びＹ参照ミラー６２と、保持台５５に固定されたＺ参照ミラー６３とに照射される。また、前記レーザ光は、測定光として、測定用プローブ１０の反射面に照射される。

本発明の測定用プローブは、磁性体に作用して可動部材を移動させるために磁力発生部で発生した磁力を、効率の良い磁気回路で磁性体に作用させることができ、このため被測定面の位置情報を得るための光学式の測定用プローブとして有用である。

本発明の実施の形態の測定用プローブの測定時の状態を示す断面図 図１の測定用プローブの非測定時状態を示す断面図 図１及び図２の測定用プローブの主要部の分解斜視図 図１〜図３の測定用プローブを備えた厚み変動測定装置を示す斜視図 図４の厚み変動測定装置における参照光と測定光の光路を示す図 図１〜図３の測定用プローブにおける磁性体と磁力発生部との関係を示す図 図１〜図３の測定用プローブを備えた三次元形状測定装置を示す斜視図 本発明が具現化しようとしている新しい発想の測定用プローブを示す断面図

符号の説明

６ ウェハ
６ａ 表面
１６ メモリ部
２０ 固定部材
２１ 可動部材
２２ 空気軸受
２３ 磁性体
２４ 磁力発生部
２５ 接触子
２７ 反射面
２８ 軸線
３１ 切換スイッチ
３２Ａ コイル
３２Ｂ コイル
３７ 電流供給装置
４０ ハウジング
４１ 蓋
４２Ａ スペーサ
４２Ｂ スペーサ
Ｌ１ 測定光

Claims (2)

1. 磁性材料からなる円筒状の固定部材と、
   前記固定部材に挿入され、被測定面に接触する接触子を先端に備え、測定光を反射する反射面が基端に形成された非磁性材料からなる棒状の可動部材と、
   前記可動部材の基端側に外ばめ固定された円筒状の磁性体と、
   前記固定部材の先端部に設けられて内径が前記磁性体の外径より小さく、前記可動部材を軸線方向に移動可能に支持する軸受と、
   前記固定部材の前記磁性体と対向する位置に内ばめ固定され前記磁性体に作用して前記接触子を被測定面に接触させる方向に前記可動部材を移動させる力を発生させる第１のコイルと、
   前記固定部材に前記第１のコイルと隣接させて内ばめ固定され前記磁性体に作用して前記接触子を被測定面から引離す方向に前記可動部材を移動させる力を発生させる第２のコイルと、
   前記磁性体の先端側延長線上の前記軸受の基端側端面に配置された非磁性材料からなる円環状の第１のスペーサと、
   前記磁性体の基端側延長線上の前記固定部材の基端側内壁に配置された非磁性材料からなる円環状の第２のスペーサとを有し、前記第１のコイルは、前記可動部材の先端側での巻き数が前記可動部材の基端側での巻き数より少なくなっている測定用プローブ。
2. 磁性材料からなる円筒状の固定部材と、
   前記固定部材に挿入され、被測定面に接触する接触子を先端に備え、測定光を反射する反射面が基端に形成された非磁性材料からなる棒状の可動部材と、
   前記可動部材の基端側に外ばめ固定された円筒状の磁性体と、
   前記固定部材の先端部に設けられて内径が前記磁性体の外径より小さく、前記可動部材を軸線方向に移動可能に支持する軸受と、
   前記固定部材の前記磁性体と対向する位置に内ばめ固定され前記磁性体に作用して前記接触子を被測定面に接触させる方向に前記可動部材を移動させる力を発生させる第１のコイルと、
   前記固定部材に前記第１のコイルと隣接させて内ばめ固定され前記磁性体に作用して前記接触子を被測定面から引離す方向に前記可動部材を移動させる力を発生させる第２のコイルと、
   前記磁性体の先端側延長線上の前記軸受の基端側端面に配置された非磁性材料からなる円環状の第１のスペーサと、
   前記磁性体の基端側延長線上の前記固定部材の基端側内壁に配置された非磁性材料からなる円環状の第２のスペーサとを有し、前記第１のコイルは、前記可動部材の先端側での巻き数が前記可動部材の基端側での巻き数より少なくなっている測定用プローブを用い、
   前記測定用プローブにおける前記第２のコイルにより前記接触子を被測定面から所定距離だけ引離したときの前記反射面の位置を測定し、
   前記測定した反射面の位置が予め設定された位置であることを確認した後に、前記第１のコイルにより前記接触子を被測定面に接触させて被測定面の測定を行う形状測定方法。

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