JPH116722A - 面状態測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定対象面が連続しているときは勿論のこ
と、測定対象面が不連続であっても、その高さや傾き具
合を精度よく測定することができる面状態測定装置を提
供すること。 【解決手段】 測定対象物体２の表面にレーザ光４を二
次元的に走査しながら所定の角度で照射し、そのとき前
記表面において生ずる反射光９を径が小さくなるように
収束した後、二つの光路１４，１５に分岐し、一方の光
路１４に前記反射光９の入射位置を検出するディテクタ
１６を設け、他方の光路１５にｆθレンズ１７およびこ
のｆθレンズ１７の焦点位置に検出面を有するディテク
タ１８を設け、これら両ディテクタ１６，１８の出力に
基づいて前記表面における状態を測定するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、各種物体の表面
における高さや傾き具合を測定する面状態測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えばウェーハを製造する場合、ウェー
ハを吸着保持するためのウェーハチャック盤としては、
ウェーハとの接触面積を可及的に少なくするため、図４
に示すように、基台４１の上面に同じ高さの突起４２を
同心状に形成したものが用いられる。この場合、ウェー
ハを反りや歪みを生ずることなく吸着保持するため、ウ
ェーハと接触する突起４２の上端面は、可及的に同一平
面に含まれることが要求される。そのため、このような
表面に凹凸があるウェーハチャック盤４１の加工精度を
測定する必要がある。

【０００３】従来、前記凹凸が表面に形成されている部
分の加工精度を測定する方法としては、探針を用いた接
触法や、顕微鏡の焦点検出を応用した手法がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記い
ずれの手法においても、測定対象面が広くなると、測定
用プローブまたは測定対象物体のいずれかを移動しなが
ら測定しなければならず、その結果、前記移動を行わせ
るための機構が必要になり、その機構の加工精度や組立
精度が前記測定精度に重大な影響を及ぼすこととなる。

【０００５】これに対して、干渉やモアレ縞など平面測
定に用いられる手法を適用することが考えられるが、測
定対象が図４に示したような不連続なものである場合、
互いに離間した面相互における高さの相対的関係を検知
することができないといった問題がある。

【０００６】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、測定対象面が連続しているとき
は勿論のこと、測定対象面が不連続であっても、その高
さや傾き具合を精度よく測定することができる面状態測
定装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の面状態測定装置は、測定対象物体の表面
にレーザ光を二次元的に走査しながら所定の角度で照射
し、そのとき前記表面において生ずる反射光を径が小さ
くなるように収束した後、二つの光路に分岐し、一方の
光路に前記反射光の入射位置を検出するディテクタを設
け、他方の光路にｆθレンズおよびこのｆθレンズの焦
点位置に検出面を有するディテクタを設け、これら両デ
ィテクタの出力に基づいて前記表面における形状を測定
するようにしている。

【０００８】上記構成の面状態測定装置においては、一
方のディテクタによって反射光の位置および傾きに関す
る情報が得られ、他方のディテクタによって反射光の傾
きに関する情報が得られる。したがって、これらの情報
から反射面の高さ位置および傾きが判るので、測定対象
面の高さおよび傾き、すなわち、測定対象面における形
状など面状態を測定することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。図１〜図３は、この発明の一つの実施
の形態を示すものである。そして、図１は、この発明の
面状態測定装置の構成を概略的に示すもので、この図１
において、１は測定対象物体（以下、サンプルという）
２を載置する載置台である。３はサンプル２の上面にレ
ーザ光４を照射する光照射部で、レーザ光源５、レーザ
光４をサンプル２に対してその二次元方向に所定の入射
角で走査するための二次元走査ミラー６、走査されたレ
ーザ光４を平行光としてサンプル２に照射するためのレ
ンズ７とからなる。

【００１０】なお、二次元走査ミラー６としては、１つ
のミラーを二次元的に振動させるようにしてあってもよ
く、また、２つのガルバノミラーを組み合わせたものを
それぞれ一次元的に振動させるようにしてあってもよ
い。

【００１１】８は前記光照射部３によってサンプル２に
照射されたレーザ光４がサンプル２の表面において反射
した光９を集光するところの光縮小光学系で、サンプル
２の表面において反射した光９をその径を縮小して平行
光１０にするレンズ１１と、この縮小された平行光１０
を平行な状態で後段に通過させるレンズ１２とからな
る。

【００１２】１３は前記光縮小光学系８の後段に設けら
れる例えばハーフミラーよりなるビームスプリッタで、
光縮小光学系８からの縮小平行光１０を二つに光路１
４，１５に分岐させるものである。そして、一方の光路
（第１光路）１４には、縮小された平行光１０の位置を
検出するための第１ディテクタ１６が設けられている。
また、他方の光路（第２光路）１５には、ｆθレンズ１
７とこのｆθレンズ１７の焦点位置に検出面を有する第
２ディテクタ１８が設けられている。

【００１３】前記第１ディテクタ１６および第２ディテ
クタ１８は、いずれも例えばＣＣＤを二次元的に配置し
た二次元ディテクタアレイよりなり、第１ディテクタ１
６には、反射面の位置およびその傾きの影響を受けた光
が入射する。

【００１４】また、ｆθレンズ１７は、図２に示すよう
に、入射する光１９〜２１は焦点ｆに等しい距離におい
て光軸２３に対して垂直な面２４上に結像させる性質を
有するとともに、光軸２３に対して平行な光１９，２０
は光軸２３と面２４の交点２５に結像するが、光軸２３
に対して平行ではない光２１，２２は前記点２５から距
離ｈだけ離れた面上の点２６に結像するといった性質を
有している。このとき、光軸と光２１，２２のなす角度
θと、焦点距離ｆと前記距離ｈとの間には、 ｈ＝ｆθ という関係が成り立つ。

【００１５】したがって、第２ディテクタ１８によれ
ば、焦点距離ｆが予め既知であるので、距離ｈが判れ
ば、反射面の傾き（あるいは高さ位置）を求めることが
できる。

【００１６】再び図１において、２７は例えばパソコン
などの演算装置で、第１ディテクタ１６および第２ディ
テクタ１８の出力に基づいて演算を行い、サンプル２の
表面の形状を判別するもので、この演算装置２７には、
二次元走査ミラー６に対する走査信号が入力され、前記
両ディテクタ１６，１８の出力信号と関連づけるように
構成されている。

【００１７】次に、上記構成の動作について、図３をも
参照しながら説明する。レーザ光源５からのレーザ光４
を二次元走査ミラー６を用いて所定の入射角で、かつ、
サンプル２の表面を所定の間隔で二次元的に走査しなが
ら照射する。この走査間隔は、要求される測定データの
密度によって適宜設定される。

【００１８】前記サンプル２の表面で反射した光９は、
光縮小光学系８で所定の径となるように縮小され、この
縮小された光１０は、ビームスプリッタ１３で二つの光
路１４，１５に分岐され、第１光路１４を進む光は第１
ディテクタ１６に入射し、第２光路を進む光はｆθレン
ズ１７を経て第２ディテクタ１８に入射する。

【００１９】そして、第２ディテクタ１８から得られる
情報は、既に説明したように、ｆθレンズ１７との光学
的関係から、サンプル２における反射光９の傾きであ
る。一方、第１ディテクタ１６から得られる情報は、前
記反射光９の位置も含んでいる。したがって、前記両デ
ィテクタ１６，１８からの情報に基づいて演算すること
により、反射光９の反射点位置が一義的に定められる。
すなわち、第１ディテクタ１６上の入射点（光点）が同
じであっても、光の傾きが異なれば、反射点の位置また
は傾きが異なる。逆に、反射光の傾きと位置が判れば、
反射面の位置と傾きが判る。これを図３を参照しながら
説明する。

【００２０】図３は、第１ディテクタ１６に入射する反
射光を模式的に表すもので、この図３において、ある平
行光３０が反射点３１において反射した平行光３２が第
１ディテクタ１６上の点３３に入射したとする。このと
き、同じ点３３に入射した光であっても、光軸２３と平
行でなくある角度θで入射した光は、前記反射点３１に
おいて反射したのではなく、前記平行光３２と点３３に
おいて角度θをなす線３４と前記光３０を直線的に延長
して交わった点３５において反射したものである。

【００２１】そして、平行光３０が反射点３１において
反射しても、その反射点３１が仮想線３１で示すように
傾いていた場合には、第１ディテクタ１６において前記
点３３と異なる位置に入射する。

【００２２】このように、第２ディテクタ１８から得ら
れるサンプル２における反射光９の傾きと、第１ディテ
クタ１６から得られ反射光９の位置とによって反射光９
の反射点の位置およびその反射点の傾きが判る。したが
って、サンプル２に対してレーザ光４を走査しながら照
射することにより、サンプル２の表面における高さ位置
および傾き（図１において、サンプル２のＸ−Ｘ方向に
おける傾き）が判る。すなわち、レンズ７を通して走査
されるレーザ光４が照射されたサンプル２の全面におけ
る高さ状態および傾きを測定することができる。この場
合、両ディテクタ１６，１８で信号を採取した瞬間ごと
に三次元位置を独立して求めることができるので、図４
に示した不連続な面の高さの相対的関係を検知すること
ができる。

【００２３】なお、理想光学系の場合、その測定系が持
つ座標系の中で三次元的な位置を完全に求めることがで
きるが、実際には光学系にはレンズの収差など測定要因
があるため、これらの影響を除去できるように予め補正
しておくことが必要である。

【００２４】ところで、サンプル２の表面に入射するレ
ーザ光４の角度（図１における角度α）が小さいほど二
次元方向での分解能が高くなり、高さ方向における分解
能は低くなる。逆に、前記角度αが大きいと、二次元方
向での分解能が低くなり、高さ方向における分解能は高
くなる。したがって、その検査目的や用途に応じて、サ
ンプル２の表面に入射するレーザ光４の角度αを決定す
る必要がある。

【００２５】上述したように、この発明の面状態測定装
置においては、サンプル２に対して機械的なプローブを
接触させたり、サンプル２を機械的構成によって二次元
的に移動させるのではなく、コヒーレントなレーザ光４
をサンプル２に対して二次元的に照射して、そのとき得
られる反射光の位置と光軸に対する傾きを求め、これら
のデータに基づいてサンプル２の表面の形状を測定する
ものであるから、広い範囲を高精度に測定することがで
きるとともに、不連続な小平面の高さを互いに相対的な
関係をもって測定することができる。

【００２６】したがって、この発明の面状態測定装置
は、二次元的な広がりをもつ面積が比較的大きな平面や
鏡面における平坦度の測定に有用であるとともに、冒頭
に述べたウェーハチャックのように小平面が不連続な状
態で並ぶような物体の表面の測定にも有用である。

【００２７】なお、上述の実施の形態においては、サン
プル２のＸ−Ｘ方向における傾きの検出について説明し
ているが、この発明はこれに限られるものではなく、前
記Ｘ−Ｘ方向と垂直な方向、つまり、サンプル２の紙面
に垂直な方向における傾きについても同様にして検出す
ることができる。

【００２８】また、サンプル２の表面にレーザ光４を二
次元的に走査しながら照射する手法として、上記二次元
走査ミラー６に代えて、液晶シャッタアレイを用いても
よい。すなわち、図１において、レーザ光源５を二次元
走査ミラー６の位置に設け、このレーザ光源５とレンズ
７の間にビームエキスパンダを配置するとともに、レン
ズ７とサンプル２との間に液晶シャッタアレイを配置
し、レーザ光源５からのレーザ光４をサンプル２の大き
さに見合うように二次元的に拡大し、レンズ７で平行光
としたものを、液晶シャッタアレイを適宜開閉制御する
ことにより、サンプル２の表面にレーザ光４を二次元的
に照射するのである。

【００２９】

【発明の効果】この発明の面状態測定装置によれば、測
定対象面が連続しているときは勿論のこと、測定対象面
が不連続であっても、その高さや傾き具合を精度よく測
定することができる。したがって、比較的広い面積の平
面は勿論のこと、表面に小平面が連続的にあるような物
体の表面形状を精度よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の面状態測定装置の構成の一例を概略
的に示す図である。

【図２】前記装置において用いるｆθレンズの働きを説
明するための図である。

【図３】前記装置の測定原理を概略的に説明するための
図である。

【図４】前記装置によって測定されるウェーハチャック
盤の一例を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は縦断面図で
ある。

【符号の説明】

２…測定対象物体、４…レーザ光、９…反射光、１４，
１５…分岐光路、１６，１８…ディテクタ、１７…ｆθ
レンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物体の表面にレーザ光を二次元
   的に走査しながら所定の角度で照射し、そのとき前記表
   面において生ずる反射光を径が小さくなるように収束し
   た後、二つの光路に分岐し、一方の光路に前記反射光の
   入射位置を検出するディテクタを設け、他方の光路にｆ
   θレンズおよびこのｆθレンズの焦点位置に検出面を有
   するディテクタを設け、これら両ディテクタの出力に基
   づいて前記表面における形状を測定するようにしたこと
   を特徴とする面状態測定装置。