JPS5813842B2 - thickness measuring device - Google Patents

thickness measuring device

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JPS5813842B2
JPS5813842B2 JP2665778A JP2665778A JPS5813842B2 JP S5813842 B2 JPS5813842 B2 JP S5813842B2 JP 2665778 A JP2665778 A JP 2665778A JP 2665778 A JP2665778 A JP 2665778A JP S5813842 B2 JPS5813842 B2 JP S5813842B2
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Japan
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measured
light
thickness
measuring device
coherent light
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JP2665778A
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JPS54119949A (en
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関沢秀和
南正名
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Toshiba Corp
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は厚み測定装置に係り、特に凹凸形状を、有する
物体の微小厚み(凹部の深さあるいは凸部の高さ)を測
定する装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a thickness measuring device, and more particularly to a device for measuring the minute thickness (depth of a concave portion or height of a convex portion) of an object having an uneven shape.

たとえば半導体集積回路を製造する場合において、IC
やLSI用のシリコンウエハー上に形成されるレジスト
パターンのレジスト膜厚あるいは・ウエハー全体のレジ
スト膜厚のむら等をより早く、より精度よく、しかもよ
り簡単に測定したいという要求がある。
For example, when manufacturing semiconductor integrated circuits,
There is a demand for faster, more accurate, and easier measurement of the resist film thickness of a resist pattern formed on a silicon wafer for LSI, or the unevenness of the resist film thickness of the entire wafer.

従来、凹凸形状を有する物体の微小厚みを測定する方法
として次のようなものが知られている。
Conventionally, the following method is known as a method for measuring minute thickness of an object having an uneven shape.

その第1は顕微鏡の焦点調節による方法である。The first method is to adjust the focus of a microscope.

これは、凹凸形状を有する物体を顕微鏡の資料台に搭載
し、オペレータが顕微鏡を覗きながら資料をゆっくり移
動させ、凹部で焦点を合わせたときと凸部で焦点を合わ
せたときの焦点調節量の差によって厚みを測定するもの
である。
In this method, an object with a concave and convex shape is mounted on the microscope's data table, and the operator slowly moves the material while looking through the microscope, and then changes the amount of focus adjustment when focusing on the concave part and when focusing on the convex part. Thickness is measured by the difference.

そしてこの方法は機械加工された表面の凹凸を調べるよ
うな場合に使用されている。
This method is used to examine irregularities on machined surfaces.

第2は凹凸物体に斜め方向からスリットを介して白色光
を照射し、物体からの反射光を顕微鏡で観察して厚みを
測定する方法である。
The second method is to irradiate an uneven object with white light from an oblique direction through a slit, and measure the thickness by observing the reflected light from the object with a microscope.

すなわちこの方法は、第1図aに示すように、白色光源
1よりの白色光をスリット2とレンズ3を介して試料面
4に導びき、その反射光を顕微鏡中のレンズ5、レンズ
6を介してオペレータの目に導びくというものである。
That is, in this method, as shown in FIG. The image is then guided to the operator's eyes.

この方法によると第1図bに示すように、凹凸物体7に
スリットによって切断された光8が照射されることにな
るため、第1図aで示すレンズ5,6を介して見たパタ
ーンは第1図Cの如く凹凸形状に応じたものとなり、距
離lによって厚さを測定することができる。
According to this method, as shown in FIG. 1b, the uneven object 7 is irradiated with light 8 cut by the slit, so that the pattern seen through the lenses 5 and 6 shown in FIG. 1a is As shown in FIG. 1C, the thickness corresponds to the uneven shape, and the thickness can be measured by the distance l.

そしてこの方法はエッチング面の深さ測定、厚膜ICの
ペースト厚み測定等に使用されている。
This method is used for measuring the depth of an etched surface, measuring the thickness of a thick film IC paste, etc.

また第3の方法は干渉縞の移動を利用するものである。The third method utilizes movement of interference fringes.

これは第2図aに示すように、例えばヘリウムネオン(
He −Ne )レーザ光源11から発されるレーザ
光をコリメータ12によって所定の径の平行光にし、そ
れを第1のハーフミラー13、第2のハーフミラー14
を介して一方を凹凸のない標準物体15に導びくととも
に他方を凹凸形状を有する被測定物体16に導びき、こ
れら標準物体15と被測定物体16の双方からの反射光
を再び第2のハーフミラー14を介して戻し、第1のハ
ーフミラー13、レンズ17を介して取り出すようにし
たものである。
For example, helium neon (
A collimator 12 converts the laser light emitted from the laser light source 11 into parallel light with a predetermined diameter, and the collimated light is transmitted to the first half mirror 13 and the second half mirror 14.
The light beams reflected from both the standard object 15 and the object to be measured 16 are guided to the standard object 15 with no unevenness and the other to the object to be measured 16 which has an uneven shape. The light is returned through the mirror 14 and taken out through the first half mirror 13 and lens 17.

そしてレンズ17の焦点面18に標準物体15と被測定
物体16を結像させ、この結像パターンを顕微鏡19に
よって観察するようにされている。
The standard object 15 and the object to be measured 16 are imaged on the focal plane 18 of the lens 17, and this imaged pattern is observed using a microscope 19.

このとき標準物体15もしくは被測定物体16のいずれ
かを光軸に垂直な面20a ,20bからの所定の角度
傾けておく(第2図aは標準物体15が傾げられている
)ことにより、結像面18には干渉による縞模様が現わ
れ、しかも被測定物体16に凹凸があればその凹凸部に
対応した位置の干渉縞が第2図bに示すように移動する
At this time, by tilting either the standard object 15 or the object to be measured 16 at a predetermined angle from the planes 20a, 20b perpendicular to the optical axis (in Figure 2a, the standard object 15 is tilted), the results can be obtained. A fringe pattern due to interference appears on the image plane 18, and if the object to be measured 16 has irregularities, the interference fringes at positions corresponding to the irregularities move as shown in FIG. 2b.

ここでこの移動量dは凹凸物体の厚みに対応しているた
め、オペレータはこの移動量を観察することによって凹
凸の厚みを測定することができる。
Here, since this amount of movement d corresponds to the thickness of the uneven object, the operator can measure the thickness of the unevenness by observing this amount of movement.

しかるに以上に述べた従来技術はいずれも次のような欠
点、問題点を有する。
However, all of the conventional techniques described above have the following drawbacks and problems.

先ず第1の、顕微鏡の焦点調節による方法は、操作は比
較的簡単であるが、オペレータが顕微鏡を覗きながら焦
点合わせをする方法であるため、たとえばICウエハー
あるいはLSIウエハー上に形成されたレジストの測定
のように被測定物体が極めて多い場合は測定のために要
する時間が膨大となり、オペレータの疲労も極めて大き
い。
The first method, which involves adjusting the focus of a microscope, is relatively easy to operate, but since the operator adjusts the focus while looking through the microscope, it is difficult to use, for example, when adjusting the focus of a resist formed on an IC wafer or an LSI wafer. When a large number of objects are to be measured, as in the case of measurement, an enormous amount of time is required for the measurement, and operator fatigue is also extremely high.

さらにこの方法はオペレータによる焦点合わせの量を測
定に利用するものであるため、本質的に十分な精度を要
求することはできず、しかも被測定物体自体が焦点合わ
せに適したものすなわち表面が何がしかのパターンを有
するところの例えば機械加工されたものの測定であって
しかも凹凸の段差(すなわち厚み)が10μmオーダ以
上のものにしか適用できない。
Furthermore, since this method uses the amount of focusing by the operator for measurement, it cannot inherently require sufficient accuracy, and moreover, the measured object itself is not suitable for focusing, that is, what surface it has. This method can only be applied to measurements of, for example, machined items that have a rough pattern, and in which the level difference (i.e., thickness) of the unevenness is on the order of 10 μm or more.

従ってICウエハーやLSIウエハー上のレジストのよ
うに厚さが1μm程度であってしかも凹部も凸部も鏡面
反射するような場合は、精度がとれないだけでなく焦点
合わせすら行うことができない。
Therefore, in the case of a resist on an IC wafer or an LSI wafer, which has a thickness of about 1 μm and both concave and convex portions are specularly reflective, not only accuracy cannot be achieved but also focusing cannot be performed.

また上記第2の方法はスリットを利用して切断光を得る
ものであり、精度を上げるためには切断光をできるだけ
薄くすることが望ましい。
Further, the second method uses a slit to obtain cutting light, and in order to improve accuracy, it is desirable to make the cutting light as thin as possible.

しかるにそのためにスリットを細くすると、測定に必要
なだけの切断光の光量を得ることができなくなる。
However, if the slit is made thinner for this purpose, it becomes impossible to obtain the amount of cutting light necessary for measurement.

このような理由でスリットの幅は制限され、その結果測
定精度も制限されるため、1μm程度の厚みの測定は極
めて困難となる。
For these reasons, the width of the slit is limited, and as a result, the measurement accuracy is also limited, making it extremely difficult to measure a thickness of about 1 μm.

さらに重要なことはこの方法は第1図Cに示したような
パターンを顕微鏡によって観察するものであるため、顕
微鏡の焦点が狂うと測定精度が大きく低下することにな
る。
More importantly, since this method involves observing a pattern like the one shown in FIG. 1C using a microscope, if the microscope is out of focus, the measurement accuracy will be greatly reduced.

従って例えばICウエハーあるいはLSIウエハー上の
レジスト膜厚の測定のように極めて多くの被測定物体を
順次調べていくような場合はこの焦点合わせが大きな問
題となり、測定精度、測定速度の低下を招き、また自動
化に当っても大きな障害となる。
Therefore, when a large number of objects to be measured are sequentially examined, such as when measuring the thickness of a resist film on an IC wafer or an LSI wafer, this focusing becomes a major problem, resulting in a decrease in measurement accuracy and measurement speed. It also poses a major obstacle when it comes to automation.

さらに上記第3の方法においては、上述の如く干渉縞の
間隔Lと移動量dとの比から厚さを測定するものである
ため、オペレータの目視では正確な測定ができず、また
仮にLとdとを光学的に測定しそれを電気信号に変換し
て精度を上げようとすると、そのためのハードウエア構
成が複雑となる。
Furthermore, in the third method, since the thickness is measured from the ratio of the distance L of the interference fringes to the amount of movement d, as described above, accurate measurement cannot be made visually by the operator, and even if L and If we try to improve the accuracy by optically measuring d and converting it into an electrical signal, the hardware configuration for that purpose becomes complicated.

さらにこの方法における重要な問題点は、前記第2の方
法と同様、多くの被測定物体を連続して調べていくうち
に顕微鏡の焦点が狂ってくることである。
Furthermore, an important problem with this method, similar to the second method, is that the microscope loses focus as many objects to be measured are examined successively.

従ってこれを解決するために自動的に焦点調整を行う機
構を設けなげればならず、自動化のために大きな支障と
なる。
Therefore, in order to solve this problem, it is necessary to provide a mechanism for automatically adjusting the focus, which poses a major hindrance to automation.

本発明は上記したような従来技術の有する種々の欠点、
問題点を解決し、例えばICウエハーやLSIウエハー
上のレジストのようにその厚さが1μm程度の凹凸物体
の厚さを、迅速、正確かつ容易に自動測定できる装置を
提供することを目的とする。
The present invention solves various drawbacks of the prior art as described above,
The purpose of the present invention is to solve the problem and provide a device that can quickly, accurately, and easily automatically measure the thickness of an uneven object with a thickness of about 1 μm, such as a resist on an IC wafer or an LSI wafer. .

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第3図a,bは本発明の厚み測定装置の測定原理を説明
するための図であり、これらの図において31は凹凸形
状をした被測定物体、32はハーフミラー、33はフー
リエ変換レンズ、34は光電変換器、35はコヒーレン
ト乎行光を示す。
FIGS. 3a and 3b are diagrams for explaining the measurement principle of the thickness measuring device of the present invention, and in these diagrams, 31 is an object to be measured having an uneven shape, 32 is a half mirror, 33 is a Fourier transform lens, 34 is a photoelectric converter, and 35 is a coherent beam.

そして第3図aはコヒーレント光が被測定物体の凹部に
照射されている場合を示し、第3図bは凹部と凸部に半
々づつ照射されている場合を示す。
FIG. 3a shows a case in which coherent light is irradiated onto a concave portion of an object to be measured, and FIG. 3b shows a case in which coherent light is irradiated half on a concave portion and half on a convex portion.

まず第3図aについて説明する。First, FIG. 3a will be explained.

コヒーレント平行光35はハーフミラー32を介し被測
定物体31の凹部に導かれる。
The coherent parallel light 35 is guided to the concave portion of the object to be measured 31 via the half mirror 32.

被測定物体31の凹部からの反射光はハーフミラー32
、フーリエ変換レンズ33を介して、フーリエ変換レン
ズ33の焦点面に置かれた光電変換器34に導れる。
The reflected light from the concave portion of the object to be measured 31 is reflected by the half mirror 32.
, through a Fourier transform lens 33 to a photoelectric converter 34 placed at the focal plane of the Fourier transform lens 33.

ここで光電変換器34の受光部は光軸上に配置されてお
り、フーリエ変換レンズ33によってフーリエ変換され
た光のうち00次光成分を受光するようにされている。
Here, the light receiving section of the photoelectric converter 34 is arranged on the optical axis, and is adapted to receive the 00th order light component of the light Fourier transformed by the Fourier transform lens 33.

従って光電変換器34はフーリエ変換光の0次光成分の
強度に応じた電信信号を出力することになり、しかも第
3図aの場合は光電変換器34の受光部に全光量が同位
相で集まるので、強度は最大となる。
Therefore, the photoelectric converter 34 outputs a telegraph signal corresponding to the intensity of the zero-order light component of the Fourier transformed light, and in the case of FIG. As they gather together, the strength is maximum.

次に被測定物体31が矢印36の方向に移動し第3図b
に示すような位置に来たとする。
Next, the object to be measured 31 moves in the direction of the arrow 36, and as shown in FIG.
Suppose you come to the position shown in .

この場合はコヒーレント平行光35はハーフミラー32
を介して被測定物体31の凹部と凸部に半分づつ照射さ
れる。
In this case, the coherent parallel light 35 is transmitted to the half mirror 32.
Half of the light is irradiated onto the concave portion and half of the convex portion of the object 31 to be measured.

そしてこのように凹部と凸部の両方にかかるときは凹部
における反射光と凸部における反射光とは同位相となら
ず厚さhに依存した分だけ位相がずれることになる。
In this way, when the light is applied to both the concave portion and the convex portion, the reflected light from the concave portion and the reflected light from the convex portion do not have the same phase, but are out of phase by an amount that depends on the thickness h.

従って光軸上に配置されている光電変換器34が受光す
る0次光成分が減少するため、光電変換器34の出力は
小さくなる。
Therefore, since the zero-order light component received by the photoelectric converter 34 disposed on the optical axis decreases, the output of the photoelectric converter 34 becomes smaller.

しかも第3図bに示すようにコヒーレント光によって照
明されている凹部と凸部の面積が等しくなったとき、0
次光の光強度が最小となる図示はしないが、被測定物体
31がさらに移動しコヒーレント光の全てが被測定物体
31の凸部に照射されるようになると、再び受光量が同
位相で光軸上に集まるようになるので、光電変換器34
に入射する0次光の光量は最大となる。
Moreover, as shown in Figure 3b, when the areas of the concave and convex parts illuminated by coherent light become equal, 0
Although not shown in the figure in which the light intensity of the secondary light reaches its minimum, when the object to be measured 31 moves further and all of the coherent light is irradiated onto the convex portion of the object to be measured 31, the amount of received light becomes the same phase again. Since they come together on the axis, the photoelectric converter 34
The amount of zero-order light incident on is maximum.

このような被測定物体31の移動に伴う光電変換器34
の出力変化の様子を第4図に示す。
The photoelectric converter 34 accompanies the movement of the object 31 to be measured.
Figure 4 shows how the output changes.

第4図において横軸は移動量(ICあるいはLSIウエ
ハー上のレジストを被測定物体としたいときはウエハー
を搭載したステージの移動量に相当する:縦軸は光電変
換器34の出力信号レベルを示し、Imaxは出力信号
の最大値、Iminは最小値を表わす。
In FIG. 4, the horizontal axis represents the amount of movement (if a resist on an IC or LSI wafer is to be measured, it corresponds to the amount of movement of the stage on which the wafer is mounted; the vertical axis represents the output signal level of the photoelectric converter 34). , Imax represents the maximum value of the output signal, and Imin represents the minimum value.

本発明は上述のImax とImin を使って被測定
物体の厚さhを測定しようとするものである従って本発
明において被測定物体に照射されるコヒーレント光のビ
ームサイズは、被測定物体のパターンサイズ(凹部及び
凸部の面積)よりも小さく選ばれる。
The present invention attempts to measure the thickness h of an object to be measured using the above-mentioned Imax and Imin. Therefore, in the present invention, the beam size of the coherent light irradiated to the object to be measured is equal to the pattern size of the object to be measured. (area of concave portions and convex portions).

さて、光電変換器34の最大出力Imax と最小出力
Imin との比Imin/ImaxをIRとして、こ
の工Rと被測定物体31の厚さ(凹部の深さあるいは凸
部の高さを意味する)hとの関係を求めると次式のよう
になる。
Now, assuming that the ratio Imin/Imax between the maximum output Imax and the minimum output Imin of the photoelectric converter 34 is IR, this R and the thickness of the object to be measured 31 (meaning the depth of the concave part or the height of the convex part) The relationship with h is determined by the following equation.

但し、λは測定用コヒーレント光の波長,nは被測定物
体の屈折率を示す。
However, λ is the wavelength of the coherent light for measurement, and n is the refractive index of the object to be measured.

ここで(1)式は被測定物体が位相物体である場合であ
るが、もし被測定物体が位相物体ではなく、表面で全反
射するような金属膜のようなときは、その厚さhは次式
で表わされる。
Here, equation (1) applies when the object to be measured is a phase object, but if the object to be measured is not a phase object but a metal film that undergoes total reflection on the surface, the thickness h is It is expressed by the following formula.

次に、上記した本発明装置の測定原理をLSI用シリコ
ンウエハー上のレジストの厚さ測定に適用した場合の一
実施例を第5図を用いて説明する。
Next, an embodiment in which the measurement principle of the apparatus of the present invention described above is applied to the measurement of the thickness of a resist on a silicon wafer for LSI will be described with reference to FIG.

本図において51は出力2mWのヘリウム・ネオン(
He −Ne )レーザ光源で、このレーザ光源からの
レーザ光は複数のレンズから成るコリメータ52によっ
て所定の径の平行光とされて走査用ミラー53に入る。
In this figure, 51 is a helium neon (
The laser light from this laser light source is converted into parallel light having a predetermined diameter by a collimator 52 made up of a plurality of lenses, and enters a scanning mirror 53.

この走査用ミラー53は支点54を軸として矢印55の
方向に振動し、それによってウエハー上のX方向の走査
が行なわれる。
This scanning mirror 53 vibrates in the direction of an arrow 55 about a fulcrum 54, thereby scanning the wafer in the X direction.

走査用ミラー53によって反射したレーザ光(千行光)
はハーフミラー56を介してフーリエ変換レンズ57に
導かれる。
Laser light reflected by the scanning mirror 53 (thousand beams)
is guided to a Fourier transform lens 57 via a half mirror 56.

そしてフーリエ変換レンズ57を通過した光は、レンズ
57の焦点近傍に設置されたウエハー58に照射される
The light that has passed through the Fourier transform lens 57 is irradiated onto a wafer 58 placed near the focal point of the lens 57.

ここでレンズ57の焦点面ではレーザ光は細い平行ビー
ムとなるので、ウエハー58の近傍はほぼ平行光になっ
ている。
Here, since the laser light becomes a thin parallel beam at the focal plane of the lens 57, the light near the wafer 58 is almost parallel.

ウエハー58上にはレジスト59が写真蝕刻等の方法に
よって形成されている。
A resist 59 is formed on the wafer 58 by a method such as photolithography.

但し本図でレジスト59は拡大して描かれている。However, in this figure, the resist 59 is drawn enlarged.

またウエハー58はステージ60上に搭載されており、
このステージ60がY方向に順次移動するようにされて
いる。
Further, the wafer 58 is mounted on the stage 60,
This stage 60 is configured to move sequentially in the Y direction.

従って走査用ミラー53によるX方向走査とステージ6
0によるY方向走査によってウエハー58全面を平行レ
ーザビームで走査することができる。
Therefore, the scanning in the X direction by the scanning mirror 53 and the stage 6
The entire surface of the wafer 58 can be scanned with a parallel laser beam by scanning in the Y direction by zero.

ウエハー58及びレジスト59から反射する光は、フー
リエ変換レンズ51、ハーフミラー56を介して結像面
に置かれた光電変換器61に導かれる。
Light reflected from the wafer 58 and the resist 59 is guided via the Fourier transform lens 51 and the half mirror 56 to a photoelectric converter 61 placed on the imaging plane.

ここで光電変換器61はホトトランジスタあるいはホト
ダイオードの如き通常の受光素子で良く、またこの光電
変換器61は光軸上に置かれる。
Here, the photoelectric converter 61 may be an ordinary light receiving element such as a phototransistor or a photodiode, and the photoelectric converter 61 is placed on the optical axis.

従って光電変換器61は、ウエハー58及びレジスト5
9から反射してきた光をフーリエ変換した後のO次光成
分を受光し、このO次光成分の光強度に応じた電気信号
を発生することになる。
Therefore, the photoelectric converter 61 connects the wafer 58 and the resist 5
The O-order light component obtained by Fourier-transforming the light reflected from 9 is received, and an electric signal corresponding to the light intensity of this O-order light component is generated.

それ故、前述した本発明の原理に従い、走査ミラー53
とステージ60によるXY走査によって光電変換器61
は第6図に示す如き連続信号を発生する。
Therefore, in accordance with the principles of the invention described above, the scanning mirror 53
and the photoelectric converter 61 by XY scanning by the stage 60.
generates a continuous signal as shown in FIG.

光電変換器61の出力信号(アナログ信号)は次にA/
D変換器62によってデイジタル信号に変換され、例え
ばマイクロコンピュータ等の電子計算機63に供給され
る。
The output signal (analog signal) of the photoelectric converter 61 is then converted to A/
It is converted into a digital signal by a D converter 62 and supplied to an electronic computer 63 such as a microcomputer.

ここで計算機63は走査ミラー53を駆動するための駆
動機構64及びステージ60を移動機構65とのそれぞ
れに駆動もしくは移動のための制御信号を送るとともに
駆動機構64及び移動機構65より信号をもらう。
Here, the computer 63 sends control signals for driving or moving the scanning mirror 53 to the drive mechanism 64 and the stage 60 to the moving mechanism 65, respectively, and receives signals from the drive mechanism 64 and the moving mechanism 65.

通常1つのウエハー58には数百個のチップが形成され
ており、レジストの厚さを検査する場合はチップ単位で
検査すればよい。
Usually, several hundred chips are formed on one wafer 58, and when inspecting the thickness of the resist, it is sufficient to inspect each chip.

従って計算機63によってチップ単位でImax と
Imin を検出し、このImax とIminからそ
のチップにおけるレジスト平均厚さを測定するようにす
ればよい。
Therefore, Imax and Imin may be detected for each chip by the calculator 63, and the average resist thickness for that chip may be measured from these Imax and Imin.

すなわち第6図において時刻t1からt2までが1チッ
プ全面の走査時間に相当するとすれば、t1からt2の
期間におけるImax とIminを計算機63によっ
て検出し、前述の(1)式を用いてこのチップ内におけ
るレジスト厚の平均値を求めることができる。
In other words, if the period from time t1 to t2 in FIG. 6 corresponds to the scanning time of the entire surface of one chip, then Imax and Imin in the period from t1 to t2 are detected by the computer 63, and this chip is calculated using the above-mentioned equation (1). The average value of the resist thickness within the range can be determined.

勿論1チップ内のレジスト厚の平均値を他の方法で測定
することもできる。
Of course, the average value of the resist thickness within one chip can also be measured by other methods.

その第1はレジストの凹凸1個について厚みを測定し、
それを1チップ全面に亘って測定した後その平均値を求
める方法で、また第2は数チップ(例えば10チップ)
を1つの区分としてこの区分内におけるレジスト厚の平
均値を求め、この値をこの区分内における各チップのレ
ジスト厚の平均値とみなす方法である。
The first step is to measure the thickness of each resist unevenness.
The second method is to measure it over the entire surface of one chip and then calculate the average value, and the second method is to measure it over several chips (for example, 10 chips).
This is a method in which the average value of the resist thickness within this division is determined as one division, and this value is regarded as the average value of the resist thickness of each chip within this division.

第1の方法は測定精度は極めて高いが処理操作がやや複
雑となり、逆に第2の方法は処理操作は簡単だが測定精
度はやや落ちる。
The first method has an extremely high measurement accuracy, but the processing operation is somewhat complicated, and the second method, on the other hand, has a simple processing operation, but the measurement accuracy is slightly lower.

しかし1チップ毎に測定する方法にしても上述の第1及
び第2の方法にしても測定精度は実用範囲に入るため、
いずれの方法を用いても大差はない。
However, regardless of the method of measuring each chip or the first and second methods described above, the measurement accuracy is within the practical range, so
There is no big difference whichever method is used.

また各チップにおけるレジスト厚をウエハー全面に亘っ
て測定することにより、ウエハー面上のレジストパター
ンの厚みむらを測定することもできる。
Furthermore, by measuring the resist thickness in each chip over the entire wafer surface, it is also possible to measure the thickness unevenness of the resist pattern on the wafer surface.

以上詳しく説明したように、本発明によれば、ウエハー
上に形成されたレジストの厚さを測定する場合、ウエハ
ー及びレジストにレジストの凹凸ハターンより径の小さ
い平行レーザビームを照射し、その反射光の0次成分の
光強度を光電変換しこうして得られた電気信号Imax
及びIminからレジスト厚を測定するようにしたもの
であるため、次のような種々の効果を奏する。
As explained in detail above, according to the present invention, when measuring the thickness of a resist formed on a wafer, the wafer and the resist are irradiated with a parallel laser beam whose diameter is smaller than the uneven pattern of the resist, and the reflected light is The electrical signal Imax obtained by photoelectrically converting the light intensity of the zero-order component of
Since the resist thickness is measured from Imin and Imin, the following various effects can be achieved.

(イ)先ず本発明によれば、焦点合わせが全く不要にな
る。
(a) First, according to the present invention, focusing is completely unnecessary.

それは次の2つの理由による。先ず、一般に被測定凹凸
パターンのサイズは5μm〜10μm以上の場合が多く
このようなパターンサイズの被測定物体の厚さを測定す
るために本発明ではビームサイズを5μm〜10μm程
度に絞っている。
This is due to the following two reasons. First, the size of the concavo-convex pattern to be measured is generally 5 μm to 10 μm or more in many cases, and in order to measure the thickness of an object to be measured having such a pattern size, in the present invention, the beam size is narrowed down to about 5 μm to 10 μm.

そしてこのようにビームサイズを絞り込むとビーム径の
3位以上の上下方向の光学系のずれが生じてもビーム径
は実質的に変化しない。
When the beam size is narrowed down in this manner, the beam diameter does not substantially change even if the optical system is shifted in the vertical direction by the third place or more of the beam diameter.

従ってウエハーを搭載したステージの移動に伴ってウエ
ハー面が上下方向にずれたとしても、そのずれが光電変
換器の出力に影響を与えることはない。
Therefore, even if the wafer surface shifts in the vertical direction due to movement of the stage on which the wafer is mounted, the shift will not affect the output of the photoelectric converter.

また仮にビーム径が変化するほど上下方向に光学系がず
れたとしても、本発明では光量変化の最大値と最小値の
比によって測定しているので、光学系のいずれが生じて
も最大値と最小値の比は一定であり、従って光学系のず
れが厚み測定値に誤差として入ってくることはない。
Furthermore, even if the optical system shifts vertically to the extent that the beam diameter changes, the present invention measures the ratio of the maximum value and minimum value of the light amount change, so no matter what happens in the optical system, it will not be the maximum value. The ratio of the minimum values is constant, so deviations in the optical system will not enter the thickness measurement value as an error.

(ロ)次に本発明は顕微鏡を用いた目視検査ではないた
め、オペレータの疲労が解消される。
(b) Next, since the present invention does not involve visual inspection using a microscope, operator fatigue is eliminated.

(ハ)さらに本発明はレーザ光源よりのレーザ光量を測
定のために十分に使用できるため、スリットによって得
た切断光を用いて厚み測定を行う従来の方法に比べ高い
精度を得ることができる。
(c) Furthermore, since the present invention can sufficiently use the amount of laser light from the laser light source for measurement, it is possible to obtain higher accuracy than the conventional method of measuring thickness using cutting light obtained by a slit.

(ニ)さらに本発明は通常容易に入手できるHe一Ne
レーザ光源を用いてレジスト等のようにその厚みが1μ
m程度のものでも精度良く測定することができる。
(d) Furthermore, the present invention can be applied to He-Ne, which is usually easily available.
Using a laser light source, the thickness is 1 μm, such as a resist, etc.
It is possible to accurately measure even objects with a diameter of about m.

このように本発明によれば、特に半導体製造工程におけ
る自動化を容易かつ高精度に達成できるものであり、極
めて大きな実用的効果が期待できる。
As described above, according to the present invention, automation especially in the semiconductor manufacturing process can be achieved easily and with high precision, and extremely large practical effects can be expected.

第5図に示した実施例によってLSI用シリコンウエハ
ーに形成されたレジストパターンの厚さを測定した結果
、1μm程度の厚みを有するレジストを0.1μm程度
の精度で測定することができた。
As a result of measuring the thickness of a resist pattern formed on a silicon wafer for LSI using the example shown in FIG. 5, it was possible to measure a resist having a thickness of about 1 μm with an accuracy of about 0.1 μm.

第7図は本発明の他の実施例の構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention.

本図は被測定物体が光透過性の物体である場合の実施例
を示したものであり、例えばサファイア基板上に形成さ
れたレジストの厚み測定やあるいはカラーカメラに設け
られる光ガラス基板上の色フィルターの厚み測定等に適
用できる。
This figure shows an example in which the object to be measured is a light-transmitting object. For example, it is used to measure the thickness of a resist formed on a sapphire substrate, or to measure the color on an optical glass substrate installed in a color camera. It can be applied to measuring the thickness of filters, etc.

第7図において51はHe−Neレーザ光源、52はコ
リメータ、53は走査用ミラー、61は光電変換器、6
2はA/D変換器、63は電子計算機、64は走査ミラ
ー53の駆動機構、65はステージ60の移動機構でこ
れらは第5図に示したものと同一部品である。
In FIG. 7, 51 is a He-Ne laser light source, 52 is a collimator, 53 is a scanning mirror, 61 is a photoelectric converter, and 6
2 is an A/D converter, 63 is an electronic computer, 64 is a drive mechanism for the scanning mirror 53, and 65 is a moving mechanism for the stage 60, which are the same parts as shown in FIG.

また66a及び66bは第1及び第2のフーリエ変換レ
ンズで67は光透過性基板、68は光透過性基板67上
に形成された凹凸物体、69はステージを示す。
Further, 66a and 66b are first and second Fourier transform lenses, 67 is a light-transmitting substrate, 68 is an uneven object formed on the light-transmitting substrate 67, and 69 is a stage.

第5図に示した反射形のものと比べて明らかなように、
第7図に示す透過形の場合は、ハーフミラーが不要とな
る代わりにフーリエ変換レンズが1つ余分に設けられ、
第1のフーリエ変換レンズ66aによって絞られたレー
ザ光は光透過性基板67を通過した後第2のフーリエ変
換レンズ66bに導かれる。
As is clear from the comparison with the reflective type shown in Figure 5,
In the case of the transmission type shown in Fig. 7, a half mirror is not required, but one extra Fourier transform lens is provided.
The laser beam focused by the first Fourier transform lens 66a passes through the light-transmitting substrate 67, and then is guided to the second Fourier transform lens 66b.

しかし測定原理としては第5図に示した反射形の場合と
全く同様で、光透過性基板67上に形成された凹凸物体
の厚さを高精度に測定することができる。
However, the measurement principle is exactly the same as that of the reflective type shown in FIG. 5, and the thickness of the uneven object formed on the light-transmitting substrate 67 can be measured with high precision.

但し本図に示すように透過形として使用する場合の凹凸
物体の厚さhと光電変換器61によって得られるIma
x及びIminの比IR( IR =Imin/Ima
x)との関係は次式で表わされる。
However, as shown in this figure, when used as a transmission type, the thickness h of the uneven object and Ima obtained by the photoelectric converter 61
The ratio IR of x and Imin (IR = Imin/Ima
x) is expressed by the following equation.

従って計算機63によって(3)式の計算を実行させる
ことによって厚さhを測定することができる。
Therefore, the thickness h can be measured by causing the calculator 63 to calculate the equation (3).

第8図は本発明のさらに他の実施例の構成を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of still another embodiment of the present invention.

本図は反射形でしかもハーフミラーを使用しない場合を
示しており、ハーフミラーによる光量の減少を防止した
い場合に本図に示す方法を用いることができる。
This figure shows the case of a reflective type and does not use a half mirror, and the method shown in this figure can be used when it is desired to prevent a decrease in the amount of light due to the half mirror.

すなわち走査ミラー53を反射したレーザ光は第1のフ
ーリエ変換レンズ70aを介してウエハー58及びレジ
スト59に照射され、その反射光が第2のフーリエ変換
レンズ70bを介して光電変換器61に導かれるように
されている。
That is, the laser beam reflected by the scanning mirror 53 is irradiated onto the wafer 58 and the resist 59 via the first Fourier transform lens 70a, and the reflected light is guided to the photoelectric converter 61 via the second Fourier transform lens 70b. It is like that.

なお本図においてθはレーザ光の入射角度を示す。Note that in this figure, θ indicates the incident angle of the laser beam.

この実施例の場合もその測定原理は第5図、第7図のも
のと全く同様であるが、レシスト59の厚さを求めるた
めの式は次式のようになる。
In this embodiment, the measurement principle is exactly the same as that in FIGS. 5 and 7, but the formula for determining the thickness of the resist 59 is as follows.

第5図、第7図、第8図における被測定凹凸物体はいず
れも位相物体であったが、第5図又は第8図に示したよ
うな反射形を用いて金属膜の如きその表面でレーザ光が
全反射するような凹凸物体の厚み測定も可能である。
The uneven objects to be measured in Figures 5, 7, and 8 are all phase objects, but by using a reflective type as shown in Figure 5 or 8, It is also possible to measure the thickness of uneven objects where laser light is totally reflected.

この場合の厚み測定は前述の(2)式を適用すればよい
For thickness measurement in this case, the above-mentioned equation (2) may be applied.

このように本発明はその原理に基づき種々の変形が可能
であり、しかも被測定物体がどのようなものであっても
、その厚みを高精度に測定できる。
As described above, the present invention can be modified in various ways based on its principles, and the thickness of any object to be measured can be measured with high precision.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図aは従来の厚さ測定装置の1つの例を示す構成図
、第1図bは第1図aの構成によって得られる切断光の
様子を示す図、第1図Cは第1図aの構成において顕微
鏡で観察される凹凸パターンを示す図、第2図aは従来
の厚さ測定装置の他の例を示す構成図、第2図bは第2
図aの構成に観察される干渉縞の移動の様子を示す図、
第3図a,bは本発明の厚み測定装置の測定原理を説明
するための図、第4図は第3図a,b中の光電変換器の
出力信号を示す図、第5図は本発明装置をLSI用シリ
コンウエハー上のレジストの厚み測定に適用した場合の
一実施例を示す図、第6図は第5図に示した実施例にお
いて走査に従い光電変換器の出力信号が変化する様子を
示した図、第7図及び第8図は本発明の他の実施例を示
す図である。 51・・・・・・レーザ光源、52・・・・・・コリメ
ータ、53・・・・・・走査用ミラー、56・・・・・
・ハーフミラー、57・・・・・・フーリエ変換レンズ
、58・・・・・・ウエノ−−、59・・・・・・レジ
スト、60・・・・・・ステージ、61・・・・・・光
電変換器、62・・・・・・A/D変換器、63・・・
・・・電子計算機、64・・・・・・走査用ミラー駆動
機構、65・・・・・・ステージ移動機構、6 6 a
、 6 6 b 、 7 0 a ,70b・・・・
・・フーリエ変換レンズ。
FIG. 1a is a configuration diagram showing one example of a conventional thickness measuring device, FIG. 1b is a diagram showing the state of cutting light obtained by the configuration of FIG. 1a, and FIG. Figure 2a is a configuration diagram showing another example of a conventional thickness measuring device; Figure 2b is a diagram showing a concavo-convex pattern observed with a microscope in the configuration of
A diagram showing the movement of interference fringes observed in the configuration of Figure a,
Figures 3a and b are diagrams for explaining the measurement principle of the thickness measuring device of the present invention, Figure 4 is a diagram showing the output signals of the photoelectric converters in Figures 3a and b, and Figure 5 is a diagram for explaining the measurement principle of the thickness measuring device of the present invention. A diagram showing an embodiment in which the invented device is applied to measuring the thickness of a resist on a silicon wafer for LSI, and FIG. 6 shows how the output signal of a photoelectric converter changes according to scanning in the embodiment shown in FIG. 5. , FIG. 7, and FIG. 8 are diagrams showing other embodiments of the present invention. 51...Laser light source, 52...Collimator, 53...Scanning mirror, 56...
・Half mirror, 57... Fourier transform lens, 58... Ueno-, 59... Resist, 60... Stage, 61...・Photoelectric converter, 62...A/D converter, 63...
...Electronic computer, 64...Scanning mirror drive mechanism, 65...Stage moving mechanism, 6 6 a
, 6 6 b, 7 0 a, 70 b...
...Fourier transform lens.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 コヒーレント光源と、このコヒーレント光源からの
コヒーレント光を被測定物体の凹凸パターンの大きさよ
り小さい径の平行ビームに絞って離記被測定物体の凹凸
表面に照射する手段と、この手段によって照射された被
測定物体の凹凸表面からの反射光もしくは前記被測定物
体よりの透過光をフーリエ変換するためのフーリエ変換
レンズとこのフーリエ変換レンズによってフーリエ変換
された光のうちの0次光成分を受光して光強度に広じた
電気信号を得る手段と、この手段によって得られる電気
信号のうちの最大値と最小値とを得る手段と、この手段
によって得られた前記最大値及び最小値を用いて前記被
測定物体の凹凸の厚みを計算する手段とを備えたことを
特徴とする厚み測定装置。 2 特許請求の範囲第1項記載のものにおいて、前記コ
ヒーレント光源は、ヘリウム・ネオンレーザであること
を特徴とする厚み測定装置。 3 特許請求の範囲第1項記載のものにおいて、前記凹
凸パターンの大きさより小さい径の平行ビームとして被
測定物体の凹凸表面に照射する手段は、前記コヒーレン
ト光源からのコヒーレント光をコリメートするためのコ
リメータと、このコリメータによって得られた平行光を
前記被測定物体の凹凸表面で凹凸パターンの大きさより
小さい径まで絞るための光学レンズとを有することを特
徴とする厚み測定装置。 4 特許請求の範囲第1項記載のものにおいて、前記最
大値と最小値とを得る手段は、前記0次光の光強度に応
じた電気信号をA/D変換する手段と、この手段によっ
て得られたデイジタル量から最大値と最小値とを得る手
段とを有することを特徴とする厚み測定装置。 5 特許請求の範囲第1項記載のものにおいて、前記被
測定物体が位相物体でありこの位相物体の凹凸の厚みh
を反射光を用いて測定するとき、厚みhを求めるための
前記計算手段は、 (但しIR=λ:測定用コヒーレ ント光の波長,n:位相物体の屈折率,θ:入射角度) なる演算式を実行することを特徴とする厚み測定装置。 6 特許請求の範囲第1項記載のものにおいて、前記被
測定物体が全反射物体でありこの全反射物体の凹凸の厚
みhを反射光を用いて測定するとき、厚みhを求めるた
めの前記計算手段は、 (但し珠=−,λ:測定用コヒーレント光の波長,θ:
入射角度) なる演算式を実行することを特徴とする厚み測定装置。 7 特許請求の範囲第1項記載のものにおいて、前記被
測定物体が位相物体でありこの位相物体の凹凸の厚みh
を透過光を用いて測定するとき、厚みhを求めるための
前記計算手段は、 ?..8=シ濃,2.よ,オヨ33−2,,光の波長,
n二位相物体の屈折率,θ:入射角度)なる演算式を実
行することを特徴とする厚み測定装置。 8 コヒーレント光源と、このコヒーレント光源からの
コヒーレント光を被測定物体の凹凸パターンの大きさよ
り小さい径の平行ビームに絞る手段と、この手段によっ
て得られた平行ビームによって前記被測定物体の凹凸表
面を走査する手段と、この手段によって走査された前記
被測定物体の凹凸表面からの反射光もしくは前記被測定
物体よりの透過光をフーリエ変換する手段と、この手段
によって得られたフーリエ変換光のうちのO次光成分を
受光して光強度に応じた電気信号を得る手段と、この手
段によって得られる電気信号を用いて前記被測定物体の
凹凸の厚みを測定する手段とを具備することを特徴とす
る厚み測定装置。 9 特許請求の範囲第8項記載のものにおいて、前記被
測定物体の凹凸表面を走査する手段は、前記被測定物体
の凹凸表面への照射光をX軸方向に振るだめの走査用ミ
ラーと、前記被測定物体が搭,載されたステージをy軸
方向に移動させるための移動機構とを有することを特徴
とする厚み測定装置。
[Scope of Claims] 1: a coherent light source, and means for focusing the coherent light from the coherent light source into a parallel beam having a diameter smaller than the size of the uneven pattern of the object to be measured and irradiating the uneven surface of the object to be measured; A Fourier transform lens for Fourier transforming the light reflected from the uneven surface of the object to be measured or the light transmitted from the object to be measured irradiated by this means, and the 0th order of the light Fourier transformed by the Fourier transform lens. means for receiving a light component to obtain an electrical signal spread over the light intensity; means for obtaining the maximum and minimum values of the electrical signals obtained by this means; and the maximum and minimum values obtained by this means. A thickness measuring device comprising: means for calculating the thickness of the unevenness of the object to be measured using the minimum value. 2. The thickness measuring device according to claim 1, wherein the coherent light source is a helium-neon laser. 3. In the device described in claim 1, the means for irradiating the uneven surface of the object to be measured as a parallel beam having a diameter smaller than the size of the uneven pattern is a collimator for collimating the coherent light from the coherent light source. and an optical lens for focusing the parallel light obtained by the collimator to a diameter smaller than the size of the uneven pattern on the uneven surface of the object to be measured. 4. In the device described in claim 1, the means for obtaining the maximum value and the minimum value includes means for A/D converting an electric signal corresponding to the light intensity of the zero-order light, and a means for obtaining the maximum value and the minimum value by this means. 1. A thickness measuring device comprising: means for obtaining a maximum value and a minimum value from the digital quantities obtained. 5. In the item described in claim 1, the object to be measured is a phase object, and the thickness h of the unevenness of the phase object is
When measuring using reflected light, the calculation means for determining the thickness h is as follows: (IR=λ: wavelength of coherent light for measurement, n: refractive index of phase object, θ: angle of incidence) A thickness measuring device characterized by: 6. In the item described in claim 1, when the object to be measured is a total reflection object and the thickness h of the unevenness of the total reflection object is measured using reflected light, the calculation for determining the thickness h. The means are (however, beads = -, λ: wavelength of coherent light for measurement, θ:
A thickness measuring device characterized by executing an arithmetic expression (incidence angle). 7. In the item described in claim 1, the object to be measured is a phase object, and the thickness h of the unevenness of the phase object is
When measuring the thickness h using transmitted light, the calculation means for determining the thickness h is: ? .. .. 8 = Shino, 2. Yo, Oyo33-2, wavelength of light,
A thickness measuring device characterized by executing an arithmetic expression where n is a refractive index of a two-phase object and θ is an incident angle. 8 A coherent light source, means for narrowing the coherent light from the coherent light source into a parallel beam having a diameter smaller than the size of the uneven pattern of the object to be measured, and scanning the uneven surface of the object to be measured with the parallel beam obtained by this means. means for Fourier transforming the light reflected from the uneven surface of the object to be measured scanned by the means or the light transmitted from the object to be measured; The method is characterized by comprising means for receiving the next light component and obtaining an electrical signal according to the light intensity, and means for measuring the thickness of the unevenness of the object to be measured using the electrical signal obtained by this means. Thickness measuring device. 9. In the device described in claim 8, the means for scanning the uneven surface of the object to be measured includes a scanning mirror for deflecting the irradiated light onto the uneven surface of the object to be measured in the X-axis direction; A thickness measuring device comprising: a moving mechanism for moving the stage on which the object to be measured is mounted in the y-axis direction.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0653298B2 (en) * 1983-10-04 1994-07-20 エル・シューラー・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング Device for supplying blanks to the drawing stage of the press train

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0653298B2 (en) * 1983-10-04 1994-07-20 エル・シューラー・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング Device for supplying blanks to the drawing stage of the press train

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