KR101235384B1 - 형상 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 관한 형상 측정 장치(X)는, 광원(Y)으로부터의 기간광을 2분기하여, 각 분기광을 피측정물(1)의 표리 각 면에 각각 도광하고, 피측정물(1)의 표리 각각에 있어서, 그 분기광을 사용하여 광 헤테로다인 간섭을 행한다. 여기서, 형상 측정 장치(X)에서는, 피측정물(1)의 표리 각각에 있어서, 상기 분기광이 다시 주광과 부광으로 분기되고, 상기 부광이 피측정물(1)에의 조사 전후에 있어서의 각 주광과 각각 간섭이 행해지고, 이들 간섭 후의 신호가 위상 검파되어, 피측정물(1)의 표리 각각에 있어서 상기 위상 검파에 의해 얻어진 위상의 차가 검출된다. 그리고 형상 측정 장치(X)에서는, 상기 광 헤테로다인 간섭을 행하기 위한 광 변조는, 상기 각 분기광을 피측정물(1)의 표리로 각각 도광 후의 상기 광 헤테로다인 간섭을 행하기 전에 행해진다. 또한, 형상 측정 장치(X)에서는, 상기 각 분기광을 피측정물(1)의 표리로 각각 도광 후이며 상기 위상 검파 전의 측정 광학계가 일체로 유지된다.

Description

형상 측정 장치{SHAPE DETERMINING DEVICE}

본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 피측정물 형상을 광 간섭법에 의해 비접촉으로 측정하는 형상 측정 장치에 관한 것이다.

박판 형상의 반도체 웨이퍼(피측정물의 일례, 이하, 웨이퍼라 함)의 형상 측정에 있어서, 간섭계를 사용한 비접촉형의 형상 측정 장치가 보급되고 있다. 이것은, 2개로 분기된 한쪽의 광선을 피측정물 표면에 반사시킨 반사광인 측정광과, 다른 한쪽의 광선을 소정의 참조면에 반사시킨 반사광인 참조광을 포함하는 간섭광을 수광하여, 그 간섭광에 의해 형성되는 간섭 화상으로부터 피측정물의 표면 형상(표면 높이의 분포)을 구하는 것이다. 이에 의해, 비접촉으로 웨이퍼의 표면 형상을 측정할 수 있으므로, 촉침식의 형상계로 측정하는 경우와 같이, 웨이퍼 표면에 흠집 등을 발생시키는 일 없이 그 표면 형상을 측정할 수 있다. 웨이퍼의 형상 측정에서는, 그 표면 전체에 걸친 형상을 측정할 필요가 있으므로, 일반적으로, 웨이퍼 주변의 에지부를 지지(통상은 3점 지지)한 상태에서 측정이 행해진다.

그런데, 웨이퍼와 같은 박판 형상(예를 들어, 두께가 1㎜ 미만)의 피측정물을 그 에지부만으로 지지한 경우, 근소한 풍압이나 다른 기계의 진동 등에 의해 웨이퍼가 진동한다. 이 진동은, 매우 높은 측정 정밀도(예를 들어, 오차 20㎚ 이하)가 요구되는 웨이퍼의 형상 측정에 있어서는, 무시할 수 없는 진폭의 진동이 된다. 이러한 웨이퍼의 진동을 방지하기 위해, 특허 문헌 1에는, 투명한 강체를 웨이퍼에 근접시켜 배치함으로써, 웨이퍼의 진동을 억제하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이 방법에서는, 투명한 강체를 광로에 삽입함으로써 간섭광에 흐트러짐이 발생할 우려가 있다고 하는 문제점이 있었다. 또한, 특허 문헌 2에는, 주파수가 약간 다른 2종류의 측정광을 2분기시켜 피측정물의 표리 각 면의 헤테로다인 간섭계로 유도하고, 표리의 헤테로다인 간섭계에 있어서 물체광과 참조광의 관계를 반대로 하여 피측정물의 두께를 측정하는 형상 측정 장치가 개시되어 있다. 이 특허 문헌 2에 개시되는 기술에 따르면, 표리의 헤테로다인 간섭계의 검출 신호의 차분을 취함으로써, 진동에 의해 발생하는 피측정물의 변위의 영향이 제거되어, 피측정물의 진동의 영향을 받지 않고 고정밀도의 두께 측정이 가능해진다. 또한, 이 특허 문헌 2에는, 표리의 헤테로다인 간섭계로 입사하기 직전의 2종류의 측정광의 분기광을 간섭시켜, 그 간섭광의 강도 신호를 상기 헤테로다인 간섭계의 검출 신호에 대한 참조 신호로서 사용하는 것에 대해 개시되어 있다. 이에 의해, 광원으로부터 2개의 헤테로다인 간섭계에 이르는 광로에 있어서 발생하는 2종류의 측정광의 위상의 요동에 기인하는 측정 오차를 해소할 수 있다.

그러나 특허 문헌 2에 개시되는 기술에 의해서도, 광원으로부터 2개의 헤테로다인 간섭계에 이르는 광로에서 발생하는 2종류의 측정광의 위상의 요동이 고속인 경우에는, 위상 검파의 회로가 그 변화의 속도에 충분히 추종할 수 없다. 예를 들어, 2종류의 측정광이 광원으로부터 2개의 헤테로다인 간섭계까지 광파이버에 의해 전송된 경우, 주위의 환경에 의해 광파이버가 고속으로 진동하여, 2종류의 측정광의 위상이 고속으로 요동하는 경우가 있다. 그렇게 하면, 특허 문헌 2에 개시되는 기술에 있어서, 상기 참조 신호를 사용하여 2종류의 측정광의 위상의 요동을 해소하는 처리가 충분히 기능하지 않는다. 이와 같이 특허 문헌 2에 개시되는 기술에 의해서도, 2종류의 측정광의 위상의 요동에 기인하는 측정 오차가 충분히 해소되지 않는 상황이 발생할 수 있게 되어 버린다.

일본 특허 출원 공개 제2002-5640호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-180708호 공보

본 발명은 상술한 사정에 비추어 이루어진 발명이며, 그 목적은, 피측정물의 진동 및 광원으로부터 간섭계에 이르는 측정광의 전송 매체에 발생하는 진동의 영향을 받지 않고, 피측정물의 두께를 간이하게 고정밀도로 측정할 수 있는 형상 측정 장치를 제공하는 것이다. 그리고 본 발명의 다른 목적은, 피측정물의 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있는 형상 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 관한 형상 측정 장치는, 피측정물의 표리 각 면을 주사(走査)하여 상기 피측정물의 두께 분포를 비접촉으로 측정하기 위해 사용되는 형상 측정 장치이며, 이 형상 측정 장치에서는, 소정의 광원으로부터 출사되는 기간광(基幹光)이 2분기되고, 이들 2분기된 각 분기광이 상기 피측정물의 표리 각 면에 각각 유도되고, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 그 분기광을 사용하여 광 헤테로다인 간섭이 행해진다. 여기서, 이 형상 측정 장치에서는, 상기 피측정물 표리 각각에 있어서, 상기 분기광이 다시 주광(主光)과 부광(副光)으로 분기되고, 상기 부광이 상기 피측정물에의 조사 전후에 있어서의 각 주광과 각각 간섭이 행해지고, 이들 간섭 후의 신호가 위상 검파되어, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서 상기 위상 검파에 의해 얻어진 위상의 차가 검출된다. 그리고 이 형상 측정 장치에서는, 상기 광 헤테로다인 간섭을 행하기 위한 광 변조는, 상기 각 분기광을 상기 피측정물의 표리로 각각 도광 후의 상기 광 헤테로다인 간섭을 행하기 전에 행해진다. 또한, 이 형상 측정 장치에서는, 상기 각 분기광을 상기 피측정물의 표리로 각각 도광 후이며 상기 위상 검파 전의 측정 광학계가 일체로 유지된다. 이로 인해, 이러한 형상 측정 장치는, 피측정물의 진동 및 광원으로부터 간섭계에 이르는 측정광의 전송 매체의 진동의 영향을 받지 않고, 피측정물의 두께를 간이하게 고정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 형상 측정 장치는, 광 헤테로다인 간섭을 행하는 일면측 측정부 및 타면측 측정부에 의해 피측정물 두께를 측정하는 것이며, 또한 상기 면측 측정부가 상기 피측정물에 복수의 측정광을 조사함으로써, 피측정물(1)에 있어서의 표면 형상을 측정하는 것이다. 이로 인해, 이러한 형상 측정 장치는, 피측정물의 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있다.

상기 및 그 밖의 본 발명의 목적, 특징 및 이점은, 이하의 상세한 기재와 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 형상 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 형상 측정 장치가 구비하는 측정 광학 유닛의 일례의 개략 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시하는 형상 측정 장치를 사용한 피측정물의 두께 분포 측정 방법의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 4는 도 1에 도시하는 형상 측정 장치를 사용하여 피측정물의 두께 분포 측정을 행하는 경우의 측정 부위의 궤적의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 5는 종래의 형상 측정 장치에 있어서의 측정값의 시계열(時系列) 변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시하는 형상 측정 장치에 있어서의 측정값의 시계열 변화의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 7은 제2 실시 형태에 관한 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 8은 도 7에 도시하는 형상 측정 장치에 있어서의 광원부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 9는 도 7에 도시하는 형상 측정 장치에 있어서의 제1 형태에 관한 일면측 측정부로부터 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 도 7에 도시하는 형상 측정 장치에 있어서의 제2 형태에 관한 일면측 측정부로부터 구성을 도시하는 도면이다.
도 11은 도 7에 도시하는 형상 측정 장치에 있어서의 타면측 측정부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 12는 도 7에 도시하는 형상 측정 장치에 있어서의 스테이지의 구성을 도시하는 도면이다.
도 13은 도 7에 도시하는 형상 측정 장치에 있어서의 제1 형태의 일면측 위상 검파부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 14는 도 7에 도시하는 형상 측정 장치에 있어서의 제2 형태의 일면측 위상 검파부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 15는 도 7에 도시하는 형상 측정 장치에 있어서의 타면측 위상 검파부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 16은 곡률의 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 도 7에 도시하는 형상 측정 장치를 사용하여 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 경우에 있어서의 측정 개소를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 도 7에 도시하는 형상 측정 장치를 사용하여 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 경우에 있어서, 각 측정 개소에 있어서의 복수 개소와 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 에지 롤오프를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 측정 개소에 있어서의 복수의 개소에 대해, 제1 내지 제3 형태를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명에 관한 실시의 일 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일한 부호를 부여한 구성은 동일한 구성인 것을 나타내며, 적절하게 그 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 총칭하는 경우에는 첨자를 생략한 참조 부호로 나타내고, 개별의 구성을 가리키는 경우에는 첨자를 부여한 참조 부호로 나타낸다. 또한, 이하의 실시 형태는, 본 발명을 구체화한 일례이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 성격의 것이 아니다.

(제1 실시 형태)

이하, 도 1에 도시되는 구성도를 참조하면서, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(X)에 대해 설명한다. 이 형상 측정 장치(X)는, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 박판 형상의 피측정물(1)의 두께를 비접촉으로 측정하기 위해 사용되는 측정 장치이다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 형상 측정 장치(X)는, 광원 유닛(Y)과, 피측정물(1)의 표리 각 면에 대향 배치되는 2개의 측정 광학 유닛[Z(aZ, bZ)]과, 그 측정 광학 유닛[Z(aZ, bZ)]마다 설치되는 2개의 위상 검파 회로[W(aW, bW)]와, 계산기(6)를 구비하고 있다.

여기서, 설명의 편의상, 피측정물(1)의 한쪽 면[도 1에 도시하는 예에서는 상측의 면(상면)]을 「A면」이라 호칭하는 것으로 하고, 이 A면과 표리의 관계에 있는 다른 쪽면[도 1에 도시하는 예에서는 하측의 면(하면)]을 「B면」이라 호칭하는 것으로 한다. 또한, 피측정물(1)의 두께의 측정 위치에 있어서의 A면측의 표면 부분을 A면 측정 부위(1a)라 호칭하는 것으로 하고, 그 A면 측정 부위(1a)와 표리 서로 대향하는 B면의 표면 부분을 B면 측정 부위(1b)라 호칭하는 것으로 한다. 또한, 상기 A면에 대향 배치된 상기 측정 광학 유닛(Z)을 A면측 측정 광학 유닛(aZ), 상기 B면에 대향 배치된 상기 측정 광학 유닛(Z)을 B면측 측정 광학 유닛(bZ)이라 칭한다. 또한, A면측 측정 광학 유닛(aZ)에 대해 설치된 상기 위상 검파 회로(W)를 A면측 위상 검파 회로(aW), B면측 측정 광학 유닛(bZ)에 대해 설치된 상기 위상 검파 회로(W)를 B면측 위상 검파 회로(bW)라 칭한다.

또한, 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 형상 측정 장치(X)는, 피측정물(1)의 주변의 에지부를 지지(예를 들어, 3점 지지)하는 지지부와, 그 지지부를 2차원 방향[피측정물(1)의 양 측정면에 평행한 2차원 방향]으로 이동시킴으로써 피측정물(1)을 2차원 방향으로 이동시키는 이동 기구를 구비하고 있다. 그리고 형상 측정 장치(X)는, 그 이동 기구에 의해 피측정물(1)을 이동시킴으로써, 피측정물(1)에 있어서의 상기 A면 측정 부위(1a) 및 상기 B면 측정 부위(1b)의 위치를 변경하면서 측정값을 얻는다.

상기 광원 유닛(Y)은, 소정의 가간섭광인 빔 광(P0)을 출사하는 단파장 레이저 광원(2)과, 아이솔레이터(2x)와, 무편광 빔 스플리터(3)와, 2개의 파장판(2y)과, 2개의 광파이버 접속 단자(11)를 구비하고 있다. 상기 단파장 레이저 광원(2)은, 주파수 ω0의 단파장 레이저광을 출력하는 레이저 광원이다. 예를 들어, 상기 단파장 레이저 광원(2)으로서, 파장 633㎚의 레이저광을 출력하는 헬륨 네온 레이저 등을 채용하는 것을 생각할 수 있다. 이하, 편의상, 상기 단파장 레이저 광원(2)의 출사광을 기간광(P0)이라 칭한다. 상기 빔 스플리터(3)는, 상기 단파장 레이저 광원(2)으로부터 출사되는 상기 기간광(P0)을 2분기시키는 상기 제1 광 분기 수단의 일례이다.

또한, 상기 형상 측정 장치(X)는, 상기 빔 스플리터(3)에 의한 분기광 각각을 상기 피측정물(1)에 있어서의 상기 A면측 측정 부위(1a) 및 상기 B면측 측정 부위(1b) 각각의 방향으로 유도하는 입력측의 광파이버(a10, b10)를 구비하고 있다. 보다 구체적으로는, 한쪽의 상기 광파이버(a10)는, 상기 분기광 중 한쪽을 상기 피측정물(1)의 A면에 대향 배치된 상기 A면측 측정 광학 유닛(aZ)까지 도광한다. 또한, 다른 쪽의 상기 광파이버(b10)는, 상기 분기광 중 다른 쪽을 상기 피측정물(1)의 B면에 대향 배치된 상기 B면측 측정 광학 유닛(bZ)까지 도광한다. 상기 광파이버(a10, b10)는, 편파 유지 광파이버이다. 이에 의해, 상기 광파이버(a10, b10)에 의해 전송되는 상기 분기광의 편파면이, 도중에서 흐트러지지 않도록 일정하게 유지된다. 또한, 상기 광파이버(a10, b10) 대신에, 미러 등의 도광 수단이 설치되는 것도 생각할 수 있다. 단, 그 경우, 상기 기간광(P0)의 분기광의 광로 조정에 수고를 필요로 한다.

상기 광파이버 접속 단자(11)는, 상기 광파이버(a10, b10) 각각의 일단부가 접속되는 단자이다. 또한, 상기 파장판(2y)은, 상기 빔 스플리터(3)와 상기 광파이버(a10, b10)의 광의 도입구 사이에 배치되고, 상기 광파이버(a10, b10)에 입력되는 상기 분기광의 편파면(편파 방향)을 조정하는 광학 소자이다. 또한, 상기 아이솔레이터(2x)는, 상기 단파장 레이저 광원(2)과 상기 빔 스플리터(3) 사이에 배치되고, 상기 빔 스플리터(3)나 상기 광파이버(a10, b10)의 입구 등으로부터의 반사광이 상기 단파장 레이저 광원(2)으로 복귀되는 것을 방지하는 광학 소자이다. 상기 아이솔레이터(2x)에 의해, 상기 단파장 레이저 광원(2)에 상기 반사광이 복귀되어 상기 단파장 레이저 광원(2)의 출사광이 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도 1에 도시되는 바와 같이, 상기 측정 광학 유닛(Z)은, 입력측의 광파이버 접속 단자(12)와, 1차측의 무편광 빔 스플리터(13)와, 2개의 음향 광학 소자(15, 16)와, 헤테로다인 간섭계(20)와, 참조용 간섭계(30)와, 출력측의 2개의 광파이버 접속 단자(26, 36)를 구비하고 있다. 상기 광파이버 접속 단자(12)는, 상기 광원 유닛(Y)과 접속되는 상기 광파이버(a10, b10)의 일단부가 접속되는 단자이다. 상기 광파이버 접속 단자(12)를 통해, 상기 광원 유닛(Y)에 있어서의 상기 기간광(P0)의 분기광이 상기 측정 광학 유닛(Z)에 도입된다.

상기 빔 스플리터(13)는, 상기 광파이버(a10, b10)에 의해 상기 피측정물(1)의 표리 각각에 있어서의 상기 측정 부위(1a, 1b)의 방향으로 유도된 상기 기간광(P0)의 분기광 각각을 다시 2분기시키는 상기 제2 광 분기 수단의 일례이다. 또한, 상기 음향 광학 소자(15, 16)는, 상기 피측정물(1)의 표리 각각에 있어서의 상기 빔 스플리터(13)에 의한 분기광의 각각에 주파수 변조를 실시하여 각각 주파수가 다른 2개의 측정광(P1, P2)을 생성하는 광 변조 수단의 일례이다. 예를 들어, 2개의 상기 음향 광학 소자(15, 16)의 한쪽 변조 주파수가 80㎒, 다른 쪽 변조 주파수가 81㎒ 정도인 것을 생각할 수 있다. 2종류의 상기 측정광(P1, P2)은, 각각 단파장의 빔 광이다. 상기 측정광(P1, P2) 각각의 주파수 (ω, ω＋Δω)는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 양 빔 광의 주파수의 차 Δω는, 수십 ㎑ 내지 수 ㎒ 정도이다.

또한, 상기 헤테로다인 간섭계(20)는, 상기 피측정물(1)의 표리 각각에 있어서, 한쪽의 상기 측정광(P1)을 상기 측정 부위(1a 또는 1b)에 조사시켜, 그 측정 부위에서 반사한 상기 측정광(P1)인 물체광과, 다른 쪽의 상기 측정광(P2)인 참조광을 간섭시키는 간섭계이다. 상기 헤테로다인 간섭계(20)는, 2개의 상기 측정 광학 유닛(Z) 각각에 1개씩 설치되어 있다. 상기 헤테로다인 간섭계(20)는, 도 1에 도시되는 바와 같이, 편광 빔 스플리터(21)와, 1/4 파장판(22)과, 무편광 빔 스플리터(24)와, 편광판(25)을 구비하고 있다. 상기 편광 빔 스플리터(21)는, 한쪽의 상기 측정광(P1)을 상기 측정 부위(1a 또는 1b)의 방향으로 통과시키는 동시에, 상기 측정 부위(1a 또는 1b)에서 반사한 상기 측정광(P1)인 물체광을 소정의 방향으로 반사한다. 상기 1/4 파장판(22)은, 상기 편광 빔 스플리터(21)와 상기 측정 부위(1a 또는 1b) 사이에 배치되어 있다. 이 1/4 파장판(22)의 존재에 의해, 상기 편광 빔 스플리터(21)로부터 상기 측정 부위(1a 또는 1b)를 향하는 상기 측정광(P1)의 편광의 상태(P 편광인지 S 편광인지)와, 상기 측정 부위(1a 또는 1b)에 반사하여 상기 편광 빔 스플리터(21)에 입사하는 상기 측정광(P1)인 물체광의 편광의 상태가 바뀐다. 또한, 상기 측정 광학 유닛(Z)은, 상기 피측정물(1)의 표면에 대향 배치된 집광 렌즈(23)도 구비하고 있다. 이 집광 렌즈(23)는, 상기 측정광(P1)을 상기 측정 부위(1a 또는 1b)에 집광시키는 동시에, 상기 측정 부위(1a 또는 1b)에서 반사한 물체광을 왕로의 광축을 따라 상기 편광 빔 스플리터(21)에 입사시킨다. 상기 빔 스플리터(24)는, 한쪽의 상기 측정광(P1)의 상기 측정 부위(1a 또는 1b)에서의 반사광인 물체광과, 다른 쪽의 상기 측정광(P2)인 참조광의 광축을 일치시켜 동일 방향으로 유도하는 광학 소자이다. 또한, 상기 편광판(25)은, 상기 빔 스플리터(24)에 의해 광축이 일치한 상기 물체광 및 상기 참조광을 입력하고, 그들의 동일 방향의 편광 성분을 추출함으로써 상기 물체광 및 상기 참조광의 간섭광(Ps)을 출력하는 광학 소자이다. 이하, 상기 헤테로다인 간섭계(20)에 의해 얻어지는 상기 물체광 및 상기 참조광의 간섭광(Ps)을 측정 간섭광(Ps)이라 칭한다. 또한, 상기 헤테로다인 간섭계(20)에는, 필요에 따라서, 2개의 상기 측정광(P1, P2) 중 한쪽 또는 양쪽의 광로를 변향시키는 미러 등의 변향 소자도 설치된다.

또한, 상기 참조용 간섭계(30)는, 상기 피측정물(1)의 표리 각각에 있어서, 2개의 상기 측정광(P1, P2) 각각을 상기 헤테로다인 간섭계(20)에 입력되는 주광과 그 이외의 부광으로 2분기시키는 동시에, 그들 2개의 상기 부광을 간섭시키는 간섭계이다. 상기 참조용 간섭계(30)는, 도 1에 도시되는 바와 같이, 3개의 무편광 빔 스플리터(31, 32, 34)와, 편광판(35)을 구비하고 있다. 상기 빔 스플리터(31, 32)는, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 2개의 상기 측정광(P1, P2) 각각을 상기 헤테로다인 간섭계(20)에 입력되는 주광과 그 이외의 부광으로 2분기시키는 제3 광 분기 수단의 일례이다. 또한, 상기 빔 스플리터(34)는, 상기 빔 스플리터(31, 32)에 의한 2개의 상기 측정광(P1, P2)의 분기광인 2개의 상기 부광의 광축을 일치시켜 동일 방향으로 유도하는 광학 소자이다. 상기 편광판(35)은, 상기 빔 스플리터(34)에 의해 광축이 일치한 2개의 상기 부광을 입력하고, 그들의 동일 방향의 편광 성분을 추출함으로써 2개의 상기 부광의 간섭광(Pr)을 출력하는 광학 소자이다. 상기 빔 스플리터(34) 및 상기 편광판(35)이, 상기 피측정물(1)의 표리 각각에 있어서 2개의 상기 부광을 간섭시키는 부광 간섭 수단의 일례이다. 이하, 상기 참조용 간섭계(30)에 의해 얻어지는 2개의 상기 부광의 간섭광(Pr)을 참조 간섭광(Pr)이라 칭한다. 또한, 상기 참조용 간섭계(30)에는, 필요에 따라서, 2개의 상기 부광 중 한쪽 또는 양쪽의 광로를 변향시키는 미러 등의 광학 소자도 설치되어 있다. 도 1에 도시되는 상기 참조용 간섭계(30)는, 상기 측정광(P2)의 분기광을 변향시키는 미러(33)를 구비하고 있다.

출력측의 한쪽의 상기 광파이버 접속 단자(26)는, 상기 측정 간섭광(Ps)을 후술하는 측정용 광검출기(b28)로 전송하기 위한 광파이버(a27 또는 b27)의 일단부가 접속되는 단자이다. 또한, 한쪽의 상기 광파이버(a27)는, 상기 피측정물(1)의 A면측에 있어서의 상기 측정 간섭광(Ps)을 전송하는 것이고, 다른 쪽의 상기 광파이버(b27)는, 상기 피측정물(1)의 B면측에 있어서의 상기 측정 간섭광(Ps)을 전송하는 것이다. 또한, 출력측의 다른 쪽의 상기 광파이버 접속 단자(36)는, 상기 참조 간섭광(Pr)을 후술하는 참조용 광검출기(b38)로 전송하기 위한 광파이버(a37 또는 b37)의 일단부가 접속되는 단자이다. 또한, 한쪽의 상기 광파이버(a37)는, 상기 피측정물(1)의 A면측에 있어서의 상기 참조 간섭광(Pr)을 전송하는 것이고, 다른 쪽의 상기 광파이버(b37)는, 상기 피측정물(1)의 B면측에 있어서의 상기 참조 간섭광(Pr)을 전송하는 것이다. 상기 측정 간섭광(Ps) 및 상기 참조 간섭광(Pr)은, 그 전송 경로에 있어서 특히 파면을 유지할 필요가 없으므로, 출력측의 상기 광파이버(a27, a37, b27, b37)는, 일반적인 멀티 모드의 광파이버가 채용된다. 여기서, 상기 광파이버(a27, a37, b27, b37)로서 싱글 모드의 광파이버가 채용되어도 된다. 일반적으로, 멀티 모드의 광파이버는, 싱글 모드의 광파이버보다도 파이버의 코어 직경이 커, 전파광의 광축 조정이 용이한 동시에, 보다 큰 광량의 광을 전파할 수 있다. 그로 인해, 광축 조정 및 전파광의 광량의 우위성의 면에서, 출력측의 상기 광파이버(a27, a37, b27, b37)로서 멀티 모드의 광파이버를 사용하는 것이 적합하다.

또한, 상기 위상 검파 회로(W)는, 도 1에 도시되는 바와 같이, 측정용 광검출기(28), 참조용 광검출기(38), 측정계 및 참조계 각각의 신호 증폭용 앰프(29, 39), 위상 검파기(4) 및 실드판(8)을 구비하고 있다. 상기 측정용 광검출기(28)는, 상기 헤테로다인 간섭계(20)에 의해 얻어지는 상기 측정 간섭광(Ps)을 수광하여 그 강도 신호 Sig1 또는 Sig2를 출력하는 광전 변환 소자이다. 또한, 상기 강도 신호 Sig1은, 상기 피측정물(1)의 A면측에 있어서 얻어진 신호, 상기 강도 신호 Sig2는, 상기 피측정물(1)의 B면측에 있어서 얻어진 신호이다. 이하, 상기 강도 신호 Sig1, Sig2를, 측정 비트 신호 Sig1, Sig2라 칭한다. 또한, 상기 참조용 광검출기(38)는, 상기 참조용 간섭계(30)에 의해 얻어지는 상기 참조 간섭광(Pr)을 수광하여 그 강도 신호 Ref1 또는 Ref2를 출력하는 광전 변환 소자이다. 또한, 상기 강도 신호 Ref1은, 상기 피측정물(1)의 A면측에 있어서 얻어진 신호, 상기 강도 신호 Ref2는, 상기 피측정물(1)의 B면측에 있어서 얻어진 신호이다. 이하, 상기 강도 신호 Ref1, Ref2를, 참조 비트 신호 Ref1, Ref2라 칭한다.

상기 위상 검파기(4)는, 상기 측정용 광검출기(28)의 출력 신호인 상기 측정 비트 신호 Sig1 또는 Sig2와, 상기 참조용 광검출기(38)의 출력 신호인 상기 참조 비트 신호 Ref1 또는 Ref2로 이루어지는 2개의 비트 신호의 위상 검파를 행함으로써, 그 2개의 비트 신호의 위상차 ΔΦ1 또는 ΔΦ2를 검출하는 전자 부품이다. 즉, 상기 A면측 위상 검파 회로(aW)에 있어서의 상기 위상 검파기(4)는, 상기 측정 비트 신호 Sig1과 상기 참조 비트 신호 Ref1 사이의 위상차 ΔΦ1을 검출한다. 또한, 상기 B면측 위상 검파 회로(bW)에 있어서의 상기 위상 검파기(4)는, 상기 측정 비트 신호 Sig2와 상기 참조 비트 신호 Ref2 사이의 위상차 ΔΦ2를 검출한다. 상기 피측정물(1)의 표리 각각에 대해 얻어진 상기 2개의 비트 신호의 위상차의 차분 (ΔΦ1－ΔΦ2)은, 상기 피측정물(1)의 두께를 나타내는 측정값이 된다. 또한, A면측 및 B면측의 2개의 상기 위상 검파기(4)는, 상기 계산기(6)로부터 출력되는 동기 신호에 동기하여 2개의 비트 신호의 위상 검파를 동시에 행한다. 이에 의해, 상기 2개의 비트 신호의 위상차의 차분 (ΔΦ1－ΔΦ2)은, 상기 피측정물(1)의 진동의 영향을 받는 일 없이, 상기 피측정물(1)의 두께를 나타낸다. 상기 위상 검파기(4)는, 예를 들어 로크인 앰프 등을 채용할 수 있다. 또한, 상기 위상 검파기(4)가, 상기 위상 정보 검출 수단의 일례이다.

상기 실드판(8)은, 상기 측정용 광검출기(28)로부터 상기 위상 검파기(4)에 이르기까지의 신호 전송 경로와, 상기 참조용 광검출기(38)로부터 상기 위상 검파기(4)에 이르기까지의 신호 전송 경로 사이에 배치된 금속제의 판이다. 장치를 콤팩트화하기 위해 상기 측정용 광검출기(28), 상기 참조용 광검출기(38) 및 상기 위상 검파기(4)를 근접하여 배치하면, 한쪽의 비트 신호의 전송 경로로부터 발생하는 전자파의 불필요 복사가 다른 쪽의 비트 신호에 대한 노이즈로서 간섭하여, 측정 정밀도를 악화시킨다. 서브나노미터 오더의 형상 측정의 정밀도를 실현하기 위해서는, 상기 불필요 복사에 의한 상호 간섭의 노이즈 성분을 신호 성분의 0.5％ 미만으로 억제할 필요가 있다. 상기 실드판(8)의 존재에 의해, 상기 불필요 복사에 기인하는 측정 정밀도의 악화를 방지할 수 있다. 또한, 상기 불필요 복사에 의한 상호 간섭의 억제를 위해, 2개의 상기 비트 신호의 전송 경로의 간격이 20㎜ 정도 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 계산기(6)는, 상기 피측정물(1)의 표리 각각에 대해 얻어진 상기 2개의 비트 신호의 위상차의 차분 (ΔΦ1－ΔΦ2)에 따른 상기 피측정물(1)의 두께의 측정값을 산출하는 두께 산출 처리를 실행한다. 보다 구체적으로는, 상기 계산기(6)는, 상기 2개의 비트 신호의 위상차 ΔΦ1, ΔΦ2를 다음 식 F1에 대입함으로써, 상기 피측정물(1)의 두께의 측정값 Ds를 산출한다.

또한, 식 F1에 있어서, λ는 상기 측정광(P1)의 파장이다. 또한, 식 F1은, 상기 측정광(P2)의 파장이 상기 측정광(P1)의 파장과 동등하다는 근사에 기초하는 식이다. 또한, 식 F1식은, A면측 및 B면측의 상기 측정 광학 유닛(Z)에 있어서, 2개의 상기 측정광(P1, P2) 중 어느 것을 물체광 또는 참조광으로 할지의 관계가 동일한 경우, 즉, A면측 및 B면측에서 물체광의 주파수와 참조광의 주파수의 관계가 동일한 경우의 식이다. 한편, A면측 및 B면측의 상기 측정 광학 유닛(Z)에 있어서, 2개의 상기 측정광(P1, P2) 중 어느 것을 물체광 또는 참조광으로 할지의 조건이 반대인 경우, 즉, A면측 및 B면측에서 물체광의 주파수와 참조광의 주파수의 관계가 반대인 경우의 상기 피측정물(1)의 두께의 측정값 Ds의 산출식은, 다음 식 F2로 된다.

다음에, 도 2를 참조하면서, 상기 측정 광학 유닛(Z)의 구조의 구체예에 대해 설명한다. 도 2는, 상기 측정 광학 유닛(Z)의 일례의 개략 구성도이다. 도 2의 (A)는, 상기 측정 광학 유닛(Z)의 측면도이다. 도 2의 (B)는, 측면도[도 2의 (A)]의 시야 방향에 대해 90° 다른 방향으로부터 본 상기 광학계 유지구(70)의 측면도이다. 또한, 도 2에 있어서, 도 1에 도시되는 각 구성 요소와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호가 부여되어 있다. 상기 측정 광학 유닛에 포함되는 각종 광학 소자는, 상기 피측정물(1)의 표리 각각에 있어서, 소정의 광학계 유지구(70)에 의해 일체로 유지되어 있다. 이하, 상기 측정 광학 유닛에 포함되는 기기, 즉, 상기 광파이버 접속 단자(12, 26, 36), 상기 빔 스플리터(13), 상기 음향 광학 소자(15, 16), 상기 헤테로다인 간섭계(20)와 상기 참조용 간섭계(30)를 구성하는 기기 및 상기 집광 렌즈(23)를 측정 광학계라 총칭한다. 상기 광학계 유지구(70)는, 표리 각각에 있어서 상기 측정 광학계의 일부 또는 전부를 분담하여 유지하는 판 형상의 유지부(71)를 갖는 강체이다. 상기 판 형상의 유지부(71)에는, 상기 측정 광학계를 전파하는 빔 광을 통과시키는 관통 구멍(71h)이 형성되어 있다. 예를 들어, 상기 판 형상의 유지부(71)에는, 상기 측정 광학계 중 상기 집광 렌즈(23)를 제외한 나머지의 광학 소자가 유지된다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 상기 광학계 유지구(70)는, 상기 측정 광학계를, 상기 판 형상의 유지부(71)의 양측에 걸쳐 3차원적으로 유지한다. 이에 의해, 상기 측정 광학계를 유지하는 상기 판 형상의 유지부(71)를 작게 할 수 있고, 그 작은 판 형상의 유지부(71)는, 비교적 얇은 경량인 부재가 채용되어도, 충분한 강성을 확보할 수 있다. 그로 인해, 소형이며 극히 간이한 구조의 상기 광학계 유지구(70)에 의해, 상기 판 형상의 유지부(71)의 변형(휨)에 기인하는 2종류의 상기 측정광(P1, P2)의 위상의 어긋남의 발생을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 광학계 유지구(70)는, 150㎜×90㎜×100㎜ 정도의 크기로, 상기 측정 광학계를 일체로 유지할 수 있다. 또한, 도 2의 (A)에 있어서, 상기 측정 광학계를 상기 판 형상의 유지부(71)에 대해 고정하는 지지 부재의 기재는 생략되어 있다.

또한, 상기 판 형상의 유지부(71)는, 그 모서리부가 다른 부재에 고정 됨으로써 보강된 부재이다. 도 2에 도시되는 예에서는, 상기 판 형상의 유지부(71)는, 직사각 형상의 판재이며, 그 3변의 모서리부가 굴곡 형상으로 연결된 3개의 보강판(72 내지 74)에 고정됨으로써 보강되어 있다. 또한, 도 2에 도시되는 예에서는, 1개의 상기 보강판(74)에도, 상기 피측정물(1)의 방향으로 통하는 관통 구멍(74h)이 형성되어 있고, 그 관통 구멍(74h)이 상기 측정광(P1)의 광로로 되어 있다. 또한, 상기 보강판(74)에는, 상기 집광 렌즈(23)가 유지되어 있다. 상기 광학계 유지구(70)는, 예를 들어 스테인리스나 철, 알루미늄 등의 금속제의 부재에 의해 구성된다.

다음에, 도 3을 참조하면서, 상기 형상 측정 장치(X)에 의해 상기 피측정물(1)의 표면을 주사하는 기구에 대해 설명한다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 상기 형상 측정 장치(X)는, 상기 피측정물(1)을 이동 가능하게 지지하는 가동 지지 장치(40)를 구비하고 있다. 상기 형상 측정 장치(X)는, 상기 피측정물(1)의 진동의 영향을 받는 일 없이, 상기 피측정물(1)의 특정 부위의 두께를 고정밀도로 또한 고속으로 측정할 수 있다. 그리고 상기 형상 측정 장치(X)는, 상기 피측정물(1)을 그 중앙부나 단부 등에서 지지하고, 상기 피측정물(1)을 그 두께 방향에 직교하는 평면 내[피측정물(1)의 표리 각 면에 평행한 면내]에서 이동시키면서 상기 피측정물(1)에 대한 물체광의 주사를 행하는 가동 지지 장치(40)를 구비하고 있다.

도 3에 도시되는 상기 가동 지지 장치(40)는, 반도체 웨이퍼 등의 원반 형상의 상기 피측정물(1)을, 그 모서리부(에지부)에 있어서, 원주 상의 3개소에 배치된 지지부(44)에 의해 3점 지지한다. 이들 3개의 지지부(44)는, 상기 원주의 중심을 향해 신장되는 회전축(41)에 연결되어 있다. 또한, 그 지지축(41)은, 서보 모터 등의 회전 구동부(42)에 의해 회전 구동된다. 이에 의해, 상기 피측정물(1)은, 그 중앙부를 회전 중심으로 하여 회전된다. 또한, 상기 지지축(41) 및 상기 회전 구동부(42)는, 직선 이동 기구(43)에 의해, 상기 피측정물(1)의 표리 각 면에 평행한 방향(두께 방향에 직교하는 방향)으로 소정의 이동 범위 내에서 직선 이동된다. 즉, 상기 직선 이동 기구(43)는, 상기 피측정물(1)을 그 반경 방향을 따라 이동시킨다. 또한, 상기 지지축(41), 상기 회전 구동부(42) 및 상기 직선 이동 기구(43)를 구비한 상기 가동 지지 장치(40)는, 상기 A면측의 상기 헤테로다인 간섭계(20)에 의한 상기 측정광(P1)의 조사 위치와 상기 B면측의 상기 헤테로다인 간섭계(20)에 의한 상기 측정광(P1)의 조사 위치 사이에 상기 피측정물(1)을 지지한다.

그리고 상기 회전 구동부(42)에 의한 상기 피측정물(1)의 회전과, 상기 직선 이동 기구(43)에 의한 상기 피측정물(1)의 직선 방향의 이동을 병용함으로써, 상기 피측정물(1)에 있어서의 상기 측정 부위(1a, 1b)의 위치를 순차 변경하면서 상기 형상 측정 장치(X)에 의한 두께 측정을 실행한다. 예를 들어, 상기 피측정물(1)을 일정 속도로 연속적으로 회전 및 직선 이동시키면서, 일정 주기로, 혹은 측정점(1a, 1b)의 위치가 미리 정해진 위치로 될 때마다, 상기 계산기(6)가, 상기 A면측 및 상기 B면측의 상기 위상차 ΔΦ1, ΔΦ2의 데이터를 상기 위상 검파기(4)로부터 취득한다. 또한, 상기 계산기(6)가, 그들 2개의 위상차 ΔΦ1, ΔΦ2를 상기 식 F1에 대입함으로써, 상기 피측정물(1)의 두께 Ds를 산출한다.

도 4는, 상기 피측정물(1)에 있어서의 상기 측정 부위(1a, 1b)의 분포의 일례를 나타내는 모식도이다. 상기 피측정물(1)을 회전 및 직선 이동시키면서 간섭광의 위상 검출을 순차 행한 경우, 도 4에 도시되는 바와 같이, 상기 측정 부위(1a, 1b)의 위치는, 상기 피측정물(1)의 표면에 있어서의 소용돌이 형상의 선(파선)을 따라 순차 변화된다. 그리고 상기 가동 지지 장치(40)에 의해 상기 피측정물(1)의 유지 위치를 2차원 방향으로 이동시키면서 두께 측정을 순차 행하여, 그 측정 데이터를 소정의 기억부에 기억시키면, 상기 피측정물(1)의 두께 분포 데이터가 얻어진다. 여기서, 원반 형상의 상기 피측정물(1)의 두께가 얇은 경우, 그 피측정물(1)은, 도 3에 도시되는 바와 같이 일부에서 지지되면, 근소한 풍압이나 바닥의 진동에 의해 두께 방향으로 진동한다. 그러나 상기 형상 측정 장치(X)는, 상기 피측정물(1)이 그와 같이 진동해도, 그 진동의 영향을 받지 않고 고정밀도로 상기 피측정물(1)의 두께 분포를 측정할 수 있다. 또한, 상기 피측정물(1)을 그 표면에 평행한 면내에서 위치 결정하는 기구는, 도 3에 도시되는 기구 외에, 이른바 X-Y 플로터와 같이, 상기 피측정물(1)의 지지부를 교차하는 2 직선 각각을 따라 이동시키는 기구라도 좋다.

도 5는 종래의 형상 측정 장치의 측정값의 시계열 변화의 일례를 나타내는 그래프이고, 도 6은 상기 형상 측정 장치(X)의 측정값의 시계열 변화의 일례를 나타내는 그래프이다. 여기서, 종래의 형상 측정 장치는, 주파수가 약간 다른 2개의 상기 측정광(P1, P2)을 광원의 위치로부터 광파이버를 사용하여 상기 A면측 및 상기 B면측 각각의 상기 참조용 간섭계(30) 및 상기 헤테로다인 간섭계(20)의 위치까지 전송함으로써 상기 피측정물(1)의 두께 측정을 행하는 장치이다. 또한, 상기 종래의 형상 측정 장치 및 상기 형상 측정 장치(X)에 있어서, 2개의 상기 측정광(P1, P2) 또는 상기 기간광(P0)의 분기광을 광원의 위치로부터 상기 피측정물(1)의 양면으로 전송하는 광파이버에 대해, 특히 진동 방지용의 조치는 실시되어 있지 않다.

도 5에 나타내어지는 바와 같이, 상기 종래의 형상 측정 장치는, 2개의 상기 측정광(P1, P2)의 전송 경로의 진동 등의 노이즈에 기인하여, 두께의 측정값이 크게 변동된다. 한편, 상기 형상 측정 장치(X)는, 상기 광파이버(a10, b10)에 대해 특별히 신호 방지 대책이 취해져 있지 않음에도 불구하고, 안정된 두께의 측정값이 얻어진다. 따라서, 상기 형상 측정 장치(X)에 따르면, 상기 피측정물(1)의 진동 및 상기 단파장 레이저 광원(2)으로부터 상기 측정 광학 유닛(Z)에 이르는 상기 기간광(P0)의 분기광의 전송 매체의 진동의 영향을 받지 않고, 상기 피측정물(1)의 두께를 간이하게 고정밀도로 측정할 수 있다.

다음에, 다른 실시 형태에 대해 설명한다.

(제2 실시 형태)

상술한 제1 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(X)는, 피측정물(1)의 두께를 고정밀도로 측정하는 것이지만, 제2 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(S)는, 피측정물(1)에 있어서의 두께와 표면 형상을 고정밀도로 측정하는 것이다. 우선, 이 표면 형상의 고정밀도 측정의 필요성에 대해 설명한다.

최근, 집적 회로는, 소자 집적화가 진행되고 있다. 이 집적 회로를 반도체 웨이퍼에 제조하는 프로세스 조건인 프로세스·룰은, 통상, 게이트 배선의 선 폭 또는 간격에 있어서의 최소 가공 치수에 의해 규정된다. 이 프로세스ㆍ룰이 절반으로 되면, 이론상, 동일한 면적에 4배의 트랜지스터나 배선을 배치할 수 있으므로, 동일한 트랜지스터 수에서는 1/4의 면적이 된다. 이 결과, 1매의 반도체 웨이퍼로 제조할 수 있는 다이가 4배로 될 뿐만 아니라, 통상, 수율도 개선되므로, 더 많은 다이가 제조 가능해진다. 이 최소 가공 치수는, 고밀도의 집적 회로를 제조하기 위해, 2007년의 시점의 최선단에서는 45㎚에 달하고 있다.

이러한 서브마이크로미터 오더(1㎛ 이하)의 프로세스ㆍ룰에서는, 반도체 웨이퍼에 높은 평탄도가 요구되어, 반도체 웨이퍼의 표면 형상(표면의 높이 변화)을 무시할 수 없다. 이로 인해, 반도체 웨이퍼의 표면 형상을 고정밀도로, 예를 들어, 서브나노미터 오더(1㎚ 이하)로 측정하는 형상 측정 장치가 요망되고 있다. 이러한 형상 측정 장치의 하나로서, 광 헤테로다인 간섭법에 의해 피측정물의 표면 형상을 측정하는 장치가 알려져 있다. 이 광 헤테로다인 간섭법은, 주파수가 다른 2개의 레이저광을 간섭시켜 그들의 차의 주파수를 갖는 비트 신호를 생성하여, 이 생성된 비트 신호의 위상 변화를 검파하는 것이며, 이 비트 신호의 위상 변화는, 상기 2개의 레이저광 사이에 있어서의 광로 길이의 차에 대응한다. 이러한 광 헤테로다인 간섭법을 사용한 형상 측정 장치는, 예를 들어 상술한 특허 문헌 2에 개시되어 있다.

그런데, 이 특허 문헌 2에 기재된 형상 측정 장치는, 원리적으로는 면의 표면 형상을 측정하는 것이 가능하지만, 그 측정 결과에는, 반도체 웨이퍼의 진동도 포함한 면 형상 데이터로 되어 버려, 나노미터 오더 레벨에서의 정확한 면의 표면 형상을 측정할 수 없다.

특히, 반도체 웨이퍼에서는, 그 표면 형상의 평탄도(두께 분포 및 표면 형상)는, 그 외측 모서리부에 에지 롤오프(Edge Roll-off)라 불리는 형상이 존재하므로, 일반적으로 중심부보다도 외측 모서리부의 쪽이 열화된다. 반도체 웨이퍼에 있어서의 다이의 제조 가능 영역을 외측 모서리부로 넓히기 위해, 이 에지 롤오프의 평가가 중요하다. 이 에지 롤오프를 평가하기 위해서도, 반도체 웨이퍼에 있어서의 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정하는 것이 요망된다.

제2 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(S)는, 이러한 사정하에 개발된 장치로, 피측정물(측정 대상물)의 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있는 장치이다.

제1 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(X)는, 측정광을 생성하는 광원부와, 상기 광원부에서 생성된 측정광을 일면측 측정광과 타면측 측정광으로 나누는 광 분기부와, 상기 광 분기부에 의해 나뉜 일면측 측정광을 제1 일면측 측정광과 제2 일면측 측정광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 측정 대상물의 한쪽 면에 조사되어 반사된 조사 후 일면측 측정광과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 일면측 간섭광을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 상기 측정 대상물의 한쪽 면에 조사되기 전의 조사 전 일면측 측정광과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 일면측 간섭광을 생성하는 일면측 측정부와, 상기 광 분기부에 의해 나뉜 타면측 측정광을 제1 타면측 측정광과 제2 타면측 측정광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 상기 측정 대상물의 다른 쪽면에 조사되어 반사된 조사 후 타면측 측정광과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 타면측 간섭광을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 상기 측정 대상물의 다른 쪽면에 조사되기 전의 조사 전 타면측 측정광과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 타면측 간섭광을 생성하는 타면측 측정부와, 일면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상과, 타면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 타면측 간섭광 및 조사 후 타면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 타면측 위상의 위상차에 기초하여 상기 측정 대상물의 두께를 구하는 연산부를 구비하고, 또한, 상기 일면측 측정광을 상기 일면측 측정부로 도광하는 일면측 도광부와, 상기 타면측 측정광을 상기 타면측 측정부로 도광하는 타면측 도광부를 구비하고, 상기 광 헤테로다인 간섭을 행하기 위해, 제1 및 제2 일면측 측정광을 주파수 변조하는 일면측 광 변조기를 상기 일면측 측정부 내에 갖고, 상기 광 헤테로다인 간섭을 행하기 위해, 제1 및 제2 타면측 측정광을 주파수 변조하는 타면측 광 변조기를 상기 타면측 측정부 내에 갖고, 그리고 일면측 측정부의 측정 광학계가 일체로 유지되고, 타면측 측정부의 측정 광학계가 일체로 유지되는 것이다.

한편, 제2 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(S)는, 측정광을 생성하는 광원부와, 상기 광원부에서 생성된 측정광을 일면측 측정광과 타면측 측정광으로 나누는 광 분기부와, 상기 광 분기부에 의해 나뉜 일면측 측정광을 제1 일면측 측정광과 제2 일면측 측정광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 측정 대상물의 한쪽 면에 조사되어 반사된 조사 후 일면측 측정광과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 일면측 간섭광을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 상기 측정 대상물의 한쪽 면에 조사되기 전의 조사 전 일면측 측정광과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 일면측 간섭광을 생성하는 일면측 측정부와, 상기 광 분기부에 의해 나뉜 타면측 측정광을 제1 타면측 측정광과 제2 타면측 측정광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 상기 측정 대상물의 다른 쪽면에 조사되어 반사된 조사 후 타면측 측정광과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 타면측 간섭광을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 상기 측정 대상물의 다른 쪽면에 조사되기 전의 조사 전 타면측 측정광과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 타면측 간섭광을 생성하는 타면측 측정부와, 일면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상과, 타면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 타면측 간섭광 및 조사 후 타면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 타면측 위상의 위상차에 기초하여 상기 측정 대상물의 두께를 구하는 연산부를 구비하고, 상기 일면측 측정부는, 복수의 조사 후 일면측 간섭광을 생성하기 위해, 상기 측정 대상물의 한쪽 면에 대해 복수의 개소에 복수의 제1 일면측 측정광을 조사하여 반사시켜 복수의 조사 후 일면측 측정광을 얻고, 상기 연산부는, 상기 복수의 개소의 각각에 대해, 상기 일면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상에 기초하여 미리 설정된 기준면으로부터 상기 측정 대상물의 상기 한쪽 면까지의 거리를 구함으로써, 상기 복수의 개소에서의 상기 측정 대상물에 있어서의 표면 형상을 또한 구하는 것이다.

이러한 제2 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(S)는, 보다 구체적으로는, 이하와 같은 장치이다.

도 7은 제2 실시 형태에 관한 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 제2 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(S)는, 광 헤테로다인 간섭법을 이용함으로써, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 박판 형상의 피측정물(측정 대상물)(1)에 있어서의 표면 형상을 나노미터 레벨이나 서브나노미터 레벨(1㎚ 이하의 두께 방향의 분해능)로 측정하는 장치이다. 형상 측정 장치(S)는, 예를 들어 도 7에 도시하는 바와 같이, 광원부(101)와, 일면측 측정부[102(102A, 102B)]와, 타면측 측정부(103)와, 스테이지(104)와, 일면측 위상 검파부[105(105A, 105B)]와, 타면측 위상 검파부(106)와, 연산 제어부(107)와, 입력부(8)와, 출력부(9)를 구비하여 구성되고, 스테이지(104)에 의해 피측정물(1)을 수평 방향으로 이동시키면서 피측정물(1)의 표면 형상을 측정하는 것이다.

이하, 형상 측정 장치(S)의 각 부에 대해 설명하지만, 여기서, 각 부에서 다용되는 광 부품(광학 소자)에 대해 정리하여 설명한다.

광 분기부(optical branching device, 무편광 빔 스플리터)는, 입사광을 광 파워의 점에서 2개의 광으로 분배하여 각각 사출하는 광 부품이다. 광 분기부는, 예를 들어 하프 미러(반투경) 등의 미소 광학 소자형 광 분기 결합기나, 용융 파이버의 광파이버형 광 분기 결합기나, 광도파로형 광 분기 결합기 등을 이용할 수 있다. 광 분기부는, 통상, 입력 단자와 출력 단자를 바꾸어(반대로) 사용하면, 입사한 2개의 광을 함께 사출하는 광 결합부로서 기능한다. 광 분기부로서 하프 미러가 사용되는 경우, 통상, 이 분배된 한쪽 광은, 하프 미러를 통과하여 그대로의 방향으로 사출되고, 이 분배된 다른 쪽 광은, 하프 미러에서 반사되어 이 방향과 수직한 방향(직교하는 방향)으로 사출된다.

편광 빔 스플리터(polarization beam splitter)는, 입사광으로부터 서로 직교하는 S 편광과 P 편광을 취출하여 각각 사출하는 광 부품으로, 통상, 이 취출된 한쪽 광(S 편광 또는 P 편광)은, 그대로의 방향으로 사출되고, 이 취출된 다른 쪽 광(P 편광 또는 S 편광)은, 이 방향과 수직한 방향(직교하는 방향)으로 사출된다.

편광자(polarizer)는, 입사광으로부터 소정의 편광면을 갖는 직선 편광을 취출하여 사출하는 광 부품으로, 예를 들어 편광 필터이다.

파장판[wave plate, {위상판(phase plate)}]은, 입사광에 있어서의 2개의 편광 성분 사이에 소정의 위상차(따라서 광로차)를 부여하여 사출하는 광 부품으로, 예를 들어 상기 1/4 파장판이나, 입사광에 있어서의 2개의 편광 성분 사이에 λ/2의 광로차를 부여하는 1/2 파장판 등이다. 파장판을 구성하는 예를 들어 복굴절성의 백운모판 등의 결정판에 있어서의 두께를 d로 하고, 상기 결정판에 있어서의 2개의 편광 성분에 대한 굴절률을 각각 n1, n2로 하고, 입사광의 파장을 λ로 하는 경우에, 이 파장판에 의한 위상차는, (2π/λ)(n1－n2)d로 부여된다.

반사경(미러, reflection mirror)은, 입사광을 그 입사각에 따른 반사각으로 소정의 반사율로 반사함으로써 광의 진행 방향을 변경하는 광 부품으로, 예를 들어 글래스 부재의 표면에 금속 박막이나 유전체 다층막을 증착한 것이다. 반사경은, 광의 손실을 저감하기 위해, 전반사하는 전반사경이 바람직하다.

입력 단자는, 광 부품에 광을 입사하기 위한 단자이고, 또한 출력 단자는, 광 부품으로부터 광을 사출하기 위한 단자이다. 각 부 사이의 접속에는, 예를 들어 미러나 렌즈 등의 광학 부품으로 구성되는 도광 수단이 사용되어도 되지만, 본 실시 형태에서는, 각 부 사이의 접속에는, 후술하는 바와 같이 편파 유지 광파이버나 멀티 모드 광파이버 등의 광파이버가 사용되므로, 이들 입력 단자 및 출력 단자에는, 광파이버를 접속하기 위한 커넥터가 사용된다.

이하, 형상 측정 장치(S)의 각 부에 대해 설명한다. 우선, 광원부(101)에 대해 설명한다. 도 8은, 제2 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 광원부의 구성을 도시하는 도면이다. 광원부(101)는, 소정의 가간섭광이며, 피측정물(1)의 표면 형상을 광 헤테로다인 간섭법에 의해 측정하기 위한 측정광을 생성하는 장치이다. 측정광은, 미리 설정된 소정의 파장 λ(주파수 ω)를 갖는 단파장 광이며, 미리 설정된 소정의 편광면을 갖는 편광이다. 측정광은, 측정 대상물을 양면으로부터 광 헤테로다인 간섭법에 의해 측정하기 위해, 2개의 일면측 측정광(제A 측정광) 및 타면측 측정광(제B 측정광)을 구비하고 있다. 이러한 광원부(101)는, 예를 들어 도 8에 도시하는 바와 같이, 단파장 레이저 광원(101a)과, 광 아이솔레이터(101b)와, 광 분기부(101c)와, 편광자(101d, 101f)와, 출력 단자(101e, 101g)를 구비하여 구성된다.

단파장 레이저 광원(101a)은, 미리 설정된 소정의 파장 λ0(주파수 ω0)을 갖는 단파장 레이저광을 발생하는 장치로, 각종 레이저 장치를 사용할 수 있지만, 예를 들어 소정의 광 파워로 파장 약 632.8㎚의 레이저광을 출력할 수 있는 헬륨 네온 레이저 장치(He-Ne 레이저 장치) 등이다. 단파장 레이저 광원(101a)은, 파장 로커 등을 구비한 주파수 안정화 레이저 장치가 바람직하다. 광 아이솔레이터(101b)는, 그 입력 단자로부터 그 출력 단자로 일방향으로만 광을 투과시키는 광 부품이다. 광 아이솔레이터(101b)는, 단파장 레이저 광원(101a)의 레이저 발진을 안정시키기 위해, 형상 측정 장치(S) 내에 있어서의 각 광 부품(광학 소자)의 접속부 등에서 발생하는 반사광(복귀광)이 단파장 레이저 광원(101a)에 입사하는 것을 방지하는 것이다.

이러한 광원부(101)에서는, 단파장 레이저 광원(101a)으로부터 사출된 레이저광은, 광 아이솔레이터(101b)를 통해 광 분기부(101c)에 입사되어, 제1 레이저광 및 제2 레이저광의 2개로 분배된다. 제1 레이저광은, 편광자(101d)에 입사되고, 소정의 편광면을 갖는 레이저광의 일면측 측정광으로 되어, 출력 단자(101e)로부터 사출된다. 이 일면측 측정광은, 일면측 측정부(102)에 입사된다. 한편, 제2 레이저광은, 편광자(101f)에 입사되고, 소정의 편광면을 갖는 레이저광의 타면측 측정광으로 되어, 출력 단자(101g)로부터 사출된다. 이 타면측 측정광은, 타면측 측정부(103)에 입사된다.

여기서, 설명의 편의상, 피측정물(1)의 한쪽 면[도 7에 도시하는 예에서는 상측의 면(상면)]을 「A면」이라 호칭하는 것으로 하고, 피측정물(1)의, A면과 표리의 관계에 있는 다른 쪽면[도 7에 도시하는 예에서는 하측의 면(하면)]을 「B면」이라 호칭하는 것으로 한다. 본 실시 형태에서는, 상기 일면측 측정광은, 피측정물(1)의 A면의 표면 형상을 광 헤테로다인 간섭법에 의해 측정하기 위해 사용되고, 상기 타면측 측정광은, 피측정물(1)의 B면의 표면 형상을 광 헤테로다인 간섭법에 의해 측정하기 위해 사용된다.

광원부(101)와 일면측 측정부(102)의 접속 및 광원부(101)와 타면측 측정부(103)의 접속에는, 광원부(101) 및 일면측 측정부(102) 사이의 광로 길이와, 광원부(101) 및 타면측 측정부(103) 사이의 광로 길이의 조정을 용이하게 하는 관점에서, 본 실시 형태에서는 각각, 광을 그 편파면을 유지하면서 도광하는 편파 유지 광파이버가 사용된다. 편파 유지 광파이버는, 예를 들어 PANDA 파이버나 타원 코어 광파이버 등이다. 광원부(101)의 출력 단자(101e)로부터 사출된 일면측 측정광은, 편파 유지 광파이버에 의해 도광되어, 일면측 측정부(102)로 입사하고, 광원부(101)의 출력 단자(101g)로부터 사출된 타면측 측정광은, 편파 유지 광파이버에 의해 도광되어, 타면측 측정부(103)로 입사한다.

다음에, 일면측 측정부(102)에 대해 설명한다. 도 9는, 제2 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 제1 형태에 관한 일면측 측정부의 구성을 도시하는 도면이다. 도 10은 제2 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 제2 형태에 관한 일면측 측정부의 구성을 도시하는 도면이다.

일면측 측정부(제A 측정부)(102)는, 광원부(101)로부터의 일면측 측정광이 입사되고, 일면측 측정광을 사용한 광 헤테로다인 간섭법에 의해 피측정물(1)에 있어서의 A면의 표면 형상의 정보를 포함하는 비트 광신호를 얻는 장치이다.

보다 구체적으로는, 일면측 측정부(102)는, 피측정물(1)의 A면에 대향 배치되고, 광원부(101)로부터의 일면측 측정광을 제1 일면측 측정광(제A1 측정광)과 제2 일면측 측정광(제A2 측정광)으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 피측정물(1)의 A면에 조사되어 반사된 조사 후 일면측 측정광(제A 조사 후 측정광)과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 일면측 간섭광(제A 조사 후 간섭광)을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 피측정물(1)의 A면에 조사되기 전의 조사 전 일면측 측정광(제A 조사 전 측정광)과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 일면측 간섭광(제A 조사 전 간섭광)을 생성하는 측정 광학계이며, 피측정물(1)에 있어서의 A면의 표면 형상을 측정하기 위해 복수의 조사 후 일면측 간섭광을 생성하기 위해, 피측정물(1)의 A면에 대해 1개의 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P에 복수의 제1 일면측 측정광을 조사하여 반사시켜 복수의 조사 후 일면측 측정광을 얻는 측정 광학계이다. 이러한 구성의 일면측 측정부(102)에서는, 조사 전 일면측 간섭광을 기준으로, 복수의 조사 후 일면측 간섭광에 있어서의 각 위상이 각각 측정될 수 있다.

또한, 보다 구체적으로는, 일면측 측정부(102)는, 피측정물(1)의 A면에 대향 배치되고, 일면측 측정광으로부터, 서로 주파수가 다른 2개의 제1 및 제2 일면측 측정광을 생성하고, 이 2개의 제1 일면측 측정광과 제2 일면측 측정광을 간섭(광 헤테로다인 간섭)시켜, 그들의 차의 주파수를 갖는 비트 광신호를 생성하는 광 헤테로다인 간섭계이고, 일면측 측정광으로부터 제1 및 제2 일면측 측정광이 생성된 후 제1 일면측 측정광과 제2 일면측 측정광이 간섭될 때까지의 동안에, 제1 일면측 측정광이 피측정물(1)의 A면에 조사되어 반사되는 제1 일면측 광로 및 제1 일면측 측정광이 피측정물(1)의 A면에 조사되지 않는 제2 일면측 광로의 각 광로를 포함하고, 그리고 피측정물(1)에 있어서의 A면의 표면 형상을 측정하기 위해, 제1 일면측 측정광이 피측정물(1)의 A면에 조사되기 전에 제1 일면측 측정광이 다시 복수로 분배되어, 그 각각이 피측정물(1)의 A면에 조사되어 반사되고, 이 제1 일면측 측정광의 복수의 분배에 대응하여, 제1 일면측 측정광과 제2 일면측 측정광이 간섭되기 전에, 제2 일면측 측정광도 다시 복수로 분배되어, 그 각각이 피측정물(1)의 A면에서 반사된 복수의 제1 일면측 측정광과 각각 간섭하는 측정 광학계이다.

이러한 일면측 측정부(102)로서, 예를 들어 도 9에 도시하는 구성의 제1 형태에 관한 일면측 측정부(102A)나 도 10에 도시하는 구성의 제2 형태에 관한 일면측 측정부(102B)를 들 수 있다.

이 제1 형태에 관한 일면측 측정부(102A)는, 도 9에 도시하는 바와 같이, 입력 단자(102a)와, 광 분기부(102b, 102d, 102i, 102m, 102p)와, 편광 빔 스플리터(102f)와, 광 파장 시프터(102c, 102l)와, 반사경(102k, 102o)과, 회절 격자(102e, 102n)와, 1/4 파장판(102g)과, 렌즈(102h)와, 출력 단자[102j(102j-1 내지 102j-3), 102q]를 구비하여 구성된다.

광 파장 시프터(102c, 102l)는, 입사광의 파장을 시프트하여(입사광의 주파수를 변화시켜) 입사광의 파장(주파수)과 다른 파장(주파수)의 광을 생성하는 광 부품으로, 예를 들어 음향 광학 효과를 이용함으로써 입사광의 파장을 시프트하는 음향 광학 변조기(acoustooptic modulator) 등이 사용된다. 회절 격자(102e, 102n)는, 입사광을 회절하는 광 부품이다. 회절 격자(102e, 102n)는, 본 실시 형태에서는, 입사광이 격자에 입사되면 이 격자를 투과하여 회절광이 사출되는 투과형의 회절 격자이다. 렌즈(102h)는, 일면측 측정부(102A)의 피측정물(1)에 대한 대물 렌즈로, 비구면의 집광 렌즈이다.

이러한 구성의 일면측 측정부(102A)에서는, 광원부(101)로부터 편파 유지 광파이버를 통해 입력 단자(102a)에 입사된 일면측 측정광은, 광 분기부(102b)에 입사되고, 제1 일면측 측정광 및 제2 일면측 측정광의 2개로 분배된다. 제1 일면측 측정광은, 그대로의 방향[광 분기부(102b)에 있어서, 입사광의 진행 방향과 사출광의 진행 방향이 동일함]으로 진행하는 한편, 제2 일면측 측정광은, 제1 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향(수직한 방향)으로 진행한다. 제1 일면측 측정광은, 광 파장 시프터(102c)에 입사되어, 그 파장(주파수)이 시프트(변경)되고, 제2 일면측 측정광은, 반사경(102k)을 통해 광 파장 시프터(102l)에 입사되어, 그 파장(주파수)이 시프트(변경)된다. 주파수 변경 후(파장 시프트 후)에 있어서의 제1 일면측 측정광의 주파수 ωA1과 제2 일면측 측정광의 주파수 ωA2의 주파수차 ΔωA는, 특별히 한정되지 않지만, 광 헤테로다인에 의해 간섭시키는 관점에서, 예를 들어 수십 ㎑ 내지 수 ㎒ 정도의 값이다. 후술하는 제2 형태의 일면측 측정부(102B) 및 타면측 측정부(103)도 마찬가지이다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제1 일면측 측정광 및 제2 일면측 측정광의 각각을 파장 시프터(102c, 102cl)에 의해 각각 파장 시프트하였지만, 광 헤테로다인에 의해 간섭시키기 위해, 제1 일면측 측정광의 주파수 ωA1과 제2 일면측 측정광의 주파수 ωA2 사이에, 소정의 주파수차 ΔωA가 있으면 되므로, 한쪽 뿐이어도 된다. 후술하는 제2 형태의 일면측 측정부(102B) 및 타면측 측정부(103)도 마찬가지이다.

또한, 광 분기부(102b)로부터 사출된 제2 일면측 측정광은, 본 실시 형태에서는 광 분기부(102b)에 의해 제1 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행하지만, 반사경(102k)에 의해 그 진행 방향이 직각으로 구부러져, 제1 일면측 측정광의 진행 방향과 일치된다. 이와 같이 반사경(102k)은, 광 분기부(102b)로부터 사출된 제1 일면측 측정광의 진행 방향과 제2 일면측 측정광의 진행 방향을 일치시키기 위해 설치되어 있다.

파장 시프터(102c)로부터 사출된 제1 일면측 측정광(파장 시프트 후의 제1 일면측 측정광)은, 광 분기부(102d)에 입사되어, 제11 일면측 측정광(제A11 측정광) 및 제12 일면측 측정광(제A12 측정광)의 2개로 분배된다. 이 제11 일면측 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 제12 일면측 측정광은, 제11 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다. 또한, 파장 시프터(102l)로부터 사출된 제2 일면측 측정광(파장 시프트 후의 제2 일면측 측정광)은, 광 분기부(102m)에 입사되어, 제21 일면측 측정광(제A21 측정광) 및 제22 일면측 측정광(제A22 측정광)의 2개로 분배된다. 이 제21 일면측 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 제22 일면측 측정광은, 제21 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다.

제12 일면측 측정광은, 조사 전 일면측 측정광이며, 광 분기부(102p)에 입사되고, 제22 일면측 측정광은, 반사경(102o)을 통해 광 분기부(102p)에 입사된다. 그리고 이 광 분기부(102p)에 입사된 제12 일면측 측정광과 제22 일면측 측정광은, 광 분기부(102p)에서 광이 합쳐져 광 헤테로다인 간섭을 행하여, 그 비트 광신호가 조사 전 일면측 간섭광으로서 출력 단자(102q)로부터 사출된다. 여기서는, 광 분기부(102p)는 광 결합부로서 기능하고 있다. 이 출력 단자(102q)로부터 사출된 비트 광신호의 조사 전 일면측 간섭광은, 일면측 위상 검파부(105)에 입사된다.

또한, 피측정물(1)의 A면에 대해 1개의 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P에 복수의 측정광, 본 실시 형태에서는 제11 일면측 측정광을 조사하기 위해, 제11 일면측 측정광은, 회절 격자(102e)에 입사되고, 회절되어, 복수로 분배된다. 그리고 이것에 대응하여 제21 일면측 측정광도, 회절 격자(102n)에 입사되고, 회절되어, 복수로 분배된다. 상기 복수의 개소 P는, 임의의 개수라도 좋지만, 본 실시 형태에서는, 피측정물(1)의 표면 형상으로서 측정 개소의 곡률을 구하므로, 3개소 이상이다. 상기 복수의 개소 P의 개수가 많을수록, 구해지는 곡률의 정밀도가 향상되어 바람직하지만, 그 정보 처리(연산 처리)의 처리량(연산량)이 증가하므로, 예를 들어 본 실시 형태에서는 상기 복수의 개소 P의 개수는, 3개소이다. 이로 인해, 회절 격자(102e)에 의해 회절된 회절광 중 3개의 회절광이, 피측정물(1)의 A면에 있어서의 3개소에 동시에 조사되는 제11 일면측 측정광으로서 사용되고, 이것에 대응하여 회절 격자(102n)에 의해 회절된 회절광 중 3개의 회절광이, 후술하는 바와 같이 광 분기부(102i)에서 합쳐져 광 헤테로다인 간섭을 행하는 제21 일면측 측정광으로서 사용된다. 그리고 이와 같이 사용되는 3개의 회절광은, 광 파워의 점에서 상대적으로 보다 강하고 또한 대칭성을 가지므로, 예를 들어 0차 회절광, +1차 회절광 및 -1차 회절광이 사용된다.

회절 격자(102e)에서 회절된 복수(여기서는, 3개)의 제11 일면측 측정광은, 편광 빔 스플리터(102f)를 통해 1/4 파장판(102g)에 입사되고, 렌즈(102h)에서 집광되고, 피측정물(1)의 A면에, 1개의 측정 개소 MP에 있어서 복수의 개소 P에 조사된다. 그리고 이 피측정물(1)의 A면에 있어서의 상기 복수의 개소 P의 각각에서 반사된 복수의 제11 일면측 측정광은, 조사 후 일면측 측정광으로서, 다시 렌즈(102h)에 입사되고, 그리고 1/4 파장판(102g)에 입사된다. 따라서, 이 1/4 파장판(102g)의 존재에 의해, 편광 빔 스플리터(102f)로부터 피측정물(1)의 A면에 조사되는 복수의 제11 일면측 측정광에 있어서의 편광 상태(예를 들어, P 편광 또는 S 편광)와, 피측정물(1)의 A면에서 반사하여 편광 빔 스플리터(102f)에 입사되는 복수의 제11 일면측 측정광에 있어서의 편광 상태(예를 들어, S 편광 또는 P 편광)가 서로 바뀌게 된다. 이로 인해, 회절 격자(102e)로부터 편광 빔 스플리터(102f)에 입사된 복수의 제11 일면측 측정광은, 편광 빔 스플리터(102f)를 피측정물(1)의 A면을 향해 통과하는 한편, 피측정물(1)의 A면으로부터 렌즈(102h) 및 1/4 파장판(102g)을 통해 편광 빔 스플리터(102f)에 입사한 복수의 제11 일면측 측정광(조사 후 일면측 측정광)은, 소정의 방향, 본 실시 형태에서는, 상기 복수의 제11 일면측 측정광(조사 후 일면측 측정광)이 피측정물(1)의 A면으로부터 편광 빔 스플리터(102f)를 향하는 방향에 대해 직교하는 방향으로 반사된다.

편광 빔 스플리터(102f)로부터 사출된 복수의 제11 일면측 측정광(조사 후 일면측 측정광)은, 광 분기부(102i)에 입사된다. 광 분기부(102i)에는, 회절 격자(102n)에서 회절되어 분배된 복수의 제21 일면측 측정광도, 입사된다. 그리고 이 광 분기부(102i)에 입사된 복수의 제11 일면측 측정광과 복수의 제21 일면측 측정광은, 광 분기부(102i)에서 각 광의 각각이 합쳐져 광 헤테로다인 간섭을 각각 행하여, 그 복수의 비트 광신호가 복수의 조사 후 일면측 간섭광으로서 각 출력 단자[102j(102j-1 내지 102j-3)]로부터 사출된다. 여기서는, 광 분기부(102i)는, 광 결합부로서 기능하고 있다. 이들 각 출력 단자[102j(102j-1 내지 102j-3)]로부터 사출된 비트 광신호의 복수의 조사 후 일면측 간섭광은, 일면측 위상 검파부(105)에 입사된다.

본 실시 형태에서는, 일면측 측정부(102A)와 일면측 위상 검파부(105)는, 싱글 모드 광파이버라도 좋지만, 광축 조정 및 전파광의 광량에 있어서의 우위성의 관점에서, 복수의 전반 모드를 갖는 멀티 모드 광파이버에 의해 접속되어 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 일면측 측정부(105A)로부터 사출된 조사 전 일면측 간섭광은, 멀티 모드 광파이버에 의해 도광되어, 일면측 위상 검파부(105)로 입사하고, 일면측 측정부(105A)로부터 사출된 복수의 조사 후 일면측 간섭광은, 복수의 멀티 모드 광파이버에 의해 각각 도광되어, 일면측 위상 검파부(105)로 입사한다. 또한, 후술하는 일면측 측정부(102B)와 일면측 위상 검파부(105)의 접속 및 타면측 측정부(103)와 타면측 위상 검파부(106)의 접속도 마찬가지이다.

이러한 구성의 일면측 측정부(102A)는, 회절 격자(102e)를 사용함으로써 1개의 광학 소자에 의해 제1 일면측 측정광을 복수로 나눌 수 있고, 그리고 회절 격자(102n)를 사용함으로써 1개의 광학 소자에 의해 제2 일면측 측정광을 복수로 나눌 수 있어, 일면측 측정광의 1개의 발광에 의해 상기 복수의 개소 P를 동시에 측정할 수 있다. 또한, 복수의 제11 일면측 측정광(조사 후 일면측 측정광)과 복수의 제21 일면측 측정광의 광 헤테로다인 간섭도 1개의 광 분기부(102i)에서 행할 수 있다. 따라서, 일면측 측정부(102A)를 구성하는 광 부품의 개수를 저감할 수 있어, 장치의 소형화 및 저렴화를 실현하기 쉽다.

또한, 이 제2 형태에 관한 일면측 측정부(102B)는, 도 10에 도시하는 바와 같이, 입력 단자(102a)와, 광 분기부(102b, 1020a, 1020b, 1020c, 1020m, 1020n, 1020o, 1020p, 1020q, 1020r, 1020u)와, 편광 빔 스플리터(102f)와, 광 파장 시프터(102c, 102l)와, 반사경(102k, 1020d, 1020e, 1020f, 1020g, 1020j, 1020k, 1020l, 1020s, 1020t)과, 1/4 파장판(102g)과, 렌즈(102h)와, 출력 단자[102j(102j-1 내지 102j-3), 102q]를 구비하여 구성된다.

이러한 구성의 일면측 측정부(102B)에서는, 광원부(101)로부터 편파 유지 광파이버를 통해 입력 단자(102a)에 입사된 일면측 측정광은, 광 분기부(102b)에 입사되어, 제1 일면측 측정광 및 제2 일면측 측정광의 2개로 분배된다. 제2 일면측 측정광은, 그대로의 방향[광 분기부(102b)에 있어서, 입사광의 진행 방향과 사출광의 진행 방향이 동일]으로 진행하는 한편, 제1 일면측 측정광은, 제2 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향(수직한 방향)으로 진행한다. 제2 일면측 측정광은, 광 파장 시프터(102c)에 입사되어, 그 파장(주파수)이 시프트(변경)되고, 제1 일면측 측정광은, 반사경(102k)을 통해 광 파장 시프터(102l)에 입사되어, 그 파장(주파수)이 시프트(변경)된다.

또한, 광 분기부(102b)로부터 사출된 제1 일면측 측정광은, 본 실시 형태에서는 광 분기부(102b)에 의해 제2 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행하지만, 반사경(102k)에 의해 그 진행 방향이 직각으로 구부려져, 제2 일면측 측정광의 진행 방향과 일치된다. 이와 같이 반사경(102k)은, 광 분기부(102b)로부터 사출된 제1 일면측 측정광의 진행 방향과 제2 일면측 측정광의 진행 방향을 일치시키기 위해 설치되어 있다.

파장 시프터(102l)로부터 사출된 제1 일면측 측정광(파장 시프트 후의 제1 일면측 측정광)은, 광 분기부(1020a)에 입사되어, 제11 일면측 측정광 및 제12 일면측 측정광의 2개로 분배된다. 이 제11 일면측 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 제12 일면측 측정광은, 제11 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다. 또한, 파장 시프터(102c)로부터 사출된 제2 일면측 측정광(파장 시프트 후의 제2 일면측 측정광)은, 광 분기부(1020p)에 입사되어, 제21 일면측 측정광 및 제22 일면측 측정광의 2개로 분배된다. 이 제21 일면측 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 제22 일면측 측정광은, 제21 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다.

제12 일면측 측정광은, 조사 전 일면측 측정광이며, 광 분기부(1020u)에 입사되고, 제22 일면측 측정광은, 반사경(1020t)을 통해 광 분기부(1020u)에 입사된다. 그리고 이 광 분기부(1020u)에 입사된 제12 일면측 측정광과 제22 일면측 측정광은, 광 분기부(1020u)에서 광이 합쳐져 광 헤테로다인 간섭을 행하여, 그 비트 광신호가 조사 전 일면측 간섭광으로서 출력 단자(102q)로부터 사출된다. 여기서는, 광 분기부(102p)는 광 결합부로서 기능하고 있다. 이 출력 단자(102q)로부터 사출된 비트 광신호의 조사 전 일면측 간섭광은, 일면측 위상 검파부(105)에 입사된다.

또한, 피측정물(1)의 A면에 대해 1개의 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P에 복수의 측정광, 본 실시 형태에서는 제11 일면측 측정광을 조사하기 위해, 제11 일면측 측정광은, 복수의 광 분기부(1020)에 순차적으로 입사되고, 각 광 분기부에서 순차적으로 분배되어, 복수로 분배된다. 이것에 대응하여 제21 일면측 측정광도, 복수의 광 분기부(1020)에 순차적으로 입사되고, 각 광 분기부에서 순차적으로 분배되어, 복수로 분배된다. 본 실시 형태에서는, 일면측 측정부(102A)의 설명에서 상술한 바와 같이, 상기 복수의 개소 P의 개수는, 3개소이다. 이로 인해, 보다 구체적으로는, 제11 일면측 측정광은, 2개의 광 분기부(1020b) 및 광 분기부(1020c)에 순차적으로 입사되고, 각 광 분기부(1020b, 1020c)에서 순차적으로 분배되어, 3개로 분배된다. 이것에 대응하여 제21 일면측 측정광도, 2개의 광 분기부(1020q) 및 광 분기부(1020r)에 순차적으로 입사되고, 각 광 분기부(1020q, 1020r)에서 순차적으로 분배되어, 3개로 분배된다.

광 분기부(1020b)에서 분배된 한쪽의 제11 일면측 측정광은, 제1번째의 제11 일면측 측정광으로서, 반사경(1020e)을 통해 편광 빔 스플리터(102f)에 입사된다. 광 분기부(1020b)에서 분배된 다른 쪽의 제11 일면측 측정광은, 광 분기부(1020c)에 입사되고, 다시 분배된다. 이 광 분기부(1020c)에서 분배된 한쪽의 제11 일면측 측정광은, 제2번째의 제11 일면측 측정광으로서, 반사경(1020f)을 통해 편광 빔 스플리터(102f)에 입사된다. 그리고 이 광 분기부(1020c)에서 분배된 다른 쪽의 제11 일면측 측정광은, 제3번째의 제11 일면측 측정광으로서, 반사경(1020d) 및 반사경(1020g)을 통해 편광 빔 스플리터(102f)에 입사된다.

여기서, 이 광 분기부(1020b)에서 분배된 다른 쪽의 제11 일면측 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 광 분기부(1020b)에서 분배된 한쪽의 제11 일면측 측정광은, 상기 다른 쪽의 제11 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다. 이 광 분기부(1020c)에서 분배된 다른 쪽의 제11 일면측 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 광 분기부(1020c)에서 분배된 한쪽의 제11 일면측 측정광은, 상기 다른 쪽의 제11 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다. 그리고 반사경(1020d, 1020e, 1020f, 1020g)은, 각각, 입사광의 진행 방향에 대해 대략 직교하는 방향으로 사출한다. 따라서, 반사경(1020e, 1020f, 1020g)으로부터 편광 빔 스플리터(102f)를 향하는 제1번째 내지 제3번째의 각 제11 일면측 측정광은, 서로 대략 동일한 방향을 향해 진행하고 있다.

또한, 광 분기부(1020q)에서 분배된 한쪽의 제21 일면측 측정광은, 제1번째의 제21 일면측 측정광으로서, 광 분기부(1020o)에 입사된다. 광 분기부(1020q)에서 분배된 다른 쪽의 제21 일면측 측정광은, 광 분기부(1020r)에 입사되고, 다시 분배된다. 이 광 분기부(1020r)에서 분배된 한쪽의 제21 일면측 측정광은, 제2번째의 제21 일면측 측정광으로서, 광 분기부(1020n)에 입사된다. 그리고 이 광 분기부(1020r)에서 분배된 다른 쪽의 제21 일면측 측정광은, 제3번째의 제21 일면측 측정광으로서, 반사경(1020s)을 통해 광 분기부(1020m)에 입사된다.

여기서, 이 광 분기부(1020q)에서 분배된 다른 쪽의 제21 일면측 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 광 분기부(1020q)에서 분배된 한쪽의 제21 일면측 측정광은, 상기 다른 쪽의 제21 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다. 이 광 분기부(1020r)에서 분배된 다른 쪽의 제21 일면측 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 광 분기부(1020r)에서 분배된 한쪽의 제21 일면측 측정광은, 상기 다른 쪽의 제21 일면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다. 그리고 반사경(1020s)은, 입사광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 사출한다. 따라서, 광 분기부(1020q), 광 분기부(1020r), 반사경(1020s)으로부터 광 분기부(1020o), 광 분기부(1020n), 광 분기부(1020m)를 향하는 제1번째 내지 제3번째의 각 제21 일면측 측정광은, 서로 대략 동일한 방향을 향해 진행하고 있다.

그리고 반사경(1020e, 1020f, 1020g)으로부터 편광 빔 스플리터(102f)에 입사된 제1번째 내지 제3번째의 각 제11 일면측 측정광은, 편광 빔 스플리터(102f)를 통해 1/4 파장판(102g)에 입사되고, 렌즈(102h)로 집광되어, 피측정물(1)의 A면에 1개의 측정 개소 MP에 있어서 복수의 개소 P(여기서는 3개소)에서 조사된다. 이 피측정물(1)의 A면에 있어서의 상기 복수의 개소 P의 각각에서 반사된 복수(여기서는 3개소)의 제11 일면측 측정광은, 조사 후 일면측 측정광으로서, 다시, 렌즈(102h)에 입사되고, 그리고 1/4 파장판(102g)을 통해 편광 빔 스플리터(102f)에 입사된다. 이들 편광 빔 스플리터(102f)에 입사된 각 제11 일면측 측정광(각 조사 후 일면측 측정광)은, 소정의 방향, 본 실시 형태에서는, 상기 제11 일면측 측정광(조사 후 일면측 측정광)이 피측정물(1)의 A면으로부터 편광 빔 스플리터(102f)를 향하는 방향에 대해 직교하는 방향으로 반사된다.

편광 빔 스플리터(102f)로부터 사출된 각 제11 일면측 측정광(조사 후 일면측 측정광)은, 반사경(1020j), 반사경(1020k), 반사경(1020l)에서 각각 반사되고, 그 진행 방향이 대략 직각으로 구부러져, 광 분기부(1020m), 광 분기부(1020n), 광 분기부(1020o)에 각각 입사된다. 이들 광 분기부(1020m), 광 분기부(1020n), 광 분기부(1020o)의 각각에는, 상술한 바와 같이, 반사경(1020s), 광 분기부(1020r), 광 분기부(1020q)로부터의 각 제21 일면측 측정광도 입사되어 있다. 그리고 이들 광 분기부(1020m), 광 분기부(1020n), 광 분기부(1020o)의 각각에 입사된 각 제11 일면측 측정광과 각 제21 일면측 측정광은, 이들 광 분기부(1020m), 광 분기부(1020n), 광 분기부(1020o)의 각각에서 각 광의 각각이 합쳐져 광 헤테로다인 간섭을 각각 행하여, 그 복수(여기서는 3개)의 비트 광신호가 각 조사 후 일면측 간섭광으로서 각 출력 단자[102j(102j-1 내지 102j-3)]로부터 사출된다. 여기서는, 광 분기부(1020m), 광 분기부(1020n), 광 분기부(1020o)는, 광 결합부로서 기능하고 있다. 이들 각 출력 단자[102j(102j-1 내지 102j-3)]로부터 사출된 비트 광신호의 복수의 조사 후 일면측 간섭광은, 일면측 위상 검파부(105)에 입사된다.

이러한 구성의 일면측 측정부(102B)에서는, 하나 또는 복수, 도 10에 도시하는 예에서는 2개의 광 분기부(1020b, 1020c)에 의해 제1 일면측 측정광이 복수로 나뉘고, 하나 또는 복수, 도 10에 도시하는 예에서는 2개의 광 분기부(1020q, 1020r)에 의해 제2 일면측 측정광이 복수로 나뉘고, 일면측 측정광의 1회의 발광에 의해 상기 복수의 개소 P가 동시에 측정된다. 이와 같이 광 분기부를 사용하므로, 이러한 구성의 일면측 측정부(102B)는, 그 광학 설계나 조정에 있어서, 높은 자유도를 가져, 그 제약이 저감된다. 도 9에 도시하는 구성의 일면측 측정부(102A)와 비교하면, 이 일면측 측정부(102A)에서는, 회절 격자(102e, 102n) 및 렌즈(102h)의 파라미터에 의해, 각 광학 소자간의 거리나 복수의 개소에 있어서의 각 거리가 대략 일의적으로 정해져, 그 광학 설계나 조정에 있어서 그 자유도가 비교적 적지만, 이 도 10에 도시하는 구성의 일면측 측정부(102B)에서는, 각 광학 소자의 광축을 개별로 조정할 수 있으므로, 그 광학 설계나 조정에 있어서, 그 제약이 비교적 적어, 높은 자유도를 갖고 있다.

다음에, 타면측 측정부(103)에 대해 설명한다. 도 11은 제2 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 제2 측정부의 구성을 도시하는 도면이다.

타면측 측정부(제B 측정부)(103)는, 광원부(101)로부터의 타면측 측정광이 입사되어, 타면측 측정광을 사용한 광 헤테로다인 간섭법에 의해 피측정물(1)에 있어서의 B면의 표면 형상의 정보를 포함하는 비트 광신호를 얻는 장치이다.

보다 구체적으로는, 타면측 측정부(103)는, 피측정물(1)의 B면에 대향 배치되고, 광원부(101)로부터의 타면측 측정광(제B 측정광)을 제1 타면측 측정광(제B1 측정광)과 제2 타면측 측정광(제B2 측정광)으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 피측정물(1)의 B면에 조사되어 반사된 조사 후 타면측 측정광(제B 조사 후 측정광)과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 타면측 간섭광(제B 조사 후 간섭광)을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 피측정물(1)의 B면에 조사되기 전의 조사 전 타면측 측정광(제B 조사 전 측정광)과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 타면측 간섭광(제B 조사 전 간섭광)을 생성하는 측정 광학계이다. 이러한 구성의 타면측 측정부(103)에서는, 조사 전 타면측 간섭광을 기준으로, 복수의 조사 후 타면측 간섭광에 있어서의 각 위상이 각각 측정될 수 있다.

또한, 보다 구체적으로는, 타면측 측정부(103)는, 피측정물(1)의 B면에 대향 배치되고, 타면측 측정광으로부터, 서로 주파수가 다른 2개의 제1 및 제2 타면측 측정광을 생성하고, 이 2개의 제1 타면측 측정광과 제2 타면측 측정광을 간섭(광 헤테로다인 간섭)시켜, 그들의 차의 주파수를 갖는 비트 광신호를 생성하는 광 헤테로다인 간섭계이며, 타면측 측정광으로부터 제1 및 제2 타면측 측정광이 생성되고 나서 제1 타면측 측정광과 제2 타면측 측정광이 간섭될 때까지의 동안에, 제1 타면측 측정광이 피측정물(1)의 B면에 조사되어 반사되는 제1 타면측 광로 및 제1 타면측 측정광이 피측정물(1)의 B면에 조사되지 않는 제2 타면측 광로를 포함하는 측정 광학계이다.

이러한 타면측 측정부(103)는, 예를 들어 도 11에 도시하는 바와 같이, 입력 단자(103a)와, 광 분기부(103b, 103d, 103h, 103l, 103n)와, 편광 빔 스플리터(103e)와, 광 파장 시프터(103c, 103k)와, 반사경(103j, 103m)과, 1/4 파장판(103f)과, 렌즈(103g)와, 출력 단자(103i, 103o)를 구비하여 구성된다.

이러한 구성의 타면측 측정부(103)에서는, 광원부(101)로부터 편파 유지 광파이버를 통해 입력 단자(103a)에 입사된 타면측 측정광은, 광 분기부(103b)에 입사되어, 제1 타면측 측정광 및 제2 타면측 측정광의 2개로 분배된다. 제1 타면측 측정광은, 그대로의 방향[광 분기부(103b)에 있어서, 입사광의 진행 방향과 사출광의 진행 방향이 동일]으로 진행하는 한편, 제2 타면측 측정광은, 제1 타면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향(수직한 방향)으로 진행한다. 제1 타면측 측정광은, 광 파장 시프터(103c)에 입사되어, 그 파장(주파수)이 시프트(변경)되고, 제2 타면측 측정광은, 반사경(103j)을 통해 광 파장 시프터(103k)에 입사되어, 그 파장(주파수)이 시프트(변경)된다.

또한, 광 분기부(103b)로부터 사출된 제2 타면측 측정광은, 본 실시 형태에서는 광 분기부(103b)에 의해 제1 타면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행하지만, 반사경(103j)에 의해 그 진행 방향이 직각으로 구부러져, 제1 타면측 측정광의 진행 방향과 일치된다. 이와 같이 반사경(103j)은, 광 분기부(103b)로부터 사출된 제1 타면측 측정광의 진행 방향과 제2 타면측 측정광의 진행 방향을 일치시키기 위해 설치되어 있다.

파장 시프터(103c)로부터 사출된 제1 타면측 측정광(파장 시프트 후의 제1 타면측 측정광)은, 광 분기부(103d)에 입사되고, 제11 타면측 측정광(제B11 측정광) 및 제12 타면측 측정광(제B12 측정광)의 2개로 분배된다. 이 제11 타면측 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 제12 타면측 측정광은, 제11 타면측 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다. 또한, 파장 시프터(103k)로부터 사출된 제2 타면측 측정광(파장 시프트 후의 제2 타면측 측정광)은, 광 분기부(102l)에 입사되어, 제B21 측정광 및 제B22 측정광의 2개로 분배된다. 이 제B21 측정광은, 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 제B22 측정광은, 제B21 측정광의 진행 방향에 대해 직교하는 방향으로 진행한다.

제12 타면측 측정광은, 조사 전 타면측 측정광이며, 광 분기부(103n)에 입사되고, 제B22 측정광은, 반사경(103m)을 통해 광 분기부(103n)에 입사된다. 그리고 이 광 분기부(103n)에 입사된 제12 타면측 측정광과 제B22 측정광은, 광 분기부(103n)에서 광이 합쳐져 광 헤테로다인 간섭을 행하여, 그 비트 광신호가 조사 전 타면측 간섭광으로서 출력 단자(103o)로부터 사출된다. 여기서는, 광 분기부(103n)는 광 결합부로서 기능하고 있다. 이 출력 단자(103o)로부터 사출된 비트 광신호의 조사 전 타면측 간섭광은, 타면측 위상 검파부(106)에 입사된다.

제11 타면측 측정광은, 편광 빔 스플리터(103e)를 통해 1/4 파장판(103f)에 입사되고, 렌즈(103g)에서 집광되어, 피측정물(1)의 B면에 조사된다. 그리고 이 피측정물(1)의 B면에서 반사된 제11 타면측 측정광은, 조사 후 타면측 측정광으로서, 다시 렌즈(103g)에 입사되고, 그리고 1/4 파장판(103f)에 입사된다. 따라서, 이 1/4 파장판(103f)의 존재에 의해, 편광 빔 스플리터(103e)로부터 피측정물(1)의 B면에 조사되는 제11 타면측 측정광에 있어서의 편광 상태(예를 들어, P 편광 또는 S 편광)와, 피측정물(1)의 B면에서 반사하여 편광 빔 스플리터(103e)에 입사되는 제11 타면측 측정광에 있어서의 편광 상태(예를 들어 S 편광 또는 P 편광)가 서로 바뀌게 된다. 이로 인해, 광 분기부(103d)로부터 편광 빔 스플리터(103e)에 입사된 제11 타면측 측정광은, 편광 빔 스플리터(103e)를 피측정물(1)의 B면을 향해 통과하는 한편, 피측정물(1)의 B면으로부터 렌즈(103g) 및 1/4 파장판(103f)을 통해 편광 빔 스플리터(103e)에 입사한 제11 타면측 측정광(조사 후 타면측 측정광)은, 소정의 방향, 본 실시 형태에서는, 상기 제11 타면측 측정광(조사 후 타면측 측정광)이 피측정물(1)의 B면으로부터 편광 빔 스플리터(103e)를 향하는 방향에 대해 직교하는 방향으로 반사된다.

편광 빔 스플리터(103e)로부터 사출된 제11 타면측 측정광(조사 후 타면측 측정광)은, 광 분기부(103h)에 입사된다. 광 분기부(103h)에는, 광 분기부(103l)에서 분배된 제B21 측정광도 입사된다. 그리고 이 광 분기부(103h)에 입사된 제11 타면측 측정광(조사 후 타면측 측정광)과 제B21 측정광은, 광 분기부(103h)에서 각 광이 합쳐져 광 헤테로다인 간섭을 행하여, 그 비트 광신호가 조사 후 타면측 간섭광으로서 출력 단자(103i)로부터 사출된다. 여기서는, 광 분기부(103h)는, 광 결합부로서 기능하고 있다. 이 출력 단자(103i)로부터 사출된 비트 광신호의 조사 후 타면측 간섭광은, 타면측 위상 검파부(106)에 입사된다.

그리고 일면측 측정부(102)와 타면측 측정부(103)는, 피측정물(1)의 A면에 있어서의 측정 개소(측정 위치)와 그 B면에 있어서의 측정 개소(측정 위치)가 표리 관계에 있어서 동일한 위치로 되도록 배치된다. 즉, 피측정물(1)의 두께 방향을 Z축으로 하고, 상기 두께 방향에 직교하는 수평면 내에 있어서의 서로 직교하는 2 방향을 각각 X축 및 Y축으로 하는 직교 XYZ 좌표계를 설정하는 경우에, 복수의 제11 일면측 측정광이 피측정물(1)의 A면에 조사되는 복수의 개소 중 어느 하나의 개소(예를 들어, 복수의 개소에 있어서의 중앙의 개소 등)의 X 좌표값 및 Y 좌표값이, 제11 타면측 측정광이 피측정물(1)의 B면에 조사되는 개소의 X 좌표값 및 Y 좌표값과 일치하도록 정면 대향 배치된다.

다음에, 스테이지(104)에 대해 설명한다. 도 12는 제2 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 스테이지의 구성을 도시하는 도면이다. 스테이지(104)는, 연산 제어부(107)의 제어에 따라서, 피측정물(1)의 두께 방향에 직교하는 수평 방향으로 피측정물(1)을 이동하는 장치이다. 스테이지(104)는, 상술한 바와 같이 XYZ 좌표계를 설정한 경우에, X축 방향 및 Y축 방향으로 피측정물(1)을 이동할 수 있는 XY 스테이지라도 좋지만, 본 실시 형태에서는, 피측정물(1)이 반도체 웨이퍼인 경우에, 일반적으로, 반도체 웨이퍼가 원반 형상의 형상이므로, 스테이지(104)는, 피측정물(1)을 회전 이동할 수 있는 동시에, 상기 회전의 직경 방향으로도 이동할 수 있는 장치이다. 이로 인해, 측정 개소에 있어서의 측정값은, 원기둥 좌표계 RθZ로 표현되는 것이 바람직하다.

이러한 스테이지(104)는, 보다 구체적으로는, 예를 들어 도 12에 도시하는 바와 같이, 피측정물(1)의 진동에 의한 영향을 받을 일 없이, 피측정물(1)의 측정 개소 MP에 있어서의 두께 등의 표면 형상을 고정밀도로 또한 고속으로 측정할 수 있도록, 중앙 부재로부터 직경 방향으로 연장되는 3개의 아암 부재를 구비하고, 상기 아암 부재의 선단에서, 반도체 웨이퍼 등의 원반 형상의 피측정물(1)을 그 모서리부(에지 영역)에 있어서 원주 상의 3개소에서 3점 지지하는 지지부(104d)와, 상기 지지부(104d)의 중앙 부재에 연결되는 회전축(104a)과, 회전축(104a)을 회전 구동하는 회전 구동부(104b)와, 회전 구동부(104b)를 소정의 이동 범위 내에서 직선 이동하는 직선 구동부(104c)를 구비하고 있다. 이들 회전 구동부(104b)나 직선 구동부(104c)는, 예를 들어 서보 모터 등의 액추에이터나 감속 기어 등의 구동 기구를 구비하여 구성된다.

이러한 구성의 스테이지(104)에서는, 피측정물(1)이 지지부(104d)에 있어서의 3개의 아암 부재의 각 선단에 적재되어 지지부(104d)에 의해 3점 지지된다. 그리고 이와 같이 피측정물(1)이 스테이지(104)에 적재된 경우에, 피측정물(1)의 A면 및 B면을 일면측 측정부(102) 및 타면측 측정부(103)에 의해 측정할 수 있도록, 스테이지(104)가 일면측 측정부(102) 및 타면측 측정부(103)의 배치 위치에 대해 배치된다.

그리고 이러한 구성 스테이지(104)에서는, 연산 제어부(107)의 제어에 따라서 회전 구동부(104b)가 회전함으로써, 회전축(104a)을 통해 지지부(104d)가 회전하고, 피측정물(1)이 회전축(104a)[지지부(104d)의 중앙 부재]을 중심으로 회전한다. 그리고 연산 제어부(107)의 제어에 따라서 회전 구동부(104b)가 회전 구동부(104b)를 직선 이동함으로써, 피측정물(1)이 직경 방향을 따라 이동한다. 이러한 회전 구동부(104b)에 의한 피측정물(1)의 회전 이동과, 직선 구동부(104c)에 의한 피측정물(1)의 직선 방향의 이동을 병용함으로써, 스테이지(104)의 이동 범위 내에 있어서 피측정물(1)의 원하는 측정 개소 MP를 측정할 수 있다. 여기서, 1개의 측정 개소 MP에는, 상술한 바와 같이, 일면측 측정부(102)에 의해 복수의 개소 P에서 제11 일면측 측정광이 조사된다.

다음에, 일면측 위상 검파부(제A 위상 검파부)(105)에 대해 설명한다. 도 13은 제2 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 제1 형태의 일면측 위상 검파부의 구성을 도시하는 도면이다. 도 14는 제2 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 제2 형태의 일면측 위상 검파부의 구성을 도시하는 도면이다.

일면측 위상 검파부(105)는, 일면측 측정부[102(102A, 102B)]에 의해 얻어진 복수의 조사 후 일면측 간섭광의 각각에 대해, 조사 전 일면측 간섭광과의 사이에 있어서의 각 위상차 ΔΦA를 검출하기 위한 장치이다. 본 실시 형태에서는, 3개소의 측정 개소 MPA1, MPA2, MPA3에 대해, 3개의 조사 후 일면측 간섭광이 얻어지므로, 3개의 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3이 검출된다.

이러한 일면측 위상 검파부(105)로서, 예를 들어 도 13에 도시하는 구성의 제1 형태에 관한 일면측 위상 검파부(105A)나 도 14에 도시하는 구성의 제2 형태에 관한 일면측 위상 검파(105B)를 들 수 있다.

이 제1 형태에 관한 일면측 위상 검파부(105A)는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 광전 변환부[105a(105a-1, 105a-2, 105a-3), 105b]와, 위상 검파기(105c, 105d, 105e)를 구비하여 구성된다.

광전 변환부(105a, 105b)는, 예를 들어 포토다이오드 등의, 입사광의 광량에 따른 신호 레벨의 전기 신호로 변환하여 상기 전기 신호를 출력하는 광전 변환 소자를 구비하여 구성된다. 광전 변환부(105a)는, 상기 복수의 개소(측정 개소 MP)의 개수에 따라서 준비되고, 일면측 측정부(102)로부터의 복수의 조사 후 일면측 간섭광을 각각 수광하여, 그 각 광량에 따른 신호 레벨의 각 전기 신호를 각 일면측 측정 비트 신호(제A 측정 비트 신호) SigA로서 출력하는 것이다. 본 실시 형태에서는, 상기 복수의 개소는 3개이므로, 3개의 광전 변환부(105a-1, 105a-2, 105a-3)가 준비된다. 각 광전 변환부(105a-1, 105a-2, 105a-3)의 각각은, 일면측 측정부(102)의 출력 단자(102j-1, 102j-102, 102j-3)로부터 각각 사출된 3개의 조사 후 일면측 간섭광을 각 멀티 모드 광파이버 및 도시 생략한 각 입력 단자를 통해 각각 수광하고, 이들 각 조사 후 일면측 간섭광의 각 광량에 따라서 각 일면측 측정 비트 신호 SigA-1, SigA-2, SigA-3을 각각 출력한다. 그리고 광전 변환부(105b)는, 일면측 측정부(102)로부터의 조사 전 일면측 간섭광을 멀티 모드 광파이버 및 도시 생략한 입력 단자를 통해 수광하여, 그 광량에 따른 신호 레벨의 전기 신호를 일면측 참조 비트 신호(제A 참조 비트 신호) RefA로서 출력하는 것이다.

위상 검파기(105c, 105d, 105e)는, 입력 신호간의 위상을 검출하는 장치이다. 위상 검파기(105c)는, 광전 변환부(105b)로부터 일면측 참조 비트 신호 RefA와 광전 변환부(105a-2)로부터 일면측 측정 비트 신호 SigA-2가 입력되고, 이들 일면측 참조 비트 신호 RefA와 일면측 측정 비트 신호 SigA-2 사이에 있어서의 위상차 ΔΦAa2-r을 검출한다. 위상 검파기(105d)는, 광전 변환부(105a-1)로부터 일면측 신호 비트 신호 SigA-1과 광전 변환부(105a-2)로부터 일면측 측정 비트 신호 SigA-2가 입력되어, 일면측 신호 비트 신호 SigA-1과 일면측 측정 비트 신호 SigA-2 사이에 있어서의 위상차 ΔΦAa1-a2를 검출한다. 위상 검파기(105e)는, 광전 변환부(105a-2)로부터 일면측 신호 비트 신호 SigA-2와 광전 변환부(105a-3)로부터 일면측 측정 비트 신호 SigA-3이 입력되어, 일면측 신호 비트 신호 SigA-2와 일면측 측정 비트 신호 SigA-3 사이에 있어서의 위상차 ΔΦAa3-a2를 검출한다. 이들 위상차 ΔΦAa2-r, 위상차 ΔΦAa1-a2 및 위상차 ΔΦAa3-a2로부터, 연산 처리에 의해, 일면측 측정부(102)에 의해 얻어진 복수의 조사 후 일면측 간섭광의 각각에 대해, 조사 전 일면측 간섭광과의 사이에 있어서의 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3을 검출할 수 있다. 이 연산 처리는, 일면측 위상 검파부(105A)에 의해 실행되어도 되고, 또한 연산 제어부(107)에 의해 실행되어도 된다.

이러한 연산 처리를 불필요하게 하기 위해, 제2 형태에 관한 일면측 위상 검파부(105B)는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 광전 변환부[105a(105a-1, 105a-2, 105a-3), 105b]와, 위상 검파기(105c, 105d, 105e)를 구비하고, 위상 검파기(105c)는, 광전 변환부(105b)로부터 일면측 참조 비트 신호 RefA와 광전 변환부(105a-2)로부터 일면측 측정 비트 신호 SigA-2가 입력되어, 일면측 측정 비트 신호 SigA-2와 일면측 참조 비트 신호 RefA 사이에 있어서의 위상차 ΔΦA2를 검출한다. 위상 검파기(105d)는, 광전 변환부(105b)로부터 일면측 참조 비트 신호 RefA와 광전 변환부(105a-1)로부터 제A 측정 비트 신호 SigA-1이 입력되어, 일면측 측정 비트 신호 SigA-1과 일면측 참조 비트 신호 RefA 사이에 있어서의 위상차 ΔΦA1을 검출한다. 위상 검파기(105e)는, 광전 변환부(105b)로부터 일면측 참조 비트 신호 RefA와 광전 변환부(105a-3)로부터 일면측 측정 비트 신호 SigA-3이 입력되어, 일면측 측정 비트 신호 SigA-3과 일면측 참조 비트 신호 RefA 사이에 있어서의 위상차 ΔΦA3을 검출한다.

다음에, 타면측 위상 검파부(제B 위상 검파부)(106)에 대해 설명한다. 도 15는 제2 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 타면측 위상 검파부의 구성을 도시하는 도면이다.

타면측 위상 검파부(106)는, 타면측 측정부(103)에 의해 얻어진 조사 후 타면측 간섭광과 조사 전 타면측 간섭광 사이에 있어서의 각 위상차 ΔΦB를 검출하기 위한 장치이다. 보다 구체적으로는, 이러한 타면측 위상 검파부(106)는, 예를 들어 도 15에 도시하는 바와 같이, 광전 변환부(106a, 106b)와, 위상 검파기(106c)를 구비하여 구성된다.

광전 변환부(106a)는, 예를 들어 포토다이오드 등의 광전 변환 소자를 구비하여 구성되고, 타면측 측정부(103)로부터의 조사 후 타면측 간섭광을 멀티 모드 광파이버 및 도시 생략한 입력 단자를 통해 수광하여, 그 광량에 따른 신호 레벨의 전기 신호를 타면측 측정 비트 신호(제B 측정 비트 신호) SigB로서 출력하는 것이다. 광전 변환부(106b)는, 예를 들어 포토다이오드 등의 광전 변환 소자를 구비하여 구성되고, 타면측 측정부(103)로부터의 조사 전 타면측 간섭광을 멀티 모드 광파이버 및 도시 생략한 입력 단자를 통해 수광하여, 그 광량에 따른 신호 레벨의 전기 신호를 타면측 참조 비트 신호(제B 참조 비트 신호) RefB로서 출력하는 것이다.

위상 검파기(106c)는, 입력 신호간의 위상을 검출하는 장치이며, 광전 변환부(106b)로부터 타면측 참조 비트 신호 RefB와 광전 변환부(106a)로부터 타면측 측정 비트 신호 SigB가 입력되어, 이들 타면측 참조 비트 신호 RefB와 타면측 측정 비트 신호 SigB 사이에 있어서의 위상차 ΔΦB를 검출한다.

연산 제어부(107)는, 형상 측정 장치(S)의 각 부를 당해 기능에 따라서 제어하는 회로이며, 예를 들어 형상 측정 장치(S)의 각 부를 당해 기능에 따라서 제어하기 위한 제어 프로그램이나 피측정물(1)의 표면 형상을 일면측 위상 검파부(105) 및 타면측 위상 검파부(106)의 각 출력에 기초하여 구하는 연산 프로그램 등의 각종 소정의 프로그램 및 상기 소정의 프로그램의 실행에 필요한 데이터 등의 각종 소정의 데이터 등을 기억하는, 비휘발성의 기억 소자인 ROM(Read Only Memory)이나 재기입 가능한 비휘발성의 기억 소자인 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), 상기 소정의 프로그램을 판독하여 실행함으로써 소정의 연산 처리나 제어 처리를 행하는 CPU(Central Processing Unit), 상기 소정의 프로그램의 실행 중에 발생하는 데이터 등을 기억하는 이른바 상기 CPU의 워킹 메모리로 되는 RAM(Random Access Memory) 및 이들의 주변 회로를 구비한 마이크로컴퓨터 등에 의해 구성된다. 연산 제어부(107)는, 기능적으로, 곡률 산출부(1071)와, 형상 산출부(1072)와, 스테이지 제어부(1073)와, 광원 제어부(1074)와, 두께 산출부(1075)를 구비하고 있다.

스테이지 제어부(1073)는, 피측정물(1)에 있어서의 복수의 측정 개소 MP를 측정하기 위해, 피측정물(1)이 두께 방향에 직교하는 수평 방향으로 이동하도록, 스테이지(104)에 있어서의 회전 구동부(104b) 및 직선 구동부(104c)의 각 동작을 제어하는 것이다. 광원 제어부(1074)는, 광원부(101)의 동작을 제어하는 것이다.

두께 산출부(1075)는, 일면측 측정부(102)에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 일면측 위상 검파부(105)에서 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상과, 타면측 측정부(103)에 의해 생성된 조사 전 타면측 간섭광 및 조사 후 타면측 간섭광을 타면측 위상 검파부(106)에서 위상 검파함으로써 얻어진 타면측 위상의 위상차로부터 피측정물(1)에 있어서의 A면으로부터 B면까지의 거리를 피측정물(1)의 두께로서 구하는 것이다. 보다 구체적으로는, 두께 산출부(1075)는, 일면측 측정부(102)에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 일면측 위상 검파부(105)에서 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상차 ΔΦA와, 타면측 측정부(103)에 의해 생성된 조사 전 타면측 간섭광 및 조사 후 타면측 간섭광을 타면측 위상 검파부(106)에서 위상 검파함으로써 얻어진 타면측 위상차 ΔΦB의 차분 (ΔΦA－ΔΦB)으로부터 피측정물(1)에 있어서의 A면으로부터 B면까지의 거리를 피측정물(1)의 두께로서 구한다. 이 차분 (ΔΦA－ΔΦB)는, 피측정물(1)의 두께에 관한 값이며, 일면측 측정광의 파장 및 타면측 측정광의 파장이 동등하다는 근사하에, 일면측 측정광의 파장을 λ로 하는 경우에, 피측정물(1)의 두께 D는, 예를 들어 D＝(ΔΦA＋ΔΦB)×(λ/2)/(2π)에 의해 구해진다. 상기 식의 부호(ΔΦA와 ΔΦB 사이의 부호)는, 광학계에 의해 플러스 마이너스 모두 취할 수 있고, 통상, 일면측 측정부(102) 및 타면측 측정부(103)를 대칭으로 만든(구성한) 경우에는, 플러스(＋)로 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 일면측과 타면측의 측정광은, 동일한 광원으로부터의 광을 분기한 것으로, 일면측과 타면측의 측정광의 파장은 일치하고 있다.

그리고 연산 제어부(107)는 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P의 각각에 대해, 미리 설정된 기준면으로부터 피측정물(1)의 한쪽 면(A면)까지의 거리 d(da, db, dc)를 구함으로써, 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P에서의 피측정물(1)의 표면 형상을 구하는 것이다. 본 실시 형태에서는, 피측정물(1)의 표면 형상으로서 예를 들어 곡률이나 상기 곡률에 기초하는 원호가 곡률 산출부(1071)나 형상 산출부(1072)에 의해 구한다.

곡률 산출부(1071)는, 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P의 각각에 대해, 미리 설정된 기준면으로부터 피측정물(1)의 한쪽 면(A면)까지의 거리 d(da, db, dc)에 기초하여, 상기 복수의 개소 P에 있어서의 곡률, 즉, 상기 측정 개소 MP에서의 곡률을 구하는 것이다. 본 실시 형태에서는, 상기 복수의 개소 P는 3개소이므로, 곡률 산출부(1071)는 도 16에 도시하는 바와 같이, 곡률 CF를, CF＝(2db－da－dc)/(w²)에 의해 구한다. 여기서, da는 제1번째의 개소 Pa에 있어서의 상기 미리 설정된 기준면으로부터 피측정물(1)의 한쪽 면까지의 거리이고, db는 제2번째의 개소 Pb에 있어서의 상기 미리 설정된 기준면으로부터 피측정물(1)의 한쪽 면까지의 거리이고, dc는 제3번째의 개소 Pc에 있어서의 상기 미리 설정된 기준면으로부터 피측정물(1)의 한쪽 면까지의 거리이다. 이 거리 da, db, dc는, 실제의 거리를 그대로 나타내는 절대값이 아닌 상기 기준면으로부터의 상대값이며,이 거리 da는, da＝(ΔΦA1/(2π)＋n1)×(λ/2)＋N1에 의해 구해지고, 거리 db는, db＝(ΔΦA2/(2π)＋n2)×(λ/2)＋N2에 의해 구해지고, 거리 dc는, dc＝(ΔΦA3/(2π)＋n3)×(λ/2)＋N3에 의해 구해진다. 이와 같이 상기 미리 설정된 기준면으로부터 피측정물(1)의 한쪽 면까지의 거리에서 d는, 예를 들어 d＝(ΔΦA/(2π)＋n)×(λ/2)＋N에 의해 구해진다. 또한, 상기 기준면은, 일면측 측정부(102)로부터 조사되는 측정광의 광축에 대해 수평한 수평면이며, 상기 광축을 따른 임의의 위치에 설정된다. 상기 상수 N, N1, N2, N3은, 상기 기준면에 대한 초기값이며, 예를 들어 피측정물(1)의 측정시마다 사전에 측정되어, 당해 형상 측정 장치(S)에 기억된다. 또한, 수치 n, n1, n2, n3은, 연속 측정의 경우에 상기 초기값에 대한 변화분을 위상의 정수배로 나타내는 것이다. 그리고 w는, 인접하는 측정광 조사 위치 사이의 거리(면 방향)이다. 곡률 CF의 역수가 곡률 반경 CFR이다.

형상 산출부(1072)는, 곡률 산출부(1071)에 의해 구해진, 복수의 측정 개소 MP에서의 각 곡률에 의해 얻어지는 각 원호를 연결함으로써, 피측정물(1)에 있어서의 표면의 높이 분포를 표면 형상으로서 구하는 것이다. 예를 들어, 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P 중 중앙 위치에 있는 개소 P로부터 곡률 산출부(1071)에 의해 구해진 곡률 CF에 대응하는 곡률 반경 CFR에 의해, 상기 중앙 위치의 개소 P를 포함하는 원호가, 상기 측정 개소 MP에서의 원호로서 구해져, 각 측정 개소 MP에서의 각 원호가 연결된다.

입력부(8)는, 예를 들어 측정 개시 등을 지시하는 코맨드나 측정 대상물의 속성 정보 등의 데이터를 입력하기 위한 장치로, 예를 들어 복수의 입력 스위치를 구비한 조작 패널이나 키보드 등이다. 출력부(9)는, 입력부(8)에서 받아들인 코맨드나 데이터 및 측정 결과 등을 출력하기 위한 장치로, 예를 들어 CRT 디스플레이, LCD(액정 디스플레이), 유기 EL 디스플레이 및 플라즈마 디스플레이 등의 표시 장치나 프린터 등의 인쇄 장치 등이다. 이들 입력부(8) 및 출력부(9)는, 연산 제어부(107)에 접속된다.

다음에, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치(S)의 동작에 대해 설명한다. 도 17은 제2 실시 형태의 형상 측정 장치를 사용하여 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 경우에 있어서의 측정 개소를 설명하기 위한 도면이다. 도 17에 있어서의 ○는 측정 개소 MP를 나타내고, 그 파선은 각 측정 개소 MP의 궤적을 나타낸다. 도 18은 제2 실시 형태의 형상 측정 장치를 사용하여 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 경우에 있어서, 각 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P와 측정 결과를 설명하기 위한 도면이다. 도 18의 (A)는, 각 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P를 설명하기 위한 도면이고, 도 18의 (B)는, 각 측정 개소 MP에 있어서의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 도 18의 (A)에 있어서의 ●는, 측정 개소에 있어서의 복수의 개소 P를 나타내고, 그 원호 형상의 파선은, 각 측정 개소 MP의 궤적을 나타낸다. 도 18의 (B)의 횡축은, 피측정물(1)에 있어서의 주위 방향의 위치 좌표를 나타내고, 그 종축은 면 높이를 나타낸다. 도 18의 (B)에 있어서의 ●는, 측정 결과를 나타낸다. 또한, 도 18에 있어서의 직선 상의 실선 및 파선은, 도 18의 (A)와 도 18의 (B)의 대응 관계를 나타내는 것이다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 각 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P는, 설명의 편의상, 3개로 하여 설명을 행한다.

도시 생략한 전원 스위치가 온(ON)되면, 형상 측정 장치(S)가 기동되어, 연산 제어부(107)에 의해 필요한 각 부의 초기화가 행해진다. 그리고 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 판 형상체의 피측정물(1)이 스테이지(104)에 적재되고, 입력부(8)로부터 측정 개시를 지시하는 코맨드를 받아들이면, 연산 제어부(107)는 피측정물(1)의 표면 형상의 측정을 개시한다.

우선, 연산 제어부(107)의 광원 제어부(1074)는, 광원부(101)를 구동하여, 단파장 레이저 광원(101a)에 소정의 레이저광을 발광시킨다. 이 단파장 레이저 광원(101a)에 의한 소정의 레이저광의 발광에 의해, 상술한 광학계의 작용에 의해, 일면측 측정광 및 타면측 측정광이 광원부(101)의 출력 단자(101e) 및 출력 단자(101g)로부터 각각 사출된다.

계속해서, 이 광원부(101)의 출력 단자(101e)로부터 사출된 일면측 측정광은, 편파 유지 광파이버를 전파하여, 일면측 측정부(102)에 입사된다. 이 일면측 측정부(102)에서는, 이 입사된 일면측 측정광으로부터 상술한 광학계의 작용에 의해 조사 전 일면측 간섭광 및 3개의 조사 후 일면측 간섭광이 생성되어, 출력 단자(102q) 및 3개의 출력 단자(102j-1 내지 102j-3)로부터 각각 사출된다. 계속해서, 이 일면측 측정부(102)의 출력 단자(102q) 및 3개의 출력 단자(102j-1 내지 102j-3)로부터 각각 사출된 조사 전 일면측 간섭광 및 3개의 조사 후 일면측 간섭광은, 각 멀티 모드 광파이버를 전파하고, 일면측 위상 검파부(105)에 입사된다. 이 일면측 위상 검파부(105)에서는, 이들 조사 전 일면측 간섭광과 3개의 조사 후 일면측 간섭광의 위상 검파에 의해, 이들 3개의 조사 후 일면측 간섭광의 각각에 대해, 조사 전 일면측 간섭광 사이에 있어서의 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3에 관련 혹은 나타내는 데이터가 생성된다.

한편, 이 광원부(101)의 출력 단자(101g)로부터 사출된 타면측 측정광은, 편파 유지 광파이버를 전파하고, 타면측 측정부(103)에 입사된다. 이 타면측 측정부(103)에서는, 이 입사된 타면측 측정광으로부터 상술한 광학계의 작용에 의해 조사 전 타면측 간섭광 및 조사 후 타면측 간섭광이 생성되고, 출력 단자(103o) 및 출력 단자(103i)로부터 각각 사출된다. 계속해서, 이 타면측 측정부(103)의 출력 단자(103o) 및 출력 단자(103i)로부터 각각 사출된 조사 전 타면측 간섭광 및 조사 후 타면측 간섭광은, 각 멀티 모드 광파이버를 전파하여, 타면측 위상 검파부(106)에 입사된다. 이 타면측 위상 검파부(106)에서는, 이들 조사 전 타면측 간섭광과 조사 후 타면측 간섭광의 위상 검파에 의해, 조사 후 타면측 간섭광에 대해, 조사 전 타면측 간섭광과의 사이에 있어서의 각 위상차 ΔΦB를 나타내는 데이터가 생성된다.

이들 일면측 측정부(102) 및 일면측 위상 검파부(105)와 타면측 측정부(103) 및 타면측 위상 검파부(106)가 이러한 동작을 행하고 있을 때에, 연산 제어부(107)의 스테이지 제어부(1073)는, 스테이지(104)를 제어함으로써, 피측정물(1)을 그 두께 방향에 직교하는 수평 방향으로 이동시킨다.

보다 구체적으로는, 예를 들어 본 실시 형태에서는, 스테이지 제어부(107)는 스테이지(104)의 회전 구동부(104b)를 제어함으로써 피측정물(1)을 회전시키면서, 스테이지(104)의 직선 구동부(104c)를 제어함으로써 피측정물(1)을 직선 방향으로 이동시킨다. 이러한 스테이지 제어부(1073)에 의한 스테이지(104)의 제어를 행하고 있는 동안에, 연산 제어부(107)는 측정 개소 MP의 위치가 미리 설정된 소정의 위치로 될 때마다, 일면측 위상 검파부(105) 및 타면측 위상 검파부(106)로부터 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3 ; ΔΦB의 데이터를 취득한다. 이러한 동작에 의해, 도 17에 도시하는 바와 같이, 복수의 측정 개소 MP의 각 위치의 궤적이 나선을 그리도록, 피측정물(1)에 있어서의 측정 개소 MP의 위치를 순차적으로 변경하면서 피측정물(1)에 있어서의 각 측정 개소 MP에서의 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3 ; ΔΦB의 데이터가 취득된다. 또한 예를 들어, 스테이지 제어부(107)는 스테이지(104)의 회전 구동부(104b)를 제어함으로써 피측정물(1)을 회전시키면서, 이 동안에, 연산 제어부(107)는 측정 개소 MP의 위치가 미리 설정된 소정의 위치로 될 때마다, 일면측 위상 검파부(105) 및 타면측 위상 검파부(106)로부터 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3 ; ΔΦB의 데이터를 취득한다. 계속해서, 피측정물(1)이 1회전한 시점에서, 스테이지(104)의 직선 구동부(104c)를 제어함으로써 피측정물(1)을 직선 방향으로 소정의 거리만큼 이동시킨다. 그리고 이 직선 방향으로 소정의 거리만큼 이동한 시점에서, 상술한 바와 마찬가지로, 연산 제어부(107)는 피측정물(1)을 회전시키면서, 이 동안에, 소정의 위치에서의 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3 ; ΔΦB의 데이터를 취득한다. 이러한 동작에 의해, 반경이 다른 원주 상의 각 위치에서의 각 측정 개소 MP에서 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3 ; ΔΦB의 데이터가 취득된다.

여기서, 상술한 형상 측정 장치(S)에 있어서, 이동 전에 있어서의 복수의 개소 P와 이동 후에 있어서의 복수의 개소 P가 2개 이상 겹쳐지도록, 피측정물(1)을 수평 방향으로 이동하도록, 연산 제어부(107)의 스테이지 제어부(1073)는 스테이지(104)를 제어하고, 그리고 일면측 위상 검파부(105) 및 타면측 위상 검파부(106)로부터 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3 ; ΔΦB의 데이터를 취득해도 된다.

또한, 상술한 형상 측정 장치(S)에 있어서, 복수의 개소 P가, 이동 방향을 따라 배열되고, 이 이동 방향을 따라 서로 인접하는 2개의 개소 P의 간격이 동등해지도록, 연산 제어부(107)의 스테이지 제어부(1073)는 스테이지(104)를 제어하고, 그리고 일면측 위상 검파부(105) 및 타면측 위상 검파부(106)로부터 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3 ; ΔΦB의 데이터를 취득해도 된다.

예를 들어, 스테이지 제어부(1073)는 각 측정 개소 MP의 각 위치의 궤적이 나선을 그리는 경우에는, 피측정물(1)이 주위 방향으로 일정한 각속도(角速度)로 회전하도록 회전 구동부(104b)를 제어하면서, 피측정물(1)이 직선 방향으로 일정한 속도로 이동하도록 직선 구동부(104c)를 제어한다. 이 경우라도, 이동 전에 있어서의 복수의 개소 P와 이동 후에 있어서의 복수의 개소 P가 2개 이상 겹쳐지도록, 주위 방향으로 회전시키면서, 직선 방향으로 이동하도록 스테이지(104)가 제어된다. 혹은, 스테이지 제어부(1073)는, 각 측정 개소 MP의 각 위치가 원주 상에 배열되는 경우에는, 피측정물(1)이 주위 방향으로 일정한 각속도로 회전하도록 회전 구동부(104b)를 제어하여, 1회전한 시점에서, 피측정물(1)이 직선 방향으로 소정의 거리만큼 이동하도록 직선 구동부(104c)를 제어한다. 그리고 연산 제어부(107)는, 일정한 주기로, 일면측 위상 검파부(105) 및 타면측 위상 검파부(106)로부터 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3 ; ΔΦB의 데이터를 취득한다.

이러한 스테이지 제어부(1073)에 의한 스테이지(104)의 제어 및 연산 제어부(107)의 데이터 취득의 타이밍의 제어를 행함으로써, 예를 들어 이동 전에 있어서의 복수의 개소 P와 이동 후에 있어서의 복수의 개소 P를 2개 겹치고, 또한 이동 방향을 따라 서로 인접하는 2개의 개소 P의 간격을 동등하게 하면[곡선(원호) AR 상에서의 거리를 동등하게 하면], 각 측정 개소 PM에서의 복수의 개소 P는, 도 18의 (A)에 도시하는 위치로 된다. 도 18의 (A)에 도시하는 예에서는, 제1번째의 측정 개소 MP1에서는, 곡선(원호) AR 상의 3개의 개소 P-11, P-12, P-13에서 상기 각 위상차의 데이터가 취득되고, 제2번째의 측정 개소 MP2에서는, 곡선 AR 상의 3개의 개소 P-21, P-22, P-23에서 상기 각 위상차의 데이터가 취득된다. 여기서, 개소 P-22가 개소 P-11에 겹쳐지고, 개소 P-23이 개소 P-12에 겹쳐진다. 그리고 제3번째의 측정 개소 MP3에서는, 곡선 AR 상의 3개의 개소 P-31, P-32, P-33에서 상기 각 위상차의 데이터가 취득된다. 여기서, 개소 P-32가 개소 P-21에 겹쳐지고, 개소 P-33이 개소 P-22 및 개소 P-11에 겹쳐진다. 또한, 제4번째의 측정 개소 MP4에서는, 곡선 AR 상의 3개의 개소 P-41, P-42, P-43에서 상기 각 위상차의 데이터가 취득된다. 여기서, 개소 P-42가 개소 P-31에 겹쳐지고, 개소 P-43이 개소 P-32 및 개소 P-21에 겹쳐진다.

계속해서, 이들 각 위상차 ΔΦA1, ΔΦA2, ΔΦA3 ; ΔΦB의 데이터가 취득되면, 연산 제어부(107)의 두께 산출부(1075)는, 상술한 연산식에 의해, 측정 개소 MP에 있어서의 두께 D, 예를 들어 개소 Pb의 두께 D를 구하고, 측정 개소 MP에 있어서의 피측정물(1)의 두께 D를 구한다.

계속해서, 연산 제어부(107)의 곡률 산출부(1071)는, 측정 개소 MP에 있어서의 3개의 개소 Pa, Pb, Pc의 각각에 관한 피측정물(1)의 거리 da, db, dc에 기초하여, 상술한 연산식에 의해 측정 개소 MP에 있어서의 곡률 CF를 구한다.

계속해서, 연산 제어부의 형상 산출부(1072)는, 곡률 산출부(1071)에 의해 구해진, 복수의 측정 개소 MP에서의 각 곡률 CF에 의해 얻어지는 각 원호를 연결함으로써, 피측정물(1)에 있어서의 표면의 높이 분포를 구한다. 예를 들어, 실선의 곡선으로 도 18의 (B)에 나타내는 바와 같이, 4개의 제1 내지 제4 측정 개소 MP1 내지 MP4에서의 각 곡률 CF1 내지 CF4에 의해 얻어지는 각 원호를 연결함으로써, 피측정물(1)에 있어서의 표면의 높이 분포가 구해진다.

계속해서, 연산 제어부(107)는, 이들 구한 두께 분포, 곡률 및 표면의 높이 분포를 피측정물(1)의 표면 형상으로 하여 출력부(9)에 출력하고, 출력부(9)는 이들 두께 분포, 곡률 및 표면의 높이 분포를 피측정물(1)의 표면 형상으로 하여 표시한다.

이와 같이 동작함으로써, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법에서는, 피측정물(1)의 한쪽 면에 대해 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P에서 광 헤테로다인 간섭법에 의해 피측정물(1)의 한쪽 면에서 다른 쪽면까지의 거리가 측정되어, 피측정물(1)의 두께와 면의 표면 형상을 1회의 측정으로 구할 수 있고, 이러한 구성의 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법은, 피측정물(1)의 두께와 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 예를 들어, 이러한 구성의 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법에서는, 나노미터 레벨의 정밀한 측정이 가능해진다. 이러한 구성의 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법은, 제조 공정 중이나 제조 후에 있어서의 제품 검사 등의 용도로 반도체 웨이퍼의 제조 공장 등에서 적절하게 사용할 수 있다.

또한, 상술한 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법에서는, 스테이지(104)에 의해 피측정물(1)이 수평 방향으로 이동되어, 피측정물(1)의 두께가 주사된다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법은, 상기 주사의 범위에 대해, 피측정물(1)의 두께 분포를 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 상술한 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법에서는, 피측정물(1)의 표면에 있어서의 곡률 CF를 피측정물(1)의 표면 형상으로서 측정할 수 있다.

또한, 상술한 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법에서는, 복수의 곡률 CF에 의해 얻어지는 복수의 원호가 연결된다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법은, 피측정물(1)에 있어서의 표면의 높이 분포를 피측정물(1)의 표면 형상으로서 측정할 수 있어, 피측정물(1)에 있어서의 표면의 형상을 재현할 수 있다.

또한, 상술한 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법에서는, 이동 전에 있어서의 복수의 개소와 이동 후에 있어서의 복수의 개소가 2개 이상 겹쳐진다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법은, 연속적으로 피측정물(1)의 표면 형상을 용이하게 측정할 수 있다.

또한, 상술한 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법에서는, 이동 방향을 따라 배열되는 2개의 개소 P의 간격이 동등하다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치(S) 및 형상 측정 방법은, 스테이지(104)의 제어가 용이해지고, 또한 일정한 간격으로, 피측정물(1)의 표면 형상을 측정할 수 있다.

또한, 상술한 형상 측정 장치(S)에서는, 일면측 광 변조기 및 타면측 광 변조기가 광원부(101) 내에 설치되는 것이 아니라, 일면측 측정부(102)는, 그 내부에, 보다 구체적으로는 하우징 내부에 일면측 광 변조기의 일례로서의 파장 시프터(102c, 102l)를 구비하고, 타면측 측정부(103)는, 그 내부에, 보다 구체적으로는 하우징 내부에 타면측 광 변조기의 일례로서의 파장 시프터(103c, 103k)를 구비하고 있다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치(S)는, 광원부(101)로부터 일면측 측정부(102)에 이르는 광로에 있어서, 광 헤테로다인 간섭을 행하는 광에 위상의 요동이 발생하는 일이 없고, 그리고 광원부(101)로부터 타면측 측정부(103)에 이르는 광로에 있어서, 광 헤테로다인 간섭을 행하는 광에 위상의 요동이 발생하는 일이 없다. 따라서, 형상 측정 장치(S)는, 피측정물(1)의 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 상술한 제2 실시 형태에 있어서, 형상 측정 장치(S)는, 에지 롤오프를 나타내는 지표를 연산 제어부(107)에 의해 구해도 된다. 도 19는, 에지 롤오프를 설명하기 위한 도면이다. 도 19의 (A)는, 웨이퍼(Wafer)의 표면 프로파일(Surface Profile)을 나타내는 모식도이고, 도 19의 (B)는 상기 웨이퍼의 종단면 모식도이다. 도 19의 (A)의 횡축은, 웨이퍼에 있어서의 에지로부터의 거리이고, 그 종축은 높이이다.

반도체 웨이퍼에는, 도 19에 나타내는 바와 같이, 가장 외측에 챔퍼(Chamfer)라 불리는 모따기부가 있고, 예를 들어 300㎜ 웨이퍼에서는, 물리적인 선단으로부터 약 0.3㎜ 내지 0.5㎜의 영역이 상기 모따기부에 해당된다. 에지 롤오프(Edge Roll-off)는, 상기 모따기로부터 내부의 수 ㎜까지 이르는 영역이다. 이 에지 롤오프는, 여러 요인에 의해 발생하지만, 그 큰 요인은 반도체 웨이퍼의 연마 공정에 있다. 이 에지 롤오프는, 통상, 도 19에 나타내는 바와 같이, 「처진 형상」을 보이지만, 조건에 따라서는 처짐이 아닌,「융기된 형상」을 보이는 경우도 있다.

이 에지 롤오프의 평가 방법으로서, 예를 들어, Kimura 등이 제안하고 있는 ROA(롤오프량, Roll-off Amount ; ROA)라고 하는 평가값이 있다. 이 평가값은, 도 19의 (A)에 나타내는 바와 같이, 반도체 웨이퍼가 평탄하다고 생각되는, 반도체 웨이퍼의 물리적인 선단으로부터 약 3 내지 6㎜의 위치(Reference area)에 있어서의 반도체 웨이퍼의 형상으로부터 기준 평면을 구하고, 1㎜의 위치의 반도체 웨이퍼의 형상과 상기 기준면의 거리로서 정의된다. 이 평가값 ROA는, 반도체 웨이퍼의 외측 모서리부가 어느 정도 처져 있는지, 혹은 융기되어 있는지를 나타내는 지표이다.

이러한 에지 롤오프의 지표인 평가값 ROA를 구하기 위해, 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P가 직경 방향을 따라 배열되도록 일면측 측정부(102)가 구성되고, 연산 제어부(107)가, 기능적으로, 형상 산출부(1072)에 의해 구해진 피측정물(1)에 있어서의 표면의 높이 분포를 사용하여, 평가값 ROA를 구하는 평가값 산출부를 더 구비하도록 형상 측정 장치(S)가 구성되어도 된다. 이 평가값 산출부를 더 구비함으로써, 형상 측정 장치(S)는, 에지 롤오프의 평가값 ROA를 구할 수 있다. 따라서, 이 에지 롤오프의 평가값 ROA를 참조함으로써, 소정의 프로세스ㆍ룰에 적합한 다이를 제조할 수 있는 영역을 반도체 웨이퍼에 적절하게 설정할 수 있다.

또한, 상술한 제2 실시 형태에서는, 형상 측정 장치(S)는, A면만 복수의 개소 P에서 측정하도록 구성되었지만, B면도 A면에 있어서의 복수의 개소 P의 각 위치에 정면 대향한 각 위치의 복수의 개소 Q에서 측정하도록 구성되어도 된다. 이 경우에는, 타면측 측정부(103)도 일면측 측정부(102)와 마찬가지로 구성되고, 연산 제어부(107)는 A면과 B면에 있어서 서로 정면 대향하는 위치에 있어서의 위상차의 데이터끼리로, 피측정물(1)의 표면 형상을 구한다.

또한, 상술한 제2 실시 형태에서는, 측정 개소 MP에서의 복수의 개소 P는 3개였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 20은 측정 개소에 있어서의 복수의 개소에 대해, 제1 내지 제3 형태를 설명하기 위한 도면이다. 도 20의 (A)는 제1 형태에서의 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P를 나타내고, 도 20의 (B)는 제2 형태에서의 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P를 나타내고, 도 20의 (C)는 제3 형태에서의 측정 개소 MP에 있어서의 복수의 개소 P를 나타낸다. 도 20에 있어서, ●는 개소 P를 나타낸다.

제1 형태에서는, 측정 개소 MP에서의 복수의 개소 P의 개수는, 도 20의 (A)에 도시하는 바와 같이, 상술한 제2 실시 형태와 마찬가지로 3개이다. 인접하는 2개의 개소 P 사이의 거리는, 예를 들어 500㎛ 등이다.

또한, 제2 형태에서는, 측정 개소 MP에서의 복수의 개소 P의 개수는, 도 20의 (B)에 도시하는 바와 같이, 십자(十字)를 형성하도록 배열된 5개이다. 이러한 제2 형태에서는, 예를 들어 도 9에 도시하는 제1 형태의 일면측 측정부(102A)에 있어서, 회절 격자(102e) 및 회절 격자(102n)의 각각을, 회절 방향이 서로 직교하는 2개의 회절 격자 대신에, 또한 이 2개의 회절 격자에 의해 2차원 어레이 형상으로 각각 회절된 제11 일면측 측정광 및 제21 일면측 측정광(조사 후 일면측 간섭광) 중, 십자를 형성하는 배열로 5개의 조사 후 일면측 간섭광을, 5개의 출력 단자(102j)에서 수광하도록 형상 측정 장치(S)가 구성된다.

그리고 제3 형태에서는, 측정 개소 MP에서의 복수의 개소 P의 개수는, 도 20의 (C)에 도시하는 바와 같이, 2차원 어레이 형상으로 배열된 3행×3열의 9개이다. 이러한 제3 형태에서는, 예를 들어 도 9에 도시하는 제1 형태의 일면측 측정부(102A)에 있어서, 회절 격자(102e) 및 회절 격자(102n)의 각각을, 회절 방향이 서로 직교하는 2개의 회절 격자 대신에, 또한 이 2개의 회절 격자에 의해 2차원 어레이 형상으로 각각 회절된 제11 일면측 측정광 및 제21 일면측 측정광(조사 후 일면측 간섭광) 중, 3행×3열의 2차원 어레이 형상을 형성하는 배열로 9개의 조사 후 일면측 간섭광을, 9개의 출력 단자(102j)에서 수광하도록 형상 측정 장치(S)가 구성된다.

이러한 측정 개소 MP에서의 복수의 개소 P가, 상기 제2 형태나 상기 제3 형태와 같이 2차원 배열되는 경우에는, 피측정물(1)에 있어서의 표면 형상을, 1개의 측정 개소 MP에 있어서 2차원적으로 측정하는 것이 가능해진다.

또한, 상술한 제2 실시 형태의 형상 측정 장치(S)에 있어서의 표면 형상을 측정하는 기술에 관한 구성은, 상술한 제1 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치(X)에 내장되고, 제1 실시 형태의 형상 측정 장치(X)에 실장할 수도 있다.

본 명세서는, 상기한 바와 같이 여러 형태의 기술을 개시하고 있지만, 그 중 주된 기술을 이하에 정리한다.

일 형태에 관한 형상 측정 장치는, 피측정물의 표리 각 면을 주사하여 그 피측정물의 두께 분포를 비접촉으로 측정하기 위해 사용되는 측정 장치이며, 다음 (1) 내지 (11)에 나타내어지는 각 구성 요소를 구비한다.

(1) 소정의 광원으로부터 출사되는 기간광을 2분기시키는 제1 광 분기 수단.

(2) 상기 제1 광 분기 수단에 의한 분기광 각각을 상기 피측정물의 표리 각 면의 표리 서로 대향하는 측정 부위 각각의 방향으로 유도하는 도광 수단.

(3) 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서의 상기 측정 부위의 방향으로 유도된 상기 기간광의 분기광 각각을 다시 2분기시키는 제2 광 분기 수단.

(4) 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서의 상기 제2 광 분기 수단에 의한 분기광 중 한쪽 또는 양쪽에 주파수 변조를 실시하여 각각 주파수가 다른 2개의 측정광을 생성하는 광 변조 수단.

(5) 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 한쪽의 상기 측정광을 상기 측정 부위에 조사시키고, 그 측정 부위에서 반사한 한쪽의 상기 측정광인 물체광과 다른 쪽의 상기 측정광인 참조광을 간섭시키는 2개의 헤테로다인 간섭계.

(6) 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 2개의 상기 측정광 각각을 상기 헤테로다인 간섭계에 입력되는 주광과 그 이외의 부광으로 2분기시키는 제3 광 분기 수단.

(7) 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 상기 제3 광 분기 수단에 의해 분기된 2개의 상기 부광을 간섭시키는 부광 간섭 수단.

(8) 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 상기 제2 광 분기 수단, 상기 광 변조 수단, 상기 헤테로다인 간섭계, 상기 제3 광 분기 수단 및 상기 부광 간섭 수단을 포함하는 측정 광학계를 일체로 유지하는 측정 광학계 유지 수단.

(9) 2개의 상기 헤테로다인 간섭계에 의해 얻어지는 간섭광 각각을 수광하여 그 강도 신호를 출력하는 측정용 광 강도 검출 수단.

(10) 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 상기 부광 간섭 수단에 의해 얻어지는 간섭광을 수광하여 그 강도 신호를 출력하는 참조용 광 강도 검출 수단.

(11) 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서의 상기 측정용 광 강도 검출 수단의 출력 신호 및 상기 참조용 광 강도 검출 수단의 출력 신호로 이루어지는 2개의 비트 신호의 위상 검파에 의해 그들 2개의 비트 신호의 위상차를 검출하는 위상 정보 검출 수단.

이러한 구성 요소를 구비하는 상술한 형상 측정 장치에서는, 주지의 헤테로다인 간섭계의 원리에 의해, 표리의 상기 헤테로다인 간섭계 각각에 대응하는 상기 측정용 광 강도 검출 수단의 검출 신호(비트 신호)의 위상은, 상기 피측정물의 표리 서로 대향하는 상기 측정 부위의 높이에 따라서 정해진다. 또한, 상기 피측정물 표리의 상기 측정 부위 각각에 대해 상기 위상 정보 검출 수단에 의해 검출되는 상기 2개의 비트 신호의 위상차는, 상기 헤테로다인 간섭계로부터 상기 측정 부위까지의 거리, 즉, 상기 측정 부위의 높이를 나타낸다. 따라서, 상기 피측정물 표리 각각에 관한 상기 위상 정보 검출 수단의 검출 결과의 차분으로부터, 상기 피측정물의 두께의 측정값을 얻을 수 있다. 또한, 상술한 형상 측정 장치에서는, 상기 광원으로부터 출사되는 1개의 상기 기간광에 기초하는 분기광이, 상기 피측정물의 표리 각 면의 측정 부위의 근방으로 유도된 후에, 상기 광 변조 수단에 의해 상기 헤테로다인 간섭계에 입력되는 2종류의 측정광으로 변환된다. 그로 인해, 상기 광원으로부터 표리의 상기 헤테로다인 간섭계에 이르는 상기 분기광의 광로에 있어서, 2종류의 측정광의 위상의 요동은 발생할 수 없다. 또한, 상기 광 변조 수단에 의해 생성되는 2종류의 측정광을 전송하는 상기 측정 광학계가, 상기 피측정물의 표리에 있어서 일체로 유지된다. 그로 인해, 상기 측정 광학계에 있어서 발생할 수 있는 2종류의 측정광의 위상의 요동은, 극히 작게 억제된다. 또한, 이상과 같이 하여 얻어지는 상기 피측정물의 두께의 측정값은, 상기 피측정물의 진동에 의한 변위량의 성분이 상기 피측정물의 표리 양측에 대해 상쇄된 측정값으로 된다. 따라서, 상술한 형상 측정 장치는, 상기 피측정물의 진동의 영향을 받지 않고 상기 피측정물의 두께를 측정할 수 있다. 또한, 상기 측정 광학계에 있어서, 2종류의 상기 측정광에 다소의 위상의 요동이 발생한 경우라도, 그 위상의 요동은, 상기 2개의 비트 신호 각각에 있어서 대략 동등하게 발생한다. 그로 인해, 2종류의 상기 측정광에 다소의 위상의 요동이 발생한 경우라도, 그 위상의 요동은 상기 2개의 비트 신호의 위상차에는 거의 반영되지 않는다. 따라서, 상술한 형상 측정 장치는, 매우 고정밀도의 형상 측정이 가능해진다.

또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 측정 광학계 유지 수단이, 표리 각각에 있어서 상기 측정 광학계를 분담하여 유지하는 판 형상의 유지부를 갖는 강체이며, 상기 판 형상의 유지부에 상기 측정 광학계를 전파하는 광을 통과시키는 관통 구멍이 형성된 것이면 적합하다. 이 경우, 상기 측정 광학계 유지 수단은, 상기 측정 광학계를, 상기 판 형상의 유지부의 양측에 걸쳐 3차원적으로 유지한다. 이에 의해, 상기 측정 광학계를 유지하는 상기 판 형상의 유지부를 작게 할 수 있고, 그 작은 판 형상의 유지부는, 비교적 얇은 경량인 부재가 채용되어도, 충분한 강성을 확보할 수 있다. 그로 인해, 소형이며 극히 간이한 구조의 상기 측정 광학계 유지 수단에 의해, 상기 판 형상의 유지부의 변형(휨)에 기인하는 2종류의 상기 측정광의 위상의 어긋남의 발생을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 판 형상의 유지부는, 그 모서리부가 다른 부재에 고정됨으로써 보강된 부재인 것을 생각할 수 있다.

그런데, 장치를 콤팩트화하기 위해 상기 측정용 광 강도 검출 수단으로부터 상기 위상 검파 수단에 이르기까지의 신호 전송 경로와, 상기 참조용 광 강도 검출 수단으로부터 상기 위상 검파 수단에 이르기까지의 신호 전송 경로를 근접시키면, 한쪽의 비트 신호의 전송 경로로부터 발생하는 전자파의 불필요 복사가 다른 쪽의 비트 신호에 대한 노이즈로 되어, 측정 정밀도를 악화시킨다. 따라서, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 형상 측정 장치가, 다음 (12)에 나타내어지는 구성 요소를 더 구비하면 한층 더 적합하다.

(12) 상기 측정용 광 강도 검출 수단으로부터 상기 위상 정보 검출 수단에 이르기까지의 신호 전송 경로와 상기 참조용 광 강도 검출 수단으로부터 상기 위상 정보 검출 수단에 이르기까지의 신호 전송 경로 사이에 배치된 금속제의 실드판.

이러한 구성 요소를 더 구비하는 형상 측정 장치는, 상기 불필요 복사에 의한 측정 정밀도의 악화를 방지할 수 있다.

그리고 다른 일 형태에 관한 형상 측정 장치는, 측정광을 생성하는 광원부와, 상기 광원부에서 생성된 측정광을 일면측 측정광과 타면측 측정광으로 나누는 광 분기부와, 상기 광 분기부에 의해 나뉜 일면측 측정광을 제1 일면측 측정광과 제2 일면측 측정광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 피측정물의 한쪽 면에 조사되어 반사된 조사 후 일면측 측정광과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 일면측 간섭광을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 한쪽 면에 조사되기 전의 조사 전 일면측 측정광과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 일면측 간섭광을 생성하는 일면측 측정부와, 상기 광 분기부에 의해 나뉜 타면측 측정광을 제1 타면측 측정광과 제2 타면측 측정광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 다른 쪽면에 조사되어 반사된 조사 후 타면측 측정광과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 타면측 간섭광을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 다른 쪽면에 조사되기 전의 조사 전 타면측 측정광과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 타면측 간섭광을 생성하는 타면측 측정부와, 일면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상과, 타면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 타면측 간섭광 및 조사 후 타면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 타면측 위상의 위상차로부터 상기 피측정물에 있어서의 상기 한쪽 면으로부터 상기 다른 쪽면까지의 거리를 상기 피측정물의 두께로서 구하는 연산부를 구비하고, 상기 일면측 측정부는, 복수의 조사 후 일면측 간섭광을 생성하기 위해, 상기 피측정물의 한쪽 면에 대해 복수의 개소에 복수의 제1 일면측 측정광을 조사하여 반사시켜 복수의 조사 후 일면측 측정광을 얻고, 상기 연산부는, 상기 복수의 개소의 각각에 대해, 상기 일면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상에 기초하여 미리 설정된 기준면으로부터 상기 피측정물의 상기 한쪽 면까지의 거리를 구함으로써, 상기 복수의 개소에서의 상기 피측정물에 있어서의 표면 형상을 또한 구한다.

이러한 구성의 형상 측정 장치에서는, 피측정물의 한쪽 면에 대해 복수의 개소에서 광 헤테로다인 간섭법에 의해 피측정물이 측정되고, 이에 의해 피측정물의 두께와 예를 들어 높이 분포 등의 면의 표면 형상을 1회의 측정으로 구할 수 있어, 상기 구성의 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법은, 피측정물의 두께 및 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 피측정물의 두께 방향에 직교하는 수평 방향으로 상기 피측정물을 이동하는 이동부를 더 구비하고, 상기 연산부는, 상기 이동부에 의해 상기 피측정물을 상기 수평 방향으로 이동시키면서, 상기 복수의 개소의 각각에 대해, 상기 일면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상에 기초하여 미리 설정된 기준면으로부터 상기 피측정물의 상기 한쪽 면까지의 거리를 구함으로써, 상기 피측정물의 표면 형상을 구함으로써, 상기 복수의 개소에서의 상기 피측정물에 있어서의 표면 형상을 복수 구하는 것이다.

이 구성에 따르면, 이동부에 의해 피측정물이 수평 방향으로 이동되어, 상기 피측정물이 주사된다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치는, 상기 주사의 범위에 대해, 피측정물의 두께 및 표면 형상을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 복수의 개소는 3개소 이상이며, 상기 연산부는, 상기 복수의 개소의 각각에 대한 상기 미리 설정된 기준면으로부터 상기 피측정물 상기 한쪽 면까지의 거리에 기초하여 상기 복수의 개소에 있어서의 곡률을 구하는 것이다.

이러한 구성의 형상 측정 장치는, 피측정물 표면에 있어서의 곡률을 피측정물의 표면 형상으로서 측정할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는, 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 연산부는, 상기 곡률을 복수 구하고, 상기 구한 복수의 곡률에 의해 얻어지는 복수의 원호를 연결함으로써, 상기 피측정물에 있어서의 표면의 높이 분포를 구하는 것이다.

이 구성에 따르면, 복수의 곡률에 의해 얻어지는 복수의 원호가 연결된다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치는, 피측정물에 있어서의 표면 형상을 재현할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 이동부는, 이동 전에 있어서의 복수의 개소와 이동 후에 있어서의 복수의 개소가 2개 이상 겹쳐지도록, 상기 피측정물을 상기 수평 방향으로 이동하는 것이다.

이 구성에 따르면, 이동 전에 있어서의 복수의 개소와 이동 후에 있어서의 복수의 개소가 2개 이상 겹쳐지도록, 피측정물이 수평 방향으로 이동된다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치는, 연속적으로 피측정물의 표면 형상을 용이하게 측정할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 복수의 개소는 이동 방향을 따라 배열되어 있고, 상기 이동 방향을 따라 서로 인접하는 2개의 개소의 간격이 동등하다.

이 구성에 따르면, 이동 방향을 따라 배열되는 2개의 개소의 간격이 동등하다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치는, 이동부의 제어가 용이해지고, 또한 일정한 간격으로, 피측정물의 표면 형상을 측정할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 일면측 측정부는, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광을 복수로 나누는 제1 일면측 회절 격자와, 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 복수로 나누는 제2 일면측 회절 격자를 구비하고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 제1 일면측 회절 격자에 의해 나뉜 복수의 제1 일면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 한쪽 면에 조사되어 반사된 복수의 조사 후 일면측 측정광과 상기 제2 일면측 회절 격자에 의해 나뉜 복수의 제2 일면측 측정광을 간섭시킴으로써, 상기 복수의 조사 후 일면측 간섭광을 생성하는 것이다.

이러한 구성의 형상 측정 장치는, 제1 일면측 회절 격자를 사용함으로써 1개의 광학 소자에 의해 제1 일면측 측정광을 복수로 나눌 수 있고, 그리고 제2 일면측 회절 격자를 사용함으로써 1개의 광학 소자에 의해 제2 일면측 측정광을 복수로 나눌 수 있어, 복수의 개소를 동시에 측정할 수 있다.

또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 일면측 측정부는, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광을 복수로 나누는 하나 또는 복수의 제1 일면측 빔 스플리터와, 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 복수로 나누는 하나 또는 복수의 제2 일면측 빔 스플리터를 구비하고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 제1 일면측 빔 스플리터에 의해 나뉜 복수의 제1 일면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 한쪽 면에 조사되어 반사된 복수의 조사 후 일면측 측정광과 상기 제2 일면측 빔 스플리터에 의해 나뉜 복수의 제2 일면측 측정광을 간섭시킴으로써, 상기 복수의 조사 후 일면측 간섭광을 생성하는 것이다.

이 구성에 따르면, 하나 또는 복수의 제1 일면측 빔 스플리터에 의해 제1 일면측 측정광이 복수로 나뉘고, 하나 또는 복수의 제2 일면측 빔 스플리터에 의해 제2 일면측 측정광이 복수로 나뉘어, 복수의 개소가 동시에 측정된다. 이와 같이 빔 스플리터를 사용하므로, 이러한 구성의 형상 측정 장치는, 일면측 측정부의 광학 설계나 조정에 있어서, 높은 자유도를 가져 그 제약이 저감된다.

또한, 다른 일 형태에서는, 이들 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 일면측 측정부는, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광과 제2 일면측 측정광 사이에 주파수차를 발생시키는 일면측 광 변조기를 구비하고, 상기 타면측 측정부는, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광과 제2 타면측 측정광 사이에 주파수차를 발생시키는 타면측 광 변조기를 구비하는 것이다.

이 구성에 따르면, 일면측 측정부 내에 일면측 광 변조기가 구비되고, 타면측 측정부 내에 타면측 광 변조기가 구비된다. 이로 인해, 이러한 구성의 형상 측정 장치는, 광원부로부터 일면측 측정부에 이르는 광로에 있어서, 광 헤테로다인 간섭을 행하는 광에 위상의 요동이 발생하는 일이 없고, 그리고 광원부로부터 타면측 측정부에 이르는 광로에 있어서, 광 헤테로다인 간섭을 행하는 광에 위상의 요동이 발생하는 일이 없다.

본 출원은, 2009년 2월 2일에 출원된 일본 특허 출원 특원 제2009-21290호 및 2010년 1월 15일에 출원된 일본 특허 출원 특원 제2010-6653호를 기초로 하는 것이며, 그 내용은 본원에 포함되는 것이다.

본 발명을 표현하기 위해, 상술에 있어서 도면을 참조하면서 실시 형태를 통해 본 발명을 적절하고 또한 충분히 설명하였지만, 당업자라면 상술한 실시 형태를 변경 및/또는 개량하는 것은 용이하게 이룰 수 있는 것이라고 인식해야 한다. 따라서, 당업자가 실시하는 변경 형태 또는 개량 형태가, 청구범위에 기재된 청구항의 권리 범위를 이탈하는 레벨의 것이 아닌 한, 당해 변경 형태 또는 당해 개량 형태는, 당해 청구항의 권리 범위에 포괄된다고 해석된다.

본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 피측정물의 형상을 측정하는 형상 측정 장치에 이용 가능하다.

Claims (12)

1. 피측정물의 표리 각 면을 주사하여 상기 피측정물의 두께 분포를 비접촉으로 측정하기 위해 사용되는 형상 측정 장치이며,
   소정의 광원으로부터 출사되는 기간광을 2분기시키는 제1 광 분기 수단과,
   상기 제1 광 분기 수단에 의한 분기광 각각을 상기 피측정물의 표리 각 면의 표리 서로 대향하는 측정 부위 각각의 방향으로 유도하는 도광 수단과,
   상기 피측정물의 표리 각각에 있어서의 상기 측정 부위의 방향으로 유도된 상기 기간광의 분기광 각각을 다시 2분기시키는 제2 광 분기 수단과,
   상기 피측정물의 표리 각각에 있어서의 상기 제2 광 분기 수단에 의한 분기광 중 한쪽 또는 양쪽에 주파수 변조를 실시하여 각각 주파수가 다른 2개의 측정광을 생성하는 광 변조 수단과,
   상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 한쪽의 상기 측정광을 상기 측정 부위에 조사시켜, 상기 측정 부위에서 반사한 한쪽의 상기 측정광인 물체광과 다른 쪽의 상기 측정광인 참조광을 간섭시키는 2개의 헤테로다인 간섭계와,
   상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 2개의 상기 측정광 각각을 상기 헤테로다인 간섭계에 입력되는 주광과 그 이외의 부광으로 2분기시키는 제3 광 분기 수단과,
   상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 상기 제3 광 분기 수단에 의해 분기된 2개의 상기 부광을 간섭시키는 부광 간섭 수단과,
   상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 상기 제2 광 분기 수단, 상기 광 변조 수단, 상기 헤테로다인 간섭계, 상기 제3 광 분기 수단 및 상기 부광 간섭 수단을 포함하는 측정 광학계를 하나로 유지하는 측정 광학계 유지 수단과,
   2개의 상기 헤테로다인 간섭계에 의해 얻어지는 간섭광 각각을 수광하여 그 강도 신호를 출력하는 측정용 광 강도 검출 수단과, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 상기 부광 간섭 수단에 의해 얻어지는 간섭광을 수광하여 그 강도 신호를 출력하는 참조용 광 강도 검출 수단과,
   상기 피측정물의 표리 각각에 있어서의 상기 측정용 광 강도 검출 수단의 출력 신호 및 상기 참조용 광 강도 검출 수단의 출력 신호로 이루어지는 2개의 비트 신호의 위상 검파에 의해 상기 2개의 비트 신호의 위상차를 검출하는 위상 정보 검출 수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 측정 광학계 유지 수단이, 표리 각각에 있어서 상기 측정 광학계를 분담하여 유지하는 판 형상의 유지부를 갖는 강체이고, 상기 판 형상의 유지부에 상기 측정 광학계를 전파하는 광을 통과시키는 관통 구멍이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정용 광 강도 검출 수단으로부터 상기 위상 정보 검출 수단에 이르기까지의 신호 전송 경로와 상기 참조용 광 강도 검출 수단으로부터 상기 위상 정보 검출 수단에 이르기까지의 신호 전송 경로 사이에 배치된 금속제의 실드판을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
4. 측정광을 생성하는 광원부와,
   상기 광원부에서 생성된 측정광을 일면측 측정광과 타면측 측정광으로 나누는 광 분기부와,
   상기 광 분기부에 의해 나뉜 일면측 측정광을 제1 일면측 측정광과 제2 일면측 측정광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 피측정물의 한쪽 면에 조사되어 반사된 조사 후 일면측 측정광과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 일면측 간섭광을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 한쪽 면에 조사되기 전의 조사 전 일면측 측정광과 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 일면측 간섭광을 생성하는 일면측 측정부와,
   상기 광 분기부에 의해 나뉜 타면측 측정광을 제1 타면측 측정광과 제2 타면측 측정광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 다른 쪽면에 조사되어 반사된 조사 후 타면측 측정광과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 후 타면측 간섭광을 생성하는 동시에, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 다른 쪽면에 조사되기 전의 조사 전 타면측 측정광과 상기 나뉜 제2 타면측 측정광을 간섭시킨 조사 전 타면측 간섭광을 생성하는 타면측 측정부와,
   일면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상과, 타면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 타면측 간섭광 및 조사 후 타면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 타면측 위상의 위상차로부터 상기 피측정물에 있어서의 상기 한쪽 면으로부터 상기 다른 쪽면까지의 거리를 상기 피측정물의 두께로서 구하는 연산부를 구비하고,
   상기 일면측 측정부는, 복수의 조사 후 일면측 간섭광을 생성하기 위해, 상기 피측정물의 한쪽 면에 대해 복수의 개소에 복수의 제1 일면측 측정광을 조사하여 반사시켜 복수의 조사 후 일면측 측정광을 얻고,
   상기 연산부는, 상기 복수의 개소의 각각에 대해, 상기 일면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상에 기초하여 미리 설정된 기준면으로부터 상기 피측정물의 상기 한쪽 면까지의 거리를 구함으로써, 상기 복수의 개소에서의 상기 피측정물에 있어서의 표면 형상을 또한 구하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 피측정물의 두께 방향에 직교하는 수평 방향으로 상기 피측정물을 이동시키는 이동부를 더 구비하고,
   상기 연산부는, 상기 이동부에 의해 상기 피측정물을 상기 수평 방향으로 이동시키면서, 상기 복수의 개소의 각각에 대해, 상기 일면측 측정부에 의해 생성된 조사 전 일면측 간섭광 및 조사 후 일면측 간섭광을 위상 검파함으로써 얻어진 일면측 위상에 기초하여 미리 설정된 기준면으로부터 상기 피측정물의 상기 한쪽 면까지의 거리를 구함으로써, 상기 피측정물의 표면 형상을 구함으로써, 상기 복수의 개소에서의 상기 피측정물에 있어서의 표면 형상을 복수 구하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 복수의 개소는 3개소 이상이고,
   상기 연산부는, 상기 복수의 개소의 각각에 대한 상기 미리 설정된 기준면으로부터 상기 피측정물의 상기 한쪽 면까지의 거리에 기초하여 상기 복수의 개소에 있어서의 곡률을 구하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 연산부는, 상기 곡률을 복수 구하고, 상기 구한 복수 곡률에 의해 얻어지는 복수의 원호를 연결함으로써, 상기 피측정물에 있어서의 표면의 높이 분포를 구하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 이동부는, 이동 전에 있어서의 복수의 개소와 이동 후에 있어서의 복수의 개소가 2개 이상 겹쳐지도록, 상기 피측정물을 상기 수평 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
9. 제5항에 있어서, 상기 복수의 개소는, 이동 방향을 따라 배열되어 있고, 상기 이동 방향을 따라 서로 인접하는 2개의 개소의 간격이 동등한 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
10. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 일면측 측정부는, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광을 복수로 나누는 제1 일면측 회절 격자와, 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 복수로 나누는 제2 일면측 회절 격자를 구비하고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 제1 일면측 회절 격자에 의해 나뉜 복수의 제1 일면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 한쪽 면에 조사되어 반사된 복수의 조사 후 일면측 측정광과 상기 제2 일면측 회절 격자에 의해 나뉜 복수의 제2 일면측 측정광을 간섭시킴으로써, 상기 복수의 조사 후 일면측 간섭광을 생성하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
11. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 일면측 측정부는, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광을 복수로 나누는 하나 또는 복수의 제1 일면측 빔 스플리터와, 상기 나뉜 제2 일면측 측정광을 복수로 나누는 하나 또는 복수의 제2 일면측 빔 스플리터를 구비하고, 광 헤테로다인 간섭에 의해, 상기 제1 일면측 빔 스플리터에 의해 나뉜 복수의 제1 일면측 측정광에 있어서의 상기 피측정물의 한쪽 면에 조사되어 반사된 복수의 조사 후 일면측 측정광과 상기 제2 일면측 빔 스플리터에 의해 나뉜 복수의 제2 일면측 측정광을 간섭시킴으로써, 상기 복수의 조사 후 일면측 간섭광을 생성하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
12. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 일면측 측정부는, 상기 나뉜 제1 일면측 측정광과 제2 일면측 측정광 사이에 주파수차를 발생시키는 일면측 광 변조기를 구비하고,
    상기 타면측 측정부는, 상기 나뉜 제1 타면측 측정광과 제2 타면측 측정광 사이에 주파수차를 발생시키는 타면측 광 변조기를 구비하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
    

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