KR101335233B1 - 형상 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은, 간이한 장치 구성에 의해 피측정물의 진동의 영향을 받지 않고 고정밀도로 두께 분포의 측정을 행하는 것이다. 본 발명에 있어서는, 피측정물(1)의 표리 각면에 대하여 레이저 광원(2)의 출사광을 2분기한 빔광을 다시 2분기시켜 참조면 및 표리 서로 대향하는 측정점(1a, 1b)에 반사시키고, 참조광과 물체광을 직교하는 편광 성분으로 하는 비간섭광(Pax, Pbx)을 얻어 그것을 복수로 분기시킨다. 분기광 중 1개 이상에 대하여 파장판(a261, a263, a264) 등에서 직교하는 편광 성분의 위상차에 변화를 부여하여 위상 시프트를 행하고, 위상 시프트 후의 분기광에 있어서의 참조광 및 물체광의 편광 방향을 기준으로 하는 공통의 편광 성분의 추출에 의해 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4)을 얻는다. 그들의 강도로부터 비간섭광에 있어서의 참조광 및 물체광의 편광 성분의 위상차가 산출되고, 그 위상차의 분포로부터 피측정물(1)의 두께 분포가 산출된다.

Description

형상 측정 장치{SHAPE DETERMINING DEVICE}

본 발명은 간섭계를 이용하여 피측정물의 두께 분포나 표면 형상을 측정하는 형상 측정 장치에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 등의 피측정물의 형상 측정에 있어서 간섭계를 이용한 비접촉형 형상 측정 장치가 보급되고 있다. 이는 파장이 동일한 참조광과 물체광이 중첩된 간섭광의 강도로부터 피측정물의 표면 형상, 즉 표면 높이의 분포(또는 표면 위치의 분포)를 구하는 것이다. 여기서, 2개로 분기된 한쪽의 광속을 피측정물의 표면에 반사시킨 광이 물체광이고, 다른 한쪽의 광속을 기준이 되는 참조면에 반사시키는 등 하여 피측정물에 조사시키지 않는 광이 참조광이다.

보다 구체적으로는 간섭계에 의한 피측정물의 표면 형상 측정에 있어서는, 피측정물의 표면에 대향 배치된 간섭계에 의해, 그 피측정물의 표면 상의 다수의 측정 부위에 반사시킨 물체광을 참조광과 간섭시킨 간섭광의 강도를 검출한다. 이때 측정 부위마다 참조광의 광로 길이를 변화시키는 것 등에 의해 물체광과 참조광의 위상의 차를 소정량씩 시프트시켜 복수 종류의 간섭광의 강도를 검출한다. 그리고, 측정 부위마다 얻어진 복수 종류의 간섭광의 강도로부터 그 측정 부위에 있어서의 물체광과 참조광의 위상차를 산출하고, 복수의 측정 부위마다의 위상차의 데이터에 기초한 위상 접속 처리가 행해진다. 이 위상 접속 처리에 의해 얻어지는 측정 부위마다의 위상 데이터는 물체광의 파장에 기초하여 표면 높이의 치수값으로 환산할 수 있다. 이 때문에, 위상 접속 처리에 의해 얻어지는 위상 데이터의 분포 정보는, 피측정물의 표면 높이의 분포 정보, 즉 형상 정보와 등가이다. 또한, 상기 위상 접속 처리는 앤랩 처리라고 칭해진다.

이에 의해, 피측정물의 표면 형상을 비접촉으로 측정할 수 있기 때문에, 촉침식 형상계로 측정하는 경우와는 달리 피측정물 표면에 흠집 등을 발생시키지 않고 그 표면 형상을 측정할 수 있다.

특허 문헌 1에는 위상 접속 처리의 상세에 대하여 나타나 있다. 특허 문헌 1에는 셀에 수용된 유체의 특성 변화를, 그 셀에 통과시킨 물체광과 다른 참조광이 중첩된 간섭광의 위상의 변화를 검출함으로써 측정하는 기술에 대하여 나타나 있다. 이때, 위상 데이터가 소정 주기로 샘플링된다. 또한, 어느 시점에서 샘플링된 위상 데이터에 대하여 1개 전의 시점의 위상 데이터를 기준으로 하여 위상차가 -π 내지 +π의 범위에 들어가도록, 상기 어느 시점의 위상 데이터에 대하여 2π의 정수배분만큼 위상을 시프트하는 위상 접속 처리가 행해진다.

마찬가지로 형상 측정에 있어서의 위상 접속 처리에 있어서는 이웃하는 2개의 측정점에서 얻어진 2개의 위상 데이터의 한쪽 위상의 보정 처리가 행해진다. 이는 이웃하는 2개의 측정점의 한쪽 위상에 대하여 다른 쪽 위상을 기준으로 한 위상차가 -π 내지 +π의 범위에 들어가도록 2π의 정수배분만큼 보정을 행하는 처리이다. 이와 같이 하여 행해지는 위상 접속 처리는 이웃하는 2개의 측정점의 표면 높이의 차가 물체광의 4분의 1 파장분을 초과하지 않는다고 하는 전제에 기초한 처리이다.

특허 문헌 2에는 이하의 방법에 의해 3개의 간섭광을 얻는 2차원 정보 취득 장치에 대하여 나타나 있다.

즉, 특허 문헌 2에 나타나는 장치에서는, 레이저 광을 확대한 평행광이 참조면과 피측정면에 조사되어 참조광 및 물체광을 직교하는 편광 성분으로 하는 센싱광(비간섭광)이 얻어진다. 또한, 그 센싱광이 3분기되고, 3개의 분기광으로부터 3개의 편광판에 의해 편광 각도가 상이한 편광 성분을 추출함으로써, 참조광 및 물체광의 각 성분의 위상차가 90°씩 시프트된 3개의 간섭광이 얻어진다. 이와 같이 참조광 및 물체광에 대한 위상 시프트를 추출 대상으로 하는 편광 성분이 상이한 복수의 편광판을 이용하여 광학적으로 행함으로써, 상기 위상 시프트가 행해진 복수의 간섭광이 동시에 얻어진다. 그리고, 이들 복수의 간섭광의 강도로부터 참조광과 물체광의 사이의 위상차를 산출할 수 있고, 그 위상차의 분포로부터 피측정물의 표면 높이의 분포를 산출할 수 있다.

이와 같이 특허 문헌 2에 나타나는 기술은 호모다인 간섭계를 이용한 위상 시프트법에 의한 형상 측정에 있어서, 편광판을 이용하여 광학적으로 위상 시프트를 행하는 기술이다. 이 기술에 따르면, 참조면의 위치를 기계적으로 순차 이동시킴으로써 참조광과 물체광의 위상차를 변화시키는 일반적인 위상 시프트법에 의한 형상 측정보다도 고속의 측정이 가능해진다.

특허 문헌 3에는 피측정물의 표리 각면에 대향 배치된 2개의 헤테로다인 간섭계에 의해 피측정물의 표리 각면의 측정 부위에 대하여 참조광과 물체광의 관계를 역으로 한 간섭광의 비트 신호를 검출하고, 표리의 비트 신호의 위상차로부터 피측정물의 두께를 측정하는 장치에 대하여 나타나 있다.

일본 특허 출원 공개 제2000-292351호 공보 일본 특허 출원 공개 평2-287107호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-180708호 공보

그런데, 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 웨이퍼라고 칭함)의 형상 측정에서는, 그 표면 전체에 걸친 형상을 측정할 필요가 있기 때문에, 일반적으로 웨이퍼 주변의 엣지부를 복수 개소에서 지지한 상태로 측정이 이루어진다. 그러나, 웨이퍼와 같은 두께가 1㎜ 미만인 박판 형상의 피측정물을 엣지부에서만 지지한 경우, 약간의 풍압이나 다른 기계의 진동 등에 의해 웨이퍼가 진동한다. 이 진동의 진폭은 예를 들면 오차 20㎚ 이하를 만족하도록 하는 매우 높은 측정 정밀도가 요구되는 웨이퍼의 형상 측정에 있어서는 무시할 수 없는 것이다.

특허 문헌 1에 나타나는 기술에서는, 피측정물의 한쪽 면에 있어서의 1개소의 측정 부위에 대하여 얻어진 1개의 간섭광의 강도로부터, 그 측정 부위에 대한 위상 데이터가 직접적으로 도출된다. 그 때문에, 피측정물의 진동이나 광원의 특성 변동, 측정 부위마다의 광의 반사율의 차이 등의 외란 요인에 의해 참조광 및 물체광의 위상이나 강도가 변동한 경우, 그것이 그대로 측정 결과의 오차로서 나타나고, 고정밀도로의 형상 측정을 행할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.

또한, 특허 문헌 2에 나타나는 측정 방법에서는, 참조면 및 피측정물의 표면에 평행광을 조사하여 얻어지는 간섭광의 간섭 무늬 화상이 복수대의 2차원의 카메라로 촬상된다. 그리고, 이 측정 방법에서는 복수의 간섭 무늬 화상 각각에 있어서의 대응하는 위치의 화소 데이터를 이용하여 위상 시프트법의 연산이 행해진다. 그 때문에, 특허 문헌 2의 측정 방법에서는 2차원의 확대를 갖는 물체광 및 참조광, 및 그들의 간섭광의 복수의 촬상 화상 상호에 있어서의 각 화소의 대응 관계를 엄밀하게 맞추는 것이 어렵고, 그 대응 관계의 어긋남은 측정 오차에 크게 영향을 미친다.

한편, 일반적으로 2차원의 확대를 갖는 광의 파면을 고정밀도로 조정하는 것은 어렵다. 따라서, 특허 문헌 2의 측정 방법은 높은 측정 정밀도를 확보하기 위한 광학 기기의 위치 조정이 매우 어렵다고 하는 문제점이 있었다.

또한, 특허 문헌 2의 측정 방법은 동작 주파수가 기껏 20㎐ 내지 100㎐ 정도인 2차원의 카메라를 이용하기 때문에, 복수의 간섭 무늬 화상을 시간이 어긋나지 않게 동시에 촬상하는 것이 어렵다. 예를 들면 웨이퍼는 그 엣지부가 지지된 상태에서는 주위의 기기가 발하는 진동이나 약간의 공기의 흐름 등에 의해 50㎐ 정도의 주파수로 진동하는데, 이와 같이 피측정물이 고속으로 진동하는 경우, 복수의 간섭 무늬 화상의 촬상 타이밍의 어긋남은 대폭적인 측정 정밀도의 악화로 이어진다. 그 때문에, 특허 문헌 2의 측정 방법은 박판 형상의 반도체 웨이퍼 등, 고속으로 진동하는 피측정물의 형상 측정에는 적합하지 않다고 하는 문제점도 있었다.

또한, 특허 문헌 2의 측정 방법은 피측정물의 표면을 따른 2차원 방향에 있어서의 높이 분포의 측정의 공간 분해능이 카메라의 해상도에 의존하여 높은 분해능으로의 형상 측정을 행할 수 없다고 하는 문제점도 갖고 있다.

또한, 특허 문헌 2에 나타나는 형상 측정 방법에서는 측정 오차가 발생할 수 있다고 하는 문제점이 있다. 그 이유를 이하에 나타낸다.

또한, 이하 특허 문헌 2에 나타나는 형상 측정 방법에 있어서, 4개로 분기되어 만들어지는 센싱광(비간섭광)의 광로로부터 간섭광의 강도의 검출기의 출력 라인에 이르는 4개의 광 및 신호의 경로를 채널이라고 칭한다. 또한, 4개의 채널 중 물체광과 참조광의 위상차의 산출의 대상이 되는 1개의 채널을 기준 채널, 그 밖의 3개의 채널을 비기준 채널이라고 칭한다.

간섭계에서 얻어지는 간섭광의 강도는 물체광의 강도, 참조광의 강도 및 물체광과 참조광의 위상차에 의해 정해진다. 따라서, 특허 문헌 2에 나타나는 호모다인 간섭계에 있어서는, 채널마다 성립하는 물체광, 참조광 및 간섭광 각각의 강도와 위상차의 관계식을 4개 포함하는 연립 방정식이 성립한다.

또한, 특허 문헌 2에 나타나는 호모다인 간섭계를 특별한 교정 공정을 거치지 않고 이용한 경우, 각 채널에 있어서의 물체광의 강도와 참조광의 강도는 반드시 일치하는 것은 아니다. 마찬가지로 채널 상호 간에서의 물체광의 강도 및 채널 상호 간에서의 참조광의 강도도 반드시 일치하는 것은 아니다. 또한, 상기 기준 채널의 간섭광의 상기 위상차와 3개의 상기 비기준 채널의 간섭광의 상기 위상차 각각의 사이에서, 미리 상정한 위상 시프트량(예를 들면, -90°, +90°, +180°)에 대하여 상기 비기준 채널마다 상이한 미지의 오차가 더해진 차가 발생하고 있다.

따라서, 상기 특허 문헌 2에 나타나는 호모다인 간섭계를 특별한 교정 공정을 거치지 않고 이용한 경우, 상기 연립 방정식에는 측정 대상인 상기 위상차를 포함하는 12개의 미지의 파라미터가 포함되게 된다.

예를 들면, 3개의 상기 비기준 채널의 비간섭광(P1, P3, P4) 각각에 상기 기준 채널의 비간섭광(P2)에 대하여 -90°, +90°, +180°의 위상 시프트를 행한다. 그러나, 이 경우에도 상기 기준 채널의 간섭광에 대한 3개의 상기 비기준 채널의 간섭광의 실제의 위상차는 각각 개별의 오차(ε1, ε3, ε4)를 포함하여 각각 (-90°+ε1), (+90°+ε3), (+180°+ε4)가 된다. 이와 같은 위상 시프트의 오차는 고정밀도로 피측정물의 표면 형상 측정을 행하고자 하는 경우에 무시할 수 없는 것이다. 상기 오차(ε1, ε3, ε4)를 무시할 수 있는 정도까지 작게 하는 것은, 장치의 복잡화 및 고비용화 및 장치의 교정 작업의 번잡화를 초래하기 때문에 현실적이지 않다.

특허 문헌 3에 나타나는 측정 방법은 헤테로다인 간섭계에 관한 다수의 광학 부품을 필요로 하기 때문에, 측정 장치의 소형화가 어렵다고 하는 문제점이 있었다. 또한, 이 측정 방법은 헤테로다인 간섭계에 관한 기기에 대하여 2종류의 측정광의 겹침 상태에 관한 조정, 예를 들면 주파수가 상이한 2개의 측정광의 겹침 상태의 조정이나, 그 2개의 측정광의 광원이나 비트 신호의 검파기의 조정 등이 번잡하고, 또한 기기가 고가라고 하는 문제점이 있었다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 반도체 웨이퍼 등의 박판 형상의 피측정물의 두께 분포의 측정에 있어서, 간이한 장치 구성에 의해 피측정물의 진동의 영향을 받지 않고 고정밀도로 두께 분포의 측정을 행할 수 있는 형상 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 간섭계를 이용한 위상 시프트법에 의한 형상 측정에 있어서, 복수의 편광판을 이용하여 광학적으로 위상 시프트를 행하는 경우에 발생하는 위상 시프트의 오차의 영향을 받지 않고, 측정 결과를 간이하게 얻을 수 있는 형상 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 제1 발명에 관한 형상 측정 장치는 다음 (1) 및 (2)에 나타나는 각 구성 요소를 구비하고 있다.

(1) 소정의 광원의 출사광이 2분기되어 소정의 측정 위치에 배치된 물체의 표리 각면에 유도된 빔광을 기준이 되는 참조면에 반사시킨 참조광과, 상기 물체에 있어서의 표리 각면의 표리 서로 대향하는 측정 부위에 반사시킨 물체광의 간섭광의 강도를 검출하는, 상기 물체의 표리 각면에 대하여 각각 설치되는 2개의 호모다인 간섭계.

(2) 상기 2개의 호모다인 간섭계에 대한 상기 물체의 2차원 방향의 상대 위치를 변화시키면서 상기 2개의 호모다인 간섭계에 의해 복수 개소의 상기 측정 부위에 대하여 검출된 상기 간섭광의 강도에 기초하여 상기 물체의 두께 분포를 산출하는 두께 분포 산출 수단.

또한, 본 발명에 관한 형상 측정 장치에 있어서 상기 2개의 호모다인 간섭계 각각이 다음 (1.1) 내지 (1.5)에 나타나는 각 구성 요소를 구비하고 있다. 또한, 상기 두께 분포 산출 수단이 다음 (2.1) 및 (2.2)에 나타나는 각 구성 요소를 구비하고 있다.

(1.1) 상기 빔광을 2분기시켜 상기 참조면과 상기 측정 부위의 각각에 조사하여 상기 참조광과 상기 물체광이 서로 직교하는 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광을 얻는 비간섭광 취득용 광학계.

(1.2) 상기 비간섭광 취득용 광학계에 의해 얻어진 상기 비간섭광을 3개 이상으로 분기시키는 비간섭광 분기용 광학계.

(1.3) 상기 비간섭광 분기용 광학계에 의해 얻어진 상기 비간섭광의 3개 이상의 분기광 중 1개 이상에 대하여 복굴절 소자를 통하여 직교하는 편광 성분의 위상차에 변화를 부여함으로써, 상기 비간섭광의 3개 이상의 분기광 각각에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 사이에 상이한 위상차를 발생시키는 위상 시프트용 광학계.

(1.4) 상기 위상 시프트용 광학계를 거친 상기 비간섭광의 3개 이상의 분기광 각각으로부터, 상기 분기광에 있어서의 상기 참조광 및 상기 물체광의 편광 방향을 기준으로 하는 각도가 공통인 편광 성분을 추출함으로써, 상기 참조광과 상기 물체광의 간섭광을 추출하는 간섭광 추출용 광학계.

(1.5) 상기 간섭광 추출용 광학계에 의해 추출된 복수의 간섭광 각각의 강도를 검출하는 간섭광 강도 검출 수단.

(2.1) 상기 물체의 표리 각면에 대하여 상기 간섭광 강도 검출 수단에 의해 각각 검출된 복수의 상기 간섭광의 각각의 강도에 기초하여 상기 비간섭광에 있어서의 상기 참조광 및 상기 물체광의 편광 성분의 위상차를 산출하는 위상차 산출 수단.

(2.2) 상기 물체의 표리 각면 각각의 복수 개소의 상기 측정 부위에 대하여 상기 위상차 산출 수단에 의해 산출된 위상차의 분포에 기초하여 상기 물체의 두께 분포를 산출하는 두께 분포 산출 수단.

제1 발명에 이용되는 2개의 호모다인 간섭계는, 특히 광원이나 신호 처리부 등에 대하여 헤테로다인 간섭계에 비하여 매우 간이하고 소형의 구성에 의해 실현할 수 있다.

또한, 빔광의 강도를 검출하는 광검출기인 간섭광 강도 검출 수단은 2차원의 카메라에 비하여 훨씬 고속으로 동작 가능하다. 그 때문에, 본 발명에 관한 형상 측정 장치에서는 피측정물의 표리 각면 각각에 있어서의 복수의 간섭광의 강도를 시간이 어긋나지 않게 동시에 검출하는 것이 용이하다. 그 때문에, 본 발명에 관한 형상 측정 장치는 단부가 지지된 박판 형상의 반도체 웨이퍼와 같이 고속으로 진동하는 상기 피측정물의 두께 측정에도 적합하다.

또한, 제1 발명에 관한 형상 측정 장치에서는 직교하는 참조광 및 물체광의 편광 성분에 대한 위상 시프트가 복굴절 소자를 통하여 광학적으로 행해진다. 이에 의해, 각 측정 부위에 대하여 1개의 비간섭광을 기원으로 하여 위상 시프트가 행해진 복수의 간섭광이 동시에 얻어진다. 그리고, 이들 복수의 간섭광의 강도로부터 참조광과 물체광의 사이의 위상차를 산출할 수 있고, 그 위상차의 분포로부터 피측정물 두께 분포를 산출할 수 있다. 또한, 그 위상차는 1개의 비간섭광을 기원으로 하는 복수의 간섭광의 강도의 상대 평가에 의해 산출할 수 있기 때문에, 빔광의 광원의 특성 변동이나 측정 부위마다의 표면 각도 및 광의 반사율의 차이 등의 외란 요인의 영향을 받기 어렵다.

또한, 측정 부위마다의 면각도의 차이나 미러나 빔 스플리터 등의 광학 기기의 지지 각도의 약간의 변화 등의 외란에 의해, 참조광 및 물체광의 광축의 각도나 이들의 겹침 상태 등이 변화된다. 이 변화는 복수의 간섭광에 있어서의 참조광 및 물체광의 위상차의 변화로서 나타난다. 그와 같은 상황 하에서 특허 문헌 3에 나타나는 바와 같이, 각도가 상이한 편광 성분의 추출에 의해 복수의 간섭광의 추출이 행해지면, 외란에 기인하는 참조광 및 물체광의 위상차의 변화가 복수의 간섭광에 있어서 역방향에 반영된다. 그리고, 복수의 간섭광의 강도의 상대 평가에 의해 위상차의 산출이 행해지면, 외란에 기인하는 참조광 및 물체광의 위상차의 변화가 그대로 위상차 산출의 오차가 된다.

이에 대하여, 제1 발명에 있어서는 위상차의 산출에 이용되는 복수의 간섭광은, 비간섭광의 복수의 분기광 각각으로부터 그 분기광에 있어서의 참조광 및 물체광의 편광 방향을 기준으로 하는 각도가 공통인 편광 성분을 추출하여 얻어진 광이다. 즉, 본 발명에 있어서는 복수의 간섭광을 얻기 위해서 비간섭광의 분기광으로부터 추출되는 편광 성분은 +45°또는 -45°의 어느 하나로 통일된다. 그 때문에, 외란에 기인하는 참조광 및 물체광의 위상차의 변화가 복수의 간섭광에 있어서 동일 방향에 반영된다. 그리고, 이들 복수의 간섭광의 강도의 상대 평가에 의해 위상차의 산출이 행해지면, 외란에 기인하는 참조광 및 물체광의 위상차의 변화가 위상차의 산출 단계에서 상쇄되어 측정 오차를 저감할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 스폿 직경이 작은 빔광을 피측정물의 표면에 있어서 조밀하게 주사시킴으로써, 피측정물의 표면을 따른 2차원 방향에 있어서의 두께 분포의 측정의 공간 분해능을 높일 수 있다.

또한, 제1 발명에 관한 형상 측정 장치는 보다 구체적인 요건으로서 다음 (c1) 내지 (c3)에 나타나는 각 조건을 만족하는 것이 생각된다.

(c1) 상기 비간섭광 분기용 광학계가 2단계의 2분기에 의해 상기 비간섭광을 제1 분기광, 제2 분기광, 제3 분기광, 제4 분기광으로 분기시킨다.

(c2) 상기 위상 시프트용 광학계가 상기 제2 분기광을 기준으로 하여 상기 제1 분기광, 상기 제3 분기광, 상기 제4 분기광에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 위상차에 -4분의 1 파장분, +4분의 1 파장분 및 +2분의 1 파장분의 변화를 각각 부여한다.

(c3) 상기 위상차 산출 수단이, 상기 물체의 표리 각면에 대하여, -4분의 1 파장분의 상기 위상차의 변화가 주어진 제1 분기광, 기준으로 된 제2 분기광, +4분의 1 파장분의 상기 위상차의 변화가 주어진 제3 분기광, 및 +2분의 1 파장분의 상기 위상차의 변화가 주어진 제4 분기광 각각에 대한 상기 간섭광의 검출 강도(I1, I2, I3, I4)를 다음 식 (F1)에 적용함으로써, 상기 비간섭광에 있어서의 상기 참조광 및 상기 물체광의 편광 성분의 위상차(Φ)를 산출한다.

Φ=tan^-1[(I2-I4)/(I3-I1)] … (F1)

단, 상기 간섭광의 검출 강도(I1, I2, I3, I4)는 상기 참조광 및 상기 물체광의 편광 성분의 위상차에 변동을 부여했을 때의 강도 변화의 오프셋 및 진폭이 동등해지도록 미리 조정된 값을 이용한다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 매우 간이한 연산에 의해 위상차(Φ)를 산출할 수 있다.

또한, 간섭광의 검출 강도(I1, I2, I3, I4)의 오프셋 및 진폭이 동등해지도록 조정하는 방법은, 예를 들면 이하와 같은 방법이다.

즉, 참조면의 위치 또는 피측정물 혹은 그 대체가 되는 교정용 물체의 위치에, 빔광의 파장의 2분의 1 이상의 변위를 발생시킨다. 그리고, 간섭광 강도 검출 수단에 의해 얻어지는 복수의 간섭광 각각의 강도의 변동의 중심 레벨 및 변동 폭이 동등해지도록 간섭광 강도 검출 수단의 검출 게인을 조정하거나 혹은 간섭광 강도 검출 수단의 검출값에 대하여 보정을 가한다.

또한, 2개의 호모다인 간섭계 각각에 있어서 비간섭광으로부터 분기된 각 분기광의 광로 길이가 동등하게 설정되어 있으면 더욱 바람직하다.

이에 의해, 비간섭광으로부터 분기된 각 분기광의 광로에 있어서의 외란의 영향이 복수의 간섭광 각각에 대하여 동일한 정도로 반영된다. 그 때문에, 복수의 간섭광의 강도의 상대 평가에 의한 위상차의 산출 단계에 있어서, 외란에 기인하는 참조광 및 물체광의 위상차의 변화의 상쇄가 보다 효과적이 되어 위상차 산출의 오차를 보다 저감할 수 있다.

또한, 2개의 호모다인 간섭계 각각이 다음 (1.6)에 나타나는 구성 요소를 구비하면 더욱 바람직하다.

(1.6) 상기 비간섭광 취득용 광학계와 상기 측정 부위의 사이에 있어서의 상기 빔광 및 그 반사광인 상기 물체광의 광로에 배치됨과 함께 상기 측정 부위를 초점으로 하는 집광 렌즈.

이에 의해, 측정 부위에 대한 빔광의 조사 스폿을 작게 할 수 있고, 그 빔광을 피측정물의 표면에 있어서 조밀하게 주사시킴으로써, 피측정물의 표면을 따른 2차원 방향에 있어서의 두께 분포의 측정의 공간 분해능을 보다 높일 수 있다. 또한, 측정 부위마다의 표면 각도에 약간의 차이가 존재하더라도 집광 렌즈의 작용에 의해 측정 부위에서의 반사광인 물체광의 광축의 어긋남을 억제할 수 있다. 그 결과, 물체광의 광축의 어긋남에 기인하는 물체광의 수광 광량의 감소 및 간섭 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 발명의 제1 실시 형태에 관한 형상 측정 장치는, 소정의 측정 위치에 배치된 물체에 반사시킨 물체광과 그 이외의 참조광이 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광을 4분기시키는 비간섭광 분기용 광학계와, 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 사이에 각각 상이한 위상차를 발생시키는 위상 시프트용 광학계와, 상기 위상 시프트용 광학계를 거친 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각으로부터 상기 참조광과 상기 물체광의 간섭광을 추출하는 4개의 편광판과, 4개의 상기 편광판을 거친 광 각각의 강도를 검출하는 광강도 검출 수단과, 상기 광강도 검출 수단에 의해 얻어지는 4개의 광강도 각각에 독립하여 보정을 가하는 광강도 보정 수단과, 상기 편광판을 각도 가변으로 지지하는 편광판 지지 수단과, 상기 물체광 및 상기 참조광의 각각을 차단하는 광 차단 수단과, 상기 측정 위치에 교정용 물체가 배치된 제1 배치 상태 하에서 상기 물체광 또는 상기 참조광의 광로 길이에 시계열의 변동이 주어졌을 때에 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도의 시계열 변화의 진폭을 일치시키도록 하는 상기 광강도 보정 수단에 대한 보정의 게인을 설정하는 게인 설정 수단과, 상기 제1 배치 상태 하에서 상기 물체광 또는 상기 참조광의 광로 길이에 시계열의 변동이 주어져 있을 때에 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도 정보에 기초하여 상기 위상 시프트용 광학계에 의한 위상 시프트의 오차를 산출하는 위상 시프트 오차 산출 수단과, 상기 측정 위치에 상기 피측정물이 배치된 제2 배치 상태 하에서 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 상기 간섭광의 강도와 상기 위상 시프트 오차 산출 수단의 산출 결과에 기초하여 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차를 산출하는 위상차 산출 수단을 구비한다.

제2 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 상기 위상 시프트용 광학계 및 상기 위상차 산출 수단의 보다 구체적인 내용의 일례는 이하와 같다.

예를 들면, 상기 위상 시프트용 광학계가, 4개로 분기된 상기 비간섭광 중 기준의 간섭광의 기원이 되는 1개의 상기 비간섭광에 대한, 비기준의 간섭광의 기원이 되는 3개의 상기 비간섭광의 위상차를 각각 -90°, +90° 및 +180°로 한다.

그리고, 상기 위상차 산출 수단이, 상기 기준의 간섭광의 강도(I2') 및 3개의 상기 비기준의 간섭광의 강도(I1', I3', I4')와, 3개의 상기 비기준의 간섭광 각각에 대한 상기 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 다음 (A1) 식에 적용함으로써, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차(φ)를 산출한다.

[수학식 1]

또한, 제2 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치는, 상기 제1 배치 상태 하에서 상기 물체광 및 상기 참조광의 광로 길이를 일정하게 유지한 상태에 있어서의 상기 광강도 검출 수단의 각각의 검출 강도에 대하여, 상기 광 차단 수단에 의해 상기 물체광을 차단했을 때의 상기 참조광의 검출 강도와, 상기 광 차단 수단에 의해 상기 참조광을 차단했을 때의 상기 물체광의 검출 강도가 일치하도록, 상기 편광판 지지 수단에 의한 상기 편광판의 지지 각도를 각각 조절하는 편광판 지지 각도 조절 수단을 구비한다.

이하, 상기 비간섭광 분기용 광학계에 의해 4개로 분기되어 만들어지는 비간섭광의 광로로부터 광강도 검출 수단의 출력 라인에 이르는 4개의 광 및 신호의 경로를 채널이라고 칭한다. 또한, 4개의 채널 중 물체광과 참조광의 위상차의 산출의 대상이 되는 1개의 채널을 기준 채널, 그 밖의 3개의 채널을 비기준 채널이라고 칭한다.

제2 발명에서 이용되는 간섭계에 있어서도 특허 문헌 2에 나타나는 호모다인 간섭계와 마찬가지로 채널마다 성립하는 물체광, 참조광 및 간섭광 각각의 강도와 위상차의 관계식을 4개 포함하는 연립 방정식이 성립한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 간섭계도 특허 문헌 2에 나타나는 호모다인 간섭계와 마찬가지로 특별한 교정 공정을 거치지 않고 이용한 경우에는, 연립 방정식에는 측정 대상인 위상차를 포함하는 12개의 미지의 파라미터가 포함되게 된다.

이와 같은 간섭계에 있어서, 상기 편광판 지지 각도 조절 수단에 의해 4개의 채널 각각에 있어서의 물체광의 강도와 참조광의 강도가 일치한다. 또한, 상기 게인 설정 수단에 의해, 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정(선형 보정)된 간섭광의 강도(I1'∼I4')는, 4개의 채널 상호 간에 있어서의 물체광의 강도 및 참조광의 강도가 일치하고 있다고 간주할 수 있는 측정값이 된다.

따라서, 후술하는 바와 같이 광강도 보정 수단에 의해 얻어지는 보정된 4개의 채널 각각의 간섭광의 강도(I1'∼I4')와, 물체광 및 참조광의 강도에 상당하는 각 채널에 공통인 1개의 변수와, 산출 대상이 되는 미지의 위상차(φ)와, 비기준 채널마다 상이한 미지의 3개의 위상 시프트량의 오차(ε1, ε3, ε4)를 포함하는 4개의 식으로 이루어지는 연립 방정식이 성립한다. 그리고, 위상 시프트 오차 산출 수단에 있어서, 상기 연립 방정식으로부터 1개의 변수를 제거하여 도출되는 식에 보정된 4개의 채널 각각의 간섭광의 강도(I1'∼I4')를 적용함으로써, 비기준 채널 각각에 있어서의 위상 시프트량의 오차(ε1, ε3, ε4)를 산출할 수 있다.

그 결과, 위상차 산출 수단에 있어서 위상 시프트량의 오차(ε1, ε3, ε4)의 영향을 받지 않는 위상차(φ)를 산출할 수 있다. 또한, 이 교정 공정은 피측정물의 형상 측정 전에 1회 행하면 되고, 실행 내용도 간이하다.

또한, 제2 발명의 제2 실시 형태에 관한 형상 측정 장치는, 소정의 측정 위치에 배치된 물체에 반사시킨 물체광과 그 이외의 참조광이 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광을 4분기시키는 비간섭광 분기용 광학계와, 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 사이에 각각 상이한 위상차를 발생시키는 위상 시프트용 광학계와, 상기 위상 시프트용 광학계를 거친 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각으로부터 상기 참조광과 상기 물체광의 간섭광을 추출하는 4개의 편광판과, 4개의 상기 편광판을 거친 광 각각의 강도를 검출하는 광강도 검출 수단과, 상기 광강도 검출 수단에 의해 얻어지는 4개의 광강도 각각에 독립하여 보정을 가하는 광강도 보정 수단과, 상기 물체광 및 상기 참조광의 각각을 차단하는 광 차단 수단과, 상기 측정 위치에 교정용 물체가 배치된 제1 배치 상태 하에서 상기 물체광의 광로 길이가 일정하게 유지되어 상기 광 차단 수단에 의해 상기 참조광이 차단되어 있을 때에 상기 광강도 보정 수단에 의해 얻어지는 4개의 상기 물체광의 강도가 일치하도록 상기 광강도 보정 수단에 대하여 보정의 게인을 설정하는 게인 설정 수단과, 상기 제1 배치 상태 하에서 상기 참조광의 광로 길이가 일정하게 유지되어 상기 광 차단 수단에 의해 상기 물체광이 차단되어 있을 때에 상기 광강도 보정 수단에 의해 얻어지는 4개의 상기 참조광의 강도를 상기 광강도 보정 수단의 오프셋 보정값으로서 설정하는 오프셋 보정값 설정 수단과, 상기 제1 배치 상태 하에서 상기 물체광 또는 상기 참조광의 광로 길이에 시계열의 변동이 주어져 있을 때에 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도 정보에 기초하여 상기 위상 시프트용 광학계에 의한 위상 시프트의 오차를 산출하는 위상 시프트 오차 산출 수단과, 상기 측정 위치에 상기 피측정물이 배치된 제2 배치 상태 하에서 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도 정보와 상기 위상 시프트 오차 산출 수단의 산출 결과에 기초하여 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차를 산출하는 위상차 산출 수단을 구비한다.

또한, 제2 발명의 제2 실시 형태에 있어서의 상기 위상 시프트용 광학계 및 상기 위상차 산출 공정의 보다 구체적인 내용의 일례는 이하와 같다.

예를 들면, 상기 위상 시프트용 광학계가, 4개로 분기된 상기 비간섭광 중 기준의 간섭광의 기원이 되는 1개의 상기 비간섭광에 대한, 비기준의 간섭광의 기원이 되는 3개의 상기 비간섭광의 위상차를 각각 -90°, +90° 및 +180°로 한다.

그리고, 상기 위상차 산출 수단이, 상기 기준의 간섭광의 강도(I2") 및 3개의 상기 비기준의 간섭광의 강도(I1", I3", I4")와, 3개의 상기 비기준의 간섭광 각각에 대한 상기 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)와, 상기 오프셋 보정값 설정 수단에 의해 설정된 상기 오프셋 보정값(ar1, ar2, ar3, ar4)을 다음 (A2) 식에 적용함으로써, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차(φ)를 산출한다.

[수학식 2]

제2 발명에 이용되는 간섭계에 있어서, 선형 보정 게인 설정 수단에 의해, 광강도 보정 수단에 의해 보정된 간섭광의 강도에 있어서의 물체광의 강도의 성분은, 4개의 채널 상호 간에서 일치하고 있다고 간주할 수 있는 상태로 된다. 또한, 오프셋 보정값 설정 수단에 의해, 각 채널에 있어서의 참조광의 강도(ar1 내지 ar4)가 기지로 됨과 함께 광강도 보정 수단에 의해 보정된 간섭광의 강도는 참조광의 강도에 상당하는 오프셋 성분이 제거된 측정값이 된다.

따라서, 후술하는 바와 같이 광강도 보정 수단에 의해 얻어지는 보정된 4개의 채널 각각의 간섭광의 강도(I1" 내지 I4")와, 물체광 강도에 상당하는 각 채널에 공통인 1개의 변수와, 산출 대상이 되는 미지의 위상차(φ)와, 비기준 채널마다 상이한 미지의 3개의 위상 시프트량의 오차(ε1, ε3, ε4)와, 전 오프셋 보정값 설정 공정에 의해 기지가 된 각 채널에 있어서의 참조광의 강도(ar1 내지 ar4)를 포함하는 4개의 식으로 이루어지는 연립 방정식이 성립한다. 그리고, 위상 시프트 오차 산출 수단에 있어서, 상기 연립 방정식으로부터 상기 1개의 변수를 제거하여 도출되는 식에 보정된 4개의 채널 각각의 간섭광의 강도(I1" 내지 I4")를 적용함으로써, 비기준 채널 각각에 있어서의 위상 시프트량의 오차(ε1, ε3, ε4)를 산출할 수 있다.

그 결과, 상기 위상차 산출 공정에 있어서 상기 위상 시프트량의 오차(ε1, ε3, ε4)의 영향을 받지 않는 상기 위상차(φ)를 산출할 수 있다. 또한, 이 교정 공정은 상기 피측정물의 형상 측정 전에 1회 행하면 되고, 그 실행 내용도 간이하다.

상기한 제1 발명에 따르면, 반도체 웨이퍼 등의 박판 형상의 피측정물의 두께 분포의 측정에 있어서, 간이한 장치 구성에 의해 피측정물의 진동의 영향을 받지 않고 고정밀도로 두께 분포의 측정을 행할 수 있다.

또한, 상기한 제2 발명에 따르면, 간섭계를 이용한 위상 시프트법에 의한 형상 측정에 있어서, 복수의 편광판을 이용하여 광학적으로 위상 시프트를 행하는 경우에 발생하는 위상 시프트의 오차의 영향을 받지 않고 측정 결과를 간이하게 얻을 수 있다.

도 1은 제1 발명의 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(X1)의 개략 구성도.
도 2는 형상 측정 장치(X1)가 구비하는 간섭광 측정부(Y1)의 구성도.
도 3은 형상 측정 장치(X1)에 있어서의 피측정물의 표면의 측정점의 분포의 일례를 나타내는 모식도.
도 4는 피측정물에 있어서의 측정점의 분포의 다른 일례를 나타내는 모식도.
도 5는 제2 발명의 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(X2)의 개략 구성도.
도 6은 형상 측정 장치(X2)가 구비하는 간섭광 측정부(Y2)의 구성도.
도 7은 형상 측정 장치(X2)에 있어서의 피측정물의 표면의 측정점의 분포의 일례를 나타내는 모식도.
도 8은 형상 측정 장치(X2)를 이용하여 실행되는 제1 실시예에 관한 형상 측정 방법의 수순을 나타내는 흐름도.
도 9는 형상 측정 장치(X2)를 이용하여 실행되는 제2 실시예에 관한 형상 측정 방법의 수순을 나타내는 흐름도.
도 10은 형상 측정 장치(X2)에 의한 간섭광의 측정값에 기초한 리서쥬 파형의 일례를 나타내는 도면.
도 11은 2개의 측정값의 리서쥬 파형과 위상차의 관계의 설명도.

(제1 발명)

이하, 첨부 도면을 참조하면서 제1 발명의 실시 형태에 대하여 설명하여 본 발명의 이해에 도움이 되게 한다. 또한, 이하의 실시 형태는 본 발명을 구체화한 일례이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 성격의 것이 아니다.

이하, 도 1에 도시되는 구성도를 참조하면서 제1 발명의 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(X1)에 대하여 설명한다.

형상 측정 장치(X1)는 반도체 웨이퍼 등의 박판 형상의 피측정물(1)의 두께 분포를 측정하는 장치이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 형상 측정 장치(X1)는, 호모다인 간섭계인 2개의 광간섭계(a20, b20)를 포함하는 간섭광 측정부(Y1)와, 가동 지지 장치(Z1)를 구비하고 있다. 또한, 간섭광 측정부(Y1)는 2개의 광간섭계(a20, b20)에 더하여 3개의 계산기(a4, b4, 5)를 구비하고 있다. 형상 측정 장치(X1)에 있어서 피측정물(1)은 가동 지지 장치(Z1)에 의해 지지된다.

이하, 편의상 피측정물(1)의 한쪽 면(도 1, 도 2에 있어서의 상측의 면)을 A면, 그 A면과 표리의 관계에 있는 다른 쪽 면을 B면이라고 칭한다. 또한, 피측정물(1)의 A면 상의 측정 부위를 A면 측정점(1a), 그 A면 측정점(1a)와 표리 서로 대향하는 B면 상의 측정 부위를 B면 측정점(1b)이라고 칭한다. 광간섭계(a20)는 피측정물(1)의 A면측에 배치되고, 광간섭계(b20)는 피측정물(1)의 B면측에 배치되어 있다.

A면측의 광간섭계(a20) 및 B면측의 광간섭계(b20) 각각의 검출 신호는, 계산기(a4) 및 계산기(b4)에 의해 개별적으로 처리된다. 이들은 각각 제1 계산기(a4) 및 제2 계산기라고 칭해지고, 나머지 계산기(5)는 제3 계산기(5)라고 칭해진다.

3개의 계산기(a4, b4, 5)는 각각 CPU, 메모리 및 신호 입출력 인터페이스 등을 구비하고, CPU가 소정의 프로그램을 실행함으로써 각종 연산, 신호 입출력 인터페이스를 통한 외부 장치와의 신호의 송수신 및 메모리에의 데이터의 기록 등이 실행된다.

2개의 광간섭계(a20, b20)는, 기준이 되는 참조면과 피측정물(1)의 표리 각면의 측정점(1a, 1b)에 빔광을 조사함으로써 각각 얻어지는 반사광인 참조광과 물체광이 중첩된 간섭광의 강도 신호(Sg1 내지 Sg4)를 출력하는 광학 기기이다.

또한, 제1 계산기(a4) 및 제2 계산기(b4)는 A면측의 광간섭계(a20) 및 B면측의 광간섭계(b20) 각각으로부터 출력되는 간섭광의 강도 신호(Sg1 내지 Sg4)에 기초하여 참조광과 물체광의 위상차(Φa, Φb)을 산출하는 처리를 실행한다. 그 상세에 대해서는 후술한다. 또한, 위상차(Φa)는 A면측 측정점(1a)에 반사한 물체광에 대한 위상차이고, 위상차(Φb)는 B면측 측정점(1b)에 반사한 물체광에 대한 위상차이다.

또한, 제3 계산기(5)는 복수 개소의 A면측 측정점(1a) 및 B면측 측정점(1b)에 대하여 산출된 위상차(Φa, Φb)의 차(Φa-Φb) 분포에 기초하여 피측정물(1)의 두께 분포를 산출하는 처리를 실행한다.

이하, 형상 측정 장치(X1)가 구비하는 각 구성 요소의 상세에 대하여 설명한다.

가동 지지 장치(Z1)는 피측정물(1)을 2개의 광간섭계(a20, b20) 각각으로부터의 물체광의 출사부의 사이에 지지하고, 그 지지 위치를 2차원 방향으로 이동시키는 장치이다. 즉, 가동 지지 장치(Z1)는 피측정물(1)의 2차원 방향에 있어서의 2개의 광간섭계(a20, b20)에 대한 상대 위치를 변화시킨다. 도 1에 도시되는 예에서는 가동 지지 장치(Z1)는 피측정물(1)을 수평 방향으로 이동시킨다.

도 1에 도시된 바와 같이, 가동 지지 장치(Z1)는 회전축(41)과, 이것에 연결된 지지부(44), 회전 구동부(42), 직선 이동 기구(43) 및 이동 제어 장치(7)를 구비하고 있다.

반도체 웨이퍼 등의 원반 형상의 피측정물(1)은 원주 상의 3개소에 배치된 지지부(44)에 의해 그 엣지부에서 3점 지지된다. 이들 3개의 지지부(44)는 원주의 중심을 향하여 신장되는 회전축(41)에 연결되어 있다.

또한, 회전축(41)은 서보 모터 등의 회전 구동부(42)에 의해 회전 구동된다. 이에 의해, 피측정물(1)은 그 중앙부를 회전 중심으로 하여 회전한다.

또한, 직선 이동 기구(43)는 피측정물(1)의 표리 각면에 평행한 방향, 즉 피측정물(1)의 두께 방향에 직교하는 방향에 소정의 이동 범위 내에서 회전축(41) 및 회전 구동부(42)를 직선 이동시킨다. 즉, 직선 이동 기구(43)는 원반 형상의 피측정물(1)을 그 반경 방향을 따라 이동시킨다.

또한, 이동 제어 장치(7)는 회전 구동부(42) 및 직선 이동 기구(43)의 움직임을 제어한다. 또한, 이동 제어 장치(7)는 피측정물(1)에 있어서의 물체광의 조사 위치, 즉 수시로 변화되는 측정점(1a, 1b)의 위치를 검출하고, 그 검출 결과를 제3 계산기(5)에 전송한다. 측정점(1a, 1b)의 위치 검출은, 예를 들면 회전 구동부(42) 및 직선 이동 기구(43)에 대한 동작 지령의 이력, 즉 피측정물(1)의 이동 이력에 기초하여 검출된다. 혹은 측정점(1a, 1b) 위치가 회전 구동부(42) 및 직선 이동 기구(43) 각각에 설치된 도시하지 않은 위치 검출 센서의 검출 결과에 의해 검출되는 것도 생각된다.

형상 측정 장치(X1)는 회전 구동부(42)에 의한 피측정물(1)의 회전과, 직선 이동 기구(43)에 의한 피측정물(1)의 직선 방향의 이동을 병용함으로써, 피측정물(1)에 있어서의 측정점(1a, 1b)의 위치, 즉 물체광의 조사 스폿의 위치를 순차 변경한다. 그리고, 복수 개소의 측정점(1a, 1b)에 있어서의 위상차(Φa, Φb)가 측정된다.

예를 들면, 이동 제어 장치(7)는 피측정물(1)을 일정 속도로 연속적으로 회전 및 직선 이동시키면서 일정 주기로 혹은 측정점(1a, 1b)의 위치가 미리 정해진 위치가 될 때마다 제3 계산기(5)에 대하여 데이터 취득 지령을 송신한다. 제3 계산기(5)는 데이터 취득 지령의 수신에 따라 제1 계산기(a4) 및 제2 계산기(b4)에 대하여 위상차(Φa, Φb)의 산출을 요구하고, 그 산출 결과를 취득한다. 또한, 제3 계산기(5)는 복수 개소의 측정점(1a, 1b)에 대한 위상차(Φa, Φb)의 차의 분포로부터 피측정물(1)의 두께 분포를 산출한다.

도 3은 형상 측정 장치(X1)에 있어서의 피측정물(1)의 표면의 복수 개소의 측정점(1a, 1b)의 분포의 일례를 나타내는 모식도이다.

피측정물(1)을 회전 및 직선 이동시키면서 위상차(Φa, Φb)의 측정을 순차 행한 경우, 도 3에 파선으로 나타나는 바와 같이 측정점(1a, 1b)의 위치는 피측정물(1)의 표면에 있어서의 소용돌이 형상의 궤적(R)을 따라 순차 변화된다. 복수 개소의 측정점(1a, 1b) 및 그에 대응하는 위상차(Φa, Φb)는, 예를 들면 측정 순서에 따라 배정된 측정점 번호(1, 2, 3 …)에 의해 식별된다. 도 3에는 측정 번호가 (K-1)번째부터 (K+2)번째에 이르는 측정점(1a, 1b)의 궤적이 나타나 있다.

이와 같이, 형상 측정 장치(X1)에 있어서는 피측정물(1) 상의 1개의 주사선(R)을 따라 2개의 광간섭계(a20, b20) 각각으로부터의 물체광이 주사된다.

다음에, 도 2에 도시되는 구성도를 참조하면서 2개의 광간섭계(a20, b20)를 포함하는 간섭광 측정부(Y1)에 대하여 설명한다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 간섭광 측정부(Y1)는, 레이저 광원(2)과, 편광빔 스플리터(3)와, 복수의 미러(a11 내지 a13, b11, b12)와, A면측의 광간섭계(a20) 및 B면측의 광간섭계(b20)와, 제1 계산기(a4) 및 제2 계산기(b4)와, 제3 계산기(5)를 구비하고 있다.

레이저 광원(2)은 빔광(P0)을 출사한다. 빔광(P0)은 단파장광이고, 그 주파수는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 가시광의 빔광(P0)이 채택되는 경우, 빔광(P0)의 주파수(ω)는 5×10⁸㎒ 정도인 것이 생각된다.

편광빔 스플리터(3)는 레이저 광원(2)으로부터 출사되는 빔광(P0)을 2분기시킨다. 그리고, 편광빔 스플리터(3)에 의해 분기된 한쪽 빔광(Pa)은 3개의 미러(a11, a12, a13)에 의해 피측정물(1)의 A면 측정점(1a)의 방향에 유도된다. 또한, 편광빔 스플리터(3)에 의해 분기된 다른 쪽 빔광(Pb)은 2개의 미러(b11, b12)에 의해 피측정물(1)의 B면 측정점(1b)의 방향에 유도된다.

또한, 빔광(Pa, Pb)을 A면 측정점(1a) 및 B면 측정점(1b)의 각각에 유도하는 광학 기기로서는 미러 외에 광파이버 등도 생각된다.

피측정물(1)의 A면측에 유도된 빔광(Pa)은 A면측의 광간섭계(a20)에 입력된다. 마찬가지로 피측정물(1)의 B면측에 유도된 빔광(Pb)은 B면측의 광간섭계(b20)에 입력된다.

2개의 광간섭계(a20, b20)는 호모다인 간섭계이고, 빔광(Pa, Pb)을 기준이 되는 참조면과 피측정물(1)의 표리 서로 대향하는 측정점(1a, 1b)에 반사시킨 참조광 및 물체광의 간섭광의 강도를 검출한다.

도 2에 도시되는 바와 같이, A면측의 광간섭계(a20) 및 B면측의 광간섭계(b20)는 피측정물(1)에 있어서의 측정 대상면이 상이할 뿐 완전히 동일한 구성을 구비하고 있다. 이하, A면측의 광간섭계(a20)의 구성에 대하여 설명하고, 동일한 구성을 구비한 B면측의 광간섭계(b20)의 구성에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 도 2에 있어서 A면측의 광간섭계(a20)의 각 구성 요소에 대하여 부호 "a…"가 붙여지고, B면측의 광간섭계(b20)의 각 구성 요소에 대하여 부호 "b…"가 붙여져 있다. 그리고, 2개의 광간섭계(a20, b20)에 있어서 각 부호로부터 "a", "b"를 제외한 나머지 부분이 동일한 부호가 붙여져 있는 구성 요소는 동일한 것이다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 광간섭계(a20)는, 2분의 1 파장판(a31), 편광빔 스플리터(a21), 2개의 4분의 1 파장판(a22 및 a23), 참조판(a24), 집광 렌즈(a32), 3개의 무편광의 빔 스플리터(a251, a252 및 a253), 2개의 4분의 1 파장판(a261 및 a263), 2분의 1 파장판(a264), 4개의 편광판(a271, a272, a273 및 a274), 4개의 광검출기(a281, a282, a283 및 a284)를 구비하고 있다.

반도체 웨이퍼와 같은 박판 형상의 피측정물(1)은, 예를 들면 50㎐ 정도의 주파수로 진동하는 경우가 있다. 간섭광의 강도의 검출 결과에 피측정물(1)의 진동의 영향이 반영되지 않도록 하기 위해서는, 간섭광의 강도의 샘플링 주파수는 피측정물(1)의 표면의 변위 속도에 추종할 수 있는 정도의 주파수일 필요가 있다. 광검출기(a281, a282, a283 및 a284)는 촬상 사이클이 20㎐ 내지 100㎐ 정도인 2차원의 촬상 카메라와 달리 1㎒ 이상의 고속의 샘플링 주파수로 광의 강도를 검출할 수 있다. 이에 의해, 피측정물(1)의 진동의 영향을 받지 않고 간섭광의 강도 검출을 행할 수 있다.

2분의 1 파장판(a31)은 미러(a11 내지 a13)에 의해 피측정물(1)의 A면측에 유도된 빔광(Pa)의 편광면의 조정을 행하는 광학 소자이다.

편광빔 스플리터(a21)는 2분의 1 파장판(a31)에 의해 편광면이 조정된 빔광(Pa)을 편파 방향이 직교하는 2개의 빔광으로 분기시킨다. 그리고, 분기된 한쪽 빔광은 기준이 되는 참조면에 조사되고, 분기된 다른 쪽 빔광은 A면측 측정점(1a)에 조사된다. 또한, 참조면은 소정 위치에 지지된 참조판(a24)의 표면이다.

참조면에 입사한 빔광의 반사광인 참조광은 입사한 빔광과 광축이 일치하는 상태에서 편광빔 스플리터(a21)에 복귀된다.

편광빔 스플리터(a21)와 참조면의 사이의 빔광의 광로에는 4분의 1 파장판(a23)이 배치되어 있다. 이 4분의 1 파장판(a23)을 왕복 통과하여 원래의 빔광에 대하여 편광 방향이 90° 회전한 참조광은 편광빔 스플리터(a21)를 통과한다.

한편, A면측 측정점(1a)에 입사한 빔광의 반사광인 물체광은 입사한 빔광과 광축이 일치하는 상태에서 편광빔 스플리터(a21)에 복귀된다.

편광빔 스플리터(a21)와 A면측 측정점(1a)의 사이의 빔광의 광로에는 4분의 1 파장판(a22)이 배치되어 있다. 이 4분의 1 파장판(a22)을 왕복 통과하여 원래의 빔광에 대하여 편광 방향이 90° 회전한 물체광은 편광빔 스플리터(a21)에 의해 참조광과 광축이 일치하는 방향에 반사한다. 이에 의해, 참조광과 물체광이 서로 직교하는 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광(Pax)이 얻어진다.

이상에 나타낸 바와 같이 편광빔 스플리터(a21) 및 2개의 4분의 1 파장판(a22, a23)은, 빔광(Pa)을 2분기시켜 참조면과 A면측 측정점(1a)의 각각에 조사하여 참조광과 물체광이 서로 직교하는 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광(Pax)을 얻는다. 이하, 이들을 비간섭광 취득용 광학계라고 칭한다.

또한, 4분의 1 파장판(a22)과 A면측 측정점(1a)의 사이에는 A면측 측정점(1a)을 초점으로 하는 집광 렌즈(a32)가 배치되어 있다. 즉, 집광 렌즈(a32)는 비간섭광 취득용 광학계와 A면측 측정점(1a)의 사이에 있어서의 빔광 및 물체광의 광로에 배치되어 있다.

이에 의해, 측정점(1a)마다의 표면 각도에 약간의 차이가 존재하더라도 집광 렌즈(a32)의 작용에 의해 물체광의 광축의 어긋남을 억제할 수 있다. 그 결과, A면측 측정점(1a)마다의 표면 각도의 차이에 의해 물체광의 광축이 어긋나는 것에 의해 발생하는 물체광의 수광 광량의 감소 및 간섭 효율의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 이에 의해 A면측 측정점(1a)에 대한 빔광의 조사 스폿을 작게 할 수 있다. 또한, 그 빔광을 피측정물(1)의 표면에 있어서 조밀하게 주사시킴으로써, 피측정물(1)의 표면을 따른 2차원 방향에 있어서의 두께 분포의 측정의 공간 분해능을 보다 높일 수 있다.

또한, 3개의 무편광의 빔 스플리터(a251, a252, a253)는 비간섭광 취득용 광학계에 의해 얻어진 비간섭광(Pax)을 2단계의 2분기에 의해 4개의 분기광(Pa1, Pa2, Pa3, Pa4)으로 분기시킨다. 이하, 3개의 무편광의 빔 스플리터(a251, a252, a253)를 비간섭광 분기용 광학계라고 칭한다.

즉, 빔 스플리터(a251)는 비간섭광(Pax)의 1단계째의 2분기를 행한다. 또한, 나머지 빔 스플리터(a252, a253)는 비간섭광(Pax)에 의한 분기광 각각에 대하여 2단계째의 2분기를 행한다.

또한, 2개의 4분의 1 파장판(a261 및 a263)과 1개의 2분의 1 파장판(a264)은, 비간섭광(Pax)에 기초한 4개의 분기광(Pa1 내지 Pa4) 중 3개의 분기광(Pa1, Pa3, Pa4)에 대하여 직교하는 편광 성분의 위상차에 변화를 부여하는 복굴절 소자이다. 여기서, 4분의 1 파장판(a261)은 분기광(Pa1)에 있어서의 직교하는 편광 성분의 위상차를 -4분의 1 파장분만큼 시프트시킨다. 또한, 4분의 1 파장판(a263)은 분기광(Pa3)에 있어서의 직교하는 편광 성분의 위상차를 +4분의 1 파장분만큼 시프트시킨다. 또한, 2분의 1 파장판(a264)은 분기광(Pa4)에 있어서의 직교하는 편광 성분의 위상차를 +2분의 1 파장분만큼 시프트시킨다. 또한, 분기광(Pa2)에 대해서는 위상 시프트는 행해지지 않는다.

즉, 3개의 파장판(a261, a263 및 a264)은, 4개의 분기광(Pa1 내지 Pa4) 중 제2 분기광(Pa2)을 기준으로 하여 나머지 3개의 분기광(Pa1, Pa3, Pa4)에 있어서의 참조광의 편광 성분과 물체광의 편광 성분의 위상차에 -4분의 1 파장분, +4분의 1 파장분 및 +2분의 1 파장분의 변화를 부여한다.

이와 같이 3개의 파장판(a261, a263 및 a264)은 참조광의 성분과 물체광의 성분의 위상차에 각각 상이한 변화를 부여함으로써, 4개의 분기광(Pa1 내지 Pa4) 각각에 있어서의 참조광의 편광 성분과 물체광의 편광 성분의 사이에 상이한 위상차를 발생시킨다. 이하, 3개의 파장판(a261, a263 및 a264)을 위상 시프트용 광학계라고 칭한다.

또한, 4개의 편광판(a271 내지 a274)은 위상 시프트용 광학계(a261, a263, a264)를 거친 4개의 분기광(Pa1 내지 Pa4) 각각으로부터, 그 분기광에 있어서의 참조광 및 물체광의 편광 방향을 기준으로 하는 각도가 공통인 편광 성분을 추출함으로써, 참조광과 물체광의 간섭광(Qa1 내지 Qa4)을 추출한다. 이하, 4개의 편광판(a271 내지 a274)을 간섭광 추출용 광학계라고 칭한다. 또한, 추출되는 편광 성분의 각도는 참조광 및 물체광의 편광 방향을 기준으로 하여 +45°또는 -45° 중 어느 하나이다.

여기서, 4개의 편광판(a271 내지 a274) 각각이 통과시키는 편광 성분의 각도는 단순히 동일하게 설정되어 있는 것이 아니라, 참조광 및 물체광의 편광 방향을 기준으로 하는 각도가 +45°또는 -45° 중 어느 하나로 통일되어 있다. 따라서, 편광판(a271 내지 a274) 각각이 통과시키는 편광 성분의 각도는, 예를 들면 미러에 의한 반사 전 및 반사 후의 어느 분기광(Pa1 내지 Pa4)을 통과 대상으로 하는가에 따라 90° 어긋난 각도가 된다.

또한, 4개의 광검출기(a281 내지 a284)는 간섭광 추출용 광학계에 의해 추출된 4개의 간섭광(Qa1 내지 Qa4) 각각의 강도를 검출하고, 그 검출 신호(Sig1 내지 Sig4)를 제1 계산기(a4)에 출력한다.

또한, B면측에 있어서, 비간섭광(Pax), 분기광(Pa1 내지 Pa4) 및 간섭광(Qa1 내지 Qa4) 각각에 상당하는 것이, 비간섭광(Pbx), 분기광(Pb1 내지 Pb4) 및 간섭광(Qb1 내지 Qb4)이다.

그리고, 제1 계산기(a4)는 피측정물(1)의 A면에 대하여 얻어진 간섭광(Qa1 내지 Qa4)의 검출 강도(I1, I2, I3, I4)를 다음 (F1) 식에 적용함으로써, 비간섭광(Pax)에 있어서의 참조광 및 물체광의 편광 성분의 위상차(Φ)를 산출한다.

Φ=tan^-1[(I2-I4)/(I3-I1)] … (F1)

단, 간섭광(Qa1 내지 Qa4)의 검출 강도(I1, I2, I3, I4)는, 참조광 및 물체광의 편광 성분의 위상차(Φ)에 변동을 부여했을 때의 강도 변화의 오프셋 및 진폭이 동등해지도록 미리 조정된 값을 이용한다.

또한, 제2 계산기(b4)도 피측정물(1)의 B면에 대하여 얻어진 간섭광(Qb1 내지 Qb4)의 검출 강도에 기초하여 제1 계산기(a4)와 마찬가지의 처리를 행한다.

그리고, 제3 계산기(5)는 복수 개소의 A면측 측정점(1a) 및 B면측 측정점(1b)에 대하여 산출된 A면측의 위상차(Φa) 및 B면측의 위상차(Φb)의 차(Φa-Φb)의 분포에 기초한 위상 접속 처리를 행함으로써, 피측정물(1)의 두께 분포를 산출한다.

또한, A면측의 간섭광(Qa1 내지 Qa4)의 검출 강도(I1, I2, I3, I4)를 (B1) 식에 적용하여 얻어지는 위상차(Φ)가 A면측의 위상차(Φa)이다. 또한, 마찬가지로 하여 B면측의 간섭광(Qb1 내지 Qb4)의 검출 강도로부터 얻어지는 위상차(Φ)가 B면측의 위상차(Φb)이다.

이하, (F1) 식의 도출 근거에 대하여 설명한다.

검출 강도(I1, I2, I3, I4) 각각의 오프셋(D1 내지 D4) 및 진폭(H1 내지 H4)이 동등하고, 각각 D, H라고 하면, 검출 강도(I1, I2, I3, I4)는 다음 (F2) 식에 의해 표시된다.

I1=D+H×sin(Φ-π/2)

I2=D+H×sin(Φ)

I3=D+H×sin(Φ+π/2) … (F2)

I4=D+H×sin(Φ+π)

이 (F2) 식을 변형하면, (F1) 식이 도출된다.

그런데, 참조광 및 물체광의 편광 성분의 위상차(Φ)에 변동을 부여했을 때의 4개의 광검출기(a281 내지 a284)에 의한 간섭광(Qa1 내지 Qa4)의 실제의 검출 강도의 오프셋 및 진폭은, 광학계나 광검출기(a281 내지 a284)의 특성의 개체 차에 따라 일치하지 않는 경우가 있다.

즉, 광검출기(a281 내지 a284)에 의한 간섭광(Qa1 내지 Qa4)의 실제의 검출 강도(I1', I2', I3', I4')는 다음 (F3) 식에 의해 표시된다.

I1'=D1+H1×sin(Φ-π/2)

I2'=D2+H2×sin(Φ)

I3'=D3+H3×sin(Φ+π/2) … (F3)

I4'=D4+H4×sin(Φ+π)

단, 오프셋(D1 내지 D4) 및 진폭(H1 내지 H4)은 광학계나 광검출기(a281 내지 a284)의 특성의 개체 차에 의해 정해지는 상수이다. 그리고, (F3) 식의 변형에 의해 다음 (F4) 식을 유도할 수 있다.

I1'/H1-D1/H1=sin(Φ-π/2)

I2'/H2-D2/H2=sin(Φ)

I3'/H3-D3/H3=sin(Φ+π/2) … (F4)

I4'/H4-D4/H4=sin(Φ+π)

따라서, 참조광 및 물체광의 편광 성분의 위상차(Φ)에 변동을 부여함으로써 (F3) 식에 있어서의 상수(D1 내지 D4 및 H1 내지 H4)를 미리 특정해 두고, 다음 (F5) 식에 기초하여 실제의 검출 강도(I1', I2', I3', I4')로부터 오프셋(D1 내지 D4)(=0) 및 진폭(H1 내지 H4)(=1)이 일치하는 검출 강도(I1 내지 I4)를 도출할 수 있다.

I1=I1'/H1-D1/H1

I2=I2'/H2-D2/H2

I3=I3'/H3-D3/H3 … (F5)

I4=I4'/H4-D4/H4

그 밖에 광검출기(a281 내지 a284)가 오프셋 및 게인의 조정 기능을 구비하고 있으면, 그 조정 기능에 의해 실제의 검출 강도(I1', I2', I3', I4')의 오프셋 및 진폭이 일치하도록 미리 조정해 두는 것도 생각된다.

또한, 참조광 및 물체광의 편광 성분의 위상차(Φ)에 변동을 부여하는 방법으로서는, 예를 들면 피측정물(1) 또는 참조판(a24)에 빔광의 파장의 2분의 1 이상의 변위가 발생하도록 진동을 부여하는 것 등이 생각된다.

이상에 나타낸 형상 측정 장치(X1)에 있어서, 호모다인 간섭계인 2개의 광간섭계(a20, b20)는 광원이나 신호 처리부 등에 대하여 헤테로다인 간섭계에 비해 매우 간이한 구성에 의해 실현할 수 있다.

또한, 피측정물(1)이 고속으로 진동하는 경우이어도 복수의 광검출기(a281, a282, a283 및 a284)는 피측정물(1)의 표면의 변위 속도보다도 충분히 고속으로 동작 가능하다. 그 때문에, 형상 측정 장치(X1)는 단부가 지지된 박판 형상의 반도체 웨이퍼와 같이 고속으로 진동하는 피측정물(1)의 두께 측정에도 적합하다. 또한, 2개의 광간섭계(a20, b20)는 스폿 직경이 작은 빔광을 피측정물(1)의 표면에 있어서 조밀하게 주사시킴으로써, 피측정물(1)의 표면을 따른 2차원 방향에 있어서의 두께 분포의 측정의 공간 분해능을 높일 수 있다.

또한, 2개의 광간섭계(a20, b20)에 있어서는, 직교하는 참조광 및 물체광의 편광 성분에 대한 위상 시프트가 파장판(a261, a263, a264, b261, b263, b264)을 통하여 광학적으로 행해진다. 이에 의해, 각 측정점(1a, 1b)에 대하여 각각 1개의 비간섭광(Pax, Pbx)을 기원으로 하여 위상 시프트가 행해진 복수의 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4)이 동시에 얻어진다. 그리고, 이들 복수의 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4)의 강도로부터 참조광과 물체광의 사이의 위상차(Φa, Φb)를 산출할 수 있다. 그리고, A면측 및 B면측의 위상차(Φa, Φb)의 차(Φa-Φb)의 분포로부터 피측정물(1)의 두께 분포를 산출할 수 있다.

또한, 그 위상차(Φa, Φb)는 비간섭광(Pax, Pbx)을 기원으로 하는 복수의 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4)의 강도의 상대 평가에 의해 산출되기 때문에, 레이저 광원(2)의 특성 변동이나 복수 개소의 측정점(1a, 1b)마다의 표면 각도 및 광의 반사율의 차이 등의 외란 요인의 영향을 받기 어렵다.

또한, 복수 개소의 측정점(1a, 1b)마다의 면각도의 차이나, 미러나 빔 스플리터 등의 광학 기기의 지지 각도의 약간의 변화 등의 외란에 의해, 참조광 및 물체광의 광축의 각도나 이들의 겹침 상태 등이 변화된다. 그리고, 그 변화는 복수의 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4)에 있어서의 참조광 및 물체광의 위상차의 변화로서 나타난다.

이러한 상황 하에서 광간섭계(a20, b20)에 있어서 위상차(Φa, Φb)의 산출에 이용되는 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4)은, 비간섭광(Pax, Pbx)의 분기광(Pa1 내지 Pa4, Pb1 내지 Pb4) 각각으로부터 공통의 편광 성분을 추출하여 얻어진 광이다. 그 때문에, 외란에 기인하는 참조광 및 물체광의 위상차(Φa, Φb)의 변화가, 복수의 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4)에 있어서 동일 방향에 반영된다. 그리고, 이들 복수의 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4)의 강도의 상대 평가에 의해 위상차의 산출이 행해지면, 외란에 기인하는 참조광 및 물체광의 위상차(Φa, Φb)의 변화가 위상차의 산출 단계에서 상쇄되어 측정 오차를 저감할 수 있다.

또한, 2개의 광간섭계(a20, b20) 각각에 있어서, 비간섭광(Pax, Pbx)으로부터 분기된 각 분기광(Pa1 내지 Pa4, Pb1 내지 Pb4)의 광로 길이가 동등하게 설정되어 있는 것이 바람직하다.

이에 의해, 각 분기광(Pa1 내지 Pa4, Pb1 내지 Pb4)의 광로에 있어서의 외란의 영향이 복수의 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4) 각각에 대하여 동일한 정도로 반영된다. 그 때문에, 복수의 간섭광(Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4)의 강도의 상대 평가에 의한 위상차의 산출 단계에 있어서, 외란에 기인하는 참조광 및 물체광의 위상차의 변화의 상쇄가 보다 효과적으로 되어 위상차(Φa, Φb)의 산출 오차를 보다 저감할 수 있다.

이상에 나타낸 실시 형태에서는, 도 3에 도시되는 바와 같이 측정점(1a, 1b)의 위치가 피측정물(1)의 표면에 있어서의 소용돌이 형상의 궤적(R)을 따라 순차 변화되는 예를 나타냈다.

그러나, 예를 들면 X-Y 플로터와 같이 피측정물(1)을 지지하는 지지부(44)를 교차하는 2직선 각각을 따라 이동시키는 장치가 가동 지지 장치(Z1)로서 채택되는 것도 생각된다. 이 경우에는 측정점(1a, 1b)의 위치를 피측정물(1)의 표면에 있어서 도 4에 도시되는 바와 같은 궤적(R')을 따라 순차 변화시키는 것도 생각된다.

또한, 3개의 계산기(a4, b4, 5)의 처리는 1개 또는 2개의 계산기에 의해 실현되어도 된다.

또한, 전술한 실시 형태에서는 비간섭광(Pax, Pbx)이 각각 4개의 분기광(Pa1 내지 Pa4, Pb1 내지 Pb4)으로 분기되는 예를 나타냈으나, 비간섭광(Pax, Pbx)이 3개 이상의 분기광으로 분기되면, 마찬가지로 위상차(Φa, Φb)를 산출할 수 있다.

예를 들면, 비간섭광(Pax)이 전술한 실시 형태와 마찬가지로 4분기된 경우, 그 4개의 분기광 중 3개의 분기광에 기초하여 얻어지는 3개의 간섭광의 검출 강도(I1, I2, I3)를 다음 (B6) 식에 적용함으로써 위상차(Φ)를 산출할 수 있다. 단, 전술한 실시 형태와 마찬가지로 위상 시프트용 광학계에 의해 제1 분기광(Pa1)에 대하여 제2 분기광(Pa2)을 기준으로 하여 -4분의 1 파장분의 위상차의 변화가 주어져 있다. 또한, 위상 시프트용 광학계에 의해 제3 분기광(Pa3)에 대하여 제2 분기광(Pa2)을 기준으로 하여 +4분의 1 파장분의 위상차의 변화가 주어져 있다.

Φ=tan^-1[(2×I2-I3-I1)/(I3-I1)] … (B6)

단, 간섭광(Qa1 내지 Qa3)의 검출 강도(I1, I2, I3)는 참조광 및 물체광의 편광 성분의 위상차(Φ)에 변동을 부여했을 때의 강도 변화의 오프셋 및 진폭이 동등해지도록 미리 조정된 값을 이용한다.

이와 같이 3개의 간섭광(Qa1 내지 Qa3)의 검출 강도(I1, I2, I3)에 기초한 형상 측정을 행하여도 전술한 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과가 얻어진다.

(제2 발명)

이하, 첨부 도면을 참조하면서 제2 발명의 실시 형태에 대하여 설명하여 본 발명의 이해에 도움이 되게 한다. 또한,이하의 실시 형태는 본 발명을 구체화한 일례이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 성격의 것이 아니다.

이하, 도 5에 도시되는 구성도를 참조하면서 제2 발명의 실시 형태에 관한 형상 측정 장치(X2)에 대하여 설명한다.

형상 측정 장치(X2)는 반도체 웨이퍼 등의 박판 형상의 피측정물(1)의 표리 각면의 높이를 측정하여 그 차분을 산출함으로써, 피측정물(1)의 두께 분포를 측정하는 장치이다.

도 5에 도시되는 바와 같이, 형상 측정 장치(X2)는 호모다인 간섭계인 2개의 광간섭계(20)를 포함하는 간섭광 측정부(Y2)와 가동 지지 장치(Z2)를 구비하고 있다. 또한, 간섭광 측정부(Y2)는 2개의 광간섭계(20)에 더하여 2개의 위상차 연산 계산기(4) 및 1개의 형상 연산 계산기(6)를 구비하고 있다.

형상 측정 장치(X2)에 있어서 피측정물(1)은 가동 지지 장치(Z2)에 의해 지지된다.

이하, 편의상 피측정물(1)의 한쪽 면(도 5, 도 6에 있어서의 상측의 면)을 A면, 그 A면과 표리의 관계에 있는 다른 쪽 면을 B면이라고 칭한다. 또한, 피측정물(1)의 A면 상의 두께의 측정 부위를 A면 측정점(1a), A면 측정점(1a)과 표리 서로 대향하는 B면 상의 두께의 측정 부위를 B면 측정점(1b)이라고 칭한다.

광간섭계(20)의 한쪽은 피측정물(1)의 A면측에 배치되고, 광간섭계(20)의 다른 쪽은 피측정물(1)의 B면측에 배치되어 있다.

2개의 위상차 연산 계산기(4) 및 형상 연산 계산기(6)는 각각 CPU, 메모리 및 신호 입출력 인터페이스 등을 구비한다. CPU가 소정의 프로그램을 실행함으로써 각종 연산, 신호 입출력 인터페이스를 통한 외부 장치와의 신호의 송수신 및 메모리에의 데이터의 기록 등이 실행된다.

2개의 광간섭계(20)는 각각 기준이 되는 참조면과 피측정물(1)의 표리 각면의 측정점(1a, 1b)에 빔광을 조사하고, 그 반사광인 참조광과 물체광이 중첩된 간섭광의 강도 신호(Sg1 내지 Sg4)를 출력하는 호모다인 간섭계이다.

또한, 2개의 위상차 연산 계산기(4)는 2개의 광간섭계(20)로부터 출력되는 간섭광의 강도 신호(Sg1 내지 Sg4)에 기초하여 참조광과 물체광의 위상차(φ)를 산출하는 처리를 실행한다. 그 상세에 대해서는 후술한다. 이하, 편의상 A면측 및 B면측 각각에 대하여 산출되는 위상차(φ)를 구별하는 경우, 각각 위상차(φa), 위상차(φb)라고 칭한다.

또한, 형상 연산 계산기(6)는 복수 개소의 A면측 측정점(1a) 및 B면측 측정점(1b)에 대하여 산출된 위상차(φa, φb)의 차(φa-φb)의 분포에 기초하여 피측정물(1)의 두께 분포를 산출하는 처리를 실행한다.

이하, 형상 측정 장치(X2)가 구비하는 각 구성 요소의 상세에 대하여 설명한다.

가동 지지 장치(Z2)는 피측정물(1)을 2개의 광간섭계(20) 각각으로부터의 물체광의 출사부의 사이에 지지하고, 그 지지 위치를 2차원 방향으로 이동시키는 장치이다. 즉, 가동 지지 장치(Z2)는 피측정물(1)의 2차원 방향에 있어서의 2개의 광간섭계(20)에 대한 상대 위치를 변화시킨다. 도 5에 도시되는 예에서는 가동 지지 장치(Z2)는 피측정물(1)을 수평 방향으로 이동시킨다.

도 5에 도시되는 바와 같이, 가동 지지 장치(Z2)는 회전축(41)과, 이것에 연결된 지지부(44), 회전 구동부(42), 직선 이동 기구(43) 및 이동 제어 장치(7)를 구비하고 있다.

반도체 웨이퍼 등의 원반 형상의 피측정물(1)은 원주 상의 3개소에 배치된 지지부(44)에 의해 그 엣지부에서 3점 지지된다. 이들 3개의 지지부(44)는 원주의 중심을 향하여 신장되는 회전축(41)에 연결되어 있다.

또한, 회전축(41)은 서보 모터 등의 회전 구동부(42)에 의해 회전 구동된다. 이에 의해, 피측정물(1)은 그 중앙부를 회전 중심으로 하여 회전한다.

또한, 직선 이동 기구(43)는 피측정물(1)의 표리 각면에 평행한 방향, 즉 피측정물(1)의 두께 방향에 직교하는 방향에 소정의 이동 범위 내에서 회전축(41) 및 회전 구동부(42)를 직선 이동시킨다. 즉, 직선 이동 기구(43)는 원반 형상의 피측정물(1)을 그 반경 방향을 따라 이동시킨다.

또한, 이동 제어 장치(7)는 회전 구동부(42) 및 직선 이동 기구(43)의 움직임을 제어한다. 또한, 이동 제어 장치(7)는 피측정물(1)에 있어서의 물체광의 조사 위치, 즉 수시로 변화되는 측정점(1a, 1b)의 위치를 검출하고, 그 검출 결과를 위상차 연산 계산기(6)에 전송한다. 측정점(1a, 1b)의 위치의 검출은, 예를 들면 회전 구동부(42) 및 직선 이동 기구(43)에 대한 동작 지령의 이력, 즉 피측정물(1)의 이동 이력에 기초하여 검출된다. 혹은 측정점(1a, 1b)의 위치가 회전 구동부(42) 및 직선 이동 기구(43) 각각에 설치된 도시하지 않은 위치 검출 센서의 검출 결과에 의해 검출되는 것도 생각된다.

형상 측정 장치(X2)는 회전 구동부(42)에 의한 피측정물(1)의 회전과, 직선 이동 기구(43)에 의한 피측정물(1)의 직선 방향의 이동을 병용함으로써, 피측정물(1)에 있어서의 측정점(1a, 1b)의 위치, 즉 물체광의 조사 스폿의 위치를 순차 변경한다. 그리고, 복수 개소의 측정점(1a, 1b)에 있어서의 위상차(φa, φb)가 측정된다.

예를 들면, 이동 제어 장치(7)는 피측정물(1)을 일정 속도로 연속적으로 회전 및 직선 이동시키면서 일정 주기로 혹은 측정점(1a, 1b)의 위치가 미리 정해진 위치가 될 때마다 형상 연산 계산기(6)에 대하여 데이터 취득 지령을 송신한다. 그리고, 형상 연산 계산기(6)가 데이터 취득 지령의 수신에 따라 2개의 위상차 연산 계산기(4)에 대하여 위상차(φa, φb)의 산출을 요구하고, 그 산출 결과를 취득한다. 또한, 형상 연산 계산기(6)는 복수 개소의 측정점(1a, 1b)에 대한 위상차(φa, φb)의 차의 분포로부터 피측정물(1)의 두께 분포를 산출한다.

도 7은 형상 측정 장치(X2)에 있어서의 피측정물(1)의 표면의 복수 개소의 측정점(1a, 1b)의 분포의 일례를 나타내는 모식도이다.

피측정물(1)을 회전 및 직선 이동시키면서 위상차(φa, φb)의 측정을 순차 행한 경우, 도 7에 파선으로 나타나는 바와 같이 측정점(1a, 1b)의 위치는 피측정물(1)의 표면에 있어서의 소용돌이 형상의 궤적(R)을 따라 순차 변화된다. 복수 개소의 측정점(1a, 1b) 및 그에 대응하는 위상차(φa, φb)는, 예를 들면 측정 순서에 따라 배정된 측정점 번호(1, 2, 3 …)에 의해 식별된다. 도 7에는 측정 번호가 (K-1)번째부터 (K+2)번째에 이르는 측정점(1a, 1b)의 궤적이 나타나 있다.

이와 같이, 형상 측정 장치(X2)에 있어서는 피측정물(1) 상의 1개의 주사선(R)을 따라 2개의 광간섭계(20) 각각으로부터의 물체광이 주사된다.

다음에, 도 6에 도시되는 구성도를 참조하면서 2개의 광간섭계(20)을 포함하는 간섭광 측정부(Y2)에 대하여 설명한다.

도 6에 도시되는 바와 같이, 간섭광 측정부(Y2)는 레이저 광원(2)과, 편광빔 스플리터(3)와, 복수의 미러(11)와, A면측 및 B면측에 각각 설치된 2개의 광간섭계(20)와, 2개의 위상차 연산 계산기(4)와, 형상 연산 계산기(6)를 구비하고 있다.

레이저 광원(2)은 빔광(P0)을 출사한다. 빔광(P0)은 단파장광이고, 그 주파수는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 가시광의 빔광(P0)이 채택되는 경우, 빔광(P0)의 주파수(ω)는 5×10⁸㎒ 정도(파장(λ)≒0.6㎛)인 것이 생각된다.

편광빔 스플리터(3)는 레이저 광원(2)으로부터 출사되는 빔광(P0)을 2분기시킨다. 그리고, 분기된 각 빔광(Pi)은 미러(11)에 의해 피측정물(1)의 A면 측정점(1a)의 방향 및 B면 측정점(1b)의 각 방향에 유도된다.

또한, 빔광(Pi)을 A면 측정점(1a) 및 B면 측정점(1b)의 각각에 유도하는 광학 기기로서는 미러 외에 광파이버 등도 생각된다.

피측정물(1)의 A면측, B면측 각각에 유도된 빔광(Pi)은 2개의 광간섭계(20) 각각에 입력된다.

2개의 광간섭계(20)는 호모다인 간섭계이고, 피측정물(1)의 표리 각면측에 유도된 빔광(Pi)을 기준이 되는 참조면과 피측정물(1)의 표리 서로 대향하는 측정점(1a, 1b)에 반사시킨 참조광(Pr) 및 물체광(Ps)의 간섭광의 강도를 검출한다.

도 6에 도시되는 바와 같이, 2개의 광간섭계(20)는 피측정물(1)에 있어서의 측정 대상면이 상이할 뿐 완전히 동일한 구성을 구비하고 있다.

도 6에 도시되는 바와 같이, 2개의 광간섭계(20)는 2분의 1 파장판(31), 편광빔 스플리터(21), 2개의 4분의 1 파장판(22 및 23), 참조판(24), 집광 렌즈(32), 3개의 무편광의 빔 스플리터(251, 252 및 253), 2개의 4분의 1 파장판(261 및 263), 2분의 1 파장판(264), 4개의 편광판(271, 272, 273 및 274), 4개의 광검출기(281, 282, 283 및 284), 4개의 앰프(63)를 각각 구비하고 있다.

또한, 2개의 광간섭계(20)는 4개의 편광판 지지 기구(61)와 2개의 광 차단 기구(62)와 4개의 앰프(63)를 각각 구비하고 있다.

2분의 1 파장판(31)은 미러(11)에 의해 피측정물(1)의 표면 가까이까지 유도된 빔광(Pi)의 편광면의 조정을 행하는 광학 소자이다.

편광빔 스플리터(21)는 2분의 1 파장판(31)에 의해 편광면이 조정된 빔광(Pi)을 편파 방향이 직교하는 2개의 빔광으로 분기시킨다. 그리고, 분기된 한쪽 빔광은 기준이 되는 참조면에 조사되고, 분기한 다른 쪽 빔은 측정점(1a, 1b)에 조사된다. 또한, 참조면은 소정 위치에 지지된 참조판(24)의 표면이다.

참조면에 입사한 빔광의 반사광인 참조광(Pr)은 입사한 빔광과 광축이 일치하는 상태에서 편광빔 스플리터(21)에 복귀된다.

편광빔 스플리터(21)와 참조면의 사이의 빔광의 광로에는 4분의 1 파장판(23)이 배치되어 있다. 이 4분의 1 파장판(23)을 왕복 통과하여 원래의 빔광에 대하여 편광 방향이 90° 회전한 참조광(Pr)은 편광빔 스플리터(21)를 통과한다.

한편, 측정점(1a, 1b)에 입사한 빔광의 반사광인 물체광(Ps)은 입사한 빔광과 광축이 일치하는 상태에서 편광빔 스플리터(21)에 복귀된다.

편광빔 스플리터(21)와 측정점(1a, 1b)의 사이의 빔광의 광로에는 4분의 1 파장판(22)이 배치되어 있다. 이 4분의 1 파장판(22)을 왕복 통과하여 원래의 빔광에 대하여 편광 방향이 90° 회전한 물체광(Ps)은 편광빔 스플리터(21)에 의해 참조광(Pr)과 광축이 일치하는 방향에 반사한다. 이에 의해, 참조광(Pr)과 물체광(Ps)이 서로 직교하는 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광(Px)이 얻어진다.

이상에 나타낸 바와 같이 편광빔 스플리터(21) 및 2개의 4분의 1 파장판(22, 23)은, 빔광(Pi)를 2분기시켜 참조면과 측정점(1a, 1b)의 각각에 조사하여 참조광(Pr)과 물체광(Ps)이 서로 직교하는 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광(Px)을 얻는다. 이하, 이들을 비간섭광 취득용 광학계라고 칭한다.

또한, 4분의 1 파장판(22)과 측정점(1a, 1b)의 사이에는 측정점(1a, 1b)을 초점으로 하는 집광 렌즈(32)가 각각 배치되어 있다. 즉, 집광 렌즈(32)는 비간섭광 취득용 광학계와 측정점(1a, 1b)의 사이에 있어서의 빔광 및 물체광(Ps)의 광로에 배치되어 있다.

이에 의해, 측정점(1a, 1b)마다의 표면 각도에 약간의 차이가 존재하더라도 집광 렌즈(32)의 작용에 의해 물체광의 광축의 어긋남을 억제할 수 있다. 그 결과, 측정점(1a, 1b)마다의 표면 각도의 차이에 의해 물체광(Ps)의 광축이 어긋나는 것에 의해 발생하는 물체광(Ps)의 수광 광량의 감소 및 간섭 효율의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 이에 의해 측정점(1a, 1b)에 대한 빔광의 조사 스폿을 작게 할 수 있다. 또한, 그 빔광을 피측정물(1)의 표면에 있어서 조밀하게 주사시킴으로써, 피측정물(1)의 표면을 따른 2차원 방향에 있어서의 두께 분포의 측정의 공간 분해능을 보다 높일 수 있다.

또한, 3개의 무편광의 빔 스플리터(251, 252, 253)는 비간섭광 취득용 광학계에 의해 얻어진 비간섭광(Px)을 2단계의 2분기에 의해 4개의 비간섭광(P1, P2, P3, P4)으로 분기시킨다. 이하, 3개의 무편광의 빔 스플리터(251, 252, 253)를 비간섭광 분기용 광학계라고 칭한다.

즉, 빔 스플리터(251)는 비간섭광(Px)의 1단계째의 2분기를 행한다. 또한, 나머지 빔 스플리터(252, 253)는 비간섭광(Px)에 의한 분기광 각각에 대하여 2단계째의 2분기를 행한다.

또한, 2개의 4분의 1 파장판(261 및 263)과 1개의 2분의 1 파장판(264)은, 4개의 비간섭광(P1 내지 P4) 중 3개의 비간섭광(P1, P3, P4)에 대하여 직교하는 편광 성분의 위상차에 변화를 부여하는 복굴절 소자이다. 여기서, 4분의 1 파장판(261)은 비간섭광(P1)에 있어서의 직교하는 편광 성분의 위상차를 -π/2(=-90°)만큼 시프트시킨다. 또한, 4분의 1 파장판(263)은 비간섭광(P3)에 있어서의 직교하는 편광 성분의 위상차를 +π/2(=+90°)만큼 시프트시킨다. 또한, 2분의 1 파장판(264)은 분기광(P4)에 있어서의 직교하는 편광 성분의 위상차를 π(=+180°)만큼 시프트시킨다. 또한, 분기광(P2)에 대해서는 위상 시프트는 행해지지 않는다.

즉, 3개의 파장판(261, 263 및 264)은 4개의 비간섭광(P1 내지 P4) 중 제2 비간섭광(P2)을 기준으로 하여 나머지 3개의 비간섭광(P1, P3, P4)에 있어서의 참조광(Pr)의 편광 성분과 물체광(Ps)의 편광 성분의 위상차에 -π/2(=-90°), +π/2(=+90°) 및 π(=+180°)의 변화를 부여한다.

이와 같이 3개의 파장판(261, 263 및 264)은 참조광(Pr)의 성분과 물체광(Ps)의 성분의 위상차에 각각 상이한 변화를 부여함으로써, 4개의 비간섭광(P1 내지 P4) 각각에 있어서의 참조광(Pr)의 편광 성분과 물체광(Ps)의 편광 성분의 사이에 상이한 위상차를 발생시킨다. 이하, 3개의 파장판(261, 263 및 264)을 위상 시프트용 광학계라고 칭한다.

또한, 4개의 편광판(271 내지 274)은 시프트용 광학계(261, 263, 264)를 거친 4개의 비간섭광(P1 내지 P4) 각각으로부터 참조광(Pr) 및 물체광(Ps)의 편광 방향을 기준으로 하는 각도가 공통인 편광 성분을 추출함으로써, 참조광(Pr)와 물체광(Ps)의 간섭광(Q1 내지 Q4)을 추출한다. 이하, 4개의 편광판(271 내지 274)을 간섭광 추출용 광학계라고 칭한다. 또한, 추출되는 편광 성분의 각도는 참조광(Pr) 및 물체광(Ps)의 편광 방향을 기준으로 하여 +45°또는 -45° 중 어느 하나이다.

여기서, 4개의 편광판(271 내지 274) 각각이 통과시키는 편광 성분의 각도는 참조광(Pr) 및 물체광(Ps)의 편광 방향을 기준으로 하는 각도가 +45°또는 -45° 중 어느 하나로 통일되어 있는 것이 바람직하다.

4개의 광검출기(281 내지 284)는 간섭광 추출용 광학계에 의해 추출된 4개의 간섭광(Q1 내지 Q4) 각각의 강도를 검출하여 그 검출 신호(Sig1 내지 Sig4)를 출력하는 광강도 검출 수단의 일례이다.

또한, 4개의 앰프(63)는 4개의 광검출기(281 내지 284) 각각의 검출 신호를 독립적으로 증폭하고, 증폭 후의 검출 신호를 위상차 연산 계산기(4)에 출력한다. 즉, 앰프(63)는 광검출기(281 내지 284)에 의해 얻어지는 4개의 광의 강도 신호 각각에 대하여, 각각 개별적으로 설정되는 증폭 게인에 따라 선형 보정을 가하는 것으로, 광강도 보정 수단의 일례이다. 또한, 증폭 게인은 선형 보정의 게인이다.

또한, 후술하는 바와 같이 앰프(63)로부터 출력되는 4개의 광의 강도 신호(Sig1 내지 Sig4)는, 위상차 연산 계산기(4)에 의해 4개의 광의 강도 신호(Sig1 내지 Sig4)에 대하여 개별적으로 설정되는 오프셋 보정값을 가산함으로써 오프셋 보정이 가해지는 경우도 있다. 이 경우, 4개의 앰프(63) 및 위상차 연산 계산기(4)가, 광검출기(281 내지 284)에 의해 얻어지는 4개의 광강도 각각에 독립적으로 선형 보정 및 오프셋 보정을 가하는 광강도 보정 수단의 일례가 된다.

또한, 4개의 편광판 지지 기구(61)는 4개의 편광판(271 내지 274) 각각을 그 지지 각도를 가변으로 지지한다. 보다 구체적으로는 편광판 지지 기구(61)는 편광판(271 내지 274)을 비간섭광(P1 내지 P4)의 광축에 대하여 직교하도록 지지하면서, 그 광축을 회전 중심으로 하여 편광판(271 내지 274) 각각을 회전 가능하게 지지한다.

편광판 지지 기구(61)는 수동식 지지 각도 조절 기구를 구비한 것이나, 소정의 컨트롤러로부터의 제어 지령에 따라 편광판(271 내지 274)의 지지 각도를 변화시키는 자동식 지지 각도 조절 기구를 구비한 것 등이 생각된다.

예를 들면, 수동식 지지 각도 조절 기구는 오퍼레이터에 의한 비스 등에 대한 조절 조작에 따라 편광판(271 내지 274)의 지지 각도를 변화시키는 것이 생각된다. 또한, 자동식 지지 각도 조절 기구는 소정의 컨트롤러로부터의 제어 지령에 따라 편광판(271 내지 274)의 지지 각도를 변화시키는 피에조 소자 등의 구동원을 구비한 것이 생각된다. 또한, 그 컨트롤러는 위상 연산 계산기(4) 또는 형상 연산 계산기(6)에 의해 실현되는 것이 생각된다.

또한, 2개의 광 차단 기구(62)는 물체광(Ps) 및 참조광(Pr)의 각각을 개별적으로 차단하는 광 차단 수단의 일례이다. 광 차단 기구(62)는, 예를 들면 광을 차단하는 차광 부재와, 물체광(Ps) 또는 참조광(Pr)의 광로 상의 위치와 그 광로로부터 퇴피하는 위치에 차광 부재를 이동시키는 이동 기구를 구비하고 있다. 또한, 그 이동 기구는 오퍼레이터의 조작에 따라 이동하는 수동식 이동 기구나, 소정의 컨트롤러로부터의 제어 지령에 따라 자동적으로 이동하는 자동식 이동 기구가 생각된다. 또한, 그 컨트롤러는 위상 연산 계산기(4) 또는 형상 연산 계산기(6)에 의해 실현되는 것이 생각된다.

이하, 비간섭광 분기용 광학계(251 내지 253)에 의해 비간섭광(Px)이 4개로 분기되어 만들어지는 비간섭광(P1 내지 P4)의 광로로부터 광검출기(281 내지 284)의 출력 라인에 이르는 4개의 광 및 신호의 경로를 채널이라고 칭한다. 또한, 4개의 채널 중 물체광(Ps)과 참조광(Pr)의 위상차(φ)의 산출의 대상이 되는 제2 간섭광(Q2)의 채널을 기준 채널, 그 밖의 3개의 채널을 비기준 채널이라고 칭한다.

광간섭계(20)는 4분의 1 파장판(261, 263) 및 2분의 1 파장판(264)에 의한 위상 시프트량의 오차를 고려하지 않을 경우, 각 채널의 물체광(Ps)의 강도(as1 내지 as4), 각 채널의 참조광(Pr)의 강도(ar1 내지 ar4), 각 채널의 간섭광(Q1 내지 Q4)의 강도(I01 내지 I04) 및 물체광(Ps) 및 참조광(Pr)의 위상차(φ)와의 관계식을 4개 포함하는 연립 방정식인 다음 (B1) 식이 성립한다. 또한, I01 내지 I04는 앰프(63)에 의해 증폭되기 전의 광검출기(281 내지 284)의 검출값에 상당한다.

[수학식 3]

각 채널의 물체광(Ps)의 강도(as1 내지 as4) 및 각 채널의 참조광(Pr)의 강도(ar1 내지 ar4)의 모두가 동등할 경우에는, 상기 (B1) 식은 다음 (B2) 식으로 변형할 수 있다.

[수학식 4]

실제로 (B2) 식이 성립하는 것이라면, 광검출기(281 내지 284)에 의해 검출되는 각 채널의 간섭광(Q1 내지 Q4)의 강도(I01 내지 I04)로부터 위상차(φ)를 고정밀도로 산출할 수 있다.

그러나, 실제로는 비기준 채널에 있어서의 4분의 1 파장판(261, 263) 및 2분의 1 파장판(264)에 의한 위상 시프트량에는 채널마다 개별의 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)가 포함된다. 그 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 고려하면, (B1) 식 대신에 다음 (B1') 식이 성립한다.

[수학식 5]

즉, 광간섭계(20)를 특별한 교정 공정을 거치지 않고 이용한 경우에는, 측정 대상인 위상차(φ)를 포함하는 12개의 미지의 파라미터를 포함하는 (B1') 식에 기초하여 위상차(φ)를 산출하여야만 한다. 그렇게 하면, 많은 가정이나 근사 하에서 위상차(φ)를 산출해야만 하게 되어 산출되는 위상차(φ)의 정밀도가 낮아진다. 따라서, 형상 측정 장치(X2)를 이용한 형상 측정에서는 고정밀도의 위상차(φ)를 얻기 위한 비교적 간이한 장치 교정 공정을 거친 후에 피측정물(1)의 형상 측정을 행한다.

이하, 도 8에 나타나는 흐름도를 참조하면서 형상 측정 장치(X2)를 이용하여 실행되는 제1 실시예에 관한 형상 측정 방법에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 도시되는 S11, S12, S13, …은 형상 측정에 있어서의 각 공정의 식별 부호를 나타낸다.

이하에 나타내는 바와 같이 형상 측정 장치(X2)를 이용한 제1 실시예에 관한 형상 측정 방법에서는, 우선 고정밀도의 위상차(φ)를 얻기 위한 장치 교정 공정(S11 내지 S14)을 실행하고, 그 후 피측정물(1)에 대한 형상 측정 공정(S15 내지 S19)을 실행한다. 장치 교정 공정에서는, 우선 소정의 교정용 물체가 측정 위치에 배치되고, 지지된다(S11). 형상 측정 장치(X2)에 있어서의 측정 위치는 2개의 광간섭계(20)의 사이의 공간이다. 교정용 물체는 최초의 형상 측정의 대상인 피측정물(1)이어도, 그 외에 준비된 물체이어도 된다.

또한, 교정용 물체의 측정 위치에의 배치는 예를 들면 오퍼레이터의 조작 또는 피측정물(1)을 반송하는 머니퓰레이터를 구비한 반송 장치 등에 의해, 교정용 물체를 가동 지지 장치(Z2)에 지지시킴으로써 행해진다.

이하, 교정용 물체가 측정 위치에 배치된 상태를 제1 배치 상태라고 칭한다.

다음에, 제1 배치 상태 하에서 물체광(Ps) 및 참조광(Pr)의 광로 길이를 일정하게 유지한 상태에서 이하에 나타내는 편광판 지지 각도 조절 공정을 실행한다(S12). 여기서, 물체광(Ps) 및 참조광(Pr)의 광로 길이를 일정하게 유지한 상태란, 참조판(24) 및 교정용 물체가 진동하지 않도록 지지된 상태이다. 이 상태에서 물체광(Ps) 및 참조광(Pr)의 광로 길이에 영향을 주는 다른 광학 기기의 위치도 고정되어 있는 것은 말할 필요도 없다.

편광판 지지 각도 조절 공정은 4개의 광검출기(281 내지 284) 각각에 대하여 물체광(Ps)을 차단했을 때의 참조광(Pr)의 검출 강도와 참조광(Pr)을 차단했을 때의 물체광(Ps)의 검출 강도가 일치하도록, 4개의 편광판(271 내지 274)의 지지 각도를 각각 조절하는 공정이다.

물체광(Ps) 및 참조광(Pr) 각각의 차단은 2개의 광 차단 기구(62)을 통하여 행해진다. 또한, 4개의 편광판(271 내지 274)의 지지 각도의 조절은 지지 각도 조절 기구(61)를 통하여 행해진다.

이하의 설명에 있어서, 물체광(Ps)을 차단했을 때의 참조광(Pr)의 검출 강도와 참조광(Pr)을 차단했을 때의 물체광(Ps)의 검출 강도의 차를 2광간 강도차라고 칭한다.

스텝 S12의 편광판 지지 각도 조절 공정을 실행함으로써, 전술한 (B1') 식에 있어서 as1=ar1, as2=ar2, as3=ar3, as4=ar4가 된다. 이 경우, (B1') 식에 있어서의 I1 내지 I4는 편광판 지지 각도 조절 공정을 거친 후의 4개의 채널 각각의 앰프(63)의 출력 신호의 값이다.

예를 들면, 위상차 연산 계산기(4)는 4개의 광검출기(281 내지 284) 각각의 검출 강도에 기초하여 2광간 강도차를 산출하면서, 그 2광간 강도차가 0 또는 0과 근사할 수 있는 정도의 값이 되도록 편광판(271 내지 274)의 지지 각도의 변경 지령을 4개의 자동식 지지 각도 조절 기구(61)에 대하여 출력한다. 혹은 위상차 연산 계산기(4)가 4개의 광검출기(281 내지 284) 각각에 대하여 2광간 강도차를 축차 산출하고, 그 산출 결과를 소정의 표시 장치에 표시시킨다. 그리고, 오퍼레이터는 표시된 2광간 강도차를 확인하면서 그 2광간 강도차가 0 또는 0과 근사할 수 있는 정도의 값이 되도록 4개의 수동식 지지 각도 조절 기구(61)에 대하여 편광판(271 내지 274)의 지지 각도를 변경하는 조절 조작을 행한다.

스텝 12에 있어서, 위상차 연산 계산기(4)는 예를 들면 증폭 게인 0㏈(1배)로 설정된 앰프(63)의 출력 신호의 값을, 편광판 지지 각도 조절 공정에서 비교되는 2개의 광의 검출 강도로서 이용하면 된다.

또한, 편광판 지지 각도 조절 공정에 있어서는 물체광(Ps)을 차단했을 때의 참조광(Pr)의 검출 강도와 참조광(Pr)을 차단했을 때의 물체광(Ps)의 검출 강도가 일치하고 있는지 여부의 상대적인 비교가 필요할 뿐 양쪽 검출 강도의 절대값의 대소는 특별히 문제가 아니다. 그 때문에, 앰프(63)에 설정되어 있는 증폭 게인이 0㏈가 아닌 경우라도, 편광판 지지 각도 조절 공정에서 비교되는 2개의 광의 검출 강도는, 광검출기(281 내지 284)의 검출 신호가 앰프(63)에 의해 증폭된 후의 신호의 값을 이용하면 된다.

또한, 편광판 지지 각도 조절 공정의 실행 후에 제1 배치 상태 하에서 물체광(Ps) 또는 참조광(Pr)의 광로 길이에, 물체광(Ps) 및 참조광(Pr)의 파장(λ) 이상의 진폭의 변동을 부여하면서 이하에 나타나는 선형 보정 게인 설정 공정을 실행한다(S13). 선형 보정 게인 설정 공정(S13)은 앰프(63)에 의해 얻어지는 4개의 간섭광(Q1 내지 Q4) 각각의 강도(I1 내지 I4)의 시계열 변화의 진폭이 일치하도록, 앰프(63)에 대한 증폭 게인, 즉 선형 보정의 게인을 설정하는 공정이다. 물체광(Ps) 또는 참조광(Pr)의 광로 길이에 파장(λ) 이상의 진폭의 변동을 부여하는 방법으로서는, 예를 들면 교정용 물체 또는 참조판(24)에 (λ/2) 이상의 진폭의 진동을 부여하는 것이 생각된다. 또한, 교정용 물체 또는 참조판(24)을 진동시키는 방법으로서는, 예를 들면 탄성을 갖는 교정용 물체에 충격을 부여하는 방법이나 교정용 물체 또는 참조판(24)의 지지부에 소정의 구동원에 의해 진동을 부여하는 것 등이 생각된다. 단, 교정용 물체 또는 참조판(24)의 진동의 진폭이 지나치게 크면, 그 기울기에 의해 물체광(Ps) 또는 참조광(Pr)의 광량이 변동된다. 그 때문에, 교정용 물체 또는 참조판(24)의 진동의 진폭은 5㎛ 정도 이하로 억제할 필요가 있다.

선형 보정 게인 설정 공정(S13)에 있어서는, 예를 들면 위상차 연산 계산기(4)가 제1 배치 상태 하에서 4개의 채널 각각의 앰프(63)의 출력 신호의 값의 시계열 변화를 메모리에 기록하면서 그 진폭을 산출한다. 또한, 위상차 연산 계산기(4)가 4개의 채널 상호간의 진폭의 차가 0 또는 0과 근사할 수 있는 정도가 되도록 4개의 앰프(63) 각각에 대하여 증폭 게인을 자동 설정한다.

혹은 위상차 연산 계산기(4)가 4개의 채널 각각의 앰프(63)의 출력 신호의 값의 시계열 변화를 메모리에 기록하면서 그 진폭을 산출하고, 산출 결과를 소정의 표시 장치에 표시시킨다. 그리고, 오퍼레이터가 표시된 4개의 채널의 진폭을 확인하면서, 그 진폭의 차가 0 또는 0과 근사할 수 있는 정도가 되도록 4개의 앰프(63) 각각에 대하여 수동에서 증폭 게인을 설정한다.

편광판 지지 각도 조절 공정(S12) 및 선형 보정 게인 설정 공정(S13)을 실행함으로써, 전술한 (B1') 식에 있어서 as1=ar1=as2=ar2=as3=ar3=as4=ar4가 된다.

따라서, 편광판 지지 각도 조절 공정 및 선형 보정 게인 설정 공정이 실행된 후의 4개의 채널 각각의 앰프(63)의 출력 신호의 값을 I1', I2', I3', I4'라고 하면, 다음 (C1) 식이 성립한다. 또한, (C1) 식에 있어서 k는 상수(k=2×ar1)이다.

[수학식 6]

여기서, 소정의 변수(φ')는 다음 (C2) 식에 의해 정의된다.

[수학식 7]

또한, (C1) 식이 성립하는 경우, (C1) 식으로부터 도출되는 다음 (C3) 식이 성립한다.

[수학식 8]

그리고, (C3) 식으로부터 위상차(φ)를 구하는 역함수를 유도함으로써, 다음 (C4) 식이 얻어진다.

[수학식 9]

즉, 편광판 지지 각도 조절 공정(S12) 및 선형 보정 게인 설정 공정(S13)이 실행된 후의 4개의 채널 각각의 앰프(63)의 출력값인 간섭광(Q1 내지 Q4)의 측정값을 I1', I2', I3', I4'라고 하면, 상기 (C2) 식 및 상기 (C4) 식이 성립한다.

또한, 선형 보정 게인 설정 공정(S13)의 실행 후에 위상차 연산 계산기(4)는 위상 시프트용 광학계(261, 263, 264)에 의한 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 산출하여 소정의 메모리에 기억시키는 위상 시프트 오차 산출 공정을 실행한다(S14). 선형 보정 게인 설정 공정(S13)에 있어서, 각 채널의 진폭이 정렬되도록 앰프(63)의 증폭 게인이 설정된 상태에서, 제1 배치 상태 하에서 4개의 채널 각각의 앰프(63)의 출력 신호의 값의 시계열 변화가 메모리에 기록되어 있다. 위상 시프트 오차 산출 공정(S14)에 있어서, 우선 위상차 연산 계산기(4)는 스텝 S13에서 얻어진 증폭 게인 조절 후의 앰프(63)를 통하여 얻어진 4개의 채널의 간섭광(Q1 내지 Q4)의 검출 강도의 시계열 변화에 기초한 리서쥬 파형의 정보를 산출한다.

스텝 S14에 있어서 처리의 대상이 되는 리서쥬 파형은, 기준 채널의 간섭광(Q2)의 강도(I2')의 시계열 변화와 2개의 비기준 채널의 간섭광(Q1, Q3)의 강도(I1', I3') 각각의 시계열 변화의 관계, 및 비기준 채널의 간섭광(Q3과 Q4)의 강도(I3'과 I4')의 시계열 변화의 관계 각각을 나타내는 리셔쥬 파형이다. 도 10에는 스텝 S14에서 관측되는 리서쥬 파형의 일례가 나타나 있다. 도 10에 나타나는 바와 같이, 강도(I2') 및 강도(I1')에 기초한 리서쥬 파형(g1), 강도(I2') 및 강도(I3')에 기초한 리서쥬 파형(g3) 및 강도(I3') 및 강도(I4')에 기초한 리서쥬 파형(g4)은 각각 타원 형상이다.

단, 위상 시프트의 오차(ε1)=0인 경우에는 리서쥬 파형(g1)은 원형이 된다. 마찬가지로 위상 시프트의 오차(ε3)=0인 경우에는 리서쥬 파형(g3)은 원형이 된다. 또한, 위상 시프트의 오차(ε3, ε4)의 차가 0(즉, ε4-ε3=0)인 경우에는 리서쥬 파형(g4)은 원형이 된다.

도 11은 2개의 측정값의 리서쥬 파형과 위상차의 관계의 설명도이다. X축 방향의 측정값을 Ix, Y축 방향의 측정값을 Iy라고 한 리서쥬 파형에 있어서, 그 리서쥬 파형의 Y축 방향의 폭을 Wb, 그 리서쥬 파형의 중심 위치(Ixo, Iyo)의 X축 좌표(Ixo)에 있어서의 Y축 방향의 폭을 Wa라고 한다. 그렇게 하면, 측정값(Ix)의 위상과 측정값(Iy)의 위상의 차(Δφ)는 sin^-1(Wa/Wb)가 된다.

따라서, 위상차 연산 계산기(4)는 스텝 S14에 있어서 리서쥬 파형(g1, g3, g4) 각각에 대한 폭인 (Wa1, Wb1), (Wa3, Wb3) 및 (Wa4, Wb4)를 산출한다.

또한, 위상차 연산 계산기(4)는 -π/2, +π/2 및 +π의 위상 시프트가 행해지는 각 채널에 있어서의 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 ε1=sin^-1(Wa1/Wb1)+(π/2), ε3=sin^-1(Wa3/Wb3)-(π/2), ε4=sin^-1(Wa4/Wb4)-(π/2)의 각 계산식에 기초하여 산출하고, 산출 결과를 메모리에 기억한다. 이상에 나타난 장치 교정 공정(S11 내지 S14)을 실행함으로써, 상기 (C2) 식 및 상기 (C4) 식이 성립함과 함께 상기 (C4) 식에 있어서의 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)가 모두 기지로 된다.

따라서, 장치 교정 공정(S11 내지 S14)을 실행한 후에 피측정물(1)에 대하여 4개의 채널의 간섭광(Q1 내지 Q4)의 강도(I1', I2', I3', I4')를 측정하면, 그 측정값(I1', I2', I3', I4')과 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 (C2) 식 및 (C4) 식으로 이루어지는 (A1) 식에 적용함으로써, 물체광(Ps)과 참조광(Pr)의 사이의 위상차(φ)를 산출할 수 있다. 그 위상차(φ)는 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)가 제외된 것이다.

그리고, 이상에 나타낸 장치 교정 공정(S11 내지 S14)의 실행 후, 피측정물(1)에 대한 형상 측정 공정(S15 내지 S19)을 실행한다.

형상 측정 공정에서는, 우선 스텝 S11과 마찬가지로 피측정물(1)이 측정 위치에 배치되고 지지됨과 함께, 가동 지지 장치(Z2)에 의해 피측정물(1)의 2차원 방향의 지지 위치의 이동이 개시된다(S15). 또한, 스텝 S11에서 측정 위치에 배치된 교정용 물체가 피측정물(1)인 경우에는, 교정용 물체로부터 최초의 측정 대상이 되는 피측정물(1)에의 교체 공정은 스킵된다. 이하, 피측정물(1)이 측정 위치에 배치된 상태를 제2 배치 상태라고 칭한다.

다음에, 위상차 연산 계산기(4)는 제2 배치 상태 하에서 앰프(63)에 의해 얻어지는 4개의 채널의 간섭광(Q1 내지 Q4) 각각의 강도(I1' 내지 I4')를 검출하고, 그 검출 결과를 소정의 메모리에 기록하는 측정용 간섭광 강도 검출 공정을 실행한다(S16). 또한, 위상차 연산 계산기(4)는 측정용 간섭광 강도 검출 공정(S16)에서 얻어진 4개의 간섭광(Q1 내지 Q4) 각각의 강도(I1' 내지 I4')와, 시프트 오차 산출 공정(S14)에서 얻어진 3개의 비기준 채널의 간섭광 각각에 대한 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 (C2) 식 및 (C4) 식으로 이루어지는 (A1) 식에 적용함으로써, 물체광(Ps)과 참조광(Pr)의 사이의 위상차(φ)를 산출하는 위상차 산출 공정을 실행한다(S17). 이 스텝 S17에서 산출된 위상차(φ)는 형상 연산 계산기(6)에 전송된다.

그리고, 위상차 연산 계산기(4)는 피측정물(1)에 있어서의 모든 측정점(1a, 1b)에 대하여 스텝 S16 및 S17의 처리를 반복한다. 그리고, 형상 연산 계산기(6)는 모든 측정점(1a, 1b)에 대한 측정이 종료하였는지의 여부를 판별한다(S18).

그리고, 모든 측정점(1a, 1b)에 대한 측정 처리(S16, S17)가 종료하면, 형상 연산 계산기(6)가 모든 측정점(1a, 1b)에 대하여 얻어진 위상차(φa, φb)의 차(φa-φb)의 분포에 기초하여 피측정물(1)의 두께 분포를 산출하는 형상 산출 처리를 실행한다(S19).

또한, 피측정물(1)을 교체하여 형상 측정 공정(S15 내지 S19)이 실행되는 경우에는, 2회째 이후의 형상 측정 공정(S15 내지 S19) 전에 장치 교정 공정(S11 내지 S14)이 실행될 필요는 없다.

이상에 나타낸 도 8의 제1 실시예에 관한 형상 측정 방법에 의해, 복수의 편광판(261, 263, 264)을 이용하여 광학적으로 위상 시프트를 행하는 경우에 발생하는 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)의 영향을 받지 않고, 측정 결과(φ)를 간이하게 얻을 수 있다.

이하, 도 9에 나타나는 흐름도를 참조하면서 형상 측정 장치(X2)를 이용하여 실행되는 제2 실시예에 관한 형상 측정 방법에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 나타나는 S21, S22, S23, …은 형상 측정에 있어서의 각 공정의 식별 부호를 나타낸다.

이하에 나타내는 바와 같이 형상 측정 장치(X2)를 이용한 제2 실시예에 관한 형상 측정 방법에 있어서도, 우선 고정밀도의 위상차(φ)를 얻기 위한 장치 교정 공정(S21 내지 S24)을 실행하고, 그 후 피측정물(1)에 대한 형상 측정 공정(S25 내지 S29)을 실행한다. 본 제2 실시예에 관한 형상 측정 방법에서는, 후술하는 바와 같이 4개의 앰프(63) 및 위상차 연산 계산기(4)가 광검출기(281 내지 284)에 의해 얻어지는 4개의 광강도의 신호 각각에 증폭 게인에 기초한 선형 보정 및 오프셋 보정값에 기초한 오프셋 보정을 독립하여 가하는 광강도 보정 수단으로서 기능한다.

장치 교정 공정에서는, 우선 스텝 S11과 마찬가지로 교정용 물체가 측정 위치에 배치되고 지지된다(S21). 이에 의해, 제1 배치 상태로 된다.

다음에, 제1 배치 상태 하에서 물체광(Ps) 및 참조광(Pr)의 광로 길이를 일정하게 유지한 상태에서, 이하에 나타나는 선형 보정 게인 설정 공정을 실행한다(S22).

선형 보정 게인 설정 공정(S22)은 참조광(Pr)만을 차단하여 4개의 앰프(63)에 의해 얻어지는 4개의 물체광(Ps)의 강도가 일치하도록, 4개의 앰프(63)에 대하여 선형 보정의 게인인 증폭 게인을 설정하는 공정이다. 참조광(Pr)의 차단은 참조광(Pr)측의 광 차단 기구(62)을 통하여 행해진다.

선형 보정 게인 설정 공정(S22)에 있어서, 예를 들면 위상차 연산 계산기(4)는 제1 배치 상태 하에서 참조광(Pr)이 차단된 상태에서, 4개의 채널 각각의 앰프(63)의 출력 신호의 값을 비교하면서 그들의 차가 0 또는 0과 근사할 수 있는 정도가 되도록 4개의 앰프(63) 각각에 대하여 증폭 게인을 자동 설정한다.

혹은 위상차 연산 계산기(4)는 4개의 채널 각각의 앰프(63)의 출력 신호의 값의 차를 산출하여 그 산출 결과를 소정의 표시 장치에 표시시킨다. 그리고, 오퍼레이터가 표시된 4개의 채널 각각의 앰프(63)의 출력 신호의 값의 차를 확인하면서, 그들의 차가 0 또는 0과 근사할 수 있는 정도가 되도록 4개의 앰프(63) 각각에 대하여 수동으로 증폭 게인을 설정한다.

선형 보정 게인 설정 공정(S22)을 실행함으로써, 증폭 게인 조절 후의 앰프(63)에 의한 각 채널의 출력 신호의 값을 I1', I2', I3', I4'로 하면, (B1') 식에 있어서 as1=as2=as3=as4=as로 한 다음 (D1) 식이 성립한다.

[수학식 10]

다음에, 선형 보정 게인 설정 공정(S22)의 실행 후, 제1 배치 상태 하에서 이하에 나타내는 오프셋 보정값 설정 공정이 실행된다(S23).

오프셋 보정값 설정 공정(S23)은 참조광(Pr)의 광로 길이를 일정하게 유지하면서 물체광(Ps)만을 차단하여 앰프(63)에 의해 얻어지는 4개의 참조광(Pr)의 강도(ar1 내지 ar4)를 위상차 연산 계산기(4)에 있어서의 오프셋 보정값으로서 설정하는 공정이다. 여기서, 위상차 연산 계산기(4)는 참조광(Pr)의 강도(ar1 내지 ar4)를 4개의 앰프(63)의 출력값으로부터 감산하는 오프셋 보정을 행한다. ar1 내지 ar4는 위상차 연산 계산기(4)의 메모리에 기억된다.

여기서, 선형 보정 게인 설정 공정(S22) 및 오프셋 보정값 설정 공정(S23)에 의해, 앰프(63) 및 위상차 연산 계산기(4)에 의한 선형 보정 및 오프셋 보정이 이루어진 각 채널의 간섭광(Q1 내지 Q4)의 강도의 측정값을 I1", I2", I3", I4"로 한다. 그러면, 전술한 (D1) 식에 있어서의 4개의 식의 좌변 및 우변 각각으로부터 오프셋 보정값(ar1 내지 ar4)을 감산한 다음 (D2) 식이 성립한다.

[수학식 11]

여기서, 다음 (D3) 식에 의해 소정의 변수(Z)가 정의된다.

[수학식 12]

또한, (D2) 식이 성립하는 경우, (D2) 식으로부터 도출되는 다음 (D4) 식이 성립한다.

[수학식 13]

그리고, (D4) 식으로부터 위상차(φ)를 구하는 역함수를 유도함으로써 다음 (D5) 식이 얻어진다.

[수학식 14]

즉, 선형 보정 게인 설정 공정(S22) 및 오프셋 보정값 설정 공정(S23)이 실행된 후에, 4개의 채널 각각의 앰프(63) 및 위상차 연산 계산기(4)에 의해 얻어지는 선형 보정 및 오프셋 보정 후의 간섭광(Q1 내지 Q4)의 측정값을 I1", I2", I3", I4"로 하면, 상기 (D3) 식 및 상기 (D5) 식이 성립한다.

또한, 오프셋 보정값 설정 공정(S23)의 실행 후에 위상차 연산 계산기(4)가 위상 시프트용 광학계(261, 263, 264)에 의한 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 산출하여 소정의 메모리에 기억시키는 위상 시프트 오차 산출 공정을 실행한다(S24). 위상 시프트 오차 산출 공정(S24)에서는 위상차 연산 계산기(4)가 이하에 나타내는 각 처리를 실행한다.

우선, 위상차 연산 계산기(4)는 상기 스텝 S13과 마찬가지로 제1 배치 상태 하에서 물체광(Ps) 또는 참조광(Pr)의 광로 길이에 물체광(Ps) 및 참조광(Pr)의 파장(λ) 이상의 진폭의 변동을 부여하면서 앰프(63)의 선형 보정 및 위상차 연산 계산기(4)의 오프셋 보정에 의해 얻어지는 보정 후의 4개의 간섭광(Q1 내지 Q4) 각각의 강도의 시계열 변화를 위상차 연산 계산기(4)의 메모리에 기억시킨다.

또한, 위상차 연산 계산기(4)는 상기 스텝 S14와 마찬가지로 메모리에 기억시킨 기준 채널의 간섭광(Q2) 및 3개의 비기준 채널의 간섭광(Q1, Q3, Q4)의 강도의 시계열 변화로부터 얻어지는 리서쥬 파형의 정보를 산출한다. 이에 의해, 3개의 비기준 채널의 측정값에 대응하는 3개의 리서쥬 파형 각각에 대하여 폭 (Wa1, Wb2), (Wa3, Wb3), (Wa4, Wb4)가 산출된다.

또한, 위상차 연산 계산기(4)는 -π/2, +π/2 및 +π2의 위상 시프트가 행해지는 각 채널에 있어서의 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 ε1=sin^-1(Wa/Wb)+(π/2), ε3=sin^-1(Wa/Wb)-(π/2), ε4=[sin^-1(Wa/Wb)+ε3]-(π/2)의 각 계산식에 기초하여 산출하고, 산출 결과를 메모리에 기억한다. 이상의 장치 교정 공정(S21 내지 S24)을 실행함으로써, 상기 (D3) 식 및 상기 (D5) 식이 성립함과 함께 (D5) 식에 있어서의 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)가 모두 기지로 된다.

따라서, 장치 교정 공정(S21 내지 S24)을 실행한 후에 피측정물(1)에 대하여 4개의 채널의 간섭광(Q1 내지 Q4)의 강도(I1", I2", I3", I4")를 측정하면, 그 측정값(I1", I2", I3", I4")과 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)와, 오프셋 보정값인 각 채널의 참조광(Pr)의 강도(ar1 내지 ar4)를 상기 (D3) 식 및 (D5) 식으로 이루어지는 상기 (A2) 식에 적용함으로써, 물체광(Ps)과 참조광(Pr)의 사이의 위상차(φ)를 산출할 수 있다. 또한, 위상차(φ)는 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)가 제외된 것이다.

그리고, 이상에 나타낸 장치 교정 공정(S21 내지 S24)의 실행 후, 피측정물(1)에 대한 형상 측정 공정(S25 내지 S29)이 실행된다.

형상 측정 공정에서는, 우선 스텝 S15와 마찬가지로 피측정물(1)이 측정 위치에 배치되고, 지지됨과 함께 가동 지지 장치(Z2)에 의해 피측정물(1)의 2차원 방향의 지지 위치의 이동이 개시된다(S25). 이에 의해, 제2 배치 상태로 된다.

또한, 스텝 S1에서 측정 위치에 배치된 교정용 물체가 피측정물(1)인 경우에는, 교정용 물체로부터 최초의 측정 대상이 되는 피측정물(1)에의 교체 공정은 스킵된다.

다음에, 위상차 연산 계산기(4)는 제2 배치 상태 하에서 앰프(63)의 선형 보정 및 위상차 연산 계산기(4)의 오프셋 보정에 의해 얻어지는 4개의 채널의 간섭광(Q1 내지 Q4) 각각의 강도(I1" 내지 I4")를 검출하고, 그 검출 결과를 소정의 메모리에 기록하는 측정용 간섭광 강도 검출 공정을 실행한다(S26).

또한, 위상차 연산 계산기(4)는 측정용 간섭광 강도 검출 공정(S26)에서 얻어진 4개의 간섭광(Q1 내지 Q4) 각각의 보정 후의 강도(I1" 내지 I4")와, 위상 시프트 오차 산출 공정(S24)에서 얻어진 3개의 비기준 채널의 간섭광 각각에 대한 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)와, 오프셋 보정값(ar1 내지 ar4)을 (D3) 식 및 (D5) 식으로 이루어지는 (A2) 식에 적용함으로써, 물체광(Ps)과 참조광(Pr)의 사이의 위상차(φ)를 산출하는 위상차 산출 공정을 실행한다(S27). 이 스텝 S27에서 산출된 위상차(φ)는 형상 연산 계산기(6)에 전송된다. 그리고, 위상차 연산 계산기(4)는 피측정물(1)에 있어서의 예정된 모든 측정점(1a, 1b)에 대하여 스텝 S26 및 S27의 처리를 반복한다. 형상 연산 계산기(6)는 모든 측정점(1a, 1b)에 대한 측정이 종료하였는지의 여부를 판별한다(S28).

그리고, 모든 측정점(1a, 1b)에 대한 측정 처리(S26, S27)가 종료하면, 형상 연산 계산기(6)는 모든 측정점(1a, 1b)에 대하여 얻어진 위상차(φa, φb)의 차(φa-φb)의 분포에 기초하여 피측정물(1)의 두께 분포를 산출하는 형상 산출 처리를 실행한다(S29).

본 제2 실시예에 관한 형상 측정 방법에 있어서도 장치 교정 공정(S21 내지 S24)은 1개 또는 복수의 피측정물(1)의 형상 측정 전에 1회 행하면 된다.

이상에 나타낸 도 9의 제2 실시예에 관한 형상 측정 방법에 의해서도, 복수의 편광판(261, 263, 264)을 이용하여 광학적으로 위상 시프트를 행하는 경우에 발생하는 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)의 영향을 받지 않고, 측정 결과(φ)를 간이하게 얻을 수 있다.

이상에 나타낸 실시 형태에서는 광간섭계(20)가 2개 설치된 형상 측정 장치(X2)를 나타냈으나, 1개의 광간섭계(20)를 구비한 형상 측정 장치에 의해 피측정물(1)의 한쪽 면의 표면 형상(높이 분포)을 측정하는 것도 생각된다.

또한, 광의 강도의 오프셋 보정의 기능은 위상차 연산 계산기(4)가 아닌 앰프(63)에 구비되는 것도 생각된다.

본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피측정물에 대한 두께 분포의 측정 장치에 이용 가능하다.

또한, 본 발명은 호모다인 간섭계를 이용하여 피측정물의 표면 형상을 측정하는 형상 측정 방법에 이용 가능하다.

이상과 같이 본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시 양태를 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에 있어서 명백하다. 본 출원은 2009년 1월 28일 출원의 일본 특허 출원(특원 제2009-016396) 및 2009년 6월 5일 출원의 일본 특허 출원(특원 제2009-135973)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 받아들여진다.

X1, X2: 형상 측정 장치
Y1, Y2: 간섭광 측정부
Z1, Z2: 가동 지지 장치
1: 피측정물
1a: A면 측정점
1b: B면 측정점
2: 레이저 광원
3: 편광빔 스플리터
a4: 제1 계산기
b4: 제2 계산기
4: 위상차 연산 계산기
5: 제3 계산기
6: 형상 연산 계산기
7: 이동 제어 장치
a11 내지 a13, b11, b12, 11: 미러
a20, b20, 20: 광간섭계
a21, b21, 21: 편광빔 스플리터
a22, a23, b22, b23, 22, 23: 4분의 1 파장판
a24, b24, 24: 참조판
a31, b31, 31: 2분의 1 파장판
a32, b32 , 32: 집광 렌즈
a251 내지 a252, b251 내지 b252, 251, 252: 무편광의 빔 스플리터
a261, a263, b261, b263, 261, 263: 4분의 1 파장판
a264, b264, 264: 2분의 1 파장판
a271 내지 a274, b271 내지 b274, 271 내지 274: 편광판
a281 내지 a284, b281 내지 b284, 281 내지 284: 광검출기
P0, Pi: 빔광
Pax, Pbx, Px: 비간섭광
Pa1 내지 Pa4, Pb1 내지 Pb4, P1 내지 P4: 비간섭광의 분기광
Qa1 내지 Qa4, Qb1 내지 Qb4, Q1 내지 Q4: 간섭광

Claims (14)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 소정의 측정 위치에 배치된 물체에 반사시킨 물체광과 그 이외의 참조광이 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광을 4분기시키는 비간섭광 분기용 광학계와,
   상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 사이에 각각 상이한 위상차를 발생시키는 위상 시프트용 광학계와,
   상기 위상 시프트용 광학계를 거친 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각으로부터 상기 참조광과 상기 물체광의 간섭광을 추출하는 4개의 편광판과,
   4개의 상기 편광판을 거친 광 각각의 강도를 검출하는 광강도 검출 수단과,
   상기 광강도 검출 수단에 의해 얻어지는 4개의 광강도 각각에, 독립하여 보정을 가하는 광강도 보정 수단과,
   상기 편광판을 각도 가변으로 지지하는 편광판 지지 수단과,
   상기 물체광 및 상기 참조광의 각각을 차단하는 광 차단 수단과,
   상기 측정 위치에 교정용 물체가 배치된 제1 배치 상태 하에서, 상기 물체광 또는 상기 참조광의 광로 길이에 시계열의 변동이 주어졌을 때에 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도의 시계열 변화의 진폭을 일치시키도록 하는, 상기 광강도 보정 수단에 대한 보정의 게인을 설정하는 게인 설정 수단과,
   상기 제1 배치 상태 하에서, 상기 물체광 또는 상기 참조광의 광로 길이에 시계열의 변동이 주어져 있을 때에, 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도 정보에 기초하여, 상기 위상 시프트용 광학계에 의한 위상 시프트의 오차를 산출하는 위상 시프트 오차 산출 수단과,
   상기 측정 위치에 피측정물이 배치된 제2 배치 상태 하에서, 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 상기 간섭광의 강도와 상기 위상 시프트 오차 산출 수단의 산출 결과에 기초하여, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차를 산출하는 위상차 산출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 위상 시프트용 광학계가, 4개로 분기된 상기 비간섭광 중 기준의 간섭광의 기원이 되는 1개의 상기 비간섭광에 대한, 비기준의 간섭광의 기원이 되는 3개의 상기 비간섭광의 위상차를 각각 -90°, +90° 및 +180°로 하고,
   상기 위상차 산출 수단이, 상기 기준의 간섭광의 강도(I2') 및 3개의 상기 비기준의 간섭광의 강도(I1', I3', I4')와, 3개의 상기 비기준의 간섭광 각각에 대한 상기 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 다음 (A1) 식에 적용함으로써, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차(φ)를 산출하는, 형상 측정 장치.
   [수학식 1]
   

   
7. 제5항에 있어서, 상기 제1 배치 상태 하에서 상기 물체광 및 상기 참조광의 광로 길이를 일정하게 유지한 상태에 있어서의 상기 광강도 검출 수단의 각각의 검출 강도에 대하여, 상기 광 차단 수단에 의해 상기 물체광을 차단했을 때의 상기 참조광의 검출 강도와, 상기 광 차단 수단에 의해 상기 참조광을 차단했을 때의 상기 물체광의 검출 강도가 일치하도록, 상기 편광판 지지 수단에 의한 상기 편광판의 지지 각도를 각각 조절하는 편광판 지지 각도 조절 수단을 구비하는, 형상 측정 장치.
8. 소정의 측정 위치에 배치된 물체에 반사시킨 물체광과 그 이외의 참조광이 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광을 4분기시키는 비간섭광 분기용 광학계와,
   상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 사이에 각각 상이한 위상차를 발생시키는 위상 시프트용 광학계와,
   상기 위상 시프트용 광학계를 거친 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각으로부터 상기 참조광과 상기 물체광의 간섭광을 추출하는 4개의 편광판과,
   4개의 상기 편광판을 거친 광 각각의 강도를 검출하는 광강도 검출 수단과,
   상기 광강도 검출 수단에 의해 얻어지는 4개의 광강도 각각에 독립하여, 보정을 가하는 광강도 보정 수단과,
   상기 물체광 및 상기 참조광의 각각을 차단하는 광 차단 수단과,
   상기 측정 위치에 교정용 물체가 배치된 제1 배치 상태 하에서, 상기 물체광의 광로 길이가 일정하게 유지되어 상기 광 차단 수단에 의해 상기 참조광이 차단되어 있을 때에, 상기 광강도 보정 수단에 의해 얻어지는 4개의 상기 물체광의 강도가 일치하도록, 상기 광강도 보정 수단에 대하여 보정의 게인을 설정하는 게인 설정 수단과,
   상기 제1 배치 상태 하에서, 상기 참조광의 광로 길이가 일정하게 유지되어 상기 광 차단 수단에 의해 상기 물체광이 차단되어 있을 때에, 상기 광강도 보정 수단에 의해 얻어지는 4개의 상기 참조광의 강도를 상기 광강도 보정 수단의 오프셋 보정값으로서 설정하는 오프셋 보정값 설정 수단과,
   상기 제1 배치 상태 하에서, 상기 물체광 또는 상기 참조광의 광로 길이에 시계열의 변동이 주어져 있을 때에, 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도 정보에 기초하여, 상기 위상 시프트용 광학계에 의한 위상 시프트의 오차를 산출하는 위상 시프트 오차 산출 수단과,
   상기 측정 위치에 피측정물이 배치된 제2 배치 상태 하에서, 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도 정보와 상기 위상 시프트 오차 산출 수단의 산출 결과에 기초하여, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차를 산출하는 위상차 산출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 위상 시프트용 광학계가, 4개로 분기된 상기 비간섭광 중 기준의 간섭광의 기원이 되는 1개의 상기 비간섭광에 대한, 비기준의 간섭광의 기원이 되는 3개의 상기 비간섭광의 위상차를 각각 -90°, +90° 및 +180°로 하고,
   상기 위상차 산출 수단이, 상기 기준의 간섭광의 강도(I2") 및 3개의 상기 비기준의 간섭광의 강도(I1", I3", I4")와, 3개의 상기 비기준의 간섭광 각각에 대한 상기 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)와, 상기 오프셋 보정값 설정 수단에 의해 설정된 상기 오프셋 보정값(ar1, ar2, ar3, ar4)을 다음 (A2) 식에 적용함으로써, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차(φ)를 산출하는, 형상 측정 장치.
   [수학식 2]
   

   
10. 소정의 광원의 출사광이 2분기되어, 소정의 측정 위치에 배치된 물체의 표리 각면에 유도된 빔광을 기준이 되는 참조면에 반사시킨 참조광과, 상기 물체에 있어서의 표리 각면의 표리 서로 대향하는 측정점에 반사시킨 물체광의 간섭광의 강도를 검출하는, 상기 물체의 표리 각면에 대하여 각각 설치되는 2개의 호모다인 간섭계와,
    상기 2개의 호모다인 간섭계에 대한 상기 물체의 2차원 방향의 상대 위치를 변화시키면서, 상기 2개의 호모다인 간섭계에 의해 복수 개소의 상기 측정점에 대하여 검출된 상기 간섭광의 강도에 기초하여, 상기 물체의 두께 분포를 산출하는 두께 분포 산출 수단을 구비하는 형상 측정 장치이며,
    상기 2개의 호모다인 간섭계 각각이
    상기 빔광을 2분기시켜 상기 참조면과 상기 측정점의 각각에 조사하여, 상기 참조광과 상기 물체광이 서로 직교하는 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광을 얻는 비간섭광 취득용 광학계와,
    상기 비간섭광 취득용 광학계에 의해 얻어진 상기 비간섭광을 3개 이상으로 분기시키는 비간섭광 분기용 광학계와,
    상기 비간섭광 분기용 광학계에 의해 얻어진 상기 비간섭광의 3개 이상의 분기광 중 1개 이상에 대하여 복굴절 소자를 통하여 직교하는 편광 성분의 위상차에 변화를 부여함으로써, 상기 비간섭광의 3개 이상의 분기광 각각에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 사이에 상이한 위상차를 발생시키는 위상 시프트용 광학계와,
    상기 위상 시프트용 광학계를 거친 상기 비간섭광의 3개 이상의 분기광 각각으로부터, 상기 분기광에 있어서의 상기 참조광 및 상기 물체광의 편광 방향을 기준으로 하는 각도가 공통인 편광 성분을 추출함으로써, 상기 참조광과 상기 물체광의 간섭광을 추출하는 간섭광 추출용 광학계와,
    상기 간섭광 추출용 광학계에 의해 추출된 복수의 간섭광 각각의 강도를 검출하는 간섭광 강도 검출 수단과,
    상기 비간섭광 취득용 광학계와 상기 측정점의 사이에 있어서의 상기 빔광 및 그 반사광인 상기 물체광의 광로에 배치되어 상기 측정점을 초점으로 하는 집광 렌즈를 구비하고,
    상기 두께 분포 산출 수단이,
    상기 물체의 표리 각면에 대하여 상기 간섭광 강도 검출 수단에 의해 각각 검출된 복수의 상기 간섭광의 각각의 강도에 기초하여, 상기 비간섭광에 있어서의 상기 참조광 및 상기 물체광의 편광 성분의 위상차를 산출하는 위상차 산출 수단과,
    상기 물체의 표리 각면 각각의 복수 개소의 상기 측정점에 대하여 상기 위상차 산출 수단에 의해 산출된 위상차의 분포에 기초하여, 상기 물체의 두께 분포를 산출하는 두께 분포 산출 수단을 구비하고,
    상기 비간섭광 분기용 광학계는 상기 비간섭광을 4 분기시키고,
    상기 위상 시프트용 광학계는, 상기 비간섭광 분기용 광학계에 의해 얻어진 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 사이에 상이한 위상차를 발생시키고,
    상기 간섭광 추출용 광학계는, 상기 위상 시프트용 광학계를 거친 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각으로부터 상기 참조광과 상기 물체광의 간섭광을 추출하는 4개의 편광판이고,
    상기 간섭광 강도 검출 수단은, 상기 4개의 편광판에 의해 추출된 4개의 간섭광 각각의 강도를 검출하고,
    상기 간섭광 강도 검출 수단에 의해 얻어지는 4개의 광강도 각각에, 독립하여 보정을 가하는 광강도 보정 수단과,
    상기 편광판을 각도 가변으로 지지하는 편광판 지지 수단과,
    상기 물체광 및 상기 참조광의 각각을 차단하는 광 차단 수단과,
    상기 측정 위치에 교정용 물체가 배치된 제1 배치 상태 하에서, 상기 물체광 또는 상기 참조광의 광로 길이에 시계열의 변동이 주어졌을 때에 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도의 시계열 변화의 진폭을 일치시키도록 하는, 상기 광강도 보정 수단에 대한 보정의 게인을 설정하는 게인 설정 수단과,
    상기 제1 배치 상태 하에서, 상기 물체광 또는 상기 참조광의 광로 길이에 시계열의 변동이 주어져 있을 때에, 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도 정보에 기초하여, 상기 위상 시프트용 광학계에 의한 위상 시프트의 오차를 산출하는 위상 시프트 오차 산출 수단과,
    상기 측정 위치에 피측정물이 배치된 제2 배치 상태 하에서, 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 상기 간섭광의 강도와 상기 위상 시프트 오차 산출 수단의 산출 결과에 기초하여, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차를 산출하는 위상차 산출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 위상 시프트용 광학계가, 4개로 분기된 상기 비간섭광 중 기준의 간섭광의 기원이 되는 1개의 상기 비간섭광에 대한, 비기준의 간섭광의 기원이 되는 3개의 상기 비간섭광의 위상차를 각각 -90°, +90° 및 +180°로 하고,
    상기 위상차 산출 수단이, 상기 기준의 간섭광의 강도(I2') 및 3개의 상기 비기준의 간섭광의 강도(I1', I3', I4')와, 3개의 상기 비기준의 간섭광 각각에 대한 상기 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)를 다음 (A1) 식에 적용함으로써, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차(φ)를 산출하는, 형상 측정 장치.
    [수학식 3]
    

    
12. 제10항에 있어서, 상기 제1 배치 상태 하에서 상기 물체광 및 상기 참조광의 광로 길이를 일정하게 유지한 상태에 있어서의 상기 간섭광 강도 검출 수단의 각각의 검출 강도에 대하여, 상기 광 차단 수단에 의해 상기 물체광을 차단했을 때의 상기 참조광의 검출 강도와, 상기 광 차단 수단에 의해 상기 참조광을 차단했을 때의 상기 물체광의 검출 강도가 일치하도록, 상기 편광판 지지 수단에 의한 상기 편광판의 지지 각도를 각각 조절하는 편광판 지지 각도 조절 수단을 구비하는, 형상 측정 장치.
13. 소정의 광원의 출사광이 2분기되어, 소정의 측정 위치에 배치된 물체의 표리 각면에 유도된 빔광을 기준이 되는 참조면에 반사시킨 참조광과, 상기 물체에 있어서의 표리 각면의 표리 서로 대향하는 측정점에 반사시킨 물체광의 간섭광의 강도를 검출하는, 상기 물체의 표리 각면에 대하여 각각 설치되는 2개의 호모다인 간섭계와,
    상기 2개의 호모다인 간섭계에 대한 상기 물체의 2차원 방향의 상대 위치를 변화시키면서, 상기 2개의 호모다인 간섭계에 의해 복수 개소의 상기 측정점에 대하여 검출된 상기 간섭광의 강도에 기초하여, 상기 물체의 두께 분포를 산출하는 두께 분포 산출 수단을 구비하는 형상 측정 장치이며,
    상기 2개의 호모다인 간섭계 각각이
    상기 빔광을 2분기시켜 상기 참조면과 상기 측정점의 각각에 조사하여, 상기 참조광과 상기 물체광이 서로 직교하는 편광 성분으로서 포함되는 비간섭광을 얻는 비간섭광 취득용 광학계와,
    상기 비간섭광 취득용 광학계에 의해 얻어진 상기 비간섭광을 3개 이상으로 분기시키는 비간섭광 분기용 광학계와,
    상기 비간섭광 분기용 광학계에 의해 얻어진 상기 비간섭광의 3개 이상의 분기광 중 1개 이상에 대하여 복굴절 소자를 통하여 직교하는 편광 성분의 위상차에 변화를 부여함으로써, 상기 비간섭광의 3개 이상의 분기광 각각에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 사이에 상이한 위상차를 발생시키는 위상 시프트용 광학계와,
    상기 위상 시프트용 광학계를 거친 상기 비간섭광의 3개 이상의 분기광 각각으로부터, 상기 분기광에 있어서의 상기 참조광 및 상기 물체광의 편광 방향을 기준으로 하는 각도가 공통인 편광 성분을 추출함으로써, 상기 참조광과 상기 물체광의 간섭광을 추출하는 간섭광 추출용 광학계와,
    상기 간섭광 추출용 광학계에 의해 추출된 복수의 간섭광 각각의 강도를 검출하는 간섭광 강도 검출 수단과,
    상기 비간섭광 취득용 광학계와 상기 측정점의 사이에 있어서의 상기 빔광 및 그 반사광인 상기 물체광의 광로에 배치되어 상기 측정점을 초점으로 하는 집광 렌즈를 구비하고,
    상기 두께 분포 산출 수단이,
    상기 물체의 표리 각면에 대하여 상기 간섭광 강도 검출 수단에 의해 각각 검출된 복수의 상기 간섭광의 각각의 강도에 기초하여, 상기 비간섭광에 있어서의 상기 참조광 및 상기 물체광의 편광 성분의 위상차를 산출하는 위상차 산출 수단과,
    상기 물체의 표리 각면 각각의 복수 개소의 상기 측정점에 대하여 상기 위상차 산출 수단에 의해 산출된 위상차의 분포에 기초하여, 상기 물체의 두께 분포를 산출하는 두께 분포 산출 수단을 구비하고,
    상기 비간섭광 분기용 광학계는 상기 비간섭광을 4분기시키고,
    상기 위상 시프트용 광학계는, 상기 비간섭광 분기용 광학계에 의해 얻어진 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각에 있어서의 상기 참조광의 편광 성분과 상기 물체광의 편광 성분의 사이에 상이한 위상차를 발생시키고,
    상기 간섭광 추출용 광학계는, 상기 위상 시프트용 광학계를 거친 상기 비간섭광의 4개의 분기광 각각으로부터 상기 참조광과 상기 물체광의 간섭광을 추출하는 4개의 편광판이고,
    상기 간섭광 강도 검출 수단은, 상기 4개의 편광판에 의해 추출된 4개의 간섭광 각각의 강도를 검출하고,
    상기 간섭광 강도 검출 수단에 의해 얻어지는 4개의 광강도 각각에, 독립하여 보정을 가하는 광강도 보정 수단과,
    상기 물체광 및 상기 참조광의 각각을 차단하는 광 차단 수단과,
    상기 측정 위치에 교정용 물체가 배치된 제1 배치 상태 하에서, 상기 물체광의 광로 길이가 일정하게 유지되어 상기 광 차단 수단에 의해 상기 참조광이 차단되어 있을 때에, 상기 광강도 보정 수단에 의해 얻어지는 4개의 상기 물체광의 강도가 일치하도록, 상기 광강도 보정 수단에 대하여 보정의 게인을 설정하는 게인 설정 수단과,
    상기 제1 배치 상태 하에서, 상기 참조광의 광로 길이가 일정하게 유지되어 상기 광 차단 수단에 의해 상기 물체광이 차단되어 있을 때에, 상기 광강도 보정 수단에 의해 얻어지는 4개의 상기 참조광의 강도를 상기 광강도 보정 수단의 오프셋 보정값으로서 설정하는 오프셋 보정값 설정 수단과,
    상기 제1 배치 상태 하에서, 상기 물체광 또는 상기 참조광의 광로 길이에 시계열의 변동이 주어져 있을 때에, 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도 정보에 기초하여, 상기 위상 시프트용 광학계에 의한 위상 시프트의 오차를 산출하는 위상 시프트 오차 산출 수단과,
    상기 측정 위치에 피측정물이 배치된 제2 배치 상태 하에서, 상기 광강도 보정 수단에 의해 보정된 4개의 상기 간섭광 각각의 강도 정보와 상기 위상 시프트 오차 산출 수단의 산출 결과에 기초하여, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차를 산출하는 위상차 산출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는, 형상 측정 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 위상 시프트용 광학계가, 4개로 분기된 상기 비간섭광 중 기준의 간섭광의 기원이 되는 1개의 상기 비간섭광에 대한, 비기준의 간섭광의 기원이 되는 3개의 상기 비간섭광의 위상차를 각각 -90°, +90° 및 +180°로 하고,
    상기 위상차 산출 수단이, 상기 기준의 간섭광의 강도(I2") 및 3개의 상기 비기준의 간섭광의 강도(I1", I3", I4")와, 3개의 상기 비기준의 간섭광 각각에 대한 상기 위상 시프트의 오차(ε1, ε3, ε4)와, 상기 오프셋 보정값 설정 수단에 의해 설정된 상기 오프셋 보정값(ar1, ar2, ar3, ar4)을 다음 (A2) 식에 적용함으로써, 상기 피측정물에 대한 상기 물체광과 상기 참조광의 위상차(φ)를 산출하는, 형상 측정 장치.
    [수학식 4]
    

    

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