KR102144757B1 - 형상 측정 장치 및 해당 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 형상 측정 장치 및 해당 방법은, 제1 A면 측정 광과 제2 A면 측정 광을 광 헤테로다인 간섭을 행하여 얻어지는 A면 참조 간섭 광 및 A면 측정 간섭 광, 그리고 제1 B면 측정 광과 제2 B면 측정 광을 광 헤테로다인 간섭을 행하여 얻어지는 B면 참조 간섭 광 및 B면 측정 간섭 광에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량을 측정하는 장치 및 방법이며, 상기 각 광 헤테로다인 간섭할 때, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 한다.

Description

형상 측정 장치 및 해당 방법{SHAPE MEASURING DEVICES AND METHODS THEREOF}
본 발명은, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 피측정물의 두께 변화량을 광 헤테로다인 간섭법에 의하여 측정하는 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법에 관한 것이다.
근년, 집적 회로는 소자의 집적화가 진행되고 있다. 이 집적 회로를 반도체 웨이퍼에 제조하는 프로세스 조건인 프로세스 룰은 통상, 게이트 배선의 선 폭 또는 간격에 있어서의 최소 가공 치수에 따라 규정된다. 이 프로세스 룰이 절반으로 되면 이론상, 동일한 면적에 4배의 트랜지스터나 배선을 배치할 수 있기 때문에, 동일한 트랜지스터 수라면 1/4의 면적으로 된다. 이 결과, 1매의 반도체 웨이퍼로부터 제조할 수 있는 다이가 4배로 될 뿐 아니라 통상, 수율도 개선되기 때문에 더 많은 다이를 제조 가능하게 된다. 이 최소 가공 치수는, 고밀도 집적 회로를 제조하기 위하여, 2015년의 시점의 최첨단에서는 14㎚에 달하고 있다.
이와 같은 서브마이크로미터 오더(1㎛ 이하)의 프로세스 룰에서는 반도체 웨이퍼에 높은 평탄도가 요구되며, 예를 들어 표면의 높이 변화 등의, 반도체 웨이퍼의 형상을 무시하지 못한다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼의 형상을 고정밀도로, 예를 들어 서브 나노미터 오더(1㎚ 이하)로 측정하는 형상 측정 장치가 요망되고 있다. 이와 같은 형상 측정 장치의 하나로서, 광 헤테로다인 간섭법에 의하여 피측정물의 형상을 측정하는 장치가 알려져 있다(예를 들어 특허문헌1 참조). 이 광 헤테로다인 간섭법은, 주파수가 상이한 두 레이저 광을 간섭시켜, 그들의 차의 주파수를 갖는 비트 신호를 생성하고, 이 생성한 비트 신호의 위상 변화를 검파하는 것이며, 이 비트 신호의 위상 변화는, 상기 두 레이저 광 사이에 있어서의 광로 길이의 차에 대응하고, 따라서 피측정물의 두께 변화에 관계된다.
일본 특허 공개 제2010-175499호 공보
전술한 바와 같이, 광 헤테로다인 간섭법에서는, 주파수가 상이한 두 레이저 광이 필요하다. 이 때문에, 동일한 광축으로부터 주파수가 상이한 두 레이저 광을 출력하는 제만 레이저나, 주파수 안정화 레이저를 이용하며, 이와 같은 레이저로부터 출력되는 레이저 광을 음향 광학 변조기(AOM, acoust optical modulator) 등으로 주파수를 변조함으로써, 상기 주파수가 상이한 두 레이저 광을 생성하는 방법이 이용된다. 이와 같은 방법에서는, 제만 효과를 얻기 위하여 자장을 생성하는 회로, 주파수를 안정화시키기 위한 회로, 및 펌핑을 위한 회로 등 그 자체에 발생하는 노이즈나 그것에 외부로부터 침입하는 노이즈 등이, 상기 주파수가 상이한 두 레이저 광의 주파수 성분에 포함되어 버리는 경우가 있으며, 이 결과, 측정값에 노이즈가 혼입되어 버리는 경우가 있다.
또한 광 헤테로다인 간섭법에서는 위상의 검출에 소위 로크인 증폭기가 사용되지만, 상기 노이즈는, 이 로크인 증폭기를 구성하는 저역 통과 필터로도 제거하지 못하는 주파수로 되는 경우가 있다.
본 발명은 전술한 사정을 감안하여 이루어진 발명이며, 그 목적은, 보다 노이즈를 저감시킬 수 있는 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법은, 제1 A면 측정 광과 제2 A면 측정 광을 광 헤테로다인 간섭을 행하여 얻어지는 A면 참조 간섭 광 및 A면 측정 간섭 광, 그리고 제1 B면 측정 광과 제2 B면 측정 광을 광 헤테로다인 간섭을 행하여 얻어지는 B면 참조 간섭 광 및 B면 측정 간섭 광에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량을 측정하는 장치 및 방법이며, 상기 각 광 헤테로다인 간섭할 때, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 한다.
상기 및 그 외의 본 발명의 목적, 특징 및 이점은, 이하의 상세한 기재와 첨부 도면으로부터 밝혀질 것이다.
도 1은 실시 형태에 따른 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 상기 형상 측정 장치에 있어서의 광원부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 상기 형상 측정 장치에 있어서의 A면 간섭부(B면 간섭부)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 상기 형상 측정 장치에 있어서의 A면 위상 검파부(B면 위상 검파부)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 상기 형상 측정 장치에 있어서의 스테이지의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 상기 형상 측정 장치를 사용하여 피측정물의 두께 변화량을 측정하는 경우에 있어서의 측정 개소를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 변형 형태에 따른 A면 위상 검파부(B면 위상 검파부)의 구성을 도시하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 하나 또는 복수의 실시 형태가 설명된다. 그러나 발명의 범위는 개시된 실시 형태에 한정되지 않는다. 또한 각 도면에 있어서 동일한 부호를 붙인 구성은 동일한 구성인 것을 나타내며, 적절히 그 설명을 생략한다. 본 명세서에 있어서, 총칭하는 경우에는 첨자를 생략한 참조 부호로 나타내고, 개별 구성을 가리키는 경우에는 첨자를 붙인 참조 부호로 나타낸다.
실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치는, 광 헤테로다인 간섭법을 이용함으로써, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 박판형의 피측정물 WA에 있어서의 두께 변화량을, 예를 들어 나노미터 레벨이나 서브나노미터 레벨(1㎚ 이하의 두께 방향의 분해능)로 비접촉으로 측정하는 장치이다. 이와 같은 형상 측정 장치는, 본 실시 형태에서는, 측정 광을 생성하는 광원부와, 상기 광원부에서 생성된 측정 광을 A면 측정 광과 B면 측정 광으로 나누는 광 분기부와, 상기 광 분기부로 나뉜 A면 측정 광을 제1 A면 측정 광과 제2 A면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 피측정물의 한쪽 면에서의 제1 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 조사 후 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 조사 전 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 참조 간섭 광을 생성하는 A면 간섭부와, 상기 광 분기부로 나뉜 B면 측정 광을 제1 B면 측정 광과 제2 B면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 피측정물의 다른 쪽 면에서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 대향하는 제2 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 조사 후 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 제2 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 조사 전 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 참조 간섭 광을 생성하는 B면 간섭부와, 상기 A면 간섭부에 의하여 생성된 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제1 위상, 그리고 상기 B면 간섭부에 의하여 생성된 B면 측정 간섭 광 및 B면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제2 위상에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하는 형상 측정부를 구비한다. 그리고 본 실시 형태에서는, 상기 A면 간섭부 및 상기 B면 간섭부는, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 한다. 이하, 보다 구체적으로 형상 측정 장치에 대하여 설명한다.
도 1은, 실시 형태에 따른 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 형상 측정 장치 S는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이, 광원부(1)와 A면 간섭부(2A)와 B면 간섭부(2B)와 A면 위상 검파부(3A(3Aa))와 B면 위상 검파부(3B(3Ba))와 연산 제어부(4(4a))와 스테이지(5)와 입력부(6)와 출력부(7)를 구비하며, 스테이지(5)에 의하여 피측정물 WA를 수평 방향으로 이동시키면서 피측정물 WA의 두께 변화량을 측정하는 것이다.
이하, 형상 측정 장치 S의 각 부에 대하여 설명하는데, 여기서, 각 부에서 다용되는 광 부품(광학 소자)에 대하여 통틀어 설명한다.
광 분기부(optical branching device, 무편광 빔 스플리터)는, 입사 광을 광 파워의 관점에서 두 광으로 분배하여 각각 사출하는 광 부품이다. 광 분기부는, 예를 들어 하프 미러(반투과경) 등의 미소 광학 소자형 광 분기 결합기나, 용융 파이버의 광 파이버형 광 분기 결합기나, 광 도파로형 광 분기 결합기 등을 이용할 수 있다. 광 분기부는 통상, 입력 단자와 출력 단자를 뒤바꾸어(반대로) 사용하면, 입사된 두 광을 합쳐서 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 수직인 방향(직교하는 방향)으로 사출된다.
편광 빔 스플리터(polarization beam splitter)는, 입사 광으로부터 서로 직교하는 S 편광과 P 편광을 취출하여 각각 사출하는 광 부품이며, 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 수직인 방향(직교하는 방향)으로 사출된다.
편광자(polarizer)는, 입사 광으로부터 소정의 편광면을 갖는 직선 편광을 취출하여 사출하는 광 부품이며, 예를 들어 편광 필터이다.
파장판(wave plate, (위상판(phase plate)))은, 입사 광에 있어서의 두 편광 성분 사이에 소정의 위상차(따라서 광로차)를 부여하여 사출하는 광 부품이며, 예를 들어 입사 광에 있어서의 두 편광 성분 사이에 λ/4의 광로차를 부여하는 1/4 파장판이나, 입사 광에 있어서의 두 편광 성분 사이에 λ/2의 광로차를 부여하는 1/2 파장판 등이다. λ는, 여기서는 입사 광의 파장이다.
반사경(미러, reflection mirror)은, 입사 광을, 그 입사각에 따른 반사각으로 소정의 반사율로 반사함으로써 광의 진행 방향을 변경하는 광 부품이며, 예를 들어 유리 부재의 표면에 금속 박막이나 유전체 다층막을 증착한 것이다. 반사경은, 광의 손실을 저감시키기 위하여 전반사하는 전반사경이 바람직하다.
입력 단자는, 광 부품에 광을 입사하기 위한 단자이고, 또한 출력 단자는, 광 부품으로부터 광을 사출하기 위한 단자이다. 각 부 간의 접속에는, 예를 들어 미러나 렌즈 등의 광학 부품으로 구성되는 도광 수단이 사용되어도 되지만, 본 실시 형태에서는, 각 부 간의 접속에는, 후술하는 바와 같이, 편파 유지 광 파이버 등의 광 파이버가 사용되는 점에서, 이들 입력 단자 및 출력 단자에는, 광 파이버를 접속하기 위한 커넥터가 사용된다.
이하, 형상 측정 장치 S의 각 부에 대하여 설명한다. 먼저, 광원부(1)에 대하여 설명한다. 도 2는, 상기 형상 측정 장치에 있어서의 광원부의 구성을 도시하는 도면이다. 광원부(1)는, 소정의 가간섭 광이며, 피측정물 WA의 두께 변화량을 광 헤테로다인 간섭법에 의하여 측정하기 위한 측정 광을 생성하는 장치이다. 상기 측정 광은, 미리 설정된 소정의 파장 λ(주파수 ω)를 갖는 단파장 광이며, 미리 설정된 소정의 편광면을 갖는 편광이다. 상기 측정 광은, 피측정물 WA를 양면으로부터 광 헤테로다인 간섭법에 의하여 측정하기 위하여, 두 A면 측정 광 및 B면 측정 광을 구비한다. 또한 설명의 편의상, 피측정물 WA의 한쪽 면(한쪽 주면)은 A면이라 호칭되고, 이 A면과 표리 관계에 있는 피측정물 WA의 다른 쪽 면(다른 쪽 주면)은 B면이라 호칭된다. 이와 같은 광원부(1)는, 예를 들어 도 2에 도시한 바와 같이, 단파장 레이저 광원(11)과 광 아이솔레이터(12)와 광 분기부(13)와 편광자(14, 16)와 출력 단자(15, 17)를 구비하여 구성된다.
단파장 레이저 광원(11)은, 미리 설정된 소정의 파장 λ0(주파수 ω0)을 갖는 단파장 레이저 광을 발생시키는 장치이며, 다양한 레이저를 이용할 수 있지만, 예를 들어 소정의 광 파워로 파장 약 632.8㎚의 레이저 광을 출력할 수 있는 헬륨 네온 가스 레이저(He-Ne 가스 레이저) 등이다. 단파장 레이저 광원(11)은, 파장 로커 등을 구비한, 소위 주파수 안정화 가스 레이저가 바람직하다. 단파장 레이저 광원(11)은 반도체 레이저여도 된다.
광 아이솔레이터(12)는, 그 입력 단자로부터 그 출력 단자로 일 방향으로만 광을 투과시키는 광 부품이다. 광 아이솔레이터(12)는, 단파장 레이저 광원(11)의 레이저 발진을 안정시키기 위하여, 형상 측정 장치 S 내에 있어서의 각 광 부품(광학 소자)의 접속부 등에서 발생하는 반사 광(복귀 광)이 단파장 레이저 광원(11)에 입사되는 것을 방지하는 것이다.
이와 같은 광원부(1)에서는, 단파장 레이저 광원(11)으로부터 사출된 레이저 광은 광 아이솔레이터(12)를 통하여 광 분기부(13)에 입사되어 제1 레이저 광 및 제2 레이저 광의 둘로 분배된다. 제1 레이저 광은 편광자(14)에 입사되어, 소정의 편광면을 갖는 레이저 광의 A면 측정 광으로 되어 출력 단자(15)로부터 사출된다. 이 A면 측정 광은 A면 간섭부(2A)에 입사된다. 한편, 제2 레이저 광은 편광자(16)에 입사되어, 소정의 편광면을 갖는 레이저 광의 B면 측정 광으로 되어 출력 단자(17)로부터 사출된다. 이 B면 측정 광은 B면 간섭부(2B)에 입사된다. 본 실시 형태에서는, 상기 A면 측정 광은, 피측정물 WA의 A면을 광 헤테로다인 간섭법에 의하여 측정하기 위하여 이용되고, 상기 B면 측정 광은, 피측정물 WA의 B면을 광 헤테로다인 간섭법에 의하여 측정하기 위하여 이용된다.
광원부(1)와 A면 간섭부(2A)의 접속, 및 광원부(1)와 B면 간섭부(2B)의 접속에는, 광원부(1) 및 A면 간섭부(2A) 사이의 광로 길이와, 광원부(1) 및 B면 간섭부(2B) 사이의 광로 길이의 조정을 용이하게 할 수 있다는 관점에서, 본 실시 형태에서는 각각, 광을, 그 편파면을 유지하면서 도광시키는 편파 유지 광 파이버가 사용된다. 편파 유지 광 파이버는, 예를 들어 PANDA 파이버나 타원 코어 광 파이버 등이다. 광원부(1)의 출력 단자(15)로부터 사출된 A면 측정 광은 편파 유지 광 파이버에 의하여 도광되어 A면 간섭부(2A)에 입사되고, 광원부(1)의 출력 단자(17)로부터 사출된 B면 측정 광은 편파 유지 광 파이버에 의하여 도광되어 B면 간섭부(2B)에 입사된다.
다음으로, A면 간섭부(2A) 및 B면 간섭부(2B)에 대하여 설명한다. 도 3은, 상기 형상 측정 장치에 있어서의 A면 간섭부(B면 간섭부)의 구성을 도시하는 도면이다. 또한 A면 간섭부(2A)와 B면 간섭부(2B)는 동일한 구성이기 때문에, 이하, 주로 A면 간섭부(2A)에 대하여 설명하며, A면 간섭부(2A)의 구성에 붙여진 참조 부호 뒤에, 상기 A면 간섭부(2A)의 구성에 대응하는 B면 간섭부(2B)의 구성에 붙여진 참조 부호를 괄호를 씌워 기재함과 함께, 「A면」을 「B면」으로 바꾸어 읽음으로써 B면 간섭부(2B)의 구성의 설명으로 한다. 이 때문에 도 3에는 주로 A면 간섭부(2A)의 구성이 나타나며, B면 간섭부(2B)의 구성은, 당해 구성에 붙여진 참조 부호를 괄호를 씌워 도시함으로써 도 3에 나타나 있다.
A면 간섭부(2A(2B))는, 광원부(1)로부터의 A면 측정 광이 입사되고, A면 측정 광을 이용한 광 헤테로다인 간섭법에 의하여, A면에 있어서의 피측정물 WA의 두께 변화량에 관한 정보를 포함하는 비트 광 신호를 얻는 장치이다.
보다 구체적으로는, A면 간섭부(2A(2B))는 피측정물 WA의 A면에 대향 배치되어, 광원부(1)로부터의 A면 측정 광을 제1 A면 측정 광과 제2 A면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 피측정물 WA의 A면에서의 제1 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 조사 후 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 조사 전 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 참조 간섭 광을 생성하는 측정 광학계이다. 이와 같은 구성의 A면 간섭부(2A(2B))에서는 A면 참조 간섭 광을 기준으로, A면 측정 간섭 광에 있어서의 위상을 나타내는 정보가 얻어진다.
달리 말하면, A면 간섭부(2A(2B))는 피측정물 WA의 A면에 대향 배치되어, A면 측정 광으로부터 서로 주파수가 상이한 두 제1 A면 측정 광 및 제2 A면 측정 광을 생성하고, 이 두 제1 A면 측정 광과 제2 A면 측정 광을 간섭(광 헤테로다인 간섭)시켜, 그들의 차의 주파수를 갖는 비트 광 신호를 생성하는 광 헤테로다인 간섭계이며, 상기 A면 측정 광으로부터 상기 제1 A면 측정 광 및 제2 A면 측정 광이 생성되고 나서 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광이 간섭되기까지의 동안에, 제1 A면 측정 광이 피측정물 WA의 A면에 조사되어 반사되는 제1 A면 광로, 및 제1 A면 측정 광이 피측정물 WA의 A면에 조사되지 않는 제2 A면 광로의 각 광로를 포함하는 측정 광학계이다.
이와 같은 A면 간섭부(2A(2B))는, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, 입력 단자(211A(211B))와 광 분기부(212A(212B), 216A(216B), 217A(217B), 224A(224B), 232A(232B))와 편광 빔 스플리터(221A(221B))와 광 변조부(214A(214B), 215A(215B))와 반사경(213A(213B), 231A(231B))과 1/4 파장판(222A(222B))과 렌즈(223A(223B))와 편광자(225A(225B), 233A(233B))와 출력 단자(226A(226B), 234A(234B))를 구비한다. 이들 광 변조부(214A(214B), 215A(215B)), 편광 빔 스플리터(221A(221B)), 1/4 파장판(222A(222B)), 렌즈(223A(223B)), 광 분기부(224A(224B)), 편광자(225A(225B)) 및 출력 단자(226A(226B))는, A면 측정 간섭 광을 생성하는 측정 간섭계를 구성하고, 이들 광 변조부(214A(214B), 215A(215B)), 광 분기부(212A(212B), 216A(216B), 217A(217B), 232A(232B)), 반사경(231A(231B)), 편광자(233A(233B)) 및 출력 단자(234A(234B))는, A면 참조 간섭 광을 생성하는 참조 간섭계를 구성한다.
광 변조부(214A(214B), 215A(215B))는, 입사 광을 소정의 주파수로 변조하는 광 부품이며, 예를 들어 음향 광학 효과를 이용함으로써 입사 광을 변조하는 음향 광학 변조기(acoustooptic modulator, AOM) 등이 사용된다. 렌즈(223A(223B))는, A면 간섭부(2A(2B))의 피측정물 WA에 대한 대물 렌즈이며, 예를 들어 비구면 집광 렌즈 등이다.
이 A면 간섭부(2A(2B))에서는, 광원부(1)로부터 편파 유지 광 파이버를 통하여 입력 단자(211A(211B))에 입사된 A면 측정 광은 광 분기부(212A(212B))에 입사되어 제1 A면 측정 광 및 제2 A면 측정 광의 둘로 분배된다. 제1 A면 측정 광은 그대로의 방향(광 분기부(212A(212B))에 있어서 입사 광의 진행 방향과 사출 광의 진행 방향이 동일)으로 진행하는 한편, 제2 A면 측정 광은, 제1 A면 측정 광의 진행 방향에 대하여 직교하는 방향(수직인 방향)으로 진행한다. 광 분기부(212A(212B))로부터 사출된 제1 A면 측정 광은 광 변조부(214A(214B))에 입사되어, 그 파장(주파수)이 소정의 제1 주파수 fA1로 변조된다. 광 분기부(212A(212B))로부터 사출된 제2 A면 측정 광은 반사경(213A(213B))을 통하여 광 변조부(215A(215B))에 입사되어, 그 파장(주파수)이 광 헤테로다인 간섭하도록 상기 제1 주파수와 상이한 소정의 제2 주파수 fA2로 변조된다. 변조 후에 있어서의 제1 A면 측정 광의 주파수 fA1과 제2 A면 측정 광의 주파수 fA2의 주파수 차 △fA는 특별히 한정되지 않지만, 광 헤테로다인에 의하여 간섭시키는 관점에서, 예를 들어 수십 ㎑ 내지 수 ㎒ 정도의 값이다.
또한 본 실시 형태에서는, 제1 A면 측정 광 및 제2 A면 측정 광의 각각을 광 변조부(214A(214B), 215A(215B))에 의하여 각각 변조하였지만, 광 헤테로다인에 의하여 간섭시키기 위하여 제1 A면 측정 광의 주파수 fA1과 제2 A면 측정 광의 주파수 fA2 사이에 소정의 주파수 차 △fA가 있으면 되므로, 한쪽만이어도 된다.
광 분기부(212A(212B))로부터 사출된 제2 A면 측정 광은, 본 실시 형태에서는 광 분기부(212A(212B))에 의하여 제1 A면 측정 광의 진행 방향에 대하여 직교하는 방향으로 진행하지만, 반사경(213A(213B))에 의하여 그 진행 방향이 직각으로 구부러져 제1 A면 측정 광의 진행 방향으로 정렬된다. 이와 같이 반사경(213A(213B))은, 광 분기부(212A(212B))로부터 사출된 제1 A면 측정 광의 진행 방향과 제2 A면 측정 광의 진행 방향을 정렬시키기 위하여 마련되어 있다.
광 변조부(214A(214B))로부터 사출된 변조 후의 제1 A면 측정 광(제1 A면 변조 측정 광)은 광 분기부(216A(216B))에 입사되어, 광 분기부(216A(216B))에 의하여 제1-1 A면 변조 측정 광 및 제1-2 A면 변조 측정 광의 둘로 분배된다. 이 제1-1 A면 변조 측정 광은 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 제1-2 A면 변조 측정 광은, 제1-1 A면 변조 측정 광의 진행 방향에 대하여 직교하는 방향으로 진행한다. 광 변조부(215A(215B))로부터 사출된 변조 후의 제2 A면 측정 광(제2 A면 변조 측정 광)은 광 분기부(217A(217B))에 입사되어, 광 분기부(217A(217B))에 의하여 제2-1 A면 변조 측정 광 및 제2-2 A면 변조 측정 광의 둘로 분배된다. 이 제2-1 A면 변조 측정 광은 그대로의 방향으로 진행하는 한편, 제2-2 A면 변조 측정 광은, 제2-1 A면 변조 측정 광의 진행 방향에 대하여 직교하는 방향으로 진행한다.
광 분기부(216A(216B))로부터 사출된 제1-1 A면 변조 측정 광은 편광 빔 스플리터(221A(221B))에 입사되고, 광 분기부(216A(216B))로부터 사출된 제1-2 A면 변조 측정 광은 조사 전 A면 측정 광으로서 광 분기부(232A(232B))에 입사된다. 광 분기부(217A(217B))로부터 사출된 제2-1 A면 변조 측정 광은 광 분기부(224A(224B))에 입사되고, 광 분기부(217A(217B))로부터 사출된 제2-2 A면 변조 측정 광은 반사경(231A(231B))을 통하여 광 분기부(232A(232B))에 입사된다. 상기 반사경(231A(231B))은 상기 제2-2 A면 변조 측정 광의 진행 방향을 직각으로 구부리고 있다.
그리고 이 광 분기부(232A(232B))에 입사된 조사 전 A면 측정 광(제1-2 A면 변조 측정 광)과 제2-2 A면 변조 측정 광은, 광 분기부(232A(232B))에서 광이 합쳐져서 광 헤테로다인 간섭을 행하고, 그 비트 광 신호가 A면 참조 간섭 광으로서 편광자(233A(233B))를 통하여 출력 단자(234A(234B))에 입사된다. 여기서는, 광 분기부(232A(232B))는 광 결합부(간섭부)로서 기능하고 있다. 편광자(233A(233B))는 동일한 방향의 편광 성분을 추출함으로써 제1-2 A면 변조 측정 광과 제2-2 A면 변조 측정 광의 간섭 광(A면 참조 간섭 광)을 사출한다. 이 출력 단자(234A(234B))로부터 사출되는 비트 광 신호의 A면 참조 간섭 광은 A면 위상 검파부(3Aa)에 입사된다. A면 간섭부(2A(2B))는, 예를 들어 싱글모드 광 파이버나 멀티모드 광 섬유 등의 광 파이버에 의하여 A면 위상 검파부(3Aa(3Ba))에 접속된다.
한편, 편광 빔 스플리터(221A(221B))에 입사된 제1-1 A면 변조 측정 광은 1/4 파장판(222A(222B))에 입사되어, 렌즈(223A(223B))에서 집광되어 피측정물 WA의 A면에서의 제1 측정 위치의 개소 MP에 조사된다. 그리고 이 피측정물 WA의 A면에서의 제1 측정 위치의 개소 MP에서 반사된 제1-1 A면 변조 측정 광은, 조사 후 A면 측정 광으로서 다시 렌즈(223A(223B)) 및 1/4 파장판(222A(222B))을 통하여 편광 빔 스플리터(221A(221B))에 입사된다. 이 1/4 파장판(222A(222B))의 존재에 의하여, 편광 빔 스플리터(221A(221B))로부터 피측정물 WA의 A면에 조사되는 제1-1 A면 변조 측정 광에 있어서의 편광 상태(예를 들어 P 편광 또는 S 편광)와, 피측정물 WA의 A면에서 반사되어 편광 빔 스플리터(221A(221B))에 입사되는 조사 후 A면 측정 광에 있어서의 편광 상태(예를 들어 S 편광 또는 P 편광)가 서로 뒤바뀌게 된다. 이 때문에, 편광 빔 스플리터(221A(221B))에 입사된 제1-1 A면 변조 측정 광은 편광 빔 스플리터(221A(221B))를 피측정물 WA의 A면을 향하여 통과하는 한편, 피측정물 WA의 A면으로부터 렌즈(223A(223B)) 및 1/4 파장판(222A(222B))을 통하여 편광 빔 스플리터(221A(221B))에 입사된 조사 후 A면 측정 광은 소정의 방향, 본 실시 형태에서는, 상기 조사 후 A면 측정 광이 피측정물 WA의 A면으로부터 편광 빔 스플리터(221A(221B))를 향하는 방향에 대하여 직교하는 방향으로 반사된다. 이 편광 빔 스플리터(221A(221B))로부터 사출된 조사 후 A면 측정 광은 광 분기부(224A(224B))에 입사된다.
그리고 이 광 분기부(224A(224B))에 입사된 조사 후 A면 측정 광과 제2-1 A면 변조 측정 광은, 광 분기부(224A(224B))에서 광이 합쳐져서 광 헤테로다인 간섭을 행하고, 그 비트 광 신호가 A면 측정 간섭 광으로서 편광자(225A(225B))를 통하여 출력 단자(226A(226B))에 입사된다. 여기서는, 광 분기부(224A(224B))는 광 결합부(간섭부)로서 기능하고 있다. 편광자(225A(225B))는 동일한 방향의 편광 성분을 추출함으로써 조사 후 A면 측정 광과 제2-1 A면 변조 측정 광의 간섭 광(A면 측정 간섭 광)을 사출한다. 이 출력 단자(226A(226B))로부터 사출되는 비트 광 신호의 A면 측정 간섭 광은 A면 위상 검파부(3Aa)에 입사된다. A면 간섭부(2A(2B))는, 예를 들어 싱글모드 광 파이버 등의 광 파이버에 의하여 A면 위상 검파부(3Aa(3Ba))에 접속된다.
이와 같은 구성의 A면 간섭부(2A)와 B면 간섭부(2B)는, 피측정물 WA의 A면에서의 제1 측정 위치의 개소와 B면에서의 제2 측정 위치의 개소가 서로 대향하도록(즉, 표리 관계가 동일한 위치로 되도록) 배치된다. 또는 A면 간섭부(2A)로부터 사출되는 제1-1 A면 변조 측정 광이 피측정물 WA의 A면에서의 제1 측정 위치의 개소에 조사되어 그 반사 광(조사 후 A면 측정 광)이 입사되도록, 예를 들어 광 파이버 등의 도광 부재에 의하여 도광되어 B면 간섭부(2B)로부터 사출되는 제1-1 B면 변조 측정 광이 피측정물 WA의 B면에서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 대향하는 제2 측정 위치의 개소에 조사되어 그 반사 광(조사 후 B면 측정 광)이 입사되도록, 예를 들어 광 파이버 등의 도광 부재에 의하여 도광되어도 된다.
그리고 본 실시 형태에서는, A면 간섭부(2A) 및 B면 간섭부(2B)는, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 제1 A면 측정 광과 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 제1 B면 측정 광과 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 한다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 A면 간섭부(2A)에 있어서의 광 변조기(214A)의 제1 주파수 fA1과 B면 간섭부(2B)에 있어서의 광 변조기(215B)의 제2 주파수 fB2가 동일 주파수(예를 들어 81㎒ 등)로 설정되고(fA1=fB2=f1=81㎒), A면 간섭부(2A)에 있어서의 광 변조기(215A)의 제2 주파수 fA2와 B면 간섭부(2B)에 있어서의 광 변조기(214B)의 제1 주파수 fB1이 동일 주파수(예를 들어 80㎒ 등)로 설정된다(fA2=fB1=f2=80㎒).
다음으로, A면 위상 검파부(3A(3Aa)) 및 B면 위상 검파부(3B(3Ba))에 대하여 설명한다. 도 4는, 상기 형상 측정 장치에 있어서의 A면 위상 검파부(B면 위상 검파부)의 구성을 도시하는 도면이다.
A면 위상 검파부(3A(3B))는, A면 간섭부(2A(2B))에 의하여 생성된 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광을 위상 검파하는 장치이다. 보다 구체적으로는, 본 실시 형태에서는, A면 위상 검파부(3A(3B))는, 예를 들어 도 4에 도시한 바와 같이, A면 검출부(31A(31B))와 A면 검파부(32Aa(32Ba))를 구비하는 A면 위상 검파부(3Aa(3Ba))이다. 또한 A면 위상 검파부(3Aa)와 B면 위상 검파부(3Ba)는 동일한 구성이기 때문에, 이하, 주로 A면 위상 검파부(3Aa)에 대하여 설명하며, A면 위상 검파부(3Aa)의 구성에 붙여진 참조 부호 뒤에, 상기 A면 위상 검파부(3Aa)의 구성에 대응하는 B면 위상 검파부(3Ba)의 구성에 붙여진 참조 부호를 괄호를 씌워 기재함과 함께, 「A면」을 「B면」으로 바꾸어 읽음으로써 B면 위상 검파부(3Ba)의 구성의 설명으로 한다. 이 때문에 도 4에는 주로 A면 위상 검파부(3Aa)의 구성이 나타나며, B면 위상 검파부(3Ba)의 구성은, 당해 구성에 붙여진 참조 부호를 괄호를 씌워 도시함으로써 도 4에 나타나 있다.
A면 검출부(31A(31B))는, A면 간섭부(2A(2B))에 있어서의 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광 각각의 각 광 강도 신호를 검출하는 장치이다. A면 검출부(31A(31B))는 이들 각 광 강도 신호를 A면 검파부(32Aa(32Ba))로 출력한다. 보다 구체적으로는, A면 검출부(31A(31B))는, A면 간섭부(2A(2B))로부터 입사된 A면 참조 간섭 광을 수광하고, 이 수광한 A면 참조 간섭 광을 광전 변환함으로써 그 광 강도 신호를 출력하는 참조 수광부(311A(311B))와, A면 간섭부(2A(2B))로부터 입사된 A면 측정 간섭 광을 수광하고, 이 수광한 A면 측정 간섭 광을 광전 변환함으로써 그 광 강도 신호를 출력하는 측정 수광부(312A(312B))를 구비한다. 이들 참조 수광부(311A(311B)) 및 측정 수광부(312A(312B))는 각각, 예를 들어 포토다이오드 등의, 입사 광의 광량에 따른 신호 레벨의 전기 신호로 변환하여 해당 전기 신호를 출력하는 광전 변환 소자를 구비하여 구성된다.
A면 검파부(32Aa(32Ba))는, A면 참조 간섭 광과 A면 측정 간섭 광의 위상차를 검출(위상 검파)하는 장치이며, 예를 들어 단상 로크인 증폭기(32Aa(32Ba))이다. 이 A면 검파부(32Aa(32Ba))의 일례로서의 단상 로크인 증폭기(32Aa(32Ba))는 승산부(321A(321B))와 저역 통과 필터부(LPF부)(322A(322B))를 구비한다. 승산부(321A(321B))는 입력끼리를 승산하는 장치이다. 본 실시 형태에서는, 승산부(321A(321B))에는, 참조 수광부(311A(311B))에서 검출된 A면 참조 간섭 광의 광 강도 신호와, 측정 수광부(312A(312B))에서 검출된 A면 측정 간섭 광의 광 강도 신호가 입력되며, 승산부(321A(321B))는 이들 A면 참조 간섭 광의 광 강도 신호와 A면 측정 간섭 광의 광 강도 신호를 승산하고 그 승산 결과를 LPF부(322A(322B))로 출력한다. LPF부(322A(322B))는, 승산부(321A(321B))에서 연산된 승산 결과에 포함되는 교류 성분을 커트하고, 상기 승산 결과의 직류 성분을 출력 신호로서 연산 제어부(4)로 출력하는 장치이다. 이와 같은 단상 로크인 증폭기(32Aa(32Ba))는 A면 참조 간섭 광을 기준으로, A면 참조 간섭 광과 A면 측정 간섭 광의 위상차를 검출(위상 검파)하여 출력한다.
그리고 A면 위상 검파부(3Aa)는, 이 위상 검파에 의하여 얻어진 위상(상기 승산 결과의 직류 성분, 제1 위상)을 연산 제어부(4)로 출력하고, B면 위상 검파부(3Ba)는, 이 위상 검파에 의하여 얻어진 위상(상기 승산 결과의 직류 성분, 제2 위상)을 연산 제어부(4)로 출력한다.
다음으로, 스테이지(5)에 대하여 설명한다. 도 5는, 상기 형상 측정 장치에 있어서의 스테이지의 구성을 도시하는 도면이다. 스테이지(5)는, 연산 제어부(4)의 제어에 따라, 피측정물 WA의 두께 방향에 직교하는 수평 방향으로 피측정물 WA를 이동시키는 장치이다. 스테이지(5)는, 피측정물 WA의 두께 방향을 Z축으로 하고, 상기 두께 방향에 직교하는 수평면 내에 있어서의 서로 직교하는 2방향을 각각 X축 및 Y축으로 하는 직교 XYZ 좌표계를 설정하는 경우에, X축 방향 및 Y축 방향으로 피측정물 WA를 이동시킬 수 있는 XY 스테이지여도 되지만, 본 실시 형태에서는, 피측정물 WA가 반도체 웨이퍼인 경우에 일반적으로 반도체 웨이퍼가 원반형 형상인 점에서, 스테이지(5)는, 피측정물 WA를 회전 이동시킴과 함께 상기 회전의 직경 방향으로도 이동시키는 장치이다. 이 때문에, 제1 및 제2 측정 위치의 개소 MP에 있어서의 측정값은 원기둥 좌표계 RθZ로 표시되는 것이 바람직하다.
이와 같은 스테이지(5)는, 보다 구체적으로는, 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이, 피측정물 WA의 진동에 의한 영향을 받는 일 없이 피측정물 WA에 있어서의 제1 및 제2 측정 위치의 개소 MP에 있어서의 두께 변화량을 고정밀도로 또한 고속으로 측정할 수 있도록, 중앙 부재로부터 직경 방향으로 연장되는 3개의 암 부재를 구비하며, 상기 암 부재의 선단에서, 반도체 웨이퍼 등의 원반형 피측정물 WA를 그 모서리부(에지 영역)에 있어서 원주 상의 3군데에서 3점 지지하는 지지부(54)와, 상기 지지부(54)의 중앙 부재에 연결되는 회전축(51)과, 회전축(51)을 회전 구동하는 회전 구동부(52)와, 회전 구동부(52)를 소정의 이동 범위 내에서 직선 이동시키는 직선 구동부(53)를 구비하고 있다. 이들 회전 구동부(52)나 직선 구동부(53)는, 예를 들어 서보 모터 등의 액추에이터나 감속 기어 등의 구동 기구를 구비하여 구성된다.
이와 같은 구성의 스테이지(5)에서는, 피측정물 WA가, 지지부(54)에 있어서의 3개의 암 부재의 각 선단에 적재되어 지지부(54)에 의하여 3점 지지된다. 그리고 이와 같이 피측정물 WA가 스테이지(5)에 적재된 경우에, 피측정물 WA의 A면 및 B면을 A면 간섭부(2A) 및 B면 간섭부(2B)에 의하여 측정할 수 있도록 스테이지(5)가 A면 간섭부(2A) 및 B면 간섭부(2B)의 배치 위치에 대하여 배설된다.
그리고 이와 같은 구성의 스테이지(5)에서는, 연산 제어부(4)의 제어에 따라 회전 구동부(52)가 회전함으로써 회전축(51)을 통하여 지지부(54)가 회전하여 피측정물 WA가 회전축(51)(지지부(54)의 중앙 부재)을 중심으로 회전한다. 그리고 연산 제어부(4)의 제어에 따라 직선 구동부(53)가 회전 구동부(52)를 직선 이동시킴으로써 피측정물 WA가 직경 방향을 따라 이동한다. 이와 같은 회전 구동부(52)에 의한 피측정물 WA의 회전 이동과, 직선 구동부(53)에 의한 피측정물 WA의 직선 방향의 이동을 병용함으로써, 스테이지(5)의 이동 범위 내에 있어서 피측정물 WA의 원하는 개소 MP를 측정할 수 있다.
도 1로 돌아가, 입력부(6)는, 예를 들어 측정 개시 등을 지시하는 커맨드나 피측정물 WA의 속성 정보 등의 데이터를 입력하기 위한 장치이며, 예를 들어 복수의 입력 스위치를 구비한 조작 패널이나 키보드 등이다. 출력부(7)는, 입력부(6)에서 접수한 커맨드나 데이터 및 측정 결과 등을 출력하기 위한 장치이며, 예를 들어 CRT 디스플레이, LCD(액정 디스플레이) 및 유기 EL 디스플레이 등의 표시 장치나, 프린터 등의 인쇄 장치 등이다. 이들 입력부(6) 및 출력부(7) 각각은 연산 제어부(4)에 접속된다.
연산 제어부(4)는, 형상 측정 장치 S의 각 부를 당해 기능에 따라 제어하여 피측정물 WA의 두께 변화량을 구하는 회로이다. 보다 구체적으로는, 연산 제어부(4)는, 본 실시 형태에서는 기능적으로 두께 연산부(41(41a))와 제어부(42)를 구비하는 연산 제어부(4a)이며, 상기 제어부(42)는 기능적으로 스테이지 제어부(421)와 광원 제어부(422)를 구비한다. 이 연산 제어부(4a)는, 예를 들어 형상 측정 장치 S의 각 부를 당해 기능에 따라 제어하기 위한 제어 프로그램이나, A면 간섭부(2A)에 의하여 생성된 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광을 A면 위상 검파부(3Aa)에서 위상 검파함으로써 얻어진 제1 위상, 및 B면 간섭부(2B)에 의하여 생성된 B면 측정 간섭 광 및 B면 참조 간섭 광을 B면 위상 검파부(3Ba)에서 위상 검파함으로써 얻어진 제2 위상에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량을 구하는 연산 프로그램 등의 각종 소정의 프로그램, 및 상기 소정의 프로그램 실행에 필요한 데이터 등의 각종 소정의 데이터 등을 기억하는, 불휘발성 기억 소자인 ROM(Read Only Memory)이나 재기입 가능한 불휘발성 기억 소자인 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), 상기 소정의 프로그램을 판독하여 실행함으로써 소정의 제어 처리나 연산 처리를 행하는 CPU(Central Processing Unit), 상기 소정의 프로그램 실행 중에 발생하는 데이터 등을 기억하는, 소위 상기 CPU의 워킹 메모리로 되는 RAM(Random Access Memory), 그리고 이들 주변 회로를 구비한 마이크로컴퓨터 등으로 구성된다. 또한 연산 제어부(4)는, 필요에 따라 비교적 대용량의 데이터를 기억하는 하드 디스크 장치를 구비해도 된다.
두께 연산부(41)는, A면 간섭부(2A)에 의하여 생성된 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광을 A면 위상 검파부(3Aa)에서 위상 검파함으로써 얻어진 제1 위상, 그리고 B면 간섭부(2B)에 의하여 생성된 B면 측정 간섭 광 및 B면 참조 간섭 광을 B면 위상 검파부(3Ba)에서 위상 검파함으로써 얻어진 제2 위상에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량을 구하는 것이다. 보다 구체적으로는, 본 실시 형태에서는, 두께 연산부(41)는, A면 간섭부(2A)에 의하여 생성된 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광을 A면 위상 검파부(3Aa)에서 위상 검파함으로써 얻어진 제1 위상 △ΦA와, B면 간섭부(2B)에 의하여 생성된 B면 측정 간섭 광 및 B면 참조 간섭 광을 B면 위상 검파부(3Ba)에서 위상 검파함으로써 얻어진 제2 위상 △ΦB의 차분(△ΦA-△ΦB)으로부터, 피측정물 WA에 있어서의 A면으로부터 B면까지의 거리 변화량을 피측정물 WA의 두께 변화량으로서 구하는 두께 연산부(41a)이다. 이 차분(△ΦA-△ΦB)은 피측정물 WA의 두께에 관한 값이며, A면 측정 광의 파장 및 B면 측정 광의 파장이 동등하다는 근사 하에 A면 측정 광의 파장을 λ라 하는 경우에, 피측정물 WA의 두께 변화량 △D는, 예를 들어 △D=(△ΦA-△ΦB)×(λ/2)/(2π)에 의하여 구해진다. 또한 본 실시 형태에서는, A면 측정 광과 B면 측정 광은 동일한 광원으로부터의 광을 분기한 것이어서 A면 측정 광과 B면 측정 광의 파장은 일치하고 있다.
제어부(42)는, 형상 측정 장치 S의 각 부를 당해 기능에 따라 제어하여 형상 측정 장치 S의 전체 제어를 담당하는 것이다. 스테이지 제어부(421)는, 피측정물 WA에 있어서의 복수의 개소 MP를 측정하기 위하여, 피측정물 WA가 두께 방향에 직교하는 수평 방향으로 이동하도록 스테이지(5)에 있어서의 회전 구동부(52) 및 직선 구동부(53)의 각 동작을 제어하는 것이다. 광원 제어부(422)는 광원부(1)의 동작을 제어하는 것이다.
다음으로, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 S의 동작에 대하여 설명한다. 도 6은, 상기 형상 측정 장치를 사용하여 피측정물의 두께 변화량을 측정하는 경우에 있어서의 측정 개소를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은, 측정 결과의 일례를 나타내는 도면이다.
도시 생략된 전원 스위치가 온되면 형상 측정 장치 S가 기동되어, 연산 제어부(4a)에 의하여 필요한 각 부의 초기화가 행해지고, 상기 소정의 프로그램 실행에 의하여 연산 제어부(4a)에는 두께 연산부(41a) 및 제어부(42)가 기능적으로 구성되고, 제어부(42)에는 스테이지 제어부(421) 및 광원 제어부(422)가 기능적으로 구성된다. 그리고, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 판형체의 피측정물 WA가 스테이지(4)에 적재되고, 입력부(6)로부터 측정 개시를 지시하는 커맨드를 접수하면, 연산 제어부(4a)는 피측정물 WA의 두께의 측정을 개시한다.
먼저, 연산 제어부(4a)의 광원 제어부(422)는 광원부(1)를 구동하여 단파장 레이저 광원(11)에 소정의 레이저 광을 발광시킨다. 이 단파장 레이저 광원(11)에 의한 소정의 레이저 광의 발광에 의하여, 전술한 광학계의 작용에 의하여 A면 측정 광 및 B면 측정 광이 광원부(1)의 출력 단자(15) 및 출력 단자(17)로부터 각각 사출된다.
이 광원부(1)의 출력 단자(15)로부터 사출된 A면 측정 광은 편파 유지 광 파이버를 전파하여 A면 간섭부(2A)에 입사된다. 이 A면 간섭부(2A)에서는, 이 입사된 A면 측정 광으로부터 전술한 광학계의 작용에 의하여 제1 측정 위치의 개소 MP에서의 A면 참조 간섭 광 및 A면 측정 간섭 광이 생성되어 출력 단자(234A) 및 출력 단자(226A) 각각으로부터 사출된다. 이 A면 간섭부(2A)의 출력 단자(234A) 및 출력 단자(226A) 각각으로부터 사출된 A면 참조 간섭 광 및 A면 측정 간섭 광은 각 광 파이버를 전파하여 A면 위상 검파부(3Aa)에 입사된다. 이 A면 위상 검파부(3Aa)에서는, 이들 A면 참조 간섭 광 및 A면 측정 간섭 광의 위상 검파에 의하여 A면 참조 간섭 광을 기준으로, A면 참조 간섭 광과 A면 측정 간섭 광의 위상차가 제1 위상 △ΦA로서 검출되고, 상기 제1 위상 △ΦA가 A면 위상 검파부(3Aa)로부터 연산 제어부(4)로 출력된다.
한편, 마찬가지로 광원부(1)의 출력 단자(17)로부터 사출된 B면 측정 광은 편파 유지 광 파이버를 전파하여 B면 간섭부(2B)에 입사된다. 이 B면 간섭부(2B)에서는, 이 입사된 B면 측정 광으로부터 전술한 광학계의 작용에 의하여 제2 측정 위치의 개소 MP에서의 B면 참조 간섭 광 및 B면 측정 간섭 광이 생성되어 출력 단자(234B) 및 출력 단자(226B) 각각으로부터 사출된다. 이 B면 간섭부(2B)의 출력 단자(234B) 및 출력 단자(226B) 각각으로부터 사출된 B면 참조 간섭 광 및 B면 측정 간섭 광은 각 광 파이버를 전파하여 B면 위상 검파부(3Ba)에 입사된다. 이 B면 위상 검파부(3Ba)에서는, 이들 B면 참조 간섭 광 및 B면 측정 간섭 광의 위상 검파에 의하여 B면 참조 간섭 광을 기준으로, B면 참조 간섭 광과 B면 측정 간섭 광의 위상차가 제2 위상 △ΦB로서 검출되고, 상기 제2 위상 △ΦB가 B면 위상 검파부(3Ba)로부터 연산 제어부(4)로 출력된다.
이들 광원부(1), A면 간섭부(2A), A면 위상 검파부(3Aa), B면 간섭부(2B) 및 B면 위상 검파부(3Ba)가 이와 같은 동작을 행하고 있을 때, 연산 제어부(4a)의 스테이지 제어부(421)는 스테이지(5)를 제어함으로써 피측정물 WA를 그 두께 방향에 직교하는 수평 방향으로 이동시킨다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 본 실시 형태에서는, 스테이지 제어부(421)는 스테이지(5)의 회전 구동부(52)를 제어함으로써 피측정물 WA를 회전시키면서 스테이지(5)의 직선 구동부(53)을 제어함으로써 피측정물 WA를 직선 방향으로 이동시킨다. 이와 같은 스테이지 제어부(421)에 의한 스테이지(5)의 제어를 행하고 있는 동안에 연산 제어부(4a)는, 제1 및 제2 측정 위치의 개소 MP의 위치가 미리 설정된 소정의 위치로 될 때마다 A면 위상 검파부(3Aa) 및 B면 위상 검파부(3Ba)로부터 각 제1 및 제2 위상 △ΦA, △ΦB의 데이터를 취득한다. 이와 같은 동작에 의하여, 도 6에 도시한 바와 같이, 복수의 제1 및 제2 측정 위치의 궤적이 나선을 그리듯이 피측정물 WA에 있어서의 제1 및 제2 측정 위치를 순차적으로 변경하면서 피측정물 WA에 있어서의 각 개소 MP에서의 각 제1 및 제2 위상 △ΦA, △ΦB의 데이터가 취득된다.
그리고 이들 각 제1 및 제2 위상 △ΦA, △ΦB의 각 데이터가 취득되면, 연산 제어부(4a)의 두께 연산부(41a)는 전술한 연산식에 의하여 제1 및 제2 측정 위치의 각 개소 MP에서의 피측정물 WA의 각 두께 변화량 △D를 구하여 출력부(7)로 출력한다. 출력부(7)는, 이들 제1 및 제2 측정 위치의 각 개소 MP에서의 피측정물 WA의 각 두께 변화량 △D를 피측정물 WA의 표면 형상으로서 표시한다.
이와 같이 동작함으로써, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 S 및 이에 실장된 형상 측정 방법은, 광 헤테로다인 간섭할 때, 제1 A면 측정 광과 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 제1 B면 측정 광과 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 하므로, 제1 위상 △ΦA 및 제2 위상 △ΦB에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구할 때, 상기 제1 및 제2 위상 △ΦA, △ΦB 각각에 포함되는 각 노이즈 성분을 서로 상쇄할 수 있다. 이 결과, 상기 형상 측정 장치 S 및 형상 측정 방법은 보다 노이즈를 저감시킬 수 있다.
상기 형상 측정 장치 S 및 형상 측정 방법의 작용 효과에 대하여 이하에 보다 상세히 설명한다.
먼저, 이상적인 신호(노이즈 성분을 제거한 신호)의 진폭 및 각주파수 각각을 S 및 △ω라 하고, 상기 노이즈 성분의 진폭 및 각주파수 각각을 N 및 ωn이라 하고, 구하려고 하는 위상을 φ라 하고, 시간을 t라 하면, 측정 간섭 광의 광 강도 신호 Is 및 참조 간섭 광의 광 강도 신호 Ir 각각은 다음 식 1 및 식 2와 같이 나타낼 수 있다.
식 1; Is=S·sin(△ω·t+φ)+N·sin(ωn·t)
식 2; Ir=S·sin(△ω·t)+N·sin(ωn·t)
따라서 단상 로크인 증폭기에서 위상 검파되면, 저역 통과 필터 후에 남는 직류 성분 DC는 다음 식 3으로 된다.
식 3; DC=S2/2cosφ-N2/2cos(2ωn·t)
노이즈 성분을 포함하지 않는 이상적인 신호의 경우, 상기 식 3의 제1 항이 위상 φ와 1 대 1로 대응하기 때문에 위상 φ를 고정밀도로 검출할 수 있다. 그러나 상기 식 3에 나타낸 바와 같이, 저역 통과 필터로는 제거하지 못하는 제2 항의 노이즈 성분이 오검출되어 버려 위상 φ를 고정밀도로 검출하지 못한다.
그래서 본 실시 형태에서는, 전술한 바와 같이, A면 간섭부(2A) 및 B면 간섭부(2B)는, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 제1 A면 측정 광과 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 제1 B면 측정 광과 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 하고 있다. 즉, A면 간섭부(2A)에 있어서의 광 변조기(214A)의 제1 주파수 fA1과 B면 간섭부(2B)에 있어서의 광 변조기(215B)의 제2 주파수 fB2가 동일 주파수 f1로 설정되고(fA1=fB2=f1), A면 간섭부(2A)에 있어서의 광 변조기(215A)의 제2 주파수 fA2와 B면 간섭부(2B)에 있어서의 광 변조기(214B)의 제1 주파수 fB1이 동일 주파수 f2로 설정되어 있다(fA2=fB1=f2).
이 경우, 두께 변화에 의존하여 검파되는 A면 측정 간섭 광의 광 강도 신호 IsA, A면 참조 간섭 광의 광 강도 신호 IrA, B면 측정 간섭 광의 광선 신호 IsB, 및 B면 참조 간섭 광의 광 강도 신호 IrB 각각은 다음 식 4, 식 5, 식 6 및 식 7로 표시된다.
식 4; IsA∝S·sin(2π·(f1-f2)·t+φA)
식 5; IrA∝S·sin(2π·(f1-f2)·t)
식 6; IsB∝S·sin(2π·(f1-f2)·t-φB)
식 7; IrB∝S·sin(2π·(f1-f2)·t)
여기서, 기호 ∝는 좌변과 우변이 비례 관계인 것을 나타낸다. φA는, A면 간섭부(2A)에서 얻어지는 두께 변화에 수반하는 위상이고, φB는, B면 간섭부(2B)에서 얻어지는 두께 변화에 수반하는 위상이다.
상기 식 4 및 식 7로 나타낸 바와 같이, 위상 φB의 증감 방향은 위상 φA의 증감 방향과 반전된다. 따라서 노이즈 성분을 포함하여 단상 로크인 증폭기(32Aa, 32Ba)에서 위상 검파되는 위상은, 노이즈 성분의 위상을 φn이라 한 경우, A면 위상 검파부(3Aa)에서는 △ΦA=φA+φn으로 표시되고, B면 위상 검파부(3Ba)에서는 △ΦB=-φB+φn으로 표시된다. 위상 φA, φB는 두께 변화에 의존하여 증감하는 위상 성분이며, 전술한 식 1 및 식 2로 표시되는 노이즈 성분은, 간섭 광에 내재하는 광 변조부(214A, 215A; 214B, 215B)의 주파수 f1, f2와 무관한 성분이다. 이 때문에 φn의 부호는 반전되지 않는다.
따라서 전술한 바와 같이, 제1 위상 △ΦA와 제2 위상 △ΦB의 차분으로부터 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구하면, 노이즈 성분의 위상 φn은 φA+φn-(-φB+φn)=φA+φB와 같이 상쇄되어 노이즈 성분을 제거할 수 있다.
이와 같은 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 S 및 비교예의 형상 측정 장치 Sr에서 피측정물 WA의 두께의 변화량을 측정한 측정 결과의 일례가 도 7에 나타나 있다. 비교예의 형상 측정 장치 Sr(도시하지 않음)은, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 제1 A면 측정 광과 제1 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 제2 A면 측정 광과 제2 B 측정 광을 동일 주파수로 하는 점(fA1=fB1, fA2=fB2)을 제외하면, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 S와 마찬가지이다. 이 도 7에 나타내는 예에서는, 동일한 피측정물 WA의 측정 개소가 고정되었기 때문에, 쌍으로 되는 A면 간섭부(2A) 및 B면 간섭부(2B)의 변위 변화량을 가산하여 구한 두께의 변화량은 0과 동등해진다. 이 때문에 형상 측정 장치 S, Sr에서 검출되는 변화량은 노이즈이다. 도 7은, 상기 두께의 변화량을 푸리에 변환한 스펙트럼의 그래프가 나타나 있다. 도 7의 횡축은 주파수이고, 그 종축은, 상기 변위 변화량을 가산한 두께의 변화량이다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예의 형상 측정 장치 Sr에서는 약 120㎐와 약 240㎐에 피크가 보이고 노이즈가 포함되어 있지만, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 S에서는 이들 피크가 저감 또는 없어서 노이즈가 제거되어 있다.
이와 같이 노이즈 성분을 제거할 수 있으므로, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 S 및 형상 측정 방법은 보다 노이즈를 저감시킬 수 있다. 예를 들어 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 S 및 형상 측정 방법에서는 나노미터 레벨이나 서브나노미터 레벨의 정밀한 측정이 가능해진다. 이와 같은 형상 측정 장치 S 및 형상 측정 방법은, 제조 공정 중이나 제조 후에 있어서의 제품 검사 등의 용도에서 반도체 웨이퍼의 제조 공장 등에서 적합하게 사용할 수 있다.
또한 전술에서는, 두께 연산부(41)는 감산에 의하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구하였지만, 가산에 의하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구해도 된다. 이 경우에서는, 형상 측정 장치 S는 A면 위상 검파부(3Aa), B면 위상 검파부(3Ba) 및 연산 제어부(4a) 각각 대신 A면 위상 검파부(3Ab), B면 위상 검파부(3Bb) 및 연산 제어부(4b)를 구비하여 구성되고, 연산 제어부(4b)는 두께 연산부(41a) 대신 두께 연산부(41b)를 구비하여 구성된다.
도 8은, 변형 형태에 따른 A면 위상 검파부(B면 위상 검파부)의 구성을 도시하는 도면이다. 또한 A면 위상 검파부(3Ab)와 B면 위상 검파부(3Bb)는 동일한 구성이기 때문에, 이하, 주로 A면 위상 검파부(3Ab)에 대하여 설명하며, A면 위상 검파부(3Ab)의 구성에 붙여진 참조 부호 뒤에, 상기 A면 위상 검파부(3Ab)의 구성에 대응하는 B면 위상 검파부(3Bb)의 구성에 붙여진 참조 부호를 괄호를 씌워 기재함과 함께, 「A면」을 「B면」으로 바꾸어 읽음으로써 B면 위상 검파부(3Bb)의 구성의 설명으로 한다. 이 때문에 도 8에는 주로 A면 위상 검파부(3Ab)의 구성이 나타나며, B면 위상 검파부(3Bb)의 구성은, 당해 구성에 붙여진 참조 부호를 괄호를 씌워 도시함으로써 도 8에 나타나 있다.
이 A면 위상 검파부(3Ab(3Bb))는, 도 8에 도시한 바와 같이, A면 검출부(31A(31B))와 A면 검파부(32Ab(32Bb))를 구비한다. 이 변형 형태의 A면 위상 검파부(3Ab(3Bb))에 있어서의 A면 검출부(31A(31B))는, 전술한 A면 위상 검파부(3Aa(3Ba))에 있어서의 A면 검출부(31A(31B))와 마찬가지이므로 그 설명을 생략한다.
A면 검파부(32Ab(32Bb))는 A면 참조 간섭 광과 A면 측정 간섭 광의 위상차를 검출(위상 검파)하는 장치이며, 이 변형 형태에서는, 측정 신호와 참조 신호의 위상차를 θ라 한 경우에 상기 측정 신호 및 상기 참조 신호를 위상 검파함으로써 cosθ 및 sinθ의 두 출력 신호를 출력하는 2위상 로크인 증폭기(32Ab(32Bb))이다. 이 A면 검파부(32Ab(32Bb))의 일례로서의 2위상 로크인 증폭기(32Ab(32Bb))는 승산부(321A(321B), 324A(324B))와 LPF부(322A(322B), 325A(325B))와 이상부(323A(323B))를 구비한다. 승산부(324A(324B))는 승산부(321A(321B))와 마찬가지로 입력끼리를 승산하는 장치이다. 이 변형 형태에서는, 승산부(321A(321B))에는, 참조 수광부(311A(311B))에서 검출된 A면 참조 간섭 광의 광 강도 신호가 이상부(323A(323B))를 통하여 입력됨과 함께, 측정 수광부(312A(312B))에서 검출된 A면 측정 간섭 광의 광 강도 신호가 입력되며, 승산부(321A(321B))는 이들 상기 이상부(323A(323B))를 통한 A면 참조 간섭 광의 광 강도 신호와 A면 측정 간섭 광의 광 강도 신호를 승산하고 그 승산 결과를 LPF부(322A(322B))로 출력한다. 승산부(324A(324B))에는, 참조 수광부(311A(311B))에서 검출된 A면 참조 간섭 광의 광 강도 신호와, 측정 수광부(312A(312B))에서 검출된 A면 측정 간섭 광의 광 강도 신호가 입력되며, 승산부(321A(321B))는 이들 A면 참조 간섭 광의 광 강도 신호와 A면 측정 간섭 광의 광 강도 신호를 승산하고 그 승산 결과를 LPF부(325A(325B))로 출력한다. LPF부(322A(322B))는, 승산부(321A(321B))에서 연산된 승산 결과에 포함되는 교류 성분을 커트하고, 상기 승산 결과의 직류 성분을 출력 신호로서 연산 제어부(4)로 출력하는 장치이다. LPF부(325A(325B))는, 승산부(324A(324B))에서 연산된 승산 결과에 포함되는 교류 성분을 커트하고, 상기 승산 결과의 직류 성분을 출력 신호로서 연산 제어부(4)로 출력하는 장치이다. 그리고 이상부(323A(323B))는, 입력 신호의 위상을 90도 시프트하는 장치이다. 이 때문에 LPF부(325A(325B))는 sinθ의 출력 신호를 출력하고 LPF부(322A(322B))는 cosθ의 출력 신호를 출력한다.
두께 연산부(41b)는, A면 위상 검파부(3Ab)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Ab) 및 B면 위상 검파부(3Bb)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Bb)의 각 출력 신호에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구하는 것이다. 보다 구체적으로는, 두께 연산부(41b)는, 상기 제1 위상으로서 A면 위상 검파부(3Ab)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Ab)로부터 출력된 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 B면 위상 검파부(3Bb)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Bb)로부터 출력된 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상의 가산에 기초하여, 또는 상기 제1 위상으로서 A면 위상 검파부(3Ab)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Ab)로부터 출력된 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 상기 B면 이상 검파부(3Bb)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Bb)로부터 출력된 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상의 가산에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구한다.
이와 같은 변형 형태에서는, 두께 연산부(41b)는, 상기 제1 위상으로서 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상을 이용하므로, 그들의 가산에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구할 수 있다. 또는 두께 연산부(41b)는, 상기 제1 위상으로서 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상을 이용하므로, 그들의 가산에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구할 수 있다.
즉, 통상, 2위상 로크인 증폭기로부터 출력되는 sinθ의 출력 신호와 cosθ의 출력 신호로부터 θ=tan-12(sinθ/cosθ)에 의하여 위상 θ가 구해진다. 이 때문에, sinθ의 출력 신호 및 cosθ의 출력 신호를 서로 뒤바꾸어 θ=-θ'이라 하면 다음 식 8로 된다.
식 8; (cosθ'/sinθ')=(sin(θ'-90)/cos(θ'-90))=tan(θ'-90)=-tanθ'=tan(-θ')>=tanθ
이와 같이 위상을 역전한 θ가 얻어지므로, 전술한 바와 같이, 가산에 의하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D가 구해진다.
또한 A면 위상 검파부(3Ab)가, 그 sinθ의 출력 신호 및 cosθ의 출력 신호 각각을 출력하는 제1 A 및 제2 A 출력 단자를 구비하고, B면 위상 검파부(3Bb)가, 그 sinθ의 출력 신호 및 cosθ의 출력 신호 각각을 출력하는 제1 B 및 제2 B 출력 단자를 구비하고, 연산 제어부(4)가, A면 위상 검파부(3Ab)에 있어서의 그 sinθ의 출력 신호 및 cosθ의 출력 신호 각각을 입력하기 위한 제1 A 및 제2 A 입력 단자, 그리고 B면 위상 검파부(3Bb)에 있어서의 그 sinθ의 출력 신호 및 cosθ의 출력 신호 각각을 입력하기 위한 제1 B 및 제2 B 입력 단자를 구비하고, 두께 연산부(41b)가, 상기 제2 A 입력 단자로부터 입력된 신호를 상기 제1 A 입력 단자로부터 입력된 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 B 입력 단자로부터 입력된 신호를 상기 제1 B 입력 단자로부터 입력된 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상의 가산에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구하는 것인 경우, 제1 A 및 제2 A 입력 단자 각각에 제2 A 및 제1 A 출력 단자 각각을 접속함과 함께 제1 B 및 제2 B 입력 단자 각각에 제1 B 및 제2 B 출력 단자 각각을 접속해도 되고, 또는 제1 A 및 제2 A 입력 단자 각각에 제1 A 및 제2 A 출력 단자 각각을 접속함과 함께 제1 B 및 제2 B 입력 단자 각각에 제2 B 및 제1 B 출력 단자 각각을 접속해도 된다. 통상, cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산함으로써 tanθ를 구하여 위상 θ를 구하도록 각 출력 단자와 각 입력 단자를 접속하는 바, 전술한 바와 같이 접속 양태의 한쪽을 뒤바꿈으로써 두께 연산부(41b)는, 상기 제1 위상으로서 A면 위상 검파부(3Ab)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Ab)로부터 출력된 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 B면 위상 검파부(3Bb)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Bb)로부터 출력된 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상의 가산에 기초하여, 또는 상기 제1 위상으로서 A면 위상 검파부(3Ab)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Ab)로부터 출력된 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 상기 B면 위상 검파부(3Bb)에 있어서의 2위상 로크인 증폭기(32Bb)로부터 출력된 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상의 가산에 기초하여 피측정물 WA의 두께 변화량 △D를 구할 수 있다.
본 명세서는 상기와 같이 다양한 양태의 기술을 개시하고 있지만, 그 중 주된 기술을 이하에 정리한다.
일 양태에 따른 형상 측정 장치는, 측정 광을 생성하는 광원부와, 상기 광원부에서 생성된 측정 광을 A면 측정 광과 B면 측정 광으로 나누는 광 분기부와, 상기 광 분기부로 나뉜 A면 측정 광을 제1 A면 측정 광과 제2 A면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 피측정물의 한쪽 면에서의 제1 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 조사 후 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 조사 전 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 참조 간섭 광을 생성하는 A면 간섭부와, 상기 광 분기부로 나뉜 B면 측정 광을 제1 B면 측정 광과 제2 B면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 피측정물의 다른 쪽 면에서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 대향하는 제2 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 조사 후 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 제2 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 조사 전 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 참조 간섭 광을 생성하는 B면 간섭부와, 상기 A면 간섭부에 의하여 생성된 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제1 위상, 그리고 상기 B면 간섭부에 의하여 생성된 B면 측정 간섭 광 및 B면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제2 위상에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하는 형상 측정부를 구비하고, 상기 A면 간섭부 및 상기 B면 간섭부는, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 한다. 바람직하게는, 전술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 피측정물의 두께 방향에 직교하는 수평 방향으로 상기 피측정물을 이동시키는 이동부를 더 구비하고, 상기 형상 측정부는, 상기 이동부에 의하여 상기 피측정물을 상기 수평 방향으로 이동시킴으로써 상기 제1 및 제2 측정 위치의 개소를 복수로 변화시키면서 상기 복수의 제1 및 제2 측정 위치의 개소 각각에서의 상기 피측정물의 각 두께 변화량을 구한다. 바람직하게는, 전술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 A면 간섭부는, 상기 광 분기부로 나뉜 A면 측정 광을 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광으로 나누는 제1 A면 광 분기부와, 상기 제1 A면 광 분기부로 나뉜 제1 A면 측정 광을 제1 주파수로 변조하는 제1 A면 광 변조부와, 상기 제1 A면 광 분기부로 나뉜 제2 A면 측정 광을 광 헤테로다인 간섭하도록 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수로 변조하는 제2 A면 광 변조부와, 상기 제1 A면 광 변조부에서 변조된 제1 A면 측정 광을 제1-1 A면 변조 측정 광과 제1-2 A면 변조 측정 광으로 나누는 제2 A면 광 분기부와, 상기 제2 A면 광 변조부에서 변조된 제2 A면 측정 광을 제2-1 A면 변조 측정 광과 제2-2 A면 변조 측정 광으로 나누는 제3 A면 광 분기부와, 상기 제2 A면 광 분기부로 나뉜 상기 제1-1 A면 변조 측정 광을 상기 제1 측정 위치의 개소에 조사하여 반사로 얻어진 조사 후 A면 측정 광과, 상기 제3 A면 광 분기부로 나뉜 상기 제2-1 A면 변조 측정 광을 간섭시킴으로써 상기 A면 측정 간섭 광을 생성하는 제1 A면 간섭부와, 상기 제2 A면 광 분기부로 나뉜 상기 제1-2 A면 변조 측정 광과 제3 A면 광 분기부로 나뉜 상기 제2-2 A면 변조 측정 광을 간섭시킴으로써 상기 A면 참조 간섭 광을 생성하는 제2 A면 간섭부를 구비하고, 상기 B면 간섭부는, 상기 광 분기부로 나뉜 B면 측정 광을 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광으로 나누는 제1 B면 광 분기부와, 상기 제1 B면 광 분기부로 나뉜 제1 B면 측정 광을 제1 주파수로 변조하는 제1 B면 광 변조부와, 상기 제1 B면 광 분기부로 나뉜 제2 B면 측정 광을 광 헤테로다인 간섭하도록 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수로 변조하는 제2 B면 광 변조부와, 상기 제1 B면 광 변조부에서 변조된 제1 B면 측정 광을 제1-1 B면 변조 측정 광과 제1-2 B면 변조 측정 광으로 나누는 제2 B면 광 분기부와, 상기 제2 B면 광 변조부에서 변조된 제2 B면 측정 광을 제2-1 B면 변조 측정 광과 제2-2 B면 변조 측정 광으로 나누는 제3 B면 광 분기부와, 상기 제2 B면 광 분기부로 나뉜 상기 제1-1 B면 변조 측정 광을 상기 제2 측정 위치의 개소에 조사하여 반사로 얻어진 조사 후 B면 측정 광과, 상기 제3 B면 광 분기부로 나뉜 상기 제2-1 B면 변조 측정 광을 간섭시킴으로써 상기 B면 측정 간섭 광을 생성하는 제1 B면 간섭부와, 상기 제2 B면 광 분기부로 나뉜 상기 제1-2 B면 변조 측정 광과 제3 B면 광 분기부로 나뉜 상기 제2-2 B면 변조 측정 광을 간섭시킴으로써 상기 B면 참조 간섭 광을 생성하는 제2 B면 간섭부를 구비한다.
이와 같은 형상 측정 장치는, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A 측정 광을 동일 주파수로 하므로, 상기 제1 위상 및 상기 제2 위상에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구할 때, 상기 제1 및 제2 위상 각각에 포함되는 각 노이즈 성분을 서로 상쇄할 수 있다. 이 결과, 상기 형상 측정 장치는 보다 노이즈를 저감시킬 수 있다.
다른 일 양태에서는, 전술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 형상 측정부는 상기 제1 위상과 상기 제2 위상 차에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구한다.
이와 같은 형상 측정 장치는, 상기 제1 위상과 상기 제2 위상 차에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하므로, 하나의 승산기와 하나의 저역 통과 필터를 구비하고, 상기 저역 통과 필터의 출력 신호 레벨에서 위상을 나타내는 단상 로크인 증폭기를 사용할 수 있다.
다른 일 양태에서는, 전술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 형상 측정부는, 상기 A면 간섭부에 있어서의 상기 A면 측정 간섭 광 및 상기 A면 참조 간섭 광 각각의 각 광 강도 신호를 검출하는 A면 검출부와, 상기 B면 간섭부에 있어서의 상기 B면 측정 간섭 광 및 상기 B면 참조 간섭 광 각각의 각 광 강도 신호를 검출하는 B면 검출부와, 측정 신호와 참조 신호의 위상차를 θ라 한 경우에 상기 측정 신호 및 상기 참조 신호를 위상 검파함으로써 cosθ 및 Sinθ의 두 출력 신호를 출력하는 A면 로크인 증폭기 및 B면 로크인 증폭기와, 상기 A면 로크인 증폭기 및 상기 B면 로크인 증폭기의 각 출력 신호에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하는 두께 연산부를 구비하고, 상기 A면 로크인 증폭기에는, 상기 A면 검출부에서 검출한 상기 A면 측정 간섭 광의 광 강도 신호 및 상기 A면 참조 간섭 광의 광 강도 신호가 상기 측정 신호 및 상기 참조 신호로서 입력되고, 상기 B면 로크인 증폭기에는, 상기 B면 검출부에서 검출한 상기 B면 측정 간섭 광의 광 강도 신호 및 상기 B면 참조 간섭 광의 광 강도 신호가 상기 측정 신호 및 상기 참조 신호로서 입력되고, 상기 두께 연산부는, 상기 제1 위상으로서 상기 A면 로크인 증폭기로부터 출력된 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 상기 B면 로크인 증폭기로부터 출력된 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상의 가산에 기초하여, 또는 상기 제1 위상으로서 상기 A면 로크인 증폭기로부터 출력된 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 상기 B면 로크인 증폭기로부터 출력된 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상의 가산에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구한다.
이와 같은 형상 측정 장치는, 측정 신호와 참조 신호의 위상차를 φ라 한 경우에, 상기 측정 신호 및 상기 참조 신호를 위상 검파함으로써 cosθ 및 sinθ의 두 출력 신호를 출력하는 소위 2위상 로크인 증폭기를 사용함으로써, 상기 가산으로 상기 피측정물의 두께 변화량을 구할 수 있다.
다른 일 양태에서는, 전술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 광원부는 주파수 안정화 가스 레이저 또는 반도체 레이저이다.
이것에 의하면, 주파수 안정화 헬륨 네온 레이저 또는 반도체 레이저를 이용한 형상 측정 장치를 제공할 수 있다. 특히 본 발명에 따른 형상 측정 장치는, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 하므로, 상기 제1 위상 및 상기 제2 위상에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구할 때, 상기 제1 및 제2 위상 각각에 포함되는 각 노이즈 성분을 서로 상쇄할 수 있을 뿐 아니라 레이저 광의 주파수 요동도 제거할 수 있기 때문에, 주파수 안정화 가스 레이저에 비하여 레이저 광에 있어서의 주파수의 안정화가 낮은 반도체 레이저로도 주파수 안정화 가스 레이저를 이용한 경우와 대략 동일한 성능의 형상 측정 장치를 제조할 수 있다. 반도체 레이저를 이용함으로써 형상 측정 장치는 저가격화, 콤팩트화, 장수명화될 수 있다.
다른 일 양태에 따른 형상 측정 방법은, 측정 광을 A면 측정 광과 B면 측정 광으로 나누는 광 분기 공정과, 상기 광 분기 공정에서 나뉜 A면 측정 광을 제1 A면 측정 광과 제2 A면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 피측정물의 한쪽 면에서의 제1 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 제1 조사 후 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 제1 조사 전 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 참조 간섭 광을 생성하는 A면 간섭 공정과, 상기 광 분기 공정에서 나뉜 B면 측정 광을 제1 B면 측정 광과 제2 B면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 피측정물의 다른 쪽 면에서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 대향하는 제2 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 제1 조사 후 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 제2 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 제1 조사 전 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 참조 간섭 광을 생성하는 B면 간섭 공정과, 상기 A면 간섭 공정에 의하여 생성된 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제1 위상, 그리고 상기 B면 간섭 공정에 의하여 생성된 B면 측정 간섭 광 및 B면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제2 위상에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하는 형상 측정 공정을 구비하고, 상기 A면 간섭 공정 및 상기 B면 간섭 공정은, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 한다.
이와 같은 형상 측정 방법은, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 하므로, 상기 제1 위상 및 상기 제2 위상에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구할 때, 상기 제1 및 제2 위상 각각에 포함되는 각 노이즈 성분을 서로 상쇄할 수 있다. 이 결과, 상기 형상 측정 방법은 보다 노이즈를 저감시킬 수 있다.
이 출원은, 2018년 3월 23일에 출원된 일본 특허 출원 제2018-56565호를 기초로 하는 것이며, 그 내용은 본원에 원용되는 것이다.
본 발명을 표현하기 위하여 전술에 있어서 도면을 참조하면서 실시 형태를 통하여 본 발명을 적절히 또한 충분히 설명하였지만, 당업자라면 전술한 실시 형태를 변경 및/또는 개량하는 것은 용이하게 이룰 수 있는 것이라고 인식해야 한다. 따라서 당업자가 실시하는 변경 형태 또는 개량 형태가, 청구의 범위에 기재된 청구항의 권리 범위를 이탈하는 레벨의 것이 아닌 한, 당해 변경 형태 또는 당해 개량 형태는, 당해 청구항의 권리 범위에 포괄된다고 해석된다.

Claims (5)

  1. 측정 광을 생성하는 광원부와,
    상기 광원부에서 생성된 측정 광을 A면 측정 광과 B면 측정 광으로 나누는 광 분기부와,
    상기 광 분기부로 나뉜 A면 측정 광을 제1 A면 측정 광과 제2 A면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 피측정물의 한쪽 면에서의 제1 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 조사 후 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 조사 전 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 참조 간섭 광을 생성하는 A면 간섭부와,
    상기 광 분기부로 나뉜 B면 측정 광을 제1 B면 측정 광과 제2 B면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 피측정물의 다른 쪽 면에서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 대향하는 제2 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 조사 후 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 제2 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 조사 전 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 참조 간섭 광을 생성하는 B면 간섭부와,
    상기 A면 간섭부에 의하여 생성된 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제1 위상, 그리고 상기 B면 간섭부에 의하여 생성된 B면 측정 간섭 광 및 B면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제2 위상에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하는 형상 측정부를 구비하고,
    상기 A면 간섭부 및 상기 B면 간섭부는, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 하는,
    형상 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형상 측정부는 상기 제1 위상과 상기 제2 위상 차에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하는,
    형상 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 형상 측정부는, 상기 A면 간섭부에 있어서의 상기 A면 측정 간섭 광 및 상기 A면 참조 간섭 광 각각의 각 광 강도 신호를 검출하는 A면 검출부와, 상기 B면 간섭부에 있어서의 상기 B면 측정 간섭 광 및 상기 B면 참조 간섭 광 각각의 각 광 강도 신호를 검출하는 B면 검출부와, 측정 신호와 참조 신호의 위상차를 θ라 한 경우에 상기 측정 신호 및 상기 참조 신호를 위상 검파함으로써 cosθ 및 sinθ의 두 출력 신호를 출력하는 A면 로크인 증폭기 및 B면 로크인 증폭기와, 상기 A면 로크인 증폭기 및 상기 B면 로크인 증폭기의 각 출력 신호에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하는 두께 연산부를 구비하고,
    상기 A면 로크인 증폭기에는, 상기 A면 검출부에서 검출한 상기 A면 측정 간섭 광의 광 강도 신호 및 상기 A면 참조 간섭 광의 광 강도 신호가 상기 측정 신호 및 상기 참조 신호로서 입력되고,
    상기 B면 로크인 증폭기에는, 상기 B면 검출부에서 검출한 상기 B면 측정 간섭 광의 광 강도 신호 및 상기 B면 참조 간섭 광의 광 강도 신호가 상기 측정 신호 및 상기 참조 신호로서 입력되고,
    상기 두께 연산부는, 상기 제1 위상으로서 상기 A면 로크인 증폭기로부터 출력된 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 상기 B면 로크인 증폭기로부터 출력된 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상의 가산에 기초하여, 또는 상기 제1 위상으로서 상기 A면 로크인 증폭기로부터 출력된 cosθ의 출력 신호를 sinθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상과, 상기 제2 위상으로서 상기 B면 로크인 증폭기로부터 출력된 sinθ의 출력 신호를 cosθ의 출력 신호로 제산한 제산 결과에 기초하여 구한 위상의 가산에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하는,
    형상 측정 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원부는 주파수 안정화 가스 레이저 또는 반도체 레이저인,
    형상 측정 장치.
  5. 측정 광을 A면 측정 광과 B면 측정 광으로 나누는 광 분기 공정과,
    상기 광 분기 공정에서 나뉜 A면 측정 광을 제1 A면 측정 광과 제2 A면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 피측정물의 한쪽 면에서의 제1 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 제1 조사 후 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 A면 측정 광에 있어서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 제1 조사 전 A면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 간섭시킨 A면 참조 간섭 광을 생성하는 A면 간섭 공정과,
    상기 광 분기 공정에서 나뉜 B면 측정 광을 제1 B면 측정 광과 제2 B면 측정 광으로 다시 나누고, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 피측정물의 다른 쪽 면에서의, 상기 제1 측정 위치의 개소에 대향하는 제2 측정 위치의 개소에 조사되어 반사된 제1 조사 후 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 측정 간섭 광을 생성함과 함께, 광 헤테로다인 간섭에 의하여, 상기 제1 B면 측정 광에 있어서의, 상기 제2 측정 위치의 개소에 조사되기 전의 제1 조사 전 B면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 간섭시킨 B면 참조 간섭 광을 생성하는 B면 간섭 공정과,
    상기 A면 간섭 공정에 의하여 생성된 A면 측정 간섭 광 및 A면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제1 위상, 그리고 상기 B면 간섭 공정에 의하여 생성된 B면 측정 간섭 광 및 B면 참조 간섭 광을 위상 검파함으로써 얻어진 제2 위상에 기초하여 상기 피측정물의 두께 변화량을 구하는 형상 측정 공정을 구비하고,
    상기 A면 간섭 공정 및 상기 B면 간섭 공정은, 상기 광 헤테로다인 간섭할 때, 상기 제1 A면 측정 광과 상기 제2 B면 측정 광을 동일 주파수로 함과 함께, 상기 제1 B면 측정 광과 상기 제2 A면 측정 광을 동일 주파수로 하는,
    형상 측정 방법.
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