KR20120099504A - 표면 형상 측정 방법 및 표면 형상 측정 장치 - Google Patents

표면 형상 측정 방법 및 표면 형상 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 표면 형상 측정 방법은, 상이한 파장을 포함하는 백색광(8A)을 참조광(8C)과 측정광(8B)으로 분할하고, 측정광(8B)을 피측정면(3)에 입사시키고, 참조광(8C)을 제 1 회절 격자(20)에 입사시키고, 제 1 회절 격자(20)로부터 제 1 광로를 통해서 제 2 회절 격자(21)에 입사한 후에 제 2 회절 격자(21)로부터 제 1 광로를 통해서 제 1 회절 격자(20)에 입사하여 제 1 회절 격자(20)로부터 출사한 참조광(8C)과, 피측정면(3)에서 반사한 측정광(8B)을 합성하여 간섭광(8D)으로 해서, 피측정면(3)의 표면 형상을 측정한다.

Description

표면 형상 측정 방법 및 표면 형상 측정 장치{SURFACE SHAPE MEASUREMENT METHOD AND SURFACE SHAPE MEASUREMENT DEVICE}
본 발명은 백색 간섭을 이용한 표면 형상 측정 방법 및 표면 형상 측정 장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 또는 액정 표시기용 유리 기판 등의 정밀 가공품의 요철 형상을, 백색광의 간섭을 이용하여 측정하는 표면 형상 측정 장치가 알려져 있다. 종래의 표면 형상 측정 장치(특허 문헌 1 참조)를, 도 15를 이용하여 설명한다.
종래의 표면 형상 측정 장치(100)는, 백색 광원(101)으로부터의 백색광을, 제 1 렌즈(102)를 통해 하프 미러(103)까지 유도하고, 하프 미러(103)에서 반사된 백색광을, 제 2 렌즈(104)에 의해 집광하고 있다. 또, 종래의 표면 형상 측정 장치(100)는, 집광된 백색광을, 빔 스플리터(105)를 거쳐서 피측정면(106)에 조사하도록 구성되어 있다. 빔 스플리터(105)는 피측정면(106)에 조사하는 백색광(이하, 측정광이라고 함)과, 참조면(107)에 조사하는 백색광(이하, 참조광이라고 함)으로 분할하는 분할 수단이다. 참조광은 참조면(107)의 반사부(107a)에서 반사된 후에 빔 스플리터(105)에 재차 입사된다. 한편, 측정광은 피측정면(106)에서 반사된 후에 빔 스플리터(105)에 재차 입사된다. 빔 스플리터(105)는 반사부(107a)에서 반사된 참조광과, 피측정면(106)에서 반사된 측정광을 재차 동일한 경로로 합성하는 합성 수단으로서의 기능도 갖는다. 이 때, 피측정면(106)으로부터 빔 스플리터(105)까지의 거리 L1과, 빔 스플리터(105)로부터 참조면(107)까지의 거리 L2의 거리의 차(差)(측정광과 참조광의 광로 길이차)에 따른 간섭 현상이 발생한다. 그 간섭 현상이 발생한 백색광(이하, 간섭광이라고 함)은 결상 렌즈(108)를 거쳐서 CCD 카메라(109)에서 촬상된다. CCD 카메라(109)는 간섭광과 함께 피측정면(106)을 촬상한다.
여기서, 도시하지 않은 이동 수단에 의해서, 빔 스플리터(105)를 상하로 변동시켜, 거리 L1과 거리 L2의 위치 관계를 변화시키는 것에 의해, 측정광과 참조광의 광로 길이차를 변화시킨다. 이것에 의해, CCD 카메라(109)에 입사하는 간섭광이, 서로 강하게 되거나 또는 약하게 되거나 한다. 예컨대, CCD 카메라(109)에서 촬상되는 영역 내의 피측정면(106)의 특정 개소에 주목한 경우에, 빔 스플리터(105)의 위치를 변동시킨다. 이에 따라, 특정 개소에서의 간섭광의 강도 신호(이하, 간섭 강도 신호라고 함)를 측정함으로써, 도 16의 (a)~(c)에 나타낸 그래프를 얻는 것이 가능하다. 도 16의 (a)~(c)는, 세로축에 CCD 카메라(109)에서 검출된 간섭 강도 신호의 강도를 나타내고, 가로축에 피측정면(106)으로부터 빔 스플리터(105)까지의 거리 L1(피측정면(106)의 높이)을 나타낸 것이다.
이론적으로는, 간섭 강도 신호의 강도와 피측정면(106)의 높이의 관계를 나타내는 그래프는 도 16의 (a)에 나타내는 바와 같은 간섭 강도 신호의 파형 신호로서 구해진다. 이 파형 신호에 근거하여, 피측정면(106)의 높이를 구할 수 있다. 단, 실제로는, 미리 설정한 간격 치수(샘플링 간격 치수)만큼 이동할 때마다 CCD 카메라(109)에 의해 간섭광을 촬상하기 때문에, 얻어지는 데이터 그룹은 도 16의 (b)에 나타내는 바와 같이 이산적이다. 이 때문에, 취득한 이산적인 데이터로부터 간섭 강도 신호의 파형 신호를 구할 필요가 있다. 그래서, 도 16의 (b)에 나타낸 이산적인 데이터로부터 특성 함수를 구함으로써, 도 16의 (c)에 나타내는 바와 같이, 간섭 강도 신호의 파형 신호를 근사한다. 종래의 표면 형상 측정 장치(100)는 이 근사한 간섭 강도 신호의 파형 신호에 근거하여, 피측정면(106)의 높이를 구하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제 2001-66122호 공보
그러나, 종래의 표면 형상 측정 장치(100)에서는, 측정광과 참조광의 광로 길이차가 매우 적은 한정된 광로 길이차의 범위가 아니면, 간섭 강도 신호를 검출할 수 없다. 이 때문에, 광로 길이차의 변화량을 매우 미세하게 하여 피측정면(106)의 높이 형상을 측정할 필요가 있다. 따라서, 측정 회수가 많아져, 피측정면(106)의 높이의 측정에 많은 시간을 필요로 한다. 특히, 피측정면(106)의 고저차가 커질수록, 측정에 소요되는 시간이 현저하게 길어진다.
본 발명은, 이러한 과제를 해결하는 것으로, 간섭 강도 신호를 검출 가능한 광로 길이차의 범위를 넓히고, 고속으로 피측정면의 측정이 가능한 표면 형상 측정 방법 및 표면 형상 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해, 이하와 같이 구성하고 있다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 상이한 파장을 포함한 백색광을 참조광과 측정광으로 분할하고, 상기 참조광을 제 1 회절 격자에 입사시킨 후, 제 1 광로를 통해 제 2 회절 격자에 입사시키고, 또 그 후에, 상기 제 2 회절 격자로부터 상기 제 1 광로를 통해 상기 제 1 회절 격자에 입사시킨 상기 참조광과, 피측정면에 입사시켜 해당 피측정면에서 반사시킨 상기 측정광을 합성하여 간섭광으로 하고, 상기 간섭광에서의 간섭 강도를 검출하고, 상기 간섭 강도에 근거하여 상기 피측정면의 표면 형상을 측정하는 표면 형상 측정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 상이한 파장을 포함한 백색광을 조사하는 광원과, 상기 백색광을 참조광과 측정광으로 분할하는 분할부와, 상기 측정광이 조사되는 피측정물이 탑재되는 테이블과, 제 1 피치로 제 1 방향의 격자가 형성됨과 아울러 상기 참조광이 수직으로 입사되는 제 1 회절 격자와, 상기 제 1 피치의 절반의 피치로 상기 제 1 방향의 격자가 형성되고, 또한, 상기 제 1 회절 격자와 평행하게 배치됨과 아울러, 상기 제 1 회절 격자를 출사한 상기 참조광이 입사되는 제 2 회절 격자와, 상기 제 2 회절 격자를 출사한 후에 상기 제 1 회절 격자를 출사한 상기 참조광과 상기 피측정물에서 반사한 상기 측정광을 합성하여 간섭광으로 하는 합성부와, 상기 간섭광에서의 간섭 강도를 검출하는 검출부와, 상기 간섭 강도에 근거하여 상기 피측정물의 표면 형상을 측정하는 측정부를 구비하는 표면 형상 측정 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 상이한 파장을 포함하는 백색광을 조사하는 광원과, 상기 백색광을 참조광과 측정광으로 분할하는 분할부와, 상기 측정광이 조사되는 피측정물이 탑재되는 테이블과, 제 1 피치로 제 1 방향의 격자가 형성됨과 아울러 상기 참조광이 수직으로 입사되는 제 1 회절 격자와, 상기 제 1 피치로 상기 제 1 방향의 격자가 형성되고, 또한, 상기 제 1 회절 격자와 평행하게 배치됨과 아울러, 상기 제 1 회절 격자로부터 출사된 상기 참조광이 입사하는 제 2 회절 격자와, 상기 제 2 회절 격자를 출사한 상기 참조광을 반사하여 상기 제 2 회절 격자에 입사시키는 미러와, 상기 미러에서 반사된 후에 상기 제 2 회절 격자와 상기 제 1 회절 격자의 순으로 출사한 상기 참조광과 상기 피측정물에서 반사된 상기 측정광을 합성하여 간섭광으로 하는 합성부와, 상기 간섭광에서의 간섭 강도를 검출하는 검출부와, 상기 간섭 강도에 근거하여 상기 피측정물의 표면 형상을 측정하는 측정부를 구비하는 표면 형상 측정 장치를 제공한다.
이상과 같이, 본 발명의 표면 형상 측정 방법 및 표면 형상 측정 장치에 의하면, 간섭 강도 신호를 검출 가능한 광로 길이차의 범위를 확대하고, 피측정면의 측정을 고속으로 행하는 것이 가능하다.
본 발명의 특징은 첨부된 도면에 대한 실시 형태에 따른 다음의 기술(記述)로부터 밝혀진다. 이 도면에서는,
도 1a는 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치의 모식도,
도 1b는 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치의 CPU의 블럭도,
도 1c는 제 1 실시 형태에 있어서의 참조 유닛을 나타낸 모식도,
도 1d는 제 1 실시 형태의 변형예에서의 참조 유닛을 나타낸 모식도,
도 1e는 제 2 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치의 CPU의 블럭도,
도 2는 제 1 실시 형태에 있어서의 제 1 회절 격자와 제 2 회절 격자에서 회절하는 참조광의 모습을 설명하는 설명도,
도 3a는 종래의 표면 형상 측정 방법에서의 광로 길이차가 -40~40㎛인 경우의 간섭 강도 신호와 광로 길이차의 관계를 나타내는 그래프,
도 3b는 종래의 표면 형상 측정 방법에서의 광로 길이차가 -5~5㎛인 경우의 간섭 강도 신호와 광로 길이차의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸 도면,
도 4는 종래의 표면 형상 측정 방법에서의 간섭 강도 신호와 간섭 강도 신호를 파장 분해한 모습을 설명하는 설명도,
도 5는 종래의 표면 형상 측정 방법에서의 간섭 강도 신호의 위상과 파장의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸 도면,
도 6a는 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치에서의 광로 길이차가 -40~40㎛인 경우의 간섭 강도 신호와 광로 길이차의 관계를 나타내는 그래프,
도 6b는 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치에서의 광로 길이차가 -5~5㎛인 경우의 간섭 강도 신호와 광로 길이차의 관계를 나타내는 그래프,
도 7은 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치에서의 간섭 강도 신호와 간섭 강도 신호를 파장 분해한 모습을 설명하는 설명도,
도 8은 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치에서의 간섭 강도 신호의 위상과 파장의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸 도면,
도 9는 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치의 동작을 나타내는 흐름도,
도 10은 제 3 실시 형태에 있어서의 참조 유닛의 구성을 나타내는 모식도,
도 11a는 제 4 실시 형태에 있어서의 참조 유닛의 구성을 나타내는 모식도,
도 11b는 제 4 실시 형태의 변형예에 있어서의 참조 유닛의 구성을 나타내는 모식도,
도 11c는 제 4 실시 형태의 다른 변형예에 있어서의 참조 유닛의 구성을 나타내는 모식도,
도 12는 제 5 실시 형태에 있어서의 참조 유닛의 구성을 나타내는 모식도,
도 13은 제 5 실시 형태의 변형예 1에 있어서의 참조 유닛의 구성을 나타내는 모식도,
도 14는 제 5 실시 형태의 변형예 2에 있어서의 참조 유닛의 구성을 나타내는 모식도,
도 15는 종래의 표면 형상 측정 장치의 구성을 나타내는 모식도,
도 16은 종래의 표면 형상 측정 장치에 의해 간섭 강도 신호의 파형을 구할 때까지를 나타내는 도면으로서, (a)는 이론적인 간섭 강도 신호의 파형을 나타내는 도면, (b)는 실측한 간섭 강도 신호의 흐름을 나타내는 도면, (c)는 특성 함수로부터 근사한 간섭 강도 신호의 파형을 나타내는 도면,
도 17a는 제 1 내지 제 5 실시 형태에 적용 가능한 회절 격자의 단면 형상의 일례를 설명하는 도면,
도 17b는 제 1 내지 제 5 실시 형태에 적용 가능한 회절 격자의 단면 형상의 다른 예를 설명하는 도면,
도 17c는 제 1 내지 제 5 실시 형태에 적용 가능한 회절 격자의 단면 형상의 또 다른 예를 설명하는 도면.
본 발명의 기술에서는, 첨부 도면에서 동일한 부품에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여하고 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.
(제 1 실시 형태)
도 1a는 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)를 나타낸 모식도이다. 우선, 표면 형상 측정 장치(1)의 개요를 설명한다. 표면 형상 측정 장치(1)는 피측정물(2)의 표면인 피측정면(3)에, 특정 주파수 대역의 백색광을 조사하여 반사광을 수광하는 광학계 유닛(4)과, 광학계 유닛(4)을 제어 및 구동하는 제어 구동계 유닛(5)과, 피측정물(2)을 탑재하기 위한 테이블(6)을 구비하고 있다. 피측정물(2)은, 예컨대, 비구면 렌즈 또는 회로 기판 등이다. 광학계 유닛(4)에는, 참조 유닛(7)이 구비된다. 이 참조 유닛(7)에도 백색광이 조사된다. 이 참조 유닛(7)의 상세한 것에 대해서는 후술하기 때문에, 여기서는 설명을 생략한다.
표면 형상 측정 장치(1)는, 피측정면(3)에서 반사된 백색광과 참조 유닛(7) 내에서 반사된 백색광을 간섭시킴으로써, 피측정면(3)의 면내(도 1a에 나타낸 X축과 Y축으로 정해지는 X-Y 평면)의 높이 정보(도 1a에 나타낸 Z축 방향에서의 위치)를 측정한다. 환언하면, 표면 형상 측정 장치(1)는 피측정면(3)의 표면 형상을 측정한다. 이 경우, 표면 형상 측정 장치(1)는 미리 설정한 기준면(6a)으로부터의 높이 정보를 측정한다. 기준면(6a)으로서는, 피측정물(2)을 탑재하는 테이블(6)의 표면을 이용하는 것이 바람직하다. 기준면(6a)으로서 테이블(6)의 표면을 이용함으로써 피측정물(2)이 미지(未知)이더라도, 표면 형상을 측정할 수 있다. 또, 피측정물(2)의 평균 높이가 기지(旣知)인 경우는, 이 평균 높이의 위치를 기준면(6a)으로서 설정하더라도 좋다. 또한, 테이블(6)은 표면 형상 측정 장치(1)가 설치된 설치 플레이트에 고정되어 있다.
이하에 표면 형상 측정 장치(1)의 구조의 상세한 것에 대해 도 1a를 이용하여 설명한다.
우선, 표면 형상 측정 장치(1)가 구비하는 광학계 유닛(4)에 대해 설명한다. 광학계 유닛(4)은 참조 유닛(7)과, 백색 광원(8)과, 집광 렌즈(9)와, 하프 미러(10)와, 제 1 대물 렌즈(11)와, 제 2 대물 렌즈(12)와, 결상 렌즈(13)와, 카메라(14)를 구비하고 있다.
백색 광원(8)은 조사 파장 대역이 400~1800㎚의 광원이다. 백색 광원(8)을 점 광원으로 볼 수 있도록, 백색광이 출사되는 개구를 충분히 작게 하고 있다. 이 백색 광원(8)으로는 할로겐 램프, 크세논 램프, 백색 LED, 또는, 극단파 펄스 레이저 등의 넓은 대역의 파장을 갖는 광원을 이용하는 것이 바람직하다.
집광 렌즈(9)는, 백색 광원(8)으로부터 조사되는 백색광을 하프 미러(10) 상에 집광시키는 광학계이며, 하프 미러(10)에 초점을 가지도록 배치되어 있다.
하프 미러(10)는, 집광 렌즈(9)에 의해서 집광된 백색광(8A)을 피측정면(3)에 조사되는 백색광(이하, 측정광(8B)이라고 함)과, 참조 유닛(7)에 조사되는 백색광(이하, 참조광(8C)이라고 함)의 2개의 백색광(측정광(8B)과 참조광(8C))으로 분할하는 분할 수단(분할부)의 일례로서 기능한다. 또, 하프 미러(10)는, 피측정면(3)에 조사된 후에 피측정면(3)으로부터 반사된 측정광(8B)과, 참조 유닛(7)에 조사된 후에 참조 유닛(7) 내로부터 반사된 참조광(8C)을 하나의 광속(光束)의 백색광(이하, 간섭광(8D)이라고 함)으로 합성하는 합성 수단(합성부)의 일례로서도 기능한다. 즉, 하프 미러(10)는 분할 수단의 일례와 합성 수단의 일례를 하나의 부재로 구성하는 것이다. 이 때, 분할되고 나서 합성될 때까지의 측정광(8B)의 광로 길이와, 분할되고 나서 합성될 때까지의 참조광(8C)의 광로 길이간에 차이(이하, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차라고 함)가 생긴다. 이 때문에, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차에 대응하여, 간섭광(8D)에 생기는 간섭 무늬의 강도가 변화한다. 또, 간섭광(8D)의 간섭 무늬를 효율 좋게 발생시키기 위해서, 하프 미러(10)의 분할비는 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광 강도가 거의 1대1로 되도록 설정되는 것이 바람직하다.
제 1 대물 렌즈(11)는, 측정광(8B)을 피측정면(3)에 조사하는 광학계로서, 하프 미러(10)를 거쳐서 집광 렌즈(9)의 반대측에 배치된다. 제 1 대물 렌즈(11)로부터 출사한 측정광(8B)이, 피측정면(3)의 표면에 대략 수직으로 조사되도록, 피측정물(2)이 테이블(6)에 탑재되어 있다. 바꾸어 말하면, 제 1 대물 렌즈(11)로부터 출사한 측정광(8B)의 광축이 테이블(6)의 평평한 표면에 대략 직교하도록, 테이블(6)이 배치되어 있다.
제 2 대물 렌즈(12)는, 참조광(8C)을 참조 유닛(7)에 조사하는 광학계로서, 제 2 대물 렌즈(12)의 초점 위치가 하프 미러(10) 상에서, 집광 렌즈(9)의 초점 위치와 일치하도록 배치되어 있다.
참조 유닛(7)은, 제 2 대물 렌즈(12)로부터 참조 유닛(7)에 입사한 참조광(8C)을, 참조 유닛(7)의 내부에서 반사시킨 후에 참조 유닛(7)으로부터 출사시키는 것이다. 참조 유닛(7)으로부터 출사한 참조광(8C)은 재차 제 2 대물 렌즈(12)에 입사된다. 이 경우, 참조 유닛(7)에 입사할 때의 참조광(8C)의 광로와, 참조 유닛(7)으로부터 출사할 때의 참조광(8C)의 광로가 일치하도록, 참조 유닛(7)이 설치되어 있다. 또, 참조 유닛(7)의 작용에 대해서는 후술한다.
결상 렌즈(13)는 하프 미러(10)를 거쳐서 제 2 대물 렌즈(12)의 반대측에 배치된다. 결상 렌즈(13)에 입사한 간섭광(8D)은 카메라(14)를 향해서 출사된다.
카메라(14)는, 일례로서 CCD 또는 CMOS 등의 2차원 상으로 촬상 소자가 배치된 촬상 장치이며, 백색 광원(8)의 파장 대역에 감도를 갖고 있고, 간섭 강도 신호를 검출하는 검출 수단(검출부)의 일례로서 기능한다. 카메라(14)는 결상 렌즈(13)를 거쳐서 하프 미러(10)와 반대측에 배치되어 있다. 카메라(14)는, 간섭 무늬가 생긴 간섭광(8D)을 촬상함과 아울러, 결상 렌즈(13)와, 하프 미러(10)와, 제 1 대물 렌즈(11)를 거쳐서, 피측정면(3)의 화상을 카메라(14)로 촬상한다. 또한, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 변동함에 있어, 간섭 강도 신호를 취득하는 간격 치수(이하, 샘플링 간격 치수라고 함)마다, 간섭광(8D)과 함께 피측정면(3)의 화상이 촬상된다. 촬상에 의해 취득된 데이터는 제어 구동계 유닛(5)에 의해서 수집된다. 또, 샘플링 간격 치수는, 예를 들면, 카메라(14)의 촬상 화소의 1 화소 단위로 한다. 샘플링 간격 치수는 미리 설정된 소정의 간격 치수이다.
여기서, 백색 광원(8)으로부터 출사한 백색광(8A)이 통과하는 경로에 대해 설명한다. 백색 광원(8)으로부터 출사한 백색광(8A)은 집광 렌즈(9)를 거쳐서 하프 미러(10)에 입사된다. 하프 미러(10)에 입사된 백색광(8A)은 측정광(8B)과 참조광(8C)으로 분할된다. 하프 미러(10)에서 2개로 분할된 백색광(측정광(8B)과 참조광(8C)) 중 한쪽의 백색광(측정광(8B))은, 제 1 대물 렌즈(11)를 거쳐서 피측정면(3)에 입사된 후에, 이 피측정면(3)에서 반사되어 제 1 대물 렌즈(11)에 의해서 집광되고, 재차 하프 미러(10)에 입사한다. 한편, 하프 미러(10)에서 2개로 분할된 백색광(측정광(8B)과 참조광(8C)) 중 다른쪽의 백색광(참조광(8C))은 제 2 대물 렌즈(12)를 거쳐서 참조 유닛(7)에 입사한다. 상세한 것은 후술하지만, 참조 유닛(7)에 입사한 참조광(8C)은, 참조 유닛(7)의 내부에서 반사된 후에, 참조 유닛(7)으로부터 출사된다. 참조 유닛(7)으로부터 출사한 참조광(8C)은, 제 2 대물 렌즈(12)에 의해서 집광되고, 재차 하프 미러(10)에 입사된다. 재차 하프 미러(10)에 입사된 측정광(8B)과 참조광(8C)은 하프 미러(10)에 의해서 동일한 광속으로 합성된다(간섭광(8D)으로 된다). 간섭광(8D)은 결상 렌즈(13)를 거쳐서 카메라(14)에 입사된다.
다음으로, 제어 구동계 유닛(5)에 대해 설명한다. 제어 구동계 유닛(5)은, CPU(16)와, 카메라(14)에 의해서 촬상된 간섭광(8D)의 간섭 무늬 및 CPU(16)에서의 연산 결과 등의 각종 데이터를 기억하는 기억 메모리(17)와, 샘플링 간격 치수 및 그 외의 설정 정보를 입력하는 마우스 또는 키보드 등의 입력 장치(18)와, 측정 결과를 표시하는 모니터(19)와, 광학계 유닛(4)과 피측정면(3)의 상대 거리를 변화시킴으로써 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차를 변화시키는 구동 장치(15)를 구비한다.
CPU(16)는, 표면 형상 측정 장치(1) 전체를 통괄적으로 제어하고, 연산 처리를 행하기 위한 중앙 처리 장치이다. CPU(16)는 도 1b에 나타내는 동작 제어부(16a)와, 측정 수단(측정부)의 일례로서의 처리를 행하는 연산부(16b)의 기능을 갖는다. 동작 제어부(16a)는 카메라(14)와, 기억 메모리(17)와, 구동 장치(15)를 동작 제어하는 기능을 갖는다. 연산부(16b)는, 카메라(14)에서 취득한 간섭광(8D)의 간섭 무늬에 근거하여 간섭 강도 신호를 취득하고, 이 간섭 강도 신호에 근거하여 피측정면(3)의 표면 형상을 측정하는 기능을 갖는다. 동작 제어부(16a)와 연산부(16b)의 처리에 대해서는, 상세한 것을 후술한다. 또, CPU(16)에는 입력 장치(18)와 모니터(19)가 접속되어 있다. 이 때문에, 조작자는, 모니터(19)에 표시되는 조작 화면을 관찰하면서, 입력 장치(18)로부터 각종의 설정 정보의 입력을 행하여, 동작 제어부(16a) 및 연산부(16b)에 필요한 정보를 입력할 수 있다. 또한, 모니터(19)에는, 피측정면(3)의 측정 종료 후에, 측정한 피측정면(3)의 표면 형상이 화상 또는 수치로서 표시된다.
구동 장치(15)는, CPU(16)의 동작 제어부(16a)로부터의 지시에 따라, 광학계 유닛(4)을, 테이블(6)에 대해, 도 1a 중에 나타낸 서로 직교하는 X, Y, Z축 방향으로 구동하는 3축 구동형의 서보 모터 등의 구동 기구를 구비한 것이다. 테이블(6)에 대해서, 구동 장치(15)에 의해서 광학계 유닛(4)을 도 1a에 나타낸 Z축 방향으로 이동킴으로써, 피측정면(3)과 광학계 유닛(4)의 거리가 가까워지면, 측정광(8B)의 광로 길이가 짧아진다. 또한, 피측정면(3)과 광학계 유닛(4)의 거리가 멀어지면, 측정광(8B)의 광로 길이가 길어진다. 한편, 피측정면(3)과 광학계 유닛(4) 사이의 거리가 변화하더라도, 참조광(8C)의 광로 길이는 변하지 않다. 이 때문에, 광학계 유닛(4)이 도 1a에 나타낸 Z축 방향으로 이동하는 것에 의해, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 변화된다. 또, 광학계 유닛(4)이 이동하는 대신에, 피측정물(2)이 탑재되는 테이블(6)을 직교 3축 방향으로 이동시키더라도 좋다. 이 경우는, 표면 형상 측정 장치(1)가 설치된 설치 플레이트에 광학계 유닛(4)을 고정하게 된다.
다음으로, 광학계 유닛(4)이 구비하는 참조 유닛(7)에 대해 상세를 설명한다. 참조 유닛(7)은 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를 구비하고 있다. 제 1 회절 격자(20)는, 참조 유닛(7) 내에서 제 2 대물 렌즈(12)에 가까운 위치에 배치되고, 참조광(8C)을 회절 및 투과시킨다. 제 2 회절 격자(21)는, 참조 유닛(7) 내에서 제 1 회절 격자(20)보다 제 2 대물 렌즈(12)로부터 먼 위치에 배치되고, 제 1 회절 격자(20)에서 회절 및 투과한 참조광(8C)을 회절 및 반사시킨다. 또, 도시함에 있어, 반사형의 회절 격자에 대해서는 해칭을 부여하고, 투과형의 회절 격자와의 차이를 명확하게 하고 있다.
이 참조 유닛(7)에 입사한 참조광(8C)은 우선 제 1 회절 격자(20)에 입사된다. 제 1 회절 격자(20)에 입사된 참조광(8C)은 제 1 회절 격자(20)에서 회절함과 아울러 제 1 회절 격자(20)를 투과한다. 제 1 회절 격자(20)를 투과한 참조광(8C)은 다음에 제 2 회절 격자(21)에 입사된다. 제 2 회절 격자(21)에 입사된 참조광(8C)은 제 2 회절 격자(21)에 의해 회절됨과 아울러 제 2 회절 격자(21)에서 반사된다. 제 2 회절 격자(21)에 의해 반사된 참조광(8C)은 재차 제 1 회절 격자(20)에 입사된다. 다시, 제 1 회절 격자(20)에 입사한 참조광(8C)은, 제 1 회절 격자(20)에 의해 회절됨과 아울러 제 1 회절 격자(20)를 투과하고, 그 후, 참조 유닛(7)으로부터 제 2 대물 렌즈(12)를 향해서 출사된다. 이하의 설명에서는, 참조 유닛(7)에 입사할 때의 참조광(8C)을 제 0 참조광으로 하고, 제 1 회절 격자(20)를 투과한 제 0 참조광을 제 1 참조광으로 하고, 제 2 회절 격자(21)에서 반사된 제 1 참조광을 제 2 참조광으로 하고, 제 1 회절 격자(20)를 투과한 제 2 참조광을 제 3 참조광으로 한다.
제 1 회절 격자(20)는, 투과형의 회절 격자이며, 제 1 방향으로 평행한 직선 형상의 격자(홈)가 형성된 평면(제 1 격자면(20a))을 갖는다. 제 2 대물 렌즈(12)에 의해서 평행광화된 제 0 참조광이, 도 1a에 나타낸 화살표 A의 방향으로부터 입사되도록 제 1 회절 격자(20)가 배치되어 있다. 도 1a에 나타낸 화살표 A의 방향이란, 제 1 격자면(20a)의 표면에 대해 수직인 방향이다. 또한, 이 제 1 회절 격자(20)는, 일례로서 브레이즈드(blazed) 회절 격자를 이용하고 있으며, 그 제 1 방향이, 도 1a에 나타낸 X축 방향과 평행하게 되도록 배치되어 있다. 또, 제 1 격자면(20a)이 제 2 회절 격자(21)와 대향하도록 제 1 회절 격자(20)가 배치되어 있다. 이 때문에, 도 1a에 나타낸 화살표 B의 방향으로 제 0 참조광이, 제 1 회절 격자(20)에 의해 회절함과 아울러, 제 1 회절 격자(20)를 투과한다(제 1 참조광으로서 화살표 B의 방향으로 출사한다). 또한, 제 1 격자면(20a)에는 반사 방지막이 형성되고, 표면 반사의 발생을 억제하고 있다. 또, 반사 방지막으로서는, 일반적인 단층 혹은 다층의 박막 반사 방지막을 이용한다. 또한, 백색 광원(8)으로부터 조사되는 파장 대역에 대응한 반사 방지막을 이용한다.
제 2 회절 격자(21)는, 반사형의 회절 격자이며, 제 2 방향으로 평행한 직선 형상의 격자(홈)가 형성된 평면(제 2 격자면(21a))을 갖고 있다. 이 제 2 격자면(21a)에 대해, 도 1a에 나타낸 화살표 B의 방향으로부터 제 1 참조광이 입사하도록, 제 2 회절 격자(21)가 배치되어 있다. 또한, 이 제 2 회절 격자(21)는, 일례로서 브레이즈드 회절 격자이며, 제 1 방향이, 예를 들면, 도 1a에 나타낸 X축 방향과 평행하게 되도록 배치되어 있다. 이 경우, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 격자(홈) 방향(제 1 방향과 제 2 방향)은 서로 평행하고, 제 1 격자면(20a)과 제 2 격자면(21a)도 서로 평행하게 되도록 배치되어 있다. 또한, 제 1 회절 격자(20)의 격자 피치(제 1 피치 p1)를 p라고 하면, 제 2 회절 격자(21)의 격자 피치(제 2 피치 p2)는 p의 절반의 피치, 즉 p/2로 된다. 이들에 의해, 제 2 회절 격자(21)에 입사한 제 1 참조광이, 도 1a에 나타낸 화살표 C의 방향(화살표 B의 방향과 대향 방향)으로 제 2 회절 격자(21)에서 반사된다(제 2 참조광으로서 화살표 B의 방향과 대향 방향으로 출사된다). 즉, 제 2 회절 격자(21)에서 반사된 제 1 참조광(즉 제 2 참조광)은, 제 1 참조광의 광로를 역진(逆進)하도록 하여, 제 1 회절 격자(20)에 재차 입사된다. 환언하면, 제 1 회절 격자(20)를 투과한 후에 제 2 회절 격자(21)에 입사할 때의 제 1 참조광의 광로와, 제 2 회절 격자(21)에서 반사된 후에 제 1 회절 격자(20)에 입사할 때의 제 2 참조광의 광로가 일치한다. 또한, 제 2 참조광은, 제 1 회절 격자(20)에 재차 입사함으로써, 제 1 회절 격자(20)에서 더 회절 및 투과되고, 제 1 회절 격자(20)로부터 제 3 참조광으로서 도 1a에 나타낸 화살표 D의 방향(화살표 A의 방향과 대향 방향)으로 출사된다. 이 경우, 제 1 회절 격자(20)를 투과한 제 2 참조광은, 제 3 참조광으로서, 제 0 참조광의 광로를 역진하게 된다. 즉, 참조 유닛(7)에 입사할 때의 제 0 참조광의 광로와 참조 유닛(7)으로부터 출사할 때의 제 3 참조광의 광로는 일치한다.
여기서는, 특히, 제 1 회절 격자(20)를 투과한 후에 제 2 회절 격자(21)에 입사할 때의 제 1 참조광의 광로와, 제 2 회절 격자(21)에서 반사된 후에 제 1 회절 격자(20)에 입사할 때의 제 2 참조광의 광로가 일치하도록, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 조건을 설정하는 것이 중요하다. 이것은, 상세한 것은 후술하지만, 참조광(8C)에 대해 파장마다 다른 광로 길이차를 부여하기 위해서이다. 또, 브레이즈드 회절 격자는 격자면이 톱 형상으로 형성되어 있다. 구체적으로는, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를 브레이즈드 회절 격자로 하면 도 1c와 같이 표현할 수 있다. 이 도 1c는 도 1a의 참조 유닛(7)을 확대한 도면이다. 그러나, 항상 브레이즈드 회절 격자를 도시함에 있어서는, 도면이 복잡하게 되기 때문에, 도 1a에 도시한 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)와 같이, 간략화하여 회절 격자를 나타내는 경우가 있다.
여기서, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)가 충족해야 할 구성 조건에 대해 설명한다.
일반적으로, 회절 격자로의 입사각을 θ, 회절각을 η, 회절 격자에 입사하는 광의 파장을 λ, 회절 격자의 격자 피치를 p, 회절 차수를 n으로 하면, 회절 방정식은 다음의 식 (1)로 나타낼 수 있다.
Figure pct00001
식 (1)으로부터, 제 1 회절 격자(20)에 입사하는 제 0 참조광의 입사각을 θ1, 회절각을 η1, 제 1 회절 격자(20)의 제 1 피치를 p1라고 한 경우, 제 1 회절 격자(20)에서의 회절 방정식은 다음의 식 (2)로 나타낼 수 있다.
Figure pct00002
또한, 식 (1)으로부터, 제 2 회절 격자(21)에 입사하는 제 1 참조광의 입사각을 θ2, 회절각을 η2, 제 2 회절 격자(21)의 제 2 피치를 p2라고 한 경우, 제 2 회절 격자(21)에서의 회절 방정식은 다음의 식 (3)으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00003
여기서, 제 1 회절 격자(20)로부터 제 2 회절 격자(21)로 입사할 때의 제 1 참조광의 광로와, 제 2 회절 격자(21)로부터 제 1 회절 격자(20)로 입사할 때의 제 2 참조광의 광로가 일치하기 위해서는, 적어도 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 격자(홈) 방향(제 1 방향과 제 2 방향)을 서로 평행하게 할 필요가 있다. 동시에, 제 1 회절 격자(20)에서의 회절각 η1과 제 2 회절 격자(21)에서의 회절각 η2가 일치할 필요가 있다. 따라서, 회절각 η1과 회절각 η2는 다음의 식 (4)의 관계를 만족시킬 필요가 있다.
Figure pct00004
이 식 (4)를 식 (3)에 대입함으로써, 다음의 식 (5)를 얻을 수 있다.
Figure pct00005
여기서, 제 1 실시 형태에 있어서, 제 1 격자면(20a)과 제 2 격자면(21a)은 평행하게 되도록, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)가 배치되어 있다. 이 때문에, 제 1 회절 격자(20)에서의 회절각 η1과 제 2 회절 격자(21)에서의 입사각 θ2는 동일해진다. 즉, 회절각 η1과 입사각 θ2는 다음의 식 (6)의 관계로 나타낼 수 있다.
Figure pct00006
식 (6)을 식 (5)에 대입함으로써, 다음의 식 (7)을 얻을 수 있다.
Figure pct00007
다음에, 식 (7)과 식 (2)로부터, 제 1 회절 격자(20)의 제 1 피치 p1과 제 2 회절 격자(21)의 제 2 피치 p2의 관계는 다음의 식 (8)로 나타낼 수 있다.
Figure pct00008
또, 식 (8)에서는, 제 1 피치 p1과 제 2 피치 p2가 파장에 의존하기 때문에, 다른 복수의 파장을 포함한 백색광을 이용하는 제 1 실시 형태에 있어서, 식 (8)에 근거하여 제 1 피치 p1 및 제 2 피치 p2를 결정하는 것은 용이하지 않다. 특히, 제 2 격자면(21a)에 입사하는 참조광의 위치 및 파장에 의해서 제 2 피치 p2를 변화시킬 필요가 있기 때문에, 그러한 특수한 격자 피치를 갖는 회절 격자를 작성하는 것은 매우 곤란하다. 또한, 제 2 회절 격자(21)에 입사하는 참조광의 위치와, 참조광이 입사하는 위치에서의 제 2 피치 p2를 정확하게 일치시킬 필요가 있기 때문에, 광학계의 조절이 매우 어렵다. 그래서, 제 1 실시 형태에 있어서, 제 0 참조광이 제 1 격자면(20a)의 표면에 수직으로 입사하도록, 제 1 회절 격자(20)를 설치한다. 이것에 의해, 제 1 회절 격자(20)에 입사할 때의 참조광의 입사각 θ1은 0(rad)으로 할 수 있다. 따라서, 식 (6)의 입사각 θ1에 0(rad)을 대입함으로써, 다음의 식 (9)로 제 1 피치 p1과 제 2 피치 p2의 관계를 나타낼 수 있다.
Figure pct00009
식 (9)로부터, 제 1 피치 p1과 제 2 피치 p2의 관계는, 파장에 의존하지 않고 일정한 관계로 되기 때문에, 이러한 관계의 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를 용이하게 작성할 수 있다. 또한, 제 2 회절 격자(21)에 참조광이 입사하는 위치에서의 참조광의 파장과 제 2 피치 p2를 정확하게 일치시킬 필요가 없기 때문에, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 조절을 용이하게 행할 수 있다.
또, 제 1 실시 형태에서는, 광량의 손실을 억제하기 위해서, 사용하는 회절 차수 n은 1이다. 따라서, 식 (1)로부터, 제 1 회절 격자(20)에서의 회절 방정식을 식 (10)으로 나타내는 것이 가능하다.
Figure pct00010
여기서, 제 2 격자면(21a)이 제 1 격자면(20a)에 대해 각도 ψ만큼 경사져 배치되어 있는 경우에 대해 설명한다. 설명을 간단하게 하기 위해, 제 1 회절 격자(20)에 입사하는 참조광의 입사각을 0(rad)으로 하고, 회절 차수 n을 1로 한다. 또한, 제 2 회절 격자(21)로의 참조광의 입사각 θ2는 η1＋ψ로 되기 때문에, 이 경우의 식 (7)은 다음의 식 (11)로 나타낼 수 있다.
Figure pct00011
식 (11)과 식 (2)로부터, 제 1 피치 p1과 제 2 피치 p2의 관계는 파장에 의존하는 것을 알 수 있다. 따라서, 제 2 격자면(21a)이 제 1 격자면(20a)에 대해 각도 ψ만큼 경사져 배치함에 있어서는, 상술한 바와 같이, 제 1 피치 p1과 제 2 피치 p2를 용이하게 결정할 수 없다. 따라서, 제 1 격자면(20a)과 제 2 격자면(21a)이 평행한 방향으로 배치되어야 한다.
이상으로부터, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)가 만족해야 할 조건에 대해 정리하면, 다음의 4개의 조건으로 된다.
우선, 첫째로, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 격자(홈) 방향(제 1 방향과 제 2 방향)이 서로 평행하게 되도록, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를 배치할 필요가 있다.
둘째로, 식 (4)의 관계를 만족시키기 위해서, 제 1 격자면(20a)과 제 2 격자면(21a)은 평행하게 배치되어 있을 필요가 있다.
셋째로, 식 (6)의 관계를 만족시키기 위해서, 제 1 회절 격자(20)는 참조광이 제 1 격자면(20a)에 수직으로 입사하도록 배치되어 있을 필요가 있다.
넷째로, 식 (9)의 관계를 만족시키기 위해서, 제 2 회절 격자(21)의 제 2 피치 p2는 제 1 회절 격자(20)의 제 1 피치 p1의 절반의 피치일 필요가 있다.
이러한 4개의 조건을 만족하는 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를 이용함으로써, 제 1 회절 격자(20)로부터 제 2 회절 격자(21)로 입사할 때의 제 1 참조광의 광로와, 제 2 회절 격자(21)로부터 제 1 회절 격자(20)로 입사할 때의 제 2 참조광의 광로를 일치시킬 수 있다.
또한, 제 1 참조광의 광로와 제 2 참조광의 광로를 일치시킴으로써, 제 1 회절 격자(20)에 입사할 때의 제 0 참조광의 광로와, 제 1 회절 격자(20)로부터 출사할 때의 제 3 참조광의 광로도 일치한다. 식 (1) 및 식 (10)으로부터, 제 1 회절 격자(20)에 η1의 각도로 입사하는 제 2 참조광은 0(rad)의 각도로 제 1 회절 격자(20)를 투과하는 제 3 참조광으로 되기 때문이다. 또, 제 0 참조광이 제 1 회절 격자(20)에 입사할 때의 각도는 0(rad)이다.
다음으로, 참조 유닛(7)에 입사할 때의 참조광(즉 제 0 참조광)과, 참조 유닛(7)으로부터 출사할 때의 참조광(즉 제 3 참조광)의 차이에 대해 설명한다.
도 2에, 제 0 참조광에 포함되고 또한 서로 다른 3개의 파장 λ1, λ2, λ3의 광이 제 1 회절 격자(20) 및 제 2 회절 격자(21)의 양쪽 모두에서 회절하는 모습을 나타낸다. 이 경우, λ1~λ3은 이하의 식 (12)의 관계를 취한다.
Figure pct00012
식 (10)으로부터, 제 1 회절 격자(20)에서 회절할 때의 회절각 η1은 파장에 의존한다. 이 때문에, 제 0 참조광은, 제 1 회절 격자(20)에 입사하는 것에 의해, 파장마다 분할되고, 파장마다 다른 광로를 진행하는 제 1 참조광으로 된다. 또한, 제 2 회절 격자(21)에서 회절할 때의 회절각 η2는, 식 (4)로부터, η1=η2의 관계로 된다. 즉, 파장마다 다른 광로를 진행하는 제 1 참조광은, 제 2 회절 격자(21)에서 반사함으로써, 파장마다 진행하여 온 광로를 역진하는 제 2 참조광으로 된다. 도 2를 이용하여 구체적으로 설명하면, 제 1 참조광에 포함되는 파장 λ1의 광의 진행 방향(도 2에 나타낸 화살표 B의 방향)과, 제 2 참조광에 포함되는 파장 λ1의 광의 진행 방향(도 2에 나타낸 화살표 C의 방향)은 서로 역행하는 방향의 관계에 있다. 파장 λ2, λ3에 대해서도 마찬가지이다. 여기서, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 간격(제 1 격자면(20a)으로부터 제 2 격자면(21a)으로 내린 수선의 길이)을 L이라고 하면, 파장 λ1에서의 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21) 사이에서의 광로 길이 s1은 식 (10)을 이용하여 다음의 식 (13)으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00013
각 파장 λ1~λ3에 대응하는 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21) 사이의 광로 길이 s1~s3은 식 (12)와 식 (13)으로부터 다음의 식 (14)의 관계가 도출되는 것이 가능하다.
Figure pct00014
즉, 식 (14)로부터, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 양쪽 모두에서 회절함으로써, 파장마다 다른 광로 길이가 부여되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 참조 유닛(7)으로부터 출사한 참조광(제 3 참조광)은, 참조 유닛(7)에 입사한 참조광(제 0 참조광)에 대해, 파장마다 다른 광로 길이가 부여된 것이다.
이와 같이, 투과형의 제 1 회절 격자(20)와 반사형의 제 2 회절 격자(21)의 조합이라고 한 간단한 구성으로, 참조광(8C)에 대해 파장마다 다른 광로 길이차를 부여하는 것이 가능하다. 또한, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를 인접하여 배치하는 것이 가능하기 때문에, 장치의 소형화가 가능하다.
또한, 제 1 격자면(20a)이 제 2 회절 격자(21)와 대향하는 위치가 되도록 제 1 회절 격자(20)를 배치하고 있다. 이것은, 제 1 회절 격자(20)를 출사할 때에, 참조광(8C)을 회절시키기 위해서이다. 이 경우, 참조광(8C)은 제 1 격자면(20a)의 표면에 대해 수직으로 입사하기 때문에, 제 1 회절 격자(20)의 파장 분산의 영향을 받지 않는다. 또, 제 1 격자면(20a)이, 제 2 대물 렌즈(12)와 대향하는 위치가 되도록 제 1 회절 격자(20)를 배치한 경우는, 참조광(8C)은, 제 1 격자면(20a)에서 회절한 후에, 제 1 회절 격자(20) 내에 입사된다. 그 때문에, 참조광(8C)은 파장 분산의 영향을 받아 굴절각이 변화하게 된다. 이 때문에, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21) 사이에, 굴절각의 변화를 보정하는 보정판을 배치하는 것이 바람직하다.
또, 제 1 실시 형태에 있어서, 일례로서 피측정면(3)의 크기를 직경 1㎜의 원으로 하고, 제 1 대물 렌즈(11)와 제 2 대물 렌즈(12)의 초점 거리를 동일하게 하고 있다. 이 경우, 제 1 대물 렌즈(11)로부터 출사하는 측정광(8B)의 광속 직경, 및, 제 2 대물 렌즈(12)로부터 출사하는 참조광(8C)의 광속 직경은 각각 적어도 직경 1㎜ 이상 필요하고, 제 1 회절 격자(20)의 제 1 격자면(20a)의 크기도 직경 1㎜ 이상 필요하다. 이 경우, 제 2 회절 격자(21)의 제 2 격자면(21a)은, 참조광(8C)에 포함되는 파장의 광 중, 측정에 이용하는 파장의 광을 모두 반사시킬 만한 크기로 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 바람직한 제 2 회절 격자(21)의 제 2 격자면(21a)의 크기에 대해 이하에 설명한다. 또, 설명을 위해서, 제 2 격자면(21a)의 크기로서, 회절 방향(도 2에 나타낸 Z축 방향)의 길이에 대해 설명한다.
도 2에서, 참조광(8C)에 포함되는 파장으로서, 측정에 이용하는 파장 중, 최소의 파장을 λ1(여기서는, 설명을 위해 λmin .이라고 함), 최대의 파장을 λ3(여기서는, 설명을 위해 λMAX .라고 함)으로 한다. 또한, 최소 파장 λmin .에서의 제 1 회절 격자(20)에서의 회절각을 ηmin .으로 하고, 최대 파장 λMAX .에서의 제 1 회절 격자(20)에서의 회절각을 ηMAX .로 한다. 또한, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 거리(제 1 격자면(20a)으로부터 제 2 격자면(21a)으로 내린 수선의 거리)를 L로 한다. 최소 파장 λmin .의 참조광(8C)은, 제 1 격자면(20a)에서의 출사 위치로부터, Ltanηmin .만큼, 회절 방향(도 2에 나타낸 Z축 방향)으로 어긋나 제 2 회절 격자(21)에 입사된다. 한편, 최대 파장 λMAX .의 참조광(8C)은, 제 1 격자면(20a)에서의 출사 위치로부터, LtanηMAX .만큼, 회절 방향(도 2에 나타낸 Z축 방향)으로 어긋나 제 2 회절 격자(21)에 입사된다. 즉, 제 2 격자면(21a)의 회절 방향에 대한 길이를 S로 한 경우, 다음의 식 (15)의 관계를 구할 수 있다.
Figure pct00015
식 (15)의 tanηmin . 및 tanηMAX .는 식 (10)으로부터 구하는 것이 가능하다. 또한, 제 1 회절 격자(20)에 입사하는 참조광(8C)의 광속의 직경을 r로 한 경우, 식 (16)으로 나타내어지는 것이 바람직하다. 보다 많은 참조광(8C)을 반사시킴으로써, 광량의 저하를 방지하기 위해서이다.
Figure pct00016
식 (16)의 조건을 만족하는 제 2 격자면(21a)을 갖는 제 2 회절 격자(21)를, 제 1 회절 격자(20)를 투과한 최소 파장 λmin .의 참조광(8C)이 입사하는 위치에 배치함으로써, 참조광(8C)에 포함되는 파장 중, 측정에 이용하는 최소의 파장으로부터 최대의 파장까지를 유효하게 회절 및 반사하는 것이 가능하다.
또한, 제 1 실시 형태에서, 일례로서, 제 1 회절 격자(20)의 제 1 피치 p1을 12㎛로 하고, 제 2 회절 격자(21)의 제 2 피치 p2를 6㎛로 하고, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 거리 L을 50㎜로 하고 있다.
여기서, 파장마다 다른 광로 길이를 부여한 참조광(8C)을 이용하여 피측정면(3)을 측정하는 방법에 대해 설명하기 전에, 우선, 파장마다 다른 광로 길이차를 부여하지 않은 참조광을 이용하는 방법, 즉, 종래의 표면 형상 측정 방법에 대해 설명한다. 종래의 표면 형상 측정 방법에서, 측정광과 참조광의 광로 길이차를 변화시켰을 때에 검출하는 간섭 강도 신호의 관계를 나타낸 그래프를 도 3a 및 도 3b에 나타낸다. 여기서는, 실험을 위해, 백색 광원(8)의 파장 대역을 400~700㎚의 동일한 강도 분포로 하고 있다. 이들 도 3a 및 도 3b는, 세로축에, 검출한 간섭광의 간섭 강도 신호를 나타내고, 가로축에, 측정광과 참조광의 광로 길이차를 나타낸다. 또, 광로 길이차가 음인 경우란, 참조광의 광로 길이가 측정광의 광로 길이보다 긴 경우를 나타낸다. 또한, 광로 길이차가 양인 경우란, 측정광의 광로 길이가 참조광의 광로 길이보다 긴 경우를 나타낸다. 또한, 도 3a는 측정광과 참조광의 광로 길이차가 -40~40㎛인 경우에서의 간섭 강도 신호의 관계를 나타낸 것이다. 또한, 도 3b는 도 3a에서의 측정광과 참조광의 광로 길이차가 -5~5㎛인 범위(도 3a에 나타낸 A-A'의 범위)를 확대한 것이다. 도 3b로부터, 간섭 강도 신호의 피크는 측정광과 참조광의 광로 길이차가 -1~1㎛인 범위에서만 명확하게 확인할 수 있는 것을 알 수 있다.
또, 도 3a 및 도 3b에 나타낸 간섭 강도 신호는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 백색 광원(8)에 포함되는 각 파장의 간섭 강도 신호의 중첩으로서 검출되고 있다. 따라서, 푸리에 변환을 이용하는 것에 의해, 검출한 간섭 강도 신호를 정현파마다 분해할 수 있다. 이것에 의해, 파장마다의 간섭 강도 신호를 얻을 수 있다.
또한, 도 4에서, 측정광과 참조광의 광로 길이차가 0으로 되는 위치를 측정 기준라고 하면, 측정 기준으로부터 거리 d만큼 다른 위치에 있는 피측정면(3)에서의 파장 λ의 간섭 강도 신호의 위상 φ(rad)는, k를 정수로 하고, 다음의 식 (17)로 주어진다.
Figure pct00017
이 경우, 측정 기준과 피측정면 사이의 광로는, 반사 광로이기 때문에, 광로 길이의 변화는 거리 d의 2배이고, 간섭에서는, λ/2에서 1 주기의 정현파로 된다. 즉, k=π/2로 된다. 이 때, 가로축에 k/λ, 세로축에 간섭 강도 신호의 위상 φ를 좌표로 하는 그래프는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 기울기 d의 직선으로 나타낼 수 있다. 종래의 표면 형상 측정 방법에서는, 이 기울기 d로부터, 피측정면(3)의 측정 기준으로부터의 거리 d를 구할 수 있다.
이러한 종래의 표면 형상 측정 방법에서는, 측정광과 참조광의 광로 길이차가 0인 위치(측정 기준)로 된 경우에, 각 파장의 간섭 강도 신호의 위상이 일치하여, 간섭 강도 신호의 피크로서 검출된다. 한편, 측정광과 참조광의 광로 길이차를 갖는 위치(측정 기준이 아닌 위치)에서는 각 파장의 간섭 강도가 서로 상쇄되어, 간섭 강도 신호는 거의 사라져 버린다. 이 때문에, 간섭 강도 신호는 한정된 좁은 범위에서밖에 검출할 수 없다. 만일, 종래의 표면 형상 측정 방법을, 도 1a에 나타낸 표면 형상 측정 장치(1)에서 실시한 경우, 광학계 유닛(4)과 피측정면(3)의 상대 거리가, 대략 기준 위치(측정광과 참조광의 광로 길이차가 0으로 되는 위치)에 없으면, 피측정면(3)의 형상을 측정하는 것이 불가능하다.
또한, 광학계 유닛(4)과 피측정면(3)의 상대 거리가 대략 기준 위치에 없으면 간섭 강도 신호를 검출할 수 없는 경우에는, 어느 위치에서 간섭 강도 신호를 검출할지를 이미 알고 있지 않기 때문에, 푸리에 변환을 이용하기 위해서라도, 주사 방향에서의 간섭 강도 신호 취득의 샘플링 간격 치수를 미세하게 할 필요가 있다. 따라서, 피측정면(3)의 표면 형상의 요철이 커질수록, 주사 범위를 넓게 하지 않으면 안되어, 측정 시간이 증대할 뿐만 아니라, 처리해야 할 데이터수가 증대하게 되어, 많은 데이터 처리 시간이 필요하게 된다. 또한, 이러한 미세한 샘플링 간격 치수로 취득한 방대한 데이터이더라도, 측정에 사용할 수 있는 유효한 데이터는 극히 일부이다. 간섭 강도 신호의 피크가 존재하지 않는 영역의 데이터는 진폭이 거의 0인 불필요한 데이터이기 때문이다. 이 불필요한 데이터는, 샘플링한 간섭 강도 신호의 대다수를 차지하기 때문에, 효율이 나쁘고, 처리를 행하는 CPU(16) 등의 제어 수단에도 과도한 부하를 강요하는 것이다.
이러한 종래의 표면 형상 측정 방법에 대해, 제 1 실시 형태에 따른, 도 1a에 나타낸 표면 형상 측정 장치(1)를 이용하여 행하는 표면 형상 측정 방법에 대해 설명한다. 표면 형상 측정 장치(1)를 이용하여, 피측정면(3)을 Z축 방향으로 주사할 때에 검출하는 간섭 강도 신호의 관계를 나타낸 그래프를 도 6a 및 도 6b에 나타낸다. 이 경우, 실험을 위해서, 백색 광원(8)의 파장 대역을 400~700㎚의 동일한 강도 분포로 하고 있다. 이 도 6a 및 도 6b는, 세로축에, 검출한 간섭광의 간섭 강도 신호를 나타내고, 가로축에 측정광과 참조광의 광로 길이차를 나타낸다. 이 경우, 하프 미러(10)로부터 제 2 회절 격자(21)까지의 거리를, 백색 광원(8)이 출사하는 백색광의 중심 파장(550㎚)에 근거하여, 하프 미러(10)로부터 피측정면(3)까지의 거리와 대략 같아지도록 설정하고 있다. 따라서, 백색 광원(8)이 조사하는 백색광의 중심 파장에서, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 0으로 되는 위치에 측정 기준이 설정되어 있다. 또, 광로 길이차가 음인 경우는 참조광(8C)의 광로 길이차가 측정광(8B)의 광로 길이차보다 긴 경우를 나타내고, 광로 길이차가 양인 경우는, 측정광(8B)의 광로 길이가 참조광(8C)의 광로 길이보다 긴 경우를 나타내고 있다. 또한, 도 6b는 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 -40~40㎛인 경우에서의 간섭 강도 신호의 관계를 나타낸 것이다. 도 6b는 도 6a에서의 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 -5~5㎛인 범위(도 6a에 나타낸 B-B'의 범위)를 확대한 것이다. 도 6b로부터, 종래의 표면 형상 측정 방법에 비해 넓은 범위에서 간섭 강도 신호를 검출하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6a로부터, 간섭 강도 신호는, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 -20~20㎛인 범위(도 6a에 나타낸 C-C'의 범위)에서도 충분히 확인할 수 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 참조 유닛(7)에 의해서, 참조광(8C)에 대해 파장마다 다른 광로 길이를 부여했기 때문이다. 상세히 설명하면, 파장마다 다른 광로 길이를 부여한 참조광(8C)에 간섭을 일으키게 했으므로, 파장마다 다른 위치에 간섭 강도 신호의 피크가 나타났기 때문이다.
또한, 도 6a에서 얻어진 간섭 강도 신호로부터, 푸리에 변환에 의해서, 파장마다의 간섭 강도 신호로 분해할 수 있다. 이 경우, 측정 기준(측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 0으로 되는 위치)로부터 거리 d만큼 떨어진 위치에 있어서의 피측정면(3)에서의 파장 λ의 간섭 강도 신호의 위상 φ(rad)는 다음의 식 (18)로 주어진다.
Figure pct00018
식 (18)에서는, 식 (17)의 경우와 마찬가지로 k=π/2이다. 이 경우, 참조광(8C)에는 파장마다 다른 광로 길이차가 부여되어 있기 때문에, 식 (17)과 달리, 간섭 강도 신호의 위상 φ는 참조광(8C)의 파장마다 부여한 광로 길이 s에 의존한다. 또, 광로 길이 s는 식 (13)에서 구할 수 있다.
식 (18)에 근거하여, 가로축에 k/λ, 세로축에 위상 φ을 좌표축으로 한 그래프를 도 8에 나타낸다. 또, 도 5의 경우와 달리, 도 8의 그래프가 곡선을 나타내는 것은, 파장마다 부여한 광로 길이 s의 영향을 받고 있기 때문이다. 따라서, 이 곡선으로부터, 측정 기준으로부터의 거리 d를 구하기 위해서는, 파장마다 부여한 광로 길이 s의 영향을 제외하면 좋다. 구체적으로는, 미리 측정해 둔 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 거리 L과, 제 1 회절 격자(20)의 제 1 피치 p1을 이용하여, 식 (13) 및 식 (18)로부터 비선형 최소 이승법 등을 이용해서 직선으로 근사하고, 근사한 직선의 기울기로부터, 측정 기준으로부터의 거리 d를 구하는 것이 가능하다. 이 거리 d에, 기준면(6a)으로부터의 측정 기준의 위치를 더함으로써, 피측정면(3)의 높이를 계측하는 것이 가능하다.
이와 같이, 표면 형상 측정 장치(1)를 이용함으로써, 측정광과 참조광의 광로 길이차가 커지더라도, 간섭 강도 신호를 검출 가능하다. 이 때문에, 주사 방향의 샘플링 간격 치수를 넓게 할 수 있어, 측정의 고속화가 가능하다.
또, 기준면(6a)의 위치를 테이블(6)의 표면에 일치시킨 경우는, 도 6a에 나타낸 C의 위치를 이 기준면(6a)에 일치시키도록, 초기 조건으로서의 측정 기준을 설정하는 것이 바람직하다. 도 6a에 나타낸 C의 위치는, 간섭 강도 신호를 검출 가능한 위치로서, 측정광과 참조광의 광로 길이차가 최대로 되는 위치임과 아울러, 측정광의 광로 길이가 참조광의 광로 길이보다 길어지는 위치이다. 간섭 강도 신호의 검출 가능한 영역을 유효하게 이용할 수 있기 때문에, 피측정면(3)의 표면 형상을 고속으로 측정하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 측정 기준을, 테이블(6)의 표면으로부터 높이 방향(도 1a에 나타낸 Z축 방향)으로 20㎛ 어긋난 위치로 설정함으로써, 피측정면(3)의 표면 형상을 측정한다.
또한, 피측정물(2)의 평균 높이를 기준면(6a)의 위치로 한 경우는, 이 기준면(6a)과 측정 기준의 위치를 일치시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 측정광(8B)의 광로 길이와 참조광(8C)의 광로 길이가 기준면(6a)에서 일치하도록 초기 조건으로서의 측정 기준을 설정한다. 이것에 의해, 간섭 강도 신호를 검출 가능한 영역을 효율 좋게 이용할 수 있기 때문에, 피측정면(3)의 표면 형상을 고속으로 측정하는 것이 가능하다.
다음으로, 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)를 이용한 경우에, 종래의 표면 형상 측정 방법에 비해, 어느 정도 고속으로 측정 가능한지를, 구체적인 수치를 이용하여 설명한다.
도 3b로부터, 종래의 표면 형상 측정 방법에서는, 측정광과 참조광의 광로 길이차가 약 2㎛(-1~1㎛)인 범위에 있는 경우에서밖에 간섭 강도 신호를 검출할 수 없다. 한편, 표면 형상 측정 장치(1)에서는, 도 6a로부터 알 수 있는 바와 같이, 측정광과 참조광의 광로 길이차가 약 40㎛(-20~20㎛)에서 간섭 강도 신호를 검출하는 것이 가능하다. 즉, 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)를 이용함으로써, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차에 대해, 종래의 약 20배의 범위에서 간섭 강도 신호를 검출할 수 있다.
또, 종래의 표면 형상 측정 방법과 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)를 이용한 표면 형상 측정 방법의 차이를 명확하게 하기 위해서, 표면에 40㎛의 요철 형상이 형성된 피측정면(3)을 측정하는 경우에 대해 설명한다. 종래의 표면 형상 측정 방법에서는, 측정광과 참조광의 광로 길이차가 2㎛의 범위에 없으면, 간섭 강도 신호를 검출할 수 없다. 그 때문에, 40㎛의 요철 형상을 검출하기 위해서는, 간섭 강도 신호가 발생하는 폭을 포함하여 측정할 필요가 있어, 적어도 45㎛의 범위를 주사할 필요가 있다. 또한, 피측정면(3)의 표면 형상을 정밀도 좋게 검출하기 위해서, 예컨대, 100종류의 광로 길이차와 간섭 강도의 관계를 검출하는 경우, 즉, 100회의 샘플링을 행하는 경우, 간섭 강도 신호를 검출할 수 있는 범위는 2㎛이기 때문에, 샘플링 간격 치수는 0.02㎛로 된다. 주사하는 범위는 45㎛이기 때문에, 전(全)영역에서의 샘플링수는 2250으로 된다. 즉, 유효한 100개의 데이터를 취득하기 위해서, 종래의 표면 형상 측정 방법에서는 2250회의 샘플링을 행할 필요가 있다.
한편, 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)에서는, 간섭 강도 신호를 -20㎛~20㎛의 범위에서 검출 가능하기 때문에, 피측정면(3)의 전체를 포함한 범위를 1회로 검출 가능하다. 또한, 40㎛의 영역을 100개의 샘플링수로 검출을 행하기 때문에, 샘플링 간격 치수는 0.4㎛이다. 이 때, 전영역에서의 샘플링수도 100으로 된다. 즉, 유효한 100개의 데이터를 취득하기 위해서, 100회의 샘플링을 행하면 된다. 따라서, 종래의 표면 형상 측정 방법에서는 2250회의 샘플링을 행할 필요가 있던 것에 반하여, 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)에서는, 22.5배의 속도로 측정이 가능해진다. 이상로부터, 표면 형상 측정 장치(1)를 이용함으로써, 종래의 표면 형상 측정 방법에 비해 고속화를 도모하는 것이 가능하다.
또한, 예컨대, 표면 형상 측정 장치(1)에서 샘플링 간격 치수를 0.02㎛로 하여, 2250회의 샘플링을 행한 경우는, 취득하는 데이터의 수가 2250으로 된다. 취득한 데이터 모두에서 간섭 강도 신호를 검출하는 것이 가능하기 때문에, 2250종류의 광로 길이차와 간섭 강도 신호의 관계를 샘플링할 수 있다. 따라서, 표면 형상 측정 장치(1)에서, 종래의 표면 형상 측정 방법과 동일한 샘플링 간격 치수로 측정을 행한 경우에는, 종래의 22.5배의 데이터수로 피측정면(3)의 표면의 측정을 할 수 있다. 즉, 표면 형상 측정 장치(1)를 이용하여, 종래의 방법과 동일한 샘플링 간격 치수로 측정을 행하면, 측정 정밀도를 향상시키는 것도 가능하다.
다음으로, 표면 형상 측정 장치(1)가 행하는 처리의 흐름도를 도 1a, 도 1b, 및 도 9를 이용하여 설명한다.
스텝 S1에서는, CPU(16)에 의해, 샘플링 간격 치수와, 기준면(6a)의 위치와, 측정 기준의 위치와, 광학계 유닛(4)의 초기 위치 등의 초기 조건이 설정된다. 또, 스텝 S1에서는, 이들 초기 조건이, 조작자에 의한 입력 장치(18)의 조작에 의해서 설정되더라도 좋고, 또는, 기억 메모리(17)에 미리 설정되어 있더라도 좋다.
다음으로, 스텝 S2에서는, 설정된 샘플링 간격 치수로 간섭 강도 신호를 카메라(14)로 검출한다. 이 때, CPU(16)의 동작 제어부(16a)는 광학계 유닛(4)을 도 1a에서 나타낸 Z축 방향으로 이동을 개시시키기 위한 변동 개시의 지시를 구동 장치(15)에 인가한다. 구동 장치(15)는 CPU(16)의 동작 제어부(16a)로부터의 지시에 따라 광학계 유닛(4)을 테이블(6)에 대해 Z축 방향으로 이동시킨다. 이것에 의해, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 변동된다. 또 이 때, CPU(16)의 동작 제어부(16a)는, 광학계 유닛(4)이 스텝 S1에서 설정된 샘플링 간격 치수를 이동할 때마다, 카메라(14)로 간섭광의 간섭 강도 신호를 검출하고, 기억 메모리(17)에 순차적으로 기억한다. 또한, 기억 메모리(17)는, 구동 장치(15)의 서보 모터에 장착된 도시하지 않은 인코더로부터의 값에 근거하여, 간섭 강도 신호와, 이 간섭 강도 신호를 검출한 Z축 방향의 기준면(6a)으로부터의 위치를 대응시켜 기억한다. 또, Z축 방향과 직교하는 X축 방향과 Y축 방향의 위치도, 구동 장치(15)의 서보 모터에 장착된 도시하지 않은 인코더로부터의 값에 근거하여, 기억 메모리(17)에 기억된다.
다음으로, 스텝 S3에서는, CPU(16)의 연산부(16b)가, 카메라(14)에서 검출한 간섭 강도 신호에 대해 푸리에 변환을 행하여, 파장마다의 간섭 강도 신호를 산출한다.
다음으로, 스텝 S4에서는, CPU(16)의 연산부(16b)에서 산출한 파장마다의 간섭 강도 신호에 근거하여, 피측정면(3)의 Z축 방향의 기준면(6a)으로부터의 위치를 측정한다. 구체적으로는, CPU(16)의 연산부(16b)에서 식 (13)과 식 (18)을 이용하여, 피측정면(3)의 기준면(6a)으로부터의 Z축 방향의 위치를 산출한다.
다음으로, 스텝 S5에서는, CPU(16)의 연산부(16b)에서 산출한 피측정면(3)의 기준면(6a)으로부터의 Z축 방향의 위치, 즉, 피측정면(3)의 높이를 모니터(19)에 표시한다.
이상과 같이, 표면 형상 측정 장치(1)를 이용함으로써, 피측정면(3)과 광학계 유닛(4)의 위치 관계가 측정 기준(측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 0인 위치)로부터 떨어진 위치 관계이더라도, 간섭 강도 신호를 검출하는 것이 가능하다. 즉, 표면 형상 측정 장치(1)에 의해서, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 큰 경우이더라도 간섭 강도 신호를 검출할 수 있기 때문에, 표면 형상을 고속으로 측정하는 것이 가능하다.
또, 구동 장치(15)로서는, 서보 모터에 한정되는 것이 아니며, 압전 소자 또는 스테핑 모터를 이용하더라도 좋다.
또, 백색 광원(8)의 파장 대역을 넓게 하면, 도 8에 나타낸 그래프의 가로축 k/λ의 범위를 넓게 취할 수 있기 때문에, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 일반적으로, 백색 광원(8)의 파장 대역을 넓게 하면, 간섭 강도 신호를 검출할 수 있는 범위가 좁아진다. 한편, 표면 형상 측정 장치(1)에서는, 백색 광원(8)의 파장 대역을 넓게 하더라도, 간섭 강도 신호를 검출할 수 있는 범위가 충분히 넓기 때문에, 측정 속도의 저하를 억제하면서, 측정 정밀도의 향상을 도모하는 것이 가능하다.
또, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 간격 L을 넓게 함으로써, 간섭 강도 신호를 검출 가능한, 측정광과 참조광의 광로 길이차의 영역을 넓히는 것이 가능하다. 이것은, 파장마다 부여되는 광로 길이가 커지기 때문이다. 이것을 이용하여, 예컨대, 피측정면(3)의 Z축 방향으로 형성된 요철 형상보다 넓은 범위에서 간섭 강도 신호가 검출 가능한 바와 같이 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를 조절하면 좋다. 이것에 의해, 형성된 요철의 범위보다 좁은 범위를 주사하는 것만으로 표면 형상의 측정을 할 수 있어, 측정 시간의 단축이 가능하다.
또, 도 1a에서는, 하프 미러(10)에서의 반사각을 90°로서 도시하고 있지만, 광학계 유닛(4)을 구성하는 각 부품이 서로 접촉하지 않는 범위에서 각도를 바꾸더라도 좋다.
또, 제 1 회절 격자(20) 및 제 2 회절 격자(21)의 단면 형상은 톱형(브레이즈드)형으로 함으로써, 필요한 방향만의 회절광(제 1 실시 형태에서는 1차 회절광)이 얻어져, 광량의 로스와, 불필요 회절광(1차 회절광 이외)에 의한 미광이 가장 적게 된다. 또, 이들 회절 격자의 단면 형상은 정현형 혹은 구형형을 이용하는 것도 가능하지만, 불필요한 회절광이 생기기 때문에, 정현형 혹은 구형형을 이용한 경우는 카메라(14)에 들어가지 않도록 제거하는 수단을 별도로 마련하는 것이 필요하다.
또, 제 1 회절 격자(20)의 격자(홈) 방향과 제 2 회절 격자(21)의 격자(홈) 방향은, 도 1a에 나타낸 X축 방향과 평행한 것으로 설명했지만, 이들 격자(홈) 방향이 평행하게 되도록 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)가 배치되어 있으면 좋다. 예컨대, 제 1 회절 격자(20)의 격자(홈) 방향과 제 2 회절 격자(21)의 격자(홈) 방향이 모두 Z축 방향으로 평행하게 되도록, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)가 배치되더라도 좋다. 이 경우, 참조광(8C)의 회절 방향은 도 1a에 나타낸 X축 방향으로 된다.
또, 간섭 강도 신호를 얻기 위해서, 광학계 유닛(4)을 Z축 방향으로 주사했지만, 구동 장치(15)에 의해서 참조 유닛(7)을 Y축 방향으로 이동하여, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차를 변화시키더라도 좋다.
여기서, 참조 유닛(7)의 변형예를 설명한다. 변형예는, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를, 일체로 하여, 하나의 부재인 회절 격자(200)로 구성한 것이다. 구체적으로는, 도 1d에 나타내는 바와 같이, 회절 격자(200)로서, 투명한 평면 기판인 기판(203)이 서로 평행한 2개의 면에, 제 1 격자면(201)과 제 2 격자면(202)이 형성된다. 이 제 1 격자면(201)이 제 1 회절 격자(20)의 제 1 격자면(20a)에 상당한다. 또, 제 2 격자면(202)이 제 2 회절 격자(21)의 제 2 격자면(21a)에 상당한다. 즉, 제 1 격자면(201)과 제 2 격자면(202)이 만족해야 할 조건은 상술한 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)가 만족해야 할 조건과 동일하다. 또, 도 1d에서는, 제 1 격자면(201)과 제 2 격자면(202)이 브레이즈드 회절 격자인 것을 명확하게 도시하고 있다. 또한, 제 1 격자면(201)은 투과형의 회절 격자로서 기능하고, 제 2 격자면(202)는 반사형의 회절 격자로서 기능한다.
이 변형예에 의해, 2장의 기판에 각각 회절 격자의 격자면을 형성하여 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를 구성하는 것과 기능적으로 동일하게 측정을 행할 수 있다.
1개의 기판(203)의 양면에 제 1 격자면(201)과 제 2 격자면(202)을 형성함으로써, 격자면간의 거리 및 격자면에 평행한 방향으로의 변동을 최소한으로 억제할 수 있다. 격자면간의 거리의 변동은, 각 파장에서의 광로 길이의 변화로 되어, 높이를 측정할 때의 오차로 된다. 또한, 격자면에 평행한 방향의 변동은 간섭 신호 강도의 변동으로 이어진다. 구체적으로는, 피측정면(3)의 높이의 계산에서, 각 파장으로의 스펙트럼 분해를 행하는 중에서의 측정 오차로 된다. 따라서, 1개의 기판(203)의 양면에 격자면을 형성함으로써, 이러한 변동 요인을 최소한으로 할 수 있어, 측정 정밀도의 저하를 방지할 수 있다.
한편, 회절 격자(격자면)를 2개의 다른 기판에 형성하면, 격자면간의 거리를 간단하게 넓힐 수 있다. 격자면간의 거리가 너무 좁으면, ±1차 회절광을 분리할 수 없어, ±1차 회절광이 서로 섞여 버리는 경우가 있다. 이 경우, 광로 길이차가 파장의 1/2에 가깝게 되면 참조광(8C)의 강도가 극단적으로 작아져, 간섭 강도 신호가 거의 검출되지 않게 되어, 측정할 수 없게 되는 일이 있다. 즉, 회절 격자(격자면)를 2개의 다른 기판에 형성하면, ±1차 회절광을 분리하는데 충분한 거리를 용이하게 조절할 수 있다.
(제 2 실시 형태)
제 2 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치의 구성 자체는, 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)와 대략 동일하기 때문에, 구성 자체의 설명을 생략한다. 도 1e에 나타내는 바와 같이, CPU(16)는 동작 제어부(16a)와 연산부(16c)를 갖고 있다. 이 CPU(16)의 연산부(16c)에 의해서, 간섭 강도 신호로부터 피측정면(3)의 Z축 방향의 위치를 검출하는 연산 처리만이 제 1 실시 형태와 상이하다. 이 연산 처리에 대해 이하에 설명한다.
식 (18)의, 비선형 부분 k×s/λ는, CPU(16)의 연산부(16c)에 의해서, 카메라(14)에서 촬상한 데이터를 이용함으로써 제거될 수 있다. 카메라(14)가 구비하는 각 촬상 소자에서 검출한 간섭 강도 신호로부터 얻어지는 신호의 위상을 φj라고 하고, 카메라(14)가 구비하는 촬상 소자 전체에서 검출한 간섭 강도 신호로부터 얻어지는 위상의 평균값을 φavr .라고 하고, 각 촬상 소자에 대응하는 피측정면(3)의 측정 기준(측정광과 참조광의 광로 길이차가 0으로 되는 위치)으로부터의 거리를 dj라고 하고, 데이터수를 m이라고 한다. 이 경우, 광로 길이 s는 촬상 소자에 의존하지 않기 때문에, 식 (18)은 다음의 식 (19)로 나타낼 수 있다.
Figure pct00019
식 (19) 중의 Σ은 총합을 나타낸다. CPU(16)의 연산부(16c)에서의 연산에서, 식 (19)로부터 k×s/λ를 소거하면, 다음의 식 (20)으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00020
식 (20)의 Σdj/m,φavr .는 정수이므로, 식 (20)에 근거하여 작성한 그래프는 직선으로 된다. 이 직선의 기울기로부터, CPU(16)의 연산부(16c)에서, 피측정면(3)의 측정 기준으로부터의 거리 dj를 구할 수 있다.
이러한 처리를 CPU(16)의 연산부(16c)에서 행함으로써, 참조 유닛(7)에서 부여한 각 파장에서의 광로 길이의 영향에 의해서 도 8에 나타낸 곡선으로 된 그래프를, 계산에 의해서 직선화하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 피측정면(3)의 측정 기준으로부터의 거리 dj를 산출하는 계산을 간단화하여, 계산 시간을 단축할 수 있다.
또, CPU(16)의 연산부(16c)에서, 비선형 부분 k×s/λ를 제거하기 위해서, 촬상 소자 전체에서 검출한 간섭 강도 신호로부터 얻어지는 위상의 평균값을 이용했지만, 특정의 촬상 소자 혹은 카메라(14)의 촬상 소자 전체로부터 솎아낸 복수개의 촬상 소자를 이용하여 계산량을 삭감하더라도 좋다.
(제 3 실시 형태)
제 3 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치는, 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)에 대해, 참조 유닛(7)을, 구성이 다른 참조 유닛(22)으로 치환한 것이다. 이하에, 다른 구성에 대해서만 설명한다. 또한, 제 1 회절 격자란, 참조 유닛에 입사한 참조광이, 최초로 입사하는 회절 격자를 나타낸다. 또한, 제 2 회절 격자란, 제 1 회절 격자 뒤에 참조광이 입사하는 회절 격자를 나타내는 것으로서 설명한다.
도 10에 제 3 실시 형태에 따른 참조 유닛(22)을 나타낸다. 참조 유닛(22)은, 제 1 실시 형태에 따른 참조 유닛(7)이 구비하는 투과형의 제 1 회절 격자(20)를, 반사형의 제 1 회절 격자(23)로 치환한 것이다. 또, 참조 유닛(22)은 제 1 실시 형태에 따른 참조 유닛(7)이 구비하는 반사형의 제 2 회절 격자(21)를 반사형의 제 2 회절 격자(24)로 치환한 것이다. 또한, 제 2 회절 격자(24)의 제 2 피치 p2는 제 1 회절 격자(23)의 제 1 피치 p1의 절반의 격자 피치이다.
또한, 제 1 회절 격자(23)와 제 2 회절 격자(24)의 관계는 제 1 실시 형태에 따른 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 관계와 동일하다. 이와 같이, 모두 반사형의 회절 격자를 구비하는 것에 의해, 투과형의 회절 격자를 이용한 경우에 생기는, 참조광(8C)의 투과에 의한 감쇠를 저감하는 것이 가능하다. 이 때문에, 보다 명확한 간섭광을 검출하는 것이 가능해져, 측정의 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
단, 투과형의 회절 격자를 이용하는 경우보다, 회절 격자의 간격 L을 넓게 취할 필요가 있기 때문에, 장치의 소형화를 주목적으로 둔 경우는 제 1 실시 형태에 따른 참조 유닛(7)을 이용하는 것이 바람직하다. 또, 참조광(8C)의 광량을 올릴 필요가 있는 경우는 제 3 실시 형태에 따른 참조 유닛(22)을 이용하는 것이 바람직하다. 또, 제 3 실시 형태에 따른 참조 유닛(22)을 제 2 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치에 이용하더라도 좋다.
(제 4 실시 형태)
제 4 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치는, 제 1 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)에 대해, 참조 유닛(7)을, 구성이 다른 참조 유닛(25)으로 치환한 것이다. 이하에, 제 1 실시 형태와 다른 구성에 대해서만 설명한다.
도 11a에 제 4 실시 형태에 따른 참조 유닛(25)을 나타낸다. 참조 유닛(25)은, 제 1 실시 형태에 따른 참조 유닛(7)이 구비하는 투과형의 제 1 회절 격자(20)와 반사형의 제 2 회절 격자(21)를, 투과형의 제 1 회절 격자(26)와 투과형의 제 2 회절 격자(27)로 치환한 것이다. 또, 참조 유닛(25)은, 제 2 회절 격자(27)를 투과한 참조광(8C)을, 그 참조광(8C)의 광로를 역진시키도록 반사하는 참조 미러(28)를 구비한 것이다. 또, 제 1 회절 격자(26)는 제 1 방향으로 평행한 직선 형상의 격자(홈)가 형성된 평면인 제 1 격자면(26a)을 갖는다. 또한, 제 2 회절 격자(27)는 제 2 방향으로 평행한 직선 형상의 격자(홈)가 형성된 평면인 제 2 격자면(27a)을 갖고 있다. 또한, 참조 미러(28)는 평면 상의 미러면이 형성된 반사면(28a)을 구비하고 있다.
참조 유닛(25)에 입사한 참조광(8C)은 우선 제 1 회절 격자(26)에 의해 회절 및 투과된다. 제 1 회절 격자(26)를 투과한 참조광(8C)은 다음에 제 2 회절 격자(27)에 입사된다. 제 2 회절 격자(27)에 입사된 참조광(8C)은 제 2 회절 격자(27)에 의해 회절 및 투과된다. 제 2 회절 격자(27)를 투과한 참조광(8C)은 다음에, 참조 미러(28)에 입사되어 반사된다. 참조 미러(28)로부터 반사된 참조광(8C)은 재차 제 2 회절 격자(27)에 입사된다. 제 2 회절 격자(27)에 재차 입사된 참조광(8C)은 제 2 회절 격자(27)에 의해 회절 및 투과된다. 재차, 제 2 회절 격자(27)를 투과한 참조광(8C)은 제 1 회절 격자(26)에 대해 2번째의 입사를 더 행한다. 제 1 회절 격자(26)에 2번째의 입사를 행한 참조광(8C)은 제 1 회절 격자(26)에 의해 회절 및 투과된다. 제 1 회절 격자(26)를 2회 투과한 참조광(8C)은 참조 유닛(25)으로부터 출사된다.
이러한 참조 유닛(25)에 입사한 참조광(8C)은, 제 1 실시 형태에 따른 참조 유닛(7)과 마찬가지로, 파장마다 다른 광로 길이차가 부여된다. 여기서, 참조광(8C)에 대해 파장마다 다른 광로 길이차를 부여하기 위한 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)와 참조 미러(28)의 관계에 대해 설명한다. 또, 이하의 설명에서는, 제 1 회절 격자(26)의 제 1 피치를 p1, 제 1 회절 격자(26)에 입사하는 참조광(8C)의 각도를 θ1, 제 1 회절 격자(26)에서의 회절각을 η1로 하고, 제 2 회절 격자(27)의 제 2 피치를 p2, 제 2 회절 격자(27)에 입사하는 참조광(8C)의 각도를 θ2, 제 2 회절 격자(27)에서의 회절각을 η2로 하고, 회절 차수를 n으로 한다.
참조 미러(28)는, 제 2 회절 격자(27)를 투과한 참조광(8C)을, 참조광(8C)의 광로 상에서 역진시키기 위해서, 제 2 회절 격자(27)와 대향하여 배치되어 있다(제 2 격자면(27a)과 반사면(28a)은 평행하게 배치되어 있다). 이 경우, 참조광(8C)은, 다른 파장이더라도 동일한 방향으로부터 참조 미러(28)로 입사하지 않으면, 참조광(8C)의 광로를 역진하지 않고, 재차, 제 2 회절 격자(27)에 입사되지 않는다. 이 때문에, 참조 미러(28)에 입사하는 참조광(8C)은 동일한 방향으로 제 2 회절 격자(27)에서 회절해야 한다. 즉, 참조 미러(28)에 입사할 때의 참조광(8C)의 회절각은 0(rad)일 필요가 있다. 또, 회절각이 0(rad)이 아닌 경우는, 파장마다 회절각의 값이 다르기 때문에, 제 2 회절 격자(27)를 투과한 참조광(8C)은 동일한 방향으로부터 참조 미러(28)로 입사하지 않는다. 이들로부터, 식 (3)의 회절각 η2에 0(rad)을 대입하여, 다음의 식 (21)이 얻어진다.
Figure pct00021
또한, 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)는, 제 1 실시 형태에 따른 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)의 관계와 마찬가지로, 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)의 격자(홈) 방향(제 1 방향과 제 2 방향)은 서로 평행하여, 제 1 격자면(26a)과 제 2 격자면(27a)이 평행하게 되도록 배치할 필요가 있다. 따라서, 식 (6)의 관계가 성립된다. 또, 제 1 실시 형태에서 설명한 바와 같이, 제 1 격자면(26a)에 대해 수직으로 입사할 필요가 있다. 따라서, 입사각 θ1은 0(rad)으로 된다. 이들로부터, 식 (21)은 다음의 식 (22)로 나타낼 수 있다.
Figure pct00022
식 (22)로부터 p1과 p2는 동일하게 할 필요가 있는 것을 알 수 있다. 이상을 정리하면, 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)와 참조 미러(28)가 충족해야 할 구성 조건은 다음의 4개로 된다.
첫째로, 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)의 격자(홈) 방향(제 1 방향과 제 2 방향)은 서로 평행하게 되도록, 제 1 회절 격자(20)와 제 2 회절 격자(21)를 배치한다.
둘째로, 참조광(8C)이 제 1 격자면(26a)에 수직으로 입사하도록, 제 1 회절 격자(26)를 배치한다.
셋째로, 제 1 격자면(26a)과 제 2 격자면(27a)과 반사면(28a)이 평행하게 되도록, 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)와 참조 미러(28)를 배치한다.
넷째로, 제 1 피치 p1과 제 2 피치 p2가 동일하다.
이들 4개의 구성 조건을 만족하는 제 1 회절 격자(26), 제 2 회절 격자(27), 참조 미러(28)를 구비하는 참조 유닛(25)을 이용함으로써, 참조 유닛(25)에 입사하는 참조광(8C)에 대해서, 파장마다 다른 광로 길이를 부여하고, 파장마다 위상을 어굿나게 할 수 있다. 따라서, 피측정면(3)과 광학계 유닛(4)의 위치 관계가 측정 기준(측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 0인 위치)으로부터 떨어진 위치 관계이더라도, 간섭 강도 신호를 검출하는 것이 가능하다. 즉, 제 4 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치(1)에 의해서, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 큰 경우이더라도 간섭 강도 신호를 검출할 수 있기 때문에, 표면 형상을 고속으로 측정하는 것이 가능하다.
또, 제 1 격자면(26a)과 제 2 격자면(27a)의 크기의 관계는 제 1 실시 형태에 따른 제 1 격자면(20a)과 제 2 격자면(21a)의 크기의 관계와 동일하다.
또한, 제 1 격자면(26a)이 제 2 회절 격자(27)와 대향하도록 제 1 회절 격자(26)를 배치한다. 이것은, 참조광(8C)이 제 1 회절 격자(26)를 출사할 때에, 참조광(8C)을 회절시키기 위해서이다. 이 경우, 참조광(8C)은 제 1 격자면(26a)의 표면에 대해 수직으로 입사하기 때문에, 제 1 회절 격자(26)의 파장 분산의 영향을 받지 않는다. 또한, 제 2 격자면(27a)이 제 1 회절 격자(26)와 대향하도록 제 2 회절 격자(27)를 배치한다. 이것은, 제 2 회절 격자(27)에 입사할 때에, 참조광(8C)을 회절시키기 위해서이다. 이 경우, 제 2 격자면(27a)에서 회절한 참조광(8C)의 회절각은 0(rad)이기 때문에, 제 2 회절 격자(27)를 투과할 때에, 파장 분산의 영향을 받지 않는다. 즉, 제 1 격자면(26a)과 제 2 격자면(27a)을 대향하도록, 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)를 배치함으로써, 이들을 투과할 때의 파장 분산의 영향을 저감하는 것이 가능하다.
또한, 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)로는, 동일한 회절 격자를 이용하는 것이 가능하다. 부품의 종류를 줄일 수 있기 때문에, 설비의 제조 비용의 저감을 도모하는 것이 가능하다. 또, 피측정물(2)을 변경한 경우에 장치의 설정을 용이하게 변경하는 것이 가능하다. 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)에 동일한 변경을 행하면 좋기 때문이다. 또, 제 4 실시 형태에 따른 참조 유닛(25)을 제 2 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치에 이용하더라도 좋다.
여기서, 참조 유닛(25)의 변형예를 설명한다. 변형예는, 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)를, 일체로 하여, 하나의 부재인 회절 격자(204)로 구성한 것이다. 구체적으로는, 도 11b에 나타내는 바와 같이, 회절 격자(204)로서, 투명한 평면 기판인 기판(205)의 서로 평행한 2개의 면에 제 1 격자면(206)과 제 2 격자면(207)이 형성된다. 제 1 격자면(206)이 제 1 회절 격자(26)의 제 1 격자면(26a)에 상당한다. 또한, 제 2 격자면(207)이 제 2 회절 격자(27)의 제 2 격자면(27a)에 상당한다. 그리고, 참조 미러(28)는 변형예에서도 동일하다. 즉, 제 1 격자면(206)과 제 2 격자면(207)과 참조 미러(28)가 만족해야 할 조건은 상술한 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)와 참조 미러(28)가 만족해야 할 조건과 동일하다. 또, 도 11b에서는, 제 1 격자면(206)과 제 2 격자면(207)이 브레이즈드 회절 격자인 것을 명확하게 도시하고 있다. 또한, 제 1 격자면(206)과 제 2 격자면(207)은 모두 투과형의 회절 격자로서 기능한다.
이 변형예에 의해, 2장의 기판에 각각 회절 격자의 격자면을 형성하여 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)를 구성하는 것과 기능적으로 마찬가지로, 측정을 행할 수 있다.
하나의 기판(205)의 양면에 제 1 격자면(206)과 제 2 격자면(207)을 형성함으로써, 격자면간의 거리 및 격자면에 평행한 방향으로의 변동을 최소한으로 억제할 수 있다. 격자면간의 거리의 변동은, 각 파장에서의 광로 길이의 변화로 되어, 높이를 측정할 때의 오차로 된다. 또한, 격자면에 평행한 방향의 변동은 간섭 신호 강도의 변동으로 이어진다. 구체적으로는, 피측정면(3)의 높이의 계산에서, 각 파장으로의 스펙트럼 분해를 행하는 중에서의 측정 오차로 된다. 따라서, 하나의 기판(205)의 양면에 격자면을 형성함으로써, 이러한 변동 요인을 최소한으로 할 수 있어, 측정 정밀도의 저하를 방지할 수 있다.
한편, 회절 격자(격자면)를 2개의 다른 기판에 형성하면, 격자면간의 거리를 간단하게 넓힐 수 있다. 격자면간의 거리가 좁으면, ±1차 회절광을 분리하지 못하여, ±1차 회절광이 서로 섞여 버리는 경우가 있다. 이 경우, 광로 길이차가 파장의 1/2에 가깝게 되면 참조광(8C)의 강도가 극단적으로 작아져, 간섭 강도 신호가 거의 검출되지 않게 되어, 계측할 수 없게 되는 일이 있다. 즉, 회절 격자(격자면)를 2개의 다른 기판에 형성하면, ±1차 회절광을 분리하는데 충분한 거리를 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 다른 변형예로서, 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)와 참조 미러(28)를, 일체로 하여, 하나의 부재로 구성하더라도 좋다. 구체적으로는, 도 11c에 나타내는 바와 같이, 하나의 부재(208)로서, 투명한 평면 기판인 제 1 기판(209)의 서로 평행한 2개의 면에 제 1 격자면(210)과 제 2 격자면(211)이 형성된다. 또, 투명한 평면 기판인 제 2 기판(212)이 제 2 격자면(211)을 공유하여 배치된다. 이 경우, 제 2 기판(212)의 제 2 격자면(211)과 평행한 면에 참조 미러(213)가 배치된다. 도 11c에서는, 제 1 격자면(210)이 제 1 회절 격자(26)의 제 1 격자면(26a)에 상당한다. 또한, 제 2 격자면(211)이 제 2 회절 격자(27)의 제 2 격자면(27a)에 상당한다. 그리고, 참조 미러(213)가 참조 미러(28)에 상당한다.
또, 제 2 회절 격자(27)와 참조 미러(28)를, 일체로 하여, 하나의 부재로 구성하고, 제 1 회절 격자(26)를 별도의 부재로 하더라도 좋다.
(제 5 실시 형태)
제 5 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치는 제 4 실시 형태에 따른 참조 유닛(25)을, 구성이 다른 참조 유닛(29)으로 치환한 것이다. 이하에, 제 4 실시 형태와 다른 구성에 대해서만 설명한다.
도 12에 제 5 실시 형태에 따른 참조 유닛(29)을 나타낸다. 참조 유닛(29)은 제 4 실시 형태에 따른 참조 유닛(25)이 구비하는 투과형의 제 1 회절 격자(26)와 투과형의 제 2 회절 격자(27)를 반사형의 제 1 회절 격자(30)와 반사형의 제 2 회절 격자(31)로 각각 치환한 것이다. 또한, 제 2 회절 격자(31)의 제 2 피치 p2는 제 1 회절 격자(30)의 제 1 피치 p1과 동일하다.
또한, 제 1 회절 격자(30)와 제 2 회절 격자(31)의 관계는 제 4 실시 형태에 따른 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)의 관계와 동일하다. 이와 같이, 모두 반사형의 회절 격자를 구비하는 것에 의해, 투과형의 회절 격자를 이용한 경우에 생기는 참조광(8C)의 감쇠를 저감하는 것이 가능하다. 이 때문에, 보다 명확한 간섭광을 검출하는 것이 가능해져, 측정의 정밀도를 향상시키는 것이 가능하다.
단, 투과형의 회절 격자를 이용하는 경우보다, 회절 격자의 간격을 넓게 취할 필요가 있기 때문에, 장치의 소형화를 주목적으로 둔 경우는 제 4 실시 형태에 따른 참조 유닛(25)을 이용하는 것이 바람직하다. 또, 참조광(8C)의 광량을 올릴 필요가 있는 경우는 제 5 실시 형태에 따른 참조 유닛(29)을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 회절 격자(30)와 제 2 회절 격자(31)로는 동일한 회절 격자를 이용하는 것이 가능하다. 부품의 종류를 줄일 수 있기 때문에, 설비의 제조 비용의 저감을 도모하는 것이 가능하다. 또, 피측정물(2)을 변경한 경우에 장치의 설정을 용이하게 변경하는 것이 가능하다. 또, 제 5 실시 형태에 따른 참조 유닛(29)을 제 2 실시 형태에 따른 표면 형상 측정 장치에 이용하더라도 좋다.
<변형예 1>
제 5 실시 형태의 변형예 1로서, 도 13에 참조 유닛(32)을 나타낸다. 제 5 실시 형태에 따른 참조 유닛(29)이 구비하는 반사형의 제 2 회절 격자(31)를 투과형의 제 2 회절 격자(33)로 치환한 것이 변형예 1에 따른 참조 유닛(32)이다. 또, 제 2 회절 격자(33)의 제 2 피치 p2는 제 1 회절 격자(30)의 제 1 피치 p1과 동일하다. 또한, 제 1 회절 격자(30)와 제 2 회절 격자(33)의 관계는 제 4 실시 형태에 따른 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)의 관계와 동일하다.
이러한 참조 유닛(32)을 이용함으로써, 참조 유닛(32)에 입사하는 참조광(8C)에 대해, 파장마다 다른 광로 길이를 부여하여, 파장마다 위상을 어긋나게 할 수 있다. 따라서, 피측정면(3)과 광학계 유닛(4)의 위치 관계가 측정 기준(측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 0인 위치)으로부터 떨어진 위치 관계이더라도, 간섭 강도 신호를 검출하는 것이 가능하다. 즉, 변형예 1에 따른 표면 형상 측정 장치에 의해서, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 큰 경우이더라도 간섭 강도 신호를 검출할 수 있기 때문에, 표면 형상을 고속으로 측정하는 것이 가능하다.
<변형예 2>
제 5 실시 형태의 변형예 2로서, 도 14에 참조 유닛(34)을 나타낸다. 제 5 실시 형태에 따른 참조 유닛(29)이 구비하는 반사형의 제 1 회절 격자(30)를 투과형의 제 1 회절 격자(35)로 치환한 것이 변형예 2에 따른 참조 유닛(34)이다. 또, 제 2 회절 격자(31)의 제 2 피치 p2는 제 1 회절 격자(35)의 제 1 피치 p1과 동일하다. 또한, 제 1 회절 격자(35)와 제 2 회절 격자(31)의 관계는 제 4 실시 형태에 따른 제 1 회절 격자(26)와 제 2 회절 격자(27)의 관계와 동일하다.
이러한 참조 유닛(34)을 이용함으로써, 참조 유닛(34)에 입사하는 참조광(8C)에 대해, 파장마다 다른 광로 길이를 부여하여, 파장마다 위상을 어긋나게 할 수 있다. 따라서, 피측정면(3)과 광학계 유닛(4)의 위치 관계가 측정 기준(측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 0인 위치)으로부터 떨어진 위치 관계이더라도, 간섭 강도 신호를 검출하는 것이 가능하다. 즉, 변형예 2에 따른 표면 형상 측정 장치에 의해서, 측정광(8B)과 참조광(8C)의 광로 길이차가 큰 경우이더라도 간섭 강도 신호를 검출할 수 있기 때문에, 표면 형상을 고속으로 측정하는 것이 가능하다.
또, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 그 외 다양한 형태로 실시할 수 있다. 예를 들면, 각 회절 격자의 격자면의 단면 형상으로서는, 도 17c와 같이 브레이즈드 회절 격자(43), 즉, 톱니의 각 표면에서 반사가 일어나는 분광 소자에 한정되지 않는다. 다른 예로서, 도 17a와 같이 기판에 홈(40)을 형성한 타입의 격자면(44), 또는 도 17b와 같이 굴절률이 다른 부분(41, 42)을 조합한 타입의 격자면(45) 등도 회절 격자로서 사용할 수 있다.
또, 상기 여러 실시 형태 또는 변형예 중 임의의 실시 형태 또는 변형예를 적당히 조합하는 것에 의해, 각각이 갖는 효과를 얻도록 할 수 있다.
본 발명은, 첨부 도면을 참조하면서 실시 형태에 관련하여 충분히 기재되어 있지만, 이 기술이 숙련된 사람들에게는 여러 가지의 변형 또는 수정이 명백하다. 그러한 변형 또는 수정은, 첨부한 특허청구범위에 의한 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한, 그 내에 포함된다고 이해되어야 하는 것이 당연하다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명의 표면 형상 측정 방법 및 표면 형상 측정 장치는 피측정면의 표면 형상을 고속으로 측정할 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 표면 형상 측정 방법 및 표면 형상 측정 장치는 반도체 웨이퍼 또는 액정 표시기용 유리 기판 등의 정밀 가공품의 표면 형상의 측정의 용도, 예컨대, 요철 형상을, 백색광의 간섭을 이용하여 고속으로 측정하는데 매우 적합하다.

Claims (15)

  1. 상이한 파장을 포함하는 백색광(8A)을 참조광(8C)과 측정광(8B)으로 분할하고,
    상기 참조광을 제 1 회절 격자(20)에 입사시킨 후, 제 1 광로를 통해서 제 2 회절 격자(21)에 입사시키고, 또 그 후에, 상기 제 2 회절 격자(21)로부터 상기 제 1 광로를 통해서 상기 제 1 회절 격자(20)에 입사시킨 상기 참조광과, 피측정면(3)에 입사시켜 상기 피측정면에서 반사시킨 상기 측정광을 합성하여 간섭광(8D)으로 하고,
    상기 간섭광에서의 간섭 강도를 검출하고,
    상기 간섭 강도에 근거해 상기 피측정면의 표면 형상을 측정하는
    표면 형상 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 참조광을, 상기 제 1 광로를 통해서 상기 제 2 회절 격자(21)에 입사시킨 후에, 또, 미러로 반사시키고, 또 그 후에, 상기 제 2 회절 격자로부터 상기 제 1 광로를 통해서 상기 제 1 회절 격자에 입사시키는
    표면 형상 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 참조광은 상기 제 1 회절 격자에 의해 파장마다 광로 길이가 변경되어 상기 제 1 회절 격자로부터 상기 제 2 회절 격자로 입사하는
    표면 형상 측정 방법.
  4. 상이한 파장을 포함하는 백색광을 조사하는 광원(8)과,
    상기 백색광을 참조광과 측정광으로 분할하는 분할부(10)와,
    상기 측정광이 조사되는 피측정물(2)이 탑재되는 테이블(6)과,
    제 1 피치로 제 1 방향의 격자가 형성됨과 아울러 상기 참조광이 수직으로 입사하는 제 1 회절 격자와,
    상기 제 1 피치의 절반의 피치로 상기 제 1 방향의 격자가 형성되고, 또한, 상기 제 1 회절 격자와 평행하게 배치됨과 아울러, 상기 제 1 회절 격자를 출사한 상기 참조광이 입사하는 제 2 회절 격자와,
    상기 제 2 회절 격자를 출사한 후에 상기 제 1 회절 격자를 출사한 상기 참조광과 상기 피측정물에서 반사한 상기 측정광을 합성하여 간섭광으로 하는 합성부(10)와,
    상기 간섭광에서의 간섭 강도를 검출하는 검출부(4)와,
    상기 간섭 강도에 근거하여 상기 피측정물의 표면 형상을 측정하는 측정부(16)
    를 구비하는 표면 형상 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 분할부와 상기 합성부를 하나의 부재로 겸용하는
    표면 형상 측정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자는 투과형의 회절 격자이고,
    상기 제 2 회절 격자는 반사형의 회절 격자인
    표면 형상 측정 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자와 상기 제 2 회절 격자는 모두 반사형의 회절 격자인
    표면 형상 측정 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자와 상기 제 2 회절 격자는 일체로서 하나의 부재(200)로 형성되어 있는
    표면 형상 측정 장치.
  9. 상이한 파장을 포함하는 백색광을 조사하는 광원(8)과,
    상기 백색광을 참조광과 측정광으로 분할하는 분할부(10)와,
    상기 측정광이 조사되는 피측정물이 탑재되는 테이블(6)과,
    제 1 피치로 제 1 방향의 격자가 형성됨과 아울러 상기 참조광이 수직으로 입사하는 제 1 회절 격자와,
    상기 제 1 피치로 상기 제 1 방향의 격자가 형성되고, 또한, 상기 제 1 회절 격자와 평행하게 배치됨과 아울러, 상기 제 1 회절 격자로부터 출사한 상기 참조광이 입사하는 제 2 회절 격자와,
    상기 제 2 회절 격자를 출사한 상기 참조광을 반사하여 상기 제 2 회절 격자에 입사시키는 미러와,
    상기 미러에서 반사된 후에 상기 제 2 회절 격자와 상기 제 1 회절 격자의 순으로 출사한 상기 참조광과, 상기 피측정물에서 반사된 상기 측정광을 합성하여 간섭광으로 하는 합성부(10)와,
    상기 간섭광에서의 간섭 강도를 검출하는 검출부(4)와,
    상기 간섭 강도에 근거하여 상기 피측정물의 표면 형상을 측정하는 측정부(16)
    를 구비하는 표면 형상 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자와 상기 제 2 회절 격자는 모두 반사형의 회절 격자인
    표면 형상 측정 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자와 상기 제 2 회절 격자는 모두 투과형의 회절 격자인
    표면 형상 측정 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자는 반사형의 회절 격자이고,
    상기 제 2 회절 격자는 투과형의 회절 격자인
    표면 형상 측정 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자는 투과형의 회절 격자이고,
    상기 제 2 회절 격자는 반사형의 회절 격자인
    표면 형상 측정 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자와 상기 제 2 회절 격자는 일체로서 하나의 부재(204)로 형성되어 있는
    표면 형상 측정 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 회절 격자와 상기 제 2 회절 격자와 상기 미러는 일체로서 하나의 부재(208)로 형성되어 있는
    표면 형상 측정 장치.
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