KR20170041874A - 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 관한 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법은, 측정 대상의 피측정물을 개재하여 서로 대향하도록 배치되고 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하는 제1 및 제2 거리 측정부 각각에 있어서의 대향 방향의 제1 및 제2 변위를 각각 측정하고, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 측정한 제1 및 제2 변위로 보정한 상기 피측정물에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 상기 피측정물의 형상으로서 구한다.

Description

형상 측정 장치 및 형상 측정 방법{SHAPE MEASUREMENT DEVICE AND SHAPE MEASUREMENT METHOD}

본 발명은 피측정물의 형상, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 판상체의 형상을 적합하게 비접촉으로 측정하는 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법에 관한 것이다.

최근들어 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 의해 규정된다. 이 프로세스·룰이 절반이 되면, 이론상, 동일한 면적에 4배의 트랜지스터나 배선을 배치할 수 있기 때문에, 동일한 트랜지스터 수로는 1/4의 면적이 된다. 이 결과, 1매의 반도체 웨이퍼로부터 제조할 수 있는 다이가 4배가 될 뿐만 아니라, 통상적으로 수율도 개선되기 때문에, 더 많은 다이가 제조 가능해진다. 이 최소 가공 치수는, 고밀도의 집적 회로를 제조하기 위하여, 2013년의 시점의 최선단에서는 22㎚에 달하고 있다. 이러한 서브 미크론미터 오더(1㎛ 이하)의 프로세스·룰에서는, 반도체 웨이퍼에 높은 평탄도가 요구되어, 반도체 웨이퍼의 표면 형상(표면의 높이 변화)을 무시할 수 없다. 이로 인해, 반도체 웨이퍼의 표면 형상을 고정밀도로, 예를 들어 서브 나노미터 오더(1㎚ 이하)로 측정하는 형상 측정 장치가 요망되고 있다.

여기서, 반도체 웨이퍼와 같은 박판상체의 피측정물은, 예를 들어 약간의 풍압이나 다른 장치의 진동 등에 의해 진동되어 버리는 경우가 있다. 이 피측정물에 발생하는 진동은, 상기 고정밀도의 형상 측정에 있어서 무시하기 어려운 진폭이 되어 버리는 경우가 있다. 이로 인해, 상기 고정밀도의 형상 측정으로는, 피측정물의 진동 대책이 필요해진다. 이 진동 대책을 갖는 형상 측정 장치가 예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시되어 있다.

이 특허문헌 1에 개시된 형상 측정 장치는, 피측정물의 표리 각 면을 주사하여 해당 피측정물의 두께 분포를 비접촉으로 측정하기 위하여 사용되는 형상 측정 장치이며, 소정의 광원으로부터 출사되는 기간광을 2분기시키는 제1 광 분기 수단과, 상기 제1 광 분기 수단에 의한 분기광 각각을 상기 피측정물의 표리 각 면의 표리 상대하는 측정 부위 각각의 방향으로 유도하는 도광 수단과, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서의 상기 측정 부위의 방향으로 유도된 상기 기간광의 분기광 각각을 재차 2분기시키는 제2 광 분기 수단과, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서의 상기 제2 광 분기 수단에 의한 분기광의 한쪽 또는 양쪽에 주파수 변조를 실시하여, 각각 주파수가 상이한 2개의 측정광을 생성하는 광 변조 수단과, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 한쪽의 상기 측정광을 상기 측정 부위에 조사시켜, 해당 측정 부위에서 반사한 한쪽의 상기 측정광인 물체광과 다른 쪽의 상기 측정광인 참조광을 간섭시키는 2개의 헤테로다인 간섭계와, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 2개의 상기 측정광 각각을 상기 헤테로다인 간섭계에 입력되는 주광과 그 이외의 부광으로 2분기시키는 제3 광 분기 수단과, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 상기 제3 광 분기 수단에 의해 분기된 2개의 상기 부광을 간섭시키는 부광 간섭 수단과, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 상기 제2 광 분기 수단, 상기 광 변조 수단, 상기 헤테로다인 간섭계, 상기 제3 광 분기 수단 및 상기 부광 간섭 수단을 포함하는 측정 광학계를 일체로 보유 지지하는 측정 광학계 보유 지지 수단과, 2개의 상기 헤테로다인 간섭계에 의해 얻어지는 간섭광 각각을 수광하여 그 강도 신호를 출력하는 측정용 광 강도 검출 수단과, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서, 상기 부광 간섭 수단에 의해 얻어지는 간섭광을 수광하여 그 강도 신호를 출력하는 참조용 광 강도 검출 수단과, 상기 피측정물의 표리 각각에 있어서의 상기 측정용 광 강도 검출 수단의 출력 신호 및 상기 참조용 광 강도 검출 수단의 출력 신호를 포함하는 2개의 비트 신호의 위상 검파에 의해 해당 2개의 비트 신호의 위상차를 검출하는 위상 정보 검출 수단을 구비하여 이루어지는 것이다. 상기 특허문헌 1의 기재에 의하면, 이와 같은 구성의 특허문헌 1에 개시된 형상 측정 장치에서는, 상기 피측정물의 두께 측정값은, 상기 피측정물의 진동에 의한 변위량의 성분이 상기 피측정물의 표리 양측에 대하여 상쇄된 측정값이 된다. 따라서, 이 형상 측정 장치는, 상기 피측정물의 진동 영향을 받지 않고 상기 피측정물의 두께를 측정할 수 있다.

상기 특허문헌 2에 개시된 측정 장치는, 피측정물을 탑재하는 탑재부와, 상기 피측정물에 대하여 이동하여 상기 피측정물의 형상을 측정하기 위한 프로브와, 참조 미러에 광을 조사하여 얻어진 반사광에 기초하여 상기 프로브의 위치를 측정하는 간섭계와, 상기 프로브를 이동하여 얻어진 상기 피측정물의 형상에 관한 측정값 및 상기 피측정물과 상기 참조 미러에 대한 센서로부터의 신호에 기초하여 얻어진 상기 피측정물과 상기 참조 미러 사이의 상대 변위량을 사용하여, 상기 피측정물의 형상을 산출하는 산출부를 갖는 것이다. 일 형태에서는, 상기 센서는, 상기 피측정물과 상기 참조 미러 사이의 상대 변위량을 검출하는 변위 센서이며, 상기 산출부는, 상기 변위 센서에 의해 검출된 상기 상대 변위량을 사용하여 상기 측정값을 보정하여, 상기 피측정물의 형상을 산출하는 것이다. 다른 일 형태에서는, 상기 센서는, 상기 피측정물과 상기 참조 미러 사이의 상대 가속도를 검출하는 가속도 센서이며, 상기 산출부는, 상기 상대 가속도를 2회 적분함으로써 상기 피측정물과 상기 참조 미러 사이의 상기 상대 변위량을 산출하고, 상기 상대 변위량을 사용하여 상기 측정값을 보정하여, 상기 피측정물의 형상을 산출하는 것이다. 상기 특허문헌 2의 기재에 의하면, 이와 같은 구성의 측정 장치는, 참조 미러와 피측정물 사이에 상대 변위가 발생하는 경우에도 피측정물의 형상을 고정밀도로 측정할 수 있다.

그런데, 형상 측정 장치에서는, 피측정물이 진동할 뿐만 아니라, 피측정물의 형상을 측정하기 위한 측정부(센서부) 자체도 진동하는 경우가 있다. 예를 들어, 상기 특허문헌 1의 경우에는, 2개의 헤테로다인 간섭계 자체도 진동하는 경우가 있다. 또한 예를 들어 상기 특허문헌 2의 경우에는, 프로브 자체도 진동하는 경우가 있다. 이러한 측정부 자체의 진동도 측정부와 피측정물 사이의 거리를 변동시키기 때문에, 상기 고정밀도의 형상 측정에서는, 측정부 자체의 진동 대책도 요망된다.

상기 특허문헌 1에 개시된 형상 측정 장치는, 상술한 바와 같이 피측정물의 진동에 의한 변위량의 성분을 상기 피측정물의 표리 양측에 대하여 상쇄하는 것이기 때문에, 상기 피측정물 자체의 진동에는 대처할 수 있지만, 측정부 자체의 진동에는 대처하고 있지 않다. 또한, 상기 특허문헌 2에 개시된 측정 장치는, 상술한 바와 같이, 참조 미러와 피측정물 사이에 상대 변위에는 대처할 수 있지만, 측정부 자체의 진동에는 대처하고 있지 않다.

일본 특허 공개 제2010-175499호 공보 일본 특허 공개 제2013-160516호 공보

본 발명은 상술한 사정에 감안하여 이루어진 발명이며, 그 목적은 측정부 자체의 진동에 의한 영향을 저감함으로써, 보다 고정밀도로 피측정물의 형상을 측정할 수 있는 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 관한 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법은, 측정 대상의 피측정물을 개재하여 서로 대향하도록 배치되고 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하는 제1 및 제2 거리 측정부 각각에 있어서의 대향 방향의 제1 및 제2 변위를 각각 측정하고, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 측정한 제1 및 제2 변위로 보정한 상기 피측정물에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 상기 피측정물의 형상으로서 구한다. 따라서, 이러한 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법은, 측정부 자체의 진동에 의한 영향을 저감함으로써, 보다 고정밀도로 피측정물의 형상을 측정할 수 있다.

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

도 1은 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 형상(두께)의 연산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 보정의 효과를 설명하기 위한 일 측정 결과를 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명에 관한 실시의 일 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일한 부호를 부여한 구성은, 동일한 구성인 것을 나타내고, 적절히 그 설명을 생략한다. 본 명세서에 있어서, 총칭하는 경우에는 첨자를 생략한 참조 부호로 나타내고, 개별 구성을 가리키는 경우에는 첨자를 첨부한 참조 부호로 나타낸다.

도 1은 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 도 2는 실시 형태의 형상 측정 장치에 있어서의 형상(두께)의 연산 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치는, 측정 대상의 피측정물을 개재하여 서로 대향하도록 배치되고, 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하는 제1 및 제2 거리 측정부와, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각에 있어서의 대향 방향의 변위를 각각 측정하는 제1 및 제2 변위 측정부와, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 상기 피측정물에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 상기 피측정물의 형상으로서 구하는 형상 연산부를 구비하고 있다. 이러한 형상 측정 장치에서는, 제1 거리 측정부의 변위가 제1 변위 측정부에 의해 측정되고, 제2 거리 측정부의 변위가 제2 변위 측정부에 의해 측정된다. 이와 같이 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치에서는, 제1 및 제2 거리 측정부 각각에 있어서의, 예를 들어 진동 등에 의해 발생한 변위가 실측된다. 그리고, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치에서는, 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 피측정물에 있어서의 대향 방향을 따른 두께가 상기 피측정물의 형상으로서 구해진다. 이와 같이 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치에서는, 피측정물의 형상을 구할 때에, 제1 및 제2 거리 측정부 각각에 있어서의 상기 변위가 고려된다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치는, 제1 및 제2 거리 측정부 자체의 진동에 의한 영향을 저감시킬 수 있어, 보다 고정밀도로 피측정물의 형상을 측정할 수 있다.

이러한 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 M은, 보다 구체적으로는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)와, 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)와, 제1 아날로그 디지털 변환부(이하, 「제1 AD 변환부」라고 약기함)(3)와, 전 처리부(4)와, 제2 아날로그 디지털 변환부(이하, 「제2 AD 변환부」라고 약기함)(5)와, 샘플링 타이밍 생성부(이하, 「ST 생성부」라고 약기함)(6)와, 제어 연산부(7)와, 입력부(8)와, 출력부(9)와, 가동 스테이지부(10)와, 지지부(11)를 구비한다.

제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)는 측정 대상의 피측정물 SP를 개재하여 서로 대향하도록 배치되고, 피측정물 SP까지의 거리를 각각 측정하는 장치이다. 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)는 제1 AD 변환부(3)에 접속되고, 제1 거리 센서(1-1)는 그 출력을 제1 AD 변환부(3)로 출력하고, 제2 거리 센서도, 그 출력을 제1 AD 변환부(3)로 출력한다. 예를 들어, 제1 거리 센서(1-1)는 지지부(11)에 의해 지지됨으로써, 피측정물 SP가 적재되는 가동 스테이지부(10)의 적재대에 있어서의 적재면에 대하여 상측에, 상기 적재면으로부터 소정 거리만큼 이격한 위치(제1 거리 센서 배치 위치)에 배설된다. 제2 거리 센서(1-2)는 지지부(11)에 지지됨으로써, 상기 적재면에 대하여 하측에, 상기 적재면으로부터 소정 거리만큼 이격한 위치(제2 거리 센서 배치 위치)에 배설된다.

상기 적재면이 제1 거리 센서(1-1)측에 또는 제2 거리 센서(1-2)측 근방에 위치하도록, 제1 거리 센서(1-1), 제2 거리 센서(1-2) 및 가동 스테이지부(10)의 각 배설 위치가 조정되어도 되지만, 본 실시 형태에서는, 상기 적재면이 제1 거리 센서(1-1)와 제2 거리 센서(1-2) 사이의 중앙 위치에 위치하도록, 제1 거리 센서(1-1), 제2 거리 센서(1-2) 및 가동 스테이지부(10)의 각 배설 위치가 조정된다. 즉, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 각각은, 상기 적재면에 대하여 대칭하는 위치에 배설된다. 이와 같이 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 각각이 상기 적재면으로부터 등거리의 위치에 배설됨으로써, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 자체가 각각 진동하여 변위한 경우에, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 각각에 의해 측정된 각 측정값(각 거리)에 대한 상기 진동에 의한 각 변위량의 비율은, 대략 동등해지고, 상기 진동에 의한 각 변위는, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 각각에 의해 측정된 각 측정값(각 거리)에 대략 동등하게 영향을 미치게 된다. 따라서, 형상 측정 장치 M은, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 각각에 의해 측정된 각 측정값을 상기 진동에 의한 각 변위량에 의해 대략 동일 정밀도로 보정할 수 있어, 보다 고정밀도로 피측정물의 형상을 구할 수 있다.

제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)는 피측정물 SP까지의 거리를 실측해도 되지만, 나노미터 오더로 거리를 측정하는 관점에서, 본 실시 형태에서는, 예를 들어 미리 설정된 기준에 대한 피측정물 SP에 있어서의 상대적인 거리 변화(상기 기준에 대한 변위의 변위량)를 각각 측정함으로써, 피측정물 SP까지의 거리(상기 기준에 대한 상대적인 거리)를 각각 측정한다. 본 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이, 피측정물 SP의 형상으로서 피측정물 SP에 있어서의 대향 방향을 따른 길이, 즉, 두께 및 그 분포(두께 분포)가 구해지기 때문에, 상기 기준은, 미리 적절한 다른 측정 장치에 의해 측정된 피측정물 SP의 중심 두께로 설정된다. 상기 중심 두께는, 피측정물 SP에 있어서의 복수의 측정 개소에서 측정된 복수의 두께의 평균값 또는 중앙값이다. 또한, 대향 방향은, 제1 거리 센서(1-1)(제2 거리 센서(1-2))가 제2 거리 센서(1-2)(제1 거리 센서(1-1))에 대향하는 방향(마주 향하는 방향), 즉 제1 거리 센서(1-1)의 배설 위치와 제2 거리 센서(1-2)의 배설 위치를 연결한 선분을 따른 방향이다. 이러한 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)는 각각 상기 변위의 변위량(이동량)을 측정하기 위하여, 예를 들어 광 간섭 방식, 공초점 방식, 정전 용량 방식 및 레이저 삼각 측량 방식 등 중 어느 변위 센서를 구비하여 구성된다.

광 간섭 방식 변위 센서는, 측정광을 신호광과 참조광으로 나누어, 신호광을 피측정물 SP에 조사하여, 피측정물 SP에서 반사한 신호광과 참조광을 간섭시켜 간섭광을 생성하는 광 간섭계를 구비하고, 상기 광 간섭계에서 생성한 상기 간섭광을 측정함으로써, 변위량을 측정하는 것이다. 즉, 피측정물 SP가 기준으로부터 변위하면, 신호광의 광로 길이가 상기 기준에 대응하는 광로 길이로부터 변화하기 때문에, 그 간섭광이 변화하고, 그 변화로부터 변위량이 구해진다.

공초점 방식 변위 센서는, 다색광으로서의 백색광을 멀티 렌즈를 개재하여 피측정물 SP에 분광 조사하여, 초점이 맞는 색을 측정함으로써, 변위량을 측정하는 것이다. 즉, 파장에 의해 초점 거리가 상이하므로, 피측정물 SP가 기준으로부터 변위하면, 피측정물 SP에서 합초하는 색(파장)이 상기 기준에 대응하는 색(파장)으로부터 변화하기 때문에, 그 색 변화로부터 변위량이 구해진다.

정전 용량 방식 변위 센서는, 당해 변위 센서(프로브)와 피측정물 SP 사이의 정전 용량을 측정함으로써, 변위량을 측정하는 것이다. 즉, 피측정물 SP가 기준으로부터 변위하면, 정전 용량이 상기 기준에 대응하는 기준 정전 용량으로부터 변화하기 때문에, 그 변화량으로부터 변위량이 구해진다.

레이저 삼각 측량 방식 변위 센서는, 소위 삼각 측량의 원리로 변위량을 측정하는 것이다. 이 레이저 삼각 측량 방식 변위 센서는, 레이저광을 피측정물 SP에 조사하고, 그 반사광을 에리어 센서로 수광하고, 그 수광 위치로부터 피측정물 SP의 변위를 구하는 것이다. 즉, 피측정물 SP가 기준으로부터 변위하면, 수광 위치가 상기 기준에 대응하는 수광 기준 위치로부터 이동하기 때문에, 그 이동량으로부터 삼각 측량의 원리에 의해 변위량이 구해진다.

여기서, 적합하게 서브 나노미터 오더로 피측정물 SP의 형상을 측정할 수 있는 관점에서, 바람직하게는 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)는 각각 광 간섭 방식 변위 센서 또는 정전 용량 방식 변위 센서를 구비하여 구성된다. 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)는 각각 광 헤테로다인 방식의 광 간섭 방식 변위 센서(헤테로다인 광 간섭계의 변위 센서)를 구비하여 구성된다. 이 광 헤테로다인 방식의 광 간섭 방식 변위 센서는, 약간 주파수가 상이한 신호광과 참조광을 중첩하여 간섭시키고, 그 간섭광에 의한 비트 신호로부터 위상차를 구하여 변위량을 측정하는 장치이며, 예를 들어 상기 특허문헌 1 등에 개시되어 있다.

제1 AD 변환부(3)는 ST 생성부(6) 및 제어 연산부(7)에 접속되고, ST 생성부(6)로부터 입력된 샘플링 타이밍에 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)의 각 출력(본 실시 형태에서는 각 변위량)을 각각 샘플링하여 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 각각 변환하고, 이들 변환된 디지털 신호의 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)의 각 출력(상기한 상기 각 변위량)을 제어 연산부(7)로 출력하는 장치이다.

제1 가속도 센서(2-1)는 제1 거리 센서(1-1)에 있어서의 대향 방향의 변위를 측정하기 위하여, 제1 거리 센서(1-1)에 있어서의 대향 방향의 가속도(제1 가속도)를 측정하는 장치이며, 제2 가속도 센서(2-2)는 마찬가지로, 제2 거리 센서(1-2)에 있어서의 대향 방향의 변위를 측정하기 위하여, 제2 거리 센서(1-2)에 있어서의 대향 방향의 가속도(제2 가속도)를 측정하는 장치이다. 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)는 전 처리부(4)에 접속되고, 제1 가속도 센서(2-1)는 그 출력(제1 가속도)을 전 처리부(4)로 출력하고, 제2 가속도 센서(2-2)도, 그 출력(제2 가속도)을 전 처리부(4)로 출력한다. 제1 가속도 센서(2-1)는 제1 거리 센서(1-1)에 있어서의 대향 방향의 가속도를 측정 가능한 개소에 배설되고, 제2 가속도 센서(2-2)는 제2 거리 센서(1-2)에 있어서의 대향 방향의 가속도를 측정 가능한 개소에 배설된다. 예를 들어, 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)는 각각 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)에 있어서의 하우징의 상면, 하면 및 측면 중 어느 하나에 배설된다. 또한 예를 들어, 제1 가속도 센서(2-1)는 제1 거리 센서(1-1)를 지지하는, 강체에 의해 형성된 지지 부재에 배설되어도 되고, 제2 가속도 센서(2-2)는 제2 거리 센서(1-2)를 지지하는, 강체에 의해 형성된 지지 부재에 배설되어도 된다. 강체라면, 상기 각 지지 부재 각각은, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)와 동일하게 변위한다고 간주할 수 있기 때문이다. 본 실시 형태에서는, 제1 가속도 센서(2-1)는 제1 거리 센서(1-1)의 상면에 배설되고, 제2 가속도 센서(2-2)는 제2 거리 센서(1-2)의 하면에 배설된다.

전 처리부(4)는 제2 AD 변환부(5)에 접속되고, 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)의 각 출력에 대하여, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)에 있어서의 소정의 각 변위의 각 변위량을 구하기 위하여 소정의 전 처리를 실시하는 장치이며, 전 처리된 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)의 각 출력을 제2 AD 변환부(5)로 출력한다. 전 처리부(4)는 본 실시 형태에서는, 예를 들어 가속도를 변위량으로 변환하기 위하여, 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)의 각 출력(각 가속도)을 2회 적분하는 적분부와, 상기 적분부에서 적분된 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)의 각 출력(각 변위량)에 대하여 소정의 주파수 대역의 데이터(소정의 주파수 성분)만을 취출하는 대역 통과 필터부를 구비한다.

제2 AD 변환부(5)는 ST 생성부(6) 및 제어 연산부(7)에 접속되고, ST 생성부(6)로부터 입력된 샘플링 타이밍에 전 처리부(4)로 전 처리된 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)의 각 출력(본 실시 형태에서는 각 가속도로부터 얻어진 각 변위량)을 각각 샘플링하여 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 각각 변환하고, 이들 변환된 디지털 신호의 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)의 각 출력(상기한 상기 각 변위량)을 제어 연산부(7)로 출력하는 장치이다.

ST 생성부(6)는 제1 및 제2 AD 변환부(3, 5)의 각 샘플링 타이밍(각 AD 변환 타이밍)을 생성하는 장치이며, 예를 들어 수정 진동자를 사용한 발진 회로를 구비하여 구성된다. ST 생성부(6)는 제1 AD 변환부(3)와 제2 AD 변환부(5) 양쪽에 동일한 샘플링 타이밍을 출력한다. 이에 의해 제1 AD 변환부(3)와 제2 AD 변환부(5)는, 동일한 타이밍에 샘플링하여 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환한다. 따라서, 제1 AD 변환부(3)로부터 출력되는 디지털 신호의 제1 거리 센서(1-1)의 출력과, 제1 AD 변환부(3)로부터 출력되는 디지털 신호의 제2 거리 센서(1-2)의 출력과, 제2 AD 변환부(5)로부터 출력되는 디지털 신호의 제1 가속도 센서(2-1)의 출력과, 제2 AD 변환부(5)로부터 출력되는 디지털 신호의 제2 가속도 센서(2-2)의 출력은, 서로 동기한 데이터, 즉, 서로 동일한 시점(타이밍)에 측정한 데이터가 된다.

입력부(8)는 제어 연산부(7)에 접속되어, 예를 들어 피측정물 SP의 형상 측정의 개시를 지시하는 커맨드 등의 각종 커맨드 및 예를 들어 피측정물 SP에 있어서의 식별자의 입력 등의 형상 측정하는 데 있어서 필요한 각종 데이터를 형상 측정 장치 M에 입력하는 기기이며, 예를 들어 소정의 기능을 할당된 복수의 입력 스위치, 키보드 및 마우스 등이다. 출력부(9)는 제어 연산부(7)에 접속되고, 제어 연산부(7)의 제어에 따라, 입력부(8)로부터 입력된 커맨드나 데이터 및 형상 측정 장치 M에 의해 측정된 피측정물 SP의 형상을 출력하는 기기이며, 예를 들어 CRT 디스플레이, LCD 및 유기 EL 디스플레이 등의 표시 장치나 프린터 등의 인쇄 장치 등이다.

또한, 입력부(8) 및 출력부(9)로부터 터치 패널이 구성되어도 된다. 이 터치 패널을 구성하는 경우에 있어서, 입력부(8)는 예를 들어 저항막 방식이나 정전 용량 방식 등의 조작 위치를 검출하여 입력하는 위치 입력 장치이며, 출력부(9)는 표시 장치이다. 이 터치 패널에서는, 표시 장치의 표시면 위에 위치 입력 장치가 설치되고, 표시 장치에 입력 가능한 1개 또는 복수의 입력 내용 후보가 표시되고, 유저가, 입력하고 싶은 입력 내용을 표시한 표시 위치를 접촉하면, 위치 입력 장치에 의해 그 위치가 검출되고, 검출된 위치에 표시된 표시 내용이 유저의 조작 입력 내용으로서 형상 측정 장치 M에 입력된다. 이러한 터치 패널에서는, 유저는 입력 조작을 직감적으로 이해하기 쉬우므로, 유저에 있어서 취급하기 쉬운 형상 측정 장치 M이 제공된다.

가동 스테이지부(10)는 제어 연산부(7)의 제어에 따라, 피측정물 SP와 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)를, 상기 대향 방향과 직교하는 평면 내에서 상대적으로 이동시키는 장치이며, 이동 기구부의 일례에 대응한다. 상기 이동 기구부는, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)를 피측정물 SP에 대하여 상기 평면 내에서 이동시키는 장치이어도 되지만, 본 실시 형태에서는, 상대적으로 경량의 피측정물 SP를 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)에 대하여 상기 평면 내에서 이동시키는 가동 스테이지부(10)가 사용되고 있다. 가동 스테이지부(10)는 소위 X축 방향 및 Y축 방향으로 피측정물 SP를 이동할 수 있는 XY 스테이지이면 되는데, 또한, 가동 스테이지부(10)는 피측정물 SP를 회전 이동할 수 있음과 함께, 상기 회전에 있어서의 직경 방향으로도 이동할 수 있는 회전 스테이지이면 된다. 본 실시 형태에서는, 가동 스테이지부(10)는 회전 스테이지이며, 회전 스테이지는, 예를 들어 상기 특허문헌 1에 개시되어 있다. 보다 구체적으로는, 가동 스테이지부(10)는 피측정물을 적재하기 위한 적재부와, 상기 적재부를 회전 구동하는 회전부와, 상기 회전부를 직선상으로 이동하는 직선 이동부를 구비한다. 상기 적재부는, 회전축과, 제1 내지 제3 적재 아암을 구비한다. 상기 제1 내지 제3 적재 아암은, 각각 상기 회전부의 회전에 대하여 직경 방향으로 연장되는 수평 아암부와, 상기 수평 아암부의 한쪽 단부에 연결되어 상기 대향 방향(수직 방향, 축방향)으로 연장되는 수직 아암부를 구비한다. 따라서, 상기 제1 내지 제3 적재 아암은, 각각 측면에서 보아 대략 L자 형상으로 형성된 기둥 형상 부재이다. 상기 회전축은, 상기 대향 방향으로 연장되는 기둥 형상 부재이며, 그 다른 쪽 단부는, 상기 회전부와 걸림 결합하고, 상기 회전부에 의해 회전된다. 상기 제1 내지 제3 적재 아암은, 약 120도의 대략 등간격으로 상기 수평 아암부의 다른 쪽 단부에서 상기 회전축의 한쪽 단부에 연결된다. 상기 제1 내지 제3 적재 아암에 있어서의 상기 각 수직 아암부의 각 선단면은, 각각 피측정물 SP를 적재하는 적재면으로 되어 있다. 이로 인해, 피측정물 SP는, 상기 제1 내지 제3 적재 아암의 상기 각 수직 아암부의 각 선단면(각 적재면)에 의해 밑에서부터 3점으로 지지된다. 피측정물 SP가 예를 들어 원판 형상의 반도체 웨이퍼인 경우에는, 상기 반도체 웨이퍼는, 그 주연부(에지부)에서 상기 제1 내지 제3 적재 아암의 상기 각 수직 아암부의 각 선단면(각 적재면)에 의해 밑에서부터 3점으로 지지된다. 상기 회전부나 직선 이동부는, 예를 들어 서보 모터 등의 액추에이터나 감속 기어 등의 구동 기구를 구비하여 구성된다. 그리고, 피측정물 SP가 가동 스테이지부(10)의 일례로서의 회전 스테이지에 적재된 경우에, 피측정물 SP의 상면 및 하면을 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 각각에 의해 측정할 수 있도록, 즉 회전 스테이지가 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)의 각 측정에 간섭하지 않도록, 회전 스테이지가 제1 거리 센서(1-1) 및 제2 거리 센서(1-2)의 배치 위치에 대하여 배설된다. 이러한 회전 스테이지에서는, 상기 회전부에 의해 상기 적재부를 회전 구동함으로써, 피측정물 SP에 있어서의 주위 방향의 측정 개소를 변경할 수 있고, 상기 직선 이동부에 의해 상기 회전부를 이동함으로써, 피측정물 SP에 있어서의 직경 방향의 측정 개소를 변경할 수 있다. 따라서, 이러한 회전 스테이지는, 피측정물 SP에 있어서의 임의의 위치를 측정 개소로서 선택할 수 있다.

또한, 가동 스테이지부(10)는 서스펜션으로 제어되고, 상기 적재부를 지지하는 에어 서스펜션을 더 구비하는 것이 바람직하다. 에어 서스펜션(air suspension)은, 공기 스프링을 사용한 방진 기구이다.

지지체(11)는 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)나 가동 스테이지부(10) 등의 형상 측정부 M에 있어서의 적절한 배설 위치를 유지할 필요가 있는 각 부를 지지하기 위한 부재이다.

제어 연산부(7)는 형상 측정 장치 M의 각 부를 당해 각 부의 기능에 따라 각각 제어하고, 피측정물의 형상을 구하는 것이다. 제어 연산부(7)는 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), 이 CPU에 의해 실행되는 다양한 프로그램이나 그 실행에 필요한 데이터 등을 미리 기억하는 ROM(Read Only Memory)이나 EEPROM(Electrically Erasable Progra㎜able Read Only Memory) 등의 불휘발성 기억 소자, 이 CPU의 소위 워킹 메모리가 되는 RAM(Random A㏄ess Memory) 등의 휘발성 기억 소자 및 그 주변 회로 등을 구비한 마이크로컴퓨터에 의해 구성된다. 그리고, 제어 연산부(7)에는 프로그램을 실행함으로써, 기능적으로 제어부(71) 및 형상 연산부(72)가 구성된다.

제어부(71)는 피측정물의 형상을 구하기 위하여, 형상 측정 장치 M의 각 부를 당해 각 부의 기능에 따라 각각 제어하는 것이다.

형상 연산부(72)는 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 피측정물 SP에 있어서의 대향 방향을 따른 두께를 피측정물 SP의 형상으로서 구하는 것이다. 본 실시 형태에서는, 제1 거리 센서(1-1)는 상기 제1 거리 측정부의 일례에 대응하고, 제2 거리 센서(1-2)는 상기 제2 거리 측정부의 일례에 대응한다. 그리고, 제1 가속도 센서(2-1) 및 전 처리부(4)는 상기 제1 변위 측정부의 일례에 대응하고, 제2 가속도 센서(2-2) 및 전 처리부(4)는 상기 제2 변위 측정부의 일례에 대응한다.

여기서, 일례에서는, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 각각의 각 변위를 고려한 피측정물 SP의 두께는, 다음과 같이 구해진다. 도 2에 있어서, 피측정물 SP의 두께(Thickness)를 T로 하고, 피측정물 SP의 변위(Displacement)를 ΔW로 하고, 대향 방향을 따른 제1 거리 센서(1-1)와 제2 거리 센서(1-2) 사이의 거리(Distance)를 G로 하고, 제1 거리 센서(1-1)에 의해 측정된 제1 거리 센서(1-1)부터 피측정물 SP의 상면(Front Surface)까지의 거리(Measurement of Distance)를 f로 하고, 제1 거리 센서(1-1)부터 피측정물 SP의 상면까지의 실제의 거리(Distance)를 F로 하고, 제1 가속도 센서(2-1)에 의해 측정된 제1 거리 센서(1-1)의 변위(Displacement)를 ΔU로 하고, 제2 거리 센서(1-2)에 의해 측정된 제2 거리 센서(1-2)부터 피측정물 SP의 하면(Back Surface, 상기 상면에 대향하는 면)까지의 거리(Measurement of Distance)를 b로 하고, 제2 거리 센서(1-2)부터 피측정물 SP의 하면까지의 실제의 거리(Distance)를 B로 하고, 제2 가속도 센서(2-2)에 의해 측정된 제2 거리 센서(1-2)의 변위(Displacement)를 ΔL로 하면, f, F, ΔW 및 ΔU 사이에는, 다음 식 (1)이 성립되고, b, B, ΔW 및 ΔL 사이에는, 다음 식 (2)가 성립된다.

그리고, T, G, F, B의 사이에는, 다음 식 (3)이 성립되고, 이것에 피측정물 SP의 변위를 고려하면, 다음 식 (4)가 성립된다.

상기 식 (4)에 상기 식 (1) 및 식 (2)를 고려하면, 다음 식 (5)가 성립된다.

여기서, 상기 f는 제1 거리 측정 결과에 대응하고, 상기 ΔU는 제1 변위 측정 결과에 대응하고, 상기 b는 제2 거리 측정 결과에 대응하고, 상기 ΔL은 제2 변위 측정 결과에 대응하고, 상기 G는 상기 제1 거리 측정부(제1 거리 센서(1-1) 및 상기 제2 거리 측정부(제2 거리 센서(1-2)) 사이의 상기 대향 방향을 따른 이격 거리에 대응한다. 따라서, 형상 연산부(72)는 보다 구체적으로는, 제1 거리 측정 결과 f를 제1 변위 측정 결과 ΔU로 보정함으로써 제1 보정 거리(f-ΔU)를 구하고, 제2 거리 측정 결과 b를 제2 변위 측정 결과 ΔL로 보정함으로써 제2 보정 거리(b-ΔL)를 구하고, 상기 제1 거리 측정부 및 상기 제2 거리 측정부 사이의 상기 대향 방향을 따른 이격 거리 G로부터, 상기 제1 보정 거리(f-ΔU) 및 상기 제2 보정 거리(b-ΔL)를 감산함으로써 상기 두께 T(=G-(f-ΔU+b-ΔL))를 구하는 것이다.

그리고, 본 실시 형태에서는, 피측정물 SP의 두께 분포를 구하기 위하여, 제1 및 제2 거리 측정부(제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2))는 가동 스테이지부(10)로 피측정물 SP와 당해 제1 및 제2 거리 측정부를 상대적으로 상기 대향 방향과 직교하는 평면 내에서 이동시킴으로써, 피측정물 SP에 있어서의 복수의 측정 개소에서, 피측정물 SP까지의 거리를 각각 측정하고, 상기 제1 및 제2 변위 측정부(제1 가속도 센서(2-1) 및 전 처리부(4) 그리고 제2 가속도 센서(2-2) 및 전 처리부(4))는 상기 제1 및 제2 거리 측정부가 상기 복수의 측정 개소에서 피측정물 SP까지의 거리를 각각 측정하는 타이밍에 동기하여 상기 대향 방향의 변위를 각각 측정하고, 형상 연산부(72)는 상기 복수의 측정 개소 각각에 있어서, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 피측정물 SP에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 각각 구하여 피측정물 SP의 두께 분포를 피측정물 SP의 형상으로서 구하는 것이다.

또한, 형상 측정 장치 M은 제어 연산부(7)에 접속되고, 제어 연산부(7)의 제어에 따라, 외부 기기와의 사이에서 데이터의 입출력을 행하는 회로인 인터페이스부를 더 구비해도 된다. 이 인터페이스부는, 예를 들어 시리얼 통신 방식인 RS-232C의 인터페이스 회로, Bluetooth(등록 상표) 규격을 사용한 인터페이스 회로, IrDA(Infrared Data Asscoiation) 규격 등의 적외선 통신을 행하는 인터페이스 회로 및 USB(Universal Serial Bus) 규격을 사용한 인터페이스 회로 등이다.

이어서, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 M의 동작에 대하여 설명한다. 도 3은 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치의 동작을 나타내는 흐름도이다.

먼저, 도시 생략된 전원 스위치가 온되면, 형상 측정 장치 M이 기동되어, 제어 연산부(7)에 의해 필요한 각 부의 초기화가 행하여지고, 제어 연산부(7)에는 프로그램이 실행됨으로써, 기능적으로 제어부(71) 및 형상 연산부(72)가 구성된다. 그리고, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 피측정물 SP가 가동 스테이지부(10)에 적재되고, 입력부(8)로부터 측정 개시를 지시하는 커맨드를 접수하면, 제어 연산부(7)는 피측정물 SP의 형상의 측정을 개시한다.

측정이 개시되면, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 그리고 제1 및 제2 가속도 센서(2-1, 2-2)는 측정을 개시하고, 그 측정 결과를 출력한다(S1).

보다 구체적으로는, 제1 가속도 센서(2-1)는 제1 거리 센서(1-1)에 있어서의 대향 방향의 제1 가속도를 측정하고, 이 측정된 제1 가속도를 전 처리부(4)로 출력한다(S11-1). 이 제1 가속도는, 제1 거리 센서(1-1)의 진동을 나타내고 있다. 제1 거리 센서(1-1)는 피측정물 SP의 상면까지의 거리를 측정하고, 이 측정된 거리를 제1 AD 변환부(3)로 출력한다(S11-2). 그리고, 제2 가속도 센서(2-2)는 제2 거리 센서(1-2)에 있어서의 대향 방향의 제2 가속도를 측정하고, 이 측정된 제2 가속도를 전 처리부(4)로 출력한다(S11-3). 이 제2 가속도는, 제2 거리 센서(1-2)의 진동을 나타내고 있다. 제2 거리 센서(1-2)는 피측정물 SP의 하면까지의 거리를 측정하고, 이 측정된 거리를 제1 AD 변환부(3)로 출력한다(S11-4).

이어서, 전 처리부(4)는 제1 가속도 센서(2-1)로부터의 제1 가속도를 전 처리하고, 제2 가속도 센서(2-2)로부터의 제2 가속도를 전 처리한다(S2).

보다 구체적으로는, 전 처리부(4)는 제1 가속도 센서(2-1)로부터의 제1 가속도를 상기 적분부에 의해 2회 적분하여 제1 거리 센서(1-1)의 변위량(제1 변위량)을 구하고(S21-1), 이 구해진 제1 거리 센서(1-1)의 제1 변위량을 상기 대역 통과 필터부에서 필터링하여 소정의 주파수 성분의 제1 변위량을 구하고, 이 구해진 소정의 주파수 성분의 제1 변위량을 제2 AD 변환부(5)로 출력한다(S22-1). 전 처리부(4)는 제2 가속도 센서(2-2)로부터의 제2 가속도를 상기 적분부에 의해 2회 적분하여 제2 거리 센서(1-2)의 변위량(제1 변위량)을 구하고(S21-2), 이 구해진 제2 거리 센서(1-2)의 제2 변위량을 상기 대역 통과 필터부에서 필터링하여 소정의 주파수 성분의 제2 변위량을 구하고, 이 구해진 소정의 주파수 성분의 제2 변위량을 제2 AD 변환부(5)로 출력한다(S22-2).

이어서, 제1 및 제2 AD 변환부(3, 5)는 ST 생성부(6)로부터의 샘플링 타이밍에 동기하여 동작한다. 보다 구체적으로는, 제1 AD 변환부(3)는 상기 샘플링 타이밍에 제1 거리 센서(1-1)의 출력을 샘플링하여 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환하고, 이 변환된 제1 거리 센서(1-1)의 출력을 제1 거리 측정 결과 f로서 제어 연산부(7)로 출력한다. 마찬가지로, 제1 AD 변환부(3)는 상기 샘플링 타이밍에 제2 거리 센서(1-2)의 출력을 샘플링하여 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환하고, 이 변환된 제2 거리 센서(1-2)의 출력을 제2 거리 측정 결과 b로서 제어 연산부(7)로 출력한다. 그리고, 제2 AD 변환부(5)는 상기 샘플링 타이밍에 제1 가속도 센서(2-1)의 출력(본 실시 형태에서는 전 처리부(4)를 통한 소정의 주파수 성분의 제1 변위량)을 샘플링하여 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환하고, 이 변환된 제1 가속도 센서(2-1)의 출력을 제1 변위 측정 결과 ΔU로서 제어 처리부(7)로 출력한다. 제2 AD 변환부(5)는 상기 샘플링 타이밍에 제2 가속도 센서(2-2)의 출력(본 실시 형태에서는 전 처리부(4)를 통한 소정의 주파수 성분의 제2 변위량)을 샘플링하여 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환하고, 이 변환된 제2 가속도 센서(2-2)의 출력을 제2 변위 측정 결과 ΔL로서 제어 연산부(7)로 출력한다.

그리고, 제어 연산부(7)의 형상 연산부(72)는 제1 및 제2 거리 측정 결과 f, b에 기초하여, 제1 및 제2 변위 측정 결과 ΔU, ΔL로 보정한 피측정물 SP에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께 T를 피측정물 SP의 형상으로서 구하여, 출력부(9)로 출력하고, 처리를 종료한다(S3).

보다 구체적으로는, 형상 연산부(72)는 제1 거리 측정 결과 f로부터 제1 변위 측정 결과 ΔU를 감산함으로써 제1 거리 측정 결과 f를 제1 변위 측정 결과 ΔU로 보정하여, 제1 보정 거리(f-ΔU)를 구한다(S31-1). 형상 연산부(72)는 제2 거리 측정 결과 b로부터 제2 변위 측정 결과 ΔL을 감산함으로써 제2 거리 측정 결과 b를 제2 변위 측정 결과 ΔL로 보정하여, 제2 보정 거리(b-ΔL)를 구한다(S31-2). 그리고, 형상 연산부(72)는 제1 거리 센서(1-1) 및 제2 거리 센서(1-2)의 상기 대향 방향을 따른 이격 거리 G로부터, 제1 보정 거리(f-ΔU) 및 제2 보정 거리(b-ΔL)를 감산함으로써 상기 두께 T(=G-(f-ΔU+b-ΔL))를 구하여, 출력부(9)로 출력하고, 처리를 종료한다(S32).

여기서, 본 실시 형태에서는, 제1 거리 센서(1-1)는 변위 센서이므로, 제1 거리 센서(1-1)는 피측정물 SP의 상면의 변위량을 측정하고, 이 측정된 변위량을 제1 AD 변환부(3)로 출력하고, 제2 거리 센서(1-2)는 변위 센서이므로, 제2 거리 센서(1-2)는 피측정물 SP의 하면의 변위량을 측정하고, 이 측정된 변위량을 제1 AD 변환부(3)로 출력한다. 형상 연산부(72)는 제1 AD 변환부(3)로 샘플링되고 제1 거리 센서(1-1)로 측정된 피측정물 SP의 상면의 변위량(상면 변위량) Δf로부터 제1 변위 측정 결과 ΔU를 감산함으로써 상기 상면 변위량 Δf를 제1 변위 측정 결과 ΔU로 보정하여, 제1 보정 상면 변위량(Δf-ΔU)을 구하고, 제1 AD 변환부(3)로 샘플링되고 제2 거리 센서(1-2)로 측정된 피측정물 SP의 하면의 변위량(하면 변위량)Δb로부터 제2 변위 측정 결과 ΔL을 감산함으로써 상기 하면 변위량 Δb를 제2 변위 측정 결과 ΔL로 보정하여, 제2 보정 하면 변위량(Δb-ΔL)을 구한다. 그리고, 형상 연산부(72)는 상술한 기준(상기 중심 두께) Tc로부터, 제1 보정 상면 변위량(Δf-ΔU) 및 제2 보정 하면 변위량(Δb-ΔL)을 감산함으로써, 상기 두께 T(=Tc-(Δf-ΔU+Δb-ΔL))를 구하고 있다.

그리고, 두께 분포를 구하는 경우에는, 제어 연산부(7)의 제어에 따라 가동 스테이지부(10)는 미리 설정된 복수의 측정 개소에 순차적으로 피측정물 SP를 이동하고, 각 측정 개소의 이동 후에 그 이동 종료를 통지하는 신호(이동 종료 통지 신호, 위치 피드백 신호)를 제어 연산부(7)로 출력한다. 제어 연산부(7)는 이 이동 종료 통지 신호를 트리거로서 각 측정 개소에서 상술한 처리 S1 내지 처리 S3의 각 처리를 실행하고, 각 측정 개소의 각 두께를 측정한다. 이들 각 측정 개소의 각 두께가 측정되면, 가동 스테이지부(10)가 정지되고, 측정이 종료된다. 또한, 이 측정 종료 시에 가동 스테이지부(10)는 초기 위치로 제어되어도 된다. 상기 복수의 측정 개소는, 예를 들어 이들 복수의 측정 개소를 순차적으로 연결한 경우에 나선 형상의 선분이 되도록, 피측정물 SP 상에 설정된다. 이에 의해 각 측정 개소에 각 두께를 할당한 피측정물 SP의 두께 분포가 측정된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 M 및 이것에 실장된 형상 측정 방법에서는, 제1 거리 센서(제1 거리 측정부의 일례)(1-1)의 변위가 제1 가속도 센서(2-1) 및 전 처리부(4)(제1 변위 측정부의 일례)에 의해 측정되고, 제2 거리 센서(제2 거리 측정부의 일례)(1-2)의 변위가 제2 가속도 센서(2-2) 및 전 처리부(4)(제2 변위 측정부의 일례)에 의해 측정되고, 그리고, 제1 및 제2 거리 측정 결과 f, b에 기초하여, 제1 및 제2 변위 측정 결과 ΔU, ΔL로 보정한 피측정물 SP에 있어서의 대향 방향을 따른 두께 T가 피측정물 SP의 형상으로서 구해진다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 M 및 이것에 실장된 형상 측정 방법은, 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2) 자체의 진동에 의한 영향을 저감시킬 수 있어, 보다 고정밀도로 피측정물 SP의 형상을 측정할 수 있다.

일례로서, 보정의 효과가 도 4에 도시되어 있다. 도 4는, 보정의 효과를 설명하기 위한 일 측정 결과를 도시하는 도면이다. 도 4의 A는, 보정 후의 데이터를 나타내고, 도 4의 B는, 보정 전의 데이터를 나타낸다. 이 측정으로는, 제2 거리 센서(1-2) 자체의 변위의 영향을 조사하기 위하여, 피측정물 SP가 변위되지 않도록 고정되고, 제2 거리 센서(1-2)로서의 광 간섭식 변위 센서가 사용되었다. 측정의 결과, 제2 거리 센서(1-2)의 하면 변위량 Δb는, 보정 전에는, 도 4의 B에 도시한 바와 같이 비교적 큰 진폭으로 변동하고 있지만, 보정 후에는 제2 보정 하면 변위량(Δb-ΔL)의 진폭은, 도 4의 A에 도시한 바와 같이 작아지고 있어, 보정의 효과가 확인된다.

본 실시 형태에 있어서의 형상 측정 장치 M 및 이것에 실장된 형상 측정 방법은, 피측정물 SP와 제1 및 제2 거리 센서(1-1, 1-2)를, 대향 방향과 직교하는 평면 내에서 상대적으로 이동시키는 가동 스테이지부(이동 기구부의 일례)(10)를 더 구비하고, 피측정물 SP의 복수의 측정 개소에서 그 두께를 측정하므로, 피측정물 SP에 있어서의 상기 평면 내에서의 두께 분포를 측정할 수 있다.

또한, 상술에서는, 피측정물 SP의 일례로서의 반도체 웨이퍼를 가로 배치(수평 방향)로 지지한 장치의 경우에 대하여 설명했지만, 피측정물 SP의 일례로서의 반도체 웨이퍼를 세로 배치(연직 방향)로 지지한 장치의 경우도, 본 발명을 마찬가지로 적용할 수 있다.

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

일 형태에 관한 형상 측정 장치는, 측정 대상의 피측정물을 개재하여 서로 대향하도록 배치되고, 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하는 제1 및 제2 거리 측정부와, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각에 있어서의 대향 방향의 변위를 각각 측정하는 제1 및 제2 변위 측정부와, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 상기 피측정물에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 상기 피측정물의 형상으로서 구하는 형상 연산부를 구비한다.

이러한 형상 측정 장치에서는, 제1 거리 측정부의 변위가 제1 변위 측정부에 의해 측정되고, 제2 거리 측정부의 변위가 제2 변위 측정부에 의해 측정되고, 그리고, 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 피측정물에 있어서의 대향 방향을 따른 두께가 상기 피측정물의 형상으로서 구해진다. 따라서, 이러한 형상 측정 장치는, 제1 및 제2 거리 측정부 자체의 진동에 의한 영향을 저감시킬 수 있어, 보다 고정밀도로 피측정물의 형상을 측정할 수 있다.

다른 일 형태에서는, 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 피측정물과 상기 제1 및 제2 거리 측정부를, 상기 대향 방향과 직교하는 평면 내에서 상대적으로 이동시키는 이동 기구부를 더 구비하고, 상기 제1 및 제2 거리 측정부는, 상기 이동 기구부로 상기 피측정물과 당해 제1 및 제2 거리 측정부를 상대적으로 상기 평면 내에서 이동시킴으로써 상기 피측정물에 있어서의 복수의 측정 개소에서, 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하고, 상기 제1 및 제2 변위 측정부는, 상기 제1 및 제2 거리 측정부가 상기 복수의 측정 개소에서 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하는 타이밍에 동기하여 상기 대향 방향의 변위를 각각 측정하고, 상기 형상 연산부는, 상기 복수의 측정 개소 각각에 있어서, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 상기 피측정물에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 각각 구하고 상기 피측정물의 두께 분포를 상기 피측정물의 형상으로서 구한다.

이러한 형상 측정 장치는, 피측정물과 제1 및 제2 거리 측정부를, 대향 방향과 직교하는 평면 내에서 상대적으로 이동시키는 이동 기구부를 더 구비하고, 상기 피측정물의 복수의 개소에서 그 두께를 측정하므로, 피측정물에 있어서의 상기 평면 내에서의 두께 분포를 측정할 수 있다.

다른 일 형태에서는, 이들 상술한 형상 측정 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각은, 미리 설정된 기준에 대한 상기 피측정물의 변위로 상기 피측정물까지의 거리를 측정하고, 상기 변위의 변위량을 측정하는 광 간섭 방식 변위 센서 또는 정전 용량 방식 변위 센서를 구비한다. 그리고, 상기 형상 측정 장치에 있어서, 상기 광 간섭 방식 변위 센서는, 광 헤테로다인 간섭계를 구비하는 것이 바람직하다.

이러한 형상 측정 장치에서는, 제1 및 제2 거리 측정부가 광 간섭 방식 변위 센서 또는 정전 용량 방식 변위 센서를 구비하므로, 적합하게 서브 나노미터 오더로 피측정물의 형상을 측정할 수 있다.

그리고, 다른 일 형태에 관한 형상 측정 방법은, 측정 대상의 피측정물을 개재하여 서로 대향하도록 배치된 제1 및 제2 거리 측정부로 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하는 거리 측정 공정과, 제1 및 제2 변위 측정부로 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각에 있어서의 대향 방향의 변위를 각각 측정하는 변위 측정 공정과, 상기 거리 측정 공정에서 각각 측정한 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각의 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 변위 측정 공정에서 각각으로 측정한 상기 제1 및 제2 변위 측정부 각각의 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 상기 피측정물에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 상기 피측정물의 형상으로서 구하는 형상 연산 공정을 구비한다.

이러한 형상 측정 방법에서는, 제1 거리 측정부의 변위가 제1 변위 측정부에 의해 측정되고, 제2 거리 측정부의 변위가 제2 변위 측정부에 의해 측정되고, 그리고, 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 피측정물에 있어서의 대향 방향을 따른 두께가 상기 피측정물의 형상으로서 구해진다. 따라서, 이러한 형상 측정 방법은, 제1 및 제2 거리 측정부 자체의 진동에 의한 영향을 저감시킬 수 있어, 보다 고정밀도로 피측정물의 형상을 측정할 수 있다.

이 출원은, 2014년 9월 26일에 출원된 일본 특허 출원 제2014-197019를 기초로 하는 것이며, 그 내용은 본원에 포함되는 것이다.

본 발명을 표현하기 위하여, 상술에 있어서 도면을 참조하면서 실시 형태를 통하여 본 발명을 적절하면서 또한 충분히 설명했지만, 당업자라면 상술한 실시 형태를 변경 및/또는 개량하는 것은 용이하게 이루어질 수 있다고 인식해야 한다. 따라서, 당업자가 실시하는 변경 형태 또는 개량 형태가, 청구범위에 기재된 청구항의 권리 범위를 이탈하는 레벨의 것이 아닌 한, 당해 변경 형태 또는 당해 개량 형태는, 당해 청구항의 권리 범위에 포괄된다고 해석된다.

<산업상 이용가능성>

본 발명에 따르면, 형상 측정 장치 및 형상 측정 방법을 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 측정 대상의 피측정물을 개재하여 서로 대향하도록 배치되고, 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하는 제1 및 제2 거리 측정부와,
   상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각에 있어서의 대향 방향의 변위를 각각 측정하는 제1 및 제2 변위 측정부와,
   상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 상기 피측정물에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 상기 피측정물의 형상으로서 구하는 형상 연산부를 구비하는, 형상 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 피측정물과 상기 제1 및 제2 거리 측정부를, 상기 대향 방향과 직교하는 평면 내에서 상대적으로 이동시키는 이동 기구부를 더 구비하고,
   상기 제1 및 제2 거리 측정부는, 상기 이동 기구부로 상기 피측정물과 당해 제1 및 제2 거리 측정부를 상대적으로 상기 평면 내에서 이동시킴으로써 상기 피측정물에 있어서의 복수의 측정 개소에서, 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하고,
   상기 제1 및 제2 변위 측정부는, 상기 제1 및 제2 거리 측정부가 상기 복수의 측정 개소에서 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하는 타이밍에 동기하여 상기 대향 방향의 변위를 각각 측정하고,
   상기 형상 연산부는, 상기 복수의 측정 개소 각각에 있어서, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 제1 및 제2 변위 측정부 각각으로 측정한 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 상기 피측정물에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 각각 구하고 상기 피측정물의 두께 분포를 상기 피측정물의 형상으로서 구하는, 형상 측정 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각은, 미리 설정된 기준에 대한 상기 피측정물의 변위로 상기 피측정물까지의 거리를 측정하고, 상기 변위의 변위량을 측정하는 광 간섭 방식 변위 센서 또는 정전 용량 방식 변위 센서를 구비하는, 형상 측정 장치.
4. 측정 대상의 피측정물을 개재하여 서로 대향하도록 배치된 제1 및 제2 거리 측정부로 상기 피측정물까지의 거리를 각각 측정하는 거리 측정 공정과,
   제1 및 제2 변위 측정부로 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각에 있어서의 대향 방향의 변위를 각각 측정하는 변위 측정 공정과,
   상기 거리 측정 공정에서 각각 측정한 상기 제1 및 제2 거리 측정부 각각의 제1 및 제2 거리 측정 결과에 기초하여, 상기 변위 측정 공정에서 각각으로 측정한 상기 제1 및 제2 변위 측정부 각각의 제1 및 제2 변위 측정 결과로 보정한 상기 피측정물에 있어서의 상기 대향 방향을 따른 두께를 상기 피측정물의 형상으로서 구하는 형상 연산 공정을 구비하는, 형상 측정 방법.

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