KR940003918B1 - 형상측정장치 - Google Patents

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KR940003918B1 KR1019910003677A KR910003677A KR940003918B1 KR 940003918 B1 KR940003918 B1 KR 940003918B1 KR 1019910003677 A KR1019910003677 A KR 1019910003677A KR 910003677 A KR910003677 A KR 910003677A KR 940003918 B1 KR940003918 B1 KR 940003918B1
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게이이찌 요시즈미
케이시 쿠보
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마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤
다니이 아끼오
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Abstract

내용 없음.

Description

형상측정장치
제1도는 본 발명의 일실시예에 있어서의 주요부의 설명도.
제2도는 동 장치의 기구 계의 전체 구성도.
제3도는 동 장치의 Z좌표 측정광확계의 원리도.
제4도는 동 장치의 측정용 촉침프로우브의 확대도.
제5도는 본 발명의 다른 실시예의 주요부의 설명도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
6 : 대물렌즈 7 : 판스프링
15 : z이동부 17 : 침(접촉자)
51 : 접촉자 52 : 슬라이드부
53 : 장착부
본 발명은 고정밀도의 비구면렌즈형상 등의 자유곡면의 형상측정, 반도체의 미세한 패턴형상의 측정, 또는, 곡면위에 그레이팅(grating) 등의 미세한 단차를 형성한 프레널렌즈(fresnesl lens)의 형상측정 등, 미세한 면형상을 넓은 다이나믹영역에서 측정하는 2차원 내지 3차원의 형상측정장치에 관한 것이다.
비구면렌즈 등의 자유곡면 형상측정에 있어서, 서브미크론으로 부터 10mm정도의 측정정밀도가 필요하게 되어 오고 있으며, 종래의 접촉식 3차원 형상 측정장치나 간섭계로는 측정할 수 없는 상황이 있었다. 그래서, 측정정밀도가 충분히 높고, 비구면, 자유곡면도 측정할 수 있는 장치로서 고안된 것이 일본국 특원소 57-189761호나 등록원소 60-148715호에 기록되어 있는 피측정면위에 광을 집광하여, 반사광으로 부터 면형상을 측정하는 광프로우브(光 probe)를 이용한 광학식의 형상측정장치이다.
그러나 상기 광학식상정(相定)장치에서는, 광을 피측정면위에 집광해서 측정하기 때문에, 광의 스폿직경으로 가로방향의 측정분해능이 제한되어, 1㎛ 이하의 미세한 형상을 측정하는 일은 할 수 없다. 또, 피측정면으로 부터의 반사광으로 측정하기 때문에, 표면을 무반사 피복한 면현상은 측정할 수 없다. 이는 광학식 측정장치의 원리적인 문제이다.
한편, 접촉식의 측정장치로, 이와같은 고정밀도측정을 행하는데는, 스테이지(stage)의 진직도, 스케일의 정밀도와 배치의 문제도 있으나, 접촉압의 문제도 크다. 예를 들면, 0.1㎛의 가로분해능을 가진 측정을 행하기 위해서는, 0.1㎛이하의 선단곡률반경을 가진 프로우브(접촉자)가 필요하나, 이 프로우브로 피측정면을 변형시키지 않기 위해서는 측정면의 재질에 따라서 변화하나, 개략 30~100nN(3~10㎍)이하의 접촉압으로 할 필요가 있다.
이 접촉압은 종래의 촉침프로우브의 질량, 스프링 상수로는 달성할 수 없다. 즉, 프로우브의 무게만으로 접촉압을 결정하면, 다이아몬드로 0.1㎜입방만으로 되며, 스프링으로 지지한다고 해도, 두께 3㎛, 폭 0.25㎜, 길이 3㎜의 텅스텐의 판스프링으로 스프링 상수가 1N/m이고, 30㎚휘계 하는 것만으로 30nN의 힘이 필요하게 된다. 피측정면의 높이변화에 대하여 이 접촉압을 일정하게 유지하는 것은 지극히 어려운 일이다. 이와같은 이유로, 촉침식에 의해 작은 접촉압으로 측정하는 것은, 종래 기술로는 대단히 어려웠었다.
또한, 미세형상을 측정하기 위하여 고안된 것으로서, 침의 위치를 피측정면의 터널전류(tunnel 電流)의 양으로부터 능동적으로 제어하는 주사형터널현미경이 있으나, 이것은 측정면의 한정된 금속이 아니면 측정할 수 없다는것, 피에조소자(piezo 素子)로 침위치를 조정하고 있는데 측정범위가 극히 좁은 것 등의 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여, 레이저광을 집광시키는 대물렌즈의 촛점위치에 있어야 할 반사면의 위치가 어긋나도, 항상 이 반사면에 촛점위치가 오도록 상기 대물렌즈를 광축방향인 Z방향으로 이동시키게 되는 자동촛점맞추기 기능과, 이 반사면으로부터 반사한 레이저광을 참조광과 간섭시키므로서, 반사면까지의 거리 즉, 반사면의 Z좌표를 측정하는 것이 가능한 수단을 가진 광프로우브부와, 이 광프로우브부에 지지부재를 개재해서 Z방향으로 이동가능하게 장착되고 또한 상기 반사면을 구비한 접촉자를 가진 것을 특징으로 한다.
Z방향으로 이동가능한 지지부재로서는, 스프링 또는 슬라이드기구 등을 사용할 수 있다.
상기와 같이 접촉자를 광프로우브부에 장착하므로서, 접촉자가 피측정면위를 추종하여 그 Z방향의 위치가 아무리 변화해도, 광프로우브부는 접촉자에 자동촛점 맞추기에 의해 추종하므로, 광프로우브부로부터 접촉자까지의 거리는 변하지 않는다.
따라서, 예를 들면 지지부재로서 스프링을 사용했을 경우, 스프링의 휘는 량이 일정하게 되므로, 극히 가벼운 일정한 접촉압으로 큰 피측정면을 트레이스(trace)하는 것도 가능하게 된다.
또, 지지부재로서 슬라이드기구를 사용하였을 경우, 슬라이드기구의 슬라이드 스트로우크는 약간으로 되기 때문에, 극히 가벼운 슬라이드 기구를 구성할 수 있으며, 역시 작은 일정한 접촉압으로 큰 피측정면을 트레이스 하는 것이 가능하게 된다.
상기 광프로우브부에 의해서 접촉자를 측정면에 트레이스시키므로서, 측정면의 XZ 또는 XYZ좌표, 즉, 측정면의 형상을 측정할수 있다.
본 발명의 일실시예로서, 본 출원인이 출원하 일본국 특원소 57-189761호나 동특원소 60-148715호에 기재되어 있는 광헤테로다인법(光 heterodyne法)을 이용한 초고정밀도 3차원 측정기에 접촉프로우브를 얹어놓은 형상측정장치에 대해서 설명한다.
제2도에 표시한 동장치의 전체구성에 있어서, (19)는 본체베이스로서의 하부 석정반(石定盤), (20)은 이하부석정반(19)과의 사이에 x테이블(21) 및 Y테이블(22)를 개재하여 X-Y방향으로 이동가능한 상부석정반, (15)는 상부석정반(20)의 앞면에 설치되어 Z방향으로 이동가능하게 지지된 Z이동부, (24)는 피측정물 (25)을 유지하는 L자형상의 유지대, (26)은 이 유지대(24)를 Y방향의 축을 중심으로 회전시키는 모우터와
에어스핀들과 회전각을 검출하는 모우터라인 코우더로 이루어진 회전부, (27)은 이 회전부(26)를 승강가능하게 지지하고 또한 Z방향의 축 Q을 중심으로 선회가능한 선회대이다.
제1도에 표시한 Z이동부(15)에 있어서, 반도체레이저(1)로부터 발한 레이저광 G는 조준렌즈(2), 편광비임스플리터(3), λ/4파장판(4)을 투과한 후, 색선별거울(5)을 반사하고, 대물렌즈(6)에 의해서 판스프링(7)위에 집광한다.
판스프링(7)의 반사면이 기울어져 있으면, 반도체레이저광 G의 반사광의 일부는 상기 대물렌즈 (6)의 개구부밖을 향해서 반사하게 되나, 잔여 부분은 대물렌즈(6)의 개구부내를 향해서 반사하게 된다. 판스프링(7)의 반사면은 그다지 크게 기우는 일은 없으나, 이 광학계는 레이저광 G나 후술하는 측정광 Fzl을 피측정물(25)의 피측정면(18)에 직접 집광해도 반사광으로부터 항상 측정할 수 있으므로, 반사면이 어느 방향으로 최대 ±30°까지 기울어져도 필요한 광량이 대물렌즈(6)의 개구부내에 반사되도록, 후술하는 기울기 보정서어보가 걸려 있다.
대물렌즈(6)로 되돌아온 레이저광 G의 반사광은 색선별미러(5) 및 편광프리즘(3)을 모두 반사하여, 렌즈(8)로 집광되어서 하아프미러(9)에서 2개로 분리되고, 핀호울(10)을 통과하여, 2개의 광검출기(11)로 수광된다. 2개의 광검출기(11)의 출력의 차가 촛점오차신호발생부(12)에서 촛점오차신호가 되고, 구동회로(13)에 의해서, 이 촛점오차신호가 영으로 되도록 리니어모우터(14)를 제어하여, Z이동부(15)를 Z축방향으로 구동한다. Z이동부(15)의 자중분은 나사선형스프링(16)에 의해 지지된다.
판스프링(7)은 두께10㎛정도로 극히 얇고, 광을 반사하는 상면쪽 부분은 정면으로 연마되고 있으며, 하면쪽에는 0.1㎛R정도로 연마된 다이아몬드제의 하단부(50) (제4도참조)를 가진 접촉자로서의 침(17)이 붙어있다. 피측정면(18)이 없을때는 침(17)은 중력의 영향으로 촛점위치에서 수 μ아래로 내려가 있으며, 측정시는 피측정면(18)에 하단부가 접촉되고, 촛점위치까지 대물렌즈(6)가 내려가므로서, 대물렌즈(6)로부터 판스프링(7) 상면까지의 거리가 항상 일정하게 되도록 포오커스서어보에 의해 포오커스서어보광학제가 상항 이동한다. Z좌표의 측정은 판스프링(7)표면에 집광하는 측정광 Fzl으로 행한다. 측정광 Fzl과 반도체 레이저광 G의 판스프링(7)위에서의 집광위치는 대략 일치한다.
다음에, He-Ne 쩨에만(zeeman)레이저광을 사용한 XYZ좌표의 측정원리를 설명한다. 2개의 주파수 f1, f2로 발진하는 He-Ne주파수안정화 쩨에만 레이저(28)로부터 방사된 레이저광 F의 일부는, 제1의 하아프미러(29)를 투과한 후, 제2의 하아프미러(30)에서 분리되어 측정위치의 X-Y좌표측정에 사용된다. 한편, 제1의 하아프미러(29)에서 반사한 레이저광 Fz는, 제3도에 표시한 바와같이, 편광프리즘(31)으로 측정광 Fz1과 참조광 Fz2로 분리된다. 측정광 Fz1의 주파수 f1과 참조광 Fz2의 주파수 f2의 차는 수백 KHz이고, 상호수직인 직선편광으로 되어 있다. 또한, X-Y좌표측정에 사용되는 레이저광 Fz,Fy도, 각 광로도중에서 각 편광비임스플리터(32)에 의해서 측정광 Fx1,Fy1과 참조광 Fx2,Fy2로 분리된다.
Z좌표측정에 사용되는 측정광 Fz1은, 제3도에 표시한 바와같이, P편파를 모두 투과하고 S편파를 부분 투과하는 특수편광프리즘(33)과, 패러데이소자(34)와, λ/2판(35)을 통과하고, S편파로 되어서 편광프리즘(36)으로 모두 반사된다. 그리고 λ/4판(37), 집광렌즈(38)를 통과하여, 미러(39)위에 집광해서 반사한 측정광 Fz1은 상기 λ/4판(37)에 의해서 P편파로 되고, 상기 편광프리즘(36)을 전체투과해서 대물렌즈(6)에 입사하여, 판스프링(7)에 수직으로 집광된다.
판스프링(7)으로부터의 반사광은 상기 입사광과 동일광로를 되돌아가나, S편파로 되어서 특수편광프리즘 (33)에서 일부 반사한 후, 편광프리즘(31)에서 모두 반사되어, Z축 광검출기(43)에 도달한다. 피측정면(18)의 형상측정시는, 피측정면(18)상의 측정점의 Z좌표의 변동에 따라서, 침(17) 및 반사면인 판스프링(7)도 상하이동하고, 이 상하이동의 변동속도에 따라서 상기 반사광의 주파수가 도플러시프트(doppler shift)하며, f1+△로 된다.
반사광의 광로가 판스프링(7)의 기울기에 따라서 어긋나려고 할때면 특수편광 프리즘(33)에서 일부 반사된 반사광을 4분할 광검출기(40)가 검지하고, 집광렌즈 이동수단(41)에 의해 집광렌즈(38)를 X-Y방향으로 이동시켜서 입사광의 대물렌즈(6)에의 입사위치를 변화시키므로서 항상 반사광이 동일광로를 되돌아가도록 기울기 보정서어보가 걸려진다.
한편, 참조광 Fz2는 상기 편광프리즘(31)에서 모두 반사된 후, 렌즈(41)에 의해서 Z축 미러(42)위에 집광되고, 반사해서 상기 Z축 광검출기(43)에 도달한다. 반사광의 주파수는, X, Y테이블(21)(22)의 이동진직도오차에 의해, F2+δ로 된다. 따라서 Z축 광검출기(43)에서는, (f1;△)-(f2;δ)가 비이트신호로서 검출되고, Z좌표 검출장치(44)에 있어서 판스프링(7)의 측정위치의 Z좌표를 정확하게 얻을 수 있다. 상기 △중에는 이동진직도오차인 δ성분이 동일한 양만큼 포함되어 있으므로 측정치에는 X, Y테이블의 이동진직도 부족은 오차로서 나오지는 않는다.
또한, 측정위치의 X, Y좌표는, Z이동부(15)에 설치한 X, Y축 미러(44), (45)에 조사된 Fx1, Fy1의 반사광과, 하부석정반(1)쪽에 설치한 X, Y축 미러(46), (47)에 조사된 참조광 Fx2, Fy2의 반사광의 주파수의 차를 X, Y축 광검출기(48), (49)로 검지하므로서 얻을 수 있다.
다음에 실시예에 있어서의 촉침부에 대하여 제4도에 의거해서 설명한다. 길이 12㎜, 폭 0.25㎜, 두께 12.7㎛의 판스프링(7)의 하면에 금속제의 침(17)이 접착되고 그 하단부(50)는 선단곡률반경 0.1㎛의 다이아몬드로 되어 있다.
판스프링(7)의 스프링정수 K는 이하와 같이 계산된다. 영률을 E, 판스프링의 길이 l, 폭 b, 두께 h로 하면, K는,
Figure kpo00001
으로 표시된다. 사용한 판스프링(7)의 재질은 텅스텐이고, E는 2.0×1011N/m2이므로, K=15×10-3N/m=15nN/㎛으로 된다.
이와 같이 극단적으로 인한 스프링이어도 피측정면(17)의 높이가 1㎛ 변화하는 것만으로 접촉압이 15nN만큼 변해버린다. 한편, 포오커스서어보의 추종밀도는 ±0.021m정도이므로, 이 판스프링(7)이면에 포오커스서어보를 걸면, 접촉압의 변화는 15nN×0.02=0.3nN이내로 수습된다. 이하에 표시한 바와 같이, 이 정도의 접촉압으로는, 수지 등의 연질면에서도 변형을 부여하는 일없이 측정할 수 있다.
피측정면의 변형량과 접촉자선단부의 곡률반경, 및 접촉압과의 관계를 설명한다. 곡률반경 1/ρ의 접촉호가 평면에 힘 P으로 접촉하였을때의 변형량 δ은 정밀측정 ①(일본국,아오끼 야스오저작,코로나 사) 23페이지에서
Figure kpo00002
으로 표시된다. 여기서
Figure kpo00003
이고, θ1, θ2는 각각 접촉자와 피측정면의 값이다. 다이아몬드는 측정면에 비해 충분히단단하므로, θ1=0으로 둘 수 있다.
Figure kpo00004
는 접촉자의 X방향, 및 Y방향의 곡률의 합이고 2×107이다. P는 접촉압력이다.
강철과 폴리에틸렌이라는 단단한 면과 연한 면으로, 변형량 δ을 구하여 본다. 이과언표에 의하면, 강철은 E=2*1011이고 σ=0.3, 폴리에틸렌은 E=7.6*108이고 σ=0.46이다. 이들의 값을 위식에 대입하여, 강철의 경우는 접촉압이 1μN인때, 변형량은 0.8㎚, 폴리에틸렌의 경우는 접촉압이 10nN인때, 변형량이 0.5㎚으로 된다. 이 정도의 변형에서는, 측정면에의 손상이나 측정오차는 문제가 되지 않는다.
또한, 촉침부의 선단부형상, 곡률반경이나 판스프링의 크기, 재질에 대해서는 피측정물에 따라서 선택할 수 있다.
다음에 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 촉침부에 대하여 제5도에 의거해서 설명한다.
Z이동부(15)의 하부에, 장착부(53)를 개재해서 하단부면이 반구형상의 접촉자(51)가 Z방향으로 이동가능하게 장착된다. 접촉자(51)의 상부는 앞면장착부(53)에 의해서 Z방향으로 이동가능하게 안내지지되는 슬라이드부(52)로 되어 있으며, 그 상면은 거울면으로 되어있고, 측정중에는 포어커스서어보용 반도체레이저광 G와 측정용 주파수안정화 He-Ne 쩨에만 레이저광 Fz1이 집광된다. 접촉자(51)는 일정한 접촉압으로 피측정면(18)위를 트레이스(trace)되어 피측정면(18)의 형상이 측정된다.
본 발명은 상시 실시예에 표시한 외에, 여러거지의 형태로 구성할 수 있다.
예를 들면, 상기 실시예에서는, 凸형상의 비구면렌즈를 대상물로 하였으나, 이것이외의 각종의 것을 대상물로 할 수 있는 것은 물론이고, 미세한 집적회로의 표면형상 등도 대상으로 할 수 있다.
본 발명은, 상기 구성, 작용을 가진 것으로서, 종래보다 훨씬 고정밀도이고, 보다 미세한 형상을 손상시키는 일없이, 매우 광범위하게 측정할 수 있다. 또, 비접촉의 광측정에서는 측정할 수 없는 표면을 무반사 피복막으로 덮여진 면이나, STM이나 전자현미경으로는 측정할 수 없는 전기적인 절연체 표면도 측정가능하다. 따라서, 종래 할 수 없었던 레벨의 형상측정이 가능하게 되고, 산업상, 과학기술상의 효과는 크다.

Claims (3)

  1. 레이저광을 집광시키는 대물렌즈의 촛점위치에 있어야할 반사면의 위치가 어긋나도, 항상 이 반사면에 촛점위치가 오도록 상기 대물렌즈를 광축방향인 Z방향으로 이동시키게 되는 자동촛점맞추기 기능과, 이 반사면으로부터 반사한 레이저광을 참조광과 간섭시키므로서, 반사면의 Z좌표를 측정하는 것이 가능한 수단을 가진 광프로우브(光 probe)와, 이 광프로우브부에 지지부재를 개재해서 z방향으로 이동가능하게 장착되고 또한 상기 반사면을 구비한 접촉자와, 상기 광프로우브부를 X 또는 XY방향으로 이동시키는 구동수단과, X 또는 XY방향의 광프로우브의 위치를 측정하는 X 또는 XY좌표 측정수단을 가지고, 상기 접촉자를 측정면에 트레이스(trace)시키므로서, 측정면의 XZ좌표 또는 XYZ좌표에 있어서의 상기 측정면의 형상을 측정하도록 구성한 것을 특징으로 하는 형상측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지부재가 스프링에 의해서 구성된 것임을 특징으로 하는 형상측정장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지지부재가 슬라이드기구에 의해서 구성된 것임을 특징으로 하는 형상측정장치.
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