(57)【要約】【課題】被測定対象物が大きくなっても、測定光学系が大型化することを回避する。【解決手段】物体表面の平坦度を測定する方法であって、測定対象面と略平行に基準平面鏡を配置し、前記測定対象面と前記基準平面鏡との間に、前記測定対象面と前記基準平面鏡との間隔変化を干渉測定法に基づき一次元的に測定する光学ユニットを配設し、前記測定対象面と前記基準平面鏡に対し、前記光学ユニットを相対的に移動させて、前記測定対象面の形状を２次元的に測定するプロセスを有することを特徴とする。【選択図】　図１
2004061378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体表面の平坦度を測定する方法であって、測定対象面と略平行に基準平面鏡を配置し、前記測定対象面と前記基準平面鏡との間に、前記測定対象面と前記基準平面鏡との間隔変化を干渉測定法に基づき一次元的に測定する光学ユニットを配設し、前記測定対象面と前記基準平面鏡に対し、前記光学ユニットを相対的に移動させて、前記測定対象面の形状を２次元的に測定するプロセスを有することを特徴とする平坦度測定方法。
【請求項２】
第１種の光を反射し、第２種の光を透過する第１のビームスプリット面と、同第２のビームスプリット面とを有するビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリット面の反射光路中に配設され、前記第１種の光が２回通ることにより第２種の光に変換する第１の変換光学素子と、
前記第１のビームスプリット面の透過光路中に配設され、前記第２種の光が２回通ることにより第１種の光に変換する第２の変換光学素子と、
前記第２の変換光学素子に関し、前記第１のビームスプリット面の反対側に配置され、前記第２の変換光学素子を透過した光を前記第２の変換光学素子に戻す第１の参照平面鏡と、
前記第２の変換光学素子で変換され、前記第２のビームスプリット面を反射した第１種の光の反射光路中に配設され、前記第１種の光が２回通ることにより第２種の光に変換する第３の変換光学素子と、
前記第３の変換光学素子に関し、前記第２のビームスプリット面の反対側に配置され、前記第３の変換光学素子を透過した光を前記第３の変換光学素子に戻す第２の参照平面鏡と、
前記第１の変換光学素子を透過した後、前記第１のビームスプリット面を透過した光の前記第２のビームスプリット面の透過光路中に配設され、前記第２種の光が２回通ることにより第１種の光に変換する第４の変換光学素子と、
前記第２のビームスプリット面を透過し前記第４の変換光学素子で第１種の光に変換された光が前記第２のビームスプリット面で反射した光路と、前記第２のビームスプリット面を反射し前記第３の変換光学素子で第２種の光に変換された光が前記第２のビームスプリット面で反射した光路との共通光路中に配置され、前記第１種の光と前記第２種の光との干渉縞を検出する検出装置と、
をハウジング内に一体に有し、
測定対象平面とこの測定対象平面に略平行な基準平面鏡との間で、前記第１の変換光学素子の透過光が前記基準平面鏡に略垂直に入射し、前記第４の変換光学素子の透過光が前記測定対象面に略垂直に入射するように前記ハウジングを配置し、前記ハウジングを前記測定対象面と前記基準平面鏡に対し相対的に移動することを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の平坦度測定装置であって、光源から第１のビームスプリット面に入射する光が、当該ビームスプリット面の放射と当該入射光が作る平面に対して直交する方向に長い１次元に広がった光であり、前記検出装置がリニアセンサであることを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の平坦度測定装置であって、前記第１の参照平面鏡と前記第２の参照平面鏡、前記第２の変換光学素子と前記第３の変換光学素子の少なくとも一方を、一つの参照平面鏡又は一つの変換光学素子で共用したことを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４のうちのいずれか１項に記載の平坦度測定装置であって、少なくとも一つの参照平面鏡を、前記第２の変換光学素子又は前記第３の変換光学素子の裏面に反射体を設けることにより形成したことを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項６】
請求項３に記載の平坦度測定装置であって、前記一次元に広がった光は、光源からの光を円筒レンズ系により一次元に広げたものであることを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項７】
請求項２から請求項６のうちのいずれか１項に記載の平坦度測定装置であって、前記第１のビームスプリット面に入射する前記第１種の光の光学素子中の光路長と前記第１のビームスプリット面に入射する前記第２種の光の光学素子中の光路長とが互いに等しくなるようにされていることを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項８】
請求項２から請求項７のうちのいずれか１項に記載の平坦度測定装置であって、前記第１のビームスプリット面に入射する前記第１種の光の空気中の光路長と前記第１のビームスプリット面に入射する前記第２種の光の空気中の光路長とが互いに等しくなるようにされていることを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項９】
請求項２から請求項８のうちのいずれか１項に記載の平坦度測定装置であって、前記ビームスプリッタと各前記変換光学素子の間の空気中の光路を密閉したことを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項１０】
請求項２から請求項９のうちのいずれか１項に記載の平坦度測定装置であって、前記第１のビームスプリット面に入射する前記第１種の光と前記第１のビームスプリット面に入射する前記第２種の光のうち、一方に周波数ｆの変調を、他方にｆと僅かに異なる周波数（ｆ＋Δｆ）の変調をかけることにより、前記検出装置で検出される干渉縞信号に、周波数Δｆの時間的変調を生じさせて、ヘテロダイン計測を行い、前記基準平面鏡と前記測定対称面の間隔変化を計測することを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項１１】
請求項２から請求項１０のうちのいずれか１項に記載の平坦度測定装置であって、前記ハウジングを前記測定対称面と前記基準平面鏡との間に一次元方向に複数個配置し、それらを一体として前記一次元方向に対して直交する方向に走査可能としたことを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の平坦度測定装置であって、各前記ハウジングに入射する光源からの入射光は、１台の光源ユニットから射出されたレーザビームを、複数枚の一部透過平面鏡と１枚の全反射平面鏡とからなりビームを複数本に分割するビーム分割器から、供給されることを特徴とする平坦度測定装置。
【請求項１３】
平板状の被測定物体の厚さムラを測定する方法であって、請求項１に記載の平坦度測定方法により、被測定物体の両面の平坦度をそれぞれ測定し、それぞれの測定値から被測定物体の厚さムラを測定することを特徴とする厚さムラ測定方法。
【請求項１４】
請求項２から請求項１２のうちのいずれか１項に記載の平坦度測定装置を、平板状の被測定対象物の両面に配置し、前記被測定対象物の両面の平坦度をそれぞれ測定して、前記両面の平坦度データから、前記被測定対象物の厚さムラを算出することを特徴とする厚さムラ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体産業で用いられるウエハや、コンパクトディスク等の基板表面の平坦度や反り状態、あるいは厚さムラ等を測定する平坦度測定方法、平坦度測定装置、厚さ測定方法及び厚さ測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ホルダ上に保持された被測定基板であるウエハ表面の平坦度を測定する従来の装置構成を図１１に示す。図１１において、レーザ１から射出されたビームＬｂの内、偏光ビームスプリッタ２を透過したＰ偏光成分が１／４波長板３で円偏光となり、レンズ４、５で拡大された平行ビームとなる。その一部は面精度の高い基準平面ガラス６の下面Ｍｒで反射され、残りは透過し、ウエハホルダ７上に載置されたウエハ８表面で反射される。基準平面ガラス６の下面Ｍｒとウエハ８表面で反射されたビームは、再び１／４波長板３を透過することによりＳ偏光成分となり、偏光ビームスプリッタ２で反射され、レンズ９により、カメラ１０の撮像面に結像する。
【０００３】
このとき、ウエハ８の面に撓みがあると、基準平面ガラス６の下面Ｍｒとの間の距離が部分的に変化するので、干渉縞が生成され、この縞がカメラ１０で観察される。この干渉縞を解析することにより、ウエハ８表面の平坦度を知ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示す従来技術によれば、ウエハ等の被測定基板が大きくなると、それに従い、測定光学系も大きくならざるを得ず、装置全体が大型化する。現在、半導体産業で用いられるウエハの大きさは、２００ｍｍφから３００ｍｍφへと移行しつつある。３００ｍｍφのウエハ全面を測定するためには、図１１に示したレンズ５や基準平面ガラス６は最低でも３００ｍｍφであることが必要となる。レンズ５が大きくなれば、それにつれて焦点距離も長くなるので、装置全体の大きさは三次元的に増大することになる。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、被測定対象物が大きくなっても、測定光学系が大型化することを回避することができる方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題の解決のための第１の手段は、物体表面の平坦度を測定する方法であって、測定対象面と略平行に基準平面鏡を配置し、前記測定対象面と前記基準平面鏡との間に、前記測定対象面と前記基準平面鏡との間隔変化を干渉測定法に基づき一次元的に測定する光学ユニットを配設し、前記測定対象面と前記基準平面鏡に対し、前記光学ユニットを相対的に移動させて、前記測定対象面の形状を２次元的に測定するプロセスを有することを特徴とする平坦度測定方法（請求項１）である。
【０００７】
なお、略平行の「略」というのは、必要測定精度から考えて問題とならない程度の平行度があればよいということであり、本明細書では、特に断らない限り、「略」とは測定精度から考えて問題とならない程度の誤差を許容できるという意味である。
【０００８】
前記課題の解決のための第２の手段は、
第１種の光を反射し、第２種の光を透過する第１のビームスプリット面と、同第２のビームスプリット面とを有するビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリット面の反射光路中に配設され、前記第１種の光が２回通ることにより第２種の光に変換する第１の変換光学素子と、
前記第１のビームスプリット面の透過光路中に配設され、前記第２種の光が２回通ることにより第１種の光に変換する第２の変換光学素子と、
前記第２の変換光学素子に関し、前記第１のビームスプリット面の反対側に配置され、前記第２の変換光学素子を透過した光を前記第２の変換光学素子に戻す第１の参照平面鏡と、
前記第２の変換光学素子で変換され、前記第２のビームスプリット面を反射した第１種の光の反射光路中に配設され、前記第１種の光が２回通ることにより第２種の光に変換する第３の変換光学素子と、
前記第３の変換光学素子に関し、前記第２のビームスプリット面の反対側に配置され、前記第３の変換光学素子を透過した光を前記第３の変換光学素子に戻す第２の参照平面鏡と、
前記第１の変換光学素子を透過した後、前記第１のビームスプリット面を透過した光の前記第２のビームスプリット面の透過光路中に配設され、前記第２種の光が２回通ることにより第１種の光に変換する第４の変換光学素子と、
前記第２のビームスプリット面を透過し前記第４の変換光学素子で第１種の光に変換された光が前記第２のビームスプリット面で反射した光路と、前記第２のビームスプリット面を反射し前記第３の変換光学素子で第２種の光に変換された光が前記第２のビームスプリット面で反射した光路との共通光路中に配置され、前記第１種の光と前記第２種の光との干渉縞を検出する検出装置と、
をハウジング内に一体に有し、
測定対象平面とこの測定対象平面に略平行な基準平面鏡との間で、前記第１の変換光学素子の透過光が前記基準平面鏡に略垂直に入射し、前記第４の変換光学素子の透過光が前記測定対象面に略垂直に入射するように前記ハウジングを配置し、前記ハウジングを前記測定対象面と前記基準平面鏡に対し相対的に移動することを特徴とする平坦度測定装置（請求項２）である。
【０００９】
前記課題の解決のための第３の手段は、
第２の手段であって、光源から第１のビームスプリット面に入射する光が、当該ビームスプリット面の放射と当該入射光が作る平面に対して直交する方向に長い１次元に広がった光であり、前記検出装置がリニアセンサであることを特徴とする平坦度測定装置（請求項３）である。
【００１０】
前記課題の解決のための第４の手段は、
第２の手段又は第３の手段であって、前記第１の参照平面鏡と前記第２の参照平面鏡、前記第２の変換光学素子と前記第３の変換光学素子の少なくとも一方を、一つの参照平面鏡又は一つの変換光学素子で共用したことを特徴とする平坦度測定装置（請求項４）である。
【００１１】
前記課題の解決のための第５の手段は、
第２の手段から第４の手段のいずれかであって、少なくとも一つの参照平面鏡を、前記第２の変換光学素子又は前記第３の変換光学素子の裏面に反射体を設けることにより形成したことを特徴とする平坦度測定装置（請求項５）である。
【００１２】
前記課題の解決のための第６の手段は、
第３の手段であって、前記一次元に広がった光は、光源からの光を円筒レンズ系により一次元に広げたものであることを特徴とする平坦度測定装置（請求項６）である。
【００１３】
前記課題の解決のための第７の手段は、
第２の手段から第６の手段のいずれかであって、前記第１のビームスプリット面に入射する前記第１種の光の光学素子中の光路長と前記第１のビームスプリット面に入射する前記第２種の光の光学素子中の光路長とが互いに等しくなるようにされていることを特徴とする平坦度測定装置（請求項７）である。
【００１４】
前記課題の解決のための第８の手段は、
第２の手段から第７の手段のいずれかであって、前記第１のビームスプリット面に入射する前記第１種の光の空気中の光路長と前記第１のビームスプリット面に入射する前記第２種の光の空気中の光路長とが互いに等しくなるようにされていることを特徴とする平坦度測定装置（請求項８）である。
【００１５】
前記課題の解決のための第９の手段は、
請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の平坦度測定装置であって、前記ビームスプリッタと各前記変換光学素子の間の空気中の光路を密閉したことを特徴とする平坦度測定装置（請求項９）である。
【００１６】
前記課題の解決のための第１０の手段は、
第２の手段から第９の手段のいずれかであって、前記第１のビームスプリット面に入射する前記第１種の光と前記第１のビームスプリット面に入射する前記第２種の光のうち、一方に周波数ｆの変調を、他方にｆと僅かに異なる周波数（ｆ＋Δｆ）の変調をかけることにより、前記検出装置で検出される干渉縞信号に、周波数Δｆの時間的変調を生じさせて、ヘテロダイン計測を行い、前記基準平面鏡と前記測定対称面の間隔変化を計測することを特徴とする平坦度測定装置（請求項１０）である。
【００１７】
前記課題の解決のための第１１の手段は、
第２の手段から第１０の手段のいずれかであって、前記ハウジングを前記測定対称面と前記基準平面鏡との間に一次元方向に複数個配置し、それらを一体として前記一次元方向に対して直交する方向に走査可能としたことを特徴とする平坦度測定装置（請求項１１）である。
【００１８】
前記課題の解決のための第１２の手段は、
第１１の手段であって、各前記ハウジングに入射する光源からの入射光は、１台の光源ユニットから射出されたレーザビームを、複数枚の一部透過平面鏡と１枚の全反射平面鏡とからなりビームを複数本に分割するビーム分割器から、供給されることを特徴とする平坦度測定装置（請求項１２）である。
【００１９】
前記課題の解決のための第１３の手段は、
平板状の被測定物体の厚さムラを測定する方法であって、第１の手段の平坦度測定方法により、被測定物体の両面の平坦度をそれぞれ測定し、それぞれの測定値から被測定物体の厚さムラを測定することを特徴とする厚さムラ測定方法（請求項１３）である。
【００２０】
前記課題の解決のための第１４の手段は、
第２の手段から第１２の手段のいずれかの平坦度測定装置を、平板状の被測定対象物の両面に配置し、前記被測定対象物の両面の平坦度をそれぞれ測定して、前記両面の平坦度データから、前記被測定対象物の厚さムラを算出することを特徴とする厚さムラ測定装置（請求項１４）である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１、図２は、本発明の実施の形態の１例である平坦度測定装置の概要を示すもので、図１はブロック図であり、図２は、図１の中の測定光学系ユニットのみを立体的に表現した図である。
【００２２】
周波数が僅かに異なり、互いの偏光方向が直交した２本の偏光成分（各々偏光ビームスプリッタ１５のビームスプリット面に対してＰ偏光、Ｓ偏光である偏光成分）よりなるレーザビーム１４が円筒レンズＬＳ１とＬＳ２により一次元方向へ拡大され、偏光ビームスプリッタ１５へ入射する。
【００２３】
レーザビーム１４の内、偏光ビームスプリッタ１５に対するＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１５の境界面（ビームスプリット面）Ｓ１を透過して、１／４波長板１６ａに入射する。１／４波長板１６ａの裏面Ｍは鏡面になっており、ビームは反射されて、１／４波長板１６ａを通過するが、この時、境界面Ｓ１に対してＳ偏光に変わる。そのため、再び偏光ビームスプリッタ１５に入射したビームは、境界面Ｓ１で反射される。
【００２４】
境界面Ｓ１で反射したＳ偏光は、境界面Ｓ２でも反射されて、１／４波長板１６ａを通り、裏面Ｍで反射されて、１／４波長板１６ａを通過すると、今度は、Ｐ偏光に変わるので、境界面Ｓ２を透過する。境界面Ｓ２を透過したＰ偏光は、円筒レンズＬＳ１とＬＳ２との機械的干渉を避けるために上下を切り落とした球面レンズＬＣ１とＬＣ２により、偏光板１７を介して、一次元ＣＣＤ１８上に集光される。このビームは、偏光ビームスプリッタ１５の境界面Ｓ１を透過してからの光路長が、ウエハ８の表面の状態に関わらず一定であるので、参照ビームとなる。
【００２５】
一方、レーザビーム１４の内、偏光ビームスプリッタ１５に対するＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１５の境界面Ｓ１で反射されて１／４波長板１６ｂを通り、ウエハ８と略平行に設置された基準平面鏡１９で反射されると、１／４波長板１６ｂを通過するが、この時、偏光方向がＰ偏光に変わるので、偏光ビームスプリッタ１５の境界面Ｓ１と境界面Ｓ２を透過する。この後、１／４波長板１６ｃを通り、ウエハ８表面で反射されて、１／４波長板１６ｃを通過すると、今度は、Ｓ偏光に変わるので、境界面Ｓ２で反射される。次に、球面レンズＬＣ１とＬＣ２により、偏光板１７を介して、一次元ＣＣＤ１８上に集光される。このビームは、偏光ビームスプリッタ１５の境界面Ｓ１で反射されてからの光路長が、ウエハ８表面の凹凸状態により変化するので、測長ビームとなる。
【００２６】
このようにして、前記参照ビームと前記測長ビームとが一次元ＣＣＤ１８上で重なり合うことになるが、偏光板１７を介することにより、両者は互いに干渉可能となり、干渉縞を生成する。即ち、偏光板１７は、Ｐ偏光とＳ偏光の偏光角に対して共に４５°の角度をなす偏光のみを通過させる向きに設置されているので、測長ビームと参照ビームの偏光成分のうち、この角度の成分のみが透過し、干渉を起こす。この干渉縞は、測長ビームの光路長が変化することにより明暗が変化するので、この干渉縞の変化を観察することで、ウエハ８表面の一次元の凹凸状態を知ることができる。
【００２７】
偏光ビームスプリッタ１５、１／４波長板１６ａ，１６ｂ，１６ｃを密閉カバーＣｖ内に収納すると共に、円筒レンズＬＳ１，ＬＳ２、球面レンズＬＣ１，ＬＣ２、偏光板１７、一次元ＣＣＤ１８と共に測定光学系ユニット１３に収納する。そして、この測定光学系ユニット１３を略平行に対向配置した基準平面鏡１９とウエハ８との間で、基準平面鏡１９とウエハ８に対して相対的に移動させる（一次元の走査）。この走査によって、一次元ＣＣＤ１８の受光面の長さを球面レンズＬＣ１，ＬＣ２が成す光学倍率で除算した幅の領域で、ウエハ８表面の凹凸が測定可能となる。
【００２８】
なお、一次元ＣＣＤ１８の結像面は、ウエハ８表面と略共役関係になっており、ウエハ８表面の凹凸状態を、高い横分解能（ウエハ８表面にそった方向に対して）で測定することが可能である。
【００２９】
測定光学系ユニット１３を複数使用した本発明の実施の形態の例を図３に示す。図３中の測定光学系ユニット１３は、図１中の測定光学系ユニット１３を一次元の走査方向（紙面内の横方向）から見たものである。複数の測定光学ユニット１３は集合光学系１２となり、一次元ステージ２０ｌと２０ｒとで紙面に対して垂直方向に走査される。このとき、各測定光学系ユニット１３は互い違いにウエハ８の幅をカバーするように配置され、１回の走査で、ウエハ８全面の凹凸が測定できるようになっている。
【００３０】
このようにして、ウエハホルダ２１上に固定されたウエハ８全面の平坦度が基準平面鏡１９に対して測定される。
【００３１】
ここで、測定光学系ユニット１３は、基準平面鏡１９とウエハ８表面の間の距離変化を直接計測するので、集合光学系１２が走査される際に、測定光学系ユニット１３の位置が基準平面鏡１９に対して垂直方向に上下したとしても（あるいは、測定光学系ユニット１３の位置がウエハ８表面に対して垂直方向に上下したとしても）、前述の参照ビームと測長ビームの光路長は全く変化せず、測定誤差は生じない。また、回転が生じても、アッベ誤差は取れており、大きな誤差とはならないので、一次元ステージ２０ｌと２０ｒに対して厳しい走り精度は要求されない。
【００３２】
また、１／４波長板１６ａ，１６ｂ，１６ｃの材質と厚さを揃えておけば、周囲の温度が変化しても、前述の参照ビームと測長ビームのガラス中の光路長変化は等しいので、測定誤差は生じない。
【００３３】
参照ビームと測長ビームが通る空気中の光路長もほぼ揃えておけば、空気の屈折率が変化しても、両ビームの光路長差は変化せず、測定誤差は生じない。しかしながら、集合光学系１２を走査することにより、空気がかき乱されて、空気の屈折率が局所的に変化することも考えられるので、参照ビームと測長ビームの光路が異なる部分の大半を、図１に示すようにカバーＣｖで覆っている。このように、光路が異なる部分の大半が密閉されることで、空気がかき乱される部分を微小にすることが可能となり、測定誤差を実用上無視することができる。
【００３４】
以上のように、測定光学系をユニット干渉系に分割し、これを組み合わせて大きな面積を一度に測定することによって、光学系を大型化することを避けることができる。もちろん、必要に応じた数のユニット光学系を用意すればよく、１つのユニット光学系を二次元的に移動させて測定値を得ることもできる。
【００３５】
図４に、互いに直交した２本の偏光成分（Ｐ偏光、Ｓ偏光）よりなるレーザビーム１４を発生させる光源ユニットの構成の例を示す。レーザ２２から射出されたビームＢｏはレンズ２３で平行光になり１／４波長板２４で円偏光に変換される。円偏光になったビームＢｏが偏光ビームスプリッタ２５ａに入射すると、Ｓ偏光成分は反射されて、ＡＯＭ（音響光学素子）２６ｓを通過することにより、周波数ｆの変調が掛けられる。ＡＯＭ２６ｓは発振器２７ｓで駆動されている。この後、プリズムＰｓと偏光ビームスプリッタ２５ｂで反射されて、二枚の円筒レンズＬＳ３，ＬＳ４により、一次元方向（紙面に対して平行な方向）に拡大され帯状のビームＢｓとなる。
【００３６】
一方、円偏光になったビームＢｏの内、Ｐ偏光成分は偏光ビームスプリッタ２５ａを透過して、ＡＯＭ２６ｐを通過することにより周波数ｆ＋Δｆ（通常，Δｆ≪ｆ）の変調が掛けられる。ＡＯＭ２６ｐは発振器２７ｐで駆動されている。この後、プリズムＰｐで反射され、偏光ビームスプリッタ２５ｂを透過すると、二枚の円筒レンズＬＳ３，ＬＳ４により、一次元方向（紙面に対して平行な方向）に拡大され帯状のビームＢｐとなる。帯状のビームＢｐは前述の帯状のビームＢｓと一致するように調整される。
【００３７】
図４の光源から射出された帯状のビームＢｓとＢｐは、長手方向が紙面と平行になるように、図５に示すビーム分割器に入射する。図５のビーム分割器は、入射光の一部を反射し、残りを透過させる平面鏡ＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３，……と全反射平面鏡Ｍｔから成る。帯状のビームＢｓとＢｐがビーム分割器に入射すると、平面鏡ＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３，……，Ｍｔで均等な光量になるように分割されて、帯状のビームＢｓは、Ｂｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３，……，Ｂｓｔ、帯状のビームＢｐは、Ｂｐ１，Ｂｐ２，Ｂｐ３，……，Ｂｐｔとなり、それぞれに対応した測定光学系ユニット１３へ入射する。測定光学系ユニット１３では、Ｂｓ１，Ｂｓ２，Ｂｓ３，……，Ｂｓｔ、が参照ビーム、Ｂｐ１，Ｂｐ２，Ｂｐ３，……，Ｂｐｔが測長ビームとなる。
【００３８】
次に、図１、図２に示したＣＣＤ１８から得られる干渉縞信号を処理して、ウエハ８表面の凹凸を計測する原理及び方法について説明する。図１において、前述のように、レーザビーム１４が偏光ビームスプリッタ１５の境界面Ｓ１で参照ビームと測長ビームとに分離してから、ＣＣＤ１８に達するまでの両ビームの光路長を、それぞれＬｓ、Ｌｍとすると、ＣＣＤ１８上に生成される干渉縞の強度信号Ｉ（ｔ）は▲１▼式で表せる。個々で、ｔは時間、λはレーザビーム１４の波長である。なお、ここでは、簡単のために、参照ビームと測長ビームの振幅強度を１とした。
【００３９】
【数１】
2004061378.tif 000003
【００４０】
参照ビームの光路長Ｌｓは、ウエハ８表面の凹凸に係わらず一定であるから、▲１▼式中では０とみなしても、特に問題は生じない。一方、測長ビームの光路長Ｌｍは、ウエハ８表面の凹凸量をＸとすると、２Ｘ変化する。更に、λの整数倍の値は無視しても構わない。以上より、▲１▼式は▲２▼式のように簡略化することが出来る。
【００４１】
【数２】
2004061378.tif 000004
【００４２】
▲２▼式は、干渉縞の強度Ｉが、周波数Δｆで正弦波状に変化し、その位相がＸに依存してずれることを意味している。したがって、逆に、この位相ずれを計測することで、凹凸量Ｘを知ることができる。
【００４３】
位相ずれを計測するためには、▲３▼式で表されるような基準信号Ｉｏ（ｔ）と比較すればよい。
【００４４】
【数３】
2004061378.tif 000005
【００４５】
基準信号Ｉｏ（ｔ）は、図４に示すように、発振器２７ｓ，２７ｐからの信号を、掛け算回路２８とローパスフィルタ２９を通すことにより得られる。この原理を式で説明する。
【００４６】
発振器２７ｓ，２７ｐからの信号は、それぞれ、ｃｏｓ（２πｆｔ）、ｃｏｓ｛２π（ｆ＋Δｆ）ｔ｝と表せるので、それらを掛け合わせると、▲４▼式の信号Ｉｍ（ｔ）が得られる。
【００４７】
【数４】
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【００４８】
次に、Ｉｍ（ｔ）をローパスフィルタ２９に通すと、▲４▼式の中で、高周波成分である周波数（２ｆ＋Δｆ）の項が消失するので、ｃｏｓ（２πΔｆｔ）の項だけを取り出すことができる。
【００４９】
ＣＣＤ１８から得られる干渉縞信号は、図６に示すように、プリアンプ３０で電圧信号に変換された後、位相検出器３１へ入力される。また、図４に示したローパスフィルタ２９からの信号Ｉｏ（ｔ）も位相検出器３１へ入力される。位相検出器３１では、ローパスフィルタ２９からの信号Ｉｏ（ｔ）を基準に、プリアンプ３０からの信号Ｉ（ｔ）の位相を検出する。次に、ここで得られた位相情報は演算回路３２へと導かれ、ウエハ８表面の凹凸量Ｘに換算される。これは、周知の位相検出技術により実現できる。
【００５０】
本発明の実施の形態の１例であるウエハの厚さ測定装置の例を図７、図８を用いて説明する。図７は装置のブロック図であり、図８は装置を横方向（走査方向）から見た概要図である。
【００５１】
図７に示すように、ウエハ８の両面側に、図１に示したものと全く同じ測定光学系ユニット１３と基準平面鏡１９ｆ、１９ｂが配置されている。図７において、基準平面鏡の他は、図３と同じ構成要素には同じ符号を付している。また、下側の測定光学系ユニット１３は、上側のものと全く同じなので、各構成要素に符号を付すのを省略している。
【００５２】
図８に示すように、複数個の測定光学系ユニット１３は一体となった集合光学系１２ｆ，１２ｂをなし、ウエハ８の両面側に配置されている。集合光学系１２ｆ，１２ｂは一台の一次元ステージ２０ｄの上に固定されて、紙面に対し垂直方向に走査される。なお、ここでは、ウエハ８は、重力による撓みが生じないように、ウエハ保持部３３により、立てた状態で保持されている。
【００５３】
このように、ウエハ８の両面側に測定系を配置することで、図３の実施の形態の場合と全く同様の計測原理により、両面の平坦度が測定出来る。更に、両面の形状を絶対座標系で表したとすると、両者の引き算を行うことによって、ウエハ８の厚さむらを知ることも可能となる。
【００５４】
図３に示す平坦度測定装置を使用してウエハの平坦度を測定する様子を、ウエハの上側から見た図を図９に示す。図９に示すように、一次元の測定領域Ｓｌ１，Ｓｌ２、…を有する複数個の測定光学系ユニットを横に並べて、一体とした集合光学系１２を、図中矢印で示す一次元方向へ走査することにより、大面積のウエハ８全面の平坦度測定が可能となる。集合光学系１２をもう少し詳しく表したのが図１０であり、１３が測定光学系ユニットである。この１３は、図１に示す測定光学系ユニット１３を示すが、図に示すように各々の測定光学系ユニット１３の先端が狭まっている。これは、光源部分を小さくし、その後、各測定光学系ユニット１３内で円筒レンズにより入射光を１次元に広げているからである。このような各々の測定光学系ユニット１３を千鳥配置すると、図１０に示すように、幅の狭まった部分に隣の測定光学系ユニット１３の広い部分を配置することができ、１次元測定領域であるＳｌ１，Ｓｌ２、…が、ウエハ８面を隙間無くカバーするようにすることができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被測定対象物が大きくなっても、測定光学系が大型化することを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例である平坦度測定装置の概要を示すブロック図である。
【図２】図１に示す装置の測定光学系ユニットのみを立体的に表現した図である。
【図３】測定光学系ユニットを複数使用した本発明の実施の形態の例を示す概要図である。
【図４】互いに直交した２本の偏光成分（Ｐ偏光、Ｓ偏光）よりなるレーザビームを発生させる光源ユニットの構成の例を示すブロック図である。
【図５】ビーム分割器の例を示す概要図である。
【図６】ＣＣＤから得られた干渉縞信号から、ウエハの凹凸信号を得る回路の例を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態の１例であるウエハの厚さ測定装置を示すブロック図である。
【図８】図７に示す装置を複数使用したウエハの厚さ測定装置を示す概要図である。
【図９】図３に示す平坦度測定装置を使用してウエハの平坦度を測定する様子を、ウエハの上側から見た図である。
【図１０】図９に示す集合光学系を詳しく表した図である。
【図１１】従来の平坦度測定装置の１例を示す概要図である。
【符号の説明】
８…ウエハ、１２，１２ｂ，１２ｆ…集合光学系、１３…測定光学系ユニット、１４…レーザビーム、１５…偏光ビームスプリッタ、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…１／４波長板、１７…偏光板、１８…一次元ＣＣＤ，１９，１９ｆ，１９ｂ…基準平面鏡、２０ｌ，２０ｒ，２０ｄ…一次元ステージ、２１…ウエハホルダ、２２…レーザ、２３…レンズ、２４…１／４波長板、２５ａ，２５ｂ…偏光ビームスプリッタ、２６ｓ，２６ｐ…ＡＯＭ（音響光学素子）、２７ｓ，２７ｐ…発振器、２８…掛け算回路、２９…ローパスフィルタ、３０…プリアンプ、３１…位相検出器、３２…演算回路、３３…ウエハ保持部、Ｂｓ，Ｂｐ…一次元方向に拡大された帯状のレーザビーム、Ｃｖ…密閉カバー、ＬＳ１，ＬＳ２…円筒レンズ、ＬＳ３，ＬＳ４…円筒レンズ、ＬＣ１，ＬＣ２…上下を切り落とした球面レンズ、Ｍ…鏡面（１／４波長板１６ａの裏面）、ＭＰ１，ＭＰ２…ハーフミラー、Ｍｔ…全反射平面鏡、Ｐｐ，Ｐｓ…プリズム、Ｓ１，Ｓ２…境界面（ビームスプリット面）Ｓｌ１，Ｓｌ２…測定光学系ユニット一台当たりの一次元の測定領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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