JP2001091222A

JP2001091222A - 膜厚測定装置の校正方法および膜厚測定装置および校正用部材

Info

Publication number: JP2001091222A
Application number: JP26352099A
Authority: JP
Inventors: Naoshi Fukao; 直志深尾; Atsushi Tamada; 厚玉田
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-04-06

Abstract

(57)【要約】【課題】装置の校正作業を必要に応じて簡単に、効率
良く行う。【解決手段】装置本体１内に配置した移動可能な測定
ヘッド２の直下に基板Ｓを配置し、装置本体１に形成さ
れた測定用開口１ａを介して基板Ｓに照明光を照射しつ
つその反射光を測定ヘッド２により受光し、その反射光
に基づいて基板Ｓに形成された薄膜の膜厚を測定するよ
うにした。また、装置本体１の内部であって測定用開口
１ａの側方にキャリブレーションチップ９（校正用部
材）を設け、必要に応じこのチップ９の上方に測定ヘッ
ド２を配置し、このチップ９に照明光を照射しつつその
反射光を受光することにより、その反射光に基づいて装
置校正に必要な校正データを求めるようにした。チップ
９には、テストチャート等、装置校正に必要な情報を表
示するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ、液
晶表示器用基板やプラズマ表示器用基板などの基板に照
明光を照射するとともに、その反射光を受光して基板上
に形成された薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置に関す
るものであって、特に、その校正方法およびこの方法を
実施可能な膜厚測定装置およびこの装置に用いられる校
正用部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】上記のような膜厚測定装置として、例え
ば特公平６−９００１３号公報に開示されるような装置
がある。

【０００３】この装置は、ステージ上に載置した半導体
ウエハ等の被測定基板の表面に、ハロゲンランプ等の光
源を有する照明光学系により照明光を照射し、その反射
光を結像光学系により分光光学系に導光して分光させ、
そのスペクトルを波長毎に対応付けられた受光素子で受
光することにより分光特性を測定し、さらにこの実測分
光特性と、予め既知の薄膜で測定した分光特性のプロフ
ァイルとを比較することにより被測定基板の膜厚を測定
するように構成されている。

【０００４】上記のような膜厚測定装置においては、例
えば、経時変化や温度変化等により照明光に光量変動が
生じることがあり、このような光量変動があると測定精
度に影響し再現性の良い測定を行うことができない。そ
のため、一般には、定期的に、あるいは必要に応じて以
下のような照明光の光量校正を行っている。

【０００５】すなわち、装置の最初の立上げ時に、被測
定基板に薄膜を形成していない校正専用の基板（ベアウ
エハ；校正用基板）をステージにセットして照明光を照
射し、その反射光の光量を適正光量として記憶させてお
く。そして、定期的に、あるいは必要に応じて、校正用
基板をステージにセットして照明光を照射してその反射
光の光量を実測し、その実測光量と適正光量とを比較し
てその誤差を校正データとして膜厚測定にフィードバッ
クするようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この校正方法
では、上述のように校正用基板を準備し、これをステー
ジ上に載置して校正作業を行うことが必要であるため手
間と時間がかかる。そのため、測定の合間に校正作業を
行うことは難しく膜厚測定を中断せざるを得ない場合も
あり、これがスループット（単位時間当たりの測定可能
枚数）を低下させる原因の一つとなっている。

【０００７】なお、膜厚測定装置において校正を要する
項目は、上述の光量校正以外に、実施の形態中で説明す
るように多くの項目があり、各校正作業は、光量校正の
場合と同様に校正用基板を用いて行われ、しかも校正項
目毎に異なる校正用基板が要求される。そのため、これ
らのうち複数項目の校正を行うとすれば、複数種の校正
用基板をステージに載せ替えながら校正作業を行うこと
となり、この場合には、膜厚測定が長時間に亘り中断さ
れることとなり不都合である。

【０００８】一方、上記のような校正作業は、定期的に
行うことが測定精度を保つ上で必要であり、例えば、光
量校正については極力測定時毎に行う方が望ましい。し
かし、従来のようにいちいち校正用基板をセットして作
業を行うのでは、スループットが著しく低下するため現
実には困難である。

【０００９】本発明は、上記のような問題に鑑みてなさ
れたものであり、装置の校正作業を必要に応じて簡単
に、効率良く行える膜厚測定装置の校正方法を提供する
ことを第１の目的とし、また、この校正方法を実施でき
る膜厚測定装置を提供することを第２の目的とし、さら
にこのような膜厚測定装置に特に適した校正用部材を提
供することを第３の目的する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の膜厚測定装置の校正方法は、測定位置にセ
ットされ、その表面に薄膜が形成された被測定基板に照
明光を照射する照明手段と、被測定基板で反射した反射
光を検出する検出手段とを有し、検出手段による検出結
果に基づいて薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置の校正
方法であって、測定位置以外の場所に配置され、膜厚測
定装置の校正に必要な校正情報を示す校正用部材に照明
手段による照明光を照射して校正用部材で反射した反射
光を検出手段により検出し、この検出結果に基づいて装
置の校正に必要な校正データを求めるようにしたもので
ある（請求項１）。

【００１１】この方法によれば、必要に応じ、予め装置
自体に設けられた校正用部材に対して照明光を照射する
だけで装置校正を行うことが可能となる。この場合、校
正情報として複数の校正項目に対応する複数の異なる情
報を示す部分を有する校正用部材を配設して、要求され
る校正項目に対応する情報を示す部分に対して選択的に
照明光を照射してその反射光を検出手段により検出する
ようにすれば、複数項目にわたる装置の校正を効率的に
行うことが可能となる。

【００１２】なお、検出手段において反射光の光量を検
出可能な場合には、校正用部材で反射した反射光を検出
手段により実測することにより、この実測光量に基づい
て照明手段による光量校正を行うことが可能となる。特
に、校正用部材として、基準光量を示す校正用部材を配
設するようにすれば、この校正用部材に照明光を照射し
てその反射光の光量を検出手段により実測することによ
り、この実測光量と基準光量との誤差を求め、この誤差
に基づいて照明手段による光量校正を行うことが可能と
なる。この場合、校正の信頼性を高める上では、校正用
部材に照明光を照射してその反射光を検出手段により検
出することにより、校正部材による反射光の光量を予め
実測しておき、この実測光量を基準光量とするのが望ま
しい。

【００１３】また、検出手段として、上記反射光を分光
し、分光されたスペクトルを波長毎に対応付けられた受
光素子で受光する分光光学系を有し、上記受光素子から
出力される電気信号に基づいて反射光の分光特性を求め
る場合には、校正用部材として、基準分光特性を示す所
定膜厚の薄膜を有する校正用部材を配設し、これに照明
光を照射してその反射光を分光光学系により受光するこ
とにより受光素子から出力される電気信号に基づいて校
正用部材の分光特性を実測し、この分光特性と基準分光
特性とを比較して各受光素子で受光されるスペクトルの
波長のズレを求めることにより、この波長のズレに基づ
いて波長校正を行うことが可能となる。この場合、校正
の信頼性を高める上では、校正用部材に照明光を照射し
てその反射光を分光光学系により受光することにより分
光特性を予め実測しておき、この実測分光特性を基準分
光特性とするのが望ましい。

【００１４】また、検出手段として反射光を分光し、分
光されたスペクトルを波長毎に対応付けられた受光素子
で受光する分光光学系が設けられるとともに、反射光の
一部を導光して受光することにより被測定基板を撮像す
る撮像手段が設けられる一方、光源からの照明光を平行
光に変換してから測定位置に照射するように照明手段が
構成され、さらに、照明光のうち平行光の光路上に配置
され、照明光を透過させて測定位置に照射する対物レン
ズと、この対物レンズを共有し、反射光を透過させて分
光光学系に集束させる結像光学系と、照明光のうち平行
光に変換される前の光路上に配置されて測定位置にテス
トパターンを投影する投影用部材と、平行光の光路上
で、測定位置に対して対物レンズを相対的に接離移動さ
せるレンズ移動手段とを備え、測定位置にセットされた
被測定基板に対して照明手段による照明光を照射して投
影用部材のテストパターンを被測定基板に投影し、この
投影テストパターンに基づいて撮像手段に焦点が合うよ
うに対物レンズを移動させるフォーカス動作を行わせる
ことにより、被測定基板に対して検出手段の焦点を合わ
せるように膜厚測定装置が構成される場合には、校正用
部材として、投影用部材によるテストパターンを投影可
能な被投影部材および所定のテストチャートを形成した
チャート部材を配設し、被投影部材にテストパターンを
投影し、この投影パターンに基づいてフォーカス動作を
行う第１フォーカス動作と、チャート部材のテストチャ
ートに基づいてフォーカス動作を行わせる第２フォーカ
ス動作とを行わせ、第１および第２フォーカス動作にお
いてそれぞれ調整された各対物レンズの位置の差を求め
ることにより、この差に基づいて焦点位置校正を行うこ
とが可能となる。

【００１５】また、上記課題を解決するために、本発明
の膜厚測定装置の校正方法は、測定位置にセットされ、
その表面に薄膜が形成された被測定基板に照明光を照射
する照明手段と、被測定基板で反射した反射光を検出す
る検出手段と、被測定基板を撮像する撮像手段とを有
し、検出手段による検出結果に基づいて薄膜の膜厚を測
定する膜厚測定装置の校正方法であって、測定位置以外
の場所に配置され、所定のテストチャートを有する校正
用部材を撮像手段により撮像して得られた画像データに
基づいて装置の校正に必要な校正データを求めるように
したものである（請求項２）。

【００１６】この方法によれば、必要に応じ、予め装置
自体に設けられた校正用部材を撮像手段により撮像する
だけで装置校正を行うことが可能となる。

【００１７】具体的には、所定倍率のテストチャート像
を撮像させ、このテストチャート像の特定箇所の寸法を
調べることにより撮像手段の倍率誤差を求めるようにす
れば、この倍率誤差に基づいて撮像手段の撮像倍率を校
正することが可能となり、また、撮像されたテストチャ
ート像の位置とこのテストチャートが撮像されるべき適
正画像位置との誤差を求めるようにすれば、撮像手段と
被測定基板との相対的な移動基準位置等を校正すること
が可能となり、さらに、校正用部材として、直線成分を
含む所定のテストチャートを有した校正用部材を配設す
るようにすれば、撮像されたテストチャート像における
上記直線成分の傾きを調べることにより撮像手段の傾き
誤差を求めることができ、この傾き誤差に基づいて撮像
手段の傾き角度を校正することが可能となる。

【００１８】なお、請求項２において、複数の校正項目
にそれぞれ対応する複数種類の校正用部材を配設して、
要求される校正項目に対応する校正用部材のテストチャ
ートを選択的に撮像手段により撮像するようにすれば、
複数項目にわたる装置の校正を効率的に行うことが可能
となる。

【００１９】また、上記課題を解決するために、本発明
の膜厚測定装置は、測定位置にセットされ、その表面に
薄膜が形成された被測定基板に照明光を照射する照明手
段と、被測定基板で反射した反射光を検出する検出手段
とを有し、検出手段による検出結果に基づいて薄膜の膜
厚を測定する膜厚測定装置であって、測定位置以外の場
所に配置され、膜厚測定装置の校正に必要な校正情報を
示す校正用部材と、測定位置にセットされた被測定基板
に照明手段による照明光を照射し、被測定基板で反射し
た反射光を検出手段により検出する膜厚測定動作と、校
正用部材に照明手段による照明光を照射し、校正用部材
で反射した反射光を検出手段により検出する装置校正動
作とを選択的に切り替える動作切替手段と、装置校正動
作時に、検出手段により検出された検出結果に基づいて
装置の校正に必要な校正データを求める制御手段とを備
えたものである（請求項３）。

【００２０】この装置によれば、装置校正が必要になる
と、装置動作が膜厚測定動作から装置校正動作に切り替
えられる。そして、この装置校正動作において、校正用
部材に対して照明光が照射されつつその反射光が検出手
段により検出され、その反射光に基づいて装置の校正に
必要な校正データが求められる。そのため、請求項１記
載の校正方法を自動的に行うことが可能となる。

【００２１】この場合、校正情報として複数の校正項目
に対応する異なる情報を示す複数種類の校正用部材を設
け、装置校正動作において、要求される校正項目に対応
する校正用部材に対して選択的に照明光を照射するよう
に動作切替手段を構成したり、あるいは校正情報とし
て、複数の校正項目に対応する複数の異なる情報を示す
部分を有した校正用部材を設け、装置校正動作におい
て、要求される校正項目に対応する情報を示す部分に対
して選択的に照明光を照射するように動作切替手段を構
成するようにすれば、複数項目にわたる装置の校正を効
率的に行うことが可能となる。特に、後者の場合には、
校正用部材を配設する上でのスペース効率が良い。

【００２２】また、検出手段が反射光の光量を検出可能
に構成される場合には、上記校正用部材として基準光量
を示す表面を有する校正用部材を設け、装置校正動作に
おいて、検出手段により上記反射光の光量を実測し、校
正データとしてこの実測光量と基準光量との誤差を求め
るように制御手段を構成すれば、照明手段による光量校
正を自動的に行うことが可能となる。

【００２３】なお、検出手段として上記反射光を分光
し、分光されたスペクトルを波長毎に対応付けられた受
光素子で受光する分光光学系を有し、受光素子から出力
される電気信号に基づいて反射光の分光特性を求めるよ
うに膜厚測定装置が構成されるものでは、校正用部材と
してその表面に基準分光特性を示す所定膜厚の薄膜を有
した校正用部材を設け、装置校正動作において、上記受
光素子から出力される電気信号に基づいて校正用部材の
分光特性を実測し、この分光特性と基準分光特性とを比
較することにより、校正データとして上記各受光素子で
受光される波長のずれを求めるように制御手段を構成す
れば、波長校正を自動的に行うことが可能となる。

【００２４】また、検出手段として上記反射光を分光
し、分光されたスペクトルを波長毎に対応付けられた受
光素子で受光する分光光学系が設けられるとともに、反
射光の一部を導光して受光することにより被測定基板を
撮像する撮像手段が設けられる一方、光源からの照明光
を平行光に変換してから測定位置に照射するように照明
手段が構成され、さらに、照明光のうち平行光の光路上
に配置され、照明光を透過させて測定位置に照射する対
物レンズと、この対物レンズを共有し、反射光を透過さ
せて分光光学系に集束させる結像光学系と、照明光のう
ち平行光に変換される前の光路上に配置されて測定位置
にテストパターンを投影する投影用部材と、平行光の光
路上で、測定位置に対して対物レンズを相対的に接離移
動させるレンズ移動手段とを備え、測定位置にセットさ
れた被測定基板に対して照明手段による照明光を照射し
て投影用部材のテストパターンを投影し、この投影パタ
ーンに基づいて撮像手段に焦点が合うように対物レンズ
を移動させるフォーカス動作を行わせることにより、被
測定基板に対して上記検出手段の焦点を合わせるように
膜厚測定装置が構成されるものでは、上記校正用部材と
して、投影用部材のテストパターンを投影可能な被投影
部材および所定のテストチャートを形成したチャート部
材を設け、装置校正動作において、被投影部材に上記テ
ストパターンを投影させてこの投影パターンに基づいて
フォーカス動作を行う第１フォーカス動作と、上記チャ
ート部材のテストチャートに基づいてフォーカス動作を
行わせる第２フォーカス動作とを行わせ、校正データと
して、第１および第２フォーカス動作においてそれぞれ
調整された対物レンズの位置の差を求めるように制御手
段を構成すれば焦点位置校正を自動的に行うことが可能
となる。

【００２５】また、上記課題を解決するために、本発明
の膜厚測定装置は、測定位置にセットされ、その表面に
薄膜が形成された被測定基板に照明光を照射する照明手
段と、被測定基板で反射した反射光を検出する検出手段
と、被測定基板を撮像する撮像手段とを有し、検出手段
による検出結果に基づいて薄膜の膜厚を測定する膜厚測
定装置であって、測定位置以外の場所に配置され、所定
のテストチャートを有する校正用部材と、測定位置にセ
ットされた被測定基板に照明手段による照明光を照射
し、被測定基板で反射した反射光を検出手段により検出
する膜厚測定動作と、校正用部材のテストチャートを撮
像手段により撮像する装置校正動作とを選択的に切り替
える動作切替手段と、装置校正動作時に、撮像手段によ
り検出された画像データに基づいて装置の校正に必要な
校正データを求める制御手段とを備えたものである（請
求項４）。

【００２６】この装置によれば、装置校正が必要になる
と、装置動作が膜厚測定動作から装置校正動作に切り替
えられる。そして、この装置校正動作において、校正用
部材のテストチャートが撮像手段により撮像され、この
画像に基づいて装置の校正に必要な校正データが求めら
れる。そのため、請求項２記載の校正方法を自動的に行
うことが可能となる。

【００２７】具体的には、装置校正動作において、テス
トチャートを特定倍率で撮像させ、このテストチャート
像の特定箇所の寸法を調べることにより、校正データと
して撮像手段の倍率誤差を求めるように制御手段を構成
すれば、撮像倍率の校正を自動的に行うことが可能とな
る。また、装置校正動作において、現実に撮像されたテ
ストチャート像の位置と撮像されるべきテストチャート
像の適正画像位置との誤差を校正データとして求めるよ
うに制御手段を構成すれば、撮像手段と被測定基板との
相対的な移動基準位置等を自動的に校正することが可能
となる。さらに、テストチャートとして、直線成分を含
む所定のテストチャートを設け、装置校正動作におい
て、撮像されたテストチャート像における直線成分の傾
きを調べることにより、校正データとして撮像手段の傾
き誤差を求めるようにすれば、撮像手段の傾き角度を自
動的に校正することが可能となる。

【００２８】なお、請求項４において、校正情報として
複数の校正項目にそれぞれ対応する異なる情報を示す複
数種類の校正用部材を設け、装置校正動作において、要
求される校正項目に対応する校正用部材に対して選択的
に照明光を照射するように動作切替手段を構成したり、
あるいは校正情報として、複数の校正項目に対応する複
数の異なる情報を示すテストチャートを有した校正用部
材を設け、装置校正動作において、要求される校正項目
に対応する情報を示すテストチャートに対して選択的に
照明光を照射するように動作切替手段を構成するように
すれば、複数項目にわたる装置の校正を効率的に行うこ
とが可能となる。特に、後者の場合には、校正用部材を
配設する上でのスペース効率が良い。

【００２９】また、本発明に係る校正用部材は、測定位
置にセットされ、その表面に薄膜が形成された被測定基
板に照明光を照射する照明手段と、被測定基板で反射し
た反射光を検出する検出手段と、被測定基板を撮像する
撮像手段とを有し、検出手段による検出結果に基づいて
薄膜の膜厚を測定する膜厚測定装置に用いられる校正用
部材であって、ベース部材と、ベース部材の表面に形成
された薄膜部と、装置校正時に撮像手段により撮像する
テストチャートとを有するものである（請求項５）。

【００３０】このような校正用部材によれば、校正用部
材のうち薄膜部に照明光を照射してその反射光を上記検
出手段により受光させることにより、校正情報として薄
膜の厚みに応じた所定の分光特性を提供することがで
き、また、校正用部材のうちテストチャート部を撮像手
段により撮像させることにより、校正情報としてテスト
チャート像を提供することができる。

【００３１】なお、請求項５に記載の校正用部材におい
て、ベース部材の素地からなるベア部をさらに設けるよ
うにすれば（請求項６）、このベア部に照明光を照射し
てその反射光を検出手段で受光することにより、校正情
報として、照明光の変動を調べるのに適した反射光等を
提供することが可能となる。

【００３２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る校正方法が
適用される光学式膜厚測定装置（以下、単に膜厚測定装
置という）を備えた基板処理システムの一実施形態を示
す概略平面図である。なお、同図には、後述する各図と
の方向関係を明確にするために、ＸＹＺ直角座標軸が示
されている。

【００３３】この基板処理システムは、同図に示すよう
に、４つのカセットＣＳを一列に載置可能なカセット載
置部Ａと、このカセット載置部Ａから所定距離だけＹ方
向に離隔してカセットＣＳの配列方向（Ｘ方向）に平行
に３つの処理ユニット（第１の薄膜形成ユニットＴ
Ｕ₁、膜厚測定ユニットＭＵ、第２の薄膜形成ユニット
ＴＵ₂）を配列してなる処理ユニット部Ｂと、カセット
載置部Ａと処理ユニット部Ｂとの間に挟まれた搬送空間
ＳＰをＸ方向に移動し、これらカセットＣＳおよび処理
ユニットの間で基板Ｓを搬送する基板搬送ロボットＲＢ
とで構成されている。

【００３４】そして、この基板処理システムでは、例え
ば基板Ｓとしてシリコン基板を用い、薄膜としてその表
面（主面）にシリコン酸化膜を形成するように構成され
ており、次のようにして基板Ｓへの薄膜形成およびその
膜厚測定を連続して実行するように構成されている。す
なわち、基板搬送ロボットＲＢがカセットＣＳに収納さ
れている未処理の基板Ｓを取り出し、第１または第２の
薄膜形成ユニットＴＵ ₁，ＴＵ₂に選択的に搬送して基板
Ｓの表面（主面）上に薄膜を形成する。それに続いて、
基板搬送ロボットＲＢは薄膜形成ユニットから処理済み
の基板Ｓを受け取り、その薄膜形成ユニットに隣接配置
された膜厚測定ユニットＭＵに搬送し、膜厚測定を行
う。そして、最後に膜厚測定を完了した基板Ｓを基板搬
送ロボットＲＢが受け取り、カセットＣＳに戻す。な
お、薄膜形成ユニットＴＵ₁，ＴＵ₂の構成は既に周知で
あるため、ここではその詳細説明は省略する。

【００３５】図２は、上記膜厚測定ユニットＭＵの全体
構成を示す斜視図であり、この膜厚測定ユニットＭＵが
本発明にかかる膜厚測定装置に相当する。膜厚測定ユニ
ットＭＵは、同図に示すように、装置本体１の後面側
（＋Ｙ方向側）が２つの取付ブロック１１，１２によっ
て支柱１３に固着されている。また、前面側（−Ｙ方向
側）には、フロントパネル１４が取り付けられている。

【００３６】図３は、装置本体の一部を切り欠いた部分
切欠斜視図である。同図に示すように、装置本体１は、
略直方体形状の筐体となっており、その底面部には基板
Ｓとほぼ同一形状の測定用開口１ａが設けられている。
また、装置本体１の内部には、測定ヘッド２が配置さ
れ、この測定ヘッド２が、後で説明する一対のチャック
６１、６１により保持される基板Ｓ（被測定基板）の表
面とほぼ平行な水平面（ＸＹ平面）に２次元的に移動自
在に支持されている。すなわち、測定ヘッド２はＸ軸駆
動テーブル３１とＹ軸駆動テーブル３２からなるＸＹテ
ーブル３３に取り付けられており、後述するＸ軸コント
ローラ７８１（図５に示す）によってＸ軸駆動テーブル
３１に対して測定ヘッド２をＸ方向に位置決めするとと
もに、Ｙ軸コントローラ７８２（図５に示す）によって
Ｙ軸駆動テーブル３２に対してＸ軸駆動テーブル３１を
Ｙ方向に位置決めすることによって測定ヘッド２を２次
元的に位置決め可能となっている。

【００３７】そして、上記測定用開口１aの直下の測定
位置に配置された基板Ｓの任意の位置と後記キャリブレ
ーションチップ９（校正用部材）の上方とにわたって測
定ヘッド２が移動可能とされ、位置決めされた測定ヘッ
ド２から測定位置に配置された基板Ｓまたはキャリブレ
ーションチップ９に照明光が照射されるとともに、その
表面で反射した反射光が再度測定ヘッド２に入射し、そ
の反射光に基づく電気信号が測定ヘッド２から出力され
るように構成されている。

【００３８】なお、測定ヘッド２の光学的な構成につい
ては、後で膜厚測定ユニットＭＵ全体の電気的構成（制
御系）と併せて詳述する。

【００３９】この装置本体１には、測定用開口１ａを塞
ぐように、ガラス基板やアクリル樹脂板などの透明保護
部材４が取り付けられており、装置本体１の内部を略密
閉している。なお、測定ヘッド２から射出される照明光
および基板Ｓからの反射光については、透明保護部材４
を介して導光可能となっている。

【００４０】上記装置本体１の内底部には、チャック昇
降機構５１及びチャック開閉機構５２かなるチャック駆
動機構５が配設されている。

【００４１】上記チャック昇降機構５１は、測定用開口
１ａを挟むように一対配置されている。これらのチャッ
ク昇降機構５１、５１は、同図に示すように、装置本体
１の底面部に設けられた貫通孔１ｂを貫いて下方（−Ｚ
方向）に伸びる２本の連結アーム５１１、５１１をそれ
ぞれ有している。この連結アーム５１１、５１１の下端
部には、基板Ｓをセンタリング保持するためのチャック
６１が取り付けられている。また、各連結アーム５１
１、５１１の上端部は、後記回動アーム５２１の先端に
設けられた昇降駆動機構部５１２に連結されている。こ
の昇降駆動機構部５１２の内部には、図示を省略してい
るが、例えば上下方向に変位可能なモータ駆動のスライ
ド部材が備えられており、連結アーム５１１、５１１が
このスライド部材に連結されている。そして、このモー
タの作動に伴ってスライド部材、連結アーム５１１，５
１１およびチャック６１が一体的に昇降移動するように
なっている。

【００４２】上記チャック開閉機構５２は、２本の略Ｌ
字状の回動アーム５２１を有している。これらの回動ア
ーム５２１はその折曲部分で回動軸５２２を介して装置
本体１に対してそれぞれ回動自在（Ｚ軸回りに回動自
在）に支持され、各々の先端部分には、上記のようにチ
ャック昇降機構５１が１つずつ連結されている。

【００４３】一方、各回動アーム５２１の基端部（チャ
ック昇降機構５１が連結されていない側の端部）は、装
置本体１内に配設された回動駆動機構部５２３に連結さ
れている。この回動駆動機構部５２３は、詳しく図示し
ていないが、例えば、モータを駆動源として両回動アー
ム５２１を上記回動軸５２２回りに互いに反対方向に回
動させるように構成されている。すなわち、このように
各回動アーム５２１が回動することにより、チャック昇
降機構５１，５１が相反する方向にそれぞれ回動し、そ
の結果、各チャック昇降機構５１，５１の連結アーム５
１１に取り付けられたチャック６１，６１が図２や図３
の矢印α方向に開閉するように構成されている。

【００４４】上記チャック６１，６１は、基板Ｓを裏面
側（主面と反対側）から支持するためのチャックアーム
６１１を備えている。このチャックアーム６１１の上面
には、基板Ｓを支持するためのコンタクトピン６１４
と、基板センタリングのための位置決めピン６１６とが
突設されている。特に、基板Ｓを支持するコンタクトピ
ン６１４は、チャックアーム６１１に対して軸方向（Ｚ
軸方向）に弾性的に変位可能に設けられている。すなわ
ち、基板搬送ロボットＲＢのハンドＨＤからチャック６
１、６１に基板Ｓが搬送されてくると、コンタクトピン
６１４の先端部で基板Ｓの裏面を支持し、上記チャック
昇降機構５１によってチャック６１、６１が上昇される
と、コンタクトピン６１４により基板Ｓを弾性的に透明
保護部材４に押し付けるように構成されている。また、
チャック６１，６１が互いに離間した受け渡し可能状な
態にあるときには、位置決めピン６１６が基板Ｓの外周
縁から離れ、チャック開閉機構５２によってチャック６
１、６１が互いに接近したクランプ状態とされると、位
置決めピン６１６が基板Ｓの外周縁と当接して基板Ｓの
センタリングを行うようになっている。

【００４５】また、上記装置本体１の底板部には、本発
明に係る校正用部材であるキャリブレーションチップ９
（以下、チップ９と略す）が配設されている。

【００４６】このチップ９は、後述する各種校正データ
等を求めるための種々の情報（装置の校正に必要な校正
情報）を示すためのチップで、上記貫通孔１ｂの側方で
あって、測定ヘッド２により照明光を照射しつつチップ
９表面で反射した反射光を測定ヘッド２により受光でき
る箇所に配設されている。

【００４７】チップ９について具体的に説明すると、チ
ップ９は、基板Ｓと同じ材料から形成された矩形のチッ
プで、その表面には、図４に示すように、大小５つのチ
ャート部９１〜９５と、一定膜厚の薄膜が方形状の領域
に形成された薄膜部９６，９７と、チップ９の素地その
ものからなるベア部９８とが設けられている。

【００４８】チャート部９１〜９５には、正方形の外枠
の内側に正方形のドットを立横に整列させた図形のテス
トチャートが形成されており、当実施の形態では、基板
Ｓに形成される薄膜と同質のシリコン酸化膜によりこれ
らテストチャートが形成されている。なお、チャート部
９１〜９５のうち最小のチャート部９５は、上記測定ヘ
ッド２の移動原点に設けられており、測定ヘッド２はこ
の位置を基準にして移動時の位置が制御されるようにな
っている。

【００４９】また、薄膜部９６，９７の薄膜も、同様
に、基板Ｓに形成される薄膜と同質のシリコン酸化膜か
らなり、膜厚５００nmのシリコン酸化膜が形成されてい
る。なお、チャート部９１〜９５や薄膜部９６，９７
は、必ずしも基板Ｓに形成される薄膜と同質でなくても
よいが、後述する校正の信頼性の上では、既知の薄膜
（膜質、膜構造、膜厚値等が既知の膜）、例えば上記シ
リコン酸化膜等の膜の光学定数が安定している膜で、干
渉波形による山谷を特定波長域内で２つ以上有する膜厚
値が望ましい。

【００５０】そして、後述する装置校正等の際には、上
記測定ヘッド２がこのチップ上方に配置され、上記チャ
ート部９１〜９５、薄膜部９６，９７あるいはベア部９
８に対して選択的に照明光を照射しながらその反射光を
測定ヘッド２により受光するようになっている。

【００５１】次に、上記のように構成された測定ヘッド
２の光学的構成、および膜厚測定ユニットＭＵの電気的
構成（制御系）について図５を参照しつつ説明する。

【００５２】この測定ヘッド２は照明光学系２１を有し
ている。この照明光学系２１では、ハロゲンランプ２１
１から射出された光Ｌ１は、レンズ２１２、全反射ミラ
ー２１３、視野絞り２１４、ハーフミラー２１５および
レンズ２１６を介して結像光学系２２に入射する。この
際、光Ｌ１は、視野絞り２１４を経た後、レンズ２１６
を介して平行光に変換されてから結像光学系２２に入射
する。なお、視野絞り２１４には、後述するように投影
用パターンが設けられており、このパターンに基づき測
定ヘッド２の焦点合わせ（フォーカス）が行われる。な
お、このフォーカス機構については後に詳述する。

【００５３】結像光学系２２は、対物レンズ２２１と、
ビームスプリッタ２２２と、チューブレンズ２２３とか
らなり、照明光学系２１からの照明光（白色光）がビー
ムスプリッタ２２２によって反射され、対物レンズ２２
１を介して所定の照明位置に照射される。

【００５４】照明光は照明位置に配設された基板Ｓの微
小領域で反射し、対物レンズ２２１、ビームスプリッタ
２２２およびチューブレンズ２２３を介して光軸上の所
定位置に集光される。この集光位置には、中心部にピン
ホール２３１を有するプレート２３２が配置されてお
り、反射光のうちピンホール２３１を通過した光のみを
分光光学系２４に入射させる。

【００５５】この分光光学系２４は、反射光を分光する
凹面回折格子２４１と、凹面回折格子２４１により回折
された回折光の分光光強度（光量）を検出するラインセ
ンサ２４２とで構成されている。ラインセンサ２４２
は、例えばフォトダイオードアレイやＣＣＤなどにより
構成されており、ピンホール２３１と共役な関係に配置
されている。このため、分光光学系２４に取り込まれた
光は凹面回折格子２４１により分光され、その光の分光
光強度に対応した信号がラインセンサ２４２から膜厚測
定ユニットＭＵの全体を制御する制御系７に与えられ
る。

【００５６】なお、チューブレンズ２２３とプレート２
３２との間の光軸上には、撮像光学系２５が配設されて
いる。撮像光学系２５は、反射光の一部を取り出すプリ
ズム２５１を有し、これにより取り出した光を、レンズ
２５２を介して所定位置に配設された撮像素子２５３に
集光させるように構成されている。これにより基板Ｓ表
面の一部領域（膜厚測定領域）の像に対応した画像信号
が制御系７に与えられるようになっている。

【００５７】また、上記照明光学系２１及び結像光学系
２２には、膜厚測定の際に基板Ｓに対して測定ヘッド２
（正確には分光光学系２４）の焦点を自動的に合わせる
（オートフォーカス）機構が組み込まれている。具体的
には、上記視野絞り２１４に、例えばテストパターンを
印刷したガラス板等の透明基板が取付けられ（以下、特
に区別する場合を除き、視野絞り２１４および透明基板
を投影用部材という）、これが透明保護部材４の表面に
対して共役の関係で配置されている。また、上記透明保
護部材４の表面に対して分光光学系２４のピンホール２
３１および上記撮像素子２５３がそれぞれ共役の関係に
配置され、さらに、後述するレンズ昇降機構により対物
レンズ２２１が透明保護部材４に対して上下動（Ｚ方向
に接離）可能に設けられている。なお、対物レンズ２２
１は、同図に示すように透明保護部材４と結像光学系２
２との間の平行光の光路上でのみ上下動可能とされてい
る。

【００５８】すなわち、ハロゲンランプ２１１の光Ｌ１
が照射されると透明基板に印刷されたテストパターンが
基板Ｓに投影され、この投影テストパターン（以下、投
影パターンという）に対応した画像信号が撮像素子２５
３から出力されることにより制御部７１において投影パ
ターンが認識される。そして、投影パターンが最も鮮明
に認識されるように後記フォーカスコントローラ７９に
より対物レンズ２２１の位置が調整される。このように
対物レンズ２２１の位置が調整されると、上述のように
投影用部材、撮像素子２５３およびピンホール２３１が
それぞれ透明保護部材４の表面に対して共役の関係にあ
ることによって、基板Ｓに対して分光光学系２４の焦点
が合うこととなる。これにより何らパターンが形成され
ていない基板Ｓに対して測定ヘッド２の焦点を合わせる
ことができるようになっている。

【００５９】なお、対物レンズ２２１を上下動させるレ
ンズ昇降機構は、例えば、図６に模式的に示すように、
測定ヘッド内の光学フレーム２６１にガイド２６２が固
定され、このガイド２６２に対物レンズ２２１が上下動
可能に取付けられている。そして、対物レンズ２２１に
フランジ部材２６４が取付けられ、対物レンズ２２１が
このフランジ部材２６４を介してが偏心カム２６３上に
支持されるとともに、この偏心カム２６３がモータ２６
５により回転駆動されるように構成されている。つま
り、モータ２６５の作動により偏心カム２６３が正転駆
動されると、偏心カム２６３に押し上げられて対物レン
ズ２２１が上昇し、偏心カム２６３が反転駆動されると
対物レンズ２２１が自重で下降するようになっている。

【００６０】制御系７は、図５に示すように、論理演算
を実行する周知のＣＰＵ７１１と、そのＣＰＵ７１１を
制御する種々のプログラムなどを予め記憶するＲＯＭ７
１２と、装置動作中に種々のデータを一時的に記憶する
ＲＡＭ７１３とを備えた制御部７１（制御手段）を備え
ている。また、この制御部７１は、Ｉ／Ｏ部７２を介し
て以下の構成要素、・操作部７３、・モニタ７４、・データ処理部７５：ラインセンサ２４２からの信号に
対して所定の処理を施す、・画像処理部７６：撮像素子２５３からの画像信号に対
して所定の処理を施す、・点灯回路７７：ハロゲンランプ２１１を点灯／消灯制
御する、・Ｘ軸コントローラ７８１：Ｘ軸駆動テーブル３１に対
して測定ヘッド２をＸ方向に位置決めする、・Ｙ軸コントローラ７８２：Ｙ軸駆動テーブル３２に対
してＸ軸駆動テーブル３１をＹ方向に位置決めする、・フォーカスコントローラ７９：レンズ昇降機構のモー
ター２６５を制御して対物レンズ２２１をＺ方向に位置
決めする、・チャックコントローラ８０：チャック昇降機構５１の
昇降駆動用モータ、および回動駆動機構部５２３の開閉
駆動用モータを制御する、と電気的に接続されている。

【００６１】次に、以上のように構成された膜厚測定ユ
ニットＭＵの動作制御について説明する。まず、具体的
な膜厚測定の動作制御について説明する前に、この膜厚
測定ユニットＭＵにおいて行う準備処理の動作制御につ
いて説明する。すなわち、上記膜厚測定ユニットＭＵで
は、装置の組み立ておよび光軸調整等を行った後、最初
の測定を行う前に、準備処理として原点位置の初期設
定、フォーカス位置誤差の検出、カメラ角度誤差の検
出、カメラ倍率誤差の検出、照明光の基準光量の検出、
基準分光特性（プロファイル）の検出を行う。具体的に
は以下のような設定および検出を行う。原点位置の初期設定この初期設定は、測定ヘッド２の移動原点を上記チップ
９のチャート部９５に設定するものである。

【００６２】設定は、まず、ハロゲンランプ２１１を点
灯させてチップ９のチャート部９５の上方に測定ヘッド
２を移動させ、測定ヘッド２の光軸がチャート部９５の
中心と一致するように測定ヘッド２の位置を調整する。
調整は、例えば、撮像素子２５３からの画像信号に基づ
いてモニタ７４に表示されるチャート部９５の画像をオ
ペレータが見ながらマニュアル操作で行う。

【００６３】そして、チャート部９５の中心と測定ヘッ
ド２の光軸とが一致する位置に測定ヘッド２を位置決め
したときの座標位置、すなわちＸＹテーブル３３の各駆
動テーブル３１、３２の駆動源であるモータに組込まれ
たエンコーダー（図示せず）からの出力値を原点位置デ
ータとして記憶する。フォーカス位置誤差の検出この検出は、視野絞り２１４の取付け誤差等に起因した
フォーカス位置のズレ、すなわちフォーカス時の対物レ
ンズ２２１の位置誤差を検出するものである。

【００６４】この膜厚測定ユニットＭＵでは、上述した
ように視野絞り２１４に設けた透明基板のテストパター
ンを基板Ｓの表面に投影し、この投影パターンによる撮
像素子２５３による撮像に基づいてフォーカスを行うこ
とにより、現実には何らパターンが形成されていない基
板Ｓの表面に対して自動的に測定ヘッド２のフォーカス
を行うように構成されているが、投影用部材の組付け誤
差等に起因してフォーカスが良好に行われない場合があ
る。

【００６５】すなわち、この構成では、図７に示すよう
に、撮像用部材が設計上の適正な位置Ｐ₀にあれば、基
板Ｓに投影されるテストパターンに基づいて撮像素子２
５３に焦点が合うように、つまり鮮明なパターン像が得
られるように対物レンズ２２１の位置を調節（Ｚ方向に
位置決め）すれば、透明保護部材４の表面に対して視野
絞り２１４、分光光学系２４（ピンホール２３１）およ
び上記撮像素子２５３がそれぞれ共役の関係に配置され
ているため自ずと分光光学系２４に焦点が合い、対物レ
ンズ２２１と基板Ｓとが所定のギャップｇを隔てて配置
されることとなる。

【００６６】しかし、組付け誤差等により投影用部材が
適正な位置Ｐ₀位置からズレていると、例えば、視野絞
り２１４がハーフミラー２１５側の位置Ｐ₁にズレてい
ると、フォーカス時に対物レンズ２２１が基板Ｓから離
間する方向に調節され（位置Ｐ₁′）、逆に、視野絞り
２１４が光源側の位置Ｐ₂にズレていると、フォーカス
時に対物レンズ２２１が基板Ｓに接近する方向に調節さ
れ（位置Ｐ₂′）、その結果、いずれの場合も上記ギャ
ップｇが確保されないこととなる。そして、この場合に
は、撮像素子２５３に焦点が合っているものの、分光光
学系２４については焦点がズレているという事態が発生
する。従って、このようなフォーカス位置のずれ、つま
り投影パターンに基づくフォーカス位置と、真のフォー
カス位置との誤差を予め調べておく。

【００６７】誤差の検出は、まず、ハロゲンランプ２１
１を点灯させてチップ９のベア部９８（被投影部材）の
上方に測定ヘッド２を移動させ、ベア部９８にテストパ
ターンを投影する。そして、撮像素子２５３からの画像
信号に基づき、この投影パターンに基づいてフォーカス
を行い、この時の対物レンズ２２１の位置をフォーカス
位置として記憶する。なお、対物レンズ２２１の位置
は、例えばレンズ昇降機構の上記モータ２６５に組込ま
れたエンコーダーからの出力値を記憶しておく。次い
で、測定ヘッド２を例えばチャート部９１（チャート部
材）上に移動させ、このチャート部９１のテストチャー
トに照明光を照射する。そして、撮像素子２５３からの
画像信号に基づき、このテストチャート像に基づいてフ
ォーカスを行い、この時のフォーカス位置を記憶する。
そして、両フォーカス位置の差を求め、これをフォーカ
ス位置の補正係数Ｆｏ（校正データ）として記憶する。カメラ角度誤差の検出この検出は、取付け誤差等に起因した、撮像素子２５３
の基準角度（光軸回りの傾き角度）に対する誤差を検出
するものである。

【００６８】すなわち、撮像素子２５３は、測定ヘッド
２に対する撮像素子２５３の組付け誤差、あるいはＸＹ
テーブル３３に対する測定ヘッド２の組付け誤差により
基準角度からズレている場合があり、このような場合に
は、方向性が誤って認識されて測定位置に誤差が生じる
等の原因となる。そのため、このような撮像素子２５３
の傾き角度誤差を予め調べておく。

【００６９】誤差の検出は、ハロゲンランプ２１１を点
灯させてチップ９のチャート部９１の上方に測定ヘッド
２を移動させ、撮像素子２５３からの画像信号に基づい
てテストチャートの外枠の一辺（直線成分）を認識し、
その一辺の傾き角度を求めてその適正値（すななわ、理
論上（設計上）の角度）との差を求める。そして、この
差をカメラ角度の補正係数Ａｎ（校正データ）として記
憶する。カメラ倍率誤差の検出この検出では、設定倍率と実際の倍率との誤差を求め
る。すなわち、カメラ倍率は、機械的誤差等に起因して
微妙に誤差を有しており、このような倍率誤差を有して
いる場合には、例えば測定位置がズレて測定精度に影響
がでることが考えられる。そのため、そのようなカメラ
倍率の誤差を予め調べておく。

【００７０】誤差の検出は、ハロゲンランプ２１１を点
灯させてチップ９のチャート部９１の上方に測定ヘッド
２を移動させ、撮像素子２５３からの画像信号に基づい
てテストチャートを認識し、その特定箇所の寸法を画像
上で測定するとともに、測定値とその適正値（すなな
わ、理論上（設計上）の寸法）との差を求める。そし
て、この差をカメラ倍率の補正係数Ｚｏ（校正データ）
として記憶する。照明光の基準光量の検出この検出は、上記ハロゲンランプ２１１の適正光量、す
なわち光量変動等を検知する上での基準値を検出するも
のである。

【００７１】検出は、ハロゲンランプ２１１を点灯させ
てチップ９のベア部９８の上方に測定ヘッド２を移動さ
せ、ハロゲンランプ２１１の発光量が安定したところ
で、ベア部９８で反射して上記分光光学系２４において
分光されたスペクトルの各波長の光量を測定し、これを
光量データとして記憶する。基準分光特性(プロファイル)の検出この検出は、分光光学系２４でのラインセンサ２４２の
各画素と分光によるスペクトルの各波長との対応付けを
行うとともに、膜厚測定に用いる分光特性の基準値（プ
ロファイル）を検出するものである。

【００７２】すなわち、この膜厚測定ユニットＭＵで
は、後述するように基板Ｓに照明光を照射してその反射
光を分光光学系２４において分光し、分光されたスペク
トルを波長毎に対応付けられたラインセンサ２４２の各
画素に入射させることにより、各画素から出力される電
気信号に基づいて分光特性を実測し、これの実測分光特
性とその基準値である基準分光特性とを比較して膜厚を
測定する。そのため、基準分光特性の検出では、ライン
センサ２４２の各画素と分光によるスペクトルの波長と
の対応付けを行うとともに、膜厚測定において用いる分
光特性の上記基準値（プロファイル）の検出を行う。

【００７３】この検出では、まず、公知の輝線スペクト
ルを有する低圧水銀ランプを照明位置にセットし、この
低圧水銀ランプの光を結像光学系２２を介して分光光学
系２４に導光し、ラインセンサ２４２の各画素のうち特
定波長のスペクトルが入射する画素を基準として、ライ
ンセンサ２４２の各画素と分光によるスペクトルの波長
とを対応付ける。

【００７４】そして、低圧水銀ランプを取外した後、測
定ヘッド２をチップ９の薄膜部９６又は９７の上方に移
動させてハロゲンランプ２１１を点灯させ、ハロゲンラ
ンプ２１１の発光量が安定したところで、ラインセンサ
２４２の各画素から出力される電気信号に基づいて、薄
膜部９６又は９７で反射した反射光の分光特性をプロフ
ァイルＰｒ１（図８の実線に示す）として記憶してお
く。

【００７５】次に、膜厚測定ユニットＭＵの動作制御に
ついて図９のフローチャートを参照しつつ説明する。

【００７６】この動作制御では、ユニットＭＵの起動と
同時に所定の初期設定を行った後、まず、ステップＳ１
で、装置校正モード（装置校正動作）に入るか否か、す
なわち各種の装置校正を行うための予備動作（上記補正
係数Ｆｏ等の各種補正係数を更新するための動作、ある
いは後記波長校正に必要な校正データを求める（又は更
新する）ための動作）を行うか否かを判断する。ここで
装置校正モードに入らないと判断した場合には、ステッ
プＳ２に移行して通常の膜厚測定動作を実行し、その
後、ステップＳ１にリターンする。

【００７７】ステップＳ１で、装置校正モードに入ると
判断した場合には、ステップＳ３に移行し、ここで原点
位置校正の実行条件が成立したか否かを判断する。ここ
で、原点位置校正の実行条件が成立したと判断した場合
には、ステップＳ４に移行し、原点位置校正のための動
作を実行する。

【００７８】ステップＳ３で、原点位置校正の実行条件
が成立していないと判断した場合には、ステップＳ５に
移行し、フォーカス位置校正の実行条件が成立したか否
かを判断する。ここで、フォーカス位置校正の実行条件
が成立していると判断した場合には、ステップＳ６に移
行し、フォーカス位置校正のための予備動作を実行す
る。

【００７９】ステップＳ５で、フォーカス位置校正の実
行条件が成立していないと判断した場合には、ステップ
Ｓ７に移行し、カメラ角度校正の実行条件が成立したか
否かを判断する。ここで、カメラ角度校正の実行条件が
成立していると判断した場合には、ステップＳ８に移行
し、カメラ角度校正のための予備動作を実行する。

【００８０】ステップＳ７で、カメラ角度校正の実行条
件が成立していないと判断した場合には、ステップＳ９
に移行し、カメラ倍率校正の実行条件が成立したか否か
を判断する。ここで、カメラ倍率校正の実行条件が成立
していると判断した場合には、ステップＳ１０に移行
し、カメラ倍率校正のための予備動作を実行する。

【００８１】ステップＳ９で、カメラ倍率校正の実行条
件が成立していないと判断した場合には、ステップＳ１
１に移行し、波長校正の実行条件が成立したか否かを判
断する。ここで、波長校正の実行条件が成立していると
判断した場合には、ステップＳ１３に移行し、波長校正
のための予備動作を実行する。

【００８２】一方、ステップＳ１１において、波長校正
の実行条件が成立していないと判断した場合には、ステ
ップＳ１にリターンする。

【００８３】なお、上記ステップＳ１における校正モー
ドに入るか否かの判断、あるいはステップＳ３，Ｓ５，
Ｓ７，Ｓ９およびＳ１０における校正条件が成立したか
否かの判断は、例えば、操作部７３のオペレータによる
入力操作、あるいは制御部７１の内蔵タイマー（図示せ
ず）の計時結果等に基づいて行う。

【００８４】図１０は、図９のステップＳ２において実
行される膜厚測定の動作制御の一例を示すフローチャー
トである。

【００８５】膜厚測定動作では、まず、ハロゲンランプ
２１１を点灯させてから被測定試料、つまり基板Ｓを測
定位置にセットする（ステップＳ２１，Ｓ２２）。

【００８６】具体的には、上記チャック６１，６１を全
開状態に開いた後、所定の待機位置から下降させ、その
後、チャック６１，６１を全開状態から若干閉じた微小
隙間状態とする。こうして、基板搬送ロボットＲＢから
基板Ｓを受け取る準備が完了すると、基板搬送ロボット
ＲＢのハンドＨＤにより基板Ｓがチャック６１，６１の
直上位置に配置されるため、この状態で、チャック６
１，６１をハンドＨＤよりも若干高い位置まで上昇させ
る。これによって、基板ＳをハンドＨＤからチャック６
１，６１に移し替える。

【００８７】チャック６１，６１への基板Ｓの移し替え
が完了したら、チャック６１，６１を微小隙間状態から
さらにクランプ状態に閉じて基板Ｓをセンタリングし、
その後、チャック６１，６１を上昇させることにより、
基板Ｓの表面が透明保護部材４の裏面側に当接する測定
位置に基板Ｓを位置決めする。

【００８８】こうして基板Ｓを測定位置にセットした
ら、測定ヘッド２をチップ９のベア部９８の上方に移動
させ、ハロゲンランプ２１１による照明光をベア部９８
に照射する。これによりチップ９で反射した反射光を分
光光学系２４に導光して分光させつつラインセンサ２４
２の各画素に入射する各波長の光量を実測する（ステッ
プＳ２３，Ｓ２４）。そして、実測光量と上記準備処理
において検出した光量データとを比較し、その誤差を補
正係数Ｏｐ（校正データ）として記憶する（ステップＳ
２５，Ｓ２６）。

【００８９】次いで、測定ヘッド２を基板Ｓの測定ポイ
ント上方に移動させる。このとき、撮像光学系２５によ
って基板Ｓの表面の一部領域（膜厚測定領域）を撮像し
て得られる画像信号が画像処理部７６を介して制御系７
に与えられる。制御系７の制御部７１に与えられた上記
画像信号はＲＯＭ７１２に予め記憶された基板Ｓの表面
上のパターン（配線パターン等）に基づくデータと比較
される。この比較結果に基づいて測定ヘッド２は基板Ｓ
の測定ポイント上方に正確に位置決めされる。そして、
基板Ｓにハロゲンランプ２１１による照明光を照射させ
て測定ヘッド２のフォーカスを行う（ステップＳ２
７）。その後、基板Ｓの表面で反射した反射光を分光光
学系２４において分光しつつラインセンサ２４２の各画
素に入射させ、各画素から出力される電気信号に基づい
て各波長の光量（反射強度）を求めて分光特性を求め、
この実測分光特性と上記準備処理で求めたプロファイル
Ｐｒ１とを比較して基板Ｓに形成された薄膜の膜厚を求
める（ステップＳ２８，Ｓ２９）。この際、測定に先立
って求められた上記補正係数Ｏｐを加味して膜厚を求め
る。このようにハロゲンランプ２１１の光量に関する補
正係数Ｏｐを加味することによりハロゲンランプ２１１
の光量が経時的に変動している場合でも、ハロゲンラン
プ２１１の光量が校正され、照明光の光量変動による測
定結果への影響が軽減される。

【００９０】こうして薄膜の膜厚測定が完了したら、膜
厚測定を継続するか、すなわち基板Ｓの他のポイントに
おいて膜厚測定を行うか否かを判断し（ステップＳ３
０）、膜厚測定を継続すると判断した場合にはステップ
Ｓ２２にリターンし、一方、膜厚測定を継続しないと判
断した場合には、本フローチャートを終了する。

【００９１】図１１は、図９のステップＳ４での原点位
置校正のための予備動作制御を示すフローチャートであ
る。

【００９２】この動作では、まず、ハロゲンランプ２１
１を点灯させて、準備処理において求められた原点位置
データの座標位置、すなわちチップ９のチャート部９５
の上方に測定ヘッド２を配置してテストチャートに照明
光を照射する（ステップＳ４１，Ｓ４２）。そして、撮
像素子２５３からの画像信号に基づいてテストチャート
を認識するとともにその中心位置と測定ヘッド２の光軸
とのズレを求め、このズレを補正係数Ｐｏ（校正デー
タ）として記憶する（ステップＳ４３，Ｓ４４）。な
お、この場合、補正係数Ｐｏが既に求められている場合
には、新たに求められた補正係数Ｐｏを更新的に記憶す
る。

【００９３】図１２は、図９のステップＳ６でのフォー
カス位置校正のための予備動作制御を示すフローチャー
トである。

【００９４】この動作は、基本的には、準備処理でのフ
ォーカス位置誤差の検出と同じ動作を行わせる。すなわ
ち、まず、ハロゲンランプ２１１を点灯させてチップ９
のベア部９８の上方に測定ヘッド２を移動させ、ベア部
９８に投影用部材のテストパターンを投影する。そし
て、撮像素子２５３からの画像信号に基づき、この投影
パターンに基づいてフォーカスを行い、この時の対物レ
ンズ２２１の位置をフォーカス位置として記憶する（ス
テップＳ５１〜Ｓ５４）。

【００９５】次いで、測定ヘッド２をチップ９の例えば
チャート部９１上に移動させ、このチャート部９１のテ
ストチャートに照明光を照射する。そして、撮像素子２
５３からの画像信号に基づき、このテストチャート像に
基づいてフォーカスを合わせ、この時のフォーカス位置
を記憶する（ステップＳ５５〜Ｓ５７）。そして、両フ
ォーカス位置の差を求め、これを上記補正係数Ｆｏとし
て更新的に記憶する（ステップＳ５８，Ｓ５９）。

【００９６】図１３は、図９のステップＳ８でのカメラ
角度校正のための予備動作制御を示すフローチャートで
ある。

【００９７】この動作は、基本的には、準備処理でのカ
メラ角度誤差の検出と同じ動作を行わせる。すなわち、
まず、ハロゲンランプ２１１を点灯させてチップ９のチ
ャート部９１の上方に測定ヘッド２を移動させ、撮像素
子２５３からの画像信号に基づいて準備処理時に認識し
たテストチャートの外枠と同一の一辺（直線成分）を認
識し、その一辺の傾き角度を求めてその適正値との差を
求める（ステップＳ６１〜Ｓ６４）。そして、この差を
カメラ角度の上記補正係数Ａｎとして更新的に記憶す
る。

【００９８】図１４は、図９のステップＳ１０でのカメ
ラ倍率校正のための予備動作制御を示すフローチャート
である。

【００９９】この動作は、基本的には、準備処理でのカ
メラ角度誤差の検出と同じ動作を行わせる。すなわち、
まず、ハロゲンランプ２１１を点灯させてチップ９のチ
ャート部９１の上方に測定ヘッド２を移動させ、撮像素
子２５３からの画像信号に基づいてテストチャートを認
識し、その特定箇所の寸法を画像上で測定するととも
に、測定値とその適正値との差を求める（ステップＳ７
１〜Ｓ７４）。そして、この差をカメラ倍率の上記補正
係数Ｚｏとして更新的に記憶する（ステップＳ７５）。

【０１００】図１５は、図９のステップＳ１２での波長
校正のための予備動作制御を示すフローチャートであ
る。

【０１０１】この動作では、まず、ハロゲンランプ２１
１を点灯させ、測定ヘッド２をチップ９の薄膜部９６又
は９７（初期設定時と同じ薄膜部)の上方に移動させて
焦点を合わせる（ステップＳ８１，Ｓ８２）。次いで、
発光量が安定したところで、ラインセンサ２４２の各画
素から出力される電気信号に基づいて、薄膜部９６（又
は９７）で反射した反射光の分光特性を実測し、これを
プロファイルＰｒ２（例えば図８の二点鎖線に示す）と
して記憶し、準備処理で求められて予め記憶されている
プロファイルＰｒ１とこのプロファイルＰｒ２との波長
のズレＯｓ（図８参照）、つまり撮像素子２５３の各画
素と対応付けられたスペクトルの波長とのズレを求め、
これを補正係数λｓ（校正データ）として記憶する（ス
テップＳ８３〜Ｓ８５）。なお、この場合、補正係数λ
sが既に求められている場合には、新たに求められた補
正係数λsを更新的に記憶する。

【０１０２】以上のように校正された膜厚測定ユニット
ＭＵの動作をまとめると、以下の通りである。

【０１０３】すなわち、基板Ｓの膜厚を求める膜厚測定
動作の際には、まず、測定ヘッド２がチップ９（ベア部
９８）上に移動し、照明光の光量測定を行い、照明光に
関する上記補正係数Ｏｐを求める。次いで、測定ヘッド
２が基板Ｓの上方に移動し、基板Ｓで反射した反射光に
基づいて膜厚測定を行う。

【０１０４】そして、膜厚測定に際しては、照明光に関
する上記補正係数Ｏｐが加味され、さらに、波長に関す
る補正係数λｓが求められている場合には、その補正係
数λｓが加味される。これにより、ハロゲンランプ２１
１の光量が経時的に変動している場合でも、ハロゲンラ
ンプ２１１の光量が校正され、照明光の光量変動による
測定結果への影響が軽減される。また、何らかの原因で
撮像素子２５３の各画素と分光によるスペクトルの波長
との対応付けが変化したとしても、補正係数λｓが加味
されることにより各画素と波長との対応関係が校正さ
れ、そのような対応関係の変化による膜厚測定への影響
が軽減されることとなる。

【０１０５】また、測定ヘッド２の動作制御において
は、準備段階で求められたカメラ角度に関する補正係数
Ａｎ、カメラ倍率に関する補正係数Ｚｏおよびフォーカ
ス位置に関する補正係数Ｆｏが加味される。これにより
撮像素子２５３の取付け角度に誤差がある場合や撮像倍
率に誤差がある場合でもこれらの角度や倍率が校正さ
れ、このような撮像素子２５３の角度誤差や撮像倍率誤
差による膜厚測定精度への影響が軽減される。また、投
影用部材の位置に組付け誤差があるような場合でも、膜
厚測定時のフォーカス位置が校正され、これによりいわ
ゆるピンボケによる膜厚測定精度への影響が軽減され
る。

【０１０６】さらに、測定ヘッド２の原点位置に関する
補正係数Ｏｐが求められている場合には、この補正係数
Ｏｐを加味して測定ヘッド２の移動制御が行われる。こ
れにより、例えば準備処理後に測定ヘッド２の交換等、
メンテナンスが行われた場合でも、測定ヘッド２の原点
位置が校正され、測定ポイントへの測定ヘッド２の移動
が正確に行われることとなる。

【０１０７】そして、装置校正の所定の実行条件が成立
すると、例えば膜厚測定の合間に、測定ヘッド２がチッ
プ９上に移動し、チャート部９１等に照明光を照射しつ
つその反射光に基づいて原点位置に関する補正係数Ｏ
ｐ、カメラ角度に関する補正係数Ａｎ、カメラ倍率に関
する補正係数Ｚｏ、フォーカス位置に関する補正係数Ｆ
ｏおよび波長に関する補正係数λsを新たに求め、これ
を更新的に記憶する。

【０１０８】これにより次回以降の膜厚測定の際には、
測定ヘッド２の動作制御および膜厚測定について更新後
の補正係数（校正データ）が加味される。

【０１０９】このように上記の膜厚測定ユニットＭＵに
よれば、チャート部９１〜９５、薄膜部９６，９７およ
びベア部９８を備えたチップ９を測定ヘッド２の可動範
囲内であって、膜厚測定の測定位置以下の箇所である測
定用開口１ａの側方に配置し、必要に応じて測定ヘッド
２をこのチップ９上方に移動させて照明光を照射し、チ
ップ９で反射光した反射光を調べることにより上述のよ
うな各種校正に必要な補正係数（校正データ）を求めて
装置校正を行うようにしているため、従来のこの種の膜
厚測定ユニット（膜厚測定装置）に比べて上記のような
各種校正を簡単に、効率よく行うことができる。

【０１１０】すなわち、照明光の光量校正を行う場合に
は、従来、被測定基板と同一の基板であって薄膜を形成
していない校正用基板（ベアウエハ）を装置にセット
し、これに測定ヘッド２の照明光を照射してその反射光
を調べることによって、光量校正を行うための校正デー
タを求める必要があった。また、同様に、原点位置校
正、カメラ角度校正およびカメラ倍率校正については所
定のテストチャートを表示した校正用基板を、また、波
長校正に関しては所定膜厚の薄膜を形成した校正用基板
をそれぞれ装置にセットする必要があった。さらに、フ
ォーカス位置校正について、上記の通り投影パターンに
よる焦点合わせとテストチャートによる焦点合わせとを
行う必要がある場合には、従来では、まず、ベアウエハ
を装置にセットし、これにテストパターンを投影してフ
ォーカスを行った後、ベアウエハを、テストチャートを
表示した基板に載せ替え、このテストチャートに基づい
てフォーカスを行う必要があった。つまり、照明光の光
量校正をはじめとし、上記実施の形態で行われるような
各種校正を行うには、常に専用の校正用基板を装置にセ
ットする必要があった。

【０１１１】これに対し、上記実施の形態の膜厚測定ユ
ニットＭＵによれば、そのような校正用基板の装置への
セットや載せ替えは一切必要なく、測定ヘッド２をチッ
プ９上に移動させるだけで校正データ（上記補正係数Ｆ
ｏ等）を求めることができる。従って、校正用基板をセ
ットする必要がない分、簡単に、効率良く各種校正を行
うことができる。

【０１１２】また、上記の膜厚測定ユニットＭＵによれ
ば、各種校正を実施するに際し、上述のように測定ヘッ
ド２をチップ９上に移動させるだけで校正データを求め
ることができるため、測定の合間を利用して各種校正デ
ータを速やかに求めることができる。その上、このよう
に測定の合間を利用できることにより、各種校正の頻度
を高めることができる。従って、従来のこの種の装置に
比べると、膜厚測定の中断を回避してスループット（単
位時間当たりの処理可能枚数）を向上させることができ
るばかりか、各種校正の頻度を高めることにより膜厚測
定の精度を向上させることもできる。

【０１１３】また、各種の校正は膜厚測定ユニットＭＵ
のみで行い、別体の校正用基板（治具）を必要としない
ので、各種校正を必要な時に速やかに行うことができ
る。そのため、緊急時にも迅速に対応することができ
る。また、別体の校正用基板を管理、保管する負担が軽
減されるという特徴もある。

【０１１４】なお、以上説明した膜厚測定ユニットＭＵ
は、本発明に係る膜厚測定装置の一の実施の形態であっ
てその具体的な構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で適宜変更可能である。

【０１１５】例えば、上記膜厚測定ユニットＭＵでは、
ＸＹテーブル３３に測定ヘッド２を装着し、位置決めさ
れた基板Ｓの上方で測定ヘッド２を移動させるタイプの
装置に本発明を適用しているが、逆に、測定ヘッド２を
固定的に配置し、その下方で基板Ｓを移動可能に保持す
るタイプの装置に本発明を適用してもよい。この場合に
は、例えば、基板Ｓを保持するステージの側方にチップ
９を設け、このステージの移動に応じて測定ヘッド２の
光軸上に基板Ｓとチップ９とを選択的に配置できるよう
に構成すればよい。また、本発明は、膜厚測定ユニット
ＭＵが処理ユニット（薄膜形成ユニットＴＵ₁，ＴＵ₂）
から完全に独立して単一の装置を構成するいわゆるスタ
ンドアローンタイプの膜厚測定装置に適用することもで
きる。また、上記膜厚測定ユニットＭＵでは、１つのチ
ップ９の表面に各種校正のうち校正項目の異なる校正に
用いる複数の部分、すなわちチャート部９１〜９５、薄
膜部９６，９７およびベア部９８を設けることにより、
これらチャート部９１〜９５等を一箇所に集結配置して
いるが、例えば、スペース的に余裕がない場合等には、
チャート部９１〜９５、薄膜部９６，９７ｂおよびベア
部９８を設けた別個独立のチップを設け、これらを分散
配置するようにしてもよい。

【０１１６】なお、上記実施の形態のチップ９は、被測
定基板であるシリコン基板によってベースを形成し、チ
ャート部９１〜９５や薄膜部９６，９７にシリコン酸化
膜からなるテストチャートや薄膜を設けるようにしてい
るが、ベースの材質や、これに形成されるテストチャー
トおよび薄膜の材質は、必ずしも被測定基板Ｓと同一で
ある必要はなく、チップ９の具体的な構成は、撮像素子
２５３によるテストチャートの撮像等を適切に行うこと
ができ、これにより校正を適切に行い得るものであれば
如何なる構成であってもよい。例えば、可能な場合に
は、アルミ板の表面にチャート部９１〜９５や薄膜部９
６，９７を形成するようにしてもよい。但し、上記実施
の形態のチップ９のように、被測定基板と同一の材料か
らチップ９を形成すれば、校正に際しての信頼性の向上
が期待できる。なお、上記実施の形態のチップ９では、
チャート部９１〜９５および薄膜部９６，９７を同質の
薄膜から形成しているが、このようなチップ９によれ
ば、例えば、ベース表面全体に所定膜厚の膜厚を形成
し、チャート部９１〜９５のテストチャートおよび薄膜
部９６，９７の部分をマスキングしてからそれ以外の部
分をエッチングすることによりチャート部９１〜９５、
薄膜部９６，９７およびベア部９８を一度に形成するこ
とがきる。そのため、チップ９の製作性がよいという利
点がある。

【０１１７】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る膜厚測定装
置の校正方法によれば、装置校正に必要な校正情報を示
す校正用部材を装置自体に設け、校正必要時には、この
校正用部材に対して照明手段による照明光を照射してそ
の反射光を上記検出手段で受光することにより、この反
射光に基づいて装置の校正に必要な校正データを得るよ
うにしているため、装置の校正に際して校正専用の基板
（校正用基板）を装置にセットする必要がある従来の校
正方法に比べると、そのような校正用基板をセットする
必要がない分、簡単に、効率良く装置の校正を行うこと
ができるという効果がある。

【０１１８】また、測定の合間を利用して校正を行うこ
とができるので、膜厚測定の中断を有効に回避すること
ができ、これによりスループットを向上させることがで
きる。その上、このように測定の合間を利用できること
により、校正の頻度を高めることが可能となり、これに
より測定精度を向上させることができるという効果もあ
る。

【０１１９】さらに、装置と別体の校正用基板が不要と
なるため、そのような校正用基板を管理、保管する負担
が軽減されるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる膜厚測定装置を備えた基板処
理システムの一実施形態を示す概略平面図である。

【図２】この発明にかかる膜厚測定装置である膜厚測定
ユニットの全体構成を示す斜視図である。

【図３】膜厚測定ユニットにおける装置本体の一部を切
り欠いた部分切欠斜視図である。

【図４】キャリブレーションチップを示す平面略図であ
る。

【図５】測定ヘッドの光学的構成および膜厚測定ユニッ
トの電気的構成（制御系）を示す模式図である。

【図６】対物レンズを移動させるレンズ昇降機構の一例
を示す模式図である。

【図７】フォーカス位置校正を説明する上記測定ヘッド
の光学的構成を示す模式図である。

【図８】分光特性を示す図である。

【図９】膜厚測定ユニットの動作制御を示すフローチャ
ートである。

【図１０】膜厚測定の動作制御を示すフローチャートで
ある。

【図１１】測定ヘッドの原点位置校正のための予備動作
制御（図１０のステップＳ４）を示すフローチャートで
ある。

【図１２】測定ヘッドのフォーカス位置校正のための予
備動作制御（図１０のステップＳ６）を示すフローチャ
ートである。

【図１３】カメラ角度校正のための予備動作制御（図１
０のステップＳ８）を示すフローチャートである。

【図１４】カメラ倍率校正のための予備動作制御（図１
０のステップＳ１０）を示すフローチャートである。

【図１５】波長校正のための予備動作制御（図１０のス
テップＳ１２）を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１…装置本体１ａ…測定用開口２…測定ヘッド４…透明保護部材７…制御系９…キャリブレーションチップ２１…照明光学系２２…結像光学系２４…分光光学系３１…Ｙ軸駆動テーブル３２…Ｘ軸駆動テーブル３３…ＸＹテーブル（移動手段）６１…チャック７１…制御部７８１…Ｘ軸コントローラ７８２…Ｙ軸コントローラＭＵ…膜厚測定ユニット（膜厚測定装置）ＲＢ…基板搬送ロボットＳ…基板ＴＵ₁，ＴＵ₂…薄膜形成ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者玉田厚京都市上京区堀川通寺之内上る４丁目天神北町１番地の１大日本スクリーン製造株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA30 BB03 CC19 CC31 DD06 EE00 FF04 FF41 FF44 FF61 GG02 HH04 HH13 JJ01 JJ02 JJ03 JJ09 JJ25 JJ26 LL10 LL12 LL30 LL42 LL46 LL67 MM03 PP12 QQ00 QQ31 RR07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定位置にセットされ、その表面に薄膜
が形成された被測定基板に照明光を照射する照明手段
と、被測定基板で反射した反射光を検出する検出手段と
を有し、検出手段による検出結果に基づいて前記薄膜の
膜厚を測定する膜厚測定装置の校正方法であって、前記測定位置以外の場所に配置され、前記膜厚測定装置
の校正に必要な校正情報を示す校正用部材に上記照明手
段による照明光を照射して校正用部材で反射した反射光
を検出手段により検出し、この検出結果に基づいて装置
の校正に必要な校正データを求めることを特徴とする膜
厚測定装置の校正方法。
【請求項２】測定位置にセットされ、その表面に薄膜
が形成された被測定基板に照明光を照射する照明手段
と、被測定基板で反射した反射光を検出する検出手段
と、被測定基板を撮像する撮像手段とを有し、検出手段
による検出結果に基づいて前記薄膜の膜厚を測定する膜
厚測定装置の校正方法であって、前記測定位置以外の場所に配置され、所定のテストチャ
ートを有する校正用部材を撮像手段により撮像して得ら
れた画像データに基づいて装置の校正に必要な校正デー
タを求めることを特徴とする膜厚測定装置の校正方法。
【請求項３】測定位置にセットされ、その表面に薄膜
が形成された被測定基板に照明光を照射する照明手段
と、被測定基板で反射した反射光を検出する検出手段と
を有し、検出手段による検出結果に基づいて前記薄膜の
膜厚を測定する膜厚測定装置であって、前記測定位置以外の場所に配置され、前記膜厚測定装置
の校正に必要な校正情報を示す校正用部材と、測定位置にセットされた被測定基板に照明手段による照
明光を照射し、被測定基板で反射した反射光を検出手段
により検出する膜厚測定動作と、校正用部材に照明手段
による照明光を照射し、校正用部材で反射した反射光を
検出手段により検出する装置校正動作とを選択的に切り
替える動作切替手段と、装置校正動作時に、検出手段により検出された検出結果
に基づいて装置の校正に必要な校正データを求める制御
手段と、を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項４】測定位置にセットされ、その表面に薄膜
が形成された被測定基板に照明光を照射する照明手段
と、被測定基板で反射した反射光を検出する検出手段
と、被測定基板を撮像する撮像手段とを有し、検出手段
による検出結果に基づいて前記薄膜の膜厚を測定する膜
厚測定装置であって、前記測定位置以外の場所に配置され、所定のテストチャ
ートを有する校正用部材と、測定位置にセットされた被測定基板に照明手段による照
明光を照射し、被測定基板で反射した反射光を検出手段
により検出する膜厚測定動作と、校正用部材のテストチ
ャートを撮像手段により撮像する装置校正動作とを選択
的に切り替える動作切替手段と、装置校正動作時に、撮像手段により検出された画像デー
タに基づいて装置の校正に必要な校正データを求める制
御手段と、を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
【請求項５】測定位置にセットされ、その表面に薄膜
が形成された被測定基板に照明光を照射する照明手段
と、被測定基板で反射した反射光を検出する検出手段
と、被測定基板を撮像する撮像手段とを有し、検出手段
による検出結果に基づいて前記薄膜の膜厚を測定する膜
厚測定装置に用いられる校正用部材であって、ベース部材と、ベース部材の表面に形成された薄膜部
と、装置校正時に撮像手段により撮像するテストチャー
トとを有することを特徴とする校正用部材。
【請求項６】請求項５に記載の校正用部材において、
ベース部材の素地からなるベア部をさらに有することを
特徴とする校正用部材。