JP2002107119A

JP2002107119A - 被測定物の厚さ測定方法及びその装置

Info

Publication number: JP2002107119A
Application number: JP2001124649A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kobayashi; 了小林; Noboru Takahashi; 昇高橋
Original assignee: Nippi Inc
Current assignee: Nippi Inc
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2002-04-10
Also published as: TW479127B; DE10136197A1; KR20020009512A; US20020030823A1

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で、高速、高精度、安定した測定
が可能で、保守も容易な厚さ測定装置を得る。【解決手段】光源３１から出射したコヒーレントな光
を偏光子３２で所望の直線偏光に変換し、この直線偏光
を複屈折性を有する被測定物３３に入射して、常光線と
異常光線とを取り出し、取り出した光線を更にウェッジ
プリズム３４に入射して、被測定物３３の入射箇所を透
過する被測定物３３及びウェッジプリズム３４を合せた
厚さに応じて変化する位相差を持つ光線を取り出す。取
り出した光を検光子３５で受けて常光線と異常光線につ
いて一偏光方向の成分を抽出して、一偏光方向の常光線
成分と異常光線成分との干渉を生じさせ、生じた干渉を
干渉縞として撮像装置３６の撮像画面に映し出し、映し
出された干渉縞を観測することにより、干渉縞の変位に
依存する被測定物３３の厚さを画像処理装置３７で測定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は被測定物の厚さ測定
方法及びその装置に係り、特に水晶などの複屈折性を有
する透明ウェハの厚さ測定に好適なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複屈折性を有する基板の厚さを測
定する光学式板厚測定装置が提案されている（例えば、
特開平９−２９２２０８号公報）。これは図１８に示す
ように、レーザ光を発生するレーザ光源２と、レーザ光
源２から出射されるレーザ光を所望の直線偏光に変換し
て被測定基板４に入射する偏光子３と、被測定基板４を
透過したレーザ光から一偏光方向の成分を抽出する検出
子７と、検出子７により抽出されたレーザ光の光強度を
検出する光検出器８と、円板１２に取り付けられた検出
子７を歯車１３を介して回転駆動するステッピングモー
タ１５と、検出子７の回転角度を検出するロータリエン
コーダ１４とを備える。

【０００３】レーザ光を偏光子３により所望の直線偏光
に変換し、この直線偏光を被測定基板４に入射する一
方、被測定基板４を透過したレーザ光を受けて一偏光方
向の成分を抽出する検出子７を入射光線軸を中心として
回転させることにより、互いに直交する２つの直線偏光
成分およびこれらの直線偏光成分に対して４５度ずれた
互いに直交する２つの直線偏光成分を抽出し、これら各
直線偏光成分の位相差に基づき被測定基板４の板厚を測
定するものである。被測定基板４の板厚ｔは次式で表さ
れる。ｔ＝（λ／２π）・（１／ｄｎ）・Δ 但し、λ：測定波長、Δ：被測定基板の位相差、２π：３６０度、ｄｎ：常光・異常光の屈折率差検出子７を順次回転させながら光検出器８によって各回
転角度毎（例えばπ／２、π／４、０、−π／４）の光
強度Ｉ₁ 、Ｉ₂ 、Ｉ₃ 、Ｉ₄を測定し、これらの各測定
結果からΔを求め、この位相差Δを上式に代入して水晶
などの被測定基板の板厚ｔを求める。

【０００４】これによれば、複屈折性を有する被測定基
板の板厚を測定する上で、基板表面を傷付けることな
く、μｍ以下の測定精度で、板厚を正確に測定すること
ができるとともに、被測定基板の厚さがレーザ光源の波
長λの１／２以上であっても、被測定基板の厚さを測定
することができるというものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来の技術では種々の問題点があることがわかった。（１）検出子を順次回転させながら各回転角度毎の光強
度を複数回測定する必要があり（実施例では４回測
定）、一度に点データが得られないので高速測定ができ
ない。特に水晶ウェハなどで要求されるＴＶ５（Thickn
ess Variation Five Points）のときは、点データを５
点も測定しなければならないため、高速化することは難
しい。（２）モータ、歯車、エンコーダ等、機械的な機構を伴
うので、保守等がしずらく、また機構を制御する周辺回
路等、特別な制御系が必要となる。（３）一度に得られる情報量が少ないため、誤差が含ま
れているとその誤差を取り除くことが困難で、高精度の
測定が期待できない。（４）光の強度にて厚さを測定するので、光量変化や被
測定物の厚さによる光の減衰による影響を受けることに
なり、計測が不安定になる。（５）撮像器ではなく光検出器により検出するので、装
置の各構成要素の仕上げ精度が変化した場合には、補正
を加えることが困難であり、また装置の各構成要素の機
械的欠陥を補うこともできない。（９）装置の一部（円板１２と歯車１３）が接触型なの
で、被測定物に傷や汚れが付きやすく、芯だしなど装置
への取り付けも難しく、作業性が悪い。

【０００６】本発明の課題は、上述した従来技術の問題
点を解消した被測定物の厚さ測定方法及びその装置を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の原理は次の通り
である。図４に示すように、偏光板からなる偏光子２１
と検光子２２とを同一光路上に重ねて検光子２２を回転
させると（図４（ａ））、９０°（＝π／２）毎にその
透過光は明るくなったり、暗くなったりする（図４
（ｂ））。２枚の偏光板の主軸の角度をφとし、そのと
きの光の強度を測定すると、Ｉ（φ）＝Ｉ₀ｃｏｓ²φ 但し、Ｉ₀は偏光子の透過強度の関係が成立する（マリュス（Ｍａｌｕｓ）の定理）。

【０００８】図５は、傾斜面と水平面とを有する水晶モ
デルの断面とこれを透過する光の強度波形の位相の関係
を示す。光の強度は、光源からの光を偏光子で直線偏光
して、水晶モデル２３に水平面に垂直な方向から照射
し、水晶モデル２３を透過した光を検光子で検出してＣ
ＣＤカメラで測定したものである。検光子は光強度が最
大になる回転位置に合せる。水晶モデル２３のうち、一
定の角度で研磨されてウェッジプリズム状になっている
部分２３ａでは光強度が周期的に変化しその位相は等間
隔になる。すなわち、検光子を回転させることにより時
間軸上で得ている光強度の変化を、検光子を回転させる
ことなく空間的な光強度の変化として得ている。なお、
表裏面が平行で厚さが一定の部分２３ｂでは光強度の変
化がなく明るさはフラットになる。

【０００９】図６は、コンベックス加工により板厚差を
つけた水晶モデルの断面とこれを透過する光の強度波形
の位相の関係を示す。水晶モデル２４の厚さの最も薄い
端面から、厚さの最も厚い中央に向かって光強度が周期
的に変化し、その位相は不等間隔になり、徐々に開いて
いく。

【００１０】本発明は、ウェッジプリズム部を通過する
波形の位相が、等間隔になるという知見に基づいてなさ
れたものであり、ウェッジプリズムの光路上に被測定板
を並置し、ウェッジプリズムに被測定板の厚みを加えて
全体で１つの合体ウェッジプリズムを構成し、この合体
ウェッジプリズムを通過する光の強度が、被測定板の厚
みと相関があることから、これより被測定板の厚さを換
算して求めるというものである。

【００１１】すなわち、ウェッジプリズムを通過する光
を撮像すると、輝度が極大の部位は明るい帯になり、位
相の９０°シフトした輝度が極小の部位は暗い帯びにな
るので、干渉縞が観測できる。ここに、ウェッジプリズ
ムに被測定板の厚みが加わると、輝度波形の位相がシフ
トする。例えば、ウェッジプリズムの輝度が極大となる
部位と、これに隣接する極小となる部位とに着目する。
両部位では直線状に厚さが変化している。その両部位間
の厚さの変化分に相当する厚さをもつ被測定板をウェッ
ジプリズムに重ねる。すると当該極大部位の輝度は、位
相が９０°シフトするので極小となり、被測定板の厚さ
に応じて輝度波形による干渉縞の位相が変化することに
なる。したがって、この変化分から被測定板の厚さが測
定できる。

【００１２】第１の発明は、コヒーレントな光を偏光子
で所望の直線偏光に変換し、この直線偏光を複屈折性を
有する被測定物に入射して、常光線と異常光線とを取り
出し、取り出した光線を更に複屈折性を有するウェッジ
プリズムに入射して、前記被測定物の入射箇所を透過す
る被測定物及びウェッジプリズムを合せた厚さに応じて
変る位相差を持つ光線を取り出し、取り出した光を検光
子で受けて前記常光線と異常光線について一偏光方向の
成分を抽出して、該一偏光方向の常光線成分と異常光線
成分との干渉を生じさせ、生じた干渉を干渉縞としてを
撮像画面に映し出し、映し出された干渉縞を観測するこ
とにより、その干渉縞の変位に依存する前記被測定物の
厚さを測定する被測定物の方法である。干渉を生じさせ
るために、光源の光はコヒーレントである必要がある。

【００１３】第２の発明は、第１の発明とは逆に、ウェ
ッジプリズムに入射してから被測定物に入射するように
した被測定物の厚さ測定方法である。すなわち、コヒー
レントな光を偏光子で直線偏光に変換し、この直線偏光
を複屈折性を有するウェッジプリズムに入射して常光線
と異常光線とを取り出し、取り出した光線を更に複屈折
性を有する被測定物に入射して、前記被測定物の入射点
を通過する光路上の被測定物及びウェッジプリズムを合
せた厚さに応じて変化する位相差を持つ光線を取り出
し、取り出した光を検光子で受けて前記常光線と異常光
線について一偏光方向の成分を抽出して、該一偏光方向
の常光線成分と異常光線成分との干渉を生じさせ、この
干渉を干渉縞として撮像画面に映し出し、映し出された
干渉縞を観測し、その干渉縞の変位に依存する前記被測
定物の厚さを測定する被測定物の厚さ測定方法である。
先に被測定物に入射し後からウェッジプリズムに入射す
る代りに、被測定物とウェッジプリズムとを入れ替え
て、先にウェッジプリズムに入射し後から被測定物に入
射するようにしてもよい。

【００１４】第３の発明は、複屈折性を有する被測定物
の厚さを測定する被測定物の測定装置であって、光源
と、前記光源からの光を直線偏光に変換して前記被測定
物に入射する偏光子と、複屈折性を有し前記被測定物の
光路上を通過する光に前記光路と直交する方向に位相差
を生じさせるように配置されたウェッジプリズムと、前
記被測定物および前記ウェッジプリズムを通過した光か
ら前記被測定物の厚さに依存する干渉を生じさせる検光
子と、前記検光子で生じた干渉を干渉縞として映す撮像
装置と、を備えたことを特徴とする被測定物の厚さ測定
装置である。光路上にウェッジプリズムを設けるだけの
簡単な構造で、１回で被測定物の厚さを測定することが
できるので、被測定物の厚さを測定するのに複数回要す
るものに比べて、高速測定が可能になる。

【００１５】第４の発明は、被測定物の後にウェッジプ
リズムを配置した第１の発明とは逆に、被測定物の手前
にウェッジプリズムを配置した被測定物の厚さ測定装置
である。すなわち、複屈折性を有する被測定物の厚さを
測定する装置であって、光源と、前記光源からの光を直
線偏光に変換する偏光子と、複屈折性を有し、前記偏光
子の光路上を通過する光に前記光路と直交する方向に位
相差を生じさせて前記被測定物に入射するように配置さ
れたウェッジプリズムと、前記ウェッジプリズムおよび
前記被測定物を通過した光から前記被測定物の厚さに依
存する干渉を生じさせる検光子と、前記検光子で生じた
干渉を干渉縞として映す撮像装置と、を備えたことを特
徴とする被測定物の厚さ測定装置である。光路上にウェ
ッジプリズムを設けるだけの簡単な構造で、測定点が複
数箇所に散在しても、被測定物の厚さを高速に測定する
ことが可能になる。

【００１６】上記第３又は第４の発明において、前記撮
像装置に映された測定干渉縞と、厚さが既知の測定体に
より形成された基準干渉縞とを比較して両者の位相差を
検出し、該位相差により前記被測定物の厚さを求める演
算器を備えることが好ましい。また、前記被測定物が弾
性表面波デバイス用単結晶ウェハであり、前記厚さの測
定がウェハ面内の指定された５点での厚さの最大値と最
小値の差を求める測定であってもよい。また、被測定物
が表面にエッチングで碁盤の目状に多数の穴を掘ったメ
サ型水晶発振子用ブランクであり、前記厚さの測定が前
記穴の底の厚さの測定であってもよい。被測定物には弾
性表面波デバイス用単結晶ウェハやメサ型水晶発振子用
ブランクの他に、位相板や光学ローパスフィルタなどの
光学製品も含まれる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を説明
する。

【００１８】図１に、複屈折性を有する被測定物の厚さ
を測定する被測定物の測定装置を示す。この測定装置で
測定対象となる被測定物は、例えば弾性表面波デバイス
用ウェハである。ウェハは光源から放出される光に対し
て透明な物質、例えば水晶、ニオブ酸リチウム、タンタ
ル酸リチウム、四ほう酸リチウム、あるいはランガサイ
ト等の単結晶で構成されている。上記した被測定物を測
定する被測定物の測定装置は、光源３１、偏光子３２、
ウェッジプリズム３４、検光子３５、ＣＣＤカメラ３
６、画像処理装置３７から主に構成される。

【００１９】光源３１はコヒーレントな光を放出するも
のを使用し、その波長は測定精度を上げるために波長の
短い４００〜６００オングストロームであることが好ま
しい。また、ここではスポット測定とするために、被測
定物表面に照射される光は直径数ｍｍ程度の領域に絞ら
れたビーム光とする。このような光源としては、例えば
発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）が好ましい。

【００２０】偏光子３２は、光源３１からの光を所望の
直線偏光に変換する。ウェッジプリズム３４は、くさび
形プリズム、うすいプリズム、偏角プリズム、ビーム偏
光プリズムとも呼ばれ、くさび形をしており、ウェッジ
角度θと屈折係数ｎを持つ。一般にはレーザビーム用
で、第二波長面の反射防止、あるいはビームステアリン
グ（ビームの道筋を選択決定）のために用いられるが、
ここでは前記偏光子３２とウェッジプリズム３４との間
の光路上に配置した被測定物３３から取り出した光線
を、更にウェッジプリズム３４に入射して、被測定物３
３及びウェッジプリズム３４を透過する光路上の厚さに
応じた位相を持つ光線を取り出すために用いられる。そ
のためにウェッジプリズム３４を、傾斜していない面ま
たは傾斜している面を光路と直交する方向に向けて配置
する。また、光軸方向も指定する必要がある。ウェッジ
プリズム３４は、好ましくは被測定物と同じ複屈折性を
有する物質で構成し、前記偏光子の光路上を通過する光
に前記光路と直交する方向に位相差を生じさせる。被測
定物とウェッジプリズム３４との光軸は合致させること
が好ましい。また、ウェッジプリズム３４の光軸方向
は、ウェッジプリズム３４から取り出される光の強度
が、好ましくは最大となるように指定するとよい。ま
た、ウェッジ角度θは、干渉縞（モアレ縞）波長の３〜
６倍の角度を持たせる。ＣＣＤカメラ３６で撮像する撮
像面に４〜５本程度の干渉縞を形成するためである。こ
のように点ではなく面で観察するから、光の強度は必ず
しも最大とする必要はない。

【００２１】検光子３５は、前記偏光子３２と前記ウェ
ッジプリズム３４との間の光路上に配置される被測定物
３３およびウェッジプリズム３４を通過した光から被測
定物の厚さに依存して位相差が生じる光を干渉させる。
検光子３５は検出される光の強度が最大になる回転位置
に合せる。

【００２２】撮像装置は、検光子３５から取り出された
干渉光を撮像して干渉縞として観察する。撮像面には、
被測定物３３上のビーム光の入射点での被測定物３３及
びウェッジプリズム３４を合せた総合厚さに応じた干渉
縞が映し出される。

【００２３】被測定物３３への入射点位置によって、被
測定物３３とウェッジプリズム３４とを合せた総合厚さ
が異なるから、光の通過する光路長が異なる。したがっ
て、前記入射点位置に対応するウェッジプリズム３４の
出射点から出る光は、光路長に応じて異なる位相をもつ
ことになる。ウェッジプリズム３４の傾斜面に沿って、
ウェッジプリズム３４の出射面から位相差λ／４、λ／
２、３λ／４、λ…の光が出てくる。位相差λ／４、３
λ／４…は円偏光となり、位相差λ／２、λ…は直線偏
光になる。これらの光を撮像装置３６の撮像面に撮像す
ると、２π毎に濃淡が生じる干渉縞となる。撮像装置３
６は、例えばＣＣＤカメラで構成する。

【００２４】画像処理装置３６は、撮像装置３６に映さ
れた干渉縞と、厚さが既知の被測定物により形成された
基準干渉縞とを比較して干渉縞の位相差Δを検出し、該
位相差により前記被測定物３３の厚さを求める演算器な
どを主に備える。位相差Δは被測定物３３の厚さと相関
がある。被測定物３３の厚さが変化すると、撮像面に映
される干渉縞位置がずれるので、被測定物３３の光ビー
ムの当たった点を通る光路上の被測定物３３の厚さが検
出できる。画像処理装置３７は、パソコン等で構成する
ことができる。

【００２５】次に、上述したような装置を用いた被測定
物の厚さの測定方法を説明する。

【００２６】ＬＥＤなどの光源３１からコヒーレントな
光を発射し、偏光子３２で所望の直線偏光に変換する。
この直線偏光を複屈折を有する被測定物３３に入射し
て、常光線と異常光線とを取り出す。取り出した光線を
更にウェッジプリズム３４に入射して、被測定物３３及
びウェッジプリズム３４を透過する光路上の厚さに応じ
た位相を持つ光線を取り出し、取り出した光を検光子３
５で受けて常光線と異常光線について一偏光方向の成分
を抽出して、一偏光方向の常光線成分と異常光線成分と
の干渉を生じさせ、生じた干渉縞を撮像装置のモニタに
映し出し、映し出された干渉縞を観測することにより、
干渉縞位置に依存する被測定物の厚さを測定する。被測
定物の厚さは干渉縞の位相に依存し、干渉縞の位相の変
化が被測定物の厚さと相関するから厚さ測定が可能にな
る。

【００２７】モニタに映し出される被処理物の任意の点
での干渉縞の様子を図２に示す。図２（ａ）は基準干渉
縞だけの場合、図２（ｂ）は基準干渉縞と測定干渉縞と
を重ねて示した場合をそれぞれ示す。ビームスポットの
面積から、干渉縞の本数はおよそ４本〜５本とするとよ
い。この程度の本数とすると一度に得られる情報量が多
いため、誤差が含まれているとその誤差を取り除くこと
が容易で、高精度の測定が期待できるからである。

【００２８】基準サンプルの干渉縞に対する被測定物の
干渉縞の位置の変化分Δは、言うなれば、基準サンプル
の厚さｔ₀に対する被測定物の厚さｔの変化分である。
厚さの変化がないときはΔ＝０であり、厚さ変化が大き
いときにΔは大きくなり、厚さ変化の増減が反転すれば
Δの値は正負が反転する。そこで、Δに対する厚さの換
算係数ｍを求め、画像処理装置３７によって、図３に示
す直線の式、ｔ＝ｔ₀＋ｍ×Δ を計算すると、それは被測定物の厚さとなる。以上述べ
たように、実施の形態によれば、従来例と比較して、次
の効果がある。（１）被測定物のスポットに対して複数回の測定を要さ
ず、一度に瞬時にスポットの厚さデータが得られるので
高速測定ができる。（２）機械的な機構を伴わないので保守等が容易、また
周辺回路等、特別なもの（モータ、歯車、エンコーダ
等）は不要である。（３）一度に得られる情報量（４本〜５本）が多いの
で、高い精度での測定が可能となる。（４）波長（波形）の位相にて、厚さ（ｔ）を測定する
ので、光量変化や厚さによる光の減衰による影響を受け
ず、安定した計測が可能である。（５）ウェッジプリズム（くさび形プリズム）の仕上げ
精度はよい方が、精度よく測定できるが、ＣＣＤカメラ
による撮像にて、画像処理するので、多少の加工仕上げ
精度の変化でも、容易に補正を加え、機械的欠陥を補う
ことができる。（６）レーザ光の波長を異なる２種類のものとすること
で測定の範囲を大きくすることができる。（７）対象とする計測範囲は、ＳＡＷウェハを前提とす
れば、例えば０．５ｍｍ±５０μｍ、０．３５ｍｍ±５
０μｍとする。但し、光源に異なる２波長を用いること
で、それ以上に薄い範囲（例えば０．３ｍｍないし０．
４ｍｍオーダ）の計測も可能である。分解能は１μｍと
する（０．２５μｍ〜０．５μｍ／Ｄｉｇ）。（８）水晶以外でも複屈折性を伴う物質であって、光源
波長に対して透明となるような物質であれば適用でき
る。（９）非接触なので測定物に傷や汚れを付けることなく
計測できる。また、装置への取り付けも容易にでき、作
業性がよい。なお、実施の形態では、被測定物として弾
性表面波デバイス用ウェハを例示したが、この他にメサ
型水晶発振子用ブランク、位相板、光学ローパスフィル
タなどの光学製品などがある。

【００２９】また、被測定物を偏光子とウェッジプリズ
ムとの間に配置したが、ウェッジプリズムと検光子との
間に配置してもよい。すなわち、図７に示すように、光
源３１、偏光子３２、ウェッジプリズム３４、被測定物
３３、検光子３５、およびＣＣＤカメラ３６の順に配置
する。この配置だと本発明の原理を直感的に理解しやす
くなるというメリットがある。ウェッジプリズム３４で
等間隔な干渉縞の場を予め形成しておき、その場に被測
定物３３が挿入されると、被測定物３３の厚みに相当す
る分だけ、被測定物画像上に重なって映る干渉縞が、場
の干渉縞に対してシフトすることをリアルに観測できる
からである。

【００３０】また、ウェッジプリズムは被測定物と同じ
複屈折性を有する物質で構成することが好ましいとした
が、複屈折性を有する物質であれば、被測定物と異なる
物質で構成しても良い。この場合、予め波長とその複屈
折値を知っておく必要がある上、厚さを求める演算が複
雑になる。

【００３１】ウェッジプリズムは、常光、異常光の光強
度が最大となるものが好ましい。図８に示すウェッジプ
リズムの具体的な寸法は、例えば、つぎの通りである。
幅Ｗ＝１０ｍｍ、長さＬ＝１０ｍｍ、頂辺Ｔ_S＝３ｍｍ
である。また、底辺Ｔ_L＝頂辺Ｔ_S＋（頂辺−底辺）δと
すると、必要とする干渉縞の数に応じて、δを０．５ｍ
ｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍと変えることができる。な
お、ウェッジプリズムを小型化するためには、Ｗ×Ｌ＝
５ｍｍ×５ｍｍ程度の大きさが好ましい。

【００３２】次に、５点測定（ＴＶ５）を要求されるＳ
ＡＷウェハの測定点を、微小な水晶ブランクに見立てた
ときの、水晶ブランクの厚さ測定について説明する。水
晶ブランクについて測定した干渉縞の例を図９〜図１３
に示す。ウェッジプリズムには、幅Ｗ＝１０ｍｍ、長さ
Ｌ＝１０ｍｍ、頂辺Ｔ_S＝３ｍｍ、底辺Ｔ_L＝１．０ｍｍ
を使用した。透過光源として波長６６０ｎｍの赤色発光
ダイオードを使用した。

【００３３】図９は被測定物として短冊形で厚さの均一
な水晶ブランク２５を、ウェッジプリズムによる干渉縞
の場１７に置いたときの定性的な撮像画像を示す。ここ
では、スポット測定を意図していないので、水晶ブラン
ク２５に照射される光を絞らずに水晶ブランク２５の全
面に照射している。水晶ブランク２５面内の干渉縞１８
は、場１７の干渉縞に対してずれていることがわかる。
このずれ分が水晶ブランクの厚さに対応する。

【００３４】図１０に示す矩形の水晶ブランクの寸法
は、長さＬｃ＝１．２ｍｍ、幅Ｗｃ＝１．０ｍｍ、厚さ
ｔ＝１４μｍである。厚さが薄い分だけ、干渉縞の場に
対する水晶ブランク上の干渉縞の位相のずれは小さい。
図１１に示す矩形の水晶ブランクの寸法は、長さＬｃ＝
２．２ｍｍ、幅Ｗｃ＝１．５ｍｍ、厚さｔ＝３５μｍで
ある。図１１のものよりも厚さが厚くなった分だけ位相
のずれは大きくなっいる。位相のずれは９０°位であ
る。図１２に示す矩形の水晶ブランクの寸法は、長さＬ
ｃ＝２．０ｍｍ、幅Ｗｃ＝１．５ｍｍ、厚さｔ＝７９μ
ｍである。図１１のものに比べて厚さが２倍強になって
いるので位相が１８０°近くずれている。

【００３５】図１３は端面をベベル加工した水晶ブラン
ク２６をウェッジプリズムによる干渉縞の場１７に置い
たときの撮像画像を示す。水晶ブランクの寸法は、長さ
Ｌｃ＝７．０ｍｍ、Ｗｃ＝１．５ｍｍ、ｔ_Max＝３８４
μｍである。水晶ブランクの端部では板厚が変化してい
るので、その変化に応じてブランク面内の干渉縞も歪ん
でいるが、板厚が変化しない中央部に向かうにしたがっ
て、場の干渉縞と平行になっているのがわかる。

【００３６】なお、厚さ測定の精度を向上する方法とし
ては、（１）光源の波長λが短いこと、（２）顕微鏡の
倍率を上げること、（３）画像処理におけるサブピクセ
ル処理を向上すること、等がある。このうち、（１）に
ついては、波長域を青色ないし紫にするとよい。３００
ｎｍの紫外光だとより高精度な厚さ測定が可能になる。
因みに波長６６０ｎｍの赤色光源では厚さ測定のオーダ
が１１０μｍ、波長４５０ｎｍの青色光源では７５μｍ
である。また、実験例では、基準位相に対して測定位相
が４５°ずれると厚さは９．３７５μｍ、６７°ずれる
と厚さは１４μｍ、９０°ずれると厚さは１８．７５μ
ｍ、そして１８０°ずれると厚さは３７．５μｍであっ
た。

【００３７】

【実施例】次に、上述した被測定物の厚さ測定方法、そ
の装置を、弾性表面波デバイス用単結晶ウェハに適用し
た一実施例について説明する。図１４及び図１５は、Ｓ
ＡＷウェハ検査装置の平面図及び側面図である。

【００３８】図１４において、ＳＡＷウェハ検査装置
は、中央にウェハを搬送する搬送室５１、搬送室５１の
奥にウェハＷを検査する検査室５２、搬送室５１の手前
に装置を操作制御する操作テーブル５３が配置される。

【００３９】搬送室５１は、中央に設けたウェハ搬送ロ
ボット５４と、ウェハ搬送ロボット５４の左右に設けた
カセット５５とを備える。ウェハ搬送ロボット５４は、
ウェハカセット５６から被検査前ウェハＷを抜き取って
検査室５２に搬送する一方、検査室５２で検査された検
査済みの被検査ウェハＷを検査室５２から搬送室５１に
搬送してウェハカセット５６に収納する。カセット台５
５は、ウェハ搬送ロボット５４を中心とした円周上の左
側と右側とに複数づつ（図示例では４個づつ）のウェハ
カセット５６を備える。各ウェハカセット５６には、複
数枚の被検査ＳＡＷウェハが収納される。例えば左側の
ウェハカセット５６には検査前の被検査ウェハＷが収容
され、右側のウェハカセット５６には検査済みの被検査
ウェハＷが、分類別に収容されるようにする。

【００４０】検査室５２は、ウェハの５点厚さむらや、
外観、形状等の検査を行う。ＸＹステージ５７を備え、
ＸＹステージ５７に被検査ウェハＷの外周を３点で支持
する３つの支持手段５８が周方向に取り付けられ、被検
査ウェハＷを３点で支持しながらＸ、Ｙ方向に移動でき
るようになっている。この移動によってＴＶ５の５点測
定も可能にしている。

【００４１】操作台５３は、図示しない画像処理装置と
してのコンピュータに接続されるキーボード５９、マウ
ス６０、ジョイスティック（操作レバー）６１を備え、
これら操作により、前記ウェハ搬送ロボット５４、ＸＹ
ステージ５７を制御して、所定の搬送、検査を行うよう
になっている。

【００４２】図１５から分かるように、検査室５２のＸ
Ｙステージ５７の上方には、ＣＣＤカメラ６２が取り付
けられ、このＣＣＤカメラ６２は、図示しない厚さ測定
用の光源、偏光子、被測定ウェハ、ウェッジプリズム、
検光子を透過する光を撮像して、搬送室５１の上方に備
え付けられたモニタなどからなる表示装置６３で表示す
るようになっている。

【００４３】ＳＡＷウェハではＴＶ５が一定の規格に入
っていることが要求される。図１６に示すように、ウェ
ハ面内の５点厚さむらを検査するには、予め厚さが既知
の基準ウェハについて、ウェハ面内の所定の５点につい
ての干渉縞を観測しておき、基準干渉縞が生じた位置を
記憶させておく。なお、基準干渉縞の採取ポイントにつ
いては、特に５点である必要はなく、またウェハ面内の
任意の１点でもよい。

【００４４】測定干渉縞位置と基準干渉縞位置と比較し
て、その差Δを求める。前述した式から各点の厚さを求
め、それらの厚さの最大値と最小値の差を求め、それを
ＴＶ５の測定とする。

【００４５】本実施例によれば、ウェハ上の任意の点の
厚さを測定する場合、複数回に亘って測定する必要はな
く、一度に瞬時に測定できるので、測定点が５点に増加
しても高速測定が可能である。また、厚さ測定に際し
て、ＸＹステージや支持手段等からなる寸法検査や外観
検査装置のための検査機構をそのまま利用することがで
きるので、厚さ測定専用の周辺回路やモータ、歯車、エ
ンコーダ等は不要となる。また、各測定点について、４
〜５本の干渉縞を観測して各干渉縞の位相差Δを得るの
で、一度に得られる情報量が多く、高い精度での測定が
可能となる。

【００４６】また、干渉縞位相差で厚さを測定するの
で、光量変化やウェハの厚さによる光の減衰による影響
を受けず、安定した計測が可能である。非接触なので測
定物に傷や汚れを付けることなく計測できる。また、寸
法計測や外観検査と同じく、非接触で測定するので、抜
き取り検査ではなく、全数測定が可能である。

【００４７】なお、測定精度については、ポリッシュさ
れたウェハの表面粗さは、０．０６μｍである（「水晶
周波数制御デバイス」岡野庄太郎著、テクノ、２６
頁）。これは片面だけなので、両面の変換を考慮する
と、０．１２μｍの表面粗さがあることになる。この値
は、ウェハ厚さの測定値が０．５ｍｍ±５０μｍ、０．
３５ｍｍ±５０μｍであることを考慮すると、ほとんど
無視でき、測定精度に影響を与えない。したがって、ウ
ェッジプリズムもポリッシュされたものを使うことが好
ましい。

【００４８】実施例では被測定物が表面がフラットなＳ
ＡＷデバイス用ウェハ（表面を使用）である場合につい
て説明したが、本発明は、ウェハ上にエッチングで碁盤
目状に多数の穴を掘ったメサ型水晶発振子用ブランク
（バルクを使用）や、光学的ローパスフィルタ等の光学
製品の厚さ測定に対しても有効である。

【００４９】なお、実施の形態ではＴＶ５への適用例に
ついて説明したが、本発明は、その他にＴＴＶ、ＬＴＶ
の計測にも適用できる。

【００５０】なお、上記実施例において、検査室５２で
ウェハの５点厚さむらや、外観、形状等の検査を行うと
述べたが、ウェハの５点厚さむらに加えて、外観、形状
等の外観検査を光学的に非接触で行うためには、図１７
に示すように測定装置の光源を複合化するとよい。前述
した厚さを測定するための透過光源３１に加えて、同軸
光源４１、斜光光源４２、暗視野光源４３を設ける。同
軸光源４１は、顕微鏡３８軸と照明軸をプリズム３９を
用いて同一軸にし、対物レンズを通して被測定物３３を
照明し、反射光を観察するための光源である。斜光光源
４２は、顕微鏡３８軸上の被測定物３３に対し、軸外に
光源軸を持ち、被測定物３３を照明するための光源であ
る。暗視野光源４３は、リング状の照明光を視野に入れ
ず、散乱あるいは回折された光だけを観察するための光
源である（例えば、特開２０００−１７１４０１号（特
許第３００９６５９号）参照）。透過光源３１を含むこ
れらの光源を切替えて、前述した外観、形状等の検査を
行う。同軸落射により表面の傷やごみを検出する。斜光
によりヒキ傷を検出する。暗視野でクラックや面取りを
検出する（例えば、特開平９−２８８０６３号公報（特
許第２８２１４６０号）参照）。そして前述したように
透過光（複屈折）でＴＶ５測定を行う。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、光路上にウェッジプリ
ズムを配置するだけの簡単な構成で、瞬時に厚さを測定
できる。測定点が複数箇所に散在しても、高速測定が可
能である。また、光路上に配置するウェッジプリズムは
固定なので、検光子を測定毎に回転して厚さを測定する
ものに比べて、構造の簡素化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態の被測定物の厚さ測定装置の概略構
成図である。

【図２】実施の形態のＣＣＤによる干渉縞の撮像図であ
る。

【図３】実施の形態の厚さを求める直線式を示す図であ
る。

【図４】２枚の偏光板による透過光、およびマリュスの
定理を示す図である。

【図５】直線研磨した水晶モデルの断面を透過する光の
強度波形の位相の関係を示す説明図である。

【図６】コンベックス加工した水晶モデルの断面を透過
する光の強度波形の位相の関係を示す説明図である。

【図７】実施の形態の変形例による被測定物の厚さ測定
装置の概略構成図である。

【図８】ウェッジプリズムの寸法説明図である。

【図９】実施の形態の短冊形水晶ブランクのＣＣＤによ
る干渉縞の撮像図である。

【図１０】実施の形態の矩形形水晶ブランクのＣＣＤに
よる干渉縞の撮像図である。

【図１１】実施の形態の矩形形水晶ブランクのＣＣＤに
よる干渉縞の撮像図である。

【図１２】実施の形態の矩形形水晶ブランクのＣＣＤに
よる干渉縞の撮像図である。

【図１３】実施の形態のベベル加工した水晶ブランクの
ＣＣＤによる干渉縞の撮像図である。

【図１４】ＳＡＷウェハ検査装置の平面図である。

【図１５】ＳＡＷウェハ検査装置の側面図である。

【図１６】オリエンテーションフラットとインデックス
フラットの位置とＴＶ５の測定点を示す説明図である。

【図１７】実施の形態による光源を複合化した外観測定
装置の概略構成図である。

【図１８】従来例の光学式板厚測定装置の概略構成図で
ある。

【符号の説明】

３１光源３２偏光子３３被測定物３４ウェッジプリズム３５検光子３６ＣＣＤカメラ３７画像処理装置

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA30 BB22 DD06 FF04 FF52 GG06 GG07 GG12 GG22 HH04 HH13 HH15 JJ09 JJ26 LL33 LL34 LL47 PP12 QQ31 RR08 UU07 4M106 AA01 BA05 CA48 DH03 DH11 DH12 DH37 DJ18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コヒーレントな光を偏光子で直線偏光に変
換し、この直線偏光を複屈折性を有する被測定物に入射して常
光線と異常光線とを取り出し、取り出した光線を更に複屈折性を有するウェッジプリズ
ムに入射して、前記被測定物の入射点を通過する光路上
の被測定物及びウェッジプリズムを合せた厚さに応じて
変化する位相差を持つ光線を取り出し、取り出した光を検光子で受けて前記常光線と異常光線に
ついて一偏光方向の成分を抽出して、該一偏光方向の常
光線成分と異常光線成分との干渉を生じさせ、この干渉
を干渉縞として撮像画面に映し出し、映し出された干渉縞を観測し、その干渉縞の変位に依存
する前記被測定物の厚さを測定する被測定物の厚さ測定
方法。
【請求項２】コヒーレントな光を偏光子で直線偏光に変
換し、この直線偏光を複屈折性を有するウェッジプリズムに入
射して常光線と異常光線とを取り出し、取り出した光線を更に複屈折性を有する被測定物に入射
して、前記被測定物の入射点を通過する光路上の被測定
物及びウェッジプリズムを合せた厚さに応じて変化する
位相差を持つ光線を取り出し、取り出した光を検光子で受けて前記常光線と異常光線に
ついて一偏光方向の成分を抽出して、該一偏光方向の常
光線成分と異常光線成分との干渉を生じさせ、この干渉
を干渉縞として撮像画面に映し出し、映し出された干渉縞を観測し、その干渉縞の変位に依存
する前記被測定物の厚さを測定する被測定物の厚さ測定
方法。
【請求項３】複屈折性を有する被測定物の厚さを測定す
る被測定物の測定装置であって、光源と、前記光源からの光を直線偏光に変換して前記被測定物に
入射する偏光子と、複屈折性を有し、前記被測定物の光路上を通過する光に
前記光路と直交する方向に位相差を生じさせるように配
置されたウェッジプリズムと、前記被測定物および前記ウェッジプリズムを通過した光
から前記被測定物の厚さに依存する干渉を生じさせる検
光子と、前記検光子で生じた干渉を干渉縞として映す撮像装置
と、を備えたことを特徴とする被測定物の厚さ測定装
置。
【請求項４】複屈折性を有する被測定物の厚さを測定す
る装置であって、光源と、前記光源からの光を直線偏光に変換する偏光子と、複屈折性を有し、前記偏光子の光路上を通過する光に前
記光路と直交する方向に位相差を生じさせて前記被測定
物に入射するように配置されたウェッジプリズムと、前記ウェッジプリズムおよび前記被測定物を通過した光
から前記被測定物の厚さに依存する干渉を生じさせる検
光子と、前記検光子で生じた干渉を干渉縞として映す撮像装置
と、を備えたことを特徴とする被測定物の厚さ測定装
置。
【請求項５】前記撮像装置に映された測定干渉縞と、既
知の厚さの測定体により形成された基準干渉縞とを比較
して両者の位相差を検出し、該位相差により前記被測定
物の厚さを求める演算器を備えた請求項３又は４に記載
の被測定物の厚さ測定装置。
【請求項６】前記被測定物が弾性表面波デバイス用単結
晶ウェハであり、前記厚さの測定がウェハ面内の指定さ
れた５点での厚さの最大値と最小値の差を求める請求項
３ないし５のいずれかに記載の被測定物の厚さ測定装
置。
【請求項７】前記被測定物が表面にエッチングで碁盤の
目状に多数の穴を掘ったメサ型水晶発振子用ブランクで
あり、前記厚さの測定が前記穴の底の厚さの測定である
請求項３ないし５のいずれかに記載の被測定物の厚さ測
定装置。