JP2004151102A - ウエハー形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハーに重力による撓みを発生させることなく保持し、センサーを１回走査させることで、ウエハー本来の平面度、反り、厚み等の形状を正確に測定できる測定装置を提供する。
【解決手段】被測定物であるウエハーの周縁部両面を保持する保持機構を備えた環状ホルダー１と、環状ホルダー１の外周で回転及び停止を制御するモーター６と、環状ホルダー１を回転自在に鉛直に静圧支持してなる固定部材２と、環状ホルダー１に保持したウエハーの形状を測定するセンサー４と、センサー４をウエハー上で走査させる静圧方式のスライド装置３と、ウエハーを収納するウエハーマガジン１０と、ウエハーマガジン１０からウエハーを取り出して環状ホルダー１の保持機構で保持させる搬送手段８、９とからウエハー形状測定装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウエハー等の平板状をした薄肉のウエハー形状（平坦度、反り、厚み）を測定するために使用するウエハー形状測定装置に関するものである。

従来、半導体装置の製造工程等において使用されているウエハー形状測定装置は、図７に示すようなシリコンウエハー１００の中央部を真空チャック等の保持部材１０１でもって保持させ、該保持部材１０１の回転軸１０２を転がり式の回転軸受１０３を介して回転させることによりウエハー１００を水平面上で回転させるとともに、コ字状部の先端に２つのセンサー１１０をそれぞれ備えるアーム１１１を転がり式の直動軸受１１２を介して移動させることにより上記センサー１１０でもってウエハー１００を挟むように走査させ、ウエハー１００の平坦度、反り、厚み等の形状を測定するようにしたものがあった。

ところが、図７に示すウエハー形状測定装置では以下のような課題があった。

１）自重撓みによる誤差
ウエハー１００の中央部を保持して水平面上で回転させる構造であることから、ウエハー１００の周縁部が自重により撓み測定誤差を生じるといった課題があった。特に、この現象はウエハー１００が大口径になるほど顕著となり、反りの測定において大きな誤差要因となっていた。

２）ウエハー１００の保持方法による誤差
ウエハー１００の中央部を保持するようにした構成であることから、保持部材１０１との接触面積が大きすぎるとその平面度に倣ってウエハー１００に反りが発生し、逆に、保持部材１０１との接触面積が小さすぎると回転時にウエハー１００の周縁部が振動するというように正確な測定ができなかった。

３）保持部材１０１との当接部分におけるウエハー１００の厚み測定できない
ウエハー１００の中央部を保持部材１０１で保持した構造であることから、厚み測定等においては保持部材１０１との当接部分におけるウエハー１００の厚みを測定することができず、一度、保持部材１０１の位置をずらした上で再度測定し直さなければならない、というように手間がかかり非効率的であった。しかも、保持部材１０１の位置をずらして測定し直す場合、自重による撓みが大きくなることから、正確な測定ができなくなるといった課題もあった。

４）転がり式軸受１０３、１１２による誤差
保持部材１０１の回転機構やセンサー１１０の直動機構に使用されている転がり式の軸受１０３、１１２は、回転要素である球や円筒コロが接触面と点接触あるいは線接触しているために微振動が発生し易く測定誤差の要因となっていた。

このように、シリコンウエハー１００等の平板状をした薄肉の被測定物を水平面上で回転させて測定する従来のウエハー形状測定装置ではさまざまな測定誤差要因があり、測定精度を向上させることが非常に難しいものであった。

そこで、本発明のウエハー形状測定装置は上記課題に鑑み、内孔にフランジ部を形成するとともに、被測定物であるウエハーの周縁部の一方面が上記フランジ部に当接して保持する保持機構を備えた環状ホルダーと、該環状ホルダーの周縁部を把持させて、環状ホルダーを回転自在に鉛直に静圧支持してなる固定部材と、上記環状ホルダーの外周で該環状ホルダーの回転及び停止を制御するモーターと、上記環状ホルダーに保持したウエハーの平坦度、反り、厚みを測定する２つの検出部材と、該２つの検出部材をウエハー上で走査させる静圧方式のスライド装置と、上記ウエハーを収納するウエハーマガジンと、該ウエハーマガジンから上記ウエハーを取り出して上記環状ホルダーの上記保持機構で保持させる搬送手段とから成り、上記ウエハーを鉛直に保持した環状ホルダーを上記２つの検出部材で挟み込みながらウエハーの平坦度、反り、厚みを測定することを特徴とする。

また、上記搬送手段は上記ウエハーを搬送するのに真空吸引方式を用いたことを特徴とする。

さらに、上記搬送手段は、上記環状ホルダーの内孔部近傍に配置され、該内孔部内から延出してウエハーを環状ホルダーまでに搬送する搬送アームである
またさらに、上記搬送手段は、上記ウエハーマガジンから上記ウエハーを取り出して上記環状ホルダーの前方まで移動させる第１の搬送手段と、該第１の搬送手段からウエハーが受け渡されて搬送し、上記環状ホルダーの上記保持機構で保持させる第２の搬送手段とから成ることを特徴とする。

また、上記モーターを環状ホルダーの外側に配置し、該モーターの位置と上記環状ホルダーを介して反対側の位置にプーリーが配置され、かつ、上記環状ホルダーの外周面に溝を刻設するとともに、上記モーターから上記溝を介してプーリーにワイヤーを張架することで上記モーターによる環状ホルダーの回転及び停止が行われることを特徴とする。

さらに、上記保持機構は、上記ウエハー周縁部の他方面をクランプ部材で当接することによりウエハーの周縁部両面で狭持することを特徴とする。

さらにまた、上記保持機構は、上記フランジ部に吸引口を穿設することによりウエハーの周縁部の一方面を吸引保持することを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、ウエハーマガジンからウエハーを取り出して環状ホルダーの保持機構で周縁部を鉛直に保持するとともに、環状ホルダーが固定部材に対して回転自在に鉛直に静圧支持でき、かつ、静圧方式のスライド装置でウエハーの平坦度、反り、厚みを測定するようにしたことから、ウエハーに重力による撓みを生じることがなく、ウエハー本来の形状測定を可能とすることができる。

即ち、環状ホルダーと固定部材との間には静圧流体層を形成して環状ホルダーを静圧支持してあることから、ウエハーの形状測定に悪影響を与えるような微振動を生じることなく、小さな駆動力で環状ホルダーを滑らかに回転させることができる。さらに、センサーを１回走査させるだけでウエハーの全面を測定することができ、測定時間を大幅に短縮することができる。

しかも、環状ホルダーおよびスライド装置の可動部は共に静圧軸受機構にて回転および移動させるようにしてあることから、従来の転がり式軸受のような摩耗や摺動抵抗に伴うガタ付きを生じることがなく、ウエハーおよびセンサーに微振動を発生させることがない。その為、ウエハーを保持する環状ホルダーを小さな力で滑らかに回転させることができるとともに、ウエハー本来の形状を正確に測定することができる。

以上のように、ウエハーの平坦度、反り、厚みを測定するまでの間で、さまざまな測定誤差要因を無くして測定精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明に係るウエハー形状測定装置の一例を示す斜視図であり、被測定物であるウエハーの周縁部を保持する保持機構を備えたリング状の環状ホルダー１と、環状ホルダー１の周縁部を静圧支持する３つの固定部材２と、上記環状ホルダー１の外周面に刻設する溝１ａにワイヤー７を張架させ、環状ホルダー１の回転および停止を制御するスピンドルモーター５及びプーリー６と、上記ウエハーの形状を測定する検出部材としてのセンサー４と、センサー４をウエハー上で走査させるスライド装置３とから構成してある。

次に、図１に示すウエハー形状測定装置の各構成部材について詳細に説明する。

図２は本発明に係るウエハー形状測定装置の測定部を示す斜視図であり、図３は図２のＸ−Ｘ線断面図である。

上記環状ホルダー１は、ウエハーの外径と同等またはそれより大きな内径を有する内孔１１を有し、この孔１１にはウエハーを保持するためのフランジ部１２を等間隔に３つ突設させてある。また、上記フランジ部１２に対応する環状ホルダー１の表面にはクリップ等のクランプ部材１３を配置してあり、上記環状ホルダー１のフランジ部１２とクランプ部材１３とでウエハーの周縁部両面を挾持して保持するようにしてある。

このように、ウエハーの周縁部を３点で保持することによりセンサー４をウエハー上で１回走査させるだけでウエハーの全面を測定することが可能となる。

なお、図１に示す環状ホルダー１ではウエハーを保持するフランジ部１２とクランプ部材１３をそれぞれ３つずつ設けた例を示したが、ウエハーを正確に保持できれば３つ以上設けたものであっても構わない。また、ウエハーの周縁部における厚みについて測定する必要がない時には、ウエハーをより確実に保持するために環状ホルダー１の内孔１１に沿ってリング状のフランジ部１２を突設させても良い。

さらに、上記環状ホルダー１を静圧支持する３つの固定部材２は、基台５０の凸壁部５１に等間隔に配設してあり、各固定部材２の凹部２１に環状ホルダー１の周縁部を把持させて上記環状ホルダー１を鉛直に保持するようにしてある。また、上記固定部材２の凹部２１の内壁面２１ａには環状ホルダー１との間隙に圧縮流体を噴出するための供給孔２３と、該供給孔２３より噴出された圧縮流体により環状ホルダー１との間隙に静圧流体層を形成するための圧力発生溝２２を形成してあり、上記固定部材２の供給孔２３に圧縮流体を供給することにより環状ホルダー１を鉛直面上で回転自在に静圧支持するようにしてある。

このように、本発明では上記環状ホルダー１により保持するウエハーを鉛直に配置してあることから、ウエハーに重力による撓みを生じることがなく、ウエハー本来の形状測定を可能とすることができる。しかも、上記環状ホルダー１と固定部材２の凹部２１との間には静圧流体層を形成して上記環状ホルダー１を静圧支持してあることから、ウエハーの形状測定に悪影響を与えるような微振動を生じることなく、小さな駆動力で環状ホルダー１を滑らかに回転させることができる。

一方、ウエハーの形状を測定するセンサー４は、基台５０の凸壁部５１に環状ホルダー１とともに並設するスライド装置３に取着してあり、スライド装置３の構造は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、角柱状の固定部３１と、該固定部３１を囲繞する可動部３２、および該可動部３２に設けた上記環状ホルダー１の直径と同等あるいはそれよりも長い窪みを有するコ字状の支持部材３３とからなり、上記支持部材３３の先端にセンサー４を取着してある。また、上記固定部３１と可動部３２との間には若干の隙間を設けてあり、上記可動部３２の内壁面３２ａには固定部３１と可動部３２との隙間に圧縮流体を噴出するための供給孔３５と、該供給孔３５より噴出された圧縮流体により静圧流体層を形成するための圧力発生溝３４を形成してある。

そして、上記可動部３２の供給孔３５に圧縮流体を供給して可動部３２を固定部３１上で静圧支持するとともに、リニアモーターなどの駆動手段（不図示）により可動部３２を移動させ、支持部材３３の先端に取着するセンサー４でウエハーを保持した上記環状ホルダー１を挟み込むことにより、ウエハーの平坦度や反り、さらには厚みを１回の走査で測定することができる。

なお、図１に示すウエハー形状測定装置には、ウエハーを収納するためのウエハーマガジン１０と、ウエハーマガジン１０からのウエハーの取り出しと収納を行うとともに、ウエハーを所定位置まで移動させるための真空吸引方式による第１の搬送アーム（第１の搬送手段）８、ならびに基台５０の凸壁部５１に配置され、かつ、環状ホルダー１の内孔近傍に配置され上記第１の搬送アーム８とのウエハーの受け渡しを行うとともに、環状ホルダー１まで搬送するための真空吸引方式による第２の搬送アーム（第２の搬送手段）９を具備させてある。

次に、図１に示すウエハー形状測定装置によるウエハーの測定手順を示す。

まず、第１の搬送アーム８によりウエハーマガジン１０からウエハーを取り出して環状ホルダー１の前方まで移動させたあと垂直に反転させる。そして、上記ウエハーを環状ホルダー１の内孔から延出した第２の搬送アーム９に受け渡したあと、鉛直に配置する環状ホルダー１のフランジ部１２と当接するまで搬送したあと、クランプ部材１３でもってウエハーの周縁部両面を挾持し、ウエハーを環状ホルダー１の中央に保持させる。この時、環状ホルダー１と固定部材２の凹部２１との間には圧縮流体を供給し、予め環状ホルダー１を回転自在に鉛直に静圧支持してある。

そして、ウエハーを保持した環状ホルダー１をスピンドルモーター５により回転させるとともに、静圧支持したスライド装置３の可動部３２を移動させ、支持部材３３の先端に取着するセンサー４をウエハー上で走査させることによりウエハーの平坦度、反り、厚み等の形状を測定することができる。

このように、本発明に係るウエハー形状測定装置は、ウエハーを鉛直に保持するようにしてあることから重力による撓みを生じることがなく、ウエハー本来の形状を測定することができる。また、環状ホルダー１の内径はウエハーの外径と同等またはそれより大きくし、ウエハーの周縁部を保持するようにしてあることから、センサー４を１回走査させるだけでウエハーの全面を測定することができ、測定時間を大幅に短縮することができる。

しかも、環状ホルダー１およびスライド装置３の可動部３２は共に静圧軸受機構にて回転および移動させるようにしてあることから、従来の転がり式軸受のような摩耗や摺動抵抗によるガタ付きを生じることがなく、ウエハーおよびセンサー４に微振動を発生させることがない。その為、ウエハーを保持する環状ホルダー１を小さな力で滑らかに回転させることができるとともに、ウエハー本来の形状を正確に測定することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図５は本発明に係るウエハー形状測定装置の測定部の他の例を示す斜視図であり、図６は図５のＺ−Ｚ線断面図である。

この測定部は、ウエハーの保持機構を真空吸引構造としたもので、環状ホルダー１の表面に環状のリング溝１ｂを刻設するとともに、環状ホルダー１のフランジ部１２に吸引口１ｃを穿設し、該吸引口１ｃは上記環状ホルダー１のリング溝１ｂと貫通孔１ｄを介して連通させてある。また、上記環状ホルダー１を静圧支持する３つの固定部材２には上記環状ホルダー１のリング溝１ｂを覆うようなリング体２４を設けてあり、リング体２４に設けた排気孔２５より真空ポンプ（不図示）でもって真空吸引することで、ウエハー周縁部の一方面が環状ホルダー１のフランジ部１２で吸着保持するようにしてある。

このように、ウエハーの保持機構を真空吸引構造とすることにより、図１に示すクランプ方式に比べてさらにウエハーの傷付きを抑えることができるとともに、ウエハーの測定を完全に自動化することができる。

なお、本発明に係るウエハー形状測定装置において、ウエハーの保持機構としては、上述したもの以外にウエハーを傷付けることなく保持することができれば、どのような保持機構をもったものでも良いことは言うまでもない。

本発明に係るウエハー形状測定装置の一例を示す斜視図である。 図１の測定部を示す斜視図である。 図２のＸ−Ｘ線断面図である。 図１のスライド装置を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はそのＹ−Ｙ線断面図である。 本発明に係るウエハー形状測定装置における測定部の他の例を示す斜視図である。 図５のＺ−Ｚ線断面図である。 従来のウエハー形状測定装置の概略を示す正面図である。

符号の説明

１・・・環状ホルダー
２・・・固定部材
３・・・スライド装置
４・・・センサー
５・・・スピンドルモーター
６・・・プーリー
７・・・ワイヤー
８・・・第１の搬送アーム（第１の搬送手段）
９・・・第２の搬送アーム（断２の搬送手段）
１０・・・ウエハーマガジン

Claims (7)

1. 内孔にフランジ部を形成するとともに、被測定物であるウエハーの周縁部の一方面が上記フランジ部に当接して保持する保持機構を備えた環状ホルダーと、
   該環状ホルダーの周縁部を把持させて、環状ホルダーを回転自在に鉛直に静圧支持してなる固定部材と、
   上記環状ホルダーの外周で該環状ホルダーの回転及び停止を制御するモーターと、
   上記環状ホルダーに保持したウエハーの平坦度、反り、厚みを測定する２つの検出部材と、
   該２つの検出部材をウエハー上で走査させる静圧方式のスライド装置と、
   上記ウエハーを収納するウエハーマガジンと、
   該ウエハーマガジンから上記ウエハーを取り出して上記環状ホルダーの上記保持機構で保持させる搬送手段とから成り、
   上記ウエハーを鉛直に保持した環状ホルダーを上記２つの検出部材で挟み込みながらウエハーの平坦度、反り、厚みを測定することを特徴とするウエハー形状測定装置。
2. 上記搬送手段は上記ウエハーを搬送するのに真空吸引方式を用いたことを特徴とする請求項１に記載のウエハー形状測定装置。
3. 上記搬送手段は、上記ウエハーマガジンから上記ウエハーを取り出して上記環状ホルダーの前方まで移動させる第１の搬送手段と、該第１の搬送手段からウエハーが受け渡されて搬送し、上記環状ホルダーの上記保持機構で保持させる第２の搬送手段とから成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のウエハー形状測定装置。
4. 上記搬送手段は、上記環状ホルダーの内孔近傍に配置され、該内孔内から延出してウエハーを環状ホルダーまでに搬送する搬送アームであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のウエハー形状測定装置。
5. 上記モーターを環状ホルダーの外側に配置し、該モーターの位置と上記環状ホルダーを介して反対側の位置にプーリーが配置され、かつ、上記環状ホルダーの外周面に溝を刻設するとともに、上記モーターから上記溝を介してプーリーにワイヤーを張架することで上記モーターによる環状ホルダーの回転及び停止が行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のウエハー形状測定装置。
6. 上記保持機構は、上記ウエハー周縁部の他方面をクランプ部材で当接することによりウエハーの周縁部両面で狭持することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のウエハー形状測定装置。
7. 上記保持機構は、上記フランジ部に吸引口を穿設することによりウエハーの周縁部の一方面を吸引保持することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のウエハー形状測定装置。

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