JP2006010466A - 板材の平坦度測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大きさにばらつきのあるウェハであっても、その回転中心のずれを測定し、このずれを高速に補正することにより、その平坦度を高速高精度で測定できるようにする。
【解決手段】 板材１４を保持しながら回転させ、その回転角度と外形とを測定して、板材１４の形状をもとに、この板材１４自体の中心からその回転中心までの位置ずれを算出する。板材１４を回転させたときに、この板材１４の面の方向に走査する変位センサによって、板材１４の回転中心を原点とする座標系についての複数の測定点において、変位センサから板材１４の表面までの距離または距離の変化を測定する。前記算出した位置ずれにより、変位センサによる測定点の位置データを、板材１４自体の中心を原点とする座標系に補正する。補正した位置データに基づいて、板材１４の表面における厚さむらおよび反りを算出する。
【選択図】 図５

Description

本発明は板材の平坦度測定方法および装置に関し、特に、面方向における厚さやむらや反りなどが極めて少ないことが要求される、例えば半導体製造用のウェハや磁気ディスク用基盤などの薄板材の平坦度を測定するための、板材の平坦度測定方法および装置に関するものである。

半導体製造用のウェハはシリコンなどの薄板材からなり、このウェハの表面に半導体素子や回路を作製するために、写真製版技術や各種の微細加工技術などが採用されている。このようなウェハへの加工処理に際しては、ウェハの平坦度を高めることが非常に重要である。なぜならば、ウェハの平坦度が劣ると、例えば写真製版の際に焦点がぼけることなどに起因して、半導体素子や電子回路のパターンがウェハの表面に不鮮明に作製されたり、ウェハの表面にパターン状に印刷される材料の輪郭が不明確になったりするからである。特に、近年では、半導体素子の微細化および生産性の向上を目的として、従来の８インチから１２インチへとウェハの大型化が促進されており、このような高密度化や大型化にともなってウェハ表面の平坦度を確保することがいっそう重要な問題になっている。

すなわち、半導体製造工程では、きわめて精密な平坦面とされた支持面にウェハの裏面全体を真空吸着などの手段で密着状態に保持しながら、ウェハの表面に各種加工を行うことが多い。このとき、ウェハにその個所によって厚みばらつきが存在すると、このウェハの裏面を平坦な支持面に密着させて支持したときに、厚みのばらつきがそのままウェハ表面の平坦度のばらつきとして現れる。そのため、ウェハは、その全体にわたり厚みむらの極めて少ない正確な平坦度を有していることが要求される。そこで、ウェハの製造工程では、製造後のウェハの全数について厚みむらおよび反りが許容範囲内であるか否かを評価するために、ウェハの平坦度を正確かつ能率的に測定することが必要になる。

従来におけるウェハの平坦度測定装置としては、特許文献１に示されたものが知られている。この装置は、回転自在に支持したウェハに対し両面側の対称位置にそれぞれ容量変位センサを配置して、各容量変位センサとウェハの対応する表面との間の静電容量を電気的に測定することで、各容量変位センサからウェハの対応する表面までの各距離を算出し、その両側からの各測定距離に基づきウェハの厚さむらと反りとを求めるようになっている。

ところが、上述の従来のウェハの平坦度測定装置には、以下のような種々の問題がある。すなわち、上記装置は、静電容量変位センサとウェハとのあいだの静電容量の電気的測定に基づきウェハの厚みむらなどを算出しているので、ウェハの材料や特性が変わったり、同一ウェハにその個所によって電気的特性にばらつきが存在したりしていると、容量変位センサによるウェハの平坦度の測定精度が低下してしまう。また、ウェハにおける外周端縁部では、正確な静電容量の測定ができないことから、厚みのばらつきの存在の有無を評価できないので、ウェハにおける外周部から３ｍｍ程度の幅のリング状の部分については半導体製造に利用することができず、ウェハ材料の一部が無駄になっている。さらに、容量変位センサは、ウェハの導電性によっては測定が技術的に困難な場合があり、しかも、容量変位センサとウェハとの間の環境条件によっても測定に大きな影響が生じる。

近年では、半導体素子や電子回路の高密度化に伴って、ウェハの厚さむらを０．０１μｍ以下（一般に０．００５μｍ）の精度で測定することが要求されている。しかし、上記の容量変位センサでは０．０５μｍ程度の測定精度が限界であるとされている。そのため、容量変位センサを用いた測定装置では、ウェハの厚さやむらや反りなどの平坦度を上述の測定精度で高精度に測定することを実現するのは原理的に不可能に近く、特に高精度あるいは高密度な厚さむらの測定には十分に対応することができない。

そこで、本出願人は、上記問題を解消した薄板材の厚み測定装置を先に提案している（例えば、特許文献２や特許文献３）。この本出願人の提案した装置は、図７に示すように、円盤状のウェハ１４を鉛直に立てた状態でダイレクトドライブモータ１における円環状の中空スピンドル２内に保持させて、中空スピンドル２の回転駆動によってウェハ１４を鉛直面内で回転させ、この回転中のウェハ１４の両面に、ウェハ１４の両面側方の対称位置に配置した一対（一方のみ図示）の光学式変位計３からそれぞれの測定光を照射し、かつウェハ１４の表面からそれぞれ反射した測定光を各光学式変位計３で受光して、光学式変位計３からウェハ１４の表面までの距離あるいは距離の変化を測定している。１１は装置台、１２はダイレクトドライブモータ１を支持する支持台、１９は光学式変位計３を支持する取付台である。

また、取付台１９を上面に密着状態で設置した移動ステージ９が、モータ７によるボールネジ８の回転駆動によって、一対のガイドレール１０に沿って摺動しながら、ウェハ１４の面と平行な方向に直線移動するようになっている。これによって、取付台１９は、一対の光学式変位計３を、ウェハ１４の両面に対応した相対向する位置においてウェハ１４の対向面に対し所定間隔に保持した状態で、移動ステージ９と一体に直線移動させる。これにより、一対の光学式変位計３は、回転するウェハ１４に対し、このウェハ１４の表面と平行な状態でその径方向に移動されていき、ウェハ１４の全体の厚みを測定する。マイクロコンピュータなどの演算処理装置などからなる平坦度算出手段（図示せず）が、一対の光学式変位計３の測定結果に基づいてウェハ１４の厚さむらや反りなどを算出し、その算出結果によってウェハ１４の良否を判定する。
特開平１０−７０１６２号公報（第２−８頁、ＦＩＧ．１、ＦＩＧ．２） 特開２０００−２８３７２８号公報（第２−６頁、図１、図２） 特開２００１−１２４５４２号公報（第２−８頁、図１、図５、図６）

図７に示したウェハ１４の平坦度測定装置は、光学式変位計３を用いたことにより、容量変位センサを用いた測定装置の場合のようなウェハ１４の材質や電気的特性あるいはウェハ１４の導電性などの影響を受けずに、正確に、かつ高精度にウェハ１４の厚さむらおよびそりなどを測定できるという、顕著な効果を得ることができる。

しかしながら、上記の図７に示した平坦度測定装置には、その実用化に際して解決しなければならない問題がいまだ残存している。すなわち、この平坦度測定装置は、円盤状のウェハ１４を鉛直方向に立てた状態で、中空のスピンドル２の内周面において周方向に等間隔に設けられた３個の固定ユニット１７によって、ウェハ１４の外周端縁部を保持して回転させる。この固定用ユニット１７による、薄板材としてのウェハ１４の外周端縁部の径方向に沿った保持幅は、ウェハ１４のほぼ全面を測定する必要から、１ｍｍ以下に設定されている。ところが、各ウェハ１４自体に大きさのばらつきがあるため、この平坦度測定装置における問題点は、このように大きさにばらつきのあるウェハ１４の回転中心と、スピンドルの回転中心とを高速測定にみあった時間で正確に一致させられない点である。以下にその問題点について記述する。

図８に詳細に示すように、ウェハ１４のための１個の固定ユニット１７は、中空スピンドル２の内周面２ａに固定された支持台３２に、ほぼＬ字形状の可動チャック腕部３３の一端部が支軸３４を支点として回転自在に取り付けられており、可動チャック腕部３３の他端部には、ウェハ１４の外周端縁部を嵌め込ませて保持するためのＶ字形状の保持溝３７が形成されている。保持溝３７は、ウェハ１４の外周近くまで平坦度を測定可能とするために、０．２ｍｍ程度の溝深さに設定されている。

一般に、３個のうちの図示しない２個の固定ユニット１７は、可動チャック腕部３３に代えて、上述と同形状の保持溝を有する固定チャック腕部を備えた構成になっており、ウェハ１４は、１箇所の外周縁端部が上述の１個の稼動チャック腕部３３による押圧力を受けることによって、他の２個所の外周端縁部が固定チャック腕部の保持溝内に押し付けられて挟持されることで、鉛直状態に取り付けられる。しかし、２箇所が固定となっているため、円盤状のウェハ１４の大きさが変わると、ウェハ１４の回転中心がウェハ１４自体の中心からずれるという問題がある。

また、固定ユニット１７をすべて可動チャックで構成したとしても、ウェハ１４は押圧力のつりあうところに支持されるため、正確に同一位置で保持することが難しく、このためウェハ１４の回転中心がウェハ１４自体の中心からずれるという問題がある。

実ウェハにおいては、中心部に比べて外周近い部分ほど平坦度の変化が非常に大きいため、周辺部の形状を正確に測定することは歩留まり向上に大きく貢献するが、そのためには平坦度の測定の際にウェハの回転中心の位置を正確に求めなければならない。

一方、上述のようにウェハ１４を全数検査することから、そりなどを能率的に測定する必要があり、一般に１枚当たり約１分のタクトで測定する測定装置において、平坦度の測定は２０秒以内で迅速に行うことが要求されている。したがって、個々のウェハごとに、ウェハの中心とその回転中心とがずれないように、人またはアクチュエータにより再調整することも可能ではあるが、現実的ではない。また、現在ウェハの大きさは３００ｍｍであり、例えば１ｍｍごとにデータ測定した場合の測定点は３００×３００×π／４＝約７００００点と非常に多くなるが、あるウェハの測定完了から次のウェハの測定開始までにリアルタイムで測定評価を行うためには、測定後のデータ処理も２０秒以内で行う必要がある。

そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、大きさにばらつきのあるウェハを取り付けた場合でも、ウェハの回転中心のずれを測定し、このずれを高速に補正することにより、高速高精度の測定のできる、板材の平坦度測定方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の板材の平坦度測定方法は、板材を保持しながら回転させ、前記板材を回転させたときのこの板材の回転角度と外形とを測定して、前記板材の形状をもとに、この板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出し、前記板材を回転させたときに、この板材の面の方向に走査する変位センサによって、前記板材の回転中心を原点とする座標系についての複数の測定点において、前記変位センサから前記板材の表面までの距離または距離の変化を測定し、前記算出した位置ずれにより、前記変位センサによる測定点の位置データを、前記板材自体の中心を原点とする座標系に補正し、補正した位置データに基づいて前記板材の表面における厚さむらおよび反りを算出するものである。

本発明によると、上記において、変位センサによる測定点の位置データを、板材自体の中心を原点とする座標系に補正する際に、前記測定点において、補正すべき偏差を板材の径方向と周方向とに分解し、周方向の偏差は使用せずに径方向の偏差のみを使用して、前記補正を行うものである。

また本発明によると、上記において、板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定するものである。
また本発明によれば、上記において、板材を回転させたときに測定されたこの板材の回転角度と外形とから、前記板材の形状をもとに、板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出するものである。

また本発明によると、上記において、板材をその外周部において保持手段により保持しながら回転させ、前記保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定するものである。

また本発明によると、上記において、板材をその外周部において保持手段により保持しながら回転させ、前記板材を回転させたときに測定されたこの板材の回転角度と外形とから、前記板材の形状をもとに、前記保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出するものである。

また本発明によると、上記において、板材を回転させたときのこの板材の外形を、発光部と受光部とを備えた光学式測定器によって測定するとともに、板材を保持しながら回転させるための保持手段にこの板材を取り付けるときのこの板材と前記光学式測定器との干渉を防止するために、保持手段への板材の取付時に前記発光部と受光部との少なくともいずれか一方を移動させるか、または前記発光部と受光部とを前記板材に対して傾斜させて設置するものである。

本発明の板材の平坦度測定装置は、板材を保持しながら回転させる板材回転手段と、前記回転手段によって板材を回転させたときのこの板材の回転角度を測定する回転角度検出手段と、前記回転手段によって板材を回転させたときのこの板材の外形を測定する外形測定手段と、前記回転角度検出手段の検出データと外形測定手段の測定データとから、前記板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出する位置ずれ算出手段と、前記板材を回転させたときに、この板材の面の方向に走査することによって、前記板材の回転中心を原点とする座標系についての複数の測定点において、前記板材の表面までの距離または距離の変化を測定する変位センサと、前記位置ずれ算出手段にて算出した位置ずれにより、前記変位センサによる測定点の位置データを、前記板材自体の中心を原点とする座標系に補正する補正手段と、補正した位置データに基づいて前記板材の表面における厚さむらおよび反りを算出する平坦度算出手段と、を具備したものである。

本発明によると、上記において、補正手段は、変位センサによる測定点の位置データを、板材自体の中心を原点とする座標系に補正する際に、前記測定点において、補正すべき偏差を板材の径方向と周方向とに分解し、周方向の偏差は使用せずに径方向の偏差のみを使用して、前記補正を行うように構成されているものである。

また本発明によると、上記において、回転角度検出手段と外形測定手段とは、板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定するように構成されているものである。

また本発明によると、上記において、位置ずれ算出手段は、回転角度検出手段の検出データと外形測定手段の測定データとから、板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出するように構成されているものである。

また本発明によると、上記において、板材回転手段は、板材をその外周部において保持しながら回転させるための保持手段を具備し、回転角度検出手段と外径測定手段とは、前記保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定するように構成されているものである。

また本発明によると、上記において、板材回転手段は、板材をその外周部において保持しながら回転させるための保持手段を具備し、位置ずれ算出手段は、回転角度検出手段の検出データと外形測定手段の測定データとから、保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出するように構成されているものである。

また本発明によると、上記において、外形測定手段は、発光部と受光部とを備えた光学式測定器によって構成され、板材回転手段は、板材を保持するための保持手段を備え、前記光学式測定器は、前記板材を保持手段に取り付けるときのこの板材と前記光学式測定器との干渉を防止するために、保持手段への板材の取付時に前記発光部と受光部との少なくともいずれか一方を移動可能に構成したものであるか、または前記発光部と受光部とを前記板材に対して傾斜させて設置したものである。

以上のように本発明によると、板材の周端部の外形を測定することにより、板材の回転中心と板材自体の中心とのずれを補正した状態で、板材の厚みまたはそりを算出することで、同板材の平坦度を正確に求めることができる。これにより、板材の周辺部まで正確に平坦度を測定することが可能となり、周辺部サイトまで評価できるため、たとえば板材としてのウェハの歩留まり向上につなげることができる。

また本発明によれば、変位センサによる測定点の位置データを、板材自体の中心を原点とする座標系に補正する際に、前記測定点において、補正すべき偏差を板材の径方向と周方向とに分解し、周方向の偏差は使用せずに径方向の偏差のみを使用して、前記補正を行うが、詳しくは、板材がウェハである場合には、その形状・平坦度は一般に径方向に沿って大きく変化するが、円周方向にはあまり変化しないため、上記のように径方向の偏差のみを使用して補正すなわち内挿を行うことは問題ない。しかも、たとえば３００ｍｍのウェハで１ｍｍごとにデータを測定すると、測定点は約７万点と膨大になるため、径方向のみの補正をかけることで計算量を大幅に低下させることができる。

本発明によれば、板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定するため、また、板材をその外周部において保持手段により保持しながら回転させ、前記保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定するため、これら保持手段や切欠部の影響を受けることなしに前記板材の回転角度と外形とを測定することができる。

本発明によれば、板材を回転させたときに測定されたこの板材の回転角度と外形とから、前記板材の形状をもとに、板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出するため、また、板材をその外周部において保持手段により保持しながら回転させ、前記板材を回転させたときに測定されたこの板材の回転角度と外形とから、前記板材の形状をもとに、前記保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出するため、これら保持手段や切欠部の影響を受けることなしに、板材自体の中心とその回転中心とのずれを求めることができる。

また本発明によれば、板材を回転させたときのこの板材の外形を、発光部と受光部とを備えた光学式測定器によって測定するとともに、板材を保持しながら回転させるための保持手段にこの板材を取り付けるときのこの板材と前記光学式測定器との干渉を防止するために、保持手段への板材の取付時に前記発光部と受光部との少なくともいずれか一方を移動させるか、または前記発光部と受光部とを前記板材に対して傾斜させて設置するため、保持手段への板材の取付時における両者の機械的な干渉の発生を防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照にしながら説明する。図１は、本発明の板材の平坦度測定方法を具現化した一実施の形態に係る板材の平坦度測定装置を示す斜視図である。同図において、図７に示したものと同一もしくは実質的に同等の部材については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。

装置台１１の上面には、一対の支持脚１２によってダイレクトドライブモータ１が支持されている。すなわち、ダイレクトドライブモータ１は、その環状の外装部１３が一対の支持脚１２に固着されており、外装部１３の内部に回転自在に設けられた環状の中空スピンドル２の内周面側には、薄板材としての例えばウェハ１４が、鉛直に立てられた状態で、その周端部を、複数（通常は３個）の固定ユニット１７で固定されて取り付けられている。これによって、ウェハ１４は、鉛直に保持された状態で中空スピンドル２と一体に回転可能である。なお、ウェハ１４を鉛直状態に保持しながら回転させるのは、ウェハ１４を水平に保持した場合は自重によって歪んで測定誤差が発生するためである。

ダイレクトドライブモータ１は、外装部１３にコイル（図示せず）が設けられるとともに、中空スピンドル２に磁石（図示せず）が所定の間隔をおいて相対向する配置で設けられた周知の構成を有しており、例えば、ウェハ１４を保持した回転体を、一般的なモータの回転動力をベルトやギヤなどの伝達機構を介して回転駆動する場合に比較して、回転むらが極めて少ない。したがって、このダイレクトドライブモータ１は、ウェハ１４などの薄板材を回転しながらその厚さむらなどを高精度に測定することを目的とする平坦度測定装置の回転駆動源として、好適なものである。

この平坦度測定装置の測定対象となる薄板材としては、シリコンなどの半導体ウェハ１４の他に、磁気ディスクの材料となる金属版、セラミック版または樹脂版などの基板が主なものである。これ以外に、ウェハ１４などの円盤材や円盤状のものに限らず、円形以外の形状のものも対象とすることができる。要は厚さむらやそりなどの発生度合である平坦度を高精度で測定することが要求されるものであれば、材料や形状寸法の如何に拘わらず測定対象として適用可能である。

ウェハ１４を間においた相対向する対称位置には、光学式変位計３がそれぞれ取り付けられている。これにより、一対の光学式変位計３は、ダイレクトドライブモータ１に鉛直状態に保持されて回転するウェハ１４の表面までの距離または距離の変化を測定する。

図１、図２、図３に示すように、ダイレクトドライブモータ１の回転中心と同じ高さにおけるウェハ１４の端縁部に対応した箇所には、位置検出センサ２０が設けられている。図２はこの位置検出センサ２０の部分を拡大した概略斜視図、図３は位置検出センサ２０の構成の一例を示す図である。位置検出センサ２０は、投光部２１と受光部２２とを有する。投光部２１は、受光部２２に向けて平行光２３を投光する。平行光２３はウェハ１４により遮光される部分と遮光されない部分とに分かれ、平行光２３のうちの遮光されない部分は受光部２２に到達し、受光部２２においてＣＣＤまたはラインセンサ等で構成される受光素子２４で検出される。したがって平行光２３は、できるだけ強度が一定であることが望ましい。受光素子２４の検出した明暗の変化する位置を、ウェハ１４の回転角度と同期させて計測することにより、ウェハ１４の外形がわかっていればウェハ１４の回転中心を推測することができる。以下、その例を具体的に示す。

ここでは、円形薄板材としてのウェハ１４の回転中心はそれ自体の中心とほぼ一致しており、ずれは十分小さいとする。この円形のウェハ１４の直径は３００ｍｍ、それ自体の中心と回転中心とのずれは０．５ｍｍ以下の状態となっているとする。ずれが０．５ｍｍ以下でも、ウェハの評価としては無視できない量となる。ウェハ１４の角度の測定は、ダイレクトドライブモータ１に組み込まれたエンコーダを読み取ることにより可能になり、このウェハ１４の角度をθｎとする。またウェハ１４の角度θｎにおける位置検出センサ２０の検出結果をＲ（θｎ）とする。ｎは測定番号であり、０度から３６０度まで一定の回転角度おき、たとえば４度おきに測定したときはｎは１〜９０であり、このときの測定数をＮとする。また、このときの水平方向のずれをａ、垂直方向のずれをｂとすると、

となる。Σは総和を表している。Ｒ（θｎ）は、ウェハ１４についての絶対座標である必要はなく、位置検出センサ２０における相対座標でよい。このため、１μｍの高精度で測定することが可能となり、ウェハ１４の回転中心のずれ量をμｍレベルで検出することが可能になる。

位置検出センサ２０の受光部２２の受光素子２４は、ＣＣＤまたはラインセンサ等にて構成されるのが好適である。これに対し、ウェハ１４の端縁部にあたる光が一定量であるとすると、透過した光量を検出することで位置検出を行うことも可能である。この場合は受光素子２４をフォトダイオード等で構成することが可能となり、位置検出センサ２０のコストを抑えることができる。

図４は、ウェハ１４に対する位置検出センサ２０の測定動作を説明するための模式図であり、図１の後側からウェハ１４を見た状態を示す。つぎに、同図に基づいて、光学式変位計３によりウェハ１４の全面の表面変位の測定を行う方法を説明する。ウェハ１４は、鉛直面内で一方向に回転される。これに対し光学式変位計３は、円形のウェハ１４の中心Ｂから外周Ａに向かって半径方向に移動しながら、ウェハ１４の表面変位の測定を行う。これにより、光学式変位計３の位置は、ウェハ１４に対して軌跡Ｓで示す渦巻き線に沿って移動することになる。この軌跡Ｓ上で、適宜の間隔をあけて、光学式変位計３によるウェハ１４の全面に対する表面変位の測定を能率的に行える。光学式変位計３は、水平方向に直線的に半径Ａ−Ｂの距離だけ移動すればよいので、その作動機構が簡単になる。なお、光学式変位計３は円形のウェハ１４の中心Ｂから外周Ａに向かって半径方向に移動するとしたが、逆に円形のウェハ１４の外周Ａから中心Ｂに向かって半径方向に移動してもよい。

図５では、ウェハ１４の回転中心Ｃが、ウェハ１４自体の中心Ｄから、水平方向にａ、鉛直方向にｂずれている場合についての、実際にデータを測定したサンプリング点の一例を点Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２で示したものである。Ｓは光学式変位計３の軌跡である。上述の薄板材の平坦度測定装置では、ダイレクトドライブモータ１に組み込まれたエンコーダを常時高速で読み込み、あらかじめ設定した値に一致したときに光学式変位計３の値を読み込むように、ハードウェアまたはソフトウェアにて構成している。このため、薄板材としてのウェハ１４の回転中心Ｃを中心として、正確に同一角度にてサンプリングを行うことが可能となっている。

薄板材としてのウェハ１４の中心Ｄから測定点に向かう方向を「半径方向」と呼び、Ｄから測定点に向かう方向に直交する方向を「円周方向」と呼ぶと、半導体のウェハ１４には、中心から半径方向に沿っては厚み・形状が大きく変化するが、直交する円周方向にはあまり変化しないという特徴と、厚みが大きく変化するのは外周部であるという特徴とがある。この特徴を使うことにより効率的な補正計算が可能になる。以下、この点について詳述する。

ここで、測定した点Ｔ１の座標を、ウェハ１４の回転中心Ｃを原点と考えたときに、半径ｒと、ウェハ１４の回転角度θとで表す。このとき、ｒが十分に大きい測定点の場合は、ウェハ１４の中心Ｄを原点とした座標においても、測定点Ｔ１の座標は、半径ｒ、回転角度θと考えられる。そこで、ウェハ１４の回転中心Ｃがウェハ１４の中心Ｄから水平方向にａ、鉛直方向ｂずれており、かつｒがａ、ｂに比べて十分大きい場合において、ウェハ１４の中心Ｄを原点としたときの半径ｒ’、角度θの座標位置Ｔ１’の値を推測する。このとき、ｒ’は、

となる。ここで、上記のようにｒはａ、ｂに比べて十分大きいので、

となる。したがって、角度θにおける軌跡Ｓに沿った測定点Ｔ１よりも一つだけ内周側の測定点をＴ０、一つだけ外周側の測定点をＴ２として、半径方向のみ測定点Ｔ０とＴ１またはＴ１とＴ２から内装すれば、ウェハ１４の中心を原点とした座標系の半径ｒ、角度θの座標の測定値に補正することができる。

例えば、測定点Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２の原点からの距離をｒ０、ｒ１、ｒ２とするとともに、各測定点での測定値をそれぞれＺ０、Ｚ１、Ｚ２とし、Ｔ０点の座標の補正値をＺ１’とすると、

となる。

すなわち、正確な補正を行うためには、θ方向すなわち円周方向も含めて補正する必要があるが、上述の円周方向にはあまり変化しないという条件を使って、円周方向の補正を省略することで、補正に要する計算量を極めて少なくすることが可能となる。このため、下記に説明する測定条件のもとで高速に補正することが可能となり、ウェハ１４の表面変位の測定後、リアルタイムに平坦度の評価計算を実行することが可能となる。

回転自在に設けられた円環状の中空スピンドル２の内部においては、上述のように、薄板材としての半導体ウェハ１４が、鉛直に立てられた状態で、その外周部を複数（通常３個）の薄板材固定ユニット１７で固定されて取り付けられる。通常、位置検出センサ２０で検出すると、ウェハ１４の端縁部と固定ユニット１７とを分離して検出を行うことができず、固定ユニット１７を検出することになる。したがって、中空スピンドル２の１回転の全周にわたって、上述の（式１）（式２）を用いると、ウェハ１４の中心Ｄを原点としたその回転中心Ｃの位置を正しく求めることができない。

３個の固定ユニット１７は、ウェハ１４の角度θに対して、この固定ユニット１７によって固定されたウェハ１４についての３つの回転角度θａ、θｂ、θｃに位置するので、これらの回転角度θａ、θｂ、θｃを中心に十分な範囲の角度について、位置センサ２０による測定を行わないか、あるいは測定データを除外して、ウェハ１４の中心Ｄとその回転中心Ｃとのずれａ、ｂを求めればよい。このとき、ａ、ｂは下記の連立１次方程式を解くことにより求めることができる。この連立方程式において、Ｎｄは、θａ、θｂ、θｃを中心に十分な範囲の角度についての位置センサ２０の測定データを除去したあとの、データの個数である。

半導体ウェハ１４では、このウェハ１４の向きを決めるために、図２に示すようなノッチ２５や、オリフラ（図示せず）が設けられている。これらの点でも、上述したような固定ユニット１７の場合と同様のことが起こる。図１のようなウェハ１４の平坦度測定装置では、ノッチ２５またはオリフラの位置に固定ユニット１７が重なると、ウェハ１４を正確に保持できなかったり、落としたりすることがある。したがって、図１のようなウェハ１４の平坦度測定装置では、ノッチ２５の位置またはオリフラの位置をあらかじめ確認した上で、ノッチ２５の位置またはオリフラの位置が固定ユニット１７と重ならないように、自動機によりウェハ１４を搬入している。このため、ノッチ２５の位置またはオリフラの位置を、あらかじめ知ることが可能である。したがって、ノッチ２５の位置またはオリフラの位置について、上記の固定ユニット１７の場合と同様に、測定を行わないか、あるいは測定データから除去することができる。

また、ウェハ１４の回転速度が遅い場合には、測定点数を増やすことにより、位置検出センサ２０の測定データからノッチ２５の位置またはオリフラ位置を推定して、除去することも可能である。

図６（ａ）は、１回の測定におけるウェハ１４の回転速度（角速度ω）の変化を示す動作線図、同図（ｂ）は、光学式変位計３の直線移動速度Ｖｘの変化を示す動作線図である。中空スピンドル２に保持されたウェハ１４をモータ１で回転させるときには、ウェハ１４および中空スピンドル２の回転部材が有する慣性モーメントがあるため、回転開始時に直ちに所定の回転速度にすることはできず、回転速度ωが徐々に増加したうえで徐々に減少して、一定時間経過後に０に戻って停止する。これに対応して、光学式変位計３の直線移動についても、移動の開始時には、速度Ｖｘ＝０の状態から徐々に速度が増加する。移動の終了時には、速度Ｖｘが徐々に低下して０に戻る。

したがって、位置変位センサ２０による測定を、光学式変位計３による測定前または測定後に、ウェハ１４の回転速度ωを一定速度として行うと、本来の測定時間の他に測定時間が必要となり、全体の測定時間が長くなってしまう。本実施の形態の測定方式は光学式で高速なため、光学式変位計３による測定開始時または測定終了時に位置変位センサ２０による測定を行うことができ、このためウェハ１４の中心Ｄとウェハ１４の回転中心Ｃとのずれの測定を、測定時間を増やすことなく実現できる。

また、ウェハ１４の平坦度の測定を高速に行うためには、自動供給装置によりウェハ１４を鉛直に保った状態で、ダイレクトドライブモータ１の内側に搬入する必要がある。このとき、ウェハ１４に垂直に投受光する位置検出センサ２０では、もっとも精度を上げることができるが、ウェハ１４と干渉するため、ウェハ１４の搬入時のみ、搬入側に位置する投光部２１または受光部２２のどちらか一方を、ウェハ１４と干渉しない外側に退避させる必要がある。一般にセンサを移動させると測定精度が劣化するが、ＣＣＤまたはラインセンサ等の受光素子を用いた位置検出センサ２０の場合は、受光部２２は移動させずに投光部２１を移動させることにより、移動による測定劣化をなくすことが可能になる。フォトダイオード等を用いて、受光量で測定する場合には、位置検出センサ２０における投光部２１と受光部２２との配置を逆にして、受光部２２を移動させる構成とすることにより、移動による精度劣化をなくすことができる。

なお、ウェハ１４の搬入経路を避ける外側に位置検出センサの投光部２１と受光部２２との一方を配置して、ウェハ１４に斜め方向から投光もしくは受光するように構成することも可能である。この場合は、投光部２１や受光部２２を移動させる必要がなくなる。

なお、上記実施の形態では、ウェハ１４の対向表面までの距離または距離の変化を、光学式変位計３で測定する場合例示したが、接触式または静電容量式の変位センサを用いた場合にも、測定精度が向上する効果を得ることができる。

本発明にかかる板材の平坦度測定方法および装置は、板材の周端部の外形を測定することにより、板材の回転中心と板材自体の中心とのずれを補正した状態で、板材の厚みまたはそりを算出することで、同板材の平坦度を正確に求めることができ、このため、面方向における厚さやむらや反りなどが極めて少ないことが要求される、例えば半導体製造用のウェハや磁気ディスク用基盤などの薄板材の平坦度を測定するための、板材の平坦度測定方法および装置として有用である。

本発明の板材の平坦度測定方法を具現化した一実施の形態に係る平坦度測定装置を示す斜視図 同上の板材の平坦度測定装置における板材の外形位置を測定する位置検出センサを示す拡大斜視図 図２の位置検出センサの構成図 同上の板材の平坦度測定装置における板材に対する測定動作を説明するための模式図 同上の板材の平坦度測定装置における板材に対する回転中心の補正動作を説明するための模式図 同上の板材の平坦度測定装置における板材および光学式変位計の経時動作を示す動作線図 従来の板材の平坦度測定装置を示す斜視図 同上の従来の板材の平坦度測定装置における板材固定ユニットの斜視図

符号の説明

１ ダイレクトドライブモータ（薄板材回転手段）
２ 中空スピンドル
３ 光学式変位計（変位センサ）
１４ ウェハ
１７ 固定ユニット
２０ 位置検出センサ
２１ 投光部
２２ 受光部

Claims (14)

1. 板材を保持しながら回転させ、
   前記板材を回転させたときのこの板材の回転角度と外形とを測定して、前記板材の形状をもとに、この板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出し、
   前記板材を回転させたときに、この板材の面の方向に走査する変位センサによって、前記板材の回転中心を原点とする座標系についての複数の測定点において、前記変位センサから前記板材の表面までの距離または距離の変化を測定し、
   前記算出した位置ずれにより、前記変位センサによる測定点の位置データを、前記板材自体の中心を原点とする座標系に補正し、
   補正した位置データに基づいて前記板材の表面における厚さむらおよび反りを算出することを特徴とする板材の平坦度測定方法。
2. 変位センサによる測定点の位置データを、板材自体の中心を原点とする座標系に補正する際に、前記測定点において、補正すべき偏差を板材の径方向と周方向とに分解し、周方向の偏差は使用せずに径方向の偏差のみを使用して、前記補正を行うことを特徴とする請求項１記載の板材の平坦度測定方法。
3. 板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定することを特徴とする請求項１または２記載の板材の平坦度測定方法。
4. 板材を回転させたときに測定されたこの板材の回転角度と外形とから、前記板材の形状をもとに、板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出することを特徴とする請求項１または２記載の板材の平坦度測定方法。
5. 板材をその外周部において保持手段により保持しながら回転させ、前記保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の板材の平坦度測定方法。
6. 板材をその外周部において保持手段により保持しながら回転させ、前記板材を回転させたときに測定されたこの板材の回転角度と外形とから、前記板材の形状をもとに、前記保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の板材の平坦度測定方法。
7. 板材を回転させたときのこの板材の外形を、発光部と受光部とを備えた光学式測定器によって測定するとともに、板材を保持しながら回転させるための保持手段にこの板材を取り付けるときのこの板材と前記光学式測定器との干渉を防止するために、保持手段への板材の取付時に前記発光部と受光部との少なくともいずれか一方を移動させるか、または前記発光部と受光部とを前記板材に対して傾斜させて設置することを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載の板材の平坦度測定方法。
8. 板材を保持しながら回転させる板材回転手段と、
   前記回転手段によって板材を回転させたときのこの板材の回転角度を測定する回転角度検出手段と、
   前記回転手段によって板材を回転させたときのこの板材の外形を測定する外形測定手段と、
   前記回転角度検出手段の検出データと外形測定手段の測定データとから、前記板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出する位置ずれ算出手段と、
   前記板材を回転させたときに、この板材の面の方向に走査することによって、前記板材の回転中心を原点とする座標系についての複数の測定点において、前記板材の表面までの距離または距離の変化を測定する変位センサと、
   前記位置ずれ算出手段にて算出した位置ずれにより、前記変位センサによる測定点の位置データを、前記板材自体の中心を原点とする座標系に補正する補正手段と、
   補正した位置データに基づいて前記板材の表面における厚さむらおよび反りを算出する平坦度算出手段と、
   を具備することを特徴とする板材の平坦度測定装置。
9. 補正手段は、変位センサによる測定点の位置データを、板材自体の中心を原点とする座標系に補正する際に、前記測定点において、補正すべき偏差を板材の径方向と周方向とに分解し、周方向の偏差は使用せずに径方向の偏差のみを使用して、前記補正を行うように構成されていることを特徴とする請求項８記載の板材の平坦度測定装置。
10. 回転角度検出手段と外形測定手段とは、板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定するように構成されていることを特徴とする請求項８または９記載の板材の平坦度測定装置。
11. 位置ずれ算出手段は、回転角度検出手段の検出データと外形測定手段の測定データとから、板材の外周部における周方向の一部分に形成された切欠部の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出するように構成されていることを特徴とする請求項８または９記載の板材の平坦度測定装置。
12. 板材回転手段は、板材をその外周部において保持しながら回転させるための保持手段を具備し、回転角度検出手段と外径測定手段とは、前記保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、前記板材の回転角度と外形とを測定するように構成されていることを特徴とする請求項８から１１までのいずれか１項記載の板材の平坦度測定装置。
13. 板材回転手段は、板材をその外周部において保持しながら回転させるための保持手段を具備し、位置ずれ算出手段は、回転角度検出手段の検出データと外形測定手段の測定データとから、保持手段が存在する特定の回転方向の位置を除いて、板材自体の中心からこの板材の回転中心までの位置ずれを算出するように構成されていることを特徴とする請求項８から１１までのいずれか１項記載の板材の平坦度測定装置。
14. 外形測定手段は、発光部と受光部とを備えた光学式測定器によって構成され、板材回転手段は、板材を保持するための保持手段を備え、前記光学式測定器は、前記板材を保持手段に取り付けるときのこの板材と前記光学式測定器との干渉を防止するために、保持手段への板材の取付時に前記発光部と受光部との少なくともいずれか一方を移動可能に構成したものであるか、または前記発光部と受光部とを前記板材に対して傾斜させて設置したものであることを特徴とする請求項８から１３までのいずれか１項記載の板材の平坦度測定装置。

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