JP2007003204A - 厚み測定機 - Google Patents

Abstract

【課題】自動的にゼロ点を補正できる厚さ測定機を提供する。
【解決手段】厚み測定機は、対向配置された２つのセンサ要素２，６から構成される。センサ要素２のレーザ光源３からのレーザ光はセンサ要素６の位置検出素子（受光素子）８で受光され、センサ要素６のレーザ光源７からのレーザ光はセンサ要素２の位置検出素子（受光素子）４で受光される。このときの出力電圧Ｖ１，Ｖ２が厚みのゼロ点となる。被測定体をセンサ要素２，６の間に挿入し、表面で反射したレーザ光を位置検出素子４，８で受光する。被測定体の厚さに応じて出力電圧Ｖ１，Ｖ２が変化し、Ｖ１＋Ｖ２により厚さを測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウエーハ等の薄板材の厚みを非接触で測定する厚み測定機に関し、特にゼロ点校正に関する。

図９（ａ）、（ｂ）に従来の厚み測定機の構成を示す。図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は正面図である。非接触で薄板材の厚みを測定する場合、図のように薄板材１０６の左面及び右面までの距離を測定できるように距離センサ１０４及び１０５を配置し、それぞれの距離センサ１０４，１０５からの表面及び裏面までの距離を測定し、その測定値を演算して厚みを間接的に測定していた。各面を測定する距離センサ基準点は各センサを取り付けた位置に拘束されるため、基準となるブロックゲージ等を基準位置に取り付けてそれぞれのセンサのゼロキャリブレーション（ゼロ点補正）を行う必要がある。

特開２００４−３４７４２５号公報

しかしながら、ゼロ基準を調整するために使用するブロックゲージは有限の厚みであるため、２つの対向するセンサに同一の基準点を与えるのは非常に困難な作業である。また、基準点を与えてゼロキャリブレーションを行っても、温度変動による影響、センサの信号処理回路の温度ドリフト等によりセンサを取り付けた時に調整した基準位置がずれる可能性がある。そのため、定期的なキャリブレーションが必要となる。ところが、既述したように、対向して取り付けたセンサを同一の基準点から校正する作業は非常に困難である。また、キャリブレーションは基準点とスケールゲインの両方に対して実行する必要があり、スケールゲイン調整は一度行えばすむものの、基準点は温度ドリフト等でずれることがしばしばであり、調整を測定毎に行うのは現実には不可能であるため、キャリブレーション作業は数ヶ月、あるいは一年といった長い時間間隔で行っているのが現状である。

したがって、基準点を常に監視し、ずれが生じたら速やかに自動的に補正して常に正しい基準点から測定できる自立校正の機能を有する厚みセンサの実現が望まれている。また、センサ１０４，１０５の間に挟んで厚みを測定すべき薄板材１０６が傾いて挿入されるとこの傾きによりｓｉｎ誤差が生じるので、挿入姿勢にも細心の注意が必要となる。したがって、挿入姿勢により生じる誤差を自動補正する機能の実現も望まれている。

本発明の目的は、温度変化によるドリフトが生じても校正用の特別な被検体を用いることなくゼロ点補正でき、常に正しい基準点から測定できる厚み測定機を提供することにある。また、本発明の目的は、被測定体の位置や傾きによらず高精度な厚み測定を可能とする厚み測定機を提供することにある。

本発明は、対向配置された第１センサ要素及び第２センサ要素と、前記第１センサ要素に設けられる第１光源及び第１受光素子と、前記第２センサ要素に設けられる第２光源及び第２受光素子と、前記第１光源からの第１光は前記第２受光素子に向けて照射され、前記第２光源からの第２光は前記第１受光素子に向けて照射され、前記第１光と第２光は、前記第１センサ要素と第２センサ要素との間で交叉し、前記第１センサ要素と前記第２センサ要素との間に被測定体を挿入し、前記被測定体のうち前記第１センサ要素に対向する表面で反射した前記第１光を前記第１受光素子で受光し、前記被測定体のうち前記第２センサ要素に対向する表面で反射した前記第２光を前記第２受光素子で受光した場合の前記第１受光素子及び前記第２受光素子からの出力信号に基づき前記被測定体の厚みを測定することを特徴とする。

本発明の厚み測定機では、２つのセンサ要素からの光を２つのセンサ要素間で互いに交叉（クロス）させるように配置し、相手のセンサ要素の光を自己の受光素子で受光するようにする。これが被測定体が挿入されていない状態であり、このときに第１受光素子及び第２受光素子で受光される受光位置が基準位置となり、厚みゼロの基準となる。温度ドリフトが生じても、第１受光素子と第２受光素子で受光される受光位置が変動するのみであるため、これを検出してゼロ点補正すればよい。第１センサ要素と第２センサ要素との間に被測定体を挿入すると、第１光は被測定体表面で反射して第１受光素子で受光され、第２光は被測定体表面で反射して第２受光素子で受光されるようになる。それぞれの受光位置は、被測定体の厚みに応じて変化する。より詳細には、被測定体が挿入されていないときの第１光及び第２光のクロス点を基準とし、被測定体の厚みのうち基準よりも第１センサ要素側にある厚みが第１受光素子の受光位置を決定し、基準よりも第２センサ要素側にある厚みが第２受光素子の受光位置を決定する。したがって、第１受光素子と第２受光素子の出力信号に基づいて、すなわち、第１受光素子と第２受光素子の出力信号の加算結果に基づいて、被測定体の厚みを非接触で測定できる。

本発明において、被測定体は第１センサ要素と第２センサ要素との間に挿入されるが、その挿入位置が第１センサ要素側あるいは第２センサ要素側のいずれかに偏ったとしても、その影響は第１受光素子における受光位置と第２受光素子における受光位置に互いに反対極性で現れるから、その影響は互いに相殺されることになる。このことは、本発明の厚み測定精度は位置の偏りに影響されないことを意味する。被測定体の挿入角度（傾き）も同様である。

本発明によれば、ゼロ点補正を簡易かつ確実に実行して被測定体の厚みを高精度に測定できる。また、被測定体の位置や傾きによらずに高精度に測定できる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１（ａ）、（ｂ）に、本実施形態の厚み測定機としての厚みセンサの構成を示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。厚みセンサ１は、同一構造で対向配置される２つのセンサ要素２，６から構成される。各センサ要素２，６は、それぞれレーザ光源３，７、位置検出素子（受光素子）４，８、信号処理回路５，９を有する。センサ要素２，６は、互いに相手のレーザ光源から照射されたレーザ光を受光可能な位置に配置される。すなわち、センサ要素６の位置検出素子８はセンサ要素２のレーザ光を受光し、センサ要素２の位置検出素子４はセンサ要素６のレーザ光を受光する位置に対向配置される。
センサ要素２，６においてレーザ光源３，７が上方、位置検出素子４，８が下方にあるが、上下逆転してもよい。センサ要素２のレーザ光とセンサ６のレーザ光はセンサ要素２，６の中間位置でクロスする。２つのレーザ光がクロスする点を含む厚みセンサ１の中心軸Ｐを厚みゼロの基準として、このときの各センサ要素２，６の信号処理回路５，９の出力電圧Ｖ１，Ｖ２をゼロ基準と定める。センサ要素２，６の照射レーザ光波長は同一でもよく異なっていてもよい。

図２（ａ）、（ｂ）に、厚みセンサ１の略中心位置に被測定体としての薄板材１０を挿入した状態を示す。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図である。薄板材１０を挿入すると厚みセンサ１のクロスするレーザ光が遮られ、センサ要素２，６はそれぞれ相手のレーザ光が受光できなくなる。そして、薄板材１０の表面で反射した自己のレーザ光を位置検出素子４，８で受光するようになる。薄板材１０の厚さをＤ、中心軸Ｐより左側にある厚みをｄ１、右側にある厚みをｄ２とすればＤ＝ｄ１＋ｄ２の関係にある。

図２において、センサ要素２のレーザ光源３から照射されたレーザ光は薄板材１０の左表面で反射され位置検出素子４で受光される。位置検出素子４で受光されるレーザ光の位置は、ゼロ点を定めたときに受光された位置よりｘ１だけ離れた位置となる。他方、センサ要素６のレーザ光源７から照射されたレーザ光は薄板材１０の右表面で反射され位置検出素子８で受光される。位置検出素子８で受光されるレーザ光の位置はゼロ点を定めたときに受光された位置よりｘ２だけ離れた位置となる。ｘ１とｘ２はそれぞれｄ１とｄ２に対して比例関係にあり、また、出力電圧Ｖ１，Ｖ２とも比例関係にあることから、Ｖ１，Ｖ２を知ることで薄板材１０の厚みＤを計測することができる。すなわち、センサ要素２は厚みｄ１に比例した電圧Ｖ１を出力し、センサ要素６は厚みｄ２に比例した電圧Ｖ２を出力するから、Ｖ１＋Ｖ２により厚みＤを計測することができる。

図３（ａ）、（ｂ）に、薄板材１０が挿入される位置が中心より左側にずれた状態を示す。薄板材１０がセンサ要素２に対してΔｄだけ接近するので、出力電圧Ｖ１はＶ１＝ｋ（ｄ１＋Δｄ）となる。一方、センサ要素６に対してはΔｄだけ遠ざかることになるので、出力電圧Ｖ２はＶ２＝ｋ（ｄ２−Δｄ）となる。ここで、ｋは定数である。薄板材１０の厚みはＶ１＋Ｖ２に比例するから、Ｄ＝Ｖ１＋Ｖ２＝ｋ（ｄ１＋ｄ２）となり、挿入位置の偏りΔｄにより生じる誤差がキャンセルされることが分かる。

図４に、薄板材１０が傾きθをもって挿入された状態を示す。傾きθによる誤差は薄板材１０の表面と位置検出素子４間の距離ｌ１、薄板材１０の表面と位置検出素子８間の距離ｌ２により生じる。その距離はｌ≒ｌ１≒ｌ２の関係にあるので、各センサ要素には傾きがない場合に比べてｌｓｉｎ２θの誤差が生じる。この誤差はセンサ要素２，６に対して大きさが同じで向きが逆に現れることから、Ｄ＝Ｖ１＋Ｖ２＝ｋ（ｄ１＋ｌｓｉｎ２θ）＋ｋ（ｄ２−ｌｓｉｎ２θ）＝ｋ（ｄ１＋ｄ２）となり、この場合も誤差がキャンセルされることが分かる。なお、図４では一次元の傾きについて説明したが、二次元の傾きについても同様であり、二次元の傾きによる誤差はセンサ要素２，６に大きさ等しく向きが逆に作用するから互いにキャンセルされる。

ところで、図１では、薄板材１０の表面で反射する光を位置検出素子４，８で検出するため、位置検出素子４，８の分解能がそのまま厚みセンサ１の分解能となってしまう。また、薄板材１０表面の性状により誤差が生じ得る。

図５（ａ）、（ｂ）に、上記の課題を解決する、変位拡大光学系を備えた改良された厚みセンサ２１を示す。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図である。厚みセンサ２１は、対向配置されたセンサ要素２２，２９から構成される。センサ要素２２において、レーザ光源２３からのレーザ光は集光レンズ２４で集光されて薄板材３６の左表面に照射される。表面で反射したレーザ光はピンホール２５を通って受光レンズ２６で集光され、位置検出素子２７上に光点を結ぶ。薄板材３６の表面で反射したレーザ光は、薄板材３６の表面とピンホール２５間の距離ｌ３、及びピンホール２５と位置検出素子２７間の距離ｌ４の比で位置検出素子２７での変位が拡大する。他方のセンサ要素２９も同様であり、集光レンズ３１、ピンホール３２、受光レンズ３３をレーザ光の光路上に配置し、位置検出素子３４での変位を拡大する。これにより、位置検出素子２７，３４の分解能によらず厚みセンサ２１の分解能を向上できる。なお、ピンホール２５，３２は、変位を拡大する機能だけでなく、薄板材３６の表面で散乱するレーザ光の一部を選択し他を遮蔽する機能を有することから、図５の構成では鏡面だけでなく粗面でも計測できる等、薄板材３６の表面性状によらずその厚みを高精度で計測できる。

図６に、以上述べた厚みセンサを備える非接触マイクロメータ６１の構成を示す。薄板材の厚さ測定だけでなく、一般的な被測定体の厚みを測定できる構成である。図５では厚みセンサ２１は位置が固定された一対のセンサ要素２２，２９から構成されているが、図６では厚みセンサ６２を構成するセンサ要素６３，６４は測定範囲を広げるため互いの距離が可変となるように配置される。センサ要素６３は固定軸６７に取り付けられ、センサ要素６４は粗動軸６５に取り付けられる。センサ要素６３，６４から照射された２つのレーザ光はクロスして相手の位置検出素子で受光される。操作者は、駆動ツマミを手動で回転操作することで粗動軸６５を移動させることができ、粗動軸６５の移動距離は駆動軸６６に内蔵したエンコーダ７１で９０°位相差信号として検出され、アップダウンカウンタ７２でその移動距離Ｔｒが検出される。エンコーダ７１はリニアエンコーダの他、ロータリーエンコーダとすることもできる。センサ要素６３は厚みｄ１に比例した出力電圧Ｖ１を出力し、センサ要素６４は厚みｄ２に比例した出力電圧Ｖ２を出力する。これらの出力電圧は加算器で加算され、Ａ／Ｄ７３で厚みＤに比例したデジタルデータＴｄに変換され出力される。検出されたＴｒ及びＴｄは加算器７４で加算され、加算結果が表示器７５に表示される。センサ要素６３とセンサ要素６４が互いに相手のレーザ光を受光した状態をセンサの基準点と定め、このときの各センサの出力電圧Ｖ１，Ｖ２をゼロリセットする。つまり、非接触マイクロメータ６１のゼロ点を校正したことになる。

図７に、図６の非接触マイクロメータ６１で被測定体を測定する状態を示す。被測定体８０は厚みセンサ６２を構成するセンサ要素６３，６４の間に挿入される。このときの厚みはＤ＝Ｔｒ＋Ｔｄと表される。センサ要素６４を移動できる構成とすることで、薄板材だけでなく一般的なワークの測定が可能となる。駆動ツマミ６９の代わりに図８に示すような駆動モータ８１としてもよい。センサ要素６４の位置決めは精密に行う必要はなく、厚みセンサ６２の測定範囲内に入っていればよい。センサ要素６４の位置決め許容範囲は数ｍｍ程度である。

以上説明したように、本実施形態では、厚みセンサの基準点が温度ドリフト等によりずれても迅速にそのずれを補正する機能を有するため、常に正しい基準点から厚みを測定できる。

また、被測定体の測定位置のずれ、傾きが生じていても、これを補正する機能があるので測定姿勢を厳密に保つ必要がないので使い勝手のよい厚みセンサを実現できる。また、測定基準を自動的に決定できるのでセンサの取付調整が不要化される。

さらに、本実施形態では非接触マイクロメータが実現されるため、接触測定では測定機を扱う測定者個々の技量が測定結果に現れる特性があるが、その恐れが軽減され、信頼性の高い測定が可能となる。

本実施形態では、光源としてレーザ光源を例示したが、発光ダイオードとしてもよい。

実施形態の厚みセンサの構成図である。 図１において被測定体を挿入した状態を示す図である。 図２において被測定体の挿入位置がずれた状態を示す図である。 図２において被測定体が傾いて挿入された状態を示す図である。 他の実施形態の厚みセンサの構成図である。 他の実施形態の非接触マイクロメータの構成図である。 図６において被測定体を挿入した状態を示す図である。 さらに他の構成の非接触マイクロメータの構成図である。 従来装置の構成図である。

符号の説明

１ 厚みセンサ、２，６ センサ要素、３，７ レーザ光源、４，８ 位置検出素子、５，９ 信号処理回路、１０ 薄板材。

Claims (4)

1. 対向配置された第１センサ要素及び第２センサ要素と、
   前記第１センサ要素に設けられる第１光源及び第１受光素子と、
   前記第２センサ要素に設けられる第２光源及び第２受光素子と、
   前記第１光源からの第１光は前記第２受光素子に向けて照射され、
   前記第２光源からの第２光は前記第１受光素子に向けて照射され、
   前記第１光と第２光は、前記第１センサ要素と第２センサ要素との間で交叉し、
   前記第１センサ要素と前記第２センサ要素との間に被測定体を挿入し、前記被測定体のうち前記第１センサ要素に対向する表面で反射した前記第１光を前記第１受光素子で受光し、前記被測定体のうち前記第２センサ要素に対向する表面で反射した前記第２光を前記第２受光素子で受光した場合の前記第１受光素子及び前記第２受光素子からの出力信号に基づき前記被測定体の厚みを測定することを特徴とする厚み測定機。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記第１センサ要素と前記第２センサ要素との間に被測定体を挿入していない場合の前記第１受光素子及び前記第２受光素子からの出力信号に基づき厚みゼロの基準点を設定して前記被測定体の厚みを測定することを特徴とする厚み測定機。
3. 請求項１、２のいずれかに記載の厚み測定機において、
   前記第１センサ要素及び第２センサ要素は固定され、その間隔が一定であることを特徴とする厚み測定機。
4. 請求項１、２のいずれかに記載の厚み測定機において、
   前記第１センサ要素あるいは前記第２センサ要素の少なくともいずれかは前記被測定体の厚み方向に移動自在に設けられ、
   前記第１センサ要素あるいは前記第２センサ要素のうちの移動自在なセンサ要素の移動距離を検出する手段と、
   検出された移動距離と前記第１受光素子及び前記第２受光素子から出力信号に基づき前記被測定体の厚みを測定することを特徴とする厚み測定機。