JP2009145090A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】円盤状の測定対象物の端部の形状をその投影像に基づいて測定する場合に，投光方向と測定対象物とを平行な状態に調節して正しい形状測定を行えること。
【解決手段】測定対象物１の端部に対し平行光を投光する投光部と投光方向Ｒ１に対向する方向Ｒ２から測定対象物の端部の投影像を撮像するカメラとを光学系保持部材２０で保持し，投光方向Ｒ１に対する測定対象物の傾き度合いの指標の検出結果に応じて，投光方向Ｒ１に直交する支持軸３１で軸支された光学系保持部材２０を回動駆動させて前記光学系保持部材２０の傾きを調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は，円盤状の測定対象物（主として半導体ウェーハ，その他，ハードディスク用のアルミサブトレート，ガラスサブストレートなど）の面取り加工された端部の面（端面）の形状をその投影像に基づいて測定する形状測定装置に関するものである。

半導体ウェーハ（以下，ウェーハという）の製造時や，ウェーハを用いたデバイス製造時において，ウェーハの端部（縁部）が，他の部品やウェーハ保持部材と接触することによって傷ついたり，欠けたりする場合がある。さらに，その傷や欠けが原因で，ウェーハが割れることもある。このウェーハの端部における傷や欠けの生じやすさは，ウェーハの端面（いわゆるエッジプロファイル部）の形状と関係があると考えられている。このため，ウェーハに代表される円盤状の測定対象物のエッジプロファイルを正しく測定することは重要である。なお，ここでいう端面の形状は，ウェーハの厚み方向（一次元方向）のプロファイル，即ち，厚み方向断面の形状であり，以下，エッジプロファイルという。
エッジプロファイルの測定方法の代表例は，半導体製造装置／材料に関する業界団体（Semiconductor Equipment and Materials International：以下，SEMI）が定める標準規格であるSemi Standardにおいて規定された非破壊検査法（SEMI-MF-928-0305規格 Method B）である。この非破壊検査法は，円盤状のウェーハの面取り加工された端部に対し，そのウェーハの表裏各面にほぼ平行な方向（第１の方向）から光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向からカメラによってウェーハの端部（端面を含む）の投影像を撮像し，その投影像に基づいてウェーハの端面の形状を測定する方法（以下，光投影測定法と称する）である。この光投影測定法により得られる投影像の輪郭は，ウェーハの端部の断面形状（厚み方向に切断した断面の形状）を表す。
例えば，特許文献１には，前記光投影測定法において，点光源の出射光をコリメータレンズに通過させることによってコリメート（平行光化）し，その光束を測定対象物に投光することによって投影像における輪郭のボケや回析縞の発生を防止することが提案されている。
このように，前記光投影測定法により精度の高い形状測定を行うためには，板状の測定対象物の表裏各面に平行な光束が投光されることが必要である。
特開２００６−１４５４８７号公報

しかしながら，前記光投影測定法において，光束（平行光）の投光方向と前記測定対象物における前記測定部の表裏各面との平行度が十分でなければ，即ち，投光方向に対して前記測定部の表裏各面が傾いていれば，投影像に基づいて正しい形状測定を行うことができないという問題点があった。特に，ウェーハのように厚みの薄い測定対象物は，製造上のばらつきや重力等によって若干の撓みを有している場合があり，その撓みが投光方向に対する前記測定部の傾きを生じさせることがある。
図９は，前記光投影測定法において，測定対象物に対する投光方向Ｒ１と測定対象物における測定部の表裏各面とが平行である場合の光線の経路を模式的に表した図，図１０は，前記光投影測定法において，測定対象物に対する投光方向Ｒ１と測定対象物における測定部の表裏各面とに傾きが生じている場合の光線の経路を模式的に表した図である。なお，図９及び図１０は，測定対象物である円盤状のウェーハ１の端部（測定部）における断面をその断面に垂直な方向（ウェーハ１の半径方向）から見た図である。
図９に示すように，測定部の表裏各面が投光方向Ｒ１に沿っている（平行である）場合には，カメラによって撮像される投影像は，測定部の断面形状を正しく表す。一方，図１０に示すように，投光方向Ｒ１と測定対象物の面とに傾きが生じている場合，測定対象物の周囲を通過後の光の回析等の影響が大きくなる結果，カメラによって撮像される投影像の画像ボケの度合いが大きくなり，その投影像の形状は，測定部の本来の断面形状を表さなくなる。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，半導体ウェーハなどの円盤状の測定対象物の端部の形状をその投影像に基づいて測定する場合に，投光方向と測定対象物とを平行な状態に調節して正しい形状測定を行うことができる形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る形状測定装置は，例えば半導体ウェーハ等の円盤状の測定対象物の端部（一般に，面取り加工された部分）の投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定する装置であり，次の（１）〜（６）に示す各構成要素を備えている。
（１）前記測定対象物の端部に対し平行光を投光する投光手段。
（２）前記投光手段による投光方向に対向する方向から前記測定対象物の端部の投影像を撮像する撮像手段。
（３）前記投光手段及び前記撮像手段を保持する光学系保持部材。
（４）前記光学系保持部材を駆動して前記測定対象物の表面に対する前記投光方向の傾きを変化させる光学系駆動手段。
（５）前記投光方向に対する前記測定対象物の傾き度合いの指標を検出する傾き指標検出手段。
（６）前記傾き度合いの指標の検出結果に応じて前記光学系駆動手段を制御することにより前記測定対象物の表面に対する前記投光方向の傾きを調節する第１の傾き調節手段。
図１０に示したように，前記測定対象物の撓み等に起因して，投光方向と測定対象物との平行度が十分でない（傾きが生じている）状態になり得る。そして，前記光投影測定法においては，平行光の投光方向と前記測定対象物との平行度が十分でなければ，正しい形状測定を行うことができない。
しかしながら，本発明に係る形状測定装置においては，前記第１の傾き調節手段が，前記投光方向に対する前記測定対象物の表面の傾きを修正する（無くす）ように（即ち，前記投光方向と前記測定対象物の表面とが平行になるように）前前記光学系保持部材の傾き（即ち，前記測定対象物の表面に対する前記投光方向の傾き）を調節する。従って，本発明に係る形状測定装置によれば，投光方向と測定対象物との平行状態を確保して正しい形状測定を行うことができる。

また，前記傾き指標検出手段及び前記第１の傾き調節手段のより具体的な構成の例としては，次の第１の例又は第２の例が考えられる。
即ち，第１の例における前記傾き指標検出手段及び前記第１の傾き調節手段は，次の（１−１）及び（１−２）に示す構成を有している。
（１−１）前記傾き指標検出手段が，前記測定対象物の端部の投影像に対する画像処理によってその投影像の画像ボケの程度を検出する画像処理手段である。
（１−２）前記第１の傾き調節手段が，前記測定対象物の端部の投影像の輪郭の画像ボケの程度が最小化する方向に前記投光方向の傾きを調節する。
一般に，投影像の輪郭の画像ボケの程度は，投光方向に対する前記測定対象物の傾きが大きいほど大きくなり，投光方向と前記測定対象物（表面）とが平行な状態であるときに最も小さくなる。従って，本発明に係る形状測定装置は，上記構成を備えることにより，投光方向と測定対象物との平行状態を確保できる。しかも，前記測定対象物の端面の形状検出を行うための画像処理手段が，前記傾き指標検出手段として兼用可能である点において好適である。
但し，投影像の輪郭の画像ボケの程度は，前記測定対象物の傾きと相関があるものの，前記測定対象物の端部（測定部位）やその周辺部分の表面の状態，或いはその端部の形状等の影響も受け，前記測定対象物の傾きのみによって定まるものではなく，測定部位が異なればその最小値も異なり得る。そのため，前記第１の傾き調節手段は，投影像の輪郭の画像ボケの程度の検出結果をフィードバックしつつ前記光学系保持部材の傾きを徐々に変化させ，その画像ボケの程度の検出結果が最小となるように前記光学系保持部材の傾きを調節する必要がある。

一方，第２の例における前記傾き指標検出手段及び前記第１の傾き調節手段は，次の（２−１）及び（２−２）に示す構成を有している。
（２−１）前記傾き指標検出手段が，前記光学系保持部材に対して保持された状態で，前記投光方向に沿った複数の観測位置において前記投光方向に直交する方向における前記測定対象物の表面の位置を検出する変位検出手段である。
（２−２）前記第１の傾き調節手段が，前記複数の観測位置での前記投光方向に直交する方向における前記測定対象物の表面の位置の関係が予め設定された目標の位置関係に近づく方向に前記投光方向の傾きを調節する。
なお，前記目標の位置関係は，前記投光方向と前記測定対象物の表面とが平行であるときの位置関係である。
前記光学系保持部材に対して保持された前記変位検出手段は，前記投光方向に対する相対位置が固定されている。そのため，その変位検出手段により検出される前記測定対象物の表面の位置の分布（位置関係）と前記目標の位置関係との差が，前記投光方向に対する前記測定対象物の傾きと一意に対応する指標値となる。
また，前記回動駆動手段の駆動量に対する前記光学系保持部材の傾きの変化量の関係は既知である。そのため，前記変位検出手段により検出される前記測定対象物の表面の位置の分布（位置関係）と前記目標の位置関係との差から，前記投光方向と前記測定対象物とを平行にするための前記回動駆動手段の駆動量を求めることができる。従って，前記第１の傾き調節手段は，前記変位検出手段による１回の検出に応じた前記回動駆動手段のオープン制御により，前記投光方向と前記測定対象物とが平行となるように，前記光学系保持部材の傾きを速やかに調節できる。

ところで，前記目標の位置関係は，前記投光方向と前記測定対象物とが平行な状態で前記変位検出手段による検出を行うことにより得られるが，前記投光方向と前記測定対象物とが平行な状態であることを確認する作業は手間である。
そこで，本発明に係る形状測定装置が，さらに，次の（２−３）〜（２−５）に示す各構成要素を備えれば好適である。
（２−３）前記測定対象物又はその他の板状の部材である校正用部材を前記投光手段及び前記撮像手段で測定して得られる前記校正用部材の投影像に対する画像処理を行ってその投影像の輪郭の画像ボケの程度を検出する校正用画像処理手段。
（２−４）前記校正用部材の投影像の輪郭の画像ボケの程度が最小化するよう前記回動駆動手段を制御することにより前記光学系保持部材の傾きを調節する第２の傾き調節手段。
（２−５）前記第２の傾き調節手段により前記光学系保持部材の傾きが調節された状態で前記変位検出手段により検出された前記複数の観測位置での前記測定対象物の表面の位置の関係を，前記目標の位置関係に設定する目標位置関係設定手段。
これにより，前記目標の位置関係の設定を自動化できる。
また，前記変位検出手段が，前記測定対象物の表面の位置を非接触で検出するものであれば，前記測定対象物の表面に傷が付くことを防止でき好適である。

本発明によれば，半導体ウェーハなどの円盤状の測定対象物の端面の形状をその投影像に基づいて測定する場合に，投光方向と測定対象物の表面との平行状態を確保して正しい形状測定を行うことができる。また，本発明によれば，測定対象物の端部に対して非接触で前記平行状態の調整を行うことが可能となり，測定対象物の表面の損傷を防止できる。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの概略平面図，図２は形状測定装置Ｘの概略側面図，図３は形状測定装置Ｘが備える光学系回動支持機構の構成を表した図，図４は形状測定装置Ｘにおける投光方向とウェーハとの関係を説明するための模式図，図５は形状測定装置Ｘが備えるカメラにより撮像されたウェーハの投影像の一例を模式的に表した図，図６は形状測定装置Ｘにおいて投光方向とウェーハ１の表面とが平行となるよう調節された状態を表した図，図７は形状測定装置Ｘにおいて変位センサによりウェーハの傾きを検出する様子を表した図，図８は形状測定装置Ｘにおいて変位センサにより検出されたウェーハの傾きに応じて投光方向と測定対象物の表面とが平行となるよう調節された状態を表した図，図９は光投影測定法において投光方向と測定対象物の表面とが平行である場合の光線の経路を模式的に表した図，図１０光投影測定法において測定対象物に対する投光方向と測定対象物の表面とに傾きが生じている場合の光線の経路を模式的に表した図である。

本発明に係る形状測定装置Ｘは，円盤状の測定対象物であるウェーハ１（半導体ウェーハ）の端部（面取り加工された端面を含む部分）に対し，そのウェーハ１の表裏各面に平行な方向から投光部によって光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向からカメラによってウェーハ１の端部（以下，測定部という）の投影像を撮像し，その投影像に基づいてウェーハ１の端面の形状や厚みを測定する装置である。
ウェーハ１は，例えば，半径１５０［ｍｍ］程度，厚み０．８［ｍｍ］程度の半導体からなり，その外周端（周面）部分が面取り加工されている。
以下，図１に示す平面図及び図２に示す側面図を参照しつつ，形状測定装置Ｘの構成について説明する。なお，図２において，図１に示す構成要素のうちの一部が省略されている。
図１及び図２に示すように，形状測定装置Ｘは，投光用の光学系（投光手段の一例）である投光部として点光源２と，その点光源２の光を平行光とするコリメータレンズ３と，マスク８とを備えている。
前記点光源２は，例えば白色ＬＥＤの光を３００μｍ〜４００μｍ程度の直径のピンホールを通じて出射する光源等である。この点光源２の光の出射部（ピンホール）は，コリメータレンズ３の焦点位置に配置されている。
前記コリメータレンズ３は，前記点光源２の出射光を通過させつつ，ウェーハ１の前記測定部に向かう方向であって，その測定部おける表裏両面に平行な方向（投光方向）においてコリメート（平行光化）するレンズである。
前記マスク８は，開口部８ｏが形成された板状の部材であり，その開口部８ｏの外側の範囲の光束の通過を制限することにより，前記コリメータレンズ３からウェーハ１側へ向かう光束のうち，前記投光方向Ｒ１から見た前記カメラの撮像範囲の外側の範囲の光の通過を遮断する。このマスク８により，前記コリメータレンズ３からウェーハ１に至る過程において，ウェーハ１の投影像の範囲から比較的大きく外れた位置での光の通過が遮断されるので，ウェーハ１に投光される光束に非平行光成分が極力含まれないようにできる。なお，図１及び図２には，２つのマスク８が設けられた例を示しているが，前記マスク８が１つ或いは３つ以上設けられた実施例や，前記マスク８が設けられない実施例も考えられる。
前記マスク８（ウェーハ１に最も近いもの）と前記第１のレンズ４との間隔（距離）は，例えば２００［ｍｍ］程度に設定され，ウェーハ１の縁部は，それらの間の光束（平行光）の光路中に配置されている。
そして，前記マスク８を通過後の平行光の光束Ｌpは，ウェーハ１の表裏各面に平行な方向Ｒ１からウェーハ１の端面を含む測定部（縁部）に対して投光される。

さらに，形状測定装置Ｘは，ウェーハ１に対する投光方向Ｒ１に対向する方向Ｒ２からウェーハ１の端面を含む測定部（縁部）の投影像を撮像するカメラ（撮像手段に相当）として，第１のレンズ４と，絞り５と，第２のレンズ６と，イメージセンサ７（ＣＣＤ等）とを備えている。
前記第１のレンズ４，前記絞り５及び前記第２のレンズ６は，テレセントリックレンズを構成し，それを通過した光がイメージセンサ７に入力されることにより，イメージセンサ７によってウェーハ１の測定部（端部）の投影像が撮像される。
このように，形状測定装置Ｘは，平行光をウェーハ１に投光することにより，ウェーハ１が，その平行光の光軸方向（投光方向Ｒ１）の奥行き長さが長いものであっても，イメージセンサ７において，輪郭のボケの程度が小さい良好な投影像を得ることができる。また，干渉性の強い単波長光ではなく，多波長成分を有する白色ＬＥＤを用いた点光源２を採用することにより，ウェーハ１が，投光方向Ｒ１の奥行き長さが長いものであっても，イメージセンサ７において投影像の輪郭の近傍に発生する回折縞が少ない良好な撮像画像を得ることができる。

形状測定装置Ｘは，さらに，中央吸着支持機構９と，画像処理装置１０と，制御装置１１と，光学系支持部材２０と，光学系回動支持機構３０〜３２とを備えている。
画像処理装置１０は，イメージセンサ７による撮像画像（ウェーハ１の投影像を含む画像）に基づく画像処理を実行する演算装置であり，例えば，予めその記憶部に記憶された所定のプログラムを実行するＤＳＰ（Digital Signal Processor）やパーソナルコンピュータ等である。この画像処理装置１０は，イメージセンサ７による撮像画像（投影像）について予め定められた画像処理を実行することにより，ウェーハ１の端面形状の指標値を算出する。なお，画像処理装置１０は，制御装置１１からの制御指令に従って，イメージセンサ７による撮像画像（画像データ）の入力，及びその撮像画像に基づく画像処理を実行する。
また，中央吸着支持機構９は，円盤状のウェーハ１をその一方の面（例えば，下面）の中央部を真空吸着することにより支持する。さらに，中央吸着支持機構９は，ウェーハ１をその中央部（中心点Ｏw）を回転軸としてその周方向に回転駆動及び停止させることにより，ウェーハ１の周方向におけるいずれの位置の端部を前記測定部として光束の光路中に位置させるかを調節する装置でもある。
また，中央吸着支持機構９は，ウェーハ１の支持角度（回転角度）を検出する角度検出センサとして不図示の回転エンコーダを備え，その検出角度に基づいてウェーハ１の支持位置（支持角度）の位置決めを行う。なお，中央吸着支持機構９は，制御装置１１からの制御指令に従って，ウェーハ１の支持位置の位置決めを行う。なお，中央吸着指示機構９は，後述する台座３０に固定された基台部（本体部）と，ウェーハ１の中央部を吸着するとともに，前記基台部に対して回転可能に設けられた支持部とを有し，その支持部の回転角度が，前記エンコーダによって検出される。
制御装置１１は，ＣＰＵ及びその周辺装置を備えた計算機であり，そのＣＰＵが，予めその記憶部に記憶された制御プログラムを実行することにより，画像処理装置１０，中央吸着支持機構９及び前記光学系回動支持機構３０〜３２における駆動モータを制御する（制御指令を出力する）装置である。

前記光学系支持部材２０は，前記投光部（前記点光源２，前記コリメータレンズ３及び前記マスク８）と，前記カメラ（前記第１のレンズ４，前記絞り５，前記第２のレンズ６及び前記イメージセンサ７）とを含む光学機器を，それらの相対的な位置関係が固定した状態で保持する部材である。図１及び図２に示す例では，前記光学系支持部材２０は，断面が概ねＬ字状であって，光束Ｌpの投光方向に沿って伸びて形成された金属製部材（剛体）である。なお，図１及び図２において，前記光学系支持部材２０と各光学機器とを連結する連結部の記載は省略されている。
また，前記光学系回動支持機構３０〜３２は，前記光学系支持部材２０を，投光方向Ｒ１に直交する支持軸３１で軸支するとともに，その支持軸３１で軸支された前記光学系保持部材２０をその支持軸３１を中心として回動駆動させるものである。

次に，図３を参照しつつ，前記光学系回動支持機構３０〜３２について説明する。
前記光学系回動支持機構は，投光方向Ｒ１に直交する方向に突設されて前記光学系保持部材２０を回動自在に軸支する支持軸３１と，その支持軸３１を保持する台座３０と，その支持軸３１で軸支された前記光学系保持部材２０を回動駆動させる回動駆動部３２（前記回動駆動手段の一例）とを備えている。このように，前記光学系保持部材２０を軸支する前記支持軸３１，及びウェーハ１を支持する前記中央吸着指示機構９は，いずれも前記台座３０に保持されている。
また，前記回動駆動部３２は，前記台座３０に保持されたサーボモータ３２ａと，そのサーボモータ３２ａの回転軸に設けられたウォーム３２ｂと，前記光学系支持部材２０に固定されたウォームホイール３２ｃとを備えている。前記ウォーム３２ｂと前記ウォームホイール３２ｃとは，相互にギアが噛み合うウォームギアを構成している。
そして，前記制御装置１１は，前記サーボモータ３２ａに対して制御指令を出力することによって前記ウォーム３２ｂを必要な角度だけ回転させることにより，前記支持軸３１に軸支された前記光学系保持部材２０の傾き（前記中央吸着指示機構９により支持されたウェーハ１に対する傾き）を調節する。これにより，前記ウェーハ１の表面（表裏各面）に対する前記投光方向Ｒ１の傾きが調節される。
なお，図３に示す前記回動駆動部３２は，ウォームギアによって前記光学系支持部材２０を回動駆動するものであるが，その他，タンジェントスクリュー等の他の駆動機構によって前記光学系支持部材２０を回動駆動する構成も考えられる。

図４は，形状測定装置Ｘにおける投光方向とウェーハ１との関係を説明するための模式図である。
ここで，前記中央吸着指示機構９に支持されたウェーハ１の表面（被支持面）に沿う平面をウェーハ被支持平面Ｆｐと称し，そのウェーハ被支持平面Ｆｐに垂直な方向をＺ軸方向（Ｒｚ）と称する。
また，前記ウェーハ支持平面Ｆｐ上において，前記Ｚ軸方向（Ｒｚ）から見てウェーハ１の中心Ｏｗと前記測定部の先端位置Ｐｔとを通る直線の方向をＹ軸方向（Ｒｙ），そのＹ軸方向（Ｒｙ）に直交する方向をＸ軸方向（Ｒｘ）と称する。
形状測定装置Ｘにおいて，前記中央吸着指示機構９は，ウェーハ１を前記ウェーハ被支持平面Ｆｐ内において回転させる。
また，前記光学系支持部材２０を軸支する前記支持軸３１は，投光方向Ｒ１に直交し，かつ，前記Ｙ軸方向（Ｒｙ）に平行な軸である。
従って，前記光学系回動支持機構３０〜３２が，前記光学系保持部材２０を，前記支持軸３１を中心としてその周囲方向Ｒｃに回動させることにより，前記投光方向Ｒ１の前記ウェーハ被支持平面Ｆｐに対する傾き（前記Ｘ軸方向（Ｒｘ）及び前記Ｚ軸方向（Ｒｚ）に対する傾き）が調整される。また，その調整の際，前記投光方向Ｒ１は，前記Ｙ軸方向（Ｒｙ）に直交する状態が維持される。
なお，前記支持軸３１は，その軸心が前記Ｚ軸方向（Ｒｚ）から見てウェーハ１の中心Ｏｗと前記測定部の先端位置Ｐｔとを通る直線上に位置するよう配置されてもよい。また，前記支持軸３１は，その軸心が前記Ｙ軸方向（Ｒｙ）方向から見て前記測定部の先端位置Ｐｔと重なる位置に配置されてもよい。

形状測定装置Ｘにより，ウェーハ１の周方向における複数箇所の前記測定部について形状測定を行う場合，前記中央吸着支持機構９により，ウェーハ１の中央部を吸着支持した状態で回転させ，これによりウェーハ１の位置決めを行えば効率的な測定を行うことができる。
しかしながら，図１０に示したように，ウェーハ１の撓み等に起因して，前記投光方向Ｒ１と前記測定部の表面との平行度が十分でない状態になった場合，正しい形状測定を行うことができない。
そこで，前記制御装置１１は，ウェーハ１の形状測定が行われる前に，前記回動駆動部３２のサーボモータ３２ａを制御することにより，前記光学系保持部材２０の傾き（即ち，ウェーハ１の表面に対する前記投光方向Ｒ１の傾き）を調節する傾き調節処理を実行する（前記第１の傾き調節手段の一例）。その傾き調節処理の際，前記中央吸着支持機構９により支持されたウェーハ１の端部の前記投光方向Ｒ１に対する傾き度合いの指標が検出され，その検出結果に応じて前記回動駆動部３２のサーボモータ３２ａが制御される。
以下，前記投光方向Ｒ１に対するウェーハ１の傾き度合いの指標を検出する傾き検出処理の具体例（第１実施例及び第２実施例）について説明する。

まず，図５を参照しつつ，前記傾き検出処理の第１実施例について説明する。
図５は，前記カメラ４〜７により撮像されたウェーハ１の投影像１’の一例を模式的に表した図であり，図５（ａ）は，前記投光方向Ｒ１に対して前記測定部（ウェーハ１の端部）の表面が傾いている場合，図５（ｂ）は，前記投光方向Ｒ１と前記測定部の表面とがほぼ平行である場合を表す。
図５に示すように，投光方向Ｒ１に対するウェーハ１の傾きが大きいほど，投影像１’の輪郭の画像ボケの程度が大きくなり，投光方向Ｒ１とウェーハ１とが平行な状態であるときに投影像１’の輪郭の画像ボケの程度が最も小さくなる。
そこで，前記傾き検出処理の第１実施例では，前記画像処理装置１０が，ウェーハ１の端部の投影像１’に対する画像処理によってその投影像１’の画像ボケの程度を，投光方向Ｒ１に対するウェーハ１の傾き度合いの指標値として検出する。例えば，前記画像処理装置１０は，前記投影像１’における所定の基準線Ｊ（例えば，ウェーハ１の厚み方向の線）に沿った輝度の単位距離当たりの最大変化量（以下，輝度最大傾き量という）を投影像１’の輪郭の画像ボケの程度を表す指標値として算出する。投影像１’の輪郭の画像ボケの程度が大きいほど，前記輝度最大傾き量が小さくなり，投影像１’の輪郭の画像ボケの程度が小さいほど，前記輝度最大傾き量が大きくなる（急峻になる）。なお，前記輝度最大傾き量が，複数の前記基準線Ｊそれぞれについて算出された複数の単位距離当たりの輝度の最大変化量の平均値であることも考えられる。
この第１実施例においては，ウェーハ１の端面の形状検出を行うための前記画像処理装置１０が，ウェーハ１の傾きの指標値を検出する装置として兼用される。
そして，前記制御装置１１は，ウェーハ１の端部の投影像１’の輪郭の画像ボケの程度が最小化する方向に前記回動駆動部３２のサーボモータ３２ａを制御する（前記第１の傾き調節手段の一例）。
なお，説明の便宜上，図５（ａ）には，現実よりも画像ボケを強調した投影像１’を示している。

ところで，投影像１’の輪郭の画像ボケの程度は，ウェーハ１の端部の傾きと相関があるものの，ウェーハ１の端部（測定部位）やその周辺部分の表面の状態，或いはその端部の形状等の影響も受け，ウェーハ１の傾きのみによって定まるものではなく，測定部位が異なればその最小値も異なり得る。
そこで，前記制御装置１１は，投影像１’の輪郭の画像ボケの程度の検出値（ここでは，前記輝度最大傾き量）をフィードバックしつつ前記光学系保持部材２０の傾きを徐々に変化させ，その画像ボケの程度の検出結果が最小となるように前記光学系保持部材２０の傾きを調節する。
図６は，形状測定装置Ｘにおいて，前記制御装置１１により，投光方向Ｒ１とウェーハ１の表面とが平行となるよう調節された状態を表した図である。図６に示すように，形状測定装置Ｘにおいは，形状測定の前に投光方向Ｒ１（平行光Ｌpの方向）とウェーハ１とが平行となる状態に調節されるので，正しい（高精度での）形状測定を行うことができる。

次に，図７及び図８を参照しつつ，前記傾き検出処理の第２実施例について説明する。
この傾き検出処理（第２実施例）を実行する形状測定装置Ｘは，図５に示すように，前記光学系保持部材２０に対して保持（固定）された２つの非接触型の変位センサ４０を備えている。
これら２つの変位センサ４０は，前記投光方向Ｒ１に沿って間隔Ｌrを隔てて配列され，投光方向Ｒ１に沿った２つの観測位置Ｐ１，Ｐ２において前記投光方向Ｒ１に直交する方向（ウェーハ１の表裏各面に交差する方向）におけるウェーハ１の表面の位置（高さ）を検出するセンサである（前記変位検出手段の一例）。例えば，前記変位センサ４０として，反射型のレーザ変位センサや渦電流型変位センサ，超音波式の変位センサ等を採用することが考えられる。
そして，この第２実施例における前記制御装置１１は，２つの前記観測位置Ｐ１，Ｐ２での前記投光方向Ｒ１に直交する方向におけるウェーハ１表面の位置（表面高さｈ１，ｈ２）の関係が，予め設定された目標の位置関係に近づく方向に前記回動駆動部３２のサーボモータ３２ａを制御することにより，ウェーハ１の表面に対する前記投光方向Ｒ１の傾きを調節する（前記第１の傾き調節手段の一例）。ここで，前記目標の位置関係は，前記投光方向Ｒ１とウェーハ１の表面とが平行であるときの位置関係であり，ここでは，一方の観測位置Ｐ１における変位センサ４０の検出位置（検出高さｈ１）と，他方の観測位置Ｐ２における変位センサ４０の検出位置（検出高さｈ２）との差がΔｈ０である関係が，前記目標の位置関係であるとする。
前記光学系保持部材２０に対して保持された前記変位センサ４０は，前記投光方向Ｒ１に対する相対位置が固定されている。そのため，その変位センサ４０により検出されるウェーハ１の表面の位置ｈ１，ｈ２の分布（位置関係）と前記目標の位置関係との差α（ｈ１−ｈ２＝Δｈ０＋α）が，投光方向Ｒ１に対するウェーハ１の傾きθと一意に対応する指標値となる。即ち，２つの観測位置Ｐ１，Ｐ２の投光方向Ｒ１における間隔がＬr（既知の値）である場合，傾きθはｔａｎ^-1(α／Ｌr)である。
また，前記サーボモータ３２ａの回転角度に対する前記光学系保持部材２０の傾きの変化量の関係は，前記ウオームギア３２ｂ，３２ｃのギア比，前記支持軸３１と前記ウォームギア３２ｂ，３２ｃとの位置関係（距離）等に基づき定まる既知の関係である。
以上のことから，前記制御装置１１は，前記変位検出センサ４０による１回の検出により得られるウェーハ１表面の位置Ｐ１，Ｐ２の位置関係と前記目標の位置関係との差αから，投光方向Ｒ１とウェーハ１表面とを平行にするための前記サーボモータ３２ａの回転角度を算出し，算出した回転角度の分だけ前記サーボモータ３２ａを回転させる制御（オープン制御）を行う。これにより，前記投光方向Ｒ１とウェーハ１とが平行となるように，前記光学系保持部材２０の傾きが速やかに調節される。
図８は，形状測定装置Ｘが，前記変位センサ４０による傾き検出処理を行う場合において，前記制御装置１１により，投光方向Ｒ１とウェーハ１の表面とが平行となるよう調節された状態を表した図である。図８に示すように，形状測定装置Ｘにおいは，形状測定の前に投光方向Ｒ１（平行光Ｌpの方向）とウェーハ１とが平行となる状態に調節されるので，正しい（高精度での）形状測定を行うことができる。

ところで，前記目標の位置関係（ｈ１−ｈ２＝Δｈ０）を得るために，投光方向Ｒ１とウェーハ１表面とが平行な状態であることを確認する作業は手間である。
そこで，例えば，形状測定装置Ｘが，以下の手順に従って，前記目標の位置関係の設定処理を予め実行することが考えられる。
まず，所定の板状の部材を前記中央吸着支持機構９により支持した状態で，その板状の部材を前記投光部及び前記カメラにより測定することにより，その板状の部材の投影像を撮像する。ここで，前記板状の部材（前記校正用部材の一例）は，例えば，表裏各面が高い精度で平面状に，かつ平行に形成された板状の部材や，最初の測定対象であるウェーハ１等である。
次に，前記画像処理装置１０が，その板状の部材の投影像に対する画像処理を行うことにより，その投影像の輪郭の画像ボケの程度を検出する（前記校正用画像処理手段の一例）。
さらに，前記制御装置１１が，前記板状の部材の投影像の輪郭の画像ボケの程度が最小化するよう前記回動駆動部３２のサーボモータ３２ａを制御することにより，前記光学系保持部材２０の傾き（即ち，ウェーハ１の表面に対する前記投光方向Ｒ１の傾き）を調節する（前記第２の傾き調節手段の一例９）。
なお，以上に示した処理は，前記傾き検出処理の第１実施例と同様の処理である。
そして，前記制御装置１１が，前記画像ボケの程度に応じて前記光学系保持部材２０の傾きを調節した状態で前記変位センサ４０により検出された２つの観測位置Ｐ１，Ｐ２でのウェーハ１表面の位置ｈ１，ｈ２の関係を，以降に用いる前記目標の位置関係（ｈ１−ｈ２＝Δｈ０）として不揮発性メモリへ記録（設定）する（前記目標位置関係設定手段の一例）。
これにより，前記目標の位置関係の設定を自動化できる。

ところで，図７及び図８に示した前記傾き処理の第２実施例では，２つの前記変位センサ４０により，前記投光方向Ｒ１に沿った２箇所の観測位置Ｐ１，Ｐ２において，ウェーハ１の表面位置を計測する構成を示した。
しかしながら，３つ以上の前記変位センサ４０により，前記投光方向Ｒ１に沿った３箇所以上の観測位置において，ウェーハ１の表面位置を計測する実施例も考えられる。
その場合，前記制御装置１１が，例えば，３箇所以上の観測位置におけるウェーハ１の表面位置（表面高さ）の分布を直線近似し，その直線近似により得られる近似直線の傾きと予め設定された目標の傾き（前記目標の位置関係の一例）との差に応じて，前記光学系保持部材２０の傾きを調節することが考えられる。
また，前記変位センサ４０は，ウェーハ１表面に傷が付くことを防止するために非接触式の変位センサであることが望ましいが，接触式の変位センサを用いても前記傾き検出処理を実現できる。
また，前記形状測定装置Ｘにおいては，前記回動駆動部３２が，軸支された前記光学系支持部材２０を回動駆動するが，前記光学系保持部材２０の傾き（即ち，ウェーハ１表面に対する前記投光方向Ｒ１の傾き）を変化させる機構は，アクチュエータを備えた他の機構であってもよい。
また，以上に示した実施形態の他，別途用意された計測器により，前記中央吸着支持機構９により支持されたウェーハ１の反りの状態（程度）を計測し，その計測結果を前記制御装置１１に入力し，前記制御装置１１が，その入力結果に基づいて前記回動駆動部３２のサーボモータ３２ａを制御することにより，前記光学系保持部材２０の傾きを調節することも考えられる。

本発明は，主として半導体ウェーハ，その他，ハードディスク用のアルミサブストレートやガラスサブストレート等の円盤状の測定対象物の端面の形状測定への利用が可能である。

本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの概略平面図。 形状測定装置Ｘの概略側面図。 形状測定装置Ｘが備える光学系回動支持機構の構成を表した図。 形状測定装置Ｘにおける投光方向とウェーハとの関係を説明するための模式図。 形状測定装置Ｘが備えるカメラにより撮像されたウェーハの投影像の一例を模式的に表した図。 形状測定装置Ｘにおいて投光方向とウェーハ１の表面とが平行となるよう調節された状態を表した図。 形状測定装置Ｘにおいて変位センサによりウェーハの傾きを検出する様子を表した図。 形状測定装置Ｘにおいて変位センサにより検出されたウェーハの傾きに応じて投光方向と測定対象物の表面とが平行となるよう調節された状態を表した図。 光投影測定法において投光方向と測定対象物の表面とが平行である場合の光線の経路を模式的に表した図。 光投影測定法において測定対象物に対する投光方向と測定対象物の表面とに傾きが生じている場合の光線の経路を模式的に表した図。

符号の説明

Ｘ ：形状測定装置
１ ：ウェーハ
２ ：点光源
３ ：コリメータレンズ
４ ：第１のレンズ
５ ：絞り
６ ：第２のレンズ
７ ：イメージセンサ
８ ：マスク
９ ：中央吸着支持機構
１０：画像処理装置
１１：制御装置
２０：光学系保持部材
３０：台座
３１：支持軸
３２：回動駆動部
３２ａ：サーボモータ
３２ｂ：ウォーム
３２ｃ：ウォームホイール
４０：変位センサ

Claims (6)

1. 円盤状の測定対象物の端部に対し平行光を投光する投光手段と，
   前記投光手段による投光方向に対向する方向から前記測定対象物の端部の投影像を撮像する撮像手段と，
   前記投光手段及び前記撮像手段を保持する光学系保持部材と，
   前記光学系保持部材を駆動して前記測定対象物の表面に対する前記投光方向の傾きを変化させる光学系駆動手段と，
   前記投光方向に対する前記測定対象物の傾き度合いの指標を検出する傾き指標検出手段と，
   前記傾き度合いの指標の検出結果に応じて前記光学系駆動手段を制御することにより前記測定対象物の表面に対する前記投光方向の傾きを調節する第１の傾き調節手段と，を具備し，
   前記撮像手段により得られた前記投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定することを特徴とする形状測定装置。
2. 前記傾き指標検出手段が，前記測定対象物の端部の投影像に対する画像処理によって該投影像の輪郭の画像ボケの程度を検出する画像処理手段であり，
   前記第１の傾き調節手段が，前記測定対象物の端部の投影像の輪郭の画像ボケの程度が最小化する方向に前記投光方向の傾きを調節してなる請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記傾き指標検出手段が，前記光学系保持部材に対して保持された状態で，前記投光方向に沿った複数の観測位置において前記投光方向に直交する方向における前記測定対象物の表面の位置を検出する変位検出手段であり，
   前記第１の傾き調節手段が，前記複数の観測位置での前記投光方向に直交する方向における前記測定対象物の表面の位置の関係が予め設定された目標の位置関係に近づく方向に前記投光方向の傾きを調節してなる請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記測定対象物又はその他の板状の部材である校正用部材を前記投光手段及び前記撮像手段で測定して得られる前記校正用部材の投影像に対する画像処理を行って該投影像の輪郭の画像ボケの程度を検出する校正用画像処理手段と，
   前記校正用部材の投影像の輪郭の画像ボケの程度が最小化するよう前記回動駆動手段を制御して前記測定対象物の表面に対する前記投光方向の傾きを調節する第２の傾き調節手段と，
   前記第２の傾き調節手段により前記投光方向の傾きが調節された状態で前記変位検出手段により検出された前記複数の観測位置での前記測定対象物の表面の位置の関係を，前記目標の位置関係に設定する目標位置関係設定手段と，
   を具備してなる請求項３に記載の形状測定装置。
5. 前記変位検出手段が，前記測定対象物の表面の位置を非接触で検出するものである請求項３又は４のいずれかに記載の形状測定装置。
6. 前記光学系駆動手段が，前記投光方向に直交する支持軸で軸支された前記光学系保持部材を回動駆動することにより前記測定対象物の表面に対する前記投光方向の傾きを変化させてなる請求項１〜５のいずれかに記載の形状測定装置。

Images