JP2011232306A - 形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自公転する回転台の上に置かれた被測定物の形状を精度良く測定することができる形状計測装置を提供する。
【解決手段】形状計測装置１は、回転台と、変位計測器３と、被測定物検出器４と、演算処理部５とを備え、演算処理部５は、高さ変位から、被測定物通過情報に基づいて、被測定物の高さ変位を抽出する被測定物変位抽出部６と、被測定物通過情報と、変位計測器３による被測定物上の計測点の軌道と、被測定物通過情報に基づく経過時間とに基づいて、変位計測器３による被測定物上の計測点を表す座標値を供給する座標供給部７と、被測定物変位抽出部６により抽出された被測定物の高さ変位と、座標供給部７により供給される座標値とを対応付けて記録する座標変位記録部８と、座標変位記録部９によって記録された被測定物の高さ変位から、回転台の機構に起因する回転台変位を分離して被測定物の形状を演算する形状演算部９とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置等のように、回転または遊星回転させるような回転台の上に載置された基板等の被測定物を回転台に載置した状態で被測定物の形状を計測する装置に関する。

半導体レーザ素子、ＬＥＤ（発光ダイオード：Light Emitting Diode）素子等の化合物半導体の製造には、ＭＯＣＶＤ装置もしくはＭＢＥ（分子線エピタキシー法；Molecular Beam Epitaxy）装置が広く用いられている。

特にＭＯＣＶＤ装置は、有機金属、その他のガスを用いて結晶を成長させる装置であって、ＭＢＥ装置と比較して生産性、メンテナンス性が良いことから、工業的に素子を量産する場合には一般にＭＯＣＶＤ装置が使用されている。

図１５は、従来技術に基づく形状計測装置（ＭＯＣＶＤ装置）９１の概念図である。図１６は、形状計測装置９１における回転台の上に被測定物（基板）を設置した状態の説明図である。形状計測装置９１は、円筒形の反応室７５を備えている。反応室７５の中には、円板形状をした回転台９２が設けられている。回転台９２の上には、６個の円状をした載置プレート８９が、回転台９２の円周方向に沿って所定の間隔を空けて設けられている。各載置プレート８９の上には、円板状の被測定物（基板）７１が配置されている。

回転台９２は、回転軸８８によって支持されており、回転軸８８には、回転軸８８を回転させるモータ７７が連結されている。回転台９２の上に設けられた６個の載置プレート８９は、それぞれ自転するように構成されている。載置プレート８９が自転する仕組みとしては、ギヤのかみ合わせによって回転台９２の回転と同期して回転する方法（特許文献３）や、載置プレート８９の下より回転駆動用ガスを供給して載置プレート８９を浮上・回転させる方法（特許文献４）などがある。

したがって、載置プレート８９上に載せられた被測定物７１は、回転台９２の回転と、載置プレート８９の自転とにより、自転と公転とをすることになる。この被測定物７１を自転及び公転させる仕組みは、結晶成長層の均一性を向上させるために設けられたもので、結晶成長中に、これらの仕組みによって被測定物７１を自転及び公転させることにより、成長する結晶成長層の均一性を高めることができる。

回転台９２の下側にはヒータ７６が配置されており、ヒータ７６によって被測定物７１を加熱するようになっている。回転台９２の上方には反応室７５内部の空間を隔てるように略水平に配置された隔壁７８が設けられている。反応室７５の上側には配管７９が接続されており、この配管７９の先端は、回転台９２と隔壁７８との間に配置され、ガス吹き出し口６０を形成しており、回転台９２の回転軸８８上から回転台９２の表面に沿って放射状に、原料ガス６１が結晶膜の原料として供給される。

配管７９の他端は原料ガス６１を供給するガス供給器６２が接続されている。この原料ガス６１は、載置プレート８９上に載せられ、かつヒータ７６によって加熱された被測定物７１上を通過した後、回転台９２の外周に設けられた排気経路５３より排気される。その結果、被測定物７１上近傍で所望の化学反応が行われることによって、被測定物７１上に所望の結晶成長が生じる。

図１７（ａ）及び（ｂ）は、形状計測装置９１における結晶成長中に発生する被測定物（基板）７１の反りの発生メカニズムを説明するための図である。被測定物７１を加熱したり、被測定物７１の表面に結晶膜を成長させる際に、その各種条件によっては被測定物（基板）７１が反る場合がある。特にＧａＮ系化合物半導体を中心とするIII族窒化物の成膜では、図１７（ａ）から図１７（ｂ）に示すように、被測定物（基板）７１が反ることが知られており（特許文献５）、被測定物７１の反りを如何に小さくするかが重要な課題となっている。このため、成膜中の被測定物７１の状態をいち早く知ることで、被測定物７１の反りを改善する必要がある。結晶成長中に発生する被測定物７１の反りを計測する有効な手段として、特許文献１に記載のようにレーザ変位計を用いる方法がある。このレーザ変位計は、レーザを用いて三角測量することにより、被測定物７１との距離を測定する。また、レーザドップラ速度計を用いる方法もある。このレーザドップラ速度計は、被測定物７１にレーザ光線を照射し、ドップラ効果を利用して速度を計測し、速度を積分することにより変位量を算出する。

特開昭６３−１５７８６９号公報 特開平７−２３５５７４号公報 特開２００２−１７５９９２号公報 特表２００４−５１３２４３号公報 特開２００５−７２５６１号公報

しかしながら、ＭＯＣＶＤ装置等において回転台に載置された基板（被測定物）の形状をレーザ変位計やレーザドップラ速度計１台で計測する場合、被測定物は回転台によって、自転及び公転させられる。そのため、被測定物形状の測定中に自転軸や公転軸の傾きなどがあると、それによる高さ変化が生じる。このように被測定物形状変化による変位変化と自転軸、公転軸の傾きなどによる変位変化とが同時に発生するため、測定値は基板形状による変位変化と自転軸、公転軸の傾きなどによる変位変化とがプラスされた値となり、基板形状変化のみによる変化を得ることができない。

また、特許文献２のように、測定精度を向上させる方法として複数本のレーザを同時に基板に照射して基板形状を測定する方法もあるが、構造が複雑なため、非常に高価であるという問題がある。

また、ＭＯＣＶＤ設置は、材料ガスを基板近傍に流すための隔壁に測定用の穴を設けているが、複数本のレーザを基板に同時に照射するには、光路を確保できるように測定穴を大きくしなければならず、その穴から材料ガスの流出量が増えるなどの問題が発生する。

本発明の解決課題は、ＭＯＣＶＤ装置の基板など、自公転する回転台の上に置かれた被測定物の形状測定を行う場合、被測定物の形状による変位と回転台の軸の傾きなど機械較差による変位とが合成された値が測定されるため、被測定物の形状測定精度が低下することである。

本発明の目的は、自公転する回転台の上に置かれた被測定物の形状を精度良く測定することができる形状計測装置を提供することにある。

本発明に係る形状計測装置は、回転軸を中心とした円状軌跡に沿って所定の間隔を空けて、それぞれ自転しながら前記回転軸の周りを公転する複数のプレートを設けた載置面を有する回転台と、前記自転しながら回転軸の周りを公転する複数のプレートのそれぞれに載置された被測定物の高さ変位を計測するために設けられた変位計測手段と、前記被測定物が前記変位計測手段により高さ変位を計測される位置にあるか否かを示す被測定物通過情報を検出する被測定物検出手段と、前記変位計測手段により計測された前記被測定物の高さ変位と、前記被測定物検出手段により検出された被測定物通過情報とに基づいて、前記被測定物の形状を演算する演算処理手段とを備え、前記演算処理手段は、前記変位計測手段により計測された高さ変位から、前記被測定物検出手段により検出された被測定物通過情報に基づいて、前記被測定物の高さ変位を抽出する被測定物変位抽出手段と、前記被測定物通過情報と、前記変位計測手段による前記被測定物上の計測点の軌道と、前記被測定物通過情報に基づく経過時間とに基づいて、前記変位計測手段による前記被測定物上の計測点を表す座標値を供給する座標供給手段と、前記被測定物変位抽出手段により抽出された被測定物の高さ変位と、前記座標供給手段により供給される座標値とを対応付けて記録する座標変位記録手段と、前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位から、前記回転台の機構に起因する回転台変位を分離して前記被測定物の形状を演算する形状演算手段とを含むことを特徴とする。

この特徴により、被測定物が、変位計測手段の位置にあることを被測定物検出手段が検出するため、被測定物と回転台とが区別され、演算処理手段内で、被測定物変位抽出手段が被測定物上の測定値を抽出できる。また、被測定物検出手段の出力から座標供給手段が被測定物上を通過する変位計測手段の軌跡を被測定物の座標に変換する。変位計測手段と座標供給手段との出力から被測定物の座標と変位とが対応して座標変位記録手段に記録される。この前記座標変位記録手段のデータを用いて、形状演算手段が、記録された回転台変位と被測定物の形状変位とを分離するので、回転台の変位の影響を除去でき、測定精度が向上する。

本発明に係る形状計測装置では、前記回転台変位は、前記プレートの自転に基づく自転変位と、前記プレートの前記回転軸周りの公転に基づく公転変位とを含み、前記形状演算手段は、前記自転変位を算出する自転変位算出手段と、前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位から、前記自転変位算出手段により算出された自転変位と、予め記録された前記公転変位とを分離して前記被測定物の形状を演算する被測定物形状演算手段とを含むことが好ましい。

上記構成により、形状演算手段が、座標変位記録手段の出力と、それをもとに自転回転台変位を求める自転変位算出手段の出力と、あらかじめ記録された公転移動台変位とから、被測定物の変位を算出する被測定物形状演算手段を有しているため、自転用回転台の熱膨張や被測定物と自転用回転台との間に入ったゴミによって回転台と被測定物との位置関係が変化しても、被測定物の形状を把握することができる。

本発明に係る形状計測装置では、前記形状演算手段は、前記座標変位記録手段により記録された座標値に基づいて、前記プレートの自転変位を算出するための自転変位式と、前記プレートの公転変位を算出するための公転変位式とを導出するプレート変位式導出手段と、前記座標値と前記自転変位式とに基づいて、前記プレートの自転変位を算出する自転変位算出手段と、前記座標値と前記公転変位式とに基づいて、前記プレートの公転変位を算出する公転変位算出手段と、前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位から、前記自転変位算出手段により算出された自転変位と、前記公転変位算出手段により算出された公転変位とを分離して前記被測定物の形状を演算する被測定物形状演算手段とを含むことが好ましい。

上記構成により、形状演算手段が、座標変位記録手段の出力と、それをもとに自転回転台変位式と公転回転台変位式とを導出するプレート変位式導出手段と、自転回転台の変位を算出する自転変位算出手段と、公転回転台の変位を算出する公転変位算出手段と、座標変位記録手段の出力と前記自転変位算出手段で得られた自転回転台変位と前記公転変位算出手段から得られた公転回転台変位とから、被測定物変位を算出する被測定物形状演算手段とを有しているため、自転回転台、公転回転台共に熱膨張などで回転台の変位が変化しても、被測定物の形状を把握することができる。

本発明に係る形状計測装置では、前記形状演算手段は、前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位を高速フーリエ変換するＦＦＴ算出手段と、前記ＦＦＴ算出手段の出力から被測定物の変動周波数を抽出し、前記変動周波数の強度に基づいて前記被測定物の形状を演算する被測定物形状演算手段とを含むことが好ましい。

上記構成により、形状演算手段が、座標変位記録手段の出力データから高速フーリエ変換するＦＦＴ算出手段と、ＦＦＴ算出手段の出力から被測定物変位の変動周波数を抽出し、その周波数の強度から被測定物変位を算出する被測定物形状演算手段とを有しているため、回転台変位が分からなくても精度よく被測定物の形状を把握することができる。

本発明に係る他の形状計測装置は、回転軸を中心とした円状軌跡に沿って所定の間隔を空けて、それぞれ自転しながら前記回転軸の周りを公転する複数のプレートを設けた載置面を有する回転台と、前記自転しながら回転軸の周りを公転する複数のプレートのそれぞれに載置された被測定物の高さ方向に沿った速度を計測するために設けられた速度計測手段と、前記被測定物が前記速度計測手段により高さ方向の速度を計測される位置にあるか否かを示す被測定物通過情報を検出する被測定物検出手段と、前記速度計測手段により計測された前記被測定物の高さ方向の速度と、前記被測定物検出手段により検出された被測定物通過情報とに基づいて、前記被測定物の形状を演算する演算処理手段とを備え、前記演算処理手段は、前記速度計測手段により計測された高さ方向の速度から、前記被測定物検出手段により検出された被測定物通過情報に基づいて、前記被測定物の高さ方向の速度データを抽出する被測定物速度抽出手段と、前記被測定物速度抽出手段により抽出された高さ方向の速度データから、公転変位の影響を除去し、積分して被測定物の高さ変位に変換するプレート公転変位除去手段と、前記被測定物通過情報と、前記速度計測手段による前記被測定物上の計測点の軌道と、前記被測定物通過情報に基づく経過時間とに基づいて、前記速度計測手段による前記被測定物上の計測点を表す座標値を供給する座標変換手段と、
前記プレート公転変位除去手段から供給された被測定物の高さ変位と、前記座標変換手段により供給される座標値とを対応付けて記録する座標変位記録手段と、前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位に基づいて、前記被測定物の形状を演算する形状演算手段とを含むことを特徴とする。

この特徴により、公転回転台の変位式を作成しなくても速度データから簡単に公転回転台の変位が減算でき、自転変位算出手段からの出力から簡単に被測定物の形状を求めることができる。

本発明に係る形状計測装置は、前記変位計測手段により計測された高さ変位から、前記被測定物検出手段により検出された被測定物通過情報に基づいて、前記被測定物の高さ変位を抽出する被測定物変位抽出手段と、前記被測定物通過情報と、前記変位計測手段による前記被測定物上の計測点の軌道と、前記被測定物通過情報に基づく経過時間とに基づいて、前記変位計測手段による前記被測定物上の計測点を表す座標値を供給する座標供給手段と、前記被測定物変位抽出手段により抽出された被測定物の高さ変位と、前記座標供給手段により供給される座標値とを対応付けて記録する座標変位記録手段と、前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位から、前記回転台の機構に起因する回転台変位を分離して前記被測定物の形状を演算する形状演算手段とを設けたので、自公転する回転台の上に置かれた被測定物の形状を精度良く測定することができる。

実施の形態１に係る形状計測装置（ＭＯＣＶＤ装置）の構成を示す概念図である。 上記形状計測装置で用いられるプレートと被測定物（基板）との関係を示した平面図である。 上記形状計測装置のデータ処理の流れを説明する図である。 実施の形態２に係る形状計測装置に設けられた形状演算部内のデータ処理の流れを説明するための図である。 上記形状計測装置の自転用プレートに傾きがある場合の変位計測器と被測定物（基板）とプレートとの位置関係を説明する図である。 上記形状計測装置の被測定物である基板が変位計測器の位置を通過したときの軌跡と測定点を説明する図である。 実施の形態３に係る形状計測装置のデータ処理の流れを説明する図である。 上記形状計測装置の周期的に変動する公転回転台変位、自転プレート変位、及び基板変位を説明する図である。 上記公転回転台変位と基板変位とを合成した場合に測定される変位、上記公転回転台変位と自転プレート変位と基板変位とを合成した場合に測定される変位を説明する図である。 実施の形態４に係る形状計測装置のデータ処理の流れを説明する図である。 上記形状計測装置の被測定物（基板）と公転回転台の関係を説明する図である。 実施の形態５に係る形状計測装置の構成を示す概念図である。 実施の形態５に係る形状計測装置のデータ処理の流れを説明する図である。 （ａ）は、上記形状計測装置の公転回転台の回転軸に傾きがある場合の速度測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は、その速度を積分したときの変位を示すグラフである。 従来技術に基づく形状計測装置（ＭＯＣＶＤ装置）の概念図である。 上記形状計測装置における回転台の上に被測定物（基板）を設置した状態の説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、上記形状計測装置における結晶成長中に発生する被測定物（基板）の反りの発生メカニズムを説明するための図である。

本発明の形状計測装置に関する実施形態について、図１〜図１４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る形状計測装置（ＭＯＣＶＤ装置）１の構成を示す概念図である。図２は、形状計測装置１で用いられる載置プレート１９と被測定物（基板）２１との関係を示した平面図である。

図１を参照すると、形状計測装置１は、円筒形の反応室２５を備えている。反応室２５の中には、円板形状をした回転台２が設けられている。回転台２の上には、図２に示すように、６個の円状をした載置プレート１９が、回転台２の円周方向に沿って所定の間隔を空けて設けられている。各載置プレート１９の上には、円板状の被測定物（基板）２１が配置されている。

装置によっては載置プレート１９の上面に被測定物２１を直接置かずに、石英や窒化ホウ素製等の基板ホルダを載置プレート１９の上に置き、この基板ホルダ上に被測定物２１を置く場合もある。被測定物２１（基板）は、たとえばＧａＡｓやＩｎＰ、ＧａＮ、サファイアからなる。回転台２の下側には加熱手段としてのヒータ２６が配置されている。

回転台２は、回転軸１８によって支持されており、回転軸１８には、回転軸１８を回転させるモータ２７が連結されている。回転台２の上に設けられた６個の載置プレート１９は、それぞれ自転するように構成されている。

モータ２７の上には、回転角度計測器が組み込まれた被測定物検出器４が配置されている。回転台２の上方には、ガス透過性が低い、反応室２５内部の空間を隔てる略水平な隔壁２８が設けられている。反応室２５の上側には配管２９が接続されており、この配管２９の先端は、回転台２と隔壁２８との間に配置され、ガス吹き出し口３０が形成されており、回転台２の回転軸１８上から回転台２の表面に沿って放射状に、原料ガス３１が結晶膜の原料として供給される。配管２９の他端はガス供給器３２が接続されている。

反応室２５の外部には、レーザ光線による三角測量の原理を用いた変位計測器３が取り付けられている。変位計測器３は、変位計測器３が照射する計測用レーザ光線が反応室２５内部の被測定物２１に到達し、かつ反射光が変位計測器３に戻り得るように配置される。そのため、反応室２５には、計測用レーザ光線３３及びその反射光３４が通過可能な窓３５が設けられている。また、隔壁２８には同様に計測用レーザ光線３３及びその反射光３４が通過可能な穴３６が設けられている。

回転台２を平面的に見たところを図２に示す。図２に示すように、回転台２には複数の被測定物２１（基板）が、載置プレート１９間の隙間Ｓｐをそれぞれ挟むようにして一定の円周上に並べられている。この複数の被測定物２１が載置された回転台２を回転させると、この被測定物２１の中心は軌跡Ｌｐをたどることとなる。変位計測器３の計測用レーザ光線３３は、軌跡Ｌｐ上の一点に照射されるように配置した。その結果、回転台２を回転させると複数の被測定物２１に順番に計測用レーザ光線３３が軌跡Ｌｐに沿って照射され、変位計測器３によって複数の被測定物２１のそれぞれの面に垂直な方向の変位が順番に計測される。計測されたデータは演算処理部５に出力される。

このように、回転台２は、回転台中心３８を中心とした円状軌跡に沿って所定の間隔を空けて、それぞれ自転しながら回転台中心３８の周りを公転する複数の載置プレート１９を設けた載置面を有している。

次に図３を元にデータ処理の方法を説明する。図３は、形状計測装置１のデータ処理の流れを説明する図である。被測定物検出器４は、初期設定のときに回転角度計測器の回転角度を０に設定し、基板（被測定物２１）の位置と、変位計測器３からのレーザの照射位置とを記録しており、回転角度情報と回転角度０時の基板の位置、及び変位計測器３からのレーザ照射位置から、被測定物２１がレーザ照射位置にあるか否かを示す信号を演算処理部５に出力する。

変位計測器３の出力値と被測定物検出器４の出力値とは演算処理部５に送られた後、演算処理部５の被測定物変位抽出部６は、被測定物検出器４の出力値と、変位計測器３の出力値とに基づいて、被測定物２１が通過したときに測定された変位を抽出し、位置情報として、座標変位記録部８に送出する。

座標供給部７は、被測定物検出器４からの信号と、予め記録されている回転台２上の被測定物２１の移動軌跡と、自転及び公転の回転台２の回転比と、公転回転台の回転角度、回転速度、及び回転時間とに基づいて、変位計測器３のレーザ照射位置を通過する被測定物２１の測定箇所を、被測定物２１（基板）を基準にして座標化する。座標化したデータと、その座標位置で測定した変位とは完全に対応付けして、座標変位記録部８に記録される。一旦、データとして座標変位記録部８に記録されたデータは、形状演算部９に送られる。

形状演算部９には、あらかじめ各被測定物２１に対応する位置における回転台２のみの変位データが記録されている。この変位データは、被測定物２１を載置プレート１９に置かない状態で測定した変位データを記録したものである。よって、各座標の座標変位記録部８に記録された測定データから、その座標でのあらかじめ記録してある回転台変位データを減算すれば、被測定物２１の変位が得られる。

ところで、実施の形態の説明では、被測定物検出器４に回転角度計測器を用いたが、本発明はこれに限定されない。被測定物２１（基板）にマーカをつけてそれを計測する方法や、画像により基板を抽出する方法、回転開始時の変位計測器３と被測定物２１との位置関係、回転台２上の被測定物２１の移動軌跡、公転台と自転台の回転速度、運転時間を用いて計算のみで被測定物の座標を割り出す方法など、他の方法も用いることができる。また、変位計測器３としてレーザで測定する変位計を用いたが、本発明はこれに限定されない。接触式の変位計や速度計のデータを積分する方法など、構造上利用可能で変位が測定できるものであれば、その他の方式を用いた変位計の使用を制限するものではない。

以上のように、変位計測器３は、自転しながら回転台中心３８の周りを公転する複数の載置プレート１９のそれぞれに載置された被測定物２１の高さ変位を計測するために設けられている。被測定物検出器４は、被測定物２１が変位計測器３により高さ変位を計測される位置にあるか否かを示す被測定物通過情報を検出する。演算処理部５は、変位計測器３により計測された被測定物２１の高さ変位と、被測定物検出器４により検出された被測定物通過情報とに基づいて、被測定物２１の形状を演算する。被測定物変位抽出部６は、変位計測器３により計測された高さ変位から、被測定物検出器４により検出された被測定物通過情報に基づいて、被測定物２１の高さ変位を抽出する。座標供給部７は、被測定物通過情報と、変位計測器３による被測定物上の計測点の軌道と、被測定物通過情報に基づく経過時間とに基づいて、変位計測器３による被測定物２１上の計測点を表す座標値を供給する。座標変位記録部８は、被測定物変位抽出部６により抽出された被測定物２１の高さ変位と、座標供給部７により供給される座標値とを対応付けて記録する。形状演算部９は、座標変位記録部１０によって記録された被測定物２１の高さ変位から、回転台２の機構に起因する回転台変位を分離して被測定物２１の形状を演算する。

（実施の形態２）
次に、図４〜図６を用いて本発明をＭＯＣＶＤ装置に適用した場合の実施の形態２を説明する。図４は、実施の形態２に係る形状計測装置に設けられた形状演算部９Ａ内のデータ処理の流れを説明するための図である。なお、説明の便宜上、前記実施の形態１にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図４は、実施の形態２に係る形状計測装置のデータ処理の流れを示したものであるが、座標変位記録部８に記録されたデータが形状演算部９Ａに送られるまでの流れは実施の形態１と同様である。形状演算部９Ａは、自転変位算出部１０と被測定物形状演算部１１とを有している。まず、自転変位算出部１０では、あらかじめ被測定物（基板）２１がなく、載置プレート１９の自転もない状態で変位を測定した公転変位が座標と共に記録されている。座標変位記録部８から送られた測定データは、公転変位の記録を用いて、測定データから公転変位を減算したデータに変換する。次に、自転用回転台の変位を算出する。被測定物（基板）２１の形状は中心点対象なものと仮定する。例えば基板に反りなどがない場合の平面の式を以下のように表すとする。
Ａｘ＋Ｂｙ＋Ｃｚ＋Ｄ＝０・・・（１）式
（ｘ，ｙ，ｚ）のうち、ｘ、ｙが座標供給部７で得た基板座標、ｚは被測定物変位抽出部６によって得られた変位値から公転変位を減算した値である。

測定は、被測定物２１が回転台２によって変位計測器３によるレーザ照射位置まで移動し、レーザ照射位置を通り抜けるまでの間に複数回行われる。

図５は、形状計測装置１の自転する載置プレート１９に傾きがある場合の変位計測器３と被測定物（基板）２１と載置プレート１９との位置関係を説明する図である。図５に示すように、被測定物２１が完全に中心点対称で変形し、載置プレート１９が傾いているとすると、図５に示すような位置関係になる。

図５に示す位置関係で、自公転した場合のレーザ照射位置を通過した測定点の軌跡を図６に表す。図６に示す丸点は測定された位置を表している。図６に示す測定点の軌跡１に沿って５個の丸点が配置されているので、１個の軌跡の間に測定が５回行われている。同じ被測定物２１が再びレーザ照射位置にくると、次は測定点の軌跡２に示す軌跡を通過して測定される。被測定物２１は、図５に示すように、実際には反りなどが発生し、平面ではない。しかし、被測定物２１のそり変形は中心点対称で、中心点から等距離にある同心円上の点は同じ高さにあるものと仮定する。図６に示すように、破線で示された円は同心円であるが、この円上にある測定点はすべて同じ高さにあるものとする。この仮定をおくことによって、測定データから同心円上にあると見なせる座標のデータを（１）式に代入する。図６に示すように、同一の同心円上に位置する測定点が４つ以上になれば定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが求められる。

測定座標から同心円は複数得られ、同心円毎に定数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが定まるが、同心円が異なる場合でも基板形状は中心点対象と仮定しているため、どの同心円の傾きも同じとなり、すべてのデータから傾きを決める係数が定められる。傾きが得られた後、中心点のデータを入力すると自転回転台の平面式が得られる。自転変位算出部１０は、この平面式から各座標の平面の高さを算出し、被測定物形状演算部１１に出力する。被測定物形状演算部１１は、座標変位記録部８の出力から公転変位と自転変位算出部１０の出力とを差し引くことによって、被測定物（基板）２１の高さの変位が得られる。これを３次元座標で表せば、被測定物（基板）２１の形状が得られる。

また、３次元座標から被測定物２１を球面と仮定すると球面式から反りを算出できる。球面式は、
（ｘ−ｘ０）^２＋（ｙ−ｙ０）^２＋（ｚ−ｚ０）^２＝Ｒ^２・・・（２）式
で表されるので、３次元座標値から中心座標（ｘ０、ｙ０、ｚ０）と球の半径Ｒとを算出できる。また半径Ｒから反り量ｈを求める式は、ｌを基板半径とすると
ｈ＝Ｒ・（１−ｃｏｓ（ｌ／Ｒ））・・・（３）式
で算出できる。

以上のように、自転変位算出部１０は、載置プレート１９の自転に基づく自転変位を算出する。被測定物形状演算部１１は、座標変位記録部８によって記録された被測定物２１の高さ変位から、自転変位算出部１０により算出された自転変位と、予め記録された公転変位とを分離して被測定物２１の形状を演算する。

（実施の形態３）
次に、図７〜図９を用いて本発明をＭＯＣＶＤ装置に適用した場合の実施の形態３を説明する。図７は、実施の形態３に係る形状計測装置のデータ処理の流れを説明する図である。座標変位記録部８に記録されたデータが形状演算部９Ｂに送られるまでの流れは実施の形態１と同様である。形状演算部９Ｂでは、プレート変位式導出部１２により、基板座標ごとの公転用回転台の変位式と自転用回転台の変位式とを求め、変位式から公転変位算出部１４が公転及び自転回転台の変位を算出する。公転回転台を回転円板とすると公転回転台の高さの変位式は以下のように仮定できる。
Ｚｓ＝Ａ・ｓｉｎ（θ＋α） ・・・（４）式
また、自転回転台も回転円板とすると自転回転台の高さの変位式は以下のように仮定できる。
Ｚｐ＝Ｂ（θ）・ｓｉｎ（θ・Ｎ＋β） ・・・（５）式
また、基板形状も中心点対象に変形していると仮定すると、
Ｚｋ＝Ｃ（θ）・ｓｉｎ（φ＋β） ・・・（６）式
ここで、変数は以下のように定義している。
Ｚｓ：公転回転台の高さ変位
Ａ：公転回転台の高さ変化の振幅
α：公転回転台の初期位相角
θ：公転回転台円板の回転角度
Ｚｐ：自転回転台の高さ変位
Ａ：自転回転台の高さ変化の振幅
β：自転回転台の初期位相角
Ｎ：自転回転台と公転回転台との回転比
Ｃ：被測定物（基板）の高さ変化の振幅
φ：被測定物（基板）高さ変位の回転角
また、測定値をＺとすると
Ｚ＝Ｚｓ＋Ｚｐ＋Ｚｋ ・・・（７）式
で表される。

公転回転台（回転台２）と自転回転台（載置プレート１９）との大きさが図２に示すような大小関係として、回転台２（公転回転台）の変位、載置プレート１９（自転プレート）の変位、被測定物（基板）２１の変位をそれぞれ単体で測定できたと仮定すると図８に示す波形が得られる。それぞれの波形は（４）式、（５）式、（６）式で表され、θ、Ｎ、Ｚが既知であるため、複数の測定データから（４）式、（５）式、（６）式、（７）式を満たすように他の係数を決定すれば、Ｚｓ、Ｚｐ、Ｚｋが確定できる。プレート変位式導出部１２はこのように、各回転台変位式を導出する。公転変位算出部１４は、これらの式が確定した後、Ｚｓの式を用いて公転変位を算出し、被測定物形状演算部１５に送る。また、自転変位算出部１３はＺｐの式を用いて公転変位を算出し、被測定物形状演算部１５に送る。被測定物形状演算部１５は、これら回転台変位Ｚｓ，Ｚｐと座標変位記録部８に記録されたデータのＺ値から（７）式、もしくはＺｋの式が確定していれば（６）式を用いて被測定物（基板）２１の高さの変位が得られる。これを３次元座標で表せば、基板形状が得られる。

また、公転する回転台２が、自転する回転台（載置プレート１９）に比べて何倍も大きい場合、公転する回転台の変位の周波数は自転する回転台の変位の周波数に比べて非常に低くなる。この場合、基板を測定している間は公転回転台の変位変化が線形とみなせる。すると、同じ基板を測定している場合（たとえば図８の四角で囲まれた範囲Ｒ１・Ｒ２・Ｒ３）、公転回転台の変位量はいつも一定となる。また、被測定物（基板）２１は中心点対象に変形していると仮定すると、同じ基板を公転周期毎に、同じタイミングで測定したデータの変位は、自転する回転台（載置プレート１９）の変位によって変化すると考えられる。

図９に示すように公転回転台の変位と基板変形とを合成した場合は、同じような結果となるが、公転回転台変位と自転回転台変位と基板変形とを合成した場合は、ｎ周目、ｎ＋１周目、ｎ＋２周目と順番に測定していくと、１周で得られる測定データの位置関係は保ちながら、測定開始時の変位が変化する。よって、公転回転台変位と自転回転台変位と基板変形との合成されたデータの丸印で示したデータの変化は、自転回転台の変位を表していると考えられる。これを利用して、例えば図９に示す丸印の測定データを（３）式に代入すれば、自転変位式が求められ、自転変位を算出することができる。公転変位は自転変位を減算した後のデータから、基板中心から等距離にあるデータをもとに、（４）式もしくは簡易的なリニア式を仮定して係数を決めれば、公転変位を算出することができる。このようにして、回転台変位Ｚｓ，Ｚｐと、座標変位記録部８に記録されたデータのＺ値を（７）式に代入して被測定物（基板）２１の高さの変位を求める。これを３次元座標で表せば、基板形状が得られるため、この方法によって算出することもできる。

このように、形状演算部９Ｂに設けられたプレート変位式導出部１２は、座標変位記録部８により記録された座標値に基づいて、載置プレート１９の自転変位を算出するための自転変位式と、載置プレート１９の公転変位を算出するための公転変位式とを導出する。自転変位算出部１３は、座標値と自転変位式とに基づいて、載置プレート１９の自転変位を算出する。公転変位算出部１４は、座標値と公転変位式とに基づいて、載置プレート１９の公転変位を算出する。被測定物形状演算部１５は、座標変位記録部８によって記録された被測定物２１の高さ変位から、自転変位算出部１３により算出された自転変位と、公転変位算出部１４により算出された公転変位とを分離して被測定物２１の形状を演算する。

（実施の形態４）
次に、図１０を用いて本発明をＭＯＣＶＤ装置に適用した場合の実施の形態４を説明する。座標変位記録部８に記録されたデータが形状演算部９Ｃに送られるまでの流れは実施の形態１と同様である。演算処理部５Ｃは、被測定物変位抽出部６と座標供給部７と座標変位記録部８と形状演算部９Ｃとを有している。形状演算部９Ｃは、ＦＦＴ算出部１６と被測定物形状演算部１７とを含んでいる。ＦＦＴ算出部１６は、座標変位記録部８によって記録された被測定物２１の高さ変位を高速フーリエ変換する。被測定物形状演算部１７は、ＦＦＴ算出部１６の出力から被測定物２１の変動周波数を抽出し、この変動周波数の強度に基づいて被測定物２１の形状を演算する。

実施の形態３と同様に、公転回転台は（４）式、自転回転台は（５）式、基板は（６）式で表せると仮定すると（７）式から測定値Ｚは
Ｚ＝Ｚｓ＋Ｚｐ＋Ｚｋ
＝Ａ・ｓｉｎ（θ＋α）＋Ｂ（θ）・ｓｉｎ（θ・Ｎ＋β）＋Ｃ（θ）・ｓｉｎ（φ＋β） ・・・（８）式
上記（８）式は、波の重ね合わせの式に他ならず、このように波形が形成されている場合、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）すればそれぞれの波形の周波数が得られる。このＦＦＴを行うと、ピーク周波数が複数出てくるが、公転回転台、自転回転台の周波数は、回転速度が明らかになっているため、特定が容易にできる。特定した周波数の強度の絶対値が振幅Ｇ（（１０）式）となり、実数と虚数とから位相角η（（９）式）が算出できる。
Ｐ＝Ｅ＋ｉ・Ｆ＝Ｇｃｏｓη＋ｉ・Ｇｓｉｎη ・・・（９）式
Ｇ＝（（Ｅ^２＋Ｆ^２））^１／２ ・・・（１０）式
これにより、ＺｓとＺｐの式が確定するため、（７）式から被測定物（基板）２１の変位Ｚｋが算出できる。また、基板高さ変化は基板変形が球面形状で、基板高さ変化の波形が図８に示すように、常に半周期分測定されると仮定すると、１枚の被測定物２１が測定位置を通過する時間をＴｋとし、公転回転台が１回転する時間をＴｓとして、
Ｔｓ＝ｘ・２・Ｔｋ ・・・（１１）式
となる。Ｔｓは、公転回転台の回転速度から算出できる。また、Ｔｋは、図１１に示すように、公転する回転台２の回転台中心３８から測定位置までを半径とする円を考えて、１枚の基板が通過したときの公転する回転台２の角度ψと公転する回転台２の回転速度から算出できる。
Ｓｉｎ（ψ／４）＝ｒｋ／２／ｒ ・・・（１２）式
ψ＝４・ａｒｃｓｉｎ（ｒｋ／２ｒ） ・・・（１３）式
Ｔｋ＝ψ／２π・Ｔｓ ・・・（１４）式
ｘ＝π／ψ ・・・（１５）式
上記（１２）式から（１５）式より、被測定物２１の変位変化の周波数は、公転する回転台２の周波数をｘ倍すれば算出できる。

このようにして被測定物２１の変位変化の周波数が分かると、ＦＦＴのピーク周波数で被測定物２１の変位における周波数の強度から変位が求められる。

（実施の形態５）
図１２を参照して、本発明をＭＯＣＶＤ装置に適用した場合の実施の形態５を説明する。図１２は、実施の形態５に係る形状計測装置１Ａの構成を示す概念図である。図１３は、形状計測装置１Ａのデータ処理の流れを説明する図である。炉全体の構造は、実施の形態１の図１と同様であるので説明は割愛する。実施の形態５では、反応室２の外部には、変位計測器３の代わりにレーザ光線によるドップラ効果の原理を用いた速度計測器２２が取り付けられている。

回転台２を回転させると複数の被測定物（基板）２１に順番に計測用レーザ光線３３が照射され、速度計測器２２によって複数の被測定物（基板）２１のそれぞれの面に垂直な方向の速度が順番に計測される。計測されたデータは演算処理部５Ｄに出力される。被測定物検出器４は、基板がレーザ照射位置にあることを演算処理部５Ｄに出力する。

図１３を参照すると、速度計測器２２の出力値と被測定物検出器４の出力値とは演算処理部５Ｄに送られたあと、演算処理部５Ｄでは被測定物検出器４の出力値から被測定物速度抽出器３９が被測定物（基板）２１の速度を抽出し、プレート公転変位除去部２３に出力する。プレート公転変位除去部２３は、公転する回転台２の変位を減算した値を出力する。

また、座標供給部７は、実施の形態１〜４と同様に、速度計測器２２のレーザ照射位置を通過する基板の位置を座標化する。座標化したデータとその座標位置で測定した変位とは完全に対応付けされて、座標変位記録部８に記録される。記録されたデータは、形状演算部９Ａに送られ、実施の形態２と同様に、自転する載置プレート１９の平面式をデータから算出し、平面式が得られた後、再度、測定値（ｘ、ｙ、ｚ）を平面式に代入して平面式のｚ値と測定値のｚ値の差をとることによって基板変位を算出する。

ここで、プレート公転変位除去部２３の流れを説明する。被測定物速度抽出器３９から出力されたデータは、プレート公転変位除去部２３に設けられた減算部４１と速度平均算出部４０とに送られる。速度平均算出部４０は、基板１枚がレーザ照射位置を通過したときの速度平均値を算出する。減算部４１は、被測定物２１の速度それぞれの値から、速度平均算出部４０が算出した平均値を減算し、積算部４２に出力する。速度計測器２２で基板を測定したときの出力値の時間変化は、図１４（ａ）に示すようになる。図１４（ａ）の縦軸が速度出力値を示し、横軸が時間を示す。速度計測器２２から出力されるデータは、出力値をＶ、被測定物２１である基板の反りによる速度変化をＶｋ、速度計測器２２のオフセット値をＶｏ、回転台２の回転軸１８の傾きによる速度変化をＶｓとすると、図１３（ａ）に示すようになり、以下の式で表される。
Ｖ＝Ｖｋ＋Ｖｏ＋Ｖｓ ・・・（１６）式
被測定物２１がレーザを通過する比較的短い期間ではオフセット値は一定とみなせる。また、回転台２は被測定物（基板）２１の数倍の大きさがあるため、回転軸１８の傾きによる速度も、基板がレーザを通過する比較的短い期間であれば一定とみなせる。この速度データＶをそのまま積分すると図１４（ｂ）に示す直線Ｌ−１ような右肩上がりのグラフとなり、曲線Ｌ−２のような実際の基板の反りは測定できない。

しかし、出力値Ｖの平均値は、平均値をＶａｖｅとすると
Ｖａｖｅ≒Ｖｏ＋Ｖｓ ・・・（１７）式
となり、
Ｖｋ＝Ｖ−Ｖａｖｅ ・・・（１８）式
で計算できる。

以上のように、被測定物２１がレーザ照射位置を通過するときの速度データＶの平均値を求めて、それぞれの速度値から平均値を減算することによって、公転のような大きな回転台の傾きによる速度の影響をなくすことができる。

このような処理で、被測定物（基板）２１の反りと自転する載置プレート１９の傾きによる速度成分のみが抽出された速度をもとに、積算部４２は時間積分して時間積分値を位置情報として、座標変位記録部８にデータを送る。

以上のように速度データを用いた場合、図１３に示すように、プレート公転変位除去部２３によって速度データから公転する回転台２の変位を減算した後、自転する載置プレート１９の変位と被測定物２１である基板の形状とを分離するため、簡単に基板形状を求めることができる。

このように、プレート公転変位除去部２３は、被測定物速度抽出器３９により抽出された高さ方向の速度データから、公転変位の影響を除去し、積分して被測定物２１の高さ変位に変換する。

ところで、前述の説明では、プレート公転変位除去部２３において平均速度を減算した後、積算する方法を用いたが、本発明はこれに限定されない。速度を微分して加速度とし、速度変化のない部分を除去する方法でも公転する回転台２の変位を除去することができるので、この方法をプレート公転変位除去部２３に適用してもよい。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、ＭＯＣＶＤ装置等のように、回転または遊星回転させるような回転台の上に載置された基板等の被測定物を回転台に載置した状態で被測定物の形状を計測する装置に適用することができる。また、往復動や回転する被測定物の位置を特定して、被測定物の移動方向に垂直な方向の速度や変位量を測定することができるため、回転する筐体の一部にある被測定物、一方向に移動する被測定物、または一方向に移動する筐体や回転する筐体の一部にある被測定物自身が回転を伴う被測定物の測定用途にも適用できる。たとえば、材料を遊星回転させる撹拌装置内の試料の液面高さの測定やイオンプレーティング装置の膜測定などにも利用できる。

１ 形状計測装置
２ 回転台
３ 変位計測器
４ 被測定物検出器
５ 演算処理部
６ 被測定物変位抽出部
７ 座標供給部
８ 座標変位記録部
９ 形状演算部
１０ 自転変位算出部
１１ 被測定物形状演算部
１２ プレート変位式導出部
１３ 自転変位算出部
１４ 公転変位算出部
１５ 被測定物形状演算部
１６ ＦＦＴ算出部
１７ 被測定物形状演算部
１８ 回転軸
１９ 載置プレート
２１ 被測定物
２２ 速度計測器
２３ プレート公転変位除去部
３９ 被測定物速度抽出器

Claims (5)

1. 回転軸を中心とした円状軌跡に沿って所定の間隔を空けて、それぞれ自転しながら前記回転軸の周りを公転する複数のプレートを設けた載置面を有する回転台と、
   前記自転しながら回転軸の周りを公転する複数のプレートのそれぞれに載置された被測定物の高さ変位を計測するために設けられた変位計測手段と、
   前記被測定物が前記変位計測手段により高さ変位を計測される位置にあるか否かを示す被測定物通過情報を検出する被測定物検出手段と、
   前記変位計測手段により計測された前記被測定物の高さ変位と、前記被測定物検出手段により検出された被測定物通過情報とに基づいて、前記被測定物の形状を演算する演算処理手段とを備え、
   前記演算処理手段は、前記変位計測手段により計測された高さ変位から、前記被測定物検出手段により検出された被測定物通過情報に基づいて、前記被測定物の高さ変位を抽出する被測定物変位抽出手段と、
   前記被測定物通過情報と、前記変位計測手段による前記被測定物上の計測点の軌道と、前記被測定物通過情報に基づく経過時間とに基づいて、前記変位計測手段による前記被測定物上の計測点を表す座標値を供給する座標供給手段と、
   前記被測定物変位抽出手段により抽出された被測定物の高さ変位と、前記座標供給手段により供給される座標値とを対応付けて記録する座標変位記録手段と、
   前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位から、前記回転台の機構に起因する回転台変位を分離して前記被測定物の形状を演算する形状演算手段とを含むことを特徴とする形状計測装置。
2. 前記回転台変位は、前記プレートの自転に基づく自転変位と、前記プレートの前記回転軸周りの公転に基づく公転変位とを含み、
   前記形状演算手段は、前記自転変位を算出する自転変位算出手段と、
   前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位から、前記自転変位算出手段により算出された自転変位と、予め記録された前記公転変位とを分離して前記被測定物の形状を演算する被測定物形状演算手段とを含む請求項１記載の形状計測装置。
3. 前記形状演算手段は、前記座標変位記録手段により記録された座標値に基づいて、前記プレートの自転変位を算出するための自転変位式と、前記プレートの公転変位を算出するための公転変位式とを導出するプレート変位式導出手段と、
   前記座標値と前記自転変位式とに基づいて、前記プレートの自転変位を算出する自転変位算出手段と、
   前記座標値と前記公転変位式とに基づいて、前記プレートの公転変位を算出する公転変位算出手段と、
   前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位から、前記自転変位算出手段により算出された自転変位と、前記公転変位算出手段により算出された公転変位とを分離して前記被測定物の形状を演算する被測定物形状演算手段とを含む請求項１記載の形状計測装置。
4. 前記形状演算手段は、前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位を高速フーリエ変換するＦＦＴ算出手段と、
   前記ＦＦＴ算出手段の出力から被測定物の変動周波数を抽出し、前記変動周波数の強度に基づいて前記被測定物の形状を演算する被測定物形状演算手段とを含む請求項１記載の形状計測装置。
5. 回転軸を中心とした円状軌跡に沿って所定の間隔を空けて、それぞれ自転しながら前記回転軸の周りを公転する複数のプレートを設けた載置面を有する回転台と、
   前記自転しながら回転軸の周りを公転する複数のプレートのそれぞれに載置された被測定物の高さ方向に沿った速度を計測するために設けられた速度計測手段と、
   前記被測定物が前記速度計測手段により高さ方向の速度を計測される位置にあるか否かを示す被測定物通過情報を検出する被測定物検出手段と、
   前記速度計測手段により計測された前記被測定物の高さ方向の速度と、前記被測定物検出手段により検出された被測定物通過情報とに基づいて、前記被測定物の形状を演算する演算処理手段とを備え、
   前記演算処理手段は、前記速度計測手段により計測された高さ方向の速度から、前記被測定物検出手段により検出された被測定物通過情報に基づいて、前記被測定物の高さ方向の速度データを抽出する被測定物速度抽出手段と、
   前記被測定物速度抽出手段により抽出された高さ方向の速度データから、公転変位の影響を除去し、積分して被測定物の高さ変位に変換するプレート公転変位除去手段と、
   前記被測定物通過情報と、前記速度計測手段による前記被測定物上の計測点の軌道と、前記被測定物通過情報に基づく経過時間とに基づいて、前記速度計測手段による前記被測定物上の計測点を表す座標値を供給する座標変換手段と、
   前記プレート公転変位除去手段から供給された被測定物の高さ変位と、前記座標変換手段により供給される座標値とを対応付けて記録する座標変位記録手段と、
   前記座標変位記録手段によって記録された被測定物の高さ変位に基づいて、前記被測定物の形状を演算する形状演算手段とを含むことを特徴とする形状計測装置。

Images