JP3404318B2 - 表面形状測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウェーハ
等の被測定物の表面形状を精密に測定するための表面形
状測定方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、シリコンウェーハ等の薄板の表面
形状を測定するための装置として、例えば、特公平５−
７７１７９号公報，特開平１０−４７９４９号公報等に
開示されるものが知られている。図５は、特公平５−７
７１７９号公報に開示される装置を示すもので、この装
置では、回転可能な真空チャック１にシリコンウェーハ
等の薄板２が吸着支持されている。 【０００３】薄板２の両側には、変位計３が配置され、
これ等の変位計３がアーム４および支持部材５により支
持されている。そして、この装置では、薄板２の形状評
価においては、薄板２の用途が、例えば、平面等の基準
面に密着されることを前提としていることから、必要と
される領域内において測定された厚さのデータ群のバラ
ツキが薄板２の平坦度とされている。 【０００４】しかしながら、このような従来の評価方法
では、薄板２の基準平面に密着される面に局所的な凹凸
があり、あるいは、厚みが一定でも小さな周期のうねり
を有しており、この面が基準平面に充分に密着されなか
った場合にも、あたかも、その凹凸あるいはうねりが、
その反対面に存在する形状として表現されてしまい、例
えば、その表面に微細なパターンの描画あるいは転写を
行うシリコンウェーハ等の形状評価において過大もしく
は過小評価が生じるおそれがあるという問題があった。 【０００５】すなわち、例えば、図６の（ａ）に示すよ
うに、シリコンウェーハからなる薄板２の裏面２ａ側
に、数ｍｍから数十ｍｍの長さの局所的な凹部２ｂが存
在している場合には、パターン転写時に、真空吸着盤の
吸引力では、薄板２を基準面Ｋに確実に密着することが
できず、厚さデータを基にした平坦度の評価結果は、図
の（ａ’）に示すように薄板２の表面２ｃ側に凹部２ｂ
が存在することになり、本来、パターンを良好に転写可
能な形状でありながら不良と判断されることになる。 【０００６】また、例えば、図６の（ｂ）に示すよう
に、薄板２の裏面２ａ側に、数ｍｍから数十ｍｍの長さ
の局所的な凸部２ｄが存在している場合には、凸部２ｄ
の周辺部を基準面Ｋに確実に密着することができず、厚
さデータを基にした平坦度の評価結果は、図の（ｂ’）
に示すように薄板２の表面２ｃ側に実際より小さい凸部
２ｄが存在することになり、評価よりも広い範囲におい
てパターンの転写不良が生じることになる。 【０００７】さらに、例えば、図６の（ｃ）に示すよう
に、薄板２の厚さが均一で短い周期のうねりが存在して
いる場合には、凸部２ｅの裏面２ａ側を基準面Ｋに確実
に密着することができず、厚さデータを基にした平坦度
の評価結果は、図の（ｃ’）に示すように平坦状態にな
り、評価では想像できないパターンの転写不良が生じる
ことになる。 【０００８】また、従来の装置では、薄板２の厚さを測
定することを目的としているため、薄板２の両面を測定
する一対の変位計３の相対的な距離を一定に保つように
しておけば良いことから、図７に示すように、薄板２を
挟みこむようにして二股状の保持部６を位置させ、この
保持部６の先端に変位計３を配置し、保持部６の根元部
７を支持して保持部６を移動するように構成しているた
め、以下に述べるような問題があった。 【０００９】すなわち、このような構造では、例えば、
薄板２の直径が３００ｍｍの大きさになると、薄板２の
全面を測定するためには、二股状の保持部６の長さが少
なくとも１５０ｍｍ以上必要になり、しかも、その根元
部７も変位計３から１５０ｍｍ以上離れてしまうため、
根元部７の移動精度が拡大され、変位計３の直進性に起
因する誤差が発生し、また、一対の変位計３の測定点が
ずれてしまうことによるアッベ誤差が発生するという問
題が生じる。 【００１０】また、二股状の保持部６が、音叉のように
振動した場合には、一対の変位計３の相対的な距離が変
動し、誤差が発生するという問題が生じる。本出願人
は、先に、かかる従来の問題を解決することができる薄
板の表面形状測定装置を開発し、これを特願平１０−１
５８８９２号として出願した。図８は、この出願に係わ
る薄板の表面形状測定装置を示しており、この装置は、
薄板１１を同一平面内において回動自在に支持する支持
手段１３を有している。 【００１１】薄板１１の平面の一側および他側には、平
面に平行に、かつ相互に平行になるように第１および第
２の案内軸１５，１７が配置されている。第１および第
２の案内軸１５，１７には、第１および第２の案内軸１
５，１７に沿って独立に移動する第１および第２のスラ
イダ１９，２１が配置されている。そして、第１および
第２のスライダ１９，２１には、薄板１１の一面および
他面までの距離を独立して測定する第１および第２の計
測手段２３，２５が配置されている。 【００１２】このような装置では、簡易な構成により、
薄板１１の表面形状を高い精度で測定することができ
る。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の装置では、薄板１１の両側に、測定の基準と
なる平行２平面を形成しているため、その平行２平面を
生成するための第１および第２のスライダ１９，２１の
各々の真直度と、相互の平行度が、その測定精度に直接
影響を及ぼす要因となっていた。 【００１４】従って、真直度および平行度を高精度に仕
上げ、配置するのは勿論のこと、装置設置後において
も、定期的にこれらを確認し、必要に応じてデータの補
正を行うことが高信頼性，再現性を得るために不可欠で
あった。そして、従来、真直度および平行度の測定は、
図９に示すように、高価でかつ取り扱いに慎重さを要す
るガラス製の真直マスタ２７を、装置の測定面に治具等
を用いてセットし、第１および第２のスライダ１９，２
１の運動線１９Ａ，２１Ａに対しての真直マスタ２７ま
での距離Ｌ１，Ｌ２を各々測定し、各々の運動線１９
Ａ，２１Ａに対する基準直線１９Ｂ，２１Ｂを設定する
ことにより行われている。 【００１５】また、これ等の運動線１９Ａ，２１Ａの平
行度の確認にあたっては、第１および第２のスライダ１
９，２１の移動方向での所定の位置を２ヶ所設定し、そ
こにおける運動線１９Ａ，２１Ａ相互の相対的な距離Ｌ
３，Ｌ４を測定し、距離Ｌ３に、基準直線１９Ｂ，２１
Ｂからの偏差Δ１１，Δ１２を加算し、距離Ｌ４に、基
準直線１９Ｂ，２１Ｂからの偏差Δ２１，Δ２２を加算
することにより平行度の算出が行われている。 【００１６】しかしながら、このような従来の測定方法
では、以下のような点から測定の誤差要因を含むことが
懸念され、また、その作業効率が非常に悪いという問題
があった。すなわち、各運動線１９Ａ，２１Ａの真直度
を各々独立して測定した後に、所定の２点のみで平行度
を確認するために、平行度の計算にあたっては、各々の
運動線１９Ａ，２１Ａの真直度を補正し、所定の２点に
おける相対距離の変化分に、この補正値を重畳し、さら
に、得られた平行度データより再度２軸の運動線１９
Ａ，２１Ａの真直度の補正値を計算し直すといった複雑
な手続きが必要であった。 【００１７】また、２点における相対距離の変化分のみ
で平行度を算出するために、移動範囲全域での両運動線
１９Ａ，２１Ａの相対的な距離変化を把握することがで
きず、ひいては測定データの信頼性を低下することが懸
念されていた。さらに、運動線１９Ａ，２１Ａの真直度
の測定には、高価でかつ取り扱いに慎重さを要するガラ
ス製の真直マスタ２７を、装置の測定面に治具を用いて
セットする必要があるため、高い技能を要求され、装置
の使用者に対してこれを日常点検とした場合には、長い
作業時間が必要になり、また、装置の自動化が困難なも
のになる。 【００１８】本発明は、かかる従来の問題点を解決する
ためになされたもので、被測定物の表面形状を容易，確
実に高い精度で測定することができる表面形状測定方法
を提供することを目的とする。 【００１９】 【００２０】 【００２１】【課題を解決するための手段】 請求項１の表面形状測定
方法は、第１の案内軸と第２の案内軸とを略平行に配置
し、前記第１および第２の案内軸に沿って移動する第１
および第２の計測手段により、前記第１および第２の計
測手段の間に配置される被測定物の一面および他面まで
の距離を連続的に測定し、前記被測定物の一面および他
面の表面形状を得るための表面形状測定方法において、
予め、前記第１の案内軸に沿って移動する第１の計測手
段の真直度を測定し、基準直線に対する偏差をそれぞれ
の軸長方向位置において求め真直度データを得るととも
に、前記第１および第２の計測手段を、前記第１および
第２の案内軸に沿って同期して移動することにより、前
記第１の計測手段と第２の計測手段との相対距離を連続
的に測定し軸長方向の相対距離データを得た後、前記第
１および第２の計測手段を前記第１および第２の案内軸
に沿って移動し、前記被測定物の一面および他面までの
距離を連続的に測定し、それぞれの軸長方向位置におい
て、前記相対距離データの対応する相対距離から、前記
被測定物の一面および他面までの対応する距離を減算す
ることにより前記被測定物の厚みを得、さらに、それぞ
れの軸長方向位置において、前記被測定物の一面までの
対応する距離に、前記真直度データの対応する偏差を加
算することにより前記被測定物の一面の表面形状を得、
この一面の表面形状に前記被測定物の厚みを加算するこ
とにより被測定物の他面の表面形状を得ることを特徴と
する。 【００２２】 【００２３】 【００２４】（作用） 請求項１ の表面形状測定方法では、予め、第１の案内軸
に沿って移動する第１の計測手段の真直度を測定するこ
とにより、基準直線に対する偏差がそれぞれの軸長方向
位置において求められ真直度データとされる。 【００２５】また、予め、第１および第２の計測手段
を、第１および第２の案内軸に沿って同期して移動する
ことにより、第１の計測手段と第２の計測手段との相対
距離が連続的に測定され軸長方向の相対距離データが得
られる。次に、第１および第２の計測手段を第１および
第２の案内軸に沿って移動し、被測定物の一面および他
面までの距離を連続的に測定し、それぞれの軸長方向位
置において、相対距離データの対応する相対距離から、
被測定物の一面および他面までの対応する距離を減算す
ることにより被測定物の厚みが求められる。 【００２６】そして、それぞれの軸長方向位置におい
て、被測定物の一面までの対応する距離に、真直度デー
タの対応する偏差を加算することにより被測定物の一面
の表面形状が求められる。また、この一面の表面形状に
被測定物の厚みを加算することにより被測定物の他面の
表面形状が得られる。 【００２７】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて詳細に説明する。図１は、本発明の測定方法の一
実施形態が適用される測定装置を示している。この測定
装置では、ベース部材３１上に第１の案内軸３３および
第２の案内軸３５が配置されている。 【００２８】この第１の案内軸３３と第２の案内軸３５
とは、所定間隔を置いて平行に配置されている。第１の
案内軸３３と第２の案内軸３５との間には、例えば、薄
板状のシリコンウェーハからなる被測定物３７が着脱自
在に支持されている。第１の案内軸３３および第２の案
内軸３５には、被測定物３７の一面３７ａおよび他面３
７ｂまでの距離を測定する第１の計測手段３９および第
２の計測手段４１が配置されている。 【００２９】第１の計測手段３９は、第１の案内軸３３
に沿って移動される第１のスライダ４３と、この第１の
スライダ４３に固定される第１の測定器４５を備えてい
る。また、第２の計測手段４１は、第２の案内軸３５に
沿って移動される第２のスライダ４７と、この第２のス
ライダ４７に固定される第２の測定器４９を備えてい
る。 【００３０】なお、この実施形態では、第１および第２
の測定器４５，４９には、非接触レーザ変位計が使用さ
れる。上述した測定装置では、被測定物３７の厚みおよ
び表面形状の測定が以下述べるようにして行われる。先
ず、第１の案内軸３３に沿って移動する第１の計測手段
３９の真直度が測定され、図２に示すように、基準直線
５１に対する偏差ΔＬｘがそれぞれの軸長方向位置にお
いて求められ所定の真直度データが得られる。 【００３１】なお、第１の計測手段３９の真直度の測定
は、装置が設置された時点において高精度に行われる。
また、図２において、曲線Ａは第１の計測手段３９の運
動線を、曲線Ｂは第２の計測手段４１の運動線を示して
いる。この真直度の測定は、例えば、図３に示すよう
に、被測定物３７の配置位置に、ガラス製の真直マスタ
５３を、治具等を用いてセットし、第１の案内軸３３に
沿って第１のスライダ４３を移動し、第１の測定器４５
により、真直マスタ５３との間隔を連続的に精密測定す
ることにより行われる。 【００３２】そして、この測定データを基にして基準直
線５１が決定され、基準直線５１に対する偏差ΔＬｘが
それぞれの軸長方向位置において求められ所定の真直度
データが生成される。なお、基準直線５１は、例えば、
最小二乗法を使用して、偏差ΔＬｘの総和が最も小さく
なるように設定される。 【００３３】また、この実施形態では、基準直線５１に
対して真直マスタ５３側に第１の測定器４５が変位して
いる場合の偏差ΔＬｘが正（＋）とされ、反対側に変位
している場合の偏差ΔＬｘが負（−）とされる。次に、
第１および第２の計測手段３９，４１を、第１および第
２の案内軸３３，３５に沿って同期して移動することに
より、第１の計測手段３９と第２の計測手段４１との相
対距離Ｓｘが連続的に測定され軸長方向の相対距離デー
タが得られる。 【００３４】この測定は、例えば、図４に示すように、
第２の計測手段４１の第２の測定器４９の前面に、ブロ
ックゲージ等の基準ゲージ５５を装着し、第１のスライ
ダ４３と第２のスライダ４７とを同期して、すなわち、
第１の測定器４５の中心と第２の測定器４９の中心との
軸長方向ｘ位置が常に同じ位置になるようにして移動さ
せながら、第１の計測手段３９の第１の測定器４５によ
り基準ゲージ５５までの間隔を連続的に測定し、測定さ
れた値から基準ゲージ５５の厚みを減算することにより
行われる。 【００３５】なお、この測定は、装置が設置された時点
において行われ、また、被測定物３７の測定作業の前に
必要に応じて行われ、最新の値にデータが更新される。
次に、図１に示したように、測定すべき被測定物３７
が、第１の計測手段３９と第２の計測手段４１との間に
支持され、被測定物３７の厚みが測定される。この測定
は、第１および第２の計測手段３９，４１の第１および
第２のスライダ４７を、第１および第２の案内軸３３，
３５に沿って移動し、被測定物３７の一面３７ａおよび
他面３７ｂまでの距離Ｌ１ｘ，Ｌ２ｘを、第１および第
２の測定器４５，４９により連続的に測定することによ
り行われる。 【００３６】そして、図２に示したように、それぞれの
軸長方向位置において、予め求められた相対距離データ
の対応する相対距離Ｓｘから、被測定物３７の一面３７
ａおよび他面３７ｂまでの対応する距離Ｌ１ｘ，Ｌ２ｘ
を減算することにより被測定物３７の厚みＴｘが求めら
れる。さらに、それぞれの軸長方向位置において、被測
定物３７の一面３７ａまでの対応する距離Ｌ１ｘに、予
め求めてある真直度データの対応する偏差ΔＬｘを加算
することにより被測定物３７の一面３７ａの表面形状が
求められる。 【００３７】すなわち、これにより、基準直線５１から
被測定物３７の一面３７ａまでの距離が連続して精密に
求められ、この値が被測定物３７の一面３７ａの表面形
状に対応する値となっている。また、この一面３７ａの
表面形状に被測定物３７の厚みＴｘを加算することによ
り被測定物３７の他面３７ｂの表面形状が得られる。 【００３８】上述した厚み測定方法では、それぞれの軸
長方向位置において、相対距離データの対応する相対距
離Ｓｘから、被測定物３７の一面３７ａおよび他面３７
ｂまでの対応する距離Ｌ１ｘ，Ｌ２ｘを減算することに
より被測定物３７の厚みＴｘが測定されるため、真直度
および平行度を別途求めることなく、被測定物３７の厚
みＴｘを容易，確実に高い精度で測定することができ
る。 【００３９】また、上述した厚み測定方法では、第１の
計測手段３９と第２の計測手段４１との相対距離Ｓｘの
連続的な測定を、第２の計測手段４１に基準ゲージ５５
を装着し、第１の計測手段３９により基準ゲージ５５ま
での間隔を連続的に測定することにより行うようにした
ので、第１の計測手段３９と第２の計測手段４１との相
対距離Ｓｘを容易，確実に高い精度で測定することがで
きる。 【００４０】さらに、上述した厚み測定方法では、被測
定物３７であるシリコンウェーハの厚みＴｘを、容易，
確実に高い精度で測定することができる。また、上述し
た表面形状測定方法では、それぞれの軸長方向位置にお
いて、被測定物３７の一面３７ａまでの対応する距離Ｌ
１ｘ，Ｌ２ｘに、真直度データの対応する偏差ΔＬｘを
加算することにより被測定物３７の一面３７ａの表面形
状が求められ、また、この一面３７ａの表面形状に被測
定物３７の厚みＴｘを加算することにより被測定物３７
の他面３７ｂの表面形状が得られるため、被測定物３７
の表面形状を容易，確実に高い精度で測定することがで
きる。 【００４１】なお、上述した実施形態では、本発明をシ
リコンウェーハからなる被測定物３７の測定に適用した
例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定
されるものではなく、例えば、液晶用ガラス，マスク部
材等の厚みおよび表面形状の測定に広く用いることがで
きる。 【００４２】また、上述した実施形態では、第１の案内
軸３３と第２の案内軸３５とを水平面内において平行に
配置した例について説明したが、本発明はかかる実施形
態に限定されるものではなく、例えば、垂直面内におい
て平行に配置するようにしても良い。さらに、上述した
実施形態では、第１の測定器４５および第２の測定器４
９に非接触レーザ変位計を使用した例について説明した
が、本発明はかかる実施形態に限定されるものではな
く、例えば、静電容量型変位計等の変位計を使用するこ
とができる。 【００４３】 【００４４】 【００４５】【発明の効果】 以上述べたように、請求項１ の表面形状
測定方法では、それぞれの軸長方向位置において、被測
定物の一面までの対応する距離に、真直度データの対応
する偏差ΔＬｘを加算することにより被測定物の一面の
表面形状が求められ、また、この一面の表面形状に被測
定物の厚みを加算することにより被測定物の他面の表面
形状が得られるため、被測定物の表面形状を容易，確実
に高い精度で測定することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の測定方法の一実施形態が適用される測
定装置を概略的に示す説明図である。 【図２】本発明の測定方法の一実施形態を概念的に示す
説明図である。 【図３】第１の計測手段の真直度を測定している状態を
示す説明図である。 【図４】第１の計測手段と第２の計測手段との相対距離
を測定している状態を示す説明図である。 【図５】従来の薄板の表面形状測定装置を示す説明図で
ある。 【図６】従来の薄板の表面形状測定装置による測定例を
示す説明図である。 【図７】従来の薄板の表面形状測定装置の二股状の保持
部材を示す説明図である。 【図８】本出願人が先に出願した表面形状測定装置を示
す斜視図である。 【図９】図８の測定装置の平行度の測定方法を示す説明
図である。 【符号の説明】 ３３ 第１の案内軸 ３５ 第２の案内軸 ３７ 被測定物 ３７ａ 一面 ３７ｂ 他面 ３９ 第１の計測手段 ４１ 第２の計測手段 ５１ 基準直線 ５５ 基準ゲージ Ｓｘ 相対距離 ΔＬｘ 偏差 Ｔｘ 厚み

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−369409（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−18947（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−170241（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−249005（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−59411（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 11/00 - 11/30

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 第１の案内軸と第２の案内軸とを略平行
   に配置し、前記第１および第２の案内軸に沿って移動す
   る第１および第２の計測手段により、前記第１および第
   ２の計測手段の間に配置される被測定物の一面および他
   面までの距離を連続的に測定し、前記被測定物の一面お
   よび他面の表面形状を得るための表面形状測定方法にお
   いて、 予め、前記第１の案内軸に沿って移動する第１の計測手
   段の真直度を測定し、基準直線に対する偏差をそれぞれ
   の軸長方向位置において求め真直度データを得るととも
   に、前記第１および第２の計測手段を、前記第１および
   第２の案内軸に沿って同期して移動することにより、前
   記第１の計測手段と第２の計測手段との相対距離を連続
   的に測定し軸長方向の相対距離データを得た後、前記第
   １および第２の計測手段を前記第１および第２の案内軸
   に沿って移動し、前記被測定物の一面および他面までの
   距離を連続的に測定し、それぞれの軸長方向位置におい
   て、前記相対距離データの対応する相対距離から、前記
   被測定物の一面および他面までの対応する距離を減算す
   ることにより前記被測定物の厚みを得、さらに、それぞ
   れの軸長方向位置において、前記被測定物の一面までの
   対応する距離に、前記真直度データの対応する偏差を加
   算することにより前記被測定物の一面の表面形状を得、
   この一面の表面形状に前記被測定物の厚みを加算するこ
   とにより被測定物の他面の表面形状を得ることを特徴と
   する表面形状測定方法。