JP3848673B2 - 光学式形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄板ガラス、鏡、アルミ磁気ディスク、ガラスディスクやウェーハなどの厚さの薄い平板状の被検体の、平坦度、厚さなどの形状を測定するための光学式形状測定装置に関するものである。以下は理解を容易にするためウェーハの光学式形状測定を例に上げて説明する。

ウェーハの平坦度、厚さなどを測定する手法としては、例えば、特許文献１に開示されているものが知られている。
特開平１１−２６０８７３号公報

上記公報に提案されているウェーハの光学式形状測定装置は、図５に示すように、エッジ部において鉛直保持されたウェーハ１の両面側に２つの光学測定系１０，２０が対向配置され、前記ウェーハ１の周縁に向けて厚さ測定部５０が配置されている。前記各光学測定系１０，２０は、それぞれ測定光１２，２２を出射する発光器１１，２１、前記測定光１２，２２を平行ビームとするコリメータレンズ１４，２４、前記平行ビームが透過する基準平面レンズ１５，２５、前記ウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂで反射された測定光が前記基準平面レンズ１５，２５及び前記コリメータレンズ１４，２４等を経て入射される受光器１６，２６と、前記基準平面レンズ１５，２５と前記ウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂとで作られた干渉縞が取り込まれる演算器１７を備えている。そして、前記受光器１６，２６では、前記基準平面レンズ１５，２５での反射光と、前記ウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂとで形成される干渉縞が観測され、演算器１７では、前記受光器１６，２６で観測された干渉縞の画像に基づいて前記ウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂの平面形状が演算され、前記厚さ測定部５０で測定されたウェーハ１の所定位置での厚さ実測値を基準として前記ウェーハ１の真形状が求められる。

そして、上記提案のウェーハの光学式形状測定装置では、ウェーハの主面及び裏面から得られる干渉縞を利用して主面及び裏面の平坦度をそれぞれ求め、厚さ測定器で得られたウェーハの厚さ実測値を基準としてウェーハの真形状を算出しているので、従来方式に比較して、極めて短時間で平坦度が高精度で測定される。また、算出された真形状から主面形状、裏面形状、平坦度及び絶対厚さも求められる。更に、測定対象であるウェーハは、静止状態で鉛直保持されているため、重力の影響を受けることなく測定に供される。しかも、ごみや疵が付着する機会が少なく、ウェーハの特性劣化が防止される。といった効果が得られるとされている。

ところで、上記公報に提案のウェーハの光学式形状測定装置では、上記効果が得られることが期待されるものの、ウェーハのような薄肉形状からなる被検体の表面形状を測定する場合、被検体の表面又は／及び裏面の全面測定が望まれるため、被検体のエッジ部を介して保持する方法がとられ、一般には被検体の周辺の３点を支持する方法がとられる。このように周辺を支持した状態では、空気中を伝搬する振動（音）の影響で、被検体が振動を起こすために、精度の高い測定ができにくく、特に被検体がウェーハの場合、ウェーハの平坦度測定で要求される高精度（２０ｎｍ以下）測定に対して、振動による計測誤差が無視できないオーダとなる。

なお、上記公報に提案のウェーハの光学式形状測定装置、或いは本出願人が先に提案している形状測定装置（特願平１２−５３５９１号）では、光学測定系はフィゾー型干渉計の構成を用いており、光学系に組み込まれた基準平面基板（上記の従来技術の説明では基準平面レンズと称しているが、この部分では光を平行に透過させるだけなので、本発明では基準平面基板と称して説明する。）とウェーハ（被検体）表面の相対距離を干渉画像計測することでウェーハの形状測定を行なうが、上記のように、ウェーハが振動すると基準平面基板との相対距離が変化することになり、高精度な形状測定ができなくなる。

本発明は、上記の如き事情に基づいてなしたものであって、その目的は、厚さの薄い平板状の被検体、特にウェーハを対象として高精度に平坦度、厚さなどの形状を測定し得る光学式形状測定装置を提供するものである。

上記の目的を達成するために、本発明（請求項１）に係る光学式形状測定装置は、エッジ部を介して略鉛直に保持された厚さの薄い平板状の被検体の主面側及び裏面側に対向配置された光学測定手段と、前記２つの光学測定手段の内、少なくとも一方の光学測定手段と被検体との間に、被検体と平行間隙を形成し且つ被検体に近接して配置された剛体平板を備えてなるものである。また、本発明（請求項２）に係る光学式形状測定装置は、エッジ部を介して略鉛直に保持された厚さの薄い平板状の被検体の主面側に配置された光学測定手段と、前記被検体の裏面側に、被検体と平行間隙を形成し且つ被検体に近接して配置された剛体平板を備えてなるものである。このように被検体に対して平行間隙を形成する剛体平板を近接配置すると、近接する間隔が狭まるに伴い空気層が振動（音）の抵抗分として作用し減衰効果を引き起こす。これにより、被検体の振動が抑制され精度の高い平坦度、厚さなどの形状測定ができる。この場合、剛体平板としては、光学式形状測定装置に組み込まれている基準平面基板そのものであってもよいし、基準平面基板とは別で鋼板、アルミ板、光学ガラス製平板ガラスなどの厚みのある平板を用いることもできる。前記鋼板、アルミ板などの光を透過させない材質の場合は被検体の片面の形状測定の場合に用い、その場合、被測定面でない側の面に対向配置される。

そして、上記剛体平板を被検体に対して近接配置する間隔は２０ｍｍ以下とすることが望ましく（請求項３）、この間隔が２０ｍｍを越えると空気層の層厚さが大きくなるため、振動（音）の抵抗分としての作用が十分に得られず減衰効果が得にくくなり、被検体の平坦度、厚さなどの形状を高精度に測定できにくくなるためである。また、より好ましくは１０ｍｍ以下がよい。

また、本発明に係る光学式形状測定装置は、エッジ部を介して略鉛直に保持されたウェーハの主面側及び裏面側に対向配置された２つの基準平面基板を備える光学測定手段と、前記基準平面基板とウェーハとの間に、ウェーハと平行間隙を形成し且つウェーハに近接して配置された透明な剛体平板を備えた構成とすることもできる。

上記構成は、請求項１に記載の光学式形状測定装置において被検体をウェーハに特定した場合の好ましい装置構成例を示すものである。すなわち、ウェーハの場合主面及び裏面の両面が測定対象となるため、その両面側に光学測定手段を設け、その光学測定手段の基準平面基板とウェーハとの間に、ウェーハに対して平行間隙を形成する透明な剛体平板を近接配置したもので、このようにウェーハに対して平行間隙を形成する透明な剛体平板を近接配置しても、上記請求項１と同様、近接する間隔が狭まるに伴い空気層が振動（音）の抵抗分として作用し減衰効果を引き起こす。これにより、ウェーハの振動が抑制され精度の高い平坦度、厚さなどの形状測定ができる。なおこの場合、透明な剛体平板に代えて光学測定手段の基準平面基板を近接配置させてもよい。

また、上記の透明な剛体平板は、透明で光が透過し得るものであれば特に限定するものではないが、汎用されている光学ガラス製の平板ガラスが望ましい。

また、上記透明な剛体平板をウェーハに対して近接配置する間隔は、請求項２と同様の理由から２０ｍｍ以下とすることが望ましい。すなわち、この間隔が２０ｍｍを越えると空気層の層厚さが大きくなるため、振動（音）の抵抗分としての作用が十分に得られず減衰効果が得にくくなり、被検体の平坦度、厚さなどの形状を高精度に測定できにくくなるためである。また、より好ましくは１０ｍｍ以下がよい。

なお、上述した本発明において、厚さの薄い平板状の被検体（ウェーハ）を略鉛直に保持するとしたのは、鉛直に保持することで重力の影響を受けることなく被検体のたわみ量を小さくする効果はあるが、鉛直から約５度程度傾けて保持してもその効果は実質的に同じであるため、略鉛直に保持するとしたものである。また、平行間隙については、剛体平板と被検体面との面平行を完全に一致させるような平行のみを意図しているのではなく、剛体平板面からの正反射光が受光器に入るのを避けるために幾分傾きがあってもよいことを含むものである。

以上説明したように、本発明に係る光学式形状測定装置であれば、厚さの薄い平板状の被検体を対象として、空気中を伝搬する振動（音）によって起こる振動を抑制して、被検体の平坦度、厚さなどの形状を高精度に測定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同じ部分は同じ符号で示す。図１は、本発明に係る光学式形状測定装置の概要説明図である。図において、１はウェーハ、１９，２９は平板ガラス（剛体平板）、１０，２０は光学測定手段、１７は演算器である。

ウェーハ１は、その外周エッジ部を従来より用いられている適宜の保持手段により鉛直方向に保持されている。

平板ガラス１９，２９は、光学ガラス製で、上記ウェーハ１の両側に間隔ｈで近接して且つ面平行に配置されている。間隔ｈは２０ｍｍ以下が望ましく、より好ましくは１０ｍｍ以下がよい。

光学測定手段１０，２０は、上記平板ガラス１９，２９の外側に配置され、発光器１１，２１、ハーフミラー１３，２３、コリメータレンズ１４，２４、基準平面基板１５，２５及び受光器１６，２６を備えてなる。

演算器１７は、モニタ１８を備え、発光器１１，２１及び受光器１６，２６が接続されている。

上記光学式形状測定装置において発光器１１，２１から出射された測定光１２，２２は、ハーフミラー１３，２３を介してコリメータレンズ１４，２４に送られ、平行ビームとして基準平面基板１５，２５更に平板ガラス１９，２９を透過し、ウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂを照射する。そして、測定光１２，２２はウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂで反射されるが、一部はウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂに対向する基準平面基板１５，２５でも反射する。

上記の、ウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂ及び基準平面基板１５，２５で反射した測定光１２，２２は、逆の経路を辿って基準平面基板１５，２５及びコリメータレンズ１４，２４を透過し、ハーフミラー１３，２３で反射され、受光器１６，２６に取り込まれる。ウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂで反射した測定光１２，２２は、基準平面基板１５，２５で反射した測定光１２，２２と光路差が異なる。このようにウェーハ１の面形状を反映して光路差が生じることから、観察された干渉縞からウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂの平面形状が判る。

受光器１６，２６で取り込まれた、基準平面基板１５，２５とウェーハ１の両面（主面１ａ及び裏面１ｂ）とがそれぞれ作る二つの干渉縞は演算器１７に同時に取り込まれる。演算器１７では、取り込んだ干渉縞からウェーハ１の主面１ａ及び裏面１ｂの形状を演算し記録する。また、一方の主面又は裏面形状を基準にし、他方の干渉縞からウェーハ１の平坦度を演算し記録する。

上述の如くして求められるウェーハ１の平坦度等の形状測定では、ウェーハ１の両側に平板ガラス１９，２９が間隔ｈで近接して且つ面平行に配置されているので、ウェーハ１が空気中を伝搬する振動（音）の影響で振動を起こすことがなく、精度の高い平坦度、厚さなどの形状測定ができる。

因みに、上記の如く構成した光学式形状測定装置を用い、直径３００ｍｍのウェーハ１を測定対象とし、平板ガラス１９，２９として形状寸法：３６０ｍｍ角、１５ｍｍ厚さの石英ガラス製平板ガラスを用い、更に、ウェーハ１が空気中を伝搬する振動（音）の影響によりウェーハ１の固有振動数で振動を起こす実測定環境下において、ウェーハ１と平板ガラス１９，２９との間隔ｈを１０ｍｍ〜５０ｍｍの間で変化させた場合と、平板ガラス１９，２９を設けない場合とで、振動減衰の効果を確認した。

その結果、平板ガラス１９，２９を設けない状態（ウェーハ１と基準平面基板１５，２５との間隔が約６５ｍｍ）では、固有振動数：ｆ＝３９Ｈｚで振動振幅：Ａ＝４５ｎｍ（実効値）のウェーハの振動を観測した。一方、ウェーハ１と平板ガラス１９，２９との間隔ｈを１０ｍｍとなるように近接配置した状態では、ウェーハ１の振動の振動振幅：Ａ＝８ｎｍ（実効値）まで振動減衰することが確認できた。また、ウェーハ１と平板ガラス１９，２９との間隔ｈを５０ｍｍ程度まで離すと、前記平板ガラス１９，２９を設けない状態とほとんど変わらなくなり、間隔ｈが狭くウェーハ１に近接するほど振動減衰効果があることが確認された。

また、上記の結果から、振動減衰効果は間隔ｈの減少とともに増大する傾向が確認され、その振動減衰効果が直線的にあると仮定すると、ウェーハ１の平坦度測定で要求される高精度（２０ｎｍ）測定に対しては、間隔ｈは２０ｍｍ以下にする必要がある。そして、より好ましくは１０ｍｍ以下がよい。

図２は、本発明に係る別の光学式形状測定装置の概要説明図である。この図２に示す光学式形状測定装置は、図１に示す光学式形状測定装置においてウェーハ１の両側に配置した平板ガラス１９，２９の内、片側の平板ガラス２９を除いた外は図１に示す光学式形状測定装置と同じものである。

上記のように平板ガラス１９のみをウェーハ１との間隔ｈで近接配置しても、上記図１に示す光学式形状測定装置と同様、ウェーハ１が空気中を伝搬する振動（音）の影響で振動を起こすことがなく、精度の高い平坦度、厚さなどの形状測定ができる。また、図１の例と同様の測定により、ウェーハ１の平坦度測定で要求される高精度（２０ｎｍ）測定に対しては、間隔ｈは２０ｍｍ以下にする必要があり、より好ましくは１０ｍｍ以下がよいことが確認された。

図３は、本発明に係る別の光学式形状測定装置の概要説明図である。この図３に示す光学式形状測定装置は、図１に示す光学式形状測定装置においてウェーハ１の両側に配置した平板ガラス１９，２９の両方を除くとともに、光学測定手段１０，２０の基準平面基板１５，２５をウェーハ１と間隔ｈをもって近接配置した外は図１に示す光学式形状測定装置と同じものである。

上記のように平板ガラス１９，２９を除き基準平面基板１５，２５をウェーハ１との間隔ｈで近接配置しても、上記図１に示す光学式形状測定装置と同様、ウェーハ１が空気中を伝搬する振動（音）の影響で振動を起こすことがなく、精度の高い平坦度、厚さなどの形状測定ができる。また、図１の例と同様の測定により、ウェーハ１の平坦度測定で要求される高精度（２０ｎｍ）測定に対しては、間隔ｈは２０ｍｍ以下にする必要があり、より好ましくは１０ｍｍ以下がよいことが確認された。なお、図５に示す従来技術においてもウェーハ１と基準平面基板１５，２５との間隔を狭くすることが行なわれるが、その間隔は狭くしても３０〜５０ｍｍ程度で、その狭くする理由は空気のゆらぎを防止するためで、本発明のように被検体（ウェーハを含む）の振動減衰効果を意図するものではない。

図４は、本発明に係る別の光学式形状測定装置の概要説明図である。この図４に示す光学式形状測定装置は、厚さの薄い平板状の被検体１（ウェーハ１でもよい）の片側面の平坦度等の形状測定を行なう場合に適用される装置であって、図１に示す光学式形状測定装置と同じ部位を構成するものは同じ符号をもって示す。なお、図４においては、被検体１の測定面の裏側に平板ガラス１９を近接配置した場合を例示したが、この例の場合、透過性の平板ガラス１９を用いる必要はなく、鋼板、アルミ板、樹脂板などの材質からなる剛体平板であってもよい。

上記のような光学式形状測定装置であっても、平板ガラス１９をウェーハ１と間隔ｈで近接配置することにより、上記図１に示す光学式形状測定装置と同様、ウェーハ１が空気中を伝搬する振動（音）の影響で振動を起こすことがなく、精度の高い平坦度、厚さなどの形状測定ができる。また、図１の例と同様の測定により、ウェーハ１の平坦度測定で要求される高精度（２０ｎｍ）測定に対しては、間隔ｈは２０ｍｍ以下にする必要があり、より好ましくは１０ｍｍ以下がよいことが確認された。

なお、上記例の平板ガラス１９，２９については次の点を考慮する必要がある。すなわち、発光器１１，２１から出射した測定光が平行ビームとして平板ガラス１９，２９を透過する際に、平板ガラス１９，２９の両面で測定光の一部が反射されると、基準平面基板１５，２５とウェーハ１の両面１ａ，１ｂの間で観測される干渉縞の形成に対して外乱光ノイズとなる。例えば、光学材料として一般に使用される石英ガラス等の光学ガラスの面の反射率は約４％であり、この反射の影響で前記現象が無視できない場合には、平板ガラス１９，２９の両面に減反射の表面コーティング処理を施し、外乱光ノイズを除去するようにするとよい。あるいは前記現象は、平板ガラス１９，２９の厚みの平行度を０．１度以上大きくすることによっても解消できるので、平板ガラス１９，２９の厚みの平行度が０．１度以上あるようにしてもよい。

本発明に係る光学式形状測定装置の概要説明図である。 本発明に係る別の実施形態の光学式形状測定装置の概要説明図である。 本発明に係る別の実施形態の光学式形状測定装置の概要説明図である。 本発明に係る別の実施形態の光学式形状測定装置の概要説明図である。 従来の光学式形状測定装置の概要説明図である。

符号の説明

１：ウェーハ（被検体） １０，２０：光学測定手段
１１，２１：発光器 １２，２２：測定光
１３，２３：ハーフミラー １４，２４：コリメータレンズ
１５，２５：基準平面基板 １６，２６受光器
１７：演算器 １８：モニタ
１９，２９：平板ガラス

Claims (3)

1. エッジ部を介して略鉛直に保持された厚さの薄い平板状の被検体の主面側及び裏面側に対向配置された光学測定手段と、前記２つの光学測定手段の内、少なくとも一方の光学測定手段と被検体との間に、被検体と平行間隙を形成し且つ被検体に近接して配置された剛体平板を備えてなることを特徴とする光学式形状測定装置。
2. エッジ部を介して略鉛直に保持された厚さの薄い平板状の被検体の主面側に配置された光学測定手段と、前記被検体の裏面側に、被検体と平行間隙を形成し且つ被検体に近接して配置された剛体平板を備えてなることを特徴とする光学式形状測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の光学式形状測定装置において、剛体平板が被検体に２０ｍｍ以下の間隔で配置されてなる光学式形状測定装置。

Images