JP3967058B2 - 板状のワークの表面形状と板厚の測定方法および測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて板状のワークの表側の表面形状、裏側の表面形状および板厚の少なくとも1つを測定する場合における板状のワークの表面形状および/または板厚の測定方法および測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図14は、板状のワークの板厚を求める場合の、従来の第1の計測方法を示す図であり、図15は、光ディテクタの出力を示す図である。ワーク1の材質がガラスである場合、ワーク1をテーブル5に載置し、ワーク1の表面側に、可視光2aを放射する光源2と光ディテクタ3を配置する。また、光ディテクタ3の前面にスリット4aを備えたマスク4を配置する。光源2を図14の左方から右方に水平方向に移動させることにより、光源2が座標Xaに位置決めされると、ワーク1の裏面で反射した可視光2aがスリット4aを通過して光ディテクタ3に入射し、図15に示すように、光ディテクタ3の出力が大きくなる。さらに光源2を右方に移動させることにより、光源2が座標Xbに位置決めされると、ワーク1の表面で反射した可視光2aが光ディテクタ3に入射し、光ディテクタ3の出力が大きくなる。したがって、光ディテクタ3の座標Xdと、テーブル5の表面からの高さZdおよび光源2のワーク載置面からの高さZlおよび可視光2aの入射角θの値を固定すれば、座標Xa、Xbおよび座標Zdからワーク1の表面高さ等を演算で求めることができる。そして、ワーク1の板厚が70μmから20mmである場合、この方法により測定誤差を1〜2μmにすることができた。
【0003】
図16は、従来の第2の計測方法を示す図である。この方法では、2本の非接触変位計6a、6bを距離mを隔てて軸M上に配置しておき、両者の間にワーク1を配置する。そして、非接触変位計6a、6bとワーク1との距離ga、gbをそれぞれ計測し、距離mから距離ga、gbを引いた値をワーク1の板厚tとする。そして、ワーク1と非接触変位計6a、6bとを水平方向に相対的に移動させることにより、ワーク1の表面形状および板厚を測定することができる。この場合、非接触変位計6a、6bの先端とワーク1表面との距離が50〜100μmになるように距離mを定めると、測定精度を向上させることができた。
【0004】
また、特開平5−157701号公報(以下、従来の第3の計測方法という。)には、赤外線と平凸レンズを用いてシリコンウェーハの裏面を検査する技術が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第1の従来技術の場合、半導体材料であるシリコンウェーハの表面形状と板厚の測定に適用するには、測定誤差が大きい。
【0006】
また、上記第2の従来技術の場合、ワークを浮かせる必要があり、加工テーブルに載置した状態のワークの板厚は測定できない。しかも、板厚を高精度で測定しようとする場合、測定時に、ワーク1と非接触変位計6a、6bとが干渉しないようにワーク1を位置決めする必要があり、段取りに時間を要した。
【0007】
また、上記第3の従来技術は、実質的にワークの表面が平坦であるとみなしており、ワークの表面形状あるいは板厚を測定することは考慮されていない。
【0008】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、ワークを加工テーブルに載置した状態で表面形状や板厚を測定することができ、かつ測定精度をさらに向上させることができる板状のワークの表面形状および/または板厚の測定方法および測定装置を提供するにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、板状のワークの表面形状測定方法として、2焦点の凸レンズの焦点を各焦点毎に板状のワークの表側の表面に位置決めしながら前記凸レンズと前記ワークとを前記ワークの板厚と直角な方向に相対的に移動させ、前記凸レンズと前記ワークとの板厚方向の相対的な移動量から、前記ワークの表側の板厚方向の位置を測定し、その平均値を前記ワーク表面の板厚方向の位置とすることを特徴とする。
【0010】
また、本発明は、板状のワークの表面形状測定方法として、2焦点の凸レンズの焦点を各焦点毎に板状のワークの裏側の表面に位置決めしながら前記凸レンズと前記ワークとを前記ワークの板厚と直角な方向に相対的に移動させ、前記凸レンズと前記ワークとの板厚方向の相対的な移動量と、前記ワークの屈折率とから、前記ワークの裏側の板厚方向の位置を測定し、その平均値を前記ワーク裏面の板厚方向の位置とすることを特徴とする。
【0011】
また、本発明は、板状のワークの板厚測定方法として、2焦点の凸レンズの焦点を各焦点毎に板状のワークの表側の表面と裏側の表面にそれぞれ位置決めしながら前記凸レンズと前記ワークとを前記ワークの板厚と直角な方向に相対的に移動させ、前記凸レンズと前記ワークとの板厚方向の相対的な移動量と、前記ワークの屈折率とから、各焦点毎に前記ワークの表側の板厚方向の位置と前記ワークの裏側の板厚方向の位置とを測定し、得られた結果に基づいて各焦点毎に前記ワークの板厚を求め、各焦点毎に求められた板厚の平均値を前記ワークの板厚とすることを特徴とする。
【0012】
また、本発明は、板状のワークの表面形状および/または板厚の測定装置として、ハーフミラーと、第1の凸レンズと、前記第1の凸レンズの移動手段と、第2の凸レンズと、受光手段とを設け、前記第1の凸レンズを、前記ハーフミラーから出射される光が入射する位置に配置し、前記第2の凸レンズを、ワークから出射され、前記ハーフミラーを透過した光が入射する位置に配置すると共に、前記受光手段を前記第2の凸レンズの焦点位置に配置した板状のワークの表面形状および/または板厚の測定装置において、焦点距離の異なる複数の凸レンズと、選択手段とを設け、この選択手段により、前記複数の凸レンズのいずれかを前記第1の凸レンズとすることを特徴とする。
【0013】
この場合、前記第1の凸レンズを2種類の焦点距離を有する2焦点レンズにしてもよい。また、選択手段としてシャッタを用いてもよい。そして、シャッタとしては、中心部と外周部が独立して開閉できる、例えば液晶シャッタが使用できる。また、前記ハーフミラーに代えてビームスプリッタを使用することもできる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【0015】
図1は本発明の第1の実施の形態に係る測定装置の構成図であり、図14と同じものまたは同一機能のものは同一符号を付して説明を省略する。コリメータレンズ(以下、凸レンズという。)10の一方の側には、凸レンズ10の中心軸O上の焦点の位置に半導体レーザ光源11が配置されている。半導体レーザ光源11は点光源であり、波長が1〜2μmの赤外光線を出力する。凸レンズ10の他方の側には、ハーフミラー12が配置され、中心軸Oと直交する軸Pには、円形の穴を持つ絞り13、凸レンズ(以下、対物レンズという。)14がそれぞれの中心軸が中心軸Pと同軸になるようにして配置されている。対物レンズ14は移動装置15に保持され、中心軸Pの軸方向に移動自在であり、位置センサ16により基準位置からの移動量を知ることができる。中心軸P上のハーフミラー12の裏側には、凸レンズ(以下、結像レンズという。)17が配置され、結像レンズ17の焦点位置にはフォトダイオード18が配置されている。なお、ハーフミラー12は、図の上方向から入射する光の半分をP軸方向に反射させ、残りの半分を透過させる。
【0016】
次に、本実施の形態の動作を説明する。なお、ワーク1はシリコンウェーハである。
【0017】
半導体レーザ光源11から出力された光2aは凸レンズ10を透過することにより平行光線2apとなり、ハーフミラー12で反射して対物レンズ14により集光され、ワーク1に入射する。ワーク1で反射された反射光2arはハーフミラー12に入射し、ハーフミラー12を透過した光りは結像レンズ17を透過してフォトダイオード18に入射する。
【0018】
図2は動作を説明するワークの断面図、図3はフォトダイオードの出力を示す波形図である。対物レンズ14をワーク1に近い側に位置決めしておき、図1の左方に移動させる。波長が1〜2μmの赤外光線はシリコンを透過するから、図2に実線で示すように、対物レンズ14の焦点がワーク1の裏面1bに一致したとき(対物レンズ14の座標はZ1)フォトダイオード18の出力が大きくなる。さらに対物レンズ14を図1の左方に移動させると、図2に一点鎖線で示すように、対物レンズ14の焦点がワーク1の表面1aに一致したとき(対物レンズ14の座標はZ2)フォトダイオード18の出力が再び大きくなる。
【0019】
ここで、座標Z1と座標Z2の距離をLとすると、距離Lは、図2に点線で示すように、光が屈折しない場合の裏面1bの位置である。したがって、入射角をθ1、屈折角をθ2、ワーク1の材質で決まる屈折率をnとすると、
sinθ1=nsinθ2
であるから、板厚tは式1で求めることができる。
【0020】
t=L×√{(n2−sin2θ1)/(1−sin2θ1)} 式1
図4は、本発明に係る測定装置とワークの配置例を示す図である。同図に示すように、ワーク1を回転可能に支持すると共に対物レンズ14を半径方向に移動可能に支持しておく。所要の位置で上記の動作を繰り返すことにより、ワーク1の面形状すなわち表面および裏面の起伏状態を線あるいは面の情報として得ることができる。また、所要の位置におけるワーク1の表面座標と裏面座標とからその位置におけるワーク1の板厚を求めることができる。
【0021】
また、移動装置15の駆動源を、例えばボイスコイルやピエゾ素子にすると、対物レンズ14を高速に往復移動させることができ、測定時間を短縮することができる。
【0022】
なお、公称板厚がtであるワークを測定する場合に必要な移動装置15の移動ストローク(範囲)は、上記式1から予め推定できる。すなわち、例えば、公称板厚tが0.7mmのシリコンウェーハを測定する場合、屈折率nはn=3.48であるから、例えば入射角θ1を30°とすると、L=0.176mmとなる。したがって、移動装置15の移動ストロークを例えば0.2mmにすれば良い。
【0023】
図5は本発明の第2の実施の形態に係る測定装置の構成図、図6は4分割光センサの平面図であり、図1と同じものまたは同一機能のものは、同一符号を付して説明を省略する。
【0024】
この実施の形態では、フォトダイオード18に代えて、中心を中心軸Pに合わせた4分割光センサ20が配置されている。4分割光センサ20は、4個の受光面A、B、C、Dがそれぞれ独立して光の強度に応じた電圧を出力する。結像レンズ17と4分割光センサ20との間には、円筒レンズ21が配置されている。そして、4分割光センサ20は、結像レンズ17と円筒レンズ21からなる複合レンズの焦点(以下、合焦点という。)に配置されている。
【0025】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
【0026】
この実施の形態では、結像レンズ17と4分割光センサ20との間に円筒レンズ21が配置されているので、対物レンズ14の焦点がワーク1の表面1aまたは裏面1bに位置決めされると、4分割光センサ20に入射する光の断面は、同図(a)に示すように、円形になり、受光面A、B、C、Dに均等に入射する。この結果、受光面A、B、C、Dの出力はそれぞれ等しい。また、対物レンズ14の焦点が表面1aの手前に位置決めされると、4分割光センサ20に入射する光の断面は、同図(b)に示すように、横長の楕円形になり、受光面C、Dに入射する光量が受光面A、Bに入射する光量よりも多くなる。また、対物レンズ14の焦点がワーク1の後方に位置決めされると、4分割光センサ20に入射する光の断面は、同図(c)に示すように、縦長の楕円形になり、受光面A、Bに入射する光量が受光面C、Dに入射する光量よりも多くなる。そこで、評価値Vを、
V=(A+B−C−D)/(A+B+C+D)
として求める。なお、A〜Dは受光面A〜Dからそれぞれ出力される出力値である。
【0027】
図7は、評価値Vの出力を示す波形図である。対物レンズ14をワーク1から離れた位置に位置決めしておき、徐々にワーク1近づける。すると、評価値Vは徐々に減少した後、反転してプラスに転じる。そして、評価値Vが0になったときの座標Z1は、対物レンズ14の焦点が裏面1bに一致した時の座標である。さらに対物レンズ14をワーク1に近づけると、評価値Vは再び徐々に減少した後、反転してプラスに転じる。そして、評価値Vが0になったときの座標Z2は対物レンズ14の焦点が表面1aに一致した時の座標である。そして、座標Z1と座標Z2とから距離Lが求められ、式1により板厚tを求めることができる。
【0028】
この実施の形態では、評価値Vを監視することにより、対物レンズ14の焦点が表面1aまたは裏面1bに一致した時の対物レンズ14の位置を容易に特定することができる。
【0029】
この第2の実施の形態の場合も、上記第1の実施の形態の場合と同様に、ワーク1を回転可能に支持すると共に対物レンズ14を半径方向に移動可能に支持しておき、所要の位置で上記の動作を繰り返すことにより、ワーク1の面形状すなわち表面および裏面の起伏状態を線あるいは面の情報として得ることができる。また、所要の位置におけるワーク1の表面座標と裏面座標とからその位置におけるワーク1の板厚を求めることができる。
【0030】
なお、この実施の形態では、円筒レンズを用いて非点収差法により焦点を特定する方法について説明したが、円筒レンズに代えて、例えば臨界角プリズムを用いて臨界角法により焦点を特定してもよいし、ナイフエッジを用いてナイフエッジ法により焦点を特定してもよいし、ウエッジプリズムを用いてフーコーテスト法により焦点を特定してもよい。
【0031】
図8は本発明の第3の実施の形態に係る測定装置の構成図、図9は液晶シャッタの平面図であり、図1および図5と同じものまたは同一機能のものは、同一符号を付して説明を省略する。
【0032】
対物レンズ30は2焦点レンズであり、外形が円形の中心レンズ30aと、リング状の外周レンズ30bとが一体に組み合わされている。中心レンズ30aの焦点距離はf1、外周レンズ30bの焦点距離はf2(ただし、f2>f1)である。絞り13と対物レンズ30との間には、液晶シャッタ31が配置されている。液晶シャッタ31は、外形が円形の中心部31aと、リング状の外周部31bとが一体に組み合わされている。そして、中心部31aと外周部31bに個別に電圧を印加することにより、それぞれを独立して開閉、すなわち光を透過させる開の状態と光を透過させない閉の状態、を設定できるように構成されている。
【0033】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
【0034】
先ず、制御ブロック図である図10により、電気的な制御手順を説明する。図示を省略する起動ボタンがオンされると、マイクロコンピュータ42は、位置センサ16を参照して移動装置15を動作させ、対物レンズ30を予め定める位置(ここでは、対物レンズ30をワーク1から離れた位置)に位置決めする。そして、外周部の31bを開き、中心部31aを閉じた状態で移動装置15を動作させる。4分割光センサ20から出力された電圧は、フィルタ40を通り、A/D変換器41によりA/D変換されて、マイクロコンピュータ42に入力される。
【0035】
マイクロコンピュータ42は、A/D変換された信号を用いて評価値Vを演算すると共に、演算した評価値Vを監視し、後述するように、中心レンズ30aまたは外周レンズ30bの焦点が表面1aまたは裏面1bに一致した時の対物レンズ30の座標を位置センサ16から読み取り、その座標を記憶する。この記憶された座標の変化からワークの表面の変位の状態が分かる。
【0036】
次に、表面1aまたは裏面1bの座標決定手順を説明する。
【0037】
図11は、評価値Vの出力を示す波形図である。対物レンズ30をワーク1から離れた位置に位置決めしておき、外周部の31bを開き、中心部31aを閉じた状態で徐々にワーク1近づける。すると、先ず、図12に実線で示すように、外周レンズ30bの焦点が裏面1bに一致し(図11における座標Z21)、次に、図12に1点鎖線で示すように、外周レンズ30bの焦点が表面1aに一致する(図11における座標Z22)。外周レンズ30bの焦点が表面1aに一致した後、外周部の31bを閉じ、中心部31aを開いた状態でさらにワーク1近づける。すると、先ず、図13に実線で示すように、中心レンズ30aの焦点が裏面1bに一致し(図11における座標Z11)、次に、図12に1点鎖線で示すように、中心レンズ30aの焦点が表面1aに一致する(図11における座標Z12)。
【0038】
そして、Z22とZ21との距離L1と、Z12とZ11との距離L2とから、この位置における板厚tを、式1により、それぞれ算出する。そして、得られた結果を平均し、板厚tとする。
【0039】
この実施例では、板厚tを実質的に2回測定し、その平均値を板厚tとするから、測定結果のばらつきを減らすことができ、精度に優れる結果を得ることができる。
【0040】
また、対物レンズ30の位置に応じて中心部31aと外周部31bを開閉するから、中心レンズ30aと、外周レンズ30bを透過した光が混じらず、精度の良い結果を得ることができる。
【0041】
なお、上記では外周レンズ30bの焦点が裏面1bに一致た後、直ちに外周部31bを閉じ、中心部31aを開くようにしたが、例えば、評価値Vがプラス側からマイナス側に移る時(評価値V=0。図11における座標Q)としても良い。
【0042】
なお、この実施の形態では、2焦点レンズとしたが、焦点距離の異なる複数の凸レンズと、選択手段(例えば、シャッタあるいは移動手段)とを設け、この選択手段により、前記複数の凸レンズのいずれかを前記第1の凸レンズとしてもよい。
【0043】
また、シャッタは、電気的に開閉する液晶シャッタに限らず、機械的に開閉するシャッタを使用することもできる。
【0044】
この第3の実施の形態の場合も、上記第1、第2の実施の形態の場合と同様に、ワーク1を回転可能に支持すると共に対物レンズ14を半径方向に移動可能に支持しておき、所要の位置で上記の動作を繰り返すことにより、ワーク1の面形状すなわち表面および裏面の起伏状態を線あるいは面の情報として得ることができる。また、所要の位置におけるワーク1の表面座標と裏面座標とからその位置におけるワーク1の板厚を求めることができる。
【0045】
そして、上記第1から第3の実施の形態のいずれにおいても、約0.4〜1mmのシリコンウェーハの板厚および表面形状を、0.04μmの精度で測定することができた。
【0046】
なお、上記では、半導体レーザ光源11の波長を1〜2μmとしたが、シリコンウェーハを測定する場合には、波長を1〜8μmとすればよい。また、材質がガラスの場合には、可視光線とすれば良い。
【0047】
また、光源としては、半導体レーザ光源に代えて、他の光源を用いても良い。
【0048】
また、ハーフミラーに代えてビームスプリッタを用いてもよい。ビームスプリッタを用いる場合、図1における凸レンズ10と半導体レーザ光源11を、図1における凸レンズ17とフォトダイオード18の側に配置すると共に、図1における凸レンズ17とフォトダイオード18を、図1における凸レンズ10と半導体レーザ光源11の側に配置することもできる。図5、図8においても同様である。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ワークを例えばテーブルに載置した状態で、表面および裏面の起伏および板厚を精度良く測定できることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る測定装置の構成図である。
【図2】動作を示すワークの断面図である。
【図3】フォトダイオードの出力を示す波形図である。
【図4】本発明に係る測定装置とワークの配置例を示す図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る測定装置の構成図である。
【図6】4分割光センサの平面図である。
【図7】評価値Vの出力を示す波形図である。
【図8】本発明の第3の実施の形態に係る測定装置の構成図である。
【図9】液晶シャッタの平面図である。
【図10】本発明に係る制御ブロック図である。
【図11】評価値Vの出力を示す波形図である。
【図12】動作を示すワークの断面図である。
【図13】動作を示すワークの断面図である。
【図14】従来の第1の計測方法を示す図である。
【図15】従来の光ディテクタの出力を示す図である。
【図16】従来の第2の計測方法を示す図である。
【符号の説明】
1 ワーク
12 ハーフミラー
14 凸レンズ
16 位置センサ
17 凸レンズ
18 受光手段
Claims (9)
- 2焦点の凸レンズの焦点を各焦点毎に板状のワークの表側の表面に位置決めしながら前記凸レンズと前記ワークとを前記ワークの板厚と直角な方向に相対的に移動させ、前記凸レンズと前記ワークとの板厚方向の相対的な移動量から、前記ワークの表側の板厚方向の位置を測定し、その平均値を前記ワーク表面の板厚方向の位置とすることを特徴とする板状のワークの表面形状測定方法。
- 2焦点の凸レンズの焦点を各焦点毎に板状のワークの裏側の表面に位置決めしながら前記凸レンズと前記ワークとを前記ワークの板厚と直角な方向に相対的に移動させ、前記凸レンズと前記ワークとの板厚方向の相対的な移動量と、前記ワークの屈折率とから、前記ワークの裏側の板厚方向の位置を測定し、その平均値を前記ワーク裏面の板厚方向の位置とすることを特徴とする板状のワークの表面形状測定方法。
- 2焦点の凸レンズの焦点を各焦点毎に板状のワークの表側の表面と裏側の表面にそれぞれ位置決めしながら前記凸レンズと前記ワークとを前記ワークの板厚と直角な方向に相対的に移動させ、前記凸レンズと前記ワークとの板厚方向の相対的な移動量と、前記ワークの屈折率とから、各焦点毎に前記ワークの表側の板厚方向の位置と前記ワークの裏側の板厚方向の位置とを測定し、得られた結果に基づいて各焦点毎に前記ワークの板厚を求め、各焦点毎に求められた板厚の平均値を前記ワークの板厚とすることを特徴とする板状のワークの板厚測定方法。
- ハーフミラーと、第1の凸レンズと、前記第1の凸レンズの移動手段と、第2の凸レンズと、受光手段とを設け、前記第1の凸レンズを、前記ハーフミラーから出射される光が入射する位置に配置し、前記第2の凸レンズを、ワークから出射され、前記ハーフミラーを透過した光が入射する位置に配置すると共に、前記受光手段を前記第2の凸レンズの焦点位置に配置した板状のワークの表面形状および/または板厚の測定装置において、
焦点距離の異なる複数の凸レンズと、選択手段とを設け、この選択手段により、前記複数の凸レンズのいずれかを前記第1の凸レンズとすることを特徴とする板状のワークの表面形状および/または板厚の測定装置。 - 前記焦点距離の異なる複数の凸レンズを、2種類の焦点距離を有する1個の2焦点レンズとすることを特徴とする請求項4に記載の板状のワークの表面形状および/または板厚の測定装置。
- 前記ハーフミラーに代えてビームスプリッタとしたことを特徴とする請求項4に記載の板状のワークの表面形状および/または板厚の測定装置。
- 前記選択手段がシャッタであることを特徴とする請求項4に記載の板状のワークの表面形状および/または板厚の測定装置。
- 前記シャッタのシャッタ機能が中心部と外周部で独立して設けられていることを特徴とする請求項7に記載の板状のワークの表面形状および/または板厚の測定装置。
- 前記シャッタを液晶シャッタとすることを特徴とする請求項7または8に記載の板状のワークの表面形状および/または板厚の測定装置。
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