JP4717639B2 - 基板の両面形状測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板の両面形状が重要な要素となる被測定基板、例えば大型重量化した石英ガラス製フォトマスク等の基板の表面と裏面の両面形状を高精度に測定する逐次２点法を用いた基板の両面形状測定方法及び装置に関する。

例えば液晶表示装置のアクティブマトリクス基板に使用されるマザーガラス基板、あるいは石英ガラス基板から成る液晶用フォトマスクは、益々大型化し重量化している。ここで、フォトマスクは、上記アクティブマトリクス基板の薄膜トランジスタ等の回路形成に必須なフォトリソグラフィにおけるパターン転写に使用される。そして、現在ではこれ等のガラス基板は、幅２０００ｍｍ（Ｗ）×高さ１６００ｍｍ（Ｈ）の寸法を超え、その基板の板厚は〜２０ｍｍ（Ｄ）程度になってきている。

上記大型重量化するガラス基板では、基板全面にわたる表面の平坦度が重要な要素になる。そして、ガラス基板の個々においてその表面の平坦度を測定し、規格範囲内のものを選択する厳重な品質管理が必須となる。そこで、上記大型重量のガラス基板の表面の平坦度を測定する装置として、これまで種々のものが提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。そして、その一部は既に実用に供され、上記ガラス基板、あるいは大口径化した半導体基板のような被測定基板の平坦度の管理に用いられている。
特開２０００−０５５６４１号公報 特開２０００−０８８５５１号公報

近年、上述したような液晶表示装置における高精細化あるいはそのドライバー用ＩＣの混載に伴い、上述したフォトマスクにおける転写パターンの微細化あるいは高精度化が必須になってきている。そして、それに伴い上記ガラス基板の表面と共に裏面を含む両面の凹凸、平坦度、その板厚の面内分布等（以下、基板の両面形状と総称する）の測定とその厳重な品質管理が強く要求されるようになってきた。このような基板の両面形状の測定および管理の要求は、ガラス基板の他にも半導体装置の製造に使用される半導体ウェーハ等においても同様になってきている。

しかしながら、上述したような大型重量化したガラス基板の両面形状を簡便にしかも高精度に測定する方法、あるいは、その両面形状測定装置は未だ開発されていない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、上記液晶用フォトマスクに限らず基板の両面形状が重要な要素となる被測定基板において、その表面および裏面の両面形状を簡便にしかも高精度に測定することができる逐次２点法を用いた基板の両面形状測定方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、基板の両面形状測定方法にかかる第１の発明は、垂直状態に配置した定盤の基準面にほぼ平行になるように第１の被検面と第２の被検面を有する被測定基板を支持し、前記基準面に対向した少なくとも３個の変位センサを有する第１の変位計および前記第１の被検面に対向した変位センサを有する第２の変位計を、前記基準面と前記第１の被検面との間のほぼ垂直面内において一体に走査し、前記第２の被検面に対向した少なくとも３個の変位センサを有する第３の変位計を前記第２の被検面に沿って走査し、前記第１の変位計および第２の変位計の走査により前記第１の被検面の前記基準面からの距離を計測すると共に、前記第３の変位計の走査により前記第２の被検面の前記基準面からの距離を計測して前記被測定基板の第１の被検面と第２の被検面の両面の形状を測定する、という構成になっている。

そして、基板の両面形状測定方法にかかる第２の発明は、前記第１の変位計の前記３個の変位センサによる前記距離の計測から逐次２点法により前記基準面の２次元の真直誤差を測定し、前記第３の変位計の前記３個の変位センサによる前記距離の計測から逐次２点法により前記第３の変位計の走査の２次元の真直誤差を測定する、という構成になっている。

そして、基板の両面形状測定方法にかかる第３の発明は、前記基準面の２次元の真直誤差および前記第３の変位計の２次元の真直誤差を測定した後、前記基準面にほぼ平行になるように第１の被検面と第２の被検面を有する被測定基板を支持し、前記基準面に対向する第１の変位計および前記第１の被検面に対向する第２の変位計を、前記基準面と前記第１の被検面との間のほぼ垂直面内において一体に走査し、前記第２の被検面に対向する第３の変位計を前記第２の被検面に沿って走査し、前記第１の変位計および第２の変位計の走査により前記第１の被検面の前記基準面からの距離を計測すると共に、前記第３の変位計の走査により前記第２の被検面の前記基準面からの距離を計測し、前記基準面の２次元の真直誤差および前記第３の変位計の２次元の真直誤差に基づき前記計測した距離を補正する、という構成になっている。

そして、基板の両面形状測定装置にかかる発明は、定盤の基準面が垂直状態となるように配置された定盤と、被測定基板の第１の被検面と第２の被検面が前記基準面にほぼ平行になるように被測定基板を保持する保持機構と、前記基準面と前記第１の被検面との間に配置され、ほぼ垂直面内において走査可能であり該走査と共に前記基準面との距離を計測する少なくとも３個の変位センサを有する第１の変位計と前記第１の被検面との距離を計測する変位センサを有する第２の変位計と、前記第２の被検面に対向して配置され、ほぼ垂直面内において走査可能であり該走査と共に前記第２の被検面との距離を計測する少なくとも３個の変位センサを有する第３の変位計と、前記第１の変位計により測定した前記基準面の２次元の真直誤差および前記第３の変位計により測定した該第３の変位計の走査の２次元の真直誤差に基づいて前記被測定基板の第１の被検面と第２の被検面の形状を補正する形状補正手段と、を有する構成になっている。

本発明により、基板の両面形状が重要な要素となる被測定基板において、測定装置の真直誤差の影響を受けることなく、その表面および裏面の両面形状を高精度に測定することができる。そして、基板の両面の平坦度および基板の厚さ分布を簡便にしかも短時間に測定することができる。

本発明の好適な実施形態について図１ないし図７を参照して説明する。はじめに、基板の両面形状測定装置の構成について説明する。図１は、基板の両面形状測定装置の全体構成図であり、図２は、上記装置において被測定基板の両面形状を測定する変位計の走査部を示す斜視図である。以下の図において同一または類似の部分には共通の符号を付している。

測定装置本体１は、金属製のベッド２上の一端部に縦型定盤３が配置されている。この縦型定盤３の一面は、すり合わせ加工あるいはラップ加工されその表面が例えばニッケルメッキまたはステンレス溶射されて、例えば２５００ｍｍ（Ｗ）×２５００ｍｍ（Ｈ）程度の平面寸法の基準面３ａが形成されている。この基準面３ａは、その平面度が５μｍ以下の平面形状になる。ここで、上記縦型定盤３としては、鋳物、金属、セラミックスあるいは石定盤といわれる例えばグラナイト等、高精度な平坦加工が可能な材質を用いることができる。また、上記基準面３ａはほぼ垂直面になる垂直状態に配置される。

上記ベッド２上における縦型定盤３の手前には、縦横が例えば１６５０ｍｍ（Ｈ）×１８５０ｍｍ（Ｗ）程度であって、板厚が２０ｍｍ程度の大型液晶用石英ガラス製フォトマスクなどの被測定基板Ｐを保持する基板保持機構４が配置されている。この基板保持機構４は金属製あるいはセラミックス製の保持部材５を有している。この保持部材５の一対の側柱５ａの間には、上下に昇降可能に横架された横桁５ｂが備えられ、２つのモータ５ｃによって駆動する。この横桁５ｂの上下動によって、被測定基板Ｐのサイズに合わせた支持調整ができる。

そして、被測定基板Ｐは、保持部材５の下部の長手方向に離間して配置された一対の基板下部支持台６ａ、６ｂと、保持部材５の上部の横桁５ｂの長手方向のほぼ中央部に配置された基板上部支持台６ｃから成る基板支持台６により垂直状態に支持される。ここで、これ等の基板支持台６はサーボモータによって駆動され、サーボモータを駆動することによって上記基板支持台の位置制御がなされ、被測定基板Ｐの第１の被検面および第２の被検面から成る板面を精度よく垂直状態に配置することができる。また、上記一対の基板下部支持部台６ａ、６ｂの離間距離は、被測定基板Ｐのサイズに合わせて自動あるいは手動で調整できるようになっている。

そして、図１及び図２に示すように、ベッド２上において、縦型定盤３の基準面３ａにおけるＸ軸方向（水平軸方向）に平行移動する構造の変位計走査コラム７（Ｘ軸移動機構）が配置されている。この変位計走査コラム７は、ベッド２の上面に設けた一対のＶ溝８に沿って直線運動するＶ−Ｖころがり案内により、Ｘ軸方向に高精度に移動できる。ここで、変位計走査コラム７は、ベッド２内部に収納されＸ軸駆動機構を構成するモータ、水平ボールネジおよびボールネジ受け部材（不図示）を通して駆動されるようになっている。

図２に示すように、上記変位計走査コラム７は、大きな重量となる例えば金属製のテーブル９、該テーブル９上に設けられた第１のエアスライド１０（第１のＹ軸移動機構）と第２のエアスライド１１（第２のＹ軸移動機構）を有する。ここで、第１のエアスライド１０は、テーブル９上にほぼ垂直に取り付けられた第１の案内レール１２と、第１の垂直ボールネジ１３により垂直移動する第１のスライダ１４とを有する。同様に、第２のエアスライド１１は、テーブル９上にほぼ垂直に取り付けられた第２の案内レール１５と、第２の垂直ボールネジ１６により垂直移動する第２のスライダ１７とを有する。

そして、第１の案内レール１２および第２の案内レール１５の下端はテーブル９に固定して取り付けられ、それらの上端が例えばアルミ製の固定板１８により支持されている。また、第１の垂直ボールネジ１３および第２の垂直ボールネジ１６は、テーブル９に設けられた孔を貫通し、しかもそれらの上端が固定板１８で回転自在に支持されている。あるいは、例えばアルミ製あるいはセラミックス製の一対の補強支柱１９が上記テーブル９と固定板１８との間に垂直に取り付けられている。この一対の補強支柱１９は、変位計走査コラム７を補強するものでありその変形を防止する機能を有する。このようにして、Ｘ軸移動機構である変位計走査コラム７は、第１のＹ軸移動機構および第２のＹ軸移動機構と一体構造に構成される。

ここで、上記第１のスライダ１４および第２のスライダ１７は、それぞれボールネジ受け部材２０，２１を介して第１の垂直ボールネジ１３および第２の垂直ボールネジ１６と結合している。そして、第１のスライダ１４は、テーブル９に内蔵されたモータにより回転駆動する第１の垂直ボールネジ１３により、第１の案内レール１２に沿って上記基準面３ａにおけるＹ軸方向（垂直軸方向）に高精度に移動する。同様にして、第２のスライダ１７は、テーブル９に内蔵のモータ駆動の第２の垂直ボールネジ１６により、第２の案内レール１５に沿い上記基準面３ａにおけるＹ軸方向に高精度に移動する。これ等の第１の案内レール１２および第２の案内レール１５、第１のスライダ１４および第２のスライダ１７の材質としては、軽量で剛性率の高い例えばアルミニウムあるいはセラミックスが好適である。

そして、上記第１の垂直ボールネジ１３、ボールネジ受け部材２０、およびモータ等が第１のＹ軸駆動機構を構成する。同様にして、上記第２の垂直ボールネジ１６、ボールネジ受け部材２１、およびモータ等が第２のＹ軸駆動機構を構成する。

上記変位走査コラム７において、第１のスライダ１４は、それに固定して取り付けられた少なくとも３個の変位センサから成る第１の変位計２２、少なくとも１個の変位センサから成る第２の変位計２３を備えている。同様に、第２のスライダ１７は、それに固定して取り付けられた少なくとも３個の変位センサから成る第３の変位計２４を備えている。

ここで、上記第１の変位計２２は、例えばその正面図を図３に示すように、Ｘ軸方向に並行して配置される第１変位センサ２２ａと第２変位センサ２２ｂ、および上記第１変位センサ２２ａにＹ軸方向に並行して配置される第３変位センサ２２ｃの３個の変位センサから構成される。同様に、上記第３の変位計２４は、図３に示したように、Ｘ軸方向に並行して配置される第１変位センサ２４ａと第２変位センサ２４ｂ、および上記第１変位センサ２４ａにＹ軸方向に並行して配置される３変位センサ２４ｃから構成される。上述した変位センサは、レーザダイオードを備えた非接触レーザセンサにより構成されると好適である。

そして、上記第１の変位計２２、第２の変位計２３および第３の変位計２４は、上記Ｘ軸移動機構のＸ軸方向の移動と、上記第１のＹ軸移動機構および第２のＹ軸移動機構のＹ軸方向の移動とにより、縦型定盤３の基準面３ａ、被測定基板Ｐの表面および裏面の２つの被検面に沿って一体に走査される。ここで、上記第１の変位計２２の走査が上記基準面３ａに沿う第１の走査面を形成し、上記第１の変位計２３の走査が上記被測定基板Ｐの表面に沿う第２の走査面を形成し、上記第３の変位計２４の走査が上記被測定基板Ｐの裏面に沿う第３の走査面を形成する。そして、詳細は後述するように、これ等の走査により被測定基板Ｐの表面および裏面の両面形状が測定される。

また、第１の変位計２２に取り付けた第１変位センサ２２ａおよび第２変位センサ２２ｂは、基準面３ａとＸ軸移動機構のＸ軸方向の逐次２点法を用いた真直誤差の測定に使用される。同様に、第１変位センサ２２ａおよび第３変位センサ２２ｃは、基準面３ａと第１のＹ軸移動機構のＹ軸方向の逐次２点法を用いた真直誤差の測定に使用される。また、第３の変位計２４に取り付けた第１変位センサ２４ａおよび第２変位センサ２４ｂが、Ｘ軸移動機構のＸ軸方向の逐次２点法を用いた真直誤差の測定に、第１変位センサ２４ａおよび第３変位センサ２４ｃが、第２のＹ軸移動機構のＹ軸方向の逐次２点法を用いた真直誤差の測定に、それぞれ使用される。そして、これ等の真直誤差の測定に基づいて上記費測定基板Ｐの両面形状が補正される。

なお、図１に示したように、基板形状測定装置１の形状測定制御部２５は、上述したＸ軸駆動機構、上記第１のＹ軸駆動機構および第２のＹ軸駆動機構を、それぞれ所定のシーケンスにしたがって駆動し制御する。ここで、上記Ｘ軸駆動機構および上記２つのＹ軸駆動機構のモータは、ステッピングモータ、ＤＣサーボモータあるいはＡＣサーボモータ等である。

また、形状測定制御部２５は、基板保持機構４の横桁５ｂの上下動の制御、基板下部支持台６ａ、６ｂおよび基板上部支持台６ｃの位置制御、等を行い、被測定基板Ｐの垂直状態の調整を行う。これ等の形状測定制御部２５の制御動作は、上述したようにコンピュータ２６からの指令信号によってなされる。そして、後述する上記変位計の走査から得られた種々の距離データに基づいて、被測定基板Ｐの両面の凹凸、平坦度、基板の板厚、真直誤差等を算出し、ディスプレイ２７またはプリンタ２８より、その結果等を出力するように構成されている。

次に、上述した基板の両面形状測定装置の主要な操作および動作について説明する。図４は、被測定基板Ｐの両面形状を測定する主要部を示した模式的な上面図である。図５は、逐次２点法を用いた２次元の真直誤差の測定方法を示す説明図である。

図１において、被測定基板Ｐとして、例えば縦寸法１６５０ｍｍ（Ｈ）、横寸法１８５０ｍｍ（Ｗ）、板厚２０ｍｍの合成石英ガラス基板を基板保持機構４に装着する。ここで、被測定基板Ｐは、その下端縁を基板下部支持台６ａ、６ｂの所定の位置止めにのせて、その上端縁を基板上部支持台６ｃにおける所定の位置止めに当接させてほぼ垂直になるように立てかけられる。そして、形状測定制御部２５からの制御信号に基づくサーボモータ駆動により上記横桁５ｂを垂直下降させ、基板支持台６の基板下部支持台６ａ、６ｂの二点と基板上部支持台６ｃの一点とにより、被測定基板Ｐは基板保持機構４に固定保持される。そして、上記基板支持台６の位置制御を行うことにより、被測定基板Ｐは、縦型定盤３の基準面３ａと同様にほぼ垂直状態にされ、上記基準面３ａとほぼ平行になるようにアライメント配置される。

そして、図１および２に示すように、上述した変位計走査コラム７は、その第１のエアスライド１０と第２のエアスライド１１の間の上記基板保持機構４に装着された被測定基板Ｐを挟んだまま、一対のＶ溝８に沿ってＸ軸方向に一定速度で直線運動する。また、それと共に、第１のスライダ１４および第２のスライダ１７を、それぞれ第１の案内レール１２および第２の案内レール１５に沿ってＹ軸方向に一定速度で直線運動させる。ここで、上記Ｘ軸方向およびＹ軸方向の移動制御は、コンピュータ２６により入力したプログラムに基づく形状測定制御部２５からの制御信号を通し、変位計走査コラム７のＸ軸駆動機構、第１のＹ軸駆動機構および第２のＹ軸駆動機構を制御することによって行われる。

このようにして、第１のスライダ１４の第１の変位計２２は基準面３ａに沿って上述した第１の走査面を走査し、図４に示すように、例えば第１変位センサ２２ａにより縦型定盤３の基準面３ａからのＺ軸方向の距離Ｌ_１を計測する。同時に、第１のスライダ１４に取り付けられた第２の変位計２３の変位センサ２３ａにより被測定基板Ｐの第１の被検面Ｓ１（例えば表面）とのＺ軸方向の距離Ｌ_２を計測する。ここで、第１の走査面と第２の走査面は互いに平行な垂直面である。また、第２のスライダ１７の第３の変位計２４は被測定基板Ｐの第２の被検面Ｓ２（例えば裏面）に沿って第３の走査面を走査し、例えば第１変位センサ２４ａにより第２の被検面Ｓ２とのＺ軸方向の距離Ｌ_３を計測する。このような計測を通して、被測定基板Ｐ全面に亘り第１の被検面Ｓ１および第２の被検面Ｓ２の両面における表面形状を測定する。

一方、上記基準面３ａ、Ｘ軸移動機構、第１のＹ軸移動機構および第２のＹ軸移動機構の真直誤差はゼロではない。そこで、上記表面形状の測定と同時に、上述したようなＸ軸方向およびＹ軸方向における逐次２点法を用いた２次元の真直誤差の測定を行う。そして、基準面３ａ、第１の走査面（第２の走査面）と第３の走査面の真直誤差をそれぞれ測定する。ここで、第１の走査面の真直誤差と第２の走査面の真直誤差は同一になる。

次に、上記２次元の真直誤差の測定について詳細に説明する。図５に示すように、Ｘ軸方向の逐次２点法を用いた基準面３ａおよびＸ軸移動機構の真直誤差は、図中の変位センサＡ（第１変位センサ２２ａまたは第１変位センサ２４ａに対応）と変位センサＢ（第２変位センサ２２ｂまたは第２変位センサ２４ｂに対応）のそれぞれによる距離Ｌ_１あるいはＬ_３の計測値から次式（１）および（２）に基づいて導出される。

Ｚ_{１，ｊ＋１}＝Ｚ_１，ｊ＋Ｄ_ｊ，Ｂ−Ｄ_ｊ，Ａ …（１）
ｚ_{１，ｊ＋１}＝ｚ_１，ｊ＋Ｄ_ｊ，Ｂ−Ｄ_{ｊ＋１，Ａ} …（２）
但し、Ｚ_１，０＝ｚ_１，０＝０

ここで、Ｄ_ｊ，ＡおよびＤ_ｊ，Ｂは、Ｘ軸方向のｊ位置におけるそれぞれ変位センサＡおよび変位センサＢの距離Ｌ_１あるいはＬ_３の計測値である。そして、Ｚ_１，ｊは、Ｘ軸方向における基準面３ａの真直誤差、あるいはＸ軸方向における第２の被検面Ｓ２の凹凸形状（真直誤差に相当）を示す。そして、ｚ_１，ｊは、Ｘ軸移動機構の真直誤差である。

同様に、図５に示すように、Ｙ軸方向の逐次２点法を用いた基準面３ａおよびＹ軸移動機構の真直誤差は、図中の変位センサＡ（第１変位センサ２２ａまたは第１変位センサ２４ａに対応）と変位センサＢ（第３変位センサ２２ｃまたは第３変位センサ２４ｃに対応）のそれぞれによる距離Ｌ_１あるいはＬ_３の計測値から次式（１）および（２）に基づいて導出される。

Ｚ_{２，ｋ＋１}＝Ｚ_２，ｊ＋Ｄ_ｋ，Ｂ−Ｄ_ｋ，Ａ …（３）
ｚ_{２，ｋ＋１}＝ｚ_２，ｋ＋Ｄ_ｋ，Ｂ−Ｄ_{ｋ＋１，Ａ} …（４）
但し、Ｚ_２，０＝ｚ_２，０＝０

ここで、Ｄ_ｋ，ＡおよびＤ_ｋ，Ｂは、Ｙ軸方向のｋ位置におけるそれぞれ変位センサＡおよび変位センサＢの距離Ｌ_１あるいはＬ_３の計測値である。そして、Ｚ_２，ｊは、Ｙ軸方向における基準面３ａの真直誤差、あるいはＹ軸方向における第２の被検面Ｓ２の凹凸形状（真直誤差に相当）を示す。そして、ｚ_２，ｊは、第１のＹ軸移動機構あるいは第２のＹ軸移動機構の真直誤差である。

そして、上記逐次２点法を用いた真直誤差の測定を第１の走査面および第３の走査面において行うことにより、第１の走査面（第２の走査面）、第３の走査面および基準面３ａの２次元の真直誤差を測定する。ここで、上記２次元の真直誤差の基準となる２次元平面である誤差基準平面は、第１の走査面の場合では、図５で説明した上記ｊ＝０、ｋ＝０に位置する第１の変位計２２における第１変位センサ２２ａ、第２変位センサ２２ｂおよび第３変位センサ２２ｃにより形成される２次元平面である。第２の走査面の場合の誤差基準平面は、上記ｊ＝０、ｋ＝０に位置する第３の変位計２４における第１変位センサ２４ａ、第２変位センサ２４ｂおよび第３変位センサ２４ｃにより形成される２次元平面である。そして、基準面３ａの場合の誤差基準平面は、例えば、上記第１の走査面の場合の誤差基準平面を上記基準面３ａに接するまで平行移動させた２次元平面である。ここで、第１変位センサ２２ａ、第２変位センサ２２ｂおよび第３変位センサ２２ｃにより形成される２次元平面と、第１変位センサ２４ａ、第２変位センサ２４ｂおよび第３変位センサ２４ｃにより形成される２次元平面とは互いに平行になるように形成すると好適である。

図５に示した逐次２点法による２次元の真直誤差は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位置座標（ｊ、ｋ）のメッシュ上における離散値となるが、この離散値をコンピュータ２６を用いて拡張して連続的な真直誤差曲面として表すようにしてもよい。

上記実施形態における基板の両面形状測定装置においては、測定装置本体１は、例えば強固な金属製のベッド２上の一端部にほぼ垂直状態に配置した縦型定盤３の基準面３ａと、それにほぼ平行に被測定基板Ｐを保持する基板保持機構４と、変位計走査コラム７を有している。そして、Ｘ軸移動機構の変位計走査コラム７は、第１変位計２２と第２の変位計２３が搭載された第１のＹ軸移動機構である第１のエアスライド１０、および第３の変位計２４が搭載された第２のＹ軸移動機構である第２のエアスライド１１を一体構造になるように備えている。この一体構造の変位計走査コラム７が、上記ベッド２上において一対のＶ溝８に沿って上記基準面３ａにおける水平軸方向に一体移動できるようになっている。また、変位計走査コラム７上において第１のスライダ１４および第２のスライダ１７は上記基準面３ａにおける垂直軸方向に同期して一緒に移動するようになっている。

このために、変位計走査コラム７の水平軸方向の直線運動、および、第１のスライダ１４と第２のスライダ１７の垂直軸方向の直線運動において、その繰り返し精度が非常に高いものになる。そして、例えば２０００ｍｍ×２０００ｍｍの被検面に沿った走査において、第１のスライダ１４と第２のスライダ１７の走査の繰り返し精度は、＋／−０．１μｍ以下にすることができる。また、第１のスライダ１４および第２のスライダ１７の走査において高い位置決め精度が得られるようになり、その精度は＋／−０．１μｍ程度になる。そして、これ等のことから、上記第１のスライダ１４に搭載した第１の変位計２２と第２の変位計２３および第２のスライダ１７に搭載した第３の変位計２４は、その走査の繰り返しおよび位置決めにおいてその精度が極めて高いものになる。

また、上述したように逐次２点法を用いた２次元の真直誤差を測定することにより、被測定基板Ｐが更に大型化した場合であっても、測定装置における上記真直誤差に影響されることなく被測定基板Ｐの両面の凹凸、平坦度あるいは板厚分布を精確に測定することが可能になる。そして、これ等の表面形状の測定精度を＋／−１μｍ以下にすることができるようになる。

次に、本実施形態における基板の両面形状測定方法の一例について図４ないし図７を参照して説明する。ここで、図６は、被測定基板の両面形状測定および板厚測定を示す模式図である。図７は、真直誤差に基づく基板の両面形状の補正方法を示す説明図である。

図４に示すように、第１のスライダ１４に互いに一体に取り付けられた一対の第１の変位計２２と第２の変位計２３、および第２のスライダ１７に取り付けられた第３の変位計２４により、板面がほぼ垂直状態に配置された被測定基板Ｐの両面の表面形状を測定する。ここで、上述したように第１の走査面および第２の走査面の走査をしながら、第１の変位計２２および第２の変位計２３により距離Ｌ_Ｉおよび距離Ｌ_２を計測していく。同時に、上述した第３の走査面の走査をしながら、第３の変位計２４により距離Ｌ_３を計測していく。ここで、第２の変位計２２の第１変位センサ２２ａ、第２の変位計２３の変位センサ２３ａおよび第３の変位計２４の第１変位センサ２４ａが同一軸上に配置してあると好適である。そして、被測定基板Ｐの各部における上記距離データはコンピュータ２６において蓄積される。

図４おいて、第１および第２の変位計２２，２３は共に第１のスライダ１４に一体に搭載されており、したがって上記変位計間の距離Ｌ_０は上記走査において一定となる。このために、図４に示す状態において、縦型定盤３の基準面３ａと、被測定基板Ｐの第１の被検面Ｓ１の各部との距離をＲ_１とすると、距離をＲ_１は、Ｒ_１＝Ｌ_０＋Ｌ_１＋Ｌ_２により求めることができる。但し、距離Ｌ_１は例えば第１変位センサ２２ａの計測値を用いる。このようにして、図６に示すように、縦型定盤３の基準面３ａを基準にして距離Ｒ_１の分布を計測／算出し、この距離Ｒ_１データはコンピュータ２６に蓄積する。

また、図４において、縦型定盤３の基準面３ａから第３の変位計２４までの距離Ａ_０は基板の両面形状測定装置の機械的構造により決まる。そこで、図５において説明したｊ＝０、ｋ＝０に位置する第３の変位計２４における第１変位センサ２４ａ、第２変位センサ２４ｂおよび第３変位センサ２４ｃにより形成される２次元平面を仮想基準面ＳＰとする。このようにすると、上記距離Ａ_０は基準面３ａと仮想基準面ＳＰの離間距離となる。

そして、上記距離Ａ_０および距離Ｌ_３データから、図６に示すように、Ｒ_２＝Ａ_０−Ｌ_３として、縦型定盤３の基準面３ａを基準面にした距離Ｒ_２の分布を計測／算出し、この距離Ｒ_２データをコンピュータ２６に蓄積する。

更に、図６において、被測定基板Ｐの板厚ｔは、ｔ＝Ａ_０−Ｌ_３−Ｒ_１＝Ｒ_２−Ｒ_１の計算により求めることができる。そして、被測定基板Ｐにおける板厚ｔの分布を算出し、板厚ｔのデータはコンピュータ２６に蓄積する。

次に、上記測定した被測定基板Ｐの両面形状の補正を行う。この補正方法について図７を参照して説明する。図６では、基準面３ａおよび仮想基準面ＳＰが２次元平面になるように示している。しかし、実際は上述したようにこれ等の２次元の真直誤差はゼロではなく、上述したような誤差基準平面からのズレを有している。また、上述した第１の走査面（第２の走査面）も誤差基準平面からのズレを有する。なお、上記真直誤差を有する仮想基準面ＳＰは上述した第３の走査面と同じになる。

ここで、第１の走査面（第２の走査面）の２次元の真直誤差は、図４又は図６で説明した距離Ｒ_１＝Ｌ_０＋Ｌ_１＋Ｌ_２の値には全く影響を与えない。しかし、図７に示すように、上記距離Ｒ_１は、２次元の真直誤差を有する基準面３ａと被測定基板Ｐの第１の被検面Ｓ１との相対距離であり、基準面３ａの上記真直誤差が上記距離Ｒ_１に加算される。同様に、上記距離Ｌ_３は、２次元の真直誤差を有する仮想基準面ＳＰと被測定基板Ｐの第２の被検面Ｓ２との相対距離であり、仮想基準面ＳＰの上記真直誤差が上記距離Ｌ_３に減算される。

そこで、図４および図５に示すＺ軸方向を真直誤差あるいは凹凸形状が正に増加する方向とすると、上記第１の被検面Ｓ１の真の表面形状は、コンピュータ２６において蓄積された上記距離Ｒ_１に、図５の逐次２点法を用いて測定した基準面３ａの２次元の真直誤差を相加することにより得られる。同様に、上記第２の被検面Ｓ２の真の表面形状は、コンピュータ２６において蓄積された上記距離Ｒ_２に、図５の逐次２点法を用いて測定した仮想基準面ＳＰ（第３の走査面）の２次元の真直誤差を相加することにより得られる。そして、真の板厚ｔは、上記補正した距離Ｒ_１および補正した距離Ｒ_１を用いｔ＝Ｒ_２−Ｒ_１の計算により求められる。ここで、上記補正は、２次元面の逐次２点法を用いて計測する第１の変位計２２、第３の変位計２４あるいはコンピュータ２６等により構成される形状補正手段によって行われる。

次に、本実施形態の基板の両面形状測定方法の変形例について説明する。上述した基板の両面形状測定方法は、第１の変位計２２、第２の変位計２３および第３の変位計２４による上記距離Ｌ_Ｉ、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｒ_１およびＲ_２の計測と共に、縦型定盤３の基準面３ａ、第１の走査面（第２の走査面）および第３の走査面の真直誤差の測定を行う。そして、上記計測と共に測定した真直誤差により距離Ｒ_１および距離Ｒ_２を補正するものであった。これに対して、この変形例においては、初めに上記第１の変位計２２および第３の変位計２４による基準面３ａ、第１の走査面（第２の走査面）および第３の走査面の２次元の真直誤差の測定を行う。そして、その後は、この初めに測定した真直誤差に基づき、第１の変位計２２第２の変位計２３および第３の変位計２４による上記距離Ｒ_１および距離Ｒ_２の計測値を補正するものである。この変形例の場合には、上記真直誤差の測定後は、第１の変位計２２および第３の変位計２４の変位センサは各１個にして、上述した距離Ｌ_Ｉ、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｒ_１およびＲ_２を計測するようにしてもよい。

図１および図２で説明したように、本実施形態の基板の両面形状測定装置では、Ｘ軸移動機構である変位計走査コラム７がＹ軸移動機構の第１のスライダ１４と第２のスライダ１７を一体構造に備える。このため、Ｘ軸移動機構の基準面３ａに対する水平軸方向の直線運動、および、Ｙ軸移動機構の基準面３ａに対する垂直軸方向の直線運動において、その走査の繰り返し精度が非常に高いものになっている。この走査の繰り返し精度が高いことから、一度、逐次２点法を用いた上記２次元の真直誤差の測定を行うと、この真直誤差の値はほとんど変化しない。このため、一度測定した真直誤差は、その後に計測する距離Ｒ_１および距離Ｒ_２の補正に充分に使用できることになる。

次に、被測定基板Ｐの平坦度の評価の一例について説明する。その簡便な第１の方法は、図７に示した板厚ｔの被測定基板Ｐ内での分布データから最大値と最小値を抽出し、その差を平坦度とするものである。そして、予め決めた所定の差を基準平坦度にして、被測定基板Ｐの平坦度の評価を行う。また、このような平坦度は、例えば各被測定基板Ｐの測定直後に、上記ディスプレイ２７およびまたはプリンタ２８より出力される。この第１の方法では、被処理基板Ｐの垂直状態あるいは縦型定盤３の基準面３ａとの配置関係に影響されにくい平坦度が簡便に得られる。

そして、第２の方法は以下のようなものである。上記コンピュータ２６は、上記補正した距離Ｒ_１および距離Ｒ_２により、被測定基板Ｐの平坦度を求める次のような演算処理をする。すなわち、例えば各部の補正した距離Ｒ_１（あるいは距離Ｒ_２）のうち、被測定基板Ｐの対角２点測定値を基準として、この時の最大値と最小値の差を第１の被検面Ｓ１（あるいは第２の被検面Ｓ２）の平坦度とする。通常、被測定基板Ｐは基板保持機構４によってほぼ垂直状態に保持されるものの、その板面は縦型定盤３の基準面３ａとは必ずしも平行状態にはならない場合が多い。この第２の方法では、このような状況において好適な平坦度が得られる。

上述した基板の両面形状測定方法は、第１の変位計２２および第２の変位計２３と第３の変位計２４の走査を同期させるものであった。この両面形状測定は、第３の変位計２４の走査を第１の変位計２２および第２の変位計２３の走査と非同期に行ってもよい。この場合、第１の変位計２２および第２の変位計２３の走査と距離計測により、図６に示したように被測定基板Ｐの第１の被検面Ｓ１の縦型定盤３の基準面３ａからの距離Ｒ_１の分布を求める。同様にして、第３の変位計２４の走査と距離計測により、図６に示したように被測定基板Ｐの第２の被検面Ｓ２の縦型定盤３の基準面３ａからの距離Ｒ_２の分布を求める。そして、これ等に上述したような補正を加える。

この非同期の測定方法は、第２の変位計２３からのレーザ光あるいは第３の変位計２４からのレーザ光が被測定基板Ｐを透過し光干渉することによる距離測定の精度の低下を簡便に防止できる。

上記基板の両面形状測定方法により、基板の両面形状測定装置における上記定盤３の基準面３ａ、Ｘ軸移動機構あるいは２つのＹ軸移動機構の真直度が被測定基板の大きさに比し高精度でない場合であっても、例えば大型液晶用フォトマスクのような大型の被測定基板の両面形状を簡便にしかも高精度に測定することが可能になる。そして、上記被測定基板の板厚の面内分布および平坦度を短時間に高精度に求めることができるようになる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施形態において本発明に技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。例えば、ベッド２上において、縦型定盤３の基準面３ａにおける水平軸方向に平行移動する構造の変位計走査コラム７は、Ｖ−Ｖすべり案内により平行移動できる構成になっていてもよい。

また、テーブル９上に設けられる第１のエアスライド１０と第２のエアスライド１１はリニアモータにより垂直軸方向に移動できる構成になっていてもよい。

そして、本発明は、被処理基板Ｐとして上記液晶用石英ガラス製フォトマスク以外にも、基板の両面形状が重要な要素となる被測定基板には同様に適用できるものである。例えば、被処理基板として半導体ウェーハの両面形状測定においても効果的に適用できる。

また、上記センサとしては、他にエアースケール型センサ、渦電流型センサあるは静電容量型センサ等も知られており、これらは被測定基板を構成する物質に応じて適宜選択することができる。

本発明にかかる基板の両面形状測定装置の全体構成を示す正面斜視図。 図１に示した基板の両面形状測定装置の変位計走査部を示す背面斜視図。 上記変位計における変位センサの配置を示す正面図。 被測定基板の両面形状を測定する主要部を示す模式的な上面図。 逐次２点法を用いた真直誤差の測定方法を示す説明図。 被測定基板の両面形状測定および板厚測定を示す模式図。 図５の真直誤差に基づく基板の両面形状の補正方法を示す説明図。

符号の説明

１…測定装置本体、２…ベッド、３…縦型定盤、３ａ…基準面、４…基板保持機構、５…保持部材、５ａ…側柱、５ｂ…横桁、６…基板支持台、６ａ，６ｂ…基板下部支持台、６ｃ…基板上部支持台、７…変位計走査コラム、８…Ｖ溝、９…テーブル、１０…第１のエアスライド、１１…第２のエアスライド、１２…第１の案内レール、１３…第１の垂直ボールネジ、１４…第１のスライダ、１５…第２の案内レール、１６…第２の垂直ボールネジ、１７…第２のスライダ、１８…固定板、１９…補強支柱、２０，２１…ボールネジ受け部材、２２…第１の変位計、２２ａ，２４ａ…第１変位センサ、２２ｂ，２４ｂ…第２変位センサ、２２ｃ，２４ｃ…第３変位センサ、２３…第２の変位計、２３ａ…変位センサ、２４…第３の変位計、２５…形状測定制御部、２６…コンピュータ、２７…ディスプレイ、２８…プリンタ、Ｐ…被測定基板、Ｓ１…第１の被検面、Ｓ２…第２の被検面、ＳＰ…仮想基準面

Claims (9)

1. 垂直状態に配置した定盤の基準面にほぼ平行になるように第１の被検面と第２の被検面を有する被測定基板を支持し、
   前記基準面に対向した少なくとも３個の変位センサを有する第１の変位計および前記第１の被検面に対向した変位センサを有する第２の変位計を、前記基準面と前記第１の被検面との間のほぼ垂直面内において一体に走査し、
   前記第２の被検面に対向した少なくとも３個の変位センサを有する第３の変位計を前記第２の被検面に沿って走査し、
   前記第１の変位計および第２の変位計の走査により前記第１の被検面の前記基準面からの距離を計測すると共に、前記第３の変位計の走査により前記第２の被検面の前記基準面からの距離を計測して前記被測定基板の第１の被検面と第２の被検面の両面の形状を測定することを特徴とする基板の両面形状測定方法。
2. 請求項１に記載の基板の両面形状測定方法において、
   前記第１の変位計の前記３個の変位センサによる前記距離の計測から逐次２点法により前記基準面の２次元の真直誤差を測定し、
   前記第３の変位計の前記３個の変位センサによる前記距離の計測から逐次２点法により前記第３の変位計の走査の２次元の真直誤差を測定することを特徴とする基板の両面形状測定方法。
3. 請求項２に記載の基板の両面形状測定方法により前記基準面の２次元の真直誤差および前記第３の変位計の走査の２次元の真直誤差を測定した後、前記基準面にほぼ平行になるように第１の被検面と第２の被検面を有する被測定基板を支持し、
   前記基準面に対向する第１の変位計および前記第１の被検面に対向する第２の変位計を、前記基準面と前記第１の被検面との間のほぼ垂直面内において一体に走査し、
   前記第２の被検面に対向する第３の変位計を前記第２の被検面に沿って走査し、
   前記第１の変位計および第２の変位計の走査により前記第１の被検面の前記基準面からの距離を計測すると共に、前記第３の変位計の走査により前記第２の被検面の前記基準面からの距離を計測し、
   前記基準面の２次元の真直誤差および前記第３の変位計の走査の２次元の真直誤差に基づき前記計測した距離を補正することを特徴とする基板の両面形状測定方法。
4. 前記第１の変位計および第２の変位計と前記第３の変位計とを同期して走査することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の基板の両面形状測定方法。
5. 前記第１の被検面の前記基準面からの距離と前記第２の被検面の前記基準面からの距離とにより、前記被測定基板の板厚を算出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の基板の両面形状測定方法。
6. 定盤の基準面が垂直状態となるように配置された定盤と、
   被測定基板の第１の被検面と第２の被検面が前記基準面にほぼ平行になるように被測定基板を保持する保持機構と、
   前記基準面と前記第１の被検面との間に配置され、ほぼ垂直面内において走査可能であり該走査と共に前記基準面との距離を計測する少なくとも３個の変位センサを有する第１の変位計と前記第１の被検面との距離を計測する変位センサを有する第２の変位計と、
   前記第２の被検面に対向して配置され、ほぼ垂直面内において走査可能であり該走査と共に前記第２の被検面との距離を計測する少なくとも３個の変位センサを有する第３の変位計と、
   前記第１の変位計により測定した前記基準面の２次元の真直誤差および前記第３の変位計により測定した該第３の変位計の走査の２次元の真直誤差に基づいて前記被測定基板の第１の被検面と第２の被検面の形状を補正する形状補正手段と、
   を有することを特徴とする基板の両面形状測定装置。
7. 前記基準面における水平軸方向に移動可能なＸ軸移動機構と、該Ｘ軸移動機構に一体に取り付けられ前記水平軸方向に移動可能であると共に前記基準面における垂直軸方向に移動可能な第１のＹ軸移動機構および第２のＹ軸移動機構と、を有し、
   前記第１のＹ軸移動機構に前記第１の変位計と前記第２の変位計とが互いに固定して搭載され、前記第２のＹ軸移動機構に前記第３の変位計が搭載されていることを特徴とする請求項６に記載の基板の両面形状測定装置。
8. 前記Ｘ軸移動機構がＶ−Ｖころがり案内あるいはＶ−Ｖすべり案内により構成されていることを特徴とする請求項７に記載の基板の両面形状測定装置。
9. 前記第１のＹ軸移動機構および前記第２のＹ軸移動機構がエアスライドにより構成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の基板の両面形状測定装置。
   
   
   

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