(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
光を出射する光源と、
前記光源からの光を対物レンズを介して対象物上の照射領域へと導くとともに前記照射領域からの反射光を前記対物レンズを介して所定の位置へと導く光学系と、
前記光源から前記照射領域に至る光路上において、開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置された遮光パターンと、
前記所定の位置に結像された前記遮光パターンの像を取得する撮像部と、
前記撮像部からの出力に基づいて前記照射領域の法線方向を示す傾斜ベクトルを求める傾斜ベクトル算出部と、
前記照射領域を前記対象物に対して相対的に移動する移動機構と、
前記傾斜ベクトル算出部により求められた前記対象物上の複数の領域における傾斜ベクトルに基づいて前記対象物の表面形状を求める表面形状算出部と、
前記対象物を保持する保持部と、
前記保持部を昇降する昇降機構と、
を備え、
前記対物レンズから前記対象物への光は、前記対象物上においてほぼ平行光であり、
前記昇降機構により、前記対象物の表面上に設定された基準領域が前記対物レンズの焦点深度内に位置するようにフォーカス調整が行われた後、前記移動機構により前記照射領域を前記対象物に対して相対的に移動しつつ、前記複数の領域のそれぞれにおいて、フォーカス調整を行うことなく前記撮像部による撮像が行われ、
前記傾斜ベクトル算出部により、前記撮像部により取得された前記遮光パターンの像の基準位置から重心位置に至るベクトルと、前記対物レンズと前記対象物との間の所定の距離とに基づいて傾斜ベクトルが求められることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
対象物上の膜内の応力を測定する応力測定装置であって、
請求項１に記載の表面形状測定装置と、
前記表面形状測定装置により求められた前記表面形状に基づいて応力測定領域の曲率半径を求める曲率半径算出部と、
前記対象物上の膜の厚さを光学的に測定する膜厚測定部と、
前記曲率半径算出部および前記膜厚測定部により求められた前記応力測定領域における曲率半径および膜厚に基づいて前記応力測定領域における前記膜内の応力を求める応力算出部と、
を備えることを特徴とする応力測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の応力測定装置であって、
前記膜厚測定部が、
前記光源からの光の前記照射領域からの反射光を受光する受光部と、
前記受光部からの出力に基づいて光干渉法により前記照射領域における前記膜の厚さを求める膜厚算出部と、
を備えることを特徴とする応力測定装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の応力測定装置であって、
前記膜厚測定部が、
もう１つの光源を有し、偏光した光を前記対象物に向けて出射する光源ユニットと、
前記対象物からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の偏光状態を取得する受光ユニットと、
前記受光ユニットにて取得された偏光状態に基づいて前記対象物上の前記膜の厚さを求める膜厚算出部と、
を備えることを特徴とする応力測定装置。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の応力測定装置であって、
前記対象物を保持する保持部と、
前記対物レンズから出射される光を利用して、前記対物レンズと前記保持部または前記保持部に保持された前記対象物との間の距離を検出する距離検出部と、
前記距離検出部にて検出された前記対物レンズと前記対象物との間の距離、および、対象物を保持していない状態における前記対物レンズと前記保持部との間の距離に基づいて、前記応力算出部による前記膜内の応力の算出に利用される前記対象物の厚さを求める対象物厚さ算出部と、
をさらに備えることを特徴とする応力測定装置。
【請求項６】
対象物の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、
ａ）光源からの光を、対物レンズを有する光学系を介して対象物上の照射領域へと照射する工程と、
ｂ）前記光源から前記対象物に至る光路上において開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に遮光パターンが配置されており、前記照射領域からの前記光の反射光を前記対物レンズを介して所定の位置へと導き、前記所定の位置に結像された前記遮光パターンの像を撮像部により取得する工程と、
ｃ）前記照射領域を前記対象物に対して相対的に移動しつつ前記ａ）工程および前記ｂ）工程を繰り返し、前記撮像部からの出力に基づいて前記対象物上の複数の領域の法線方向を示す傾斜ベクトルを求める工程と、
ｄ）前記複数の領域における傾斜ベクトルに基づいて前記対象物の表面形状を求める工程と、
を備え、
前記対物レンズから前記対象物への光は、前記対象物上においてほぼ平行光であり、
前記ｃ）工程にて、前記複数の領域のそれぞれにおいて、フォーカス調整を行うことなく前記撮像部による撮像が行われ、前記撮像部により取得された前記遮光パターンの像の基準位置から重心位置に至るベクトルと、前記対物レンズと前記対象物との間の所定の距離とに基づいて傾斜ベクトルが求められることを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載の表面形状測定方法であって、
前記ｃ）工程において、前記照射領域の前記対象物に対する相対的な移動が連続的に行われることを特徴とする表面形状測定方法。
【請求項８】
対象物上の膜内の応力を測定する応力測定方法であって、
ａ）光源からの光を、対物レンズを有する光学系を介して対象物上の照射領域へと照射する工程と、
ｂ）前記光源から前記対象物に至る光路上において開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に遮光パターンが配置されており、前記照射領域からの前記光の反射光を前記対物レンズを介して所定の位置へと導き、前記所定の位置に結像された前記遮光パターンの像を撮像部により取得する工程と、
ｃ）前記照射領域を前記対象物に対して相対的に移動しつつ前記ａ）工程および前記ｂ）工程を繰り返し、前記撮像部からの出力に基づいて前記対象物上の複数の領域の法線方向を示す傾斜ベクトルを求める工程と、
ｄ）前記複数の領域における傾斜ベクトルに基づいて前記対象物の表面形状を求める工程と、
ｅ）前記表面形状に基づいて応力測定領域の曲率半径を求める工程と、
ｆ）前記応力測定領域における膜厚を光学的に測定する工程と、
ｇ）前記応力測定領域における前記曲率半径および前記膜厚に基づいて前記応力測定領域における前記膜内の応力を求める工程と、
を備え、
前記対物レンズから前記対象物への光は、前記対象物上においてほぼ平行光であり、
前記ｃ）工程にて、前記複数の領域のそれぞれにおいて、フォーカス調整を行うことなく前記撮像部による撮像が行われ、前記撮像部により取得された前記遮光パターンの像の基準位置から重心位置に至るベクトルと、前記対物レンズと前記対象物との間の所定の距離とに基づいて傾斜ベクトルが求められることを特徴とする応力測定方法。
【請求項９】
請求項８に記載の応力測定方法であって、
前記ｃ）工程において、前記照射領域の前記対象物に対する相対的な移動が連続的に行われることを特徴とする応力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の表面形状を測定する技術に関し、また、測定された表面形状を利用して対象物上の膜内の応力を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体素子の製造においては、半導体基板（以下、単に「基板」という。）上への成膜やアニール等の様々な処理が行われており、これらの処理により、基板上の薄膜内に残留応力が生じる。近年、半導体素子の高精細化に伴い、半導体素子の品質に対する当該残留応力の影響が大きくなっており、薄膜内の応力測定の必要性が高まっている。
【０００３】
薄膜内の応力を非接触にて測定する装置の１つとして、特許文献１では、光てこ法により基板の曲率半径を測定し、得られた曲率半径を用いて薄膜内の応力を求める薄膜評価装置が開示されている。特許文献１の薄膜評価装置では、レーザ光源から出射されたレーザ光を基板上にて走査し、薄膜からの反射光の検出器上における受光位置に基づいて、薄膜上の複数の位置における反射角が算出されて曲率半径が求められる。
【０００４】
一方、特許文献２では、対象物上の膜厚を測定する膜厚測定装置において、光源から基板へと向かう照明光の光路上に遮光パターンを配置し、対象物からの反射光の光路上において結像された遮光パターンの像に基づいて対象物の傾斜角を求める技術が開示されている。特許文献２の膜厚測定装置では、得られた傾斜角を用いて対象物上の膜の厚さを求めることにより、高精度な膜厚測定が可能とされている。
【特許文献１】特開２０００−９５５３号公報
【特許文献２】特開２００４−１３８５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１の薄膜評価装置では、曲率半径の計測にレーザ光を利用しているため、測定対象が当該レーザ光の波長に対して反射率が低いものである場合には、曲率半径の測定誤差が大きくなってしまい、膜内の応力を高精度に求めることができない。また、基板上にパターンが形成されている場合には、当該パターンによりレーザ光が散乱してしまい、曲率半径を高精度に測定することができないため、パターンが形成された基板の応力測定にはあまり適していない。
【０００６】
さらには、当該装置では、複数の測定位置における反射光の検出器上における受光位置のずれに基づいて曲率半径が求められており、各測定位置におけるフォーカス位置が測定結果に及ぼす影響が大きいため、各測定位置において高精度なフォーカス調整を行う必要がある。このため、装置の構成が複雑化してしまい、また、応力測定に要する時間も増大してしまう。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、対象物上の膜内の応力を容易かつ迅速に求めることを主な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、対象物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、光を出射する光源と、前記光源からの光を対物レンズを介して対象物上の照射領域へと導くとともに前記照射領域からの反射光を前記対物レンズを介して所定の位置へと導く光学系と、前記光源から前記照射領域に至る光路上において、開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置された遮光パターンと、前記所定の位置に結像された前記遮光パターンの像を取得する撮像部と、前記撮像部からの出力に基づいて前記照射領域の法線方向を示す傾斜ベクトルを求める傾斜ベクトル算出部と、前記照射領域を前記対象物に対して相対的に移動する移動機構と、前記傾斜ベクトル算出部により求められた前記対象物上の複数の領域における傾斜ベクトルに基づいて前記対象物の表面形状を求める表面形状算出部とを備え、前記対物レンズから前記対象物への光は、前記対象物上においてほぼ平行光であり、前記複数の領域のそれぞれにおいて、フォーカス調整を行うことなく前記撮像部による撮像が行われ、前記傾斜ベクトル算出部により、前記撮像部により取得された前記遮光パターンの像の基準位置から重心位置に至るベクトルと、前記対物レンズと前記対象物との間の所定の距離とに基づいて傾斜ベクトルが求められる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、対象物上の膜内の応力を測定する応力測定装置であって、請求項１に記載の表面形状測定装置と、前記表面形状測定装置により求められた前記表面形状に基づいて応力測定領域の曲率半径を求める曲率半径算出部と、前記対象物上の膜の厚さを光学的に測定する膜厚測定部と、前記曲率半径算出部および前記膜厚測定部により求められた前記応力測定領域における曲率半径および膜厚に基づいて前記応力測定領域における前記膜内の応力を求める応力算出部とを備える。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の応力測定装置であって、前記膜厚測定部が、前記光源からの光の前記照射領域からの反射光を受光する受光部と、前記受光部からの出力に基づいて光干渉法により前記照射領域における前記膜の厚さを求める膜厚算出部とを備える。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の応力測定装置であって、前記膜厚測定部が、もう１つの光源を有し、偏光した光を前記対象物に向けて出射する光源ユニットと、前記対象物からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の偏光状態を取得する受光ユニットと、前記受光ユニットにて取得された偏光状態に基づいて前記対象物上の前記膜の厚さを求める膜厚算出部とを備える。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項２ないし４のいずれかに記載の応力測定装置であって、前記対物レンズから出射される光を利用して、前記対物レンズと前記保持部または前記保持部に保持された前記対象物との間の距離を検出する距離検出部と、前記距離検出部にて検出された前記対物レンズと前記対象物との間の距離、および、対象物を保持していない状態における前記対物レンズと前記保持部との間の距離に基づいて、前記応力算出部による前記膜内の応力の算出に利用される前記対象物の厚さを求める対象物厚さ算出部とをさらに備える。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、対象物の表面形状を測定する表面形状測定方法であって、ａ）光源からの光を、対物レンズを有する光学系を介して対象物上の照射領域へと照射する工程と、ｂ）前記光源から前記対象物に至る光路上において開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に遮光パターンが配置されており、前記照射領域からの前記光の反射光を前記対物レンズを介して所定の位置へと導き、前記所定の位置に結像された前記遮光パターンの像を撮像部により取得する工程と、ｃ）前記照射領域を前記対象物に対して相対的に移動しつつ前記ａ）工程および前記ｂ）工程を繰り返し、前記撮像部からの出力に基づいて前記対象物上の複数の領域の法線方向を示す傾斜ベクトルを求める工程と、ｄ）前記複数の領域における傾斜ベクトルに基づいて前記対象物の表面形状を求める工程とを備え、前記対物レンズから前記対象物への光は、前記対象物上においてほぼ平行光であり、前記ｃ）工程にて、前記複数の領域のそれぞれにおいて、フォーカス調整を行うことなく前記撮像部による撮像が行われ、前記撮像部により取得された前記遮光パターンの像の基準位置から重心位置に至るベクトルと、前記対物レンズと前記対象物との間の所定の距離とに基づいて傾斜ベクトルが求められる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の表面形状測定方法であって、前記ｃ）工程において、前記照射領域の前記対象物に対する相対的な移動が連続的に行われる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、対象物上の膜内の応力を測定する応力測定方法であって、ａ）光源からの光を、対物レンズを有する光学系を介して対象物上の照射領域へと照射する工程と、ｂ）前記光源から前記対象物に至る光路上において開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に遮光パターンが配置されており、前記照射領域からの前記光の反射光を前記対物レンズを介して所定の位置へと導き、前記所定の位置に結像された前記遮光パターンの像を撮像部により取得する工程と、ｃ）前記照射領域を前記対象物に対して相対的に移動しつつ前記ａ）工程および前記ｂ）工程を繰り返し、前記撮像部からの出力に基づいて前記対象物上の複数の領域の法線方向を示す傾斜ベクトルを求める工程と、ｄ）前記複数の領域における傾斜ベクトルに基づいて前記対象物の表面形状を求める工程と、ｅ）前記表面形状に基づいて応力測定領域の曲率半径を求める工程と、ｆ）前記応力測定領域における膜厚を光学的に測定する工程と、ｇ）前記応力測定領域における前記曲率半径および前記膜厚に基づいて前記応力測定領域における前記膜内の応力を求める工程とを備え、前記対物レンズから前記対象物への光は、前記対象物上においてほぼ平行光であり、前記ｃ）工程にて、前記複数の領域のそれぞれにおいて、フォーカス調整を行うことなく前記撮像部による撮像が行われ、前記撮像部により取得された前記遮光パターンの像の基準位置から重心位置に至るベクトルと、前記対物レンズと前記対象物との間の所定の距離とに基づいて傾斜ベクトルが求められる。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の応力測定方法であって、前記ｃ）工程において、前記照射領域の前記対象物に対する相対的な移動が連続的に行われる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１、６および７の発明では、対象物の表面形状を容易かつ迅速に求めることができる。また、請求項７の発明では、対象物の表面形状をより迅速に求めることができる。
【００１８】
請求項２ないし５、並びに、請求項８および９の発明では、対象物上の膜内の応力を容易かつ迅速に求めることができる。請求項３の発明では、装置の構造を簡素化することができる。請求項４の発明では、膜厚を高精度に求めることができる。請求項９の発明では、対象物上の膜内の応力をより迅速に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る応力測定装置１の構成を示す図である。応力測定装置１は、半導体基板９（以下、単に「基板９」という。）の主面上に形成された膜内の応力を測定する装置である。膜は、単層膜であってもよく、多層膜であってもよい。本実施の形態では、基板９上には配線パターン等のパターンは形成されていない。
【００２０】
図１に示すように、応力測定装置１は、基板９を保持する基板保持部であるステージ２、ステージ２を図１中のＸ方向およびＹ方向に移動するステージ移動機構２１、ステージ２を図１中のＺ方向に昇降するステージ昇降機構２４、基板９上の膜に対する偏光解析に用いられる情報を取得するエリプソメータ３、基板９からの反射光の分光強度を取得する光干渉ユニット４、並びに、これらの構成を制御する制御部５を備える。
【００２１】
図２は、制御部５の構成を示す図である。図２に示すように、制御部５は、通常のコンピュータと同様に、各種演算処理を行うＣＰＵ５１、実行されるプログラムを記憶したり演算処理の作業領域となるＲＡＭ５２、基本プログラムを記憶するＲＯＭ５３、各種情報を記憶する固定ディスク５４、作業者に各種情報を表示するディスプレイ５５、および、キーボードやマウス等の入力部５６等を接続した構成となっている。
【００２２】
図３は、制御部５のＣＰＵ５１（図２参照）等がプログラムに従って演算処理を行うことにより実現される機能を他の構成と共に示すブロック図であり、図３中の傾斜ベクトル算出部５１１、表面形状算出部５１２、曲率半径算出部５１３、応力算出部５１４、第１膜厚算出部５１５および第２膜厚算出部５１６が、ＣＰＵ５１等により実現される機能に相当する。なお、これらの機能は複数台のコンピュータにより実現されてもよい。
【００２３】
図１に示すように、ステージ移動機構２１は、ステージ２を図１中のＸ方向に移動するＸ方向移動機構２２、および、Ｙ方向に移動するＹ方向移動機構２３を有する。Ｘ方向移動機構２２はモータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｙ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＸ方向に移動する。Ｙ方向移動機構２３もＸ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＹ方向に移動する。応力測定装置１では、ステージ移動機構２１により、エリプソメータ３および光干渉ユニット４から基板９上に照射される光の照射領域が基板９に対して相対的に移動される。
【００２４】
エリプソメータ３は、偏光した光（以下、「偏光光」という。）を基板９に向けて出射する光源ユニット３１、および、基板９からの偏光光の反射光を受光して反射光の偏光状態を取得する受光ユニット３２を備え、取得された偏光状態を示すデータは制御部５へと出力される。
【００２５】
光源ユニット３１は、光ビームを出射する光源である半導体レーザ（ＬＤ）３１２、半導体レーザ３１２の出力を制御するＬＤ駆動制御部３１１、偏光フィルタ３１３、および、波長板（以下、「λ／４板」という。）３１４を備える。エリプソメータでは、光源ユニット３１の半導体レーザ３１２から出射された光ビームが偏光フィルタ３１３に入射し、偏光フィルタ３１３により直線偏光した光が取り出される。偏光フィルタ３１３からの光はλ／４板３１４に入射し、λ／４板３１４により円偏光の光に変換されてレンズ３３１を介して所定の入射角（例えば、７２°〜８０°）にてステージ２上の基板９表面へと導かれる。なお、光源ユニット３１には（具体的には、半導体レーザ３１２と偏光フィルタ３１３との間の光路上には）、光ビームを遮断する電磁シャッタ３１５が設けられ、電磁シャッタ３１５により基板９への光の照射がＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００２６】
受光ユニット３２は、回転検光子３２１およびフォトダイオード３２２を備える。エリプソメータ３では、光源ユニット３１から基板９に出射された光の反射光が、レンズ３３２を介して回転検光子３２１へと導かれ、光軸に平行な軸を中心として回転する回転検光子３２１を透過してフォトダイオード３２２により受光される。フォトダイオード３２２により受光された光の強度を示す信号は、ＡＤコンバータ３４を介して制御部５の第１膜厚算出部５１５（図３参照）へと出力され、フォトダイオード３２２の出力が回転検光子３２１の回転角に対応付けられることにより反射光の偏光状態が取得される。
【００２７】
応力測定装置１では、エリプソメータ３の光源ユニット３１からの光の波長の確認に利用されるミラー２５がステージ２上に配置されており、ミラー２５は光源ユニット３１から照射される所定の入射角の光を鉛直方向の上方へと反射するように傾斜して設けられている。
【００２８】
光干渉ユニット４は、白色光を照明光として出射する光源４１、基板９からの反射光を分光する分光器４２、後述する遮光パターンの像を取得する遮光パターン撮像部４３、基板９上の照明光の照射位置を撮像する基板撮像部４４、および、光学系４５を有し、光学系４５により光源４１からの照明光が基板９上の照射領域へと導かれるとともに当該照射領域からの反射光が分光器４２、遮光パターン撮像部４３および基板撮像部４４へと導かれる。
【００２９】
具体的には、光ファイバ４５１の一端に光源４１からの照明光が導入され、他端に設けられたレンズ４５２から照明光が導出される。導出された照明光はレンズ４５０ａを介して開口絞り部４５３へと導かれる。開口絞り部４５３には所定の遮光パターン４５３ａ（例えば、十字に形成された標線）が設けられており、照明光は遮光パターン４５３ａに対応する部分が遮られつつレンズ４５０ｂを介して視野絞り部４５４へと導かれる。
【００３０】
視野絞り部４５４にて視野が制限された照明光はレンズ４５０ｃを介してハーフミラー４５５へと導かれ、ハーフミラー４５５を透過してハーフミラー４５６へと導かれる。ハーフミラー４５６にて反射された照明光は、対物レンズ４５７を介して基板９上の照射領域に照射される。このとき、基板９上における照明光の照射領域の広さは、視野絞り部４５４による視野の制限に対応するが、開口絞り部４５３の遮光パターン４５３ａの像は基板９上には結像されない。応力測定装置１では、対物レンズ４５７として低倍率（本実施の形態では、１０倍）のものが使用され、当該対物レンズ４５７の焦点深度が約４μｍと比較的大きいため、対物レンズ４５７から基板９への光は、基板９上においてほぼ平行光となっている。
【００３１】
基板９からの反射光は、対物レンズ４５７を介してハーフミラー４５６へと導かれ、一部の光がハーフミラー４５５に向けて反射される。反射された光は、ハーフミラー４５５にてさらに反射され、レンズ４５０ｄを介して遮光パターン撮像部４３にて受光される。遮光パターン４５３ａから基板９の表面を経由して遮光パターン撮像部４３に至る光学系において、遮光パターン撮像部４３の位置は遮光パターン４５３ａと光学的に共役とされ、遮光パターン撮像部４３に遮光パターン４５３ａの像が結像され、遮光パターン４５３ａの画像データは制御部５の傾斜ベクトル算出部５１１（図３参照）へと出力される。
【００３２】
ハーフミラー４５６を透過した反射光はハーフミラー４５８を透過してハーフミラー４５９へと導かれ、一部の光が反射される。反射された光はレンズ４５０ｅを介して基板撮像部４４へと導かれ、受光される。基板撮像部４４の位置は視野絞り部４５４および基板９の表面の位置と光学的に共役とされるため、基板撮像部４４により基板９上の照明光の照射位置の像が撮像され、取得された画像データは制御部５へと出力される。
【００３３】
ハーフミラー４５９を透過した光はレンズ４５０ｆを介して分光器４２へと導かれる。光干渉ユニット４では、光源４１からの光の基板９上における照射領域からの反射光が、受光部である分光器４２により受光されて反射光の分光強度が取得され、当該分光強度のデータは制御部５の第２膜厚算出部５１６（図３参照）へと出力される。光干渉ユニット４では、レンズ４５０ａ〜４５０ｆ，４５２、光ファイバ４５１、開口絞り部４５３、視野絞り部４５４、ハーフミラー４５５，４５６，４５８，４５９および対物レンズ４５７により光学系４５が構成される。
【００３４】
次に、応力測定装置１による基板９上の膜内の応力測定の流れについて説明する。応力測定装置１では、光干渉ユニット４により基板９上の応力測定領域の曲率半径が求められ、エリプソメータ３または光干渉ユニット４により、当該応力測定領域における膜厚が求められ、これらの曲率半径、膜厚および基板９の厚さに基づいて応力測定領域における応力が求められる。
【００３５】
応力測定装置１では、エリプソメータ３および制御部５の第１膜厚算出部５１５が、基板９上の膜の厚さを光学的に測定する膜厚測定部となっており、光干渉ユニット４および第２膜厚算出部５１６が、基板９上の膜の厚さを光学的に測定するもう１つの膜厚測定部となっている。基板９上の膜が比較的薄い場合には、エリプソメータ３からの偏光状態を示す出力に基づいて偏光解析方式による膜厚測定が第１膜厚算出部５１５において行われ、膜が比較的厚い、あるいは、多層膜の場合には、第２膜厚算出部５１６により、光干渉ユニット４からの分光強度を示す出力に基づいて分光反射率を求めつつ光干渉法により膜厚が算出される。
【００３６】
図４は、応力測定装置１による応力測定の流れを示す図である。図１に示す応力測定装置１により基板９上の膜内の応力が測定される際には、まず、基板９がステージ２上に載置され、基板９の表面上に設定された基準領域（すなわち、基板９の表面形状の測定において基準となる領域）が対物レンズ４５７の焦点深度内に位置するようにフォーカス調整が行われる。本実施の形態では、光学系４５を介して目視にて基板９の基準領域の像を確認しつつ、手動によりステージ昇降機構２４が操作されて基板９のフォーカス調整が行われる。フォーカスの調整が終了すると、ステージ移動機構２１によるステージ２および基板９の移動が開始される（ステップＳ１１）。
【００３７】
続いて、光干渉ユニット４の光源４１からの光が、対物レンズ４５７を有する光学系４５を介して基板９上の照射領域（図４では、「傾斜ベクトル測定領域」と記している。）へと照射され（ステップＳ１２）、照射領域からの反射光が、対物レンズ４５７を介して遮光パターン撮像部４３へと導かれて遮光パターン４５３ａの像が取得される（ステップＳ１３）。遮光パターン撮像部４３により取得された遮光パターン４５３ａの画像データは、制御部５の傾斜ベクトル算出部５１１（図３参照）へと出力される。
【００３８】
前述のように、遮光パターン撮像部４３の位置は、遮光パターン４５３ａに対して基板９の表面を経由して光学的に共役となる位置（遮光パターン４５３ａがほぼ開口絞り位置に位置することから、遮光パターン撮像部４３は、いわゆる、対物瞳位置にほぼ位置する。）であり、遮光パターン撮像部４３にて取得される画像中の遮光パターンの位置は、基板９の照明光の照射領域の法線方向（以下、「傾斜ベクトル」と呼ぶ。）に対応した位置となる。
【００３９】
傾斜ベクトル算出部５１１では、傾斜ベクトルが鉛直方向（すなわち、Ｚ方向）を向くときの画像中の遮光パターンの重心位置（以下、「基準位置」という。）が予め記憶されており、基準位置を始点として、取得された画像中の遮光パターンの重心位置に至るベクトルを算出することにより、基板９の照射領域における傾斜ベクトルが求められる。
【００４０】
具体的には、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離をｆ、鉛直方向と傾斜ベクトルとのなす角（以下、「傾斜角」という。）をθとし、対物レンズ４５７の位置にて基板９からの反射光を受光し、遮光パターン４５３ａの像を取得すると仮定すると、取得された画像において、遮光パターンの位置は基板９の傾斜角が０°であるときから傾斜に対応する方向に（ｆ×ｔａｎ（２θ））だけ移動する。よって、遮光パターン撮像部４３により取得される画像においては、（ｆ×ｔａｎ（２θ））に対物レンズ４５７の位置に対する倍率を乗じた距離だけ傾斜に対応する方向に移動することとなり、この距離および方向が前述の基準位置と検出される重心位置との間の距離および方向となる。傾斜ベクトル算出部５１１では、遮光パターン撮像部４３からの出力に基づいて求められる基準位置から当該重心位置に至るベクトル、および、対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離ｆにより、基板９の傾斜ベクトルが正確に求められる（ステップＳ１４）。
【００４１】
基板９上には、傾斜ベクトルが求められるべき複数の領域（以下、「傾斜ベクトル測定領域」という。）が設定されており、光源４１からの光の照射領域は、ステージ移動機構２１により基板９に対して相対的に移動されて次の傾斜ベクトル測定領域へと向かう（ステップＳ１５）。応力測定装置１では、光源４１からの光の照射領域の基板９に対する相対的な移動が連続的に行われており、基板９上の複数の傾斜ベクトル測定領域に対して、光の照射、遮光パターン４５３ａの取得、および、基板９の傾斜ベクトルの算出（ステップＳ１２〜Ｓ１５）が順次繰り返される。
【００４２】
全ての傾斜ベクトル測定領域における傾斜ベクトルの算出が終了して次の傾斜ベクトル測定領域がないと判断されると、ステージ移動機構２１による基板９の移動が停止される（ステップＳ１６）。そして、制御部５の表面形状算出部５１２により、傾斜ベクトル算出部５１１により求められた基板９上の複数の傾斜ベクトル測定領域における基板９の傾斜ベクトルに基づいて、基板９の表面形状が求められる（ステップＳ１７）。
【００４３】
具体的には、複数の傾斜ベクトル測定領域のうちの１つである基準領域の高さ（すなわち、図１中のＺ方向の座標値）をＺａとし、基準領域と基準領域にＸ方向において隣接する１つの傾斜ベクトル測定領域（以下、「隣接領域」という。）との間の水平方向の距離（すなわち、Ｘ方向の距離）をＬとし、基準領域および隣接領域のそれぞれにおける基板９の傾斜ベクトルをＺＸ面に投影したものとＺ方向とのなす角それぞれθａおよびθｂとすると、隣接領域の高さＺｂは数１により求められる。
【００４４】
（数１）      
Ｚｂ＝Ｚａ＋（ｔａｎθａ＋ｔａｎθｂ）Ｌ／２
【００４５】
表面形状算出部５１２では、各傾斜ベクトル測定領域の高さが、当該傾斜ベクトル測定領域における基板９の傾斜ベクトル、および、当該傾斜ベクトル測定領域に隣接する傾斜ベクトル測定領域の高さおよび傾斜ベクトルに基づいて基準領域から近い順に順次算出される。なお、一の傾斜ベクトル測定領域の高さは、複数通りの経路にて求められた高さの平均値とされてもよい。例えば、一の傾斜ベクトル測定領域を通ってＸ方向に伸びる直線上に設定された複数の傾斜ベクトル測定領域の傾斜ベクトルに基づいて求められた高さと、当該傾斜ベクトル測定領域を通ってＹ方向に伸びる直線上に設定された複数の傾斜ベクトル測定領域の傾斜ベクトルに基づいて求められた高さとの平均値が、当該傾斜ベクトル測定領域の傾斜ベクトルとされてもよい。
【００４６】
応力測定装置１では、表面形状が平坦な基準基板（本実施の形態では、表面に膜が形成されていない基板が利用される。）に対して、上記と同様の表面形状測定工程（ステップＳ１１〜Ｓ１７）が予め行われており、基板９の各傾斜ベクトル測定領域に対応する領域の高さが求められて表面形状算出部５１２に記憶されている。
【００４７】
表面形状算出部５１２では、基板９の複数の傾斜ベクトル測定領域の高さから、予め記憶されている基準基板の複数の傾斜ベクトル測定領域の高さが減算された後、基板９の複数の傾斜ベクトル測定領域の間の領域の高さがスプライン補間やベジェ補間等により補間されて基板９の表面形状が求められる。このように、基板９の傾斜ベクトル測定領域の高さを基準基板の測定結果を用いて補正することにより、応力測定装置１の系統誤差を補正して基板９の表面形状を高精度に求めることができる。
【００４８】
図５．Ａは、基板９の表面形状を示す図である。図５．Ａでは、円板状の基板９の直径上に設定された複数の傾斜ベクトル測定領域の高さ、および、当該複数の傾斜ベクトル測定領域の高さから求められた表面形状を示している。図５．Ａに示すように、基板９は、測定対象とされた直径方向の一方側（すなわち、図５．Ａ中の左側）の部位において下向きに反っており、他方側の部位において上向きに反っている。
【００４９】
図５．Ａ中では、応力測定装置１により求められた基板９の表面形状を実線９０１にて示す。また、図５．Ａでは、比較例の他の測定装置による基板９の表面形状の測定結果を破線９０２にて示す。比較例の測定装置では、オートフォーカス機構を備えるステージ上に基板が載置され、ステージを昇降することにより基板上の複数の位置においてフォーカス調整が行われた後、当該複数の位置におけるフォーカス調整後のステージ高さに基づいて基板の表面形状が求められる。
【００５０】
図５．Ａに示すように、比較例の測定装置による測定結果では、表面が実際には平坦である基板９の中央近傍の部位においても、オートフォーカス機構のバックラッシにより比較的大きな凹凸が生じているが、応力測定装置１では、基板９の実際の形状に対応する表面形状が高精度に測定されている。
【００５１】
図５．Ｂは、応力測定装置１および比較例の測定装置による他の基板の表面形状の測定結果を示す図である。当該基板の表面には、配線パターン等のパターンが形成されており、当該パターン上から膜が形成されている。図５．Ｂに示す基板では、基板の直径方向の両側の部分が上向きに反っている。
【００５２】
図５．Ｂでは、応力測定装置１による測定結果を実線９０３にて示し、比較例の測定装置による測定結果を破線９０４にて示す。図５．Ｂに示すように、パターンが形成された基板に対する測定においても、応力測定装置１は、比較例の測定装置に比べて高精度に表面形状を測定することができる。
【００５３】
基板９の表面形状が測定されると、制御部５の曲率半径算出部５１３（図３参照）により、基板９上に設定された応力測定領域近傍の表面形状に基づいて（例えば、応力測定領域の高さ、および、応力測定領域の周囲の４点の高さに基づいて）、当該応力測定領域の曲率半径が求められる（ステップＳ１８）。応力測定領域近傍の部位をＺＸ面にて切断した断面における当該部位の曲率が、ＺＹ面にて切断した断面における当該部位の曲率とほぼ等しいことが予め分かっている場合には、応力測定領域の曲率半径は、例えば、応力測定領域の高さ、および、当該応力測定領域のＸ方向の両側に位置する２点の高さに基づいて求められてもよい。なお、応力測定領域は、基板９上の複数の傾斜ベクトル測定領域と一致していてもよく、複数の傾斜ベクトル測定領域の間に設定されてもよい。また、基板９上に複数の応力測定領域が設定されてよい。
【００５４】
応力測定領域の曲率半径が求められると、エリプソメータ３および第１膜厚算出部５１５、または、光干渉ユニット４および第２膜厚算出部５１６により（すなわち、応力測定装置１の膜厚測定部により）、当該応力測定領域における基板９上の膜厚が光学的に測定される（ステップＳ１９）。以下、エリプソメータ３による膜厚測定について説明し、その後、光干渉ユニット４による膜厚測定について説明する。
【００５５】
エリプソメータ３により膜厚が測定される際には、まず、ステージ移動機構２１により、ステージ２上のミラー２５が、光源ユニット３１からのレーザ光の照射位置へと移動し、光源ユニット３１からのレーザ光がミラー２５にて反射され、光干渉ユニット４の分光器４２へと導かれる。分光器４２では、受光した光の分光強度が取得され、その結果、実質的に、半導体レーザ３１２が出射するレーザ光の波長の確認（以下、「レーザ波長キャリブレーション」という。）が行われる。取得されたレーザ光の波長は、制御部５の第１膜厚算出部５１５（図３参照）へと出力され、エリプソメータ３による膜厚測定の際に利用される。
【００５６】
続いて、光干渉ユニット４の光源４１から照明光が出射されるとともに基板撮像部４４にて基板９の画像が取得され、当該画像に基づいてステージ移動機構２１が基板９をステージ２と共に移動することにより、エリプソメータ３の光源ユニット３１からの偏光光の照射位置が基板９上の応力測定領域に合わせられる。位置調整が終了すると、光源ユニット３１から偏光光が基板９へと出射され、受光ユニット３２にて反射光の偏光状態が取得される。
【００５７】
制御部５の第１膜厚算出部５１５（図３参照）では、表面形状算出部５１２により求められた基板９の表面形状から、応力測定領域の傾斜ベクトルが算出され、偏光光の応力測定領域に対する正確な入射角が求められる。そして、当該偏光光の入射角、および、レーザ波長キャリブレーションにより取得された光源ユニット３１からの偏光光の波長を用いつつ、受光ユニット３２により取得された偏光状態に基づいて（正確には、光源ユニット３１からの光の偏光状態も利用される。）、基板９上の応力測定領域における膜の厚さが求められる。なお、応力測定領域が複数の傾斜ベクトル測定領域のいずれかと一致している場合には、傾斜ベクトルの測定中に基板９からの反射光の偏光状態が取得されてもよい。
【００５８】
応力測定装置１では、エリプソメータ３のレーザ波長キャリブレーションが膜厚測定前に行われることにより、周囲の温度変化や光源ユニット３１の各構成の特性変化等により光源ユニット３１からの光の波長が変化した場合であっても、膜厚を精度良く求めることができる。また、表面形状算出部５１２により求められた基板９の表面形状を利用して基板９の傾きを補正することにより、応力測定領域における膜厚を精度良く求めることができる。
【００５９】
次に、光干渉ユニット４による膜厚測定について説明する。光干渉ユニット４により膜厚が測定される際には、まず、光干渉ユニット４において、光源４１からの照明光が光学系４５を介して基板９の応力測定領域へと導かれ、基板９からの反射光が分光器４２へと導かれる。そして、分光器４２にて反射光の分光強度が取得され、基板９の分光強度データが制御部５の第２膜厚算出部５１６へと出力される。
【００６０】
応力測定装置１では、光干渉ユニット４により、参照される基板（本実施の形態では、シリコン基板であり、以下、「参照基板」という。）の分光強度が予め取得されて第２膜厚算出部５１６に記憶されている。また、参照基板上に生じている二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の自然酸化膜の膜厚が、エリプソメータ３および第１膜厚算出部５１５により予め測定されて第２膜厚算出部５１６に記憶されている。第２膜厚算出部５１６では、エリプソメータ３により測定された自然酸化膜の膜厚から、参照基板の（垂直）分光反射率が理論的演算により算出され、「理論分光反射率」として予め記憶されている。
【００６１】
第２膜厚算出部５１６では、参照基板の理論分光反射率に基づいて参照基板および基板９の分光強度から基板９の分光反射率が求められる。ここで、参照基板の理論分光反射率をＲｃ（λ）、参照基板の分光強度をＩｃ（λ）、基板９の分光強度をＩｍ（λ）とし、基板９の分光反射率をＲｍ（λ）とすると、基板９の分光反射率Ｒｍ（λ）は数２により求められる。
【００６２】
（数２）    
Ｒｍ（λ）＝（Ｉｍ（λ）／Ｉｃ（λ））×Ｒｃ（λ）
【００６３】
すなわち、基板９の分光反射率は光干渉ユニット４により求められた基板９の分光強度に対して参照基板の理論分光反射率と参照基板の分光強度との比を乗じることにより求められる。第２膜厚算出部５１６では、さらに、基板９の分光反射率から基板９上の応力測定領域における膜厚が精度良く求められる。なお、応力測定領域が複数の傾斜ベクトル測定領域のいずれかと一致している場合には、傾斜ベクトルの測定中に基板９からの反射光の分光強度が取得されてもよい。
【００６４】
上述のように、膜厚測定が終了すると、ステップＳ１８，Ｓ１９において曲率半径算出部５１３および膜厚測定部（すなわち、エリプソメータ３および第１膜厚算出部５１５、または、光干渉ユニット４および第２膜厚算出部５１６）により求められた応力測定領域の曲率半径および膜厚、並びに、制御部５の入力部５６（図２参照）を介して予め入力されている基板９の厚さに基づいて、制御部５の応力算出部５１４により、応力測定領域における膜内の応力が求められる（ステップＳ２０）。ここで、応力測定領域における曲率半径および膜厚をそれぞれＲおよびｈｆとし、基板９の厚さをｈとし、基板９のヤング率およびポアソン比をそれぞれＥおよびνとすれば、応力測定領域における膜内の応力σは数３により求められる。
【００６５】
（数３）    
σ＝（Ｅ／（１−ν））×（ｈ２／（６Ｒｈｆ））
【００６６】
以上に説明したように、応力測定装置１では、開口絞り部４５３に配置された遮光パターン４５３ａの像を遮光パターン撮像部４３により取得することにより、基板９上の複数の傾斜ベクトル測定領域における基板９の傾斜ベクトルが求められ、当該複数の傾斜ベクトルに基づいて基板９の表面形状が求められる。そして、当該表面形状に基づいて求められた応力測定領域の曲率半径と、エリプソメータ３または光干渉ユニット４を利用して求められた当該応力測定領域における膜厚と、基板９の厚さとに基づいて応力測定領域における膜内の応力が求められる。
【００６７】
応力測定装置１では、基板９上の傾斜ベクトル測定領域の傾斜ベクトルを求める際に、比較的低倍率の対物レンズ４５７を介して基板９に光を照射し、基板９からの反射光を遮光パターン撮像部４３により受光することにより遮光パターン４５３ａの像を取得している。上述のように、対物レンズ４５７の焦点深度は比較的大きいため、基板９上の傾斜ベクトル測定領域が、上下方向（すなわち、図１中のＺ方向）に関して基準領域（すなわち、フォーカス調整が行われた領域）から多少ずれている場合であっても、対物レンズ４５７の焦点深度の範囲内に位置していれば、遮光パターン４５３ａと遮光パターン撮像部４３との結像関係に影響を生じることなく、遮光パターン４５３ａの像を高精度に取得することができる。
【００６８】
また、対物レンズ４５７から基板９に導かれる光は、基板９上においてほぼ平行光となっているため、傾斜ベクトル測定領域が焦点深度の範囲から多少ずれている場合であっても、遮光パターン４５３ａの像を精度良く取得することができる。これにより、基板９上の複数の傾斜ベクトル測定領域のそれぞれにおいて傾斜ベクトルを測定する際に、各傾斜ベクトル測定領域においてフォーカス調整を行うことなく、迅速かつ高精度に測定を行うことができ、基板９の表面形状を迅速かつ高精度に求めることができる。
【００６９】
応力測定装置１の光干渉ユニット４では、光源４１から出射される白色光により遮光パターン４５３ａの像が結像される。このため、基板９や基板９上の膜が特定の波長帯の光を吸収する材料により形成されている場合であっても、基板９等により吸収される波長帯以外の波長帯の光により、遮光パターン４５３ａの像を遮光パターン撮像部４３上に結像することができる。その結果、基板９や膜の材料にかかわらず、様々な種類の膜が形成された様々な種類の基板の傾斜ベクトルおよび表面形状を容易かつ高精度に求めることができる。
【００７０】
さらには、光干渉ユニット４では、遮光パターン４５３ａと遮光パターン撮像部４３とは光学的に共役とされているが、遮光パターン４５３ａと基板９とは共役にはされておらず、遮光パターン４５３ａの像は基板９上には結像されない。このため、基板９上にパターンが形成されている場合であっても、遮光パターン撮像部４３により取得される遮光パターン４５３ａの像は、基板９上のパターンの影響を受けない。このため、基板９上のパターンの有無にかかわらず、様々な種類の基板の傾斜ベクトルおよび表面形状を容易かつ高精度に求めることができる。
【００７１】
このように、応力測定装置１では、基板９の表面形状を容易かつ迅速に精度良く求めることができるため、当該表面形状に基づいて求められる応力測定領域の曲率半径、応力測定領域における膜厚、および、基板９の厚さに基づいて、応力測定領域における膜内の応力を容易かつ迅速に精度良く求めることができる。
【００７２】
応力測定装置１における傾斜ベクトルの測定では、光干渉ユニット４による照明光の照射領域を基板９に対して連続的に相対移動することにより、複数の傾斜ベクトル測定領域における基板９の傾斜をより迅速に取得することができる。その結果、基板９の表面形状、および、応力測定領域における膜内の応力をさらに迅速に求めることができる。
【００７３】
応力測定装置１における膜厚測定では、エリプソメータ３を利用することにより、比較的薄い膜の膜厚を高精度に測定することができる。また、膜厚測定に光干渉ユニット４を利用することにより、比較的厚い膜や多層膜の膜厚を高精度に測定することができる。光干渉ユニット４では、基板９の表面形状の測定に利用される光学系４５を利用して膜厚の測定を行うことができるため、応力測定装置１の構造を簡素化することができる。
【００７４】
応力測定装置１は、基板９を保持するステージ２、ステージ移動機構２１、光干渉ユニット４の光源４１、光学系４５、遮光パターン４５３ａおよび遮光パターン撮像部４３、並びに、制御部５の傾斜ベクトル算出部５１１および表面形状算出部５１２のみを用い、応力測定を行うことなく、基板９の表面形状を測定する表面形状測定装置として利用することもできる。
【００７５】
上述のように、応力測定装置１では、複数の傾斜ベクトル測定領域に対してフォーカス調整を繰り返すことなく遮光パターン４５３ａの像を取得して基板９の傾斜ベクトルを迅速かつ高精度に求めることができ、また、基板９や膜の材料、および、基板９上のパターンの有無にかかわらず様々な種類の基板の傾斜ベクトルを容易かつ迅速に高精度に求めることができる。したがって、応力測定装置１を表面形状測定装置として利用した場合も、同様に、基板９の傾斜ベクトルに基づいて基板９の表面形状を容易かつ迅速に高精度に求めることができる。
【００７６】
また、上述のように、応力測定装置１における傾斜ベクトルの測定では、光干渉ユニット４による照明光の照射領域を基板９に対して連続的に相対移動することにより、複数の傾斜ベクトル測定領域における基板９の傾斜をより迅速に取得することができる。その結果、基板９の表面形状をさらに迅速に求めることができる。
【００７７】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る応力測定装置について説明する。図６は、第２の実施の形態に係る応力測定装置１ａの構成を示す図である。図６に示すように、応力測定装置１ａは、図１に示す応力測定装置１の構成に加えて、光干渉ユニット４の対物レンズ４５７とステージ２との間の上下方向（すなわち、図６中のＺ方向）の距離、または、対物レンズ４５７とステージ２上に保持された基板９の表面との間の上下方向の距離を検出する距離検出部であるオートフォーカス検出ユニット（以下、「ＡＦ検出ユニット」という。）４６を備える。その他の構成は、図１に示す応力測定装置１とほぼ同様であり、以下の説明において同符号を付す。また、応力測定装置１ａによる基板９上の膜内の応力測定の流れも、第１の実施の形態とほぼ同様である。なお、図６では、図面の簡素化のために制御部５の図示を省略している。
【００７８】
図６に示すように、ＡＦ検出ユニット４６は、光ビームを出射する半導体レーザ４６１、シリンドリカルレンズ４６２、および、受光する光の位置をＰＳＤ（Position Sensitive Detector）素子により検出するＡＦ検出部４６３を備える。ステージ２上に基板９が載置されている状態では、半導体レーザ４６１から出射された光ビームは光学系４５の対物レンズ４５７を介して基板９の表面へと照射される。基板９からの光ビームの反射光は対物レンズ４５７を介してＡＦ検出ユニット４６のシリンドリカルレンズ４６２へと導かれ、さらに、ＡＦ検出部４６３へと導かれる。ＡＦ検出部４６３では、基板９からの反射光の受光位置により対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離が検出される。また、ステージ２上に基板９が載置されていない状態では、対物レンズ４５７とステージ２の表面との間の距離が検出される。
【００７９】
図７は、応力測定装置１ａの制御部５の機能を他の構成と共に示すブロック図である。図７に示すように、応力測定装置１ａの制御部５は、基板９の厚さを求める基板厚さ算出部５１７をさらに備える。その他の構成は図３と同様である。
【００８０】
応力測定装置１ａでは、ＡＦ検出ユニット４６のＡＦ検出部４６３において、対物レンズ４５７と基板９との間の距離、および、基板９を保持していない状態における対物レンズ４５７とステージ２との間の距離が検出されて制御部５の基板厚さ算出部５１７に出力される。そして、基板厚さ算出部５１７では、当該２つの距離に基づいて基板９の厚さが求められる。本実施の形態では、当該２つの距離の差が基板９の厚さとして求められる。
【００８１】
基板厚さ算出部５１７にて求められた基板９の厚さは、応力測定装置１ａによる基板９上の膜内の応力測定において、図４のステップＳ２０に示す応力算出部５１４による応力の算出に利用される。この場合、制御部５の入力部５６からの基板９の厚さの入力は省略される。
【００８２】
第２の実施の形態に係る応力測定装置１ａでは、第１の実施の形態と同様に、基板９上の応力測定領域における膜内の応力を容易かつ迅速に精度良く求めることができる。応力測定装置１ａでは、特に、ＡＦ検出ユニット４６により基板９の厚さを高精度に求めることができるため、応力測定領域における膜内の応力をより精度良く求めることができる。
【００８３】
応力測定装置１ａでは、基板９の移動開始（図４：ステップＳ１１）よりも前に行われるフォーカス調整にもＡＦ検出ユニット４６が利用される。基板９に対するフォーカス調整では、ＡＦ検出ユニット４６により検出された対物レンズ４５７と基板９の表面との間の距離に基づいて、基板９がステージ２と共にステージ昇降機構２４により上下方向に移動され、基板９の表面が対物レンズ４５７の焦点深度の範囲内に位置する。
【００８５】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【００８６】
例えば、上記実施の形態に係る応力測定装置では、ステージ２が固定された状態で、光干渉ユニット４の光源４１からの光、および、エリプソメータ３の光源ユニット３１からの光の基板９上における照射領域が基板９に対して移動されてもよい。
【００８７】
遮光パターン４５３ａは必ずしも開口絞り部４５３の位置に配置される必要はなく、光干渉ユニット４の光源４１から基板９に至る光路上において、開口絞り位置と光学的にほぼ共役な位置に配置されていればよい。また、遮光パターン４５３ａは特定の波長の光のみを遮光するパターンであってもよく、その場合、遮光パターン撮像部４３には特定の波長の光のみを透過するフィルタが配置されてもよい。
【００８８】
エリプソメータ３の光源ユニット３１から基板９に向かって出射される偏光光は、円偏光の光に限定されず、必要に応じて適宜異なった態様の偏光光（例えば、４５°の直線偏光）が利用されてもよい。さらに、光源ユニット３１から出射される光は、半導体レーザを光源とする光ビームには限定されず、例えば、光源ユニット３１から白色光が出射され、受光ユニット３２においてフォトダイオード３２２に代えて設けられた分光器により当該白色光の反射光が受光されてもよい。
【００８９】
第２の実施の形態に係る応力測定装置１ａでは、ＡＦ検出ユニット４６において対物レンズ４５７と基板９またはステージ２との間の距離の検出に利用される光は、必ずしも、ＡＦ検出ユニット４６から出射される必要はなく、例えば、光干渉ユニット４の光源４１からの光が、基板９またはステージ２にて反射され、対物レンズ４５７を介してＡＦ検出部４６３に導かれて対象の画像が取得され、画像のシャープネスに基づいてオートフォーカスが行われてもよい。このように、ＡＦ検出ユニット４６では、対物レンズ４５７から出射された光を利用して、対物レンズ４５７と基板９またはステージ２との間の距離が検出されることにより、構造の簡素化が実現される。
【００９０】
基板９は、半導体基板に限定されず、例えば、液晶表示装置やその他のフラットパネル表示装置等に使用されるガラス基板であってもよい。上記実施の形態に係る応力測定装置は、基板以外の様々な対象物の表面形状の測定、および、当該対象物上の膜内の応力測定に利用されてよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】第１の実施の形態に係る応力測定装置の構成を示す図である。
【図２】制御部の構成を示す図である。
【図３】制御部の機能を示すブロック図である。
【図４】応力測定の流れを示す図である。
【図５．Ａ】基板の表面形状を示す図である。
【図５．Ｂ】基板の表面形状を示す図である。
【図６】第２の実施の形態に係る応力測定装置の構成を示す図である。
【図７】制御部の機能を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９２】
１，１ａ    応力測定装置
２    ステージ
９    基板
２１    ステージ移動機構
３１    光源ユニット
３２    受光ユニット
４１    光源
４２    分光器
４３    遮光パターン撮像部
４５    光学系
４６    ＡＦ検出ユニット
４５３ａ    遮光パターン
４５７    対物レンズ
５１１    傾斜ベクトル算出部
５１２    表面形状算出部
５１３    曲率半径算出部
５１４    応力算出部
５１５    第１膜厚算出部
５１６    第２膜厚算出部
５１７    基板厚さ算出部
Ｓ１１〜Ｓ２０    ステップ
【図１】
0005459944.tif 000002
【図２】
0005459944.tif 000003
【図３】
0005459944.tif 000004
【図４】
0005459944.tif 000005
【図５．Ａ】
0005459944.tif 000006
【図５．Ｂ】
0005459944.tif 000007
【図６】
0005459944.tif 000008
【図７】
0005459944.tif 000009