(57)【要約】【課題】基板の変形を防止しつつ基板を保持する。【解決手段】応力測定装置の基板保持機構２０は、基板９の下面９１側において気体を噴出することにより基板９を下方から非接触にて支持する支持部２０１、および、支持部２０１に支持される基板９の側面に当接して基板９の移動を規制する円筒状の移動規制部２０２を備える。支持部２０１は、基板９の下面９１に対向する円板状の多孔質部材２０３を備え、基板保持機構２０では、多孔質部材２０３の上面２０３１全体からおよそ均一に気体を噴出することにより、基板９が支持部２０１に接触することなく面支持される。。これにより、基板９の変形を防止しつつ基板９を保持することができる。その結果、基板９の表面形状を高精度に求めることができ、基板９上の膜内の応力を高精度に求めることができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持する基板保持装置であって、
基板の下面に対向する平面を有する多孔質部材から気体を噴出することにより、前記基板の全体または外縁部を除く部位を下方から非接触にて支持する支持部と、
前記支持部に支持される前記基板の側面に当接して前記基板の前記下面に平行な方向への移動を規制する移動規制部と、
を備えることを特徴とする基板保持装置。
【請求項２】
請求項１に記載の基板保持装置であって、
前記多孔質部材の前記平面が、前記基板の前記下面全体と対向することを特徴とする基板保持装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の基板保持装置であって、
前記多孔質部材を介して気体が吸引されることにより基板が前記支持部に吸着されることを特徴とする基板保持装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の基板保持装置であって、
前記基板が、半導体基板であることを特徴とする基板保持装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の基板保持装置であって、
前記基板が、平面表示装置用のガラス基板であることを特徴とする基板保持装置。
【請求項６】
基板の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
基板を保持する請求項１ないし５のいずれかに記載の基板保持装置と、
前記基板保持装置により前記基板の前記下面が前記多孔質部材の前記平面に対して非接触とされた状態で前記基板の上面の形状を非接触にて測定する形状測定部と、
を備えることを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項７】
基板上の膜内の応力を測定する応力測定装置であって、
基板を保持する請求項３ないし５のいずれかに記載の基板保持装置と、
前記基板保持装置により前記基板の前記下面が前記多孔質部材の前記平面に対して非接触とされた状態で前記基板の上面の形状を非接触にて測定する形状測定部と、
前記形状測定部により求められた前記基板の前記上面の形状に基づいて前記上面における応力測定領域の曲率半径を求める曲率半径算出部と、
前記基板保持装置により前記基板の前記下面が前記多孔質部材の前記平面に吸着された状態において前記基板の前記上面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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板を保持する基板保持装置、並びに、当該基板保持装置を備える表面形状測定装置および応力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体素子の製造において、半導体基板（以下、単に「基板」という。）の表面の検査が行われており、このような検査を行う検査装置では、基板を保持する保持部の１つとして基板を吸着して保持する基板保持部が利用されている。例えば、特許文献１の基板保持部では、同心円状の流路が上面に形成された保持部材上に基板が載置され、流路内のエアがコンプレッサにより吸引されることにより基板が保持部材の上面に吸着される。
【０００３】
また、特許文献２に示すように、加圧エアを噴出する浮上テーブル上において基板を非接触にて支持する非接触支持装置も知られている。当該非接触支持装置では、浮上テーブルを貫通する複数の通気孔が形成されており、これらの通気孔を介して浮上テーブルの上面から加圧エアが噴出される。また、非接触支持装置では、矩形状の２つの浮上テーブルの間に細長い矩形状の軸受部材が挟まれており、軸受部材は、吸引用の細長い負圧溝と負圧溝の両側に設けられた細長い矩形状の静圧発生用の多孔質体を備える。
【０００４】
非接触支持装置により基板が支持される際には、浮上テーブルの複数の通気孔から噴出される加圧エアにより基板が非接触にて支持される。そして、２つの浮上テーブルの間の軸受部材の上方において、負圧溝からのエアの吸引による負圧と多孔質体から噴出される加圧エアによる静圧との調和により、基板に対する静圧軸受剛性が高められる。
【０００５】
一方、特許文献３では、基板を吸着して搬送する装置において、吸着プレートの吸着面を超高分子量ポリエチレンの薄い多孔質シートにより形成する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１０３９２１号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２９４１号公報
【特許文献３】特開２００２−１７３２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、成膜やアニール等の様々な処理が行われた基板は、反りや傾き等を有しており、完全には平坦ではない。このため、特許文献１の基板保持部のように基板を吸着して保持すると基板が僅かに変形する。
【０００７】
また、特許文献２の非接触支持装置では、基板が負圧溝の上方において負圧溝側に引き寄せられることにより、基板の中央が撓んだ状態にて支持されるため、当該非接触支持装置を基板の表面形状を測定する装置等の基板保持部として利用した場合、正確な測定結果を得ることができない。また、基板の中央以外の部位も、複数の通気孔から噴出される不均一な加圧エアにより支持されるため、基板に変形が生じる恐れがある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板の変形を防止しつつ基板を保持することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、基板を保持する基板保持装置であって、基板の下面に対向する平面を有する多孔質部材から気体を噴出することにより、前記基板の全体または外縁部を除く部位を下方から非接触にて支持する支持部と、前記支持部に支持される前記基板の側面に当接して前記基板の前記下面に平行な方向への移動を規制する移動規制部とを備える。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板保持装置であって、前記多孔質部材の前記平面が、前記基板の前記下面全体と対向する。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の基板保持装置であって、前記多孔質部材を介して気体が吸引されることにより基板が前記支持部に吸着される。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の基板保持装置であって、前記基板が、半導体基板である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の基板保持装置であって、前記基板が、平面表示装置用のガラス基板である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、基板の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、基板を保持する請求項１ないし５のいずれかに記載の基板保持装置と、前記基板保持装置により前記基板の前記下面が前記多孔質部材の前記平面に対して非接触とされた状態で前記基板の上面の形状を非接触にて測定する形状測定部とを備える。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、基板上の膜内の応力を測定する応力測定装置であって、基板を保持する請求項３ないし５のいずれかに記載の基板保持装置と、前記基板保持装置により前記基板の前記下面が前記多孔質部材の前記平面に対して非接触とされた状態で前記基板の上面の形状を非接触にて測定する形状測定部と、前記形状測定部により求められた前記基板の前記上面の形状に基づいて前記上面における応力測定領域の曲率半径を求める曲率半径算出部と、前記基板保持装置により前記基板の前記下面が前記多孔質部材の前記平面に吸着された状態において前記基板の前記上面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。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、基板の変形を防止しつつ基板を保持することができる。請求項２の発明では、基板の変形を基板全体に亘って防止することができる。請求項３の発明では、基板を平坦な状態で保持することができる。
【００１７】
請求項６の発明では、基板の表面形状を高精度に求めることができる。請求項７の発明では、基板上の膜内の応力を高精度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】
【００１８】
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、略円板状の半導体基板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。
【００１９】
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機構２０、基板保持機構２０を図１中のＸ方向およびＹ方向に移動する移動機構２１、基板保持機構２０を図１中のＺ方向に昇降する昇降機構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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
図４は、基板保持機構２０を示す平面図である。図４に示すように、基板保持機構２０は平面視において円形とされる。図５は、基板保持機構２０を示す縦断面図である。図５では、基板保持機構２０の中心軸を含む面における断面を示す。また、図５では、基板保持機構２０に保持される基板９も併せて描いている。
【００２３】
図４および図５に示すように、基板保持機構２０は、基板９の下面９１側において気体（例えば、加圧されたエア）を噴出することにより基板９を下方から非接触にて支持する支持部２０１、および、支持部２０１に支持される基板９の側面に当接して基板９の移動を規制する円筒状の移動規制部２０２を備える。
【００２４】
図５に示すように、支持部２０１は、基板９の下面９１に対向する円形の平面２０３１（以下、「上面２０３１」という。）を有する円板状の多孔質部材２０３、上部に多孔質部材２０３が取り付けられるベース部２０４を備える。ベース部２０４の上側には、平面視において円形の凹部が形成されており、当該凹部が多孔質部材２０３により閉塞されることにより内部空間２０５が形成される。
【００２５】
ベース部２０４の下側には、内部空間２０５に連通する真空吸引ポート２０４１および気体供給ポート２０４２が形成されており、内部空間２０５は、真空吸引ポート２０４１および配管２０４３を介して、図示省略の排気装置に接続されている。また、内部空間２０５は、気体供給ポート２０４２および配管２０４４を介して、図示省略の気体供給装置に接続されている。
【００２６】
多孔質部材２０３は、多孔質セラミックや多孔質ステンレス等により形成される。また、ステンレス以外の他の金属系多孔質材料やプラスチック系多孔質材料が多孔質部材２０３として利用されてもよい。多孔質部材２０３の空孔率は、好ましくは、１％以上１０％以下（より好ましくは、３％以上５％以下）とされる。
【００２７】
応力測定装置１では、配管２０４３に設けられたバルブ（図示省略）が閉じられ、配管２０４４に設けられたバルブ（図示省略）が開放された状態で、気体供給装置から配管２０４４および気体供給ポート２０４２を介して内部空間２０５に気体が供給されることにより、多孔質部材２０３の上面２０３１全体からおよそ均一に気体が噴出する。これにより、基板９の下面９１と多孔質部材２０３の上面２０３１との間に気体の層が形成され、当該気体の層を介して基板９が支持部２０１の多孔質部材２０３上に非接触にて面支持される。
【００２８】
基板保持機構２０では、多孔質部材２０３の上面２０３１が基板９の下面９１全体と対向しているため、基板９の全体が支持部２０１により下方から非接触にて支持される。そして、基板９の側面が移動規制部２０２の内側面に当接することにより、基板９が下面９１に平行な方向（すなわち、多孔質部材２０３の上面２０３１に平行な方向）に移動することが規制される。なお、移動規制部２０２は、基板９の側面に単に接触しているのみであり、基板９の重量を側面において実質的に支持しているわけではない。また、移動規制部２０２は、必ずしも円筒状とされる必要はなく、例えば、基板保持機構２０の中心軸を中心とする円周上に等ピッチにて配列された３本以上のピンであってもよい。
【００２９】
ところで、応力測定装置１では、基板保持機構２０により基板９を吸着して保持することもできる。基板９が吸着される際には、多孔質部材２０３の上面２０３１に基板９が載置され、配管２０４４に設けられたバルブが閉じられ、配管２０４３に設けられたバルブが開放された状態で排気装置が駆動される。そして、配管２０４３、真空吸引ポート２０４１、内部空間２０５および多孔質部材２０３を介して気体が吸引されることにより、基板９が支持部２０１の多孔質部材２０３の上面２０３１に吸着される。
【００３０】
図１に示すように、移動機構２１は、基板保持機構２０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）により基板保持機構２０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、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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３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°）にて基板保持機構２０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。
【００３３】
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。
【００３４】
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が基板保持機構２０の側方に取り付けられており、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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の上面９２（図５参照）の形状（以下、「表面形状」という。）、および、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の厚さ（以下、「膜厚」という。）が求められる。そして、これらの曲率半径および膜厚、並びに、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。
【００４２】
応力測定装置１では、光干渉ユニット４、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が、基板９の表面形状を非接触にて測定する形状測定部となっている。また、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２膜厚算出部５１６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１膜厚算出部５１５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。
【００４３】
図６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が図５に示す基板保持機構２０の支持部２０１上に載置され、気体供給装置から基板保持機構２０の内部空間２０５に気体が供給されて多孔質部材２０３の上面２０３１全体から気体が噴出する。これにより、基板９の下面９１が多孔質部材２０３の上面２０３１に対して非接触とされた状態で、基板９が基板保持機構２０により保持される（ステップＳ１１）。
【００４４】
続いて、基板９の上面９２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、図１に示す対物レンズ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。
【００４５】
フォーカスの調整が終了すると、移動機構２１による基板保持機構２０および基板９の移動が開始される。そして、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上の所定の領域（後述するように、傾斜ベクトルが求められる領域であり、以下、「傾斜ベクトル測定領域」という。）へと照射され、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。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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
基板９上には、複数の傾斜ベクトル測定領域が設定されており、光源４１からの光の照射領域は、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。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の画像の取得、および、基板９の傾斜ベクトルの算出が順次繰り返される（ステップＳ１２）。
【００５１】
応力測定装置１では、対物レンズ４５７の焦点深度が比較的大きいため、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。
【００５２】
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る。
【００５３】
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上に配線パターン等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上の配線パターン等の影響を受けない。その結果、基板９上の配線パターン等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高精度に求めることができる。
【００５４】
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すると、移動機構２１による基板９の移動が停止される。そして、制御部５の表面形状算出部５１２（図３参照）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Ｓ１３）。
【００５５】
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。
【００５６】
（数１）
Ｚｂ＝Ｚａ＋（ｓｉｎθａ＋ｓｉｎθｂ）Ｌ／２
【００５７】
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。
【００５８】
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、高さが算出されるべき傾斜ベクトル測定領域（以下、「算出対象領域」という。）を通ってＸ方向に伸びる直線上に位置する複数の傾斜ベクトル測定領域の高さを基準領域（または、高さが既に求められている傾斜ベクトル測定領域）から近い順に順次算出して算出対象領域の高さを求め、算出対象領域を通ってＹ方向に伸びる直線上に位置する複数の傾斜ベクトル測定領域の高さを基準領域（または、高さが既に求められている傾斜ベクトル測定領域）から近い順に順次算出して算出対象領域の高さを求め、求められた２つの高さの平均値が算出対象領域の高さとされてもよい。
【００５９】
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、基板保持機構２０により基準基板が非接触にて保持された状態で、上記と同様の表面形状測定工程（ステップＳ１１〜Ｓ１３）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基準基板上の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。
【００６０】
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。
【００６１】
図７は、基板９の表面形状を示す図である。図７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から求められた表面形状を実線９０１にて示している。図７に示すように、基板９は、測定対象とされた直径方向の両側（すなわち、図７中の左右両側）の部位において上向きに反っている。
【００６２】
図７中では、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、吸着ステージにより基板９が吸着された状態で表面形状の測定が行われる。比較例の測定装置では、基板９の中心から半径６０ｍｍの範囲内の部位（すなわち、図７中において、基板上の位置が−６０ｍｍ〜＋６０ｍｍの範囲内の部位）が、吸着ステージにより吸着されている。比較例の測定装置における各傾斜ベクトル測定領域の傾斜ベクトルの求め方は、本実施の形態に係る応力測定装置１における求め方と同様である。
【００６３】
図７に示すように、比較例の測定装置による測定結果では、基板９の吸着ステージに吸着されている部位が、実際の形状と異なりおよそ平坦とされているが、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。なお、図７には描いていないが、このような形状の基板９が吸着されることなく、単にステージ上に載置された場合、基板９の中央近傍の部位のみがステージにより支持されるため、基板９の直径方向の両側の部位が下方に垂れるように変形する（すなわち、基板９の反りが減少する）。したがって、基板９をステージ上に吸着することなく載置した場合も、基板９の表面形状を高精度に測定することは難しい。
【００６４】
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、表面形状算出部５１２により求められた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Ｓ１４）。
【００６５】
なお、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。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。
【００６６】
応力測定領域の曲率半径が求められると（あるいは、曲率半径の算出と並行して）、気体供給装置が停止され、図５に示す基板保持機構２０において、多孔質部材２０３の上面２０３１からの気体の噴出が停止される。続いて、排気装置が駆動されて多孔質部材２０３を介して気体が吸引されることにより、基板９の下面９１全体が多孔質部材２０３の上面２０３１に吸着され、基板９が平坦な状態で基板保持機構２０により保持される（ステップＳ１５）。
【００６７】
図１に示す応力測定装置１では、基板保持機構２０により基板９が吸着された状態において、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）、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Ｓ１６）。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。
【００６８】
エリプソメータ３により膜厚が測定される際には、まず、移動機構２１により、ミラー２５が基板保持機構２０と共に光源ユニット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。
【００６９】
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移動機構２１が基板９を基板保持機構２０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。
【００７０】
制御部５の第１膜厚算出部５１５では、偏光光の応力測定領域に対する入射角、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。
【００７１】
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。
【００７２】
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（図３参照）へと出力される。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
（数２）
Ｒｍ（λ）＝（Ｉｍ（λ）／Ｉｃ（λ））×Ｒｃ（λ）
【００７６】
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。
【００７７】
上述のように、膜厚測定が終了すると、ステップＳ１４，Ｓ１６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（図３参照）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Ｓ１７）。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。
【００７８】
（数３）
σ＝（Ｅ／１−ν）×（ｈ２／（６Ｒｈｆ））
【００７９】
以上に説明したように、応力測定装置１では、基板保持機構２０により基板９の下面９１が多孔質部材２０３の上面２０３１に対して非接触とされた状態で基板９の表面形状が測定される。このとき、基板保持機構２０では、基板９の下面９１に対向する多孔質部材２０３の上面２０３１全体からおよそ均一に気体を噴出することにより、基板９が支持部２０１に接触することなく面支持される。これにより、基板９の変形を防止しつつ基板９を保持することができ、その結果、基板９の表面形状を高精度に求めることができる。
【００８０】
また、基板保持機構２０では、多孔質部材２０３の上面２０３１が基板９の下面９１全体と対向しているため、基板９の変形を基板９全体に亘って防止することができ、基板９の表面形状をより高精度に求めることができる。さらには、応力測定装置１では、基板９の表面形状が光干渉ユニット４により非接触にて測定されるため、接触式の測定端子により測定を行う他の装置と異なり、測定端子からの荷重による基板の変形を防止することができ、基板９の表面形状をさらに高精度に求めることができる。
【００８１】
一方、基板９上の膜厚は、基板保持機構２０により基板９の下面９１が多孔質部材２０３の上面２０３１に吸着された状態において光学的に測定される。応力測定装置１では、基板保持機構２０により基板９を吸着することにより、基板９を平坦な状態で保持することができる。その結果、基板９の上面９２の傾きによる影響を抑制して、基板９上の膜厚を高精度に求めることができる。さらには、このように高精度に求められた基板９の表面形状、および、基板９上の膜厚に基づいて、基板９上の膜内の応力を高精度に求めることができる。
【００８２】
基板保持機構２０では、基板９の吸着が解除される際に、配管２０４３内のパーティクル等が気体とともに逆流して内部空間２０５内に流入するが、基板９の下面９１に当接する部位が多孔質部材２０３とされているため、多孔質部材２０３がフィルターの役割を果たし、パーティクル等が基板９の下面９１に吹き付けられて付着してしまうことを防止することができる。
【００８３】
光干渉ユニット４では、視野絞り部４５４に、中央部以外において特定の波長の光（例えば、波長８００ｎｍ以上の赤外光）を遮る遮光フィルタが配置され、遮光パターン撮像部４３に、当該特定の波長の光のみを透過する透過フィルタが取り付けられてもよい。これにより、基板９上の照明光の照射位置において、特定の波長の光が遮光フィルタの中央部に対応する微小領域のみに照射される。
【００８４】
照明光の反射光は遮光パターン撮像部４３へと導かれ、微小領域に対応する反射光のみが遮光パターン撮像部４３にて受光され、かつ、微小領域からの光により遮光パターン４５３ａが結像される。これにより、傾斜ベクトル測定領域の中心部における傾斜ベクトルを高精度に求めることができる。
【００８５】
応力測定装置１は、基板９を保持する基板保持機構２０、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の表面形状を高精度に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。
【００８６】
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８は、第２の実施の形態に係る応力測定装置の基板保持機構２０ａを示す縦断面図である。図８に示すように、基板保持機構２０ａでは、円板状の多孔質部材２０３の上面２０３１が、基板９の下面９１の外縁部（本実施の形態では、下面９１の外周縁から数ｍｍ程度内側までの領域）を除く円形の領域と対向している。基板９では、下面９１の当該円形領域上の円板状の部位９３が、最終的に半導体素子として利用される有効部位となっている。図８では、部位９３を二点鎖線にて囲んで示し、以下の説明では、部位９３を「有効部位９３」という。その他の構成は、図５に示す基板保持機構２０と同様であり、以下の説明において同符号を付す。
【００８７】
図８に示す基板保持機構２０ａでは、多孔質部材２０３の上面２０３１から気体を噴出することにより、基板９の外縁部を除く有効部位９３が下方から支持部２０１により非接触にて面支持される。これにより、基板９の変形を有効部位９３において防止しつつ基板９を保持することができ、その結果、第２の実施の形態に係る応力測定装置において、基板９の表面形状を高精度に求めることができる。
【００８８】
基板保持機構２０ａでは、また、基板保持機構２０ａにより基板９の有効部位９３を吸着することにより、基板９を平坦な状態で保持することができ、基板９上の膜厚を高精度に求めることもできる。その結果、第１の実施の形態と同様に、基板９上の膜内の応力を高精度に求めることができる。なお、基板保持機構２０ａに保持された基板９では、有効部位９３よりも外側の円環状の部位が僅かに変形する可能性はあるが、当該部位は最終的に半導体素子として利用されることはないため、膜内の応力の測定も行われない。
【００８９】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る基板保持機構について説明する。図９は、第３の実施の形態に係る基板保持機構２０ｂを示す平面図である。第３の実施の形態に係る応力測定装置では、液晶表示装置やプラズマ表示装置、有機ＥＬ表示装置等の平面表示装置用の矩形板状のガラス基板（以下、単に「基板」という。）が、基板保持機構２０ｂにより保持される。図９に示すように、基板保持機構２０ｂは平面視において矩形とされ、矩形板状の多孔質部材２０３ａを有する支持部２０１ａ、および、支持部２０１ａにより非接触にて支持される基板の側面に当接する矩形枠状の移動規制部２０２ａを備える。
【００９０】
基板保持機構２０ｂでは、多孔質部材２０３ａの上面２０３１から気体を噴出することにより、基板の全体が下方から支持部２０１ａにより非接触にて面支持される。これにより、第１の実施の形態と同様に、基板の変形を防止しつつ基板を保持することができる。基板保持機構２０ｂでは、第１および第２の実施の形態と同様に、多孔質部材２０３ａを介して気体が吸引されることにより、基板が支持部２０１ａに吸着されて平坦な状態で保持されてもよい。
【００９１】
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。
【００９２】
第１の実施の形態に係る応力測定装置１では、必ずしも、光干渉ユニット４からの出力に基づいて基板９の表面形状が求められる必要はない。例えば、基板９に対するフォーカス調整を自動的に行うオートフォーカス機構が設けられ、支持部２０１により基板９が非接触にて支持された状態で基板保持機構２０を昇降することにより、基板９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基板保持機構２０の高さに基づいて基板９の表面形状が求められてもよい。
【００９３】
上記実施の形態に係る基板保持機構は、必ずしも応力測定装置（または、表面形状測定装置）において利用される必要はなく、基板に対して種々の測定や処理等を行う様々な装置において、基板を保持する基板保持装置として利用されてよい。また、基板保持装置単体として利用されてもよい。
【００９４】
基板保持装置は、半導体基板や平面表示装置用のガラス基板以外の他の基板（例えば、有機半導体の薄膜が形成された（あるいは、形成される予定の）プラスチック基板や太陽電池に利用されるプラスチックフィルム基板）の保持に利用されてもよい。ただし、基板保持装置は、上述のように、基板の変形を防止しつつ基板を保持することができるため、高精度な測定や処理が求められる半導体基板や平面表示装置用のガラス基板の保持に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【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】基板保持機構を示す平面図である。
【図５】基板保持機構を示す縦断面図である。
【図６】応力測定の流れを示す図である。
【図７】基板の表面形状を示す図である。
【図８】第２の実施の形態に係る基板保持機構を示す縦断面図である。
【図９】第３の実施の形態に係る基板保持機構を示す平面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１    応力測定装置
３    エリプソメータ
４    光干渉ユニット
９    基板
２０    基板保持機構
９１    下面
９２    上面
２０１，２０１ａ    支持部
２０２，２０２ａ    移動規制部
２０３，２０３ａ    多孔質部材
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
２０３１    上面
【図１】
2008177206.tif 000003
【図２】
2008177206.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008177206.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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