(57)【要約】【課題】  薄板材ｗの近傍にロータ１３が存在するため、ロータ１３が回転することにより発生する風により、薄板材ｗが振動し、測定精度が悪くなる。また、回転するロータ１３部分が大きく露出することにより危険である。【解決手段】  固定されたステータ１２と、ステータ１２の回転中心より外側に配置されて回転するロータ１３と、ロータ１３上に薄板材ｗを保持する保持機構１７と、薄板材ｗの物理特性を測定する測定部１０とを備えたことにより、薄板材ｗ近傍のロータ１３が回転することにより発生する風を避けることが可能であり、薄板材ｗの振動を抑えることが可能となる。また、薄板材ｗに対して露出している部分を最小にすることが可能であるので、安全な測定を行うことが可能となる。【選択図】  図１
2005156546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定されたステータと、
前記ステータの外側に配置されて回転するロータと、
前記ロータに薄板材を保持する保持機構と、
前記薄板材の物理特性を測定する測定部と、
を備えたことを特徴とする薄板材の測定装置。
【請求項２】
前記ステータは、前記ロータの回転中心から前記ステータのロータ近傍まで延在する開口を有する、請求項１記載の薄板材の測定装置。
【請求項３】
前記測定部を前記薄板材の厚み方向の両側に配置した、請求項１又は２記載の薄板材の測定装置。
【請求項４】
前記薄板材を前記保持機構にて鉛直に保持する、請求項１から３のいずれかに記載の薄板材の測定装置。
【請求項５】
前記測定部は、出力光を生成する光出力部と、前記出力光を測定光と基準となる参照光とに分岐するとともに、前記分岐された測定光を前記薄板材の表面に照射して前記表面で反射した反射光と前記参照光とを再び混合する光分岐混合部と、前記光分岐混合部で混合された混合光を受光して前記薄板材の表面の形状を算出する受光部とを備えた光学式変位計である、請求項１から４のいずれかに記載の薄板材の測定装置。
【請求項６】
ステータより外側に配置されて回転するロータに備えられた保持機構に薄板材を保持し、前記ロータを回転させて前記保持した薄板材を回転させつつ前記薄板材の物理特性を測定することを特徴とする薄板材の測定方法。
【請求項７】
前記薄板材の厚み方向の両側から厚みと形状を測定する、請求項６記載の薄板材の測定方法。
【請求項８】
前記薄板材の物理特性の測定は、出力光を測定光と参照光とに分岐するとともに、分岐された測定光を前記薄板材の表面に照射し、前記薄板材の表面で反射した反射光と前記参照光とを再び混合し、前記混合された混合光を受光し、前記薄板材の表面の形状を算出することでなされる、請求項６又は７記載の薄板材の測定方法。
【請求項９】
前記薄板材の物理特性の測定を同心円状に行う、請求項６から８のいずれかに記載の薄板材の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄板材の厚み変動の測定装置および測定方法に関し、詳しくは半導体製造用のウエーハなど、厚み方向に直交する面方向における厚みの変動が少ないことが要求される薄板材の厚み変動を測定して評価する薄板材の測定装置および測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の薄板材の測定装置について、図１９から図２３を用いて説明する。
【０００３】
図１９は、従来の薄板材の測定装置の第一の例を示す概略構成図である。
【０００４】
図１９において、中空スピンドルの内周側に位置し回転するロータ１に設けられた保持部材２ａ、２ｂ、２ｃに薄板材ｗが保持される。薄板材ｗが保持された状態でロータ１を回転させるとともに、直線状に動くセンサユニット３をロータ１の回転にあわせて移動させることにより、螺旋状に薄板材ｗの厚みの測定を行っていた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図２０及び図２１は、従来の薄板材の測定装置の第二の例を示す概略構成図であり、薄板材ｗは回転するロータ４に保持される。
【０００６】
図２１は、薄板材の測定装置の第二の例における測定部の詳細図である。
【０００７】
図２１において、回転するロータ４の外周にステータ５があり、ロータ４はステータ５内で圧力源により支持されている。回転するロータ４に設けられた保持部材６ａ、６ｂ、６ｃにて薄板材ｗが保持される。よって、薄板材ｗは、回転するロータ４の近傍に配置される。薄板材ｗが保持された状態で、ロータ４を回転させるとともに、直線状に動くセンサユニット７をロータ４の回転にあわせて移動させることにより、螺旋状に薄板材ｗの厚みの測定を行っていた（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
図２２は、従来の薄板材の測定装置の第三の例を示す概略構成図である。
【０００９】
図２２において、中空スピンドル８に薄板材ｗが保持され、取付台９と干渉縞の変位量を計測する光学式変位計１０により構成された光学式プローブを、中空スピンドル８を構成し薄板材ｗを保持するロータの回転にあわせて移動させることにより、薄板材ｗの面内を螺旋状の経路で走査し、測定を行っていた。この際、薄板材ｗであるウエーハの結晶方向を示す切り欠きであるノッチが存在する薄板材ｗの外周部まで走査され測定されていた（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】米国特許第４，２８０，３５４号明細書
【特許文献２】特開平１０−７０１６２号公報
【特許文献３】特開２０００−２８３７２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記に示したような従来の装置構成及び測定方法では、図２３に示すように、ステータ５の内側にロータ４が配置されている。該構成によれば、ロータ４の形状をコンパクトにでき、装置の製造を容易にするとともに、ロータ４の慣性モーメントを小さくできロータ４の加減速を容易にすることができる。しかしながら、ステータ５の内側にロータ４を配置させる構成により、以下の問題が生じる。即ち、リング状のロータ４の中央部分に保持部材６にて薄板材ｗが保持されており、薄板材ｗの近傍にロータ４が存在するため、ロータ４が中心軸４ａの軸周り方向に回転することにより、ロータ４の中空部分４ｂに発生する風４ｃにより、薄板材ｗが振動し、測定精度が悪くなるという課題があった。また、回転するロータ部分が大きく露出することにより危険であるという課題を有していた。さらに、固定子であるステータの内側にロータが設けられることから、ステータにおける、ロータを設けるための開口穴が大きく、ステータの剛性を低下させてしまう。よって、ロータの回転により、装置に振動が発生し薄板材ｗの測定精度をさらに低下させたり、ロータがスラスト方向に歪んで回転するため薄板材ｗの測定精度をさらに低下させたりするという課題があった。また、ステータの内側にロータが設けられることから、ロータ駆動部から発生する熱が内側にこもり易く、測定装置自体に熱膨張を生じさせ薄板材ｗの測定精度に影響を与える場合もある。
【００１１】
本発明は前記課題を解決するものであって、高精度でかつ安全な薄板材の測定装置および測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために本発明は、固定されたステータと、
前記ステータの外側に配置されて回転するロータと、
前記ロータに薄板材を保持する保持機構と、
前記薄板材の物理特性を測定する測定部と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
該構成により、ロータは、ステータの外側に配置されステータの周りを回転する。該構成を採ることは、ロータの形状が大きくなり、よって装置の製造を容易でなくするとともに、ロータの慣性モーメントが大きくなりロータの駆動についても容量の大きな駆動源を要することになる。尚、ロータが大きくなることで、トルクは増すが、当該測定装置においては被回転物は薄板材でありトルクを増す必要はない。しかしながら、ステータの外側にロータを配置することで、薄板材近傍のロータが回転することにより発生する風が薄板材へ悪影響を与えるのを避けることが可能であり、薄板材の振動を抑えることが可能となる。よって、薄板材の測定精度を従来に比べて向上させることができる。このように、薄板材を非常に高い測定精度にて測定しなければならない測定装置において、ステータの外側にロータを配置する構成は、非常に有効な構成となる。
【００１４】
また、ステータを中心側に、ロータをステータの外側に配置したことから、薄板材に対して露出している部分を最小にすることが可能であるので、薄板材がロータから落下した場合でも、回転しているロータと薄板材が接触してウエーハ等の薄板材が破損して破片が飛び散ることを防止することが可能であり、安全な測定を行うことが可能となる。
【００１５】
また、前記ロータは、開口を有する円環状であり、
前記保持機構は、前記ロータの前記開口の中央部にて前記ロータの直径方向に沿って前記薄板材を配置させる爪部材を有し、
前記ステータは、前記ロータの前記開口に配置される部材で前記ロータを非接触に支持しかつ前記ロータの回転に起因し前記薄板材の前記物理特性測定に影響を与える空気振動の発生を防止し、かつ前記測定部を前記薄板材に対向して配置するための測定部用開口を形成した測定精度向上部材を有するように構成することもできる。
【００１６】
ステータに備わる測定部用開口は、薄板材の外周端まで測定部が移動可能な大きさであればよく、その形状は問わない。例えば、ロータと同心円状の円形であってもよい。尚、ロータとともに回転する薄板材の芯ぶれを低減して測定精度を向上させるためには、非接触にてロータを支持するステータの剛性を向上させる必要がある。そのため、測定部用開口は、小さい方が好ましく、最低限、測定部が移動可能な大きさであればよい。よって、前記測定部用開口は、前記直径方向に沿って前記薄板材の回転中心から前記薄板材の外周端まで延在し前記測定部が移動可能な矩形状であるように構成することもできる。
【００１７】
また、光学式変位計を薄板材の径方向に直線移動させながら前記薄板材の径方向データを測定し、前記光学式変位計を前記薄板材の径方向の直線移動と前記薄板材の回転移動とを行いながら前記薄板材の面を走査して面データを測定する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、薄板材の近傍でロータが回転することにより発生する風を避けることが可能であり、薄板材の振動を抑え、高精度な測定を行うことが可能となる。
【００１９】
また、薄板材に対して露出している部分を最小にすることが可能であるので、薄板材が
ロータから落下した場合でも、回転しているロータと薄板材が接触してウエーハ等の薄板材が破損し破片が飛び散ることを防止することが可能であり、安全な測定を行うことが可能となる。
【００２０】
また、薄型構成で剛性が高く、高精度な回転部を構成することが可能である。
【００２１】
また、同心円状に測定することにより、薄板材の外周部分から均一な位置を測定し、より正確な測定を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の一実施の形態について、図１から図１８を用いて説明する。
【００２３】
〔装置の全体構造〕
本発明の一実施の形態における薄板材の測定装置では、図２２に示す従来の測定装置とほぼ同等の測定装置構成を有する、図１２に示す測定装置１００を用いる。該測定装置１００は、光学式変位計１０に接続され薄板材ｗの測定を行う測定演算部１０１、及び当該測定装置１００に備わる各構成部分の動作制御を行う制御装置１０２を備える。本発明の一実施の形態における測定装置１００と従来の測定装置の異なる点は、後で説明する中空スピンドル８の構成である。
【００２４】
本発明の一実施の形態における測定装置の構成及び動作では、図２２、図１３及び図１４に示すように、薄板材の一例であるウエーハｗを垂直に立てた状態で、中空スピンドル８を構成する円環状のロータに保持させ、該ロータの回転駆動によってウエーハｗを垂直に立てた状態で周方向に回転させる。尚、薄板材の他の例としては、例えば磁気ディスク等がある。ウエーハｗの両面側方にそれぞれ光学式変位計１０が配置されている。図２２では、片面側のみが図示されているが、反対側の面にも対称位置に光学式変位計１０が配置されている。一対の光学式変位計１０は、全体がウエーハｗの面と平行な方向に移動自在に取り付けられており、光学式変位計１０による変位の測定位置は、ウエーハｗの半径上を直径方向に沿って左右に移動する。具体的には、光学式変位計１０の取付台９を、ボールネジ１１の回転駆動により直線的に移動させる。
【００２５】
〔中空スピンドルの構造〕
図１は、本発明の実施の形態における中空スピンドル８の一例の概略構成を示す断面図である。
【００２６】
図１において、中空のスピンドル８は、固定されたステータ１２に対して外側に配置され開口１３ｂを有する円環状のロータ１３と、ステータ１２の外周面上に配置されたコイル１４と、コイル１４と対向する位置にてロータ１３に配置された磁石１５と、ステータ１２とロータ１３との間に構成された空気軸受け１６と、ロータ１３上に回転中心１３ａに向かって配置されかつウエーハｗを保持する複数の保持機構１７とを備えた構成であり、コイル１４に電力部１４ａから電力を加えることによりステータ１２の周りをステータ１２に案内されながら回転中心１３ａを中心にロータ１３が回転する。
【００２７】
さらに詳しく説明すると、ステータ１２は、ロータ１３の開口１３ｂに配置される部材でロータ１３を非接触に支持しかつロータ１３の回転に起因し薄板材ｗの物理特性測定に影響を与える空気振動、即ち図２３を参照して上述した風４ｃ、の発生を防止する測定精度向上部材１２ａと、開口１３ｂに対応して測定精度向上部材１２ａに形成される測定部用開口１８とを有する。
【００２８】
空気軸受け１６について、図１８を参照して説明する。気体供給源１６ａからステータ１２へ供給された圧縮空気は、ステータ１２内の通路を通り、ステータ１２とロータ１３との間に形成される１０μｍ程度の微細な通路１６ｂ及び通路１６ｃを通過した後、ロータ１３に形成される放出穴１６ｄ、及びステータ１２とロータ１３との隙間１６ｅ、１６ｅを通過して外部へ放出される。ステータ１２には、このような構成にてなる軸受け用通路がステータ１２の周方向のおいて１２０度の間隔で３箇所に設けられている。上述の構成の内、気体例えば空気が圧力勾配を持ちながら通路１６ｃを流れることによりラジアル方向においてステータ１２に対してロータ１３を浮上させかつクッション機能を生じさせ、気体例えば空気が圧力勾配を持ちながら通路１６ｂを流れることによりスラスト方向においてステータ１２とロータ１３との隙間を確保しかつクッション機能を生じさせる。よって、空気軸受け１６にて、ステータ１２に対してロータ１３は非接触にて回転可能に支持され、さらに、ロータ１３のラジアル方向及びスラスト方向へのぶれを抑え高精度な測定を実現可能とする。
【００２９】
保持機構１７は、ロータ１３の開口１３ｂの中央部にてロータ１３の直径方向１３ｃに沿って薄板材ｗを配置させる爪部材１７ａを有する。尚、保持機構１７は、ロータ１３と伴に回転することから、該回転による気流が薄板材ｗの測定に悪影響を与えないように、図１に示すように、ステータ１２に対向する保持機構１７とステータ１２との隙間１７ｂを５ｍｍ程度あけたり、爪部材１７ａを流線型にしたりするのが好ましい。
【００３０】
また、測定部の機能を果たす一例である光学式変位計１０は、薄板材ｗに対向して測定部用開口１８内に配置される。
【００３１】
前記構成によれば、ロータ１３がステータ１２の外側に配置されているため、ロータ１３が回転することによりロータ１３の内周面から発生する風は、ステータ１２の測定精度向上部材１２ａにて遮られることから、従来のように風４ｃにより薄板材の一例であるウエーハを振動させることはない。また、ステータ１２の外側にロータ１３が配置されることから、ロータ１３を回転させる駆動部を構成するコイル１４及び磁石１５もステータ１２の外側に配置されている。よって、前記駆動部から生じる熱の放散が効率的に行われ、該熱が測定装置１００に与える影響を低減することができる。又、空気軸受け１６用の空気供給とは別設され、前記駆動部の冷却用として気体供給装置を設けることもできる。又、前記駆動部の放熱性を良くするための構造、例えば放熱フィンを設ける等を施すこともできる。
【００３２】
また、測定中ウエーハが落下したとしても、回転しているロータでウエーハを破損させることがなく、安全な測定を行うことが可能である。
【００３３】
また、図２に中空スピンドル８の他の例の概略構成断面図を示す。
【００３４】
図２において、図１と異なる点は、ステータ１２上に配置されたコイル１４とロータ１３上に配置された磁石１５とが、ステータ１２及びロータ１３のそれぞれのスラスト面１２ｂ、１３ｄに配置されている点である。
【００３５】
前記構成によれば、中空スピンドル８の軸方向８ａの厚さを薄くすることが可能であり、特に、前記軸方向８ａと平行な薄板材ｗの厚み方向８ａの両側から測定する場合には、装置全体の小型化が可能となる。
【００３６】
また、薄板材ｗにおける表面と裏面の光学式変位計１０の設置間距離を近づけることにより装置全体の剛性を向上させ、外乱振動の影響を低減することにより高精度化も併せて行うことが可能となる。
【００３７】
さらに、中空スピンドル８の別の例について、図１３〜図１７を参照して以下に説明する。図１３及び図１４は、測定装置１００の中空スピンドル８部分のみを示した図であり、図１５は、図１３及び図１４に示すＩ−Ｉ部分における断面を示している。
【００３８】
上述した中空スピンドル８では、ロータ１３の内側に設けられるステータ１２の測定精度向上部材１２ａに形成されている測定部用開口１８は、図１及び図２に示すように、回転中心１３ａを中心とした、薄板材ｗの直径を超える大きさの円形の開口である。一方、図１３〜図１６に示す中空スピンドル８−１では、図示するように、ロータ１３の内側に設けられるステータ１２−１の測定精度向上部材１２ａは、測定部の機能を果たす一例である光学式変位計１０が移動するのに十分で最低限の大きさにてなる測定部用開口１８−１を有する。該測定部用開口１８−１は、例えば図１４に示すように、薄板材ｗの直径方向１３ｃに沿って薄板材ｗの回転中心１３ａから薄板材ｗの外周端ｗａまで延在し光学式変位計１０が移動可能な矩形状である。尚、実際には光学式変位計１０が移動可能なように、測定部用開口１８−１は、直径方向１３ｃにおいて、回転中心１３ａを超えて、及び薄板材ｗの外周端ｗａを超えて延在する。より具体的には、薄板材ｗの外周端ｗａよりもステータ１２の外周の方が寸法的に大きいことから、測定部用開口１８−１は、図１に示すステータ１２の外周の近傍部分であるステータ外周部近傍１２ｃまで延在する。
【００３９】
このようにステータ１２−１を有する中空スピンドル８−１は、中空スピンドル８による上述の効果、即ち、ロータ１３がステータ１２−１の外側に配置されているため、ロータ１３が回転することによりロータ１３の内周面から発生する風４ｃにより薄板材ｗを振動させることはない、という効果を奏する。さらにまた、ステータ１２−１では、ステータ１２の測定部用開口１８に比べて測定部用開口１８−１の開口面積が小さい。よって、中空スピンドル８−１の剛性を、中空スピンドル８の場合に比べて向上させることができる。よって、ロータ１３がスラスト方向又はラジアル方向に歪んで回転することをさらに低減することができ、中空スピンドル８−１部分に振動が発生することはなく、薄板材ｗの測定精度をさらに向上させることができる。
【００４０】
図１６には、中空スピンドル８−１の変形例を示しており、図２を参照して上述した中空スピンドル８の変形例に対応する構成を有する。該構成によれば、中空スピンドル８−１において、図２に示す中空スピンドル８が有する効果をさらに奏することができる。
【００４１】
また、図１７に示す中空スピンドル８−２のように、測定精度向上部材１２ａのみにてステータを構成し、測定精度向上部材１２ａは、ベース部材１９と一体的に構成することもできる。
【００４２】
ステータを外側に、ロータを内側に配置した構成を採った場合、ロータを支持するステータが外側に位置することから、装置構成が大型化し重量が増加してしまう。一方、上述したような、ステータ１２の外側にロータ１３を配置した構成を採ることで、非接触にロータを支持するステータが内側に位置することから、装置構成をコンパクト化でき、軽量化を図ることができる。
【００４３】
〔光学式変位計〕
図３は、本発明の実施の形態における光学式変位計１０の構成図である。
【００４４】
図３において、ウエーハｗの両側の光学式変位計１０、１０は、それぞれ測定光学系２１、２１と受光部２２、２２とを有するとともに、一つのレーザ出力装置２３から出力されたコヒーレント光で動作する。
【００４５】
レーザ出力装置２３は、周波数安定化Ｈｅ−Ｎｅレーザが用いられ、参照光Ｌ０と測定光Ｌ１とが混合された出力光Ｌ０＋Ｌ１を出力する。レーザ出力装置２３から出力された出力光Ｌ０＋Ｌ１は、複数のミラー２４およびアイソレータ２５を経て、ビームスプリッタ２６で２方向に分割される。分割された出力光Ｌ０＋Ｌ１は、さらに複数のミラー２４を経て、ウエーハｗの両側の測定光学系２１、２１へと供給される。
【００４６】
図４は、本発明の実施の形態における光学式変位計１０の詳細図である。
【００４７】
図４において、測定光学系２１は出力光Ｌ０＋Ｌ１が、収束レンズ２７で絞り込まれたあと、分岐混合部となる偏光ビームスプリッタ２８に供給される。収束レンズ２７は、出力光Ｌ０＋Ｌ１を絞り込むことで、測定光Ｌ１をウエーハｗの表面位置に正確に収束させて照射する。偏光ビームスプリッタ２８では、測定光Ｌ１はそのまま真っ直ぐに進み、参照光Ｌ０は直角方向に反射して、両者が分岐される。このような分岐は、レーザ出力装置２３で出力される測定光Ｌ１と参照光Ｌ０との偏光方向の違いによって生じる。
【００４８】
測定光Ｌ１はλ／４波長板２９を通過したあと、ウエーハｗの表面に向かう。測定光Ｌ１はウエーハｗで反射されて、再び偏光ビームスプリッタ２８へと戻される。偏光ビームスプリッタ２８を出た参照光Ｌ０は、λ／４波長板３０を通過したあと、参照ミラー３１で反射して再び偏光ビームスプリッタ２８に戻る。偏光ビームスプリッタ２８から参照ミラー３１までの距離は、偏光ビームスプリッタ２８からウエーハｗまでの距離と同じに設定されている。
【００４９】
参照光Ｌ０は偏光ビームスプリッタ２８を直進する。測定光Ｌ１は偏光ビームスプリッタ２８で直角方向に反射されて参照光Ｌ０と同じ方向に進むことになる。その結果、偏光ビームスプリッタ２８からは、参照光Ｌ０と測定光Ｌ１との混合光Ｌ０＋Ｌ１が出力される。但し、それまでの光の行程が、測定光Ｌ１ではウエーハｗまでの距離によって変わり、参照光Ｌ０では変わらないので、両方の光の行程差あるいは位相差が生じている。
【００５０】
偏光ビームスプリッタ２８から出力される混合光Ｌ０＋Ｌ１は、複数のミラー３２、コリメートレンズ３３、フォーカスレンズ３４を経て、受光部２２に入力される。コリメートレンズ３３は、混合光Ｌ０＋Ｌ１を平行光にし、フォーカスレンズ３４は、混合光Ｌ０＋Ｌ１を受光部２２の受光面に収束させて、測定光Ｌ１がウエーハｗの表面で反射することで生じる傾きやズレを修正し、受光部２２の受光面に確実に入力させる。受光部２２では、光信号を電気信号に変換したり、参照光Ｌ０と測定光Ｌ１の波長や位相を電気的に分析し、そのデータを演算処理することで、ウエーハｗの表面位置あるいはその変化を数値情報として得る。参照光Ｌ０と測定光Ｌ１とを干渉させることで、前記した行程あるいは位相の違いを拡大あるいは明確化させて干渉縞として現出させれば、光電変換素子においてウエーハｗの変位情報を電気的信号として取り出し易くなる。
【００５１】
ウエーハｗの表面に沿って場所を変えて、前記のような測定を行うことで、ウエーハｗの場所による表面位置の変動すなわち変位が求められる。ウエーハｗの両面に配置された光学式変位計１０、１０で、ウエーハｗの表面変位をそれぞれ測定する。ウエーハｗの両面の表面変位を合計したものが、ウエーハｗの厚み変動を表す。なお、厚み変動の測定では、ウエーハｗの厚みそのものを測定する必要はなく、面方向における厚みの違いやバラツキを厚み変動として測定すればよいが、左右の光学式変位計１０、１０の間隔が判っていれば、両方の光学式変位計１０、１０に対するウエーハｗの位置情報からウエーハｗの厚みを知ることができる。
【００５２】
また測定、評価には、前記光学式変位計以外の、物理特性を測定するセンサを用いても良い。
【００５３】
〔測定動作〕
図５は、本発明の実施の形態における光学式変位計１０によるウエーハｗの全面に対する表面変位の測定動作を説明する図である。該測定動作は、前記制御装置１０２にて駆動部分が動作制御されながら、測定演算部１０１にて実行される。
【００５４】
図５において、ウエーハｗを垂直に立てた状態でウエーハｗの中心Ｂを回転中心として周方向の一方向に回転させながら、ウエーハｗに対して光学式変位計１０をウエーハｗの外周Ａから中心Ｂに向かって半径方向に移動させていき、表面変位の測定を行う。このように動作させることにより、ウエーハｗに対する光学式変位計１０の位置は、軌跡Ｓで示す渦巻き線に沿って移動することになる。この軌跡Ｓ上で、適宜の間隔をあけて、光学式変位計１０によるウエーハｗの表面変位の測定を行うことにより、ウエーハｗの全面に対する表面変位の測定が能率的に行うことが可能となる。
【００５５】
また、光学式変位計１０の移動は、駆動部であるボールねじ１１にて、直径方向１３ｃに沿った水平方向に直線的に半径Ａ−Ｂの距離だけ行えばよいので、光学式変位計１０の作動機構が簡単にすることが可能となる。
【００５６】
なお、ウエーハｗに対する表面変位の測定は、ウエーハｗの回転を開始した後、回転速度が一定になってから行うようにしてもよいが、以下に説明する方法で行うことにより、より能率的に行うことが可能である。
【００５７】
〔加減速過程〕
図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の実施の形態におけるウエーハｗと光学式変位計１０の経時的動作を示す図である。図６Ａは、１回の測定タクトにおける、ウエーハｗの回転速度（角速度ω）の変化を示しており、図６Ｂは、光学式変位計１０の直線移動速度Ｖｘの変化を示している。
【００５８】
図６Ａにおいて、中空スピンドル８のロータ１３に保持されたウエーハｗをモータなどで回転させるときには、ウエーハｗおよび中空スピンドル８の回転部材などが有する慣性モーメントがあるため、回転開始時に直ちに所定の回転速度にすることは困難であり、回転速度ωが０の状態から徐々に回転速度ωが増加して、一定時間後に所定の速度に達する。また、測定終了時に回転を停止させた際も、回転速度ωは徐々に低下して、一定時間経過後に０に戻って停止する。
【００５９】
同様に、光学式変位計１０の直線移動についても、図６Ｂに示すように、移動の開始時には速度Ｖｘが０の状態から徐々に速度が増加する。移動の終了時は速度Ｖｘが徐々に低下して０に戻る。従って、ウエーハｗの回転速度ωが一定速度の間だけ測定を行うようにした場合、測定開始前の加速時間および測定終了後の減速時間が、本来の測定時間の他に必要となり、測定タクトが長くなってしまう。ウエーハｗの回転速度ωが一定速度になってから測定を行う場合には、ウエーハｗの回転速度ωが停止状態から一定の速度に達するまでの加速時間は測定しない時間になり、その分だけ測定タクト時間が延びるのである。
【００６０】
そこで、本発明の実施の形態においては、ウエーハｗの回転開始と同時に光学式変位計１０の直線移動をウエーハｗの外周位置Ａから開始し、さらに光学式変位計１０による変位測定、つまりデータ取り込みも開始する。ウエーハｗの回転速度および光学式変位計１０の速度は徐々に増加する。
【００６１】
ウエーハｗの回転速度と、光学式変位計１０の直線移動速度あるいは移動位置とを、ロータリエンコーダや位置センサなどの、図１２に示すセンサ１０３ａ，１０３ｂで検出し、制御装置１０２に備わるマイクロコンピュータなどの演算手段で演算処理し、その結果に基づいてウエーハｗおよび光学式変位計１０の駆動モータなどを制御装置１０２にて制御して、ウエーハｗと光学式変位計１０との運動を同期させれば、図５に示す渦巻き状の軌跡Ｓに沿って、ウエーハｗと光学式変位計１０とを相対的に移動させることが可能であり、軌跡Ｓの上に設定された所定位置毎に、光学式変位計１０による変位測定を行うことが可能である。
【００６２】
図６Ｂに示すように、光学式変位計１０が外周Ａから半径Ａ−Ｂの半ば近くになるまでは移動速度Ｖｘを加速し、所定の速度、例えば、Ｖｘ＝８ｍｍ／ｓｅｃに達すると直ちに減速して、中心位置Ｂで停止させる。
【００６３】
図６Ａに示すように、ウエーハｗの回転速度ωは、回転開始から光学式変位計１０の移動速度Ｖｘのピーク時点までは加速し、最大速度、例えば、ω＝２４０ｒｐｍに達した後、ピーク時点からは減速して光学式変位計１０の停止と同時に回転を停止させる。
【００６４】
前記のような動作を行わせることで、一定の速度に達してから測定を開始し、測定を終了してから減速停止を行う方法に比べて、測定タクトを大幅に削減することができる。
【００６５】
〔スパイラル測定のレーザ飛び補正処理〕
しかしながら上述した光学式プローブでは、長さの基準となるスケールには、物理現象で決まる精度の高い光の波長を基準として測定できるというメリットがあるが、測定面に切り欠きがある等の測定面が連続でない場合に、データの飛びが発生し、前記プローブからの信号のみでは、このデータの飛びを補正することが困難である。
【００６６】
そこで、本発明の実施の形態においては、以下の測定動作により補正を行う。該測定動作は、制御装置１０２にて駆動部分が動作制御されながら、測定演算部１０１にて実行される。尚、測定演算部１０１の詳細は、図１３、図１４に記載する。また、測定演算部１０１において測定データの補正を実行する部分を補正部１０４とし、補正部１０４内にて当該スパイラル測定のレーザ飛び補正処理を機能上実行する部分を第１飛び補正処理部１０１ｂとする。
【００６７】
図７Ａ、図７Ｂ、および図８Ａ、図８Ｂは、本発明の実施の形態における、図５に示すようなスパイラル測定の補正処理を説明する図である。
【００６８】
測定の開始時に、ウエーハｗの振動の少ないウエーハｗの保持部材近傍から光学式変位計１０を横断させ、ウエーハｗの中央に直線状に移動させる。
【００６９】
図７Ａは、ウエーハｗより外側の光学式変位計１０の退避位置より、測定開始点であるウエーハｗ中央への移動の際に測定された軸上測定データを示す図であり、図８Ａは、一断面データつまり薄板材ｗの厚みデータを示す図である。光学式変位計１０により測定された、図７Ａと図８Ａの形状データを取得し、記憶装置１０１ａに記憶することにより、円盤状の薄板材の、半径方向の一断面のデータつまり薄板材ｗの厚みデータを取得する。
【００７０】
次に、前記のようなスパイラル状の測定を行い、ウエーハ面の全面データ、つまりウエーハ全面における厚みデータを取得するが、ウエーハの結晶方位を弁別する切り欠きであるノッチ近傍では測定に使用する光が反射しなくなり、測定データの継続性がなくなり、図７Ａと図８Ａに示すようなデータ飛び３５が発生する。
【００７１】
但し、ノッチによるレーザ飛びは１回転の測定で１箇所しか発生せず、ノッチ以外の場所での測定は正確な測定が行われている。そこでスパイラル測定でノッチにかかる部分の近傍で１回転ごとにデータを分割し、これら各分割された全面データと、半径方向の一断面データ３６との交点におけるそれぞれの薄板材の厚みデータの差を求め、この差を補正値として、分割データにオフセットとして足し合わせることにより、レーザの飛びによるデータ飛び３５を補正することが可能である。
【００７２】
図８Ａにおいて、最外周から２周目の測定経路にノッチが存在しているデータであるＳ１とＳ２の例を示す。データ飛び３５はノッチ部分で発生し、これ以降の走査測定経路の部分で測定誤差が発生している。これを、ウエーハ３５の上面より見て、１断面データ３６とＳ１、Ｓ２との交点Ｐ１、Ｐ２におけるそれぞれの断面データの厚さ方向の差△１、△２を算出する。算出した差△１、△２をＳ１、Ｓ２の各１周の形状データにオフセットとして加えることにより、薄板材の厚みデータを補正し、正しい値を求めることが可能となる。
【００７３】
図７Ｂと図８Ｂは前記補正を行った結果を示す図である。
【００７４】
〔同心円測定のレーザ飛び補正処理〕
上述の実施の形態では、螺旋状にスパイラル測定を行った場合の実施の形態を示しているが、同心円状に測定した場合も、同様の補正処理を行うことが可能である。当該レーザ飛び補正処理も上述のスパイラルの場合と同様に測定演算部１０１にて実行される。また、測定演算部１０１の前記補正部１０４において当該同心円測定のレーザ飛び補正処理を機能上実行する部分を第２飛び補正処理部１０１ｃとする。
【００７５】
以下、同心円測定の場合の補正方法について説明する。
【００７６】
一定方向に回転しているロータ１３に保持されたウエーハｗを１回転測定するたびに、光学式変位計１０を直径方向１３ｃに移動させ、移動が終了した時点で１回転の測定を開始し、周方向に３６０°測定を行う。このステップを繰り返し行いウエーハｗの全面の測定を行う。この場合、１回転のデータを得るために、ロータ１３を１回転以上まわす必要があるが、レーザ飛び補正処理を行うことから、ノッチ部の測定を避けるためにロータ１３を正転及び逆転させる、イナーシャが大きく加速減速に時間のかかる駆動を避けることができるため、高速な測定を行うことが可能である。
【００７７】
図９Ａ及び図９Ｂは、同心円測定を行った場合、ノッチの部分を光学式変位計１０のレーザ光が通過した際に発生するデータ飛び３５の補正処理を説明する図である。
【００７８】
測定の開始時に、光学式変位計１０を横断させ、ウエーハｗの中央に直線状に移動させる。
【００７９】
図９Ａは、ウエーハｗより外側に位置する光学式変位計１０の退避位置より、測定開始点であるウエーハｗの中央への移動の際に、光学式変位計１０にて測定された一断面データを示す図である。光学式変位計１０により測定された、図９Ａの形状データを取得し、記憶装置１０１ａに記憶することにより、円盤状の薄板材ｗの、直径方向１３ｃの一断面のデータを取得する。
【００８０】
次に、半径ＲＡ、ＲＢ、ＲＣの同心円走査データを取得する。図９Ａにおいて、半径ＲＡの同心円走査データは、測定開始点ＳＡ１より測定を開始され、一断面データ３６との交点ＰＡではデータ飛びはまだ発生しておらず、以降走査を続けていくと、ノッチ部分でデータ飛び３５が発生し、データ飛び３５以降のエリアＡの部分で測定誤差が発生する。
【００８１】
半径ＲＡの同心円走査データのエリアＡ部分以外は、ＰＡの位置における同心円走査データ及び一断面データ３６の各厚さ方向の差が予め設定された値以内であれば、補正を行わない。
【００８２】
本発明の実施の形態における図３に示す光学式変位計１０では、ウエーハｗの厚さ方向の変位に対し、レーザ出力装置２３からのレーザ光の波長の１／２を周期として干渉縞の明暗が受光部２２上で変化する。測定演算部１０１における測定は、前記レーザ光の波長の１／２を周期とした信号の整数倍値をカウントするとともに、明暗の縞の強度を電気的に変換して波長の１／２周期内の微細な位置を計測し、カウントした値と１／２波長以下の測定値を足し合わせることにより、波長以下の測定精度でウエーハ面ｗの厚みの変位を測定することが可能となる。
【００８３】
例えば、３００ｍｍウエーハの場合には、平坦度はサブミクロンの精度で加工されており、またウエーハｗは周方向に回転して加工されるため、ノッチ部分の前後での形状差は、通常、レーザの１／２波長より小さな値である。本発明の実施の形態における光学式変位計１０では、ノッチ部分でデータ飛び３５が発生するのは、ノッチ部分に近づいてレーザ光が消えるときと、レーザ光がノッチ部分を通過して再度ウエーハｗ面からの反射光が受光部２２に入るときとで、レーザ光の状態が定まらないからである。このため、受光部２２で電気的にノイズ信号が発生し、レーザ波長の１／２周期の整数倍の変位をカウントする値を狂わせる。また、ウエーハｗ面の形状は変化しないため、実際に測定される形状の変化値は、ウエーハｗ表面の加工の均一性の良さより１／２波長以下であり、変位をカウントするための値を変化させる程のオーダではなく、明暗の強度がわずかに変化するオーダである。つまり、波長の１／２の周期の、整数倍以外の値ではデータ飛びが発生しない。
【００８４】
従って、図９ＡにおけるエリアＡ部分のデータと、データ飛び３５が発生する以前の、ＰＡ側にて連続するデータとの差△Ａ１を算出する。この差△Ａ１が予め設定された値を超える場合には、差△Ａ１に最も近いレーザ波長の１／２の整数倍の値を補正値とし、エリアＡ部分のデータに加えることにより、エリアＡ部分のデータを補正する。尚、補正値の最小単位としては、上述のレーザ波長の１／２の他、レーザ波長の１／４でもよい。
【００８５】
半径ＲＡの同心円走査データをＳＡ１からＳＡ２まで測定終了後、光学式変位計１０を半径ＲＢの同心円走査データ測定開始点ＳＢ１へ移動させて測定を開始し、半径ＲＢの同心円走査データをＳＢ２まで測定する。
【００８６】
図９Ａにおける半径ＲＢの同心円走査データと一断面データ３６との交点ＰＢでの、ウエーハｗの厚みデータの差△Ｂ１を算出し、差△Ｂ１が予め設定された値を超えている場合、ノッチ部分でデータ飛び３５が発生していると判断し、差△Ｂ１に最も近いレーザ波長の１／２の整数倍の値を補正値とし、エリアＢ部分以外のデータに加えることにより、エリアＢ部分以外のデータを補正する。
【００８７】
さらに、エリアＢ部分のデータと、データ飛び３５が発生した以降のＰＢ側の連続するデータとの差△Ｂ２を算出し、差△Ｂ２が予め設定された値を超える場合に差△Ｂ２に最も近いレーザ波長の１／２の整数倍の値を補正値とし、エリアＢ部分以外のデータに加えることにより、エリアＢ部分以外のデータを補正する。
【００８８】
以降、半径ＲＣの同心円走査データについてもＳＣ１からＳＣ２まで測定を行い、同様の補正処理を行う。
【００８９】
図９Ｂは前記補正を行った結果を示す図である。
【００９０】
前記処理を行うことで、ノッチ部分を気にせずロータ１３の回転を一定方向への１回の加速、減速のみでウエーハｗの全面を測定することが可能となる。よって、高速かつ高精度な測定を実現することが可能となる。
【００９１】
なお、本発明の実施の形態においては、一断面データ３６を用いて補正を行ったが、複数の断面データを用いて補正することにより補正の精度を向上させることが可能である。
【００９２】
また、本発明の実施の形態においては、半径ＲＡ、ＲＢ、ＲＣの３周分の同心円走査データについて測定を行ったが、これに限られるものではなく、測定の精度、速度によって周回数は変化させてもよい。
【００９３】
〔ごみ等によるレーザ飛び補正〕
前記実施の形態では、ノッチ部分でのデータ飛び３５に対する補正を示しているが、ノッチのない内周側の部分においても、ウエーハｗ上にプローブのレーザ光のビーム径に近いごみ等が存在する場合、信号が一時消えるか弱まることにより測定データの連続性が失われ、データ飛びが発生する。
【００９４】
以下、ごみ等によるデータ飛びが発生した場合の補正方法について説明する。当該レーザ飛び補正処理も上述のスパイラル等の場合と同様に測定演算部１０１にて実行される。また、測定演算部１０１の補正部１０４において当該ごみ等によるレーザ飛び補正処理を機能上実行する部分を第３飛び補正処理部１０１ｄとする。
【００９５】
図１０は、ごみ等によりデータ飛びが発生した場合の測定データを示す図であり、測定の内周部分でごみ等によりデータ飛び△Ｄが発生している。
【００９６】
データ飛び△Ｄの検出は、測定データの全点について、前後のデータとの差を測定の開始点から測定の終了点に向けて算出し、算出した差が予め設定された値を超える場合にごみ等によるデータ飛びが発生していると判断する。データ飛びが発生していると判断された場合には、データ飛び△Ｄに最も近いレーザ波長の１／２の整数倍の値を補正値とし、△Ｄが発生した以降の測定データ全てに加えることにより補正を行う。
【００９７】
前記処理により、事前に一断面データの測定を行うことなく、ごみ等によるデータ飛び△Ｄの補正を行うことが可能となる。
【００９８】
上述した測定方法では、光学式変位計を薄板材の径方向に直線移動させながら前記薄板材の径方向データを測定し、前記光学式変位計を前記薄板材の径方向の直線移動と前記薄板材の回転移動とを行いながら前記薄板材の面を走査して面データを測定する。前記面データを前記径方向データにより補正することにより、事前に測定しておいた代表測定の断面の値、つまり薄板材の厚み値と、精細に測定した全面の値の、同じＸＹ位置での薄板材の厚み値とを比べる。精細に測定した全面の値がずれている場合に、精細に測定した部分の一部分のデータを、前記断面データで補正することにより、高速に測定するためにロータを一方向のみに回転させつつノッチ等を測定した場合でも、データ飛びによる測定誤差、温度等による測定データのドリフトを除くことが可能である。
【００９９】
また、薄板材の物理特性の測定を同心円状に行うことにより、薄板材の外周部分から均一な位置を測定することが可能であり、形状変化が内周部分に比べて大きい外周部で、スパイラル状に最外周まで螺旋状に半径位置を変化させつつ測定する場合より、正確な形状測定を行うことが可能となる。
【０１００】
さらに、ノッチを避けての測定、あるいは測定折り返しの測定動作を行うことに比べ、薄板材の中心から外周端まで連続して測定が可能であることから、回転モーメントが大きく加減速に時間のかかるロータの加減速の駆動を低減することにより、高速に測定することが可能である。また、薄板材の保持機構近傍の値を用いて補正することにより、薄板材の振動の影響を低減することが可能であり、高精度に測定することが可能となる。
【０１０１】
〔ドリフト補正処理〕
また、本発明の別の実施の形態として、光学式変位計１０がウエーハｗの測定面をＸ軸方向及びＹ軸方向に沿ってジグザグに走査する方法がある。
【０１０２】
図１１は、前記ジグザグに走査して測定し、当該測定装置自体の変位に起因する測定誤差を補正する補正処理を説明する図である。
【０１０３】
図１１において、軸上の一断面を測定した一断面データ３７と面上を測定した全面走査データ３８とが交わる交点でのデータの差△ＯＦを算出し、算出した△ＯＦを全面走査データ３８の高さ方向のデータに加えて補正することにより、高精度な測定を実現することが可能である。
【０１０４】
又、ウエーハ上の微小なごみにより発生する測定誤差や温度等のドリフトによる測定誤差を低減し、高精度な測定を行うことが可能となる。
【０１０５】
なお、本発明の実施の形態においては、一断面データを用いて補正を行ったが、複数の断面データを用いて補正を行うことにより補正の精度を向上させることが可能である。
【０１０６】
又、上述した測定方法では、図１に示すような、ステータ１２の外側にロータ１３を配置した中空スピンドル８を用いた場合を例に採ったが、これに限定されるものではない。即ち、上述の測定方法は、例えばロータをステータの内側に配置した測定装置等、回転させた薄板材ｗを走査する測定装置全般に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の薄板材の測定装置および測定方法は、薄板材に振動を発生させる風の発生を抑え、回転部分の露出を最小にする構成を有し、薄板材にノッチやごみ等がある場合にも高精度な測定を行うことが必要である半導体シリコンウエーハ等、薄板材の平坦度測定の用
途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における中空スピンドルの一例の概略構成断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における中空スピンドルの他の例の概略構成断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における光学式変位計の構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における光学式変位計の詳細図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態におけるウエーハに対する測定動作を説明する図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態におけるウエーハと光学式変位計の経時的動作を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の実施の形態におけるウエーハと光学式変位計の経時的動作を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の実施の形態におけるスパイラル測定の補正処理を説明する図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の実施の形態におけるスパイラル測定の補正処理を説明する図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態におけるスパイラル測定の補正処理を説明する図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の実施の形態におけるスパイラル測定の補正処理を説明する図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施の形態における同心円測定の補正処理を説明する図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の実施の形態における同心円測定の補正処理を説明する図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態におけるごみ等によるデータ飛び補正を説明する図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態におけるドリフト補正処理を説明する図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態における測定装置の斜視図である。
【図１３】図１３は、図１２に備わる中空スピンドルの斜視図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す中空スピンドルの正面図である。
【図１５】図１５は、図１３に示す中空スピンドルの断面図である。
【図１６】図１６は、図１３に示す中空スピンドルの他の例における断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態における測定装置に備わる中空スピンドルの他の例における断面図である。
【図１８】図１８は、図１等に示す中空スピンドルに備わる空気軸受けの構造を示す断面図である。
【図１９】図１９は、従来の薄板材の測定装置の第一の例を示す概略構成図である。
【図２０】図２０は、従来の薄板材の測定装置の第二の例を示す概略構成図である。
【図２１】図２１は、従来の薄板材の測定装置の第二の例を示す概略構成図である。
【図２２】図２２は、従来の薄板材の測定装置の第三の例を示す概略構成図である。
【図２３】図２３は、従来の薄板材の測定装置における問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１２        ステータ
１３        ロータ
１４        コイル
１５        磁石
１６        空気軸受け
１７        保持機構
ｗ          ウエーハ
【図１】
2005156546.tif 000003
【図２】
2005156546.tif 000004
【図３】
2005156546.tif 000005
【図４】
2005156546.tif 000006
【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
2005156546.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005156546.tif 000020
【図１５】
2005156546.tif 000021
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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