(57)【要約】【課題】円盤状体の直径測定における測定時間を短縮することができる直径測定装置を提供すること，および被測定物であるウェーハなどの円盤状体のそりやひずみ，或いは測定時に傾きなどが生じた場合でも，高度の測定精度を維持することの出来る直径測定装置を提供すること。【解決手段】測定対象である円盤状体の直径に対応する上記円盤状体の外周位置に，該円盤状体の２以上の外周部分に測定光を照射する２以上の照射光学系と，これに対向し上記照射光学系から照射され上記円盤状体の外周部分で一部が遮られた測定光を受光する受光光学系とを備え，上記受光光学系による光学画像に基づいて上記円盤状体の直径を算出する直径測定装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象である円盤状体の直径に対応する上記円盤状体の外周位置に，該円盤状体の２以上の外周部分に測定光を照射する２以上の照射光学系と，これに対向し上記照射光学系から照射され上記円盤状体の外周部分で一部が遮られた測定光を受光し，相対位置が平行になるように配置された２以上の受光光学系とを備え，上記受光光学系による光学画像に基づいて上記円盤状体の直径を算出する直径測定装置。
【請求項２】
上記照射光学系および受光光学系が，上記円盤状体の表面に直角方向に対向配備されたものである請求項１に記載の直径測定装置。
【請求項３】
上記照射光学系および受光光学系が，上記円盤状体の表面に平行な方向に対向配備されたものである請求項１に記載の直径測定装置。
【請求項４】
上記受光光学系による円盤状体の外周部の断面画像に基づいて，上記円盤状体の直径を算出する請求項３に記載された直径測定装置。
【請求項５】
上記円盤状体の外周に対向して，円盤状体の中心軸を通る平面上に，上記円盤状体の外周部に向けて傾き測定光を照射する投光機と，該投光機から出射され上記外周部で反射した傾き測定光を受光する傾き測定用受光部とを配置し，上記傾き測定用受光部が受光した傾き測定光に基づいて円盤状体の傾き角度を測定し，この測定された傾き角度と，上記受光光学系による円盤状体の外周部の断面画像に基づいて，算出された上記円盤状体の直径の補正値に基づいて，円盤状体の直径を算出してなる請求項４に記載の直径測定装置。
【請求項６】
予め直径が測定されている円盤状体についての測定値を基準として，円盤状体の直径の測定値を補正する請求項１〜５のいずれかに記載の直径測定装置。
【請求項７】
上記円盤状体がウェーハである請求項１〜６のいずれかに記載の直径測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，シリコンウェーハなどの円盤状体の直径を，非接触で測定する直径計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年，デザインルールの微細化などに伴い，シリコンウェーハ（以下ウェーハ）などの円盤状体の平坦度，warp，直径等の値は厳しく管理されるようになっている。例えば，直径の許容値は300mmウェーハの場合で300±0.2 mmと広いことから，現在でもノギスを用いて直径計測は行われている。しかしながら，ノギスによる測定は接触式であるため測定対象物を損傷させたり，汚染させたりする可能性があり，また測定精度が数十μｍ程度となってきた最近では，ノギスによる計測は最終工程管理には適さない。
【０００３】
そのため，非接触のウェーハ直径測定装置が現在開発されつつある。ウェーハ直径の非接触な測定手法として，測定対象である円盤状体の直径に対応する上記ウェーハの外周位置に，該ウェーハの外周部分に測定光を照射する照射光学系と，これに対向し上記照射光学系から照射され上記ウェーハの外周部分で一部が遮られた測定光を受光する受光光学系とを１対分備え，上記受光光学系による光学画像に基づいて上記ウェーハの直径を算出する非接触の直径測定装置が，例えば特許文献１および特許文献２として知られている。
前者はウェーハ面に垂直方向に，後者はウェーハ面に水平方向に照射光学系と受光光学系を配置して直径計測を行っている。この場合の測定精度はミクロンオーダーである。
【特許文献１】特開平６−２１３６２０号公報
【特許文献２】特開平７−２１８２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように従来の技術では，ウェーハは，薄い円盤状でそれ自身の重さによるたわみやそりによる変形，或いは支持時における傾き等が生じうるので，それらの要素によって計測された直径に誤差を生じることがある。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，被測定物であるウェーハなどの円盤状体のそりやひずみ，或いは測定時に傾きなどが生じた場合でも，高度の測定精度を維持することの出来る直径測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための本出願に係る基本的な発明は，特許請求項範囲請求項１に記載の通りである。
前述のように上記従来の円盤状体の直径測定装置では，円盤状体の外周部を検出するための光学系が１つしかなかったので，検出精度に問題があった。これに対して，本発明では，測定対象である円盤状体の直径に対応する上記円盤状体の外周位置に，該円盤状体の２以上の外周部分に測定光を照射する２以上の照射光学系を配置すると共に，これに対向し上記照射光学系から照射され上記円盤状体の外周部分で一部が遮られた測定光を受光する相対位置が平行になるように配置された２以上の受光光学系を配置したものである。
【０００６】
これによって，装置の簡略化と，検出精度の向上を図ることができ，また，円盤状体を回転させることで直径を測定する場合には，従来技術であれば円盤状体を３６０度回転させなければならなかったが，本発明では，光学系を２対設ければ１８０度，４対９０度等配に設ければ９０度回転させるだけで全外周の直径を測定することができるので，大幅に測定時間を短縮することもできる。
上記の場合，上記照射光学系および受光光学系として，上記円盤状体の表面に直角方向に対向配備されたものを採用することが出来る。
しかし，これよりも更に測定精度を上げることができるのは，上記照射光学系および受光光学系を，上記円盤状体の表面に平行な方向に対向配備するものである。これにより，円盤状体の外周部の断面形状の画像を取得することができるので，上記断面により測定される円板外周部の傾角度，距離データを用いて上記ウェーハの傾きによる測定精度の低下を防止することができるからである。
【０００７】
例えば，上記円盤状体の外周に対向して，円盤状体の中心軸を通る平面上に，上記円盤状体の外周部に向けて傾き測定光を照射する投光機と，該投光機から出射され上記外周部で反射した傾き測定光を受光する傾き測定用受光部とを配置すれば，上記傾き測定用受光部が受光した傾き測定光に基づいて円盤状体の傾き角度を測定することができる。ここで測定された上記傾き角度と，光学系を円板表面に平行に配置して円盤状体の外周部の断面画像を取り込む方法により取得された外周部の断面画像から得られる距離関係から，上記円盤状体の直径を正確に補正することができるからである。
また，予め直径が測定されている円盤状体についての測定値を基準として，円盤状体の直径の測定値を補正するようにすれば，正確な更正が可能となり，直径測定の精度が向上する。
【発明の効果】
【０００８】
上記のように本発明によれば，２つ以上の光学系を用いるので，従来の１つの光学系を用いる場合と比べて測定精度を上昇させることが可能である。また光学系を円盤状体の表面に平行に配置することで円盤状体の外周部の断面形状を測定することができ，これによって上記外周部分の傾きや各種の距離データを取得することができるので，直径について上記円盤状体の傾きに対応する正確な補正が可能となり，直径の測定精度が大きく向上するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係る直径測定装置の概略縦断面図，図２は，同概略上面図，図３は，直径の測定原理を示す模式図，図４は，直径演算の精度を高めるための直径補正の原理を示す模式図，図５は，測定対象物の一例であるウェーハの傾き角度θを測定する方法の原理を示す概念図，図６は，光学系をウェーハ面に平行に配置した測定装置の概念図である。
【００１０】
以下，円盤状体の一例としての，ウェーハの直径を測定する場合を例にとって説明する。ウェーハ以外のディスクなどについても同様に本発明は適用可能である。
〔第１の実施形態〕
従来の直径測定装置は，ウェーハの外周の１箇所に光を照射するレーザ，ＬＥＤなどの照射光学系と，上記ウェーハの端部を挟んで上記照射光学系に対向して照射光学系からの光を受光する光センサなどの受光光学系を１対設けたものであったが，これに対して，この実施形態に係る直径測定装置では上記のような直径計測に必要な光学系を２つ以上に設けることにより，測定精度の向上，装置の簡易化・低コスト化を可能としたものである。
即ち，ここに説明する第１の実施形態に係る直径測定装置は，上記目的を達成するために，測定対象である円盤状体の直径に対応する上記円盤状体の外周位置に，該円盤状体の２以上の外周部分に測定光を照射する２以上の照射光学系と，これに対向し上記照射光学系から照射され上記円盤状体の外周部分で一部が遮られた測定光を受光する相対位置が平行になるように配置された２以上の受光光学系とを備えたもので，上記受光光学系による光学画像に基づいて上記円盤状体の直径を算出するものである。
【００１１】
このような直径測定装置では，上記光学系の配置の仕方として２通りが考えられる。
その１つは，上記照射光学系および受光光学系が，上記円盤状体の表面に直角方向に対向配備されたものである。
また２つ目としては，上記照射光学系および受光光学系が，上記円盤状体の表面に平行な方向に対向配備されたものが考えられる。
いずれにしても，測定装置の較正ができるようにすることが望ましく，例えば直径が既知なウェーハをもって長さの較正を行うことで，外乱因子（例えば測定中の温度変化）の影響を大きく低減可能となり，高精度な測定が実現できる。
【００１２】
これらの実施形態にかかる直径測定装置の具体的構成を図１および図２を用いて説明する。
図１に示すように，照射光学系の一例である光源１ａと光源１ｂ，および受光光学系の一例であるカメラ４ａと４ｂは，測定対象となるウェーハ３の外周端部を挟んでウェーハ３の直径に対応する上記円盤状体の外周位置に対向配備される。対向する光源とカメラとは，光源からの光をカメラにより受光するために同軸に配置される。
なお，ここでは光源とカメラの１対の光学系を２対設けた場合について説明するが，上面から見て９０度等間隔に４対或いはそれ以上設けてもかまわず，これにより測定時間の短縮を図りうることは言うまでもない。
【００１３】
図中２ａ，２ｂは，上記光源１ａ，１ｂから出射され，途中でその一部をウェーハ３の外周端部によって遮られた光線を示している。ここに示された光学系は，上記照射光学系および受光光学系が，上記円盤状体の表面に直角方向に対向配備されたものの一例である。
上記対となった光源１ａとカメラ４ａ，光源１ｂとカメラ４ｂは，上記ウェーハの概略直径である３００ｍｍ程度の間隔をあけて，ウェーハ３を回転自在に支持するテーブル６の両側に配置される。カメラ４ａ（或いは光源１ａ）とカメラ４ｂ（或いは光源１ｂ）との上面から見た配置関係が図２に示される。
【００１４】
テーブル６を駆動することにより図２におけるｙ方向へウェーハを移動させながら，カメラ４ａ，４ｂでウェーハ３の最外周部の位置を検出し，そのときの値を求める測定値とする。
光源１ａ，１ｂから発せられた光２ａ，２ｂは，コリメートレンズなどによって平行化され，ウェーハ３の外周付近を照射される。尚，必ずコリメートする必要はないが精度向上のためには平行光が望ましい。
また光源１ａ，１ｂにはレーザ，ＬＥＤのどちらを用いてもよい。平行光２ａ，２ｂの一部はウェーハ３の外周部により遮断され，遮断されなかった光のみが相対位置が平行になるように配置されたカメラ４ａ，４ｂにて検出される。
カメラ４ａと４ｂが平行に配置されていない場合，ウェーハ３の外周で遮られた光線の光量のピーク位置が両画像で一致せず，正確な直径計測が行えないことがある。そのため，両カメラの配置は重要である。仮に一方のカメラが他方のカメラに対してある角度だけ傾いて設置してあるとすると，カメラ４ａとカメラ４ｂで直径最大の位置がずれ，かつ両画像の凸部最大位置はウェーハの同一直径上ではなくなるので正しい測定が行えない。従って，カメラは平行に設置される必要がある。また，焦点ぼけを低減し高精度な測定を可能とするため，カメラレンズにテレセントリック光学系を用いることが望ましい。
【００１５】
図３に直径付近で得られる代表的な画像を示し，直径を算出する方法を説明する。カメラ４ａ，カメラ４ｂのそれぞれにおいて凸部が最大となるエッジ演算部５で算出し，距離Ｌａ，Ｌｂを求める。このとき，直径ＤはＤ＝Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌ0で求まる。Ｌ0は予め正確に測定されており既知である。
測定毎に標準ウェーハにて較正を行うことで高精度な測定が実現される。測定対象物と同素材のもので測定ごと或いは，適当な周期ごとに較正をかければ，温度変化などの外的環境の影響を受けない高精度な測定が可能となる。
【００１６】
〔第２の実施形態〕
上記実施形態では，光軸をウェーハ面に直角に配置した光学系を用いた場合について説明したが，ウェーハは前記したとおりそれなりの自重のある薄い円盤状体であるので，製造段階で生じたそりや，自重によるひずみ或いはテーブル６上に載置したときに生じる外周部の傾きなどの要因により，上記ウェーハに直角方向の測定だけでは十分な測定精度を得ることができない。
そこで次に述べる実施形態では，ウェーハ断面形状からウェーハ外周端部の距離的なデータを測定すると共に，ウェーハの外周部における傾きを別途測定することで，ウェーハの有するそりや支持時に生じる傾き等によるズレを補正して高精度な直径計測を可能とすることができる。
但し，ウェーハの断面画像の検出精度を向上させることができれば，ウェーハ外周端部の傾き角度や端部の各種距離データをこのウェーハ断面画像から取得できるので，別途ウェーハ外周端部の傾きを求める必要はなくなる。
【００１７】
上記ウェーハの傾きに基づく外周端部におけるズレの測定について説明する。
この場合，図６に簡略に示されるように，光源１ｃ，１ｄで代表される照射光学系およびカメラ４ｃ，４ｄで代表される受光光学系が，間にウェーハ３の外周部３ｃ，３ｄを挟むように間隔をあけて，上記ウェーハ３の表面に平行な方向に対向配備される。それにより，カメラ４ｃ，４ｄは，上記ウェーハ３の外周部３ｃ，３ｄの断面画像を取得する事ができる。演算部５は，この断面画像に基づいて，以下に述べる手法により上記ウェーハ３の該終端部のズレを検出する。これによってウェーハの直径算出精度を向上させることができる。
図４は，上記のようなウェーハ３の外周部３ｃ或いは３ｄの部分のカメラ４ｃ或いは４ｄにより撮像された断面画像である。
ここでウェーハ３の，例えば外周部３ｃの部分の長さ（図３におけるＬｂ或いはＬａの長さに相当）は，正確にはウェーハ３の厚さ方向の中心線Ｊに沿って測った距離Ｆであるが，実際の断面画像から測定するときは，ウェーハ３の最外端部Ｄが検出されるのみであるから水平方向に測った距離Ｆ0となる。
【００１８】
上記のように測定誤差を生じるのは，前記のようにウェーハ３の外周部にそりなどによる傾きθを生じるからである。従って，この傾きθを測定することで，正しい距離Ｆを求めることができる。
図５は，上記のような傾きθを測定するための装置構造を示す概念図である。図に示すように，この装置では，上記ウェーハ３の外周に対向して，ウェーハ３の中心軸（即ち，テーブル６の回転軸心）を通る垂直平面上に，上記ウェーハ３の外周部に向けて傾き測定光を照射するレーザ或いはＬＥＤなどの投光機１０と，該投光機１０から出射され上記外周部の端点ＢＤ間の面（外周の端面）で反射した傾き測定光を受光する傾き測定用受光部１１とが設けられている。投光機１０は，テーブル６のウェーハ設置面に平行な方向，即ち，本来ウェーハ３が設置されるべきはずの面に平行に光を照射する。上記測定用受光部１１は，例えば１次元のＣＣＤカメラや２次元のＰＳＤ（Position  Sensing  Device）により構成される。
【００１９】
検出原理としては上記投光機１０（レーザ或いはＬＥＤなど）から出射されウェーハ３の外周端面ＢＤ間で正反射された光を測定用受光部１１が受光する。受光部１１上での受光位置を測定することで，反射点Ｃを中心とする投光機１０と受光部１１とのなす角度が測定される。この場合，投光機１０の光照射方向が，テーブル６のウェーハ設置面に平行であるから，上記投光機１０と受光部１１とのなす角度は２θとなり，受光部１１上の受光位置を検出することで，前記傾き角度θが検出される。
ところで，図４に明らかなように，前記ウェーハ３の厚さ方向の中心面Ｊに沿って測ったウェーハ３の正しい長さはＦであるが，実際の測定においては前記したように端点Ｄまでの水平方向の長さは図の通りＦ0であり，上記中心面Ｊと点ＢＤ間の端面との交点Ｃの水平方向の長さと上記長さＦ0との差ΔＸは，上記ウェーハ３の外周端面の幅ＢＤをｄとすると
Δｘ＝ｄ＊ｓｉｎθ／２≒ｄθ／２
である。
これをウェーハ３の端部の傾きθで補正することで，正しい距離Ｆが得られる。
【００２０】
以上の原理により，実測されたウェーハ３の最外周点Ｄの距離Ｆ0と，上記の演算で得られたΔｘ，および傾き角度θから，前記ウェーハ３の中心面Ｊに沿った正しい長さＦは，
Ｆ＝（Ｆ0−Δｘ）／ｃｏｓθ
によって演算部５によって演算される。
このように上記投光機１０や受光部１１を設けることでウェーハの直径の演算精度は飛躍的に向上する。
なお，ウェーハの断面形状測定でエッジ部の傾きを算出する場合，エリアサイズ1024×1024の撮像素子を用いた場合でも画素分解能は1μm/pixel程度であり，0.02度の僅かな傾き（サブミクロンオーダーの傾き）を検出することは難しい。そこで限られた条件ではあるが，予めエッジプロファイルが既知であり，かつ，エッジ端面に平面あるいは（平面とみなせる）大きな曲率半径をもつ曲面を有する基準となるウェーハに対しては，ウェーハエッジ端面に光を照射し前記エッジ端面からの反射光の角度を検出することによりウェーハエッジ部の傾きを簡易かつ高精度に測定することが可能となり，エッジ部の傾き等がある場合でも高精度な直径計測が可能となる。従って，このような基準となるウェーハを用いて基準形状のウェーハにおける形状を取り込んでおき，それを基準にしてウェーハの直径を算出する方法を採用すれば，測定精度は更に向上する。
但し，前記したように上記断面画像の精度を向上させることができれば，単純に画像解析だけで上記傾きθやΔｘ等を求めることができるので，その場合には，投光機１０や受光部１１を省略できる。
なお，上記受光部１１にはラインセンサを用いてもよいし，点的な受光部１１を移動機構により移動させて反射光強度が最大となる角度位置を測定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る直径測定装置の概略縦断面図。
【図２】本発明の実施の形態に係る直径測定装置の概略上面図。
【図３】直径の測定原理を示す模式図。
【図４】直径演算の精度を高めるための直径補正の原理を示す模式図。
【図５】測定対象物の一例であるウェーハの傾き角度θを測定する方法の原理を示す概念図。
【図６】光学系をウェーハ面に平行に配置した測定装置の概念図。
【符号の説明】
【００２２】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…照射光学系（光源）
２ａ，２ｂ…光線
３…ウェーハ
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…受光光学系（カメラ）
５…演算部
６…テーブル
１０…投光機
１１…受光部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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