JP4262285B2 - 形状測定装置，形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は，円盤状の測定対象物（主として半導体ウェーハ，その他，ハードディスク用のアルミサブトレート，ガラスサブストレートなど）の面取り加工された端部の面（端面）の形状をその投影像に基づいて測定する形状測定装置及び形状測定方法に関するものである。

半導体ウェーハ（以下，ウェーハという）の製造時や，ウェーハを用いたデバイス製造時において，ウェーハの端部（縁部）が，他の部品やウェーハ保持部材と接触することによって傷ついたり，欠けたりする場合がある。さらに，その傷や欠けが原因で，ウェーハが割れることもある。このウェーハの端部における傷や欠けの生じやすさは，ウェーハの端面（いわゆるエッジプロファイル部）の形状と関係があると考えられている。このため，ウェーハに代表される円盤状の測定対象物のエッジプロファイルを正しく測定することは重要である。なお，ここでいう端面の形状は，ウェーハの厚み方向（一次元方向）のプロファイル，即ち，厚み方向断面の形状であり，以下，エッジプロファイルという。
エッジプロファイルの測定方法の代表例は，半導体製造装置／材料に関する業界団体（Semiconductor Equipment and Materials International：以下，SEMI）が定める標準規格であるSemi Standardにおいて規定された非破壊検査法（SEMI-MF-928-0305規格 Method B）である。この非破壊検査法は，円盤状のウェーハの面取り加工された端部に対し，そのウェーハの表裏各面にほぼ平行な方向（第１の方向）から光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向からカメラによってウェーハの端面の投影像を撮像し，その投影像に基づいてウェーハの端面の形状を測定する方法（以下，光投影測定法と称する）である。この光投影測定法により得られる投影像の輪郭は，ウェーハの端面の断面形状（厚み方向に切断した断面の形状）を表す。
前記光投影測定法は，例えば，特許文献１においてウェーハの断面形状を検出する形状検出器による形状検出法として示されている。また，特許文献２には，前記光投影測定法において，投影像における輪郭のボケや回析縞の発生を防止するための光学系が提案されている。
図３（ａ）は，前記光投影測定法によりウェーハ１の端面を撮像して得られる投影像（黒い影の部分）の一例を表す図である。

また，エッジプロファイルの測定は，端面形状が予め定められた設計形状に対して許容範囲に収まっているか否か（適否）を評価することが主たる目的である。このため，エッジプロファイルの測定においては，通常，ウェーハ端面の投影像について，予め定められた画像処理を実行することによって端面形状の指標値を算出し，算出した指標値が許容範囲に収まっているか否かによってその適否が判別される。前記指標値は，例えば，ウェーハの端面の面取り幅ｋ，面取り角度θ及び面取り半径ｒｍ（先端Ｒなどとも呼ばれる）等である。
図４は，ウェーハのエッジプロファイルの指標値の一例を説明するための図である。図４に示すように，前記面取り幅ｋは，投影像における，ウェーハの表裏の面（相互にほぼ平行な面）と端部の面取り部Ｅ（端面）との境界位置Ｑ１（又はＱ２）から，面取り部分（端面）の頂点までの幅（表裏の面に平行な方向（ウェーハ１の半径方向）の長さ）である。また，前記面取り角度θは，投影像における，ウェーハ１の表裏の面の延長線と，前記境界位置Ｑ１（又はＱ２）付近の面取り部Ｅ（端面）の表面に対する接線とがなす角度である。また，前記面取り半径ｒｍは，面取り部Ｅ（端面）を円弧で近似したときのその円弧の半径である。
特開平７−２１８２２８号公報 特開２００６−１４５４８７号公報

ところで，ウェーハ（半導体ウェーハ）等の精密部品である測定対象物の測定現場は，通常，クリーンな環境が維持されるため，その測定対象物に埃等が付着する頻度は低いが，まれに，測定対象物に埃等の付着物が存在する状態が生じる。そして，前記光投影測定法においてウェーハ（測定対象物）の測定部位（端面）に埃などの付着物が存在していると，その付着物の位置によっては，ウェーハ端部の投影像に，その付着物の投影像が突出部として映る場合がある。図３（ｂ）は，前記光投影測定法によりウェーハ１の端面を撮像して得られる投影像（黒い影の部分）に付着物の投影像が映っている様子を模式的に表した図である。なお，図３（ｂ）における付着物の投影像の大きさは，必ずしも実際のウェーハ１における付着物の大きさを表すものではない。
図３（ｂ）に示すように，前記光投影測定法により得られた投影像に埃等の付着物の像が映っていると，測定対象物の端面形状（その指標値）が正確に測定されず，本来は適合品であると判別されるべきウェーハが不適合品であると誤判別されるという問題点があった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，半導体ウェーハなどの円盤状の測定対象物の端面の形状をその投影像に基づいて測定する場合に，その端面に存在する付着物の影響を受けずに正しい形状測定を行うことができる形状測定装置及び形状測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る形状測定装置は，例えば半導体ウェーハ等の円盤状の測定対象物円盤状の測定対象物の面取り加工された端部に対し，その測定対象物の表裏各面にほぼ平行な方向から投光手段によって光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向から撮像手段によって前記測定対象物の端面の投影像を撮像し，その投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定する装置であり，さらに，次の（１−１）〜（１−５）に示す各構成要素を備えるものである。
（１−１）前記測定対象物をその周方向に回転可能に支持する回転支持機構。
（１−２）前記回転支持機構により，前記測定対象物を所定の基準支持位置に対し所定の第１の設定角度だけ回転させた第１の支持位置から前記第１の設定角度に対して正負が反対の所定の第２の設定角度だけ回転させた第２の支持位置までの範囲における前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置を含む２つ以上の支持位置で支持させる回転制御手段。
（１−３）前記回転制御手段により前記２つ以上の支持位置それぞれで支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像させる撮像制御手段。
（１−４）前記撮像制御手段の処理により得られた複数の投影像それぞれについて，予め定められた画像処理を実行することによって端面形状の指標値を算出する指標値算出手段。
（１−５）予め定められた規則に従って，前記指標値算出手段により算出された複数の前記指標値に基づく１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行うことにより，前記基準支持位置に対応する前記測定対象物の端面の形状の測定値を導出する測定値導出手段。
また，前記第１の設定角度を＋δ１，前記第２の設定角度を−δ２とした場合に，δ１及びδ２が次の（ａ１）式を満たすことを特徴としている。

なお，δ１，δ２は等しい値（δ１＝δ２）であってもよい。
後述するように，万一，測定対象物の端部の１箇所に付着物が存在する場合でも，δ１及びδ２が（ａ１）式を満たせば，後述するように，前記撮像制御手段により得られた複数の投影像のうちの少なくとも１つは，確実に付着物の投影像が映っていない（輪郭の突出部として形成されない）ものとなる。
例えば，ウェーハ（円盤状）においては，その結晶方位に起因して不適な（規格外の）端面形状が生じ得るが，その端面（周面）における中心角が４５度ずつずれた８箇所の位置のうちノッチ（窪みが形成された部分）やOriented Flat部（平坦に加工された部分）以外の７箇所の位置の端面形状と，その７箇所それぞれの近傍範囲（中心角で±２２．５度の範囲）における端面形状とが同形状とみなせる程度の面取り加工の精度が確保されることが多い。そして，半導体ウェーハ，ハードディスク用のアルミサブトレート，ガラスサブストレート等の測定対象物において，その半径ｒ（例えば，設計上の半径）に対する面取り幅ｋ（例えば，設計上の面取り幅）の比（ｋ／ｒ）は小さく，δ１，δ２を比較的小さな値とすることができ，測定対象物の支持角度の差がそのような比較的小さな角度（中心角度）の範囲であれば，測定対象物の端面形状は同じ形状とみなせる。
従って，δ１及びδ２が（ａ１）式を満たす条件下での撮像画像について前記指標値算出手段により得られた複数の前記指標値に基づいて，１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行えば，その代表値又は集約値は，付着物の影響のない，或いは付着物の影響の非常に小さい測定値（端面形状の評価値）を得ることができる。
また，前記基準支持位置で支持された測定対象物の測定部位（端面）の表面形状とその近傍部の表面形状との差異が測定誤差となることを回避するためには，δ１，δ２が（ａ１）式を満たす範囲でより小さいことが望ましい。

また，前述したように，円盤状の測定対象物がウェーハである場合，その端面（周面）における中心角が４５度ずつずれた８箇所の位置のうちの７箇所（通常はノッチやOriented Flat部を除く７箇所）の端面形状（断面形状）と，その７箇所それぞれの近傍範囲（中心角で±２２．５度の範囲）における端面形状とが同形状とみなせる程度の面取り加工の精度が確保されることが多い。
そこで，本発明は，半導体ウェーハ等の円盤状の測定対象物円盤状の測定対象物の面取り加工された端部に対し，その測定対象物の表裏各面にほぼ平行な方向から投光手段によって光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向から撮像手段によって前記測定対象物の端面の投影像を撮像し，その投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定する装置であり，上記の（１−１）〜（１−５）に示す各構成要素を備えるものであって，円盤状の測定対象物がウェーハであり，前記第１の設定角度を＋δ１，前記第２の設定角度を−δ２とした場合のδ１及びδ２が次の（ａ２）式を満たすことを特徴とする形状測定装置として捉えてもよい。

例えば，前記回転制御手段が，前記回転支持機構により前記測定対象物を前記基準支持位置と前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置とを含む３つ以上の支持位置で支持させ，前記撮像制御手段が，前記回転制御手段により前記３つ以上の支持位置それぞれで支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像させることが考えられる。
ウェーハ（半導体ウェーハ）等の精密部品である測定対象物の測定現場は，通常，クリーンな環境が維持されるため，その測定対象物における比較的狭い領域に複数の付着物が同時に付着した状態はほとんど生じない。そして，万一，測定対象物の端部の１箇所に付着物が存在する場合でも，前記撮像制御手段により得られた複数の投影像のうちの少なくとも１つは，付着物の投影像が映っていない（輪郭の突出部として形成されない）ものとなる可能性が非常に高い。
一方，ウェーハ等の測定対象物における端面形状は，通常，比較的狭い領域においては同じ形状とみなせる。
従って，前記指標値算出手段により得られた複数の前記指標値に基づいて，１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行えば，その代表値又は集約値は，付着物の影響のない，或いは付着物の影響の非常に小さい測定値（端面形状の評価値）を得ることができる。
前記１つの代表値の選択の規則は，例えば，複数の前記指標値の中から中央値，最小値若しくは最大値を選択する規則等である。また，前記１つの集約値を算出する規則は，例えば，複数の前記指標値のうち小さいもの若しくは大きいものから順に予め定められた個数分（全数を含む）の平均値を算出するという規則等である。
また，前記指標値としては，前記測定対象物の端面の面取り幅又は面取り半径のいずれかが考えられる。これら各指標値の内容は，図４に基づいて既に説明した通りである。

また，本発明は，以上に示した本発明に係る形状測定装置を用いた測定を実行する形状測定方法としてとらえることともできる。
即ち，本発明に係る形状測定方法は，円盤状の測定対象物の面取り加工された端部に対しその測定対象物の表裏各面に略平行な方向から投光手段によって光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向から撮像手段によって前記測定対象物の端面の投影像を撮像し，該投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定する形状測定方法であり，次の（２−１）〜（２−３）に示す各工程を実行する測定方法である。
（２−１）前記測定対象物をその周方向に回転可能に支持する回転支持機構により，前記測定対象物を所定の基準支持位置に対し所定の第１の設定角度だけ回転させた第１の支持位置から前記第１の設定角度に対して正負が反対の所定の第２の設定角度だけ回転させた第２の支持位置までの範囲における前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置を含む２つ以上の支持位置で支持し，それら各支持位置で支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像し，撮像データを所定の記憶手段に記録する回転・撮像工程。
（２−２）前記回転・撮像工程により得られた複数の投影像それぞれについて，所定の演算手段により予め定められた画像処理を実行することによって端面形状の指標値を算出する指標値算出工程。
（２−３）予め定められた規則に従って，前記指標値算出工程により算出された複数の前記指標値に基づく１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行うことにより，前記基準支持位置に対応する前記測定対象物の端面の形状の測定値を導出する処理を所定の演算手段により実行する測定値導出工程。
そして，本発明に係る形状測定方法は，前記第１の設定角度を＋δ１，前記第２の設定角度を−δ２とした場合に，δ１及びδ２が前記（ａ１）式を満たすことを特徴としている。

また，本発明は，円盤状の測定対象物の面取り加工された端部に対しその測定対象物の表裏各面に略平行な方向から投光手段によって光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向から撮像手段によって前記測定対象物の端面の投影像を撮像し，該投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定する形状測定方法であり，上記の（２−１）〜（２−３）に示す各工程を実行する測定方法であって，前記測定対象物が半導体ウェーハである場合，前記δ１及び前記δ２が前記（ａ２）式を満たすことを特徴する形状測定方法として捉えてもよい。

また，本発明に係る形状測定方法において，前記予め定められた規則が，複数の前記指標値の中から中央値，最小値若しくは最大値を選択する規則，又は複数の前記指標値のうち小さいもの若しくは大きいものから順に予め定められた個数分の平均値を算出する規則のいずれかであることが考えられる。
また，前記回転・撮像工程において，前記回転支持機構により前記測定対象物を前記基準支持位置と前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置とを含む３つ以上の支持位置で支持し，それら３つ以上の支持位置それぞれで支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像することが考えられる。
また，本発明に係る形状測定方法において，前記指標値が，前記測定対象物の端面の面取り幅，面取り角度及び面取り半径のうちのいずれかであることが考えられる。
以上に示した本発明に係る形状測定方法も，前述した本発明に係る形状測定装置と同様の作用効果を奏する。

本発明によれば，半導体ウェーハなどの円盤状の測定対象物の端面の形状をその投影像に基づいて測定する場合に，その端面に存在する付着物の影響を受けずに正しい形状測定を行うことができる。

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は本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの概略平面図，図２は形状測定装置Ｘの概略側面図，図３は半導体ウェーハの端面の投影像の一例を表す図，図４は半導体ウェーハのエッジプロファイル（端面形状）の指標値の一例を説明するための図，図５は半導体ウェーハにおける支持角度と端部の位置のとの関係を表す図，図６は形状測定装置Ｘによる形状測定処理の手順を表すフローチャートである。

本発明に係る形状測定装置Ｘは，円盤状の測定対象物であるウェーハ１（半導体ウエェーハ）の面取り加工された端部に対し，そのウェーハ１の表裏各面に平行な方向から投光部によって光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向からカメラによってウェーハ１の端面の投影像を撮像し，その投影像に基づいてウェーハ１の端面の形状や厚みを測定する装置である。
ウェーハ１は，例えば，半径１５０［ｍｍ］程度，厚み０．８［ｍｍ］程度の半導体からなり，その外周端（周面）部分が面取り加工されている。
以下，図１に示す平面図及び図２に示す側面図を参照しつつ，形状測定装置Ｘの構成について説明する。なお，図２において，図１に示す構成要素のうちの一部が省略されている。
図１及び図２に示すように，形状測定装置Ｘは，投光用の光学系（投光手段の一例）である投光部として点光源２と，その点光源２の光を平行光とするコリメータレンズ３とを備えている。その平行光は，ウェーハ１の表裏各面に平行な方向Ｒ１からウェーハ１の端部を含む縁部に対して投光される。点光源２は，例えば白色ＬＥＤの光を１００μｍ〜２００μｍの直径のピンホールを通じて出射する光源等である。この点光源２の光の出射部（ピンホール）は，コリメータレンズ３の焦点位置に配置されている。
さらに，形状測定装置Ｘは，ウェーハ１に対する投光方向Ｒ１に対向する方向Ｒ２からウェーハ１の端部を含む縁部の投影像を撮像するカメラ（撮像手段に相当）として，第１のレンズ４と，アパーチャ５と，第２のレンズ６と，イメージセンサ７（ＣＣＤ等）とを備えている。
第１のレンズ４，アパーチャ５及び第２のレンズ６は，テレセントリックレンズを構成し，それを通過した光がイメージセンサ７に入力されることにより，イメージセンサ７によってウェーハ１の縁部の投影像が撮像される。

コリメータレンズ３と第１のレンズ４との間隔（距離）は，例えば２００［ｍｍ］程度に設定され，ウェーハ１の縁部は，それらの間の平行光の光路中に配置されている。
このように，形状測定装置Ｘは，平行光をウェーハ１に投光することにより，ウェーハ１が，その平行光の光軸方向（投光方向Ｒ１）の奥行き長さが長いものであっても，イメージセンサ７において，輪郭のボケの程度が小さい良好な投影像を得ることができる。また，干渉性の強い単波長光ではなく，多波長成分を有する白色ＬＥＤを用いた点光源２を採用することにより，ウェーハ１が，投光方向Ｒ１の奥行き長さが長いものであっても，イメージセンサ７において投影像の輪郭の近傍に発生する回折縞が少ない良好な撮像画像を得ることができる。

形状測定装置Ｘは，さらに，画像処理装置８と，回転支持機構９と，制御装置１０とを備えている。
画像処理装置８は，イメージセンサ７による撮像画像（ウェーハ１の投影像を含む画像）に基づく画像処理を実行する演算装置であり，例えば，予めその記憶部に記憶された所定のプログラムを実行するＤＳＰ（Digital Signal Processor）やパーソナルコンピュータ等である。後述するように，画像処理装置８は，イメージセンサ７による撮像画像（投影像）について予め定められた画像処理を実行することにより，ウェーハ１の端面形状の指標値を算出する。なお，画像処理装置８は，制御装置１０からの制御指令に従って，イメージセンサ７による撮像画像（画像データ）の入力，及びその撮像画像に基づく画像処理を実行する。
また，回転支持機構９は，円盤状のウェーハ１を支持するとともに，ウェーハ１をその中心点Ｏwを回転軸としてその周方向に回転駆動及び停止させることにより，ウェーハ１の支持角度を調節する装置である。回転支持機構９は，ウェーハ１の支持角度（回転角度）を検出する角度検出センサとして不図示の回転エンコーダを備え，その検出角度に基づいてウェーハ１の支持位置（支持角度）の位置決めを行う。なお，回転支持機構９は，制御装置１０からの制御指令に従って，ウェーハ１の支持位置の位置決めを行う。
制御装置１０は，ＣＰＵ及びその周辺装置を備えた計算機であり，そのＣＰＵが，予めその記憶部に記憶された制御プログラムを実行することにより，画像処理装置８及び回転支持機構９を制御する（制御指令を出力する）装置である。

次に，図５を参照しつつ，本発明に係る形状測定方法の特徴について説明する。図５は，ウェーハ１における支持角度と端部の位置との関係を表す図である。
図５において，Ｐ０で示す部分（位置）は，その位置に位置するウェーハ１の面取り部の輪郭が，形状測定装置Ｘにより得られる投影像となる位置である。ここで，ウェーハ１のエッジプロファイル測定の対象となる部位（面取り部）が，位置Ｐ０に位置するときのウェーハ１の支持位置を基準支持位置と称する。
いま，ウェーハ１が，この基準支持位置で支持された状態から所定の角度±δだけ回転された場合を考える。図５に示すように，ウェーハ１を基準支持位置から±δ［度］回転させた場合に，位置Ｐ０にあった測定対象部位（面取り部）が，投影像において面取り部（エッジプロファイル部）として映る領域Ｅから完全に外れる位置Ｐ１，Ｐ２まで移動するための条件は，角度δが次の（ｂ１）式（前述した（ａ１）式に相当）を満たすことである。

例えば，ウェーハ１の半径ｒ（例えば，設計上の半径）が１５０［ｍｍ］，ウェーハ１の面取り幅ｋ（例えば，設計上の面取り幅）が０．３５［ｍｍ］である場合，δが３．９［度］以上であればよい。即ち，ウェーハ１の面取り部における測定対象部位（基準支持位置において位置Ｐ０に位置する部位）を含む所定範囲（比較的近い範囲）に１つの付着物が存在する場合でも，基準支持位置から＋δ［度］回転させた支持位置（第１の支持位置と称する）と，基準支持位置から−δ［度］回転させた支持位置（第２の支持位置と称する）との２つの支持位置それぞれで支持されたウェーハ１について投影像を得れば，得られた２つの投影像のうちの少なくとも一方は，付着物の影響がない（付着物の投影像が輪郭の突出部として形成されない）ものとなる。
また，基準支持位置と，その基準支持位置から±δ［度］回転させた各支持位置（第１の支持位置及び第２の支持位置）との３つの支持位置それぞれで支持されたウェーハ１について投影像を得れば，得られた３つの投影像のうちの少なくとも２つ以上は，付着物の影響がないものとなる。

一方，ウェーハ１の端面形状は，通常，比較的狭い領域においては同じ形状とみなせる，即ち，ウェーハ１においては，その結晶方位に起因して不適な（規格外の）端面形状が生じ得るが，その端面（周面）における中心角が４５度ずつずれた８箇所のうちノッチ等の特別な加工が施された位置を除く残りの７箇所の位置の端面形状と，その７箇所それぞれの近傍範囲（中心角で±２２．５度の範囲）における端面形状とが同形状とみなせる程度の面取り加工の精度が確保されることが多い。また，半導体ウェーハのエッジ形状を定める周知の規格であるＳＥＭＩスタンダードのＭ１−１１０３に合致するためには，ウェーハ１の面取り幅は０．５［ｍｍ］程度とする必要があり，これを基準に各種設計条件の変動を考慮しても，ウェーハ１の面取り幅は，たかだかその２倍の１．０［ｍｍ］程度である。さらに，ウェーハ１の半径ｒは１５０［ｍｍ］程度であるので，ウェーハ１の半径ｒに対する面取り幅ｋの比（ｋ／ｒ）は，大きい場合でもたかだか０．００６７（＝１．０／１５０）程度であるので，角度δを大きくても６．６［度］程度とすることができる。ウェーハ１の支持角度の差がそのような比較的小さな角度（中心角度）の範囲（基準支持位置±δ）であれば，ウェーハ１の端面形状は同じ形状とみなせる。
従って，形状測定装置Ｘを用いたウェーハ１の測定では，前記第１の支持位置から前記第２の支持位置までの範囲において，その第１の支持位置及び第２の支持位置を含む２つ以上の支持位置でウェーハ１が支持された各状態で投影像を撮像し，得られた複数の投影像それぞれに基づいて端面形状の指標値を算出し，算出した複数の指標値に基づいて，１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行う。このようにして得られる代表値又は集約値は，ウェーハ１が基準支持位置で支持されたときに位置Ｐ０に位置する端面（面取り部）の形状又はそれと同形状とみなせる形状の測定値（端面形状の評価値）であり，かつ，付着物の影響のない，或いは付着物の影響の非常に小さい測定値となる。

ここで，前記指標値としては，ウェーハ１前記測定対象物の端面の面取り幅ｋ及び面取り半径ｒｍのうちのいずれかが考えられる。これら各指標値の内容は，図４に基づいて既に説明した通りである。
また，１つの代表値の選択方法としては，例えば，複数の前記指標値の中から中央値，最小値若しくは最大値を選択することが考えられる。付着物は，投影像に対して輪郭を本来の端面形状よりも突出させる方向に影響する。そして，ウェーハ１の端面の先端付近に付着物が存在する場合，一般に，面取り幅ｋは本来（付着物が存在しない場合）よりも大きく，面取り半径ｒｍは本来よりも小さく算出される傾向がある。一方，ウェーハ１の端面と表裏各面との境界位置付近に付着物が存在する場合，面取り幅ｋは本来よりも小さく，面取り半径ｒｍは本来よりも大きく算出される傾向がある。このため，付着物が付着し得る位置をある程度特定できるような状況下においては，指標値の種類（面取り幅ｋ，面取り半径ｒｍ等）に応じて，代表値を最小値としたり，代表値を最大値とすることが考えられる。また，３つ以上の指標値を算出する場合は，指標値の種類によらず代表値を中央値とすることが考えられる。

また，３つ以上の指標値を算出する場合，それら指標値のうち小さいもの又は大きいものから順に予め定められた個数分の平均値（集約値の一例）を算出し，その平均値を測定値とすることも考えられる。
例えば，３つの指標値を算出し，その指標値が面取り幅ｋである場合，３つの指標値のうちの小さいものから順に２個分の平均値を測定値とすることが考えられる。同様に，３つの指標値を算出し，その指標値が面取り半径ｒｍである場合，３つの指標値のうちの大きいものから順に２個分の平均値を測定値とすることが考えられる。なお，算出した複数の指標値全ての平均値を測定値として算出することも考えられる。

次に，図６に示すフローチャートを参照しつつ，形状測定装置Ｘを用いた形状測定処理（形状測定方法）の手順について説明する。なお，以下に示すＳ１，Ｓ２，…は，処理手順（ステップ）の識別符号を表す。
まず，制御装置１０が，所定のカウンタ変数ｉの初期化（ｉ＝１）等の初期設定処理を実行する（Ｓ１）。このとき，点光源２が点灯され，ウェーハ１に対する投光が開始される。
次に，制御装置１０が，回転支持機構９を制御することにより，ウェーハ１が，その支持角度（回転支持機構９の回転角）が予め定められたｉ番目の基準支持角度ψ(ｉ)となる支持位置（ｉ番目の基準支持位置）に対して−δ［度］だけ回転した位置で支持されるようにウェーハ１の支持位置（回転角度）を設定する（Ｓ２）。
ここで，基準支持位置は，回転支持機構９によるウェーハ１の支持角度（回転角度）が４５度ずつずれた８つの位置のうちのノッチ等が測定位置となる場合を除く７つの位置（１番目〜７番目の基準支持位置）である。
また，δは，角度を表す設定値（予め定められた設定値）であり，次の（ｂ２）式（前記（ａ２）式に相当）を満たす設定値である。

この（ｂ２）式における上限側のしきい値「２２．５度」は，４５度ずれた隣の基準支持位置との境界となる角度である。この上限制限を満たすことにより，各基準支持位置に関する測定において，他の基準支持位置に関する測定部位（面取り部）と重複した測定部位について測定することを回避できる。
また，ウェーハ１の半径ｒ（例えば，設計上の半径）が１５０［ｍｍ］，ウェーハ１の面取り幅ｋ（例えば，設計上の面取り幅）が０．３５［ｍｍ］である場合，δは３．９以上に予め設定されている。
なお，基準支持位置で支持されたウェーハ１の測定部位（端面）の表面形状とその近傍部の表面形状との差異が測定誤差となることを回避するためには，角度を表す設定値δがより小さいことが望ましい。
そこで，前記設定値δが次の（ｂ３）式（前記（ａ３）式に相当）を満たすことが考えられる。

例えば，ウェーハ１の半径ｒ（例えば，設計上の半径）が１５０［ｍｍ］，ウェーハ１の面取り幅ｋ（例えば，設計上の面取り幅）が０．３５［ｍｍ］である場合，δを４．０（≒３．９）に予め設定しておく。
また，前述したように，半径ｒが１５０［ｍｍ］程度，面取り幅ｋが０．１０［ｍｍ］程度以上であるというウェーハ１の実情を（ｂ２）式に適用すると，ウェーハ１については，δ１及びδ２が，それぞれ２°以上２２．５°以下の範囲であることが実用的である。

続けて，ウェーハ１がｉ番目の基準支持角度ψ(ｉ)−δ［度］の位置で支持された状態において，ウェーハ１の端面の投影像をイメージセンサ７により撮像し，さらに，制御装置１０が，画像処理装置８を制御することにより，その撮像画像（画像データ）を取り込んで所定の記憶部（画像処理装置８が備えるメモリ等）に記憶させる（Ｓ３）。
さらに，制御装置１０の制御指令に従って，画像処理装置８（前記所定の演算手段の一例）が，ステップＳ３で取り込んだ撮像画像（ウェーハ１端部の投影像の画像）に基づいて予め定められた画像処理を実行することにより，ウェーハ１の端面形状の指標値を算出し，その算出値を所定の記憶部（制御装置１０が備えるメモリ等）に記憶させる（Ｓ４）。
例えば，画像処理装置８は，このステップＳ４において，ウェーハ１の端面（面取り部）の面取り幅ｋを指標値として算出する。
なお，ウェーハ１の投影像に基づいて面取り幅ｋを算出する方法は，ウェーハ１の形状測定の技術分野において周知であるので，ここでは説明を省略する。

次に，制御装置１０が，回転支持機構９を制御することにより，ウェーハ１が，その支持角度（回転支持機構９の回転角）が予め定められたｉ番目の基準支持角度ψ(ｉ)となる支持位置（ｉ番目の基準支持位置）で支持されるようにウェーハ１の支持位置（回転角度）を設定する（Ｓ５）。即ち，ステップＳ３，Ｓ４の状態から＋δ［度］だけウェーハ１を回転させる。
続けて，ウェーハ１がｉ番目の基準支持角度ψ(ｉ)で支持された状態において，制御装置１０及び画像処理装置８が，前述したステップＳ３及びＳ４と同じ処理を実行する（Ｓ６，Ｓ７）。
これにより，ウェーハ１がｉ番目の基準支持角度ψ(ｉ)で支持された状態で得られた投影像に基づく前記指標値（ここでは，ウェーハ１の端面（面取り部）の面取り幅ｋ）が算出及び記憶される。
さらに，制御装置１０が，回転支持機構９を制御することにより，ウェーハ１が，その支持角度（回転支持機構９の回転角）が予め定められたｉ番目の基準支持角度ψ(ｉ)＋δ［度］となる支持位置で支持されるようにウェーハ１の支持位置（回転角度）を設定する（Ｓ８）。即ち，ステップＳ６，Ｓ７の状態から＋δ［度］だけウェーハ１を回転させる。
続けて，ウェーハ１がｉ番目の基準支持角度ψ(ｉ)＋δ［度］の角度で支持された状態において，制御装置１０及び画像処理装置８が，前述したステップＳ３及びＳ４と同じ処理を実行する（Ｓ９，Ｓ１０）。
これにより，ウェーハ１がｉ番目の基準支持角度ψ(ｉ)＋δ［度］の角度で支持された状態で得られた投影像に基づく前記指標値（ここでは，ウェーハ１の端面（面取り部）の面取り幅ｋ）が算出及び記憶される。

以上に示したステップＳ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ８及びＳ９の工程は，回転支持機構９により，ウェーハ１をｉ番目の基準支持位置に対し＋δ度回転させた支持位置（以下，第１の支持位置という）から−δ度回転させた支持位置（以下，第２の支持位置という）までの範囲における前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置とｉ番目の基準支持位置とを含む３つの支持位置で支持し，それら各支持位置で支持されたウェーハ１の端面の投影像をイメージセンサ７（撮像手段の一例）により撮像し，撮像データを所定の記憶手段に記録する工程であり，前記回転・撮像工程の一例である。なお，制御装置１０が，前記回転制御手段及び前記撮像制御手段の一例である。
また，前述したステップＳ４，Ｓ７及びＳ１０の工程は，前記回転・撮像工程により得られた複数の投影像それぞれについて，画像処理装置８が備えるプロセッサ（演算手段）により，予め定められた画像処理を実行することによってウェーハ１の端面形状の指標値を算出する工程であり，前記指標値算出工程の一例である。

次に，制御装置１０が，予め定められた規則に従って，ステップＳ２〜Ｓ１０の工程により得られた複数の前記指標値（ここでは，面取り幅ｋ）に基づく１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行うことにより，その代表値又は集約値を，ｉ番目の基準支持位置に対応するウェーハ１の端面形状の測定値として導出（選出又は算出）し，その測定値を所定の出力手段を通じて出力する（Ｓ１１，前記測定値導出工程及び同手段の一例）。
例えば，制御装置１０は，前述したように，３つの面取り幅ｋ（指標値）の中から最小値又は中央値を選択し，それを測定値として出力する処理や，３つの面取り幅ｋ（指標値）のうちの小さいものから順に２個分の平均値（集約値の一例）を算出し，それを測定値として出力する処理を実行する。なお，測定値の出力は，表示装置への測定値の表示や，通信手段を通じた他装置への測定値の送信，記憶手段への測定値の書き込み等各種考えられる。

次に，制御装置１０は，カウンタ変数ｉをカウントアップ（＋１）し（Ｓ１２），カウンタ変数があらかじめ定められた設定値Ｍを超えているか否かを判別する（Ｓ１３）。そして，制御装置１０は，（ｉ＞Ｍ）ではないと判別したときは，処理を前述したステップＳ２へ戻し，再びステップＳ２〜Ｓ１３の処理を繰り返し，（ｉ＞Ｍ）であると判別したときは処理を終了させる。
例えば，ウェーハ１の測定においては，Ｍは７であり，１番目〜７番目の基準支持角度ψ(１)〜ψ(７)は，４５度ずつずれて設定された角度（例えば，０度，４５度，９０度，１３５度，・・・，２７０度，３１５度）である。
これにより，形状測定装置Ｘを用いたウェーハ１の形状測定においては，角度を表す設定値δ（δ１及びδ２に相当）が前記（ｂ２）式を満たし（即ち，（ｂ１）式も満たしている），回転支持機構９によるウェーハ１の支持角度が４５度ずつずれた８つの支持位置のうちの７つの基準支持位置（ｉ＝１〜７）それぞれについて，ステップＳ２〜ＳＳ１１の各工程（前記回転・撮像工程と前記指標値算出工程と前記測定値導出工程とに相当）が実行される。なお，測定要件によっては，ウェーハ１の支持角度が４５度ずつずれた８つの支持位置のうちの６つ或いは５つの基準支持位置（７パターン以外の複数パターンの支持位置）についてのみステップＳ２〜ＳＳ１１の各工程が実行される場合もある。また，ウェーハ１の支持角度が４５度以外の角度（例えば１５度）ずつずれた複数の支持位置を前記基準支持位置としてステップＳ２〜ＳＳ１１の各工程が実行される場合もある。

以上に示した形状測定装置Ｘを用いたウェーハ１の形状測定により，円盤状のウェーハ１の端面の形状をその投影像に基づいて測定するにあたり，その端面に存在する付着物の影響を受けずに正しい形状測定を行うことができる。
また，以上に示した作用効果は，ウェーハ１以外の他の円盤状の測定対象物（ハードディスク用のアルミサブトレート，ガラスサブストレートなど）の面取り加工された端部の面（端面）の形状をその投影像に基づいて測定する場合でも同様に得られる。
また，前述した実施形態における基準支持位置に対する回転角度である＋δ及び−δそれぞれの絶対値（δ）は，必ずしも同じ値であることを要さず，＋δ及び−δを＋δ１及び−δ２と置き換え，そのδ１及びδ２それぞれが，（ｂ１）式〜（ｂ３）式のいずれかを満たすことも考えられる。なお，角度を表す設定値δ１及びδ２は，δ１＝δ２であってもδ１≠δ２であってもよい。
また，前述した実施形態では，ウェーハ１を，前記基準支持位置とその位置に対し＋δ度及び−δ度回転させた各支持位置との３つの支持位置それぞれについて，ウェーハ１の端部の投影像の撮像と前記指標値の計算とを行う例を示したが，前記基準支持位置に対し＋δ度及び−δ度回転させた２つの支持位置について，或いはその２つの支持位置を含む４つ以上の支持位置について，ウェーハ１の端部の投影像の撮像と前記指標値の計算とを行うことも考えられる。
例えば，ウェーハ１を前記基準支持位置に対し＋δ度回転させた支持位置から−δ度回転させた支持位置までの範囲において，±δ度それぞれの支持位置と，その角度範囲を等角度で複数に区分した各角度での支持位置とのそれぞれについて，ウェーハ１の端部の投影像の撮像と前記指標値の計算とを行うことが考えられる。

また，前記制御装置１０又はその制御装置１０と通信可能な計算機（不図示）が，所定のプログラムを実行することにより，δの設定機能を備えることが考えられる。
例えば，制御装置１０が，ウェーハ１の端面における形状測定の対象とする範囲がウェーハ１の半径方向において占める幅（以下，測定対象幅という）及びウェーハ１の半径ｒの情報を入力するキーボード等の操作入力部や外部装置との通信部（前記測定対象幅情報入力手段の一例）を備え，さらに，制御装置１０が備えるプロセッサが，入力された前記測定対象幅及び半径の情報に基づいてδを算出し，算出したδをその記憶部に記憶させる（設定する）処理を実行することが考えられる（前記設定角度算出手段の一例）。
ここで，前記測定対象幅は，通常は面取り幅ｋであり，その場合，制御装置１０は，入力された面取り幅ｋ及び半径ｒを，例えばδ＝ｃｏｓ^-1((ｒ−ｋ)／ｒ)という式（前記（ｂ３）式に相当）に適用することによってδを算出する。
これにより，測定対象となるウェーハ１の形状に適したδを簡易に設定することができる。

本発明は，主として半導体ウェーハ，その他，ハードディスク用のアルミサブストレートやガラスサブストレート等の円盤状の測定対象物の端面の形状測定への利用が可能である。

本発明の実施形態に係る形状測定装置Ｘの概略平面図。 形状測定装置Ｘの概略側面図。 半導体ウェーハの端面の投影像の一例を表す図。 半導体ウェーハのエッジプロファイル（端面形状）の指標値の一例を説明するための図。 半導体ウェーハにおける支持角度と端部の位置のとの関係を表す図。 形状測定装置Ｘによる形状測定処理の手順を表すフローチャート。

符号の説明

Ｘ ：形状測定装置
１ ：ウェーハ
２ ：点光源
３ ：コリメータレンズ
４ ：第１のレンズ
５ ：アパーチャ
６ ：第２のレンズ
７ ：イメージセンサ
８ ：画像処理装置
９ ：回転支持機構
１０：制御装置

Claims (12)

1. 円盤状の測定対象物の面取り加工された端部に対し該測定対象物の表裏各面に略平行な方向から光を投光する投光手段と，その投光方向に対向する方向から前記測定対象物の端面の投影像を撮像する撮像手段と，を具備し，前記投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定する形状測定装置であって，
   前記測定対象物をその周方向に回転可能に支持する回転支持機構と，
   前記回転支持機構により，前記測定対象物を所定の基準支持位置に対し所定の第１の設定角度だけ回転させた第１の支持位置から前記第１の設定角度に対して正負が反対の所定の第２の設定角度だけ回転させた第２の支持位置までの範囲における前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置を含む２つ以上の支持位置で支持させる回転制御手段と，
   前記回転制御手段により前記２つ以上の支持位置それぞれで支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像させる撮像制御手段と，
   前記撮像制御手段の処理により得られた複数の投影像それぞれについて，予め定められた画像処理を実行することによって端面形状の指標値を算出する指標値算出手段と，
   予め定められた規則に従って，前記指標値算出手段により算出された複数の前記指標値に基づく１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行うことにより，前記基準支持位置に対応する前記測定対象物の端面の形状の測定値を導出する測定値導出手段と，を具備してなり，
   前記第１の設定角度を＋δ１，前記第２の設定角度を−δ２とした場合に，δ１及びδ２が次の（ａ１）式を満たしてなることを特徴とする形状測定装置。
   

   
2. 前記測定対象物が半導体ウェーハである請求項１に記載の形状測定装置。
3. 円盤状の測定対象物の面取り加工された端部に対し該測定対象物の表裏各面に略平行な方向から光を投光する投光手段と，その投光方向に対向する方向から前記測定対象物の端面の投影像を撮像する撮像手段と，を具備し，前記投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定する形状測定装置であって，
   前記測定対象物をその周方向に回転可能に支持する回転支持機構と，
   前記回転支持機構により，前記測定対象物を所定の基準支持位置に対し所定の第１の設定角度だけ回転させた第１の支持位置から前記第１の設定角度に対して正負が反対の所定の第２の設定角度だけ回転させた第２の支持位置までの範囲における前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置を含む２つ以上の支持位置で支持させる回転制御手段と，
   前記回転制御手段により前記２つ以上の支持位置それぞれで支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像させる撮像制御手段と，
   前記撮像制御手段の処理により得られた複数の投影像それぞれについて，予め定められた画像処理を実行することによって端面形状の指標値を算出する指標値算出手段と，
   予め定められた規則に従って，前記指標値算出手段により算出された複数の前記指標値に基づく１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行うことにより，前記基準支持位置に対応する前記測定対象物の端面の形状の測定値を導出する測定値導出手段と，を具備してなり，
   前記測定対象物が半導体ウェーハであって，
   前記第１の設定角度を＋δ１，前記第２の設定角度を−δ２とした場合に，δ１及びδ２が次の（ａ２）式を満たしてなることを特徴とする形状測定装置。
   

   
4. 前記回転制御手段が，前記回転支持機構により前記測定対象物を前記基準支持位置と前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置とを含む３つ以上の支持位置で支持させ，
   前記撮像制御手段が，前記回転制御手段により前記３つ以上の支持位置それぞれで支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像させてなる請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定装置。
5. 前記予め定められた規則が，複数の前記指標値の中から中央値，最小値若しくは最大値を選択する規則，又は複数の前記指標値のうち小さいもの若しくは大きいものから順に予め定められた個数分の平均値を算出する規則のいずれかである請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定装置。
6. 前記指標値が，前記測定対象物の端面の面取り幅，面取り角度及び面取り半径のうちのいずれかである請求項１〜５のいずれかに記載の形状測定装置。
7. 円盤状の測定対象物の面取り加工された端部に対し該測定対象物の表裏各面に略平行な方向から投光手段によって光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向から撮像手段によって前記測定対象物の端面の投影像を撮像し，該投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定する形状測定方法であって，
   前記測定対象物をその周方向に回転可能に支持する回転支持機構により，前記測定対象物を所定の基準支持位置に対し所定の第１の設定角度だけ回転させた第１の支持位置から前記第１の設定角度に対して正負が反対の所定の第２の設定角度だけ回転させた第２の支持位置までの範囲における前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置を含む２つ以上の支持位置で支持し，それら各支持位置で支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像し，撮像データを所定の記憶手段に記録する回転・撮像工程と，
   前記回転・撮像工程により得られた複数の投影像それぞれについて，所定の演算手段により予め定められた画像処理を実行することによって端面形状の指標値を算出する指標値算出工程と，
   予め定められた規則に従って，前記指標値算出工程により算出された複数の前記指標値に基づく１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行うことにより，前記基準支持位置に対応する前記測定対象物の端面の形状の測定値を導出する処理を所定の演算手段により実行する測定値導出工程と，を実行してなり，
   前記第１の設定角度を＋δ１，前記第２の設定角度を−δ２とした場合に，δ１及びδ２が次の（ａ１）式を満たしてなることを特徴とする形状測定方法。
   

   
8. 前記測定対象物が半導体ウェーハである請求項７に記載の形状測定方法。
9. 円盤状の測定対象物の面取り加工された端部に対し該測定対象物の表裏各面に略平行な方向から投光手段によって光を投光するとともに，その投光方向に対向する方向から撮像手段によって前記測定対象物の端面の投影像を撮像し，該投影像に基づいて前記測定対象物の端面の形状を測定する形状測定方法であって，
   前記測定対象物をその周方向に回転可能に支持する回転支持機構により，前記測定対象物を所定の基準支持位置に対し所定の第１の設定角度だけ回転させた第１の支持位置から前記第１の設定角度に対して正負が反対の所定の第２の設定角度だけ回転させた第２の支持位置までの範囲における前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置を含む２つ以上の支持位置で支持し，それら各支持位置で支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像し，撮像データを所定の記憶手段に記録する回転・撮像工程と，
   前記回転・撮像工程により得られた複数の投影像それぞれについて，所定の演算手段により予め定められた画像処理を実行することによって端面形状の指標値を算出する指標値算出工程と，
   予め定められた規則に従って，前記指標値算出工程により算出された複数の前記指標値に基づく１つの代表値の選択又は１つの集約値の算出を行うことにより，前記基準支持位置に対応する前記測定対象物の端面の形状の測定値を導出する処理を所定の演算手段により実行する測定値導出工程と，を実行してなり，
   前記測定対象物が半導体ウェーハであって，
   前記第１の設定角度を＋δ１，前記第２の設定角度を−δ２とした場合に，δ１及びδ２が次の（ａ２）式を満たしてなることを特徴とする形状測定方法。
   

   
10. 前記予め定められた規則が，複数の前記指標値の中から中央値，最小値若しくは最大値を選択する規則，又は複数の前記指標値のうち小さいもの若しくは大きいものから順に予め定められた個数分の平均値を算出する規則のいずれかである請求項７〜９のいずれかに記載の形状測定方法。
11. 前記回転・撮像工程において，前記回転支持機構により前記測定対象物を前記基準支持位置と前記第１の支持位置及び前記第２の支持位置とを含む３つ以上の支持位置で支持し，それら３つ以上の支持位置それぞれで支持された前記測定対象物の端面の投影像を前記撮像手段により撮像してなる請求項７〜１０のいずれかに記載の形状測定方法。
12. 前記指標値が，前記測定対象物の端面の面取り幅，面取り角度及び面取り半径のうちのいずれかである請求項７〜１１のいずれかに記載の形状測定方法。

Images