JPH04319614A - 薄板の厚さ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄い板状の物体の厚さ
を精密に計測する技術に係わり、特にシリコンウエハー
のような平板をサブミクロンの精度で計測するのに適し
た薄板の厚さ測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコンウエハーのような平板の
厚さを精密に計測するために多くの方法が用いられてい
る。第１の方法は、光の干渉を利用する方法であり、フ
ィゾー干渉計やマイケルソン干渉計が用いられている。 第２の方法は、一般的な距離計により測定する方法であ
る。

【０００３】第２の方法の一つに、静電容量の変化を利
用する方法がある。これは、非接触の容量センサーの２
つの電極間に交流をかけて、シリコンウエハーの表面に
接近させて静電容量を計測することにより容量センサー
からシリコンウエハー表面までの距離を測定するもので
ある。これによりシリコンウエハーの表面の凹凸を測定
することができる。また、非接で距離を測定する方法と
しては、レーザー変位計を用いるものもある。

【０００４】ここで、第１の方法によれば、測定点の走
査の必要もなくシリコンウエハーの全平面を同時に計測
することができ、測定精度が高くかつ計測時間も短くて
すむ。特にマイケルソン干渉計の光源としてレーザー光
を用いると、安定で、かつ極めて正確な計測が可能であ
り、０．０１ミクロン以上の精度を有するなど、精度上
は理想的な方法である。しかしながら、このような装置
は高価で容積も大きく、自動検査などの機械に組み込む
には適していない。

【０００５】第２の方法は、シリコンウエハーの表面上
の一点毎にしか測定できないので、平面全体を計測する
には表面上を走査しなければならないが、極めて簡便か
つ安価であり、機械に組み込むのにも適している。なお
、レーザー変位計などの検出器自体の精度は、例えばシ
リコンウエハーのように１ミクロン程度の誤差を計測す
るには充分であり、現在０．０３ミクロン程度のものが
市販されている。

【０００６】しかしながら、平面全体を走査するための
機械部品、すなわち、検出器または被測定物を一定の平
面に沿って移動させるような機械部品を、検出器の精度
に匹敵する精度で加工することは極めて困難である。ま
た、一定の平面を維持するためには機械要素を大きくし
て剛性を保たなければならず、装置全体が大掛かりにな
る。すなわち、検出器は小型かつ安価であっても、装置
全体としては大型、かつ高価のものになってしまう。

【０００７】ここで、平面全体を走査する機械部品の精
度に係わる要素には二種類あり、第一は走査する平面と
理想的平面の誤差、第二はその繰り返し精度である。こ
の両者を０．１ミクロン程度の度さに維持しようとすれ
ば、大型かつ高価なものになってしまう。

【０００８】このため、従来よりいろいろな工夫がなさ
れている。通常行われている方法は、図５のように検出
器１０１および検出器１０２をＣ字型をした保持具１０
４に取り付け、検出器１０１および検出器１０２から被
測定板１０３までの距離を測定し、この測定値を一定の
値からの差し引いて被測定板１０３の厚さを求める方法
である。なお、この計測値は一点の厚さであり保持具１
０４をＸＹテーブルのような走査手段１０５の上に取り
付けて平面全体を走査するような方法である。

【０００９】この方法によれば、その繰り返し誤差、す
なわち走査手段のガタに由来する検出器１０１，１０２
と被測定物体との距離の変動による計測誤差は相殺され
、検出器１０１，１０２の精度において被測定板１０３
の厚さ計測が可能で、走査手段１０５の誤差の影響を全
く受けない良い方法である。

【００１０】しかしながら、平面を走査して平面全体の
平面精度を計測をする場合には、走査手段１０５の運動
と理想的平面との誤差をそのまま計測値の誤差とする欠
点がある。

【００１１】なお、市販されているＸＹテーブルのよう
な簡便な装置を使用しようとすれば、最近の精密なＸＹ
テーブルでも両者の誤差は１ミクロン程度の精度であり
、通常の機械部品としては充分な精度であるが、例えば
シリコンウエハーの厚さを計測する場合のように０．１
ミクロン以上の測定精度を要求される場合には、そのま
までは使用できない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、レーザー変
位計などの検出器を走査する走査手段のガタに由来する
繰り返し精度のみならず、その運動の理想的平面からの
誤差が計測値に影響を与えないようにし、安価で低い精
度の走査手段を用いても測定値がそれにより影響を受け
ないような、簡便、安価、かつ高い測定精度を持った薄
板の厚さ測定装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めになした本発明の薄板の厚さ測定装置は、被測定物で
ある薄板を保持する第１平面と該第１平面にほぼ平行に
対向する第２平面とによって構成される１対の平面対と
、上記第１平面および薄板までの距離をそれぞれ計測す
る第１検出器と上記第２平面までの距離を計測する第２
検出器とを一体にして構成された検出器対と、上記平面
対と上記検出器対との相対位置を該平面対の平面と略平
行な方向に変化させるための移動手段と、上記第１検出
器および第２検出器の計測距離に基づいて前記薄板の厚
さを演算する演算手段とを備え、上記演算手段により、
上記第１検出器による第１面までの計測距離と薄板まで
の計測距離との差を、該第１平面の計測時と該薄板の計
測時とにおける前記第２検出器による第２平面までの各
計測距離の差によって補正することにより、上記薄板の
厚さを演算するようにしたことを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明の薄板の厚さ測定装置において、被測定
物である薄板の厚さは、平面対の第１平面に薄板を保持
しないときの第１検出器と第２検出による各計測距離、
および第１平面に薄板を保持したときの第１検出器と第
２検出による各計測距離によって演算される。ここで、
平面対と検出器対との相対位置が移動手段によって変化
され、上記のように薄板を保持しないときと保持したと
きとで平面対と検出器対とに位置ずれが生じていても、
この位置ずれの量は、第１検出器側の計測距離と第２検
出器側の計測距離とで互いに相殺するようになる。した
がって、第１検出器による第１面までの計測距離と薄板
までの計測距離との差を、第１平面の計測時と薄板の計
測時とにおける第２検出器による第２平面までの各計測
距離の差によって補正して、薄板の厚さを演算すると、
移動手段による誤差が厚さの演算値に影響しない。

【００１５】

【実施例】図１は本発明実施例の薄板の厚さ測定装置の
正面図であり、１は第１平面としての計測台面１Ａが平
面に仕上げられた計測台、２は第２平面としての参照面
２Ａが平面に仕上げられた参照板、３は検出部を計測台
面１Ａ側に向けた第１検出器、４は検出部を参照面２Ａ
側に向けた第２検出器である。

【００１６】計測台１の計測台平面１Ａには多数の細孔
が開けられており、図示しない吸引装置によってこの細
孔に発生する負圧により、被測定物である薄板１０が保
持される。第１検出器３および第２検出器４としてはレ
ーザー式距離計が用いられており、第１検出器３はこの
第１検出器３の所定の位置から計測台面１Ａおよび薄板
１０までの距離を計測する。また、第２検出器４はこの
第２検出器４の所定の位置から参照面２Ａまでの距離を
計測する。なお、この種のレーザー式距離計は最近進歩
が著しく、概ね０．０５ミクロン程度の精度を有し、シ
リコンウエハーの面精度検査などにも適用でき、かつ簡
便で安価のものとなっている。

【００１７】計測台１と参照板２は計測台面１Ａと参照
面２Ａとが互いに略平行に対面するように「コ」の字型
の保持金具７で保持され、これによって計測台面１Ａと
参照面２Ａとの相対位置が一定に保たれている。また、
保持金具７はＸＹテーブルの如き移動装置８の上に配設
されており、保持金具７は図の矢印Ｐの方向と図面に垂
直な方向にそれぞれ独立に移動でき、土台９に対して保
持金具７の相対位置を変更できるようになっている。一
方、第１検出器３と第２検出器４は垂直板５の下端と上
端にそれぞれ固定され、垂直板５はアーム６によって土
台９に固定されている。

【００１８】そして、移動装置８により保持金具７が移
動されると、計測台１に薄板１０が配設されていないと
きは、第１検出器３は計測台平面１Ａとの距離の変化を
出力し、第２検出器４は参照面２Ａとの距離の変化を出
力する。また、計測台１に薄板１０が配設されていると
きには、第１検出器３は薄板１０との距離の変化を出力
する。

【００１９】図２は実施例の厚さ測定装置の演算処理部
のブロック図である。切替器１１と切替器１２は同期信
号発生器１５により同時に開閉し、切替器１３と切替器
１４は同様に同期信号発生器１５により同時に開閉する
。

【００２０】先ず、計測台１の計測台面１Ａに薄板１０
を置かないとき、切替器１１，１２を閉状態にして切替
器１３，１４を開状態にする。これにより、第１検出器
３の出力は切替器１１を経由して第１の加算器１６に導
かれ、また、第２検出器４の出力は切替器１２を経由し
て同じく第１の加算器１６に導かれる。

【００２１】そして、第１の加算器１６は入力される二
の信号を加算してその加算出力を第１の記憶器１８に送
る。したがって、第１の記憶器１８は、図３に示したよ
うに計測台平面１Ａと第１検出器３との距離ａと、参照
平面２Ａと第２検出器４との距離ｂの和（ａ＋ｂ）を保
持する。

【００２２】次に、計測台平面１Ａに被測定物である薄
板１０を置き、切替器１１，１２を開状態にして切替器
１３，１４を閉状態にすると、第１検出器３の出力と第
２検出器４の出力が第２の加算器１７に導かれ、第２の
加算器１７は入力される二の信号を加算してその加算出
力を第２の記憶器１９に送る。したがって、第２の記憶
器１９は、図４に示したように、薄板１０と第１検出器
３との距離ｃと、参照平面２Ａと第２検出器４との距離
ｂ’　の和（ｃ＋ｂ’　）を保持する。

【００２３】次に、第１の記憶器１８の出力（ａ＋ｂ）
と第２の記憶器１９の出力（ｃ＋ｂ’　）を減算器２０
に導き、この減算器２０によって第１の記憶器１８の値
から第２の記憶器１９の値を減算し、次式（１）で表さ
れる減算出力ｘを薄板１０の厚さの計測値として得る。 ｘ＝（ａ＋ｂ）−（ｃ＋ｂ’　）　　　　……（１）

【
００２４】すなわち、第１の記憶器１８に記憶されてい
る値は計測台平面１Ａと参照平面２Ａ間の距離Ａから第
１検出器３と第２検出器４との間の距離Ｄを差し引いた
ものであり、また、第２の記憶器１９に記憶されている
値は薄板１０と参照平面２Ａ間の距離Ｂから第１検出器
３と第２検出器４との間の距離Ｄを差し引いたものであ
るので、減算器２０の減算出力ｘは薄板１０の厚さを示
す。

【００２５】上記の構成によれば、図１において移動装
置８の機械的誤差のために保持金具７が理想的平面から
離れて運動し、計測台平面１Ａおよび参照平面２Ａと、
各検出器３，４とが、上下方向に誤差をもって移動され
ても、減算器２０の出力はこの誤差に全く影響を受ける
ことがなく、薄板１０の正確な厚さを計測することがで
きる。

【００２６】例えば、計測台面１Ａに薄板１０を置かな
いとき（図３）と薄板１０を置いたとき（図４）とで計
測台平面１Ａと第１検出器３との距離ａ，ａ’がそれぞ
れ等しければ、薄板１０の厚さはａ−ｃで得られるが、
図３の状態と図４の状態とでは計測時点が異なり、例え
ば、図３の計測時から図４の計測時に至るまでに移動装
置８の駆動によって計測台平面１Ａと参照平面２Ａが各
検出器３，４の位置から外されたとすると、上記の異な
る時点での第１検出器３と計測台平面１Ａとの各距離ａ
，ａ’　は等しくなるとは限らない。

【００２７】しかし、計測台平面１Ａと参照平面２Ａと
の間隔Ａおよび第１検出器３と第２検出器４との間隔Ｄ
はともに一定値であるので、例えばａ’　＞ａとすると
、この距離の差（ａ’　−ａ）は第２検出器４と参照平
面２Ａとの各距離ｂ，ｂ’　の距離の差となって現れ、
距離ｂ’　が距離ｂより（ａ’　−ａ）だけ小さくなる
。すなわち、 ａ’　−ａ＝ｂ−ｂ’　＝δ　　……（２）となる。ま
た、この状態で薄板１０の実際の厚さＸは次式（３）で
表される。 Ｘ＝ａ−（ｃ−δ）　　……（３）

【００２８】これに対し、減算器２０の減算出力ｘは前
傾の式（１）で表されるので、 となり、この減算出力ｘは実際の厚さＸと等しくなる。

【００２９】すなわち、計測台平面１Ａまでの距離ａの
計測時と薄板１０までの距離ｃの計測時とにおける位置
ずれが、第２検出器４による参照平面２Ａまでの計測距
離ｂ，ｂ’　に基づいて補正される。

【００３０】なお、現在のシリコンウエハーの精度は１
ミクロン以内であって、それを計測する装置には０．１
ミクロン以内の望ましくは０．０５ミクロン程度の精度
が望まれる。最近のレーザー式の検出器の精度向上はめ
ざましく、具体的にはキーエンス社が製造販売するＬＤ
２５１０の如き検出器では０．０５ミクロン、アンリツ
社が製造販売するＫＬ１３０Ａの如き検出器では０．０
１ミクロンの精度を有しており、充分に実用に耐える。

【００３１】これに対し、現在の機械加工の技術では、
最も精度の高いＸＹテーブルにおいても、ガタに由来す
る繰り返し精度はおよそ１ミクロンであり、また、運動
の理想的平面からの誤差も１ミクロン程の誤差は避けら
れない。

【００３２】しかしながら、上記のように本発明を適用
することにより、上記のような検出器とＸＹテーブルを
組み合わせて精度の高い厚さ測定を行うことができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明の薄板の厚さ
測定装置によれば、ほぼ平行に対向する第１平面と第２
平面とによって平面対を構成するとともに、この第１平
面および第１平面に保持される薄板までの距離をそれぞ
れ計測する第１検出器と第２平面までの距離を計測する
第２検出器とを一体にして検出器対を構成し、第１検出
器による第１面までの計測距離と薄板までの計測距離と
の差を、第１平面の計測時と薄板の計測時とにおける第
２平面までの各計測距離の差によって補正することによ
り薄板の厚さを演算するようにしたので、ＸＹテーブル
などの移動手段で平面対と検出器対の相対位置を変化さ
せるとき機械的なガタや運動の理想的平面からの誤差が
あっても、この誤差の影響を無くして薄板の厚さを計測
することができる。したがって、安価で低い精度の走査
手段を用いても測定値がそれにより影響を受けないよう
な、簡便、安価、かつ高い測定精度を持った薄板の厚さ
測定装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の薄板の厚さ測定装置を示す図で
ある。

【図２】本発明実施例における演算処理部のブロック図
である。

【図３】本発明実施例における計測台平面と参照平面と
の計測状態を示す図である。

【図４】本発明実施例における薄板と参照平面との計測
状態を示す図である。

【図５】従来の厚さ測定方法の一例を示す図である。

【符号の説明】 １Ａ　　計測台平面（第１平面） ２Ａ　　参照平面（第２平面） ３　　　　第１検出器 ４　　　　第２検出器 ８　　　　移動装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被測定物である薄板を保持する第１平
   面と該第１平面にほぼ平行に対向する第２平面とによっ
   て構成される１対の平面対と、上記第１平面および薄板
   までの距離をそれぞれ計測する第１検出器と上記第２平
   面までの距離を計測する第２検出器とを一体にして構成
   された検出器対と、上記平面対と上記検出器対との相対
   位置を該平面対の平面と略平行な方向に変化させるため
   の移動手段と、上記第１検出器および第２検出器の計測
   距離に基づいて前記薄板の厚さを演算する演算手段と、
   を備え、上記演算手段により、上記第１検出器による第
   １面までの計測距離と薄板までの計測距離との差を、該
   第１平面の計測時と該薄板の計測時とにおける前記第２
   検出器による第２平面までの各計測距離の差によって補
   正することにより、上記薄板の厚さを演算するようにし
   たことを特徴とする薄板の厚さ測定装置。
2. 【請求項２】　　前記薄板を保持していないときの前記
   第１検出器による第１平面までの距離と前記第２検出器
   による第２平面までの距離の和を記憶する第１記憶手段
   と、前記薄板を保持しているときの上記第１検出器によ
   る薄板までの距離と上記第２検出器による第２平面まで
   の距離の和を記憶する第２記憶手段と、を備え、上記第
   １記憶手段の演算結果と上記第２記憶手段の演算結果と
   の差に基づいて上記薄板の厚さを演算するようにしたこ
   とを特徴とする請求項１記載の薄板の厚さ測定装置。