測定用プローブと測定方法
【課題】 ピンチャック等のウエハチャックの平面度を、サブミクロンのごみの影響を受けずにナノメートルの超高精度に測定する。
【解決手段】 半導体ウエハ等をチャックするピンチャック１２１等の剣山状のピン１２２先端の包絡線形状を測定する平面度測定装置における測定用プローブ１３１として、先端面形状が、球状面１１と、球状面１１の外側の周囲に球状面１１と滑らかにつながるように形成されたテーパ面１２とを有する測定用プローブ１３１を備え、ピンチャック１２１等に作用する力が一定になるように測定用プローブ１３１に力を加えつつＺ軸方向にフィードバックしながら、ＸＹ方向に走査測定するようにした。
【解決手段】 半導体ウエハ等をチャックするピンチャック１２１等の剣山状のピン１２２先端の包絡線形状を測定する平面度測定装置における測定用プローブ１３１として、先端面形状が、球状面１１と、球状面１１の外側の周囲に球状面１１と滑らかにつながるように形成されたテーパ面１２とを有する測定用プローブ１３１を備え、ピンチャック１２１等に作用する力が一定になるように測定用プローブ１３１に力を加えつつＺ軸方向にフィードバックしながら、ＸＹ方向に走査測定するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハチャックと呼ばれる半導体ウエハ支持用部材やその半導体ウエハ支持用部材に支持された半導体ウエハなどの平面度を測定する平面度測定装置に用いられる測定用プローブとそれを用いた測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の平面度測定装置用のプローブとしては、測定面が平面の形状をしているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１２、図１３に、この特許文献１に記載された従来の測定用プローブを示している。図１２、１３において、測定用プローブ２０１、２０２の測定面２０１ａ、２０２ａは平面形状をなしている。また、図１４に示すように、測定用プローブ２０３に球状の測定面２０３ａを形成したものも知られている。
【特許文献１】特開平１１−１２５５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のように測定面２０１ａ、２０２ａが平面形状をしている場合には、例えば図１５に示すように、測定対象であるピンチャックの直径約０．２ｍｍのピンの先端にごみ等が付着している場合、測定データ位置が本来よりもごみの高さ分高く計測されて誤差を生ずる。
【０００４】
半導体ウエハをチャックする図２に示すようなピンチャック１２１において、３００ｍｍウエハ用のピンチャック１２１では、ピン１２２がピッチＩ＝２ｍｍで格子状に形成された場合１枚のピンチャック１２１上に約１７，０００本のピン１２２があるが、微細化が進み９０ｎｍ以下の精度が要求される半導体の製造工程では、ピン先端の包絡面上の形状がピンチャック上の２５ｘ８ｍｍのエリアで、露光装置の焦点深度上の制約より９０ｎｍ以下が要求されることになる。１７，０００本のピン１２２の全てについて、ごみの影響を受けることなく、９０ｎｍの公差に対する５分の１あるいは１０分の１の精度で測定することは不可能であるという課題を有していた。特に、ピンチャック１２１の製造工程では、実使用の露光時ほどコストをかけて高いクリーン度で加工後測定することが難しく、多少条件の悪い環境下で測定を行う必要があり、ごみによる測定データの誤差の問題は大きな課題であった。
【０００５】
さらに、平面形状であるのでプローブの中心に対して測定面の外側部分とピンチャックのピン先端が接触した状態で測定した場合、プローブの中心に対し外側で測定することにより回転モーメントが発生し、測定面２０１ａ、２０２ａがプローブの移動軸に対しわずかに回転し、特に測定面２０１ａ、２０２ａをｎｍの精度でプローブの移動軸に垂直に取り付けることは不可能であるので、回転により平面のプローブ外側の部分とプローブ中央部分の高さ関係が変わることにより、測定誤差を生ずるという課題もあった。
【０００６】
また、球状の測定面２０３ａを有する場合には、ピンチャックを測定する場合にプローブの上下動が大きくなり、プローブをピンチャック面上でＸＹに走査測定する際にも高速測定が不可能であるという課題がある。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状の平面度を高精度に測定することができる測定用プローブと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】
【０００８】
本発明の測定用プローブと測定方法は、半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状を測定する測定用プローブにおいて、先端面形状が、球状面とその外側の周囲に球状面と滑らかにつながるように形成されたテーパ面とを有するものであり、またその測定用プローブで、剣山状のピン先端を走査して測定するものである。
【０００９】
この構成によると、プローブ先端に球状面を持つことによりピン先端上のごみを拾い難く、精度の良い測定ができ、かつ球状面の外側にテーパ面が形成されているのでプローブの上下動を少なくでき、プローブを剣山状のピン先端上をＸＹ方向に走査して測定する際にも高速測定が可能である。さらに、先端の球状面でピン先端の測定を行うので、プローブに回転モーメントが加わっても、プローブのピン先端への接触部分に平面部分が無いため測定精度に影響を与えることがなく、また先端の球状面以外の部分ではピン先端の測定を行わないので、プローブを支えているユニットに与える回転モーメントも小さく測定データに誤差を与えることはない。
【００１０】
また、球状面とテーパ面の間に、逆ドーナッツ面状の凹面が形成されている測定用プローブで走査測定すると、先端の球状面の形状をより深くでき、より大きなごみを避けて測定することが可能となる。
【００１１】
また、ピンピッチをＰｃ、プローブの直径をＰ１としたとき、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１である測定用プローブにて走査測定すると、剣山状のピン先端よりプローブが落ち込むことなく、高速かつ安全に測定することができる。
【００１２】
また、テーパ面の外周部分の高さｈ１がピン高さｈｃより高くなるよう構成された測定用プローブにて走査測定すると、プローブの走査測定開始位置が、ピンチャック等の外周側より開始する場合でも、プローブの側面がピンに接触したりすることなく、安全にプローブ先端をピン先端の中央にアプローチさせることができる。
【００１３】
また、テーパ面が外周部分と内周部分の２箇所に別れている測定用プローブにて走査測定すると、内周部分のテーパをゆるい角度で構成することにより、ピン先端の走査測定時におけるプローブの上下動を小さくすることができる。
【００１４】
また、テーパ面が外周部分と内周部分の２箇所に別れているテーパ面の間の部分に、全周にＲ形状の面取りが付けられている測定用プローブにて走査測定すると、プローブ走査時に発生する上下動の加速度を低減することができ、より高速で測定することが可能となる。
【００１５】
また、テーパ面の内周部分の最外周の高さｈ２がピンの高さｈｃより低くなるように構成され、外周部分の最外周の高さｈ３がピン高さｈｃより高くなるよう構成された測定用プローブにて走査測定すると、ピン先端エリアを走査測定中にプローブ先端がピン先端以外の部分に接触することは無いので、ピン先端以外の部分よりごみを拾うことがなく、よりクリーンに保持して高精度の測定を維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の測定用プローブ及び測定方法によれば、プローブ先端に球状面を持つことにより、ピントップ上のごみを拾い難く、その外側のテーパ面でプローブの上下動を少なくすることにより、プローブをピンチャック等のピン先端上でＸＹに走査測定する際にも高速測定が可能となり、また先端の球状面でピン先端の測定を行うのでプローブに回転モーメントが加わっても、プローブのピン先端への接触部分に平面部分が無いので、測定精度に影響を与えることはなく、高精度の測定を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の各実施形態について、図１〜図１１を参照しながら説明する。なお、本明細書において「平面度」とは、図３に示すように、例えば半導体ウエハ１４１の所定範囲におけるその表面のうねりの高さＸをいう。また、上記所定範囲とは、例えば半導体ウエーハ全体の例えばφ２００〜３００ｍｍの範囲であったり、ステッパの露光領域の約２５ｍｍ×８ｍｍの範囲である。
【００１８】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態における平面度測定装置を図１〜図７を参照して説明する。
【００１９】
図１において、本実施形態の平面度測定装置１００は、大別して水平面上で互いに直交するＸ、Ｙ軸を含む定盤１１０と、定盤１１０上に設置されるとともに被測定物を載置する被測定物ステージ１２０と、定盤１１０上に設置されたＸＹステージ１２５と、ＸＹステージ１２５上に設置されたプローブユニット１３０と、定盤１１０上に立設されたフレーム１１１に取付けられ、プローブユニット１３０の上方位置でプローブユニット１３０に対してＸ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向に対向するように配設された基準部材１２８とを備えている。
【００２０】
被測定物ステージ１２０上には、半導体ウエハを支持するピンチャック１２１、または図７に示すようにピンチャック１２１上に吸着された半導体ウエハ１４１が被測定物として設置される。ピンチャック１２１は、図２に示すように、半導体ウエハ１４１に対応して円形の平面形状に構成され、その表面１２１ａには、半導体ウエハ１４１の裏面へのゴミの付着を低減するため、ピッチ間隔Ｉにて、直径IIのピン状の突起部材１２２（以下、ピンと称す。）が格子状に配列して立設されている。本実施形態では、ピッチ間隔Ｉは約２ｍｍ、ピン１２２の直径IIは約０．２ｍｍである。また、ピンチャック１２１には吸引装置１６１が接続され、ピンチャック１２１上に載置された半導体ウエハ１４１は、ピン１２２、１２２間のすき間を介して吸引されることによりそれぞれのピン１２２の先端に密着して支持される。
【００２１】
なお、被測定物がピンチャック１２１のときには、その表面１２１ａに突設されている各ピン１２２の先端高さを測定することで、各ピン１２２の先端に接する面（以下、「包絡面」という）の平面度を演算する。
【００２２】
被測定物ステージ１２０はあおり機構１２３を有している。あおり機構１２３は、被測定物ステージ１２０上に載置された被測定物を、Ｘ軸の軸回りについてα方向への回転、及びＹ軸の軸回りについてβ方向への回転を調整ネジにて行うものであり、後述の山形の測定用プローブ１３１の走査方向軸と定盤１１０との平行度を１．５×１０-5ｒａｄ以下の精度にて調整する。ＸＹステージ１２５は、定盤１１０上に直接固定されＹ軸方向に移動可能なＹステージ１２５ａと、Ｙステージ１２５ａ上に設置されＹステージ１２５ａ上をＸ軸方向に移動可能なＸステージ１２５ｂとを有する。なお、Ｘ，Ｙステージ１２５の移動は、ＮＣコントローラにて駆動、制御される。
【００２３】
また、基準部材１２８は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各測定点におけるプローブユニット１３０のＺ軸方向の基準を決めるための部材である。このような基準部材１２８は、ガラス等を研磨することにより製作されたミラーにてなり、被測定物である半導体ウエハ１４１を含むような面積を有している。なお、基準部材１２８は、１２インチの半導体ウエハに相当する直径３００ｍｍで、０．７μｍ以下の精度にて製作されている。
【００２４】
プローブユニット１３０は、山形の測定用プローブ１３１と、スライダ１３２と、スライダ支持部材１３３と、反射ミラー１３４と、第１測長装置１３５と、フィードバック装置１３６と、第２測長装置１３７と、制御装置１３８と、その表示装置１３９を備えている。なお、山形の測定用プローブ１３１は、図１に示すように、被測定物が半導体ウエハ１４１を支持するピンチャック１２１の場合に使用されるプローブであり、被測定物が半導体ウエハ１４１の場合には、図７に示すように、図１４に示した球状の測定面２０３ａを有する測定用プローブ２０３を使用してもよい。
【００２５】
スライダ１３２は、Ｘ軸及びＹ軸方向に剛性が高く、Ｚ軸方向に力を受けることなく移動の自由度を有する状態で測定用プローブ１３１を支持し、かつ低い測定圧及びＺ軸方向への急な移動にも追随するために、アルミ等の低比重で、かつ直径４ｍｍ程度に小さくすることにより、質量が１ｇ以下、より好ましくは２００ｍｇ以下に製作されたマイクロエアースライダにより構成されている。なお、マイクロエアースライダ、及びその周辺の構成については、当該出願人によりなされた特許出願（特願平５−５３３８２号）に開示されている構造と同様である。
【００２６】
スライダ１３２は、図４に示すように、その先端部分に上記山形の測定用プローブ１３１が取り付けられるもので、円筒形状に形成されており、エア供給部１３２１からエアが供給される供給穴を有するガイド１３２０の内壁をエアースライドとしてＺ方向に滑らかに移動する。スライダ支持部材１３３は、測定用プローブ１３１を取付けたスライダ１３２を支持し、測定用プローブ１３１が低い測定圧で測定可能なように、幅ｌｍｍ程度、厚さ２０μｍ程度でバネ定数が５ｍｇ／μｍ以下程度のステンレス製等のマイクロスプリングにより構成されている。
【００２７】
反射ミラー１３４は、測定用プローブ１３１のＺ軸方向における位置の変化を測定するために、スライダ１３２の他端に取り付けられたミラーであり、ガラス等の面にアルミ膜を蒸着した直径２ｍｍ程度の反射ミラーにより構成されている。
【００２８】
第１測長装置１３５は、Ｚ方向に移動する測定用プローブ１３１の延長線上であって反射ミラー１３４との間でレーザ光の投光、受光を行うように設置され、測定用プローブ１３１のＺ方向の位置の変化、換言すると反射ミラー１３４のＺ方向の位置の変化を０．０１μｍ以下の分解能で測定する、レーザ干渉測長装置により構成されている。
【００２９】
フィードバック装置１３６は、測定用プローブ１３１における測定圧力を２００ｍｇ以下のー定圧力に維持するための装置で、スライダ支持部材１３３であるマイクロスプリングの１０ないし４０μｍのたわみ量を検出する検出器１３６ａと、この検出器１３６ａにより検出されたたわみ量がー定になるようにスライダ１３２のＺ軸方向への移動を制御するサーボユニット１３６ｂと、このサーボユニット１３６ｂの指示によりスライダ１３２をＺ軸方向に上下動させるリニアモータ等にて構成されるアクチュエータ１３６ｃとを備えている。
【００３０】
第２測長装置１３７は、第２測長装置１３７が備わるプローブユニット１３０から、ミラーからなる基準部材１２８までの距離を、０．０１μｍ以下の分解能で測定するレーザ干渉測長ユニットにより構成されている。
【００３１】
制御装置１３８には、上述したＸＹステージ１２５に備わるＮＣコントローラ、第１測長装置１３５、及び第２測長装置１３７が接続されている。このような制御装置１３８は、測定用プローブ１３１が半導体ウエーハ支持用部材１２１の突起部材１２２の先端部を走査するようにＸＹステージ１２５のＮＣコントローラに対してＸ軸方向及びＹ軸方向への移動を制御し、かつ第１測長装置１３５及び第２測長装置１３７の測長情報に基づきピンチャック１２１のＺ軸方向の形状データを測定するとともに測定点におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の位置も測定して、これらＺ軸方向の形状データ及びＸ、Ｙ軸方向の位置データを関連づけながら記憶する。さらに、上記Ｚ軸方向の形状データ及びＸ、Ｙ軸方向の位置データに基づきピンチャック１２１のピン１２２先端の包絡面における平面度を演算する。
【００３２】
以上のような平面度測定装置１００の全体構成において、本実施形態の測定用プローブ１３１は、図５、図６に示すように、一端に曲率半径Ｒ１の球状面１１とその外側に滑らかにつながるように形成された傾斜角θのテーパ面１２を有している山形の形状に構成されている。測定用プローブ１３１の寸法Ｐ１は、ピンチャック１２１のピン１２２、１２２間に測定用プローブ１３１が落ち込まないように、ピン１２２、１２２間のピッチをＰｃとして、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１に設定されている。例えば、ピン１２２のピッチＰｃが２ｍｍであるのに対して、測定用プローブ１３１のＸ軸及びＹ軸方向における寸法Ｐ１が３ｍｍないし５ｍｍ程度の円形とされている。また、測定用プローブ１３１の側面がピン１２２に接触することがないように、テーパ面１２の最外周の高さｈ１は、ピン１２２の高さｈｃよりも高く設定されている。なお、測定用プローブ１３１は上述の円型に限定されるものではなく、これら以外の形状でも上述と同様の効果が得られる。また、本実施形態では、測定用プローブ１３１の摩耗を防止するために、スタイラスの先端部分はルビー、ダイヤ等の材質にて構成されている。
【００３３】
以上のように構成された平面度測定装置１００の動作について以下に説明する。まず、被測定物ステージ１２０上に半導体ウエハ１４１を支持するピンチャック１２１を固定し、また測定用プローブ１３１のＸＹ方向の移動方向と定盤１１０の表面との平行度を、Ｘ軸及びＹ軸方向のそれぞれについて１．５×１０-5ｒａｄ以下となるように被測定物ステージ１２０に備えられたあおり機構１２３にて調整する。次に、制御装置１３８の制御によりＸＹステージ１２５のＸ軸及びＹ軸方向への移動を制御し、ＸＹステージ１２５上に設置されたプローブユニット１３０に取付けられている測定用プローブ１３１にてピンチャック１２１のピン１２２の先端をＸ軸及びＹ軸方向に走査する。なお、この走査の際にフィードバック装置１３６の動作にてスライダ１３２を支えるスライダ支持部材１３３のたわみ量を検出し、そのたわみ量が一定になるようにＺ軸方向にスライダ１３２のＺ軸方向の高さをフィードバック制御し、プローブの測定圧力を２００ｍｇ以下のー定圧力に制御する。よって、測定用プローブ１３１におけるピン１２２に対する測定圧力は２００ｍｇ以下に設定される。このような測定圧力にて測定が行われることから、ピンチャック１２１のピン１２２の先端が測定用プローブ１３１により傷つくことはない。
【００３４】
そして、第１測長装置１３５にて反射ミラー１３４までの距離が０．０１μｍ以下の精度で、かつ第２測長装置１３７にて基準部材１２８までの距離が０．０１μｍ以下の精度で測定される。このような状態にて、測定用プローブ１３１と第１測長装置１３５とをー体としてＸ、Ｙ軸方向に移動させ、ピンチャック１２１のピン１２２の先端の包絡面を測定用プローブ１３１にてＸ、Ｙ軸方向に走査する。制御装置１３８は、Ｘ、Ｙ軸方向における座標位置と、その座標位置に対応するＺ軸方向の高さ寸法とを記憶し、最終的にピンチャック１２１のピン１２２の先端の包絡面における平面度を演算する。よって、上記測定圧力及び上記距離の条件により、約２５ｍｍｘ８ｍｍ平方のステッパにおける露光範囲において、ピンチャック１２１のピン１２２の先端の包絡面における平面度を、０．０１μｍの精度にて測定することができる。尚、ピンチャック１２１の全面、及び３００ｍｍの半導体ウエハ１４１の全面については０．２μｍ以下の測定精度となる。
【００３５】
ここで、測定用プローブ１３１が、図５、図６に示すように、プロープ先端に緩やかな球状面１１を持っていることにより、ピン１２２の先端上のごみを拾いにくい。この測定動作を、図１０を参照して説明する。図１０の左側に、先端が球状面１１とそれに滑らかにつながるテーパ面１２を有する測定用プローブ１３１を用い、測定用プローブ１３１を紙面に垂直方向（手前奥方向）に走査した場合に避けることのできる最大のごみ２１の高さを示している。測定用プローブが平面形状の場合は、ごみ２１上に測定用プローブが乗り上げることとなり、測定用プローブの位置がピン先端の上面より上の位置を通過することになり測定に誤差を持つのに対して、本実施形態のように先端形状が球状面１１とそれに滑らかにつながるテーパ面１２で形成されている場合には、図１０の左側に示される大きさのごみまで避けて測定することが可能となる。
【００３６】
また、球状面１１の外側の緩やかなテーパ部１１で測定用プローブ１３１の上下動を少なくすることができ、測定用プローブ１３１をピンチャック１２１上でＸＹ方向に走査測定する際にも高速測定が可能である。さらに、球状面１１でピン１２２の先端の測定を行うので測定用プローブ１３１に回転モーメントが加わっても、測定用プローブ１３１のピン１２２の先端への接触部分が平面でないので、測定精度に影響を与えることはなく、球状面１１以外の部分ではピン１２２の先端の測定を行わないので、測定用プローブ１３１を支えているユニットに与える回転モーメントも小さくなり、測定データに誤差を与えることはない。
【００３７】
また、ピンピッチをＰｃと測定用プローブ１３１の直径Ｐ１の関係を、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１としているので、剣山状のピン１２２の先端より測定用プローブ１３１が落ち込むことなく、高速かつ安全に測定することができる。また、テーパ面１２の最外周の高さｈ１をピン１２２の高さｈｃよりも高く設定しているので、測定用プローブ１３１の走査測定開始位置が、ピンチャック１２１の外周側より開始する場合でも、測定用プローブ１３１の側面がピン１２２に接触したりすることなく、破損したりする恐れなく、安全に測定用プローブ１３１の先端をピン１２２の先端中央にアプローチさせることができる。
【００３８】
なお、被測定物がピンチャック１２１上に吸着された半導体ウエハ１４１である場合には、図７に示すように、山形の測定用プローブ１３１に代えて、従来例で示した球状のプローブ２０３を使用しても良い。球状プローブ２０３は、例えば半導体ウエハ１４１の表面１４１ａに接触する球状の測定面２０３ａの直径は１ｍｍ程度である。また、半導体ウエハ１４１の測定時には、制御装置１３８は、Ｘ、Ｙ軸方向の同位置について、ピンチャック１２１の場合と同様に、得られる半導体ウエハ１４１の表面１４１ａにおけるＺ軸方向の形状データと、ピンチャック１２１におけるＺ軸方向の形状データとの差を演算することで、半導体ウエハ１４１の表面１４１ａのみの形状を演算する。
【００３９】
また、以上の実施形態の説明では、Ｚ軸方向における測定精度を高めるため、第２測長装置１３７及び基準部材１２８を設けたが、ＸＹステージ１２５におけるＸ、Ｙ軸方向への移動にともなうＺ軸方向への変位量が、被測定物の平面度測定に要求される精度よりも小さい場合には、第２測長装置１３７及び基準部材１２８は設けなくてもよい。
【００４０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図８を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と共通する構成要素については同一参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
【００４１】
本実施形態では、テーパ面１２が外周部分と内周部分の２箇所に別れて構成されている。すなわち、測定用プローブ１３１の球状面１１の外側に傾斜角度θ１の第１のテーパ面１２ａとその外側により角度の大きい傾斜角度θ２の第２のテーパ面１２ｂが形成され、第１のテーパ面１２ａの外周径Ｐ２がピン１２２のピッチＰｃよりも大きく設定されている。また、テーパ面１２の内周部分の第１のテーパ面１２ａの最外周の高さｈ２はピン１２２の高さｈｃより低く、外周部分の第２のテーパ面１２ｂの最外周の高さｈ３はピン１２２の高さｈｃより高くなるように構成されている。
【００４２】
この構成によれば、測定用プローブ１３１の先端がピン１２２の先端を走査測定中に、ピン１２２、１２２間の中間部分の走査中に測定用プローブ１３１の先端がピンチャック１２１のピン１２２のない平面部分に接触せず、ピン１２２の先端以外の部分に接触することは無いので、ピン１２２の先端以外の部分よりごみを拾うことなく、測定用プローブ１３１をよりクリーンに保持して精度の良い測定ができる。また、内周部分の第１のテーパ面１２ａの傾斜角θ１をゆるい角度に設定することにより、ピン１２２の先端の走査測定時における測定用プローブ１３１の上下動を小さくすることができ、より高速に測定することが可能となる。
【００４３】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図９、図１０を参照して説明する。本実施形態においては、図９に示すように、測定用プローブ１３１の先端の球状面１１とテーパ面１２の境界部に逆ドーナッツ面状の凹面１３が形成され、ごみを避けて測定できる様に構成されている。
【００４４】
このように構成すると、測定用プローブ１３１の先端の球状面１１の形状をより深くでき、より大きなごみを避けて測定することが可能となる。図１０を用いて説明すると、本実施形態の測定用プローブ１３１では、先端に球状面１１と逆ドーナッツ状の凹面１３が形成され、さらにその凹面１３に滑らかにつながるテーパ面１２が形成されているので、測定用プローブ１３１を紙面に垂直方向（手前奥方向）に走査した場合に、最大限、図１０の右側に示すごみ２２を避けることのでき、第１の実施形態の場合よりも、より大きなごみ２２まで避けて測定することが可能となる。特に、３００ｍｍ半導体ウエハ１４１のピンチャック１２１では、１つのピンチャック１２１上に、直径約０．２ｍｍ程度のピン１２２が約１７，０００本あり、この方式でピン１２２の先端のサブミクロンのごみを避けて測定することは、ピン１２２の先端の包絡面の形状測定に非常に有効である。
【００４５】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図１１を参照して説明する。本実施形態においては、図１１に示すように、測定用プローブ１３１の先端の球状面１１とテーパ面１２の境界部に逆ドーナッツ面状の凹面１３が形成され、かつ第１のテーパ面１２ａと第２のテーパ面１２ｂの間に全周にＲ形状の面取り１４が付けられている。
【００４６】
このように構成すると、上記第２の実施形態及び第３の実施形態における作用効果に加えて、第１のテーパ面１２ａと第２のテーパ面１２ｂの境界にＲ形状の面取り１４が付けられているので、測定用プローブ１３１の走査時に発生する上下動の加速度を低減することができ、より高速に測定することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の測定用プローブと測定方法は、プロープ先端に球状面を持つことにより、ピン先端上のごみを拾いにくく、その外側の緩やかなテーパ面でプローブの上下動を少なくすることにより、プローブをピンチャック面上でＸＹに走査測定する際にも高速測定が可能であり、さらに球状面でピン先端の測定を行うのでプローブに回転モーメントが加わっても測定精度に影響を与えることなく高精度の測定ができるため、半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状の平面度を高精度に測定するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態における平面度測定装置の全体構成図である。
【図２】同実施形態における平面度測定装置にて半導体ウエハを測定する際の全体構成図である。
【図３】同実施形態における被測定物であるピンチャックの構成図である。
【図４】半導体ウエハ表面のうねりを説明する断面図である。
【図５】同実施形態におけるプローブユニットの構成図である。
【図６】同実施形態における測定用プローブの断面図である。
【図７】同実施形態における測定用プローブの詳細断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における測定用プローブの断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における測定用プローブの断面図である。
【図１０】同実施形態における測定用プローブの効果の説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態における測定用プローブの断面図である。
【図１２】第１の従来例の測定用プローブの構成図である。
【図１３】第２の従来例の測定用プローブの構成図である。
【図１４】第３の従来例の測定用球面プローブの構成図である。
【図１５】ピントップ上に残ったサブミクロンのごみの測定結果の説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１ 球状面
１２ テーパ面
１２ａ 第１のテーパ面（テーパ面１２の内周部分）
１２ｂ 第２のテーパ面（テーパ面１２の外周部分）
１３ 逆ドーナツ面状の凹面
１４ Ｒ形状の面取り
１００ 平面度測定装置
１２１ ピンチャック（半導体ウエハ支持部材）
１２２ ピン（突起部材）
１３１ 山形の測定用プローブ
１４１ 半導体ウエハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハチャックと呼ばれる半導体ウエハ支持用部材やその半導体ウエハ支持用部材に支持された半導体ウエハなどの平面度を測定する平面度測定装置に用いられる測定用プローブとそれを用いた測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の平面度測定装置用のプローブとしては、測定面が平面の形状をしているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１２、図１３に、この特許文献１に記載された従来の測定用プローブを示している。図１２、１３において、測定用プローブ２０１、２０２の測定面２０１ａ、２０２ａは平面形状をなしている。また、図１４に示すように、測定用プローブ２０３に球状の測定面２０３ａを形成したものも知られている。
【特許文献１】特開平１１−１２５５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のように測定面２０１ａ、２０２ａが平面形状をしている場合には、例えば図１５に示すように、測定対象であるピンチャックの直径約０．２ｍｍのピンの先端にごみ等が付着している場合、測定データ位置が本来よりもごみの高さ分高く計測されて誤差を生ずる。
【０００４】
半導体ウエハをチャックする図２に示すようなピンチャック１２１において、３００ｍｍウエハ用のピンチャック１２１では、ピン１２２がピッチＩ＝２ｍｍで格子状に形成された場合１枚のピンチャック１２１上に約１７，０００本のピン１２２があるが、微細化が進み９０ｎｍ以下の精度が要求される半導体の製造工程では、ピン先端の包絡面上の形状がピンチャック上の２５ｘ８ｍｍのエリアで、露光装置の焦点深度上の制約より９０ｎｍ以下が要求されることになる。１７，０００本のピン１２２の全てについて、ごみの影響を受けることなく、９０ｎｍの公差に対する５分の１あるいは１０分の１の精度で測定することは不可能であるという課題を有していた。特に、ピンチャック１２１の製造工程では、実使用の露光時ほどコストをかけて高いクリーン度で加工後測定することが難しく、多少条件の悪い環境下で測定を行う必要があり、ごみによる測定データの誤差の問題は大きな課題であった。
【０００５】
さらに、平面形状であるのでプローブの中心に対して測定面の外側部分とピンチャックのピン先端が接触した状態で測定した場合、プローブの中心に対し外側で測定することにより回転モーメントが発生し、測定面２０１ａ、２０２ａがプローブの移動軸に対しわずかに回転し、特に測定面２０１ａ、２０２ａをｎｍの精度でプローブの移動軸に垂直に取り付けることは不可能であるので、回転により平面のプローブ外側の部分とプローブ中央部分の高さ関係が変わることにより、測定誤差を生ずるという課題もあった。
【０００６】
また、球状の測定面２０３ａを有する場合には、ピンチャックを測定する場合にプローブの上下動が大きくなり、プローブをピンチャック面上でＸＹに走査測定する際にも高速測定が不可能であるという課題がある。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状の平面度を高精度に測定することができる測定用プローブと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】
【０００８】
本発明の測定用プローブと測定方法は、半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状を測定する測定用プローブにおいて、先端面形状が、球状面とその外側の周囲に球状面と滑らかにつながるように形成されたテーパ面とを有するものであり、またその測定用プローブで、剣山状のピン先端を走査して測定するものである。
【０００９】
この構成によると、プローブ先端に球状面を持つことによりピン先端上のごみを拾い難く、精度の良い測定ができ、かつ球状面の外側にテーパ面が形成されているのでプローブの上下動を少なくでき、プローブを剣山状のピン先端上をＸＹ方向に走査して測定する際にも高速測定が可能である。さらに、先端の球状面でピン先端の測定を行うので、プローブに回転モーメントが加わっても、プローブのピン先端への接触部分に平面部分が無いため測定精度に影響を与えることがなく、また先端の球状面以外の部分ではピン先端の測定を行わないので、プローブを支えているユニットに与える回転モーメントも小さく測定データに誤差を与えることはない。
【００１０】
また、球状面とテーパ面の間に、逆ドーナッツ面状の凹面が形成されている測定用プローブで走査測定すると、先端の球状面の形状をより深くでき、より大きなごみを避けて測定することが可能となる。
【００１１】
また、ピンピッチをＰｃ、プローブの直径をＰ１としたとき、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１である測定用プローブにて走査測定すると、剣山状のピン先端よりプローブが落ち込むことなく、高速かつ安全に測定することができる。
【００１２】
また、テーパ面の外周部分の高さｈ１がピン高さｈｃより高くなるよう構成された測定用プローブにて走査測定すると、プローブの走査測定開始位置が、ピンチャック等の外周側より開始する場合でも、プローブの側面がピンに接触したりすることなく、安全にプローブ先端をピン先端の中央にアプローチさせることができる。
【００１３】
また、テーパ面が外周部分と内周部分の２箇所に別れている測定用プローブにて走査測定すると、内周部分のテーパをゆるい角度で構成することにより、ピン先端の走査測定時におけるプローブの上下動を小さくすることができる。
【００１４】
また、テーパ面が外周部分と内周部分の２箇所に別れているテーパ面の間の部分に、全周にＲ形状の面取りが付けられている測定用プローブにて走査測定すると、プローブ走査時に発生する上下動の加速度を低減することができ、より高速で測定することが可能となる。
【００１５】
また、テーパ面の内周部分の最外周の高さｈ２がピンの高さｈｃより低くなるように構成され、外周部分の最外周の高さｈ３がピン高さｈｃより高くなるよう構成された測定用プローブにて走査測定すると、ピン先端エリアを走査測定中にプローブ先端がピン先端以外の部分に接触することは無いので、ピン先端以外の部分よりごみを拾うことがなく、よりクリーンに保持して高精度の測定を維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の測定用プローブ及び測定方法によれば、プローブ先端に球状面を持つことにより、ピントップ上のごみを拾い難く、その外側のテーパ面でプローブの上下動を少なくすることにより、プローブをピンチャック等のピン先端上でＸＹに走査測定する際にも高速測定が可能となり、また先端の球状面でピン先端の測定を行うのでプローブに回転モーメントが加わっても、プローブのピン先端への接触部分に平面部分が無いので、測定精度に影響を与えることはなく、高精度の測定を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の各実施形態について、図１〜図１１を参照しながら説明する。なお、本明細書において「平面度」とは、図３に示すように、例えば半導体ウエハ１４１の所定範囲におけるその表面のうねりの高さＸをいう。また、上記所定範囲とは、例えば半導体ウエーハ全体の例えばφ２００〜３００ｍｍの範囲であったり、ステッパの露光領域の約２５ｍｍ×８ｍｍの範囲である。
【００１８】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態における平面度測定装置を図１〜図７を参照して説明する。
【００１９】
図１において、本実施形態の平面度測定装置１００は、大別して水平面上で互いに直交するＸ、Ｙ軸を含む定盤１１０と、定盤１１０上に設置されるとともに被測定物を載置する被測定物ステージ１２０と、定盤１１０上に設置されたＸＹステージ１２５と、ＸＹステージ１２５上に設置されたプローブユニット１３０と、定盤１１０上に立設されたフレーム１１１に取付けられ、プローブユニット１３０の上方位置でプローブユニット１３０に対してＸ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向に対向するように配設された基準部材１２８とを備えている。
【００２０】
被測定物ステージ１２０上には、半導体ウエハを支持するピンチャック１２１、または図７に示すようにピンチャック１２１上に吸着された半導体ウエハ１４１が被測定物として設置される。ピンチャック１２１は、図２に示すように、半導体ウエハ１４１に対応して円形の平面形状に構成され、その表面１２１ａには、半導体ウエハ１４１の裏面へのゴミの付着を低減するため、ピッチ間隔Ｉにて、直径IIのピン状の突起部材１２２（以下、ピンと称す。）が格子状に配列して立設されている。本実施形態では、ピッチ間隔Ｉは約２ｍｍ、ピン１２２の直径IIは約０．２ｍｍである。また、ピンチャック１２１には吸引装置１６１が接続され、ピンチャック１２１上に載置された半導体ウエハ１４１は、ピン１２２、１２２間のすき間を介して吸引されることによりそれぞれのピン１２２の先端に密着して支持される。
【００２１】
なお、被測定物がピンチャック１２１のときには、その表面１２１ａに突設されている各ピン１２２の先端高さを測定することで、各ピン１２２の先端に接する面（以下、「包絡面」という）の平面度を演算する。
【００２２】
被測定物ステージ１２０はあおり機構１２３を有している。あおり機構１２３は、被測定物ステージ１２０上に載置された被測定物を、Ｘ軸の軸回りについてα方向への回転、及びＹ軸の軸回りについてβ方向への回転を調整ネジにて行うものであり、後述の山形の測定用プローブ１３１の走査方向軸と定盤１１０との平行度を１．５×１０-5ｒａｄ以下の精度にて調整する。ＸＹステージ１２５は、定盤１１０上に直接固定されＹ軸方向に移動可能なＹステージ１２５ａと、Ｙステージ１２５ａ上に設置されＹステージ１２５ａ上をＸ軸方向に移動可能なＸステージ１２５ｂとを有する。なお、Ｘ，Ｙステージ１２５の移動は、ＮＣコントローラにて駆動、制御される。
【００２３】
また、基準部材１２８は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各測定点におけるプローブユニット１３０のＺ軸方向の基準を決めるための部材である。このような基準部材１２８は、ガラス等を研磨することにより製作されたミラーにてなり、被測定物である半導体ウエハ１４１を含むような面積を有している。なお、基準部材１２８は、１２インチの半導体ウエハに相当する直径３００ｍｍで、０．７μｍ以下の精度にて製作されている。
【００２４】
プローブユニット１３０は、山形の測定用プローブ１３１と、スライダ１３２と、スライダ支持部材１３３と、反射ミラー１３４と、第１測長装置１３５と、フィードバック装置１３６と、第２測長装置１３７と、制御装置１３８と、その表示装置１３９を備えている。なお、山形の測定用プローブ１３１は、図１に示すように、被測定物が半導体ウエハ１４１を支持するピンチャック１２１の場合に使用されるプローブであり、被測定物が半導体ウエハ１４１の場合には、図７に示すように、図１４に示した球状の測定面２０３ａを有する測定用プローブ２０３を使用してもよい。
【００２５】
スライダ１３２は、Ｘ軸及びＹ軸方向に剛性が高く、Ｚ軸方向に力を受けることなく移動の自由度を有する状態で測定用プローブ１３１を支持し、かつ低い測定圧及びＺ軸方向への急な移動にも追随するために、アルミ等の低比重で、かつ直径４ｍｍ程度に小さくすることにより、質量が１ｇ以下、より好ましくは２００ｍｇ以下に製作されたマイクロエアースライダにより構成されている。なお、マイクロエアースライダ、及びその周辺の構成については、当該出願人によりなされた特許出願（特願平５−５３３８２号）に開示されている構造と同様である。
【００２６】
スライダ１３２は、図４に示すように、その先端部分に上記山形の測定用プローブ１３１が取り付けられるもので、円筒形状に形成されており、エア供給部１３２１からエアが供給される供給穴を有するガイド１３２０の内壁をエアースライドとしてＺ方向に滑らかに移動する。スライダ支持部材１３３は、測定用プローブ１３１を取付けたスライダ１３２を支持し、測定用プローブ１３１が低い測定圧で測定可能なように、幅ｌｍｍ程度、厚さ２０μｍ程度でバネ定数が５ｍｇ／μｍ以下程度のステンレス製等のマイクロスプリングにより構成されている。
【００２７】
反射ミラー１３４は、測定用プローブ１３１のＺ軸方向における位置の変化を測定するために、スライダ１３２の他端に取り付けられたミラーであり、ガラス等の面にアルミ膜を蒸着した直径２ｍｍ程度の反射ミラーにより構成されている。
【００２８】
第１測長装置１３５は、Ｚ方向に移動する測定用プローブ１３１の延長線上であって反射ミラー１３４との間でレーザ光の投光、受光を行うように設置され、測定用プローブ１３１のＺ方向の位置の変化、換言すると反射ミラー１３４のＺ方向の位置の変化を０．０１μｍ以下の分解能で測定する、レーザ干渉測長装置により構成されている。
【００２９】
フィードバック装置１３６は、測定用プローブ１３１における測定圧力を２００ｍｇ以下のー定圧力に維持するための装置で、スライダ支持部材１３３であるマイクロスプリングの１０ないし４０μｍのたわみ量を検出する検出器１３６ａと、この検出器１３６ａにより検出されたたわみ量がー定になるようにスライダ１３２のＺ軸方向への移動を制御するサーボユニット１３６ｂと、このサーボユニット１３６ｂの指示によりスライダ１３２をＺ軸方向に上下動させるリニアモータ等にて構成されるアクチュエータ１３６ｃとを備えている。
【００３０】
第２測長装置１３７は、第２測長装置１３７が備わるプローブユニット１３０から、ミラーからなる基準部材１２８までの距離を、０．０１μｍ以下の分解能で測定するレーザ干渉測長ユニットにより構成されている。
【００３１】
制御装置１３８には、上述したＸＹステージ１２５に備わるＮＣコントローラ、第１測長装置１３５、及び第２測長装置１３７が接続されている。このような制御装置１３８は、測定用プローブ１３１が半導体ウエーハ支持用部材１２１の突起部材１２２の先端部を走査するようにＸＹステージ１２５のＮＣコントローラに対してＸ軸方向及びＹ軸方向への移動を制御し、かつ第１測長装置１３５及び第２測長装置１３７の測長情報に基づきピンチャック１２１のＺ軸方向の形状データを測定するとともに測定点におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の位置も測定して、これらＺ軸方向の形状データ及びＸ、Ｙ軸方向の位置データを関連づけながら記憶する。さらに、上記Ｚ軸方向の形状データ及びＸ、Ｙ軸方向の位置データに基づきピンチャック１２１のピン１２２先端の包絡面における平面度を演算する。
【００３２】
以上のような平面度測定装置１００の全体構成において、本実施形態の測定用プローブ１３１は、図５、図６に示すように、一端に曲率半径Ｒ１の球状面１１とその外側に滑らかにつながるように形成された傾斜角θのテーパ面１２を有している山形の形状に構成されている。測定用プローブ１３１の寸法Ｐ１は、ピンチャック１２１のピン１２２、１２２間に測定用プローブ１３１が落ち込まないように、ピン１２２、１２２間のピッチをＰｃとして、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１に設定されている。例えば、ピン１２２のピッチＰｃが２ｍｍであるのに対して、測定用プローブ１３１のＸ軸及びＹ軸方向における寸法Ｐ１が３ｍｍないし５ｍｍ程度の円形とされている。また、測定用プローブ１３１の側面がピン１２２に接触することがないように、テーパ面１２の最外周の高さｈ１は、ピン１２２の高さｈｃよりも高く設定されている。なお、測定用プローブ１３１は上述の円型に限定されるものではなく、これら以外の形状でも上述と同様の効果が得られる。また、本実施形態では、測定用プローブ１３１の摩耗を防止するために、スタイラスの先端部分はルビー、ダイヤ等の材質にて構成されている。
【００３３】
以上のように構成された平面度測定装置１００の動作について以下に説明する。まず、被測定物ステージ１２０上に半導体ウエハ１４１を支持するピンチャック１２１を固定し、また測定用プローブ１３１のＸＹ方向の移動方向と定盤１１０の表面との平行度を、Ｘ軸及びＹ軸方向のそれぞれについて１．５×１０-5ｒａｄ以下となるように被測定物ステージ１２０に備えられたあおり機構１２３にて調整する。次に、制御装置１３８の制御によりＸＹステージ１２５のＸ軸及びＹ軸方向への移動を制御し、ＸＹステージ１２５上に設置されたプローブユニット１３０に取付けられている測定用プローブ１３１にてピンチャック１２１のピン１２２の先端をＸ軸及びＹ軸方向に走査する。なお、この走査の際にフィードバック装置１３６の動作にてスライダ１３２を支えるスライダ支持部材１３３のたわみ量を検出し、そのたわみ量が一定になるようにＺ軸方向にスライダ１３２のＺ軸方向の高さをフィードバック制御し、プローブの測定圧力を２００ｍｇ以下のー定圧力に制御する。よって、測定用プローブ１３１におけるピン１２２に対する測定圧力は２００ｍｇ以下に設定される。このような測定圧力にて測定が行われることから、ピンチャック１２１のピン１２２の先端が測定用プローブ１３１により傷つくことはない。
【００３４】
そして、第１測長装置１３５にて反射ミラー１３４までの距離が０．０１μｍ以下の精度で、かつ第２測長装置１３７にて基準部材１２８までの距離が０．０１μｍ以下の精度で測定される。このような状態にて、測定用プローブ１３１と第１測長装置１３５とをー体としてＸ、Ｙ軸方向に移動させ、ピンチャック１２１のピン１２２の先端の包絡面を測定用プローブ１３１にてＸ、Ｙ軸方向に走査する。制御装置１３８は、Ｘ、Ｙ軸方向における座標位置と、その座標位置に対応するＺ軸方向の高さ寸法とを記憶し、最終的にピンチャック１２１のピン１２２の先端の包絡面における平面度を演算する。よって、上記測定圧力及び上記距離の条件により、約２５ｍｍｘ８ｍｍ平方のステッパにおける露光範囲において、ピンチャック１２１のピン１２２の先端の包絡面における平面度を、０．０１μｍの精度にて測定することができる。尚、ピンチャック１２１の全面、及び３００ｍｍの半導体ウエハ１４１の全面については０．２μｍ以下の測定精度となる。
【００３５】
ここで、測定用プローブ１３１が、図５、図６に示すように、プロープ先端に緩やかな球状面１１を持っていることにより、ピン１２２の先端上のごみを拾いにくい。この測定動作を、図１０を参照して説明する。図１０の左側に、先端が球状面１１とそれに滑らかにつながるテーパ面１２を有する測定用プローブ１３１を用い、測定用プローブ１３１を紙面に垂直方向（手前奥方向）に走査した場合に避けることのできる最大のごみ２１の高さを示している。測定用プローブが平面形状の場合は、ごみ２１上に測定用プローブが乗り上げることとなり、測定用プローブの位置がピン先端の上面より上の位置を通過することになり測定に誤差を持つのに対して、本実施形態のように先端形状が球状面１１とそれに滑らかにつながるテーパ面１２で形成されている場合には、図１０の左側に示される大きさのごみまで避けて測定することが可能となる。
【００３６】
また、球状面１１の外側の緩やかなテーパ部１１で測定用プローブ１３１の上下動を少なくすることができ、測定用プローブ１３１をピンチャック１２１上でＸＹ方向に走査測定する際にも高速測定が可能である。さらに、球状面１１でピン１２２の先端の測定を行うので測定用プローブ１３１に回転モーメントが加わっても、測定用プローブ１３１のピン１２２の先端への接触部分が平面でないので、測定精度に影響を与えることはなく、球状面１１以外の部分ではピン１２２の先端の測定を行わないので、測定用プローブ１３１を支えているユニットに与える回転モーメントも小さくなり、測定データに誤差を与えることはない。
【００３７】
また、ピンピッチをＰｃと測定用プローブ１３１の直径Ｐ１の関係を、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１としているので、剣山状のピン１２２の先端より測定用プローブ１３１が落ち込むことなく、高速かつ安全に測定することができる。また、テーパ面１２の最外周の高さｈ１をピン１２２の高さｈｃよりも高く設定しているので、測定用プローブ１３１の走査測定開始位置が、ピンチャック１２１の外周側より開始する場合でも、測定用プローブ１３１の側面がピン１２２に接触したりすることなく、破損したりする恐れなく、安全に測定用プローブ１３１の先端をピン１２２の先端中央にアプローチさせることができる。
【００３８】
なお、被測定物がピンチャック１２１上に吸着された半導体ウエハ１４１である場合には、図７に示すように、山形の測定用プローブ１３１に代えて、従来例で示した球状のプローブ２０３を使用しても良い。球状プローブ２０３は、例えば半導体ウエハ１４１の表面１４１ａに接触する球状の測定面２０３ａの直径は１ｍｍ程度である。また、半導体ウエハ１４１の測定時には、制御装置１３８は、Ｘ、Ｙ軸方向の同位置について、ピンチャック１２１の場合と同様に、得られる半導体ウエハ１４１の表面１４１ａにおけるＺ軸方向の形状データと、ピンチャック１２１におけるＺ軸方向の形状データとの差を演算することで、半導体ウエハ１４１の表面１４１ａのみの形状を演算する。
【００３９】
また、以上の実施形態の説明では、Ｚ軸方向における測定精度を高めるため、第２測長装置１３７及び基準部材１２８を設けたが、ＸＹステージ１２５におけるＸ、Ｙ軸方向への移動にともなうＺ軸方向への変位量が、被測定物の平面度測定に要求される精度よりも小さい場合には、第２測長装置１３７及び基準部材１２８は設けなくてもよい。
【００４０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図８を参照して説明する。なお、以下の実施形態の説明では、先行する実施形態と共通する構成要素については同一参照符号を付して説明を省略し、主として相違点についてのみ説明する。
【００４１】
本実施形態では、テーパ面１２が外周部分と内周部分の２箇所に別れて構成されている。すなわち、測定用プローブ１３１の球状面１１の外側に傾斜角度θ１の第１のテーパ面１２ａとその外側により角度の大きい傾斜角度θ２の第２のテーパ面１２ｂが形成され、第１のテーパ面１２ａの外周径Ｐ２がピン１２２のピッチＰｃよりも大きく設定されている。また、テーパ面１２の内周部分の第１のテーパ面１２ａの最外周の高さｈ２はピン１２２の高さｈｃより低く、外周部分の第２のテーパ面１２ｂの最外周の高さｈ３はピン１２２の高さｈｃより高くなるように構成されている。
【００４２】
この構成によれば、測定用プローブ１３１の先端がピン１２２の先端を走査測定中に、ピン１２２、１２２間の中間部分の走査中に測定用プローブ１３１の先端がピンチャック１２１のピン１２２のない平面部分に接触せず、ピン１２２の先端以外の部分に接触することは無いので、ピン１２２の先端以外の部分よりごみを拾うことなく、測定用プローブ１３１をよりクリーンに保持して精度の良い測定ができる。また、内周部分の第１のテーパ面１２ａの傾斜角θ１をゆるい角度に設定することにより、ピン１２２の先端の走査測定時における測定用プローブ１３１の上下動を小さくすることができ、より高速に測定することが可能となる。
【００４３】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、図９、図１０を参照して説明する。本実施形態においては、図９に示すように、測定用プローブ１３１の先端の球状面１１とテーパ面１２の境界部に逆ドーナッツ面状の凹面１３が形成され、ごみを避けて測定できる様に構成されている。
【００４４】
このように構成すると、測定用プローブ１３１の先端の球状面１１の形状をより深くでき、より大きなごみを避けて測定することが可能となる。図１０を用いて説明すると、本実施形態の測定用プローブ１３１では、先端に球状面１１と逆ドーナッツ状の凹面１３が形成され、さらにその凹面１３に滑らかにつながるテーパ面１２が形成されているので、測定用プローブ１３１を紙面に垂直方向（手前奥方向）に走査した場合に、最大限、図１０の右側に示すごみ２２を避けることのでき、第１の実施形態の場合よりも、より大きなごみ２２まで避けて測定することが可能となる。特に、３００ｍｍ半導体ウエハ１４１のピンチャック１２１では、１つのピンチャック１２１上に、直径約０．２ｍｍ程度のピン１２２が約１７，０００本あり、この方式でピン１２２の先端のサブミクロンのごみを避けて測定することは、ピン１２２の先端の包絡面の形状測定に非常に有効である。
【００４５】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について、図１１を参照して説明する。本実施形態においては、図１１に示すように、測定用プローブ１３１の先端の球状面１１とテーパ面１２の境界部に逆ドーナッツ面状の凹面１３が形成され、かつ第１のテーパ面１２ａと第２のテーパ面１２ｂの間に全周にＲ形状の面取り１４が付けられている。
【００４６】
このように構成すると、上記第２の実施形態及び第３の実施形態における作用効果に加えて、第１のテーパ面１２ａと第２のテーパ面１２ｂの境界にＲ形状の面取り１４が付けられているので、測定用プローブ１３１の走査時に発生する上下動の加速度を低減することができ、より高速に測定することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の測定用プローブと測定方法は、プロープ先端に球状面を持つことにより、ピン先端上のごみを拾いにくく、その外側の緩やかなテーパ面でプローブの上下動を少なくすることにより、プローブをピンチャック面上でＸＹに走査測定する際にも高速測定が可能であり、さらに球状面でピン先端の測定を行うのでプローブに回転モーメントが加わっても測定精度に影響を与えることなく高精度の測定ができるため、半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状の平面度を高精度に測定するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態における平面度測定装置の全体構成図である。
【図２】同実施形態における平面度測定装置にて半導体ウエハを測定する際の全体構成図である。
【図３】同実施形態における被測定物であるピンチャックの構成図である。
【図４】半導体ウエハ表面のうねりを説明する断面図である。
【図５】同実施形態におけるプローブユニットの構成図である。
【図６】同実施形態における測定用プローブの断面図である。
【図７】同実施形態における測定用プローブの詳細断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における測定用プローブの断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における測定用プローブの断面図である。
【図１０】同実施形態における測定用プローブの効果の説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態における測定用プローブの断面図である。
【図１２】第１の従来例の測定用プローブの構成図である。
【図１３】第２の従来例の測定用プローブの構成図である。
【図１４】第３の従来例の測定用球面プローブの構成図である。
【図１５】ピントップ上に残ったサブミクロンのごみの測定結果の説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１ 球状面
１２ テーパ面
１２ａ 第１のテーパ面（テーパ面１２の内周部分）
１２ｂ 第２のテーパ面（テーパ面１２の外周部分）
１３ 逆ドーナツ面状の凹面
１４ Ｒ形状の面取り
１００ 平面度測定装置
１２１ ピンチャック（半導体ウエハ支持部材）
１２２ ピン（突起部材）
１３１ 山形の測定用プローブ
１４１ 半導体ウエハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状を測定する測定用プローブにおいて、先端面形状が、球状面とその外側の周囲に球状面と滑らかにつながるように形成されたテーパ面とを有することを特徴とする測定用プローブ。
【請求項２】
球状面とテーパ面の間に、逆ドーナッツ面状の凹面が形成されていることを特徴とする請求項１記載の測定用プローブ。
【請求項３】
ピンピッチをＰｃ、プローブの直径をＰ１としたとき、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１であることを特徴とする請求項１または２記載の測定用プローブ。
【請求項４】
テーパ面の最外周の高さｈ１が、ピン高さｈｃより高くなるように構成されたことを特徴とする請求項１〜３記載の測定用プローブ。
【請求項５】
テーパ面が傾斜角の異なる外周部分と内周部分に分けられていることを特徴とする請求項１〜４記載の測定用プローブ。
【請求項６】
テーパ面の外周部分と内周部分の境界部に、全周にわたってＲ形状の面取りが付けられていることを特徴とする請求項５記載の測定用プローブ。
【請求項７】
テーパ面の内周部分の最外周の高さｈ２がピンの高さｈｃより低く、外周部分の最外周の高さｈ３がピン高さｈｃより高くなるように構成されたことを特徴とする請求項５又は６記載の測定用プローブ。
【請求項８】
半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状を測定する測定方法であって、先端面形状が、球状面と、その外側の周囲に球状面と滑らかにつながるように形成されたテーパ面とを有する測定用プローブで、剣山状のピン先端を走査して測定することを特徴とする測定方法。
【請求項９】
球状面とテーパ面の間に、逆ドーナッツ面状の凹面が形成されている測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項８記載の測定方法。
【請求項１０】
剣山状のピンピッチをＰｃ、測定用プローブの直径をＰ１としたとき、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１に形成された測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項８又は９記載の測定方法。
【請求項１１】
測定用プローブのテーパ面の最外周の高さｈ１が、ピン高さｈｃより高くなるよう形成された測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項８〜１０の何れかに記載の測定方法。
【請求項１２】
測定用プローブのテーパ面が外周部分と内周部分の２箇所に別れるよう形成された測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項８〜１１の何れかに記載の測定方法。
【請求項１３】
測定用プローブのテーパ面の外周部分と内周部分の境界部に、全周にわたってＲ形状の面取りが付けられている測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項１２記載の測定方法。
【請求項１４】
測定用プローブのテーパ面の、内周部分の最外周の高さｈ２がピンの高さｈｃより低くなるように構成され、外周部分の最外周の高さｈ３がピン高さｈｃより高くなるように形成された測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項１２又は１３記載の測定方法。
【請求項１】
半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状を測定する測定用プローブにおいて、先端面形状が、球状面とその外側の周囲に球状面と滑らかにつながるように形成されたテーパ面とを有することを特徴とする測定用プローブ。
【請求項２】
球状面とテーパ面の間に、逆ドーナッツ面状の凹面が形成されていることを特徴とする請求項１記載の測定用プローブ。
【請求項３】
ピンピッチをＰｃ、プローブの直径をＰ１としたとき、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１であることを特徴とする請求項１または２記載の測定用プローブ。
【請求項４】
テーパ面の最外周の高さｈ１が、ピン高さｈｃより高くなるように構成されたことを特徴とする請求項１〜３記載の測定用プローブ。
【請求項５】
テーパ面が傾斜角の異なる外周部分と内周部分に分けられていることを特徴とする請求項１〜４記載の測定用プローブ。
【請求項６】
テーパ面の外周部分と内周部分の境界部に、全周にわたってＲ形状の面取りが付けられていることを特徴とする請求項５記載の測定用プローブ。
【請求項７】
テーパ面の内周部分の最外周の高さｈ２がピンの高さｈｃより低く、外周部分の最外周の高さｈ３がピン高さｈｃより高くなるように構成されたことを特徴とする請求項５又は６記載の測定用プローブ。
【請求項８】
半導体ウエハ等をチャックするピンチャック等の剣山状のピン先端の包絡線形状を測定する測定方法であって、先端面形状が、球状面と、その外側の周囲に球状面と滑らかにつながるように形成されたテーパ面とを有する測定用プローブで、剣山状のピン先端を走査して測定することを特徴とする測定方法。
【請求項９】
球状面とテーパ面の間に、逆ドーナッツ面状の凹面が形成されている測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項８記載の測定方法。
【請求項１０】
剣山状のピンピッチをＰｃ、測定用プローブの直径をＰ１としたとき、Ｐ１＞Ｐｃ×１．４１に形成された測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項８又は９記載の測定方法。
【請求項１１】
測定用プローブのテーパ面の最外周の高さｈ１が、ピン高さｈｃより高くなるよう形成された測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項８〜１０の何れかに記載の測定方法。
【請求項１２】
測定用プローブのテーパ面が外周部分と内周部分の２箇所に別れるよう形成された測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項８〜１１の何れかに記載の測定方法。
【請求項１３】
測定用プローブのテーパ面の外周部分と内周部分の境界部に、全周にわたってＲ形状の面取りが付けられている測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項１２記載の測定方法。
【請求項１４】
測定用プローブのテーパ面の、内周部分の最外周の高さｈ２がピンの高さｈｃより低くなるように構成され、外周部分の最外周の高さｈ３がピン高さｈｃより高くなるように形成された測定用プローブで、剣山状の先端部分を走査し測定することを特徴とする請求項１２又は１３記載の測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００６−１２５９３４（Ｐ２００６−１２５９３４Ａ）
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１２５７９（Ｐ２００４−３１２５７９）
【出願日】平成１６年１０月２７日（２００４．１０．２７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２７日（２００４．１０．２７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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