KR20000063088A - 박판재의 두께변동 측정방법과 그 측정장치 및 그 장치에이용되는 촉침반사기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼 등의 박판재의 두께변동을 고정밀도로 능률적으로 측정할 수 있도록 하기 위한 것으로, 박판재 W의 표면에 측정광 L1을 조사하고, 박판재 W의 표면에서 반사된 측정광 L1을 수광하여 박판재 W의 표면의 변위를 측정하는 광학식 변위계(20)를 박판재 W의 양면측방에 각각 배치해 두고, 각각의 변위계(20)에서 측정된 박판재 W의 표면의 변위로부터 박판재 W의 두께변동을 구한다.

또한 광학식 변위계(20)에 촉침반사기(60)를 구비하고, 측정광 L1을 촉침반사기(60)의 반사면(64)에서 반사시켜도 된다. 상기 촉침반사기(60)는 피측정면의 요철이나 형상변화에 맞추어 탄력적으로 변형하는 평행판형상 지지아암(65)을 구비한다.

Description

박판재의 두께변동 측정방법과 그 측정장치 및 그 장치에 이용되는 촉침반사기{THICKNESS VARIATION MEASUREMENT METHOD OF A THIN METAL, AND MEASUREMENT APPARATUS THEREOF, AND A PROBE REFLECTOR USED FOR IT}

본 발명은 박판재의 두께변동 측정방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 반도체 제조용 웨이퍼 등 면방향에서의 두께변동이 적은 것이 요구되는 박판재의 두께변동을 측정하는 방법과, 그 방법에 이용되는 장치 및 그 장치에 이용되는 촉침반사기에 관한 것이다.

반도체 제조용 웨이퍼는 실리콘 등의 박판재로 이루어진다. 웨이퍼 표면에 반도체 소자나 회로를 제작하려면 사진제판기술이나 인쇄기술, 각종 미세가공기술 등이 적용된다. 이와 같은 웨이퍼에 대한 가공처리시는 웨이퍼 표면의 평탄도를 높이는 것이 중요하다. 웨이퍼 표면의 평탄도가 나쁘면 사진 제판시에 소자나 회로의 패턴이 웨이퍼 표면에 선명하지 않게 작성되거나, 웨이퍼 표면에 패턴형상으로 인쇄되는 재료의 윤곽이 불명확하게 되기도 한다. 특히 반도체소자나 회로의 고밀도화 혹은 대형화가 진행될수록 상기 문제는 중요하게 된다.

반도체 제조공정에서는 웨이퍼의 전면을 진공흡착 등의 수단으로 평탄한 지지면에 유지하여 각종 가공을 행하는 일이 많다. 이 때 웨이퍼의 두께에 장소에 따라 편차가 있으면 웨이퍼의 이면을 평탄한 지지면에 밀착시켜 유지했을 때 웨이퍼의 두께의 편차가 그대로 웨이퍼 표면의 평탄도의 편차로 나타난다. 따라서 웨이퍼의 두께에 편차, 즉 장소에 따른 두께의 변동을 생기게 하지 않는 것이 요구된다. 웨이퍼의 제조공정 등에서, 제조된 웨이퍼의 두께변동이 큰지의 여부를 평가하려면 웨이퍼의 두께변동을 정확하고 능률적으로 측정하는 것이 필요하게 된다.

종래의 웨이퍼의 두께변동 측정장치로서 일본국 특개평 10-70162호 공보에 개시(開示)된 기술이 있다. 이 기술에서는 원반형상의 웨이퍼를 수직으로 세운 상태로 회전시키면서, 웨이퍼의 양면측방에 배치된 용량변위센서로 센서에 대한 웨이퍼 표면의 변위를 측정하고, 좌우의 센서로 측정된 웨이퍼 표면의 변위로부터 웨이퍼의 두께변동의 크기를 산출한다. 웨이퍼를 회전시키면서 용량변위센서를 웨이퍼의 반경방향으로 주사함으로써 웨이퍼의 전체면에 대한 두께변동을 측정할 수 있게 된다.

그러나 상기 종래의 웨이퍼 두께변동 측정장치에서는 두께변동의 측정정밀도에 한계가 있어, 고정밀도 혹은 고밀도의 반도체 소자나 회로의 제조시에 필요한 고정밀도의 두께변동측정에는 충분히 대응할 수 없다. 상기 측정장치에 이용되는 용량변위센서는 센서와 웨이퍼 표면 사이의 정전용량을 전기적으로 계측하여 센서에 대한 웨이퍼의 변위를 측정한다. 그런 이유로 웨이퍼의 재질이나 전기적 특성이 변하거나, 같은 웨이퍼라도 장소에 따라 전기적 특성에 편차가 있으면 용량변위 센서로 측정되는 웨이퍼의 두께변동의 정밀도를 저하시킨다. 웨이퍼의 바깥둘레 근방에서는 정확한 정전용량을 측정할 수 없어 두께변동을 평가할 수 없기 때문에 웨이퍼의 바깥둘레부분, 예를 들면 바깥둘레부로부터 3mm 정도의 폭에 대해서는 반도체 제조에 이용할 수 없게 되어 있어 웨이퍼 재료가 쓸모없게 되고 있다. 또 상기 측정장치에 이용되는 용량변위센서는 웨이퍼의 도전특성에 따라서는 정전용량의 측정이 기술적으로 곤란한 경우가 있다. 또 센서와 웨이퍼 사이의 공간의 환경조건에 따라서도 측정에 큰 영향이 생긴다.

최근 반도체 소자나 회로의 고밀도화에 맞추어 웨이퍼의 두께변동의 측정을 O.O1㎛ 이하의 정밀도로 하는 것이 요구되고 있지만, 이러한 고정밀도의 두께변동측정을 용량변위센서로 실현하는 것은 원리적으로 불가능에 가깝다. 종래의 용량변위센서에서는 0.05㎛ 정도의 정밀도가 한계로 되어 있다. 또 반도체 제조용 웨이퍼이외에도 자기디스크용 기판 등, 두께변동측정의 정밀도로서 매우 높은 정밀도가 요구되는 기술분야가 있다.

본 발명의 목적은 웨이퍼 등의 박판재의 두께변동을 고정밀도로 능률적으로 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예를 나타내는 측정장치 전체의 사시도

도 2는 측정기구의 전체구조도

도 3은 주요부의 상세구조도

도 4는 웨이퍼에 대한 측정동작을 설명하는 모식도

도 5는 웨이퍼 및 광학식 변위계의 시간경과에 따른 동작을 도시한 선도

도 6은 촉침반사기의 사시도

도 7은 촉침반사기의 측면도

도 8은 촉침반사기의 저면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 중공스핀들 20 : 광학식 변위계

22 : 부착대 24 : 볼나사

30 : 측정광학계 32 : 수속렌즈

34 : 편광빔 분할기 36, 37 : λ/4 파장판

38 : 참조미러 40 : 레이저 출력장치

42, 52 : 미러 44 : 아이솔레이터

46 : 빔 분할기 50 : 수광부

54 : 콜리메이트렌즈 56 : 포커스렌즈

60 : 촉침반사기 61 : 기단부(基端部)

62 : 접촉자 63 : 응동부

64 : 반사면 65 : 평행판형상 지지아암

66a, 66b : 판편 68 : 띠부

L0 : 참조광 L1 : 측정광

W : 웨이퍼

본 발명의 박판재의 두께변동 측정방법의 요점은 박판재 표면에 측정광을 조사하고, 박판재의 표면에서 반사한 측정광을 수광하여 박판재 표면의 변위를 측정하는 광학식 변위계를 박판재의 양면측방에 각각 배치해 두고, 각각의 변위계에서 측정된 박판재 표면의 변위로부터 박판재의 두께변동을 구하는 것이다. 본 발명은 두께변동을 고정밀도로 측정하는 것이 요구되는 박판재라면 각종 재료 및 형상치수로 이루어지는 것에 적용할 수 있다. 박판재가 도전재료이거나 절연재료이거나 상관없고, 재질 혹은 전기적 특성이 다른 재료라도 된다. 또 복수 재료의 적층체라도 된다.

박판재의 구체예로서는 실리콘 등의 반도체 웨이퍼, 자기디스크의 재료가 되는 금속판, 세라믹판, 수지판 등을 들 수 있다. 박판재의 형상은 상기 웨이퍼 등은 원판형상 혹은 원반형상을 이루는 것이 많지만, 원형 이외의 형상이어도 된다. 한편 박판재의 표면은 거울면 등, 빛의 반사성이 뛰어난 특성을 갖는 것이 바람직하다. 단 후술하는 촉침반사기를 이용하는 경우에는 박판재의 표면은 반사성이 없는 것이라도 상관없다.

또 본 발명의 두께변동 측정장치는 1쌍의 광학식 변위계를 대향하여 구비하고, 광학식 변위계의 중간에 박판재를 배치할 수 있는 구조를 구비하고 있다.

박판재를 회전 자유롭게 지지할 수 있으면, 광학식 변위계에 대하여 박판재를 회전시키면서 원주방향으로 장소를 바꾸어 측정할 수 있다. 광학식 변위계가 박판재의 회전반경방향으로 이동 자유로우면 박판재의 반경방향으로 장소를 바꾸어 측정할 수 있다. 박판재의 회전과 광학식 변위계의 반경방향이동을 조합하면 박판재의 전체면에서 측정을 행할 수 있다. 광학식 변위계의 본체는 이동시키지 않고, 박판재로의 측정광의 조사위치 및 반사한 광의 수광위치를 변경하는 광학계를 구비해 두어도 같은 기능이 달성된다. 이러한 주사측정은 생산현장에서의 품질관리 등을 능률적으로 행하는 데 적합하다.

본 발명의 두께변동 측정장치를 사용할 때는 1쌍의 광학식 변위계로 측정된 각각의 변위계에 대한 박판재 양면의 변위를 합계 연산하면, 박판재 두께의 변동이 구해진다. 이러한 연산을 행하여 박판재의 두께변동을 구하는 두께변동 산출수단은 전자회로로 구성할 수 있다. 예를 들면 마이크로컴퓨터 등의 연산처리장치를 이용하여 연산처리순서를 프로그래밍해 둘 수 있다. 광학식 변위계로서는 피대상물에 측정광을 조사하고, 피대상물의 표면에서 반사한 측정광을 수광함으로써 피대상물까지의 거리 혹은 거리의 변화를 측정하고, 피대상물 표면의 변위를 측정하는 기능을 갖는 계측기 혹은 계측장치가 사용된다.

광학식 변위계의 구체예로서는 삼각측량의 원리를 이용하는 것이나 레이저광의 간섭작용을 이용하는 것, 홀로그래피기술을 이용하는 것 등이 알려져 있다. 측정광으로서 단일파장의 광을 이용하는 방법과 복수파장의 광을 이용하는 방법이 있다. 광학식의 3차원형상 측정장치나 형상인식센서의 기술을 응용할 수도 있다.

본 발명의 광학식 변위계의 구체적인 구성을 이하에 설명하기로 한다.

본 발명의 광학식 변위계는 기준이 되는 참조광과 상기 측정광을 포함하는 출력광을 생성하는 광출력부와, 상기 출력광을 상기 측정광과 참조광으로 분기하는 것과 아울러, 분기된 측정광을 광학렌즈를 개재하지 않고 박판재의 표면에 조사하고, 박판재의 표면에서 반사한 측정광과 상기 참조광을 다시 혼합하는 광분기 혼합부와, 상기 광분기 혼합부에서 혼합된 측정광과 참조광의 혼합광을 수광하고, 연산처리하여 변위계에 대한 박판재 표면의 변위를 산출하는 수광연산부를 구비하고 있다.

상기한 바와 같이 구성된 광학식 변위계에서는 변위계로부터 박판재 표면까지의 거리의 차이에 따라 측정광의 행정은 변화하는 데 대하여, 참조광의 행정은 일정하다. 따라서 측정광과 참조광의 행정차를 측정함으로써 박판재 표면의 변위가 구해진다. 광출력부로부터 출력되는 측정광과 참조광의 파장을 다르게 해 두면 수광연산부에 수광되는 혼합광으로부터 측정광과 참조광의 행정차를 용이하게 검출할 수 있다. ·

광출력부에서는 레이저 발진기 등을 이용하여 정확하게 파장이 제어된 참조광 및 측정광이 생성된다. 광분기 혼합부는 편향빔 분할기나 λ/4 파장판, 미러 등의 광학계로 구성된다. 수광연산부는 광전변환소자나 전기신호의 처리회로, 연산회로 등으로 구성된다. 상기와 같은 장치의 구체적 구조로서 본 발명자들이 앞서 발명하여 특허출원한 일본국 특개평 3-255907호 공보에 개시된 3차원형상 측정장치의 기술을 적용할 수 있다.

또 상기 광출력부와 상기 광분기 혼합부 사이에 상기 출력광을 수속시켜 광분기 혼합부에 공급하는 수속렌즈를 구비해 둘 수 있다. 수속렌즈에는 박판재에 조사되는 측정광을 좁혀 박판재의 좁은 범위에만 측정광을 조사하여 측정정밀도를 높이는 기능이 있다. 이 수속렌즈를 광분기 혼합부와 박판재 사이가 아니라 광출력부와 광분기 혼합부 사이에 배치함으로써 광분기 혼합부로부터 박판재까지의 행정을 짧게 하여 변위계와 박판재 사이에 개재하는 공기의 흐름의 영향을 줄일 수 있다.

또 광분기 혼합부와 수광연산부 사이에 혼합광을 수속시켜 수광연산부에 공급하는 수속광학계를 구비해 둘 수 있다. 수속광학계는 렌즈나 미러 등의 광학부재로 구성된다. 수속광학계는 수광연산부의 수광면에 정확히 혼합광을 수광시킴으로써 측정정밀도를 향상시키는 기능이 있다. 통상 박판재의 표면에는 경사가 있기 때문에 박판재의 표면에서 반사한 측정광은 수광연산부까지의 광학경로에 대하여 경사 혹은 어긋남을 생기게 한다. 이 경사나 어긋남 때문에 수광연산부의 수광면에 정확히 측정광이 수광되지 않게 된다. 수속광학계를 구비하고 있으면 측정광에 경사나 어긋남이 있더라도 수광면에 확실하게 수속시킬 수 있다.

그런데 광학식 변위계로 박판재의 표면변위를 측정하는 경우, 박판재 표면의 반사성이 나쁘면 측정광의 반사광이 충분히 얻어지지 않고, 측정이 곤란하게 되거나 측정결과가 부정확하게 되기 쉽다. 박판재 표면의 반사성에 장소에 따라 편차가 있는 경우에는 측정결과에도 편차가 생기기 쉬워진다.

이와 같은 문제는 박판재 표면의 반사성이 원인이기 때문에 광학식 변위계에 촉침반사기를 구비해 둠으로써 해결할 수 있다. 촉침반사기는 일반적으로 원뿔형, 각뿔형 또는 바늘형상 등의 미소한 선단부를 갖고, 다이아몬드 등의 경질재료로 이루어지는 접촉자와, 접촉자의 배면에 배치되고 반사율이 높은 거울면에 가공된 반사면으로 이루어진다. 광학식 변위계에 구비되는 촉침반사기는 박판재의 표면에 맞닿고, 박판재 표면의 변위에 따라 이동하여 상기 측정광을 반사하는 반사면을 갖는다.

촉침반사기를 박판재의 표면을 따르게 하여 접촉분리방향으로 이동 가능하게 하기 위해서는, 용수철판 등으로 구성된 탄력적으로 변형 가능한 지지아암에 접촉자 및 반사면을 캔틸레버식으로 지지하여 스프링판의 탄력적인 변형에 의해 접촉자 및 반사면을 이동 가능하게 해 두면 된다. 지지아암으로서는 박판재 표면과 평행하게 간격을 두어 배치된 1쌍의 평행한 판편으로 이루어지는 평행판형상 지지아암을 사용할 수 있다. 이와 같은 1쌍의 평행한 판편으로 구성되는 평행사변형의 기구는 소위 평행링크기구라고 불리우는 구조이다. 박판재 표면의 변위에 따라 접촉자를 지지하는 평행판형상 지지아암이 변형하면 1쌍의 판편이 평행을 유지한 평행사변형을 유지한 채로 변형한다. 따라서 평행판형상 지지아암의 선단부에 지지된 접촉자 및 반사면이 같은 자세를 유지한 채로 평행이동한다. 접촉자 및 반사면의 자세가 변하지 않으면 측정광을 정확히 같은 방향으로 반사시켜 상기 수광부에서 수광되는 측정광의 경사나 어긋남을 줄일 수 있다.

요컨대 본 발명에 관한 촉침반사기는 상기 피측정면에 맞닿는 접촉자와 상기 측정광을 반사하는 반사면을 갖는 응동부(action part)와, 상기 피측정면과 직교하는 방향으로 간격을 두고 평행하게 배치되어 탄력적으로 변형 가능한 1쌍의 판편을 갖고, 그 선단부에 상기 응동부를 지지하고, 그 기단부가 상기 광학식 측정장치에 지지되는 평행판형상 지지아암을 구비하는 것으로서, 피측정면에서 반사된 측정광을 수광하여 피측정면의 위치정보를 얻는 광학식 측정장치에 널리 응용할 수 있는 것이다.

상술한 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다.

(실시예)

이하 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 반도체 웨이퍼용 두께변동 측정장치의 전체 구조를 도시한다. 웨이퍼(W)는 수직으로 세워진 상태로 원환형상의 중공스핀들(10)에 유지되어 있고, 중공스핀들(10)의 회전구동에 의해 웨이퍼(W)는 수직면 내에서 회전한다. 웨이퍼(W)의 양면측방에 각각 광학식 변위계(20)가 배치되어 있다. 도 1에서는 표면만 도시되어 있지만, 이면에도 표면과 대칭위치에 광학식 변위계(20)가 배치되어 있다. 1쌍의 광학식 변위계(20)는 그 전체가 웨이퍼(W)의 면과 평행한 방향으로 이동 자유롭게 부착되어 있고, 광학식 변위계(20)에 의한 변위의 측정위치는 웨이퍼(W)의 반경 상을 좌우로 이동한다. 구체적으로는 광학변위계(20)의 부착대(22)를 볼나사(24)의 회전구동에 의해 직선적으로 이동시킨다. 웨이퍼(W) 양측의 광학식 변위계(20, 20)는 도 2에 도시된 바와 같이 각각 측정광학계(30, 30)와 수광부(50, 50)를 갖는 것과 아울러, 하나의 레이저 출력장치(40)로부터 출력된 광으로 동작한다.

레이저 출력장치(40)는 주파수 안정화 He-Ne 레이저를 이용하여 참조광 L0과 측정광 L1이 혼합된 출력광 L0 + L1을 출력한다. 레이저 출력장치(40)로부터 출력된 출력광 L0 + L1은 복수의 미러(42) 및 아이솔레이터(44)를 거쳐 빔분할기(46)에서 2방향으로 분할된다. 분할된 출력광 L0 + L1은 또한 복수의 미러(42)를 거쳐 웨이퍼(W) 양측의 광학식 변위계(20, 20)의 측정광학계(30, 30)로 공급된다.

측정광학계(30)에서는 도 3에 자세히 도시된 바와 같이 출력광 L0 + L1이 수속렌즈(32)로 좁혀진 후, 분기혼합부가 되는 편광빔 분할기(34)에 공급된다. 수속 렌즈(32)는 출력광 L0 + L1을 좁힘으로써 측정광 L1을 웨이퍼(W)의 표면위치에 정확히 수속시켜 조사한다. 단 이 실시예에서는 웨이퍼(W) 표면에 직접 수속시키는 것이 아니고, 촉침분사기(60)의 반사면에 수속시키고 있다. 편광빔 분할기(34)에서는 측정광 L1은 그대로 똑바로 진행하고, 참조광 L0은 직각방향으로 반사하여 양자가 분기된다. 이러한 분기는 레이저 출력장치(40)에서 출력되는 측정광 L1과 참조광 L0의 편광방향의 차이에 의해 생긴다.

측정광 L1은 λ/4 파장판(37)을 통과한 후, 웨이퍼(W)의 표면으로 향한다. 웨이퍼(W)의 표면에는 촉침반사기(60)가 맞닿아 있고, 측정광 L1은 촉침반사기(60)에서 반사되어, 다시 편광빔 분할기(34)로 되돌아간다. 편광빔 분할기(34)를 나간 참조광 L0은 λ/4 파장판(36)을 통과한 후, 참조미러(38)에서 반사되어 다시 편광빔 분할기(34)로 되돌아간다. 편광빔 분할기(34)로부터 참조미러(38)까지의 거리는 편광빔 분할기(34)로부터 촉침반사기(60)까지의 거리와 같게 설정되어 있다.

편광빔 분할기(34)로 되돌아간 참조광 L0은 직진한다. 한편 편광빔 분할기(34)로 되돌아간 측정광 L1은 편광빔 분할기(34)에서 직각방향으로 반사되어 참조광 L0과 같은 방향으로 진행하게 된다. 그 결과, 편광빔 분할기(34)로부터는 참조광 L0과 측정광 L1의 혼합광 L0 + L1이 출력된다. 단 그때까지의 광의 행정이 측정광 L1에서는 촉침반사기(60)까지의 거리에 따라 변하고, 참조광 L0에서는 변하지 않으므로 양쪽의 광에는 행정차 혹은 위상차가 생기게 된다.

편광빔 분할기(34)로부터 출력되는 혼합광 L0 + L1은 복수의 미러(52), 콜리메이트렌즈(54), 포커스렌즈(56)를 거쳐 수광부(50)에 입력된다. 콜리메이트렌즈(54)는 혼합광 L0 + L1을 평행광으로 하고, 포커스렌즈(56)는 혼합광 L0 + L1을 수광부(50)의 수광면에 수속시키고, 측정광 L1이 웨이퍼(W)의 표면에서 반사함으로써 생기는 경사나 어긋남을 수정하여 수광부(50)의 수광면에 확실하게 입력시킨다. 수광부(50)에서는 광신호를 전기신호로 변환하거나, 참조광 L0과 측정광 L1의 파장이나 위상을 전기적으로 분석하여 그 데이터를 연산처리함으로써 웨이퍼(W)의 표면위치 혹은 그 변화를 수치정보로서 얻는다. 참조광 L0과 측정광 L1을 간섭시킴으로써 상기한 광의 행정 혹은 위상의 차이를 확대 혹은 명확화시켜 간섭줄무늬로서 나타나게 하면 광전변환소자에 있어서 웨이퍼(W)의 변위정보를 전기적신호로서 인출하기 쉽게 된다.

웨이퍼(W)의 표면을 따라 장소를 바꾸어 상기와 같은 측정을 행함으로써 웨이퍼(W)의 장소에 의한 표면위치의 변동, 즉 변위가 구해진다. 웨이퍼(W)의 양면에 배치된 광학식 변위계(20, 20)에서 웨이퍼(W)의 표면변위를 측정한다. 웨이퍼(W)의 양면의 표면변위를 합계한 것이 웨이퍼(W)의 두께변동을 나타낸다. 또 두께변동의 측정에서는 웨이퍼(W)의 두께 자체를 측정할 필요는 없고, 면방향에서의 두께의 차이나 편차를 두께변동으로서 측정하면 되지만, 좌우의 광학식 변위계(20, 20)의 간격을 알고 있으면, 양쪽의 변위계(20, 20)에 대한 웨이퍼(W)의 위치정보로부터 웨이퍼(W)의 두께를 알 수 있다. 이하 도 4를 이용하여 광학식 변위계(20)에 의한 웨이퍼(W)의 전체면에 대한 표면변위를 측정하는 방법을 설명하기로 한다.

웨이퍼(W)는 상기한 바와 같이 수직면 내에서 1방향으로 회전시킨다. 이에 대하여, 광학식 변위계(20)를 웨이퍼(W)의 바깥둘레 A로부터 중심 B를 향하여 반경방향으로 이동시키면서 표면변위를 측정한다. 그렇게 하면 웨이퍼(W)에 대하여 광학식 변위계(20)의 위치는 궤적 S로 나타내는 소용돌이선을 따라 이동하게 된다. 이 궤적 S 상에서 적절한 간격을 두고, 광학식 변위계(20)에 의한 웨이퍼(W)의 표면의 변위를 측정하면 웨이퍼(W)의 전체면에 대한 표면 변위를 능률적으로 측정할 수 있다. 광학식 변위계(20)의 이동은 수평방향으로 직선적으로 반경 A-B의 거리만큼 행하면 되므로 광학식 변위계(20)의 작동기구가 간단해진다. 또 웨이퍼(W)에 대한 표면변위의 측정은 웨이퍼(W)의 회전을 시작하여 회전속도가 일정하게 되고나서 행해도 되지만 이하에 설명하는 방법이 더욱 능률적이다.

도 5에 도시된 동작선도는 1회의 측정택트에서의 웨이퍼(W)의 회전속도(각속도 ω)의 변화와, 광학식 변위계(20)의 직선이동속도 Vx의 변화를 나타낸다. 중공스핀들(10)에 유지된 웨이퍼(W)를 모터 등으로 회전시킬 때에는 웨이퍼(W) 및 중공스핀들(10)의 회전부재 등이 갖는 관성모멘트가 있기 때문에, 회전시작시에 즉시 소정의 회전속도로 할 수는 없고, 회전속도 ω= O의 상태로부터 서서히 회전속도 ω가 증가되어 일정시간후에 소정의 속도에 도달한다. 측정종료시에 웨이퍼(W)의 회전을 멈추었을 때도 회전속도 ω는 서서히 저하되어 일정시간경과 후에 0으로 되돌아가 정지한다.

마찬가지로 광학식 변위계(20)의 직선이동에 대해서도 이동 시작시에는 속도 Vx = 0의 상태로부터 서서히 속도가 빨라진다. 이동 종료시에는 속도 Vx가 서서히 저하되어 0으로 되돌아간다. 따라서 웨이퍼(W)의 회전속도 ω가 일정속도 동안만큼 측정하도록 하고 있으면 측정 시작전의 가속시간 및 측정 종료후의 감속시간이, 본래의 측정시간 외에 필요하게 되어 측정택트가 길어진다.

즉 웨이퍼(W)의 회전속도 ω가 일정속도로 되고나서 측정하고자 하면, 웨이퍼(W)의 회전속도 ω가 0의 상태로부터 일정한 속도에 도달하기까지의 가속시간은 측정할 수 없는 시간이 되므로 그 만큼 택트시간이 연장되는 것이다. 따라서 도 5에 도시된 방법에서는 웨이퍼(W)의 회전시작과 동시에 광학식 변위계(20)의 직선이동을 시작하고, 또 광학식 변위계(20)에 의한 변위측정(데이터 수취)도 시작된다. 웨이퍼(W)의 회전속도 ω 및 광학식 변위계(20)의 속도 Vx는 서서히 증가된다. 광학식 변위계(20)는 웨이퍼(W)의 바깥둘레위치 A로부터 이동을 시작한다.

웨이퍼(W)의 회전속도와 광학식 변위계(20)의 직선이동속도 혹은 이동위치를 로터리 인코더나 위치센서 등의 센서로 검출하고, 마이크로컴퓨터 등의 연산수단으로 연산처리하여, 그 결과에 기초하여 웨이퍼(W) 및 광학식 변위계(20)의 구동모터 등을 제어하여 웨이퍼(W)와 광학식 변위계(20)의 운동을 동기시키면 상기 도 4에 도시된 소용돌이형상의 궤적 S를 따라 웨이퍼(W)와 광학식 변위계(20)를 상대적으로 이동시킬 수 있다. 또한 궤적 S 상에 설정된 소정위치마다 광학식 변위계(20)에 의한 변위측정을 행한다.

도 5에 도시된 바와 같이 광학식 변위계(20)가 웨이퍼(W)의 바깥둘레 A로부터 반경 A-B의 중간 가까이 도달하기까지는 이동속도 Vx를 가속하고, 일정한 속도(예를 들면, Vx = 8mm/sec)에 도달하면 곧 감속하고, 웨이퍼(W)의 중심위치 B에서 정지시킨다. 일정속도를 유지하는 단계는 필요없다. 한편 웨이퍼(W)의 회전속도ω는 회전시작으로부터 광학식 변위계(20)의 이동속도 Vx의 피크시점까지는 가속하고, 최대속도(예를 들면 ω= 240rpm)에 도달한 후 곧 감속하고, 광학식 변위계(20)의 정지와 동시에 회전을 정지시킨다.

상기한 바와 같이 웨이퍼(W)와 광학식 변위계(20)의 운동을 제어하면 일정속도에 도달한 후에 측정을 시작하고, 측정을 종료하고 나서 감속정지를 행하는 방법에 비해 측정택트를 대폭 줄일 수 있다.

또 본 발명의 촉침반사기에 대하여 상술하기로 한다. 상기 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 측정광 L1을 웨이퍼(W)의 표면에서 직접 반사시키는 것이 아니고, 촉침반사기(60)에서 반사시킴으로써 간접적으로 웨이퍼(W) 표면의 변위를 측정하고 있다.

도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 촉침반사기(60)는 광학식 변위계(20)의 웨이퍼(W) 측의 선단부에 부착되어 있는 기단부(61)와, 접촉자(62)와 반사면(64)을 갖는 응동부(63)가 평행판형상 지지아암(65)에 의해 연결되어 구성되어 있다.

접촉자(62)는 다이아몬드로 제작되고 선단부가 10㎛ 정도의 작은 것이며, 선단부를 웨이퍼(W) 표면에 실질적으로 점접촉으로 맞닿게 한다. 반사면(64)은 유리나 금속의 거울면으로 구성되고, 측정광 L1을 효율적으로 반사한다. 상기 반사면(64)은 측정광 L1의 조사방향에 대하여 마주하고, 그 측정광 L1의 조사방향을 연장한 앞서의 접촉자(62)의 선단부가 배치되어 있다.

평행판형상 지지아암(65)은 도 7에 도시된 바와 같이 용수철판 등의 탄력적으로 변형 용이한 재료로 이루어지는 2장의 판편(66a, 66b)이 상하로 간격을 두고 평행하게 배치되어 있다. 기단부(61)와 응동부(63)로 고정된 2장의 평행한 판편(66a, 66b)은 평행사변형의 링크기구, 소위 평행링크기구를 구성하고 있다. 판편(66a, 66b)은, 예를 들면 두께가 1O㎛ 정도, 길이가 1Omm 정도의 판스프링재로 제작된다.

도 8에 도시된 바와 같이 판편(66a, 66b)의 평면형상은 기단부(61)측이 넓고, 응동부(63)측이 좁은 사다리꼴형상을 하고, 이 사다리꼴형상의 외형의 중앙에 한단계 작은 사다리꼴형상의 절개부(67)가 관통하고 있다. 남은 부분의 판편(66a, 66b)은 좌우에 간격을 두고 배치된 가는 띠부(68, 68)가 기단부(61)측에서는 넓고 응동부(63)측에서는 좁은 「ハ」형상으로 배치된 구조로 되어 있다. 좌우의 띠부(68, 68)의 간격을 상기 기단부(61)측에서는 넓게 하고 상기 응동부(63)측에서는 좁게 해 두면 응동부(63)의 안정된 지지를 실현하고, 또 웨이퍼(W)의 두께방향으로의 변형성 및 그 이외의 방향으로의 내변형성을 향상시킬 수 있다.

이러한 구조의 촉침반사기(60)에 있어서, 광학식 변위계(20)에 대하여 웨이퍼(W)의 표면이 상방측으로 변위하면 접촉자(62)는 웨이퍼(W)의 표면에 밀려 상방으로 이동하고, 평행판형상 지지아암(65)을 상방으로 밀어 올린다. 상기한 평행링크기구를 구성하는 상하의 판편(66a, 66b)은 판편(66a)과 판편(66b)이 평행상태를 유지한 채로 별개로 상방측으로 휘도록 변형되므로, 응동부(63)는 기단부(61)에 대하여 실질적으로 평행상태를 유지한 채로 상하운동한다. 응동부(63)에 구비된 반사면(64)도 평행이동하므로 측정광 L1에 대하여 마주한 상태대로 상하이동이 행해진다. 그 결과, 웨이퍼(W) 표면의 변위에 관계없이 항상 측정광 L1의 입사방향과 같은 방향으로 반사광을 되돌릴 수 있다.

웨이퍼(W)의 표면변위는 상하 양방향에 생길 가능성이 있다. 촉침반사기(60)를 미리 웨이퍼(W) 표면으로 가볍게 밀어붙이고, 평행판형상 지지아암(65)을 탄력적으로 변형시킨 상태로 측정하면, 상하 양방향의 표면변위에 대하여 접촉자(62)를 웨이퍼(W)에 확실히 맞닿게 할 수 있다. 구체적으로는 평행판형상 지지아암(65)이 100㎛ 정도의 탄력변형된 상태로 배치해 둘 수 있다.

상기한 바와 같이 측정광 L1의 반사광의 방향이 경사지거나 어긋나면 수광부(50)의 수광면에서 정확히 수광하는 것이 어려워지게 되는데, 상기한 평행링크기구를 구성하는 평행판형상 지지아암(65)을 이용하는 촉침반사기(60)라면 반사광의 경사나 어긋남을 생기기 어렵게 할 수 있다. 또 상기한 좌우의 띠부(68, 68)로 구성되는 평면「ハ」형상의 구조를 갖는 평행판형상 지지아암(65)을 구비하고 있으면, 응동부(63)가「ハ」형상의 좌우방향으로 경사지는 것 혹은 평행판형상 지지아암(65)에 비틀림이 생기는 것을 효율적으로 저지할 수 있어 측정광 L1의 반사방향을 더욱 적절하게 유지할 수 있다.

또 상기 반사광의 경사나 어긋남을 방지하는 기능은, 상기한 포커스렌즈(56)와 공통되는 기능이다. 따라서 촉침반사기(60)를 구비하고 있으면, 포커스렌즈(56)가 없더라도 반사광의 경사나 어긋남을 방지하는 목적은 달성된다. 단 촉침반사기(60)에 덧붙여 포커스렌즈(56)도 구비해 두면 더욱 높은 기능을 발휘할 수 있다.

또 촉침반사기(60)를 사용함으로써 반사면(64)에 의한 높은 효율의 반사기능을 이용할 수 있다. 웨이퍼(W) 표면이 반사율이 낮은 재료이거나, 장소에 따라 반사율이 다른 구조라도 반사율이 높고 일정한 반사면(64)에서 측정광 L1을 반사시키면 항상 정확하고 안정된 변위측정이 가능하게 된다.

본 발명에 관한 박판재의 두께변동 측정방법에서는 1쌍의 광학식 변위계로 박판재 양면에서의 표면의 변위를 측정하고, 그 결과에 기초하여 박판재의 두께변동을 측정함으로써 종래 알려져 있던 용량변위센서를 이용하는 방법 등에 비해 정확하고 고정밀도의 측정이 가능하게 된다. 또 본 발명에 관한 촉침반사기는 상기 한 평행판형상 지지아암을 구비함으로써 피측정면의 요철이나 형상 변화에 맞추어 평행판형상 지지아암이 탄력적으로 변형하여, 접촉자 및 반사면을 구비한 응동부가 이동되어도 응동부의 자세가 크게 변하거나 경사지는 일이 없고, 측정광에 대한 반사면의 자세 혹은 경사를 항상 일정하게 유지할 수 있다. 그 결과, 광학식 측정의 측정정밀도를 각별히 향상시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 사상과 범위를 통해 각종 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이다.

Claims (8)

1. 박판재 표면에 측정광을 조사하고, 박판재 표면에서 반사된 측정광을 수광하여 박판재 표면의 변위를 측정하는 광학식 변위계를 박판재의 양면측방에 각각 배치해 두고, 각각의 변위계로 측정된 박판재 표면의 변위로부터 박판재의 두께 변동을 구하는 것을 특징으로 하는 박판재의 두께변동 측정방법.
2. 박판재를 회전이 자유롭게 지지하는 박판재 지지수단과,

   상기 박판재의 양면측방에 각각 배치되고, 박판재의 표면에 측정광을 조사하고, 박판재의 표면에서 반사된 측정광을 수광하여 박판재 표면의 변위를 측정하는 광학식 변위계와,

   상기 각각의 변위계로 측정된 박판재 표면의 변위로부터 박판재의 두께변동을 구하는 두께변동 산출수단과,

   상기 변위계의 측정위치를 박판재의 회전반경방향으로 주사하는 측정주사수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 박판재의 두께변동 측정장치.
3. 제 2항에 있어서,

   광학식 변위계가 기준이 되는 참조광과 측정광을 포함하는 출력광을 생성하는 광출력부와, 상기 출력광을 상기 측정광과 참조광으로 분기하는 것과 아울러, 분기된 측정광을 박판재의 표면에 조사하고, 박판재의 표면에서 반사된 측정광과 상기 참조광을 다시 혼합하는 광분기 혼합부와, 상기 광분기 혼합부에서 혼합된 측정광과 참조광의 혼합광을 수광하고 연산처리하여 박판재 표면의 변위를 산출하는 수광연산부와, 상기 광출력부와 상기 광분기 혼합부 사이에 배치되고, 상기 출력광을 수속시켜 광분기 혼합부에 공급하는 수속렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 박판재의 두께변동 측정장치.
4. 제 2항에 있어서,

   광학식 변위계가 기준이 되는 참조광과 측정광을 포함하는 출력광을 생성하는 광출력부와, 상기 출력광을 상기 측정광과 참조광으로 분기하는 것과 아울러, 분기된 측정광을 박판재의 표면에 조사하고, 박판재의 표면에서 반사된 측정광과 상기 참조광을 다시 혼합하는 광분기 혼합부와, 상기 광분기 혼합부에서 혼합된 측정광과 참조광의 혼합광을 수광하고 연산처리하여 변위계에 대한 박판재 표면의 변위를 산출하는 수광연산부와, 상기 광분기 혼합부와 상기 수광연산부 사이에 배치되고, 상기 혼합광을 수속시켜 수광연산부에 공급하는 수속광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 박판재의 두께변동 측정장치.
5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   광학식 변위계에 배치되고, 박판재의 표면에 맞닿고, 박판재 표면의 변위를 따라 이동하여 측정광을 반사하는 반사면을 갖는 촉침반사기를 구비하는 것을 특징으로 하는 박판재의 두께변동 측정장치.
6. 피측정면에서 반사된 측정광을 수광하여 피측정면의 위치정보를 얻는 광학식 측정장치에 이용되는 촉침반사기에 있어서,

   상기 피측정면에 맞닿는 접촉자와 상기 측정광을 반사하는 반사면을 갖는 응동부와, 상기 피측정면과 직교하는 방향으로 간격을 두고 평행하게 배치되고 탄력적으로 변형 가능한 1쌍의 판편을 갖고, 그 선단부에 상기 응동부를 지지하고, 그 기단부가 상기 광학식 측정장치에 지지되는 평행판형상 지지아암을 구비하는 것을 특징으로 하는 촉침반사기.
7. 제 6항에 있어서,

   판편이 기단부측이 넓고 응동부측이 좁은 사다리꼴형상을 이루는 것을 특징으로 하는 촉침반사기.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,

   판편이 좌우로 간격을 두어 배치된 1쌍의 띠부를 갖고, 좌우 띠부의 간격이 상기 기단부측에서는 넓고 상기 응동부측에서는 좁은 것을 특징으로 하는 촉침반사기.