表面形状測定装置および半導体ウェハ検査装置
【課題】本発明は、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間でその表面形状を測定し得る表面形状測定装置および半導体ウェハ検査装置を提供する。
【解決手段】本発明の表面形状測定装置Ｓａは、測定対象である半導体ウェハＳＷの表面に所定の波面を持つ測定光を照射するための光源部１と、半導体ウェハＳＷの表面で反射した測定光の反射光における波面の形状を測定する波面センサ４と、波面センサ４で測定した反射光における波面の形状に基づいて半導体ウェハＳＷにおける表面の形状を求める演算制御部７ａとを備える。そして、半導体ウェハ検査装置は、このような表面形状測定装置Ｓａを備えて構成される。
【解決手段】本発明の表面形状測定装置Ｓａは、測定対象である半導体ウェハＳＷの表面に所定の波面を持つ測定光を照射するための光源部１と、半導体ウェハＳＷの表面で反射した測定光の反射光における波面の形状を測定する波面センサ４と、波面センサ４で測定した反射光における波面の形状に基づいて半導体ウェハＳＷにおける表面の形状を求める演算制御部７ａとを備える。そして、半導体ウェハ検査装置は、このような表面形状測定装置Ｓａを備えて構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハの表面形状を測定する表面形状測定装置およびこの表面形状測定装置を備え、半導体ウェハの表面形状に対する良否を検査する半導体ウェハ検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路は、素子の集積化が進んでいる。この集積回路を半導体ウェハに製造するプロセス条件であるプロセス・ルールは、通常、ゲート配線の線幅または間隔における最小加工寸法によって規定される。このプロセス・ルールが半分になれば、理論上、同じ面積に４倍のトランジスタや配線を配置することができるため、同じトランジスタ数では１／４の面積となる。この結果、１枚の半導体ウェハから製造することができるダイが４倍になるだけでなく、通常、歩留まりも改善されるため、さらに多くのダイが製造可能となる。この最小加工寸法は、高密度な集積回路を製造するために、２００７年の時点の最先端では、４５ｎｍに達している。このようなサブミクロンオーダ（１μｍ以下）のプロセス・ルールでは、半導体ウェハに高い平坦度が要求され、半導体ウェハの表面形状（表面の高さ変化）が無視できない。このため、半導体ウェハの表面形状を高精度に、例えば、ナノメートルオーダで測定する表面形状測定装置が望まれている。
【０００３】
また、半導体ウェハでは、その表面形状の平坦度は、その外縁部にエッジロールオフ（Edge Roll-off）と呼ばれる形状が存在するため、一般に、中心部よりも外縁部の方が劣る。半導体ウェハにおけるダイの製造可能領域を外縁部へ広げるために、このエッジロールオフの評価が重要であり、そのためにも半導体ウェハの表面形状を高精度に測定する表面形状測定装置が望まれている。
【０００４】
面形状を測定する形状測定方法には、一般に、干渉計による方法と、光切断法による方法とが知られている。この干渉計による方法は、例えば、非特許文献１に開示されており、光源から射出された光を分割手段によって例えば２つの光に分割し、それぞれ別々の光路を通った後に、これら２つの光を合波手段によって再び重ね合わせ、光路差によって発生する干渉縞を検出手段によって検出し、これを解析手段によって解析することで、測定対象物の表面形状を求めるものである。このような干渉計による方法には、フィゾー干渉計、マイケルソン干渉計および斜入射干渉計等を用いた方法が知られている。また、光切断法による方法は、例えば、非特許文献２に開示されており、光源から射出された扇形のシート光を測定対象物に照射し、このシート光を撮影手段によって撮影し、この得られた画像中におけるシート光による輝線を解析手段によって解析することで、測定対象物の表面形状を求めるものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】フジノン株式会社、“レーザー干渉計活用ガイド”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２１年２月１９日検索、インターネット、＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｊｉｎｏｎ．ｃｏ．ｊｐ／ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｌａｓｅｒ／ｋｉｓｏｔｉｓｉｋｉ２．ｈｔｍ＞
【非特許文献２】オプトウエア株式会社、“高速光切断法プロファイル計測システム”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２１年２月１９日検索、インターネット、＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｏｗａｒｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｄｅｎｓｅｎ．ｐｄｆ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、干渉計による方法は、その原理から測定範囲が波長の長さ程度、すなわち数百ナノメートルしかなく、半導体ウェハにおける表面形状の測定に制約が生じてしまう。この干渉計による方法において、前記制約を解消するために測定範囲を広げようとすると、そのために測定距離を位相連結する必要が生じてしまう。また、それによって情報処理が複雑になるとともに、その情報処理の時間もかかってしまう。また、半導体ウェハの表面形状の測定では、そのエッジ部分を測定するだけでも、数十箇所から数百箇所の測定が必要となるため、１点ずつ測定する干渉計による方法では、その１箇所の測定に時間を要してしまうと、全体の測定時間が長時間になってしまう。
【０００７】
また、光切断法による方法は、その原理からその測定精度が一般にせいぜい数μｍ程度である。一方、半導体ウェハの表面は、上述したように高い平坦度が要求されているため、半導体ウェハの表面形状をナノメートルオーダで測定する必要があり、このため、光切断法による方法は、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適していない。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハの表面形状を測定することができる表面形状測定装置および半導体ウェハ検査装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる表面形状測定装置は、測定対象である半導体ウェハの表面に所定の波面を持つ測定光を照射する光照射部と、前記半導体ウェハの表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定する波面センサと、前記波面センサで測定した前記反射光における波面の形状に基づいて前記半導体ウェハにおける表面の形状を求める表面形状演算部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
このような構成の表面形状測定装置は、波面センサを用いることによって半導体ウェハにおける表面の形状（表面形状）を測定するので、その測定原理から、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハの表面形状を測定することができる。
【００１１】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光照射部によって照射される前記測定光は、進行方向を法線とする平面な波面を持つ平面波の光であり、前記波面センサは、シャックハルトマン（Shack-Hartmann）方式の波面センサであることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、波面センサにシャックハルトマン（Shack-Hartmann）方式の波面センサを用いた表面形状測定装置が提供される。
【００１３】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記シャックハルトマン方式の波面センサは、前記反射光を受光し、アレイ状に配置された複数のレンズを備えるレンズアレイと、前記レンズアレイにおける複数のレンズを通過した前記反射光の像を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理部と、前記データ抽出処理部で抽出されたデータに基づいて前記反射光における波面の形状を求める波面演算部とを備え、前記データ抽出処理部における前記所定の閾値は、測定箇所を含む所定範囲領域内における平均輝度値に関する値であることを特徴とする。ここで、平均輝度値に関する値には、単純平均によって得られた値および重み付き平均によって得られた値を含み、さらに、平均輝度値に予め設定された係数を乗ずることによって得られた値や、平均輝度値と所定の閾値との対応関係を示すルックアップテーブルが予め用意されており平均輝度値からこのルックアップテーブルを参照することによって得られた値も含む。
【００１４】
この構成によれば、前記撮像部で撮像された画像において、前記レンズアレイにおける複数のレンズのそれぞれによって集光された前記反射光の各光点の位置を検出するべく、前記撮像部で撮像された画像データからデータを抽出する場合に用いられる所定の閾値が、測定箇所を含む所定範囲領域内における平均輝度値であるため、前記所定の閾値が例えば半導体ウェハの表面の状態やノイズ等に応じて適応的に変更されるので、前記反射光の各光点の位置をより精度よく検出することができる。この結果、このような構成の表面形状測定装置は、半導体ウェハにおける表面形状をより精度よく測定することが可能となる。
【００１５】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記シャックハルトマン方式の波面センサは、前記反射光を受光し、アレイ状に配置された複数のレンズを備えるレンズアレイと、前記レンズアレイにおける複数のレンズを通過した前記反射光の像を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理部と、前記データ抽出処理部で抽出されたデータに基づいて前記反射光における波面の形状を求める波面演算部とを備え、前記データ抽出処理部における前記所定の閾値は、前記半導体ウェハの端部からの距離に応じた値であることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、前記撮像部で撮像された画像において、前記レンズアレイにおける複数のレンズのそれぞれによって集光された前記反射光の各光点の位置を検出するべく、前記撮像部で撮像された画像データからデータを抽出する場合に用いられる所定の閾値が、前記半導体ウェハの端部からの距離に応じた値であるため、前記所定の閾値が半導体ウェハにおける端部近傍領域の表面形状に応じて適応的に変更されるので、前記反射光の各光点の位置をより精度よく検出することができる。この結果、このような構成の表面形状測定装置は、半導体ウェハにおける表面形状を、特に、半導体ウェハにおける端部領域の表面形状をより精度よく測定することが可能となる。
【００１７】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記反射光を複数に分岐するとともに、前記複数の分岐光のうちの１つを前記波面センサに入射させる分岐部と、前記複数の分岐光のうちの他の１つを受光することで、前記半導体ウェハの端部を少なくとも含むように前記半導体ウェハの表面を撮影する撮影部と、前記撮影部によって撮影された前記半導体ウェハの表面画像に基づいて測定箇所の座標位置を求める座標位置演算部とをさらに備えることを特徴とする。
【００１８】
測定箇所の位置は、例えば、測定対象の半導体ウェハを載置するステージの移動量に応じて求めることができるが、この構成によれば、分岐部によって前記反射光が複数の分岐光に分岐され、これら複数の分岐光のうちの１つが前記波面センサによって受光され、これら複数の分岐光のうちの他の１つが撮影部によって受光されることで、この撮影部によって半導体ウェハの表面が撮影され、座標位置演算部によって、半導体ウェハの表面画像に基づいて測定箇所の座標位置が求められる。このため、このような構成の表面形状測定装置は、半導体ウェハ上での測定箇所の位置をより正確に認識することができる。
【００１９】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、ヘテロダイン干渉法を用いることによって前記半導体ウェハの厚さ分布を測定する厚さ分布測定部をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、半導体ウェハにおける表面形状だけでなく、前記半導体ウェハの厚さ分布も測定することができる表面形状測定装置が提供される。
【００２１】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光照射部は、前記半導体ウェハの一方の表面に所定の波面を持つ測定光を照射し、前記波面センサは、前記半導体ウェハの一方の表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定し、前記表面形状演算部は、前記波面センサで測定した前記反射光における波面の形状に基づいて前記半導体ウェハの一方の表面における表面形状を求め、前記表面形状演算部によって求められた前記半導体ウェハの一方の表面における表面形状および前記厚さ分布測定部によって測定された前記半導体ウェハの厚さ分布に基づいて前記半導体ウェハの他方の表面における表面形状を求める第２表面形状演算部をさらに備えることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、第２表面形状演算部によって半導体ウェハにおける他方の表面形状が求められる。このため、このような構成の表面形状測定装置は、半導体ウェハの表裏両面の各表面形状を測定することができる。
【００２３】
そして、本発明の他の一態様にかかる半導体ウェハ検査装置は、測定対象である半導体ウェハの表面における表面形状を測定する表面形状測定部と、前記表面形状測定部で測定された表面形状が所定の条件を満たすか否かを判定する判定部と前記判定部による判定結果を出力する出力部とを備え、前記表面形状測定部は、これら上述のいずれかの表面形状測定装置である。
【００２４】
この構成によれば、これら上述のいずれかの表面形状測定装置が用いられるので、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハの表面形状を測定することができるから、このような構成の半導体ウェハ検査装置は、よりスピーディでより正確に半導体ウェハの良否を検査することができる。したがって、このような構成の半導体ウェハ検査装置は、例えば、半導体ウェハを用いた製品の生産ラインに好適に用いることができ、要求される仕様（スペック）に達しない半導体ウェハを製造工程で選別することによって、製品の歩留まりが向上し、その結果、低コスト化も達成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明にかかる表面形状測定装置および半導体ウェハ検査装置は、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハの表面形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の表面形状測定装置における第１態様の波面センサを示す図である。
【図３】第１態様の波面センサにおける測定原理を説明するための図である。
【図４】第１態様の波面センサにおける波面角度の算出式を説明するための図である。
【図５】第１実施形態の表面形状測定装置における第２態様の波面センサを示す図である。
【図６】第１実施形態の表面形状測定装置における第３態様の波面センサを示す図である。
【図７】第１実施形態の表面形状測定装置における撮影部によって撮影される画像を説明するための図である。
【図８】第１実施形態における表面形状測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】第１実施形態の表面形状測定装置の動作において、主要な処理結果を示す図である。
【図１０】波面センサのデータ抽出処理における所定の閾値を説明するための図である。
【図１１】波面センサで測定された波面形状から測定対象物の表面形状を求める算出方法を説明するための図である。
【図１２】第２実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。
【図１３】第２実施形態の表面形状測定装置における厚さ分布測定部の構成を示す図である。
【図１４】第２実施形態の表面形状測定装置において、一方表面形状および厚さ分布に基づいて他方表面形状を求める方法を説明するための図である。
【図１５】第３実施形態における半導体ウェハ検査装置の構成を示す図である。
【図１６】エッジロールオフを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。図２は、第１実施形態の表面形状測定装置における第１態様の波面センサを示す図である。図２（Ａ）は、第１態様の波面センサの構成を示し、図２（Ｂ）は、マイクロレンズアレイの平面図を示す。図３は、第１態様の波面センサにおける測定原理を説明するための図である。図３（Ａ）は、入射光の波面が歪んでいない場合（平面波である場合）を示し、図３（Ｂ）は、入射光の波面が歪んでいる場合を示す。図４は、第１態様の波面センサにおける波面角度の算出式を説明するための図である。図５は、第１実施形態の表面形状測定装置における第２態様の波面センサを示す図である。図６は、第１実施形態の表面形状測定装置における第３態様の波面センサを示す図である。図７は、第１実施形態の表面形状測定装置における撮影部によって撮影される画像を説明するための図である。
【００２９】
第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａは、図１および図２に示すように、光源部１と、光路変更部２と、光分岐部３と、波面センサ４と、演算制御部７ａとを備えて構成され、図１に示す例では、さらに、測定箇所ＭＰの座標位置を求めるために撮影部５を備え、当該表面形状測定装置Ｓａに所定のコマンドやデータ等を入力するために入力部６を備え、入力部６から入力された前記所定のコマンドやデータ等および当該表面形状測定装置Ｓａの測定結果等を出力するために出力部８を備え、そして、測定箇所ＭＰを変更するためにステージ９を備えて構成されている。
【００３０】
光源部１は、演算制御部７ａによって制御され、所定の波面を持つ測定光を放射する装置であり、例えば、キセノンランプやレーザ装置等である。前記所定の波面は、予め既知であればよいが、進行方向を法線とする平面な波面を持つ平面波であることが好ましい。本実施形態では、光源部１には、ヘリウムネオンレーザ装置（Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置）が用いられ、このＨｅ−Ｎｅレーザ装置によるレーザビームは、ビームエキスパンダによってビーム径２０ｍｍの平行光に拡大され、測定光として用いられる。
【００３１】
光路変更部２は、光源部１から放射された測定光が入射され、測定対象物ＳＷに測定光を照射すべく、光源部１から放射された測定光の光路を測定対象物ＳＷに向けて変更する光学素子である。本実施形態では、測定対象物ＳＷにおける測定面の法線方向に波面センサ４が配置され、光源部１は、前記法線方向の側面に配置され、例えば、前記法線方向に直交する方向から測定光を照射するため、光路変更部２は、ハーフミラ２を備えて構成される。光源部１から放射された測定光は、図１に示すように、ハーフミラ２に入射され、その光路がハーフミラ２によって略９０度曲げられ、測定対象物ＳＷの法線方向から、測定対象物ＳＷの所定の測定箇所ＭＰに照射される。測定対象物ＳＷの測定箇所ＭＰに照射された測定光は、測定対象物ＳＷによって反射され、図１に示すように、再び、ハーフミラ２に入射され、ハーフミラ２を透過した前記測定光の反射光は、光分岐部３に入射される。
【００３２】
測定対象物ＳＷは、例えば、シリコンウェハ（例えば太陽電池用のシリコンウェハ等）等の半導体ウェハＳＷである。
【００３３】
光分岐部３は、ハーフミラ２を介して入射された、測定対象物ＳＷの表面で反射した前記測定光の反射光を２つに分岐する光学素子であり、例えば、ハーフミラ３を備えて構成される。ハーフミラ２を介して入射された、測定対象物ＳＷの表面で反射した前記測定光の反射光は、ハーフミラ３によって２つに分岐され、その一方は、波面センサ４に入射され、その他方は、撮影部５に入射される。
【００３４】
波面センサ４は、演算制御部７ａによって制御され、測定対象物ＳＷの表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定する装置である。波面センサ４によって測定された前記反射光の波面の形状は、演算制御部７ａへ出力される。この光の波面を測定する波面センサ（wave front sensor）４には、主に３つの手法がある。
【００３５】
第１の手法は、シャックハルトマン方式の波面センサ（Shack-Hartmann wave-front sensor）と呼ばれ、図１および図２に示す例では、このシャックハルトマン方式の波面センサ４が用いられる。このシャックハルトマン方式の波面センサは、図２に示すように、瞳の後方に配置され、複数のマイクロレンズ４１１（図２（Ｂ）参照）をアレイ状に例えば２次元アレイ状に配置したマイクロレンズアレイ４１と、例えばＣＣＤ型エリアセンサ（ＣＣＤ型イメージセンサ）やＣＭＯＳ型エリアセンサ（ＣＭＯＳ型イメージセンサ）等の光像を、電気的な信号に変換することによって撮像する撮像素子４２と、撮像素子４２の出力に対し所定の処理を行うことによって入射光（本実施形態では前記反射光）の波面を求める波面センサ演算制御部４３とを備えて構成される。
【００３６】
このような構成のシャックハルトマン方式の波面センサ４は、本センサ４に入射した入射光（本実施形態では前記測定光の反射光）をマイクロレンズアレイ４１によって受光し、このマイクロレンズアレイ４１における各マイクロレンズ４１１を通過した前記入射光の像、例えばマイクロレンズアレイ４１における各マイクロレンズ４１１によって結像した前記入射光の像を撮像素子４２によって撮像し、この撮像した前記入射光の像を波面センサ演算制御部４３によって解析することで前記入射光の波面を求めるものである。このシャックハルトマン方式の波面センサ４では、前記入射光が平面波の場合では、図３（Ａ）に示すように、撮像素子４２において、各マイクロレンズ４１１によって各マイクロレンズ４１１の各光軸に対応した各位置（各基準位置）に前記入射光の像（光点、スポット、ドット、図中「・」で表す）が結像され、一方、入射光が平面波でなく歪みが生じている場合では、図３（Ｂ）に示すように、撮像素子４２において、各マイクロレンズ４１１によって各マイクロレンズ４１１に対応した各基準位置からずれた各位置（各観測位置）に前記入射光の像（・）が結像される。前記観測位置における前記基準位置からの前記ずれ量は、前記入射光の波面に生じている歪み量（波面角度）に応じて生じる。このため、前記ずれ量を求めることで、前記入射光の波面が求められる。
【００３７】
より具体的には、マイクロレンズアレイ４１と撮像素子４２との間の距離をＦとし、観測位置とその基準位置との間の距離（前記ずれ量）をＬとする場合に、図４に示すように、その幾何学的関係から、マイクロレンズアレイ４１に垂直入射した平面波の波面に対する、測定したい入射光の波面における角度（マイクロレンズアレイ４１に垂直入射した平面波の波面と、測定したい入射光の波面とのなす角の角度）である波面角度αは、ｔａｎα＝Ｌ／Ｆで表され、α＝ｔａｎ−１（Ｌ／Ｆ）によって算出される。
【００３８】
このように算出することによって入射光の波面、本実施形態では測定対象物ＳＷで反射した前記測定光の反射光における波面を演算する波面センサ演算部４３は、例えば、マイクロコンピュータ等を備えて構成され、図２（Ａ）に示すように、例えば、機能的に、マイクロレンズアレイ４１の各マイクロレンズ４１１に対応する各基準位置を記憶する基準位置記憶部４３４と、撮像素子４２によって撮像された前記入射光（本実施形態では反射光）の像（画像）に基づいて各マイクロレンズ４１１に対応する各観測位置を求める観測位置演算部４３１と、観測位置演算部４３１によって求められた各観測位置ごとに、当該観測位置とその基準位置とのずれ量Ｌに基づいて波面角度αをそれぞれ求める波面角度演算部４３２と、波面角度演算部４３２によって求められた各波面角度αに基づいて前記入射光（本実施形態では反射光）の波面の形状を求める波面形状演算部４３３とを備えて構成される。
【００３９】
また、第２の手法は、ＬＳＩ（Lateral shearing interferometer）と呼ばれ、図５に示すように、当該波面センサに入射した波面φ（ｒ）の入射光をshearing deviceによって所定値ｓだけずらして波面φ（ｒ）を持つ光と波面φ（ｒ＋ｓ）を持つ光とに分け、これら光の光像を撮像素子によって撮像し、この撮像した前記光の光像に示される干渉パターン（干渉縞）を解析することによって前記入射光の波面の位相を求めるものである。
【００４０】
そして、第３の手法は、曲率センサ（curvature sensor）と呼ばれ、図６に示すように、当該波面センサに入射した入射光を、瞳の後方に配置されたレンズで受光し、このレンズの焦点位置ｆから等距離ｌでずれた２つの各位置で前記入射光の各像を撮像素子によってそれぞれ撮像し、これらそれぞれ撮像した各像を比較解析することによって前記入射光の波面を求めるものである。この曲率センサは、前記入射光が平面波の場合では、前記入射光の各像は、同様にぼやけた像となるが、一方、入射光が平面波でなく歪みが生じている場合では、前記入射光の各像は、それぞれ異なる像となる。前記入射光の各像間の相違は、前記入射光の波面に生じている歪み量に応じて生じる。このため、前記入射光の各像の相違を求めることで、前記入射光の波面が求められる。
【００４１】
撮影部５は、演算制御部７ａによって制御され、測定対象物ＳＷを撮影する装置である。撮影部５によって撮影された測定対象物ＳＷの画像に基づいて測定箇所ＭＰの座標位置を求める場合には、測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの端部を少なくとも含むように測定対象物ＳＷの表面が撮影部５によって撮影される。すなわち、図７に示すように、撮影部５による画像ＰＣは、測定対象物ＳＷをその法線方向から撮影した場合における半導体ウェハＳＷの表面の画像であり、この画像ＰＣには、半導体ウェハＳＷの端部ＳＷＥｇが含まれる。撮影部５は、例えば、光学系、前記光学系によって結像された光像を、電気的な信号に変換することによって撮像する撮像素子、および、前記撮像素子の出力に対し所定の処理を行うことで、前記光像の画像を生成する画像処理部等を備えたカメラである。撮影部５によって撮影された画像は、演算制御部７ａへ出力される。
【００４２】
入力部６は、演算制御部７ａに接続され、外部から当該表面形状測定装置Ｓａにコマンド（命令）やデータ等を入力するための装置であり、例えばタッチパネルやキーボード等である。出力部８は、演算制御部７ａに接続され、入力部６から入力されたコマンドやデータおよび演算制御部７ａの演算結果等を出力するための装置であり、例えばＣＲＴディスプレイやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）や有機ＥＬディスプレイ等のディスプレイおよびプリンタ等の印刷装置等である。
【００４３】
ステージ９は、演算制御部７ａによって制御され、測定対象物ＳＷの厚さ方向に直交する水平方向に測定対象物ＳＷを移動する装置である。
【００４４】
演算制御部７ａは、表面形状測定装置Ｓａの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、測定対象物ＳＷの表面形状を波面センサ４の出力に基づいて求めるものである。演算制御部７ａは、例えば、表面形状測定装置Ｓａの各部を当該機能に応じて制御するための制御プログラムや測定対象物ＳＷの表面形状を波面センサ４の出力に基づいて求める演算プログラム等の各種の所定のプログラム、および、前記所定のプログラムの実行に必要なデータ等の各種の所定のデータ等を記憶する、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、前記所定のプログラムを読み出して実行することによって所定の演算処理や制御処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる前記ＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）、ならびに、これらの周辺回路を備えたマイクロコンピュータ等によって構成される。演算制御部７ａは、機能的に、第１表面形状演算部７１と、座標位置演算部７２と、全表面形状演算部７３と、制御部７４とを備えている。
【００４５】
第１表面形状演算部７１は、波面センサ４で測定した前記入射光の反射光における波面の形状に基づいて測定対象物ＳＷにおける表面の形状を求めるものである。
【００４６】
座標位置演算部７２は、撮影部５によって撮影された測定対象物ＳＷの表面画像に基づいて測定箇所ＭＰの座標位置を求めるものである。
【００４７】
全表面形状演算部７３は、第１表面形状演算部７１によって求められた表面形状に基づいて所望の測定範囲での測定対象物ＳＷにおける表面全体の形状（全表面形状）を求めるものである。
【００４８】
制御部７４ａは、光源部１、波面センサ４、撮影部５およびステージ９のそれぞれを当該各部の機能に応じて制御するものである。
【００４９】
なお、表面形状測定装置Ｓａは、さらに必要に応じて、外部記憶装置をさらに備えてもよい。この外部記憶装置は、演算制御部７ａに接続され、フレキシブルディスク、ＣＤ−Ｒ（Compact Disc Recordable）およびＤＶＤ−Ｒ（Digital Versatile Disc Recordable）等の記憶媒体とデータを読み書きする補助記憶装置であり、例えば、フレキシブルディスクドライブ、ＣＤ−ＲドライブおよびＤＶＤ−Ｒドライブ等である。演算制御部７ａに前記所定のプログラムおよび前記所定のデータ等が格納されていない場合には、これらを記録した記録媒体を外部記憶装置を介して演算制御部７ａへ読み込むように、表面形状測定装置Ｓａが構成されてもよい。
【００５０】
次に、第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａの動作について説明する。図８は、第１実施形態における表面形状測定装置の動作を示すフローチャートである。図９は、第１実施形態の表面形状測定装置の動作において、主要な処理結果を示す図である。図９（Ａ）は、波面センサ４によって取得された画像（取得画像）を示し、図９（Ｂ）は、波面センサ４におけるデータ抽出処理後の画像（スポットデータ）を示し、図９（Ｃ）は、波面センサ４で求められた図９（Ａ）に示すＡＡ線における前記反射波の波面形状を示し、そして、図９（Ｄ）は、第１表面形状演算部７１で求められた、図９（Ｂ）に示す前記反射波の波面形状に基づく測定対象物ＳＷの表面形状を示す。図１０は、波面センサのデータ抽出処理における所定の閾値を説明するための図である。図１０（Ａ）は、波面センサ４の撮像素子４２で撮像されたデータ抽出処理前の画像を示し、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示すＢＢ線における輝度値と第１ないし第３態様のそれぞれの各閾値とを示す。図１０（Ｂ）の横軸は、Ｘ座標であり、その縦軸は、当該座標位置における輝度値を示す。Ｘ座標は、測定対象物ＳＷの端部（エッジ）付近において、予め設定した所定位置を０とし、径方向に沿って設定されている。破線は、第１態様の閾値（傾斜をかける場合）を示し、１点鎖線は、第２態様の閾値（区画ごとに算出する場合）を示し、そして、２点鎖線は、第３態様の閾値（一定の場合）を示す。図１１は、波面センサで測定された波面形状から測定対象物の表面形状を求める算出方法を説明するための図である。
【００５１】
図略の電源スイッチがオンされると、表面形状測定装置Ｓａが起動され、演算制御部７ａによって必要な各部の初期化が行われる。そして、例えば半導体ウェハ等の板状体の測定対象物ＳＷがステージ９に載置され、入力部６から測定開始を指示するコマンドを受け付けると、演算制御部７ａは、測定対象物ＳＷの表面形状の測定を開始する。
【００５２】
まず、演算制御部７ａの制御部７４ａは、光源部１を駆動し、光源部１に測定光を放射させる。
【００５３】
光源部１から放射された測定光は、図１に示すように、ハーフミラ２に入射され、その光路がハーフミラ２によって略９０度曲げられ、測定対象物ＳＷの法線方向から、測定対象物ＳＷの所定の測定箇所ＭＰに照射される。測定対象物ＳＷの測定箇所ＭＰに照射された測定光は、測定対象物ＳＷによって反射され、図１に示すように、再び、ハーフミラ２に入射され、ハーフミラ２を透過した前記測定光の反射光は、ハーフミラ３に入射される。ハーフミラ３では、前記測定光の反射光が２つに分岐され、その一方は、波面センサ４に入射され、その他方は、撮影部５に入射される。
【００５４】
演算制御部７ａの制御部７４ａは、撮影部５によって撮影された画像に基づいてこの画像に測定対象物ＳＷの端部を少なくとも含むように、ステージ９によって測定対象物ＳＷを移動させる。演算制御部７ａは、例えば、測定対象物ＳＷの輝度と測定対象物ＳＷの外部部分の輝度との相違を利用することによって、撮影部５によって撮影された画像に基づいて測定対象物ＳＷの端部を検出することができる。このような測定対象物ＳＷの端部の検出方法には、公知の常套手段である、いわゆるエッジ検出等の画像処理方法が用いられる。これによって測定対象物ＳＷの初期位置が決定され、最初の測定箇所ＭＰが決定される。
【００５５】
測定対象物ＳＷの初期位置が決定されると、前記最初の測定箇所ＭＰについて、測定対象物ＳＷの表面形状の測定が開示される。すなわち、まず、波面センサ４は、前記測定光の反射光を受光し、前記測定光の反射光の画像を取得する（Ｓ１１）。より具体的には、波面センサ４では、前記測定光の反射光がマイクロレンズアレイ４１を通過して、集光され、前記測定光の反射光の像が撮像素子４２の撮像面に結像される。撮像素子４２は、受光量に応じた電気的な信号に変換し、前記測定光の反射光の像に対応する画像の電気信号を波面センサ演算制御部４３へ出力する。波面センサ演算制御部４３は、撮像素子４２から前記画像の電気信号を取り込み、前記測定光の反射光におけるマイクロレンズアレイ４１を介した前記画像を取得する。例えば、図９（Ａ）に示す画像が取得される。
【００５６】
続いて、波面センサ４では、波面センサ演算制御部４３の観測位置演算部４３１は、前記画像に基づいて各マイクロレンズ４１１に対応する各観測位置を求めるべく、前記画像の各画素の輝度値を所定の閾値とそれぞれ比較し、当該輝度値が前記所定の閾値以上である画素のデータを抽出し、これによって撮像素子４２で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理を行う（Ｓ１２）。このようなデータ抽出処理を前記画像に施すことによって、処理対象外領域と処理対象領域とに分けられてノイズが除去され、例えば、図９（Ａ）に示す画像（撮像素子４２から得られた信号そのままによる画像、生画像）は、図９（Ｂ）に示す画像となり、マイクロレンズアレイ４１の各マイクロレンズ４１１による前記測定光の反射光の像がより明瞭となり、これによって各マイクロレンズ４１１に対応する各観測位置をより精度よく検出することができる。
【００５７】
ここで、前記データ抽出処理における前記所定の閾値は、図１０（Ｂ）に２点鎖線で示すように、予め設定された所定の一定値であってもよいが、測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの表面形状や表面状態等に応じて可変としてもよい。
【００５８】
測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷでは、その端部近傍領域には、後述するように、いわゆるエッジロールオフと呼ばれる形状が存在し、一般に、その端部領域は、半導体ウェハＳＷの法線方向（垂直方向、厚さ方向）に直交する水平方向に対し湾曲している。このため、半導体ウェハＳＷに入射した測定光は、この端部領域では、その入射方向に対し、半導体ウェハＳＷの表面における接平面の法線を挟んで線対称な方向へ反射するため、波面センサ４に入射する前記測定光の反射光は、端部領域よりも内側の部分の領域における前記測定光の反射光に較べて、端部領域における前記測定光の反射光の方が、その光密度が低下し、暗くなる。
【００５９】
このため、前記所定の閾値は、半導体ウェハＳＷの端部からの距離に応じた値に設定されることが好ましい。例えば、前記所定の閾値は、図１０（Ｂ）に破線で示すように、端部領域よりも内側の部分では、所定の一定値であって、前記端部領域では、端部へ向かうに従って前記所定の一定値から徐々に小さな値に変化するように予め設定されてもよい。このように前記所定の閾値が設定されることによって、前記所定の閾値が半導体ウェハＳＷにおける端部領域の表面形状に応じて適応的に変更されるので、前記反射光の像（光点）の位置をより精度よく検出することができる。この結果、このような構成の表面形状測定装置Ｓａは、半導体ウェハＳＷにおける表面形状を、特に、半導体ウェハＳＷにおける端部領域の表面形状をより精度よく測定することが可能となる。
【００６０】
あるいは、前記所定の閾値は、測定箇所ＭＰを含む所定範囲領域内における平均輝度値に関する値であることが好ましい。例えば、前記所定の閾値は、図１０（Ｂ）に１点鎖線で示すように、データ抽出処理を行う画素に対し、その周辺画素の輝度値を平均した平均輝度値であってよい。周辺画素は、データ抽出処理を行う画素を中心に、予め設定された所定の画素数以内に存在する画素である。なお、平均輝度値に関する値は、このような単純平均によって得られた値だけでなく、重み付き平均によって得られた値であってもよく、さらに、平均輝度値に予め設定された係数を乗ずることによって得られた値や、平均輝度値と所定の閾値との対応関係を示すルックアップテーブルが予め用意されており平均輝度値からこのルックアップテーブルを参照することによって得られた値であってもよい。このように前記所定の閾値が設定されることによって、前記所定の閾値が例えば半導体ウェハＳＷの表面の状態やノイズ等に応じて適応的に変更されるので、前記反射光の像（光点）の位置をより精度よく検出することができる。この結果、このような構成の表面形状測定装置Ｓａは、半導体ウェハＳＷにおける表面形状をより精度よく測定することが可能となる。
【００６１】
このようなデータ抽出処理を行うと、続いて、波面センサ演算制御部４３の観測位置演算部４３１は、前記画像における高輝度値の画素に、個々に識別するために、特定し識別するための識別子であるスポット認識番号の番号付けを行う（Ｓ１３）。このスポット認識番号の番号付けを行う場合では、高輝度値の画素が互いに隣接する場合には、このような各画素を、高輝度値を持つ１つの領域と扱うために、例えば、このような各画素に同一のスポット認識番号が付される。また例えば、このような各画素が互いに関連付けられ、それに１つのスポット認識番号が付される。
【００６２】
続いて、波面センサ演算制御部４３の観測位置演算部４３１は、スポット認識番号のそれぞれについて、高輝度値を持つ画素の位置を求め、観測位置を求める。ここで、上述のように、高輝度値を持つ画素が互いに隣接しており、複数の画素で高輝度値を持つ１つの領域が形成されている場合には、その重心位置が例えば幾何学的に求められ、この求められた重心位置が前記観測位置とされる（Ｓ１４）。このような処理によって、波面センサ演算制御部４３の観測位置演算部４３１は、各マイクロレンズ４１１のそれぞれについて、マイクロレンズ４１１に対応する前記測定光の反射光の像に対し、その観測位置が求められる。
【００６３】
続いて、波面センサ演算制御部４３の波面角度演算部は、スポット認識番号のそれぞれについて、ステップＳ１４に求められた観測位置とこれに対応する基準位置とのずれ量Ｌを求め、このずれ量Ｌとマイクロレンズアレイ４１および撮像素子４２間の距離Ｆとから、α＝ｔａｎ−１（Ｌ／Ｆ）によって波面角度αを求める（Ｓ１５）。前記基準位置は、上述したように、基準位置記憶部４３４に予め記憶されている。前記基準位置は、例えば、マイクロレンズ４１１の光軸と撮像素子４２の撮像面との交点として与えられる。また例えば、高度な平坦面を持つ基準試料、例えば、半導体ウェハＳＷの中心部分を波面センサ４で実測することによって、前記基準位置が予め求められる。
【００６４】
なお、測定光が平面波ではなく所定の波面を持つ光である場合には、この所定の波面と平面波の波面との相違に応じて、前記ずれ量Ｌを補正すればよい。
【００６５】
続いて、波面センサ演算制御部４３の波面形状演算部４３３は、前記測定光の反射光における波面形状を求める（Ｓ１６）。例えば、波面形状演算部４３３は、半導体ウェハＳＷの径方向に沿った各スポット認識番号の波面角度αを順次に連結することによって、半導体ウェハＳＷの径方向に沿った前記測定光の反射光における波面形状を求める。このような情報処理によって、例えば、図９（Ｂ）に示すデータ抽出処理後の画像から、半導体ウェハＳＷの径方向に沿ったＡＡ線での前記測定光の反射光における波面形状として、図９（Ｃ）に示す形状が得られる。
【００６６】
このように波面センサ４では、前記測定光の反射光が入射され、前記反射光がマイクロレンズアレイ４１によって受光され、このマイクロレンズアレイ４１における複数のマイクロレンズ４１１を通過した前記反射光の像が撮像素子４２によって撮像され、この撮像素子４２で撮像された画像が、データ抽出処理部の一例として観測位置演算部４３１によって、前記所定の閾値によってデータ抽出され、この抽出されたデータに基づいて、波面演算部の一例としての波面角度演算部４３２および波面形状演算部４３３によって、前記反射光における波面の形状が求められる。そして、この求められた前記測定光の反射光における波面形状が波面センサ４から演算制御部７ａへ出力される。
【００６７】
続いて、演算制御部７ａは、波面センサ４から前記測定光の反射光における波面形状を取得すると、その第１表面形状演算部７１によって、波面センサ４で測定した前記測定光の反射光における波面形状に基づいて測定対象物ＳＷにおける表面の形状を求める（Ｓ１７）。より具体的には、図１１に示すように、測定対象物ＳＷにおける所定の方向に沿って、例えば、径方向に沿って座標系Ｘが設定される。波面センサ４での座標系をＸ０とすると、この座標系Ｘ０での位置ｘ０における前記反射光の波面に対する接平面（接線）が求められ、この接平面（接線）の法線とＸ０＝ｘ０の直線とのなす角θ（ｘ０）が求められる。測定対象物ＳＷと波面センサ４におけるマイクロレンズアレイ４１の受光面との間の距離をＤとすると、測定対象物ＳＷの表面における接平面（接線）と水平方向とのなす角である表面角度φ（ｘ）は、φ（ｘ）＝θ（ｘ０）／２、ｘ＝ｘ０＋Ｄｔａｎθ（ｘ０）によって求められる。前記距離Ｄは、通常、１００ｍｍ程度であり、それに対し表面形状は、ナノメートルオーダ（測定範囲全体（フレーム範囲）で大略サブミクロン〜数ミクロンの変化）であるので、前記距離Ｄに対し測定対象物ＳＷの厚さは、一定と見なせるから、ステージ９の載置面と波面センサ４におけるマイクロレンズアレイ４１の受光面との間の距離から測定対象物ＳＷの厚さを減算することで、前記距離Ｄが求められる。そして、測定対象物ＳＷの表面形状Φは、この表面角度φ（ｘ）を所定の測定範囲でｘについて積分することによって求められる（Φ（ｘ）＝∫φ（ｘ）ｄｘ）。このような情報処理によって、例えば、図９（Ｃ）に示す前記測定光の反射光の波面形状から、測定対象物ＳＷの表面形状として、図９（Ｄ）に示す形状が得られる。
【００６８】
なお、測定箇所ＭＰから得られた前記画像に、Ｘ座標が複数設定可能である場合（径方向に並ぶスポット列が周方向に複数有る場合）には、これら複数のＸ座標のそれぞれについて、ステップＳ１７の処理が実行され、それぞれの測定対象物ＳＷの表面形状Φが求められる。
【００６９】
このようなステップＳ１１ないしステップＳ１７の各処理が最初の測定箇所ＭＰ（０）について実行され、最初の測定箇所ＭＰ（０）について測定対象物ＳＷの表面形状Φ（０）が測定されると、演算制御部７ａの制御部７４ａは、次の測定箇所ＭＰ（１）について測定対象物ＳＷの表面形状Φ（１）を測定するべく、ステージ９を動作させ、測定対象物ＳＷを所定の距離だけ移動させ、次の測定箇所ＭＰ（１）に測定対象物ＳＷをセットする。そして、この次の測定箇所ＭＰ（１）について、前記ステップＳ１１ないしステップＳ１７の各処理が実行され、この次の測定箇所ＭＰ（１）について測定対象物ＳＷの表面形状Φ（１）が測定される。このような処理によって、測定対象物ＳＷについて、所望の測定範囲における表面形状Φ（０）、Φ（１）、・・・、Φ（ｋ）が求められる。前記所望の測定範囲は、測定対象物ＳＷの全表面であってよく、またその一部表面であってもよい。後述する半導体ウェハＳＷのいわゆるエッジロールオフを観測する場合には、半導体ウェハＳＷの外周辺における環状部分であってよい。
【００７０】
このように所望の測定範囲における表面形状Φが求められると、演算制御部７ａの全表面形状演算部７３は、第１表面形状演算部７１によって求められた表面形状Φに基づいて前記所望の測定範囲における測定対象物ＳＷの全表面形状を求める。例えば、全表面形状演算部７３は、上述のように求められた表面形状Φ（０）、Φ（１）、・・・、Φ（ｋ）を順次に連結することによって、前記所望の測定範囲における測定対象物ＳＷの全表面形状を求める。
【００７１】
そして、演算制御部７ａは、このように演算された測定対象物ＳＷの全表面形状を出力部８に出力する（Ｓ１８）。これによって測定対象物ＳＷの全表面形状が提示される。なお、第１表面形状演算部７１によって求められた表面形状Φが出力部８に出力されてもよい。
【００７２】
一方、このような測定対象物ＳＷの表面形状Φが算出されている間に、演算制御部７ａの座標位置演算部７２は、撮影部５によって撮影された測定対象物ＳＷの表面画像ＣＰに基づいて測定箇所ＭＰの座標位置を求める。測定対象物ＳＷの表面に対する撮影部５の配置位置や撮影部５の光学系の倍率等は、既知であるので、測定対象物ＳＷの端部を認識することによって、座標位置演算部７２は、この端部を基準に測定箇所ＭＰの座標位置を求めることができる。そして、波面センサ４に入射される前記測定光の反射光と、撮影部５に入射される前記測定光の反射光とは、同一であるので、座標位置演算部７２は、波面センサ４の基準位置を撮影部５によって撮影された測定対象物ＳＷの画像に対応付けることができ、測定箇所ＭＰの座標位置から、測定箇所ＭＰにおいて、前記基準位置の座標位置も求めることができる。そして、このように求められた測定箇所ＭＰの座標位置も出力部８に出力され、提示される。測定箇所ＭＰの位置は、例えば、測定対象物ＳＷである半導体ウェハを載置するステージ９の移動量に応じて求めることもできるが、このように波面センサ４に入射される前記測定光の反射光の一部を受光することによって得られた測定対象物ＳＷの表面画像に基づいて測定箇所ＭＰの座標位置が求められるので、このような構成の表面形状測定装置Ｓａは、測定箇所ＭＰの位置をより正確に認識することができる。
【００７３】
このように第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａは、波面センサ４を用いることによって測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷにおける表面形状を測定するので、その測定原理から、半導体ウェハＳＷにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハＳＷの表面形状を測定することができる。例えば、シャックハルトマン方式の波面センサでは、ナノメートルオーダの測定が可能であり、そして、数〜十ｍｒａｄ程度までの比較的大きな面角度の範囲を測定することができ、より短時間で半導体ウェハＳＷの表面形状を測定することができる。
【００７４】
次に、別の実施形態について説明する。
【００７５】
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。図１３は、第２実施形態の表面形状測定装置における厚さ分布測定部の構成を示す図である。図１４は、第２実施形態の表面形状測定装置において、一方表面形状および厚さ分布に基づいて他方表面形状を求める方法を説明するための図である。
【００７６】
第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａは、測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷにおける一方主面の表面形状を測定する装置であるが、第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、前記一方主面の表面形状の測定に加えて、測定対象物ＳＷの厚さ分布を測定し、そして、これら測定された一方主面の表面形状と厚さ分布とに基づいて前記一方主面に対向する他方主面の表面形状を求める装置である。
【００７７】
この第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａに加えて、前記厚さ分布を測定するべく、ヘテロダイン干渉法を用いることによって測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの厚さ分布を測定する厚さ分布測定部をさらに備え、そして、前記他方主面の表面形状を求めるべく、光源部１は、ハーフミラ２を介して測定対象物ＳＷの一方の表面に所定の波面を持つ測定光を照射し、波面センサ４は、測定対象物ＳＷの一方の表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定し、第１表面形状演算部７１は、波面センサ４で測定した前記測定光の反射光における波面の形状に基づいて測定対象物ＳＷの一方の表面における表面形状を求め、第１表面形状演算部７１によって求められた測定対象物ＳＷの一方の表面における表面形状および前記厚さ分布測定部によって測定された測定対象物ＳＷの厚さ分布に基づいて測定対象物ＳＷの他方の表面における表面形状を求める第２表面形状演算部７６をさらに備えて構成される。
【００７８】
より具体的には、第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、図１２に示すように、表面形状用測定部Ｓ１と、厚さ分布用測定部Ｓ２と、演算制御部７ｂとを備えて、図１２に示す例では、さらに、入力部６と、出力部８と、ステージ９とを備えて構成されている。
【００７９】
表面形状用測定部Ｓ１は、演算制御部７ｂによって制御され、測定対象物ＳＷの一方の表面形状を測定するために、測定対象物ＳＷに測定光を照射した場合に、前記測定光の反射波における波面形状を測定するものであり、光源部１と、光路変更部２としてのハーフミラ２と、光分岐部３としてのハーフミラ３と、波面センサ４と、撮影部５とを備えて構成されている。これら表面形状用測定部Ｓ１における光源部１、ハーフミラ２、ハーフミラ３、波面センサ４および撮影部５は、第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａにおける光源部１、ハーフミラ２、ハーフミラ３、波面センサ４および撮影部５と同様であるので、その説明を省略する。
【００８０】
厚さ分布用測定部Ｓ２は、演算制御部７ｂによって制御され、光ヘテロダイン干渉法を利用することによって測定対象物ＳＷの厚さ分布を例えばナノメートルレベルやサブナノメートルレベル（１ｎｍ以下の厚さ方向の分解能）で測定するために、厚さ分布測定用測定光（第２測定光）を測定対象物ＳＷに照射し、その反射光を測定する装置である。このような厚さ分布用測定部Ｓ２は、例えば、図１３（Ａ）に示すように、光源部１０と、一面側測定部１１−１と、他面側測定部１１−２と、一面側位相検波部１２−１と、他方面側位相検波部１２−２とを備えて構成され、ステージ９によって測定対象物ＳＷを水平方向に移動させながら測定対象物ＳＷの厚さ分布を測定するものである。なお、図１２には、厚さ分布用測定部Ｓにおける一面側測定部１１−１および他方側測定部１１−２が示されている。
【００８１】
以下、厚さ分布用測定部Ｓ２の各部について説明するが、ここで、各部で多用される光部品（光学素子）について、纏めて説明する。
【００８２】
光分岐部（optical branching device、無偏光ビームスプリッタ）は、入射光を光パワーの点で２つの光に分配してそれぞれ射出する光部品である。光分岐部は、例えば、前述のハーフミラ（半透鏡）等の微少光学素子形光分岐結合器や、溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や、光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。光分岐部は、通常、入力端子と出力端子とを入れ替えて（逆に）使用すると、入射した２つの光を合わせて射出する光結合部として機能する。光分岐部としてハーフミラが用いられる場合、通常、この分配された一方の光は、ハーフミラを通過してそのままの方向で射出され、この分配された他方の光は、ハーフミラで反射されてこの方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００８３】
偏光ビームスプリッタ（polarization beam splitter）は、入射光から互いに直交するＳ偏光とＰ偏光とを取り出してそれぞれ射出する光部品であり、通常、この取り出された一方の光（Ｓ偏光またはＰ偏光）は、そのままの方向で射出され、この取り出された他方の光（Ｐ偏光またはＳ偏光）は、この方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００８４】
偏光子（polarizer）は、入射光から所定の偏光面を持つ直線偏光を取り出して射出する光部品であり、例えば、偏光フィルタである。
【００８５】
波長板（wave plate、（位相板（phase plate））は、入射光における２つの偏光成分の間に所定の位相差（したがって光路差）を与えて射出する光部品であり、例えば、前記１／４波長板や、入射光における２つの偏光成分の間にλ／２の光路差を与える１／２波長板等である。波長板を構成する例えば複屈折性の白雲母板等の結晶板における厚さをｄとし、前記結晶板における２つの偏光成分に対する屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、入射光の波長をλとする場合に、この波長板による位相差は、（２π／λ）（ｎ１−ｎ２）ｄで与えられる。
【００８６】
反射鏡（ミラー、reflection mirror）は、入射光をその入射角に応じた反射角で所定の反射率で反射することによって光の進行方向を変更する光部品であり、例えば、ガラス部材の表面に金属薄膜や誘電体多層膜を蒸着したものである。反射鏡は、光のロスを低減するために、全反射する全反射鏡が好ましい。
【００８７】
入力端子は、光部品へ光を入射するための端子であり、また、出力端子は、光部品から光を射出するための端子である。各部間の接続には、例えばミラーやレンズ等の光学部品から構成される導光手段が用いられてもよいが、本実施形態では、各部間の接続には、後述するように、偏波保持光ファイバやマルチモード光ファイバ等の光ファイバが用いられることから、これら入力端子および出力端子には、光ファイバを接続するためのコネクタが用いられる。
【００８８】
以下、厚さ分布用測定部Ｓ２の各部について説明する。まず、光源部１０について説明する。光源部１０は、所定の可干渉光であって、測定対象物ＳＷの厚さを光ヘテロダイン干渉法によって測定するための第２測定光を生成する装置である。第２測定光は、予め設定された所定の波長λ０（周波数ω０）を持つ単波長光であって、予め設定された所定の偏光面を持つ偏光である。第２測定光は、測定対象物ＳＷを両面から光ヘテロダイン干渉法によって測定するために、２つの一面側測定光（第Ａ測定光）および他面側測定光（第Ｂ測定光）を備えている。このような光源部１０は、例えば、図１３（Ａ）に示すように、単波長レーザ光源１０１と、光アイソレータ１０２と、光分岐部１０３と、偏光子１０４、１０６と、出力端子１０５、１０７とを備えて構成される。
【００８９】
単波長レーザ光源１０１は、予め設定された所定の波長λ０（周波数ω０）を持つ単波長レーザ光を発生する装置であり、種々のレーザ装置を用いることができるが、例えば、所定の光パワーで波長約６３２．８ｎｍのレーザ光を出力することができるヘリウムネオンレーザ装置（Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置）等である。単波長レーザ光源１０１は、波長ロッカ等を備えた周波数安定化レーザ装置が好ましい。光アイソレータ１０２は、その入力端子からその出力端子へ一方向のみに光を透過させる光部品である。光アイソレータ１０２は、単波長レーザ光源１０１のレーザ発振を安定させるために、厚さ分布用測定部Ｓ２内における各光部品（光学素子）の接続部等で生じる反射光（戻り光）が単波長レーザ光源１０１に入射することを防止するものである。
【００９０】
このような光源部１０では、単波長レーザ光源１０１から射出されたレーザ光は、光アイソレータ１０２を介して光分岐部１０３に入射され、第１レーザ光および第２レーザ光の２つに分配される。第１レーザ光は、偏光子１０４に入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の一面側測定光となって、出力端子１０５から射出される。この一面側測定光は、一面側測定部１１−１に入射される。一方、第２レーザ光は、偏光子１０６に入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の他面側測定光となって、出力端子１０７から射出される。この他面側測定光は、他面側測定部１１−２に入射される。
【００９１】
ここで、説明の便宜上、測定対象物ＳＷの一方面（図１３に示す例では上側の面（上面））を「Ａ面」と呼称することとし、測定対象物ＳＷの、Ａ面と表裏の関係にある他方面（図１３に示す例では下側の面（下面））を「Ｂ面」と呼称することとする。本実施形態では、前記一面側測定光は、測定対象物ＳＷのＡ面を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられ、前記他面側測定光は、測定対象物ＳＷのＢ面を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられる。
【００９２】
光源部１０と一面側測定部１１−１との接続、および、光源部１０と他面側測定部１１−２との接続には、光源部１０および一面側測定部１１−１間の光路長と、光源部１０および他面側測定部１１−２間の光路長との調整を容易にする観点から、本実施形態では、それぞれ、光をその偏波面を保持しながら導光する偏波保持光ファイバＯＦ（ＯＦ−１、ＯＦ−２）が用いられる。偏波保持光ファイバは、例えば、ＰＡＮＤＡファイバや楕円コア光ファイバ等である。光源部１０の出力端子１０５から射出した一面側測定光は、偏波保持光ファイバＯＦ−１によって導光され、一面側測定部１１−１へ入射し、光源部１０の出力端子１０７から射出した他面側測定光は、偏波保持光ファイバＯＦ−２によって導光され、他面側測定部１１−２へ入射する。
【００９３】
次に、一面側測定部１１−１および他方側測定部１１−２について説明するが、これらは、同一の構成であるので、ここでは、一面側測定部１１−１を以下に説明し、他方側測定部１１−２の説明を省略する。
【００９４】
一面側測定部（第Ａ測定部）１１−１は、光源部１０からの一面側測定光が入射され、一面側測定光を用いた光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物ＷＡにおけるＡ面でのビート光信号を得る装置である。
【００９５】
より具体的には、一面側測定部１１−１は、測定対象物ＳＷのＡ面に対向配置され、光源部１０からの一面側測定光（第Ａ測定光）を第１一面側測定光（第Ａ１測定光）と第２一面側測定光（第Ａ２測定光）とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物ＳＷのＡ面に照射されて反射された照射後一面側測定光（第Ａ照射後測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光（第Ａ照射後干渉光）を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物ＳＷのＡ面に照射される前の照射前一面側測定光（第Ａ照射前測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光（第Ａ照射前干渉光）を生成する測定光学系である。このような構成の他面側測定部１１−１では、照射前一面側干渉光を基準に、照射後一面側干渉光における各位相がそれぞれ測定され得る。
【００９６】
さらに、より具体的には、一面側測定部１１−１は、測定対象物ＳＷのＡ面に対向配置され、一面側測定光から、互いに周波数の異なる２つの第１および第２一面側測定光を生成し、この２つの第１一面側測定光と第２一面側測定光とを干渉（光ヘテロダイン干渉）させ、それらの差の周波数を持つビート光信号を生成する光ヘテロダイン干渉計であり、一面側測定光から第１および第２一面側測定光が生成されてから第１一面側測定光と第２一面側測定光とが干渉されるまでの間に、第１一面側測定光が測定対象物ＳＷのＡ面に照射され反射される第１一面側光路および第１一面側測定光が測定対象物ＳＷのＡ面に照射されない第２一面側光路を含む測定光学系である。
【００９７】
このような一面側測定部１１−１は、例えば、図１３（Ｂ）に示すように、入力端子１１ａと、光分岐部１１ｂ、１１ｆ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｍと、偏光ビームスプリッタ１１ｌと、光波長シフタ１１ｄ、１１ｅと、反射鏡１１ｃ、１１ｇと、１／４波長板１１ｐと、レンズ１１ｇと、偏光板１１ｊ、１１ｎと、出力端子１１ｋ、１１ｏとを備えて構成される。
【００９８】
このような構成の一面側測定部１１−１では、光源部１０から偏波保持光ファイバＯＦ−１を介して入力端子１１ａに入射された一面側測定光は、光分岐部１１ｂに入射され、第１一面側測定光および第２一面側測定光の２つに分配される。第１一面側測定光は、そのままの方向（光分岐部１１ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第２一面側測定光は、第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第１一面側測定光は、光波長シフタ１１ｄｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第２一面側測定光は、反射鏡１１ｃを介して光波長シフタ１１ｅに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。
【００９９】
また、光分岐部１１ｂから射出された第２一面側測定光は、本実施形態では光分岐部１１ｂによって第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡１１ｃによってその進行方向が直角に曲げられ、第１一面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡１１ｃは、光分岐部１１ｂから射出された第１一面側測定光の進行方向と第２一側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。
【０１００】
波長シフタ１１ｄから射出された第１一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部１１ｈに入射され、第１１一面側測定光（第Ａ１１測定光）および第１２一面側測定光（第Ａ１２測定光）の２つに分配される。この第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２一面側測定光は、第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ１１ｅから射出された第２一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部１１ｆに入射され、第２１一面側測定光（第Ａ２１測定光）および第２２一面側測定光（第Ａ２２測定光）の２つに分配される。この第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第２２一面側測定光は、第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。
【０１０１】
第１２一面側測定光は、照射前一面側測定光であり、光分岐部１１ｉに入射され、第２２一面側測定光は、反射鏡１１ｇを介して光分岐部１１ｉに入射される。そして、この光分岐部１１ｉに入射された第１２一面側測定光と第２２一面側測定光とは、光分岐部１１ｉで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が偏光板１１ｊを介して照射前一面側干渉光として出力端子１１ｋから射出される。ここでは、光分岐部１１ｉは、光結合部として機能している。この出力端子１１ｋから射出されたビート光信号の照射前一面側干渉光は、一方面側位相検波部１２−１に入射される。
【０１０２】
第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ１１ｌを介して１／４波長板１１ｐに入射され、レンズ１１ｑで集光され、測定対象物ＳＷのＡ面に照射される。そして、この測定対象物ＳＷのＡ面で反射された第１１一面側測定光は、照射後一面側測定光として、再び、レンズ１１ｑに入射され、そして、１／４波長板１１ｐに入射される。したがって、この１／４波長板１１ｐの存在によって、偏光ビームスプリッタ１１ｌから測定対象物ＳＷのＡ面に照射される第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＰ偏光またはＳ偏光）と、測定対象物ＳＷのＡ面で反射して偏光ビームスプリッタ１１ｌに入射される第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＳ偏光またはＰ偏光）とが互いに入れ替わることになる。このため、光分岐部１１ｈから偏光ビームスプリッタ１１ｌに入射された第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ１１ｌを測定対象物ＳＷのＡ面に向かって通過する一方、測定対象物ＳＷのＡ面からレンズ１１ｑおよび１／４波長板１１ｐを介して偏光ビームスプリッタ１１ｌに入射した第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）が測定対象物ＳＷのＡ面から偏光ビームスプリッタ１１ｌへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。
【０１０３】
偏光ビームスプリッタ１１ｌから射出された第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、光分岐部１１ｍに入射される。光分岐部１１ｍには、光分岐部１１ｆで分配された第２１一面側測定光も、入射される。そして、この光分岐部１１ｆに入射された第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）と第２１一面側測定光とは、光分岐部１１ｍで各光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が偏光板１１ｎを介して照射後一面側干渉光として出力端子１１ｏから射出される。ここでは、光分岐部１１ｍは、光結合部として機能している。この出力端子１１ｏから射出されたビート光信号の照射後一面側干渉光は、一面側位相検波部１２−１に入射される。
【０１０４】
そして、一面側測定部１１−１と他面側測定部１１−２とは、測定対象物ＳＷのＡ面における測定箇所（測定位置）とそのＢ面における測定箇所（測定位置）とが表裏関係で以て同じ位置となるように、配置される。すなわち、測定対象物ＳＷの厚さ方向をＺ軸とし、前記厚さ方向に直交する水平面内における互いに直交する２方向をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする直交ＸＹＺ座標系を設定する場合に、第１１一面側測定光が測定対象物ＳＷのＡ面に照射される箇所のＸ座標値およびＹ座標値が、第１１他面側測定光が測定対象物ＳＷのＢ面に照射される箇所のＸ座標値およびＹ座標値と一致するように、正対配置される。
【０１０５】
次に、一面側位相検波部（第Ａ位相検波部）１２−１および他方側位相検波部（第Ｂ位相検波部）１２−２について説明するが、これらは、同一の構成であるので、ここでは、一面側位相検波部１２−１を以下に説明し、他方側位相検波部１２−２の説明を省略する。
【０１０６】
一面側位相検波部１２−１は、一面側測定部１１−１によって得られた照射後一面側干渉光と照射前一面側干渉光との間における各位相差△Φ２を検出するための装置である。より具体的には、このような一方面側位相検波部１２−１は、例えば、図１３（Ａ）に示すように、光電変換部１２１、１２４と、増幅器１２２、１２５と、位相検波器１２６と、シールド板１２３とを備えて構成される。
【０１０７】
光電変換部１２１は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、一面側測定部１１−１からの照射前一面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を一面側参照ビート信号（第Ａ参照ビート信号）Ｒｅｆ１として出力するものである。光電変換部１２４は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、一面側測定部１１−１からの照射後一面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を一面側測定ビート信号（第Ａ測定ビート信号）Ｓｉｇ１として出力するものである。
【０１０８】
増幅器１２２は、信号増幅用のアンプであり、光電変換部１２１からの一面側参照ビート信号Ｒｅｆ１を所定のゲインで増幅し、位相検波器１２６へ出力する。増幅器１２４５は、信号増幅用のアンプであり、光電変換部１２４からの一面側測定ビート信号Ｓｉｇ１を所定のゲインで増幅し、位相検波器１２６へ出力する。
【０１０９】
シールド板１２３は、光電変換部１２１から位相検波器１２６に至る信号伝送路と、光電変換部１２４から位相検波器１２６に至る信号伝送路との間に配置された例えば金属製の板であり、一方の信号伝送路で発生した電磁波の不要輻射が他方の信号伝送路へ及ぼす影響を低減し、これら信号伝送路間のクロストークを防止するためのものである。
【０１１０】
位相検波器１２６は、入力信号間の位相を検出する装置であり、光電変換部１２１から増幅器１２２を介して一面側参照ビート信号Ｒｅｆ１が入力され、光電変換部１２４から増幅器１２５を介して一面側測定ビート信号Ｓｉｇ１が入力され、これら一面側参照ビート信号Ｒｅｆ１と一面側測定ビート信号Ｓｉｇ１との間における位相差△Φ２を検出する。
【０１１１】
そして、一面側位相検波部１２−１は、この検出した位相差△Φ２を演算制御部７ｂへ出力する。同様に、他面側位相検波部１２−２では、光電変換部１２１から増幅器１２２を介して他面側参照ビート信号Ｒｅｆ２が入力され、光電変換部１２４から増幅器１２５を介して他面側測定ビート信号Ｓｉｇ２が入力され、これら他面側参照ビート信号Ｒｅｆ２と他面側測定ビート信号Ｓｉｇ２との間における位相差△Φ１が検出され、他面側位相検波部１２−２は、この検出した位相差△Φ１を演算制御部７ｂへ出力する。
【０１１２】
このように第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、測定対象物ＳＷの厚さを測定するために、測定対象物ＳＷの両面から第２測定光が照射され、その反射光が測定される。このため、ステージ９は、例えば、図１２に示すように、測定対象物ＳＷの振動による影響を受けることなく、測定対象物ＳＷの測定箇所ＭＰにおける表面形状および厚さを高精度にかつ高速に測定することができるように、中央部材から径方向に延びる３個のアーム部材を備え、前記アーム部材の先端で、半導体ウェハＳＷ等の円盤状の測定対象物ＳＷをその縁部（エッジ領域）において円周上の３箇所で３点支持する支持部９ｄと、支持部９ｄの前記中央部材に連結される回転軸９ａと、回転軸９ａを回転駆動する回転駆動部９ｂと、回転駆動部９ｂを所定の移動範囲内で直線移動する直線駆動部９ｃとを備えている。これら回転駆動部９ｂや直線駆動部９ｃは、例えばサーボモータ等のアクチュエータや減速ギヤ等の駆動機構を備えて構成される。
【０１１３】
このような構成のステージ９では、測定対象物ＳＷが支持部９ｄにおける３個のアーム部材の各先端に載せられて支持部９ｄによって３点支持される。そして、このように測定対象物ＳＷがステージ９に載置された場合に、測定対象物ＳＷのＡ面およびＢ面が一面側測定部１１−１および他面側測定部１１−２によって測定することができるように、ステージ９が一面側測定部１１−１および他面側測定部１１−２の配置位置に対して配設される。
【０１１４】
そして、このような構成のステージ９では、演算制御部７ｂの制御に従って回転駆動部９ｂが回転することで、回転軸９ａを介して支持部９ｄが回転し、測定対象物ＳＷが回転軸９ａ（支持部９ｄの中央部材）を中心に回転する。そして、演算制御部７ｂの制御に従って直線駆動部９ｃが回転駆動部９ｂを直線移動することで、測定対象物ＳＷが径方向に沿って移動する。このような回転駆動部９ｂによる測定対象物ＳＷの回転移動と、直線駆動部９ｃによる測定対象物ＳＷの直線方向の移動とを併用することによって、ステージ９の移動範囲内において測定対象物ＳＷの所望の測定箇所ＭＰを測定することができる。
【０１１５】
演算制御部７ｂは、表面形状測定装置Ｓａの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、測定対象物ＳＷの一方の表面における表面形状を波面形状用測定部Ｓ１における波面センサ４の出力に基づいて求め、測定対象物ＳＷの厚さ分布を厚さ分布用測定部Ｓ２の出力に基づいて求め、これら求められた測定対象物ＳＷの一方の表面における表面形状および測定対象物ＳＷの厚さ分布に基づいて測定対象物ＳＷの他方の表面における表面形状を求めるものである。演算制御部７ｂは、演算制御部７ａと同様に、例えば、マイクロコンピュータ等によって構成され、機能的に、第１表面形状演算部７１と、座標位置演算部７２と、全表面形状演算部７３と、制御部７４ｂと、厚さ分布演算部７５と、第２表面形状演算部７６とを備えている。
【０１１６】
これら演算制御部７ｂにおける第１表面形状演算部７１、座標位置演算部７２および全表面形状演算部７３は、第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａの演算制御部７ａにおける第１表面形状演算部７１、座標位置演算部７２および全表面形状演算部７３と同様であるので、その説明を省略する。
【０１１７】
厚さ分布演算部７５は、一面側測定部１１−１によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を一面側位相検波部１２−１で位相検波することによって得られた位相差△Φ２と、他面側測定部１１−２によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を他方面側位相検波部１２−２で位相検波することによって得られた位相差△Φ１との差分（△Φ２−△Φ１）に基づいて、測定対象物ＳＷにおけるＡ面からＢ面までの距離を測定対象物ＷＡの厚さとして求める。この差分（△Φ２−△Φ１）は、測定対象物ＳＷの厚さに関する値であり、一面側測定光の波長および他面側測定光の波長とが等しいとの近似の下に、一面側測定光の波長をλとする場合に、測定対象物ＳＷの厚さＤは、例えば、Ｄ＝（△Φ１＋△Φ２）×（λ／２）／（２π）によって求められる。前記式の符号（△Φ１と△Φ２との間の符号）は、光学系によって正負いずれもとることができ、通常、一面側測定部１１−１および他面側測定部１１−２を対称に作った（構成した）場合には、正（＋）となる。なお、本実施形態では、一面側と他面側との第２測定光は、同じ光源からの光を分岐したものであり、一面側と他面側との第２測定光の波長は、一致している。そして、Ａ面側の一面側位相検波部１２−１およびＢ面側の他面側位相検波部１２−２は、演算制御部７ｂにおける制御部７４ｂの制御に従って同期され、同期した（同じタイミングで）前記位相検波を行う。これにより、前記差分（△Φ２−△Φ１）は、測定対象物ＳＷの振動による影響を受けることなく、測定対象物ＳＷの厚さを測定することができる。このような測定対象物ＳＷの厚さの測定が測定対象物ＳＷの各測定箇所ＭＰについて行われ、これによって厚さ分布演算部７５は、測定対象物ＳＷの厚さ分布を求める。
【０１１８】
このように厚さ分布演算部７５は、各測定箇所ＭＰについて、一面側位相検波部１２−１から入力された位相差△Φ２および他面側位相検波部１２−２から入力された位相差△Φ１に基づいて測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの厚さをそれぞれ求め、半導体ウェハＳＷの厚さ分布を求める。
【０１１９】
第２表面形状演算部７６は、第１表面形状演算部７１によって求められた測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの一方の表面における表面形状および厚さ分布測定部７５によって測定された半導体ウェハＳＷの厚さ分布に基づいて半導体ウェハＳＷの他方の表面における表面形状を求めるものである。図１４に示すように、半導体ウェハＳＷの他方の表面における表面形状（他方表面形状ｈ（ｒ））は、半導体ウェハＳＷの一方の表面における表面形状（一方表面形状ｇ（ｒ））から厚さ分布ｆ（ｒ）を減算することによって求められる。このため、より具体的には、第２表面形状演算部７６は、第１表面形状演算部７１によって求められた半導体ウェハＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）から厚さ分布測定部７５によって求められた半導体ウェハＳＷの厚さ分布ｆ（ｒ）を減算することによって半導体ウェハＳＷの他方表面形状ｈ（ｒ）を求める。なお、ｒは、測定対象物ＳＷにおける所定の方向に沿って、例えば、径方向にそって設定されたＲ座標における座標値である。
【０１２０】
制御部７４ｂは、光源部１、波面センサ４、撮影部５、ステージ９、光源部１０、一面側測定部１１−１、他面側測定部１１−２、一面側位相検波部１２−１および他方面側位相検波部１２−２のそれぞれを当該各部の機能に応じて制御するものである。
【０１２１】
そして、表面形状用測定部Ｓ１と厚さ分布用測定部Ｓ２における一面側位相検波部１２−１または他方面側位相検波部１２−２とは、図１２に示す例では、表面形状用測定部Ｓ１と厚さ分布用測定部Ｓ２の一面側位相検波部１２−１とは、測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷを個々に測定することができるように、互いに離間して、半導体ウェハＳＷにおける同じ側、例えばＡ面側に配置される。
【０１２２】
このような構成の表面形状測定装置Ｓｂでは、図略の電源スイッチがオンされると、表面形状測定装置Ｓｂが起動され、演算制御部７ｂによって必要な各部の初期化が行われる。そして、例えば半導体ウェハ等の板状体の測定対象物ＳＷがステージ９に載置され、入力部６から測定開始を指示するコマンドを受け付けると、演算制御部７ｂは、測定対象物ＳＷの表面形状の測定を開始する。すなわち、測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）の測定では、第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａと同様に動作し、演算制御部７ｂの第１表面形状演算部７１によって測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）が求められる。そして、測定対象物ＳＷの厚さ分布の測定では、光源部１０から第２測定光が一面側測定部１１−１に導光され、一面側測定部１１−１によってＡ面側が測定され、一面側位相検波部１２−１によって前記位相差△Φ２が検出され、この前記位相差△Φ２が演算制御部７ｂへ出力され、光源部１０から第２測定光が他方面側測定部１１−２に導光され、他方面側測定部１１−２によってＢ面側が測定され、他方面側位相検波部１２−２によって前記位相差△Φ１が検出され、この前記位相差△Φ１が演算制御部７ｂへ出力される。そして、厚さ分布演算部７５は、これら位相差△Φ１、△Φ２から測定対象物ＳＷの厚さを求める。そして、ステージ９によって順次に測定箇所ＭＰが変更されることで、厚さ分布演算部７５は、測定対象物ＳＷの厚さ分布ｆ（ｒ）を求める。
【０１２３】
測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）およびその厚さ分布ｆ（ｒ）が求められると、第２表面形状演算部７６は、第１表面形状演算部７１によって求められた半導体ウェハＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）から厚さ分布測定部７５によって求められた半導体ウェハＳＷの厚さ分布ｆ（ｒ）を減算することによって半導体ウェハＳＷの他方表面形状ｈ（ｒ）を求める。測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）とその厚さ分布ｆ（ｒ）との間におけるデータの同期（互いの対応付け）は、表面形状用測定部Ｓ１と一面側測定部１１−１または他方側測定部１１−２との間における配設位置の関係に基づいて行うことができる。そして、これら求められた測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）、その他方表面形状ｈ（ｒ）およびその厚さ分布ｆ（ｒ）が出力部８に出力され、これらが提示される。
【０１２４】
このように第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、半導体ウェハの表裏両面の各表面形状を測定することができ、その厚さ分布も測定することができる。
【０１２５】
なお、上述では、測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）およびその厚さ分布ｆ（ｒ）は、１つのステージ９によって行われたが、個々にステージを設け、別個のステージで行われてもよい。測定対象物ＳＷを一方のステージから他方のステージへ搬送する搬送機構が設けられ、測定対象物ＳＷが各ステージ間で移動される。この場合において、測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）とその厚さ分布ｆ（ｒ）との間におけるデータの同期をとるために、例えば、最初の測定箇所ＭＰが一致される。
【０１２６】
次に、別の実施形態について説明する。
【０１２７】
（第３実施形態）
図１５は、第３実施形態における半導体ウェハ検査装置の構成を示す図である。図１６は、エッジロールオフを説明するための図である。図１６（Ａ）は、ウェハ（Wafer）の表面プロファイル（Surface Profile）を示す模式図であり、図１６（Ｂ）は、前記ウェハの縦断面模式図である。図１６（Ａ）の横軸は、ウェハにおけるエッジからの距離であり、その縦軸は、高さである。
【０１２８】
第３実施形態における半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、第１または第２実施形態にかかる表面形状測定装置Ｓａ、Ｓｂを備え、半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たすか否かを検査する装置である。このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、これら上述の第１およびは第２実施形態の表面形状測定装置Ｓａ、Ｓｂのいずれかが用いられるので、半導体ウェハＳＷにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハＳＷの表面形状を測定することができる。このため、このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、よりスピーディでより正確に半導体ウェハＳＷの良否を検査することができる。したがって、このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、例えば、半導体ウェハＳＷを用いた製品の生産ラインに好適に用いることができる。より具体的には、半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、例えば、前記製造ラインに配置され、前記製品の製造中に半導体ウェハＳＷを検査し、半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たさない場合に、製造ラインから当該半導体ウェハＳＷを取り除くべく、当該半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たさない旨を出力する。このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、要求される仕様（スペック）に達しない半導体ウェハＳＷを製造工程で選別することによって、製品の歩留まりが向上し、その結果、低コスト化も達成することができる。
【０１２９】
このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、測定対象である半導体ウェハＳＷの表面における表面形状を測定する表面形状測定部と、前記表面形状測定部で測定された表面形状が所定の条件を満たすか否かを判定する判定部と、前記判定部による判定結果を出力する出力部とを備え、前記表面形状測定部は、第１および第２実施形態の表面形状測定装置Ｓａ、Ｓｂのいずれかである。図１５には、前記表面形状測定部に第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａを用いた場合の半導体ウェハ検査装置Ｓｃが示されている。すなわち、図１５に示す半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、光源部１と、光路変更部２と、光分岐部３と、波面センサ４と、撮影部５と、入力部６と、演算制御部７ａと、出力部８と、ステージ９と、判定部２１とを備えて構成されている。これら光源部１、光路変更部２、光分岐部３、波面センサ４、撮影部５、入力部６、演算制御部７ａ、出力部８およびステージ９の各部によって第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａが構成され、これら各部は、上述した第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａにおける光源部１、光路変更部２、光分岐部３、波面センサ４、撮影部５、入力部６、演算制御部７ａ、出力部８およびステージ９と同様である。
【０１３０】
判定部２１は、演算制御部７ａに接続され、演算制御部７ａによって求められた半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たすか否かを判定するものである。判定部２１は、例えば、演算制御部７ａと同様に、マイクロコンピュータ等を備えて構成され、このマイクロコンピュータによって機能的に実現される。そして、判定部２１の判定結果は、出力部８に出力される。
【０１３１】
前記所定の条件は、半導体ウェハＳＷによって製造される製品に応じて適宜に設定されればよく、例えば、半導体ウェハＳＷの平坦度であってよく、またエッジロールオフを表す指標であってもよい。
【０１３２】
半導体ウェハには、図１６に示すように、最も外側にＣｈａｍｆｅｒと呼ばれる面取部があり、例えば、３００ｍｍウェハでは、物理的な先端から約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの領域が前記面取部に当たる。エッジロールオフ（Edge Roll-off）は、前記面取部より内部の数ｍｍまでに至る領域である。このエッジロールオフは、様々な要因によって生じるが、その大きな要因は、半導体ウェハの研磨工程にある。このエッジロールオフは、通常、図１６に示すように、「ダレた形状」を呈するが、条件によっては、ダレではなく、「盛り上がった形状」を呈する場合もある。
【０１３３】
このエッジロールオフの評価方法として、例えば、Ｋｉｍｕｒａらが提案しているＲＯＡ（Roll-off Amount；ＲＯＡ）という評価値がある。この評価値は、図１６（Ａ）に示すように、半導体ウェハが平坦であると考えられる、半導体ウェハの物理的な先端から約３〜６ｍｍの位置（Reference area）における半導体ウェハの形状から基準平面を求め、１ｍｍの位置の半導体ウェハの形状と前記基準面との距離として定義される。この評価値ＲＯＡは、半導体ウェハの外縁部がどの程度ダレているか、あるいは盛り上がっているかを表す指標である。このようなエッジロールオフの指標である評価値ＲＯＡを求める場合には、判定部２１は、径方向に沿った半導体ウェハＳＷの表面形状を演算制御部７ａより得て評価値ＲＯＡを求め、この求めた評価値ＲＯＡが所定の条件としての評価値ＲＯＡ（基準ＲＯＡ）と比較され、半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たすか否かを判断する。
【０１３４】
上述では、前記表面形状測定部に第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａを用いた場合の半導体ウェハ検査装置Ｓｃについて図１５を用いて説明したが、前記表面形状測定部に第２実施形態の表面形状測定装置Ｓｂを用いた場合の半導体ウェハ検査装置も同様である。
【０１３５】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【０１３６】
Ｓａ、Ｓｂ 表面形状測定装置
Ｓｃ 半導体ウェハ検査装置
１、１０ 光源部
４ 波面センサ
５ 撮影部
７ａ、７ｂ 演算制御部
４１ マイクロレンズアレイ
４２ 撮像素子
４３ 波面センサ演算制御部
７１ 第１表面形状演算部
７２ 座標位置演算部
７５ 厚さ分布演算部
７６ 第２表面形状演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハの表面形状を測定する表面形状測定装置およびこの表面形状測定装置を備え、半導体ウェハの表面形状に対する良否を検査する半導体ウェハ検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集積回路は、素子の集積化が進んでいる。この集積回路を半導体ウェハに製造するプロセス条件であるプロセス・ルールは、通常、ゲート配線の線幅または間隔における最小加工寸法によって規定される。このプロセス・ルールが半分になれば、理論上、同じ面積に４倍のトランジスタや配線を配置することができるため、同じトランジスタ数では１／４の面積となる。この結果、１枚の半導体ウェハから製造することができるダイが４倍になるだけでなく、通常、歩留まりも改善されるため、さらに多くのダイが製造可能となる。この最小加工寸法は、高密度な集積回路を製造するために、２００７年の時点の最先端では、４５ｎｍに達している。このようなサブミクロンオーダ（１μｍ以下）のプロセス・ルールでは、半導体ウェハに高い平坦度が要求され、半導体ウェハの表面形状（表面の高さ変化）が無視できない。このため、半導体ウェハの表面形状を高精度に、例えば、ナノメートルオーダで測定する表面形状測定装置が望まれている。
【０００３】
また、半導体ウェハでは、その表面形状の平坦度は、その外縁部にエッジロールオフ（Edge Roll-off）と呼ばれる形状が存在するため、一般に、中心部よりも外縁部の方が劣る。半導体ウェハにおけるダイの製造可能領域を外縁部へ広げるために、このエッジロールオフの評価が重要であり、そのためにも半導体ウェハの表面形状を高精度に測定する表面形状測定装置が望まれている。
【０００４】
面形状を測定する形状測定方法には、一般に、干渉計による方法と、光切断法による方法とが知られている。この干渉計による方法は、例えば、非特許文献１に開示されており、光源から射出された光を分割手段によって例えば２つの光に分割し、それぞれ別々の光路を通った後に、これら２つの光を合波手段によって再び重ね合わせ、光路差によって発生する干渉縞を検出手段によって検出し、これを解析手段によって解析することで、測定対象物の表面形状を求めるものである。このような干渉計による方法には、フィゾー干渉計、マイケルソン干渉計および斜入射干渉計等を用いた方法が知られている。また、光切断法による方法は、例えば、非特許文献２に開示されており、光源から射出された扇形のシート光を測定対象物に照射し、このシート光を撮影手段によって撮影し、この得られた画像中におけるシート光による輝線を解析手段によって解析することで、測定対象物の表面形状を求めるものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】フジノン株式会社、“レーザー干渉計活用ガイド”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２１年２月１９日検索、インターネット、＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｕｊｉｎｏｎ．ｃｏ．ｊｐ／ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｌａｓｅｒ／ｋｉｓｏｔｉｓｉｋｉ２．ｈｔｍ＞
【非特許文献２】オプトウエア株式会社、“高速光切断法プロファイル計測システム”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２１年２月１９日検索、インターネット、＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｏｗａｒｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｄｅｎｓｅｎ．ｐｄｆ＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、干渉計による方法は、その原理から測定範囲が波長の長さ程度、すなわち数百ナノメートルしかなく、半導体ウェハにおける表面形状の測定に制約が生じてしまう。この干渉計による方法において、前記制約を解消するために測定範囲を広げようとすると、そのために測定距離を位相連結する必要が生じてしまう。また、それによって情報処理が複雑になるとともに、その情報処理の時間もかかってしまう。また、半導体ウェハの表面形状の測定では、そのエッジ部分を測定するだけでも、数十箇所から数百箇所の測定が必要となるため、１点ずつ測定する干渉計による方法では、その１箇所の測定に時間を要してしまうと、全体の測定時間が長時間になってしまう。
【０００７】
また、光切断法による方法は、その原理からその測定精度が一般にせいぜい数μｍ程度である。一方、半導体ウェハの表面は、上述したように高い平坦度が要求されているため、半導体ウェハの表面形状をナノメートルオーダで測定する必要があり、このため、光切断法による方法は、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適していない。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハの表面形状を測定することができる表面形状測定装置および半導体ウェハ検査装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる表面形状測定装置は、測定対象である半導体ウェハの表面に所定の波面を持つ測定光を照射する光照射部と、前記半導体ウェハの表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定する波面センサと、前記波面センサで測定した前記反射光における波面の形状に基づいて前記半導体ウェハにおける表面の形状を求める表面形状演算部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
このような構成の表面形状測定装置は、波面センサを用いることによって半導体ウェハにおける表面の形状（表面形状）を測定するので、その測定原理から、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハの表面形状を測定することができる。
【００１１】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光照射部によって照射される前記測定光は、進行方向を法線とする平面な波面を持つ平面波の光であり、前記波面センサは、シャックハルトマン（Shack-Hartmann）方式の波面センサであることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、波面センサにシャックハルトマン（Shack-Hartmann）方式の波面センサを用いた表面形状測定装置が提供される。
【００１３】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記シャックハルトマン方式の波面センサは、前記反射光を受光し、アレイ状に配置された複数のレンズを備えるレンズアレイと、前記レンズアレイにおける複数のレンズを通過した前記反射光の像を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理部と、前記データ抽出処理部で抽出されたデータに基づいて前記反射光における波面の形状を求める波面演算部とを備え、前記データ抽出処理部における前記所定の閾値は、測定箇所を含む所定範囲領域内における平均輝度値に関する値であることを特徴とする。ここで、平均輝度値に関する値には、単純平均によって得られた値および重み付き平均によって得られた値を含み、さらに、平均輝度値に予め設定された係数を乗ずることによって得られた値や、平均輝度値と所定の閾値との対応関係を示すルックアップテーブルが予め用意されており平均輝度値からこのルックアップテーブルを参照することによって得られた値も含む。
【００１４】
この構成によれば、前記撮像部で撮像された画像において、前記レンズアレイにおける複数のレンズのそれぞれによって集光された前記反射光の各光点の位置を検出するべく、前記撮像部で撮像された画像データからデータを抽出する場合に用いられる所定の閾値が、測定箇所を含む所定範囲領域内における平均輝度値であるため、前記所定の閾値が例えば半導体ウェハの表面の状態やノイズ等に応じて適応的に変更されるので、前記反射光の各光点の位置をより精度よく検出することができる。この結果、このような構成の表面形状測定装置は、半導体ウェハにおける表面形状をより精度よく測定することが可能となる。
【００１５】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記シャックハルトマン方式の波面センサは、前記反射光を受光し、アレイ状に配置された複数のレンズを備えるレンズアレイと、前記レンズアレイにおける複数のレンズを通過した前記反射光の像を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理部と、前記データ抽出処理部で抽出されたデータに基づいて前記反射光における波面の形状を求める波面演算部とを備え、前記データ抽出処理部における前記所定の閾値は、前記半導体ウェハの端部からの距離に応じた値であることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、前記撮像部で撮像された画像において、前記レンズアレイにおける複数のレンズのそれぞれによって集光された前記反射光の各光点の位置を検出するべく、前記撮像部で撮像された画像データからデータを抽出する場合に用いられる所定の閾値が、前記半導体ウェハの端部からの距離に応じた値であるため、前記所定の閾値が半導体ウェハにおける端部近傍領域の表面形状に応じて適応的に変更されるので、前記反射光の各光点の位置をより精度よく検出することができる。この結果、このような構成の表面形状測定装置は、半導体ウェハにおける表面形状を、特に、半導体ウェハにおける端部領域の表面形状をより精度よく測定することが可能となる。
【００１７】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記反射光を複数に分岐するとともに、前記複数の分岐光のうちの１つを前記波面センサに入射させる分岐部と、前記複数の分岐光のうちの他の１つを受光することで、前記半導体ウェハの端部を少なくとも含むように前記半導体ウェハの表面を撮影する撮影部と、前記撮影部によって撮影された前記半導体ウェハの表面画像に基づいて測定箇所の座標位置を求める座標位置演算部とをさらに備えることを特徴とする。
【００１８】
測定箇所の位置は、例えば、測定対象の半導体ウェハを載置するステージの移動量に応じて求めることができるが、この構成によれば、分岐部によって前記反射光が複数の分岐光に分岐され、これら複数の分岐光のうちの１つが前記波面センサによって受光され、これら複数の分岐光のうちの他の１つが撮影部によって受光されることで、この撮影部によって半導体ウェハの表面が撮影され、座標位置演算部によって、半導体ウェハの表面画像に基づいて測定箇所の座標位置が求められる。このため、このような構成の表面形状測定装置は、半導体ウェハ上での測定箇所の位置をより正確に認識することができる。
【００１９】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、ヘテロダイン干渉法を用いることによって前記半導体ウェハの厚さ分布を測定する厚さ分布測定部をさらに備えることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、半導体ウェハにおける表面形状だけでなく、前記半導体ウェハの厚さ分布も測定することができる表面形状測定装置が提供される。
【００２１】
また、他の一態様では、上述の表面形状測定装置において、前記光照射部は、前記半導体ウェハの一方の表面に所定の波面を持つ測定光を照射し、前記波面センサは、前記半導体ウェハの一方の表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定し、前記表面形状演算部は、前記波面センサで測定した前記反射光における波面の形状に基づいて前記半導体ウェハの一方の表面における表面形状を求め、前記表面形状演算部によって求められた前記半導体ウェハの一方の表面における表面形状および前記厚さ分布測定部によって測定された前記半導体ウェハの厚さ分布に基づいて前記半導体ウェハの他方の表面における表面形状を求める第２表面形状演算部をさらに備えることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、第２表面形状演算部によって半導体ウェハにおける他方の表面形状が求められる。このため、このような構成の表面形状測定装置は、半導体ウェハの表裏両面の各表面形状を測定することができる。
【００２３】
そして、本発明の他の一態様にかかる半導体ウェハ検査装置は、測定対象である半導体ウェハの表面における表面形状を測定する表面形状測定部と、前記表面形状測定部で測定された表面形状が所定の条件を満たすか否かを判定する判定部と前記判定部による判定結果を出力する出力部とを備え、前記表面形状測定部は、これら上述のいずれかの表面形状測定装置である。
【００２４】
この構成によれば、これら上述のいずれかの表面形状測定装置が用いられるので、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハの表面形状を測定することができるから、このような構成の半導体ウェハ検査装置は、よりスピーディでより正確に半導体ウェハの良否を検査することができる。したがって、このような構成の半導体ウェハ検査装置は、例えば、半導体ウェハを用いた製品の生産ラインに好適に用いることができ、要求される仕様（スペック）に達しない半導体ウェハを製造工程で選別することによって、製品の歩留まりが向上し、その結果、低コスト化も達成することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明にかかる表面形状測定装置および半導体ウェハ検査装置は、半導体ウェハにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハの表面形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の表面形状測定装置における第１態様の波面センサを示す図である。
【図３】第１態様の波面センサにおける測定原理を説明するための図である。
【図４】第１態様の波面センサにおける波面角度の算出式を説明するための図である。
【図５】第１実施形態の表面形状測定装置における第２態様の波面センサを示す図である。
【図６】第１実施形態の表面形状測定装置における第３態様の波面センサを示す図である。
【図７】第１実施形態の表面形状測定装置における撮影部によって撮影される画像を説明するための図である。
【図８】第１実施形態における表面形状測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】第１実施形態の表面形状測定装置の動作において、主要な処理結果を示す図である。
【図１０】波面センサのデータ抽出処理における所定の閾値を説明するための図である。
【図１１】波面センサで測定された波面形状から測定対象物の表面形状を求める算出方法を説明するための図である。
【図１２】第２実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。
【図１３】第２実施形態の表面形状測定装置における厚さ分布測定部の構成を示す図である。
【図１４】第２実施形態の表面形状測定装置において、一方表面形状および厚さ分布に基づいて他方表面形状を求める方法を説明するための図である。
【図１５】第３実施形態における半導体ウェハ検査装置の構成を示す図である。
【図１６】エッジロールオフを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。図２は、第１実施形態の表面形状測定装置における第１態様の波面センサを示す図である。図２（Ａ）は、第１態様の波面センサの構成を示し、図２（Ｂ）は、マイクロレンズアレイの平面図を示す。図３は、第１態様の波面センサにおける測定原理を説明するための図である。図３（Ａ）は、入射光の波面が歪んでいない場合（平面波である場合）を示し、図３（Ｂ）は、入射光の波面が歪んでいる場合を示す。図４は、第１態様の波面センサにおける波面角度の算出式を説明するための図である。図５は、第１実施形態の表面形状測定装置における第２態様の波面センサを示す図である。図６は、第１実施形態の表面形状測定装置における第３態様の波面センサを示す図である。図７は、第１実施形態の表面形状測定装置における撮影部によって撮影される画像を説明するための図である。
【００２９】
第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａは、図１および図２に示すように、光源部１と、光路変更部２と、光分岐部３と、波面センサ４と、演算制御部７ａとを備えて構成され、図１に示す例では、さらに、測定箇所ＭＰの座標位置を求めるために撮影部５を備え、当該表面形状測定装置Ｓａに所定のコマンドやデータ等を入力するために入力部６を備え、入力部６から入力された前記所定のコマンドやデータ等および当該表面形状測定装置Ｓａの測定結果等を出力するために出力部８を備え、そして、測定箇所ＭＰを変更するためにステージ９を備えて構成されている。
【００３０】
光源部１は、演算制御部７ａによって制御され、所定の波面を持つ測定光を放射する装置であり、例えば、キセノンランプやレーザ装置等である。前記所定の波面は、予め既知であればよいが、進行方向を法線とする平面な波面を持つ平面波であることが好ましい。本実施形態では、光源部１には、ヘリウムネオンレーザ装置（Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置）が用いられ、このＨｅ−Ｎｅレーザ装置によるレーザビームは、ビームエキスパンダによってビーム径２０ｍｍの平行光に拡大され、測定光として用いられる。
【００３１】
光路変更部２は、光源部１から放射された測定光が入射され、測定対象物ＳＷに測定光を照射すべく、光源部１から放射された測定光の光路を測定対象物ＳＷに向けて変更する光学素子である。本実施形態では、測定対象物ＳＷにおける測定面の法線方向に波面センサ４が配置され、光源部１は、前記法線方向の側面に配置され、例えば、前記法線方向に直交する方向から測定光を照射するため、光路変更部２は、ハーフミラ２を備えて構成される。光源部１から放射された測定光は、図１に示すように、ハーフミラ２に入射され、その光路がハーフミラ２によって略９０度曲げられ、測定対象物ＳＷの法線方向から、測定対象物ＳＷの所定の測定箇所ＭＰに照射される。測定対象物ＳＷの測定箇所ＭＰに照射された測定光は、測定対象物ＳＷによって反射され、図１に示すように、再び、ハーフミラ２に入射され、ハーフミラ２を透過した前記測定光の反射光は、光分岐部３に入射される。
【００３２】
測定対象物ＳＷは、例えば、シリコンウェハ（例えば太陽電池用のシリコンウェハ等）等の半導体ウェハＳＷである。
【００３３】
光分岐部３は、ハーフミラ２を介して入射された、測定対象物ＳＷの表面で反射した前記測定光の反射光を２つに分岐する光学素子であり、例えば、ハーフミラ３を備えて構成される。ハーフミラ２を介して入射された、測定対象物ＳＷの表面で反射した前記測定光の反射光は、ハーフミラ３によって２つに分岐され、その一方は、波面センサ４に入射され、その他方は、撮影部５に入射される。
【００３４】
波面センサ４は、演算制御部７ａによって制御され、測定対象物ＳＷの表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定する装置である。波面センサ４によって測定された前記反射光の波面の形状は、演算制御部７ａへ出力される。この光の波面を測定する波面センサ（wave front sensor）４には、主に３つの手法がある。
【００３５】
第１の手法は、シャックハルトマン方式の波面センサ（Shack-Hartmann wave-front sensor）と呼ばれ、図１および図２に示す例では、このシャックハルトマン方式の波面センサ４が用いられる。このシャックハルトマン方式の波面センサは、図２に示すように、瞳の後方に配置され、複数のマイクロレンズ４１１（図２（Ｂ）参照）をアレイ状に例えば２次元アレイ状に配置したマイクロレンズアレイ４１と、例えばＣＣＤ型エリアセンサ（ＣＣＤ型イメージセンサ）やＣＭＯＳ型エリアセンサ（ＣＭＯＳ型イメージセンサ）等の光像を、電気的な信号に変換することによって撮像する撮像素子４２と、撮像素子４２の出力に対し所定の処理を行うことによって入射光（本実施形態では前記反射光）の波面を求める波面センサ演算制御部４３とを備えて構成される。
【００３６】
このような構成のシャックハルトマン方式の波面センサ４は、本センサ４に入射した入射光（本実施形態では前記測定光の反射光）をマイクロレンズアレイ４１によって受光し、このマイクロレンズアレイ４１における各マイクロレンズ４１１を通過した前記入射光の像、例えばマイクロレンズアレイ４１における各マイクロレンズ４１１によって結像した前記入射光の像を撮像素子４２によって撮像し、この撮像した前記入射光の像を波面センサ演算制御部４３によって解析することで前記入射光の波面を求めるものである。このシャックハルトマン方式の波面センサ４では、前記入射光が平面波の場合では、図３（Ａ）に示すように、撮像素子４２において、各マイクロレンズ４１１によって各マイクロレンズ４１１の各光軸に対応した各位置（各基準位置）に前記入射光の像（光点、スポット、ドット、図中「・」で表す）が結像され、一方、入射光が平面波でなく歪みが生じている場合では、図３（Ｂ）に示すように、撮像素子４２において、各マイクロレンズ４１１によって各マイクロレンズ４１１に対応した各基準位置からずれた各位置（各観測位置）に前記入射光の像（・）が結像される。前記観測位置における前記基準位置からの前記ずれ量は、前記入射光の波面に生じている歪み量（波面角度）に応じて生じる。このため、前記ずれ量を求めることで、前記入射光の波面が求められる。
【００３７】
より具体的には、マイクロレンズアレイ４１と撮像素子４２との間の距離をＦとし、観測位置とその基準位置との間の距離（前記ずれ量）をＬとする場合に、図４に示すように、その幾何学的関係から、マイクロレンズアレイ４１に垂直入射した平面波の波面に対する、測定したい入射光の波面における角度（マイクロレンズアレイ４１に垂直入射した平面波の波面と、測定したい入射光の波面とのなす角の角度）である波面角度αは、ｔａｎα＝Ｌ／Ｆで表され、α＝ｔａｎ−１（Ｌ／Ｆ）によって算出される。
【００３８】
このように算出することによって入射光の波面、本実施形態では測定対象物ＳＷで反射した前記測定光の反射光における波面を演算する波面センサ演算部４３は、例えば、マイクロコンピュータ等を備えて構成され、図２（Ａ）に示すように、例えば、機能的に、マイクロレンズアレイ４１の各マイクロレンズ４１１に対応する各基準位置を記憶する基準位置記憶部４３４と、撮像素子４２によって撮像された前記入射光（本実施形態では反射光）の像（画像）に基づいて各マイクロレンズ４１１に対応する各観測位置を求める観測位置演算部４３１と、観測位置演算部４３１によって求められた各観測位置ごとに、当該観測位置とその基準位置とのずれ量Ｌに基づいて波面角度αをそれぞれ求める波面角度演算部４３２と、波面角度演算部４３２によって求められた各波面角度αに基づいて前記入射光（本実施形態では反射光）の波面の形状を求める波面形状演算部４３３とを備えて構成される。
【００３９】
また、第２の手法は、ＬＳＩ（Lateral shearing interferometer）と呼ばれ、図５に示すように、当該波面センサに入射した波面φ（ｒ）の入射光をshearing deviceによって所定値ｓだけずらして波面φ（ｒ）を持つ光と波面φ（ｒ＋ｓ）を持つ光とに分け、これら光の光像を撮像素子によって撮像し、この撮像した前記光の光像に示される干渉パターン（干渉縞）を解析することによって前記入射光の波面の位相を求めるものである。
【００４０】
そして、第３の手法は、曲率センサ（curvature sensor）と呼ばれ、図６に示すように、当該波面センサに入射した入射光を、瞳の後方に配置されたレンズで受光し、このレンズの焦点位置ｆから等距離ｌでずれた２つの各位置で前記入射光の各像を撮像素子によってそれぞれ撮像し、これらそれぞれ撮像した各像を比較解析することによって前記入射光の波面を求めるものである。この曲率センサは、前記入射光が平面波の場合では、前記入射光の各像は、同様にぼやけた像となるが、一方、入射光が平面波でなく歪みが生じている場合では、前記入射光の各像は、それぞれ異なる像となる。前記入射光の各像間の相違は、前記入射光の波面に生じている歪み量に応じて生じる。このため、前記入射光の各像の相違を求めることで、前記入射光の波面が求められる。
【００４１】
撮影部５は、演算制御部７ａによって制御され、測定対象物ＳＷを撮影する装置である。撮影部５によって撮影された測定対象物ＳＷの画像に基づいて測定箇所ＭＰの座標位置を求める場合には、測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの端部を少なくとも含むように測定対象物ＳＷの表面が撮影部５によって撮影される。すなわち、図７に示すように、撮影部５による画像ＰＣは、測定対象物ＳＷをその法線方向から撮影した場合における半導体ウェハＳＷの表面の画像であり、この画像ＰＣには、半導体ウェハＳＷの端部ＳＷＥｇが含まれる。撮影部５は、例えば、光学系、前記光学系によって結像された光像を、電気的な信号に変換することによって撮像する撮像素子、および、前記撮像素子の出力に対し所定の処理を行うことで、前記光像の画像を生成する画像処理部等を備えたカメラである。撮影部５によって撮影された画像は、演算制御部７ａへ出力される。
【００４２】
入力部６は、演算制御部７ａに接続され、外部から当該表面形状測定装置Ｓａにコマンド（命令）やデータ等を入力するための装置であり、例えばタッチパネルやキーボード等である。出力部８は、演算制御部７ａに接続され、入力部６から入力されたコマンドやデータおよび演算制御部７ａの演算結果等を出力するための装置であり、例えばＣＲＴディスプレイやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）や有機ＥＬディスプレイ等のディスプレイおよびプリンタ等の印刷装置等である。
【００４３】
ステージ９は、演算制御部７ａによって制御され、測定対象物ＳＷの厚さ方向に直交する水平方向に測定対象物ＳＷを移動する装置である。
【００４４】
演算制御部７ａは、表面形状測定装置Ｓａの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、測定対象物ＳＷの表面形状を波面センサ４の出力に基づいて求めるものである。演算制御部７ａは、例えば、表面形状測定装置Ｓａの各部を当該機能に応じて制御するための制御プログラムや測定対象物ＳＷの表面形状を波面センサ４の出力に基づいて求める演算プログラム等の各種の所定のプログラム、および、前記所定のプログラムの実行に必要なデータ等の各種の所定のデータ等を記憶する、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Read Only Memory）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、前記所定のプログラムを読み出して実行することによって所定の演算処理や制御処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる前記ＣＰＵのワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）、ならびに、これらの周辺回路を備えたマイクロコンピュータ等によって構成される。演算制御部７ａは、機能的に、第１表面形状演算部７１と、座標位置演算部７２と、全表面形状演算部７３と、制御部７４とを備えている。
【００４５】
第１表面形状演算部７１は、波面センサ４で測定した前記入射光の反射光における波面の形状に基づいて測定対象物ＳＷにおける表面の形状を求めるものである。
【００４６】
座標位置演算部７２は、撮影部５によって撮影された測定対象物ＳＷの表面画像に基づいて測定箇所ＭＰの座標位置を求めるものである。
【００４７】
全表面形状演算部７３は、第１表面形状演算部７１によって求められた表面形状に基づいて所望の測定範囲での測定対象物ＳＷにおける表面全体の形状（全表面形状）を求めるものである。
【００４８】
制御部７４ａは、光源部１、波面センサ４、撮影部５およびステージ９のそれぞれを当該各部の機能に応じて制御するものである。
【００４９】
なお、表面形状測定装置Ｓａは、さらに必要に応じて、外部記憶装置をさらに備えてもよい。この外部記憶装置は、演算制御部７ａに接続され、フレキシブルディスク、ＣＤ−Ｒ（Compact Disc Recordable）およびＤＶＤ−Ｒ（Digital Versatile Disc Recordable）等の記憶媒体とデータを読み書きする補助記憶装置であり、例えば、フレキシブルディスクドライブ、ＣＤ−ＲドライブおよびＤＶＤ−Ｒドライブ等である。演算制御部７ａに前記所定のプログラムおよび前記所定のデータ等が格納されていない場合には、これらを記録した記録媒体を外部記憶装置を介して演算制御部７ａへ読み込むように、表面形状測定装置Ｓａが構成されてもよい。
【００５０】
次に、第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａの動作について説明する。図８は、第１実施形態における表面形状測定装置の動作を示すフローチャートである。図９は、第１実施形態の表面形状測定装置の動作において、主要な処理結果を示す図である。図９（Ａ）は、波面センサ４によって取得された画像（取得画像）を示し、図９（Ｂ）は、波面センサ４におけるデータ抽出処理後の画像（スポットデータ）を示し、図９（Ｃ）は、波面センサ４で求められた図９（Ａ）に示すＡＡ線における前記反射波の波面形状を示し、そして、図９（Ｄ）は、第１表面形状演算部７１で求められた、図９（Ｂ）に示す前記反射波の波面形状に基づく測定対象物ＳＷの表面形状を示す。図１０は、波面センサのデータ抽出処理における所定の閾値を説明するための図である。図１０（Ａ）は、波面センサ４の撮像素子４２で撮像されたデータ抽出処理前の画像を示し、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）に示すＢＢ線における輝度値と第１ないし第３態様のそれぞれの各閾値とを示す。図１０（Ｂ）の横軸は、Ｘ座標であり、その縦軸は、当該座標位置における輝度値を示す。Ｘ座標は、測定対象物ＳＷの端部（エッジ）付近において、予め設定した所定位置を０とし、径方向に沿って設定されている。破線は、第１態様の閾値（傾斜をかける場合）を示し、１点鎖線は、第２態様の閾値（区画ごとに算出する場合）を示し、そして、２点鎖線は、第３態様の閾値（一定の場合）を示す。図１１は、波面センサで測定された波面形状から測定対象物の表面形状を求める算出方法を説明するための図である。
【００５１】
図略の電源スイッチがオンされると、表面形状測定装置Ｓａが起動され、演算制御部７ａによって必要な各部の初期化が行われる。そして、例えば半導体ウェハ等の板状体の測定対象物ＳＷがステージ９に載置され、入力部６から測定開始を指示するコマンドを受け付けると、演算制御部７ａは、測定対象物ＳＷの表面形状の測定を開始する。
【００５２】
まず、演算制御部７ａの制御部７４ａは、光源部１を駆動し、光源部１に測定光を放射させる。
【００５３】
光源部１から放射された測定光は、図１に示すように、ハーフミラ２に入射され、その光路がハーフミラ２によって略９０度曲げられ、測定対象物ＳＷの法線方向から、測定対象物ＳＷの所定の測定箇所ＭＰに照射される。測定対象物ＳＷの測定箇所ＭＰに照射された測定光は、測定対象物ＳＷによって反射され、図１に示すように、再び、ハーフミラ２に入射され、ハーフミラ２を透過した前記測定光の反射光は、ハーフミラ３に入射される。ハーフミラ３では、前記測定光の反射光が２つに分岐され、その一方は、波面センサ４に入射され、その他方は、撮影部５に入射される。
【００５４】
演算制御部７ａの制御部７４ａは、撮影部５によって撮影された画像に基づいてこの画像に測定対象物ＳＷの端部を少なくとも含むように、ステージ９によって測定対象物ＳＷを移動させる。演算制御部７ａは、例えば、測定対象物ＳＷの輝度と測定対象物ＳＷの外部部分の輝度との相違を利用することによって、撮影部５によって撮影された画像に基づいて測定対象物ＳＷの端部を検出することができる。このような測定対象物ＳＷの端部の検出方法には、公知の常套手段である、いわゆるエッジ検出等の画像処理方法が用いられる。これによって測定対象物ＳＷの初期位置が決定され、最初の測定箇所ＭＰが決定される。
【００５５】
測定対象物ＳＷの初期位置が決定されると、前記最初の測定箇所ＭＰについて、測定対象物ＳＷの表面形状の測定が開示される。すなわち、まず、波面センサ４は、前記測定光の反射光を受光し、前記測定光の反射光の画像を取得する（Ｓ１１）。より具体的には、波面センサ４では、前記測定光の反射光がマイクロレンズアレイ４１を通過して、集光され、前記測定光の反射光の像が撮像素子４２の撮像面に結像される。撮像素子４２は、受光量に応じた電気的な信号に変換し、前記測定光の反射光の像に対応する画像の電気信号を波面センサ演算制御部４３へ出力する。波面センサ演算制御部４３は、撮像素子４２から前記画像の電気信号を取り込み、前記測定光の反射光におけるマイクロレンズアレイ４１を介した前記画像を取得する。例えば、図９（Ａ）に示す画像が取得される。
【００５６】
続いて、波面センサ４では、波面センサ演算制御部４３の観測位置演算部４３１は、前記画像に基づいて各マイクロレンズ４１１に対応する各観測位置を求めるべく、前記画像の各画素の輝度値を所定の閾値とそれぞれ比較し、当該輝度値が前記所定の閾値以上である画素のデータを抽出し、これによって撮像素子４２で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理を行う（Ｓ１２）。このようなデータ抽出処理を前記画像に施すことによって、処理対象外領域と処理対象領域とに分けられてノイズが除去され、例えば、図９（Ａ）に示す画像（撮像素子４２から得られた信号そのままによる画像、生画像）は、図９（Ｂ）に示す画像となり、マイクロレンズアレイ４１の各マイクロレンズ４１１による前記測定光の反射光の像がより明瞭となり、これによって各マイクロレンズ４１１に対応する各観測位置をより精度よく検出することができる。
【００５７】
ここで、前記データ抽出処理における前記所定の閾値は、図１０（Ｂ）に２点鎖線で示すように、予め設定された所定の一定値であってもよいが、測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの表面形状や表面状態等に応じて可変としてもよい。
【００５８】
測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷでは、その端部近傍領域には、後述するように、いわゆるエッジロールオフと呼ばれる形状が存在し、一般に、その端部領域は、半導体ウェハＳＷの法線方向（垂直方向、厚さ方向）に直交する水平方向に対し湾曲している。このため、半導体ウェハＳＷに入射した測定光は、この端部領域では、その入射方向に対し、半導体ウェハＳＷの表面における接平面の法線を挟んで線対称な方向へ反射するため、波面センサ４に入射する前記測定光の反射光は、端部領域よりも内側の部分の領域における前記測定光の反射光に較べて、端部領域における前記測定光の反射光の方が、その光密度が低下し、暗くなる。
【００５９】
このため、前記所定の閾値は、半導体ウェハＳＷの端部からの距離に応じた値に設定されることが好ましい。例えば、前記所定の閾値は、図１０（Ｂ）に破線で示すように、端部領域よりも内側の部分では、所定の一定値であって、前記端部領域では、端部へ向かうに従って前記所定の一定値から徐々に小さな値に変化するように予め設定されてもよい。このように前記所定の閾値が設定されることによって、前記所定の閾値が半導体ウェハＳＷにおける端部領域の表面形状に応じて適応的に変更されるので、前記反射光の像（光点）の位置をより精度よく検出することができる。この結果、このような構成の表面形状測定装置Ｓａは、半導体ウェハＳＷにおける表面形状を、特に、半導体ウェハＳＷにおける端部領域の表面形状をより精度よく測定することが可能となる。
【００６０】
あるいは、前記所定の閾値は、測定箇所ＭＰを含む所定範囲領域内における平均輝度値に関する値であることが好ましい。例えば、前記所定の閾値は、図１０（Ｂ）に１点鎖線で示すように、データ抽出処理を行う画素に対し、その周辺画素の輝度値を平均した平均輝度値であってよい。周辺画素は、データ抽出処理を行う画素を中心に、予め設定された所定の画素数以内に存在する画素である。なお、平均輝度値に関する値は、このような単純平均によって得られた値だけでなく、重み付き平均によって得られた値であってもよく、さらに、平均輝度値に予め設定された係数を乗ずることによって得られた値や、平均輝度値と所定の閾値との対応関係を示すルックアップテーブルが予め用意されており平均輝度値からこのルックアップテーブルを参照することによって得られた値であってもよい。このように前記所定の閾値が設定されることによって、前記所定の閾値が例えば半導体ウェハＳＷの表面の状態やノイズ等に応じて適応的に変更されるので、前記反射光の像（光点）の位置をより精度よく検出することができる。この結果、このような構成の表面形状測定装置Ｓａは、半導体ウェハＳＷにおける表面形状をより精度よく測定することが可能となる。
【００６１】
このようなデータ抽出処理を行うと、続いて、波面センサ演算制御部４３の観測位置演算部４３１は、前記画像における高輝度値の画素に、個々に識別するために、特定し識別するための識別子であるスポット認識番号の番号付けを行う（Ｓ１３）。このスポット認識番号の番号付けを行う場合では、高輝度値の画素が互いに隣接する場合には、このような各画素を、高輝度値を持つ１つの領域と扱うために、例えば、このような各画素に同一のスポット認識番号が付される。また例えば、このような各画素が互いに関連付けられ、それに１つのスポット認識番号が付される。
【００６２】
続いて、波面センサ演算制御部４３の観測位置演算部４３１は、スポット認識番号のそれぞれについて、高輝度値を持つ画素の位置を求め、観測位置を求める。ここで、上述のように、高輝度値を持つ画素が互いに隣接しており、複数の画素で高輝度値を持つ１つの領域が形成されている場合には、その重心位置が例えば幾何学的に求められ、この求められた重心位置が前記観測位置とされる（Ｓ１４）。このような処理によって、波面センサ演算制御部４３の観測位置演算部４３１は、各マイクロレンズ４１１のそれぞれについて、マイクロレンズ４１１に対応する前記測定光の反射光の像に対し、その観測位置が求められる。
【００６３】
続いて、波面センサ演算制御部４３の波面角度演算部は、スポット認識番号のそれぞれについて、ステップＳ１４に求められた観測位置とこれに対応する基準位置とのずれ量Ｌを求め、このずれ量Ｌとマイクロレンズアレイ４１および撮像素子４２間の距離Ｆとから、α＝ｔａｎ−１（Ｌ／Ｆ）によって波面角度αを求める（Ｓ１５）。前記基準位置は、上述したように、基準位置記憶部４３４に予め記憶されている。前記基準位置は、例えば、マイクロレンズ４１１の光軸と撮像素子４２の撮像面との交点として与えられる。また例えば、高度な平坦面を持つ基準試料、例えば、半導体ウェハＳＷの中心部分を波面センサ４で実測することによって、前記基準位置が予め求められる。
【００６４】
なお、測定光が平面波ではなく所定の波面を持つ光である場合には、この所定の波面と平面波の波面との相違に応じて、前記ずれ量Ｌを補正すればよい。
【００６５】
続いて、波面センサ演算制御部４３の波面形状演算部４３３は、前記測定光の反射光における波面形状を求める（Ｓ１６）。例えば、波面形状演算部４３３は、半導体ウェハＳＷの径方向に沿った各スポット認識番号の波面角度αを順次に連結することによって、半導体ウェハＳＷの径方向に沿った前記測定光の反射光における波面形状を求める。このような情報処理によって、例えば、図９（Ｂ）に示すデータ抽出処理後の画像から、半導体ウェハＳＷの径方向に沿ったＡＡ線での前記測定光の反射光における波面形状として、図９（Ｃ）に示す形状が得られる。
【００６６】
このように波面センサ４では、前記測定光の反射光が入射され、前記反射光がマイクロレンズアレイ４１によって受光され、このマイクロレンズアレイ４１における複数のマイクロレンズ４１１を通過した前記反射光の像が撮像素子４２によって撮像され、この撮像素子４２で撮像された画像が、データ抽出処理部の一例として観測位置演算部４３１によって、前記所定の閾値によってデータ抽出され、この抽出されたデータに基づいて、波面演算部の一例としての波面角度演算部４３２および波面形状演算部４３３によって、前記反射光における波面の形状が求められる。そして、この求められた前記測定光の反射光における波面形状が波面センサ４から演算制御部７ａへ出力される。
【００６７】
続いて、演算制御部７ａは、波面センサ４から前記測定光の反射光における波面形状を取得すると、その第１表面形状演算部７１によって、波面センサ４で測定した前記測定光の反射光における波面形状に基づいて測定対象物ＳＷにおける表面の形状を求める（Ｓ１７）。より具体的には、図１１に示すように、測定対象物ＳＷにおける所定の方向に沿って、例えば、径方向に沿って座標系Ｘが設定される。波面センサ４での座標系をＸ０とすると、この座標系Ｘ０での位置ｘ０における前記反射光の波面に対する接平面（接線）が求められ、この接平面（接線）の法線とＸ０＝ｘ０の直線とのなす角θ（ｘ０）が求められる。測定対象物ＳＷと波面センサ４におけるマイクロレンズアレイ４１の受光面との間の距離をＤとすると、測定対象物ＳＷの表面における接平面（接線）と水平方向とのなす角である表面角度φ（ｘ）は、φ（ｘ）＝θ（ｘ０）／２、ｘ＝ｘ０＋Ｄｔａｎθ（ｘ０）によって求められる。前記距離Ｄは、通常、１００ｍｍ程度であり、それに対し表面形状は、ナノメートルオーダ（測定範囲全体（フレーム範囲）で大略サブミクロン〜数ミクロンの変化）であるので、前記距離Ｄに対し測定対象物ＳＷの厚さは、一定と見なせるから、ステージ９の載置面と波面センサ４におけるマイクロレンズアレイ４１の受光面との間の距離から測定対象物ＳＷの厚さを減算することで、前記距離Ｄが求められる。そして、測定対象物ＳＷの表面形状Φは、この表面角度φ（ｘ）を所定の測定範囲でｘについて積分することによって求められる（Φ（ｘ）＝∫φ（ｘ）ｄｘ）。このような情報処理によって、例えば、図９（Ｃ）に示す前記測定光の反射光の波面形状から、測定対象物ＳＷの表面形状として、図９（Ｄ）に示す形状が得られる。
【００６８】
なお、測定箇所ＭＰから得られた前記画像に、Ｘ座標が複数設定可能である場合（径方向に並ぶスポット列が周方向に複数有る場合）には、これら複数のＸ座標のそれぞれについて、ステップＳ１７の処理が実行され、それぞれの測定対象物ＳＷの表面形状Φが求められる。
【００６９】
このようなステップＳ１１ないしステップＳ１７の各処理が最初の測定箇所ＭＰ（０）について実行され、最初の測定箇所ＭＰ（０）について測定対象物ＳＷの表面形状Φ（０）が測定されると、演算制御部７ａの制御部７４ａは、次の測定箇所ＭＰ（１）について測定対象物ＳＷの表面形状Φ（１）を測定するべく、ステージ９を動作させ、測定対象物ＳＷを所定の距離だけ移動させ、次の測定箇所ＭＰ（１）に測定対象物ＳＷをセットする。そして、この次の測定箇所ＭＰ（１）について、前記ステップＳ１１ないしステップＳ１７の各処理が実行され、この次の測定箇所ＭＰ（１）について測定対象物ＳＷの表面形状Φ（１）が測定される。このような処理によって、測定対象物ＳＷについて、所望の測定範囲における表面形状Φ（０）、Φ（１）、・・・、Φ（ｋ）が求められる。前記所望の測定範囲は、測定対象物ＳＷの全表面であってよく、またその一部表面であってもよい。後述する半導体ウェハＳＷのいわゆるエッジロールオフを観測する場合には、半導体ウェハＳＷの外周辺における環状部分であってよい。
【００７０】
このように所望の測定範囲における表面形状Φが求められると、演算制御部７ａの全表面形状演算部７３は、第１表面形状演算部７１によって求められた表面形状Φに基づいて前記所望の測定範囲における測定対象物ＳＷの全表面形状を求める。例えば、全表面形状演算部７３は、上述のように求められた表面形状Φ（０）、Φ（１）、・・・、Φ（ｋ）を順次に連結することによって、前記所望の測定範囲における測定対象物ＳＷの全表面形状を求める。
【００７１】
そして、演算制御部７ａは、このように演算された測定対象物ＳＷの全表面形状を出力部８に出力する（Ｓ１８）。これによって測定対象物ＳＷの全表面形状が提示される。なお、第１表面形状演算部７１によって求められた表面形状Φが出力部８に出力されてもよい。
【００７２】
一方、このような測定対象物ＳＷの表面形状Φが算出されている間に、演算制御部７ａの座標位置演算部７２は、撮影部５によって撮影された測定対象物ＳＷの表面画像ＣＰに基づいて測定箇所ＭＰの座標位置を求める。測定対象物ＳＷの表面に対する撮影部５の配置位置や撮影部５の光学系の倍率等は、既知であるので、測定対象物ＳＷの端部を認識することによって、座標位置演算部７２は、この端部を基準に測定箇所ＭＰの座標位置を求めることができる。そして、波面センサ４に入射される前記測定光の反射光と、撮影部５に入射される前記測定光の反射光とは、同一であるので、座標位置演算部７２は、波面センサ４の基準位置を撮影部５によって撮影された測定対象物ＳＷの画像に対応付けることができ、測定箇所ＭＰの座標位置から、測定箇所ＭＰにおいて、前記基準位置の座標位置も求めることができる。そして、このように求められた測定箇所ＭＰの座標位置も出力部８に出力され、提示される。測定箇所ＭＰの位置は、例えば、測定対象物ＳＷである半導体ウェハを載置するステージ９の移動量に応じて求めることもできるが、このように波面センサ４に入射される前記測定光の反射光の一部を受光することによって得られた測定対象物ＳＷの表面画像に基づいて測定箇所ＭＰの座標位置が求められるので、このような構成の表面形状測定装置Ｓａは、測定箇所ＭＰの位置をより正確に認識することができる。
【００７３】
このように第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａは、波面センサ４を用いることによって測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷにおける表面形状を測定するので、その測定原理から、半導体ウェハＳＷにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハＳＷの表面形状を測定することができる。例えば、シャックハルトマン方式の波面センサでは、ナノメートルオーダの測定が可能であり、そして、数〜十ｍｒａｄ程度までの比較的大きな面角度の範囲を測定することができ、より短時間で半導体ウェハＳＷの表面形状を測定することができる。
【００７４】
次に、別の実施形態について説明する。
【００７５】
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態における表面形状測定装置の構成を示す図である。図１３は、第２実施形態の表面形状測定装置における厚さ分布測定部の構成を示す図である。図１４は、第２実施形態の表面形状測定装置において、一方表面形状および厚さ分布に基づいて他方表面形状を求める方法を説明するための図である。
【００７６】
第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａは、測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷにおける一方主面の表面形状を測定する装置であるが、第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、前記一方主面の表面形状の測定に加えて、測定対象物ＳＷの厚さ分布を測定し、そして、これら測定された一方主面の表面形状と厚さ分布とに基づいて前記一方主面に対向する他方主面の表面形状を求める装置である。
【００７７】
この第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａに加えて、前記厚さ分布を測定するべく、ヘテロダイン干渉法を用いることによって測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの厚さ分布を測定する厚さ分布測定部をさらに備え、そして、前記他方主面の表面形状を求めるべく、光源部１は、ハーフミラ２を介して測定対象物ＳＷの一方の表面に所定の波面を持つ測定光を照射し、波面センサ４は、測定対象物ＳＷの一方の表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定し、第１表面形状演算部７１は、波面センサ４で測定した前記測定光の反射光における波面の形状に基づいて測定対象物ＳＷの一方の表面における表面形状を求め、第１表面形状演算部７１によって求められた測定対象物ＳＷの一方の表面における表面形状および前記厚さ分布測定部によって測定された測定対象物ＳＷの厚さ分布に基づいて測定対象物ＳＷの他方の表面における表面形状を求める第２表面形状演算部７６をさらに備えて構成される。
【００７８】
より具体的には、第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、図１２に示すように、表面形状用測定部Ｓ１と、厚さ分布用測定部Ｓ２と、演算制御部７ｂとを備えて、図１２に示す例では、さらに、入力部６と、出力部８と、ステージ９とを備えて構成されている。
【００７９】
表面形状用測定部Ｓ１は、演算制御部７ｂによって制御され、測定対象物ＳＷの一方の表面形状を測定するために、測定対象物ＳＷに測定光を照射した場合に、前記測定光の反射波における波面形状を測定するものであり、光源部１と、光路変更部２としてのハーフミラ２と、光分岐部３としてのハーフミラ３と、波面センサ４と、撮影部５とを備えて構成されている。これら表面形状用測定部Ｓ１における光源部１、ハーフミラ２、ハーフミラ３、波面センサ４および撮影部５は、第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａにおける光源部１、ハーフミラ２、ハーフミラ３、波面センサ４および撮影部５と同様であるので、その説明を省略する。
【００８０】
厚さ分布用測定部Ｓ２は、演算制御部７ｂによって制御され、光ヘテロダイン干渉法を利用することによって測定対象物ＳＷの厚さ分布を例えばナノメートルレベルやサブナノメートルレベル（１ｎｍ以下の厚さ方向の分解能）で測定するために、厚さ分布測定用測定光（第２測定光）を測定対象物ＳＷに照射し、その反射光を測定する装置である。このような厚さ分布用測定部Ｓ２は、例えば、図１３（Ａ）に示すように、光源部１０と、一面側測定部１１−１と、他面側測定部１１−２と、一面側位相検波部１２−１と、他方面側位相検波部１２−２とを備えて構成され、ステージ９によって測定対象物ＳＷを水平方向に移動させながら測定対象物ＳＷの厚さ分布を測定するものである。なお、図１２には、厚さ分布用測定部Ｓにおける一面側測定部１１−１および他方側測定部１１−２が示されている。
【００８１】
以下、厚さ分布用測定部Ｓ２の各部について説明するが、ここで、各部で多用される光部品（光学素子）について、纏めて説明する。
【００８２】
光分岐部（optical branching device、無偏光ビームスプリッタ）は、入射光を光パワーの点で２つの光に分配してそれぞれ射出する光部品である。光分岐部は、例えば、前述のハーフミラ（半透鏡）等の微少光学素子形光分岐結合器や、溶融ファイバの光ファイバ形光分岐結合器や、光導波路形光分岐結合器等を利用することができる。光分岐部は、通常、入力端子と出力端子とを入れ替えて（逆に）使用すると、入射した２つの光を合わせて射出する光結合部として機能する。光分岐部としてハーフミラが用いられる場合、通常、この分配された一方の光は、ハーフミラを通過してそのままの方向で射出され、この分配された他方の光は、ハーフミラで反射されてこの方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００８３】
偏光ビームスプリッタ（polarization beam splitter）は、入射光から互いに直交するＳ偏光とＰ偏光とを取り出してそれぞれ射出する光部品であり、通常、この取り出された一方の光（Ｓ偏光またはＰ偏光）は、そのままの方向で射出され、この取り出された他方の光（Ｐ偏光またはＳ偏光）は、この方向と垂直な方向（直交する方向）で射出される。
【００８４】
偏光子（polarizer）は、入射光から所定の偏光面を持つ直線偏光を取り出して射出する光部品であり、例えば、偏光フィルタである。
【００８５】
波長板（wave plate、（位相板（phase plate））は、入射光における２つの偏光成分の間に所定の位相差（したがって光路差）を与えて射出する光部品であり、例えば、前記１／４波長板や、入射光における２つの偏光成分の間にλ／２の光路差を与える１／２波長板等である。波長板を構成する例えば複屈折性の白雲母板等の結晶板における厚さをｄとし、前記結晶板における２つの偏光成分に対する屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２とし、入射光の波長をλとする場合に、この波長板による位相差は、（２π／λ）（ｎ１−ｎ２）ｄで与えられる。
【００８６】
反射鏡（ミラー、reflection mirror）は、入射光をその入射角に応じた反射角で所定の反射率で反射することによって光の進行方向を変更する光部品であり、例えば、ガラス部材の表面に金属薄膜や誘電体多層膜を蒸着したものである。反射鏡は、光のロスを低減するために、全反射する全反射鏡が好ましい。
【００８７】
入力端子は、光部品へ光を入射するための端子であり、また、出力端子は、光部品から光を射出するための端子である。各部間の接続には、例えばミラーやレンズ等の光学部品から構成される導光手段が用いられてもよいが、本実施形態では、各部間の接続には、後述するように、偏波保持光ファイバやマルチモード光ファイバ等の光ファイバが用いられることから、これら入力端子および出力端子には、光ファイバを接続するためのコネクタが用いられる。
【００８８】
以下、厚さ分布用測定部Ｓ２の各部について説明する。まず、光源部１０について説明する。光源部１０は、所定の可干渉光であって、測定対象物ＳＷの厚さを光ヘテロダイン干渉法によって測定するための第２測定光を生成する装置である。第２測定光は、予め設定された所定の波長λ０（周波数ω０）を持つ単波長光であって、予め設定された所定の偏光面を持つ偏光である。第２測定光は、測定対象物ＳＷを両面から光ヘテロダイン干渉法によって測定するために、２つの一面側測定光（第Ａ測定光）および他面側測定光（第Ｂ測定光）を備えている。このような光源部１０は、例えば、図１３（Ａ）に示すように、単波長レーザ光源１０１と、光アイソレータ１０２と、光分岐部１０３と、偏光子１０４、１０６と、出力端子１０５、１０７とを備えて構成される。
【００８９】
単波長レーザ光源１０１は、予め設定された所定の波長λ０（周波数ω０）を持つ単波長レーザ光を発生する装置であり、種々のレーザ装置を用いることができるが、例えば、所定の光パワーで波長約６３２．８ｎｍのレーザ光を出力することができるヘリウムネオンレーザ装置（Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置）等である。単波長レーザ光源１０１は、波長ロッカ等を備えた周波数安定化レーザ装置が好ましい。光アイソレータ１０２は、その入力端子からその出力端子へ一方向のみに光を透過させる光部品である。光アイソレータ１０２は、単波長レーザ光源１０１のレーザ発振を安定させるために、厚さ分布用測定部Ｓ２内における各光部品（光学素子）の接続部等で生じる反射光（戻り光）が単波長レーザ光源１０１に入射することを防止するものである。
【００９０】
このような光源部１０では、単波長レーザ光源１０１から射出されたレーザ光は、光アイソレータ１０２を介して光分岐部１０３に入射され、第１レーザ光および第２レーザ光の２つに分配される。第１レーザ光は、偏光子１０４に入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の一面側測定光となって、出力端子１０５から射出される。この一面側測定光は、一面側測定部１１−１に入射される。一方、第２レーザ光は、偏光子１０６に入射され、所定の偏光面を持つレーザ光の他面側測定光となって、出力端子１０７から射出される。この他面側測定光は、他面側測定部１１−２に入射される。
【００９１】
ここで、説明の便宜上、測定対象物ＳＷの一方面（図１３に示す例では上側の面（上面））を「Ａ面」と呼称することとし、測定対象物ＳＷの、Ａ面と表裏の関係にある他方面（図１３に示す例では下側の面（下面））を「Ｂ面」と呼称することとする。本実施形態では、前記一面側測定光は、測定対象物ＳＷのＡ面を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられ、前記他面側測定光は、測定対象物ＳＷのＢ面を光ヘテロダイン干渉法によって測定するために用いられる。
【００９２】
光源部１０と一面側測定部１１−１との接続、および、光源部１０と他面側測定部１１−２との接続には、光源部１０および一面側測定部１１−１間の光路長と、光源部１０および他面側測定部１１−２間の光路長との調整を容易にする観点から、本実施形態では、それぞれ、光をその偏波面を保持しながら導光する偏波保持光ファイバＯＦ（ＯＦ−１、ＯＦ−２）が用いられる。偏波保持光ファイバは、例えば、ＰＡＮＤＡファイバや楕円コア光ファイバ等である。光源部１０の出力端子１０５から射出した一面側測定光は、偏波保持光ファイバＯＦ−１によって導光され、一面側測定部１１−１へ入射し、光源部１０の出力端子１０７から射出した他面側測定光は、偏波保持光ファイバＯＦ−２によって導光され、他面側測定部１１−２へ入射する。
【００９３】
次に、一面側測定部１１−１および他方側測定部１１−２について説明するが、これらは、同一の構成であるので、ここでは、一面側測定部１１−１を以下に説明し、他方側測定部１１−２の説明を省略する。
【００９４】
一面側測定部（第Ａ測定部）１１−１は、光源部１０からの一面側測定光が入射され、一面側測定光を用いた光ヘテロダイン干渉法によって測定対象物ＷＡにおけるＡ面でのビート光信号を得る装置である。
【００９５】
より具体的には、一面側測定部１１−１は、測定対象物ＳＷのＡ面に対向配置され、光源部１０からの一面側測定光（第Ａ測定光）を第１一面側測定光（第Ａ１測定光）と第２一面側測定光（第Ａ２測定光）とにさらに分け、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物ＳＷのＡ面に照射されて反射された照射後一面側測定光（第Ａ照射後測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射後一面側干渉光（第Ａ照射後干渉光）を生成するとともに、光ヘテロダイン干渉によって、前記分けられた第１一面側測定光における測定対象物ＳＷのＡ面に照射される前の照射前一面側測定光（第Ａ照射前測定光）と前記分けられた第２一面側測定光とを干渉させた照射前一面側干渉光（第Ａ照射前干渉光）を生成する測定光学系である。このような構成の他面側測定部１１−１では、照射前一面側干渉光を基準に、照射後一面側干渉光における各位相がそれぞれ測定され得る。
【００９６】
さらに、より具体的には、一面側測定部１１−１は、測定対象物ＳＷのＡ面に対向配置され、一面側測定光から、互いに周波数の異なる２つの第１および第２一面側測定光を生成し、この２つの第１一面側測定光と第２一面側測定光とを干渉（光ヘテロダイン干渉）させ、それらの差の周波数を持つビート光信号を生成する光ヘテロダイン干渉計であり、一面側測定光から第１および第２一面側測定光が生成されてから第１一面側測定光と第２一面側測定光とが干渉されるまでの間に、第１一面側測定光が測定対象物ＳＷのＡ面に照射され反射される第１一面側光路および第１一面側測定光が測定対象物ＳＷのＡ面に照射されない第２一面側光路を含む測定光学系である。
【００９７】
このような一面側測定部１１−１は、例えば、図１３（Ｂ）に示すように、入力端子１１ａと、光分岐部１１ｂ、１１ｆ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｍと、偏光ビームスプリッタ１１ｌと、光波長シフタ１１ｄ、１１ｅと、反射鏡１１ｃ、１１ｇと、１／４波長板１１ｐと、レンズ１１ｇと、偏光板１１ｊ、１１ｎと、出力端子１１ｋ、１１ｏとを備えて構成される。
【００９８】
このような構成の一面側測定部１１−１では、光源部１０から偏波保持光ファイバＯＦ−１を介して入力端子１１ａに入射された一面側測定光は、光分岐部１１ｂに入射され、第１一面側測定光および第２一面側測定光の２つに分配される。第１一面側測定光は、そのままの方向（光分岐部１１ｂにおいて、入射光の進行方向と射出光の進行方向とが同じ）で進行する一方、第２一面側測定光は、第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向（垂直な方向）へ進行する。第１一面側測定光は、光波長シフタ１１ｄｃに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）され、第２一面側測定光は、反射鏡１１ｃを介して光波長シフタ１１ｅに入射され、その波長（周波数）がシフト（変更）される。
【００９９】
また、光分岐部１１ｂから射出された第２一面側測定光は、本実施形態では光分岐部１１ｂによって第１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行するが、反射鏡１１ｃによってその進行方向が直角に曲げられ、第１一面側測定光の進行方向と揃えられる。このように反射鏡１１ｃは、光分岐部１１ｂから射出された第１一面側測定光の進行方向と第２一側測定光の進行方向とを揃えるために設けられている。
【０１００】
波長シフタ１１ｄから射出された第１一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部１１ｈに入射され、第１１一面側測定光（第Ａ１１測定光）および第１２一面側測定光（第Ａ１２測定光）の２つに分配される。この第１１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第１２一面側測定光は、第１１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。また、波長シフタ１１ｅから射出された第２一面側測定光（波長シフト後の第１一面側測定光）は、光分岐部１１ｆに入射され、第２１一面側測定光（第Ａ２１測定光）および第２２一面側測定光（第Ａ２２測定光）の２つに分配される。この第２１一面側測定光は、そのままの方向で進行する一方、第２２一面側測定光は、第２１一面側測定光の進行方向に対し直交する方向へ進行する。
【０１０１】
第１２一面側測定光は、照射前一面側測定光であり、光分岐部１１ｉに入射され、第２２一面側測定光は、反射鏡１１ｇを介して光分岐部１１ｉに入射される。そして、この光分岐部１１ｉに入射された第１２一面側測定光と第２２一面側測定光とは、光分岐部１１ｉで光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が偏光板１１ｊを介して照射前一面側干渉光として出力端子１１ｋから射出される。ここでは、光分岐部１１ｉは、光結合部として機能している。この出力端子１１ｋから射出されたビート光信号の照射前一面側干渉光は、一方面側位相検波部１２−１に入射される。
【０１０２】
第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ１１ｌを介して１／４波長板１１ｐに入射され、レンズ１１ｑで集光され、測定対象物ＳＷのＡ面に照射される。そして、この測定対象物ＳＷのＡ面で反射された第１１一面側測定光は、照射後一面側測定光として、再び、レンズ１１ｑに入射され、そして、１／４波長板１１ｐに入射される。したがって、この１／４波長板１１ｐの存在によって、偏光ビームスプリッタ１１ｌから測定対象物ＳＷのＡ面に照射される第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＰ偏光またはＳ偏光）と、測定対象物ＳＷのＡ面で反射して偏光ビームスプリッタ１１ｌに入射される第１１一面側測定光における偏光状態（例えばＳ偏光またはＰ偏光）とが互いに入れ替わることになる。このため、光分岐部１１ｈから偏光ビームスプリッタ１１ｌに入射された第１１一面側測定光は、偏光ビームスプリッタ１１ｌを測定対象物ＳＷのＡ面に向かって通過する一方、測定対象物ＳＷのＡ面からレンズ１１ｑおよび１／４波長板１１ｐを介して偏光ビームスプリッタ１１ｌに入射した第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、所定の方向、本実施形態では、前記第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）が測定対象物ＳＷのＡ面から偏光ビームスプリッタ１１ｌへ向かう方向に対し直交する方向に反射される。
【０１０３】
偏光ビームスプリッタ１１ｌから射出された第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）は、光分岐部１１ｍに入射される。光分岐部１１ｍには、光分岐部１１ｆで分配された第２１一面側測定光も、入射される。そして、この光分岐部１１ｆに入射された第１１一面側測定光（照射後一面側測定光）と第２１一面側測定光とは、光分岐部１１ｍで各光が合わされて光ヘテロダイン干渉を行い、そのビート光信号が偏光板１１ｎを介して照射後一面側干渉光として出力端子１１ｏから射出される。ここでは、光分岐部１１ｍは、光結合部として機能している。この出力端子１１ｏから射出されたビート光信号の照射後一面側干渉光は、一面側位相検波部１２−１に入射される。
【０１０４】
そして、一面側測定部１１−１と他面側測定部１１−２とは、測定対象物ＳＷのＡ面における測定箇所（測定位置）とそのＢ面における測定箇所（測定位置）とが表裏関係で以て同じ位置となるように、配置される。すなわち、測定対象物ＳＷの厚さ方向をＺ軸とし、前記厚さ方向に直交する水平面内における互いに直交する２方向をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする直交ＸＹＺ座標系を設定する場合に、第１１一面側測定光が測定対象物ＳＷのＡ面に照射される箇所のＸ座標値およびＹ座標値が、第１１他面側測定光が測定対象物ＳＷのＢ面に照射される箇所のＸ座標値およびＹ座標値と一致するように、正対配置される。
【０１０５】
次に、一面側位相検波部（第Ａ位相検波部）１２−１および他方側位相検波部（第Ｂ位相検波部）１２−２について説明するが、これらは、同一の構成であるので、ここでは、一面側位相検波部１２−１を以下に説明し、他方側位相検波部１２−２の説明を省略する。
【０１０６】
一面側位相検波部１２−１は、一面側測定部１１−１によって得られた照射後一面側干渉光と照射前一面側干渉光との間における各位相差△Φ２を検出するための装置である。より具体的には、このような一方面側位相検波部１２−１は、例えば、図１３（Ａ）に示すように、光電変換部１２１、１２４と、増幅器１２２、１２５と、位相検波器１２６と、シールド板１２３とを備えて構成される。
【０１０７】
光電変換部１２１は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、一面側測定部１１−１からの照射前一面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を一面側参照ビート信号（第Ａ参照ビート信号）Ｒｅｆ１として出力するものである。光電変換部１２４は、例えばホトダイオード等の光電変換素子を備えて構成され、一面側測定部１１−１からの照射後一面側干渉光をマルチモード光ファイバおよび図略の入力端子を介して受光して、その光量に応じた信号レベルの電気信号を一面側測定ビート信号（第Ａ測定ビート信号）Ｓｉｇ１として出力するものである。
【０１０８】
増幅器１２２は、信号増幅用のアンプであり、光電変換部１２１からの一面側参照ビート信号Ｒｅｆ１を所定のゲインで増幅し、位相検波器１２６へ出力する。増幅器１２４５は、信号増幅用のアンプであり、光電変換部１２４からの一面側測定ビート信号Ｓｉｇ１を所定のゲインで増幅し、位相検波器１２６へ出力する。
【０１０９】
シールド板１２３は、光電変換部１２１から位相検波器１２６に至る信号伝送路と、光電変換部１２４から位相検波器１２６に至る信号伝送路との間に配置された例えば金属製の板であり、一方の信号伝送路で発生した電磁波の不要輻射が他方の信号伝送路へ及ぼす影響を低減し、これら信号伝送路間のクロストークを防止するためのものである。
【０１１０】
位相検波器１２６は、入力信号間の位相を検出する装置であり、光電変換部１２１から増幅器１２２を介して一面側参照ビート信号Ｒｅｆ１が入力され、光電変換部１２４から増幅器１２５を介して一面側測定ビート信号Ｓｉｇ１が入力され、これら一面側参照ビート信号Ｒｅｆ１と一面側測定ビート信号Ｓｉｇ１との間における位相差△Φ２を検出する。
【０１１１】
そして、一面側位相検波部１２−１は、この検出した位相差△Φ２を演算制御部７ｂへ出力する。同様に、他面側位相検波部１２−２では、光電変換部１２１から増幅器１２２を介して他面側参照ビート信号Ｒｅｆ２が入力され、光電変換部１２４から増幅器１２５を介して他面側測定ビート信号Ｓｉｇ２が入力され、これら他面側参照ビート信号Ｒｅｆ２と他面側測定ビート信号Ｓｉｇ２との間における位相差△Φ１が検出され、他面側位相検波部１２−２は、この検出した位相差△Φ１を演算制御部７ｂへ出力する。
【０１１２】
このように第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、測定対象物ＳＷの厚さを測定するために、測定対象物ＳＷの両面から第２測定光が照射され、その反射光が測定される。このため、ステージ９は、例えば、図１２に示すように、測定対象物ＳＷの振動による影響を受けることなく、測定対象物ＳＷの測定箇所ＭＰにおける表面形状および厚さを高精度にかつ高速に測定することができるように、中央部材から径方向に延びる３個のアーム部材を備え、前記アーム部材の先端で、半導体ウェハＳＷ等の円盤状の測定対象物ＳＷをその縁部（エッジ領域）において円周上の３箇所で３点支持する支持部９ｄと、支持部９ｄの前記中央部材に連結される回転軸９ａと、回転軸９ａを回転駆動する回転駆動部９ｂと、回転駆動部９ｂを所定の移動範囲内で直線移動する直線駆動部９ｃとを備えている。これら回転駆動部９ｂや直線駆動部９ｃは、例えばサーボモータ等のアクチュエータや減速ギヤ等の駆動機構を備えて構成される。
【０１１３】
このような構成のステージ９では、測定対象物ＳＷが支持部９ｄにおける３個のアーム部材の各先端に載せられて支持部９ｄによって３点支持される。そして、このように測定対象物ＳＷがステージ９に載置された場合に、測定対象物ＳＷのＡ面およびＢ面が一面側測定部１１−１および他面側測定部１１−２によって測定することができるように、ステージ９が一面側測定部１１−１および他面側測定部１１−２の配置位置に対して配設される。
【０１１４】
そして、このような構成のステージ９では、演算制御部７ｂの制御に従って回転駆動部９ｂが回転することで、回転軸９ａを介して支持部９ｄが回転し、測定対象物ＳＷが回転軸９ａ（支持部９ｄの中央部材）を中心に回転する。そして、演算制御部７ｂの制御に従って直線駆動部９ｃが回転駆動部９ｂを直線移動することで、測定対象物ＳＷが径方向に沿って移動する。このような回転駆動部９ｂによる測定対象物ＳＷの回転移動と、直線駆動部９ｃによる測定対象物ＳＷの直線方向の移動とを併用することによって、ステージ９の移動範囲内において測定対象物ＳＷの所望の測定箇所ＭＰを測定することができる。
【０１１５】
演算制御部７ｂは、表面形状測定装置Ｓａの各部を当該機能に応じて制御する回路であり、測定対象物ＳＷの一方の表面における表面形状を波面形状用測定部Ｓ１における波面センサ４の出力に基づいて求め、測定対象物ＳＷの厚さ分布を厚さ分布用測定部Ｓ２の出力に基づいて求め、これら求められた測定対象物ＳＷの一方の表面における表面形状および測定対象物ＳＷの厚さ分布に基づいて測定対象物ＳＷの他方の表面における表面形状を求めるものである。演算制御部７ｂは、演算制御部７ａと同様に、例えば、マイクロコンピュータ等によって構成され、機能的に、第１表面形状演算部７１と、座標位置演算部７２と、全表面形状演算部７３と、制御部７４ｂと、厚さ分布演算部７５と、第２表面形状演算部７６とを備えている。
【０１１６】
これら演算制御部７ｂにおける第１表面形状演算部７１、座標位置演算部７２および全表面形状演算部７３は、第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａの演算制御部７ａにおける第１表面形状演算部７１、座標位置演算部７２および全表面形状演算部７３と同様であるので、その説明を省略する。
【０１１７】
厚さ分布演算部７５は、一面側測定部１１−１によって生成された照射前一面側干渉光および照射後一面側干渉光を一面側位相検波部１２−１で位相検波することによって得られた位相差△Φ２と、他面側測定部１１−２によって生成された照射前他面側干渉光および照射後他面側干渉光を他方面側位相検波部１２−２で位相検波することによって得られた位相差△Φ１との差分（△Φ２−△Φ１）に基づいて、測定対象物ＳＷにおけるＡ面からＢ面までの距離を測定対象物ＷＡの厚さとして求める。この差分（△Φ２−△Φ１）は、測定対象物ＳＷの厚さに関する値であり、一面側測定光の波長および他面側測定光の波長とが等しいとの近似の下に、一面側測定光の波長をλとする場合に、測定対象物ＳＷの厚さＤは、例えば、Ｄ＝（△Φ１＋△Φ２）×（λ／２）／（２π）によって求められる。前記式の符号（△Φ１と△Φ２との間の符号）は、光学系によって正負いずれもとることができ、通常、一面側測定部１１−１および他面側測定部１１−２を対称に作った（構成した）場合には、正（＋）となる。なお、本実施形態では、一面側と他面側との第２測定光は、同じ光源からの光を分岐したものであり、一面側と他面側との第２測定光の波長は、一致している。そして、Ａ面側の一面側位相検波部１２−１およびＢ面側の他面側位相検波部１２−２は、演算制御部７ｂにおける制御部７４ｂの制御に従って同期され、同期した（同じタイミングで）前記位相検波を行う。これにより、前記差分（△Φ２−△Φ１）は、測定対象物ＳＷの振動による影響を受けることなく、測定対象物ＳＷの厚さを測定することができる。このような測定対象物ＳＷの厚さの測定が測定対象物ＳＷの各測定箇所ＭＰについて行われ、これによって厚さ分布演算部７５は、測定対象物ＳＷの厚さ分布を求める。
【０１１８】
このように厚さ分布演算部７５は、各測定箇所ＭＰについて、一面側位相検波部１２−１から入力された位相差△Φ２および他面側位相検波部１２−２から入力された位相差△Φ１に基づいて測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの厚さをそれぞれ求め、半導体ウェハＳＷの厚さ分布を求める。
【０１１９】
第２表面形状演算部７６は、第１表面形状演算部７１によって求められた測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷの一方の表面における表面形状および厚さ分布測定部７５によって測定された半導体ウェハＳＷの厚さ分布に基づいて半導体ウェハＳＷの他方の表面における表面形状を求めるものである。図１４に示すように、半導体ウェハＳＷの他方の表面における表面形状（他方表面形状ｈ（ｒ））は、半導体ウェハＳＷの一方の表面における表面形状（一方表面形状ｇ（ｒ））から厚さ分布ｆ（ｒ）を減算することによって求められる。このため、より具体的には、第２表面形状演算部７６は、第１表面形状演算部７１によって求められた半導体ウェハＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）から厚さ分布測定部７５によって求められた半導体ウェハＳＷの厚さ分布ｆ（ｒ）を減算することによって半導体ウェハＳＷの他方表面形状ｈ（ｒ）を求める。なお、ｒは、測定対象物ＳＷにおける所定の方向に沿って、例えば、径方向にそって設定されたＲ座標における座標値である。
【０１２０】
制御部７４ｂは、光源部１、波面センサ４、撮影部５、ステージ９、光源部１０、一面側測定部１１−１、他面側測定部１１−２、一面側位相検波部１２−１および他方面側位相検波部１２−２のそれぞれを当該各部の機能に応じて制御するものである。
【０１２１】
そして、表面形状用測定部Ｓ１と厚さ分布用測定部Ｓ２における一面側位相検波部１２−１または他方面側位相検波部１２−２とは、図１２に示す例では、表面形状用測定部Ｓ１と厚さ分布用測定部Ｓ２の一面側位相検波部１２−１とは、測定対象物ＳＷである半導体ウェハＳＷを個々に測定することができるように、互いに離間して、半導体ウェハＳＷにおける同じ側、例えばＡ面側に配置される。
【０１２２】
このような構成の表面形状測定装置Ｓｂでは、図略の電源スイッチがオンされると、表面形状測定装置Ｓｂが起動され、演算制御部７ｂによって必要な各部の初期化が行われる。そして、例えば半導体ウェハ等の板状体の測定対象物ＳＷがステージ９に載置され、入力部６から測定開始を指示するコマンドを受け付けると、演算制御部７ｂは、測定対象物ＳＷの表面形状の測定を開始する。すなわち、測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）の測定では、第１実施形態における表面形状測定装置Ｓａと同様に動作し、演算制御部７ｂの第１表面形状演算部７１によって測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）が求められる。そして、測定対象物ＳＷの厚さ分布の測定では、光源部１０から第２測定光が一面側測定部１１−１に導光され、一面側測定部１１−１によってＡ面側が測定され、一面側位相検波部１２−１によって前記位相差△Φ２が検出され、この前記位相差△Φ２が演算制御部７ｂへ出力され、光源部１０から第２測定光が他方面側測定部１１−２に導光され、他方面側測定部１１−２によってＢ面側が測定され、他方面側位相検波部１２−２によって前記位相差△Φ１が検出され、この前記位相差△Φ１が演算制御部７ｂへ出力される。そして、厚さ分布演算部７５は、これら位相差△Φ１、△Φ２から測定対象物ＳＷの厚さを求める。そして、ステージ９によって順次に測定箇所ＭＰが変更されることで、厚さ分布演算部７５は、測定対象物ＳＷの厚さ分布ｆ（ｒ）を求める。
【０１２３】
測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）およびその厚さ分布ｆ（ｒ）が求められると、第２表面形状演算部７６は、第１表面形状演算部７１によって求められた半導体ウェハＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）から厚さ分布測定部７５によって求められた半導体ウェハＳＷの厚さ分布ｆ（ｒ）を減算することによって半導体ウェハＳＷの他方表面形状ｈ（ｒ）を求める。測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）とその厚さ分布ｆ（ｒ）との間におけるデータの同期（互いの対応付け）は、表面形状用測定部Ｓ１と一面側測定部１１−１または他方側測定部１１−２との間における配設位置の関係に基づいて行うことができる。そして、これら求められた測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）、その他方表面形状ｈ（ｒ）およびその厚さ分布ｆ（ｒ）が出力部８に出力され、これらが提示される。
【０１２４】
このように第２実施形態における表面形状測定装置Ｓｂは、半導体ウェハの表裏両面の各表面形状を測定することができ、その厚さ分布も測定することができる。
【０１２５】
なお、上述では、測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）およびその厚さ分布ｆ（ｒ）は、１つのステージ９によって行われたが、個々にステージを設け、別個のステージで行われてもよい。測定対象物ＳＷを一方のステージから他方のステージへ搬送する搬送機構が設けられ、測定対象物ＳＷが各ステージ間で移動される。この場合において、測定対象物ＳＷの一方表面形状ｇ（ｒ）とその厚さ分布ｆ（ｒ）との間におけるデータの同期をとるために、例えば、最初の測定箇所ＭＰが一致される。
【０１２６】
次に、別の実施形態について説明する。
【０１２７】
（第３実施形態）
図１５は、第３実施形態における半導体ウェハ検査装置の構成を示す図である。図１６は、エッジロールオフを説明するための図である。図１６（Ａ）は、ウェハ（Wafer）の表面プロファイル（Surface Profile）を示す模式図であり、図１６（Ｂ）は、前記ウェハの縦断面模式図である。図１６（Ａ）の横軸は、ウェハにおけるエッジからの距離であり、その縦軸は、高さである。
【０１２８】
第３実施形態における半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、第１または第２実施形態にかかる表面形状測定装置Ｓａ、Ｓｂを備え、半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たすか否かを検査する装置である。このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、これら上述の第１およびは第２実施形態の表面形状測定装置Ｓａ、Ｓｂのいずれかが用いられるので、半導体ウェハＳＷにおける表面形状の測定に適した精度で、そして、より短時間で半導体ウェハＳＷの表面形状を測定することができる。このため、このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、よりスピーディでより正確に半導体ウェハＳＷの良否を検査することができる。したがって、このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、例えば、半導体ウェハＳＷを用いた製品の生産ラインに好適に用いることができる。より具体的には、半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、例えば、前記製造ラインに配置され、前記製品の製造中に半導体ウェハＳＷを検査し、半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たさない場合に、製造ラインから当該半導体ウェハＳＷを取り除くべく、当該半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たさない旨を出力する。このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、要求される仕様（スペック）に達しない半導体ウェハＳＷを製造工程で選別することによって、製品の歩留まりが向上し、その結果、低コスト化も達成することができる。
【０１２９】
このような半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、測定対象である半導体ウェハＳＷの表面における表面形状を測定する表面形状測定部と、前記表面形状測定部で測定された表面形状が所定の条件を満たすか否かを判定する判定部と、前記判定部による判定結果を出力する出力部とを備え、前記表面形状測定部は、第１および第２実施形態の表面形状測定装置Ｓａ、Ｓｂのいずれかである。図１５には、前記表面形状測定部に第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａを用いた場合の半導体ウェハ検査装置Ｓｃが示されている。すなわち、図１５に示す半導体ウェハ検査装置Ｓｃは、光源部１と、光路変更部２と、光分岐部３と、波面センサ４と、撮影部５と、入力部６と、演算制御部７ａと、出力部８と、ステージ９と、判定部２１とを備えて構成されている。これら光源部１、光路変更部２、光分岐部３、波面センサ４、撮影部５、入力部６、演算制御部７ａ、出力部８およびステージ９の各部によって第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａが構成され、これら各部は、上述した第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａにおける光源部１、光路変更部２、光分岐部３、波面センサ４、撮影部５、入力部６、演算制御部７ａ、出力部８およびステージ９と同様である。
【０１３０】
判定部２１は、演算制御部７ａに接続され、演算制御部７ａによって求められた半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たすか否かを判定するものである。判定部２１は、例えば、演算制御部７ａと同様に、マイクロコンピュータ等を備えて構成され、このマイクロコンピュータによって機能的に実現される。そして、判定部２１の判定結果は、出力部８に出力される。
【０１３１】
前記所定の条件は、半導体ウェハＳＷによって製造される製品に応じて適宜に設定されればよく、例えば、半導体ウェハＳＷの平坦度であってよく、またエッジロールオフを表す指標であってもよい。
【０１３２】
半導体ウェハには、図１６に示すように、最も外側にＣｈａｍｆｅｒと呼ばれる面取部があり、例えば、３００ｍｍウェハでは、物理的な先端から約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの領域が前記面取部に当たる。エッジロールオフ（Edge Roll-off）は、前記面取部より内部の数ｍｍまでに至る領域である。このエッジロールオフは、様々な要因によって生じるが、その大きな要因は、半導体ウェハの研磨工程にある。このエッジロールオフは、通常、図１６に示すように、「ダレた形状」を呈するが、条件によっては、ダレではなく、「盛り上がった形状」を呈する場合もある。
【０１３３】
このエッジロールオフの評価方法として、例えば、Ｋｉｍｕｒａらが提案しているＲＯＡ（Roll-off Amount；ＲＯＡ）という評価値がある。この評価値は、図１６（Ａ）に示すように、半導体ウェハが平坦であると考えられる、半導体ウェハの物理的な先端から約３〜６ｍｍの位置（Reference area）における半導体ウェハの形状から基準平面を求め、１ｍｍの位置の半導体ウェハの形状と前記基準面との距離として定義される。この評価値ＲＯＡは、半導体ウェハの外縁部がどの程度ダレているか、あるいは盛り上がっているかを表す指標である。このようなエッジロールオフの指標である評価値ＲＯＡを求める場合には、判定部２１は、径方向に沿った半導体ウェハＳＷの表面形状を演算制御部７ａより得て評価値ＲＯＡを求め、この求めた評価値ＲＯＡが所定の条件としての評価値ＲＯＡ（基準ＲＯＡ）と比較され、半導体ウェハＳＷの表面形状が所定の条件を満たすか否かを判断する。
【０１３４】
上述では、前記表面形状測定部に第１実施形態の表面形状測定装置Ｓａを用いた場合の半導体ウェハ検査装置Ｓｃについて図１５を用いて説明したが、前記表面形状測定部に第２実施形態の表面形状測定装置Ｓｂを用いた場合の半導体ウェハ検査装置も同様である。
【０１３５】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【０１３６】
Ｓａ、Ｓｂ 表面形状測定装置
Ｓｃ 半導体ウェハ検査装置
１、１０ 光源部
４ 波面センサ
５ 撮影部
７ａ、７ｂ 演算制御部
４１ マイクロレンズアレイ
４２ 撮像素子
４３ 波面センサ演算制御部
７１ 第１表面形状演算部
７２ 座標位置演算部
７５ 厚さ分布演算部
７６ 第２表面形状演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象である半導体ウェハの表面に所定の波面を持つ測定光を照射する光照射部と、
前記半導体ウェハの表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定する波面センサと、
前記波面センサで測定した前記反射光における波面の形状に基づいて前記半導体ウェハにおける表面の形状を求める表面形状演算部とを備えること
を特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記光照射部によって照射される前記測定光は、進行方向を法線とする平面な波面を持つ平面波の光であり、
前記波面センサは、シャックハルトマン（Shack-Hartmann）方式の波面センサであること
を特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記シャックハルトマン方式の波面センサは、
前記反射光を受光し、アレイ状に配置された複数のレンズを備えるレンズアレイと、
前記レンズアレイにおける複数のレンズを通過した前記反射光の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理部と、
前記データ抽出処理部で抽出されたデータに基づいて前記反射光における波面の形状を求める波面演算部とを備え、
前記データ抽出処理部における前記所定の閾値は、測定箇所を含む所定範囲領域内における平均輝度値に関する値であること
を特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記シャックハルトマン方式の波面センサは、
前記反射光を受光し、アレイ状に配置された複数のレンズを備えるレンズアレイと、
前記レンズアレイにおける複数のレンズを通過した前記反射光の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理部と、
前記データ抽出処理部で抽出されたデータに基づいて前記反射光における波面の形状を求める波面演算部とを備え、
前記データ抽出処理部における前記所定の閾値は、前記半導体ウェハの端部からの距離に応じた値であること
を特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記反射光を複数に分岐するとともに、前記複数の分岐光のうちの１つを前記波面センサに入射させる分岐部と、
前記複数の分岐光のうちの他の１つを受光することで、前記半導体ウェハの端部を少なくとも含むように前記半導体ウェハの表面を撮影する撮影部と、
前記撮影部によって撮影された前記半導体ウェハの表面画像に基づいて測定箇所の座標位置を求める座標位置演算部とをさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
ヘテロダイン干渉法を用いることによって前記半導体ウェハの厚さ分布を測定する厚さ分布測定部をさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記光照射部は、前記半導体ウェハの一方の表面に所定の波面を持つ測定光を照射し、
前記波面センサは、前記半導体ウェハの一方の表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定し、
前記表面形状演算部は、前記波面センサで測定した前記反射光における波面の形状に基づいて前記半導体ウェハの一方の表面における表面形状を求め、
前記表面形状演算部によって求められた前記半導体ウェハの一方の表面における表面形状および前記厚さ分布測定部によって測定された前記半導体ウェハの厚さ分布に基づいて前記半導体ウェハの他方の表面における表面形状を求める第２表面形状演算部をさらに備えること
を特徴とする請求項６に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
測定対象である半導体ウェハの表面における表面形状を測定する表面形状測定部と、
前記表面形状測定部で測定された表面形状が所定の条件を満たすか否かを判定する判定部と、
前記判定部による判定結果を出力する出力部とを備え、
前記表面形状測定部は、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の表面形状測定装置であること
を特徴とする半導体ウェハ検査装置。
【請求項１】
測定対象である半導体ウェハの表面に所定の波面を持つ測定光を照射する光照射部と、
前記半導体ウェハの表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定する波面センサと、
前記波面センサで測定した前記反射光における波面の形状に基づいて前記半導体ウェハにおける表面の形状を求める表面形状演算部とを備えること
を特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記光照射部によって照射される前記測定光は、進行方向を法線とする平面な波面を持つ平面波の光であり、
前記波面センサは、シャックハルトマン（Shack-Hartmann）方式の波面センサであること
を特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記シャックハルトマン方式の波面センサは、
前記反射光を受光し、アレイ状に配置された複数のレンズを備えるレンズアレイと、
前記レンズアレイにおける複数のレンズを通過した前記反射光の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理部と、
前記データ抽出処理部で抽出されたデータに基づいて前記反射光における波面の形状を求める波面演算部とを備え、
前記データ抽出処理部における前記所定の閾値は、測定箇所を含む所定範囲領域内における平均輝度値に関する値であること
を特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記シャックハルトマン方式の波面センサは、
前記反射光を受光し、アレイ状に配置された複数のレンズを備えるレンズアレイと、
前記レンズアレイにおける複数のレンズを通過した前記反射光の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像された画像データのうちの所定の閾値以上のデータを抽出するデータ抽出処理部と、
前記データ抽出処理部で抽出されたデータに基づいて前記反射光における波面の形状を求める波面演算部とを備え、
前記データ抽出処理部における前記所定の閾値は、前記半導体ウェハの端部からの距離に応じた値であること
を特徴とする請求項２に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記反射光を複数に分岐するとともに、前記複数の分岐光のうちの１つを前記波面センサに入射させる分岐部と、
前記複数の分岐光のうちの他の１つを受光することで、前記半導体ウェハの端部を少なくとも含むように前記半導体ウェハの表面を撮影する撮影部と、
前記撮影部によって撮影された前記半導体ウェハの表面画像に基づいて測定箇所の座標位置を求める座標位置演算部とをさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
ヘテロダイン干渉法を用いることによって前記半導体ウェハの厚さ分布を測定する厚さ分布測定部をさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
前記光照射部は、前記半導体ウェハの一方の表面に所定の波面を持つ測定光を照射し、
前記波面センサは、前記半導体ウェハの一方の表面で反射した前記測定光の反射光における波面の形状を測定し、
前記表面形状演算部は、前記波面センサで測定した前記反射光における波面の形状に基づいて前記半導体ウェハの一方の表面における表面形状を求め、
前記表面形状演算部によって求められた前記半導体ウェハの一方の表面における表面形状および前記厚さ分布測定部によって測定された前記半導体ウェハの厚さ分布に基づいて前記半導体ウェハの他方の表面における表面形状を求める第２表面形状演算部をさらに備えること
を特徴とする請求項６に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
測定対象である半導体ウェハの表面における表面形状を測定する表面形状測定部と、
前記表面形状測定部で測定された表面形状が所定の条件を満たすか否かを判定する判定部と、
前記判定部による判定結果を出力する出力部とを備え、
前記表面形状測定部は、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の表面形状測定装置であること
を特徴とする半導体ウェハ検査装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２２６９８９（Ｐ２０１１−２２６９８９Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９８９１６（Ｐ２０１０−９８９１６）
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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