JP2009063314A - 基板位置検出装置、基板位置調整装置、エリプソメータおよび膜厚測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板位置検出装置において、装置の大型化を抑制しつつ高速かつ高精度な位置検出を実現する。
【解決手段】膜厚測定装置の基板位置検出装置では、撮像部５１の撮像素子５１１による基板９上の撮像領域が、位置検出部５の撮像部回転機構５２により回転される。これにより、基板９を保持するステージを回転する機構を設けることなく、基板９のエッジ９２を周方向の複数の撮像位置において容易に撮像して基板９の位置を検出することができる。その結果、基板を水平方向に移動する機構の上に基板を回転させる機構を設ける従来の装置に比べて、膜厚測定装置の基板の位置検出に係る構造の大型化を抑制することができるとともに高速かつ高精度な基板９の位置検出を実現することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板位置検出装置に関し、また、当該基板位置検出装置を備える基板位置調整装置、エリプソメータおよび膜厚測定装置に関する。

従来より、半導体基板（以下、単に「基板」という。）に対する様々な処理や測定等が行われる際には、処理や測定に利用される機構に対する基板の相対位置が検出されて基板の位置や向き（すなわち、回転位置）の調整が行われる。

例えば、特許文献１のプリアライナ装置では、垂直方向を向く回転軸を中心として回転する略円形のウエハに対し、ウエハ周縁部の上側に配置された投光器から光を照射し、ウエハのノッチを通過した光がウエハ周縁部の下側に配置された受光器により受光されることにより、ウエハのノッチの位置が検出され、検出結果に基づいてウエハの位置決めが行われる。当該プリアライナ装置では、ウエハ径の公差やウエハのステージ上における偏心等によりウエハ周縁部が所定の位置からずれている場合であっても、投光器および受光器を備えるノッチ検出センサをウエハの径方向に直線移動してウエハ周縁部上に位置させることにより、ウエハのノッチが確実に検出される。
特開２００４−３６３２１８号公報

ところで、基板に対して光学的な測定を行う装置の１つとして、基板上に存在する膜の厚さ等を測定するエリプソメータが利用されている。エリプソメータでは、照射部により偏光した光を対象物の測定面上に斜めから照射し、その反射光が受光部により受光されて偏光状態が取得される。そして、反射光の偏光解析が行われることにより、基板上の膜厚や測定面の表面状態が求められる。

このようなエリプソメータでは、測定を行う前に、照射部および受光部に対する基板の相対位置を精度良く調整する必要があり、特に、高精細なパターンが形成された基板の偏光解析を行う場合には、より高精度な基板の位置検出および位置調整が必要とされる。

しかしながら、基板の位置検出のために、特許文献１のように基板を保持するステージを回転する機構を設けると、装置全体が大型化してしまう。また、近年、基板の大型化が進んでいるため、ステージおよびこれを回転する機構もさらに大型化することとなる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、基板位置検出装置において、装置の大型化を抑制しつつ高速かつ高精度な位置検出を実現することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、基板の位置を検出する基板位置検出装置であって、装置基台と、前記装置基台上に設けられ、略円板状の基板を保持する基板保持部と、前記基板のエッジの一部を含む基板画像を取得する撮像部と、前記基板の位置が前記装置基台に対して固定された状態において、前記基板の主面に垂直であって前記装置基台に対して固定された所定の中心軸を中心として前記撮像部の撮像領域を前記エッジに沿って回転する撮像領域回転機構と、前記撮像部および前記撮像領域回転機構を制御することにより、前記中心軸を中心とする周方向における３以上の撮像位置において撮像を行って３以上の基板画像を出力する撮像制御部と、前記３以上の基板画像に基づいて、前記基板の前記主面に平行な方向における前記基板の前記装置基台に対する相対位置を求める基板位置演算部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板位置検出装置であって、前記撮像領域回転機構が、撮像素子を有する前記撮像部を前記中心軸を中心として回転することにより、前記撮像領域を前記基板の前記エッジに沿って回転する。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の基板位置検出装置であって、前記撮像部が、前記中心軸に対して固定された撮像素子と、前記撮像領域からの光を前記撮像素子へと導く撮像光学系とを備え、前記撮像領域回転機構が、前記撮像光学系を前記中心軸を中心として回転することにより、前記撮像領域を前記基板の前記エッジに沿って回転する。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の基板位置検出装置であって、前記撮像素子が、１列に配列された複数の受光素子を有するラインセンサであり、前記基板上の前記撮像領域において、前記複数の受光素子の配列方向が前記中心軸を中心とする径方向に対応し、前記撮像素子による連続的な撮像を行いつつ前記撮像領域が前記周方向に１回転することにより、前記基板の前記エッジが全長に亘って撮像される。

請求項５に記載の発明は、請求項２または３に記載の基板位置検出装置であって、前記撮像素子が、互いに垂直な２つの配列方向に沿って２次元に配列された複数の受光素子を有する２次元撮像素子であり、前記基板上の前記撮像領域において、前記複数の受光素子の一の配列方向に対応する方向が前記中心軸を中心とする径方向に平行とされる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の基板位置検出装置であって、前記撮像素子による撮像を繰り返しつつ前記撮像領域が前記周方向に１回転することにより、前記基板の前記エッジが全長に亘って撮像される。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の基板位置検出装置であって、前記３以上の基板画像のいずれかが、前記基板の前記エッジの一部に形成されたノッチを含む画像である。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の基板位置検出装置であって、前記撮像領域回転機構において、前記中心軸を中心とする径方向における前記中心軸と前記撮像領域の中心との間の距離が可変とされる。

請求項９に記載の発明は、基板の位置を調整する基板位置調整装置であって、請求項１ないし８のいずれかに記載の基板位置検出装置と、前記基板位置検出装置の前記基板保持部を前記基板の前記主面に平行であって互いに垂直な２方向に移動する保持部移動機構と、前記基板位置検出装置にて検出された前記基板の前記装置基台に対する相対位置に基づいて、前記保持部移動機構により前記基板の前記装置基台に対する相対位置を調整する移動機構制御部とを備える。

請求項１０に記載の発明は、エリプソメータであって、請求項９に記載の基板位置調整装置と、前記基板位置調整装置の前記基板保持部に保持された基板へと偏光した光を導く照明部と、前記基板からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の偏光状態を取得する受光部とを備える。

請求項１１に記載の発明は、基板上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、請求項１０に記載のエリプソメータと、前記エリプソメータの前記受光部により取得された前記反射光の前記偏光状態に基づいて前記基板上の膜の厚さを求める膜厚演算部とを備える。

本発明では、装置の大型化を抑制しつつ高速かつ高精度な位置検出を実現することができる。また、請求項２の発明では、位置検出に係る構造を簡素化することができる。一方、請求項３の発明では、撮像素子を固定して容易に配置することができる。

請求項４および６の発明では、位置検出の精度を向上することができる。また、請求項５の発明では、各基板画像において中心軸から最も離れているエッジ上の点を容易に求めることができ、その結果、基板の位置検出を容易とすることができる。

請求項７の発明では、基板の周方向の向きを検出することができる。また、請求項８の発明では、大きさの異なる基板の位置検出を容易に行うことができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る膜厚測定装置１０の構成を示す図である。膜厚測定装置１０は、測定対象物である半導体基板９上に形成された薄膜（単層膜または多層膜）の厚さを測定する装置であり、以下の説明では、半導体基板９を、単に「基板９」という。図１では、膜厚測定装置１０の構成の一部を断面にて示しており、分光器４２については、その内部の構成を示している。

図１に示すように、膜厚測定装置１０は、基板９上の薄膜が存在する主面９１（すなわち、測定対象となる図１中の（＋Ｚ）側の主面であり、以下、「測定面９１」という。）に偏光した光を照射して測定面９１の偏光解析に用いられる情報を取得する分光エリプソメータ１、および、分光エリプソメータ１により取得された情報に基づいて偏光解析を行って測定面９１に存在する膜の厚さを求める膜厚演算部７を備える。

分光エリプソメータ１は、装置基台１１、装置基台１１上に設けられるとともに略円板状の基板９を保持する基板保持部であるステージ２、ステージ２を装置基台１１に対して基板９の測定面９１に平行な方向に移動する保持部移動機構であるステージ移動機構２１、ステージ２に保持された基板９の測定面９１へと偏光した光（以下、「偏光光」という。）を傾斜しつつ（すなわち、斜めに）導く照明部３、基板９の測定面９１からの偏光光の反射光を受光する受光部４、基板９の位置検出に利用される位置検出部５、および、各種演算処理を行うＣＰＵや各種情報を記憶するメモリ等により構成されるとともに上記構成を制御する制御部６を備える。

図２は、制御部６の構成を示す図である。図２に示すように、制御部６は、通常のコンピュータと同様に、各種演算処理を行うＣＰＵ６１、実行されるプログラムを記憶したり演算処理の作業領域となるＲＡＭ６２、基本プログラムを記憶するＲＯＭ６３、各種情報を記憶する固定ディスク６４、作業者に各種情報を表示するディスプレイ６５、および、キーボードやマウス等の入力部６６等を接続した構成となっている。

図３は、制御部６のＣＰＵ６１（図２参照）等がプログラムに従って演算処理を行うことにより実現される機能を示すブロック図であり、図３中の撮像制御部６１１、基板位置演算部６１２および移動機構制御部６１３が、ＣＰＵ６１等により実現される機能に相当する。なお、これらの機能は複数台のコンピュータにより実現されてもよい。

図１に示すように、ステージ移動機構２１は、ステージ２を図１中のＹ方向に移動するＹ方向移動機構２２、および、ステージ２をＸ方向に移動するＸ方向移動機構２３を有し、基板９をステージ２と共に互いに垂直な２方向（Ｘ方向およびＹ方向）に移動する。Ｙ方向移動機構２２では、モータ２２１にボールねじ（図示省略）が接続され、モータ２２１が回転することにより、Ｘ方向移動機構２３がガイドレール２２２に沿って図１中のＹ方向に移動する。Ｘ方向移動機構２３もＹ方向移動機構２２と同様の構成となっており、モータ２３１が回転するとボールねじ（図示省略）によりステージ２がガイドレール２３２に沿ってＸ方向に移動する。

照明部３は、白色光を出射する高輝度キセノン（Ｘｅ）ランプである光源３１、光源３１からの光を案内する各種光学素子、および、シート状（または、薄板状）の偏光素子３２を備える。光源３１からの光は、楕円ミラー３５１、熱線カットフィルタ３５２、楕円ミラー３５３、スリット板３５４、平面ミラー３５５および楕円ミラー３５６を介して偏光素子３２に入射し、偏光素子３２により光源３１からの光から得られた偏光光は、基板９の測定面９１に傾斜しつつ（本実施の形態では、入射角７０°にて斜めに）入射する。

受光部４は、基板９からの偏光光の反射光が入射する検光子４１、検光子４１を光軸Ｊ１に平行な中心軸を中心として回転する検光子回転機構４１１、検光子４１を経由した反射光を受光するグレーティング式の分光器４２、反射光を分光器４２へと導く各種光学素子、および、分光器４２に接続される偏光状態取得部４３を備える。受光部４では、基板９の測定面９１からの反射光が、スリット板４５１を介して回転する検光子４１へと導かれ、検光子４１を透過した反射光が楕円ミラー４５２、平面ミラー４５３およびスリット板４５４を介して分光器４２へと入射する。

分光器４２へと入射した反射光は、分光デバイスであるグレーティング４２１により反射されて高い波長分解能にて波長毎の光に分光され、グレーティング４２１からの分光した光（以下、「分光光」という。）は、受光デバイス４２２により受光されて波長毎（例えば、紫外線から近赤外線までの波長毎）の光の強度が高感度に測定される。

受光デバイス４２２により取得された反射光の分光強度は偏光状態取得部４３へと出力され、偏光状態取得部４３において、受光デバイス４２２および検光子回転機構４１１からの出力に基づいて反射光の分光強度と検光子４１の回転角とが対応づけられることにより、反射光の波長毎の偏光状態を示すｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差Δおよび反射振幅比角Ψが取得される。そして、分光エリプソメータ１の受光部４により取得された反射光の波長毎の偏光状態が偏光状態取得部４３から膜厚演算部７へと出力され、当該偏光状態に基づいて偏光解析が行われて基板９の測定面９１に存在する膜の厚さが求められる。

図４は、位置検出部５を拡大して示す平面図であり、基板９も併せて描いている。また、図５は、位置検出部５の一部を拡大して示す正面図であり、基板９およびステージ２も併せて描いている。なお、図５では、一部を図４中のＡ−Ａの位置における断面にて描いている。

図４および図５に示すように、位置検出部５は、基板９の測定面９１のエッジ９２の一部を含む画像（以下、「基板画像」という。）を取得する撮像素子５１１を有する撮像部５１、および、基板９の測定面９１に垂直であって装置基台１１（図１参照）に対して固定された所定の中心軸Ｊ２を中心として撮像部５１を回転する撮像部回転機構５２を備える。また、図４に示すように、基板９の略円形の測定面９１のエッジ９２の一部には、基板９の周方向の向き（すなわち、中心軸Ｊ２を中心とする基板９の回転位置）の検出に利用されるノッチ９３が形成されている。

撮像部５１では、撮像素子５１１として、互いに垂直な２つの配列方向に沿って２次元に配列されたＣＣＤ（charge coupled device）型の複数の受光素子を有する２次元撮像素子が利用され、基板９の測定面９１上における撮像素子５１１の撮像領域において、当該複数の受光素子の一の配列方向に対応する方向が、中心軸Ｊ２を中心とする径方向に平行とされる。

撮像部回転機構５２は、図４および図５に示すように、装置基台１１（図１参照）にフレーム（図示省略）を介して固定されるリング状の固定部５２１、および、複数のボール５２５を介して固定部５２１の外周側にて回転可能に支持されるリング状の回転部５２２を備え、さらに、図４に示すように、タイミングベルト５２４を介して回転部５２２を回転するモータ５２３を備える。本実施の形態では、モータ５２３としてステッピングモータが利用され、また、回転部５２２の基板９側（すなわち、（−Ｚ）側）には撮像部５１の撮像素子５１１が固定される。

位置検出部５では、モータ５２３により、中心軸Ｊ２を中心とするリング状である回転部５２２が、中心軸Ｊ２を中心として撮像部５１と共に回転することにより、撮像部５１の撮像領域が、中心軸Ｊ２を中心として基板９のエッジ９２に沿って回転する。すなわち、撮像部回転機構５２は、撮像部５１の撮像領域を基板９のエッジ９２に沿って回転する撮像領域回転機構となっている。

図１に示す膜厚測定装置１０では、制御部６の撮像制御部６１１（図３参照）により撮像部５１および撮像部回転機構５２が制御されることにより、基板９およびステージ２の位置が装置基台１１に対して固定された状態（すなわち、ステージ移動機構２１によるステージ２の移動が停止された状態）において、撮像部５１の撮像素子５１１（図４および図５参照）が中心軸Ｊ２を中心として回転しつつ中心軸Ｊ２を中心とする周方向における３つの撮像位置において撮像を行い、撮像素子５１１から基板位置演算部６１２（図３参照）へと３つの基板画像が出力される。本実施の形態では、図６に示すように、周方向において等角度ピッチ（１２０°ピッチ）にて設定された３つの撮像位置において３つの基板画像９０Ａ〜９０Ｃが取得される。

続いて、基板位置演算部６１２により、３つの基板画像９０Ａ〜９０Ｃに基づいて測定面９１に平行なＸ方向およびＹ方向における基板９の中心軸Ｊ２に対する相対位置（すなわち、装置基台１１に対する相対位置）が求められる。具体的には、基板位置演算部６１２により、３つの基板画像９０Ａ〜９０Ｃのそれぞれにおいて基板９のエッジ９２が検出され、各基板画像においてエッジ９２上の中心軸Ｊ２から最も離れている点（以下、「最遠点９４」という。）のＸＹ平面における座標値が取得される。そして、３つの最遠点９４の座標値に基づいて３つの最遠点９４を通る円の中心Ｃ１の座標値（すなわち、基板９の中心の座標値）が求められ、当該円の中心Ｃ１の中心軸Ｊ２に対する相対位置が、基板９の中心軸Ｊ２に対する相対位置として検出される。なお、３つの最遠点９４の座標値を、中心軸Ｊ２を原点として取得することにより、基板９の中心軸Ｊ２に対する相対位置がより容易に求められる。

基板位置演算部６１２により基板９の位置が検出されると、移動機構制御部６１３（図３参照）により、図１に示す基板９の中心軸Ｊ２に対する相対位置（すなわち、装置基台１１に対する相対位置）に基づいてステージ移動機構２１が制御され、基板９の中心軸Ｊ２に対する相対位置が調整されて基板９の中心Ｃ１（図６参照）が中心軸Ｊ２と重なる位置へと移動される。次に、基板９の測定面９１上の測定対象となる領域が、照明部３からの偏光光の照射位置に位置するように、基板９がステージ移動機構により移動され、照明部３から基板９へと偏光光が照射されて基板９の測定面９１からの反射光が受光部４の分光器４２にて受光される。そして、分光器４２の出力から偏光状態取得部４３により取得された反射光の波長毎の偏光状態に基づいて膜厚演算部７により基板９上の膜厚が求められる。

以上に説明したように、膜厚測定装置１０では、装置基台１１、ステージ２、位置検出部５、撮像制御部６１１および基板位置演算部６１２が、基板の位置を検出する基板位置検出装置となっており、位置検出部５の撮像部回転機構５２により撮像素子５１１の撮像領域を回転することにより、基板９を保持するステージ２を回転する機構を設けることなく、基板９のエッジ９２を周方向の複数の撮像位置において容易に撮像して基板９の位置を検出することができる。これにより、基板を回転させて基板の位置検出を行う従来の装置に比べて、膜厚測定装置１０の基板の位置検出に係る構造の大型化を抑制することができるとともに高速かつ高精度な基板９の位置検出を実現することができる。

また、膜厚測定装置１０では、上記基板位置検出装置となる各構成、並びに、ステージ移動機構２１および移動機構制御部６１３が、基板の位置を調整する基板位置調整装置となっており、これにより、基板９の位置調整が高速かつ高精度に実現される。さらに、当該基板位置調整装置、並びに、照明部３および受光部４を備える分光エリプソメータ１により、基板９の測定面９１からの反射光の偏光状態が位置精度良く取得され、その結果、膜厚測定装置１０において、基板９の測定面９１における高精度な膜厚測定を実現することができる。また、大型の基板に対してもコンパクトな装置により膜厚測定を実現することができる。

膜厚測定装置１０では、撮像領域の回転が、撮像部回転機構５２による撮像部５１の撮像素子５１１の回転により行われることにより、位置検出部５の構造（すなわち、位置検出に係る構造）を簡素化することができる。また、基板９上の撮像領域において、２次元ＣＣＤカメラである撮像素子５１１の受光素子の一の配列方向に対応する方向が、中心軸Ｊ２を中心とする径方向に平行とされることにより、各基板画像において、基板画像に固定された座標系におけるエッジ９２上の点の座標値を、膜厚測定装置１０の装置基台１１に固定された中心軸Ｊ２を中心とする極座標系における座標値に容易に変換することができる。これにより、各基板画像においてエッジ９２上の最遠点９４の座標値を容易に求めることができ、その結果、基板９の位置検出を容易とすることができる。

ところで、基板９は、膜厚測定装置１０のステージ２に載置される前に、他の装置においてその向き（すなわち、エッジ９２上におけるノッチ９３の向き）が調整されているが、ステージ２上に載置される際等に僅かに向きがずれることがある。膜厚測定装置１０では、図６に示す３つの基板画像９０Ａ〜９０Ｃのうちのいずれか（本実施の形態では、基板画像９０Ｃ）が、エッジ９２の一部に形成されたノッチ９３を含む画像であるため、ノッチ９３の位置を求めることにより、基板９の向きを容易に検出することができる。このため、ステージ２上において、基板９の向きが所定の向きからずれている場合であっても、基板９の測定面９１上における偏光光の照射領域の位置をずれ量に基づいて補正することにより、基板９の測定面９１からの反射光の偏光状態をさらに位置精度良く取得し、より高精度な膜厚測定を実現することができる。

上記実施の形態では、位置検出部５により周方向の３つの基板画像９０Ａ〜９０Ｃが取得されるが、基板９の位置検出に求められる精度に合わせて、周方向の４つ以上（例えば、６つや８つ）の撮像位置において取得された４つ以上の基板画像に基づいて基板９の中心軸Ｊ２に対する相対位置（すなわち、装置基台１１に対する相対位置）が検出されてもよい。この場合、４つ以上の基板画像のいずれかがノッチ９３を含む画像とされることにより、上記と同様に、より高精度な膜厚測定が実現される。また、制御部６の撮像制御部６１１（図３参照）により、撮像素子５１１による撮像を繰り返しつつ撮像素子５１１が周方向に１回転する（すなわち、撮像領域が周方向に１回転する）ことにより、基板９のエッジ９２が全長に亘って撮像されてもよい。そして、エッジ９２の全長の画像に基づいて基板９の位置が検出されることにより、基板９の位置検出の精度がより向上される。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る膜厚測定装置の位置検出部について説明する。図７および図８はそれぞれ、第２の実施の形態に係る位置検出部の平面図および正面図である。第２の実施の形態に係る膜厚測定装置では、図２および図３に示す位置検出部５とは構造が異なる位置検出部５ａが設けられる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であり、以下の説明において同符号を付す。

図７および図８に示すように、位置検出部５ａは、第１の実施の形態と同様に、基板画像を取得する撮像素子５１１ａを有する撮像部５１、および、撮像部５１を中心軸Ｊ２を中心として基板９のエッジ９２に沿って回転する撮像部回転機構５２を備える。撮像部５１では、撮像素子５１１ａとして、中心軸Ｊ２を中心とする径方向に沿って１列に配列された複数の受光素子を有するラインセンサが利用され、基板９の測定面９１上における撮像素子５１１ａの撮像領域において、当該複数の受光素子の配列方向が中心軸Ｊ２を中心とする径方向に対応する。

撮像部回転機構５２は、撮像素子５１１ａを支持する棒状の支持部材５２６、側部に支持部材５２６が挿入される貫通穴を有するとともに中心軸Ｊ２を中心とする略円柱状の中心部材５２７、並びに、中心部材５２７に接続されて中心部材５２７および支持部材５２６を中心軸Ｊ２を中心として回転するモータ５２８を備える。支持部材５２６は、撮像素子５１１ａの中心軸Ｊ２からの距離が所定の距離となる位置にて、図示省略の係止部材により中心部材５２７に係止されており、支持部材５２６の撮像素子５１１ａとは反対側の端部には、中心部材５２７を中心として撮像素子５１１ａの重量とおよそ釣り合うカウンターウェイト５２６１が設けられている。

位置検出部５ａでは、撮像部回転機構５２のモータ５２８により、撮像素子５１１ａを支持部材５２６および中心部材５２７と共に回転することにより、撮像素子５１１ａの撮像領域が中心軸Ｊ２を中心として基板９のエッジ９２に沿って回転する。すなわち、撮像部回転機構５２は、第１の実施の形態と同様に、撮像部５１の撮像領域を中心軸Ｊ２を中心として基板９のエッジ９２に沿って回転する撮像領域回転機構となっている。

第２の実施の形態に係る膜厚測定装置では、制御部６の撮像制御部６１１（図３参照）により撮像部５１および撮像部回転機構５２が制御されることにより、基板９およびステージ２（図８のみに図示）が中心軸Ｊ２に対して固定された状態（すなわち、装置基台１１（図１参照）に対して固定された状態）において、撮像素子５１１ａが、連続的な撮像を行いつつ周方向に一回転し（すなわち、撮像素子５１１ａの撮像領域が周方向に１回転し）、基板９のエッジ９２が全長に亘って撮像される。そして、基板位置演算部６１２（図３参照）により、撮像素子５１１ａから出力された基板画像に基づいて、基板９の中心軸Ｊ２に対する相対位置（すなわち、装置基台１１に対する相対位置）が検出される。

これにより、第１の実施の形態と同様に、膜厚測定装置の基板の位置検出に係る構造の大型化を抑制することができるとともに高速かつ高精度な基板９の位置検出を実現することができる。また、撮像領域の回転が撮像部５１の撮像素子５１１ａの回転により行われることにより、位置検出部５ａの構造を簡素化することができる。さらに、エッジ９２の全長の画像に基づいて基板９の位置が検出されることにより、基板９の位置検出の精度がより向上される。

撮像部回転機構５２では、支持部材５２６を中心部材５２７に対して進退させることにより、中心軸Ｊ２を中心とする径方向における撮像素子５１１ａと中心軸Ｊ２との間の距離が可変とされる。このため、１つの撮像素子５１１ａにより、大きさ（すなわち、径）が異なる複数種類の基板のエッジを撮像してこれらの大きさの異なる基板の位置検出を容易に行うことができる。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る膜厚測定装置の位置検出部について説明する。図９および図１０はそれぞれ、第３の実施の形態に係る位置検出部の平面図および正面図である。第３の実施の形態に係る膜厚測定装置では、図２および図３に示す位置検出部５とは構造が異なる位置検出部５ｂが設けられる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であり、以下の説明において同符号を付す。

位置検出部５ｂでは、図９および図１０に示すように、撮像部５１ａが、第１の実施の形態と同様の２次元撮像素子である撮像素子５１１、および、基板９の測定面９１上の撮像領域からの光を撮像素子５１１へと導く撮像光学系５１２を備え、撮像光学系５１２は、ミラー５１３，５１４およびミラー５１３，５１４を保持するミラー保持部材５１５、並びに、ミラー５１３と撮像素子５１１との間に配置される像回転プリズム５１６、像回転プリズム５１６を中心軸Ｊ２を中心として回転するプリズム回転機構５１７を備える。

撮像素子５１１は、図示省略のフレームを介して装置基台１１（図１参照）に対して固定されており（すなわち、中心軸Ｊ２に対して固定されており）、撮像光学系５１２の像回転プリズム５１６、ミラー５１３，５１４を介して基板画像を取得する。撮像部５１ａでは、像回転プリズム５１６が中心軸Ｊ２を中心として回転することにより、像回転プリズム５１６を介して形成された基板９のエッジ９２の像が、像回転プリズム５１６の角速度の２倍の角速度にて回転する。

位置検出部５ｂは、また、図１０に示すように、撮像部５１ａのミラー５１３，５１４をミラー保持部５１５と共に中心軸Ｊ２を中心として回転するミラー回転機構５２ａを備え、ミラー回転機構５２ａは、ミラー保持部材５１５の（−Ｚ）側に接続されるモータ５２９を備える。位置検出部５ｂでは、モータ５２９によりミラー５１３，５１４が中心軸Ｊ２を中心として回転することにより、撮像部５１ａの撮像領域が、中心軸Ｊ２を中心として基板９のエッジ９２に沿って回転する。すなわち、ミラー回転機構５２ａは、撮像部５１ａの撮像領域を基板９のエッジ９２に沿って回転する撮像領域回転機構となっている。

撮像部５１ａでは、ミラー回転機構５２ａによるミラー５１３，５１４の回転と同期して、プリズム回転機構５１７により、像回転プリズム５１６がミラー５１３，５１４の角速度の１／２の角速度にてミラー５１３，５１４の回転方向と同方向に回転する。これにより、撮像素子５１１により取得される基板画像の向きを、ミラー５１３，５１４の回転位置にかかわらず一定とすることができる。換言すれば、撮像素子５１１による基板９上の撮像領域において、第１の実施の形態と同様に、撮像素子５１１の受光素子の一の配列方向に対応する方向が、中心軸Ｊ２を中心とする径方向に平行とされる。

第３の実施の形態に係る膜厚測定装置では、制御部６の撮像制御部６１１（図３参照）により撮像部５１ａ、ミラー回転機構５２ａおよびプリズム回転機構５１７が制御されることにより、基板９およびステージ２が中心軸Ｊ２に対して固定された状態（すなわち、装置基台１１（図１参照）に対して固定された状態）において、撮像光学系５１２が周方向に回転し（すなわち、撮像素子５１１の撮像領域が周方向に回転し）、第１の実施の形態と同様に、周方向の３つの撮像位置において基板画像が取得される。そして、基板位置演算部６１２（図３参照）により、第１の実施の形態と同様に、撮像素子５１１から出力された３つの基板画像に基づいて、基板９の中心軸Ｊ２に対する相対位置（すなわち、装置基台１１に対する相対位置）が検出される。

これにより、第１の実施の形態と同様に、膜厚測定装置の基板の位置検出に係る構造の大型化を抑制することができるとともに高速かつ高精度な基板９の位置検出を実現することができる。また、基板９上の撮像領域において、撮像素子５１１の受光素子の一の配列方向に対応する方向が径方向に平行とされることにより、各基板画像においてエッジ９２上の最遠点９４（図６参照）の座標値を容易に求めることができ、その結果、基板９の位置検出を容易とすることができる。

第３の実施の形態に係る膜厚測定装置では、特に、基板９上における撮像領域の回転が、撮像光学系５１２のミラー５１３，５１４を回転することにより行われるため、撮像素子５１１を固定して容易に配置することができる。その結果、複雑なカップリング等を用いることなく撮像素子５１１に対してる配線を容易に接続することができ、撮像素子５１１に係る構造を簡素化することができる。なお、本実施の形態では、撮像素子５１１は中心軸Ｊ２上に配置されているが、膜厚測定装置の他の構成の配置に合わせて、撮像素子５１１は中心軸Ｊ２から離れた位置に配置され、像回転プリズム５１６からの光を撮像素子５１１へと導く光学系が追加されてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

例えば、第３の実施の形態に係る膜厚測定装置では、周方向の４つ以上の撮像位置において取得された４つ以上の基板画像に基づいて基板９の位置検出が行われてもよい。また、撮像素子５１１による撮像を繰り返しつつ撮像光学系５１２のミラー５１３，５１４を周方向に１回転する（すなわち、撮像領域を周方向に１回転する）ことにより、基板９のエッジ９２が全長に亘って撮像され、エッジ９２の全長の画像に基づいて基板９の位置検出が行われてもよい。

第３の実施の形態に係る膜厚測定装置では、撮像素子５１１に代えて、第２の実施の形態と同様に１列に配列された複数の受光素子を有するラインセンサが設けられてもよい。この場合、ミラー５１３，５１４、並びに、像回転プリズム５１６が回転することにより、基板９上の撮像領域において複数の受光素子の配列方向が常に中心軸Ｊ２を中心とする径方向に対応し、ラインセンサによる連続的な撮像を行いつつミラー５１３，５１４が周方向に１回転する（すなわち、撮像領域を周方向に１回転する）ことにより、基板９のエッジ９２が全長に亘って撮像されて基板９の位置検出が高精度に行われる。

上記実施の形態に係る膜厚測定装置の位置検出装置（すなわち、装置基台１１、ステージ２、位置検出部５、撮像制御部６１１および基板位置演算部６１２）は、基板９の測定面９１の偏光解析に係る構成から独立して設けられてもよい。例えば、位置検出装置に隣接して位置検出装置のステージ２とは異なる他のステージ（以下、「エリプソ用ステージ」という。）が設けられ、エリプソ用ステージ上に載置された基板９に対して照明部３からの偏光光の照射、受光部４による反射光の受光、および、偏光解析による膜厚の算出が行われる。この場合、位置検出装置により基板９の位置および向きが検出され、基板９を位置検出装置からエリプソ用ステージへと搬送する搬送機構により、基板９の位置および向きに関するずれが調整されつつ基板９がエリプソ用ステージ上に載置される。

上記実施の形態に係る分光エリプソメータは、基板９の測定面９１に対する膜厚測定以外の様々な測定に利用されてもよい。また、上記実施の形態に係る位置検出装置（すなわち、装置基台１１、ステージ２、位置検出部５、撮像制御部６１１および基板位置演算部６１２）は、単波長の光を利用するエリプソメータや、基板に対する測定や処理を行う他の様々な装置に利用されてもよい。

第１の実施の形態に係る膜厚測定装置の構成を示す図である。 制御部の構成を示す図である。 制御部の機能を示すブロック図である。 位置検出部を示す平面図である。 位置検出部の一部を示す正面図である。 基板画像を示す図である。 第２の実施の形態に係る位置検出部を示す平面図である。 位置検出部の一部を示す正面図である。 第３の実施の形態に係る位置検出部を示す平面図である。 位置検出部を示す正面図である。

符号の説明

１ 分光エリプソメータ
２ ステージ
３ 照明部
４ 受光部
７ 膜厚演算部
９ 基板
１０ 膜厚測定装置
１１ 装置基台
２１ ステージ移動機構
５１，５１ａ 撮像部
５２ 撮像部回転機構
５２ａ ミラー回転機構
９０Ａ〜９０Ｃ 基板画像
９１ 測定面
９２ エッジ
９３ ノッチ
５１１，５１１ａ 撮像素子
５１２ 撮像光学系
５１７ プリズム回転機構
６１１ 撮像制御部
６１２ 基板位置演算部
６１３ 移動機構制御部
Ｊ２ 中心軸

Claims (11)

1. 基板の位置を検出する基板位置検出装置であって、
   装置基台と、
   前記装置基台上に設けられ、略円板状の基板を保持する基板保持部と、
   前記基板のエッジの一部を含む基板画像を取得する撮像部と、
   前記基板の位置が前記装置基台に対して固定された状態において、前記基板の主面に垂直であって前記装置基台に対して固定された所定の中心軸を中心として前記撮像部の撮像領域を前記エッジに沿って回転する撮像領域回転機構と、
   前記撮像部および前記撮像領域回転機構を制御することにより、前記中心軸を中心とする周方向における３以上の撮像位置において撮像を行って３以上の基板画像を出力する撮像制御部と、
   前記３以上の基板画像に基づいて、前記基板の前記主面に平行な方向における前記基板の前記装置基台に対する相対位置を求める基板位置演算部と、
   を備えることを特徴とする基板位置検出装置。
2. 請求項１に記載の基板位置検出装置であって、
   前記撮像領域回転機構が、撮像素子を有する前記撮像部を前記中心軸を中心として回転することにより、前記撮像領域を前記基板の前記エッジに沿って回転することを特徴とする基板位置検出装置。
3. 請求項１に記載の基板位置検出装置であって、
   前記撮像部が、
   前記中心軸に対して固定された撮像素子と、
   前記撮像領域からの光を前記撮像素子へと導く撮像光学系と、
   を備え、
   前記撮像領域回転機構が、前記撮像光学系を前記中心軸を中心として回転することにより、前記撮像領域を前記基板の前記エッジに沿って回転することを特徴とする基板位置検出装置。
4. 請求項２または３に記載の基板位置検出装置であって、
   前記撮像素子が、１列に配列された複数の受光素子を有するラインセンサであり、
   前記基板上の前記撮像領域において、前記複数の受光素子の配列方向が前記中心軸を中心とする径方向に対応し、
   前記撮像素子による連続的な撮像を行いつつ前記撮像領域が前記周方向に１回転することにより、前記基板の前記エッジが全長に亘って撮像されることを特徴とする基板位置検出装置。
5. 請求項２または３に記載の基板位置検出装置であって、
   前記撮像素子が、互いに垂直な２つの配列方向に沿って２次元に配列された複数の受光素子を有する２次元撮像素子であり、
   前記基板上の前記撮像領域において、前記複数の受光素子の一の配列方向に対応する方向が前記中心軸を中心とする径方向に平行とされることを特徴とする基板位置検出装置。
6. 請求項５に記載の基板位置検出装置であって、
   前記撮像素子による撮像を繰り返しつつ前記撮像領域が前記周方向に１回転することにより、前記基板の前記エッジが全長に亘って撮像されることを特徴とする基板位置検出装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の基板位置検出装置であって、
   前記３以上の基板画像のいずれかが、前記基板の前記エッジの一部に形成されたノッチを含む画像であることを特徴とする基板位置検出装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の基板位置検出装置であって、
   前記撮像領域回転機構において、前記中心軸を中心とする径方向における前記中心軸と前記撮像領域の中心との間の距離が可変とされることを特徴とする基板位置検出装置。
9. 基板の位置を調整する基板位置調整装置であって、
   請求項１ないし８のいずれかに記載の基板位置検出装置と、
   前記基板位置検出装置の前記基板保持部を前記基板の前記主面に平行であって互いに垂直な２方向に移動する保持部移動機構と、
   前記基板位置検出装置にて検出された前記基板の前記装置基台に対する相対位置に基づいて、前記保持部移動機構により前記基板の前記装置基台に対する相対位置を調整する移動機構制御部と、
   を備えることを特徴とする基板位置調整装置。
10. エリプソメータであって、
    請求項９に記載の基板位置調整装置と、
    前記基板位置調整装置の前記基板保持部に保持された基板へと偏光した光を導く照明部と、
    前記基板からの前記偏光した光の反射光を受光して前記反射光の偏光状態を取得する受光部と、
    を備えることを特徴とするエリプソメータ。
11. 基板上に形成された膜の厚さを測定する膜厚測定装置であって、
    請求項１０に記載のエリプソメータと、
    前記エリプソメータの前記受光部により取得された前記反射光の前記偏光状態に基づいて前記基板上の膜の厚さを求める膜厚演算部と、
    を備えることを特徴とする膜厚測定装置。

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