特許 6715872 基板形状計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6715872

(24)【登録日】2020年6月11日

(45)【発行日】2020年7月1日

(54)【発明の名称】基板形状計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20200622BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20200622BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/25 H

   H01L21/66 J

【請求項の数】4

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2018-28899(P2018-28899)

(22)【出願日】2018年2月21日

(65)【公開番号】特開2019-144129(P2019-144129A)

(43)【公開日】2019年8月29日

【審査請求日】2019年10月24日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】514105011

【氏名又は名称】株式会社東光高岳

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】特許業務法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石原 満宏

【審査官】 續山 浩二

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−００４０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０２５２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５８９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３０４５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９４００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１４２１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１４２３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３０７４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００１／０００８４４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００１２８２８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−１１３１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４５２８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

Ｈ０１Ｌ ２１／０２−２１／６６

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／９５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ウェーハをはじめとする大型の基板の形状を計測する装置であって、
直径１５０ｍｍよりも大きい視野を有し少なくとも５倍の縮小倍率を有する両側テレセントリックレンズ2台を前記基板の法線に対して第１の角度で対称に配置した正反射受光配置光学系と、
前記両側テレセントリックレンズの一方を通して縞パターンを前記基板に投影するための格子および照明ユニットと、
前記両側テレセントリックレンズの他方により前記基板に投影された縞パターンの像が形成される面上に像面を配置したカメラと、
前記カメラで得られた画像を解析して画素単位で前記基板の形状情報を計算した結果から前記基板の変形を求める画像解析装置と、
を備え、
前記格子は、
前記基板平面に合わせたアオリ配置となるよう、前記第１の角度と前記一方の両側テレセントリックレンズの倍率とに応じた第２の角度で前記一方の両側テレセントリックレンズの光軸に対して傾けて配置され、
前記カメラの像面は、
前記基板平面に合わせたアオリ配置となるよう、前記第１の角度と前記他方の両側テレセントリックレンズの倍率とに応じた第３の角度で前記他方の両側テレセントリックレンズの光軸に対して傾けて配置され、
前記基板を任意の温度に加熱あるいは冷却可能に保持する加熱炉を有する加熱器、
をさらに備え、
前記加熱器の前記加熱炉は、
前記正反射受光配置光学系の光路を妨げないように、前記正反射受光配置光学系側に開口が設けられ、
前記開口と前記正反射受光配置光学系との間に、前記開口と前記正反射受光配置光学系のそれぞれに対して離間して配置され、前記正反射受光配置光学系に前記加熱器からの熱が届くことを妨げる断熱機構、
をさらに備え、
前記断熱機構は、
前記正反射受光配置光学系に前記加熱器からの熱が届くことを妨げつつ前記正反射受光配置光学系の光路を妨げないように、互いに離間するように前記光路上に設けられた複数の光透過部材を有する、
基板形状計測装置。

【請求項2】

前記開口は、光を透過する部材が稠密に設けられる、または空間が空いたままとされる、
請求項１記載の基板形状計測装置。

【請求項3】

前記断熱機構は、
前記複数の光透過部材と、
前記複数の光透過部材の間に気体を流す機構と、
を有する、
請求項１または２に記載の基板形状計測装置。

【請求項4】

前記カメラの視野および前記基板に投影された縞パターンのエリアは、前記基板上の計測対象領域より大きい、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の基板形状計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体分野において使用されるウェーハをはじめとする大型の基板の変形、特に加熱あるいは冷却した場合の変形を計測する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

TSV（Through-Silicon Via）による三次元積層をWafer On Waferで行う場合、ウェーハ全体の反り（平面からの変形）は大きな問題となる。特に、はんだ接続のためにリフロー炉で加熱するため、熱による変形挙動を知ることはさらに重要であり、計測装置の実現が急務となっている。

【0003】

ウェーハをはじめとする半導体製品で使用される平面基板の反りは、三次元的な変形であり、いわゆる三次元計測が必要である。三次元計測の手法は数多く存在するが、大型の基板を計測する必要があることから高速性も必要であり三次元計測の中でも非接触計測法に限られる。

【0004】

平面の変形を計測するのに適した手法として市販装置に適用されている手法は、大きく分けて
（１）点計測器をXYに走査する方法
（２）干渉計測法
（３）モアレ計測法
の３つである。

【0005】

点計測器をXYに走査する方法は、点計測器である光学式あるいは静電容量式の変位計や、対象物の各点での面傾きを計測する角度計を、XYステージに搭載して走査することによって対象基板全面の三次元形状を計測（変形計測）する手法である。対象物がどんなに大きくても、点計測器自体の大きさは変える必要がないので、大型の基板計測装置としては小型に製作できる利点を有している。一方で、2次元的な走査が必要であることから他手法と比較すると大幅に計測時間がかかる欠点がある。

【0006】

リフロー時の熱による変形挙動を解析することを考えると、リフロー時の温度変化過程（温度プロファイル）の中の様々な温度で変形計測する必要があるが、一回の変形計測に時間がかかるとリフロー時の温度プロファイルが維持できなくなる（異なる温度プロファイルとなってしまう）ことから、この手法を採用することはできない。

【0007】

干渉計測法は、ウェーハの反りを高精度かつ高速に計測する手法として広く用いられている。干渉計測法では、計測対象平面以上のサイズのレンズや参照面を用いたフィゾー干渉計あるいは大型のアブラムソンプリズムを用いた斜入射干渉計が用いられる。しかし、基本的に光の波面（平面波）が対象物で反射したときの、波面の変形を計測する手法であることから、対象物表面が光の波面を維持して反射できるような平滑面（鏡面）である必要があり、汎用性に乏しい。ウェーハ計測においてもベアウェーハであれば計測できるが、パターン付きウェーハやウェーハの裏面計測には適していない。

【0008】

モアレ方式は、計測対象基板に近接して格子を配置し、上方からの撮像および斜め上方から照明を行い、計測対象物に投影された格子の影と格子とにより発生する幾何学的な干渉縞（モアレ縞）を解析して計測対象基板の変形を計測する手法である。通常は、中心投影方式の一般的な結像レンズを用いて実現されるため、視野（XY方向の計測範囲）を計測対象物のサイズに合わせて変えられる自由度を持ち、かつ比較的廉価に実現できる利点を有する。

【0009】

中心投影方式の一般的な結像レンズを使用する場合、視野の各点での光線の向きに違いが出ることから、計測対象物の表面が拡散面でない場合（通常拡散面ではない）均一な縞を得ることができない。従来、この問題を解消する手法として、計測対象物に塗装をして強制的に拡散面にすることで汎用性を確保する手法がある。

【0010】

この手法は、熱変形の計測装置としても広く利用されているが、やはり非破壊検査ではなく塗装が必要なこと、格子が計測対象物に近接してされるため格子方向からの加熱ができず計測対象物に温度ムラができること、格子が汚れやすいことなど問題点が多い。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】松岡他、「ウェーハの形状、平坦度測定装置」、神戸製鋼技報、７頁、Vol.59、No.2（２００９）

【非特許文献2】秋山他、「大口径ウェハ平坦度測定技術」、精密工学会誌、768頁、Vol.73、No.7（２００７）

【非特許文献3】Wang他、「On-Line Measurement of Thermally Induced Warpage of BGAs with High Sensitivity Shadow Moire」、International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging、191頁、Vol.21、No.2（１９９８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

上記のように従来技術はそれぞれ、計測時間がかかる、粗面が計測できない、塗装が必要などの致命的な問題点を有している。

【0013】

本発明は、これらの問題を持たない基板形状計測装置を提供することを目的とする。すなわち、ウェーハを含む大型の基板に対し、リフロー温度プロファイルに影響を与えない計測速度を有し、基板が粗面であっても鏡面であっても塗装をすることなく計測可能な基板形状計測装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る基板形状計測装置は、両側テレセントリックレンズ2台を基板法線に対して対称角度で配置した正反射受光配置光学系と、前記両側テレセントリックレンズの一方を通して縞パターンを基板に投影するための格子および照明ユニットと、前記他方の両側テレセントリックレンズを通して基板の縞パターンの像を受光するカメラと、そのカメラで得られた画像を解析して変形を求める画像解析装置とで構成し、前記格子およびカメラは基板平面に合わせたアオリ配置とした。

【0015】

また、基板形状計測装置は、計測対象基板を任意の温度に加熱あるいは冷却でき、その基板の法線方向には前記正反射受光配置光学系の光路を妨げないように、空間が空いているあるいはガラス等による透明窓を有する加熱器を備えてもよい。

【0016】

さらに、基板形状計測装置は、少なくとも２枚の透明板とその間に気体を流す機構を有し、前記加熱器と前記正反射受光配置光学系との間に配置され、前記正反射受光配置光学系に前記加熱器からの熱が届くことを妨げる断熱機構を備えてもよい。

【0017】

また、前記カメラの視野および計測対象基板に投影された縞パターンのエリアは、好ましくは、その基板上の計測対象領域より大きい。

【発明の効果】

【0018】

以上のように構成することで、リフロー温度プロファイルに影響を与えない計測速度を有し、基板が粗面であっても鏡面であっても塗装をすることなく基板形状を計測可能な基板形状計測装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施例を示した図。

【図2】本発明の加熱器の一例を示した図。

【図3】本発明の断熱機構の一例を示した図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。

【0021】

まず、本発明を具現化した実施形態の例を、図１〜図３を参照して説明する。

【0022】

本発明の一実施形態に係る基板形状計測装置は、基板の変形を計測する三次元計測器１００と、基板を加熱する加熱器２００と、加熱器２００からの熱が三次元計測器１００に届くのを妨げる断熱機構３００から構成される。それぞれについて以下に説明する。

【0023】

三次元計測器１００は、計測対象の基板１０１の像を得るための両側テレセントリックな撮像レンズ１０２と、その撮像レンズ１０２によって得られる像を電気信号化するカメラ１０３と、カメラ１０３からの画像を保存し、デジタル的に解析して基板１０１の変形を演算する画像解析装置１０４と、基板１０１に対し縞パターンを投影する両側テレセントリックな投影レンズ１０５と、縞パターンの原板となる格子１０６と、縞パターンの位相を変化させるための位相シフト機構１０７と、格子１０６を照明する照明ユニット１０８とから構成される。

【0024】

ここで、投影レンズ１０５と撮像レンズ１０２は、基板１０１の法線に対して角度的に対称に配置される。これは照明光が基板１０１でスネルの法則に基づき反射する、いわゆる正反射光を受光する光学配置を意味している。

【0025】

投影レンズ１０５と撮像レンズ１０２はどちらもテレセントリックレンズである。このため、基板１０１に投影される光線も、撮像レンズ１０２が受光する光線も、その主光線は視野全域にわたって光軸に平行である。したがって、撮像レンズ１０２は、視野全域にわたって正反射光を受光できる。そのため、基板１０１がたとえ鏡面であったとしても、特別な塗装を施すことなく、視野全域にわたって一様に受光可能である。もちろん、基板１０１が拡散面であっても、視野全域にわたって一様に受光できる。

【0026】

一方、従来技術のモアレ方式は、投影レンズも撮像レンズもどちらもテレセントリックではない一般的な中心投影型のレンズであり、かつ、そもそも基板１０１の法線に対して角度的に対称な配置ではないつまり正反射受光配置ではないことから、正反射光を受光することができない。仮に、正反射受光配置となっていたとしても、中心投影型レンズでは、光線の角度が一様ではなくレンズを通過する位置に応じて異なることから、視野全域にわたって正反射光を受光することはできない。

【0027】

このため、従来技術のモアレ方式では、基板１０１が完全拡散面でない場合には、視野全域での一様な受光ができない。基板１０１を強制的に完全拡散面とするために塗装が必要となる理由がここにある。本発明では、正反射光も拡散光もどちらも受光可能で、光線の条件が視野全域に一様であることから塗装の必要はない。

【0028】

このような正反射受光配置の光学系とした場合、図１からもわかるように撮像レンズ１０２から基板１０１までの距離は視野内で一様とはならない。投影レンズ１０５も同様である。テレセントリックレンズであることからレンズから対象物までの距離が変化しても結像倍率は変わらない。つまり画像が歪むことはない。しかしながら、距離が変化すれば結像位置（焦点位置）は変わってしまう。

【0029】

結像位置が変わってしまうことに対する対策としてカメラ１０３の像面（受光素子配置面）および格子１０６をアオリ配置とする。つまりレンズ光軸に対して傾けて配置する。カメラ１０３の像面を傾けて配置することで、カメラ１０３は基板１０１が視野内ですべて焦点が合った画像を得ることができる。縞パターンも同様である。

【0030】

カメラ１０３の像面あるいは格子１０６をレンズ光軸に対して傾けて配置する場合、もし撮像レンズ１０２あるいは投影レンズ１０５が物体側のみテレセントリックであった場合は、結像倍率が一様とならない。歪んだ画像が得られることになってしまう。そのため、両側がテレセントリックであることが撮像レンズ１０２および投影レンズ１０５にとって必須である。

【0031】

両側テレセントリックレンズにおいて、物体面の傾き角度θ（光軸と直交する面と物体面のなす角、基板の法線と光軸とのなす角（入反射角））と像面の傾きθ´とは、レンズの倍率をMとして数１のような単純な関係がある。この式に従って、カメラ１０３の像面および格子１０６の傾きを決定すればよい。

【0032】

［数１］
tanθ´= M・tanθ

【0033】

ここでは、正反射受光配置として基板１０１の法線に対して角度的に対称に配置する場合の例について説明するが、これは厳密な角度を意味しない。投影レンズ１０５も撮像レンズ１０２もどちらもゼロではないNA（開口数）を有することから、厳密に対称配置となっていなくても正反射光の受光は可能である。逆に基板１０１の品種が限られているのであれば、正反射成分を若干弱めるような配置の方がより良い画像を得ることができる場合もありうる。対称配置から大きく外れておらず、正反射光の受光が可能な位置関係であれば本発明の範疇である。

【0034】

本発明の光学系においてもう一つ重要な点は、視野サイズが基板１０１上の計測対象領域より大きいということである。例えば、基板１０１が１２インチウェーハであり、ウェーハ全面の反りを計測したい場合、視野サイズは１２インチウェーハ全面が少なくとも入るように構成するという点である。

【0035】

熱変形計測において、リフロー時の熱変形挙動を正しく計測するために、加熱の温度プロファイルを乱すことなく計測することが重要であることはすでに述べた。これは、計測のために特別な時間を設けることができないということであり、非常に短時間で計測できることが必要となる。瞬時あるいは、せいぜい数秒以内での計測が必要である。

【0036】

これを達成するためには、計測対象領域を複数に分けて計測するよりも、一視野で計測することが好ましい。そのため、例えば基板１０１が１２インチウェーハであると仮定すれば、テレセントリックレンズは視野より大きい口径のレンズが必要であるから、１２インチを超える径の大型の投影レンズ１０５および撮像レンズ１０２が必要となる。

【0037】

最近のCCDやCMOSのような固体撮像カメラの素子サイズは対角で数mmから数十mm程度である。12インチ(300mm)の視野を考えると倍率としては1/10倍レベルとなる。レンズ光軸と基板１０１との法線とのなす角度θが30度であるとすると、式１のθが30度でありM=1/10でθ´はたったの3.3度である。カメラ１０３の像面を大きく傾けると光の画素への入射角が傾くわけなので画素サイズが実質的に減るあるいは画素への光の入射効率が著しく悪化するなど問題点が多い。しかし、本実施形態に係る基板形状計測装置のように大視野高縮小倍率のレンズであれば、（さらに像側テレセントリックであれば）このような問題から免れることができる。

【0038】

ここでは、一視野だけで計測することに絞っているが、これは本発明にとって必須ではない。例えば2視野で計測できるような対象であれば、瞬時の計測は不可能であっても数秒以内の計測は不可能ではない。本発明にとって広視野すなわち高縮小倍率であることは必要であるが、必ずしも一視野である必要はない。

【0039】

画像解析装置１０４は、たとえばパーソナルコンピュータやワークステーションなどにより構成され、カメラ１０３からの画像を保存する記憶媒体と、画像をデジタル的に解析して演算により基板１０１の形状を計測するプロセッサとを少なくとも備える。計測は、いわゆる格子パターン投影法といわれる手法で計測される。縞を対象物に投影し、投影した方向とは別の方向から観察すると、対象物の起伏に応じて縞が歪んで観測される。この歪みに対象物の起伏情報が含まれていることから、演算により対象物の三次元形状情報を得ることができる。

【0040】

縞の歪み情報から三次元形状情報を演算する手法は各種提案されており、適切なものを選んで演算すればよい。縞解析の手法に関する文献としては、武田、「サブフリンジ干渉計測基礎論」、光学、55頁、Vol.13（１９８４）などが挙げられる。

【0041】

例えば汎用性・信頼性の高い演算手法として位相シフト法がある。格子１０６を格子周期の数分の１ずつ複数回ずらして（すなわち位相シフトして）3枚以上の縞の位相がずれた画像を得ることで、カメラ１０３の画素ごとに縞の初期位相を求めることができ、初期位相とレンズ配置の幾何学的な関係から三次元形状情報を求めることができる。

【0042】

格子１０６を位相シフトする機構である位相シフト機構１０７も様々な機構を考えることができる。一軸の移動機構（直動機構）によって格子を直接移動させることが一般的であるが、格子を透過型あるいは反射型の液晶ディスプレー素子を用いて構成し、表示をシフトさせることで機械的に移動させることなく位相シフトを実現できる手法もある。液晶素子の代わりにデジタルミラーデバイスのようなMEMSディスプレー素子を用いることも考えられる。

【0043】

ディスプレー素子を用いて縞パターン投影を実施する場合には、格子の周期も自由に変えることができることから、複数の周期の異なる縞パターンを投影することで、高さ方向の計測範囲を大きく広げることも可能である。

【0044】

位相シフト法のように時間的に取得タイミングの異なる複数枚の画像を使用すると、計測対象物が動いている場合、例えば熱で急激に基板１０１の形状変化が起こっている場合には正しい結果が得られない可能性がある。このような場合のためにより瞬時的に計測できる、つまり1枚の縞画像から三次元形状が演算できる手法も数多く提案されている。代表的な手法としてフーリエ変換法がある。フーリエ変換法の文献としては、Takeda他、「Fourier transform profilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes」、Appl. Opt.、3977頁、Vol.22，（１９８３）などが挙げられる。

【0045】

フーリエ変換法によれば、一枚の画像から位相シフト法と同様にすべての画素において初期位相を求めることができ三次元形状が演算できる。XY方向の実質的な分解能は位相シフト法に劣ることになるが、非常にロバストで高精度な計測が可能である。データの取得時間は瞬時であり、熱変形の時間解析に向いているといえる。

【0046】

以上が、本発明における三次元計測器１００の実施例である。ここでは、三次元計測器１００を一セットだけしか使用していないが、例えば二セット用いてそれぞれをX方向Y方向に配置することでより信頼性の高い計測が可能となる。このような場合も本発明の範疇である。

【0047】

基板形状計測装置は、三次元計測器１００に加え、図１に示すような加熱器２００および断熱機構３００をさらに備えると、基板の熱変形を計測することができるため、より好ましい。そこで、次に、加熱器２００について述べる。加熱器２００は、基板１０１を均一に任意の温度に加熱するための装置である。加熱炉２０１とそれを制御する温度制御装置２０２から構成される。例えば、温度制御装置２０２と画像解析装置１０４とが通信を行い、同期をとることで、基板１０１の温度が１０度変わる毎に基板１０１の変形を計測するというような自動計測の実現も可能である。

【0048】

基板１０１を加熱する手法は、伝熱の三態のどれを利用するかにより大きく分ければ３種類が考えられる。熱伝導で加熱するホットプレートを使う方法、あるいは赤外線ランプにより熱輻射を利用して加熱する方法、さらに空気を加熱して基板１０１に吹き付ける対流熱伝達による方法の３つである。

【0049】

熱輻射による方法は、基板１０１がウェーハのような金属である場合、金属反射により直接的には加熱ができない（間接的には、黒塗りのプレートを熱輻射で加熱し、そのプレートとウェーハを接触させて熱伝導させることが可能。これは熱伝導による手法に含める）。

【0050】

また、熱伝導による方法は、加熱により基板１０１が反ってきたときにホットプレートと接触している部分と、反って離れた部分とで温度差ができ、その温度差により変形が発生する問題が考えられる。

【0051】

本発明は、加熱方法を限定しないが、対流熱伝達による加熱が最も優れていると考えられる。リフロー炉も対流熱伝達による加熱であることから、よりよいシミュレーションとなるという意味でも対流熱伝達が優れている。ここでは、対流熱伝達による加熱を実施例として図２を用いて解説する。

【0052】

加熱炉２０１は、加熱対象物を置く空間を断熱材２０３が覆っている構造となっている。上面は三次元計測器１００が計測できるように、三次元計測器１００の光学系の光路を妨げないように、三次元計測器１００側に開口が設けられる。開口には、光を透過する部材を配置するとよい。三次元計測器１００が光透過部材を透過した光を用いて基板１０１を計測することから、照明光および結像光波面に収差が発生しないように、光透過部材は高い透過波面精度を有している必要がある。また、光透過部材を通して放熱することをできるだけ防ぐために、断熱対策として複数枚の光透過部材を用いて、内部に空気等のガスあるいは真空空間を設けるように構成するとよい。図２には、光透過部材として、ニ枚の平行平板型の透明ガラス２０４を互いに平行かつ離間するように、開口に稠密に設け、その離間した空間を空気とする場合の例を示した。

【0053】

加熱炉２０１は、工場エアーを取り込んで、そのエアーがコイルヒータ２０５内を通過する時に温度制御装置２０２で制御される温度に昇温され、その熱風が炉内に送り込まれる。炉内を流れた熱風は排気口２０６から排気ダクト２０７を通して工場外部に放出される。

【0054】

炉内の空間温度は温度計２０８にてモニタリングされており、温度計２０８からの温度情報を温度制御装置２０２にフィードバックすることで正確な炉内温度制御が可能となる。

【0055】

ここでは、対流熱伝達による加熱のため加熱炉２０１の上部部分（三次元計測器１００側の部分）の開口に透明ガラス２０４が稠密に設けられる場合の例について説明したが、空気の流れを制御する必要がないホットプレート加熱や赤外線ランプ加熱の場合は必ずしも透明ガラス２０４は必要ではない。開口は、三次元計測器１００の計測光線が通過できればよく、たとえば透明ガラス２０４なしで空間が空いたままとされてもよい。

【0056】

次に、断熱機構３００について説明する。加熱器２００は、上面に透明ガラス２０４がない場合はもちろんのこと、透明ガラス２０４があるとしても透明ガラス２０４の温度上昇に伴い透明ガラス２０４周辺の空気が温められ、上昇し対流を形成して三次元計測器１００に伝熱する。また、対流以外にも加熱された基板１０１あるいは温められた透明ガラス２０４から輻射熱が発せられ三次元計測器１００に伝熱してしまう。

【0057】

三次元計測器１００は、精密光学系から構成されているため、加熱されると色々な形で誤差を発生する。例えば、投影レンズ１０５もしくは撮像レンズ１０２はそれぞれ多数枚の単レンズから構成されているが、温度が変化すると熱膨張により単レンズ間の距離や、単レンズそのものの曲率や厚さが変化し、結像性能が変化してしまう。カメラ１０３は熱によりノイズが多くなるという問題もある。

【0058】

さらに、空気の屈折率は温度によって変化することから前記上昇対流により空間の温度一様性が乱されると、屈折率が一様でなくなりいわゆる揺らぎが発生し、計測誤差が大きくなる。これらの問題に対処するために、断熱機構３００を設けることが好ましい。以下では図３を主に参照して断熱機構３００について説明する。

【0059】

対流による揺らぎは、対流する空間の距離が大きいほど影響が大きい。そのため、対流できる距離を制限することが有効である。そこで、できるだけ加熱器２００上面に近い位置で、対流を遮る障壁３０１を設ける。三次元計測器１００が計測できる必要があるので、障壁３０１のうち、三次元計測器１００の光束が通過する部分は１または複数の光を透過する部材を用いて構成する。図３には、障壁３０１の一部を構成する光透過部材として、ガラスのような透明体３０２、３０３を用いる場合の例を示した。

【0060】

障壁３０１は、対流により加熱されるため三次元計測器１００の光学系に伝熱しないように断熱する必要が生じる。透明体３０２，３０３ではない部分は、例えば熱伝導の良い銅などの材料で障壁３０１を構成し、障壁３０１内部に冷水を流すことで材料内を熱が下から上に伝導する途中で熱を奪い取り、障壁３０１上面に熱が伝熱しないようにすることができる。奪い取った熱はチラー３０４を用いて放熱し、再度冷水を生成して循環させるようにするとよい。

【0061】

光透過部材の部分は冷水を使うことができないので、光透過部材を互いに離間するように設けられた複数枚構成、たとえば図１、図３に示すような透明体３０２、３０３の上下二枚構成とし、その間にエアーを流すようにする。下の透明体３０２は加熱され温度上昇するが、常温のエアーが常にながれることで上の透明体３０３に熱伝達することを妨げることができ、上の透明体３０３は温度上昇を免れる。

【0062】

熱輻射の対策としては、加熱器２００側の透明体３０２に対象となる放射光を反射させるように薄膜を施すことも考えられるが、２００〜３００℃程度の物体から射出される放射光のピーク波長は５〜６μm程度であり、通常のガラス材料をこの波長は透過できないことから、特に対策する必要はないと考えられる。

【0063】

以上説明した実施形態に係る基板形状計測装置の三次元計測器１００によれば、基板が粗面であっても鏡面であっても塗装をすることなく、非常に高速に基板形状を計測することができる。また、基板形状計測装置が加熱器２００および断熱機構３００を有する場合は、さらに、リフロー温度プロファイル通りに対象となる基板１０１を加熱することができ、その加熱の影響が三次元計測器１００に影響せず、かつそのリフロー温度プロファイルに影響を与えない計測速度で熱変形計測が可能で、基板１０１が粗面であっても鏡面であっても塗装をする必要がない基板形状計測装置が実現できる。

【産業上の利用可能性】

【0064】

本発明は、製造過程で加熱が必要となる基板が数多く存在する半導体産業において、基板開発時の試験あるいは出荷時の試験で特に大きな需要があるものと考えられる。

【符号の説明】

【0065】

１００ 三次元計測器
１０１ 基板
１０２ 撮像レンズ
１０３ カメラ
１０４ 画像解析装置
１０５ 投影レンズ
１０６ 格子
１０７ 位相シフト機構
１０８ 照明ユニット
２００ 加熱器
２０１ 加熱炉
２０２ 温度制御装置
２０３ 断熱材
２０４ 透明ガラス
２０５ コイルヒータ
２０６ 排気口
２０７ 排気ダクト
２０８ 温度計
３００ 断熱機構
３０１ 障壁
３０２、３０３ 透明体
３０４ チラー

【図1】

【図2】

【図3】