DE19980579B4

DE19980579B4 - Optisches Gerät zum Messen von Profilen von Wafern

Info

Publication number: DE19980579B4
Application number: DE19980579T
Authority: DE
Inventors: Kohzo Abe; Nobuaki Iguchi
Original assignee: Kuroda Precision Industries Ltd
Current assignee: Kuroda Precision Industries Ltd
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2019-02-06
Also published as: DE19980579T1; JPH11260873A; WO1999046814A1; JP2963890B2; US6504615B1

Abstract

Optisches Gerät zum Bestimmen der tatsächlichen Form eines Wafers (1), umfassend:
ein Halteelement, das den Wafer (1) an seinem Rand vertikal abstützt,
ein Paar von optischen Elementen (15, 25, 34, 44), die jeweils einer Rückseitenoberfläche und einer Hauptoberfläche des Wafers (1) gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jedes der optischen Elemente (15, 25, 34, 44) eine Bezugsebene hat,
ein Paar von Lichtemittern, die jeweils ein Paar von Lichtstrahlen (12, 22) an das Paar von optischen Elementen (15, 25, 34, 44) ausgeben, wobei die Lichtstrahlen (12, 22) teilweise an der Rückseitenoberfläche und der Hauptoberfläche des Wafers (1) reflektieren, um ein Paar ersten reflektierten Lichts zu bilden, und wobei die Lichtstrahlen (12, 22) teilweise an den Bezugsebenen der optischen Elemente (15, 25, 34, 44) reflektieren, um ein Paar zweiten reflektierten Lichts zu bilden,
ein Paar von Lichtdetektoren (16, 26), welches das erste reflektierte Licht und das zweite reflektierte Licht detektiert,...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Gerät, welches eine Hochgeschwindigkeitsmessung einer tatsächlichen Form eines Wafers bzw. einer Halbleiterscheibe zur Detektion einer Ebenheit, einer Dicke und der Profile von beiden Oberflächen ermöglicht.
Eine Änderung in der Ebenheit oder der Dicke eines Wafers wurde bis dato entweder mit einem optischen Verfahren unter Verwendung von Interferenzstreifen oder durch ein physikalisches Verfahren unter Verwendung von Verlagerungssensoren, welche beide Oberflächen des Wafers abtasten bzw. scannen, durchgeführt.
In dem konventionellen optischen Verfahren wird eine Dickenänderung aus Interferenzstreifen berechnet, welche zwischen einer Bezugs- bzw. Referenzebene einer optischen Linse und einer Oberfläche eines Wafers auftreten. Das Verfahren ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsmessung, wo bei es jedoch notwendigerweise ein Vakuumspannfutter zum Anziehen einer Rückseite eines Wafers verwendet. Wenn der Wafer an ein Vakuumspannfutter mit schlechter Ebenheit angezogen wird, wird der Wafer oft selbst verformt. Die schlechte bzw. minderwertige Ebenheit des Vakuumspannfutters ist wahrscheinlich mitumfaßt, wenn ein Fehler in der Messung resultiert, sodaß die Dickenänderung des Wafers nicht mit hoher Zuverlässigkeit detektiert werden kann. Es besteht weiters der Nachteil, daß Aufspannrisse bzw. -fehler dazu neigen, auf der Rückseite gebildet zu werden, da der Wafer in direktem Kontakt mit dem Vakuumspannfutter gehalten wird.
Eine Verwendung von Interferenzstreifen, die aus von beiden Oberflächen eines Wafers reflektierten Lichtstrahlen abgeleitet sind, zur Detektion einer Dickenänderung ist in der JP 01 143 906 A offenbart. In diesem Verfahren werden von einer Lichtquelle emittierte Lichtstrahlen in übertragene bzw. durchgelassene und reflektierte Strahlen durch einen Strahlenteiler gesplittet bzw. aufgespalten, an beiden Oberflächen eines Wafers reflektiert und dann Lichtdetektoren eingegeben. Optische Interferenzstreifen treten in Übereinstimmung mit einer Differenz in einem optischen Weg zwischen den übertragenen und reflektierten Strahlen auf.
Andererseits wird in dem Verlagerungssensoren verwendenden physikalischen Verfahren eine Abweichung in der Dicke eines Wafers auf der Basis von Positionssignalen, die durch auf beiden Oberflächen des Wafers vorgesehene Kapazitätstyp- bzw. Kondensatortyp-Verlagerungssensoren detektiert werden, berechnet und eine Dickenänderung des Wafers wird berechnet, indem seine Rückseitenoberfläche als eine ideal ebene Fläche betrachtet wird. Die JP 05 077 179 B2 offenbart beispielsweise das Vorsehen von Verlage rungssensoren an Positionen die zu beiden Oberflächen eines Wafers schauen, um Abweichungssignale von jedem Teil des Wafers durch Drehen des Wafers zu erhalten.
Das Verlagerungssensoren verwendende physikalische Verfahren wurde üblicherweise bis dato zum Detektieren einer Dickenänderung eines Wafers verwendet, da eine Messung mit einer hohen Reproduzierbarkeit, ohne durch ein Vakuumspannfutter bewirkte Defekte, erfolgt. Jedoch wird der Wafer notwendigerweise zum Abtasten aufgrund einer kleinen Sonde des Verlagerungssensors rotiert, so daß es lange Zeit dauert, um eine gesamte Oberfläche des Wafers abzutasten.
Wenn ein an ein Vakuumspannfutter angezogener Oberflächenbereich des Wafers abzutasten ist, wird der Wafer neuerlich gehalten und dann wird die Bewegung der Sensoren in einen Schwingmodus zum Abtasten des verbliebenen Oberflächenbereichs geändert, welcher an das Vakuumspannfutter angezogen war, wie dies in der JP 05 077 179 B2 offenbart ist. Das neuerliche Halten verlängert insgesamt eine Meßdauer und erfordert schwierige Arbeiten.
Da der Wafer während des Messens rotiert wird, kommen beide Oberflächen des Wafers in Kontakt mit einer großen Luftmenge. Ein derartiger Kontakt bedeutet ein Aussetzen des Wafers an ein Anhaften von Teilchen, die in der Luft suspendiert sind. Es werden auch Teilchen von dem Vakuumspannfutter an die Rückseite das Wafers transferiert. Ein Anhaften von Teilchen beeinflußt die Meßergebnisse oft nachteilig.
Wenn ein Wafer mit einem Verlagerungssensor abgetastet wird, wird ein Umfangsbereich des Wafers nicht dem. Abtasten unterworfen, um ein Einbeziehen von Rand- bzw. Kanteneffekten in detektierte Signale zu vermeiden. In diesem Hinblick wurde der Umfangsbereich des Wafers als eine nicht-meßbare Zone betrachtet, was in einer Verringerung eines für eine Messung einer Dickenänderung anwendbaren Oberflächenbereichs resultiert.
Für eine Messung wird ein Wafer horizontal durch Anziehen seines rückwärtigen Zentrums an das Vakuumspannfutter gehalten. Aufgrund dieser Halteelemente sind Meßergebnisse möglicherweise durch die Schwerkraft als eine Vergrößerung des Wafers in seiner Größe beeinflußt. Eine Deformation des Wafers an seinem Umfang ist häufig als ein Fehler in Meßergebnissen enthalten.
Defekte, die durch ein Halten eines Wafers mit einem Vakuumspannfutter bewirkt werden, sind in einem optischen Verfahren zum Messen einer Dickenänderung eines Wafers eliminiert, der in einem derartigen Zustand gehalten wird, daß er frei von einer Haltekraft ist, wie dies in der JP 01 143 906 A offenbart ist. Gemäß diesem Verfahren, wird eine Messung einfach in einer kurzen Zeit durchgeführt, da eine Dickenänderung aus Interferenzstreifen berechnet wird, welche zwischen durchgelassenen und reflektierten Lichtstrahlen auftreten, die auf beiden Oberflächen des Wafers reflektiert werden. Obwohl die Dickenänderung lediglich aus den Interferenzstreifen beurteilt wird, können eine Wellung oder Neigung des Wafers, welche nicht von einer Dickenänderung begleitet sind, nicht detektiert werden. Zusätzlich sind Beeinflussungen durch in der Luft schwebende Teilchen, das Positionieren eines Wafers, die Zusammenbaugenauigkeit von verschiedenen Elementen zu einer Meßeinrichtung usw. wahrscheinlich als Fehler in Meßergebnissen aufgrund des langen Lichtweges inkorporiert, der notwendigerweise für ein Auftreten von Interferenzstreifen eingerichtet ist.
Um die obigen Probleme zu lösen, haben die Erfinder ein optisches Gerät zum Detektieren von Profilen eines Wafers aus zwei Sätzen bzw. Gruppen von Interferenzstreifen vorgeschlagen, welche zwischen optisch flachen bzw. ebenen Linsen und beiden Oberflächen eines Wafers auftreten, wie dies in der JP-A 11-2512 vorgeschlagen ist. In diesem Gerät ist ein Paar von optischen Meßsystemen an Positionen, die zu beiden Oberflächen eines vertikal angeordneten bzw. abgestützten Wafers schauen bzw. gerichtet sind, angeordnet. Das Gerät erlaubt eine Hochgeschwindigkeitsmessung und genaue Messung einer Dickenänderung ebenso wie von Profilen von beiden Oberflächen eines Wafers, sowohl ohne das Anhaften von Teilchen als auch ohne Ausbildung von Fehlern bzw. Sprüngen.
Ein Paar von flachen bzw. ebenen Linsen, welche jeweils zu einer Haupt- bzw. Rückseitenoberfläche eines Wafers schauen, muss in einem zueinander perfekt parallelen Zustand angeordnet sein, um Interferenzstreifen zu produzieren, welche genaue Profile von beiden Oberflächen des Wafers darstellen. Jedoch tendiert die Parallelität dazu, durch Schwankungen in der Raumtemperatur, Deformation der Linsenabstützelemente über die Zeit usw. beeinflusst zu sein.
Eine schlechte bzw. unzureichende Parallelität ist ungünstigerweise als ein Fehler in die Berechnung einer Dickenänderung einbezogen, was in einem Fehlen von Zuverlässigkeit der gemessenen Daten resultiert. Wenn der Einfluss der schlechten bzw. unzureichenden Parallelität eliminiert ist, kann das optische Messgerät zum Messen einer Dickenänderung und von Profilen von beiden Oberflächen eines Wafers mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit herangezogen werden.
US 4 860 229 A beschreibt eine automatische Wafer-Ebenheit-Station, welche ein Ebenheitsprofil eines Halbleiterwafers oder einer anderen Probe aus Dickedaten bestimmen kann. Die Probe, von welcher ein Ebenheitsprofil aufgenommen werden soll, ist derartig gelagert, dass sie ihre natürliche Form beibehält. Ein Prozessor, welcher an einen kapazitiven Dickentastkopf und an das Trägermedium gekoppelt ist, arbeitet, um nacheinander jeden einer Vielzahl von vorausgewählten Punkten der Probe in die Nähe des kapazitiven Dickentastkopfes zu bringen, um die Dicke der Probe an dem entsprechenden Punkt zu messen. Ein A/D-Konverter konvertiert die Dickenmessung in Daten, die in einer Datentabelle im Systemspeicher gespeichert werden. Der Prozessor arbeitet, nachdem die Datentabelle für jede Probe kompiliert wird, um das Ebenheitsprofil von einer Oberfläche relativ zu einer wählbaren Oberfläche zu berechnen.
JP 01 143 906 A beschreibt ein Messinstrument, um die Parallelität zwischen vorderen und hinteren Oberflächen einer opaken Platte genau und schnell zu messen. Ein paralleler Lichtstrahl wird in einen reflektierten Lichtstrahl und einen transmittierten Lichtstrahl durch einen Strahlteiler aufgespalten. Reflektionsspiegel M₁ und M₂ sind auf optischen Pfaden L₁ und L₂ der Teile der Lichtstrahlen i₁ und i₂ vorgesehen und es wird durch Winkeleinstellvorrichtungen bewirkt, dass die optischen Pfade L₃ und L₄ nach einer Reflexion zusammenfallen. Daher erreichen zwei Teile eines Lichtstrahls im Uhrzeigersinn und eines dazu entgegengesetzten eine Photodetektiervorrichtung phasengleich und es gibt keine Interferenzstreifen in einem Sichtfeld. Ob Interferenzstreifen auftreten oder nicht, hängt davon ab, ob die obere und rückwärtige Oberfläche der Probe parallel zueinander sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung des optischen Gerätes, das in der früheren Patentanmeldung ( JP 11 002 512 A ) eine Hochgeschwindigkeitsmessung und präzise Messung von Wafern vorgeschlagen wurde.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochgeschwindigkeitsmessung und genaue Messung einer tatsächlichen Form eines Wafers umfassend eine Dickenänderung und Profile auf beiden Oberflächen zur Verfügung zu stellen, wobei eine tatsächliche Form eines Wafers mit hoher Genauigkeit bestimmt wird, selbst wenn optische Elemente nicht zueinander parallel angeordnet sind. Das Ziel wird erreicht durch Berechnung von Profildaten, die beide Oberflächen des Wafers repräsentieren, die durch ein optisches Messgerät nach Rücküberprüfung bzw. unter Berücksichtigung von aktuell durch einen Verlagerungssensor, der an mehreren Punkten des Wafers zur Verfügung gestellt ist, detektierten Dickenwerten erhalten werden. Das neu zur Verfügung gestellte Verfahren vermeidet effizient Fehler, die aus einer schlechten Parallelität zwischen Lichtwegen von zwei optischen Meßsystemen abgeleitet sind, aufgrund der Konsultation von aktuell detektierten Dickenwerten.
Die Aufgabe wird durch ein optisches Gerät mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Ein bevorzugtes optisches Gerät zum Bestimmen der tatsächlichen Form eines Wafers umfasst ein Paar von optischen Meßsystemen, welche an Positionen gegenüberliegend den beiden Oberflächen eines Wafers angeordnet sind, einen Wafer, welcher vertikal an seiner Kante zum Herstellen von Interferenzstreifen, welche eine Ebenheit der beiden Oberflächen repräsentieren, gelagert ist, und eine Dickenmesseinrichtung, welche an einem Umfang des Wafers zum Detektieren der Dicke des Wafers an verschiedenen Punkten angeordnet sind; wobei eine tatsächliche Form des Wafers aus den Interferenzstreifen unter Einbeziehung der Dickenwerte bestimmbar ist, welche durch die Dickenmesseinrichtung an den verschiedenen Punkten gemessen wurden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst ein Paar von optischen Meßsystemen, die an Positionen angeordnet sind, die zu beiden Oberflächen eines an seiner Kante bzw. seinem Rand vertikal getragenen bzw. gestützten Wafers schauen, und Dickenmesssensoren, die an einer Position oder Positionen angeordnet sind, die zu einem Umfangsbereich von beiden Oberflächen des Wafers schauen bzw. gerichtet sind.
Jedes optische Meßsystem weist eine Lichtquelle zum Ausgeben eines Messlichtstrahles, eine Kollimatorlinse zum Gleichrichten des Messlichtstrahles in einen kollimierten bzw. gleichgerichteten Strahl, eine optische Planfläche zum Übertragen bzw. Durchlassen des kollimierten bzw. parallel gerichteten Strahls hindurch, einen Lichtdetektor zum Empfangen der Messstrahlen, welche auf einer Oberfläche des Wafers und auf einer Bezugsebene der optischen Planfläche reflektiert sind und dann durch die Kollimatorlinse rückgeführt sind, und einen Computer zum Verarbeiten von Interferenzstreifen auf, welche zwischen den zwei an der Bezugsebene der optischen Planfläche und der Oberfläche des Wafers reflektierten Lichtstrahlen auftreten. Profile von beiden Oberflächen des Wafers werden aus den Interferenzstreifen, die beiden Oberflächen des Wafers entsprechen, berechnet und eine tatsächliche Form des Wafers wird aus den Profilen unter Berücksichtigung der Dickenwerte, die mit der Dickenschablone bzw. -meßeinrichtung an einer Mehrzahl von Punkten des Wafers tatsächlich gemessen wurden, bestimmt bzw. erhalten.
Dreieckprismen können anstelle der optischen Planflächen verwendet werden. In diesem Fall treten beiden Oberflächen des Wafers entsprechende Interferenzstreifen zwischen Bezugsebenen der Dreieckprismen und beiden Oberflächen des Wafers auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die ein neu vorgeschlagenes Profilmeßgerät unter Verwendung von optischen Planflächen gemeinsam mit einer Dickenschablome bzw. -meßeinrichtung zeigt.
2 ist eine schematische Ansicht, die ein anderes, neu vorgeschlagenes Profilmeßgerät unter Verwendung von Dreieckprismen gemeinsam mit einer Dickenschablone bzw. -meßeinrichtung zeigt.
3 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Fehlers, der durch eine schlechte Parallelität zwischen zwei optischen Profilmeßsystemen bewirkt wird.
4 ist eine Ansicht eines Profilmeßgerätes mit einer darin installierten Dickenschablone.
5 ist eine schematische Ansicht, die ein Profilmeßgerät gemeinsam mit einer unabhängigen Dickenschablone zeigt.
6 ist eine Ansicht zur Erläuterung einer Struktur einer Dickenschablone mit drei Dickenmeßsensoren.
7 ist eine Ansicht, die ein Modell zum Erklären des Verhältnisses zwischen Dickenmeßpunkten und einem Profil einer Rückseitenoberfläche eines Wafers zeigt.
8 ist eine Ansicht zum Erläutern einer Berechnung eines Profils einer Hauptoberfläche eines Wafers unter Berücksichtigung von aktuell detektierten Dickenwerten.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine tatsächliche, durch Berechnung gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene Form eines Wafers zeigt.
AUSBILDUNG DER ERFINDUNG
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Erklärung, die auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug nimmt, offensichtlich.
In dem neu vorgeschlagenen, optischen Profilmeßgerät ist ein Wafer 1 zum Messen seiner Profile an seiner Kante bzw. an seinem Rand durch geeignete Elemente vertikal getragen bzw. abgestützt, wie dies in 1 gezeigt ist. Aufgrund der vertikalen Abstützung ist der Wafer 1 in einem Zustand gehalten, der frei von Spannungen durch Halteelemente, wie einem Vakuumspannfutter, ist. Die vertikale Abstützung des Wafers 1 an seiner Kante bzw. an seinem Rand ist auch wirksam zum Messen einer im wesentlichen gesamten Oberfläche des Wafers, da kein nicht-meßbarer Oberflächenbereich mit Stützelementen überdeckt ist.
Optische Meßsysteme 10, 20 sind an beiden Seiten des Wafers 1 angeordnet. Ein Lichtemitter 11, 21 in jedem op tischen Meßsystem 10, 20 gibt einen Meßlichtstrahl bzw. -bündel 12, 22 aus. Jeder Lichtstrahl 12, 22 aus dem Lichtemitter 11, 21 wird durch einen Halbspiegel 13, 23 zu einer Kollimatorlinse 14, 24 und dann als ein kollimierter bzw. parallel gerichteter Strahl durch eine optische Planfläche bzw. optisches, planes Element 15, 25 übertragen bzw. durchgelassen, um auf jede Oberfläche des Wafers 1 aufzutreffen. Ein Teil des Lichtstrahls 12, 22 wird auf der Oberfläche des Wafers 1 reflektiert, wohingegen der Rest des Lichtstrahls 12, 22 auf einer Bezugsebene der optischen Planfläche 15, 25, die zu einer Haupt- bzw. Vorder- oder Rückseitenoberfläche des Wafers 1 ausgerichtet ist, reflektiert wird.
Der Meßlichtstrahl 12, 22, der an der Oberfläche des Wafers 1 reflektiert wird, gemeinsam mit dem Lichtstrahl 12, 22, der an der Bezugsebene der optischen Planfläche 15, 25 reflektiert wird, kehren durch die optische Planfläche 15, 25 und die Kollimatorlinse 14, 24 entlang des umgekehrten Weges zurück, werden auf dem Halbspiegel 13, 23 reflektiert und werden dann jedem Lichtdetektor 16, 26 eingegeben.
Die Lichtwege der Lichtstrahlen 12, 22, die auf beiden Oberflächen des Wafers reflektiert werden, sind unterschiedlich von den Lichtwegen der Lichtstrahlen 12, 22, die an den Bezugsebenen der optischen Planflächen 15, 25 reflektiert werden. Da der Unterschied in dem Lichtweg einem Oberflächenzustand des Wafers 1 an jeder Seite entspricht, treten Interferenzstreifen bzw. -ringe, die Profile der Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers 1 repräsentieren, zwischen den Lichtstrahlen, die an den Oberflächen des Wafers 1 reflektiert werden, und den Lichtstrahlen, die an den Bezugsebenen der optischen Planflächen 15, 25 reflektiert werden, auf. Folglich werden Profile der Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers 1 aus den Interferenzstreifen berechnet.
Die Lichtemitter 11, 21 und die Lichtdetektoren 16, 26 sind zu Computern 17, 27 geführt, die mit Monitoren 18, 28 ausgestattet sind. Beide Interferenzstreifen, welche zwischen den Bezugsebenen der optischen Linsen 15, 25 und beiden Oberflächen des Wafers 1 aufgetreten sind, werden gleichzeitig in die Computer 17, 27 eingegeben. Profile der Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers 1 werden aus eingegebenen Daten der Interferenzstreifen berechnet und in den Computern 17, 27 aufgezeichnet bzw. gespeichert. Eine Dickenänderung des Wafers 1 wird ebenfalls aus dem Profil der Hauptoberfläche unter Annahme der Rückseitenoberfläche als eine ideal ebene Fläche berechnet und in den Computern 17, 27 gespeichert.
Die optischen Planflächen 15, 25 oder die optischen Meßsysteme 10, 20 werden oft mit schlechter Parallelität positioniert. Eine schlechte Parallelität macht es schwierig, eine tatsächliche Form des Wafers 1 zu detektieren. Beispielsweise ist, wenn Achsen C10, C20 der optischen Meßsysteme 10 und 20 voneinander um einen kleinen Neigungswinkel θ, wie in 3 gezeigt, abweichen, die dem Winkel θ entsprechende Neigung als ein Fehler in Meßdaten zur Berechnung einer Dickenänderung des Wafers 1 enthalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein derartiger Fehler, der durch eine schlechte Parallelität bewirkt ist, aus den Meßdaten durch Berücksichtigung von aktuell bzw. tatsächlich durch eine Dickenschablone bzw. Dickenmeßeinrichtung 50, die einen oder mehrere Verlagerungssensoren aufweist, gemessenen Dickenwerten des Wafers 1 entfernt. Aufgrund der Entfernung eines derartigen Fehlers sind Berechnungsresultate von einer höheren Genauigkeit mit hoher Zuverlässigkeit, ist das Meßgerät einfach aufgestellt und wird die Messung selbst einfach durchgeführt.
Eine Dickenschablone 50 kann zwischen den optischen Meßsystemen 10 und 20, wie in 4 gezeigt, angeordnet sein, sofern die Dickenschablone 50 klein genug ist. Die Dickenschablone 50 weist vorzugsweise eine Struktur auf, die fähig ist, sich zu einer Kante bzw. einem Rand des Wafers 1 zu bewegen. Die Dickenschablone 50 kann auch unabhängig von den optischen Meßsystemen 10, 20 angeordnet sein, wie dies in 5 gezeigt ist.
Dickenwerte des Wafers 1, die durch die Meßschablone 50 gemessen sind, werden dem Computer 17 eingegeben und mit Interferenzdaten von dem optischen Meßsystem 10, 20 verschmolzen, um eine tatsächliche Form des Wafers 1 zu bestimmen. Die Dickenwerte des Wafers 1 werden vorzugsweise gleichzeitig an drei vorbestimmten Punkten durch die Dickenschablone 50 detektiert, welche drei Paare von Versetzungs- bzw. Verlagerungssensoren 51, 52, 53 aufweist, die in gleichen Intervallen bzw. Abständen entlang der Umfangsrichtung des Wafers 1 in einer Position die zu den Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers 1 schaut, angeordnet sind, wie dies in 6 gezeigt ist. Jedes Paar von Sensoren 51, 52, 53 kann ein nicht-kontaktierender, wie ein Kapazitätstyp-Sensor oder Lasertyp-Sensor sein. Die Verwendung von drei Paaren von Verlagerungssensoren erlaubt eine simultane Detektion von Dickenwerten an drei voneinander entfernt liegenden Punkten des Wafers 1 ohne das Erfordernis, den Wafer 1 zu drehen. Selbstverständlich kann nur ein Paar oder zwei Paare von Verlagerungssensoren verwendet werden. In diesem Fall wird der Wafer 1 relativ zu der Dickenschablone 50 zur Bildung von Dickenwerten an wenigstens drei Punkten des Wafers 1 rotiert.
Jeder Sensor 51, 52, 53 ist in gleichen Abständen entlang des Messkreises R, dessen Radius um δr kleiner als ein Radius des Wafers 1 ist, in einer Position angeordnet, die sowohl zu der Haupt- als auch der Rückseitenoberfläche des Wafers 1 nahe seinem Umfang gerichtet ist. In 6 sind die Sensoren 51, 52 an den Spitzen eines Y-förmigen Trägers 54 angelenkt, während der andere Sensor 53 an einen anderen I-förmigen Träger gegenüberliegend dem Träger 54 festgelegt ist. Der Träger 55 ist zu einer vertikalen Bewegung entlang einer Symmetrielinie zwischen den Sensoren 51, 52 fähig. Ein Abstand zwischen den Sensoren 51, 52 und dem Sensor 53 ist auf einen Wert eingestellt, der dem Durchmesser des Wafers 1 entspricht, um den Wafer 1 konzentrisch zu dem Messkreis R anzuordnen. Ein Platz bzw. Raum zwischen den Spitzen des Y-förmigen Trägers 54 dient als Sichtfenster 56 zum Einstellen einer Umfangsausrichtung des Wafers 1. Eine Bezugsmarkierung 57 ist an dem Rand bzw. der Kante des Sichtfensters 56 in einer Mittelposition zwischen den Sensoren 51 und 52 eingeprägt.
Ein Probewafer zw. zu untersuchender Wafer 1 wird in eine Dickenmesszone entlang einer Richtung a durch eine Ladeeinrichtung (nicht dargestellt) eingebracht. Der Wafer 1 wird in der Dickenmesszone so gedreht, um eine Orientierungsmarkierung 2 des Wafers 1 auf eine Position einzustellen, die der Bezugsmarkierung 57 entspricht. Aufgrund der Einstellung schauen die Sensoren 51, 52, 53 an drei Punkten in gleichen Abständen entlang des Messkreises R zu den Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers 1. Von den auf diese Weise angeordneten Sensoren 51, 52, 53 erhaltene Dickenwerte werden als gegenwärtig bzw. tatsächlich gemessene Dickenwerte des Wafers 1 an den drei Punkten des Messkreises R, die jeweils von der Orientierungsmarkierung 2 um einen vorgegebenen Winkel entfernt sind, bearbeitet. Nachdem die Dickenwerte erhalten wurden, wird der Wafer 1 aus der Dickenmeßzone entlang einer Richtung b durch eine Austragseinrichtung (nicht dargestellt) ausgebracht.
Die Dickenmessung an den drei Punkten unter Verwendung der Sensoren 51, 52, 53 kann entweder vor oder nach der Profilmessung des Wafers 1 unter Verwendung des optischen Meßsystems 10, 20 durchgeführt werden. Es ist jedoch bevorzugt, eine nicht zu große Verzögerung zwischen den zwei Meßarten zu bewirken, um thermische Ausdehnungsfehler, die durch eine Temperaturänderung bewirkt werden, zu verhindern. Die durch die Sensoren 51, 52, 53 gemessenen Dickenwerte werden dem Computer 17, 27 eingegeben. Der Computer 17, 27 berechnet eine tatsächliche Form des Wafers 1 aus den Dickenwerten und Profildaten wie folgt. In der folgenden Erklärung wird eine Seite das Wafers 1, die zu dem optischen Meßsystem 20 schaut als die ”Hauptoberfläche” bezeichnet, wohingegen die andere Seite als die ”Rückseitenoberfläche” bezeichnet wird. Es soll angenommen werden, daß drei Punkte A₁, A₂, A₃, auf dem Messkreis R in Abstand von der Orientierungsmarkierung 2 unter Winkeln von 50°, 170° bzw. 290° als Dickenmeßpunkte betrachtet werden, um ein Überlagern der Zeichnungslinien zu vermeiden, wie dies in 7 gezeigt ist.
Zuerst wir eine Bezugsebene H₀ (nicht dargestellt) auf der Basis eines Profils der Rückseitenoberfläche, das durch das optische Meßsystem 10 erhalten wird, definiert. Die Bezugsebene H₀ ist eine Regressionsebene, die aus Profildaten der Rückseitenoberfläche des Wafers 1 durch das sogenannte Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate berechnet wird. Ein Punkt P₁ auf der Rückseitenoberfläche des Wafers 1 nächst der optischen Planfläche 15 wird dann spezifiziert bzw. ausgewählt und eine Ebene H₁, welche den Punkt P₁ inkludiert, wird parallel zur Bezugsebene H₀ spezifiziert. Drei Dickenmeßpunkte A₁, A₂, A₃ werden auf der Ebene H₁, in Übereinstimmung mit der Orientierungsmarkierung 2, wie links in 7 gezeigt, definiert. Ein Profil der Rückseitenoberfläche des Wafers 1 von dem optischen Meßsystem 10 wird auf die Ebene H₁ unter Berücksichtigung der Dickenmeßpunkte A₁, A₂, A₃ als Bezugspunkte projiziert, um projizierte Punkte B₁, B₂, B₃ zu berechnen, wie dies rechts in 7 gezeigt ist.
Von den Sensoren 51, 52, 53 erhaltene Dickendaten T₁, T₂, T₃ werden jeweils zu den Punkten B₁, B₂, B₃ addiert, um Punkte C₁, C₂, C₃ zu berechnen, welche jeweils Höhen des Wafers 1 in den Dickenmeßpunkten A₁, A₂, A₃ darstellen, wie dies in 8 gezeigt ist. Die berechneten Punkte C₁, C₂, C₃ sollen auf der Hauptoberfläche des Wafers 1 liegen.
Die berechneten Punkte C₁, C₂, C₃ werden zur Bestimmung des Positionszusammenhanges der Hauptoberfläche des Wafers 1 zu der Rückseitenoberfläche verwendet. Da die Profile der Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers 1 jeweils durch die optischen Meßsysteme 20, 10 gebildet werden, wird eine tatsächliche Form des Wafers 1, wie in 9 gezeigt, erhalten, indem das Profil der Hauptoberfläche so eingestellt wird, um Positionsdaten des Profils der Hauptoberfläche an den Dickenmeßpunkten A₁, A₂, A₃ jeweils mit den errechneten Punkten C₁, C₂, C₃ zusammenfallend auszubilden bzw. in Übereinstimmung zu bringen.
Wenn die Profildaten der Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers 1 aus den optischen Meßsystemen 20, 10 unter Berücksichtigung von Dickenwerten, die aktuell durch die Sensoren 51, 52, 53 gemessen werden, zusammengefügt werden, werden die Formen der Haupt- und Rückseitenoberfläche des Wafers 1 unabhängig unter Berücksichtigung der tatsächlich gemessenen Dickenwerte bestimmt. Eine tatsäch liche Form des Wafers 1 wird so durch die Formen der Haupt und Rückseitenoberfläche des Wafers 1 bestimmt.
Selbst wenn eine geringe Neigung θ zwischen den optischen Meßsystemen 10, 20 besteht, wird ein durch schlechte Parallelität bewirkter Fehler durch die Profildaten eliminiert, die in Übereinstimmung mit den aktuell gemessenen Dickenwerten verarbeitet sind. Eine Dickenänderung des Wafers 1 wird selbstverständlich als ein Abstand von der Rückseitenoberfläche zu der Hauptoberfläche der tatsächlichen Form berechnet.
Ein schräg einfallendes Verfahren, unter Verwendung von Dreieckprismen, anstelle von optischen Planflächen 15, 25 kann angewandt werden, wenn ein zu vermessender Wafer relativ rauhe Oberflächen aufweist. In diesem Fall werden optische Meßsysteme 30, 40, die in 2 gezeigt sind, an Positionen zur Verfügung gestellt, die zu beiden Oberflächen des Wafers 1 schauen. Jeder von einer Lichtquelle 31, 41 emittierter Lichtstrahl wird um einen vorbestimmten Durchmesser durch eine Konvexlinse 32, 42 oder dgl. Expandiert, durch eine Kollimatorlinse 33, 43 kollimiert bzw. parallel gerichtet und durch ein Dreieckprisma 34, 44 übertragen bzw. durchgelassen. Dreieckprismen 34, 44 weisen Bezugsebenen auf, die zu beiden, Oberflächen des Wafers 1 schauen bzw. gerichtet sind.
Die Lichtstrahlen werden teilweise durch die Dreieckprismen 34, 44 übertragen bzw. durchgelassen und an beiden Oberflächen des Wafers 1 reflektiert, während die Reste auf den Bezugsebenen der Dreickprismen 34, 44 reflektiert werden. Die Wege der Lichtstrahlen, die auf beiden Oberflächen des Wafers 1 reflektiert werden, sind unterschiedlich in ihrem Abstand von den Wegen der Lichtstrahlen, die an den Bezugsebenen der Dreieckprismen 34, 44 reflektiert werden. Die unterschiedlichen Abstände entsprechen Profi len von beiden Oberflächen des Wafers 1. Folglich treten die selben Interferenzstreifen, wie in dem in 1 gezeigten Fall, als Antwort auf unterschiedliche Abstände auf.
Das Meßlicht wird auf Schirme 35, 45 projiziert, um Bilder der Interferenzstreifen zu produzieren. Die Bilder werden durch TV-Kameras 37, 47, gegebenenfalls durch Linsen 36, 46, in Videosignale konvertiert und Computern 38, 48 eingegeben. Die Computer 38, 48 analysieren die Videosignale, um Profile von beiden Oberflächen des Wafers 1 und auch eine tatsächliche Form des Wafers 1 in Übereinstimmung mit aktuell durch die Sensoren 51, 52, 53 gemessenen Dickenwerten zu berechnen. Die Berechnungsergebnisse werden in den Computern 38, 48 gespeichert bzw. aufgezeichnet und auf Monitoren 39, 49, sofern erforderlich, angezeigt.
Wenn eine Dickenänderung eines Wafers 1 auf diese Weise aus Profildaten entsprechend beiden Oberflächen des Wafers 1 unter Berücksichtigung von mit der Dickenschablone 50 gemessenen Dickenwerten berechnet wird, werden Meßergebnisse in einem sehr kurzen Zeitraum verglichen mit einem konventionellen Verfahren unter Verwendung von Verlagerungssensoren zum Messen einer Dicke eines Wafers an zahlreichen Punkten erhalten. Eine Wellung und Neigung des Wafers 1, welche nicht von einer Dickenänderung begleitet sind, werden auch detektiert, da eine reelle bzw. tatsächliche Form des Wafers 1 erfaßt wird.
Eine Einbindung bzw. Integrierung von aktuell gemessenen Dickenwerten beim Verarbeiten von Profildaten aus optischen Meßsystemen 10, 20 ermöglicht die Entfernung eines durch schlechte Parallelität bewirkten Fehlers und stellt genaue Meßergebnisse mit hoher Zuverlässigkeit sicher, selbst wenn Lichtwege durch optische Planflächen 15, 25 oder die Bezugsflächen der Dreieckprismen 34, 44 geringfügig voneinander abweichen. Daher werden Meßergebnisse ohne Beeinflussung durch ein fehlerhaftes Anordnen der optischen Meßsysteme 10, 20, 30, 40 oder ein fehlerhaftes Einbringen des Wafers 1 erhalten, und die Meßoperation selbst wird einfach durchgeführt.
Die Messung ist gemäß dem neuen Vorschlag in einer kurzen Zeitdauer, selbst im Falle von großen Wafern vollständig bzw. abgeschlossen. Beispielsweise ist eine Zeit von 60 s oder weniger ausreichend, um einen Wafer mit 300 mm Durchmesser zu inspizieren bzw. zu überprüfen, inklusive Einbringen/Ausbringen, Ausrichten und Eingeben von Bilddaten. Ein Durchsatz wird mit mehr als 60 Wafern pro Stunde durch Kombination eines Meßgerätes mit einer Mehrzahl von Computern zur Bildanalyse abgeschätzt.
Da ein Wafer 1 vertikal an seiner Kante bzw. seinem Rand während der Messung abgestützt ist, sind die Meßergebnisse frei von einer Beeinflussung durch eine Deformation des Wafers 1, welche aufgrund von Schwerkraft auftreten würde, wenn der Wafer horizontalgehalten wird. Die vertikale Abstützung schützt den Wafer 1 auch effizient vor Fehlern bzw. Kratzern. Zusätzlich wird eine Kante des Wafers 1 offensichtlich durch Beobachtung von Interferenzstreifen unterschieden, so daß im wesentlichen eine gesamte Oberfläche des Wafers 1 der Messung, ohne eine nicht zu vermessende Fläche nahe dem Umfang, unterworfen werden kann, wie dies in einem konventionellen Verfahren unter Verwendung von Verlagerungssensoren der Fall ist. Weiters ist eine Adhäsion von in der Luft suspendierten Teilchen verringert, da der Wafer in einem statischen Zustand während der Messung gehalten ist. Lediglich eine geringe externe Kraft ist zum Unterstützen des Wafers 1 während der Messung erforderlich, so daß ein durch physikalische Deformation des Wafers 1 bewirkter Fehler nicht in die Meßergebnisse eingeht.
BEISPIEL
Ein Einkristall-Siliziumwafer von 725 μm durchschnittlicher Dicke wurde von einem Ingot bzw. Block mit 200 mm Durchmesser abgeschnitten. Nachdem beide Oberflächen des Wafers 1 poliert wurden, wurde der Wafer 1 für eine Profilmessung unter Verwendung von optischen Meßsystemen 10, 20, wie in 1 gezeigt, zur Verfügung gestellt.
Drei Paare von nicht-kontaktierenden Laser-Verlagerungssensoren wurden als Dickenmeßssensoren 51, 52, 53 verwendet, um Dickenmeßwerte an drei Meßpunkten A₁, A₂, A₃, welche an voneinander in gleichen Intervallen beabstandeten Positionen entlang eines Meßkreises R mit 180 mm Durchmesser (wie dies in 6 gezeigt ist) vorbestimmt waren, zu detektieren. Die Dickenwerte waren 725,4 μm im Punkt A₁, 725,1 μm in A₂ bzw. 725,5 μm in A₃.
Profile von Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers 1 wurden aus Interferenzstreifen, die durch die optischen Meßsysteme 20, 10 gebildet wurden, errechnet und unter Berücksichtigung der Dickenwerte, die durch die Sensoren 51, 52, 53 gemessen wurden, zusammengefaßt, um eine tatsächliche Form des Wafers 1 zu bilden. Die Ergebnisse sind in 9 gezeigt, in welcher die Profile der Rückseitenoberfläche (der untere Bereich) und der Hauptoberfläche (der obere Bereich) des Wafers 1 als eine 3-D Darstellung gezeigt wurden, welche aus quadratischen Elementen mit jeweils 1 mm Abstand besteht. Eine Ebenheit des Wafers 1 wurde als ein Abstand zwischen maximalen und minimalen Dickenwerten unter den Dickendaten berechnet. Die auf diese Weise erhaltene Ebenheit war 0,78 μm.
Zum Vergleich wurde der selbe Wafer 1 einer konventionellen Messung unter Verwendung von Kapazitätstyp-Verlagerungssensoren unterworfen. Der in diesem Fall erhaltene Ebenheitswert war 0,59 μm, ein wenig kleiner als der erstere Wert. Ein derartiger kleinerer Wert war durch eine schlechte Auflösung der Verlagerungssensoren entlang einer Seitenrichtung des Wafers und einem Einfluß eines nicht-meßbaren Bereichs des Wafers am Umfang, begründet. Das heißt, wenn ein Kapazitätstyp-Verlagerungssensor für eine Messung verwendet wird, ist eine Abweichung einer Höhe des Sensors von einer Oberfläche eines Gegenstandes durch eine Fluktuation der Kapazität dargestellt. Ein Dickenwert in jedem Meßpunkt wird als ein Mittelwert innerhalb einer Fläche von mehr als 10 mm² erhalten, da der Meßpunkt eine Fläche von wenigstens 10 mm² benötigt.
Wenn andererseits, beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) mit 256 × 256 Pixel zum Analysieren der Interferenzstreifen eines Wafers von 200 mm Durchmesser verwendet wird, ist eine Auflösung pro Pixel etwa 0,8 mm × 0,8 mm = 0,64 mm². Diese Auflösung ist zehn mal feiner verglichen mit jener eines Kapazitätstyp-Verlagerungssensors. Die Verwendung von Interferenzstreifen verbessert die Auflösung merkbar und kleine Welligkeiten der Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers 1 werden auch detektiert. Weiters kann eine tatsächliche Form des Wafers 1 selbst an seinem Umfangsbereich, wo die Dicke dazu tendiert abzunehmen, genau erfaßt werden, indem Profildaten unter Berücksichtigung von aktuell gemessenen Dickenwerten berechnet werden. Meßergebnisse basierend auf der tatsächlichen Form sind bei hoher Zuverlässigkeit in der Genauigkeit überlegen.
Eine für ein Messen der Profile der Haupt- und Rückseitenoberflächen und der Dickenänderung erforderliche Zeit betrug 40 s pro Wafer, umfassend das Einbringen/Ausbringen, Ausrichten des Wafers und Eingeben des Bildes. Im Gegensatz dazu wurden, wenn der konventionelle Verlagerungssensor verwendet wurde, die Profile der Haupt- und Rückseitenoberflächen nicht meßbar und es benötigte 1,5 min., um die Dickenänderung des Wafers gleicher Größe zu detektieren. Trotzdem fehlte es der in diesem Fall erhaltenen Dickenänderung an Zuverlässigkeit, verglichen mit dem Wert gemäß der vorliegenden Erfindung.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden, wie zuvor ausgeführt, Interferenzstreifen entsprechend beiden Oberflächen eines Wafers zum Detektieren von Profilen von Haupt- und Rückseitenoberflächen des Wafers, verwendet und eine tatsächliche bzw. reelle Form des Wafers wird aus den Profildaten unter Berücksichtigung von aktuell gemessenen Dickenwerten berechnet, was den Ausschluß eines Fehlers, der durch ein fehlerhaftes Anordnen von optischen Meßsystemen oder ein fehlerhaftes Einbringen des Wafers bewirkt wird, ermöglicht. Folglich wird eine präzise Dickenänderung mit hoher Zuverlässigkeit aus der tatsächlichen Form in einer sehr kurzen Zeit erhalten und die Messung selbst wird einfach durchgeführt. Die Profile der Haupt- und Rückseitenoberflächen, eine Dickenänderung und eine tatsächliche Dicke werden ebenfalls aus der tatsächlichen Form erhalten. Die Messung wird ohne Deformation des Wafers durchgeführt, da der Wafer vertikal in einem statischen Zustand abgestützt ist, der frei vom Einfluß der Schwerkraft ist. Die vertikale Abstützung ist auch für den Schutz des Wafers vor Fehlern oder Kratzern und vor einem Anhaften von Teilchen wirksam, so daß der Wafer seine ursprünglichen Eigenschaften ohne Verschlechterung nach der Messung beibehält.

Claims

Optisches Gerät zum Bestimmen der tatsächlichen Form eines Wafers (1), umfassend: ein Halteelement, das den Wafer (1) an seinem Rand vertikal abstützt, ein Paar von optischen Elementen (15, 25, 34, 44), die jeweils einer Rückseitenoberfläche und einer Hauptoberfläche des Wafers (1) gegenüberliegend angeordnet sind, wobei jedes der optischen Elemente (15, 25, 34, 44) eine Bezugsebene hat, ein Paar von Lichtemittern, die jeweils ein Paar von Lichtstrahlen (12, 22) an das Paar von optischen Elementen (15, 25, 34, 44) ausgeben, wobei die Lichtstrahlen (12, 22) teilweise an der Rückseitenoberfläche und der Hauptoberfläche des Wafers (1) reflektieren, um ein Paar ersten reflektierten Lichts zu bilden, und wobei die Lichtstrahlen (12, 22) teilweise an den Bezugsebenen der optischen Elemente (15, 25, 34, 44) reflektieren, um ein Paar zweiten reflektierten Lichts zu bilden, ein Paar von Lichtdetektoren (16, 26), welches das erste reflektierte Licht und das zweite reflektierte Licht detektiert, um Interferenzstreifen zwischen dem ersten reflektierten Licht und dem zweiten reflektierten Licht zu messen, und eine Dickenmesseinrichtung, welche an einem Umfang des Wafers (1) zum Detektieren von Dickenwerten des Wafers an einer Mehrzahl von Punkten angeordnet ist, wobei eine tatsächliche Form des Wafers aus mittels der Lichtdetektoren (16, 26) gemessenen Interferenzstreifen entsprechend den Dickenwerten bestimmbar ist, welche durch die Dickenmesseinrichtung gemessen wurden.
Optisches Gerät gemäß Anspruch 1, wobei das Paar von optischen Elementen (15, 25, 34, 44) flache Linsen (15, 25) sind, von denen jede eine Oberfläche hat, die die Bezugsebene bildet.
Optisches Gerät gemäß Anspruch 1, wobei das Paar von optischen Elementen (15, 25, 34, 44) Dreieckprismen (34, 44) sind, von denen jedes eine Bodenfläche hat, die die Bezugsebene bildet.
Optisches Gerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen Computer (17, 38) umfasst, welcher die tatsächliche Form des Wafers (1) aus den Interferenzstreifen entsprechend den Dickenwerten des Wafers (1) berechnet.
Optisches Gerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dickenmesseinrichtung wenigstens drei Verlagerungssensoren (51, 52, 53) umfasst.
Optisches Gerät gemäß Anspruch 5, wobei das optische Gerät ein Profil der Rückseitenoberfläche des Wafers (1) auf eine Ebene (H₁), welche einen Punkt (P₁), der auf der Rückseitenoberfläche des Wafers (1) nächst einer optischen Planfläche (15) spezifiziert ist, umfasst, und welche parallel zu einer Bezugsebene (H₀) ist, unter Berücksichtigung von Dickenmesspunkten (A₁, A₂, A₃) als Bezugspunkte projiziert, um projizierte Punkte (B₁, B₂, B₃) zu berechnen, und wobei von den Verlagerungssensoren (51, 52, 53) erhaltene Dickendaten (T₁, T₂, T₃) zu den projizierten Punkten (B₁, B₂, B₃) addiert werden, um Punkte (C₁, C₂, C₃) zu berechnen, welche jeweils Höhen des Wafers (1) in den Dickenmeßpunkten (A₁, A₂, A₃) darstellen.