FR2878075A1 - Procede et appareil de mesure de plaques de semi-conducteur - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de mesure d'une plaque circulaire (10) dans lequel on divise la surface (A) de la plaque en une pluralité (N) d'anneaux concentriques de surface constante (A/N) et on positionne au moins un point de mesure (Pn) sur chaque anneau. Le rayon extérieur (Rn) de chaque anneau est calculé à partir de la formule suivante :Rn = RN(n/N)1/2avec n variant de 1 à N.De cette façon, on obtient des anneaux de plus en plus étroits à mesure que l'on s'éloigne du centre de la plaque, ce qui permet d'avoir des points de mesure de plus en plus rapprochés vers le bord de la plaque et de couvrir uniquement la zone utile (11) de la plaque (10) à mesurer et de garantir qu'aucune de mesure ne soit effectuée dans une zone d'exclusion annulaire (12).
Description
Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne le contrôle de la qualité des plaques, également dénommées "wafers", qui se présentent sous la forme d'une tranche mince cylindrique d'un matériau semi-conducteur, tel que du silicium, et qui subit un certain nombre de transformations (polissage, oxydation, implantation, transfert, dépôt de couches de matériaux, etc.) pour former un support à partir duquel peuvent être réalisés des composants en grande quantité (par exemple cellules de circuits intégrés ou dispositifs discrets).
Tout au long du processus industriel d'élaboration d'une telle plaque, la qualité en épaisseur, structure, défauts, caractéristiques optiques ou électriques, etc., de celle-ci doit être régulièrement contrôlée. A cet effet, il existe des méthodes de mesure des grandeurs pouvant faire l'objet d'une cartographie pleine plaque (caractéristiques électriques, épaisseur d'un film mince, composition, etc.). Cette cartographie est réalisée à partir d'un nombre de points de mesure nécessairement limité par la durée acceptable de ces contrôles au cours du processus de fabrication. Il est donc important d'avoir des méthodes qui permettent de déterminer un nombre de points de mesure minimal et surtout un positionnement judicieux de ceux-ci afin de représenter le plus fidèlement et le plus efficacement possible les caractéristiques de la plaque à mesurer.
Par exemple, dans le cas du contrôle de l'uniformité d'épaisseur de la couche mince de silicium d'une plaque bien connue de SOI ( Silicon On Insulator : silicium sur isolant) obtenue par la technologie Smart CutTM, la mesure d'épaisseur de la couche mince après polissage (de l'ordre de 20 nm à 1,5 pm) doit tenir compte de plusieurs spécificités: 2878075 2 Premièrement, une grande uniformité d'épaisseur est désirée sur toute la plaque (de l'ordre de quelques plans atomiques), ce qui nécessite une grande précision de mesure. Au cours du processus de fabrication de ces plaques, des équipements de polissage sont utilisés.
Compte tenu de la finesse des épaisseurs en jeu, on comprend qu'il est important de surveiller et de réguler avec soin l'opération de ces équipements.
En outre, une plaque de SOI présente en périphérie une zone appelée zone d'exclusion (jusqu'à 5 rnm en pourtour de plaque), pour laquelle les mesures ne sont pas représentatives. Cette zone d'exclusion est en fait plus grande que la zone périphérique de la plaque non utilisée (ex. zone non transférée après collage typiquement de 1 à 2 mm) afin d'éviter des artefacts de mesure induits par la proximité du bord de plaque.
Certaines mesures peuvent être effectuées "en ligne", c'est-à-dire directement sur la ligne de production, tandis que d'autres sont effectuées "hors ligne", c'est-à-dire avec des moyens de mesure qui ne peuvent pas être intégrés dans la ligne de production, comme par exemple les mesures électriques qui ne peuvent être réalisées que hors ligne seulement.
Concernant les mesures "'en ligne", les équipements de polissage comprennent des moyens de métrologie (ex. réflectomètre pour mesure d'épaisseur) dont la capacité en nombre de points de mesure est limitée typiquement à environ une cent:aine de points par plaque, le temps de mesure étant de l'ordre d'une seconde par point. Les méthodes utilisées pour réaliser la cartographie des plaques sont une répartition soit suivant un diamètre de la plaque, soit suivant un cercle ou encore en définissant les coordonnées cartésiennes de ces points de mesure. Ces méthodes de positionnement des points de mesure ne sont donc pas adaptées à la mesure de plaques de SOI car elles ne permettent pas par exemple une répartition plus dense des points au voisinage de la zone d'exclusion ou la suppression des points dans cette zone.
Concernant les mesures "hors ligne", les équipements de mesure par réflectométrie (par exemple les appareils de mesure tels que 2878075 3 "AcuMap " de la société ADE semicoriductor) réalisent une cartographie qui nécessite un nombre important de points de mesure pour obtenir une cartographie fidèle de l'uniformité d'épaisseur de la couche mince: de l'ordre de 7500 points sur un équipement AcuMap . Ces mesures sont longues (il faut compter environ 2 à 3 minutes par plaque) et donc coûteuses. C'est pourquoi ce type de contrôle est généralement effectué par échantillonnage (i.e. contrôle hors ligne par exemple en effectuant l'analyse d'une plaque par lot), ce qui n'est pas satisfaisant. En outre, le contrôle hors ligne de production par échantillonnage ne permet pas un contrôle correctif immédiat, ce qui entraîne la perte de produits en cours de production.
Cette problématique, exposée par souci de clarification dans le cas particulier de la mesure d'épaisseur, est également applicable aux mesures de caractéristiques électriques et plus généralement à toute caractérisation de plaques (épaisseur par ellipsométrie, contrainte par mesure Raman, etc.), notamment de plaques de SOI, pour lesquelles on souhaite réaliser une cartographie rapide et fidèle d'une grandeur physique.
Objet et résumé de l'invention Le but de l'invention consiste à proposer une solution technique qui permet de minimiser le nombre de points de mesure par un choix judicieux de la position de ces points sur la plaque tout en assurant une cartographie représentative de la grandeur physique à contrôler.
Ce but est atteint avec une procédé de mesure dans lequel, conformément à la présente invention, on divise la surface de la plaque en une pluralité d'anneaux concentriques de surface constante et on positionne au moins un point de mesure sur chaque anneau.
Ainsi, le procédé selon l'invention permet d'optimiser le positionnement des points de mesure;sur une plaque à contrôler. En effet, en divisant celle-ci en une pluralité d'anneaux concentriques de surface constante, on obtient des anneaux de plus en plus étroits à mesure que 2878075 4 l'on s'éloigne du centre de la plaque, ce qui permet d'avoir des points de mesure de plus en plus rapprochés vers le bord de la plaque où le besoin de précision est plus important. En outre, la division de la plaque en anneaux concentriques permet de couvrir uniquement la zone utile de la plaque à mesurer et de garantir qu'aucune de mesure ne soit effectuée dans une zone d'exclusion annulaire.
Le rayon extérieur (Rn) de chaque anneau est calculé à partir de la formule suivante: Rn =: RN(n/N)1/2 avec n variant de 1 à N, N étant le nornbre donné de points de mesure et RN le rayon intérieur de la zone d'exclusion Selon un aspect particulier de l'invention, on positionne un seul point de mesure par anneau, par exemple sur le rayon médian. Cela permet d'obtenir une cartographie fidèle de la plaque de certaines caractéristiques qui sont, en première, approximation, à symétrie radiale telles que l'épaisseur par exemple.
Le paramétrage des points de mesure peut en outre être effectué en coordonnées polaires afin de tenir compte d'effets asymétriques en rotation dans le plan de la plaque. On affecte à chaque point de mesure un décalage angulaire par rapport au point de mesure précédent. La valeur du décalage angulaire peut être constante sur toute la surface à mesurer ou varier suivant des zones regroupant une partie des anneaux.
De même, le nombre de points de mesure peut varier d'une zone de regroupement d'anneaux à une autre, afin de privilégier certaines zones, telle que la périphérie de la plaque, en densité de points de mesure par unité de surface.
La méthode de mesure décrite ci-dessus, s'applique à tout type de plaque ("wafer") et en particulier aux plaques comportant une zone annulaire d'exclusion, laquelle n'est pas prise en compte lors de la division en anneaux de la surface utile à mesurer. Ces plaques peuvent être des plaques de matériau semi-conducteur telles que des plaques de silicium sur isolant SOI.
2878075 5 Le procédé de l'invention peut être utilisé notamment pour des mesures d'épaisseur, de caractéristiques électriques ou de contraintes. Dans ce cas, le procédé comprend en outre une étape de mesure respectivement d'épaisseur, de caractéristiques électriques ou de contrainte au niveau de chaque point de mesure positionné.
La présente invention a également pour objet un appareil de mesure de plaque circulaire comprenant des moyens de mesure réagissant à des organes de commande de positionnement programmables (ex. microprocesseur) pour réaliser une mesure en plusieurs points déterminés de la plaque, caractérisé en ce que lesdits organes de commande comprennent des moyens pour définir sur la surface de la plaque à mesurer une pluralité d'anneaux concentriques de surface constante et pour positionner les moyens de mesure de manière à ce qu'ils réalisent au moins une mesure dans chaque anneau.
Pour ces organes de commande de positionnement, le rayon extérieur (Rn) de chaque anneau est déterminé à partir de la formule suivante: Rn == RN(n/N)1/2 avec n variant de 1 à N, N étant le nombre donné de points de mesure et RN le rayon intérieur de la zone d'exclusion.
De même que décrit précédemment, les organes de traitement de la commande de positionnement comprennent des moyens permettant de réaliser une seule mesure par anneau, par exemple sur le rayon médian. Lesdits organes comprennent aussi des moyens pour appliquer à chaque point de mesure un décalage angulaire, par rapport au point de mesure précédent, identique sur toute la surface à mesurer, ou différent suivant plusieurs zones de délimitation des anneaux.
Les organes de commande comprennent en outre des moyens pour définir une zone annulaire d'exclusion sur la plaque circulaire qui n'est pas prise en compte dans la surface de la plaque à mesurer.
Les moyens de mesure de l'appareil peuvent être notamment des moyens de mesure d'épaisseur, cle caractéristiques électriques ou de contrainte.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une plaque illustrant la 10 méthode mise en oeuvre pour le positionnement des points de mesure selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 illustre un premier exemple de répartition des points de mesure sur une plaque selon l'invention; - la figure 3 est illustre un deuxième exemple de répartition des points de mesure sur une plaque selon l'invention; - la figure 4A illustre un troisième exemple de répartition des points de mesure sur une plaque avec trois zones différentes dans chacune desquelles le décalage angulaire varie différemment; - la figure 4B est un graphique montrant les variations du rayon et du décalage angulaire dans les trois zones de la figure 4A.
Description détaillée d'un mode de réalisation
On décrit, en référence à la figure 1, les étapes mises en oeuvre pour le positionnement de points de rnesure conformément à un procédé de l'invention. La figure 1 illustre une plaque 10, telle qu'une plaque de SOI par exemple, qui comprend une zone utile 11 qui doit être mesurée et une zone d'exclusion périphérique 12. La zone utile 11 présente une aire totale A. Dans un premier temps, on divise la zone 11 à contrôler en un nombre N déterminé d'anneaux concentriques égal au nombre de points à mesurer. On impose également pour chaque anneau une surface constante S telle que S = A/N.
2878075 7 Soit Rn le rayon extérieur d'un anneau, avec n entier variant de 1 à N, la surface S,-, de la plaque couverte avec ce rayon peut s'écrire: Sn = n.Rn2 = n.A/N (1) L'aire de la plaque à mesurer ne comprenant pas la zone d'exclusion 12 définie par une largeur périphérique EE, le rayon extérieur RN de l'anneau adjacent à la zone 12 (i.e. le dernier anneau N) est: RN = RW EE, avec RW = rayon de la plaque (cf. figure 1).
Par conséquent, puisque le rayon RN correspond au rayon qui permet de calculer l'aire A (i.e. A= n.RN2), la surface Sn peut encore 15 s'écrire: Sn= n.n.RN2/N (2) En combinant les relations (1) et (2) précédente, on obtient la 20 loi de variation du rayon extérieur Rn des anneaux: Rn = RN(n/N)1"2 (3) Une fois les N anneaux ainsi définis selon la relation (3), on positionne radialement au moins un point de mesure Pn par anneau, par exemple sur le rayon médian de chaque anneau, soit, pour un anneau de rayon extérieur Rn, sur un rayon R'n égal à (Rn-1 + Rn)/2.
Conformément à l'invention, les anneaux concentriques ont tous la même surface, ce qui a pour conséquence d'avoir des anneaux de plus en plus rapprochés lorsqu'on s'éloigne du centre 0 et permet d'obtenir un nombre de points de mesure croissant au fur et à mesure qu'on se rapproche de la zone d'exclusion. Ce mode de paramétrage des points de mesure permet de pondérer équitablement la zone de faible variabilité (i.e. moins dense en points de mesure) et de haute variabilité (i.e. plus 2878075 8 dense en points de mesure) de manière à garder une valeur d'ensemble correcte.
La division de l'aire de la plaque à mesurer en anneaux permet d'optimiser la mesure de la plaque notamment en ce qui concerne le contrôle de son épaisseur. En effet, les profils de plaque après polissage sont essentiellement à symétrie radiale de sorte que, en première approximation, on peut considérer que sur un cercle donné, la mesure de l'épaisseur en un point de celui-ci est représentative de l'ensemble de sa circonférence.
Toutefois, il peut exister également des effets longitudinaux asymétriques sur la plaque. Pour prendre en compte ces effets asymétriques, on peut disposer les points de mesure en les écartant successivement les uns des autres d'un angle constant de manière à couvrir au mieux la surface totale à mesurer.
Comme illustré sur la figure 1, on impose à chaque point de mesure Pn un décalage angulaire en défini par la loi de variation suivante: On = en-1 + oe A0 étant l'incrément du décalage angulaire, fixé a priori à une valeur plus ou moins importante selon le poids que l'on souhaite attribuer aux effets asymétriques, la valeur e0 pouvant être quelconque.
Les points de mesures Pn (variant de P1 à PN) sont alors définis par les coordonnées polaires suivantes: Pn = [R'n, en], avec n variant de 1 à N Pour un incrément de décalage angulaire A8 relativement petit (inférieur à 10 degrés), la répartition des points sur la surface à mesurer 3(1 prend la forme d'une spirale se déroulant sur la surface de la plaque et convient lorsque les variations radiales sont prépondérantes.
Pour un incrément de décalage angulaire ie plus grand, cette répartition des points de mesure devient plus uniforme et est mieux adaptée lorsque les effets asymétriques sont importants.
2878075 9 Sur la figure 2 est représenté un exemple intermédiaire de répartition des points de mesure, le paramétrage étant: nombre de points N = 89 et décalage angulaire d'incrément A8 = 15 deg. Comme expliqué précédemment, avec un tel paramétrage on obtient des points de mesure 100 qui forment une spirale avec une concentration plus importante à la limite de la zone d'exclusion 12.
A titre d'exemple, la figure 3 illustre le cas du contrôle de l'épaisseur de la couche mince d'une plaque SOI après polissage. Dans ce cas, un incrément A8 de 100 deg, pour. un nombre N de points de mesure 200 limité à 50, permet d'obtenir une (cartographie fidèle de la plaque. Le procédé selon l'invention, propose par conséquent une solution d'optimisation du nombre et du positionnement des points de mesure sur une plaque qui est particulièrement bien adaptée pour les équipements de mesure en ligne puisque le nombre de points de mesure en général disponibles sur ce type d'équipement est de l'ordre de la centaine.
Selon une variante de mise en oeuvre de l'invention, les anneaux concentriques peuvent être groupés en plusieurs zones indépendantes du point de vue de leur paramétrage (nombre de points dans un anneau et/ou valeur du décalage angulaire), lequel s'effectue comme précédemment. Cela permet d'effectuer une répartition des points de mesure de manière plus adaptée à la topologie des variations de la grandeur physique à contrôler (par exemple en fonction des différentes zones de pression de la tête de polissage dans le cas du contrôle de l'épaisseur après polissage) et ainsi d'en minimiser le nombre.
La figure 4A illustre un exemple de répartition des points de mesure sur une plaque 30 en trois zones indépendantes: les points 300 correspondant aux points de mesure disposés selon un premier paramétrage dans une première zone 1, les points 310 aux points de mesure disposés selon un second paramétrage dans une deuxième zone 2 et les points 320 aux points de mesure disposés selon un troisième paramétrage dans une troisième zone 3. Sur la figure 4B qui montre l'évolution du rayon Rn et de l'angle 8n suivant les zones, on observe que seul le décalage angulaire varie d'une zone à l'autre: pour la zone 1 08 = 2878075 10 deg, pour la zone 2 AB =30 deg et pour la zone 3 iXB = 50 deg (N=50).
Sur la figure 4A, on constate que, conformément au procédé de positionnement de l'invention, même en utilisant des zones indépendantes les points de mesure sont toujours compris dans la surface utile 31 de la plaque 30 sans déborder dans la zone d'exclusion 32.
Selon encore une variante de réalisation de l'invention, le paramétrage des points de mesure est tel qu'il permet de positionner plusieurs points de mesure par anneau suivant un nombre variable ou fixe pour chaque anneau, en faisant varier éventuellement l'angle en et/ou le rayon Rn pour chaque point à positionner.
Bien que décrite ci-dessus par souci de simplification en relation avec la mesure d'épaisseur de couches minces après polissage, cette méthode s'applique à toute mesure cartographique d'une plaque (mesure de contrainte, mesure de performance électrique, mesure de l'uniformité de concentration, mesure de contrainte, etc.) La méthode décrite ci-dessus est notamment destinée à être mise en oeuvre sous forme de programme informatique dans les appareils de métrologie utilisés pour le contrôle non destructif des plaques (ou "wafers") qui utilisent la mesure par point afin de dresser une cartographie représentative de l'ensemble de la plaque. Les appareils concernés sont par exemple les appareils permettant de mesurer l'épaisseur d'un film mince de la plaque par réflectométrie, tel que les appareils de mesures des sociétés Nova Measuring Instruments ou Nanometrics, ou par ellipsométrie, tels que les appareils de la gamme "Optiprobe " commercialisés par la société Thermawave.
D'une manière générale, la présente invention peut être mise en oeuvre dans tout type d'appareil de mesure de plaque qui dispose d'outils de mesure par points tels qu'un capteur ou sonde mobile ou un faisceau orientable. Dans ce type d'appareil, il est bien connu que le positionnement des points de mesure est réalisé par des organes de commandes qui comprennent principalement un moyen de traitement programmable tel qu'un microprocesseur qui utilise un programme de positionnement afin de déplacer le capteur de mesure ou équivalent sur tous les points de mesure définis. Par conséquent, la mise en oeuvre de l'invention dans ce type d'appareil n'entraîne que la modification du logiciel de positionnement, les outils de mesure étant positionnés sur les points de mesure calculés à partir du programme de positionnement correspondant à la méthode de l'invention décrite précédemment.
Claims (4)
12 REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure d'une plaque circulaire comprenant les étapes suivantes: a) division de la surface (A) de la plaque en une pluralité (N) d'anneaux concentriques de surface constante (A/N), et b) positionnement d'au moins un point de mesure sur chaque anneau.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'étape a), le rayon extérieur (Rn) de chaque anneau est calculé à partir de la formule suivante: Rn RN(n/N)1/2 15 avec n variant de 1 à N. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans l'étape b), on positionne le point de mesure sur le cercle médian de l'anneau.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans l'étape b), on applique à chaque point de mesure un décalage angulaire par rapport au point de mesure précédent.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur du décalage angulaire est constante sur toute la surface à contrôler.
6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur du décalage angulaire varie suivant plusieurs zones de délimitation des anneaux.
2878075 13 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, dans l'étape b), le nombre de points de mesure varie suivant des zones de délimitation des anneaux.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la plaque circulaire comporte une zone annulaire d'exclusion qui n'est pas prise en compte lors de l'étape a).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la plaque circulaire est une plaque de matériau semi-conducteur.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la plaque circulaire est une plaque de silicium sur isolant.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de mesure d'épaisseur au niveau de chaque point de mesure positionné.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de mesure de caractéristiques électriques ou de contrainte au niveau de chaque point de mesure positionné.
13. Appareil de mesure d'une plaque circulaire comprenant des moyens de mesure réagissant à des organes de commande de positionnement pour réaliser une mesure en plusieurs points déterminés de la plaque, caractérisé en ce que lesdits organes de commande comprennent des moyens pour diviser la surface de la plaque à mesurer en une pluralité d'anneaux concentriques de surface constante et pour positionner les moyens de mesure de manière à ce qu'ils réalisent au moins une mesure dans chaque anneau.
2878075 14 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que, le rayon extérieur (Rn) de chaque anneau est calculé à partir de la formule suivante: Rn = RN(n/N)1/2 avec n variant de 1 à N. 15. Appareil selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce 10 qu'il réalise une mesure en un point sur le cercle médian de chaque anneau.
16. Appareil selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que les organes de commande de positionnement comprennent en outre des moyens pour appliquer à chaque point de mesure un décalage angulaire par rapport au point de mesure précédent.
17. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que la valeur du décalage angulaire est constante.
18. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que la valeur du décalage angulaire varie suivant des zones de délimitation des anneaux.
19. Appareil selon l'une des revendications 13 à 18, caractérisé en ce que le nombre de points de mesure varie suivant des zones de délimitation des anneaux.
20. Appareil selon l'une quelconque des revendications 13 à 19, caractérisé en ce que les organes de commande de positionnement comprennent en outre des moyens pour définir une zone annulaire d'exclusion sur la plaque circulaire qui n'est pas prise en compte dans la surface de la plaque à mesurer.
2878075 15 21. Appareil selon l'une quelconque des revendications 13 à 20, caractérisé en ce que les moyens de mesure sont des moyens de mesure d'épaisseur, de caractéristiques électriques ou de contrainte.
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