JP2004294432A - 研磨された不透明なプレートの形状と厚さ変化を測定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエーハ又は研磨された不透明のプレートの厚さ変化と形状を計測する。
【解決手段】改良された二つの位相シフトフィゾ（Fizeau）干渉計２０、４０の組み合わせを用いて、ウエーハ６０の側面６１又は６２の各々とそれに対応する基準平面３２又は５２の間の単一側面の間隔マップを同時に計測し、コンピュータ３８、５８でこれらのデータから厚さ変化と形状を計算する。基準表面の形状と傾斜を判定及び除去する為、及び、厚さ変化と形状の計算の為の二つの単一側面計測の正しい重ね合わせを容易にする為に、諸対策を講じる。
【選択図】図１

Description

この発明は、研磨された不透明なプレートの形状と厚さ変化を測定する方法と装置に関する。

＜関連出願について＞：
この出願は、共に出願中の２００３年４月９日出願の米国特許10/411,019に関連している。

＜発明の背景＞
シリコンウエーハの形状に研磨された薄いプレートは、現代技術の非常に重要な部分である。これらのウエーハの平坦さと厚さの均一性の要求は、プリントされたデバイスのサイズの縮小化に伴って更に厳密になっている。従って、これらパラメータの計測学は開発と製造に非常に重要である。研磨された不透明のプレートのその他の例としては、磁気ディスク基板やゲージブロック等がある。ここに述べる技術は主にウエーハに言及するが、匹敵する特性を有する他のタイプのテスト対象物にも適用可能である事を理解されたい。

ウエーハの形状と厚さ変化の計測について述べる技術は数々存在する。現在最も共通して使われている技術は容量性間隔センサである(ASTM standards F 1530-94 and F 1390-97)。計測は、二つのセンサをウエーハの各々の側面近辺に置いてウエーハの表面を一緒に横断させてスキャンして行い、それによって該容量性センサに対応する各ウエーハ表面から間隔マップを求める。これら二つの間隔マップから、厚さ変化と形状が計算される。容量性センサでは、得られる高さ精度と空間解像度に限度があり、将来のウエーハの要求には不充分である。

別のポイント・センサ技術では、間隔計測に光学的三角法センサが使われる。その場合空間解像度はより良いが、高さ精度は充分ではない。更に、高解像度を得る為には各ウエーハのスキャン時間が非常に長くなる。

更にもう一つの技術は、米国特許（Kulawiec No. 5,909,282）及び国際特許出願（WO97/45698）で公開されるように、ウエーハを透過する波長の光を用いた赤外線干渉計に基づく。二つの干渉光線の中の一方がウエーハを透過する回数を他方の二倍にし、それによって位相分布が該ウエーハの光学的厚さ変化に比例する干渉像、即ち、該ウエーハ材料の屈折インデックスと幾何学的厚さの積、を求める。この技術の短所は、高濃度の不純物が添加されたウェーは赤外線にさえ不透明な為計測不可能であり、厚さ変化しか求められず、形状は求められない事である。

米国特許(Ledger No. 5,502,564)で公開している、多重スペクトル干渉計に基づくもう一つの技術では、ウエーハを平面基準表面に接近して置き、広帯域光線を斜めの角度で照射する。これによれば、片側だけから行ってチャックで固定された表側表面のマップだけを求める事も出来るし、両側から両表面のマップを計測して厚さ変化と形状を求める事も出来る。光の広帯域の特質によって、反射した光のスペクトル変調を分析すればウエーハ表面と基準表面の間隔が求まる。この技術にはウエーハを基準表面に接近して置かなければならない問題があり、ウエーハ取り扱い上重大な支障をきたす。更に、大きな照射角度を使う為その影響で計測に減感が起こり、計測精度が低下する。その上、二種類の単一表面マップを統合して必要な重ね合わせ精度で厚さ変化と形状を計算する事は難しい。

斜め照射を用いたもう一つの干渉計技術が米国特許（Jarisch, No. 4,653,922）に述べられている。この特許では、干渉計テスト光線は１つのウエーハ表面に反射させた後第二のウエーハ表面に向けられ、干渉像が、該ウエーハの厚さ変化と関係する該ウエーハの両方の表面高さ分布の和を表すようにする。この欠点は、ウエーハよりかなり大きな光学的構成要素が必要な事、大きな入射角による減感、長い空気経路、及び、形状情報の欠如、などである。

かすり通る入射角で行う干渉計技術は、更に、ドイツ国特許出願公開（DE 196 02 445 A1）、米国特許（deGroot No. 6,249,351）、国際特許出願（WO 00/79245 A1、及び、WO 01/77612 A1）などに述べられている。これらでは、光線分割エレメントと光線再結合エレメントに屈折格子を用いて、ウエーハの両側をかすり通る入射角で照射する。これらのシステムの場合に計測精度を制限する原因は、かすり入射角による計測の減感、テスト光線と基準光線の間に存在する大きな非共通空気経路内の乱気流の影響、及び、厚さと形状を計算する為に適切に二種類の単一側面計測値を統合する事が難しい事、などである。

標準入射角による両側面干渉計技術は、米国特許（Abe, No. 6,504,615）に述べられている。ウエーハを二つの基準面の間に直立に配置した状態で、二つのフィゾ（Fizeau）干渉計を用いて該ウエーハの両表面の形状を同時に計測する。該二つの単一側面干渉計測表面マップに加えて、例えば容量性センサを用いて、該ウエーハの厚さを数箇所を一セットとして計測する。そして、該干渉像から引き出された個々の表面マップを厚さデータに統合して全体のウエーハ厚さマップを求める。該計測値は該二つの基準面間の傾きに影響される為該干渉計測だけで求めたウエーハのくさび、又は、線形厚さ変化成分は不確実なので、該追加厚さ計測が必要になる。この傾きはサブミクロンのレベルで機械的不安定さに非常に敏感であり、充分に安定しているとは仮定できない。この技術の短所は、容量性厚さ計測が更に必要な事と、表裏面の各々のマップを必要な精度で統合する事が難しい事、などである。更に、たわみ、又は、高周波のうねり等のような、基準面の残留形状誤差がウエーハ計測に影響して精度を低下させる。

磁気ディスク基板をテストする為の標準入射角による両側面干渉計器がもう一つ、Laser Focus World, Sept.1997, P. 52-53,ディスクの両側面を計測する干渉計器でレボツキ（K. Levotsky）により記載されている。そこでは、照射はウエーハの両側面に順々に切り替えられ、カメラは一つだけ用いられる。この場合、同時取得は不可能であり、各計測間の薄膜ディスクのドリフトによる計測誤差を引き起こす可能性がある。

フライシュラド（Freischlad）の米国特許（No. 6,061,133）は、性能を向上させる為に干渉計システムに有用な光源を用いた低干渉ノイズ型干渉計システムを開示している。

前記短所を有しないでウエーハ、もっと一般的に言うと研磨された不透明のプレート、の厚さ変化及び形状を高い精度及び空間解像度で高速に計測する為の向上した方法及び装置を提供する事が望ましい。

＜発明の概要＞
この発明の目的は、研磨された不透明のプレートの厚さ変化及び形状を計測する為の、向上した装置及び方法を提供する事である。

この発明のもう一つの目的は、ウエーハ、又は、その他の研磨された不透明のプレートの両対面のプロファイルを同時に求める為の、向上した干渉計装置及び方法を提供する事である。

この発明の更にもう一つの目的は、ウエーハ、又は、その他の研磨された不透明のプレートの各面とそれに対応する基準平面の間の単一側面間隔マップを計測し、それらのデータから該ウエーハの厚さ変化及び形状を計算する為の、向上した干渉計装置及び方法を提供する事である。

この発明の更にもう一つの目的は、１つの基準平面のもう一方の面に対する相対的傾きを同時に計測すると共に、ウエーハ又は不透明のプレートの二つの対抗面の単一側面間隔マップを同時に求める為の、向上した干渉計装置及び方法を提供する事である。

一実施例として、半導体ウエーハのような、研磨された不透明なプレートの厚さ変化及び形状を計測する為の方法と装置を開示する。これは、研磨された不透明のプレートを二つの干渉計チャネル内の基準平面間に形成される空洞内に置いて、該プレートの対抗面を同時にマップする事によって成し遂げられる。該二つのチャネル内の光の波長シフトは同期され；該装置は、該空洞を形成する該基準平面の空洞傾斜を同時に計測できるように配置される。そうする事によって、該プレートの厚さ変化は該プレートの対抗面の同時表面マッピングと、該空洞傾斜計測から求められる。

もっと特定な実施例では、該干渉計チャネルはフィゾ（Fizeau）干渉計であり、光の波長シフトの同期は単一光源を利用して行われる。この光源の出力光線は光線分割器によって分割されて該二つの異なる干渉計チャネルへ伝播される。光源に位相シフトレーザが使われると、位相シフトは該両方の干渉計に適用される光内で完全に同期される。

＜詳細な説明＞
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。同等又は類似の構成要素を指定する為に、異なる図面に渡って同じ参照番号を用いる。しかし図面の説明に入る前に、半導体ウエーハなどのように非常に薄い不透明なプレートの厚さ変化の計測を提供する上での数々の挑戦の概要について簡単に触れる事が物の順序だと考える。

現在、半導体ウエーハでその全体に渡る厚さ変化の計測と共にその対抗面の表面マッピングかプロファイリングが望まれるのは、直径が200mmと300mmの間で厚さが750ミクロンのオーダの物である。そのように薄いウエーハの厚さ変化と形状を最高精度と高空間解像度で高速計測するには、非接触操作による両側面干渉計計測学と、光が短波長である為の高解像度と、光学系が本質的に平行性である為に視界分野全体を同時計測する事が最も望ましい結果を導く。しかし高計測精度の為には、三つの主な課題を提起する必要がある。

第一の課題は、干渉計の基準表面又は基準平面の影響である。干渉計測値はテスト光線の波面と基準光線の波面の比較だけを示す。と言う事は、フィゾ干渉計の場合はテスト表面は基準表面と比較されると言う事である。比較的低い精度の要求度で良い場合の多くの場合は、基準面は理想的に平たいとして、計測値はテスト表面だけを示すと言うように解釈できる。しかし高精度が要求される場合は、基準表面の影響を考慮しなければならない。その場合該干渉計測は、該テスト表面と基準表面の間の間隔変化のマップと考えられる。該テスト表面だけのマップを求めるには、基準表面の形状を測定値から除去しなければならない。

第二の課題は、該テスト部分の厚さ変化と形状を求める為に行う、二つの単一側面表面、又は、間隔マップの統合である。該マップが適切な重ねあわせで統合される事、即ち、該ウエーハの両側面の同一のウエーハ座標に正しく対応するマップ上の点が統合される事は非常に重要である。ウエーハ上に厚さ勾配、又は、形状勾配が存在すると、重ね合わせ誤差がこれらの数量に重大な計測誤差を引き起こすであろう。その結果の重ね合わせ要求度は典型的に該マップのピクセル解像度よりかなり低い。干渉計の機械的安定性をこの精度に校正して維持する事は難しい。従って、計測時に該二つの干渉計チャネルの各々のマップ座標系において対応するウエーハ座標を見つける事を可能にする必要がある。

第三の主な課題は、テスト部品及び基準光学の形状のドリフトに関する。形状ドリフトの影響を最小にするには、厚さ変化と形状の計算に必要な関連情報は全て同時に求めるべきである。

本発明の一実施例の概要を図１に示す。ウエーハ計測の為にウエーハ６０を、ウエーハの両側面６１と６２が支持装置の影響でなるべく曖昧にならないように、改良した二つのフィゾ干渉計２０と４０の間の空洞の中央に置く。干渉計２０と４０は次の様に作用する:光源２４、４４から放射された光は、偏光光線分割器２６、４６で反射され、偏光光線分割器２６、４６の偏光方向に対して４５度の角度で四分の一波長板２８、４８を通過する。該四分の一波長板の後、光は円形状に偏光される。この光線は次にレンズ３０、５０に伝播し、そこで該ウエーハの直径より大きな光線直径で平行化（collimated）される。平行にされた該光線は次に基準平面３２、５２に当り、そこで該光の一部は該基準表面で反射され、もう一方は透過する。該透過した光線の中央部はテスト表面６１，６２で反射される;そして透過した光線の外周部は反対側の基準平面５２、３２に達し、そこで基準表面５３、３３によって反射される。

該干渉計テスト空洞を図２により詳細に示す。ウエーハ表面６１、６２で反射された該光はウエーハテスト光線７０、８０を構成する。反対側の基準表面３３、５３で反射された光は空洞リングテスト光線７４、８４を構成する;そして、該基準表面で反射された光は基準光線８２、７２を構成する。反射された三つの光線は全て依然として円形に偏光されているが、逆偏光（opposite handedness）である。それらは基準平面５２，３２とコリメータレンズ５０，３０を通って四分の一波長板４８、２８へ戻る。該四分の一波長板の後、該光線は、該出力光線に対して９０度回転された該反射光線の偏光平面で線形に偏光される。該反射光線が光線分割器４６、２６に達すると、それらは透過してイメージングレンズ５４、３４に向けられ、更に検知器５６、３６へ伝えられて、そこで、該テスト光線（ウエーハ６０から反射されたもの）と該基準光線間で干渉パタンが生ずる。

検知器５６、３６はビデオカメラからなり、その信号はディジタル化され更にコンピュータ５８、３８で処理される。各々の干渉計チャネルのコンピュータ５８と３８はデータ交換と同期の為に接続されている。或いは、一台の共通コンピュータを用いて両チャネルのカメラ信号を受ける事も可能である。

ここで、干渉計チャネル４０に関するデータ取得をより詳細に述べる。第二の干渉計チャネル２０も同等に作動する事は明白である。二つの基準表面５３、３３とウエーハ６０は実質的に平行である。従って、該干渉パタンが、図３に示すように検知器５６上に現れる。該ウエーハ表面にスーパーインポーズされた干渉縞の中央部１１０は、ウエーハテスト光線８０と基準光線８２の干渉によって生ずる。それに加えて、空洞リングテスト光線８４と基準光線８２によって生じた干渉縞の領域１１２がウエーハ６０を取り巻いている。エッジ近辺のウエーハ表面の傾斜の度合いによっては、領域１１０の外周境界１１４と領域１１２の内周境界１１６の間には干渉縞が何も存在しない帯域が存在するかも知れない。この縞無しの帯域は、該テスト光線が非常に高角度で反射されるのでカメラ５６に達しない事に起因する。従って、境界１１４は該ウエーハ表面の傾斜に依存する一方、境界１１６は該ウエーハの本当のエッジによって与えられる反対側の平面の曖昧さを表す。境界１１４は該ウエーハの両側面間で異なるかも知れない一方、境界１１６は二つの干渉計チャネル２０と４０内で同一に現れる。データ取得中、領域１１０と１１２の両方から同時に情報を求める為に、カメラの視野全体の強度データを記録する。

領域１１０と１１２内で該干渉パタンから間隔マップを求める為に、位相シフトデータ取得方法を応用する。該位相シフトデータ取得の為に、複数のカメラフレームをコンピュータ５８に取り入れている時に該干渉縞の位相を制御しながら線形に変化させる。従って、各々の検知器要素に対して、該コンピュータ内で使えるある周波数でサンプルされたサイン（sinusoidal）強度信号が存在し、この信号の位相は検知器上の縞位相に対応する。この信号位相も、該信号変調と同様、位相アルゴリズムによって非常に正確で強固に抽出される。

領域１１０と１１２を識別する為に、位相シフトデータ取得中これら二つの領域内の縞を異なる周波数f1とf2で変調する。先ず第一の位相アルゴリズムが該取得されたカメラフレームに適用され、周波数f1の時の信号の位相と変調だけが抽出される。次に第二の位相アルゴリズムがこれら同一の取得カメラフレームに適用され、周波数がf2の時の信号の位相と変調だけが抽出される。或いは、データ分析時に該二種類の位相アルゴリズムを一つの処理ステップに統合しても良い。従って、中央部１１０は周波数f1で高変調されたデータポイントによって示される;そして、リング部分１１２は周波数f2で高変調されたデータポイとによって示される。

該位相アルゴリズムは本質的に二つのフィルタ関数信号の相関関係cl,c2として実行され、位相φは式（１）で求められる。

一方、変調mは式（２）で与えられる。

背景基準はまた、該フィルタ関数の感度が異なる信号周波数に対してどのように異なるかと言う事と、該位相アルゴリズムの周波数選択がどのようにして達成できるかを示す。好適な実施例では、領域１１０に関しては連続カメラフレーム間の位相シフトを４５度とし、同時に、領域１１２に関する位相シフトを９０度とする。しかし、その他の組み合わせも可能である。

本発明の一実施例では、該干渉縞の該位相シフトは波長、即ち、光源周波数を変える事によって行われる。周波数変化をΔvとした時、縞位相Δφの変化は式（３）で求まる。

ここで、nは該テスト表面と基準表面間のテスト空洞内の屈折インデックス、Lは該テスト空洞の長さ、cは真空での光の速度である。従って、該テスト表面と基準表面の間隔の違いが各周波数シフトに対する位相変化に繋がる。これは図２に示すテスト空洞に理想的に適合する。ウエーハ６０が二つの基準平面５２と３２の間の中央に置かれると、領域１１２の位相シフトは、充分な精度で、領域１１０の位相シフトの二倍になる。

本発明の一実施例では、一つの波長可調レーザ８８が用いられる;そして、その出力光線９０は、図４に示すように、光線分割器９２によって分割される。一光線は分散レンズ１００に伝播して回転散光器１０４上に広がるスポットを生ずる。もう一方の光線は鏡９４によって第二の分散レンズ１０２に導かれ、これもまた散光器上に広がるスポットを生ずる。二つの複合モード光ファイバ４２と２２は、回転散光器１０４の近接で、該二つのスポットから光を収集し、二つの干渉計チャネル４０と２０のソース位置４４と２４へ送る。

該二つのファイバの端面は光源４４と２４を構成する。それらは、米国特許6,061,133（参照によってここに統合する）によれば、相互に非干渉性でモノクロに展開する光源である。非干渉性展開光源を使うと、計測上の干渉ノイズがポイント光源照射の場合と比べてかなり減少される利点がある。干渉計チャネル４０と２０を４４と２４の位置に置いて、光ファイバーを使おうと使うまいと、空間的に干渉性のポイント光源で照射する事は当然可能であるが、高い干渉ノイズの代償を払う事になる。

かわりの実施例では、位相シフトは、例えば圧電作動器によって、基準平面をテスト光線に平行な方向に物理的に動かす事によって行われる。そのような物理的作動に関する領域１１０内のチャネル４０の位相シフトは次の関数で求まる:

ここで、Δz_aは基準平面５２の位置変化である。そして、領域１１２に関する位相シフトは次の関数で求まる:

ここで、Δz_bは基準平面３２の位置変化である。このように、両基準平面を同時に動かす事によって、異なる領域１１０と１１２に関する異なる位相シフトが求まる。この後者の場合、レーザ源は可調でなくても良く、該二つのチャネル４０と２０を照射するのに一つの光線分割器を有するレーザを一つか、二つのレーザを用いてもよい。

良い計測精度を得るには、該ウエーハ側と基準面間の各々二つの単一側面間隔マップを同時に取得しなければならない。さもなくばウエーハ６０がその二つの計測の間に動く可能性があり、これら二つの単一側面マップから引き出される厚さマップと形状マップ内の誤差の原因になる。同時計測値を求める為に、カメラ５６と３６をお互いに同期させ、両干渉計チャネルのデータ取得を同時に実行すると同時に、コンピュータ５８又は３８の一方に両チャネルの同時位相シフトを行わせる。もし（図４に示すように）一波長に調整されたレーザを使えば、同時位相シフトは自然に起こる。もし基準平面５２と３２を該位相シフトに対して動かしたら、それらが該要求される位相シフト速度に同期されるよう注意しなければならない。

該干渉計チャネル内に展開（extended）光源４４と２４を導入する事は、干渉計光学系への光拡散に起因する計測上の干渉ノイズを減ずる為に必須である。該各々二つの単一側面計測をマッチングさせる重ね合せ技術の導入（以下に更に詳細に述べる）及びこの光源展開（extended）を行う為には、ウエーハ６０と二つの基準表面５３と３３が平行である事ばかりでなく、両チャネルの照射方向が該基準平面に直角である事も必要になる。そうすると、両チャネルからの出力光線は本質的に相互に平行であり、反対側のカメラには疑似（spurious）光が反対側の干渉計チャネルを通過してへ伝播される可能性がある。

該反対側からの疑似光はリング領域１１２内のデータ取得を著しく劣化させるかも知れない。下記により詳細に述べるように、基準平面５２と３２の空の空洞マップもまた取得される。この計測では、反対側のチャネルからの疑似光は該光線の全直径に渡って重ね合わせられる;そして、該空の空洞計測も劣化する。従って、反対側からの光はカメラに届かないようにしなければならない。これは、該疑似光がチャネル２０からの場合の干渉計チャネル４０に関して説明される。干渉計チャネル２０に関する作用も完全に同等である。

該疑似光の抑制は、チャネル４０の出力光線がチャネル２０の出力光線と同じ方向（handedness）で円形に偏光されるように四分の一波長板４８をセットする事で達成される。即ち、両方の出力光線は、各々のチャネルの四分の一波長板を伝播した後右円形に偏光されるか、左円形に偏光されるかのどちらかである。四分の一波長板４８を通過した後、該疑似光線は、光線分割器４６からの出力光線に平行に線形に偏光される。このようにして、反対側のチャネル２０からの疑似光は偏光分割器４６によって該光源へ反射され、カメラ５６には届かない。チャネル４０からの出力光線はそれでもカメラ５６に届く。何故なら、上に述べたように、その方向（handedness）が反射で変わるからである。これは両方の干渉計チャネルに関して然りであり、二つのチャネル４０と２０はお互いから有効に隔離される。

ウエーハ厚さ変化t(x,y)は、該二つの干渉計チャネル４０と２０から同時に取得された二つの単一側面間隔マップから、次の関数で求まる:

ここで、dc(x,y)は二つの基準表面５３と３３の間の空間の間隔マップであり、x,yは該ウエーハ平面内の座標である（図２）。同等の式は、スキャン時センサ間の間隔dcが一定である場合にポイント間隔センサでスキャンする事によって求めたウエーハの総合厚さに関するASTM F 1530-94によって与えられる。干渉計学的には、絶対間隔は求めず、未知の定間隔無しで間隔変化だけを求める。従って、式（６）は望むウエーハ厚さ変化に適用される。両側面干渉計の場合は、dc(x,y)は単一側面計測上の基準表面５３と３３の統合された影響を示す。従って、式（６）の適用で基準光学系の影響を除去でき;試験部品の純粋な厚さ変化が求まる。最高の精度を得るには、空の空洞マップdc(x,y)をウエーハ間隔マップda(x,y)とdb(x,y)と一緒に計測する。これは直接可能でないから、該空洞マップdb(x,y)を次の二つの成分に分割する:

ここで、dct(x,y)は線形傾斜成分であり、dci(x,y)は不正規成分である。該空洞マップの線形傾斜成分dct(x,y)は、リング領域１１２内においてウエーハマップda(x,y)とdb(x,y)と一緒に計測される。該二つの干渉計チャネルは光学的に隔離され、領域１１０と１１２内に位相シフトされた縞が同時に存在するから、これは可能である。

該空洞マップの不正規成分dci(x,y)は、二つの基準表面５３と３３の不正規な表面形状によって与えられ、例えば次のウエーハをロードする前に、ウエーハ６０を該空洞から除いた状態で計測する事が出来る。この完全な不正規マップから、リング領域１１２内で判定された該線形傾斜成分は除去される。従って、同時に判定したウエーハマップの傾斜成分と、別の時に判定した不正規成分を統合したものは、本当に空の空洞マップdc(x,y)を非常に精確に示す。環境変化によって最も起こりうる短期的ドリフトは二つの基準平面５２と３２の間の傾斜であるし、基準表面５３と３３の実際の表面形状はもっとゆっくり変化するから、これは理に適っている。

ウエーハやその他の不透明テスト部品は高い反射率を有し;基準表面５３と３３が低反射率の裸のガラス面であると、該干渉縞のコントラストは低い。干渉縞の低コントラストは、位相計測の低い信号対雑音比率に繋がる。その場合にコントラストを向上させるのに、P.B. Clapham, G.D. Drew, Surface Coated Reference Flats for Testing Fully Aluminized Surfaces by Means of the Fizeau Interferometer（フィゾ干渉計の手段による、完全にアルミ化した表面をテストする為の表面コーティングされた基準平面）, J.Sci.Instr. 44,899 (1967)に従って基準表面５３と３３を誘電・金属混合剤でコーティングする。普通、外部反射率R'が最小に抑えられ、高・低両方の反射率を有するテスト表面に良い縞コントラストが存在するように、光線８２の為の内部反射率Rと、光線８４の為の外部反射率R'と、コーティングの透過率Tを最適化する。両側面干渉計の場合は、完全に空の空洞計測及びリング領域１１２内の傾斜計測に関して納得できる変調が達成できるように、光線８４用のコーティングの反射率R'を好ましい反射率になるように特別にデザインする。ウエーハに適用される典型的なコーティングは、R=0.1、R'=o.04、T=0.63、などの変数を有する。

このタイプのコーティングでは、照射光線が（光線８２のように）基板側から来るか（光線８４のように）空気側から来るかに依存して、反射上異なる位相変化が有るかも知れない。もしコーティングが不均一の為この位相変化の差が該表面に渡って変化すると、式（６）から、不要な厚さ計測値が導かれるかも知れない。該ウエーハ計測で高精度を得る為に、この位相変化を別のステップで平面５２と３２に対して校正し、該計測値から除去する。

特別にコーティングされた基準平面の位相変化を校正する為に、４０又は２０に類似したフィゾ干渉計の前に該平面を置く。ここで、先ず最初の計測ではそれは基準平面位置にあり、裸のガラス表面の無コーティングの平板がテスト部品の位置にある。第一の間隔マップm1が該干渉計から取得される。第二の計測では、該無コーティングの平板が基準平面で該コーティングされた平面がテスト平板になるように、該コーティングされた平面と無コーティングの平板の位置を入れ替える。第二の間隔マップm2は該干渉計から求まる。m2とm1の間の差マップcc(x,y)は、マップm2の鏡像の反転が修正された後で計算される。この差マップは該コーティングの位相の影響だけを含む。それは修正された不正規成分dci'(x,y)を求める為に保存され、該空の空洞マップの不正規成分と統合される:

干渉計チャネル４０によって不正規マップdci(x,y)を得るには、反対側の基準表面３３のコーティングの助けを借りる。もし干渉計チャネル２０によって空の空洞マップdci(x,y)を取得するならば、表面５３のコーティングの助けを借りる。dc(x,y)を求める為に、該新規に修正された不正規マップdci'(x,y)が式（７）のdct(x,y)と最終的に組み合わせて用いられる。当然、空の空洞平均マップは該二つの干渉計チャネル４０と２０から得られる二つの空の空洞計測値から構成する事が出来、二つの基準表面５３と３３へのコーティング効果の平均を構成し応用する事が出来る。

ウエーハの形状は、該ウエーハの表裏表面から構成される中間表面の形状として定義される。ウエーハ形状s(x,y)は、該二つの単一側面間隔マップda(x,y)とdb(x,y)から次式によって求まる:

ポイント間隔センサのスキャンに関する同等の式はASTM F1390-97によって与えられる。ここで再び、これらのポイント間隔センサ間の間隔はスキャン中に変化しないものと仮定する。両側面干渉計では、これは、二つの基準表面５３と３３が完全に平たいと言う事実と同等である。該基準表面の平坦さが厚さ変化の計測に典型的に要求される精度レベルであると仮定する事はできないが、典型的な形状計測の要求には普通はそれで充分である。従って、基準表面５３と３３の形状をウエーハ形状計測値から排除する必要はない。

厚さ変化と形状の両方に関しては、干渉計チャネル４０と２０で得た二つの間隔マップda(x,y)とdb(x,y)を式（６）と（９）に従って加算か引き算して統合しなければならない。高精度を得るには、如何なる重ね合わせ誤差も出ないに該マップが統合される事が非常に重要である。これは、該テスト空洞内の対象物を、該テスト部品の座標システムがこの対象物の任意の特徴にユニークに関係している干渉計チャネル４０と２０内の両方のカメラに呈する事で達成される。両方のカメラの画像の中にこれらの特徴を見つける事によって、該テスト対象物の座標システムと両カメラの座標システムの間の変形の判定が可能になる。該二つの座標変形を用いて、両方の間隔マップda(x,y)とdb(x,y)を、重ね合わせ誤差を生じないで組み入れられるように、該テスト部品座標システム内に再度マップする。

ウエーハ自体を共通対象物として用いて、ウエーハの外周境界を定義の目安にして、倍率と座標中心を見つけても良い。もしテスト部品が円形でないならば、該座標システムの平面内回転、又は、クロッキング（clocking）もまた該境界から求められる。ウエーハには普通、角度方向性を定義する為の、図３に示すようなノッチ１２０、又は、平らな区分がある。従って、両カメラ上のウエーハ境界の画像は、二つの間隔マップda(x,y)とdb(x,y)を相対的マッピングする為の平行移動と、スケーリングと、回転を完全に定義するのに充分である。もしテスト部品が磁気ディスク基盤のように純粋に円形ならば、視界にある更に他の特徴を用いて該二つのカメラの座標システム間の平面内回転を定義する事も可能である。例えば、そうする為にテスト部品の機械的支持部分を用いても良い。

テスト部品の境界を判定する為の普通の技術は、充分な縞コントラストか変調のある表面範囲の境界、即ち、ウエーハの場合は図３に示す中央領域１１０の外周境界１１４、を見つける事からなる。この境界は、しかし、テスト表面の形状に依存する。もし、エッジである程度のロールオフ（roll off）を有するウエーハの場合普通そうであるように、テスト部分のエッジの近辺の点で表面勾配が充分大きくなれば、これらの点で反射されたテスト光線は干渉計のカメラに届かないように偏向され、該縞変調は真のウエーハエッジ内で小さいかゼロである。その場合、テスト部品の真の境界は見つからない。特にウエーハの二つの側面６２と６１上のエッジの擦り減りが詳細に言うと同じでない場合、テスト部品の二つの側面６２と６１に対して二つの異なる境界が見つかるかも知れない。すると、重ね合わせ誤差が生ずる。

図１の両側面干渉計を用いて、ウエーハを囲む領域１１２の内側境界１１６を識別する事によってテスト表面から独立した本当の物理的テスト部品の境界を判定する。各カメラ５６と３６に関して、ウエーハ表面６２と６１の表面勾配から独立してこの境界を識別する事が出来る。何故なら、それは、反対側の基準平面の前のテスト部品のシルエットにだけ依存するからである。基準表面５３と３３は両方とも非常に平たく、該縞変調上のそれらの表面傾斜は無視できる。従って、該ウエーハの座標システムの中心とスケーリングが見つかる。ウエーハの場合、ノッチ１２０又は平らな箇所も用いて、平面内回転を判定する;そして、両方のカメラ内で該ウエーハの座標システムを断定する。更に、該二つの基準平面の間で該反対側の基準表面を視界から遮っている機械的ウエーハ支持部分（表示せず）を用いて平面内回転をよりよく定義しても良い。

テスト部品の本当のエッジの検知は、ティー・モリモトがウエーハエッジのロールオフの計測（Semi-con Japan 2001）で述べているように、反対側のレーザ照射の強度ステップを用いて行っても良い。もっと確実な技術は、上に述べたように、反対側のレーザを使わずに、該ウエーハ照射と同じ側からの照射を用いて領域１１２内で縞変調を見つけるようにする事である。間隔測定値da(x,y)、db(x,y)、dct(x,y)に関する位相シフトデータ所得に用いるのと同じ強度フレームから、式（２）に従って周波数f2における縞変調が定められる。f2で縞変調が有効な領域１１２の内側境界１１６は物理的エッジと合致する。ウエーハやその他円形の部品の場合、全てのエッジ画素が該ウエーハ座標システムの中心とスケーリングの判定に寄与するように、最小自乗法の感覚で円を境界１１６に適合する。ウエーハのノッチ１２０又は平らな区分は平面内回転に用いられる。該縞変調周波数は領域１１０と１１２で異なるから、境界１１６は、境界１１４と１１６の間に黒いギャップが有ろうと無かろうと、確実に求められる。

その大きめな視界と、その光学的チャネルの隔離と、その最適化された基準表面のコーティングと、その二重周波数位相シフトと、そしてその周波数選択式位相シフトと変調デコーディングによって、ここ述べた技術は、両チャネルを一回の同時データ取得で、研磨された不透明なプレートの厚さ変化と形状を判定するのに必要であるが時間的に左右される情報全て、即ち、重ね合わせに必要な情報ばかりでなく間隔マップda(x,y)、db(x,y)、dct(x,y)をも提供する。それに加えて、空洞不正規性の計測値dci(x,y)は該装置の統合部分である。もし必要ならば、コーティングの位相寄与部分は別の構成ステップで定められる。この統合された情報で、厚さ変化と形状に関して高精度かつバイアスされていない結果が求まる。ある場合には、単にテスト部品の単一の側面の表面形状を計測する事も有用である。この機能は当然両側面干渉計に含まれる。

前述の本発明の一実施例は説明の為のものであって、限度を示すものではない。当業者において得実質的に同じ機能を果たす実質的に同様で様々な変化が考えられるであろうし、添付したクレームで定義する本発明の真の範囲から外れる事なく実質的に同じ結果を達成できる。

本発明の好ましい一実施例を示す図。 図１に示す実施例の空洞範囲の詳細図。 干渉計の外観を示す図。 図１に示す実施例と共に用いられる光源を示す図。

Claims (24)

1. 研磨された不透明のプレートの厚さ変化と形状を計測する為の方法であって:
   プレート（６０）の相対する表面（６１と６２）をマップするために、研磨された不透明のプレート（６０）を二つの向かい合った干渉計チャネル内の基準平面（３２と５２）の間に形成される空洞内に置き；
   二つの干渉計チャネル（５８、８８、９０、９２、９４）内の干渉像の位相シフトを同期させ；
   該空洞を形成する該基準平面（３２と５２）の空洞特性を計測し;
   該プレート（６０）の相対する表面（６１と６２）の表面マッピング及び該空洞特性の計測から（３８と５８における）該プレート（６０）の厚さ変化を決定する；
   ことを特徴とする方法。
2. 該二つの干渉チャネル内の干渉像の位相シフトを同期させるステップが、
   単一の可調光源（８８）から光を供給する事と、
   該可調光源の出力光線を光線分割器（９２）で分割して両方の干渉チャネルに伝播する事と、を有する、
   ことを更に特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 該光源が波長調整できるレーザ（８８）である、
   ことを更に特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記空洞を形成する基準平面（３２と５２）の空洞特性を計測するステップが、
   該基準平面（３２と５２）の空洞傾斜を計測する為に該空洞内に大き目の視界（図３）の不透明のプレートを備える事を含む、
   ことを更に特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 一方の干渉計チャネルから該対向する干渉計チャネルへ来る疑似光の記録を遮蔽するステップを含む、
   ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 該空洞傾斜を計測するステップが、該プレート（６０）の相対する表面（６１と６２）のマッピングと実質的に同時に該空洞傾斜を計測するステップである、
   ことを更に特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記プレートの表面ををマップする為に前記干渉チャネル内に第一の周波数位相シフトを提供し、前記基準平面（３２と５２）の空洞傾斜を計測する為に第二の周波数位相シフトを提供するステップと、
   により更に特徴付けられる請求項６に記載の方法。
8. 前記空洞傾斜を計測するステップが、前記プレート（６０）の相対する表面（６１と６２）のマッピングと実質的に同時に前記基準平面（３２と５２）の空洞傾斜を計測するステップである事、
   を更に特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記空洞を形成する前記基準平面（３２と５２）の空洞傾斜を計測するステップが、該空洞内に前記不透明のプレート（６０）の大き目の視界（図３）を提供する事を含む、
   ことを更に特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 一方の干渉計チャネルから該対向する干渉計チャネルへ来る疑似光の記録を遮蔽するステップ、
    により更に特徴付けられる請求項９に記載の方法。
11. 前記プレート（６０）の表面をマップする為に該干渉チャネル内に（８８を経由して）第一の周波数位相シフトを提供し、前記基準平面（３２と５２）の空洞傾斜を計測する為に（８８を経由して）第二の周波数位相シフトを提供するステップ、
    により更に特徴付けられる請求項１０に記載の方法。
12. 一方の干渉計チャネルから該対向する干渉計チャネルへ来る疑似光の記録を遮蔽するステップ、
    により更に特徴付けられる請求項１に記載の方法。
13. 前記プレート（６０）の表面ををマップする為に前記干渉チャネル内に（８８を経由して）第一の周波数位相シフトを提供し、前記基準平面（３２と５２）の空洞特性を計測する為に（８８を経由して）第二の周波数位相シフトを提供するステップ、
    により更に特徴付けられる請求項１に記載の方法。
14. 研磨された不透明のプレートの厚さ変化と形状を計測する為の装置であって:
    ある間隔で置かれた第一と第二の基準平面（３２と５２）が、それらの間に研磨された不透明のプレート（６０）を置く為の空洞を形成し、そこにおいて該第一と第二の基準平面（３２と５２）が、該不透明のプレート（６０）の為に大き目の視界を与えるような寸法を有する事と;
    該プレート（６０）の相対する第一と第二の表面（６１と６２）をマップする為に該空洞の正反対の側に置かれた第一と第二の干渉計装置（２０と４０）と；
    光源（８８）と；
    該二つの干渉計装置内の干渉像の位相シフトを同期（９２）させる手段と；
    第一と第二の干渉像検知器（３６と５６）と；
    該プレート（６０）の厚さ変化を判定する為に該第一と第二の干渉像検知器（３６と５６）の出力を受けるように連結された、少なくとも一つのコンピュータ（３８か５８）と、
    により特徴付けられる装置。
15. 前記二つの干渉計装置（２０と４０）内の干渉像の位相シフトを同期させる為の手段（９２）に少なくとも一つのコンピュータ（５８、８８を経由して）を連結する、
    ことを更に特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記光源が、光の波長シフトによって前記干渉像の位相シフトを制御する為にコンピュータ（５８）に連結された、調整可能なレーザ光源（８８）である、
    ことを更に特徴とする請求項１４に記載の装置。
17. 前記光線を、前記第一と第二の干渉計装置（２０と４０）に各々供給される二つの別々の光源（９６と９８）に分割する為に前記光源（８８）の出力に連結された光線分割器（９２）、
    により更に特徴付けられる請求項１６に記載の装置。
18. 各々の該干渉計装置（２０と４０）の空洞に向けられた光線出力を、両装置内で同一向きの偏光になるように、円形に偏光する為の手段（２６、２８と４６、４８）、
    により更に特徴付けられる請求項１７に記載の装置。
19. 前記第一と第二の干渉計装置の出力光線を円形に偏光する為の手段が四分の一波長板（２８と４８）である、
    ことを更に特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記第一と第二の基準平面（３２と５２）が、該第一と第二の基準平面に各々反対方向から突き当たる光に対して異なる反射率を生じる材料でコーティングされる、
    ことを更に特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. 前記光線を、前記第一と第二の干渉計装置（２０と４０）に各々供給される二つの別々の光源（９６と９８）に分割する為に前記光源（８８）の出力に連結された光線分割器（９２）、
    により更に特徴付けられる請求項１４に記載の装置。
22. 前記各々の干渉計装置（２０と４０）の空洞に向けられた光線出力を、両装置内で同じ向きの偏光になるように、円形に偏光する為の手段（２６、２８と４６、４８）、
    により更に特徴付けられる請求項１４に記載の装置。
23. 前記第一と第二の干渉計装置の出力光線を円形に偏光する為の手段が四分の一波長板（２８と４８）である、
    ことを更に特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 前記第一と第二の基準平面（３２と５２）が、該第一と第二の基準平面に各々反対方向から突き当たる光に対して異なる反射率を生じる材料でコーティングされる、
    ことを更に特徴とする請求項１４に記載の装置。
    

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