JP2012504752A - 円盤状加工物の厚さを測定する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電子部品用基板として機能する円盤状加工物の厚さを測定する方法に関するものであって、以下のステップを備える。赤外線が加工物の上面に導かれ、第１放射部がその上面において反射され、第２放射部が加工物の厚さを貫通し、加工物の底部において反射し、加工物の上面から再び出射する。第１および第２の放射部が干渉パターンの形成の下で干渉するが、その干渉パターンを利用して、加工物の上面と加工物の底面との間の加工物の光学的厚さが測定される。本発明によれば、加工物の物理的厚さが、加工物から反射した、かつ／または、加工物を透過した赤外線の強度の測定によって決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品用基板として機能する円盤状加工物の厚さを測定する方法に関し、この方法は以下のステップを備える。赤外線が加工物の上面に導かれ、第１放射部がその上面において反射され、第２放射部が、加工物の厚さを貫通し、加工物の底面において反射し、加工物の上面から再び出射する。第１および第２の放射部は干渉パターンを形成して干渉するが、その干渉パターンを利用して、加工物の上面と加工物の底面との間の加工物の光学的厚さが測定される。

薄い円盤状加工物、例えばシリコンウェハは、通常は両面処理機あるいは片面処理機において、例えば、研削、ラッピング、研磨（「ヘイズフリー研磨」あるいは「化学機械研磨」）などの処理に付される。それによって作り出された加工物の幾何学的形状は、さらなる使用のために極めて重要である。例えば、仕上げられた加工物には多くの場合、光学的画像処理によって集積回路が設けられる。加工物の厚さに望ましくないばらつきがあると、画像形成の鮮明さが低下し、それゆえ集積回路の品質も低下する。

従来、加工物の厚み測定は、両面処理機および／またはＣＭＰ機（化学機械研磨機）における処理の後にのみ行われている。その測定結果に基づいて、加工物は、信頼できない幾何偏差の場合に仕分けられる。この処理では、処理の完了後に、測定による望ましくない不合格品がもたらされる。厚み測定についての公知の方法には、例えば、レーザ三角測量法、超音波測定法および渦電流測定法がある。しかしながら、これらの方法は、議論される薄い円盤状加工物に対して十分な精度をもたらすことがない。静電容量式厚み測定法はより正確な測定結果をもたらす。しかしながら、この方法は高価であるとともに不安定なものである。

例えば、加工物の処理の間あるいは直前におけるオンライン式厚み測定法については、干渉測定法が問題になる。加工物の光学的厚さは、測定する加工物によって反射されるかあるいは透過される電磁放射による干渉パターンから、例えば、２つの干渉極大値間の隔離距離から測定される。光学的厚さは、加工物材料の物理的厚さと屈折率との積である。したがって、屈折率が分かっていると、加工物の物理的厚さは加工物の光学的厚さから算出することができる。これにより、屈折率は、測定する加工物材料について特定された定数と見なされる。

しかしながら、実際には、このようにして達成することのできる測定精度は常に十分なものであるとは言い難い。このため、屈折率の変動によって、例えばウェハである加工物の材料変動、例えばドーピング変動が生じる。

したがって、説明された従来技術によれば、本発明の目的は、薄い円盤状加工物のより正確な厚み測定が可能である、上述の方法を提供することである。

本発明によれば、この課題は請求項１の主題によって解決される。有利な実施形態を、その説明および図面とともに従属請求項の中に見出すことができる。

上述の方法については、加工物の物理的厚さが、加工物の光学的厚さを考慮に入れることで、加工物によって反射し、かつ／または、加工物を透過した赤外線の強度の測定から決定されるという点で、本発明は上記課題を解決する。

本発明によれば、例えば、材料偏差によって、屈折率におけるばらつきと、そのために、厚み測定の曲解とが引き起こされる、ということが確認された。本発明は、それによって、屈折率の変化が加工物の反射にあるいは加工物の吸収水準のそれぞれに影響を与え、また変化した屈折率によって、反射され、あるいはそれぞれに透過された放射線の強度における対応変化がもたらされる、という知見に基づいている。本発明は、この効果をうまく利用して、決定された加工物の光学的厚さから加工物の物理的厚さを決定する間に、屈折率偏差を補償するものである。

加工物のそれぞれの材料に左右されるが、変化した加工物の厚さのために変化した吸収性による屈折率における影響は、殆どの場合には無視することができる。このことは特に、赤外線に関して高度に透過性であるシリコンのような基板について適用される。他の基板の場合には、加工物の厚さが変化すると、加工物の吸収性も変化することがある。したがって、屈折率は、較正の枠内で決定されかつ変化した吸収性を示す目盛係数によって修正される。

本発明によれば、従来技術に比較してより正確な厚み測定が、例えば、ドーピング変動のための偏差の場合に可能であり、したがって、改善された特性が、集積回路あるいは特有の電子部品の適用について達成される。

本発明による方法においては、薄い円盤状で部分的に透明な加工物が測定されるが、この加工物は、特に円筒状にあるいはそれぞれ円形に設計することができる。これらの加工物は、具体的には１．５ｍｍ未満の厚さであってもよい。加工物の物理的厚さは、したがって、加工物の光学的厚さと屈折率との係数として算出することができる。加工物の上面と加工物の底面との間の加工物の光学的厚さの測定は、屈折率の測定と同様に、適切な較正特性線あるいはそれぞれに適切な較正帯を利用して、それぞれ行うことができる。本発明によれば、貫通する放射線に面している加工物の側面は加工物の上面と称され、貫通する放射線が面することのない加工物の側面は加工物の底面と称される。当然ながら、本発明による方法は、空間における加工物の配向、あるいは赤外線の貫通方向には左右されない。具体的には、底面から上面への鉛直方向に、加工物へと向けることもできる。

本発明によって用いられる内部干渉測定法の場合には、第２放射部は、必然的に加工物厚さを多数回通過することができるとともに、加工物から再び出射する前に、同様に、底面において、また、該当する場合には上面の内面において、多数回反射することができる。干渉パターンの記録は具体的には、加工物の上面に面している側面において行われる。それによって、赤外線は例えば、グラスファイバの中へ導入することができ、また、グラスファイバを通して加工物に導くことができ、あるいは、加工物から出射される放射線は、グラスファイバによってそれぞれ受けることができるとともに、分析へ送ることができる。適切な電子評価ユニットの備わった適切な検出器を、例えば、干渉パターンの評価のために設けることができる。

円盤状加工物はサンドイッチ構造の一部であってもよく、加工物の底面は、次の下側層への境界面を形成する。加工物の上面もまた、次の上側層への境界面であってよい。放射部の干渉によって生じた干渉パターンは、例えば回折パターンであってもよく、あるいは、例えば、白色光干渉測定法によるものに類似している、スペクトル的に展開した干渉パターンであってもよい。本発明によれば、干渉の種類は問題にならない。

１つの実施形態によれば、赤外スペクトルが加工物の上面に導かれてもよい。このスペクトルは具体的には、加工物の上面に導かれてもよい。その後、分光計、例えば回折格子分光計によって、第１および第２の放射部の干渉によって作り出された放射線をスペクトル的に分析することも、さらに可能である。広く知られて証明された赤外干渉測定法が、本実施形態において用いられている。赤外線ランプ、特に赤外線電球あるいは赤外線ガス放電ランプを、赤外線源として使用することができる。それにより、２つの放射部の干渉がもたらされる。特に、スペクトルのある波長については、加工物の厚さによって作り出された行路差は、相殺的干渉あるいは建設的干渉を引き起こすのに過不足のないものである。次いで、この干渉パターンは、分光計によってスペクトル的に分析されるとともに評価される。例えば、加工物の光学的厚さは、２つの極大値あるいは極小値同士の距離から決定することができる。

本発明によれば、他の干渉法、例えば、高いコヒーレンス長の放射（例えばレーザ放射）と傾斜した放射線入射角とによる干渉法もまた考えられることはもちろんである。

別の実施形態によれば、加工物から反射し、かつ／または、加工物を透過した赤外線の強度の測定関して、前記第１および第２の放射部の干渉によって作り出された放射線の強度は、加工物の上面におけるその反射の後に、あるいは、加工物の上面からのその出射の後に、それぞれ測定することができる。本実施形態においては、２つの干渉用放射部が受け入れられて評価される箇所では、強度測定は同一の面において行うことができる。したがって、同一の測定構成を、干渉パターンの強度測定および評価のために有利に用いることができる。干渉パターンにおける２つの規定箇所、例えば、干渉極大値と干渉極小値との間の強度差が強度の測定について決定されるときには、特に高い精度を達成することができる。これにより、特に、極小値はゼロに等しい強度を有していてもよい。

代替実施形態によれば、加工物の底面における第３放射部は、加工物から出射することができ、また、反射された赤外線および／または透過した赤外線の強度の測定に関して、第３放射部の強度は、該第３放射部が加工物から出射した後に測定することができる。本実施形態では、加工物を通過する放射線の強度は記録され、また、反射水準あるいはそれぞれに吸収水準を測定するために利用される。本実施形態は例えば、加工物の底面が、外側からアクセス可能であり、かつ、それに対応して貫通する放射線を受けることができるときに提案される。

別の実施形態によれば、加工物の屈折率を測定することができ、また、加工物の物理的厚さは、加工物の光学的厚さから測定された前記屈折率を考慮に入れることで、測定される。この屈折率は、例えば、加工物から反射し、かつ／または、加工物を透過した赤外線の強度あるいは強度差にそれぞれ左右される屈折率を表示する特性線から、測定することができる。このような特性線は、較正の枠内で決定することができる。また、特性領域によって加工物の物理的厚さを測定することも考えられる。このような特性領域は例えば、前記強度あるいは前記強度差および前記屈折率のそれぞれによる加工物厚さを表すことができる。このような特性領域は通常、較正の枠内で作り出される。特性線あるいは特性領域の利用によって、到達した放射線の特に簡単な評価が行われる。

別の実施形態によれば、赤外線は加工物の上面にわたって横断状に導くことができ、また、加工物の物理的厚さの輪郭は本発明による方法で測定することができる。したがって、本実施形態では、赤外線は加工物の上面における加工物の横断方向において互いの背後に存在する複数箇所にわたって次々にあるいは同時に導かれ、本発明による方法で、これらの箇所のそれぞれについて厚さが測定される。それにより、横断状の厚さ輪郭は作り出される。関連した実施形態によれば、赤外線は、加工物の上面にわたって横断状に導くことができ、径方向の加工物輪郭は、本発明による方法で測定することができる。加工物の回転対称を推定することができれば、そのような径測定を通して、厚み測定における十分な精度が達成される。それにより、加工物表面の全体または一部だけ、例えば、加工物表面の縁部から中心点までの部分、あるいはさらに小さい領域の径方向に、赤外線を導くことが可能である。

特に実用に適した実施形態によれば、加工物はウェハ、特にシリコンウェハであってよい。このようなウェハあるいは半導体ウェハは、部分的に複雑な集積回路を設けるために、多くの分野において使用される。したがって、加工物の幾何学的形状は、上述した理由により、集積回路の品質のために特に重要である。しかしながら、集積回路あるいは個々の電子部品については、他の円盤状加工物も考えられる。したがって、加工物は、例えばサファイア円盤であってよい。このような基板には、シリコン層をサンドイッチ構造を形成するように設けることができる。集積回路、あるいは、ダイオードなどのような個々の部品を、例えば光学的画像処理によって、シリコン層へ設けることができる。

別の実施形態によれば、加工物の厚さは、両面処理機あるいは片面処理機、例えば、化学機械平坦化あるいは化学機械研磨のための機械における加工物の処理の間に、かつ／または、前記処理の直前に、特に、加工物の研削、ラッピングおよび／または研磨の間に、本発明による方法で測定することができる。したがって、測定された厚さおよび／または測定された厚さ輪郭による処理の間に、加工物の処理のためのパラメータを調整することも可能である。本発明による方法によれば、そのような処理機は、オンライン式厚み測定法を最適化することができ、また必要であれば、加工物の幾何学的形状が最適化されるように、厚み測定法に左右される処理パラメータのオンライン式調整を最適化することができる。具体的には、そのような機械の目的は一般的に、望ましくない凹状表面、望ましくない凸状表面、または厚さ形状を、処理板、例えば研磨板によって回避することである。そのような機械において一般に行われている回転処理のために、加工物は主として回転的に対称であり、その結果、特定の幾何学的形状から生じる可能性のある偏差もまた、回転的に対称である。本発明による径方向厚み測定によれば、このような場合にも十分な精度がもたらされる。

以下、本発明の１つの例示的実施形態を、図面を用いて詳しく説明する。図面は概略的に示している。

本発明による方法を実施するための構成を示している。 ビーム通路の視覚化のための略図を示している。 測定する加工物の概略説明図を示している。 本発明による方法で記録された径方向厚さ輪郭を示している。

別途指定されない限り、図中の同一の参照符号は同一の対象物について用いられている。図１は、集積回路のための円盤状加工物１０、ここでは物理的厚さｄを測定する必要があるシリコンウェハ１０を示している。赤外線源１２、ここでは赤外線ランプ１２が、赤外線１４を発生させる。赤外線１４は、示された例では赤外スペクトル１４であり、ある波長区域あるいはそれぞれの周波数区域にわたって分布する赤外線である。赤外線１４は、ビームスプリッタ１６、例えば半透過性ミラー１６を通り、光学素子１８を通って合焦し、ウェハの上面２０に垂直な入射角で当たる。

ウェハ１０に当たるビーム通路は、図２により詳しく示されている。このように、第１放射部２２が加工物の上面２０において反射し、次いで、上面２０に対して垂直に戻る。さらに、放射線２３が、加工物厚さｄを貫通し、加工物の底面２６において（一部）反射し、加工物厚さｄを底面２６から上面２０まで再び貫通し、その少なくとも一部が、第２放射部２４として加工物の上面から再び出射される。加工物厚さｄを加工物の底面２６から上面２０まで貫通して戻る放射線２３は、次いで一部が反射するので、別の放射部３０は、加工物の上面２０から底面２６までの、加工物厚さｄの再度の貫通等を行う。これらのビーム通路は一般に周知である。放射線２３は、加工物の底面において一部しか反射しないため、図２に示す例示的実施形態における加工物２６の底面からは、第３放射部２８が出射する。

第１および第２の放射部２２，２４（および、該当する場合には、反射したさらなる放射部）は、反射した後に、あるいはそれぞれが加工物１０から再び出射した後に、再びビームスプリッタ１６に当たり、ビームスプリッタ１６から垂直に偏向して分光計３２へと導かれる。示されたこの例では、分光計３２は回折格子分光計３２である。分光計３２に当たる赤外線１４は、図１においてスペクトル３４として概略的に示されたように、この分光計３２によってスペクトル的に展開される。スペクトル３４では、その波長にわたる任意の単位における放射線強度は、視覚化のために適用されているだけである。

ウェハ１０から戻る赤外線１４の一部、具体的には第１および第２の放射部２２，２４は、これもまた一般に周知であるように、互いに干渉する。ウェハ厚さｄに起因する放射部２２，２４の行路差にも左右されるが、建設的または相殺的な干渉が生じる。対応する干渉図が、図１において参照符号３６で全体的にかつ概略的に示されている。この干渉図３６では、任意の単位における強度が、その波長にわたって適用されている。干渉パターン３８が生じている。加工物１０の厚さｄは強度信号の評価を通して決定される。例えば、２つの干渉極大値間の隔離距離４０から、加工物の光学的厚さＬを、当業者に広く知られた方法で、加工物の物理的厚さｄとウェハ１０の屈折率との積として決定することができる。干渉極大値と干渉極小値との間の強度差４２には、ウェハ１０の反射率に関する情報が含まれる。測定された強度差に基づいて、ウェハ１０の屈折率は、例えば、較正の枠内で作り出された特性線を基に決定することができる。これに基づいて、加工物の物理的厚さｄを、測定された加工物の光学的厚さＬと、測定された屈折率ｎとの係数として算出することができる。

これにより、上述の方法を用いて、図３に概略的に示されるように、加工物１０の径方向厚さ輪郭を作り出すことができる。したがって、本方法は、円筒状および円形（上方から）の加工物１０の中心点から始まって加工物１０の縁部へ至る半径線４４であって、この半径線４４に沿って配置された表面位置について連続状のものである半径線４４に沿って実施され、それにより径方向厚さが作り出される。対応する径方向厚さ輪郭４６が図４に示されている。この図において、測定された加工物厚さｄはミリメートルで示されているのに対し、加工物１０の半径はマイクロメートルで示されている。半径０は、加工物の上面２０の中心点を表す。

本発明による方法によれば、従来技術と比較して、電子部品用基板として機能するように意図された円盤状加工物１０のより正確な厚み測定が可能である。

Claims (15)

1. 電子部品用基板として機能する円盤状加工物の厚さを測定する方法であって、
   ａ）赤外線（１４）が加工物の上面（２０）に導かれ、第１放射部（２２）が前記上面（２０）において反射され、第２放射部（２４）が加工物の厚さ（ｄ）を貫通し、加工物の底部（２６）において反射し、加工物の上面（２０）から再び出射するステップと、
   ｂ）前記第１および第２の放射部（２２，２４）が干渉パターンを形成して干渉するステップと、
   ｃ）前記干渉パターンに基づいて、前記加工物の上面（２０）と前記加工物の底面（２６）との間の加工物の光学的厚さ（Ｌ）が測定されるステップと
   を備え、
   加工物の物理的厚さ（ｄ）が、加工物（１０）から反射し、かつ／または、加工物（１０）を透過した赤外線（１４）の強度の測定から決定されるステップをさらに備えることを特徴とする円盤状加工物の厚さを測定する方法。
2. 赤外スペクトル（１４）が、前記加工物の上面（２０）に導かれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記赤外スペクトル（１４）が、前記加工物の上面（２０）に垂直に導かれることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記放射部（２２，２４）の干渉によって作り出された放射線が分光計（３２）によって分析されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 前記加工物（１０）から反射し、かつ／または、前記加工物（１０）を透過した前記赤外線（１４）の強度の測定のために、前記第１および第２の放射部（２２，２４）の干渉によって作り出された前記放射線の強度を、前記加工物の上面（２０）において反射した後に、あるいは、前記加工物の上面（２０）から出射した後に、それぞれ測定することができることを特徴とする先行請求項のうちの１項に記載の方法。
6. 前記加工物（１０）から反射し、かつ／または、前記加工物（１０）を透過した前記赤外線（１４）の強度の測定のために、前記干渉パターンにおける２つの規定箇所、特に干渉極大値と干渉極小値との間の強度差（４２）が測定されることを特徴とする先行請求項のうちの１項に記載の方法。
7. 第３放射部（２８）が、前記加工物の底面（２６）において前記加工物（１０）から出射することと、前記加工物（１０）から反射し、かつ／または、前記加工物（１０）を透過した前記赤外線（１４）の強度の測定のために、前記第３放射部（２８）の強度が、前記加工物（１０）からの出射後に測定されることとを特徴とする請求項１〜４の１項に記載の方法。
8. 前記加工物（１０）の屈折率（ｎ）が測定されることと、前記加工物の物理的厚さ（ｄ）が、前記加工物の前記光学的厚さ（Ｌ）から測定された前記屈折率（ｎ）を考慮に入れることで測定されることとを特徴とする先行請求項のうちの１項に記載の方法。
9. 前記屈折率（ｎ）は、前記加工物（１０）から反射し、かつ／または、前記加工物（１０）を透過した前記赤外線（１４）の強度あるいは強度差（４２）にそれぞれ左右される屈折率（ｎ）を示す特性線から測定されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記加工物の物理的厚さ（ｄ）は、特性領域によって測定されることを特徴とする先行請求項のうちの１項に記載の方法。
11. 前記赤外線（１４）は、前記加工物の上面（２０）にわたって横断状に導かれることと、加工物の物理的厚さ輪郭（４６）が、当該方法で測定されることとを特徴とする先行請求項のうちの１項に記載の方法。
12. 前記加工物（１０）は、ウェハ（１０）、特にシリコンウェハ（１０）であることを特徴とする先行請求項のうちの１項に記載の方法。
13. 前記加工物（１０）は、サファイア円盤であることを特徴とする請求項１〜１１の１項に記載の方法。
14. 加工物（１０）の前記厚さ（ｄ）は、片面処理機あるいは両面処理機、特に、化学機械平坦化あるいは化学機械研磨のための機械における前記加工物（１０）の処理の間に、かつ／または、該処理の直前に、かつ／または、該処理の直後に測定されることを特徴とする先行請求項のうちの１項に記載の方法。
15. 前記加工物（１０）の処理のためのパラメータが、前記測定された厚さ（ｄ）および／または前記測定された厚さ（ｄ）および／または前記測定された厚さ輪郭によって調整されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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