JP5335787B2 - 要素が機械加工されている間に該要素の厚さ寸法をチェックするための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、研削機械での機械加工中に半導体ウエハの厚さ寸法をチェックするための装置であって、赤外線帯域の光源と、反射ビームの検出器と、光学プローブとを有し、機械加工されるウエハの第１の表面へ向けて赤外線ビームを長手方向経路に沿って放射するとともに、第１の表面と機械加工されるウエハによって画定される少なくとも１つの異なる表面とによって反射されるビームを長手方向経路にほぼ沿って受けるために光源および検出器が光学プローブに接続される検出システムと、光学プローブのための支持・位置決め要素と、検出システムに接続される制御・処理ユニットと、を含む装置に関する。

また、本発明は、研削機械での機械加工中に赤外線光学プローブと関連する支持・位置決め要素とによって半導体ウエハの厚さ寸法をチェックするための方法であって、赤外線ビームを供給するとともに、該赤外線ビームを光学プローブを通じて長手方向経路に沿って機械加工されるウエハの第１の表面へ向けて伝送するステップと、第１の表面と機械加工されるウエハによって画定される少なくとも１つの異なる表面とによって反射されて長手方向経路および光学プローブを通じて受けられるビームを検出するステップと、機械加工されるウエハの厚さ寸法に関する情報を得るために干渉システムを用いて反射ビームを処理するステップと、を含む方法に関する。

機械工具、より具体的には研削機械および研磨機械での機械加工の過程で半導体スライスまたはウエハの厚さ寸法をチェックするための既知のシステムが存在する。

既知のシステムは、様々な種類のものがあり、例えば、機械加工されるウエハの少なくとも１つの表面と接触する機械的な感触器を有するゲージヘッドを挙げることができる。

チェックされる部品に作用することができ且つ特定の寸法値を下回ることを許容しないこの種のシステムは、一方側がフィルムまたは支持要素に固定される半導体ウエハの厚さを正確にチェックすることが必要とされる事象では、頻繁に起こることから、適用され得ない。他の既知のシステムは、異なる種類のプローブ、例えば容量プローブ、誘導プローブ（渦電流プローブまたは他のプローブ）、または、超音波プローブを使用する。しかしながら、これらのシステムの限界は、チェックされ得る寸法（例えば、１００ミクロン未満の厚さをチェックすることができない）および達成できる分解能（１０ミクロン以上）の両方に関係する。これらの限界を克服するため、光学プローブを有するシステムを使用できる。ＵＳ−Ａ−６４３７８６８は、チェックされるべきウエハを支持する要素の内側に軸方向に位置される反射光学系を含むこの種の用途に関連している。ウエハまたはウエハを形成する層は、それを形成する１つまたは複数の材料（半導体材料、一般的にはシリコン）の特性に起因して、使用される赤外光を部分的に透過し、また、材料の厚さは、研削される側に対して反対側でチェックされる。

しばしば、研削される側と同じ側でチェックを行なうことが必要であり或いは都合が良く、また、光学プローブは、例えばＪＰ−Ａ−０８−２１６０１６で公開された日本国特許出願に示されるように、そのようなチェックを行なうことができる。行なわれるチェックの信頼性を向上させるため、一般に、光学プローブが作用する表面を空気または水などの清浄流体によって清浄に維持することが都合良い。

このようにすると、特に伝送要素の不連続性および／または清浄流体の乱流現象に起因する送信ビームおよび／または受信ビームの特性の望ましくない制御不可能な変化により、光学プローブの動作が影響を受ける場合がある。また、様々な媒体が、放射線の部分吸収をもたらし、それにより、プローブに戻される光強度を制限する。

結果として、より高い電気的増幅を使用することが必要であり、そのため、プローブがバックグラウンドノイズに晒されることが多くなる。

清浄空気が使用される場合には、チェックを妨げて表面を汚染する異物を取り込まないように、この清浄空気を注意深く濾過しなければならならず、その結果、コストの増大がもたらされる。更に、機械加工される部品、特に非常に小さいシリコン厚（５−１０ミクロンまで）に対する空気ジェットの機械的な作用を無視できない。

本発明の目的は、研削作業中に半導体ウエハの厚さ寸法をチェックするための装置および方法であって、特に信頼でき、柔軟な態様で適用され得るとともに、高い性能基準を確保し、したがって、既知の装置および方法の問題を克服する、装置および方法を提供することである。この目的および他の目的は、請求項１および請求項１１のそれぞれに係る装置および方法によって達成される。

本発明に係る装置は、光学プローブと、そのようなプローブのための特定の支持・位置決め要素とを含み、光学プローブによって放射されて受けられるビームが通過する限られた領域で低流量流体がパイプにより送られる。実際には、乱流を引き起こすことなく部品表面を清浄に維持する流体層または層流状態のクッションが形成される。プローブは、空気を通り抜ける経路の部分（吸収性が低い）およびプローブと部品の機械加工される表面との間の空間を満たす流体クッション中の経路の短い部分（吸収性が限られる）にわたって一般的には赤外線帯域の光ビームが進行するように支持・位置決め要素内に位置されて基準付けられる。空気中の経路の部分と流体中の経路の部分とがガラスによって分離されることが好ましい。利用される流体は、研削作業の過程で使用されるものと同じ流体であることが有益であり、一般的には脱塩水である。

本発明の好ましい実施形態によれば、支持・位置決め要素は、分離ガラスに接するように配置される径方向チャンネル（例えば、互いに対して９０°の角度を成す４つの径方向チャンネル）を含む。流体は、径方向チャンネルにより送られて、そのようなガラスを包む。このようにして、気泡の形成が防止され、流体の規則的な流れおよび層流の維持が向上される。

幾つかの細部が部分的に正面図で示された本発明に係る厚さチェックのための装置の簡略化された側断面図である。 図１のII−II破線に従った図１に示される装置の断面図である。

ここで、添付図面を参照して、本発明を非限定的な例として説明する。

図１は、要素の厚さ寸法をチェックするための装置を作業状態で示している。チェックされる要素は、例えば、不連続面２’’、２’’’によって分離される異なる物理的特徴を有する層１’、１’’、１’’’から形成されてもよいシリコンなどの半導体材料から成るスライスまたはウエハ１である。層および不連続面を有するウエハの構造は、それ自体良く知られており、非常に概略的な態様で図１に示されている。また、層の数および寸法も単なる一例として示されている。厚さチェックは、ウエハ１の第１の表面２が適切な機械工具で研削される間に行なうことができ、前記機械工具は、それ自体知られており、簡単にするために、参照符号６が研削ホイールを簡略化された態様で示す状態で図１に表わされている。

検出システムは、光ファイバ５によって制御・処理ユニット１０に接続される既知のタイプの光学プローブ３と、赤外線帯域の光を発する光源１１と、反射ビームを受けて対応する電気信号を与える検出器１２とを含む。光源１１および検出器１２は、それ自体知られており、例えば制御・処理ユニット１０の構成要素として簡略化された態様で図１に示されている。支持・位置決め要素７は外部支持体９に対して既知の態様で固定されており、プローブ３を収容してこのプローブの位置を第１の表面２に対して規定する。図１に正面図で部分的に示される保護シース１３は、光ファイバ５を収容する。

前述したように、光学プローブ３は既知のタイプのものである。動作の詳細に立ち入ることなく、プローブ３は赤外線のビームを放射し、該ビームは、長手方向経路４に沿って進んで、部分的にウエハ１の第１の表面２によって反射されるとともに部分的にウエハ１を通り抜け−これは、それぞれの層１’、１’’、１’’’を形成する材料の典型的な特性に起因する−、不連続面２’’、２’’’によっておよび／または反対側の外面２’によって反射される。異なる表面２、２’、２’’および／または２’’’によって反射されるビームは、同じ長手方向経路４にほぼ沿って進行して検出器１２へと伝送され、検出器の出力信号は、ウエハの厚さ寸法、すなわち、層１’、１’’、１’’’の厚さおよび／またはウエハ１の全体の厚さに関する情報を得るために制御・処理ユニット１０の回路で干渉方法によって適切に処理される。この種のシステムは、極めて小さい厚さを有するウエハを（１０ミクロン未満であっても）チェックすることができる。

支持・位置決め要素７は、放射線ビームが長手方向経路に沿って通過できるようにするためにプローブ３と連通する軸方向開口１５を伴う略円筒状に形成された本体１４を有する。本体１４の一端には例えばネジ結合によって閉塞プレート１６が接続され、該閉塞プレートは、軸方向開口１５と位置合わせされる出口穴１７を含む。本体１４とプレート１６との間には分離ガラス２０が配置されており、この分離ガラスは、これらの２つの部品間の結合により軸方向開口１５でロックされる。ガラス２０は、リングガスケットまたは“Ｏリング”１９によってそのような軸方向開口１５をシールする。

支持・位置決め要素７のプレート１６には、径方向入口開口２３を有する液圧ダクト２２と、径方向入口開口２３と出口穴１７とを連通させる内部チャンネル２５とが存在し、出口穴１７は、図１に示される作業位置にあるウエハ１の第１の表面２と対向する。図示の例において、内部チャンネル２５は、４つであって、長手方向経路４に対して径方向に配置されており、互いに対して９０°の角度を成すように配置される。液圧ダクト２２の径方向開口２３は、−図１に矢印２６によって簡略化された態様で示される既知の方法で−低流量液体２７の外部液体源と連通しており、例えば、前記液体は、研削工程において冷却剤として使用される。液体２７は液圧ダクト２２によって出口穴１７へ向けて送られ、そのような液体２７は、出口穴１７を通じてプレート１６から流出して、ウエハ１の機械加工される表面２に達する。径方向に配置されてガラス２０の表面に接する４つの内部チャンネル２５の存在は、ガラス２０を包む略層流の状態で穴１７を通じて流出する液体２７の規則的な流れを向上させるとともに、プローブ３とウエハ１の表面２との間に液体クッション３０を形成する。

そのため、（放射されて反射される）放射線のビームの長手方向経路４は、吸収が最小である軸方向開口１５中の空気を通り抜ける経路の部分と、分離ガラス２０を一旦通過した後における略層流で流れる液体クッション３０を通り抜ける経路の短い部分とを含む。したがって、そのような長手方向経路４における不連続性は、制御下にあり、一定である（例えば乱流水の表面の場合のように偶発的ではない）。これは、ビームの長手方向経路４中に存在する偽りの厚さを特定して排除できるアルゴリズムで動作することが可能であるため、干渉プロセスによって得られる結果を十分信頼できるものにする。

本明細書中でこれまで図示して説明してきたものに関する変形は、例えば、支持・位置決め要素における液圧ダクト２２の実施および構造において実現可能である。実際には、内部チャンネルの数および／または配置が前述した内部チャンンネル（２５）に対して異なり得るが、それにより、先に挙げられて強調された適切な特性を有する液体クッション３０の形成が確保される。

Claims (12)

1. 研削機械（６）での機械加工中に半導体ウエハ（１）の厚さ寸法をチェックするための装置であって、
   赤外線帯域の光源（１１）と、反射ビームの検出器（１２）と、光学プローブ（３）とを有し、機械加工されるウエハ（１）の第１の表面（２）へ向けて赤外線ビームを長手方向経路（４）に沿って放射するとともに、前記第１の表面（２）と機械加工されるウエハ（１）によって画定される少なくとも１つの異なる表面（２’、２’’、２’’’）とによって反射されるビームを前記長手方向経路（４）にほぼ沿って受けるために前記光源（１１）および前記検出器（１２）が光学プローブ（３）に接続される検出システムと、
   光学プローブ（３）を支持・位置決めするための支持・位置決め要素（７）と、
   検出システムに接続される制御・処理ユニット（１０）と、
   液体（２７）の外部液体源に接続されるとともに、光学プローブ（３）と機械加工されるウエハ（１）の前記第１の表面（２）との間に液体（２７）のクッション（３０）を形成するようになっている液圧ダクト（２２）と
   を含む装置において、
   前記液圧ダクト（２２）は、前記支持・位置決め要素（７）にあり、
   前記液圧ダクト（２２）は、
   入口開口（２３）と、
   前記長手方向経路（４）に対して径方向に配置されるとともにウエハ（１）の前記第１の表面（２）と対向して配置されるようになっている出口穴（１７）と連通し、光学プローブ（３）と前記第１の表面（２）との間に層流状態の液体（２７）の前記クッション（３０）を形成するようになっている複数の径方向の内部チャンネル（２５）と
   を含み、
   前記長手方向経路（４）の空気（１５）を通り抜ける経路の部分と前記液体（２７）の前記クッション（３０）を通り抜ける短経路の部分とを分離するガラス（２０）を有し、前記複数の内部チャンネル（２５）は前記ガラス（２０）に接するように配置される
   ことを特徴とする装置。
2. 前記内部チャンネル（２５）は、４つであり、それらが互いに対して９０°の角度を成すように配置される、請求項１に記載の装置。
3. 支持・位置決め要素（７）が本体（１４）と閉塞プレート（１６）とを含み、前記液圧ダクト（２２）が閉塞プレート（１６）に設けられる、請求項１から２のいずれか一項に記載の装置。
4. 支持・位置決め要素（７）が軸方向開口（１５）を形成し、長手方向経路（４）が前記軸方向開口（１５）を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 軸方向開口（１５）が前記ガラス（２０）によって液圧ダクト（２２）からシール分離される、請求項４に記載の装置。
6. 前記液体（２７）が脱塩水である、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記液体（２７）が研削機械によるウエハ（１）の機械加工でも使用される、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記検出器（１２）は、受けられる反射ビームに対応する電気信号を発するようになっており、制御・処理ユニット（１０）は、検出器（１２）に接続され且つ前記電気信号を受けて干渉タイプの処理を実行するようになっている回路を含む、請求項１に記載の装置。
9. 研削機械（６）での機械加工中に赤外線光学プローブ（３）と関連する支持・位置決め要素（７）とによって半導体ウエハ（１）の厚さ寸法をチェックするための方法であって、
   赤外線ビームを発生させるとともに、該赤外線ビームを光学プローブ（３）を通じて長手方向経路（４）に沿って機械加工されるウエハ（１）の第１の表面（２）へ向けて伝送するステップと、
   前記第１の表面（２）と機械加工されるウエハ（１）によって画定される少なくとも１つの異なる表面（２’、２’’、２’’’）とによって反射されて長手方向経路（４）および光学プローブ（３）を通じて受けられるビームを検出するステップと、
   機械加工されるウエハ（１）の厚さ寸法に関する情報を得るために干渉システムを用いて反射ビームを処理するステップと、
   液圧ダクト（２２）を通じて液体（２７）を送るとともに、光学プローブ（３）と機械加工されるウエハ（１）の前記第１の表面（２）との間に前記液体（２７）のクッション（３０）を形成するステップと
   を含む方法において、
   前記液圧ダクト（２２）は前記支持・位置決め要素（７）に配置され、
   前記液体（２７）の前記クッション（３０）は光学プローブ（３）と前記第１の表面（２）との間に層流を有し、
   前記液体（２７）は、前記液体（２７）の規則的な流れおよび前記層流状態の前記液体（２７）の維持が向上されるように、前記液圧ダクト（２２）の複数の径方向の内部チャンネル（２５）に送られ、
   前記長手方向経路（４）は空気（１５）を通り抜ける経路の部分と前記液体（２７）の前記クッション（３０）を通り抜ける短経路の部分を含み、
   前記長手方向経路（４）の空気（１５）を通り抜ける経路の部分と前記液体（２７）の前記クッション（３０）を通り抜ける短経路の部分とを分離するガラス（２０）を有し、前記複数の内部チャンネル（２５）は前記ガラス（２０）に接するように配置される
   ことを特徴とする方法。
10. 前記液体（２７）は、研削機械によるウエハ（１）の機械加工で使用される冷却剤である、請求項９に記載の方法。
11. ウエハによって画定される前記少なくとも１つの異なる表面は、前記第１の表面（２）と反対側のウエハ（１）の外面（２’）である請求項９から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記ウエハ（１）が少なくとも２つの層（１’、１’’、１’’’）から形成され、ウエハによって画定される前記少なくとも１つの異なる表面は、前記少なくとも２つの層（１’、１’’、１’’’）を分離する不連続面（２’’、２’’’）である請求項９から１０のいずれか一項に記載の方法。

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