JP5477976B2

JP5477976B2 - 厚さ測定装置

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Publication number: JP5477976B2
Application number: JP2011192240A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　修; 英郎瀧澤; 光洋多田; 治彦楠瀬
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Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2031-09-05
Also published as: JP2013053923A

Description

本発明は、試料の微細な部位の厚さを正確に計測できる厚さ測定装置、特にTSVウェハの貫通電極が形成されている部位のシリコン基板の厚さを高精度に測定できる厚さ測定装置に関するものである。

３次元実装パッケージや３次元集積回路を製造する技術として、TSV技術（Through Silicon Via：TSV）が開発されている。３次元実装パッケージでは、シリコン基板に高アスペクト比の貫通電極が多数形成され、貫通電極を介して積層されたチップ間の相互接続が行われている。TSV技術を利用した３次元実装パッケージでは、複数のICチップが積層されて１つパッケージに収納されるため、フットプリントを小さくできると共に回路の高速動作化及び低消費電力化が可能になり、その実用化が強く期待されている。

シリコン基板に貫通電極を形成するプロセスでは、シリコン基板に直径が５μｍ程度の高アスペクト比（例えば１０倍程度）の孔がエッチングにより形成される。続いて、孔の深い底部まで電極材料が埋め込まれて、貫通電極が形成される。そして、表面側に貫通電極が形成されたTSVウェハの裏面側を研磨するため、TSVウェハとサポートウェハとが接着剤を介して貼り合わされ、貼合わせウェハが研削CMP装置に装着され、TSVウェハの裏面が研磨されている。この裏面研磨プロセスが行われた後、貫通電極の先端が露出するようにエッチング処理が行われている。

裏面研磨処理において、過剰研磨が行われると、銅の貫通電極が削られ、研磨処理室内部で銅汚染が生じてしまい、その後通過するウェハも銅汚染されてしまう。従って、裏面研磨量を高精度に制御する必要があり、TSVウェハの裏面から貫通電極の底部までの距離ないし厚さを正確に計測する必要がある。また、接着剤層を介してTSVウェハをサポートウェハに貼り合わす際、接着剤層に局所的な厚さムラが生ずるおそれがあるため、TSVウェハ単体の状態での厚さ測定だけでなく、TSVウェハをサポートウェハに貼り合わした状態でTSVウェハの各所の厚さを計測する必要もある。

半導体基体の厚さを測定する方法として、半導体基体の裏面側から赤外光を投射し、半導体基体の内部を透過し、内部に形成された界面からの反射光を利用して厚さ測定する方法が既知である（例えば、特許文献１参照）。この既知の厚さ測定方法では、試料として半導体基板上に表面層としての半導体層が形成された２層構造の半導体基体が用いられ、半導体基板とその上の半導体層との界面から反射光と、表面側の半導体層と空気層との界面からの反射光とを用い、これら２つの反射光の干渉縞を示す干渉信号に基づいて半導体層の厚さが計測されている。

また、上記特許文献には、半導体基体に形成されたトレンチの深さを測定する方法も開示されている。この既知の深さ測定方法では、半導体基体の裏面側から赤外光を投射し、トレンチの底面における界面からの反射光と半導体基体の表面部分における反射光とを用いてトレンチの深さが測定されている。

シリコンウェハの厚さを測定する装置として、干渉法を利用した測定装置も既知である（例えば、特許文献２参照）。この測定装置では、レーザ光源から出射した赤外光をビームスプリッタにより測定ビームと基準ビームとに分割し、測定ビームを試料に向けて投射、基準ビームを基準物体に向けて投射している。そして、試料及び基準物体から出射した反射光同士を干渉させ、得られた干渉パターンをカメラにより撮像し、干渉パターンに基づいてシリコンの厚さが測定されている。
特開平８−３１６２７９号公報特開２００１−１６５６１３号公報

TSV技術を利用した３次元実装パッケージの製造プロセスにおいては、TSVウェハに対する裏面研磨量を高精度に管理する必要がある。このためには、TSVウェハの裏面から貫通電極が形成されるViaの底面（貫通電極の先端）までのシリコン基板（シリコン層）の厚さないし距離を高精度に測定する必要がある。しかしながら、上記特許文献に記載された従来の厚さ測定装置では、トレンチの深さを測定する場合、個々のトレンチについて個別に深さ測定を行うのではなく、多数のトレンチを密集したパターンとしてとらえて厚さ測定が行われている。このため、目安としてのトレンチ深さしか測定できず、高精度な厚さ測定を実施すること困難であった。

さらに、TSVウェハとサポートウェハとが貼合わせウェハの場合、接着剤層に厚さムラが生ずる場合があるため、TSVウェハの厚さだけでなく、貼合わせウェハ全体についてもその厚さを測定する必要がある。すなわち、貼合わせウェハの厚さが高精度に管理されても、サポートウェハの厚さが局所的に変動したり、接着剤層の厚さにバラツキが生じると、裏面研削処理において局所的な過剰研磨や研磨不足が生じてしまう。従って、貼合わせウェハ全体について厚さ管理する必要がある。しかしながら、貼合わせウェハの場合、TSVウェハの表面側に配線層が形成されているため、貼合わせウェハ全体の厚さや接着剤層の厚さを測定することが困難であった。

本発明の目的は、TSVウェハの裏面から貫通電極が形成されるViaの底面（貫通電極の先端）までの距離を個別に高精度に測定できる厚さ測定装置を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、TSVウェハとサポートウェハとが接着剤層を介して結合された貼合わせウェハ全体について種々の部位の厚さを測定できる厚さ測定装置を提供することにある。

本発明による厚さ測定装置は、試料の厚さを測定するための測定光学系と、試料の２次元画像を撮像する観察光学系と、測定光学系から出力される信号を用いて試料の厚さを算出する信号処理装置とを具え、
前記測定光学系は、第１の波長域の測定光を発生する測定光源と、測定光を試料に向けて投射し、試料に光スポットを形成する対物レンズと、試料からの反射光を受光する光検出手段とを有し、
前記観察光学系は、前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の試料観察用の照明光を放出する照明光源と、照明光を試料に向けて投射する対物レンズと、試料からの反射光を受光して試料の２次元画像を撮像する撮像装置とを有し、
前記対物レンズと測定光源及び観察光源との間の光路中には、前記測定光学系と観察光学系とを光学的に結合する波長選択性を有するカップリング素子が配置され、
前記測定光学系の対物レンズと観察光学系の対物レンズは共通に用いられ、
前記波長選択性を有するカップリング素子は、測定光の一部を透過し一部を反射すると共に前記照明光のほぼ全体を反射するダイクロイックミラーにより構成され、
前記測定光が試料上に形成する光スポットからの反射光の一部は前記対物レンズ及びカップリング素子を経て観察光学系の撮像装置に入射し、
前記撮像装置は、前記測定光により形成される光スポットの像が重畳された試料像を撮像することを特徴とする。

本発明による厚さ測定装置では、試料の２次元画像中に厚さ測定用の光スポットの像が重畳された試料像が形成されるので、測定対象となる構造物に対して測定用の光スポットの位置を容易に合せることができ、試料中に微細な構造物が形成されたエリアの厚さを高精度に測定することができる。

本発明による厚さ測定装置は、複数のTSV電極及び素子形成領域が形成されている第１の表面及び第１の表面と対向する第２の表面を有し、シリコン基板により構成されるTSV基板の第１の表面と、サポート基板とが接着剤層を介して貼り合わされている貼合わせウェハの種々の部位の厚さを測定する厚さ測定装置であって、
測定されるべき貼合わせウェハを支持するステージと、
ステージ上のTSV基板の第２の表面と対向するように配置した第１の変位センサと、
サポート基板と対向するように配置した第２の変位センサと、
TSV基板のシリコン層の厚さを測定するための測定光学系、TSV基板の２次元画像を撮像する観察光学系、及び、測定光学系と観察光学系とを光学的に結合する波長選択性を有するカップリング素子を具えるTSV基板用の厚さ測定装置と、
前記第１及び第２の変位センサからの出力信号、及び前記測定光学系からの出力信号を受け取り、貼合わせウェハの種々の部位の厚さ情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記信号処理装置は、第１の及び第２の変位センサからの出力信号を用いて貼合わせウェハの全体の厚さｄ1を算出する第１の演算手段と、前記測定光学系からの出力信号を用いて貼り合わせ基板の第１の表面と第２の表面との間のシリコン層ないしシリコン基板の厚さｄ2を算出する第２の演算手段と、前記測定光学系からの出力信号を用いてTSV基板の第２の表面からTSV電極の底面までの厚さないし距離ｄ3を算出する第３の演算手段と、前記サポート基板の厚さｄ4を算出する第４の演算手段とを含み、
前記測定光学系は、赤外域又は近赤外域の第１の波長域の測定光を発生する測定光源と、測定光をTSV基板の第２の表面に向けて投射し、TSV基板に光スポットを形成する対物レンズと、前記光スポットからの反射光を受光する光検出手段とを有し、
前記観察光学系は、赤外域又は近赤外域の前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の照明光を放出する照明光源と、照明光をTSV基板の第２の表面に向けて投射する対物レンズと、TSV基板からの反射光を受光して試料の２次元画像を撮像する撮像装置とを有し、
前記測定光学系の対物レンズと観察光学系の対物レンズは共通に用いられ、
前記カップリング素子は、前記対物レンズと測定光源及び観察光源との間の光路中に配置され、測定光の一部を透過し一部を反射すると共に前記照明光のほぼ全体を反射するダイクロイックミラーにより構成され、前記測定光が試料上に形成する光スポットからの反射光の一部は前記対物レンズ及びカップリング素子を経て観察光学系の撮像装置に入射し、
前記撮像装置は、前記測定光により形成された光スポットの像が重畳されたTSV基板の２次元画像を撮像することを特徴とする。

本発明では、２台の変位センサと１台の厚さ測定装置を用いるだけで、貼合わせウェハの各部位の厚さを高精度に測定することができる。この結果、裏面研磨工程における研磨制御用の高精度の制御データを取得することが可能になる。

本発明によれば、試料の２次元画像中に厚さ測定に用いられる光スポットの像が重畳された試料像が形成されるので、微細な構造物が形成されている部位の位置を特定してその厚さを測定することが可能になる。特に、直径が５μｍ程度のTSV電極の底面上に光スポットを形成することが可能であるため、TSV電極の底面からシリコン基板の裏面までの距離を高精度に測定することができる。

貼合わせウェハの一例の構成を示す線図的断面図である。本発明による厚さ測定装置の全体構成を示す図である。本発明による信号処理装置の一例を示す図である。

図１は本発明の測定対象である貼合わせウェハの一例を示す線図的断面図である。貼合わせウェハ１は、TSVウェハ２とサポートウェハ３とを有し、これらウェハ間に接着剤層４を介在させてTSVウェハをサポートウェハにより支持する。TSVウェハ２は、例えば３００ｍｍウェハの場合、厚さが７７５μｍのシリコン基板で構成され、サポートウェハ３と対向する表面側には所定のピッチで多数の貫通電極（TSV電極）５が形成される。貫通電極５のサイズは、例えば直径が５μｍで深さが５０μｍに設定される。別の貫通電極として、直径が１０μｍで深さが１００μｍに設定され、又は直径が２０μｍで深さは２００μｍに設定される。TSVウェハの表面２ａにおいて、隣接する貫通電極間にはアルミ配線層を含む素子形成領域６が形成される。サポートウェハ４は、シリコン基板又はガラス基板で構成され、その厚さは例えば７７５μｍに設定される。また、接着剤層４の厚さは、数μｍ〜数１０μｍとする。

図１において、本発明の厚さ測定装置により測定される厚さの寸法について説明する。貼合わせウェハ１の全体の厚さをｄ1とし、TSVウェハ２の厚さをｄ2とし、TSVウェハの研磨処理される裏面２ｂから貫通電極５の底面までの厚さをｄ3とし、サポートウェハ３と接着剤層４との合計厚さをｄ4とする。本発明による厚さ測定装置は、ｄ1〜ｄ4の全ての厚さを測定し、裏面研磨処理の管理に利用する。

図２は本発明による厚さ測定装置の全体構成を示す図である。測定の対象である貼合わせウェハ１はステージ１０上に配置する。ステージ１０はＸＹステージにより構成され、ステージドライバ１１から供給される駆動信号により制御する。貼合わせウェハの測定部位は、モニタを見ながらステージのＸ方向位置及びＹ方向位置を制御することにより所望の位置に位置決めすることができる。ステージドライバ１１は、各種制御を行うコントローラとして機能すると共に入力した信号について信号処理を実行する信号処理装置１２から供給される制御信号により制御される。

貼合わせウェハ１のTSVウェハ２と対向するように第１の変位センサ１３を配置する。第１の変位センサ１３は光学式の変位センサにより構成され、第１の変位センサからTSVウェハ２の表面までの変位量ないし距離を測定する。サポートウェハ３と対向するように第２の変位センサ１４を配置する。第２の変位センサ１４も光学式変位センサにより構成され、当該変位センサからサポートウェハ３の表面までの変位量ないし距離を測定する。第１及び第２の変位センサは、貼合わせウェハ１の表面と直交する軸線上に配置される。また、第１の変位センサと第２の変位センサとの間の距離は予め設定され、既知の距離とする。第１及び第２の変位センサ１３及び１４からの出力信号は、変位センサコントローラ１５に出力され、距離情報に変換されて信号処理装置１２に供給される。尚、厚さが予め既知のウェハをステージ上に配置し、変位センサから出力される変位量を用いてキャリブレーョンを行い、距離情報に変換することも可能である。

貼合わせウェハ１のTSVウェハ２と対向するように、TSVウェハ２の各所のシリコン層ないしシリコン基板の厚さを測定する厚さ測定装置の光学ヘッド１６を配置する。当該厚さ測定装置は、TSVウェハについて厚さ測定を行う測定光学系及びTSVウェハの２次元画像を撮像する観察光学系の２つの光学系を有する。そして、光学ヘッド１６は、測定光学系及び観察光学系の２つの光学系の共通の光学ヘッドとして機能する。すなわち、本発明では、測定光学系及び観察光学系の２つの光学系に対して光学ヘッド及び対物レンズを兼用する構成を採用する。光学ヘッド１６は対物レンズ１７を有し、測定光学系から出射する測定光及び観察光学系から出射する観察光を対物レンズを１７介して貼合わせウェハ１のTSVウェハ２に向けて投射すると共に、TSVウェハ１から出射した反射光は光学ヘッドに設けた対物レンズ１７を介して集光される。また、光学ヘッド１６にはモータ１８が連結され、モータを駆動することにより光学ヘッド及び対物レンズ１７を光軸方向に移動することができる。従って、光学ヘッドを移動させることにより焦点制御を行うことができ、測定光によりウェハ上に形成される光スポットの光軸方向の位置を変位させることも可能である。さらに、対物レンズの光軸方向の位置を制御することにより、TSVウェハの素子形成領域又はTSV電極の底面を含むエリアの２次元画像を撮像し、モニタ上に表示することも可能である。尚、モータ１８は、光学ヘッドドライバ１９から供給される駆動信号により駆動する。

光学ヘッド１６は、第１の光ファイバ２０を介して測定光学系の測定コントローラ２１に光学的に接続し、第２の光ファイバ２２を介して照明光学系のランプハウス２３に接続する。第１の光ファイバはシングルモード光ファイバで構成され、TSVウェハ２から出射した反射光は光ファイバのコアを介して光学ヘッド１６から測定コントローラ２１に送られる。また、ランプハウス２３から放出された観察光（照明光）は、第２の光ファイバ２２を介して光学ヘッド１６に供給される。ランプハウス２３はＩ／Ｏボード２４を介して信号処理装置１２に接続する。

測定光学系の測定コントローラ２１について説明する。測定コントローラ２１は、測定光を発生するIR光源と、TSVウェハから出射した反射光を受光する光検出手段とを有する。測定光を発生する光源３０として、シリコンに対して透明な近赤外領域にスペクトルを有する各種光源を用いることができ、本例では、波長域が１．２μｍ〜１．４μｍの範囲内にあり、中心波長が１．３１μｍの広帯域ＳＬＥＤを用いる。

光源３０から出射した測定光は、光ファイバ３１を介してサーキュレータ３２に入射する。サーキュレータ３２のポートには第１の光ファイバ２０の一端が接続される。測定光は、第１の光ファイバ２０を伝搬して光学ヘッド１６に入射する。入射した測定光は、レンズ３３及び波長選択性を有するカップリング素子３４を経て対物レンズ１７に入射する。カップリング素子３４は、測定光学系と観察光学系とを光学的に結合する作用を果たし、例えば測定光の一部を透過すると共に一部を反射し且つ観察光学系の照明光のほぼ全体を反射するダイクロイックミラーで構成される。例えば、ダイクロイックミラーとして、入射した測定光の９０％を透過し、１０％を反射するダイクロイックミラーで構成することができる。尚、カップリング素子をハーフミラーで構成した場合、照明光が測定光学系に入射してノイズを形成し、測定誤差が発生する危険性がある。一方、ダイクロイックミラーは波長性を有し、照明光が測定光学系にほとんど入射しないため、高精度な厚さ測定を行うことができる。カップリング素子を透過した測定光は、対物レンズ１７により集束性ビームに変換され、貼合わせウェハ１のTSVウェハ２に入射する。そして、TSVウェハの厚さ測定されるべき部位に微小な光スポットを形成する。光スポットの直径は、例えば４μｍ径に設定する。従って、１つの貫通電極の底面上に光スポットを形成することができる。

測定光は、シリコンに対して透明であるから、一部の測定光はTSVウェハの裏面で反射し、残りの測定光はTSVウェハの裏面を透過し、TSVウェハの内部に光スポットを形成する。尚、光スポットのＸＹ面内（ステージ面内）の位置は、ステージを駆動することにより自在に設定することができ、TSV電極の底面上に光スポットを形成することができ、或いは素子形成面上に光スポットを形成することができる。また、光スポットの光軸方向の位置は、モータ１８を駆動して対物レンズを光軸方向に変位させることにより所望の位置に設定することが可能である。従って、TSV電極の底面上に又は素子形成面上に微小な直径の厚さ測定用の光スポットを形成することができる。

TSV電極の底面又は素子形成面に形成された光スポットから出射した反射光は、TSVウェハのシリコン層を伝搬し、裏面２ｂから出射する。出射した反射ビームは、対物レンズ１７により集光され、一部の反射光はカップリング素子３４を透過し、残りの一部の反射光はカップリング素子で反射する。カップリング素子で反射した反射光は、後述する観察光学系に入射する。また、TSVウェハ２の裏面２ｂで反射した反射光も対物レンズ１７により集光され、カップリング素子３４を透過する。

カップリング素子を透過した反射光は、レンズ３３を経て第１の光ファイバ２０のコアに入射し、コア中を伝搬してコントローラ２１に入射する。入射した反射光は、順にサーキュレータ３２、光ファイバ３５、スリット３６、コリメータレンズ３７、回折格子３８及び結像レンズ３９を経て光検出手段４０に入射する。光検出手段４０は、回折格子３８の回折方向に配列された複数の受光素子を有するInGaAsリニアイメージセンサで構成する。一方、TSVウェハ２の裏面２ｂで反射した反射光も同様にレンズ３３を経て第１の光ファイバ２０のコアに入射し、コア中を伝搬してコントローラ２１に入射する。従って、回折格子３７には、TSVウェハの第２の表面２ｂからの反射光とTSVウェハの内部（TSV電極の底面又は素子形成面）からの反射光とが入射する。これら２つの反射光間には、TSVウェハのシリコン膜の厚さに相当する光路差が存在し、その光路差に対応した波長光が干渉する。従って、回折格子３８から波長に対応した回折角方向に干渉光が出射し、光検出手段４０に入射する。従って、光検出手段４０からの出力信号は信号処理装置１２に供給され、フーリエ変換処理等を行うことにより、分光干渉法によりTSVウェハの各部位の厚さが算出される。

観察光学系のランプハウス２３から観察用の照明光を放出する。観察用の照明光は、測定光の波長とは異なる第２の波長域の近赤外光又は赤外光を用いる。本例では、照明光源として、ハロゲンランプとIRフィルタとの組み合わせを用い、IRフィルタは１．０μｍ〜１．２μｍの波長光を透過するフィルタで構成する。ハロゲンランプ４１から出射した照明光は、シャッタ４２及びIRフィルタ４３及び集光レンズ４４を介して第２の光ファイバ２２に入射する。そして、第２の波長域（１．０μｍ〜１．２μｍ）の照明光が第２の光ファイバ２２を伝搬して光学ヘッド１６に入射する。光学ヘッドに入射した照明光は、レンズ４５及び４６を経てビームスプリッタ４７に入射する。本例では、ビームスプリッタ４７はハーフミラーで構成する。照明光は、ビームスプリッタ４７で反射し、カップリング素子３４に入射する。カップリング素子は、波長選択性を有し、波長が１．２μｍ〜１．４μｍの測定光は透過し、波長が１．０μｍ〜１．２μｍの照明光を反射する。従って、照明光は、カップリング素子３４で反射し、対物レンズの光路を伝搬し、貼合わせウェハ１のTSVウェハ２に入射する。波長が１．０μｍ〜１．２μｍの測定光はシリコン基板に対して透明であるため、照明光は、TSVウェハの裏面を透過し、貫通電極の底面付近の比較的広いエリアを照明し、或いはTSVウェハの素子形成領域を照明する。

TSVウェハの素子形成領域及び貫通電極の底面で反射した反射光は、TSVウェハの内部を伝搬し、その裏面から出射して対物レンズ１７により集光される。対物レンズから出射した反射光は、カップリング素子３４で反射し、ビームスプリッタ４７を透過し、結像レンズ（図示せず）を経て撮像装置４８に入射する。撮像装置４８は、試料の２次元画像を撮像する。撮像装置として、近赤外域に感度を有するInGaAsカメラ、IRビジコン又は近赤外線カメラを用いることができる。

前述したように、測定光により形成された光スポットからの反射光の一部はカップリング素子３４を透過し、ビームスプリッタ４７を透過し、結像レンズを経て撮像装置４８に入射する。従って、TSVウェハの素子形成面を含むエリアの２次元画像又は貫通電極を含むエリアの２次元画像中に測定光学系により形成された光スポットの像が重畳された２次元画像が撮像される。撮像装置４８から出力される画像信号は信号処理装置１２に供給される。

信号処理装置１２にはモニタ５０及び入出力装置５１が接続される。モニタ上には撮像装置４８から出力されるTSVウェハの２次元画像を表示することができる。従って、モニタ上には、貫通電極の配置位置及び素子形成領域の配置位置を表示する２次元画像が表示され、当該２次元画像上には測定光により形成された光スポットの像が重畳される。よって、操作者は、モニタに表示された光スポット像の位置に基づいて測定光がTSVウェハ中のいかなる部位に入射しているか判断することが可能になる。すなわち、貫通電極の底面からTSVウェハの裏面までの厚さないし距離を測定する場合、操作者は、モニタ上に表示される２次元画像中の光スポットの位置を確認し、光スポットが貫通電極の底面上に位置したことを確認して当該距離ないし厚さを測定することが可能になる。また、TSVウェハの裏面から表面又は素子形成面までの距離を測定する場合も同様に、操作者は、測定光の光スポットの位置と周囲の構造物とを確認して距離又は厚さを測定することが可能になる。この結果、TSV基板に微細な構造物が多数形成されていても、所望の位置の厚さ測定することが可能になる。特に、構造物の形成位置を目安にして測定部位を決定することができる。

次に、信号処理装置１２における信号処理について説明する。図３は、本発明による信号処理装置の一例を示す図である。初めに、貼合わせウェハ１の全体の厚さｄ1の測定について説明する。第１及び第２の変位センサ１３及び１４から出力信号は、変位センサコントローラ１５を介して変位センサ測定データ演算手段６０に供給される。変位センサ測定データ演算手段６０は、第１及び第２の変位センサからの出力信号を用いて、第１の変位センサ１３からTSVウェハ２の第２の表面までの距離ないし変位量ｈ1を算出すると共に第２の変位センサ１４からサポートウェハ３の表面までの距離ないし変位量ｈ2を算出する。算出された変位量データｈ1及びｈ2は、貼合わせウェハ厚さ演算手段６１に供給する。貼合わせウェハ厚さ演算手段６１は、２つの変位センサ間の間隔ないし距離（貼合わせウェハの表面と直交する方向の間隔ないし距離）から２つの変位量データｈ1及びｈ2を減算することにより、貼合わせウェハの全体の厚さｄ1を算出する。得られた厚さデータｄ1は、測定データ保持手段６２に供給する。

ステージドライバ１１から供給される信号は信号処理装置のステージ位置データ出力手段６３に供給される。ステージ位置データ出力手段６３は、ステージドライバ１１からの出力信号を用いてステージの位置データを算出し、その出力をウェハ測定位置データ出力手段６４に供給する。ウェハ測定位置データ出力手段は、ウェハの位置情報と２つの変位センサの（ｘ，ｙ）面内の配置情報とを用いて厚さｄ1が測定されたウェハ上の位置を特定し、（ｘ，ｙ）情報として出力する。測定データ保持手段６２は、貼合わせウェハ全体の厚さデータｄ1と測定位置データとを対として記憶する。

次に、TSVウェハ２の厚さ、すなわち、TSVウェハの第１の表面と第２の表面との間（第２の表面と素子形成領域との間）の厚さ測定について説明する。操作者は、モニタ上に表示されるTSVウェハの２次元画像及び光スポットの像を観察しながら、光スポットが素子形成領域上に位置するようにステージを操作する。その状態において、測定光学系の光検出手段からの出力信号は、厚さ測定コントローラ２１を介して厚さ測定データ算出手段６５に供給され、分光干渉法を利用してTSV基板の厚さｄ2を算出する。算出された厚さｄ2のデータは、測定データ保持手段６２に供給する。測定データ保持手段６２は、測定された厚さデータｄ2とウェハ上における測定位置データ（ｘ，ｙ）とを対として記憶する。

次に、TSVウェハ２の第２の表面から貫通電極の底面までのシリコン基板の厚さｄ1の測定について説明する。撮像装置４６から出力される測定光による光スポットの像が重畳されたTSV基板の画像信号は２次元画像形成手段６６に供給される。２次元画像形成手段は、入力した画像信号から２次元画像信号を形成して貫通電極の測定位置検出手段６７に供給する。貫通電極の測定位置検出手段６７には、貫通電極パターンのテンプレート画像を保持する貫通電極パターンテンプレート画像保持手段６８から貫通電極のテンプレート画像も供給される。貫通電極の測定位置検出手段６７は、２次元画像中に存在する貫通電極の画像と貫通電極パターンテンプレートとを用いて貫通電極の位置を特定する。特定された貫通電極の位置情報は、ユニット制御装置６９に供給される。ユニット制御装置６９は、ステージドライバ１１に制御信号を供給し、測定光により形成された光スポットの像が貫通電極の底面上に位置する制御する。また、この状態において、光学ヘッドドライバ１９を制御し、貫通電極の底面上に集束した光スポットが形成されるように光学ヘッドの光軸方向の位置を制御する。尚、測定位置を指定したい場合、測定位置指定データ手段７０から測定位置指定データをユニット制御装置６９に供給し、指定した位置において厚さデータを取得することも可能である。

続いて、測定光学系が作動してTSVウェハ２の第２の表面から貫通電極の底面までのシリコン層の厚さを測定する。厚さ測定コントローラ２１から出力されるデータは、信号処理装置の厚さデータ算出手段６５に供給される。厚さデータ算出手段６５は、測定コントローラに搭載された光検出手段からの出力信号を用い、分光干渉法によりTSV基板の第２の表面から貫通電極の底面までのシリコン層の厚さｄ3を算出する。算出された厚さデータｄ3は、測定データ保持手段６２に供給する。測定データ保持手段６２は、測定された厚さデータｄ3とウェハ上における測定位置データ（ｘ，ｙ）とを対として記憶する。

サポートウェハ３と接着剤層の厚さ測定について説明する。貼合わせウェハ厚さ演算手段６１から出力される貼合わせウェハ１の全体の厚さデータｄ1及びTSVウェハ２の厚さデータｄ2は、サポートウェハ厚さ演算手段７１に供給する。当該厚さ演算手段７１は、貼合わせウェハ１の全体の厚さからTSVウェハ２の厚さを減算し、サポートウェハと接着剤層との厚さデータｄ4を算出する。算出された厚さデータｄ4は、データ保持手段６２に供給する。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、測定光の波長域を１．２μｍ〜１．４μｍに設定し、観察光の波長域を１．０μｍ〜１．２μｍに設定したが、これらの波長範囲に限定されず、シリコン基板を透過する赤外域又は近赤外域の波長域のいかなる波長域にも設定することが可能である。

また、TSVウェハのシリコン基板の厚さを測定する厚さ測定装置として、分光干渉法以外の方式の厚さ測定装置を用いることができる。さらに、干渉光を回折格子を用いて分光する方法以外の方法として、光源における波長掃引を利用することも可能である。

１貼合わせウェハ
２ TSVウェハ
３サポートウェハ
４接着剤層
５貫通電極
６配線層
１０ステージ
１１ステージドライバ
１２信号処理装置
１３第１の変位センサ
１４第２の変位センサ
１５変位センサコントローラ
１６光学ヘッド
１７対物レンズ
１８モータ
１９光学ヘッドドライバ
２０第１の光ファイバ
２１測定コントローラ
２２第２の光ファイバ
２３ランプハウス
２４Ｉ／Ｏボード
３０光源
３１光ファイバ
３２サーキュレータ
３３レンズ
３４カップリング素子
３５光ファイバ
３６スリット
３７コリメータレンズ
３８回折格子
３９結像レンズ
４０光検出手段
４１ハロゲンランプ
４２シャッタ
４３ IRフィルタ
４４集光レンズ
４５，４６レンズ
４７ビームスプリッタ
４８撮像装置

Claims

試料の厚さを測定するための測定光学系と、試料の２次元画像を撮像する観察光学系と、測定光学系から出力される信号を用いて試料の厚さを算出する信号処理装置とを具え、
前記測定光学系は、第１の波長域の測定光を発生する測定光源と、測定光を試料に向けて投射し、試料に光スポットを形成する対物レンズと、試料からの反射光を受光する光検出手段とを有し、
前記観察光学系は、前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の試料観察用の照明光を放出する照明光源と、照明光を試料に向けて投射する対物レンズと、試料からの反射光を受光して試料の２次元画像を撮像する撮像装置とを有し、
前記対物レンズと測定光源及び観察光源との間の光路中には、前記測定光学系と観察光学系とを光学的に結合する波長選択性を有するカップリング素子が配置され、
前記測定光学系の対物レンズと観察光学系の対物レンズは共通に用いられ、
前記波長選択性を有するカップリング素子は、測定光の一部を透過し一部を反射すると共に前記照明光のほぼ全体を反射するダイクロイックミラーにより構成され、
前記測定光が試料上に形成する光スポットからの反射光の一部は前記対物レンズ及びカップリング素子を経て観察光学系の撮像装置に入射し、
前記撮像装置は、前記測定光により形成される光スポットの像が重畳された試料像を撮像することを特徴とする厚さ測定装置。
複数のTSV電極及び素子形成領域が形成されている第１の表面及び第１の表面と対向する第２の表面を有し、シリコン基板により構成されるTSV基板の種々の部位の厚さを測定する厚さ測定装置であって、
厚さ測定されるTSV基板を支持するステージと、TSV基板の厚さを測定するための測定光学系と、TSV基板の２次元画像を撮像する観察光学系と、測定光学系から出力される信号を用いてTSV基板の厚さを算出する信号処理装置と、測定光学系と観察光学系とを光学的に結合する波長選択性を有するカップリング素子とを具え、
前記測定光学系は、赤外域又は近赤外域の第１の波長域の測定光を発生する測定光源と、測定光をTSV基板の第２の表面に向けて投射し、TSV基板に光スポットを形成する対物レンズと、前記光スポットからの反射光を受光する光検出手段とを有し、
前記観察光学系は、赤外域又は近赤外域の前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の照明光を放出する照明光源と、照明光をTSV基板の第２の表面に向けて投射する対物レンズと、TSV基板からの反射光を受光して試料の２次元画像を撮像する撮像装置とを有し、
前記測定光学系の対物レンズと観察光学系の対物レンズは共通に用いられ、
前記カップリング素子は、前記対物レンズと測定光源及び観察光源との間の光路中に配置され、測定光の一部を透過し一部を反射すると共に前記照明光のほぼ全体を反射するダイクロイックミラーにより構成され、前記測定光が試料上に形成する光スポットからの反射光の一部は前記対物レンズ及びカップリング素子を経て観察光学系の撮像装置に入射し、
前記撮像装置は、前記測定光により形成された光スポットの像が重畳されたTSV基板の２次元画像を撮像することを特徴とする厚さ測定装置。
請求項２に記載の厚さ測定装置において、前記TSV基板の第１の表面は、接着剤層を介してサポート基板と貼り合わされ、

前記測定光及び照明光は、TSV基板の第２の表面に向けて投射されることを特徴とする厚さ測定装置。
請求項３に記載の厚さ測定装置において、前記測定光により形成される光スポットは、TSV電極の底部上に位置決めされ、TSV基板の第２の表面からTSV電極の底部までの厚さないし距離が測定されることを特徴とする厚さ測定装置。
請求項３に記載の厚さ測定装置において、前記測定光により形成される光スポットは、TSV基板の第１の表面側に形成された素子形成領域に位置決めされ、TSV基板の第２の表面から素子形成領域までの厚さないし距離が測定されることを特徴とする厚さ測定装置。
複数のTSV電極及び素子形成領域が形成されている第１の表面及び第１の表面と対向する第２の表面を有し、シリコン基板により構成されるTSV基板の第１の表面と、サポート基板とが接着剤層を介して貼り合わされている貼合わせウェハの種々の部位の厚さを測定する厚さ測定装置であって、
測定されるべき貼合わせウェハを支持するステージと、
ステージ上のTSV基板の第２の表面と対向するように配置した第１の変位センサと、
サポート基板と対向するように配置した第２の変位センサと、
TSV基板のシリコン層の厚さを測定するための測定光学系、TSV基板の２次元画像を撮像する観察光学系、及び、測定光学系と観察光学系とを光学的に結合する波長選択性を有するカップリング素子を具えるTSV基板用の厚さ測定装置と、
前記第１及び第２の変位センサからの出力信号、及び前記測定光学系からの出力信号を受け取り、貼合わせウェハの種々の部位の厚さ情報を出力する信号処理装置とを具え、
前記信号処理装置は、第１の及び第２の変位センサからの出力信号を用いて貼合わせウェハの全体の厚さｄ1を算出する第１の演算手段と、前記測定光学系からの出力信号を用いて貼り合わせ基板の第１の表面と第２の表面との間のシリコン層ないしシリコン基板の厚さｄ2を算出する第２の演算手段と、前記測定光学系からの出力信号を用いてTSV基板の第２の表面からTSV電極の底面までの厚さないし距離ｄ3を算出する第３の演算手段と、前記サポート基板の厚さｄ4を算出する第４の演算手段とを含み、
前記測定光学系は、赤外域又は近赤外域の第１の波長域の測定光を発生する測定光源と、測定光をTSV基板の第２の表面に向けて投射し、TSV基板に光スポットを形成する対物レンズと、前記光スポットからの反射光を受光する光検出手段とを有し、
前記観察光学系は、赤外域又は近赤外域の前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の照明光を放出する照明光源と、照明光をTSV基板の第２の表面に向けて投射する対物レンズと、TSV基板からの反射光を受光して試料の２次元画像を撮像する撮像装置とを有し、
前記測定光学系の対物レンズと観察光学系の対物レンズは共通に用いられ、
前記カップリング素子は、前記対物レンズと測定光源及び観察光源との間の光路中に配置され、測定光の一部を透過し一部を反射すると共に前記照明光のほぼ全体を反射するダイクロイックミラーにより構成され、前記測定光が試料上に形成する光スポットからの反射光の一部は前記対物レンズ及びカップリング素子を経て観察光学系の撮像装置に入射し、
前記撮像装置は、前記測定光により形成された光スポットの像が重畳されたTSV基板の２次元画像を撮像することを特徴とする厚さ測定装置。
請求項6に記載の厚さ測定装置において、前記測定光及び照明光は、TSV基板の第２の表面に向けて投射され、前記測定光により形成される光スポットは、TSV電極の底部上に位置決めされて、TSV基板の第２の表面からTSV電極の底部までの厚さないし距離が測定され、或いは、TSV基板の第１の表面側に形成された素子形成領域に位置決めされて、TSV基板の第２の表面から素子形成領域までの厚さないし距離が測定されることを特徴とする厚さ測定装置。
請求項7に記載の厚さ測定装置において、前記信号処理装置の第１の演算手段は、前記第１及び第２の変位センサからの出力信号と、これら変位センサ間の間隔情報とを用いて、貼り合わせ基板の全体の厚さｄ1を算出することを特徴とする厚さ測定装置。
請求項8に記載の厚さ測定装置において、前記第４の演算手段は、第１の演算手段から出力される貼合わせウェハ全体の厚さｄ1と、第２の演算手段から出力される貼合わせウェハの厚さｄ2との差分を求め、得られた差分をサポート基板と接着剤層の厚さｄ4として出力することを特徴とする厚さ測定装置。