JP6509846B2 - 機械加工されている物体の厚さを干渉法により光学的に測定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械加工されている物体の厚さを干渉法により光学的に測定するための方法及び装置に関する。

本発明は、有利には、しかしながら限定的ではないが、例えば厚さそれ自体の存在及び／又は特定の化学組成のような構造的特徴を有する機械加工されている物体の厚さを干渉法により測定する際に適用されて、光放射の高い吸収性が暗示され、例えば高度にドープされた半導体材料（典型的には、高濃度の異なる化学元素、またはリン等の「ドーパント」、の領域を含むシリコン）のスライスやウエハであり、以下の説明において一般性を失うことなく明確に言及される。

半導体材料は、集積回路や電子デバイスを実現するために広く使用されている。例えば、半導体材料からなるスライスが機械加工されて微小電気機械システム、すなわちＭＥＭＳを得ることができる。半導体材料の所定の領域における伝導性を増大させることを目的として、「ドープ」という名前の技術が利用されており、それは、「ドーパント」と呼ばれるリン等の化学元素の導入によりそのような所定の領域内の自由電荷の数を増大させることからなる。半導体材料が金属の電気的性質に非常に類似した電気的性質を有するように、ドーパントの量は、所定のドープ領域において非常に大きくなければならず、電気伝導性が１０００（Ω・ｃｍ）^−１のオーダーである。この場合、変質又は高度にドープされた半導体材料がある。

一般に、半導体材料からなるスライスは、高度にドープされているものであってもされていないものであっても、研削や研磨により機械的に加工されて所望の値に相当する一様な厚さを得ることが必要であり、この段階において、所望の値が厳密に達成されることを確保すべく、スライスが機械加工されている間にその厚さを測定することが必要である。

半導体材料のスライスの厚さを測定するための既知技術では様々な科学技術が利用されているが、二種類の主な技術が存在する。第１の既知技術は接触型であって、例えば、機械加工されているスライスの外面に接触する機械的フィーラを有する１つ以上の計測ヘッドの使用を伴い、基準面に対するその高さの変動を検出する。しかしながら、この技術は、機械的フィーラとの接触により半導体材料のスライスが測定中にダメージを受ける可能性があり、例えば１００μｍ未満の、非常に薄い厚さの測定を行うことはできない。

半導体材料のスライスの厚さを測定するための他の既知技術は非接触型であって、容量性プローブ、誘導性（渦電流等）プローブ、又は超音波プローブの使用を伴う。これらの技術は、測定中に半導体材料のスライスにダメージを与えないが、測定可能な寸法範囲及び達成可能な最大分解能の双方において限界がある。

特に半導体材料のスライスが非常に薄い場合、このスライスが、より大きい機械的強度を付与してそれ故に取扱性を向上させる機能を有する（一般的にはプラスチック又はガラスの）支持層に取り付けられることが考慮されなくてはならない。接触型及び非接触型の既知技術は、基準面に対して機械加工される外面の高さの変動を測定するものであって、物体（半導体材料及び支持層）の合計厚さに関する情報を提供し得るが、支持層の厚さが十分に正確な態様でわからないため、半導体材料のスライスの厚さを十分な確度で測定することはできない。

上述の既知技術の限界を克服するために、光学プローブ及び干渉法技術が利用されている。例えば、欧州特許出願公開ＥＰ２１７４０９２Ａ１号は、１以上の層を有するシリコン等の半導体材料のスライスの厚さを光学的に測定するための方法及び装置を記載している。そのような装置は、機械加工されているシリコンスライスに対面するとともに光カップラーに接続された光学プローブを備える。この光カップラーには、（シリコンは赤外放射線に対して十分に透過的であるため）近赤外線領域の波長帯における低コヒーレンス光のビームを出射する光源と、特に支持層からシリコンスライスを分離する面から、より一般的にはスライスが複数の層を有する場合には他の不連続面から、外面により及び機械加工されている物体の内側の光学的に不連続面により反射された放射線間の干渉結果のスペクトルを分析する分光計とが、更に接続されている。

上記の放射線が通過した光学的に均質な一又は複数の層の厚さは、そのような分析から特定され得る。一般に、高ドープの結果として導電性が増大されたシリコン層の領域は、光放射線に対して、特に赤外線に対して、透過性が低くなる。実際に、ドープによる自由電荷は、一方では材料それ自体の伝導性を増大させるが、他方では吸収や反射のメカニズムにより光放射線に対する透過性を低下させる（自由電子の数の増加により特に反射現象が強まる）。この現象は周知であり、例えば「Ｏｐｔｉｃａｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ ｈｅａｖｉｌｙ ｄｏｐｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ」と題された、Ｐ．Ｅ．Ｓｃｈｍｉｄ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、Ｖｏｌｕｍｅ ２３、Ｎｕｍｂｅｒ １０、１９８１年５月１５日）による書物に記載されている。したがって、干渉法による測定に基づく既知技術は、高度にドープされたシリコンのスライスの、ドープレベルに応じて変動するある値（例えば、電気伝導性が１０００（Ω・ｃｍ）^−１のオーダーを示すようなドープの場合には１００μｍ）よりも大きな厚さを測定することはできない。したがってこのタイプの物体の機械加工を、特に厚さが所望の最終値よりもかなり大きい可能性が高い初期段階において、リアルタイムで適切に測定することができない。厚さがその所望の最終値の間近にある場合に、少なくとも先験的に未知の時点まで、機械加工の進行を確認できずそれにより速度の調整ができないことは、十分に確実で正確な測定を保証しない。測定が可能となったときにツールの速度が比較的速い場合、所望の厚さの値に達した時点で機械加工が正確に停止されないというような懸念がある。

本発明の目的は、機械加工されている物体の厚さを干渉法により光学的に測定するための方法及び装置を実現することであり、そのような方法及びそのようなシステムは、上述の不便さがなく、同時に、簡単且つ安価に実施される。

本発明によれば、この目的及び他の目的が請求項１及び１１のそれぞれに基づく方法及び装置によって達成される。

本発明の目的及び利点は、添付図面に関連して、非制限的な例としてのみ与えられる本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかにされる。

本発明は、非限定的な例として与えられる添付図面を参照して説明される。
図１は、明確化のためにいくつかの部品が除かれた、半導体材料のスライスの厚さを干渉法により光学的に測定するための装置の概略図である。 図２は、図１の半導体材料のスライスの拡大概略側断面図であって、本発明による測定フェーズを概念的に示す図である。 図３は、それ自体既知の測定フェーズにおける、半導体材料のスライスの概略側断面図である。 図４は、半導体材料のスライスの概略側断面図であり、スライスが図３のそれより大きい厚さを有する。 図５ａ及び図５ｂは、２つの異なる光学的不連続面から反射された放射線間の干渉結果のスペクトル、及び光路長の関数としての対応のフーリエ変換をそれぞれ示す２つの概略図である。 図５ａ及び図５ｂは、２つの異なる光学的不連続面から反射された放射線間の干渉結果のスペクトル、及び光路長の関数としての対応のフーリエ変換をそれぞれ示す２つの概略図である。 図６ａ及び図６ｂは、３つの異なる光学的不連続面から反射された放射線間の干渉結果のスペクトル、及び光路長の関数としての対応するフーリエ変換をそれぞれ示す２つの概略図である。 図６ａ及び図６ｂは、３つの異なる光学的不連続面から反射された放射線間の干渉結果のスペクトル、及び光路長の関数としての対応するフーリエ変換をそれぞれ示す２つの概略図である。 図７ａ及び図７ｂは、それぞれ、半導体材料の２つの層を有するスライスの拡大概略側断面図と、そのスライスの不連続面により反射された放射線間の干渉結果のスペクトルの光路長の関数としてのフーリエ変換とであり、これらは本発明の特定の実施形態による測定のある瞬間を概念的に示す。 図７ａ及び図７ｂは、それぞれ、半導体材料の２つの層を有するスライスの拡大概略側断面図と、そのスライスの不連続面により反射された放射線間の干渉結果のスペクトルの光路長の関数としてのフーリエ変換とであり、これらは本発明の特定の実施形態による測定のある瞬間を概念的に示す。 図８ａ及び図８ｂは、それぞれ、半導体材料の２つの層を有するスライスの拡大概略側断面図と、そのスライスの不連続面により反射された放射線間の干渉結果のスペクトルの光路長の関数としてのフーリエ変換とであり、これらは本発明の特定の実施形態による測定のある瞬間を概念的に示し、そのような瞬間は図７ａ及び７ｂのある瞬間の後に続いている。 図８ａ及び図８ｂは、それぞれ、半導体材料の２つの層を有するスライスの拡大概略側断面図と、そのスライスの不連続面により反射された放射線間の干渉結果のスペクトルの光路長の関数としてのフーリエ変換とであり、これらは本発明の特定の実施形態による測定のある瞬間を概念的に示し、そのような瞬間は図７ａ及び７ｂのある瞬間の後に続いている。

図１において、符号１は、フレームＡ及び少なくとも可動ツールＣを備える工作機械で機械加工されており高度にドープされたシリコン等の半導体材料のスライスにより構成されている物体２の厚さを干渉法により光学的に測定するための装置を全体的に示し、可動ツールＣは、例えば、回転方向に回転して移動システムにより移動するように特に機械加工方向Ｂに沿って物体に向かって前進するように適合された砥石車である。測定すべき厚さは、ツールＣが協働するように適合されるスライス２の外面１６から、当該外面１６に対向する、このスライス２の不連続な内面１７にまで延在し、それは、一般に、シリコンスライス２と、このスライス２が取り付けられ又は当接して例えば工作機械の一部と称される別の材料からなる要素との間の不連続面を表している。

それ自体既知の特徴を備えた図１に示す実施形態によれば、高度にドープされたシリコンのスライス２は、より大きい機械的強度を付与する機能を有しそれ故にスライス２の取り扱い性をより容易にする（通常プラスチック又はガラスの）支持層３に取り付けられ、不連続な内面１７は、例えば、シリコンスライス２と支持層３との間の不連続面である。シリコンスライス２及び支持層３を備えるワークピースは、フレームＡと一体の支持体Ｅ上に載置され、支持体Ｅは、グラインダーＣの回転方向と反対の所定方向に回転し、固定された高さに載置されたワークピースそれ自体にその運動を伝達するように構成されている。

装置１は、放射線源４と、分光計５と、処理ユニット１０と、を備えている。放射線源４は、放射線、例えば（シリコンが近赤外放射線に対して十分に透過的であるため）近赤外線領域の波長帯内における低コヒーレンスの放射線ビームを、放射するように構成されている。分光計５は、１つ以上の光学的に均質な層の範囲を定める光学的不連続面により反射された放射線間の干渉結果のスペクトルを分析するように構成されている。処理ユニット１０は、分光計により分析されたスペクトルを受信するように分光計５に接続されている。処理ユニット１０は、分析されたスペクトルをそれ自体が既知の数学的演算により処理し、分析されたスペクトル及び処理されたスペクトルの双方の所与の特徴を調べることができ、例えば、前述の処理されたスペクトルが１つまたは複数のピークを特徴とするか、或いは前述の分析されたスペクトルが１又は複数の周波数を特徴とするかということを特定できる。このような前述の所与の特徴から、処理ユニット１０は、分析されたスペクトルが生じた特定の反射された放射線についての情報、すなわち光学プローブ６による前述の特定の反射された放射線の受光及び検出に関する情報を得ることもできる。そのような情報に応じて、処理ユニット１０は、処理されたスペクトルによって特徴づけられる１つ又は複数のピークに基づいて、スライス２の厚さの適切な測定を実施することも可能である。特に、周波数の関数としてのフーリエ解析による処理を実行してシリコンの屈折率を知ることで、処理ユニット１０は、分析されたスペクトルが生じた光学的な不連続面により反射されて、最終的に光学プローブ６が受けて検出した放射線をスペクトルの分析に基づいて認識することを目的として、分光計５から受けた分析されたスペクトルを変換し、変換されたスペクトルが１つ又は複数のピークを特徴とするか、或いはむしろ分析されたスペクトルが１又は複数の周波数を特徴とするかを特定することができる。処理ユニットが認識した反射放射線に応じて、処理ユニット１０は、変換されたスペクトルの１つ又は複数の特定されたピーク、或いはむしろ分析されたスペクトルの１又は複数の特定された周波数に基づいて、スライス２の厚さに関する情報を適切に処理することができ、すなわちそのような厚さを測定することができる。

光学プローブ６は、検出システムの一部であり、例えば、工作機械のフレームＡに接続されるとともに、測定すべきスライス２であって機械加工されているスライス２に、典型的には図示のように垂直位置において対向しており、或いはスライス２それ自体の外面に対してわずかに角度を持って対向しており、これにより、赤外放射線が伝搬する空気又は液体により分離されている。光学プローブ６は、測定されるべきスライス２に放射線を集中させて当該スライス２の表面によって反射される放射線及び当該反射された放射線間で生じうる干渉の結果を受け取って検出するために、レンズ系７が搭載されている。光学プローブ６、放射線源４及び分光計５は、例えば光学ファイバー結合を介し、光カップラー９に接続されている。

また、装置１は、光学基準器、特に放射線源４とシリコンスライス２との間に配置されるそれ自体既知で基準器８として描かれた調整可能な部品及び部分を有する光学システム、を有する。光学システム８は仮想基準面１８を規定し、この仮想基準面１８は基準光路の適切な長さを確定し、シリコンスライス２の外面１６とともに、スライス２の厚さに関する仮想の厚さＤの範囲を定めて規定する。図２の概略図は、仮想の厚さＤ及び仮想基準面１８を示し、後者は、例えば検出システムと工作機械及び光学プローブ６のフレームＡとに対して固定された位置にあり、これにより、基準光路の長さは機械加工中に変化しない。そのような位置は、光学システム８の特徴に依存する。

機械加工されている物体の、特に回転されているスライス２の、厚さを干渉分光法により光学的に測定するための既知の技術による方法において、放射線源４が低コヒーレンスの赤外放射線ビームを発する。光学ファイバー結合を介し、そのような放射線ビームは光カップラー９に到達し、これにより光学プローブ６に伝達される。光学プローブ６は、機械加工段階において、例えば半導体材料の表面除去の進行を伴う研削工程において、レンズ系７を介して放射線ビームを測定すべきシリコンスライス２上に集中させる。

図３に示すようにまた広く知られていることに基づいて、使用される光学プローブ６が低コヒーレンス入射赤外線放射線Ｉのビームを発する。入射放射線Ｉはスライス２に衝突し、部分的に外面１６上で反射して（一次反射放射線ビーム又は一次反射放射線Ｒ１）光学プローブ６に向かい、部分的にシリコンスライス２の内側を貫通し（屈折放射線ビーム又は屈折放射線Ｔ）、スライス２それ自体の内側の光路の機能である減衰を受け、不連続内面１７において反射してスライス２を出て光学プローブ６に向かって伝搬する（二次反射放射線ビーム又は二次反射放射線Ｒ２）。光学プローブ６は、一次反射放射線Ｒ１及び具体的には二次反射放射線Ｒ２である同時反射放射線と、この一次反射放射線Ｒ１及び二次反射放射線Ｒ２の間の干渉結果を受けて検出し、それらを分光計５に送る。

上述のように、入射放射線ビームＩは、異なる波長を有する放射線である低コヒーレンスの放射線から構成されている。これらの放射線のうち、機械加工されているスライス２の厚さを貫通する光路がそれ自体の波長の整数倍と等しくなるような波長を有する放射線は、不連続内面１７において反射された後に、外面１６において反射された同じ波長を有する放射線と同位相で、スライス２を出る。同位相の放射線の和が、最大干渉（建設的干渉）を決定する。それに対し、機械加工されているスライス２の厚さを貫通する光路が半波長の奇数倍に等しいような波長を有する放射線は、不連続内面１７において反射された後に、外面１６において反射された同じ波長を有する放射線と逆位相で、スライス２を出る。逆位相の放射線の和が、最小干渉（相殺的干渉）を決定する。

分光計５は、一次反射放射線Ｒ１と、具体的には二次反射放射線Ｒ２である同時反射放射線との間の干渉の結果のスペクトルを分析する。これは、建設的干渉及び相殺的干渉の交代により定められる不定強度、より具体的には、シリコンスライス２の厚さを貫通する光路長に比例する周波数を有する正弦波により特徴付けられる。処理ユニット１０は、分光計５により分析されたスペクトルを受信し、フーリエ変換を適用することによりそれを処理する。理論から知られているように、正弦波のフーリエ変換は、正弦波自体の周波数に比例する光路長においてピークを示すグラフを有する。図５ａ及び５ｂのグラフは、一次反射放射線Ｒ１と二次反射放射線Ｒ２との間の干渉の結果の正弦スペクトルと、フーリエ解析により変換された光路長の関数としての同スペクトルとの例をそれぞれ示している。処理ユニット１０は、ピークが中心にある光路長を検出し、それをシリコンの屈折率で割って、スライス２の厚さに関する情報を処理する。すなわち、処理ユニット１０は、そのような厚さを直接的に測定する。

理解のしやすさを目的として、入射放射線Ｉ、屈折放射線Ｔ、一次反射放射線Ｒ１及び二次反射放射線Ｒ２は、図３及び４においてシリコンスライス２に対して９０°とは異なる角度を形成するビームによって表されているが、実際にはそれらの放射線は上述のスライス２に対して垂直又は略垂直にし得るということに留意することが重要である。

しかしながら、機械加工されているスライス２の最大厚さに対する制限があり、屈折放射線Ｔである放射線がスライス２を二回通過することができ、最初に放射線が外面１６から不連続内面１７に進行することができ、その後放射線が不連続内面１７での反射の結果として逆の方向に進行できる。そのような制限は、研削加工の初期において機械加工された物体の厚さよりもかなり大きい厚さの存在と、スライス２が受けたドーピングの種類及びレベルとの双方に依存する。例えば、高度にドープされたシリコンスライスに関する最大測定可能厚さの値は、約１００μｍに等しい。図４は、高度にドーピングされたスライス２の研削加工の開始時に典型的に発生する状況を示している。すなわち屈折放射線Ｔの強度は、スライス２の内部においてゼロになる傾向があり、光学プローブ６が何らかの二次反射放射線Ｒ２を受ける及び／又は検出することができない。このため、処理ユニット１０は、スライス２の厚さを測定するための既知技術による上述の方法を実施できない。すなわち、処理ユニット１０は、厚さを直接的に測定することができない。本発明によれば、このような制限を克服すべく下記のように機能することができる。

例えば研削加工の開始時のように、機械加工されているスライス２の厚さが直接的に測定可能な最大厚さよりも大きい場合、本発明による回転中のスライス２の厚さを測定する方法は、スライス２の機械加工量、すなわちその厚さの変動量、特には減少量が、仮想の厚さＤの変動に基づいて測定される第１予備工程を備えている。特に、外面１６での反射により生成された第１反射放射線が光学プローブ６により受波されて検出されるような距離に光学プローブ６とシリコンスライス２の外面１６とが置かれていれば、分光計５が一次反射放射線Ｒ１と同時反射放射線、より具体的には、所定の光路を進んで検出システムにより受波されて検出された後に光学システム８によって発せられる基準反射放射線Ｒｒｅｆ、との間の干渉結果の正弦スペクトルを分析し、仮想基準面１８において反射された放射線をシミュレートする（図２）。処理ユニット１０は、分光計５によって分析された干渉結果のスペクトルを受けてこれを変換し、変換されたスペクトルが有用な唯一のピークを有するか、或いはむしろ分析された正弦スペクトルが唯一の周波数を有するかを特定し、この結果から、処理ユニット１０は、最終的に、光学プローブ６によって二次反射放射線Ｒ２が受波されていない又は検出されていないと認識する。そして、処理ユニット１０は、そのような変換されたスペクトルの関数として機械加工されているスライス２の厚さを示す、仮想の厚さＤに関する情報を処理する。より詳細には、処理ユニット１０は、実質上のピークが中心となっている光路長に関する情報を処理することにより仮想の厚さＤを測定する。この工程において、本発明の好ましい実施形態によれば、変動があり、より具体的には、機械加工されているスライス２の厚さの減少に対応した、研削加工の進行に伴う仮想の厚さＤの増大があり、つまり光路長の軸に沿った実質上のピークの漸進的な動きがある。そしてスライス２の機械加工量、したがってその厚さの減少量が、仮想の厚さＤの変動量に基づいて測定可能となる。

例えば、少なくとも機械加工されるシリコン２の厚みが、既知の方法で直接的に測定可能な最大厚さに等しくなり、それは不連続な内面１７における反射により生じさせられる二次反射放射線Ｒ２が光学プローブ６により受波されて検出されるという状態が確認されるまで、実質的に安定した態様において研削加工が進行し、仮想の厚さＤ、若しくはその変動が測定される。この状態は、一次反射放射線Ｒ１と同時反射放射線との間の干渉結果のスペクトルの分析に基づいて、上記の少なくとも１つの光学プローブ６による二次反射放射線Ｒ２の受波と検出に関する情報を処理することにより確認される。回転されているスライス２の厚さを測定するための本発明の方法は、さらに、スライス２の厚さが直接的に測定される直接測定の段階を備える。また二次反射放射線Ｒ２が受波されて検出されると、一次反射放射線Ｒ１、二次反射放射線Ｒ２、及び基準反射放射線Ｒｒｅｆの間の干渉結果のスペクトルが分光計５により分析されて、処理ユニット１０により処理される。このようなスペクトルは、３つの正弦関数の和によって特徴付けられ、ある正弦関数は（反射放射線Ｒ１とＲ２との間の干渉に対応する）スライス２の低減する厚さを介して光路長に比例する可変周波数を有し、別の正弦関数も（反射放射線Ｒ１とＲｒｅｆとの間の干渉に対応する）増大する実質的な厚さＤを介して光路長に比例する可変周波数を有し、最後の正弦関数は（反射放射線ＲｒｅｆとＲ２との間の干渉に対応する）仮想の厚さＤとスライス２の厚さとの一定の和による、同じ仮想基準面１８と不連続な内面１７との間の合計仮想厚さを介して光路長に比例する固定された周波数を有している。したがって、このスペクトルのフーリエ変換は、３つのリストアップされた周波数のそれぞれに対する３つのピークにより特徴付けられる。このフーリエ変換のスペクトルは、処理ユニット１０により光路長の関数として処理され、依然として３つのピークにより特徴付けられるが、その３つの引用された周波数に対応する光路長の値に中心がある。研削加工中、２つのピークが光路の軸に沿って移動し、このような２つのピークの移動は矛盾がなく、一つのピークは現状を保つ。図６ａ及び６ｂのグラフは、それぞれ、一次反射放射線Ｒ１と、二次反射放射線Ｒ２と、基準反射放射線Ｒｒｅｆとの間の干渉結果の正弦スペクトルの一例と、フーリエ解析により光路長の関数として変換された同スペクトルとを示す。処理ユニット１０は、変換スペクトルが上述の３つのピークを特徴としていることを特定し、その結果、この段階において分光計５により分析されたスペクトルが生じる一次反射放射線Ｒ１及び基準反射放射線Ｒｒｅｆの他に二次反射放射線Ｒ２をも認識し、或いは、上記の分析されたスペクトルが３つの周波数を特徴とし、３つの周波数からそれが確認されて、最終的には、光学プローブ６によって二次反射放射線Ｒ２が受波されて検出されることを特定する。処理ユニット１０は、３つのピークが集中する光路の値を検出し、それらをシリコンの屈折率で割って、例えば統計的評価に基づいて、所望の厚さに関するデータを区別し、スライス２の厚さに関する情報を処理し、すなわちそれは、例えばＷＯ２０１１／１４４６２４号で公開されている国際特許出願による方法を用いて、そのような厚さを直接的に測定する。

スライス２の低減する厚さを介した光路でピークが現れて二次反射放射線Ｒ２が光学プローブ６により受波されて検出されたことを処理ユニット１０が確認するとすぐに、結果として直接測定の段階が開始され、仮想の厚さＤが測定される予備段階が終了されうるか、さもなければスライス２それ自体の機械加工の測定に関する有利な情報をもたらすことを目的として維持されうる。仮想の厚さＤの測定に関する使用や更なる利点は、例として、以下において述べられる。

物体２の内部の少なくとも１つの更なる不連続な内面により分離されている半導体材料の複数の層を含むスライス２の機械加工において、これらの層が直接的に測定可能である場合、異なる厚さを個別的に測定するための方法は、スライス２内に存在する層の配置を特定することができない。例えば、図７ａ及び８ａに示すように、スライス２は、厚さＳ２１及び厚さＳ２２をそれぞれ有する第１の層２１及び第２の層２２を含む。光学プローブ６が、一次反射放射線Ｒ１に加えて、二次反射放射線Ｒ２、基準反射放射線Ｒｒｅｆ、及び更なる不連続な各内面における反射によって、図の例では第１の層２１と第２の層２２との間の不連続な面における反射によって、生じた中間反射放射線Ｒｉｎｔを受波して検出し、したがって第１の層２１の厚さＳ２１及び第２の層２２の厚さＳ２２が直接的に測定可能である。光路の関数としての対応のスペクトルのグラフは２つのピークを示し、それはスライス２の内側の層の存在と多くの層としての厚さの検出を可能にするが、２つのピークはそれらの相対的配置に関するいかなる示唆も与えない。通常２つの層のうち一方のみに関与する研削加工が進行するにつれ、機械加工されていない層の厚さに対するピークがその位置を実質的に変えない一方で、修正された厚さに対するピークが光路の軸に沿って漸進的移動をする。

例えば光路の関数としてのスペクトルは、ピークＹの右側に位置するピークＸによりまず特徴付けられる（図７ｂ）。研削加工が進行するにつれて、このピークＸはピークＹの左側に移動し、一方、ピークＹは実質的にそのままの状態にある（図８ｂ）。ピークの移動は、加工された層の厚さ変動を示すが、機械加工されているスライス２の内部における第１の層２１及び第２の層２２の相対的位置に関するいかなる情報ももたらさない。

基準面１８は、仮想の厚さＤ、及び仮想的な基準面１８自体と不連続な内面１７との間の仮想総厚さ、図７ａ及び８ａにおいてＤ２２として表されている仮想層厚さ、の範囲を定めて規定することに加え、第１の層２１に関する更なる光路の長さを規定し、そして、更なる不連続な各内面、特に第１の層２１と第２の層２２との間の不連続面、とともに、層の仮想の厚さＤ２１を定めて規定する。光学システム８を通じて仮想の厚さを測定し続けて、光路の関数としてのスペクトルは、仮想の厚さＤ、層の仮想の厚さＤ２１、及び仮想総厚さＤ２２のそれぞれに関する３つの更なるピークを有する。したがって、２つの仮想の厚さＤ２１及びＤ２２が、仮想基準面１８に対する層２１及び２２の位置に関する情報をもたらす一方で、仮想総厚さＤ２２と層の仮想の厚さＤ２１との差、Ｄ２２−Ｄ２１、が第２の層２２に対する第１の層２１の相対的位置を示唆する。研削加工が進行するにつれて、好ましい実施形態において既に上述したように、光路の軸に沿った相対ピークの漸進的移動とともに仮想の厚さＤの増大が見られる。実際に、仮想基準面１８と不連続面との間の仮想的な厚さに対するピークの位置は実質的に不変であり、つまり、その差Ｄ２２−Ｄ２１である。例えば、光路の関数としてのスペクトルは、ピークＭ、Ｎ及びＯを有する（図７ｂ）。研削加工が進行するにつれて、ピークＭは右側に移動するのに対して、ピークＮ及びＯは実質的に状態を維持する（図８ｂ）。したがって、あまり正確でない手法ではあるが直接測定に加えて、機械加工されている層の厚さ変動を更に測定することができるとともに、例えば上述のＷＯ２０１１／１４４６２４号で公開されている国際特許出願による方法の統計的評価に基づいて、機械加工されているスライス２の内部の第１の層２１及び第２の層２２の相対位置を測定することができる。

図７ｂ及び８ｂは、第１の層２１の厚さＳ２１と第２の層２２の厚さＳ２２、すなわちＳ２１＋Ｓ２２により与えられる、機械加工されているスライス２の総厚さに対する更なるピークを示さず、そのようなピークは、理論によれば、ピークＸ及びＹと、ピークＭ、Ｎ及びＯとの間にあり、実際のところ、上記の更なるピークは、示されるピークの振幅に対して通常無視できる振幅を特徴としており、それは省略され得る。

好適には、仮想の厚さＤが測定されているとき、すなわち、スライス２の厚さが次第に減少して直接的に測定可能な値に接近しているとき、研削加工は漸次的に減速されうる。このようにして、スライス２の縮小していく厚さが既知の方法により直接的に測定可能となった場合、グラインダーＣの前進速度が十分に低減させて、信頼性のある正確な測定を保証する、或いは所望の厚さ値に達したことが正しく伝えられず機械加工がちょうどいいタイミングで停止されないという可能性を防ぐ。

上述してきた測定のための方法及び装置の変形例が、本発明の趣旨を逸脱することなく実施され得る。

測定のための装置１の異なる実施形態によれば、光カップラー９に代えて同じ機能を有するサーキュレータ又は他の装置が用いられ得る。放射線源４、分光計５及び光学プローブ６が個別に接続された光学ファイバーリンクがこれに言及する。

基準光路は、図１の実施形態に対して異なる態様において実現され得る。このような態様において、基準光路は、機械加工されている物体２の外面１６により規定される厚さＤ及び基準面１８に対応する。基準面１８は、仮想のものであって光学システム８により規定されている。例えば、基準光路は、光学プローブそれ自体の内側に配置されるとともに調節可能な位置を有する光学要素における二重反射を介して達成され得る。或いは、基準光路は、光学プローブ６とスライス２との間に配置された実在する基準面１８により実現され得る。

機械加工されている物体の支持部Ｅに対し、図１の実施形態においては光学プローブ６に対し、基準反射放射線Ｒｒｅｆを生成する基準面１８の位置は、仮想であっても実在であっても既知としうる。いずれの場合にも、基準面１８と物体２の外面１６との間の公称距離が、校正工程において規定され得る。この校正工程において、処理ユニット１０が光学プローブ６とシリコン製スライス２との間の初期の距離を確度高く検出し、これによりスライス２の厚さ又はその変動量を、機械加工中にできるだけ正確に測定することが可能とされる。

或いは、検出システムは、基準面１８を規定するためのシステムを備えるとともに仮想の厚さＤを測定するように指定された光学プローブ６と、半導体材料からなるスライス２の厚さを直接的に測定するように設計された追加の光学プローブとを備えている。本発明によるこの選択的な実施形態において、基準反射放射線Ｒｒｅｆは、光学プローブ６により受波されて検出される。また、二次反射放射線Ｒ２は、追加の光学プローブにより受波されて検出される。光学プローブ６は、少なくとも追加の光学プローブが二次反射放射線Ｒ２を受波して検出するまで、すなわち、スライス２が直接的に測定可能な最大厚さを有するまで、作動可能である。

本発明による別の実施形態において、光学プローブ６は工作機械の移動システムに接続されており、ツールＣに不可欠な態様で機械加工方向Ｂに沿って前進する。機械加工されている物体２の厚さを測定するためのこのような別の実施形態による方法は、グループツールＣの前進工程、すなわち光学プローブ６が物体２に向かって移動する工程と、物体２が実際に機械加工されるその後の工程と、を更に備える。前進工程の間に、例えば、予備工程が実施される。これは、スライス２の厚さが直接的に測定可能な最大厚さよりも大きいため、及び光学プローブ６が外面１６における反射により生成された一次反射放射線Ｒ１と、例えば光学システム８により規定される仮想面である基準面１８における反射により生成された基準反射放射線Ｒｒｅｆの双方を受けるためである。分光計５が、これら２つの反射放射線ビーム間の干渉結果のスペクトルを分析する。処理ユニット１０は、分光計５により分析されたスペクトルを受けて変換するとともに、変換されたスペクトルが唯一の仮想ピークを有すること、又は分析されたスペクトルが唯一の周波数を有することを特定して、これにより分光計５により分析されたスペクトルが起因する一次反射放射線Ｒ１と基準反射放射線Ｒｒｅｆを認識する、換言すれば、処理ユニット１０は、二次反射放射線Ｒ２が光学プローブ６により受波も検出もされないことを認識し、そして、そのような変換スペクトルの関数としての仮想の厚さＤに関する情報を処理する。特に、このような別の実施形態によれば、機械加工工程の前に実施されるこの前進工程における測定は、ツールＢのスライス２への接近に伴う仮想の厚さＤの漸次的な減少と、スライス２それ自体の厚さが不変であることを特徴としている。実際の機械加工が開始されてツールＣがスライス２との協働を開始した際に、仮想の厚さＤがその最小値に到達する。仮想の厚さＤはその最小値を取り続けるとともに、例えばグラインダーＣの前進速度等に関する他の情報と一緒に、ツールＣと機械加工されているスライス２との協働が持続されつつスライス２の厚さが漸次的に減少しているという事実に関する示唆を与えることに寄与する。機械加工中にスライス２の厚さが光学プローブ６により直接的に測定可能な最大厚さに等しいかそれより小さくなった場合に、光学プローブ６は、一次反射放射線Ｒ１及び基準反射放射線Ｒｒｅｆに加えて二次反射放射線Ｒ２を受け、これにより、直接測定工程が開始される。こうして、機械加工されているスライス２の厚さの測定が、既知技術に従って直接的な態様で実施され得る。この好適な別の実施形態においても、仮想の厚さＤの測定は、機械加工されているスライス２の厚さが少なくとも光学プローブ６により直接的に測定可能な最大厚さに等しくなるまで実施される。

一般に、測定すべき物体２は、機械加工によって影響を受ける層の他に、（上述のような）半導体材料からなる１以上の層、すなわち、物体２が構成されている半導体材料の屈折率とは異なる屈折率を有する材料からなるとともに、機械加工中を通じて変化しない厚さを有する１以上の層（例えば、スライス２が取り付けられ又は当接支持されて注意を向けられている、プラスチック製又はガラス製の支持層３）を含み得る。これらの場合、前記層の各々に関し、分光計５により分析されたスペクトルは、経時的に一定の周波数を有する正弦要素を有する。本発明の別の実施形態において、変換スペクトルのグラフにおいて経時的に一定の光路長における更なるピークが存在していても、上述の国際公開ＷＯ２０１１／１４４６２４号に従って、例えば分光計５から受けた分析スペクトルの統計的分析に基づく方法を用いて、処理ユニット１０は、物体２の厚さを貫通する光路長におけるそれ自身のピークを選択し且つ処理することができる。このような場合においても、機械加工されているシリコン製スライス２の厚さが直接的に測定可能になると、その結果、直接測定工程が直ちに開始され、仮想の厚さＤを測定するための予備工程が終了され得る。さもなければ、予備工程は、例えばスライス２が形成されている複数の層の相互位置の測定を続行することを目的として実施され続けられうる。

半導体材料からなる機械加工されているスライス２の厚さを干渉分光法により光学的に測定するための上述の方法及び装置１と関連する変形例とは、簡単且つ安価に実施可能であり、とりわけ、あらゆる厚さの半導体材料物体の研削加工等の機械加工の全ての工程を適切な方法で測定することができるという数々の利点を有している。

実際に、当業者は、機械加工されている物体２の厚さを測定するための本発明による方法及び装置が、測定される物体２が低度にドープされた半導体材料又は真性半導体材料で実現されている場合であっても有利に使用され得ることを明確に理解する。後者の物体は、高度にドープされた半導体材料の光放射吸収度よりも低い光放射吸収度によって特徴づけられるが、いかなる方法でも光を透過せず二次反射放射線Ｒ２が光学プローブ６により受波も検出もされないような初期厚さを有している。本発明によれば、上述のように、ツールが協働するように構成された外面１６及び基準面１８により画成される仮想の厚さＤを測定するための予備工程によって、スライス２それ自体を画成する２つの面における反射により生成された一次反射放射線Ｒ１及び二次反射放射線Ｒ２の処理を介してスライス２の厚さの直接測定の工程をサポートすることによりこの課題は克服される。

Claims (13)

1. 工作機械により機械加工されている物体（２）の厚さを干渉分光法により光学的に測定するための方法であって、前記厚さは前記物体（２）の外面（１６）から不連続な内面（１７）まで延在し、前記方法は、
   − 放射線源（４）によって、低コヒーレンスの入射放射線（Ｉ）を発するステップと、− 少なくとも１つの光学プローブ（６）により、前記入射放射線（Ｉ）を機械加工されている前記物体（２）上にフォーカスさせる工程であって、前記少なくとも１つの光学プローブ（６）が検出システムの一部であるステップと、
   − 前記検出システムにより、前記物体（２）の前記外面（１６）における反射により生成された一次反射放射線（Ｒ１）と同時反射放射線とを受波して検出するステップと、
   − 分光計（５）により、前記一次反射放射線（Ｒ１）と前記同時反射放射線との間の干渉結果のスペクトルを分析するステップと、
   − 前記一次反射放射線（Ｒ１）と前記同時反射放射線との間の前記干渉結果のスペクトルの分析に基づいて、機械加工されている前記物体（２）の前記厚さに関する情報を処理するステップと、備え、
   前記方法は、前記同時反射放射線が、前記物体（２）の前記不連続な内面（１７）における反射により生成された二次反射放射線（Ｒ２）である直接測定工程を備え、
   前記方法は更に予備工程を備えることを特徴とし、前記予備工程において、前記同時反射放射線は、基準面（１８）における前記入射放射線（Ｉ）の反射により生成された基準反射放射線（Ｒｒｅｆ）であり、前記基準面（１８）は、基準光路の長さを規定するように、且つ、前記物体（２）の前記外面（１６）とともに前記物体（２）の前記厚さに関する仮想厚さ（Ｄ）を画定して規定するように構成され、
   機械加工されている前記物体（２）の前記厚さに関する情報を処理するステップは、前記仮想厚さ（Ｄ）の変動を確認することを含み、
   前記方法は、前記一次反射放射線（Ｒ１）と前記同時反射放射線との間の前記干渉結果のスペクトルの分析に基づいて、前記少なくとも１つの光学プローブ（６）による前記二次反射放射線（Ｒ２）の受波と検出に関する情報を処理する更なるステップを備え、
   前記少なくとも１つの光学プローブ（６）による前記二次反射放射線（Ｒ２）の受波と検出に関する前記情報の結果として、前記直接測定工程が開始される、方法。
2. 前記基準面（１８）は仮想のものであって光学システム（８）により規定されている、 請求項１に記載の方法。
3. ツール（Ｃ）を備えた工作機械により機械加工されている物体（２）の厚さを測定するための請求項１又は２に記載の方法であって、前記ツール（Ｃ）は、前記物体（２）の前記外面（１６）と協働し、且つ、前記検出システムに対して機械加工方向（Ｂ）に沿って移動可能であり、前記基準光路の前記長さは機械加工中に変化しない、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記基準面（１８）は、前記検出システムに対して固定された位置にある、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記直接測定工程が開始されると前記予備工程が停止される、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記物体（２）の前記外面（１６）における反射により生成された前記一次反射放射線（Ｒ１）と前記同時反射放射線とを受波して検出するステップは、前記少なくとも１つの光学プローブ（６）による前記基準反射放射線（Ｒｒｅｆ）の受波及び検出と、前記検出システムの一部である追加の光学プローブによる前記二次反射放射線（Ｒ２）の受波及び検出と、を含む、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. スライス（２）が回転している間に、半導体材料からなる当該スライス（２）の厚さを測定するための、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 高度にドープされたシリコンのスライス（２）の厚さを測定するための、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 半導体材料の複数の層（２１、２２）を含む物体（２）の厚さを測定する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法であって、前記複数の層（２１、２２）は前記物体（２）の少なくとも１つの更なる不連続な内面により分離されており、前記基準面（１８）は前記不連続な内面の各々とともに仮想厚さ（Ｄ２１、Ｄ２２）を画定して規定しており、前記方法は、
   − 前記少なくとも１つの光学プローブ（６）により、前記少なくとも１つの更なる不連続な内面における反射により生成された中間反射放射線（Ｒｉｎｔ）を受波して検出するステップと、
   − 前記基準反射放射線（Ｒｒｅｆ）と、前記中間反射放射線及び前記二次反射放射線（Ｒｉｎｔ、Ｒ２）との間の干渉結果のスペクトルに基づいて、前記仮想厚さ（Ｄ２１、Ｄ２２）のそれぞれに関する情報を処理するステップと、
   − 前記仮想厚さ（Ｄ２１、Ｄ２２）のそれぞれに関する前記情報に基づいて、前記複数の層（２１、２２）の相対的配置と厚さ（Ｓ２１、Ｓ２２）とに関する情報を処理する工程と、を備える、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記直接測定工程は前記予備工程の後に行われ、前記予備工程の間における前記物体の前記厚さは、前記直接測定工程の間における前記物体の前記厚さよりも大きい、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 工作機械により機械加工されている物体（２）の厚さを干渉分光法により光学的に測定するための装置（１）であって、前記厚さは前記物体（２）の外面（１６）から不連続な内面（１７）まで延在し、前記装置（１）は、
    − 低コヒーレンスの入射放射線（Ｉ）を発するように適合されている放射線源（４）と、
    − 少なくとも１つの光学プローブ（６）を備えた検出システムであって、前記光学プローブ（６）は前記放射線源（４）に接続されるとともに、前記放射線源（４）によって発っせられた入射放射線（Ｉ）を前記外面（１６）上にフォーカスさせるように測定される前記物体（２）に対面しており、且つ、前記光学プローブ（６）は、前記物体（２）の前記外面（１６）における反射及び前記不連続な内面（１７）における反射によってそれぞれ生成された一次反射放射線（Ｒ１）及び二次反射放射線（Ｒ２）を受波して検出するように適合されている、検出システムと、
    − 前記検出システムに接続された分光計（５）であって、前記一次反射放射線（Ｒ１）と前記二次反射放射線（Ｒ２）との間の干渉結果のスペクトルを分析するように適合されている分光計（５）と、
    − 前記分光計（５）に接続された処理ユニット（１０）であって、前記一次反射放射線（Ｒ１）と前記二次反射放射線（Ｒ２）との間の干渉結果のスペクトルの分析に基づいて、機械加工されている前記物体（２）の厚さに関する情報を処理するように適合されている処理ユニット（１０）と、を備え
    − 基準面（１８）を有する光学基準器であって、前記基準面（１８）が、基準光路の長さを規定し、且つ、前記物体（２）の前記外面（１６）とともに仮想厚さ（Ｄ）を画定し規定するように構成されている、光学基準器と、
    − 前記少なくとも１つの光学プローブ（６）によって二次反射放射線（Ｒ２）が受波及び検出されない場合、機械加工されている前記物体（２）の厚さの変動を示唆する、前記仮想厚さ（Ｄ）の変動に関する情報を処理するように適合されている前記処理ユニット（１０）と、を特徴とし、
    前記処理ユニット（１０）は、前記二次反射放射線（Ｒ２）が、前記少なくとも１つの光学プローブ（６）により受波されて検出されたことを確認するように適合されている、
    装置（１）。
12. 前記光学基準器は光学システム（８）を備え、前記基準面（１８）は仮想のものである、
    請求項１１に記載の装置。
13. 前記基準面（１８）は前記検出システムに対して固定された位置にあり、前記基準光路の長さが機械加工中に変化しない、
    請求項１１又は１２に記載の装置。

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