JP6561894B2 - エッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハの厚さを計測しながらエッチングを行うエッチング装置に関するものである。

従来、特許文献１において、薬液などを使用してシリコンなどを母材とする半導体ウェハをエッチングする際に、エッチング箇所での半導体ウェハの厚さを測定しながらエッチングを行うエッチング装置が提案されている。

例えば、半導体圧力センサや半導体加速度センサ等を製造するためのセンサチップを作製するにあたっては、センシング部として所定膜厚のダイヤフラムを形成するために、半導体ウェハの片面より特定の場所をエッチングすることが行われる。そして、半導体ウェハのエッチングされる一面の反対側の面となる他面側に厚みセンサを備え、他面側よりエッチング箇所での半導体ウェハの厚さを直接測定できるようにしている。具体的には、厚みセンサは、半導体ウェハの他面側から半導体を透過する光を照射することで厚み検出を行っている。すなわち、厚みセンサは、光を半導体ウェハに照射したときに半導体ウェハの表裏面で反射してくる光を検出し、表裏面それぞれで反射した光の干渉光の位相もしくは周期の変化に基づいて、エッチング箇所の厚みを測定している。そして、半導体ウェハの厚み測定を高精度に行えるように、半導体ウェハにおける厚みの測定点と厚みセンサとが高精度に位置合わせできるようにしている。

特開２００１−１４４０６８号公報

しかしながら、上記したエッチング装置では、半導体ウェハと厚みセンサとの間に遮るものが無いため、半導体ウェハをエッチング装置にセットする際や取り外す際などに、異物が落下して厚みセンサに衝突し、厚みセンサが損傷し得る。また、エッチングによる加工中に、半導体ウェハにクラックなどの欠陥が存在すると、エッチング液が半導体ウェハを通じて漏れ、厚みセンサやその下部に配置される各種駆動部がエッチング液に曝されてしまう。例えば、エッチング液にはアルカリや水分が含まれるため、厚みセンサや各種駆動部を損傷し、設備故障の原因となって、生産性悪化を招くことが懸念される。

そこで、本発明者らは、厚みセンサなどの損傷を防止するために、半導体ウェハと厚みセンサとの間に遮蔽板を配置することについて検討を行った。しかしながら、遮蔽板によって厚みセンサより照射される光が反射する影響で、厚み測定が高精度に行えないことが判った。

本発明は上記点に鑑みて、厚みセンサの損傷を防ぎつつ、厚み測定が高精度に行えるエッチング装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、半導体ウェハ（１）の一面側を表面とし、他面側を裏面として、該半導体ウェハの表面側をエッチングしつつ、エッチングした場所において半導体ウェハの厚み測定を行うエッチング装置であって、半導体ウェハが支持される支持台（５）と、半導体ウェハの裏面側から半導体ウェハに対して光を照射すると共に、半導体ウェハの表裏面それぞれでの光の反射光に基づいて半導体ウェハの厚みを測定する厚みセンサ（３）と、厚みセンサと半導体ウェハとの間に配置され、光を透過させる遮蔽体（４）と、を備え、遮蔽体は、少なくとも光を透過する部分において、光の照射方向に対する垂直面から所定の傾斜角度で傾斜した傾斜面を有している。

このように、厚みセンサと半導体ウェハとの間に遮蔽体を備えると共に、遮蔽体のうち厚みセンサから照射される光が透過する部分を光の照射方向に対して傾斜した傾斜面となるようにしている。これにより、厚みセンサの損傷を防ぎつつ、厚み測定を高精度に行うことが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかるエッチング装置の断面構成を示す図である。 図１中の厚みセンサ、遮蔽板および半導体ウェハについて拡大した断面図である。 遮蔽板を光の照射方向に対して垂直な面とした場合の反射光の経路を示した断面図である。 図３の構成とした場合の反射光のモニタ結果およびそれをフーリエ変換したときの膜厚パワースペクトルを示した図である。 図１の構成とした場合の反射光のモニタ結果およびそれをフーリエ変換したときの膜厚パワースペクトルを示した図である。 第２実施形態にかかるエッチングの断面構成を示す図である。 図１中の厚みセンサ、遮蔽板および半導体ウェハについて拡大した断面図である。 第３実施形態にかかるエッチングの断面構成を示す図である。 第４実施形態にかかるエッチングの断面構成を示す図である。 照射光、反射光および光ファイバへ結合できる電界モード分布を示した図である。 半導体ウェハのエッチング部の面方位を説明した断面図である。 図１１Ａ中のエッチング部の底部の拡大図である。 集光レンズを備える場合の各部の寸法や光の経路について説明した断面図である。 照射光の光径ω０と虚像の半径ωｒおよびこれらの中心の位置ずれｂとを示した図である。 集光レンズを備える場合の各部の寸法や光の経路について説明した断面図である。 照射光および虚像の集光ビームと戻り光結合パワーの関係を示した図である。 傾斜角の角度を変えて反射パワーに対する相対強度をシミュレーションによって調べた結果を示す図である。 第６実施形態にかかる遮蔽板の断面図である。 第６実施形態の変形例として示す遮蔽板の断面図である。 第６実施形態の変形例として示す遮蔽板の断面図である。 第７実施形態にかかるエッチング装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態では、厚みセンサを有するエッチング装置について説明する。

図１に示すように、エッチング装置内において、エッチングの被対象物となる半導体ウェハ１が配置される。半導体ウェハ１の一面側、つまり表面側には、エッチングを行う箇所が開口部とさせられたマスク２が配置されている。そして、半導体ウェハ１の表面側がエッチング液２０にさらされ、マスク２の開口部から半導体ウェハ１の一部がエッチング液２０によってエッチングされるようになっている。

このような半導体ウェハ１としては、例えば半導体圧力センサや半導体加速度センサを製造するためのものが該当する。これら各センサに備えられる薄膜状のダイヤフラムを形成する際に、半導体ウェハ１の表面側から特定の場所をエッチングすることで、半導体ウェハ１を薄膜化するが、エッチングする場所を規定するために、マスク２を用いたエッチングを行っている。

また、エッチング装置には、厚みセンサ３が備えられている。厚みセンサ３は、半導体ウェハ１の他面側、つまり裏面側に配置されている。厚みセンサ３は、例えば光ファイバで構成される送受光機構となるヘッドを備え、ヘッドの端面を送光面および受光面として光の照射および入力を行うことで厚み測定を行う。すなわち、厚みセンサ３は、送受光機構を通じて赤外線などの所定波長の光を照射すると共に半導体ウェハ１で反射した光を受け取り、エッチング箇所における半導体ウェハ１の厚み測定を行う。この原理については周知となっているため、詳細については説明を省略するが、厚みセンサ３は、半導体ウェハ１の表裏それぞれで反射した光の干渉光を検出し、検出した干渉光の位相もしくは周期に基づいて半導体ウェハ１の厚み測定を行っている。

さらに、エッチング装置には、遮蔽体を構成する遮蔽板４が備えられている。遮蔽板４は、厚みセンサ３と半導体ウェハ１との間に配置され、厚みセンサ３が照射する光を透過する材料、例えば石英、ガラス、透明樹脂などによって構成されている。この遮蔽板４により、エッチング液や異物が厚みセンサ３側に侵入することを抑制する遮蔽機能を果たすことができる。本実施形態の場合、遮蔽板４は、円盤状とされ、遮蔽板４と対応する位置に開口部５ａが形成された支持台５に設置されている。より詳しくは、開口部５ａは支持台５を円筒状に貫通させた貫通孔によって構成されているが、半導体ウェハ１側において、開口部５ａの開口径が厚みセンサ３側よりも部分的に拡大されることで段付部５ｂとされている。遮蔽板４は、段付部５ｂに配置されて、開口部５ａを塞いでいる。

このような構成において、開口部５ａを通じて厚みセンサ３からの光が遮蔽板４に入射されると、遮蔽板４を通過して半導体ウェハ１に光が伝えられる。そして、半導体ウェハ１の表裏面で光が反射すると、その反射光の干渉光が遮蔽板４を通過して厚みセンサ３に入射されるようになっている。

ただし、遮蔽板４においても厚みセンサ３から照射された光が反射することから、この反射光がそのまま厚みセンサ３に戻ると、その影響で高精度な厚み測定が行えなくなる。このため、遮蔽板４のうち少なくとも厚みセンサ３から照射される光が通過する部分が光の照射方向、より詳しくは光の照射中心に対する垂直面から傾斜した傾斜面となるようにしている。本実施形態の場合、遮蔽板４のうち半導体ウェハ１側の一面を表面、厚みセンサ３側となる他面を裏面とすると、表裏面が平行面とされており、表裏面ともに厚みセンサ３から照射される光の入射方向に対して傾斜した傾斜面とされている。例えば、段付部５ｂの高さ、つまり支持台５の表面側からの凹み量を変化させることで、段付部５ｂの表面が遮蔽板４の傾斜に対応した傾斜面となるようにすることで、遮蔽板４を傾斜させることができる。

このため、図２に示すように、厚みセンサ３から照射された光が遮蔽板４の表裏面において反射しても、その反射光は厚みセンサ３には入射されないようにできる。具体的には、遮蔽板４のうちの傾斜面の法線方向と厚みセンサ３から照射される光のなす角度をθとすると、遮蔽板４の表裏面での反射光は厚みセンサ３から照射される光に対して２×θの角度をなすことになる。したがって、厚みセンサ３の幅と厚みセンサ３から遮蔽板４の裏面までの距離と反射角を加味して、遮蔽板４のうちの傾斜面が厚みセンサ３から照射される光に対してなす角度θを設定すれば、遮蔽板４での反射光は厚みセンサ３に入射されないようにできる。

その一方で、遮蔽板４を透過した光が半導体ウェハ１の表裏面で反射してくると、その干渉光は再び遮蔽板４を通過して厚みセンサ３側に戻る。したがって、厚みセンサ３にて厚み測定を行うための光に関しては、遮蔽板４の表裏面が傾斜面とされていても的確に厚みセンサ３に入射されるようになっている。

このようにして、エッチング装置における厚みセンサ３の近傍が構成されている。このように遮蔽板４を備えることにより、半導体ウェハ１をエッチング装置にセットしたり取り外す際などに、異物が落下したとしても、それが厚みセンサ３に衝突することを防止できる。また、半導体ウェハ１にクラックなどの欠陥が存在していたとしても、厚みセンサ３などがエッチング液に曝されないようにできる。このため、厚みセンサ３などの設備故障が発生することを防止でき、生産性の悪化を防止することが可能となる。

さらに、遮蔽板４のうち厚みセンサ３から照射される光が透過する部分を光の照射方向に対して傾斜した傾斜面となるようにしている。このため、遮蔽板４での反射光による影響を抑制でき、厚み測定が高精度に行えるようにできる。以下、この理由について説明する。

図３は、仮に、遮蔽板４の表裏面を厚みセンサ３からの光の照射方向に対して垂直な方向にした場合の光の影響を表している。この図に示すように、厚みセンサ３から光を照射した場合、その反射光は、遮蔽板４の裏面で反射する光（１）と、遮蔽板４の表面で反射する光（２）と、半導体ウェハ１の裏面で反射する光（３）と、半導体ウェハ１の表面で反射する光（４）となる。

例えば、位置検出精度を高めるために、厚みセンサ３と半導体ウェハ１との間の距離は数ｍｍ程度とされ、これらの間にギャップが設けられる。このギャップを大きくしてしまうと、厚み測定を行いたい部位に的確に光が照射されるようにするために必要な位置精度、例えば厚みセンサ３の傾きなどの精度が厳しくなる。特に、エッチング対象部位が微細になると、厚み測定を行いたい部位が狭くなり、エッチング対象部位ではない場所を厚み測定してしまうため、位置精度が厳しくなる。したがって、遮蔽板４を厚みセンサ３と半導体ウェハ１との間に配置する場合にも、これらの間のギャップを数ｍｍとした状態で配置されるようにすることが必要になる。

また、半導体ウェハ１の厚みは、例えば１ｍｍより薄くされる。そして、厚みセンサ３と半導体ウェハ１との間に遮蔽板４を配置した場合、遮蔽板４の厚みも薄くなるため、厚みセンサ３と半導体ウェハ１との間に、遮蔽板４を配置することによって半導体ウェハ１の厚みに近い光学ギャップが存在することになる。

この場合、厚みセンサ３による厚み測定の為に本来取得したい干渉光は、光（３）と光（４）の干渉光であるのに、光（１）と光（２）との干渉光、光（２）と光（３）との干渉光、さらには光（１）と光（３）との干渉光まで厚みセンサ３に入射される。

実際の測定においては、例えば、厚みセンサ３から照射する光の波長を変えながら、受光した光の波長と反射率をモニタする。そして、このモニタ結果をフーリエ変換によって解析することで膜厚パワースペクトルを得る。図４は、その実験結果の一例を示している。この図に示されるように、厚みセンサ３から照射する光の波長を変えると、同位相の光の干渉光となる場合には光が強め合い、逆位相の光の干渉光となる場合には光が弱めあうため、波長に応じて反射率が振幅する振動波形となる。このとき、光（３）と光（４）のみの干渉光による波形であれば理想的な振動波形となるが、上記したように、光（１）および光（２）の影響によって他の干渉光も厚みセンサ３に入射されることになるため、図４中の上段に示したように理想的な振動波形になっていない。したがって、この結果をフーリエ変換によって解析すると、図４中の下段に示したように、複数の膜厚においてパワースペクトルのピークが発生することになる。例えば、図４中においては、パワースペクトルの各ピークは、光（１）と光（２）の干渉光、光（２）と光（３）との干渉光、光（３）と光（４）との干渉光、光（１）と光（３）とのに基づくものである。このため、本来測定したい光（３）と光（４）の干渉光以外に基づくピークが存在しているため、そのピークに基づいて厚み測定を行ってしまい、高精度な測定が行えなくなる。

特に、エッチング中に、遮蔽板４に対して図示しない駆動部からの振動が加わると、半導体ウェハ１の裏面と遮蔽板４の表面との間の距離が小刻みに変わり、それがノイズ成分となって、より高精度な測定の妨げになる。

これに対して、本実施形態にかかるエッチング装置では、遮蔽板４のうち厚みセンサ３から照射される光が透過する部分を光の照射方向に対して傾斜した傾斜面となるようにしている。このような構成としている場合、図２に示したように、厚みセンサ３から照射された光が遮蔽板４の表裏面において反射しても、その反射光は厚みセンサ３には殆ど入射されないようにできる。

このため、本実施形態のエッチング装置を用いて、厚みセンサ３から照射する光の波長を変えながら、受光した光の波長と反射率をモニタすると共に、モニタ結果をフーリエ変換によって解析して膜厚パワースペクトルを得ると図５の結果となる。すなわち、図５に示されるように、厚みセンサ３から照射する光の波長を変えると、同位相の光の干渉光となる場合には光が強め合い、逆位相の光の干渉光となる場合には光が弱めあうため、波長に応じて反射率が振幅する振動波形となる。このとき、光（１）と光（２）の影響が無いため、光（３）と光（４）のみの干渉光による理想的な振動波形となる。そして、この結果をフーリエ変換によって解析すると、図５中の下段に示したように、測定したい光（３）と光（４）の干渉光に基づく１つの膜厚のみでパワースペクトルのピークが発生することになる。したがって、本来測定したい光（３）と光（４）の干渉光に基づくパワースペクトルのピークに基づいて的確に厚み測定を行うことが可能となり、高精度な測定を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態のエッチング装置においては、厚みセンサ３と半導体ウェハ１との間に遮蔽板４を備えると共に、遮蔽板４のうち厚みセンサ３から照射される光が透過する部分を光の照射方向に対して傾斜した傾斜面となるようにしている。これにより、厚みセンサ３の損傷を防ぎつつ、厚み測定を高精度に行うことが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態に示した構造がエッチングポットを有するエッチング装置に適用される場合について説明する。なお、エッチング装置に備えられる主な構成については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すエッチング装置は、エッチングポット１０を有し、エッチングポット１０にエッチングの被対象物となる半導体ウェハ１を配置し、エッチング液２０を導入することで半導体ウェハ１のエッチングを行う。

具体的には、エッチング装置は、エッチングポット１０に加えて、エッチングベース１１、モータ１２、攪拌翼１３、メインヒータ１４、サブヒータ１５などを有した構成とされている。

エッチングポット１０は、エッチング液２０が導入されるエッチング処理室を構成すると共に半導体ウェハ１を保持する。具体的には、エッチングポット１０は、底部１０ａ、支持ベース１０ｂ、押えリング１０ｃ、シリンダ１０ｄおよびヘッド１０ｅなどが備えられている。

底部１０ａは、テフロン（登録商標）などによって構成されており、エッチングポット１０の底面を構成する部分である。底部１０ａは、中央部に貫通孔１０ａａが形成された円環状部材によって構成されており、エッチングベース１１の上に配置されている。この底部１０ａの中央部に形成された貫通孔１０ａａ内にサブヒータ１５の先端部分が挿通されていると共に支持ベース１０ｂが配置されている。

支持ベース１０ｂは、テフロンなどによって構成されており、底部１０ａの貫通孔内においてサブヒータ１５を介して配置されている。本実施形態の場合、この支持ベース１０ｂが第１実施形態で説明した支持台５を構成しており、図７に示すように、支持ベース１０ｂに開口部５ａや段付部５ｂが備えられている。支持ベース１０ｂは、上面が平坦面とされており、この平坦面を搭載面として半導体ウェハ１が搭載される。

なお、支持ベース１０ｂの上に直接半導体ウェハ１が搭載されても良いが、本実施形態の場合、例えばテフロンシートなどで構成される搭載用のシート材１０ｆを介して半導体ウェハ１が搭載されている。また、支持ベース１０ｂの中央部には貫通孔１０ｂａが形成されており、シート材１０ｆのうち貫通孔１０ｂａと対応する位置にも開口部１０ｆａが形成されている。そして、貫通孔１０ｂａや開口部１０ｆａを通じて厚みセンサ３の照射する光が半導体ウェハ１に入射されると共に、半導体ウェハ１から反射してきた光の干渉光が厚みセンサ３に伝えられるようになっている。

押えリング１０ｃは、テフロンなどによって構成されており、押えリング１０ｃが底部１０ａ側に押さえられることで、押えリング１０ｃと底部１０ａとの間に半導体ウェハ１が挟持される。押えリング１０ｃは、中空部を有する円筒状部材で構成されており、底部１０ａ側の先端において、内径が縮小する方向に突き出した押え部１０ｃａが形成され、この押え部１０ｃａにおいて半導体ウェハ１を上方から押し付けるようになっている。具体的には、押え部１０ｃａには環状溝部１０ｃｂが形成されており、環状溝部１０ｃｂ内にＯリング１０ｃｃが配置されている。このＯリング１０ｃｃが半導体ウェハ１の外周部に当接させられることで、半導体ウェハ１を押えつつ、エッチング液２０が導入されるエッチング処理室から外部に漏れることを抑制できるようになっている。

また、押えリング１０ｃのうち底部１０ａ側の先端には、外形が拡大する方向に突き出したフランジ部１０ｃｄが形成されている。このフランジ部１０ｃｄと底部１０ａとの間にシリンダ１０ｄが配置されている。

シリンダ１０ｄは、底部１０ａと押えリング１０ｃとの間を締結する締結部材を構成し、例えばゴムなどの弾性材料によって構成されたリング状部材によって構成されている。このシリンダ１０ｄが底部１０ａと押えリング１０ｃとの間に配置されることで、これらの間の気密性が保持可能とされる。

ヘッド１０ｅは、テフロンなどによって構成されており、押えリング１０ｃにおける底部１０ａと反対側の先端において、押えリング１０ｃを覆う蓋部材を構成する。ヘッド１０ｅによって押えリング１０ｃが覆われることで、エッチング処理室が構成される。ヘッド１０ｅには、水が収容される還流器１０ｅａが備えられている。この還流器１０ｅａにて、エッチング液２０から揮発した水蒸気を冷却し、水に戻すことでエッチング液２０の濃度を安定させている。

エッチングベース１１は、エッチングポット１０が載置されると共にメインヒータ１４および厚みセンサ３が設置される基台となる。エッチングベース１１は、円盤状で構成され、中央部に貫通孔１１ａが形成されていて、この貫通孔１１ａ内に厚みセンサ３が配置されている。また、貫通孔１１ａの周囲にも環状孔１１ｂが形成されており、環状孔１１ｂにサブヒータ１５のコイル１５ａが配置されている。

モータ１２は、ヘッド１０ｅに設置されており、攪拌翼１３の駆動を行う。モータ１２には、駆動軸１２ａが接続されており、この駆動軸１２ａの先端に攪拌翼１３が取り付けられることで、モータ１２が駆動されると攪拌翼１３が図中矢印で示したように回転させられる。

攪拌翼１３は、駆動軸１２ａの先端に配置された翼状の部材であり、例えば複数枚が駆動軸１２ａの回転方向において等間隔に配置されている。攪拌翼１３は、モータ１２によって回転させられることによってエッチング液２０を攪拌し、エッチング液２０の濃度分布および温度分布を均一化する。

メインヒータ１４は、半導体ウェハ１の表面に対して対向するように平面状に配置されており、エッチング液２０中に浸されることで、エッチング液２０の加熱および半導体ウェハ１の加熱を行っている。例えば、メインヒータ１４は、内部にコイル１４ａが備えられ、コイル１４ａへ通電を行うことによって通電量に応じた加熱を行う。メインヒータ１４が平面状に配置されていることから、半導体ウェハ１の表面全面を均等に加熱できると共に、エッチング液２０を広範囲に加熱できる。そして、攪拌翼１３によるエッチング液２０の攪拌によって、より均熱化されたエッチング液２０を半導体ウェハ１に触れさせることができる。

サブヒータ１５は、半導体ウェハ１の裏面側から半導体ウェハ１の外縁部を加熱するものである。例えば、サブヒータ１５は、内部にコイル１５ａが備えられ、コイル１５ａへ通電を行うことによって通電量に応じた加熱を行う。半導体ウェハ１は、表面側において、Ｏリング１０ｃｃによって押えられることから、半導体ウェハ１の表面側からは外縁部の加熱が十分に行えない。このため、サブヒータ１５によって半導体ウェハ１の裏面側から半導体ウェハ１の外縁部を加熱することで、半導体ウェハ１の内部側と外縁部側の温度が均等になるようにしている。

このような構造によって本実施形態にかかるエッチング装置が構成されている。そして、上記したように、本実施形態では、支持ベース１０ｂが第１実施形態で説明した支持台５を構成していることから、この支持ベース１０ｂに対して遮蔽板４が設置されている。遮蔽板４は、反射防止コーティングがなされた石英やガラスもしくは透明樹脂などによって構成され、例えば１ｍｍの厚さとされている。また、半導体ウェハ１と遮蔽板４との間のギャップは０．５ｍｍ程度とされている。

さらに、エッチング装置には、駆動制御部１６、本体制御部１７およびコンピュータ１８が備えられている。

駆動制御部１６は、厚みセンサ３を駆動するものである。具体的には、駆動制御部１６は、支持ベース１０ｂの上面、つまり水平面方向をＸＹ平面とし、ＸＹ平面に対する法線方向、つまり鉛直方向をＺ方向として、厚みセンサ３をＸＹ平面上およびＺ方向において移動させることで位置調整を行う。また、駆動制御部１６は、波長可変レーザ光の照射および検出を行う回路を有しており、厚みセンサ３のヘッド、つまり先端から光の照射を行うと共に、半導体ウェハ１で反射してきた光の干渉光を検出する。

例えば、駆動制御部１６は、波長可変レーザとして１５１５ｎｍ〜１５８５ｎｍの波長帯で光の波長を可変させる。また、駆動制御部１６は、フーリエ変換回路を有しており、検出した干渉光をフーリエ変換し、変換結果を解析することで半導体ウェハ１の厚み測定を行う。

このような駆動制御部１６により、厚みセンサ３からの光が半導体ウェハ１の所望位置、例えばダイヤフラムを形成する位置に照射され、半導体ウェハ１の表裏面で反射された光の干渉光が再び厚みセンサ３に戻るように位置調整が行われる。そして、駆動制御部１６により、厚みセンサ３から光を照射したときに戻ってきた干渉光を検出し、ダイヤフラムの厚み測定を行うようになっている。

本体制御部１７は、エッチング装置でのエッチングの開始および停止の制御やメインヒータ１４およびサブヒータ１５による加熱の制御、エッチング液の供給および排出の制御を行う。図示しないが、エッチングポット１０にはエッチング液の導入口や希釈用の純水の導入口が備えられており、それらからエッチング液や純水が導入されることでエッチング処置室内でのエッチングが可能となる。また、図示しないが、エッチングポット１０にはエッチング液などの排出口が備えられており、エッチング後にはそれらからエッチング液などを排出し、エッチング処置室からの半導体ウェハ１の取り出しが行えるようになっている。

コンピュータ１８は、駆動制御部１６および本体制御部１７を制御する部分である。コンピュータ１８は、駆動制御部１６を制御することで厚みセンサ３のヘッドの位置調整を行わせたり、光照射および干渉光の検出結果を取得して厚み測定を行っている。コンピュータ１８による駆動制御部１６の制御は、エッチング途中にも行うことが可能となっており、干渉光の検出結果に応じて厚みセンサ３のヘッドの位置調整を行うことで、適切な厚み測定を行えるようにしている。

また、コンピュータ１８は、本体制御部１７を制御することで、エッチング液および純水の導入量の調整やエッチング液および半導体ウェハ１の温度調整を行っている。具体的には、コンピュータ１８は、本体制御部１７に対して開始信号を送ることで、エッチング液などを導入するとともにヒータ加熱を行うことで半導体ウェハ１のエッチングを開始する。そして、コンピュータ１８は、半導体ウェハ１が所望の厚みまでエッチングされたことを検出すると、本体制御部１７に対して終了信号を送ることで、加熱を停止したりエッチング液などを排出させることでエッチングを終了させる。例えば、半導体ウェハ１の所望位置を０．３ｍｍの厚さから１０μｍの厚さにエッチングして薄膜化し、１０μｍの暑さになったことが検出されると、エッチングを終了させる。

このようにして、本実施形態のエッチング装置が構成されている。このようなエッチング装置において、図７に示すように、エッチングポット１０における支持ベース１０ｂに遮蔽板４が配置されている。そして、第１実施形態と同様に、遮蔽板４のうち少なくとも厚みセンサ３から照射される光が通過する部分が光の入射方向に対して傾斜した傾斜面、すなわちエッチング面や厚みセンサ３のヘッドの受光面に対して非平行な面となるようにしている。

このため、厚みセンサ３から照射された光が遮蔽板４の表裏面において反射しても、その反射光は厚みセンサ３には入射されないようにできる。その一方で、遮蔽板４を透過した光が半導体ウェハ１の表裏面で反射してくると、その干渉光は再び遮蔽板４を通過して厚みセンサ３側に戻る。したがって、厚みセンサ３にて厚み測定を行うための光に関しては、遮蔽板４の表裏面が傾斜面とされていても的確に厚みセンサ３に入射される。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１、第２実施形態に対して遮蔽板４の構造を変更したものであり、その他については第１、第２実施形態と同様であるため、第１、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、ここでは第２実施形態に示したエッチング装置において遮蔽板４の構造を変更した場合について説明するが、第１実施形態についても同様のことが適用できる。

図８に示すように、遮蔽板４の表裏面のうちの一面のみ、本実施形態の場合は半導体ウェハ１側となる表面のみについて、厚みセンサ３から照射される光が通過する部分が光の入射方向に対して傾斜した傾斜面となるようにしている。そして、遮蔽板４のうちのもう一方の面、本実施形態の場合は厚みセンサ３側となる裏面については、厚みセンサ３から照射される光が通過する部分が光の入射方向に対して垂直となる垂直面となるようにし、半導体ウェハ１に対して平行な平行面となるようにしている。

このように、遮蔽板４に半導体ウェハ１に対する平行面が存在していたとしても、その平行面からの反射光の影響による厚みの誤測定が行われなければ良い。すなわち、遮蔽板４の裏面から半導体ウェハ１の裏面までの距離が測定対象となる半導体ウェハ１の厚みと差があることで光学ギャップがあれば、フーリエ変換すると半導体ウェハ１の厚みよりも大きな光学ギャップのピークとして表れる。このため、厚み測定の際には、遮蔽板４の反射光の影響による干渉光についは除外することで、誤測定することなく厚み測定を行うことが可能となる。例えば、エッチング前の半導体ウェハ１の厚みが３００μｍである場合において、遮蔽板４の最大厚みが１ｍｍ、遮蔽板４から半導体ウェハ１までの距離が０．１ｍｍであるとすと、フーリエ変換を行ったときの干渉光のピークはシリコン厚さ換算で５００μｍ近くの位置に現れる。このため、半導体ウェハ１の厚みよりも大きな光学ギャップとして表れることから、上記の効果が得られる。

特に、本実施形態の場合、遮蔽板４のうち半導体ウェハ１から近い側の面となる表面側については傾斜面としており、半導体ウェハ１から遠い側の面となる裏面側を半導体ウェハ１に対する平行面としている。このため、遮蔽板４の裏面と半導体ウェハ１の裏面との間の距離を稼ぐことができ、光学ギャップを設け易い。したがって、遮蔽板４を半導体ウェハ１から遠ざけなくとも上記効果を得ることが可能となる。

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して厚みセンサ３と遮蔽板４との間に集光レンズを備えるものであり、その他については第１〜第３実施形態と同様であるため、第１〜第３実施形態について説明する。なお、ここでは第１実施形態に対して集光レンズを備える場合を例に挙げて説明するが、第２、第３実施形態でも同様のことが適用できる。

図９に示すように、厚みセンサ３のヘッドを光ファイバとした場合において、遮蔽板４との間に集光レンズ３０を備えることもできる。この場合、集光レンズ３０については、厚みセンサ３の一部として備えることもできるし、厚みセンサ３とは別体として備えることもできる。

集光レンズ３０を備える場合、厚みセンサ３のヘッドから照射された光が集光レンズ３０で集光され、これが遮蔽板４を透過して半導体ウェハ１に照射される。そして、半導体ウェハ１で反射した光の干渉光が再び集光レンズ３０で集光されて厚みセンサ３に戻される。これに基づいて、半導体ウェハ１の厚み測定が行われる。このとき、集光レンズ３０で集光された光が遮蔽板４でも反射することになるが、遮蔽板４の傾きにより、その傾斜角度をθとすると、遮蔽板４での反射光はその傾斜角度の二倍となる２θずれて厚みセンサ３側に戻ることになる。すなわち、反射光の結像は２θ傾斜した軸上に集光され、厚みセンサ３のヘッドとして用いられる光ファイバの照射光の中心からずれる。

このため、図１０に示すように、電界モード分布が厚みセンサ３のヘッド中心において最も強くなる分布になるとすると、遮蔽板４での反射光に基づく電界モード分布はヘッド中心からずれた位置で最も強くなる。一方、半導体ウェハ１での反射光に基づく電界モード分布は、ヘッド中心において最も強くなり、光ファイバで構成される厚みセンサ３のヘッドに結合できる電界モード分布となる。このため、フーリエ変換等によって光のパワースペクトルのピークを解析することで、遮蔽板４での反射光による成分を除外することができ、遮蔽板４の反射光による影響を小さくすることが可能となる。

また、遮蔽板４から半導体ウェハ１までの距離をＬ₁、厚みセンサ３のヘッドの半径をｒ、遮蔽板４での反射光の電界モード分布の光ファイバ中心からのずれ量をＬ₃とすると、ずれ量Ｌ₃は距離Ｌ₁および傾斜角度θによって決まる。このため、ずれ量Ｌ₃が半径ｒよりも大きくなるように、距離Ｌ₁、傾斜角度θ、半径ｒを設計することで、より遮蔽板４の反射光による影響を小さくすることができる。

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して半導体ウェハ１の面方位を考慮に入れた厚み検出を行えるようにするものであり、その他については第１〜第４実施形態と同様であるため、第１〜第４実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１１Ａに示すように、半導体ウェハ１の表面にマスク２を形成し、マスク２の開口部を通じて半導体ウェハ１の所望位置をエッチングすることで薄膜状のダイヤフラムを形成することができる。このとき、半導体ウェハ１として｛１１０｝面のシリコンウェハを用いることがある。この場合、エッチングされることで形成される凹部の側面は｛１００｝、｛１１０｝となり、凹部の底面は、図１１Ｂに示すように、一定間隔、例えば５〜１０μｍピッチで三角形状のピークと谷を持つ凹凸形状が繰り返された形状となる。底面の凹凸は細かな凹凸であるため、厚みセンサ３から照射された光がこの底面で反射したときに、概ね底面が平坦面である場合に生じる反射光と同様となるが、光の散乱も生じる。

このため、散乱によって厚みセンサ３からの光の強度が弱まらないように半導体ウェハ１から厚みセンサ３の受光面までの距離が近く、かつ、凹凸形状を平均化した厚さ値を出せるような光径であることが望ましい。

例えば、厚みセンサ３のヘッドを光ファイバで構成し、光ファイバの半径ｒを１０μｍ、集光レンズ３０の倍率を５：１とし、エッチング面にφ５０μｍ焦点で光が照射されるように各部を配置すると、凹凸による厚さバラツキが平均化されて厚み測定が行える。

また、厚みセンサ３のヘッドと半導体ウェハ１の間の距離を極力近くすることで受光量を大きくすることが望ましい。その場合、遮蔽板４と半導体ウェハ１との間の距離Ｌ₁を０．５ｍｍ程度にすると、遮蔽板４を傾けた制御が有効となる。この光学設計では、遮蔽板４の角度を２度以上傾けることで、遮蔽板４での反射光の影響を防ぐことが可能となる。以下、この効果が得られる理由について説明する。

まず、図１２Ａに示すように、半導体ウェハ１と遮蔽板４との間の距離をＬ₁、半導体ウェハ１と集光レンズ３０との間の距離をＬ₂、集光レンズ３０から厚みセンサ３のヘッドまでの距離をＬ₃とする。また、遮蔽板４の傾斜角度をθとし、半導体ウェハ１に照射されたときの光の強度をａとする。さらに、光の照射中心と虚像中心の位置ずれをｂ、光径をω０とし、虚像の半径をωｒとする。

光の強度分布は、一般的にガウス関数で表すことができ、次式のように表される。

そして、遮蔽板４での反射光が厚みセンサ３のヘッドの光ファイバに結合する光パワーＰは、次式で表される。

ここで、Ｐ₁は反射光強度、ｇ₁、ｇ₂は、光ファイバの導波モードと光ファイバの受光面での反射光の規格化電界分布関数である。ｇ₁、ｇ₂は、それぞれ上記したガウス関数で表すことができる。

また、光ファイバで構成される厚みセンサ３のヘッドへの集光としては、半導体ウェハ１で集光した光が可逆的に光ファイバへ戻る成分と遮蔽板４で反射された光が集光レンズ３０を介して光ファイバへ集光される成分とがある。結合光学として考えた場合、反射光については半導体ウェハ１上での像が結像倍率をもって光ファイバ上へ結像されると考えられる。遮蔽板４からの反射光は半導体ウェハ１上への虚像が結像されると見做せる。

また、位置ずれｂについては、遮蔽板４の傾斜角θに応じた変位分となることから、次式で表される。そして、この位置ずれｂが光径ω０よりも大きければ（ｂ＞ω０）、遮蔽板４での反射光の影響を防ぐことが可能となる。

ｂ＝Ｌ₁ｔａｎ（２θ）
また、遮蔽板４からの反射光の光ファイバへの結合パワーを近似的に定式化するため、集光レンズ３０で集光された光と虚像の光のオーバラップを虚像の中心位置での光パワーで表現する。すなわち、図１２Ｂに示すように、半導体ウェハ１の裏面での虚像の半径をωｒとし、厚みセンサ３が照射する光の虚像の光パワーの分布をＰ（ｘ）とすると、Ｐ（ｘ）は数式４で表される。また、図１３Ａに示すように、集光レンズ３０の厚み中央位置での光の半径をωｂとすると、虚像の半径ωｒは、数式５で表される。

Ｐ（ｘ）＝ｅｘｐ（−２（ｘ−ｂ）²／ωｒ²）

ωｒ＝２Ｌ₂／Ｌ₁×ωｂ
また、半径ωｂは、厚みセンサ３の照射する光の開口角ＮＡ、つまりｓｉｎθに対して距離Ｌ₃を掛けることによって算出され、次式となる。なお、ここでは、ＮＡ＝０．１としている。

ωｂ＝Ｌ₃×０．１
ここで、集光レンズ３０で集光された光と虚像の光のオーバラップが厚みセンサ３に対する戻り光のパワーとなる。また、図１３Ｂに示すように、遮蔽板４の傾斜角度θによって照射光の集光ビームの中心位置に対する虚像の集光ビームの中心位置が変わる。そして、近似的に、虚像の中心位置のパワーが遮蔽板４の傾斜角度θに対する反射戻り光の影響度となる。

具体的に、光ファイバで構成される厚みセンサ３のヘッドの半径ｒを１０μｍ、距離Ｌ₁を０．５ｍｍ、集光レンズ３０の倍率を５：１とし、エッチング面にφ５０μｍ焦点で光が照射されるようにして、上記式を用いてシミュレーションを行った。その結果、図１４に示す結果が得られた。なお、本図において、横軸は遮蔽板４の傾斜角度θ、縦軸は傾斜角度θを０°としたときを１とした反射パワーに対する相対強度を示している。

この図に示す結果から、傾斜角度θが１°の場合は、反射パワーが０°の場合と比較して０．２倍、つまり１／５のパワーに低減されている。また、傾斜角度θが２°の場合は、反射パワーが０°の場合と比較して殆ど無視できるパワーに低減されている。このように、遮蔽板４を傾斜角度θで傾斜させた傾斜面とすることによって、遮蔽板４の反射光による反射パワーを低減でき、反射光による影響を低減することが可能となる。

なお、この図に示すシミュレーション結果は、距離Ｌ₁＝０．５ｍｍとした場合の結果であり、距離Ｌ₁の値が変わればシミュレーション結果も変わる。距離Ｌ₁を大きくすれば、傾斜角度θが小さくても反射パワーを低減できるが、距離Ｌ₁が大きくなる分、半導体ウェハ１での反射光の干渉光の受光量が減るため、得たい厚み測定のために得たい受光量との関係から距離Ｌ₁や傾斜角度θを設定すれば良い。

（第６実施形態）
第６実施形態について説明する。本実施形態は、第１〜第５実施形態に対して遮蔽板４の構造を変更したものであり、その他については第１〜第５実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

上記各実施形態では、遮蔽板４のうちの少なくとも一面の全面を傾斜面とした。しかしながら、遮蔽板４のうち少なくとも光が通過する部分について傾斜面とすれば良い。このため、光が通過する部分と異なる位置において、支持台５に保持される保持部を設け、この保持部が半導体ウェハ１の表裏面と平行、換言すれば光の照射中心に対する垂直面と平行な平行面となるようにしても良い。本実施形態では、図１５に示すように、遮蔽板４のうちの中央部のみを傾斜面とし、外縁部を半導体ウェハ１の表裏面と平行な平行面としている。

このように、遮蔽板４のうちの一部のみを傾斜面とした構造としても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、遮蔽板４のうち支持台５への搭載部分、つまり段付部５ｂの表面を水平面とすることができるため、段付部５ｂの加工を容易に行うことが可能となる。

なお、図１５では、第１実施形態のように、遮蔽板４のうち光が通過する部分において表裏面が共に傾斜面とされて平行となるようにする場合を例に挙げた。これに加えて、図１６Ａや図１６Ｂに示すように、遮蔽板４のうち光が通過する部分において表面側もしくは裏面側のみが傾斜面とされる場合についても、上記と同様の構造を適用できる。すなわち、遮蔽板４のうち光が通過する中央部についてのみ傾斜面が備えられるようにし、保持部となる外縁部を半導体ウェハ１の表裏面と平行な平行面としても良い。

（第７実施形態）
第７実施形態について説明する。本実施形態は、第６実施形態に対してシール機構を備えたものであり、その他については第６実施形態と同様であるため、第６実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１７に示すように、遮蔽板４の表裏面のうちの水平面とされた外縁部にＯリング等のシール部材４０、４１が配置されている。また、遮蔽板４よりも半導体ウェハ１側には、例えば円周上に複数のネジ孔４２ａが形成されていると共に中央部に貫通孔４２ｂが形成された円環状の押え部材４２が配置されている。この押え部材４２が複数の固定ネジ４３で支持台５に締結されることで、シール部材４０、４１および遮蔽板４を挟持している。

このように、シール部材４０、４１によって遮蔽板４の周囲をシールすることで、仮にエッチング液が漏れてきたとしても遮蔽板４と支持台５との間を通じて厚みセンサ３側まで侵入することを防止できる。また、外部の振動に基づいて遮蔽板４自身が動く可能性が減り、遮蔽板４と半導体ウェハ１との間の距離の変動を抑制できて、距離の変動に伴うノイズも抑制できる。

なお、このようなシール機構については、遮蔽板４の外縁部が水平面とされていない第１実施形態などの構造のものについても適用できる。しかしながら、遮蔽板４の外縁部を水平面とすることで、シール部材４０、４１を容易に配置することが可能となる。したがって、遮蔽板４の外縁部を水平面とする構造において、シール部材４０、４１を備えるようにすると、容易にシール機構を備えることができるし、より的確にシールが可能になるため、よりエッチング液が厚みセンサ３側に漏れることを効果的に抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、厚みセンサ３における光の照射方向については、半導体ウェハ１の裏面に対する垂直方向としているが、必ずしも垂直である必要はなく、反射光が厚みセンサ３に戻る角度であれば、垂直方向に対して傾斜していても良い。

また、半導体ウェハ１が支持される支持台５に開口部５ａを形成して厚みセンサ３を配置したり遮蔽板４を配置した。これも一例を示したに過ぎず、支持台５のうち半導体ウェハ１を支持する部分と、厚みセンサ３や遮蔽板４が配置される部分を別々の部材で構成しても良い。

また、上記実施形態では、遮蔽体を構成するものとして板状の遮蔽板４を例に挙げて説明したが、遮蔽体は必ずしも板状である必要はない。

１ 半導体ウェハ
２ マスク
３ 厚みセンサ
４ 遮蔽板
５ 支持台
１０ エッチングポット
２０ エッチング液
３０ 集光レンズ
４０、４１ シール部材

Claims (8)

1. 半導体ウェハ（１）の一面側を表面とし、他面側を裏面として、該半導体ウェハの表面側をエッチングしつつ、エッチングした場所において前記半導体ウェハの厚み測定を行うエッチング装置であって、
   前記半導体ウェハが支持される支持台（５）と、
   前記半導体ウェハの裏面側から前記半導体ウェハに対して光を照射すると共に、前記半導体ウェハの表裏面それぞれでの前記光の反射光に基づいて前記半導体ウェハの厚みを測定する厚みセンサ（３）と、
   前記厚みセンサと前記半導体ウェハとの間に配置され、前記光を透過させる遮蔽体（４）と、を備え、
   前記遮蔽体は、少なくとも前記光を透過する部分において、前記光の照射方向に対する垂直面から所定の傾斜角度で傾斜した傾斜面を有しているエッチング装置。
2. 前記支持台を構成する支持ベース（１０ｂ）を含み、前記半導体ウェハが設置されると共に、前記エッチングを行うためのエッチング液（２０）が導入されるエッチング処理室を構成するエッチングポット（１０）を備え、
   前記支持ベースには前記厚みセンサが配置される開口部（５ａ）が形成されており、該開口部が前記遮蔽体によって塞がれている請求項１に記載のエッチング装置。
3. 前記遮蔽体のうち前記半導体ウェハ側となる表面と前記厚みセンサ側となる裏面のうちの少なくとも一方が前記傾斜面とされている請求項１または２に記載のエッチング装置。
4. 前記厚みセンサは、前記光の照射および前記反射光の入射を行う光ファイバを含み、
   前記光ファイバと前記遮蔽体との間に集光レンズ（３０）が備えられている請求項１ないし３のいずれか１つに記載のエッチング装置。
5. 前記光の光径をω０とし、前記半導体ウェハの裏面での前記光の照射中心と前記集光レンズでの集光に基づく前記半導体ウェハの裏面での虚像の中心との位置ずれをｂとして、
   ｂ＞ω０
   の関係を満たして前記傾斜面の傾斜角度、前記遮蔽体の表面から前記半導体ウェハの裏面までの距離Ｌ_１が設定されている請求項４に記載のエッチング装置。
6. 前記遮蔽体は、前記支持台に保持される保持部を有し、該保持部と異なる部位において、前記傾斜面が構成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載のエッチング装置。
7. 前記保持部は、前記光の照射中心に対して垂直となる垂直面と平行な平行面を有している請求項６に記載のエッチング装置。
8. 前記保持部は、前記遮蔽体の表面および裏面の両方において、前記光の照射中心に対して垂直となる垂直面と平行な平行面とされている請求項６に記載のエッチング装置。

Images