JPH0529422A - 素子ウエハの有効平坦度推定方法 - Google Patents

素子ウエハの有効平坦度推定方法

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JPH0529422A
JPH0529422A JP3203459A JP20345991A JPH0529422A JP H0529422 A JPH0529422 A JP H0529422A JP 3203459 A JP3203459 A JP 3203459A JP 20345991 A JP20345991 A JP 20345991A JP H0529422 A JPH0529422 A JP H0529422A
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JP
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element wafer
flatness
residual stress
stress layer
wafer
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JP3203459A
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Sakae Tezuka
栄 手塚
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JFE Steel Corp
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Kawasaki Steel Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 素子ウエハ表面の残留応力の大きさや残留応
力層の厚みに影響されることなく、且つ、非接触で、素
子ウエハの有効平坦度を推定する。 【構成】 素子ウエハ10の表面の外観的平坦度を、残
留応力層の影響を受けることがない光学センサ18によ
って測定し、又、静電容量センサ20の二次元走査によ
って、素子ウエハ10の残留応力層の厚み分布を測定
し、これらの測定値に基づき、コンピュータ30におい
て、残留応力層を除去した後の素子ウエハ10の有効平
坦度を推定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体材料の素子ウ
エハ、特にラッピング加工後、エッチング加工前に、ス
ライス及び/又はラッピングによる機械加工に基づく残
留応力層を有する素子ウエハの有効平坦度を推定する方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体材料としての素子ウエハは、シリ
コンや砒化ガリュウム等のインゴットを鋸断(スライ
ス)して得られた平坦度の悪い状態から、エッジ研削、
ラッピング等の機械加工を経て、エッチング及びポリッ
シングにより、鏡面ウエハに仕上げられる。
【0003】平坦度のよい鏡面ウエハを得るためには、
エッチングにおいてできるかぎり平坦にすると共に、最
適なポリッシング条件を選択しなければならない。
【0004】ここで、エッチング工程は、ポリッシング
工程に先立ち有害な残留応力層を除去することを目的と
している。
【0005】即ち、スライスやラッピング等の機械加工
によって、ウエハに生じた残留応力層は、無応力層に比
べて結晶光子が歪んでいるため、半導体素子としての電
子的特性を狂わせる大きな原因になる。更に、半導体製
造工程中に加えれられる熱処理増設等で、割れの原因に
もなるので、これをエッチングによって除去するもので
ある。
【0006】このようなエッチングが最適になされない
と、エッチングによってかえって素子ウエハの平坦度が
損なわれることになるために、最適エッチング条件を選
択する必要があり、このためには、従来は、エッチング
前あるいはエッチング後において素子ウエハの平坦度を
測定し、これを適宜エッチング工程の条件選択にフィー
ドバックさせていた。
【0007】このような従来からの素子ウエハの平坦度
の測定方法としては、静電容量センサによりウエハ表面
を相対的2次元走査を行う方法、特開平2−28003
号公報に開示されるような、差動トランス型距離測定セ
ンサを用いる方法がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】前記静電容量センサに
よって相対的2次元走査を行う方法は、残留応力層を有
する素子ウエハの平坦度測定に利用することができない
という問題点がある。
【0009】即ち、静電容量センサは、被測定物及びセ
ンサと被測定物との間の誘電率が一定であることが必要
条件であるが、残留応力層を有する素子ウエハでは圧電
現象により素子ウエハ内の誘電率が無応力状態のそれか
ら変化していて、距離の測定値が残留応力の大小によっ
て大きく変化して、正確な距離の測定が不可能だからで
ある。
【0010】又、前記差動トランス型距離測定センサを
用いたものが、センサを素子ウエハに直接押付けなけれ
ばならないので、素子ウエハの表面に新たな残留応力層
や欠陥を生じさせる恐れがあるという問題点がある。
【0011】この発明は、上記従来の問題点に鑑みてな
されたものであって、残留応力の大きさ及び残留応力層
の厚みに影響させることなく、且つ、非接触で、素子ウ
エハの有効平坦度を推定する方法を提供することを目的
とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】この発明は、素子ウエハ
の外観的平坦度、及び、該素子ウエハの残留応力層の厚
み分布を測定し、これらの測定値に基づき前記残留応力
層を除去した後の素子ウエハの有効平坦度を推定する方
法により上記課題を達成するものである。
【0013】ここで、前記外観的平坦度を、光学的測定
方法により測定し、前記残留応力層の厚み分布を、静電
容量センサの2次元走査によって測定し、前記2次元走
査の測定点毎の、平坦度及び残留応力層の厚み測定値の
加重和に基づき、残留応力層を除去した後の平坦度を算
出するようにしてもよい。
【0014】更に、前記各測定点の各測定値に乗ぜられ
る加重係数を前記素子ウエハの材料成分の種類及び濃度
に応じて選定するようにしてもよい。
【0015】更に又、前記各測定点の各測定値に乗ぜら
れる加重係数を、前記素子ウエハの材料成分の種類、及
び、該素子ウエハ面内の代表点の比抵抗値に応じて選定
するようにしてもよい。
【0016】
【作用及び効果】この発明によれば、まず素子ウエハの
平坦度を外観的平坦度として測定しているので、例えば
静電容量センサで平坦度を測定した場合のように、残留
応力層の影響を受けることがない。次に、素子ウエハの
条件やラッピング条件を一定に保てば、ラッピング後の
素子ウエハの残留応力層の厚みと素子ウエハ表層部の残
留応力値とがよく対応することから、素子ウエハの残留
応力層の厚み分布を測定して、外観的平坦度と残留応力
層の厚み分布の測定値に基づいて、残留応力層を除去し
た後の素子ウエハの有効平坦度を推定しているので、無
応力層よりもはるかに速くエッチングされる残留応力層
の除去後の平坦度を正確に推定することができる。
【0017】又、請求項2によれば、素子ウエハの外観
的平坦度を光学的測定方法により測定しているので、残
留応力の影響を受けることがなく、更に、残留応力層の
厚み分布を、静電容量センサの2次元操作によって測定
し、前記2次元操作の測定点毎の、平坦度及び残留応力
層の厚み測定値の荷重和に基づき、残留応力層を除去し
た後の平坦度を算出しているので、更に正確に平坦度を
推定することができる。
【0018】ここで、残留応力層を有する素子ウエハの
平坦度を静電容量センサで正確に測定できないのは、半
導体材料の持つ圧電効果(現象)によるものであるが、
この発明は、前記圧電効果を積極的に利用して、素子ウ
エハ内の残留応力の大きさを測定するものである。
【0019】又、請求項3によれば、各測定点の測定値
に乗ぜられる荷重係数を素子ウエハの材料成分の種類及
び濃度に応じて選択しているので、残留応力層の厚みを
高精度で測定することができる。
【0020】更に又、請求項4によれば前記荷重係数
を、前記素子ウエハの材料成分の種類及び、各素子ウエ
ハ面内の代表点の比抵抗値の情報を使って残留応力層の
厚みを更に高精度で測定することができる。
【0021】又、請求項3及び4は、半導体材料の圧電
効果の係数が、その誘電率や比抵抗値と密接な関係にあ
り、更にこの誘電率及び比抵抗値は半導体材料の成分の
種類及びその濃度、例えばシリコン単結晶中のドーパン
トの種類とその濃度によって決定されることによるもの
である。更に、素子ウエハの残留応力層が無応力層より
もはるかに速くエッチングされ、且つそのエッチング速
度が、素子ウエハの成分とその濃度の影響を受けること
によるものである。
【0022】本発明の方法によって推定した残留応力層
の厚みと、残留応力層を除去した後の有効平坦度を使っ
てエッチング条件を最適に選定することによって、素子
ウエハのエッチング時間を、従来と比較して10〜20
%短縮でき、更にエッチング後の素子ウエハの平坦度を
20〜30%改善することができた。
【0023】
【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。
【0024】まず本発明の基本的構成について説明す
る。
【0025】本発明では、外観的な平坦度を素子ウエハ
内の残留応力の影響を受けることなく測定し、更に素子
ウエハ内の残留応力層の厚み分布を測定し、これらの測
定値を演算することによって、残留応力層を除去した後
のウエハの平坦度を推定するものである。
【0026】前記外観的な平坦度の測定は、例えばレー
ザ光のような単色光を素子ウエハ表面に照射し、その反
射光を三角測量法又はモアレ縞法等の光学的方法によっ
て測定して、ウエハの外観的な平坦度を測定する。
【0027】素子ウエハ内の残留応力層の厚み分布は次
のようにして測定する。
【0028】まず、素子ウエハの近傍に静電容量センサ
を置き、該静電容量センサを素子ウエハの表面に対して
略平行に、相対的に走査すると、素子ウエハや素子ウエ
ハと静電容量センサ間の空間の誘電率の積分値が得られ
る。
【0029】ここで、素子ウエハの幾何学的形状及び前
記誘電率が一定であれば、前記積分値は、静電容量セン
サと素子ウエハとの間の距離を表わすが、前記幾何学的
形状及び誘電率が一定でないとすると、単純に距離を表
わすものとすることができない。
【0030】ここで、前記静電容量センサの大きさ、及
び、静電容量センサと素子ウエハ間の距離を十分小さく
すると、静電容量センサと対象物の相対形状の影響を受
けずに誘電率の積分値が得られる。
【0031】これに加え、前記三角測量法やモアレ縞法
等の光学的方法によって測定した距離で、素子ウエハの
誘電率を求めることができる。
【0032】誘電率から、静電容量の分布、更には残留
応力の分布は次のように求める。
【0033】断面積Sの静電容量センサーを、比誘電率
εw の素子ウエハから距離La の点に置いた時の静電容
量Cは次式で表わされる。
【0034】 C=ε0 ・S・{1/(La /εa +Lw /εw )} …(1) 但し、ε0 :真空の誘電率 εa :空気の比誘電率 Lw :素子ウエハの厚み
【0035】(1)式において、εw 以外の量が全て既
知であれば、εw を求めることができる。
【0036】更に、誘電体の比誘電率は次式で表わされ
る。
【0037】 ε=ε0 +γ・N・e 2 /m ・{1/(ω0 2 −ω2 +i ・ω・f /m ) …(2) 但し、γ:幾何学的定数 N:単位体積当りの粒子数 e :粒子の電荷 m :粒子の質量 k :ばね定数 ω0 :k /m ω:角周波数 i :虚数(i 2 =−1) f :摩擦定数
【0038】(2)式において、Nは誘電体に作用する
応力σに比例して変化するから、誘電率εも応力σに比
例して変化する。即ち、誘電率の微小変化d εと応力の
微小変化d σの間には次の関係がある。
【0039】 d ε=(γ・e 2 /m )・1/(ω0 2 −ω2 +i ・ω・f /m ) ×(ΔN/Δσ)・d σ …(3) 但し、ΔN/ΔσはNのσに対する微係数、Δは偏微分
記号。
【0040】又、比誘電率εと比抵抗ρの間には次の関
係がある。
【0041】1/ρ=ω・ε′′/γ …(4) 但し、ε=ε′+i ε′′ ε′ :複素誘電率の実数部 ε′′:複素誘電率の虚数部 cos θ=ε′/|ε|・・・ (θ:力率)
【0042】有効平坦度は次のように推定される。
【0043】外観上の平坦度を、座標(r ,θ)上の厚
みt (r,θ)とする。
【0044】座標(r ,θ)の点の静電容量をC(r ,
θ)とする。
【0045】(1)式より、ウエハの比誘電率εw は次
のように求められる。
【0046】 εw =Lw /(ε0 ・S/C−La /εa ) …(5)
【0047】更に、(3)式の比誘電率εをεw と置き
換えると、比誘電率εw の微小変化d εw から、応力の
微小変化d σは次のように求められる。但し、ΔN/Δ
σは素子ウエハの縦弾性係数に比例する係数である。
【0048】 d σ={m ・(ω0 2 −ω2 +i ・ω・f /m ) /(γ・e 2 ・ΔN/Δσ)}・d εw …(6)
【0049】(5)式から、 εw =(−Lw /La )・εa ・{1+(ε0 ・εa ・S/La ) /[C−ε0 ・εa ・S/La )} …(7)
【0050】これをCに関して微分すると、次のように
なる。但し、lnは自然対数を表わす。
【0051】 d εw =(−Lw /La 2 )・εa 2 ・ε0 ・S ×ln(C−ε0 ・εa ・S/La )・d C …(8)
【0052】(6)式と(8)式より、応力の微小変化
d σは次のように表わされる。
【0053】 d σ={m ・(ω0 2 −ω2 +i ・ω・f /m )} /(γ・e 2 ・ΔN/Δσ) ×(−Lw /La 2 ・εa 2 ・ε0 ・S) ×ln(C−ε0 ・εa ・S/La )・d C …(9)
【0054】この式を使うと、静電容量Cの分布C(r
,θ)から、残留応力の分布σ(r,θ)を知ることが
できる。
【0055】半導体材料の素子ウエハは一般的に脆弱で
あるので、ラッピングによる残留応力層はウエハの表面
直下に集中し、その残留応力層の厚みτは残留応力σの
大きさにほぼ比例する。
【0056】 τ(r ,θ)=α・σ(r ,θ) …(10)
【0057】即ち、(9)式と(10)式より、静電容
量の分布C(r ,θ)を測定することにより、残留応力
層の厚みの分布τ(r ,θ)を知ることができる。
【0058】従って、外観上の平坦度t (r ,θ)か
ら、対応する座標の残留応力層の厚みτ(r ,θ)を差
し引くと、残留応力層を除去した後の有効平坦度te(r
,θ)を推定することができる。
【0059】 te(r ,θ)=t (r ,θ)−τ(r ,θ) …(11)
【0060】(4)式の比抵抗ρは、公知のように、半
導体材料としての単結晶を作る段階で添加するドーパン
トの種類と、その濃度に強く影響され、なお且つチョク
ラルスキー法で作ったシリコン単結晶では、1本の単結
晶の中でも単結晶の長さ方向の位置によってドーパント
の濃度が異なり、それに応じて比抵抗の値も差違があ
る。更に1枚の素子ウエハの中でも半径方向の位置によ
って僅かに比抵抗の値に差違がある。これは単結晶を溶
融シリコンから引上げる際の固液界面が曲面状になって
いることによる。
【0061】このように、1枚のウエハ内の比抵抗の値
は大まかには、ドーパントの種類と、その濃度によって
求めることができ、更に詳しくは、個々のウエハの面内
の代表点の比抵抗の値を4探針法等によって測定するこ
とによって把握し得る。
【0062】一方、素子ウエハの硬度はドーパントの濃
度が高いほど大きく、同じ応力が作用してもそれによっ
て発生する結晶格子の歪みは小さい。
【0063】次に、図1及び図2を参照して、本発明に
係る有効平坦度を推定する方法を実施する装置によっ
て、素子ウエハの有効平坦度推定を行う過程について説
明する。
【0064】図1は、本発明方法を実施する装置を示す
ものであり、被測定物たる素子ウエハ10は、チャック
12により吸着保持され、このチャック12は、モータ
14によって回転されるようになっている。
【0065】このモータ14には、該モータ14の、あ
る基準線からの回転角度を測定するための角度センサ1
6が取付けられている。
【0066】前記素子ウエハ10に対面して、光学セン
サ18、静電容量センサ20、及び、比抵抗測定プロー
ブ22が配置されている。
【0067】前記光学センサ18はスキャナ24によっ
て素子ウエハ10の半径方向に走査され、該素子ウエハ
10の外観上の平坦度を測定するようにされている。
【0068】又、前記静電容量センサ20は、スキャナ
26によって素子ウエハ10の半径方向に走査され、該
素子ウエハ10及び素子ウエハ10までの空間との静電
容量を測定するようにされている。
【0069】更に、前記比抵抗測定プローブ22は、ス
キャナ28によって、素子ウエハ10の半径方向に走査
され、素子ウエハ10の比抵抗値を測定するようにされ
ている。
【0070】図2の符号30は、人間とコントローラ3
2との中継をすると共に、情報処理をするためのコンピ
ュータを示す。
【0071】前記光学センサ18、静電容量センサ2
0、及び、比抵抗測定プローブ22は、それぞれ、素子
ウエハ10の外観上の平坦度の測定値信号、素子ウエハ
10及び該素子ウエハ10までの空間との静電容量の測
定値信号を、更に素子ウエハ10の比抵抗値の測定信号
を、コントローラ32を介して前記コンピュータ30に
伝送するようにされている。
【0072】又、前記スキャナ24、26及び28は、
前記光学センサ18、静電容量センサ20、及び、比抵
抗測定プローブ22の位置信号を、前記コントローラ3
2を介して前記コンピュータ30に伝送するようにされ
ている。
【0073】更に、前記角度センサ16からの回転角度
信号も、コントローラ32を介して、コンピュータ30
に伝送されるようになっている。
【0074】次に、前記素子ウエハ10を、直径150
mm、厚さ約500μm の、ボロン(硼素)をドープした
シリコンウエハをラッピングしたものとして、本発明方
法を実施する過程について図2(流れ図)を参照して説
明する。
【0075】まず、コンピュータ30に、前記素子ウエ
ハ10の仕様データを入力する(ステップ101)。
【0076】仕様データとしては、素子ウエハ10の前
記直径、厚さや、オリエンテーョンフラットの長さ、ド
ーパントの種類とその濃度、酸素濃度等である。
【0077】一方、前記チャック12に素子ウエハ10
をセットする(ステップ102)。
【0078】素子ウエハ10のセッティングは、通常、
ウエハマウント装置(図示省略)によって自動的にセッ
トされ、素子ウエハ10の中心位置がチャック12の中
心位置に合せられる。
【0079】次に、セットされた素子ウエハ10の、オ
リエンテーションフラットの位置を把握するために、チ
ャック12を回転させながらスキャナ24により、光学
センサ18を走査する。
【0080】光学センサ18が素子ウエハ10から初め
て外れる点として、基準線からオリエンテーションフラ
ットの中心線までの角度を角度センサ16により求め
る。
【0081】ここでオリエンテーションフラットの中心
線までの角度を求めるのは、該オリエンテーションフラ
ットの中心線を、今後の測定における新たな基準線とす
るためである(ステップ103)。
【0082】次に、比抵抗測定プローブ22とスキャナ
28とによって、素子ウエハ10の所定点の比抵抗値を
測定する(ステップ104A)。ここで、比抵抗測定プ
ローブ22は、4探針プローブ等から構成される。
【0083】なお、素子ウエハ10の比抵抗値は、ドー
パントの種類とその濃度から計算するようにしてもよい
(ステップ104B)。
【0084】次に、光学センサ18とスキャナ24によ
って、素子ウエハ10の外観上の平坦度を測定する(ス
テップ105)。
【0085】この測定は、光学的に行われるので、素子
ウエハ10の残留応力の影響を受けることがない。
【0086】前記光学センサ18によって得られた素子
ウエハ10の平坦度データは、コントローラ32を介し
てコンピュータ30に送られ、該コンピュータ30のメ
モリに記憶される(ステップ106)。
【0087】更に、静電容量センサ20とスキャナ26
によって、素子ウエハ10及び該素子ウエハ10と静電
容量センサ20との間の空隙との静電容量を測定し(ス
テップ107)、その測定データを、コントローラ32
を介してコンピュータ30に送り、該コンピュータ30
のメモリに記憶する(ステップ108)。
【0088】コンピュータ30では、記憶された平坦度
データと静電容量データを、それぞれの座標に対応させ
て荷重加算し、それによって、素子ウエハ10の残留応
力を除去した後の有効平坦度を、前記(11)式によっ
て推定する(ステップ109)。
【0089】ここで、前記光学センサ18としては、例
えば米国ADE社製のオプトマイクロメータ、NIDE
C社のオプトマイクロメータ、日本光学社製の光束斜め
投射型干渉計、キャノン社、あるいは、SILTEC社
製のオートコリメータ走査型干渉計、日本光学社製の多
重干渉計、富士写真光機社製のモアレ干渉計等を利用す
ることができる。
【0090】静電容量センサとしては、米国ADE社製
のキャパシタンスメータを利用することができる。
【0091】なお、上記実施例において、素子ウエハ1
0の残留応力層の厚みの測定方法として、静電容量セン
サ20によって行っているが、本発明はこれに限定され
るものでなく、条件さえ合えば、特開平3−18744
号公報に開示されるレーザラマン分光法、特開昭60−
166847号公報に開示されるX線コッセル回析像
法、特開昭60−169757号公報に開示される渦電
流法、特開昭56−4026、4027、61−222
21、61−172023号公報等に開示されるストレ
ーンゲージ法、特開昭56−140228号公報に開示
される応力腐蝕割れ法、センサ技術Vol・8、No.5
(1988年5月号P29〜31に開示されるバルクハ
ウゼンノイズ法)等によって、残留応力層の厚みを測定
するようにしてもよい。
【0092】更に、結晶歪みの測定方法としては、X線
3結晶回折計による方法がある。この方法は表層部の歪
みの大きさが、残留応力層の厚みを代表する場合には適
用できる。
【0093】又、波長9400オングストロームの発光
ダイオードのパルス光を照射し、これによって励起され
た少数キャリヤのライフタイムによって、結晶の歪みを
測定する方法がある。この方法は表層部のみの測定であ
り、更に結晶中の不純物の影響を受ける。
【0094】更に又、光反射率スペクトル法がある。こ
れは、結晶に光を照射すると、その入射光のエネルギに
よって、結晶の原子の外殻電子のエネルギ状態が変わ
り、この電子が再び基底状態になるとき放出される光の
スペクトルを測定するものである。
【0095】格子欠陥のある結晶では、原子間結合に寄
与している外殻電子のエネルギ状態が変わり、光を照射
されるときの外殻電子のエネルギ状態の変化の様子が、
格子欠陥のないときと異なるのでスペクトル解析によっ
て歪みが測定できる。
【0096】この方法も、表層部の歪みの大きさが残留
応力層の厚みを代表する場合のみ適用できる。
【0097】又、強力なX線照射が必要であるが、結晶
歪みの測定方法としてX線散漫散乱による測定方法があ
る。
【0098】又、前述のレーザラマン分光法による結晶
歪みの測定方法の変形として、素子ウエハの表面に対し
てレーザ光を照射する方法で、非破壊的に測定すること
ができる。この場合も、素子ウエハの表層部のみが測定
できる。
【0099】例えば、スライシング条件やラッピング条
件を一定に保って行えば、素子ウエハ表層部の格子の歪
みの大きさが、残留応力層の厚みを代表することもでき
るので、このような場合には、表層部の歪みの大きさを
測定する方法を使うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係る有効平坦度を推定する方
法を実施するための装置を示すブロック図である。
【図2】図2は、本発明の有効平坦度推定方法の過程を
示す流れ図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】素子ウエハの外観的平坦度、及び、該素子
    ウエハの残留応力層の厚み分布を測定し、これらの測定
    値に基づき前記残留応力層を除去した後の有効平坦度を
    推定することを特徴とする素子ウエハの有効平坦度推定
    方法。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記外観的平坦度を、
    光学的測定方法により測定し、前記残留応力層の厚み分
    布を、静電容量センサの2次元走査によって測定し、前
    記2次元走査の測定点毎の、平坦度及び残留応力層の厚
    み測定値の加重和に基づき、残留応力層を除去した後の
    平坦度を算出することを特徴とする素子ウエハの有効平
    坦度推定方法。
  3. 【請求項3】請求項2において、前記各測定点の各測定
    値に乗ぜられる加重係数を前記素子ウエハの材料成分の
    種類及び濃度に応じて選定することを特徴とする素子ウ
    エハの有効平坦度推定方法。
  4. 【請求項4】請求項2において、前記各測定点の各測定
    値に乗ぜられる加重係数を、前記素子ウエハの材料成分
    の種類、及び、該素子ウエハ面内の代表点の比抵抗値に
    応じて選定することを特徴とする素子ウエハの有効平坦
    度推定方法。
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