JPH11194022A - 半導体ウェーハの平坦度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェーハの組成の如何にかかわりな
く、半導体ウェーハの平坦度、厚みおよび厚みの分布を
高速かつ精度よく測定することができる半導体ウェーハ
の平坦度測定装置を提供すること。 【解決手段】 平坦度測定光学系８を用いて半導体ウェ
ーハ１の平坦度を測定する装置において、前記半導体ウ
ェーハ１を基準平面盤４とともにそれらの平面が垂直な
軸回りで回転できるように保持し、半導体ウェーハ１お
よび基準平面盤４に対して水平方向から光を照射し、半
導体ウェーハ１の両面１ａ，１ｂにおける平坦度を測定
できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体ウェーハ
の平坦度を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体ウェーハ（以下、単にウ
ェーハという）の平坦度を測定する装置として、フィゾ
ー干渉計（Ｆｉｚｅａｕ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅ
ｒ）よりなる平坦度測定装置が用いられているが、この
種の平坦度測定装置においては、ウェーハの片側の面し
か測定しないため、その厚みを直接測定することができ
ず、ある範囲内で平坦度の保証されたチャック盤にウェ
ーハを吸着させたときの平坦度に基づいて演算を行い、
厚みのばらつきを間接的に求めていた。

【０００３】また、静電容量式の厚み測定装置において
は、完全平面に一方の面を吸着したときに他方の面が所
定の平坦度になるというように厚みの分布に基づいて間
接的に求めていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記平
坦度測定装置においては、ウェーハとチャック盤との間
に異物が介在することがあり、この異物によって測定値
に誤差が生ずることがしばしばあった。また、前記厚み
測定装置においては、ウェーハの組成が明らかでないと
正確な測定が期待できないとともに、測定に多くの時間
を要するといった不都合があった。

【０００５】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、ウェーハの組成の如何にかかわ
りなく、ウェーハの平坦度、厚みおよび厚みの分布を高
速かつ精度よく測定することができるウェーハの平坦度
測定装置（以下、単に平坦度測定装置という）を提供す
ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、平坦度測定光学系を用いてウェーハ
の平坦度を測定する装置において、前記ウェーハを基準
平面盤とともにそれらの平面が垂直な軸回りで回転でき
るように保持し、ウェーハおよび基準平面盤に対して水
平方向から光を照射し、ウェーハの両面における平坦度
を測定できるようにしている。

【０００７】上記構成の平坦度測定装置においては、ウ
ェーハの両面の平坦度を簡単に測定でき、これらの平坦
度を、それぞれの面に対応する基準平面盤の傾きを基準
にして演算を行い、両平面の距離（厚み）の変化を求め
る。これにより、ウェーハの組成の如何にかかわりな
く、ウェーハの平坦度、厚みおよび厚みの分布を高速か
つ精度よく測定することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。図１および図２は、この発明の一つの
実施の形態を示すものである。図１は、この発明の平坦
度測定装置の構成を概略的に示し、この図において、１
は測定対象であるウェーハで、１ａ，１ｂはその被検査
面であり、鏡面となっている。このウェーハ１は、ウェ
ーハステージ２の複数の適宜箇所に設けられたウェーハ
保持具３によって鉛直方向に保持されている。４はウェ
ーハ１と同じ平面においてウェーハ１と同様に適宜の保
持部材５によって鉛直に保持される基準平面盤で、図示
例においては、ウェーハステージ２に設けられた保持部
材５の鉛直な両面にそれぞれ取り付けられたガラス板４
ａ，４ｂよりなり、これらのガラス板４ａ，４ｂの表面
は、互いに平行度が保証されたオプッティカルフラット
である。

【０００９】前記ウェーハステージ２の下端は、モータ
などによって駆動される回動機構６に連結されており、
ウェーハ１および基準平面盤４を鉛直な軸７を中心にし
ていずれの方向にも自在に回転させることができるよう
に構成されている。すなわち、ウェーハ１および基準平
面盤４は、後述する平坦度測定光学系に対してそれらの
両面を片面ずつ対向させることができるように、ウェー
ハステージ２によって保持されている。

【００１０】８は平坦度測定光学系で、例えばフィゾー
干渉計よりなり、ウェーハ１および基準平面盤４に対し
て、水平方向から光を照射するように構成されている。
すなわち、９は水平方向にレーザ光を出力するレーザ光
源、１０はビームエキスパンダ、１１は集光レンズであ
る。１２は集光レンズ１１の後段に水平な光軸１３に対
して４５°の姿勢で交叉するように設けられる半透鏡
で、この半透鏡１３の水平な光軸１３方向には、コリメ
ートレンズ１４およびリファレンスフラットとしての基
準盤１５が設けられ、半透鏡１３の水平な光軸１３と垂
直な光軸方向には、集光レンズ１６およびＣＣＤカメラ
１７が設けられている。

【００１１】そして、１８は演算制御部としてのコンピ
ュータで、平坦度測定光学系８からの出力に基づいて各
種の演算を行ったり、回動機構６を制御するコントロー
ラ（図示してない）に対して制御信号を出力する。１９
はコンピュータ１８からの信号に基づいて測定結果など
を表示するディスプレイである。

【００１２】次に、上記構成の平坦度測定装置の動作に
ついて、ウェーハ１および基準平面盤４を測定したとき
にＣＣＤカメラ１７において得られる干渉縞の演算から
得られるＣＣＤカメラ１７のある走査線上の分布（プロ
ファイル）を示すところの図２をも参照しながら説明す
る。

【００１３】図１に示すように、ウェーハ１および基準
平面盤４が、それらの平面１ａ，４ａをレーザ光源９側
に向けた状態でウェーハステージ２に保持されているも
のとする。つまり、ウェーハ１および基準平面盤４は、
それらの平面１ａ，４ａが垂直になり、かつ、レーザ光
源９からの測定光の光軸１３と垂直になるように保持さ
れている。この状態で、レーザ光源９からレーザ光を照
射し、ウェーハ１の平面１ａを測定する。この場合、ウ
ェーハ１の平面１ａに対する測定光の光軸１３が鉛直な
軸７に対して直交するように調整する。このとき、同時
に基準平面盤４の平面４ａも測定する。このａ面側の測
定により、図２（Ａ）に示すように、ウェーハ１の平面
１ａと基準平面盤４の平面４ａに関する平面測定値（平
坦度）Ｓ_1a，Ｓ_4aが得られる。この図２（Ａ）において
（以下、図２（Ｂ）〜（Ｄ）においても同様）、横軸は
測定位置を、縦軸は測定された高さを示している。

【００１４】次に、図１に示した状態で、回動機構６を
動作させてウェーハステージ２を回動し、ウェーハ１お
よび基準平面盤４を、図１に示す状態から１８０°回転
させたところの、平面１ａ，４ａをレーザ光源９側に向
けた状態にする。この状態で同様にレーザ光の照射を行
ってウェーハ１の平面１ｂおよび基準平面盤４の平面４
ｂを測定する。この場合における測定光の光軸１３は鉛
直な軸７に対して直交するように調整されていることは
いうまでもない。このｂ面側の測定により、図２（Ｂ）
に示すように、ウェーハ１の平面１ｂと基準平面盤４の
平面４ｂに関する平坦度Ｓ_1b，Ｓ_4bが得られる。なお、
この図２（Ｂ）においては、縦軸を上下逆転して表して
いる。

【００１５】ところで、ウェーハステージ２は、必ずし
も鉛直な状態で保持されていないから、前記ａ面測定お
よびｂ面測定で得られた測定値にはウェーハステージ２
の僅かな傾きによる誤差が生じている。そこで、基準平
面盤４の平面４ａ，４ｂを基準面として、前記図２
（Ａ），（Ｂ）の測定値Ｓ_1a，Ｓ_1bを求め直すことによ
り、図２（Ｃ），（Ｄ）のような補正された測定値
ｓ_1a，ｓ_1bが得られる。なお、これらの図２（Ｃ），
（Ｄ）において、ｓ₄ は基準平面盤４の平面４ａ，４ｂ
を真の基準平面に補正したときの値である。なお、この
図２（Ｄ）においても縦軸を上下逆転して表している。

【００１６】上記補正により、ウェーハ１のａ面１ａと
ｂ面１ｂとが同じ平面を基準にして補正されたことにな
るので、ウェーハ１のａ面１ａとｂ面１ｂとの対応する
位置における値どうしを引算することにより、すなわ
ち、（ｓ_1a−ｓ_1b）なる演算を行うことにより、図２
（Ｅ）に示すように、ウェーハ１の測定位置ごとの厚み
の分布を表す出力Ｔを得ることができる。

【００１７】上述のように、この発明の平坦度測定装置
によれば、ウェーハ１の両面１ａ，１ｂの平坦度を簡単
に測定でき、これらの平坦度を、それぞれの面１ａ，１
ｂに対応する基準平面盤４の傾きを基準にして演算を行
うことにより、ウェーハ１の厚みの変化を求めることが
できる。そして、これらの演算に際しては、従来技術と
は異なり、ウェーハ１の組成はなんら関係しないから、
ウェーハ１の組成の如何にかかわりなく、ウェーハ１の
両面１ａ，１ｂの平坦度に基づいて、ウェーハ１の厚み
およびその分布を高速かつ精度よく得ることができる。

【００１８】そして、上記平坦度測定装置においては、
ウェーハ１を鉛直に保持した状態で平坦度測定を行うも
のであるため、ウェーハ１の自重による撓みの影響がな
くなり、従来に比べて測定精度が大幅に向上する。

【００１９】この発明は、上述の実施の形態に限られる
ものではなく、種々に変形して実施することができる。
例えば基準平面盤４は、１枚のオプティカルフラットを
用い、その両側から測定するようにしてもよく、また、
複数のものを並べて用いてもよい。

【００２０】そして、上述の実施の形態においては、ウ
ェーハ１の表面１ａ，１ｂが鏡面であったが、これが粗
面の場合には、基準平面盤４をセラミックなど平面加工
を行ってもやや粗面正が残るような材料を用いて形成
し、モアレ縞を測定する場合における構成を採用するこ
とにより、同様の測定を行うことができる。

【００２１】また、平坦度測定光学系８としては、ハル
トマン（Ｈａｒｔｍａｎｎ）法のような測定光学系を用
いることもできる。図３に、このハルトマン法の平坦度
光学系を採用した平坦度測定装置を概略的に示す。この
図において、３１はウェーハ、３２は基準平面盤で、こ
れらは鉛直な軸方向に回転できるように保持されてい
る。

【００２２】そして、３３はハルトマン法の平坦度光学
系よりなる平坦度測定光学系で、ウェーハ３１および基
準平面盤３２に対して、水平方向から光を照射するよう
に構成されている。すなわち、３３は水平方向にレーザ
光を出力するレーザ光源、３５はビームエキスパンダで
ある。３６はビームエキスパンダ３５からのレーザ光を
下方に直角方向に曲げて反射する反射鏡、３７は反射鏡
３６の下方に配置されるマスクである。３８はマスク３
７を通過してくる垂直なレーザ光に対して４５°の姿勢
で交叉するように設けられる第１半透鏡で、この半透鏡
３８の水平な光軸方向には、レンズ３９およびコリメー
トレンズ４０が設けられている。また、第１半透鏡３８
の背面（レンズ３９とは反対側）には、第２半透鏡４１
が設けられ、半透鏡４１によって生ずる二つの光路に
は、レンズ４２，４３を介してＣＣＤカメラ４４，４５
が設けられている。

【００２３】このように構成した平坦度測定装置におい
ても、ウェーハ３１の平坦度を同様に測定することがで
き、測定された平坦度に基づいてウェーハ３１の厚みお
よびその分布を高速かつ精度よく得ることができる。

【００２４】

【発明の効果】この発明の平坦度測定装置によれば、ウ
ェーハの両面における平坦度を精度よく測定することが
でき、測定された平坦度に基づいてウェーハの厚みおよ
びその分布を得ることができる。そして、この平坦度測
定装置においては、ウェーハの組成の如何にかかわりな
く、ウェーハの平坦度、厚みおよび厚みの分布（ばらつ
き）を高速かつ精度よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の平坦度測定装置の一例を概略的に示
す図である。

【図２】前記装置の測定動作を説明するための図であ
る。

【図３】平坦度測定装置の他の構成例を概略的に示す図
である。

【符号の説明】

１，３１…半導体ウェーハ、４，３２…基準平面盤、
８，３３…平坦度測定光学系。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦度測定光学系を用いて半導体ウェー
   ハの平坦度を測定する装置において、前記半導体ウェー
   ハを基準平面盤とともにそれらの平面が垂直な軸回りで
   回転できるように保持し、半導体ウェーハおよび基準平
   面盤に対して水平方向から光を照射し、半導体ウェーハ
   の両面における平坦度を測定できるようにしたことを特
   徴とする半導体ウェーハの平坦度測定装置。