JPS63110651A - ウエハ表裏面の判別方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はウェハ等の表裏面の判別方法に係り、特に半導
体チップの製造工程においてウェハ表裏面の光学的性状
の差異によりその表裏面を筒便かつ正確に自動的に判別
する方法に関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＩ等の半導体チップを製造するプロセスの各工程に
おいてウェハに種々の処理を施す際にはその表裏面を完
全な信頼度で区別しなければならない。従来この判別の
ためには、たとえば紫外線等をウェハ面に照射し、反射
光の色調やレベルの違いに基いて作業員が目視によって
表裏面を判断していた。

しかし完全日動化を意図される半導体の製造ラインにこ
のような人手による作業を介在させることは生産のライ
ン速度を低下させあるいは検査ミスを発生させる等生産
効率を著しく低下させることになる。したがって半導体
チップの製造プロセス中においてウェハの表裏面を自動
的に正確に判別することのできる方法の開発が望まれて
いるが、そのための具体的な手段は知られていない。

本発明者等はＬＳＩチップ等に典型的に用いられるたと
えばシリコンウェハ等の製造プロセスにおいてウェハの
光反射率および散乱性等の光学的性状がその表裏面で著
しく異なることに着目し、この差異を光学的に検出して
ウェハの表裏を自動的に判別する方法について検討した
。

シリコンウェハの表面側にはそのチップ製造のプロセス
において、たとえば単結晶製造工程ではエツチング、鏡
面研磨および洗浄処理等が施され、また引きつづく処理
工程では表面保護のための酸化膜（５ｉ０２　　）の形
成等の処理が施されるが、ウェハ裏面側には通常このよ
うな加工は施されていない。

したがって、このようなウェハ表裏面の加工および処理
の差によって夫々の面に光を照射した場合に反射光の強
度（レベル）や散乱光の分布パターンがそれらの間で大
きく異なることになり、この光学的な相違を適切な手段
によって検出することによってウェハの表裏面を自動的
に判別することが可１ａであると考えられる、かかる判
別を実用北はぼ１００％の確度で達成することのできる
具体的な方法を提供することが本発明の目的である。

〔問題点を解決するための手段〕

前記従来波束の問題点は、光学的性状が表裏面で異なる
ウェハに光を照射し、ウェハ表面および／または裏面か
らの反射光を検知することによるウェハ表裏面のｆ１別
方法において、前記ウェハの表面および／または裏面に
夫々レーザ光を照射し、 前記表面および／または裏面からの反射光を夫々検知し
て光電変換し、 光電変換によって得られた表面および／または裏面の反
射光の強度に対応する電気的信号を処理して前記表面お
よび／または裏面からの反射強度に夫々対応する処理値
を求め、 これら処理値間の差異に基いてウェハの表裏面を決定す
ることを特徴とする前記ウェハ表裏面の判別方法によっ
て解決される。

〔作用〕

ウェハ面にレーザ光を投光すると、その表面および／ま
たは裏面でこれが反射されて散乱光となり、この散乱光
を検知して光電変換することによってその反射強度に対
応する電気信号が得られる。

この際のレーザ光の反射強度はウェハの種類およびウェ
ハ面上のパターンの有無等によらず表裏面の間で基本的
な相違があり、得られた変換信号に適宜な演算処理を施
してこの差異を求めることによって照射されたウェハ面
が表面または裏面のいずれであるかが自動的にかつ正確
に判別される。

すなわち、　　ＬＳＩチップの製造に用いられるＳｉウ
ニ八への表面側は前記のようにたとえば単結晶製造工程
でのラッピングや鏡面研磨等によって裏面に比較して著
しく反射率が高くなっている。

ウェハ表裏面の対応する位置にレーザ光を夫々投光し、
得られる反射光を光電変換して得られる検知電圧を比較
すると、次式の演算処理によって偏差感度σが得られる
： ｔｙ　＝　２０１ｏｇ　Ｓｖ／Ｒｖ 式中：　Ｓマー表面反射強度に対応する検知電圧Ｒマ＝
裏面反射強度に対応する検知電圧この偏差感度はウェハ
の材質および回路パターン形式の有無等によらず通常の
ウェハについては常に約１０ｄＢ以上の値を示し、ウェ
ハの表裏が確実に判別される。

第１図は反射光スポットを受光する光電変換手段として
フォトダイオードアレイを用いその受光面上に座標をと
って前記偏差感度σを示すグラフである。（縦軸は偏差
感度α（ｄＢ）を横軸は任意に取った座標位置を示す）
。

図から明らかなように、前記偏差感度σは反射光スポッ
トの光軸にほぼ一致する座標原点（０）近傍で著しく大
きな値を示し、ウェハ材質として表面がＢＨｙ　Ａｌ　
、　Ｂｅａｒ　５ｉ０２およびＢｅａｒ　Ｓ　ｉ　ノい
ずれの場合にもσは約１０〜２８ｄＢであり、これによ
ってウェハ面からの反射スポットのほぼ光軸付近での表
裏面からの反射強度を比較すればウェハの表裏面の判別
が正確に行なわれる。

ここで材質が異なる種々のウェハを扱う場合には反射率
の値自体が夫々の材料によって幾分異なり、材質によっ
ては前記偏差感度がそれほど大きくないこともある。こ
のような場合には前記反射強度のみの比較に加えて反射
光スポットの所定領域内での反射強度の分布状態のウェ
ハ表裏での差異を検出することが好ましい。

すなわち、ウェハによっては表裏面間の測定スポットの
中心部での反射レベルの偏差値が比較的小さいもの（約
１０ｄＢ）もあるが、このような場合でも偏差感度を反
射光のスポットの光軸にほぼ対応する中心部とその周辺
部における分布として測定すると、ウェハ表面では反射
光がほとんど中心部に集中して周辺部では低くなり、逆
にウニへ裏面では反射光が周辺部にもほぼ均等に分散す
る。

したがって第１図に示すように、いずれのウェハについ
ても測定座標の原点付近では前記偏差感、度が充分大き
いのに対して周辺部では前記感度偏差が著しく低く、場
合によっては負の値をとる特異な分布がみられる。この
ため反射強度の分布を考慮することによってウェハ表裏
の判別がさらに正確になる。

尚前記ウェハの表裏面からの反射光の処理値の比較は表
面および裏面に対応する処理値を直接比較することが好
ましいが、各ウェハ材質に応じて予め定められた表裏面
の基準値に対して表面および裏面の処理値を比較した偏
差感度を用いてもよ（、ｖ。

尚ウェハ表面に回路パターン等が存在していても測定結
果にそれほど大きな影響はないが、この場合はレーザ投
光をスキャンニングさせることによって判別はより確実
なものとなる。またこれに代えてレーザ光のスポット径
をある程度大きくする（たとえば約１．５Φ）ことによ
っても実質的にその目的が達成される。

この判別に際して前記偏差感度はウェハに対するレーザ
光の入射角度が大きくなるほど増大することが実験的に
確かめられており、ウェハの材質によっても多少異なる
がこの入射角度をウェハ面に対して約９０±２０″の範
囲とすることが好ましい。

尚レーザ光はウェハ面から一回反射させたものをそのま
ま測定しても実質的に充分であるが、複数回ウェハ面で
反射させた光を測定してその散乱による分布をさらに強
調するようにすれば判別の際の確度がより高いものとな
る。

本発明の方法を実施する際に用いるレーザ光はＨｅ−Ｎ
　ｅレーザ等のガスレーザや半導体レーザ等任意のレー
ザ光源から得ることができるが、形状および価格等の点
で半導体レーザを用いることが好ましい。

尚前記偏差感度はレーザ光源の出力によっても変化し、
たとえば１００％ｐｏｗｅｒが３．０１のレーザ光を入
射角度７０°で投光する場合の好ましい出力範囲は約２
０％〜９０％である。

前記レーザ反射光を受光して電気的信号に変換する光電
変換部としてはフォトダイオード等が適しており、前記
のように偏差感度を分布のパターンとしても検知する場
合には、このようなダイオードのチー２ブを反射光スポ
ットの光軸である測定座標の原点に対してほぼ位ｎ合わ
せされた中心部とその周辺部とに夫々対応するように、
たとえば５ないし９（３Ｘ３）素子のアレイとして構成
することが好ましい。

前記フォトダイオードのチップないしはそのアレイから
の光電変換出力はＡ／Ｄ変換された後、その反射強度に
ついての前記偏差感度およびその分布パターンが求めら
れるようにマイクロコンピュータ等によって予め定めら
れた演算処理を施され、その結果についての表示および
アラーム出力等が行なわれる。

尚ウェハ表裏面からの反射光は反射鏡等を含む適宜な光
学系で光電変換部に導かれるが、この場合ウェハ表裏面
間での反射レベルの差が極めて大きいときには、表面光
測定の際の光電変換部の検知器の飽和を防止するために
表面側からの反射光の光路にスクリーンを設けて検知器
が損傷しないようにすることが好ましい、この目的のた
めには、スクリーンを表面側の反射光路のみに設けても
よく、または透過率の異なるスクリーンを表面および裏
面側の双方の反射光路に設けてもよい。

またスクリーンは場合によっては省略してもよい。

実施例 以下本発明を図面に示す実施例に基いて詳細に説明する
。

第２図は本発明のウェハ判別方法を実施する装置の概要
を示す説明図である。

図中、レーザダイオードｌ　（ＵＬＤ−７８０５Ｍ：　
Ｐｍａｚ：３ｍＷ、中心波長７８００人）からのレーザ
ビームの光路にはハーフミラ２Ａおよび反射鏡３Ａから
なるウェハ４の表面Ｓに対するレーザ光入射光学系およ
びハーフミラ２Ｂおよび反射ｆｉ３Ｂからなるウェハ４
の裏面Ｒに対するレーザ光入射光学系が設けられており
、ガイド５によって一側を支持されたウェハ４の表面Ｓ
および裏面Ｒに対して夫々レーザダイオード１からのレ
ーザビームを所定角度で照射するようになされている。

さらにウェハ４の表面Ｓおよび裏面Ｒの前記レーザビー
ムの反射された散乱光を光電変換部としてのフォトダイ
オードアレイ６に案内するための、反射鏡７Ａ、スクリ
ーンフィルタ８＾および反射鏡９Ａからなる表面光案内
光路ならびに反射鏡７Ｂ、８Ｂおよび反射鏡８Ｂからな
る裏面光案内光路が夫々設けられている。１０Ａおよび
ＩＯＢは前記各案内光路からの光を夫々反射してフォト
ダイオードアレイ６に案内するための反射器である。

前記反射器１０ＡおよびＩＯＢからの各出射光路に設け
られたフォトダイオードアレイ６は第３図に示すように
反射光のビーム断面にほぼ対応する約３．０層層角の寸
法の３×３のフォトダイオードチップ（ＳＰ−３）から
なり、ビームの光軸にほぼ一致する領域６ｏおよびその
周辺の互いに放射方向に対称な各領域６１〜６８に夫々
のチップが対応するように配月されている。

尚フォトダイオードアレイ６からの光電変換出力はＡ／
Ｄ変換された後、図示しないマイクロコンピュータの電
子回路等によって所定の演算処理を施されて前記ウェハ
表裏面ＳおよびＲからの反射強度およびその分布の検知
に用いられる。

（ウェハ表裏判別方法） 半導体ウニへの製造工程中において、レーザダイオード
ｌからのレーザ光が、ハーフミラ２Ａおよび反射鏡３Ａ
からなる一方のレーザ光入射光学系を介して表面に５ｉ
０２膜を有するシリコンウェハ４の表面Ｓに対して所定
の角度で入射され、ここで反射された散乱光が反射Ｑ７
Ａおよびスクリーンフィルタ８Ａおよび反射ｆｉ９Ａか
らなる表面光案内光路を介して反射器１０Ａに入射され
る。

一方、レーザダイオード１からのレーザ光は前記ハーフ
ミラ２Ａからの分光路に設けられた反射鏡２Ｂおよび反
射鏡３Ｂからなる一方のレーザ光入射光学系を介して前
記シリコンウェハ４の裏面Ｒに対して所定の角度で入射
され、ここで反射された散乱光が反射鏡７Ｂ、前記スク
リーンフィルタ８Ａよりも透過率の高いスクリーンフィ
ルタ８Ｂおよび反射鏡９Ｂからなる裏面光案内光路を介
して反射器１０Ｂに入射される。

ここでウェハ４の表面Ｓから反射されるレーザ光は表面
Ｓの特性によって大きな反射強度を有し特に反射光スポ
ットの光軸付近の中心領域において著しく高い感度を示
す固有のパターンを示す。

一方つエバ４の裏面Ｒから反射される散乱光は表面Ｓの
場合と比較して著しく低い固有な反射強度を有しかつ中
心から周辺領域にかけてほぼ均一な分布の固有なパター
ンを示す、この結果このシリコウェハ４の表裏面につい
ての偏差感度の分布は前記第１図に示すように座標原点
（０）で著しく高く（約１０ｄＢ）　、その周辺領域に
おいて急減に低下する傾向を示す。

第４Ａ〜４０図は前記第３図示のフォトダイオードアレ
イ６に対して入射されるこのようなウェハ４の表面Ｓお
よび裏面Ｒからの反射光を夫々光電変換して得られる出
力電圧値（ｍＶ）ならびにその処理によって得られた表
裏面間の偏差感度σを夫々反射光の投光スポット、すな
わち前記ダイオードアレイの各３Ｘ　３チツプの領域６
０および６！〜６８に対応させて示す図である。

図中、４Ａ図はウェハ表面Ｓのそして４Ｂ図はウェハ表
面Ｒについての出力電圧値（ｍＶ）を示し、また４Ｃ図
はそれらの間の偏差感度σを示す。

この具体例ではウェハとして表面に酸化シリコン膜を施
したシリコンウェハを用い、レーザダイオード１の投光
スポットを１．５φ、ｐｏｗｅｒを５０％（１，５ｍＷ
）とし、ウェハへの入射角を７０°に設定した。

第４Ａおよび４Ｂ図から明らかなように、測定座標の原
点（０）すなわちダイオードアレイ６の中心チップに対
応する領域６０における反射強度は表面側Ｓの方が裏面
側よりも著しく高くその偏差感度σは約１０ｄＢ以上で
ある。したがってこれによリウエハの表裏面が確実に判
断される。

さらに反射光の散乱分布の状態をダイオードアレイ６の
各領域のチップからの出力電圧により調べると、ウェハ
表面側では中心領域６０からの反射強度が高いのに対し
て周辺領域６１〜６８にはほとんど感度分布がない、一
方裏面側では中心領域６ｏの反射強度が表面側よりも低
いのに対して強度分布が全領域にわたって比較的変化し
ないため周辺領域６１〜６８の反射強度は逆に表面側よ
りも高くなっている。

このため第４図Ｃに示すように中心領域６０での偏差感
度に対して周辺領域６１〜６８での６差感度が全て負の
値をとる固有な分布状態が形成される。したがって中心
領域６０での偏差感度のみでは表裏の判定が幾分不確実
になるような場合でもこの反射強度の分布をさらに考慮
することによってウェハの表裏をほとんど１００％の確
度で判別することができる。

したがって、表面および裏面の案内光路からフォトダイ
オードアレイ６に対して反射器１０Ａ。

１０Ｂを介して入射されるウェハ４の表面Ｓおよび裏面
Ｒからの反射された散乱光はこれらの反射強度およびそ
の分布パターンの点で互いに明確に区別され、それによ
ってウェハ４の表裏の確実な判別が行なわれる。

このように本実施例においては、半導体装置の製造工程
においてウェハ４の表面Ｓおよび裏面Ｒに対してレーザ
光を投光し、反射された散乱光の反射強度およびその分
布パターンによってウェハ表裏の判別が行われるが、こ
こで反射される散乱光の反射強度および分布状態が表面
および裏面の特性によって相互に明確に異なるため、か
かる方法を用いることにより作業員の観察によらずウェ
ハ４の表裏を自動的にかつ正確、迅速に判別することが
でき半導体の生産効率を著しく向上させることができる
。

尚、本実施例においては、ウェハ４の表裏面から反射さ
せた散乱光を反射ｆｉ７Ａ（７Ｂ）によって夫々の案内
光路に導出しているが、この場合複数個の反射鏡を用い
て複数回の反射を行わせるようにしてもよい。これによ
って反射光の散乱の度合いをより大きくし表裏面からの
反射光の散乱分布の相違をさらに強調してそれらの判別
をより確実なものとすることができる。

さらに本実施例では測定対象試料が半導体ウェハである
場合について説明したが、本発明の方法は表裏面におけ
る反射散乱の際の反射強度および散乱分布の状態が表裏
面の光学的特性の相違によって充分区別できるその他の
任意の試料の表裏面の判別方法に適用することができる
。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、半導体製造工程中のウェ
ハ等の表裏面を簡単な方法によって正確かつ迅速に自動
的に判別することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はウェハの表裏面からのレーザ光の反射強度に基
いて得られる偏差感度およびその分布状態を示す図、第
２図は本発明の方法を実施する装置の概要を示す図、第
３図は本発明方法に用いる光電変換手段の素子配列を示
す説Ｕ！４図、第４Ａ〜４Ｃ図は夫々ウェハの表裏面か
らの反射強度に対応する光電変換手段からの出力電圧値
ならびにそれらの間の比（偏差感度）を示す図である。 図中、 １・・・・・・・・・・・・・・・レーザ発振器（光源
）２Ａ、　２Ｂ・・・・・・・・・ハーフミラ３Ａ、　
３Ｂ・・・・・・・・・反射鏡４……………ウエハ ５・・・・・・・・・・・・・・・ガイド６・・・・・
・・・・・・・・・・フォトダイオードアレイ７Ａ、　
７Ｂ・・・・・・・・・反射鏡８Ａ、　８Ｂ・・・・・
・・・・スクリーンフィルタ９Ａ、　９Ｂ・・・・・・
・・・反射鏡１０Ａ　、　ＩＯＢ・・・・・・反射器Ｓ
・・・・・・・・・・・・・・・ウェハ表面Ｒ・・・・
・・・・・・・・・・・ウェハ裏面特許出願人　株式会
社大成電機製作所 １］・＾、− 代理人　弁理士　　小　原　二　部　□゛１（ほかｌ−
４） 第　２　図 第　３１２１ 第４　図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学的性状が表裏面で異なるウェハに光を照射し
   、ウェハ表面および／または裏面からの反射光を検知す
   ることによるウェハ表裏面の判別方法において、 前記ウェハの表面および／または裏面に夫々レーザ光を
   照射し、 前記表面および／または裏面からの反射光を夫々検知し
   て光電変換し、 光電変換によって得られた表面および／または裏面の反
   射光の強度に対応する電気的信号を処理して前記表面お
   よび／または裏面からの反射強度に夫々対応する処理値
   を求め、 これら処理値の比較に基いてウェハの表裏面を決定する
   ことを特徴とする前記ウェハ表裏面の判別方法。
2. （２）前記ウェハの表面および／または裏面からの反射
   光を夫々反射光スポットの光軸にほぼ対応する中心領域
   で検知し、該中心領域における前記表面および／または
   裏面からの反射光の反射強度に夫々対応する前記電気信
   号の処理値を比較することによりウェハの表裏面を決定
   する前記特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）前記ウェハの表面および／または裏面からの反射
   光を反射光スポットの光軸にほぼ対応する中心領域とそ
   の周辺の領域とからなる所定の複数の領域において検知
   し、各領域毎に前記ウェハの表面および／または裏面か
   らの夫々の反射強度に対応する処理値を検出し、検出さ
   れた反射強度についてのウェハ表面と裏面との間での分
   布状態の差異に基いてウェハの表裏面を決定する前記特
   許請求の範囲第１項記載の方法。
4. （４）前記処理値の比較をウェハ表面および裏面に夫々
   対応する処理値間相互の比較によって行なう前記特許請
   求の範囲第１項記載の方法。
5. （５）前記処理値の比較をウェハの表面または裏面に夫
   々対応する各処理値とウェハの表面または裏面について
   夫々予め定められた各基準値との間の比較によって行な
   う前記特許請求の範囲第１項記載の方法。
6. （６）ウェハの表面および／または裏面に照射されるレ
   ーザ光を複数回反射させた後に検知して光電変換させる
   前記特許請求の範囲第１項記載のウェハ表裏面の判別方
   法。