RU2107257C1

RU2107257C1 - Device for measuring of flat article thickness and method of its realization

Info

Publication number: RU2107257C1
Application number: RU96111670A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Итальянцев; С.М. Шишков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ИТАР" (малое научно-производственное предприятие)
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 1998-03-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: information signal proportional to sensor capacitance variation and consequently to thickness of object being measured placed in clearance between sensor electrodes is measured, and thickness of object being measured is determined by calibration function. EFFECT: higher measurement results. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области измерения геометрических размеров плоских изделий, и может быть использовано при измерении толщины плоских изделий из диэлектриков, полупроводников и металлов, в том числе полупроводниковых пластин, пластических пленок, листов и пластин. The invention relates to the field of measuring technology, in particular to the field of measuring the geometric dimensions of flat products, and can be used to measure the thickness of flat products from dielectrics, semiconductors and metals, including semiconductor wafers, plastic films, sheets and plates.

Толщина и ее распределение по площади полупроводниковых пластин являются важнейшим параметром, контролируемым на различных стадиях изготовления полупроводниковых пластин. В частности, контроль толщины полупроводниковых пластин производят после резки полупроводниковых слитков на пластины, сортировку полупроводниковых пластин по толщине производят перед проведением групповых операций шлифовки и полировки. Контроль полупроводниковых пластин по толщине является необходимой операцией перед проведением процесса фотографии. Жесткие требования к дефектности и чистоте поверхности полупроводниковых пластин исключают толщины пластины или ее разнотолщинности. Thickness and its distribution over the area of semiconductor wafers are the most important parameter controlled at various stages of the manufacture of semiconductor wafers. In particular, the thickness of the semiconductor wafers is controlled after cutting the semiconductor ingots into wafers, the semiconductor wafers are sorted by thickness before group grinding and polishing operations are performed. Thickness control of semiconductor wafers is a necessary step before the photography process. Strict requirements for the imperfection and cleanliness of the surface of semiconductor wafers exclude the thickness of the wafer or its thickness difference.

Контроль толщины изделия также актуален при изготовлении металлических фольг и диэлектрических пленок как на стадии их проката или протяжки, так и на стадии выходного контроля. Control of the thickness of the product is also relevant in the manufacture of metal foils and dielectric films both at the stage of their rolling or drawing, and at the stage of output control.

Измерение толщины полупроводниковой пластины может быть проведено (см. Бочкин О. И. и др. Механическая обработка полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1983, с.63) посредством использования индикатора часового типа с ценой деления 1 мкм. Измерительный наконечник опускают на верхнюю поверхность полупроводниковой пластины, опирающуюся на шаровую опору областью нижней поверхности, расположенную строго под измерительным наконечником. Перед измерением поверхность пластины, измерительный наконечник и шаровую опору протирают бензином или спиртом. Таким образом измеряют толщину пластины в пяти точках, одну из которых выбирают в центре пластины. Среднее значение результатов измерения принимают за значение толщины пластины. Данный метод является контактным и, следовательно, загрязняющим, а также неэкспрессным. Его погрешность составляет в лучшем случае не менее 0,5 мкм. The thickness of a semiconductor wafer can be measured (see O. I. Bochkin et al. Mechanical Processing of Semiconductor Materials. M .: Higher School, 1983, p. 63) by using a dial indicator with a division price of 1 μm. The measuring tip is lowered onto the upper surface of the semiconductor wafer resting on the ball bearing by the region of the lower surface located strictly below the measuring tip. Before measuring, wipe the surface of the plate, measuring tip and ball joint with gasoline or alcohol. Thus, the thickness of the plate is measured at five points, one of which is selected in the center of the plate. The average value of the measurement results is taken as the value of the plate thickness. This method is contact and, therefore, polluting, as well as non-express. Its error is at best at least 0.5 microns.

Известен также высокочастотный способ контроля параметров полупроводниковой пластины, в частности толщины (SU, авторское свидетельство N 314159, кл. G 01 R 31/26, 1971). Согласно известному способу измеряют емкость конденсатора, образованного электродами датчика, расположенными в одной плоскости над поверхностью контролируемой пластины. Затем измеряют величину зазора между контролируемой пластиной и измерительными электродами и вторично измеряют емкость образовавшегося конденсатора. По изменению импеданса реактивной составляющей емкости судят о толщине пластины. Для реализации способа предложено использовать устройство, содержащее опорный столик, над которым с зазором установлен измерительный электрод, выполненный с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, причем измерительный электрод и опорный столик соединены с измерителем емкости. Also known is a high-frequency method for controlling the parameters of a semiconductor wafer, in particular thickness (SU, copyright certificate N 314159, class G 01 R 31/26, 1971). According to a known method, the capacitance of the capacitor formed by the sensor electrodes located in one plane above the surface of the controlled plate is measured. Then measure the gap between the controlled plate and the measuring electrodes and secondly measure the capacitance of the formed capacitor. By changing the impedance of the reactive component of the capacitance, the thickness of the plate is judged. To implement the method, it is proposed to use a device containing a support table, over which a measuring electrode is mounted with a gap, arranged to move in a vertical plane, the measurement electrode and the support table being connected to a capacitance meter.

Недостатком данного способа следует признать необходимость перемещения электрода в процессе измерения в каждой точке образца, что делает способ практически непригодным для быстрого измерения во многих областях пластины. Кроме того, поскольку измеряемая пластина лежит на опорном столике и измерение зазора проводят с одной стороны пластины, то в измерение толщины войдет погрешность, связанная с короблением пластины. Согласно данному способу, возможно измерение объектов только с определенным сочетанием толщины и удельного сопротивления, что сильно ограничивает его применимость. The disadvantage of this method is the need to move the electrode during the measurement process at each point of the sample, which makes the method practically unsuitable for quick measurement in many areas of the plate. In addition, since the measured plate lies on the support table and the gap measurement is carried out on one side of the plate, the error associated with the warping of the plate will enter the thickness measurement. According to this method, it is possible to measure objects only with a certain combination of thickness and resistivity, which greatly limits its applicability.

Наиболее близким аналогом изобретения можно признать способ измерения толщины полупроводниковой пластины и устройство для его реализации (О.И. Бочкин и др. Механическая обработка полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1983, с. 63 - 64). Согласно известному способу, контролируемую полупроводниковую пластину, установленную на держателе, помещают между поверхностями электродов. При этом образуется два емкостных датчика, каждый из которых сформирован соответствующей поверхностью полупроводниковой пластины и ближайшим электродом и подключен к своему блоку регистрации информации. Таким образом, известное устройство без введения контролируемой пластины измерительных датчиков не содержит. The closest analogue of the invention can be recognized as a method of measuring the thickness of a semiconductor wafer and a device for its implementation (OI Bochkin and others. Mechanical processing of semiconductor materials. M: Higher school, 1983, S. 63 - 64). According to a known method, a controlled semiconductor wafer mounted on a holder is placed between the surfaces of the electrodes. In this case, two capacitive sensors are formed, each of which is formed by the corresponding surface of the semiconductor wafer and the nearest electrode and is connected to its information recording unit. Thus, the known device without the introduction of a controlled plate measuring sensors does not contain.

Контролируемую пластину перемещают в плоскости, перпендикулярной оси датчиков. На измерительные электроды контролируемую пластину от генератора поступает высокочастотный сигнал. Регистрируют информационные сигналы, характеризующие емкость конденсаторов, образованных соответственно верхним измерительным электродом и верхней поверхностью контролируемой пластины, а также нижним электродом и нижней поверхностью контролируемой пластины. По величине сигналов посредством калибровочных зависимостей определяют зазоры между электродами и контролируемой пластиной, а затем, зная расстояние между электродами и пластиной, вычисляют толщину пластины. Для реализации способа используют устройство, содержащее держатель, выше и ниже которого установлены измерительные электроды, каждый из которых подключен к своему измерительному блоку, содержащему высокочастотный генератор и измерительный узел. Недостатком известного технического решения следует признать необходимость измерения двух емкостей с использованием двух независимых измерительных блоков, а также невозможность измерения диэлектрических образцов. The controlled plate is moved in a plane perpendicular to the axis of the sensors. A high-frequency signal is supplied from the generator to the measuring electrodes of the controlled plate. Information signals are recorded characterizing the capacitance of the capacitors formed respectively by the upper measuring electrode and the upper surface of the controlled plate, as well as the lower electrode and the lower surface of the controlled plate. The magnitude of the signals through the calibration dependencies determine the gaps between the electrodes and the controlled plate, and then, knowing the distance between the electrodes and the plate, calculate the thickness of the plate. To implement the method, a device containing a holder is used, above and below which are installed measuring electrodes, each of which is connected to its own measuring unit containing a high-frequency generator and a measuring unit. A disadvantage of the known technical solution should recognize the need to measure two capacities using two independent measuring units, as well as the impossibility of measuring dielectric samples.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке экспресс - способа измерения толщины пластин и других плоских изделий из полупроводниковых, металлических и диэлектрических материалов. The technical problem to which the present invention is directed is to develop an express method for measuring the thickness of wafers and other flat products from semiconductor, metal and dielectric materials.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в обеспечении возможности экспрессного бесконтактного определения толщины плоских изделий из различных материалов, в частности полупроводниковых пластин, металлических фольг или диэлектрических пленок. The technical result obtained by the implementation of the invention is to enable rapid non-contact determination of the thickness of flat products from various materials, in particular semiconductor wafers, metal foils or dielectric films.

Для получения указанного технического результата первоначально измеряют информационный сигнал, характеризующий емкость конденсатора, образованного двумя измерительными электродами. Затем в зазор этого конденсатора параллельно плоскостям электродов вводят контролируемое изделие таким образом, чтобы ее поверхность не соприкасалась с поверхностями измерительных электродов датчика. Поскольку, в отличие от описанного выше технического решения, в настоящем техническом решении контролируемый объект не выполняет функцию одного из электродов измерительной емкостной системы, то контролируемый объект может быть выполнен как из полупроводникового, так и из диэлектрического материала или металла. После введения в зазор между электродами измерительного датчика контролируемого объекта измеряют информационный сигнал, характеризующий изменение емкости датчика. Причем величина изменения информационного сигнала будет определяться толщиной контролируемого объекта и его диэлектрическими характеристиками. Предварительно по образцам эталонной толщины для каждого вида исследуемого материала строят калибровочные зависимости, с использованием которых непосредственно без последующих вычислений находят однозначно соответствие между величиной измерительного информационного параметра и толщиной контролируемого объекта. Периодически уточняют посредством измерения толщины контрольных образцов калибровочную зависимость. Преимущественно информационный сигнал измеряют многократно по площади контролируемого изделия. To obtain the indicated technical result, an information signal is initially measured that characterizes the capacitance of a capacitor formed by two measuring electrodes. Then, a controlled article is introduced into the gap of this capacitor parallel to the planes of the electrodes so that its surface does not come into contact with the surfaces of the measuring electrodes of the sensor. Since, unlike the technical solution described above, in the present technical solution, the controlled object does not perform the function of one of the electrodes of the measuring capacitive system, the controlled object can be made of either semiconductor or dielectric material or metal. After introducing into the gap between the electrodes of the measuring sensor of the controlled object measure the information signal characterizing the change in the capacitance of the sensor. Moreover, the magnitude of the change in the information signal will be determined by the thickness of the controlled object and its dielectric characteristics. Preliminarily, calibration dependences are constructed from samples of the reference thickness for each type of material to be studied, using which directly without subsequent calculations they unequivocally find the correspondence between the value of the measuring information parameter and the thickness of the controlled object. Periodically clarify by measuring the thickness of the control samples the calibration dependence. Mostly the information signal is measured many times over the area of the controlled product.

Устройство, используемое для реализации способа, содержит держатель контролируемого образца, выполненный в виде разомкнутой или замкнутой рамки таким образом, чтобы в процессе измерения между электродами отсутствовали элементы держателя, причем держатель выполнен с возможностью введения в зазор между электродами, не касаясь из поверхности. Электроды подключены к блоку регистрации в состав которого преимущественно входят измерительная схема, усилитель высокой частоты и фазовый детектор, а также генератор высокой частоты, соединенный с измерительной схемой и посредством фазового вращателя - с фазовым детектором. На держателе может быть расположен не только контролируемый объект, но и один или более контрольных образцов, расположенных на держателе с зазором. В качестве измерительной схемы предпочтительно использовать мостовую схему. The device used to implement the method comprises a holder of a controlled sample made in the form of an open or closed frame so that during the measurement between the electrodes there are no holder elements, and the holder is made with the possibility of introducing into the gap between the electrodes without touching it from the surface. The electrodes are connected to the registration unit, which mainly includes a measuring circuit, a high-frequency amplifier and a phase detector, as well as a high-frequency generator connected to the measuring circuit and by means of a phase rotator - with a phase detector. On the holder can be located not only a controlled object, but also one or more control samples located on the holder with a gap. As a measuring circuit, it is preferable to use a bridge circuit.

На чертеже приведена схема устройства реализации способа, где показаны емкостный датчик 1, электроды 2 емкостного датчика 1, держатель 3, контролируемый объект 4, мостовая измерительная схема 5, усилитель 6 высокой частоты, фазовый детектор 7, генератор 8 высокой частоты, фазовращатель 9. The drawing shows a diagram of a device for implementing the method, which shows a capacitive sensor 1, electrodes 2 of a capacitive sensor 1, holder 3, a monitored object 4, a bridge measuring circuit 5, high-frequency amplifier 6, phase detector 7, high-frequency generator 8, phase shifter 9.

Реализация изобретения может быть проиллюстрирована следующим примером. На держатель 3, выполненный в виде кольцевой рамки с разрезом, помещают полупроводниковую пластину 4 марки КДБ 10 диаметром 150 мм и номинальной толщиной 650 мкм. Пока пластина не введена в зазор между электродами 2 датчика 1, информационный сигнал принимается за ноль измерения, т.е. исходная емкость датчика C скомпенсирована емкостью противоположного плеча мостовой измерительной схемы 5. Через разрез кольцевой рамки держателя 3 контролируемая пластина 4 при плоско-параллельном перемещении держателя 3 поступает в зазор емкостного датчика 1. Емкость между измерительными электродами 2 датчика 1 изменяется, вследствие чего измерительная мостовая схема 5 разбалансируется и появляется информационный сигнал, пропорциональный толщине контролируемой пластины 4. С использованием измерительного информационного сигнала и предварительно измеренной калибровочной зависимости для полупроводникового кремния определяют толщину контролируемой пластины, которая составляет 647,7 мкм. Затем в зазор датчика 1 помещают другую область контролируемой пластины 4 и повторяют процедуру измерения. Периодически между измерениями отдельных областей пластины проводят измерение информационного сигнала от контрольных образцов с известной толщиной, измеренный информационный сигнал используют для коррекции калибровочной зависимости. The implementation of the invention can be illustrated by the following example. On the holder 3, made in the form of an annular frame with a slit, a semiconductor wafer 4 of the KDB 10 grade with a diameter of 150 mm and a nominal thickness of 650 μm is placed. Until the plate is inserted into the gap between the electrodes 2 of the sensor 1, the information signal is taken as zero measurement, i.e. the initial capacitance of the sensor C is compensated by the capacitance of the opposite shoulder of the bridge measuring circuit 5. Through the cut of the annular frame of the holder 3, the controlled plate 4, when the holder 3 is plane-parallel, moves into the gap of the capacitive sensor 1. The capacitance between the measuring electrodes 2 of the sensor 1 changes, as a result of which the measuring bridge circuit 5 will be unbalanced and an information signal will appear proportional to the thickness of the plate being monitored 4. Using a measuring information signal, etc. The thickness of the controlled wafer, which is 647.7 μm, is determined from the measured calibration curve for semiconductor silicon. Then, another region of the controlled plate 4 is placed in the gap of the sensor 1 and the measurement procedure is repeated. Periodically between measurements of individual areas of the plate, an information signal is measured from control samples with a known thickness, the measured information signal is used to correct the calibration dependence.

Данный пример не исчерпывает возможные варианты реализации изобретения. This example does not exhaust the possible embodiments of the invention.

Claims

1. A device for determining the thickness of a flat product containing a holder of a controlled sample, measuring electrodes and an information signal recording unit, characterized in that the measuring electrodes form a capacitive sensor, while they are located on different sides from the measured object one above the other and connected to a common recording unit and the holder is made in the form of an open or closed frame so that when measuring between the electrodes there are no elements of the holder.

2. The device according to claim 1, characterized in that the holder is made to move in a plane parallel to the planes of the electrodes.

3. The device according to claim 1, characterized in that it contains more than one sensor for measuring thickness spaced over the area of the product.

4. A method for determining the thickness of a flat product, including introducing a controlled product into the gap between the measuring electrodes, measuring an information signal and determining the thickness of the product using an information signal and a previously obtained calibration dependence, characterized in that the signal value characterizing the change in capacitance is used as an information signal sensor formed by measuring electrodes, the thickness of the product is determined directly from the calibration bridge, which is periodically updated by measuring the thickness of the control samples.

5. The method according to claim 4, characterized in that the information signal is measured repeatedly by the area of the controlled product.