JP2008083059A - ウェーハの測定システム及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハの厚さ、平面度、ウェーハに設けたトレンチ深さを精密に測定できるようにする。
【解決手段】ウェーハの厚さ及び平面度とウェーハにエッチングされたトレンチの深さを測定する方法と装置である。測定に当たり、トレンチをウェーハ背面から見ることによりトレンチを事実上突出部として測定する。測定は非接触式光学器械によりウェーハの前面と背面とで行われ、該非接触式光学器械がウェーハ前面及び背面の波長を同時測定し、波長間の距離は厚さの測定値に変換される。シリコン・ウェーハの厚さ及びトレンチ深さの測定には、光源として近赤外ビームを用いる。厚さ、平面度、局所形状は、１対の光学針を用いた較正法によっても測定できる。
【選択図】図８

Description

本発明は、広くは、半導体製造に使用されるシリコン・ウェーハの測定分野に関わり、具体的には、薄手のウェーハの厚さ、平面度、局所形状、更にウェーハにエッチングされたトレンチの深さの測定に関するものである。

半導体の製造時には、製作者はシリコン・ウェーハのブランクから出発する。多くの工程がブランクに実施された後、半導体は完成するが、これらの多くの工程にはウェーハ上にフォトマスク画像を形成する作業が含まれている。種々の画像は、極めて精密に互いに重ならなければならない。ウェーハ上の特徴構造（ｆｅａｔｕｒｅｓ）の寸法が収縮するため、各層を重ねるには高い精度が要求される。

その場合、ウェーハ上に設けられている特徴構造の寸法は、ウェーハの形状さえも、往々にしてフォト工程の質に影響するほど緻密な水準にある。ポテトチップ形状のウェーハを想像して見るといい。光学装置は一度に全表面に集束することができないため、ウェーハには複数のマスクが決して整合し得ないほどそりが残ることになる。この種の問題があって生産高が落ちることから、半導体製造者には大きな損失が生じる。ウェーハの平面度及び厚さを精密かつ確実に測定する器械があれば、製造者が加工工程を改善し、かつ高い生産性で、より高品質のＩＣを製造する助けとなるだろう。

ウェーハの厚さ測定で最も普及している現行の技術はキャパシタンス試験と呼ばれるものである。ウェーハが２つの電極間に置かれ、間のウェーハ材料にキャパシタンスの変化が生じる。このキャパシタンス変化が、電極間の材料の量及び種類の直接の測定値となる。

多年、この技術により信頼できる成績が得られてきた。だが、この技術の限界及び欠点は、要求される測定精度が増し、ウェーハが以前より著しく薄手になるにつれ、つい最近になって、かなり大きいものになってきた。

この技術の欠点の１つは、ウェーハ材料の特性、例えば相対誘電率についての詳しい必要な情報が必要とされる点である。このことは、ウェーハが多くの材料を有していたり、はんだによる突出部を有している場合、往々にして問題になる。

別の欠点は、キャパシタンス・センサの寸法が相対的に大きいため、厚さを測定できる箇所の数が少ないことである。通常、測定箇所の数は、１０．１６ｃｍ（４インチ）のウェーハの場合、約１０箇所、３０．４８ｃｍ（１２インチ）のウェーハの場合は、約３０箇所である。製造者は、理想的には、少数の箇所についてだけでなく、ウェーハ全体についての詳細な高さ及び厚さの情報を知りたいだろう。加えて、測定精度も問題である。これは、測定値が、事実上、キャパシタンス・センサの測定範囲での平均厚さだからである。

キャパシタンス・センサの測定範囲は、通常、直径約１．２７ｃｍ（１／２インチ）である。しかし、より重要な点は、キャパシタンス・センサの解像力が、製造業者の厳しい要求の高まりに、もはや十分に満足を与えるほど精密ではなくなっている点である。最近世代のウェーハの厚さは８００−２００マイクロメートルであり、将来世代のウェーハは４０マイクロメートル程度の厚さになると予想されるから、測定精度は０．１マイクロメートル以下であることが必要である。

薄手のウェーハの厚さ測定の問題に関連して、ウェーハに形成されるトレンチの深さ測定が問題になる。半導体ウェーハを、集積回路、微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）、集積光通信デバイス等のデバイスに加工する場合、製造業者は多くの加工工程を実施するが、それらの工程のなかには、ウェーハにトレンチをエッチングする作業が含まれている。前記デバイスの多くの場合、エッチングされたトレンチの深さは、完成デバイスの適正な性能にとって決定的に重要であり、製造業者は、通常、その深さの測定を望んでいる。しかし、現在のトレンチ測定方法には大きな限界がある。

ＭＥＭＳ製品は、通常、垂直に近い側壁を有する深く狭いトレンチ区域を備えた３次元構造を内包している。典型的な例は、５マイクロメートル幅、１００マイクロメートル深さにエッチングされたトレンチであり、これらの特性を有するＭＥＭＳデバイスには、センサ、アクチュエータ、ＲＦデバイス、例えば誘導子や櫛形スイッチ等がある。これらのデバイスすべての特徴は、可動機械部品を分離するために、深い垂直のトレンチをエッチング加工する必要がある点であり、指状の特徴構造は、きわめて普通である。

ＭＥＭＳデバイスの製造業者は、現在のところ、エッチングされた高アスペクト比のトレンチの深さを非破壊的に測定する精密かつ安価な方法を有していない。製造業者は、ワーキング・デバイスを製造するさい、エッチングの全深さにわたって精密制御する必要があり、エッチング深さの測定は、加工の進行や制御にとって極めて重要である。しかし、現在の計測技術では、高アスペクト比のトレンチ深さを迅速かつ精密に測定することはできない。したがって、高アスペクト比のトレンチ、例えば狭い指状構造のトレンチのエッチング深さを迅速かつ精密に測定する非接触計測器械が開発されれば、加工の進行と制御の点で、ＭＥＭＳ製造業者には多大の利益が与えられるだろう。

集積回路には、しばしば、トランジスタ等の隣接回路デバイスを電気絶縁するために、ウェーハに深いトレンチをエッチングする必要がある。ウェーハ上の空間は、常に、重要な考慮の対象だが、トレンチの場合、必要な絶縁が得られるには十分に深くなければならない。このため、エッチングされるトレンチのアスペクト比は、技術の進歩につれて高くなる。現在、これらのトレンチは、幅１マイクロメートル以下、深さ６マイクロメートル以上である。加えて、これらのトレンチは、通常、どのような入射光をも吸収する丸み又は粗面を有する底部を有している。製造業者は、工程制御及び特徴把握のために、これらのトレンチ深さを測定する必要がある。現在、これらのトレンチを測定する唯一の方法は、ウェーハを切断する破壊式の方法である。

フォトニクスの集積デバイスは、通常、シリコンとは別の材料上に製作されるか、又はシリコン上に「成長」する複数材料層で製作される。材料の例としては、ＳｉＣ、ＩｎＰ、ＧａＡＩＡｓ、窒化珪素が挙げられる。これらのデバイスは、導波管、レーザー、その他のフォトニクス・デバイスを形成するためのエッチング構造物である。エッチング構造物の形状パラメータは、フォトニクス・デバイスの性能にとって、極めて重要である。本発明は、前記の例のような極めて様々な材料の深いトレンチ、並びにウェーハの厚さを測定することに関わるものである。

この種のトレンチ構造物に特有の極めて急勾配の側壁のため、針を用いるプロファイラーを用いる方法、又はその他の接触式の方法は、アスペクト比やこの性質の横方向寸法には適応できない。例えば原子力顕微鏡（ＡＦＭ）や針式プロファイラーは不適である。なぜなら、針の先端がトレンチを貫通することはあっても、側壁に沿って移動することはできず、しかも、先端はトレンチを出るさいに破損すると思われるからである。

表面高さを測定するための標準的な非接触光学器械は、共焦点顕微鏡、白色光干渉計、移相干渉計、３角計測器械である。これらの光学技術は、いずれも何らかの形式でトレンチを照射し、反射光を分析する形式を含んでいる。しかし、トレンチの急勾配の壁により、光の大部分がトレンチ底部に達することを妨げられる。加えて、エッチングされたトレンチのなかには、底部に丸み又は粗面を有するものもある。これらのトレンチに光が入射しても、完全に吸収されてしまうだろう。光が戻って来なければ、おそらく、どんな分析方法でもトレンチ深さは計測できないだろう。これらの基本問題は別として、上記の非接触式測定方法の各々は、各方法に特有の問題を抱えている。

標準的な共焦点顕微鏡が役に立たないのは、トレンチが狭すぎる場合、トレンチ頂部からの信号が底部からの信号と混同されるためである。トレンチ幅が光源のピンホール寸法に近似し、集束点がトレンチ頂部にあるときには、底部にあるときと等量以上の光が検出されよう。このため、トレンチ底部が焦平面から離れていても、混同した信号が発生する。また、共焦点顕微鏡は動作が極めて緩慢だが、これは最良の焦平面を見出すために測定サンプルを軸方向に走査する必要があるからである。

白色光干渉計も、作業が緩慢で軸方向に走査を要する点で、同じような難点を有している。加えて、側壁と頂部からの散乱光のため、フリンジ信号が弱くなる。移相干渉計は全く役に立たないが、これは、位相アンラッピングが急勾配の側壁の検出に役に立たないからである。最後に、３角計測器械だが、これは、トレンチの方向に対して、光が側方からトレンチ内へ入射できるように入射ビームの方向を精密に制御できる場合にのみ、使用できる。この種の器械には、こうした制限があるので、使用には適していない。

以上述べた先行技術の方法のすべてに共通する点は、上方からトレンチを測定しようとする点、すなわち光学ビーム又は機械式の針がエッチングされた表面と等しい側からトレンチに接近する点である。

本発明の好適実施例は、ウェーハのトレンチ深さを測定する方法を教えるものである。この方法には次の複数段階が含まれている。すなわち、前面と背面とを有するウェーハの前面に設けられたトレンチの位置を顕微鏡により突き止める段階と、トレンチが非接触式光学器械からは事実上第２表面（背面）に設けられた突出部と見なされるように、非接触式光学器械を背面に面して配置する段階とが含まれており、該非接触式光学器械は、ウェーハを透過可能な光源を使用し、ウェーハの背面及び前面からの反射光を受光することで、前面がトレンチ内部を指示するようにされており、更に前記方法には、ウェーハを透過可能な波長域で１組の共焦点色センサを用いて突出部高さを測定する段階と、前面と背面との測定反射波長間の測定高さの差を変換することによって突出部高さを較正し、それによりトレンチ箇所でのウェーハの形状及び輪郭を検出する段階とが含まれている。

第２実施例は、薄手のウェーハの局所厚さを測定する方法に関わるものである。この方法には、前面と背面とを有するウェーハに設けられたトレンチの局所厚さ区域を顕微鏡により突き止める段階と、共焦点色センサが、ウェーハの一方の側に、前面及び背面からの反射光を同時受光するように配置される段階と、ウェーハを透過可能な波長域を使用する段階と、前面と背面の測定反射波長間の測定高さの差を変換することにより、ウェーハの局所厚さを較正し、それによってウェーハ局所厚さを決定する段階とが含まれている。

第３実施例は、前面及び背面を有するウェーハのトレンチ深さ又は局所厚さを測定する装置である。この測定装置には、高さ測定用の非接触式光学器械と、事実上該光学器械の下に配置されるウェーハ位置決め用の固定手段と、ウェーハを透過可能な波長域の１組の光源とが含まれ、前記非接触式光学器械が、ウェーハの前面及び背面からの反射光を同時受光するようにウェーハの一方の側に配置され、更に、前記測定装置には、高さ測定用の非接触式光学器械による収集データを前面及び背面までの距離に変換する較正手段が含まれている。

上述の３実施例には、すべてシリコン・ウェーハが使用ができ、しかも、光源は、近赤外域の光源であり、９００ｎｍ−１７００ｎｍの波長範囲を有しているが、これらの３実施例には、またＧａＡｓ，ＧａＡＩＡｓ，ＩｎＰ，ＳｉＣ，ＳｉＯ_２その他も使用できる。

上述の３実施例は、すべて非接触式光学器械として、次のいずれか１つを使用できる。すなわち、共焦点色センサ、白色光干渉計、移相干渉計、共焦点走査顕微鏡、レーザー３角計測器械である。トレンチ測定での共焦点色センサの使用は、本発明の発明者マークス及びグラントによる米国特許出願第２００６／０１０９４８３号の主題だが、その技術は、ここに引用することで本発明に組み入れられることとする。共焦点色センサによる測定は、各波長が、異なる距離で集束するように、軸方向の分散を利用して行われる。次いで、センサは、最もよく反射した光の波長を検出することにより、反射面までの距離を測定する。

上述の実施例は、更に、高さ測定用の非接触式光学器械が較正手段を利用するという定義を基準にして変更することができる。該光学器械は、ウェーハの前面及び背面からの反射光の波長に対応する収集データと、対応する高さ差とを測定厚さに変換し、この測定厚さが、ウェーハのトレンチ深さ又は局所厚さを決定する。

上述の各実施例は、更に、使用される光学器械が、予め指定されたサンプル速度及び密度で横方向にウェーハを機械式に走査するという定義を基準にして変更することができる。

本発明の別の実施例は、薄手のウェーハの厚さ、平面度、局所形状を測定する方法に関わるものである。この薄手のウェーハは、前面と背面とを有している。この方法は、第１センサ及び第２センサからのウェーハの距離を較正する作業を含んでいる。この較正作業には、更に、第１と第２のセンサ間に、それも適当なホールダ内に、既知厚さのゲージブロックを配置し、かつ複数の平行な表面を包含させる作業が含まれている。第１と第２のセンサは、次いで、被検出表面がセンサ測定範囲の中央に位置するように、Ｚ平面内で調節される。

各高さセンサからの高さの応答は各個に較正される。センサから得られた高さは、その場合、既知角度の角度ゲージブロックが、第１と第２のセンサ間に、それも適当なホールダ内に配置される第１配置作業によって較正される。角度ゲージブロックの平らな表面は第１センサと直角にされ、第１センサに対し既知角度の表面が示される。次いで、角度ゲージブロックを１８０度回転させ、角度ゲージブロックの傾斜部を第１配置とは逆方向に配置し、角度ゲージブロックが第１センサと直角にされ、第１センサに対し既知角度の表面が示される。

高さセンサの較正は、次いで数学的に変換され、それにより角度ゲージブロックの傾斜が計算される。次いで、角度ゲージブロックを回転させて、第２センサに向け、第１センサに適用されたような複数段階が反復される。ウェーハの局所厚さが測定されるが、この測定段階には、更にウェーハを適当なホールダ内に配置して、第１と第２のセンサがウェーハの両面から応答を受け取れるようにする作業が含まれている。

適当なホールダ内に配置されたウェーハは、次いで予め定めた数の箇所を、各箇所個別に又は連続的に移動させられる。その場合、高さ値が各箇所で又は連続的に記録される。高さ値は、次いで、各箇所で又は連続的に厚さ値に変換される。ウェーハの形状と変化は、数学的に計算され、結果として得られた値は、コンピュータのスクリーン等のディスプレー装置を介して表示される。

本発明の別の実施例は、薄手のウェーハの厚さ、平面度、局所形状を測定する装置である。ウェーハは前面と背面とを有している。この装置は、第１センサと第２センサからのウェーハの距離を較正する第１ステージを含んでいる。距離の較正には、更に第１と第２のセンサ間に、それも適当なホールダ内に、既知厚さのゲージブロックを配置し、かつ複数の平行な表面を包含するようにする作業が含まれる。

第１及び第２のセンサをＺ平面内で調節することで、被検出表面がセンサの測定範囲の中央に位置するようにされる。前記装置は、センサにより得られた高さを較正するための第２ステージを含み、この高さ較正には、更に第１と第２のセンサ間に、それも適当なホールダ内に既知角度の角度ゲージブロックを配置する第一配置作業が含まれ、該角度ゲージブロックの平らな表面が第１センサと直角にされ、第１センサに対し既知角度の表面が示される。

次いで、角度ゲージブロックが１８０度回転され、角度ゲージブロックの傾斜部が第１配置とは逆方向に配置され、角度ゲージブロックが第１センサと直角にされ、第１センサに対し既知角度の表面が示される。高さセンサの較正は、数学的に集成されて、前記角度ゲージブロックの傾斜が計算される。

次いで、角度ゲージブロックを回転させて第２センサに呈示し、第１センサに適用されたような複数段階が反復される。前記装置には、ウェーハ局所厚さ測定のため第３ステージが含まれている。この厚さ測定には、更に、第１と第２のセンサがウェーハの両表面から応答を受信するように、適当なホールダ内にウェーハを配置する作業が含まれる。

ウェーハは、次いで前記適当なホールダ内で、予め決められた数の各箇所を個別に又は連続的な経路に沿って移動させられる。高さ値は、各箇所で又は連続的に記録され、かつ各箇所で又は連続的に厚さ値に変換される。次いで、ウェーハの形状及び形状変化が数学的に計算され、計算結果がコンピュータ・スクリーン等のディスプレー装置に表示される。

本発明は、薄手のウェーハの厚さ、並びにウェーハにエッチングされたトレンチの深さを測定しようとするものである。測定には、光の針と考えられる光学針を使用する。この針は、異なるレベルでの異なる色集束点を有している。したがって、光学針の光を反射するどの部分も、集束点にある色のみを反射する。図８には光学針が示されている。このシステムは、したがって色を高さに関連付けるものである。光学針は、したがって使用者が要求するどのような密度を有するウェーハをも走査するので、表面を形成できる何千もの、おそらく何万ものデータ点を捕捉できる。

普通のウェーハ、すなわち、自重を支持するのに十分な質量を有するウェーハは、２個の光学針を使用して測定でき、その場合、１個は前面に対し、１個は背面に対して使用する。２個の光学針によって捕捉される別個の表面は、較正作業により互いに関連付けられる。このようにして、前記システムは、ウェーハの形状を検出でき、そり、曲がり、その他製造業者にとって関心のある種々の形状値の計算が可能である。製造業者は、今やウェーハが、加工するのに十分な平面度を有しているか否かを確認することができる。

熱に敏感な用途に使用される薄手のウェーハは、側部を保持すると、自重を支持できないことがしばしばある。その種のウェーハは、実際には順応性を有しており、このことは、十分な真空を仮定した場合、ウェーハが載置される面と整合することを意味するが、厚手のウェーハの場合には、そうはならないだろう。厚手のウェーハは、その形状を維持するからである。

薄手のウェーハは、それでも厚さ及び形状が適正かどうか測定する必要がある。なぜなら厚さは熱処理にとって決定的に重要だからである。加えて、前面及び背面は平行でなければならない。したがって、薄手のウェーハの場合、ウェーハを固定する平坦な真空チャックが必要とされ、表面は上方からのみ測定される。前記システムは、真空チャックの表面を較正作業により測定し、真空チャックの表面を参考にして、ウェーハの表面形状、厚さ、平行度を検出する。

図９に見られるように、センサからの距離の較正に関係する複数段階は、既知の厚さのゲージブロック及び平行な複数表面を、センサ間に、それも適当なホールダ内に配置する第１配置作業を含んでいる。次いで、複数センサをＺ平面内で調節することにより、被検出表面がセンサ測定範囲の中央に位置させられる。

図１０に見られるように、センサから得た高さの較正に関わる複数段階には、既知角度の角度ゲージブロックをセンサ間に、それも適当なホールダ内に配置する第１配置の段階が含まれ、平らな表面がセンサと直角にされ、センサに対し既知角度の表面が示される。次いで、角度ゲージブロックが既知距離だけ移動させられ、Ｚ平面内でのセンサまでの距離に既知の変化が与えられる。この工程がセンサの測定範囲全体にわたって反復される。次いで、角度ゲージブロックが１８０度回転され、傾斜部が逆方向に配置されて、工程が逆方向で反復される。データは適宜に数学的に適合させ、較正された箇所の数から得られる解像度より高い測定解像度が与えられ、ステージの傾斜が計算される。最後に、角度ゲージブロックが回転され、第２センサに呈示され、この工程が反復される。

図１１は、ウェーハの厚さ測定段階を示したものである。最初に、ウェーハは、適当なホールダ内に配置され、センサがウェーハ両表面から応答を受信できるようにされる。次いで、ウェーハを包含する適当なステージが、予め決められた数の箇所を、又は予め決められた連続的なルートに沿って移動させられる。各センサからの高さ値が、各箇所で又は連続的に記録される。各箇所の高さ値は各箇所でウェーハの厚さ値に変換される。次いで、必要な、形状及び形状変化の計算が行われ、計算結果が表示される。

厚さ及び平面度の測定は、図１２−図１５に示した装置で行う。フレーム１８は全装置を保持している。図１５には、各構成部品が詳細に示されている。花崗岩の基部１は、全システムの主要な支持構造物である。真空チャック２は被測定ウェーハを保持し、ウェーハを定位置に固定するのに使用される。
上部高さセンサ３は、グラント及びマークスによる米国特許出願第００６／０１０９４８３号に記載された光学針である。該センサは、対物レンズと一緒に、ウェーハの前面を測定する。下部高さセンサ４は、ウェーハの背面を測定する別の光学針センサである。

上部高さセンサ用には対物レンズ５が、下部高さセンサ用には対物レンズ６が備えられている。花崗岩ブリッジ７は、ウェーハ上方に上部高さセンサを保持するための花崗岩支持構造物を形成している。ばち形取り付け部８は、動力式ステージ１０に上部高さセンサを取り付けるための移動プレートとして使用される。
クランプ９は、ばち形取り付け部８をクランプし、かつ動力式ステージ１０に取り付けている。動力式ステージ１０は、上部高さセンサ３をウェーハに対し接近又は離間させるためのものである。上部高さセンサ３は、ウェーハ前面がセンサ３の測定範囲内に位置するように移動させられる。この移動後、上部と下部のセンサの間隔が較正される。

花崗岩の柱状体１１は、花崗岩ブリッジ７用の支持構造物を形成している。１５．２４ｃｍ×１５．２４ｃｍ（６”×６”）の動力式ステージ１２は、上部センサ３と下部センサ４との間の平面内でウェーハを移動させるのに使用される。このステージ１２がウェーハを並進運動させる間に、ウェーハの厚さ及び平面度が測定され、上部センサ３と下部センサ４との測定値が記録される。
ステージ・ブラケット１３は、下部センサ４用の支持構造物として使用されている。ＸＹＺステージ１４は、下部センサ４を整合させるためのものである。顕微鏡取り付けブラケット１５は、ＸＹＺステージ１４に下部センサ４を取り付けるためのプレートを移動させる。締め付けスタッド１６はブラケット１７を締め付け、ブラケット１７は、光学針センサ３，４を保持し、該センサを、ばち形取り付け部８又は顕微鏡取り付けブラケット１５に取り付けている。フレーム１８は、花崗岩基部１の支持用テーブルを形成し、何らかの必要な電子付属部品をも保持している。

トレンチ深さを測定不能な多くの光学システムも、突出部高さは十分に測定できる。トレンチの場合と異なり、突出部への入射光は部分的にも遮られることがない。図２は、光がトレンチ内へ伝搬された場合と突出部上へ伝搬された場合との反射の仕方の違いを示したものである。図から分かるように、突出部からの反射光は、トレンチからの反射光よりデータ点が多いので、より精密な読み出しが可能である。突出部頂部からの反射光は、多くの反射を経ることなく直接にセンサに戻ってくる。突出部の場合、どんなに高くても反射特性は類似しているが、トレンチの場合、それとは異なり、深ければ、それだけ多く側壁に邪魔されるため反射光が少なくなる。

丸みを付けた粗面のトレンチが入射光をすべて吸収してしまうのに対して、丸みを付けた粗面の突出部は常に幾らかの光を反射する（図６参照）。事実、突出部の場合、頂点がどんなに細かろうと、その頂部からは常に幾らかの光が反射される。これらの違いは、いずれも、突出部の測定がトレンチの測定より容易なことを示している。エッチングされたトレンチを背面から見ると、センサには突出部として見えるので、その高さ（深さ）は、はるかに容易に測定できる。

現在市場に出回っている大部分の高さ測定用光学システムは、通常、可視光線を用いて作業する。しかし、シリコンは可視光線には不透明である。図５は、本発明が、ガラス製スライドの厚さ測定に可視スペクトルを用いた場合を示した図である。本発明では、しかし、赤外ビーム、特にシリコンを透過する９５０ｎｍ以上の長波長の赤外ビームを使用する。シリコンは最も普通のウェーハ基板なので、ここでは特にシリコンで説明するが、本発明は、多くの異なる材料、例えばガラス、ＳｉＣ，ＩｎＰ，ＧａＡｓ，その他どのような透明材料のウェーハにも使用できる。以下の説明では赤外ビームを光源と仮定するが、本発明には、対象となる材料を透過するどのような波長帯域を使用することもできる。

シリコンは１．１μｍを超える波長に対し透明である（図４参照）。１．１μｍ波長でのシリコンの屈折率は約３．５であるから、空気／シリコン界面での垂直入射光の反射率は約３１％である。残りの光は、シリコンを透過する光である。透過した光の百分率と類似の百分率が背面の空気／シリコン界面での反射率である。したがって、シリコン・ウェーハの一方の側に配置された単一のセンサで、ウェーハの前面及び背面双方からの反射光を受光できる。図３は、ウェーハを２度（入射と反射）透過した後、シリコン・ウェーハの背面から受信した相対信号レベルを示している。

図６に示したように、この好適実施例では、エッチングされたトレンチの側とは反対の側（背面）からウェーハが照射される。ウェーハは透明なので、トレンチがエッチングされた表面（前面）から背方へ反射される。したがって、非接触式高さセンサは、トレンチが設けられた前面の輪郭を、前面からの反射を利用して測定できよう。背面から見れば、トレンチが突出部に見えるので、トレンチとして見る場合の特有の欠点、例えばトレンチ側壁による光の吸収等に直面することは全くない。

本発明では、多くの異なる非接触式光学センサを使用して突出部高さ（トレンチ深さ）を測定できるが、他方、好適実施例では、図７に略示した共焦点色センサが使用される。このほかに使用できるセンサとしては、光干渉計、移相干渉計、共焦点走査顕微鏡、レーザー３角計測器械が挙げられる。好適実施例は、特に、共焦点色センサを利用して、スペクトルの９００ｎｍから１７００ｎｍまでの近赤外（ＮＩＲ）域で作業し、前面と背面までの距離を同時測定することによりウェーハ厚さを測定するように設計されている。２つの反射波間の測定間隔をウェーハの実厚に関係付ける較正方法は、自明性がなく、本発明の不可欠の一部をなしている。既述のように、類似のシステムでも、前面及び背面との距離を同時測定することでトレンチ深さを測定することができる。

共焦点色センサは、光学的な測定技術に通じている者には周知であり、具体例は、本発明の発明者の内の２名、マークス及びグラントによる米国特許出願第２００６／０１０９４８３号に記載されており、その技術は、ここに引用することで本発明に取り入れられるものである。この種のセンサでは、光の色又は波長に従って集束点が軸方向に沿って分散する（図７）。したがって、各波長は異なるレベルで集束し、対象が１個の場合には、１波長のみがその対象上に集束する。
結果として、このシステムでは、どの波長が対象に集束するかを検出できれば、色を高さに関連付けることができる。この検出は分光計を用いて行う。完全な共焦点色システムの好適実施例（図７）は、広帯域を有し、白色光光源、分散光学系、分光計、他の部品への接続用ファイバー・カップラー／スプリッターを含み、共焦点源と検出器開口とを備えている。しかし、多くの別の構成も可能である。

共焦点色センサは、また対物レンズを共焦点センサと共用する顕微鏡画像システムに容易に組み合わせることができる。顕微鏡により、対象の画像が提示され、共焦点測定点の位置が直接に参照可能になる。例えば、ウェーハにはんだの突出部が設けられた後のウェーハ厚さ測定は、顕微鏡画像を用いてはんだ突出部周囲の測定点を案内することで実施できる。別の例は圧力センサ・ダイアフラムの測定である。これらのダイアフラムは、ウェーハの背面からエッチングされ、各ダイごとにシリコン薄膜が形成される。これらのダイアフラムの測定は、キャパシタンス・センサではセンサ寸法が小さいため、不可能である。しかし、顕微鏡と組み合わされた共焦点色センサは、容易にダイアフラムの局所スポットを突き止め、局所スポットでの厚さを測定できる。組み合わされた顕微鏡は、またトレンチ測定の場合にも重要となる。この用途の場合、トレンチの測定ができるように、顕微鏡でトレンチ位置を突き止める必要がある。

ＮＩＲスペクトルに対するシリコンの場合のように、対象が透明な場合には、対象の前面及び背面双方からの反射光が、分光計へ戻される。ウェーハの前面と背面からでは高さに差があるため、各面からの反射光は異なる波長を有することになろう。図５は、可視スペクトルの場合に、ガラス製スライドの前面と背面からの反射光の相対強度を示したものである。近赤外スペクトルでのシリコン・ウェーハ測定の場合にも、類似の成績が得られている。一般的に、共焦点色センサは、短いほうの波長が長いほうの波長より手前で集束するように設計されているが、該センサを逆の関係に設計することも可能である。好適実施例では、ウェーハ前面で集束する光のほうが、背面で集束する光より波長が短い。これらの反射光が分光計を通過するとき、分光計は２つの波長のピークを示す。各ピークの位置は各表面の位置を指示し、ピークの差はウェーハの厚さを示す。

センサは、使用者が指定するサンプル速度及びデータ密度でウェーハを横方向に機械式に走査する。データ点は数千点、ことによると数万点が捕捉される。センサは、約５マイクロメートルのスポット寸法を有し、極めて局所化された表面及び厚さの測定を行う。センサがウェーハのところを移動するにつれて、ピークの位置はウェーハ表面形状の関数として変化し、ピークの相対位置は厚さの関数として変化する。こうして、ウェーハの完全な形状が得られ、かつウェーハの局所厚さが得られる。

公知の共焦点色センサは、ＮＩＲでの作業用に設計されてはいない。共焦点色センサの設計には、焦軸に沿って複数波長を分散させるために、分散性材料の使用が要求される。可視スペクトルで十分な分散を得るためには、種々の多くの材料を利用可能だが、ＮＩＲを用いた場合、必要な分散を達成するのは、より難しい。しかし、二重レンズは、軸方向の分散並びに球面収差の矯正が行われるように設計できる。１例では、Ｓ−ＴＩＨ５３及びＮ−ＳＳＫ８ガラスが用いられ、別の例では、Ｓ−ＴＩＨ５３及びＮ−ＳＫ４ガラスが用いられる。Ｓ−ＴＩＨ５３の代わりにＳ−ＮＰＨ１を用いた二重レンズを含む多くの他の例も設計可能である。システム内での軸方向分散量を増すために、数個のこのような二重レンズを一続きの形式で使用することもできる。軸方向の分散レンズ・システムを形成する別の方法は、回折レンズを屈折レンズと組み合わせて使用することである。

較正は、本発明にとって決定的に重要な作業である。背面の測定が複雑なことには、ウェーハ基板全面にわたって光を集束させることが影響している。それらの影響の１つは球面収差が加わることである。この球面収差により、背面の集束点が事実上引き伸ばされ、軸方向の解像度が低下する。
しかし、球面収差は、集束レンズ系を適正に設計することで最小化できる。別の影響は、光が媒質を通過して伝搬されるとき、物理的な長さと光路長さとの差が生じることである。共焦点色センサでは光路長さが測定されるが、ここでの重要な量は、ウェーハの物理的長さ又は厚さである。測定された厚さは、物理的厚さをウェーハの屈折率で割った値にほぼ等しい。しかし、屈折率は、波長によって変化する。シリコンの場合、各波長の軸方向の集束位置は、ほぼｚ（λ）＝ｆ（λ）ｎ（λ）であり、この式において、Ｆは空気中での軸方向集束位置、ｎはシリコンの屈折率、λは、これらの量の各々の、波長への依存度を示している。

図１６は、シリコン媒質の屈折率が測定較正にどう影響するかを示したものである。共焦点色センサは、シリコンの第１表面で入射光が屈折するため、実際にはウェーハ内部の１点で測定する。ウェーハ厚さ（図１６の左側に見られる厚さ）とトレンチ深さ（図１６の右側に見られる深さ）の測定は、共に影響を受ける。
図１６は、更に屈折を考慮に入れたトレンチの測定を示している。「粗」測定値は、較正された分光計で測定される共焦点スポットの見かけ軸方向位置だが、「目標」測定値はトレンチ深さである。スネルの法則を用いた幾何学的光学分析は、「目標」測定値が、屈折率によって決まる「粗」測定値に事実上等しいことを示している。したがって、分光計の応答が空気内での共焦点応答に対して較正される場合、基板媒質のトレンチ深さの測定は簡単である。あるいはまた、分光計の応答は、基板と等しい材料製のステップ高さゲージを用いて直接に較正することもできる。

軸方向での色集束点の移動は共焦点信号を発生させるが、この移動は媒質の屈折率に影響される。空気内で共焦点色システムを較正する標準的な方法は、角度ゲージブロックを使用して精密な横方向運動により走査することである。この較正により、対象の高さと波長ピークとの間の較正表が得られよう。しかし、この較正表は、空気以外の媒質内では不正確となろう。適切な較正表は対象高さを屈折率で乗じることで見積もることができる。しかし、波長による屈折率の変化を考慮せねばならない。あるいはまた、直接較正を行うことができるように、較正ゲージをシリコンで作ることもできる

以上に示した図及び実施例は、説明目的のものであって、特許請求の範囲の記載を制限する意図のものではない。この開示は、本発明の諸原則を例証するものと考えるべきであり、本発明の精神及び範囲を制限し、図示の実施例に対する請求を制限する意図を有するものではない。当業者は、本発明の具体的な用途のために、本発明に変更を加えることができよう。

ウェーハ厚さ及びトレンチ深さ測定用の先行技術を示す図。 ａはトレンチに対する入射光と反射光とを示す図、ｂは突出部に対する入射光と反射光を示す図。 シリコン・ウェーハの前面及び背面双方からの光の反射の仕方を示す図。 波長と光の強度損失との関係を示す図。近赤外スペクトルの各波長の場合について、入射光の強度に対するシリコン・ウェーハ背面からの反射光の強度を示したもの。シリコンが、約１．１μｍ以下の波長の光を、どのように吸収しているかに注意。 ウェーハ厚さの測定実験時に、可視スペクトル域で共焦点色センサが作業するさい、顕微鏡のガラス・スライドの前面と背面との軸方向間隔がどのように同時測定されるかを示す図。 本発明の好適実施例を示す図。赤外ビームを用いてウェーハの背面から透視することで、トレンチ深さを事実上突出部として捕捉することができる。 トレンチ測定用の共焦点色検出システムの略示図。 本発明の光学式針を示す図。 薄手のウェーハの厚さ測定時にセンサによる検出距離を較正する作業を示す流れ図。 薄手のウェーハの厚さ測定時にセンサによる検出高さを較正する作業を示す流れ図。 薄手のウェーハの厚さ測定時のウェーハ厚さ測定段階を示す流れ図。 ウェーハの厚さ及び平面度を測定する装置の側面図。 ウェーハの厚さ及び平面度を測定する装置の正面図。 ウェーハの厚さ及び平面度を測定する装置の部分拡大図。 図１４のＡ−Ａ線に沿って截断した断面図。 シリコン媒質の屈折率が測定較正にどのように影響するかを示す図。

符号の説明

１ 花崗岩基部
２ 真空チャック
３ 上部高さセンサ
４ 下部高さセンサ
５ 対物レンズ
６ 対物レンズ
７ 花崗岩ブリッジ
８ ばち形取り付け部
９ クランプ
１０ 動力式ステージ
１１ 花崗岩柱状体
１２ 動力式ステージ
１３ ステージ・ブラケット
１４ ＸＹＺステージ
１５ 顕微鏡取り付けブラケット
１６ 締め付けスタッド
１７ ブラケット
１８ フレーム

Claims (36)

1. ウェーハのトレンチ深さを測定する方法において、
   前記ウェーハの前記トレンチの位置を顕微鏡によって突き止める作業が含まれ、前記ウェーハが前面と背面とを有し、前記トレンチが前記前面に設けられており、また、
   非接触式光学器械を前記背面に向くように配置する作業が含まれ、それにより前記トレンチが前記非接触式光学器械から前記第２面に設けられた事実上突出部と見られることになり、前記非接触式光学器械が、前記ウェーハを透過可能な光源を使用し、前記ウェーハの前面及び背面からの反射光を受光することにより、前記前面が前記トレンチの内部を指示するようにされており、更に、
   前記ウェーハを透過可能な波長範囲の１組の光源を使用して前記突出部の高さを測定する作業と、
   前記突出部高さを、前記前面と前記背面間の前記測定高さの差の変換によって較正する作業とが含まれ、それにより前記トレンチ箇所でのウェーハの形状及び輪郭が検出される、ウェーハのトレンチ深さを測定する方法。
2. 前記ウェーハが、次の群、すなわちシリコン、ＧａＡｓ，ＧａＡＩＡｓ，ＩｎＰ，Ｓｉｃ，ＳｉＯ_２の内の１つから構成される、請求項１に記載された方法。
3. 前記光源が、近赤外域にあり、９００ｎｍ‐１７００ｎｍの波長範囲を有している、請求項１に記載された方法。
4. 前記非接触式光学器械が共焦点色センサである、請求項１に記載された方法。
5. 前記共焦点色センサが較正手段を使用しており、該較正手段により、前記ウェーハの前記前面及び前記背面からの反射光波長に対応かつ高さの差に対応する前記収集データが、前記ウェーハの前記トレンチの深さ又は前記局所区域の前記厚さを決定する測定厚さに変換される、請求項４に記載された方法。
6. 前記非接触式光学器械に白色光干渉計が使用される、請求項１に記載された方法。
7. 前記非接触式光学器械に移相干渉計が使用される、請求項１に記載された方法。
8. 前記非接触式光学器械に共焦点走査顕微鏡が使用される、請求項１に記載された方法。
9. 前記非接触式光学器械にレーザー３角計測器械が使用される、請求項１に記載された方法。
10. 前記非接触式光学器械が、予め指定されたサンプル速度及び密度で横方向に前記ウェーハを機械式に走査する、請求項１に記載された方法。
11. 薄手のウェーハの局所的な厚さを測定する方法において、
    前記ウェーハの前記局所的な厚さ区域を顕微鏡により突き止める作業が含まれ、前記ウェーハが前面と背面とを有しており、また、
    非接触式光学器械が、前記前面及び前記背面からの反射光を同時に受光するように、前記ウェーハの一方の側に配置される作業と、
    前記ウェーハを透過可能な波長範囲の１組の光源を使用して前記ウェーハの厚さを測定する作業と、
    前記局所的なウェーハ厚さが、前記前面及び背面間の前記測定高さの差の変換により較正され、それによって前記ウェーハの局所的厚さが検出される作業とが含まれる、薄手のウェーハの局所的な厚さを測定する方法。
12. 前記ウェーハが、次の群、すなわちシリコン、ＧａＡｓ、ＧａＡＩＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉｃ、ＳｉＯ_２の内の１つから構成される、請求項１１に記載された方法。
13. 前記光源が、近赤外域にあり、９００ｎｍ‐１７００ｎｍの波長範囲を有している、請求項１１に記載された方法。
14. 前記非接触式光学器械が共焦点色センサである、請求項１１に記載された方法。
15. 前記共焦点色センサが較正手段を使用しており、該較正手段により、前記ウェーハの前記前面及び前記背面からの反射光波長に対応かつ高さ差に対応する前記収集データが、前記ウェーハの前記トレンチの深さ又は前記局所区域の前記厚さを決定する測定厚さに変換される、請求項１４に記載された方法。
16. 前記非接触式光学器械に白色光干渉計が使用される、請求項１１に記載された方法。
17. 前記非接触式光学器械に移相干渉計が使用される、請求項１１に記載された方法。
18. 前記非接触式光学器械に共焦点走査顕微鏡が使用される、請求項１１に記載された方法。
19. 前記非接触式光学器械にレーザー３角計測器械が使用される、請求項１１に記載された方法。
20. 前記非接触式光学器械が、予め指定されたサンプル速度及び密度で横方向に前記ウェーハを機械式に走査する、請求項１１に記載された方法。
21. ウェーハのトレンチ深さ又は前記ウェーハの局所厚を測定する装置であって、前記ウェーハが前面と背面とを有する形式のものにおいて、前記装置が、
    高さ測定用の非接触式光学器械と、
    前記非接触式光学器械の事実上下方に配置された、前記ウェーハの位置決め用固定手段と、
    前記ウェーハを透過可能な波長範囲の１組の光源とを含み、
    前記非接触式光学器械が、前記前面及び前記背面からの反射光を同時に受光するように前記ウェーハの一方の側に配置されており、更に前記装置が、
    前記高さ測定用の非接触式光学器械からのデータを受け取るデータ収集手段を含んでいる、ウェーハのトレンチ深さ又は前記ウェーハの局所厚さを測定する装置。
22. 前記ウェーハが、次の群、すなわちシリコン、ＧａＡｓ、ＧａＡＩＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉｃ、ＳｉＯ_２の内の１つから構成される、請求項２１に記載された装置。
23. 前記光源が、近赤外域にあり、９００ｎｍ‐１７００ｎｍの波長範囲を有している、請求項２１に記載された装置。
24. 前記非接触式光学器械が共焦点色センサである、請求項２１に記載された装置。
25. 前記共焦点色センサが較正手段を使用しており、該較正手段により、前記ウェーハの前記前面及び前記背面からの反射光波長に対応かつ高さ差に対応する前記収集データが、前記ウェーハの前記トレンチの深さ又は前記局所区域の前記厚さを決定する測定厚さに変換される、請求項２４に記載された装置。
26. 前記非接触式光学器械に白色光干渉計が使用される、請求項２１に記載された装置。
27. 前記非接触式光学器械に移相干渉計が使用される、請求項２１に記載された装置。
28. 前記非接触式光学器械に共焦点走査顕微鏡が使用される、請求項２１に記載された装置。
29. 前記非接触式光学器械にレーザー３角計測器械が使用される、請求項２１に記載された装置。
30. 前記非接触式光学器械が、予め指定されたサンプル速度及び密度で横方向に前記ウェーハを機械式に走査する、請求項２１に記載された方法。
31. 薄手のウェーハの厚さ、平面度、局所形状を測定する方法であって、該ウェーハが前面と背面とを有する形式のものにおいて、前記方法が、
    第１センサ及び第２センサからの前記ウェーハの距離を較正する作業を含み、距離を較正する前記作業には、更に、
    前記第１と第２のセンサ間に、それも適当なホールダ内に、既知厚さのゲージブロックを配置し、かつ平行な複数表面を包含するようにする作業と、
    Ｚ平面内で前記第１と第２のセンサを調節することにより、被検出表面がセンサ測定範囲の中央に位置するようにする作業とが含まれ、また前記方法が、
    前記ウェーハの局所厚さを測定する作業を含み、前記測定作業には、更に、
    前記第１と第２のセンサが前記ウェーハの双方の表面からの応答を受信できるように、前記ウェーハを適当なホールダ内に配置する作業と、
    前記ウェーハが、前記適当なホールダ内で予め定めた数の箇所を各個に又は連続的な経路で移動するようにする作業と、
    高さ値を、前記箇所の各々で、又は連続的に記録する作業と、
    前記高さ値を、前記箇所の各々で、又は連続的に厚さ値に変換する作業と、
    前記ウェーハの形状及び形状変化を数学的な計算する作業と、
    形状及び形状変化の前記数学的計算をディスプレー手段を介して表示する作業とが含まれている、薄手のウェーハの厚さ、平面度、局所形状を測定する方法。
32. 更に別の較正作業が加えられ、前記較正作業が、更に、
    センサにより得られた前記高さを較正する作業を含み、該高さ較正作業には、更に、
    前記第１と第２のセンサ間に、それも適当なホールダ内に、既知角度の角度ゲージブロックを配置する第１配置作業が含まれ、前記角度ゲージブロックの平らな表面が前記第１センサと直角にされ、前記第１センサに対し既知角度の表面が示され、また、
    前記角度ゲージブロックを１８０度回転させて、前記角度ゲージブロックの傾斜部を前記第１配置と反対方向に配置する作業が含まれ、前記角度ゲージブロックが前記第１センサと直角にされ、前記第１センサに対し既知角度の表面が示され、更に、
    センサにより収集された高さの前記較正を数学的に変換することで前記角度ゲージブロックの傾斜を計算する段階と、
    前記角度ゲージブロックを回転させ、前記第２センサに呈示し、前記第１センサに適用されたように、複数作業段階が反復される、請求項１３に記載された方法。
33. 前記センサが共焦点色センサである、請求項３１に記載された方法。
34. 薄手のウェーハの厚さ、平面度、局所形状を測定する装置であって、前記ウェーハが前面と背面とを有する形式のものにおいて、前記装置が、
    第１センサ及び第２センサからの前記ウェーハの距離を較正する第１ステージを含み、前記距離の較正には、
    前記第１と第２のセンサ間に、それも適当なホールダ内に、既知厚さのゲージブロックを配置し、かつ平行な表面を包含するようにする作業と、
    前記第１及び第２のセンサをＺ平面内で調節することで、被検出表面がセンサの測定範囲の中央に位置するようにする作業とが含まれ、前記装置が、また、
    前記ウェーハの局所厚さ測定する第２ステージを含み、前記局所厚さの測定にが、更に、
    前記ウェーハを適当なホールダ内に配置して前記第１と第２のセンサが前記ウェーハの両表面からの応答を受信できるようにする作業と、
    前記ウェーハが、前記適当なホールダ内で予め定めた数の箇所を個別に、又は連続的に移動するようにする作業と、
    高さ値を、前記箇所の各箇所で、又は連続的に記録する作業と、
    前記高さ値を前記箇所の各箇所で、又は連続的に厚さ値に変換する作業と、
    前記ウェーハの形状及び形状変化を数学的に計算する作業と、
    前記ウェーハの形状及び形状変化の前記数学的計算をディスプレー手段によって表示する作業とが含まれる、薄手のウェーハの厚さ、平面度、局所形状を測定する装置。
35. センサにより得られた前記高さを較正する第３ステージが設けられており、センサにより得られた高さの前記較正には、更に、
    センサにより得られた前記高さを較正するための第２ステージが含まれ、センサにより得られた高さの前記較正には、更に、
    前記第１と第２のセンサ間に、それも適当なホールダ内に、既知角度の角度ゲージブロックを配置する第１配置作業が含まれ、該角度ゲージブロックの平らな面が前記第１センサに対し直角にされ、該第１センサに対し既知角度の表面が示され、
    次いで、前記角度ゲージブロックを１８０度回転させ、前記角度ゲージブロックの傾斜部を前記第１配置とは反対方向に配置する作業が含まれ、前記角度ゲージブロックが前記第１センサと直角にされ、前記第１センサに対し既知角度の表面が示され、更に、
    センサにより収集された高さの較正を数学的に変換することにより前記角度ゲージブロックの傾斜を計算する作業と、
    前記角度ゲージブロックを回転させて前記第２センサに呈示し、前記第１センサに適用したように、複数作業段階を反復する作業が含まれる、請求項３４に記載された装置。
36. 前記センサが共焦点色センサである、請求項３４に記載された装置。