JP2000258144A - ウェーハの平坦度および厚み測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェーハの平坦度と厚みを同時に精度よく測
定することができるウェーハの平坦度および厚み測定装
置を提供すること 【解決手段】 ウェーハ１および基準平面盤４をそれら
の平面が鉛直となるように保持し、前記平面に対してレ
ーザ光９を二次元的に走査しながら所定の角度αで照射
し、そのとき前記平面において生ずる反射光１４をその
径が小さくなるように収束した後、二つの光路１９，２
０に分岐し、第１光路１９に前記反射光の入射位置を検
出する第１ディテクタ２１を設け、第２光路２０にｆθ
レンズ２２およびこのｆθレンズの焦点位置に検出面を
有する第２ディテクタ２３を設けた。

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、ウェーハの平坦
度および厚みを測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ウェーハの平坦度を測定する装
置として、フィゾー干渉計（Ｆｉｚｅａｕ ｉｎｔｅｒ
ｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）よりなる平坦度測定装置が公知で
あり、また、ウェーハの厚みを測定する手法として、静
電容量式の厚み測定装置が公知である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記干
渉を利用した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ることができる
に過ぎなかった。そして、この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、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
て間接的に求めることができるだけであり、平坦度を直
接測定することはできなかった。そして、この静電容量
式の厚み測定装置では、センサの大きさに制限を受け、
ウェーハの面方向における分解能が余りよくなかった。

【０００４】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、ウェーハの平坦度と厚みを同時
に精度よく測定することができるウェーハの平坦度およ
び厚み測定装置（以下、単に測定装置という）を提供す
ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の測定装置は、ウェーハおよび基準平面盤
をそれらの平面が鉛直となるように保持し、前記平面に
対してレーザ光を二次元的に走査しながら所定の角度で
照射し、そのとき前記平面において生ずる反射光をその
径が小さくなるように収束した後、二つの光路に分岐
し、第１光路に前記反射光の入射位置を検出する第１デ
ィテクタを設け、第２光路にｆθレンズおよびこのｆθ
レンズの焦点位置に検出面を有する第２ディテクタを設
け、前記ウェーハの表面および基準平面盤の基準面にレ
ーザ光を照射したときに前記両ディテクタから得られる
出力と、前記ウェーハの裏面および前記基準面にレーザ
光を照射したときに前記両ディテクタから得られる出力
とに基づいて、前記ウェーハの両面における平坦度およ
びウェーハの厚みを同時に得ることができるようにして
いる（請求項１）。

【０００６】上記構成において、ウェーハおよび基準平
面盤を鉛直な軸回りで回転できるようにしてもよい（請
求項２）。

【０００７】上記構成の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）を求める。これによ
り、ウェーハの平坦度および厚みを同時に絶対値測定す
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は、この発明の測定装置の構成
を概略的に示すもので、この図において、１は測定対象
であるウェーハで、１ａ，１ｂはウェーハ１の検査対象
である表面および裏面で、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、その平面１ａ，１ｂ
が鉛直となるように保持されている。４はウェーハ１と
同じ平面においてウェーハ１と同様にその表面４ａおよ
び裏面４ｂが鉛直となるように適宜の保持部材５によっ
て鉛直に保持される基準平面盤で、例えば透明なガラス
板よりなり、表面４ａはアルミニウムを適宜蒸着して反
射面とされ、基準面に形成されており、裏面４ｂは光透
過面とされている。

【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、後述する光照射光学系８および光縮小光学系
１３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によって鉛直に保
持されている。

【００１０】８は上述のように保持されたウェーハ１お
よび基準平面盤４に対してレーザ光９を照射する光照射
光学系で、レーザ光源１０、レーザ光９をウェーハ１お
よび基準平面盤４に対してその二次元方向に所定の角度
αで走査するための二次元走査ミラー１１、走査された
レーザ光９を平行光としてウェーハ１に照射するための
レンズ１２とからなる。

【００１１】なお、前記二次元走査ミラー１１として
は、１つのミラーを二次元的に振動させるようにしてあ
ってもよく、また、２つのガルバノミラーを組み合わせ
たものをそれぞれ一次元的に振動させるようにしてあっ
てもよい。

【００１２】１３は前記光照射光学系８によってウェー
ハ１および基準平面盤４に照射されたレーザ光９がウェ
ーハ１の表面において反射して生ずる光１４を縮小する
ところの光縮小光学系で、前記反射光１４をその径を縮
小するレンズ１５と、この縮小された光を平行光１６に
するレンズ１７とからなる。

【００１３】１８は前記光縮小光学系１３の後段に設け
られる例えばハーフミラーよりなるビームスプリッタ
で、光縮小光学系１３からの縮小平行光１６を二つに光
路１９，２０に分岐させるものである。そして、一方の
光路（第１光路）１９には、縮小された平行光１６の位
置を検出するための第１ディテクタ２１が設けられてい
る。また、他方の光路（第２光路）２０には、ｆθレン
ズ２２とこのｆθレンズ２２の焦点位置に検出面を有す
る第２ディテクタ２３が設けられている。

【００１４】前記第１ディテクタ２１および第２ディテ
クタ２３は、いずれも例えばＣＣＤを二次元的に配置し
た二次元ディテクタアレイよりなり、第１ディテクタ２
１には、反射面の位置およびその傾きの影響を受けた光
が入射する。

【００１５】また、ｆθレンズ２２は、図２に示すよう
に、入射する光２４〜２６は焦点ｆに等しい距離におい
て光軸２８に対して垂直な面２９上に結像させる性質を
有するとともに、光軸２８に対して平行な光２４，２５
は、光軸２８と面２９の交点３０に結像するが、光軸２
８に対して平行ではない光２６，２７は、前記点３０か
ら距離ｈだけ離れた面上の点３１に結像するといった性
質を有している。このとき、光軸２８と光２６，２７と
のなす角度θと、焦点距離ｆと前記距離ｈとの間には、 ｈ＝ｆθ という関係が成り立つ。

【００１６】したがって、第２ディテクタ２３によれ
ば、焦点距離ｆが予め既知であるので、距離ｈが判れ
ば、反射面の傾きを求めることができる。

【００１７】再び図１において、３２は例えばパソコン
などの演算装置で、第１ディテクタ２１および第２ディ
テクタ２３の出力に基づいて演算を行い、ウェーハ１の
表面の平坦度などを判別するもので、この演算装置３２
には、二次元走査ミラー１１に対する走査信号が入力さ
れ、前記両ディテクタ２１，２３の出力信号と関連づけ
るように構成されている。

【００１８】次に、上記測定装置の動作について、図３
をも参照しながら説明する。まず、図１に示すように、
ウェーハ１の表面１ａおよび基準平面盤４の基準面４ａ
が光照射光学系８および光縮小光学系１３に対向するよ
うにセットする。この状態において、レーザ光源１０か
らのレーザ光９を二次元走査ミラー１１を用いて、所定
の角度αで、かつ、前記ウェーハ表面１ａおよび基準面
４ａを所定の間隔で二次元的に走査しながら照射する。
この走査間隔は、要求される測定データの密度によって
適宜設定される。

【００１９】前記ウェーハ表面１ａおよび基準面４ａに
おいて反射した光１４は、光縮小光学系１３で所定の径
となるように縮小され、この縮小された光１６は、ビー
ムスプリッタ１８で二つの光路１９，２０に分岐され、
第１光路１９を進む光は第１ディテクタ２１に入射し、
第２光路を進む光はｆθレンズ２２を経て第２ディテク
タ２３に入射する。

【００２０】前記ウェーハ表面１ａおよび基準面４ａに
対するレーザ光９の二次元照射によって、前記第１ディ
テクタ２１および第２ディテクタ２３からそれぞれ信号
（情報）が出力されるが、これらの信号は、レーザ光９
の走査位置と関連づけて記録される。これにより、第１
ディテクタ２１および第２ディテクタ２３のそれぞれに
おいて入射した光のディテクタ上での位置は、入射した
光がウェーハ１上で反射した位置と角度とにより決ま
り、第２ディテクタ２３での位置は、入射した光の確度
で決まる。以下、これについて、図３をも参照しながら
説明する。

【００２１】まず、第２ディテクタ２３から得られる情
報は、既に説明したように、ｆθレンズ２２との光学的
関係から、ウェーハ１における反射光１４の傾きであ
る。一方、第１ディテクタ２１から得られる情報は、前
記反射光１４の位置も含んでいる。したがって、前記両
ディテクタ２１，２３からの情報に基づいて演算するこ
とにより、反射光１４の反射点位置が一義的に定められ
る。すなわち、第１ディテクタ２１上の入射点（光点）
が同じであっても、光の傾きが異なれば、反射点の位置
または傾きが異なる。逆に、反射光１４の傾きと入射光
１４の位置（傾きは一定として）が分かれば、反射面の
位置と傾きが分かる。

【００２２】図３は、第１ディテクタ２１に入射する反
射光を模式的に表すもので、この図３において、ある平
行光３２が反射点３３において反射した平行光３４が第
１ディテクタ２１上の点３５に入射したとする。このと
き、同じ点３５に入射した光であっても、光軸と平行で
なくある角度ηで入射した光は、前記反射点３３におい
て反射したのではなく、前記平行光３４と点３５におい
て角度ηをなす線３６と前記光３２を直線的に延長して
交わった点３７において反射したものである。

【００２３】そして、平行光３２が反射点３３において
反射しても、その反射点３３が仮想線３３’で示すよう
に傾いていた場合には、第１ディテクタ２１において前
記点３５と異なる位置に入射する。

【００２４】このように、第２ディテクタ２３から得ら
れるウェーハ１における反射光１４の傾きと、第１ディ
テクタ２１から得られ反射光１４の位置とによって反射
光１４の反射点の位置およびその反射点の傾きが判る。
したがって、ウェーハ表面１ａに対してレーザ光９を二
次元的に走査しながら照射することにより、ウェーハ表
面１ａにおける高さ位置および傾き（図１において、ウ
ェーハ１のＸ−Ｘ方向における傾き）が判る。

【００２５】上述のように、レーザ光９をウェーハ表面
１ａに照射し、そのとき生ずる反射光１４を二つのディ
テクタ２１，２３に入射し、これらのディテクタ２１，
２３の出力からウェーハ表面１ａ全面における高さ状
態、つまり、平坦度を得ることができる。このとき、基
準面４ａについても、同様に平坦度が測定される。

【００２６】次に、回動機構６を動作させて、ウェーハ
１および基準平面盤４を、それらの裏面１ｂ，４ｂが光
照射光学系８および光縮小光学系１３に対向するように
セットし、上記と同様に、レーザ光源１０からのレーザ
光９を二次元走査しながら照射する。なお、このとき、
基準平面盤４では、第１平面４ａにおいてレーザ光９は
反射する。つまり、この場合、基準平面盤４において
は、ウェーハ表面１ａの測定と同様に基準面４ａが測定
されることになる。

【００２７】前記ウェーハ裏面１ｂおよび基準面４ａ
（厳密には、基準面４ａの裏面側）において反射した光
１４は、光縮小光学系１３で所定の径となるように縮小
され、この縮小された光１６は、ビームスプリッタ１８
で二つの光路１９，２０に分岐され、第１光路１９を進
む光は第１ディテクタ２１に入射し、第２光路を進む光
はｆθレンズ２２を経て第２ディテクタ２３に入射す
る。

【００２８】このウェーハ裏面１ｂ側へのレーザ光９の
照射に基づいて得られる第１ディテクタ２１および第２
ディテクタ２３の出力を、上述のように処理することに
より、ウェーハ裏面１ｂ全面における高さ状態、つま
り、平坦度を得ることができる。そして、基準面４ａに
ついては、ウェーハ表面１ａの測定のときと同じ基準面
４ａを測定しているので、この基準面４ａの高さを基準
にとることにより、ウェーハ１の表面１ａおよび裏面１
ｂを、同じ基準をもとにして比較することができる。す
なわち、ウェーハ１の厚みおよびその分布を絶対値とし
て得ることができる（正確には、基準面４ａを構成する
アルミ蒸着膜厚分ずれるが）。

【００２９】ところで、ウェーハ１の表面１ａ（または
裏面１ｂ）に入射するレーザ光９の角度（図１における
角度α）が小さいほど二次元方向での分解能が低くな
り、高さ方向における分解能は高くなる。逆に、前記角
度αが大きいと、二次元方向での分解能が高くなり、高
さ方向における分解能は低くなる。したがって、その検
査目的や用途に応じて、ウェーハ１の表面１ａ（または
裏面１ｂ）に入射するレーザ光９の角度αを決定する必
要がある。

【００３０】上述したように、この発明の測定装置にお
いては、コヒーレントなレーザ光９をウェーハ１に対し
て二次元的に照射して、そのとき得られる反射光を二つ
のディテクタ２１，２３によって検出し、この反射光の
位置と光軸に対する傾きを求めることにより、これらの
データに基づいてウェーハ１の両面１ａ，１ｂにおける
平坦度およびウェーハ１の厚みおよびその分布が同時に
得られる。

【００３１】そして、上記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や厚み測定を行うも
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。

【００３２】なお、上述の実施の形態においては、ウェ
ーハ１のＸ−Ｘ方向における傾きの検出について説明し
ているが、この発明はこれに限られるものではなく、前
記Ｘ−Ｘ方向と垂直な方向、つまり、ウェーハ１の紙面
に垂直な方向における傾きについても同様にして検出す
ることができる。

【００３３】また、ディテクタ２１，２３としてＰＳＤ
（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ）を用いてもよい。

【００３４】そして、上述の実施の形態においては、ウ
ェーハ１の両面１ａ，１ｂが鏡面であったが、これらが
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性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。

【００３５】さらに、上述の実施の形態においては、光
照射光学系８および光縮小光学系１３を、ウェーハ１お
よび基準平面盤４の一方の面側にのみ設け、ウェーハ１
および基準平面盤４を回転するようにしているが、前記
光学径８，１３をウェーハ１および基準平面盤４の両側
に設けようにしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】この発明の測定装置によれば、ウェーハ
の両面における平坦度とウェーハの厚みとを同時に精度
よく測定することができる。そして、上記測定装置によ
れば、要求される分解能に応じて面方向ディジタルの分
解能を設定して測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のウェーハの平坦度および厚み測定装
置の構成の一例を概略的に示す図である。

【図２】前記装置において用いるｆθレンズの働きを説
明するための図である。

【図３】前記装置の測定原理を概略的に説明するための
図である。

【符号の説明】 １…ウェーハ、１ａ，１ｂ…ウェーハの平面、４…基準
平面盤、４ａ，４…基準平面盤の平面、７…鉛直な軸、
９…レーザ光、１４…反射光、１９…第１光路、２０…
第２光路、２１…第１ディテクタ、２２…ｆθレンズ、
２３…第２ディテクタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA19 AA24 AA30 AA35 AA47 AA51 BB03 BB25 CC19 DD00 FF61 FF65 GG04 HH03 HH12 JJ01 JJ05 JJ08 JJ16 JJ26 LL00 LL04 LL05 LL10 LL13 LL46 LL62 MM04 MM16 PP11 PP13 QQ28 4M106 AA01 BA05 CA24 CA48 DH03 DH12 DH32 DH39 DJ02 DJ06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェーハおよび基準平面盤をそれらの平
   面が鉛直となるように保持し、前記平面に対してレーザ
   光を二次元的に走査しながら所定の角度で照射し、その
   とき前記平面において生ずる反射光をその径が小さくな
   るように収束した後、二つの光路に分岐し、第１光路に
   前記反射光の入射位置を検出する第１ディテクタを設
   け、第２光路にｆθレンズおよびこのｆθレンズの焦点
   位置に検出面を有する第２ディテクタを設け、前記ウェ
   ーハの表面および基準平面盤の基準面にレーザ光を照射
   したときに前記両ディテクタから得られる出力と、前記
   ウェーハの裏面および前記基準面にレーザ光を照射した
   ときに前記両ディテクタから得られる出力とに基づい
   て、前記ウェーハの両面における平坦度およびウェーハ
   の厚みを同時に得ることができるようにしたことを特徴
   とするウェーハの平坦度および厚み測定装置。
2. 【請求項２】 ウェーハおよび基準平面盤を鉛直な軸回
   りで回転できるようにしてなる請求項１に記載のウェー
   ハの平坦度および厚み測定装置。