DE19826319A1

DE19826319A1 - Optische Vorrichtung zur Messung von Profilen eines Wafers

Info

Publication number: DE19826319A1
Application number: DE19826319A
Authority: DE
Inventors: Kohzo Abe; Nobuaki Iguchi
Original assignee: Super Silicon Crystal Research Institute Corp; Kuroda Precision Industries Ltd
Current assignee: Kuroda Precision Industries Ltd
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-06-12
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2018-06-13
Also published as: JPH112512A; US5995226A; DE19826319B4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung, die eine Hochge schwindigkeitsmessung von Profilen von beiden Seiten eines Wafers sowie einer Ebenheit eines Wafers ermöglicht.

Eine Ebenheit eines Wafers wurde bislang entweder mit einem optischen Verfah ren, das Interferenzmuster verwendet, oder einem physikalischen Verfahren, welches Versetzungs- bzw. Auslenkungssensoren zum Scannen bzw. Abtasten bzw. Abrastern beider Seiten des Wafers verwendet, gemessen. Der Ausdruck "Ebenheit" in dieser Beschreibung bezeichnet eine Verteilung einer Dicke, die als eine Verteilung einer Höhe von einer Oberfläche zu der anderen Oberfläche des Wafers, welche als eine ideale flache Ebene angenommen wird, berechnet wird.

In dem herkömmlichen optischen Verfahren wird eine Ebenheit aus Interferenz mustern berechnet, welche zwischen einer Referenzebene einer optischen Linse und der Oberfläche eines Wafers auftreten. Das Verfahren ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsmessung, verwendet aber ein Unterdruckhaltemittel zum Halten des Wafers. Wenn der Wafer an das Unterdruckhaltemittel angebracht wird, wird seine an das Unterdruckhaltemittel angezogene Rückseite höchst wahrscheinlich deformiert. Eine Deformation der Rückseite des Wafers kann sich als Fehler in Meßergebnissen auswirken, so daß die Ebenheit des Wafers nicht mit hoher Genauigkeit erhalten werden kann. Unvorteilhafterweise können außerdem Halte- bzw. Ansaugfehler auf der Rückseite des Wafers mit hoher Wahrscheinlichkeit gebildet werden, da der Wafer in direkten Kontakt mit dem Unterdruckhaltemittel gehalten wird.

Eine Verwendung von Interferenzmustern, die aus von beiden Seiten eines Wafers zur Detektion einer Ebenheit eines Wafers reflektierten Lichtbündeln bzw. -strahlen erzeugt werden, ist in der japanischen Patentanmeldungsoffenlegungs schrift 1-143906 offenbart. In diesem Verfahren werden von einer Lichtquelle abgestrahlte Lichtstrahlen mit einem Strahlteiler in einen Transmissionsstrahl bzw. -strahlen und Reflexionsstrahl bzw. -strahlen, die von beiden Seiten eines Wafers reflektiert werden, aufgeteilt und nachfolgend in Lichtdetektoren einge führt. Optische Interferenzmuster treten in Abhängigkeit eines Unterschieds bzw. einer Differenz eines optischen Wegs zwischen dem Transmissions- und Reflex ionsstrahl bzw. -strahlen auf.

In dem physikalischen Verfahren, welches Versetzungssensoren verwendet, wird eine Abweichung einer Dicke eines Wafers auf der Basis von Signalen berechnet, die von Versetzungssensoren des Kapazitätstyps detektiert werden, welche auf beiden Seiten des Wafers vorgesehen sind, um eine Ebenheit des Wafers zu detektieren, wobei eine Rückseite des Wafers als eine ideal flache Ebene an genommen wird. Beispielsweise offenbart die japanische Patentveröffentlichung Nr. 5-77179 Versetzungssensoren, die beiden Seiten eines Wafers zur Erstellung von Abweichungssignalen jedes Teils des Wafers, der gedreht wird, zugewandt sind.

Das Versetzungssensoren verwendende physikalische Verfahren wurde bislang häufig zur Detektion einer Ebenheit eines Wafers eingesetzt, da eine Messung mit hoher Reproduzierbarkeit durchgeführt wird, ohne daß Defekte bzw. Fehler durch ein Unterdruckhaltemittel verursacht werden. Jedoch muß sich notwendi gerweise der Wafer zum Scannen bzw. Abtasten wegen eines kleinen Meßkopfs bzw. -spitze des Versetzungssensors drehen, wodurch das Scannen der ge samten Oberfläche des Wafers eine lange Zeit beansprucht. Nachdem ein an ein Unterdruckhaltemittel angezogener Teil des Wafers gescannt worden ist, wird der Wafer nochmals eingespannt bzw. gehalten und nachfolgend wird eine Sensorbewegung in einem Schwingungsmodus zum Scannen des Teils, der an das Unterdruckhaltemittel gehaltenen wurde, geändert, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 5-77179 offenbart ist. Das erneute Einspannen bzw.

Halten verlängert die insgesamte Meßzeit und erfordert aufwendige Arbeiten.

Während einer Messung wird der Wafer gedreht. Aufgrund der Drehung kommen beide Seiten des Wafers in Berührung mit einer großen Luftmenge, so daß der Wafer der Anhaftung von in der Luft suspendierten Teilchen bzw. Partikel ausgesetzt ist. Außerdem werden Teilchen von dem Unterdruckhaltemittel zu der Rückseite des Wafers transferiert. Eine Anhaftung von Teilchen hat einen un vorteilhaften Einfluß auf die Meßergebnisse.

Wenn ein Wafer mit Versetzungssensoren gescannt wird, wird ein äußerer Teil des Wafers nicht dem Scannvorgang ausgesetzt, um den Eintrag von Rand effekten in Detektionssignale zu vermeiden. Folglich wird der äußere Teil des Wafers als eine nicht meßbare Zone behandelt, was in einer Reduktion eines meßbaren Oberflächenteils resultiert.

Zur Messung wird ein Wafer durch Anziehen seiner rückseitigen Zentrums an ein Unterdruckhaltemittel gehalten. Aufgrund von diesem Haltemittel werden die Meßergebnisse mit hoher Wahrscheinlichkeit aufgrund von Gravitation durch Veränderung bzw. Vergrößerung der Abmessung des Wafers beeinflußt. Eine Deformation des Wafers an seiner Peripherie bzw. Rand wird oft als Fehler in Meßergebnisse eingetragen.

Durch ein Halten eines Wafers mit einem Unterdruckhaltemittel verursachte Fehler werden durch ein optisches Verfahren der Messung einer Ebenheit eines Wafers in einem von Haltekräften freien Zustand eliminiert, wie in der japa nischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift 1-143906 offenbart ist. Gemäß diesem Verfahren wird eine Messung in einfacher Weise in kurzer Zeit durch geführt, da die Ebenheit aus Interferenzmustern berechnet wird. Jedoch werden die Interferenzmuster, die zwischen transmittierten und reflektierten Lichtbündeln bzw. -strahlen auftreten, welche von beiden Seiten des Wafers reflektiert wer den, zur Berechnung der Ebenheit verwendet. Folglich wird die Ebenheit lediglich aufgrund von Interferenzmustern beurteilt, aber eine Undulation oder Inklination bzw. Neigung des Wafers, welche nicht mit einer Dickenabweichung verbunden sind, können nicht detektiert werden. Zusätzlich fließen mit hoher Wahrschein lichkeit Anlagerungen von in der Luft schwebenden Teilchen, eine Positionierung eines Wafers, eine Baumaßgenauigkeit von verschiedenen Teilen einer Meßvor richtung usw. als Fehler in die Meßergebnisse aufgrund eines langen Lichtweges ein, welcher für ein Auftreten von Interferenzmustern notwendigerweise vorhan den bzw. ausgelegt sein muß.

Die Erfindung zielt auf eine schnelle, präzise Vermessung eines Wafers.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine schnelle und präzise Vermessung von Profilen von beiden Seiten eines Wafers aufgrund zweier zugeordneter Interfe renzmuster zu ermöglichen, ohne die Bildung von Defekten bzw. Fehlern oder einer Anhaftung von Teilchen.

Die erfindungsgemäße Kontur- bzw. Profilmeßvorrichtung sieht ein Paar von optischen Systemen an Positionen vor, die beiden Seiten eines, an seinem Rand vertikal gehaltenen Wafers zugewandt sind.

Jedes System umfaßt eine Lichtquelle zum Abstrahlen eines Meßlichtbündels bzw. -strahls einer Sammel- bzw. Kollimatorlinse zum Kollimieren des Meßlicht strahls in einen kollimierten Bündel bzw. Strahl, eine (optische) Planglasplatte zum Transmittieren des kollimierten Meßstrahls, einem Lichtdetektor zum Auf nehmen der Meßstrahlen, die von einer Fläche bzw. Oberfläche des Wafers und einer Referenzebene der Planglasplatte reflektiert und durch die Kollimatorlinse zurückgeleitet werden, und einen Computer zur Verarbeitung von Interferenzmu stern, die zwischen den zwei von der Referenzebene der Planglasplatte und von der Oberfläche des Wafers reflektierten Lichtstrahlen auftreten. Sowohl Profile von beiden Seiten des Wafers als auch eine Ebenheit des Wafers werden aus den beiden Seiten des Wafers zugeordneten Interferenzmustern berechnet.

Dreieckige bzw. dreikantige Prismen können anstelle der Planglasplatten verwen det werden. In diesem Fall treten beiden Seiten eines Wafers zugeordnete Interferenzmuster zwischen Referenzebenen der dreieckigen Prismen und beiden Seiten des Wafers auf. Ein Computer kann zur Verarbeitung von beiden Seiten des Wafers zugeordneten Interferenzmustern verwendet werden, anstelle von zwei Computern, die jeweilig an den Systemen bereitgestellt sind. Eine Anzahl von bildverarbeiteten bzw. bildanalysierenden Computern wird vorzugsweise aufgrund von sowohl einer Bilddatenmenge als auch einer Verarbeitungsge schwindigkeit bestimmt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beispielhaft be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Profilmeßvorrichtung, die erfin dungsgemäße Planglasplatten verwendet;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Profilmeßvorrichtung, die erfin dungsgemäße Dreikantprismen verwendet;

Fig. 3 einen Graph von Profilen von sowohl Haupt- und Rückflächen als auch eine Ebenheit eines Wafers, die aus Interferenzmustern be rechnet worden sein; und

Fig. 4 einen Graph von Profilen von sowohl Haupt- und Rückflächen als auch eine Ebenheit eines anderen Wafers.

In der erfindungsgemäßen optischen Profilmeßvorrichtung wird eine Scheibe bzw. Wafer 1 an seinem Rand bzw. seiner Kante durch geeignete Mittel vertikal gehalten bzw. gestützt zum Messen von Konturen bzw. Profilen und einer Flachheit bzw. Ebenheit, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Aufgrund der vertikalen Halterung verbleibt der zu vermessende Wafer 1 in einem freien bzw. entspann ten Zustand, der frei von Einschränkungen bzw. Kräften durch Trag- bzw. Haltemittel, wie beispielsweise ein Unterdruckhaltemittel bzw. -spannvorrich tung, ist. Außerdem ist die vertikale Halterung zur Vermessung von im wesentli chen der gesamten Fläche bzw. Oberfläche des Wafers 1 geeignet, da es keinen durch Haltemittel verursachten nicht meßbaren Flächen- bzw. Oberflächenteil gibt.

Optische Meßsysteme 10, 20 sind auf beiden Seiten des Wafers 1 vorgesehen. Eine Lichtquelle 11, 21 in jedem optischen Meßsystem 10, 20 strahlt ein Meß lichtbündel bzw. -strahl 12, 22 ab. Jedes Lichtbündel bzw. -strahl 12, 22 der Lichtquelle 11, 21 wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel 13, 23 zu einer Kollimator- bzw. Sammellinse 14, 24 und nachfolgend als ein kollimierter bzw. gebündelter Strahl bzw. Bündel durch eine (optische) Planglasplatte 15, 25 geleitet, um auf beide Seiten des Wafers 1 aufzutreffen. Der Lichtstrahl 12, 22 wird von der Oberfläche des Wafers und außerdem teilweise von einer Referenz ebene der Planglasplatte 15, 25 reflektiert.

Der von der Oberfläche des Wafers 1 reflektierte Meßlichtstrahl 12, 22 läuft gemeinsam mit dem von der Referenzebene der Planglasplatte 15, 25 reflektier ten Lichtstrahl 12, 22 durch die optische Planglasplatte 15, 25 und die Kollima torlinse 14, 24 entlang dem umgekehrten Weg zurück, wird von dem halbdurch lässigen Spiegel 13, 23 reflektiert und nachfolgend in jeden Lichtdetektor 16, 26 eingeführt.

Der Lichtpfad bzw. -weg des von beiden Seiten des Wafers reflektierten Licht strahls 12, 22 unterscheidet sich in einer Länge von dem von den Referenz ebenen der Planglasplatten 15, 25 reflektiertem Lichtstrahl 12, 22. Da der Unterschied bzw. die Differenz zwischen den Lichtwegen Profilen bzw. Konturen des Wafers 1 auf seinen beiden Seiten entspricht, treten Interferenzmuster zwischen beiden Lichtstrahlen auf, die von den Oberflächen des Wafers 1 und von den Referenzebenen der Planglasplatten 15, 25 reflektiert werden. Folglich können Profile von Haupt- und Rückfläche bzw. -oberfläche des Wafers 1 aus den Interferenzmustern berechnet werden.

Die Lichtquellen 11, 21 und Lichtdetektoren 16, 26 sind mit Computern 17, 27 verbunden, die mit Monitoren 18, 28 ausgestattet sind. Beide der Interferenzmu ster, die zwischen den Referenzebenen der Planglasplatten 15, 25 und beiden Seiten des Wafers 1 aufgetreten sind, werden gleichzeitig den Computern 17, 27 zugeführt bzw. in diese eingegeben. Profile der Haupt- und Rückfläche des Wafers 1 werden aus Eingangsdaten der Interferenzmuster berechnet und in den Computern 17, 27 gespeichert. Außerdem wird eine Ebenheit des Wafers 1 aus dem Profil der Hauptfläche berechnet, wobei die Rückfläche als eine ideale flache Ebene angenommen bzw. angesehen wird, und in den Computern 17, 27 aufge zeichnet.

Ein Schrägeinfallsverfahren, das dreieckige Prismen anstelle von Planglasplatten 15, 25 verwendet, kann eingesetzt werden, wenn ein zu vermessender Wafer relativ rauhe Flächen bzw. Oberflächen aufweist. In diesem Fall sind, wie in Fig. 2 dargestellt, optische Meßsysteme an auf beide Seiten des Wafers 1 zugewand ten Positionen vorgesehen. Jedes dreieckige Prisma 34, 44 hat eine Referenz ebene bzw. Bezugsebene, die beiden Seiten des Wafers 1 gegenüberliegen. Jedes von einer Lichtquelle 31, 41 abgestrahltes Lichtstrahl wird auf einen vorbestimmten Durchmesser durch eine Konvex- bzw. Sammellinse 32, 42 oder dergleichen aufgeweitet, durch eine Kollimatorlinse 33, 43 kollimiert bzw. gebündelt und durch das dreieckige Prisma 34, 44 geleitet.

Die Lichtstrahlen werden teilweise durch die dreieckigen Prismen 34, 44 geleitet und von beiden Seiten des Wafers 1 reflektiert, während die verbleibenden Lichtstrahlen von Referenzebenen der dreieckigen Prismen 34, 44 reflektiert werden. Die Wege der von beiden Seiten des Wafers 1 reflektierten Lichtstrahlen unterscheiden sich in einer Weglänge der Lichtstrahlen, die von den Referenz ebenen der dreieckigen Prismen 34, 44 reflektiert werden. Die Differenzlängen entsprechen Profilen von beiden Seiten des Wafers 1. Folglich treten die gleichen Interferenzmuster wie in dem in Fig. 1 gezeigten Fall aufgrund der Differenz längen auf.

Die Interferenzmuster werden auf Schirme 35, 45 geleitet bzw. abgebildet, um Bilder auf Anzeigekonsolen von TV-Kameras 37, 47 durch Linsen 36, 46 zu erstellen. Die Bilder werden als Videosignale in Computer 38, 48 eingegeben. Die Computer 38, 48 analysieren die Videosignale, um Profile des Wafers 1 zu berechnen. Die Berechnungsergebnisse werden in den Computern 38, 48 aufge zeichnet und auf Monitoren 39, 49 falls erforderlich dargestellt.

Wenn eine Ebenheit eines Wafers 1 aus zwei Interferenzmustern, die den beiden Seiten des Wafers 1 entsprechen bzw. zugeordnet sind, berechnet werden, werden auf diese Weise Meßergebnisse in einer sehr kurzen Zeitspanne erhalten, verglichen mit einem herkömmlichen Verfahren, das Auslenkungs- bzw. Verset zungssensoren verwendet. Weiterhin wird außerdem eine Kuryenwelle bzw. Undulation und eine Neigung bzw. Inklination des Wafers 1 aus Profilen von haupt- und rückseitiger Oberfläche bzw. Haupt- und Rückfläche des Wafers 1 detektiert.

Die Messung wird selbst für den Fall eines großflächigen Wafers mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren in einer kurzen Zeitspanne vervollständigt bzw. abge schlossen. Beispielsweise ist eine Zeit von 30 sec oder kürzer ausreichend, um einen Wafer von 400 mm Durchmesser zu vermessen bzw. zu prüfen, wobei Einbauen, Ausrichten und Ausbauen beinhaltet sind. Ein Durchsatz wird auf mehr als 100 Wafer/Stunde durch eine Kombination einer Meßvorrichtung mit einer Vielzahl von Bildverarbeitungs- bzw. Bildanalysecomputern geschätzt.

Da ein Wafer an seinem Rand während der Messung vertikal gehalten wird, wird eine durch Gravitation verursachte Deformation des Wafers nicht in die Meß ergebnisse eingehen und die Bildung bzw. Entstehung von Fehlern wird auf beiden Seiten des Wafers verhindert. Ein Fand bzw. Kante des Wafers kann einfach durch Beobachtung der Interferenzmuster erkannt werden, so daß im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Wafers der Messung zugänglich ist, ohne einen nicht meßbaren Teil nahe des Randes des Wafers 1, wie in herkömm lichen Verfahren, die Versetzungssensoren verwenden. Weiterhin wird die Anhaftung von Teilchen aus der Luft an den Wafer vermindert, da der Wafer während der Messung in einem statischen Zustand gehalten wird.

Beispiel

Ein polierter, einkristalliner Siliziumwafer mit 725 µm durchschnittlicher Dicke und 200 mm Durchmesser wurde einer Profilmessung mit der in Fig. 1 ge zeigten Vorrichtung unterzogen.

Ein Querschnitt des Wafers 1 wurde aus beiden Seiten des Wafers 1 zugeordne ten Interferenzmustern berechnet. Berechnungsergebnisse stellten Abweichun gen einer Höhe der haupt- und rückseitigen Oberfläche des Wafers 1 dar, wie jeweilig in dem oberen und mittleren Graphen von Fig. 3 gezeigt ist. Eine Höhe H1 der hauptseitigen Oberfläche bzw. Hauptoberfläche wurde in eine Ebenheit F (= H2 + H1) konvertiert, wobei eine Höhe H2 der rückseitigen Oberfläche bzw. Rückoberfläche als eine Bezugsebene angenommen wurde. Die erhaltene Eben heit F ist in dem unteren Graph von Fig. 3 dargestellt.

Ein anderer Wafer, der eine kleine Inklination bzw. Neigung aufwies, wurde in der gleichen Weise untersucht. Ergebnisse sind als Profile von haupt- und rück seitiger Oberfläche in Fig. 4 dargestellt. Wenn die beiden Profile zusammen genommen wurden, um eine Ebenheit zu berechnen, wurde festgestellt, daß der Wafer eine Ebenheit aufwies, die entlang einer Richtung geneigt war bzw. schräg verlief.

Es dauerte nur 15 sec., um Arbeitsschritte zur Messung eines Wafers, die Einbauen, Ausrichten und Ausbauen beinhalteten, zu vervollständigen. Auf diese Weise erhaltene Ebenheitsdaten waren extrem präzise mit einer hohen Verläss lichkeit, verglichen mit einem herkömmlichen Verfahren, das Versetzungssensoren verwendet. Im Gegensatz dazu benötigte das herkömmliche Verfahren ungefähr 1.5 min. zur Messung einer Ebenheit eines Wafers mit gleicher Größe und war nicht fähig, Profile von haupt- und rückseitiger Oberfläche des Wafers zu detek tieren.

Wie zuvor beschrieben, werden gemäß der Erfindung Interferenzmuster, die beiden Seiten eines Wafers zugeordnet sind, zur Detektion von Profilen von haupt- und rückseitiger Oberfläche eines Wafers sowie seine Ebenheit verwen det. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt nicht nur eine schnelle Messung einer Ebenheit eines Wafers in einer sehr kurzen Zeitspanne verglichen mit einem herkömmlichen Verfahren, welches Versetzungssensoren verwendet, sondern ermöglicht außerdem eine Detektion von Profilen von haupt- und rückseitiger Oberfläche des Wafers. Meßergebnisse werden mit großer Genauigkeit erlangt, da der Wafer in einem statischen Zustand frei von der Einwirkung der Gravitation gehalten wird. Die vertikale Halterung ist außerdem zum Schutz des Wafers vor einer Bildung von Fehlern bzw. Defekten oder einer Anhaftung von Teilchen wirksam.

Claims

1. Optische Vorrichtung zur Messung von Profilen eines Wafers mit einem Paar von optischen Meßsystemen, die an Positionen bereitgestellt sind, die auf jeweils eine unterschiedliche von beiden Seiten eines an seinem Rand vertikal gehaltenen Wafers ausgerichtet sind, wobei jedes der opti schen Meßsysteme umfaßt:
eine Lichtquelle zum Abstrahlen eines Meßlichtstrahls;
eine Kollimatorlinse zum Einrichten bzw. Begradigen des Meßlichtstrahls in einen kollimierten Lichtstrahl;
eine Planglasplatte zum Transmittieren des kollimierten Meßstrahls;
einen Lichtdetektor zum Empfangen von zwei Meßstrahlen, wobei einer von diesen von einer Oberfläche des Wafers reflektiert und durch die Planglasplatte und die Kollimatorlinse zurückgeleitet wurde und der andere von diesen von einer Referenzebene der Planglasplatte reflektiert und durch die Kollimatorlinse zurückgeleitet wurde; und
einen Computer zur Verarbeitung von zwischen den zwei Lichtstrahlen auftretenden Interferenzmustern, wobei sowohl Profile von haupt- und rückseitiger Fläche als auch einer Ebenheit des Wafers aus diesen, den beiden Seiten des Wafers zugeordneten Interferenzmustern berechnet werden.

2. Optische Vorrichtung zur Messung von Profilen eines Wafers mit einem Paar von optischen Meßsystemen, die an Positionen bereitgestellt sind, die auf jeweils eine unterschiedliche von beiden Seiten eines an seinem Rand vertikal gehaltenen Wafers ausgerichtet sind, wobei jedes der opti schen Meßsysteme umfaßt:
eine Lichtquelle zum Abstrahlen eines Meßlichtstrahls;
eine Kollimatorlinse zum Einrichten bzw. Begradigen des Meßlichtstrahls in einen kollimierten Strahl;
ein dreieckiges Prisma zum Transmittieren des kollimierten Lichtstrahls;
ein Lichtdetektor zum Empfangen von zwei Meßstrahlen, wobei einer von diesen von einer Oberfläche des Wafers reflektiert und durch die Planglas platte und die Kollimatorlinse zurückgeleitet worden ist und der andere von diesen von einer Referenzebene des dreieckigen Prismas reflektiert und durch die Kollimatorlinse zurückgeleitet worden ist; und
einen Computer zum Verarbeiten von Interferenzmustern, die zwischen den zwei Lichtstrahlen auftreten, wobei sowohl Profile von haupt- und rückseitiger Fläche als auch eine Ebenheit des Wafers aus den Interferenz mustern aus diesen, den beiden Seiten des Wafers zugeordneten Interfe renzmustern berechnet werden.