ITBO20130403A1 - Metodo e apparecchiatura per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto in lavorazione - Google Patents

Metodo e apparecchiatura per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto in lavorazione

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ITBO20130403A1
ITBO20130403A1 IT000403A ITBO20130403A ITBO20130403A1 IT BO20130403 A1 ITBO20130403 A1 IT BO20130403A1 IT 000403 A IT000403 A IT 000403A IT BO20130403 A ITBO20130403 A IT BO20130403A IT BO20130403 A1 ITBO20130403 A1 IT BO20130403A1
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:
“METODO E APPARECCHIATURA PER IL CONTROLLO OTTICO MEDIANTE INTERFEROMETRIA DELLO SPESSORE DI UN OGGETTO IN LAVORAZIONEâ€
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo e ad una apparecchiatura per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto in lavorazione.
La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione nel controllo ottico mediante interferometria dello spessore di oggetti in lavorazione aventi caratteristiche strutturali, ad esempio l’entità dello spessore stesso, e/o una particolare composizione chimica, tali da implicare un elevato assorbimento delle radiazioni luminose, ad esempio fette o wafer di materiale semiconduttore altamente drogato (tipicamente silicio, in una regione del quale viene aggiunta un’alta concentrazione di un elemento chimico differente, detto drogante, quale ad esempio il fosforo), cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità.
ARTE ANTERIORE
I materiali semiconduttori vengono largamente utilizzati per realizzare circuiti integrati o dispositivi elettronici. Ad esempio, una fetta di materiale semiconduttore può essere lavorata per ricavarne micro-sistemi elettromeccanici o MEMS (acronimo del corrispondente nome inglese Micro-Electro-Mechanical Systems). Allo scopo di aumentare la conducibilità in predeterminate regioni del materiale semiconduttore si utilizza un processo detto drogaggio, che consiste nell’aumentare il numero di cariche elettriche libere all’interno di tali predeterminate regioni inserendovi un elemento chimico, quale ad esempio il fosforo, che prende il nome di drogante. Affinché il materiale semiconduttore assuma proprietà elettriche del tutto simili a quelle di un metallo, in corrispondenza delle predeterminate regioni da drogare la quantità di drogante deve essere molto elevata, tale che la conducibilità elettrica risulti dell’ordine di 1000 (Ω·cm)-1. Si parla in questo caso di materiale semiconduttore degenere o altamente drogato.
Di norma à ̈ necessario che la fetta di materiale semiconduttore, che sia o meno altamente drogato, venga lavorata meccanicamente mediante rettifica e lucidatura per ottenere uno spessore uniforme e pari ad un valore desiderato; in questa fase, à ̈ necessario controllare lo spessore della fetta in lavorazione per garantire di ottenere con precisione il valore desiderato.
Le tecniche note per controllare lo spessore di una fetta di materiale semiconduttore sfruttano tecnologie diverse e sono principalmente di due tipi. Una prima tecnica nota à ̈ di tipo a contatto e prevede di utilizzare una o più teste comparatrici con tastatori meccanici che toccano una superficie superiore della fetta in lavorazione e ne rilevano le variazioni di quota ad esempio rispetto ad una superficie di riferimento. Questa tecnica, tuttavia, può danneggiare la fetta di materiale semiconduttore durante il controllo a causa del contatto con i tastatori meccanici, e non consente di controllare spessori molto sottili (tipicamente inferiori a 100 Î1⁄4m).
Altre tecniche note per il controllo dello spessore di una fetta di materiale semiconduttore, di tipo senza contatto, prevedono di utilizzare sonde capacitive, induttive (a correnti parassite o altro), o ad ultrasuoni. Queste tecniche non danneggiano, durante il controllo, la fetta di materiale semiconduttore, ma presentano dei vincoli sia nell’intervallo di dimensioni controllabili, sia nella massima risoluzione ottenibile.
Bisogna inoltre considerare che, particolarmente quando la fetta di materiale semiconduttore à ̈ molto sottile, essa viene applicata sopra uno strato di supporto (tipicamente in materiale plastico o in vetro) che ha la funzione di conferire una maggiore robustezza meccanica e quindi una più facile manipolabilità. Le tecniche note, a contatto e non a contatto, che controllano una variazione di quota della superficie lavorata rispetto ad una superficie di riferimento, sono in grado di fornire indicazioni sullo spessore complessivo dell’oggetto (materiale semiconduttore e strato di supporto) ma non consentono di ottenere con sufficiente accuratezza il controllo dello spessore della fetta di materiale semiconduttore, poiché quello del supporto non à ̈ noto in modo sufficientemente preciso.
Per superare i limiti delle tecniche note citate vengono utilizzate sonde ottiche associate a controlli interferometrici. Ad esempio, la domanda di brevetto europeo pubblicata con il numero EP2174092A1 descrive un metodo e un apparato per il controllo ottico dello spessore di una fetta di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, avente uno o più strati. Tale apparato comprende una sonda ottica disposta affacciata alla fetta di silicio in lavorazione e collegata ad un accoppiatore ottico. Allo stesso accoppiatore ottico sono inoltre connessi una sorgente luminosa che emette un fascio di luce a bassa coerenza in un intervallo di lunghezze d'onda nella regione del vicino infrarosso (in quanto il silicio à ̈ sufficientemente trasparente alle radiazioni infrarosse), e uno spettrometro mediante il quale viene analizzato lo spettro di composizioni con interferenza delle radiazioni riflesse dalla superficie esterna e da superfici di discontinuità ottica interne all’oggetto lavorato, in particolare da quella che separa la fetta di silicio dallo strato di supporto, e più in generale, in presenza di una fetta comprendente diversi strati, anche da altre superfici di discontinuità. Da tale analisi à ̈ possibile determinare lo spessore dello o degli strati otticamente omogenei attraversati dalle radiazioni stesse. Le regioni della fetta di silicio nelle quali la conducibilità à ̈ aumentata in conseguenza dell’alto drogaggio diventano meno trasparenti alla radiazioni luminose in generale, e a quelle infrarosse nello specifico. Infatti, le cariche elettriche libere inserite per mezzo del drogaggio nel materiale, da una parte aumentano la conducibilità di quest’ultimo, dall’altra ne riducono la trasparenza alle radiazioni luminose attraverso meccanismi di assorbimento e riflessione (l’aumento del numero di elettroni liberi accresce in particolare il fenomeno della riflessione). Questo fenomeno à ̈ noto e descritto ad esempio nella memoria “Optical absorption in heavily doped silicon†di P. E. Schmid (Physical Review B, Volume 23, Number 10, 15 May 1981). Dunque, la tecnica nota basata sul controllo interferometrico à ̈ limitata da questa riduzione di trasparenza e non consente di controllare spessori di fette di silicio altamente drogato maggiori di un certo valore, che varia con il livello di drogaggio (ad esempio, 100 Î1⁄4m per un drogaggio tale per cui la conducibilità elettrica risulti dell’ordine di 1000 (Ω·cm)-1). La lavorazione di oggetti di questo tipo non può pertanto essere controllata opportunamente in tempo reale, in particolar modo nella fase iniziale, cioà ̈ quando l’entità dello spessore à ̈ verosimilmente molto maggiore del valore finale desiderato. L’impossibilità di verificare il procedere della lavorazione e regolarne di conseguenza la velocità, almeno fino ad un momento non noto a priori nel quale lo spessore può essere già molto prossimo a quello finale desiderato, non garantisce un controllo sufficientemente affidabile ed accurato: il rischio à ̈ ad esempio che, se la velocità di avanzamento dell’utensile nel momento in cui diventa possibile il controllo à ̈ relativamente elevata, la lavorazione non sia correttamente arrestata al raggiungimento del valore di spessore desiderato.
DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE
Scopo della presente invenzione à ̈ realizzare un metodo e una apparecchiatura per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto in lavorazione, essendo tale metodo e tale apparecchiatura esenti dagli inconvenienti sopra descritti e, allo stesso tempo, di facile ed economica realizzazione.
Questo ed altri scopi sono raggiunti da un metodo e una apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 e la rivendicazione 10, rispettivamente.
Scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue, relativa ad una forma di attuazione preferita dell’invenzione, riportata solo a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Un metodo e una apparecchiatura per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto in lavorazione secondo l’invenzione saranno ora descritti con riferimento ai disegni annessi, dati a solo scopo esemplificativo e non limitativo, nei quali
- la figura 1 Ã ̈ una vista schematica e con parti asportate per chiarezza di una apparecchiatura per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di una fetta di materiale semiconduttore;
- la figura 2 à ̈ una vista schematica ingrandita ed in sezione laterale della fetta di materiale semiconduttore di figura 1, che illustra concettualmente una fase di controllo secondo l’invenzione;
- la figura 3 à ̈ una vista schematica ed in sezione laterale della fetta di materiale semiconduttore durante una fase di controllo di per sé nota; - la figura 4 à ̈ una vista schematica ed in sezione laterale della fetta di materiale semiconduttore, in cui tale fetta ha uno spessore maggiore che in figura 3;
- le figure 5a e 5b sono due grafici che mostrano, rispettivamente, lo spettro della composizione con interferenza di radiazioni riflesse da due differenti superfici di discontinuità ottica, e la relativa trasformata di Fourier in funzione della lunghezza del cammino ottico;
- le figure 6a e 6b sono due grafici che mostrano, rispettivamente, lo spettro della composizione con interferenza di radiazioni riflesse da tre differenti superfici di discontinuità ottica, e la relativa trasformata di Fourier in funzione della lunghezza del cammino ottico;
- le figure 7a e 7b sono, rispettivamente, una vista schematica ingrandita ed in sezione laterale di una fetta con due strati di materiale semiconduttore, e la trasformata di Fourier in funzione della lunghezza del cammino ottico dello spettro della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse dalle superfici di discontinuità ottica di suddetta fetta, che illustrano concettualmente un dato istante del controllo secondo una particolare attuazione dell’invenzione;
- le figure 8a e 8b sono, rispettivamente, una vista schematica ingrandita ed in sezione laterale di una fetta con due strati di materiale semiconduttore, e la trasformata di Fourier in funzione della lunghezza del cammino ottico dello spettro della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse dalle superfici di discontinuità ottica di suddetta fetta, che illustrano concettualmente un istante del controllo secondo una particolare attuazione dell’invenzione, essendo tale istante successivo al dato istante riferito dalle figure 7a e 7b.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 à ̈ indicata nel suo complesso una apparecchiatura per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto 2, costituito da una fetta di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, altamente drogato, in lavorazione su una macchina utensile che comprende un telaio A e almeno un utensile mobile C, ad esempio una mola atta a ruotare in un verso di rotazione e a muoversi per mezzo di un sistema di movimentazione, in particolare avanzare verso l’oggetto lungo una direzione di lavorazione B. Secondo la forma di attuazione illustrata nella figura 1, che comprende caratteristiche di per sé note, la fetta 2 di silicio altamente drogato à ̈ fissata ad uno strato di supporto 3 (tipicamente in materiale plastico o in vetro) che ha la funzione di conferire una maggiore robustezza meccanica e quindi di rendere la fetta 2 più facilmente manipolabile. Un pezzo comprendente la fetta 2 di silicio e lo strato di supporto 3 à ̈ posizionato su un supporto E, solidale al telaio A, atto a ruotare in un predeterminato verso opposto al verso di rotazione della mola C, trasmettendo il movimento al pezzo stesso, posto ad una quota fissa.
L’apparecchiatura 1 comprende una sorgente di radiazioni 4, atta ad emettere radiazioni, ad esempio un fascio di radiazioni, in un intervallo di lunghezze d'onda nella regione dell’infrarosso (in quanto il silicio risulta sufficientemente trasparente a tali lunghezze d'onda) a bassa coerenza, uno spettrometro 5, atto ad analizzare uno spettro di radiazioni riflesse da superfici di discontinuità ottica che delimitano uno o più strati otticamente omogenei, e una unità di elaborazione 10 connessa allo spettrometro 5 e in grado di ricevere lo spettro analizzato da quest’ultimo per elaborarlo mediante alcuni passaggi matematici, di per sé noti. In particolare, effettuando una trasformazione secondo l’analisi di Fourier in funzione della frequenza e conoscendo l’indice di rifrazione del silicio, l’unità di elaborazione 10 à ̈ in grado di trasformare lo spettro analizzato che ha ricevuto dallo spettrometro 5 ed elaborare sulla base di tale spettro trasformato informazioni relative allo spessore della fetta 2 l, cioà ̈ di controllare tale spessore.
Un sistema di rilevamento comprende una sonda ottica 6, ad esempio connessa al telaio A della macchina utensile e disposta affacciata alla fetta 2 da controllare in lavorazione, tipicamente in posizione perpendicolare, come illustrato in figura, o leggermente angolata rispetto alla fetta 2 stessa, dalla quale à ̈ separata per mezzo di aria o liquido attraverso cui si propagano le radiazioni infrarosse. La sonda ottica 6 à ̈ provvista di un sistema di lenti 7 per focalizzare le radiazioni sulla fetta 2 da controllare e ricevere le radiazioni riflesse dalla stessa fetta 2, ed à ̈ connessa, ad esempio mediante un collegamento in fibra ottica, ad un accoppiatore ottico 9. Sempre mediante collegamenti in fibra ottica, anche la sorgente di radiazioni 4 e lo spettrometro 5 sono connessi all’accoppiatore ottico 9.
Inoltre, l’apparecchiatura 1 include un riferimento ottico, in particolare un sistema ottico con componenti e parti registrabili, di per sé noto e schematizzato con il riferimento 8, disposto fra la sorgente di radiazioni 4 e la fetta 2 di silicio. Il sistema ottico 8 definisce una superficie di riferimento 18 virtuale la quale determina a sua volta la lunghezza di un cammino ottico di riferimento di lunghezza opportuna e, assieme ad una superficie esterna 16 della fetta 2 di silicio atta a cooperare con l’utensile, delimita e definisce uno spessore virtuale D. Nello schema di figura 2 sono mostrati lo spessore virtuale D e la superficie di riferimento 18 virtuale, quest’ultima essendo in una posizione, ad esempio fissa, rispetto al sistema di rilevamento e al telaio A della macchina utensile e alla sonda ottica 6, la quale posizione dipende dalle caratteristiche del sistema ottico 8, in particolare da una lunghezza fissata del cammino ottico di riferimento.
In un metodo secondo la tecnica nota per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto in lavorazione, in particolare della fetta 2 in rotazione, la sorgente di radiazioni 4 emette un fascio di radiazioni infrarosse a bassa coerenza. Mediante i collegamenti in fibra ottica, tale fascio di radiazioni raggiunge l’accoppiatore ottico 9 e da questo viene inviato alla sonda ottica 6 che, attraverso il sistema di lenti 7, lo focalizza sulla fetta 2 di silicio da controllare durante una fase della lavorazione, ad esempio durante un processo di rettifica, che comporta una progressiva asportazione superficiale di materiale semiconduttore.
Come mostrato in figura 3 e secondo quanto in generale noto, la sonda ottica 6 in uso emette un fascio di radiazioni incidenti I infrarosse. Le radiazioni incidenti I incidono sulla fetta 2 ed in parte (fascio di radiazioni riflesse primarie o radiazioni riflesse primarie R1) vengono riflesse verso la sonda ottica 6 dalla superficie esterna 16, in parte (fascio di radiazioni rifratte o radiazioni rifratte T) penetrano all’interno della fetta 2 di silicio, subendo un’attenuazione che à ̈ funzione del cammino ottico percorso all’interno della fetta 2 stessa, e si riflettono su una superficie di discontinuità 17 interna, ad esempio una superficie di discontinuità tra la fetta 2 di silicio e lo strato di supporto 3, opposta alla superficie esterna 16, fuoriuscendo dalla fetta 2 e propagandosi (fascio di radiazioni riflesse secondarie o radiazioni riflesse secondarie R2) verso la sonda ottica 6. La superficie di discontinuità 17 interna rappresenta genericamente una superficie di discontinuità tra la fetta 2 di silicio e un elemento di diverso materiale al quale la fetta 2 à ̈ fissata (nell’esempio illustrato, lo strato di supporto 3) oppure appoggiata e riferita, ad esempio una porzione della macchina utensile. La sonda ottica 6 riceve e rileva una composizione con interferenza delle radiazioni riflesse primarie R1 e secondarie R2 e la trasmette allo spettrometro 5.
Come detto in precedenza, il fascio di radiazioni incidenti I à ̈ composto da radiazioni a bassa coerenza, cioà ̈ a diverse lunghezze d’onda. Tra queste radiazioni, quella la cui lunghezza d’onda à ̈ tale che il cammino ottico attraverso lo spessore della fetta 2 in lavorazione sia pari ad un multiplo intero della lunghezza d’onda stessa, viene riflessa dalla superficie di discontinuità 17 interna ed esce dalla fetta 2 in fase con una radiazione alla stessa lunghezza d’onda riflessa dalla superficie esterna 16. La somma delle radiazioni in fase determina un massimo di interferenza (interferenza costruttiva). Al contrario, la radiazione avente una lunghezza d’onda tale che il cammino ottico attraverso lo spessore della fetta 2 in lavorazione sia pari ad un multiplo dispari della semi-lunghezza d’onda, viene riflessa dalla superficie di discontinuità 17 interna ed esce dalla fetta 2 in controfase con una radiazione alla stessa lunghezza d’onda riflessa dalla superficie esterna 16. La somma delle radiazioni in controfase determina un minimo di interferenza (interferenza distruttiva).
Lo spettrometro 5 analizza lo spettro della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse primarie R1 e secondarie R2, che à ̈ caratterizzato da una intensità non costante determinata dall’alternanza di interferenze costruttive e di interferenze distruttive, più precisamente da una funzione sinusoidale la cui frequenza à ̈ proporzionale alla lunghezza del cammino ottico attraverso lo spessore della fetta 2 di silicio. L’unità di elaborazione 10 riceve lo spettro analizzato dallo spettrometro 5 , e lo elabora opportunamente effettuando una trasformazione secondo l’analisi di Fourier. Come à ̈ noto dalla teoria, il grafico della trasformata di Fourier di tale spettro mostra un picco in corrispondenza della frequenza della funzione sinusoidale stessa, frequenza che à ̈ proporzionale alla lunghezza del cammino ottico. I grafici delle figure 5a e 5b mostrano rispettivamente un esempio dello spettro sinusoidale della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse primarie R1 e secondarie R2 e lo stesso spettro trasformato secondo l’analisi di Fourier e in funzione della lunghezza del cammino ottico. L’unità di elaborazione 10 rileva la lunghezza del cammino ottico sulla quale à ̈ centrato il picco, la divide per l’indice di rifrazione del silicio ed elabora informazioni relative allo spessore della fetta 2, cioà ̈ controlla in modo diretto tale spessore.
E’ importante osservare che per una migliore comprensione nelle figure 3 e 4 le radiazioni incidenti I, rifratte T, riflesse primarie R1 e riflesse secondarie R2 sono rappresentate da fasci con un angolo diverso da 90° rispetto alla fetta 2 di silicio ma in realtà possono essere ad essa perpendicolari o sostanzialmente perpendicolari.
Tuttavia, esiste un limite allo spessore massimo della fetta 2 in lavorazione che le radiazioni rifratte T sono in grado di attraversare doppiamente, una prima volta per compiere il cammino ottico dalla superficie esterna 16 alla superficie di discontinuità 17 interna, una seconda volta per compiere il cammino ottico inverso in conseguenza della riflessione sulla superficie di discontinuità 17 interna. Tale limite dipende sia dall’entità dello spessore stesso, che all’inizio di un’operazione di rettifica à ̈ notevolmente maggiore di quello del pezzo lavorato, sia dal tipo e dal livello di drogaggio a cui la fetta 2 à ̈ stata sottoposta. Ad esempio, per il silicio altamente drogato un valore di spessore massimo misurabile à ̈ pari a circa 100 Î1⁄4m. La figura 4 mostra una situazione che tipicamente si verifica all’avvio del processo di rettifica di una fetta 2 ad alto drogaggio: l’intensità delle radiazioni rifratte T tende ad annullarsi all’interno della fetta 2 stessa e la sonda ottica 6 non à ̈ in grado di ricevere e rilevare alcuna radiazione riflessa secondaria R2. Conseguentemente, il sopra descritto metodo secondo la tecnica nota per il controllo dello spessore della fetta 2 non à ̈ in grado di fornire il controllo diretto dello spessore. In accordo con la presente invenzione, per superare questa limitazione à ̈ possibile operare come segue.
Quando lo spessore della fetta 2 in lavorazione à ̈ maggiore dello spessore massimo direttamente controllabile, ad esempio all’inizio del processo di rettifica, un metodo secondo la presente invenzione per il controllo dello spessore della fetta 2 in rotazione prevede una prima fase preliminare in cui la lavorazione à ̈ controllata sulla base delle variazioni dello spessore virtuale D. In particolare, lo spettrometro 5 analizza lo spettro sinusoidale della composizione con interferenza fra le radiazioni riflesse primarie R1 generate dalla riflessione sulla superficie esterna 16 e radiazioni riflesse di riferimento Rref, queste ultime essendo emesse dal sistema ottico 8 dopo aver percorso il predeterminato cammino ottico e simulando radiazioni riflesse dalla superficie di riferimento 18 virtuale (figura 2). L’unità di elaborazione 10 riceve lo spettro della composizione con interferenza analizzato dallo spettrometro 5 e in funzione di tale spettro elabora informazioni relative allo spessore virtuale D, più nello specifico controlla lo spessore virtuale D processando l’informazione sulla lunghezza del cammino ottico in corrispondenza della quale à ̈ centrato un picco virtuale. In questa fase, all’avanzare del processo di rettifica si osserva un aumento dello spessore virtuale D corrispondente alla riduzione dello spessore della fetta 2 in lavorazione, quindi un progressivo spostamento del picco virtuale lungo l’asse delle lunghezze del cammino ottico. La lavorazione della fetta 2 può pertanto essere controllata in base alla variazione dello spessore virtuale D.
Il processo di rettifica avanza, ad esempio, in modo sostanzialmente costante. Quando lo spessore della fetta 2 di silicio in lavorazione eguaglia lo spessore massimo direttamente controllabile con il metodo noto, ovvero quando anche le radiazioni riflesse secondarie R2 generate dalla riflessione sulla superficie di discontinuità 17 interna vengono ricevute e rilevate dalla sonda ottica 6, lo spettro della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse primarie R1, secondarie R2 e di riferimento Rref viene analizzato dallo spettrometro 5 ed elaborato dall’unità di elaborazione 10. Tale spettro à ̈ adesso caratterizzato dalla somma di tre funzioni sinusoidali, una con frequenza variabile proporzionale alla lunghezza del cammino ottico attraverso lo spessore in diminuzione della fetta 2 (corrispondente all’interferenza fra le radiazioni riflesse R1 e R2), un’altra con frequenza anch’essa variabile proporzionale alla lunghezza del cammino ottico attraverso lo spessore virtuale D in aumento (corrispondente all’interferenza fra le radiazioni riflesse R1 e Rref), l’ultima con frequenza fissa proporzionale alla lunghezza del cammino ottico attraverso uno spessore virtuale complessivo tra la stessa superficie di riferimento 18 virtuale e la superficie di discontinuità 17 interna, dato dalla somma costante dello spessore virtuale D con lo spessore della fetta 2 (corrispondente all’interferenza fra le radiazioni riflesse Rref e R2). Conseguentemente, la trasformata di Fourier di tale spettro sinusoidale à ̈ caratterizzata da tre picchi, uno per ciascuna delle tre frequenze elencate. Lo spettro sinusoidale di tale trasformata di Fourier,elaborato in funzione della lunghezza del cammino ottico dall’unità di elaborazione 10, à ̈ caratterizzato ancora da tre picchi, centrati, però, sui valori di cammino ottico corrispondenti alle tre frequenze citate. Durante il processo di rettifica, due picchi si spostano lungo l’asse del cammino ottico e un picco rimane fisso. I grafici delle figure 6a e 6b mostrano rispettivamente un esempio dello spettro sinusoidale della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse primarie R1, secondarie R2 e di riferimento Rref e lo stesso spettro trasformato secondo l’analisi di Fourier e in funzione della lunghezza del cammino ottico. Rilevati i valori di cammino ottico su cui sono centrati i picchi, l’unità di elaborazione 10 li divide per l’indice di rifrazione del silicio, distingue i dati relativi allo spessore desiderato, ad esempio in base a valutazioni statistiche, ed elabora informazioni relative allo spessore della fetta 2, cioà ̈ controlla in modo diretto tale spessore, ad esempio utilizzando un metodo secondo la domanda di brevetto internazionale pubblicata con il numero WO2011/144624.
Non appena lo spessore della fetta 2 di silicio in lavorazione à ̈ direttamente controllabile, in quanto le radiazioni riflesse secondarie R2 sono ricevute e rilevate dalla sonda ottica 6, lo spettro della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse primarie R1 e secondarie R2 risulta di conseguenza analizzabile mediante lo spettrometro 5, e nello spettro trasformato elaborato dall’unità di elaborazione 10 compare il picco in corrispondenza della frequenza relativa al cammino ottico attraverso lo spessore in diminuzione della fetta 2, il controllo dello spessore virtuale D può essere terminato ovvero può essere mantenuto attivo allo scopo di fornire informazioni utili al controllo della lavorazione della fetta 2 stessa. Si citano nel seguito, a titolo di esempio, funzioni e vantaggi aggiuntivi legati al controllo dello spessore virtuale D.
Nella lavorazione di una fetta 2 che include più strati di materiale semiconduttore separati da almeno una ulteriore superficie di discontinuità interna all’oggetto 2, quando questi sono direttamente controllabili, un metodo di controllo limitato ai singoli spessori non permette di identificare l’ordine in cui gli strati stessi sono presenti nella fetta 2. Ad esempio, la fetta 2 include un primo strato 21 e un secondo strato 22 di spessore S21 e S22 rispettivamente, come mostrato nelle figure 7a e 8a. La sonda ottica 6 riceve e rileva, oltre alle radiazioni riflesse primarie R1, secondarie R2 e di riferimento Rref, radiazioni riflesse intermedie Rint generate da una riflessione su ciascuna ulteriore superficie di discontinuità interna, nell’esempio in figura da una riflessione sulla superficie di discontinuità tra il primo strato 21 e il secondo strato 22, e lo spessore S21 del primo strato 21 e quello S22 del secondo strato 22 sono direttamente controllabili. Il grafico del corrispondente spettro in funzione del cammino ottico mostra due picchi, che permettono di rilevare la presenza e lo spessore di altrettanti strati all’interno della fetta 2, ma non forniscono alcuna indicazione sulle loro posizioni relative. Con l’avanzamento del processo di rettifica, che in genere interessa uno solo dei due strati, il picco relativo allo spessore rettificato subisce un progressivo spostamento lungo l’asse del cammino ottico, mentre il picco relativo allo spessore non rettificato mantiene sostanzialmente invariata la sua posizione. Lo spettro in funzione del cammino ottico, ad esempio, à ̈ inizialmente caratterizzato da un picco X situato a destra di un picco Y (figura 7b); avanzando la rettifica, lo stesso picco X si sposta a sinistra di detto picco Y, quest’ultimo rimanendo invece sostanzialmente fermo (figura 8b). Lo spostamento del picco à ̈ indicativo della variazione di spessore dello strato rettificato, ma non fornisce alcuna informazione sulla posizione relativa del primo strato 21 e del secondo strato 22 all’interno della fetta 2 in lavorazione.
La superficie di riferimento 18, oltre a delimitare e definire lo spessore virtuale D e lo spessore virtuale complessivo tra la stessa superficie di riferimento 18 virtuale e la superficie di discontinuità interna 17, quest’ultimo riferito nelle figure 7a e 8a come D22, per il primo strato 21 definisce una lunghezza di un ulteriore cammino ottico di riferimento, e delimita e definisce, assieme a ciascuna ulteriore superficie di discontinuità interna, nello specifico la superficie di discontinuità tra il primo strato 21 e il secondo strato 22, uno spessore virtuale D21 di strato. Mantenendo attivo il controllo di spessori virtuali mediante il sistema ottico 8, lo spettro in funzione del cammino ottico comprende tre ulteriori picchi, rispettivamente relativi allo spessore virtuale D, allo spessore virtuale D21 di strato e allo spessore virtuale D22 complessivo. I due spessori virtuali D21 e D22 forniscono dunque un’informazione sulla posizione degli strati 21 e 22 rispetto alla superficie di riferimento 18 virtuale, mentre la differenza tra lo spessore virtuale D22 complessivo e lo spessore virtuale D21 di strato, D22-D21, à ̈ indicativa della posizione relativa del primo strato 21 rispetto al secondo strato 22. Con l’avanzamento del processo di rettifica, come già descritto in precedenza nella forma di attuazione preferita, si osserva un aumento dello spessore virtuale D e quindi un progressivo spostamento del corrispondente picco lungo l’asse del cammino ottico. La posizione dei picchi relativi agli spessori virtuali tra la superficie di riferimento 18 virtuale e le superfici di discontinuità, invece, rimane sostanzialmente invariata e, di conseguenza, la differenza D22-D21. Ad esempio, lo spettro in funzione del cammino ottico comprende i picchi M, N e O (figura 7b); avanzando il processo di rettifica, il picco M si sposta verso destra, mentre i picchi N e O rimangono sostanzialmente fermi (figura 8b). In questo modo à ̈ possibile effettuare un ulteriore controllo, in aggiunta a ma meno accurato di quello diretto, della variazione di spessore dello strato in lavorazione e, allo stesso tempo, controllare la posizione relativa del primo strato 21 e del secondo strato 22 all’interno della fetta 2 in lavorazione, ad esempio in base alle valutazioni statistiche del metodo secondo la già citata domanda di brevetto internazionale pubblicata con il numero WO2011/144624.
Preferibilmente, durante il controllo dello spessore virtuale D ovvero man mano che lo spessore della fetta 2 diminuisce e si avvicina ad un valore direttamente controllabile, il processo di rettifica può essere progressivamente rallentato. In questo modo, la velocità di avanzamento della mola C nel momento in cui la diminuzione di spessore della fetta 2 consente il controllo diretto con il metodo noto à ̈ sufficientemente ridotta da garantire un controllo affidabile ed accurato, ovvero da impedire il rischio che il raggiungimento del valore di spessore desiderato non venga correttamente segnalato e la lavorazione non possa essere arrestata al momento opportuno.
Al metodo e all’apparecchiatura di controllo fin qui descritti possono essere apportate modifiche senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione.
Secondo una diversa forma di realizzazione dell’apparecchiatura 1 di controllo, l’accoppiatore ottico 9 può essere sostituito da un circolatore o da un altro dispositivo con la medesima funzione, al quale fanno capo i collegamenti in fibra ottica a cui sono individualmente connessi la sorgente di radiazioni 4, lo spettrometro 5 e la sonda ottica 6.
Il cammino ottico di riferimento di lunghezza fissata, corrispondente allo spessore D definito dalla superficie esterna 16 dell’oggetto 2 in lavorazione e dalla superficie di riferimento 18, essendo quest’ultima virtuale e simulata dal sistema ottico 8 nella forma di attuazione preferita, può essere realizzato in altro modo, ad esempio può essere ottenuto mediante doppia riflessione su un elemento ottico locato all’interno della sonda ottica stessa e a posizione regolabile, ovvero può essere realizzato per mezzo di una superficie di riferimento 18 reale posta tra la sonda ottica 6 e la fetta 2.
Rispetto al supporto E del pezzo in lavorazione e, nella realizzazione di figura 1, alla sonda ottica 6, la posizione della superficie di riferimento 18, virtuale o reale, che genera la radiazione riflessa di riferimento Rref, può essere nota. In ogni caso, una distanza nominale fra la superficie di riferimento 18 e la superficie esterna 16 dell’oggetto 2 può essere definita in una fase di calibrazione che permette all’unità di elaborazione 10 di rilevare con grande accuratezza il valore della distanza iniziale tra la sonda ottica 6 e la fetta 2 di silicio, e quindi di controllare altrettanto accuratamente la variazione di spessore della stessa fetta 2 durante la lavorazione.
Alternativamente, la sonda ottica 6 può essere sostituita da una prima sonda ottica, dotata di un sistema per definire la superficie di riferimento 18 e preposta al controllo dello spessore virtuale D, ed una seconda sonda ottica preposta al controllo diretto dello spessore della fetta 2 di materiale semiconduttore, la prima sonda ottica essendo operativa almeno fino a quando la seconda sonda ottica rileva lo spessore massimo direttamente controllabile.
In una diversa realizzazione secondo la presente invenzione, la sonda 6 ottica à ̈ collegata al sistema di movimentazione della macchina utensile e si muove lungo la direzione di lavorazione B solidalmente con l’utensile C. Un metodo secondo tale diversa realizzazione per il controllo dello spessore dell’oggetto 2 in lavorazione comprende una fase di avanzamento del gruppo utensile C - sonda ottica 6 verso l’oggetto 2 e una successiva fase di lavorazione vera e propria di quest’ultimo. Durante la fase di avanzamento, ad esempio, lo spessore della fetta 2 à ̈ maggiore dello spessore massimo direttamente controllabile e la sonda ottica 6 riceve sia le radiazioni riflesse primarie R1 generate dalla riflessione sulla superficie esterna 16 sia le radiazioni riflesse di riferimento Rref che vengono generate dalla riflessione sulla superficie di riferimento 18, ad esempio la superficie virtuale definita dal sistema ottico 8. Lo spettrometro 5 analizza lo spettro della composizione con interferenza fra questi due fasci di radiazioni riflesse. L’unità di elaborazione 10 riceve lo spettro analizzato dallo spettrometro 5 e controlla lo spessore virtuale D elaborando informazioni in base all’analisi dello spettro di composizioni con interferenza. In particolare, secondo tale diversa realizzazione, il controllo in questa fase di avanzamento che precede la fase di lavorazione à ̈ caratterizzato da una progressiva diminuzione dello spessore virtuale D all’avvicinarsi dell’utensile B alla fetta 2 e da una invarianza dello spessore della fetta 2 stessa. Lo spessore virtuale D raggiunge il suo valore minimo nell’istante in cui inizia la lavorazione vera e propria e l’utensile comincia a cooperare con la fetta 2. Lo spessore virtuale D rimane fisso al suo valore minimo e concorre assieme ad altre informazioni, ad esempio sulla velocità di avanzamento della mola C, a dare un’indicazione del perdurare della cooperazione tra l’utensile e la fetta 2 in lavorazione, mentre lo spessore di quest’ultima diminuisce progressivamente. Quando, durante la lavorazione, lo spessore della fetta 2 à ̈ pari o inferiore allo spessore massimo direttamente controllabile con la sonda ottica 6, quest’ultima riceve sia le radiazioni riflesse primarie R1 sia le radiazioni riflesse secondarie R2. Il controllo dello spessore della fetta 2 in lavorazione può pertanto essere realizzato secondo la tecnica nota. Anche in questa diversa realizzazione, come nella preferita, il controllo dello spessore virtuale D viene eseguito fino a quando lo spessore della fetta 2 in lavorazione à ̈ pari allo spessore massimo direttamente controllabile con la sonda ottica 6.
In generale, l’oggetto 2 da controllare può includere, oltre allo strato interessato dalla lavorazione, uno o più strati di materiale semiconduttore (come già descritto in precedenza), ovvero uno o più strati di materiale che hanno indice di rifrazione diverso da quello del materiale semiconduttore di cui l’oggetto 2 à ̈ costituito (come, ad esempio, lo strato di supporto 3 in plastica o in vetro, al quale la fetta 2 à ̈ fissata oppure appoggiata e riferita) e spessore che non varia nel corso della lavorazione. In questi casi, per ciascuno di detti strati, lo spettro analizzato dallo spettrometro 5 comprende una componente sinusoidale ad una frequenza costante nel tempo. In una diversa realizzazione secondo la presente invenzione, l’unità di elaborazione 10 à ̈ in grado di selezionare ed elaborare il solo picco alla frequenza proporzionale alla lunghezza del cammino ottico attraverso lo spessore dell’oggetto 2, anche quando nel grafico dello spettro trasformato sono presenti ulteriori picchi a frequenze costanti nel tempo, ad esempio utilizzando un metodo basato sull’analisi statistica dello spettro analizzato ricevuto dallo spettrometro 5, in accordo con la già citata domanda di brevetto internazionale pubblicata con il numero WO2011/144624. Anche in questo caso, non appena lo spessore della fetta 2 di silicio in lavorazione risulta direttamente controllabile, il controllo dello spessore virtuale D può essere terminato ovvero può essere mantenuto attivo allo scopo, ad esempio, di continuare a controllare le posizioni reciproche dei molteplici strati di cui la fetta 2 à ̈ costituita.
I sopra descritti metodo e apparecchiatura 1 per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di una fetta 2 di materiale semiconduttore in lavorazione, e le relative varianti, presentano numerosi vantaggi in quanto sono di semplice ed economica realizzazione e soprattutto permettono di controllare in modo opportuno tutte le fasi del processo di lavorazione, ad esempio la rettifica, di un oggetto 2 di materiale semiconduttore avente spessore qualsiasi.
Appare infatti evidente ad un esperto del settore che il metodo e l’apparecchiatura secondo la presente invenzione per il controllo dello spessore di un oggetto 2 in lavorazione possono essere vantaggiosamente utilizzati anche nel caso in cui l’oggetto 2 da controllare à ̈ realizzato in materiale semiconduttore poco drogato o puro, essendo quest’ultimo caratterizzato da un assorbimento delle radiazioni luminose inferiore a quello di un materiale semiconduttore altamente drogato, ma ha uno spessore iniziale per cui non à ̈ comunque trasparente alla luce e nessuna radiazione riflessa secondaria R2 à ̈ ricevibile e rilevabile dalla sonda ottica 6. In accordo con la presente invenzione, questo problema viene superato, analogamente a quanto descritto in precedenza, affiancando al controllo diretto dello spessore di una fetta 2 mediante elaborazione delle radiazioni riflesse primarie R1 e secondarie R2 generate dalla riflessione sulle due superfici che delimitano la fetta 2 stessa, il controllo dello spessore virtuale D delimitato dalla superficie esterna 16 atta a cooperare con l’utensile e dalla superficie di riferimento 18.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto (2) in lavorazione su una macchina utensile, tale spessore estendendosi da una superficie esterna (16) ad una superficie di discontinuità interna (17) dell’oggetto (2); il metodo comprendendo le fasi di: - posizionare l’oggetto (2) su un supporto (E); - emettere radiazioni incidenti (I) a bassa coerenza mediante una sorgente di radiazioni (4); - focalizzare mediante almeno una sonda ottica (6) le radiazioni incidenti (I) sull’oggetto (2) in lavorazione, detta almeno una sonda ottica (6) appartenendo ad un sistema di rilevamento; - rilevare, mediante detto sistema di rilevamento, radiazioni riflesse primarie (R1) generate da una riflessione sulla superficie esterna (16) dell’oggetto (2); - ricevere e rilevare, mediante detta almeno una sonda ottica (6), radiazioni riflesse secondarie (R2) generate da una riflessione sulla superficie di discontinuità (17) interna dell’oggetto (2); - analizzare per mezzo di uno spettrometro (5) uno spettro di composizioni con interferenza di dette radiazioni riflesse primarie (R1) e radiazioni riflesse secondarie (R2); - elaborare informazioni relative allo spessore dell’oggetto (2) in lavorazione; il metodo essendo caratterizzato dalle seguenti ulteriori fasi di: - rilevare, mediante il sistema di rilevamento, radiazioni riflesse di riferimento (Rref), generate da una riflessione di dette radiazioni incidenti (I) su una superficie di riferimento (18), la superficie di riferimento (18) essendo atta a definire la lunghezza di un cammino ottico di riferimento, e a delimitare e definire, assieme a detta superficie esterna (16) dell’oggetto (2), uno spessore virtuale (D); - elaborare in base all’analisi dello spettro di composizioni con interferenza delle radiazioni riflesse primarie (R1) e delle radiazioni riflesse di riferimento (Rref), informazioni relative a variazioni di detto spessore virtuale (D), indicative di variazioni dello spessore dell’oggetto (2) in lavorazione.
  2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, nel quale detta superficie di riferimento (18) à ̈ virtuale ed à ̈ definita da un sistema ottico (8).
  3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, per il controllo dello spessore di un oggetto (2) in lavorazione su una macchina utensile comprendente un utensile (C) che coopera con detta superficie esterna (16) dell’oggetto (2) e si muove rispetto a detto sistema di rilevamento lungo una direzione di lavorazione (B), nel quale la lunghezza di detto cammino ottico di riferimento non varia nel corso della lavorazione.
  4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, nel quale detta superficie di riferimento (18) Ã ̈ in posizione fissa rispetto al sistema di rilevamento.
  5. 5. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente l’ulteriore fase di verificare, durante la lavorazione, quando le radiazioni riflesse secondarie (R2) sono ricevute e rilevate mediante detta almeno una sonda ottica (6), e lo spettro della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse primarie (R1) e le radiazioni riflesse secondarie (R2) risulta di conseguenza analizzabile mediante lo spettrometro (5), ed elaborare in base a detto spettro della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse primarie (R1) e radiazioni riflesse secondarie (R2) dette informazioni relative allo spessore dell’oggetto (2) in lavorazione.
  6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, nel quale, quando si verifica che le radiazioni riflesse secondarie (R2) sono ricevute e rilevate mediante detta almeno una sonda ottica (6), e lo spettro della composizione con interferenza delle radiazioni riflesse primarie (R1) e radiazioni riflesse secondarie (R2) risulta di conseguenza analizzabile mediante lo spettrometro (5), la fase di elaborare informazioni relative a variazioni dello spessore virtuale (D) viene terminata.
  7. 7. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, per il controllo dello spessore di una fetta (2) di materiale semiconduttore, in rotazione.
  8. 8. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, per il controllo dello spessore di una fetta (2) di silicio altamente drogato.
  9. 9. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti per il controllo dello spessore di un oggetto (2) che include più strati (21, 22) di materiale semiconduttore, tali strati (21, 22) essendo separati da almeno una ulteriore superficie di discontinuità interna all’oggetto (2), e la superficie di riferimento (18), assieme a ciascuna delle superfici di discontinuità interna, delimitando e definendo spessori virtuali (D21, D22), il metodo essendo caratterizzato dalle seguenti ulteriori fasi: - ricevere e rilevare, mediante detta almeno una sonda ottica (6), radiazioni riflesse intermedie (Rint) generate da una riflessione su detta almeno una ulteriore superficie di discontinuità interna; - elaborare in base all’analisi dello spettro di composizioni con interferenza delle radiazioni riflesse di riferimento (Rref) con le radiazioni riflesse intermedie (Rint) e con le radiazioni riflesse secondarie (R2), informazioni relative a ciascuno degli spessori virtuali (D21, D22); - elaborare in base a dette informazioni relative a ciascuno degli spessori virtuali (D21, D22), informazioni relative allo spessore (S21, S22) e alla posizione relativa di detti strati (21, 22).
  10. 10. Apparecchiatura (1) per il controllo ottico mediante interferometria dello spessore di un oggetto (2) in lavorazione su una macchina utensile, tale spessore estendendosi da una superficie esterna (16) ad una superficie di discontinuità interna (17) dell’oggetto (2), l’apparecchiatura (1) comprendendo: - una sorgente di radiazioni (4), atta ad emettere radiazioni incidenti (I) a bassa coerenza; - un sistema di rilevamento comprendente almeno una sonda ottica (6), collegata alla sorgente di radiazioni (4) e disposta affacciata all’oggetto (2) da controllare per focalizzare le radiazioni incidenti (I) emesse dalla sorgente di radiazioni (4) sulla superficie esterna (16) e atta a ricevere e rilevare radiazioni riflesse primarie (R1) e radiazioni riflesse secondarie (R2) generate rispettivamente da una riflessione sulla superficie esterna (16) e da una riflessione sulla superficie di discontinuità interna (17) dell’oggetto (2); - uno spettrometro (5), collegato a detto sistema di rilevamento, atto ad analizzare uno spettro di una composizione con interferenza di dette radiazioni riflesse primarie (R1) e radiazioni riflesse secondarie (R2) ; - una unità di elaborazione (10), atta ad elaborare informazioni relative allo spessore dell’oggetto (2) in lavorazione; l’apparecchiatura (1) essendo caratterizzata da: - un riferimento ottico con una superficie di riferimento (18) atta a definire la lunghezza di un cammino ottico di riferimento, e, assieme a detta superficie esterna (16) dell’oggetto (2) a delimitare e definire uno spessore virtuale (D); - l’unità di elaborazione (10) essendo atta ad elaborare informazioni relative a variazioni dello spessore virtuale (D), indicative di variazioni dello spessore dell’oggetto (2) in lavorazione.
  11. 11. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 10, nella quale detto riferimento ottico comprende un sistema ottico (8) e detta superficie di riferimento (18) Ã ̈ virtuale.
  12. 12. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 10 o la rivendicazione 11, nella quale la superficie di riferimento (18) Ã ̈ in posizione fissa rispetto a detto sistema di rilevamento e la lunghezza di detto cammino ottico di riferimento non varia nel corso della lavorazione.
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