(57)【要約】  外面（１６）と、当該外面（１６）に対して反対側に位置する内面（１７）と、を有する物体（２）の厚さを干渉分析法によって光学的に計測するための装置（１）及び方法に関する。所定帯域内で多数の波長を含む低コヒーレンスの放射線ビーム（Ｉ）を放射して、且つ、互いに異なり同時に活性化される複数の放射線ビームを放射する少なくとも２つの個別のエミッタ（２０）を有する放射線源（４）と、前記物体（２）に入り込むことなく前記外面（１６）によって反射される放射線ビーム（Ｒ１）と、前記物体（２）に入り込んで前記内面（１７）によって反射される放射線ビーム（Ｒ２）と、の間の干渉の結果であるスペクトルを分析するスペクトル計（５）と、前記放射線源（４）と前記スペクトル計（５）とに光ファイバ（８，１０，１１）を介して接続されており、前記物体（２）の前記外面（１６）へ向けて前記放射線源（４）によって放射される放射線ビーム（Ｉ）を方向付けると共に、前記物体（２）によって反射される放射線ビーム（Ｒ）を集積するべく、計測対象の半導体材料（２）のスライス片と向かい合うように配置される光学プローブ（６）と、前記スペクトル計（５）によって提供されるスペクトルの関数として前記物体（２）の厚さを計算する演算処理装置（１８）と、を備える。
2012508869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面（１６）と、当該外面（１６）に対して反対側に位置する内面（１７）と、を有する物体（２）の厚さを干渉分析法によって光学的に計測するための装置（１）であって、
所定帯域内で多数の波長を含む低コヒーレンスの放射線ビーム（Ｉ）を放射する放射線源（４）と、
前記物体（２）に入り込むことなく前記外面（１６）によって反射される放射線ビーム（Ｒ１）と、前記物体（２）に入り込んで前記内面（１７）によって反射される放射線ビーム（Ｒ２）と、の間の干渉の結果であるスペクトルを分析するスペクトル計（５）と、
前記放射線源（４）と前記スペクトル計（５）とに光ファイバ（８，１０，１１）を介して接続されており、前記物体（２）の前記外面（１６）へ向けて前記放射線源（４）によって放射される放射線ビーム（Ｉ）を方向付けると共に、前記物体（２）によって反射される放射線ビーム（Ｒ）を集積するべく、計測対象の半導体材料のスライス片（２）と向かい合うように配置される光学プローブ（６）と、
前記スペクトル計（５）によって提供されるスペクトルの関数として前記物体（２）の厚さを計算する演算処理装置（１８）と、
を備え、
前記放射線源（４）は、互いに異なっていて、且つ、同時に活性化される、複数の放射線ビームを放射する少なくとも２つの個別のエミッタ（２０）を有する
ことを特徴とする装置（１）。
【請求項２】
前記放射線源（４）は、包括的な放射線ビームを放射するように、各エミッタ（２０）によって放射される放射線ビームを単一の包括的な放射線ビームに合流させることができる光学加算器（２１）を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
【請求項３】
前記放射線源（４）は、波長帯域幅が中心値を中心にした１００ｎｍの幅より大きい放射線ビームを放射する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の装置（１）。
【請求項４】
前記放射線源（４）は、波長帯域幅が中心値を中心にした約２００nmの幅である放射線ビームを放射する
ことを特徴とする請求項３に記載の装置（１）。
【請求項５】
前記中心値は、１１００ｎｍ乃至１３００ｎｍの間の値である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置（１）。
【請求項６】
前記中心値は、約１２００ｎｍである
ことを特徴とする請求項５に記載の装置（１）。
【請求項７】
各エミッタ（２０）によって放射される放射線ビームは、他のエミッタ（２０）によって放射される放射線ビームの波長帯域に対して、互いに異なっており、且つ、十分に互いを補完し合う関係にある波長帯域を有している
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の装置（１）。
【請求項８】
前記放射線源（４）は、少なくとも４つのエミッタ（２０）を有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装置（１）。
【請求項９】
各エミッタ（２０）は、ＳＬＥＤを有する
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の装置（１）。
【請求項１０】
前記物体（２）は、半導体材料のスライス片である
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の装置（１）。
【請求項１１】
前記物体（２）は、シリコンのスライス片である
ことを特徴とする請求項１０に記載の装置（１）。
【請求項１２】
外面（１６）と、当該外面（１６）に対して反対側に位置する内面（１７）と、を有する物体（２）の厚さを干渉分析法によって光学的に計測するための方法であって、
放射線源（４）によって所定帯域内で多数の波長を含む低コヒーレンスの放射線ビーム（Ｉ）を放射する工程と、
光学プローブ（６）によって前記物体（２）の前記外面（１６）へ向けて放射線ビーム（Ｉ）を方向付ける工程と、
前記光学プローブ（６）を介して前記物体（２）によって反射される放射線ビーム（Ｒ）を集積する工程と、
スペクトル計（５）によって、前記物体（２）に入り込むことなく前記外面（１６）によって反射される放射線ビーム（Ｒ１）と、前記物体（２）に入り込んで前記内面（１７）によって反射される放射線ビーム（Ｒ２）と、の間の干渉の結果であるスペクトルを分析する工程と、
前記スペクトル計（５）によって提供されるスペクトルの関数として前記物体（２）の厚さを計算する工程と、
を備え、
前記放射線源（４）における、互いに異なっている複数の放射線ビームの各々を放射する少なくとも２つの個別のエミッタ（２０）を同時に活性化する工程と、
前記放射線源（４）が包括的な放射線ビームを放射するように、各エミッタ（２０）によって放射される放射線ビームを単一の放射線ビームに合流させる工程と、
を有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の厚さを干渉分析法によって光学的に計測するための装置及び方法に関する。
【０００２】
本発明は、半導体材料（典型的にはシリコン）のスライス片またはウェハの厚さを干渉分析法によって光学的に計測することに対して、有利に適用される。また、それに対して、一般性を喪失すること無く、本明細書において明確に言及がされている。
【背景技術】
【０００３】
半導体材料のスライス片は、例えば半導体材料内に集積回路や他の電気的構成要素を得るために、機械的に加工される。特に、半導体材料のスライス片がかなり薄い場合、当該半導体材料のスライス片は、より高い機械的な丈夫さと、これによる取扱いにおける容易さと、を提供する補助層（典型的にはプラスチックまたはガラスからなる）の上に配置される。
【０００４】
一般的に、一定で所望値に対応する厚さを得るために、研いだり磨いたりすることによって、半導体材料のスライス片を機械的に加工することが必要である。半導体材料のスライス片のこの機械的加工工程の過程で、所望値の達成を保証するために、厚さを計測することや厚さを制御下に置くことが必要である。
【０００５】
半導体材料のスライス片の厚さを計測するために、機械加工された半導体材料のスライス片の上面と接触する機械的な隙間ゲージを有する測定子を利用することが、知られている。この計測技術は、計測作業中において、機械的な隙間ゲージとの機械的な接触のため、半導体材料のスライス片に影響を及ぼしてしまう。更に、この計測技術は、きわめて薄い厚さ（典型的には１００ミクロン未満）を計測することができない。
【０００６】
半導体材料のスライス片の厚さを計測するために、容量性プローブ、誘導性プローブ（渦電流タイプまたはその他のタイプの）、または超音波プローブを使用することが知られている。これらの計測技術は、非接触タイプなので、計測の過程で半導体材料のスライス片に影響を及ぼさず、補助層が存在する場合でも、半導体材料のスライス片の厚さを計測することができる。しかしながら、これらの計測技術は、計測可能な寸法（典型的には１００ミクロン未満の厚さは計測できない）と実現可能な最高分解能（典型的には１０ミクロン以上の値）との両方の点において、制限されている。
【０００７】
光学プローブは、場合によって干渉分析法による測定と関連づけられ、前述した測定技術の制限を克服するために用いられる。例えば、米国特許公開公報ＵＳ−Ａ１−６４３７８６８や日本特許公開公報ＪＰ−Ａ−０８−２１６０１６には、半導体材料のスライス片の厚さを光学的に計測するための装置が記載されている。既知の装置のいくつかは、赤外線放射源、スペクトル計、及び光学プローブを含んでおり、当該光学プローブは、赤外線放射源とスペクトル計とに光ファイバを介して接続されており、計測対象の半導体材料のスライス片と向かい合うように配置されていて、計測対象の半導体材料のスライス片に放射線を集中させるためにレンズを備えている。赤外線放射源は、赤外線放射ビーム（一般的には約１３００ｎｍの波長を有する）を放射する。更に具体的には、この赤外線放射ビームは、単一振動数（時間に対して一定の振動数）ではなく、多数の振動数（典型的には中心値を中心にして約５０ｎｍの間隔内で可変の波長を有する）からなる低コヒーレンスのビームである。近年使用されている半導体材料は、赤外線に対する十分な透過性を有するシリコンからなるので、赤外線が採用されている。既知の装置のいくつかにおいて、赤外線放射源は、中心値を中心にして約５０ｎｍの大きさの波長帯域幅を有する赤外線放射ビームを放射可能なＳＬＥＤ（高輝度発光装置）から構成されている。
【０００８】
しかしながら、半導体産業が、今、数ミクロンまたはそれ未満の厚さを計測することを求めているにもかかわらず、前述のタイプの干渉分析計測に関連する光学プローブを使用しても、約１０ミクロンより小さい厚さは計測できない。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の目的は、物体の厚さを干渉分析法によって光学的に計測するための装置及び方法であって、前述した不都合を克服すると同時に容易で安価に実施できる装置及び方法を提供することである。
【００１０】
本発明の目的は、添付されている特許請求の範囲内に規定されている物体の厚さを干渉分析法によって光学的に計測するための装置及び方法によって、達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明は、非限定的な実施例を示している添付の図面を参照して説明される。
【図１】図１は、半導体材料のスライス片の厚さを干渉分析法によって光学的に計測するための本発明による装置の概略図である。明確化のために、いくつかの部品は省略してある。
【図２】図２は、厚さを計測される半導体材料のスライス片の側面断面概略図である。
【図３】図３は、図１の装置の赤外線放射源の概略図である。明確化のために、いくつかの部品は省略してある。
【図４】図４は、図３の赤外線放射源において実施された帯域構成を示すグラフである。
【発明の最良の形態】
【００１２】
図１において、参照符号１は、半導体材料のスライス片によって形成された物体２の厚さを干渉分析法によって光学的に計測するための装置の全体を示している。
【００１３】
それ自体は既知の特徴を含む図１に示された実施形態によれば、半導体材料のスライス片２は、より高い機械的な丈夫さと、これによる取扱いにおける容易さと、を提供する補助層３（典型的にはプラスチックやガラスからなる）上に設置されている。ここには図示されていない異なる実施の形態によれば、補助層３は省略される。
【００１４】
本装置１は、赤外線放射源４、スペクトル計５、及び光学プローブ６を含んでいる。光学プローブ６は、赤外線放射源４とスペクトル計５とに光ファイバを介して接続されており、計測対象の半導体材料のスライス片２と向かい合うように配置されて、計測対象の半導体材料のスライス片２に放射線を集中させるためにレンズ７を備えている。典型的には、光学プローブ６は、図１に示すように、計測対象の半導体材料のスライス片２に対して、垂直であるかまたはわずかに角度を付けられて、配置されている。典型的には、光学プローブ６は、赤外線が伝播する空気または液体を介して、半導体材料のスライス片２から離れて配置されている。
【００１５】
図１に示された実施の形態によれば、赤外線放射源４を光学カプラ９へ接続する第一光学ファイバ８と、光学カプラ９をスペクトル計５に接続する第二光学ファイバ１０と、光学カプラ９を光学プローブ６へ接続する第三光学ファイバ１１と、がある。光学ファイバ、より具体的には第一光学ファイバ８、第二光学ファイバ１０及び第三光学ファイバ１１は、最後には、それ自体は既知であり図１には示されていないサーキュレータに到達する、あるいは、カプラ９として機能する別の装置に到達する。
【００１６】
図１に示された実施の形態によれば、スペクトル計５は、第二光学ファイバ１０によって受光される放射線を回折装置１３（典型的には格子状に構成される）に向けて平行にする少なくとも一つのレンズ１２を含む。そして、回折装置１３によって反射された放射線を放射線検出器１５に集光する少なくとも一つの更なるレンズ１４を含む（典型的には、例えばＣＣＤセンサのような、感光性要素の配列によって形成される）。
【００１７】
赤外線放射源４は、赤外線の低コヒーレンスビームを放射する。低コヒーレンスビームとは、単一の振動数（時間に対して一定の振動数）ではなく、多数の振動数からなることを意味する。
【００１８】
近年使用されている半導体材料は、シリコンからなり、シリコンは、十分赤外線を透過するので、赤外線が採用されている。
【００１９】
図２に示され、一般に知られている構成によれば、光学プローブ６が、使用時に、赤外線放射ビームＩを放射する。赤外線放射ビームＩは、計測対象の半導体材料のスライス片２に向けて方向付けられて、一部（反射される放射線Ｒ１）は半導体材料のスライス片２に入り込むことなく、外面１６によって光学プローブ６へ向けて反射され、他の一部（反射される放射線Ｒ２）は半導体材料のスライス片２に入り込んで、外面１６に対して反対側に位置する内面１７によって光学プローブ６へ向けて反射される。理解のために、図２において、投射される放射線Ｉと反射される放射線Ｒとは、半導体材料のスライス片２に対して９０°とは異なる角度を形成して描写されている。実際には、前述のとおり、これらの放射線は、半導体材料のスライス片２に対して垂直または略垂直となることができる。
【００２０】
光学プローブ６は、半導体材料のスライス片２に入り込むことなく外面１６によって反射される放射線Ｒ１と、半導体材料のスライス片２に入り込んで内面１７によって反射される放射線Ｒ２と、の両方を集光する。図２に示されるように、半導体材料のスライス片２に入り込んで内面１７によって反射される放射線Ｒ２は、内面１７におけるたった一回の反射の後、内面１７における二回の連続する反射の後、または更に一般的には、内面１７におけるＮ回の連続する反射の後に、半導体材料のスライス片２を離れていく。明らかなように、放射線Ｒ２の残りの強度がほぼ零になるまで、各反射の度に、放射線Ｒ２の一部が、外面１６を透過して半導体材料のスライス片２を離れていく。
【００２１】
前述したように、赤外線ビームは、異なる振動数を有する（すなわち、異なる波長を有する）放射線群からなる。
【００２２】
これらの放射線の中で、調査対象の半導体材料のスライス片２の厚さの２倍が自身の波長の整数倍に等しい、というような波長の放射線が確実に存在する。結果として、内面１７によって反射されるこの放射線は、外面１６によって反射される同じ波長の放射線と同位相で半導体材料のスライス片２を離れていき、干渉（建設的干渉）の最大量を決定するように後者の放射線に加えられる。一方で、調査対象の半導体材料のスライス片２の厚さの２倍が半波長の奇数倍に等しい、というような波長を有する放射線は、内面１７によって反射される場合、外面１６によって反射される同じ波長の放射線と逆位相で半導体材料のスライス片２を離れていき、干渉（相殺的干渉）の最小量を決定するように後者の放射線に加えられる。
【００２３】
反射される放射線Ｒ１とＲ２との間における干渉の結果は、光学プローブ６によって集光されて、スペクトル計５に伝送される。スペクトル計５によって各振動数を（すなわち、各波長を）検知されるスペクトルは、建設的干渉と相殺的干渉との反復によって決定される異なる（一様でない）強さを有する。演算処理装置１８が、スペクトル計５からスペクトルを受け取り、それ自体は既知である数学的演算によってスペクトルを解析する。特に、振動数の関数としてフーリエ解析を実行することと、半導体材料の屈折率を知ることとによって、演算処理装置１８は、スペクトル計５によって与えられるスペクトルのフーリエ解析を適切に処理することによって、半導体材料のスライス片２の厚さを決定する（測定する）ことができる。
【００２４】
更に詳細に言えば、演算処理装置１８において、スペクトルは、（波長の関数として、）それ自体既知の方法で、フーリエ級数によって数学的に表現され得る周期関数として処理される。反射された放射線Ｒ１とＲ２との干渉は、正弦曲線を描く関数（建設的干渉と相殺的干渉とが交互に現れる）として広がっている。この正弦曲線の周波数は、放射線が通過する半導体材料のスライス片２の厚みを通る光学距離の長さに比例する。フーリエ変換を行うことによって、半導体材料のスライス片２を通る光学距離の値が決定され、これによって半導体材料のスライス片２の対応厚さ（光学距離の半分に対応する）が決定される。半導体材料のスライス片２の実際の厚さは、半導体材料のスライス片２の前記対応厚さを半導体材料のスライス片２の屈折率（例えば、シリコンについて、屈折率は約３．５に等しい）で割ることによって、容易に得られる。
【００２５】
本発明によれば、赤外線放射源４は、波長帯域幅が１００ｎｍより大きく、好ましくは中心値を中心にして約２００ｎｍである赤外線放射ビームを放射することができる。赤外線放射源４によって放射される赤外線放射ビームの波長帯域幅は、類似の既知の装置において用いられている波長帯域幅よりかなり大きい（少なくとも２倍）ので、類似の既知の装置は１０ミクロン未満の厚さを計測することはできないが、前述の装置１は数ミクロンの厚さを計測することができる。実際、理論的考察と実験的検証とに基づくと、赤外線放射源４によって放射される赤外線放射ビームの波長帯域幅を大きく増加させることによって、計測可能な最小厚さによって決定付けられる制限をかなり下げることができる、ということが留意される。
【００２６】
特定の実施の形態が、赤外線放射源４の放射帯域の中心値を下げる手段を備える。特に、この実施の形態によると、赤外線放射源４の放射帯域の中心値は、類似の既知の装置においては典型的には約１３００ｎｍであるが、１１００ｎｍと１３００ｎｍとの間の値であり、典型的には約１２００ｎｍの値である。
【００２７】
赤外線放射源４の放射帯域の中心値をそのように下げることの目的は、計測可能な最小厚さを下げることである。実際、赤外線の波長を下げることによって、より小さい厚さを計測することが可能であることが、留意される。赤外線の波長を下げるにつれて、半導体材料の透過性もまた減少していき、適切な計測を実施することがより困難であるので、赤外線の波長を下げることは、あまり多量にできるわけではないことが留意される。
【００２８】
赤外線放射源４によって放射される赤外線放射ビームの波長帯域をかなり多量に上げるためには、赤外線放射源４の構造を完全に変化させることが必要である。既知の装置においては、当該構造は、典型的には５０乃至６０ｎｍより大きい波長帯域を有することができないＳＬＥＤ（高輝度発光ダイオード）からなる。
【００２９】
図３に示された実施の形態によれば、赤外線放射源４は、互いに異なっていて、且つ、同時に活性化される、複数の放射線ビームを放射する４つの個別のエミッタ２０（特には４つのＳＬＥＤ２０）を有する。その上、赤外線放射源４は、第一光学ファイバ８で終結し、４つのＳＬＥＤ２０によって放射される４本の放射線ビームを単一の包括的な放射線ビームに合流させることができる光学ファイバを備えた光学加算器２１を有している。
【００３０】
光学加算器２１は、例えば、１つ以上のそれ自体既知のカプラやサーキュレータによって、それ自体既知の態様で、実現され得る。それ故、詳細は図示されていない。各ＳＬＥＤ２０の４つの放射線ビームを集合させることによって構成される包括的な放射線ビームの波長帯域ＬＵが、各ＳＬＥＤ２０によって放射される放射線ビームの波長帯域Ｌ１…４よりかなり大きい波長帯域を有するように、各ＳＬＥＤ２０によって放射される放射線ビームは、他のＳＬＥＤ２０によって放射される放射線ビームの波長帯域に対して、互いに異なっており、且つ、十分に互いを補完し合う関係にある波長帯域を有している。
【００３１】
図４は、極めて概略的な態様で、理解を容易にする目的のみで、各ＳＬＥＤ２０によって放射される異なる波長帯域Ｌ１…４の成分図を示している。原理的に、包括的な波長帯域ＬＵは、各ＳＬＥＤ２０によって放射される放射線ビームの波長帯域Ｌ１…４の合計に等しい。経験則上、隣接する帯域間において、重複による無視できない現象が生じる。しかしながら、そのような現象が、包括的な帯域を大きく拡張することの達成を妨げることはない。
【００３２】
例として、図３と図４とに示された実施の形態において、赤外線放射源４は、４つのＳＬＥＤ２０を備える。市場で入手できるＳＬＥＤ２０の特性に依存して、また、所望の包括的な波長帯域ＬＵの関数としての観点から、明らかにＳＬＥＤ２０の数は異なり得る（例えば、２、３、または５以上）。
【００３３】
図２に示された実施例は、補助層３上に配置された半導体材料の単一のスライス片２の場合について示している。しかしながら、本発明による装置と方法の適用は、このタイプの小片の寸法検査に制限されない。実際、そのような装置や方法は、例えば一つ以上の半導体材料のスライス片２の厚さ、及び／または、それ自体既知の多層構造内に配置された他の材料からなる層の厚さを計測することにもまた、適用され得る。
【００３４】
前述した装置１は、容易に安く実現され得るので、多くの利点を有する。特に、前述した装置１は、類似の既知の装置によって計測される厚さより、かなり小さい厚さを計測することが可能である。赤外線放射源４を修正するだけで、既存の装置を採用して削減された更新の複雑さと削減された更新のコストとを呈する前述した装置１を実現可能であることに、留意することが重要である。
【図１】
2012508869.tif 000003
【図２】
2012508869.tif 000004
【図３】
2012508869.tif 000005
【図４】
2012508869.tif 000006
【国際調査報告】
2012508869.tif 000007
2012508869.tif 000008