非接触式晶片厚度测定装置
阅读说明：本技术 非接触式晶片厚度测定装置 (Non-contact type wafer thickness measuring device ) 是由 宫川千宏 澁谷和孝 青木清仁 于 2020-04-09 设计创作，主要内容包括：具有：单片型波长扫描半导体激光光源(12),其具有激光源(14)、控制激光源(14)的激光控制单元(16)以及处理器(18),该处理器(18)构成为利用激光控制单元(16)来控制激光源(14),以振荡出相对于时间按照设定图谱变化的波长的激光；光学系统(20、22),其将激光引导并照射到晶片(24)；检测部(26),其检测反射光的干涉光信号；A/D转换器(28),其将由检测部(26)检测出的干涉光信号转换成数字信号；以及运算部(30),其通过分析来自所述A/D转换器(28)的数字信号来计算晶片(24)的厚度,其特征在于,处理器(18)使激光控制单元(16)根据时钟信号进行动作,从激光源(14)振荡出相对于时间按照设定图谱进行波长扫描的激光,A/D转换器(28)与所述时钟信号同步地生成采样时钟或将时钟信号直接用作采样时钟,对干涉光信号进行A/D转换。(Comprising: a monolithic wavelength-scanning semiconductor laser light source (12) having a laser light source (14), a laser control unit (16) for controlling the laser light source (14), and a processor (18), wherein the processor (18) is configured to control the laser light source (14) by the laser control unit (16) so as to oscillate laser light of a wavelength that varies with respect to time according to a set pattern; an optical system (20, 22) that guides and irradiates the laser light to the wafer (24); a detection unit (26) that detects an interference light signal of the reflected light; an A/D converter (28) for converting the interference light signal detected by the detection unit (26) into a digital signal; and a calculation unit (30) that calculates the thickness of the wafer (24) by analyzing the digital signal from the A/D converter (28), wherein the processor (18) causes the laser control unit (16) to operate on the basis of a clock signal, and oscillates laser light that is wavelength-scanned from the laser light source (14) with respect to time according to a set pattern, and the A/D converter (28) generates a sampling clock in synchronization with the clock signal or performs A/D conversion on the interference light signal by directly using the clock signal as the sampling clock.)
技术领域
本发明涉及使用单片(Monolithic)型波长扫描半导体激光光源的非接触式晶片厚度测定装置。
背景技术
在硅等半导体晶片的研磨装置中，进行晶片的双面研磨或单面研磨，将晶片加工成所需的厚度。
半导体晶片用于集成度较高的半导体机构元件，但为了致力于使其集成度越来越高及提高生产率，在加工工艺中或其中间过程中，要求精度更高的厚度测定。
在专利文献1(日本特开平7-306018号公报)中公开了使用波长可变激光的半导体厚度非接触测定装置。
在专利文献1所示的半导体厚度非接触测定装置中，当透射过半导体的光束照射到被测定对象的作为半导体的目标的区域时，一部分在表面和底面反射而干涉后的光发生反射或透射。通过光学性的单元将该反射或透射的干涉光引导至检测器，并使光束的波长在规定的范围内变化。此时，该干涉光强度的相位(或周期)取决于半导体厚度而变化，因此根据干涉光的强度变化进行运算，并换算成半导体厚度的绝对值。
上述波长可变激光例如使用专利文献2(日本特开2006-80384号公报)所示的波长扫描型激光光源。或者使用图6所示那样的波长扫描型激光光源。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-306018号公报
专利文献2：日本特开2006-80384号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献2所示的波长扫描型激光光源中，为了得到扫描波长，使用多面镜等机械性的动作部。若使用多面镜等机械性的动作部，则由于反射镜的镜面的微小的变形也会导致反射光产生微小的偏差，从而存在扫描的波长发生偏差的课题。另外，由于存在机械性的动作部，即使产生微小的机械性的振动，也会成为扫描的波长发生偏差的主要原因。因此，即使为了测定同一部位的厚度而获取光的干涉信号，并进行数字信号转换，并将其通过高速傅立叶变换来进行信号处理，其中心频率也会发生偏差，因此厚度会产生偶然误差。
用于解决课题的手段
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供能够使用重复高精度地振荡出直线的扫描波长的激光来高精度地测定晶片的厚度的非接触式晶片厚度测定装置。
为了达成上述目的，本发明具有下述构成。
即，本发明的非接触式晶片厚度测定装置具有：单片型波长扫描半导体激光光源，其具有激光源、控制所述激光源的激光控制单元以及处理器，该处理器构成为利用所述激光控制单元来控制所述激光源，以振荡出相对于时间按照设定图谱变化的波长的激光；光学系统，其将所述激光引导并照射到想要求出厚度的晶片的测定部分；检测部，其检测从所述测定部分得到的反射光或透射光的干涉光信号；A/D转换器，其将由所述检测部检测出的所述干涉光信号转换成数字信号；以及运算部，其通过分析来自所述A/D转换器的数字信号来计算所述晶片的厚度，该非接触式晶片厚度测定装置的特征在于，所述处理器使所述激光控制单元根据该处理器所产生的时钟信号进行动作，从所述激光源振荡出相对于时间按照设定图谱进行波长扫描的激光，所述A/D转换器与所述处理器所产生的时钟信号同步地生成采样时钟或将时钟信号直接用作采样时钟，对所述干涉光信号进行A/D转换。
该非接触式晶片厚度测定装置的特征在于，所述单片型波长扫描半导体激光光源不具有机械性的动作部。
能够将所述波长扫描频率设为1kHz～40kHz。
能够将扫描的波长范围设为1200nm～1400nm。
能够将所述时钟信号的频率设为10MHz～1GHz。
能够通过一边使晶片或探针以恒定速度移动一边连续地检测所述干涉光信号，来测定晶片的厚度。
该非接触式晶片厚度测定装置能够作为利用双面研磨加工机或单面研磨加工机对晶片进行研磨时的晶片厚度测定装置。
所述半导体单片波长扫描型激光光源能够使用与美国insight photonicsolutions公司制造的SLE-101同等的光源。
能够设置使用了参照用晶片的光源监视用电路。
或者能够设置使用了MZI干涉仪的光源监视用电路。
能够由所述光源监视用电路根据从所述检测部输出的电压的平均值而监视从所述激光源放出的激光的光量。
或者能够由所述光源监视用电路监视扫描波长精度，关于该扫描波长精度，能够以对所述检测部所获取的干涉波形的FFT峰值的频率测定了设定次数的平均值、P-P值或偏差值进行掌握。
发明效果
根据本发明，实现下述有利的作用效果。
即，根据本发明，通过光源使用单片型波长扫描半导体激光光源，扫描波长每次高精度地重复，另外，处理器产生时钟信号，利用根据该时钟信号连续地、直线地进行波长扫描的激光而得到干涉信号，并且与该时钟信号同步地生成采样时钟或直接作为采样时钟来使用，对干涉光信号进行A/D转换，由此扫描波长对激光的干涉作用和干涉光信号的利用高速傅立叶变换的分析同步地进行，由此，能够进行晶片的偶然误差较少的良好的厚度测定。
附图说明
图1是示出本实施方式的非接触式晶片厚度测定装置的整体系统的框图。
图2A至图2D示出了使对晶片的同一部位测定10次的情况下的干涉波形重合的例子。
图3A、图3B是使对晶片的厚度沿径向重复测定3次而得的结果叠加并描绘而得到的曲线图(图3A)。
图4是示出设置有使用了参照用晶片的光源监视用电路的非接触式晶片厚度测定装置的整体系统的框图。
图5是示出设置有使用了MZI干涉仪的光源监视用电路的非接触式晶片厚度测定装置的整体系统的框图。
图6是以往的具有机械性的动作的系统的框图。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的优选的实施方式进行详细地说明。
图1是示出本实施方式中的非接触式晶片厚度测定装置10的整体系统的框图。
系统10具有单片型波长扫描半导体激光光源(以下有时简称为激光光源)12。
单片型波长扫描半导体激光光源12包含带波长扫描功能的半导体激光(激光源)14、控制该激光源14的激光控制单元16以及控制系统10整体的处理器18。
激光光源12不具有多面镜等机械性的动作部，并构成为所谓的单片型波长扫描半导体激光光源，该单片型波长扫描半导体激光光源构成为通过处理器18使激光控制单元16控制激光源14，以振荡出相对于时间按照设定图谱变化的波长的激光。作为这样的单片型波长扫描半导体激光光源12，能够使用美国insight photonic solutions公司制造的SLE-101光源。
具体而言，使向波长能够改变的半导体激光(激光源)14提供的电流值变化(调谐)，并进行控制以使从激光源14振荡出的激光的波长变化为规定的设定图谱(优选为直线状)。这一系列的控制例如在日本特表2014-522105号公报中示出。
更具体而言，以如下方式进行反馈控制：在对提供的电流进行调谐的同时向激光源14施加电流，利用未图示的检测器检测振荡出的激光并向处理器18反馈，从而对向激光源14提供的电流值进行再调整，使激光的波长连续地例如呈直线状变化。这一系列的反馈控制例如在日本特表2014-522105号公报中示出。
另外，处理器18产生例如400MHz(2.5nsec间隔)的时钟信号，使激光控制单元16根据该处理器18所产生的时钟信号进行动作，来进行电流值的调谐，由此从激光源14振荡出相对于时间按照设定图谱变化的波长的激光。
如上所述，从激光源14射出波长是连续的且按照所需的图谱(优选为直线状)变化的激光。
从激光源14放出的激光从循环器20和探针22照射到晶片24的被测定部位。由循环器20和探针22等构成光学系统。
被晶片24的正面和背面反射后的激光(干涉光)经由探针22和循环器20由光电二极管(检测部)26进行检测，并被光电二极管26转换成电信号(干涉光信号)，进而该电信号被放大器放大。
被晶片24的正面反射的激光和被背面反射的激光发生干涉，并作为具有所需相位的干涉光而被观测。
图2A示出了对晶片24的同一部位测定10次并进行叠加而得到的干涉波形。图2B是图2A中的a的部位的放大波形，图2C是图2A中的b的部位的放大波形，图2D是图2A中的c的部位的放大波形。
由图2可知，在晶片24的同一点测定10次并进行叠加而得到的干涉波形从最初到最后大致一致。这样，可以认为，干涉波形大致一致是因为通过光源使用单片型波长扫描半导体激光光源从而能够稳定地使激光的射出波长连续且直线地改变。
干涉光信号被A/D转换器28转换成数字信号，并被输入到计算机(运算部)30。
A/D转换器28被输入由处理器18产生的外部触发信号和所述时钟信号(使激光控制单元16进行动作的时钟信号)，从而与该时钟信号同步地生成采样时钟或直接作为采样时钟来使用，对干涉光(电)信号进行A/D转换。
另外，也可以观测透射过晶片24的激光和在晶片24的背面被反射进而在正面被反射并向背面侧透过的激光的干涉光。
在计算机30中，根据输入的干涉(电)信号，通过公知的步骤计算出晶片24的被测定部位的厚度。
作为公知的步骤，例如如上述专利文献1(日本特开平7-306018号公报)所示那样，能够根据干涉的关系式(包含晶片的折射率)来检测干涉(电)信号的相位变化由此计测出晶片24的厚度。
另外，如专利文献1所示那样，无需直接求出相位变化而能够通过频率分析来求出晶片的厚度。即，在使波长可变激光的波长变化了一定量Δλ时，以波长为横轴的干涉信号成为对中心频率施加微小的频率调制而得到的波形。能够根据该中心频率和折射率的关系式来计测晶片的厚度。
或者，能够通过对上述干涉信号进行利用了高速傅立叶变换的信号处理来计算中心频率，并利用事先得到的校正曲线和晶片折射率进行换算来计测晶片24的厚度。
表1示出了针对对晶片24的同一部位测定10次的情况下的干涉信号通过高速傅立叶变换进行信号处理，从而计测出晶片24的被测定部位的厚度而得到的数据。
如表1所示，在厚度约为722μm的晶片中，在针对在相同位置获取10次而得到的干涉波形通过高速傅立叶变换进行信号处理的厚度测定中，标准偏差为2.99nm，而能够进行偏差较少的良好的计测。在厚度约为776μm的晶片中，在针对在相同位置获取10次而得到的干涉波形通过高速傅立叶变换进行信号处理的厚度测定中，标准偏差为3.03nm，而能够进行偏差较少的良好的计测。
另一方面，如表1所示，在使用了以往的机械性驱动的光源的情况下，在厚度约为722μm的晶片中，在针对在相同位置获取10次而得到的干涉波形通过高速傅立叶变换进行信号处理的厚度测定结果中，标准偏差为65.92nm，偏差较大。另外，在厚度约为776μm的晶片中，在针对在相同位置获取10次而得到的干涉波形通过高速傅立叶变换进行信号处理的厚度测定结果中，标准偏差为96.35nm，偏差较大。
图3A是使用图1所示的单片型波长扫描半导体激光光源(美国insight photonicsolutions公司制造的SLE-101光源)，将沿径向重复测定三次的晶片的厚度而得的结果叠加三次并进行描绘而得到的曲线图。晶片以5mm/sec的速度移动，并在径向的全部范围内测定其厚度。如图3所示，三次的测定结果的曲线图无偏差地完全重叠。由此，示出了光源的重复波长扫描精度极高的情况。
另外，图3B是示出申请人使用目前正在使用的黑田精工株式会社制造的厚度测定装置：KURODA NANOMETRO(注册商标)300TT-M，来测定的晶片的厚度而得到的结果的曲线图，无论是由图3A、图3B所示的哪一个装置进行测定而得的结果，均为在晶片上凸部的形状良好地一致。
能够进行这样的良好的厚度测定是因为，通过光源使用单片型波长扫描半导体激光光源，使扫描波长每次都是稳定的。另外，认为是，处理器18产生时钟信号，通过根据该时钟信号而波长连续地、直线地变化的激光而得到干涉信号，并且与该时钟信号同步地生成采样时钟或直接用作采样时钟，对干涉光信号进行A/D转换，由此扫描波长对激光的干涉作用和基于干涉光信号的利用高速傅立叶变换的信号处理等的分析同步地进行，从而没有偏差。
在进行晶片24的厚度计测时，能够通过一边使晶片24或探针22以恒定速度移动一边连续地检测干涉光信号，来测定晶片24的厚度。
利用双面研磨加工机或单面研磨加工机(未图示)来研磨晶片24时，能够在研磨加工中使用晶片厚度测定装置10连续地或隔着一定时间间隔来测定晶片24的厚度。
另外，激光的波长扫描频率能够以1kHz～40kHz进行。
激光的波长范围能够设为透射过硅晶片的1200nm～1400nm。
采样时钟的速度能够以10MHz～1GHz使波长可变，从而测定干涉波形。
另外，能够通过一边使晶片24或探针22以恒定速度移动一边连续地测定干涉波形，来测定晶片的厚度。
另外，优选利用晶片的双面研磨机或者单面研磨机进行晶片的研磨速率的测定。
另外，为了准确地求出波长变化量或波长的绝对值，需要使用高精度的激光光源10，因而成本增大。
因此，如专利文献1(日本特开平7-306018号公报)所示的那样，也可以使用设置参照光学系统，组成与测定样品相同并准确知晓厚度的参照用样品，根据从测定样品的光学系统输出的干涉信号的频率、从参照用样品的光学系统输出的干涉信号的频率、参照用样品的厚度以及待求出的测定样品的厚度的关系式，通过计算来求出测定样品的厚度。
图4是示出单片型波长扫描半导体激光光源10的另一实施方式的整体系统的框图。
与图1中的部件相同的部件用相同的标号来表示，并省略其说明。
在本实施方式中，追加了利用参照晶片的光源监视用电路32。
在该光源监视用电路32中，从激光源14放出并被分光的激光从循环器34和探针36照射到参照用晶片38。被参照用晶片38的正面和背面反射后的激光(干涉光)经过探针36和循环器34由光电二极管40进行检测，进而被A/D转换器28转换成数字信号，并被输入到计算机30。
在计算机30中，根据输入的数字信号值来计算从光电二极管40输出的电压的平均值(设定时间内的平均值)。从光电二极管40输出的电压值与从激光源14放出的激光的光量的增减成比例地变动。适当地监视上述电压值的变动，在上述电压的平均值低于预先确定的阈值的情况下判断为异常，并发出警报。
或者，光源监视用电路32也可以作为单片型波长扫描半导体激光光源10的扫描波长精度的监视用而使用。参照用晶片38的厚度(及其分布)是恒定的，因此在测定出的厚度产生偏差的情况下，能够判断为单片型波长扫描半导体激光光源10的扫描波长精度发生变动，从而能够成为掌握该变动主要原因的标准。关于扫描波长精度，能够以对获取的干涉波形的FFT峰值的频率测定了设定次数(例如1000次)的平均值、P-P值、偏差值等进行掌握。
另外，监视的时机能够通过程序来设定。例如，能够设为在即将进行晶片厚度测定之前等。
图5示出了单片型波长扫描半导体激光光源10的又一实施方式。在本实施方式中，使用MZI(Mach-Zehnder：马赫-曾德尔)干涉仪42作为光源监视用电路，除此之外与其他实施方式相同。
在本实施方式中，与上述同样地能够掌握单片型波长扫描半导体激光光源10的扫描波长精度，并能够用作光源的监视。
另外，如果使用纤维式MZI干涉仪，纤维材质的石英玻璃的折射率为1.4左右，硅晶片折射率低于约3.5，从而具有温度的影响所导致的光路长度的变化较小的优点。
【表1】
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