專利名稱：用于測量片狀工件的厚度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量用作電子元件的基底的片狀工件的厚度的方法，包括下述步驟將紅外輻射(射線)定向到工件上側(cè)上，其中第一輻射分量在所述上側(cè)上反射，而第二輻射分量穿透工件厚度、在工件下側(cè)上反射并且再次在工件上側(cè)射出，第一和第二輻射分量在構(gòu)成干涉圖樣的情況下發(fā)生干涉，借助該干涉圖樣確定工件上側(cè)和工件下側(cè)之間的光學(xué)的工件厚度。
背景技術(shù)：
薄片狀工件、例如硅晶片通常在雙面和單面加工機(jī)器中進(jìn)行加工，如磨削、研磨、 拋光(“Haze free polishing無霧拋光”或“化學(xué)機(jī)械拋光”)等。在此制造的工件的幾何形狀對(duì)于進(jìn)一步的使用目的來說非常重要。因?yàn)榻?jīng)常通過光學(xué)成像法給加工完成的工件設(shè)置集成電路，工件的不希望的厚度變化降低了圖像清晰度并且因此降低了集成電路的質(zhì)量。迄今為止，工件的厚度測量是在雙面加工機(jī)和/或CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)機(jī)加工之后才進(jìn)行的。以測量結(jié)果為基礎(chǔ)，在出現(xiàn)不希望的幾何形狀偏差時(shí)撿出工件。由于在加工結(jié)束之后才進(jìn)行測量，所以這種方式會(huì)產(chǎn)生不希望的廢品。已知的用于厚度測量的方法例如包括激光三角測量法、超聲波測量法和渦電流測量法。但是對(duì)于所提及的薄片狀的工件這些方法都不能提供足夠的精度。電容厚度測量方法提供了更為精確的測量結(jié)果。但這種方法昂貴而(過于)靈敏。對(duì)于工件加工期間或即將加工工件之前的在線厚度測量來說考慮采用例如干涉測量法。在此通過由待測量的工件反射或射出的電磁輻射的干涉圖樣、例如由兩個(gè)干涉極大值的距離來確定光學(xué)的工件厚度。光學(xué)的厚度是機(jī)械的工件厚度和折射率的乘積。就是說在已知折射率的情況下可以由光學(xué)的工件厚度計(jì)算出機(jī)械的工件厚度。在此假設(shè)對(duì)于相應(yīng)待測量的工件材料，折射率為給定的常數(shù)。但是，在實(shí)踐中這種方式仍然不是總能實(shí)現(xiàn)足夠的測量精度，因?yàn)楣ぜ?、如晶片的材料變化、例如摻雜變化會(huì)弓I起折射率的變化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，從上述現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)本發(fā)明的目的是，提供一種開頭所述類型的方法，借助該方法可以更精確地測量薄片狀的工件的厚度。本發(fā)明通過權(quán)利要求1的主題來實(shí)現(xiàn)所述目的。各從屬權(quán)利要求以及說明書和附圖給出了有利的實(shí)施方案。對(duì)于開頭所述類型的方法，本發(fā)明以這樣的方式來實(shí)現(xiàn)所述目的，即由對(duì)從工件反射和/或射出的紅外輻射的強(qiáng)度的測量在考慮光學(xué)的工件厚度的情況下求出機(jī)械的工件厚度。根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，例如由于材料變化會(huì)導(dǎo)致折射率變化并且由此導(dǎo)致厚度測量的失真。在此本發(fā)明所基于的認(rèn)識(shí)是，折射率的變化影響工件的反射率或吸收率，因此在折射率變化時(shí)反射或者說射出的輻射強(qiáng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)本發(fā)明利用這種效果，以便在由所測得的光學(xué)的工件厚度確定機(jī)械的工件厚度時(shí)補(bǔ)償折射率的變化。在此，根據(jù)工件的相應(yīng)的材料在多數(shù)情況下可以忽略工件厚度變化引起的吸收變化對(duì)折射率的影響。在對(duì)紅外輻射高度透明的材料如硅中尤其是這種情況。對(duì)于其它材料來說厚度變化時(shí)工件的吸收性也發(fā)生變化。這樣可以通過將測得的強(qiáng)度修正以在校準(zhǔn)工作中求出的、表示吸收變化的比例因子來求出折射率。在例如由于摻雜變化發(fā)生折射率變化時(shí)，根據(jù)本發(fā)明能夠與現(xiàn)有技術(shù)相比更精確地測量厚度并且改善了用于布設(shè)集成電路或安裝電子元件的特性。利用根據(jù)本發(fā)明的方法來測量薄片狀的局部透明/部分透明的尤其是可以構(gòu)造成圓柱形或圓形的工件。工件尤其可以具有小于1.5mm的厚度。機(jī)械的工件厚度在此可以作為商由光學(xué)的工件厚度和折射率計(jì)算出。工件上側(cè)和工件下側(cè)之間的光學(xué)的工件厚度的確定和必要時(shí)進(jìn)行的折射率的確定可以分別在使用適合的校準(zhǔn)特性曲線或適合的校準(zhǔn)特性曲線族的情況下進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明，工件的朝向入射輻射的一側(cè)稱為工件上側(cè)，而工件的背朝入射輻射的一側(cè)稱為工件下側(cè)。當(dāng)然按本發(fā)明的方法與工件在空間中的定向或與紅外輻射的入射方向無關(guān)。入射方向尤其也可以在垂直方向上自下向上地定向到工件上。在按本發(fā)明所使用的內(nèi)部干涉測量法中，第二輻射分量在其再次從工件射出之前當(dāng)然可以多次穿透并且相應(yīng)地多次在下側(cè)以及有可能在上側(cè)的內(nèi)表面上發(fā)生反射。干涉圖樣的記錄尤其在朝向工件上側(cè)的一側(cè)上進(jìn)行。在此，紅外輻射例如可以輸入到玻璃纖維中并且通過玻璃纖維傳導(dǎo)到工件上，或者來自工件的輻射可以由玻璃纖維接收并且導(dǎo)向評(píng)估處理裝置。為了對(duì)干涉圖樣進(jìn)行評(píng)估處理，例如可以設(shè)置適合的具有適合的評(píng)估處理電子裝置的探測器。片狀工件可以是夾層/三明治結(jié)構(gòu)的一部分，工件下側(cè)構(gòu)成與緊鄰的位于下面的層的分界面。同樣，工件上側(cè)構(gòu)成與緊鄰的位于上面的層的分界面。通過各輻射分量相干形成的干涉圖樣例如可以是衍射圖樣，也可以是例如與白光干涉測量法類似的、在光譜上扇狀散開的干涉圖樣。在本發(fā)明中干涉的類型并不重要。根據(jù)一種實(shí)施方案，將一紅外光譜(帶)朝工件上側(cè)定向。該紅外光譜尤其是可垂直地向工件上側(cè)定向。接下來可以借助光譜儀、例如光柵光譜儀對(duì)通過第一和第二輻射分量的干涉產(chǎn)生的輻射進(jìn)行光譜分析。在該實(shí)施方案中使用本身已知的并且在實(shí)踐中得到驗(yàn)證的紅外干涉測量法。例如可以采用紅外燈、尤其是紅外白熾燈或紅外氣體放電燈作為紅外輻射源。此時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)輻射分量的干涉。尤其是對(duì)于該光譜的確定的波長來說由于工件厚度產(chǎn)生的光程差恰好導(dǎo)致出現(xiàn)相消干涉或相長干涉?，F(xiàn)在可以借助光譜儀對(duì)干涉圖樣進(jìn)行光譜分析并且分析處理，例如可以由兩個(gè)極大值或極小值的距離確定光學(xué)的工件厚度。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明也可以設(shè)想采用其他干涉方法，例如借助具有高的相干長度的輻射(例如激光輻射)和傾斜的輻射入射。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，為了測量從工件反射和/或射出的紅外輻射的強(qiáng)度，可以在第一輻射分量在工件上側(cè)上反射后或在第二輻射分量從工件上側(cè)射出后，測量通過第一和第二輻射分量的干涉產(chǎn)生的輻射的強(qiáng)度。在該實(shí)施方案中，可以在與接收兩個(gè)發(fā)生干涉的輻射分量并且進(jìn)行分析處理相同的一側(cè)進(jìn)行強(qiáng)度測量。因此可以有利地對(duì)于強(qiáng)度測量和干涉圖樣分析處理使用相同的測量裝置。通過測出干涉圖樣的兩個(gè)確定的點(diǎn)、例如一個(gè)干涉極大值和一個(gè)干涉極小值之間的強(qiáng)度差來測量強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)特別高的精度。在此極小值尤其可以是等于零的強(qiáng)度。根據(jù)一種可選實(shí)施方案，一第三輻射分量可以在工件下側(cè)從工件射出，并且為了測量反射和/或射出的紅外輻射的強(qiáng)度在第三輻射分量射出工件后測量第三輻射分量的強(qiáng)度。就是說，在該實(shí)施方案中記錄透射工件的輻射的強(qiáng)度并由此得出反射率或吸收率。例如當(dāng)可從外部接近工件下側(cè)并且可相應(yīng)地接收穿過的輻射時(shí)，該實(shí)施方案是適宜的。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案可以確定工件的折射率，并且在考慮測得的折射率的情況下可以由光學(xué)的工件厚度求得機(jī)械的工件厚度。該折射率例如可以由根據(jù)由工件反射和/或射出的紅外輻射的強(qiáng)度或強(qiáng)度差來描述折射率的特性曲線求出。這種特性曲線可以在校準(zhǔn)時(shí)建立。也可以設(shè)想通過特性曲線族來確定機(jī)械的工件厚度。這種特性曲線族例如可以根據(jù)強(qiáng)度或強(qiáng)度差和折射率來描述工件厚度。通常這種特性曲線族也是在校準(zhǔn)時(shí)建立的。使用特性曲線或特性曲線族實(shí)現(xiàn)了特別簡單地對(duì)所接收的輻射進(jìn)行分析處理。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，可以引導(dǎo)紅外輻射橫向地經(jīng)過工件上側(cè)，并借助本發(fā)明的方法求出機(jī)械的工件厚度分布曲線。就是說，在該實(shí)施方案中，紅外輻射先后或同時(shí)定向到工件上側(cè)上的多個(gè)在工件橫向方向前后順序布置的位置上并且按根據(jù)本發(fā)明的方式測得每個(gè)所述位置的厚度。即建立橫向的厚度分布曲線。根據(jù)一種與此相關(guān)的實(shí)施方案，可以引導(dǎo)紅外輻射沿徑向地經(jīng)過工件上側(cè)并且借助本發(fā)明方法求出徑向的工件厚度分布曲線。 只要以具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的工件為基礎(chǔ)，就可以通過這樣的徑向測量在測量厚度時(shí)實(shí)現(xiàn)足夠的精度。在此，可以沿徑向方向在整個(gè)工件表面或者僅在工件表面的一部分上，例如從工件表面的邊緣到中點(diǎn)，或者在更小的區(qū)域上引導(dǎo)紅外輻射。根據(jù)一種特別符合實(shí)踐的實(shí)施方案，工件可以是晶片、尤其是硅晶片。這種晶片或半導(dǎo)體片用于很多領(lǐng)域，以便提供部分復(fù)雜的集成電路。在此工件的幾何形狀出于前面所述的原因?qū)呻娐返馁|(zhì)量是特別重要的。但也可設(shè)想采用其它的用于集成電路和單個(gè)電子元件的片狀工件，工件例如可以是藍(lán)寶石片。例如可以給這種基底設(shè)置硅層，由此使其形成夾層結(jié)構(gòu)。然后可以借助例如光學(xué)成像法將集成電路或單個(gè)元件，例如二極管或類似元件設(shè)置到硅層上。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，在雙面或單面加工機(jī)器中，例如用于化學(xué)機(jī)械平面化或化學(xué)機(jī)械拋光的機(jī)器中，加工工件期間和/或即將加工工件之前、尤其是在磨削、研磨和/或拋光工件期間，可以利用按本發(fā)明的方法確定工件的厚度。然后就可以根據(jù)獲得的厚度和/ 或獲得的厚度分布曲線在加工期間對(duì)用于工件加工的參數(shù)進(jìn)行適配。就是說，借助本發(fā)明的方法可以在這種加工機(jī)中進(jìn)行在線厚度測量并且可選地根據(jù)厚度測量對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，以便優(yōu)化工件幾何形狀。通常在這種機(jī)器中特別存在這樣的任務(wù)即避免由加工盤，例如拋光盤導(dǎo)致的不希望的凹入或不希望的凸出的表面形狀或厚度形狀。由于這類機(jī)器中旋轉(zhuǎn)加工占多數(shù)，所以基于這樣的事實(shí)，即工件基本上是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，從而可能出現(xiàn)的相對(duì)于給定幾何形狀的偏差也同樣是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。因此在這種情況下本發(fā)明的徑向厚度測量提供了足夠的精度。


下面借助附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。其中示意性地圖1示出用于實(shí)施本發(fā)明的方法的結(jié)構(gòu)；圖2示出用于顯示光路的示意圖；圖3示出待測量工件的示意圖，以及圖4示出按本發(fā)明的方法記錄的徑向的厚度分布曲線。
具體實(shí)施例方式除非另有說明，否則附圖中相同的部件用相同的附圖標(biāo)記表示。圖1中示出用于集成電路的片狀工件10，此處為硅晶片10，應(yīng)測量該工件的機(jī)械厚度d。紅外輻射源12(此處為紅外燈)產(chǎn)生紅外輻射14-在所示實(shí)施例中為紅外光譜14，即在確定的波長或頻率范圍上分布的紅外輻射。通過分光器16，例如半透明鏡16通過光具18聚焦的紅外輻射14以垂直入射到達(dá)晶片10的上側(cè)20。圖2中更詳細(xì)地示出到達(dá)晶片10時(shí)的光路。據(jù)此，第一輻射分量22在工件上側(cè)20 上反射并與上側(cè)20垂直地返回。其它輻射23穿過工件厚度d、在工件下側(cè)沈上(部分) 反射、從下側(cè)26到上側(cè)20再次穿過工件厚度d，并至少部分地作為第二輻射分量M再次在工件上側(cè)20射出。從工件下側(cè)沈到上側(cè)返回穿過工件厚度d的輻射23在上側(cè)20上再次部分反射，使得另一輻射分量30再次從上側(cè)20到工件下側(cè)沈穿過工件厚度d，如此等等。 這樣的光路是公知的。因?yàn)檩椛?3在工件下側(cè)只是部分反射，所以在圖2所示的實(shí)施例中一第三輻射分量觀在工件下側(cè)沈上射出。第一和第二輻射分量22、24(和可能還有其它的反射的輻射分量)在其反射后或在其從工件10再次射出后重新到達(dá)分光器16上，被分光器垂直地偏轉(zhuǎn)并導(dǎo)向光譜儀32。 在所示實(shí)施例中光譜儀32是光柵光譜儀32。光譜儀32使到達(dá)光譜儀32的紅外輻射14變成在光譜上扇狀散開的，如圖1中作為光譜(帶)34示意性示出的那樣。僅是清楚起見，在光譜34中示出按任意單位隨波長變化的輻射強(qiáng)度。紅外輻射14的從晶片10返回的部分、尤其是第一和第二輻射分量22、24以同樣已知的方式相互干涉。根據(jù)由晶片厚度d引起的輻射分量22、24的光程差，會(huì)發(fā)生相長或相消的干涉。圖1中在附圖標(biāo)記36處以一般性的以及示意性的方式示出干涉圖線。在干涉圖線36中也描繪了按任意單位隨波長變化的強(qiáng)度。這樣形成一干涉圖樣38。通過對(duì)干涉圖線36中的強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行分析處理來確定工件10的厚度d。例如可以由兩個(gè)干涉極大值的距離40以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式獲得作為機(jī)械的工件厚度d與晶片10的折射率的乘積的光學(xué)的工件厚度 L.干涉極大值和干涉極小值之間的強(qiáng)度差42包含關(guān)于晶片10的反射率的信息?；跍y得的強(qiáng)度差42可以借助例如在校準(zhǔn)時(shí)建立的特性曲線來確定晶片10的折射率。在此基礎(chǔ)上作為商由所獲得的光學(xué)的工件厚度L和同樣所獲得的折射率η計(jì)算出機(jī)械的工件厚度d。上述方法可以用于建立工件10的徑向的厚度分布曲線，如圖3示意性示出的那樣。根據(jù)圖3，從圓柱形的、在俯視圖中為圓形的工件10的中點(diǎn)出發(fā)朝工件10的邊緣沿徑向的線44對(duì)沿該徑向的線44設(shè)置的表面位置逐次地實(shí)施所述方法，并由此建立徑向的厚度分布曲線。圖4中示出了相應(yīng)的徑向的厚度分布曲線46。在該圖中描繪了測得的隨工件 10的半徑變化的工件厚度d、半徑以毫米表示、工件厚度以微米表示。半徑0表示工件上側(cè)20的中點(diǎn)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用作電子元件的基底的片狀工件10 的更精確的厚度測量。
權(quán)利要求
1.用于測量片狀的工件的厚度的方法，所述工件用作電子元件的基底，該方法包括下述步驟a)將紅外輻射(14)定向到工件上側(cè)(20)上，其中第一輻射分量(22)在工件上側(cè)(20) 上反射，而第二輻射分量(24)穿過工件厚度(d)、在工件下側(cè)(26)上反射并又在工件上側(cè) (20)射出，b)所述第一和第二輻射分量(22、24)在形成干涉圖樣的情況下發(fā)生干涉，c)借助所述干涉圖樣確定工件上側(cè)(20)和工件下側(cè)(26)之間的光學(xué)的工件厚度(L)，其特征在于，包括下述步驟由對(duì)由工件(10)反射和/或射出的紅外輻射(14)的強(qiáng)度的測量在考慮光學(xué)的工件厚度(L)的情況下求得機(jī)械的工件厚度(d)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，將紅外輻射光譜(14)定向到工件上側(cè)(20)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述紅外輻射光譜(14)垂直地定向到工件上側(cè)(20)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于，借助光譜儀(32)分析通過各輻射分量 (22,24)的干涉形成的輻射。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，為了測量由工件(10)反射和/或射出的紅外輻射(14)的強(qiáng)度，在第一輻射分量在工件上側(cè)(20)反射后或第二輻射分量從工件上側(cè)(20)射出后，測量由于第一和第二輻射分量(22、24)的干涉產(chǎn)生的輻射的強(qiáng)度。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，為了測量由工件(10)反射和/或射出的紅外輻射(14)的強(qiáng)度，確定干涉圖樣的兩個(gè)確定的點(diǎn)、尤其是干涉極大值和干涉極小值之間的強(qiáng)度差(42)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的方法，其特征在于，在工件下側(cè)(26)從工件(10)中射出第三輻射分量(28)，并且為了測量由工件(10)反射和/或射出的紅外輻射(14)的強(qiáng)度，在第三輻射分量從工件(10)中射出后，測量第三輻射分量(28)的強(qiáng)度。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，確定工件(10)的折射率(η)，并且在考慮所求得的折射率(η)的情況下由光學(xué)的工件厚度(L)求得機(jī)械的工件厚度(d)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，所述折射率(η)由根據(jù)由工件(10)反射和/ 或射出的紅外輻射(14)的強(qiáng)度或強(qiáng)度差(42)來描述折射率(η)的特性曲線獲得。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，所述機(jī)械的工件厚度(d)借助特性曲線族獲得。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，引導(dǎo)所述紅外輻射(14)橫向地經(jīng)過工件上側(cè)(20)，并且借助該方法獲得機(jī)械的工件厚度分布曲線(46)。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，所述工件(10)是晶片(10)、尤其是硅晶片(10)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的方法，其特征在于，所述工件(10)是藍(lán)寶石片。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，在單面或雙面加工機(jī)中、尤其是在用于化學(xué)機(jī)械平面化或化學(xué)機(jī)械拋光的機(jī)器中，在加工工件(10)期間和/或即將在加工工件之前和/或在加工工件之后不久，確定工件(10)的厚度(d)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，根據(jù)所獲得的厚度(d)和/或所獲得的厚度分布曲線對(duì)用于工件(10)的加工的參數(shù)進(jìn)行適配。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量用作電子元件的基底的片狀的工件的厚度的方法，包括下述步驟將紅外輻射定向到工件上側(cè)上，其中第一輻射分量在上側(cè)上反射，而第二輻射分量穿過工件厚度、在工件下側(cè)上反射并再次在工件上側(cè)射出，第一和第二輻射分量在構(gòu)成干涉圖樣的情況下發(fā)生干涉，借助所述干涉圖樣確定工件上側(cè)和工件下側(cè)之間的光學(xué)的工件厚度。根據(jù)本發(fā)明設(shè)定，在考慮光學(xué)的工件厚度的情況下由對(duì)由工件反射和/或射出的紅外輻射的強(qiáng)度的測量獲得機(jī)械的工件厚度。
文檔編號(hào)G01B11/06GK102171000SQ200980139034
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2009年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月1日
發(fā)明者I·格羅特科普, J·坎措, J·邁爾 申請(qǐng)人:彼特沃爾特斯有限公司