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JP3940819B2 - Semiconductor wafer surface shape measuring apparatus and surface shape measuring method - Google Patents

Semiconductor wafer surface shape measuring apparatus and surface shape measuring method Download PDF

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JP3940819B2
JP3940819B2 JP17146098A JP17146098A JP3940819B2 JP 3940819 B2 JP3940819 B2 JP 3940819B2 JP 17146098 A JP17146098 A JP 17146098A JP 17146098 A JP17146098 A JP 17146098A JP 3940819 B2 JP3940819 B2 JP 3940819B2
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Japan
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semiconductor wafer
measuring
surface shape
pair
shape measuring
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一寿 水島
誠 小林
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハなどの半導体ウェーハの表面の形状を高精度に測定するための半導体ウェーハの表面形状測定装置および表面形状測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコンウェーハなどの半導体ウェーハは主に半導体装置の基板として用いられており、半導体製造プロセスにおいては、その半導体ウェーハに露光装置を用いて半導体装置の回路パターンを形成して微細加工を施すことが行われている。このような微細なパターンを形成する場合、被加工物である半導体ウェーハは露光装置の焦点深度よりも凹凸の小さい、高度の平坦度を有することが必要とされる。従って、半導体ウェーハを製品として製造する場合には、その平坦度の検査は重要な品質検査の1つとされる。
【0003】
現在、半導体ウェーハの平坦度を測定する方法として、次の2つの方法が取られている。1つは露光装置に装着されている状態と同様に半導体ウェーハを保持し、その保持された状態の表面形状を測定する方法である。もう1つの方法は、半導体ウェーハの厚みを測定し、裏面基準を計算で求めた後、露光装置に保持されている状態を仮想的に求め平坦度を算出する方法である。これらの各方法にはそれぞれ特徴があるが、現在では厚みを測定して平坦度を算出する方法が一般的に用いられる。これは当該方法が非接触で測定可能であり、ウェーハ裏面への異物付着の点から好ましいからである。
【0004】
一対の対向するレーザー変位計を用いた表面形状測定装置の場合、これら一対のレーザー変位計が所定距離だけ離されて固定ステージ上に配設され、その間の空間に半導体ウェーハが保持される。この半導体ウェーハは、その主面が対向するレーザー変位計を結ぶ線に対して垂直となるように保持されるとともに、主面内のX−Y方向の2軸方向に相対的に移動するように制御され、半導体ウェーハの表面及び裏面の複数の測定点での形状に関するデータをサンプリングして行く。このように得られた形状データを厚みが既知の基準サンプルと比較して、ウェーハ全面の厚さが求められ、さらに仮想的な裏面基準を算出して、当該半導体ウェーハの平坦度が求められる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このような高精度の平坦度の測定を実施する場合、使用しているレーザー変位計のスポット位置を正確に合わせ込み、さらにレーザー変位計のレーザー光の平行度を正確に調整することが必要である。ところが、一対のレーザー変位計は固定ステージ上にねじで固定されているのみで、レーザー光のビーム射出方向を微調整することができない。そして、一対のレーザー変位計の各レーザー光のビーム射出方向が平行でなく少しずれていた場合には、その分得られるデータが精度を欠くものとなり、有意義な品質検査ができなくなる。
【0006】
そこで、本発明は、上述の技術的な課題を解決するもので、半導体ウェーハの表面形状を高精度に測定するための半導体ウェーハの表面形状測定装置および表面形状測定方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体ウェーハの表面形状を測定する半導体ウェーハの表面形状測定装置は、上述の目的を達成するために、
測定すべき半導体ウェーハを保持する保持部と、該保持部に保持された半導体ウェーハの主面に臨んで配設され該半導体ウェーハの主面の形状を測定する測定手段と、を備え、該測定手段は測定装置のセンサー基台の上に、前記半導体ウェーハ表裏両面に対向して所定距離だけ離間して一対配置されており、前記センサー基台に支持された前記測定手段には、その測定手投を三次元方向に移動させると共にその測定手段の角度を調節する位置角度調整手段を有することを特徴としている。
【0008】
その一例として、前記半導体ウェーハの保持部には、その半導体ウェーハを平面内で平行移動して操作する移動部材を備え、前記測定手段は前記半導体ウェーハに対向して配置される一対のレーザー変位計で構成し、前記位置角度調整手段は、前記移動部材によって移動する前記半導体ウェーハの端部において、前記一対のレーザー変位計の反射光量が消滅するように前記測定手段の位置を調整する。
また、前記位置角度調整手段は前記測定手段の位置を調整できる例えばx−y−zステージなどの直交三軸機構を用いて構成され、より好ましくは、前記位置角度調整手段は前記測定手段の位置及び角度を調整できるx−y−z−θステージから構成される。
【0009】
また、上述の目的を達成する本発明にかかる測定方法は、半導体ウェーハの表面形状を測定する半導体ウェーハの表面形状測定方法において、測定すべき半導体ウェーハを保持部に保持させた後、測定装置のセンサー基台の上に該半導体ウェーハ表裏両面に対向して所定距離だけ離間して一対配置された測定手投は、三次元方向の移動と角度が調節される位置角度調整手段によって、測定する前記半導体ウェーハ上の測定点の位置と測定方向を調整し、その調整後に前記測定手段により半導体ウェーハの主面の形状を測定することを特徴とする。
【0010】
その好ましい一形態として、前記保持部は移動部材によって前記半導体ウェーハを平面内で平行移動可能になっており、前記測定手投は前記半導体ウェーハに対向して配置される一対のレーザー変位計を用い、前記移動部材で移動する前記半導体ウェーハの端部において、前記一対のレーザー変位計の反射光量が消滅するように前記位置角度調整手段が前記測定手段の位置を調整する。
また、半導体ウェーハ上の測定点の位置は直交三軸機構によって調整され、その測定方向は角度調整機構によって調整される。また、前記測定方向の調整のために、厚さのばらつきが前記レーザー変位計の測定精度以下であるブロックゲージを用いて零点調整することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
図面を参照しながら、本発明の一実施態様の半導体ウェーハの表面形状測定装置および表面形状測定方法について説明する。図1及び図2は本実施態様の半導体ウェーハの表面形状測定装置を示す図であって、図1は要部である一対のレーザー変位計の拡大斜視図であり、図2は本実施態様の半導体ウェーハの表面形状測定装置の側面図である。
【0012】
図2に示すように、本実施態様の表面形状測定装置は、その主な構成として、測定装置本体30に取り付けられた保持部31と、測定手段をなすレーザー変位計の一部として機能する一対のレーザーセンサブロック11、12と、これらレーザーセンサブロック11、12を支持する位置角度調整手段であるx−y−z−θステージ21、22とを有している。半導体ウェーハとしてのシリコンウェーハ1は前記保持部31にその主面が垂直となるように装着されており、このシリコンウェーハ1に両主面に臨んで一対のレーザーセンサブロック11、12が配設されている。そして、これら一対のレーザーセンサブロック11、12は三次元方向に移動させると共にその角度を調節するx−y−z−θステージ21、22上に搭載されている。
【0013】
前記測定装置本体30は複数の足部33を用いて取り付けられた基台32上に直立した直立部34に、シリコンウェーハ1を平面内で平行移動して走査するための移動部材35、36が取り付けられいる。移動部材35はアーム37に挟まれて支持されるシリコンウェーハ1を垂直方向に移動させるためのものであり、また、移動部材36はシリコンウェーハ1を水平方向に移動させるためのものである。移動部材35は前記直立部34に固定され、その移動部材35の可動部分に移動部材36が取り付けられている。この移動部材36の可動部分はアーム基端部材38を介してアーム37に接続されている。このアーム37は一対のほぼ下向きに延長された湾曲する平板状の腕の先端でシリコンウェーハ1の縁を挟むように構成されており、シリコンウェーハ1を交換する毎に開閉操作される。ここで、前記保持部31はシリコンウェーハ1を保持するための機構であり、主なものとしてアーム37、アーム基端部材38、一対の移動部材35、36、直立部34、および基台32などが含まれる。また、シリコンウェーハ1は前記移動部材35、36によって、その全面に亘って測定のために走査されるが、その走査の一例を図4に示す。
【0014】
図1に、一対のレーザーセンサブロック11、12が示される。各レーザーセンサブロック11、12はそれぞれレーザー光を射出してそれを受光して測定すべき物体までの距離を非接触な方法で図ることができるものである。図1に示すように一対のレーザーセンサブロック11、12は、そのレーザー光の射出方向、すなわち測定方向を互いに対向させており、所定距離を置いて配設することで、その間の空間に存在する物体の厚みおよび表面形状を極めて高速且つ高精度に検知することができる。各レーザーセンサブロック11、12はケーブル23を介して図示しない解析装置に測定データの信号を送り、その解析装置が瞬時にデータを解析して、物体、この場合はシリコンウェーハ1の表面形状および厚みについてのデータを出力する。
【0015】
本実施態様においてこのような一対のレーザーセンサブロック11、12は、それぞれ位置角度調整手段であるx−y−z−θステージ21、22に位置と角度が調整可能に支持されている。各x−y−z−θステージ21、22は、それぞれテーブル13、14および支柱部15、16を有し、前記レーザーセンサブロック11、12はそれらテーブル13、14上に固定されている。支柱部15、16は前記測定装置本体30のセンサー基台39の上端に取り付けられている。そして、これらテーブル13、14を可動させるための機構して、シリコンウェーハ主面に垂直な水平方向(x方向)に移動可能なxテーブルおよびxテーブルガイド軸と、そのx方向に垂直でシリコンウェーハ主面の面内方向で水平な方向(y方向)に移動可能なyテーブルおよびyテーブルガイド軸と、垂直方向(z方向)に移動可能なzテーブルおよびzテーブルガイド軸を有する直交3軸機構を有し、且つ、各レーザーセンサブロック11、12のレーザー光の射出方向を水平面内で微調整する角度調整機構として回転軸を有している。各x−y−z−θステージ21、22のxテーブルガイド軸はx軸調整つまみ17に接続され、yテーブルガイド軸はy軸調整つまみ18に接続され、zテーブルガイド軸はz軸調整つまみ19に接続される。また、各x−y−z−θステージ21、22の回転軸は回転調整つまみ20に接続される。これら各つまみ17、18、19、20を回転操作することで、各レーザーセンサブロック11、12の位置及び角度の微調整が可能である。
【0016】
このような構成を有する本実施態様の表面形状測定装置を用いて、シリコンウェーハ1の表面形状を測定する場合、先ず、レーザーセンサブロック11、12からのレーザー光の焦点距離をシリコンウェーハ1上の同一点に合わせることが行われ、その位置調整のために各x−y−z−θステージ21、22の直交3軸機構が使用され、さらにレーザー光の平行度を調整するために、各x−y−z−θステージ21、22の回転調整つまみ20を用いた角度調整が行われる。特に、測定方向の角度の微調整が、後述するように、精度を向上させるのに大きく貢献する。
【0017】
表面形状の測定をする際には、センサーの零点調整(キャリブレーション)が行われる。本実施態様の表面形状測定装置では、シリコンウェーハ1の表面形状を測定するために、位置と角度の調整が行われるが、例えば、次のような方法によって、センサーの零点調整を進めることができる。これは初めに、図3に示すようなブロックゲージ40が平行度を調整するために使用され、次に、シリコンウェーハ1の縁部を用いて焦点位置の調整を行うものである。
【0018】
詳しくは、厚みのばらつき(そりを含む。)が当該表面形状測定装置の精度以下(例えば5/100ミクロン)のブロックゲージ40を摺動可能な図示しない治具に保持し、このブロックゲージ40を図3に示すように一対のレーザーセンサブロック11、12の間に介在させる。該治具を操作してブロックゲージ40を摺動させ、レーザーセンサブロック11、12からの各レーザースポットの位置が該ブロックゲージ40の端部上にあるようにさせる。その位置で両レーザーセンサブロック11、12の各x−y−z−θステージ21、22のうちのx軸方向の直交3軸機構を操作して、その焦点位置がブロックゲージ40上になるように合わせる。
【0019】
次いで、ブロックゲージ40を少しずつ反対方向に移動させ、一対のレーザーセンサブロック11、12からの出力を確認する。その上で、どちらか一方のセンサーからの出力データを基準として、各レーザーセンサブロック11、12からの表示(出力値)が一致するように各x−y−z−θステージ21、22のうちの回転調整つまみ20を調整する。この回転調整つまみ20の調整は、レーザーセンサブロック11、12の測定方向の角度を調整するものであり、表示された値が一致することで平行度が合うことになる。
【0020】
各レーザーセンサブロック11、12の間でこのような平行度の合わせ込みが行われたところで、実際の測定を行う状態にシリコンウェーハ1をアーム37に挟持させ、今度はシリコンウェーハ1をX方向(x−y−z−θステージのy軸方向に対応)に移動させて、シリコンウェーハ1の縁部付近にレーザー光のスポットを導く。各レーザーセンサブロック11、12のセンサーは、シリコンウェーハ1の端部では反射光を検出できなくなる。そこで、シリコンウェーハ1を外周方向に微小量移動させながら、各レーザーセンサブロック11、12のセンサーがレーザー光の反射光を検出できなくなる位置を確認し、その位置がもしずれている時は、各x−y−z−θステージ21、22のyステージ(ウェーハ上のX方向)を調整する。次に、同様の方法をウェーハのY方向(x−y−z−θステージのz軸方向に対応)についても行い、各x−y−z−θステージ21、22のZステージの調整を行う。このような零点調整によって、一対のレーザーセンサブロック11、12の測定位置および測定角度が微調整させ、高精度の測定が可能となる。
【0021】
次に、本件の発明者らが行った実験に基づいて、本実施態様の表面形状測定装置の位置及び角度の微調整の効果について図5乃至図8を参照しながら説明する。レーザー変位計からのデータを立体画像化して示したものが図5及び図6であり、図5が微調整を伴わないで平坦度を測定したもの、図6は微調整を伴って平坦度を測定したものである。図5の例では、シリコンウェーハの表面の全体形状は中心付近からほぼ左右対称に特徴的な跳ね上がりを見せ、その部分は精度が悪くなっていることが示されている。これに対して、図6に示すように、シリコンウェーハ1の平坦度の測定のために、前記レーザーセンサブロック11、12のスポット位置と平行度(射出方向の角度)の調整を行ったものでは、図5に示されたような特徴的な跳ね上がりがなく、その分だけ精度が向上しているが分かる。
【0022】
図7及び図8も同様なデータであり、走査した結果として、それぞれシリコンウェーハ1の各領域での出力値を示したものである。図7に示す数値が微調整を伴わないで平坦度を測定したもの、図8は微調整を伴って平坦度を測定したものである。微調整を伴って平坦度を測定したもの(図8)の方が、全体的に数値が低くされ、それだけ誤差の少ない高精度のデータとなっているが示されている。
【0023】
このように、近年の半導体装置の高集積化に伴い半導体ウェーハに求められる平坦度のレベルの益々厳しいものとなってきているが、本実施態様の表面形状測定装置のように、実際の測定に際して、レーザー光の焦点位置とその平行度を微調整することにより、確実に要求されている品質の平坦度の測定が可能とされる。特に、現行要求される半導体ウェーハの平坦度のみならず、次世代の半導体ウェーハの平坦度の測定に対しても勿論有効であり、品質のすぐれた製品を製造するための重要な要素技術となり得る。
【0024】
上述の実施態様では、一対のレーザー変位計を使用して半導体ウェーハの表面形状を計測するものとしているが、その他の変位量センサー、例えば静電容量式センサーや原子間力プローブ等が測定手段を構成していても良い。また、本実施態様ではx−y−z−θステージを用いたが、他の方向に走査するような位置角度調整手段を用いることも可能である。
【0025】
【発明の効果】
以上の説明でも明らかなように、本発明の半導体ウェーハの表面形状測定装置および表面形状測定方法によれば、表面形状の測定精度が大幅に向上し、現行及び次世代半導体ウェーハに求められる平坦度品質に対応した測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体ウェーハの表面形状測定装置の一例の要部拡大斜視図である。
【図2】本発明の半導体ウェーハの表面形状測定装置の一例の装置全体を示す側面図である。
【図3】本発明の半導体ウェーハの表面形状測定装置において、一対のレーザーセンサブロックとその零点調整を行う場合に使用されるブロックゲージを示した平面図である。
【図4】半導体ウェーハの走査方法を示す概念図である。
【図5】微調整を伴わないでシリコンウェーハの平坦度を測定した例の出力データに基づく立体図である。
【図6】本発明に従い微調整を行ってシリコンウェーハの平坦度を測定した例の出力データに基づく立体図である。
【図7】微調整を伴わないでシリコンウェーハの平坦度を測定した例のシリコンウェーハ上の出力データを示す図である。
【図8】本発明に従い微調整を行ってシリコンウェーハの平坦度を測定した例のシリコンウェーハ上の出力データを示す図である。
【符号の説明】
1 シリコンウェーハ
11、12 レーザーセンサブロック
21、22 X−Y−Z−θステージ
31 保持部
40 ブロックゲージ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor wafer surface shape measuring apparatus and a surface shape measuring method for measuring the shape of the surface of a semiconductor wafer such as a silicon wafer with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor wafer such as a silicon wafer is mainly used as a substrate of a semiconductor device. In a semiconductor manufacturing process, a circuit pattern of the semiconductor device is formed on the semiconductor wafer by using an exposure apparatus and subjected to fine processing. It has been broken. In the case of forming such a fine pattern, the semiconductor wafer that is a workpiece is required to have a high degree of flatness with less unevenness than the depth of focus of the exposure apparatus. Therefore, when a semiconductor wafer is manufactured as a product, the inspection of the flatness is one of important quality inspections.
[0003]
Currently, the following two methods are taken as methods for measuring the flatness of a semiconductor wafer. One is a method of holding a semiconductor wafer in the same manner as when it is mounted on the exposure apparatus and measuring the surface shape of the held state. Another method is a method in which the thickness of the semiconductor wafer is measured and the back surface reference is obtained by calculation, and then the state held in the exposure apparatus is virtually obtained to calculate the flatness. Each of these methods has its own characteristics, but at present, a method of calculating the flatness by measuring the thickness is generally used. This is because the method can be measured in a non-contact manner and is preferable from the viewpoint of foreign matter adhering to the back surface of the wafer.
[0004]
In the case of a surface shape measuring apparatus using a pair of opposed laser displacement meters, the pair of laser displacement meters is disposed on a fixed stage with a predetermined distance therebetween, and a semiconductor wafer is held in a space therebetween. The semiconductor wafer is held so that its main surface is perpendicular to the line connecting the laser displacement meters facing each other, and is relatively moved in two axial directions in the XY direction in the main surface. It is controlled to sample data related to the shape at a plurality of measurement points on the front and back surfaces of the semiconductor wafer. The shape data obtained in this way is compared with a reference sample with a known thickness to determine the thickness of the entire wafer surface, and a virtual back surface reference is calculated to determine the flatness of the semiconductor wafer.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When performing such high-precision flatness measurement, it is necessary to accurately align the spot position of the laser displacement meter being used, and to adjust the parallelism of the laser light from the laser displacement meter accurately. is there. However, the pair of laser displacement meters is only fixed on the fixed stage with screws, and the beam emission direction of the laser light cannot be finely adjusted. If the beam emission directions of the laser beams of the pair of laser displacement meters are not parallel but slightly deviated, the obtained data lacks accuracy, and meaningful quality inspection cannot be performed.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned technical problems, and an object thereof is to provide a semiconductor wafer surface shape measuring device and a surface shape measuring method for measuring the surface shape of a semiconductor wafer with high accuracy. To do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the semiconductor wafer surface shape measuring apparatus for measuring the surface shape of the semiconductor wafer of the present invention,
A holding unit that holds the semiconductor wafer to be measured, and a measuring unit that is disposed to face the main surface of the semiconductor wafer held by the holding unit and measures the shape of the main surface of the semiconductor wafer. on the sensor base of the unit measuring apparatus, the opposite to the semiconductor wafer front and back surfaces are a pair spaced apart by a predetermined distance, the measuring means is supported on said sensor base, hand measurement is characterized by having a position angle adjustment means to adjust the angle of the measuring means moves the projection in three-dimensional directions.
[0008]
As an example, the the holding portion of the semiconductor wafer is provided with a movable member operated by moving in parallel the semiconductor wafer in a plane, said measuring means a pair of laser displacement which is placed to face the semiconductor wafer The position angle adjusting means adjusts the position of the measuring means so that the amount of reflected light of the pair of laser displacement meters disappears at the end of the semiconductor wafer moved by the moving member.
Further , the position angle adjusting means is configured by using an orthogonal triaxial mechanism such as an xyz stage capable of adjusting the position of the measuring means , and more preferably, the position angle adjusting means is a position of the measuring means . And an xyz-θ stage whose angle can be adjusted.
[0009]
In addition, a measuring method according to the present invention that achieves the above-described object is a method for measuring the surface shape of a semiconductor wafer . measurements Teto which a pair spaced apart by a predetermined distance on the sensor base opposite to the semiconductor wafer front and back surfaces is the position angle adjusting means for moving the angle of the three-dimensional directions is adjusted, measuring the The position of the measurement point on the semiconductor wafer and the measurement direction are adjusted, and the shape of the main surface of the semiconductor wafer is measured by the measurement means after the adjustment.
[0010]
As a preferred form thereof, the holding unit is capable of translating the semiconductor wafer in a plane by a moving member, and the measurement hand throw uses a pair of laser displacement meters arranged to face the semiconductor wafer. The position angle adjusting means adjusts the position of the measuring means so that the amount of reflected light of the pair of laser displacement meters disappears at the end of the semiconductor wafer moved by the moving member.
The position of the measurement point on the semiconductor wafer is adjusted by the orthogonal three-axis mechanism, the measuring direction is adjusted by the angle adjusting mechanism. Further, in order to adjust the measuring direction, and adjusting the zero point by using the variation in the thickness is less than the measurement accuracy of the laser displacement gauge block gauge.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A semiconductor wafer surface shape measuring apparatus and surface shape measuring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 are views showing a surface shape measuring apparatus for a semiconductor wafer according to this embodiment. FIG. 1 is an enlarged perspective view of a pair of laser displacement meters as main parts. FIG. It is a side view of the surface shape measuring apparatus of a semiconductor wafer.
[0012]
As shown in FIG. 2, the surface shape measuring apparatus according to the present embodiment has, as its main structure, a pair that functions as a holding unit 31 attached to the measuring apparatus main body 30 and a part of a laser displacement meter that forms the measuring means. Laser sensor blocks 11, 12, and xyz-θ stages 21, 22 which are position angle adjusting means for supporting the laser sensor blocks 11, 12. A silicon wafer 1 as a semiconductor wafer is mounted on the holding portion 31 such that its main surface is vertical, and a pair of laser sensor blocks 11 and 12 are disposed on the silicon wafer 1 so as to face both main surfaces. ing. The pair of laser sensor blocks 11 and 12 are mounted on xyz-theta stages 21 and 22 that move in a three-dimensional direction and adjust their angles.
[0013]
The measuring apparatus main body 30 has moving members 35 and 36 for translating and scanning the silicon wafer 1 in a plane on an upright portion 34 upright on a base 32 attached using a plurality of feet 33. It is attached. The moving member 35 is for moving the silicon wafer 1 supported between the arms 37 in the vertical direction, and the moving member 36 is for moving the silicon wafer 1 in the horizontal direction. The moving member 35 is fixed to the upright portion 34, and a moving member 36 is attached to a movable part of the moving member 35. The movable part of the moving member 36 is connected to the arm 37 via the arm base end member 38. The arm 37 is configured so that the edge of the silicon wafer 1 is sandwiched between the tips of a pair of curved flat-plate arms extended substantially downward, and is opened and closed each time the silicon wafer 1 is replaced. Here, the holding portion 31 is a mechanism for holding the silicon wafer 1, and mainly includes an arm 37, an arm base end member 38, a pair of moving members 35 and 36, an upright portion 34, a base 32, and the like. Is included. Further, the silicon wafer 1 is scanned for measurement over the entire surface thereof by the moving members 35 and 36. An example of the scanning is shown in FIG.
[0014]
FIG. 1 shows a pair of laser sensor blocks 11 and 12. Each of the laser sensor blocks 11 and 12 can emit a laser beam and receive the laser beam to measure the distance to the object to be measured by a non-contact method. As shown in FIG. 1, the pair of laser sensor blocks 11 and 12 have their laser light emission directions, that is, measurement directions opposed to each other, and are arranged at a predetermined distance so that they exist in a space between them. It is possible to detect the thickness and surface shape of an object with extremely high speed and high accuracy. Each of the laser sensor blocks 11 and 12 sends a measurement data signal to an analysis device (not shown) via the cable 23, and the analysis device analyzes the data instantaneously, and the surface shape and thickness of the object, in this case, the silicon wafer 1. Output data about.
[0015]
In this embodiment, such a pair of laser sensor blocks 11 and 12 are supported by xyz-theta stages 21 and 22 which are position angle adjusting means, respectively, so that the position and angle can be adjusted. Each of the xyz-θ stages 21 and 22 has tables 13 and 14 and support columns 15 and 16, respectively. The laser sensor blocks 11 and 12 are fixed on the tables 13 and 14, respectively. The column portions 15 and 16 are attached to the upper end of the sensor base 39 of the measurement apparatus main body 30. Then, as a mechanism for moving these tables 13, 14, an x table and an x table guide shaft that are movable in a horizontal direction (x direction) perpendicular to the main surface of the silicon wafer, and a silicon wafer perpendicular to the x direction. An orthogonal three-axis mechanism having a y table and a y table guide shaft movable in a horizontal direction (y direction) in the in-plane direction of the main surface, and a z table and a z table guide shaft movable in a vertical direction (z direction) And a rotation axis as an angle adjustment mechanism for finely adjusting the laser beam emission direction of each of the laser sensor blocks 11 and 12 within a horizontal plane. The x table guide shaft of each of the xyz-theta stages 21 and 22 is connected to the x axis adjustment knob 17, the y table guide axis is connected to the y axis adjustment knob 18, and the z table guide axis is the z axis adjustment knob. 19 is connected. The rotation axes of the xyz-θ stages 21 and 22 are connected to the rotation adjustment knob 20. By rotating these knobs 17, 18, 19, and 20, the position and angle of each laser sensor block 11 and 12 can be finely adjusted.
[0016]
When measuring the surface shape of the silicon wafer 1 using the surface shape measuring apparatus of this embodiment having such a configuration, first, the focal length of the laser light from the laser sensor blocks 11 and 12 is determined on the silicon wafer 1. In order to adjust the position, orthogonal three-axis mechanisms of the xyz-theta stages 21 and 22 are used, and in order to adjust the parallelism of the laser beam, each x The angle adjustment using the rotation adjustment knob 20 of the −yz−θ stages 21 and 22 is performed. In particular, fine adjustment of the angle in the measurement direction greatly contributes to improving accuracy, as will be described later.
[0017]
When measuring the surface shape, zero adjustment (calibration) of the sensor is performed. In the surface shape measuring apparatus of the present embodiment, the position and angle are adjusted in order to measure the surface shape of the silicon wafer 1. For example, the zero adjustment of the sensor can be advanced by the following method. . First, a block gauge 40 as shown in FIG. 3 is used to adjust the parallelism, and then the focal position is adjusted using the edge of the silicon wafer 1.
[0018]
Specifically, a block gauge 40 whose thickness variation (including warpage) is less than the accuracy of the surface shape measuring device (for example, 5/100 microns) is held by a slidable jig (not shown). As shown in FIG. 3, it is interposed between a pair of laser sensor blocks 11 and 12. The jig is operated to slide the block gauge 40 so that the position of each laser spot from the laser sensor blocks 11 and 12 is on the end of the block gauge 40. At that position, the orthogonal triaxial mechanism in the x-axis direction of the xyz-θ stages 21 and 22 of the laser sensor blocks 11 and 12 is operated so that the focal position is on the block gauge 40. To match.
[0019]
Next, the block gauge 40 is moved little by little in the opposite direction, and the outputs from the pair of laser sensor blocks 11 and 12 are confirmed. On the basis of the output data from either one of the sensors, the xyz-theta stages 21 and 22 are arranged so that the display (output value) from each laser sensor block 11 and 12 matches. The rotation adjustment knob 20 is adjusted. The adjustment of the rotation adjustment knob 20 is to adjust the angle of the laser sensor blocks 11 and 12 in the measurement direction, and the parallelism is achieved by matching the displayed values.
[0020]
When such parallelism adjustment is performed between the laser sensor blocks 11 and 12, the silicon wafer 1 is held between the arms 37 in a state where actual measurement is performed, and this time the silicon wafer 1 is moved in the X direction ( The laser beam spot is guided to the vicinity of the edge of the silicon wafer 1. The sensors of the laser sensor blocks 11 and 12 cannot detect reflected light at the end of the silicon wafer 1. Therefore, while moving the silicon wafer 1 by a small amount in the outer peripheral direction, the position where the sensors of the laser sensor blocks 11 and 12 cannot detect the reflected light of the laser beam is confirmed. The y stage (X direction on the wafer) of the xyz-θ stages 21 and 22 is adjusted. Next, the same method is also performed in the Y direction of the wafer (corresponding to the z-axis direction of the xyz-θ stage), and the Z-stages of the xyz-θ stages 21 and 22 are adjusted. . By such zero point adjustment, the measurement positions and measurement angles of the pair of laser sensor blocks 11 and 12 are finely adjusted, and high-precision measurement is possible.
[0021]
Next, the effect of fine adjustment of the position and angle of the surface shape measuring apparatus of the present embodiment will be described based on experiments conducted by the present inventors with reference to FIGS. FIG. 5 and FIG. 6 show the three-dimensional image of the data from the laser displacement meter. FIG. 5 shows the flatness measured without fine adjustment. FIG. 6 shows the flatness with fine adjustment. It is measured. In the example of FIG. 5, the overall shape of the surface of the silicon wafer shows a characteristic jump almost symmetrically from the vicinity of the center, and it is shown that the accuracy of the portion is deteriorated. On the other hand, as shown in FIG. 6, in order to measure the flatness of the silicon wafer 1, the spot position and parallelism (angle of the emission direction) of the laser sensor blocks 11 and 12 are adjusted. 5, there is no characteristic jump as shown in FIG. 5, and it can be seen that the accuracy is improved accordingly.
[0022]
7 and 8 are similar data, and the output values in the respective regions of the silicon wafer 1 are shown as the results of scanning. The numerical values shown in FIG. 7 are obtained by measuring the flatness without fine adjustment, and FIG. 8 is obtained by measuring the flatness with fine adjustment. It is shown that the data obtained by measuring the flatness with fine adjustment (FIG. 8) is a highly accurate data with lower numerical values and less errors.
[0023]
As described above, with the recent high integration of semiconductor devices, the level of flatness required for semiconductor wafers has become increasingly severe. However, as in the surface shape measuring device of this embodiment, in actual measurement, By finely adjusting the focal position of the laser beam and its parallelism, it is possible to reliably measure the required flatness. In particular, it is effective not only for measuring the flatness of semiconductor wafers that are currently required, but also for measuring the flatness of next-generation semiconductor wafers, and can be an important elemental technology for manufacturing high-quality products. .
[0024]
In the above-described embodiment, the surface shape of the semiconductor wafer is measured using a pair of laser displacement meters. However, other displacement sensors such as a capacitance sensor or an atomic force probe are used as the measuring means. It may be configured. In this embodiment, the xyz-θ stage is used, but it is also possible to use a position angle adjusting unit that scans in another direction.
[0025]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the surface shape measuring apparatus and surface shape measuring method of the semiconductor wafer of the present invention, the surface shape measurement accuracy is greatly improved, and the flatness required for current and next-generation semiconductor wafers. Measurement corresponding to quality becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged perspective view of a main part of an example of a surface shape measuring apparatus for a semiconductor wafer according to the present invention.
FIG. 2 is a side view showing the entire apparatus of an example of a surface shape measuring apparatus for a semiconductor wafer according to the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing a pair of laser sensor blocks and a block gauge used for zero point adjustment in the semiconductor wafer surface shape measuring apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a method for scanning a semiconductor wafer.
FIG. 5 is a three-dimensional view based on output data of an example in which the flatness of a silicon wafer is measured without fine adjustment.
FIG. 6 is a three-dimensional view based on output data of an example of measuring the flatness of a silicon wafer by performing fine adjustment according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing output data on a silicon wafer in an example in which the flatness of the silicon wafer is measured without fine adjustment.
FIG. 8 is a diagram showing output data on a silicon wafer in an example in which the flatness of the silicon wafer is measured by performing fine adjustment according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon wafer 11, 12 Laser sensor block 21, 22 XYZ- (theta) stage 31 Holding part 40 Block gauge

Claims (8)

半導体ウェーハの表面形状を測定する半導体ウェーハの表面形状測定装置において、
測定すべき半導体ウェーハを保持する保持部と、
該保持部に保持された半導体ウェーハの主面に臨んで配設され該半導体ウェーハの主面の形状を測定する測定手投と、を備え、
測定手段は測定装置のセンサー基台の上に、前記半導体ウェーハ表裏両面に対向して所定距離だけ離間して一対配置されており、
前記センサー基台に支持された前記測定手段には、その測定手段を三次元方向に移動させると共にその測定手段の角度を調節する位置角度調整手段を有することを特徴とする半導体ウェーハの表面形状測定装置。
In a semiconductor wafer surface shape measuring device for measuring the surface shape of a semiconductor wafer,
A holding unit for holding a semiconductor wafer to be measured;
A measuring hand throw arranged to face the main surface of the semiconductor wafer held by the holding unit and measure the shape of the main surface of the semiconductor wafer ,
A pair of the measuring means are disposed on the sensor base of the measuring device, facing the front and back surfaces of the semiconductor wafer and spaced apart by a predetermined distance,
The said measuring means is supported on the sensor base, the surface shape of the semiconductor wafer characterized by having a position angle adjustment means to adjust the angle of the measuring means moves the measurement unit in three-dimensional directions measuring device.
前記半導体ウェーハの保持部には、その半導体ウェーハを平面内で平行移動して操作する移動部材を備え、前記測定手段は前記半導体ウェーハに対向して配置される一対のレーザー変位計で構成し、
前記位置角度調整手段は、前記移動部材によって移動する前記半導体ウェーハの端部において、前記一対のレーザー変位計の反射光量が消滅するように前記測定手段の位置調整することを特徴とする請求項1記載の表面形状測定装置。
Wherein the holding portion of the semiconductor wafer is provided with a movable member operated by moving in parallel the semiconductor wafer in a plane, said measuring means is constituted by a pair of laser displacement meter which is placed to face the semiconductor wafer ,
2. The position angle adjusting means adjusts the position of the measuring means so that the amount of reflected light of the pair of laser displacement meters disappears at an end of the semiconductor wafer moved by the moving member. The surface shape measuring apparatus as described.
前記位置角度調整手段は、前記測定手段の位置を調整できる直交三軸機構を使用してなることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の表面形状測定装置。  3. The surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the position angle adjusting means uses an orthogonal triaxial mechanism capable of adjusting the position of the measuring means. 前記位置角度調整手段は、前記測定手段の位置及び角度を調整できるx−y−z−θステージからなることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の表面形状測定装置。  3. The surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the position angle adjusting unit includes an xyz- [theta] stage capable of adjusting a position and an angle of the measuring unit. 半導体ウェーハの表面形状を測定する半導体ウェーハの表面形状測定方法において、
測定すべき半導体ウェーハを保持部に保持させた後、
測定装置のセンサー基台の上に該半導体ウェーハ表裏両面に対向して所定距離だけ離間して一対配置された測定手段は、三次元方向の移動と角度が調節される位置角度調整手段によって、測定する前記半導体ウェーハ上の測定点の位置と測定方向を調整し、
その調整後に前記測定手段により半導体ウェーハの主面の形状を測定することを特徴とする半導体ウェーハの表面形状測定方法。
In the semiconductor wafer surface shape measuring method for measuring the surface shape of the semiconductor wafer,
After holding the semiconductor wafer to be measured on the holder,
A pair of measuring means arranged on the sensor base of the measuring device so as to face both the front and back surfaces of the semiconductor wafer and separated by a predetermined distance is measured by a position angle adjusting means for adjusting the movement and angle in a three-dimensional direction. the position and the measurement direction of the measuring points on the semiconductor wafer to adjust to,
A method for measuring a surface shape of a semiconductor wafer, comprising: measuring a shape of a main surface of the semiconductor wafer by the measuring means after the adjustment.
前記保持部は移動部材によって前記半導体ウェーハを平面内で平行移動可能になっており、前記測定手段は前記半導体ウェーハに対向して配置される一対のレーザー変位計を用い
前記移動部材で移動する前記半導体ウェーハの端部において、前記一対のレーザー変位計の反射光量が消滅するように前記位置角度調整手段が前記測定手段の位置を調整することを特徴とする請求項5記載の表面形状測定方法。
The holding part is capable of moving the semiconductor wafer in a plane by a moving member, and the measuring means uses a pair of laser displacement meters arranged to face the semiconductor wafer ,
Claims wherein at the end of the semiconductor wafer to be moved in the moving member, said position angle adjusting means so that the reflected light amount of the pair of laser displacement meter disappears is characterized that you adjust the position of the measuring means 5. The surface shape measuring method according to 5.
半導体ウェーハ上の測定点の位置は直交三軸機構によって調整され、その測定方向は角度調整機構によって調整されることを特徴とする請求項5又は請求項6記載の表面形状測定方法。Position of the measurement point on the semiconductor wafer is adjusted by the orthogonal three-axis mechanism, a surface shape measuring method according to claim 5 or claim 6, wherein the measurement direction is characterized by being adjusted by the angle adjusting mechanism. 前記測定方向の調整のために、厚さのばらつきが前記レーザー変位計の測定精度以下であるブロックゲージを用いて零点調整することを特徴とする請求項6記載の表面形状測定方法。7. The surface shape measuring method according to claim 6, wherein , for adjustment of the measuring direction, zero point adjustment is performed using a block gauge whose thickness variation is equal to or less than the measuring accuracy of the laser displacement meter.
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