特開 2022-16245 非接触式ウェーハ厚さ測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022016245

(43)【公開日】2022-01-21

(54)【発明の名称】非接触式ウェーハ厚さ測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/06 20060101AFI20220114BHJP

【ＦＩ】

G01B11/06 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020187323

(22)【出願日】2020-11-10

(31)【優先権主張番号】P 2020117532

(32)【優先日】2020-07-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000236687

【氏名又は名称】不二越機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001726

【氏名又は名称】特許業務法人綿貫国際特許・商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮川 千宏

(72)【発明者】

【氏名】青木 清仁

(72)【発明者】

【氏名】一本木 薫

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA30

2F065CC19

2F065DD03

2F065DD06

2F065FF51

2F065GG04

2F065JJ18

2F065QQ03

2F065QQ16

(57)【要約】

【課題】両面研磨加工中のウェーハの厚さを精度良く高速多点で測定できる非接触式ウェーハ厚さ測定装置を提供する。
【解決手段】非接触式ウェーハ厚さ測定装置１０であって、波長掃引レーザ光源３１から発振する波長掃引速度20～50kHzの内、任意の一定速度で繰り返し波長を掃引したレーザ光の一部を取り込み、サンプリングクロック信号を生成するマッハツェンダ干渉計４０と、Ａ／Ｄ変換器およびＦＦＴ処理部４３を内蔵し、マッハツェンダ干渉計４０で得られるサンプリングクロック信号をサンプリングしてｋ－クロック信号を生成し、該ｋ－クロック信号を基準に検出器（フォトダイオード）３６で検出されたウェーハからの干渉光信号をリサンプリングすると共に、窓関数を掛けてレーザ光の波長掃引速度に同期して高速でＦＦＴ処理し、該ＦＦＴ処理したデータを演算部３８に出力するＤＡＱ３７とを具備し、演算部３８により研磨加工中に移動するウェーハ２１の厚さを算出することを特徴とする。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポリゴンミラーを内蔵し、波長1200～1400nmの内、任意の一定区間を、波長掃引速度20～50kHzの内、任意の一定速度で繰り返し波長を掃引したレーザ光を発振する波長掃引レーザ光源と、
前記レーザ光を、厚さを求めたいウェーハの被測定部分に導いて照射する光学系と、
前記被測定部分から得られる反射光もしくは透過光の干渉光信号を検出する検出器と、
前記検出器により検出される前記干渉光信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器により変換された前記デジタル信号を解析して所要の関係式から前記ウェーハの厚さを換算して出力する演算部を具備する非接触式ウェーハ厚さ測定装置であって、
前記波長掃引レーザ光源から発振する前記レーザ光の一部を取り込み、サンプリングクロック信号を生成するマッハツェンダ干渉計と、
前記Ａ／Ｄ変換器およびＦＦＴ処理部を内蔵し、前記マッハツェンダ干渉計で得られるサンプリングクロック信号をサンプリングしてｋ－クロック信号を生成し、該ｋ－クロック信号を基準に前記検出器で検出されたウェーハからの干渉光信号をリサンプリングすると共に窓関数を掛けて、波長掃引レーザ光源の波長掃引速度に同期して高速でＦＦＴ処理し、該ＦＦＴ処理したデータを前記演算部に出力するＤＡＱとを具備し、
前記演算部により研磨加工中に移動する前記ウェーハの厚さを算出することを特徴とする非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項2】

前記ＤＡＱは、ＦＦＴ処理したデータを平均化処理して前記演算部に出力することを特徴とする請求項１記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項3】

前記ＤＡＱの前記ＦＦＴ処理部で、2048ポイントで、前記波長掃引速度に同期して、前記ＦＦＴ処理を行うことを特徴とする請求項１または２記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項4】

前記波長掃引レーザ光源の波長掃引速度が30kHzである場合、30000測定ポイント／秒でウェーハの厚さを計測することを特徴とする請求項１～３いずれか１項記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項5】

前記波長掃引レーザ光源の波長掃引速度が20kHzである場合、20000測定ポイント／秒でウェーハの厚さを計測することを特徴とする請求項１～３いずれか１項記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項6】

前記ＤＡＱ内部で、２回以上の単純平均値を計算し、前記演算部に出力することを特徴とする請求項１～５いずれか１項記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項7】

前記ＤＡＱ内部で、２回以上の移動平均値を計算し、前記演算部に出力することを特徴とする請求項１～５いずれか１項記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項8】

前記干渉光信号を検出する検出器の信号増幅率を，加工するウェーハの光透過率に応じて調整することを特徴とする請求項１～７いずれか１項記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項9】

参照用ウェーハを用いた光源監視用回路を有し、
該光源監視用回路は、前記レーザ光を、前記参照用ウェーハに導いて照射する第２の光学系と、
前記参照用ウェーハから得られる反射光もしくは透過光の干渉光信号を検出する第２の検出器と、
前記第２の検出器により検出される前記干渉光信号をデジタル信号に変換する前記ＤＡＱを具備することを特徴とする請求項１～８いずれか１項記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項10】

前記光源監視用回路が、前記第２の検出器から出力される電圧の平均値から前記レーザ光の光量を監視することを特徴とする請求項９記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項11】

前記光源監視用回路が、前記第２の検出器で取得した干渉波形のＦＦＴピーク値の周波数について、設定回数測定した平均値、P-P値、もしくは偏差値で把握しうる掃引波長精度を監視することを特徴とする請求項９記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項12】

前記マッハツェンダ干渉計が光源監視用回路を兼用し、該光源監視用回路が、前記検出器で取得した干渉波形のＦＦＴピーク値の周波数について、設定回数測定した平均値、P-P値、もしくは偏差値で把握しうる掃引波長精度を監視することを特徴とする請求項１～８いずれか１項記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置。

【請求項13】

請求項１～１２いずれか１項記載の非接触式ウェーハ厚さ測定装置を備える両面研磨機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はポリゴンミラーを内蔵する波長掃引レーザ光源を用いる非接触式ウェーハ厚さ測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

シリコン等の半導体ウェーハの研磨装置では、ウェーハの両面研磨、あるいは片面研磨が行われ、ウェーハを所要の厚さに加工する。
半導体ウェーハは、集積度の高い半導体機構素子用に利用されるが、その集積度がますます高くなること及び生産性を向上させる取り組みをするために、加工プロセス中またはその中間過程において、さらに精度の高い厚さ測定が求められている。
特許文献１（特開平７－３０６０１８号公報）には、波長可変レーザを用いる半導体厚非接触測定装置が開示されている。

【0003】

特許文献１に示される半導体厚非接触測定装置は、次の原理による。すなわち、半導体を透過する光ビームが被測定対象の半導体の目的とする領域に照射されると、一部が表面および底面で反射して干渉した光が反射もしくは透過する。この反射もしくは透過してくる干渉光を光学的手段で検出器に導き、所定の範囲で光ビームの波長を変化させる。その際、この干渉光強度の位相（または周期）が半導体厚に依存して変化するので、干渉光の強度変化から演算して半導体厚の絶対値を換算する。

【0004】

図１０は、波長可変レーザ光源を用いる従来のウェーハ厚み測定装置１の概略的な構成を示すブロック図である。
２は波長可変レーザ光源であり、レーザ光をサーキュレータ３、プローブ４を経てウェーハ５に照射する。ウェーハ５の表裏面で反射された干渉光は、プローブ４、サーキュレータ３を経てフォトディテクタ６で検出され、Ａ／Ｄ変換器７でデジタル信号に変換され、コンピュータ８に入力されて、ウェーハ５の厚さが計測される。
上記、波長可変レーザは、例えば特許文献２（特開２００６－８０３８４号公報）に示される波長掃引型レーザ光源が用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平７－３０６０１８号公報

【特許文献2】特開２００６－８０３８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献２に示される波長掃引型レーザ光源は、掃引波長を得るためにポリゴンミラー等を回転させる機械的動作部を用いて多面ミラーの反射光を利用している。ポリゴンミラー等を回転させる機械的動作部を用いることによる各ミラーの鏡面の平面度や角度バラツキにより、反射光にわずかながらもずれが生じ、掃引される波長がずれてしまう課題がある。また、機械的な動作部が存在することから、僅かながらも機械的な振動が生じ、掃引される波長ずれの要因になる。そのため、同一箇所の厚さを測定するために光の干渉信号を取得し、デジタル信号変換し、それを高速フーリエ変換で信号処理をしても、その中心周波数がずれるため、厚さに誤差が発生してしまう。
また、両面加工中のウェーハ厚みを測定する場合、高速でウェーハが移動しており、厚み形状を測定するには、高速に測定して演算処理できるシステムでなければならない。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、ポリゴンミラー内蔵式の波長掃引型レーザ光源を用いても、高速でかつ精度よくウェーハの厚さを測定できる非接触式ウェーハ厚さ測定装置を提供することにある。

【0008】

上記の目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、本発明に係る非接触式ウェーハ厚さ測定装置は、ポリゴンミラーを内蔵し、波長可変範囲1200～1400nmの全部又は一部分を同じ波長範囲で繰り返し、波長掃引速度20～50kHzの内の一定速度において、波長を掃引したレーザ光を発振する波長掃引レーザ光源と、前記レーザ光を、厚さを求めたいウェーハの被測定部分に導いて照射する光学系と、前記被測定部分から得られる反射光もしくは透過光の干渉光信号を検出する検出器と、前記検出器により検出される前記干渉光信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器により変換された前記デジタル信号を解析して所要の関係式から前記ウェーハの厚さを換算して出力する演算部を具備する非接触式ウェーハ厚さ測定装置であって、前記波長掃引レーザ光源から発振する前記レーザ光の一部を取り込み、サンプリングクロック信号を生成するマッハツェンダ干渉計と、前記Ａ／Ｄ変換器およびＦＦＴ処理部を内蔵し、前記マッハツェンダ干渉計で得られるサンプリングクロック信号をサンプリングしてｋ－クロック信号を生成し、該ｋ－クロック信号を基準に前記検出器で検出されたウェーハからの干渉光信号をリサンプリングすると共に窓関数を掛けて、波長掃引レーザ光源の波長掃引速度に同期して高速でＦＦＴ処理し、該ＦＦＴ処理したデータを前記演算部に出力するＤＡＱとを具備し、前記演算部により研磨加工中に移動する前記ウェーハの厚さを算出することを特徴とする。

【0009】

前記ＤＡＱは、ＦＦＴ処理したデータを単純平均化又は移動平均化処理して前記演算部に出力すると好適である。
前記ＤＡＱの前記ＦＦＴ処理部で、2048ポイントで、波長掃引速度20～50kHzの内の一定速度で波長を掃引したレーザ光に同期して、高速で前記ＦＦＴ処理を行うことができる。

【0010】

前記波長掃引レーザ光源の波長掃引速度が30kHzである場合、30000測定ポイント／秒でウェーハの厚さを計測することができ、前記波長掃引レーザ光源の波長掃引速度が20kHzである場合、20000測定ポイント／秒でウェーハの厚さを計測することができる。

【0011】

前記ＤＡＱ内部で、２回以上の単純平均値（好適には光源のポリゴンミラーの面数以上（28又は，42回）の移動平均値）を計算し、前記演算部に出力するとよい。
前記干渉光信号を検出する検出器の信号増幅率を，加工するウェーハの光透過率に応じて調整するようにすると好適である。

【0012】

参照用ウェーハを用いた光源監視用回路を設けると好適である。この光源監視用回路は、前記レーザ光を、前記参照用ウェーハに導いて照射する第２の光学系と、前記参照用ウェーハから得られる反射光もしくは透過光の干渉光信号を検出する第２の検出器と、前記第２の検出器により検出される前記干渉光信号をデジタル信号に変換する前記ＤＡＱ等で構成できる。

【0013】

前記光源監視用回路により、前記第２の検出器から出力される電圧の平均値から前記レーザ光の光量を監視するようにすることができる。
あるいは、前記光源監視用回路により、前記第２の検出器で取得した干渉波形のＦＦＴピーク値の周波数について、設定回数測定した平均値、P-P値、もしくは偏差値で把握しうる掃引波長精度を監視するようにすることができる。

【0014】

前記マッハツェンダ干渉計を光源監視用回路として兼用することができる。この場合、該光源監視用回路により、前記検出器で取得した干渉波形のＦＦＴピーク値の周波数について、設定回数測定した平均値、P-P値、もしくは偏差値で把握しうる掃引波長精度を監視するようにすることができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、次のような有利な作用効果を奏する。
すなわち、本発明によれば、ポリゴンミラー内蔵の光源由来の掃引波長バラツキをｋ-クロックで補償しているので、ウェーハ厚さの測定の信頼性が高い。また、加工中に移動するウェーハについて、高速で多点における厚さデータを取得できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】両面研磨装置の概略の断面図である。

【図2】下定盤上におけるキャリアの配置状態を示す平面図である。

【図3】ウェーハの厚さを測定する厚さ測定部（厚さ測定装置）の概略を示すブロック図である。

【図4】光学系を含んだ、厚さ測定プロセスを示す信号処理のフロー図である。

【図5】レーザ光源のトリガー信号からＡ／Ｄボード内部クロックで同時間でコンピュータに取り込んだウェーハからの直接の干渉波形とＭＺＩ干渉計４０からコンピュータに取り込んだ干渉波形を示すグラフである。

【図6】ＤＡＱのブロック図である。

【図7】ＦＦＴ処理データを平均化処理しない場合（図７Ａ）と、平均化処理をした場合（図７Ｂ）のパワースペクトルの状況を示すグラフである。

【図8】従来方式と本実施の形態におけるウェーハ厚さ測定装置によるウェーハ厚さの計測結果を示すグラフである。

【図9】厚さ測定装置の他の実施の形態を示す全体システムのブロック図である。

【図10】従来のウェーハ厚み測定装置の概略的な構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。
まず両面研磨装置の一例について説明する。両面研磨装置は公知のものでよいので、以下簡単に説明する。
図１はシリコンウェーハ等のウェーハを研磨する両面研磨装置１０の概略の断面図である。また図２は下定盤上におけるキャリアの配置状態を示す平面図である。
図１に示す装置では、互いに反対方向に回転する下定盤１２と上定盤１４との間に、インターナルギア１５と太陽ギア１６とにより駆動されるキャリア２０が配設される。
下定盤１２の上面および上定盤１４の下面にはそれぞれ研磨布１７、１８が貼付されている。

【0018】

キャリア２０には、研磨対象のウェーハ２１をその内部に保持する透孔２２が設けられている。本実施の形態では、図２に示すように、太陽ギア１６とインターナルギア１５との間に両者に噛合する５個のキャリア２０が周方向に一定の間隔をおいて配置されている。各キャリア２０には３個ずつ透孔２２が設けられている。したがって、合計１５個のウェーハ２１が同時に研磨加工可能となっている。

【0019】

キャリア２０は、太陽ギア１６およびインターナルギア１５に噛合する遊星機構の構造となっていて、太陽ギア１６の周りを公転し、また自身の中心線を中心として自転するようになっている。
下定盤１２は図示しない定盤受け上に回転自在に配置されている。また上定盤１４は、図示しない門型支柱に吊り支柱２３を介して上下動自在かつ回転自在に支持された円盤２４にロッド２５を介して支持され、円盤２４と共に上下動自在かつ回転自在に支持されている。

【0020】

下定盤１２、上定盤１４、太陽ギア１６、インターナルギア１５は、それぞれ図示しない公知の駆動機構によって回転されるようになっている。
上記のように、研磨時、下定盤１２と上定盤１４とは互いに反対方向に回転され、またキャリア２０は太陽ギア１６の周りに公転および自転することにより、キャリア２０の透孔２２内に保持されたウェーハ２１が研磨される。

【0021】

なお、研磨時には、上定盤１４上に設けられた図示しないスラリー供給部から研磨材入りのスラリーが下定盤１２上に供給される。スラリー供給部は、図示しないホースを介して、上定盤１４に設けられた貫通孔からスラリーを下定盤１２上に供給するようになっている。

【0022】

図３はウェーハ２１の厚さを測定する厚さ測定装置３０の概略を示すブロック図である。図４は、光学系を含んだ、厚さ測定プロセスを示す信号処理のフロー図である。
以下、図３、図４を併せて説明する。
３１はポリゴンミラーを内蔵する公知の波長掃引型のレーザ光源である。レーザ光源３１からは、波長1260～1350nmを含む一定の範囲で、波長掃引速度20～50ｋHzの内の一定速度で波長を掃引したレーザ光が発振される。なお、波長の掃引範囲は、シリコンウェーハを測定対象とした場合、1300nmを中心に、1200～1400nmのシリコンを透過しやすい赤外光の範囲が好適である。
レーザ光源３１から放出されるレーザ光はサーキュレータ３２、光ロータリージョイント３３、およびプローブ（レンズ系）３４からウェーハ２１の被測定部位に照射される。光ロータリージョイント３３は、上定盤１４の回転中心となる吊り支柱２３に配設されている。

【0023】

プローブ３４は上定盤１４上に固定して設けられ、上定盤１４と共に回転する。プローブ３４から、上定盤１４に設けられた孔（窓）３５を通じてレーザ光がウェーハ２１上に照射される。孔３５の位置は、キャリア２０に保持された１５個全部のウェーハ２１上を万遍なく通過するように、キャリア２０の幅方向のほぼ中央部に設けるのが好ましい。なお、プローブ３４は下定盤１２側に固定して設け（図示せず）、下定盤１２に設けた孔（窓）からウェーハ２１に向けてレーザ光を照射するように構成してもよい。

【0024】

ウェーハ２１の表面および裏面で反射されたレーザ光（干渉光）は、プローブ３４、光ロータリージョイント３３およびサーキュレータ３２を介してフォトダイオード（検出器）３６で検出され、フォトダイオード３６で電気信号（干渉光信号）に変換され、さらにこの電気信号が増幅器で増幅される。

【0025】

ウェーハ２１の表面で反射されたレーザ光と裏面で反射されたレーザ光は干渉し、所要位相を有する干渉光として観測される。
干渉光信号は、Ａ／Ｄ変換器およびＦＦＴ分析器を内蔵するＤＡＱ（データ収集装置：デジタイザ）３７に入力され、デジタル信号に変換される（図４、ステップ１：Ｓ１）。
ＤＡＱ３７には、レーザ光源３１で発生する外部トリガー信号が入力される。
ＤＡＱ３７は、例えばTELEDYNE SP DEVICES社のADQ14OCTを好適に用いることができる。

【0026】

４０は公知のＭＺＩ（マッハツェンダ）干渉計である。ＭＺＩ干渉計４０は、例えばソーラボ社の「Thorlabs INT-MZI-1300」を好適に用いることができる。
ＭＺＩ干渉計４０は、レーザ光源３１から放出されるレーザ光の一部（５％ほど）をＭＺＩ光学系４１に取り込み、干渉光の位相差を差分式フォトディテクタ４２により検出し、サンプリングクロック信号を生成する（ステップ２：Ｓ２）。
ＭＺＩ光学系４１と差分フォトディテクタ４２とによりＭＺＩ干渉計４０を構成する。

【0027】

図５は、レーザ光源３１のトリガー信号からＡ／Ｄボード内部クロックで同時間でコンピュータに取り込んだウェーハからの直接の干渉光波形とＭＺＩ干渉計４０からＤＡＱ３７に取り込んだサンプリングクロック信号（干渉光波形：１掃引分）を示す。
図５に示すように、ＭＺＩ干渉計４０からのサンプリングクロック信号（干渉光信号）は等間隔に並んでいる。この干渉光信号は、光周波数空間（ｋ－空間）でも等間隔に並び、ＤＡＱ３７内でそのゼロ交差がサンプリングされ、サンプリングクロック信号（ｋ－クロック信号）として使用される（ステップ３：Ｓ３）。

【0028】

ＤＡＱ３７内で、上記ｋ－クロック信号を基準として、ウェーハからの干渉光信号がリサンプリングされる（ステップ４：Ｓ４）。
そして、ＤＡＱ３７内のＦＦＴ処理器４３（図６）で、ｋ－クロック信号を基準としてウェーハからの上記リサンプリング信号に窓関数を掛けてＦＦＴ処理（具体的にはＤＦＴ：離散フーリエ変換）がなされ、リサンプリングされた干渉波形のピーク値のデータが取得される（ステップ５：Ｓ５）。

【0029】

さらに具体的には、ＦＦＴ処理器４３内部で、k-空間でリサンプリングしたウェーハ干渉波形を1024、2048、4096、もしくは8192ポイントで窓関数（ハニングもしくはハミング）を掛けてＦＦＴ（ＤＦＴ）処理し、干渉波形のピーク値のデータを得、このピーク値のデータが演算部３８に出力される。
なお、例えば、8192ポイントでＦＦＴ処理した場合に、122kHzの高速でのデータ取得が可能となる。

【0030】

演算部３８では、ＤＡＱ３７からのＦＦＴ処理したデータより、中心周波数（ピーク値）を算出し、ウェーハ２１の屈折率を含む公知の式により演算してウェーハ２１の厚さを計測することができる。

【0031】

図６はＤＡＱ３７のブロック図である。
ウェーハ２１からの干渉光信号はＡ／Ｄ変換器にてサンプリングされる（ステップ１：Ｓ１）。
ＭＺＩ干渉計４０からのサンプリングクロック信号（干渉光信号）はＡ／Ｄ変換器にてサンプリングされ、ｋ－クロック信号として使用される（ステップ３：Ｓ３）。

【0032】

そして、ｋ－クロック信号を基準として、ウェーハからの干渉光信号がリサンプリングされる（ステップ４：Ｓ４）。
そして、リサンプリング信号に窓関数を掛けてＦＦＴ処理（具体的にはＤＦＴ：離散フーリエ変換）がなされる（ステップ５：Ｓ５）。
ＦＦＴ（ＤＦＴ）処理の出力はステップ６（Ｓ６）でパワースペクトルに変換され（ＰＳＤ）、さらにステップ７で平均化処理（Signal averaging）される。平均化処理は移動平均が好ましい。

【0033】

測定状況などの影響で、ウェーハ２１の光透過率が低い場合光の干渉強度が弱くなり、取得したパワースペクトルはウェーハの厚みを示す中心周波数のピークが低くなり、ピークがノイズに紛れて弁別し難くなる。そこで、本実施の形態では、パワースペクトルの平均化処理（ステップ７：Ｓ７）を行い、ランダムに発生するノイズの影響をキャンセルし、中心周波数のピークを顕在化するようにした。

【0034】

図７は、平均化処理しない場合（図７Ａ）と、平均化処理をした場合（図７Ｂ）のパワースペクトルの状況を示すグラフである。図７からわかるように、平均化処理をした場合に、ノイズが低減され、中心周波数のピークが鮮明になったことが理解される。
これにより、中心周波数のピークを精度よく検出でき、ウェーハ２１の厚さ計測の精度が向上する。

【0035】

平均化処理されたデータは、インターフェースを介して演算部３８に出力される。
演算部３８では、前記したように、ＤＡＱ３７からのＦＦＴ処理したデータより、中心周波数（ピーク値）を算出し、ウェーハ２１の屈折率を含む公知の式により演算してウェーハ２１の厚さを計測することができる（ステップ８：Ｓ８）。

【0036】

ＤＡＱ３７又は演算部３８で、ＦＦＴ値を２回以上の単純平均か、２回以上の移動平均し、そのピーク値を算出する。レーザ光源３１の掃引周波数の速度でピーク値（測定値）計算を繰り返す。これにより、測定のバラツキを平均化でき、ウェーハ２１の厚さを精度よく計測可能となる。
ＤＡＱ３７での一連の処理は、演算部３８とは別の制御部４４によって制御される。制御部４４は高速での処理条件等を書き換え可能なＦＰＧＡを内蔵している。

【0037】

特に、ＤＡＱ３７で生成するｋ－クロック信号は、ＭＺＩ干渉計４０由来のクロック信号であり、極めて精度が高く、このｋ－クロック信号を基準にウェーハ２１からの干渉光信号をリサンプリングして校正するので、ポリゴンミラー方式の波長掃引レーザ光源からの掃引波長に多少のズレがあったとしても、ウェーハ２１の厚さを精度よく計測できる。

【0038】

図８に、従来方式（図１０）と上記ｋ－クロック補償した本実施の形態におけるウェーハ厚さ測定装置１０によるφ200mmとφ300mmのウェーハの定点を10000回測定した際の厚さ測定データを示す。ポリゴンミラー内蔵式の波長掃引レーザ光源は同じ光源を用いた。
図８から明らかなように、本実施の形態におけるウェーハ厚さ測定装置３０による計測厚さのバラツキは従来方式よりも優位に小さいことがわかる。
因みに、図８に示す測定の際の、p-p値と標準偏差を表１に示す。

【0039】

【表1】

表１に示すように、φ200mm、φ300mmウェーハの定点を10000回測定したウェーハ厚み測定の標準偏差は、k-クロックを用いない場合にはそれぞれ315.7nm、374.5nmであったが、k-クロック補償を適用するとそれぞれ114.7nm、133.7nmであり、精度良く測定できることがわかる。

【0040】

なお、両面研磨装置１０においては、ウェーハ２１とプローブ３４との相対速度は大きく、一実施の形態においては、概ね1400mm／secで最大200msecで通過する。そして、ウェーハの形状（断面形状）を測定するには、１mm当たり5測定点数以上が必要となる。
したがって、1秒間に必要な測定点数は、7055測定点以上となる。
上記をウェーハが通過する毎に算出する。

【0041】

レーザ光源３１の波長掃引30kHz（33.3μs/掃引）の場合、1秒間に約30000回のデータを取得できるが、ＤＡＱ３７を例えばTELEDYNE SP DEVICES社のADQ14OCTを好適に用いることで上記のＦＦＴ処理データを取得でき、ＤＡＱ３７又は演算部３８で、４回毎平均とすると、１秒間に7500点となり、上記7055点以上取得でき、ウェーハ２１の高速回転となる両面研磨機におけるウェーハ２１の厚さ測定（形状測定）に十分対処できる。このように本実施の形態では、ウェーハ２１の研磨中に、ＤＡＱ３７内で高速、かつ多点のデータが取得できるので、ウェーハ２１の研磨を高精度に行える。

【0042】

レーザ光源３１の波長掃引20kHz（50μs/掃引）の場合、1秒間に約20000回のデータを取得でき、ＤＡＱ３７又は演算部３８で、２回毎平均とすると、１秒間に10000点となり、ウェーハ２１の高速回転となる両面研磨機におけるウェーハ２１の厚さ測定（形状測定）に十分対処できる。
なお、演算部３８にて窓関数＋ＦＦＴ処理をすることも可能であるが、演算部３８は研磨装置全体の制御も絡むため、データの処理速度が遅く、１秒間に４５点程度しか取得できないため、満足するデータ点数を取得することができない。
この点本実施の形態では、上記のように、ＤＡＱ３７内で、ＦＰＧＡによりプログラミングして、別途制御部４４により高速で処理できる。

【0043】

なお、加工対象となるウェーハには様々な種類のものが存在するため、測定するウェーハ２１の光透過率も、加工するウェーハ２１の種類によって異なる場合がある。これに伴い、ウェーハ２１からの干渉光信号の強度は、測定するウェーハ２１の種類によって変化する。具体的には，光透過率が低いと、干渉光信号の強度が小さくなる傾向がある。
そこで、干渉光信号を検出する検出器（フォトダイオード）３６の増幅率を、測定するウェーハ２１の種類や透過率に応じて適正な増幅率に切り替え、または調整する機能を設けると良い。増幅率の調整、切り替えは制御器（演算部）３８によって行うのが良い。
これにより、光透過率の異なる様々な種類のウェーハに対し、正確に厚さの測定ができると共に、測定対象が前記干渉光信号の強度が小さいウェーハであっても、ノイズ等の影響を受けずに、正確に厚さを測定することが可能となる。

【0044】

図９は、厚さ測定装置３０の他の実施の形態を示す全体システムのブロック図である。
図３における部材と同一の部材は同一の符号をもって示し、その説明は省略する。
本実施の形態では、参照ウェーハによる光源監視用回路４６を追加している。
この光源監視用回路４６は、レーザ光源３１から放出され、分光されたレーザ光がサーキュレータ４８およびプローブ５０から参照用ウェーハ５２に照射されるようになっている。サーキュレータ４８およびプローブ５０が第２の光学系を構成する。参照用ウェーハ５２の表面および裏面で反射されたレーザ光（干渉光）は、プローブ５０およびサーキュレータ４８を経てフォトダイオード５４（第２の検出器）で検出され、さらにＤＡＱ３７でデジタル信号に変換され、演算部３８に入力されるようになっている。

【0045】

演算部３８では、入力されたデジタル信号値から、フォトダイオード５４から出力される電圧の平均値（設定時間内における平均値）を算出する。レーザ光源３１から放出されるレーザ光の光量の増減に比例してフォトダイオード５４から出力される電圧値が変動する。上記電圧値の変動を適宜監視し、上記電圧の平均値があらかじめ定めてある閾値よりも低下した場合に異常と判断され、警報が発せられるようになっている。

【0046】

あるいは、光源監視用回路４６は、レーザ光源３１の掃引波長精度の監視用としても利用できる。参照用ウェーハ５２の厚さ（およびその分布）は一定であるから、測定した厚さにずれが生じた場合、レーザ光源３１の掃引波長精度が変動したと判断でき、その変動要因把握の目安となりうる。掃引波長精度は、取得した干渉波形のＦＦＴピーク値の周波数について、設定回数（例えば1000回）測定した平均値、P-P値、偏差値等で把握しうる。
なお、監視のタイミングはプログラムで設定が可能である。例えば、ウェーハ厚み測定の直前などとすることができる。

【0047】

なお、光源監視用回路としてＭＺＩ（マッハツェンダ）干渉計４０を兼用することもできる。
この場合、ＭＺＩ（マッハツェンダ）干渉計４０が第２の検出器となる。ＭＺＩ（マッハツェンダ）干渉計４０で取得した干渉波形のＦＦＴピーク値の周波数について、設定回数測定した平均値、P-P値、もしくは偏差値で把握しうる掃引波長精度を監視するのである。掃引波長精度の変化が許容値を超えた場合に警報を発するようにする。

【0048】

上記実施の形態では、ウェーハの両面研磨装置におけるウェーハ厚さ測定装置を例として説明したが、研磨ヘッドの下面側にウェーハを保持して、定盤の研磨パッドとの間でウェーハの下面側を研磨する片面研磨装置（図示せず）におけるウェーハ厚さ測定装置にも本発明を適用できることはもちろんである。

【符号の説明】

【0049】

１０ 両面研磨装置
１２ 下定盤
１４ 上定盤
１５ インターナルギア
１６ 太陽ギア
１７、１８ 研磨パッド
２０ キャリア
２１ ウェーハ
２２ 透孔
２３ 吊り支柱
２４ 円盤
２５ ロッド
３０ 厚さ測定装置
３１ レーザ光源
３２ サーキュレータ
３３ 光ロータリージョイント
３４ プローブ
３５ 孔
３６ フォトダイオード
３７ ＤＡＱ
３８ 演算部
４０ ＭＺＩ干渉計
４１ ＭＺＩ光学系
４２ 差分式フォトディテクタ
４３ ＦＦＴ処理器
４４ 制御部
４６ 光源監視用回路
４８ サーキュレータ
５０ プローブ
５２ 参照ウェーハ
５４ フォトダイオード

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】