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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-25
(45)【発行日】2024-11-05
(54)【発明の名称】半導体ウエハの厚さ計測装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/06 20060101AFI20241028BHJP
【ＦＩ】
G01B11/06 G
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2022059800
(22)【出願日】2022-03-31
(65)【公開番号】P2023150602
(43)【公開日】2023-10-16
【審査請求日】2023-12-11
(73)【特許権者】
【識別番号】591102693
【氏名又は名称】ｓａｎｔｅｃ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000578
【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 寛之
(72)【発明者】
【氏名】両澤 淳
(72)【発明者】
【氏名】諌本 圭史
【審査官】山▲崎▼ 和子
(56)【参考文献】
【文献】特開平０７－３０６０１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－００４７９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２２－０１６２４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０４２７２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－２８９４０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０６９４９０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
９／００－９／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
厚さ計測対象となる半導体ウエハであるサンプルウエハ、及び、一定の厚さを有する半導体ウエハであるリファレンスウエハに対し、それぞれ、垂直に光を照射して、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの表・裏面で反射した前記光の干渉信号を受光するよう構成された光学系と、前記光学系にて受光された前記干渉信号を周波数解析することで、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの点像分布関数のピーク位置を求める信号処理部と、
前記信号処理部にて求められた前記サンプルウエハの前記ピーク位置「ｘ」と、前記リファレンスウエハの前記厚さ「ｔreference」及び前記ピーク位置「ｙ」と、に基づき、前記サンプルウエハの厚さ「ｔsample」を算出するよう構成された演算部と、
環境温度変化に対する前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウェハの温度変化が一致するように、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの少なくとも一方の温度を調整するよう構成された温度調整機構と、
を備えた、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項2】
請求項１に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記温度調整機構は、
前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの少なくとも一方に対し、周囲の大気を吹き付けるよう構成された送風機構、
を備えている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項3】
請求項１に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記温度調整機構は、
前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの少なくとも一方に設けられ、前記サンプルウエハ又は前記リファレンスウエハの温度を直接制御するよう構成された温度制御素子、
を備えている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項4】
請求項１～請求項３の何れか１項に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記演算部は、
前記サンプルウエハの厚さを、次式（１）
ｔsample＝ｘ・ｔreference／ｙ …（１）
を用いて算出するよう構成されている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項5】
請求項４に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記演算部は、
前記サンプルウエハの厚さを、前記サンプルウエハと前記リファレンスウエハの温度変化に対する時間応答の差「delay」を考慮して、次式（２）
ｔsample(i)＝ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i) …（２）
但し、添え字(i)は任意の時刻の値を表す。
を用いて算出するよう構成されている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項6】
請求項１～請求項３の何れか１項に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記演算部は、
前記サンプルウエハの厚さを、前記サンプルウエハと前記リファレンスウエハの温度変化に対する時間応答の差「delay」と、前記サンプルウエハと前記リファレンスウエハの屈折率温度係数の違いを補正する補正係数「Ａ」と、前記サンプルウエハと前記リファレンスウエハの時間応答の違いを補正する補正係数「Ｂ」とをパラメータとする次式（３）
ｔsample(i)＝｛ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i)｝
－｛ｙ(i)－ｙ(0)｝・Ａ－｛ｙ(i)－ｙ(i+1)｝・Ｂ …（３）
但し、添え字(i)は任意の時刻の値、添え字(0)は基準時刻の値、添え字(i+1)は次の時刻の値を表す。
を用いて算出するよう構成されている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項7】
厚さ計測対象となる半導体ウエハであるサンプルウエハ、及び、一定の厚さを有する半導体ウエハであるリファレンスウエハに対し、それぞれ、垂直に光を照射して、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの表・裏面で反射した前記光の干渉信号を受光するよう構成された光学系と、
前記光学系にて受光された前記干渉信号を周波数解析することで、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの点像分布関数のピーク位置を求める信号処理部と、
前記信号処理部にて求められた前記サンプルウエハの前記ピーク位置「ｘ」と、前記リファレンスウエハの前記厚さ「ｔreference」及び前記ピーク位置「ｙ」と、に基づき、前記サンプルウエハの厚さ「ｔsample」を算出するよう構成された演算部と、
を備え、
前記演算部は、前記サンプルウエハの厚さを、前記サンプルウエハと前記リファレンスウエハの温度変化に対する時間応答の差「delay」を考慮して、次式（２）
ｔsample(i)＝ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i) …（２）
但し、添え字(i)は任意の時刻の値を表す。
を用いて算出するよう構成されている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項8】
厚さ計測対象となる半導体ウエハであるサンプルウエハ、及び、一定の厚さを有する半導体ウエハであるリファレンスウエハに対し、それぞれ、垂直に光を照射して、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの表・裏面で反射した前記光の干渉信号を受光するよう構成された光学系と、
前記光学系にて受光された前記干渉信号を周波数解析することで、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの点像分布関数のピーク位置を求める信号処理部と、
前記信号処理部にて求められた前記サンプルウエハの前記ピーク位置「ｘ」と、前記リファレンスウエハの前記厚さ「ｔreference」及び前記ピーク位置「ｙ」と、に基づき、前記サンプルウエハの厚さ「ｔsample」を算出するよう構成された演算部と、
を備え、
前記演算部は、前記サンプルウエハの厚さを、前記サンプルウエハと前記リファレンスウエハの温度変化に対する時間応答の差「delay」と、前記サンプルウエハと前記リファレンスウエハの屈折率温度係数の違いを補正する補正係数「Ａ」と、前記サンプルウエハと前記リファレンスウエハの時間応答の違いを補正する補正係数「Ｂ」とをパラメータとする次式（３）
ｔsample(i)＝｛ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i)｝
－｛ｙ(i)－ｙ(0)｝・Ａ－｛ｙ(i)－ｙ(i+1)｝・Ｂ …（３）
但し、添え字(i)は任意の時刻の値、添え字(0)は基準時刻の値、添え字(i+1)は次の時刻の値を表す。
を用いて算出するよう構成されている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項9】
請求項１～請求項８の何れか１項に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記光学系は、
前記サンプルウエハへの前記光の照射経路となる自由空間に配置され、前記光を前記自由空間内で2方向に分岐させるよう構成されたビームスプリッタ、
を備え、前記ビームスプリッタにて分岐された第１の光を、前記サンプルウエハに照射し、前記ビームスプリッタにて分岐された第２の光を、前記リファレンスウエハに照射するよう構成されている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項10】
請求項１～請求項９の何れか１項に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記リファレンスウエハは、前記サンプルウエハと同じ組成である、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項11】
請求項１～請求項１０の何れか１項に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハが配置される計測空間は、筐体で囲まれている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項12】
請求項１～請求項１１の何れか１項に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハが配置される計測空間の温度を制御するよう構成された温度制御機構を備えている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項13】
請求項１～請求項１２の何れか１項に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記光学系は、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハに照射する前記光を発生する光源として、前記光の波長を連続的且つ周期的に変化させるよう構成された波長掃引光源を備えると共に、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの表・裏面で反射した前記光の前記干渉信号を検出する光検出器を備え、
前記信号処理部は、前記光検出器からの検出信号を、前記光源から出力される前記光の波長の周期的変化に同期して、一周期毎に複数回サンプリングし、周波数解析するよう構成されている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項14】
請求項１３に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記波長掃引光源から出力された前記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、を備え、
前記信号処理部は、前記マッハツェンダ干渉計にて生成された前記サンプリングクロック信号に基づき、前記光検出器からの検出信号をサンプリングするよう構成されている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【請求項15】
請求項１～請求項１２の何れか１項に記載の半導体ウエハの厚さ計測装置であって、前記光学系は、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハに照射する前記光を発生する光源として、広帯域光源を備えると共に、前記サンプルウエハ及び前記リファレンスウエハの表・裏面で反射した前記干渉信号を波長毎に分光する分光器を備え、
前記信号処理部は、前記分光器にて波長毎に分光された信号を周波数解析するよう構成されている、半導体ウエハの厚さ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体ウエハの厚さ計測方法及び厚さ計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１に記載のように、半導体ウエハに対し垂直に光を照射し、半導体ウエハの表面及び底面で反射した光の干渉信号を周波数解析することで、半導体ウエハの厚さを計測するよう構成された厚さ計測装置が知られている。
【0003】
また、特許文献１には、半導体ウエハに照射する光の強度が変化すると計測精度が低下することから、半導体ウエハへの照射光を厚さが一定の参照用ウエハにも照射して干渉信号を取得し、その干渉信号の変動から光源の異常を判定することも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０２２－１６２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に記載の装置によれば、半導体ウエハの厚さ計測に用いる光源の異常を検出して、警報を発することで、厚さ計測を停止させるが、計測精度は、光源からの照射光だけでなく、周囲の環境温度によっても変化する。
【0006】
つまり、計測装置や半導体ウエハの光学特性は温度依存性を有することから、環境温度が変化すると、半導体ウエハの厚さが同一であっても、計測値が変動するのである。
本開示の一局面は、環境温度の変化に影響されることなく、半導体ウエハの厚さを計測し得る、半導体ウエハの厚さ計測方法及び装置を提供することを目的とする。
本開示の一局面は、環境温度の変化に影響されることなく、半導体ウエハの厚さを計測し得る、半導体ウエハの厚さ計測方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の第１局面の半導体ウエハの厚さ計測方法においては、まず、厚さ計測対象となる半導体ウエハであるサンプルウエハ、及び、一定の厚さを有する半導体ウエハであるリファレンスウエハに対し、それぞれ、垂直に光を照射する。
【0008】
次に、サンプルウエハ及びリファレンスウエハの表・裏面で反射した光の干渉信号を受光し、その受光した干渉信号を周波数解析することで、サンプルウエハ及びリファレンスウエハの点像分布関数のピーク位置を求める。なお、以下の説明では、点像分布関数を、ＰＳＦ（Point spread function）という。
【0009】
そして、最後に、サンプルウエハのピーク位置「ｘ」と、リファレンスウエハの厚さ「ｔreference」及びピーク位置「ｙ」と、に基づき、サンプルウエハの厚さ「ｔsample」を算出する。
【0010】
このように、本開示では、特許文献１に記載のように、サンプルウエハに光を照射して厚さを計測するのではなく、サンプルウエハとリファレンスウエハとに同時に光を照射する。
【0011】
そして、各ウエハからの反射光から得られる干渉信号から、各ウエハの厚さに対応するピーク位置を求め、各ウエハのピーク位置と、リファレンスウエハの厚さとから、サンプルウエハの厚さを算出する。
【0012】
これは、周囲の環境温度が変化して、サンプルウエハの温度が変化したときには、リファレンスウエハの温度も変化することから、サンプルウエハの厚さは、リファレンスウエハの厚さに比例して変化するからである。
【0013】
従って、本開示の厚さ計測方法によれば、環境温度、換言すれば、サンプルウエハの温度の変化によって、厚さの計測結果が大きく変化するのを抑制することができ、厚さの計測精度を高めることができる。
【0014】
次に、本開示の第２局面の半導体ウエハの厚さ計測装置においては、厚さ計測用の光学系と、信号処理部と、演算部とを備える。
光学系は、厚さ計測対象となる半導体ウエハであるサンプルウエハ、及び、一定の厚さを有する半導体ウエハであるリファレンスウエハに対し、それぞれ、垂直に光を照射して、サンプルウエハ及びリファレンスウエハの表・裏面で反射した光の干渉信号を受光する。
光学系は、厚さ計測対象となる半導体ウエハであるサンプルウエハ、及び、一定の厚さを有する半導体ウエハであるリファレンスウエハに対し、それぞれ、垂直に光を照射して、サンプルウエハ及びリファレンスウエハの表・裏面で反射した光の干渉信号を受光する。
【0015】
また、信号処理部は、光学系にて受光された干渉信号を周波数解析することで、サンプルウエハ及びリファレンスウエハのＰＳＦのピーク位置を求める。
また、演算部は、信号処理部にて求められたサンプルウエハのピーク位置「ｘ」と、リファレンスウエハの厚さ「ｔreference」及びピーク位置「ｙ」と、に基づき、サンプルウエハの厚さ「ｔsample」を算出する。
従って、本開示の厚さ計測装置によれば、上述した厚さ計測方法に則って、サンプルウエハの厚さを計測することができ、上記のように、環境温度、換言すれば、サンプルウエハの温度の変化によって、厚さの計測結果が大きく変化するのを抑制することができる。
また、演算部は、信号処理部にて求められたサンプルウエハのピーク位置「ｘ」と、リファレンスウエハの厚さ「ｔreference」及びピーク位置「ｙ」と、に基づき、サンプルウエハの厚さ「ｔsample」を算出する。
従って、本開示の厚さ計測装置によれば、上述した厚さ計測方法に則って、サンプルウエハの厚さを計測することができ、上記のように、環境温度、換言すれば、サンプルウエハの温度の変化によって、厚さの計測結果が大きく変化するのを抑制することができる。
【0016】
ここで演算部は、サンプルウエハの厚さを、次式（１）
ｔsample＝ｘ・ｔreference／ｙ …（１）
を用いて算出するよう構成されてもよい。
ｔsample＝ｘ・ｔreference／ｙ …（１）
を用いて算出するよう構成されてもよい。
【0017】
このようにすれば、サンプルウエハの厚さ「ｔsample」は、サンプルウエハのピーク位置「ｘ」とリファレンスウエハのピーク位置「ｙ」との比率とリファレンスウエハの厚さ「ｔreference」とに基づき、簡単な比例計算にて求めることができる。従って、厚さ計測のための演算処理を簡素化して、サンプルウエハ各部の厚さを高速に計測することができるようになる。
【0018】
また、演算部は、サンプルウエハの厚さを、サンプルウエハとリファレンスウエハの温度変化に対する時間応答の差「delay」を考慮して、次式（２）
ｔsample(i)＝ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i) …（２）
但し、添え字(i)は任意の時刻の値を表す。
を用いて算出するよう構成されてもよい。
ｔsample(i)＝ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i) …（２）
但し、添え字(i)は任意の時刻の値を表す。
を用いて算出するよう構成されてもよい。
【0019】
つまり、サンプルウエハとリファレンスウエハは、環境温度に応じて温度が変化するが、その温度変化に対する応答(詳しくは、時定数や屈折率温度係数)を一致させることは困難である。そこで、温度変化に対する時間応答の差を予め設定しておき、この時間応答の差を含む上記（２）式を用いて、サンプルウエハの厚さを算出するようにすれば、サンプルウエハの厚さをより精度良く計測することができるようになる。
【0020】
また更に、演算部は、サンプルウエハの厚さを、上記時間応答の差「delay」と、サンプルウエハとリファレンスウエハの屈折率温度係数の違いを補正する補正係数「Ａ」と、サンプルウエハとリファレンスウエハの時間応答の違いを補正する補正係数「Ｂ」とをパラメータとする次式（３）
ｔsample(i)＝｛ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i)｝
－｛ｙ(i)－ｙ(0)｝・Ａ－｛ｙ(i)－ｙ(i+1)｝・Ｂ …（３）
但し、添え字(i)は任意の時刻の値、添え字(0)は基準時刻の値、添え字(i+1)は次の時刻の値を表す。
を用いて算出するよう構成されていてもよい。
ｔsample(i)＝｛ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i)｝
－｛ｙ(i)－ｙ(0)｝・Ａ－｛ｙ(i)－ｙ(i+1)｝・Ｂ …（３）
但し、添え字(i)は任意の時刻の値、添え字(0)は基準時刻の値、添え字(i+1)は次の時刻の値を表す。
を用いて算出するよう構成されていてもよい。
【0021】
このようにすれば、サンプルウエハとリファレンスウエハの屈折率温度係数の違い、及び、サンプルウエハとリファレンスウエハの時間応答の違いを、より適正に補正して、サンプルウエハの厚さをより高精度に計測することができるようになる。なお、補正係数「Ａ」，「Ｂ」は、実験若しくはシミュレーションなどによって予め設定するようにすればよい。
【0022】
一方、光学系は、サンプルウエハへの光の照射経路となる自由空間に配置され、光を自由空間内で２方向に分岐させるよう構成されたビームスプリッタ、が備えられてもよい。この場合、ビームスプリッタにて分岐された第１の光をサンプルウエハに照射し、ビームスプリッタにて分岐された第２の光をリファレンスウエハに照射することができる。また、リファレンスウエハは、サンプルウエハと同じ組成であってもよい。
【0023】
つまり、このようにすれば、サンプルウエハの厚さ計測条件を、リファレンスウエハの計測条件に、より近づけることができるようになり、上記計算式（１）～（３）を用いた厚さの演算精度を高めることができる。
【0024】
また、本開示の半導体ウエハの厚さ計測装置は、更に、サンプルウエハ及びリファレンスウエハの少なくとも一方の温度を調整するよう構成された温度調整機構を備えていてもよい。この温度調整機構は、サンプルウエハ及びリファレンスウエハの少なくとも一方に対し、周囲の大気を吹き付けるよう構成された送風機構を備えていてもよい。或いは、この温度調整機構は、サンプルウエハ及びリファレンスウエハの少なくとも一方に設けられ、サンプルウエハ又はリファレンスウエハの温度を直接制御するよう構成された温度制御素子、を備えていてもよい。
【0025】
このように、温度調整機構を設けるようにすれば、サンプルウエハとリファレンスウエハの温度変化に対する時間応答をハード的に揃えることができるようになり、サンプルウエハの厚さ計測精度をより高めることができる。
【0026】
なお、温度調整機構として送風機構を設ける場合、送風機構は、送風対象となるウエハの上下面の両方から送風できるように構成すると、ウエハの温度変化に対する時間応答をより早く揃えることができるようになる。
【0027】
一方、サンプルウエハ及びリファレンスウエハが配置される計測空間は、筐体で囲まれていてもよい。このようにすれば、各ウエハの周囲の環境温度変化を穏やかにして、環境温度の急峻な変動により、計測精度が低下するのを抑制できる。
【0028】
また、本開示の半導体ウエハの厚さ計測装置は、サンプルウエハ及びリファレンスウエハが配置される計測空間の温度を制御するよう構成された温度制御機構を備えていてもよい。このように温度制御機構を備えていれば、筐体を設けた場合と同様、各ウエハの周囲の環境温度変化を穏やかにして、計測精度が低下するのを抑制できる。
【0029】
なお、このように温度制御機構を備えている場合、環境温度を意図的に変化させて、上述した（２）式、或いは、（３）式の時間応答の差「delay」や補正係数「Ａ」，「Ｂ」を実験的に求めるのに、利用することができる。
【0030】
次に、光学系は、サンプルウエハ及びリファレンスウエハに照射する光を発生する光源として、光の波長を連続的且つ周期的に変化させるよう構成された波長掃引光源を備えていてもよい。また、光学系は、サンプルウエハ及びリファレンスウエハの表・裏面で反射した光の干渉信号を検出する光検出器を備えていてもよい。
【0031】
この場合、信号処理部は、光検出器からの検出信号を、光源から出力される前記光の波長の周期的変化に同期して、一周期毎に複数回サンプリングし、周波数解析するよう構成されていてもよい。
【0032】
半導体ウエハの厚さ計測装置の光学系及び信号処理部をこのように構成すれば、特許文献１に記載のＳＳ（Swept Source）方式の厚さ計測装置を実現できる。
また、この場合、半導体ウエハの厚さ計測装置は、更に、波長掃引光源から出力された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、を備えていてもよい。この場合、信号処理部は、マッハツェンダ干渉計にて生成されたサンプリングクロック信号に基づき、光検出器からの検出信号をサンプリングするよう構成されていてもよい。
また、この場合、半導体ウエハの厚さ計測装置は、更に、波長掃引光源から出力された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、を備えていてもよい。この場合、信号処理部は、マッハツェンダ干渉計にて生成されたサンプリングクロック信号に基づき、光検出器からの検出信号をサンプリングするよう構成されていてもよい。
【0033】
なお、本開示の半導体ウエハの厚さ計測装置には、リファレンスウエハの干渉信号を受光できることから、この干渉信号をトリガ信号として利用することができる。このようにすれば、マッハツェンダ干渉計が不要になり、ＳＳ方式の厚さ計測装置の装置構成を簡単にすることができる。
【0034】
一方、光学系は、サンプルウエハ及びリファレンスウエハに照射する光を発生する光源として、広帯域光源を備えると共に、サンプルウエハ及びリファレンスウエハの表・裏面で反射した干渉信号を波長毎に分光する分光器を備えていてもよい。この場合、信号処理部は、分光器にて波長毎に分光された信号を周波数解析するよう構成されていてもよい。
【0035】
半導体ウエハの厚さ計測装置の光学系及び信号処理部をこのように構成すれば、ＳＤ（Spectral Domain）方式の厚さ計測装置を実現できる。つまり、本開示の半導体ウエハの厚さ計測装置は、ＳＳ方式の厚さ計測装置であっても、ＳＤ方式の厚さ計測装置であっても、適用して、上述した効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】実施形態の厚さ分布計測装置全体の構成を表す説明図である。
【図3】サンプルウエハ及びリファレンスウエハのＰＳＦのピーク位置を表す説明図である。
【図4】サンプルウエハ及びリハレンスウエハに光を照射する光学系の詳細構成を表す説明図である。
【図5】プローブ内でのリハレンスウエハを保持する保持部の構成を表す説明図である。
【図6】サンプルウエハの保持部の構成例を表す説明図である。
【図7】処理・演算部によるサンプルウエハの厚さ計測手順を表すフローチャートである。
【図8】環境温度の変化に伴う計測結果の変化を表すタイムチャートである。
【図9】温度変化によるＰＳＦのピーク位置の変化を表す説明図である。
【図10】環境温度の変化に伴うＰＳＦのピーク位置と計測結果の変化を表すタイムチャートである。
【図11】サンプルウエハの厚さ計算に用いる演算式の係数の設定手順を表すフローチャートである。
【図12】環境温度の変化に伴う演算式の補正用パラメータと計算結果の変化を表すタイムチャートである。
【図13】第１変形例のプローブの内部構成を表す説明図である。
【図14】第２変形例の光学系の詳細構成を表す説明図である。
【図15】第３変形例の厚さ分布計測装置全体の構成を表す説明図である。
【図16】第３変形例の光学系の詳細構成を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
以下に本開示の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示す厚さ分布計測装置２は、計測対象となる半導体ウエハであるサンプルウエハ４の厚さ分布を計測するためのものである。
図１に示す厚さ分布計測装置２は、計測対象となる半導体ウエハであるサンプルウエハ４の厚さ分布を計測するためのものである。
【0038】
このため、厚さ分布計測装置２は、円板状のサンプルウエハ４の外周部分を保持する円環状の保持部１０と、保持部１０に保持されたサンプルウエハ４の板面に対向して配置される厚さ計測用のプローブ８とを備える。なお、プローブ８は、本開示の厚さ計測装置として機能する。
【0039】
保持部１０は、上面が水平な土台であるベース部２０の略中央に、支持部６を介して固定されている。支持部６は、電動ロータリ１２と、第１調整ステージ１４と、第２調整ステージ１６とを備える。
【0040】
電動ロータリ１２は、保持部１０を中心軸周りに回転させることで、サンプルウエハ４を回転させて、プローブ８による厚さの計測位置を変化させる。また、第１調整ステージ１４は、電動ロータリ１２の下方に配置されて、保持部１０を、ベース部２０の水平面上で互いに直交する直交軸方向（図１に示すｘ，ｙ軸方向）に移動させる。また、第２調整ステージ１６は、第１調整ステージ１４の下方、換言すればベース部２０の上面に配置されて、ベース部２０の水平面に直交する上下方向（図１に示すＺ軸方向）に移動させる。
【0041】
このため、保持部１０に保持されたサンプルウエハ４は、支持部６を介して、板面がベース部２０の上面と略平行になるように配置され、その配置空間内で、第１調整ステージ１４により所望位置に位置決めすることができる。また、第２調整ステージ１６により、プローブ８から照射される光の焦点距離を調整できる。また、電動ロータリ１２を回転させることにより、プローブ８によるサンプルウエハ４の厚さの計測位置を調整できる。
【0042】
次に、プローブ８は、ベース部２０の上面に固定された支持枠２２に設置されている。支持枠２２は、一対の支柱２４Ａ，２４Ｂと、連結部２６と、を備える。一対の支柱２４Ａ，２４Ｂは、ベース部２０の板面上に支持部６を挟むように間隔を開けて立設されており、連結部２６は、その支柱２４Ａ，２４Ｂの上端部分に、ベース部２０の板面と平行になるように固定されている。
【0043】
支持枠２２の連結部２６には、プローブ８が固定されるレール部２８が設けられている。レール部２８は、プローブ８をベース部２０の板面方向（例えば、図１に示すｘ軸方向）に移動可能に支持するためのものであり、内部にプローブ８を移動させるアクチュエータ（図示せず）を備えている。従って、プローブ８は、レール部２８内のアクチュエータにより、保持部１０に保持されたサンプルウエハ４の上方で水平移動させることができる。
【0044】
このように、本実施形態の厚さ分布計測装置２においては、電動ロータリ１２によりサンプルウエハ４を中心軸周りに回転させ、レール部２８のアクチュエータによりプローブ８を水平移動させることができる。
【0045】
そして、プローブ８によるサンプルウエハ４の厚さ計測時には、後述する制御部６０が、サンプルウエハ４を中心軸周りに回転させつつ、プローブ８を水平移動させることで、厚さ計測点を、サンプルウエハ４の板面上でらせん状に変化させる。この結果、サンプルウエハ４の板面全域での厚さ分布を計測することができるようになる。
【0046】
また、本実施形態の厚さ分布計測装置２の周囲は、計測時の環境温度を安定化させるために、筐体３０で囲まれている。また、その筐体３０内には、計測空間となる筐体３０の内部温度、換言すれば計測時の環境温度を制御するための温度制御機構３２が設けられている。なお、温度制御機構３２は、環境温度を所望温度に設定可能な、所謂空調装置にて構成されている。
【0047】
これは、サンプルウエハ４の温度が変化すると、サンプルウエハ４での光の屈折率が変化して、プローブ８による厚さの計測結果が変化するためであり、本実施形態では、環境温度を安定化させるために、筐体３０及び温度制御機構３２が用いられる。
【0048】
また、筐体３０内の環境温度は、筐体３０の外部温度の影響を受けることから、温度制御機構３２だけで環境温度を一定にすることはできない。このため、環境温度が変化した際、サンプルウエハ４自体の温度が環境温度に追従するよう、筐体３０内には、サンプルウエハ４の表・裏面に大気を吹き付ける第１送風機構３４も設けられている。
【0049】
これは、本実施形態では、サンプルウエハ４の厚さ計測に、プローブ８に設けられたリファレンスウエハ４０を利用するためである。つまり、本実施形態では、第１送風機構３４にてサンプルウエハ４の表・裏面に大気を吹き付けることで、環境温度の変化に対するサンプルウエハ４の温度変化を、リファレンスウエハ４０の温度変化に近づけ、厚さの計測精度を高めるようにしている。なお、第１送風機構３４は、本開示の温度調節機構の一例に相当するものであり、サンプルウエハ４の表・裏面に大気を吹き付けるために、例えば、一対の送付ファンを備えている。
【0050】
図２に示すように、厚さ計測装置としてのプローブ８には、リファレンスウエハ４０が備えられている。リファレンスウエハ４０は、サンプルウエハ４と組成が同じ半導体ウエハであり、厚さが予め一定に調整されている。
【0051】
なお、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０とで一致させる組成としては、材料、ドーパント種類、抵抗率、などを挙げることができる。但し、リファレンスウエハ４０は、プローブ８に設けられることから、サンプルウエハ４に比べて小さく、熱容量などは異なる。
【0052】
そして、本実施形態では、サンプルウエハ４の厚さ計測時に、リファレンスウエハ４０の厚さも同時に計測して、各ウエハ４，４０の計測時に得られるＰＳＦのピーク位置ｘ，ｙと、リファレンスウエハ４０の厚さを利用して、サンプルウエハ４の厚さを算出する。
【0053】
こうした厚さ計測を行うために、プローブ８には、波長掃引光源４２と、光ファイバ４４と、ビームスプリッタ４６と、光検出器４８と、処理・演算部５０と、マッハツェンダ干渉計５２が備えられている。
【0054】
波長掃引光源４２は、厚さ計測に用いる光の波長を、所定の掃引範囲内で連続的且つ周期的に変化させて光ファイバ４４に出射する。光ファイバ４４は、波長掃引光源４２から出射された光をビームスプリッタ４６まで導く。
【0055】
ビームスプリッタ４６は、光ファイバ４４から後述のコリメータレンズ４５を介して自由空間に放射された光を、直交する２方向に分岐するよう構成されている。そして、ビームスプリッタ４６にて分岐された第１の光は、自由空間を通ってサンプルウエハ４の板面に垂直に照射され、ビームスプリッタ４６にて分岐された第２の光は、自由空間を通ってリファレンスウエハ４０の板面に垂直に照射される。
【0056】
このため、リファレンスウエハ４０の板面は、ビームスプリッタ４６を介して照射される光の光軸が、サンプルウエハ４の板面（水平面）に照射される光軸と直交するように角度調整されている。
【0057】
このようにサンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０に厚さ計測用の光が照射されると、その照射光が、各ウエハ４、４０の表面及び裏面（換言すれば底面）で反射され、その反射光の干渉信号がビームスプリッタ４６に戻る。
【0058】
そして、ビームスプリッタ４６からは、各ウエハ４，４０からの干渉信号が、サンプルウエハ４とは反対側に配置された光検出器４８に入射し、光検出器４８にて各干渉信号が受光される。
【0059】
次に、処理・演算部５０は、光検出器４８にて電気信号に変換された各ウエハ４，４０からの干渉信号を取り込み、その干渉信号からサンプルウエハ４の厚さを計測する。
具体的には、まず、光検出器４８から入力される干渉信号を、波長掃引光源４２から掃引周期（例えば３０ｋＨｚ）に同期して出力されるＡトリガ信号にてサンプリングする。また、サンプリングした干渉信号を、マッハツェンダ干渉計４４から出力されるｋトリガ信号に基づき、等波数間隔となるタイミングでリサンプリングし、波長掃引光源４２の波長ばらつきや波長掃引の非線形性を補正する。
具体的には、まず、光検出器４８から入力される干渉信号を、波長掃引光源４２から掃引周期（例えば３０ｋＨｚ）に同期して出力されるＡトリガ信号にてサンプリングする。また、サンプリングした干渉信号を、マッハツェンダ干渉計４４から出力されるｋトリガ信号に基づき、等波数間隔となるタイミングでリサンプリングし、波長掃引光源４２の波長ばらつきや波長掃引の非線形性を補正する。
【0060】
次に、そのリサンプリングした干渉信号に窓関数を乗算して、高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴという）することで、ＰＳＦのパワースペクトルを求める。そして、そのパワースペクトルから、図３に示すように、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の厚さに対応したピーク位置ｘ，ｙを求め、このピーク位置ｘ，ｙとリファレンスウエハ４０の厚さとに基づき、サンプルウエハ４の厚さを算出する。
【0061】
なお、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０のピーク位置ｘ，ｙは、図３の右側の拡大図に示すように、最大値近傍の３点を最小二乗法で２次関数フィッティングして推定する。
【0062】
処理・演算部５０にて算出されたサンプルウエハ４の厚さ、つまり、厚さの計測結果は、制御部６０に入力され、サンプルウエハ４での計測点を表す位置情報と共に、サンプルウエハ４の厚さ分布を表す厚さデータとして記憶される。
【0063】
制御部６０は、パソコンなどのコンピュータシステムにて構成されている。そして、制御部６０は、上述したように、プローブ８による厚さ計測点を、サンプルウエハ４の板面上でらせん状に変化させて、厚さ計測を順次実施させることで、サンプルウエハ４の厚さ分布を計測し、計測結果をハードディスクなどの所定の記憶媒体に記憶する。
【0064】
次に、マッハツェンダ干渉計４４は、光ファイバ４４による光の伝送路に設けられ、波長掃引光源４２から出射された光の一部（例えば５％）を取り込み、サンプリングクロック信号を生成する。そして、そのサンプリングクロック信号から、波長掃引光源４２の掃引波長帯域や中心波長の変動を補正するためのｋトリガ信号を生成する。
【0065】
次に、光ファイバ４４から光検出器４８に至る光学系には、図４に示すように、コリメータレンズ４５と、集光レンズ４７が設けられている。
コリメータレンズ４５は、光ファイバ４４を介して伝送されてきた波長掃引光源４２からの光を平行光にして、ビームスプリッタ４６に入射させるレンズである。
コリメータレンズ４５は、光ファイバ４４を介して伝送されてきた波長掃引光源４２からの光を平行光にして、ビームスプリッタ４６に入射させるレンズである。
【0066】
また、集光レンズ４７は、各ウエハ４，４０から反射されてビームスプリッタ４６に戻り、ビームスプリッタ４６から光検出器４８側に出射された光を、光検出器４８の受光部に集光させるレンズである。
【0067】
また、リファレンスウエハ４０の近傍には、サンプルウエハ４と同様に、リファレンスウエハ４０の表・裏面に大気を吹き付ける第２送風機構５４が配置されている。なお、第２送風機構５４は、本開示の温度調整機構の一例に相当するものであり、第１送風機構３４と同様、リファレンスウエハ４０の表・裏面に大気を吹き付けるために、例えば、一対の送付ファンを備えている。
【0068】
リファレンスウエハ４０は、例えば、一辺が５～３０ｍｍ程度の矩形形状であり、図５に示すように、互いに対向する２辺が一対の挟持板５８Ａ，５８Ｂにて挟持されることにより、プローブ８内に位置決め固定される。これは、リファレンスウエハ４０とリファレンスウエハ４０を保持する部材との接触面積を小さくして、リファレンスウエハ４０の温度が保持部材の温度によって変動するのを抑制するためである。
【0069】
また、一対の挟持板５８Ａ，５８Ｂは、プローブ８内に設けられた支柱５６に装着するための孔が穿設されており、各挟持板５８Ａ，５８Ｂは、この孔に支柱５６を挿通することにより、板面が互いに対向し且つ平行になるよう、支柱５６に装着されている。
【0070】
このため、各挟持板５８Ａ，５８Ｂは、支柱５６の中心軸方向に変位させることでリファレンスウエハ４０を挟持する際の間隔を調整することができる。また、各挟持板５８Ａ，５８Ｂは、支柱５６の中心軸周りに回動させることで、挟持したリファレンスウエハ４０の板面のビームスプリッタ４６に対する傾きを調整することができる。
【0071】
よって、ビームスプリッタ４６からリファレンスウエハ４０に入射し、リファレンスウエハ４０からビームスプリッタ４６に向けて反射される光の光軸を、容易に調整することができる。なお、リファレンスウエハ４０の板面のビームスプリッタ４６に対する傾きを調整するために、支柱５６にチルト調整機能を持たせてもよい。
【0072】
次に、サンプルウエハ４を保持する保持部１０は、サンプルウエハ４の外周の端縁部分に接触して、サンプルウエハ４を保持できるように、サンプルウエハ４の大きさ（例えば、１２インチ（３００ｍｍ））に対応する内・外径を有する円環状に形成されている。
【0073】
そして、保持部１０は、環境温度が変化した際、サンプルウエハ４の温度がリファレンスウエハ４０と同様に変化するように、サンプルウエハ４がなるべく大気に暴露されるように構成することが望ましい。
【0074】
そのため、保持部１０は、図６Ａに示すように、サンプルウエハ４の外周端縁と、極めて小さい接触面積にて接するように、内周面が傾斜した皿状に構成されている。従って、この保持部１０によれば、サンプルウエハ４の温度が、保持部１０の温度の影響を受けるのを抑制し、環境温度の変化に伴うサンプルウエハ４の温度変化を、リファレンスウエハ４０の温度変化に追従させることができるようになる。
【0075】
【0076】
またこの場合、サンプルウエハ４が載置される領域は、サンプルウエハ４において厚さ分布計測が除外された外周領域を載置し得る大きさに設定するとよい。例えば、１２インチ（３００ｍｍ）のサンプルウエハ４の厚さ分布計測では、サンプルウエハ４の外周１ｍｍの範囲は、計測除外領域となっている。従って、この場合、保持部１０において、サンプルウエハ４を載置可能な領域は、この計測除外領域に対応する大きさに設定するとよい。
【0077】
また、保持部１０は、サンプルウエハ４の底面と接しないように円環状になっているが、図６Ｃに示すように、強度を確保するために、サンプルウエハ４の底面と接しないように底板を設けてもよい。但し、この場合には、底板に多数の孔１０Ａを設けて、通気性をよくすることが望ましい。
【0078】
また、図６Ａ～図６Ｃに示した保持部１０は、サンプルウエハ４の外周全域に接触して、サンプルウエハ４を保持するようになっているが、図６Ｄに示すように、サンプルウエハ４の外周の一部に接触して、サンプルウエハ４を保持するようにしてもよい。
【0079】
なお、図６Ｄに示す保持部１０は、図６Ｂに示した保持部１０において、サンプルウエハ４と接する段差部分を、サンプルウエハ４の外周の４箇所に設けた構成になっている。但し、この段差部分は、サンプルウエハ４を載置できるように、サンプルウエハ４の外周に対し分散して配置されていればよく、個数は適宜設定すればよい。
【0080】
次に、処理・演算部５０において、サンプルウエハ４の厚さを計測する際の計測手順（換言すれば計測方法）について、図７に示すフローチャートに沿って説明する。
なお、処理・演算部５０は、Ａ／Ｄ変換器及びＦＦＴ分析器を含むＤＡＱ（データ収集システム）と、ＤＡＱを利用してサンプルウエハ４の厚さを算出するＦＰＧＡ（field programmable gate array）とを備える。このため、以下に説明する計測手順は、ＦＰＧＡの動作によって実現される。
なお、処理・演算部５０は、Ａ／Ｄ変換器及びＦＦＴ分析器を含むＤＡＱ（データ収集システム）と、ＤＡＱを利用してサンプルウエハ４の厚さを算出するＦＰＧＡ（field programmable gate array）とを備える。このため、以下に説明する計測手順は、ＦＰＧＡの動作によって実現される。
【0081】
図７に示すように、処理・演算部５０においては、まずＳ１１０にて、波長掃引光源４２を駆動してサンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０に光を照射させ、光検出器４８から入力される各ウエハ４，４０からの干渉信号をサンプリングする。なお、干渉信号のサンプリングには、上述したように、波長掃引光源４２から入力されるＡトリガ信号と、マッハツェンダ干渉計４４から入力されるｋトリガ信号が利用される。
【0082】
次に、Ｓ１２０では、Ｓ１１０にてサンプリングした干渉信号に窓関数を乗算して、ＦＦＴ分析器にてＦＦＴ解析することにより、ＰＳＦのパワースペクトルを算出する。そして、続くＳ１３０では、Ｓ１２０で算出したパワースペクトルから、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の厚さに対応したピーク位置ｘ，ｙを推定し、Ｓ１４０に移行する。
【0083】
Ｓ１４０では、Ｓ１３０にて推定したサンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の厚さに対応したＰＳＦのピーク位置ｘ，ｙと、リファレンスウエハ４０の厚さｔreferenceとに基づき、次式（３）を用いて、サンプルウエハ４の厚さｔsampleを算出する。
【0084】
ｔsample(i)＝｛ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i)｝
－｛ｙ(i)－ｙ(0)｝・Ａ－｛ｙ(i)－ｙ(i+1)｝・Ｂ …（３）
なお、（３）式において、「delay」はサンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の温度変化に対する時間応答の差を表す。また、「Ａ」は、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の屈折率温度係数の違いによる誤差を補正する補正係数を表す。また、「Ｂ」は、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の時間応答の違いによる誤差を補正する補正係数を表す。
－｛ｙ(i)－ｙ(0)｝・Ａ－｛ｙ(i)－ｙ(i+1)｝・Ｂ …（３）
なお、（３）式において、「delay」はサンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の温度変化に対する時間応答の差を表す。また、「Ａ」は、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の屈折率温度係数の違いによる誤差を補正する補正係数を表す。また、「Ｂ」は、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の時間応答の違いによる誤差を補正する補正係数を表す。
【0085】
これらのパラメータ「delay」，「Ａ」，「Ｂ」は、実験などで予め設定されている。また、添え字(i)は任意の時刻の値、添え字(0)は基準時刻の値、添え字(i+1)は次の時刻の値を表す。
【0086】
こうして、Ｓ１４０にて、サンプルウエハ４の厚さｔsampleが算出されると、Ｓ１５０に移行し、厚さ計測を継続するか否かを判定する。なお、この判定は、制御部６０からの厚さ計測指令に基づき行われる。
【0087】
そして、Ｓ１５０にて、計測を継続すると判定されると、Ｓ１１０に移行して、次の計測点での厚さ計測を開始し、Ｓ１５０にて、計測を継続しないと判定されると、計測動作を終了する。
【0088】
なお、本実施形態において、Ｓ１１０～Ｓ１３０の処理は、本開示の信号処理部の一例に相当し、Ｓ１４０の処理は、本開示の演算部の一例に相当する。
次に、Ｓ１４０にて、サンプルウエハ４の厚さｔsampleを算出するのに用いられる（３）式について説明する。
次に、Ｓ１４０にて、サンプルウエハ４の厚さｔsampleを算出するのに用いられる（３）式について説明する。
【0089】
まず、本実施形態において、サンプルウエハ４の厚さ計測に、リファレンスウエハ４０を利用するのは、図３に示したように、各ウエハ４，４０のＰＳＦのピーク位置ｘ，ｙを推定すれば、比例計算によりサンプルウエハ４の厚さｔsampleを算出できるからである。
【0090】
つまり、リファレンスウエハ４０の厚さｔreferenceは、既に測定されているため、次式（１）
ｔsample＝ｘ・ｔreference／ｙ …（１）
を用いて、サンプルウエハ４の厚さｔsampleを算出することができる。
ｔsample＝ｘ・ｔreference／ｙ …（１）
を用いて、サンプルウエハ４の厚さｔsampleを算出することができる。
【0091】
しかし、上記（１）式を用いて、サンプルウエハ４の厚さｔsampleを算出した場合、環境温度が計測用の基準温度から変化しなければ問題ないが、図８に示すように、環境温度が変化すると、厚さｔsampleの計測結果も変化することが判った。
【0092】
また、この原因は、図９に示すように、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０の温度が上昇すると、ＰＳＦのピーク位置ｘ，ｙも変化し、その変化量Δｘ、Δｙ（詳しくは変化割合）がサンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０とで異なるためであった。
【0093】
つまり、上記（１）式は、ピーク位置の変化量Δｘ、Δｙを考慮すると、次式（１－１）のように記載できる。
ｔsample＝（ｘ＋Δｘ）・ｔreference／（ｙ＋Δｙ） …（１－１）
しかし、実際には、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の温度変化ΔＴが異なるため、上記演算式では、温度変化でΔＴによる影響をキャンセルすることができない。
ｔsample＝（ｘ＋Δｘ）・ｔreference／（ｙ＋Δｙ） …（１－１）
しかし、実際には、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の温度変化ΔＴが異なるため、上記演算式では、温度変化でΔＴによる影響をキャンセルすることができない。
【0094】
例えば、図１０は、プローブ８とサンプルウエハ４を恒温槽に入れて、サンプルウエハ４の同一個所を観察しながら、環境温度を変化させて、上記（１－１）式を用いてサンプルウエハ４の厚さｔsampleを算出することにより得られた、計測結果を表している。
【0095】
図１０から判るように、温度が低下し始めると、計測結果は、温度と逆の相関をもって変化し、温度が安定すると、計測結果も温度変化にやや遅れて一定値に収束する。
また、各ウエハ４，４０の厚さに対応するＰＳＦのピーク位置は、温度が変化した直後では、リファレンスウエハ４０の方が速く応答し、温度が安定化した後ではサンプルウエハ４の方が大きくシフトしている。
また、各ウエハ４，４０の厚さに対応するＰＳＦのピーク位置は、温度が変化した直後では、リファレンスウエハ４０の方が速く応答し、温度が安定化した後ではサンプルウエハ４の方が大きくシフトしている。
【0096】
これより、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０において、環境温度変化に対するＰＳＦのピーク位置ｘ，ｙの時間応答（時定数）と、シフト量が異なることが判る。
そこで、本実施形態では、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０に大気を吹き付ける送風機構３４，５４を設け、環境温度変化に対するサンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の温度変化（時間応答）を、ハード的を一致させるようにしている。
そこで、本実施形態では、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０に大気を吹き付ける送風機構３４，５４を設け、環境温度変化に対するサンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の温度変化（時間応答）を、ハード的を一致させるようにしている。
【0097】
また、送風機構３４，５４だけでは、上記問題を充分解消することができないので、上記（３）式を用いてサンプルウエハ４の厚さを算出することで、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の時間応答をソフト的に揃える。
【0098】
つまり、（３）式においては、サンプルウエハ４のピーク位置ｘがリファレンスウエハ４０のピーク位置ｙに比べて計測タイミングが遅れることを考慮して、（１）式におけるピーク位置x(i)を遅れ時間「delay」分遅延させた値x(i+delay)に変更されている。
【0099】
また、（３）式においては、上記（１）式の第２項として、任意の時刻に算出されたピーク位置ｙ(i)と、基準時刻に算出されたピーク位置ｙ(0)、例えば初期値、との差｛ｙ(i)－ｙ(0)｝に基づく補正項が追加されている。この第２項は、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の屈折率温度係数の違いによる誤差を補正する補正項であり、｛ｙ(i)－ｙ(0)｝に補正係数Ａが乗じられる。
【0100】
また、（３）式においては、上記（１）式の第３項として、任意の時刻に算出されたピーク位置ｙ(i)と、次の計測時刻で算出されたピーク位置ｙ(i+1)との差｛ｙ(i)－ｙ(i+1)｝に基づく補正項が追加されている。この第３項は、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０との時間応答の違いによる誤差を補正する補正項であり、｛ｙ(i)－ｙ(i+1)｝に補正係数Ｂが乗じられる。
【0101】
そして、（３）式における各パラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」は、環境温度の変化に対し、サンプルウエハ４の厚さの測定結果の変化が最も小さくなるように、実験的に予め設定されている。
【0102】
この結果、本実施形態のプローブ８（換言すれば、厚さ計測装置）を利用すれば、周囲の環境温度が変化しても、サンプルウエハ４の厚さを安定して計測することができるようになり、厚さ計測装置の計測精度を高めることができる。
【0103】
なお、本実施形態では、（３）式を用いて、サンプルウエハ４の厚さを算出するものとして説明したが、（３）式から第２項及び第３項を削除した次式（２）を用いてサンプルウエハ４の厚さを算出するようにしてもよい。
【0104】
ｔsample(i)＝ｘ(i+delay)・ｔreference／ｙ(i) …（２）
つまり、このようにしても、環境温度の変化に伴うサンプルウエハ４の温度変化がリファレンスウエハ４０に対し遅れることを考慮して、サンプルウエハ４の厚さを算出することができる。したがって、（１）式を用いてサンプルウエハ４の厚さを算出する場合に比べて、計測精度を高めることができる。
つまり、このようにしても、環境温度の変化に伴うサンプルウエハ４の温度変化がリファレンスウエハ４０に対し遅れることを考慮して、サンプルウエハ４の厚さを算出することができる。したがって、（１）式を用いてサンプルウエハ４の厚さを算出する場合に比べて、計測精度を高めることができる。
【0105】
なお、温度変化の少ない環境下でサンプルウエハ４の厚さを計測する際には、（１）式を用いてサンプルウエハ４の厚さを算出するようにしても、従来の厚さ計測装置に比べて、精度よくサンプルウエハ４の厚さを計測することができる。つまり、上記（１）～（３）式は、計測環境に応じて、適宜選択して使用するようにすればよい。
【0106】
次に、（３）式における各パラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」を設定する手順について、図１１に示すフローチャートに沿って説明する。
なお、これらパラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」の設定は、制御部６０が、温度制御機構３２を駆動して、環境温度を連続的に変化させつつ実施する。また、制御部６０は、通常の厚さ計測時と同様、第１送風機構３４及び第２送風機構５４を駆動して、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０に大気を吹き付ける。
なお、これらパラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」の設定は、制御部６０が、温度制御機構３２を駆動して、環境温度を連続的に変化させつつ実施する。また、制御部６０は、通常の厚さ計測時と同様、第１送風機構３４及び第２送風機構５４を駆動して、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０に大気を吹き付ける。
【0107】
図１１に示すように、制御部６０は、まずＳ２１０にて、図１２に示すように環境温度を連続的に変化させつつ、プローブ８に対し、各ウエハ４，４０のＰＳＦのピーク位置ｘ，ｙを順次推定させ、その推定結果を、制御部６０内のメモリに蓄積する。なお、このとき、プローブ８によるサンプルウエハ４の計測点は固定する。
【0108】
この結果、メモリには、環境温度の変化に対応して変化する、各ウエハ４，４０のＰＳＦのピーク位置ｘ，ｙを順次記憶される。このピーク位置ｘ，ｙは、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０に大気を吹き付けているため、図１２に示すように、環境温度の変化に追従して変化する。
【0109】
但し、環境温度の変化の過渡時には、熱容量などの違いによって、サンプルウエハ４は、リファレンスウエハ４０に対し少し遅れて変化する。つまり、リファレンスウエハ４０は、サンプルウエハ４に比べて、やや時定数が小さく、また、各ウエハ４，４０で屈折率温度係数がわずかに異なるため、シフト量もわずかに異なっている。
【0110】
こうして、Ｓ２１０の処理が実行されると、Ｓ２２０に移行して、（３）式の各パラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」に初期値を設定し、Ｓ２３０に移行する。
Ｓ２３０では、メモリに記憶された各ウエハ４，４０のピーク位置ｘ，ｙの時系列データと、（３）式を用いて、計測されたピーク位置ｘ，ｙ毎（換言すれば計測タイミング毎）に、サンプルウエハ４の厚さを算出する。
Ｓ２３０では、メモリに記憶された各ウエハ４，４０のピーク位置ｘ，ｙの時系列データと、（３）式を用いて、計測されたピーク位置ｘ，ｙ毎（換言すれば計測タイミング毎）に、サンプルウエハ４の厚さを算出する。
【0111】
なお、この算出時に得られる（３）式の第２項のピーク位置ｙの変化｛ｙ(i)－ｙ(0)｝は、概ね、図１２に示すように環境温度の変化に対応している。また、（３）式の第３項のピーク位置ｙの変化｛ｙ(i)－ｙ(i+1)｝は、図１２に示すように、環境温度の変化の過渡時に大きく変動している。
【0112】
また、Ｓ２３０では、全計測タイミングでサンプルウエハ４の厚さを算出すると、その算出した厚さの最小値と最大値との差、つまり、ｐ－ｐ値を求める。なお、ｐ－ｐ値に代えて、標準偏差を算出するようにしてもよい。
【0113】
次に、Ｓ２４０では、Ｓ２３０にて算出したｐ－ｐ値（又は標準偏差）が予め設定された閾値以下であるか否か、つまり、最小であるか否か、を判定する。
そして、Ｓ２４０にて、ｐ－ｐ値（又は標準偏差）は最小ではないと判定されると、Ｓ２７０に移行して、ｐ－ｐ値（又は標準偏差）が最小となるように、上記パラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」の再設定し、再度Ｓ２３０に移行する。
そして、Ｓ２４０にて、ｐ－ｐ値（又は標準偏差）は最小ではないと判定されると、Ｓ２７０に移行して、ｐ－ｐ値（又は標準偏差）が最小となるように、上記パラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」の再設定し、再度Ｓ２３０に移行する。
【0114】
この結果、Ｓ２３０の処理は、（３）式のパラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」を変更しつつ、ｐ－ｐ値（又は標準偏差）が閾値以下の最小になるまで、繰り返し実施されることになる。
【0115】
そして、Ｓ２４０にて、ｐ－ｐ値（又は標準偏差）は最小であると判定されると、Ｓ２６０に移行して、現在設定されている各パラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」を、（３）式の係数として、メモリに記憶し、処理を終了する。
【0116】
この結果、（３）式の各パラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」は、サンプルウエハ４の厚さを、より正確に算出することのできる値に設定されることになり、その後、（３）式を用いて、厚さ計測をより高精度に実施することができるようになる。
【0117】
なお、図１２において、最下段に示す図には、（３）式の各パラメータ「delay」、「Ａ」、「Ｂ」を用いて厚さを算出した、補正有りの算出結果と、（１）を用いて厚さを算出した、補正なしの算出結果が記載されている。
【0118】
この図から明らかなように、補正なしの厚さ算出結果は、環境温度の変化に応じて変化しているが、補正有りの厚さ算出結果は、環境温度の変化に対し略一定となっており、本実施形態によれば、計測精度を改善できることが判る。
［他の実施形態］
以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
［他の実施形態］
以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
【0119】
［第１変形例］
上記実施形態では、厚さ計測用の光源として、波長掃引光源４２を利用し、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０からの反射光の干渉信号を光検出器４８にて受光する、ＳＳ（Swept Source）方式の厚さ計測装置について説明した。
上記実施形態では、厚さ計測用の光源として、波長掃引光源４２を利用し、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０からの反射光の干渉信号を光検出器４８にて受光する、ＳＳ（Swept Source）方式の厚さ計測装置について説明した。
【0120】
しかし、本開示の厚さ検出方法及び装置は、図１３に示すように、光源として、広帯域光源４１を備え、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０からの反射光の干渉信号を分光器４３にて分光して、各波長の光を受光するように構成されていてもよい。つまり、本開示の厚さ検出方法及び装置は、図１３に示すＳＤ方式の厚さ計測装置であっても、上記実施形態と同様に適用して、同様の効果を得ることができる。
【0121】
［第２変形例］
上記実施形態では、サンプルウエハ４に対し、ビームスプリッタ４６にて分岐された光を、直接照射するものとして説明したが、図１４に示すように、ビームスプリッタ４６からサンプルウエハ４に至る光路上に集光レンズ４９を設けるようにしてもよい。
上記実施形態では、サンプルウエハ４に対し、ビームスプリッタ４６にて分岐された光を、直接照射するものとして説明したが、図１４に示すように、ビームスプリッタ４６からサンプルウエハ４に至る光路上に集光レンズ４９を設けるようにしてもよい。
【0122】
このようにすれば、サンプルウエハ４へ照射する光ビームを集光させて、空間分解能を高めることができる。例えば、焦点距離ｆ＝４０ｍｍのレンズを使えば、サンプルウエハ４の表面を照射するスポット径を半値全幅で約６０μｍにして、厚さ計測を実施することができる。
【0123】
［第３変形例］
上記実施形態では、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の温度変化を一致させるために、温度制御機構３２、第１送風機構３４、第２送風機構５４を設けるものとして説明した。
上記実施形態では、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の温度変化を一致させるために、温度制御機構３２、第１送風機構３４、第２送風機構５４を設けるものとして説明した。
【0124】
しかし、サンプルウエハ４とリファレンスウエハ４０の温度変化を一致させるためには、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０の少なくとも一方の温度を直接制御するようにしてもよい。そして、このためには、図１５及び図１６に例示するように、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０に、それぞれ、温度調整機構としての温度制御素子７２、７４を設けるようにすればよい。
【0125】
温度制御素子７２、７４としては、通電などにより温度を制御可能な素子であればよく、例えば、ペルチェ素子などの熱電素子を含むＴＥＣ（Thermoelectric Controller）や、セラミックヒータなどを利用できる。そして、図１５，図１６に示すように、サンプルウエハ４と及びリファレンスウエハ４０において、厚さ計測用の光が照射される表面とは反対側（つまり裏面の外側）に、シート状の温度制御素子７２、７４を配置する。
【0126】
また、温度制御素子７２、７４には、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０を同一温度に揃えるために予め設定された、一定の制御電流を通電する。このようにすれば、上述した温度制御機構３２、第１送風機構３４及び第２送風機構５４を利用することなく、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０の温度を揃えることができるようになる。
【0127】
なお、温度制御素子７２、７４は、温度制御機構３２、第１送風機構３４及び第２送風機構５４と組み合わせて利用するようにしてもよい。このようにすれば、サンプルウエハ４及びリファレンスウエハ４０の温度をより安定化させることができる。
【0128】
［他の変形例］
温度制御素子７２、７４、或いは、温度制御機構３２、第１送風機構３４及び第２送風機構５４による、温度制御機能は、必ずしも全て備える必要はない。つまり、上述した（１）～（３）式の何れかを用いて、サンプルウエハ４の厚さを算出するだけでも、従来装置に比べて、厚さ計測精度を改善できる。なお、この場合、更に、温度制御機構３２、第１送風機構３４、第２送風機構５４、温度制御素子７２、７４、の少なくとも１つを備えるようにすれば、厚さ計測精度をより一層改善することができる。
温度制御素子７２、７４、或いは、温度制御機構３２、第１送風機構３４及び第２送風機構５４による、温度制御機能は、必ずしも全て備える必要はない。つまり、上述した（１）～（３）式の何れかを用いて、サンプルウエハ４の厚さを算出するだけでも、従来装置に比べて、厚さ計測精度を改善できる。なお、この場合、更に、温度制御機構３２、第１送風機構３４、第２送風機構５４、温度制御素子７２、７４、の少なくとも１つを備えるようにすれば、厚さ計測精度をより一層改善することができる。
【0129】
上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。
【0130】
また、上記実施形態では、処理・演算部５０は、ＤＡＱとＦＰＧＡとを備え、ＦＰＧＡが図７に示す手順で各種演算処理を実行することで、サンプルウエハ４の厚さを算出するものとして説明したが、処理・演算部５０はコンピュータを備えていてもよい。
【0131】
この場合、コンピュータは、厚さ計測用のマイクロコンピュータであってもよく、或いは、制御部６０を構成するコンピュータであってもよい。また、このように、処理・演算部５０をコンピュータにて構成する場合、図７に示した手順でコンピュータを動作させるプログラムが必要になる。そして、本開示は、このプログラム、或いは、このプログラムを記憶した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、など、種々の形態で実現することもできる。
【符号の説明】
【0132】
４…サンプルウエハ、８…プローブ（厚さ計測装置）、１０…保持部、３０…筐体、３２…温度制御機構、３４…第１送風機構、４０…リファレンスウエハ、４１…広帯域光源、４２…波長掃引光源、４３…分光器、４４…光ファイバ、４５…コリメータレンズ、４６…ビームスプリッタ、４７，４９…集光レンズ、４８…光検出器、５０…処理・演算部、５４…第２送風機構、７２，７４…温度制御素子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】