专利名称：用于测量片状工件的厚度的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量用作电子元件的基底的片状工件的厚度的方法，包括下述步骤将红外辐射(射线)定向到工件上侧上，其中第一辐射分量在所述上侧上反射，而第二辐射分量穿透工件厚度、在工件下侧上反射并且再次在工件上侧射出，第一和第二辐射分量在构成干涉图样的情况下发生干涉，借助该干涉图样确定工件上侧和工件下侧之间的光学的工件厚度。
背景技术：
薄片状工件、例如硅晶片通常在双面和单面加工机器中进行加工，如磨削、研磨、 抛光(“Haze free polishing无雾抛光”或“化学机械抛光”)等。在此制造的工件的几何形状对于进一步的使用目的来说非常重要。因为经常通过光学成像法给加工完成的工件设置集成电路，工件的不希望的厚度变化降低了图像清晰度并且因此降低了集成电路的质量。迄今为止，工件的厚度测量是在双面加工机和/或CMP (化学机械抛光)机加工之后才进行的。以测量结果为基础，在出现不希望的几何形状偏差时捡出工件。由于在加工结束之后才进行测量，所以这种方式会产生不希望的废品。已知的用于厚度测量的方法例如包括激光三角测量法、超声波测量法和涡电流测量法。但是对于所提及的薄片状的工件这些方法都不能提供足够的精度。电容厚度测量方法提供了更为精确的测量结果。但这种方法昂贵而(过于)灵敏。对于工件加工期间或即将加工工件之前的在线厚度测量来说考虑采用例如干涉测量法。在此通过由待测量的工件反射或射出的电磁辐射的干涉图样、例如由两个干涉极大值的距离来确定光学的工件厚度。光学的厚度是机械的工件厚度和折射率的乘积。就是说在已知折射率的情况下可以由光学的工件厚度计算出机械的工件厚度。在此假设对于相应待测量的工件材料，折射率为给定的常数。但是，在实践中这种方式仍然不是总能实现足够的测量精度，因为工件、如晶片的材料变化、例如掺杂变化会弓I起折射率的变化。

发明内容
因此，从上述现有技术出发本发明的目的是，提供一种开头所述类型的方法，借助该方法可以更精确地测量薄片状的工件的厚度。本发明通过权利要求1的主题来实现所述目的。各从属权利要求以及说明书和附图给出了有利的实施方案。对于开头所述类型的方法，本发明以这样的方式来实现所述目的，即由对从工件反射和/或射出的红外辐射的强度的测量在考虑光学的工件厚度的情况下求出机械的工件厚度。根据本发明已经认识到，例如由于材料变化会导致折射率变化并且由此导致厚度测量的失真。在此本发明所基于的认识是，折射率的变化影响工件的反射率或吸收率，因此在折射率变化时反射或者说射出的辐射强度会发生相应的变化。根据本发明利用这种效果，以便在由所测得的光学的工件厚度确定机械的工件厚度时补偿折射率的变化。在此，根据工件的相应的材料在多数情况下可以忽略工件厚度变化引起的吸收变化对折射率的影响。在对红外辐射高度透明的材料如硅中尤其是这种情况。对于其它材料来说厚度变化时工件的吸收性也发生变化。这样可以通过将测得的强度修正以在校准工作中求出的、表示吸收变化的比例因子来求出折射率。在例如由于掺杂变化发生折射率变化时，根据本发明能够与现有技术相比更精确地测量厚度并且改善了用于布设集成电路或安装电子元件的特性。利用根据本发明的方法来测量薄片状的局部透明/部分透明的尤其是可以构造成圆柱形或圆形的工件。工件尤其可以具有小于1.5mm的厚度。机械的工件厚度在此可以作为商由光学的工件厚度和折射率计算出。工件上侧和工件下侧之间的光学的工件厚度的确定和必要时进行的折射率的确定可以分别在使用适合的校准特性曲线或适合的校准特性曲线族的情况下进行。根据本发明，工件的朝向入射辐射的一侧称为工件上侧，而工件的背朝入射辐射的一侧称为工件下侧。当然按本发明的方法与工件在空间中的定向或与红外辐射的入射方向无关。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。在按本发明所使用的内部干涉测量法中，第二辐射分量在其再次从工件射出之前当然可以多次穿透并且相应地多次在下侧以及有可能在上侧的内表面上发生反射。干涉图样的记录尤其在朝向工件上侧的一侧上进行。在此，红外辐射例如可以输入到玻璃纤维中并且通过玻璃纤维传导到工件上，或者来自工件的辐射可以由玻璃纤维接收并且导向评估处理装置。为了对干涉图样进行评估处理，例如可以设置适合的具有适合的评估处理电子装置的探测器。片状工件可以是夹层/三明治结构的一部分，工件下侧构成与紧邻的位于下面的层的分界面。同样，工件上侧构成与紧邻的位于上面的层的分界面。通过各辐射分量相干形成的干涉图样例如可以是衍射图样，也可以是例如与白光干涉测量法类似的、在光谱上扇状散开的干涉图样。在本发明中干涉的类型并不重要。根据一种实施方案，将一红外光谱(带)朝工件上侧定向。该红外光谱尤其是可垂直地向工件上侧定向。接下来可以借助光谱仪、例如光栅光谱仪对通过第一和第二辐射分量的干涉产生的辐射进行光谱分析。在该实施方案中使用本身已知的并且在实践中得到验证的红外干涉测量法。例如可以采用红外灯、尤其是红外白炽灯或红外气体放电灯作为红外辐射源。此时出现两个辐射分量的干涉。尤其是对于该光谱的确定的波长来说由于工件厚度产生的光程差恰好导致出现相消干涉或相长干涉。现在可以借助光谱仪对干涉图样进行光谱分析并且分析处理，例如可以由两个极大值或极小值的距离确定光学的工件厚度。当然，根据本发明也可以设想采用其他干涉方法，例如借助具有高的相干长度的辐射(例如激光辐射)和倾斜的辐射入射。根据另一个实施方案，为了测量从工件反射和/或射出的红外辐射的强度，可以在第一辐射分量在工件上侧上反射后或在第二辐射分量从工件上侧射出后，测量通过第一和第二辐射分量的干涉产生的辐射的强度。在该实施方案中，可以在与接收两个发生干涉的辐射分量并且进行分析处理相同的一侧进行强度测量。因此可以有利地对于强度测量和干涉图样分析处理使用相同的测量装置。通过测出干涉图样的两个确定的点、例如一个干涉极大值和一个干涉极小值之间的强度差来测量强度，可以实现特别高的精度。在此极小值尤其可以是等于零的强度。根据一种可选实施方案，一第三辐射分量可以在工件下侧从工件射出，并且为了测量反射和/或射出的红外辐射的强度在第三辐射分量射出工件后测量第三辐射分量的强度。就是说，在该实施方案中记录透射工件的辐射的强度并由此得出反射率或吸收率。例如当可从外部接近工件下侧并且可相应地接收穿过的辐射时，该实施方案是适宜的。根据另一个实施方案可以确定工件的折射率，并且在考虑测得的折射率的情况下可以由光学的工件厚度求得机械的工件厚度。该折射率例如可以由根据由工件反射和/或射出的红外辐射的强度或强度差来描述折射率的特性曲线求出。这种特性曲线可以在校准时建立。也可以设想通过特性曲线族来确定机械的工件厚度。这种特性曲线族例如可以根据强度或强度差和折射率来描述工件厚度。通常这种特性曲线族也是在校准时建立的。使用特性曲线或特性曲线族实现了特别简单地对所接收的辐射进行分析处理。根据另一个实施方案，可以引导红外辐射横向地经过工件上侧，并借助本发明的方法求出机械的工件厚度分布曲线。就是说，在该实施方案中，红外辐射先后或同时定向到工件上侧上的多个在工件横向方向前后顺序布置的位置上并且按根据本发明的方式测得每个所述位置的厚度。即建立横向的厚度分布曲线。根据一种与此相关的实施方案，可以引导红外辐射沿径向地经过工件上侧并且借助本发明方法求出径向的工件厚度分布曲线。 只要以具有旋转对称性的工件为基础，就可以通过这样的径向测量在测量厚度时实现足够的精度。在此，可以沿径向方向在整个工件表面或者仅在工件表面的一部分上，例如从工件表面的边缘到中点，或者在更小的区域上引导红外辐射。根据一种特别符合实践的实施方案，工件可以是晶片、尤其是硅晶片。这种晶片或半导体片用于很多领域，以便提供部分复杂的集成电路。在此工件的几何形状出于前面所述的原因对集成电路的质量是特别重要的。但也可设想采用其它的用于集成电路和单个电子元件的片状工件，工件例如可以是蓝宝石片。例如可以给这种基底设置硅层，由此使其形成夹层结构。然后可以借助例如光学成像法将集成电路或单个元件，例如二极管或类似元件设置到硅层上。根据另一个实施方案，在双面或单面加工机器中，例如用于化学机械平面化或化学机械抛光的机器中，加工工件期间和/或即将加工工件之前、尤其是在磨削、研磨和/或抛光工件期间，可以利用按本发明的方法确定工件的厚度。然后就可以根据获得的厚度和/ 或获得的厚度分布曲线在加工期间对用于工件加工的参数进行适配。就是说，借助本发明的方法可以在这种加工机中进行在线厚度测量并且可选地根据厚度测量对加工参数进行在线调节，以便优化工件几何形状。通常在这种机器中特别存在这样的任务即避免由加工盘，例如抛光盘导致的不希望的凹入或不希望的凸出的表面形状或厚度形状。由于这类机器中旋转加工占多数，所以基于这样的事实，即工件基本上是旋转对称的，从而可能出现的相对于给定几何形状的偏差也同样是旋转对称的。因此在这种情况下本发明的径向厚度测量提供了足够的精度。


下面借助附图来详细说明本发明的实施例。其中示意性地图1示出用于实施本发明的方法的结构；图2示出用于显示光路的示意图；图3示出待测量工件的示意图，以及图4示出按本发明的方法记录的径向的厚度分布曲线。
具体实施例方式除非另有说明，否则附图中相同的部件用相同的附图标记表示。图1中示出用于集成电路的片状工件10，此处为硅晶片10，应测量该工件的机械厚度d。红外辐射源12(此处为红外灯)产生红外辐射14-在所示实施例中为红外光谱14，即在确定的波长或频率范围上分布的红外辐射。通过分光器16，例如半透明镜16通过光具18聚焦的红外辐射14以垂直入射到达晶片10的上侧20。图2中更详细地示出到达晶片10时的光路。据此，第一辐射分量22在工件上侧20 上反射并与上侧20垂直地返回。其它辐射23穿过工件厚度d、在工件下侧沈上(部分) 反射、从下侧26到上侧20再次穿过工件厚度d，并至少部分地作为第二辐射分量M再次在工件上侧20射出。从工件下侧沈到上侧返回穿过工件厚度d的辐射23在上侧20上再次部分反射，使得另一辐射分量30再次从上侧20到工件下侧沈穿过工件厚度d，如此等等。 这样的光路是公知的。因为辐射23在工件下侧只是部分反射，所以在图2所示的实施例中一第三辐射分量观在工件下侧沈上射出。第一和第二辐射分量22、24(和可能还有其它的反射的辐射分量)在其反射后或在其从工件10再次射出后重新到达分光器16上，被分光器垂直地偏转并导向光谱仪32。 在所示实施例中光谱仪32是光栅光谱仪32。光谱仪32使到达光谱仪32的红外辐射14变成在光谱上扇状散开的，如图1中作为光谱(带)34示意性示出的那样。仅是清楚起见，在光谱34中示出按任意单位随波长变化的辐射强度。红外辐射14的从晶片10返回的部分、尤其是第一和第二辐射分量22、24以同样已知的方式相互干涉。根据由晶片厚度d引起的辐射分量22、24的光程差，会发生相长或相消的干涉。图1中在附图标记36处以一般性的以及示意性的方式示出干涉图线。在干涉图线36中也描绘了按任意单位随波长变化的强度。这样形成一干涉图样38。通过对干涉图线36中的强度信号进行分析处理来确定工件10的厚度d。例如可以由两个干涉极大值的距离40以本领域技术人员公知的方式获得作为机械的工件厚度d与晶片10的折射率的乘积的光学的工件厚度 L.干涉极大值和干涉极小值之间的强度差42包含关于晶片10的反射率的信息。基于测得的强度差42可以借助例如在校准时建立的特性曲线来确定晶片10的折射率。在此基础上作为商由所获得的光学的工件厚度L和同样所获得的折射率η计算出机械的工件厚度d。上述方法可以用于建立工件10的径向的厚度分布曲线，如图3示意性示出的那样。根据图3，从圆柱形的、在俯视图中为圆形的工件10的中点出发朝工件10的边缘沿径向的线44对沿该径向的线44设置的表面位置逐次地实施所述方法，并由此建立径向的厚度分布曲线。图4中示出了相应的径向的厚度分布曲线46。在该图中描绘了测得的随工件 10的半径变化的工件厚度d、半径以毫米表示、工件厚度以微米表示。半径0表示工件上侧20的中点。 与现有技术相比，通过本发明方法可以实现应用作电子元件的基底的片状工件10 的更精确的厚度测量。
权利要求
1.用于测量片状的工件的厚度的方法，所述工件用作电子元件的基底，该方法包括下述步骤a)将红外辐射(14)定向到工件上侧(20)上，其中第一辐射分量(22)在工件上侧(20) 上反射，而第二辐射分量(24)穿过工件厚度(d)、在工件下侧(26)上反射并又在工件上侧 (20)射出，b)所述第一和第二辐射分量(22、24)在形成干涉图样的情况下发生干涉，c)借助所述干涉图样确定工件上侧(20)和工件下侧(26)之间的光学的工件厚度(L)，其特征在于，包括下述步骤由对由工件(10)反射和/或射出的红外辐射(14)的强度的测量在考虑光学的工件厚度(L)的情况下求得机械的工件厚度(d)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，将红外辐射光谱(14)定向到工件上侧(20)上。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，所述红外辐射光谱(14)垂直地定向到工件上侧(20)上。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于，借助光谱仪(32)分析通过各辐射分量 (22,24)的干涉形成的辐射。
5.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，为了测量由工件(10)反射和/或射出的红外辐射(14)的强度，在第一辐射分量在工件上侧(20)反射后或第二辐射分量从工件上侧(20)射出后，测量由于第一和第二辐射分量(22、24)的干涉产生的辐射的强度。
6.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，为了测量由工件(10)反射和/或射出的红外辐射(14)的强度，确定干涉图样的两个确定的点、尤其是干涉极大值和干涉极小值之间的强度差(42)。
7.根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，在工件下侧(26)从工件(10)中射出第三辐射分量(28)，并且为了测量由工件(10)反射和/或射出的红外辐射(14)的强度，在第三辐射分量从工件(10)中射出后，测量第三辐射分量(28)的强度。
8.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，确定工件(10)的折射率(η)，并且在考虑所求得的折射率(η)的情况下由光学的工件厚度(L)求得机械的工件厚度(d)。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，所述折射率(η)由根据由工件(10)反射和/ 或射出的红外辐射(14)的强度或强度差(42)来描述折射率(η)的特性曲线获得。
10.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述机械的工件厚度(d)借助特性曲线族获得。
11.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，引导所述红外辐射(14)横向地经过工件上侧(20)，并且借助该方法获得机械的工件厚度分布曲线(46)。
12.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，所述工件(10)是晶片(10)、尤其是硅晶片(10)。
13.根据权利要求1至11之一的方法，其特征在于，所述工件(10)是蓝宝石片。
14.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于，在单面或双面加工机中、尤其是在用于化学机械平面化或化学机械抛光的机器中，在加工工件(10)期间和/或即将在加工工件之前和/或在加工工件之后不久，确定工件(10)的厚度(d)。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于，根据所获得的厚度(d)和/或所获得的厚度分布曲线对用于工件(10)的加工的参数进行适配。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量用作电子元件的基底的片状的工件的厚度的方法，包括下述步骤将红外辐射定向到工件上侧上，其中第一辐射分量在上侧上反射，而第二辐射分量穿过工件厚度、在工件下侧上反射并再次在工件上侧射出，第一和第二辐射分量在构成干涉图样的情况下发生干涉，借助所述干涉图样确定工件上侧和工件下侧之间的光学的工件厚度。根据本发明设定，在考虑光学的工件厚度的情况下由对由工件反射和/或射出的红外辐射的强度的测量获得机械的工件厚度。
文档编号G01B11/06GK102171000SQ200980139034
公开日2011年8月31日 申请日期2009年8月29日 优先权日2008年10月1日
发明者I·格罗特科普, J·坎措, J·迈尔 申请人:彼特沃尔特斯有限公司