米乐m6官方网站[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）工程测量标准研究部[研究部主任 Toshiyuki Takatsuji] 纳米标准研究组 Akiko Hirai，研究组组长和长度标准研究组 Yoichi Bito，研究组组长，长度可溯源国家标准我们开发了一种用于厚度测量的双面干涉仪，可以测量样品厚度，并将其应用于硅片的厚度测量。
在半导体制造中，行业组织对硅片的尺寸制定了标准，厚度是重要项目之一。近年来，测量结果的可靠性变得更加重要，并且在测量硅片厚度时对国家标准的可追溯性的需求越来越大。此外，为了提高集成度，用于三维堆叠的硅片需要比以往更薄，这使得厚度控制变得更加重要。
对于非接触式厚度测量，光谱干涉法应用广泛，但由于受样品内部折射率的影响，无法保证测量结果的可靠性。新开发的技术使用可见光和仅表面反射光，用两个光学干涉仪测量样品两侧的表面形状，然后将它们组合起来测量样品的表面形状。几何厚度由于没有使用穿过样品的光，因此它不受样品折射率的影响。另外，由于采用多个可溯源国家长度标准的稳频激光器作为可见光源，因此测厚结果也可溯源国家标准。通过使用已使用该技术测量厚度的标准样品来校准制造现场已使用的测量设备，可以提高测量结果的可靠性。
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| 使用新开发的技术测量的 200 µm 厚硅片的厚度分布示例（约 30 mm x 10 mm 面积） |
近年来，半导体制造中对更高密度器件的需求不断增长。因此，除了小型化之外，通过使用贯通硅电极的三维堆叠器件来提高集成度的技术也引起了人们的关注。随着更薄的硅晶圆被用于堆叠器件，晶圆厚度控制变得更加重要。
光谱干涉法广泛用于非接触式厚度测量，该方法使用穿过硅的红外光，并利用从样品表面反射的光与从样品背面反射并穿过样品内部的光之间的干涉。然而，测量结果是折射率与样品几何厚度的乘积光学厚度，因此，需要有关折射率的准确信息来确定所需的几何厚度。硅的折射率一般采用文献值，但不同厂家和设备采用不同的文献值，业内没有统一的值。另外，折射率因批次不同而不同，并且还会根据硅中添加的少量杂质的浓度而变化，因此所使用的文献值不一定正确，无法保证测量的几何厚度的可靠性。因此，需要一种能够现场校准现场测量设备的标准样品。
AIST 开发了利用光学干涉的精密长度测量技术，并将其作为国家计量标准。这次，我们利用这些精密测量技术，开发了一种可以高精度测量样品厚度的装置。
新开发的用于厚度测量的双面干涉仪由两个激光干涉仪组成（图1）。将激光干涉仪放置在待测样品的两侧，分别在样品的左右表面上测量样品表面反射的光和参考镜反射的光。干涉条纹图像用CCD相机测量样品各面的凹凸形状。通过测量多个干涉条纹图像，可以高精度计算样品表面的凹凸形状。同时，还测量穿过样品周围空白空间的光与参考镜反射的光之间的干涉条纹图像，以确定厚度测量的参考平面。结合这些结果来确定样品的厚度分布。光的干涉条纹是干涉仪的光程差是一种周期函数，其一个周期等于光源发出的光的波长，因此可以精确测量不平坦形状等相对长度，但很难确定绝对长度。然而，该装置使用三种不同频率（波长）的稳频激光器作为光源。因此，对每个波长进行测量交配方法找到。
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| 图1 新开发的用于厚度测量的双面干涉仪 |
我们使用新开发的测厚双面干涉仪测量了典型实用长度标准之一的块规的厚度，并验证了测量结果的有效性。当使用双面干涉仪测量厚度为1mm至30mm的校准块规时，证实厚度测量结果与块规的校准值一致在±10nm以内。
接下来，我们测量了大冢电子有限公司硅片的厚度。放置切成约 30 mm x 10 mm 的硅晶片片，使测量表面垂直。图2显示了被测厚度约为200μm的硅晶片和支架的外观、硅晶片两面的干涉条纹图像、由此计算出的晶片两面的高度分布（不均匀度）以及将两者组合得到的最终厚度分布的示例。由此校准的硅晶片可以用作校准晶片制造商等拥有的厚度测量装置的标准样品。预计这将提高硅晶圆的质量并有助于提高半导体性能。
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硅片支架
大冢电子株式会社提供的硅片和支架 |
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| 图2 硅片厚度测量结果 |
未来，可测量的厚度范围将会扩大，包括支持更薄的层压硅片。此外，由于可以在不受晶片内部影响的情况下确定几何厚度，因此我们将结果与光谱干涉法进行比较，以验证光谱干涉法中使用的硅的折射率，评估折射率对杂质浓度的依赖性，并评估晶片内部的折射率均匀性。此外，它还将应用于各种晶圆的厚度测量，包括用于LED和表面发射激光器的市场不断扩大的GaAs晶圆，以及作为光学集成电路和超高速电子器件的基础材料的InP晶圆，为半导体器件的质量控制和性能改进做出贡献。