産総研,ウエハ厚を高精度に測定する干渉計を開発

産業技術総合研究所(産総研)は,長さの国家標準にトレーサブルに試料厚さを測定できる厚さ測定用両面干渉計を開発し,シリコンウエハの厚さ測定に応用した(ニュースリリース)。

非接触の厚さ測定には,シリコンを透過する赤外光を用いる分光干渉方式が広く用いられている。しかし,測定結果は試料の屈折率と幾何学的厚さの積である光学的厚さとなるため,必要な幾何学的厚さを求めるためには屈折率の正確な情報が必要となる。

一般にシリコンの屈折率は業界で統一した値がない。また,屈折率はロット毎のばらつきがあり,不純物の濃度によっても変わるため,測定された幾何学的厚さの信頼性が保証できず,現場の測定装置をその場で校正できる標準試料が求められていた。

今回開発した厚さ測定用両面干渉計は,2台のレーザー干渉計から構成される。被測定試料の両側にレーザー干渉計を配置し,試料の右面と左面のそれぞれについて,試料表面で反射した光と参照鏡で反射した光との干渉縞画像をCCDカメラで計測して,試料の両面それぞれの凹凸形状を測定する。複数枚の干渉縞画像を測定することで,計算によって試料表面の凹凸形状を高精度に求められる。

同時に,試料の周囲の何もない空間を透過した光と参照鏡で反射した光との干渉縞画像も計測し,厚さ測定の基準平面も求める。これらの結果を組み合わせて,試料の厚さ分布を求める。

光の干渉縞は,干渉計の光路差に対して,光源からの光の波長を1周期とした周期関数なので,凹凸形状のように相対的な長さは正確に測定できるが,絶対的な長さを求めることは難しい。しかし,この装置では,周波数(波長)の異なる3種類の周波数安定化レーザーを光源として用いているため,波長ごとに測定を行ない,合致法によって絶対的な長さを求めることができる。

開発した厚さ測定用両面干渉計を,長さ標準器の一つであるブロックゲージの厚さを測定して検証したところ,ブロックゲージの校正値と±10nm以内で一致した。この装置で校正されたシリコンウエハは,厚さ測定装置の校正用標準試料として使用できるという。

研究グループは今後,より薄いシリコンウエハへの対応など,測定できる厚さの範囲を拡大する。また,ウエハ内部の影響を受けずに幾何学的厚さが求められるので,分光干渉方式で使われているシリコンの屈折率の検証,屈折率の不純物濃度依存性の評価,ウエハ内部の屈折率均一性評価を行なう。さらに,GaAsやInPなど,さまざまウエハの厚さ測定にも応用していくとしている。

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