JP2009141081A

JP2009141081A - 半導体ウェーハ表面検査装置

Info

Publication number: JP2009141081A
Application number: JP2007315154A
Authority: JP
Inventors: Teruki Tanaka; 輝紀田中; Eiji Kamiyama; 栄治神山
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-06-25
Also published as: US20090147250A1

Abstract

【課題】検査中のウェーハの震動を防止する。
【解決手段】表面が鏡面化されるとともに外周部が面取り加工された半導体ウェーハについて、その外周部を把持した後、この把持された半導体ウェーハを鉛直状態に保持してその表面に検査用顕微鏡レンズを近接させて前記半導体ウェーハ表面を検査する装置であって、
前記半導体ウェーハを把持するウェーハ把持部分には、前記半導体ウェーハ外周部に接触する接触部分が２カ所以上設けられ、
前記接触部分には、前記半導体ウェーハ面取り部分の表面側位置に接触する表面接触部と、該表面接触部と前記半導体ウェーハ円周方向同位置とされ前記半導体ウェーハ面取り部分の裏面側位置で接触する裏面接触部とが設けられてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハ表面検査装置に用いて好適な技術に関する。

シリコンウェーハの表面検査において、例えば顕微鏡での検査をおこなう際には、検査ステージ上にウェーハ検査面と反対の面（裏面）を接触させる、あるいは、ウェーハ裏面をステージ上に吸着させて保持することが通常行われている。この際、ウェーハ表面検査においては、０．１〜１０ｎｍ程度の凹凸を検出可能とするために顕微鏡を用いているが、このため、顕微鏡の対物レンズとウェーハ表面との距離が×１０で１０ｍｍ程度、×１００で１〜４ｍｍ程度、あるいは、測長の条件により２００〜３０００μｍ程度に設定された状態で、レンズと半導体ウェーハとをウェーハ面内方向に相対移動して走査をおこなっていた。

また、この検査ステージにおいては、ウェーハの震動を防止するため、特許文献１に記載されるように、ウェーハを吸着して震動を防止する手段が知られている。

しかし、検査ステージ上にウェーハを保持して検査する場合、接触個所にキズ・ダメージが入ることや、ステージからの金属汚染が発生することがあり、この金属汚染・キズ・ダメージの発生は、ウェーハ裏面であったとしても問題となっており、このような問題を回避して非破壊で検査することが困難であった。
特に、ウェーハ裏面の検査は、検査面と反対側の面がデバイス領域となるウェーハの表面であるため、表面がステージに接触するため非破壊検査は不可能であった。

この問題に対応するために、特許文献２に記載されるように、ウェーハの周縁部（エッジ部）のみに接触するようにウェーハを支持して検査をおこなうことがあった。この際、ウェーハ表面（検査面）が水平となるように支持しおり、ウェーハと顕微鏡レンズとの距離は、上述した距離に設定されていた。

また、特許文献３のように、ウェーハ縁部のみを支持するものが知られている。
特開２００２−０３９７４５号公報特開２００３−２４３４６５号公報図９他特許第３７４４１７６号公報

しかし、特許文献２に記載されるように、検査ステージ上でウェーハを保持するのを単純にエッジ部で保持したのでは、ウェーハ自重によるたわみがあることで装置の微小振動がウェーハに伝わりやすい状況になっている。このため、スキャン速度に依存するが、ウェーハがその中央部での最大振幅２００〜３００μｍ程度で振動する現象が起きてしまうことがある。
特に高倍率の検査においては、上記のウェーハの振幅が、対物レンズとウェーハとの距離と等しくなる可能性があり、結果的に、レンズ等の装置部品とウェーハが接触してしまう場合があるという不具合が発生していた。

さらに、このような場合、レンズとウェーハが接触しないとしても、ウェーハの震動により、検査におけるフォーカス（焦点）の追従ができず鮮明な画像・精密な測定値が得られないことで、検査結果の正確性が保持できないという問題点があった。

また、ウェーハエッジ部（周縁部）でウェーハを水平に保持した場合、ウェーハ自重に起因するたわみにより、ウェーハと顕微鏡レンズとの間の平行度が悪くなっているため、大きく観察場所を変化させて(高速に)スキャンした場合にウェーハとレンズが接触してしまうという問題点があった。これは、観察場所を移動してから顕微鏡のフォーカスを合わせる動作をおこなうが、ウェーハとレンズ間の平行度が悪いとフォーカスを合わせる前にウェーハに接触してしまうもので、ウェーハ面内各点における測定毎に、対物レンズが測定点に対応する位置となるようにウェーハを面内方向に移動し、顕微鏡のフォーカスをあわせる、というを繰り返すのでは相対移動のスピードが遅くなり、結果的に、ウェーハ表面検査に必要な作業時間が増大し好ましくないものである。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成しようとするものである。
１．顕微鏡検査におけるウェーハと対物レンズとの接触を防止すること。
２．検査時のウェーハ表裏面における金属汚染、キズ、ダメージ発生を防止すること。
３．検査中のウェーハの震動を防止すること。
４．検査中の対物レンズとウェーハ表面との距離を安定させること。
５．検査中のウェーハ表面に対する焦点追従を確実におこなうこと。

本発明の半導体ウェーハ表面検査装置は、表面が鏡面化されるとともに外周部が面取り加工された半導体ウェーハについて、その外周部を把持した後、この把持された半導体ウェーハを鉛直状態に保持してその表面に検査用顕微鏡レンズを近接させて前記半導体ウェーハ表面を検査する装置であって、
前記半導体ウェーハを把持するウェーハ把持部分には、前記半導体ウェーハ外周部に接触する接触部分が２カ所以上設けられ、
前記接触部分には、前記半導体ウェーハ面取り部分の表面側位置に接触する表面接触部と、該表面接触部と前記半導体ウェーハ円周方向同位置とされ前記半導体ウェーハ面取り部分の裏面側位置で接触する裏面接触部とが設けられてなることにより上記課題を解決した。
本発明において、前記接触部分における前記半導体ウェーハ中心軸方向の接触面曲率は、前記半導体ウェーハの震動を防止するために、前記半導体ウェーハ面取り部分の曲率と等しく設定されてなることがより好ましい。
本発明の前記ウェーハ把持部分には、少なくとも鉛直方向に把持した前記半導体ウェーハの中心より上側に位置した前記接触部分を前記半導体ウェーハ中心軸方向に摺動可能に支持する震動防止手段を有することが可能である。
本発明において、前記接触部分が、鉛直方向に把持した前記半導体ウェーハの中心より下側に少なくとも１カ所、鉛直方向に把持した前記半導体ウェーハの中心より上側に１カ所設けられる手段を採用することもできる。

本発明によれば、ウェーハの保持をエッジ部で行い、さらに垂直にすることで装置からの振動が最小限に抑えられ、表面・裏面を接触させずに非破壊で検査することが可能になった。
ウェーハの保持を垂直にすることで振動を抑えているが、装置自体を除振台の上に設置するとさらに明瞭な画像、正確な測定値が得られる。
ウェーハの表面及び裏面に接触個所がないのでキズ・ダメージ・金属汚染の懸念がなく、表面だけでなく裏面について顕微鏡での非破壊検査が可能になる。そのため、顕微鏡での検査のために余分にウェーハを抜取る必要がなく、歩留向上及び生産性向上に役立つ。また、垂直にウェーハを保持することで装置の降下パーティクルの影響も少なくできるため、検査によってウェーハ品質を損なう危険性を最小限にできるという効果を奏することができる。

また、垂直保持によりウェーハ自重によるたわみをなくせるため、顕微鏡レンズとウェーハとの平行度を出しやすくなり高速でXYスキャンをした場合でも、焦点を合わせることが可能になった。

以下、本発明に係る半導体ウェーハ表面検査装置の一実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態における半導体ウェーハ表面検査装置における検査状態を示す側面図であり、図２は、本実施形態における半導体ウェーハ表面検査装置の一部を示す正面図であり、図において、符号２０は、把持部分である。

本実施形態における半導体ウェーハ表面検査装置（シリコンウェーハの検査装置）は、図１に示すように、半導体ウェーハの一例であるシリコンウェーハＷの外周部を把持しウェーハを鉛直状態に保持する把持部分２０と、シリコンウェーハＷの表面Ｗ１を検査する表面検査手段としてウェーハＷ表面を面内方向に走査してウェーハＷ表面を検査する検査用顕微鏡レンズ１２と、を有する。なお、図１では、把持部分２０のうち、ウェーハと接触する箇所のみを示している。

ここで使用されているシリコンウェーハＷは、ＣＺ法により引き上げられたシリコン単結晶棒をブロック切断、ウェーハ切断、面取り、機械的化学的研磨、ＲＣＡ洗浄による最終洗浄を施して得られたシリコンウェーハである。このシリコンウェーハＷは、ウェーハ表面Ｗ１が鏡面に仕上げられている。

把持部分２０は、シリコンウェーハ外周部に接触する接触部分２１が２カ所以上設けられ、この接触部分２１が、図２（ａ）に示すように、鉛直方向に把持したシリコンウェーハＷの中心より下側に少なくとも１カ所と、シリコンウェーハの中心より上側に１カ所設けられる。
具体的には、把持部分２０が、図２（ａ）に示すように、鉛直方向に把持したシリコンウェーハＷの頂部に1カ所と、シリコンウェーハＷ最下部から中心角１０〜５０°の位置に1カ所ずつ、計２カ所とされ、把持部分２０が３カ所設けられる。
なお、把持部分２０が、図２（ｂ）に示すように、鉛直方向に把持したシリコンウェーハＷの頂部に1カ所の接触部分２１と、シリコンウェーハＷ最下部から中心角−５０〜−１０ないし１０〜５０°の範囲にわたってウェーハＷの外周に沿った形状の1カ所設の接触部分２２とを設けることも可能である。

これらの把持部分２０としては、シリコンウェーハの中心より上側に設けられた接触部分２１が、ウェーハＷ外周部に接触する把持位置とウェーハＷ外周部から離間する解除位置との間で可動とされ、シリコンウェーハＷの把持、解除とを切り替え可能となっている。
なお、ウェーハＷの上下位置とは、検査時におけるウェーハの把持状態に際して便宜的に呼称するものであり、搬送時・検査準備時等におけるウェーハＷの姿勢はこの限りではない。

図３は、把持部分とシリコンウェーハとを示す側面図である。
この接触部分２１には、図３に示すように、前記半導体ウェーハＷ面取り部分Ｗ３の表面側位置Ｗ３ａに接触する表面接触部２１ａと、該表面接触部２１と前記半導体ウェーハＷ円周方向同位置で前記半導体ウェーハ面取り部分Ｗ３の裏面側位置Ｗ３ｂとで接触する裏面接触部２１ｂとが設けられている。

前記接触部分２０における前記半導体ウェーハＷ中心軸方向の接触面曲率は、表面接触部２１ａの接触面曲率Ｒ１と、裏面接触部２１ｂの接触面曲率Ｒ２とが、半導体ウェーハＷの震動を防止するために、半導体ウェーハＷ面取り部分Ｗ３の曲率Ｒｗと等しく設定される。
また、接触部分２０は、ウェーハの把持と震動低減を同時に可能な硬度を有するフッ素化合物樹脂からなるものとされる。

図４は、検査用顕微鏡レンズとシリコンウェーハとの関係を示す側面図（ａ）正面図（ｂ）である。
上記検査用顕微鏡レンズ（表面検出装置）１２は、具体的には光学顕微鏡の対物レンズ部分とされ、シリコンウェーハＷの表面ｗ１に対して、直交する方向からその表面を観察する装置である。
この装置構成は、ウェーハ表面ｗ１からの反射光を検出装置１２のレンズが捕獲することで、シリコンウェーハＷの表面の異物、キズ、突起、ＣＯＰ、汚れなどであるパーティクルの個数等を検出する。

また、顕微鏡としては、通常の光学顕微鏡、レーザー顕微鏡、DUV顕微鏡等が適用可能であり、顕微鏡のメーカー、形式などによらず、通常の顕微鏡レンズを有する顕微鏡であれば汎用的に使用可能である。

検査用顕微鏡レンズ１２は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、鉛直方向移動用レール１６ａと水平方向移動用レール１６ｂと、これらにより鉛直方向の平面内を移動可能とされる移動部１３とからなる走査手段によって鉛直方向の平面内を移動可能とされた移動部１３に設けられている。
これらの走査手段および検査用顕微鏡レンズ１２は、ウェーハＷの表面Ｗ１と裏面Ｗ２とを同時に検査可能なように対向して２組設けられ、この対向した２組の検査用顕微鏡レンズ１２の間の位置にウェーハＷを把持部分２０により検査位置として固定可能となっている。

図５，図６，図７は、接触部分を示す側面図である。
把持部分２０である接触部分２１には、この接触部分１を支持する支持部１７に対して取り付けられる際に、図５に示すように、ウェーハＷをウェーハ中心軸方向ｆに摺動可能として支持可能にする震動防止手段として、ウェーハＷ面内方向にその外周部外側から接触部分２１をウェーハＷに向かって押圧するバネ３７が少なくとも１カ所設けられる。バネ３７のバネ定数は検査対象であるウェーハＷの口径、厚さ、など、発生する振動を低減可能な範囲に設定される。
これにより、図１に符号ｆで示すウェーハＷにおける主面垂直方向の震動を低減し、検査用顕微鏡レンズ１２とウェーハＷが接触することを防止する。

さらに、図６に示すように、２つ以上の接触部分２１に、それぞれ震動防止手段としてのバネ３７を設け、より一層震動を低減することもできる。
さらに、図７に示すように、震動防止手段として、接触部分２１と支持部１７との間を接続し、この接触部分２１をウェーハＷに向かって押圧するエアシリンダー３８ａとガス調節機構３８ｂとを有する可変振動防止手段３８を設け、このガス調節機構３８ｂによりシリンダー３８ａ内のエア圧を制御可能として、ウェーハＷの口径、厚み、他の寸法等に対応して震動を低減可能として対応可能に設けることもできる。

さらに、これら、ウェーハを把持し、その位置を設定する機構として、ロボットハンド１１を設けることもできる。

図８は、ガイドローラとウェーハとを示す断面図である。
図８において、ロボットハンド１１は、固定側把持アーム１４と、この固定側把持アーム１４とともに、シリコンウェーハＷの外周部を側方から挟持する可動側把持アーム１５とを備えている。ガイドローラ２８には、ウェーハＷの面取り部Ｗ３の曲率と一致する曲率を持った面が設けられ、ウェーハと当接する接触部分２１とされる。

把持部分（把持手段）２０などの一例であるロボットハンド１１は、図８に示すように、ＸＹＺθ方向へ三次元的に可動のロボットアーム２３の先端部に装着されている。このロボットハンド１１は、基台部２４と、この基台部２４に固着されたウェーハクランプ用の固定側把持アーム１４と、図外のクランプ開閉モータを駆動源として、基台部２４に摺動可能に取り付けられた可動側把持アーム１５と、シリコンウェーハＷの回転手段２７とを備えている。

固定および可動側把持アーム１４，１５には、外周面にシリコンウェーハＷの外周部を保持する溝を有するガイドローラ２８が複数個配設されている。
また、この回転手段２７は、基台部２４から固定側把持アーム１４の元部にかけて組み付けられており、小型の駆動モータ２９，駆動プーリ３０，従動プーリ３１，ガイドローラ３２，動力伝達用のベルト３３およびウェーハ回転用ローラ３４を有している。駆動モータ２９により駆動プーリ３０が回転し、その回転力はベルト３３を介して従動プーリ３１を経てウェーハ回転用ローラ３４へ伝達される。これにより、このローラ３４が回転することで、固定，可動側把持アーム１４，１５に把持されたシリコンウェーハＷが、その周方向へ回転可能である。
なお、図８において、３５は基台部２４の側面から突出して、可動側把持アーム１５の摺動を案内するガイドピン、３６は可動側把持アーム１５の元部に穿設されて、ガイドピン３５が挿通される長孔、３７ａはクッションバネ（振動防止手段）である。

図１に示すように、全体装置内でロボットハンド１１によりシリコンウェーハＷを鉛直状態に保持することで、シリコンウェーハＷを水平保持した場合に懸念される、ウェーハ中央部が自重で下方へ撓むおそれや、検査中にウェーハＷが振動することが解消される。これにより、検査中のすべての時間において表面検出装置１２のフォーカス（焦点）がウェーハ表面Ｗ１と一致するように正確に設定でき、ウェーハ表裏面ｗ１の検査を正確に行うことができる。

次に、このシリコンウェーハの検査装置を用いたシリコンウェーハの検査方法を説明する。

図２に示すように、ロボットハンド１１を作動させて、固定，可動側把持アーム１４，１５で把持されたシリコンウェーハＷを、表面検出装置１２の正面位置に、垂直状態で配置する。
その後、シリコンウェーハＷの表裏面ｗ１の検査を開始する。すなわち、ウェーハ表面ｗ１の反射光を表面検出装置１２で捕獲することにより、この表面ｗ１に付着したパーティクル等の状態を検出する。検査中、シリコンウェーハＷの表面ｗ１に対する表面検出装置１２の検査位置を移動し走査させるために、ロボットハンド１１を可動させたり、回転手段２７の駆動モータ２９を駆動して、シリコンウェーハＷをＸＹＺ方向へ移動させたり、θ方向へ回動させる。

本実施形態によれば、表面検出装置１２とウェーハ表面Ｗ１との距離Ｔが２００μｍ程度（１８０〜３００μｍ）であったとしても、ウェーハＷの振動を防止することができるので、顕微鏡検査におけるウェーハと対物レンズとの接触を防止し、検査時のウェーハ表裏面における金属汚染、キズ、ダメージ発生を防止することができるとともに、検査中のウェーハの震動を防止して、検査中の対物レンズとウェーハ表面との距離を安定させ、検査中のウェーハ表面に対する焦点追従を確実におこない、検査の正確性を向上することができる。

なお、ウェーハＷがφ３００ｍｍである場合には、振幅２００〜３００μｍ程度の振動が発生することが多く、また、ウェーハＷがφ２００ｍｍである場合には、振幅１００〜２００μｍ程度の振動が発生することが多いが、これらの影響を確実に低減できる。

なお、特許文献３では、半導体ウェーハについてその外周部を把持した後、この把持された半導体ウェーハを鉛直状態に保持してその表面にレーザ光を垂直方向から照射する方法であり、このようなレーザー光学系においては、ウェーハ近くにレーザー光をウェーハ表面へ照射するための部品を配置せずとも必要な光を照射することができるのに対し、一方、本実施形態における検査装置が観察対象とする検査項目は、ウェーハ主面（裏面を含む）の顕微鏡検査である。
本実施形態においては、顕微鏡の対物レンズの特性上、ウェーハ近くへのレンズ配置は必須であり、本実施形態のような顕微鏡レビューステーションでは、この対物レンズをウェーハに近づけた状態にて、高速にウェーハの観察箇所を変えることが、検査の高速化には必要となる。この場合、ウェーハを載せた状態で各観察箇所への移動を行うウェーハステージが、対物レンズに対しての平行に保たれていることが重要となる。

しかし、特許文献３等のようにウェーハ横置きでかつエッジハンドリングのステージの場合、ウェーハ自重によるたわみが、この平行度を得るにおいて、最大の障害となっている。このため、市販のφ３００ｍｍウエーハの顕微鏡ステージは、すべて裏面接触型である。しかし、このような裏面接触型のステージでは出荷前のウェーハを乗せるのは裏面にパーティクルを付着させたり、キズをつけたりする恐れが有るため、不適であった。そこで、本実施形態では、上述のように構成することにより、ウェーハ自重による変形の影響を防ぎ、対物レンズに対し、平行度を保ったウエーハ設置を可能とすることができる。
しかも、本実施形態によれば、エッジハンドリングのステージを縦置きとすることで、ウェーハの対物レンズに対する平行度維持を容易にして、ウェーハと顕微鏡（検査装置）とにおける高速の相対移動を可能とし、検査時間を短縮して、ウェーハ製造コストの削減を可能とすることができる。

さらに、移動部１３の検査用顕微鏡レンズ１２付近に超音波センサーなどの距離測定手段を設け、ウェーハとレンズの距離Ｔを一定に保つように制御することも可能である。

図１は、本発明に係る実施形態における半導体ウェーハ表面検査装置における検査状態を示す側面図である。図２は、本発明に係る実施形態における半導体ウェーハ表面検査装置の一部を示す正面図である。図３は、把持部分とシリコンウェーハとを示す側面図である。図４は、検査用顕微鏡レンズとシリコンウェーハとの関係を示す側面図（ａ）正面図（ｂ）である。図５は、接触部分を示す側面図である。図６は、接触部分を示す側面図である。図７は、接触部分を示す側面図である。図８は、ロボットハンドを示す正面図である。

符号の説明

２０把持部分
Ｗシリコンウェーハ（半導体ウェーハ）

Claims

表面が鏡面化されるとともに外周部が面取り加工された半導体ウェーハについて、その外周部を把持した後、この把持された半導体ウェーハを鉛直状態に保持してその表面に検査用顕微鏡レンズを近接させて前記半導体ウェーハ表面を検査する装置であって、
前記半導体ウェーハを把持するウェーハ把持部分には、前記半導体ウェーハ外周部に接触する接触部分が２カ所以上設けられ、
前記接触部分には、前記半導体ウェーハ面取り部分の表面側位置に接触する表面接触部と、該表面接触部と前記半導体ウェーハ円周方向同位置とされ前記半導体ウェーハ面取り部分の裏面側位置で接触する裏面接触部とが設けられてなることを特徴とする半導体ウェーハ表面検査装置。
前記接触部分における前記半導体ウェーハ中心軸方向の接触面曲率は、前記半導体ウェーハの震動を防止するために、前記半導体ウェーハ面取り部分の曲率と等しく設定されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ表面検査装置。
前記ウェーハ把持部分には、少なくとも鉛直方向に把持した前記半導体ウェーハの中心より上側に位置した前記接触部分を前記半導体ウェーハ中心軸方向に摺動可能に支持する震動防止手段を有することを特徴とする請求項１または２記載の半導体ウェーハ表面検査装置。
前記接触部分が、鉛直方向に把持した前記半導体ウェーハの中心より下側に少なくとも１カ所、鉛直方向に把持した前記半導体ウェーハの中心より上側に１カ所設けられることを特徴とする請求項３記載の半導体ウェーハ表面検査装置。