JP3912606B2 - X線薄膜検査装置と、プロダクトウエーハの薄膜検査装置およびその方法 - Google Patents
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Description
この種の検査装置として、従来より断面透過電子顕微鏡(TEM)による直接計測や、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置などが知られている。断面透過電子顕微鏡(TEM)では、インライン製造工程に組み込みリアルタイムに検査対象の薄膜を検査することができず、しかも検査用に製造ラインから抜き取った製品は、検査後に廃棄されているのが実情であった。また、光干渉やエリプソメトリを利用した膜厚検査装置や、光音響式装置はインラインには適するが、数nmの薄い膜の測定には精度が不足している。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、成膜製品の製造工程に組み込み、製品そのものを直接検査し、ウェーハを使い捨てることなく数nmの薄い膜でも充分な精度で検査可能とすることを目的とする。
検査対象を上面に配置する試料台と、
試料台の上面に配置された検査対象の画像を認識する画像認識手段と、
画像認識手段による検査対象の画像認識結果に基づき制御され、試料台を水平面上で直交する2方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させる位置決め機構と、
試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する第1,第2の旋回部材を備えたゴニオメータと、
第1の旋回部材に搭載され、かつX線管およびX線光学素子をユニット本体内に内蔵するX線照射ユニットと、
第2の旋回部材に搭載されたX線検出器と、
を備えたことを特徴とする。
複数のX線照射ユニットは、それぞれ波長の異なるX線を発生するX線管を内蔵していることが好ましい。
上記画像認識手段は、光学カメラと、この光学カメラが捉えた画像を認識する画像認識回路とを含む構成とすることができる。
光学カメラと蛍光X線検出器とは試料台の上方に配設し、これら光学カメラおよび蛍光X線検出器を選択して、所定の測定位置と対向する位置へ移動させる機器交換機構を備えた構成とすることもできる。
この場合、光学カメラ、蛍光X線検出器、および機器交換機構を被覆するカバーを設け、カバーには、光学カメラの視野に対向する位置に透過窓を形成し、かつ、カバー内部の気体を排気手段で排気する構成とすることが好ましい。
プロダクトウエーハに形成された半導体素子の微小な薄膜パターンを被測定部位として、画像認識手段からの認識結果に基づき位置決め機構を制御し、当該被測定部位を所定の測定位置へ位置決めするとともに、当該被測定部位の薄膜検査を実行する制御手段を備えたことを特徴とする。
半導体製造プロセスにて薄膜形成された半導体ウエーハを、一枚ずつX線薄膜検査装置の試料台へ搬送する搬送ロボットと、
これらX線薄膜検査装置および搬送ロボットを収納する装置カバーと、を備えたことを特徴とする。
ここで、本発明のプロダクトウエーハ薄膜検査方法は、被測定部位の長手方向を、X線照射ユニットからのX線入射方向に合わせて配置し、当該被測定部位の薄膜検査を実行することが好ましい。
なお、本発明は、半導体ウエーハの薄膜検査に限定されるものではなく、基板上に多数の薄膜を積層した多層膜構造を有する各種素子等の薄膜検査に適用できることは勿論である。
図1および図2は、本実施形態に係るX線薄膜検査装置の全体構造をそれぞれ異なった視野から見た斜視図、図3は同装置の正面図である。
X線薄膜検査装置は、試料台10、位置決め機構20、ゴニオメータ30、X線照射ユニット40、X線検出器50、蛍光X線検出器60、CCDカメラ等からなる光学カメラ70を備えている。
なお、第1の旋回アーム32に搭載するX線照射ユニット40の台数は、用途に応じて任意に設定することができる。例えば、第1の旋回アーム32に1台、2台、または4台以上のX線照射ユニット40を搭載した構成としてもよい。
図8に示すコンフォーカルミラー43は、人工多層膜で形成された放物面形状の第1の反射面43aを有する第1のミラーと、人工多層膜で形成された放物面形状の第2の反射面43bを有する第2のミラーとを、その側縁のところで約90度の角度をもって互いに接合したものであり、いわゆるサイド・バイ・サイド(side-by-side)の構造の多層膜ミラーである。
X線の収束位置は半導体ウエーハの測定位置に合わせてあり、この収束位置に、上記位置決め機構20をもって半導体ウエーハ内の任意の被測定部位が位置決めされる。なお、測定位置は、ゴニオメータ30のθ軸上に設定してある。
例えば、本装置によりX線反射率測定を実施する場合は、所望のX線を発生するX線照射ユニット40を選択し、測定対象である半導体ウエーハに対し表面すれすれの低角度でX線を照射するように、選択したX線照射ユニット40を配置すればよい。また、通常のX線回折測定を実施する場合は、選択したX線照射ユニット40の位置を逐次移動させて、半導体ウエーハに対するX線の入射角度を適宜変更していく。さらに、後述するごとくアルミニウム薄膜を測定対象として蛍光X線測定を実施する場合は、測定対象に対して低角度でX線を照射するように、選択したX線照射ユニット40を配置すればよい。
本実施形態のX線薄膜査装置によれば、これらX線照射ユニット40の選択と位置決めが、第1の旋回アーム32を旋回移動させるだけで高精度に行うことができる。
このように、X線検出器50としてAPDを用いた場合、アッテネータを挿入してX線を減衰させ測定する必要がないので、データを取得する時間が短くなり、1次元アレイ検出器を用いた検査方法と同程度の時間で測定が可能である。
図10にAPDを用いた測定例を示す。0度から3度の角度範囲を300秒、15秒、6秒、3秒でそれぞれ測定した例を示す。また、図11にそれぞれのデータを用いた解析結果を示す。これら図10及び図11から3秒の測定でも充分な検査ができることが解る。
図12はX線検出器に入射するX線強度(単位はcps)と、X線検出器の出力である計数率(単位はcps)との関係を模式的に示したグラフである。
入射X線の強度が非常に大きくなると計数率が飽和することになる。その飽和計数率が測定可能な上限計数率である。図12で上限値と表示したものであり、この例は、107cpsである。
一方、入射X線強度が非常に小さくなると測定が不能になるが、その下限を決めるものとして二つの要因がある。第1の要因は、1点当たりの測定時間であり、第2の要因は、X線検出器のノイズレベルである。
したがって、X線検出器としては、100cps以下の測定結果は得られないことになり、その意味で、この測定限界を、図12において10ミリ秒の水平線で表している。このときの計数率の下限値は100cpsとなる。同様に、1点当たりの測定時間が100ミリ秒のときは、下限計数率は10cpsであり、1点当たりの測定時間が1000ミリ秒(1秒)のときは、下限計数率は1cpsとなる。
X線照射ユニット40に組み込まれたX線管42への高圧電源47の供給、およびシャッター45の開閉操作は、XGコントローラ101が実行する。また、光学カメラ70が捉えた画像は、画像認識回路102で画像認識される。なお、光学カメラ70の焦点位置はフォーカスコントローラ103によって調整される、既述したように光学カメラ70の焦点は、入射X線の収束位置(すなわち、測定位置)に合わせられる。位置決めコントローラ104は、画像認識回路102による画像認識結果に基づいて位置決め機構20を駆動制御する。機器交換機構80は、機器交換コントローラ105により駆動制御され、ゴニオメータ30は、ゴニオコントローラ106によって駆動制御される。
XGコントローラ101、画像認識回路102、フォーカスコントローラ103、位置決めコントローラ104、機器交換コントローラ105、ゴニオコントローラ106は、中央処理装置(CPU)100からの設定情報に基づいてそれぞれの作動する。また、X線検出器50と蛍光X線検出器60は、それぞれ計数制御回路107,108によって制御される。これら各コントローラ、CPU、計数制御回路が、X線薄膜検査装置の制御手段を構成している。
試料台10上に検査対象となる半導体ウエーハを配置した後、まず半導体ウエーハの被測定部位を測定位置へ位置決めする(ステップS1)。この位置決めは、位置決め機構20の駆動制御をもって実行される。すなわち、光学カメラ70が試料台10上の半導体ウエハを捉え、画像認識回路102で画像認識し、当該認識結果に基づいて位置決めコントローラ104が位置決め機構20を駆動制御する。位置決め機構20は、水平2方向(X−Y方向)および高さ方向(Z方向)に移動して、半導体ウエーハの被測定部位を測定位置へ配置する。
図17に示すように、水平2方向(X−Y方向)の移動だけで位置決めと方向合わせを実行しようとした場合、半導体ウエーハの全領域に存在する被測定部位をすべて測定位置に合わせるためには、X方向およびY方向のそれぞれに半導体ウエーハの直径分だけ移動距離を確保しなければならない。このため、試料台10の周辺構造が大形化してしまう。
本実施形態では、図18に示すように、水平2方向(X−Y方向)の移動と面内回転によって位置決めと方向合わせを実行するので、X線方向またはY方向への移動は、半導体ウエーハの半径分だけ移動距離を確保すればよく、その結果、試料台10の周辺構造を小型化することが可能である。
以上の各ステップは半導体ウエーハに設定した被測定部位のすべてについて実行され(ステップS6)、すべての被測定部位の検査が終了した後に終了する。
次に、上述した構成のX線検査装置をライン上に組み込んだ半導体製造システムについて説明する。
図20は半導体製造ラインの一部構成を示す概要図である。半導体製造ラインは、成膜装置500によって半導体ウエーハの表面に薄膜を形成する成膜工程、薄膜上にレジストを塗布する塗布工程、回路パターンに合わせてレジストを露光する露光工程、露光処理された半導体ウエーハの現像・エッチング工程などを含んでいる。
検査は、例えば、モニタ用検査と解析用検査に分けられ、通常はモニタ用検査を実施する。モニタ用検査は、半導体ウエーハの表面に設定した任意の5〜13箇所を被測定部位として実施される。そして、モニタ用検査によって薄膜の異常が検出されたとき、50箇所程度に被測定部位の数を増やしてさらに解析用検査を実施し、詳細な薄膜データを得る。
また、一般に、半導体素子200のサイズは0.3〜20mm程度であるが、各測定部位の薄膜パターンのサイズは短い方向では200μm以下になることもあるので、X線のビームサイズは200μm以下であることが望ましい。
上述した本実施形態のX線薄膜検査装置によれば、高いスループットと高分解能を実現でき、インラインでプロダクト・ウエーハを直接検査することができる。
X線反射率測定では、単層膜だけでなく、表面から数層の各々の層の膜厚、密度、ラフネスを同時に導出することが可能である。しかも、複数台のX線照射ユニット40を第1の旋回アーム32に搭載できるようになっているので、複数の異なる波長のX線ビームを利用したより精度の高い多層膜解析が実現可能となる。
このように入射角度を低角度に設定することで、半導体ウエーハへの入射X線が蛍光X線検出器60に遮られない余裕空間ができ、機器交換機構80に内蔵されている上下移動機構により蛍光X線検出器60を下降させ、他の元素を測定するときに比べ蛍光X線検出器60を半導体ウエーハの表面に近接する位置に配置することが可能となる。
これにより、半導体ウエーハの測定面と蛍光X線検出器60との間のX線通路(X線の入射空間)を1〜2mmにすることができ、半導体ウエーハの測定面から発生する蛍光X線の多くを空気に吸収される前に蛍光X線検出器60が補足可能となる。なお、入射角度を1度に設定した場合は、上記X線通路は1mmに設定することができる。
以上のごとく、第1の旋回アーム32によりアルミニウムの測定に適した波長のX線を発生するX線照射ユニット40を、検査対象である半導体ウエーハに対して低角度の入射角度位置に配置することと、機器交換機構80に内蔵されている上下移動機構により蛍光X線検出器60を下降させ、他の元素を測定するときに比べ蛍光X線検出器60を半導体ウエーハの表面に近接する位置に配置することにより、アルミニウム膜から発生する蛍光X線が蛍光X線検出60に到達するまでの強度減衰を抑えることができたので、大気中でのアルミニウムの測定が可能となる。
Claims (10)
- 検査対象を上面に配置する試料台と、
前記試料台の上面に配置された検査対象の画像を認識する画像認識手段と、
前記画像認識手段による検査対象の画像認識結果に基づき制御され、前記試料台を水平面上で直交する2方向、高さ方向、および面内回転方向に移動させる位置決め機構と、
前記試料台の上面と直交する仮想平面に沿ってそれぞれ旋回する第1,第2の旋回部材を備えたゴニオメータと、
前記第1の旋回部材に搭載され、かつX線管およびX線光学素子をユニット本体内に内蔵するX線照射ユニットと、
前記第2の旋回部材に搭載されたX線検出器と、を備え、
更に、前記X線照射ユニットは、ユニット本体内で前記X線管から放射されたX線を前記X線光学素子に導く軌道を遮断又は開放するシャッターを備えており、かつこのシャッターの周囲に気体流路を形成してあり、
更に、前記第1の旋回部材に、複数の前記X線照射ユニットを旋回方向へ並べて搭載したことを特徴とするX線薄膜検査装置。 - 前記複数のX線照射ユニットは、それぞれ波長の異なるX線を発生するX線管を内蔵していることを特徴とする請求項1のX線薄膜検査装置。
- X線の照射により検査対象から発生する蛍光X線を検出する蛍光X線検出器を備えたことを特徴とする請求項1または2のX線薄膜検査装置。
- 前記画像認識手段は、光学カメラと、この光学カメラが捉えた画像を認識する画像認識回路とを含み、
前記光学カメラと前記蛍光X線検出器とが、前記試料台の上方に配設されており、
これら光学カメラおよび蛍光X線検出器を選択して、所定の測定位置と対向する位置へ移動させる機器交換機構を備えたことを特徴とする請求項3のX線薄膜検査装置。 - 前記光学カメラ、蛍光X線検出器、および機器交換機構を被覆するカバーを設け、
前記カバーは、前記光学カメラの視野に対向する位置に透過窓が形成してあり、
かつ、前記カバー内部の気体を排気する排気手段を備えたことを特徴とする請求項4のX線薄膜検査装置。 - プロダクトウエーハを検査対象とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載したX線検査装置であって、
プロダクトウエーハに形成された半導体素子の微小な薄膜パターンを被測定部位として、前記画像認識手段からの認識結果に基づき前記位置決め機構を制御し、当該被測定部位を所定の測定位置へ位置決めするとともに、当該被測定部位の薄膜検査を実行する制御手段を備えたことを特徴とするX線薄膜検査装置。 - 請求項6のX線薄膜検査装置において、
前記制御手段は、さらに前記画像認識手段からの認識結果に基づき前記位置決め機構を制御し、前記被測定部位の長手方向を、前記X線照射ユニットからのX線入射方向に合わせて配置することを特徴とするX線薄膜検査装置。 - 請求項6または7のX線薄膜検査装置において、
前記制御手段は、前記被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合、さらに同じ半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として薄膜検査を実行することを特徴とするX線薄膜検査装置。 - 請求項6乃至8のいずれか一項に記載のX線薄膜検査装置において、
前記制御手段は、前記被測定部位の検査結果が、あらかじめ設定した正常と判断される範囲を逸脱した場合、さらにプロダクトウエーハの別の部位に形成された半導体素子の同一薄膜パターンを被測定部位として、前記画像認識手段からの認識結果に基づき前記位置決め機構を制御し、当該被測定部位を所定の測定位置へ位置決めするとともに、当該被測定部位の薄膜検査を実行することを特徴とするX線薄膜検査装置。 - 請求項1乃至9のいずれか一項に記載したX線薄膜検査装置と、
半導体製造プロセスにて薄膜形成された半導体ウエーハを、一枚ずつ前記X線薄膜検査装置の試料台へ搬送する搬送ロボットと、
これらX線薄膜検査装置および搬送ロボットを収納する装置カバーと、を備えたプロダクトウエーハの薄膜検査装置。
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