JP5150639B2 - 励起性材料サンプルの電気的性質を検出するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、励起（反応）性材料サンプルの電気的性質を検出するための装置に関している。本発明は更に、励起（反応）性材料サンプルの電気的性質を検出するための方法に関している。

半導体の光導電性は、およそ半世紀の間知られてきた。この効果において、光照射によって半導体内でフリーの電荷担体（チャージキャリヤ）を生じる。この過程の厳密な詳細は材料に依存する。更に、半導体結晶構造内の最小の欠陥でさえも、生じる電荷担体の移動度及びライフタイム（寿命）というような、数特性及び電気的特性に関して大きな違いをもたらすかもしれない。この種の不均一性は、ウェハのような半導体構成部品の品質において負の効果を有している。したがって、ウェハの製造中の特にできるだけ早期に結晶欠陥を検出するための、ウェハの電気的性質の詳細な分布（トポグラフィ）をもたらすことに大きな関心がある。これは、光学的に発生した電荷担体と外部マイクロ波場との相互作用を基づいて行われ得る。

特許文献１は、測定されるべき半導体材料の表面が、半導体材料の表面薄層上で電荷担体を励起する光に暴露されるという手法を記載している。半導体材料の表面上に投射された電磁波は、電流電荷担体密度に比例して表面によって反射される。反射された波は検出されて信号処理回路によって評価される。

先行技術の方法は比較的低い検出感度という不利益を有しており、その結果、半導体構成部品の使用に対して非現実的に高い注入率を要求し、且つ全ウェハの詳細なトポグラフィを決定するために長い時間を必要とする。

ＤＥ ４４ ００ ０９７ Ａ１

本発明の課題は、ウェハの詳細なトポグラフィを、低い注入率によって短時間に検出することが可能である方法と装置をもたらすことである。

この課題は請求項１の特徴構成によって成し遂げられる。本発明の利点は、調査されるべきサンプルの少なくとも一部分が共振システムの部分要素として作用することと、制御されたサンプルの励起によって誘発される共振（共鳴）システムのインピーダンス変化が時間分解様式で測定されるということである。従来技術と比較して、これは遥かに短い時間を要しながら遥かに高い検出感度を結果としてもたらす。

本発明の更なる有利な実施形態は従属請求項中に述べられている。

本発明の更なる特徴構成と詳細は、図面によって実施形態を記載することから明らかとなるであろう。

一実施形態に係る装置の図解図である。 共振システムとそれに結合された測定装置を伴ったマイクロ波ブリッジの図解図である。 共振システムの詳細図である。

以下は、図１を参照しながらの装置レイアウトの記載である。励起性材料サンプルの電気的性質を検出するための装置は、マイクロ波ブリッジ１、共振システム２、少なくとも一つの励起源３、位置決め装置４、及び測定装置５を備えて構成される。更に、共振システム２の温度を下げる又は上げるための、図１中には記載していない温度制御システムが設けられてもよい。その上、再度、図１中には記載していないが共振システム２を真空排気するための装置が設けられてもよい。

以下は、図２を参照しながらの、それ自体が公知であるマイクロ波ブリッジ１のより詳細な記載である。マイクロ波ブリッジ１は、例えばガンダイオードであってもよいマイクロ波源６を備えて構成される。マイクロ波源６は、０．１〜３００GHzの範囲の、特に１〜１００GHzの範囲の、特に６〜１１GHzの範囲の、言い換えるとXバンド内のマイクロ波を発生する。マイクロ波源６によって発生されるマイクロ波の振動数（周波数）は調整可能である。マイクロ波は、より詳細には示していないスプリッタによって主アーム７とリファレンスアーム８とに分配される。主アーム７内には第１ダンパー９が備えられる。サーキュレーター１０が、第１ダンパー９と、マイクロ波ブリッジ１に結合された共振システム２との間に備えられ、その際サーキュレーター１０の第１アーム１１は、第１ダンパー９に接続される。サーキュレーター１０の第２アーム１２は共振システム２に接続される。最後に、サーキュレーター１０の第３アーム１３は混合器１４に接続される。リファレンスアーム８は、第２ダンパー１５と位相調整器（フェーズシフタ）１６とを備えて構成される。リファレンスアーム８も混合器１４に接続される。マイクロ波ブリッジ１内の接続は波ガイド１７である、言い換えるとそれらはマイクロ波を伝達することができる。それらは例えば中空のガイド又は同軸ケーブルとして設計されてもよい。マイクロ波ブリッジ１には、たった一つのダンパーが装備されてもよいし、又は全くダンパーが装備されなくてもよい。

以下は、図３を参照しながらの共振システム２の記載である。共振システム２は、マイクロ波共振器、検査されるべきサンプル、マイクロ波を吸収する誘電体１８、及びマイクロ波反射体１９を備えて構成される。誘電体１８は、例えばガラス、テフロン（登録商標）又は空気で構成されてもよい。マイクロ波反射体１９は、高い導電性を有する材料、例えば金属、特にCu、Au、Al、真鍮等、又は高度にドープされた半導体材料で構成される。一サンプルに対して一つ以上のマイクロ波共振器を備えることが考えられる。マイクロ波共振器は中空共振器（空洞共振器）２０であり、特に円柱形の中空共振器２０である。中空共振器２０の他の形状も考えられる。中空共振器２０は、例えば立方体様の形状を有してもよい。中空共振器２０はクオリティQ（ファクター）を有し、Q＞１００、特にQ＞１０００である。

円柱形の中空共振器２０は、中央縦軸２２を有する円柱形の空洞２１と、空洞２１の外周を取り巻いている側面壁２３と、ならびに空洞２１の前面側を覆っている少なくとも一つの第１前面壁２４とを備えて構成される。第２前面壁２５は、中央縦軸２２に沿って第１前面壁２４とは反対側の空洞２１上に設けられている。第２前面壁２５は、一つの開口部２６を備えて構成される。開口部２６は、有利には直径Dを有する円形断面を有し、且つ中央縦軸２２と同心に配置され、その際１ｍｍ＜D＜３０ｃｍ、特に１ｃｍ＜D＜１０ｃｍである。空洞２１の境を明確にしている壁２３、２４、２５は、高導電性を有する材料、例えば金属、特にCu、Au、Al、真鍮等から成っている。検査されるべきサンプルは、空洞２１の外側であって開口部２６の前面に所定の距離をおいて、つまりａ＜５ｃｍ、特にａ＜１ｃｍ、特にａ＜１ｍｍをおいて、中央縦軸２２に沿って配置される。距離ａが大きくなればなるほどクオリティＱは低くなる。サンプルは励起性材料、特に半導体材料から成っている。サンプルは、例えばウェハ２７、特にシリコンウェハであってもよい。マイクロ波を吸収する誘電体１８及びマイクロ波反射体１９は、中空共振器２０とは反対のウェハ２７の側に配置される。誘電体１８とマイクロ波反射体１９の両方は、中央縦軸２２と垂直であって、少なくとも開口部２６と同一の寸法を有し、それによって誘電体１８とマイクロ波反射体１９の両方が、中央縦軸２２方向の投射中に開口部２６を完全に覆う。誘電体１８とマイクロ波反射体１９の両方は実質的に平坦な形状を有している。誘電体１８は０ｃｍ〜５ｃｍの範囲の厚みを有する。マイクロ波反射体１９は、マイクロ波浸入深さよりも大きい厚み、特に１０μｍよりも大きい厚みを有する。マイクロ波反射体１９は、特に高度にドープされた材料又は太陽電池完成品が測定される場合には、ウェハ２７自体の一部分であってもよい。代替として共振システム２は誘電体１８を備えていない。

中空共振器２０は、側面壁２３内に絞り２８を備えて構成される。更に調整ネジ２９が備えられ、絞り２８の自由開口部内にねじ込み可能である。絞り２８を介して、中空共振器２０は、波ガイド１７のうちの一つによってマイクロ波ブリッジ１と結合可能である。代替として、絞り２８は第１前面壁２４内に設けられてもよい。絞り２８の代わりに、アンテナシステムが、マイクロ波ブリッジ１のマイクロ波を中空共振器２０に結合するために設けられてもよい。

全共振システム２は、一方では中空共振器２０のインピーダンスに依存し、他方ではウェハ２７のインピーダンスに依存するインピーダンスZを有する。当該実施形態によると、それはウェハ２７の周囲環境内に配置されるべき幾つかの励起源３のために備えられる。これは、励起源３がウェハ２７内にフリーの電荷担体を発生することができる全ての装置を含んでいる。励起源３は特に光励起源３、例えばレーザー又はLEDである。励起源３によって放出される光の波長は、２００ｎｍ〜１００００ｎｍの範囲、特に４００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲にある。必要ならば、各励起源３には、励起の焦点を合わせ、強度を制御し、且つ位置を定めるために、図中には示していない光学システムが備えられてもよい。励起源３の数は１〜１０００の範囲内である。

励起源３は、中央縦軸２２の周りを６０°又は９０°の角度回転してそれ自身の内部を通り抜けながら、励起源３によって励起され得るウェハ２７上の全領域の輪郭がウェハ２７を完全に覆うように、有利には置かれ且つ位置を定められる。

位置決め装置４による中央縦軸２２に垂直な面内での移動のために、装着されるべきウェハ２７に対してそれが更に備えられる。代替として、ウェハ２７は静止し、一方で中空共振器２０が中央縦軸２２と垂直な面内での移動のために装着されてもよく、その際誘電体１８とマイクロ波反射体１９は、中空共振器２０の移動後でさえも完全に開口部２６を覆う。位置決め装置４は、ロボット、ウェハ処理装置、コンベヤベルト等であってもよい。マイクロ波反射体と誘電体は、一般的には共振器と共に動かされてもよい。

マイクロ波ブリッジ１、少なくとも一つの励起源３及び位置決め装置４は、設定可能な制御装置３０に接続される。

以下は、本発明に係る装置の機能の記載である。検査されるべきウェハ２７の電気的性質は、マイクロ波ブリッジ１の主アーム７内の波ガイド１７を介して共振システム２に結合されたマイクロ波源６によって放出され、且つ一旦、絞り２８を介してサーキュレーター１０を通り抜けたマイクロ波によって決定される。中空共振器２０において、マイクロ波は、側面壁２３及び第１及び第２前面壁２４、２５によって実質的に損失無く反射される。中空共振器２０の第２前面壁２５内の開口部２６領域において、マイクロ波はウェハ２７に衝突し、その場合ウェハ２７は開口部２６、誘電体１８ならびにマイクロ波反射体１９を完全には覆わない。ウェハ２７に衝突するマイクロ波は、ウェハ２７の導電性に応じてウェハ２７によって反射される。ウェハ２７が低い導電性を有するのみである及び／又は開口部２６を完全には覆わない場合、次に開口部２６を介して空洞２１を離れるマイクロ波は、マイクロ波反射体１９によって反射される。したがって空洞２１は、ウェハ２７の導電性とは無関係に高い導電性を有する壁によって完全に囲まれる、言い換えると電気的に遮蔽される。ウェハ２７、マイクロ波を吸収する誘電体１８、及びマイクロ波反射体１９の、中空共振器２０に対する、特に開口部２６に対する配置は、検査されるべき材料に関して万能であることを証明している。当該配置は、低い導電性を有するウェハ２７ならびに高い導電性を有するウェハの精密な調査を可能にし、且つウェハ２７が開口部２６の一部分のみを覆っている場合でさえも良好に機能を果たす。

共振システム２に結合されたマイクロ波が適切な振動数を有している場合、空洞２１内での定常マイクロ波形成を導く共鳴ケースが起きる。この定常マイクロ波の波長と振動数は、他のものの中でも、空洞２１の形状、特に空洞２１を囲っている壁の導電性ならびにウェハ２７の導電性に依存する。

マイクロ波源６によって放出されるマイクロ波を、波ガイド１７によって主アーム７を介して中空共振器２０まで結合する、絞り２８内の調整ネジ２９は、中空共振器２０のインピーダンス、従って共振システム２のインピーダンスを調節することができる可変キャパシタとして作用する。これは、共振システム２の抵抗を、マイクロ波ブリッジ１の主アーム７を中空共振器２０に接続する波ガイド１７の抵抗に調節することができる、言い換えると、共振システム２はマイクロ波ブリッジ１と臨界状態で結合することができる。共鳴システム２がマイクロ波ブリッジ１と臨界状態で結合している場合、波ガイド１７内のマイクロ波の全出力は共振システム２内に結合され、それによって共振システム２によって反射される出力は存在しない。

一方でマイクロ波源６によって発生されたマイクロ波の振動数、及び他方で絞り１８内の調整ネジ２９の位置は、次のようにして共振システム２のインピーダンスに合わせられる。

第１工程において、マイクロ波源６によって発生されたマイクロ波の振動数は、定常マイクロ波が中空共振器２０内で形成するように、共振システム２に、特に中空共振器２０の形状に合わせられる。結局、絞り２８内の調整ネジ２９は、共鳴システム２が実質的に臨界状態で、言い換えると反射することなく、サーキュレーター１０を共振システム２に接続している波ガイド１７へ結合されるように、調節される。実質的に臨界状態の接続は、代替として、中空共振器２０の内側にアンテナを正確に設置することによっても成し遂げられ得る。マイクロ波源６によって発生したマイクロ波の振動数の調整と、調整ネジ２９の調節とは、必要ならば繰り返してもよい。

通常の場合、共振システム２が、完全に反射することなくマイクロ波ブリッジ１に結合されることは殆んど不可能である。これは、マイクロ波ブリッジ１のリファレンスアーム８内の、マイクロ波の振幅と位相を第２ダンパ１５及び／又は位相調整器１６によって調節すること、つまり、混合器１４内での重ね合わせにおいて、第３アーム１３を介してサーキュレーター１０から混合器１４までガイドされた、共振システム２によって反射された複数のマイクロ波をそれらが相殺するように調整することによって、説明される。この状態では、信号を混合器１４から測定装置５まで送信することは不可能である。

少なくとも一つの励起源３がオンに切り換えられると、ウェハ２７の空間的に制限された部分で電気的励起が起こる。中央縦軸２２に垂直な方向におけるウェハ２７の励起した部分の寸法は、この方向における光ビームの広がりによって定義される。励起した部分は特に、中央縦軸２２に対して垂直に見た場合、１μｍ〜４ｃｍの範囲の、特に１０μｍ〜５ｍｍの実質的に円の直径を有する範囲である。中央縦軸２２の方向において、ウェハ２７の励起した部分の広がりは、励起源３によってウェハ２７へ放出された光の進入深さに依存する。

励起源３は、制御装置３０によってパルス状に作動され、その際パルスの継続時間は１μｓ〜１ｓの範囲、特に１０〜１００μｓの範囲である。更に励起源３は、制御装置３０によって連続して作動され、その際１Hz〜１００MHz、特に１Hz〜１MHz、特に１kHz〜１００kHzの範囲の振動数を有する。

当該励起は、ウェハ２７内にフリーの電荷担体を発生させる。これは、空洞２１に繋がる領域の少なくとも一部分において導電性における変化を導き、この領域内の反射特性をマイクロ波に応じて変化させる。これはまた、共振システム２のインピーダンスの変化を導き、したがって、マイクロ波ブリッジ１ともはや臨界状態では結合されない、言い換えると、もはや反射されることなくマイクロ波ブリッジ１に結合されないのである。マイクロ波ブリッジ１のパラメーターと共振システム２のパラメーターとが、ウェハ２７が非励起状態にある場合の共振（範囲）に共振システム２があるように、非常に質の高い中空共振器２０と組み合わせられることによって互いに調整されたので、ウェハ２７の励起によって引き起こされ且つウェハ２７の、したがって全共振システム２のインピーダンス変化を導く、ウェハ２７の最小の導電性変化でさえも、非常に感度良く検出することが可能である。共振システム２によって反射された出力は結果的に、第２アーム１２を介してサーキュレーター１０に入り、サーキュレーター１０から第３アーム１３を介して混合器１４まで通り抜けるマイクロ波信号になる。混合器１４内において、反射された信号はマイクロ波ブリッジ１のリファレンスアーム８からのマイクロ波信号と重ね合わせられ、励起源３のうちの一つがオンに切り換えられる前に上記したようにマイクロ波信号が調節される。混合器１４から、信号が時間分解様式で保存され、処理され、且つ数値化される測定装置５まで信号が送信される。共振システム２の、最小の共振特性の変化でさえも、この装置によって検出可能である。これは、励起源３の励起出力を、０．００１mW/cm²まで減じることができる。かかる低い励起出力は有利である、というのは、それが後続のウェハ使用中に実際に生じる励起出力の範囲内にあるからである。約１００W/cm²までの高い励起出力も考えられる。

励起源３は、制御装置３０によって連続して作動される。前の励起源３をオフに切り換えるのと、次の励起源３をオンに切り換えるのとの間の時間間隔は１μｓ〜１ｓの範囲である。この間隔は特に、前の励起源３がオンに切り換えられた時に生じる電荷担体の９０％以上、特に９９％が、次の励起源３がオンに切り換えられるとすぐに再結合されるように選択される。

電気的性質をウェハ２７の全領域に渡って検出するように、ウェハ２７は、中央縦軸２２に垂直な方向に、位置決め装置４によって厳密に中空共振器２０の開口部２６に対して移動可能である。

励起源３がオンに切り換えられた時に発生するフリーの電荷担体は、限られたライフタイムのみを有しており、且つこの時間が消費されるとすぐに再結合する。これにより、フリーの電荷担体の再結合は、欠陥、不純物原子又はトラップ等の結晶欠陥によって影響されることが判明した。一般的な原則として、励起源３のオフ切り換え後の過渡現象は、指数関数の合計によって非常に良く表すことができる。過渡現象の急速な減少は、再結合ライフタイムの目安である。第二に、過渡現象のゆっくりと減少する部分から、電荷担体上の結晶欠陥の影響を観察することができる。測定装置５によって、例えば励起源３をオフに切り換えた後に、好ましくは同じ時間間隔長さを有するが更なる評価を実施する前の開始時間は異なっているような二つの間隔で信号強度が測定される、２ポート法によって測定された信号の評価は、ウェハ２７内の結晶欠陥の分布と集中に関する、及び拡散長さ、言い換えるとフリーの電荷担体の移動度に関して簡単な方法で結論付けを行うことを可能にする。

一ウェハ全体のトポグラフィのために測定されるべき測定点の数は、要求された分解能に、つまり、励起源３の光ビームの直径、ウェハ２７の寸法、及び材料品質に依存する。可用時間は今までもう一つの重要な因子であった。本発明に係る装置と方法は、一ウェハ全体の電気的性質の、トポグラフィ検出のために必要な時間を著しく減じる。ここに記載された手段を用いて典型的なウェハに実施されるこの種のトポグラフィ検出は、１０ｓ未満、特に１ｓ未満かかる。

ＳＮ比（シグナル−ノイズ比）を改良するために、測定は何度も繰り返され得る。

Claims (8)

1. シリコンウェハサンプルの電気的性質をトポグラフィ検出するための装置であって、
   ａ．マイクロ波場を発生するための、マイクロ波源（６）と、
   ｂ．マイクロ波を伝達するようにマイクロ波源（６）に結合された共振システム（２）であって、
   ｉ．マイクロ波共振器、及び
   ｉｉ．測定されるべきサンプルを備えて構成される、共振システム（２）と、
   ｃ．サンプルの、制御された電気的な励起のために当該サンプルの周りに配置された、少なくとも一つの励起源（３）と、
   ｄ．共振システム（２）の少なくとも一つの物理的パラメーターを測定するための、測定装置（５）とを備えて構成され、
   ｅ．前記マイクロ波共振器が、空洞（２１）を備えた空洞共振器（２０）であること、
   ｆ．前記空洞共振器（２０）は一つの開口部（２６）を備えており、当該開口部の外側且つ前面にサンプルが配置されることを特徴とする、装置。
2. マイクロ波を吸収する誘電体（１８）が、開口部（２６）から離れたサンプルの側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. マイクロ波反射体（１９）が、開口部（２６）から離れたサンプルの側に配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 少なくとも一つの励起源（３）がパルス状に作動されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 幾つかの励起源（３）が設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 励起源（３）が連続して作動されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. サンプルと空洞共振器（２０）とが、中央縦軸（２２）に垂直な面内で互いに移動可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. シリコンウェハ（２７）サンプルの、電気的性質のトポグラフィ検出をするための方法であって、以下の工程、
   ａ．次のｉ〜ｉｖを備える工程であって、
   ｉ．調整可能なマイクロ波源（６）と、
   ｉｉ．マイクロ波源（６）と調整可能に結合された共振システム（２）であって、マイクロ波共振器とサンプルとを備えて構成される、共振システム（２）と、
   ｉｉｉ．サンプルの周りに配置された、少なくとも一つの励起源（３）と、
   ｉｖ．測定装置（５）とを備える工程と、
   ｂ．マイクロ波源（６）によって共振システム（２）内にマイクロ波場を発生する工程と、
   ｃ．マイクロ波場の振動数を、非励起状態のサンプルにおける共鳴システム（２）の共振振動数に合わせる工程と、
   ｄ．共鳴システム（２）の結合をマイクロ波源（６）に、当該結合が反射されないように合わせる工程と、
   ｅ．サンプルの局所的な励起工程と、
   ｆ．測定装置（５）による、共振システム（２）の少なくとも一つの物理的パラメーターの、励起によって誘発された変化を時間分解検出する工程とからなり、
   ｇ．前記マイクロ波共振器が、空洞（２１）を備えた空洞共振器（２０）であり、
   ｈ．前記空洞共振器（２０）は一つの開口部（２６）を備えており、当該開口部の外側且つ前面にサンプルが配置される、方法。

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