JP6230887B2

JP6230887B2 - 半導体評価装置、半導体ウェハの評価方法および半導体ウェハの製造方法

Info

Publication number: JP6230887B2
Application number: JP2013247054A
Authority: JP
Inventors: 和繁成田; 藤倉　序章; 序章藤倉
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: JP2015106600A

Description

本発明は、半導体評価装置および半導体ウェハの評価方法に関する。

半導体ウェハの検査では、半導体ウェハの反り形状の測定と、半導体ウェハの外観検査と、が行われることがある。反り形状測定では、例えば距離計測部としてのレーザ変位計を用いて半導体ウェハの表面からレーザ変位計までの距離を計測することにより、半導体ウェハの反り形状を計測する。また、外観検査では、例えば観察部としての顕微鏡を用いて、半導体ウェハの表面状態を検査する。

なお、半導体ウェハの検査に関してではないが、投光手段を備えた合焦手段を有する顕微鏡が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−２９５０６５号公報

しかしながら、半導体ウェハの反り形状測定と外観検査とを独立した個別の装置で行う場合、外観検査では、反り形状測定が終了した半導体ウェハを移動して観察部を半導体ウェハごとに観察可能な状態に調整する必要がある。このため、観察部を半導体ウェハごとに観察可能な状態に調整するために、作業数が増加する可能性がある。また、半導体ウェハの表面から観察部までの距離が分からないため、半導体ウェハの表面を観察できるように観察部を調整することが困難となる可能性がある。

本発明の目的は、半導体ウェハの反り形状を計測するとともに、容易に半導体ウェハの表面を観察することができる半導体評価装置および半導体ウェハの評価方法を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、
半導体ウェハを載置する載置面を有する載置部と、
前記載置部の上方に設けられ、前記半導体ウェハの表面からの距離を計測する距離計測部と、
前記載置部の上方で前記距離計測部から水平方向に所定距離だけ離間して配置され、前記半導体ウェハの表面を観察する観察部と、
前記載置部に載置される前記半導体ウェハの表面から前記観察部までの距離を変化させるように、前記観察部を前記載置部に対して前記載置面に垂直な方向に相対的に移動させる垂直移動部と、
前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離を計測することによって前記半導体ウェハの反り形状を計測するように前記距離計測部を制御するとともに、前記距離計測部が計測した前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離に基づいて、前記半導体ウェハの表面から前記観察部までの距離を前記観察部が前記半導体ウェハの表面を観察可能な距離となるように前記垂直移動部を制御する制御部と、
を有する
半導体評価装置が提供される。

本発明の第２の態様によれば、
前記載置部を前記距離計測部および前記観察部に対して水平方向に相対的に移動させる水平移動部を有し、
前記制御部は、
前記載置部に載置される前記半導体ウェハを水平方向に移動させながら前記半導体ウェハの反り形状を計測するように、前記距離計測部および前記水平移動部を制御する
第１の態様に記載の半導体評価装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、
前記観察部は、
前記載置部に載置される前記半導体ウェハの表面に合焦可能なレンズを有し、
前記制御部は、
前記半導体ウェハの表面から前記レンズまでの距離を前記レンズの焦点距離となるように、前記垂直移動部を制御する
第１または第２の態様に記載の半導体評価装置が提供される。

本発明の第４の態様によれば、
半導体ウェハを載置部が有する載置面に載置する載置工程と、
前記載置部の上方に設けられた距離計測部によって、前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離を計測することによって前記半導体ウェハの反り形状を計測する反り計測工程と、
前記載置部の上方で前記距離計測部から水平方向に所定距離だけ離間して配置された観察部によって、前記半導体ウェハの表面を観察する観察工程と、
を有し、
前記観察工程では、前記距離計測部が計測した前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離に基づいて、前記半導体ウェハの表面から前記観察部までの距離を前記観察部が前記半導体ウェハの表面を観察可能な距離となるように、前記載置部を前記距離計測部および前記観察部に対して前記載置面に垂直な方向に相対的に移動させる
半導体ウェハの評価方法が提供される。

本発明によれば、半導体ウェハの反り形状を計測するとともに、容易に半導体ウェハの表面を観察することができる半導体評価装置および半導体ウェハの評価方法が提供される。

本発明の一実施形態に係る半導体評価装置の正面図である。本発明の一実施形態に係る半導体評価装置の上面図である。本発明の一実施形態で用いられる半導体評価装置の概略構成図である。本発明の一実施形態に係る半導体ウェハの評価工程を示すフローチャートである。

＜本発明の一実施形態＞
（１）半導体評価装置の構成
まず、図１〜図３を用い、本発明の一実施形態に係る半導体評価装置１０について説明する。図１は、本実施形態に係る半導体評価装置１０の正面図である。図２は、本実施形態に係る半導体評価装置の上面図である。図３は、本実施形態で用いられる半導体評価装置の概略構成図である。図１および図２において、Ｘ、ＹおよびＺ方向の矢印方向を「＋
Ｘ、ＹおよびＺ方向」とする。また、以下において、半導体評価装置１０の「上方」および「下方」とは、例えば鉛直上方および鉛直下方のことをいう。

本実施形態に係る半導体評価装置１０は、例えば評価対象である半導体ウェハ１００の反り形状を計測するとともに半導体ウェハ１００の外観検査を行うよう構成される。半導体ウェハ１００は、例えば、サファイア基板上にＧａＮエピタキシャル膜が形成されたＧａＮテンプレート基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、またはサファイア基板である。ここでは、半導体ウェハ１００は、透光性（可視光透過性）を有するＧａＮテンプレート基板であるとして説明する。

本実施形態に係る半導体評価装置１０は、具体的には、半導体ウェハ１００を載置する載置面５１２を有する載置部５１０と、載置部５１０の上方に設けられ半導体ウェハ１００の表面からの距離を計測する距離計測部２００と、載置部５１０の上方で距離計測部２００から水平方向に所定距離だけ離間して配置され半導体ウェハ１００の表面を観察する観察部３００と、載置部５１０に載置される半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を変化させるように観察部３００を載置部５１０に対して載置面５１２に垂直な方向に相対的に移動させる垂直移動部（垂直駆動部）４００と、少なくとも距離計測部２００および垂直移動部４００を制御するコントローラ６００と、を有する。以下詳細を説明する。

（載置部および水平移動部）
図１および図２に示されているように、半導体評価装置１０は、土台８１０を備える。土台８１０の上には、半導体ウェハ１００を載置する載置部（ウェハトレイ）５１０と、載置部５１０を水平方向に移動させる水平移動部（水平駆動部）と、が設けられる。

本実施形態における水平移動部は、載置部５１０を例えば直交する２方向に移動させるよう構成され、例えば±Ｘ方向に載置部５１０を移動させる第１水平移動部５２０と、±Ｙ方向に載置部５１０を移動させる第２水平移動部５４０と、を有する。

第１水平移動部５２０は、ステージを単軸方向に移動可能に構成され、例えば可動のステージ（符号不図示）と、ステージを貫通するボールネジ（不図示）と、ボールネジを回転させることによりボールネジに沿ってステージを移動させるモータ部（不図示）と、を有する。第２水平移動部５４０も、第１水平移動部５２０と同様の構成を備える。

図１および図２に示されているように、例えば、第１水平移動部５２０のステージの上には半導体評価装置１０を鉛直上方から見て互いに直交するように第２水平移動部５４０が設けられ、第２水平移動部５４０のステージの上には載置部５１０が設けられる。

このように、半導体ウェハ１００を載置した載置部５１０が水平方向に移動することにより、半導体ウェハ１００は後述する距離計測部２００および観察部３００に対して水平方向の任意の位置に相対的に移動することが可能である。

載置部５１０は、単に半導体ウェハ１００を載せる構成（例えば円板）であってもよいし、或いは、半導体ウェハ１００を載置する載置面５１２を有し、半導体ウェハ１００に力を加えることなく半導体ウェハ１００を固定するよう構成されていてもよい。半導体ウェハ１００を固定する場合には、載置面５１２には、半導体ウェハ１００の外周の少なくとも二点を径方向から付き当てることにより半導体ウェハ１００を固定する付き当て部（不図示）が設けられる。これにより、反りが生じた半導体ウェハ１００（または半導体ウェハ１００の載置面５１２からの最高点の位置）を固定した状態で、半導体ウェハ１００を載置部５１０に載置することができる。反りを有する半導体ウェハ１００の場合、半導
体ウェハ１００と載置面５１２との充分な接触面積を確保できないため、載置部５１０の水平方向の移動を高速で行うと、載置面５１２↑で半導体ウェハ１００が滑ることがある。付き当て部によって、半導体ウェハ１００が滑ることが抑制されることにより、評価時間の短縮を図ることができる。なお、半導体ウェハ１００が載置面５１２に対して傾いている場合は、半導体ウェハ１００は、載置面５１２上でその傾きを維持したまま水平移動される。

また、載置部５１０は、例えば、半導体ウェハ１００のオリエンテーションフラットまたはノッチの位置を固定するよう構成される。これにより、載置部５１０の上において半導体ウェハ１００の結晶方向が固定された状態で、半導体ウェハ１００を水平方向に移動することができる。

（距離計測部）
図１に示されているように、載置部５１０の上方には、半導体ウェハ１００の表面から当該距離計測部２００までの距離を計測する距離計測部２００が設けられる。具体的には、例えば、水平方向から見て、土台８１０の上には、第１水平移動部５２０に沿って、載置部５１０、第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０を囲むようにブリッジ部８２０が設けられる。これにより、ブリッジ部８２０は、半導体ウェハ１００の水平移動に干渉しないよう構成される。距離計測部２００は、載置部５１０の上方において、載置部５１０の載置面５１２に垂直な方向に向いた状態で、保持具８４０を介してブリッジ部８２０に固定される。

また、図２に示されているように、保持具８４０は、鉛直上方から見て、ブリッジ部８２０から載置部５１０側に張り出すように設けられる。距離計測部２００は、鉛直上方から見て、載置部５１０上の半導体ウェハ１００と重なるように保持具８４０に固定される。

また、距離計測部２００は、上述のように半導体ウェハ１００の表面から当該距離計測部２００までの距離を計測するよう構成され、例えば、レーザ変位計である。具体的には、距離計測部２００は、半導体ウェハ１００の表面に対して所定の角度でレーザ光を照射する発光部（不図示）と、半導体ウェハ１００の表面で反射された光を検知する受光部（不図示）と、を有する。発光部から半導体ウェハ１００の表面に入射した光は、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離に応じて、受光部に異なる角度で入射する。受光部は、半導体ウェハ１００の表面で反射された光が受光される位置を検知する。これにより、距離計測部２００は、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測することができる。

なお、距離計測部２００の距離を計測する分解能は、例えば、０．００１μｍ以上１μｍ以下、好ましくは、０．００１μｍ〜０．１μｍである。

本実施形態では、距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の表面から当該距離計測部２００までの距離に基づいて、半導体ウェハ１００の反り形状が測定される。半導体ウェハ１００の反り形状の測定については、詳細を後述する。

（観察部）
図１に示されているように、載置部５１０の上方には、半導体ウェハ１００の外観検査として半導体ウェハ１００の表面を観察する観察部（情報取得部）３００が設けられる。具体的には、例えば、観察部３００は、載置部５１０の上方で距離計測部２００から水平方向に所定距離だけ離間した位置において、後述する垂直移動部４００を介してブリッジ部８２０に固定される。観察部３００が距離計測部２００から離間して配置されているこ
とにより、観察部３００を半導体ウェハ１００に接近させて半導体ウェハ１００を観察することができる。例えば、半導体ウェハの欠陥が小さく、高倍率の測定が必要である場合に特に有効である。

また、観察部３００は、例えば、半導体ウェハ１００の表面を拡大して観察可能な（光学）顕微鏡３１０と、顕微鏡３１０を介して半導体ウェハ１００の表面を撮像する撮像素子（不図示）を有するカメラ（撮像手段）３２０と、を備える。顕微鏡３１０は、例えば、載置部５１０に載置される半導体ウェハ１００の表面に合焦可能な対物レンズ３１２と、対物レンズ３１２の像側に設けられ結像レンズを有する鏡筒部３１４と、を備える。

なお、観察部３００の載置面５１２に対して垂直な方向（光軸方向）の分解能、すなわち対物レンズ３１２の焦点深度（被写体深度）は、対物レンズ３１２の倍率に依存し、例えば、±０．３μｍ以上±５０μｍ以下である。

対物レンズ３１２は、上方に設けられた雄ネジ部（不図示）が鏡筒部３１４の下方に設けられた雌ネジ部（不図示）に嵌合されることによって鏡筒部３１４に固定される。また、カメラ３２０は、下方に設けられた雌ネジ部（不図示）が鏡筒部３１４の上方に設けられた雄ネジ部（不図示）に嵌合されることによって鏡筒部３１４に固定される。また、鏡筒部３１４は、鏡筒部３１４の光軸が載置部５１０の載置面５１２に垂直な方向に向いた状態で、後述する垂直移動部４００を介してブリッジ部８２０に固定される。例えば、垂直移動部４００が調整する観察部３００の垂直方向の初期位置は、載置面５１２上に平坦な半導体ウェハ１００を載置した場合に半導体ウェハ１００の表面が観察部３００の対物レンズ３１２の焦点に位置するように設定される。

なお、顕微鏡３１０の横には、半導体ウェハ１００の表面を照明する照明部（不図示）が設けられていても良い。

顕微鏡３１０により合焦された半導体ウェハ１００の表面の像は、対物レンズ３１２および結像レンズによってカメラ３２０内の撮像素子で結像され、カメラ３２０によって画像情報として取得される。

また、観察部３００は、例えば位相差観察または微分干渉観察が可能に構成される。これにより、例えば半導体ウェハ１００が無色で透明なＧａＮ基板である場合に、半導体ウェハ１００に生じた貫通転移、インバージョンドメインや表面のステップ（ステップバンキング）などの欠陥を容易に観察することができる。

（垂直移動部）
図１に示されているように、垂直移動部４００は、保持具８６０を介してブリッジ部８２０に固定され、載置部５１０に載置される半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を変化させるように観察部３００を載置部５１０に対して載置面５１２に垂直な方向（±Ｚ方向）に相対的に移動させるよう構成される。

具体的には、図１に示されているように、垂直移動部４００は、例えば可動のステージ４３０と、ステージ４３０に設けられたネジ穴４３２と、ネジ穴４３２を貫通するボールネジ４２０と、ボールネジ４２０を回転させることによりボールネジ４２０に沿ってステージ４３０を移動させるモータ部４１０と、を有する。垂直移動部４００は、ボールネジ４２０が載置部５１０の載置面５１２に垂直な方向に沿うように、保持具８６０を介してブリッジ部８２０に固定される。また、垂直移動部４００のステージ４３０には、保持具４４０を介して顕微鏡３１０の鏡筒部３１４が固定される。

また、図２に示されているように、垂直移動部４００は、鉛直上方から見て、保持具８６０を介して、ブリッジ部８２０から載置部５１０側に張り出すように設けられる。観察部３００は、鉛直上方から見て、載置部５１０上の半導体ウェハ１００と重なるように垂直移動部４００に固定される。

垂直移動部４００が観察部３００を載置部５１０に対して載置面５１２に垂直な方向に相対的に移動させることにより、観察部３００の対物レンズ３１２の焦点距離が調整される。

（制御部）
次に、図３を用い、本実施形態に係る制御部（制御手段）としてのコントローラ（情報機器）６００について説明する。コントローラ６００は、以下のように、上記した距離計測部２００等の各部と信号を送受信することにより、各部を制御するよう構成される。

図３に示されているように、コントローラ６００は、距離計測部２００に接続される。距離計測部２００は、例えば、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離情報をコントローラ６００に送信する。コントローラ６００は、例えば、距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離情報に基づいて、半導体ウェハ１００の反り形状を計測するように距離計測部２００を制御する。ここでいう半導体ウェハ１００の「反り形状」とは、例えば半導体ウェハ１００の水平位置に対する、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離の分布から求められる半導体ウェハ１００の表面の断面形状（ＸＺ形状）または三次元形状（ＸＹＺ形状）のことである。コントローラ６００は、例えば、半導体ウェハ１００の表面の傾きを補正した後、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離の最大値と最小値との差により半導体ウェハ１００の「反り量」を算出するよう構成される。

また、コントローラ６００は、第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０に接続され、移動開始命令信号、移動方向および移動量に係る情報を送信し、例えば、載置部５１０を距離計測部２００および観察部３００に対して水平方向に相対的に移動させることによって載置部５１０に載置される半導体ウェハ１００を水平方向に移動させるように、第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０を制御する。第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０は、例えば、現在の半導体ウェハ１００の水平位置情報（ＸＹ座標情報）をコントローラ６００に送信する。

また、コントローラ６００は、観察部３００のカメラ３２０に接続され、撮像開始命令信号を送信し、例えば、半導体ウェハ１００の表面を撮像するように、カメラ３２０を制御する。観察部３００のカメラ３２０は、例えば、半導体ウェハ１００の表面の画像情報、および撮像終了信号をコントローラ６００に送信する。

また、コントローラ６００は、垂直移動部４００に接続され、移動開始命令信号、移動方向および移動量に係る情報を送信し、例えば、観察部３００を載置部５１０に対して載置面５１２に垂直な方向に相対的に移動させることによって観察部３００が半導体ウェハ１００の表面を観察できるように、垂直移動部４００を制御する。垂直移動部４００は、例えば、現在の半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離情報（Ｚ座標情報）をコントローラ６００に送信する。

なお、コントローラ６００は、記録部（記録手段、記憶手段）を備え、距離計測部２００から取得した半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離情報、この距離情報に基づいて半導体ウェハ１００の表面の断面形状（ＸＺ形状）または三次元形状（ＸＹＺ形状）である反り形状を計測（プロット）した反り形状情報、第１水平移動部５２
０および第２水平移動部５４０から取得した現在の半導体ウェハ１００の水平位置情報、観察部３００から取得した半導体ウェハ１００の表面の画像情報、予め計測または設定された観察部３００の焦点距離、および垂直移動部４００から取得した現在の半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離情報を記録部に保存するよう構成される。

また、コントローラ６００は、入出力部（不図示）を備えていても良く、入出力部により、垂直移動部４００、第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０へ駆動信号を直接的に入力したり、垂直移動部４００、第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０による半導体ウェハ１００の位置情報を表示させたり、距離計測部２００によって計測された半導体ウェハ１００の反り形状や、観察部３００のカメラ３２０によって撮像された半導体ウェハ１００の表面の画像を表示させたりしてもよい。

また、コントローラ６００は、例えば、汎用のコンピュータを、制御手段として機能させるプログラム（ソフトウェア）であってもよく、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、記録部としてのＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）若しくはフラッシュメモリ、および、距離計測部２００等の各部に接続されるＩ／Ｏポートを備えたコンピュータとして構成されていてもよい。

（２）半導体ウェハの評価方法
次に、図４を用い、本実施形態に係る半導体ウェハの評価工程について説明する。図４は、本実施形態に係る半導体ウェハの評価工程を示すフローチャートである。

本実施形態に係る半導体ウェハの評価工程は、半導体ウェハ１００の製造後に半導体ウェハ１００の品質を評価するために実施され、例えば、半導体ウェハ１００を載置部５１０が有する載置面５１２に載置する載置工程と、載置部５１０の上方に設けられた距離計測部２００によって、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測することによって半導体ウェハ１００の反り形状を計測する反り計測工程と、載置部５１０の上方で距離計測部２００から水平方向に所定距離だけ離間して配置された観察部３００によって、半導体ウェハ１００の表面を観察する観察工程と、を有する。観察工程では、距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離に基づいて、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を観察部３００が半導体ウェハ１００の表面を観察可能な距離となるように、載置部５１０を距離計測部２００および観察部３００に対して載置面５１２に垂直な方向に相対的に移動させる。以下、詳細を説明する。なお、以下の説明において、半導体ウェハの評価工程の各工程は、コントローラ６００の各部により制御される。

まず、半導体ウェハ１００の評価工程の前に、半導体ウェハ１００の製造工程が行われる。例えば、下地基板の上に単結晶の半導体ウェハ１００となる半導体厚膜をエピタキシャル成長させることにより、半導体ウェハ１００を得る。

具体的には、例えば、下地基板としてのサファイア基板上に、半導体ウェハ１００となるＧａＮ厚膜を、ハイドライド気相成長（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ，ＨＶＰＥ）法により成長させる（ヘテロエピタキシャル成長）。

このように線膨張係数の異なる下地基板上に半導体ウェハ１００となる半導体厚膜をエピタキシャル成長させる方法では、下地基板と半導体厚膜との線膨張係数差に起因して、半導体ウェハ１００に反りが生じうる。例えば、上述のようにサファイア基板上にＧａＮ厚膜を形成することにより半導体ウェハ１００を製造する場合、サファイアの線膨張係数がＧａＮの線膨張係数よりも大きいため、半導体ウェハ１００には、半導体ウェハ１００
の成長方向に対して凸の反りが生じる。なお、半導体ウェハ１００がサファイア基板上にＧａＮエピタキシャル膜が形成されたＧａＮテンプレート基板である場合、半導体ウェハ１００の反り量は、２０μｍ以上３００μｍ以下である。したがって、半導体ウェハ１００の製造後に、以下のように半導体ウェハ１００の反り形状を計測する工程が行われる。

また、上記したヘテロエピタキシャル成長では、半導体ウェハ１００に貫通転移やインバージョンドメインなどの欠陥が生じる可能性がある。なお、貫通転移やインバージョンドメインなどの欠陥の直径は、１μｍ以上１００μｍ以下である。したがって、半導体ウェハ１００の製造後に、以下のように外観検査として半導体ウェハ１００の表面を観察する観察工程が行われる。

（載置工程Ｓ１１０）
図４に示されているように、まず、半導体ウェハ１００の検査者は、半導体ウェハ１００の製造装置から取り出され充分に冷却され、反りが生じた半導体ウェハ１００を、載置部５１０が有する載置面５１２に載置する。このとき、載置面５１２の付き当て部によって半導体ウェハ１００の外周の少なくとも二点を径方向から付き当てることにより、半導体ウェハ１００を載置部５１０の載置面５１２に固定する。

（反り計測工程Ｓ１２０）
載置部５１０の上方に設けられた距離計測部２００により、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測することによって半導体ウェハ１００の反り形状を計測する。本実施形態では、コントローラ６００は、例えば以下のようにして、半導体ウェハ１００の表面にレーザ光を照射した状態で、載置部５１０に載置される半導体ウェハ１００を水平方向に移動（走査）させながら、半導体ウェハ１００全面の反り形状を計測するように、距離計測部２００、第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０を制御する。

（距離計測Ｓ１２１）
距離計測部２００は、例えば水平方向の所定の計測位置において、発光部から半導体ウェハ１００の表面に光を照射して、その表面で反射された光の受光される位置を検知することにより、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測する。例えば半導体ウェハ１００の所定の初期計測位置から、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測し始める。このとき、コントローラ６００は、第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０により半導体ウェハ１００の水平位置情報を取得しながら、半導体ウェハ１００の水平位置情報に対する距離計測部２００により計測した半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離情報を保存する。

（終了判断Ｓ１２２）
コントローラ６００は、上記した距離計測が所定のピッチで半導体ウェハ１００の全面に亘って実施されたか否かを判断する（Ｓ１２２）。

（所定ピッチ移動Ｓ１２３）
距離計測が半導体ウェハ１００の全面で実施されていないとき（Ｓ１２２でＮｏの場合）、コントローラ６００は、半導体ウェハ１００を初期計測位置から所定のピッチで水平方向に移動させ、次の計測位置において、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測するように、第１水平移動部５２０、第２水平移動部５４０および距離計測部２００を制御する（Ｓ１２１）。

一方で、距離計測が半導体ウェハ１００の全面で実施されたとき（Ｓ１２２でＹｅｓの場合）、コントローラ６００は、例えば半導体ウェハ１００の水平位置に対する半導体ウ
ェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離の分布から、半導体ウェハ１００の表面の断面形状（ＸＺ形状）または三次元形状（ＸＹＺ形状）である反り形状を計測した反り形状情報を保存し、反り計測工程Ｓ１２０を終了する。このとき、例えば、半導体ウェハ１００の表面の傾きを補正した後、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離の最大値と最小値との差により半導体ウェハ１００の「反り量」を算出してもよい。

このように、半導体ウェハ１００を所定のピッチで水平方向に移動（走査）させながら、半導体ウェハ１００全面に亘って半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測することにより、相対的に半導体ウェハ１００の反り形状を計測する。

（観察工程Ｓ１３０）
次に、載置部５１０の上方で距離計測部２００から水平方向に所定距離だけ離間して配置された観察部３００によって、以下のようにして、半導体ウェハ１００の外観検査として半導体ウェハ１００の表面を観察する。

（観察部下へ移動Ｓ１３１）
観察部３００は距離計測部２００から水平方向に所定距離だけ離間しているため、半導体ウェハ１００を距離計測部２００の下の位置から観察部３００の下の位置へ移動する。例えば、コントローラ６００は、距離計測部２００が半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測した載置部５１０の位置に対して、距離計測部２００から観察部３００までの所定距離だけ加算した載置部５１０の位置を算出し、載置部５１０を当該位置まで水平方向に移動させるように、第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０を制御する。これにより、観察部３００は、距離計測部２００が半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測した半導体ウェハの水平方向の計測位置に等しい水平方向の観察位置で半導体ウェハ１００の表面を観察することができる。

例えば、半導体ウェハ１００を、距離計測Ｓ１２１を開始した半導体ウェハ１００の初期計測位置に等しい初期観察位置に移動し、以下の観察工程Ｓ１３０を開始する。

（観察部垂直位置調整Ｓ１３２）
観察部下へ移動Ｓ１３１後において、半導体ウェハ１００は、観察部３００の下の位置に移動されている。このとき、半導体ウェハ１００は、例えば観察部３００の対物レンズ３１２の焦点深度よりも大きく反っている。このため、対物レンズ３１２の焦点は半導体ウェハ１００の表面に合っておらず、観察部３００は、半導体ウェハ１００の表面を観察することができない状態となっている。

そこで、コントローラ６００は、例えば水平方向の所定の観察位置において、距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離に基づいて、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を観察部３００が半導体ウェハ１００の表面を観察可能な距離となるように垂直移動部４００を制御する。ここでいう「観察部３００が半導体ウェハ１００の表面を観察可能な距離」とは、半導体ウェハ１００が反っている状態であっても、観察部３００によって半導体ウェハ１００の表面を認識することができる距離のことである。

本実施形態のように、観察部３００は半導体ウェハ１００の表面に合焦可能な対物レンズ３１２を有している場合、例えば、コントローラ６００は、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離に基づいて、半導体ウェハ１００の表面から対物レンズ３１２までの距離を対物レンズ３１２の焦点距離となるように、垂直移動部４００を制御する。これにより、顕微鏡３１０によって、容易に半導体ウェハ１００の表面を観察する
ことができる。

なお、このときの半導体ウェハ１００の表面から対物レンズ３１２までの距離は、対物レンズ３１２の焦点距離に所定の誤差を含む距離であってもよい。例えば、半導体ウェハ１００の表面から対物レンズ３１２までの距離は、対物レンズ３１２の焦点距離に対して焦点深度を加算した範囲内である。この場合、観察部３００によって半導体ウェハ１００の表面を認識することができれば、その後、半導体ウェハ１００の表面を撮像する際に、観察部３００が観察する半導体ウェハ１００の表面像を確認することにより、または観察部３００のオートフォーカス機能により、半導体ウェハ１００の表面から対物レンズ３１２までの距離を焦点距離と等しくなるように微調整すればよい。

このとき、コントローラ６００は、観察部３００が観察する半導体ウェハ１００の水平位置において距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の反り量に応じて、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を焦点距離と等しくなるように補正するように、垂直移動部４００を制御する。

ここで、例えば、半導体ウェハ１００が載置面５１２に対して垂直方向に凸に反っている場合について考える。予め、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離がｄ_０のとき、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離が焦点距離ｆとなることが分かっていると仮定する。上記した距離計測Ｓ１２１において、距離計測部２００によって、水平方向の所定の観察位置における半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離がｄであると計測されている。すなわち、半導体ウェハ１００が反っていることによって、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離が焦点距離ｆから（ｄ−ｄ_０）だけ短くなっている。そこで、コントローラ６００は、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を焦点距離ｆと等しくなるように、観察部３００を載置部５１０に対して（ｄ−ｄ_０）だけ＋Ｚ方向に相対的に移動させるように垂直移動部４００を制御する。これにより、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離が補正される。

（撮像Ｓ１３３）
次に、コントローラ６００は、例えば、半導体ウェハ１００の表面を撮像するように、カメラ３２０を制御する。このとき、コントローラ６００は、第１水平移動部５２０および第２水平移動部５４０により半導体ウェハ１００の位置情報を取得しながら、観察部３００のカメラ３２０により半導体ウェハ１００の表面の画像情報を取得する。

このとき、例えば半導体ウェハ１００が無色で透明なＧａＮテンプレート基板である場合、上述のように位相差観察または微分干渉観察によって、半導体ウェハ１００の表面を撮像することが好ましい。

（終了判断Ｓ１３４）
コントローラ６００は、上記した撮像が所定のピッチで半導体ウェハ１００の全面に亘って実施されたか否かを判断する（Ｓ１３４）。

（所定ピッチ移動Ｓ１３５）
撮像が半導体ウェハ１００の全面で実施されていないとき（Ｓ１３４でＮｏの場合）、コントローラ６００は、半導体ウェハ１００を初期観察位置から所定のピッチで水平方向に移動させ、次の観察位置において、距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離に基づいて、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を観察部３００が半導体ウェハ１００の表面を観察可能な距離となるように垂直移動部４００を制御し（Ｓ１３２）、その観察位置において半導体ウェハ１００
の表面を撮像するように、カメラ３２０を制御する（Ｓ１３４）。

一方で、撮像が半導体ウェハ１００の全面で実施されたとき（Ｓ１３４でＹｅｓの場合）、コントローラ６００は、観察工程Ｓ１３０を終了する。

以上のように、半導体ウェハ１００の製造後に、半導体ウェハ１００の反り形状の計測、および半導体ウェハ１００の表面の観察が行われる。

（３）本実施形態に係る効果
本実施形態やその変形例によれば、以下に示す１つ又は複数の効果を奏する。

（ａ）本実施形態によれば、半導体ウェハ１００の表面からの距離を計測する距離計測部２００と、半導体ウェハ１００の表面を観察する観察部３００と、が同一の載置部５１０を有する一つの半導体評価装置１０に設けられる。これにより、半導体ウェハの反り形状を計測するとともに、容易に半導体ウェハの表面を観察することができる。

ここで、距離計測部による半導体ウェハの反り形状測定と、顕微鏡を有する観察部による外観検査と、を独立した個別の装置で行う場合について考える。この場合、外観検査では、反り形状測定が終了した半導体ウェハを移動して観察部を半導体ウェハごとに観察可能な状態に調整する必要がある。このとき、半導体ウェハに反りが生じている場合、予め載置面から観察部までの距離が例えば半導体ウェハ１００の厚さを考慮して顕微鏡の焦点距離に合わせられていても、観察対象である半導体ウェハの表面から観察部までの距離は、焦点距離と異なってしまう。このため、観察部を半導体ウェハごとに観察可能な状態に調整するために、作業数が増加する可能性がある。

また、外観検査では、反りが生じた半導体ウェハ１００の表面の向きは、外観検査装置に載置した半導体ウェハ１００の状態に依存するため、半導体ウェハの反り形状測定を行った半導体ウェハの表面の向きと異なってしまうことが考えられる。このため、別の装置で半導体ウェハの反り形状が計測されていても、外観検査装置における半導体ウェハ１００の表面の向きに合わせて、観察位置における半導体ウェハの表面から観察部までの距離を把握することは困難である。このため、半導体ウェハの表面を観察できるように観察部を調整することが困難となる可能性がある。

これに対して、本実施形態によれば、外観検査において、反り形状測定が終了した半導体ウェハ１００を別の装置に移動する必要がなく、反りが生じた半導体ウェハ１００の表面の向きが固定された状態で観察が開始される。つまり、半導体ウェハ１００の裏面ではなく表面（素子形成面）の表面状態を必ず測定することになる。これにより、観察部３００を半導体ウェハ１００ごとに観察可能な状態に調整するための作業数を減少させることができる。また、反りが生じた半導体ウェハ１００の表面の向きが固定された状態で、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離が予め間接的に計測される。これにより、半導体ウェハ１００の反り形状、半導体ウェハ１００の表面の向きに応じて、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を観察部３００が半導体ウェハ１００の表面を観察可能な距離に容易に調整することができる。

（ｂ）本実施形態によれば、コントローラ６００は、半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離を計測することによって半導体ウェハ１００の反り形状を計測するように距離計測部２００を制御するとともに、距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離に基づいて、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を観察部３００が半導体ウェハ１００の表面を観察可能な距離となるように垂直移動部４００を制御する。これにより、観察部３００が観察する半導
体ウェハ１００の表面像を観察しながら半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を直接的に調整するのではなく、実測された半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離に基づいて、半導体ウェハ１００の表面を観察できるように容易かつ正確に観察部３００を調整することができる。

（ｃ）本実施形態によれば、距離計測部２００の分解能は、観察部３００の顕微鏡３１０が有する対物レンズ３１２の焦点深度よりも小さい。コントローラ６００が距離計測部２００によって計測された半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離に基づいて、半導体ウェハ１００の表面から対物レンズ３１２までの距離を対物レンズ３１２の焦点距離となるように垂直移動部４００を制御したときに、距離計測部２００の分解能の範囲で誤差が含まれていても、必ず観察部３００によって半導体ウェハ１００の表面を認識することができるように調整することができる。

（ｄ）本実施形態によれば、半導体ウェハ１００は、例えば、透光性を有する単結晶のＧａＮテンプレート基板である。この場合、観察部３００が観察する半導体ウェハ１００の表面像を観察しながら半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を直接的に調整したとき、半導体ウェハ１００の表面が平坦である上に半導体ウェハ１００が透光性を有するため、観察部３００が半導体ウェハ１００の表面を認識することができず、観察部３００が半導体ウェハ１００の表面に合焦することが困難である可能性がある。本実施形態では、上述のように、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離が予め間接的に計測され、この結果に基づいて調整される。これにより、観察部３００が観察する半導体ウェハ１００の表面像に依存することなく、すなわち半導体ウェハ１００が透光性を有する場合であっても、半導体ウェハ１００の表面を観察できるように容易かつ正確に観察部３００を調整することができる。

（ｅ）本実施形態によれば、半導体評価装置１０は水平移動部を有する。これにより、半導体ウェハ１００を任意の水平位置に移動させることができる。また、コントローラ６００は、載置部５１０に載置される半導体ウェハ１００を水平方向に移動させながら半導体ウェハ１００の反り形状を計測するように、距離計測部２００および水平移動部を制御する。これにより、半導体ウェハ１００の全面の反り形状を容易に測定することができる。また、半導体ウェハ１００の反り形状を計測した水平位置を把握しながら、半導体ウェハ１００の表面を観察することができる。これにより、半導体ウェハ１００の反り形状に対する半導体ウェハ１００に生じた欠陥の依存性を評価することができる。すなわち、下地基板上に半導体ウェハ１００となる半導体厚膜をエピタキシャル成長させる過程に生じた応力と、半導体ウェハ１００に生じた欠陥と、の相関を評価することができる。

＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

上述の実施形態では、距離計測部２００がレーザ変位計である場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。距離計測部は、渦電流式変位センサ、超音波変位センサであってもよい。

また、上述の実施形態では、水平移動部（５２０，５４０）が載置部５１０を距離計測部２００および観察部３００に対して水平方向に移動させる場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。水平移動部は、距離計測部および観察部を水平方向に移動させることにより、載置部を距離計測部および観察部に対して水平方向に相対的に移動させてもよい。

また、上述の実施形態では、垂直移動部４００が観察部３００を載置面５１２に垂直な方向に移動させる場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。垂直移動部は、載置部を載置面に垂直な方向に移動させることにより、載置部に載置される半導体ウェハの表面から観察部までの距離を変化させてもよい。

また、上述の実施形態では、観察部３００がカメラ３２０を有する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。観察部はカメラを有していなくても良い。この場合、半導体ウェハ１００の検査者が観察部によって目視で半導体ウェハ１００の表面を観察してもよい。

また、上述の実施形態では、観察部３００が顕微鏡３１０を有する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。観察部の顕微鏡はマクロレンズ、またはテレセントリックレンズに置き替えられてもよい。

また、上述の実施形態では、半導体評価装置１０は水平移動部を有し、コントローラ６００が載置部５１０に載置される半導体ウェハ１００を水平方向に移動させながら半導体ウェハ１００の反り形状を計測するように距離計測部２００および水平移動部を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。水平移動部は、半導体ウェハ１００の検査者によって手動で載置部５１０に載置される半導体ウェハ１００を水平方向に移動させるよう構成されていてもよい。

また、上述の実施形態では、水平移動部は載置部５１０を例えば直交する２方向に移動させるよう構成される場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。水平移動部は所定の一方向だけに移動させるよう構成されていてもよい。

また、上述の実施形態では、距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離の半導体ウェハ１００の水平位置に対する分布として半導体ウェハ１００の反り形状を計測する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。予め載置部５１０の載置面５１２から距離計測部２００までの距離を計測しておき、載置部５１０の載置面５１２から距離計測部２００までの距離から、所定の水平位置において距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の表面から距離計測部２００までの距離、および半導体ウェハ１００の厚さを除算することにより、所定の水平位置における半導体ウェハ１００の裏面の載置面５１２からの高さを算出してもよい。半導体ウェハ１００の水平位置に対する半導体ウェハ１００の裏面の載置面５１２からの高さ分布を、「反り形状」として計測してもよい。

また、上述の実施形態では、コントローラ６００は距離計測部２００が計測した半導体ウェハ１００の全面の反り形状に基づいて、半導体ウェハ１００の表面から観察部３００までの距離を観察部３００が半導体ウェハ１００の表面を観察可能な距離となるように垂直移動部４００を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。半導体ウェハの反り方向（凸か凹か）が予め分かっている場合では、一か所における半導体ウェハの表面から距離計測部までの距離（例えば凸に反った半導体ウェハの最高点）に基づいて、反り形状を予測するとともに、観察部が半導体ウェハの表面を観察できるように垂直移動部を制御しても良い。

また、上述の実施形態では、半導体ウェハ１００は、透光性を有する単結晶のＧａＮテンプレート基板である場合について説明したが、上述のように、半導体ウェハは、例えば、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、サファイア基板、ＧａＮ基板であってもよい。

また、上述の実施形態では、半導体ウェハ１００は、断面方向に一様な基板である場合
について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。半導体ウェハは半導体膜が積層された基板であってもよい。

また、上述の実施形態では、半導体ウェハ１００としてのＧａＮテンプレート基板を製造する場合について説明したが、ＥＬＯ（ＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法、ＦＩＥＬＯ（ＦａｃｅｔＩｎｉｔｉａｔｅｄＥＬＯ）法により、ＧａＮテンプレート基板を製造してもよい。

１０半導体評価装置
１００半導体ウェハ
２００距離計測部
３００観察部
３１０顕微鏡
３２０カメラ
４００垂直移動部
５１０載置部
５２０第１水平移動部
５４０第２水平移動部
６００コントローラ（制御部）

Claims

半導体ウェハを載置する載置面を有する載置部と、
前記載置部の上方に固定され、前記半導体ウェハの表面からの距離を計測する距離計測部と、
前記載置部の上方で前記距離計測部から水平方向に所定距離だけ離間して配置され、前記半導体ウェハの表面を観察する観察部と、
前記載置部を前記距離計測部および前記観察部に対して水平方向に相対的に移動させる水平移動部と、
前記載置部に載置される前記半導体ウェハの表面から前記観察部までの距離を変化させるように、前記観察部のみを前記載置部および前記距離計測部に対して前記載置面に垂直な方向に相対的に移動させる垂直移動部と、
前記距離計測部を前記載置部の上方に固定した状態で、前記載置部に載置される前記半導体ウェハを前記距離計測部に対して水平方向に相対的に移動させながら、前記距離計測部によって前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離を計測することで、前記半導体ウェハの表面の全体に亘る反り形状を計測する反り計測処理と、前記反り計測処理後に、前記距離計測部が計測した前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離に基づいて、前記半導体ウェハの表面から前記観察部までの距離を前記観察部が前記半導体ウェハの表面を観察可能な距離となるように、前記観察部のみを前記載置部および前記距離計測部に対して前記載置面に垂直な方向に相対的に移動させる観察処理と、を行うよう、前記距離計測部、前記観察部、前記水平移動部および前記垂直移動部を制御する制御部と、
を有する
ことを特徴とする半導体評価装置。
前記制御部は、
前記反り計測処理では、前記反り形状のうち前記半導体ウェハの表面の傾きを補正した後に、前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離の最大値と最小値との差に基づいて、前記半導体ウェハの反り量を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
前記観察部は、
前記載置部に載置される前記半導体ウェハの表面に合焦可能な対物レンズを有し、
前記距離計測部の分解能は、前記観察部の前記対物レンズの焦点深度よりも小さい
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体評価装置。
前記制御部は、
前記半導体ウェハの表面から前記対物レンズまでの距離を前記レンズの焦点距離となるように、前記垂直移動部を制御する
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体評価装置。
前記距離計測部は、レーザ変位計、渦電流式変位センサまたは超音波変位センサとして構成される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体評価装置。
前記観察部は、位相差観察または微分干渉観察を可能に構成される
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体評価装置。
前記半導体ウェハは、透光性を有する
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体評価装置。
半導体ウェハを載置部が有する載置面に載置する載置工程と、
距離計測部を前記載置部の上方に固定した状態で、前記載置部に載置される前記半導体ウェハを前記距離計測部に対して水平方向に相対的に移動させながら、前記距離計測部によって前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離を計測することで、前記半導体ウェハの表面の全体に亘る反り形状を計測する反り計測工程と、
前記反り計測工程後に、前記載置部の上方で前記距離計測部から水平方向に所定距離だけ離間して配置された観察部によって、前記半導体ウェハの表面を観察する観察工程と、
を有し、
前記観察工程では、前記距離計測部が計測した前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離に基づいて、前記半導体ウェハの表面から前記観察部までの距離を前記観察部が前記半導体ウェハの表面を観察可能な距離となるように、前記観察部のみを前記載置部および前記距離計測部に対して前記載置面に垂直な方向に相対的に移動させる
ことを特徴とする半導体ウェハの評価方法。
半導体ウェハを作製する作製工程と、
前記半導体ウェハを評価する評価工程と、
を有し、
前記評価工程は、
前記半導体ウェハを載置部が有する載置面に載置する載置工程と、
距離計測部を前記載置部の上方に固定した状態で、前記載置部に載置される前記半導体ウェハを前記距離計測部に対して水平方向に相対的に移動させながら、前記距離計測部によって前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離を計測することで、前記半導体ウェハの表面の全体に亘る反り形状を計測する反り計測工程と、
前記反り計測工程後に、前記載置部の上方で前記距離計測部から水平方向に所定距離だけ離間して配置された観察部によって、前記半導体ウェハの表面を観察する観察工程と、
を有し、
前記観察工程では、前記距離計測部が計測した前記半導体ウェハの表面から前記距離計測部までの距離に基づいて、前記半導体ウェハの表面から前記観察部までの距離を前記観察部が前記半導体ウェハの表面を観察可能な距離となるように、前記観察部のみを前記載置部および前記距離計測部に対して前記載置面に垂直な方向に相対的に移動させる
ことを特徴とする半導体ウェハの製造方法。