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技術 半導体ウェーハの厚さ測定装置および半導体ウェーハの平坦度測定装置

出願人 SUMCOTECHXIV株式会社
発明者 東純一朗ロバート・ケイ・グラウプナー
出願日 1994年1月31日 (25年11ヶ月経過) 出願番号 2001-169906
公開日 2002年2月6日 (17年11ヶ月経過) 公開番号 2002-039711
状態 特許登録済
技術分野 電気磁気的手段を用いた長さ、角度等の測定
主要キーワード 電流値測定 センサ間距離 厚さ測定器 平坦度測定器 アズグロウン 酸素ドナー 種子結晶 平坦度測定装置
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この項目の情報は公開日時点(2002年2月6日)のものです。
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図面 (6)

課題

ウェーハの厚さ、平坦度良否を正確に判定するようにする。

解決手段

被測定ウェーハ3の表面に、被測定ウェーハ3を構成する材料のバンドギャップ以上のエネルギーハロゲンランプ4の光を照射しつつ、プローブ1,2を用いて被測定ウェーハ3の厚さを測定する。

概要

背景

半導体素子基板には主として高純度シリコン単結晶が用いられているが、このシリコン単結晶の製造方法の一つにチョクラルスキー法(以下CZ法という)がある。CZ法においては、半導体単結晶製造装置チャンバ内に設置した石英るつぼシリコン多結晶充填し、前記石英るつぼの周囲に設けたヒータによってシリコン多結晶を加熱溶解して融液とした上、シードチャックに取り付けた種子結晶を前記融液に浸漬し、シードチャックおよび石英るつぼを同方向または逆方向に回転しつつシードチャックを引き上げてシリコン単結晶を成長させる。このとき、前記石英るつぼと融液との反応により融液中酸素溶けだすため、引き上げたシリコン単結晶中には1018atm/cm3程度の酸素が含まれている。これらの酸素は結晶格子間に存在し、単結晶の冷却中に酸素ドナーが発生する。

シリコン単結晶インゴットスライスおよび研磨工程を経た後、熱処理を行って酸素ドナーを消去する。また、一部のウェーハについては研磨後イントリンシックゲッタリングのための熱処理を行う。これらのドナーキラー処理工程を経た上、ウェーハの厚さおよび平坦度を測定している。

概要

ウェーハの厚さ、平坦度の良否を正確に判定するようにする。

被測定ウェーハ3の表面に、被測定ウェーハ3を構成する材料のバンドギャップ以上のエネルギーハロゲンランプ4の光を照射しつつ、プローブ1,2を用いて被測定ウェーハ3の厚さを測定する。

目的

p型アズグロウンウェーハで、特に格子間酸素濃度むらの顕著なものは、図4に示すようにウェーハ内に電気抵抗の高い部分(電気的には中性)と低い部分とが存在しているような状態であるため、実際には均一な厚さであるにもかかわらず図5に示したように厚い、または薄いという誤測定をしてしまう。従って、ドナーキラー処理を経た上でないと正確な平坦度データが得られない。しかし、元来平坦度の規格外れ不良品をドナーキラー処理を施した上で摘出するとなると、ドナーキラー処理は無駄な工程ということになる。また、製品仕様によってはドナーキラー処理を必要としないウェーハがあるが、これに対しても平坦度をチェックするためにわざわざドナーキラー処理を施さなければならず、やはり無駄な工程である。本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、ドナーキラー処理を施していないウェーハであっても、平坦度の良否を正確に判定することができるようなウェーハの厚さ測定装置および平坦度測定装置を提供することを目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

静電容量式厚さ測定器を用いて半導体ウェーハの厚さを測定する半導体ウェーハの厚さ測定装置において、前記半導体ウェーハの表面に、前記半導体ウェーハを構成する材料のバンドギャップ以上のエネルギーの光を照射する光源を具え、前記光源と前記静電容量式の厚さ測定器を用いて前記半導体ウェーハの厚さを測定することを特徴とする半導体ウェーハの厚さ測定装置。

請求項2

静電容量式の厚さ測定器を用いて半導体ウェーハの厚さを測定する半導体ウェーハの厚さ測定装置において、前記半導体ウェーハの表面に、前記半導体ウェーハを構成する材料のバンドギャップ以上のエネルギーの光を照射する光源を具えるとともに、前記静電容量式の厚さ測定器は、前記半導体ウェーハを挟むように対向する位置に設けられた両電極と、前記両電極間を流れる電流の値を測定する電流値測定手段と、前記測定した電流値に対応する前記半導体ウェーハの厚さを計測する厚さ計測手段とから成り、前記光源と前記静電容量式の厚さ測定器を用いて前記半導体ウェーハの厚さを測定することを特徴とする半導体ウェーハの厚さ測定装置。

請求項3

前記厚さ測定装置は、前記測定した電流値と前記半導体ウェーハの厚さとの間のキャリブレーションを行うキャリブレーション手段をさらに具えたことを特徴とする請求項2記載の半導体ウェーハの厚さ測定装置。

請求項4

静電容量式の平坦度測定器を用いて半導体ウェーハの各部の厚さを測定し、測定した半導体ウェーハの各部の厚さの変位から当該半導体ウェーハの平坦度を測定する半導体ウェーハの平坦度測定装置において、前記半導体ウェーハの表面に、前記半導体ウェーハを構成する材料のバンドギャップ以上のエネルギーの光を照射する光源を具え、前記光源と前記静電容量式の平坦度測定器を用いて前記半導体ウェーハの平坦度を測定することを特徴とする半導体ウェーハの平坦度測定装置。

技術分野

0001

本発明は、半導体ウェーハ厚さ測定装置および半導体ウェーハの平坦度測定装置に関する。

背景技術

0002

半導体素子基板には主として高純度シリコン単結晶が用いられているが、このシリコン単結晶の製造方法の一つにチョクラルスキー法(以下CZ法という)がある。CZ法においては、半導体単結晶製造装置チャンバ内に設置した石英るつぼシリコン多結晶充填し、前記石英るつぼの周囲に設けたヒータによってシリコン多結晶を加熱溶解して融液とした上、シードチャックに取り付けた種子結晶を前記融液に浸漬し、シードチャックおよび石英るつぼを同方向または逆方向に回転しつつシードチャックを引き上げてシリコン単結晶を成長させる。このとき、前記石英るつぼと融液との反応により融液中酸素溶けだすため、引き上げたシリコン単結晶中には1018atm/cm3程度の酸素が含まれている。これらの酸素は結晶格子間に存在し、単結晶の冷却中に酸素ドナーが発生する。

0003

シリコン単結晶インゴットスライスおよび研磨工程を経た後、熱処理を行って酸素ドナーを消去する。また、一部のウェーハについては研磨後イントリンシックゲッタリングのための熱処理を行う。これらのドナーキラー処理工程を経た上、ウェーハの厚さおよび平坦度を測定している。

発明が解決しようとする課題

0004

ドナーキラー処理を施していないウェーハについて、静電容量式平坦度測定器を用いて平坦度を測定すると、1ロッド当たり数%〜数十%の割合で良品不良品と判定する誤測定が起こっている。ドナーキラー処理を施していないウェーハにおいてはウェーハ内部に格子間酸素が不均一に存在し、ドナーとして作用するため、実際のウェーハ厚さよりも厚くまたは薄く検出され、これらの検出値に基づいて平坦度を算出することがその原因と考えられる。静電容量式平坦度測定器の場合、厚さが同一のウェーハであっても電気抵抗が異なれば、実際の厚さより厚く表示したり、薄く表示したりする。その一例として、電子マイクロメータなどの測定器で同一厚さであることを確認した電気抵抗の異なる2枚のウェーハを静電容量式平坦度測定器で測定すると、電気抵抗値の高いウェーハの方が電気抵抗値の低いウェーハよりも薄く表示される。

0005

p型アズグロウンウェーハで、特に格子間酸素濃度むらの顕著なものは、図4に示すようにウェーハ内に電気抵抗の高い部分(電気的には中性)と低い部分とが存在しているような状態であるため、実際には均一な厚さであるにもかかわらず図5に示したように厚い、または薄いという誤測定をしてしまう。従って、ドナーキラー処理を経た上でないと正確な平坦度データが得られない。しかし、元来平坦度の規格外れた不良品をドナーキラー処理を施した上で摘出するとなると、ドナーキラー処理は無駄な工程ということになる。また、製品仕様によってはドナーキラー処理を必要としないウェーハがあるが、これに対しても平坦度をチェックするためにわざわざドナーキラー処理を施さなければならず、やはり無駄な工程である。本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、ドナーキラー処理を施していないウェーハであっても、平坦度の良否を正確に判定することができるようなウェーハの厚さ測定装置および平坦度測定装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0006

そこで、本発明の第1発明では、静電容量式の厚さ測定器を用いて半導体ウェーハの厚さを測定する半導体ウェーハの厚さ測定装置において、前記半導体ウェーハの表面に、前記半導体ウェーハを構成する材料のバンドギャップ以上のエネルギーの光を照射する光源を具え、前記光源と前記静電容量式の厚さ測定器を用いて前記半導体ウェーハの厚さを測定するようにしたことを特徴としている。

0007

また、本発明の第2発明では、静電容量式の厚さ測定器を用いて半導体ウェーハの厚さを測定する半導体ウェーハの厚さ測定装置において、前記半導体ウェーハの表面に、前記半導体ウェーハを構成する材料のバンドギャップ以上のエネルギーの光を照射する光源を具えるとともに、前記静電容量式の厚さ測定器は、前記半導体ウェーハを挟むように対向する位置に設けられた両電極と、前記両電極間を流れる電流の値を測定する電流値測定手段と、前記測定した電流値に対応する前記半導体ウェーハの厚さを計測する厚さ計測手段とから成り、前記光源と前記静電容量式の厚さ測定器を用いて前記半導体ウェーハの厚さを測定するようにしたことを特徴としている。

0008

また、本発明の第3発明では、上記第2発明において、前記厚さ測定装置は、前記測定した電流値と前記半導体ウェーハの厚さとの間のキャリブレーションを行うキャリブレーション手段をさらに具えるようにしたことを特徴としている。

0009

また、本発明の第4発明では、静電容量式の平坦度測定器を用いて半導体ウェーハの各部の厚さを測定し、測定した半導体ウェーハの各部の厚さの変位から当該半導体ウェーハの平坦度を測定する半導体ウェーハの平坦度測定装置において、前記半導体ウェーハの表面に、前記半導体ウェーハを構成する材料のバンドギャップ以上のエネルギーの光を照射する光源を具え、前記光源と前記静電容量式の平坦度測定器を用いて前記半導体ウェーハの平坦度を測定するようにしたことを特徴としている。

0010

さきに述べた誤測定の原因について、静電容量式平坦度測定器の測定方式の面から推察すると、次の通りである。すなわち、静電容量式平坦度測定器はウェーハ内の比誘電率εを一定と考え、高周波電流Iの変化をウェーハ表面と静電容量式平坦度測定器のセンサ電極との距離dの変化として算出する。これを被測定ウェーハの上下のセンサにより算出し、センサ間距離から差し引いた値をその部分の厚さとする。しかし、比誘電率εが一定でないウェーハの場合、低抵抗導体近似する部分はεが大きくなるため高周波電流Iが大きくなり、現在の測定ロジックではdが小さいと判断する。また逆に、電気的に中性な部分に電界がかかると、誘電分極が大きく、εは小さくなるため、電気量Qが小さくなり、上記内容に従ってdが大きいと判断する。従って、低抵抗の部分を厚く、高抵抗の部分を薄いと判断してしまう。

0011

本発明では、静電容量式平坦度測定器のプローブ近傍に所定の波長の光源を設け、被測定ウェーハの表面に少なくとも15万ルクスの光を照射することとした。ウェーハに光を照射するとバルク内に光が入り、一定の割合で吸収された後、波長依存性にもよるがウェーハの裏面に達する。ここで、プランク定数をh、振動数をνとすると、hνが励起エネルギーに変化し、この励起エネルギーが禁止帯幅(バンドギャップ)Egを越えることができる程度に大きいときは価電子から自由電子になる。

0012

Eg=1.1eV,1eV=1.60×10−19J,h=6.626176×10−34J・sであるから、Eg≦hν1であるならば、
1.1×1.6×10−19 ≦ 6.626176×10−34×ν1
ν1 ≧ (1.1×1.6×10−19)/(6.626176×10−34)
=2.656132×1014
ここで、波長をλ、光速をcとすると、λ=c/νであるから、
λ1 ≦(3.0×108 )/(2.656132×1014)(m)
=1.129×10−6m
以上により、波長1129nm以下の光をウェーハに照射すれば、シリコンの価電子を伝導電子化することができる。赤外線の波長は1.0×10−3〜8.1×10−7m、可視光線の波長は8.1×10−7〜3.8×10−7mであるから、赤外域から十分に励起できるため、広域波長帯をもつハロゲンランプの照射を行うと、バルク内部も表面と同様な現象が起こるものと推定される。また、ウェーハの上下面にバルク内部まで入らない短い波長の光を照射した場合も、本測定は可能である。

0013

p型半導体の場合、図2に示すようにドーパント(+)と酸素ドナー(−)とは電気的に中性であるが、光を照射すると図3に示すように、ドーパントや酸素ドナー以上にシリコンから発生した自由電子または正孔が非常に多くなり、金属のような状態となる。つまり、ウェーハのどの部分も均一に電子分布する。このような状態で静電容量式平坦度測定器を用いてウェーハの下面または上面を測定すると、比誘電率εはどの場所でも一定(Siから放出された伝導電子の濃度が非常に高く、かつ均一)であるため、センサが検出する電気量Qの変化はすべてセンサ電極とウェーハ表面との距離dの変化として測定できることになる。ただし、ウェーハの厚さは半導体としての比誘電率εより大きいためdを小さいと誤測し、実際より厚いと表示する。しかし、厚さの変位(平坦度)を測定する場合その影響はほとんどなく、ドナーキラー処理後の平坦度と等しい。厚さ測定を正確に行うには、光を照射しながらキャリブレーションを行えばよいと考えられる。

0014

以下に本発明に係るウェーハの厚さ測定装置および平坦度測定装置の実施例について、図面を参照して説明する。図1は本発明による平坦度測定装置の部分説明図で、静電容量式平坦度測定器のプローブ1、2は被測定ウェーハ3を挟むように対向する位置に設けられている。プローブ1の近傍には前記被測定ウェーハ3の表面を照射する波長1129nm以下のハロゲンランプ4が設置されている。ハロゲンランプ4は1個ないし2個設置するものとし、その照度は20万ルクスとした。

0015

ドナーキラー処理を施していないウェーハの平坦度を従来の静電容量式平坦度測定器を用いて測定し、TTV、LTVのいずれかについて不良と判断した24枚のウェーハを、本発明による平坦度測定装置を用いて再測定した。更に、前記24枚のウェーハにドナーキラー処理を施した上、従来の静電容量式平坦度測定器を用いて再測定した。これらの3種類のデータを比較した結果は下記の通りであった。

0016

(1)ドナーキラー処理を施していないウェーハを、静電容量式平坦度測定器を用いた従来の装置で測定すると、TTV、LTVのいずれかまたは両方とも不良と判定されたものが24枚あった。

0017

(2)上記24枚のウェーハを、本発明による平坦度測定装置を用いて再測定したところ、TTV、LTVのいずれかまたは両方とも不良と判断されたものは11枚で、残りの13枚は良品であった。

0018

(3)上記24枚のウェーハにドナーキラー熱処理を施した上、従来の装置で再測定したところ、(2)の判定と完全に一致した。

0019

この結果から、本発明による平坦度測定装置を用いれば、ドナーキラー処理を施していないウェーハであってもドナーキラー熱処理を施したウェーハの場合と全く同一の正確な良否判定ができることが立証された。

発明の効果

0020

以上説明したように本発明によれば、静電容量式平坦度測定器のプローブ近傍に1129nm以下の波長の光源を設け、ドナーキラー処理を施していないウェーハの表面に少なくとも15万ルクスの光を照射することとしたので、この光がバルク内に入って励起エネルギーに変化し、価電子を伝導電子化することにより、ドナーキラー処理を施していないウェーハであっても平坦度を正確に測定することができる。本発明の適用により、平坦度不良のウェーハについてドナーキラー処理前にこれを摘出、排除することが可能となるとともに、ドナーキラー処理を必要としないウェーハに対しては無用の熱処理をせずに平坦度の良否判定ができるので、ウェーハの生産能率が著しく向上する。

図面の簡単な説明

0021

図1本発明による平坦度測定装置の部分説明図である。
図2ドナーキラー処理を施していないウェーハにおいて、ドーパントと酸素ドナーとの存在を模式的に示す説明図である。
図3図2のウェーハに所定の波長の光を照射した状態を模式的に示す説明図である。
図4ドナーキラー処理を施していないウェーハにおいて、電気抵抗の異なる部分が存在することを模式的に示す説明図である。
図5図4のウェーハの平坦度を、静電容量式平坦度測定器で測定した場合に起こる誤測定の状態を模式的に示す説明図である。

--

0022

1,2プローブ
3被測定ウェーハ
4 ハロゲンランプ

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