DE19949578C2 - Verfahren zur Kontrolle einer Oberflächenbearbeitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle einer mecha­ nischen oder chemomechanischen Oberflächenbearbeitung eines ebenen Werkstückes, insbesondere einer Halbleiterscheibe mit­ tels Steulichtuntersuchungen.

Die Herstellung von ebenen Werkstücken, insbesondere von Halb­ leiterscheiben erfordert eine mechanische oder chemomechanische Oberflächenbearbeitung. Die Politur, insbesondere die chemome­ chanische Politur, bestimmt als letzter, maßgeblich formgeben­ der Bearbeitungsschritt die Ebenheit und Defektfreiheit der Oberflächen der Halbleiterscheiben. Die Anzahl der sogenannten Licht-Punkt-Defekte (LPD) ist ein Maß für die Qualität dieser Oberflächen. Bei den LPDs handelt es sich um Kristalldefekte, Beschädigungen, beispielsweise Kratzer oder Verunreinigungen und Partikel auf der Scheibenoberfläche, die mit kommerziell erhältlichen Oberflächeninspektionssystemen nachgewiesen wer­ den. Die Funktionsweise dieser Geräte basiert auf der Detektion von Licht im Dunkelfeld, welches an den Defekten gestreut wird. Dabei wird jedem, Defekt eine, seinem Lichtstreuverhalten äqui­ valente Größe, das sogennante Latex Sphere Equivalent, LSE zu­ geordnet. Dieses Verfahren ist beispielsweise in "Journal of Research of the National Bureau of Standards, Vol. 88, No. 5, 1983, pgs 321-338" beschrieben.

Die Anzahl der LPDs wird durch das Halbleitermaterial selbst, durch vorausgehende Prozesschritte, durch Kontamination oder Beschädigungen sowie durch Oberflächenbearbeitungen bestimmt. Beispielsweise wird in der EP 0 684 634 A2 über die Anzahl der LPDs die Leistungsfähigkeit eines Polierverfahrens definiert. Aber aufgrund der unterschiedlichen Einflüsse ist die Anzahl der LPDs nicht aussagekräftig, insbesondere nicht für die Beur­ teilung einer Oberflächenbearbeitung.

Kristalldefekte sind durch den Materialtyp (Ziehprozess, Dotie­ rung) bestimmt. Diese Kristalldefekte werden nach dem Trenn­ schleifen des Kristalls in Scheiben auf den Scheibenoberflächen sichtbar. So werden beispielsweise die im Kristall auftretenden "Voids" (kleine Hohlräume) durch das Trennschleifen geöffnet und nach einer mechanischen oder chemomechanischen Oberflächen­ bearbeitung zu sogenannten COPs (Crystal Originated Particles), die mit den Oberflächeninspektionssystemen als LPDs detektiert werden. Das Vorhandensein von "Voids" und damit auch das von COPs ist demnach unabhängig von einer mechanischen oder chemo­ mechanischen Oberflächenbearbeitung. Die geometrische Form der Defekte und damit auch deren Lichtstreuverhalten, insbesondere das der COPs und damit auch die zugeordnete LSE-Größe wird hin­ gegen durch eine Oberflächenbearbeitung beeinflußt. Bereits ge­ ringfügige Änderungen, beispielsweise bei einem Polierprozess, wie Polierzeit, Konzentrationsänderungen der Komponenten der Polierflüssigkeit, Poliertuchalterung verändern die Lichtstreu­ eigenschaften und damit auch die Anzahl der LPDs oberhalb eines gewissen LSE-Schwellwertes signifikant.

Die Erfinder erkennen den Zusammenhang zwischen dem Lichtstreu­ verhalten von Defekten, insbesondere von COPs und einer Ober­ flächenbearbeitung und finden ein Verfahren zur Kontrolle einer mechanischen oder chemomechanischen Oberflächenbearbeitung eines ebenen Werkstücks, insbesondere einer Halbleiterscheibe mittels einer Steulichtuntersuchung nach der Oberflächenbear­ beitung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Streulichtmes­ sung unter zumindest zwei Detektionswinkeln an einzelnen Defek­ ten erfolgt und die winkelabhängigen Signale miteinander ver­ glichen werden.

Die Lichtstreuung eines COPs ist anisotrop und weist winkelab­ hängige Intensitätsvariationen auf, solange die geometrische Größe oberhalb des Grenzwertes für Rayleigh-Streuung liegt (< 10% der Lichtwellenlänge). Überraschenderweise wurde gefun­ den, daß diese Intensitätsvariationen erheblich durch eine mechanische oder chemomechanische Oberflächenbearbeitung, ins­ besondere durch einen Polierprozess beeinflußt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird umgekehrt, mittels winkelabhän­ gigen Lichtstreudaten, die Oberflächenbearbeitung, wie beispielsweise die Politur einer Halbleiterscheibe kontrol­ liert. Um beispielsweise bei der Politur von einer Gruppe von Scheiben ein möglichst identisches und reproduzierbares Polier­ ergebnis für jede einzelne Scheibe zu erhalten, muß nach der Bearbeitung die Oberfläche kontrolliert werden; d. h. das Er­ gebnis der Berabeitung wird überwacht.

Bereits eine quasi winkelaufgelöste Messung, wie sie mit kom­ merziell erhältlichen, automatischen Inspektionssystemen, wie beispielsweise mit KLA-Tencor SP1 oder ADE-Constellation durchgeführt wird, liefert ausreichende Lichtstreudaten für eine derartige Kontrolle bzw. Überwachung. Der Vergleich der Streulichtintensität bzw. der LSE-Größen, detektiert an zu­ mindest zwei unterschiedlichen Winkelpositionen, läßt Veränderungen bei einem Bearbeitungsprozess, insbesondere beim Polierprozess erkennen.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf den Lichtstreueigen­ schaften einzelner Defekte und erlaubt eine eindeutige, von an­ deren Einflüssen separierte Bewertung einer mechanischen oder chemomechanischen Oberflächenbearbeitung. Vorzugsweise handelt es sich bei den untersuchten Defekten um Kristalldefekte. Vor­ zugsweise handelt es sich bei den untersuchten Kristalldefekten um COPs.

Da sich insbesondere auf einer Siliciumscheibe mehrere hundert COPs befinden, führt die Einzelbetrachtung der COPs einer ein­ zigen Scheibe bereits zu einer statistisch signifikanten Aus­ sage, wogegen bei Verfahren gemäß dem Stand der Technik lediglich die Anzahl der Defekte pro Siliziumscheibe kontrol­ liert wird. Da diese Anzahl allerdings nicht nur durch den Po­ lierprozess bestimmt wird, kann eine aussagekräftige Polierkon­ trolle nicht auf Basis einer Einzelscheibe sondern nur mittels Kontrolle einer entsprechenden Anzahl von Scheiben bewerkstel­ ligt werden. Die hohe Anzahl von Scheiben führt wiederum zu einer relativ langen Responszeit der Kontrolle.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Oberfläche einer Halbleiterscheibe, die zuvor vorzugsweise einem Polierprozess unterworfen war, mittels eines Laserstrahls abgerastert und das Streulicht detektiert. Das Streulicht wird unter zumindest zwei unterschiedlichen Winkeln detektiert. Vor­ zugsweise wird das Streulichtverhalten eines jeden einzelnen auf der Oberfläche gefundenen Defekts analysiert. Dann werden die winkelabhängigen Signale miteinander verglichen; beispiels­ weise wird das Verhältnis gebildet und eine Häufigkeitsvertei­ lung der Defekte einer Oberfläche als Funktion des Streulicht­ verhältnisses erstellt. Diese Verteilung wird nun hinsichtlich ihrer Form und Lage analysiert. Form und Lage sind charakteri­ stisch für einen Polierprozess, insbesondere für einen chemome­ chanischen Polierprozess. Daher erlaubt die Kontrolle einzelner Halbleiterscheiben unterschiedlicher Polierfahrten die Kontrol­ le des Polierprozesses.

In Fig. 1 (Flußdiagramm) ist die Kontrolle eines Polierprozes­ ses dargestellt.

Zunächst erfolgt die Lichtstreumessung unter zumindest zwei De­ tektionswinkeln und der Vergleich der winkelabhängigen Daten einzelner LPD's. Dann erfolgt die Erstellung und Analyse einer Verteilungsfunktion und der Vergleich mit den Sollwerten, was eine unmittelbare Rückmeldung an den Polierprozess ermöglicht. Der Polierprozess wird neben dem Poliermittel, dem Polierdruck, und der Polierzeit auch durch das Alter des verwendeten Polier­ tuchs beeinflußt. Die Anzahl der Polierfahrten, in welchen das Poliertuch zufriedenstellende Ergebnisse liefert variiert stark von Tuch zu Tuch. Die bisher verwendeten Kontrollen liefern keine für eine einzelne Polierfahrt aussagekräftigen Daten. Da­ her werden die Tücher nach einer fest vorgegebenen Zahl von Fahrten gewechselt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt da­ her beispielsweise die optimale Poliertuchnutzung. Ist die Lage und Form der oben beschriebenen Verteilung bekannt, können - entsprechend der Qualitätsanforderungen - für die Lage und/oder Breite der Verteilung - Grenzwerte angegeben werden, innerhalb derer das Polierergebnis einzelner Polierfahrten liegen muß. Ein Überschreiten der Grenzwerte führt dann zur Korrektur ein­ zelner oder mehrerer Verfahrensparameter, beispielsweise zum Wechsel des Poliertuchs.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfährt eine Verbesserung bei der Detektion durch mehr als zwei Detektoren unter unterschied­ lichen Detektionswinkeln, da dadurch eine demenstsprechend präzisere Bestimmung des Streuverhaltens ermöglicht wird. Ober­ flächeninspektionsgeräte gemäß dem Stand der Technik besitzen bereits mehrere Detektionskanäle unter verschiedenen Winkeln und werden daher bevorzugt verwendet.

Für die Prozesskontrolle nach einer mechanischen oder chemome­ chanischen Oberflächenbearbeitung, insbesondere nach einer Politur werden die, unter den unterschiedlichen Winkeln nachge­ wiesenen Streulichtintensitäten, vorzugsweise eines COPs ver­ glichen. Anstelle der Intensitäten können auch die entsprechen­ den, oben erwähnten LSE-Größenäquivalente für den Vergleich herangezogen werden. Beispielsweise seien die verwendeten Meßgrößen M1 für den einen und M2 für den zweiten Winkel bzw. Winkelbereich. Der Vergleich der Meßwerte kann dann durch Dif­ ferenzbildung (M1 - M2), durch Division (M1/M2) oder durch Pa­ rameter (Kenngrößen), die (M1 - M2) und/oder (M1/M2) enthalten, quantifiziert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen die so erhaltenen Kenngrößen Abhängigkeiten von einer mechani­ schen oder chemomechanischen Oberflächenbearbeitung. Jede Veränderung während eines Bearbeitungsproßesses spiegelt sich in einer Änderung der jeweiligen Kenngröße wieder.

Als Beispiel ist in Fig. 2 die Veränderung des Parameters M1/M2 für drei unterschiedliche Polierprozesse dargestellt. Für die quantitative Auswertung wurden alle COPs jeweils einer Hal­ bleiterscheibe verwendet. Aufgetragen ist die Häufigkeits­ verteilung des Verhältnisses M1/M2. Der Polierprozess beein­ flußt sowohl den Schwerpunkt als auch die Form und Breite der Verteilung. Erfindungsgemäß wird über die Beobachtung dieser zwei Größen der Polierprozess kontrolliert.

Die Abhängigkeiten der Verteilungen von den unterschiedlichen Polierprozessen bedeuten eine Veränderung der detektierten LPD- Größe zumindest in einem der beiden Detektionskanäle. Dies be­ deutet, der Polierprozess beeinflußt die LSE-Größe der Defekte. Diese Größe ist, wiederum ein Qualitätskriterium für Silizium­ scheiben. Demnach wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch dazu verwendet, um eine Oberflächenbehandlung, insbesondere eine Politur mit feststehenden Verfahrensparame­ tern, wie beispielsweise Druck, Temperatur oder Geschwindigkeit zu optimieren. Über das Monitoring des Verhältnisses M1/M2 wird die Entwicklung einer Oberflächenbehandlung, insbesondere einer Politur gezielt unterstützt und hinsichtlich der Erschein­ ungsgröße der LPDs, die direkten Einfluß auf die Ausbeute hat, optimiert.

Da eine Oberflächenbearbeitung, insbesondere eine chemomecha­ nische Politur die Erscheinungsform aller Oberflächendefekte, die bereits vor der Bearbeitung vorhanden sind bzw. während dieser Bearbeitung erzeugt werden, beeinflußt, wird das Streu­ licht dieser Defekte unter zumindest zwei unterschiedlichen Winkeln detektiert. Bevorzugt werden die Steulichtuntersuchun­ gen an COPs durchgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Kontrolle bzw. Überwachung oder Optimierung der Oberflächenbearbeitung von Halbleiterscheiben beschränkt. Physikalische und chemische Pro­ zesse, welche die Form und damit das Lichtstreuverhalten von Objekten auf Oberflächen beeinflussen, beispielsweise Ätz- oder Beschichtungsverfahren an unterschiedlichem Material wie Si, GaAs, Glas oder Metall werden mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren kontrolliert. Das Verfahren kann demnach auch bei der Qualitätskontrolle von der CD- und Flat-Panels angewendet wer­ den.

Claims (2)

1. Verfahren zur Kontrolle einer mechanischen, chemischen oder chemomechanischen Oberflächenbearbeitung eines ebenen Werkstücks, insbesondere einer Halbleiter­ scheibe, mittels einer Streulichtuntersuchung unter zumindest zwei Detektionswinkeln an einzelnen Defekten und Vergleich der winkelabhängigen Signale, dadurch gekenn­ zeichnet, dass durch den Vergleich der winkelabhängigen Signale zwischen Crystal O­ riginated Particles (COPs) verschiedener Form unterschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der winkel­ abhängigen Signale mit der Qualität der mechanischen, chemischen oder chemome­ chanischen Oberflächenbearbeitung in Beziehung gesetzt wird.