JP2000111469A - 微粒子付着力測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工物である薄膜に付着した微粒子の付着
力を、直接的に測定する装置を提供する。 【解決手段】 薄膜チップ１の表面に付着した微粒子の
観察を行い、大きさから質量と位置を求める。次にパル
スレーザー光６を照射し、そのときのレーザー反射光４
の強度分布の変化を多分割型光検出器５で測定すること
により薄膜の位置変動を測定し、その測定結果からその
とき薄膜に生じた加速度を測定する。これによって各微
粒子にどの程度の力が加わったかを知ることができる。
パルスレーザー光６の照射後、もう一度薄膜チップ１表
面の微粒子の観察を行い、微粒子の除去の有無を観察す
る。微粒子が除去されていれば微粒子に加わった力が付
着力よりも大きく、残っていれば小さいことがわかる。
パルスレーザー光６の強さを変えて測定を行うことによ
り、付着力を測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体表面に付着し
た微粒子の付着力を評価する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造においては、その
加工のサイズは１μｍを下回っており、マイクロマシン
と呼ばれる分野ではミクロンオーダーの微細な構造物が
作製されている。これらの加工に使用される工程は微細
加工と呼ばれているが、微細加工においては、非常に小
さな異物（ゴミ）が存在しても問題となるため、異物を
完全に除去することが必要となる。

【０００３】微粒子を除去する際、その微粒子がどの程
度の付着力で付着しているのかを評価することが重要で
ある。それによって微粒子にどの程度の力を加えれば、
その微粒子を被加工物である薄膜から分離できるかを見
積もることができ、除去に必要な手法を探ることができ
る。直径50μｍを下回る小さな粒子では、分子間力や表
面吸着水によるキャピラリー力が吸着力として支配的で
ある。これらの力は静電気力などに較べて数桁大きな吸
着力を発生させるといわれており、吸着による物体表面
の変形なども含めて、吸着力の理論計算もなされてい
る。また、ＡＦＭなどを利用して付着力を直接計測する
試みもなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】先に述べたように、吸
着力については理論的な計算がなされているが、実際の
付着微粒子においては、その最表面の状態、形状、吸着
水の有無、あるいは吸着水の量、さらには界面における
汚れの有無、などによって付着力は変化し、計算によっ
て予想される付着力と実際の付着力は必ずしも一致しな
いと考えられるため、実際に付着力を測定することが望
まれている。

【０００５】付着力を実測する方法として、例えばＡＦ
Ｍのカンチレバーの先を微粒子と接触させ、フォースカ
ーブを測定することにより、微粒子とカンチレバー間の
付着力を測定するとともに、同様な方法でカンチレバー
と被加工物との付着力を測定し、これらの値から微粒子
と被加工物間の付着力を計算する方法がある。しかしな
がら、この方法においても、微粒子が実際に被加工物表
面に付着している状態で付着力を直接的に測定している
わけではないので、正確な付着力の測定は困難である。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、被加工物である薄膜に付着した微粒子の付着力
を、直接的に測定する装置を提供することを課題とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、薄膜上に付着した微粒子の付着力を測
定する装置であって、付着している微粒子の質量を測定
する質量測定装置と、薄膜の一部にパルスレーザー光を
照射するレーザー光照射装置と、薄膜の表面位置を検出
する表面位置検出装置と、検出された薄膜の位置の変動
から、微粒子が付着している位置の薄膜の加速度を検出
する加速度測定装置と、レーザー光照射後に微粒子が薄
膜に付着して残っているか薄膜から剥離したかを判別す
る微粒子残存検出装置とを有してなることを特徴とする
微粒子付着力測定装置（請求項１）である。

【０００８】本手段においては、質量測定装置により、
予め薄膜に付着した微粒子の質量を測定しておく。そし
て、レーザー光照射装置により、極短いパルス状のレー
ザー光を薄膜の一部に照射する。すると、レーザー光は
薄膜の極表面で吸収され、その部分だけが加熱されて熱
膨張する。これによって薄膜には歪が生じ、この歪が伝
搬していくため、薄膜には振動が励起される。パルスレ
ーザー光の持続時間が非常に短いので歪みは短時間で急
激に生じ、それによる振動の周波数は非常に高い。周波
数の高い振動における加速度は非常に大きく、表面に付
着した微粒子にもこの加速度が加わる。この加速度によ
って微粒子には「微粒子の質量×加速度」で表される力
が加わり、この力が付着力を上回れば微粒子は薄膜表面
から除去される。

【０００９】微粒子が薄膜上に付着したまま残っている
か、薄膜から剥離したかは、微粒子残存検出装置により
検出される。一方、薄膜の表面位置は表面位置検出装置
で測定され、表面位置の変動から、微粒子が付着してい
る位置の薄膜の加速度が加速度測定装置で測定される。
測定された加速度と、質量測定装置によって測定された
微粒子の質量から微粒子に作用した力が計算できる。

【００１０】本手段を実際に使用する場合には、、例え
ば、はじめに強度の弱いレーザー光を照射して、その結
果微粒子に作用した力を計算し、その力で微粒子が薄膜
表面から除去されたかどうかを測定する。そして、段階
的にレーザー光の強さを強めて行って、同様の測定を繰
り返せば、どの程度の力が作用したときに微粒子が薄膜
表面から除去されたかを知ることができ、微粒子の付着
力を測定することができる。

【００１１】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、表面位置検出装置が、レーザ
ー光を薄膜に照射し、その反射光の位置、強度分布の少
なくとも一方を観測することによって薄膜の表面位置を
検出するものであることを特徴とするもの（請求項２）
である。

【００１２】本手段においては、レーザー光を薄膜に照
射し、その反射光の位置、強度分布の少なくとも一方を
観測する。薄膜が振動すると、その反射光の位置や強度
分布が変化するので、逆に、反射光の位置や強度分布を
測定することにより、薄膜の振動状況を検出することが
でき、この測定データから薄膜の表面位置を検出するこ
とができる。この検出装置は、非接触、高感度で薄膜の
表面位置を検出することができ、かつ、非常に高速の応
答性を有するので、微少で高周波の振動を正確に検出す
ることができる。

【００１３】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段又は第２の手段であって、薄膜の近傍
に、気体又は液体の層流を形成したことを特徴とするも
の（請求項３）である。

【００１４】本手段においては、一度薄膜表面から離れ
た粒子は、気体又は液体の層流によって運び去られ、再
び薄膜表面に付着する可能性が少なくなる。よって、正
確な測定を行うことが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例
を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態
の例における装置の主要部を示す概要図である。図１に
おいて、１はシリコンウェハからなる薄膜チップ、２は
チップホルダー、３はレーザー照射光、４はレーザー反
射光、５は多分割型光検出器、６はパルスレーザー光で
ある。

【００１６】中央部が厚さ２μｍの薄膜状に加工された
薄膜チップ１がチップホルダ２に取り付けられている。
薄膜チップ１の薄膜状に加工された領域にはレーザー照
射光３が定常的に照射されており、薄膜表面で反射した
レーザー反射光４は多分割光検出器５に入射している。
多分割光検出器５は、例えば２次元ＣＣＤのように、反
射光の２次元的な強度分布を測定できる機能を有するも
のである。

【００１７】微粒子の付着力を測定する場合には、薄膜
チップ１の薄膜状に加工された部分の表面に微粒子が分
散され、薄膜チップ１の薄膜部分の一部に、パルスレー
ザー光６の照射が行われる。照射されたパルス光は薄膜
部分のごく表面で吸収され、その部分だけが加熱され、
膨張する。これによって膜には歪みが生じ、この歪みが
伝搬していくために薄膜には振動が励起される。パルス
レーザー光６の持続時間が非常に短いので歪みは短時間
で急激に生じ、それによる振動の周波数は非常に高い。
周波数の高い振動における加速度は非常に大きく、表面
に付着した微粒子にもこの加速度が加わる。この加速度
によって微粒子には「微粒子の質量×加速度」で表され
る力が加わり、この力が付着力を上回れば微粒子は薄膜
表面から除去される。

【００１８】図２に、一部分を薄膜状に加工したシリコ
ンウェハチップ上にアルミナ（Ａｌ ₂Ｏ₃）微粒子を分散
させたものに、KrＦエキシマレーザー光（λ＝248nm、
パルス幅＝約20ns、照射強度＝約100mＪ／cm²）を照射
したときの写真を示す。図２において、Ａは薄膜領域、
ＢはKrＦエキシマレーザー光（パルスレーザー光）の照
射領域を示す。

【００１９】写真で白く見られるものがアルミナ微粒子
である。パルスレーザー光を照射していないチップの表
面（左側写真）では、薄膜領域Ａの表面にも薄膜に加工
されていない領域と同様にアルミナ微粒子が分散してい
ることが観察できる。このように微粒子が分散した表面
にパルスレーザー光が照射されると、照射領域において
は一般に微粒子の除去効果が得られることが知られてい
る（特公平６−９５５１０号公報）。しかし、パルスレ
ーザー光を照射したチップの表面（右側写真）を見てみ
ると、パルスレーザー光照射領域Ｂは、図に示した通り
薄膜領域Ａに一部かかっているだけであるにもかかわら
ず、薄膜領域Ａ全域で微粒子が除去されていることがわ
かる。これはパルスレーザー光によって薄膜に励起され
た振動によって微粒子が除去されたことを示している。

【００２０】図１に示す装置では次のような解析方法に
より付着力の評価を行う。はじめにパルスレーザー光６
の照射前に、薄膜チップ１の表面に付着した微粒子の観
察を行い、大きさから質量と位置を求める。次にパルス
レーザー光６を照射し、そのときのレーザー反射光４の
強度分布の変化を多分割型光検出器５で測定することに
より薄膜の位置変動を測定し、その測定結果からそのと
き薄膜に生じた加速度を測定する。これによって各微粒
子にどの程度の力が加わったかを知ることができる。パ
ルスレーザー光６の照射後、もう一度薄膜チップ１表面
の微粒子の観察を行い、微粒子の除去の有無を観察す
る。微粒子が除去されていれば微粒子に加わった力が付
着力よりも大きく、残っていれば小さいことがわかる。
パルスレーザー光６の出力エネルギー、あるいは持続時
間を変えることで違った加速度での実験を行うことがで
きるので、どの程度の大きさの力が加わったときに除去
が起こるかを知ることができ、付着力を知ることができ
る。実際には、パルスレーザー光６の強度を段階的に強
めて行って、照射と観察を繰り返すことにより、付着力
を測定する。

【００２１】図３に、本発明の実施の形態の一例である
微粒子付着力測定装置の構成の概要を示す。図３におい
て、図１に示されたものと同じ構成要素には同じ符号を
付してその説明を省略する。図３において、７はレーザ
ー光源、８は密閉容器、９はレンズ、１０はアパーチャ
ー、１１はパルスレーザー光導入窓、１２は微粒子検出
装置、１３は搬送装置、１４はガス導入管である。

【００２２】中央部が厚さ２μｍの薄膜状に加工された
シリコンウェハからなる薄膜チップ１がチップホルダ２
に固定されている。チップホルダー２は、内部が乾燥窒
素で置換された密閉容器８の内部に配置されている。薄
膜チップ１の表面近傍に乾燥窒素の層流が形成されるよ
うに、ガス導入管１４から乾燥窒素の導入が行われてい
る。薄膜チップ１の一部には、密閉容器８に設けられた
導入窓１１を通ってＫｒＦエキシマレーザー装置（不図
示）からのパルスレーザー光６（パルス≒２０ｎｓ）が
照射できるようになっている。ＫｒＦエキシマレーザー
光の出射光の光路には、レンズ９とアパーチャ１０が配
置され、これらを調整することにより、照射面積を変え
ずに照射光の単位面積当たりの強度を変えることができ
るようになっている。

【００２３】薄膜チップ１表面には、パルスレーザー光
６の他にもう１つ別のレーザー照射光３が定常的に照射
されており、薄膜表面で反射したレーザー反射光４は多
分割型検出器５に入射する。薄膜の振動によって生ずる
検出面上での反射光の強度分布の変化を検出することに
よって薄膜の位置の変動を検出している。この情報は処
理装置（不図示）によって処理され、膜の表面に発生し
た加速度が算出される。密閉容器８には微粒子検出装置
１２が接続されており、薄膜チップ１をチップホルダー
２ごと、微粒子検出装置１２内に移動させることができ
る。

【００２４】微粒子測定装置１２内には、光源から発し
た光を集光して走査し、付着物によって散乱した光を検
出することによって微粒子の位置と大きさを検出するパ
ーティクルモニターが設けられ、これによって、付着物
の位置と大きさが検出されている。付着力が、微粒子の
大きさのみでなく形状の影響を受ける場合には、パーテ
ィクルモニターの代わりに光学顕微鏡や走査型電子顕微
鏡を設置使用し、これらにより、薄膜チップ１の表面を
観察し、その画像を画像処理することにより付着してい
る微粒子の形状と位置を測定する。このようにして、微
粒子の大きさ、形状が検出されると、これらから微粒子
の質量が測定できる。

【００２５】微粒子の付着力を評価する場合には、まず
薄膜表面に付着力を評価したい微粒子を分散させ、微粒
子検出装置１２によって微粒子の位置と大きさを評価
し、微粒子の大きさからその質量を求める。その後、パ
ルスレーザー光６を照射し、そのときの薄膜の振動を多
分割型光検出器５の出力を処理することにより測定す
る。これによって各微粒子の存在する位置における加速
度が測定され、これと先に測定した微粒子の質量から、
微粒子に生ずる力を算出することができる。パルス光照
射後、再び微粒子検出装置１２によって微粒子の位置と
大きさを評価すると、パルス光照射によって照射前に付
着していた微粒子のうち、どの粒子が除去されたかが分
かる。以上のような作業の後、照射前の微粒子を粒径に
よって区分し、各粒径ごとに除去された割合を解析す
る。

【００２６】この実施の形態においては、微粒子に働く
力は微粒子の質量、すなわち径の３乗に比例し、吸着力
も径にのみ依存していると考えられるので、粒径ごとに
除去の有無を評価する。この評価をパルス光のエネルギ
ーやパルス持続時間を変えて行えば、薄膜に発生する加
速度、すなわち微粒子に作用する力を変えた評価が行え
る。各粒径の微粒子ついて作用する力を変えた実験を行
えば、除去に至る力の大きさを知ることができ、各粒径
の付着力を知ることができる。なお、実際には接触部分
の形状がわずかに違うだけで吸着力が違うため、大きさ
が同じに見える粒子でも吸着力にばらつきが生じるが、
本装置では非常に多くの微粒子についての評価が容易に
行えるので、統計的にも非常に信頼性の高いデータを得
ることができる。

【００２７】この装置においては、薄膜チップ１の表面
近傍にガス導入管１４から乾燥窒素が供給されており、
表面付近には層流が形成されるようになっている。この
ため、一度薄膜チップ１の表面から離れた微粒子はこの
層流によって運び去られ、再び薄膜チップ１の表面に付
着する可能性は低く抑えられている。微粒子付着面を下
向きにすれば再付着の可能性をさらに低く抑えることが
できる。

【００２８】本実施の形態においては、ＫｒＦエキシマ
レーザー光を照射することによって薄膜部分に加速度を
生じさせているが、パルス光源はこれに限定されるもの
ではなく、薄膜を構成する物質によって強く吸収され、
充分な出力強度を持つものであればよい。

【００２９】また、本実施の形態においては乾燥窒素雰
囲気で測定を行っているが、密閉容器８内は、他の気体
を導入したり、湿度を制御して吸着水の量を変えたり、
真空状態に排気していてもよく、さらには水などの液体
を充填した状態でもよい。付着力を評価したい状態に近
い状態での測定が望ましい。また、その場合、供給され
る気体や液体とともに測定の障害となる微粒子が表面に
供給されることを防ぐために、供給装置は微粒子を取り
除くフィルターを備えていることが望ましい。

【００３０】本実施の形態ではシリコン薄膜の表面にお
ける付着力を測定しているが、薄膜の材質はこれに限定
するものではない。また、シリコン薄膜の表面に他の物
質の薄膜を形成することにより他の物質表面での付着力
の評価を行ってもよい。パルス光を入射した場合にはそ
の表面は瞬間的に加熱されるが、他の物質の膜を形成し
た面の側に入射するとシリコンとの熱膨張係数の違いに
より形成した膜の剥離が起こるのであれば、裏面から入
射して振動を励起することが好ましい。

【００３１】本実施の形態では薄膜の位置検出装置によ
ってパルス光の照射の度に薄膜に生じた加速度の計測を
行っているが、再現性が良ければ薄膜の振動は毎回計測
する必要はなく、下地となる薄膜の種類とレーザー光の
条件を変えた場合についてあらかじめ計測しておき、そ
れを利用してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明においては、予め薄膜に付着した微粒子
の質量を測定し、極短いパルス状のレーザー光を薄膜の
一部に照射して、そのときの薄膜の振動を求め、これら
から微粒子に加わった力を算出し、その力によって微粒
子が薄膜上から除去されたかどうかを検出することによ
り、微粒子の付着力を測定しているので、付着力を直接
的に測定することができる。

【００３３】請求項２に係る発明においては、非接触、
高感度で薄膜の表面位置を検出することができ、かつ、
非常に高速の応答性を有するので、微少で高周波の振動
を正確に検出することができる。

【００３４】請求項３に係る発明においては、一度薄膜
表面から離れた粒子は、気体又は液体の層流によって運
び去られ、再び薄膜表面に付着する可能性が少なくなる
ので、正確な測定を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の例における装置の主要部
を示す概要図である。

【図２】パルス光の照射によるメンブレン上の微粒子の
除去を示す図（写真）である。

【図３】本発明の実施の形態の一例である微粒子付着力
測定装置の構成の概要を示す図

【符号の説明】

１…薄膜チップ ２…チップホルダー ３…レーザー照射光 ４…レーザー反射光 ５…多分割型光検出器 ６…パルスレーザー光 ７…レーザー光源 ８…密閉容器 ９…レンズ １０…アパーチャー １１…パルスレーザー光導入窓 １２…微粒子検出装置 １３…搬送装置 １４…ガス導入管 Ａ…薄膜領域 Ｂ…パルスレーザー光照射領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F051 AA21 AB03 AC09 BA00 4M106 AA01 AA02 BA05 CA41 DH01 DH11 DH12 DH32 DJ02 DJ20 DJ40

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜上に付着した微粒子の付着力を測定
   する装置であって、付着している微粒子の質量を測定す
   る質量測定装置と、薄膜の一部にパルスレーザー光を照
   射するレーザー光照射装置と、薄膜の表面位置を検出す
   る表面位置検出装置と、検出された薄膜の位置の変動か
   ら、微粒子が付着している位置の薄膜の加速度を検出す
   る加速度測定装置と、レーザー光照射後に微粒子が薄膜
   に付着して残っているか薄膜から剥離したかを判別する
   微粒子残存検出装置とを有してなることを特徴とする微
   粒子付着力測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の微粒子付着力測定装置
   であって、表面位置検出装置が、レーザー光を薄膜に照
   射し、その反射光の位置、強度分布の少なくとも一方を
   観測することによって薄膜の表面位置を検出するもので
   あることを特徴とする微粒子付着力測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の微粒子付
   着力測定装置であって、薄膜の近傍に、気体又は液体の
   層流を形成したことを特徴とする微粒子付着力測定装
   置。