JP2008536104A - 検査システム及び装置 - Google Patents

Abstract

サンプルの表面上の欠陥又は汚染を識別する方法及び装置に関する。本システムは、振動形の接触電位差（ｖＣＰＤ）と非振動形の接触電位差（ｎｖＣＰＤ）との両方を用いて、表面全体の仕事関数の変化を検出するように動作する。本システムは、サンプルの全体にわたって仕事関数の変動を映像化するために、非振動形の接触電位差（ｎｖＣＰＤ）センサを利用する。データは、サンプルの表面の全体にわたって仕事関数（又は形状もしくは表面の電圧）の変化を示すために微分形式である。ｖＣＰＤプローブは、サンプルの表面上の特定の点の絶対的なＣＰＤデータを測定するために使用される。振動形及び非振動形のＣＰＤ測定モードを組み合わせることにより、サンプル全体の均一性を迅速にイメージングし、１つ以上の点において絶対的な仕事関数を検出することが可能になる。

Description

本発明は、半導体ウェハ及び集積回路（ＩＣ）などの他の材料及び検査の恩恵を受ける任意の表面を検査するための方法及びシステムに関する。これ以降、本願で説明される接触電位差イメージング装置のシステムによる表面検査を行うことができる材料は全体的に「ウェハ」と呼ぶ。さらに詳しくは、本発明は、振動形の接触電位差センサと組み合わせて非振動形の接触電位差センサを使用することによりウェハ面上の接触電位差トポロジーのイメージング及び視覚化により微視的及び巨視的に欠陥を特徴付けるための方法及びシステムに関する。

半導体及び他の表面欠陥管理装置に関しては、絶対的な期間の中でまた資本設備投資の割合の両方で成長している数十億ドルの世界市場が存在する。例えば、一般に、所定のユーティライゼイション・レベル、すなわち処理能力及び生産高において半導体の製造設備の経済性を決定する２つの要因がある。３００ｍｍの半導体ウェハ、銅の相互接続体、及び機構（回路）寸法を小型化することなどの複雑で新しい技術が製造における誤差限界を絶えず低下してきたため、新しい検査技術は生産高を高く維持するため、また損益の経済性を魅力的にしておくために重要である。化学薬品の汚染及び他の種類の不具合を検出及び除去することは、半導体の製造業者及び装置の供給業者にとって絶えない関心事である。汚染は、処理用化学薬品及び処理装置を使用すること、及び取扱い技術が劣っていることから生じることがある。汚染には、例えば、金属、炭素、及び有機化合物が含まれる。他の種類の欠陥は、半導体結晶の傷、不適切な処理、不適切な取扱い、及び欠陥材料を含む広範な原因から発生する。さらに、これに限定されることはないが、多くの洗浄工程が半導体産業などのウェハの製造において必要とされる。各工程は時間がかかり、また特別な廃棄手順が欠かせない高価な化学薬品を必要とする。これらの処理を監視及び制御するための現行の方法は、高価で時間がかかる。結果として、ウェハは必要以上の化学薬品を使用して、長時間洗浄されることが多い。

半導体ウェハ産業の例を続けると、汚染及び化学薬品の残留物が半導体の製造において歩留まりを減少させる２つの主な原因である。ウェハの洗浄度は、最小の形状が９０ｎｍより小さくなるにつれてますます重要になっている。この場合、吸着層と有機汚染物質の厚さは、装置における機能性フィルムの処理許容値と同じ程度である。汚染は有機物であろうと金属であろうと、有効範囲が貧弱なこと、空格子点、ボイド、漏洩、短絡、及びオーバーバーデンなどの処理の変動及び不具合を引き起こすことがある。例えば、ウェハ表面上の少量の金属汚染はバルク半導体に拡散して、金属汚染が半導体基板内の電子とホールとの再結合を支援するため、バルクの少数キャリアの寿命を減少させる。汚染を減らすと共に残留物を最小限に抑えることは、半導体ウェハの製造において歩留まりを増加させる重要な要因である。

半導体ウェハ産業におけるような欠陥検出及び特徴付けシステムは通常、インライン及びオフラインのシステムに分けることができる。「インライン」は、ウェハが処理されるクリーンルームの内部で発生する検査及び測定のことを指す。「オフライン」は、ウェハを処理するクリーンルームの外部、すなわち多くの場合、製造場所からいくらか離れて配置された研究室又は離れたクリーンルームの中で行われる分析のことを指す。その他に、これらの分析技術の多くは破壊的であり、これは生産したウェハを犠牲にすること又は分析用の高価な「モニタ」ウェハを使用することのいずれかを必要とする。インラインの検査及び測定は、これらの種類の製造工程では周期的に起こる可能性がある問題を迅速に確認及び訂正するために極めて重要である。標準的な半導体ウェハは、５００以上の別個の工程段階を受けて、完成するまでに数週間必要とすることがある。各半導体ウェハは、完成品の値が最大１００，０００ドルもするものがある。ウェハの製造に含まれる工程の数及び時間が非常に大きいため、工程内にはかなりの仕事がどの時点でも存在する。工程関連の欠陥を発見し、そして多数のウェハ（及びドル価値）が影響される直前までに訂正することが重要である。ウェハ、半導体、ＩＣ、又は他の装置の性質に関係なく、そのような欠陥は性能にとって有害であり、また生産性と採算性を低下させる。

多くの種類の欠陥及び汚染は、現行のインラインのツールを用いて検出することはできない。これらは一般に、Total Reflectance X-ray Fluorescence (TXRF)、Vapor Phase Decomposition Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (VPD ICP-MS) 又は Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)などの高価で時間がかかる「オフライン」技術（後述する）を用いて検出及び分析する。これらの技術はオフライン（ウェハを処理するために使用されるクリーンルームの外）で使用され、汚染の原因となる工程段階の後、通常は数時間又はさらに数日要することもあるため、それらの値は著しく制限される。

ウェハの検査及び化学薬品の汚染検出に関する幾つかの周知の技術についての短い説明が、表１に示されている。幾つかの種類の半導体分析又は特徴付けに対して、又は他の種類の材料の他の表面検査に対して使用される技術の数は非常に多いので、このリストはある意味では完全なものではない。

表２は、それぞれの例の技術の幾つかの主な利点及び欠点を要約している。一般に、オフライン検出技術は、僅かな量の汚染に対して極めて敏感であるが、そのような技術は動作が遅く、高価であり、かつ操作が複雑である。幾つかの技術は限定された又は限定されないイメージング又は表面マッピング能力を有するか、又は本質的に破壊的である。インライン技術はより高速で非破壊的であり、また欠陥のマッピングを行うが、化学薬品の汚染の検出又は分析能力が限定されている。

ある種の汚染物及び残留物は、光学又は分析測定ツールを用いて検出することができる。光学検査システムは、ウェハ生産のインライン検査に対して多くの場合十分早い。しかしながら、これらのツールは、少量の光学的に不可視の汚染物質、非均一なフィルム、化学的な汚染物質、又は化学的性質の変化量を検出するように適合されていない。ＴＸＲＦ又はＴＯＦ−ＳＩＭＳなどの分析ツールは、ウェハ表面の化学物質に関して豊富な情報を提供するが、高価であり、極めて遅く、破壊的であり、また全ウェハ表面に関する情報を提供しない。ウェハを処理する間に汚染を効率的に検出及び制御するためには、ウェハ表面上の微細な化学的な変化を検出するための高速、インラインかつ非破壊的な方法を必要とする。前述した化学的な分析方法は、このような要求の厳しいインライン材料の処理条件のもとでは動作できない。この能力は、汚染を検出するために必要な時間を最小にすることによって費用節約をもたらし、これによりスクラップの費用又は装置に対する信頼性の減少に影響されまた関連付けられたウェハの数が減少される。

一般に、現行のインライン形ウェハ検査ツールは生産速度で動作して、欠陥を識別し捜し出すように処理されるウェハ表面の画像を発生する。しかしながら、これらの技術は、前述したように、化学薬品の汚染を検出する能力が極めて限定されている。レーザ後方散乱システムは、サブミクロン以下の寸法の粒子を検出することに限定され、光学顕微鏡検査システムは、目に見える汚れ又は残留物を招くような化学薬品の汚染のみしか検出できない。両方の技術は、粒子又は汚染の化学成分を識別又は分類する能力に欠けている。オフラインの研究室の技術を使用して、新しい処理及び装置の洗浄度に資格を与えるか、又はインライン装置によって又は故障解析の一部として検出された欠陥を分析する。

調査された別のシステムは、接触電位差（ＣＰＤ）イメージング法を使用することである。ＣＰＤは２つの異なる材料の間の電気接点と、それぞれの最大電子エネルギーレベル、すなわちそれぞれのフェルミ・エネルギーにおける差の結果として生ずる電界とを参照する。２つの金属が接触して配置されると、それぞれのフェルミ・エネルギーは、金属からの電子の流れによって高いフェルミ・エネルギーに対して低いフェルミ・エネルギーに釣り合わされる。「振動形ＣＰＤセンサ」は、平行板コンデンサシステムの中で１つの金属の他の金属に対する振動を参照する。振動により経時的に静電容量の変化が引き起こされるため、表面プロフィールに関連した信号が生成される。非振動形接触電位差（ｎｖＣＰＤ）センサを使用することにより、ＣＰＤ信号を基準サンプルを通る１つの面の平行移動によって発生することもできる。この変換により、高速のスキャニングが可能にされる。

しかしながら、これらのｎｖＣＰＤセンサでさえ、幾つかの問題点がある。顕微鏡のレベルでは、ウェハの表面は、ウェハの厚さの変動、表面上の物質、「ボーイング」、及び他の要因のために平坦ではない。接近しているが安全な距離（すなわち、良好な信号強度を強めるために表面に接近するが、ウェハ表面と衝突するどのような可能性もできるだけ少なくするような十分離れた距離）でウェハをスキャンするために、適切なセンサの高さを計算し設定する必要がある。このため、反復可能な結果作るために、ウェハ表面上のセンサの高さを測定及び制御する必要がある。さらに、高さを制御することも、分解能及び信号強度を高めるようにセンサの高さを最小にするために必要である。しかしながら、各特定のウェハ上を測定するために適当な高さになるように高さを制御及び測定することは難しい。

ウェハ表面上のｎｖＣＰＤセンサの高さを制御するために、多くの市販の高さセンサの１つを使用することができる。このことは、別個の高さセンサによって作られた測定値に対してｎｖＣＰＤセンサのチップの位置を決定するために、追加のセンサの費用やキャリブレーション・ルーチンに対する余分な複雑性が必要とされる。

関連した問題は、ｎｖＣＰＤのスキャンに関連した高さを含む全ての距離測定に対する基準点を確立することが難しいことである。基準点は、画像を作るための有用な測定データを作る上で必要である。

ｎｖＣＰＤセンサなどの幾つかのセンサシステムでは、鋭いピーク信号を他の２つの信号成分（低周波数信号及び誘導ノイズ信号）から分離して、ウェハの汚染領域を位置決め及び測定することが必要である。鋭いピーク信号はノイズのように挙動するため、すなわち、それは極性を高い周波数モードで交番する鋭いピークを含むため、これは難しい処理である。このため、周波数領域のみに基づいた従来の高周波フィルタは、ノイズと共に鋭いピーク信号を著しく劣化するため適当でない。

さらに、ｎｖＣＰＤ信号は一般に時間的に遅延され、これはｎｖＣＰＤの信号／画像の品質に影響する。サンプリング時間が増加するにつれて、時間遅延はますます大きくなる。この時間遅延は、プローブのチップから増幅器、データ収集基板及びそれらの間の接続線を通ってＡ／Ｄ変換器の出力部までの電気的な信号経路をモデル化する等価のＲＣ回路によって説明することができる。等価の静電容量は、プローブとウェハ表面との間の静電容量、接続線の寄生容量、増幅器の内部静電容量、及び他の既知の従来の効果と混合される。この結果は、極めて小さい特徴信号は検出不可能になり、信号の大きさ従って信号対ノイズ比は小さくなる。

さらに、ウェハの形状的な機構は化学的な機構からの信号と比較すると弱い信号を発生することが多い。化学的な機構に対する形状的な機構の有用性は、画像化の用途の特定の環境に依存して変化することが多いので、形状的な機構を示す信号を増幅できる、又は化学的な機構を示す信号を分離、重ね合わせ、減少又は除去できるという要求が存在する。

その上、多くの異なる種類のイメージングシステムは現在、プローブ装置に関連した半導体ウェハなどのサンプル材料を回転するためのチャックに依存している。これらの現在の設計は、サンプルの表面を一定の回転速度でスキャンする。この場合プローブは、一定のサンプリング速度で円周のデータトラックを追うことによってウェハをスキャンする。回転速度及びサンプリング速度が一定のため、各サンプルの角度分離がウェハ表面の全体にわたって一定になることは明らかである。しかしながら、デカルト座標のデータの実際の物理的な間隔は、スキャンされるトラックの半径と共に変化する。さらに、センサ内に生成される電流の量は、サンプルするプローブの相対速度と線形の関係がある。この場合、サンプルのプローブに対する実際の相対速度は、収集されるデータのトラックの半径に関連付けられるため、サンプルが一定の回転速度でスキャンされる場合、それは一定ではない。このため、外側の半径のサンプルに対してより大きな値の信号が得られ、中心に向かって信号を低下させる。これにより結果として、データ密度がほぼ一定のレベルに維持される場合よりも高い信号対雑音比が得られる。

さらに、現在の検査システムの全体的な精度、速度、及び効率を向上させるという要求が存在する。現在のシステムは、より効率的で高速な態様で広い範囲の種々の製品を試験する方法を提供するという産業界からの増大する要求に適合していない。

現在の検査システムの速度と効率を全体的に向上させるというシステムに対する要求に加えて、点欠陥すなわちウェハのある領域に発生する欠陥と、ウェハ全体の欠陥すなわちウェハ全体にわたって一様に発生する欠陥との両方を検出できるシステムを提供するという要求が存在する。

ｎｖＣＰＤセンサの欠点に取り組む改良されたスキャニング装置に対する要求も存在する。親出願の中で説明された幾つかの実施形態のようなｎｖＣＰＤシステムに基づいた検出システムは、ウェハ全体にわたって発生する均一な欠陥を検出することが困難である。さらに、ｎｖＣＰＤシステムは、相対的なＣＰＤデータを提供することには優れているが、表面の点の絶対的なＣＰＤを測定することはできない。そのような情報は、欠陥の測定及び識別だけでなく、サンプルの表面の材料を識別するために有用である。

ウェハ全体の汚染は、比較的共通の問題である。この種の１つの共通の欠陥は、ウェハ上のどこに化学層又は要素層が均一に蒸着されているかであり、蒸着が意図されていない場所又は意図された層以外の別の層のいずれかが利用される。逆に、蒸着が必要な酸化被膜が蒸着されていないような、利用されることが意図された全体の層が欠けたウェハが作られる。これらは両方とも、また特に最後のものは、ウェハのインライン検査に対して明確で困難な課題を提供する。現在のところ、前述したようなオフラインの破壊的技術は、この範疇の欠陥を検出するために必要とされる。

例えば、製造業者は潤滑の機能を行うために、極めて薄い（３０ナノメータの程度）オルガノシランの膜をウェハ表面に加える。光学検査ツールは、この微量な材料を検出できない。産業界はこの問題に具体的に取り組むためには、難解で時間のかかる試験を採用する必要がある。従って、ウェハが蒸着された層を持っているかどうかを決定し、持っている場合は、その層の厚さが均一かどうかを決定するという要求が存在する。

現在の検査装置が失敗する別の応用例には、ウェハ又は他の電子装置の表面から薄膜を取り去ることが含まれる。例えば、フォトレジスト層をウェハから取り除くことが時には望ましいことがある。現在のシステムは、フォトレジストの薄膜が取り除かれているかどうかを効率的に決定できない。薄膜の有無を検出できると同時に、表面の欠陥に関する情報を提供する技術に関する要求が存在する。

改良された検査システムを求めるさらに別の産業界の応用例には、「ウィットネス・ウェハ（witness wafer）」を使用することが含まれる。このウィットネス・ウェハは、半導体製造のクリーンルーム内の空気の品質をモニタするために使用される。ウィットネス・ウェハは、ある期間環境の中に露出されたままにされ、この間に空中に存在する揮発性の有機化合物がウェハ表面に付着する。ウィットネス・ウェハを評価するために使用される分析技術は、遅くかつウェハをスポット検査することしかできない。表面全体の欠陥検査を行うことができ、揮発性の有機物が付着した層を検査できる検査方法が必要とされる。

製造する立場からすると、汚染が均一の１つの共通の実施例では、汚染された溶液又は沈殿物チャンバを使用する必要がある。これは例えば、ウェハが汚染された溶液の中に置かれる場合（例えば、クリーニング又はめっきを行う場合）、又は汚染された沈殿物チャンバの中に置かれる場合（物理蒸着法（ＰＶＤ）又は化学蒸着法（ＣＶＤ）など）に当てはまる。この場合、汚染はウェハ全体にわたって均一になる。このため、表面上の変化を検出する処理（例えば、ｎｖＣＰＤ及び光学的な方法）は、これらの欠陥を検出しない。

従って、ウェハ又は他の材料上に完全に又はほぼ完全に失われた又は加えられた層の有無を含む、サンプル上（及び電子装置又は化学装置の最終的な性能に影響する任意の表面上）の比較的少量の化学的な内容物又は特徴及び物理的な特徴を、高速で、安価、かつ効果的に検出、位置決め、及び分類を行う手段に対する極めて強い要求が存在する。高さ制御などのセンサ制御機構の費用及び複雑性を最小にするシステムに対する要求も存在する。さらに、改良された信号処理を有する方法及びシステムに対する要求が存在する。

本発明は、高速で安価であり、材料上の比較的少量の化学的な内容物及び物理的な特徴を検出、位置決め、及び分類する手段を有すると同時に、センサ制御機構の複雑性を最小にして信号処理を改良することができる検査システムを提供する。これらの材料には、半導体ウェハ、集積回路素子、液晶表示パネル、又はこのような検査から恩恵を受ける任意の材料が含まれる。

１つの実施形態では、本発明は、サンプルの表面に存在する欠陥を識別するための分析方法に関する。欠陥を分析するためのスキャニングシステムを含む、インラインサンプル用処理システムが提供される。サンプルは、スキャニングシステムのサンプルステージ上に保持される。ＣＰＤセンサと通信する位置決め機構が設けられている。このＣＰＤセンサは、振動形接触電位差センサモード（ｖＣＰＤ）及び非振動形接触電位差センサモード（ｎｖＣＰＤ）を有する。ｎｖＣＰＤモードでは、ＣＰＤ電位差センサは位置決め機構を介してサンプルステージに対して配置することができ、またＣＰＤセンサはインラインサンプル用処理システムの中に配置される。ＣＰＤセンサはｎｖＣＰＤモードの中で、相対運動を介してサンプルを連続的にスキャンして、相対的なＣＰＤデータを発生する。この相対的なＣＰＤデータは、ＣＰＤセンサに関連したサンプル表面のトラックに沿った相対的な接触電位差を表す。相対的なＣＰＤデータは、サンプル表面を表すＣＰＤデータを形成するために組み立てられる。少なくとも１つの点が、絶対的なＣＰＤを測定するためにサンプル表面上で識別される。ＣＰＤセンサはｖＣＰＤモードではこの点の上に配置され、その点に対する絶対的なＣＰＤデータが生成される。

別の態様では、本発明は、サンプルをインライン処理するためのシステムに関係する。このシステムは、サンプル上の少なくとも１つの汚染物質又は非均一性を識別するためにサンプル・スキャニング・システムを備えている。サンプルと共に回転し連動することができるスキャニングシステムの半導体のサンプルステージが、サンプルを受け入れるために設けられている。このシステムは、ｎｖＣＰＤプローブ及びｖＣＰＤプローブを含むＣＰＤセンサシステムをさらに備えている。このＣＰＤセンサシステムは位置決め組立体と通信して、これによりウェハ用のサンプルステージに保持されたサンプルに対して位置決めが可能にされる。ｎｖＣＰＤプローブは、ｎｖＣＰＤとサンプルとの相対的な動きによって生成されるＣＰＤ内の変化に応答するウェハ上の汚染物質の特性を示す相対的な接触電位差信号を作るように適合されている。ｖＣＰＤプローブは、半導体ウェハ上の汚染物質の特性を示す絶対的な接触電位差信号を作るように適合されている。この信号は、プローブを振動することによって生成される。信号の振幅は、ＣＰＤに関係する。振動によりＣＰＤの変化が生ずるのではなく、プローブと表面との間の静電容量の変化が発生する。コンピュータシステムがＣＰＤセンサシステムと通信するように設けられて、相対的なＣＰＤデータ及び絶対的なＣＰＤデータがプローブによってコンピュータに出力される。このデータを使用して、化学的な汚染物質とそれらのウェハ上の空間分布の特性を示す視画像を生成する。

さらに別の態様では、サンプルの表面を検査するための方法に関する。この方法では、サンプルのほぼ全面に対する接触電位差のデータが、ｎｖＣＰＤデータとｖＣＰＤデータとの組合せを用いて得られる。サンプルの表面がＣＰＤセンサシステムのｎｖＣＰＤモードで連続的にスキャンされ、ＣＰＤシステムから相対的なＣＰＤデータが発生する。この相対的なＣＰＤデータは、サンプル表面の相対的なＣＰＤを示す。ＣＰＤセンサシステムは、ｖＣＰＤモードではサンプル表面上の点に位置付けられて、その点に関する絶対的なＣＰＤデータが測定される。次に、サンプル表面に対する絶対的なＣＰＤが、その点の絶対的なＣＰＤデータとサンプルの相対的なＣＰＤデータとに基づいて決定される。

接触電位差センサは本願で説明される本発明の重要な部分であるため、発明者らは仕事関数に関係するセンサの動作の基礎を最初に説明する。電子伝導体の仕事関数は、電子を伝導体の内部から表面の外側（イメージ電荷領域を超える）の非干渉点に移動するために必要な最大の仕事量として定義される。仕事関数は材料表面の基本的な特性であるため、広範な表面現象にとって興味を起こさせるものである。特定の材料の仕事関数は、汚染物質又はコーティングがある場合は（又はない場合は）変化する。これらの変化を使用して、表面の洗浄度、コーティングの均一性又は厚さ、及び表面の状態に関する他の情報を決定することができる。仕事関数の測定は、半導体のドーピング、有機半導体、有機単一層（organic monolayer）、表面の反応性（surface reactivity）、生物学的なシステム、不均一触媒作用（heterogeneous catalysis）、及び腐食の研究に有用である。

表面の仕事関数は一般に、振動形ケルビン・プローブを用いて測定される。振動形ケルビン・プローブは、接触電位差（ＣＰＤ）を測定することによって動作する。この接触電位差は、２つの材料が電気的に接続されると異なる仕事関数により２つの材料の間に形成される電位である。このため、振動形ケルビン・プローブは、振動形接触電位差（ｖＣＰＤ）プローブ又はセンサとも呼ばれる。仕事関数及びフェルミ準位が異なる２つの別個の金属が、接近しているが接触しない位置に配置される。次に、２つの金属が電気的に接続されると、電子は仕事関数が小さい材料（Φ₁）から仕事関数が大きい材料（Φ₂）に流れて、２つの金属に電荷が蓄積され、そしてそれらの間に電界が形成される。電位はＣＰＤと名付けられ、仕事関数の差に比例する。形成される電荷量は、２つの金属間の静電容量とそれらのＣＰＤとの積に等しい。ｖＣＰＤプローブは、既知の仕事関数のプローブと未知の仕事関数の表面との間のＣＰＤを測定する動作を行う。測定される表面の上で、プローブを振動することができる。この振動により、２つの材料の間の静電容量に周期的な変動が発生し、これは結果として時間的に変動する電流をプローブに発生する。この電流が測定され、反対の電圧をプローブ又は表面に加えることによって廃棄される。バッキング電位（backing potential）として周知のこの電圧は、２つの材料の間のＣＰＤに等しい場合は結果としてゼロ電流を発生する。

ｖＣＰＤプローブは、広範な応用例において使用されている。これらの応用例には、誘電体層の厚さ及び誘電体層の内部の汚染物質の測定が含まれる。そのようなプローブを使用して、表面全体にわたる仕事関数の変動のイメージを形成することはできるが、プローブを振動させてバッキング電位を調整するという要求は、結果としてデータ収集速度を限定するため、これはサイクルタイムが高速で、分解能が高いイメージングの分野には適合しない。

非振動形接触電位差（ｎｖＣＰＤ）測定技術は、従来のｖＣＰＤプローブ方法の重要な改良である。プローブを振動する代わりに、このｎｖＣＰＤセンサは、プローブをサンプルの表面に対して平行移動することによって仕事関数の変動を検出する。表面にわたる仕事関数の変動により、結果としてプローブと表面との間のＣＰＤ及び関連する電圧の変動がもたらされる。これらの電圧の変動により、増幅及びサンプリングすることができる小さな電流がプローブに発生する。振動の代わりに平行移動を使用することにより、データ収集速度に飛躍的な改良が生じる。ｖＣＰＤプローブは一般に秒当たり最大数サンプルのデータを得るのに対して、ｎｖＣＰＤプローブは秒当たり数百万サンプルのデータを得ることができ、これにより高速のイメージング用途に好適な方法になる。実際は、プローブとウェハの表面との間の早い相対運動により、信号強度が増加される（増幅器の帯域幅の限界内で）。ｎｖＣＰＤセンサのスキャニング速度が増加されたことは、半導体を製造する間の汚染を検出するためのインラインツールとして使用するために重要である。ｎｖＣＰＤセンサが相対的なＣＰＤデータを発生するのに対して、ｖＣＰＤセンサは絶対的なＣＰＤデータを発生する。

振動形及び非振動形のＣＣＤセンサは両方とも、センサのプローブと測定される表面とでコンデンサを形成する。コンデンサを充電するための周知の公式は、簡潔に下記のようになる。
Ｑ＝ＣＶ
ここで、Ｑは電荷、Ｃは静電容量及びＶは電圧である。コンデンサに流れる電流ｉは、下記のように前の式を微分することによって得られる。

両方の振動形及び非振動形のセンサに関して、コンデンサに加わる電圧は、プローブと表面との間の仕事関数における差から生ずるＣＰＤである。しかしながら、振動形プローブは、振動する間に電流をゼロにするバッキング電圧を加えることによってＣＰＤを決定する。結果として生ずるバッキング電圧は、振幅はＣＰＤに等しく、符号は逆である。

Ｖ_b＝−Ｖ_cpdの場合ｉ＝０

しかしながら、非振動形プローブは、プローブを表面に対して移動する間にコンデンサに加わる電圧の変化を検出する。表面が比較的円滑で、かつプローブと表面との間の間隙が比較的一定の場合は、静電容量は一定であり、結果として生ずるプローブに流れる電流は下記の式によって与えられる。

ここで、ｖはプローブと下側の表面の相対速度であり、ｄｘは相対位置の変化を表す。ＣＰＤがどのように変化しても、プローブへ流れる電流が発生する。プローブの仕事関数が固定されるため、プローブ信号は表面の全体にわたって仕事関数の変動に比例する。

本発明の好ましい実施形態は、ｎｖＣＰＤセンサの使用方法を改良することに関する。特に、図１は、ｎｖＣＰＤスキャニングシステム１０の１つの好ましい形態の構成要素及び動作に関する機能ブロックのフローチャートを例示している。ｎｖＣＰＤセンサ１２（図２を参照のこと）は、互いに近接された２つの異種の材料の間に発生した電圧である接触電位差の現象に基づいている。この概念の説明図は、図２で見ることができる。ウェハ用スキャニングシステム１０の場合は、センサのチップ１３は第１のプレート１４を形成し、ウェハ表面１６を有するウェハ１５は第２のプレート１８を形成する（図２を参照のこと）。第１のプレート１４のプローブのチップ面２０は仕事関数が固定した導電性材料で作られている。この固定した仕事関数一般に、固体のフェルミ準位とその固体の外側の空間の自由エネルギーとの間のエネルギーの差であり、金属の場合は表面の直ぐ外側の電子のイメージ電位を含む。第２のプレート１８のウェハ表面１６の仕事関数は、半導体のウェハ表面１６の凹凸又はウェハ表面１６に付着した汚染物質若しくは他の材料のために変化することがある。第１のプレート１４と第２のプレート１８が電気的に接続されると、それぞれの表面のフェルミ準位は平衡になり、それらの間に電界を形成する。センサのチップ１３の仕事関数が固定している場合は、電界の大きさは第１のプレート１４と第２のプレート１８との間の距離、第１のプレート１４と第２のプレート１８との間の相対的な誘電率、及びウェハ表面１６の仕事関数に関係する。実際には、第１のプレート１４と第２のプレート１８は急速に平衡するため、ほとんど測定することはできない。測定することができる電流フローを提供するために、センサのチップ１３はウェハ表面１６に対して何らかの動きを行う必要がある。１つの実施形態では、ｎｖＣＰＤセンサ１２はほぼ固定した距離で表面上を移動されて、ウェハ表面１６の変動が電流の流れを生じさせる。

この概念の説明図は、図３で見ることができる。このｎｖＣＰＤセンサ１２からの電流フローは、下記の式によってモデル化することができる。

ここで、Ｃ及びＶは、下記のように定義される。

さらに、ε_oは自由空間の誘電率、ε_rは相対的な誘電定数、Ａはプローブのチップの面積、ｄはセンサのチップ１３とウェハ１５との間の距離、Φは各表面の仕事関数、そしてｅは電子の電荷である。Ｖの項は、ｎｖＣＰＤセンサ１２とウェハ１５との間の表面電位の差として説明することもできる。さらに、ウェハ表面１６の表面電位は、欠陥により変わることがある。全体的な表面電位は下側の材料の仕事関数に関係するが、ウェハ表面１６上の材料の吸着層によっても影響されることもある。材料のサブ・モノレーヤ（mono-layer）でさえ、表面電位に大きく影響することが知られている。

は、ウェハ表面１６上の仕事関数の変化に関係する。この項の大きさがウェハ表面１６上の仕事関数の相対的な変化と、ｎｖＣＣＤセンサ１２がウェハ表面１６上を移動する相対速度とに関係することが分かる。これから生じた信号の説明は、図４で見ることができる。このように、本発明の原理に基づいたシステムは、三次元のイメージを発生することができるけれども、一次元の信号と二次元のイメージとを発生することができる。

多くの欠陥が、ウェハ（又は他の材料の表面）の仕事関数又は全体的な表面電位における変動として自身を表すことができる。ウェハ表面及び下側の材料の化学的及び物理的（すなわち、幾何学的）な両方の特徴は、ウェハ表面上の特定の部分又は１点の仕事関数に影響を与えることがある。このため、これらの特徴は、本発明の原理に基づいたセンサによって検出することができる。例えば、ウェハ１５内の半導体のドーパント濃度における変動は、固有の仕事関数を変化させる。さらに、限定されることはないが銅などのウェハ１５に拡散する他の材料は、仕事関数に変動をもたらすことがある。半導体材料（又は測定の影響を受けやすい他の材料）自身の内部の、転位の積み重ね、ひび割れ、及び擦り傷などの機械的な現象は、局部応力を発生して局所的な指数関数を変化させる。さらに、原子又は分子の汚染物質の吸着層は、サブ・モノレーヤのレベルでさえ、感知できるほどの表面電位の変動を発生する。周りのウェハ材料以外の表面電位差を有してウェハ１６上に付着した粒子も信号を作る。ウェハの製造工程で一般に使用される化学物質の層は、ウェハの表面電位に影響する。例えば、残留したＣＭＰスラリー又はフォトレジストは、本発明のｎｖＣＰＤセンサ１２が検出可能な局所的な表面電位の変動を引き起こす。そのような欠陥及び化学的な性質は、変動をウェハ表面で検査できる特有の痕跡と関連付けた。

は、ｎｖＣＰＤセンサ１２とウェハ１５との間の間隙の変化、又は相対的な誘電定数の変動に関係する。ウェハ表面１６内の幾何学的な不完全度又はウェハ表面１６上の粒子はこの成分の中に現れる。また、その微分の性質のために、ｎｖＣＰＤセンサ１２のウェハ１５に対する相対速度が増加するにつれて、この成分の大きさも増加する。

前述したように、物理的すなわち幾何学的な態様及び欠陥は、本発明の原理に基づいたシステムを用いてイメージを作ることができる。ウェハ欠陥の多くの部類は、ウェハ表面１６内の幾何学的な変化として現れる。ウェハ１５自身の中の表面のひび割れ、擦り傷、及び腐食した溝は、このような欠陥の限定されない例であり、ウェハ表面内の幾何学的な変化及び仕事関数の中で付随する変化をもたらす。さらに、ウェハ１５に付着した粒子はまた、プローブのセンサチップ１３に対する距離の局所的な変化として現れる。

ウェハ１５上の誘電体フィルムの変動も検出できる。実施例は、シリコン基板（すなわち、ＳｉＯ、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ₃、ＳｉＯ₄）上で成長した酸化物状態の変動を検出することである。さらに、一般にウェハに付着した他の非導電材料の誘電体の変動も検出できる。

多くの特徴が、幾何学的な変化と化学的な変化との組合せとして現れることにも注意されたい。例えば、下側のウェハ１５以外の異なる材料のウェハ１５に付着した粒子は、材料の表面特性に変動をもたらすことがある。また、表面のひび割れが、局所的な仕事関数の変動をもたらす応力を引き起こすこともある。

図５では、欠陥や汚染に対してウェハ１５をスキャンするためにｎｖＣＰＤセンサ１２を適用するシステム１０の１つの形態を概略的に示している。図８Ａ及び図８Ｂも、２つのシステム１０の別の動作する実施形態のより詳細な図面を例示している。図５のシステム１０は、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決めシステム２６、回転ウェハステージ２８、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３２が付いた高速データ収集システム３０、及びＰＣ３２が実行する制御ソフトウェア３２を備えている。

図８Ａにより詳細に示されているように、１つの実施形態では、ウェハ１５は、ウェハ端部のクランプ取付具５６を用いて、回転スピンドルすなわちチャック５４に取り付けられている（図１を参照）。好ましい実施形態では、真空クランピング機構が、サンプルステージと共に使用される。センサ位置決めシステム５０は、ウェハ１５から固定した距離に配置されたｎｖＣＰＤセンサ５２を備えており、このウェハ１５はスピンドル５４に取り付けられている。次に、ウェハ１５（図２に図示せず）は高速で回転され、ｎｖＣＰＤセンサ５２は半径方向に平行移動されて、円周トラックでデータを収集する。図９に概略的に示されたスキャニング手順は、数秒から数分の間続くが、これはスキャントラックの数、スピンドル５４の速度、及びセンサ位置決めシステム５２の速度に依存する。データのトラックが次に統合されて、ＣＰＤイメージを形成する。これらのＣＰＤイメージにより化学的及び幾何学的な欠陥の可視化が可能にされるため、ウェハ表面上に存在する欠陥の種類を分類することができる。これらのＣＰＤイメージの幾つかの実施例は、同じウェハの光学イメージと比較した１００ｍｍウェハから得られたものであり、図１０Ａ〜図１５で見ることができる（下記の実施例１を参照のこと）。本発明は、図２１Ａに示すように、１原子層の厚さのパターンのイメージマップを発生することができる。図２１Ｂは、ウェハがプローブに対して回転され、これによりウェハ表面の欠陥及び特徴の上を通過するときの信号強度を例示している。図２１Ｃに示すように、本発明は、実際に、単一の完全な原子層より小さい密度でスパッタされた金を検出した。

図９のスキャニング手順によって発生されたイメージは、欠陥を自動的に捜し出すために、従って変動性が高い領域を見つけるために、後で処理された。表面が理想的な場合は平坦な信号を示すが、ウェハ表面に欠陥があると、信号に何らかの変動が現れる。欠陥がある領域を見つけるために、データは周知の位置の小さい領域に分割された。これらの領域内の信号の標準偏差が決定された。欠陥のある領域は高い標準偏差を示した。これらの結果は、図６で見ることができる。欠陥のある領域は、ウェハ１５の低い変動性の領域よりも明るく見える。これは本発明の原理による、センサのデータを処理するための多くの可能な方法の１つである。

より一般的には、１つ以上の下記の方法によって欠陥を識別できる。
・何らかのユーザ定義の値（しきい値）を超える電圧又は電圧内の変化（電圧のパターン又は電圧内の変化）を探すために、データを処理する。
・相関又はテンプレート照合の形式で、欠陥を表す周知のパターンとデータを比較する。
・空間データを周波数領域に変換して、固有の空間特性を有する欠陥を表す、周波数領域の中のピークを識別する。

これらの技術は、分析結果を生じるように他の技術と組み合わせることもできる。信号は、例えば下記のように、容易に欠陥を検出できるように前処理することもできる。
・信号が微分であるため、ウェハ１５の表面にわたって相対ＣＰＤを表す電圧を作るように、信号をある距離にわたって積分することができる。
・ウェハ１５が「パターン化」されている場合、この既知のパターンを処理する前にデータから取り除くことができる。これは、空間領域又は周波数領域のいずれかで、イメージすなわち信号の変動を減算する何らかの従来の方法によって達成されると考えられる。
・予想される欠陥の大きさ、形状、及び他の特性に基づいて高い又は低い周波数を取り除くために、信号をある種の周波数フィルタリングで処理することが適当である。
・「形態学的処理」と呼ばれる、それ自体他の用途では周知の処理を行うことによってある大きさの特徴を取り除くように、信号を処理することができる。

１つの実施形態では、限定はされないがキャニー・エッジ（Canny Edge）検出アルゴリズムなどのエッジ検出アルゴリズムに基づいて、欠陥が検出されかつ汚染レベルが定量化される。複数の解像度又は複数のスケール又はその組合せを使用できる。図２２Ｂ〜図２２Ｆは種々の分解能のエッジ検出を表し、光学イメージ（図２２Ａ）と比較した形で示されている。図２３Ｂ〜図２３Ｆは種々のスケールのエッジ検出を表し、光学イメージ（図２３Ａ）と比較した形で示されている。このような実施形態の好ましい実施例では、汚染又は欠陥は下記のステップを用いて検出及び定量化される。
・２つの異なる領域の間の境界でＣＰＤセンサのピーク信号を発生する（このピーク信号は、イメージ処理用語の「エッジ」によく似た動作をする。それで、汚染された領域は、エッジ検出によって捜し出すことができる。）。
・エッジ検出アルゴリズムを適用する（２Ｄキャニーアルゴリズムなど）。
・しきい値が異なる複数の分解能を適用する（これにより、種々の大きさの汚染物質を検出できる、すなわち分解能が高い（しきい値が低い）場合は、小さい汚染物質を見つけることができる）。
・最も簡単な方法では、ウェハ領域全体にわたるエッジ領域によって汚染レベル（ＣＬ）を定量化する。

前述したように、センサに対して基準点を決定することは、最適な結果を得るために必要である。１つの実施形態では、基準点は回転の中心（Ｘ−Ｙ面）にあり、かつウェハ表面の高さ（Ｚ軸上）にある。この点を発見するために、回転の中心及びウェハ表面の高さを決定する必要があり、次に高さセンサがｎｖＣＰＤセンサのＺ位置で相関される。

回転中心を発見するために、ｎｖＣＰＤセンサ及び運動システムを使用して、回転するウェハの表面上で３点以上の位置における幾何学的及び／又は化学的な特徴を発見する。ウェハが回転しているため、特徴は円を描く。円の中心が、回転の中心になる。定義された円の直径上の３つの別個の点の座標を円上のＡ（ｘ₁，ｙ₁），Ｂ（ｘ₂，ｙ₂）及びＣ（ｘ，ｙ）とすると、その中心は代数的に下記の式によって発見される。
(x -x₁)(x -x₂) + (y -y₁)(y -y₂) = 0
わずかな測定誤差のために、異なる点の組がわずかに異なる中心座標を発生する可能性がある。回転の「真の」中心は、これらの点の軌跡（平均）であると思われる。

１つの実施形態では、ウェハ表面の触らずにウェハ表面の高さを発見するために、２つのセンサ、すなわちｎｖＣＰＤセンサ及び高さセンサ（後述する実施形態では、それ自体がｎｖＣＰＤセンサとなる）を使用できる。ｎｖＣＰＤセンサ及び高さセンサは、読取りが高さセンサで行われるときに、ｎｖＣＰＤセンサのチップのＺ軸座標が確認されるように較正される。（この較正手順は、後述される。）その点で、高さセンサの読取り値は、ｎｖＣＰＤセンサのＺ位置と相関される。その後、高さセンサが使用されて、ウェハ表面の位置がそれに触れることなく検出され、次にそれに応じて位置決めされたｎｖＣＰＤセンサのチップの位置が検出される。

１つの実施形態では、高さセンサが、２つの仮定に基づいてｎｖＣＰＤセンサのＺ位置と相関される。すなわち第１の仮定は、使用可能な範囲の中で、高さセンサからの測定値はＺ軸内では線形であり、定数ｋは高さ測定値の変化をＺ軸内の比例変化にマッピングできること、そして第２の仮定は、高さセンサとｎｖＣＰＤセンサとの相対位置は固定である、すなわち２つのセンサは残りの世界に対して相対的に移動できるが、一体としてのみ可能であり、このため、それらは独立して移動できないことである。これらの仮定に基づいて、較正が実行される点Ｐが、Ｘ−Ｙ面内で選択される。高さセンサがＰの上に配置され、高さセンサからの測定値Ｈ_mがＺ軸上の座標Ｚ_hと相関される。次に、ｎｖＣＰＤセンサがＰ上に配置され、そして点Ｚ_cに接触するまで下方に移動される。センサのチップが表面に接触すると、ｎｖＣＰＤ信号は大きく変化する。これらの値が測定されると、ｎｖＣＰＤセンサのチップが表面に接触した点のＺ値が、下記の式から得られる。
Z_surface = Z_current + Z_c - Z_h + (H_m - H_current) / k
ここで、
Z_surfaceは、ｎｖＣＰＤセンサのチップが接触した表面の高さであり、
Z_currentは、センサの現在の高さであり、
H_currentは、現在の高さセンサの測定値である。

前述したように、センサの高さは再現可能な結果が生じるように測定及び制御する必要がある。本発明の原理に基づいて、半導体ウェハ検査システムの中で高さを制御するために、ｎｖＣＰＤセンサを使用することもできる。ｎｖＣＰＤセンサを使用して高さを制御するために、システムはプローブのチップとウェハ表面との間に時間変動するバイアス電圧を加える機能を備える必要がある。バイアス電圧が変動するので、システムはプローブのチップとウェハ表面との間の静電容量の関数である出力信号を発生する。プローブのチップが表面に近付けばそれだけ出力電圧は大きくなる。高さと静電容量との間の関係が決定された後、センサの高さを計算するために出力信号の大きさを使用できる。信号の大きさは、 ピークツーピーク、標準偏差、ＲＭＳ、又はこの技術分野で周知の何らかの他の尺度として計算できる。

再度説明すると、ｎｖＣＰＤセンサの出力の式は下記のようになる。

電圧Ｖは、プローブのチップとウェハ表面との間の接触電位差である。バイアス電圧が印加されると、式は下記のようになる。

ここで、Ｖ_bはバイアス電圧である。ｎｖＣＰＤセンサがウェハ表面に対して移動しない場合（又は、比較的ゆっくりと移動する場合）、静電容量Ｃ及び接触電位差電圧Ｖは変化せず、式は下記のようになる。

バイアス電圧は周知の固定した周波数と大きさであるため、出力電流は静電容量（Ｃ）の関数である。Ｃはプローブのチップとウェハ表面との間の静電容量と、回路内の浮遊容量との結合物である。静電容量対高さの関数は、ウェハ表面上の点におけるｎｖＣＰＤプローブの高さを決定するように特徴付けられかつ使用される。一旦センサの高さが決定されると、スキャニングｎｖＣＰＤ測定を行うために、バイアス電圧をオフに切り換えることができる。

しかしながら、ウェハの部分をスキャニングする前の幾つかの実施形態では、高さプロフィールが高さセンサを用いて確立され、次にｎｖＣＰＤセンサのスキャニング高さが適切に調整される。図１８は、センサを位置決めするためにウェハの高さプロフィールを利用する１つの実施形態を表す。この高さプロフィールは、最初に高さセンサを回転中心に向かって動かすことによって決定され、次にウェハの回転により、高さセンサは端部を感知するまで、ウェハの端部に向かって外側に移動される。これにより、ウェハの直径を決定することもできることに注意されたい。次に、センサはウェハのフラット又はノッチの中に入るまで、中心に向かって元の方向に移動される。進路に沿って得られた１つ以上の高さの測定値により、プロフィールが作られる。ｎｖＣＰＤセンサのスキャニングに対する適切な高さが、プロフィールに基づいて、特に最大検出高さに基づいて計算される。

前述したように、本発明の原理に基づいて使用されるｎｖＣＰＤセンサは、ノイズのように動作するピーク信号を発生することが多い。本発明の原理によれば、ノイズ低減アルゴリズムをｎｖＣＰＤ信号とｎｖＣＰＤイメージの両方に適用できる。１つの実施形態では、ｎｖＣＰＤ信号／イメージのデータは、限定はされないが、「Coiflet」、「Daubechies」、「Symmlet」、及び他のこのようなウェーブレットなどの利用可能なウェーブレットの１つを用いてウェーブレット領域に分解される。次に、ウェーブレット分解の結果として、一連のウェーブレット係数がユーザが与えることができる有限数のスケールで得られる。特定のスケールにおける係数が、そのスケールに対応する点におけるスケールに対応する周波数の大きさを表す。次に、係数を用いて逆の順序でｎｖＣＰＤ信号／イメージを再構成することができる。

係数を調整して再構成を実行することによって、ｎｖＣＰＤ信号／イメージの３つの成分（ピーク、低周波数、及びノイズ）を選択的にフィルタ処理することができる。低周波成分をｎｖＣＰＤ信号／イメージから排除するために、ｎｖＣＰＤ信号／イメージの低周波成分は粗いスケールの係数によって表されるため、細かいスケールのウェーブレット係数のみが再構成のために使用される。ｎｖＣＰＤ信号／イメージからノイズを排除するために、細かいスケールの係数を与えられたしきい値に基づいて穏やかに収縮することができる。このしきい値は、限定はされないが、「Visu」、「SURE」、「Hybrid」、「MinMax」などのこの技術分野では周知の多数の方法の１つを用いて決定することができる。ウェハ上の汚染に関連した鋭いピーク信号は、前述した２つの処理を実行した後で生じたウェーブレット係数によって、実質的に分離して再構成することができる。このため、ウェハの振動又は揺れなどのノイズを、信号からフィルタ処理することができる。図１９は、データをデコンボルーション又はノイズ低減処理することなく、本発明の原理によるシステムが発生したイメージを示している。図２０は、好ましい実施形態の原理に基づいてノイズ低減処理された、分解能及び鮮明度が改良されたイメージを例示している。

ｎｖＣＰＤセンサを利用する本発明の原理に基づいた半導体ウェハ用検査システムは、前述したように、時間遅延に直面する。しかしながら、本発明はこの時間遅延を除くために、フィルタリング技術を提供する。最初に、時間遅延回路が一次ＲＣ回路として作られる。ＲＣ回路の連続時間の伝達関数は、下記のように与えられる。

ここで、Ｘ（ｓ）及びＹ（ｓ）は、データ収集に対するプローブのチップにおける入力電流信号及び出力電圧の測定値のラプラス変換であり、τは時間遅延定数である。

連続的な電流信号は増幅器に送られ、それによって増幅され、次にＡ／Ｄ変換器により離散的信号に変換される。この方法では、最終段階でコンピュータによって収集されたデータは、一連の離散的データである。ディジタル信号処理のために、ＲＣ回路の連続時間の伝達関数は、Ｚ変換に基づいて離散時間の伝達関数に変換される。この離散化された伝達関数は下記の形式である。

ここで、定数α及びβは使用される離散化方法、サンプリング時間及び時間遅延定数τによって決定される。

次に、好ましい実施形態では、離散化された伝達関数のインパルス応答が決定される。一般に、インパルス応答は、次第にゼロに収束する有限数の正の離散値である。インパルス応答が発見されると、インパルス応答を用いるデコンボルーション処理が各トラックのデータ上で別個に実行される。

時定数を予想することは重要であり、正のピーク高さと負のピーク高さとを比較することによって評価できる。図１６は、一対の正のピークと負のピークが存在する典型的なｎｖＣＰＤ信号を示している。正のピークが負のピークよりも高く示されている。時間遅延がゼロの場合は、信号は図１７のようになり、正のピーク高さが負のピーク高さと等しくなる。

正のピーク高さと負のピーク高さとを比較することによって、時定数を正確に評価することができる。時定数を過小評価すると、前のピーク（この実施例では、正のピーク）が後のピーク（この実施例では、負のピーク）よりも高くなる。時定数を過大評価すると、前のピークが後のピークよりも低くなる。時定数を変化することによって、正及び負のピークの高さが等しくなる点を見つけて、時定数を正確に予想することができる。

１つの例示的な実施形態では、本発明は、センサ装置から化学的な情報をフィルタ処理で取り出すことによって、幾何学的な情報を分離できる方法及び装置を提供する。この実施形態は、システムに加える直流（Ｄ．Ｃ）バイアスを利用する。１つの例示的な実施形態では、このバイアスはセンサに加えられる。別の例示的な実施形態では、同様のバイアスが、センサではなくサンプルの表面に直接加えられる。サンプル表面の最初のスキャンは、負のバイアスをサンプル又はプローブのいずれかに加えて行われ、データが記録される。ウェハの第２のスキャンは、正のバイアスをプローブに、すなわち最初のスキャンの間にバイアスが加えられたプローブに加えて行われる。この順序を逆にして、正のバイアスによるスキャンを最初に行い、続いて負のバイアスによるスキャンを行うことができることは、当業者は理解されるであろう。負のバイアスが加えられた信号は正のバイアスによる信号から減算されて、サンプル表面上の幾何学的な変化のみに関係する信号が残される。

図２４Ａ〜図２４Ｄは、様々なステップの各々におけるウェハのイメージを例示している。図２４Ａは、本発明の装置によって生成された、バイアス電圧を加えていない半導体ウェハのイメージを示している。図２４Ｂは、９ボルトのバイアスが加えられた同じ半導体ウェハのイメージを示している。図２４Ｃは、バイアス信号が数学的に下記に示すように取り除かれている、本発明の装置によって生成されたイメージを示している。図２４Ｄは、図２４Ａ〜図２４Ｃで検査された半導体ウェハの構成を例示している。図から分かるように、幾何学的又は微細構成的な特徴が強められ、一方化学的な特徴が弱められた。ｎｖＣＰＤ検査に関係する基本式を、この実施形態を例示するために使用できる。
前述したように、基本的なＣＰＤの式を下記に示す。

正のバイアスが加えられると、式は下記のようになる。

負のバイアスが加えられた式は、下記のようになる。

負のバイアスによる信号を正のバイアスによる信号から減算すると、結果は下記のようになる。

差を解くことにより、表面の幾何学的な変化のみに依存する信号が示される（静電容量によって表される）。

代表的な実施形態では、本発明は信号対雑音比を保存することができ、かつプローブに対してサンプルのほぼ均一な線形速度を与えるために、回転速度を変化することによってほぼ均一なデータ密度を提供することができる方法及び装置に関する。ほぼ均一なデータに触れるプローブを提供するために、プローブの動きに比例して回転速度を低下させる可変速度チャックが提供される。このため、データ密度をほぼ均一に維持するために、分当たりの回転を減らすことによって、チャックは回転当たりの増加するデータを補償することができる。

代表的な実施形態では、本発明のシステムは、複数のプローブを備えている。複数のプローブのそれぞれのチップは、限定はされないが、線形アレイ及び二次元アレイを含む当業者には周知の種々の異なる配列で配置することができる。今しがた説明したような種々の構成の複数のプローブのチップにより、本発明のシステムがサンプルの表面をスキャンするために必要な時間が減少されることが示されている。速度が減少することは、使用するプローブの数が増加する割合に逆比例する。複数の個々のプローブは、１つの代表的な実施形態では、様々な特性を有する。そのような特性には、限定はされないが、バイアス電圧及び高さが含まれる。複数のプローブを使用することにより、検査時間が減少されることに加えて、方位分解能及び化学物質過敏症が改善されると信じられている。方位分解能及び化学物質過敏症をそのように改善することは、１つの実施形態では、別個の電圧トラックの組合せなどの別個のプローブのデータストリームの差分比較を使用することによって実現することができる。

別の代表的な実施形態では、プローブのチップの高さを較正する方法が提供される。この方法は、高さセンサとｎｖＣＰＤセンサとが互いに固着され、かつセンサの相対的な高さ（ｚ）を正確に決定できると仮定する。本発明のシステムでは、高さセンサ及びｎｖＣＰＤセンサは同じ金属の取付具に取り付けられ、それらの相対的な高さは位置決めシステムのＺ軸のエンコーダを読み取ることによって決定される。

図２５Ａ〜図２５Ｅに例示された代表的な実施形態では、本発明はｎｖＣＰＤセンサの高さを較正する較正処理を含む。図２５Ｂに示すように、基準面と高さセンサとの間の距離が高さセンサの検出範囲内になるように、高さセンサが基準面の上に配置される。センサの高さは、ｚ１として記録される。高さセンサの読取り値は、ｈ１として記録される。図２５Ｃに示すように、ｎｖＣＰＤセンサがゆっくりと下方に移動され、同時にｎｖＣＰＤ信号のレベルがモニタされる。ｎｖＣＰＤセンサ用プローブのチップが基準面に接触すると、ｎｖＣＰＤセンサの出力は大きな変化を受ける。これはスキャニングシステムによって自動的に検出され、下に向かう動きは停止する。この高さは、ｚ２として記録される。ｎｖＣＰＤセンサ用プローブのチップはこの時、任意の表面上の望ましい高さに位置付けられる。これは、次のように実現される。図２５Ｄに示すように、望ましい高さがｈ^*である場合、高さセンサは、表面が高さセンサの測定範囲内になるように、表面上に位置付けされる。この高さはｚ３として記録され、高さセンサの読取り値はｈ３として記録される。図２５Ｅに示すように、ｎｖＣＰＤセンサは次に、同じ点でかつz^*=z3-(h3-h1)-(z1-z2)+h^*に調整された高さの上に位置付けられ、これは結果としてｎｖＣＰＤセンサ用プローブのチップの高さが表面上のｈ^*となる。

本発明は多くの場合、円周トラックのデータを取るプローブに対して回転される半導体ウェハのスキャニングに関連して説明されてきたが、当業者は本発明はこれに限定されないことは理解されるであろう。例えば、本発明は、１つの代表的な実施形態では、一般に回転するには大きすぎる液晶ディスプレイパネルをスキャンするために使用できる。この実施形態では、プローブがサンプルの表面の全体にわたってラスタスキャンされる。さらに、別の代表的な実施形態では、プローブが固定されて保持され、サンプル面がそれに対して移動される。さらに別の代表的な実施形態では、サンプル面が固定されて保持され、プローブがそれに対して移動される。

相対的なＣＰＤデータを収集するためにｎｖＣＰＤセンサを用いるシステムに加えて、代表的なグループの実施形態では、本発明は絶対的なＣＰＤデータを収集するために、前述したような、振動形ＣＰＤセンサも利用する。本発明のシステムは、ｎｖＣＰＤモード又はｖＣＰＤモードで動作できる単一のセンサを利用できる、又は別の実施形態では、別個のｎｖＣＰＤセンサやｖＣＰＤセンサを備えることができる。図２６Ａ〜図２６Ｂは、前述した２ステップの微分方式で処理された２００ｍｍの銅のＣＭＰウェハに対する典型的な全ウェハｎｖＣＰＤスキャンを示している。このイメージは１千万以上のデータ点を含み、所定の拡大領域を検査するために操作することができる。図２６Ｂは、１つのダイで構成される所定のサンプル領域を示す。

本発明の１つの代表的なシステムには、スピンドル及び３軸線形運動システムが含まれる。ＣＰＤセンサ（ｎｖＣＰＤ及びｖＣＰＤモードを有する）及びスキャン高さセンサは、線形運動ステージに取り付けられる。半導体ウェハが、スピンドルに取り付けられた真空チャック上に装着される。ウェハは回転され、高さセンサはウェハの高さを測定するため、またＣＰＤセンサ用プローブのチップとウェハ表面との間のギャップを調整するために使用される。線形の運動システムは、ｎｖＣＰＤセンサ（ｎｖＣＰＤモードの中のＣＰＤセンサ）をウェハ表面上に位置付けし、そしてセンサがウェハの外側のエッジからその回転中心に進むときに、同軸で円形トラックのデータが収集される。データが収集されてコンピュータに記憶され、次にイメージングソフトウェアを用いて処理されて、非均一なウェハのイメージ及び定量的なデータを生成する。

本発明のＣＰＤ測定システムは、種々のモードを含んでいる。代表的な実施形態では、システムは複数の動作モードの動作に対応している。動作モードは、サンプルから望ましい情報を得るために単独で又は組み合わせて使用できる。

１つの実施形態では、本発明のシステムの精度を確実にするために、較正モードが実行される。較正は、プローブのチップの仕事関数、又はプローブのチップの仕事関数の変化を決定するために必要である。これは、仕事関数が周知の表面上で振動形ＣＰＤ測定を行うことによって達成される。代表的な実施形態では、この表面は、スキャニングシステムの作業空間の中に配置された非反応性金属である。１つの実施形態では、較正は、後で説明する試験モードの１つの前に実行される。別の実施形態では、プローブのチップの仕事関数に対する定期点検が、セルフチェック機構の一部として実行される。

本発明のシステムは、欠陥の有無を決定するためにサンプルを試験する２つ以上のモードを備えることができる。手動モードでは、サンプルは非振動形の微分ＣＰＤ測定モードを用いてスキャンされる。次に、ユーザはウェハ表面のイメージが示され、振動形ＣＰＤ測定を行うための点又は一連の点を選択する。１つの実施形態では、これらの点は「あらかじめ決定され」ており、各サンプルは同じ点の組でｖＣＰＤプローブにより試験される。システムは自動的に各位置に移動して、絶対的なＣＰＤを測定する。代表的な実施形態では、結果はユーザに図示され、結果ファイルの中に記憶することができる。このモードは、ウェハ表面のＣＰＤに関する対話型研究に有用であり、特定の点のＣＰＤ値が特定の検査作業に対して有用かどうかを判断するために必要である。

別の実施形態では、自動教示点モード（automated taught-point mode）が提供される。この自動教示点モードでは、ユーザは振動形ＣＰＤ測定のためにウェハ表面上に１つ以上の点を定義し（手動モードを用いて）、これらの点を検査計画又は処方に関連付ける。検査工程の間に、システムは自動的にセンサを教示された位置に配置して、振動形のＣＰＤ測定を行う。データは結果の中に含まれる。代表的な実施形態では、このデータはプロセス制御に対して使用され、インライン半導体ウェハ用の製造工程に対する合格／不合格の状態を決定する。

さらに別の実施形態では、自動欠陥分類モードが設けられている。このモードでは、サンプルは非振動形ＣＰＤスキャニングモードを用いて描写され、欠陥は前述したように、微分ＣＰＤデータの中の変化によりｎｖＣＰＤセンサだけを用いて自動的に検出される。次に、システムはこれらの欠陥の位置を自動的に決定し、１つ以上のこれらの位置でｖＣＰＤ測定を行って、絶対的なＣＰＤを決定する。この情報は、欠陥の種類を分類するのに役に立つ。

さらに別の実施形態では、手動振動形ＣＰＤ測定モードが設けられている。振動形のＣＰＤ測定は、下記のようなステップに分割される、すなわち、（１）センサをＸ及びＹに位置付ける、（２）センサをＺに位置付ける、（３）測定を行う。センサは、回転中心でかつサンプル面上の既知の高さに配置される。サンプルは平坦な部分が望ましい位置に来るまで回転され、そして真空状態にされ、次に真空状態が解除される。サンプルがチャックの上に置かれると、真空が加えられて平坦な部分が位置付けされ、ＣＰＤセンサがサンプル上の既知の高さ（一般に１００ミクロン）で回転中心に向かって移動される。この時点で、システムは振動形ＣＰＤ測定を開始できる状態にある。センサは、回転中心に関連して既知のＸ及びＹの位置に位置付けされる。この点で、センサはＸ及びＹに位置付けされる。

１つの実施形態では、ｖＣＰＤプローブを制御及びモニタするためのソフトウェアと共に、ＰＺＴコントローラが利用される。例えば、直径が５００ミクロンのプローブに対して、下記のパラメータが設定される。
サンプル・レート：１０００００
スキャン長さ：１００００
バイアス：６
カプリング：ＡＣ
周波数のフィルタリング：可能
統計：標準偏差
連続収集が始動される。下記の別のパラメータが設定される。
バイアス変化の遅延：１０２０
振幅：２
周波数：４９０
バイアス電圧：−５，−３，３，５

プローブのチップに対する振動が開始される。プローブはウェハ表面に向かって下げられる。代表的な実施形態では、標準偏差値がモニタされ、同時にソフトウェアを用いてプローブのチップがウェハ表面に向かって手動で下げられる。標準偏差が０．００５Ｖを超えると、センサの動きがソフトウェアを用いて停止される。この時、ＰＺＴコントローラの手動オフセットを用いて、プローブのチップをウェハ表面に向かってゆっくりと低下させ、同時に標準偏差をモニタする。標準偏差が０．０１０Ｖになるまで、センサのプローブのチップは下げられる。

振動が停止される。この時点で、センサはＺに位置付けされる。下記の収集パラメータが設定される。
バイアス：０
スキャン長さ：５００００
統計：周波数領域

振動形のＣＰＤ測定が開始される。信号の振幅が、規定されたバイアス電圧（この代表的な実施形態では４つの異なる電圧）で自動的に測定され、ラインがこのデータに適合され、そしてラインのゼロ交差が計算される。このゼロ交差は、その点におけるＣＰＤ値である。１つの実施形態では、この値はユーザに図示される。これで測定は完了し、プローブをここで引き上げて、新しい位置に移動することができる。
大いに反復可能なＣＰＤ測定を達成することは、測定結果に影響する可能性がある多くの要因を制御することに依存する。それらの幾つかは、以下に簡潔に列挙されている。
１）機械的な振動。振動を分離することは、結果に影響する可能性がある機械的な振動を減少するために望ましい。
２）表面のチャージング。ウェハ表面上の静電気は測定に影響する可能性があるため、イオナイザ又は他の静電気制御装置を用いて制御する必要がある。
３）温度及び振動。これらは測定に影響するため、制御する必要がある。
４）振動の大きさ。振動の大きさを制御することは重要であり、これをセンサのフィードバックを用いてモニタする必要がある。
５）測定高さ。測定高さは、それが変化すると測定結果に影響する可能性があるため制御する必要がある。

好ましい実施形態では、前述した手動操作の測定を行うステップを自動的に行うことができることは理解されよう。図３５は、自動化された測定工程で必要なステップを例示している。

下記の限定されない実施例は、試験用ウェハを準備する方法及び、半導体ウェハの表面に存在するある種の欠陥状態、化学薬品の状態、静電気の状態、及び機械的な特徴を識別する特徴的なイメージを感知する方法を説明する。

サンプル用ウェハは、既知の濃度の汚染物質を含む液体にウェハ１５を浸漬コーティングすることによって作ることができる。この実施例の部分は、銅や鉄などの金属の汚染物質を記述するが、化学薬品の汚染物質の態様もこの方法で評価できる。記述したウェハ１５は１００ｍｍ又は１５０ｍｍウェハのいずれかであるが、これらの実施例はどのような寸法のウェハにも適用する。ウェハ表面１６は、酸化物を除くためにＨＦに浸漬して準備される。次に、ウェハ１５は洗浄され、そして金属の汚染物質の溶液に部分的に浸漬される。ウェハ１５上に残る溶液の量、及びウェハ表面１６上に結果として生ずる汚染物質の濃度は、引き抜き速度などの浸漬コーティング用パラメータを選択することによって制御される。

試験用ウェハ１５を部分的に浸漬することは、きれいな領域から汚染された領域への移行部分をつくるため好ましい。ｎｖＣＰＤ信号は微分であるため、表面状態に関する絶対値とは対照的に、ｎｖＣＰＤセンサ１２はウェハ表面１６上の変化を検出する。このｎｖＣＰＤセンサ１２の態様は、ウェハ１５のどの表面上の局所的な汚染も迅速に描写及び検出する能力によってオフセットされる。

準備の後で、ウェハ１５の浸漬された領域内の実際の汚染濃度を測定するために、XPS、Auger、及びRBS（又は他の周知の表面分析方法）技術の適当な組合せを用いて各試験用ウェハ１５を、必要な場合は、分析することができる。サンプル用ウェハ準備工程の中に含まれる各ステップは、図７に示される。生産ラインの方法では、測定された実際の汚染濃度をルーチン的に使用するためにｎｖＣＰＤデータに関連付ける基準を確立することができる。

各サンプル用ウェハ１５が作られた後で、本発明に基づいて構成された半径方向にスキャンするｎｖＣＰＤイメージングシステム１０を用いて、それを映像化することができる。前述したように、図８Ａ及び図８Ｂは、ｎｖＣＰＤイメージングシステム１０の基本的な形状を示し、図９はウェハを処理するための別のフローチャートの実例を示す。システム１０は、前述した３軸位置決めシステム２６に装着されたｎｖＣＰＤセンサ１２を採用する。この位置決めシステム２６を使用して、ｎｖＣＰＤセンサ１２を映像化するウェハ表面１６上に位置付けし、かつｎｖＣＰＤセンサ１２をウェハ表面の全体にわたって半径方向にスキャンさせる。ウェハ１５は、ｎｖＣＰＤセンサ１２の下側を高速（１８００ｒｐｍ）で回転するスピンドルに装着される。システム１０は、ｎｖＣＰＤセンサ１２がウェハ１５の回転半径に沿って進むときに、複数の連続したトラックのデータを収集するように動作する。

イメージングシステム１０は、種々の表面分析実験に使用されている。図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、及び図１１Ｂは、ウェハを検査するために映像化するｎｖＣＰＤセンサ１２を用いて発生されたサンプルのウェハ・イメージを示す。１００ｍｍ形状のウェハ１５のイメージは、図１０Ａ及び図１１Ａでは光学イメージを、図１０Ｂ及び図１１ＢではｎｖＣＰＤイメージを示す。最初ウェハ１５は洗浄され、次に小さな真空ピックアップ装置が３ヶ所でウェハ１５の表面に取り付けられた。図１０Ａの光学イメージは、ウェハ１５の表面１６上にどのような変化の形跡も示さない。図１０ＢのｎｖＣＰＤイメージは、ピックアップ装置が加えられた位置に極めて大きな信号を示している。このｎｖＣＰＤ信号は、ピックアップ装置によって表面１６上に残された少量の残留物の結果であると信じられている。

図１１Ａ及び図１１Ｂの第２の組のイメージは、アルコールを滴下し次に乾燥させたウェハ１５を示す。
結果として生じた残留物は図１１Ａの光学イメージでは見えないが、図１１ＢのｎｖＣＰＤイメージでははっきりと見える。これらのイメージは、ウェハを検査するためのｎｖＣＰＤセンサ１２の有用性を明確に実証している。欠陥の状態及び化学成分を全域にわたって注意深く測定することにより、イメージを特定の化学薬品の状態、欠陥、又はその組合せと相関させることができる。

図１２Ａ及び図１２Ｂはそれぞれ、ゴム手袋の痕跡の光学イメージ及びｎｖＣＰＤイメージを示す。図１３Ａ及び図１３Ｂはそれぞれ、人の指紋の光学イメージ及びｎｖＣＰＤイメージを示す。図１４は、ウェハ１５にステンレス鋼のツールのブラシをかけた後のｎｖＣＰＤイメージを示し、図１５は、ウェハ表面１６上にアルミニウムの固定具を押し付けた後の、ウェハ１５のｎｖＣＰＤイメージを示す。これらの実施例の全てのイメージは、約３０秒の期間にわたって測定された直径が約６０ミクロンのセンサのプローブのチップを備えたｎｖＣＰＤセンサ１２を用いて得られた。

測定は、１００ｍｍウェハ上の６ヶ所で行われた。ウェハ表面の第１の半分は金でコーティングされた。第２の半分はコーティングしないままにされた、すなわち「自然のまま」のベア・シリコンの状態にされた。３回の試験がベア・シリコン表面上及び金フィルムの表面上で行われた。直径が５００ミクロンの銅線で作られたプローブは、４９０Ｈｚで振動された（振動の振幅は最大数ミクロン）。さらに、表面の帯電効果を減らすために、イオナイザが利用された。１０個の測定値が各位置で作られた。図３２Ａで分かるように、ｎｖＣＰＤイメージは欠陥を識別できるイメージを発生する。しかしながら、図３２Ｂから分かるように、同じ微分のｎｖＣＰＤデータの積分イメージは、より明確な欠陥のイメージを作る。図３３は、各試験のＣＰＤデータのグラフ表示である。さらに、図３４Ａ〜図３４Ｂは本発明の正確さを例示しており、３回の別個の試験のそれぞれに対する各１０個の測定値を示している。

この実施例では、ｎｖＣＰＤ信号を材料の仕事関数と比較するために、様々な種類の金属の薄膜が同じシリコン基板のウェハ上に蒸着された。ウェハはクォードラント（quadrands）に分割され、各クォードラントは独特な蒸着処理を受けた。４つの異なる材料が、シャドーマスクを介してシリコン基板の別個のクォードラント上に、ＤＣスパッタリングによって蒸着された。第１のクォードラント（右上）が銅でスパッタされ、第２のクォードラント（１番目から始めて時計方向）はクロムでコートされ、第３のクォードラントはチタン、そして第４のクォードラントはアルミニウムでコートされた。スパッタリング時間は、全てのクォードラントでフィルムの厚さが１００オングストロームになるように設定された。

クォードラントのウェハのＣＰＤイメージは、図２７に示されている。線及びドットは、金属フィルムが蒸着された領域を示す。４つのクォードラントの特徴が、異なる強度とコントラストでｎｖＣＰＤセンサによって全て検出されたことが分かる。ＣＰＤ信号の強度は、トラック方向の線のプロット又は直線のプロットから取り出すことができる。この場合は、トラック方向の線のデータが、特徴付けのために使用される。図２８は、４つの材料に対するＣＰＤの強度を示す。ＣＰＤ信号の最大強度が、材料によって異なることが分かる。銅フィルムは最も低いピーク強度を発生し、チタンは最も高いピーク強度を生じる。

ＣＰＤ信号の強度は、材料の仕事関数と比較される。表３は、ウェハ表面上の材料の電子的な仕事関数Φを列挙する。蒸着されたフィルムとシリコン基板との間の仕事関数の差（△Φ）が計算される。ＣＰＤ信号の強度（Ｖ_CPD）と仕事関数の差（△Φ）との間に良好な相関が存在することが分かる。仕事関数の差が大きければそれだけ、ＣＰＤ信号の強度が大きくなる。このことは、図２９のグラフから容易に見出すことができる。ＣＰＤ信号の強度は、蒸着されたフィルムとシリコン基板との間の仕事関数の差と共に直線的に増加する。

この実施例では、汚染をシミュレートするために、異なる濃度のCu(II)硫化ペンタ水和物がウェハに加えられた。両方のウェハは、本発明のシステムでスキャンされた。ｎｖＣＰＤセンサの銅の残留物に対する感度が試験された。銅の汚染が、銅の硫化ペンタ水和物を含む溶液を用いてシリコンウェハに意図的に取り入れられた。最初に、固体のCu(II)硫化ペンタ水和物が１０^-2モル／ｌから１０^-7モル／ｌの範囲の種々の濃度にメタノールで希釈された。次に、各溶液の滴が、ウェハ上の直径が約１２ｍｍの各指定されたスポットに分配された。合計６個の銅の汚染された半径３０ｍｍのスポットが、ウェハ上に作られた。ウェハは自然蒸発で乾燥され、次にスキャニングシステムを用いて測定された。

図３０は、試験用ウェハのドーナッツ状の部分に作られた仕事関数のマップを示す。イメージから分かるように、全ての６個の汚染されたスポットが検出される。ＴＸＲＦ分析がその後ウェハ上で実行されて、６個全てのスポットで表面の銅の原子濃度が測定された。サイト１における銅の濃度は、２．４ｘ１０¹¹原子／ｃｍ²であることが分かった。このスポットにおけるＣＰＤ信号の強度は、約１５０ｍＶである。この実験は、銅の極めて低い表面濃度でさえＣＰＤＩ技術によって検出できることを実証する。

図３１は、ＴＸＲＦで測定したときの仕事関数の変動と銅の表面濃度との間の相関を示す。信号強度は、低い濃度では銅の濃度が増加するにつれてゆっくりと増加し、そしてより高い濃度では平らになることが分かる。これは、理論的な予想と一致している。仕事関数は本質的に表面現象である。表面の層が接触していて壊れていない場合は、表面により多くの原子が重なっても、仕事関数に影響しない。参考のため、銅の１つの単層の表面濃度は、約２Ｅ１５原子／ｃｍ²である。汚染フィルムの原子濃度は隣接する原子の単層に近付くため、より多くの原子を加えると、効果を減らすことになる。

本発明の好ましい実施形態を図示し説明してきたが、特許請求の範囲に記載されるその広い態様の中で本発明から逸脱せずに様々な変更及び修正を行うことができることは当業者にとって明白であろう。

ｎｖＣＰＤスキャニング方法及びシステムの１つの実施形態を例示する図である。 接触電位差による方法の概念を例示する図である。 ｎｖＣＰＤスキャニング方法を例示する図である。 ｎｖＣＰＤプローブが仕事関数の変わり目を通過するときの、ｎｖＣＰＤプローブの電流出力を例示する図である。 ｎｖＣＰＤシステムの軸方向を例示する図である。 スキャン領域内の信号の標準偏差を例示する図である。 周知の濃度の汚染物質で部分的にコートされた試験用ウェハを作るためのステップを例示する図である。 高速スピンドル上に装着されたｎｖＣＰＤセンサ及びウェハを用いる３軸線形位置決めシステムを備えたｎｖＣＰＤスキャニングシステムの１つの形態を例示する図である。 ｎｖＣＰＤスキャニングシステムの別の形態を例示する図である。 半径方向にスキャンするｎｖＣＰＤイメージングシステムの画像収集工程のフローチャートを例示する図である。 真空ピックアップ装置を用いた後の、直径１００ｍｍのシリコンウェハの光学イメージを例示する図である。 図１０ＡのウェハのｎｖＣＰＤのイメージを例示する図である。 ウェハを回転してアルコールが乾燥するのを可能にしながら、アルコールを塗布した後の第２のシリコンウェハの光学イメージを例示する図である。 図１１Ａと同じウェハのｎｖＣＰＤのイメージである。 ゴム手袋のマークを加えた後の、シリコンウェハの光学イメージを例示する図である。 図１２Ａと同じウェハのｎｖＣＰＤのイメージである。 ウェハ上に人の指紋が付いたシリコンウェハの光学イメージを例示する図である。 図１３ＡのウェハのｎｖＣＰＤのイメージを例示する図である。 ウェハ表面をステンレス鋼のツールでブラシをかけた後の、シリコンウェハのｎｖＣＰＤのイメージを例示する図である。 ウェハ表面にアルミニウムの取付け具押し付けた後の、シリコンウェハのｎｖＣＰＤのイメージを例示する図である。 高さが等しくない正のピークと負のピークとから成るピークの組の、典型的なｎｖＣＰＤ信号を表す図である。 正のピーク高さが負のピーク高さにほぼ等しい、本発明の１つの実施形態の信号出力を表す図である。 図９の「表面上の開始位置及びプローブ高さの調整」ステップの詳細図である。 デコンボルーション処理の前のｎｖＣＰＤ処理されたウェハ・イメージを例示する図である。 デコンボルーション処理の後のｎｖＣＰＤ処理されたウェハ・イメージを例示する図である。 天然シリコン酸化物上のウェハのパターンが１原子層である、本発明の原理に基づいて作られたウェハのマップを例示する図である。 １つのプローブのトラックに沿った信号強度を示す図である。 図２１Ａに示されたウェハのマップの信号強度対金の密度のグラフである。 Multiple ResolutionsにおいてCanny Algorithmを用いる二次元エッジ検出の光学図である（CMP Slurryに浸漬された#7 Wafer）。 Multiple ResolutionsにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出のイメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．００００１、汚染レベル＝２４．５の場合の#7 Wafer）。 Multiple ResolutionsにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出のイメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．００８、汚染レベル＝４．５の場合の#7 Wafer）。 Multiple ResolutionsにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出のイメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．０１、汚染レベル＝１．９の場合の#7 Wafer）。 Multiple ResolutionsにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出のイメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．０１２、汚染レベル＝１．１の場合の#7 Wafer）。 Multiple ResolutionsにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出のイメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．０１４、汚染レベル＝０．８の場合の#7 Wafer）。 Different ScalesにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出の光学イメージである（CMP Slurryに浸漬されたQcept #6 Wafer）。 Different ScalesにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出の光学イメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．００００１、汚染レベル＝２４．３の場合のQcept #6 Wafer）。 Different ScalesにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出の光学イメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．００５、汚染レベル＝９．６の場合のQcept #6 Wafer）。 Different ScalesにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出の光学イメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．００６、汚染レベル＝８．２の場合のQcept #6 Wafer）。 Different ScalesにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出の光学イメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．００８、汚染レベル＝６．９の場合のQcept #6 Wafer）。 Different ScalesにおいてCanny Algorithmを用いる、本発明の原理に基づいて作られた二次元エッジ検出の光学イメージである（CMP Slurryに浸漬された、しきい値＝０．００９、汚染レベル＝６．４の場合のQcept #6 Wafer）。 本発明の装置によってバイアス電圧を印加せずに生成された半導体ウェハのイメージを示す図である。 ９ボルトのバイアスが印加された同じ半導体ウェハのイメージを示す図である。 本発明の装置によって生成されたイメージを示す図であり、この場合、バイアス信号が数値的に下記に示すように取り除かれている。 図２４Ａ〜図２４Ｃで検査された半導体ウェハの組成を例示する図である。 ｎｖＣＰＤセンサの高さを較正するために、本発明の較正処理に基づいて較正する装置を例示する図である。 基準面と高さセンサとの間の距離が高さセンサの検出の範囲内となるように、基準面上に配置された高さセンサを示す図である。 ｎｖＣＰＤ信号の大きさをモニタしながら、ゆっくり下方に移動するｎｖＣＰＤセンサを示す図である。 望ましい高さがｈ^*である場合、面が高さセンサの測定範囲内にあるような面の上に高さセンサが配置されることを示す図である。 ｎｖＣＰＤセンサがz^*=z3-(h3-h1)-(z1-z2)+h^*に調整された高さになることを例示する図であり、これは結果として、ｈ^*の面上のｎｖＣＰＤセンサ用プローブのチップの高さである。 ２段階のＣＭＰ方法で処理された２００ｍｍ銅ＣＭＰウェハの標準的な全ウェハｎｖＣＰＤスキャンを示す図である。 ＣＭＰ処理の後のダイ内部の銅及び誘電体の表面に対する仕事関数の変動を示す、ズームイン部分が付いたSematech 831AZパターンを有する全２００ｍｍポスト銅ＣＭＰ処理ウェハの仕事関数のイメージングを示す図である。 ウェハ上の４つの異なる薄膜のＣＰＤイメージを含む図である（反時計方向にＣｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌの第１から第４象限）。 材料に対するＣＰＤの最大振幅の大きさのグラフである。 種々の仕事関数に対するＣＰＤの信号強度のグラフである。 シリコンのウェハ表面上の銅の残留物の様々な濃度に対するＣＰＤイメージを示す図である。 ｎｖＣＰＤと、シリコンウェハ上の銅の表面汚染の濃度との間の相関を例示する図である。 表面の半分を金の薄膜でコートした１００ｍｍウェハに対するｎｖＣＰＤのスキャン・イメージを示す図である。 データを積算した同じイメージを例示する図である。 各試みに対するＣＰＤデータのグラフ表示である。 ３つの別個の試験のそれぞれにおいて１０個の測定値のそれぞれに対するデータを示す、本発明の詳細を例示する図である。 図３４Ａのデータをグラフ形式で例示する図である。 自動的にｖＣＰＤの測定を行う間のステップを示すフローチャートである。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの接触電位差（ＣＰＤ）センサを使用するセンサシステムと、材料と係合することができる、材料を受け取るための材料ステージと、前記センサシステム及び前記材料ステージと通信することにより前記センサシステム及び材料が互いに関連して移動できるようにする位置決め組立体とを有する処理システムを備える、材料をインライン処理するシステムであって、
   振動形接触電位差（ｖＣＰＤ）センサモード及び非振動形接触電位差（ｎｖＣＰＤ）センサモードを有するセンサシステムと、
   非振動形の接触電位差プローブと材料との相対的な動きによって発生された接触電位差内の変化に応答する、材料の特徴を表す相対的な接触電位差データを作るように適合された、非振動形の接触電位差プローブと、
   材料の表面の特徴を表す絶対的な接触電位差値を作るように適合され、材料の表面上の少なくとも１つの点の上に配置された、振動形の接触電位差プローブと、
   前記接触電位差センサシステムに通信して、相対的な接触電位差データと絶対的な接触電位差データとを前記プローブからコンピュータに出力するコンピュータシステムと、
   前記コンピュータシステムによって発生された、材料上の化学的な汚染物質及びそれらの空間分布の特徴を表し、絶対的及び相対的な接触電位差データを表す視覚イメージを提供するディスプレイと、
   を含んでなるシステム。
2. 前記相対的な動きは、サンプルが中心軸の周りに回転し、センサがデータのトラックを種々の半径でトレースすることによって達成されるものである請求項１に記載のシステム。
3. 複数のｎｖＣＰＤセンサをさらに備えるものである請求項１に記載のシステム。
4. 前記相対的な動きは、ほぼ静止の状態を保つサンプルに対して前記ｎｖＣＰＤセンサが移動することによって提供されるものである請求項１に記載のシステム。
5. 前記相対的な動きは、ほぼ静止している前記ｎｖＣＰＤセンサに対してサンプルが移動することによって提供されるものである請求項１に記載のシステム。
6. 前記サンプルが液晶パネルを含む請求項１に記載のシステム。
7. 前記サンプルが半導体ウェハを含む請求項１に記載のシステム。
8. 前記相対的なＣＰＤデータは、サンプルの表面に存在する化学的な欠陥又は化学的な非均一性を表すパターンを自動的に検出するように処理されるものである請求項１に記載のシステム。
9. 少なくとも１つの振動形ＣＰＤ測定点の位置は、前記ｎｖＣＰＤプローブによって発生されたデータに基づいた所定の規則に従って自動的に決定されるものである請求項１に記載のシステム。
10. 前記接触電位差式センサシステムは、振動形モードと非振動形モードとを有する１つのプローブを備えるものである請求項１に記載のシステム。
11. 前記接触電位差式センサシステムは、非振動形接触電位差プローブとして動作する第１のプローブと、振動形接触電位差プローブとして動作する第２のプローブとを備えるものである請求項１に記載のシステム。
12. サンプル全体に対する相対的なＣＰＤデータ及び少なくとも１つの点に対する絶対的なＣＰＤデータに基づいて、サンプル全体に対する概略の絶対的なＣＰＤ値を表すイメージをディスプレイに表示する請求項１に記載のシステム。

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