JP2009222413A

JP2009222413A - 測定装置

Info

Publication number: JP2009222413A
Application number: JP2008064296A
Authority: JP
Inventors: Ryuji Iwatsubo; 竜二岩坪
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2009-10-01

Abstract

【課題】長時間にわたり、空気中の化学成分の吸着量を高精度に測定する。
【解決手段】空気中の化学成分の吸着量を測定する測定装置１００であって、空気中に水晶振動子１１を晒し、水晶振動子１１に吸着した化学成分の吸着量を測定する測定手段と、水晶振動子１１の主面に光を照射し、水晶振動子に吸着した化学成分を除去する除去手段と、を備えたことを特徴とする測定装置１００が提供される。これにより、長時間にわたり、空気中の化学成分の吸着量を高精度に測定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は測定装置に関し、特に水晶振動子を用い、空気中の化学成分による吸着量を測定する測定装置に関する。

近年、半導体工場等にはクリーンルームが設置され、当該クリーンルーム内において半導体素子等が大量に生産されている。しかし、クリーンルーム内の雰囲気には、半導体素子等に悪影響を及ぼす化学成分が微量に存在し、当該化学成分が製品歩留まりを低下させる場合がある。即ち、今日では、雰囲気内に含有する化学成分は、塵埃、温度、湿度等と並んで重要な管理項目の一つとなっている。

また、このような化学成分は、ｐｐｂレベルと希薄であることから、通常、インピンジャ捕集液のイオンクロマト分析、Ｔｅｎａｘ管による捕集、或いはウェハ表面への吸着成分のガスクロマトグラフィ質量分析等により測定される。

但し、これらの方法は、いずれも前処理、サンプリング、人手による分析等に頼るために、化学成分と製品歩留まりとの関連を簡便に決定することができない。また、分析結果に基づいて、製品障害の発生前に即時に製造を中止したり、製造工程に対し、簡便にフィードバックさせることができない。

これに対し、最近では、水晶振動子を用い、雰囲気（空気）中の化学成分を分析する方法が開示されている。
例えば、露光装置に用いられるケミカルフィルタの上流側に、水晶振動子を配置し、水晶振動子上に吸着された化学成分の吸着量を基にケミカルフィルタの寿命を判定する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、水晶振動子を用い、室内の汚染物濃度を計測する方法が開示されている（例えば、特許文献２，３参照）。
特開平０８−０５５７７４号公報特開２００６−１０５５４０号公報特開２００３−０５６８６８号公報

しかしながら、水晶振動子上への雰囲気中の化学成分の吸着量は、ラングミュアの吸着式ｑ＝ｑ_s×（１−ｅ^-a・^t）に従う。このため、水晶振動子への化学成分の吸着量は、時間と共に増加率が減少し、その感度が減少してしまう。ここで、ｑは吸着量であり、ｑ_sは飽和吸着量であり、ａは定数であり、ｔは暴露時間である。

そのため、上記の先行例により開示された測定方法では、水晶振動子をモニタとして長時間使用するにあたり、水晶振動子の周期的な交換作業が必要になる。
また、当該交換作業が必要になると、水晶振動子の設置場所は交換作業が行える場所に限定されてしまう。このため、本来管理したい筈の測定箇所に、水晶振動子を配置できない場合も生じる。

また、雰囲気中には、硝酸（ＨＮＯ₃）、塩酸（ＨＣｌ）、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）、アンモニア（ＮＨ₃）などが存在し、長時間、水晶振動子を使用し続けると、これらの成分が水晶振動子に吸着し、水晶振動子の感度が更に低減する場合もある。

また、水晶振動子に雰囲気を晒す方向によっても計測結果が変わる場合もある。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、水晶振動子を用いた、空気中の化学成分による吸着量を測定する測定装置であって、当該水晶振動子の交換作業を要せず、長時間にわたり、空気中の化学成分の吸着量を高精度に測定することのできる測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、空気中の化学成分の吸着量を測定する測定装置であって、前記空気に水晶振動子を晒し、前記水晶振動子に吸着した前記化学成分の吸着量を測定する測定手段と、前記水晶振動子の主面に光を照射し、前記水晶振動子に吸着した前記化学成分を除去する除去手段と、を備えたことを特徴とする測定装置が提供される。

上記手段によれば、水晶振動子を用いた、空気中の化学成分による吸着量を測定する測定装置であって、当該水晶振動子の交換作業を要せず、長時間にわたり、空気中の化学成分の吸着量を高精度に測定することのできる測定装置が実現する。

以下、本実施の形態に係る測定装置を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施の形態に係る測定装置の概要図である。
測定装置１００にあっては、匡体である計測室１０を有し、当該計測室１０内に、化学成分（主に、有機成分）の吸着量を、直接的にモニタリングできる水晶振動子１１が配設されている。この水晶振動子１１は、例えば、その主たる材質を石英（ＳｉＯ₂）とし、その主面の少なくとも一方に、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、またはこれらの少なくとも一つを含む合金で構成される金属膜がコーティングされている。

また、測定装置１００にあっては、上記水晶振動子１１の端が支柱１２により挟持されている。そして、当該支柱１２は発振回路部１３から延出された構成をなし、発振回路部１３により引き起こされた発振により、支柱１２を通じて水晶振動子１１が励振される。また、励振された水晶振動子１１の周波数は、周波数カウンタ１４により計測される。

ここで、水晶振動子１１にコーティングされた上記金属膜上に、計測室１０内の雰囲気（空気）に存在する化学成分（特に、有機成分）が吸着すると、水晶振動子１１の発振周波数が変化する。従って、周波数カウンタ１４からの出力を検知することにより、水晶振動子１１上に吸着した化学成分の吸着量を算出することができる。尚、このような算出は、周波数カウンタ１４に接続された計算装置１５により、自動的に計算される。また、水晶振動子１１上に吸着した化学成分の吸着量から、例えば、半導体基板等に吸着する化学成分の吸着量も換算することができる。即ち、測定装置１００は、水晶振動子１１に吸着した化学成分の吸着量を測定する手段により、クリーンルームの任意の測定ポイントにおける化学成分の吸着量を算出することができる。

また、測定装置１００の計測室１０内にあっては、水晶振動子１１の上方に、光照射手段１６が設けられている。当該光照射手段１６は、例えば、低圧型の水銀（Ｈｇ）ランプユニット、真空紫外光を放出するエキシマランプユニット等で構成されている。また、このような光照射手段１６は、その電源１７から供給される電力が調整されることにより、その光量が調節される。そして、水晶振動子１１の主面に、光照射手段１６から放射される紫外線を照射することにより、水晶振動子１１の主面近傍に活性酸素（例えば、オゾン）を発生させて、当該活性酸素により、水晶振動子１１の主面に吸着した化学成分を除去することができる。

尚、図１においては、水晶振動子１１の上方に、光照射手段１６を位置させた構成を例示したが、特にこの配置に限られるものではない。例えば、光照射手段１６においては、その位置を水晶振動子１１の位置にまで降下させ、水晶振動子１１の両面の対向する位置に光照射手段１６を位置させてもよい。即ち、水晶振動子１１の両面が光照射手段１６により完全に覆われるように、光照射手段１６を配置してもよい（図示しない）。

また、測定装置１００は、例えば、クリーンルーム等の任意の測定ポイント（図示しない）に、吸入口２０を通じて連結されている。更に、測定装置１００には、排気口２１ａが設けられ、吸引ポンプ２２を作動させることにより、計測室１０内の雰囲気を排気口２１ａに排気することができる。即ち、測定装置１００は、クリーンルーム等の任意の測定ポイントの雰囲気を、吸入口２０を通じて計測室１０内に吸引し、吸引した雰囲気を排気口２１ａに排気することができる。尚、測定装置１００には、吸引ポンプ２２による排気の流量を調節する流量調整器２３が取り付けられている。これにより、例えば、それぞれの測定ポイントにおいて、圧力の高低差、或いは、空気の流量差があっても、流量調整器２３を作動させることにより、水晶振動子１１に晒される空気の流量を、当該測定ポイントの圧力、流量と等しく調整することができる。

尚、排気口２１ａの中途には、排気流路切替器２４が設けられ、更に、大気開放されたパイプ２１ｂが排気流路切替器２４を通じて、排気口２１ａに中継されている。
また、測定装置１００にあっては、水晶振動子１１の主面の向きが吸入口２０から排気口２１ａに向かう方向に対し、平行になるように配置されている。即ち、水晶振動子１１の主面が計測室１０内に流れる雰囲気の流れと平行に配置されている。これにより、吸入口２０から排気口２１ａに向かう気流が水晶振動子１１の両面に均一に晒される。

また、測定装置１００にあっては、計測室１０内に取り付けられた排気口２１ａの手前に、遮蔽板２５が備えられている。このような遮蔽板２５により、排気口２１ａの入り口が部分的に遮蔽される。これにより、計測室１０内に流れる上記気流が計測室１０内に万遍無く拡がる。従って、水晶振動子１１の主面に、上記気流が局部的に晒されることが回避される。

また、排気口２１ａの末端には、フィルタ２６が介設され、計測室１０内で発生する化学成分を取り除くことができる。このようなフィルタ２６の素材は、例えば、活性炭が適用される。

次に、測定装置１００により、雰囲気中の化学成分の吸着量を測定した具体例について説明する。例えば、クリーンルーム内の所定の測定ポイントにおける雰囲気を測定装置１００に引き込み、水晶振動子１１に吸着する化学成分の吸着量を長時間にわたり測定した例を、図２に例示する。

図２は測定時間と周波数の変化量を説明するための図である。ここで、横軸には、測定時間（ｄａｙ）が示され、縦軸には、水晶振動子１１の周波数の変化量（ΔＨｚ）が示されている。尚、水晶振動子１１の周波数の変化量は、上述した周波数カウンタ１４からの出力値から、水晶振動子１１の初期状態（化学成分が未吸着状態）の周波数を差し引いた値である。

また、図中には、水晶振動子１１の主面の向きを吸入口２０から排気口２１ａに向かう方向に平行に配置させたパターンＡ（図１参照）と、水晶振動子１１の主面の向きを吸入口２０から排気口２１ａに向かう方向に垂直に配置させたパターンＢと、吸入口２０から排気口２１ａに向かう方向と発振回路部１３の主面とが垂直になるように配置させたパターンＣと、発振回路部１３の背後から、雰囲気を晒したパターンＤによる測定結果が例示されている。ここで、図中の矢印は、雰囲気が流れる方向を表している。即ち、パターンＡ，Ｃ，Ｄについては、水晶振動子１１の両面に同時に雰囲気を晒す構成とし、パターンＢにおいては水晶振動子１１の主面の一方に、雰囲気を晒す構成としている。

図示する如く、時間の経過と共に、周波数の変化量が徐々に増加している。即ち、時間の経過と共に、水晶振動子１１上に化学成分が吸着し続けていることが分る。
但し、パターンＢにおいては、測定時間の中途から、パターンＡ，Ｃ，Ｄの測定曲線から極端に外れ、測定値が異常な表示をすることが分った。即ち、パターンＢの配置では、長時間、測定装置１００を使用し続けると、不正確な測定値を表示をすることが分った。また、パターンＤにおいては、時間が長く経過すると共に、パターンＡ，Ｃの測定曲線から若干、外れることが分った。

後述するように、パターンＡの場合の水晶振動子１１の周波数の変化量と、半導体基板表面に吸着する化学成分の吸着量とが対応していることから、雰囲気中に存在する化学成分の吸着量を正確に測定するには、上記パターンＡ或いは上記パターンＣの配置が望ましいことが分った。

次に、光照射手段１６による水晶振動子１１の再生について説明する。例えば、クリーンルーム内の別の測定ポイントにおける雰囲気を測定装置１００に引き込み、水晶振動子１１に吸着した化学成分を上記光照射手段により除去した例を、図３に例示する。

図３は光照射手段による水晶振動子の再生を説明するための図である。ここで、横軸には、測定時間（ｈｏｕｒ）が示され、縦軸には、水晶振動子１１の周波数の変化量（ΔＨｚ）が示されている。

先ず、測定を開始する前に、水晶振動子１１の表面をクリーニングするために、水晶振動子１１に上記光照射手段１６による光照射を施す。そして、２４時間、水晶振動子１１に雰囲気を晒し、水晶振動子１１の周波数変化を測定した。この結果を図中の測定Ａとして示す。

続いて、当該水晶振動子１１に、光照射手段１６による光照射を施し、水晶振動子１１の表面に吸着した化学成分を除去した後、２４時間、水晶振動子１１に雰囲気を晒し、水晶振動子１１の周波数変化を測定した。この結果を図中の測定Ｂとして示す。

図示する如く、測定Ａと測定Ｂのそれぞれの測定線の曲線はほぼ重なり、光照射手段１６による光照射により、水晶振動子１１が再生されることが分った。
次に、化学成分の水晶振動子１１上の吸着量と、化学成分の半導体基板（シリコンウェハ）上の吸着量の対応について説明する。例えば、クリーンルーム内の更に別の測定ポイントにおける雰囲気を測定装置１００に引き込み、水晶振動子１１に吸着する化学成分の吸着量を測定した場合と、当該測定ポイントに半導体基板を設置し、当該測定ポイントにおける半導体基板上に吸着される化学成分の吸着量を測定した場合の例を、図４に例示する。

図４は化学成分の吸着量を説明するための図である。ここで、横軸には、測定時間（ｈｏｕｒ）が示され、縦軸には、半導体基板上に吸着した化学成分の吸着量（ｎｇ／ｃｍ²）、並びに水晶振動子１１の周波数の変化量（（１／０．２４）ΔＨｚ）が示されている。尚、半導体基板上に吸着した化学成分の吸着量は、上記クロマトグラフィ法により計測している。また、半導体基板及び水晶振動子１１上に吸着する化学成分としては、例えば、フタル酸エステル、リン酸エステル、シロキサン等が該当する。

図示する如く、半導体基板上に吸着した化学成分の吸着量の測定曲線と水晶振動子１１の周波数の変化量の測定曲線とは略一致していることが分った。これにより、水晶振動子１１の周波数の変化量から、半導体基板上に吸着する化学成分の吸着量を算出できることが分った。

例えば、この測定ポイントにおいては、水晶振動子１１の周波数の変化量に、換算係数（１／０．２４）を掛け合わせることにより、シリコンウェハ上に吸着した化学成分の吸着量を換算することができる。このような換算は、上記計算装置１５により、自動的に実施される。

このように、測定装置１００は、雰囲気中に水晶振動子を晒し、水晶振動子１１に吸着した化学成分の吸着量を測定する測定手段と、水晶振動子１１の主面に光を照射し、水晶振動子１１に吸着した化学成分を除去する除去手段と、を備えている。

このような測定装置１００によれば、半導体基板に吸着しやすい化学成分（例えば、有機物）の吸着量をリアルタイムで高精度にモニタリングできる。特に、測定装置１００に配置された水晶振動子１１には、金属膜がコーティングされていることから、雰囲気中に存在する酸、塩基などによる測定への影響を受け難い構成としている。

また、計測室１０においては、雰囲気の気流に対して、水晶振動子１１の主面を平行に配置していることから、水晶振動子１１の両面に均等に化学成分を吸着させることができる。特に、計測室１０においては、排気口２１ａの手前に遮蔽板２５を設けていることから、水晶振動子１１近傍の気流の乱れを抑制することができ、水晶振動子１１の両面に均等に化学成分を吸着させることができる。これにより、長時間にわたり、高精度に水晶振動子１１に吸着する化学成分の吸着量を測定することができる。

また、測定ポイントにおいては、上述した如く、クリーンルームの場所により、圧力、流量等が異なる場合がある。然るに、測定装置１００においては、水晶振動子１１の主面上を通過する雰囲気中の流速を制御する制御手段が備えられている。即ち、流量調整器２３を作動させることにより、水晶振動子１１に晒される空気の圧力、流量を、当該測定ポイントの圧力、流量と等しくなるように調整することができる。従って、測定装置１００は、実際の製造プロセス環境と同様の環境下で化学成分の吸着量を測定することができる。

また、測定装置１００においては、特に、光照射手段１６を水晶振動子１１の両面に対向する位置に配置させ、紫外線を水晶振動子１１の両面に万遍無く照射させることが可能である。これにより、水晶振動子１１の両面に吸着した化学成分を完全に除去することができる。従って、水晶振動子１１の交換を要せず、同じ水晶振動子１１を繰り返し使用することができる。

ここで、加熱処理を施すことにより、水晶振動子１１の両面に吸着した化学成分を除去する方法も可能と思われる。しかし、水晶振動子１１の厚みは、通常、０．１ｍｍ程度であり、当該加熱処理を施すと、水晶振動子１１、並びに水晶振動子１１の周辺部材に損傷が生じる場合がある。また、加熱処理によれば、水晶振動子１１表面での化学変化、或いは化学成分の変異が発生し、高精度に化学成分の吸着量が測定できない場合がある。従って、光照射手段１６によって化学成分を除去する方法が望ましい。

また、水晶振動子１１の交換作業が不要になることから、水晶振動子の設置場所は交換作業が行える場所に限定されることなく、本来管理したい筈の測定ポイントの化学成分の吸着量を簡便に測定することができる。

また、上記光照射手段１６の実施により、水晶振動子１１表面から離反した化学成分は、フィルタ２６により除去されることから、環境へ悪影響を及ぼすことはない。
また、測定装置１００による測定時には、計測室１０内の雰囲気を切替手段である排気流路切替器２４の作動により、大気開放されたパイプ２１ｂに排気することができる。これにより、フィルタ２６の寿命を延ばすことができる。

（付記１）空気中の化学成分の吸着量を測定する測定装置であって、
前記空気に水晶振動子を晒し、前記水晶振動子に吸着した前記化学成分の吸着量を測定する測定手段と、
前記水晶振動子の主面に光を照射し、前記水晶振動子に吸着した前記化学成分を除去する除去手段と、
を備えたことを特徴とする測定装置。

（付記２）前記水晶振動子の前記主面は、前記空気の流れと平行であることを特徴とする付記１記載の測定装置。
（付記３）前記水晶振動子の前記主面に対向する位置に、光照射用のランプが備えられていることを特徴とする付記１または２記載の測定装置。

（付記４）前記水晶振動子の前記主面上を通過する前記空気の流速を制御する制御手段が備えられていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか一項に記載の測定装置。
（付記５）前記水晶振動子の前記主面に金属膜が形成されていることを特徴とする付記１乃至４のいずれか一項に記載の測定装置。

（付記６）前記化学成分の吸着量を測定する際には、前記空気中を大気に排気し、前記化学成分を除去する際には、除去された前記化学成分をフィルタに通過させることのできる切替手段が備えられていることを特徴とする付記１記載の測定装置。

本実施の形態に係る測定装置の概要図である。測定時間と周波数の変化量を説明するための図である。光照射手段による水晶振動子の再生を説明するための図である。化学成分の吸着量を説明するための図である。

符号の説明

１０計測室
１１水晶振動子
１２支柱
１３発振回路部
１４周波数カウンタ
１５計算装置
１６光照射手段
１７電源
２０吸入口
２１ａ排気口
２１ｂパイプ
２２吸引ポンプ
２３流量調整器
２４排気流路切替器
２５遮蔽板
２６フィルタ
１００測定装置

Claims

空気中の化学成分の吸着量を測定する測定装置であって、
前記空気に水晶振動子を晒し、前記水晶振動子に吸着した前記化学成分の吸着量を測定する測定手段と、
前記水晶振動子の主面に光を照射し、前記水晶振動子に吸着した前記化学成分を除去する除去手段と、
を備えたことを特徴とする測定装置。
前記水晶振動子の前記主面は、前記空気の流れと平行であることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
前記水晶振動子の前記主面に対向する位置に、光照射用のランプが備えられていることを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
前記水晶振動子の前記主面上を通過する前記空気の流速を制御する制御手段が備えられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の測定装置。