JP2011232182A - 基板分析装置及び基板分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、同一装置により、エッチング工程と回収工程の両工程が行える、小型で簡易的な分析装置であって、基板に形成された膜の種類によらず分析可能であり、基板上の局所分析にも好適な分析装置を提供する。
【解決手段】本発明は、分析液を吐出及び吸引するノズル本体と、ノズル本体の外周に配された外管とからなる２重管ノズルを備え、回収手段は２重管ノズルのノズル本体であり、エッチング手段はノズル本体と外管との間に供給されるエッチングガスである基板分析装置に関する。本発明は、同一装置によりエッチング工程と回収工程の両工程を行うことができる分析装置であり、簡易的な分析や、基板の特定箇所についての局所的な分析にも好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に含まれる微量金属等の分析対象物を分析するための基板分析装置に関する。また、この基板分析装置を用いた分析方法に関する。

半導体ウェーハ等の基板に含まれる金属、有機物質等の分析対象物を分析する分析装置としては、一般に、基板に形成されたシリコン酸化膜や窒化膜等をエッチングする気相分解装置と、エッチング後の基板上に残存する分析対象物を回収する基板分析用ノズルが用いられている。これらの装置を用いた分析手法としては、まず、基板をＶＰＤチャンバー等に載置し、フッ化水素等のエッチングガスを導入して基板の形成膜をエッチングする。その後、基板分析用ノズルにより、エッチングした基板に微量の分析液を吐出し、吐出した分析液で基板上を掃引する。基板上の分析対象物は分析液中に移動するため、掃引した分析液をノズルで吸引すれば、分析対象物を微量の分析液で回収し、精度のよい分析が可能になる。

このように基板分析において、気相分解装置により基板をエッチングする工程と、ノズルにより分析対象物を回収する工程という、二段階の工程を要していた。これは、半導体ウェーハ基板表面に自然酸化膜等が形成されている場合、その表面は親水性となり、分析液を吐出すると分析液は漏れ広がってしまい、回収困難となるからである。よって、回収工程では、基板表面が疎水性であることが必要なため、親水性である酸化膜や窒化膜等が基板上に形成されている場合、予めこれらの酸化膜等を除去するエッチング工程を要していた。

このように、従来、基板を分析する際には、エッチング工程と回収工程という二段階の工程を、気相分解装置と基板分析用ノズルという別々の装置を用いて行われていた。特に、気相分解装置は比較的大型の装置であり、半導体製造ラインにおける基板の分析等、簡易的に測定したい場合にも、測定したい基板をＶＰＤチャンバー等に移送する等の必要があり不便であった。また、基板自体も、気相分解装置と基板分析用ノズルの装置間を移送する際に、汚染を生じる危険性があった。

このため、本発明者等は、気相分解装置によるエッチング工程と、基板分析用ノズルによる回収工程とを、同一装置により全自動で行うことのできる全自動気相分解装置を提供している。この装置によれば、装置間移送の際に基板が汚染されるリスクを低減できる。また、本発明者等は、排気手段と外気導入孔を備える２重管から構成された基板分析用ノズルを開示しており（特許文献１）、このノズルによれば、回収工程において用いる分析液として、基板の形成膜のエッチング作用も有する強酸や、酸濃度の高い酸等を採用できる。これら強酸等の分析液は、エッチング作用も有するものの、その反面、基板表面を粗い状態としやすいことから、基板上に吐出した分析液がノズルより脱落しやすい傾向となってしまうため、従来のノズル構造では採用しにくいものであった。特許文献１のノズルは、排気手段と外気導入孔を備える構成によりノズルから分析液の脱落しにくいものとできるため、エッチング作用を有する強酸等の分析液を採用できたものである。

また、例えば、表面光起電力（Surface Photo Voltage: SPV）法により、基板上において、金属等が含まれる箇所が判明している場合、その特定の箇所のみを局所的に分析し、金属等の濃度を求めたい場合がある。しかしながら、従来のように気相分解装置と基板分析用ノズルという別個の装置で基板を分析すると、特定の局所的な部分における金属濃度等を正確には分析できない傾向があった。これは、気相分解装置によるエッチング中、もしくはエッチング後において、基板の特定箇所に含まれていた分析対象物が、別の箇所に移動してしまうことがあったためと考えられる。このような背景のもと、基板のエッチングを局所的に行うことができる基板処理装置が提案されている（特許文献２）。

特願２００９−２８７２０５号明細書 特開２００５−３１１４０号公報

上記した全自動気相分解装置は、従来の気相分解装置と同様、装置が比較的大型のものであった。また、特許文献１のように、回収工程における分析液として、エッチング作用を有する強酸等を採用する方法は、基板に形成された膜の種類によって、分析困難な場合があった。具体的には、基板の形成膜がポリシリコン等の比較的強酸で分解しにくい膜であるときは分析液として強酸等が使用できるものの、形成膜が酸化膜や窒化膜のように比較的強酸で分解されやすい膜であるときは、基板上に分析液を吐出した際、分析液が瞬時に広がってしまう傾向となり、採用することができなかった。

また、特許文献２は、基板のエッチングについては局所的に行えるものの、回収工程については、その後別途行う必要があるため、エッチング後に分析対象物が基板上の別の位置に移動し、正確な分析ができない場合があった。

そこで本発明は、同一装置により、エッチング工程と回収工程の両工程が行える、小型で簡易的な分析装置であって、基板に形成された膜の種類によらず分析可能であり、基板上の局所分析にも好適な分析装置を提供する。

上記課題を解決する本発明は、気相分解法により分析対象物を含む基板をエッチングするエッチング手段と、ノズル先端から基板上に分析液を吐出し、吐出した分析液で基板表面を掃引した後、分析液をノズル先端より吸引して分析対象物を回収する回収手段と、を備えた基板分析装置であって、分析液を吐出及び吸引するノズル本体と、ノズル本体の外周に配された外管とからなる２重管ノズルを備え、回収手段は、２重管ノズルのノズル本体であり、エッチング手段は、ノズル本体と外管との間に供給されるエッチングガスであることを特徴とする基板分析装置に関する。

図１に、本発明の基板分析装置を用いて基板分析する場合のイメージ図を示す。図１では、例として、基板Ｗ上に酸化膜Ｏｘが形成された基板を分析する場合について説明する。本発明の分析装置は、図１のように、ノズル本体１０の外周に外管２０を配した２重管構造のノズルＴを備えるものであり、エッチング手段は、図１の上図の矢印のように、ノズル本体１０と外管２０との間１５にノズル先端方向へ供給されるエッチングガスである。これにより、図１の下図のように、分析液Ｄを吐出するノズル本体の外周部分Ｒの酸化膜Ｏｘがエッチング除去され、基板Ｗ自体が露出した状態となる。このため、例えば、基板に酸化膜や窒化膜等の親水性の膜が形成されている場合にも、分析液を吐出する部分の外周は疎水性の基板が露出した状態となっているから、分析液が濡れ広がることなく、回収率の低下を抑制できる。

本発明の分析装置によれば、このように基板の形成膜のエッチングと、分析対象物の回収とを単一の装置で行うことができるため、基板の汚染リスクが非常に低減され、局所的な分析にも好適となる。また、ノズルで基板表面を掃引することで、基板上の任意の位置について、連続的にエッチングと回収を行うことができる。このように、小型のノズルを基板に対向させるだけで、エッチング及び回収を行うことができるため、従来のような大型の気相分解装置等を用いる場合に比べ、簡易的な分析に好適である。

本発明の基板分析装置におけるエッチング手段は、基板に形成された酸化膜等をエッチングするためのエッチングガスを提供できるものであればよい。具体的には、フッ酸等の混酸溶液よりエッチングガスである蒸気を発生させるバブリング装置を備えるものであってもよく、混酸溶液を霧化するネブライザーを備えるものであってもよい。ネブライザーは、濃度の高いエッチングガスを安定供給することができるため、エッチング時間を短縮することができる点で有効である。

ノズル本体のサイズは、従来回収工程で用いられている基板分析用ノズルと同程度の大きさでよく、分析したい基板のサイズ等に従い、任意のサイズを選択できる。かかるノズル本体に対するノズル外管の大きさは、直径で１．５〜２．５倍であることが好ましく、２倍程度であることが特に好ましい。この範囲内であると、エッチング手段によるエッチングが良好に行われ、ノズル本体の外周部分の形成膜を確実に除去できる傾向となる。一方、ノズル本体に対するノズル外管の大きさが、直径で１．５倍未満であるとウェーハ上を掃引する際に形成膜のエッチングが不十分になる場合があり、２．５倍を超えると必要としない部分までエッチングが行われて局所的な分析には非効率となる傾向がある。

尚、本発明の分析装置では、エッチング手段に加えて、さらに、ノズル本体と外管との間を排気経路とする排気手段を設けることも可能である。この場合、さらに外管先端に外気導入孔を設けることが好ましい。排気手段及び外気導入孔を有する分析装置では、回収工程において分析液の脱落を防止できる。具体的には、排気手段による排気により、ノズル本体と外管との間を減圧雰囲気として分析液を保持しやすい状態としつつ、外気導入孔を有することにより、外気が無秩序に流入することを防げるため、分析液の脱落が防止できる。

以上説明した本発明の基板分析装置を用いて基板を分析する場合には、２重管構造のノズルで基板表面を掃引しながら、エッチング工程及び回収工程を行うことができる。

２重管ノズルによる掃引は、従来の回収工程と同様の方法で行うことができる。例えば、基板を回転させつつ、ノズルを内側から外側に移動させることで、渦巻状に掃引する方法等が採用できる。また、上記したように本発明のノズルは、基板を局所的に分析する場合にも好適であり、その場合には、分析したい特定箇所の基板表面のみを２重管ノズルが通過するようにノズル操作すればよい。

そして、エッチング工程及び回収工程は、まず基板表面全面（もしくは一部）を、２重管ノズルで掃引しながらエッチング工程を行った後、再度基板表面全面（又は一部）に対し回収工程を行うように、掃引を二度行い各工程を別々に進行させても良いが、一度の掃引で、エッチング工程と回収工程とを同時に進行させてもよい。基板上の一部のみを局部的に分析したい場合には、エッチング工程と回収工程とを同時に進行させることが好ましい。エッチングによる分析対象物の拡散を生じることなく、回収が良好に行えるからである。

基板の形成膜が、酸化膜や窒化膜等の比較的分解されやすい膜である場合、エッチングに要する時間が比較的短いため、一度の掃引でエッチング工程と回収工程とを同時進行させることにより、分析時間を大幅に短縮することができる。一方、基板の形成膜が、ポリシリコン、タングステンシリサイド、チタン、窒化チタン等の比較的分解しにくい膜である場合、回収工程は比較的短時間で行えるのに対し、エッチングに要する時間は比較的長いため、分析時間は全体として短縮されない場合がある。このような場合には、エッチング工程をおこなった後、回収工程をおこなうよう、別々に各工程を行うことができる。エッチング工程と回収工程とを別々に行う場合は、回収工程において、排気手段によりノズル本体と外管との間を排気しながら掃引することで、分析液の脱落を防止できる。

分析時にノズルで基板上を掃引する掃引速度は、特にエッチング工程でエッチングする基板の形成膜の種類を考慮の上、適宜好適な速度を選択する。具体的には、上述したように、基板の形成膜がポリシリコン等の場合、エッチングに要する時間が比較的長いため、エッチング及び掃引速度は例えば５ｍｍ／ｓｅｃとすることができる。一方、酸化膜等は、エッチングに要する時間が比較的短いため、例えば３０ｍｍ／ｓｅｃとできる。

エッチング工程で用いるエッチングガスとしては、従来より用いられているものを使用でき、特に好ましくはフッ化水素ガスである。また、オゾン等のガスをフッ酸と一緒に導入することで、バルクシリコン（基板自体）の分析も行うことができる。一方、回収工程で用いる分析液としては、フッ酸と過酸化水素の混合溶液や、フッ酸と硝酸の混合溶液等を用いることができる。

以上説明した本発明の分析方法において、分析できる基板の種類は限定されないが、特に、ウェーハ等半導体基板の分析に好適である。

以上説明したように、本発明の基板分析装置は、同一装置によりエッチング工程と回収工程の両工程が行える小型の分析装置であり、両工程を同時に行うことも可能となる。また、本発明の装置は、簡易的な分析や、基板の特定箇所についての局所的な分析にも好適である。

本発明の基板分析装置を用いた基板分析のイメージ図。 本実施形態において用いた基板分析用ノズルの縦断面図。

以下、本発明の実施形態について説明する。

実施例１：実施例１として、図２のノズルを用いて基板の分析を行った。図１のノズルは、ノズル本体１０と、外管２０とからなる２重管で構成される。ノズル本体１０は、シリンジポンプ３０と接続しており、分析液Ｄが吐出可能となっている。また、ノズルは、ノズル本体１０と外管２０との間には、エッチング手段として矢印方向にエッチングガスが供給できるよう、ＨＦ蒸気の発生装置（図示せず）が接続されている。尚、ＨＦ蒸気の発生装置としては、ＨＦ溶液中に窒素ガスをバブリングさせてＨＦ蒸気を発生させる装置や、ネブライザー等の装置等を採用できる。

本実施例では、ノズル本体が１０ｍｍで外管は２０ｍｍであり、ノズル本体に対する外管の大きさが直径で２倍のノズルを用いた。尚、ノズル本体は先端部が細くなっているため、上記ノズル本体の直径としては、先端部以外の直径が一様な部分の大きさを基準とした。

次に、上記ノズルを用いた具体的な分析方法について説明する。分析対象の基板としては、８インチのベアーシリコンウェーハ基材を用いた。この基材について、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ等の分析対象物の各金属濃度が５Ｅ１０ ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２くらいの濃度となるように、標準溶液をウェーハ上に滴下・乾燥させてさせて強制的に汚染したものを分析に用いた。尚、このウェーハ基材に対し、エッチングを行わずに分析液を直接吐出したところ、分析液は基板上に濡れ広がってしまった。このため、このウェーハ基材には、自然酸化膜が形成されていたと考えられる。

この半導体基板について、図２の２重管ノズルを用いて、エッチング工程と回収工程とを一度の掃引で同時に進行させて分析した。まず、３％ＨＦ、４％Ｈ_２Ｏ₂を含む分析液に２重管ノズルを浸漬し、シリンジポンプ３０で吸引してノズル本体１０の液溜内に分析液を５００μＬ充填した。次に、ノズルをウェーハ基板上に移動し、ネブライザーに窒素ガスを１Ｌ／ｍｉｎ供給し、フッ化水素濃度４９ｗｔ％のフッ化水素溶液を２００μＬ／ｍｉｎで供給して発生させた蒸気を用いてノズル本体と外管との間に供給した。この蒸気供給を行うと同時に、分析液を基板上に約１５０μＬ吐出し、ノズルで基板上を３０ｍｍ／ｍｉｎの速さで掃引し、分析対象物の回収を行った。

実施例２：本実施例では、実施例１と同様の基板について、図２の２重管ノズルを用いて、エッチング工程を行った後に、別途、回収工程を行った。まず、ネブライザーに窒素ガスを１Ｌ／ｍｉｎ供給し、フッ化水素濃度４９ｗｔ％のフッ化水素溶液を２００μＬ／ｍｉｎで供給して発生させた蒸気を用いて、ノズル本体と外管との間に供給した。このとき、基板上の掃引は、３０ｍｍ／ｍｉｎの速さで行った。次に、３％ＨＦ、４％Ｈ_２Ｏ₂を含む分析液に２重管ノズルを浸漬し、シリンジポンプ３０で吸引してノズル本体１０の液溜内に分析液を５００μＬ充填した。この分析液を基板上に約１５０μＬ吐出し、ノズルで基板上を３０ｍｍ／ｍｉｎの速さで掃引し、分析対象物の回収を行った。

以上の結果、実施例１、２の分析では、分析液が基板上で濡れ広がることなく、良好に回収を行うことができた。また、分析に要する時間も、比較的短時間であった。具体的には、実施例１では５分でエッチングと回収とを同時に行うことができた。また、実施例２も、エッチングに５分、回収が５分で、合計１０分であった。

一方、これに対し、従来の分析方法のように、ＶＰＤチャンバー等を備えた気相分解装置によるエッチングと、ノズルによる回収とを行った場合、分析時間としては、エッチングに約３分、分析対象物の回収に約５分を要する上に、基板を装置間に移送させる工程も要するものであった。このため、従来の分析方法では、基板の移送時間も考慮すると、実施例１、２より多くの分析時間を要するものであった。

次に、実施例１により回収した分析対象物を含む分析液について、誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）により下記表１に示す元素のウェーハ中における濃度を測定した。そして、以上の回収工程及び元素濃度の分析を、同一の基板について合計３回繰り返して行い、回収率を求めた。回収率は、１回目の分析で検出された元素濃度を、３回の分析で検出された元素濃度の合計値に対する割合（回収率）より算出した。分析方法は、一般に１回の分析で全ての対象物を検出できることが望まれているため、上記回収率の高いほど、１回目の分析で多くの元素を検出できた良好な結果であることが示される。

表１より、実施例１によれば、半導体基板に含まれる微量の分析対象物について、回収率の高い分析が可能であることが分かった。

本発明は、基板に含まれる金属等の汚染を評価する技術において、微量の汚染物を高感度に検出する基板分析の際、簡易分析や、基板の特定箇所についての局所分析を可能にする分析装置である。

１０ ノズル本体
２０ 外管
３０ シリンジポンプ
Ｔ ノズル
Ｗ ウェーハ
Ｏｘ 酸化膜
Ｄ 分析液

Claims (3)

1. 気相分解法により分析対象物を含む基板をエッチングするエッチング手段と、ノズル先端から基板上に分析液を吐出し、吐出した分析液で基板表面を掃引した後、分析液をノズル先端より吸引して分析対象物を回収する回収手段と、を備えた基板分析装置であって、
   分析液を吐出及び吸引するノズル本体と、ノズル本体の外周に配された外管とからなる２重管ノズルを備え、
   回収手段は、２重管ノズルのノズル本体であり、
   エッチング手段は、ノズル本体と外管との間に供給されるエッチングガスであることを特徴とする基板分析装置。
2. 請求項１記載の基板分析装置を用いて基板を分析する方法において、
   エッチングガスで基板をエッチングするエッチング工程と、
   ノズル本体内部の分析液を基板に吐出し、基板表面を掃引した後、分析液をノズル本体内部に吸引する回収工程とを有し、
   ２重管ノズルで基板表面を掃引しながらエッチング工程又は回収工程を行う基板分析方法。
3. エッチング工程と回収工程とを、一度の掃引で同時に行う請求項２に記載の基板分析方法。

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