JP2021056226A - 結晶方位判別器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易的に半導体の結晶方位を判別可能な技術を提供する。【解決手段】略直方体型の筐体と、筐体の天面に設けられた開口部１５と、レーザー光源と、レーザー光源からの出射光を開口部から出射させるための光学系と、筐体における正面に設けられた窓部１１と、窓部１１より下側に設けられ、天面１０に載置された半導体からの反射光が照射されるスクリーンと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体の結晶方位を簡易的に判別する結晶方位判別器に関わる。

従来より、半導体、例えば半導体ウェハの結晶方位を、半導体ウェハにレーザ光を照射し、反射（散乱）光の方向を解析することで結晶方位を判定する技術は公知であった。しかしながら、これらの装置は一般に高価であり、または大型で、広いスペースを必要とするために、簡易的に結晶方位を判別できるものではなかった。

特開平０６−１０９６６７号公報

本発明は、上記の従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易的に半導体の結晶方位を判別可能な技術を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明は、略直方体型の筐体と、前記筐体の天面に設けられた開口部と、レーザー光源と、前記レーザー光源からの出射光を前記開口部から出射させるための光学系と、前記筐体における正面に設けられた窓部と、前記窓部より下側に設けられ、前記天面に載置された半導体からの反射光が照射されるスクリーンと、を備える結晶方位判別器である。

スクリーンにはレーザー光を遮らないように穴が開けられており、この穴を通ったレーザー光が天面の開口部を通して試料表面に到達し、試料表面からの反射および散乱光がスクリーン上に光の強弱の像としてパターンを映し出す。

これによれば、天面に試料としての半導体ウェハを載置し、レーザー光を照射するだけで、試料の結晶方位に応じたパターンがスクリーン上に表示される。そして、それを、窓部から観察することで、試料の結晶方位を判別することが可能である。その結果、非常に簡単かつ省スペースな方法で、試料の結晶方位を判別することが可能である。

また、本発明は、
略直方体型の筐体と、
前記筐体の天面に設けられた開口部と、
レーザー光源と、
前記レーザー光源からの出射光を前記開口部から出射させるための光学系と、
前記天面に載置された半導体からの反射光を撮影するカメラと、
を備える結晶方位判別器であってもよい。

また、本発明は、前記筐体内部に、前記スクリーンに対向するようにカメラを設置して、前記スクリーンに映った像を前記カメラで撮影する結晶方位判別装置であってもよい。

また、本発明は、計測物としての前記半導体を前記天面に設置した時に、前記天面と前記半導体の間に出来る隙間を３ｍｍ以下となるようにして、前記半導体と前記スクリーンとの間に構成される空間を密閉空間となるようにすることで外部から入る迷光を遮断して、検出の感度を上げるようにした結晶方位判別装置であってもよい。

また、本発明は、前記カメラの周囲に前記天板に平行なしきい板を設け、計測物としての前記半導体を前記天面に設置した時に、前記天面と前記半導体の間に出来る隙間を３ｍｍ以下となるようにして、前記半導体と前記しきい板との間に構成される空間を密閉空間となるようにすることで外部から入る迷光を遮断して、検出の感度を上げるようにした結晶方位判別装置であってもよい。

また、本発明は、前記筐体には窓部を設置しないようにして、該窓部を通して入る外部からの迷光を遮断した結晶方位判別装置であってもよい。

また、本発明は、前記スクリーンと計測物の距離を３ｃｍ以下の短い距離にして、装置を小型化した結晶方位判別装置であってもよい。

また、本発明は、前記カメラと計測物の距離を３ｃｍ以下の短い距離にして、装置を小型化した結晶方位判別装置であってもよい。

また、本発明は、
（１）前記半導体からの反射光によって取得された像で出来るアローの回転方向
（２）前記像の中心位置と前記レーザー光源から出射される光が前記半導体の表面で正反射することによる反射光スポットの中心との距離
（３）前記像の中心位置が、前記レーザー光源から出射される光が前記半導体の表面で正反射することによる反射光スポットの中心とズレる方向
の少なくとも一つを測定する事により、
前記半導体における表面と、前記半導体の結晶の方位との傾き角度および／または傾きの方向を測定する結晶方位判別装置であってもよい。

簡易的に半導体の結晶方位を判別することができる。

実施例に係る結晶方位判別器の斜視図（写真）である。 実施例に係る結晶方位判別器の正面図（写真）である。 実施例に係る結晶方位判別器の天面（写真）である。 実施例に係るスクリーンの表示と結晶方位の関係を示す図である。 実施例に係る計測に係る部分を断面で模式的に示した図である。 実施例においてスクリーンに映る像をカメラで観察する場合の模式断面図である。 実施例においてスクリーンを使わずに、カメラで直接に観察する場合の模式断面図である。 実施例においてスクリーンに映った像を、装置の内部に設置したカメラで撮影した一例である。 結晶の配列に対して、計測する半導体ウェハの表面が傾きを持っている場合に、ウェハ表面からの反射、散乱光と結晶配列を起因として特徴的に形成される表面からの反射、散乱光の違いを模式的に表した図である。 結晶配列に対するウェハ表面の傾きの角度と方向に応じてスクリーンに映し出される光像の中心点がズレる関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。なお、以下に示す例は飽くまで本発明の一態様に過ぎず、本発明を限定する趣旨ではない。

図１には、本実施例に係る結晶方位判別器１の全体斜視図を示す。結晶方位判別器１の幅（Ｗ）は８５ｍｍ、奥行（Ｄ）は７９ｍｍ、高さ（Ｈ）は１５４ｍｍである。また、重量は約５５０ｇである。筐体の材質はＡＢＳ樹脂からなる。また、装置の使用温度範囲は−１０〜４０℃の間である。

結晶方位判別器１の形状は、直方体状となっている。使用電源としては、リチウムポリマー電池４０００ｍＡｈを内蔵している。光源としてはクラスＩＩＩｂ５Ｍｗのレーザー光源を使用している。筐体は迷光の発生、反射光による測定精度の低下を考慮し艶消しの黒色とされている。

図２は、結晶方位判別器１の正面図である。正面には結晶方位を観察するための観察窓１１が配置される。また、レーザー光源がＯＮしている場合に点灯する点灯表示部１２と、主電源１４、主電源がＯＮしている期間中に点灯する電源表示部１３が配置されている。

図３は、結晶方位判別器１の天面１０を示す。天面１０には開口部１５と、警告ラベル１６が配置される。また、天面１０の上に資料としての半導体ウェハが載置されたことを検知するセンサ部１７が配置されている。このセンサ部１７は、光センサであってもよいし、静電センサであっても構わない。

この天面１０の上に資料としての半導体ウェハＷが載置されると、センサ部１７がそれを検知し、レーザーをＯＮする。そうすると、レーザー光が開口部１５から照射され半導体ウェハＷに照射される。半導体ウェハＷに照射されたレーザー光は反射して観察窓１１の下部の筐体内部に水平に設けられたスクリーンに照射され、スクリーンには、結晶方位に応じたパターンが表示される。

＜操作方法＞
結晶方位判別器１の操作方法は以下のとおりである。
１．測定の準備
（１）本体を平坦で安定した場所に置く。（振動や外乱の無い場所）
（２）静電センサーを使用しているため、導通の取れる金属製の板の上の方が動作が安定する。
（３）主電源のスイッチをＯＮにする。これにより、緑色のＬＥＤが点灯する。
（４）スイッチをＯＮにする際、２，３秒程度はステージに触れないようにする。

２．レーザーの確認方法
（１）主電源がＯＮになり、緑色のＬＥＤが点灯して後に、ステージのセンサー埋込部に指を軽く触れると、赤色のＬＥＤが点灯して、同時にレーザー光がステージ中心の開口部から出射される。
（２）指を離すことで、レーザーが消灯して、赤色ＬＥＤも消灯する。

３．計測
（１）ウェハを手で触るために、適切な手袋をはめる。
（２）人体の電位を、手袋を通してウェハに伝えて、センサーで検出する。
（３）手袋が厚い、または絶縁性の高い手袋は、人体の電位を伝えられないので本装置での使用には不適切である。
（４）測定したいウェハを手で持つ。
（５）ウェハのノッチ部またはオリフラ部を手前側になるようにして、ウェハの裏面（エッチング面）を下に向けてステージの上に、センサー埋込部と、レーザー出射口の開口部を塞ぐようにして置く。
（６）ウェハは手で持ったままにする。手を離すと人体の電位が伝わらなくなって、ウェハが検出されない。
（７）ウェハをステージに置いて静置すると、センサーがウェハを検出して、レーザーが照射される。
（８）レーザーが照射されている間、赤色ＬＥＤが点灯する。
（９）ウェハ裏面（エッチング面）で反射されたレーザー光が、装置内部のスクリーンに像（光像）を作る。この光像のパターンは、装置前面部の観察窓から見ることが出来る。
（１０）光像のパターンから、ウェハの結晶方位と、ノッチまたはオリフラの方位を判定する。

４．計測作業の終了
（１）ウェハをステージから外す。
（２）レーザーが消灯し、赤色ＬＥＤも消灯する。
（３）主電源のスイッチを切る。緑色ＬＥＤが消灯する。
シリコンウェハを連続で計測する場合、複数枚のウェハを連続して判定する場合は、
（４）先に測定したウェハをステージから外す。
（５）レーザーが消灯し、赤色ＬＥＤも消灯する。
（６）次のウェハを同じ要領でステージに置くと、センサーがウェハを検知して赤色ＬＥＤとレーザーがＯＮになる。
（７）以下、これらの作業を繰り返す

図４は、スクリーンに表示された、半導体ウェハＷからの反射光のパターンと、その結晶方位の関係を示している。ウェハ裏面の状態によって、光像が上記の特徴を持っていても、見え方が異なって来る。図４に示すように、線状に見える方向を参考に判断する。その他の結晶方位、ノッチ方位の場合の見え方は、先に方位が分かっているウェハで見え方のパターンを確認してから測定するようにしてもよい。面方位に傾きがある場合には、上記のパターンの中心が、傾きの無い場合よりも少しズレて見えることになる。

図５は、図１、図２、図３、図４で実施例として挙げた装置を、観察窓１１と垂直な平行な面で切った場合の断面の構造を模式的に表した図である。レーザー光２３はスクリーンの中心に開けられた穴を通って計測対象の半導体ウェハの表面に照射される。半導体ウェハ２１は、装置の天面１０に接近して置かれるため、測定中には開口部１５との間に出来る隙間は狭くなり、スクリーン２０から計測対象の半導体ウェハ２１の表面までの間の空間は、装置１の筐体と、スクリーン２０、半導体ウェハで囲まれて、ほぼ密閉される構成になるため、暗室となり、装置外部から入り込む迷光は最小限に抑えられるようになり、計測の感度を向上することが出来る。その効果として、出力の低いレーザー光を用いても計測、判別が可能になる。

スクリーン２０から計測対象の半導体ウェハ２１の表面までの距離は、今回の装置では２０ｍｍ以下としている。スクリーン２０から半導体ウェハ２１までの距離を小さくすることにより、スクリーン２０の大きさは小さいもので済むようになり、装置全体を小型化出来る。

図６は、スクリーン２０の下側にＣＣＤカメラなどの撮像素子２４を設置して、スクリーン２０に映る像をカメラ２４で観察するようにした構成の模式図である。カメラ２４は、図５中のカメラ２５のように、スクリーン２０の上側に設置する事も可能である。その場合には、撮影される像はカメラ２４の場合とは反転してものとなる。カメラ２４またはカメラ２５を用いてスクリーン２０の像を撮影する構成により、観察窓１１は不要となるので、観察窓１１から入る恐れのある迷光も防ぐことが出来る。

図７は、計測対象の半導体ウェハ２１からの反射光または散乱光を直接に撮影するカメラ２６を設置することとした場合の模式的な構成図である。

図８は、図６で説明した装置構成にして、スクリーン２０の下側に設置したカメラ２４で撮影された、スクリーン２０に映った像の例である。図８で用いたカメラ２４は画角が狭いため、スクリーン２０に映った像の中心付近だけが映っており、画像の１辺は約１５ｍｍ程度であった。画角の広い広角レンズのカメラを用いる事により、さらに広い範囲の像を撮影可能になる。

実際に使用されている半導体ウェハでは、結晶の配列方向に対して、定められた一定の方向に一定の傾きもった表面になるように加工したウェハを使用する場合がある。その場合には、単結晶となるように育成、引き上げをしたインゴットを、傾けた方向に切断、スライスして加工されたウェハが用いられる。結晶配列の方向に対して傾きをつけた表面の傾き方向と傾きの角度を測る方法としては、従来ではＸ線回折装置を使う方法が一般的であった。今回の発明では、本装置の構成により光学的な手法により測定を可能に出来るので、その説明を以下にする。

図９は、結晶配列に対して一定の傾きをつけた表面を持つウェハを、本発明の装置で計測する場合の、計測部分周辺を模式的に拡大、誇張して示した図である。図９において、一定の結晶配列を持った半導体ウェハの表面３０付近を拡大して示す。その結晶の配列は、例えば基準面３１を持っている。一方、実際のウェハの表面は、基準面３１の結晶配列の方向に対して一定の傾きを持った形状的な基準面３２を形成している。形状的な基準面３２の表面におけるエッチング面を図９のように拡大してみた場合、表面には結晶配列の基準面３１に対して特徴のある微視的な凹凸構造を持つことになる。

図９に示す結晶配列の基準面３１に対して一定の傾きを付けて形成されたウェハに、レーザー光２３を照射した場合、実際のウェハ表面の形状的あ基準面３２からの反射、散乱光３３により、スクリーン２０上に３４で示す像が形成される。

一方、結晶配列に起因してエッチングの際に出来る微細な凹凸は、結晶配列を基準とする基準面３１に対して方向性のある凹凸になるので、それによる反射光または散乱光は図９の中で３５に示す反射光または散乱光となり、それにより形成される像は例えば３６に示したアローを形成するようになる。

この時、実際のウェハ表面の形状的な基準面３２からの反射光または散乱光の像３４の中心と、結晶配列による基準面３１による結晶配列を特徴づける反射または散乱光の像３６の中心は、それぞれの基準面の角度違いにより、その角度差に応じた方向に一定の距離だけ離れる事になる。

図１０は、スクリーン２０に、上記で説明した実際のウェハ表面の形状的な基準面３２による反射光または散乱光の像３４と、結晶配列により定まる基準面３１による結晶配列を特徴づける反射光または散乱光による像３６が映し出されている状態を模式的に示したものである。実際に４度の角度がある場合で、スクリーン２０とウェハ表面２１の距離が１００ｍｍとした場合でも、像３４と像３６の離れる距離は数ｍｍ程度の差である。計測においては、画像処理によって像３４と像３６のスクリーン２０上での位置関係と、距離ｄから画像解析して、結晶配列に対する実際のウェハ表面の傾きの方向と、角度を計算することが出来る。

すなわち、
（１）ウェハ表面からの反射光によって取得された像で出来るアローの回転方向
（２）像３６の中心位置とレーザー光源から出射される光がウェハ表面で正反射することによる反射光スポット３４の中心との距離
（３）前記像の中心位置が、レーザー光源から出射される光がウェハ表面で正反射することによる反射光スポット３４の中心とズレる方向
の少なくとも一つを測定する事により、
ウェハにおける表面と、ウェハの結晶の方位との傾き角度および／または傾きの方向を測定することができるのである。

１・・・結晶方位判別器
１０・・・天面
１１・・・観察窓
１２・・・点灯表示部
１３・・・電源表示部
１４・・・主電源
１５・・・開口部
１６・・・警告ラベル
１７・・・センサ部
２０・・・スクリーン
２１・・・計測対象物（半導体用ウェハ等）
２２・・・装置の筐体、スクリーン、計測対象物で囲まれて出来た密閉空間
２３・・・入射する光
２４・・・カメラ（スクリーンの背面側に設置する場合）
２５・・・カメラ（スクリーンに対向して設置する場合）
２６・・・カメラ（計測対象物からの反射光と散乱光を直接に計測する場合）
３０・・・計測対象物（半導体用ウェハ等）
３１・・・装置の筐体、スクリーン、計測対象物で囲まれて出来た密閉空間
３２・・・入射する光
３３・・・カメラ（スクリーンの背面側に設置する場合）
３４・・・カメラ（スクリーンに対向して設置する場合）
３５・・・カメラ（計測対象物からの反射光と散乱光を直接に計測する場合）
３６・・・カメラ（計測対象物からの反射光と散乱光を直接に計測する場合）

Claims (9)

1. 略直方体型の筐体と、
   前記筐体の天面に設けられた開口部と、
   レーザー光源と、
   前記レーザー光源からの出射光を前記開口部から出射させるための光学系と、
   前記筐体における正面に設けられた窓部と、
   前記窓部より下側に設けられ、前記天面に載置された半導体からの反射光が照射されるスクリーンと、
   を備える結晶方位判別器。
2. 略直方体型の筐体と、
   前記筐体の天面に設けられた開口部と、
   レーザー光源と、
   前記レーザー光源からの出射光を前記開口部から出射させるための光学系と、
   前記天面に載置された半導体からの反射光を撮影するカメラと、
   を備える結晶方位判別器。
3. 請求項１において、前記筐体内部に、前記スクリーンに対向するようにカメラを設置して、前記スクリーンに映った像を前記カメラで撮影する結晶方位判別装置。
4. 請求項１または３において、計測物としての前記半導体を前記天面に設置した時に、前記天面と前記半導体の間に出来る隙間を３ｍｍ以下となるようにして、前記半導体と前記スクリーンとの間に構成される空間を密閉空間となるようにすることで外部から入る迷光を遮断して、検出の感度を上げるようにした結晶方位判別装置。
5. 請求項２において、前記カメラの周囲に前記天板に平行なしきい板を設け、計測物としての前記半導体を前記天面に設置した時に、前記天面と前記半導体の間に出来る隙間を３ｍｍ以下となるようにして、前記半導体と前記しきい板との間に構成される空間を密閉空間となるようにすることで外部から入る迷光を遮断して、検出の感度を上げるようにした結晶方位判別装置。
6. 請求項２または５において、前記筐体には窓部を設置しないようにして、該窓部を通して入る外部からの迷光を遮断した結晶方位判別装置。
7. 請求項１、３及び４のいずれか一項において、前記スクリーンと計測物の距離を３ｃｍ以下の短い距離にして、装置を小型化した結晶方位判別装置。
8. 請求項２、５及び６のいずれか一項において、前記カメラと計測物の距離を３ｃｍ以下の短い距離にして、装置を小型化した結晶方位判別装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項において、
   （１）前記半導体からの反射光によって取得された像で出来るアローの回転方向
   （２）前記像の中心位置と前記レーザー光源から出射される光が前記半導体の表面で正反射することによる反射光スポットの中心との距離
   （３）前記像の中心位置が、前記レーザー光源から出射される光が前記半導体の表面で正反射することによる反射光スポットの中心とズレる方向
   の少なくとも一つを測定する事により、
   前記半導体における表面と、前記半導体の結晶の方位との傾き角度および／または傾きの方向を測定する結晶方位判別装置。

Images