JP4157597B2 - ウエハのシリコン層の探傷装置及び探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ（以下、適宜「ウエハ」と略称する）のシリコン層に存在するクラックや傷を非接触で探知する装置及びその方法に関する。より詳細には、渦電流を利用することによってウエハのシリコン層に存在するクラックや傷を探知する装置及びその検知方法に関する。

IC（集積回路）の基板となるウエハは、原料（ウエハの原料には一般的にシリコン(Si)のほか、ゲルマニウム(Ge)、ガリウムヒ素(GaAs)などが用いられる）の結晶円柱であるインゴットをスライスすることによって作製される0.5〜1.5mm程度の厚みを有する円盤である。また、ウエハは、このようにして作製された円盤に対して、さらに酸化膜層や金属層などを形成した多層構造のものを指すこともある。

ここ数十年、IC内に作り込む素子は止むことなく小型化・高集積化している。そのため半導体ウエハの純度も高集積ICに対応できる程度に高いものが求められており、ウエハの原料がシリコンの場合、その純度は99.999999999%（イレブンナインと呼ばれる）にまで高められている。

このように極めて高い純度で製造されるウエハには、当然、いかなる物理的欠点の存在も許されない。そのために、クラックや傷が存在していないことを確認するための探傷を行うことが重要となる。最も基本的な探傷方法は目視によるものであるが、ウエハの表面は鏡面仕上されているため、クラックや傷を発見することが困難である。また、クラックや傷がウエハ表面にではなくウエハ内部に存在している場合には、目視によって発見することはできないという問題もある。

そこで、精密な探傷を行うために、半導体ウエハの探傷はレーザ等を用いて光学的に実施されてきた。このような探傷装置の一例が、特許文献１にて開示されている。これによれば、レーザのｐ偏光成分及びｓ偏光成分を用いて半導体ウエハの表面に存在する欠陥と、内部に存在する欠陥との両者を探知する探傷装置において、偏光板を利用することによって表面欠陥と内部欠陥を明確に区別することができるとしている。

特開平11-166902号公報（図1）

上述したような半導体ウエハの光学的欠陥探知方法により、ウエハの欠点を高い精度で以て発見することができる。しかし、この、従来一般に使用されてきたレーザを利用した探傷方法には、ウエハの表面の微細領域を全スキャンしなければならないという欠点がある。すなわち、非常に時間がかかってしまうのである。例えば、現在市販されている一般的な半導体ウエハの欠陥探知装置では、8インチのウエハを一枚検査するのに20分程度、12インチのウエハでは40分程度もの検査時間が必要である。このため、工業的には半導体ウエハの探傷検査は抜き取り検査でしか行うことができず、ICチップを形成してその動作テストを行った段階でようやくウエハに不良が存在していたことが明らかとなるのが通常であった。

そこで、半導体ウエハのシリコン層に存在するクラックや傷の探傷を短時間で、且つ高精度で行うことができる方法が所望されてきた。このような特徴を有する探傷方法としては、渦流による探傷が好適であると考えられる。ところが、渦流によって探傷を行う場合には、探傷対象物が何であれシリコン層が含まれているとシリコンからノイズが発生してしまうため、正確な探傷を行うことができない。そのため、当業者間では、シリコンは渦流探傷に障害を与えるものとみなされてきた。
こういった背景のため、シリコン層を有する半導体ウエハは、渦流探傷を行うことができないものであると暗黙的に判断されていたのである。

しかしながら、本願発明者らは、ノイズが発生するということはシリコンが何らかの反応を示していることの証拠にほかならないとの着想に基づき、シリコンが共鳴する条件を探るべく鋭意研究を行った。その結果、センサコイルに入力する電流の周波数を通常よりも格段に高くすることでシリコン中に渦電流が生じるようになり、渦電流型探傷を行うことができることを見いだした。

これによって、渦電流探傷装置が有する多くの利点、すなわち、原理が簡単、装置が簡明、確実な傷検出、高速探傷、非接触探傷等を活かしたウエハのシリコン層探傷装置を実現することが可能となった。

以上のようにして成された本発明に係るウエハのシリコン層の探傷装置は、
渦電流を利用してウエハの真性シリコン層に存在するクラック又は傷を検知するための探傷装置であって、
前記シリコン層の表面から所定の距離に配置されるコイルセンサと、
前記コイルセンサに周波数が5MHz〜200MHzの高周波を印加する高周波印加部と、
前記シリコン層の表面と前記コイルセンサとの距離を一定に保ちつつ両者を相対的に移動させるスキャン機構部と、
前記コイルセンサから出力される信号の変化又は前記高周波印加部から印加する高周波の変化を検出して前記シリコン層に存在するクラック又は傷を検知するクラック検知部と、
を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るウエハのシリコン層の探傷装置の他の形態は、低抵抗シリコンに存在するクラック又は傷を検知するための探傷装置であって、
前記シリコン層の表面から所定の距離に配置されるコイルセンサと、
前記コイルセンサに周波数が0.5MHz〜200MHzの高周波を印加する高周波印加部と、
前記シリコン層の表面と前記コイルセンサとの距離を一定に保ちつつ両者を相対的に移動させるスキャン機構部と、
前記コイルセンサから出力される信号の変化又は前記高周波印加部から印加する高周波の変化を検出して前記シリコン層に存在するクラック又は傷を検知するクラック検知部と、
を含むことを特徴とする。

本発明に係るウエハのシリコン層の探傷装置によれば、ウエハを構成するシリコン層に存在しているクラックや傷の存在を、長時間をかけて微細領域をスキャンすることなく検知することが可能となる。また、構成も比較的単純であるため、コスト的にも非常に有利である。

さらに、本発明の探傷装置の他の形態では、低抵抗シリコンに存在するクラックや傷であっても、上記探傷装置と同様に極めて簡便にシリコン層の探傷を行うことができる。

本発明に係る探傷装置の概略構成を表す模式図。 クラック探知部の一構成例。 クラック探知部の他の構成例。 クラック探知部の更に他の構成例。 通常のシリコンから成るウエハ（良品サンプル：(a)、クラックありサンプル：(b)）をターゲットとし、コイルセンサに5MHzの高周波を印加した場合のクラック出力と測定位置との関係を表すグラフ。 通常のシリコンから成るウエハをターゲットとし、コイルセンサに200MHzの高周波を印加した場合のクラック出力と測定位置との関係を表すグラフ。 低抵抗シリコンから成るウエハをターゲットとし、コイルセンサに0.5MHzの高周波を印加した場合のクラック出力と測定位置との関係を表すグラフ。 低抵抗シリコンから成るウエハをターゲットとし、コイルセンサに200MHzの高周波を印加した場合のクラック出力と測定位置との関係を表すグラフ。 通常のシリコンから成るウエハをターゲットとし、コイルセンサに200MHzの高周波を印加した場合の(a)スキャン方法構成図(b)スキャン方法構成の平面図(c)クラック無しサンプルの出力信号の周波数と探傷位置との関係を示すグラフ(d)クラックありサンプルの出力信号の周波数と探傷位置との関係を示すグラフ。 本発明に係る探傷装置で探傷可能なシリコン型太陽電池の一例の断面構成図。 太陽電池のウエハをターゲットとし、コイルセンサに8MHzの高周波を印加した場合のクラック出力と測定位置との関係を表すグラフ。

符号の説明

１…コイルセンサ
２…高周波印加部
３…スキャン機構部
４…クラック検知部
５…ウエハ

本発明の探傷装置はウエハのシリコン層に存在するクラックや傷の欠点を検出する。先に述べたように、ウエハには、シリコン層のみから成る単層構造のもののほか、シリコン層に加えて金属層や酸化膜層などが設けられた多層構造のものが存在しているが、本発明の探傷装置では、いずれのウエハのシリコン層も探傷の対象とすることができる。また、シリコン層や他の層の表面に配線パターン等が形成されているウエハでも、シリコン層のクラックや傷を探知する対象とすることができる。なお、本明細書においてクラックとは割れ目のことを指し、傷とは表面に存在する非平滑箇所のほか、混入している異物等を含む欠点全てを指すものとする。以下、適宜「クラック又は傷」のことを単に「クラック」と略記する。

シリコン層を構成するシリコンは、単結晶シリコン、多結晶シリコンのほか、非結晶（アモルファス）シリコンでも構わない。なお、単結晶シリコンには抵抗率が10Ω・m程度であるいわゆる通常のシリコン（以下、適宜「通常のシリコン」と記載する）と、抵抗率が0.1Ω・m以下の低抵抗シリコンとがあり、必要に応じて使い分けられている。

本発明の探傷装置の構成について、模式図である図１を参照しつつ説明する。本発明の探傷装置の基本構成は、コイルセンサ１と、高周波印加部２と、スキャン機構部３と、クラック検知部４とから成る。

コイルセンサ１は渦電流センサ用の誘導コイルであり、一方が後述の高周波印加部２に接続され、他方が後述のクラック検知部４に接続されている。ウエハ５のシリコン層の表面（即ち、ウエハ５の表面）から一定の距離に配置される。コイルセンサ１とウエハ５の表面との距離は1mm〜5mm程度とするのが好適であるが、特に限定されるものではない。

高周波印加部２は、コイルセンサ１に高周波を印加する機構である。本発明では、探傷の対象がシリコンであるため、高周波印加部２がコイルセンサ１に印加する高周波の周波数を、金属を対象とする通常の渦電流探傷装置における周波数（500KHz〜1MHz程度）よりも高くし、5MHz〜200MHz程度の周波数を用いる。この程度の周波数の高周波を用いることにより、ウエハのシリコン層の内部に渦電流が発生するようになる。ウエハのシリコン層に低抵抗シリコンが用いられている場合には、高周波印加部２からコイルセンサ１に印加する高周波を0.5MHz〜200MHzとするとよい。

クラック検知部４は、コイルセンサ１から出力される信号に基づき、ウエハのシリコン層にクラック又は傷が存在していることを検出する機構である。シリコン層においてクラックや傷が存在していると渦電流の状態が変化するため、コイルのインダクタンスが変化する。これによって高周波印加部から印加する高周波の電圧値や周波数が変化したり、コイルセンサから出力される出力信号の電圧値や周波数が変化したりするから、これらの変化を検出することによって、探傷を非常に簡単に行うことが可能である。本発明においてクラック検知部４の構成は特に限定されるものではないが、例えば以下に挙げるような方法で行うことが可能である。

・コイルセンサから出力される信号の周波数の変化を検出
この場合には、クラック検知部４を例えば図２に示すような回路構成とし、高周波印加部を兼ねる自励発振回路からコイルセンサ１に対して高周波を印加するとよい。ウエハのシリコン層にクラックや傷が存在していると、コイルセンサ１のコイルのインダクタンスが変化し、自励発振回路の発振周波数が変化するから、波形整形回路において出力信号を矩形波に整形した後、周波数カウンタ（図示せず）等から出力された周波数に変化（乱れ）が生じる。この乱れに基づき、探傷を行うことができる。

・コイルセンサから出力される信号の電圧値の変化を検出
ウエハのシリコン層にクラックや傷が存在していると、シリコン層において発生する渦電流に基づいて生じる磁界の強さが変化するため、それに応じてコイルセンサから出力される信号の電圧値も変化する。この電圧値の変化を検出することによって、クラック又は傷の存在を探知することが可能である。この探知を行うためには、クラック検知部４を例えば図３に示すような回路構成とすればよい。図３に示す構成では、高周波印加部２によって所定の高周波が印加されたコイルセンサ１から出力される出力信号を自励発振回路及び周波数電圧変換回路を通すことによって電圧値が出力される。また、本構成の回路構成を水晶発振式回路としてもよい。

なお、電圧値を基にしてクラックや傷の検出を行う場合には、高周波印加部２における高周波の電圧と、出力信号の電圧とを比較する構成としてもよい。

また、ウエハのシリコン層にクラックや傷が存在していることで、高周波印加部２から印加する高周波の電圧が降下するから、この電圧降下を検知することによって探傷を行う構成としてもよい。

さらに他の構成としてクラック検知部４は、図４に示すように、同期検波回路を含む構成とすることができる。図４の例では、コイルセンサ１の励磁及び同期検波用の同期信号を出力するための水晶発振回路を設け、水晶発信回路から出力される同期信号と、コイルセンサ１から出力される出力信号の周波数を同期検波回路において処理し、ベース出力（シリコン層自体からの出力）とクラック出力（クラックや傷の存在に基づく出力）とに分けて出力する。このうち、クラック出力に基づき、探傷探知を行うことができる。

なお、本発明においてクラック検知部４は、上述したクラック出力のような、各種の処理後／処理前信号の値が所定の閾値を越えたような場合にクラックが存在していると自動的に判定するクラック判定部を含む構成としても良いし、単に周波数や電圧値の変化のみをモニタ等に出力する構成としても良い。後者の場合には、オペレータがモニタに表示される波形等を見ることによってクラック又は傷の存在を判定する。

スキャン機構部３は、ウエハのシリコン層の表面と、コイルセンサ１との距離を一定に保ちつつ、両者を相対的に移動させる。図１の例では、スキャン機構部３は、円盤状のウエハ５を載置することができ、回転軸を中心として回転する回転部と、コイルセンサ１をシリコン層の表面（つまり、ウエハ５の表面）との距離を一定に保ちつつ、ウエハ５の半径方向に移動させる平行移動部とから成る。回転部が回転しつつ平行移動部が一定の速度で移動することによって、ウエハ５の全面をスキャンすることができる。なお、スキャン機構部３の構成はウエハ５のシリコン層の全面をスキャンすることが出来さえすればどのようなものでもよく、上記構成に限定されることはない。

以下、通常のシリコン及び低抵抗シリコンに関して本願発明者が行った試験結果について説明する。この実験はクラック検知部４を図２に示す構成とし、クラック出力（電圧）を測定したものである。

図５は、通常のシリコン（抵抗率10Ω・m、シリコン層単層、厚み：0.2mm、ウエハの表面とコイルセンサとの距離：1mm）から成るウエハをサンプルとし、コイルセンサ１に周波数5MHzの高周波を印加した場合のクラック出力（電圧）と、測定位置との関係を示すグラフである。クラックや傷がないことが分かっているウエハ（図５(a)）及びクラックが存在するウエハ（図５(b)）の両サンプルの結果を比べると、良品ウエハではピークやディップが観察されない一方、クラックが存在するウエハでは、シリコン層にクラックや傷が存在していることを示すディップが表れている（図５(b)の丸印箇所）。なお、周波数を5MHz以下とした場合には、ディップやピークが不明瞭となった。

図６は、上記と同一のウエハを対象とし、コイルセンサ１に周波数200MHzの高周波を印加した場合のクラック出力（電圧）と、測定位置との関係を示すグラフである。図６から明らかなように、クラックが存在しているサンプルでは、クラック出力の電圧値に明確なディップが表れる。
なお、周波数が200MHz以上の場合でもクラックの検出は可能であるが、コイルセンサ１において高感度の探傷を非接触で行うことが可能なコイル径(φ=20mm)を確保することができなくなるため（すなわち、コイル巻数が１回以下になってしまう）ため、通常のシリコンから成るシリコン層のクラック検出には、高周波印加部２が出力する高周波の周波数を5MHz〜200MHzの範囲とするのが好適である。

次いで、発明者らは低抵抗シリコン（抵抗率0.1Ω・m、シリコン層単層、厚み：0.2mm、ウエハの表面とコイルセンサとの距離：5mm）から成るウエハをサンプルとし、コイルセンサ１に周波数0.5MHzの高周波（交流電流）を印加した。この場合のクラック出力と測定位置との関係を図７に示す。クラックや傷が存在しないことがわかっている良品サンプルの場合はクラック出力の電圧値がほぼ一定であるのに対し、クラックが存在するウエハでは、クラック出力に大きな乱れが生じている。また、図８には、高周波の周波数を200MHzとした場合のクラック出力と測定位置との関係を表すグラフを示す。図８のグラフからも明確なように、クラックが存在するウエハの場合は波形が大きく乱れる。このように、本発明に係るウエハのシリコン層の探傷装置は、シリコンが低抵抗シリコンから成る場合にも、確実に探傷を行うことが可能である。
周波数が0.5MHz以下の場合や周波数が200MHz以上の場合でもクラックの検出は可能であるが、コイルセンサ１におけるコイルの巻数が少なくなりすぎる（巻数が１回以下になる等）ため、低抵抗シリコンから成るシリコン層のクラック検出には、高周波の周波数を0.5MHz〜200MHzの範囲とするのが好適である。

上記実験例では、スキャン機構部によるサンプル回転数を4rpmとしたが、実際には120rpm程度の回転数で動作可能である。一般的なコイルセンサ１によって探傷可能な径は10mm程度であるため、直径が300mmのウエハの探傷を行うのに要する時間は、ウエハ半径を150mm、一回転の時間を0.5秒とすると150/10×0.5=7.5秒となる。これは、本発明の探傷装置によれば、従来のウエハ用探傷装置に比べて桁違いに高速な探傷が可能となることを示している。

さらに、発明者らは出力信号の周波数を測定することによって探傷を行った。本実験では、ウエハ５は回転させることなくステージ上に静置し、スキャン機構部３をX方向に一定速度で直線スキャンさせつつ（図９(a)及び(b)参照）、ウエハ５の各箇所における出力周波数を記録した。コイルセンサ１には200MHzの高周波を印加した。

クラックや傷が存在しないことがわかっているウエハの出力周波数のグラフを図９(c)、クラックありのウエハの出力周波数のグラフを図９(d)に示す。クラックがない場合には出力信号の周波数はある程度一定であるのに対し、クラックが存在している場合には出力信号の周波数の大きな乱れが観察され、クラックの検出が十分に可能であることが確認された。

以上、本発明に係るウエハのシリコン層の探傷装置について説明を行ったが、上記は例に過ぎず、本発明の精神内で適宜に変更や改良を行っても良いことは明らかである。

なお、本発明に係る探傷装置及び探傷方法による探傷の対象は、IC基板に用いられるシリコンウエハに限られることはなく、種々のウエハをターゲットとして、そのシリコン層に存在するクラック又は傷を検知することが可能である。例えば図１０に示すような断面構成を有するシリコン型太陽電池に用いられるウエハを対象とした探傷を行うこともできる。

図１０に示したような、−電極および光吸収色素を表層に有し、表層から最下層である＋電極層の間に、反射防止膜、Ｎ型・Ｐ型シリコン（多結晶シリコン）層を有する厚み1mmの太陽電池をターゲットとした探傷試験を行った。絶縁体（セラミック）の上にガラス板を置いて成るターンテーブル上にこのような太陽電池を載置し、4rpmの回転数でターンテーブルを回転させながら、コイルセンサ１に周波数8MHzの高周波を印加した。図１１にこの時の出力電圧（縦軸）と測定位置（横軸）との関係を表すグラフを示す。図１１のグラフに示されているように、ウエハにおいて傷が存在しない箇所及びパターン（銀ペースト）形成部とクラック存在箇所とでは、出力の向きが反対になる（ピーク又はディップとなる）。このことから、ウエハの表面にパターンが存在するような太陽電池を対象とする場合であっても、本発明に係る探傷装置及び探傷方法によってシリコン層の探傷が可能であることがわかった。

Claims (10)

1. 渦電流を利用してウエハの真性シリコン層に存在するクラック又は傷を検知するための探傷装置であって、
   前記シリコン層の表面から所定の距離に配置されるコイルセンサと、
   前記コイルセンサに周波数が5MHz〜200MHzの高周波を印加する高周波印加部と、
   前記シリコン層の表面と前記コイルセンサとの距離を一定に保ちつつ両者を相対的に移動させるスキャン機構部と、
   前記コイルセンサから出力される信号の変化又は前記高周波印加部から印加する高周波の変化を検出して前記シリコン層に存在するクラック又は傷を検知するクラック検知部と、
   を含むことを特徴とするウエハのシリコン層の探傷装置。
2. 渦電流を利用してウエハの低抵抗シリコン層に存在するクラック又は傷を検知するための探傷装置であって、
   前記シリコン層の表面から所定の距離に配置されるコイルセンサと、
   前記コイルセンサに周波数が0.5MHz〜200MHzの高周波を印加する高周波印加部と、
   前記シリコン層の表面と前記コイルセンサとの距離を一定に保ちつつ両者を相対的に移動させるスキャン機構部と、
   前記コイルセンサから出力される信号の変化又は前記高周波印加部から印加する高周波の変化を検出して前記シリコン層に存在するクラック又は傷を検知するクラック検知部と、
   を含むことを特徴とするウエハのシリコン層の探傷装置。
3. 前記クラック検知部が、コイルセンサから出力される信号周波数の変化又は前記高周波印加部から印加する高周波の周波数の変化に基づき前記シリコン層に存在するクラック又は傷を検知することを特徴とする請求項１又は２に記載のウエハのシリコン層の探傷装置。
4. 前記クラック検知部が、前記コイルセンサから出力される信号の電圧値の変化又は前記高周波印加部から印加する高周波の電圧値の変化に基づき前記シリコン層に存在するクラック又は傷を検知することを特徴とする請求項１又は２に記載のウエハのシリコン層の探傷装置。
5. 前記シリコン層が、単結晶シリコン又は多結晶シリコンから成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のウエハのシリコン層の探傷装置。
6. 前記ウエハがシリコン型太陽電池のウエハであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のウエハのシリコン層の探傷装置。
7. ウエハの真性シリコン層に存在するクラック又は傷の探傷方法であって、
   前記シリコン層の表面から所定の距離に配置されたコイルセンサに周波数が5MHz〜200MHzの高周波を印加して該シリコン層に渦電流を生じさせ、
   前記シリコン層の表面と前記コイルセンサとの距離を一定に保ちつつ両者を相対的に移動させ、
   前記コイルセンサから出力される信号の変化又は前記高周波印加部から印加する高周波の変化を検出することにより前記シリコン層に存在するクラック又は傷を検知する
   ことを特徴とするウエハのシリコン層の探傷方法。
8. ウエハの低抵抗シリコン層に存在するクラック又は傷の探傷方法であって、
   前記シリコン層の表面から所定の距離に配置されたコイルセンサに周波数が0.5MHz〜200MHzの高周波を印加して該シリコン層に渦電流を生じさせ、
   前記シリコン層の表面と前記コイルセンサとの距離を一定に保ちつつ両者を相対的に移動させ、
   前記コイルセンサから出力される信号の変化又は前記高周波印加部から印加する高周波の変化を検出することにより前記シリコン層に存在するクラック又は傷を検知する
   ことを特徴とするウエハのシリコン層の探傷方法。
9. 前記シリコン層が、単結晶シリコン又は多結晶シリコンから成ることを特徴とする請求項７又は８に記載のウエハのシリコン層の探傷方法。
10. 前記ウエハがシリコン型太陽電池のウエハであることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のウエハのシリコン層の探傷方法。

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