JP4984709B2 - 微小異物除去方法及び微小異物除去装置 - Google Patents

Description

本発明は、ごく微細な凹凸部を有する表面から微小異物を除去する技術に係り、より詳しくは微細針状体を用いて微小異物を除去する方法と装置に関するものである。

近年、ナノテクノロジーや半導体技術の進化に伴い、ナノメートルオーダーの極めて微細な加工が広く行われている。例えば、半導体の製造工程では、チップの高集積化に伴って、シリコンウェハーに形成される回路の細線化が進んでいる。シリコンウェハーに回路パターンを転写する際にはパターンの原版であるフォトマスクが用いられており、フォトマスクも同様に微細な加工が求められている。

特に、フォトマスクはそれを用いて半導体チップを大量生産するものであるから、わずかな不良箇所でも製造されるシリコンウェハー全てに影響し、製造歩留まりの悪化に直結する。そこでフォトマスクの製造時には十分な時間と手間をかけて表面の洗浄や異物の除去が行われている。しかし、フォトマスク上の異物は一般に表面に付着していることが多く、容易に除去できるものではない上、微小な異物であっても残存していれば良好な転写を行うことができない。

このようなフォトマスクからパーティクルと呼ばれる異物を除去する方法としては、特許文献１および２の方法が開示されている。
特許文献１の方法は、洗浄以外の方法で数個以下のパーティクルを除去することを開示するものであり、具体的には走査プロープ顕微鏡の探針をパーティクルの側面に当てて押しつけ、探針に付着したパーティクルを移動させることを提案している。また、探針に電圧を印加して電荷を帯びたパーティクルを電磁気的作用により移動すること、化学反応により除去することなどが記載されている。

特許文献２の方法は、硬い原子間力顕微鏡探針を用いて、パーティクルに探針を押し込み、まずパーティクルの種類を判別することを提案している。判別した結果に応じて除去方法を選択するとしているが、主に探針の硬度を調整することでパーティクルを除去可能にしながら、パターンの損傷を防ぐ技術である。

特開２００５-８４５８２号公報 特開２００６-３９２６０号公報

特許文献１に開示された方法では、探針を利用することによりごく微小な異物を移動させることはできるものの、平面的に移動させることしかできないため、フォトマスク上の細かなパターンの間に嵌り込んでしまったような異物は除去できない問題がある。特に、このような箇所の異物は、半導体チップを生産した際に回路間の短絡など重大な不良を引き起こすものであり、除去の要請が特に高いものでもある。
また、パターンの凹部を移動させる過程で、探針がパターンの凸部に接触し、パターン自体を損傷してしまうこともあった。

特許文献２に開示された方法によれば、確かに、硬度を調整すればある程度パターンの損傷を防ぐことはできるものの、パーティクルは複数あることも多く、全てについてパーティクルの種類を判別し、除去方法を変化させることはフォトマスクの製造効率上好ましいものではない。
また、フォトマスク上の凹部に嵌り込んでしまったパーティクルが除去できないという点では特許文献１の方法と変わらない。

このような問題はフォトマスクに限らず、微細な加工が要求されるシリコンウェハーやナノマテリアル等の製造工程に共通の問題であり、特に精密な凹凸パターンが形成される場合には、異物がパターン内、特に凹部内に入ったときにそれをいかに除去するかが課題となっている。
本発明は、このような従来の技術が抱える問題点に鑑みて創出されたものであり、対象物表面の凹部領域内の微小異物を効率的に除去すると共に、表面を損傷することのない微小異物除去技術の提供を目的とする。

上記課題の解決を図るため、本発明では次のような微小異物除去方法を提案する。
すなわち、請求項１に記載の微小異物除去方法は、弾性力を有する微細針状体を用いて所定の凹凸部を有する対象物表面から微小異物を除去するものである。
該方法には、対象物表面の少なくとも凹部領域にある微小異物を検出する微小異物検出工程、微細針状体により微小異物を側方から押圧して移動し、凹部領域側面に当接させる微小異物移動工程、微小異物が凹部領域側面に当接した状態で、微細針状体を凹部領域の側面に沿って凸方向に上昇させると共に、微細針状体の弾性により微小異物を掻き出す微小異物掻き出し工程の各工程を少なくとも有する。
これらの工程により、微小異物を対象物表面の凹部から掻き出し除去することを特徴とするものである。

請求項２に記載の微小異物除去方法は、上記の微細針状体の凸方向への上昇量を、対象物表面の所定の凹凸部の段差長と略同一長とすることを特徴とする。

請求項３に記載の微小異物除去方法は、上記微小異物掻き出し工程の後、対象物表面の凸部上に掻き出された微小異物を洗浄除去する洗浄工程を有する構成を提供する。

請求項４に記載の微小異物除去方法は、上記微小異物掻き出し工程の後、対象物表面の凸部上に掻き出された微小異物を、微細針状体を用いて該凸部の形状に従って凹部に落下しない経路で移動させる凸部上移動工程を有する。本工程では、凹部に落下しにくい位置まで移動させるか、対象物端部まで移動させて対象物上から除去してしまうか等、任意の位置まで移動させることができる。
本工程の後、請求項３記載の通りに洗浄工程を行ってもよい。

請求項５に記載の微小異物除去方法は、対象物がフォトマスクであり、凹凸部がフォトマスクに形成されたパターンである構成を提供するものである。

請求項６に記載の微小異物除去方法は、上記の微細針状体が、原子間力顕微鏡のカンチレバーである構成を提供するものである。

請求項７に記載の微小異物除去方法は、上記の微細針状体のバネ定数が５ないし１００N/mであることを特徴とするものである。

本発明は、微小異物除去装置として提供することもできる。
すなわち、請求項８に記載の発明は、弾性力を有する微細針状体を備えて所定の凹凸部を有する対象物表面から微小異物を除去する微小異物除去装置を提供する。
該装置には、対象物表面の少なくとも凹部領域にある微小異物を検出する微小異物検出手段と、微細針状体を凹部領域内で動作させ、微小異物を側方から押圧して凹部領域側面に当接するまで移動すると共に、微細針状体を該側面に沿って凸方向に上昇動作させ、微細針状体の弾性により微小異物を掻き出すための微細針状体動作手段とを少なくとも備える。

上記微小異物除去装置には、請求項１ないし７に記載の微小異物除去方法の各構成を備えるようにしてもよい。

本発明は、以上に開示される手段により次の効果を奏する。
すなわち、弾性力を有する微細針状体を用い、かつ凹部領域の側面に沿って微小異物を凸方向に上昇させることにより、微小異物が該側面に沿って掻き出されるように凸部まで持ち上げられる。このとき、微細針状体の弾性力によって、多様な異物に対しても適当な力で掻き出すことができるため、力が弱すぎることによる異物の掻き出し損ないや、力が強すぎることによる凹凸部の損傷を防止することができる。
特に、請求項２のように微小針状体の上昇量を凹凸部の段差と略同一に制御することで、確実に対象物の損傷を防ぐことができる。

また、請求項３のように洗浄工程と組み合わせる構成は、付着した微小異物を分離して凹部から取り出した後に洗浄するため洗浄効率が良好である。請求項４の構成のように、凸部上に沿って微小異物を移動させることで、凹部から取り出した微小異物が再び落下してしまうことを防ぐことができる。

請求項５は本発明の方法をフォトマスクにおける異物除去に用いる方法、請求項６は微細針状体として市販のカンチレバーを使うことを提案するものである。請求項７は微小異物掻き出し工程において適切な掻き出しを実現できる弾性力の特性を規定するものである。

請求項８によれば、本発明の微小異物除去方法を実装した微小異物除去装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
フォトマスクやシリコンウェハー上の微細なパターン上に微小な異物が付着した場合、原子間力顕微鏡（AFM）や走査プローブ顕微鏡（SPM）を用いてパターンを確認しながら探針により異物の除去を行うことは提案されている。このような探針は３次元方向に精密な制御動作が可能であり、パターンの剰余箇所、残存箇所などを削って整形する用途にも使われている。

本発明では、微小異物除去装置の微小異物検出手段として原子間力顕微鏡による撮像部を利用し、パターン内の異物を検出する。図１はフォトマスク（１）上に形成した試験パターン（２）を示し、パターン（２）の１つには異物（３）が付着している。原子間力顕微鏡を用いると、このような画像を得ることができるため、目視によって容易に異物を検出することができる。
あるいは適切なパターン画像と、取得した画像とを公知の画像処理方法によってコンピュータにより比較し、異物を自動検出するようにしてもよい。

ここで、図２に示すようにフォトマスクのパターン厚は７０〜８０ｎｍ程度であり、異物の高さもほぼ同じ程度のものを除去する。また、図３に示すように、パターン（２）に囲まれた凹部領域は一辺が０．６８μｍ程度の矩形であり、その中に０．２μｍ程度の直径の異物（３）が付着した状態を想定して説明する。
従来、このような凹部が囲まれた領域にあり、しかも異物が凹部の側壁に接近して付着している場合、これを除去することが困難であった。

特許文献１で開示されるように、従来から原子間力顕微鏡の探針を用いてこの異物を移動させることが知られている。この方法は図１０に示すように、パターン（１００）上の異物（１０１）を探針（１０２）を用いて水平に移動させるものである。図のようにパターン（１００）が異物（１０１）の一方にだけある場合、水平方向に移動させた後に洗浄を行うことで移動させた異物を除去できる。
探針には異物よりも硬い材質のものを用いており、特にフォトマスク上に固着した異物を剥ぎ取ることができる。

ところが、図２・図３に示したようなパターンに囲まれた凹部領域に異物がある場合、この方法では剥ぎ取ることができても、凹部領域内に異物が嵌入してしまっているため凹部領域内に洗浄液が十分に循環せず、凹部領域内から異物自体の除去ができなかった。
また、電気的に付着させて取り出す方法も従来提案されていたが、異物の素材により可否があることと、フォトマスクと異物とが粘着している場合にはその程度の引力では除去できない問題があった。

そこで、本発明では図４に示すように、上下方向に弾性力を有するカンチレバー（１０）用いると共に、上下方向にカンチレバー自体を変動させながら異物（１１）を除去することを提案する。

カンチレバー（１０）の先端（１０ａ）で異物（１１）の側面を押圧し、フォトマスクのパターン（１２）で囲まれた凹部領域（１２ａ）の側面（１２ｂ）に異物（１１）を当接させる。このとき、異物（１１）がすでに側面（１２ｂ）に当接している状態であればそのまま次の工程に進むが、当接していなければ、当接するまでカンチレバー（１０）を水平（横方向）に移動する。最初に異物（１１）が凹部領域（１２ａ）に粘着又は固着している場合にはカンチレバー（１０）はこれを剥ぎ取るように作用する。

図５は本発明により異物（１１）を凹部領域から掻き出すときの状態を説明する図である。原子間力顕微鏡において、カンチレバーは水平方向だけでなく上下方向にも変動させることが可能であり、そのための動作手段を備えている。この動作手段については公知であり、手動、自動にかかわらず実施することができる。
異物（１１）が側面（１２ｂ）に当接した状態で、カンチレバー（１０）を上方向に変動させると共に側方への押圧を行うと、異物（１１）は側面（１２ｂ）に沿って上方向に移動する。その際、カンチレバー（１０）の弾性が重要な作用を行うことが分かった。

すなわち、カンチレバー（１０）の弾性により、図５に示すようにカンチレバーが上方向に撓み、異物に対して適度な応力を与える。異物（１１）もある程度変形するため、この弾性力により異物のやや下方にカンチレバー先端（１０ａ）が接触するようになり、異物を掻き出す力が発生する。
そして、図４で点線で示したように、異物（１１）はパターン（１２）の凸部領域（１２ｃ）上まで持ち上げられる。

カンチレバー（１０）の上昇量は、パターンの凹凸の段差長（本実施例では７０〜８０ｎｍ）と略同一とするのが望ましい。パターンの段差は設計段階で決まっているため、その値に合わせて変動させてもよいし、原子間力顕微鏡で視認しながら変動させてもよい。
従来はカンチレバーがパターンと接触してパターン自体を損傷してしまうケースがあったが、本発明のようにカンチレバーをパターンに合わせて上昇させることでパターンとカンチレバーが干渉することがない。

また、カンチレバー（１０）の弾性力が重要な作用を有している。弾性力の作用方向は矢示（A）方向であり、発明者らの実験によるとそのバネ定数は５ないし１００N/m、より好適には２０ないし６０N/mが好適であることがわかっている。
図６はバネ定数が小さすぎる場合を示している。バネ定数が小さいと異物の重さや粘着力に抗しきれずにカンチレバーが撓んでしまい、図のように異物を掻き出さずにカンチレバーが異物表面を通過してしまう。
また、バネ定数が大きすぎる場合には、異物自体は破壊されたり除去できることもあるが、異物及びパターンに与える応力が大きくなりすぎて、パターンを損傷してしまう。例えば、３００N/mのバネ定数のカンチレバーを用いた場合、パターンの側面が損傷してしまった。

本発明では以上に説述したカンチレバーの上下方向の変動と、カンチレバーそのものが有する弾性力の両方の作用により、パターンの凹部領域から効率的に異物を掻き出すことが可能となる。

凸部領域上（パターンの表面）に掻き出された異物は洗浄工程により除去することもできる。洗浄工程については公知であり詳しい説明を省略するが、水や溶剤により凸部上で多少の粘着をしていてもこれを除去できる。洗浄工程を本発明と組み合わせることによって高い除去効果を得ることができる。

また、凸部上に持ち上げられた異物を、カンチレバー（１０）によりそのまま水平に押圧し、パターン外や、凹部が近辺になく異物が凹部に再び落下しにくい位置まで移動させることができる。
図８はこの工程を説明する図であり、凹部（２０）が複雑に複数形成されたパターンでは、凸部に掻き出しても、洗浄時に再度凹部（２０）に落下してしまうことがある。本発明ではこれを避けるため、凸部上においてその形状に沿って異物（２１）を移動させる。
カンチレバーの移動には、手動操作によってもよいし、微小異物除去装置にカンチレバー制御手段を備えてパターン凸部上を自動移動させるようにしてもよい。

以上の実施例では、対象物としてフォトマスクを、凹凸部がそのパターンである場合を説述したが、本発明の実施において対象物と凹凸部の構成は任意である。例えば、対象物を半導体チップのシリコンウェハーとして、凹凸部を配線及び基板としてもよい。

微細針状体としてはカンチレバーを用いたが、対象物及び異物に合わせて微細な針を備えたものであればいかなる器具を用いてもよい。その際に、針先端の針長方向又は針幅方向の少なくともいずれかの変動に弾性を有することが必須となる。

本発明の効果を次の評価実験で示す。
カンチレバーとしては単結晶シリコンで作製されたものを用い、第１のカンチレバーは単結晶シリコンだけのもの、第２のカンチレバーはダイヤモンドコーティングされたものである。第１のカンチレバーのバネ定数は３N/mであり、第２のカンチレバーのバネ定数は40N/mである。
カンチレバーの長さは100μm、針の長さは10μmである。一般に、カンチレバーの長さは100μm〜数百μm、針の長さは10μm〜数十μｍである。

対象物はフォトマスクであり、パターン素材はMoSi（モリブデン・シリサイド）を用いている。一般にはクロムやシリコンの酸、窒化膜なども用いられる。パターンの高さは70nm程度であり、一般に数十〜数百nmである。
基板素材はQz(石英)である。
この２つのカンチレバーを用いて除去作業を行った結果、次の表１の結果が得られた。

この実験結果では、パターンに光を当ててその透過率を測定している。パターン内に異物があると透過率が小さくなり、正常に転写が行えない。第１のカンチレバーでは、作業前の透過率８６．９％から４．８％の改善があり作業後に９１．６％となったが、異物は完全には除去されず失敗した。
一方、第２のカンチレバーでは、作業前の８６．９％から１３．７％の改善があり１００．６％となった。ここで、異物のない凹部の透過率平均を１００％としているため、１００％を超える値となったが、転写には影響のない範囲内であり、除去は成功した。

このときの除去の各工程を図９に示す。図９は電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真をイメージ化したものである。（ａ）のように凹部領域内にあった微小異物を、本作業により（ｂ）で凹部から掻き出すことに成功した。さらに、（ｃ）では洗浄工程を行って完全に除去されたことがわかる。

このように、本発明では弾性力が重要な意味を持ち、あまり低い弾性力では良好な除去効果は得られず、逆に高すぎると透過率がさらに高くなることから示されるようにパターンを損傷してしまう。従って、対象物、異物に合わせた適切な弾性力の設定が重要である。

本発明が対象とする異物が含まれたテストパターンである。 異物が存在する凹部領域の断面図である。 異物が存在する凹部領域の平面図である。 本発明による異物掻き出しの説明図である。 本発明によるカンチレバーの弾性力の作用を説明する説明図である。 カンチレバーのバネ定数が小さすぎる場合の状態説明図である。 カンチレバーのバネ定数が大きすぎる場合の状態説明図である。 本発明における凸部上移動工程を説明する説明図である。 本発明の実験例における顕微鏡写真のイメージ図である。 従来例による異物除去の説明図である。

Claims (8)

1. 弾性力を有する微細針状体を用いて所定の凹凸部を有する対象物表面から微小異物を除去する微小異物除去方法であって、
   該対象物表面の少なくとも凹部領域にある該微小異物を検出する微小異物検出工程、
   該微細針状体により該微小異物を側方から押圧して移動し、凹部領域側面に当接させる微小異物移動工程、
   該微細針状体による押圧で該微小異物を凹部領域側面に当接させた状態で、該微細針状体を該側面に沿って凸方向に上昇させることによって、該微小異物を該側面に沿って持ち上げ、該微細針状体の弾性により該微小異物を凹部領域の外へ掻き出す微小異物掻き出し工程、
   の各工程を少なくとも有して微小異物を対象物表面の凹部から掻き出し除去することを特徴とする微小異物除去方法。
2. 前記微細針状体の凸方向への上昇量を、前記所定の凹凸部の段差長と略同一長とする
   請求項１に記載の微小異物除去方法。
3. 前記微小異物掻き出し工程の後、
   前記対象物表面の凸部上に掻き出された微小異物を洗浄除去する洗浄工程
   を有する請求項１又は２に記載の微小異物除去方法。
4. 前記微小異物掻き出し工程の後、
   前記対象物表面の凸部上に掻き出された微小異物を、前記微細針状体を用いて該凸部の形状に従って凹部に落下しない経路で移動させる凸部上移動工程
   を有する請求項１ないし３のいずれかに記載の微小異物除去方法。
5. 前記対象物がフォトマスクであり、前記凹凸部がフォトマスクに形成されたパターンである
   請求項１ないし４のいずれかに記載の微小異物除去方法。
6. 前記微細針状体が、原子間力顕微鏡のカンチレバーである
   請求項１ないし５のいずれかに記載の微小異物除去方法。
7. 前記微細針状体のバネ定数が５ないし１００N/mである
   請求項１ないし６のいずれかに記載の微小異物除去方法。
8. 弾性力を有する微細針状体を備えて所定の凹凸部を有する対象物表面から微小異物を除去する微小異物除去装置であって、
   該対象物表面の少なくとも凹部領域にある該微小異物を検出する微小異物検出手段と、
   該微細針状体を凹部領域内で動作させ、該微小異物を側方から押圧して凹部領域側面に当接するまで移動させ、次いで、該微細針状体による押圧で該微細針状体を凹部領域側面に当接させた状態で、該微細針状体を該側面に沿って凸方向に上昇させることによって、該微小異物を該側面に沿って持ち上げ、該微細針状体の弾性により該微小異物を凹部領域の外へ掻き出すための微細針状体動作手段と
   を少なくとも備えたことを特徴とする微小異物除去装置。

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