JP5732637B2 - ウェハ周縁端の異物検査方法、及び異物検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハ等の被検査体に光を照射し、このときに被検査体に生じる散乱光の強度から被検査体の異常（ウェハに付着する微小な異物や欠陥）を検査する異物の検査方法及びその装置に関し、特に被検査体の周縁端の異物を検査する方法、及び装置に関する。

半導体製造プロセスでは、ウェハ上に形成する全てのチップに対して、同じプロセス条件、化学環境下で処理を行い、集積回路を形成しているが、ウェハ周縁端（以下、ウェハエッジ）におけるチップの歩留まりは、ウェハ中心付近よりもかなり悪いことが知られている。ウェハエッジにおいて歩留まりが低下する要因は様々であるが、その大きな要因の一つとして、ウェハエッジにおける薄膜の剥離や欠け、及び微細な異物の付着が考えられる。

通常ウェハエッジは、図８（a）に示すようにウェハの表面から徐々に傾斜していき（面取りされていき）、切り落とされる形状となっている。ウェハエッジの面取りされた部分はベベルと称され、垂直な部分はアペックス（エーペックスともいう）と称されている。ウェハエッジは、図８（a）のような形状をブレット（弾丸）型といい、図８（b）のような形状はラウンド型と称されている。

ウェハエッジにクラックや欠け、あるいは傷などの端部欠陥が発生しているか否か、又はウェハエッジに微細な異物が付着しているかどうかを検査する方法としては、ペンライト等を用いた目視による検査の他、検査装置による方法として、（１）ＣＣＤカメラとコンピュータを用いた画像処理、（２）ラインスキャンレーザをウェハエッジに照射し、そこからの散乱光を光検出器により検出する、２つの検査方法が代表的である。

ＣＣＤカメラとコンピュータを用いた画像処理による検査方法として、ウェハを回転可能な状態で支持する支持部を設け、支持されたウェハの周端縁を連続的に撮像する撮像カメラを複数台用いた方法がある（特許文献１）。この方法は、複数の撮像カメラによってウェハの周端縁を撮像し、それを画像処理することでウェハエッジに異常が有るか否かを検査するものである。しかし、この方法では複数台の撮像カメラを設けるため、ウェハ検査装置が大型化しウェハ検査装置自体の製造コストが嵩んでしまうという問題点がある。

上述した問題点を解決するため、カメラで撮像するウェハエッジを中心として弧状にガイドレールを設け、撮像カメラをこの弧状に延びたガイドレールに沿って移動させてウェハエッジを撮像するウェハエッジの検査装置が開示されている（特許文献２）。しかし、ＣＣＤカメラを用いたウェハエッジの検査方法は、その性能がＣＣＤカメラの撮像分解能と、ウェハエッジの曲率と形状に左右されることから、微細な異物の検出に限界がある。また、平らな表面では問題にならなくても、ウェハエッジのように曲がっているものは焦点外の部分がぼやけて、欠陥やそこに付着する異物の識別が難しいという問題がある。更に、全ての部分を撮像するには時間がかかるとともに大容量のメモリが必要である。

一方、半導体ウェハの表面にレーザ光を照射し、半導体ウェハ表面上に散乱光を発生させ、この散乱光を光検出器により検出する方法には、ＣＣＤカメラによる撮像方式のような焦点深度の問題が少ない。
ウェハエッジ部の異常をレーザ光の照射と散乱光により検査する方法として、レーザ光の焦点をウェハエッジとしてレーザ光を照射し、ウェハエッジ周囲を走査し、これにより生じた散乱光を楕円鏡を用いて集光し、集光した散乱光の強度、及び周波数分析によりウェハエッジの欠陥や異物の付着の状況を検査する方法及び装置が開示されている（特許文献３）。

しかし、特許文献３の開示する楕円鏡を用いた検査方法では、レーザ光源及び受光器が固定されているため、ウェハエッジ部の異常がアペックス部分にあるのか、ベベル部分にあるのかの識別ができないという問題がある。また、ウェハエッジに対してレーザ光が垂直に照射されないため、散乱光を集光するには楕円鏡を用いる必要があり、装置が大型化するという問題がある。また、ウェハエッジのアペックス部分に異常があるのか、ベベル部分に異常があるのかを識別するには、特許文献１のように装置を複数台設置するか、又は特許文献２のように回転機構を設ける必要がある。
しかし、そのようにしたとしても楕円鏡が一定の幅と体積をとるため、装置が大型化したり、複雑な回転機構が必要になるという問題がある。更に、楕円鏡を用いた方式は一般的に感度が悪い。これは楕円鏡の精度が直接測定精度となるためであり、そのため、測定精度を上げるのには楕円鏡の精度を上げる必要があり、コスト高になるという問題がある。

特開２００３−２４３４６５号公報 特開２００６−２９４９６９号公報 特許第２９９９７１２号公報

上述したように、ウェハエッジの異常の有無を検査する場合、ウェハエッジのどの部分に、どの程度の大きさの欠陥があるのか、又どの程度の異物がどの部分に付着しているのかを正確に、かつ高い信頼性で定量化されたデータとして取得する必要がある。また、検査が短時間で終了できること、そして検査装置はシンプルで低コストであることが望ましい。

本発明者らの知見によれば、ウェハエッジのベベル部分、及びアペックス部分には、高ストレス領域が作り出され薄膜剥離が起きやすいこと、ウェハ搬送ロボットや他の機械的接触によってウェハエッジのベベル部分を覆っている薄膜が欠け、パーティクルが付着することが明らかとなっている。

また、このようにしてウェハエッジに生じた欠陥（欠損、亀裂等）や、そこに付着している切りくず等の異物は、レーザ光をウェハエッジ面に対して所定の角度により照射し、その散乱光を所定の受光系で受光すれば、極めて高感度にウェハエッジの異常を検出できることが明らかとなった。また、ウェハエッジのどの部分にどの程度の大きさの異常があるかは、ウェハエッジを構成するアペックス部分、ベベル部分毎に所定のスポット形状に成形したレーザ光を照射することにより容易に検出できることが知れた。

そこで本発明の課題は、ウェハエッジのどの部分に、どの程度の大きさの欠陥があるのか、又どの程度の異物がどの部分に付着しているのかを正確に、かつ定量的に検出可能なウェハエッジの異物検査方法、及びウェハエッジの異物検査装置を提供することにある。

本発明は、投光系により光をウェハ周縁端に照射し、受光系によりウェハ周縁端からの散乱光を検出し、検出した散乱光の強度からウェハ周縁端に付着する異物、及び/又は欠陥を検査するウェハ周縁端の異物検査方法において、前記ウェハ周縁端における光のスポット形状が、前記ウェハ周縁端のアペックスの長さ方向に前記アペックスの長さよりも細長く成形されていることを特徴とする。

ウェハ周縁端に照射する光の形状をアペックスの長さよりも長くすることで、１回の光照射で所定のアペックス部分の検査を完了させることができる。これにより、従来、アペックス部分に対して光を走査し検査していたのに比較し、短時間でアペックス部分の検査を完了することができる。

また、前記光のスポット形状を前記ウェハ周縁端のベベルの長さよりも長く成形することは好ましい。これにより、所定のベベル部分の検査を１回の光照射で完了することができる。

また、前記光のスポット形状を前記ウェハ周縁端のアペックスの長さよりも細長く、かつ前記ベベルの長さよりも細長く成形することは好ましい。これにより、アペックス部分もベベル部分も同一の光のスポット形状で検査することができる。

本発明におけるウェハエッジの異物検査方法においては、ウェハを回転させながら、アペックスの長さよりも細長いスポット形状の光をアペックス部分に照射することで、ウェハエッジのアペックス部分の全周を短時間で検査することができる。

また、光のスポット形状をベベルの長さよりも細長い形状に成形し、ウェハを回転させながらベベル部分を検査することで、ウェハエッジのベベル部分の全周を短時間で検査することができる。

また、光のスポット形状を前記アペックスの長さよりも細長く、かつ前記ベベルの長さよりも細長く成形することで、アペックス部分の検査における光のスポット形状とベベル部分の検査における光のスポット形状とを変えることなく、ウェハエッジの検査をすることができる。

前記ウェハ周縁端に照射した光の散乱光のうち、前記異物、及び／又は欠陥によらない散乱光（ウェハからの直接散乱光）を遮光することは好ましい。ウェハ周縁端に光を照射した場合、ウェハ周縁端に付着している異物等による散乱光以外に、ウェハ周縁端から直接反射する反射光が受光系に入る。かかる光を遮光した上で散乱光の強度を測定することが好ましい。

本発明のウェハエッジの異物検査方法では、光のスポット形状を上記のように構成しているため、例えば、ウェハが多少上下、左右に振れても、測定されない部分が生じることはない。一方、アペックスの測定時とベベルの測定時に重複して検査する部分が生じるが、実施例において説明される通り、閾値の設定により、測定部分以外の異物を無視することができる。例えば、アペックス測定時には、ベベル部分の異物は無視され、ベベル測定時には、アペックス部分の異物は無視される。
なお、ウェハ回転時のウェハの上下動等振動を防止することは好適である。

ウェハを回転させながら、例えば、ウェハ周縁端の表面側ベベル、アペックス、裏面側ベベルの順に光を照射し、前記ウェハ周縁端の全周を検査するとともに、前記ウェハ周縁端のアペックスの長さ、又はベベルの長さのいずれか長い方よりも細長く成形されている光のスポット形状によってウェハの表面、裏面の全域を走査することにより、ウェハ周縁端を含めたウェハ全面に付着する異物、及び／又は欠陥を検査することができる。

また、前記光がレーザ光であることは好適である。

本第２の発明は、光をウェハ周縁端に対して照射する投光系と、ウェハ周縁端からの散乱光を受光する受光系と、受光した散乱光の強度から前記ウェハ周縁端の異物を検出する手段とを備えた異物検査装置において、前記照射する光の前記ウェハ周縁端におけるスポット形状を、前記ウェハ周縁端のアペックスの長さ、又はベベルの長さのいずれか長い方よりも細長く成形する光成形手段を備えたことを特徴とする。

ウェハ周縁端に照射する光の形状をアペックスの長さよりも細長く、かつ前記ウェハ周縁端のベベルの長さよりも細長く成形する光成形手段を備えることで、アペックス部分、及びベベル部分のいずれに対しても光を１回照射することで、所定のアペックス部分、及びベベル部分の検査を完了することができる。

前記投光系と受光系とが固設された基台と、前記ウェハに対して、前記基台を上下、左右、及び前後に移動させる基台移動手段と、前記ウェハの所定の点を中心点として、前記基台を回転させる基台回転手段とを備えることは好適である。

これにより、１組の投光系と受光系によりウェハ周縁端の表面側ベベルからアペックス、そして裏面側ベベルまでを検査することができる。ここでウェハの所定の点を中心点として基台を回転させるとは、例えば、アペックスの中心を中心点とする円弧状に基台を動かすことであり、これにより基台を所望の角度に傾けることができる。その結果、表側と裏側のベベルを検査可能ならしめるものである。

また、前記ウェハを回転する手段を更に備えることは好適である。

前記受光系が受光する前記ウェハ周縁端に照射された光の散乱光のうち、前記ウェハ周縁端の異物、及び／又は欠陥に起因しない反射光を遮光する手段を備えることは好適である。これにより、ウェハ周縁端の欠陥や異物からの散乱光のみを受光でき、精度よくウェハエッジの異物の検査をすることができる。

本発明により、ウェハエッジ部のどの部分に、どの程度の大きさの欠陥があるのか、又どの程度の異物がどの部分に付着しているのかを高速かつ正確に検出することが可能となった。また、本発明によれば、低価格で高性能なウェハエッジの異物検査装置を提供することができる。

以下、実施例に基づいて本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施例である異物検査装置の概念図である。図２は、投光系１１からウェハエッジにレーザ光１３を照射したときのレーザ光１３のウェハエッジにおけるスポット形状を示した図である。図２において、レーザ光１３のスポット形状は、アペックスの長さ（縦方向の長さ）、及びベベルの長さのいずれよりも細長く成形されている。

図１に示すウェハ１０は、図３に示すようにウェハ載置台５０に載置されるが、ウェハ載置台５０はウェハ１０とともに支持台２０に備えられた回転機構により所定の速度で回転する。かかる回転機構によりウェハ１０を回転させながら、投光系１１によりレーザ光１３を照射する。本実施例では投光系として固体半導体レーザを用いているが、特にこれに限定されるものではなく、液体レーザ、気体レーザ、半導体レーザのいずれであっても良い。

本実施例における受光系１２（散乱光１４を受光するセンサ）には、シリコンフォトダイオードを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば光電子増倍管、フォトトランジスタ、ＣＣＤデバイス、イメージ・センサ等のいずれであっても良い。

従来、レーザ光源を用いた異物検査装置においては、図９に示すようにレーザ光１３の焦点をウェハエッジに絞り、ウェハエッジにおけるレーザ光のスポット形状を点にして照射し、ウェハエッジのベベル部分、及びアペックス部分を走査することで検査を行っている。即ち、ウェハ１０を回転させて、例えばアペックスの上部から逐次下部方向に向けてレーザ光を走査し、これにより生じる散乱光１４を受光系１２により受光し、受光した散乱光１４の強度からウェハエッジの異常を検査している。

これに対して、本発明は、図２に示すようにレーザ光１３のスポット形状をアペックスの長さ（縦方向の長さ）、及びベベルの長さのいずれよりも細長く成形するところに特徴があり、投光系１１は、ここから照射するレーザ光１３のウェハエッジにおけるスポット形状を成形する手段を備えている。

図２に示すように、投光系１１はその内部にレンズ１とレンズ２を備え、レーザ光１３とレンズ１との距離、及びレンズ２とウェハ１０との距離を制御することにより、所望のスポット形状にレーザ光を成形することができる機構（図示していない）を備えている。

図２に示すように、投光系１１から照射されるレーザ光１３のウェハエッジにおけるスポット形状は、アペックスの縦方向の長さよりも細長い形状であることが好ましい。その長さは、例えば、アペックス長が０．３ｍｍであれば、０．５ｍｍ程度が好ましい。即ち、アペックスの両端から０．１ｍｍ程度はみ出すようにすれば良い。かかるはみ出し長は片側０．１ｍｍに限定されるものではなく、０．１〜０．２ｍｍ、又はアペックス長の１０〜３０％の範囲が好適であることが知見されている。なお、図８で示したように、ウェハエッジの形状は、ブレット（弾丸）型、ラウンド型等、様々であるため、アペックス長を厳密に規定することができない場合は、ウェハの厚みをレーザ光のスポット形状の長さとしても良い。

本発明の特徴とするところは、図２に示すように、アペックス部分に対してレーザ光１３を走査しなくても、一回のレーザ光１３の照射で所定のアペックス部分の検査を完了できるところにある。また、ベベル部分についても同様に、ベベル部分に対しレーザ光１３を一回照射することで、所定のベベル部分の検査を完了できるところにある。

レーザ光１３のウェハエッジに対する照射角度は、特に限定されないが、例えば、ウェハエッジのレーザ光照射点における法線に対して６０〜８０度の角度で照射すれば良い。

図１において、受光系１２は、ウェハエッジからの反射光（ウェハエッジの欠陥や異物による散乱光以外の光）を遮光するためのマスクを備えることが好ましい。例えば、反射光が受光系１２の中心から入るように受光系１２を設置した場合には、その中心部に所定のマスクを設ければ良い。もちろん、反射光が受光系１２の端部に入射するように受光系１２の位置を調整した場合には、受光系１２の端部にマスクを設ければ良い。

受光系１２は散乱光１４を受光し、光電変換・増幅して、その散乱光信号を電気信号として出力する。散乱光電気信号は、アンプ回路１００により増幅された後、コンパレータ１０１に送られ異物のサイズ等が特定され、更に解析装置１０２に送られて異物の場所等が特定された後、データとしてメモリに記憶される。

図３は、本発明の異物検査装置１の全体構成の概略図である。ウェハ１０を載置する載置台５０は、支持台２０により支持されている。支持台２０の中には載置台５０を回転させるウェハ回転機構が内蔵されている。この機構により、ウェハ１０は所定の速度で回転する。

ウェハ１０の回転速度は、回転速度制御装置（図外）により所定の速度に調節される。ウェハエッジの検査時間は、ウェハ１０の回転速度に依存するため、受光系１２における散乱光１４の検出、及び以降の処理との関係で最適な回転速度で回転を制御する必要がある。一般的には、直径が３００ｍｍのウェハにおいて１ｍ／秒前後の速度が目安である。

投光系１１と受光系１２とは基台１５上に固設されている。基台１５は回転アーム１７に固設されており、回転アーム１７により、１６を中心として回転するように構成されている。また、基台１５は、ガイド板３０によりウェハ１０に対して上下に移動するとともに、ガイド板制御機構４０によりウェハ１０に対して前後にも移動できるように構成されている。このように基台１５を回転、上下・前後に移動するように構成することで、ウェハ１０の表面、表面側ベベル、アペックス、裏面側ベベル、ウェハ裏面に付着する異物を検出することができる。

図４は、基台１５の回転機構の詳細を示した図である。回転アーム１７は、ガイド板３０に固設されている。基台１５には、投光系１１と受光系１２とが固設されている。基台１５は、回転アーム１７によって、ウェハエッジのアペックスの中央を中心点とする円弧状に移動する。基台１５が円弧状に移動することにより、基台１５は、ウェハ１０を上方又は下方からのぞき込むように傾く。これにより、ウェハ１０のエッジの表面側ベベル部分、裏面側ベベル部分の両方を検査することができる。

ウェハ１０のエッジ検査を開始するにあたっては、ウェハ１０を回転させるとともに、ウェハ１０の高さと基台１５との高さ（Ｙ軸方向）をガイド板制御機構４０により調整し、次に、ウェハ１０のエッジを臨むように基台１５を近接させる。そして回転アーム１７により基台１５を移動させ、ウェハエッジの上方向からウェハ表面側のベベル部分を検査し、次に回転アーム１７により基台１５を水平にして、水平方向からアペックス部分を検査し、そして回転アーム１７により再び基台１５を移動させ、下方向からウェハ裏面側のベベル部分を検査し、これによりウェハエッジ全周の検査を完了する。

図５は、受光系１２が受光した散乱光１４の強度を電気信号に変換する光電変換回路図である。受光系１２は、散乱光１４を光電変換し、散乱光１４の強度に対応した散乱光信号Ｑを出力する。散乱光信号Ｑはアンプ回路１００で増幅される。ここから出力されたアナログ信号は、コンパレータ１０１により基準電圧と比較され、異物のサイズが特定される。異物サイズ毎にデジタル信号に変換された結果とウェハ１０の回転速度、散乱光強度等のデータは解析装置１０２に送られ、解析装置１０２によりウェハエッジに付着している異物、欠損等の場所が特定される。

投光系１１の光源として赤外半導体レーザ（発信波長は７８５ｎｍ、低閾電流は３０ｍＡ）、受光系１２としてはシリコンＰＩＮフォトダイオード（感度波長範囲：３２０ｎｍ〜１０６０ｎｍ）を用い、ウェハエッジの検査を行った。
試験体として、直径３００ｍｍのウェハを用いた。このウェハの周縁端の形状はブレット（弾丸）型であり、アペックス長は約０．３ｍｍ、ベベル長も約０．３ｍｍである。レーザ光のウェハエッジにおけるスポット形状は、長さ３２ｎｍ、最大幅０．８ｍｍの細長い形状とした。ウェハを１ｍ／秒の速度で回転させながら、アペックス部分にレーザ光を照射し、それにより得られた散乱光の強度を光電気変換した。その結果を示したグラフが図６である。

図６の縦軸は電圧であり、これは散乱光の強度を表している。横軸はウェハエッジの位置（ウェハ全周のどの場所であるか）を示している。この位置はウェハの回転速度から割り出すことができる。

図６から明らかなように、アペックス部分に異常があった場合は、その異常箇所から強い散乱光が出る。一方、同じようなサイズの異常がベベル部分にあったとしても、ベベル部分の散乱光の強度は弱いものとなる。このため、例えば、受光系１２の出力の閾値を２Ｖに設定すれば、ベベル部分からの散乱光の出力信号は消去されアペックス部分の異常のみのデータとなる。

図７は、本実施例における異物のサイズ（パーティクルサイズ）と出力電圧値との関係を示したグラフであり、いわゆる検量線といわれるものである。このデータとアンプ回路１００からの出力値とをコンパレータ１０１により比較することで、パーティクルのサイズを推定することができる。例えば、出力電圧が１Ｖであれば約１μｍ程度のパーティクル、２Ｖであれば２μｍ程度のパーティクルと判別する。

本発明の異物検査装置の一例を示す概念図である。 ウェハエッジにおけるレーザ光のスポット形状を示す図である。 本発明の異物検査装置の全体構成の一例を示す概略図である。 基台の回転機構の詳細図である。 散乱光の強度を電気信号に変換する光電変換回路図である。 本実施例の結果を示すグラフである。 本実施例における異物のサイズと出力電圧値との関係を示したグラフ（検量線）。 ウェハエッジの形状を示す図である。 従来のレーザ光源を用いた異物検査装置を示す図である。

符号の説明

１ 異物検査装置
１０ ウェハ
１１ 投光系
１２ 受光系
１３ レーザ光
１４ 散乱光
１５ 基台
１６ 中心点
１７ 回転アーム
２０ 支持台
３０ ガイド板
４０ ガイド板制御機構
５０ 載置台
６０ ベース
１００ アンプ回路
１０１ コンパレータ
１０２ 解析装置

Claims (3)

1. 投光系により光をウェハ周縁端に照射し、受光系によりウェハ周縁端からの散乱光を検出し、検出した散乱光の強度からウェハ周縁端に付着する異物、及び/又は欠陥を検査するウェハ周縁端の異物検査方法において、
   前記投光系により光を、ウェハ周縁端の厚み方向の中心点に向けて、前記中心点における法線に対して所定の角度で、前記ウェハ周縁端のアペックスの両端よりもそれぞれはみ出した細長の形状に成形して照射し、
   前記投光系と固定され、集光レンズを備えた前記受光系により前記ウェハ周縁端からの散乱光を受光し、
   前記受光系が受光する散乱光の強度に閾値を設定することにより、前記ウェハ周縁端のベベルからの散乱光を消去するとともに、
   受光した散乱光の強度から、前記アペックスに付着する異物、及び／又は欠陥を検査することを特徴とするウェハ周縁端の異物検査方法。
2. ウェハの周方向の一回転により、前記アペックスの全域について、前記アペックスに付着する異物、及び／又は欠陥の検出が完了することを特徴とする請求項１に記載のウェハ周縁端の異物検査方法。
3. 前記光がレーザ光であることを特徴とする請求項１又は２に記載のウェハ周縁端の異物検査方法。

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