JP6366531B2 - 半導体ウエハの検査装置および半導体ウエハの自動検査方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体ウエハの検査技術に関する。

半導体装置の製造のためのウエハプロセスにおいては、ウエハの品質管理、歩留り向上のために、ウエハプロセス中の主要工程や重要工程で、随時にウエハの欠陥検査を実施して、異物や欠陥の特定、推移管理、問題のあるプロセスの検出および迅速なフィードバックなどのアクションが必須になる。

また、ダウンフォール、三角欠陥、キャロットなどの半導体装置の動作不良の原因となる基板欠陥が多い低品質ウエハ、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）ウエハ、窒化ガリウム（ＧａＮ）ウエハなどのワイドバンドギャップ半導体ウエハにおいては、ウエハそのものの欠陥を検査し、ウエハプロセスを通した電気特性などとの相関を取ることで、電気特性に問題を生じさせる欠陥を特定する。そして、その結果をウエハの製造工程にフィードバックすることで、そのような欠陥が生じない基板製造プロセスを構築し、ウエハ品質の向上および歩留り向上を図っている。

ここで、ウエハの欠陥検査を行う検査装置においては、従来は、例えば特許文献１の図１に開示されるように、検査装置の平坦な検査ステージ直上に自動搬送あるいはマニュアル（手載せ）搬送でウエハを搭載し、さらにウエハ裏面側からの真空吸着などでウエハを検査ステージに固定して検査を行っている。

一般的なランプ発光式のウエハ検査装置では、検査ステージ上に搭載したウエハに、キセノンランプ等の光源から発する光（可視光）を入射させ、その反射光を検出し、画像認識することで欠陥を検出している。

Ｓｉウエハなどの可視光に対して不透明なウエハでは、光が透過しないので表面状態の欠陥を精度良く検出することができるが、ＳｉＣウエハなどの可視光に対して半透明なウエハでは、検査ステージ直上に搭載したＳｉＣウエハを入射光が透過し、検査ステージ表面上に存在する反射率の高いキズや異物などからの反射光を検出してしまうため、本来検出すべきＳｉＣウエハ表面上の欠陥だけでなく、検査ステージ表面上のキズや異物なども欠陥（疑似欠陥）として検出されてしまう。このため、本来の検出精度が低下し、結果として、歩留り向上のためのフィードバックの精度低下や遅延を招く。

なお、上記のような問題は、ランプ発光式のウエハ検査装置に限定されるものではなく、例えば、一定波長のレーザー光をウエハに照射し、その反射光（散乱光）を検出器で検出するレーザー式のウエハ検査装置でも起こりうる問題である。

特開２００６−３２９６３０号公報

検査結果の迅速なフィードバックや早期の歩留り向上を図るためには、ＳｉＣウエハなどの半透明なウエハに対しても、検査ステージの表面状態の影響を受けずに、ウエハ表面の欠陥のみを検出できる欠陥検査装置が求められている。

本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、光を透過するウエハに対しても、検査ステージの表面状態の影響を受けずに、ウエハ表面の欠陥のみを検出できる欠陥検査装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体ウエハの検査装置は、光により半導体ウエハの欠陥検査を行う半導体ウエハの検査装置であって、検査ステージと、前記検査ステージ上に載置されるウエハ搭載治具と、を備え、前記ウエハ搭載治具は、内部が中空となった円筒を本体とし、前記円筒の側壁において、前記検査ステージに接する側とは反対側となる上面側に、内周に沿って設けられた座繰り部を有し、前記座繰り部は、検査対象となる半導体ウエハの直径より大きな直径を有して形成され、前記座繰り部の底面部に前記半導体ウエハの裏面が接するように前記半導体ウエハを搭載することで、前記半導体ウエハが前記検査ステージとの間に一定距離を保って保持され、前記一定距離は、前記半導体ウエハの検査のための光の前記検査ステージ表面での反射量ができるだけ小さくなるように決定され、前記半導体ウエハは、ワイドバンドギャップ半導体ウエハであって、検査のための光の一部を透過する性質を有している。

本発明に係る半導体ウエハの検査装置によれば、半導体ウエハが検査ステージとの間に一定距離を保って保持されるので、検査ステージの表面からの光の反射はゼロまたは無視できるほどに小さくなり、検査ステージの表面のキズや異物などが疑似欠陥として検出されず、本来検出すべき半導体ウエハの欠陥のみを正確に検出することができる。また、座繰り部では半導体ウエハを搭載するだけであり、真空吸着することはないので半導体ウエハに反りがある場合でも、真空吸着時の吸着不良や吸着による応力に起因するウエハ割れ、また厚みが薄い半導体ウエハを真空吸着することによるウエハ割れを防止することができる。

本発明に係る実施の形態１のウエハ搭載治具の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１のウエハ搭載治具の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態１のウエハ搭載治具にウエハを搭載した状態を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態１のウエハ搭載治具にウエハを搭載した状態を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態２のウエハ搭載治具の構成を示す側面図である。 本発明に係る実施の形態２のウエハ搭載治具の平面図である。 本発明に係る実施の形態３の自動検査方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態３の自動検査方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態３の自動検査方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態３の自動検査方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態３の自動検査方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態３の自動検査方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態３の自動検査方法を説明する図である。 本発明に係る実施の形態４のウエハ搭載治具の構成を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態４のウエハ搭載治具の構成を示す平面図である。 本発明に係る実施の形態４のウエハ搭載治具においてウエハが浮き上がった状態を示す断面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明に係る実施の形態１の欠陥検査装置における検査ステージ上で使用されるウエハ搭載治具１０の構成を示す断面図であり、図２は、ウエハ搭載治具１０を上面側（検査ステージＳＴとは反対側）から見た平面図であり、図２におけるＡ−Ａ線での断面図が図１に相当する。なお、図２において検査ステージＳＴは省略している。

図１および図２に示されるように、ウエハ搭載治具１０は、内部が中空となった円筒を本体とし、円筒の側壁１は、上面側に、内周に沿って設けられた座繰り部１１を有し、下面側端面が検査ステージＳＴの上面に接するように配置されている。なお、ウエハ搭載治具１０は、例えば、図示されないねじ等により検査ステージＳＴの上面に固定されているが、固定方法はこれに限定されるものではない。なお、一般的に金属で構成される検査ステージＳＴの表面には、完全には削除できない要素として、キズＳＣや異物ＦＯなどが存在することを模式的に示している。

座繰り部１１は、ウエハを搭載可能なように、ウエハの直径より大きな直径を有して形成されており、座繰り部１１の底面部１１１にウエハの裏面が接するようにウエハを搭載することで、座繰り部１１内にウエハが保持されると共に、座繰り部１１の直径の寸法公差で決まる精度でウエハが位置決めされることとなる。なお、座繰り部１１の側面部１１２の高さは、ウエハの厚みと同じか、ウエハの厚みよりも高く設定される。

図３は、ウエハ搭載治具１０にウエハＷＦを搭載した状態を示す断面図であり、図４は、その状態でウエハ搭載治具１０を上面側から見た平面図である。ここで、ウエハＷＦは、ＳｉＣウエハ、ＧａＮウエハなどのワイドバンドギャップ半導体ウエハを対象としており、これらのウエハは可視光や所定波長のレーザー光の一部を透過する性質（半透過性）を有している。

図３に示すように、座繰り部１１内に保持されたウエハＷＦは、真空吸着等による固定はされていない。また、座繰り部１１内にウエハＷＦが保持されることで、ウエハＷＦと側壁１で囲まれた領域は中空状態となり、ウエハＷＦと検査ステージＳＴの表面との間は一定距離に保たれている。この距離の一例としては５００μｍ程度が挙げられるが、これに限定されるものではなく、検査ステージＳＴの表面での光の反射量ができるだけ小さくなるような距離に設定すれば良いので、５００μｍよりも大きくても、小さくても良い。

この状態でウエハＷＦの上方からキセノンランプ等の光源から発する光（可視光）や所定波長のレーザー光を入射させ、その反射光を検出し、画像認識することでウエハＷＦの基板欠陥を検出するが、ウエハＷＦと検査ステージＳＴの表面との間は上述したように中空状態となっており、検査ステージＳＴの表面からの光の反射はゼロまたは無視できるほどに小さいので、検査ステージＳＴの表面のキズＳＣや異物ＦＯなどが疑似欠陥として検出されず、本来検出すべきウエハＷＦの基板欠陥のみを正確に検出することができる。

また、ウエハ搭載治具１０ではウエハＷＦは座繰り部１１の底面部１１１に搭載されるだけであり、真空吸着することはないのでウエハＷＦに反りがある場合でも、真空吸着時の吸着不良や吸着による応力に起因するウエハ割れ、また厚みが薄いウエハを真空吸着することによるウエハ割れを防止することができる。

＜実施の形態２＞
以上説明した実施の形態１のウエハ搭載治具１０に対して、その側壁の一部を切り欠くことでウエハＷＦの搭載および取り出しを容易にした構成を採用しても良い。

図５は、本発明に係る実施の形態１の欠陥検査装置における検査ステージ上で使用されるウエハ搭載治具１０Ａの構成を示す側面図であり、図６は、ウエハ搭載治具１０Ａを上面側から見た平面図であり、図６における矢印Ｙ方向からの側面図が図５に相当する。なお、図６において検査ステージＳＴは省略している。なお、座繰り部１１Ａの底面部１１１Ａおよび側面部１１２Ａは、ウエハ搭載治具１０の底面部１１１および側面部１１２と同じである。

図５および図６に示されるように、ウエハ搭載治具１０Ａは、その側壁１Ａの一部が上面側端面から下面側端面まで一定の幅で切り欠かれた切り欠き部ＮＰとなっている。切り欠き部ＮＰは、側壁１Ａを厚み方向（直径方向）に完全に除去しているので、ウエハ搭載治具１０Ａの反対側の側壁の内面が見える構成となっている。

このような構成を採ることで、ウエハ搭載治具１０ＡにウエハＷＦを搭載する際に、以下のような操作が可能となる。すなわち、ウエハＷＦの裏面にエアーピンセットの真空吸着面を吸着させてウエハＷＦをウエハ搭載治具１０Ａ上まで搬送し、ウエハ搭載治具１０Ａに搭載する際には、ウエハＷＦを吸着したままエアーピンセットを切り欠き部ＮＰ上側から切り欠き部ＮＰ内に差し入れ、エアーピンセットの位置を微調整しながらウエハがウエハ搭載治具１０Ａの座繰り部１１Ａの底面部１１１Ａに接するように搭載する。そして、ウエハが座繰り部１１Ａ内で保持された段階でエアーピンセットの真空吸着を解除し、エアーピンセットを切り欠き部ＮＰを通して抜き出す。ウエハＷＦをウエハ搭載治具１０Ａから取り出す際には、逆の操作を行えば良い。

このように、ウエハ搭載治具１０Ａを用いることで、切り欠き部ＮＰを通してウエハＷＦの搭載および取り出しが可能となるので、ウエハＷＦの前面（デバイス形成面）にエアーピンセット等の搬送治具の真空吸着面を吸着させてウエハＷＦを搬送することによる表面汚染を防止でき、ウエハＷＦの搭載および取り出し作業を容易にすることができる。

なお、このような操作を行うのであれば、ウエハと検査ステージＳＴの表面との間の距離は、少なくともエアーピンセットの真空吸着部の最大厚みよりも大きくしなければならない。

＜実施の形態３＞
従来的なウエハの自動検査では、検査対象ウエハがセットされたカセットから、アーム状の治具で検査対象ウエハを真空吸着させて取り出し、それを検査ステージ上に搬送し、検査ステージ上に搭載する。そして、検査ステージ直上でウエハの一部あるいは全面を真空吸着させて、ウエハを検査する。この検査方法によって検出されたウエハの欠陥には、検査ステージ上のキズや異物等による疑似欠陥も含まれており、検出精度が低いという問題がある。

これに対し、以上説明した実施の形態２のウエハ搭載治具１０Ａを、アーム搬送機構を備えた検査装置に適用することで、ウエハの自動搬送による検査スループットの向上を図ると共に、検査ステージ上のキズや異物等による疑似欠陥を検出しないので、高い検出精度が得られる。

以下、図７〜図１３を用いて、本発明に係る実施の形態３の自動検査方法について説明する。

図７はウエハ搭載治具１０Ａの側面図であり、切り欠き部ＮＰは図面に向かって左側にあるので視認されず、破線で示されている。また、図８は、ウエハ搭載治具１０Ａに向けてウエハＷＦを自動搬送している状態を上方から見た平面図であり、真空吸着機能を有する搬送アームＡＭ上にウエハＷＦが搭載されている。搬送アームＡＭの先端部に真空吸着部が設けられ、ウエハＷＦの裏面が真空吸着されているが、真空吸着部の図示は省略している。なお、図８における矢印Ｚ方向からの側面図が図７に相当する。

図９は、搬送アームＡＭ上に搭載されたウエハＷＦが、ウエハ搭載治具１０Ａまで搬送されて来た状態を側面から見た図であり、搬送アームＡＭは切り欠き部ＮＰの上方に位置しており、搬送アームＡＭを降下させることで搬送アームＡＭが切り欠き部ＮＰ内に差し入れられる。

図１０は、搬送アームＡＭを降下させて切り欠き部ＮＰ内に差し入れ、ウエハＷＦが座繰り部１１Ａ内で保持された状態を示す側面図であり、図１１は、その状態でウエハ搭載治具１０Ａを上面側から見た平面図である。

図１０および図１１に示されるように、ウエハＷＦが座繰り部１１Ａ内で保持されると、座繰り部１１Ａの直径の寸法公差で決まる精度でウエハが位置決めされる。

その後、搬送アームＡＭの真空吸着を解除し、搬送アームＡＭを切り欠き部ＮＰを通して抜き出す。図１２は、搬送アームＡＭを切り欠き部ＮＰを介して抜き出して移動させる状態を示す側面図である。また、図１３は、搬送アームＡＭを抜き出した状態のウエハ搭載治具１０Ａを上面側から見た平面図である。

図１２に示すように、座繰り部１１Ａ内に保持されたウエハＷＦは、真空吸着等による固定はされていない。

この状態でウエハＷＦの上方からキセノンランプ等の光源から発する可視光や所定波長のレーザー光を入射させ、その反射光を検出し、画像認識することでウエハＷＦの基板欠陥を検出するが、ウエハＷＦと検査ステージＳＴの表面との間は上述したように中空状態となっており、検査ステージＳＴの表面からの光の反射量はゼロまたは無視できるほどに小さいので、検査ステージＳＴの表面のキズや異物などが疑似欠陥として検出されず、本来検出すべきウエハＷＦの基板欠陥のみを正確に検出することができる。

また、ウエハ搭載治具１０ＡではウエハＷＦは座繰り部１１に搭載されるだけであり、真空吸着することはないのでウエハＷＦに反りがある場合でも、真空吸着時の吸着不良や吸着による応力に起因するウエハ割れ、また厚みが薄いウエハを真空吸着することによるウエハ割れを防止することができる。

ウエハＷＦの検査が終了した後、ウエハＷＦをウエハ搭載治具１０Ａから取り出す際には、搬送アームＡＭが切り欠き部ＮＰ内に差し込まれ、ウエハＷＦを真空吸着した後、搭載とは逆の操作を行って、ウエハＷＦを取り出す。

このように、ウエハ搭載治具１０Ａを、アーム搬送機構を備えた検査装置に適用することで、ウエハＷＦの自動搬送による検査スループットが向上する。

＜変形例＞
なお、上述したウエハ搭載治具１０Ａは、その側壁１Ａの一部が上面側端面から下面側端面まで一定の幅で切り欠かれた切り欠き部ＮＰとなった構成を採っていたが、側壁１Ａの一部を完全に除去するのではなく、例えば、上面側端面からウエハＷＦの厚みプラス搬送アームを抜き差しできる高さ分だけ一定の幅で除去した構成としても良い。

また、上述したウエハ搭載治具１０Ａは、その側壁１Ａに１つの切り欠き部ＮＰを設けた構成となっていたが、アーム搬送以外の搬送方式、例えばベルト搬送方式などに適用する場合には、切り欠き部ＮＰと対面する場所にも同様の切り欠き部を設け、搬送ベルトを２つの切り欠き部に渡るように設けた構成としても良い。この場合、搬送ベルトは、検査ステージ上に設けられることになるが、ウエハと検査ステージとの距離を大きくすることで、搬送ベルトが検出されることは防止される。また、切り欠き部の個数や配置は上記のように限定されるものではなく、搬送方式に合わせて設定すれば良い。

＜実施の形態４＞
実施の形態１のウエハ搭載治具１０においては、ウエハ搭載治具１０からウエハＷＦを取り出す場合には、例えば、ウエハＷＦの前面にエアーピンセットの真空吸着面を吸着させて取り出す方法を採るが、ウエハＷＦの裏面に気体を吹き付けて、ウエハＷＦを浮かせる機構を設けることで、ウエハＷＦの搭載および取り出しを容易にした構成を採用しても良い。

図１４は、本発明に係る実施の形態３の欠陥検査装置における検査ステージ上で使用されるウエハ搭載治具１０Ｂの構成を示す断面図であり、図１５は、ウエハ搭載治具１０Ｂを上面側から見た平面図であり、図１５におけるＢ−Ｂ線での断面図が図１４に相当する。なお、図１５において検査ステージＳＴは省略している。

図１４および図１５に示されるように、ウエハ搭載治具１０Ｂは、円筒の側壁１Ｂの上面側に設けられた座繰り部１１Ｂの底面部１１１Ｂに、気体吹き出し孔ＯＰを複数有した構成となっている。なお、座繰り部１１Ｂの側面部１１２Ｂは、ウエハ搭載治具１０の側面部１１２と同じである。

複数の気体吹き出し孔ＯＰは、底面部１１１Ｂの円周に沿って設けられており、それぞれは、底面部１１１Ｂから検査ステージＳＴ側に向けて垂直に延在するように設けられた縦孔１２の開口部を構成している。そして、縦孔１２のそれぞれは、側壁１Ｂの内部において、ウエハ搭載治具１０Ｂの直径方向に延在するように設けられた横孔１４に連通している。

また、側壁１Ｂの内部には、側壁１Ｂの円周に沿って気体流路１３が設けられている。気体流路１３は、側壁１Ｂの下部側であって側壁１Ｂの外周寄りの位置に設けられており、複数の横孔１４と連通している。

また、気体流路１３は、側壁１Ｂの外側から、側壁１Ｂの直径方向に挿入された気体導入部１５と連通しており、気体導入部１５から導入された気体（空気、窒素）ＧＳが、気体流路１３、横孔１４および縦孔１２を通って、気体吹き出し孔ＯＰから吹き出す構成となっている。なお、気体流路１３、横孔１４および縦孔１２は、気体流路と総称することができる。

図１６は、気体吹き出し孔ＯＰから吹き出す気体ＧＳによってウエハＷＦがウエハ搭載治具１０Ｂの上方に浮き上がった状態を示す断面図である。図１６に示すように、ウエハＷＦを側壁１Ｂの上側端面よりも高い位置まで浮かせることで、エアーピンセットなどの搬送治具を側壁１ＢとウエハＷＦの裏面との間の隙間から挿入し、ウエハＷＦの裏面を搬送治具で真空吸着させることが可能となる。

なお、上記構成は、ウエハ搭載治具１０ＢからウエハＷＦを取り出す場合だけでなく、搭載する場合にも利用可能である。すなわち、気体吹き出し孔ＯＰから気体ＧＳを吹き出させ、裏面が搬送治具で真空吸着されたウエハＷＦをウエハ搭載治具１０Ｂの上方まで搬送し、搬送治具の真空吸着を解除して、一旦、ウエハＷＦを浮かせた後、気体ＧＳの吹き出し圧力を徐々に弱めることで、ウエハＷＦが座繰り部１１Ｂ内に保持されるようにすれば良い。

このように、ウエハ搭載治具１０Ｂを用いることで、ウエハＷＦを浮かせた状態で搭載および取り出しが可能となるので、ウエハＷＦの前面にエアーピンセット等の搬送治具の真空吸着面を吸着させてウエハＷＦを搬送することによる表面汚染を防止でき、ウエハＷＦの搭載および取り出し作業を容易にすることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 側壁、１０，１０Ａ，１０Ｂ ウエハ搭載治具、１１，１１Ａ，１１Ｂ 座繰り部、１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ 底面部、ＡＭ 搬送アーム、ＯＰ 気体吹き出し孔、ＳＴ 検査ステージ。

Claims (5)

1. 光により半導体ウエハの欠陥検査を行う半導体ウエハの検査装置であって、
   検査ステージと、
   前記検査ステージ上に載置されるウエハ搭載治具と、を備え、
   前記ウエハ搭載治具は、内部が中空となった円筒を本体とし、前記円筒の側壁において、前記検査ステージに接する側とは反対側となる上面側に、内周に沿って設けられた座繰り部を有し、
   前記座繰り部は、検査対象となる半導体ウエハの直径より大きな直径を有して形成され、前記座繰り部の底面部に前記半導体ウエハの裏面が接するように前記半導体ウエハを搭載することで、前記半導体ウエハが前記検査ステージとの間に一定距離を保って保持され、
   前記一定距離は、前記半導体ウエハの検査のための光の前記検査ステージ表面での反射量ができるだけ小さくなるように決定され、
   前記半導体ウエハは、ワイドバンドギャップ半導体ウエハであって、検査のための光の一部を透過する性質を有している、半導体ウエハの検査装置。
2. 前記ウエハ搭載治具は、
   前記側壁の一部を上面側端面から下面側にかけて切り欠かれた切り欠き部ＮＰを有する、請求項１記載の半導体ウエハの検査装置。
3. 前記切り欠き部は、
   前記側壁の上面側端面から下面側端面まで切り欠かれている、請求項２記載の半導体ウエハの検査装置。
4. 前記ウエハ搭載治具は、
   前記側壁の前記座繰り部の前記底面部に設けられた、複数の気体吹き出し孔を有し、
   前記複数の気体吹き出し孔は、前記底面部の円周に沿って設けられ、それぞれは、前記側壁内部に設けられた気体流路に連通し、前記ウエハ搭載治具の外部から前記気体流路に供給される気体を吹き出す、請求項１記載の半導体ウエハの検査装置。
5. 請求項２記載の半導体ウエハの検査装置を用いた半導体ウエハの自動検査方法であって、
   前記半導体ウエハの検査装置は、
   前記検査ステージ上に載置された前記ウエハ搭載治具に対して前記半導体ウエハの搭載および取り出しを行うアーム搬送機構をさらに備え、
   （ａ）前記アーム搬送機構の搬送アームに、裏面側が接するように前記半導体ウエハを載置して、前記ウエハ搭載治具の上方まで搬送するステップと、
   （ｂ）前記切り欠き部内に差し入れられるように前記搬送アームを降下させ、前記半導体ウエハを前記座繰り部内に保持するステップと、
   （ｃ）前記搬送アームを前記切り欠き部を通して抜き出すステップと、
   （ｄ）前記半導体ウエハの上方から前記半導体ウエハの検査のための光を入射させ、その反射光を検出して、画像認識することで前記半導体ウエハの欠陥を検出するステップと、を備える半導体ウエハの自動検査方法。

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