JPH05149927A - 導電膜検査方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】平面的な広がりのある導電膜を走査する過程
で、この導電膜と検出コイルとの相対的間隔が変化して
も、また出力の零点が温度によってドリフトしても、こ
れらの変動に影響されず、導電膜の全面にわたって、常
に安定して高い精度で、非接触かつ非破壊状態で、抵抗
分布やそれに伴う膜厚分布などの成膜状態を連続的に測
定可能とする。 【構成】平面的に広がりのあるウェハ２上に形成された
活性層２ａの近傍に配設された渦電流発生・検出コイル
４によって、活性層２ａに渦電流を発生させるのに充分
な高周波磁界を印加すると共に、活性層２ａに印加され
る高周波磁界の平均強度を該高周波磁界の周波数よりも
充分に低い周波数で変動させ、活性層２ａに発生した渦
電流を検出コイル４で検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板上、もしく
はディスプレイ用のガラス基板上に形成された導電性薄
膜（導電膜）などのように、平面的な広がりのある導電
膜の成膜状態（膜厚分布や電気的特性分布等）を非破壊
状態で検査する導電膜検査方法およびその装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体の分野では、高抵抗半導体基板
（ウェハ）上に、ＣＶＤなどのプロセスで不純物をドー
ピングした導電性薄膜を成長させ、電子デバイスや光デ
バイスに利用している。これらの用途においては、１枚
の基板から同一品質のデバイスをいかに多く製造するか
が重要となる。このため、基板全面にわたって膜厚や電
気的特性が均一であることが要求される。しかしなが
ら、実際には、同一基板面内において膜厚や電気的特性
の不均一が存在し、これらによって、その基板全体の品
質が決定されることになる。

【０００３】従来は、同一ロットについて多数枚の薄膜
被覆基板を同時に製造し、その内のある基板を抜き取
り、それを破壊して膜厚や電気的特性を検査、分析し、
その検査、分析結果を代表してそのロット内全体の基板
の品質を類推している。その品質が所定の基準を満足し
ていれば、そのロット内の基板全体を出荷する。しかし
ながら、基板によっては品質基準に到達しないものが存
在することがあり、そのような基板の品質不良を検査す
ることができないという問題がある。ディスプレイ用の
ガラス基板のような透明部材であれば、光学的に膜厚の
測定が可能であるが、電気抵抗値のような電気的な特性
を測定することは不可能であった。

【０００４】ここで、被膜の電気抵抗値を非接触で測定
する方法として、渦電流検査法が知られている。これ
は、導体を交番磁界中に置くと、その導体内に磁界を打
ち消す方向に渦電流が流れ、この渦電流の大きさや分布
が、導体の形状、導電率、透磁率、内部欠陥などにより
変化することを利用して被膜の電気抵抗値を測定すると
いう原理に基づく。つまり、渦電流検査法は、渦電流に
より発生する磁界が相互誘導作用により検出コイルのイ
ンピーダンスを変化させるので、このインピーダンスの
変化を電圧値や位相の変化として検出することにより、
被検査物である導体の状態を知る方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の渦電流検査法は、被検査物の欠陥の位置や大きさを
測定することを意図しており、出力信号の急激な変化を
信号の微分処理などによってノイズと分離して検出する
方法である。また、複数の周波数を重ね合わせた交流電
流を検査用コイルに印加してその渦電流から導体の電気
抵抗値を測定する方法もすでに知られているが、この場
合は、欠陥に敏感な周波数に応じた信号と、敏感でない
周波数に応じた信号とを演算してノイズの影響を打ち消
したり、欠陥の形状を識別している。本発明において意
図されている半導体基板上やディスプレイ用のガラス基
板上に形成された導電膜の成膜状態、すなわち、その膜
厚分布や電気的特性分布を測定する場合においては、平
面的な広がりのある導電膜の全面にわたって連続した変
化を検出することが必要であり、測定装置の安定性が要
求される。しかし、このように非常に高感度な測定精度
を要求される場合、従来方法においては、出力の零点が
温度によってドリフトすることが避けられず、また、被
検査物と検出コイルとの相対的間隔がわずかに変わって
も出力値の変化となってしまい、正確な測定ができない
という問題がある。図８にその様子を示す。同図におい
て、横軸（Ｘ軸）は複素インピーダンスの実数部の値を
示し、縦軸（Ｙ軸）は複素インピーダンスの虚数部の値
を示している。位相角は、電気抵抗値を示すが、図８に
示すように測定結果が変動しては、正確に電気抵抗値を
算出できない。以上の理由から、従来技術の渦電流検査
法によって、平面的な広がりのある導電膜の成膜状態を
全面にわたって正確に検出することは困難である。

【０００６】本発明の目的は、平面的な広がりのある導
電膜を走査する過程で、この導電膜と検出コイルとの相
対的間隔が変化しても、また出力の零点が温度によって
ドリフトしても、これらの変動に影響されず、導電膜の
全面にわたって、常に安定して高い精度で、非接触かつ
非破壊状態で、抵抗分布やそれに伴う膜厚分布などの成
膜状態を連続的に測定することができる導電膜検査方法
およびその装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
種々検討を行った結果、本件発明者は、導電膜の電気抵
抗値やそれに伴う膜厚が、複素インピーダンスベクトル
の位相角と相関があることを見いだした。さらに、それ
を安定して測定するために、導電膜に印加する渦電流発
生用の高周波磁界の平均強度を、その高周波磁界の周波
数に対して所定の比率、好適には、１００分の１以下の
低い周波数で変化させ、導電膜の検査部位の渦電流を検
出コイルで検出し、その検出結果から検出コイルの複素
インピーダンスベクトルの位相角の変化を検出すること
が望ましいことを見出した。したがって、本発明によれ
ば、検査対象となる平面的に広がりのある導電膜の近傍
に配設された渦電流発生・検出コイルによって、前記導
電膜に渦電流を発生させるのに充分な高周波磁界を印加
すると共に、前記導電膜に印加される高周波磁界の平均
強度を該高周波磁界の周波数よりも充分に低い周波数で
変動させる段階と、前記導電膜に発生した渦電流を前記
検出コイルで検出する段階と、該検出渦電流に基づく前
記検出コイルの複素インピーダンスベクトルの位相角を
算出し、前記導電膜の成膜状態を検査する段階とを具備
し、前記各段階を、前記導電膜の面上を２次元的に走査
しつつ繰り返し実行することによって、前記導電膜の全
面にわたってその成膜状態を検査することを特徴とする
導電膜検査方法が提供される。好適には、平均強度を変
化させる周波数を、渦電流を発生させるに充分な高周波
数の１００分の１以下とすることが望ましい。さらに本
発明によれば、上記導電膜検査方法を実施する装置、す
なわち、導電膜検査装置が提供され、この導電膜検査装
置は、検査対象となる平面的に広がりのある導電膜の近
傍に配設された渦電流発生・検出コイルと、前記渦電流
発生・検出コイルもしくは前記導電膜のいずれか一方も
しくは双方を前記導電膜の面と平行に移動して、前記渦
電流発生・検査用コイルを前記導電膜の全面にわたって
２次元的に走査させる走査手段と、前記導電膜に渦電流
を発生させるに充分高い周波数の高周波電流を発生し、
前記渦電流発生・検出コイルに印加する高周波電源と、
前記渦電流発生・検出コイルから前記導電膜に印加され
る高周波磁界の平均強度を、該高周波磁界の周波数より
も充分に低い周波数で変化させる平均強度変化手段と、
前記走査手段の走査に応じて、前記渦電流発生・検出コ
イルで検出された渦電流に基づく該検査コイルの複素イ
ンピーダンスベクトルの位相角を順次算出し、前記導電
膜の成膜状態を全面にわたって検査する手段とを有す
る。

【０００８】

【作用】上記の構成によれば、導電膜の検査部位の渦電
流による検出コイルの複素インピーダンスベクトルの位
相角の変化によって、導電膜の電気抵抗分布やそれに伴
う膜厚分布などの成膜状態を検査するようにしたので、
導電膜と検出コイルとの相対的間隔が変化しても、また
出力の零点が温度によってドリフしても、複素インピー
ダンスベクトルの大きさが変化するだけで、その位相角
は変化しないため測定上何等問題は生じない。また、導
電膜に印加する渦電流発生用の高周波磁界の平均強度
を、その高周波磁界の周波数に対して、好適には、１０
０分の１以下の充分低い周波数で変化させることによっ
て、少なくとも、低い周波数の振幅の最大のときと最小
または零のときの２つの状態における渦電流を検出する
ことができ、この２点から正確に位相角を算出すること
ができる。特に、高周波磁界の強度を零に近づけた場合
に出力の零点を常に補正することができる。

【０００９】

【実施例】図１は本発明に係わる導電膜検査方法を実施
するための導電膜検査装置の一実施例の構成を示す図で
ある。この図において、１は基台であり、この基台１上
の所定位置に、検査対象となるウェハ２が位置決めされ
て載置される。この基台１には走査機構３が設けられ、
この走査機構３によって渦電流発生・検出コイル４がウ
ェハ２の面と平行な２次元平面内で移動可能に支持され
ている。走査機構３は、検出コイル４を支持するキャリ
ッジ５を、図２示す特定方向Ａ１もしくはＡ２へ移動す
ると共に、これらの特定方向Ａ１もしくはＡ２と直交す
る方向Ｂ１もしくはＢ２へ移動するもので、周知のＸＹ
プロッタのヘッド送り機構と類似した構成となってい
る。この場合、板厚０．４ｍｍのウェハ２の表面に、導
電膜である０．５μｍの活性層２ａが形成されており、
この活性層２ａに対して約５００μｍの空隙を隔てて、
渦電流発生・検出コイル４が配設されている。また、キ
ャリッジ５と渦電流発生・検出コイル４の間には、加振
装置６が設けられており、この加振装置６によって渦電
流発生・検出コイル４が上下に振動し、ウェハ２に接近
する方向ａもしくは離間する方向ｂへ移動するようなっ
ている。

【００１０】渦電流発生・検出コイル４は、棒状の鉄心
４ａに、コイル４ｂを同軸状に配設し、樹脂で一体にモ
ールドしたもので、鉄心４ａの下端部は円錐状に形成さ
れ、その先端がウェハ２に近接配置されている。この渦
電流発生・検出コイル４がウェハ２に近接的に渦電流を
発生させ、発生された渦電流を検出する。本実施例で用
いた渦電流発生・検出コイル４の寸法について説明する
と、外径１．２ｍｍの鉄心４ａに、０．０５ｍｍの線径
の素線を２００ターン巻回してコイル４ｂとしている。

【００１１】このような渦電流発生・検出コイル４がケ
ーブル８を介して検査装置１３に接続されている。検査
装置１３は２ＭＨｚの渦電流発生用の高周波電流を発生
し、ケーブル８を介して渦電流発生・検出コイル４に印
加する高周波電源を有し、検出コイル４で検出された渦
電流からウェハ２の表面に形成された活性層２ａの電気
抵抗値を算出するマイクロコンピュータを有している。
また、検査装置１３のマイクロコンピュータは、加振装
置６を所定の振動数、例えば、５０Ｈｚで振動させ、渦
電流発生・検出コイル４を上下に振動させる加振制御機
能と、走査機構３の動作を制御して、渦電流発生・検出
コイル４を図２に示すような所定の軌跡で移動させる走
査制御機能を有してる。

【００１２】そして、検査装置１３の演算処理部で算出
された、渦電流発生・検出コイル４の複素インピーダン
スに応じた信号が、オシロスコープ１４に供給され、こ
のオシロスコープ１４によって、複素インピーダンスベ
クトルの位相角と大きさが表示されるようになってい
る。また、上記位相角が電圧値としてレコーダ１５と、
コンピュータ１６に供給され、レコーダ１５で記録さ
れ、コンピュータ１６で信号処理されるようになってい
る。

【００１３】オシロスコープ１４の表示画面上には、図
３に示すような、複素インピーダンスベクトルが表示さ
れ、その位相角θを知ることができる。同図において、
横軸（Ｘ軸）は複素インピーダンスの実数部の値を示
し、縦軸（Ｙ軸）は複素インピーダンスの虚数部の値を
示している。これにより、ウェハ２の表面の活性層２ａ
に高周波磁界を印加した場合における渦電流発生・検出
コイル４の複素インピーダンスの変化が、オシロスコー
プ１４の表示画面上の輝点として知ることができる。こ
こで、原点からのベクトルの大きさｒは、渦電流発生・
検出コイル４と活性層２ａとの間の空隙や、活性層２ａ
の性状によって変化し、ベクトルの位相角θは、活性層
２ａの膜厚や電気抵抗値に依存して変化する。

【００１４】以上の構成において、渦電流発生・検出コ
イル４は、走査機構３によって図２に示すように、特定
方向Ａ１に移動され、この特定方向Ａ１と直交する方向
Ｂ１に所定の間隔で移動され、さらに特定方向Ａ１とは
逆の方向Ａ２に移動される。これらの移動動作が反復さ
れることにより、活性層２ａが全面にわたって走査され
る。また、走査が完了した時点で、方向Ｂ２に移動され
て、初期位置に復帰する。ただし、方向Ｂ１における移
動間隔は、渦電流を発生させ、検出するのに充分な間隔
とする。このような走査機構３の動作が検査装置１３内
にあるマイクロコンピュータによって制御される。そし
て、このような走査が行われる過程において渦電流発生
・検出コイル４で検出された活性層２ａの検査部位の膜
厚及び電気抵抗値を示す複素インピーダンスベクトルの
位相角θが、レコーダ１５によって記録され、これによ
り活性層２ａの全面にわたる膜厚分布や不純物濃度分布
が測定される。

【００１５】ここで、本実施例に基づく特性図を、図４
および図５に示す。図４は、直径３インチのＧａＡｓ基
板上に、活性層２ａとしてノンドープドＧａＡｓ、Ａｌ
ＧａＡｓ薄膜を３．５μｍ成長させ、その上に、硫黄Ｓ
をドープしたＧａＡｓを０．５μｍ成長させ、この条件
において、不純物濃度（横軸）をそれぞれ１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3、２×１０¹⁷ｃｍ^-3、３×１０¹⁷ｃｍ^-3と変化させ
た時の位相角θの変化（縦軸）を示す。不純物濃度が高
くなると、半導体の比抵抗は小さくなり、その結果、抵
抗値が小さくなり、位相角θが大きくなる。図５は不純
物濃度を２×１０¹⁷ｃｍ^-3に固定して、活性層２ａの膜
厚（横軸）を０．４μｍ、０．５μｍ、０．６μｍと変
化させたときの位相角θの変化（縦軸）を示している。
膜厚が厚くなると面方向の抵抗値が小さくなり、位相角
θの値が大きくなる。

【００１６】ところで、ウェハの温度は、ドーピングの
濃度および膜厚分布に影響を与えるが、特に、ドーピン
グの濃度への影響が大きい。したがって、膜厚分布が一
定でも、ドーピングの濃度に分布が現われることがあ
る。図６の特性図はかかる特性を示している。この図に
おいて、横軸はウェハの位置、左縦軸は位相角θ、右縦
軸は不純物濃度ｎを示す。ウェハの直径は２インチ、膜
厚は０．５μｍで一定である。上述した実施例によって
測定された曲線ＣＶ１で示されるように、ウェハ周辺部
の位相角θが大きくなっており、これにより、ウェハ周
辺部の不純物濃度ｎが大きい事が推定される。また、図
に示す曲線ＣＶ２は、ウェハの破壊試験によって測定し
た実際の不純物濃度の測定結果であり、本実施例による
測定結果と良く一致している。

【００１７】また、上述した実施例において、活性層２
ａの面内の測定間隔を狭く設定して高い密度で測定を行
う場合には、その測定時間は数分から数十分の長時間に
なることがある。このような長時間にわたる測定におい
ては、検査装置１３内の高周波電気回路系統に温度変動
が生じ、その出力の零点が温度変化によってドリフトし
たり、また活性層２ａと検出コイル４との相対間隔がわ
ずかに変化する事態が生じる場合がある。このような場
合の測定値をプロットすると、図８に示すようになる。
かかるドリフト等の問題を解決するために、上述した実
施例においては、渦電流発生・検出コイル４を加振装置
６によって渦電流発生用の高周波電流の周波数（２ＭＨ
ｚ）よりも充分に低い周波数の５０Ｈｚで振動させ、渦
電流発生・検出コイル４と活性層２ａとの間の距離を変
化させている。この場合、オシロスコープ１４の表示画
面には、図７に示すような表示が現れる。すなわち、渦
電流発生・検出コイル４が活性層２ａに接近する方向ａ
および離間する方向ｂへ移動するのに応じて、活性層２
ａの検査部位に印加される高周波磁界が変化し、これに
より、検出された複素インピーダンスベクトルは、活性
層２ａの検査部位の電気抵抗値に応じたある一定の位相
角θをもって、その大きさが変化する。ここで、検査装
置１３の高周波電源を調整することにより、その出力が
零点（原点）に最も近づいた時点で、信号の変化の直線
が零点を通るように、補正することができる。また、特
に補正をしなくても、複素インピーダンスベクトルの方
向のみ、すなわち位相角θを測定すれば、零点のドリフ
トとは関係なく安定した測定が可能となり、活性層２ａ
全面の測定密度の高い測定が可能となる。

【００１８】本実施例においては、複素インピーダンス
ベクトルの位相角θが電圧値としてレコーダ１５に供給
され、このレコーダ１５で記録されるようになってお
り、これにより、平面的な広がりのある活性層２ａを連
続的に走査する過程において、この活性層２ａと検出コ
イル４との相対的間隔が変化しても、また出力の零点が
温度によってドリフトしても、これら走査過程における
変動には何等影響されずに、上記位相角θの連続測定に
よって抵抗分布やそれに伴う膜厚分布などの成膜状態を
連続的に測定することが可能となっている。

【００１９】なお、上述した実施例においては、渦電流
発生・検出コイル４を図２で示したように移動させて、
ウェハ２上の活性層２ａの全面にわたって２次元的に走
査するようにしたが、渦電流発生・検出コイル４を固定
し、ウェハ２側を移動させるようにようにしても構わな
い。また、ウェハ２上に形成された活性層２ａの成膜状
態を測定する場合を例に説明したが、ガラス基板上にＳ
ｎＯ 2をドープしたＩＴＯ膜の成膜状態を測定する場合
にも勿論適用することができる。さらに、渦電流発生・
検出コイル４と活性層４ａとの間の距離を渦電流発生用
の高周波電流の周波数よりも充分に低い周波数で変動さ
せるようにしたが、これらの距離を変化させずに、渦電
流発生・検出コイル４に印加される高周波電流の平均強
度を、上記低い周波数で変化させるようにしても構わな
い。この場合、平均強度の変化は、高周波電流の印加を
断続させ、または高周波電流に上記低い周波数で振幅の
大きい交流電流を加算することによって行えばよい。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の導電膜検
査方法およびその装置によれば、渦電流発生・検査コイ
ルによって導電膜に印加される高周波磁界の平均強度
を、この高周波磁界の周波数よりも充分に低い周波数で
変動させつつ、導電膜の全面にわたって走査し、導電膜
の検査部位の渦電流による検出コイルの複素インピーダ
ンスベクトルの位相角の変化によって、導電膜の電気抵
抗分布やそれに伴う膜厚分布などの成膜状態を検査する
ようにしたので、例えば、半導体基板上に形成された導
電膜やディスプレイ用のガラス基板上に形成された導電
膜のように平面的な広がりのある導電膜を連続的に走査
する過程において、この導電膜と検出コイルとの相対的
間隔が変化しても、また出力の零点が温度によってドリ
フトしても、これら走査過程における変動には何等影響
されず、したがって、導電膜の全面にわたって、常に安
定して高い精度で、非接触かつ非破壊状態で、抵抗分布
やそれに伴う膜厚分布などの成膜状態を連続的に測定す
ることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による導電膜検査方法を実施す
る導電膜検査装置の構成を示す図である。

【図２】図１に示した導電膜検査装置によるウェハの走
査過程を説明するための図である。

【図３】本発明の実施例に基づく複素インピーダンスベ
クトルの測定結果を示す図である。

【図４】本発明の実施例に基づく不純物濃度の異なる複
数のサンプルについての複素インピーダンスベクトルの
位相角測定結果を示すグラフである。

【図５】本発明の実施例に基づく膜厚の異なる複数のサ
ンプルについての複素インピーダンスベクトルの位相角
測定結果を示すグラフである。

【図６】本発明の実施例に基づくウェハの各検査部位に
おける複素インピーダンスベクトルの位相角測定結果を
示すグラフある。

【図７】本発明の実施例による検査コイルを振動させた
場合の複素インピーダンスベクトルの測定結果を示すグ
ラフである。

【図８】従来の渦電流式導電膜検査方法による位相角変
動を示すグラフである。

【符号の説明】

１…基台 ２…ウェハ ２ａ…活性層
３…走査機構 ４…渦電流発生・検出コイル ５…キャリッジ
６…加振装置 １３…検査装置 １４…オシロスコープ
１５…レコーダ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検査対象となる平面的に広がりのある導電
   膜の近傍に配設された渦電流発生・検出コイルによっ
   て、前記導電膜に渦電流を発生させるのに充分な高周波
   磁界を印加すると共に、前記導電膜に印加される高周波
   磁界の平均強度を該高周波磁界の周波数よりも充分に低
   い周波数で変動させる段階と、 前記導電膜に発生した渦電流を前記検出コイルで検出す
   る段階と、 該検出渦電流に基づく前記検出コイルの複素インピーダ
   ンスベクトルの位相角を算出し、前記導電膜の成膜状態
   を検査する段階とを具備し、 前記各段階を、前記導電膜の面上を２次元的に走査しつ
   つ繰り返し実行することによって、前記導電膜の全面に
   わたってその成膜状態を検査することを特徴とする導電
   膜検査方法。
2. 【請求項２】前記渦電流発生・検出コイルと前記導電膜
   との間の距離を前記低い周波数で変化させることによっ
   て、前記導電膜に印加される高周波磁界の平均強度を変
   動させつつ、前記導電膜の全面を走査することを特徴と
   する請求項１記載の導電膜検査方法。
3. 【請求項３】前記低い周波数は、前記渦電流を発生させ
   るのに充分な高周波磁界の周波数のほぼ１／１００以下
   であることを特徴とする請求項１記載の導電膜検査方
   法。
4. 【請求項４】検査対象となる平面的に広がりのある導電
   膜の近傍に配設された渦電流発生・検出コイルと、 前記渦電流発生・検出コイルもしくは前記導電膜のいず
   れか一方もしくは双方を前記導電膜の面と平行に移動し
   て、前記渦電流発生・検査用コイルを前記導電膜の全面
   にわたって２次元的に走査させる走査手段と、 前記導電膜に渦電流を発生させるに充分高い周波数の高
   周波電流を発生し、前記渦電流発生・検出コイルに印加
   する高周波電源と、 前記渦電流発生・検出コイルから前記導電膜に印加され
   る高周波磁界の平均強度を、該高周波磁界の周波数より
   も充分に低い周波数で変化させる平均強度変化手段と、 前記走査手段の走査に応じて、前記渦電流発生・検出コ
   イルで検出された渦電流に基づく該検査コイルの複素イ
   ンピーダンスベクトルの位相角を順次算出し、前記導電
   膜の成膜状態を全面にわたって検査する手段と、 を具備することを特徴とする導電膜検査装置。