JP3025480U - ウェーハ清浄度管理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体ウェーハ上の比較的小さい水滴接触角
を生じるような微量の有機汚染に対し、簡便で迅速な管
理を行える装置を提供する。 【構成】 一定容積の水滴を水平に支持した試料ウェー
ハ上に滴下する機構と、試料ウェーハに対し鉛直方向真
上から撮影できるよう配置したカメラ８と、ウェーハの
後方から正面に向いた鉛直面の平面光源９と、その平面
と４５°の傾斜をなしカメラとウェーハの間に設置され
ている円偏光板１０により、試料ウェーハ上の水滴拡が
り形状のみ撮影する機構との組み合わせによる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、半導体製造工程におけるウェーハ鏡面の清浄度を管理する装置に関 するものである。

【０００２】

【従来の技術】

半導体製造工程に要する清浄環境は、従来塵埃低減がとくに重視されてきたが 、ＬＳＩの超高度化に伴い、環境中のガス状不純物が半導体ウェーハに吸着汚染 し、これらがデバイス製造に悪影響を及ぼすことが明らかになりつつある。この 種の汚染は大別して無機分子と有機分子がある。

【０００３】 金属表面が清浄であると水に対する濡れが良く（親水性になり）、油脂等の有 機物で汚染すると濡れが悪くなる（疎水性になる）ことは、古くからよく知られ ている。従って、純水の水滴を清浄面に滴下すると水滴接触角が小さく、有機物 汚染がひどい程接触角は大きくなる。半導体用シリコンウェーハ上でも同様であ る。清浄な筈の半導体工場のクリーンルームでも、従来ケミカルフィルター等で 十分な対策が行われていないので、水滴接触角５°以下の親水性ウェーハを５〜 ６時間クリーンルーム内に放置すると、一般にリソグラフィの領域であれば、水 滴接触角は４０゜程度になり、その他の領域でも１０〜２０°になっていた。

【０００４】 従って、クリーンルーム内で有機分子の汚染があることは明らかである。最近 の応用物理学会等での発表によれば、ウェーハは工程内においてＤＯＰ（ジオク チルフタレート），ＢＨＴ（ジブチルパラクレゾール），ＨＭＤＳ（ヘキサメチ ルジシラザン）等の汚染を受ける。そしてこれらはデバイス製造上有害であるこ とも報じられている。

【０００５】 このような表面有機汚染物は、試料ウェーハを昇温して吸着有機物を離脱させ 、ガスクロマトグラフで分離し、質量分析で同定するというような手法で検出さ れている。しかしこの種の方法は、高価で保守に手間のかかる装置と、作業者の 熟練を要し、工程での清浄度を常時管理する目的には向かない。表面有機物分析 法としては、フーリエ変換赤外吸収スペクトル分析も行われているが、通常試料 加工を要するし、管理分析としての簡便さや測定能率が上述のような水滴接触角 を計る方法にはるかに劣る。

【０００６】 一方、有機物分子の中には、親水性ウェーハの表面に吸着汚染しても疎水性化 しないものもある。しかし、上述のＤＯＰ，ＢＨＴ，ＨＭＤＳはいずれもウェー ハを疎水性化する作用が強いので、実質的には水滴接触角測定器で工程からの有 機物汚染の管理が行われている。

【０００７】 従来の水滴接触角測定器の原理は、水平に保持したウェーハ上に水滴を滴下 し、この水平面の１方向から小望遠鏡で観測し、ウェーハ面イと水滴ロを図 ６に示すようにその視野ハに捉え、鏡外に設けられている操作器により、視野 内の測定線ニを回転して、水滴像の弧の一端でその弧に対する接線となるよう操 作し、操作器に付された角度目盛りで、この接線とウェーハ面イの間の角即ち 水滴接触角を読み取るものである。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

ＬＳＩの超高度化と共に、クリーンルーム内の有機汚染は、発生源における抑 制処置や活性炭を用いたケミカルフィルターの採用等で急速に減少の方向にある 。しかし前者にはプロセス上の制約もあり、後者では寿命の問題があって、常時 完全な清浄レベルの維持は難しく、工場内各所における上記のような有害有機物 の汚染レベルを迅速に測定することが工程管理上重要である。

【０００９】 しかし、測定領域の有機物汚染レベルが低くなると、ウェーハ上の水滴接触角 は５〜６時間程度の放置では変化しなくなる。有機溶剤で前洗浄した後、ＲＣＡ のＳＣ−１処理（標準的組成はＮＨ_４ＯＨ：Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝１容：１容：５ 容）で清浄な自然酸化膜を形成させたシリコン鏡面ウェーハでは、有機物の除去 が十分に行われて、水滴接触角が２°程度である。このウェーハを十分に有機物 除去対策されたプロセス領域に２４時間放置しても、接触角はほとんど変わらな い。従って、水滴接触角でこのようなウェーハの清浄度を管理しようとすると、 小さな接触角を少なくとも±０．５°程度の精度で測定できる必要がある。

【００１０】 しかし従来の技術で述べたような水滴接触角測定器では、小さな接触角（５° 以下）の場合の接線の位置を正確に見つけることが難しい。測定精度を上げるた め、繰り返し測定を行って平均を求めようとすると、接触角が小さい場合蒸発が 速くて水滴が縮小し始め、接触角も微妙に変化して、接線位置の判定が非常に難 しくなる。

【００１１】 本考案はこのような問題点を解決するためになされたものであって、その目的 とするところは、ウェーハヘの有機汚染量が減っても、従来の技術で述べたよう な高度の測定装置を使用することなく、既述の有害有機物がウェーハに与える疎 水性化即ち濡れ性の低下を直接利用し、その程度を迅速かつ再現性よく測定でき る装置を提供して、有機物に関するウェーハの清浄度管理を容易にするものであ る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本考案におけるウエーハ清浄度管理装置は、水滴 滴下機構と水滴撮影機構との組み合わせによりなるものであって、滴下機構は試 料ウェーハを水平に保持する搭載台と、そのウェーハ上の測定点に水滴を一定容 積滴下するマイクロピペットで構成され、撮影機構は搭載台をウェーハの水平度 を失わないよう移動してこの機構内に固定できる支持台と、ウェーハの上方にレ ンズの軸が鉛直となるよう下方に向けて支持器具により設置されたカメラと、背 部に設置された鉛直面の平面光源と、それに対し４５°の傾斜でカメラと試料搭 載台の間に設置された円偏光板より構成されていることを特長としている。

【００１３】 水滴を撮影するカメラはシャッターを押した後ボディから直ちに水滴の印画の 得られるポラロイド社あるいは富士フィルム社発売のインスタントカメラが望ま しい。

【００１４】 試料を同時に多数処理したり、一枚の試料の中の多数の場所で大小の差のある 水滴の拡がりを検査する場合は、水滴を撮影するカメラは一眼レフとして、所望 の領域を選んで撮影し、結果をフィルムで記録することが望ましい。拡がりの小 さい場合、引伸機を利用し、水滴形状を拡大して測長することができる。

【００１５】

【作用】

環境雰囲気から半導体用シリコンウェーハへ汚染する上述の有害有機物ＤＯＰ ，ＢＨＴ，ＨＭＤＳ等は、親水性ウェーハを疎水性化し、水に対して濡れにくく する。このような濡れにくさは、水滴接触角の増加で評価できることは公知であ る。

【００１６】 シリコンウェーハ上の水滴の表面が完全に球形の一部であると仮定し、水滴拡 がり半径をｓ、その球の半径をｒとする。球の中心を交点とする直交ｘ，ｙ軸を 設けると、ｙ軸に直交して半径ｓの円で球面をカットする平面（ウェーハ表面に 相当）と球面とが囲む部分が水滴と同形状になる。カット円の直径とその一端を 通り球の半径に直交する面との間の角が水滴接触角と同じになり、これをαとす る。ｘ軸，ｙ軸を含む平面を図４に示す。ＡＣ＝ＣＢ＝ｓ，ＯＡ＝ＯＤ＝ｒ。い まＯＡ⊥ＡＥとすると、∠ＣＡＥ＝α。従って∠ＣＯＡ＝α，ＯＣ＝ｃｏｓα。 また円周の方程式はｘ^２＋ｙ^２＝ｒ^２。ここで、この球の一部となる形状はｙ軸 のまわりの斜線部の回転体であるから、その体積即ち水滴の体積Ｖを求めると、 数１となる。

【００１７】

【数１】

【００１８】 この式から、水滴の容積が一定であれば接触角の大きさ（α）によって拡がり 直径（２ｓ）が定まる。図５にＶ＝０．０２ｍｌの場合のこの式による接触角計 算値（白丸による点線）と、上述の原理による市販接触角測定器による接触角の 実測値（黒丸による実線）との関係を示す。両者の間では半導体工場で従来通常 観測された環境汚染による接触角値４０°〜１０°でよい一致を示すだけでなく 、今後必要な小さい接触角でもよい一致となっている。しかも、水滴拡がり形状 は接触角が小さくなるほど面積が大きくなるので、測定精度が向上する。水滴の 容積がおおむね０．０１〜０．１ｍｌであれば、水滴の表面は低い接触角で球面 となるので、水滴拡がりで表面の濡れ性が評価できる。

【００１９】 水滴はウェーハ上に落下すると共に、等方に拡がらねばならない。鉛直に固定 したマイクロピペットから水平保持ウェーハに滴下すれば、ピペットに付したチ ップの先端を水平にカットしておく限り、ウェーハ上で水滴の拡がる力は等方と なる。

【００２０】 水滴接触角が小さい場合、水滴周辺の液は極めて薄く、水滴滴下後数分で乾き 始めて、測長の精度が低下する。また、水滴周辺部に有機物汚染の強い部分があ ると、水滴がその方向に動くことがある。従って、水滴滴下後直ちにその形状を 記録することが望ましく、本考案ではカメラによって水滴を真上鉛直方向から撮 影している。真上から撮るのは、写真の水滴形状がひずまないためである。デバ イス活性領域を形成させるシリコン表面は鏡面なので、単なる真上からの撮影で はカメラ本体の像が水滴像と重なって写り込み、水滴形状の正確な観測ができな い。

【００２１】 本考案では、この厄介な問題を円偏光板で解決している。ウエーハ表面に対し 鉛直方向からの撮影でカメラ像が写り込む問題の他に、薄く拡がった水滴を明瞭 にシリコン面と分離撮影するには、ウェーハ面に均等な光をやはり鉛直方向より 照射する必要がある。円偏光板を平面光源に対し４５°傾斜させ、カメラとウェ ーハ間に配置させると、カメラからの光は円偏光板で右回り偏光となり、鏡面反 射で左回り偏光となって、カメラ方向に戻っても円偏光板に到達した所で通過不 能となる。また平面光源からの光は円偏光板が反射板となり、同軸落射照明によ って、ウェーハ面に均等に到達する。本考案では、このようにして円偏光板で所 望の水滴像のみの撮影を可能にした。

【００２２】

【実施例】

実施例について図面を参照して説明する。 図１は水滴滴下機構を示すものである。試料ウェーハ１を水平な上面で保持す る搭載台２はウェーハを水平に保ったままで、水平方向に支持台１１上を動くこ とができる。十分な重さのあるステンレスのような金属で作られているので、支 持台上では特別に力を加えない限り固定している。支持台に立てられた支柱１２ と支持具１３により、０．０２ｍｌの定量滴下のできる市販のマイクロピペット ４が、ウェーハ表面に対し鉛直に位置している。ピペットの先には先端が水平に 切断されたピペット付属チップ１４が接合しており、その先端はウェーハ面から 上方数ｍｍ程度離れて保持されている。

【００２３】 搭載台２を移動してチップの下方を開放し、純水の入った小ビーカをチップの 先端が浸るように運び込み、ピペットのノブ１５を操作して、水をチップ内に吸 い込ませる。ビーカを脱し、次に試料ウェーハを搭載台に載せ、搭載台を移動し てウェーハ上の所望の測定点をチップの真下に位置させる。ノブ１５を再び操作 すると、０．０２ｍｌが正確に測定点に滴下される。水滴は直ちにウェーハ表面 の清浄度に応じて拡がる。

【００２４】 図２，図３は水滴撮影機構を示すものである。機構本体はドア１６を持つ遮光 用ハウジング１７の中に格納されている。ハウジングの下部は図１の支持台１１ と同じ高さの水平な上面を持つ支持台５で構成されている。この支持台５には支 柱１８が取り付けられ、この支柱と支持器具１９でポラロイド社のインスタント カメラが下向きに固定し、レンズの軸が正確に鉛直になるようにする。カメラ後 方支柱１８の手前には、正確に正面を向いた鉛直面の平面光源９が支持台５上に 設けられてある。

【００２５】 また、平面光源９と４５°の角度でポラロイド社の円偏光板１０がカメラ８の 下に設置してある。水滴滴下の終わった試料ウェーハは、搭載台２上に保持され たまま円偏光板の下にもたらされる。滴下操作は滴下用支持台１１を上面の高さ の等しい支持台５と接して行うので、滴下後ウェーハの水平度を損なうことなく 搭載台の移動が可能である。搭載台の位置決めを行うために、ガイド２０により 着脱のできる位置決め板２１が備えられている。位置決め板は透明なプラスチッ ク板で、撮影対象の水滴がプラスチック板に描かれた四角枠に入るよう、搭載台 を移動させればよい。

【００２６】 シャッター２２を押せば、平面光源からの光が点線で示すように均一にウェー ハ面を照射してレンズに入り、十分に拡がった水滴もシリコン表面との間に明瞭 な輪郭のある写真像を形成する。

【００２７】 インスタントカメラを３５ｍｍフィルム用一眼レフカメラに交換した所、写真 が撮影後直ちに得られないという不便はあったが、撮影の位置決めに位置決め板 ２１を使う必要がなく、またフィルム像を引伸機で拡大して、小さな径の水滴で も拡がり直径の読み取り精度を高めることができた。

【００２８】

【考案の効果】

本考案は、上述のように構成されているので、次に記載する効果が得られる。

【００２９】 ＬＳＩの超高度化に伴い、クリーンルーム雰囲気やウェーハケースからのアウ トガスに起因する有害な有機物の除去対策が進んでいるので、ウェーハ上のこれ らの汚染が漸減しており、水滴接触角の直接測定による簡便な清浄度管理が難し くなったが、本考案の装置によれば、このような汚染のレベルに対応した水滴拡 がりが迅速かつ簡便に写真として記録され、しかも精度のよい測定が可能である 。また、ウェーハ内の汚染むらも形状異常として記録され、これは他の表面有機 物汚染評価法にはみられない独特の効果である。

【００３０】 カメラとしてインスタントカメラを使用すれば、測定結果は直ちに知ることが できる。カメラとして一眼レフカメラを使えば、インスタントカメラの場合のよ うな測定位置合わせが不要となる。また、フィルムに記録することができ、その フィルムを引伸機で拡大することにより、拡がりの小さい水滴についても精密な 情報を得ることができる。測定結果の把握を急がない汚染管理の場合は、フィル ムによる撮影は管理コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水滴滴下機構を示す正面図である。

【図２】水滴撮影機構の本体をハウジングの一部を切断
して示す斜視図である。

【図３】水滴撮影機構の本体の側面図である。

【図４】水滴拡がり半径と水滴接触角の関係式を求める
ための幾何学的表示図である。

【図５】水滴拡がり直径（２ｓ）と接触角（α）との関
係図である。

【図６】従来の水滴接触角測定器の望遠鏡の視野を示す
図である。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 水滴滴下機構と水滴撮影機構との組み合
   わせによりなるものであって、滴下機構は試料ウェーハ
   １を水平に保持する搭載台２と、そのウェーハ上の測定
   点に水滴３を一定容積滴下するマイクロピペット４で構
   成され、撮影機構は搭載台２をウェーハの水平度を失わ
   ないよう移動してこの機構内に固定できる支持台５と、
   ウェーハの上方にレンズの軸６が鉛直となるよう下方に
   向けて支持器具７により設置されたカメラ８と、背部に
   設置された鉛直面平面光源９と、それに対し４５°の傾
   斜でカメラと試料搭載台の間に設置された円偏光板１０
   よりで構成されていることを特長とする、ウェーハ清浄
   度管理装置。
2. 【請求項２】 カメラ８がインスタントカメラであるこ
   とを特長とする請求項１のウェーハ清浄度管理装置。
3. 【請求項３】 カメラ８が一眼レフカメラであることを
   特長とする請求項１のウェーハ清浄度管理装置。