JP7017133B2

JP7017133B2 - 欠陥評価装置の調整状態評価方法及び調整方法

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Publication number: JP7017133B2
Application number: JP2018179991A
Authority: JP
Inventors: 繁梅野
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: JP2020051836A; HUE059232T2; EP3629012B1; EP3629012A1

Description

本発明は欠陥評価装置の調整状態評価方法及び調整方法に関し、特に、単結晶に光を照射し、単結晶に含まれる結晶欠陥によって生じる散乱光を検出することによって結晶欠陥を評価する欠陥評価装置の調整状態評価方法及び調整方法に関する。

シリコンウェーハなどの単結晶に含まれる結晶欠陥を評価する方法として、赤外線トモグラフ装置を用いた評価方法が知られている。例えば、特許文献１には、中央部を劈開したシリコンウェーハの主面にレーザー光を照射し、劈開面から出射する散乱光をカメラで検出することによって、シリコンウェーハの内部に存在する微小な結晶欠陥を評価する方法が提案されている。

国際公開第２００６／０８０２７１号パンフレット

しかしながら、この種の欠陥評価装置は、散乱光によって得られる画像のシャープさが主に光学系の調整状態によって大きく変動するため、実際に測定を行う前には、最もシャープな画像が得られるよう、欠陥評価装置を微調整する必要がある。従来、この微調整は、レーザー光の入射位置や入射角度などを種々変えながら目視によって画像を評価し、最もシャープな画像が得られる入射位置や入射角度を決定することにより行っていたが、このような方法は操作者の感覚に依存するものであり、安定した調整結果を得ることは困難であった。

したがって、本発明は、操作者の感覚に依存することなく、欠陥評価装置を正しく調整するための調整状態評価方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このような調整状態評価方法を用いた欠陥評価装置の調整方法を提供することを目的とする。

本発明者は、散乱光によって得られる画像のシャープさを定量的に評価する方法について鋭意検討を行った結果、調整状態が一定であれば、各結晶欠陥によって得られる散乱光のピーク強度と積算強度の比は、結晶欠陥のサイズにかかわらず一定であることを見いだした。これは、結晶欠陥のサイズにかかわらず、散乱光のピーク強度と積算強度の比を指標とすれば、欠陥評価装置の現在の調整状態を評価できることを意味する。

本発明は、このような技術的知見に基づき成されたものであって、本発明による欠陥評価装置の調整状態評価方法は、単結晶に光を照射し、単結晶に含まれる結晶欠陥によって生じる散乱光を検出することによって結晶欠陥を評価する欠陥評価装置の調整状態評価方法であって、散乱光のピーク強度と積算強度の比を指標として、欠陥評価装置の調整状態を評価することを特徴とする。

本発明によれば、散乱光のピーク強度と積算強度の比を指標として、欠陥評価装置の調整状態を評価していることから、操作者の感覚に依存することなく、最もシャープな画像を得ることが可能となる。例えば、ピーク強度／積算強度を指標とするならば、この値が大きいほど画像がシャープであると言えることから、この値が最大となるよう欠陥評価装置を調整すれば良い。逆に、積算強度／ピーク強度を指標とするならば、この値が小さいほど画像がシャープであると言えることから、この値が最小となるよう欠陥評価装置を調整すれば良い。

本発明による欠陥評価装置の調整方法は、上記の方法によって指標を取得し、この指標に基づいて単結晶への光の入射位置を調整するものであっても構わない。これによれば、最もシャープな画像が得られる入射位置を定量的に特定することが可能となる。

本発明による欠陥評価装置の調整方法は、上記の方法によって指標を取得し、この指標に基づいて単結晶への光の入射角度を調整するものであっても構わない。これによれば、最もシャープな画像が得られる入射角度を定量的に特定することが可能となる。

本発明による欠陥評価装置の調整方法は、上記の方法によって指標を取得し、この指標に基づいて単結晶への光のスキャン方向を調整するものであっても構わない。これによれば、最もシャープな画像が得られるスキャン方向を定量的に特定することが可能となる。

本発明において、上記指標に基づいて散乱光のブレを評価することも可能である。これによれば、例えば単結晶を載置するステージの微小な振動の有無を評価することができることから、制振対策を施すことによって、よりシャープな画像を得ることが可能となる。

このように、本発明によれば、散乱光のピーク強度と積算強度の比を指標として欠陥評価装置の調整状態を評価していることから、最もシャープな画像を得るための調整作業を定量的に行うことが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による欠陥評価装置１０の構成を説明するためのブロック図である。図２は、モニタ１４に表示される散乱像の強度分布を模式的に示す図であり、（ａ）は結晶欠陥に焦点が合っていないか、或いは、散乱像にブレが生じている場合を示し、（ｂ）は結晶欠陥に焦点が合っており、且つ、散乱像にブレが生じていない場合を示している。図３は、入射位置△Ｙ及び入射角度θＹを説明するための模式図である。図４は、入射位置△Ｙを調整する方法を示すフローチャートである。図５は、入射角度θＹを調整する方法を示すフローチャートである。図６は、スキャン方向θＸを説明するための模式図である。図７は、スキャン方向θＸを調整する方法を示すフローチャートである。図８は、制震部材の種類・位置を決定する方法を示すフローチャートである。図９は、実施例１の結果を示すグラフである。図１０は、実施例２の結果を示すグラフである。図１１は、実施例３の結果を示すグラフである。図１２は、実施例４の結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による欠陥評価装置１０の構成を説明するためのブロック図である。

図１に示すように、本実施形態による欠陥評価装置１０は、評価対象となるシリコンウェーハＷに赤外レーザー光Ｌ１を照射するレーザー照射部１１と、シリコンウェーハＷから発せられる散乱光Ｌ２を検出する検出器１２と、図示しないステージ上に載置されたシリコンウェーハＷをＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に駆動する駆動機構１３と、検出器１２によって得られた散乱光の画像を表示するモニタ１４と、操作者が入力を行うための入力部１５と、欠陥評価装置１０の全体の動作を制御する制御部１６とを有している。

評価対象となるシリコンウェーハＷは、研磨もしくはエッチング等により鏡面処理が施された主面Ｓ１及びその反対側に位置する裏面Ｓ２がＸＹ平面を構成するよう、図示しないステージ上に載置されている。図１に示すように、シリコンウェーハＷは約１／２に劈開されており、主面Ｓ１側から赤外レーザー光Ｌ１が入射され、劈開面Ｓ３から出射する散乱光Ｌ２を検出器１２によって検出する。実際の欠陥評価時においては、駆動機構１３を用いてシリコンウェーハＷをＸ方向に移動させ、これにより検出位置をＸ方向にスキャンする。その結果、シリコンウェーハＷの内部の領域Ａに存在する結晶欠陥の画像がモニタ１４に表示される。

図２は、モニタ１４に表示される散乱像の強度分布を模式的に示す図であり、（ａ）は結晶欠陥に焦点が合っていないか、或いは、散乱像にブレが生じている場合を示し、（ｂ）は結晶欠陥に焦点が合っており、且つ、散乱像にブレが生じていない場合を示している。

図２に示すように、散乱像は２次元的な広がりを有しており、（ａ）のケースでは中心に位置するピーク強度が低く、且つ、２次元的な広がりが大きいのに対し、（ｂ）のケースでは中心に位置するピーク強度が高く、且つ、２次元的な広がりが小さい。したがって、ピーク強度（最も強度の高い画素の強度）をＰ１とし、積算強度（２次元的な広がりを有する散乱像の各画素の強度の合計値）をＰ２とした場合、Ｐ１／Ｐ２で得られる合焦指標Ｆが大きいほど画像がシャープであり、結晶欠陥に焦点がより合っていると判定することができる。もちろん、合焦指標ＦをＰ２／Ｐ１によって算出することも可能であり、この場合には、合焦指標Ｆが小さいほど画像がシャープであり、結晶欠陥に焦点がより合っていると判定することができる。

ここで、ピーク強度Ｐ１は、結晶欠陥のサイズの６乗に比例するとともに、結晶欠陥と焦点との関係によって大きく変動する。このため、ピーク強度Ｐ１のみを指標として合焦判定することはできない。これに対し、合焦指標Ｆの値は、結晶欠陥と焦点との位置関係が同じであれば、結晶欠陥のサイズにかかわらず一定となる。つまり、ピーク強度Ｐ１及び積算強度Ｐ２は、いずれも結晶欠陥のサイズの６乗に比例するため、両者の比は結晶欠陥のサイズにかかわらず一定となる。このことは、結晶欠陥のサイズにかかわらず、合焦指標Ｆに基づいて、欠陥評価装置１０の現在の調整状態、例えば光学系の調整パラメータが適切であるか否かを評価できることを意味する。

欠陥評価装置１０の調整パラメータとしては、赤外レーザー光Ｌ１の入射位置、入射角度、スキャン角度などが挙げられる。

例えば、図３に示すように、シリコンウェーハＷの劈開面Ｓ３から赤外レーザー光Ｌ１の入射位置までのＹ方向における距離△Ｙが変化すると、散乱像のシャープさが変化する。このため、最もシャープな画像が得られる距離△Ｙに赤外レーザー光Ｌ１を入射しなければ、微小な結晶欠陥が散乱像に現れることなく消えてしまい、欠陥密度を正しく評価することができなくなってしまう。最もシャープな画像が得られる距離△Ｙを特定するためには、図４に示すように、入力部１５を介して距離△Ｙを変えながら検出器１２によって得られる散乱像を複数取得し（Ｓ１１）、これを制御部１６によって画像処理し（Ｓ１２）、１又は２以上の結晶欠陥に対してピーク強度Ｐ１と積算強度Ｐ２の比を演算することにより合焦指標Ｆを算出する（Ｓ１３）。その結果、合焦指標Ｆが最大となる距離△Ｙを実際の欠陥評価時における入射位置として選択すれば（Ｓ１４）、より正確な欠陥密度を評価することが可能となる。

また、図３に示すように、赤外レーザー光Ｌ１の入射角度はＺ軸と一致している必要があり、Ｚ軸方向に対するＹ方向への角度θＹが大きくなると、Ｚ方向における散乱像のシャープさに差が生じる。このため、Ｚ方向における全領域でシャープな画像が得られる角度θＹに設定して赤外レーザー光Ｌ１を入射しなければ、微小な結晶欠陥が散乱像に現れることなく消えてしまい、欠陥密度を正しく評価することができなくなってしまう。Ｚ方向における全領域でシャープな画像が得られる角度θＹを特定するためには、図５に示すように、入力部１５を介して角度θＹを変えながら検出器１２によって得られる散乱像を取得し（Ｓ２１）、これを制御部１６によって画像処理し（Ｓ２２）、１又は２以上の結晶欠陥に対してピーク強度Ｐ１と積算強度Ｐ２の比を演算することにより合焦指標Ｆを算出する（Ｓ２３）。その結果、合焦指標Ｆが最大となる角度θＹを実際の欠陥評価時における入射角度として選択すれば（Ｓ２４）、より正確な欠陥密度を評価することが可能となる。

さらに、図６に示すように、赤外レーザー光Ｌ１のスキャン方向はＸ軸と一致している必要があり、Ｘ軸方向に対するスキャン方向に角度θＸが存在すると、スキャン位置によって散乱像のシャープさが変化する。このため、スキャン位置にかかわらずシャープな画像が得られる角度θＸに設定して赤外レーザー光Ｌ１を入射しなければ、スキャン位置によって欠陥密度が変化してしまう。スキャン位置にかかわらずシャープな画像が得られる角度θＸを特定するためには、図７に示すように、入力部１５を介して角度θＸを変えながら検出器１２によって得られる散乱像を取得し（Ｓ３１）、これを制御部１６によって画像処理し（Ｓ３２）、１又は２以上の結晶欠陥に対してピーク強度Ｐ１と積算強度Ｐ２の比を演算することにより合焦指標Ｆを算出する（Ｓ３３）。その結果、合焦指標Ｆが大きく、且つ、スキャン位置による合焦指標Ｆの変化が最も少ない角度θＸを実際の欠陥評価時におけるスキャン方向として選択すれば（Ｓ３４）、より正確な欠陥密度を評価することが可能となる。

また、合焦指標Ｆを用いた欠陥評価装置１０の調整は、赤外レーザー光Ｌ１の入射位置、入射角度、スキャン角度だけでなく、シリコンウェーハＷを載置するステージの振動に起因する画像のブレの低減にも応用することができる。例えば、図８に示すように、ステージ上に載置する制震部材の種類・位置などを変えながら検出器１２によって得られる散乱像を取得し（Ｓ４１）、これを制御部１６によって画像処理し（Ｓ４２）、１又は２以上の結晶欠陥に対してピーク強度Ｐ１と積算強度Ｐ２の比を演算することにより合焦指標Ｆを算出する（Ｓ４３）。その結果、合焦指標Ｆが最大となる制震部材の種類・位置などを選択すれば（Ｓ４４）、画像のブレが最も抑制された状態で欠陥密度を評価することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、シリコンウェーハに含まれる結晶欠陥を評価する欠陥評価装置に本発明を適用した例について説明したが、本発明の適用対象がこれに限定されるものではなく、シリコンウェーハ以外の単結晶を評価する評価装置に適用することも可能である。また、単結晶に照射する光も赤外レーザー光である点は必須でなく、他の波長の光であっても構わない。

直径３００ｍｍ、面方位（１００）、抵抗率１０Ω・ｃｍ、酸素濃度１２×１０^１７ｃｍ^－３のＣＺシリコンウェーハに８００℃で４時間、１０００℃で１６時間の２段熱処理を施して、ウェーハ内部に結晶欠陥（酸素析出物）を発生させた。このウェーハを＜１１０＞面で１／２に劈開して、図１に示す欠陥評価装置１０（赤外線トモグラフ装置）の光学系調整用の試料とした。光学系調整用の試料を図示しないステージに載せて、赤外レーザー光Ｌ１を入射する位置（劈開面Ｓ３からのＹ方向距離△Ｙ）の調整を下記の手順で行った。

（比較例１）
赤外レーザー光Ｌ１を入射する位置（△Ｙ）を１μｍずつ変更して撮影した散乱像をモニタ１４に表示し、散乱像のシャープさを作業者の視覚で判断した。そして、散乱像が最もシャープとなる位置に赤外レーザー光Ｌ１が入射されるよう調整し、調整後の状態で得られる欠陥密度を測定した。上記の一連の調整作業を５人の作業者が５回ずつ行って得た調整後の欠陥密度を表１に示す。表中のＲ（％）はばらつきの指標であり、５回繰り返し、または、５人の平均値の最大値と最小値の差を平均値で除した値である。

（実施例１）
赤外レーザー光Ｌ１を入射する位置（△Ｙ）を１μｍずつ変更して撮影した散乱像を制御部１６によって画像処理し、個々の結晶欠陥に起因する散乱光の積算強度Ｐ２に対するピーク強度Ｐ１の比（Ｐ１／Ｐ２）を演算し、これによって個々の結晶欠陥に対応する合焦指標Ｆを得た。そして、全ての結晶欠陥に対応する合焦指標Ｆの平均値を求め、これが最大となる位置△Ｙに再び赤外レーザー光Ｌ１が入射されるよう調整し、調整後の状態で得られる欠陥密度を測定した。位置△Ｙと合焦指標Ｆとの関係は、図９に示すとおりである。図９に示すように、本実施例では、赤外レーザー光Ｌ１の入射位置△Ｙが７０μｍである場合に合焦指標Ｆの最大値（約０．１８）が得られた。上記の一連の調整作業を５人の作業者で５回ずつ行って得た調整後の欠陥密度を表２に示す。

表１と表２を比較すれば明らかなように、同一作業者による繰り返し調整のばらつきも、作業者間のばらつきも、実施例１の方法の方が小さいことが確認できた。

直径３００ｍｍ、面方位（１００）、抵抗率１０Ω・ｃｍ、酸素濃度１３×１０^１７ｃｍ^－３のＣＺシリコンウェーハに８００℃で４時間、１０００℃で１６時間の２段熱処理を施して、ウェーハ内部に結晶欠陥（酸素析出物）を発生させた。このウェーハを＜１１０＞面で１／２に劈開して、図１に示す欠陥評価装置１０（赤外線トモグラフ装置）の光学系調整用の試料とした。光学系調整用の試料を図示しないステージに載せて、赤外レーザー光Ｌ１の入射角度（Ｚ軸に対するＹ方向への角度θＹ）の調整を下記の手順で行った。
（比較例２）
モニタ１４に表示される散乱像のシャープさが深さ方向で均等になるよう、作業者が視覚で判断して、赤外レーザー光Ｌ１の入射角度θＹを調整して欠陥密度を測定した。この作業を５回繰り返した際の欠陥密度を表３の上段に示す。
（実施例２）
撮影した散乱像を制御部１６によって画像処理し、個々の結晶欠陥に起因する散乱光の積算強度Ｐ２に対するピーク強度Ｐ１の比（Ｐ１／Ｐ２）を演算し、これによって個々の結晶欠陥に対応する合焦指標Ｆを得た。そして、全ての結晶欠陥に対応する合焦指標Ｆの平均値を求め、これが最大となるように赤外レーザー光Ｌ１の入射角度θＹを調整し、調整後の状態で得られる欠陥密度を測定した。結果を表３の下段に示す。

表３に示すように、比較例２の方法では、５回の作業で得られる欠陥密度の値にばらつきが生じ、その最大値が５．１４×１０^９ｃｍ^－３であったが、実施例２の方法では、１回の作業で上記最大値を超える値（５．１９×１０^９ｃｍ^－３）が直ちに得られた。

さらに、合焦具合の深さ方向変化を示す為に、深さ方向１０μｍごとの個々の欠陥の合焦指標の平均値を求めた。結果を図１０に示す。図１０において○で示すプロットは実施例２における合焦指標Ｆであり、△で示すプロットは比較例２（表３の１回目）における合焦指標Ｆである。図１０に示すように、実施例２の方が、全体的に合焦指標Ｆの値が大きく、且つ、深さ方向での変動が小さいことが分かる。このことは、本発明による方法が赤外レーザー光Ｌ１の入射角度調整に適していることを示している。

実施例２と同じシリコンウェーハＷをスキャン方向調整用の試料とした。試料を図示しないステージに載せ、スキャン方向を調整した。調整の前後で得られた個々の結晶欠陥について、積算強度Ｐ２に対するピーク強度Ｐ１の比（Ｐ１／Ｐ２）を演算し、これによって個々の結晶欠陥に対応する合焦指標Ｆを得た。そして、Ｘ座標を２０μｍ間隔で区切って、各区間の合焦指標Ｆの平均値を求めた。この平均値をＸ座標に対してプロットした結果を図１１に示す。

スキャン方向の調整では、スキャン範囲の中心位置にて焦点合わせを行うため、スキャン方向を調整する前でもスキャン範囲の中心付近では合焦指標Ｆの値が大きい。しかしながら、スキャン方向の調整前では、スキャン範囲の両端における合焦指標Ｆの値が小さくなっている。スキャン方向の調整後は、スキャン範囲全体で焦点が合うようになり、合焦指標Ｆが全体的に大きく、且つ、ほぼ一定になっている。このように、合焦指標Ｆは、スキャン方向の調整に有効である。

実施例２と同じシリコンウェーハＷを画像のブレの低減効果確認のための試料とした。試料を図示しないステージに載せて、ウェーハの中心、中心から７５ｍｍの位置、中心から１４０ｍｍの位置、中心から１４５ｍｍの位置の４箇所で欠陥の散乱像を撮影した。そして、制御部１６により画像処理を行って個々の欠陥の合焦指標Ｆを求め、その平均値を各測定位置の合焦指標Ｆとした。結果を図１２に示す。図１２において△で示すプロットはステージに振動対策を行わなかった場合の合焦指標Ｆであり、○で示すプロットは振動対策としてステージの端の裏側に重りを取り付けた場合の合焦指標Ｆである。図１２に示すように、振動対策を行った場合、シリコンウェーハＷの外周部における合焦指標Ｆが上昇した。このように、合焦指標Ｆは、画像のブレの評価にも有効である。

１０欠陥評価装置
１１レーザー照射部
１２検出器
１３駆動機構
１４モニタ
１５入力部
１６制御部
Ｌ１赤外レーザー光
Ｌ２散乱光
Ｓ１主面
Ｓ２裏面
Ｓ３劈開面
Ｗシリコンウェーハ
θＸスキャン方向
θＹ入射角度
△Ｙ入射位置

Claims

単結晶に光を照射し、前記単結晶に含まれる結晶欠陥によって生じる散乱光の散乱像を検出することによって前記結晶欠陥を評価する欠陥評価装置の調整状態評価方法であって、２次元的な広がりを有する前記散乱像の位置に対してのピーク強度と積算強度の比を指標として、前記欠陥評価装置の調整状態を評価することを特徴とする欠陥評価装置の調整状態評価方法。
請求項１に記載の調整状態評価方法によって前記指標を取得し、前記指標に基づいて前記単結晶への前記光の入射位置を調整することを特徴とする欠陥評価装置の調整方法。
請求項１に記載の調整状態評価方法によって前記指標を取得し、前記指標に基づいて前記単結晶への前記光の入射角度を調整することを特徴とする欠陥評価装置の調整方法。
請求項１に記載の調整状態評価方法によって前記指標を取得し、前記指標に基づいて前記単結晶への前記光のスキャン方向を調整することを特徴とする欠陥評価装置の調整方法。
前記指標に基づいて前記散乱光のブレを評価することを特徴とする請求項１に記載の調整状態評価方法。