(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの質量を測定する方法であって、
ウェハをチャンバの内部の計量器に置くステップと、
前記ウェハの重量を測定し、かつ前記チャンバ内の大気によって前記ウェハに及ぼされる浮力を補償することによって、前記ウェハの質量を算出するステップとを備え、
前記ウェハの平面は、前記ウェハの前記重量が測定されるときに実質的に直立である、方法。
【請求項２】
大気浮力の補償は、空気密度ρair、ウェハ密度ρw、および較正密度を測定して、式
【数１】
0005414123.tif 000005
を用いて大気浮力効果Ｂを計算するステップを含み、前記式中、Ｗwは前記ウェハの測定された前記重量である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
圧力Ｐ、温度Ｔおよび相対湿度Ｈを測定して空気密度を計算するステップを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ウェハをイオン化放射に露出して、前記ウェハの表面上の静電荷の大きさを小さくするステップを備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記ウェハの質量が算出された後に、前記ウェハの前記平面を動かして実質的に水平な向きにするステップと、
前記水平な向きの前記ウェハを処理するステップと、
垂直の向きの前記ウェハを計量器に置く前記ステップ、および前記ウェハの前記質量を算出する前記ステップを繰返して、前記ウェハの処理によって生じるウェハ質量の変化を算出するステップとを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
半導体ウェハの質量を測定するための装置であって、
ウェハの重量を測定するための計量器と、
測定時に前記ウェハを収容するためのチャンバと、
前記チャンバ内の大気によって前記ウェハに及ぼされる浮力を算出するよう配置される監視手段と、
前記ウェハの重量が測定されるときに前記ウェハの平面を実質的に直立の向きに支持するように配置されるウェハホルダとを備える、装置。
【請求項７】
前記ウェハホルダは、前記ウェハの前記平面を、重力の方向におけるベクトルから５°以内に支持するように配置される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ウェハホルダは、前記直立の向きの前記ウェハの下縁を支持するための基部と、前記直立の向きが厳密な垂直からゼロ以外の小角度であるように前記ウェハの上部を支持するための直立背もたれ部とを含む、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
前記基部は、前記ウェハが滑り落ちないようにするための直立口縁を有する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記監視手段は、前記チャンバ内の温度、圧力および湿度を算出するように配置される温度モニタ、圧力モニタおよび湿度モニタを含む、請求項６から９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
コンピュータによって制御されるウェハ搬送手段を備え、前記ウェハ搬送手段は、ウェハを解放可能に運ぶように配置され、かつ前記ウェハを前記ウェハホルダに置くために開口を通じて前記チャンバの外側から前記チャンバの内側に移動可能である、請求項６から１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記ウェハ搬送手段は、前記ウェハを掴むように適合され、かつ前記ウェハが前記ウェハホルダに置かれる前に前記ウェハの前記平面を回転させて前記直立の向きにするために自身の軸の周りに回転するように適合されたアームを含む、請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウェハ計測に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
超小型電子装置は、たとえば蒸着技術（ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＰＶＤなど）および除去技術（たとえば化学エッチング、ＣＭＰなど）を含むさまざまな技術を用いて半導体ウェハ上に製作される。たとえばシリコンの半導体ウェハは、たとえば洗浄、イオン注入、リソグラフィなどによって、ウェハの質量が変わる方法でさらに処理され得る。これらの処理技術によって典型的に、半導体ウェハの表面においてまたは表面上で質量が変化する。表面に対する変化の構成は装置の機能にとってしばしば非常に重要であるため、ウェハが正確な構成を有しているか否かを判断するために生産時にウェハを評価することが品質管理のために望ましい。
【０００３】
多数の既存の測定技術が知られている。エッチング処理について１つの公知の技術は、処理済みウェハを割ってその断面の詳細な分析を行うことである。処理が成功であったことが分析によって分かると、検査済み（割られた）ウェハと同時に製造されたウェハの一群も正確な構成を有していると見なされる。この処理の不利な点は、割られたウェハは使用できないため無駄になること、また、ある群のウェハを検査するたびに処理が典型的に中断される（すなわち製作が停止する）ことである。したがって、連続生産が不可能である。
【０００４】
他の公知の測定技術は、処理の種類または処理によって作られる材料の性質に依存する。たとえば、処理済みウェハは、誘電体を含む場合は偏光解析法を用いて測定され得るか、またはウェハの上に導電性金属が形成される場合は比抵抗プローブを用いて検査され得る。
【０００５】
ＷＯ  ０２／０３４４９は、ウェハの質量変化を算出してウェハのさまざまな性質を評価する、たとえばウェハの製作を監視できるようにする、半導体ウェハを調べるための装置および方法を開示している。質量測定値を得る一般的な方法は、非常に高感度の力センサを用いて、重力による力（重量）を測定することである。中レベルの精度では、この力はウェハの質量のみによるものであると仮定することができる。しかし、より高レベルの精度が必要である場合は、他の力を考慮する必要があり得る。
【０００６】
１つのそのような力（ＷＯ  ０２／０３４４９に開示されている）は、大気浮力によって生じる。半導体計測において、半導体ウェハは通常は大気中（すなわち真空ではない）で測定される。したがってウェハはこの大気の体積を動かし、これによって上向きの推力が生じる。上向きの推力は大気（空気）密度に依存し、この密度は温度、大気圧、相対湿度および空気組成を含む多数の要因に依存する。上向きの推力は、力センサが検出するウェハの見掛け重量を減少させる。
【０００７】
ＷＯ  ０２／０３４４９は、大気浮力の効果を補償または修正する方法を開示している。温度、圧力および相対湿度を監視するためのセンサが設けられる。プロセッサはこれらのセンサから測定値を受け、それらを用いて空気密度を計算し、空気密度を用いて対応する重量測定において浮力を補償することができる。プロセッサは、重量測定およびウェハに関する密度情報とともに、計算された空気密度から浮力を計算することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
発明の要約
本発明は、ＷＯ  ０２／０３４４９に開示される測定技術の改良に努める。本発明者は、大気浮力が除去されるか好適に補償されるウェハの高感度な質量測定を行なう際、他の（典型的により小さい）誤差が顕著になることに気付いた。たとえば、そのような誤差は、ウェハの周りの大気の移動（気流）による圧力効果によって、およびウェハ上または周囲材料上の電荷による静電力によって生じ得る。ＷＯ  ０２／０３４４９は、これらの効果は大気浮力に比べると小さいものであると述べ、重量測定をハウジング（計量チャンバ）内で行なうことによってそれらの効果を制限することを提案した。チャンバは、気流の効果を減少させるために小さな空間を提供することと、静電力の効果を減少させるために周囲材料をウェハから十分間隔を空けて配置することとのバランスを取るようにサイズ決めされた。これらは相反する要件である。本発明は、両効果を減少させることが可能な解決策を提案する。
【０００９】
静電引力は、ウェハと周囲材料（たとえば筐体の壁）との間に電位差があると生じる。静電荷の大きさは、最大で数キロボルトになり得る。ウェハでは、電荷はその表面上またはその本体（基板）の内部に存在し得る。後者の場合、電荷は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物などの絶縁被覆層によって閉じ込められ得る。電荷は、たとえば以前の処理または製作工程、摩擦、接触帯電などのさまざまな手段によって生じ得る。静電気を減少させる方法としてイオン化装置が以前に提案された。しかし、イオン化装置は表面電荷を中和することしかできず、不平衡な陽および陰イオン流をしばしば有するので残留電荷を残すため、制限される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
最も概括的には、本発明は、ウェハが実質的に直立の状態で計量される、ウェハの大気浮力補償計量の実行を提案する。
【００１１】
半導体ウェハは典型的に薄いディスク（たとえば直径２００または３００ｍｍおよび厚み１ｍｍ）である。つまり、静電力の大部分はウェハの平面に対して垂直に作用し、たとえば、チャンバの壁とウェハとの間の静電力は、平行板キャパシタ内の板同士の間の力に例えることができる。ウェハの向きを水平から垂直またはほぼ垂直に変えることによって、力（重量）センサの方向における表面積が小さくなる。したがって、ウェハの重量の力の成分と同じ方向に作用する静電力成分が減少する。
【００１２】
従来の半導体ウェハの製作、処理および計測技術では典型的に、ウェハは水平な向きで運ばれ、扱われ、処理される。公知のウェハ計量方法は、ウェハを精密な力センサの計量ステージに平らに置くことを含む。ウェハの向きを変えることは、独特で斬新な工程である。
【００１３】
したがって、半導体ウェハの質量を測定する方法であって、ウェハをチャンバの内部の計量器に置くステップと、ウェハの重量を測定し、かつチャンバ内の大気によってウェハに及ぼされる浮力を補償することによって、ウェハの質量を算出するステップとを備え、ウェハの平面は、ウェハの重量が測定されるときに実質的に直立である方法が提供され得る。
【００１４】
静電力は、その力成分の向きを効果的に変えることによって（それらの成分のサイズを小さくするのではなく）小さくなるため、チャンバはウェハのためのより小さな筐体を形成することができる。したがって、チャンバ内の気流の効果も減少させることができる。
【００１５】
また、直立のウェハは、自身の重量の力の方向において計量器に対する断面が小さくなる。つまり、当該方向において気流の成分の計量測定に対する効果を減少させることができる。なぜなら、たとえば誤差力のサイズは、気流が作用するウェハの面積に比例し得るからである。
【００１６】
本方法は、上述の（たとえばイオン化装置を用いた）静電力の大きさを小さくする方法を含み得る。
【００１７】
大気浮力の補償は、ＷＯ  ０２／０３４４９に開示される方法のいずれでも達成することができる。重量が約１２８ｇの典型的な３００ｍｍのウェハは、約４５ｍｇに相当する浮力を受け得る。この力の大きさは、比較的短い時間にわたって１０〜２０％（すなわち４〜６ｍｇ）変化し得る。
【００１８】
本発明はさらに、半導体ウェハの質量を測定するための装置であって、ウェハの重量を測定するための計量器と、測定時にウェハを収容するためのチャンバと、チャンバ内の大気によってウェハに及ぼされる浮力を算出するように配置される監視手段と、ウェハの重量が測定されるときにウェハの平面を実質的に直立の向きに支持するように配置されるウェハホルダとを備える装置を提供し得る。
【００１９】
本文脈において、実質的に直立とは、好ましくは垂直（重力と一致する）から１０°以内、より好ましくは５°以内を意味する。実際には、重量測定時のウェハ安定性を向上させるために、厳密な垂直に対してゼロ以外の小角度が望ましい。したがって、ウェハホルダは好ましくは、直立の向きのウェハの下縁を支持するための基部と、直立の向きが厳密な垂直からゼロ以外の小角度であるようにウェハの上部を支持するための直立背もたれ部とを含む。基部は、ウェハが滑り落ちないようにするための口縁を有し得る。
【００２０】
好ましくは、監視手段は、チャンバ内の温度、圧力および湿度を算出するように配置される温度モニタ、圧力モニタおよび湿度モニタを含む。
【００２１】
圧力モニタは好ましくは、絶対圧８００〜１２００ｍｂａｒの範囲にわたって０．４％よりも高い精度を有する圧力センサを含む。温度感度は、好ましくは０．０２％／℃未満である。反応時間は、好ましくは２００ｍｓ未満である。温度モニタは好ましくは、０．２℃よりも高い精度および１０秒未満の反応時間を有する温度センサを含む。湿度モニタは好ましくは、２％よりも高い精度および１分未満の反応時間を有する湿度センサを含む。
【００２２】
好ましくは、計量器は０〜８０ｇの範囲にわたって０．０１ｍｇの判読率を有する。２００ｍｍよりも大きいウェハについては、この範囲はウェハの公称重量に基づいて拡大され得る。器具は好ましくは、０．０３ｍｇよりも高い繰返し精度および１℃につき１／１０6未満の温度感度ずれを有する。チャンバはヒータを含み得、チャンバの内部は好ましくは実質的に一定の温度で、たとえば＋／−０．１℃以内に維持される。加熱されると、筐体は好ましくは周囲温度の５℃以内に維持される。
【００２３】
チャンバはさらに、コンピュータによって制御されるウェハ搬送手段に関連付けられ得、ウェハ搬送手段は、ウェハを解放可能に運ぶように配置され、かつウェハをウェハホルダに置くために開口を通じてチャンバの外側からチャンバの内側に移動可能である。
【００２４】
好ましくは、ウェハ搬送手段は、ウェハを掴むように適合されたロボットアームである。好ましくは、このアームは、ウェハがウェハホルダに置かれる前にウェハの平面を回転させて直立の向きにするために、自身の軸の周りを回転可能である。
【００２５】
本発明の実施例を添付の図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】水平なウェハが受ける力を示す概略図である。
【図２】垂直のウェハが受ける力を示す概略図である。
【図３（ａ）】ある向きのウェハの占有面積を示す概略平面図である。
【図３（ｂ）】ある向きのウェハの占有面積を示す概略平面図である。
【図３（ｃ）】ある向きのウェハの占有面積を示す概略平面図である。
【図４】本発明の実施例である計量装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
詳細な説明；さらなる選択肢および選択
図１および図２は、本発明の背後にある理論を示す。図１は、真空でないチャンバ（図示せず）内の半導体ウェハ１０が重量測定時に受ける力のいくつかを示す。重力による重量の力１２は、大気浮力１４によって打消される。この浮力１４は、重力測定において検出および補償され得る。しかし、さらに重量の力と実質的に平行に作用する他の（より小さな）静電力１６が存在する。浮力１４が補償されると、これらの静電力１６によって重力測定において顕著な誤差が生じ得る。静電力１６は、チャンバの壁とウェハとの相互作用によって生じる。このウェハの形状は、これらの力がウェハ１０の平面に対して主に垂直であることを意味する。
【００２８】
図２は、ウェハ１０が直立の向きに保持された場合、静電力１６が回転して重量の力１２の方向から外れるため、静電力１６の重量測定に対する効果が減少することを示す。この減少は、計量時に垂直（重力）方向におけるウェハの占有面積を小さくすることによって効果的に達成される。
【００２９】
この効果は、ウェハ１０の平面が回転して直立の向きになる平面図である図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示される。図３（ａ）に示されるような水平状態にある典型的な直径３００ｍｍのウェハの垂直方向の占有面積は、約７０６．９ｃｍ2である。その平面が図３（ｂ）に示されるように垂直から約５°であると、この占有面積は約６１．５ｃｍ2にまで小さくなる。垂直方向の最小の占有面積は、図３（ｃ）に示されるようにウェハが厳密に垂直であるときに達成される。この垂直方向の最小の占有面積は、約２．３ｃｍ2である。
【００３０】
チャンバの壁とウェハとの間の静電力は、平行板キャパシタ内の対向板が受ける力に類似している。その場合、力Ｆは式（１）
【００３１】
【数１】
0005414123.tif 000002
【００３２】
によって与えられ、式（１）中、εは板同士を隔てる材料（たとえば誘電体）の比誘電率であり、ε0は自由空間の誘電率であり、Ｖは板同士の間の電圧差であり、ｄは板同士の間隔であり、Ａは各板の面積である。これに基づいて、静電荷がわずか５Ｖで、かつ接地面から１０ｍｍ離れて位置決めされた直径３００ｍｍのウェハは、０．１ｍｇにほぼ相当する力を受け得る。このウェハを回転させて直立の向きにすると、この力ベクトルの方向が重量の力ベクトルとの一致から外れる。
【００３３】
図４は、上記原理を適用した、本発明の実施例であるウェハ計量装置を示す。本装置では、ウェハ１０は、図４に示されるようにＬ字型の断面を有するウェハホルダ２０上に支持される。ウェハホルダ２０は、ウェハ１０の下縁を受ける基部２２（たとえば平坦な出張り）を含む。直立壁２４は、基部２２の一端から上向きに延在し、支持部２６で終結する。ウェハ１０は、自身の平面が垂直に対して小角度（たとえば約５°）で静止するように、支持部２６に寄りかかり得る。ウェハ１０が滑り落ちないようにするため、すなわちウェハ１０を安定して保持するよう、基部２２の他端に口縁２８が設けられる。
【００３４】
ウェハホルダ２０は、たとえばザルトリウス（Sartorius）ＢＰ２ＩＩＤまたは他の好適な精密な天秤などの計量器３０に接続する直立ロッド３２に装着される。
【００３５】
ウェハホルダ２０および計量器は、チャンバ３４に封入される。ウェハホルダ２０はチャンバ３４の上部に配置され、計量器３０は下部に配置される。この２つの部分は、ウェハホルダ筐体の体積を小さくし、したがって気流を小さくするための公知の態様（たとえばＷＯ  ０２／０３４４９）で、（ロッド３２用の貫通孔を用いて）分割され得る。チャンバ３４は、温度センサ３６、湿度センサ３８および圧力センサ４０を含む。これらのセンサは、これらの検知素子がウェハホルダ２０とともにチャンバ３４の上部に配置されるように装着される。圧力センサ４０は、ドラック（Druck）ＰＭＰ４０１０ＡＢであり得る。温度および湿度センサは、たとえばピコ（Pico）ＲＨ０２として組合され得る。これらのセンサによる測定値は、たとえば外部ＰＣまたは内部マイクロプロセッサなどの処理ユニット（図示せず）に与えられて、たとえば式（２）
【００３６】
【数２】
0005414123.tif 000003
【００３７】
を用いて空気密度の計算が可能となり、式（２）中、ρairはｇ／ｃｍ3で表わされる空気密度であり、ＰはｍＢＡＲで表わされる圧力であり、Ｔは℃で表わされる温度であり、Ｈはパーセントで表わされる相対湿度である。空気密度を用いて、以下の式（３）によって大気浮力のウェハに対する効果を計算することができる。
【００３８】
【数３】
0005414123.tif 000004
【００３９】
式（３）中、Ｂはグラムで表わされる大気浮力効果であり、Ｗwは計量器によって検知されるウェハの重量（グラム）であり、ρairはｇ／ｃｍ3で表わされる計算された空気密度であり、ρwはｇ／ｃｍ3で表わされるウェハ密度であり、ρcは計量器を較正するために用いられる較正重量の密度（ｇ／ｃｍ3）である。
【００４０】
ウェハ１０はチャンバ３４内に直立に保持されているため、ウェハとチャンバの壁との間の静電力は、重量の力と同じ方向（垂直）において実質的に発生しない。したがって、チャンバ３４の上部の壁をウェハ１０に近づけることができ、それによって、静電力による重力測定の誤差を大幅に大きくすることなくチャンバ３４内の気流の効果を減少させることができる。
【００４１】
チャンバ３４は、直立姿勢にあるウェハ１０を受けてホルダ２０に置くためのドア（図示せず）を上部の壁に有する。
【００４２】
典型的に、本装置はウェハ製作処理の中で用いられることになり、すなわちウェハ１０は処理場所から本測定装置に運ばれるか、またはその逆である。ウェハは一般に、製作処理全体にわたって水平な向きで搬送される。したがって、ウェハ１０を測定装置に運ぶためのロボットアーム（図示せず）は、保持されたウェハの平面の向きを変えるために軸の周りを回転可能である。たとえば、ロボットアームは自身の軸の周りを回転可能（捩れ可能）であり得る。その他の構成も可能である。
【００４３】
本発明は、大気浮力、静電力および気流によって生じる誤差が補償されるか小さくされる、半導体ウェハの質量を計算するための測定装置を提案する。測定装置がどれだけうまく誤差に対処するかは、測定の繰返し精度（すなわち、同一の対象物の測定における経時的な変動の範囲）から仮定することができる。本発明では、直径３００ｍｍの半導体ウェハ（質量約１２８ｇ）について０．１ｍｇ未満の質量繰返し精度を得ることができる。
【図１】
0005414123.tif 000006
【図２】
0005414123.tif 000007
【図３（ａ）】
0005414123.tif 000008
【図３（ｂ）】
0005414123.tif 000009
【図３（ｃ）】
0005414123.tif 000010
【図４】
0005414123.tif 000011