(57)【要約】  材料の表面上の欠陥または汚染を特定する方法およびシステム。この方法およびシステムでは、半導体ウェハなどの材料を提供し、非振動式接触電位差センサを用いてウェハを走査し、接触電位差データを発生し、このデータを処理して、欠陥または汚染の特性を示すパターンを特定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有するサンプルを提供するステップと、
非振動式接触電位プローブを提供するステップと、
前記非振動式接触電位プローブと前記サンプル表面との間に相対運動を生じさせることによって、前記非振動式接触電位プローブを用いて前記サンプル表面を走査するステップと、
前記サンプル表面と前記非接触電位プローブとの間の接触電位差を測定するステップと、
前記サンプル表面のトポグラフィックな特徴の特性を示す第１の信号部分を発生し、前記サンプル表面の化学的特徴を表す第２の信号部分をさらに有するステップと
を含んでなる、検査システムを用いたサンプル表面の検査方法。
【請求項２】
前記化学的信号に対して前記トポグラフィックな信号を増幅するステップをさらに含む請求項１に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項３】
前記検査システムの一部分にバイアス付与するステップをさらに含む請求項１に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項４】
前記非振動式接触電位差プローブと前記サンプルとそれらの組み合わせとからなるグループから選択された検査システムの一部分に負のバイアス電圧を与えるステップと、
前記第１のバイアス電圧が適用された前記検査システムの前記部分と実質的に等しいが、前記負のバイアス電圧とは反対の電荷の正のバイアス電圧を与えるステップと、
前記負のバイアス信号を前記正のバイアス信号から差し引くステップと
をさらに含む請求項３に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項５】
データトラックを前記プローブに可変半径でトレースさせながら、中心軸の周りで前記サンプルを回転させることによって前記相対運動が達成されるものである請求項１に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項６】
実質的に均等なデータ密度をプローブに与えるために、前記プローブの運動に比例して回転速度を低減させるステップをさらに含む請求項５に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項７】
複数の非振動式接触電位差プローブを提供するステップをさらに含む請求項１に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項８】
前記複数のプローブが、線形アレイに配設されている請求項８に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項９】
前記複数のプローブが、二次元アレイに配設されている請求項８に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１０】
前記複数のプローブを複数の高さで提供するステップをさらに含む請求項８に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１１】
電圧バイアスを前記複数のプローブにかけるステップをさらに含む請求項８に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１２】
実質的に静止した状態に維持されたサンプルに対して、前記非接触電位差プローブを移動させることによって前記相対運動が与えられるものである請求項１に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１３】
実質的に静止状態にある前記非振動式接触電位プローブに対して、前記サンプルを移動させることによって前記相対運動が与えられるものである請求項１に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１４】
高さセンサを提供するステップをさらに含む請求項１に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１５】
前記高さセンサによって得られた測定値に前記非振動式接触電位差プローブの高さを較正するステップをさらに含む請求項１４に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１６】
前記高さセンサによって得られた測定値に前記非振動式接触電位差プローブの高さを較正するステップが、
基準面と前記高さセンサとの間の距離が、前記高さセンサの検出範囲内にあるように、前記基準面の上方に前記高さセンサを位置決めするステップと、
前記センサの高さをｚ１として記録するステップと、
基準点の上方の前記高さセンサ読取値の高さをｈ１として記録するステップと、
前記基準面上の前記基準点の上方の位置に前記非振動式接触電位センサを移動するステップと、
前記非接触電位差プローブ信号のレベルをモニタリングしながら、前記基準面に向かって前記非振動式接触電位センサを下方にゆっくりと移動するステップと、
前記非振動式接触電位差プローブが、前記非振動式接触電位差プローブの出力の顕著な変化によって示されるものである前記基準面と接触する場合には、前記高さをｚ２として記録するステップと
を含む請求項１５に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１７】
前記表面が前記高さセンサの測定範囲内にあるように、前記表面の上方に前記高さセンサを位置決めするステップと、
この高さをｚ３として記録し、前記高さセンサ読取値をｈ３として記録するステップと、
点ｚ３の上方に前記非振動式接触電位プローブを位置決めするステップと、
前記高さをｚ*＝ｚ３−（ｈ３−ｈ１）−（ｚ１−ｚ２）＋ｈ*に調節するステップであって、前記非振動式接触電位差プローブの前記高さを、点ｚ３の表面の上方に高さｈ*で位置決めするものであるステップと
をさらに含む請求項１６に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１８】
前記サンプルが、液晶パネルを含むものである請求項１に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項１９】
前記サンプルが、半導体ウェハを含むものである請求項１に記載のサンプル表面の検査方法。
【請求項２０】
サンプル表面上の特徴を特定するシステムであって、
非振動式接触電位差センサと、
前記サンプルと前記非振動式接触電位差センサとの間に相対運動を生じさせるための機構と、
前記サンプルと前記非振動式接触電位プローブとの間の接触電位差を測定するための機構と、
前記接触電位差を表す発生信号と、
前記サンプルと前記非振動式接触電位プローブとそれらの組み合わせとからなるグループから選択されたシステムの一部分に適用された発生バイアス電圧と
を含んでなるシステム。
【請求項２１】
複数の非振動式接触電位プローブをさらに含む請求項２０に記載のサンプル表面上の特徴を特定するシステム。
【請求項２２】
高さセンサをさらに含む請求項２０に記載のサンプル表面上の特徴を特定するシステム。
【請求項２３】
前記システムの一部分に適用された電圧バイアスをさらに含む請求項２０に記載のサンプル表面上の特徴を特定するシステム。
【請求項２４】
非振動式接触電位差センサと、
中心軸の周りでサンプルを回転させるチャックであって、実質的に均等のデータ密度をプローブに与えるために、該プローブの運動に比例して回転速度を変化する可変速制御機構を有するものであるチャックと、
前記非振動式接触電位差センサと前記サンプル表面との間の接触電位差を表すデータソースと
を含んでなる、サンプル表面の検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００４年２月３日に出願された同時係属中の米国特許出願第１０／７７１，６２８号の一部継続出願であり、同出願の優先権を主張し、同出願は、２００３年７月２９日に出願された米国特許出願第１０／６３１，４６９号の継続出願であり、同出願は、２００３年２月３日に出願された米国仮特許出願第６０／４４４，５０４号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、集積回路（ＩＣ）などの半導体ウェハや他の材料と、検査により利益を得られる任意の表面を検査する方法およびシステムとに関する。以下、一般に、本明細書に記載するシステムである接触電位差イメージングデバイスによる表面検査を受ける任意の材料のことを「ウェハ」と呼ぶ。より詳細には、本発明は、非振動式の接触電位差センサを使用して、ウェハ表面上での接触電位差トポロジーを画像化および視覚化することによって微視的および巨視的な欠陥を特徴化する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
数十億ドル規模に及ぶ半導体欠陥管理の世界市場は、絶対的においても半導体の資本設備投資を占める割合においても成長し続けている。一般に、所与の稼動レベルでの半導体製造施設の経済性を決定する要因は２つ、すなわち、スループットおよび歩留まりである。３００ｍｍウェハ、銅配線、および特徴（回路）サイズの縮小化などの複雑な新技術により、製造誤差の範囲がさらに狭くなるため、高歩留まりを保ちながら収益面での経済性を魅力あるものにするためには、新しい検査技術が不可欠である。化学汚染物質および他のタイプの欠陥の検出および除去は、半導体製造業者らや設備供給業者らにとって常に関心の対象である。処理化学物質、処理設備、および不十分な取り扱い技術を用いることにより汚染が生じ得る。汚染物質には、例えば、金属、炭素、および有機化合物があり得る。他のタイプの欠陥は、半導体結晶の傷、不適切な処理、不適切な取り扱い、および欠陥のある材料を含む様々な原因から生じ得る。さらに、半導体産業などであるが、これに限定されるものではないウェハ製造では、数多くの洗浄ステップが要求される。各ステップには時間がかかり、特別な廃棄手順を要することもある高価な化学物質が要求される。これらのプロセスをモニタリングまたは制御するための既存の方法では、費用と時間がかかってしまう。その結果、ウェハは、必要以上に長い期間、多くの化学物質を使用して洗浄されることが多い。
【０００４】
欠陥検出および特徴化のシステムは、インラインシステムとオフラインシステムとに大別できる。「インライン」とは、ウェハが処理されるクリーンルーム内で行う検査および測定について言及する。「オフライン」とは、ウェハ処理クリーンルームの外側、多くの場合、研究室や製造エリアからある距離だけ離れた場所に位置する別のクリーンルームにおいて行われる分析について言及する。さらに、これらの分析技術の多くは破壊的であるため、生産ウェハを犠牲にしたり、費用のかかる分析用「モニタ」ウェハを使用したりする必要がある。インラインの検査および測定は、製造プロセスにおいて定期的に生じうる問題を迅速に特定し補正するために不可欠である。典型的な半導体ウェハは、５００を超える個々のプロセスステップを受け、完了するのに数週間かかり得る。各半導体ウェハの完成品の価値は、最高１００，０００ドルになり得る。ウェハ製造に伴うステップ数および期間が非常に多大であるため、任意の時点に相当数の未完成品が存在し得る。多数（およびドル価値）のウェハに影響を与える直前に、プロセス関係の欠陥を見つけ出して修正することが不可欠である。ウェハ、半導体、ＩＣ、または他のデバイスの性質にかかわらず、このような欠陥は、性能に悪影響を及ぼし、生産性および収益性を減少させる。
【０００５】
多くのタイプの欠陥および汚染は、既存のインラインツールを使用して検出できず、これらは、典型的に、全反射蛍光Ｘ線法（ＴＸＲＦ：Ｔｏｔａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）、気相分解誘導結合プラズマ質量分光法（ＶＰＤ  ＩＣＰ−ＭＳ：Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ−Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、または二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの（以下に記載する）費用と時間がかかる「オフライン」技術を用いて検出され分析される。これらの技術は、オフライン（ウェハを処理するために使用されるクリーンルームの外側）で用いられ、一般的に、汚染を生じたプロセスステップの後、数時間、場合によっては数日行われることがあるため、これらの価値は著しく制限される。
【０００６】
表１に、ウェハの検査および化学物質汚染検出に関するいくつかの周知技術を簡単に記載する。あるタイプの半導体分析もしくは特徴化、または他のタイプの材料の他の表面検査に対して使用される非常に多数の技術があるため、このリストは、いかなる意味においても網羅的なものではない。
【表１】
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【０００７】
表２は、各技術例の主要な利点と欠点のいくつかを要約したものである。一般に、オフライン検出技術は、非常に少量の汚染に極めて感度が高いが、このような技術は、低速かつ高コストであり、動作が複雑である。中には、イメージングまたは表面マッピングの機能が限定されていたり、それらの機能がなかったりするものもあり、また本質的に破壊的なものもある。それに比して、インライン技術は、非常に高速であり、非破壊的であり、欠陥マッピングを提供するが、化学汚染の検出または分析機能が限定されている。
【表２】
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【０００８】
一般に、既存のインラインウェハ検査ツールは、生産速度で動作し、ウェハ表面の画像を発生させ、この画像を処理することにより、欠陥を特定して欠陥の位置を特定する。しかしながら、これらの技術は、上述したように、化学物質の汚染を検出する能力が非常に限定されている。レーザ後方散乱システムは、下限がサブミクロンサイズまでの粒子検出に限定され、光学顕微鏡システムは、結果的に視認できる汚れや残留物となる化学汚染しか検出できない。両技術ともに、粒子の化学組成や汚染を特定または分類する能力に欠ける。新しいプロセスおよび設備の清浄度を評価するために、または、インライン設備によってもしくは故障分析の一環として検出された欠陥を分析するために、オフライン検査技術が使用される。
【０００９】
これまで検討されてきた別のシステムは、接触電位差イメージング（Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ：以下、「ＣＰＤ」とよぶ）の使用である。ＣＰＤとは、２つの異なる金属間の電気的接触と、それぞれの金属の最大電子エネルギー、すなわち、それぞれのフェルミエネルギーの差の結果として広がる電場をさす。２つの金属を接触させて配置すると、それぞれのフェルミ準位は、フェルミ準位が低い方の金属から高い方の金属へと電子が流れることで均衡する。「振動式ＣＰＤセンサ」とは、平行板コンデンサシステムにおいて一方の金属を他方の金属に対して振動させることをさす。この振動により、時間の経過とともに静電容量が変化し、表面プロファイルに関連する信号が得られる。非振動式接触電位差（ｎｏｎ−ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ＣＰＤ：以下、「ｎｖＣＰＤ」とよぶ）センサを使用して１つの表面に基準サンプルを通過させ移行させることにより、ＣＰＤ信号を発生させることもできる。この移行により高速走査が可能になる。
【００１０】
しかしながら、これらのｎｖＣＰＤセンサそのものにも、いくつかの欠点が存在する。顕微鏡レベルでは、ウェハの厚みのばらつき、表面上の材料、「反り」、および他の要因が原因で平坦ではない。ウェハに接近した距離であるが安全な距離（すなわち、良好な信号強度を促すために表面に接近するが、ウェハ表面への衝撃の可能性を最小限に抑える程度に離れた距離）でウェハを走査するために、適切なセンサ高さを計算し設定しなければならない。このようにして、反復性のある結果を生成するために、ウェハ表面の上方でのセンサの高さを測定し制御しなければならない。さらに、センサの高さを最小限に抑えて解像度と信号強度とを高めるためには、高さを制御することも必要である。しかしながら、各々の特定のウェハの測定に適当な高さは制御および測定することが難しい。
【００１１】
ウェハ表面上方でのｎｖＣＰＤセンサの高さを制御するために、多くの市販されている高さセンサの１つを使用することが可能である。高さセンサを使用すると、追加したセンサの費用がかかってしまうとともに、別の高さセンサによる測定に対して、ｎｖＣＰＤセンサチップの位置を決定するための較正ルーチンの複雑性が増してしまう。
【００１２】
これに関連する問題として、ｎｖＣＰＤ走査に関して、高さを含む全ての距離測定の基準点を確立することが困難なことが挙げられる。画像生成に有益な測定データを生成するには、基準点が必要とされる。
【００１３】
ｎｖＣＰＤセンサなどのいくつかのセンサシステムにおいて、ウェハの汚染エリアの場所を特定し測定を行うためには、鋭いピーク信号と、信号の他の２つの成分（低周波信号と誘導雑音信号）とを分離する必要がある。このような分離は非常に困難であり、その理由として、鋭いピーク信号が雑音のように挙動し、すなわち、雑音が、高周波モードにおいて極性を交互に替える鋭いピークからなるためである。このため、周波数ドメインにのみ基づいた従来の高周波フィルタは、鋭いピーク信号を雑音とともに著しく劣化させるため機能しない。
【００１４】
さらに、ｎｖＣＰＤ信号は、一般に、時間的に遅延し、このような遅延は、ｎｖＣＰＤ信号／画像の品質に影響を及ぼしてしまう。サンプリング時間の増大に伴い、時間遅延は大きくなる。時間遅延については、プローブチップからＡ／Ｄ変換器の出力まで、その間に増幅器、データ収集基板、およびそれらの間の接続ラインを通る電気信号経路をモデリングする等価ＲＣ回路によって説明されてもよい。等価静電容量は、プローブとウェハ表面との間の静電容量、接続ラインの寄生静電容量、増幅器の内部静電容量、および他の既知の従来の影響と混ざり合う。その結果、微小な特徴の信号をほとんど検出できず、信号の大きさ、ひいては、信号対雑音比がさらに小さくなる。
【００１５】
さらに、ウェハのトポグラフィー特徴は、化学的特徴からの信号と比較して弱い信号を生成することが多い。トポグラフィー特徴と化学的特徴とを比較した場合の有益性は、イメージング用途の特定の環境に応じて変動するため、トポグラフィー特徴を表す信号を増幅したり、化学的特徴を表す信号を分離、重畳、低減、または除去したりすることが可能である必要がある。
【００１６】
また、現行では、多くの異なるタイプのイメージングシステムが、プローブ装置に対して半導体ウェハなどのサンプル材料をスピンさせるためにチャックに依存している。これらの現行デザインは、一定の回転速度でサンプル表面を走査する。そして、プローブは、一定のサンプリングレートでデータの円周トラックをとることによってウェハを走査する。一定の回転速度および一定のサンプリングレートにより、個々のサンプルの角距離は、ウェハ表面にわたって一定であることは明らかである。しかしながら、デカルト座標におけるデータの実際の物理的間隔は、走査されるトラックの半径とともに変動する。実際には、データ密度は半径が小さくなるにつれ高くなる。さらに、センサに発生する電流の量は、プローブとサンプルの相対速度と直線関係である。そして、サンプルとプローブの実際の相対速度は、収集されるデータトラックの半径に関係するため、その速度は、サンプルが一定の回転速度で走査されるとき一定ではない。この結果、信号の値は、サンプルの外半径で大きくなり、サンプルの中心に向かって小さくなるため、データ密度が実質的に一定のレベルで維持された場合より、信号対雑音比が高くなる。
【００１７】
さらに、現行の検査システムの全体的な精度、速度、および効率を高めることが必要とされている。現行システムでは、より高効率かつ高速の方法で様々な種類の製品をテストする方法を提供することを求める業界からの高まる需要を満たせない。
【００１８】
以上のことから、比較的少量の化学的含有物または特徴およびウェハ上にある物理的特徴の検出、位置の特定、および分類を行う、高速で安価で効果的な手段が強く望まれている。さらに、高さ制御などのセンサ制御機構のコストおよび複雑性を最小限に抑えるシステムが必要とされている。さらに、改良された信号処理を有する方法およびシステムが必要とされている。
【発明の開示】
【００１９】
本発明により、センサ制御機構の複雑性を最小限に抑え、信号処理を改良するとともに、比較的少量の化学的含有物、および半導体ウェハ、集積回路デバイス、液晶ディスプレイパネル、またはそのような検査から利益を享受するであろう任意の材料などであるが、これらに限定されるものではない材料上の物理的特徴の検出、位置の特定、および分類を行う、高速で安価で効果的な手段である検査システムが提供される。１つの例示的な実施形態において、本発明のウェハ検査システムが、半導体ウェハの表面上の欠陥を特定するステップを含む。１つの例示的な実施形態では、このステップは、半導体ウェハを提供するステップと、非振動式接触電位差センサを提供するステップと、非振動式接触電位差センサに対して半導体ウェハを走査するステップと、非振動式センサから接触電位差データを発生させるステップと、特定のタイプの欠陥の特性であるパターンを自動的に検出するために、非振動式接触電位差センサデータを処理するステップとを含む。本発明の原理に沿ったシステムは、プローブとテスト材料との相対運動を伴う。１つの実施形態において、センシング軸と平行な軸周りをスピンさせることなどによってテスト材料をプローブに対して動かしている間、プローブは静止している。別の実施形態において、実質的に静止したテスト材料に対して、回転方法などによって、またはラスタタイプの動きでプローブが動かされる。
【００２０】
さらに、１つの例示的な実施形態において、本発明のシステムにより、センサの基準点を決定するための方法が提供される。さらに、本発明のいくつかの実施形態では、このシステムは、センサの高さを決定するための方法を含む。さらに、本発明は、好ましくは、静的または動的にウェハの高さを変動させることができるように走査の高さを計算する方法を含みうる。さらに、本発明の原理によるシステムが、好ましくは、ノイズを低減し、信号の時間遅延を低減し、または様々なパターン認識手法を適用することなどによって、センサの固有の信号出力を高めるための信号処理方法およびデバイスを含む。
【００２１】
別の例示的な実施形態において、本発明は、化学的な特徴信号と比較してより強いトポグラフィー信号を与えるようにシステムをバイアスする方法に関する。
【００２２】
別の例示的な実施形態において、本発明のシステムは、実質的に均一なデータ密度を許容するための機構を含む。１つの実施形態では、このシステムは、検査されている材料のスピン中の表面に対するプローブの動きを補償できる可変速チャックを含むことにより、取り込んだデータの密度を実質的に一定にすることができるようになる。
【００２３】
別の例示的な実施形態において、本発明のシステムは、複数のプローブを含む。複数のプローブは、例えば、線形または二次元アレイの使用などであるが、これに限定されるものではない異なる検査法を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の１つの好ましい実施形態は、ｎｖＣＰＤセンサの改良された使用法に関する。詳しく言えば、図１は、ｎｖＣＰＤ走査システム１０の１つの好ましい形態のコンポーネントおよび動作の機能ブロック流れ図を示す。ｎｖＣＰＤセンサ１２（図２を参照）は、２つの異なる材料を互いに近接させることにより材料間に発生する電圧である接触電位差の現象に基づいている。図２に、この概念の１つの例を示す。ウェハ走査システム１０の場合、センサチップ１３は、第１のプレート１４を形成し、ウェハ表面１６を有するウェハ１５が、第２のプレート１８（図２を参照）を形成する。第１のプレート１４のプローブチップ表面２０は、固定仕事関数を有する伝導性材料からなり、この仕事関数は、一般に、金属において、表面のすぐ外側に電子の鏡像力ポテンシャルを含む、固体のフェルミ準位と固体外側の空間の自由エネルギーとの間のエネルギー差である。第２のプレート１８のウェハ表面１６の仕事関数は、半導体ウェハ表面１６の不規則性や、ウェハ表面１６上に堆積した汚染物質または他の材料が原因で変動し得る。第１のプレート１４および第２のプレート１８が電気的に接続されると、それぞれの表面のフェルミ準位が均衡し、プレート間に電場を形成する。センサチップ１３の仕事関数が決まれば、電場の大きさは、第１のプレート１４と第２のプレート１８との間の距離、第１のプレート１４と第２のプレート１８との間の相対誘電率、およびウェハ表面１６の仕事関数に関する。実際、第１のプレート１４および第２のプレート１８はすぐに均衡するため、ほとんど測定されない。測定可能な電流フローを与えるために、ウェハ表面１６に対してセンサチップ１２に何らかの動きをさせなければならない。１つの実施形態では、ｎｖＣＰＤセンサ１２は、実質的に一定の距離で表面上を移動し、ウェハ表面１６の変動により電流が流れる。
【００２５】
図３に、この概念の説明図を示す。このｎｖＣＰＤセンサ１２からの電流フローは、以下の式によってモデル化できる。
【数１】
2007520721.tif 000005
式中、ＣおよびＶは、
【数２】
2007520721.tif 000006
および
【数３】
2007520721.tif 000007
として規定され、さらに、式中、εoは自由空間の透磁率であり、εrは相対誘電率である。Ａはプローブチップの面積であり、ｄはセンサチップ１３とウェハ１５との間の距離であり、Φはそれぞれの表面の仕事関数であり、ｅは電子の電荷である。Ｖの項は、ｎｖＣＰＤセンサ１２とウェハ１５との間の表面電位の差としても表すことができる。さらに、ウェハ表面１６上の表面電位は、欠陥が原因で変動し得る。全表面電位は、下地材料の仕事関数に関係するが、ウェハ表面１６上の吸着された材料層によっても影響され得る。材料のサブモノレイヤーでも表面電位に著しく影響を与えることが知られている。
【００２６】
【数４】
2007520721.tif 000008
の項は、ウェハ表面１６の仕事関数の変化に関係する。この項の大きさは、ウェハ表面１６の仕事関数の相対変化およびｎｖＣＰＤセンサ１２がウェハ表面１６上で移動する相対速度に関係することが分かる。図４に、これから発生する信号の説明図を示す。このように、本発明の原理によるシステムは、一次元信号および二次元画像を発生可能であるが、三次元画像を発生できる。
【００２７】
ウェハ仕事関数または全表面電位の変動として多くの欠陥が存在し得る。ウェハ表面および下地材料の化学的および物理的（すなわちトポグラフィックな）特徴の両方は、ウェハ表面上の特定の部分の仕事関数や、場合によっては、その一点の仕事関数に影響を及ぼす可能性があり、したがって、これらの特徴は、本発明の原理によるセンサによって検出可能である。例えば、ウェハ１５の半導体ドーパント濃度が変動すると、特徴的な仕事関数が変化する。さらに、銅などの材料であるが、これに限定されない他の材料がウェハ１５に拡散されると、仕事関数の変動が生じる。半導体材料（または測定を受ける任意の他の材料）そのもの内に、堆積転位群、き裂、およびスクラッチなどの機械的現象が局所的な応力を発生し、局所的な仕事関数を変化させる。さらに、場合によっては、サブモノレイヤーレベルにある原子または分子汚染物質の吸着層が、かなりの表面電位変動を発生する。また、表面電位が周囲のウェハ材料とは異なるウェハ１６上に堆積する粒子も信号を生じる。ウェハ製造プロセスに一般的に使用される化学物質の層は、ウェハの表面電位に影響を与える。例えば、残留ＣＭＰスラリーまたはフォトレジストにより、本発明のｎｖＣＰＤセンサ１２によって検出可能な表面電位の局所的変動が生じる。このような欠陥および化学物質は、ウェハ表面の検査を可能にする特徴的なシグネチャと関連する。
【００２８】
【数５】
2007520721.tif 000009
の項は、ｎｖＣＰＤセンサ１２とウェハ１５との間のギャップの変化または相対誘電率の変動に関係する。ウェハ表面１６またはウェハ表面１６上の粒子の幾何学的不完全性が、このコンポーネントに現れる。また、この異なる性質により、このコンポーネントの大きさはまた、ｎｖＣＰＤセンサ１２とウェハ１５との相対速度が増すにつれ増大する。
【００２９】
前述したように、物理的または地理的な態様および欠陥は、本発明の原理によるシステムを用いて画像化できる。ウェハ欠陥の多くの種類は、ウェハ表面１６の幾何学的変化として現れる。ウェハ１５そのものには、表面のき裂、スクラッチ、およびエッチングされたトレンチが、このような欠陥の非制限的な例であり、ウェハ表面の幾何学的変化、およびそれに伴う仕事関数の変化が生じる。さらに、ウェハ１５上に堆積した粒子は、プローブセンサチップ１３までの距離の局所的な変化としても存在する。
【００３０】
また、ウェハ１５上の誘電体膜の変動も検出できる。１つの例は、シリコン基板上に成長させた酸化物状態（すなわち、ＳｉＯ、ＳｉＯ2、ＳｉＯ3、ＳｉＯ4）の変動を検出することである。さらに、ウェハ上に一般的に堆積される他の非伝導性材料の誘電体の変動を検出できる。
【００３１】
また、多くの特徴が、幾何学的な変化および化学的な変化の組み合わせとして存在できることにも留意されたい。例えば、下地ウェハ１５とは異なる材料のウェハ１５上に堆積する粒子が、変動を生じ得る。また、表面のき裂により、局所的な仕事関数の変動を生じ得る応力が発生することもある。
【００３２】
図５に、ウェハ１５を走査して欠陥および汚染を探すために、ｎｖＣＰＤセンサ１２を適用するためのシステム１０の１つの形態が略図的に示されている。また、図８Ａおよび図８Ｂは、システム１０の２つの別の動作実施形態のより詳細な図を示す。図５のシステム１０は、Ｘ−Ｙ−Ｚ位置決めシステム２６と、回転ウェハステージ２８と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３２を備えた高速データ収集システム３０と、ＰＣ３２によって実行される制御ソフトウェアとを含む。
【００３３】
図８Ａにさらに詳細に示すように、１つの実施形態において、ウェハ１５は、ウェハエッジ上のクランピング固定具５６を用いて、回転スピンドルまたはチャック５４（図１を参照）に取り付けられる。センサ位置決めシステム５０が、スピンドル５４に取り付けられたウェハ１５から一定の距離離れた位置に設けられたｎｖＣＰＤセンサ５２を含む。そして、ウェハ１５（図８Ａには図示せず）は高速回転され、ｎｖＣＰＤセンサ５２は、円周トラックのデータを収集するために半径方向に移行する。図９に略図的に示すような走査プロシージャは、走査トラック数、スピンドル５４の速度、センサ位置決めシステム５２の速度に応じて、数秒〜数分の間続く。そして、データのトラックは、ＣＰＤ画像を形成するためにまとめられる。これらのＣＰＤ画像により、化学的および幾何学的欠陥が視覚化でき、それによって、ウェハ表面上に存在する欠陥のタイプの分類化が可能になる。図１０Ａ〜図１５に、これらのＣＰＤ画像のいくつかの例が示され、これらの画像は、１００ｍｍウェハから得られたものであり、同じウェハの光学画像と比較している（以下の例を参照）。本発明は、図２１Ａに示すように、１原子層の厚さのパターンの画像マップを発生可能である。図２１Ｂは、ウェハがプローブに対して回転することにより、ウェハ表面の欠陥および特徴の上を通過するときの信号強度を示す。図２１Ｃに示すように、本発明は、実際、単一の完全な原子層より小さな密度でスパッタリングされた金を検出した。
【００３４】
欠陥の場所を自動的に特定するために、図９の走査プロシージャによって発生した画像を引き続き処理し、高変動性のエリアの場所を特定した。理想的な表面は平坦な信号を示すが、欠陥を有するウェハ表面は、信号に何らかの変動性を示す。欠陥を有するエリアの場所を特定するために、既知の場所の小さなエリアにデータを分割した。これらのエリア内の信号の標準偏差を決定した。欠陥を有するエリアは、より高い標準偏差を示し、図６に、これらの結果を示す。欠陥を有するエリアは、ウェハ１５の変動性がより低いエリアより明るい。これは、センサデータを処理するための本発明の原理による多くの可能な方法の１つである。
【００３５】
さらに詳しく言えば、以下の１以上の方法によって欠陥の特定が可能である。
・ユーザ規定値（しきい値）を超える電圧または電圧の変化（または電圧パターンまたは電圧の変化）を探すためにデータを処理する。
・相関関係またはテンプレートマッチングの何らかの形態を介して、欠陥を表す既知のパターンとデータとを比較する。
・空間データを周波数ドメインに変換して、固有空間特性を有する欠陥を表す周波数ドメインのピークを特定する。
【００３６】
これらの技術と他の技術とを組み合わせて、分析的結果を得ることも可能である。例えば、以下のような欠陥検出を行うために、信号を予め処理してもよい。
・信号が差動であるため、ウェハ１５の表面にわたって相対ＣＰＤを表す電圧を生成するために、ある一定の距離にわたって信号を統合できる。
・ウェハ１５が「パターン化」されていれば、この既知のパターンを処理前にデータから除去できる。これは、空間または周波数ドメインのいずれかにおける画像の変化または信号減算の何らかの従来の方法によって達成され得る。
・予想した欠陥のサイズ、形状、および他の特性に応じて、高周波数または低周波数を除去するために、何らかの形態の周波数フィルタリングを用いて信号を処理し得る。
・他の応用において単独で周知の、いわゆる、「形態学的処理（morphological processing）」を実行することによって、あるサイズの特徴を除去するように信号を処理できる。
【００３７】
１つの実施形態において、欠陥が検出され、汚染レベルは、Ｃａｎｎｙエッジ検出アルゴリズムなどであるが、これに限定されるものではないエッジ検出アルゴリズムに基づいて定量化される。多重解像度が使用されてもよく、多重スケールまたはそれらの組み合わせが使用されてもよい。図２２Ｂ〜図２２Ｆは、様々な解像度でのエッジ検出を示し、光学画像（図２２Ａ）と比較して示される。図２３Ｂ〜図２３Ｆは、様々なスケールのエッジ検出を示し、光学画像（図２３Ａ）と比較して示されている。このような実施形態の好ましい例において、汚染は、以下のステップを用いて検出され、定量化される。
・２つの異なるエリア間の境界でＣＰＤセンサピーク信号を発生するステップ（ピーク信号は、画像処理用語である「エッジ」に酷似して挙動する。そのため、汚染されたエリアは、エッジ検出によって位置の特定が可能である）。
・エッジ検出アルゴリズムを適用するステップ（二次元Ｃａｎｎｙアルゴリズムなど）。
・異なるしきい値を有する多重解像度ステップ（これにより、様々なサイズの汚染を検出可能であり、すなわち、より高い解像度（より低いしきい値）がより小さな汚染を見出す）。
・最も単純な方法により全ウェハエリアにわたったエッジエリアによって汚染レベル（contamination level：ＣＬ）を定量化するステップ。
【００３８】
前述したように、最適な結果を得るために、センサの基準点を決定する必要がある。１つの実施形態では、基準点は、回転の中心（Ｘ−Ｙ平面）にあり、ウェハの表面の高さ（Ｚ軸上）にある。この基準点を見つけるために、回転の中心およびウェハの表面の高さを決定しなければならず、そして、高さセンサと、ｎｖＣＰＤセンサのＺ位置とを相関させる。
【００３９】
回転の中心を求めるために、ｎｖＣＰＤセンサおよびモーションシステムを用いて、３点以上の点でスピン中のウェハの表面上の幾何学的および／または化学的特徴を探し出す。ウェハがスピン中であるため、特徴は円を描く。円の中心は、回転の中心である。円上の規定の円の直径にある別個の３点（Ａ（ｘ1，ｙ1）、Ｂ（ｘ2，ｙ2）、Ｃ（ｘ，ｙ））の座標が与えられたとすると、その中心は、以下の式によって代数的に求められる。
【数６】
2007520721.tif 000010
わずかな測定誤差が原因によって、異なる点セットが、わずかに異なる中心座標を生じることもある。「本当の」回転の中心は、これらの点の軌跡（平均）であると考えられる。
【００４０】
１つの実施形態において、ウェハ表面に触れることなくウェハの表面の高さを求めるために、２つのセンサ、つまり、ｎｖＣＰＤセンサおよび高さセンサ（以下に記載する実施形態においてｎｖＣＰＤセンサであり得る）が使用され得る。ｎｖＣＰＤセンサおよび高さセンサは、高さセンサを用いて読取値をとるとき、ｎｖＣＰＤセンサのチップのＺ軸座標が確認されるように較正される。（この較正プロシージャに関しては、以下に記載する。）この時点で、高さセンサの読取値は、ｎｖＣＰＤセンサのＺ位置に相関される。その後、高さセンサは、ウェハ表面に触れることなく、ウェハ表面の位置を検出するために使用され、そして、ｎｖＣＰＤセンサのチップは、それに応じて位置決めされる。
【００４１】
１つの実施形態では、高さセンサは、２つの仮定に基づいて、ｎｖＣＰＤセンサのＺ位置に相関される。第１の仮定は、使用可能範囲内において、高さセンサからの測定値は、Ｚ軸において線形であり、定数ｋは、高さ測定値の変化をＺの比例変化にマッピング可能であるというものであり、第２の仮定は、高さセンサおよびｎｖＣＰＤセンサの相対位置は固定であり、すなわち、２つのセンサは、１つの単体として残りの全てに対して動くことができ、したがって、これらのセンサは独立して動くことができないというものである。これらの仮定に基づくと、較正が実行されるＸ−Ｙ平面にある点Ｐが選ばれる。高さセンサは、Ｐの上方の位置にあり、高さセンサからの測定値Ｈmが、Ｚ軸上の座標Ｚhに相関される。次に、ｎｖＣＰＤセンサは、Ｐの上方の位置にあり、点Ｚcで触れるまで下方に移動する。ｎｖＣＰＤ信号は、センサチップが表面に触れると著しく変化する。これらの値が分かると、以下の式を用いて、ｎｖＣＰＤセンサのチップが表面に触れる点のＺ値を導き出す。
【数７】
2007520721.tif 000011
式中、
Ｚsurfaceは、ｎｖＣＰＤセンサのチップが触れる表面の高さである。
Ｚcurrentは、センサの現行高さである。
Ｈcurrentは、現行の高さセンサの測定値である。
【００４２】
前述したように、センサの高さは、反復性のある結果を生じるように測定され制御されるべきである。また、ｎｖＣＰＤセンサは、本発明の原理による半導体ウェハ検査システムにおける高さを制御することも可能である。ｎｖＣＰＤセンサを使用して高さを制御するために、システムは、プローブチップとウェハ表面との間の時変バイアス電圧を適用する能力を提供しなければならない。バイアス電圧が変化するにつれ、プローブチップとウェハ表面との間の静電容量の関数である出力信号を生成する。プローブチップが表面に近付くほど、出力電圧は大きくなる。高さと静電容量との間の関係が決定した後、出力信号の大きさは、センサの高さを計算するために使用され得る。信号の大きさは、ピークツーピーク、標準偏差、ＲＭＳ、または当該分野において既知の何らかの他の大きさとして計算され得る。
【００４３】
再度言うが、ｎｖＣＰＤセンサの出力の式は、以下の通りである。
【数８】
2007520721.tif 000012
電圧Ｖは、プローブチップとウェハ表面との間の接触電位差である。バイアス電圧が適用されれば、式は、以下のようになる。
【数９】
2007520721.tif 000013
式中、Ｖbはバイアス電圧である。ｎｖＣＰＤセンサが、ウェハの表面に対して動かなければ（または、比較的ゆっくり動けば）、静電容量Ｃおよび接触電位差電圧Ｖは変化せず、式は以下のようになる。
【数１０】
2007520721.tif 000014
【００４４】
バイアス電圧が既知の固定周波数および大きさであるため、出力電流は、静電容量（Ｃ）の関数である。Ｃは、プローブチップとウェハ表面との間の静電容量と、回路内の任意の浮遊容量との組み合わせである。静電容量と高さの関数が、ウェハ表面の上方の点でｎｖＣＰＤプローブの高さを決定するために特徴付けられ使用され得る。センサの高さが決定されると、バイアス電圧は、走査ｎｖＣＰＤ測定を行うためにオフにされ得る。
【００４５】
しかしながら、いくつかの実施形態において、ウェハの一部分を走査する前に、高さセンサを用いて高さプロファイルが確立された後、ｎｖＣＰＤセンサの走査高さが、それに応じて調節される。図１８は、センサを位置決めするためにウェハの高さプロファイルを利用する１つの実施形態を示す。高さプロファイルは、まず、高さセンサを回転の中心に移動させることによって決定され、そして、ウェハをスピンさせながら、高さセンサは、エッジを感知するまでウェハのエッジに向かって移動する。これにより、ウェハの直径を決定できることに留意されたい。そして、センサは、ウェハのフラットまたはノッチ内にくるまで中心に向かって移動して戻る。途中で得た１つ以上の高さ測定値によりプロファイルが確立される。ｎｖＣＰＤセンサ走査の適切な高さが、プロファイルに基づいて、特に、最大検出高さに基づいて計算される。
【００４６】
上述したように、多くの場合、本発明の原理によるｎｖＣＰＤセンサは、ノイズのように挙動するピーク信号を発生する。本発明の原理によれば、ｎｖＣＰＤ信号およびｎｖＣＰＤ画像の両方に、ノイズ除去アルゴリズムが適用され得る。１つの実施形態において、ｎｖＣＰＤ信号／画像データは、「Ｃｏｉｆｌｅｔ」、「Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ」、「Ｓｙｍｍｌｅｔ」、および他のこのようなウェーブレットなどであるが、これらに限定されたものではない利用可能なウェーブレットの１つを用いて、ウェーブレットドメインに分解される。そして、ウェーブレット分解の結果、ユーザによって与えられ得る有限数のスケールで一連のウェーブレット係数が得られる。特定のスケールでの係数は、同係数に対応する点での同スケールに対応する周波数の大きさを表す。そして、ｎｖＣＰＤ信号／画像は、逆順に係数によって再構成され得る。
【００４７】
係数を調節し、再構成を実行することによって、ｎｖＣＰＤ信号／画像の３つの成分（ピーク、低周波、ノイズ）は、フィルタリングされて選択的に除去され得る。ｎｖＣＰＤ信号／画像から低周波成分を取り出すには、ｎｖＣＰＤ信号／画像の低周波成分が粗いスケールでの係数によって表されるため、再構成には微細スケールでのウェーブレット係数のみが使用される。ｎｖＣＰＤ信号／画像からノイズを取り出すには、微細スケールでの係数は、与えられたしきい値に基づいて単調に縮小し得る。しきい値は、「Ｖｉｓｕ」、「ＳＵＲＥ」、「Ｈｙｂｒｉｄ」、「ＭｉｎＭａｘ」などであるが、これらに限定されるものではない当該分野において既知の多数の方法の任意のものを用いて決定され得る。ウェハ上の汚染に関係する鋭いピーク信号は、上記２つのプロセスの後に生じるウェーブレット係数によって実質的に分離して再構成され得る。このように、ウェハの振動または揺動などのノイズが、信号からフィルタリング除去され得る。図１９は、データのデコンボルーションまたはノイズ除去を行うことなく、本発明の原理によるシステムによって生成された画像を示す。図２０は、好ましい実施形態の原理によりノイズ除去された画像の改良された解像度および鮮明度を示す。
【００４８】
ｎｖＣＰＤセンサを利用する本発明の原理による半導体ウェハ検査システムが、上述したように、時間遅延を受けることもある。しかしながら、本発明により、この時間遅延を取り除くためのフィルタリング技術が提供される。まず、時間遅延回路は、一次ＲＣ回路としてモデリングされる。ＲＣ回路の連続時間伝達関数は、以下の式で与えられる。
【数１１】
2007520721.tif 000015
式中、Ｘ（ｓ）およびＹ（ｓ）は、プローブチップでの入力電流信号およびデータ収集への出力電圧測定値のラプラス変換であり、τは、時間遅延定数である。
【００４９】
連続電流信号は、増幅器に供給されて増幅器によって増幅され、そして、Ａ／Ｄ変換器を介して離散信号に変換される。このように、最終ステージにおいてコンピュータによって収集されたデータは、一連の離散データである。デジタル信号処理の場合、ＲＣ回路の連続時間伝達関数は、Ｚ変換に基づいて離散時間伝達関数に変換される。このように離散かされた伝達関数は、以下の形態をとる。
【数１２】
2007520721.tif 000016
式中、定数αおよびβは、用いられた離散方法、サンプリング時間、および時間遅延定数τによって決定される。
【００５０】
次に、好ましい実施形態において、離散化された伝達関数のインパルス応答が決定される。一般に、インパルス応答は、次第にゼロに収束する有限数の正の離散値である。インパルス応答が求められると、各トラックデータに別々に、インパルス応答を用いたデコンボルーションプロセスが実行される。
【００５１】
時間定数の予測が重要であり、この予測は、正のピーク高さと負のピーク高さとを比較することによって算定できる。図１６は、一対の正のピークと負のピークが存在する典型的なｎｖＣＰＤ信号を示す。正のピークは負のピークより高いことが示されている。時間遅延がゼロの場合、信号は、図１７のようになり、正のピーク高さは、負のピーク高さと同等である。
【００５２】
正のピーク高さと負のピーク高さとを比較することによって、時間定数を正確に推定できる。時間定数が決定されなければ、前のピーク（この例では正のピーク）は、後のピーク（この例では負のピーク）より高い。時間定数の推定が過大であれば、前のピークは後のピークより低い。時間定数を変動させることによって、時間定数を正確に予測するために、正と負のピークの高さが同等である点が求められる。
【００５３】
１つの例示的な実施形態において、本発明により、センサ装置から化学的情報をフィルタリングして除去することによって、トポグラフィックな情報を分離することができる方法および装置が提供される。この実施形態は、システムに適用される直流電流（Ｄ．Ｃ．）バイアスを利用する。１つの例示的な実施形態において、センサにバイアスが適用される。別の例示的な実施形態において、センサの代わりにサンプル表面に直接同様のバイアスが適用される。サンプルまたはプローブのいずれかに負のバイアスを適用して、サンプル表面の第１の走査が行われ、そのデータが記録される。プローブまたは第１の走査中にバイアスが適用されたプローブのどちらにでも正のバイアスを適用して、ウェハの第２の走査を行う。当業者であれば、この順序は逆にしてもよく、まず正のバイアス走査を行った後に、負のバイアス走査を行ってもよいことを認識するであろう。そして、負のバイアスを適用した信号は、正のバイアスを有する信号から差し引かれて、サンプル表面の幾何学的変化にのみ関係する信号が残る。図２４Ａ〜図２４Ｄは、様々なステップの各々でのウェハの画像を示す。図２４Ａは、バイアス電圧がない場合の本発明の装置によって発生した半導体ウェハの画像を示す。図２４Ｂは、９ボルトのバイアスがかけられた場合の同一の半導体ウェハの画像を示す。図２４Ｃは、本発明の装置によって発生した画像を示し、以下に数学的に示すように、バイアス信号は除去している。図２４Ｄは、図２４Ａ〜図２４Ｃにおいて検査した半導体ウェハの比較を示す。図から分かるように、幾何学的またはトポグラフィックな特徴は強調されているのに対して、化学的特徴は弱められている。この実施形態を説明するために、ｎｖＣＰＤ検査に関係する基本的な等式を使用できる。
前述したように、基本的なＣＰＤの等式は以下の通りである。
【数１３】
2007520721.tif 000017
正のバイアスを適用した等式は以下の通りである。
【数１４】
2007520721.tif 000018
負のバイアスを適用した等式は以下の通りである。
【数１５】
2007520721.tif 000019
このように、負のバイアスをもつ信号を正のバイアスをもつ信号から差し引くことで、以下の結果が得られる。
【数１６】
2007520721.tif 000020
この差を解くと、表面の幾何学的変化のみに依存する信号が示される（静電容量で表示）。
【数１７】
2007520721.tif 000021
【００５４】
１つの例示的な実施形態では、本発明は、信号対雑音比を保存でき、プローブに対するサンプルの実質的に均一な線形速度を与えるように回転速度を変動させることによって、実質的に均一なデータ密度を与えることができる方法および装置に関する。実質的に均等なデータ露出（data exposure）をプローブに与えるために、プローブの動きに比例して回転速度を低減させる可変速チャックが提供される。したがって、チャックは、実質的に均等なデータ密度を維持するために、１分間当たりの回転数を低減することによって、１回転当たりのデータの増大を補償できる。
【００５５】
１つの例示的な実施形態において、本発明のシステムは、複数のプローブを含む。複数のプローブの各々のチップは、線形アレイおよび二次元アレイを含むが、これらに限定されるものではない、当該分野において既知の種々の異なる配列で配設されてもよい。前述したように、種々の構成の多数のプローブチップにより、本発明のシステムでは、サンプル表面の走査にかかる時間が短縮される。速度の低減は、使用するプローブの数のパーセンテージ増加に反比例する。複数ある個々のプローブは、１つの例示的な実施形態において、様々な特性を有する。このような特性は、バイアス電圧および高さを含みうるが、これらに限定されるものではない。複数のプローブを使用することにより、検査時間が短縮されることに加えて、方位分解能および化学的感度が高められる。１つの実施形態において、別のプローブデータストリームを、別の電圧トラックの組み合わせなどと別々に比較することを用いて、方位分解能および化学的感度のこのような改良が達成されてもよい。
【００５６】
別の例示的な実施形態では、プローブチップの高さを較正するための方法が提供される。この方法では、高さセンサおよびｎｖＣＰＤセンサは、互いに対してしっかりと取り付けられ、センサの相対高さ（ｚ）を正確に決定できると仮定する。本システムでは、高さセンサおよびｎｖＣＰＤセンサは、同一の金属固定具に取り付けられ、それらの相対高さは、位置決めシステムのｚ軸エンコーダを読み取ることによって決定される。
【００５７】
図２５Ａ〜図２５Ｅに示す１つの例示的な実施形態において、本発明は、ｎｖＣＰＤセンサの高さを較正するための較正プロセスを含む。較正プロセスは以下の通りである。（１）図２５Ｂに示すように、高さセンサは、基準面と高さセンサとの間の距離が、高さセンサの決定範囲内であるように、基準面の上方に位置決めされる。センサの高さは、ｚ１として記録される。高さセンサの読取値は、ｈ１として記録される。図２５Ｃに示すように、ｎｖＣＰＤセンサは、ｎｖＣＰＤ信号のレベルがモニタリングされている間にゆっくりと移動する。ｎｖＣＰＤセンサのプローブチップが基準面に接触すると、ｎｖＣＰＤセンサの出力は顕著な変化を受ける。これは、走査システムによって自動的に検出され、下方への動きが停止する。この高さは、ｚ２として記録される。このとき、ｎｖＣＰＤセンサのプローブチップは、任意の表面の上方の所望の高さに位置決められ得る。これは、以下の通りに達成される。図２５Ｄに示すように、所望の高さがｈ*であれば、高さセンサは、表面が高さセンサの測定範囲内にあるように、表面の上方に位置決めされる。この高さは、ｚ３として記録され、高さセンサの読取値は、ｈ３として記録される。そして、図２５Ｅに示すように、ｎｖＣＰＤセンサは、同一の点の上方に位置決めされ、高さは、ｚ*＝ｚ３−（ｈ３−ｈ１）−（ｚ１−ｚ２）＋ｈ*になるように調節されることによって、表面上方のｎｖＣＰＤセンサプローブチップの高さがｈ*になる。
【００５８】
主に、データの円周トラックを獲得するプローブに対してスピンする半導体ウェハの走査に関して、本発明を記載してきたが、当業者であれば、本発明はこのようなものに限定されないことを認識するであろう。例えば、本発明は、１つの例示的な実施形態において、一般に、スピンさせるには大きすぎる液晶ディスプレイパネルを走査するために使用されてもよい。この実施形態において、プローブは、サンプル表面全体をラスタ走査する。さらに、別の例示的な実施形態において、プローブは、静止したままであってもよく、サンプル表面は、プローブに対して動かされてもよい。さらなる別の例示的な実施形態において、サンプル表面は、静止したままであってもよく、プローブは、サンプル表面に対して動かされてもよい。
【００５９】
以下の非制限的な例において、テストウェハを準備し、半導体ウェハ表面上で存在するある一定の欠陥状態、化学的状態、静電状態、および機械的特徴を特定するための特徴的な画像を感知する方法について記載する。
【実施例】
【００６０】
既知の濃度の汚染物質を含有する溶液にウェハ１５を浸漬コーティングすることによって、サンプルウェハが作成され得る。この例の一部では、ＣｕやＦｅなどの金属汚染物質について記載しているが、化学汚染物質の任意の方法がこのようにして評価され得る。記載されるウェハ１５は、１００ｍｍまたは１５０ｍｍウェハのいずれかであるが、これらの例は、任意のサイズのウェハに当てはまる。ウェハ表面１６は、酸化物を取り除くためにＨＦ中に浸漬することによって準備される。そして、ウェハ１５は、洗浄され、金属汚染物質溶液に部分的に浸漬される。ウェハ１５に残る溶液の量、ひいては、ウェハ表面１６上の汚染物質の結果的に得られる濃度は、抽出速度などの浸漬コーティングパラメータを選択することによって制御される。
【００６１】
きれいなエリアから汚染されたエリアへの移行部を生じるために、テストウェハ１５を部分的に浸漬させることが好ましい。ｎｖＣＰＤ信号は差動的であるため、ｎｖＣＰＤセンサ１２は、表面状態に関する絶対値とは対照的なものとして、ウェハ表面１６上の変化を検出する。ｎｖＣＰＤセンサ１２のこの態様は、ウェハ１５の表面上の任意の場所にある局所化された汚染を高速に画像化し検出する能力によってオフセットされる。
【００６２】
準備完了後、各テストウェハ１５は、必要に応じて、ウェハ１５の浸漬されたエリアにある実際の汚染物質濃度を測定するために、ＸＰＳ、Ａｕｇｅｒ、およびＲＢＳ（または、他の既知の表面分析方法）の適切な組み合わせを用いて分析され得る。図７に、サンプルウェハの準備プロセスに伴う各ステップを示す。生産ライン方法では、実際の汚染濃度を日常的に使用するｎｖＣＰＤデータに相関する規格が確立され得る。
【００６３】
各サンプルウェハ１５を作成した後、本発明により構成された高速走査ｎｖＣＰＤイメージングシステム１０を用いて、各サンプルウェハが画像化され得る。前述したように、図８Ａおよび図８Ｂは、ｎｖＣＰＤイメージングシステム１０の基本的な形態を示し、図９は、ウェハ処理の別の流れ図を示す。システム１０は、前述した３軸位置決めシステム２６上に取り付けたｎｖＣＰＤセンサ１２を用いる。この位置決めシステム２６は、画像化されるウェハ表面１６の上方にｎｖＣＰＤセンサ１２を位置決め、ウェハ表面全体にわたってｎｖＣＰＤセンサ１２を高速に走査するために使用される。ウェハ１５は、ｎｖＣＰＤセンサ１２の下方で高速（１８００ｒｐｍ）に回転するスピンドルに取り付けられる。システム１０は、ｎｖＣＰＤセンサ１２が、ウェハ１５の回転半径に沿って段階的に進むにつれ、複数の連続したデータトラックを収集することによって動作する。
【００６４】
種々の表面分析実験で、イメージングシステム１０を使用した。図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、および図１１Ｂは、ウェハ検査用にｎｖＣＰＤセンサ１２イメージングを用いて発生したサンプルウェハ画像を示す。図１０Ａおよび図１１Ａの画像は光学画像を示し、図１０Ｂおよび図１１Ｂの画像は、ウェハ１５の１００ｍｍ形態のｎｖＣＰＤ画像を示す。第１のウェハ１５を洗浄し、そして、ウェハ１５の表面の３箇所に、小さな真空ピックアップデバイスを取り付けた。図１０Ａの光学画像には、ウェハ１５の表面１６に何ら変化が見られない。図１０ＢのｎｖＣＰＤ画像は、ピックアップデバイスが適用された場所での非常に大きな信号を示す。ｎｖＣＰＤ信号は、ピックアップデバイスによって表面１６上に残る少量の残留物の結果であると考えられる。
【００６５】
図１１Ａおよび図１１Ｂの第２の画像セットは、アルコールを使用してスピンさせた後に乾燥したウェハ１５を示す。結果的に得られた残留物は、図１１Ａの光学画像では見られないが、図１１ＢのｎｖＣＰＤ画像では鮮明に見える。これらの画像により、ウェハ検査用のｎｖＣＰＤセンサ１２の有益性が明確に示される。全ての欠陥状態および化学的構成要素を慎重に計量することによって、画像を特定の化学的な状態、欠陥、またはそれらの組み合わせと相関させることが可能である。
【００６６】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、ラテックス手袋の跡の光学画像、およびラテックス手袋の跡のｎｖＣＰＤ画像をそれぞれ示す。図１３Ａおよび図１３Ｂは、人の指紋の光学画像、および指紋のｎｖＣＰＤ画像をそれぞれ示す。図１４は、ステンレス鋼ツールでウェハ１５をブラッシングした後のウェハ１５のｎｖＣＰＤ画像を示し、図１５は、ウェハ表面１６にアルミニウム固定具を押圧した後のウェハ１５のｎｖＣＰＤ画像を示す。約３０秒の期間にわたって測定された約６０ミクロンの直径を有するプローブセンサチップ１４付きのｎｖＣＰＤセンサ１２を用いて、これらの例の画像を収集した。
【００６７】
本発明の好ましい実施形態を示し記載してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲に示すようなさらに広範囲の態様において本発明から逸脱することなく、様々な変更や修正が可能であることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】ｎｖＣＰＤ走査法およびシステムの１つの実施形態を示す。
【図２】接触電位差方法の概念を示す。
【図３】ｎｖＣＰＤ走査方法を示す。
【図４】正および負の仕事関数の移行点を通過するときのｎｖＣＰＤプローブの電流出力を示す。
【図５】ｎｖＣＰＤシステムの軸配向を示す。
【図６】走査エリア内の信号の標準偏差を示す。
【図７】既知の濃度の汚染物質で部分的にコーティングされたテストウェハを製造するステップを示す。
【図８Ａ】ｎｖＣＰＤセンサを有する三軸線形位置決めシステムと、高速スピンドルに取り付けられたウェハとを有する走査ｎｖＣＰＤシステムの１つの形態を示す。
【図８Ｂ】走査ｎｖＣＰＤシステムの別の形態を示す。
【図９】半径方向走査型ｎｖＣＰＤイメージングシステムの画像収集プロセスの流れ図を示す。
【図１０Ａ】真空ピックアップデバイスの適用後の１００ｍｍ直径シリコンウェハの光学画像を示す。
【図１０Ｂ】図１０ＡのウェハのｎｖＣＰＤ画像を示す。
【図１１Ａ】ウェハをスピンしながらアルコールを塗布し、アルコールを乾燥させた後の第２のシリコンウェハの光学画像を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ａの同一ウェハのｎｖＣＰＤ画像である。
【図１２Ａ】ラテックス手袋の跡の適用後のシリコンウェハの光学画像を示す。
【図１２Ｂ】図１２Ａの同一ウェハのｎｖＣＰＤ画像である。
【図１３Ａ】ウェハ上に人の指紋があるシリコンの光学画像を示す。
【図１３Ｂ】図１３ＡのウェハのｎｖＣＰＤ画像を示す。
【図１４】ステンレス鋼ツールを用いてウェハ表面をブラッシングした後のシリコンウェハのｎｖＣＰＤ画像を示す。
【図１５】ウェハ表面にアルミニウム固定具を押圧した後のシリコンウェハのｎｖＣＰＤ画像を示す。
【図１６】高さが同等ではない正のピークと負のピークとを含むピークのセットが存在する場合の典型的なｎｖＣＰＤ信号を表すグラフを示す。
【図１７】正のピーク高さが、負のピーク高さに実質的に同等である場合の本発明の１つの実施形態の信号出力を表すグラフを示す。
【図１８】図９の「表面上方でのプローブの開始位置および高さを調節」の詳細図である。
【図１９】デコンボルーション前のＮＣＶＰＤ処理済のウェハ画像を示す。
【図２０】デコンボルーション後のＮＣＶＰＤ処理済のウェハ画像を示す。
【図２１Ａ】ウェハパターンの厚みが固有のシリコン酸化物上で１原子層である場合の本発明の原理により生成されたウェハマップを示す。
【図２１Ｂ】単一のプローブトラックに沿った信号強度を示すグラフである。
【図２１Ｃ】図２１Ａに示すウェハマップの、信号強度と金の密度との関係を示したグラフである。
【図２２Ａ】多重解像度でＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた２Ｄエッジ検出の光学図である（ＣＭＰスラリーに浸漬した＃７ウェハ）。
【図２２Ｂ】多重解像度でＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬した＃７ウェハ、しきい値＝０．００００１、汚染レベル＝２４．５）。
【図２２Ｃ】多重解像度でＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬した＃７ウェハ、しきい値＝０．００８、汚染レベル＝４．５）。
【図２２Ｄ】多重解像度でＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬した＃７ウェハ、しきい値＝０．０１、汚染レベル＝１．９）。
【図２２Ｅ】多重解像度でＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬した＃７ウェハ、しきい値＝０．０１２、汚染レベル＝１．１）。
【図２２Ｆ】多重解像度でＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬した＃７ウェハ、しきい値＝０．０１４、汚染レベル＝０．８）。
【図２３Ａ】異なるスケールでＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の光学画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬したＱｃｅｐｔ＃６ウェハ）。
【図２３Ｂ】異なるスケールでＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の光学画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬したＱｃｅｐｔ＃６ウェハ、しきい値＝０．００００１、汚染レベル＝２４．３）。
【図２３Ｃ】異なるスケールでＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の光学画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬したＱｃｅｐｔ＃６ウェハ、しきい値＝０．００５、汚染レベル＝９．６）。
【図２３Ｄ】異なるスケールでＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の光学画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬したＱｃｅｐｔ＃６ウェハ、しきい値＝０．００６、汚染レベル＝８．２）
【図２３Ｅ】異なるスケールでＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の光学画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬したＱｃｅｐｔ＃６ウェハ、しきい値＝０．００８、汚染レベル＝６．９）
【図２３Ｆ】異なるスケールでＣａｎｎｙアルゴリズムを用いた本発明の原理により生成された２Ｄエッジ検出の光学画像である（ＣＭＰスラリーに浸漬したＱｃｅｐｔ＃６ウェハ、しきい値＝０．００９、汚染レベル＝６．４）
【図２４Ａ】バイアス電圧をかけていない場合の本発明の装置により発生した半導体ウェハの画像を示す。
【図２４Ｂ】９ボルトバイアスがかけられた場合の同一の半導体ウェハの画像を示す。
【図２４Ｃ】以下に数学的に示すように、バイアス信号が除去された場合の本発明の装置により発生した画像を示す。
【図２４Ｄ】図２４Ａ〜図２４Ｃにおいて検査した半導体ウェハの組成を示す。
【図２５Ａ】ｎｖＣＰＤセンサの高さを較正するための本発明の較正プロセスによる較正装置を示す。
【図２５Ｂ】基準面と高さセンサとの間の距離が高さセンサの検出範囲内であるように、基準面の上方に位置する高さセンサを示す。
【図２５Ｃ】ｎｖＣＰＤ信号のレベルがモニタリングされている間にゆっくりと下方に移動するｎｖＣＰＤセンサを示す。
【図２５Ｄ】所望の高さがｈ*であれば、表面が高さセンサの測定範囲内にあるように、表面の上方に高さセンサが位置決めされることを示す。
【図２５Ｅ】ｎｖＣＰＤセンサが、ｚ*＝ｚ３−（ｈ３−ｈ１）−（ｚ１−ｚ２）＋ｈ*に高さ調節されることで、ｈ*の表面の上方のｎｖＣＰＤセンサプローブチップの高さが得られることを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２２Ｅ】
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【図２２Ｆ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２３Ｄ】
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【図２３Ｅ】
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【図２３Ｆ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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【図２５Ｅ】
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【国際調査報告】
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