(57)【要約】【課題】マイクロ波を用いた非接触による導電率測定システムの提供。【解決手段】導電率測定システムでは、ネットワークアナライザ（ＮＡ）１１０内で生成したマイクロ波を導波管１３０、センサ１４０を経て、シリコン・ウェーハ（試料）１６０の表面に照射し、反射されたマイクロ波をセンサ１４０で受信している。ネットワークアナライザ（ＮＡ）１１０で求めた、シリコン・ウェーハ１６０の反射波に対する振幅比Ａ及び位相差θから、シリコン・ウェーハ１６０の導電率をパソコン１２０で計算することで測定する。コンピュータ（パソコン）１２０は、測定の計算を行うばかりではなく、本測定システム全体の制御（たとえば試料の位置決め等）も行っている。【選択図】    図１
2004177274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触導電率測定システムであって、
マイクロ波を送受信するマイクロ波送受信手段と、
送信したマイクロ波と受信した反射波の振幅比を測定する測定手段と、
測定した振幅比から、低周波の導電率を求める導電率計算手段と
を備えることを特徴とする非接触導電率測定システム。
【請求項２】
非接触導電率測定システムであって、
マイクロ波を送受信するマイクロ波送受信手段と、
送信したマイクロ波と受信した反射波の振幅比と位相差を測定する測定手段と、
測定した振幅比と位相差から、見掛けの導電率を求める導電率計算手段と、
求めた見掛けの導電率から、低周波の導電率を求める導電率校正手段と
を備えることを特徴とする非接触導電率測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、材料の導電率測定装置に関し、特にマイクロ波を用いた非接触による導電率測定システムに関する。
【０００２】
【技術的背景】
電子デバイスに用いられる代表的な材料であるシリコン・ウェーハの品質管理及び性能評価においては導電率の計測が必要不可欠である。
従来、シリコン・ウェーハの導電率の計測方法としては四探針法が一般的である。四探針法は測定が非常に簡便という利点がある。しかし、測定時にプローブ先端をウェーハに接触させる必要があるために、プローブ先端がウェーハ表面を傷つけてしまう問題がある。さらに定量評価の際にウェーハの厚さの校正が必要である。以上の理由から四探針法ではシリコン・ウェーハの生産過程中のオンライン検査やデバイスの製作前の非破壊検査等を行うことができず、製品の少数を抜き出して検査するしかないのが現状である。
【０００３】
非破壊検査が可能となるためには、非接触での導電率計測方法が必要である。非接触での導電率計測方法にはコイルを用いた手法がある。しかし、誘導コイルのインピーダンスの変化は、ウェーハの導電率だけに依存するのではなく、ウェーハの誘電率と厚さにも関係する。従って、コイルを用いた導電率の定量評価には、他の手法によるウェーハの厚さ等の測定が必要である。また空間分解能が低い問題があり、デバイス製作前のウェーハの非破壊検査には不向きである。
【０００４】
近年、新しい非接触計測手法としてマイクロ波による半導体ウェーハの非破壊評価に関する研究が注目されている。少数キャリアのライフタイムの測定（非特許文献１参照）が実用化され、さらにウェーハの光導電性の評価（非特許文献２参照）やマイクロ波の吸収ピークの導電率への依存性（非特許文献３参照）等の研究も報告されている。
しかしながら、ウェーハの誘電率や厚さ等の影響から、半導体ウェーハの導電率の定量評価はまだ成功していない。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｊ．  Ｓｃｈｍｉｄｔ  ａｎｄ  Ａ．  Ｇ．  Ａｂｅｒｌｅ：Ａｃｃｕｒａｔｅ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｕｌｋ  Ｍｉｎｏｒｉｔｙ−Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｌｉｆｅｔｉｍｅｓ  ｏｆ  Ｍｏｎｏ−ａｎｄ  Ｍｕｌｔｉｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｗａｆｅｒｓ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．９，ｐｐ．６１８６−６１９９，（１９９７）．
【非特許文献２】
Ｊ．  Ｒ．  Ｎｉｋｌａｓ，Ｗ．  Ｓｉｅｇｅｌ，  Ｍ．  Ｊｕｒｉｓｃｈ  ａｎｄ  Ｕ．  Ｋｒｅｔｚｅｒ：ＧａＡｓ  Ｗａｆｅｒ  Ｍａｐｐｉｎｇ  ｂｙ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ−Ｄｅｔｅｃｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｂ，  Ｖｏｌ．８０，  Ｎｏ．１−３，  ｐｐ．２０６−２０９，（２００１）．
【非特許文献３】
Ｒ．  Ｍ．  Ｌｅｗｉｓ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｐ．  Ｃａｒｉｎｉ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｃａｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｇｅｒ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｈａｌｌ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｍｉｎｉｍａ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，  Ｖｏｌ．６４，Ｎｏ．７，  ０７３３１０，  （２００１）．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、マイクロ波を用いた非接触による導電率測定システムを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、非接触導電率測定システムであって  マイクロ波を送受信するマイクロ波送受信手段と、送信したマイクロ波と受信した反射波の振幅比を測定する測定手段と、測定した振幅比から、低周波の導電率を求める導電率計算手段とを備えることを特徴とする。
また、非接触導電率測定システムであって、マイクロ波を送受信するマイクロ波送受信手段と、送信したマイクロ波と受信した反射波の振幅比と位相差を測定する測定手段と、測定した振幅比と位相差から、見掛けの導電率を求める導電率計算手段と、求めた見掛けの導電率から、低周波の導電率を求める導電率校正手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
本発明の実施形態であるマイクロ波による導電率測定システムの構成を図１に示す。測定システムは、ネットワークアナライザ（ＮＡ）１１０、コンピュータ（パソコン）１２０、導波管１３０、センサ１４０、ｘ−ｙ−ｚステージ１７０からなる。ＮＡ１１０内で生成したマイクロ波を導波管１３０、センサ１４０を経て、シリコン・ウェーハ（試料）１６０の表面に照射し、反射されたマイクロ波をセンサ１４０で受信する。ネットワークアナライザ（ＮＡ）１１０で求めた、シリコン・ウェーハ１６０の反射波に対する振幅比Ａ及び位相差θから、シリコン・ウェーハ１６０の導電率をパソコン１２０で計算することで測定する。
センサ１４０は、センサ保持器１５０とｘ−ｙ−ｚステージ１７０との相対運動により、試料１６０の位置決めを行う。コンピュータ（パソコン）１２０は、測定の計算を行うばかりではなく、本測定システム全体の制御（たとえば試料の位置決め等）も行っている。なお、上述の測定システムでは、マイクロ波の振幅比や位相差の計測にネットワークアナライザ（ＮＡ）を用いているが、それに限るものではない。
【０００９】
図２に開発した反射型マイクロ波集束センサの構成を示す。
使用したマイクロ波の反射ミラー１４１，１４２の形状は楕円体面である。光学においては、楕円体内の一方の焦点Ａに光源を設置すると、入射光は楕円体面で反射され、反射光はすべてもう一方の焦点Ｂに集まる。しかも、焦点Ａ，Ｂまでの光路長が一定であるため、位相がそろう。この原理を用いて、本発明の実施形態では、２つの反射ミラー１４１，１４２を、焦点Ｂを共有するように組み合わせて、スタンドオフ距離を大きくできるようにして、焦点Ａからのマイクロ波を焦点Ｃに収束している。
実際には、２つの楕円体面の１／４である反射ミラー１４１，１４２（図２の実線部分）を組み合わせたものとホーンアンテナ（図示せず）とを一体化して固定し、一個のセンサ１４０として用いている。
このセンサ１４０を用いることにより、従来の非集束型センサよりもマイクロ波を微小領域に集束させて照射することが可能となり、大きなスタンドオフ距離で高分解能かつ高感度に、シリコン・ウェーハを非破壊評価することができる。なお、図２では２つの楕円体面の反射ミラーを組み合わせた反射型マイクロ波集束センサの例を示したが、３つ以上の反射ミラーを同様に組み合わせてもよい。
【００１０】
＜計測原理＞
上述のようなシステムにおいて、使用するマイクロ波は、周波数３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ（波長１ｍ〜１ｍｍ）帯域の電磁波である。マイクロ波は伝達媒質を必要とせず空気中を良好に伝播するため、材料を非接触かつ非破壊で評価することが可能である。さらに、マイクロ波の応答は材料の誘電率、透磁率、導電率に依存するため、材質の変化を高感度に測定することが可能である。
本発明の測定システムではマイクロ波による反射測定法を用いている。これは、材料にマイクロ波を照射しその反射波の入射波に対する比率である反射率の振幅および位相を測定する方法である。
【００１１】
マイクロ波の角周波数をω、材料の透磁率をμ、誘電率をε、導電率をσとするとき、材料の特性インピーダンスη及び空気中の特性インピーダンスη０は次式で決定される。
【数１】
2004177274.tif 000003
ここでμ０、ε０はそれぞれ真空中の透磁率と誘電率を表す。材料表面における反射率Γｔは次式で表せる。
【数２】
2004177274.tif 000004
シリコン・ウェーハに高周波数のマイクロ波を照射させると、ウェーハ表面を透過したマイクロ波成分はシリコン・ウェーハ内部で大きく減衰する。ウェーハの導電率，厚さの項が一定の条件を満たすとき、ウェーハ底面からセンサに反射する量は無視できる程小さい。例えば、周波数１１０ＧＨｚのマイクロ波を使用すると、厚さ５００μｍ，導電率２００Ｓ／ｍのシリコン・ウェーハの底面から反射するマイクロ波の反射率は、Γｔの約１／１０４になる。従って、材料表面のΓｔだけを考えればよい。
【００１２】
シリコン・ウェーハに関する測定においては、ウェーハは全て非磁性体であり、Γｔは式（１）、（２）を式（３）に代入することで次のように表記できる。
【数３】
2004177274.tif 000005
反射率Γｔは複素数であり、その実部をａ、虚部をｂとする。式（４）の右辺においてωは定数である。そこで、式（４）の実部と虚部の式からεを消去すると、σが式（５）に示すように導出され、変数ａ、ｂの関数となる。これによりウェーハの導電率とマイクロ波の応答が一対一の関係式で導出できることになる。
【数４】
2004177274.tif 000006
【００１３】
＜具体例＞
試験片として、ｎ型、面方位＜１００＞のシリコン・ウェーハを使用した。ウェーハの寸法は直径１００ｍｍ、厚さ５２５μｍとした。また、導電率が９〜１１、５０〜１１０、１６６〜３３３Ｓ／ｍである３つのグループのウェーハを使用した。図２に示す反射型マイクロ波集束センサを用い、センサと試験片のスタンドオフ距離を３５ｍｍで一定とした。周波数は１１０ＧＨｚとし、送受信したマイクロ波の振幅比Ａ及び位相差θを測定した。測定においては導電率の温度依存性に注意し、全ての測定を室温２１℃の条件で行った。
【００１４】
送受信したマイクロ波の振幅比Ａ、位相差θを次式に代入することで、測定によるマイクロ波の反射率Γｍを求めた。
【数５】
2004177274.tif 000007
Γｍの実部ａｍ、虚部ｂｍを式（５）に代入することでマイクロ波計測によるσｍを求めた。ここにσｍは見掛けの導電率であり、その中には測定装置、センサより生じる誤差と高周波数の影響が含まれる。この誤差と影響を取り除くために校正が必要である。
【００１５】
ここで、四探針法でシリコン・ウェーハ試験片の導電率を測定し、その値をσｄとする。マイクロ波によるσｍと四探針法によるσｄを比較し、校正式を導出する。この校正式を使用することで、試験片の低周波に対する導電率σｌを、マイクロ波を用いて計測することができる。
校正式導出のために、グループごとの試験片をマイクロ波による非接触計測法と四探針法により計測した。マイクロ波による非接触計測法により得られた見掛けの導電率σｍと四探針法より得られた導電率σｄを、図３に示す。
図３の結果より、σｄを低周波に対する導電率σｌに置き換えて、次の校正式を得た。
【数６】
2004177274.tif 000008
ここで、Ｃ１＝−６３．６９，Ｃ２＝−４００．６３Ｓ／ｍである。この校正式（７）を用いることで、マイクロ波による非接触計測法により、低周波に対する導電率σｌを求めることができる。
【００１６】
図４は、校正式（７）を用いて、マイクロ波による非接触法による見掛けの導電率σｍを、低周波に対する導電率σｌに校正したものと、四探針法より得られた導電率σｄとを比較したグラフである。
図４に示すように、マイクロ波による非接触計測法と四探針法により計測した導電率σｌ，σｄは、よく一致している。
なお、計測の条件やウェーハの種類が変化した場合は、校正式のＣ１およびＣ２も変化するので、Ｃ１およびＣ２を求める必要がある。これは、２つの参照用試料を用いて、マイクロ波による非接触計測法と四探針法による計測を行うことにより、容易に求めることができる。
上述では、一次式の校正式を示したが、校正式はマイクロ波による非接触計測法と四探針法とで得られた導電率の関係であり、一次式に限定されるものではない。
このように、本測定システムを用いることにより、ウェーハ底面からの反射波が無視できる厚みのある場合、キャリヤ型を問わず、半導体のウェーハの導電率を、非接触で計測することができる。
なお、式（４）の実部と虚部の式からσを消去すると、εが下の式に示すように導出され、変数ａ，ｂの関数となる。これにより、上述と同様に、マイクロ波の応答から半導体ウェーハの誘電率も、非接触で計測することができる。
【数７】
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【００１７】
＜他の実施形態＞
図１と同様の構成の測定システムで、センサに図５に示した高分解能の同軸ケーブルセンサ１４０´を用いて、反射率の振幅、すなわち送信したマイクロ波と受信した反射波の振幅比のみを測定することでも、半導体ウェーハの導電率を測定することができる。
さて、一般にマイクロ波を用いた材料の非破壊評価において，センサには導波管が用いられている。しかしながら、導波管には、その周波数以下ではマイクロ波が通らなくなるという，周波数の下限界を表す遮断周波数が存在し，遮断周波数を使用周波数より低くするためには導波管の寸法を大きくする必要があり，それに伴い空間分解能が低下するという問題があった。これに対して，発明者が開発した同軸ケーブルセンサを使用すれば，遮断周波数が存在しなくなり，広い周波数範囲を扱うことができ，さらに空間分解能を向上させることができる。
同軸ケーブルセンサは，信号源から伝送されたマイクロ波を試験片に送信し，また試験片からの反射波を受信する。図５に同軸ケーブルセンサの断面を示す。センサは開口端を持つ、中心導体１４８と外部導体１４６からなる同軸ケーブル部と、同軸ケーブルに連結した同軸コネクタ１４５からなる。
【００１８】
＜具体例＞
具体的に、試験片として、ｎ型，直径１００ｍｍ，厚さ５２５μｍのシリコンウェーハを使用して測定を行った。使用した同軸ケーブルセンサの中心導体１４８の半径は０．１５  ｍｍ、外部導体１４６の内半径は０．４７ｍｍである。
四探針法により測定したウェーハの平均導電率は１４．７３Ｓ／ｍである。センサと試験片のスタンドオフ距離を２００μｍで一定とした。周波数は１１０ＧＨｚとし、反射率の振幅Ａを測定した。測定は、導電率の温度依存性に注意し、全ての測定を室温２５℃の条件で行った。
図６は、四探針法によるウェーハの一つの直径方向に沿った導電率の測定結果である。ウェーハの導電率は、中心部が外側に比べ若干大きい値を有していることがわかる。図７は、図６と同じ直径方向に沿ってマイクロ波により測定した結果である。走査範囲は１００ｍｍ，間隔は２ｍｍである。図７より測定したマイクロ波の応答は、図６に示したウェーハの導電率の分布と同様な分布をしていることがわかる。図６及び図７により得られた、マイクロ波の反射率の振幅Ａとシリコンウェーハの導電率の関係を図８に示す。図８より次の式を得ることができる。
【数８】
2004177274.tif 000010
ここで、Ｃ１＝−９．１８２１Ｓ／ｍｄＢ，Ｃ２＝−２６．６９６Ｓ／ｍである。
【００１９】
図９は、シリコン・ウェーハを本発明の測定システムで、走査間隔２ｍｍ、走査範囲直径１００ｍｍで走査して得られる、反射率の大きさによるマイクロ波画像である。これから、上述したような計算を行うことにより、図１０に示す、シリコン・ウェーハに対する２次元の導電率分布図とすることができる。図１０のような高精度の導電率分布図が得られることは、本測定システムの導電率の分解能が高く、精度がよいことを示している。なお、この図９，図１０は、カラーで値を色分けしてあるものであるが、ここでは、カラーを白黒で表示してある。
なお、上述の測定システムにおいて、それぞれ楕円体面の反射鏡を組み合わせた反射型集束センサや同軸ケーブルセンサを用いているが、それぞれ、ウェーハとのスタンドオフ距離を大きくできる、分解能がよい等の利点があり、それらを考慮して、使用するセンサを選択することができる。測定システムに使用するセンサは、これらのセンサに限るものではない。
また、上述の具体例において、１１０ＧＨｚの単一周波数を使用したが、他の周波数あるいは多数の周波数を使用してもよい。
【００２０】
【発明の効果】
上述した本発明の導電率測定システムを用いることにより、半導体等の導電率を、非接触で高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電率測定システムの構成例を示す図である。
【図２】導電率測定システムで用いている反射型マイクロ波集束センサの構成を示す図である。
【図３】見掛けの導電率σｍと四探針により得られた導電率σｄとの関係を示すグラフである。
【図４】校正した低周波に対する導電率とσｄと四探針により得られた導電率σｄとの関係を示すグラフである。
【図５】導電率測定システムで用いている同軸ケーブルセンサの構成を示す図である。
【図６】試験片のシリコン・ウェーハを、四探針法により測定して得られた導電率σを示すグラフである。
【図７】試験片のシリコン・ウェーハを測定システムにより測定して得られた反射率の振幅を示すグラフである。
【図８】反射率の振幅と四探針により得られた導電率σとの関係を示すグラフである。
【図９】シリコン・ウェーハの反射率の大きさによるマイクロ波画像を示す図である。
【図１０】シリコン・ウェーハの導電率分布を示す図である。
【符号の説明】
１１０            ネットワークアナライザ（ＮＡ）
１２０            コンピュータ（パソコン）
１３０            導波管
１４０，１４０´  センサ
１４１，１４２    反射鏡
１４５            コネクタ
１４６            外部導体
１４７            誘電体
１４８            中心導体
１５０            センサ保持器
１６０            試料（シリコン・ウェーハ）
１７０            ｘ−ｙ−ｚステージ
１７２            金属板
【図１】
2004177274.tif 000011
【図２】
2004177274.tif 000012
【図３】
2004177274.tif 000013
【図４】
2004177274.tif 000014
【図５】
2004177274.tif 000015
【図６】
2004177274.tif 000016
【図７】
2004177274.tif 000017
【図８】
2004177274.tif 000018
【図９】
2004177274.tif 000019
【図１０】
2004177274.tif 000020