B

Technical
Report半導体ウエハ向けエッジ形状および直径測定装置新型LEP−3200FEの開発

半導体ウエハ向けエッジ形状および直径測定装置新型LEP−3200FEの開発中で、その主要部材であるシリコンウエハには高度な形状制御が求められている。素子サイズに直結するウエハ表面の平坦性をはじめ、ウエハのエッジ

上記のような多種にわたる形状管理のためには、精密な測定がは、精度を併行精度（Repeatability）として定義し、10 回測定の重要である。加えて、24 時間操業のユーザにとって、メンテナンス標準偏差（σ）
で評価している。機差については、測定値の装置間による装置休止時間を低減することも重要な課題となっている。

差の許容値（Tolerance）のこととし、同機種間でも発生する個体る高精度化への要求が高まっている。

以降の節では、新型 LEP-3200FE の測定原理、装置構成・測標に新型 LEP-3200FEを開発した。現行型 LEP-2000シリーズと定システムの概要を示し、その後、それぞれの性能向上のために

新型 LEP-3200FE の SPEC 対比表を第１表に示す。
ここで本稿で行った改良点の一部を紹介する。

当社はウエハエッジ部形状の計測ニーズに対応

LEP-2000 シリーズとLEP-3200FE の SPEC 対比表

第1表
LEO 事業本部
技術部

すべく、独自の計 測 手 法を開 発し、1993 年より
エッジプロファイルモニタ（以下 LEP）として販売

ふるた（株）神戸製鋼所
技術開発本部
応用物理研究所

古田

よう へ い洋平にし や ま

西山

功兵

かわらだ

Repeatability (σ)

Measurements（株）神戸製鋼所
技術開発本部
応用物理研究所
こう へ いしてきた。
シリコンウエハの製造はもとより、半導体

LEP-2000Series

LEP-3200FE

TypeA, B

1.0

0.5

6.0

3.0μm

TypeC

2.0

1.0

6.0

3.0μm

Angle

0.1

0.05

0.60

0.30

degreeRadius(R)5.0

2.5−−μm

Thickness0.50.25

3.01.50μm

Length

2.01.0−

−μm

Angle

0.10.05−−degreeRadius(Vr)

5.0

2.5−

−μm

Diameter

3.01.0−−μm

LengthEdge

当社 LEP は高いスループットと測定精度に特徴を有するが、半導体素子のさらなる微細化進展に対し、これまで以上の性能

B-1 シリコンウエハのエッジについて

unit

LEP-3200FE

デバイス製造の上流工程にいたるまで、エッジ計測の標準機として、その品質管理に欠かせないものとなっている。
が求められてきている。
これら市場のニーズを踏まえ、性能向上に取り組み、新たに開発したLEP について紹介する。

Tolerance

LEP-2000Series

たかお

川原田 喬生差として定義している。

値機差改善、装置休止時間低減および直径測定の精度向上を目部に至るまで、細かく仕様が定められている。
このような形状制御に向け、その計測技術にもさらなB

B-2 開発の目的当社では、さまざまなエッジ形状に対する測定精度向上、測定半導体素子の高性能化がますます進展していく

Technical ReportNotch

B-3 エッジ形状の測定原理

近年の半導体素子の微細化・高集積化にともない、エッジ形ため、露光の際に大きく歩留まりに影響を与えることが分かってお状の検査はその重要性が一層増している。
シリコンウエハのエッジり、微細化の進展により一層の低減を求められている。2） ROAを

現行型 LEP のエッジ形状測定原理は、投影法をもちいた非破や SEMによる断面画像取得、光切断法などがある。
しかし、触針部には、プロセス中の搬送による欠けを防ぐための面取りと、結晶低減する方法は各社で模索されているが、数百ミクロン以下の壊検査方法を採用している。
この方法は、半導体製造に係る国際式形状測定や SEMではスループットが下がってしまううえ、破壊方位を示すためのノッチと呼ばれるV 字型の切り欠きが存在すオーダーでエッジ部を削って直径を制御する技術がある。

工業規格であるSEMI-MF-928-0305 規格を元に、当社独自に開検査となってしまうために出荷検査では使用できない。
また、一般発したものである。装置の構成については次節で説明するが、その的な光切断法では、鏡面の測定対象物の測定を苦手としており、る。第 1 図にシリコンウエハとそのエッジ部の概略図を示す。
このよ

3 つ目は、シリコンウエハのエッジ形状は、SEMI-M1-0298 規格で制定され、一定の基準に準じた形状に製造管理されてはいる

特徴は、高精度であることに加え、エッジ形状測定に対し高いスエッジ部の曲率が大きいものに対しては使用できないなどの問題ものの、実際はデバイスメーカごとに規格を持つためさまざまな形ループットが期待できることである。実際の測定結果の例を第２図がある。

膜した材料が液浸リソグラフィ時に剥がれやすくなり、パーティク状が存在しており、形状ごとに上記歩留まり悪化要因を管理しなに示す。測定結果には、エッジ部の厚さ、面取り幅、面取り深さなどルとなって飛散することでデバイス面を汚染し、歩留まりに大きくければいけないことである。

が含まれる。

うな形状の検査が重要視される主な理由は以下の 3 点である。
１つ目は、エッジ形状、特に面取り幅によっては、エッジ近傍に成以上のことから、ウエハメーカは、デバイスごとにエッジ形状の異影響を与えることである。1）
２つ目は、エッジの 幅 が 長 いほど、Roll Off Amount（以 下なるウエハについて、ROA 等の歩留まり悪化要因を管理・低減しROA）と呼ばれる、エッジ近傍領域の意図しない厚さの減少量がながら製造する必要がある。
そのためには、エッジ形状と直径値の大きくなることである。ROAは、ウエハ面の平坦度悪化要因となる管理が重要となる。

他に考えられるエッジ形状の測定原理として、触針式形状測定

第2図
第1図

シリコンウエハとそのエッジ部の概略図

平面図

上記の理由により、新型 LEP-3200FE でも現行機と同原理を踏襲する形となるが、より高性能の装置を目指すには、各測定部のブラッシュアップが必須である。

測定結果の例

エッジ部断面形状拡大図

ウエハ

フィッティングライン
ROA（Roll Off Amount）

直径側面図

5

こべるにくす OCT. 2021

No.53

縦方向に拡大ノッチ

こべるにくす OCT. 2021

No.536

Technical Report

B 半導体ウエハ向けエッジ形状および直径測定装置新型LEP−3200FEの開発

半導体ウエハ向けエッジ形状および直径測定装置新型LEP−3200FEの開発

B-4 装置構成および測定システムの概要
4.1

装置構成

搬送するための搬送ロボット部、測定システム部を内蔵する構造とモニタロードポート

測定部設置スペースの形状によって、位置を変更できる仕様となっている。

測定システム部

第４図に測定システムの概要を示す。新型 LEP-3200FE の測定システムは主に、エッジ形状測定センサ、ノッチ形状測定センサ、第4図

測定システムの概要
直径測定センサ

直径測定センサの 3 つのセンサ部によって構成されている。
ロボットによりカセットから測定部に搬送されたウエハに対して、ノッチ形状
測定センサ

まず、直径測定センサ部でセンタリング（回転ステージの中心とウエッジ形状測定センサ

エハの中心を一致させる動作）を行い、直径測定を実施する。
その後、測定レシピに従い、エッジ形状・ノッチ形状測定を実施する。
エッジ・ノッチ形状測定センサは、ともに産業用カメラ、レθ

ンズ、光源からなる。
ウエハのエッジ部に光束を照射し、ウエハ断面のエッジ部を2 次元の撮像素子上に結像することで、そのデジノッチタル画像を取得する。パソコン上で、取得した画像に対してエッジY形状処理を行い、各寸法を計測する。

装置休止時間の低減

5.4

ハ、受光部の順番で配置されている。
エッジ形状を正確に取得す

直径測定の精度向上

るためには、光軸に対するウエハ表面の平行度が重要となる。測直径センサ部は、変位センサと、ウエハを平面方向に動かす直動定原理が投影法であるため、ウエハと光軸が平行であればあるほ軸および回転軸の搬送機構からなる。変位センサは、ウエハの径方向ど、撮像される断面の射影は真の断面に近似するからである。に測定範囲を持ち、ウエハを回転させながらエッジの先端位置を検ここで、ウエハの保持機構について説明する。現行型 2000シリー

出することで測定を行う。直径測定における精度を左右する要因は、ズでは、ウエハの表面が光軸に平行になるように手動で調整された変位センサ自身の精度と、変位センサ測定範囲方向の剛性にある。

樹脂製の台（以下ウエハ受け）の上に置いて測定を実施していた。

精度向上は、高精度な変位センサの採用と、搬送機構の剛性強

しかし、シリコンをはじめとする半導体材料に対してウエハ受けは柔化により実現した。改善の結果を第８図に示す。
この図は、ウエハ

らかく、測定を重ねると摩耗し、平行度が下がってしまうことで測定円周上の端部検出位置に重畳するノイズの大きさをプロットして値が変動してしまうケースがある。
また、ウエハ受けの材質を、例えいる。左図が改善前、右図が改善後のグラフである。左図の高周ばセラミックのような摩耗しにくいものにすると、今度は検査すべき波のノイズがセンサの精度、低周波のノイズが剛性に係るものであウエハを傷つけてしまうことになる。
そこで新型 LEP-3200FEでは、るが、改善後はどちらも低減されていることがわかる。

LEP-3200FE のウエハ保持機構

X

平面図

側面図

エッジ用光源

ノッチ用光源変動を抑えることができ、メンテナンスによる装置休止時間の低減が期待できる。に説明したが、これらは光源の光軸に平行な直線上に、光源、ウエ第7図ウエハ示す。校正ウエハに対して、測定値が基準値に近づく位置となるよう、ウエハ受けの高さを自動調整できるようにすることで、測定値のエッジ形状測定ユニットの受光部と光源については、前項までなっている。制御モニタについては、専用の可動式ラックを用意し、4.2調整を可能とする構造とした。新しい保持機構の概要を第７図に

5.3

搬送ロボット体は、外部からカセットをロードアンロードするためのロードポート2 基を外装部に備え、主にロードされたカセットと測定部にウエハをウエハ受けの材質をそのままに、摩耗量によって高さの電動精密量が下がってしまうという制約がある。
それら制約の中で、レンズとLEP-3200FE の装置構成

第３図に新型 LEP-3200FE の装置構成概要を示す。本装置筐B大きさに制限があることと、点光源を遠ざけることでカメラが受ける光LEDを新たに選定することで、50％以上の輝度分布改善に成功した。
第3図Technical Report

光源部

カメラ部

ウエハ

光軸光源部

カメラ部

回転軸

ウエハ

B-5 開発の取り組みと、測定システムの変更点成功した。
第５図に現行 LEP-2000シリーズとの精度の違いを示す。新型
LEP-3200FEの測定精度が半分以下となっていることがわかる。

0.750.50

0.250.00

5.2 エッジ形状測定値機差改善
エッジ測定値機差改善のために、エッジ形状センサに搭載している光源の高品質化を行った。

エッジ形状①

エッジ形状③エッジ形状②エッジ形状

第6図

F1

らなっており、放射される光の面内における輝度分布が、エッジ画像に歪を生む要因となる。
このことが、機差につながる。

F03020α1α110α0α00-10

4 乗則のイメージを第６図に示す。LEP 光源の平行光は、点光源をレンズの焦点位置に置くことで作っており、cos4αの値を限りなく１に近づけようとすると、焦点距離を図中 F0 からF1とするように大きくとることで、入射角αを小さくすればよい。
しかしながら、装置の7

こべるにくす OCT. 2021

No.530.60.4

現行センサ 1th
現行センサ 2th
現行センサ 3th
現行センサ 4th
現行センサ 5th

0.20-0.2-0.4-0.6-0.8060120180240

測定角度位置 [deg.]

300

360

0.80.60.4

新型センサ 1th
新型センサ 2th
新型センサ 3th
新型センサ 4th
新型センサ 5th0.2
0-0.2-0.4-0.6-0.8-1060120180240300

測定角度位置（HP 基準）[deg.]360

当社が製造販売しているエッジプロファイルモニタLEP シリーズの最新機種（LEP-3200FE）の開発について紹介した。
当社独自のレンズ

面内輝度分布を悪化させる要因の一つとして、コサイン4 乗則
コサインきに、cos4αの割合で輝度が低下する現象のことである。

0.8-1

改善後

1

コサイン4 乗則のイメージ図

この光源は、大きく分けてLEDとレンズからなる平行光学系かが考えられる。
コサイン4 乗則とは、レンズへの入射角をαとしたと改善前

1

ノイズ成分の大きさ [ 任意単位 ]する影響を最小限に留めたまま分解能の向上を図り、精度向上に[LEP-3200FE / LEP-2000]

た。
カメラを更新することで、レンズ倍率を上げることなく、ボケに対直径測定精度の改善

第8図

1.00

本装置では、高精度化のために、エッジ・ノッチ形状センサの撮像素子の解像度を向上すべく、カメラを高画素のものに更新しLEP-2000シリーズとの測定精度比較

ノイズ成分の大きさ [ 任意単位 ]

第5図

-20
0.70.9輝度に与える影響[割合]-30測定原理を踏襲しつつ、センサの解像度と光学系設計の改善により、種々の性能向上をはかった。具体的には、エッジ・ノッチ形状測レンズへの入射位置[任意単位]

5.1 エッジ形状測定精度の向上

ウエハ保持機構（ウエハ受け）

定の精度向上、エッジ形状測定値機差改善、直径測定精度向上をはかるとともにメンテナンス性も両立させた。
当社 LEP シリーズは、シリコンウエハエッジ計測の標準機として多くのお客さまでご愛用いただいている。今回開発した新機種の性能への期待も非常に高い。
今後も市場やお客さまが抱える多様なニーズを踏まえて開発・製造に取り組み、半導体産業の発展に貢献していきたい。

参考文献＊1）Journal of japan Society for Abrasive Technology vol.53 No.2 2009FEB. 105-110＊2）エバラ時報 No.222（2009-1）

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