SMT packaging Special ReportⅠ

본 실시형태의 X선 박막 검사장치에 의하면, 높은 스루풋과 高 분해가능을 실현할 수 있고, 인라인으로 프로덕트·웨이퍼를 직접 검사할 수 있다.  X선 반사율 측정에서는, 단층막 뿐만이 아니라, 표면으로부터 수층의 각각의 층의 막 두께, 밀도, 거칠기를 동시에 도출하는 것이 가능하다. 게다가, 복수대의 X선 조사 유닛을 제 1 선회아암에 탑재할 수 있게 되어 있으므로, 복수의 다른 파장의 X선 빔을 이용했던 것보다 정밀도가 높은 다층막 해석이 실현가능하다.

발명의 상세한 설명              

본 발명은, 반도체 제조분야 등, 기판 상에 다수의 박막을 적층한 다층막구조의 소자를 제조하는 기술 분야에 적합한 X선 박막 검사장치에 관한 것이다. 반도체 등 기판 상에 다수의 박막을 적층한 다층막구조의 소자는, 성막하는 박막의 막 두께, 밀도, 결정성 등의 상태에 의해서 특성이 변화한다. 근래에 이들 소자의 미세화·집적화가 진행되어, 그 경향은 현저해지고 있다. 이 때문에, 성막한 박막상태를, 정확하게 측정할 수 있는 박막 검사장치가 요구되고 있다. 이러한 종류의 검사장치로서, 종래로부터 단면투과전자현미경(TEM)에 의한 직접 계측이나, 광간섭이나 엘립소메트리를 이용한 막 두께 검사장치나, 광음향식 장치 등이 알려져 있다. 단면투과전자현미경(TEM)에서는, 인라인 제조공정에 조립되어 리얼타임으로 검사 대상의 박막을 검사할 수가 없고, 또한 검사용으로 제조 라인으로부터 빼낸 제품은, 검사 후에 폐기되고 있는 것이 실정이었다. 또한, 광간섭이나 엘립소메트리를 이용한 막 두께 검사장치나, 광음향식 장치는 인라인에는 적합하지만, 수nm의 얇은 막의 측정에는 정밀도가 부족하다.
반도체 장치 메이커로서는, 일회용으로 쓰고 버려지는 검사용 웨이퍼(블랭킷 웨이퍼)가, 비용면에서 큰 부담이 되고 있다. 특히, 근래에는 반도체 웨이퍼의 대구경화가 진전되고 있어, 한 장의 블랭킷 웨이퍼에 드는 비용도 高가격화되어 오고 있다.

발명의 구성 및 작용               

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 X선 박막 검사장치는, 검사 대상을 윗면에 배치하는 시료대와, 상기 시료대의 윗면에 배치된 검사 대상의 화상을 인식하는 화상인식수단과, 상기 화상인식수단에 의한 검사 대상의 화상인식결과에 기초하여 제어되고, 상기 시료대를 임의의 평면상으로 직교하는 2방향, 상기 평면에 수직인 방향, 및 상기 평면의 면내회전방향으로 이동시키는 위치결정기구와, 상기 시료대의 윗면과 직교하는 가상 평면을 따라서 각각 선회하는 제 1, 제 2 선회부재를 구비한 고니오미터와, 상기 제 1 선회부재에 탑재되고, 또한 X선관 및 X선 광학소자를 유닛 본체 내에 내장하는 적어도 한 개의 X선 조사 유닛과, 상기 제 2 선회부재에 탑재된 X선 검출기를 구비한 것을 특징으로 한다. 여기서, X선 조사 유닛의 X선 광학소자는, X선관으로부터 방사된 X선을, 미리 설정한 측정 위치에 200㎛ 지름 이하의 단면에 수속(收束)하는 기능을 가지고 있는 것이 바람직하다. 또한, X선 조사 유닛은, 유닛 본체 내에서 X선관으로부터 방사된 X선을 X선 광학소자로 도입하는 궤도를 차단 또는 개방하는 셔터를 구비하고 있으며, 또한 이 셔터의 주위에 기체유로를 형성한 구성으로 할 수 있다.
X선 검출기는, X선 강도를 감쇠하게 하는 수단을 사용하지 않고 X선 검출 소자 1화소로, 예를 들면, 10,000,000 카운트마다 초 이상의 X선 강도를 측정할 수 있는 아발란쉐 포토 다이오드(APD : Avalanche Photo Diode)에 의해 구성하는 것이 바람직하다. 또한 본 발명은, 제 1 선회부재에, 복수의 X선 조사 유닛을 선회방향으로 나열하여 탑재한 구성으로 할 수도 있다.
복수의 X선 조사 유닛은, 각각 파장이 다른 X선을 발생하는 X선관을 내장하고 있는 것이 바람직하다. 또, X선의 조사에 의해 검사 대상으로부터 발생하는 형광 X선을 검출하는 형광 X선 검출기를 구비하여도 좋다. 상기 화상인식수단은, 광학 카메라와, 이 광학 카메라가 파악한 화상을 인식하는 화상인식회로를 포함한 구성으로 할 수 있다.
광학 카메라와 형광 X선 검출기는 시료대의 위쪽에 배열설치하고, 이들 광학 카메라 및 형광 X선 검출기를 선택하여, 소정의 측정위치와 대향하는 위치로 이동시키는 기기교환기구를 구비한 구성으로 할 수도 있다. 이 경우, 광학 카메라, 형광 X선 검출기 및 기기교환기구를 피복하는 커버를 설치하고, 커버에는, 광학 카메라의 시야에 대향하는 위치에 투과창을 형성하고, 또한, 커버 내부의 기체를 배기수단으로 배기하는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은, 상기 X선 검사장치가 프로덕트 웨이퍼를 검사 대상으로 하는 X선 검사장치로서, 프로덕트 웨이퍼에 형성된 반도체소자의 미소한 박막 패턴을 피측정 부위로 하여, 화상인식수단으로부터의 인식결과에 기초하여 위치결정기구를 제어하고, 상기 피측정 부위를 소정의 측정위치에 위치결정함과 동시에, 상기 피측정 부위의 박막 검사를 실행하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 여기서, 제어수단은, 또한 화상인식수단으로부터의 인식결과에 기초하여 위치결정기구를 제어하고, 피측정 부위의 길이 방향을, X선 조사 유닛으로부터의 X선 입사 방향에 맞추어 배치하는 구성으로 할 수 있다.
제어수단은, 피측정 부위의 검사 결과가, 미리 설정한 정상이라고 판단되는 범위를 일탈했을 경우, 동일 반도체소자의 동일 박막패턴의 동일 피측정 부위를 새로운 피측정 부위로 하여 재차 박막 검사를 실행하는 구성으로 해도 좋다. 또한, 제어수단은, 피측정 부위의 검사 결과가, 미리 설정한 정상이라고 판단되는 범위를 일탈했을 경우, 계속해서 상기 프로덕트 웨이퍼의 다른 반도체소자의 동일 박막 패턴중의 임의의 부위를 피측정 부위로 하여, 상기 화상인식수단으로부터의 인식결과에 기초하여 상기 위치결정기구를 제어하고, 상기 피측정 부위를 소정의 측정 위치에 위치결정함과 동시에, 상기 피측정 부위의 박막 검사를 실행하는 구성으로 할 수도 있다. 또한, 본 발명의 프로덕트 웨이퍼 박막 검사장치는, 상술한 구성의 X선 박막 검사장치와, 반도체 제조 프로세스에서 박막 형성된 반도체 웨이퍼를, 한 장씩 X선 박막 검사장치의 시료대로 반송하는 반송 로봇과, 이들 X선 박막 검사장치 및 반송 로봇을 수납하는 장치 커버를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 X선 박막 검사장치를 이용한 본 발명의 프로덕트 웨이퍼 박막 검사 방법은, 프로덕트 웨이퍼에 형성된 반도체소자의 미소한 박막 패턴을 피측정 부위로 하여, 상기 피측정 부위를 X선 박막 검사장치의 측정 위치에 위치 결정하고, 상기 피측정 부위의 박막 검사를 실행하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 본 발명의 프로덕트 웨이퍼 박막 검사 방법은, 피측정 부위의 길이 방향을, X선 조사 유닛으로부터의 X선 입사 방향에 맞추어 배치하고, 상기 피측정 부위의 박막 검사를 실행하는 것이 바람직하다.
피측정 부위의 검사 결과가, 미리 설정한 정상이라고 판단되는 범위를 일탈했을 경우에는, 동일 반도체소자의 동일 박막 패턴의 동일 피측정 부위를 새로운 피측정 부위로 하여, 재차 박막 검사를 실행하는 것이 바람직하다. 혹은, 피측정 부위의 검사 결과가, 미리 설정한 정상이라고 판단되는 범위를 일탈했을 경우에는, 계속해서 상기 프로덕트 웨이퍼의 다른 반도체 소자의 동일 박막 패턴중의 임의의 부위를 피측정 부위로 하여, 상기 화상인식수단에서 나온 인식결과에 기초하여 상기 위치결정기구를 제어하고, 상기 피측정 부위를 소정의 측정 위치에 위치결정함과 동시에, 상기 피측정 부위의 박막 검사를 실행하는 구성으로 할 수도 있다.
상술한 구성의 본 발명에 의하면, 성막제품의 제조 공정에 조립에 넣어, 제품 그 자체를 직접 검사하고, 웨이퍼를 일회용으로 쓰고 버리는 경우 없이 수nm의 얇은 막이라도 충분한 정밀도로 검사하는 것이 가능해진다.

실시예                    
본 발명은, 반도체 웨이퍼의 박막 검사에 한정되는 것이 아니고, 기판 상에 다수의 박막을 적층한 다층막구조를 가진 각종 소자 등의 박막 검사에 적용할 수 있는 것은 물론이다.

X선 박막 검사장치의 구성                  
그림 1 및 그림 2는, 본 실시형태에 관한 X선 박막 검사장치의 전체 구조를 각각 다른 시야에서 본 사시도, 그림 3은 동일 장치의 정면도이다.
X선 박막 검사장치는, 시료대(10), 위치결정기구(20), 고니오미터(30), X선 조사 유닛(40), X선 검출기(50), 형광 X선 검출기(60), CCD 카메라 등으로 이루어지는 광학 카메라(70)를 구비하고 있다. 시료대(10)는, 검사 대상이 되는 반도체 웨이퍼를 배치하는 평반으로 구성되어 있으며, 위치결정기구(20)에 의해서 지지되고 있다. 위치결정기구(20)는, 임의의 평면(수평면 등) 내의 직각 2방향(X, Y방향)으로 이동이 자유로운 수평이동기구와, 상하 방향(2방향)으로 이동이 자유로운 승강기구와, 면내회전기구를 포함하고, 시료대(10)를 X, Y, Z방향으로 이동시킴과 동시에 면내 회전시키고, 그 윗면에 배치된 반도체 웨이퍼에 있어서의 임의의 피측정부를, 후술하는 조사 X선의 수속 위치에 소정의 방향으로 위치 결정하는 기능을 가지고 있다.
고니오미터(30)는, 고니오미터 본체(31)에, 제 1, 제 2 선회아암(선회부재)(32, 33)을 탑재하고 있다. 각 선회아암(32, 33)은, 그림 3의 지면에 수직인 축(θ축)을 중심으로, 시료대의 윗면과 직교하는 가상 평면(도 3의 지면에 평행)을 따라서 서로 동일 방향 및 반대 방향으로 선회하도록 구성되어 있다. 즉, 각 선회아암(32, 33)은 θ축을 회전 중심으로 하여 가상 평면상을 선회한다. 여기서, 제 1 선회아암(32)에는, 복수대(도면에서는 3대)의 X선 조사 유닛(40)이 선회방향으로 나열되어 탑재하고 있다. 또한, 제 2 선회아암(33)에는 X선 검출기(50)가 탑재되어 있다.
한편, 제 1 선회아암(32)에 탑재하는 X선 조사 유닛(40)의 대수는, 용도에 따라 임의로 설정할 수 있다. 예를 들면, 제 1 선회아암(32)에 1대, 2대, 또는 4대 이상의 X선 조사 유닛(40)을 탑재한 구성으로 해도 좋다.

X선 조사 유닛(40)은, 그림 4, 그림 5A 혹은 그림 5C에 나타낸 바와 같이, 튜브 실드(유닛 본체)(41)내에 X선관(42)과 X선 광학소자(43)를 내장한 모듈 구성으로서 소형 경량화를 실현하고 있다. 튜브 실드(41)는, X선을 차폐하는 금속재료로 구성되어 있으며, X선관(42)을 내장하는 제 1 튜브(41a)와, X선 광학소자(43)를 내장하는 제 2 튜브(41b)로 분할되고 있다. 각 튜브(41a, 41b)는, 볼트 등의 체결 수단에 의해서 연결되어 일체화한다. 튜브 실드(41)내에는, X선관(42)으로부터 방사된 X선을 출구로 도입하는 X선 통로가 형성되어 있으며, 이 X선 통로의 중간부에 셔터(45)가 설치되어 있다. 셔터(45)는, 회전에 의해 개폐하는 구성이 되고 있다. 셔터(45)의 주위에는, 그림 6에 확대하여 나타낸 바와 같이, 유체 통로(46)가 형성되어 있고, 이 유체 유로(46)에 도시하지 않는 기체 공급원으로부터 공기, 질소, 아르곤 가스 등의 기체를 공급하여 유동시킴으로써, 셔터(45)의 표면에 NOx 등의 부생성물이 부착하는 것을 억제하고 있다. 이에 따라, 셔터(45)의 부식을 방지할 수 있다.
X선관(42)에는, 예를 들면, 타깃 상에서의 전자선 초점 사이즈가 Ø30㎛ 정도이고, 출력이 25W 정도의 미소 초점 X선관 모양의 가늘고 긴 전구를 이용할 수 있다. 타깃 재료는, 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등 필요에 따라서 선택할 수 있다. 그 밖에도, 철(Fe), 코발트(Co), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 은(Ag) 등이 사용된다. 예를 들면, 제 1 선회아암(32)에, 각각 타깃 재료가 다른 X선관(42)을 내장한 복수의 X선 조사 유닛(40)을 탑재할 수도 있다. X선 광학소자(43)로서는, X선관(42)으로부터 발생한 X선을 소정의 수속 위치에 집광시키는 콘포칼 미러를 이용하고 있다. 콘포칼 미러는, 2매 또는 4매의 다층막 미러에 의해서 구성된다. 그림 4, 그림 5A 혹은 그림 5B는 다층막 미러가 2매인 구성 예를 나타내고, 그림 7은 다층막 미러가 4매인 구성 예를 나타내고 있다. 이 콘포칼 미러는, X선관(42)에서 발생한 X선을 효율적으로 반사집광함과 동시에, X선을 단색화할 수 있다. 예를 들면, X선관(42)이 Cu 타깃 때에는 CuK, Mo 타깃일 때에는 MoKα에 X선을 단색화할 수 있다. 한편, 단색화하는 X선의 파장에 따라, 다층막 미러를 적절히 선택하여 이용하는 것이 바람직하다.



그림 8 및 그림 9를 참조하여, 2매 구성의 콘포칼 미러에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 그림 8에 나타내는 콘포칼 미러(43)는, 인공 다층막으로 형성된 방물면(放物面) 형상의 제 1 반사면(43a)을 가진 제 1 미러와, 인공 다층막으로 형성된 방물면 형상의 제 2 반사면(43b)을 가진 제 2 미러를, 그 측 가장자리 부분에서 약 90°의 각도를 가지고 서로 접합한 것으로, 이른바 사이드·바이·사이드(side-by-side)의 구조의 다층막 미러이다. 이 콘포칼 미러(43)를 사용함으로써, X선관의 X선 초점 a로부터 출사된 X선 빔(발산해 나가는 빔이다)을, XY평면 내에 있어서도, YZ평면 내에 있어서도, 평행화할 수 있다. 제일 먼저 제 1 반사면(43a)에서 반사한 X선은, 계속해서 제 2 반사면(43b)에서 반사해 나간다. 한편, 제일 먼저 제 2 반사면(43b)에서 반사한 X선은, 계속해서 제 1 반사면(43a)으로 반사해 나간다. 제 1 반사면(43a)은 XY평면 내에서 X선을 평행화하는 것이고, 제 2 반사면(43b)은 YZ평면내에서 X선을 평행화하는 것이다.
X선 초점 a로부터 발산하는 X선 빔을 방물면에서 모아 평행화하고 있으므로, 휘도가 높은 평행 빔을 얻을 수 있다. 이러한 구성의 콘포칼 미러(43)와 마이크로 포커스 X선관을 이용하면, 시료에 입사하기 직전의 입사 X선의 빔 단면 형상은, 예를 들면, 1mm×0.lmm가 된다. XY평면 및 YZ평면에 있어서의 X선 빔의 발산각은 0.03도 이하이다.

그림 9에 나타내는 콘포칼 미러(43’)는, 두 개의 반사면(43a’, 43b’)을 타원호면형상으로 하고 있다. 이렇게 하면, XY평면 내와 YZ평면 내에 있어서, X선은 시료 표면상에서 수속(收束)하는 수속 빔이 된다. 그림 9의 콘포칼 미러 쪽이 그림 8에 나타낸 콘포칼 미러보다, 발산각은 커지지만 입사 X선 강도를 확보할 수 있다. 이 콘포칼 미러(43’)와 마이크로 포커스 X선관을 이용하면, 시료에 입사하기 직전의 입사 X선의 빔 단면 형상은, 예를 들면, 0.05mm×0.05mm이 된다. 이 때, 다층막 미러의 전체를 사용한다고 가정하면, 발산각은 1도 정도로 커지지만, XY평면 내에서의 빔의 평행화를 도모하기 위해서 슬릿으로 발산각을 규제하면, 발산각을 0.05도 정도로 하여 반사율을 측정할 수 있다. X선 조사 유닛(40)을 상술한 바와 같이 구성함으로써, 타깃 상에서의 전자선 초점 사이즈가 Ø 30㎛ 정도이고, 출력이 25W 정도인 미소 초점 X선관 모양의 가늘고 긴 전구를 이용하여, Ø100㎛ 정도의 미소 초점에 107cps 이상의 강한 강도의 X선을 집광시키는 것이 가능해진다.

X선의 수속 위치는 반도체 웨이퍼의 측정 위치에 맞추어져 있으며, 이 수속 위치에, 상기 위치결정기구(20)로 반도체 웨이퍼내의 임의의 피측정 부위가 위치결정된다. 한편, 측정 위치는, 고니오미터(30)의 θ축 상에 설정되어 있다. 또한, 그림 1 혹은 그림 3에 나타낸 바와 같이, 제 1 선회아암(32)에, 복수대(도에서는 3대)의 X선 조사 유닛(40)을 선회 방향으로 나열하여 탑재하는 것으로, 제 1 선회아암(32)을 선회시킬 뿐이고, 복수대의 X선 조사 유닛(40)을 선택함과 동시에, 선택한 X선 조사 유닛(40)을 측정 위치에 대해서 임의의 각도로 고정밀도로 위치결정할 수 있다. 즉, X선을 측정 위치에 임의의 조사 각도로 고정밀도로 조사할 수 있다. 예를 들면, 본 장치에 의해 X선반사율 측정을 실시하는 경우는, 원하는 X선을 발생시키는 X선 조사 유닛(40)을 선택하고, 측정 대상인 반도체 웨이퍼에 대해 표면에 가까운 저각도로 X선을 조사하도록, 선택한 X선 조사 유닛(40)을 배치하면 좋다. 또한, 통상의 X선 회절 측정을 실시하는 경우는, 선택한 X선 조사 유닛(40)의 위치를 순서대로 이동시키고, 반도체 웨이퍼에 대한 X선의 입사각도를 적절히 변경해 나간다. 또한, 후술하는 바와 같이 알루미늄 박막을 측정 대상으로 하여 형광 X선 측정을 실시하는 경우는, 측정 대상에 대해서 저각도로 X선을 조사하도록, 선택한 X선 조사 유닛(40)을 배치하면 좋다.

본 실시형태의 X선 박막 검사장치에 의하면, 이들 X선 조사 유닛(40)의 선택과 위치결정이, 제 1 선회아암(32)을 선회 이동시키는 것만으로 고정밀도로 실시할 수 있다. 또한, 제 1 선회아암(32)에 X선 조사 유닛(40)을 탑재하는 구성에 의하면, 제 1 선회아암(32)을 선회시키는 것만으로, X선 반사율 측정에 있어서 각도 주사 측정을 실시하는 것이 가능하다. 여기서, 일본 특표2003-529047호 공보에는, 만곡결정 분광기를 이용하여 몇 차례의 반사각도를 한 번에 측정하는 예가 기재되어 있지만, 이 방법에서는 반사 X선 이외의 산란 X선이 X선 검출기에 들어가, 측정 데이터의 질을 열화시키기 때문에, 특히 얇은 막의 측정이 곤란하였다. 이에 대해서, 본 실시형태의 X선 박막 검사장치에 의하면, 각도주사측정에 의한 X선반사율 측정을 실행할 수 있으므로, X선 검출기(50)에의 산란 X선의 입사를 억제할 수 있어 고정밀의 측정 데이터를 취득하는 것이 가능하다.

X선 검출기(50)는, X선 반사율 측정(XRR)이나 X선회절 측정(XRD)에 이용하고, 형광 X선 검출기(60)는, 형광 X선 측정(XRF)에 이용한다. X선반사율 측정에 의하면, 막 표면에서의 반사 X선과, 막과 기판과의 계면에서의 반사 X선의 간섭을 측정하여 막 두께나 밀도를 유도하기 때문에, 막 두께로 옹스트롬 오더의 측정 정밀도를 얻을 수 있다. 또한, 형광 X선 측정에 의하면, 비교적 두꺼운 배선막의 측정을 고정밀도로 실시할 수 있다. 본 실시형태의 X선 박막 검사장치는, 이들 X선 반사율 측정과 형광 X선 측정에 더하여, 필요에 따라서 X선 회절 측정도 실시할 수 있도록 되어 있다.
X선 검출기(50)로서는, 입사 X선에 대한 다이내믹 레인지가 넓은 아발란쉐 포토 다이오드(APD)를 이용하는 것이 바람직하다. X선 검출기(50)로서 APD를 이용했을 경우, 검출 다이내믹 레인지가 넓기 때문에(예를 들면, 10,000,000 카운트 매초 이상의 X선 강도를 측정가능), 강도가 강한 X선이 입사했을 경우에도, 그 강도를 감쇠시키기 위한 아테네이터 등의 X선 강도를 감쇠하기 위한 수단이 불필요하여, 측정시간의 대폭적인 단축을 도모하는 것이 가능해진다. 이렇게, X선 검출기(50)로서 APD를 이용했을 경우, 감쇠기 등을 삽입하여 X선을 감쇠시켜 측정할 필요가 없기 때문에, 데이터를 취득하는 시간이 짧아져, 1차원 어레이 검출기를 이용한 검사방법과 동일한 정도의 시간으로 측정이 가능하다.



그림 10에 APD를 이용한 측정 예를 나타내었으며, X선 조사 유닛(40)의 주사 속도를, 0°~3°의 각도 범위에서 300초, 15초, 6초, 3초로 했을 경우의 각각의 측정예가 나타나 있다. 또한, 그림 11에 각각의 데이터를 이용한 해석 결과를 나타낸다. 이들 그림 10 및 그림 11로부터 3초의 측정으로도 충분한 검사를 할 수 있는 것을 알 수 있다. 여기서, X선 검출기의 계수율과, 측정시의 다이내믹 레인지에 대하여 설명한다.
그림 12는 X선 검출기에 입사하는 X선 강도(단위는 cps)와, X선 검출기의 출력인 계수율(단위는 cps)과의 관계를 모식적으로 나타낸 그래프이다. 입사 X선의 강도가 매우 커지면 계수율이 포화하게 된다. 그 포화 계수율이 측정 가능한 상한 계수율이다. 그림 12에서 상한치로 표시한 것이고, 본 예에서는, 107cps이다.
한편, 입사 X선 강도가 매우 작아지면 측정이 불가능하게 되지만, 그 하한을 결정하는 것으로서 두 가지 요인이 있다. 제 1요인은, 1점당의 측정시간이고, 제 2 요인은, X선 검출기의 노이즈 레벨이다. 먼저, 제 1 요인에 대하여 설명하면, 1점당의 측정시간이 예를 들면 10밀리 초로 매우 짧은 경우, 최저 1개의 X선 광자를 계수하기 위해서는, 1카운트÷10밀리 초=100cps의 X선 강도가 필요하게 된다. 이것보다도 X선 강도가 낮아지면, 측정시간 중에 1개의 X선 광자를 카운트하거나, 1개도 X선 광자를 카운트하지 않거나, 중의 어느 한쪽으로서, 어느 쪽의 경우나, 실제의 X선 강도가 얼마인지, 판정이 불가능하다. 따라서 X선 검출기로서는, 100cps이하의 측정 결과는 얻을 수 없게 되고, 그 의미로, 이 측정 한계를, 그림 12에 있어서 10밀리 초의 수평선으로 표시하고 있다. 이 때의 계수율의 하한치는 100cps가 된다. 마찬가지로, 1점당의 측정시간이 100밀리초일 때는, 하한 계수율은 10cps이고, 1점당의 측정시간이 1000밀리초(1초)일 때는, 하한 계수율은 1cps가 된다.
다음에, 제 2 요인에 대하여 설명한다. X선 검출기에는 고유의 노이즈 레벨이 있고, 그것보다도 낮은 입사 X선강도는, 노이즈 레벨에 가려져 검출할 수 없다. 그림 12의 그래프는, 노이즈 레벨이 약 1cps인 예이며, 이것보다도 낮은 입사 X선 강도는 검출할 수 없다. 결국, 노이즈 레벨에 상당하는 계수율과 1점당의 측정시간에 정해지는 하한 계수율 중의 큰 쪽이, 그 측정에 있어서의 하한 계수율이 된다. 그림 12의 그래프로 설명하면, 1점당의 측정시간이 1000 밀리초 이하인 경우는, 1점당의 측정시간에 의해서 정해지는 하한 계수율이, 그 측정에 있어서의 하한 계수율이 된다. 반대로, 1점당의 측정시간이 1000 밀리초를 넘으면, 노이즈 레벨 부분이 하한 계수율이 되어, 하한 계수율은 측정시간에는 의존하지 않게 된다. 그림 12의 실선의 그래프는 1점당의 측정시간이 10밀리초일 때의 계수율의 그래프이다. 이 때, 상한치는 107cps, 하한치는 100cps이며, 측정 가능한 다이내믹 레인지는 5자리수를 확보할 수 있다.

그림 13의 그래프는, 노이즈 레벨이 약 0.01cps로 매우 낮은 X선 검출기를 사용했을 경우의, 그림 12와 같은 그래프이다. 이 경우는, 1점당의 측정시간을 매우 길게 하여도, 그에 따른 하한 계수율이 노이즈 레벨을 밑도는 경우는 없다. 그림 13의 그래프의 실선은, 1점당의 측정시간이 100초 이상일 때의 계수율의 그래프이다. 1점당의 측정시간이 100초가 되면, 그에 따른 하한 계수율은 0.01cps가 되고, 거기서 겨우 노이즈 레벨과 거의 동등하게 된다. 이와 같이, 노이즈 레벨이 낮은 X선 검출기를 사용하면, 1점당의 측정시간을 길게 함으로써 하한 계수율을 매우 낮은 값까지 내릴 수 있고, 그에 따라 다이내믹 레인지를 매우 크게 할 수 있다. 그림 13의 예에서는, 상한 계수율이 107cps이고, 하한 계수율이 0.01cps이므로, 측정 가능한 다이내믹 레인지는 109가 된다.



APD는, 상한 계수율이 108cps이고, 또한, 노이즈 레벨이 0.002cps이다. 따라서 이 APD를 사용하여, 1점당의 측정시간을 짧게 하여, 반사율 측정의 소요 시간을 몇 초 정도로 단축할 수도 있고, 1점당의 측정시간을 길게 하여, 매우 큰 다이내믹 레인지로 반사율 곡선을 측정할 수도 있다. 그림 1 내지 그림 3으로 되돌아와, 시료대(10)의 위쪽에는, 기기교환기구(80)가 설치되어 있으며, 이 기기교환기구(80)에 의해 형광 X선 검출기(60)와 광학 카메라(70)를 선택하여, 입사 X선의 수속 위치(측정 위치)의 대향 위치에 배치하는 구성이 되어 있다. 이들 시료대(10)의 위쪽에 위치하는 구성요소는, 그림 14에 나타낸 바와 같이, 커버(85)에 의해 피복되어, 기기이동 교환 시에 발생할 우려가 있는 먼지가, 시료대(10)에 배치한 검사 대상 위로 낙하하는 것을 방지하고 있다. 한편, 커버(85)에는, 광학 카메라(70)의 시야를 개방하는 투과창이 바닥면에 형성되어 있다. 또한, 커버(85)내는, 도시하지 않는 배기장치에 의해서 배기되고, 이에 따라 창으로부터의 먼지 낙하도 방지된다.
광학 카메라(70)는, 초점이 입사 X선의 수속 위치(즉, 측정 위치)에 맞도록 미리 조정되어 있다. 시료대(10)상에 배치된 반도체 웨이퍼는, 이 광학 카메라(70)를 통해 후술하는 화상인식회로로 화상이 인식된다. 그리고 화상인식회로에 의한 화상 인식결과에 기초하여, 위치결정기구(20)가 구동 제어되고, 이에 따라 반도체 웨이퍼의 임의의 피측정 부위를, 정확하게 입사 X선의 수속 위치(측정 위치)에 위치 결정하는 것이 가능해진다. 여기서, 위치결정기구(20)를 승강시켜 반도체 웨이퍼의 피측정 부위를 광학 카메라(70)의 초점에 합치시키는 기구를 채용했으므로, 그 높이 방향의 위치 결정과 화상 인식을 동시에 처리할 수 있어, 동작시간의 대폭적인 단축을 도모할 수 있다.
그림 15는 본 실시형태에 관한 X선 박막 검사장치의 제어계를 나타내는 블록도이다. X선 조사 유닛(40)에 조립된 X선관(42)에의 고압 전원(47)의 공급, 및 셔터(45)의 개폐 조작은, XG 컨트롤러(101)가 실행한다. 또한, 광학 카메라(70)가 파악한 화상은, 화상인식회로(102)로 화상인식된다. 한편, 광학 카메라(70)의 초점 위치는 포커스 컨트롤러(103)에 의해서 조정되는, 기술한 바와 같이 광학 카메라(70)의 초점은, 입사 X선의 수속 위치(즉, 측정 위치)에 맞출 수 있다. 위치결정 컨트롤러(104)는, 화상인식회로(102)에 의한 화상인식결과에 기초하여 위치결정기구(20)를 구동 제어한다. 기기교환기구(80)는, 기기교환 컨트롤러(105)에 의해 구동제어되고, 고니오미터(30)는, 고니오 컨트롤러(106)에 의해서 구동 제어된다. XG 컨트롤러(101), 화상인식회로(102), 포커스 컨트롤러(103), 위치결정 컨트롤러(104), 기기교환 컨트롤러(105), 고니오 컨트롤러(106)는, 중앙처리장치(CPU)(100)로부터의 설정정보에 기초하여 각각 작동한다. 또한, X선 검출기(50)와 형광 X선 검출기(60)는, 각각 계수제어회로(107, 108)에 의해서 제어된다. 이들 각 컨트롤러, CPU, 계수제어회로가, X선 박막 검사장치의 제어수단을 구성하고 있다.

그림 16은 X선 박막 검사를 실행할 때의 제어 플로우차트이다. 시료대(10) 상에 검사 대상이 되는 반도체 웨이퍼를 배치한 후, 먼저 반도체 웨이퍼의 피측정 부위를 측정 위치에 위치결정 한다(스텝 S1). 이 위치결정은, 위치결정기구(20)의 구동제어로 실행된다. 즉, 광학 카메라(70)가 시료대(10)상의 반도체 웨이퍼를 파악하여 화상인식회로(102)로 화상인식하고, 상기 인식결과에 기초하여 위치결정 컨트롤러(104)가 위치결정 기구(20)를 구동 제어한다. 위치결정기구(20)는, 수평 2방향(X-Y방향) 및 높이 방향(Z방향)으로 이동하고, 반도체 웨이퍼의 피측정 부위를 측정 위치에 배치한다.
반도체 웨이퍼에 형성되는 반도체소자내의 미소한 박막 패턴을 피측정 부위로 하는 경우에는 미리 검사 대상인 반도체 웨이퍼에 형성된 반도체소자의 스크라이브·라인, 메모리부, 더미 패턴이나 IC 칩의 특정 부위 등 미소한 패턴을 화상인식회로(102)에 구비된 기억수단 등에 기억시켜 두고, 검사시에 검사 대상인 반도체 웨이퍼의 검사대상영역을 광학 카메라(70)로 관찰하여, 그 관찰 화상과 미리 기억시켜둔 상기 미소 패턴을 대비하여 맞추는 것으로, 피측정 부위인 미소 패턴인 것을 화상인식회로(102)가 판별한다. 그 판별 결과에 기초하여 위치결정기구(20)가 피측정 부위인 미소 패턴을 피측정 위치에 위치결정 한다.
또한, 상술한 바와 같이 반도체 웨이퍼에 형성되는 반도체소자내의 미소한 박막 패턴을 피측정 부위로 할 경우, 그 길이 방향을 X선의 입사 방향에 맞추어 배치하는 것이 바람직하다. 이 방향 맞춤은, 위치결정기구(20)에 의한 수평 2방향(X-Y방향)의 이동과 면내 회전에 의해서, 짧은 이동거리로 실현할 수 있다. 이것을 그림 17을 이용하여 설명한다.



그림 17에 나타낸 바와 같이, 수평 2방향(X-Y방향)의 이동만으로 위치 결정과 방향 맞춤을 실행하고자 했을 경우, 반도체 웨이퍼의 전체영역에 존재하는 피측정 부위를 모두 측정 위치에 맞추기 위해서는, X방향 및 Y방향의 각각 반도체 웨이퍼의 직경분 만큼 이동거리를 확보해야 한다. 이 때문에, 시료대(10)의 주변 구조가 대형화해 버린다.



본 실시형태에서는, 그림 18에 나타낸 바와 같이, 수평 2방향(X-Y방향)의 이동과 면내 회전에 의해서 위치 결정과 방향 맞춤을 실행하므로, X선 방향 또는 Y방향에의 이동은, 반도체 웨이퍼의 반경분 만큼 이동거리를 확보하면 좋고, 그 결과, 시료대(10)의 주변 구조를 소형화하는 것이 가능하다. 다음에, 반도체 웨이퍼의 기울기 보정을 실시한다(스텝 S2). 이 기울기 보정은, 그림 19에 나타낸 바와 같이, 반도체 웨이퍼를 고정한 채로, 고니오미터(30)의 제 1, 제 2 선회아암(32, 33)을 선회시켜 이루어진다. X선 조사 유닛(40)으로부터 반도체 웨이퍼에 조사되는 X선의 입사각도가 θ이면, 반도체 웨이퍼의 표면에서는 θ의 각도에 X선이 반사해 나간다. 이 반사 X선을 X선 검출기(50)로 검출한다. 이 때, 반도체 웨이퍼가 X선 조사 유닛(40)과 X선 검출기(50)에 대하여 그림 19에 나타낸 바와 같이 수평배치(기울기가 제로)이면, X선 검출기(50)에 의한 검출치는 피크치가 된다.
한편, 반도체 웨이퍼가 X선 조사 유닛(40)과 X선 검출기(50)에 관해서 수평 배치로부터 어긋나 있는(기울어 있는) 경우는, X선 검출기(50)의 검출치는 피크치는 되지 않는다. 즉, 반도체 웨이퍼를 고정한 상태로, X선 조사 유닛(40)과 X선 검출기(50)와의 위치 관계를 유지하면서 각각 선회했을 때에, X선 검출기(50)의 검출치가 피크치가 될 때의 X선 조사 유닛(40)과 X선 검출기(50)에 대한 반도체 웨이퍼의 위치가, 수평배치라고 간주할 수 있다. 즉, X선 검출기(50)의 출력이 피크치의 경우에, 반도체 웨이퍼의 표면에 대해서 X선 조사 유닛(40)과 X선 검출기(50)가 같은 각도 위치에 배치되어 있게 되고, 여기를 원점으로 하여 각각의 각도 제어를 실행하는 것이 가능해진다.
상술한 바와 같이 반도체 웨이퍼의 피측정부를 위치결정함과 동시에 기울기 보정을 실행한 후, X선 반사율 측정(XRR), X선 형광 측정(XRF), X선 회절 측정(XRD) 중의 어느 하나로 X선 검사를 실행하고(스텝 S3), 중앙처리장치가 검사 데이터를 해석하여(스텝 S4), 해석 결과를 출력한다(스텝 S5). 이상의 각 스텝은 반도체 웨이퍼에서 설정한 피측정 부위의 모두에 대하여 실행되고(스텝 S6), 모든 피측정 부위의 검사가 종료한 후에 종료한다.

반도체 제조 시스템                 
상술한 구성의 X선 검사장치를 라인상에 조립한 반도체 제조 시스템에 대하여 설명한다.



그림 20은 반도체 제조 라인의 일부 구성을 나타내는 개요도이다. 반도체 제조 라인은, 성막장치(500)에 의해서 반도체 웨이퍼의 표면에 박막을 형성하는 성막공정, 박막 상에 레지스터를 도포하는 도포공정, 회로 패턴에 맞추어 레지스터를 노광하는 노광공정, 노광처리된 반도체 웨이퍼의 현상·에칭 공정 등을 포함하고 있다.
본 실시형태의 X선 검사장치에 의한 박막 검사공정은, 성막공정의 다음에 넣어져, 성막장치(500)에 의해서 성막된 반도체 웨이퍼를 인라인에서 검사한다. 검사에 이용하는 반도체 웨이퍼는, 블랭킷 웨이퍼가 아니라, 제품이 되는 프로덕트 웨이퍼이다.
검사는, 예를 들면, 모니터용 검사와 해석용 검사로 나누어지고, 통상적으로는 모니터용 검사를 실시한다. 모니터용 검사는, 반도체 웨이퍼의 표면에 설정한 임의의 5∼13개소를 피측정 부위로 하여 실시된다. 그리고 모니터용 검사에 의해서 박막의 이상이 검출되었을 때, 50개소 정도로 피측정 부위의 수를 증가시키고 계속해서 해석용 검사를 실시하여, 상세한 박막 데이터를 얻는다.



여기서, 반도체 웨이퍼(프로덕트 웨이퍼)상에는, 그림 21에 나타낸 바와 같은 동일 구조의 복수개의 반도체소자(200)가 형성되어 있으며, 또한, 각 반도체소자(200)에는 스크라이브·라인, 메모리부, 더미 패턴이나 IC칩 등의 각종 미소 패턴이 성막공정에서 형성되고 있다. 이러한 각종 미소 패턴의 제품 정보(예를 들면, 위치, 막 두께, 밀도 등의 정보)는 미리 기억장치에 기억되고 있으며, X선 검사에 있어서의 이상 검출이나 재검사 등에 이용된다. 성막공정으로부터의 프로덕트 웨이퍼는 X선 검사장치에 의한 박막 검사를 받지만, 이 때, 검사 결과가 미리 설정한 정상이라고 판단되는 범위를 일탈했을 경우는, 동일 개소의 검사 부위(동일 반도체소자의 동일 박막 패턴의 동일 위치)를 피측정 부위로서 재차 검사함으로써 확인한다. 이 때, 통신수단에 의해서 경보를 발함으로써 반도체의 제조상태가 비정상인 것(최초의 검사가 비정상인 것)을 오퍼레이터 등에게 알려도 좋다. 혹은, 검사 결과가 미리 정상이라고 판단되는 범위를 일탈 했을 경우는, 자동적으로 통상적인 것과 다른 지정된 부위(상기 프로덕트 웨이퍼상의 다른 반도체소자의 동일 박막 패턴의 소정 위치)를 피측정 부위로 하여 화상인식수단으로부터의 인식결과에 기초하여 위치결정기구를 제어하고, 상기 피측정 부위를 소정의 측정 위치로 위치 결정함과 동시에, 상기 피측정 부위의 박막 검사를 새롭게 실행한다. 이 경우에도, 통신수단에 의해서 경보를 발함으로써 반도체의 제조상태가 비정상인 것(최초의 검사가 비정상인 것)을 오퍼레이터에게 알려도 좋다.
얻어진 검사 데이터에 기초하여, 성막장치가 비정상일 때에는 즉시 통신수단에 의해서 경보를 발하여, 사람 손에 의한 성막장치의 점검을 실시하거나, 혹은 성막장치의 동작 파라미터를 변경함으로써 정상 상태로 되돌리는 피드백 제어를 실시하도록 해도 좋다. 이것에 의해 생산수율이 좋은 반도체 웨이퍼의 제조를 실현한다. 또한, X선 검사는, 성막공정마다 반도체 웨이퍼에 형성된 반도체소자의 스크라이브·라인, 메모리부, 더미 패턴이나 IC 칩의 특정 부위 등의 미소한 패턴을 피측정 부위로서 그 성막 공정마다 실행하여, 성막을 모니터한다. 본 실시형태의 X선 박막 검사장치는, 미소 초점에 강한 강도의 X선을 조사할 수 있으므로, 협소한 면적의 소자부에 적절히 X선을 조사하는 것이 가능하고, 특정 부위의 박막의 검사가 가능하다. 상기 미소 패턴의 측정 위치에의 위치결정은, 상술한 바와 같이 광학 카메라(70)로 파악한 화상에 기초하여 위치결정기구(20)를 제어하여 이루어진다. 이 때, X선의 입사 방향으로 미소 패턴의 길이 방향을 맞추는 것이 바람직하다. 이것은 X선반사율 측정법(XRR)이 시료가 되는 웨이퍼에 대해 미소한 각도(0∼10도)로 X선을 조사하기 때문에, X선의 빔 방향으로 측정 부위가 신장하게 된다. 100㎛지름의 X선 빔을 이용해도 약 3°의 각도에서는 검사 부분의 길이는 약 2mm가 된다.
그림 21에 나타낸 바와 같이, 반도체 웨이퍼에 형성된 반도체소자(200)의 내부는, 각종 기능을 가진 박막 패턴으로 분할되어 있으며, 각각의 특성을 얻기 위해서, 다른 박막으로 형성되고 있다. 예를 들면 그림 21에서는 메모리(201), 프로세서 유닛(202), 메모리 마네이징 유닛(203), 인터페이스(204)의 각 패턴을 나타내고 있다. 이들 각각의 공정에서 관리·검사가 필요한 박막패턴의 형성 부위를 피측정 부위로 하여 그 길이방향이 X선의 미소 각도에 의한 신장 방향에 맞추어진다. 이 때문에 시료대는 180° 이상의 회전 각도가 가동일 필요가 있다. 또한, 일반적으로, 반도체소자(200)의 사이즈는 0.3∼20mm정도이지만, 각 측정 부위의 박막 패턴의 사이즈는 짧은 방향에서는 200㎛ 이하가 되기도 하므로, X선의 빔 사이즈는 200㎛이하인 것이 바람직하다.

X선 검사장치는, 그림 22에 나타낸 바와 같이, 상자형을 한 장치 커버(300)의 내부에 배열설치하고 있다. 장치 커버(300)는 X선을 차단하는 금속재료로 구성되어 있다. 장치 커버(300)의 내부는, X선 검사부와 웨이퍼 반송부로 구분되어 있으며, X선 검사실부에 X선 검사장치가 배열 설치되어 있다. 웨이퍼 반송부에는, 반도체 웨이퍼를 한 장 한 장 파지하여 X선 검사장치의 시료대(10)에 자동적으로 배치하는 반송 로봇이 설치되어 있다. 장치 커버(300)의 앞면에는, 웨이퍼 투입대(301)와 삽입구(302)가 설치되어 있으며, 성막장치(500)에 의해서 성막된 반도체 웨이퍼는, 복수매 적층된 상태로 케이스에 수납되어, 웨이퍼 투입대(301)에 배치된다. 반송 로봇은, 웨이퍼 투입대(301)에 배치된 케이스로부터 반도체 웨이퍼를 한 장씩 픽업 해 X선 검사장치의 시료대(10)로 반송한다. 또한, 반송 로봇은, 검사가 종료한 반도체 웨이퍼를, 시료대(10)로부터 픽업하여 웨이퍼 투입대(301) 상의 케이스로 되돌려준다.

발명의 효과                    

상술한 본 실시형태의 X선 박막 검사장치에 의하면, 높은 스루풋과 高 분해가능을 실현할 수 있고, 인라인으로 프로덕트·웨이퍼를 직접 검사할 수 있다. X선 반사율 측정에서는, 단층막 뿐만이 아니라, 표면으로부터 수층의 각각의 층의 막 두께, 밀도, 거칠기를 동시에 도출하는 것이 가능하다. 게다가, 복수대의 X선 조사 유닛(40)을 제 1 선회아암(32)에 탑재할 수 있게 되어 있으므로, 복수의 다른 파장의 X선 빔을 이용했던 것보다 정밀도가 높은 다층막 해석이 실현가능하다.
형광 X선 측정에서는, 패턴 인식용 CCD 카메라와 형광 X선 검출기의 위치를 이동하는 것이 가능하기 때문에, 시료 웨이퍼에 근접하여 형광 X선 검출기를 설치하는 것이 가능해졌다. 이에 따라, Cu나 Ta 외에 대기 중에서 알루미늄 막의 막 두께 측정을 할 수 있게 되었다. 알루미늄의 경우, 형광 X선이 공기에 흡수되어 미약하게 되기 때문에, 종래의 시스템에서는 측정이 어려웠다. 본 실시형태의 X선 박막 검사장치에 의하면, 고감도로 형광 X선을 파악할 수 있게 되어, 알루미늄 배선막의 막 두께 측정이 가능해졌다. 즉, 알루미늄 측정시에 검사 조건이 설정되면, 제 1 선회아암(32)이 선회하고, 알루미늄의 측정에 적절한 파장의 X선을 발생하는 X선 조사 유닛(40)을, 검사 대상인 반도체 웨이퍼에 대해서 저각도의 입사각도 위치에 배치한다. 구체적으로는, 1°~5°의 입사각도로 설정된다. 자세한 것은, 입사각도를 θ도, 반도체 웨이퍼의 피측정 부위에 있어서의 알루미늄 막의 막 두께를 t㎛로 했을 경우, sinθ=t/27의 관계식을 만족하는 입사각도로 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 입사각도를 저각도로 설정함으로써, 반도체 웨이퍼에의 입사 X선이 형광 X선 검출기(60)에 차단되지 않는 여유 공간이 생겨, 기기교환기구(80)에 내장되어 있는 상하 이동기구에 의해 형광X선 검출기(60)를 하강시켜, 다른 원소를 측정할 경우에 비해 형광 X선 검출기(60)를 반도체 웨이퍼의 표면에 근접하는 위치에 배치하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 반도체 웨이퍼의 측정면과 형광 X선 검출기(60)와의 사이의 X선 통로(X선의 입사공간)를 1∼2mm로 할 수 있어, 반도체 웨이퍼의 측정면으로부터 발생하는 형광 X선의 대부분을 공기에 흡수되기 전에 형광 X선 검출기(60)가 보충 가능하다. 한편, 입사각도를 1°로 설정했을 경우는, 상기 X선 통로는 1mm로 설정할 수 있다. 이상과 같이, 제 1 선회아암(32)에 의해 알루미늄의 측정에 적절한 파장의 X선을 발생하는 X선 조사 유닛(40)을, 검사 대상인 반도체 웨이퍼에 대해서 저각도의 입사각도 위치에 배치함으로써, 기기교환기구(80)에 내장되어 있는 상하 이동기구에 의해 형광 X선 검출기(60)를 하강시켜, 다른 원소를 측정할 경우에 비해서 형광 X선 검출기(60)를 반도체 웨이퍼의 표면에 근접하는 위치에 배치함으로써, 알루미늄 막으로부터 발생하는 형광 X선이 형광 X선 검출기(60)에 도달할 때까지의 강도 감쇠를 억제할 수 있었으므로, 대기 중에서의 알루미늄의 측정이 가능해진다.
또한, 검사 대상의 미소 영역을 미소 피치로 측정할 수 있으므로, 막 두께의 면내분포를 高분해능으로 측정하는 것이 가능하다. 웨이퍼 에지부의 측정에도 사용할 수 있으므로, 막 두께 모니터로서 뿐만이 아니라, 성막 프로세스를 새롭게 시작할 때도 높은 스루풋, 높은 분해능 측정의 위력이 발휘된다.