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STRESS MEASURING METHOD AND APPARATUS THEREFOR foreign

Patent code P05A008186
File No. TDU-059
Posted date Jan 27, 2006
Application number P2004-007599
Publication number P2005-201749A
Patent number P3746287
Date of filing Jan 15, 2004
Date of publication of application Jul 28, 2005
Date of registration Dec 2, 2005
Inventor
  • (In Japanese)新津 靖
  • (In Japanese)一瀬 謙輔
  • (In Japanese)五味 健二
Applicant
  • (In Japanese)東京電機大学
Title STRESS MEASURING METHOD AND APPARATUS THEREFOR foreign
Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To precisely detect stress of a sample semiconductor wafer, as the absolute value, without rotating the sample or the overall optical system.

SOLUTION: A birefringent phase difference is generated when a laser light R is modulated by photo elastic modulation by a PEM (photo elastic modulator) 6, and is detected after passing through a first and a second 1/4 wave plates. The reference signal data thereof are stored in a signal processor. The laser light R of the polarized wave, modulated by the photo elastic modulation by the PEM 6 and passing through the 1/4 wave plates, has the birefringent phase difference, and is transmitted through the semiconductor wafer D having the residual stress. When transmitted through a test piece, the direction of the stress of the test piece is detected when the angle with respect to the linearly polarized light is 0 degrees and 90 degrees. The transmission electric signal thereof is transmitted to an analog/digital converter 16. The signal is inputted into the signal processor, where the transmission signal is generated. The signal processor reads out the stored reference signal data and the transmission signal data, and calculates the reference birefringent phase difference and the absolute value of the birefringent phase difference.

Outline of related art and contending technology (In Japanese)【背景技術】 近年、多くの商品分野で高密度化、高集積化された多機能集積回路のシステムLSI即ちナノテク超VLSI(以下単に新半導体デバイスという)の使用が増加し、その利用範囲は携帯電話などのデジタル家電の日用品から宇宙機器まで多岐に渡っている。そのため現代社会を支えるためには、新半導体デバイスはなくてはならない部品である。 その一方で、超低電力消費・超高速演算・超小型で高密度、高集積化された最近の電子デバイスの性能を制約している原因の一つとして、デバイスの製造時と使用時に生ずる回路パターンの剥離、配線の断線パッケージの破損、半導体ウエハの微小な変形などの材料力学的問題がある。このようなデバイスの製造時と使用時に生ずる材料力学的問題を克服するための評価技術の確立が望まれている。 同時に新半導体デバイスのさらなる効率的な生産、すなわち歩留まりの向上が切望され続けている。この要求を制約する一因は、新半導体デバイスの原料である単結晶ウエハの品質にある。単結晶ウエハの品質の一つは、ウエハを構成する原子における配列の完全性で評価されるが、この配列を乱す原因として現在特に問題となっていることは、ウエハの残留応力である。 ウエハからデバイスチップを製造するプロセスで700°C程度~1000°C度に昇温することが少なくない。このとき、高温のために ウエハの臨界せん断応力(σCRSS ;critical resolved shear stress)は著しく降下する。このとき、熱応力と残留応力の重畳がσCRSS を超過すれば、単結晶は結晶すべり(crystalgliding、 translation gliding)を誘起する。このような理由から、ウエハの残留応力をできるだけ低く抑える必要があることがわかる。 半導体ウエハの一般的な製造プロセスでは、シリコンSi(以降Si)ウエハの場合は、主にラッピングおよびポリッシング工程で残留応力を導入することが多い。長い筒状(円柱状)のインゴットから円盤状に多くのウエハを切り出す努力がなされているため、切りだし面を研磨する際の量は可能な限り少なく設定される。逆に、研磨量の不足は残留応力の導入および増加を招くことが知られている。 さて、半導体ウエハは、クリーンルームで製造、加工されるために、残留応力の測定方法は非接触方式であることが望ましい。そのために従来から、半導体ウエハの残留応力測定には光弾性測定法が用いられてきた。 初期の頃は、10mm程度に厚切りされた半導体ウエハの試料に当てた(透過させた)時に生じる干渉縞から試料に働く残留応力を測定していた。しかし、この場合、ウエハは厚すぎるために残留応力測定専用となり、製造ラインに戻せず、無駄となっていた。この理由から、全数検査もできなかった。 従来のレーザ光を用いる光弾性測定法は、次の2つに大別することができる。光弾性フリンジを用いる方法(フリンジ法)と光弾性フリンジを用いない方法(サブ・フリンジ法)とがある。 フリンジ法は、試料に分布する応力の全体像を大局的に把握する場合に適した方法で、直線偏光器から得られる等傾線図(主応力方向の分布図)と円偏光器から得られる等色線図(主応力差の分布図)という2つのフリンジパターンから、試料の応力分布を実験解析的に求める方法である。この方法は微小領域に分布する応力や微小な応力の測定には一般的には適さない。 このフリンジ法で半導体インゴットやウエハの応力分布を測定する方法には、次のものが挙げられる。 LederhandlerはCZ法(Czochralski technique;引上げ法の一種)で育成されたSiインゴットの残留応力分布をフリンジ法で測定し、結晶育成時の温度勾配がSiの降伏応力を超過していることを指摘している(例えば、非特許文献1参照。)。
【非特許文献1】S.R. Lederhandler, Infrared Studies of Birefringence inSilicon, J.Appl. Phys.,30-11 (1959), 16311638. フリンジ法で半導体インゴットやウエハの応力分布を測定する方法には、他にも以下のものがある(例えば、非特許文献2~6参照。)。
【非特許文献2】K.Date, Stress Measurement with High Sensitivity in Wafer UsingInfraredPhotoelasticity, Proc. of Advanced in Elec.Pack.,Vol.2 (1992), 985-989.
【非特許文献3】R.O.Denicola and R.N.Tauber,Effect of Growth Parameters the Residual Stress and Dislocation Density of Czochralski-Grown Silicon Crystal, J. Appl.Phys., 42-11 (1971), 4262-4270.
【非特許文献4】P. Dobrilla and J. S. Blakemore, Optical mapping of residual stressin Czochralski grown GaAs, Appl. Phys. Lett., 48(19) (1986), 1303-1305.
【非特許文献5】G. Qin, H. Liang, S. Zhao and H.Yin, Measurement of Stresses in Silicon Wafer with Infrared PhotoelasticMethod, Chin. J. Infrared and Millimeter Waves, 7(2) (1987), 139-144.
【非特許文献6】M.Yamada, M. Fukuzawa, N. Kimura, K. Kaminakaand M. Yokogawa, Quantitative photoelasticcharacterization of residual strain and its correlation with dislocationdensity profile in semi-insulating LEC-grown GaAswafers, Proc. 7th Conf. on Semi-insulating III-V Materials, Ixtapa, mexico, (1992), 201210. 次に、光弾性フリンジを用いない方法は、光弾性フリンジが確認できない場合に有効であり、微小領域に分布する微小な応力の測定に適している。この方法は、応力が微小であるためにフリンジの観測が不可能な場合やフリンジ間の正確な応力を測定する場合に使われる方法である。 試料に入射する前のレーザ偏光と透過した後の偏光の相違から複屈折量を求め、応力に換算する。したがって、レーザのスポット径内の平均応力を測定することとなるため、微小領域に分布する応力を測定する場合にはスポット径の小さいレーザを用いてpoint-by-pointの測定を行うこととなる。 例えば、半導体ウエハ1枚の応力分布の全体像を得たい場合には、XYステージでウエハを送り、多点の応力状態を測定し、そこから全体像を得る必要がある。 このサブ・フリンジ法で微小応力の分布を測定した方法には、次のものが挙げられる。Claytonらは、応力の測定中に試料の回転操作を必要とする Scanning birefringencemappingsystemを開発し、LEC法で育成されたGaAsウエハの残留応力を測定している(例えば、非特許文献7参照。)。
【非特許文献7】R.D. Clayton, I. C. Bassignana, D.A. Macquistan and C. J. Miner, Scanning birefringence mappingof semi-insulating GaAs wafers, Semi-insulating III-V Materials, Ixtapa, mexico, (1992), 211216 Yamadaは、応力の測定中に2つの光学素子(偏光子5および検光子10)の回転操作を必要とするComputer-controlledinfrared polariscopeを開発し、LEC法で育成されたGaAsウエハの残留応力を測定している(例えば、非特許文献8参照。)。
【非特許文献8】M.Yamada, High-sensitivitycomputer-controlled infrared polariscope, Rev.Sci. Instrum., 647 (1993),1815-1821. Liangらは、検光子10を常時回転させる方式の直線偏光器を開発し、Siウエハにおける残留応力測定の可能性まで言及している(例えば、非特許文献9参照。)。
【非特許文献9】H. Liang, S. Zhao and K. Chin, A new method of determining the stressstate in microelectronic materials, Meas. Sci Technol., 7 (1996), 102-105. 特に、Siウエハの残留応力は、前述のLiangらが光弾性測定法によって実験的に明らかにしている。Liangらは、研磨工程などで誘起される残留応力を定量的に調べ、主応力差にして数MPaの応力が残留していることを報告している。 また、現在日本やドイツではTePla AG JenaOffice (日本代理店:株式会社 アイメック) のSIRDがレーザを利用したSiウエハの残留応力測定装置として販売されている。
Field of industrial application (In Japanese)本発明は、応力測定方法とその装置に関し、詳しくは、レーザ光弾性法を利用した複屈折位相差測定方法とその装置に関する。半導体産業全般、結晶製造分野などにおける材料の物性の定量測定方法と、半導体ウエハのプロセス誘起応力測定装置、半導体レーザ素子動作時の応力測定装置、各種単結晶の完全性評価装置、高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によって分離された物質の検出装置に関する。
Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
  レーザ光を発生するレーザ光源と当該レーザ光が順番に透過する偏光子と光弾性変調器と第1の1/4波長板と第2の1/4波長板と検光子と、透過して来たレーザ光を受けて電気信号を発生するフォトディテクタと、前記電気信号を入力して検出した数値を表示する直流電圧計と、前記電気信号の交流信号成分から位相差を検出する信号処理装置と、前記位相差が入力される計算処理装置からなる応力測定装置において、 前記レーザ光の振動方向Fと前記偏光子の透過主軸方向Sとが直交するように前記偏光子を前記レーザ光の光路軸に垂直な平面上で回転し、前記フォトディテクタに届くレーザ光Rを減少させ、前記直流電圧計の値が最小Mになるようにし、 前記偏光子を第1角度目盛に合わせて+45度回転(反時計回り)させて、半分のレーザ光を以後の光路に伝達させ、フォトディテクタに届くレーザ光を増加させ、直流電圧計の表示が所定値M0(M0>M)になるようにし、 前記偏光子を固定し、前記検光子を前記光路軸に垂直な平面上で回転する事により前記直流電圧計の値が最小Mm1になるようにし、次に、前記検光子を固定し、前記偏光子を回転する事により前記直流電圧計の値が最小Mm2になるようにし、この操作を繰り返し行い、前記偏光子の主軸方向Sと前記検光子の主軸方向S2を直交させるようにして、前記フォトディテクタに届くレーザ光が減少して、前記直流電圧計の値が最小Mmn(Mm1>Mm2>…>Mmn)になるようにし、 前記光弾性変調器に電源を入れて機能させ、今度は前記光弾性変調器(主軸方向W)を前記光路軸に垂直な平面上で回転させて、前記直流電圧計の値が最小Mdになるようにし、前記偏光子の主軸方向Sと前記光弾性変調器の主軸方向Wとを一致位置に収斂させ、 前記光弾性変調器の電源を遮断して非機能とし、前記直流電圧計の前記最小値Mdに変化がないことを確認し、その後に電源を入れて機能させ、 前記光弾性変調器を透過して来たレーザ光の変調偏光波が入射される位置にある前記第1の1/4波長板を前記光路軸に垂直な平面上で回転させ、前記直流電圧計の値が最小Mdmになるように調節して、前記偏光子の主軸方向Sと前記光弾性変調器の主軸方向Wと前記第1の1/4波長板の主軸方向Hとを近似的に一致させ、 前記第1の1/4波長板を前記第2角度目盛に合わせて+45度回転させ、レーザ光が一部透過して前記直流電圧計の値が増加して最小Md1>Mdmになるように調節し、 前記第1の1/4波長板と前記検光子の間にある前記第2の1/4波長板を前記光路軸に垂直な平面上で回転させて、前記第2の/4波長板の主軸方向Jと前記第1の1/4波長板の主軸方向Hとを直交(に収斂)させるようにして、前記直流電圧計の値が減少して最小Md1m<Md1になるように調整し、 前記偏光子を前記第1角度目盛に合わせて更に+45度回転させ、前記直流電圧計の値が最小Md1mから増加してd1mになるようにし、 この状態で前記フォトディテクタで発生した基準電気信号を前記信号処理装置に入力して基準位相差を検出し、次に前記第1の1/4波長板と前記第2の1/4波長板との間に検査試料を配置して前記変調偏光波を透過させて、前記フォトディテクタで発生した透過電気信号を前記信号処理装置に入力して、透過電機信号の交流信号成分から追加分の複屈折位相差を検出し、その後前記基準位相差と前記追加分の複屈折位相差とを前記計算処理装置に入力して比較し、前記検査試料の応力を決定することを特徴とする応力測定方法。
【請求項2】
  直線偏光波で振動方向Fの赤外線のレーザ光を発生するレーザ光源と、このレーザ光が入射されてその進む光路軸に垂直な平面上で透過主軸Sの方向に振幅する直線偏光波にして出射する偏光子と、この直線偏光波が入射されて所定振動数で直線偏光から円偏光まで連続的に変化する変調偏光波として出射するとともに主軸Wを備える光弾性変調器と、この変調偏光波が入射されとともに主軸Hを備える第1の1/4波長板と、この第1の1/4波長板から出射される変調偏光波が入射されるとともに主軸Jを備える第2の1/4波長板と、この第2の1/4波長板から出射される変調偏光波が入射され透過主軸S2の方向に振幅する直線変調偏光波にして出射する検光子と、 この検光子から出射される直線変調偏光波が入射されて前記第1の1/4波長板と第2の1/4波長板の物理特性に応じた基準電気信号を発生するフォトディテクタと、前記基準電気信号が入力されて電圧値を検出し、その数値を表示する直流電圧計と、前記基準電気信号を入力してその交流信号成分から基準位相差を検出する信号処理装置と、 前記第1の1/4波長板と第2の1/4波長板との間に検査試料を配置して前記変調偏光波を透過させ、前記フォトディテクタでは当該検査試料の物理特性に応じた透過電気信号を発生し、前記透過電気信号の交流信号成分から追加分の複屈折位相差を前記信号処理装置で検出し、前記基準位相差と前記追加分の複屈折位相差とを比較して、前記検査試料の応力を決定する計算処理装置とからなる応力測定装置において、 前記光路軸に垂直な平面上で、前記偏光子を回転させる際の角度を測定する第1角度目盛と前記第1の1/4波長板を回転させる際の角度を測定する第2角度目盛とを設け、 前記レーザ光の振動方向Fと前記偏光子の透過主軸方向Sとが直交するように前記偏光子を前記レーザ光の光路軸に垂直な平面上で回転し、前記フォトディテクタに届くレーザ光Rを減少させ、前記直流電圧計の値が最小Mになるようにし、 前記偏光子を前記第1角度目盛に合わせて+45度回転(反時計回り)させて、半分のレーザ光を以後の光路に伝達させ、フォトディテクタに届くレーザ光を増加させ、直流電圧計の表示が所定値M0(M0>M)になるようにし、 前記偏光子を固定し、前記検光子を前記光路軸に垂直な平面上で回転する事により前記直流電圧計の値が最小Mm1になるようにし、次に、前記検光子を固定し、前記偏光子を回転する事により前記直流電圧計の値が最小Mm2になるようにし、この操作を繰り返し行い、前記フォトディテクタに届くレーザ光が減少して、前記直流電圧計の値が最小Mmn(Mm1>Mm2>…>Mmn)になるように、前記偏光子の主軸方向Sと前記検光子の主軸方向S2を直交させるように配置し、 前記光弾性変調器に電源を入れて機能させ、今度は前記光弾性変調器(主軸方向W)を前記光路軸に垂直な平面上で回転させて、前記直流電圧計の値が最小Mdになるようにし、前記偏光子の主軸方向Sと前記光弾性変調器の主軸方向Wとを一致位置に収斂させて配置し、 前記光弾性変調器の電源を遮断して非機能とし、前記直流電圧計の前記最小値Mdに変化がないことを確認し、その後に電源を入れて機能させ、 前記変調偏光波が入射される位置にある前記第1の1/4波長板を前記光路軸に垂直な平面上で回転させ、前記直流電圧計の値が最小Mdmになるように調節して、前記偏光子の主軸方向Sと前記光弾性変調器の主軸方向Wと前記第1の1/4波長板の主軸方向Hとを近似的に一致させ、 前記第1の1/4波長板を前記第2角度目盛に合わせて+45度回転させて配置し、レーザ光が一部透過して前記直流電圧計の値が増加して最小Md1>Mdmになるようにし、 前記第2の1/4波長板を前記光路軸に垂直な平面上で回転させて、前記第2の/4波長板の主軸方向Jと前記第1の1/4波長板の主軸方向Hとを直交(に収斂)させるように配置し、前記直流電圧計の値が減少して最小Md1m<Md1になるように調整し、 前記偏光子を前記第1角度目盛に合わせて更に+45度回転させて配置し、前記直流電圧計の値が最小Md1mから増加してd1mになるようにしたことを特徴とする応力測定装置。
Industrial division
  • Measurement
IPC(International Patent Classification)
Drawing

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15868_01SUM.gif
State of application right Right is in force
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