JP4415893B2 - 半導体ウエーハの機械的強度測定装置及び機械的強度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエーハの機械的強度測定装置及び機械的強度測定方法に関するものである。

従来、半導体ウエーハの機械的強度測定方法としては、ウエーハから加工した試料片の主面に対して垂直方向に荷重を掛ける事により曲げ強度試験を行う測定方法が開示されている（特許文献１）。

一方、半導体ウエーハには製造時に様々な工程が施されるが、ウエーハが各工程を行う装置等に搬送される際に装置の内壁等に接触してウエーハ端面にワレ、カケが発生し、ウエーハの品質が劣化することがある。これを防止するために、ウエーハの端面強度を測定し、評価することが必要である。

これに対して、円形の半導体ウエーハの端面強度評価方法として、ウエーハ端面に硬質ピンを繰り返し衝突させ、衝突部にカケ、ワレが生じたときの衝突回数によりウエーハ端面の強度を評価する端面強度評価方法が提案されている（特許文献２）。

又、垂直に保持した円形の半導体ウェーハの端面に上部より重りを落下させる端面強度評価装置が開示されている（特許文献３）。

このように、円形の半導体ウエーハの端面強度を評価するために、端面に衝撃を与える評価方法が開示されている。

特開平９−２２９８３８号公報 特開平６−２０１５３３号公報 特開２０００−２４９６３７号公報

本発明は、半導体ウエーハの破壊強度を測定する半導体ウエーハの機械的強度測定装置及び機械的強度測定方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明は、半導体ウエーハの機械的強度を測定する装置であって、少なくとも、半導体ウエーハを載置する載置台と、該載置台に備えられ、半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持する支持手段と、荷重シャフトを平行移動させて先端部をウエーハ外周に押し当てて荷重する荷重手段とを具備し、半導体ウエーハを前記載置台に載置した後、前記支持手段により前記半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持しながら、前記荷重手段により前記荷重シャフトの先端部をウエーハ外周の１点に押し当て、前記半導体ウエーハの中心に向かって静圧荷重を加えるものであることを特徴とする半導体ウエーハの機械的強度測定装置を提供する（請求項１）。

このように載置台、支持手段、荷重手段を具備し、半導体ウエーハを載置台に載置した後、支持手段により半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持しながら、荷重手段により荷重シャフトの先端部をウエーハ外周の１点に押し当て、半導体ウエーハの中心に向かって静圧荷重を加える機械的強度測定装置であれば、ウエーハ端面に静的荷重を加えて、機械的強度である破壊強度を定量的に測定することができるものなので、デバイス工程のハンドリング時にワレが発生しにくい半導体ウエーハの開発に寄与することができる装置となる。

この場合、前記載置台は、半導体ウエーハを水平に載置するものであり、前記荷重手段は、前記荷重シャフトを水平方向に平行移動させるものであることが好ましい（請求項２）。
このように、載置台が半導体ウエーハを水平に載置するものであり、荷重手段が荷重シャフトを水平方向に平行移動させるものであれば、半導体ウエーハを簡単に載置でき、ウエーハ中心に向かってより正確に静圧荷重を加えることができる装置となる。

また、前記支持手段及び荷重手段は、前記支持手段により支持されるウエーハ外周の少なくとも２点と、前記荷重シャフトの先端部を押し当てるウエーハ外周の１点とが、ウエーハ中心に対して均等な角度をなすように配置されるものであることが好ましい（請求項３）。
このように、支持手段及び荷重手段が、支持手段により支持されるウエーハ外周の支持点と荷重シャフトの先端部を押し当てるウエーハ外周の１点とがウエーハ中心に対して均等な角度をなすように配置されるものであれば、半導体ウエーハにより均等に静圧荷重を加えることができ、破壊強度をより正確に測定できる装置となる。

また、前記荷重手段は、エアシリンダと圧力制御バルブとを具備し、前記エアシリンダにより前記荷重シャフトを移動させ、前記圧力制御バルブにより前記静圧荷重を制御するものであることが好ましい（請求項４）。
このように、荷重手段がエアシリンダと圧力制御バルブとを具備し、エアシリンダにより荷重シャフトを移動させ、圧力制御バルブにより静圧荷重を制御するものであれば、半導体ウエーハにより正確な値の静圧荷重をスムーズに加えることができる装置となる。

また、本発明は、半導体ウエーハの機械的強度を測定する方法であって、半導体ウエーハを載置台に載置し、該載置台に備えられた支持手段により前記半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持しながら、荷重手段により荷重シャフトを平行移動させて、該荷重シャフトの先端部を前記半導体ウエーハのウエーハ外周の１点に押し当て、前記半導体ウエーハの中心に向かって静圧荷重を加え、該静圧荷重を増加して前記半導体ウエーハが破壊されたときの静圧荷重を測定することを特徴とする半導体ウエーハの機械的強度測定方法を提供する（請求項５）。

このように、半導体ウエーハを載置台に載置し、該載置台に備えられた支持手段により半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持しながら、荷重手段により荷重シャフトを平行移動させて、該荷重シャフトの先端部を半導体ウエーハのウエーハ外周の１点に押し当て、半導体ウエーハの中心に向かって静圧荷重を加え、該静圧荷重を増加して半導体ウエーハが破壊されたときの静圧荷重を測定すれば、機械的強度である破壊強度を定量的に測定することができるので、デバイス工程のハンドリング時にワレが発生しにくい半導体ウエーハの開発に寄与することができる。

この場合、前記半導体ウエーハを前記載置台に水平に載置し、前記荷重手段により前記荷重シャフトを水平方向に平行移動させることが好ましい（請求項６）。
このように、半導体ウエーハを載置台に水平に載置し、荷重手段により荷重シャフトを水平方向に平行移動させれば、半導体ウエーハを簡単に載置でき、ウエーハ中心に向かってより正確に静圧荷重を加えることができる。

また、前記支持手段により支持されるウエーハ外周の少なくとも２点と、前記荷重シャフトの先端部を押し当てるウエーハ外周の１点とを、ウエーハ中心に対して均等な角度をなすようにすることが好ましい（請求項７）。
このように、支持手段により支持されるウエーハ外周の支持点と荷重シャフトの先端部を押し当てるウエーハ外周の１点とをウエーハ中心に対して均等な角度をなすようにすれば、半導体ウエーハにより均等に静圧荷重を加えることができ、機械的強度をより正確に測定できる。

また、エアシリンダにより前記荷重シャフトを移動させ、圧力制御バルブにより前記静圧荷重を制御することが好ましい（請求項８）。
このように、エアシリンダにより荷重シャフトを移動させ、圧力制御バルブにより静圧荷重を制御すれば、半導体ウエーハにより正確な値の静圧荷重をスムーズに加えることができる。

本発明に従い、載置台、支持手段、荷重手段を具備し、半導体ウエーハを載置台に載置した後、支持手段により前記半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持しながら、荷重手段により荷重シャフトの先端部をウエーハ外周の１点に押し当て、半導体ウエーハの中心に向かって静圧荷重を加える機械的強度測定装置であれば、ウエーハ端面に静的荷重をかけて、機械的強度である破壊強度を定量的に測定することができる装置となる。従って、デバイス工程のハンドリング時にワレが発生しにくい半導体ウエーハの開発に寄与するデータを測定することができる装置となる。

また、本発明に従い、半導体ウエーハを載置台に載置し、該載置台に備えられた支持手段により半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持しながら、荷重手段により荷重シャフトを平行移動させて、該荷重シャフトの先端部を半導体ウエーハのウエーハ外周の１点に押し当て、半導体ウエーハの中心に向かって静圧荷重を加え、該静圧荷重を増加して半導体ウエーハが破壊されたときの静圧荷重を測定すれば、機械的強度である破壊強度を定量的に測定することができる。従って、デバイス工程のハンドリング時にワレを発生しにくい半導体ウエーハの開発に寄与するデータを測定することができる。

以下、本発明について詳述する。
前述のように、円形の半導体ウエーハの端面強度を評価するために、端面に衝撃を与える評価方法が開示されているが、これらは衝撃によるワレ、カケの発生により端面の機械的強度を評価する方法である。

一方、半導体ウエーハにデバイス工程中にワレが発生することがある。本発明者らの調査によれば、この現象は、デバイス工程中に半導体ウエーハを搬送アーム等でハンドリングする際に、半導体ウエーハがデバイス工程を行う装置の側壁等に衝突してダメージが入り、次工程の熱処理工程でワレとなり顕在化するために起こるものと考えられる。このように発生するワレを防止するためには、ウエーハ強度を向上させる必要があり、そのためにはウエーハ全体の機械的強度を測定し評価する必要がある。しかし、ウエーハ端面に衝撃を与えてワレ、カケを発生させる従来の端面強度評価方法ではウエーハ全体の的確な評価ができなかった。
また、この従来の方法だと、同じ試料ウエーハにくり返し衝撃を与えるため、先の試験でウエーハにダメージを与えてしまい正確な強度を測定できないという問題もあった。
さらに、破壊強度を正確に測定するためには細かいステップで衝撃試験をくり返さなければならず、時間がかかるという問題があった。

そこで本発明者らは、ウエーハ端面に衝撃荷重を与えるのではなく、静圧荷重を加えることにより、半導体ウエーハの弾性破壊強度が測定でき、これを評価、解析することにより、デバイス工程のハンドリング時にワレが発生しにくい半導体ウエーハの開発に寄与することができることに想到した。また、半導体ウエーハの試料片ではなく最終製品と同じ状態である円形の半導体ウエーハのまま測定を行うことにより、同一直径の半導体ウエーハの破壊強度を半導体ウエーハの品種別に比較できるだけでなく、同一品種の半導体ウエーハの直径差による破壊強度差も比較できる。本発明者らは、このような静圧荷重を加える装置及び方法について鋭意検討することにより、本発明を完成させた。

以下では、本発明の実施の形態について図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明に従う機械的強度評価装置の一例を示す概略図であり、（ａ）は側面概略図、（ｂ）はその一部の平面概略図を示す。

この機械的強度測定装置１０は、半導体ウエーハ１を載置する載置台２と、載置台２に備えられ、半導体ウエーハ１をウエーハ外周の少なくとも２点Ａ、Ｂで支持する支持手段３と、荷重シャフト４を平行移動させて先端部をウエーハ外周に押し当てて荷重する荷重手段５とを具備するものである。そして、半導体ウエーハ１を載置台２に載置した後、支持手段３により半導体ウエーハ１をウエーハ外周の少なくとも２点Ａ、Ｂで支持しながら、荷重手段５により荷重シャフト４の先端部をウエーハ外周の１点Ｃに押し当て、半導体ウエーハ１の中心Ｏに向かって静圧荷重を加えるものである。

このような機械的強度測定装置であれば、ウエーハ端面に静的荷重をかけて、機械的強度である破壊強度を定量的に測定することができる。

載置台２は、半導体ウエーハ１を載置できるものであれば特に限定はされない。また、図１に示されるように載置台２が半導体ウエーハ１を水平に載置するものであり、荷重手段５が荷重シャフト４を水平方向に平行移動させるものであれば、半導体ウエーハを簡単に載置でき、ウエーハ中心に向かってより正確に静圧荷重を加えることができる装置となるので好ましい。しかし本発明はこれに限定されず、ウエーハ中心に向かって静圧荷重を加えることができれば、載置台が半導体ウエーハを例えば傾斜させて又は垂直に載置し、荷重手段が荷重シャフトを傾斜させて又は垂直に平行移動させるものであってもよい。

また、支持手段３は、半導体ウエーハ１に静圧荷重を加えたときに半導体ウエーハを支持できるものであれば特に限定はされない。形状は例えば円柱状とすることができる。また材質は例えばステンレス等の金属やこれを樹脂等でコーティングしたもの、あるいはＳｉＣ等のセラミックスとすることができる。

また、荷重シャフト４は、半導体ウエーハ１に押し当てて静圧荷重を加えることができるものであれば特に限定されない。形状は例えば角柱状で先端部をくさび型とすることができる。また材質は支持手段と同様に、例えばステンレス等の金属やこれを樹脂等でコーティングしたもの、あるいはＳｉＣ等のセラミックスとすることができる。

また、荷重手段５は、荷重シャフトにより半導体ウエーハ１に静圧荷重を加えることができるものなら特に限定されない。荷重手段５がエアシリンダ５ａと圧力制御バルブ５ｂとを具備し、エアシリンダ５ａにより荷重シャフト４を移動させ、圧力制御バルブ５ｂにより静圧荷重を制御するものであれば、簡単な構成で半導体ウエーハにより正確な値の静圧荷重をスムーズに加えることができる装置となるので好ましい。圧力制御バルブ５ｂは、例えばＡｒガスのボンベ６に接続される。

また、図１のように、支持手段３及び荷重手段５が、支持手段３により支持されるウエーハ外周の少なくとも２点Ａ、Ｂと荷重シャフト４の先端部を押し当てるウエーハ外周の１点Ｃとがウエーハ中心Ｏに対して均等な角度をなすように配置されるものであれば、半導体ウエーハにより均等に静圧荷重を加えることができ、機械的強度をより正確に測定できる装置となるので好ましい。すなわち、図１の場合は支持点がＡ、Ｂの２点であるので、この場合は点Ａ、Ｂ、Ｃがウエーハ中心Ｏに対して１２０度の均等な角度をなすように配置される。この場合、支持手段３は、異なる直径の半導体ウエーハに対しても上記のように支持点等がウエーハ中心に対して均等な角度をなすように配置できるよう、半導体ウエーハの直径に合わせて位置を調整できるものであることが好ましい。

上記では、支持手段３を２個有し、ウエーハ外周を２点支持、１点荷重する場合を例示したが、もちろん支持手段を３個あるいはそれ以上設けてもよい。この場合、全支持点と荷重点とが、ウエーハ中心に対して均等な角度をなすように配置されることが好ましい。

次に、図１の装置により、本発明に係る半導体ウエーハの機械的強度測定方法を説明する。

まず、半導体ウエーハ１を載置台２に載置する。そして、載置台２に備えられた支持手段３により半導体ウエーハ１をウエーハ外周の少なくとも２点Ａ、Ｂで支持しながら、荷重手段５の荷重シャフト４を平行移動させて、荷重シャフト４の先端部を半導体ウエーハ１のウエーハ外周の１点Ｃに押し当て、半導体ウエーハ１の中心に向かって静圧荷重を加え、該静圧荷重を増加して半導体ウエーハ１が破壊されたときの静圧荷重を測定する。このようにすれば、機械的強度である破壊強度を定量的に測定することができるので、これを評価、解析することにより、デバイス工程のハンドリング時にワレが発生しにくい半導体ウエーハの開発に寄与することができる。

載置台２に載置する半導体ウエーハ１は、例えばシリコンウエーハや化合物半導体ウエーハとすることができ、品種や直径等は特に限定されない。また、半導体ウエーハ１にオリエンテーションフラットやオリエンテーションノッチがある場合には、これらが形成されている箇所以外の点で半導体ウエーハの支持や荷重シャフトの押し当てを行うように、半導体ウエーハ１を載置台２に載置することが好ましい。

また、半導体ウエーハ１を載置台２に水平に載置し、荷重手段５の荷重シャフト４を水平方向に平行移動させれば、半導体ウエーハを簡単に載置でき、ウエーハ中心に向かってより正確に静圧荷重を加えることができるので好ましい。しかし本発明はこれに限定されず、半導体ウエーハを載置台に傾斜させて又は垂直に載置し、荷重手段の荷重シャフトを傾斜させて又は垂直に平行移動させてもよい。

また、支持手段３により支持されるウエーハ外周の少なくとも２点Ａ、Ｂと荷重シャフト４の先端部を押し当てるウエーハ外周の１点Ｃとをウエーハ中心に対して均等な角度をなすようにすれば、半導体ウエーハにより均等に静圧荷重を加えることができ、機械的強度をより正確に測定できるので好ましい。この場合、半導体ウエーハの直径に合わせて支持手段３の位置を調整することが好ましい。

また、エアシリンダ５ａにより荷重シャフト４を移動させ、圧力制御バルブ５ｂにより静圧荷重を制御すれば、簡単に半導体ウエーハにより正確な値の静圧荷重をスムーズに加えることができるので好ましい。

また、本発明の測定方法では、半導体ウエーハの試料片ではなく最終製品と同じ状態である円形の半導体ウエーハのまま測定を行うので、同一直径の半導体ウエーハの破壊強度を半導体ウエーハの品種別に比較できるだけでなく、同一品種の半導体ウエーハの直径差による破壊強度差も比較できる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１の機械的強度測定装置を用いて、本発明の測定方法により直径３００ｍｍの様々な種類のシリコンウエーハの破壊時の静圧荷重（破壊強度）を測定した。測定したシリコンウエーハのサンプルの特性を表１に示す。

図２は測定結果を示す。図中のＡｖｅ．は各サンプル毎の破壊強度の平均値を示す。このように、シリコンウエーハの種類により破壊強度が異なることが明らかとなり、ボロンを高濃度にドープしたサンプルは平均的により高い破壊強度を示した。

（実施例２）
実施例１と同様のサンプル１、３、４、５、６について、ウエーハ形状と破壊時の静圧荷重との相関関係を調査した。ウエーハ形状を示すパラメータとして、ウエーハの厚さ、反り（Ｗａｒｐ値）、エッジ（Ｘ３値）を用いた。Ｘ３値とは、図３に示すウエーハ端面の部分断面図において、矢印で示されている部分の長さである。

図４（ａ）はウエーハの厚さと破壊時の静圧荷重との相関、（ｂ）はＷａｒｐ値と破壊時の静圧荷重との相関、（ｃ）はＸ３値と破壊時の静圧荷重との相関を示すグラフである。このように、各パラメータと破壊時の静圧荷重との相関は見られず、破壊強度にウエーハの形状の影響が見られないことがわかった。

（実施例３）
実施例１と同様のサンプル１、５と、直径が２００ｍｍである以外はサンプル１、５と同様のサンプル１’、５’について、破壊時の静圧荷重を測定した。

図５は測定結果を示す。図中のＡｖｅ．は各サンプル毎の破壊強度の平均値を示す。サンプル１と１’、サンプル５と５’を比較すると、直径２００ｍｍのサンプルは直径３００ｍｍのサンプルに対して１．５〜２．０倍の高強度であった。これは、直径に比例した応力がシリコンウエーハにかかるとする応力計算の結果とほぼ近い結果であった。また、サンプル１’と５’を比較すると、シリコンウエーハの品種によっては破壊強度に顕著な差が現れなかった。これは、直径の小さいシリコンウエーハ程高強度であり品種差が現れ難くなることを示すと考えられる。

このように、本発明に係る機械的強度測定装置を用いて、本発明に係る測定方法により半導体ウエーハの機械的強度を測定することにより、同一直径の半導体ウエーハの破壊強度を半導体ウエーハの品種別に比較できるだけでなく、同一品種の半導体ウエーハの直径差による破壊強度差も比較できる。こうしてデバイス工程のハンドリング時にワレが発生しにくい半導体ウエーハの開発に寄与することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明に従う機械的強度評価装置の一例を示す概略図であり、（ａ）は側面概略図、（ｂ）はその一部の平面概略図を示す。 実施例１におけるシリコンウエーハの破壊時の静圧荷重の測定結果を示すグラフである。 ウエーハ端面の部分断面図である。 （ａ）はウエーハ厚さと破壊時の静圧荷重との相関、（ｂ）はＷａｒｐ値と破壊時の静圧荷重との相関、（ｃ）はＸ３値と破壊時の静圧荷重との相関を示すグラフである。 実施例３におけるシリコンウエーハの破壊時の静圧荷重の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１…半導体ウエーハ、 ２…載置台、 ３…支持手段、 ４…荷重シャフト、
５…荷重手段、 ５ａ…エアシリンダ、 ５ｂ…圧力制御バルブ、 ６…ボンベ、
１０…機械的強度測定装置、
Ａ、Ｂ…ウエーハが支持される点、 Ｃ…荷重シャフトの先端部を押し当てる点、
Ｏ…ウエーハ中心。

Claims (8)

1. 半導体ウエーハの機械的強度を測定する装置であって、少なくとも、半導体ウエーハを載置する載置台と、該載置台に備えられ、半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持する支持手段と、荷重シャフトを平行移動させて先端部をウエーハ外周に押し当てて荷重する荷重手段とを具備し、半導体ウエーハを前記載置台に載置した後、前記支持手段により前記半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持しながら、前記荷重手段により前記荷重シャフトの先端部をウエーハ外周の１点に押し当て、前記半導体ウエーハの中心に向かって静圧荷重を加えるものであることを特徴とする半導体ウエーハの機械的強度測定装置。
2. 前記載置台は、半導体ウエーハを水平に載置するものであり、前記荷重手段は、前記荷重シャフトを水平方向に平行移動させるものであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記支持手段及び荷重手段は、前記支持手段により支持されるウエーハ外周の少なくとも２点と、前記荷重シャフトの先端部を押し当てるウエーハ外周の１点とが、ウエーハ中心に対して均等な角度をなすように配置されるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
4. 前記荷重手段は、エアシリンダと圧力制御バルブとを具備し、前記エアシリンダにより前記荷重シャフトを移動させ、前記圧力制御バルブにより前記静圧荷重を制御するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 半導体ウエーハの機械的強度を測定する方法であって、半導体ウエーハを載置台に載置し、該載置台に備えられた支持手段により前記半導体ウエーハをウエーハ外周の少なくとも２点で支持しながら、荷重手段により荷重シャフトを平行移動させて、該荷重シャフトの先端部を前記半導体ウエーハのウエーハ外周の１点に押し当て、前記半導体ウエーハの中心に向かって静圧荷重を加え、該静圧荷重を増加して前記半導体ウエーハが破壊されたときの静圧荷重を測定することを特徴とする半導体ウエーハの機械的強度測定方法。
6. 前記半導体ウエーハを前記載置台に水平に載置し、前記荷重手段により前記荷重シャフトを水平方向に平行移動させることを特徴とする請求項５に記載の測定方法。
7. 前記支持手段により支持されるウエーハ外周の少なくとも２点と、前記荷重シャフトの先端部を押し当てるウエーハ外周の１点とを、ウエーハ中心に対して均等な角度をなすようにすることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の測定方法。
8. エアシリンダにより前記荷重シャフトを移動させ、圧力制御バルブにより前記静圧荷重を制御することを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の測定方法。

Images