A device for identifying nanometer-order foreign objects and its materials on silicon wafers

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K20955
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 荒木 幹也 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (70344926)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): GONZALEZ・P JUAN 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (30720362)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: ナノ粒子 / 粒子径 / 材料同定 / 偏光 / 非接触

Outline of Annual Research Achievements

半導体の回路パターン高集積化は極限まで進み，現在その配線幅は10 nmオーダまで超微細化している．ウエハ上に「10 nmの異物」があれば，それはそのまま「不良品」を意味する．一方でナノサイズの物質同定は困難を極め，「いつ」「何が」付着したのかが分からない．異物の「材料」が特定できれば付着が起こった工程の特定につながり，生産効率の飛躍的向上につながる．新たな異物の付着につながるため，ウエハに触れることはできない．本研究では，半導体製造プロセスにおいて，「非接触」で異物の「サイズ」と「物質（材料）」を「同時決定」する手法の確立を目論む．
2020年度は，光学系の構築を行い，最初のデータを取得することができた．ウエハ洗浄液を模した試料中にランダム偏光を入射する．異物があれば，散乱光が放射される．これを散乱角度θに設置した計測部で取得する．散乱光に含まれる縦横の偏光成分の強度比は「偏光比ρ」と呼ばれ，「ミーの散乱理論」に基づいて「粒子径」「屈折率」「散乱角度」の関数で与えられる．異物からの散乱光の偏光比ρを実験的に計測し，その値をミーの理論解と比較することで，これらを決定できることになる．
2021年度は粒子材料の同定を推し進めた．異物の材料は多くの場合不明である．典型的な研磨粒子である「二酸化ケイ素」と装置由来のプラスチック粒子を模した「ポリスチレン」の識別から始めた．現状のままでは材料も粒径も特定できなくなる．そこで，「もう1つの波長」を用いる．波長が変わると理論解は横軸方向にシフトし，偏光比の実験値も変化する．新たに複数の交点が現れる．ただし計測対象は「同一粒子」のはずである．多数の交点の中でひとつだけ，両波長の解が一致する．こうして異物の材料と粒子径が一意に決まり，「非接触」「ナノオーダ」「材料同定」を同時に実現する．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究を遅滞させず確実に成果を創出するため「半導体デバイス洗浄液中の異物検出」にフォーカスし研究を推進してきた．単一粒子試料であれば粒子材料と粒子径の同時計測が可能であることが示され，研究の大きな山を越えた．2022年度は複数種の粒子を混合した試料における計測を目論む．

Strategy for Future Research Activity

計測法の確立と，半導体製造プロセスに特化したノウハウを得ることを最優先とする．このため，研究リソースを洗浄液中の異物検出に振り向けて研究を推進してきた．計測原理は同様であるが，石英セル中に薬液に見立てた超純水を封入し，そのなかに浮遊する異物を検出することとなる．石英セルでの光の屈折が大きな問題であったが，複雑に屈折する光路をシミュレーションすることで真の散乱角度を求めることに成功し，この問題の解決を見た．
2021年度に「二酸化ケイ素」「ポリスチレン」の材料識別と粒径計測に成功したことから，研究における最大の山を越えたと考えている．2022年度も「洗浄液中の異物検出」にフォーカスし，複数種の粒子を混合した試料における計測を目論む．これにより，科研費課題である「ナノオーダの計測レンジを持ち物質同定をも可能とする異物検出デバイス」を完成に導く．