JP2000074648A - 基板の表面評価装置 - Google Patents

基板の表面評価装置

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JP2000074648A
JP2000074648A JP10259248A JP25924898A JP2000074648A JP 2000074648 A JP2000074648 A JP 2000074648A JP 10259248 A JP10259248 A JP 10259248A JP 25924898 A JP25924898 A JP 25924898A JP 2000074648 A JP2000074648 A JP 2000074648A
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semiconductor substrate
reflecting mirror
detector
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Hiroshi Yamaguchi
博 山口
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Toshiba Ceramics Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 装置の大規模とすることなくかつ煩雑な操作
や長時間の測定を必要とせずに、基板の表面粗さや表面
構造に関する詳細な評価ができるようにした、基板表面
評価装置を提供する。 【解決手段】 基板1の表面に照射される入射光線Ii
により発生する散乱光線Isを集光し、集光した散乱光
線Isから基板1の表面を評価する基板表面評価装置に
おいて、散乱角度の高い散乱光線を集光する楕円体反射
鏡2と、散乱角度の低い散乱光線を集光する光学レンズ
3を備え、楕円体反射鏡2の焦点位置は入射光線Iiの
基板1に対する照射位置と一致し、楕円体反射鏡2の他
方の焦点位置の近傍に楕円体反射鏡と光学レンズにより
集光された散乱光線Isを検出する二次元検出器5を備
える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板などの
基板の表面の粗さや表面構造を評価するための基板の表
面評価装置に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコン結晶基板などの半導体基板材料
は、LSIなどの半導体素子の製造に用いられ、この半
導体基板材料の表面粗さや表面構造は、そこに形成され
る半導体素子の性能や歩留まりに大きな影響を与えるこ
とが知られている。近年、半導体素子の集積度が進むに
つれて益々素子の微細化が進行し、半導体基板材料の表
面の平坦性に対する要求が厳しくなっている。
【0003】半導体基板材料には、一般に単結晶材料が
用いられ、その表面は1〜2原子の精度で凹凸の制御が
必要であり、そのため通常機械的な精密研磨を施し鏡面
加工が成されている。この機械研磨された半導体基板材
料は、半導体素子を形成するための基板となるもので、
通常はさらに熱処理や表面洗浄などの化学処理あるいは
エピタキシャル成長による高品質二次単結晶の成長が行
われる。このような各種処理後半導体基板の表面は単結
晶に特有の構造を示す。例えば、(111)方向の結晶
面を有するシリコン基板では、結晶軸のわずかなずれに
より、熱処理などによって3角形状のステップと呼ばれ
る周期構造を表面に形成する。このステップ構造は、段
差が1〜2原子、幅が数10〜数100nmと微細であ
るため、通常の手段では観測できず、原子間力顕微鏡や
光散乱法などの限られた手段や手法により観測される。
これらの手段、手法の中で光散乱法は最も汎用的なもの
であり、大面積の半導体基板材料の表面を迅速かつ非破
壊で評価できるという特徴を有しており、半導体基板表
面の標準的な評価方法として広く採用されている。
【0004】この光散乱法は、レーザ光などの光線を半
導体基板に照射し、基板表面から散乱される散乱光を検
出することにより、基板表面の粗さや表面構造の評価を
行うものである。以下、図5(a),(b)、図6と共
に光散乱法の動作を説明する。入射光線としてレーザ光
などの光線Iiが半導体基板1の滑らかな表面に入射角
θiで照射されると、反射光線Irが反射角θr、方位
角φrの方向に発生する。このときθi=θr,φr=
0度である。更に、基板表面からは反射光線Irと共に
散乱光線Isが発生する。この散乱光線Isは、照射さ
れるレーザ光線の波長よりも高さが遥かに低い基板表面
上のわずかな凹凸によって生成され、原子単位での高さ
の差によっても生成される。散乱光線Isは散乱角θs
の方向に発生するが、その方向は回析効果により凹凸の
幅dと方向に依存し、 d=nλ/|sinθs・cosφs−sinθi| の関係が成立する。ここで、d:凹凸の幅、n:半導体
基板1の反射率、λ:入射光線Iiの波長、θs:散乱
角、θi:入射角である。
【0005】上記式から理解されるように、凹凸の幅d
が狭いほど散乱角θsが大きくなる。また、散乱光線I
sの方位角φsは一般にφs≠0度であり、ステップな
どの特定の方向に対して周期性を有する材料では方位角
φsによって散乱光線Isの強度に違いを生じる。従っ
て、散乱角θsと方位角φsから散乱光の強度分布を把
握することにより、半導体基板材料の表面の粗さや表面
構造について把握することができる。
【0006】かかる光散乱法を用いた従来の光散乱評価
装置を図7、図8に示す。図7 は全方位検出方式による
装置であり、半導体基板1の表面より発生した散乱光線
Isは凹面反射鏡13により集光され、一点に集めて検
出される。凹面反射鏡13は広い領域の散乱光線Isを
集光するので、全ての散乱光線の強度を測定できる。従
って、この全方位検出法によれば、半導体基板のパーテ
ィクルや欠陥などを検出する迅速な評価方法として有効
である。
【0007】図8に示した光散乱評価装置は、レーザ光
線Ilを反射ミラー14で反射させ、これを入射光線Ii
として半導体基板1に照射し、半導体基板1から所定距
離離間した位置に回転可能に配設された検出器15によ
り半導体基板1より発生した散乱光線Isを検出するも
のである。検出器15は散乱角θsの方向と方位角φs
の方向に回転し、散乱角θsと方位角φsによって定ま
る散乱光Isの強度分布を精密に測定できる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】かかる従来の装置にお
いて、図7に示す全方位検出方式による装置では、散乱
角と方位角に関する情報をまったく得ることができず、
基板の表面構造の詳細な評価が困難であるという技術的
課題があった。
【0009】また、図8に示す検出器を回転させる装置
にあっては、基板の表面構造の詳細な情報を得ることは
できるが、装置の構造が大規模となり、しかも測定に際
しての操作が煩雑で測定には長時間を要するため、実用
上あるいは工業的に利用することが困難であるという技
術的課題があった。
【0010】本発明は、上記技術的課題を解決するため
に鑑み成されたものであり、装置を大規模とすることな
く、かつ煩雑な操作や長時間の測定を必要とせずに、半
導体基板の表面の粗さや表面構造に関する詳細な評価が
できるようにした、基板の表面評価装置を提供すること
を目的とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる基板の表
面評価装置は、基板の表面に照射される入射光線により
発生する散乱光線を集光し、集光した散乱光線から前記
基板の表面を評価する基板の表面評価装置において、散
乱角度の高い散乱光線を集光する楕円体反射鏡と、散乱
角度の低い散乱光線を集光する光学レンズとを備えたこ
とを特徴とする。ここで、前記楕円体反射鏡の焦点位置
は、前記入射光線の基板に対する照射位置と一致してい
ることが望ましく、前記楕円体反射鏡の他方の焦点位置
の近傍に前記楕円体反射鏡と光学レンズにより集光され
た散乱光線を検出する検出器を備えることが望ましい。
【0012】また、前記検出器は、散乱光線を二次元的
に検出する二次元検出器であることが望ましく、また前
記光学レンズは凸レンズであり、前記楕円体反射鏡の他
方の焦点位置と前記凸レンズの焦点位置とは略一致して
いることが望ましく、更に、前記楕円体反射鏡の他方の
焦点位置と前記凸レンズの焦点位置に絞りを備えている
ことが望ましい。
【0013】本発明は上記構成により、光散乱の二次元
分布が散乱角の全範囲にわたって迅速に測定することが
できるため、基板の表面構造の詳細な評価を行うことが
できる。また、本発明にかかる装置は、複雑な操作を行
うことがなく操作が容易であり、検出器の回転機構など
の複雑な構成を必要としないので、小型化が可能とな
る。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図1乃至図4に基づいて説明する。図1は本発明の実施
形態にかかる装置を示し、図中符号1は、半導体基板材
料、2は半導体基板材料1から発生した散乱光線Isを
反射して集光する楕円形状の楕円体反射鏡、3は散乱光
線Isを集光する光学レンズとしての凸レンズ、4は散
乱光線Isの絞り、5は散乱光線Isの強度を二次元的
に検出する二次元検出器、6はレーザ光線発生装置(図
示せず)よりのレーザ光線Ilを反射させて入射光線I
iを半導体基板材料1に照射すると共に、反射光線Ir
を反射させて入射光線Iiと反射光線Irの光路を変更
させるための反射ミラー、7は反射光線Irの強度を検
出する検出器、8は楕円体反射鏡2の周縁部より凸レン
ズ3を吊下し、該凸レンズ3を楕円体反射鏡2の2つの
焦点を結ぶ中心線を光軸として半導体基板材料1の上方
に配置せしめるための鋼などよりなる連結棒や連結線よ
り構成される連結部材である。
【0015】なお、楕円体反射鏡2の反射面は精密に楕
円面を形成する必要があり、また、半導体基板材料1の
入射光線照射位置は楕円体反射鏡2の焦点位置に正確に
一致する必要がある。このため、図示しない半導体基板
材料1を上下に微動せしめる機構と、レーザ光Ilの軸
を調整する機構と、凸レンズ3などの光学系の位置を調
整する機構を備えている。
【0016】以上の構成において、動作を説明する。レ
ーザ光線Ilは反射ミラー6により反射され、その反射
光線が入射光線Iiとして半導体基板材料1に垂直また
は所定角度を持って照射されると、前述の如く反射光線
Irが入射角と同一角度で発生すると共に、半導体基板
材料1の構造に応じて様々な方向に散乱光線Isが発生
する。この散乱光線Isの一部は、半導体基板材料1表
面の入射光線Iiが照射される位置を焦点とする楕円体
反射鏡2により反射される。楕円体反射鏡2によって反
射される散乱光線Isは、楕円体反射鏡2の他方の焦点
に集光する。なお、楕円体反射鏡2は半導体基板材料1
の表面と略同一面上にまで配置することにより散乱角度
が90度に近い散乱光線Isももれなく集光する。
【0017】また、楕円体反射鏡2で集光できないよう
な散乱角度の低い散乱光線Isは、半導体基板材料1の
上方に配置された凸レンズ3により集光される。この凸
レンズ3の焦点距離と楕円体反射鏡2の焦点からの距離
を適当に選択することにより、凸レンズ3から出射され
る散乱光線Isは楕円体反射鏡2からの散乱光線と同様
に、楕円体反射鏡2の他方の焦点に集光させることがで
きる。この集光点には絞り4が設けられており、これに
より迷光を除去すると共に、光軸合わせと集光位置の調
整を容易にしている。絞り4の上方でかつ楕円体反射鏡
2の他方の焦点と凸レンズ3の焦点の近傍には二次元検
出器5が設置され、散乱光線Isの強度を二次元的すな
わち平面的に検出し測定する。
【0018】この二次元検出器5は、散乱光線Isの強
度が微弱であるので、増幅率の高い高感度のものが用い
られる。例えば、二次元検出器5としては、インテンシ
ファイヤ付きCCDあるいはマイクロチャンネルプレー
トなどが適当である。また、二次元分解能は、レーザ光
Ilの直径が十分に小さいものであれば、検出器の素子
数にもよるが、所望の半導体基板の表面構造解析に必要
かつ十分なものを適用する。レーザ光は数μm程度に絞
り込むことは容易であるのに対して、二次元検出器5の
1個当たりの素子の大きさは数μmであり、したがって
二次元分解能は二次元検出器5の分解能に依存すること
になる。
【0019】また、半導体基板材料1から発生した反射
光線Irは反射ミラー6で反射され、検出器7により反
射光線Irの強度を測定する。これにより、レーザ光線
Ilの強度の変動と半導体基板材料1に特有な反射率の
補正を行う。なお、目的や仕様に応じて、半導体基板材
料1の測定位置を選択したり、基板材料1の表面を走査
してイメージングを可能にするためのX−Y駆動機構や
回転機構を設けるようにしてもよい。また、装置全体は
ケースに収納にし、外部光線を完全に遮蔽しておくよう
にする。
【0020】次に、かかる装置を用いて散乱光線Isの
二次元分布を測定するための手法について説明する。ま
ず、レーザ光線Ilと半導体基板材料1の高さ調整と、
絞り4と二次元検出器5の位置および凸レンズ3や楕円
体反射鏡2の位置と平行度の調整を行う。この調整によ
り、全散乱光線Isの強度が最も強くなるように設定す
る。このとき、絞り4は位置合わせを容易にするという
効果を有する。また、レーザ光線Ilの軸合わせと、絞
り4と、二次元検出器5の位置および凸レンズ3や楕円
体反射鏡2の位置合わせは半導体基板材料1の測定にお
いて最初に設定しておけば良く、測定の都度行う必要は
ない。なお、凸レンズ3は前述のように楕円体反射鏡2
の周縁部より連結部材8により吊下されているが、3点
支持法を用いれば3本の連結部材の内、2本の長さを調
節することにより、凸レンズ3の中心位置と楕円体反射
鏡2の中心軸との軸合わせが可能となる。また、半導体
基板材料1の高さ調整は、同一系列のもの以外はその都
度行う必要があり、高さ微動調整機構で調整する。
【0021】以上のような設定を行った後、実際の測定
を行う。散乱光線Isは散乱角度が高角度のものは楕円
体反射鏡2により反射され、集光されて絞り4を通過し
て二次元検出器5に到達する。ここで、絞り4のスリッ
ト穴は楕円体反射鏡2の中心軸に位置し、散乱光線Is
は絞り4の絞り面で焦点を結び、再度広がって二次元検
出器5に到達する。二次元検出器5の検出面上におい
て、散乱光線Isは散乱方向(θ、φ)すなわち散乱角
θsの角度方向と方位角φsの角度方向に応じてリング
状に広がる。任意の散乱方向に散乱した散乱光線Is
は、二次元検出器5の所定の位置に到達するので、これ
を二次元検出器5で検出することにより、(θ、φ)方
向に散乱した散乱光線Isの強度が測定できる。また、
前述のように、レーザ光線Ilの強度の変動と半導体基
板材料1に特有な反射率の補正を行うために、検出器7
により反射光線Irの強度も測定する。
【0022】一方、散乱光線Isの中で、散乱角度が低
角度のものは凸レンズ3により集光され、楕円体反射鏡
2によるものと同様に絞り4を通過して二次元検出器5
に到達し、任意の方向に散乱した散乱光線Isの強度を
測定する。この凸レンズ3で集光された散乱光線Is
は、楕円体反射鏡2による散乱光線Isの内側に位置し
ており、両散乱光線Isが重複することはない。従っ
て、二次元検出器5の検出面に到達する散乱光線Isの
位置は、図2に示す如く楕円体反射鏡2により散乱され
た散乱光線Isに対しては外側から内側に向かって散乱
角θsが大きくなり、凸レンズ3により散乱された散乱
光線Isに対しては中心から外側に向かって散乱角θs
が大きくなる。よって、散乱光線Isの全方位にわたっ
てその強度分布の測定が可能となる。そして、二次元検
出器5における検出位置と散乱方向(θ、φ)との関係
について幾何学的に相関付けができるので、データ解析
処理を行うことにより散乱光線Isの強度分布を求める
ことができる。
【0023】図3は本発明の他の実施形態にかかる装置
を示し、図中符号9は二次元検出器5を収納すると共に
下方に絞り4を取付ける検出器ケース、10は検出器ケ
ース9を上下動可能に支持する支持部材であって、検出
器ケース9に設けられたねじ部と螺合するねじ部が形成
され、支持部材10を回転させることにより、検出器ケ
ース9を上下動可能に支持している。また、11は半導
体基板材料1を載置すると共に、高さ調整のための微調
整機構を備えた基板積載台、12は装置全体を収納する
ケースである。なお、他の構成は図1と同様である。
【0024】以下、かかる装置による具体的測定例につ
いて説明する。なお、半導体基板材料1としてシリコン
単結晶基板を用いた。楕円体反射鏡2は、反射面が長軸
の長さが240mmで単軸の長さが140mmの楕円体
の一部を成すもので、底部は焦点の位置から10mm上
方に位置し、上部は中心線より20mm上方に位置して
半導体基板材料1の表面と平行する面で切り離した構造
となっている。この楕円体反射鏡2の上方周縁部の3分
割点を任意に設定し、各点より連結部材8としてピアノ
線を用いて凸レンズ3を吊下する。凸レンズ3は直径6
0mmφのものを2枚組み合わせ、合成された焦点距離
が40mmとなるように調整されている。凸レンズ3の
下部レンズから半導体基板材料1の表面(すなわち楕円
体反射鏡2の焦点位置)までの距離は50mmに設定す
る。なお、凸レンズ3の高さと平行度はピアノ線の長さ
を変更することにより調整する。
【0025】二次元検出器5にはマルチアノードタイプ
のマイクロチャンネルプレート(MCP)を用い、その
受光面の有効径は50mmφで、受光面が絞り4の位置
(すなわち楕円体反射鏡2の他方の焦点面)から30m
m後方となるように設定する。また、二次元検出器5の
アノードは約1mm径で、受光面全体で総数約2000
個あり、位置分解能は約1mmである。絞り4は黒化処
理を施した金属板により構成され、開口部(スリット)
の大きさは1mmに設定されている。また、二次元検出
器5と絞り4が収納および取り付けられた検出器ケース
9を、前記支持部材を回転させることにより、光学軸調
整に際して微動させる。検出器ケース9の下部には入射
レーザ光線Ilと反射光線Irの光路を変更させるため
の反射鏡6を取付ける。この反射鏡6の位置はできるだ
け光学軸に近くかつ散乱光線Isの光路を妨げない位置
に設定し、入射光線Iiの入射角θiを5度とする。
【0026】反射光線Irは入射角θiと同角度の反射
角θrで発生し、反射鏡6で光路が変更され、フィルタ
で減光した後、検出器6としてのフォトダイオードで検
出する。なお、レーザ光線Ilとして波長670nmの
半導体レーザを用い、その出力は20mWで、スポット
は半導体基板材料1の面上で約100μmとなるように
凸レンズ3で調整される。半導体基板材料1は基板積載
台11に載置され、その高さが微調整される。楕円体反
射鏡2や反射鏡6などの反射面以外は無光沢黒色化処理
を施し、装置全体は外部光を遮蔽したケース12内に収
納し、防振台に設置する。
【0027】半導体基板材料1として(100)面を鏡
面研磨したシリコンウェーハと、(100)面にシリコ
ンエピタキシャル層を形成したシリコンウェーハを用
い、該ウェーハを基板積載台11に載置して焦点面の高
さに調整し、さらに二次元検出器5と凸レンズ3の位置
調整を行う。この位置調整は絞り4の面に蛍光板を取付
け、レーザ光線Ilのスポットを観察することにより行
う。特に、凸レンズ3の焦点距離と楕円体反射鏡2の焦
点位置とが正確に一致するように調整する。
【0028】次に、レーザ光線Ilによる入射光線Ii
を半導体基板材料(シリコンウェーハ)1に照射し、反
射光線Irと散乱光線Isの測定を行う。レーザ光線I
lは10秒間程度露光し、検出器(フォトダイオード)
7で反射光線Irの強度を測定すると共に、二次元検出
器(MCP)5で散乱光線Isの強度を測定する。二次
元検出器5の受光面での散乱光線Isの強度分布から散
乱方向(θ、φ)における強度分布を計算し、反射光線
Irの強度で規格化する。
【0029】図4(a),(b)はそれぞれ前述の鏡面
研磨したシリコンウェーハとエピタキシャル層を形成し
たシリコンウェーハにおける散乱角θsの角度方向に対
する散乱強度分布を示し、図4(a)の鏡面研磨したも
のは散乱が少ないのに対して、図4(b)のエピタキシ
ャル層を形成したものでは散乱強度が高く、しかも特定
の角度で強いことが確認された。なお、測定時間は、光
学系の調整が完了した後は半導体基板材料1の高さを併
せて測定するだけでよいので、半導体基板材料1の装着
から1点の測定完了まで数分で終了する。また、測定点
が増加しても1箇所当たりの露光時間が短いので多点で
の測定が可能である。
【0030】以上の実施形態においては、基板として半
導体基板を用いた場合について説明したが、他の基板を
用いてその表面を評価するようにしてもよい。
【0031】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、光散乱の
二次元分布が散乱角の全範囲にわたって迅速に測定する
ことができる。また、複雑な操作を行うことがなく操作
が容易である。さらに、検出器の回転機構などの複雑な
構成を必要としないので、小型化が可能となり、実用上
あるいは工業的に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の実施形態にかかる半導体基板
表面評価装置の構成を示す概略縦断面図である。
【図2】図2は、二次元検出面における散乱光線の検出
位置と散乱角との関係を示す説明図である。
【図3】図3は、本発明の他の実施形態にかかる半導体
基板表面評価装置の構成を示す縦断面図である。
【図4】図4(a)、(b)は、鏡面研磨した半導体基
板とエピタキシャル層を形成した半導体基板における散
乱光線の強度分布を示す特性図である。
【図5】図5(a)、(b)は、半導体基板の凹凸の幅
の相違による散乱光の方向の変化を示す説明図である。
【図6】図6は、入射光線に対する散乱光線の方向を示
す斜視図である。
【図7】図7は、従来の半導体基板表面評価装置の構成
を示す概略図である。
【図8】図8は、従来の他の半導体基板表面評価装置の
構成を示す概略構成図である。
【符号の説明】
1 半導体基板材料 2 楕円体反射鏡 3 凸レンズ 4 絞り 5 二次元検出器 6 反射鏡 7 検出器 8 連結部材 9 検出器ケース 10 支持部材 11 基板積載台 12 ケース Il レーザ光線 Ii 入射光線 Ir 反射光線 Is 散乱光線
フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA49 CC19 DD02 DD06 FF04 FF42 FF44 GG06 HH04 HH12 JJ01 JJ03 JJ05 JJ08 JJ09 JJ18 JJ19 JJ26 LL04 LL12 LL19 LL30 MM03 MM04 PP12 PP22 QQ31 2G051 AA51 AB20 BA10 CA03 CA07 CB01 CB05 DA07 DA08 4M106 AA01 BA05 CA24 DH01 DH12 DH32 DH38 DH39

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板の表面に照射される入射光線により
    発生する散乱光線を集光し、集光した散乱光線から前記
    基板の表面を評価する基板の表面評価装置において、 散乱角度の高い散乱光線を集光する楕円体反射鏡と、 散乱角度の低い散乱光線を集光する光学レンズとを備え
    たことを特徴とする基板の表面評価装置。
  2. 【請求項2】 前記楕円体反射鏡の焦点位置は、前記入
    射光線の基板に対する照射位置と一致していることを特
    徴とする請求項1に記載された基板の表面評価装置。
  3. 【請求項3】 前記楕円体反射鏡の他方の焦点位置の近
    傍に前記楕円体反射鏡と光学レンズにより集光された散
    乱光線を検出する検出器を備えたことを特徴とする請求
    項2に記載された基板の表面評価装置。
  4. 【請求項4】 前記検出器は、散乱光線を二次元的に検
    出する二次元検出器であることを特徴とする請求項3に
    記載された基板の表面評価装置。
  5. 【請求項5】 前記光学レンズは凸レンズであり、前記
    楕円体反射鏡の他方の焦点位置と前記凸レンズの焦点位
    置とは略一致していることを特徴とする請求項2に記載
    された基板の表面評価装置。
  6. 【請求項6】 前記楕円体反射鏡の他方の焦点位置と前
    記凸レンズの焦点位置に絞りを備えたことを特徴とする
    請求項5に記載された基板の表面評価装置。
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