JP2002340811A

JP2002340811A - 表面評価装置

Info

Publication number: JP2002340811A
Application number: JP2001150584A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Kataoka; 俊彦片岡
Original assignee: Silicon Technology Co Ltd
Current assignee: Silicon Technology Co Ltd
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2002-11-27

Abstract

(57)【要約】【課題】試料表面上の異物や微細な凹凸、構造や組成
の変化を、広い範囲で識別でき、短時間かつ容易に、高
精度に測定できる、非破壊測定可能な表面評価装置を提
供。【解決手段】アルゴンイオンレーザー６から射出され
た単一レーザー光は、順次減光フィルター８、１／２波
長板９、走査用Ｘ−Ｙスキャナー７、集光レンズ１０を
経た後、偏光面調整された照射光１となり、シリコンウ
ェーハ試料３表面に対して、反射光を最小限に抑え、散
乱光をのみを効果的に発生させる入射角度で入射され
る。試料３表面からの散乱光は、結像レンズ４を経て、
ＣＣＤ５に入り、電気信号に変換され、パソコン１１に
より、画像処理され、モニター１２に、散乱光強度分布
に応じたＣＣＤ画像を表示する。このＣＣＤ画像を記
録、解析することにより、種々の試料の表面の測定、評
価ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面からの散
乱光を用いた表面評価装置に関し、さらに詳しくは、半
導体、絶縁体、金属等の試料表面に、光線を照射させ、
試料表面からの散乱光を検出し、試料表面の、微小粒
子、付着物等の異物、及び粗さ、キズ、線状の溝（「ス
クラッチ」という。）等の微細な凹凸、並びに構造また
は組成の変化を、高精度に評価する表面評価装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、パターン未形成のシリコンウエハ
試料表面の微小粒子、付着物等の異物は、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザーやＡｒレーザーのようなレーザー光を集光させた
照射光を、試料表面に対して比較的垂直に近い角度で入
射させ、試料表面からの散乱光を、凹面鏡である積分球
等を用いて捕捉し、ついで各測定点での散乱光強度を、
光電子増倍管（以下、「ＰＭＴ」と略記する。）を用い
て電気信号に変換させることにより、検出されていた。
また、異物の位置は、シリコンウエハや照射光を走査さ
せて、照射位置を移動させることにより検出されてい
た。

【０００３】検出可能な異物の最小粒径は、照射光を絞
った時のスポット内の照射光の強度及び異物からの散乱
光強度に対するＰＭＴの感度に左右され、現状では検出
可能な異物は、粒径１００ｎｍ（１ｎｍは、１０００分
の１μｍである。）程度である。より微小な粒径の異物
の検出を可能とするためには、ＰＭＴの感度向上または
ＰＭＴへの光量を増やす必要があり、このため、各方向
に出される散乱光を積分球等によりできるだけ効率的に
捕捉し、かつ測定時間を長くしなくてはならなかった。
また、検出できる最小の粒径を示す分解能を向上するた
めには、照射光のスポット径を絞り、スポット内の光強
度を上げる必要があった。

【０００４】上記従来装置では、散乱光を補足するため
の光路上に、積分球等の光学部品を配置する必要があ
り、該部品に起因する反射光が迷光となり、Ｓ／Ｎ比を
低下させる。また、露光時間を長くしても、Ｓ／Ｎ比は
変らなかった。

【０００５】また、上記装置では、単一レーザー光を用
いて、試料表面からの散乱光強度のみを測定しているだ
けで、異物と微細な凹凸とを識別することは不可能であ
り、シリコンウエハのミラー面のような非常に平滑な面
を評価するには不都合であった。

【０００６】最近、従来の垂直に近い角度からの照射光
に加えて、斜め方向からの照射光を併用して、垂直に近
い角度からの照射光による結果と比較して、異物と微細
な凹凸とを識別する装置が提案されている。しかしなが
ら、異物と微細な凹凸との識別はできるが、分解能は、
従来と同様であり、なお不十分であった。また、２種類
の照射光を必要とし、上記従来の装置よりも複雑な装置
構成であった。さらに、従来装置と同様、光路上に配置
された光学部品による迷光が、Ｓ／Ｎ比を低下させると
いう問題が残っていた。

【０００７】特開平１１−２８１５４３号公報に開示さ
れている装置は、楕円面鏡集光器を用いることにより、
散乱光を捕捉する工夫がなされ、ｎｍオーダーの異物の
検出が可能である。しかしながら、該装置でも、従来と
同様に、測定時間が極端に長くなるという問題が残され
ており、また、単一レーザー光を照射光として用いてお
り、Ｓ／Ｎ比については、前記の従来技術と大きな違い
はなく、シリコンウエハのミラー面のように非常に平滑
な表面の粗さ、つまり極端に微細な凹凸を評価するため
には不十分なものであった。

【０００８】一方、ＡＦＭ、ＳＴＭ等の装置では、試料
表面の異物や微細な凹凸との識別、あるいは表面形状の
測定はできるものの、測定領域が極めて狭い範囲に限ら
れ、シリコンウエハ等の試料表面を広い範囲にわたって
評価するには不都合であった。

【０００９】上記のような従来装置の問題点を解決し、
試料表面の異物や微細な凹凸との識別が短持間かつ容易
にでき、シリコンウエハのミラー面のような非常に平滑
な試料表面を、広い範囲にわたって、短時間かつ容易
に、高精度に評価できる表面評価装置が望まれていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
課題を解決し得る、試料表面に存在する異物や微細な凹
凸、あるいは構造または組成の変化を、広い範囲にわた
り、短時間かつ容易に識別でき、かつ高精度に評価する
ことができ、また金属、絶縁体、半導体等の幅広い試料
に対して非破壊測定ができる、簡単な装置構成の表面評
価装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意研究
した結果、試料表面に存在する異物や微細な凹凸、ある
いは構造または組成の変化等を、広い範囲にわたり、短
時間かつ容易に識別でき、かつ高精度に評価できる表面
評価装置を見出し、本発明を完成するに至った。

【００１２】すなわち、本発明の、請求項１に記載の表
面評価装置は、反射光が最小となる入射角度の照射光
を、試料表面に照射させる光照射手段と、試料表面に対
して法線方向かつ対向する位置に配置された、発生させ
た散乱光を結像させる結像レンズ及び結像された散乱光
を電気信号に変換させるＣＣＤからなる散乱光検出手段
と、該ＣＣＤからの電気信号を記録させる記録手段とを
有することを特徴とするものである。

【００１３】請求項２に記載の表面評価装置は、請求項
１に記載の発明において、偏光面調整手段が、光照射手
段に配設されてなることを特徴とするものである。

【００１４】請求項３に記載の表面評価装置は、請求項
２に記載の発明において、偏光面調整手段が、２分の１
波長板であることを特徴とするものである。

【００１５】請求項４に記載の表面評価装置は、請求項
２または請求項３に記載の発明において、照射光が、Ｐ
偏光であることを特徴とするものである。

【００１６】請求項５に記載の表面評価装置は、請求項
１から請求項４のいずれか１項に記載の発明において、
試料の測定領域よりも小面積に集光された照射光が走査
されて、測定領域が均一な光強度で照射されてなること
を特徴とするものである。

【００１７】請求項６に記載の表面評価装置は、請求項
１から請求項５のいずれか１項に記載の発明において、
試料表面と散乱光検出手段との間に、照射光の入射方向
及び試料表面に対して平行に配置されたスリットを有す
ることを特徴とするものである。

【００１８】請求項７に記載の表面評価装置は、請求項
１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、
迷光防止用遮蔽板が、配置されてなることを特徴とする
ものである。

【００１９】本発明の表面評価装置では、光源からのレ
ーザー光が偏光面調整され、かつ試料表面に対してブリ
ュースター角に近い角度で照射光が入射されると共に、
さらに、試料の測定領域よりも小面積に集光された照射
光が走査されることにより、該測定領域が均一な光強度
で照射され、測定時のノイズとなる迷光、反射光や光量
のバラツキを最小限に抑制でき、試料表面からの散乱光
だけを効率的に検出することができる。

【００２０】また、本発明の表面評価装置では、試料表
面の状態により大きく依存する散乱光の変化に対して、
照射光の光量及び／またはＣＣＤへの露光時間を調整す
ることにより、ＣＣＤへの露光量が常に最適化でき、短
時間かつ容易に対応することができ、ダイナミックレン
ジが広い。

【００２１】また、本発明の表面評価装置では、散乱光
を収束させる結像レンズの前または後に、スリットを配
置させると共に、かつ結像レンズに悪影響を及ぼす反射
光に起因する迷光や反射光の再反射によるノイズ防止用
遮蔽板を配置させることにより、Ｓ／Ｎ比を向上させ、
高精度な試料表面の測定を行うことができる。

【００２２】

【作用】図１は、本発明の測定原理を示す模式図であ
る。以下、図１を参照して、本発明の測定原理について
説明する。

【００２３】集光された照射光１は、試料ステージ２の
上に載置された試料３表面に対して斜め上方から入射し
て、ほとんどが試料３内部を進み、ごく一部が反射光と
して逆方向に出て行く。照射光１は、試料３表面に対し
て法線方向かつ対向する位置に配置された、結像レンズ
４及びＣＣＤ５に、反射光を最小限に抑えながら、散乱
光のみを効果的に発生させる入射角度θで照射される。
照射光１の入射角度θは、具体的には、試料の種類によ
り決まるブリュースター角に近い角度であり、シリコン
の場合、７６度である。

【００２４】図２は、シリコン試料における、Ｐ偏光
（光偏光面が入射面に対して平行な光）及び／またはＳ
偏光（光偏光面が入射面に対して垂直な光）の照射光１
の入射角度θに対する反射光の反射率の理論値及び実験
値である。図中、縦軸は、反射光の反射率を、横軸は、
試料表面に対する照射光の入射角度θを表す。Ｓ偏光で
は、照射光の入射角度θを９０度まで漸増させるに従
い、反射率は単調に増加するが、Ｐ偏光では、７６度ま
では、反射率が漸減し、７６度でほぼ０となった後、急
激に１に上昇する。反射率は、理論値、実験値共に同様
の挙動であった。すなわち、Ｐ偏光の照射光を用いて入
射角度θを７６度付近とすることにより、迷光の原因と
なる反射光を最小限に抑えて、散乱光のみを効果的に発
生させ、捕捉することが可能となり、非常にＳ／Ｎ比の
よい状態での測定が可能な表面評価装置が実現できる。

【００２５】試料３表面に、異物や微細な凹凸、あるい
は構造や組成の変化等が存在する場合、照射光１が照射
された部分より散乱光が発生する。発生した散乱光は、
結像レンズ４により、ＣＣＤ５に結像される。ＣＣＤ５
は、散乱光強度に応じた強さの電気信号を発生させると
共に、各測定部分に対応する散乱光強度に対応する画像
を、モニターに表示する。この画像を記録、解析するこ
とにより、試料表面の異物、微細な凹凸、組成の変化や
それらの分布の測定、評価ができる。

【００２６】試料３表面がシリコンウエハのミラー面の
ように平滑な場合、表面粗さによる散乱光は、極めて微
弱となり、一方、粗い場合には、大きくなる。散乱光強
度は、試料３の表面状態により大きく依存するため、Ｃ
ＣＤ５からの電気信号が不十分であったり、逆に飽和し
てしまう恐れがある。このような場合には、照射光１の
光量及び／またはＣＣＤ５への露光時間を調節して、Ｃ
ＣＤ５への露光量を、常に最適状態に保持させることに
より、常に高感度で高精度な測定ができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、実
施例に基き、説明する。なお、本発明は、実施例により
なんら限定されない。

【００２８】１．表面評価装置の実際例図３は、上記測定原理を用いて、実際に構成した、本発
明の表面評価装置（以下、「本装置」と略記する。）を
示す模式図である。以下、図３を参照して、「本装置」
について、説明する。

【００２９】光源であるＡｒイオンレーザー６（波長：
４８８ｎｍ、出力：０．１〜１．６Ｗ可変）から射出さ
れた単一レーザー光は、減光フィルター８により、光量
が調節された後、２分の１波長板９により、Ｐ偏光また
はＳ偏光に偏光面調整される。通常、Ｐ偏光が用いられ
るが、試料表面からの散乱光が強い場合には、Ｓ偏光の
成分も入れて調整される。

【００３０】ついで、偏光面調整された単一レーザー光
は、照射光１走査用Ｘ−Ｙスキャナー７を経た後、集光
レンズ１０により、試料３表面上で適当な大きさのスポ
ットとなるように集光されて照射光１となり、試料ステ
ージ２の上に載置された試料３表面に、反射光を最小限
に抑えて、散乱光のみを効果的に発生させる、ブリュー
スター角に近い角度で入射する。

【００３１】試料ステージ２は、該ステージ２上に載置
させた試料３を、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向に位置調整し、試料３
の測定位置を移動させるものである。

【００３２】ガルバノ・ミラーを２段組み合わせたＸ−
Ｙスキャナー７は、試料３の測定領域に、照射光１を均
一照射させるための手段である。試料３の測定領域より
小面積に集光させた照射光１が、該スキャナー７によ
り、試料３の測定領域の約２倍の領域にわたって走査さ
れる。「本装置」においては、１走査当りの測定領域
は、縦×横６００μｍである。Ｘ−Ｙスキャナー７とし
ては、ガルバノ・ミラーの２段組合せ以外に、ポリゴン
ミラーを利用する方法やレーザーの直接振幅等がある。

【００３３】試料３表面への照射光１は、ほとんどが試
料３内部を進行し、ごく一部のみが反射光となり、照射
光１と逆の方向に進む。反射光は、他の構造物に再反射
して迷光となったり、試料３表面あるいは結像レンズ４
及びＣＣＤ５に再照射してノイズとなるため、迷光防止
用遮蔽板１３が配置される。迷光防止用遮蔽板１３とし
ては、反射光を再び測定系に戻さないような反射防止
板、または内面での反射を少なくさせる筒状体等が用い
られる。

【００３４】試料３表面から発生した散乱光は、試料３
表面に対して法線方向かつ対向する位置に配置された、
焦点可変の結像レンズ（口径：１０ｍｍ）４により、Ｃ
ＣＤ５に結像される。ついで、ＣＣＤ５に結像された散
乱光は、その強度に応じた強さの電気信号に変換され
る。ＣＣＤ５は、ノイズの低減のため、ペルチェ素子を
用いて冷却させて、暗電流を抑制している

【００３５】ＣＣＤ５により変換された電気信号は、パ
ソコン１１により、画像処理され、モニター１２に、発
生した散乱光の強度分布に対応したＣＣＤ画像が表示さ
れる。このＣＣＤ画像を記録、解析することにより、試
料表面の異物、微細な凹凸、組成の変化やそれらの分布
の測定及び評価ができる。

【００３６】図４は、「本装置」を用いて、Ｐ偏光の単
一レーザー光を走査して、シリコンウエハ試料３表面に
照射させた時の、試料表面の異物による散乱光を記録し
たＣＣＤ画像である。ＣＣＤ画像は、１０１８×１００
０画素で構成され、各画素の輝度は４０９６階調（「カ
ウント数」とする。）である。図４中（ａ）は、ＣＣＤ
５からの画像であり、散乱光の強度分布が明るさの分布
として表示されている。また、図４（ｂ）は、（ａ）の
ＣＣＤ画像を拡大したもので、（ｂ）中の輝点は、試料
表面の粒子による散乱光であり、異物の位置を示してい
る。

【００３７】また、図４（ｃ）は、図４（ｂ）のＣＣＤ
画像内の各走査線上の散乱光の強度分布である。図中、
縦軸がカウント数を、横軸がＸ方向分布を示しており、
散乱光強度に応じた凸凹の波形が記録されている。図４
（ｂ）のように試料３表面に異物がある時、異物の位置
（Ａ１、Ａ２及びＡ３）に対応して、散乱光強度の極大
値が現れる。この極大値の高さは、異物の粒径に対応し
ており、異物の粒径が推定できる。

【００３８】図５は、図４（ａ）の全測定領域におけ
る、走査線上の異物による散乱光強度別発生個数の度数
分布である。図中、横軸の散乱光強度（ａ．ｕ．：任意
尺度の意味である。）は、図４（ａ）のＣＣＤ画像よ
り、異物による散乱光を識別し、つぎに、各輝点の最高
カウント数の座標を求め、その座標を中心に７×７画素
を積算した値から、適宜設定されるしきい値（この場
合、１５０カウント）を引いた値であり、縦軸は、その
発生個数を示している。図５により、試料の測定領域内
に、どのような粒径の異物が何個存在しているか識別で
きる。

【００３９】２．光偏光面の影響図６は、Ｐ偏光またはＳ偏光の単一レーザー光を、シリ
コンウエハ試料３表面に照射させた時の、試料表面の異
物の粒径に対する散乱光強度の理論値及び実験値であ
る。図中、縦軸が散乱光強度（Ｉｍａｘ）と照射光強度
（Ｉｏ）との比、横軸が異物の粒径（単位：ｎｍ）であ
る。実線がＰ偏光、及び破線がＳ偏光の理論値を各々示
す。また、○または□は、シリコンウエハ試料３表面
に、各粒径の異物を分散させて撒いた時のＰ偏光または
Ｓ偏光の実験値を各々示す。同一の照射光強度の場合、
Ｐ偏光の方が、Ｓ偏光より、散乱強度が大きい。

【００４０】また、図６中、横軸に平行な点線は、シリ
コンウエハ試料３表面に異物のない時の実験値であり、
異物が存在しない表面からの散乱光強度（バックグラン
ドレベル）は、図６の理論値との交点より、粒径３０ｎ
ｍの異物が存在する場合の散乱光強度に相当しているた
め、この試料３表面の異物の検出は、３０ｎｍまでが限
界であることがわかる。

【００４１】図７は、Ｐ偏光またはＳ偏光の単一レーザ
ー光を走査して、シリコンウエハ試料３表面に照射させ
た時の、試料表面のスクラッチによる散乱光強度の理論
値である。計算では、溝の断面形状は、一辺がａ（単
位：ｎｍ）の正方形をしていると仮定して、照射光強度
（Ｉｏ）が表面に対して７６度の入射角度で入った場合
の、散乱光が最大で検出される方向での散乱光強度（Ｉ
ｍａｘ）を計算した。図中、縦軸が、散乱光強度（Ｉｍ
ａｘ）と照射光強度（Ｉｏ）との比の対数プロット、横
軸が、正方形断面の溝の一辺の長さａと照射光の波長
（λｏ）との比を対数プロットして表示してある。この
場合もまた、図６と同様、散乱光強度は、Ｐ偏光の方
が、Ｓ偏光の場合より大きい。

【００４２】また、図中の矢印部分は、実際にスクラッ
チが観察された時の実験より得られた散乱光強度（Ｉｍ
ａｘ）と、その時の照射光強度（Ｉｏ）の比を元にし
て、理論値と照らし合わせて溝幅を逆算したもので、Ｌ
ｏｇ（ａ／λｏ）＝−２．８、及び照射光の波長４８８
ｎｍにより、スクラッチの溝幅ａは、約０．８ｎｍに相
当することがわかる。計算や測定での誤差を考慮したと
しても、少なくともｎｍオーダーの溝幅の、極めて微小
な線状の凹凸が測定できることがわかる。

【００４３】３．照射光走査の影響「本装置」において、ＣＣＤ５の水平方向の分解能は、
結像レンズ４の開口数及びＣＣＤ５の画素数により決定
されるため、従来装置のように、レーザー光を集光させ
た時のスポット径が分解能に影響するようなことがな
く、試料３表面の全測定領域を網羅するように、照射光
１を拡大して照射させることが可能であるが、一方、ビ
ームスポット内において、ガウス分布に従った強度分布
を有するレーザー光の影響が大きくなってしまい、不都
合である。

【００４４】図８は、Ｐ偏光の単一レーザー光を、走査
なしに、シリコンウエハ表面の測定領域に照射させた時
の散乱光のＣＣＤ画像（ａ）及び走査線上の散乱光強度
分布（ｂ）（縦軸：カウント数、横軸：Ｘ方向分布）で
あり、平滑面を測定しているにもかかわらず、ビームス
ポットの中心部を最大強度として、周辺部にいくに従っ
て小さくなり、レーザー光自体による散乱光強度分布が
生じてしまい、高精度な測定は不可能である。

【００４５】「本装置」では、試料３表面の測定領域よ
りも小面積に集光させた照射光１を、Ｘ−Ｙスキャナー
７を用いることによって、該測定領域の約２倍の領域に
わたり走査させ、測定領域内に、照射光１を均一照射さ
せることにより、上記欠点を解決した。

【００４６】図９は、Ｐ偏光の単一レーザー光（出力
０．４３Ｗ）を走査して、シリコンウエハ表面の測定領
域を均一照射させた時の散乱光のＣＣＤ画像（ａ）及び
走査線上の散乱光強度分布（縦軸：カウント数、（ｂ）
Ｘ方向分布、（ｃ）Ｙ方向分布）である。シリコンウエ
ハ表面の測定領域（縦×横：６００μｍ）に対して、縦
×横１５００μｍの領域について、矩形に７６.７μｍ
ピッチで、楕円形状の１００μｍ程度のレーザー光を走
査させた。１走査当りの走査時間は、１.０６秒であ
り、またＣＣＤ５露光時間は、６３.６秒であった。図
９（ｂ）及び（ｃ）より明らかなように、測定領域内の
散乱光の強度分布は平坦であり、測定領域を均一照射で
きたことが確認され、また、より高精度な測定が可能と
なった。

【００４７】図１０、図１１は、上記と同様にして、他
のシリコンウエハについて、Ｐ偏光の単一レーザー光を
走査して、試料表面の測定領域を均一照射させた時の散
乱光のＣＣＤ画像である。

【００４８】図１０には、スクラッチによる線状の連続
した輝点が多数見られる。これらは、シリコンウエハ表
面に存在する微細な溝であり、シリコンウエハの加工工
程での損傷によるものと考えられる。

【００４９】図１１の中心付近の輝点は、シリコンウエ
ハ表面の異物による散乱光であり、線状の連続した輝点
は、レーザー光の入射方向に対して、直角方向に近いス
クラッチであり、異物による点状散乱と、スクラッチに
よる線状散乱とが容易に識別できる。

【００５０】従来のＳＴＭやＡＦＭでも、試料表面の溝
幅が数十ｎｍ程度までのスクラッチが測定できるが、測
定領域が極めて狭い範囲に限られてしまうという欠点を
有していた。「本装置」では、シリコンウエハ等の試料
表面の広い範囲にわたって、断面形状については分から
ないものの、上記よりさらに１桁以上の微細なスクラッ
チを、短時間かつ容易に検出することができる。

【００５１】４．スリット配置の影響以下、「本装置」において、散乱光を収束するための結
像レンズ４の前または後に、スリット１４を配置させた
場合について、説明する。

【００５２】図１２は、試料３表面と結像レンズ４との
間に、試料表面に対して平行にスリット１４を挿入させ
た時の模式図である。

【００５３】図１２のように、シリコンウエハと結像レ
ンズ７との間に配置させたスリット１４について、Ｐ偏
光の単一レーザー光に対するスリット方向及びスリット
幅を種々変えた時の結果（測定例１〜５）を、表１に、
また、測定例に対応する「ＣＣＤ画像」及び「走査線上
の散乱光強度分布（縦軸：カウント数、横軸：Ｘ方向分
布）」を図１３〜１７に各々示す。レーザー光の入射方
向に対して平行に、幅１ｍｍのスリットを配置させた時
（測定例２）に、Ｓ／Ｎ比が向上し、検出精度が向上す
る。

【００５４】

【表１】

【００５５】図１８、図１９は、同一の試料の、同一の
測定領域を測定した時に、スリットなしまたはスリット
ありの場合における、照射光１の入射方向と試料表面の
スクラッチ方向との測定可能な相対角度を示す図であ
る。図中、横軸に照射光の入射方向とスクラッチ方向の
相対角度を、縦軸に検出個数を示す。

【００５６】図１８のスリットなしでは、照射光の入射
方向と試料表面のスクラッチ方向との測定可能な相対角
度は、±１５度程度であり、一方、入射方向に対して平
行に１ｍｍ幅のスリットを配置した時（図１９）は、±
５度程度となる。

【００５７】スリットありの方が、スリットなしに比べ
て、検出できるスクラッチの照射光の入射方向に対する
角度範囲が狭く制限されることと引き換えに、Ｓ／Ｎ比
が向上して、スリットなしでは検出されなかったスクラ
ッチが、スリットの挿入により、検出できるようにな
る。

【００５８】５．試料の表面粗さの評価「本装置」では、例えば、前記「２．表面評価装置の実
例」で示したように、試料表面の異物や微細な凹凸の位
置に対応する点状または線状の輝点が表示された図４の
「ＣＣＤ画像」及び「走査線上の散乱光の強度分布」デ
ータが得られる。

【００５９】図４（ｃ）の「走査線上の散乱光の強度分
布」データにおいて、図４（ｂ）の「ＣＣＤ画像」中、
異物や微細な凹凸の位置に対応する点状または線状の輝
点で表示された散乱光強度の極大値がある場合、図４
（ｃ）中の該極大値の部分を取り除いたバックグラウン
ドレベルが、試料の表面粗さを反映している。なお、こ
の場合、表面粗さに相応した散乱光強度が得られるとい
うことであり、散乱光強度の分布曲線が断面形状を表す
ものではない。

【００６０】図４（ｃ）において、前記散乱光強度の極
大値を取り除く補正を行った後、散乱光強度の平均値を
求めることにより、試料の表面粗さを数値化したデータ
が得られる。

【００６１】異物や線状の微細な凹凸による輝点の密度
が小さい場合には、上記補正の影響が十分小さく、無視
しても差支えなく、異物の付着が極めて少ない、清浄な
シリコンウエハ等においては、実際上、補正しなくと
も、試料の表面粗さを十分に評価することができる。

【００６２】試料の表面粗さは、散乱光強度の分布とし
てカウント数で得られる。同一条件で測定した場合に
は、このカウント数を、そのまま比較することが可能で
あるが、測定条件が異なる場合には、入射角度は一定と
して、照射光強度、露光時間をもとに標準化を行い、比
較可能とする。

【００６３】図２０は、上記方法と同様にして、種々の
メーカーにより製造されたシリコンウエハの各工程別の
シリコンウエハの表面粗さについて、比較した結果であ
る。

【００６４】図２０（ａ）は、Ａ〜Ｆのメーカーにより
製造された、同一仕様のシリコンウエハのミラー面を、
各々５箇所について評価、比較したものである。各ウエ
ハは、ウエハ表面上をオリフラと呼ばれる直線部分と平
行な直径上で２ｃｍの間隔で等間隔に並ぶ５箇所（中心
を含む）を、同一の測定条件（照射光強度０．４３Ｗ、
入射角度７６度、露光時間６３.３秒）で測定された。
測定結果は、標準化処理したカウント数で示されてお
り、各メーカーによるシリコンウエハの表面粗さの相違
が、数値化されたデータとして明瞭に表されている。

【００６５】また、図２０（ｂ）は、同一仕様のシリコ
ンウエハについて、各工程における表面粗さを、図２０
（ａ）に準じて測定し、工程別に比較したものである。
工程２は、最終研磨直後のシリコンウエハを評価したも
のであり、最も表面粗さが小さくなっている。工程３
は、工程２のシリコンウエハを、温水及びエッチング作
用の極めて少ない薬液で洗浄したものであり、また工程
３＋２次洗浄は、工程３の後に通常のＳＣ１洗浄を行っ
たものである。測定結果は、標準化処理したカウント数
で示されており、各工程でのシリコンウエハの表面粗さ
の相違が、数値化されたデータとして明瞭に表されてい
る。「本装置」では、従来、不可能であったシリコンウ
エハの表面粗さの比較が、簡単かつ容易に、定量的に評
価できる。

【００６６】また、「本装置」は、異物の検出や微細な
表面の凹凸、表面粗さの評価以外にも、散乱光強度を変
化させるものであれば、評価可能である。

【００６７】一例としては、同一の材料であっても、結
晶、多結晶、非晶質（「アモルファス」という。）等の
ように結晶性の変化に伴い、反射率とともに散乱光強度
が変化するものがあげられる。また、試料表面に付着し
ている有機物等の変化、あるいは複数の原材料を混合さ
せた試料における原材料の組成比率の変化により、散乱
光強度が変化するものもあげられる。

【００６８】「本装置」は、従来、電子顕微鏡やＡＦ
Ｍ，ＳＴＭ等の装置でしか評価できなかったシリコンウ
エハ等の表面粗さが、広い範囲にわたって、簡単かつ容
易に、非破壊で、評価することができる。

【００６９】

【発明の効果】本発明の表面評価装置は、従来装置と比
べ、凹面鏡である積分球等の光学部品が不要の、単純な
光学系であり、簡単な装置構成である。また、光路上に
光学部品がないので、これに起因する迷光の発生を抑え
られるため、非常に優れたＳ／Ｎ比で測定でき、いまま
でにない微細な表面粗さや、異物、組成変化を評価でき
る。

【００７０】本発明の表面評価装置は、試料表面の異物
や微細な凹凸、あるいは構造または組成の変化等が、短
時間かつ容易に、各々識別することができる。本発明の
表面評価装置は、粒径３０ｎｍまでの異物が、高速でカ
ウント、マッピングでき、また、溝幅が１ｎｍ程度まで
の、キズ、スクラッチを検出することができる。

【００７１】本発明の表面評価装置は、感度調節が短時
間かつ容易にでき、常にＣＣＤ露光量を最適化すること
ができ、ダイナミックレンジが広い装置である。

【００７２】本発明の表面評価装置は、従来、不可能と
されたシリコンウエハのミラー面等の、広い範囲にわた
る表面粗さの比較が、簡単かつ容易に定量的に行うこと
ができる。

【００７３】本発明の表面評価装置は、試料表面を、短
時間かつ容易に、高精度に評価することができ、金属、
絶縁体、半導体等の幅広い試料に対して非破壊測定が可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定原理を示す模式図である。

【図２】シリコンウエハ試料における、照射光の入射角
度に対応する反射光の反射率の理論値及び実験値を示す
図である。

【図３】本発明の測定原理を用いて、実際に構成した表
面評価装置を示す模式図である。

【図４】シリコンウエハ試料３表面の異物による散乱光
を測定した「ＣＣＤ画像」及び各「走査線上の散乱光の
強度分布」を示す図である。

【図５】図４（ａ）の全測定領域における、異物による
散乱光強度別発生個数の度数分布を示す図である。

【図６】Ｐ偏光またはＳ偏光の単一レーザー光を照射さ
せた時の、シリコンウエハ表面の異物の粒径に対する散
乱光強度の理論値及び実験値を示す図である。

【図７】Ｐ偏光またはＳ偏光の単一レーザー光を照射さ
せた時の、シリコンウエハ表面のスクラッチよる散乱光
強度の理論値を示す図である。

【図８】Ｐ偏光の単一レーザー光を、走査なしに、シリ
コンウエハ表面の測定領域に照射させた時に得られた結
果を示す図である。

【図９】Ｐ偏光の単一レーザー光を走査させて、シリコ
ンウエハ表面の測定領域を均一照射させた時に得られた
結果を示す図である。

【図１０】Ｐ偏光の単一レーザー光を走査させて、シリ
コンウエハ表面の測定領域を均一照射させた時に得られ
た結果を示す図である。

【図１１】Ｐ偏光の単一レーザー光を走査させて、シリ
コンウエハ表面の測定領域内を均一照射させた時に得ら
れた結果を示す図である。

【図１２】試料と結像レンズとの間にスリットを挿入さ
せた場合の模式図である。

【図１３】試料と結像レンズとの間にスリットがない時
に得られた結果を示す図である。

【図１４】試料と結像レンズとの間に、照射光の入射方
向に対して平行に幅１ｍｍのスリットを配置した時に得
られた結果を示す図である。

【図１５】試料と結像レンズとの間に、照射光の入射方
向に対して平行に幅２ｍｍのスリットを配置した時に得
られた結果を示す図である。

【図１６】試料と結像レンズとの間に、照射光の入射方
向に対して直角に幅１ｍｍのスリットを配置した時に得
られた結果を示す図である。

【図１７】試料と結像レンズとの間に、照射光の入射方
向に対して直角に幅２ｍｍのスリットを配置した時の結
果を示す図である。

【図１８】スリットなしの場合の、照射光の入射方向と
試料表面のスクラッチ方向との測定可能な相対角度に対
して観察されたスクラッチの本数を示す図である。

【図１９】入射方向に対して直角に幅１ｍｍのスリット
を配置した場合の、照射光の入射方向と試料表面のスク
ラッチ方向との測定可能な相対角度に対して観察された
スクラッチの本数を示す図である。

【図２０】メーカー別シリコンウエハの表面粗さ、及び
各工程におけるシリコンウエハの表面粗さを比較した結
果を示す図である。

【符号の説明】

１照射光２試料ステージ３試料４結像レンズ５ＣＣＤ５’ ＣＣＤ制御盤６光源（Ａｒイオンレーザー）７Ｘ−Ｙスキャナー８減光フィルター９２分の１波長板１０集光レンズ１１、１１’ パソコン１２モニター１３迷光防止用遮蔽板１４スリット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA49 AA54 BB02 DD03 DD04 FF42 GG04 HH12 JJ08 JJ26 LL21 LL29 LL35 MM16 QQ43 2G051 AA51 AB01 AB07 BA10 BA11 BB07 BB09 BC06 CA03 CB05 CC07 CC09 DA07 EA11 EB01 EC02 4M106 AA01 BA05 BA06 CA42 CA43 DB02 DB04 DB08 DB12 DB13 DB14 DJ02 DJ04 DJ05 DJ20 DJ23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射光が最小となる入射角度の照射光
を、試料表面に照射させる光照射手段と、試料表面に対
して法線方向かつ対向する位置に配置された、発生させ
た散乱光を結像させる結像レンズ及び結像された散乱光
を電気信号に変換させるＣＣＤからなる散乱光検出手段
と、該ＣＣＤからの電気信号を記録させる記録手段とを
有することを特徴とする表面評価装置。
【請求項２】偏光面調整手段が、光照射手段に配設さ
れてなることを特徴とする請求項１に記載の表面評価装
置。
【請求項３】偏光面調整手段が、２分の１波長板であ
ることを特徴とする請求項２に記載の表面評価装置。
【請求項４】照射光が、Ｐ偏光であることを特徴とす
る請求項２または請求項３に記載の表面評価装置。
【請求項５】試料の測定領域よりも小面積に集光され
た照射光が、走査されて、測定領域が均一に照射されて
なることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか
１項に記載の表面評価装置。
【請求項６】試料表面と散乱光検出手段との間に、照
射光の入射方向及び試料表面に対して平行に配置された
スリットを有することを特徴とする請求項１から請求項
５のいずれか１項に記載の表面評価装置。
【請求項７】迷光防止用遮蔽板が、配置されてなるこ
とを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に
記載の表面評価装置。