JP2006270111A - 半導体デバイスの検査方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
基板上の異物を検査する方法において、特に基板からの散乱光ノイズを低減して微小な異物を検出する。
【解決手段】
照明光学系の入射角度を小さくし、検出分解能の高い検出光学系および検出画素の小さい検出器により検出領域を充分に小さくするようにした。
照明光学系の入射角度を大きくすることにより、光が回折する際の位相差を小さくできるので、基板からの散乱光を低減できる。また、これにより、鏡面ウエハ上に付着した微粒子（微小な異物）の検出が可能になる。
【選択図】 図１６

Description

本発明は、鏡面ウエハを用いて、半導体製造工程の量産立上げ時、または量産ラインにおいて発生する微粒子（異物）を検出する鏡面ウエハの異物検出方法及び装置、並びに検出された微粒子（異物）を更に分析して半導体製造工程に対策を施す鏡面ウエハの異物分析方法及び装置に関する。

従来技術として、例えば、特開平０１−１１７０２４号公報に記載された回路パターンが形成された半導体ウエハ上の異物を検出する技術が知られている。

一方、半導体素子は微細化が進み、約０．０２−０．０８μｍ程度の微粒子（異物）が半導体ウエハに付着することによって不良品が出来上がることになり、このため、微粒子の発生の原因を究明して半導体製造工程にフィードバックさせて対策する必要がある。

特開平０１−１１７０２４号公報

上記従来技術においては、約０．３μｍピッチで、最大高さが０．７ｎｍ程度の凹凸を有する鏡面ウエハ上に付着する約０．０２−０．０８μｍ程度の微粒子を検出することについて考慮されていなかった。また、鏡面ウエハ上に付着した微粒子を検出するのに、ＳＥＭまたはＳＴＳを用いたのでは、非常に長時間を要し、汎用性の点で非常に劣るという課題を有する。

本発明の目的は、従来技術の課題を解決すべく、鏡面ウエハの表面に付着した微少な粒子を光学的に容易に検出することができるようにした鏡面ウエハの異物検出方法及び装置を提供することにある。

また本発明の目的は、鏡面ウエハの表面に付着した微少な粒子を光学的に容易に検出し、容易に微粒子の発生の原因を究明できるようにした鏡面ウエハの異物分析方法及び装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する上記表面の凹凸の最大高さよりも大きい微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出することを特徴とする。特に本発明は、集光照明光学系とイメージインテンシファイヤーを用いた高感度検出光学系を用いたものである。

ところで、レーザ散乱光検出法による微粒子検出では、表面凹凸からの散乱光ノイズおよび検出フォトン数のゆらぎが問題になる。そこで、本発明ではこれを低減するために高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光（波長５００ｎｍ、１００ｍＷのＡｒレーザ光）を照射し、結像光学系とイメージインテンシファイヤによりフォトンを検出する構成とし、検出画素サイズを鏡面ウエハ上換算で０．０５μｍ−２μｍ（特に１μｍ以下）とする。ウエハ仕様として、表面の凹凸のピッチがレーザ光の波長程度で、最大高さが
０．７ｎｍのときに微粒子との弁別で考慮することが必要となり、それ以外は問題とならない。

更に、本発明は、上記目的を達成するために、サンプリングウェハ上の異物を検出したのち異物の元素種を走査形トンネル顕微鏡／分光装置（ＳＴＭ／ＳＴＳ）により分析し、さらにＳＴＭ／ＳＴＳによる分析データをデータべースとして予め格納しておいて分析対称のデータと比較することにより分析対象の異物元素種を同定し、量産立上げ時等において異物の検出・分析・評価等を行ない、材料、プロセス、装置、環境等の異物の発生原因を究明しようとするものである。

ＬＳＩの製造では、最小パターン寸法の１／５〜１／１０の微粒子（異物）が問題とされ、例えば６４ＭＤＲＡＭでは、ウエハ上の０．０５μｍ程度以上の微粒子（異物）を検出し、対策する必要がある。

一方図１に示す半導体製造装置群１００の雰囲気中の異物の濃度も０．０５μｍ付近まで増加するというデータがある。半導体製造工程ではウェハ上に異物が存在すると配線の絶縁不良や短絡などの不良原因になる。これら平面方向の欠陥に対し、さらに半導体素子が微細化し、垂直方向の欠陥が問題になる。ウェハ中に微小な異物、具体的にはキャパシタの絶縁膜やゲート酸化膜などの膜の厚さ程度の異物が存在した場合、キャパシタの絶縁膜やゲート酸化膜などの破壊の原因になる。このような新たな問題が指摘されており、微粒子検出のニーズはますます大きくなっている。（図１８参照）
図１９に示すように、ＬＳＩは露光、エッチ、洗浄、成膜等の行程を繰り返して製造される。この如何なる工程でも微粒子の混入は許されない。これらの微粒子（異物）は搬送装置の稼動部から発生するものや、人体から発生するものや、プロセスガスによる処理装置内で反応生成されたものや薬品や材料等に混入されているものなどの種々の原因により種々の状態で混入される。とくに、最近になって重金属の微粒子（微少な異物）が問題視されている。ＬＳＩの量産立上げの主要作業のうちの１つに、これらの微粒子（異物）の発生原因を究明して対策を
施す作業があり、それには発生異物を検出して元素種などを分析することが発生原因探求の大きな手がかりになる。つまり、これら製造工程の装置内の発塵、ガス、水等のユーティリティの発塵ラインの雰囲気の発塵を液中微粒子検出装置大気中微粒子検出装置ウエハ異物検出装置を用いて検出管理している。検出した異物はＳＩＭＳ（Secondery Ion Mass Spectroscopy）、ＸＭＡ（Ｘ−ｒａｙ Ｍａｓｓ Ａｎａｌｉｚｅｒ）等の分析装置で分析され、原因を究明しラインに対策を施す。このシステムの中でウエハ上の異物検査はウエハ上に直接付着した異物
を検査でき、またウエハ上に異物をサンプリングしたことになるため分析装置と結合しやすいという長所がありＬＳＩ製造で広く用いられている。

図２０に示すように、この散乱光検出法で、微少な異物を検出する場合、ノイズとなる散乱光を除去して、微弱散乱光を検出する必要がある。具体的には、検出フォトン数のゆらぎの問題、空気分子による散乱（レーリー散乱）の問題、また、ウエハ表面からの散乱光の問題を解決する必要がある。今回、空気分子の散乱光の問題はレーリー散乱の式より算出し結像光学系により検出体積を微細化することで対応できる。表面凹凸からの散乱光については散乱現象をモデル化し散乱メカニズムを定量的に示すことができる。また、ゆらぎの問題に付いてはレーザ光強度とサンプリング時間と検出時の検出率虚報の問題を定量的に示すことができる。

図２１に示すように、ウエハを照明し、表面の散乱光を検出する光学系では、照明光束と検出光束の重なる部分に存在する空気分子も照明され、この空気分子による散乱光が異物検出時のノイズになる。散乱光強度は粒子系の６乗に比例するというレーリー散乱の式を基に空気分子からの散乱光強度を算出した。従来技術では、約１０の５乗立方μｍの空気分子が照明され、その散乱光強度は０．０５μｍ粒子からの散乱光と同程度になり、０．０５μｍ微粒子は検出できない。対物レンズによる結像光学系を用いることでこの体積を１０の２乗立方μｍていどにでき微粒子検出上問題ないレベルにすることができる。

図２２に、鏡面ウエハ表面にレーザ光を照射した場合の検出像を示す。表面で光が散乱し輝いて見える。微粒子を検出する上ではこの散乱光ノイズが問題になる。鏡面ウエハ表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した図を示す。縦軸は１００倍に強調してある。この表面の凹凸によって散乱が生じている。ところが図２３に示すように、この表面の凹凸はピッチが１００〜１０００ｎｍ程度で最大高さが０．１〜５ｎｍ程度という非常に緩やかな凹凸のため、反射を用いたモデルでは対物レンズに光が入らず表面からの散乱光が検出できる現象を説明できない。

そこで、回折現象を導入した。図２４に示すように、位相差が微妙に異なる部分を有する透明物体が有った場合、光は回折する。この回折光の総強度Ｉは以下の式で算出される。

Ｉ＝｜exp（-ｉ（ωｔ+δ））+exp（-ｉ（ωｔ＋π））｜²
＝2（1-cos δ）
＝δ² （１）
このウエハ表面での反射に適用するとこの凹凸による反射光の位相差により光が回折しレンズに光が届くことが説明できる。定量的にこの回折光を算出するために図２５に示したフーリエ変換を基にしたシミュレータを用いることができる。ウエハ表面にピッチｐ最大高さｈの凹凸が形成されているとし入射角θで波長λの光で照明する場合を考える。この場合に検出できる光強度は各面の状態を示すデータを基にフーリエ変換（Ｆ）と逆フーリエ変換（Ｆ-1）を用いて次式で示される。

i（x,y）＝Ｆ-1［Ｆ［Ｆ-1［ｌ（u,v）］＊p（x,y）］＊a（u,v）］
Ｆ ［f（x,y）］＝ f（x,y）exp{-2πi（ux+vy）}dxdy
Ｆ-1［g（u,v）］＝ g（u,v）exp{2πi（ux+vy）}dudv ・・・（２）
図２６に、凹凸ピッチと散乱光強度の関係を示す。凹凸ピッチを変えた場合いずれの入射角の場合も波長λ程度のピッチの凹凸から散乱する光の強度が最大になる。これは、波長程度のピッチが強調されて検出される現象を定性的に説明する。図２７に照明の入射角θと散乱光強度の関係を示す。入射角を変えた場合、０．５μｍピッチのもので散乱光強度はcosθの２乗に比例する。他のピッチの場合も２・ｐ／λ乗に比例する。図２８に凹凸の最大高さｈと散乱光強度の関係を示す。最大高さを変えると散乱光強度はいずれの入射角の場合もｈの２乗に比例する。図２９に、様々な波長について、凹凸ピッチｐを変えてシミュレーションした結果を示す。他の波長の場合も確かに波長程度のピッチの時散乱光強度が極大になっている。

このシミュレーション結果を検証するためにいくつかのウエハに付いて入射角を変えながら散乱光を測定し、ＡＦＭにより測定したピッチと最大高さをもとにシミュレータで算出した散乱光強度と比較する。ウエハＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４種のウエハに付いて図３０に示す。結果は概ねシミュレーション結果と合っている。また、鏡面ウエハでは、散乱光の強度から逆に凹凸の状態を定量的に測定することもできる。

即ち、本発明においては、例えば、画素サイズ１μｍ角、光強度１００ｍＷ、光照射時間２０分という条件で、８インチウエハ上の０．０５μｍ微粒子を９５％の検出率で検出することができる。また、微粒子の検出が可能なウエハの仕様を定量的に示すことができる。つまり、ある表面凹凸が合った場合、大きさが図に示された値以上の微粒子だけが検出できる。ところで、ウエハ上の微粒子検出では、ウエハの表面凹凸が検出性能に大きく影響する。

本発明によれば、半導体の微細化が進むに従って、問題になる０．０５μｍ程度の微粒子が鏡面ウエハ上に付着したのを容易に検出できるようして、この微粒子の発生原因を究明し、半導体製造プロセスにフィードバックして、微細化された半導体を歩留まりよく、製造することができる効果を奏する。

また、本発明によれば、量産立上げ時に必要な異物の検出・分析・評価の機能を最大限にできるため、量産ラインへのフィードバックを円滑に進めることができ、量産立上げ期間を短縮できる。

以下に本発明を半導体製造ラインで実際に使用する場合の実施例を図１乃至図１５により説明する。

図１は、本発明による半導体製造工程の量産立上げ及び量産ラインの異物検査方法及びその装置の一実施例を示す構成プロック図である。図１において、この半導体製造工程の量産立上げ及び量産ラインの異物検査装置は、露光装置１０１とエッチング装置１０２と洗浄装置１０３とイオン打込装置１０４とスパッタ装置１０５とＣＶＤ装置１０６等から成る半導体製造装置群１００と、温度センサ２０１と発塵モニタ２０２と圧力センサ２０３と真空内発塵モニタ３０４等から成るセンシング部２００およびそのセンシング部コントロールシステム２０５と、ガス供給部３０１と水供給部３０２からなるユーティリティ群３００と、水質サンプリングウェハ４０１とガスサンプリングウェハ４０２と装置内サンプリングウェハ４０３とデバイスウェハ４０４と雰囲気サンプリングウェハ４０５から成るサンプリング部４００と、ウェハ異物検出部５０１とパターン欠陥検出部５０２から成る検出部５００と、走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）と２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）６０２と走査形トンネル顕微鏡／分光装置（ＳＴＭ／ＳＴＳ）６０３と赤外分光分析装置６０４等から成る分析部６００と、異物致命性判定システム７０１と微小異物原因究明システム７０２と汚染源対策システム７０３とから成る対応システム７００とより構成される。またこれらの構成要素はライン対応のオンライン異物検査システム１００１と量産立上げライン対応のオフライン異物検査システム１００２とに分けられ、これらをあわせて半導体製造工程の量産立上げおよび量産ライン異物検査システム１０００を成す。

図２（ａ）〜（ｄ）は、図１のサンプリング部４００の一実施例を示す構成斜視図である。図２（ａ）〜（ｄ）において、図２（ａ）の水質サンプリングウェハ４０１は純粋配管４０６とサンプリング用蛇口４０７とバッファ室４０８と排水手段から成るユニットの中のバッファ室４０８内に載置され、第１図の水供給部３０２の純粋中の異物がサンプリングされる。図２（ｂ）のガスサンプリングウェハ４０２は同様にガス配管４１０とサンプリング用バルブ４１１とバッファ室４１２とロータリポンプ４１３と排気手段４１４から成るユニットの中のバッファ室４１２内に載置され、図１のガス供給部３０１のガス中の異物がサンプリングされる。図２（ｃ）の断面図の装置内サンプリングウェハ４０３は処理装置４１５（図１のエッチング装置１０２等）中のローダー室４０３と処理室４１７とアンローダー室４１８を通過し、処理装置４１５内で発生した異物がサンプリングされるが、このサンプリングでは処理室４１７で実際に処理する場合と処理しない場合のいずれも考えられる。またデバイスウェハ４０４は処理装置４１５（エッチング装置１０２等）で実際に処理されるウェハである。図２（ｄ）の雰囲気サンプリングウェハ４０５は処理環境４１９中のサンプリング台４２０上に載置され、処理環境４１９の異物がサンプリングされる。

図３は、図１の検出部５００の一実施例を示す構成ブロック図である。図３において、この検出部５００は真空チャンバ５１１とイオンポンプあるいはターボ分子ポンプ等の高真空ポンプ５１２とバルブ５１３とロータリーポンプ等のあら引ポンプ５１４と窓５１５，５１６，５１７とゲートバルブ５１８とゲートバルブ５２０と真空ポンプ５２１とハバルブ５２２とガス吹付ノズル５２３から成る真空室系５１０と、半導体レーザ５３１，５３２と集光レンズ５４０，５４１とミラー５３３，５３４と集光対物レンズ５３５，５３６と、検出対物レンズ５３７と検出器５３８と冷却器５３９から成る検出光学系５３０と、ＸＺＹステージ５６１から成るステージ部５６０と、２値化回路５７１とステージコントローラ５７２と信号処理部５７３と座標データ作成部５７４から成る信号処理系５７０と、インターフェイス室５７１とロードロック５８２とウェハ載置手段５８３とウェハ搬送手段５８４とガス吹付ノズル５８５とバルブ５８６と真空ポンプ５８７と台車５８８から成るインターフェイス部５８０とから構成される。

図４は、図１の分析部６００の一実施例を示す構成ブロック図である。図４において、この分析部６００は真空チャンバ６１１とイオンポンプあるいはターボ分子ポンプ等の高真空ポンプ６１２とロータリポンプ等のあら引ポンプ６１４とゲートバルブ６１８と予備真空室６１９とゲートバルブ６２０と真空ポンプ６２１とバルブ６２２とガス吹付ノズル６２３から成る真空室部６１０と、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）用チップ（ＡＦＭ用チップ）６３１と微弱力反応レバー６３２とレバー固定部６３４とＳＴＭチップ６３３とＳＴＭ ＸＹＺ微動ユニット６３５とＡＦＭバイアス電源６３８とＳＴＭバイアス電源６３７と電流計測手段６３９，６４０と試料載置台６４１とＳＴＭユニットアーム６３６と試料ＳＴＭ粗駆動ユニット６４２から成るＳＴＭユニット６３０と、ＳＴＭ ＸＹＺ微動ユニットコントローラ６７１と試料ＳＴＭ粗駆動ユニットコントローラ６７２と分析データ作成部６７４と分析データ格納部６７５と分析データ判断部６７６と情報管理部６３７から成る信号処理部６７０と、図３の検出部５００のものと同じもののインターフェイス部５８０とから構成される。

つぎに図１のオフライン異物検査システム１００２の中核をなす図２と図３と図４のサンプリング部４００と検出部５００と分析部６００の機能および動作について説明する。

図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリング部４００では、例えば図２（ａ）のユニットで第１図の水供給部３０２の種々の製造工程で使用する純水の評価として、使用する純水をサンプリングウェハ４０１に注水しながら純水中の異物をサンプリングウェハ４０１上に付着させる。あるいは図２（ｂ）の真空処理室等を有する処理装置４１５（例えばエッチング装置１０２）内にサンプリングウェハ４０３を通過させて、処理装置４１５内で発生する異物を付着させる。また図２（ｄ）の処理環境４１９のクリーンルーム中の任意の箇所にサンプリングウェハ４０５
を放置して、ウェハ４０５上に雰囲気中の異物を付着させる。ここで使用するサンプリングウェハ４０１〜４０５の詳細について次に図５から図８により説明する。

図５は、図１および図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリングウェハ４０１〜４０５の鏡面ウェハを示す斜視図である。図５の鏡面ウェハはウェハ表面が鏡面に研磨されたものであり、異物の検出および分析にあたってウェハ表面の影響を最も受けにくいという利点を有する。

図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１および図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリングウェハ４０１〜４０５のそれぞれＳｉ3Ｎ4，Ｐoly-Ｓｉ，Ａｌ膜が形成されたウェハを示す斜視図である。図６（ａ），（ｂ），（ｃ）のウェハは例えば洗浄槽（洗浄装置１０３等）を洗浄するにあたって洗浄対象ウェハと材質が等しいため、洗浄時の異物の付着状態が等しくなるのでより高い精度の洗浄槽の評価ができる。またこれらのウェハをそれぞれの形成膜の次工程の成膜装置等に通過させて、この成膜装置等での異物発生状況を評価することができる。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図１および図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリングウェハ４０１〜４０５のパターンが形成されたウェハを示す斜視図で、図７（ａ），（ｂ）のウェハはそれぞれ図７（ｃ），（ｄ）の部分拡大図に示したパターンを形成したもので、これらのウェハのパターン形状はいずれも実デバイスのパターンをモデル化したものである。図７（ａ）〜（ｄ）のウェハは異物の付着にパターン形状の依存性があることを考慮したものであり、これらのウェハにより実デバイス上での異物の付着状況を正確に再現することができる。さらに異物検出にあたって、これらのウェハのように規則正しく形成されたパターンの場合にはウェハ空間フィルタ等により、パターンからの回折光を高精度で遮光できるので高精度の異物検出ができる。具体的に図７（ａ），（ｃ）のウェハのパターンの場合には、パターンの長手方向を図３の検出部５００のＸＹＺステージ５６１の図示するｙ方向に向けてウェハ４０１を掲載すればパターンからの回折光は検出光学系の検出対物レンズ５３７に入射しない。また図７（ｂ），（ｄ）のウェハのパータンの場合には、パータンの方向を図３の検出部５００のＸＹＺステージ５６１の図示するｙ方向に対して４５°回転した方向に向けて載置すればよく、この場合には図７（ｄ）のパターンの交差点７０６からの散乱光があるため、図７（ｃ）のパータンほど高精度の異物検出ができない反面、図７（ｄ）は、図７（ｃ）のパターンより実デバイスをより忠実にモデル化しているため洗浄槽等の評価をするさいにはより高いサンプリンング精度を達成することができる。

図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図１および図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリングウェハ４０１〜４０５の製作時のラッピング方向と検査時の走査方向を示す斜視図である。通常にはウェハを製作するさいに最終的な仕上げとしてしウェハ表面を鏡面を磨き上げるが、この時の研磨方向は図８（ａ）に矢印で示すようにウェハの中心軸マワリの回転方向の場合と、図８（ｂ）に矢印で示すようにウェハのｙ方向の場合と、これらの図８（ａ），（ｂ）の合成の場合とが考えられる。したがって図８（ａ），（ｂ）のウェハの研磨方向に平行な微小のきず
がウェハ表面に多数形成されており、図８（ａ），（ｂ）の研磨方向の合成のウェハにもこれらの合成により主に形成される方向のきずが存在するが、これらのきずはウェハの異物の微小な粒子を検出するさいに障害となる。そこで図８（ｃ），（ｄ）に矢印で示すようにそれぞれｒ，θ方向，ｘｙ方向に走査してウェハ表面の異物検査を実施することにより、検査時の光の照射方向８０１と検出方向８０２に対してきずの方向を一定に保つことができ、このきずの方向により主に回折する光をカットすることができる。

上記の図１及び図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリング部４００で異物を付着させたサンプリングウェハ４０１〜４０５は検出部５００に送られる。このさい真空処理装置等でウェハを大気中に出したくない場合には、図３のインターフェース部５８０を用いてサンプリングウェハ４０１〜４０５を真空チャンバ５１１に搬入することができる。さらに上記サンプリングウェハ４０１〜４０５には検出部５００と分析部６００の間を結合するさいの座標規準としてアライメントマークをつけておくことが、このアライメントマークは十字マークや＃マーク等いずれであってもよく、また座標合せにはｘ，ｙ，θが必要であるため最低限２個所以上に付ける必要がある。

図３の検出部５００では、ウェハ異物検出部５０１で搬入されたサンプリングウェハ４０１をＸＹＺステージ５６１上に載置し、半導体レーザ５３１，５３２からの光を照射光学系の集光対物レンズ５３５，５３６でウェハ４０１上の測定点８０３上を照明する。測定点８０３上の異物からの散乱光は検出光学系の検出対物レンズ５３７により検出器５３８上に結像される。検出器５３８で光電変換された信号は２値化回路５７１で２値化されて信号処理部５７３に送られる。一方のＸＹＺステージ５６１は検査中にＺステージを駆動して検出光学系の検出対物レンズ５３７の焦点位置に測定点８０３が来るように制御され、同時にＸＹステージでＸＹ方向に走査されてウェハ４０１の全面が検査される。ここで異物が存在した場合には信号処理部５７３はステージコントローラ５７２からＸＹステージの座標をとりこみ、座標データ作成部５７４で座標データを作成して分析部６００へ送る。

図４の検出部６００では、ＳＴＭ／ＳＴＳ６０３を用いた分析について次に説明する。ＳＴＭを用いた分析（ＳＴＳ：Scanning Tonneling Spectroscopy）は｛表面｝Vol．26 No．6（1988）PP．384-391「走査型トンネル顕微鏡／分光法（ＳＴＭ／ＳＴＳ）触媒表面研究への応用」等に詳細に論じられている。この文献の中でＳＴＭ／ＳＴＳでは高い空間分解能で測定できる反面、元素種の同定ができない欠点を有することが記載されている。この文献によればＳＴＭで収集できる情報はバイアス電圧Ｖとトンネル電流ｉと針先と試料との間隔の変化分ΔＺのみであり、これらの情報からｄｉ／ｄｚを算出することにより試料表面の仕事関数φを算出することができる。上記文献では元素種の同定ができない理由は明確にされていないが、元素種の同定ができないのは次の理由によると考えられている。すなわち仕事関数φは元素種と元素の結合状態の関数であるため、１つの仕事関数φをもつ元素種および元素の結合状態は数多く考えられ、したがって仕事関数φを決定できても元素種と元素の結合状態は決定できない。ところが本発明者らは半導体の製造ラインで混入される可能性のある元素には限りあることに着眼し、ＳＴＭ／ＳＴＳで求めた仕事関数φをもとにして測定対象がどの元素なのか限りのある元素の中から選び出すことは次のようにして可能であることに着目した。

図４の分析部６００の電流計６４０で検出できるトンネル電流ｉＴは、例えば「応用物理」第５６巻第９号PP．1126-1137「走査型トンネル顕微鏡」によれば次式で算出される。

ｉＴ＝ｋ・ＪＴ＝（ｅ2／ｈ）・ＶＴ・（１／２π）・（２π√（２ｍφ）／ｈ）
×（１／Ｚ）・ｅｘｐ（−２Ｚ・２π√（２ｍφ）／ｈ） ・・・（３）
ここでＪＴｆトンネル電流密度、ｅは電子の重荷、ｈはプランク定数、ｍは電子の質量、φは仕事関数である。この式（３）ではＶＴはバイアス電源６３８のバイアス電圧であり、トンネル電流ＣＴは測定できるので、Ｚ及びφのみが未知数であるから、したがって針先と試料との間隔がＺ及びＺ＋ΔＺでトンネル電流ＣＴを測定すれば仕事関数φが算出できる。

図９は、図４の分析部６００の子のょう４０１の仕事関数のｘｙ分布図である。図４の分析部６００で試料４０１のトンネル電流ｉＴを測定して式（３）より仕事関数φを算出し、図９に示すようにｘｙ平面上に仕事関数φの分布をとると、試料４０１の材料の分布が原子オーダーでわかる。

図１０は、図４の分析部６００の試料４０１の断面図である。図４の分析部６００の試料４０１の仕事関数φの値は、図１０に示すような試料４０１の薄膜８２１と異物８２２が作る系全３本の仕事関数になるため、図９に示す試料４０１の仕事関数φのｘｙ分布のデータベースは下地の材料によって異なるものであるから、さまざまな下地の試料について測定しておく必要がある。また逆にさまざまな下地の場合にこれらのデータをとっておけば試料４０１の材料は類推できる。

図１１は、図４の分析部６００の試料４０１とＡＦＭチップ６３１の間の距離Ｚと原子間力ｆの関係である。図４の分析部６００で電流ｉＡを一定に保ちながらＳＴＭちっぷ６３３のＺ方向を制御すると、ＡＦＭチップ６３１により試料４０１ちＡＦＭチップ６３１の間の力はの分布が計測できて、図１１に示すような試料４０１とＡＦＭチップ６３１の間の原子間力ｆと、試料４０１とＡＦＭチップ６３１の間の間隔Ｚとの関係が得られる。このｆ−Ｚ波形は例えばキッテル著「第４報固体物理学入門上巻」丸善株式会社発行PP．114-122によればクーロン力と斥力エネルギーの総和であり、したがって２つのパラメータを持ち、この２つのパラメータが図１１のｆ−Ｚ波形を決める。この２つのパラメータをα，βとすると、試料４０１とＡＦＭチップ６３１の間の力ｆと試料４０１とＡＦＭチップ６３１の間の距離Ｚとの間には次式の関係が成り立つ。

ｆ＝ｋ・ｅｘｐ（−Ｚ／α）−（β／Ｚ） （４）
また式（４）より２個所の距離Ｚでの力ｆすなわちチップ駆動ユニット６３５のＺ座標を測定すればパラメータα，βは算出できる。

図１２は、図４の分析部６００の試料４０１とＡＦＭチップ６３１の間の距離Ｚと原子力間力ｆの関係式（３）のパラメータα，βおよび試料４０１の仕事関数φの関係図である。上式（３）より２個所のＺ位置でのＦ測定値からα，βを算出した結果および上式（２）よりｉＴの測定値から算出した仕事関数φの値を図１２に示すように３次元でプロットすると、試料４０１の材料及び異物の種類によって３次元でのプロット位置８１１あるいは位置８１２が決まる。すなわちこのα，β，φのデータを既知の異物について測定しておくと、測定対象のα，β，φの３次元でのプロット位置から異物の種類が同定できる。

図１３は、図４の分析部６００の試料４０１のトンネル電流ｉと原子間力ｆの関係図で、図４のバイアス電圧Ｖを一定にして距離Ｚの変化分ΔＺを変えながらトンネル電流ｉＴと上式（３）の原子間力ｆを測定したものであってデータベースとすることができる。現在のＳＴＭ関連の研究レベルではトンネル電流ｉと原子間力ｆの正確な相関および元素種との関係について十分にわかっていないが、しかしこのトンネル電流ｉ−原子間力ｆスペクトルを試料４０１の材料と異物に係わる多くの物質について測定しておくことにより測定対象の同定に使うことができる。また仕事関数φの空間分布も元素同定の有力な手がかりとなる。

図１の半導体製造工程の量産立上げ対応のオフライン検査システム１００２のサンプリング部４００と検出部５００と分析部６００により、混入の可能性のある異物の元素の測定を予め求めてデータベースとして蓄積しておくことによって、測定対象の測定結果と比較することにより異物の元素種の分類が可能となる。この概念は仕事関数の正確な意味付けやそのほか現象の発生理由を無視したものであり、正確さには欠けるのが異物の元素を同定して発生源を「推定」するという目的には十分に役立つ。

また検査システムのサンプリング部４００と検出部５００と分析部６００の各ユニットを座標管理で結ぶことにより各ユニットを常時に稼動させることができるので、従来の特開昭６０−２１８８４５号公報に開示された各ユニットを機構として連結して使用する技術よりも各々ユニットの稼動率を上げることができる。さらに各ユニット単体の性能も容易に向上することができるが、これは従来の各ユニットを機構的に結合することによつて振動のバランスがくずれ系全体の振動が増加したり、系全体の電磁界のバランスがくずれて電気的ノイズが増加したりするのを除去できるためである。

図１の半導体製造工程の量産立上げ対応のオフライン検査システム１００２の対応システム７００では、上記サンプリング部４００と検出部５００と分析部６００によって検出し分析された試料上の異物の情報をもとに異物発生源が推定され、１つに発生源と思われる量産ラインの対象物に発塵をなくす対策が施され、この対策は対策実施前後での異物の発生数を比較することにより評価される。またもう１つには異物発生の発塵源であることが判明した量産ライン対応のオンライン異物検査システム１００１のプロセスと装置と材料あるいは雰囲気を簡便に実時間の管理ができるセンシング部２００のモニタを設置することで、この作業がＬＳＩの量産立上げ時に実施される。またこのセンシング部２００はサンプリングウェハにも対応するが、通常は製品ウェハ４０６をモニタする。量産時にはオンライン異物検査システム１００１に設置されたセンシング部２００のモニタにより設置及びプロセスその他が常時に監視され、異常時には上記オフライン検査システム１００２により原因究明される。

図１の半導体製造工程の量産立上げ対応のオンライン検査システム１００１のセンシング部２００のセンサの実施例として真空内発塵モニタ２０４にについて次に説明する。真空内には塵埃を搬送する媒体がこないためエアダストモニタは使用できないが、本発明の実施例ではこの真空内では塵埃を搬送する媒体がないということを逆に利用している。すなわち真空内の塵埃を搬送する媒体がない場合に、塵埃は重力によって落下するか、あるいは静電気力によって引かれるかブラウン運動によりランダムに動くかであるが、真空中であるので前２者の力が変則的にこの２つの力を利用して真空内の塵埃の個数をカウントする技術を考案している。

図１４は、図１のセンシング部２００の真空内発塵モニタ２０４の一実施例を示す構成プロック図である。図１４において、この真空内発塵モニタ２０４は真空処理装置１０７内の異物発生源となりうる場所１０８に設置されるものであり、ポート２２１と陰グリット電極２２３と陽グリット電極２２３と陽プレート２２５と陰プレート電極２２４と印加電源２２９と電流計２２６，２２７と電流カウンタ２２８とから成り、陰グリッド電極２２２と陽プレート電極２２５間および陽グリッド電極２２３と陰プレート電極２２４間にはそれぞれ印加電源２２９により直流電圧が印加され、また電流計２２６，２２７はそれぞれ電荷１個でも計測できる高感度なもので構成される。

上記構成で、異物８１１あるいは異物８１２が発生して陽グリッド電極２２３あるいは陰グリッド電極２２２に飛来した場合を例にして動作を説明する。いま意物８１１が陽グリッド電極２２３を通過するさいに、異物８１１に励起した電子が存在する場合には陽グリッド電極２２３は電子を受け、このとき異物８１１はプラスに帯電して陰プレート電極２２４に達する。この結果で印が電源２２９から陰プレート電極２２４と陽グリッド電極２２３間に電流が流れ、この電流を電流計２２６により検出することができ、この電流が流れた回数を電流カウンタ２２８でカウントすることにより飛来した異物８１１の数をカウントできる。また異物８１２が陰グリッド電極２２２を通過するさいに、電子を放出しやすい状態にある場合には異物８１２は陰グリッド電極２２２から電子を受け、マイナスに帯電して陽プレート電極２２５に達する。このとき電流が流れて電流計２２７で検出され、この電流が流れた回数を電流カウンタ２２８でカウントすることにより飛来した異物８１２の数をカウントできる。

図１４の真空内発塵モニタ２０４では陰グリッド電極タイプと陽グリッド電極タイプの両方を有するものを示したが、用途によってはこのいずれか一方のみを有するものでも十分に有用である。また異物８１１，８１２は説明の都合上から電子を受けやすいものや電子を放しやすいものを例にしているが、本実施例では必ずしもこの限りではなく、強制的に電圧を印加しているためいずれの粒子であってもカウントすることができる。ただし上記説明の異物の方が飛来するさいに、それぞれの電圧でじゃまされることがないため確実にカウントできると考えられる。

図１５は、図１のセンシング部２００の真空内発塵モニタ２０４の他の実施例を示す構成斜視図である。図１５において、この真空内発塵モニタ２０４は図１４の真空処理装置１０７内の代りに真空処理装置の配管系に設置される。この真空内発塵埃モニタ２０４では配管１０７内に配置した陰グリッド電極２２２と陽グリッド電極２２５間に流れる電流を電流計２２７で検出することにより、配管１０９内を流れるガスに乗って移動する異物の数を電流カウンタでカウントできる。

以下ウエハ異物検出部５０１の第２の具体的実施例について図１６ないし図１７を用いて説明する。

第２の実施例は、ＸＹステージ１５６１、ステージコントローラ１５６２、ｚステージ１５６３、自動焦点検出系１５６４、ｚステージコントローラ１５６５より構成されるステージ部１５６０と、Ａｒレーザ１５３１、ビームエキスパンダ１５３２、シリンドリカルレンズ１５３３、偏光フィルター１５３４より構成される照明光学系１５３０と、対物レンズ１５４１、より構成される検出光学系１５４０と、光電変換面１５６１、マルチチャネルプレート１５６２、蛍光版１５６３、印可電圧コントローラ１５６４より構成される光子増倍部１５６０と、結像レンズ１５５１、リニアセンサー１５５２より構成される検出部１５５０と、２値化回路１５７１、マイクロコンピュータ１５７２より構成される信号処理部１５７０とにより構成される。

ステージ部１５６０では、ウエハ４０１が載置され、マイクロコンピュータ１５７２の指令通りにステージコントローラ１５６２を介してｘｙステージが駆動される。同時に、自動焦点検出系１５６４により焦点位置が検出され、Ｚステージコントローラ１５６５を介してＺステージ１５６５がコントロールされる。ここで、自動焦点検出系１５６４は当該業者にとって明かなように縞パターンを検出するものでも、レーザ光の反射位置の変化を検出するものであっても特に問題ない。

照明光学系１５３０では、Ａｒレーザ１５３１から射出した光がビームエキスパンダ１５３１により広げられ、シリンドリカルレンズ１５３３及び偏光フィルター１５３４を通してウエハ４０１上の検出位置８０３を入射角度θで照明する。ここで、検出部１５５０のリニアセンサの形状に合わせて直線上にするためにシリンドリカルレンズ１５３３を用いている。また、特許出願に示したように入射角度θで照明する際にビームの先端１５３５、ビームの手前側１５３６の焦点を補正すためにシリンドリカルレンズ１５３３は角度αだけ傾けてある。

Ａｒレーザ１５３１を用いているのは、Ａｒレーザが簡便に短波長の高出力レーザを発振可能であるからである。したがって、あくまでもＡｒレーザである必要はなく比較的短波長の他のレーザ例えば窒素レーザ、ヤグレーザの第２高調波、ヘリウムカドミウムレーザ等であってよい。

また、照明光学系１５３０は、シリンドリカルレンズ１５３３を検出位置８０１の照明領域の形状が円形になるように設定してもよい。この場合は、リニアセンサー１５５２にかえて２次元タイプの検出器を用いる必要がある。ここで説明した様な照明領域の形状をシリンドリカルレンズあるいはアナモルフィックプリズム等で作成するのは明かである。

検出光学系１５４０では、ウエハ４０１から散乱する光を対物レンズ１５４１で集光し、光子増倍部１５６０内の光電変換面１５６１上に結像する。

光子増倍部１５６０では、光電変換面１５６１で入射光子により電子が放出しその電子が、マルチチャネルプレート１５６２により増倍され蛍光面１５６３に到達し、蛍光面から光が射出する。また、マルチチャネルプレート１５６２に印荷する直流高電圧は印荷電圧コントローラ１５６４によりコントロールされる。印荷電圧を下げることにより、異物検出感度を落とすことができる。ここで、光電変換材料として、３００ｎｍから６５０ｎｍの帯域に感度のあるバイアルカリが適している。このバイアルカリは、長波長側（赤色）の感度をカットすることにより、熱雑音を大幅に低減したものである。熱雑音は、概ね数個／秒・平方ｃｍである。これに対し、通常のイメージインテンシファイアで用いている光電変換材料はマルチアルカリと呼ばれるもので、熱雑音が１０００から２００００個／秒・平方ｃｍ程あり、検査時間中に熱雑音だけで数千から数万この虚報を作ることになり、本発明の異物検査装置では使用できない。また、入射フォトン数に対する射出電子数の比（量子効率）は、概ね１０から１５％である。したがって、検出される電子数は入射フォトン数にこの量子効率を掛け合わせた値になる。今後、検出フォトン数といえばこの射出電子数のことをいうこととする。

検出部１５５０では、蛍光面１５６３より射出した光を結像レンズ１５５１によりリニアセンサー１５５２上に結像する。

信号処理部１５７０では、リニアセンサー１５５２からの信号を、２置化回路１５７１により２置化し、検出された異物信号を、ステージコントローラ１５６２からの信号と共に異物メモリー１５７３に格納する。このデータは、マイクロコンピューター１５７２により表示され確認できることはいうまでもない。

つぎに、動作について説明する。

ウエハ４０１がステージ部１５６０上に載置され照明光学系１５３０により照明される。ウエハ表面上の検出位置８０３に異物がある場合、個の異物からの散乱光が、対物レンズ１５４１により検出される。異物が微細なためその散乱光は非常に微弱でフォトン数１０個のレベルである。

検出するフォトンの数に応じて蛍光面に到達する電子の数が変わり、蛍光面の明るさが変わり、リニアセンサー１５５２により検出される信号の強度が変わる。この結果、フォトンが多い場合は図１７信号８５１のように大きな値を持ち信号として検出され、フォトンが小さい場合は信号８５２のように小さな値を持つ信号として検出される。

ここでは、フォトンの検出個数を蛍光面の蛍光強度として検出する手法を用いているが、フォトン個数を計数する手法によっても良いことはいうまでもない。

検出した結果は、マイクロコンピュータ１５７２のよって、異物座標、異物数等と同時にディスプレイ表示される。

画素サイズの設定に当たっては、検査対象ウエハの表面凹凸、検出すべき微粒子のサイズ、必要な検出率、許容可能な虚報率等を考慮する必要がある。そのため、本実施例では、画素サイズ、ステージ走査速度を可変にしておくとよい。

以下画素サイズ、レーザ光の出力、検査時間、検査性能の間の関係を説明する。これにより、必要な装置の構成も決定できる。先ず、一例として、０．０５μｍ微粒子からの散乱光を８インチウエハ当り２０分程度１μｍ画素、１００ｍＷのＡｒレーザという検出条件で、鏡面ウエハ上の微粒子の散乱光レベルと表面凹凸の実験結果を比較して示す。図３１は、入射角を変えて散乱光強度を示している。ウエハからの散乱光は１μｍ角の画素からの散乱光を測定したものである。このように画素を１μｍまで小さくするとウエハ凹凸と０．０５μｍ微粒子は弁別比５で弁別することができる。

ところがこの条件では、０．０５μｍの異物からの散乱光は約４０フォトンになる。この４０フォトンの検出では、図３２に示す新たな問題が生じる。特定の照明強度で特定のサンプリング時間Δｔに下地ノイズが平均Ｎ個、異物信号が２Ｎ個、のフォトンを検出したとする。すなわち弁別比が２の場合を考える。この場合フォトンはポアソン分布に従って確率的に検出される。例えば、平均１０個の場合１、２個から３０個程度の分布を持つ。この結果、照明が十分強い場合はノイズと信号を十分弁別できるのに対し、照明が弱く検出できるフォトン数が小さい場合はこのゆらぎが大きくなり、同じ弁別比２であっても信号とノイズを弁別できなくなる。

次に照明光量と検出率の関係に付いて定量的に図３３に示す。横軸に８インチウエハ全面への照射光量Ｐをとり、縦軸に微粒子からの照明フォトン数Ｎｐをとると、０．０６９μｍ、０．０５μｍの微粒子からの散乱光は図の点線で示され、照射光量の増加と共に増加する。一方、表面凹凸からの散乱光ノイズも光量の増加と共に増加し図の横軸に対応づけられる。ここで、任意のノイズフォトンＮｎに対して、特定のしきい値を設定し検出率９９％で検出できる平均フォトン数Ｎｐを考えプロットしたのが図の曲線である。同様にノイズフォトンＮｎに対して検出率５０％で検出できる平均フォトン数Ｎｐも示してある。この図から、例えば８インチウエハに１００ｍＷレーザを２０分照射した場合表面凹凸１μｍ角から約１０個のフォトンが検出され０．０５μｍからは５０フォトンが検出される。この場合の検出率は約９５％であることが示される。光パワーを２倍にあげた場合検出率は９９％以上になることがわかる。

ここで、画素サイズを大きくすると、高速の検査が達成できる反面、ウエハ表面凹凸からの散乱光ノイズが大きくなるため、微粒子からの信号との弁別比が小さくなり、検出率が下がる。つまり、検査速度と検出率をどの程度に設定するか決める必要がある。また、画素サイズを、光学系のＮ．Ａ．（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）及び波長から決定される分解能以下にしても、弁別比は向上しない。従って、画素サイズは、光学系の分解能程度が実用上最小なものとなる。電気的に達成可能な検査速度の範囲であれば、画素サイズは、結像光学系の分解能程度が最も望ましい。但し、サンプリングウエハの表面が平凹の場合、散乱光ノイズが小さいので画素サイズを、更に大きくできるのはいうまでもない。

以上の検討の結果、画素サイズ１μｍ角、光強度１００ｍＷ、光照射時間２０分という条件で、８インチウエハ上の０．０５μｍ微粒子を９５％の検出率で検出できる。また、微粒子の検出が可能なウエハの仕様を定量的に示すことができる。つまり、ある表面凹凸が合った場合、大きさが図に示された値以上の微粒子だけが検出できることを意味する。ウエハ上の微粒子検出ではウエハの表面凹凸が検出性能に大きく影響することを意味する。

装置仕様の一例を図３４に示す。レーザ散乱光検出法による微粒子検出では、表面凹凸からの散乱光ノイズおよび検出フォトン数のゆらぎが問題になる。本発明ではこれを低減するためにＡｒレーザを照射し、結像光学系とイメージインテンシファイヤによりフォトンを検出する構成とし、検出画素を１μｍ以下とし、波長５００ｎｍ、１００ｍＷのＡｒレーザを用いる。検出できるウエハ仕様としては、波長程度のピッチで、最大高さが０．７ｎｍ以下の必要がある。また、サンプリングウエハとして、最大高さの更に小さいものを用いれば、表面凹凸からの散乱光ノイズを低減できるため、更に高速、高検出率の装置が達成可能である。

例えばウエハ表面の０．０５μｍの異物を９５％の検出率、ウエハ全面で虚報の数を１００個程度にする場合を考える。横軸に８インチウエハ全面への照射光量Ｐをとり、縦軸に微粒子からの照明フォトン数Ｎｐをとると、０．０６９μｍおよび０．０５μｍの微粒子からの散乱光は図３３の点線で示され、照射光量の増加と共に増加する。一方、表面凹凸からの散乱光ノイズも光量の増加と共に増加し図３３の横軸に対応づけられる。ここで、任意のノイズフォトンＮｎに対して、特定のしきい値を設定し、検出率９９％で検出できる平均フォトン数Ｎｐを考えプロットしたのが図の曲線である。ここで、しきい値を越えるノイズフォトン数は虚報として検出される。そこで、このしきい値は、検出率が十分大きくなるような小さい値に設定されると同時に、虚報が許容範囲以下になる様な十分大きい値に設定される必要がある。具体的には、ウエハ全面での許容虚報数をＮｋとし、ウエハ全面での画素数Ｎａとし、ポアソン分布でしきい値を越える確率ｐのとき、Ｎｋ＜Ｎａ・ｐを満たすようなしきい値を設定する必要がある。ここでは、Ｎａ＝３．１Ｅ１０，Ｎｋ＝１００を満たすようなｐになるようしきい値を設定した。同様にノイズフォトンＮｎに対して検出率５０％で検出できる平均フォトン数Ｎｐも示してある。この図から、例えば８インチウエハに１００ｍＷレーザを２０分照射した場合表面凹凸い１μｍ角から約１０個のフォトンが検出され０．０５μｍからは５０フォトンが検出される。個の場合の検出率は約９５％であることが示される。光パワーを２倍にあげた場合検出率は９９％以上になることがわかる。

以上の検討から、「虚報率を上げても良いときは、検出率を上げることができる。検出異物寸法を大きく設定すると、検出率および虚報を小さくできる。検査時間を大きく設定すると検出率および虚報を小さくすることができいる。」等の結果が生まれる。また、これにより検出異物寸法、検査時間等の異物検査装置の仕様やコンセプトを決定した後、画素サイズ、照明光強度等の装置構成を定量的、理論的に決定できる。

表面凹凸からの散乱光が１／４に低減された場合の、検出率の図を図３５に示す。ポリッシングにより、ウエハ表面の凹凸を小さくした場合である。この場合、図３３の例のように、１００ｍＷレーザで２０分検査した場合の光量で０．０５μｍ微粒子を９９％以上で検出できる。これに対し、表面凹凸からの散乱光が４倍に上がってしまった場合の検出率を図３６に示す。この場合、約２００倍の８００Ｊの光量を照射しても、０．０５μｍ微粒子を５０％の検出率で検出するのが限界である。即ち、ウエハ表面の凹凸を小さくし、散乱光も低減するのは、大きな効果がある。

また、本発明の別の利用方法について説明する。本発明では、さきに説明したように、検出した散乱光強度はウエハ表面の凹凸と関係がある。そこで、散乱光強度を検出することで、ウエハの表面凹凸のピッチｐ最大高さｈを知ることができる。これによりうえはの凹凸欠陥、ウエハポリッシングの検査をすることができる。図２７によれば、照明の入射角度を変えながら表面凹凸からの散乱光を測定した場合、散乱光強度は、（ｃｏｓθ）＊＊（２・ｐ／λ）に比例する。従って、入射角度を変えながら散乱光強度を測定し曲線の傾きの変化率を算出すれば、表面凹凸のピッチｐを知ることができる。また、散乱光強度は、最大高さｈの２乗に比例する。従って、散乱光強度から最大高さｈを知ることができる。

以上の目的を達成する構成としては、図１６の実施例の照明光学系に入射角度設定手段１５３５を付加する必要がある。使用方法としては、測定位置８０３に固定して、照明角度にたいする散乱光強度を測定する方法がある。この方法は、ピッチｐおよび最大高さｈを同時に測定できるが、測定時間が長いという短所を有する。また、特定の測定位置１点のみ上記の測定方法を用い、その他の点は入射角度を固定しステージを走査する方法がある。この方法では、１点の測定でピッチｐおよび最大高さｈを同時に測定した後、ｐおよびｈの変化を高速に測定でき、ウエハの表面凹凸の検査としては十分なものと考えられる。

以上、照明の入射角は大きいほど、表面凹凸からの散乱光は小さくできる。

照明の入射角度θは、図３１より、６０度から７０度程度が弁別比が最大になり、異物検査を実施する上で最適といえる。また、球形でない異物の場合この限りでなく、入射角度は図３１より大きい法がよい。また、照明光をｐ偏光（光の磁界ベクトルが入射面に対して平行な光）としブリウスター角（反射率が０となる角度）で照明することによって、表面凹凸からの散乱光を最小にすることができる。

「表面凹凸および微粒子によって反射光の位相が変化する。ここで、表面凹凸に対し、微粒子の高さは１０倍以上大きいのが通常である。従って、散乱光フォトンの位相を測定することによって、検出したフォトンがウエハ表面から散乱したものか微粒子から散乱したものかを知ることができる。これは、フォトン数という確率的なものではなく、位相変化という確実なものとして捕らえられるものである。このため、先に説明した散乱光フォトン数を検出する方法では、検出率を上げるために検出フォトン数として概ね１０個以上のフォトンが必要になるのに対し、位相変化を捕らえる方法では、フォトン１個であっても微粒子からの散乱光か表面凹凸からの散乱光かを弁別できる。」という考えは、量子力学に基礎を置く不確定性原理より否定される。不確定性原理によれば、「微粒子の運動量と位置を同時に正確に測定することはできない。どうように、光のフォトン数と位相を同時に正確に測定することはできない。（山本；量子光学と新技術［Ｉ］；電子情報通信学会誌、７２巻、６号、ｐｐ．６６９−６７５）」 従って、本発明の異物検査装置で説明した、検出には特定個以上のフォトン数が必要である。

上記半導体工程の量産立上げ及び量産ラインの異物検査方法及びその装置は、量産立上げ時には材料、プロセス、装置、設計等の評価、改良（デバック）を行なうために高価で高性能な評価設備により各プロセス、設備等を評価し、量産時には生産ラインの設備をできる限り軽減し特に検査、評価の項目を減らして設備の費用および検査、評価に要する時間を短縮するようにする。

それには量産立上げ時の評価が円滑、迅速に進むように表面を高精度にポリッシングするなどサンプリングウェハを工夫した異物検出分析システムを用いて異物の発生原因を究明して材料入手時の検査仕様を変更したり設備の発塵源の対策を立て、その結果がそれぞれの材料、プロセス、装置等にフィードバックされて発塵しやすいプロセスの仕様を発塵に対して強い素子の設計仕様としたりすると同時に、量産ラインの検査、評価の仕様作りに利用され異物の発生しやすい箇所に必要に応じて異物（発塵）モニタを設置したり、特定箇所の特定の異物の増減のみをモニタする仕様としたりする。

上記のように量産立上げ時と量産ラインを分けることにより、量産立上げ時の異物の検出、分析、評価装置を効率よく稼動させることができて量産立上げを迅速にできるとともに、量産ラインで用いられる異物（発塵）の検査、評価設備を必要最小限の簡便なモニタリング装置にして量産ラインの軽量化が図られる。また量産立上げ時のサンプリングウェハを工夫することによりサンプリング間隔を短くしサンプリング時間を短くしてより多くの精度の高い異物発生データを収集することができるため、問題個所を早く発見して更に立上げ期間を短くすることができる。

また上記量産立上げの時の異物元素種の分析に用いるＳＴＭ／ＳＴＳの技術は従来から存在したが、この技術は試料の元素種を断定することができないとされてＬＳＩの製造では使用されていなかったが、本発明者らはＬＳＩ製造で発生する異物には限りがあることに着眼するとＳＴＭ／ＳＴＳの従来技術でも適用可能であることに着目し、生産ラインで発塵の可能性のある元素ＳＴＭ／ＳＴＳスペクトルをデータベースに蓄積しておき、検査対象のデータと比較することにより塵埃の分析を可能とするシステムとしており、これにより異物の元素種を同定して発生源等の評価、対策を施すことに利用できる。

本発明による半導体製造工程の量産立上げ及び量産ラインの異物検査方法及びその装置の一実施例示す構成ブロック図である。 第１図のサンプリング部の一実施例を示す構成斜視図である。 第１図の検出部の一実施例を示す構成ブロック図である。 第１図の分析部り一実施例を示す構成ブロック図である。 第１図のサンプリングウェハの鏡面ウェハを示す斜視図である。 第１図のサンプリングウェハのＳｉ３Ｎ４，Ｐoly-Ｓｉ，Ａ 膜形成ウェハを示す斜視図である。 第１図のサンプリングウェハのパターン形成ウェハを示す斜視図である。 第１図のサンプリングウェハのラッピング方向を走査方向を示す斜視図である。 第４図の試料の仕事関数のｘｙ分布図である。 第４図の試料の断面図である。 第４図のＡＦＭチップ試料間距離と原紙間力の関係図である。 第４図のα，β，φの関係図である。 第４図のトンネル電流と原紙間力の関係図である。 第１図のセンシング部の真空内発塵モニタの一実施例を示す構成ブロック図である。 第１図のセンシング部の真空内発塵モニタの他の実施例を示す構成斜視図である。 １実施例を示す側面図である。 検出信号の例を示す図である。 微粒子検出の必要性を示す図である。 鏡面ウエハ上異物検査の位置付けを示す図である。 超微粒子検出の技術課題を示す図である。 空気分子からの散乱光の算出結果を示す図である。 ウエハ表面凹凸からの散乱光ノイズを示す図である。 反射を用いた表面散乱モデルを示す図である。 表面凹凸殻の光回折モデルを示す図である。 回折モデルを基にしたシミュレータを示す図である。 凹凸ピッチと散乱光強度の関係を示す図である。 入射角度と散乱光強度の関係を示す図である。 最大高さと散乱光強度の関係を示す図である。 照射光波長と散乱光強度の関係を示す図である。 ウエハ表面からの散乱光レベルを示す図である。 標準微粒子との弁別比を示す図である。 微弱光検出時のゆらぎの問題を示す図である。 検出率と必要な照射光量を示す図である。 装置の一例を示す図である。 検出率と必要な照射光量を示す図である。 検出率と必要な照射光量を示す図である。

符号の説明

100 … 半導体製造装置群，200 … センシング部
204 … 真空内発塵モニタ，300 … ユーティリティ群，400 … サンプリング部，401~405 … サンプリングウェハ，500 … 検出部，600 … 分析部，603 … STM/STS，700 … 対応システム，1000 … 半導体製造工程の量産立上げおよび量産ライン異物検査システム、1001 … オンライン異物検査装置システム，1002 … オフライン異物検査システム，531，532 … 半導体レーザ，535，536 … 集光対物レンズ，537 … 検出対物レンズ，538 … 検出器，571 … ２値化回路，572 … ステージコントローラ，581 … インターフェイス室，631 … AFM用チップ，633 … STMチップ，635 … STMXYZ微動ユニット，642 … 試料STM粗駆動ユニット

Claims (12)

1. 鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する少なくとも微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出することを特徴とする鏡面ウエハの異物検出方法。
2. 上記光電検出器の検出画素サイズとして、鏡面ウエハ上換算で０．０５μｍ−２μｍとしたことを特徴する請求項１記載の鏡面ウエハの異物検出方法。
3. 鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する上記表面の凹凸の最大高さよりも大きい微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出することを特徴とする鏡面ウエハの異物検出方法。
4. 上記光電検出器の検出画素サイズとして、鏡面ウエハ上換算で０．０５μｍ−２μｍとしたことを特徴する請求項１記載の鏡面ウエハの異物検出方法。
5. 鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出し、検出された微粒子の元素種をＳＴＭまたはＳＴＳにより分析することを特徴とする鏡面ウエハの異物分析方法。
6. 鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する上記表面の凹凸の最大高さよりも大きい微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出し、検出された微粒子の元素種をＳＴＭまたはＳＴＳにより分析するすることを特徴とする鏡面ウエハの異物分析方法。
7. 鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜め方向から照射するレーザ光照射手段と、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出する検出光学系とを備えたことを特徴とする鏡面ウエハの異物検出装置。
8. 上記光検出器としてイメージインテンシファイヤで構成し、上記光電検出器の検出画素サイズとして、鏡面ウエハ上換算で０．０５μｍ−２μｍとしたことを特徴する請求項７記載の鏡面ウエハの異物検出装置。
9. 鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜め方向から照射するレーザ光照射手段と、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する上記表面の凹凸の最大高さよりも大きい微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出する検出光学系とを備えたことを特徴とする鏡面ウエハの異物検出装置。
10. 上記光検出器としてイメージインテンシファイヤで構成し、上記光電検出器の検出画素サイズとして、鏡面ウエハ上換算で０．０５μｍ−２μｍとしたことを特徴する請求項９記載の鏡面ウエハの異物検出装置。
11. 鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜め方向から照射するレーザ光照射手段と、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出する検出光学系とを備えた鏡面ウエハ異物検出装置を設け、該鏡面ウエハ異物検出装置で検出された微粒子の元素種を分析するＳＴＭまたはＳＴＳを設けたことを特徴とする鏡面ウエハの異物分析装置。
12. 鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜め方向から照射するレーザ光照射手段と、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する上記表面の凹凸の最大高さよりも大きい微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出する検出光学系とを備えた鏡面ウエハ異物検出装置を設け、該鏡面ウエハ異物検出装置で検出された微粒子の元素種を分析するＳＴＭまたはＳＴＳを設けたことを特徴とする鏡面ウエハの異物分析装置。
    

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