JP2006300883A - 顕微ラマン微小パーティクル発見装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照明光の輝度を上げても光学顕微鏡の視野のサーマルドリフトが生じにくく、ウェーハ上の微小な異物も確実に検出・同定できる顕微ラマン微小パーティクル発見装置を提供する。
【解決手段】 ウェーハＷ上の異物の形状を観察するための光学顕微鏡１３と、レーザー光源２と、レーザービームＬＢを光学顕微鏡１３によるウェーハＷ表面上の観察視野に導き該観察視野上の異物に絞り照射するとともに、当該レーザービームＬＢによって励起された異物からのラマン散乱光を分光するラマン分光部１２と、光学顕微鏡１３内にて観察視野を照らし出すための照明機構３０とを備える。照明機構３０は、第一端部側に観察視野に向けて照明光を照出する照明光照出部を有するとともに、第二端側が観察視野から光学顕微鏡１３外に延出するライトガイド部３２と、該ライトガイド部３２の第二端側に照明光を供給する光源２３とを有してなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微ラマン微小パーティクル発見装置に関する。

特開２００１−２１５１９３号公報

測定機器を用いた半導体ウェーハの評価方法として、ウェーハ表面をレーザー光により走査し、パーティクル等の異物からの光散乱強度を測定する光散乱法が知られている。半導体ウェーハの表面に微小な異物が付着していると、集積回路の焼き付け工程で、パターンの正しい焼き付けが阻害され、歩留まりの低下につながる。このような異物付着を製造工程から排除するには、異物の種別を同定することが、その混入原因を探る上で重要である。

集積回路の焼付けパターンは非常に微細であり、ウェーハに付着する異物は、たとえ微小なものであっても集積回路チップ全体の良否を支配することになる。このような微小な異物を確実に検出・同定する方法に、顕微ラマン分光法がある。これは、顕微鏡にプローブ用可視光レーザービームを導入し、ウェーハ上の異物を光学顕微鏡で観察しつつ、発見された異物に対し、その視野上で一定波長のプローブ用可視光レーザービームを集光する。当該異物の構成物質がラマン活性を有している場合には、その物質特有のラマンシフトパターンを示すので、該散乱光を分光器にてスペクトル分析することにより、異物の構成物質を同定可能である。このような半導体ウェーハの評価用の顕微ラマン微小パーティクル発見装置が特許文献１に開示されている。

従来の顕微ラマン微小パーティクル発見装置では、光学顕微鏡による観察視野を、光学顕微鏡に内蔵されたハロゲンランプ等の光源により照らして異物の観察及び分析を行っていた。普通用いられている１００Ｗ前後の内蔵型ハロゲンランプは光量がそれほど高くないので、高倍率では視野を十分に明るくできず、微小な異物（特に、０．２μｍ以下）の検出が困難になる問題があった。顕微鏡の視野上で異物を正確に検出できなければ、これに測定プローブとなるレーザー光を照射することができず、ラマン分光による異物の同定も不可能となる。

この場合、光源の光量を上げるために、出力の高い高輝度タイプのランプに交換すれば微小な異物をより同定しやすくなると考えられる。しかし、従来のごとく、光源が光学顕微鏡に内蔵されていると、光源の発生熱により顕微鏡の視野がサーマルドリフトを起こしやすくなる問題がある。すなわち、装置内で温度変化が生じると、測定中に光源からの発生熱によりステージ等が延び、レーザープローブの照射位置が微妙にずれてしまう問題がある。特に小さい異物の場合、レーザープローブの照射スポットから異物が外れてしまい、測定途中でデータが取れなくなってしまうこともありえる。この場合、低倍率にすれば視野全体の照明光量が増えるので、小さい異物を何とか検出できることもある。しかし、その状態から高倍率に切替えてレーザープローブを当てようとすると、上記のサーマルドリフトのため異物が移動し、レーザープローブを確実に照射できない。

本発明の課題は、照明光の輝度を上げても光学顕微鏡の視野のサーマルドリフトが生じにくく、ウェーハ上の微小な異物も確実に検出・同定できる顕微ラマン微小パーティクル発見装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題を解決するために、本発明の顕微ラマン微小パーティクル発見装置は、
ウェーハ上の異物を観察するための光学顕微鏡と、
プローブ用可視光レーザービームを発生させるレーザー光源と、
プローブ用可視光レーザービームを光学顕微鏡によるウェーハ表面上の観察視野に導き、該観察視野上の異物に絞り照射するとともに、当該プローブ用可視光レーザービームによって励起された異物からのラマン散乱光を観察視野から外部に取り出すラマン分析用光学系と、
取り出されたラマン散乱光を分光するラマン分光部と、
光学顕微鏡内にて観察視野を照らし出すための照明機構とを備え、
照明機構は、第一端部側に観察視野に向けて照明光を照出する照明光照出部を有するとともに、第二端側が光学顕微鏡外に延出するライトガイド部と、該ライトガイド部の第二端側に照明光を供給する光源とを有してなることを特徴とする。

上記本発明の顕微ラマン微小パーティクル発見装置によると、光学顕微鏡内にて観察視野を照らし出すための照明機構が、第一端部側に観察視野に向けて照明光を照出する照明光照出部を有するとともに、第二端側が観察視野から光学顕微鏡外に延出するライトガイド部を有し、該ライトガイド部の第二端側に照明光を供給する光源を設けた。つまり、発熱の大きい光源を光学顕微鏡の外に配置して、その照明光をライトガイドにより観察視野に導くようにしたから、照明光の輝度を上げても、光源の発生熱に起因した観察視野のサーマルドリフトが生じにくくなり、ウェーハ上の微小な異物を確実に検出・同定できるようになる。

上記のライトガイド部は光ファイバーにて構成することができる。光ファイバーは光源が比較的遠方（例えば光学顕微鏡の観察視野から５０ｃｍ以上３ｍ以下）にあっても、照明光を大きく減衰させることなく観察視野にこれを導くことができる。また、光ファイバー特有の可撓性を利用することにより、これを任意に変形させた状態で装置の内部ないし周囲に柔軟に配置でき、装置のコンパクト化や、装置囲の配置物との干渉防止等に有効に寄与する。

光学顕微鏡と、レーザー光源と、ラマン分析用光学系とラマン分光部とは本体キャビネットに収納することができる。この場合、上記の照明機構は、該本体キャビネット外に置かれた光源ユニット内に光源を設け、当該光源からの照明光を、光ファイバーにて本体キャビネッ内の光学顕微鏡に導くものとすることができる。光源を本体キャビネット外に配置することで、光源からの発生熱の影響が顕微鏡の観察視野にますます及びにくくなる。

光源ユニットは、ライトガイド部の末端に対向して配置された光源と、該光源のライトガイド部の末端に面しているの反対側に配置された反射鏡とを備えたものとして構成できる。これにより、光源からの直接光束は、反射鏡による反射光束と重ね合わされた状態でライトガイドに導かれ、顕微鏡視野への照射光量をより増加することができる。この効果は、光源からの照明光をライトガイド部の末端に向けて集光する集光部を設けることで一層顕著となる。

光源に使用するランプは、通常のハロゲンランプを使用することが可能である。本発明の採用により、発生熱の大きい高出力ハロゲンランプを用いても、観察視野のサーマルドリフトが生じにくく、かつ、観察視野の照明光量を増加できるので、微小な異物の検出・同定も容易である。他方、光源に使用するランプとしては、メタルハライドランプを使用することが、同じ消費電力でも、ハロゲンランプより光量を増加できるので、さらに望ましい。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明にかかる顕微ラマン微小パーティクル発見装置の一実施例を示したものである。該顕微ラマン微小パーティクル発見装置１は、ウェーハＷ上の異物を観察するための光学顕微鏡１３と、プローブ用可視光レーザービームＬＢを発生させるレーザー光源２と、プローブ用可視光レーザービームＬＢを光学顕微鏡１３によるウェーハＷ表面上の観察視野に導き、該観察視野上の異物に絞り照射するとともに、当該プローブ用可視光レーザービームＬＢ（例えばＹＡＧレーザー：波長５３２ｎｍ）によって励起された異物からのラマン散乱光を観察視野から外部に取り出すラマン分析用光学系５，２２と、取り出されたラマン散乱光を分光するラマン分光部１２と、光学顕微鏡１３内にて観察視野を照らし出すための照明機構２８とを備える。照明機構２８は、図２に示すように、第一端部側に観察視野に向けて照明光を照出する照明光照出部を有するとともに、第二端側が光学顕微鏡１３外に延出するライトガイド部３２と、該ライトガイド部３２の第二端側に照明光を供給する光源２３とを有してなる。本実施形態において、ライトガイド部３２は光ファイバーにて構成されている（以下、光ファイバー３２ともいう）。また、ウェーハＷは、本実施形態においては、シリコン単結晶ウェーハ（シリコンエピタキシャルウェーハを概念として含む）である。

再び、図１に示すように、光学顕微鏡１３は、観察用のステージ１４に置かれたウェーハＷの主表面に対向する対物レンズ１５を有し、該対物レンズ１５を通過した観察視野からの反射光が、結像レンズ１８を介してＣＣＤセンサ１９上に観察像を結ぶ。対物レンズ１５の光軸（以下、観察光軸という）上には３つのハーフミラーＭ９，Ｍ１０及びＭ１１が配置される。ハーフミラーＭ９は、プローブ用可視光レーザービームＬＢを観察光軸に合流させる形でウェーハＷの主表面に導く一方、ウェーハＷ表面からのラマン散乱光をラマン分光部１２に向けて離脱させるためのものである。プローブ用可視光レーザービームＬＢは、対物レンズ１５で絞られてウェーハＷ上に照射される。他方、ハーフミラーＭ１０は、照明光ＨＬを観察光軸に合流させる形でウェーハＷの主表面に導くためのものである。また、ハーフミラーＭ１１は、観察像の反射光束の一部を観察光軸から離脱させて、観察用の接眼レンズ１７に導くためのものである。

顕微ラマン微小パーティクル発見装置１には、観察光軸ウェーハカセット２１をセットするためのウェーハカセット台２１Ｂが設けられている。ウェーハカセット台２１Ｂに置かれたウェーハカセット２１中のウェーハＷは、アーム式のウェーハ搬送機構２０によってステージ１４に搬送される。ステージ１４は、周知のＸ−Ｙテーブル等で構成された図示しないウェーハ移動・位置決め機構を備えている。ウェーハＷ上の異物は予め別の異物検査装置によって検出され、ウェーハＷ上の存在位置が座標値によって記憶されている。この座標値に基づき、ウェーハＷ上の各異物は、上記ウェーハ移動・位置決め機構により対物レンズ１５の直下位置に移送される。

レーザー光源２から出射されたプローブ用可視光レーザービームＬＢは、ミラーＭ２を経て平行ビーム形成用のレンズ３，４に導かれ、さらに、ミラーＭ３を経て接続光学系５内に導入される。接続光学系５においてプローブ用可視光レーザービームＬＢは、ミラーＭ５で反射された後、不要波長成分除去用の第一フィルタ７を通過し、ミラーＭ５及びハーフミラーＭ１２で反射されてレーザー導入光学系２２に入る。ここで、さらにミラーＭ７，Ｍ８を経て、ハーフミラーＭ９で対物レンズ１５側に反射され、ウェーハＷ上に照射される。

一方、ウェーハＷ表面からの散乱光は、対物レンズ１５を経てハーフミラーＭ９からレーザー導入光学系２２内に入り、プローブ用可視光レーザービームＬＢと同じ経路をたどってハーフミラーＭ１２に入る。ハーフミラーＭ１２を透過した散乱光は、第二フィルタ９により不要なレイリー散乱光が除かれ、レンズ９及び光ファイバ１０を経てラマン分光部１２に導入される。ラマン散乱光は、元のプローブ用可視光レーザービームＬＢの波長に対し、その照射を受けた異物の構成物質（ただし、ラマン活性を有するもの）特有の波長シフト（いわゆるラマンシフト）を示すので、ラマン分光部１２に設けられたモノクロメータを用いて、当該散乱光の波長別強度分布すなわちラマンスペクトルを測定し、これを予め用意された材料別のラマンスペクトルのデータベース上で照合することにより、異物の種別を同定することができる。なお、ウェーハカセット台２１Ｂ、ウェーハ搬送機構２０、ステージ１４、及びラマン分光計１２は、制御用コンピュータ２９により一括して制御される。

光学顕微鏡１３と、レーザー光源２と、ラマン分析用光学系５，２２とラマン分光部１２（これらを統合して、装置主要部１１０という）とは、図３に示すように、板金製の本体キャビネット４２に収納されている。本実施形態では、本体キャビネット４２内の架台４１上に装置主要部１１０が載置され、その最上部には、光学顕微鏡の観察視野周囲を覆う観察チャンバ１３ｃが設けられている。照明機構２８は、該本体キャビネット４２外に置かれた光源ユニット３０内に光源を有し、当該光源からの照明光を、光ファイバー３２にて本体キキャビネット内の光学顕微鏡に導くものである。本実施形態では、上記の観察チャンバ１３ｃ内に、光ファイバー３２の末端に形成された照明光照出部が露出し、その内部を照明光で照らすようになっている。

図４に示すように、光源ユニット３０は、光ファイバー３２（ライトガイド部）の末端に対向して配置された光源２３と、該光源２３の光ファイバー３２の末端に面しているの反対側に配置された反射鏡２４とを備えている。また、光源２３からの照明光を光ファイバー３２の（第二端部側の）末端に向けて集光する金属板等で構成された集光部２５も設けられている。本実施形態では、光ファイバー３２は、その周囲が蛇腹状のフレキシブルチューブで覆われるとともに、光源側の第二端部はジョイント部３２ｓを介して光源ユニット３０の集光部２５に接続されている。他方、照明光照出部となる光ファイバー３２の第一端部側にはコネクタ３２ｐが設けられ、該コネクタ３２ｐを介してレンズケース１７に接続されている。コネクタ３２ｐ内の光ファイバー３２の末端から照出される照明光は、このレンズケース１７内のレンズ１６を経て平行ビーム化され、図１に示すハーフミラーＭ１０でウェーハＷ側に反射されて観察視野を照らす。

図４において、光源２３はメタルハライドランプにて構成されている。メタルハライドランプは、ガラス管内に、電極と、ランプを始動させるための希ガス（Ａｒなど）と、バッファガスの役割を果たす水銀と、所望の光を発する金属ハロゲン化物とを封入したものである。熱電極の発熱により金属ハロゲン化物を蒸発させ、かつ、電極間のグロー放電により熱電子流を発生させる。この熱電子流を、蒸発した金属ハロゲン化物の構成原子と衝突させてこれを励起することにより、金属ハロゲン化物の種別に固有の波長の可視励起光が得られる。金属ハロゲン化物としては、沃化ナトリウム、沃化タリウム、沃化インジウムあるいは沃化スカンジウム等、種々のものが複数適宜組み合わせて使用され、金属ハロゲン化物の種別及び封入比率によって、種々の発光光色を得ることができる。放電制御用の点灯回路（周知）が必要となるが、ハロゲンランプよりも発光効率が高く、同じ消費電力でより大きな発光光量が得られるので、高倍率でも観察視野をより明るく照らし出すことができ、微細な異物をより確実に検出／同定できるようになる。光源ユニット３０内には、このメタルハライドランプの点灯回路２３ｄが設けられている。

上記顕微ラマン微小パーティクル発見装置１によると、光学顕微鏡１３の外（具体的には本体キャビネット４２の外）に光源ユニット３０を設け、これに内蔵された光源からの照明光を光ファイバ３２にて光学顕微鏡１３に導き、ウェーハＷ上の観察視野を照らし出すようにした。これにより、照明光の輝度を上げても、光源の発生熱に起因した観察視野のサーマルドリフトが生じにくくなり、さらに、より高輝度のメタルハライドランプを光源として使用しているので、ウェーハＷ上の微小な（例えば寸法０．２μｍ以下（下限値は例えば０．１５μｍ）異物も確実に検出でき、かつ、これにプローブ用可視光レーザービームＬＢを照射すれば、そのラマン散乱光の分光分析により異物の種別を容易に同定できる。

図５及び図６は、鏡面研磨したシリコン単結晶ウェーハの主表面を倍率１００倍にて光学顕微鏡観察したときの、同一有機系異物からの暗視野像である。図５では、照明光源としてメタルハライドランプ（出力１００Ｗ）を使用し、図６では、ハロゲンランプ（出力１００Ｗ）を使用している。異物の寸法が０．１８μｍと小さいため、ハロゲンランプを使用した図６の場合、異物を視野上で視認することが非常に困難である。そのため、プローブ用可視光レーザービームＬＢを異物に照射することも困難となる。これに対し、メタルハライドランプを使用した図５では、異物像が明確に捉えられているため、プローブ用可視光レーザービームＬＢを異物に容易に照射することができる。

図７は、本発明の顕微ラマン微小パーティクル発見装置による種々の炭素含有異物のラマンスペクトルである。非晶質カーボンと、２種の高分子化合物（アクリロニトリル系コポリマーとエポキシ樹脂を例示）との間で、ラマンシフトのピーク位置が全て明瞭に異なり、これらの異物の種別を容易に同定することが可能である。

本発明の顕微ラマン微小パーティクル発見装置の全体構成を示す模式図。 図１の要部を示す模式図。 装置外観を一部切り欠いて示す側面図。 照明機構の構成例を示す図。 メタルハライドランプによる暗視野異物観察像の実例を示す画像。 ハロゲンランプによる暗視野異物観察像の実例を示す画像。 本発明の顕微ラマン微小パーティクル発見装置による種々の炭素含有異物のラマンスペクトル。

符号の説明

１ 顕微ラマン微小パーティクル発見装置
２ レーザー光源
５，２２ ラマン分析用光学系（接続光学系）
Ｗ ウェーハ
１２ ラマン分光部
１３ 光学顕微鏡
ＬＢ プローブ用可視光レーザービーム
２８ 照明機構
３２ 光ファイバー（ライトガイド部）

Claims (6)

1. ウェーハ上の異物を観察するための光学顕微鏡と、
   プローブ用可視光レーザービームを発生させるレーザー光源と、
   前記プローブ用可視光レーザービームを前記光学顕微鏡による前記ウェーハ表面上の観察視野に導き、該観察視野上の異物に絞り照射するとともに、当該プローブ用可視光レーザービームによって励起された前記異物からのラマン散乱光を前記観察視野から外部に取り出すラマン分析用光学系と、
   取り出された前記ラマン散乱光を分光するラマン分光部と、
   前記光学顕微鏡内にて前記観察視野を照らし出すための照明機構とを備え、
   前記照明機構は、第一端部側に前記観察視野に向けて照明光を照出する照明光照出部を有するとともに第二端側が前記光学顕微鏡外に延出するライトガイド部と、該ライトガイド部の前記第二端側に前記照明光を供給する光源とを有してなることを特徴とする顕微ラマン微小パーティクル発見装置。
2. 前記ライトガイド部を光ファイバーにて構成した請求項１記載の顕微ラマン微小パーティクル発見装置。
3. 前記光学顕微鏡と、前記レーザー光源と、前記ラマン分析用光学系と前記ラマン分光部とが本体キャビネットに収納され、前記照明機構は、該本体キャビネット外に置かれた光源ユニット内に前記光源を設け、当該光源からの照明光を、前記光ファイバーにて前記本体キャビネッ内の前記光学顕微鏡に導くものである請求項２記載の顕微ラマン微小パーティクル発見装置。
4. 前記光源ユニットは、前記ライトガイド部の末端に対向して配置された前記光源と、該光源の前記ライトガイド部の末端に面しているのと反対側に配置された反射鏡とを備えてなる請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の顕微ラマン微小パーティクル発見装置。
5. 前記光源からの照明光を前記ライトガイド部の末端に向けて集光する集光部を有する請求項４記載の顕微ラマン微小パーティクル発見装置。
6. 前記光源がメタルハライドランプからなる請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の顕微ラマン微小パーティクル発見装置。