JP2007192716A

JP2007192716A - 光散乱観察装置

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Publication number: JP2007192716A
Application number: JP2006012318A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Maeda; 一夫前田
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: JP4692754B2

Abstract

【課題】サファイアインゴット等被測定物全体の散乱体の分布を短時間で測定できる光散乱観察装置を提供する。
【解決手段】被測定物５へレーザ光源１からのレーザ光線を照射し、被測定物から出射されるレーザ光線をＣＣＤカメラ６で撮影して被測定物内に存在する散乱体を観察する光散乱観察装置であって、レーザ光源と被測定物との間の光路上に、直線偏光の方位を回転させる２分の１波長板２と、第１のガルバノミラー３および第２のガルバノミラー４が配置されると共に、２分の１波長板を透過したレーザ光線が第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーにより反射されて２次元走査され、被測定物の全体に照射されるようになっていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物へレーザ光線を照射し、被測定物から出射されるレーザ光線をＣＣＤカメラで撮影して被測定物内に存在する散乱体を観察する光散乱観察装置に係り、特に、被測定物全体の散乱体の分布を短時間で測定できる光散乱観察装置の改良に関するものである。

従来、被測定物の内部にレーザ光線などの光を照射し、その散乱光を得ることにより被測定物内部の欠陥に関する情報を得て上記欠陥を可視化する内部欠陥観察方法および装置が知られている。

こうした欠陥を観察する装置が、例えば非特許文献１に開示されている。この装置において、被測定物の側面からレンズにより集光したレーザ光線を入射させる。レーザ光線は被測定物の内部の欠陥により散乱される。この散乱光は被測定物から出射し、この散乱光をレーザ光線の光軸に直交する位置に配置されたＣＣＤカメラで撮影する。これにより、被測定物内部の欠陥を可視化し、検出する。

半導体ウェハーの欠陥等を評価する装置としては、レーザ光線を被測定物内にその表面に対して斜めに入射させ、それによる被測定物内部の欠陥や粒子を検出するようにした装置が特許文献１に開示されている。この装置においては、被測定物からのレーザ光線の反射方向と異なる方向から散乱光を観察することにより、反射光の影響を極力排除するようにしている。また、レーザ光線の波長や被測定物の温度を変化させてレーザ光線が被測定物内に入り込む深さを調整できるようにしている。

また、半導体ウェハーの欠陥等を評価する装置として、当該散乱光の散乱源が半導体ウェハーの表面に存在する粒子等であるか、内部に存在する欠陥等であるかを評価するために、レーザ光線のｐ偏光成分とｓ偏光成分を使う装置が特許文献２に開示されている。

ところで、これ等特許文献に開示された測定装置において一回に測定できる範囲はレーザ光線が照射されている線状の部分だけであり、被測定物全体の欠陥の分布を知りたい場合には、被測定物を精密な２次元ステージに載置し、この２次元ステージを操作して被測定物の内部全体をレーザ光線で走査する共に、それぞれの画像をパソコンのメモリに保存し、かつ、それぞれの画素を合成して全体像を求める過程が必要であった。

このため、測定操作が煩雑で、かつ、高価な２次元ステージ等が必要となる分、装置自体も高額となる問題が存在した。
特開平４−２４５４１号公報特許第２８４７４５８号公報守矢一男著、応用物理、55（1986）542頁

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、２次元ステージ等の高価な部品を用いることなく被測定物内部全体をレーザ光線により走査し、被測定物内部の欠陥等に起因した散乱体の分布を短時間で測定可能な光散乱観察装置を提供することにある。

すなわち、請求項１に係る発明は、
被測定物へレーザ光源からのレーザ光線を照射し、被測定物から出射されるレーザ光線をＣＣＤカメラで撮影して被測定物内に存在する散乱体を観察する光散乱観察装置を前提とし、
上記レーザ光源と被測定物との間の光路上に、直線偏光の方位を回転させる２分の１波長板と、第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーが配置されると共に、２分の１波長板を透過したレーザ光線が上記第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーにより反射されて２次元走査され、被測定物の全体に照射されるようになっていることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係る光散乱測定装置を前提とし、
上記被測定物に対し水平方向からレーザ光線を２次元照射し、被測定物から出射されるレーザ光線を被測定物の真上９０度に配置されたＣＣＤカメラにより撮影されるようになっていることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の発明に係る光散乱測定装置を前提とし、
被測定物に照射されるレーザ光線の偏光を、上記２分の１波長板により水平偏波または垂直偏波に可変できるようになっていることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１、２または３に記載の発明に係る光散乱測定装置を前提とし、
被測定物全体の散乱体の分布を測定できるようになっていることを特徴とするものである。

本発明に係る光散乱観察装置によれば、
２分の１波長板を透過したレーザ光線が第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーにより反射されて２次元走査され、被測定物の全体に照射されるようになっているため、２次元ステージ等を用いることなく被測定物全体の散乱体の分布を測定することが可能となる。

以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。

まず、本発明に係る光散乱測定装置は、例えば図１に示すように、レーザ光源１と、このレーザ光源１と被測定物５との間の光路上に配置された、２分の１波長板２、第１のガルバノミラー３および第２のガルバノミラー４と、被測定物５から出射されるレーザ光線を撮影するＣＣＤカメラ６とでその主要部が構成されている。

そして、この光散乱測定装置において、レーザ光源１より出射されたレーザ光線は、上記２分の１波長板２によりｐ偏光またはｓ偏光に変換される。また、２分の１波長板２を透過しかつ第１のガルバノミラー３に入射したレーザ光線は水平方向に走査され、第２のガルバノミラー４に入射したレーザ光線は水平方向に加えて垂直方向に走査され、これにより被測定物５全体がレーザ光線によりランダムに走査される。

尚、第１のガルバノミラー３および第２のガルバノミラー４は、制御系により走査の振動数およびレーザ光線の振れ角を独立に設定することが可能である。

ここで、上記レーザ光源１より発せられるレーザ光線は直線偏光であることが望ましいが、直線偏光でない場合は、偏光子により直線偏光に変換すれば差し支えない。そして、２分の１波長板２を回転させることによりｐ偏光とｓ偏光を選択することが可能となる。

ところで、入射波、散乱波の偏光状態を考える場合、観察者の位置により記述の仕方が異なるので、以後、観察者の位置にかかわらず、レーザ光線の電場ベクトルが地面に対して水平である場合の偏光状態を水平偏波、レーザ光線の電場ベクトルが地面に対して垂直である場合の偏光状態を垂直偏波と呼ぶことにする。

そして、単結晶サファイア等の被測定物に水平偏波を入射させた場合の散乱光を真上から観察した場合、被測定物中に存在するマイクロバブルを検出することが可能となる。また、被測定物に垂直偏波を入射させた場合の散乱光を真上から観察した場合、被測定物中に存在する大型のバブル、刃状転位による歪の大きい部分を検出することが可能となる。そして、上述したように特許文献１や特許文献２等において開示された測定装置においては、被測定物全体の欠陥分布を測定するためには被測定物を精密な２次元ステージを用いて走査し散乱画像のデータを保存する必要があった。

しかし、本発明に係る光散乱測定装置によれば、高価な２次元ステージや、個別の画像を保存しかつ全体像を合成するためのコンピュータ等を用いること無しに、２個のガルバノミラーによりレーザ光線をランダムに２次元走査させて、被測定物中に存在する欠陥による散乱光を、被測定物の例えば真上に配置させたＣＣＤカメラの露光時間を適当に選択して重ね書きすることにより、欠陥の分布を可視化することが可能になる。

次に、本発明に係る光散乱測定装置の測定原理を簡単に説明する（非特許文献１参照）。

まず、光学的に結晶中の欠陥が観察されるためには、欠陥の周りで誘電率が変化している必要がある。

ここで、欠陥部分の誘電率を、

この式をMaxwellの方程式に代入し、

この近似が有効であるためには、相対散乱強度が非常に小さいことが必要である。上式において、第１項は入射波を表すから散乱波は第２項となる。入射波として平面波

散乱因子は散乱波の振舞いを示す量で、散乱体の誘電率のFourier変換によって与えられる。誘電率は２階のテンソルであるから、散乱因子も、

と求まる。これが９０°散乱の基本式である。

図２に結晶系の欠陥の座標軸と観察系の座標軸の関係を示す。

となる。

均一球状粒子による散乱の場合の散乱ベクトルの関係は図３のようになる。

本発明に係る光散乱観察装置においては、水平偏波が被測定物中の球状のマイクロバブルに入射した場合、被測定物の真上９０度に位置するＣＣＤカメラに入射する散乱光の強度は最大になる。垂直偏波がマイクロバブルに入射した場合、散乱は生じない。

また、本発明に係る光散乱測定装置においては、垂直偏波が被測定物に入射した場合、比較的大きな（レーザ光線の波長と比較して充分大きな）粒子による散乱と、光弾性効果により屈折率が局所的に変化している部分（歪）による散乱が生じる。

ここでいう歪とは、例えば、単結晶サファイアまたは人工水晶中の刃状転位に起因するものである。サファイア中の刃状転位について以下に簡単に説明する。サファイアのｃ面ウェハーに平行に光が入射する場合を考える。サファイア結晶を六方晶と見なすと、ａ軸方向に伸びた刃状転位がｃ面に沿って分布している。入射波の電場ベクトルがｃ軸に平行な場合にのみ刃状転位による散乱が観察される。

まとめると、単結晶サファイア等の被測定物に水平偏波が入射した場合の散乱は、マイクロバブルによる散乱と大きな散乱体によるものであり、垂直偏波が入射した場合の散乱は、マイクロバブル以外の比較的大きな粒子による散乱と歪に起因する光弾性効果による散乱である。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

まず、図１において示された本発明に係る光散乱測定装置において、レーザ光源１から出射したレーザ光線は、２分の１波長板２を透過して水平偏波または垂直偏波に変換され、第１のガルバノミラー３により水平方向に２００Ｈｚ周波数で走査され、かつ、第２のガルバノミラー４により垂直方向に２００Ｈｚの周波数で走査される。尚、第２のガルバノミラー４と被測定物５の距離は１ｍである。

ここで、被測定物として直径が３インチ、長さが７０ｍｍのサファイアのインゴットを考える。サファイア単結晶は青色ＬＥＤの素材であるＧａＮをエピ成長させるときの基板として用いられている。サファイア基板はインゴットから切り出してウェハーに加工されるが、結晶中に散乱体や欠陥があれば、ウェハーの表面において、突起またはピットとなって残り、ＧａＮのエピ成長の場合において、サファイア基板の欠陥がＧａＮの欠陥としてそのまま転写されてしまうことが知られている。それゆえに、良質なＧａＮをエピ成長させるためには、表面に欠陥の無いサファイアウェハーを基板に使用することが不可欠となっている。被測定物のサファイアインゴットの円筒面と上下の端面はラップ処理されているので、レーザ光線を照射しても内部の散乱を観察することはできない。円筒面と上下端面に光学研磨を施せば、インゴット内部の散乱が観察可能になるが、サファイアの硬度はダイアモンドに次いで高いので、光学研磨には多大の時間と費用を要する。この問題を解決するために、サファイアインゴットを屈折率整合のためにヨウ化メチレンに浸漬して使用することとする。サファイアの可視域における屈折率は約１．７６、ヨウ化メチレンの屈折率は１．７４であるので、サファイアの表面における散乱および反射の寄与を除去することが可能となる。

散乱測定に用いるレーザ光源は、微小な欠陥を検出するために出力が高い方が望ましい。また、散乱像を撮影するためのＣＣＤカメラの受光感度が高い可視域の波長が望ましいので、出力が３００ｍＷ、波長が５３２ｎｍの緑レーザを使用した。また、インゴット全体をレーザ光線が走査する必要があるため、露光時間は走査の１周期１／２００秒以上が必要である。微小な散乱を検出するためには、露光時間を更に長く設定する必要がある。

サファイアインゴット全体をレーザ光線が走査するように、第１のガルバノミラー３の水平方向の振幅が８０ｍｍ、第２のガルバノミラー４の垂直方向の振幅が７０ｍｍとなるようにガルバノミラーの制御系を調整した。

そして、この光散乱測定装置を用いて測定した市販されている「アトラス」社製のサファイアインゴットの光散乱の測定像（水平偏光入射と垂直偏光入射による測定像）を図４にそれぞれ示す。カメラの露出をＦ１０、露光時間を３０秒として撮影した写真である。

図４に示された水平偏波入射の散乱像から、インゴット内にはマイクロバブルが雲状になって全体に分布していることがわかる。水平偏波、垂直偏波入射の両方の場合に見られる輝点はインクルージョンと予想される大型の散乱体およびその集合体であろうと推定される。そして、これらの写真から分かるように、本発明に係る光散乱測定装置を用いることによりインゴット全体の散乱体の分布を短時間で測定することが可能である。

また、市販されている「ＣＳ」社製のサファイアインゴットの光散乱の測定像（水平偏光入射と垂直偏光入射による測定像）を図５にそれぞれ示す。

そして、インゴットの置き方を変えることにより大型の散乱体の位置を同定することが可能となり、ウェハーに加工する場合、欠陥の少ない部分を選択できるメリットがある。従って、コスト削減および加工時間の短縮に寄与するところが大である。

本発明に係る光散乱観察装置によれば、２分の１波長板を透過したレーザ光線が第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーにより反射されて２次元走査され、被測定物の全体に照射されるようになっているため、２次元ステージ等を用いることなく被測定物全体の散乱体の分布を短時間で測定することが可能となる。従って、単結晶インゴット、半導体ウエハー等の欠陥を評価する装置に用いられる産業上の利用可能性を有している。

本発明に係る光散乱観察装置の概略構成を示す説明図。被測定物である結晶系における欠陥の座標軸と観察系の座標軸との関係を示す説明図。均一球状粒子による散乱の場合の散乱ベクトルの関係を示す説明図。本発明に係る光散乱観察装置を用い水平偏光入射と垂直偏光入射によりそれぞれ測定された市販サファイアインゴットの光散乱の測定写真図。本発明に係る光散乱観察装置を用い水平偏光入射と垂直偏光入射によりそれぞれ測定された他の市販サファイアインゴットの光散乱の測定写真図。

符号の説明

１レーザ光源
２２分の１波長板
３第１のガルバノミラー
４第２のガルバノミラー
５被測定物
６ＣＣＤカメラ

Claims

被測定物へレーザ光源からのレーザ光線を照射し、被測定物から出射されるレーザ光線をＣＣＤカメラで撮影して被測定物内に存在する散乱体を観察する光散乱観察装置において、
上記レーザ光源と被測定物との間の光路上に、直線偏光の方位を回転させる２分の１波長板と、第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーが配置されると共に、２分の１波長板を透過したレーザ光線が上記第１のガルバノミラーおよび第２のガルバノミラーにより反射されて２次元走査され、被測定物の全体に照射されるようになっていることを特徴とする光散乱観察装置。
上記被測定物に対し水平方向からレーザ光線を２次元照射し、被測定物から出射されるレーザ光線を被測定物の真上９０度に配置されたＣＣＤカメラにより撮影されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光散乱測定装置。
被測定物に照射されるレーザ光線の偏光を、上記２分の１波長板により水平偏波または垂直偏波に可変できるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の光散乱観察装置。
被測定物全体の散乱体の分布を測定できるようになっていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光散乱観察装置。