JP2798288B2

JP2798288B2 - 材料の微細な欠陥を非破壊で計測する方法及び装置

Info

Publication number: JP2798288B2
Application number: JP2702190A
Authority: JP
Inventors: ロバート・エム・シルバ; ロバート・ビー・スレッジ・ジュニア; フレッド・デイー・オラジオ・ジュニア
Original assignee: ブイテイーアイ・インコーポレーテッド
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH03238348A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、材料の表面及び表面直下の結晶上、及び
他の微細欠陥の密度及び方向を非破壊で測定する技術に
関する。

（従来の技術）半導体の製造、光学、及び様々な応用に用いられる多
くの材料は、将来予想される性能に合致する最も高い品
質が要求される。表面の品質と清潔さに関する場合、及
び結晶構造、材料の欠陥及び不純物濃度に関する場合、
これは特に重要である。例えばシリコンとガリューム砒
素半導体のような場合、結晶上の欠陥、又は、材料の表
面又は表面付近の不純物は、電気的構成要素、及びその
材料で制作された集積回路の性能を大幅に劣化させる場
合があり、又動作不可能とすることがある。半導体、ガ
ラス、及び金属の光学的な材料の欠陥は、高出力レーザ
と供に用いられたとき、又は二次光学的効果が用いられ
た場合、致命的な結果を有する場合がある。この様な状
況は以前より認識されており、これら特定材料の表面特
性を測定する種々の装置が開示又は開発された。例え
ば、米国特許 No 4.314.763 名称“欠陥検出システ
ム”は、表面欠陥及び半導体上の汚れを測定するための
幾つかの技術の内の一つを開示した。しかし、結晶及び
他の表面直下の微細欠陥の測定は、更に困難であった。
例えば、前述の特許に類似した米国特許 No.4,391,524
名称“光拡散材料の品質検査方法”は、その目的のた
めに開発された一つの技術を開示した。第２の方法は、
米国特許 No.4,352,016 名称“半導体表面の品質を判
定するための方法及び装置、”及び米国特許No.4,314,0
17 名称“半導体表面の品質判定装置”である。これら
全ての測定方法は、材料の改良及びこれら材料を使用す
る上で最も重要な表面下の結晶ダメージ及び、表面と表
面下の他の微小欠陥を測定するときの重要な限定を有す
る。

この文書で用いる用語“欠陥”は、内容物、沈殿物、
不純物殻、及び欠陥に関する他の不純物のような、外部
から材料が結晶構造に混入された場合に形成される欠陥
ばかりでなく、滑り、位置の誤差、積層誤差、及び埋め
込まれたキズ跡のような大きな材料の表面付近で発見さ
れる欠陥、又は層即ち薄膜内部で成長又は処理過程で二
次的に発生した様々の構造的結晶の欠陥に関する。同様
に、アモルファス及び多結晶材料に発生する、埋め込ま
れたキズ及び穴、及び目的をもって処理され、又は処理
の間に形成された層間のインターフェースに於ける非結
晶構造欠陥も含む。用語“欠陥”は又、小片や他の表面
上の汚ればかりでなく、穴、キズ、損傷、ピンホール、
及び処理された不純物殻、内容物、及び気泡を説明する
ためにも用いられる。

基本的に、対象とする材料に於ける欠陥の発生の過程
には３通りある。第１に、材料が大きな塊に製造される
ときに、欠陥が材料内に生じる。例えば、シリコン又は
ガリューム砒素の単結晶が成長するとき、成長過程で生
じる熱的応力によって、及び開始材料内の不純物、及び
他の原料からの不純物が結晶内に生じるとき、位置的誤
差がブール（boule）に形成される場合がある。多結晶
及びアモルファス材料に関して、不純物は、開始材料、
材料と接触する準備装置、及び材料が製造されるときの
周囲のガスからも容易に入って来る。気泡及び内容物
は、溶解及び冷却過程に於いても形成される。

第２に、材料が製造された後、使いやすい大きさに切
断され、次の処理のために表面は研削され、研磨されな
ければならない。切断、研削、研磨のステップに於いて
も又、穴やキズのような表面欠陥ばかりでなく、処理さ
れた表面下の滑り、位置誤差、及び他の不純物が結晶構
造内に生じる原因となる。多結晶及びアモルファス材料
は、表面欠陥に関する同じ問題を有している。これら材
料は、研削及び研磨のときに発生する高圧力によって生
じる表面欠陥を有する。これら埋没された欠陥は材料の
表面層の部分を形成し、圧力の下に再結晶し、又はアモ
ルファス、及び材料の塊となる。不純物は、拡散や他の
機構による動作によって材料の中に形成される。半導体
の場合、この処理のときに生じる第２クラスの欠陥は、
材料の原ブールに成長した欠陥に比べ、一般に、1,000
から1,000,000倍の数になる。数が多いばかりでなく、
材料の中に成長する欠陥は材料全体に分布する一方、前
述したような欠陥は、全て表面付近に位置する。

第３に、積層の欠点、沈殿物、位置誤差ライン、及び
欠陥によって生じたイオン移植のような欠陥は、一般に
半導体ウェハーの処理に用いられる様々の加工処理によ
って生じることがある。光学的材料や他の材料について
も同様であるが、結晶の欠陥ばかりでなく、前処理によ
って、アモルファス及び多結晶材料内に埋蔵された欠陥
が発生することがある。コーティング、エッチング、イ
オン移植及び洗浄のような加工処理は、表面及び表面下
の欠陥を生じることがある。これら欠陥は、光学材料か
らの反射、又は光学材料を介した光の伝送路に影響し、
電気的材料の特性に影響する。容易に理解されるよう
に、他の影響は、あらゆるタイプの表面下の欠陥と表面
に現れるコーティングに関する欠陥との間の結合であ
る。基盤表面の欠陥は、その表面に接する薄膜コーティ
ング内の欠点を生じることは従来から知られている。表
面下の欠陥は、非破壊で検出するのが非常に困難である
という点で複雑であるが、コーティング内の欠点の発生
に於ける表面欠陥と同様とすることができる。光学的、
電気的、及び多くの他の応用は、コーティングの広範囲
な使用を可能とするので、この様な影響は極めて重要で
ある。例えば、半導体ウェハーに成長したエピタキシャ
ル層は、製造過程の際に生じた積層欠陥を有することが
あり、これらは、基盤ウェハーに既に存在する欠陥に関
連させることができる。

結晶ダメージを測定する現在の技術の一つは、米国特
許 No.4,352,016及び No.4,352,017に於いて説明され
ている。この方法は半導体ウェハーの表面からの紫外線
の反射を２波長で測定する。この技術は、半導体材料内
に浅く貫通する紫外線を使用するために、あらゆる深さ
のダメージにも影響しない方法として知られている。感
度を大きく制限する第２の要因は、反射率の測定自体で
ある。このような測定は非常に困難であり、多数の内の
少ない種類を探す結果となり、これが２波長の測定をこ
の技術が必要とする理由の一つである。この反射率測定
技術の実際的な応用はこれらの欠陥を示している。

第２の方法は、米国特許 No.4,391,524に説明されて
いる。この方法は、表面及び表面下領域から拡散した光
を測定するこができるが、測定の幾何学によって、重要
なデータは欠落する。検出ビームに選択された光の波長
には無関係なこの結果を生じる三つの要因がある。第１
は、検出ビームの入射角は０゜である。これによって、
欠陥の方向的特性を決定するあらゆる可能性、又は表面
と表面下の欠陥の間を区別するために役立つ偏光の使用
を削除することができる。第２として、検出器は大きな
固定角に対向するので、あらゆる方向からの拡散を総合
し、方向的欠陥の決定を再び不可能にし、同時に測定さ
れる欠陥を示す特徴を稀薄にする。最後に視線の検出ラ
インも又、０゜又は０゜付近である。これは表面拡散の
測定された信号への重要な大きさであり、この信号はこ
のような状況下で、表面下の拡散から分離することはほ
とんど不可能である。表面拡散の微妙な変化は、測定の
目的である表面下からの拡散をマスクすることがある。
この結果、測定は大部分の表面下欠陥である方向欠陥を
感知せず、又、方向性を有する数多くの小さな表面欠陥
に対しても感知しない。

拡散測定技術を用いて表面及び／又は表面下の欠陥を
測定することを目的とする他の技術は、全て試験部の表
面からの総合集積拡散を測定する。TISとして知られる
この技術は、全ての方向からの拡散と同様に、表面及び
表面下からの拡散を集積する。その結果、この技術が元
来目的とする表面荒さの測定に対し、無感覚である。材
料からの総合拡散の表面拡散要素は非常に大きく、特別
に反射したビーム付近のある部分に拡散光が集積された
場合、表面下の構成要素を圧倒する。穴、破片のような
多くの微小欠陥は、拡散が一方向に於いて一般に大き
く、他の全ての方向に存在しないように刻まれている。
大きな穴及び破片に関して、この集積は信号を稀薄には
しないが、非常に小さな穴、破片については、TISから
の集積信号は、著しい変化を示さない場合がある。

（発明が解決しようとする課題）表面欠陥の非破壊測定に用いられる全ての拡散測定技
術は、欠陥が一様に形成され、球面状又は半球面状でな
い場合、約１ミクロン以下の欠陥を正確に検出すること
はできない。実際の欠陥、特に破片は、一様に形成され
ておらず、長方形又は特異な形を有する。これら特異形
状の欠陥は、光を一様に拡散せず、これら技術によって
正確に検出するこができない。事実、このような欠陥の
小さな部分のみがこれら技術によって検出することがで
きる。

（課題を解決するための手段及び作用）この発明の目的は、半導体、光学材料及び他の特殊材
料、及びコーティングの結晶表面及び表面下の密度、及
び他の微小欠陥を測定する能力を効果的に改善すること
にある。この発明は、電磁放射の貫通が可能である材料
の表面及び表面直下の結晶上、及び他の微細欠陥の密度
及び方向を非破壊で測定することを目的とし、欠陥部分
で拡散した放射を測定することによって行うことができ
る。この発明によれば、表面下の測定が望まれる場合、
表面拡散が総合拡散信号に対し大きく影響しないよう
に、測定される材料は少ない表面荒さを有し、清潔でな
ければならない。材料は、レーザ又は他の高出力単一波
長源からの適切な電磁放射ビームによって照明されなけ
ればならない。適切に選択された偏光及び波長が要求さ
れ、それによって放射の貫通深さが制御される。測定の
幾何学は、最善の結果に対し特に重要である。高い光透
過度を有する材料について、材料の自然拡散は、欠陥か
らの拡散を大きく越えてはならない。その部分の厚みは
前面及び表面の背面の拡散を分離するのに十分厚くなけ
ればならない、他の場合、両表面は特定の応用に関して
重要である。この分離は検出器に関する測定分野に依存
する。両面が研磨された薄い透過部分について、表面の
前面及び背面からの拡散は重なり合い容易に分離できな
い。この場合、総合的拡散は、両表面の各面に関連する
表面下部分、及びバルク（bulk）拡散の全体的な評価を
与える。バルク拡散が小さい場合、表面及び結合された
表面下についての評価のこの形式は、非常に有益であ
る。ビームの強度は、所定深さから表面下の測定が十分
できる程に大きい拡散強度を提供しなければならない。
しかし、ビームの発光密度は、測定される材料にダメー
ジが及ぼすほど強力であってはならない。

多重に選択された波長を用いて、異なる深さの欠陥を
同時に検出することもできる。各波長についての拡散信
号を分離し、深い貫通波長の信号から浅い貫通波長の信
号を減算することによって、深さ勾配欠陥検出を行うこ
とができる。その結果、表面付近の欠陥の効果を削除す
る一方、ある深さの欠陥領域を検出することができる。
より強い強度は、より深い部分に更に強力な力を与え、
より深い部分の欠陥の検出が可能になるので、これはレ
ーザ強度を変えることによっても行うことができる。

ビームの入射角、検出器の検出角、ビームの偏光、及
び検出された放射の偏光は、欠陥からの拡散特徴、及び
同時に材料内及び材料上の望まないソース（sources）
からの拡散を最小にするために用いられる。検出ビーム
に関する材料の相対的回転は、欠陥の方向の決定及び、
方向性欠陥からの拡散の特性を高めるために用いられ
る。この相対的回転は、異なる方向に方向性を有する、
又は方向性を有しない欠陥からの拡散を高め、材料内又
は材料上の既知の欠陥方向からの拡散を最小にするため
に用いることができる。例えばダイアモンド回転部分、
ダイアモンド回転によって生じた引っかき跡に平行な方
向を選択することによって、これら痕跡に関する高い拡
散を削除し、表面下、又は表面上の非常に小さい他の欠
陥を検出することができる。

この発明の測定技術は、単結晶半導体材料の表面又は
表面内の、処理の過程に生じた欠陥を検出するために非
常に有益である。単結晶半導体材料としては、水晶及び
サファイアのような一般に光透過性材料ばかりでなく、
シリコン、ガリューム砒素、インジューム燐化物、水銀
カドニュームテルル化物などがある。研磨された金属表
面上、又は表面内の欠陥も又検出することができるが、
欠陥の深さはそのような金属について制限される。この
技術は、半導体上、光学素子、及びコンピュータのデー
タ格納に用いられる板状の磁石、及び光学ディスクのよ
な他の良く研磨された表面上の１ミクロン以下の実際の
破片、穴、及び他の表面欠陥を検出するのに有効であ
る。

この発明に従って構成されたこの様なシステムにより
生じるデータを用いるために、欠陥のマップの形式でデ
ータを表示及びプロットするのが望ましい。これは、色
の変化を拡散強度変化に入れ換え、拡散測定のＸ及びＹ
軸についてのマップ上のこれら色変化をプロットするこ
とによって行うことができる。マップ上の色分布を調節
することによって、ある特徴を見出だすか又は高めるこ
とができる。例えば表面直下の独立した不純物殻は、各
々高拡散点として示され、これら拡散点の拡散レベルは
多くの場合、背面拡散レベルより高い。これら拡散点
は、高いコントラストの単一色としして分離され、それ
らの分布を示すことができる。これら表示の多くは、特
定の欠陥が特定の拡散特徴に関係するものとして可能で
ある。黒と白のマップも又、拡散強度の表示としてのグ
レイの影を用いることによって作成することができる。
マッピング（mapping）は、後の分析に使用されるデー
タをコンピュータに格納することとして定義される。結
果は、数字又は数字列、又は他のコンピュータ、他の装
置、又は人の操作に対する電気信号の場合がある。

（実施例）第１及び第1a図は材料、即ち試験部分10を示し、試験
部分10は、入射角Ａで入射した電磁放射ビーム16に照明
された表面15を有する光学材料、又は半導体ウェハなど
である。測定される材料、又は部品表面15は、第1a図の
拡大図12に示されるようにマイクロラフネス（microrou
ghness）のみを有するべきである。例えば、632.8ナノ
メータの波長Ｌに関し、0.005×Ｌ、即ち約30オングス
トローム又はそれ以下のルート・ミーン・スケア（rm
s）マイクロラフネスの状態で、表面拡散17が表面下付
近の拡散18を圧倒することはない。又、表面15は、表面
の汚れによる拡散が表面欠陥からの拡散18を圧倒しない
ように清潔でなければならない。そうでない場合、所望
の結果は表面汚染の測定となる。分離された表面欠陥を
検出する場合、同様な表面荒さの基準が適用される。多
くの場合、一般的な表面荒さは、背面からの拡散が信号
の重要な部分とならない程に低くすべきである。

表面欠陥の測定に関して、入射ビーム16は、波長、偏
光、強度、及び入射角を材料10への選択された深さまで
の伝達が最適となるように設定される。これは表面下か
らの拡散18を増加させる一方、表面からの拡散17を減少
する。材料特性、消滅係数ｋを検査するこによって波長
は選択され、放射の貫通深さ L/（２ pi ｋ）、（こ
こでpiは良く知られる定数（3.14159））は表面下の欠
陥領域20内の欠陥深さより大きく、又、放射が背面の薄
い部分を貫通しないぐらいに浅くなければならない。例
えば、シリコンウェハ内の処理の際に生じた欠陥は、２
又は３ミクロンから数十ミクロンに過ぎないが、一方ウ
ェハの厚みは350から400ミクロンである。同時に、632.
8ナノメータの波長を有するビームは、シリコン内の貫
通深さ約3.7ミクロンである。厚い部分に関して、材料
は使用される波長に対して透過性にすることができ、ｋ
は非常に小さい値にすることができる。この場合の制限
は、材料の自然バルク拡散のレベルである。バルク拡散
のレベルが、表面及び／又は表面下の欠陥からの拡散よ
り重大に高い場合、正確な測定は非常に困難である。

貫通深さは、検出ビームが完全に消滅する前に、どれ
程表面下に貫通するかの相対的指示を与える。実際の検
出深さ、即ち、それら拡散特徴によって分る意味のある
検出での深さはおおよそ貫通深さに比例する。所定の波
長についての検出深さは、表面の検出ビームのエネルギ
密度（パワー／エリア）に強力に関係し、また、この検
出深さは拡散光検出器システムの感度、及び偏光、入射
角、検出された固体角、及びシステム全体のノイズから
分離され、検出される拡散信号としてこの文書で定義さ
れるシステム信号／ノイズ比のような他の物理的パラメ
ータにも関係する。

表面欠陥拡散についての偏光は、反射ビーム22の最小
強度、及び送信ビーム24の最大強度について選択され
る。全ての場合、最大送信強度は、ｐ偏光によって出力
される。この場合のｐは、ステートに関し、このステー
トに於いて、入射する放射16の電気ベクトル25が入射平
面に平行である。これによって、送信ビーム24の強度は
最大となり、従って、表面下の欠陥からの拡散18は最大
となる。

他の偏光は様々の結果を達成するために用いることが
できる。例えば、Ｓ偏向が使用される場合（この場合、
Ｓは電気ベクトルが入射平面に対し直角であるステート
に関する）、反射強度は最大であり、送信強度は最小で
ある。従って、表面下の拡散18に対する表面拡散17を高
める。この偏光は表面欠陥の検出に用いられる。

入射ビーム16の強度は、対象の深さに於ける測定に関
し、十分大きな表面拡散強度18を供給するために十分で
なければならない。深さに従って、強度は減少するの
で、強度を調節することによって、検出深さを制御する
ことができる。しかし、表面でのビームエネルギ強度
（パワー／エリア）は、試験される材料のダメージ・ス
レショルドに接近してはならない。ローパワー・ビーム
でさえ、極小のスポットに集光した場合、ある材料内の
結晶構造にダメージを与えるに十分なエネルギが蓄積さ
れ、このビームで測定するこによって欠陥を生じること
もある。

入射角Ａは、０゜から90゜の間で変化することができ
る。一般に、大きな入射角は、最も良い結果を生む。な
ぜかというと、貫通電磁放射は表面下の線形欠陥と相互
に作用し合い、表面下欠陥は格子のように動作し、表面
を介して光を背面に拡散するからである。第1a図の拡大
部12は、実際の表面及び表面下はいかなるものかを示
し、深さに伴って増加する欠陥の密度を示す。

第２図は、試験に供される部分10の表面15の略図であ
る。Ｘ、Ｙ、Ｚ軸は、Ｚ軸が表面15に直交する形で示さ
れる。入射ビーム16は、入射角Ａを有する。検出器（図
示されず）の視線26は、角Ｄによって決定される。入射
ビーム16、反射ビーム22、検出器の視線26、及びＺ軸は
全て同一平面上にある。平面28とＸ軸によって生じる角
は、角Ｒである。Ｚ軸、入射ビーム16、及び検出器の視
線26は、試験部分の表面上にある同一点、即ち試験され
る点に於いて交差する。

表面下の測定に於いて、ビーム16の入射角Ａは、材料
に伝送されるエネルギを最大にするために、また同時に
表面から拡散するエネルギを最小にするために、ブルー
スター角（Brewster's angle）（Ｐ偏向に於ける最小
反射角、偏光角と呼ばれることもある）にできるだけ近
いほうがよい。例えばシリコンについてのブルースター
角は、約75゜である。一般に、入射角は55゜より大き
く、これが問題となる。なぜかというと、入射ビーム16
の衝撃点は、表面を介して広がり始めるからである。波
長632.8ナノメータ、入射角55゜のＰ偏向光の反射率
は、約15％である。即ち、光の85％が材料を貫通する。
実際的にこの光のパーセンテージは、30watts/cm²のエ
ネルギ密度、直径0.25mmビームを使用する適切な検出器
を用いて、表面下４から５ミクロンにあるシリコン内の
欠陥を検出することができる。入射面に直交する楕円の
主軸を用いて、ビーム断面を円から楕円に形成すること
ができ、それによって、更に円断面が大きな入射角に於
いて表面に投影することができる。55゜以下の他の角を
使用することができるが、信号・ノイズ比に於いて劣っ
ており、この信号・ノイズ比はこの文書に於いて、検出
された全出力に対する検出された表面下の拡散力の比と
して用いられる。

Ｓ偏光を用いる表面欠陥の検出に関して、ビーム16の
入射角は、表面拡散の量を最大にし、表面下拡散を最小
にすべきである。与えられたあらゆる材料及びＳに偏光
された入射ビームの与えられた波長に関して、入射角が
大きいほど反射率が大きいので、これは必要である。
“ブルースター角”がＳ偏光について存在しないので、
最も大きな角が選択可能である。設計及び装置の構造上
の便宜のため、ブルースター角が使用でき、測定された
欠陥の種類、表面又は表面下に依存して、偏光はＳから
Ｐへ切り替わる。

検出器の検出ライン26の角Ｄは、反射ビーム22の反対
方向に位置すべきである。AD間の角度差は少ないことが
望ましい。大きなＡの値に対して30゜以下、Ａの小さい
値に関して30゜以上である。表面下から拡散したエネル
ギは材料のある厚み（第1A図の19）を横切らなければな
らず、高インデックスから低インデックスに現れるの
で、前記したことは正しい。これによって、試験される
材料10の表面15に向かう拡散光の厳しい屈折の原因とな
り、特に半導体のような高インデックス材料に対する屈
折の原因となる。他の角度Ｄ及びＡを使用することがで
きるが、信号・ノイス比の低下した結果となる。反射ビ
ーム22にスペクトル的に近い値にあるＤの値は、表面下
の測定を極めて正確に行うことができないという点で、
検出された信号の表面拡散成分を増加する。

検出器の検出ライン26は、この発明に関して非常に重
要である。その理由は、検出器によって遮られる固定角
27は、他の測定技術に比べ比較的少ないからである。大
部分の拡散測定技術に於いて、拡散は大きな固定角から
集められる。効果として、この平均化する方法は、表面
及び表面下の測定に於ける特定の種類の重要な情報を削
除し、それはＲ角の位置情報である。欠陥部は、実質的
に全ての方向からの拡散を削除する一方、格子のように
動作し、拡散を特定のＲ角方向に向けるので前記したこ
とは拡散の特徴を高める重要な要素である。大きな固定
角27はこの角度情報を集合し、稀薄にする。ここに説明
する発明は、検出器によって遮られる固定角が0.1以
下、好ましくは0.001と0.01ステラジアンの間のとき、
最も良く動作する。

高透過性材料の場合、測定領域の範囲は制限され、自
然バルク拡散及び他の表面からの外来拡散は検出され
ず、結果を歪める。一般的な方法は、検出器の光学系に
範囲ストップを設定するこによって検出器の検出範囲を
制限するが、この問題を解決するために他の方法を用い
ることもできる。ある状況では、両面を研磨した透過薄
膜のように、部品背面からの拡散も又重要である。この
場合、広い視野範囲が、表面及び表面下からの拡散の検
出に必要となる。材料の自然バルク拡散の効果が、この
状態のために考慮しなければならない。

入射平面28の角Ｒは、特定材料内の表面下の欠陥の方
向を判断する上で非常に重要である。多くの材料の表面
下欠陥の特性は、線を有する形式であり、この線は切
断、研削、研磨、更に洗浄の工程にあっても形成され
る。これらの線は、広さというより長さが重要な欠陥領
域の形成である。この効果は、精密格子からのこれら線
である。従ってこれら特徴からの拡散は強力に方向ずけ
られ、入射平面28の表面がそれらに直交する場合、拡散
は入射平面に於いて非常に強力である。他のあるゆる角
度に於いて、拡散は入射平面内の拡散より少ないか又は
存在しない。これは、角Ｒは表面下の欠陥の方向に直接
関係することを意味する。この方向性は、表面を形成す
るために用いる処理に直接関係する。従って、処理の種
類の効果は直接観察することができる。理想的に、角Ｒ
及びこの角に関する最大拡散は、材料の各方向に関して
各々判定される。

角Ｒについての他の位置も又、結晶学的観点に於いて
重要である。例えば、推積誤りのようなある種の欠陥
は、ある結晶学的方向に向いている。従って、この特定
形式の欠陥が重要である場合、この既知の特定方向に一
致する角Ｒを選択し、他の欠陥の効果を最小にする一方
で、推積誤りを検出する。その方向からの信号が、対象
とする欠陥からの信号を圧倒する場合があるので回避さ
れなければならない既知方向が存在する状態がある。こ
れは測定ダイアモンドが回転する場合である。表面及び
表面下に残されたダイアモンドの回転による引っかきマ
ークは大きく、それらからの信号が、更に小さい欠陥を
検出不可能とする。引っかきマークに直交する方向を避
け、引っかきマーックに平行な方向に集中することによ
って、表面及び表面下の小さい欠陥を検出することがで
きる。Ｒ角を使用する他の種類は、最大のＲ角位置のみ
を使用して検出することができる第２最大値又は二次効
果を求めるときなどに可能である。

分離された表面欠陥を探すとき、Ｒ角は又非常に重要
である。多くの表面欠陥、特に高々検出ビームの波長Ｌ
より小さいサイズの破片であり、特異な形状を有するも
のは、重要なエネルギの量を単一の狭義に定義されたＲ
角方向に拡散する。与えられた点に於ける拡散対Ｒ角の
変化を検査することによって、それらが検出ビームの波
長Ｌよりも非常に小さい場合でも、これら破片又は他の
欠陥を検出することができる。

拡散の検出は、固定状態装置、又はフォトマルチプラ
イア形式の装置で可能である。あらゆる場合に於いてビ
ームをチョップ（chop）又はパルス状にすることによっ
て、拡散信号の検出を高めることができ、この技術はこ
の分野で良く知られている。これは、高品質単一結晶材
料を検出し、可能な限り高い信号・ノイズ比を達成する
ときに必要である。

前記したこの発明の各アスペクトに関して、入射角
Ａ、視角Ｄの検出ライン、Ｚ軸の角Ｒ及び検出器27によ
って遮られる固定角は、表面下の欠陥からの拡散特性を
改善するために有益である。この発明のこれら４つのア
スペクトを結合し、最も困難な種類の表面下欠陥に対す
る測定装置の感度を大幅に改善できる。以下に説明され
るこの発明の各実施例は、この発明のこれら要素を最も
良く使用する装置の能力を高めるために特に選択された
ものである。

以下の図面はこの発明の主な実施例である。第１の実
施例は、第３図に示される。この実施例に於いて、電磁
放射の源、即ちレーザ32は及び検出器34は、固定であ
り、試験部10はＸ軸及びＹ軸について移動し、Ｚ軸を中
心として回転する。検出器34は、フォトマルチプライア
・チューブ又はソリッドステート検出器である。試験部
の様々な動作は、コンピュータ制御、Ｘ軸、Ｙ軸方向の
移動用のモータ駆動マイクロポジショニング・ステージ
39及び37、及びＺ軸を中心とする回転運動のためのステ
ージ41によって達成される。３つのシテージは、測定さ
れるＸ−Ｙ座標の交点に於いて、Ｚ軸が常に試験表面を
捕らえるように構成される。各Ｘ及びＹポジションにお
いて角Ｒは０゜から、360゜まで変化し、最大値は検出
器34によって読み取られ、コンピュータに受信される。
最大拡散強度対位置のマップが生成される。これは、多
くの可能なデータセットの中の一つに過ぎない。最大値
ではなく方向、又は多重方向より構成されるマップも又
作成可能である。これらマップは、この発明の測定装置
の出力である。特殊フィルタ・ビーム拡張器36は、ビー
ムにガウス断面を与え、ビームを所定直径に集光し、試
験表面に入射させ、エネルギ密度を測定に適するレベル
にまで増加する。他のビーム断面も可能であり、ビーム
直径を介して一定強度を有するトップハット（tophat）
のように走査するものもあるが、しかし、ガウス断面は
容認できるものであり、生成するのが最も容易である。
偏光器38は、表面又は表面下の欠陥のどちらが測定され
るかに依存して、正しい偏光Ｐ又はＳを確保する。Ｓ及
びＰ偏光の合成が可能であるがこの場合、検出器は対象
の偏光を選択しなければならず、又はその結果は表面及
び表面下効果の合成となるであろう。ビーム分光器30は
ビームを分割しエネルギの小部分が検出器31の方向に向
うようにし、検出器31の出力はコンピュータに供給され
る。この情報は、レーザ32からの入力の変化に対する検
出器34の出力を校正するために用いられる。シリンダ状
レンズ33はビーム断面を楕円形に再形成し、試験部表面
の足跡を円形にする。反射ビーム22は、吸収部40によっ
て阻止され、偽の反射を削除する。

第４図において、検出器34は固定され、試験部10はＺ
軸を中心として回転運動のみを行い、Ｚ軸も又試験部10
に関して固定されている。検出ビーム16は可動ミラー4
2、44を用いＸ及びＹ方向に走査される。可動ミラー4
2、44は互いに90゜をなす平面に於いて発振する。レン
ズ46は走査によって生じたビーム変化角を校正する。ビ
ームストップ40は走査されたビームを収容するだけの大
きさを有し、ビームが検出器に再び反射又は拡散したこ
とによる誤った読み込みを防止する。この構成によっ
て、広い範囲に渡り走査を短時間に行うことができる。
微小位置設定部41を用いて、試験下にある材料を回転さ
せることによって、角Ｒはまだ変化しなければならない
が、材料はＸ及びＹ方向に於いて固定されている。

前記実施例により、Ｘ−Ｙ座標を検出することは不可
能であり、試験部の特定点を介して、Ｚ軸を中心に回転
するのは不可能である。Ｒ角は固定されなければなら
ず、試験部の全表面はＸ及びＹ方向に走査され、一つの
完全なマップを作成する。これは、最終構成のマップを
得るための処理をかなり必要とし、又は欠陥の方向が、
以前の測定によって判っているときに使用される。この
構成に於いて、視野の検出範囲は、正確な結果を得るた
めに走査される全領域を包囲しなければならない。

第５図は、試験部10が微小位置設定部39及び37によっ
て、Ｘ及びＹ方向に移動し、ビームはＺ軸を中心にステ
ージ41によって回転する。この軸の分離は、多くの点
で、特に、装置の回転部に電気的接続がないので設計を
簡単にすることができる。ビームはレーザ32によって発
生し、要素38が入射する放射を円形偏光に変換すること
を除き、前述したように処理される。次にビームは、方
向走査ミラー48によって、環状ミラー50の中心を介し
て、及び回転ステージ41の中心を介して方向が決定す
る。この点で、ビーム16はＺ軸と一致する。ビームはミ
ラー56によって、偏光フィルタ62及びシリンダ状の集光
レンズ64を介して方向が決定し、偏光フィルタ62は入射
する放射を正しい偏光に変換する。最後にビーム16はミ
ラー60に入射し、ミラー60はビームが試験部10に入射す
るときの正しい入射角を与える。反射ビーム22は、ビー
ム吸収器40によって遮られる。拡散した電磁放射はミラ
ー58によって収集され、ミラー56によって反射し、ステ
ージ41内の穴の介してミラー50に到達し、経路26を介し
て検出器34に到達する。光学ベンチ52に搭載された全て
の光学構成要素は、ステージ41の可動部分のＺ軸につい
て回転する。

第６図はこの発明の実施例であり、半導体ウェハ又は
平面表面材料上の拘束欠陥測定器を示す。この場合、試
験部10は微小位置設定部39、37によってＸ及びＹ方向に
移動し、ビームは空気ベアリング支持光学要素65によっ
てＺ軸について回転する。空気ベアリング66によって光
学要素は非常に高速に回転することができ、従って測定
が速やかに行える。検出ビーム16は、レーザ32によって
発生し、光学素子36を介してビームを前述のように濾波
及び形成される。光学要素38は、ビームを円形偏光に変
換する。ビームは、空気ベアリング66の回転軸であるＺ
軸に一致しなければならない。ビームは回転光学要素65
を通過する。回転光学要素65は、２つのプリズム67及び
68より構成され、これら２つのプリズムは、光を通過し
ない材料69によって分離されている。プリズム67は、表
面に偏光フィルム70を有するプリズム67のフェースを介
して、ビームをＺ軸について90゜反射する。これによっ
て、円形偏光ビーム16を表面下の測定のために、Ｐ偏光
状態に変換する。ビームは環状ミラー71から反射して、
試験部10に入射するときの正しい入射角が提供され、次
に反射ビーム22はミラー71に戻り、Ｓ偏光のみを通過さ
せる偏光フィルム72を有するプリズム68のフェースに到
達する。その結果、反射ビーム22の強度を重要な要因に
よって減少させ、残りの光をＳ偏光に変換する。次にビ
ームは、角度を有するプリズム68のフェースから反射
し、プリズム68はＰ偏光のみを通過する偏光フィルム73
を有し、プリズム68のボトムフェースを介して再びビー
ムの強度を減少する。残りの光は、回転要素65の角度を
有する内部表面に衝突し、回転要素65は背面吸収コーテ
ィング74を有する。光学要素65のこの部分、及び反射ビ
ーム22についての回路経路の目的は、測定を妨害する可
能性のある光学システムに戻ってしまう検出ビームのあ
らゆる反射を削除するためである。表面測定について、
偏光フィルム70、72及び73はＳ、Ｐ、及びＳ偏光に各々
設定できる。試験部10の表面欠陥から拡散した光は、環
状ミラー75によって収集され、反射し、回転光学要素65
及び環状ミラー75に経路26を介して帰還する。集光光学
系76を介して光は検出器34に到達する。垂直微小位置設
定部77は、試験部10の上方の回転要素65の高さを調節
し、様々な試験部のあるゆる厚みに適合することができ
る。コンピュータＣはデータを分析し、マッピング機能
を提供する。マッピング機能は現在のスケールに従って
データをカラーに変換し、又試験される部分のＸ−Ｙ座
標に従ってそのカラーをマッピングすることである。

第７図はこの発明の一実施例であり、第６図に示した
例に類似するが、この例では異なる波長を有する３つの
レーザ、及びそれら波長に対する３つの検出器を含む。
この発明の実施例は特に表面下の測定を目的としてい
る。３つのレーザ78、79、80は各々異なる波長で動作す
る。それぞれの波長は、測定される材料について、明ら
かに異なる貫通深さを得るために選択される。各レーザ
は空間フィルタ／ビーム拡張器36を有し、出力を集光及
び濾波し、ビームの一部は夫々の場合、ミラー30によっ
て分離され、検出器31によって捕らえられ、ビームパワ
ーがモニタされる。ミラー81、82、83は各々対応するレ
ーザの波長を良く反射するように設計され、一方他の波
長は透過する。この結果、単一ビーム16は３つの波長を
含み、光学要素38によって円形に偏光される。この単一
構成ビームは回転要素65により反射し環状ミラー71に到
達し、試験部10の方向に向く。光はレンズ76によって集
光し、光学要素90によって視準され、転送ミラー87、8
8、89によって反射し検出器84、85、86に到達する。こ
れら転送ミラーも又選択される波長を強力に反射し、そ
れ以外の波長は透過する。従って各ミラーは、単一の波
長のみを、対応する検出器に反射し、対応する検出器は
その波長についてチューニングし、及び波長を濾波す
る。例えばミラー89は単一波長を検出器86に反射する一
方、他の２つの波長を透過し、次の２つのミラーに伝送
する。

前述した測定装置に２波長、３波長、又はそれ以上の
波長を使用する効果は、波長を分離し、異なる深さで貫
通させ、個別に検出することである。各検出器は、異な
る信号を受信し、この信号は表面直下の欠陥拡散特性を
有し、試験される材料内をあらゆ深さに貫通できる波長
の信号を含む。最小の深さを貫通する波長は最小限の情
報を含む一方、次に深く貫通する波長は、以前の全ての
情報と更に深い欠陥についての更に新しい情報を含む。
浅い情報がより深い情報から減算することによって得ら
れる場合、この結果はより深い欠陥についての情報であ
る。これら深さが既知の場合、既知の深さの欠陥領域に
認識される。同様の処理が次の波長によって、第３の深
さ領域を得るために実行され、第１の深さ領域が最も浅
い貫通波長のみによって得られ、第２の深さ領域は、２
番目に深い貫通波長から第１の深さ領域を差し引くこと
によって得られる。所望の情報量及び装置の複雑性に依
存して、更に多い又は少ない波長を使用することができ
る。情報の減算は欠陥の方向深さによって変化するの
で、欠陥の回転方向に関して行われなければならない。
最善の方法は、与えられた点に於ける各波長についての
回転データを取り、それを減算し、所望の深さ領域に於
けるその点についての大きさと方向の両方を得ることで
ある。

この発明に係る実施例の利点は、欠陥の深さを非破壊
で正確に判定することができることである。この深さ情
報は、この発明の前の実施例では得ることができない。

第８図に示される実施例では、欠陥深さは異なる方法
により決定される。この実施例は第６図に示される実施
例に良く似ており、表面下欠陥を測定するために特に設
計することができる。違いは、ここでレーザ32はコンピ
ュータＣによって制御されるパワーモジュレータ91を有
する。これによってレーザの出力が変化し、制御され、
入射ビーム16に異なるレベルを使用することができる。
検出ビームの波長及び出力は、所定の検出深さを達成す
るために選択され、検出ビームパワーは一度試験材料に
入った後は指数関数的に減少するので、パワーの減少は
検出深さを減少する。これは真実である。なぜかという
と、表面に現れた欠陥からの拡散が非常に少なく、シス
テムのノイズレベル以下であるような絶対パワーレベル
が存在するからである。

このパワーに伴なう検出深さは、第７図に示されるよ
うに、波長の変化と同じように使用することができ、欠
陥領域の深さを決定するために用いられる。しかしこの
場合の適用は僅かに異なる。この技術を適用することが
できる一つの方法は、試験部に渡る各々異なるパワーレ
ベルを有する幾つかの経路を実際に形成することであ
り、適切なデータを減算して深さ情報を得る。他の方法
は各回転位置に於いて２つ又はそれ以上のレベルが使用
できるようにパワーレベルを即座に変調する方法であ
る。次にデータは適切に減算され、深さ情報を得る。

この方法は、第７図に示される多重波長方式について
幾つかの利点がある。この結果の装置は簡単な構造を有
し、従って高価ではない。所望の深さをコンピュータ制
御することは可能であり、この制御は検出深さの僅かな
変化に対し、繊細な制御が可能である。主な問題ほ、パ
ワーを増加することによる検出深さの増加は、試験部、
特に半導体にダメージを及ぼすパワーレベルに容易に達
してしまう。それは試験状況の光の吸収の非直線性によ
るからである。

考えられる他の方法は、第７図及び第８図に示される
実施例の組み合わせであり、第７図のレーザ78、79、80
に変調器91が追加される。これによって、多重波長及び
多重パワーレベルを、装置の試験される材料及び所望の
検出深さに対する動作を最適化するために組み合わせる
ことである。

この発明のあらゆる実施例は、二つの重要な方法に於
ける状況から分離されるべきである。この装置は振動か
ら分離されるべきであり、検出ビームと試験部の間の微
妙な動きの影響を取り去る。試験部の隣接する部分は大
きく異なる拡散特性を有することがあるので、振動は大
きな誤差の原因となる。この装置は又、清潔な環境の中
で分離され、測定される表面の汚染に関する問題を除く
べきである。あらゆる種類の汚染、特に個々の微粒子の
汚染に関する装置の感度は非常に大きいので、前記した
ことは必要である。この最後の効果は破片の検出及び位
置の検出のために装置を用いる場合に有益である。

この文書で説明された測定方法及び装置はこの発明の
好適実施例を構成する一方、この発明はここに説明され
た方法や装置に限るものではない。

（発明の効果）この発明によって、半導体、光学材料及び他の特殊材
料、及びコーティングの結晶表面及び表面下の密度、及
び他の微小欠陥を非破壊で測定する能力を効果的に改善
することができる。従って、欠陥が、一様に形成されて
おらず、球面状又は半球面状でない場合、約１ミクロン
以下の欠陥は従来の技術によっては正確に検出すること
が不可能であったが、この発明によって正確に検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による電磁放射ビームによって照明
された表面及び表面下の欠陥を有する材料の拡大断面
図、第２図は材料表面の斜視図であり、材料表面に関す
る検出器の検出ラインとビームの方向を示す略図、第３
図は材料が固定ビーム及び固定検出器の下に移動するこ
の発明の一実施例であり、第４図はビームが文字どうり
Ｘ及びＹ方向に走査し、一方材料はＸ軸付近を回転し、
検出器は固定されている場合のこの発明の一実施例を示
し、第５図は材料が文字どうりＸ軸及びＹ軸方向に動
き、電磁放射ビームはＸ軸付近に回転する場合のこの発
明の一実施例を示し、第６図は半導体ウェハ又は他の平
らな表面を有する材料の非常に高速なマッピングを目的
として設計されたこの発明の一実施例であり、第７図は
第６図に示される一実施例に、検出ビームについて同時
に３つの波長を用いた場合を示し、及び第８図は第６図
に示される一実施例に於ける検出ビームを可変させた場
合を示す。 31・34……検出器、32……レーザ、36……拡張器、40…
…吸収器、Ｃ……コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者フレッド・デイー・オラジオ・ジュニアアメリカ合衆国、オハイオ州 45459、センタービル、ミーテイング・ハウス・ロード７ (56)参考文献特開昭62−39704（ＪＰ，Ａ) 特開平２−99806（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−123092（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−42007（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 21/88

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）電磁放射ビームを発生するステップ
と、（ｂ）所定の固定入射角で、前記ビームを測定され
る材料の表面に向け、前記材料の微小部分が前記電磁放
射を受けるために前記ビームを集光するステップと、
（ｃ）前記ビームが前記表面を捕らえる所まで検出器の
検出ラインを材料の表面に向けるステップと、（ｄ）前
記検出ライン付近の微小固定角からの拡散を検出するた
めに前記検出器に入力し、拡散した電磁放射の程度を制
限し、拡散した電磁放射の一部分を検出し、この放射を
検出した強度に比例した電気信号に変換するステップで
あり、更に（ｅ）前記ビームが前記表面を捕らえる部分
において前記表面に実質的に直交するＺ軸の回りにビー
ムと前記材料の相対的回転を発生し、ビームが表面を捕
らえる部分に関する選択された最大拡散の回転位置を決
定するステップと（ｆ）ビームと材料間に、前記Ｚ軸と
および互いに直交するＸそして／またはＹ軸方向の相対
的移動を発生し、隣接する材料の一部を電磁放射にさら
すステップと、（ｇ）前記ステップ（ｅ）及び（ｆ）を
電磁放射にさらされた材料の各部分に対して、所定の領
域が接近する方法で覆われるまで繰り返し、及び（ｈ）
前記拡散強度から被測定対象物の欠陥のサイズ、欠陥の
数を検出し、最大拡散の回転位置から被測定対象物の欠
陥の方向特性を検出するステップとを具備し、前記材料の前記所定領域に於ける微小欠陥の
分布を測定する測定方法。
【請求項２】前記電磁放射は、表面の欠陥検出に関し、
Ｐに偏光されていることを特徴とする請求項１記載の測
定方法。
【請求項３】前記電磁放射は、表面の欠陥検出に関し、
Ｓに偏光されていることを特徴とする請求項１記載の測
定方法。
【請求項４】前記電磁放射の前記波長は、前記材料の光
学特性に従って選択され、対象とする欠陥の検出に必要
な深さのみ貫通することを特徴とする請求項１記載の測
定方法。
【請求項５】電磁放射ビームの前記入射角は一般にブル
ースター角に近いことを特徴とする請求項１記載の測定
方法。
【請求項６】前記表面に向かう前記検出器の検出ライン
は入射ビームに関して鋭角であり、垂線に関し入射ビー
ムと同じ方向であることを特徴とする請求項１記載の測
定方法。
【請求項７】前記検出器に受信される前記拡散した電磁
放射の程度は、0.001ステラジアンと0.01ステラジアン
の間にあることを特徴とする請求項１記載の測定方法。
【請求項８】Ｐに偏光された多重電磁放射ビームは分離
された所定の波長を有し、材料の異なる深さまで貫通す
ることができ、これら多重ビームは同時に生成され、及
び前記表面に向けられ、多重検出器の検出ラインを生成
し、各波長を一つにして、前記材料の異なる深さにある
欠陥を検出するために、前記多重ビームが前記表面を捕
らえる点まで、前記材料の表面に向かう前記検出ライン
を方向付けすることを特徴とする請求項１記載の測定方
法。
【請求項９】Ｐに偏光された電磁放射ビームを発生し、
前記材料の異なる深さの欠陥を検出するために、前記放
射のパワーレベルは制御され変化することを特徴とする
請求項１記載の測定方法。
【請求項１０】（ａ）電磁放射ビームを発生する手段
と、（ｂ）所定の固定入射角で、前記ビームを測定され
る材料の表面に向け、前記材料の微小部分が前記電磁放
射を受けるために前記ビームを集光する手段と、（ｃ）
前記ビームが前記表面を捕らえる所まで検出器の検出ラ
インを材料の表面に向ける手段と、（ｄ）前記検出ライ
ン付近の微小固定角からの拡散を検出するために前記検
出器に入力し、拡散した電磁放射の程度を制限し、拡散
した電磁放対の一部分を検出し、この放射を検出した強
度に比例した電気信号に変換する手段であり、更に
（ｅ）前記ビームが前記表面を捕らえる部分において前
記表面に実質的に直交するＺ軸の回りにビームと前記材
料の相対的回転を発生し、ビームが表面を捕らえる部分
に関する選択された最大拡散の回転位置を決定する手段
と（ｆ）ビームと材料間に、前記Ｚ軸とおよび互いに直
交するＸおよび／またはＹ軸方向の相対的移動を発生
し、隣接する材料の一部を電磁放射にさらす手段と、
（ｇ）前記手段（ｅ）及び（ｆ）を電磁放射にさらされ
た材料の各部分に対して、所定の領域が接近する方法で
覆われるまで繰り返し、及び（ｈ）前記拡散強度から被
測定対象物の欠陥サイズ、欠陥の数を検出し、最大拡散
の回転位置から被測定対象物の欠陥の方向特性を検出す
る手段とを具備し、前記材料の前記所定領域に於ける微小欠陥の
分布を測定する測定装置。