JP3102776B2 - 内部に光を通過する試料の欠陥観察装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ウエハ等の内部
に光を通過する試料の欠陥観察装置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、公知の特開平３−２９１５５２号公
報（第１公知例）の第１図及び第６図には、ｐ偏光成分
とｓ偏光成分とを斜めの入射角度θで照射する装置と、
前記両偏光成分を所定の割合いにする偏光板と、前記両
偏光成分を集光して試料に照射する集光レンズと、前記
入射角度θと同じ角度θで反射した正反射光に含まれる
試料表面の欠陥の散乱光を観察する装置について記載さ
れている。また、従来、公知の特開昭６４−８８２４０
号公報（第２公知例）の第４図には、ｐ偏光成分を斜め
の入射角度θで照射する装置と、同じ角度θで反射した
正反射光よりも垂直に近い位置に配置された試料表面の
傷の散乱光を観察する撮影素子について記載されてい
る。また、従来、公知の特開平３−２６４９１２号公報
（第３公知例）の第１図及び第２図には、第１公知例と
同様に、ｐ偏光成分とｓ偏光成分とを斜めの入射角度θ
で照射する装置と、前記両偏光成分を所定の割合いに混
合する偏光板と、前記両偏光成分を集光して試料に照射
する集光レンズと、試料の入射角度θと同じ角度θで反
射した正反射光に含まれる試料表面の欠陥の散乱光を観
察する装置について記載されている。また、従来、公知
の特開昭６１−１８２５５３号公報（第４公知例）の第
３図には、試料内をレーザビームを透過させ、試料の内
部欠陥を観察する構成について記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】半導体ウエハ等の欠陥
や粒子を評価する装置として、半導体内部に透過して屈
折光になり易いｐ偏光成分と半導体表面で反射し易いｓ
偏光成分を用いるものは周知であるが、周知の装置は、
レーザ光の正反射光に含まれる欠陥の散乱光を観察する
ものが多く、それゆえ、強い反射光に影響されて、良好
な観察がなし得ない課題があった。半導体ウエハ等の内
部欠陥や表面の傷又は粒子を良好に観察する装置として
は、ｐ偏光成分とｓ偏光成分の両方を斜めに照射し、こ
れをレーザ光の正反射光より外れた位置で観察するよう
にして正反射光の影響より遠ざけ、且つ、得られた欠陥
の散乱光は、ｐ偏光成分とｓ偏光成分とを含むので、こ
れを差別化する観察側偏光子を用いて観察するとよい。
その意味で公知の第１公知例の第１図及び第６図を見る
と、第１公知例は試料に対する入射角度θと同じ角度θ
で反射した正反射光中に含まれる試料表面の欠陥の散乱
光を受光部により観察するようにしている。これでは、
強い正反射光に影響されて、内部や表面の欠陥を確実に
観察することはできない。また、第１公知例は、得られ
た欠陥の散乱光をｐ偏光成分とｓ偏光成分とに差別化す
る観察側偏光子は用いられていないので、試料の内部と
表面の欠陥が重合し、良好な観察はできない。また、公
知の第３公知例も、第１図及び第２図よりすると、第１
公知例と同様に、試料に対する入射角度θと同じ角度θ
で反射した正反射光中に含まれる試料表面の欠陥の散乱
光を、カメラにより観察するようにしているが、前記と
同様、反射光が強すぎて内部や表面の散乱光を確実に観
察することはできないし、第３公知例も、得られた欠陥
の散乱光をｐ偏光成分とｓ偏光成分とに差別化する観察
側偏光子は用いられていないので、試料の内部と表面の
欠陥が重合し、良好な観察はできない。また、公知の第
４公知例のものは、その第３図より明らかなごとく、試
料内をレーザビームを透過させて試料の内部欠陥を観察
する構成であるから、屈折光は生じないので屈折光によ
る観察はできないばかりでなく、試料表面の欠陥と試料
内部欠陥とが重合して見え、良好に観察できない。な
お、公知の第２公知例の第４図に記載されたものは、ｐ
偏光成分を斜めの角度θで照射する装置と、試料の入射
角度θと同じ角度θで反射した正反射光よりは外れた垂
直に近い位置に試料表面の傷の散乱光を観察する撮影素
子を配置したものであるから、第１公知例及び第３公知
例とは異なり、正反射光の影響は受けないで欠陥の観察
はできるが、該第２公知例は、観察側に、観察レンズで
集束された散乱光をｐ偏光成分とｓ偏光成分との夫々に
区別する観察側偏光子を有していないから、試料表面の
欠陥と試料内部の欠陥を区別して観察し、これを比較す
ることはできないので、充分な観察はできない。

【０００４】

【発明の目的】試料の表面に存在する欠陥と試料内部の
欠陥とを、それぞれ差別化し、両者を比較して観察する
ことにより、正確な欠陥の分布状態を知る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】よって、本発明は、一側
に設けた直線偏光又はランダム偏光を照射するレーザ照
射手段１０２と、前記レーザ照射手段１０２よりのレー
ザ光１０５を主にｐ偏光成分１１９のみまたは主にｓ偏
光成分１２１のみあるいは両成分を一定比率で混合した
何れかの光を試料１０１に対し斜めに照射させ得るよう
に光軸周りでの回転角度が調節可能の照射側偏光板１１
７と、前記照射側偏光板１１７で偏光したレーザ光１０
５を集束し且つ前記試料１０１の観察表面１０３に対し
斜めの入射角度θで照射する集光レンズ１０７と、前記
レーザ光１０５の正反射光１２９よりも前記レーザ光１
０５と前記試料１０１の観察表面１０３との交点１３０
を通る鉛直線１３１に近い位置に配置された試料表面の
欠陥の散乱光又は試料内部の欠陥の散乱光を観察する観
察レンズ１１１と、前記観察レンズ１１１のつぎに設け
た前記観察レンズ１１１で集束された散乱光をｐ偏光成
分１１９’とｓ偏光成分１２１’とのいずれかのみを通
過させるようにした観察側偏光子１１８と、前記観察側
偏光子１１８のつぎに設けた前記観察側偏光子１１８に
より差別化された前記ｐ偏光成分１１９’又は前記ｓ偏
光成分１２１’を結像させる結像レンズ１１３と、前記
結像レンズ１１３のつぎに設けた前記結像レンズ１１３
で結像した像を撮影する撮影素子１１５とからなる内部
に光を通過する試料の欠陥観察装置としたものである。

【０００６】

【実施例】本発明の半導体ウエハ等の内部欠陥又は表面
の欠陥の観察装置を図面により説明すると、図１は本発
明の実施例の構成を示す模式図であり、試料１０１の観
察表面１０３にレーザ光１０５を集光レンズ１０７を介
して一側から斜めの角度θで照射するレーザ照射手段１
０２、レーザ光１０５の試料内の屈折光１０９により試
料内部の欠陥や粒子から生じる散乱光を観察表面１０３
を介して観察するための観察レンズ１１１、結像レンズ
１１３、および撮像素子１１５、ならびにレーザ光１０
５を集光レンズ１０７の前において偏光させて主にｐ偏
光成分１１９のみまたは主にｓ偏光成分１２１のみとし
た光が照射されるようにする照射側偏光板１１７、観察
レンズ１１１と結像レンズ１１３との間の観察側偏光子
１１８を備える。１２９はレーザ光１０５の観察表面１
０３における正反射光である。図中、１３０は前記レー
ザ光１０５と前記試料１０１の観察表面１０３との交
点、１３１は前記交点１３０を通る鉛直線である。

【０００７】前記装置において、照射側偏光板１１７
は、光軸の回りで回転角度が調整されることによって、
主にｐ偏光成分１１９のみまたは主にｓ偏光成分１２１
のみあるいは両成分を一定比率で混合した光が照射され
るように構成する。前記観察レンズ１１１と結像レンズ
１１３の間に配置された前記観察側偏光子１１８は、照
射された光がｐ偏光成分１１９’とｓ偏光成分１２１’
を一定比率で混合した光のときは勿論であるが、主にｐ
偏光成分１１９’とした場合であっても若干のｓ偏光成
分１２１’を含み、または主にｓ偏光成分１２１’とし
た場合であっても若干のｐ偏光成分１１９’を含むか
ら、これを差別して確実に別々に観察するようにしたも
のである。

【０００８】また、散乱光は観察表面１０３側全体に拡
散するが、前記観察レンズ１１１は前記レーザ光１０５
の正反射光１２９よりも前記交点１３０を通る鉛直線１
３１に近い位置に配置されて、正反射光１２９の影響の
ないところで観察するように構成する。

【０００９】

【実施例の作用】図１において、ｐ偏光成分で観察する
場合は、照射側偏光板１１７を、種々の偏光方向成分を
含むレーザ光１０５のうち、主にｐ偏光成分１１９のみ
が通るように光軸の回りで回転角度を調整すると、偏光
板１１７によりレーザ光１０５は主にｐ偏光成分１１９
のみが通るように偏光され、集光レンズ１０７を介して
集光されて試料１０１の観察表面１０３にθ角度の入射
角度で照射される。照射されたｐ偏光成分１１９よりな
るレーザ光１０５は、図２に拡大して示すように、主に
ｐ偏光成分１１９のみであるからその多くは観察表面１
０３を通過し、屈折光１０９となって試料１０１内を透
過する。特に、図１に図示した入射角θがブリュースタ
ー角（図４の７４°付近）の場合は、図４のｐ偏光曲線
４１で示したように透過率が１００％であるから、殆ど
すべてが試料内部に透過する。透過した屈折光１０９は
試料内部の欠陥１２３や粒子に当ると図２のように散乱
光を生じ、その散乱光が正反射光１２９に邪魔されない
前記交点１３０を通る鉛直線１３１に近い位置の矢印１
２５で示す方向に設けた観察レンズ１１１で集束され、
ついで、観察側偏光子１１８を通って結像レンズ１１３
で結像され、撮像素子１１５で観察される。

【００１０】このとき、ｐ偏光成分による観察とはいっ
ても、若干のｓ偏光成分が含まれるから、ｓ偏光成分に
よって散乱光を発生し、特に図２のように、表面に傷と
か付着物のような欠陥１２７があると、ｓ偏光成分によ
り前記欠陥１２７の散乱光を発生させてｐ偏光成分によ
る内部の観察を阻害するが、本願は観察側偏光子１１８
が設けてあって、ｓ偏光成分は通らないように差別化し
ているから、ｓ偏光成分により散乱光は通らず、観察表
面上の欠陥１２７よりも内部の欠陥や粒子１２３が顕著
に観察される。

【００１１】逆に、図１の装置で、ｓ偏光成分１２１で
観察する場合は、照射側偏光板１１７を、種々の偏光方
向成分を含むレーザ光１０５のうち、主にｓ偏光成分１
２１のみが通るように光軸の回りの回転角度を調整する
と、照射側偏光板１１７によりレーザ光１０５は偏光さ
れて、主にｓ偏光成分１２１のみが集光レンズ１０７で
集光されて試料１０１の観察表面１０３にθ角度の入射
角度で照射される。照射されたレーザ光１０５は、図３
に拡大して示すように、主にｓ偏光成分１２１のみであ
るから、その多くは正反射光１２９となって反射する。
このとき、表面に欠陥１２７があるときは、その散乱光
は正反射光１２９に影響されない前記交点１３０を通る
鉛直線１３１に近い位置の矢印１２５で示す方向に設け
た観察レンズ１１１で集束され、ついで、観察側偏光子
１１８を通って結像レンズ１１３で結像され、撮像素子
１１５で観察される。

【００１２】このとき、ｓ偏光成分による観察とはいっ
ても、若干のｐ偏光成分が含まれるから、ｐ偏光成分に
よって内部の欠陥１２３の散乱光を発生し、ｓ偏光成分
による内部の観察を阻害するが、本願は観察側偏光子１
１８が設けてあって、ｐ偏光成分は通らないように差別
化しているから、ｐ偏光成分により散乱光は通らず、観
察表面上の欠陥１２７が内部の欠陥１２３より顕著に観
察される。

【００１３】図５（ａ）、（ｂ）はこのようにして観察
される画像の様子を示す模式図であり、同図において、
上半分は側面図であり下半分は俯瞰図である。しかし
て、ｐ偏光成分１１９で観察する場合は、図５（ａ）に
示すように、観察方向の矢印１２５に対し試料１０１の
表面に照射されるレーザ光の領域５１においては、殆ど
が試料内に透過するから、内部の欠陥１２３の像５２３
が表面の傷等の欠陥１２７の像５２７より大きく観察さ
れる。また、前記表面の領域５１より外れた領域５３に
おいては、内部の欠陥の像５２３のみが強く観察され
る。

【００１４】これに対し、ｓ偏光成分１２１で観察する
場合は、図５（ｂ）に示すように、観察方向の矢印１２
５に対し試料１０１の表面に照射されるレーザ光の領域
５１においては、強く反射するから、内部の欠陥１２３
の像５２３よりも表面の欠陥１２７の像５２７が大きく
観察される。また、前記表面の領域５１より外れた領域
５３においては、内部の欠陥１２３の像５２３が弱く観
察される。

【００１５】図６（ａ）は図５（ａ）の画像から内部欠
陥１２３の像５２３のみ抽出した画像を示す。図６
（ｂ）は図５（ｂ）の画像から欠陥１２７の像５２７の
みを抽出した画像を示す。このような抽出は、公知の画
像処理手段等を用いて行なうことができる。例えば、図
５（ａ）と図５（ｂ）の各画素の強度Ｉa とＩb に対
し、内部欠陥１２３の像５２３の強度と欠陥１２７の像
５２７の強度とを区別できるような閾値（しきいち）ｋ
を設定し、Ｉa ＞ｋＩb であるような強度Ｉa の各画素
の画像データはそのまま残し、Ｉa ＜ｋＩb なる強度Ｉ
a の画像データを０とすることにより内部欠陥の抽出を
行なうことができる。また、逆の操作により、表面欠陥
を抽出することができる。また、入射レーザ光が直線偏
光の場合は、図１の照射側偏光板１１７に代えて、偏光
回転子を用いる。

【００１６】また、照射側偏光板１１７をｐ偏光成分１
１９とｓ偏光成分１２１の両成分を一定比率に混合して
試料に照射する場合は、上記説明したｐ偏光成分１１９
による観察とｓ偏光成分１２１による観察が、上記に準
じて行なえる。なお、この場合は、観察側偏光子１１８
は、ｐ偏光成分１１９’とｓ偏光成分１２１’を交互に
取出すようにする。

【００１７】

【発明の効果】本発明は、一側に設けた直線偏光又はラ
ンダム偏光を照射するレーザ照射手段１０２と、前記レ
ーザ照射手段１０２よりのレーザ光１０５を主にｐ偏光
成分１１９のみまたは主にｓ偏光成分１２１のみあるい
は両成分を一定比率で混合した何れかの光を試料１０１
に対し斜めに照射させ得るように光軸周りでの回転角度
が調節可能の照射側偏光板１１７と、前記照射側偏光板
１１７で偏光したレーザ光１０５を集束し且つ前記試料
１０１の観察表面１０３に対し斜めの入射角度θで照射
する集光レンズ１０７と、前記レーザ光１０５の正反射
光１２９よりも前記レーザ光１０５と前記試料１０１の
観察表面１０３との交点１３０を通る鉛直線１３１に近
い位置に配置された試料表面の欠陥の散乱光又は試料内
部の欠陥の散乱光を観察する観察レンズ１１１と、前記
観察レンズ１１１のつぎに設けた前記観察レンズ１１１
で集束された散乱光をｐ偏光成分１１９’とｓ偏光成分
１２１’とのいずれかのみを通過させるようにした観察
側偏光子１１８と、前記観察側偏光子１１８のつぎに設
けた前記観察側偏光子１１８により差別化された前記ｐ
偏光成分１１９’又は前記ｓ偏光成分１２１’を結像さ
せる結像レンズ１１３と、前記結像レンズ１１３のつぎ
に設けた前記結像レンズ１１３で結像した像を撮影する
撮影素子１１５とからなる内部に光を通過する試料の欠
陥観察装置としたものであるから、 （イ）一側に設けた直線偏光又はランダム偏光を照射す
るレーザ照射手段１０２と、前記レーザ照射手段１０２
よりのレーザ光１０５を主にｐ偏光成分１１９のみまた
は主にｓ偏光成分１２１のみあるいは両成分を一定比率
で混合した何れかの光を試料１０１に対し斜めに照射さ
せ得るように光軸周りでの回転角度が調節可能の照射側
偏光板１１７としたから、前記ｐ偏光成分１１９とｓ偏
光成分１２ １あるいは一定比率で混合した光は公知例と
異なり、一側から他側に向かって照射されるので、試料
１０１の内部を正確に観察することができる。 （ロ）また、前記照射側偏光板１１７で偏光したレーザ
光１０５を集束し且つ前記試料１０１の観察表面１０３
に対し斜めの入射角度θで照射する集光レンズ１０７
と、前記レーザ光１０５の正反射光１２９よりも前記レ
ーザ光１０５と前記試料１０１の観察表面１０３との交
点１３０を通る鉛直線１３１に近い位置に配置された試
料表面の欠陥の散乱光又は試料内部の欠陥の散乱光を観
察する観察レンズ１１１としたから、正反射光１２９に
よる強い反射光に惑わされず正確に観察できる。 （ハ）また、前記観察レンズ１１１のつぎに設けた前記
観察レンズ１１１で集束された散乱光をｐ偏光成分１１
９’とｓ偏光成分１２１’とのいずれかのみを通過させ
るようにした観察側偏光子１１８と、前記観察側偏光子
１１８のつぎに設けた前記観察側偏光子１１８により差
別化された前記ｐ偏光成分１１９’又は前記ｓ偏光成分
１２１’を結像させる結像レンズ１１３と、前記結像レ
ンズ１１３のつぎに設けた前記結像レンズ１１３で結像
した像を撮影する撮影素子１１５としたから、観察レン
ズ１１１のつぎにｐ偏光成分１１９’とｓ偏光成分１２
１’とのいずれかのみを通過させるようにした観察側偏
光子１１８を設けたから、観察レンズ１１１で集束され
た散乱光を、ｐ偏光成分１１９’とｓ偏光成分１２１’
とに差別していずれか一方を観察することができ、ま
た、結像レンズ１１３によりｐ偏光成分１１９’又はｓ
偏光成分１２１’のいずれかの像を結像させることがで
きるので、観察が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の欠陥観察装置の模式図。

【図２】 図１の装置において主にｐ偏光成分を用いて
観察したときの様子を拡大して示す説明図。

【図３】 図１の装置において主にｓ偏光成分を用いて
観察したときの様子を拡大して示す説明図。

【図４】 ｐ偏光成分およびｓ偏光成分について入射角
θに対する透過率の変化を夫々示すグラフ図。

【図５】 本発明の観察状態の側断面と俯瞰図の模式
図。

【図６】 図５の画像から欠陥内部や粒子の像のみを抽
出した画像を示す模式図。

【符号の説明】

１０１…試料、１０２…レーザ照射手段、１０３…観察
表面、１０５…レーザ光、１０７…集光レンズ、１０９
…屈折光、１１１…観察レンズ、１１３…結像レンズ、
１１５…撮像素子、１１７…照射側偏光板、１１８…観
察側偏光子、１１９、１１９’…ｐ偏光成分、１２１、
１２１’…ｓ偏光成分、１２３…内部の欠陥、１２５…
矢印、１２７…表面の欠陥、１２９…正反射光、１３０
…交点、１３１…鉛直線、５２３…内部欠陥の像、５２
７…表面欠陥の像、４１…ｐ偏光曲線、４２…ｓ偏光曲
線、５１…表面の領域、５３…表面より外れた領域。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一側に設けた直線偏光又はランダム偏光
   を照射するレーザ照射手段１０２と、前記レーザ照射手
   段１０２よりのレーザ光１０５を主にｐ偏光成分１１９
   のみまたは主にｓ偏光成分１２１のみあるいは両成分を
   一定比率で混合した何れかの光を試料１０１に対し斜め
   に照射させ得るように光軸周りでの回転角度が調節可能
   の照射側偏光板１１７と、前記照射側偏光板１１７で偏
   光したレーザ光１０５を集束し且つ前記試料１０１の観
   察表面１０３に対し斜めの入射角度θで照射する集光レ
   ンズ１０７と、前記レーザ光１０５の正反射光１２９よ
   りも前記レーザ光１０５と前記試料１０１の観察表面１
   ０３との交点１３０を通る鉛直線１３１に近い位置に配
   置された試料表面の欠陥の散乱光又は試料内部の欠陥の
   散乱光を観察する観察レンズ１１１と、前記観察レンズ
   １１１のつぎに設けた前記観察レンズ１１１で集束され
   た散乱光をｐ偏光成分１１９’とｓ偏光成分１２１’と
   のいずれかのみを通過させるようにした観察側偏光子１
   １８と、前記観察側偏光子１１８のつぎに設けた前記観
   察側偏光子１１８により差別化された前記ｐ偏光成分１
   １９’又は前記ｓ偏光成分１２１’を結像させる結像レ
   ンズ１１３と、前記結像レンズ１１３のつぎに設けた前
   記結像レンズ１１３で結像した像を撮影する撮影素子１
   １５とからなる内部に光を通過する試料の欠陥観察装
   置。