JP3783848B2 - 表面検査装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体ウェーハ等の基板の表面の微細な異物、或は結晶欠陥等の微細な傷を検査する表面検査装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
表面検査装置は、レーザ光線を基板表面に照射し、異物、傷によって生じる散乱反射光を検出して異物、傷の検出を行うものである。尚、表面検査装置での発光源としては、ガスレーザ(He、Ar等)等が一般的に用いられてきたが、最近では取扱いが容易、安全、長寿命等の理由からレーザダイオード(LD)が用いられている。
【0003】
図11は発光源としてレーザダイオードが使用された従来の照射光学系を示している。
【0004】
発光源1から発せられたレーザ光線2はコリメートレンズ3により、平行光束とされ、結像レンズ4によりウェーハ等の基板5の表面(前記結像レンズ4による集光位置fの点)に集光する様に照射される。又、前記レーザ光線2は前記基板5に対してθの角度で入射される。散乱反射光検出器(図示せず)は前記レーザ光線2の反射光軸から外れた位置、例えば紙面に対して略垂直な方向から散乱反射光を検出する様になっている。
【0005】
検出感度、検出精度は、基板表面に照射するレーザ光線2の波長及び強度が関係する。波長を短くするか、強度を上げることで、検出感度を向上することができる。又強度を均質に保った状態で照射範囲を広げることで、検出感度を保ったまま検出精度を向上することができる。
【0006】
近年、表面検査装置には一層の検出感度及び検出精度の向上が要求され、例えば半導体素子の高密度化に伴い、表面検査装置にはウェーハ表面の更に微細な異物、傷の検出を行うことが要求されている。
【0007】
上記した様に表面検査装置では異物、傷の検出を散乱反射光の検出に基づいて行っているが、散乱反射光は基板表面の性状、即ち膜種、膜厚によって微妙に変化する。例えば、シリコンウェーハ表面に形成されたシリコン酸化膜(SiO2 )の場合、膜厚に応じ反射率が変ることが分っており、又反射率の変化は膜厚により周期的に変動し、反射率の変化は波長によっても異なることも分っている。
【0008】
図12は、基板表面にシリコン酸化膜(SiO2 )が形成されている場合の、膜厚に対応した反射率変動曲線を3波長のレーザ光線(488nm、680nm、780nm)について示したものである。
【0009】
異物、傷の検出感度は基板表面の反射率と略相関があり、反射率が低下し散乱反射光の光量が減少すると検出精度が低下する。従って、所定の検出精度を安定に維持するには、膜種、膜厚に対応して照射するレーザ光線の波長を選択する必要があった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の表面検査装置では、膜種、膜厚に応じたレーザ光線の波長を設定する必要があり、作業性が悪い。更に、膜厚については基板全面で完全には均一ではなく、基板表面の部位により反射率が変動する可能性があり、反射率の変動に伴い、検出精度が変動する可能性があった。
【0011】
本発明は斯かる実情に鑑み、基板表面の膜種、膜厚に影響されない安定した高精度の検査を可能とする表面検査装置を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板表面にレーザ光線を照射し、該レーザ光線の散乱反射光を検出して異物を検出する表面検査装置に於いて、光源部が複数の異なる波長のレーザ光線を発する発光源を有し、それぞれのレーザ光線を異なった光路により基板表面に照射する様にし、それぞれの光路を切替える光路切替え手段を前記レーザ光線の光路に挿脱可能に備え、前記光路切替え手段の挿脱により、相互の光路が入替って光路変更され、それぞれの発光源からのレーザ光線を基板表面に、基板表面での反射特性が異なる状態で照射する照射光学系を具備する表面検査装置に係り、又前記複数の発光源の少なくとも1つのレーザ光線の偏光状態を変更する偏光部材を設けた表面検査装置に係り、又前記照射光学系が1つの結像レンズを有すると共に各発光源に対応して設けられ該発光源からのレーザ光線を前記結像レンズに入射させる光学部材を有する表面検査装置に係り、更に又前記発光源がマトリックス状に配設された表面検査装置に係るものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【0014】
図1により表面検査装置の概略について説明する。
【0015】
図中、5はウェーハ等の被検査物である基板であり、表面検査装置は走査駆動機構部6、照射光学系7、検出系8から主に構成されている。
【0016】
又、前記走査駆動機構部6は前記基板5を保持する基板保持部9を具備し、該基板保持部9は回転駆動部10により回転可能に支持され、該回転駆動部10は直線駆動機構部11により前記基板5の回転面と平行な半径方向に直線移動される様になっている。
【0017】
前記照射光学系7は検査光であるレーザ光線2を発する光源部12、該光源部12からのレーザ光線2を前記基板5上に向けるミラー等の偏向光学部材13,14、前記レーザ光線2を前記基板5の表面に集光させるレンズ群15等から構成されている。前記検出系8は前記基板5表面に照射されるレーザ光線2の光軸に交差する検出光軸を有する受光検出器16,17を具備している。
【0018】
前記基板5の表面検査は、前記回転駆動部10により前記基板5が回転された状態で、前記照射光学系7より前記基板5の表面に前記レーザ光線2が照射され、更に前記直線駆動機構部11により前記回転駆動部10が半径方向に移動される。
【0019】
而して、前記基板5の一回転毎に所要ピッチでステップ送りすることにより、或は所定速度で前記回転駆動部10を連続送りすることにより、前記レーザ光線2の照射点が同心円、或は螺旋円の軌跡を描きながら、前記基板5の中心から外縁迄移動し、該基板5の全面が前記レーザ光線2によって走査されることとなる。
【0020】
該レーザ光線2が前記基板5の表面を走査する過程で、異物、傷があると前記レーザ光線2が散乱反射する。この散乱反射光は所定の位置に配置された前記検出系8の受光検出器16,17によって検出され、該受光検出器16,17からの信号を図示しない演算処理部により信号処理することで、異物、傷が検出される。
【0021】
図2は本発明の表面検査装置の照射光学系7の概略を示し、図中、偏向光学部材13,14等は省略している。
【0022】
前記光源部12は2組の発光源1a,1bを有し、該発光源1a,1bは個別に発光状態を制御可能となっていると共に異なる波長λ1 ,λ2 のレーザ光線2a,2bを発する様になっている。
【0023】
前記発光源1a,1bからのレーザ光線2a,2bはそれぞれ個別にコリメートレンズ3a,3bにより平行光束とされ、1つの結像レンズ4により前記基板5の表面に集光される様になっている。又、前記コリメートレンズ3a,3bと結像レンズ4の光軸はそれぞれ平行となっており、前記発光源1a及び発光源1bから発せられるレーザ光線2a,2bは前記結像レンズ4により同一照射点18に集光される様になっている。
【0024】
前記発光源1a及び発光源1bからの波長の異なるレーザ光線2a,2bが前記結像レンズ4により同一照射点18に集光照射される。
【0025】
前記発光源1a、発光源1b単独のレーザ光線が前記照射点18に照射された場合、例えば前記発光源1aから単独に波長λ1 のレーザ光線2aが前記照射点18に照射された場合の散乱反射光の反射率は、上述した様に膜種がシリコン酸化膜(SiO2 )であった場合、図12に於ける所定の1波長の様に膜厚の変化に対して周期的に変動する。又、図示していないが、前記発光源1bからの波長λ2 のレーザ光線2bが単独に前記照射点18に照射された場合、図12に於ける波長が異なる線の様に前記発光源1aの場合とは異なった位相で膜厚の変化に対応して周期的に変動する。
【0026】
次に、前記発光源1a、発光源1bから前記レーザ光線2a,2bを同時に照射した場合の反射率は、図12で示した様に位相がずれるので、膜厚の変化に対する合成反射率は該各レーザ光線2a,2bの反射率を合成したものとなる。即ち、該レーザ光線2a,2bの反射率が合成されることで、反射率のピークの部分が略平らとなり、反射率変動曲線は台形形状となる。
【0027】
斯かる2種の波長λ1 ,λ2 のレーザ光線2a,2bを同一照射点18に同時に照射することで、例えば図12での所定の2波長に於ける反射率の落込み部分を少なくすることができるので、膜厚が変動した場合でも異物、傷に基づく散乱反射光は安定し、検出精度は安定して変化しない。
【0028】
尚、3種以上の波長のレーザ光線を混合して同一照射点に照射する様にしてもよい。この場合、反射率の変動曲線は各レーザ光線の反射率を合成したものとなり、各レーザ光線の反射率変動曲線の位相が適宜量ずつずれる様な波長を選択し、照射光強度を調整すれば、反射率変動曲線のピークの平坦部分が更に大きくなり、膜厚の変動に対して更に安定する。
【0029】
3種以上の波長のレーザ光線を混合する照射光学系の一例を図5に示す。
【0030】
図5は第2の実施の形態を示し、該第2の実施の形態では、多数の発光源1a…1nを用いた場合を示している。該発光源1a…1nからはそれぞれ異なった波長のレーザ光線2a…2nが発せられている。
【0031】
前記各発光源1a…1nを直線的に配設し、該各発光源1a…1nに対してそれぞれコリメートレンズ3a…3nを設け、該コリメートレンズ3a…3nを介してレーザ光線2a…2nが1つの結像レンズ4に入射される様にしたものであり、前記コリメートレンズ3a…3nの光軸を前記結像レンズ4の光軸と平行にしたものである。
【0032】
本実施の形態では、波長の異なる全てのレーザ光線2a…2nが照射点18の一点に集光され、各レーザ光線2a…2nの反射率が合成され、扁平な台形形状をした反射率変動曲線が得られる。
【0033】
上記実施の形態では、波長が異なることで膜厚に対して反射率が変動することを説明したが、図2で示す様に、レーザ光線2の基板5に入射する角度θが大きくなると前記レーザ光線2の偏光状態が反射率に影響することが分っている。
【0034】
図6に於いて、第3の実施の形態について説明する。
【0035】
図6は第3の実施の形態の照射光学系7の概略を示し、図中、図2中で示したものと同等のものには同符号を付し、説明の詳細は省略する。
【0036】
発光源1a,1bは個別に発光状態を制御可能となっており、該発光源1a,1bからのレーザ光線2a,2bはそれぞれ個別にコリメートレンズ3a,3bにより平行光束とされ、1つの結像レンズ4により基板5の表面に集光照射される様になっている。又、前記コリメートレンズ3a,3bと結像レンズ4の光軸はそれぞれ平行となっており、前記発光源1a及び発光源1bから発せられるレーザ光線2a,2bは前記結像レンズ4により同一照射点18に集光される様になっている。
【0037】
前記レーザ光線2a,2bのそれぞれの光軸に対して偏光部材19a、偏光部材19bが挿脱可能に設けられている。尚、前記発光源1a,1bから発せられるレーザ光線2a,2bの波長は、同一又は異なっていてもよいが、以下は同一として説明する。又、前記基板5に対するレーザ光線2の入射角θは前記レーザ光線2の偏光状態が反射率に反映される角度とする。
【0038】
尚、偏光部材としては偏光板、1/2λ板、1/4λ板、偏光解消板(偏光をランダム偏光とする)等が挙げられる。
【0039】
図6に於いて、例えば前記レーザ光線2aの光軸に対してのみ前記偏光部材19aを挿入すると、前記レーザ光線2aとレーザ光線2bとの偏光状態が変る。この為、図3の様に該レーザ光線2aとレーザ光線2bとで膜厚の変動に対する反射率変動曲線に差が生じるが、該レーザ光線2a,2bの合成反射率変動曲線は図4で示す様に膜厚が0.6μm〜0.7μmの間に於いて、ピーク値が平らとなる。
【0040】
而して、第3の実施の形態に於いても、膜厚が変動した場合でも、異物、傷に基づく散乱反射光は安定し、検出精度は安定して変化しない。
【0041】
尚、偏光板、1/2λ板、1/4λ板、偏光解消板を選択することで、レーザ光線の偏光状態が変更でき、反射率変動曲線も変化する。従って、前記レーザ光線2aの光軸、レーザ光線2bの光軸に挿入する偏光部材19a,19bを適宜選択することで、前記レーザ光線2a,2bの反射率変動曲線を調整することが可能となる。
【0042】
更に、該レーザ光線2a,2bの波長を変えることで該レーザ光線2a,2bの反射率変動曲線が変化することは言う迄もなく、反射率変動曲線を変化させる要因であるレーザ光線の波長、偏光状態を適宜選択することで反射率変動曲線の調整範囲が大きくなり、一層最適な反射率変動曲線を実現することができる。
【0043】
図7は第4の実施の形態を示し、該第4の実施の形態では発光源1a,1bが分離した位置に設けられた場合で、レーザ光線を混交する場合である。
【0044】
発光源1a及び該発光源1aに対応して設けられるコリメートレンズ3aは結像レンズ4の光軸に対して交差した位置、例えば直交する光軸上に設けられ、前記発光源1aから発せられたレーザ光線2aは反射鏡21aにより前記結像レンズ4の光軸と平行に反射され、前記結像レンズ4に導かれる。
【0045】
発光源1b、コリメートレンズ3bも同様に配設され、前記発光源1bから発せられたレーザ光線2bは反射鏡21bにより反射され、前記結像レンズ4の光軸と平行に該結像レンズ4に入射される。
【0046】
該結像レンズ4により前記発光源1a,1bから発せられたレーザ光線2a,2bは照射点18に集光される。
【0047】
上記第4の実施の形態で、発光源1が3以上の場合は、前記結像レンズ4の光軸を中心とした放射線上に光源1、コリメートレンズ3を配設すればよい。
【0048】
該第4の実施の形態で、前記発光源1a,1bが発する波長を変え、或は該レーザ光線2a,2bの光軸上に偏光部材19a,19bを挿脱することで、上記した実施の形態と同様の反射率変動曲線ができ、最適な反射率変動曲線を実現することができる。
【0049】
図8は第5の実施の形態を示しており、該第5の実施の形態では第4の実施の形態と同様、発光源1a,1bが分離した位置に設けられた場合で、レーザ光線2a,2bを混合する場合である。
【0050】
光源部12は離反して設けられた2組の発光源1a,1bを有し、該発光源1a,1bは個別に発光状態を制御可能となっていると共に異なる波長λ1 、λ2 のレーザ光線2a,2bを発する様になっている。
【0051】
前記発光源1a,1bからのレーザ光線2a,2bはそれぞれ個別にコリメートレンズ3a,3bにより平行光束とされる。前記レーザ光線2aの光軸上に反射鏡22が配設され、該反射鏡22の反射光軸と前記コリメートレンズ3bの光軸との交点にハーフミラー23が配設されている。
【0052】
前記レーザ光線2aは前記反射鏡22及びハーフミラー23によって反射され、該ハーフミラー23を透過するレーザ光線2bに合致し、結像レンズ4の光軸上の基板5の照射点18に集光照射される。
【0053】
上記第5の実施の形態に於いても、前記発光源1a,1bが発する波長を変え、或は前記レーザ光線2a,2bの光軸上に偏光部材19a,19bを挿脱することで、上記した実施の形態と同様の反射率変動曲線ができ、最適な反射率変動曲線を実現することができる。
【0054】
尚、第5の実施の形態に於いて、前記反射鏡22、ハーフミラー23を省略し、前記発光源1aからのレーザ光線2aを偏向光学部材14′、結像レンズ4′により直接照射点18に集光照射させ、該照射点18でレーザ光線2a,2bの混合を行ってもよい。この場合、該レーザ光線2aとレーザ光線2bとは前記基板5に対して入射角が異なり、反射特性は入射角にも影響されるので、前記レーザ光線2a,2bの光路を切替えることで、異なった反射特性を得ることができる。
【0055】
図9は光路切替え手段の一例を示すものである。
【0056】
前記レーザ光線2aの光軸上に反射鏡24a、25aに、又前記レーザ光線2bの光軸上に反射鏡24b,25bを一体に挿脱可能とし、反射鏡24a、25a及び反射鏡24b,25bを挿入した状態では、レーザ光線2aは反射鏡24a,25bに反射されて変更前のレーザ光線2bの光軸に、又レーザ光線2bは反射鏡24b,25aに反射されて変更前のレーザ光線2aの光軸にそれぞれ光路が変更される。
【0057】
図10(A)(B)は光路切替え手段の他の一例を示すものである。
【0058】
該他の光路切替え手段では、発光源1a,1bを一体に回転可能とし、該発光源1a,1bを180°回転することで、光路の切替えを行うものである。
【0059】
図5で示した実施の形態では、複数の発光源1を直線上に配設したが、更に所要列配設し、複数の発光源1の配置をマトリックス状としてもよい。
【0060】
マトリックス状とした場合、特に図示しないが以下の如く照射点の光強度調整ができる。図5を参照して説明する。
【0061】
即ち、各列について、発光源1については波長を変え、更に適宜偏光部材19を挿脱し、第1列目について各レーザ光線の反射率が合成され、扁平な台形形状をした反射率変動曲線が得られる状態とする。次に第2列目以降第1列目と同様な反射率変動曲線が得られる状態としておく。各発光源に対応しても設けられたコリメートレンズ3の光軸を結像レンズ4の光軸と平行とする。
【0062】
この状態では、全てのレーザ光線2が照射点18に集光照射されることとなり、各列に関しては扁平な台形形状をした反射率変動曲線が得られ、更に光強度は各列の光強度が列数分だけ加算されることとなり、得られる散乱反射光量が増大する。
【0063】
検出精度は、照射光強度を増大させることで向上するので、複数の発光源1をマトリックス状に配設した場合、表面検査装置の検査精度の膜厚変動に対する安定性が向上すると共に検査精度の向上も得られる。
【0064】
更に、レーザ光線2が青色レーザダイオードの様に、単体では充分な光量が得られない場合に対しても有効である。
【0065】
尚、複数あるレーザ光線2の配列はマトリックス状に限らず、円状であっても、その他の配列であってもよい。要は扁平な反射率変動曲線が得られる様に、各発光源の波長、偏光状態、光強度を調整すればよい。
【0066】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、基板表面にレーザ光線を照射し、該レーザ光線の散乱反射光を検出して異物を検出する表面検査装置に於いて、光源部が複数の異なる波長のレーザ光線を発する発光源を有し、それぞれのレーザ光線を異なった光路により基板表面に照射する様にし、それぞれの光路を切替える光路切替え手段を前記レーザ光線の光路に挿脱可能に備え、前記光路切替え手段の挿脱により、相互の光路が入替って光路変更され、それぞれの発光源からのレーザ光線を基板表面に、基板表面での反射特性が異なる状態で照射する照射光学系を具備するので、異なった反射特性が得られ、散乱反射光が基板表面の膜種、膜厚に影響を受け難くなり、安定した高精度の検査が可能となる等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る表面検査装置の基本構成を示す骨子図である。
【図2】該表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図3】単一波長のレーザ光線を基板表面に照射した場合の膜厚の変化と反射率との関係を示す線図である。
【図4】偏光の異なる単一波長のレーザ光線を基板表面に照射した場合の膜厚の変化と反射率との関係を示す線図である。
【図5】第2の実施の形態の表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図6】第3の実施の形態の表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図7】第4の実施の形態の表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図8】第5の実施の形態の表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図9】第5の実施の形態に於ける光路切替え手段の一例を示す説明図である。
【図10】(A)(B)は第5の実施の形態に於ける光路切替え手段の他の一例を示す説明図である。
【図11】従来の表面検査装置の照射光学系を示す説明図である。
【図12】基板表面に形成された膜厚の変化と波長の異なるレーザ光線の反射率との関係を示す線図である。
【符号の説明】
1 発光源
2 レーザ光線
5 基板
6 走査駆動機構部
7 照射光学系
8 検出系
12 光源部
15 レンズ群
18 照射点
19 偏光部材
Claims (4)
- 基板表面にレーザ光線を照射し、該レーザ光線の散乱反射光を検出して異物を検出する表面検査装置に於いて、光源部が複数の異なる波長のレーザ光線を発する発光源を有し、それぞれのレーザ光線を異なった光路により基板表面に照射する様にし、それぞれの光路を切替える光路切替え手段を前記レーザ光線の光路に挿脱可能に備え、前記光路切替え手段の挿脱により、相互の光路が入替って光路変更され、それぞれの発光源からのレーザ光線を基板表面に、基板表面での反射特性が異なる状態で照射する照射光学系を具備することを特徴とする表面検査装置。
- 前記複数の発光源の少なくとも1つのレーザ光線の偏光状態を変更する偏光部材を設けた請求項1の表面検査装置。
- 前記照射光学系が1つの結像レンズを有すると共に各発光源に対応して設けられ該発光源からのレーザ光線を前記結像レンズに入射させる光学部材を有する請求項1の表面検査装置。
- 前記発光源がマトリックス状に配設された請求項1又は請求項2の表面検査装置。
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