JP4576425B2 - 歪みシリコンウエハの表面検査方法及び検査装置 - Google Patents

歪みシリコンウエハの表面検査方法及び検査装置 Download PDF

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Description

本発明は、歪みシリコンウエハの製造過程で生じた転位（ミスフィット転位）に起因する表面歪みを検査する歪みシリコンウエハの表面検査方法及び検査装置に関する。
近年、シリコン半導体デバイスの高速化のために歪みシリコンウエハが注目されている。この歪みシリコンウエハ１０は、例えば、図１１Ａに示すように、シリコン単結晶のシリコン基板層（以下、Ｓｉ基板層という）１１上に、単結晶シリコンの格子間隔より広い格子間隔となるシリコンゲルマニウム層（以下、ＳｉＧｅ層という）１２を結晶成長させ、更に、ＳｉＧｅ層１２上にシリコン層１３（以下、Ｓｉ層という）を結晶成長させた構造となっている。また、ＳｉＧｅ層１２は、ゲルマニウム（Ｇｅ）濃度をその厚み方向に次第に上昇させた組成傾斜ＳｉＧｅ領域１２ａと組成傾斜ＳｉＧｅ領域１２ａに続き、ゲルマニウム（Ｇｅ）濃度が略一定に維持された緩和ＳｉＧｅ領域１２ｂとから構成されている。
なお、歪みシリコンウエハ１０の構造は、前述したものに限られず、図１１Ｂ、図１１Ｃ、図１１Ｄのような構造のものもある。図１１Ｂに示す例は、Ｓｉ基板層１１上に均一組成のＳｉＧｅ層１２を結晶成長させ、その上にＳｉ層１３を結晶成長させた構造となる。図１１Ｃに示す例は、Ｓｉ基板層１１にシリコン酸化膜層１４を形成し、その上に緩和ＳｉＧｅ層１２ｂを結晶成長させ、その上にＳｉ層１３を結晶成長させた構造となるものであり、ＳＧＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）と呼ばれる。図１１Ｄに示す例は、Ｓｉ基板１１上にシリコン酸化膜層１４を形成し、その上にＳｉ層１３を結晶成長させた構造となるものであり、ＳＳＯＩ（Ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）と呼ばれる。
このような構造（図１１Ａ参照）の歪みシリコンウエハ１０では、格子間隔の広いＳｉＧｅ層１２（緩和ＳｉＧｅ領域１２ｂ）上にＳｉ層１３を結晶成長（エピタキシャル成長）させるので、Ｓｉ層１３内に歪みが生じている（以下、このＳｉ層を歪みＳｉ層という）。また、Ｓｉ基板層１１とその上のＳｉＧｅ層１２との格子不整合によりＳｉＧｅ層１２内にも歪みが生じている。これらが原因となり、具体的には、歪みＳｉ層１３内にその格子構造に従った方向に転位（ミスフィット転位）が連続的に発生する。
歪みシリコンウエハ１０の表層となる歪みＳｉ層１３における転位に起因した歪みの状況を知ることは、その製造プロセスの適否を判断するうえで有用である。この歪みＳｉ層１３における転位に起因した歪みの状況は、Ｘ線トポグラフィー（ＸＲＴ）を用いて観察することができる（例えば、非特許文献１参照）。このＸ線トポグラフィー（ＸＲＴ）は、Ｘ線の回折現象を利用して結晶欠陥や格子歪みの空間的分布や大きさを観察する手法であり、具体的には、特定の格子面からの回折線のみを取出して、その回折像中の例えば転位に起因する欠陥によって生じた微細なコントラストを試料結晶の各部分と１対１に対応付けながら観察するものである。
味岡恒夫／稲葉道彦 編集「ＵＬＳＩ製造のための分析ハンドブック」、Ｐ３９２〜Ｐ３９７、リアライズ社（１９９４）しかしながら、前記Ｘ線トポグラフィー（ＸＲＴ）を用いた検査は、Ｘ線を試料となる歪みシリコンウエハ１０に照射しなければならないので、基本的に破壊検査であり、検査後の歪みシリコンウエハ１０を利用することができない。また、Ｘ線を用いることから試験区域の管理が面倒である。
ところで、ＳｉＧｅ層１２（緩和ＳｉＧｅ領域１２ｂ）上にシリコン層を成長させる過程で転位が発生すると、その成長の完了により形成される歪みＳｉ層１３の表面に前記転位に起因した凹凸の歪みが生ずる。この表面の歪みは、歪みＳｉ層１３の格子構造に従った方向に延びる転位に起因していることから、格子状ラインパターン（以下、クロスハッチパターンという）として表れると考えられる。
そこで、暗室内で、歪みシリコンウエハ１０の表面に光を照射し、歪みシリコンウエハ１０の表面を目視検査すると、前記クロスハッチパターンで回折される光の一部を数本の輝線としてしか見ることができず、歪みシリコンウエハ１０を回転させても、同じような輝線が見えるだけで、クロスハッチパターン全体を観察することができない。即ち、目視検査では歪みシリコンウエハ１０の転位に起因した歪みの状況を全体的に把握することができない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、Ｘ線を用いることなく、歪みシリコンウエハの歪みシリコン層における転位に起因した歪みの状況を全体的に把握することができる歪みシリコンウエハの検査方法及び検査装置を提供するものである。
［課題を解決するための手段］
本発明に係る歪みシリコンウエハの表面検査方法及び検査装置は、回転する歪みシリコンウエハの表面に光源装置からの光が照射される環境のもとで、前記歪みシリコンウエハの表面に対して所定の位置関係にて設置された撮像装置が、前記歪みシリコンウエハ表面に現れる輝線を撮影し得る撮像条件にて、複数の回転角度位置のそれぞれにおいて前記歪みシリコンウエハ表面を撮影することと、前記撮像装置にて得られた複数の回転角度位置での歪みシリコンウエハの表面画像から、所定の回転角度位置での合成画像を生成することを有する構成となる。
このような構成により、撮像装置が回転する歪みシリコンウエハを複数の回転角度位置のそれぞれにて歪みシリコンウエハの表面を撮影すると、各回転角度位置に対応した歪みシリコンの表面画像には転位に起因して形成された凹凸歪みでの回折光による輝線が含まれ得ることになる。そして、各回転角度位置に対応した歪みシリコンウエハの表面画像から合成画像を生成すると、その合成画像には、各回転角度位置に応じた方向に延びる輝線が重ねて現れることとなる。このように、合成画像には複数の回転角度位置のそれぞれに応じた方向に延びる輝線が重ねて現れるので、前記合成画像は、格子状に配列された複数の輝線を含み得るようになる。
転位に起因して歪みシリコンウエハの表面に形成される凹凸歪みのより多くの部分からの回折光による輝線を捕捉することができるという観点からは、歪みシリコンウエハの表面を撮影する回転角度位置は、１回転内により多く設定されていることが好ましい。
また、本発明に係る歪みシリコンウエハの表面検査方法及び検査装置は、前記合成画像生成ことが、前記複数の回転位置それぞれでの歪みシリコンウエハの表面画像と所定の基準画像との差分を表す差分画像を生成することと、歪みシリコンウエハの各表面画像に対する差分画像を合成して前記合成画像を生成することを有する構成となる。
このような構成により、基準画像を適当に設定することにより、各差分画像において輝線をより強調させることができる。その結果、それら差分画像を合成して得られる合成画像においても格子状に配列された輝線がより鮮明に現れ得るようになる。
前記撮像条件は、用いられる撮像装置にて歪みシリコンウエハの表面に現れる輝線を撮影し得る条件であれば特に限定されず、例えば、撮像装置、光源の光軸及び歪みシリコンウエハの表面の光学的な位置関係や、歪みシリコンウエハ表面の照度及び撮像装置の露光時間を含むことができる。
また、本発明に係る歪みシリコンウエハの表面検査方法及び検査装置は、前記合成画像に表れる輝線の輝度を表す輝度情報を前記合成画像から抽出することを有する構成とすることができる。
このような構成により、歪みシリコンウエハ内で発生する転位に起因して形成された凹凸歪みの程度を前記合成画像に現れる輝線の輝度を表す輝度情報にて把握することができるようになる。
前記輝度情報は、前記合成画像に表れる輝線の輝度を表し得る情報であれば特に限定されず、合成画像に表れる輝線の平均的な輝度を表す情報であっても、その輝線の輝度分布を表す情報であってもよい。
図１Ａは、本発明の実施の一形態に係る歪みシリコンウエハの表面検査方法にて用いられる検査装置を側方から見た基本的な構成を示す側面図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す検査装置を上方から見た基本的な構成を示す平面図である。 図２は、光源ユニットの光の照射方向と歪みシリコンウエハとの位置関係（その１）を示す図である。 図３は、光源ユニットの光の照射方向と歪みシリコンウエハとの位置関係（その２）を示す図である。 図４は、図１に示す検査装置の制御系の構成を示すブロック図である。 図５は、図１に示す制御系における画像処理部での処理手順を示すフローチャートである。 図６は、差分画像及び合成差分画像の例（その１）を示す図である。 図７は、差分画像及び合成差分画像の例（その２）を示す図である。 図８は、差分画像及び合成差分画像の例（その３）を示す図である。 図９Ａは、Ｇｅ濃度を変えた場合の第１の例を示す合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンの図である。 図９Ｂは、Ｇｅ濃度を変えた場合の第２の例を示す合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンの図である。 図９Ｃは、Ｇｅ濃度を変えた場合の第３の例を示す合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンの図である。 図９Ｄは、Ｇｅ濃度を変えた場合の第４の例を示す合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンの図である。 図１０Ａは、Ｇｅ組成傾斜勾配を変えた場合の第１の例を示す合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンの図である。 図１０Ｂは、Ｇｅ組成傾斜勾配を変えた場合の第２の例を示す合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンの図である。 図１０Ｃは、Ｇｅ組成傾斜勾配を変えた場合の第３の例を示す合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンの図である。 図１１Ａは、歪みシリコンウエハの第１の層構造を示す図である。 図１１Ｂは、歪みシリコンウエハの第２の層構造を示す図である。 図１１Ｃは、歪みシリコンウエハの第３の層構造を示す図である。 図１１Ｄは、歪みシリコンウエハの第４の層構造を示す図である。
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を用いて説明する。
本発明の実施の一形態に係る歪みシリコンウエハの表面検査方法に用いられる検査装置は、図１Ａ，１Ｂに示すように構成される。なお、図１Ａは、側方から見た検査装置の基本的な構成を示しており、図１Ｂは、上方から見た検査装置の基本的な構成を示している。
図１Ａ，１Ｂにおいて、この検査装置は、ターンテーブル２０と、ターンテーブル２０の回転と複数の回転角度位置での停止とを繰り返し行い得るステッピングモータ２５とを有する。ターンテーブル２０上には検査対象となる歪みシリコンウエハ１０の周縁の所定位置を把持するウエハ把持爪部２１が設けられている。歪みシリコンウエハ１０は、歪みシリコン層を上方に向けてウエハ把持爪部２１にセットされる。
ターンテーブル２０の上方にＣＣＤカメラ（撮像装置）３０、黒色のシェード４０及び光源ユニット５０が配置されている。ＣＣＤカメラ３０は、シェード４０に形成された穴４０ａを介してターンテーブル２０上のウエハ把持爪部２１にセットされた歪みシリコンウエハ１０の表面を撮影できるように配置されている。
なお、ＣＣＤカメラ３０として、例えば、池上通信機社製のモノクロエリアＣＣＤカメラ（ＳＫＣ１４１）、１３０万画素、デジタル１０ビットまたは１２ビットタイプを用いることができる。このＣＣＤカメラ３０に装着されるレンズとして、例えば、ＴＡＭＲＯＮ社製の焦点距離１６ｍｍ、Ｆ／１．４のレンズを用いることができる。
また、光源ユニット５０は、ターンテーブル２０上の歪みシリコンウエハ１０の斜め上方から検査光を照射するように配置されている。このような検査装置は、ＣＣＤカメラ３０に対する暗視野環境が保持されるように設置されている。
光源ユニット５０は、光源５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂを備えている。なお、各光源５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂとして、例えば、モリテックス社製のＭＭＥ−Ｇ２５０（２５０Ｗ）、メタルハライド照明、強化ライトガイド・集光レンズ（ＭＬ−５０）付き、を用いることができる。２つの光源５１ａ、５２ａが横方向に並んで上段側に配置され、他の２つの光源５１ｂ、５２ｂが横方向に並んで下段側に配置されている。なお、図１Ａにおいては、横方向に並ぶ光源５１ａと５２ａが、また、横方向に並ぶ他の光源５１ｂと、５２ｂとがそれぞれ重ねて表されている。図１Ｂにおいては、上下方向に並ぶ光源５１ａと５１ｂとが、また、上下方向に並ぶ他の光源５２ａと５２ｂとが重ねて表されている。
前記４つの光源５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂは、それらの光軸が、それぞれ平行とならず、かつターンテーブル２０上にセットされた歪みシリコンウエハ１０の表面の回転中心で交わるように配置される。上段側に横方向に並んで配置される光源５１ａ、５２ａの具体的な位置関係は、図２に示すようになっている。即ち、歪みシリコンウエハ１０の表面に平行な面に対する光源５１ａの光軸０Ａ１ａの投影線と光源５２ａの光軸０Ａ２ａの投影線とのなす角度がαに設定される。この角度αは、例えば、５°に設定される。なお、下段側に横方向に並んで配置される光源５１ｂ、５２ｂの具体的な位置関係も光源５１ａ、５２ａのそれと同じである。
上下方向に並んで配置される光源５１ａ、５１ｂの具体的な位置関係は、図３に示すようになっている。即ち、光源５１ａの光軸０Ａ１ａと光源５１ｂの光軸０Ａ１ｂが歪みシリコンウエハ１０の表面に垂直な同一の平面に含まれ、かつ、光源５１ａから照射される検査光（光軸０Ａ１ａ）の前記半導体ウエハ１０表面に対する入射角γ１と光源５１ｂから照射される検査光（光軸０Ａ１ｂ）の前記半導体ウエハ１０表面に対する入射角γ２は異なる。なお、一般に光線の平面に対する入射角は、その光線と平面の法線のなす角で定義されるが、図３においては、光源５１ａの光軸０Ａ１ａと光源５１ｂの光軸０Ａ１ｂとが歪みシリコンウエハ１０表面に垂直な同一の平面内に含まれることから、それらの入射角は光軸と歪みシリコンウエハ１０表面とのなす角で表されている。
なお、上下方向に並んで配置される他の光源５２ａと光源５２ｂとの位置関係も、図３に示す光源５１ａと光源５１ｂとの位置関係と同様である。ただし、光源５２ａから照射される検査光の前記半導体ウエハ１０表面に対する入射角は光源５１ａから照射される検査光の入射角（γ１）とは異なり、光源５２ｂから照射される検査光の前記半導体ウエハ１０表面に対する入射角は光源５１ｂから照射される検査光の入射角（γ２）とは異なる。なお、光源５２ａから照射される検査光の前記入射角を光源５１ａから照射される検査光の前記入射角（γ１）と同じに設定し、光源５２ｂから照射される検査光の前記入射角を光源５１ｂから照射される検査光の前記入射角（γ２）と同じに設定することもできる。
前述したような構成の検査装置の処理系は、図４に示すように構成される。
図４において、この処理系は、検査処理装置５００、歪みシリコンウエハ１０をターンテーブル２０のウエハ把持爪部２１に搬入セットするための試料搬入ロボット機構（図示せず）及び歪みシリコンウエハ１０をターンテーブル２０のウエハ把持部２１から搬出する試料搬出ロボット機構（図示せず）の駆動制御を行うロボット制御装置６００、前記ターンテーブル２０の駆動制御を行うターンテーブル駆動制御装置７００及び統括制御装置８００を有している。統括制御装置８００は、検査処理装置５００、ロボット制御装置６００及びターンテーブル駆動制御装置７００に対するタイミング制御などの統括的な制御を行う。
検査処理装置５００は、画像処理部５０１、入力処理部５０２、メモリユニット５０３及びモニタユニット５０４を有している。入力処理部５０２は、ＣＣＤカメラ３０から、例えば、画素単位にシリアルに送られてくる撮影信号から画素単位のパラレルの画像データに変換するなどの処理を行う。
なお、入力処理部５０２は、ＣＣＤカメラ３０からの撮像信号を処理する画像キャプチャボードとして、例えば、ＣＯＲＥＣＯ社製のＰＣ−ＤＩＧまたはその相当品を有している。
画像処理部５０１は、入力処理部５０２から送られてくる画像データを後述するような手順に従って処理し、歪みシリコンウエハ１０の複数の表面画像から合成した合成画像を生成する。メモリユニット５０３は、画像処理部５０１の処理の過程で種々の画像データを格納する。モニタユニット５０４は、画像処理部５０１での処理により得られた前記合成画像等を表示する。
ターンテーブル駆動制御装置７００は、ステッピングモータ２５を駆動させる駆動回路７０２を有している。統括制御装置８００からのタイミング制御信号に基づいて駆動回路７０２がステッピングモータ２５を所定角度単位に回転させる。このステッピングモータ２５の回転に伴ってターンテーブル２０が回転する。
次に、検査処理について説明する。なお、この例では、図１１Ａに示すような構造となる歪みシリコンウエハ１０が用いられる。
歪みシリコンウエハ１０の表面に光源ユニット５０からの光が照射される環境のもとで、後述するような歪みシリコンウエハ１０の表面に現れる輝線を撮影し得る撮影条件でＣＣＤカメラ３０が歪みシリコンウエハ１０の表面を撮影する。
この際、制御系の統括制御装置８００（図４参照）からのタイミング制御信号に基づいてターンテーブル駆動制御装置７００のステッピングモータ２５が、所定角度単位に回転される。このステッピングモータ２５の駆動により、歪みシリコンウエハ１０は前記所定角度単位に回転される。この所定角度の間隔をおいた各回転角度位置において、ＣＣＤカメラ３０は、歪みシリコンウエハ１０表面の撮影を行う。そして、検査処理装置５００は、統括制御装置８００の制御のもとＣＣＤカメラ３０からの撮影信号を取り込む。
検査処理装置５００において、入力処理部５０２がＣＣＤカメラ３０からの撮影信号を画素単位の輝度レベルを表す画像データに変換して画像処理部５０１に供給する。画像処理部５０１は、入力処理部５０２からの画像データを歪みシリコンウエハ１０の表面の画像を表す１フレーム分の画像データにして原画像データとしてメモリユニット５０３に格納する。このような処理がターンテーブル２０の回転に同期してなされることにより、各角度位置においてＣＣＤカメラ３０にて撮影された歪みシリコンウエハ１０の表面の画像を表す原画像データがその撮影回数Ｎ回分だけメモリユニット５０３に蓄積される。
転位に起因したクロスハッチパターンとなる凹凸歪みが生じている歪みシリコンウエハ１０の表面に対して前記４つの光源５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂからの検査光が照射されると、４つの検査光それぞれの照射方向（光軸の方向）に対してある方向に偏った強度分布となる４つの光が進み出る。このように前記凹凸歪みからは前記４つの検査光の照射方向のそれぞれに依存した方向（強度分布のピークの方向）に光（回折光）が進み出るので、各凹凸歪みからの光（輝線）をＣＣＤカメラ３０にて捕捉できる確率が高くなる。そして、凹凸歪みから進み出た上記各光のうちのいずれかがＣＣＤカメラ３０に入射すると、ＣＣＤカメラ３０からの撮影信号に基づいて生成された原画像データにおけるその輝線に対応した画素の輝度レベルが他の画素の輝度レベルより高くなる。
前述したようにＮ枚の原画像（表面画像）に対応した原画像データがメモリユニット５０３に蓄積されると、画像処理部５０１は、図５に示す手順に従って処理を行う。
図５において、画像処理部５０１は、メモリユニット５０３に格納したｉ番目（初期値１）の原画像データＩｒｉを取得する（Ｓ１）。メモリユニット５０３には、基準画像データ（以下、この処理の説明において、各種画像データを単に画像と表現する）が格納されている。この基準画像は、表面に前記クロスハッチパターンの凹凸歪みのないウエハ（例えば、ベアウエハ）の表面画像を用いることができる。画像処理部５０１は、前記取得した原画像Ｉｒｉと基準画像との差分画像Ｉｓｉを作成する（Ｓ２）。具体的には、原画像Ｉｒｉの各画素における輝度レベルから基準画像の対応する画素の輝度レベルを減算する。その減算の結果得られた輝度レベルの各画素にて差分画像Ｉｓｉが構成される。従って、差分画像Ｉｓｉにおいて比較的高い輝度レベルの画素は、基準画像に無い凹凸歪みに起因した輝線に対応したものと予想される。このように作成された差分画像Ｉｓｉは、メモリユニット５０３に格納される。
画像処理部５０１は、上記のように得られた差分画像Ｉｓｉの各画素の輝度レベルに対して閾値処理を行うことにより、ノイズを除去して輝線に対応することが予想される輝度レベルの領域（画素の集合）を抽出する（Ｓ３）。その後、画像処理部５０１は、メモリユニット５０３に蓄積された全ての原画像（Ｎ枚の原画像）に対する処理が終了したことと判定するまで（Ｓ４）、次の原画像を指定（ｉ＝ｉ＋１）してその原画像に対して前述したのと同様の処理（差分画像Ｉｓｉの生成）を繰り返し実行する（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）。
メモリユニット５０３に蓄積された全ての原画像に対する前記処理が終了したとの判定がなされると（Ｓ４でＹＥＳ）、画像処理部５０１は、その時点でメモリユニット５０３に蓄積されているＮ枚の差分画像を合成して合成差分画像Ｉｃを生成する（Ｓ５）。具体的には、各差分画像に対応した原画像を得た際の回転角度位置に基づいて各差分画像の角度合わせを行う。即ち、各回転角度位置に対応して得られた差分画像を所定の回転角度位置での画像に変換する。そして、角度合わせのなされた各差分画像における同じ位置のＮ個の画素の輝度レベルから所定閾値以上の輝度レベルを抽出し、その抽出された輝度レベルのうちの最大レベルをその位置の画素に対する輝度レベルとして決定する。このような処理を行うことにより、必要な輝線を劣化させることなく、合成画像に取り込むことができるようになる。
上記のようにして合成差分画像が生成されると、画像処理部５０１は、前記合成差分画像Ｉｃをモニタユニット５０４に表示させる（Ｓ６）。
以下、前述したような検査装置での処理により実際に得られた合成画像差分Ｉｃについて説明する。
図１Ａ、１Ｂ、図２及び図３に示すように検査装置における光源ユニット５０、ＣＣＤカメラ３０及び歪みシリコンウエハ１０の表面の相対的な位置関係を歪みシリコンウエハ１０の表面に現れる輝線を撮影し得る撮影条件として最適に設定すると共に、歪みシリコンウエハ１０の表面照度を、例えば、５０００ルクス、ＣＣＤカメラ３０の露光時間を、例えば、３３ｍｓｅｃ．にそれぞれ前記撮影条件として設定した。
（実験例１）
回転角度位置を１０°の間隔でずらして歪みシリコンウエハ１０の表面を撮影した場合、図６に示すような３６個の原画像（表面画像）に対応した差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ３６を得た。各差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ３６は、下端にノッチがくるように角度合わせがなされた後の画像である。この例の場合、差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ４、Ｉｓ７〜Ｉｓ１３、Ｉｓ１７〜Ｉｓ２２、Ｉｓ２５〜Ｉｓ３１、Ｉｓ３４〜Ｉｓ３６に、その撮影された回転角度位置に応じた方向に延びる輝線が現れている。これらの差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ３６を重ね合わせるようにして合成して得られた合成差分画像Ｉｃ１は、図６の中央部に示すように、格子状に配列された多くの輝線を含んだものとなった。
（実験例２）
回転角度位置を１５°の間隔でずらして歪みシリコンウエハ１０の表面を撮影した場合、図７に示すような２４個の原画像（表面画像）に対応した差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ２４を得た。各差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ２４もまた、下端にノッチがくるように角度合わせがなされた後の画像である。この例の場合、差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ３、Ｉｓ５〜Ｉｓ９、Ｉｓ１１〜Ｉｓ１５、Ｉｓ１８〜Ｉｓ２１、Ｉｓ２３〜Ｉｓ２４に、その撮影された回転角度位置に応じた方向に延びる輝線が現れている。これらの差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ２４を重ね合わせるようにして合成して得られた合成差分画像Ｉｃ２は、図７の中央部に示すように、格子状に配列された複数の輝線を含んだものとなった。図７に示す合成差分画像Ｉｃ２は、現れる輝線の数が図６に示す合成差分画像Ｉｃ１に現れる輝線の数より少ない。
（実験例３）
回転角度位置を３６°の間隔でずらして歪みシリコンウエハ１０の表面を撮影した場合、図８に示すような１０個の原画像（表面画像）に対応した差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ１０を得た。各差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ１０もまた、実験例１及び実験例２の場合と同様に、下端にノッチがくるように角度合わせがなされた後の画像である。この例の場合、差分画像Ｉｓ１、Ｉｓ３、Ｉｓ４、Ｉｓ６、Ｉｓ８、Ｉｓ９に、その撮影された回転角度位置に応じた方向に延びる輝線が現れている。これらの差分画像Ｉｓ１〜Ｉｓ１０を重ね合わせるようにして合成して得られた合成差分画像Ｉｃ３は、図８の中央部に示すように、格子状に配列された複数の輝線を含んだものとなった。図８に示す合成差分画像Ｉｃ３では、輝線が、図６及び図７に示す各合成差分画像Ｉｃ１、Ｉｃ２に現れるように均一な格子状に配列されていない。
後述する図９Ｄに示す合成差分画像（図６に示す合成差分画像Ｉｃ１に相当）に現れる輝線の格子状パターンが、同じ歪みシリコンウエハ１０をＸ線トポグラフィーにて観察した際の歪みシリコン層１３（図１１参照）の歪みの高密度分布パターンと類似したものとなることを確認した。即ち、合成差分画像Ｉｃ１に現れる輝線の格子状パターンは、歪みシリコン層１３にて発生した転位に起因してその表面に形成される凹凸歪みのパターン（クロスハッチパターン）を顕在化させたものと考えられる。このことからすると、図６に示す合成差分画像Ｉｃ１に現れる輝線の格子状パターンから歪みシリコン層１３内で発生した転位に起因した歪みの状況を全体的に把握することができることになる。
なお、転位に起因して歪みシリコンウエハの表面に形成される凹凸歪みのより多くの部分からの回折光による輝線を捕捉することができるという観点からは、歪みシリコンウエハの表面を撮影する回転角度位置は、１回転内により多く設定されていることが好ましい。前述した実験例からは、撮影すべき回転角度位置は、１０°以下の間隔でずらすことが好ましい。ただし、合成すべき画像（差分画像）が多くなると、それを格納するメモリ容量が大きくなることから、実際には、図４に示す検査装置におけるメモリユニット５０３のメモリ容量で格納可能な情報量を考慮してなるべく多くの（最適な数の）回転角度位置にて撮影することになる。
また、ＣＣＤカメラ３０にて歪みシリコンウエハ１０における所定角度の間隔をおいた各回転角度にてその表面の撮像を行うにあたっては、歪みシリコンウエハ１０を所定角度毎に停止させた状態としてもよいが、歪みシリコンウエハ１０を連続的に回転させながら撮像してもよい。
次に、合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンの、歪みＳｉ層１３の下層となるＳｉＧｅ層１２（図１１参照）のＧｅ濃度に対する依存性について調べた。撮影条件は、前記実験例１〜実験例３の場合と同じである。なお、以下の実験例４乃至実験例７で得られた合成差分画像は、図６乃至図８に示される画像とそのコントラストが逆になっている（輝線が暗線となっている）。
（実験例４）
用いた歪みシリコンウエハ１０の構造は次の通りである。
径：８インチ
歪みＳｉ層１３：１２ｎｍ
ＳｉＧｅ層：Ｇｅ濃度１０％（Ｓｉ０．９Ｇｅ０．１）
この場合、合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンは、図９Ａに示すようになった。
（実験例５）
用いた歪みシリコンウエハ１０の構造は次の通りである。
径：８インチ
歪みＳｉ層１３：１２ｎｍ
ＳｉＧｅ層：Ｇｅ濃度１６％（Ｓｉ０．８４Ｇｅ０．１６）
この場合、合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンは、図９Ｂに示すようになった。
（実験例６）
用いた歪みシリコンウエハ１０の構造は次の通りである。
径：８インチ
歪みＳｉ層１３：０ｎｍ
ＳｉＧｅ層：Ｇｅ濃度２０％（Ｓｉ０．８Ｇｅ０．２）
この場合、合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンは、図９Ｃに示すようになった。
（実験例７）
用いた歪みシリコンウエハ１０の構造は次の通りである。
径：８インチ
歪みＳｉ層１３：１６ｎｍ
ＳｉＧｅ層：Ｇｅ濃度３０％（Ｓｉ０．７Ｇｅ０．３）
この場合、合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンは、図９Ｄに示すようになった。
実験例４〜実験例７から、歪みＳｉ層１３の下層となるＳｉＧｅ層１２のＧｅ濃度が大きいほど、合成差分画像Ｉｃに格子状パターンが明瞭に現れることが判る。これは、ＳｉＧｅ層１２のＧｅ濃度が大きいほど歪みＳｉ層１３での転位に起因した歪みの程度が大きくなることに起因したものと考えられる。このことから、合成差分画像Ｉｃに格子状パターンが明瞭に現れる場合、歪みＳｉ層１３内の歪みが大きく、それが、下層のＳｉＧｅ層１２におけるＧｅ濃度が高いことが一因しているものと考えることができる。
次に、合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンの、歪みＳｉ層１３の下層となるＳｉＧｅ層１２（図１１参照）のＧｅ組成傾斜勾配に対する依存性について調べた。撮影条件は、前記実験例１〜実験例３の場合と同じである。なお、以下の実験例８乃至実験例１０で得られた合成差分画像もまた、図９Ａ〜９Ｄに示すものと同様に、図６乃至図８に示される画像とそのコントラストが逆になっている（輝線が暗線となっている）。
（実験例８）
用いた歪みシリコンウエハ１０の構造は次の通りである。
径：８インチ
歪みＳｉ層１３：１２ｎｍ
ＳｉＧｅ層：Ｇｅ濃度１０％（Ｓｉ０．９Ｇｅ０．１）
Ｇｅ組成傾斜勾配・・２．５Ｇｅ％
この場合、合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンは、図１０Ａに示すようになった。輝線の格子状パターンは、ほとんど明瞭ではなかった。
（実験例９）
用いた歪みシリコンウエハ１０の構造は次の通りである。
径：８インチ
歪みＳｉ層１３：１２ｎｍ
ＳｉＧｅ層：Ｇｅ濃度１０％（Ｓｉ０．９Ｇｅ０．１）
Ｇｅ組成傾斜勾配・・５Ｇｅ％
この場合、合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンは、図１０Ｂに示すようになった。輝線の格子状パターンは、僅かに現れた。
（実験例１０）
用いた歪みシリコンウエハ１０の構造は次の通りである。
径：８インチ
歪みＳｉ層１３：１２ｎｍ
ＳｉＧｅ層：Ｇｅ濃度１０％（Ｓｉ０．９Ｇｅ０．１）
Ｇｅ組成傾斜勾配・・１０Ｇｅ％
この場合、合成差分画像に表れる輝線の格子状パターンは、図１０Ｃに示すようになった。輝線の格子状パターンは、実験例８、９に比べてその明瞭さが増した。
実験例８〜実験例１０から、歪みＳｉ層１３の下層となるＳｉＧｅ層１２のＧｅ組成傾斜勾配が大きいほど、合成差分画像Ｉｃに現れる格子状パターンの明瞭さが増すことが判る。これは、ＳｉＧｅ層１２のＧｅ組成傾斜勾配が大きいほど歪みＳｉ層１３での転位に起因した歪みの程度が大きくなることに起因したものと考えられる。このことから、合成差分画像Ｉｃに格子状パターンが明瞭に現れる場合、歪みＳｉ層１３内の歪みが大きく、それが、下層のＳｉＧｅ層１２におけるＧｅ組成傾斜勾配が大きいことが一因しているものと考えることができる。
なお、前述した各実験例では、ＣＣＤカメラ３０によって歪みシリコンウエハ１０の表面に現れる輝線を撮影し得る撮影条件としての歪みシリコンウエハ１０の表面照度が、５０００ルクス、ＣＣＤカメラ３０の露光時間が３３ｍｓｅｃ．であったが、前記表面照度は、４０００ルクス〜６０００ルクスの範囲であればよく、露光時間は、３３ｍｓｅｃ．〜６７ｍｓｅｃ．の範囲であればよいことを確認した。
図５に示す処理フローに戻って、前述したような合成差分画像Ｉｃがモニタユニット５０４に表示された後に、画像処理部５０１は、得られた合成差分画像Ｉｃに現れる輝線の格子状パターンから各種のクロスハッチ情報を作成する（Ｓ７）。例えば、格子状パターンの格子間隔、濃度、本数、傾き、輝線の輝度等をクロスハッチ情報とすることができる。クロスハッチ情報を例えば、テキストデータとしてモニタユニット５０４に表示したり、プリントアウトすることができる。
前述したように歪みシリコン層１３内で発生した転位に起因する歪みの状況を全体的に把握することのできる合成差分画像Ｉｃに現れる格子状パターンの状態（格子状パターンの定性的な情報であっても、前記クロスハッチ情報でもよい）を歪みシリコンウエハ１０の製造プロセス条件にフィードバックすることにより、より適正な歪みシリコンウエハ１０を製造することが可能となる。
例えば、図６乃至図８及び図９Ａ〜Ｄに示すような合成差分画像Ｉｃに現れる格子状の輝線を所定の閾値処理した後に、残った輝線の平均輝度や輝度分布を前記クロスハッチ情報に含める場合、その平均輝度や輝度分布に基づいて歪みシリコンウエハの製造プロセスにおけるＳｉＧｅ層１２の結晶成長に際して添加すべきＧｅの濃度を調整することができる（実験例４〜実験例７参照）。また、前記平均輝度や輝度分布に基づいて前記製造プロセスにおけるＳｉＧｅ層１２の結晶成長に際して添加すべきＧｅの組成傾斜勾配を調整することができる（実験例８〜実験例１０参照）。
本発明に係る歪みシリコンウエハの表面検査方法及び検査装置によれば、歪みシリコンウエハの複数の回転角度位置のそれぞれにて撮影された表面画像から生成される所定の回転角度位置での合成画像が格子状の輝線を含み得るようになるので、その合成画像が、転位に起因して歪みシリコンウエハの表面に形成された凹凸歪みのクロスハッチパターンを表し得るものとなる。従って、Ｘ線を用いることなく得られる前記合成画像の状態から逆に歪みシリコンウエハにおける歪みシリコン層の転位に起因した歪みの状況を全体的に把握することができるようになる。

Claims (8)

  1. 歪みシリコンウエハの表層に生じたクロスハッチパターンとなる凹凸歪みを検査する表面検査方法であって、
    前記歪みシリコンウエハの表面を照明する工程と、
    前記歪みシリコンウエハの表面が照明された環境のもとで回転される前記歪みシリコンウエハの表面に表れる前記凹凸に対応する輝線を複数の回転角度位置で撮像する工程と、
    各回転位置で得られた歪みシリコンウエハの表面画像から合成画像を生成する工程と、
    生成された前記合成画像に現れる輝線の格子パターンから前記歪みシリコンウエハの表面での歪みを検出するためのクロスハッチ情報を作成して出力する工程と
    を具備したことを特徴とする歪みシリコンウエハの表面検査方法。
  2. 前記合成画像の生成は、それぞれの回転角度位置で撮像によって得られた表面画像と所定の基準画像との輝度の差分を表す差分画像を生成する工程と、
    各回転角度位置の差分画像を合成して合成画像を生成する工程とによって行なわれることを特徴とする請求項１記載の歪みシリコンウエハの表面検査方法。
  3. 前記歪みシリコンウエハの表面を撮像する工程は、少なくとも前記歪みシリコンウエハの表面の照度及び撮像時の露光時間を撮像条件として含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載の歪みシリコンウエハの表面検査方法。
  4. 前記合成画像に表れる輝線の輝度を表す輝度情報を前記合成画像から抽出するステップを有することを特徴とする請求項１記載の歪みシリコンウエハの表面検査方法。
  5. 歪みシリコンウエハの表面に生じたクロスハッチパターンとなる凹凸歪みを検査する表面検査装置であって、
    前記歪みシリコンウエハの表面を照明する照明装置と、
    前記歪みシリコンウエハを周方向に回転させる駆動制御手段と、
    前記歪みシリコンウエハの表面が照明された環境のもとで、前記歪みシリコンウエハの表面に表れる前記凹凸に対応する輝線を複数の回転角度位置で撮像する撮像手段と、
    各回転位置で得られた前記歪みシリコンウエハの表面画像から合成画像を生成する画像処理手段と、
    前記画像処理手段によって得られた合成画像に現れる輝線の格子パターンから前記歪みシリコンウエハの表面での歪みを検出するためのクロスハッチ情報を作成して出力される出力手段と
    を具備したことを特徴とする歪みシリコンウエハの表面検査装置。
  6. 上記照明手段は、前記撮像手段に対して暗視野環境を維持して前記歪みシリコンウエハの表面を照明することを特徴とする請求項５記載の歪みシリコンウエハの表面検査装置。
  7. 前記照明手段は複数の光源を有し、これら光源は、各光軸が非平行であるとともに前記歪みシリコンウエハの回転中心で交わるように配置されていることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の歪みシリコンウエハの表面検査装置。
  8. 前記駆動制御手段は、前記歪みシリコンウエハが保持されるターンテーブルと、このターンテーブルを所定角度ずつ回転駆動するステッピングモータとによって構成されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の歪みシリコンウエハの表面検査装置。
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