JP4897334B2 - 表面検査方法及び表面検査装置 - Google Patents

表面検査方法及び表面検査装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体ウェーハ等基板表面に付いた微細な傷、異物を検出する為の表面検査方法及び表面検査装置に関するものである。
従来より、表面に付着した微細な異物、或は微細な傷を検出する場合、レーザ光線を検査表面に照射して、異物、傷からの散乱光を検出することで異物、傷の検出を行っていた。
図8は、表面検査装置の概略を示すものであり、被検査物としてシリコンウェーハ1を示している。
該シリコンウェーハ1は基板チャック2により水平姿勢に保持され、該基板チャック2はモータ3により所定回転速度で回転される。
前記シリコンウェーハ1の検査面4に対して、検査光照射系5及び散乱光受光系6が設けられ、前記検査光照射系5は前記検査面4に光源部からの検査光、例えばレーザ光線7を所要の入射角で照射し、該レーザ光線7が前記検査面4で反射された反射光7′は反射光検出器8によって検出される。該反射光検出器8で検出されたレーザ光線7の反射光7′の光強度は前記レーザ光線7の照射強度を一定にする為にフィードバックされる。
又、前記散乱光受光系6は前記検査光照射系5の光軸とは交差する光軸を有し、該光軸上に側方散乱光検出器9、前方散乱光検出器11が設けられ、前記側方散乱光検出器9と前記前方散乱光検出器11とは交差する方向、交差する角度が異なっている。前記側方散乱光検出器9、前記前方散乱光検出器11は、前記レーザ光線7が異物、傷に当って散乱した光を検出するものである。
前記検査面4の検査は前記レーザ光線7を前記検査面4に照射した状態で、前記モータ3により回転させ、更に所定ピッチ(所定速度)で前記シリコンウェーハ1の半径方向に前記検査面4を移動させる。前記レーザ光線7の照射点は、回転しつつ半径方向に移動して前記検査面4全面を走査する。前記レーザ光線7が異物、傷を通過すると、反射光が散乱し、前記側方散乱光検出器9、前記前方散乱光検出器11は散乱光12を受光する。
受光された前記散乱光12は、光電変換素子により電気信号に変換され、更に増幅器で増幅され異物信号として処理され、所要の記憶装置に検査結果として記憶される。
前記側方散乱光検出器9、前記前方散乱光検出器11の出力信号の一例が図9に示される。通常、出力信号には信号成分Sと直流成分Dとを含んでおり、前記検査面4が研磨されている等滑面であり、該検査面4自体の散乱反射が少ない場合は、直流成分Dは小さく、前記検査面4が粗面である場合、該検査面4自体の散乱反射が大きい場合は直流成分Dは多く現れる。
次に、図10は前記側方散乱光検出器9、前記前方散乱光検出器11が受光した場合の、検出光強度と信号出力レベルとの関係を示しており、通常、検出光強度と信号出力レベルとは図10中、曲線Aに見られる様に比例関係にあり、又検出光強度が所定値を超え、信号出力レベルが比例限度(測定限度)に達すると、出力信号は線形が崩れ、飽和状態となる。従って、比例関係を保っている範囲Iが検出器の測定範囲(ダイナミックレンジ)となる。
ところが、検査面4が粗面(ウェーハ裏面)、或は金属膜が生成されたウェーハ表面である場合は、表面自体での乱反射が多くなり、図9で示される直流成分Dが多くなり、検出光強度が測定範囲を超える場合が考えられ、実質的な測定ができなくなってしまう。
この為、測定範囲を拡大する方法として、対数増幅器を用いて対数増幅する方法がある。対数増幅器を用いて増幅した場合の信号出力レベルを図10中、曲線Bで示す。
対数増幅した場合、曲線Aと曲線Bの比較で分る様に、検出光強度が大きくなる程信号レベルの増加率が減少し、測定限度に達する迄検出光強度はIA だけ増大する。即ち、測定範囲はIA だけ拡大する。
ところが、対数増幅すると、検出光強度が低レベルの出力信号は強調される。例えば、光強度がPの場合、曲線Aに対して曲線BはΔSだけ信号出力レベルが大きく、従って、低レベルのノイズが大きく感知され、S/N比が減少する傾向を有する。又、検出信号帯域が高周波である場合は、対数増幅器が高いS/N比、高応答性を要求され、高価なものとなる。
尚、表面検査装置として特許文献1に示されるものがあり、対数増幅を行いダイナミックレンジを広げるものとして特許文献2、非特許文献1に示されるものがある。
特開2004−271519号公報
特表2005−526239号公報
藤田晢也監修,河田聡編集、「新しい光学顕微鏡(第一巻)レーザ顕微鏡の理論と実際」、学際企画株式会社、平成7年3月28日、p.116
本発明は斯かる実情に鑑み、簡単な構成で広いダイナミックレンジを有し、検査面自体の散乱光が多い場合でも、高いS/N比で表面検査が可能な表面検査方法及び表面検査装置を提供するものである。
本発明は、検査面にレーザ光線を照射、走査して前記検査面の異物等を検出する表面検査方法に於いて、前記レーザ光線の照射部位を所要数の検出領域に分け、各検出領域間で検出光強度が変化する様に受光器で受光し、検査部位について検出光強度の異なる所要数の出力信号を取得し、所要数の出力信号の内、飽和していない最大値を示す出力信号を表面検査信号として選択する表面検査方法に係り、又照射部位で光強度が変化する光強度分布となる様に前記レーザ光線を照射し、検出光強度が異なる様に所要数の検出領域を設定した表面検査方法に係り、又検出領域間で検出光強度が異なる様に光学フィルタで光量調整する表面検査方法に係るものである。
又本発明は、検査面にレーザ光線を照射する検査光照射系と、散乱光を検出する散乱光受光系と、該散乱光受光系の散乱光検出出力に基づき異物を検出する為の演算処理を行う演算装置とを具備し、前記散乱光受光系は前記レーザ光線の照射部位を所要数の検出領域に区分し、各検出領域間で受光する散乱光光強度が異なる様に検出光を検出し、前記演算装置は同一部位について得られる複数の散乱光検出出力の内、飽和していない最大値の散乱光検出出力を表面検査信号として選択し、該表面検査信号に基づき異物等を検査する様構成した表面検査装置に係り、又前記検査光照射系は、照射部位で光強度が変化する光強度分布となる様に前記レーザ光線を照射し、検査領域は検出光強度が異なる様に設定された表面検査装置に係り、更に又前記散乱光受光系は、検査領域間で検出光強度が異なる様に、光学フィルタが設けられた表面検査装置に係るものである。
本発明によれば、検査面にレーザ光線を照射、走査して前記検査面の異物等を検出する表面検査方法に於いて、前記レーザ光線の照射部位を所要数の検出領域に分け、各検出領域間で検出光強度が変化する様に受光器で受光し、検査部位について検出光強度の異なる所要数の出力信号を取得し、所要数の出力信号の内、飽和していない最大値を示す出力信号を表面検査信号として選択するので、従来と機器構成を変更することなく、簡単な構成で、散乱光検出についてダイナミックレンジを拡大でき、而もS/N比の大きい散乱光検出を可能とする。
更に又本発明によれば、検査面にレーザ光線を照射する検査光照射系と、散乱光を検出する散乱光受光系と、該散乱光受光系の散乱光検出出力に基づき異物を検出する為の演算処理を行う演算装置とを具備し、前記散乱光受光系は前記レーザ光線の照射部位を所要数の検出領域に区分し、各検出領域間で受光する散乱光光強度が異なる様に検出光を検出し、前記演算装置は同一部位について得られる複数の散乱光検出出力の内、飽和していない最大値の散乱光検出出力を表面検査信号として選択し、該表面検査信号に基づき異物等を検査する様構成したので、従来と機器構成を変更することなく、簡単な構成で、散乱光検出についてダイナミックレンジを拡大でき、而もS/N比の大きい散乱光検出を可能とするという優れた効果を発揮する。
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
図1、図2に於いて本発明に係る表面検査方法の第1の実施の形態について説明する。
尚、本発明に係る表面検査方法が実施される表面検査装置の基本的構成は、図8と同様である。又、図8に於いて側方散乱光検出器9と前方散乱光検出器11による表面検査は同様にして行われるので、以下は図8を参照し、側方散乱光検出器9による表面検査が行われた場合を説明する。
検査光照射系5から発せられるレーザ光線7が検査面4を照射する光束断面は、図1に示される様に、長楕円形状とし、長径がビームの走査方向に対して直交、即ちシリコンウェーハ1の回転方向Rと直交する様になっている。前記側方散乱光検出器9の受光領域は、長径方向(ビームの送り方向Q)に所要数、図示でCH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 の4検出領域が設定され、各検出領域毎に独立して受光が可能となっている。又、各検出領域は隣接していると共に各検出領域間のピッチは、前記シリコンウェーハ1が1回転した場合にビームが半径方向に移動する距離(送りピッチp)と等しくなっている。
又、前記レーザ光線7が照射する点での照射光強度分布は、例えば、ビームの送り方向の先頭側にピークを有し、後方に向って漸次減少する分布を有している。
従って、前記レーザ光線7を照射した場合の同一反射条件では、前記各検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 に対応する検出光強度S1 ,S2 ,S3 ,S4 はS1 >S2 >S3 >S4 となっており、又検出光強度の比をS1 :S2 :S3 :S4 =α:β:γ:δとすると、各検出光強度S1 ,S2 ,S3 ,S4 と信号出力レベルとの関係は、図2に示される様になる。
尚、図中、縦軸Iは検出領域CH1 で検出するとした場合の検出光強度を示し、Lは検出光強度Iと出力信号レベルSの比例限度(測定限度)を示している。
表面検査は、図1で示される前記レーザ光線7を前記検査面4に照射し、前記シリコンウェーハ1を所定の定速で回転し、更に該シリコンウェーハ1を半径方向に所定の定速度で移動させる。該シリコンウェーハ1の移動速度は前述した様に、前記レーザ光線7が送りピッチpで半径方向に送られる様にする。
前記レーザ光線7を前記検査面4全面に亘って走査すると、前記検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 それぞれが前記検査面4全面を走査することになる。即ち、該検査面4は前記検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 によって4回走査されることとなる。
又、前記シリコンウェーハ1が定速で回転され、該シリコンウェーハ1が定速で移動されると、送りピッチpの移動時間はΔtと一定となり、更にΔt後は隣接する後方側の検出領域が先頭側の検出領域に置換わった状態となる。例えば、図1の状態を基準として、Δt後はCH2 がCH1 の位置に移動し、2Δt後はCH3 がCH1 の位置に移動し、3Δt後はCH4 がCH1 の位置に移動することになる。従って、CH1 での受光信号、Δt後のCH2 の受光信号、2Δt後のCH3 の受光信号、3Δt後のCH4 の受光信号は前記検査面4上の同じ部位についての受光信号となり、又出力信号の比はS1 :S2 :S3 :S4 =α:β:γ:δとなっている。
従って、同一部位について、4種の出力信号が得られ、それぞれS1 ,S2 ,S3 ,S4 が出力され、各出力信号はS1 =αI、S2 =βI、S3 =γI、S4 =δIで表される線上に位置され、出力信号S1 ,S2 ,S3 ,S4 の内1つが、表面検査信号として選択される。
選択される信号は、比例限度(測定限度)Lを超えていない、最も大きな値を示す出力信号が選択される。例えば、出力信号S1 ,S2 が比例限度を超え、出力信号S3 が比例限度内にある場合は、出力信号S3 が表面検査信号として選択される。
従って、得られる出力信号は鋸歯の曲線で表されることとなる。
又、S1 =αI、S2 =βI、S3 =γI、S4 =δIに対して、傷の大きさ、異物の大きさとの関係を予めデータとして取っておけば、選択された出力信号Sと、信号の出力値で直ちに傷、異物についてのデータが得られる。
而して、前記検査面4を前記検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 で全面走査した結果につき、前記検出領域CH1 ,及びΔt後のCH2 ,2Δt後のCH3 ,3Δt後のCH4 それぞれの検出結果を組合わせて取得し、前記検査面4の全面の検査部位について、データの選択を行えば、0〜I4 の検出光強度の範囲でも表面検査を実施でき、粗面等直流成分の大きな検査面についての表面検査が実施できる。
而して、本発明では、測定範囲(ダイナミックレンジ)が検出光強度I1 〜I4 迄拡大する。又、表面検査装置としても従来と同様の構成で特殊な増幅器を用いる必要がない。又、測定範囲の拡大に伴い、低レベルのノイズ信号が誇張されることがなく、0〜I4 の検出光強度の範囲で高いS/N比が得られる。
図1、図3を参照して第2の実施の形態について説明する。
尚、レーザ光線7と検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 との関係、検出光強度の比をS1 :S2 :S3 :S4 =α:β:γ:δ、縦軸Iは検出領域CH1 で検出するとした場合の検出光強度、Lは検出光強度Iと出力信号レベルSの比例限度(測定限度)、検査条件等については、上記第1の実施の形態と同様である。
該第2の実施の形態では、検出光強度の増大に対応して信号出力レベルが増大する様にしたものである。
検出領域CH1 で受光した検出光の出力信号とS1 が比例限度(測定限度)Lを超えていた場合は、検出領域CH2 で受光した検出光の出力信号S2 が選択され、検出領域CH2 で受光した検出光の出力信号とS2 が、比例限度(測定限度)Lを超えていた場合は、検出領域CH3 で受光した検出光の出力信号S3 が選択され、検出領域CH3 で受光した検出光の出力信号S3 が、比例限度(測定限度)Lを超えていた場合は、検出領域CH4 で受光した検出光の出力信号S4 が選択される。
又、検出光強度の増大に対応して信号出力レベルが増大する様にする為、出力信号S2 にはS1 が比例限度(測定限度)Lに達した時のS2 との偏差ΔS1 が加算され、出力信号S2 ′とされる。
又出力信号S3 が選択される場合は、S2 が比例限度(測定限度)Lに達した時のS3 との偏差ΔS2 が更に加算され、出力信号S3 ′とされる。
同様にして、出力信号S4 が選択される場合は、S3 が比例限度(測定限度)Lに達した時のS4 との偏差ΔS3 が更に加算され、出力信号S4 ′とされる。
第2の実施の形態では、検出光強度の増大に対応して信号出力レベルが増大するので、信号出力レベルの大きさにより、傷の大きさ、異物の大きさを判別可能となる。
又、第2の実施の形態でも、見かけ上、測定範囲(ダイナミックレンジ)が検出光強度I1 〜I4 迄拡大する。又、表面検査装置としても従来と同様の構成で特殊な増幅器を用いる必要がない。又、低レベルでのノイズ信号が誇張されることもない。
次に、図4はレーザ光線7の照射光強度分布の変形例を示すものである。
該照射光強度分布では略中央にピークを有するガウシアン分布となっている場合である。本例に於いても、前記レーザ光線7の照射範囲中に検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 を設定し、各検出領域で受光した場合の検出光強度について検出光強度の比を予め求めておく。上記実施の形態と同様に検査を実施すれば、同一部位について4の検査信号が得られ、選択される信号は、比例限度(測定限度)Lを超えていない、最も大きな値を示す出力信号が選択される。
図5は、他の異なる照射光強度分布を有するレーザ光線7を示している。
図5に示す照射光強度分布では、ピークがなく台形状の分布となっている。この場合、検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 を設定しても、各検出領域間で受光強度差が生じないので、所要の受光強度差が生じる様に、各検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 に対応する光路中に光学的なフィルタを設ける。或は、電気的に出力差が生じる様に検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 からの信号の増幅率を異ならせる等する。
検出領域CH1 ,CH2 ,CH3 ,CH4 からの出力信号に所要の比で出力差を設けた場合、上記したと同様に検査が可能となる。
図6は本発明に係る表面検査装置の信号処理部15の概略構成図を示している。尚、表面検査装置の主たる構成は図8に示した構成と同様である。
図6中、16は側方散乱光検出器9に用いられている受光器16を示している。
該受光器16はエリアCCDの様な、受光素子の集合体であり、受光素子それぞれが個別に受光信号を発する様になっている。
前記受光器16の受光面がビーム送り方向に沿って所要等分され、各分体がそれぞれ検出領域CH1 〜CHn を形成し、各検出領域CH1 〜CHn は、それぞれ独立して検出光強度に対応した出力信号S1 〜Sn (図示せず)を出力する。
各出力信号S1 〜Sn は増幅器AM1 〜AMn 、A/D変換器AD1 〜ADn 、記憶器M1 〜Mn を介して演算装置17に入力される。又該演算装置17にはシリコンウェーハ1の回転位置(基板チャック2の回転位置)を検出する回転位置検出器18からの信号と、前記シリコンウェーハ1の半径方向の位置(基板チャック2送り方向の位置)を検出する送り位置検出器19からの信号、クロック信号発生器21からのクロック信号が入力される。
又前記演算装置17には半導体記憶装置、HDD等の記憶装置22、表示装置23が接続され、前記記憶装置22には前記出力信号S1 〜Sn を基に表面検査を実行するプログラム、検査結果をイメージ化して前記表示装置23に表示するプログラム等のプログラムが格納され、又出力信号と傷、異物との対比判断の為のデータ、或は検査結果等のデータが格納される。尚、前記記憶器M1 〜Mn は前記記憶装置22の一部が割当てられてもよい。
レーザ光線7を照射し、前記シリコンウェーハ1を回転しつつ、定速度で送掛けられ、前記レーザ光線7により検査面4全面が走査される。
前記受光器16は前記レーザ光線7の照射部位からの散乱光を受光する。受光は前記検出領域CH1 〜CHn に分割されて行われ、検出光強度に対応した出力信号S1 〜Sn を出力する。又、検出光強度は前記検出領域CH1 〜CHn 毎に異なる様に設定される。検出光強度を異ならせる手段としては、上記した様に照射光強度分布を変化させる。或は、光学的にフィルタ等を使用して減光する。或は照射光強度分布を変化させ、更に光学的にフィルタ等を用いて前記各検出領域CH1 〜CHn の出力信号が所要の比率になる様に設定する。
前記検出領域CH1 〜CHn は前記検査面4全面をそれぞれ走査し、前記記憶器M1 〜Mn には前記各検出領域CH1 〜CHn からのそれぞれの出力信号S1 〜Sn が、前記回転位置検出器18からの回転角度、前記送り位置検出器19からの送り位置に関連付けて記憶される。従って、例えば検出領域CH1 の全ての信号は、前記検査面4上の位置が特定される。
前記演算装置17は前記検査面4の任意の位置pについて、該位置pに対応する出力信号Spを出力信号S1 〜Sn から抽出すると、n個の信号群が得られる。n個の信号群から、検査信号として1つが選択される。選択される信号は、図2に於いて説明した様に、比例限度Lを超えていない最大の値を有する出力信号が選択される。尚、選択した出力信号は前記記憶器M1 〜Mn のどこに記憶されたものであったかで特定され、従って、例えば選択した信号が図2中、S2 =βIで表される1点であることが判断され、予め取得していたS2 =βIと傷の大きさ、異物の大きさとの関係のデータから、検出した出力信号に基づき傷、異物の判断がなされ、検査データとして前記記憶装置22に格納される。
前記検査面4の全ての点について、上記データの抽出、選択が実行されることで、前記検査面4全面に亘る検査データが取得できる。全ての検査データは前記記憶装置22に格納され、表示プログラムによって検査結果がイメージ化されて前記表示装置23に表示される。
尚、検査データの取得は、図2を参照すると、検出光強度が0〜In迄となり、見かけ上大幅に拡大されたダイナミックレンジでの表面検査となる。
又、出力信号S1 〜Sn の関連付けをする場合、送り速度は検出領域CHm ,CHm+1 間でΔtであるので、前記記憶器M1 〜Mn に記録される出力信号S1 〜Sn を時間と関連付け、検出領域CHm ,CHm+1 間でΔtずつ時間遅れのデータを抽出すれば、前記検査面4の任意の位置pについて、該位置pに対応するn個の出力信号Sp群が得られる。
出力信号群から1つの信号を選択することについては前述したと同様であるので説明を省略する。
尚、上記実施の形態では、検査領域の配置を走査方向に直交する方向に並ぶ様にしたが、走査方向と一致する方向に配置してもよい。又、複数の部位に光量の異なるレーザ光線を分離して照射し、各部位での散乱光を個別に検出する様にしてもよい。この場合も、各部位で検出して得られた出力信号が、各部位間で関連付けが行われ、同一部位で光強度の異なる複数の出力信号が取得できればよい。
本発明の第1の実施の形態に於けるレーザ光線の照射範囲と検出領域、照射光強度分布と検出領域との関係を示す説明図である。 第1の実施の形態に於ける各検出領域毎の検出光強度と出力信号レベルとの関係を示す図である。 第2の実施の形態に於ける各検出領域毎の検出光強度と出力信号レベルとの関係を示す図である。 異なる照射光強度分布に於けるレーザ光線の照射範囲と検出領域、照射光強度分布と検出領域との関係を示す説明図である。 更に異なる照射光強度分布に於けるレーザ光線の照射範囲と検出領域、照射光強度分布と検出領域との関係を示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る表面検査装置に於ける信号処理部についての概略ブロック図である。 本発明で使用される受光器の一例を示す図である。 表面検査装置の概略構成を示す説明図である。 従来の散乱光検出器からの出力信号の一例を示す図である。 従来の検出光強度と出力信号レベルとの関係を示す図である。
符号の説明
1 シリコンウェーハ
2 基板チャック
3 モータ
4 検査面
5 検査光照射系
7 レーザ光線
9 側方散乱光検出器
11 前方散乱光検出器
12 散乱光
15 信号処理部
16 受光器
17 演算装置
18 回転位置検出器
19 送り位置検出器
21 クロック信号発生器
22 記憶装置
23 表示装置

Claims (6)

  1. 検査面にレーザ光線を照射、走査して前記検査面の異物等を検出する表面検査方法に於いて、前記レーザ光線の照射部位を所要数の検出領域に分け、各検出領域間で検出光強度が変化する様に受光器で受光し、検査部位について検出光強度の異なる所要数の出力信号を取得し、所要数の出力信号の内、飽和していない最大値を示す出力信号を表面検査信号として選択することを特徴とする表面検査方法。
  2. 照射部位で光強度が変化する光強度分布となる様に前記レーザ光線を照射し、検出光強度が異なる様に所要数の検出領域を設定した請求項1の表面検査方法。
  3. 検出領域間で検出光強度が異なる様に光学フィルタで光量調整する請求項1の表面検査方法。
  4. 検査面にレーザ光線を照射する検査光照射系と、散乱光を検出する散乱光受光系と、該散乱光受光系の散乱光検出出力に基づき異物を検出する為の演算処理を行う演算装置とを具備し、前記散乱光受光系は前記レーザ光線の照射部位を所要数の検出領域に区分し、各検出領域間で受光する散乱光光強度が異なる様に検出光を検出し、前記演算装置は同一部位について得られる複数の散乱光検出出力の内、飽和していない最大値の散乱光検出出力を表面検査信号として選択し、該表面検査信号に基づき異物等を検査する様構成したことを特徴とする表面検査装置。
  5. 前記検査光照射系は、照射部位で光強度が変化する光強度分布となる様に前記レーザ光線を照射し、検査領域は検出光強度が異なる様に設定された請求項4の表面検査装置。
  6. 前記散乱光受光系は、検査領域間で検出光強度が異なる様に、光学フィルタが設けられた請求項4の表面検査装置。
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