JPH04142450A - 異物検査装置の照明光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は異物検査装置の照明光学系に関し、詳しくは
、被検体に照射するレーザスポットを照度の大きい線状
とする光学系に関するものである。

［従来の技術］ 半導体の素材のシリコンウェハなどに異物が付着すると
製品の品質が劣化するので表面検査が行われる。検査装
置には各種の方式があるが、レーザスポットを被検体に
照射して走査し、散乱光を受光して異物を検出する方式
か−・般的である。

第２図（ａ）、（ｂ）はレーザスポット走査の２方式を
示すもので、図（ａ）はＸ、Ｙ走査方式で、ウェハ１の
表面に対してレーザスポットＳｐがＸ、Ｙ方向に走査さ
れる。図（ｂ）は回転方式でウェハ１をθ方向に回転し
、中心Ｏより外方にスポットＳｐがスパイラル状に走査
される。以下、この発明はいずれの走査方式にも共通す
るので、Ｘ、Ｙ方式に対して説明する。異物検査におい
てはスポラ）Ｓｐの照度が大きいほど強い散乱光かえら
れて検出性能が向卜する。レーザ光源のパワーを一定と
し、スポットｓｐの断面を円形とするときは、その照度
は断面積、すなわちスポット径の自乗に反比例するので
スポット径を小さく絞り込むことが有効である。しかし
、スポット径を小さくすると走査に長時間を要して検査
効率が低くなる。これに対して、スポラ）Ｓｐの断面を
楕円形として走査する方法がある。

第３図（ａ）、（ｂ）は楕円形断面のレーザスポットに
よる走査方法を示すもので、図（ａ）においてスポラ）
Ｓｐの断面は短径ＷＸ１長径ｗｙの楕円形をなし、短径
Ｗｘの方向を走査方向（Ｘ）としてピッチｐの間隔で走
査される。この場合は、同一断面積とすると円形スポッ
ト径に比較して長径ＷＹを大きくできるので、同一・の
照度でピッチｐが拡大されて走査時間が短縮される。な
お、レーザ光源には通常、単一横モード波（以下単に単
一モードという）のレーザダイオード（以下単にＬＤと
略称する）が使用されており、そのスポットＳｐの断面
−Ｌの強度分布は、図（ｂ）のように事径方向に指数関
数的に変化するので検出感度にムラを生ずる。そこで強
度の平坦な部分に相当するピッチｐを設定して感度ムラ
を可及的に低減する方法が打われている。

第４図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、実用されている異物
検査装置の照明光学系の光学部品と光学系の構成図であ
る。図（ａ）の２は光源として使用される単一モードの
ＬＤを示し、その活性層２ａの射出口における断面、す
なわち近視野像２ｂは図示のように水平方向に長径を有
する楕円形であるが、適当に離れた位置における断面、
すなわち遠視野像２Ｃは垂直（Ｚ）方向が長径の楕円形
となる。なおこのＬＤ２では活性層２ａの幅が狭いスト
ライプ状とされているので、単一モードのレーザが、例
えば３０ｍＷ程度のパワーで安定に連続発振される。次
に、図（ｂ）は、平行な光束の断面形状を変換する光束
変換プリズム系３を示す。例えば直径ｄの円形光束が左
側のプリズム３ａに入力すルト、紙面に直角方向の直径
は変化しないが、紙面方向の直径がｄ′に拡大されて右
側のプリズム３ｂから出力され、円形断面が楕円形に拡
大変換されるもので、拡大比は通常、２〜４である。

第４図（ｃ）の照明光学系は、上記の中、−モードのＬ
Ｄ２と光束変換プリズム系３により楕円形断面のレーザ
スポットＳｐを形成するもので、ＬＤ２よりの楕円形の
レーザはコリメータ４により平行束とされ、その長径を
垂直方向として光束変換プリズム系３−１に入力し、つ
づく２個の光束変換プリズム系３−２．３−３とにより
、長径が例えば１５倍程度に拡大される。入力したレー
ザの長径と短径の比を例えば２とすると、出力される楕
円形の長短比はほぼ３０となる。拡大変換された楕円形
のレーザは集束レンズ５により長短比がそのままで集束
され、ついでハーフミラ−６により反射されて長径の方
向がＹ方向に変わり、対物レンズ７によりウェハ１の表
面にスポットＳｐが照射されＸ方向に走査される。この
場合、長径より狭いピッチｐとして感度ムラが低減され
る。表面に付着した異物による散乱光は対物レンズ７に
より集光され、ハーフミラ−６を透過して受光レンズ８
を経て検出器９に入力する。検出器８は１次元センサを
使用して検出範囲をピッチｐに対応させ、散乱光を受光
した検出セルの位置と受光量により異物の位置と大きさ
が判定されるものである。

［解決しようとする課題］ 上記の照明光学系においては、楕円形スポットＳｐの長
径の方向（Ｙ）の照度分布を測定すると、例えば第５図
（ａ）に示すように中心線Ｃに対して、前記した指数関
数的変化により左右が低下しているほかに、大小さまざ
まな凹凸と、ノイズによる微小振動が重畳している。左
右の低下に対しては前記したピッチｐの設定により対応
するが、大きい凹凸による感度ムラは従来では見逃され
ており、この点検出精度の信頼性が低い欠点があった。

ただし微小振動は検出精度に無関係ではないが、影響が
小さいのでここでは対象から除外しておく。

以上の照度分布に生ずる大小さまざまな凹凸の原因とし
て光束変換プリズム系３が考えられる。

一般に、レーザの光路中に垂直な反射面があると、その
反射レーザがもとの進行レーザと干渉して強度が変動す
る現象があり、この場合は光束変換プリズム系のプリズ
ム３ｂの出力面がレーザに対して垂直であり、しかもこ
れが３個あるために、いずれか、またはすべての垂直面
の組み合わせにより干渉現象が生ずるものと解される。

試みに第４図（Ｃ）の光学系において、３個の光束変換
プリズム系を１個減らして２個として実験を行ったとこ
ろ、第５図（ｂ）のように凹凸が消失することが確認さ
れた。これにより、光束変換プリズム系の垂直面が凹凸
の原因と結論された。ただし、凹凸の程度は垂直面の個
数に依存すると考えられるから、拡大比を勘案して必要
最小限の個数として凹凸をある程度解消することができ
る筈である。

一方、最近においては半導体ＩＣの集積度がますます高
密度化し、これに対応して異物検査装置の検出性能をさ
らに向トすることが要請されている。このためには、レ
ーザパワーを大きくすることが有効であり、これに対し
てパワーが前記した単一モードのＬＤの数倍量ト大きく
、１００ｍＷ程度が連続発振できるマルチモードのＬＤ
が開発されている。しかも、マルチモードの場合はｌ−
モードに比較して長径がより大きいので、必要な長径と
するための光束変換プリズムの個数を減らすことが可能
であり、これにより上記のレーザの干渉による凹凸の問
題がある程度解消され、いわば−石二鳥の効果がある。

この発明は以−Ｅに鑑みてなされたもので、パワーが大
きいマルチモードＬＤを使用して検出性能を向上すると
ともに、レーザの干渉による検出感度ムラが生じない照
明光学系を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明は、ウェハなどの被検体の表面に対してレーザ
スポットを照射して走査し、レーザスポットの散乱光を
受光して被検体の異物を検出する異物検査装置における
照明光学系であって、断面が疑似楕円形のレーザを射出
するマルチモードのＬＤを光源とする。光源より射出さ
れたレーザの光束をコリメータにより平行束とした後、
多くとも２個の光束変換プリズム系により疑似楕円形の
長径を拡大し、さらにその短径をシリンドリカルレンズ
により縮小する。このような拡大、縮小により長短比が
少なくとも数十の線状の断面のレーザとする。このレー
ザを集束レンズ系により線状のスポットに集束し、線状
の方向を走査方向に対して直角方向として被検体の表面
を走査するものである。

［作用］ 以上の構成による照明光学系においては、マルチモード
ＬＤより、パワーが単一モードの数倍大きいレーザが射
出される。その断面はマルチモードのために楕円形でな
く、単一モード波がモード数だけ水平方向に並んだ形状
と考えられ、ここでは便宜上これを疑似楕円形と呼ぶこ
ととする。従って疑似楕円形の長径は、単一モードに比
較してモード数倍またはそれに近い倍数大きいことが特
徴である。この光束はコリメータにより平行束とされた
後、光束変換プリズム系により長径が拡大され、またシ
リンドリカルレンズにより短径が縮小されて長短比が少
なくとも数十の線状断面のレーザに変換され、さらに集
束レンズ系により長短比がそのままで全体的に集束され
た線状のスポットが被検体に照射される。

以上のレーザパワーの増強と線状化によりスポットの照
度が増加して検出性能が向上する。また、光束変換プリ
ズム系は多くとも２個とすることにより干渉現象による
感度ムラが消失することが実験により確認されている。

さらにマルチモードレーザの長径が長いために、２個ま
たは２個以下の光束変化プリズムにより単一モードの場
合と同程度の長さの長径に拡大することができ、走査ピ
ッチの間隔は従来どおりで検査時間が同一となるもので
ある。

［実施例］ 第１図（ａ）〜（ｄ）は、この発明による異物検査装置
の照明光学系の実施例における、主な光学部品と全体構
成図、およびスポットの照度分布特性を示す。図（ａ）
の２′はこの発明による照明光学系の光源として使用す
るマルチモードＬＤを示し、活性層２ａ’の横幅が中−
・モードのＬＤ２より大きくされているために、数倍の
パワーが連続発振できるものである。この発明において
は１００ｍＷ程度のパワーのものを使用する。射出口に
おける近視野像２ｂ’は前記した疑似楕円形であり、図
においてはモード数が３の場合を示し、長径は単一・モ
ードの３倍またはこれに近い長さを打するので、これを
拡大する光束変換プリズム系の個数は単一・モードの場
合より少なくてよい。近視野像は適当な位置において垂
直（Ｚ）方向に長径を有する疑似楕円形の遠視野像２ｃ
′となる。

次に、第１図（ｂ）はシリンドリカルレンズｌＯを示し
、図では円形の光束が楕円形に変換されている。光束変
換プリズム系３では紙面に直角方向の短径はそのままで
あるので、シリンドリカルレンズｌＯにより短径を縮小
して、少なくとも数十以上の長短比の線状断面に光束と
する。

第１図（ｃ）の照明光学系の構成において、マルチモー
ドのＬＤ２’を光源とし、これより射出される疑似楕円
形断面のレーザはコリメータ４により平行束となり、２
個の光束変換プリズム系３−１゜３−２により長径が拡
大される。例えば、入力した疑似楕円形の長短径の比を
仮に５とし、各光束変換プリズム系の拡大比を２．５と
すると、出力される長短径比は約３０となり、第４図（
ｃ）の光学系の場合と同一である。このレーザはシリン
ドリカルレンズＩＯにより短径が縮小され、その縮小比
を１／２とすれば、長短比が約６０の線状断面にとなる
。これが集束レンズ５により集束され、ハーフミラ−６
と対物レンズ７を経て被検体ｌに照射して走査される。

レーザパワーは単一モードの３０ｍＷに対して約３倍の
１００ｍＷであるので、照度が増大して検出性能が格段
に向上する。

被検体に付着した異物があると、その散乱光が対物レン
ズ７により集光され、ハーフミラ−６を透過して受光レ
ンズ８を経て検出器９に入力し、検出セルにより異物の
位置と大きさが検出されることは、第４図（ｃ）の場合
と同様である。

第１図（ｄ）における図（イ）は、第４図（Ｃ）の従来
の光学系の比照度分布の実測データを、また図（ロ）は
第１図（ｃ）の光学系の比照度分布の実測データを示し
、ＤＹは検出器ｌＯの検出範囲である。

図（イ）ではピーク値が約１０で、図（ロ）のピーク値
はその約５倍の約５０である。このようにパワーの増加
倍数（３，３）以上の比照度となる理由は、両者のスポ
ットの面積比が同一でないためと考えられるが、いずれ
にしても比照度が増加して検出性能が向上することが認
められている。また、従来の大小さまざまな凹凸が消失
して感度ムラの問題が解決されており、曲線（０）の範
囲ＤＹを縮小したピッチｐを設定することにより、偏差
が非常に小さい−様な感度で異物が検出される。

［発明の効果］ 以上の説明により明らかなように、この発明による照明
光学系においては、マルチモードＬＤより射出される、
パワーが雫−モードの数倍大きい疑似楕円形断面のレー
ザは、光束変換プリズム系により長径が拡大され、また
シリンドリカルレンズにより短径が縮小されて長短比が
数ヒ以上の線状の断面に変換され、集束レンズ系により
線状のスポットに集束されて被検体に照射されるもので
、パワーの増強と線状化によりスポットの照度が増大し
て検出性能が格段に向上し、また光束変換プリズム系の
個数を多くとも２個とすることにより、レーザの干渉現
象に起因する感度ムラが消失し、さらに、疑似楕円形の
長径が単一モードの楕円形のそれより長いことに着目し
、多くとも２個の光束変化プリズムにより単一・モード
の場合と同程度の長さの長径に拡大して、検査時間を従
来と同一とすることができるなど、異物検査装置の検出
性能と検出データの信頼性の向上に寄与する効果には大
きいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）および（ｄ）は、この発
明による異物検査装置の照明光学系の実施例における、
光学部品と全体構成図、および比照度分布の実測データ
図、第２図（ａ）および（ｂ）は異物検査装置における
レーザスポットの走査方式の説明図、第３図（ａ）およ
び（ｂ）は、楕円形断面のレーザスポットによる走査方
法の説明図、第４図（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、従
来の照明光学系の光学部品と全体構成図、第５図（ａ）
および（ｂ）は第４図（ｃ）の照明光学系における凹凸
を有する照度分布特性と、凹凸が消失した照度分布特性
の実験曲線図である。 １・・・被検体（ウェハ）、 ２・・・単一横モードのレーザダイオード（ＬＤ）、２
′・・・マルチモードのレーザダイオード、２ａ、２ａ
　　・・・活性層、　　２ｂ、２ｂ　’・・・近視野像
、２ｃ、２ｃ　　・・・遠視野像、３・・・光束変換プ
リズム系、３ａ、３ｂ・・・プリズム、　　４・・・コ
リメータ、５・・・集束レンズ、　　　　６・・・ハー
フミラ−７・・・対物レンズ、　　　８・・・受光レン
ズ、８・・・検出ｉ、１０・・・シリンドリカルレンズ
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ウェハなどの被検体の表面に対してレーザスポッ
   トを照射して走査し、該レーザスポットの散乱光を受光
   して該被検体の異物を検出する異物検査装置において、
   断面が疑似楕円形のレーザを射出するマルチモードの半
   導体レーザダイオードを光源とし、該光源より射出され
   たレーザの光束をコリメータにより平行束とした後、多
   くとも２個の光束変換プリズム系により該疑似楕円形の
   長径を拡大し、かつ、該疑似楕円形の短径をシリンドリ
   カルレンズにより縮小し、該拡大、縮小により長短比が
   すくなくとも数十以上の線状の断面とされたレーザを、
   集束レンズ系により線状のレーザスポットに集束し、該
   線状の方向を上記走査方向に対して直角方向として上記
   被検体の表面を走査することを特徴とする、異物検査装
   置の照明光学系。