JPH044526B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ほぼ鏡面状であり、凹凸の非常に小
さい精度の高い表面の微小凹凸を精度高く検出出
来る表面微小観察装置に関する。

従来より、例えば半導体装置に使用するシリコ
ンウエハの鏡面状態を検査する装置は種々提案さ
れ、又、市販されている。それらの一つは、例え
ば、細く（数十ミクロン）絞つたレーザ光を鏡面
状態である被検査物の上に投射し、反射してくる
レーザー光の位置をイメージセンサーで受光し、
その位置ずれにより反斜面の角度を算出し、この
操作を次々に横に繰り返してゆくことで被検査物
の表面の状態を知る方法である。この方法では、
現在、緩やかな約0.5μｍまでの凹凸を検出するこ
とができるが、それ以下の凹凸の選出は難しく、
又、一直線上の凹凸の検出は容易であるが、面と
しての凹凸の検出や汚れの検出は難かしく、又、
価格も高く操作も非常に難しいといつた欠点を有
する。

他の方法としては、細いレーザー光を拡大し拡
大した平行光線として被検査物の上に照射し、そ
の反射光を前記の平行光線と重ねて受光面に投影
することによつて、干渉を生じせしめ、生じた縞
模様から表面の凹凸を知る方法である。この方法
によれば、面として全体の凹凸状態を一度に容易
に観察でき傷などの検出には有力であるが高低差
0.5μｍ程度の巾３〜10mmの緩かな凹凸や汚れの検
出欠非常に難しく、装置の調整や保守が非常に難
しく且つ高価である欠点を有する。

又、簡単な方法として提案されているのは、古
来より魔鏡として知られている現象を利用するも
のである。この方法では、第１図に示すように、
点光源１１よりの光束１２は、絞り１３を通過
し、鏡面１４上で反射し、受光面１５に投影され
る。この時、鏡面１４上が完全は平面であれば、
受光面１５には、投影像の明暗（照度）には変化
が生じない。しかし、鏡面１４上に凹部（凹）１
６があれば、この凹部１６が凹面鏡として作用
し、反射光は集光してゆく光束１７になり、受光
面１５に投影される。従つて、受光面１５上に
は、受光面１５右部に示す照度変化のように、両
脇Ｄが暗く、中央Ｂが非常に明るくなる照度変化
が生じる。鏡面１４上に凸部がある場合は、受光
面１５には、明暗が反転するが同様に照度変化が
生じる。この方法は簡単であるとともに、0.5μｍ
以下の緩かな凹凸や傷、反射係数の異なる汚れな
どを感度よく検出できるといつた特長を有してい
る。尚、同図で１８は凹凸のない鏡面からの反射
光束を示す。ところが、第１図からも判るよう
に、単に鏡面１４の反射光を投影しているため、
例えば反射光１７及び１８の分離が容易でなく、
解像度が非常に悪いとうい欠点がある。この欠点
を改善するためには、非常に絞つた点光源（例え
ば１mm径以下）を使い、しかも、点光源１１と鏡
面１４及び、鏡面１４と受光面１５の距離をでき
るだけ離す必要がある。例えば、各々６ｍに取れ
ば、0.1〜0.3μｍ程度の微小な凹凸を検出するこ
とができる。しかし、距離を取るために装置が大
きくなり、受光面１５上での照度が不足したり、
点光源１１、鏡面１４、受光面１５の空間でのゆ
らぎによつて解像度が低下するといつた欠点があ
る。又、現実的でない強力な光源を使用するか、
暗室中でも50〜100Wの光源を必要とするなど、
現象としては知られているが、実際には、あまり
使用されていない。

本発明は、上記欠点にかんがみなされたもので
第１図の魔鏡による方法を取り入れかつ、これに
大巾な改善を施し、被観察試料表面の微小な凹凸
を検出し、しかも、被観察試料表面の全面を一度
に観察可能にし、装置の光学調整が簡単で、調整
不用の簡便な表面微小観察装置を提供するもので
ある。

以下、本発明を図面にもとづいて説明する。本
発明の一実施例を第２図に示す。点光源２１より
の光束２２は、拡散光学系２３で拡散され、投光
兼集光光学系２４を通つて集束され、例えばシリ
コンウエハ表面等の鏡面２５に投光される。その
反射光を前記投光兼集光光学系２４に受光集束
し、さらに、集束光学系２６によつて、集束縮小
せしめて、受光面２７上に投影する。この装置で
は、点光源２１からの光束２２を拡散光学系２３
で拡散せしめるので、投光兼集光光学系２４との
距離を短くしても鏡面２５全面への投射が可能と
なる。すなわち光学系２３と２４間の距離を短縮
することが可能となる。又、集束光学系２６によ
り、反射光を集束縮小せしめることができるの
で、受光面２７と投光兼集光光学系２４との距離
を短くでき、又、光の往復部分が共通に使えるた
め、第１図のものに比べて大きさが約1/4になつ
た。又、拡散光学系２３と、集束光学系２６の
各々所有する焦点距離を比を一定にすることによ
り、拡散光学系２３と、集束光学系２６を同一平
面上２８に設置した。このため、光学系の軸合わ
せが簡単、確実であり、機械加工時に設定した平
行基準面を使用するため、長期にわたつて、狂い
が生じない特徴がある。さらに、像の明るさは、
投光兼集光光学系２４及び、集束光学系２６によ
つて、受光面２７の像の大きさを例えば鏡面２５
の1/6にすることによつて、第１図のものに比べ
て、約36倍になり、暗室でなくとも、通常の明る
さの部屋内でも観察できるようになつた。前記受
光面２７を、テレビカメラにおきかえても良く、
テレビカメラにした場合には0.1W程度の非常に
暗い点光源を使用しても明白に鏡面２５を観察で
きる。

本発明の別の実施例の装置を第３図に示す。第
３図において、３１は点光源、３２は光束、３３
は拡散光学系、３４は投光兼集光光学系、３５は
鏡面、３６は集束光学系、３７は受光面（テレビ
カメラ）、３８は同一平面である。第３図の拡散
光学系３３と集束光学系３６とは、第２図の拡散
光学系２３と集束光学系２６に対して設置方法に
違いがあり、鏡面３５と投光兼集光光学系３４に
対して、平行に設置されているため、厳密にいう
と、受光面３７（テレビカメラ）には変形した投
影像が現われるが、現実的には、ごく微小な変形
であつて、第２図と第３図の装置で観察したとこ
ろ、受光面３７（テレビカメラ）の投影像には変
形を確認できなかつた。本実施例に係る装置では
同一平面であり、しかも拡散光学系３３、投光兼
集光光学系３４、集束光学系３６の組立時に設定
した平行基準面を使用し、なお且つ、この平行基
準面に対しても光学系を平行に設置できるので、
平行度を微調整なしで、精度よく、しかも、長期
にわたつて、振動などの外的な影響に左右されな
い、狂いの生じない優れた機構となつている。

次に本発明の装置で実現された凹凸による明暗
の拡大機能を第４図の原理図によつて簡単に説明
する。簡単のため鏡面４１から完全な平行光線が
レンズ４２に反射されてくると考えれば、これら
の平行光線４３は当然、レンズの焦点４４に集ま
なお、当然第４図のレンズ４２は、第２図、第３
図では反射光の透過する光学系２４と２６、３４
と３６を合わせたものとなる。鏡面４１上に凹凸
があり、平行からずれた光４５が発生したとすれ
ば焦点４３を通らない。焦点からわずか離れた点
Ａに受光面４６を置いたとすれば、わずかにずれ
た光４５の受光面４６上の点は鏡面４１の投影像
の外側にまで拡大されてしまう。実際には、この
ような極端なことはせず、Ｂ点に受光面４６を置
くので上述のように極端に大きな拡大は行われな
いが、短かい焦点距離内で大きく像が拡大する。
尚、第４図では凸レンズ１枚で画いたが、第２
図、第３図の複数のレンズ系や凹レンズをさらに
組み合わせた場合でも同様なことが成り立ち、
又、平行光線でなくとも成り立つている。

次に、本発明の場合と従来の場合との比較実験
例を示す。

〔本発明による具体例〕

0.1Wの点光源を有する第３図に示すような装
置を用いて、３インチシリコン単結晶ウエハの表
面を観察したが、このウエハ表面は鏡面状であ
り、レーザ干渉装置でみると、表面の欠陥や、凹
凸は全く認められなかつた。しかるに、このウエ
ハを本発明に係る第２図の装置で観察すると、第
５図に示すように0.2〜0.3μｍに相当する微小な
凹凸５２が縞状に観察されており、又、スポツト
状の凹み５３（0.3〜0.5μｍの凹部径約２mm）が
白点として現われている。黒い直線５４は20mm長
の傷を示している。なお、ウエハ５１表面の下部
に見られる黒い「かたまり」５６は試料番号であ
る。写真撮影に際しては、受光面にテレビカメラ
を設け、テレビモニター上に写し出し、テレビモ
ニター上の像を写真機で撮影した。写真機のシヤ
ツタースピードは1/8、絞りは４である。

〔従来法を用いた例〕

前述した同一のウエハ５１を第１図に示すよう
な方法で観察した。すなわち、0.1Wの点光源で、
ウエハ５１を照射したが、受光面（スクリーン）
上には、完全な暗室内にも拘らず、像は認めるこ
とができなかつた。

以上の様に本発明の用いた装置では。従来検出
できなかつた0.2〜0.3μｍの凹凸が縞状、同心円
状に数mm毎にある様子を観察することができ、半
導体基板表面等の鏡面の状態観察、良否の判定等
にすぐれた効果を発揮することができる。

以上の様に、本発明は、従来の魔鏡を用いた方
法に比べ、約1/4の小さな装置であり、かつ、受
光面の像の大きさを鏡面の1/6にすることができ、
像の明るさは約36倍にすることができ、鏡面の表
面状態（巾３〜10mmの高低差0.2〜0.3μｍに至る
緩かな微小凹凸、傷、汚れなど）を感度よく、し
かも、従来法では出来なかつた明るい部屋で簡便
に観察し得る視感度を向上させた装置を得ること
ができる。又、拡散光学系と集束光学系を同一平
面上に設置することができるので、拡散光学系、
集束光学系、投光兼集光光学系の光学部を一つの
装置内にまとめ上げることができ、装置の簡素化
が可能になり、又、機械加工穂などで精密に決定
された平行平面上に強固に結合され狂うことがな
く、長期の安定性がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来より伝わる魔鏡の原理を示す図、
第２図及び第３図は本発明の実施例の観察装置を
示す概略図、第４図は本発明の装置による凹凸を
拡大する機能を説明する図、第５図は本発明の装
置で得られたウエハの表面状態図である。 ２１，３１……点光源、２２，３２……光束、
２３，３３……拡散光学系、２４，３４……投光
兼集光光学系、２５，３５……鏡面、２６，３６
……集束光学系、２７，３７……受光面（テレビ
カメラ）、２８，３８……拡散光学系と集束光学
系が有する同一平面、５１……シリコン単結晶ウ
エハ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光を発生する点光源と、前記点光源からの光
   束を拡大光束にする拡散光学系と、この拡大され
   た光束を集束し被観察試料表面に投射し且つ被観
   察試料表面よりの反射光を集光する投光兼集光光
   学系と、前期投光兼集光光学系で集光した光束を
   さらに集束し受光面に投射する集束光学系とを有
   し、前記反射光が通る光学系の焦点からずれた位
   置に前記受光面を設置し、前記試料表面全体の投
   影像を前記受光面に明暗像として形成するととも
   に、前記拡散光学系と前記集束光学系をほぼ同一
   平面上に設置してなることを特徴とする表面微小
   観察装置。 ２ 拡散光学系と、投光兼集光光学系と、集束光
   学系が、被観察試料表面に対し平行に設置してな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の表面微小観察装置。