JPH0521561A - 鏡面ウエハの異物検出方法及び装置並びにその分析方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は基板上の異物検査方法に関し、特に基
板からの散乱光ノイズを低減して微小な異物を検出する
ことにある。 【構成】照明光学系の入射角度を小さくし、検出分解能
の高い検出光学系および検出画素の小さい検出器により
検出領域を充分に小さくすることにより達成される。 【効果】照明光学系の入射角度を大きくすることによ
り、光が回折する際の位相差を小さくできるので、基板
からの散乱光を低減できる。また、これにより、鏡面ウ
エハ上に付着した微粒子（微小な異物）の検出が可能に
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鏡面ウエハを用いて、
半導体製造工程の量産立上げ時、または量産ラインにお
いて発生する微粒子（異物）を検出する鏡面ウエハの異
物検出方法及び装置、並びに検出された微粒子（異物）
を更に分析して半導体製造工程に対策を施す鏡面ウエハ
の異物分析方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、例えば、特開平０１−
１１７０２４号公報に記載された回路パターンが形成さ
れた半導体ウエハ上の異物を検出する技術が知られてい
る。

【０００３】一方、半導体素子は微細化が進み、約０．
０２−０．０８μｍ程度の微粒子（異物）が半導体ウエ
ハに付着することによって不良品が出来上がることにな
り、このため、微粒子の発生の原因を究明して半導体製
造工程にフィードバックさせて対策する必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、約０．３μｍピッチで、最大高さが０．７ｎｍ程度
の凹凸を有する鏡面ウエハ上に付着する約０．０２−
０．０８μｍ程度の微粒子を検出することについて考慮
されていなかった。また、鏡面ウエハ上に付着した微粒
子を検出するのに、ＳＥＭまたはＳＴＳを用いたので
は、非常に長時間を要し、汎用性の点で非常に劣るとい
う課題を有する。

【０００５】本発明の目的は、従来技術の課題を解決す
べく、鏡面ウエハの表面に付着した微少な粒子を光学的
に容易に検出することができるようにした鏡面ウエハの
異物検出方法及び装置を提供することにある。

【０００６】また本発明の目的は、鏡面ウエハの表面に
付着した微少な粒子を光学的に容易に検出し、容易に微
粒子の発生の原因を究明できるようにした鏡面ウエハの
異物分析方法及び装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０
ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長の
レーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する
斜め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ
表面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウ
エハ上に存在する上記表面の凹凸の最大高さよりも大き
い微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて
光電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出する
ことを特徴とする。特に本発明は、集光照明光学系とイ
メージインテンシファイヤーを用いた高感度検出光学系
を用いたものである。

【０００８】ところで、レーザ散乱光検出法による微粒
子検出では、表面凹凸からの散乱光ノイズおよび検出フ
ォトン数のゆらぎが問題になる。そこで、本発明ではこ
れを低減するために高出力（５０ｍＷ−５Ｗ）で、４０
０ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレーザ光（波長５００
ｎｍ、１００ｍＷのＡｒレーザ光）を照射し、結像光学
系とイメージインテンシファイヤによりフォトンを検出
する構成とし、検出画素サイズを鏡面ウエハ上換算で
０．０５μｍ−２μｍ（特に１μｍ以下）とする。ウエ
ハ仕様として、表面の凹凸のピッチがレーザ光の波長程
度で、最大高さが０．７ｎｍのときに微粒子との弁別で
考慮することが必要となり、それ以外は問題とならな
い。

【０００９】更に、本発明は、上記目的を達成するため
に、サンプリングウェハ上の異物を検出したのち異物の
元素種を走査形トンネル顕微鏡／分光装置（ＳＴＭ／Ｓ
ＴＳ）により分析し、さらにＳＴＭ／ＳＴＳによる分析
データをデータべースとして予め格納しておいて分析対
称のデータと比較することにより分析対象の異物元素種
を同定し、量産立上げ時等において異物の検出・分析・
評価等を行ない、材料、プロセス、装置、環境等の異物
の発生原因を究明しようとするものである。

【００１０】

【作用】ＬＳＩの製造では、最小パターン寸法の１／５
〜１／１０の微粒子（異物）が問題とされ、例えば６４
ＭＤＲＡＭでは、ウエハ上の０．０５μｍ程度以上の微
粒子（異物）を検出し、対策する必要がある。

【００１１】一方図１に示す半導体製造装置群１００の
雰囲気中の異物の濃度も０．０５μｍ付近まで増加する
というデータがある。半導体製造工程ではウェハ上に異
物が存在すると配線の絶縁不良や短絡などの不良原因に
なる。これら平面方向の欠陥に対し、さらに半導体素子
が微細化し、垂直方向の欠陥が問題になる。ウェハ中に
微小な異物、具体的にはキャパシタの絶縁膜やゲート酸
化膜などの膜の厚さ程度の異物が存在した場合、キャパ
シタの絶縁膜やゲート酸化膜などの破壊の原因になる。
このような新たな問題が指摘されており、微粒子検出の
ニーズはますます大きくなっている。（図１８参照）図
１９に示すように、ＬＳＩは露光、エッチ、洗浄、成膜
等の行程を繰り返して製造される。この如何なる工程で
も微粒子の混入は許されない。これらの微粒子（異物）
は搬送装置の稼動部から発生するものや、人体から発生
するものや、プロセスガスによる処理装置内で反応生成
されたものや薬品や材料等に混入されているものなどの
種々の原因により種々の状態で混入される。とくに、最
近になって重金属の微粒子（微少な異物）が問題視され
ている。ＬＳＩの量産立上げの主要作業のうちの１つ
に、これらの微粒子（異物）の発生原因を究明して対策
を施す作業があり、それには発生異物を検出して元素種
などを分析することが発生原因探求の大きな手がかりに
なる。つまり、これら製造工程の装置内の発塵、ガス、
水等のユーティリティの発塵ラインの雰囲気の発塵を液
中微粒子検出装置大気中微粒子検出装置ウエハ異物検出
装置を用いて検出管理している。検出した異物はＳＩＭ
Ｓ（Secondery Ion Mass Spectroscopy)、ＸＭＡ（Ｘ−
ｒａｙＭａｓｓ Ａｎａｌｉｚｅｒ）等の分析装置で分
析され、原因を究明しラインに対策を施す。このシステ
ムの中でウエハ上の異物検査はウエハ上に直接付着した
異物を検査でき、またウエハ上に異物をサンプリングし
たことになるため分析装置と結合しやすいという長所が
ありＬＳＩ製造で広く用いられている。

【００１２】図２０に示すように、この散乱光検出法
で、微少な異物を検出する場合、ノイズとなる散乱光を
除去して、微弱散乱光を検出する必要がある。具体的に
は、検出フォトン数のゆらぎの問題、空気分子による散
乱（レーリー散乱）の問題、また、ウエハ表面からの散
乱光の問題を解決する必要がある。今回、空気分子の散
乱光の問題はレーリー散乱の式より算出し結像光学系に
より検出体積を微細化することで対応できる。表面凹凸
からの散乱光については散乱現象をモデル化し散乱メカ
ニズムを定量的に示すことができる。また、ゆらぎの問
題に付いてはレーザ光強度とサンプリング時間と検出時
の検出率虚報の問題を定量的に示すことができる。

【００１３】図２１に示すように、ウエハを照明し、表
面の散乱光を検出する光学系では、照明光束と検出光束
の重なる部分に存在する空気分子も照明され、この空気
分子による散乱光が異物検出時のノイズになる。散乱光
強度は粒子系の６乗に比例するというレーリー散乱の式
を基に空気分子からの散乱光強度を算出した。従来技術
では、約１０の５乗立方μｍの空気分子が照明され、そ
の散乱光強度は０．０５μｍ粒子からの散乱光と同程度
になり、０．０５μｍ微粒子は検出できない。対物レン
ズによる結像光学系を用いることでこの体積を１０の２
乗立方μｍていどにでき微粒子検出上問題ないレベルに
することができる。

【００１４】図２２に、鏡面ウエハ表面にレーザ光を照
射した場合の検出像を示す。表面で光が散乱し輝いて見
える。微粒子を検出する上ではこの散乱光ノイズが問題
になる。鏡面ウエハ表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で
観察した図を示す。縦軸は１００倍に強調してある。こ
の表面の凹凸によって散乱が生じている。ところが図２
３に示すように、この表面の凹凸はピッチが１００〜１
０００ｎｍ程度で最大高さが０．１〜５ｎｍ程度という
非常に緩やかな凹凸のため、反射を用いたモデルでは対
物レンズに光が入らず表面からの散乱光が検出できる現
象を説明できない。

【００１５】そこで、回折現象を導入した。図２４に示
すように、位相差が微妙に異なる部分を有する透明物体
が有った場合、光は回折する。この回折光の総強度Ｉは
以下の式で算出される。

【００１６】 Ｉ＝｜exp(-i(ωt+δ))+exp(-i(ωt＋π))｜² ＝2(1-cos δ) ＝δ² （１） このウエハ表面での反射に適用するとこの凹凸による反
射光の位相差により光が回折しレンズに光が届くことが
説明できる。定量的にこの回折光を算出するために図２
５に示したフーリエ変換を基にしたシミュレータを用い
ることができる。ウエハ表面にピッチｐ最大高さｈの凹
凸が形成されているとし入射角θで波長λの光で照明す
る場合を考える。この場合に検出できる光強度は各面の
状態を示すデータを基にフーリエ変換（Ｆ）と逆フーリ
エ変換（Ｆ-1）を用いて次式で示される。

【００１７】 i(x,y)＝Ｆ-1［Ｆ［Ｆ-1［ｌ(u,v)］＊p(x,y)］＊a(u,v)］ Ｆ ［f(x,y)］＝ f(x,y)exp{-2πi(ux+vy)}dxdy Ｆ-1［g(u,v)］＝ g(u,v)exp{2πi(ux+vy)}dudv ・・・（２） 図２６に、凹凸ピッチと散乱光強度の関係を示す。凹凸
ピッチを変えた場合いずれの入射角の場合も波長λ程度
のピッチの凹凸から散乱する光の強度が最大になる。こ
れは、波長程度のピッチが強調されて検出される現象を
定性的に説明する。図２７に照明の入射角θと散乱光強
度の関係を示す。入射角を変えた場合、０．５μｍピッ
チのもので散乱光強度はcosθの２乗に比例する。他の
ピッチの場合も２・ｐ／λ乗に比例する。図２８に凹凸
の最大高さｈと散乱光強度の関係を示す。最大高さを変
えると散乱光強度はいずれの入射角の場合もｈの２乗に
比例する。図２９に、様々な波長について、凹凸ピッチ
ｐを変えてシミュレーションした結果を示す。他の波長
の場合も確かに波長程度のピッチの時散乱光強度が極大
になっている。

【００１８】このシミュレーション結果を検証するため
にいくつかのウエハに付いて入射角を変えながら散乱光
を測定し、ＡＦＭにより測定したピッチと最大高さをも
とにシミュレータで算出した散乱光強度と比較する。ウ
エハＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４種のウエハに付いて図３０に示
す。結果は概ねシミュレーション結果と合っている。ま
た、鏡面ウエハでは、散乱光の強度から逆に凹凸の状態
を定量的に測定することもできる。

【００１９】即ち、本発明においては、例えば、画素サ
イズ１μｍ角、光強度１００ｍＷ、光照射時間２０分と
いう条件で、８インチウエハ上の０．０５μｍ微粒子を
９５％の検出率で検出することができる。また、微粒子
の検出が可能なウエハの仕様を定量的に示すことができ
る。つまり、ある表面凹凸が合った場合、大きさが図に
示された値以上の微粒子だけが検出できる。ところで、
ウエハ上の微粒子検出では、ウエハの表面凹凸が検出性
能に大きく影響する。

【００２０】

【実施例】以下に本発明を半導体製造ラインで実際に使
用する場合の実施例を図１乃至図１５により説明する。

【００２１】図１は、本発明による半導体製造工程の量
産立上げ及び量産ラインの異物検査方法及びその装置の
一実施例を示す構成プロック図である。図１において、
この半導体製造工程の量産立上げ及び量産ラインの異物
検査装置は、露光装置１０１とエッチング装置１０２と
洗浄装置１０３とイオン打込装置１０４とスパッタ装置
１０５とＣＶＤ装置１０６等から成る半導体製造装置群
１００と、温度センサ２０１と発塵モニタ２０２と圧力
センサ２０３と真空内発塵モニタ３０４等から成るセン
シング部２００およびそのセンシング部コントロールシ
ステム２０５と、ガス供給部３０１と水供給部３０２か
らなるユーティリティ群３００と、水質サンプリングウ
ェハ４０１とガスサンプリングウェハ４０２と装置内サ
ンプリングウェハ４０３とデバイスウェハ４０４と雰囲
気サンプリングウェハ４０５から成るサンプリング部４
００と、ウェハ異物検出部５０１とパターン欠陥検出部
５０２から成る検出部５００と、走査形電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）と２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）６０２と
走査形トンネル顕微鏡／分光装置（ＳＴＭ／ＳＴＳ）６
０３と赤外分光分析装置６０４等から成る分析部６００
と、異物致命性判定システム７０１と微小異物原因究明
システム７０２と汚染源対策システム７０３とから成る
対応システム７００とより構成される。またこれらの構
成要素はライン対応のオンライン異物検査システム１０
０１と量産立上げライン対応のオフライン異物検査シス
テム１００２とに分けられ、これらをあわせて半導体製
造工程の量産立上げおよび量産ライン異物検査システム
１０００を成す。

【００２２】図２（ａ）〜（ｄ）は、図１のサンプリン
グ部４００の一実施例を示す構成斜視図である。図２
（ａ）〜（ｄ）において、図２（ａ）の水質サンプリン
グウェハ４０１は純粋配管４０６とサンプリング用蛇口
４０７とバッファ室４０８と排水手段から成るユニット
の中のバッファ室４０８内に載置され、第１図の水供給
部３０２の純粋中の異物がサンプリングされる。図２
（ｂ）のガスサンプリングウェハ４０２は同様にガス配
管４１０とサンプリング用バルブ４１１とバッファ室４
１２とロータリポンプ４１３と排気手段４１４から成る
ユニットの中のバッファ室４１２内に載置され、図１の
ガス供給部３０１のガス中の異物がサンプリングされ
る。図２（ｃ）の断面図の装置内サンプリングウェハ４
０３は処理装置４１５（図１のエッチング装置１０２
等）中のローダー室４０３と処理室４１７とアンローダ
ー室４１８を通過し、処理装置４１５内で発生した異物
がサンプリングされるが、このサンプリングでは処理室
４１７で実際に処理する場合と処理しない場合のいずれ
も考えられる。またデバイスウェハ４０４は処理装置４
１５（エッチング装置１０２等）で実際に処理されるウ
ェハである。図２（ｄ）の雰囲気サンプリングウェハ４
０５は処理環境４１９中のサンプリング台４２０上に載
置され、処理環境４１９の異物がサンプリングされる。

【００２３】図３は、図１の検出部５００の一実施例を
示す構成ブロック図である。図３において、この検出部
５００は真空チャンバ５１１とイオンポンプあるいはタ
ーボ分子ポンプ等の高真空ポンプ５１２とバルブ５１３
とロータリーポンプ等のあら引ポンプ５１４と窓５１
５，５１６，５１７とゲートバルブ５１８とゲートバル
ブ５２０と真空ポンプ５２１とハバルブ５２２とガス吹
付ノズル５２３から成る真空室系５１０と、半導体レー
ザ５３１，５３２と集光レンズ５４０，５４１とミラー
５３３，５３４と集光対物レンズ５３５，５３６と、検
出対物レンズ５３７と検出器５３８と冷却器５３９から
成る検出光学系５３０と、ＸＺＹステージ５６１から成
るステージ部５６０と、２値化回路５７１とステージコ
ントローラ５７２と信号処理部５７３と座標データ作成
部５７４から成る信号処理系５７０と、インターフェイ
ス室５７１とロードロック５８２とウェハ載置手段５８
３とウェハ搬送手段５８４とガス吹付ノズル５８５とバ
ルブ５８６と真空ポンプ５８７と台車５８８から成るイ
ンターフェイス部５８０とから構成される。

【００２４】図４は、図１の分析部６００の一実施例を
示す構成ブロック図である。図４において、この分析部
６００は真空チャンバ６１１とイオンポンプあるいはタ
ーボ分子ポンプ等の高真空ポンプ６１２とロータリポン
プ等のあら引ポンプ６１４とゲートバルブ６１８と予備
真空室６１９とゲートバルブ６２０と真空ポンプ６２１
とバルブ６２２とガス吹付ノズル６２３から成る真空室
部６１０と、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force M
icroscope）用チップ（ＡＦＭ用チップ）６３１と微弱
力反応レバー６３２とレバー固定部６３４とＳＴＭチッ
プ６３３とＳＴＭ ＸＹＺ微動ユニット６３５とＡＦＭ
バイアス電源６３８とＳＴＭバイアス電源６３７と電流
計測手段６３９，６４０と試料載置台６４１とＳＴＭユ
ニットアーム６３６と試料ＳＴＭ粗駆動ユニット６４２
から成るＳＴＭユニット６３０と、ＳＴＭ ＸＹＺ微動
ユニットコントローラ６７１と試料ＳＴＭ粗駆動ユニッ
トコントローラ６７２と分析データ作成部６７４と分析
データ格納部６７５と分析データ判断部６７６と情報管
理部６３７から成る信号処理部６７０と、図３の検出部
５００のものと同じもののインターフェイス部５８０と
から構成される。

【００２５】つぎに図１のオフライン異物検査システム
１００２の中核をなす図２と図３と図４のサンプリング
部４００と検出部５００と分析部６００の機能および動
作について説明する。

【００２６】図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリング部４０
０では、例えば図２（ａ）のユニットで第１図の水供給
部３０２の種々の製造工程で使用する純水の評価とし
て、使用する純水をサンプリングウェハ４０１に注水し
ながら純水中の異物をサンプリングウェハ４０１上に付
着させる。あるいは図２（ｂ）の真空処理室等を有する
処理装置４１５（例えばエッチング装置１０２）内にサ
ンプリングウェハ４０３を通過させて、処理装置４１５
内で発生する異物を付着させる。また図２（ｄ）の処理
環境４１９のクリーンルーム中の任意の箇所にサンプリ
ングウェハ４０５を放置して、ウェハ４０５上に雰囲気
中の異物を付着させる。ここで使用するサンプリングウ
ェハ４０１〜４０５の詳細について次に図５から図８に
より説明する。

【００２７】図５は、図１および図２（ａ）〜（ｄ）の
サンプリングウェハ４０１〜４０５の鏡面ウェハを示す
斜視図である。図５の鏡面ウェハはウェハ表面が鏡面に
研磨されたものであり、異物の検出および分析にあたっ
てウェハ表面の影響を最も受けにくいという利点を有す
る。

【００２８】図６（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図１およ
び図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリングウェハ４０１〜４
０５のそれぞれＳｉ3Ｎ4，Ｐoly-Ｓｉ，Ａｌ膜が形成さ
れたウェハを示す斜視図である。図６（ａ），（ｂ），
（ｃ）のウェハは例えば洗浄槽（洗浄装置１０３等）を
洗浄するにあたって洗浄対象ウェハと材質が等しいた
め、洗浄時の異物の付着状態が等しくなるのでより高い
精度の洗浄槽の評価ができる。またこれらのウェハをそ
れぞれの形成膜の次工程の成膜装置等に通過させて、こ
の成膜装置等での異物発生状況を評価することができ
る。

【００２９】図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、
図１および図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリングウェハ４
０１〜４０５のパターンが形成されたウェハを示す斜視
図で、図７（ａ），（ｂ）のウェハはそれぞれ図７
（ｃ），（ｄ）の部分拡大図に示したパターンを形成し
たもので、これらのウェハのパターン形状はいずれも実
デバイスのパターンをモデル化したものである。図７
（ａ）〜（ｄ）のウェハは異物の付着にパターン形状の
依存性があることを考慮したものであり、これらのウェ
ハにより実デバイス上での異物の付着状況を正確に再現
することができる。さらに異物検出にあたって、これら
のウェハのように規則正しく形成されたパターンの場合
にはウェハ空間フィルタ等により、パターンからの回折
光を高精度で遮光できるので高精度の異物検出ができ
る。具体的に図７（ａ），（ｃ）のウェハのパターンの
場合には、パターンの長手方向を図３の検出部５００の
ＸＹＺステージ５６１の図示するｙ方向に向けてウェハ
４０１を掲載すればパターンからの回折光は検出光学系
の検出対物レンズ５３７に入射しない。また図７
（ｂ），（ｄ）のウェハのパータンの場合には、パータ
ンの方向を図３の検出部５００のＸＹＺステージ５６１
の図示するｙ方向に対して４５°回転した方向に向けて
載置すればよく、この場合には図７（ｄ）のパターンの
交差点７０６からの散乱光があるため、図７（ｃ）のパ
ータンほど高精度の異物検出ができない反面、図７
（ｄ）は、図７（ｃ）のパターンより実デバイスをより
忠実にモデル化しているため洗浄槽等の評価をするさい
にはより高いサンプリンング精度を達成することができ
る。

【００３０】図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、
図１および図２（ａ）〜（ｄ）のサンプリングウェハ４
０１〜４０５の製作時のラッピング方向と検査時の走査
方向を示す斜視図である。通常にはウェハを製作するさ
いに最終的な仕上げとしてしウェハ表面を鏡面を磨き上
げるが、この時の研磨方向は図８（ａ）に矢印で示すよ
うにウェハの中心軸マワリの回転方向の場合と、図８
（ｂ）に矢印で示すようにウェハのｙ方向の場合と、こ
れらの図８（ａ），（ｂ）の合成の場合とが考えられ
る。したがって図８（ａ），（ｂ）のウェハの研磨方向
に平行な微小のきずがウェハ表面に多数形成されてお
り、図８（ａ），（ｂ）の研磨方向の合成のウェハにも
これらの合成により主に形成される方向のきずが存在す
るが、これらのきずはウェハの異物の微小な粒子を検出
するさいに障害となる。そこで図８（ｃ），（ｄ）に矢
印で示すようにそれぞれｒ，θ方向，ｘｙ方向に走査し
てウェハ表面の異物検査を実施することにより、検査時
の光の照射方向８０１と検出方向８０２に対してきずの
方向を一定に保つことができ、このきずの方向により主
に回折する光をカットすることができる。

【００３１】上記の図１及び図２（ａ）〜（ｄ）のサン
プリング部４００で異物を付着させたサンプリングウェ
ハ４０１〜４０５は検出部５００に送られる。このさい
真空処理装置等でウェハを大気中に出したくない場合に
は、図３のインターフェース部５８０を用いてサンプリ
ングウェハ４０１〜４０５を真空チャンバ５１１に搬入
することができる。さらに上記サンプリングウェハ４０
１〜４０５には検出部５００と分析部６００の間を結合
するさいの座標規準としてアライメントマークをつけて
おくことが、このアライメントマークは十字マークや＃
マーク等いずれであってもよく、また座標合せにはｘ，
ｙ，θが必要であるため最低限２個所以上に付ける必要
がある。

【００３２】図３の検出部５００では、ウェハ異物検出
部５０１で搬入されたサンプリングウェハ４０１をＸＹ
Ｚステージ５６１上に載置し、半導体レーザ５３１，５
３２からの光を照射光学系の集光対物レンズ５３５，５
３６でウェハ４０１上の測定点８０３上を照明する。測
定点８０３上の異物からの散乱光は検出光学系の検出対
物レンズ５３７により検出器５３８上に結像される。検
出器５３８で光電変換された信号は２値化回路５７１で
２値化されて信号処理部５７３に送られる。一方のＸＹ
Ｚステージ５６１は検査中にＺステージを駆動して検出
光学系の検出対物レンズ５３７の焦点位置に測定点８０
３が来るように制御され、同時にＸＹステージでＸＹ方
向に走査されてウェハ４０１の全面が検査される。ここ
で異物が存在した場合には信号処理部５７３はステージ
コントローラ５７２からＸＹステージの座標をとりこ
み、座標データ作成部５７４で座標データを作成して分
析部６００へ送る。

【００３３】図４の検出部６００では、ＳＴＭ／ＳＴＳ
６０３を用いた分析について次に説明する。ＳＴＭを用
いた分析（ＳＴＳ：Scanning Tonneling Spectroscop
y）は｛表面」Vol．26No．6（1988）PP．384-391「走査
型トンネル顕微鏡／分光法（ＳＴＭ／ＳＴＳ）触媒表面
研究への応用」等に詳細に論じられている。この文献の
中でＳＴＭ／ＳＴＳでは高い空間分解能で測定できる反
面、元素種の同定ができない欠点を有することが記載さ
れている。この文献によればＳＴＭで収集できる情報は
バイアス電圧Ｖとトンネル電流ｉと針先と試料との間隔
の変化分ΔＺのみであり、これらの情報からｄｉ／ｄｚ
を算出することにより試料表面の仕事関数φを算出する
ことができる。上記文献では元素種の同定ができない理
由は明確にされていないが、元素種の同定ができないの
は次の理由によると考えられている。すなわち仕事関数
φは元素種と元素の結合状態の関数であるため、１つの
仕事関数φをもつ元素種および元素の結合状態は数多く
考えられ、したがって仕事関数φを決定できても元素種
と元素の結合状態は決定できない。ところが本発明者ら
は半導体の製造ラインで混入される可能性のある元素に
は限りあることに着眼し、ＳＴＭ／ＳＴＳで求めた仕事
関数φをもとにして測定対象がどの元素なのか限りのあ
る元素の中から選び出すことは次のようにして可能であ
ることに着目した。

【００３４】図４の分析部６００の電流計６４０で検出
できるトンネル電流ｉＴは、例えば「応用物理」第５６
巻第９号PP．1126-1137「走査型トンネル顕微鏡」によ
れば次式で算出される。 ｉＴ＝ｋ・ＪＴ＝(ｅ2／ｈ)・ＶＴ・(１／２π)・(２π√（２ｍφ)／ｈ) ×(１／Ｚ)・ｅｘｐ(−２Ｚ・２π√（２ｍφ）／ｈ) ・・・(３) ここでＪＴｆトンネル電流密度、ｅは電子の重荷、ｈ
はプランク定数、ｍは電子の質量、φは仕事関数であ
る。この式（３）ではＶＴはバイアス電源６３８のバイ
アス電圧であり、トンネル電流ＣＴは測定できるので、
Ｚ及びφのみが未知数であるから、したがって針先と試
料との間隔がＺ及びＺ＋ΔＺでトンネル電流ＣＴを測定
すれば仕事関数φが算出できる。

【００３５】図９は、図４の分析部６００の子のょう４
０１の仕事関数のｘｙ分布図である。図４の分析部６０
０で試料４０１のトンネル電流ｉＴを測定して式（３）
より仕事関数φを算出し、図９に示すようにｘｙ平面上
に仕事関数φの分布をとると、試料４０１の材料の分布
が原子オーダーでわかる。

【００３６】図１０は、図４の分析部６００の試料４０
１の断面図である。図４の分析部６００の試料４０１の
仕事関数φの値は、図１０に示すような試料４０１の薄
膜８２１と異物８２２が作る系全３本の仕事関数になる
ため、図９に示す試料４０１の仕事関数φのｘｙ分布の
データベースは下地の材料によって異なるものであるか
ら、さまざまな下地の試料について測定しておく必要が
ある。また逆にさまざまな下地の場合にこれらのデータ
をとっておけば試料４０１の材料は類推できる。

【００３７】図１１は、図４の分析部６００の試料４０
１とＡＦＭチップ６３１の間の距離Ｚと原子間力ｆの関
係である。図４の分析部６００で電流ｉＡを一定に保ち
ながらＳＴＭちっぷ６３３のＺ方向を制御すると、ＡＦ
Ｍチップ６３１により試料４０１ちＡＦＭチップ６３１
の間の力はの分布が計測できて、図１１に示すような試
料４０１とＡＦＭチップ６３１の間の原子間力ｆと、試
料４０１とＡＦＭチップ６３１の間の間隔Ｚとの関係が
得られる。このｆ−Ｚ波形は例えばキッテル著「第４報
固体物理学入門上巻」丸善株式会社発行PP．114-122に
よればクーロン力と斥力エネルギーの総和であり、した
がって２つのパラメータを持ち、この２つのパラメータ
が図１１のｆ−Ｚ波形を決める。この２つのパラメータ
をα，βとすると、試料４０１とＡＦＭチップ６３１の
間の力ｆと試料４０１とＡＦＭチップ６３１の間の距離
Ｚとの間には次式の関係が成り立つ。

【００３８】 ｆ＝ｋ・ｅｘｐ（−Ｚ／α）−（β／Ｚ） （４） また式（４）より２個所の距離Ｚでの力ｆすなわちチッ
プ駆動ユニット６３５のＺ座標を測定すればパラメータ
α，βは算出できる。

【００３９】図１２は、図４の分析部６００の試料４０
１とＡＦＭチップ６３１の間の距離Ｚと原子力間力ｆの
関係式（３）のパラメータα，βおよび試料４０１の仕
事関数φの関係図である。上式（３）より２個所のＺ位
置でのＦ測定値からα，βを算出した結果および上式
（２）よりｉＴの測定値から算出した仕事関数φの値を
図１２に示すように３次元でプロットすると、試料４０
１の材料及び異物の種類によって３次元でのプロット位
置８１１あるいは位置８１２が決まる。すなわちこの
α，β，φのデータを既知の異物について測定しておく
と、測定対象のα，β，φの３次元でのプロット位置か
ら異物の種類が同定できる。

【００４０】図１３は、図４の分析部６００の試料４０
１のトンネル電流ｉと原子間力ｆの関係図で、図４のバ
イアス電圧Ｖを一定にして距離Ｚの変化分ΔＺを変えな
がらトンネル電流ｉＴと上式（３）の原子間力ｆを測定
したものであってデータベースとすることができる。現
在のＳＴＭ関連の研究レベルではトンネル電流ｉと原子
間力ｆの正確な相関および元素種との関係について十分
にわかっていないが、しかしこのトンネル電流ｉ−原子
間力ｆスペクトルを試料４０１の材料と異物に係わる多
くの物質について測定しておくことにより測定対象の同
定に使うことができる。また仕事関数φの空間分布も元
素同定の有力な手がかりとなる。

【００４１】図１の半導体製造工程の量産立上げ対応の
オフライン検査システム１００２のサンプリング部４０
０と検出部５００と分析部６００により、混入の可能性
のある異物の元素の測定を予め求めてデータベースとし
て蓄積しておくことによって、測定対象の測定結果と比
較することにより異物の元素種の分類が可能となる。こ
の概念は仕事関数の正確な意味付けやそのほか現象の発
生理由を無視したものであり、正確さには欠けるのが異
物の元素を同定して発生源を「推定」するという目的に
は十分に役立つ。

【００４２】また検査システムのサンプリング部４００
と検出部５００と分析部６００の各ユニットを座標管理
で結ぶことにより各ユニットを常時に稼動させることが
できるので、従来の特開昭６０−２１８８４５号公報に
開示された各ユニットを機構として連結して使用する技
術よりも各々ユニットの稼動率を上げることができる。
さらに各ユニット単体の性能も容易に向上することがで
きるが、これは従来の各ユニットを機構的に結合するこ
とによつて振動のバランスがくずれ系全体の振動が増加
したり、系全体の電磁界のバランスがくずれて電気的ノ
イズが増加したりするのを除去できるためである。

【００４３】図１の半導体製造工程の量産立上げ対応の
オフライン検査システム１００２の対応システム７００
では、上記サンプリング部４００と検出部５００と分析
部６００によって検出し分析された試料上の異物の情報
をもとに異物発生源が推定され、１つに発生源と思われ
る量産ラインの対象物に発塵をなくす対策が施され、こ
の対策は対策実施前後での異物の発生数を比較すること
により評価される。またもう１つには異物発生の発塵源
であることが判明した量産ライン対応のオンライン異物
検査システム１００１のプロセスと装置と材料あるいは
雰囲気を簡便に実時間の管理ができるセンシング部２０
０のモニタを設置することで、この作業がＬＳＩの量産
立上げ時に実施される。またこのセンシング部２００は
サンプリングウェハにも対応するが、通常は製品ウェハ
４０６をモニタする。量産時にはオンライン異物検査シ
ステム１００１に設置されたセンシング部２００のモニ
タにより設置及びプロセスその他が常時に監視され、異
常時には上記オフライン検査システム１００２により原
因究明される。

【００４４】図１の半導体製造工程の量産立上げ対応の
オンライン検査システム１００１のセンシング部２００
のセンサの実施例として真空内発塵モニタ２０４ににつ
いて次に説明する。真空内には塵埃を搬送する媒体がこ
ないためエアダストモニタは使用できないが、本発明の
実施例ではこの真空内では塵埃を搬送する媒体がないと
いうことを逆に利用している。すなわち真空内の塵埃を
搬送する媒体がない場合に、塵埃は重力によって落下す
るか、あるいは静電気力によって引かれるかブラウン運
動によりランダムに動くかであるが、真空中であるので
前２者の力が変則的にこの２つの力を利用して真空内の
塵埃の個数をカウントする技術を考案している。

【００４５】図１４は、図１のセンシング部２００の真
空内発塵モニタ２０４の一実施例を示す構成プロック図
である。図１４において、この真空内発塵モニタ２０４
は真空処理装置１０７内の異物発生源となりうる場所１
０８に設置されるものであり、ポート２２１と陰グリッ
ト電極２２３と陽グリット電極２２３と陽プレート２２
５と陰プレート電極２２４と印加電源２２９と電流計２
２６，２２７と電流カウンタ２２８とから成り、陰グリ
ッド電極２２２と陽プレート電極２２５間および陽グリ
ッド電極２２３と陰プレート電極２２４間にはそれぞれ
印加電源２２９により直流電圧が印加され、また電流計
２２６，２２７はそれぞれ電荷１個でも計測できる高感
度なもので構成される。

【００４６】上記構成で、異物８１１あるいは異物８１
２が発生して陽グリッド電極２２３あるいは陰グリッド
電極２２２に飛来した場合を例にして動作を説明する。
いま意物８１１が陽グリッド電極２２３を通過するさい
に、異物８１１に励起した電子が存在する場合には陽グ
リッド電極２２３は電子を受け、このとき異物８１１は
プラスに帯電して陰プレート電極２２４に達する。この
結果で印が電源２２９から陰プレート電極２２４と陽グ
リッド電極２２３間に電流が流れ、この電流を電流計２
２６により検出することができ、この電流が流れた回数
を電流カウンタ２２８でカウントすることにより飛来し
た異物８１１の数をカウントできる。また異物８１２が
陰グリッド電極２２２を通過するさいに、電子を放出し
やすい状態にある場合には異物８１２は陰グリッド電極
２２２から電子を受け、マイナスに帯電して陽プレート
電極２２５に達する。このとき電流が流れて電流計２２
７で検出され、この電流が流れた回数を電流カウンタ２
２８でカウントすることによっり飛来した異物８１２の
数をカウントできる。

【００４７】図１４の真空内発塵モニタ２０４では陰グ
リッド電極タイプと陽グリッド電極タイプの両方を有す
るものを示したが、用途によってはこのいずれか一方の
みを有するものでも十分に有用である。また異物８１
１，８１２は説明の都合上から電子を受けやすいものや
電子を放しやすいものを例にしているが、本実施例では
必ずしもこの限りではなく、強制的に電圧を印加してい
るためいずれの粒子であってもカウントすることができ
る。ただし上記説明の異物の方が飛来するさいに、それ
ぞれの電圧でじゃまされることがないため確実にカウン
トできると考えられる。

【００４８】図１５は、図１のセンシング部２００の真
空内発塵モニタ２０４の他の実施例を示す構成斜視図で
ある。図１５において、この真空内発塵モニタ２０４は
図１４の真空処理装置１０７内の代りに真空処理装置の
配管系に設置される。この真空内発塵埃モニタ２０４で
は配管１０７内に配置した陰グリッド電極２２２と陽グ
リッド電極２２５間に流れる電流を電流計２２７で検出
することにより、配管１０９内を流れるガスに乗って移
動する異物の数を電流カウンタでカウントできる。

【００４９】以下ウエハ異物検出部５０１の第２の具体
的実施例について図１６ないし図１７を用いて説明す
る。

【００５０】第２の実施例は、ＸＹステージ１５６１、
ステージコントローラ１５６２、ｚステージ１５６３、
自動焦点検出系１５６４、ｚステージコントローラ１５
６５より構成されるステージ部１５６０と、Ａｒレーザ
１５３１、ビームエキスパンダ１５３２、シリンドリカ
ルレンズ１５３３、偏光フィルター１５３４より構成さ
れる照明光学系１５３０と、対物レンズ１５４１、より
構成される検出光学系１５４０と、光電変換面１５６
１、マルチチャネルプレート１５６２、蛍光版１５６
３、印可電圧コントローラ１５６４より構成される光子
増倍部１５６０と、結像レンズ１５５１、リニアセンサ
ー１５５２より構成される検出部１５５０と、２値化回
路１５７１、マイクロコンピュータ１５７２より構成さ
れる信号処理部１５７０とにより構成される。

【００５１】ステージ部１５６０では、ウエハ４０１が
載置され、マイクロコンピュータ１５７２の指令通りに
ステージコントローラ１５６２を介してｘｙステージが
駆動される。同時に、自動焦点検出系１５６４により焦
点位置が検出され、Ｚステージコントローラ１５６５を
介してＺステージ１５６５がコントロールされる。ここ
で、自動焦点検出系１５６４は当該業者にとって明かな
ように縞パターンを検出するものでも、レーザ光の反射
位置の変化を検出するものであっても特に問題ない。

【００５２】照明光学系１５３０では、Ａｒレーザ１５
３１から射出した光がビームエキスパンダ１５３１によ
り広げられ、シリンドリカルレンズ１５３３及び偏光フ
ィルター１５３４を通してウエハ４０１上の検出位置８
０３を入射角度θで照明する。ここで、検出部１５５０
のリニアセンサの形状に合わせて直線上にするためにシ
リンドリカルレンズ１５３３を用いている。また、特許
出願に示したように入射角度θで照明する際にビームの
先端１５３５、ビームの手前側１５３６の焦点を補正す
ためにシリンドリカルレンズ１５３３は角度αだけ傾け
てある。

【００５３】Ａｒレーザ１５３１を用いているのは、Ａ
ｒレーザが簡便に短波長の高出力レーザを発振可能であ
るからである。したがって、あくまでもＡｒレーザであ
る必要はなく比較的短波長の他のレーザ例えば窒素レー
ザ、ヤグレーザの第２高調波、ヘリウムカドミウムレー
ザ等であってよい。

【００５４】また、照明光学系１５３０は、シリンドリ
カルレンズ１５３３を検出位置８０１の照明領域の形状
が円形になるように設定してもよい。この場合は、リニ
アセンサー１５５２にかえて２次元タイプの検出器を用
いる必要がある。ここで説明した様な照明領域の形状を
シリンドリカルレンズあるいはアナモルフィックプリズ
ム等で作成するのは明かである。

【００５５】検出光学系１５４０では、ウエハ４０１か
ら散乱する光を対物レンズ１５４１で集光し、光子増倍
部１５６０内の光電変換面１５６１上に結像する。

【００５６】光子増倍部１５６０では、光電変換面１５
６１で入射光子により電子が放出しその電子が、マルチ
チャネルプレート１５６２により増倍され蛍光面１５６
３に到達し、蛍光面から光が射出する。また、マルチチ
ャネルプレート１５６２に印荷する直流高電圧は印荷電
圧コントローラ１５６４によりコントロールされる。印
荷電圧を下げることにより、異物検出感度を落とすこと
ができる。ここで、光電変換材料として、３００ｎｍか
ら６５０ｎｍの帯域に感度のあるバイアルカリが適して
いる。このバイアルカリは、長波長側（赤色）の感度を
カットすることにより、熱雑音を大幅に低減したもので
ある。熱雑音は、概ね数個／秒・平方ｃｍである。これ
に対し、通常のイメージインテンシファイアで用いてい
る光電変換材料はマルチアルカリと呼ばれるもので、熱
雑音が１０００から２００００個／秒・平方ｃｍ程あ
り、検査時間中に熱雑音だけで数千から数万この虚報を
作ることになり、本発明の異物検査装置では使用できな
い。また、入射フォトン数に対する射出電子数の比（量
子効率）は、概ね１０から１５％である。したがって、
検出される電子数は入射フォトン数にこの量子効率を掛
け合わせた値になる。今後、検出フォトン数といえばこ
の射出電子数のことをいうこととする。

【００５７】検出部１５５０では、蛍光面１５６３より
射出した光を結像レンズ１５５１によりリニアセンサー
１５５２上に結像する。

【００５８】信号処理部１５７０では、リニアセンサー
１５５２からの信号を、２置化回路１５７１により２置
化し、検出された異物信号を、ステージコントローラ１
５６２からの信号と共に異物メモリー１５７３に格納す
る。このデータは、マイクロコンピューター１５７２に
より表示され確認できることはいうまでもない。

【００５９】つぎに、動作について説明する。

【００６０】ウエハ４０１がステージ部１５６０上に載
置され照明光学系１５３０により照明される。ウエハ表
面上の検出位置８０３に異物がある場合、個の異物から
の散乱光が、対物レンズ１５４１により検出される。異
物が微細なためその散乱光は非常に微弱でフォトン数１
０個のレベルである。

【００６１】検出するフォトンの数に応じて蛍光面に到
達する電子の数が変わり、蛍光面の明るさが変わり、リ
ニアセンサー１５５２により検出される信号の強度が変
わる。この結果、フォトンが多い場合は図１７信号８５
１のように大きな値を持ち信号として検出され、フォト
ンが小さい場合は信号８５２のように小さな値を持つ信
号として検出される。

【００６２】ここでは、フォトンの検出個数を蛍光面の
蛍光強度として検出する手法を用いているが、フォトン
個数を計数する手法によっても良いことはいうまでもな
い。

【００６３】検出した結果は、マイクロコンピュータ１
５７２のよって、異物座標、異物数等と同時にディスプ
レイ表示される。

【００６４】画素サイズの設定に当たっては、検査対象
ウエハの表面凹凸、検出すべき微粒子のサイズ、必要な
検出率、許容可能な虚報率等を考慮する必要がある。そ
のため、本実施例では、画素サイズ、ステージ走査速度
を可変にしておくとよい。

【００６５】以下画素サイズ、レーザ光の出力、検査時
間、検査性能の間の関係を説明する。これにより、必要
な装置の構成も決定できる。先ず、一例として、０．０
５μｍ微粒子からの散乱光を８インチウエハ当り２０分
程度１μｍ画素、１００ｍＷのＡｒレーザという検出条
件で、鏡面ウエハ上の微粒子の散乱光レベルと表面凹凸
の実験結果を比較して示す。図３１は、入射角を変えて
散乱光強度を示している。ウエハからの散乱光は１μｍ
角の画素からの散乱光を測定したものである。このよう
に画素を１μｍまで小さくするとウエハ凹凸と０．０５
μｍ微粒子は弁別比５で弁別することができる。

【００６６】ところがこの条件では、０．０５μｍの異
物からの散乱光は約４０フォトンになる。この４０フォ
トンの検出では、図３２に示す新たな問題が生じる。特
定の照明強度で特定のサンプリング時間Δｔに下地ノイ
ズが平均Ｎ個、異物信号が２Ｎ個、のフォトンを検出し
たとする。すなわち弁別比が２の場合を考える。この場
合フォトンはポアソン分布に従って確率的に検出され
る。例えば、平均１０個の場合１、２個から３０個程度
の分布を持つ。この結果、照明が十分強い場合はノイズ
と信号を十分弁別できるのに対し、照明が弱く検出でき
るフォトン数が小さい場合はこのゆらぎが大きくなり、
同じ弁別比２であっても信号とノイズを弁別できなくな
る。

【００６７】次に照明光量と検出率の関係に付いて定量
的に図３３に示す。横軸に８インチウエハ全面への照射
光量Ｐをとり、縦軸に微粒子からの照明フォトン数Ｎｐ
をとると、０．０６９μｍ、０．０５μｍの微粒子から
の散乱光は図の点線で示され、照射光量の増加と共に増
加する。一方、表面凹凸からの散乱光ノイズも光量の増
加と共に増加し図の横軸に対応づけられる。ここで、任
意のノイズフォトンＮｎに対して、特定のしきい値を設
定し検出率９９％で検出できる平均フォトン数Ｎｐを考
えプロットしたのが図の曲線である。同様にノイズフォ
トンＮｎに対して検出率５０％で検出できる平均フォト
ン数Ｎｐも示してある。この図から、例えば８インチウ
エハに１００ｍＷレーザを２０分照射した場合表面凹凸
１μｍ角から約１０個のフォトンが検出され０．０５μ
ｍからは５０フォトンが検出される。この場合の検出率
は約９５％であることが示される。光パワーを２倍にあ
げた場合検出率は９９％以上になることがわかる。

【００６８】ここで、画素サイズを大きくすると、高速
の検査が達成できる反面、ウエハ表面凹凸からの散乱光
ノイズが大きくなるため、微粒子からの信号との弁別比
が小さくなり、検出率が下がる。つまり、検査速度と検
出率をどの程度に設定するか決める必要がある。また、
画素サイズを、光学系のＮ．Ａ．（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
Ａｐｅｒｔｕｒｅ）及び波長から決定される分解能以
下にしても、弁別比は向上しない。従って、画素サイズ
は、光学系の分解能程度が実用上最小なものとなる。電
気的に達成可能な検査速度の範囲であれば、画素サイズ
は、結像光学系の分解能程度が最も望ましい。但し、サ
ンプリングウエハの表面が平凹の場合、散乱光ノイズが
小さいので画素サイズを、更に大きくできるのはいうま
でもない。

【００６９】以上の検討の結果、画素サイズ１μｍ角、
光強度１００ｍＷ、光照射時間２０分という条件で、８
インチウエハ上の０．０５μｍ微粒子を９５％の検出率
で検出できる。また、微粒子の検出が可能なウエハの仕
様を定量的に示すことができる。つまり、ある表面凹凸
が合った場合、大きさが図に示された値以上の微粒子だ
けが検出できることを意味する。ウエハ上の微粒子検出
ではウエハの表面凹凸が検出性能に大きく影響すること
を意味する。

【００７０】装置仕様の一例を図３４に示す。レーザ散
乱光検出法による微粒子検出では、表面凹凸からの散乱
光ノイズおよび検出フォトン数のゆらぎが問題になる。
本発明ではこれを低減するためにＡｒレーザを照射し、
結像光学系とイメージインテンシファイヤによりフォト
ンを検出する構成とし、検出画素を１μｍ以下とし、波
長５００ｎｍ、１００ｍＷのＡｒレーザを用いる。検出
できるウエハ仕様としては、波長程度のピッチで、最大
高さが０．７ｎｍ以下の必要がある。また、サンプリン
グウエハとして、最大高さの更に小さいものを用いれ
ば、表面凹凸からの散乱光ノイズを低減できるため、更
に高速、高検出率の装置が達成可能である。

【００７１】例えばウエハ表面の０．０５μｍの異物を
９５％の検出率、ウエハ全面で虚報の数を１００個程度
にする場合を考える。横軸に８インチウエハ全面への照
射光量Ｐをとり、縦軸に微粒子からの照明フォトン数Ｎ
ｐをとると、０．０６９μｍおよび０．０５μｍの微粒
子からの散乱光は図３３の点線で示され、照射光量の増
加と共に増加する。一方、表面凹凸からの散乱光ノイズ
も光量の増加と共に増加し図３３の横軸に対応づけられ
る。ここで、任意のノイズフォトンＮｎに対して、特定
のしきい値を設定し、検出率９９％で検出できる平均フ
ォトン数Ｎｐを考えプロットしたのが図の曲線である。
ここで、しきい値を越えるノイズフォトン数は虚報とし
て検出される。そこで、このしきい値は、検出率が十分
大きくなるような小さい値に設定されると同時に、虚報
が許容範囲以下になる様な十分大きい値に設定される必
要がある。具体的には、ウエハ全面での許容虚報数をＮ
ｋとし、ウエハ全面での画素数Ｎａとし、ポアソン分布
でしきい値を越える確率ｐのとき、Ｎｋ＜Ｎａ・ｐを満
たすようなしきい値を設定する必要がある。ここでは、
Ｎａ＝３．１Ｅ１０，Ｎｋ＝１００を満たすようなｐに
なるようしきい値を設定した。同様にノイズフォトンＮ
ｎに対して検出率５０％で検出できる平均フォトン数Ｎ
ｐも示してある。この図から、例えば８インチウエハに
１００ｍＷレーザを２０分照射した場合表面凹凸い１μ
ｍ角から約１０個のフォトンが検出され０．０５μｍか
らは５０フォトンが検出される。個の場合の検出率は約
９５％であることが示される。光パワーを２倍にあげた
場合検出率は９９％以上になることがわかる。

【００７２】以上の検討から、「虚報率を上げても良い
ときは、検出率を上げることができる。検出異物寸法を
大きく設定すると、検出率および虚報を小さくできる。
検査時間を大きく設定すると検出率および虚報を小さく
することができいる。」等の結果が生まれる。また、こ
れにより検出異物寸法、検査時間等の異物検査装置の仕
様やコンセプトを決定した後、画素サイズ、照明光強度
等の装置構成を定量的、理論的に決定できる。

【００７３】表面凹凸からの散乱光が１／４に低減され
た場合の、検出率の図を図３５に示す。ポリッシングに
より、ウエハ表面の凹凸を小さくした場合である。この
場合、図３３の例のように、１００ｍＷレーザで２０分
検査した場合の光量で０．０５μｍ微粒子を９９％以上
で検出できる。これに対し、表面凹凸からの散乱光が４
倍に上がってしまった場合の検出率を図３６に示す。こ
の場合、約２００倍の８００Ｊの光量を照射しても、
０．０５μｍ微粒子を５０％の検出率で検出するのが限
界である。即ち、ウエハ表面の凹凸を小さくし、散乱光
も低減するのは、大きな効果がある。

【００７４】また、本発明の別の利用方法について説明
する。本発明では、さきに説明したように、検出した散
乱光強度はウエハ表面の凹凸と関係がある。そこで、散
乱光強度を検出することで、ウエハの表面凹凸のピッチ
ｐ最大高さｈを知ることができる。これによりうえはの
凹凸欠陥、ウエハポリッシングの検査をすることができ
る。図２７によれば、照明の入射角度を変えながら表面
凹凸からの散乱光を測定した場合、散乱光強度は、（ｃ
ｏｓθ）＊＊（２・ｐ／λ）に比例する。従って、入射
角度を変えながら散乱光強度を測定し曲線の傾きの変化
率を算出すれば、表面凹凸のピッチｐを知ることができ
る。また、散乱光強度は、最大高さｈの２乗に比例す
る。従って、散乱光強度から最大高さｈを知ることがで
きる。

【００７５】以上の目的を達成する構成としては、図１
６の実施例の照明光学系に入射角度設定手段１５３５を
付加する必要がある。使用方法としては、測定位置８０
３に固定して、照明角度にたいする散乱光強度を測定す
る方法がある。この方法は、ピッチｐおよび最大高さｈ
を同時に測定できるが、測定時間が長いという短所を有
する。また、特定の測定位置１点のみ上記の測定方法を
用い、その他の点は入射角度を固定しステージを走査す
る方法がある。この方法では、１点の測定でピッチｐお
よび最大高さｈを同時に測定した後、ｐおよびｈの変化
を高速に測定でき、ウエハの表面凹凸の検査としては十
分なものと考えられる。

【００７６】以上、照明の入射角は大きいほど、表面凹
凸からの散乱光は小さくできる。

【００７７】照明の入射角度θは、図３１より、６０度
から７０度程度が弁別比が最大になり、異物検査を実施
する上で最適といえる。また、球形でない異物の場合こ
の限りでなく、入射角度は図３１より大きい法がよい。
また、照明光をｐ偏光（光の磁界ベクトルが入射面に対
して平行な光）としブリウスター角（反射率が０となる
角度）で照明することによって、表面凹凸からの散乱光
を最小にすることができる。

【００７８】「表面凹凸および微粒子によって反射光の
位相が変化する。ここで、表面凹凸に対し、微粒子の高
さは１０倍以上大きいのが通常である。従って、散乱光
フォトンの位相を測定することによって、検出したフォ
トンがウエハ表面から散乱したものか微粒子から散乱し
たものかを知ることができる。これは、フォトン数とい
う確率的なものではなく、位相変化という確実なものと
して捕らえられるものである。このため、先に説明した
散乱光フォトン数を検出する方法では、検出率を上げる
ために検出フォトン数として概ね１０個以上のフォトン
が必要になるのに対し、位相変化を捕らえる方法では、
フォトン１個であっても微粒子からの散乱光か表面凹凸
からの散乱光かを弁別できる。」という考えは、量子力
学に基礎を置く不確定性原理より否定される。不確定性
原理によれば、「微粒子の運動量と位置を同時に正確に
測定することはできない。どうように、光のフォトン数
と位相を同時に正確に測定することはできない。（山
本；量子光学と新技術［Ｉ］；電子情報通信学会誌、７
２巻、６号、ｐｐ．６６９−６７５）」 従って、本発
明の異物検査装置で説明した、検出には特定個以上のフ
ォトン数が必要である。

【００７９】上記半導体工程の量産立上げ及び量産ライ
ンの異物検査方法及びその装置は、量産立上げ時には材
料、プロセス、装置、設計等の評価、改良（デバック）
を行なうために高価で高性能な評価設備により各プロセ
ス、設備等を評価し、量産時には生産ラインの設備をで
きる限り軽減し特に検査、評価の項目を減らして設備の
費用および検査、評価に要する時間を短縮するようにす
る。

【００８０】それには量産立上げ時の評価が円滑、迅速
に進むように表面を高精度にポリッシングするなどサン
プリングウェハを工夫した異物検出分析システムを用い
て異物の発生原因を究明して材料入手時の検査仕様を変
更したり設備の発塵源の対策を立て、その結果がそれぞ
れの材料、プロセス、装置等にフィードバックされて発
塵しやすいプロセスの仕様を発塵に対して強い素子の設
計仕様としたりすると同時に、量産ラインの検査、評価
の仕様作りに利用され異物の発生しやすい箇所に必要に
応じて異物（発塵）モニタを設置したり、特定箇所の特
定の異物の増減のみをモニタする仕様としたりする。

【００８１】上記のように量産立上げ時と量産ラインを
分けることにより、量産立上げ時の異物の検出、分析、
評価装置を効率よく稼動させることができて量産立上げ
を迅速にできるとともに、量産ラインで用いられる異物
（発塵）の検査、評価設備を必要最小限の簡便なモニタ
リング装置にして量産ラインの軽量化が図られる。また
量産立上げ時のサンプリングウェハを工夫することによ
りサンプリング間隔を短くしサンプリング時間を短くし
てより多くの精度の高い異物発生データを収集すること
ができるため、問題個所を早く発見して更に立上げ期間
を短くすることができる。

【００８２】また上記量産立上げの時の異物元素種の分
析に用いるＳＴＭ／ＳＴＳの技術は従来から存在した
が、この技術は試料の元素種を断定することができない
とされてＬＳＩの製造では使用されていなかったが、本
発明者らはＬＳＩ製造で発生する異物には限りがあるこ
とに着眼するとＳＴＭ／ＳＴＳの従来技術でも適用可能
であることに着目し、生産ラインで発塵の可能性のある
元素ＳＴＭ／ＳＴＳスペクトルをデータベースに蓄積し
ておき、検査対象のデータと比較することにより塵埃の
分析を可能とするシステムとしており、これにより異物
の元素種を同定して発生源等の評価、対策を施すことに
利用できる。

【００８３】

【発明の効果】本発明によれば、半導体の微細化が進む
に従って、問題になる０．０５μｍ程度の微粒子が鏡面
ウエハ上に付着したのを容易に検出できるようして、こ
の微粒子の発生原因を究明し、半導体製造プロセスにフ
ィードバックして、微細化された半導体を歩留まりよ
く、製造することができる効果を奏する。

【００８４】また、本発明によれば、量産立上げ時に必
要な異物の検出・分析・評価の機能を最大限にできるた
め、量産ラインへのフィードバックを円滑に進めること
ができ、量産立上げ期間を短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体製造工程の量産立上げ及び
量産ラインの異物検査方法及びその装置の一実施例示す
構成ブロック図

【図２】第１図のサンプリング部の一実施例を示す構成
斜視図

【図３】第１図の検出部の一実施例を示す構成ブロック
図

【図４】第１図の分析部り一実施例を示す構成ブロック
図

【図５】第１図のサンプリングウェハの鏡面ウェハを示
す斜視図

【図６】第１図のサンプリングウェハのＳｉ３Ｎ４，Ｐ
oly-Ｓｉ，Ａ 膜形成ウェハを示す斜視図

【図７】第１図のサンプリングウェハのパターン形成ウ
ェハを示す斜視図

【図８】第１図のサンプリングウェハのラッピング方向
を走査方向を示す斜視図

【図９】第４図の試料の仕事関数のｘｙ分布図

【図１０】第４図の試料の断面図

【図１１】第４図のＡＦＭチップ試料間距離と原紙間力
の関係図

【図１２】第４図のα，β，φの関係図

【図１３】第４図のトンネル電流と原紙間力の関係図

【図１４】第１図のセンシング部の真空内発塵モニタの
一実施例を示す構成ブロック図

【図１５】第１図のセンシング部の真空内発塵モニタの
他の実施例を示す構成斜視図である。

【図１６】１実施例を示す側面図

【図１７】検出信号の例を示す図

【図１８】微粒子検出の必要性を示す図

【図１９】鏡面ウエハ上異物検査の位置付けを示す図

【図２０】超微粒子検出の技術課題を示す図

【図２１】空気分子からの散乱光の算出結果を示す図

【図２２】ウエハ表面凹凸からの散乱光ノイズを示す図

【図２３】反射を用いた表面散乱モデルを示す図

【図２４】表面凹凸殻の光回折モデルを示す図

【図２５】回折モデルを基にしたシミュレータを示す図

【図２６】凹凸ピッチと散乱光強度の関係を示す図

【図２７】入射角度と散乱光強度の関係を示す図

【図２８】最大高さと散乱光強度の関係を示す図

【図２９】照射光波長と散乱光強度の関係を示す図

【図３０】ウエハ表面からの散乱光レベルを示す図

【図３１】標準微粒子との弁別比を示す図

【図３２】微弱光検出時のゆらぎの問題を示す図

【図３３】検出率と必要な照射光量を示す図

【図３４】装置の一例を示す図

【図３５】検出率と必要な照射光量を示す図

【図３６】検出率と必要な照射光量を示す図

【符号の説明】

100 … 半導体製造装置群，200 … センシング部204 …
真空内発塵モニタ，300 … ユーティリティ群，400 …
サンプリング部，401~405 … サンプリングウェハ，50
0 … 検出部，600 … 分析部，603 … STM/STS，700 …
対応システム，1000 … 半導体製造工程の量産立上げ
および量産ライン異物検査システム、1001 … オンライ
ン異物検査装置システム，1002 …オフライン異物検査
システム，531，532 … 半導体レーザ，535，536 … 集
光対物レンズ，537 … 検出対物レンズ，538 … 検出
器，571 … ２値化回路，572… ステージコントロー
ラ，581 … インターフェイス室，631 … AFM用チッ
プ，633 … STMチップ，635 … STMXYZ微動ユニット，6
42 … 試料STM粗駆動ユニット

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍ
   Ｗ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレ
   ーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜
   め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表
   面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエ
   ハ上に存在する少なくとも微粒子からの反射散乱光を回
   折現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号
   により微粒子を検出することを特徴とする鏡面ウエハの
   異物検出方法。
2. 【請求項２】上記光電検出器の検出画素サイズとして、
   鏡面ウエハ上換算で０．０５μｍ−２μｍとしたことを
   特徴する請求項１記載の鏡面ウエハの異物検出方法。
3. 【請求項３】鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍ
   Ｗ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレ
   ーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜
   め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表
   面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエ
   ハ上に存在する上記表面の凹凸の最大高さよりも大きい
   微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光
   電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出するこ
   とを特徴とする鏡面ウエハの異物検出方法。
4. 【請求項４】上記光電検出器の検出画素サイズとして、
   鏡面ウエハ上換算で０．０５μｍ−２μｍとしたことを
   特徴する請求項１記載の鏡面ウエハの異物検出方法。
5. 【請求項５】鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍ
   Ｗ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレ
   ーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜
   め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表
   面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエ
   ハ上に存在する微粒子からの反射散乱光を回折現象によ
   り強調させて光電検出器で受光して電気信号により微粒
   子を検出し、検出された微粒子の元素種をＳＴＭまたは
   ＳＴＳにより分析することを特徴とする鏡面ウエハの異
   物分析方法。
6. 【請求項６】鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍ
   Ｗ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレ
   ーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜
   め方向から照射し、結像レンズを通して、鏡面ウエハ表
   面の凹凸によって生じる反射散乱光に対して、鏡面ウエ
   ハ上に存在する上記表面の凹凸の最大高さよりも大きい
   微粒子からの反射散乱光を回折現象により強調させて光
   電検出器で受光して電気信号により微粒子を検出し、検
   出された微粒子の元素種をＳＴＭまたはＳＴＳにより分
   析するすることを特徴とする鏡面ウエハの異物分析方
   法。
7. 【請求項７】鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍ
   Ｗ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレ
   ーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜
   め方向から照射するレーザ光照射手段と、結像レンズを
   通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱
   光に対して、鏡面ウエハ上に存在する微粒子からの反射
   散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光し
   て電気信号により微粒子を検出する検出光学系とを備え
   たことを特徴とする鏡面ウエハの異物検出装置。
8. 【請求項８】上記光検出器としてイメージインテンシフ
   ァイヤで構成し、上記光電検出器の検出画素サイズとし
   て、鏡面ウエハ上換算で０．０５μｍ−２μｍとしたこ
   とを特徴する請求項７記載の鏡面ウエハの異物検出装
   置。
9. 【請求項９】鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０ｍ
   Ｗ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長のレ
   ーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する斜
   め方向から照射するレーザ光照射手段と、結像レンズを
   通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散乱
   光に対して、鏡面ウエハ上に存在する上記表面の凹凸の
   最大高さよりも大きい微粒子からの反射散乱光を回折現
   象により強調させて光電検出器で受光して電気信号によ
   り微粒子を検出する検出光学系とを備えたことを特徴と
   する鏡面ウエハの異物検出装置。
10. 【請求項１０】上記光検出器としてイメージインテンシ
    ファイヤで構成し、上記光電検出器の検出画素サイズと
    して、鏡面ウエハ上換算で０．０５μｍ−２μｍとした
    ことを特徴する請求項９記載の鏡面ウエハの異物検出装
    置。
11. 【請求項１１】鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０
    ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長の
    レーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する
    斜め方向から照射するレーザ光照射手段と、結像レンズ
    を通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散
    乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する微粒子からの反
    射散乱光を回折現象により強調させて光電検出器で受光
    して電気信号により微粒子を検出する検出光学系とを備
    えた鏡面ウエハ異物検出装置を設け、該鏡面ウエハ異物
    検出装置で検出された微粒子の元素種を分析するＳＴＭ
    またはＳＴＳを設けたことを特徴とする鏡面ウエハの異
    物分析装置。
12. 【請求項１２】鏡面ウエハ表面に対して、高出力（５０
    ｍＷ−５Ｗ）で、４００ｎｍ−１８０ｎｍの短い波長の
    レーザ光を、垂直方向から６０±１５度の角度を有する
    斜め方向から照射するレーザ光照射手段と、結像レンズ
    を通して、鏡面ウエハ表面の凹凸によって生じる反射散
    乱光に対して、鏡面ウエハ上に存在する上記表面の凹凸
    の最大高さよりも大きい微粒子からの反射散乱光を回折
    現象により強調させて光電検出器で受光して電気信号に
    より微粒子を検出する検出光学系とを備えた鏡面ウエハ
    異物検出装置を設け、該鏡面ウエハ異物検出装置で検出
    された微粒子の元素種を分析するＳＴＭまたはＳＴＳを
    設けたことを特徴とする鏡面ウエハの異物分析装置。