JPH0625740B2 - 結晶基板の薄膜層内欠陥検出方法 - Google Patents

結晶基板の薄膜層内欠陥検出方法

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JPH0625740B2
JPH0625740B2 JP62180312A JP18031287A JPH0625740B2 JP H0625740 B2 JPH0625740 B2 JP H0625740B2 JP 62180312 A JP62180312 A JP 62180312A JP 18031287 A JP18031287 A JP 18031287A JP H0625740 B2 JPH0625740 B2 JP H0625740B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は結晶性薄膜層内欠陥検出方法、特に化合物半導
体結晶等の内部における結晶欠陥をレーザビームの散
乱、回折、あるいは干渉によって非破壊に検出する方法
に関するものである。
[従来の技術] 結晶内部の種々の欠陥を非破壊検査法によって検出する
ことが有用であり、特に化合物半導体の単結晶ウエハ内
の結晶欠陥を迅速に非破壊検査することは半導体製品の
歩留まりを高めるために極めて重要である。
この種の半導体としては、Ga As ,In P,シリコン
等が当面の対象であるが、これらに対して種々の欠陥検
出が行われている。従来の古典的な欠陥検出方法として
はX線回折法が行われ、被検査結晶にX線を照射し、こ
のときの回折又は透過光を写真乾板に感光させX線照射
経路における内部欠陥を画像として表示するものであっ
た。しかしながら、このようなX線回折法では予め結晶
サンプルをスライスし、薄板化して破壊検査することを
必要とし、また、写真乾板の現像が必要であるためにリ
アルタイムで検査結果を得ることができず、装置も大掛
かりとなるなどの種々の問題があった。
従来の他の検査方法として赤外線吸収法を用いた検査方
法があり、特にGa As 等のEL2 欠陥を検出するため
には極めて好適であったが、他の各種の結晶欠陥に対し
て十分な結果を得ることができず、また、分解能が低
く、更に赤外線の透過光を積分して欠陥を検出するため
にその応用範囲が狭いという問題があった。
申請者らは欠陥検出方法として赤外線レーザビームを結
晶に照射し、欠陥から回折像あるいは散乱像を求め、こ
れによって内部欠陥の状態を画像表示する方法を提案
し、これを実用化した。この赤外線散乱を用いた検査方
法は、高い分解能の検出結果がリアルタイムで得られ
る。更に多くの半導体結晶は赤外線領域で透明であり、
完全な形での非破壊検査を可能としている。本発明はこ
の光散乱法の延長上のウエハ等の欠陥検査方法として極
めて好適な方法であり、良好な評価を得るに至ってい
る。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、前述した赤外線散乱による結晶欠陥検出
方法は通常の結晶基板検査には好適であったが、近年、
結晶基板に形成された薄膜単結晶層内での同様の結晶欠
陥にも有益な検査方法としての応用が要望されてきた。
この種の薄膜単結晶層としては、基板上に成長形成され
たエピタキシャル層等があり、実際上、IC製造時にお
ける歩留まりはこのエピタキシャル層内の結晶欠陥が大
きな影響をもち、この欠陥検出に前述した種々の利点を
もった赤外線レーザの照射による散乱あるいは回折検査
法を用いることが強く要望されてきた。
しかしながら、薄膜層、例えばエピタキシャル層はその
厚みが、薄いものでは数μ程度であり、一方赤外線レー
ザビームは十分に絞り込んだとしても、数十μのビーム
径を有し、このまま、エピタキシャル層内にレーザビー
ムを照射しても、レーザビームは結晶基板にまたがって
エピタキシャル層内を通過し、この結果、赤外線散乱あ
るいは回折によって得られた情報も純粋にエピタキシャ
ル層のみの欠陥を示すことがなく、このような薄膜層の
みの欠陥検出は不可能とされていた。
本発明は上記従来の課題に鑑み為されたものであり、そ
の目的は、レーザビーム径よりも薄い薄膜層に対して赤
外線散乱あるいは回折による結晶欠陥の検出方法を有効
にかつ最適となるように改良された欠陥検出方法を提供
することにある。
[問題点を解決するための手段] 上記目的を達成するために、本発明は、上部に平坦面を
有し下部に所定の角度の傾斜面を有する光路変更手段を
結晶基板の裏面に密着させ、この状態でレーザビームを
この光路変更手段の傾斜面に照射して平坦面を介し結晶
基板に入射させ、このレーザビームの入射方向を調整す
ることにより結晶基板の表面部に形成された薄膜層から
の出射角をほぼ90゜として該薄膜層内に疑似表面波を
生じさせ、この疑似表面波による薄膜層内での散乱また
は回折または干渉光を検出し、前記薄膜層内の欠陥を検
出することを特徴とする。
本発明によれば、薄膜層内に照射されるレーザビームは
その径が薄膜層より大きくても何ら差し支えなく、これ
らのレーザビームから臨界現象によって薄膜層内に生じ
る疑似表面波は、極めて薄い厚みをもった疑似表面波と
して薄膜層内を流れ、この結果、薄膜層内の散乱又は回
折又は干渉に十分に用いることができる。
[実施例] 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明す
る。
第2図には薄膜層10にその裏面から入射光Ei を照射
したときの反射光Er 及びEt が示されており、これら
は以下の式にて示される。
尚、ここで、λは赤外線レーザビームの薄膜層10内で
の波長、λは空気中では波長、αは入射角、βは出射
角を示す。
さて、ここで、前記出射角βが90゜となり、いわゆる
臨界透過現象が生じたときには、薄膜層10の表面には で示される疑似表面波(薄膜を導波路とする波、guided
wavesを含む)が発生する。
すなわち、この臨界透過現象が生じるためには、薄膜層
10の屈折率をn としたときに n sin α=1 …(5) を満たす臨界角αが存在し、入射光Ei をこの臨界角
αで照射することによって、薄膜層10の表面には極
めて薄い厚みをもった疑似表面波が発生することとな
る。
第3図には前記疑似表面波の拡大図が示されており、レ
ーザビームの直径Dが薄膜層10の厚みd より大きいと
しても、臨界角αで入射したレーザビームは臨界透過
現象によって疑似表面波となり、図示のごとく、この疑
似表面波C…Cはレーザビーム入射光Ei の径Dに
かかわらず薄膜層10内を流れ、各表面波c はそれぞれ
位相が異なるのみで、薄膜層から外に出ることがないの
で、薄膜層10のみの欠陥検出に有効に利用可能であ
る。
前記臨界角αの近傍で入射角αを微調整すると、 (a)ααの場合には、表面に沿って伝搬する波が
存在する。
(b)ααの場合には、全反射が生じλ<2d
(d:膜厚)の時には全反射光はエピタキシャル膜また
はウエハー内を導波路として伝搬する。
以上のように本発明によれば、薄膜層例えばエピタキシ
ャル層を表面に有する結晶基板にその裏面側からレーザ
ビームを照射し、この照射ビームの入射角を薄膜層で臨
界透過現象が生じる臨界角に調整すれば、薄膜層内でレ
ーザビームの疑似表面波が生じ、この疑似表面波は薄膜
層内を伝搬するので、薄膜層内に結晶欠陥があれば、所
定位置において、散乱あるいは回折現象が生じ、薄膜層
のみの結晶欠陥を高分解能でかつ非破壊的に正確に検出
することが可能となる。
前記薄膜層は必ずしも結晶基板の表面にあるとは限ら
ず、また結晶基板に多数積層される場合もあり、本発明
はこれらの各薄膜層に対してそれぞれ設定された臨界角
を調整することによって所望の薄膜層に疑似表面波を伝
搬させることができる。
第4図には多層膜10a,10b,10cが積層された
状態を示しており、このような場合においても、前述し
た式(5)が同様の関係で成立する。すなわち nsin α=1 nsin α=1 ・・・・・・・ ・・・・・・・ nsin α=1 …(6) となり、この結果、所望の薄膜層に対して、所定の臨界
角を設定すれば、希望する薄膜層のみに疑似表面波を生
じさせることが可能となる。
第1図には、本発明を用いて半導体結晶のエピタキシャ
ル層の内部結晶欠陥を2次元画像として画像表示する好
適な実施例が示されている。
半導体結晶からなるウエハ20の表面にはエピタキシャ
ル層10が形成されており、このウエハ20は紙面に垂
直方向ウエハ20を移動する試料台30上に載置されて
いる。
実施例において、ウエハ20にレーザビーム100を正
しい臨界角で導くため、ウエハ20には直角プリズム2
2が密着されている。
この直角プリズム22は三角柱からなり、紙面と垂直方
向にその柱軸を有し、その高さはウエハ20より十分に
大きく選ばれ、ウエハ20とともに試料台30上で移動
することができる。
このプリズム22をウエハ20に密着するため、適当な
屈折率を屈折率をもった液体、例えば、屈折率整合油あ
るいは蒸溜水などをウエハ20の裏面とプリズム22の
表面との間に注入する。この結果、ウエハ20とプリズ
ム22とは隙間無く密着され、この結果、レーザビーム
100はプリズム22からスムーズにウエハ20に入射
され、ウエハ20とプリズム22との境界面で前述した
臨界条件を満たすようにレーザビーム100をプリズム
22に入射する、前記密着状態によってウエハ20とプ
リズム22との間では実際の臨界現象が生じることな
く、一旦ウエハ20内に入射されたのちその屈折率の差
によってウエハ20の表面で臨界現象を生じさせる条件
が成立する。
従って、このようにプリズム22の表面での臨界条件さ
え満たせば試料とプリズム22を隙間無く密着すること
によって屈折率の異なる試料に対しても同一レーザビー
ム入射角によって所望の臨界条件を試料の表面にて得る
ことが可能となり、試料ごとにレーザビームの入射角を
その都度調整する必要がないという利点がある。
以上のようにして、薄膜層10には、所望の疑似表面波
を得ることができ、以下にこの疑似表面波を用いてエピ
タキシャル層全域の結晶欠陥を画像化する構成について
説明する。
第1図において、試料台30はパルスモータ32により
前述したごとく所定の移動量で紙面と垂直方向に順次送
りされ、各走査位置にて前記表面波により紙面に平行な
結晶欠陥が検出され、これを全走査領域間で繰り返せ
ば、全エピタキシャル層内の結晶欠陥が検出可能であ
る。レーザ光100は実施例においてYAGレーザー源
34から供給され、光学系36を介して前記プリズム2
2に入射される。前記レーザ源34及び光学系36には
角度調整機構38が連設されており、前記レーザビーム
100の入射角度を任意に微調整することが可能であ
る。
前記ウエハ20の上方には受光用テレビカメラあるいは
フォトダイオードアレイ等の受光素子40が設けられて
おり、前記疑似表面波に基づいて欠陥からの散乱光ある
いは回折光が検出される。
そして、前記受光素子40の出力は画像入力装置42を
介してモニタ受像機44で監視されるとともに、コント
ローラ46が前記画像入力装置42の出力をメモリ、例
えば、フロッピディスク48等に記憶させる。また、画
像入力装置42から得られる信号のライン幅に応じて前
記パルスモータ32を駆動して各ラインの信号取り込み
が終了するつど前述した紙地面に垂直方向の送り走査を
コントローラ46が制御する。
以上のようにして、エピタキシャル層全域が疑似表面波
の走査にさらされ、これにより生じた散乱光をメモリ4
8に記憶して任意に2次元画像として読み出すことがで
き、迅速かつ非破壊でエピタキシャル層等の薄膜層の結
晶欠陥を容易に検査することが可能となる。
勿論、前述した実施例において、試料の走査は平行移動
によるが、本発明において回転駆動により行ってもよい
ことは勿論である。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、層厚が極めて薄
い薄膜層に対して比較的ビーム径が大きいレーザビーム
を用いても、臨界透過現象を用いて薄膜層内に疑似表面
波を伝搬させ、この疑似表面波から散乱あるいは回折現
象にて結晶欠陥を検査することが可能であるので、薄膜
層に対して極めて有効な非破壊検査を迅速かつ容易に行
うことが可能となる。
特に、本発明においては、光路変更手段、例えば直角プ
リズムを結晶基板の裏面に有している。そこで、結晶基
板の表面側の薄膜層からの出射角を90゜として、薄膜
層内に疑似表面波を生成し、薄膜層内の欠陥を検出する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る欠陥検出方法を用いた検査装置の
概略構成を示す説明図、 第2図は本発明の臨界透過現象を説明するための原理
図、 第3図は第2図における臨界透過現象時の疑似表面波を
示す拡大説明図、 第4図は多層膜に対する臨界透過現象を示す説明図であ
る。 10……薄膜層 20……結晶基板 100……レーザビーム c……疑似表面波

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】上部に平坦面を有し下部に所定の角度の傾
    斜面を有する光路変更手段を結晶基板の裏面に密着さ
    せ、この状態でレーザビームをこの光路変更手段の傾斜
    面に照射して平坦面を介し結晶基板に入射させ、このレ
    ーザビームの入射方向を調整することにより結晶基板の
    表面部に形成された薄膜層からの出射角をほぼ90゜と
    して該薄膜層内に疑似表面波を生じさせ、この疑似表面
    波による薄膜層内での散乱又は回折又は干渉光を検出
    し、前記薄膜層内の結晶欠陥を検出することを特徴とす
    る結晶基板の薄膜層内欠陥検出方法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の方法におい
    て、上記レーザビームは赤外線レーザビームであること
    を特徴とする結晶基板の薄膜層内欠陥検出方法。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項または第2項に記載
    の方法において、上記光路変更手段を結晶基板の裏面に
    屈折率整合用の液体を介し密着させることを特徴とする
    結晶基板の薄膜層内欠陥検出方法。
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