JPH07128246A - 共焦点光学系を用いた結晶欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 共焦点光学系を用いた結晶欠陥検出方法に関
し、１次元方向に走査するだけで結晶全面の結晶欠陥を
簡単に検出することができるとともに、ノイズ光を低減
して解像度を上げることを目的とする。 【構成】 赤外線レーザービームＢを結晶の側面から水
平に入射し、このレーザービームの通過経路に沿って存
在する結晶欠陥ｄ₁ 〜ｄ₃ からの散乱光を結晶の上方に
配置した対物レンズ４で集光して結像レンズ７に送ると
ともに、対物レンズと結像レンズの間であって対物レン
ズの焦点位置に位置して、赤外線の波長と同程度の溝幅
Ｗからなるスリット６を備えた検出用アパーチャ５をそ
のスリットの長手方向がレーザービームと平行になるよ
うに配置し、該スリットを通ってセンサ上に結像される
各結晶欠陥の回折像のそれぞれについて所定次数の回折
光までその光強度を積算し、得られた光強度から各結晶
欠陥を検出するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共焦点光学系を用いた
結晶欠陥の検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】多くの半導体結晶は赤外線に対して透明
である。この性質を利用した結晶欠陥の検出方法が種々
提案されているが、共焦点光学系を用いた結晶欠陥の検
出方法もその１つである。図５に、この従来の共焦点光
学系を用いた結晶欠陥の検出方法の検出原理を示す。図
中、５１はテーブル５２上に載置された半導体結晶のウ
ェハであって、レーザー光源５３から赤外線レーザー光
をコリメータレンズ５４、ハーフミラー５５、対物レン
ズ５６を介してウェハ５１に照射する。そして、この照
射された赤外線レーザー光は対物レンズ５６によって欠
陥を調べるべき所望の深さ位置にその焦点が結ばれるよ
うにそのピントが調整される。

【０００３】いま、赤外線レーザー光の焦点位置に結晶
欠陥５７が存在する場合、赤外線レーザー光はこの結晶
欠陥５７で反射されるので、その反射光を対物レンズ５
６で集光し、ハーフミラー５５を介して結像レンズ５８
に送り、図６に示すように、結像レンズ５８の焦点位置
に設けた赤外線ＴＶカメラ５９のセンサ上に結像し、こ
の結像から結晶欠陥５７を検出するものである。

【０００４】なお、結像レンズ５８と赤外線ＴＶカメラ
５９の間には、図７に示すようなビンホール６０を穿た
れた検出用アバーチャ６１が配置されており、このピン
ホール６０によって図５中に点線で示すようなウェハ表
面あるいは裏面などからの反射光を阻止し、解像度が低
下することを防止している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した従
来の検出方法による場合、赤外線ＴＶカメラ５９のセン
サ上に得られる像は、図６に示すような点画像となる。
したがって、図８に示すような結晶全面の結晶欠陥を検
出するには、ウェハ５１または観測光学系のいずれかを
Ｘ，Ｙ方向に向けて順次所定のピッチ（例えば、センサ
の画素単位）で２次元走査し、この２次元走査における
各点の結像の光強度をそれぞれフレームメモリなどの記
憶手段に記憶していくしかなく、ウェハ全面の結晶欠陥
を検出するにはかなりの時間がかかるという問題があっ
た。

【０００６】また、上記した従来の検出方法の場合、解
像度を上げるために、検出用アパーチャとしてピンホー
ル６０を使用しているが、従来の検出方法ではノイズ光
を１００％遮断することは原理的に不可能であり、ノイ
ズ光の一部は必ずピンホール６０を通ってセンサ５９に
達するため、ある程度以上に解像度を上げることは困難
であった。

【０００７】本発明は、上記のような問題を解決するた
めになされたもので、その目的とするところは、１次元
方向に走査するだけで結晶全面の結晶欠陥を簡単に検出
することができるとともに、センサに入るノイズ光を低
減して解像度を上げることのできる共焦点光学系を用い
た結晶欠陥の検出方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明方法は、赤外線レーザービームを結晶の側面
から水平に入射し、この水平に入射された赤外線レーザ
ービームの通過経路に沿って存在する結晶欠陥からの散
乱光を結晶の上方に配置した対物レンズで集光して結像
レンズに送るとともに、前記対物レンズと結像レンズの
間であって対物レンズの焦点位置に位置して、赤外線レ
ーザ光の波長と同程度の溝幅からなるスリットを備えた
検出用アパーチャをそのスリットの長手方向が前記赤外
線レーザービームと平行になるように配置し、該スリッ
トを通ってセンサ上に結像される各結晶欠陥の回折像の
それぞれについて所定次数の回折光までその光強度を積
算し、該得られた光強度から赤外線レーザービームの通
過経路に沿って存在する各結晶欠陥を検出するようにし
たものである。

【０００９】

【作用】図１を参照して本発明方法の原理を説明する。
図１において、１は検出対象たる半導体結晶などのウェ
ハ、２は移動ステージ、３は赤外線レーザー光源、４は
対物レンズ、５はスリット６を備えた検出用アパーチ
ャ、７は対物レンズ、８はＣＣＤセンサあるいはフォト
ダイオードアレイなどのセンサを備えた赤外線ＴＶカメ
ラである。

【００１０】本発明が、従来の検出方法（図５）と大き
く異なるところは、赤外線レーザービームＢをウェハ１
に水平方向から入射するようにした点、従来のピンホー
ルをからなる検出用アパーチャに代えて、使用する赤外
線レーザー光の波長λと同程度の溝幅Ｗからなるスリッ
ト６を備えた検出用アパーチャ５を用いた点である。

【００１１】すなわち、図１において、赤外線レーザー
光源３から放射された赤外線レーザービームＢは、Ｙ方
向（図１の例の場合）に向けてウェハ１に水平に入射さ
れる。この水平に入射された赤外線レーザービームＢ
は、ウェハ１中をＹ方向に向かって直進し、ウェハ１の
反対側から出ていくが、このとき、この赤外線レーザー
ビームＢの通過経路上に例えば３個の結晶欠陥ｄ₁ ，ｄ
₂ ，ｄ₃ があると、赤外線レーザービームＢの一部はそ
れぞれの結晶欠陥で四方に散乱される。

【００１２】そこで、本発明では、ウェハ１の上面側に
位置して集光用の対物レンズ４を設けておき、この対物
レンズ４によって各結晶欠陥ｄ₁ ，ｄ₂ ，ｄ₃ からの散
乱光を集光し、集光した散乱光を検出用アパーチャ５の
スリット６を通して結像レンズ７に送り、結像レンズ７
によってセンサ８上に結像させるものである。

【００１３】検出用アパーチャ５のスリット６は赤外線
レーザービームＢと平行になるように配置されいるの
で、赤外線レーザービームＢの通過方向たるＹ方向に対
しては回折を生じないが、赤外線レーザービームＢの通
過方向と直交するＸ方向には回折を生じる。したがっ
て、赤外線レーザービームＢの通過経路に沿って存在す
る各結晶欠陥からの散乱光は、スリット６を通る際にそ
れぞれ赤外線レーザービームＢの通過方向と直交するＸ
方向に回折され、図２に示すような回折像となって赤外
線ＴＶカメラ８のセンサ上に結像される。

【００１４】図２中の各回折像は、図１中の各結晶欠陥
ｄ₁ ，ｄ₂ ，ｄ₃ からの散乱光による回折像である。そ
こで、この回折像ｄ₁ ，ｄ₂ ，ｄ₃ のそれぞれについ
て、図３に示すように、予め定めたｎ次回折光までその
光強度を積算すれば、得られた光強度の強さから各結晶
欠陥ｄ₁ ，ｄ₂ ，ｄ₃ を検出することができる。

【００１５】この図２から分かるように、本発明の場
合、赤外線レーザービームＢの通過経路に沿って存在す
るすべての結晶欠陥を１回の走査で検出することができ
る。したがって、本発明の場合、ウェハ全面の結晶欠陥
を検出するには、ウェハ１または観測光学系のいずれか
をＸ方向に向けて所定のピッチ（例えば、センサの画素
単位）で移動していけばよい。このようにして、本発明
の場合、Ｘ方向に１次元走査するだけで、図８のごとき
ウェハ全面についての結晶欠陥像を簡単に得ることがで
きる。

【００１６】また、本発明の場合、赤外線レーザービー
ムＢの上下方向（Ｚ方向）の照射位置、すなわちウェハ
表面からの深さ位置を変え、それぞれの深さ位置におけ
るウェハ全面の結晶欠陥を検出することにより、３次元
の立体的な結晶欠陥像を簡単に得ることができる。

【００１７】また、本発明の場合、赤外線レーザービー
ムＢはウェハ１の水平方向から入射されるので、赤外線
レーザービームがウェハ表面や裏面で反射あるいは散乱
されることがなくなる。このため、従来の検出方法のよ
うにウェハ表面や裏面からの反射光がノイズ光となって
観測光学系に入り込むことがなくなり、検出用アパーチ
ャ５のスリット６によるノイズ光の遮蔽効果と相まっ
て、解像度を高めることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図４は、本発明方法を適用して構成した結晶欠陥
検出装置の１実施例のブロック図である。図において、
１は検出対象たる半導体結晶のウェハ、２はウェハ１を
載置して位置決めするための移動ステージ、３は赤外線
レーザー光源、４は対物レンズ、５は検出用アパーチ
ャ、６は検出用アパーチャ５に穿たれたスリット、７は
対物レンズ、８は赤外線ＴＶカメラ、９は赤外線ＴＶカ
メラ８の撮像素子たるＣＣＤセンサ、１０は赤外線レー
ザー光源３から放射されるレーザー光を所定のビーム径
まで絞るためのレーザー光絞りレンズである。なお、図
１と同一または同等部分には同一の符号を付して示し
た。

【００１９】１１は移動ステージ２をＺ方向（上下方
向）に移動するためのＺ軸移動モータ、１２は移動ステ
ージ２をＸ方向（図２参照）に移動するためのＸ軸移動
モータ、１３は移動ステージ２をＹ方向（図２参照）に
移動するためのＹ軸移動モータである。ウェハ１を載せ
た移動ステージ２は、これら３つのモータによってＸ，
Ｙ，Ｚの三軸方向に自在に移動できるようになされてい
る。

【００２０】１４は結像レンズ７のピントをＣＣＤセン
サ８上に合わせるための鏡筒長微調用モータ、１６は対
物レンズ４のピントを赤外線レーザービームＢの深さ位
置に調整するための焦点合わせ用モータであって、これ
らのモータを制御することにより対物レンズ４と結像レ
ンズ４のピントを希望の位置に合わせることができるよ
うになされている。

【００２１】１７は赤外線ＴＶカメラ８のＣＣＤセンサ
９から読み出された画像信号をディジタルデータに変換
するためのＡ／Ｄコンバータ、１８は結晶欠陥の検出処
理を行なうコンピュータ、１９はコンピュータ１８に種
々の操作指令を入力するためのキーボード、２０は得ら
れた１画面分の結晶欠陥の画像データを格納するための
フレームメモリ、２１はフレームメモリ２０に格納され
ている結晶欠陥の画像データに基づいて結晶欠陥画像を
表示するモニタ装置、２２はコンピュータ１８の制御の
下に各モータを駆動制御するモータコントローラであ
る。

【００２２】次に、前記実施例の動作について説明す
る。まず、結晶欠陥の検出対象となるウェハ１を移動ス
テージ２上に載置する。そして、キーボード１９からコ
ンピュータ１８に結晶欠陥の検出深さ位置と検出開始位
置を入力すると、モータコントローラ２２はコンピュー
タ１８の制御の下にモータ１１，１２，１３を回転駆動
して移動ステージ２をＸ，Ｙ，Ｚの三軸方向に移動し、
移動ステージ２上に載置されたウェハ１が指定の座標位
置となるように制御する。

【００２３】次いで、赤外線レーザー光源３の電源を入
れ、赤外線レーザー光を放射すると、この放射された赤
外線レーザー光はレーザー光絞りレンズ２０によって絞
られ、所定ビーム径の赤外線レーザービームＢとなって
ウェハ１に水平に入射する。この状態で、焦点合わせ用
モータ１６を駆動し、対物レンズ４のピントが赤外線レ
ーザービームＢの深さ位置に一致するように調整した
後、鏡筒長微調用モータ１４を駆動し、鏡筒１５を上下
に微調して結像レンズ７のピントがＣＣＤセンサ９上に
合うように調整する。これによって、対物レンズ４の結
像位置は検出用アパーチャ５のスリット６位置に一致す
るとともに、結像レンズ７のピントはＣＣＤセンサ８位
置に一致した状態となる。

【００２４】上記ピント合わせを完了した後、キーボー
ド１９から検出動作の開始指令を与えると、コンピュー
タ１８は次のようにしてウェハ１の結晶欠陥の検出動作
を開始する。

【００２５】すなわち、ウェハ１に入射された赤外線レ
ーザービームＢは、ウェハ１中を直進して反対側から出
ていくが、赤外線レーザービームＢの通過経路上に結晶
欠陥があると、赤外線レーザービームＢの一部がこれら
の結晶欠陥で散乱される。この散乱光は、対物レンズ４
によって集光され、検出用アパーチャ５のスリット６位
置で焦点を結んだ後、結像レンズ７によってＣＣＤセン
サ８上に結像される。

【００２６】検出用アパーチャ５のスリット６の溝幅Ｗ
（図２参照）は赤外線レーザー光の波長λと同程度とさ
れているため、対物レンズ４で集光された散乱光は、こ
のスリット６を通り抜ける際に溝幅Ｗ方向に回折を生じ
る。したがって、結晶欠陥がある場合には、ＣＣＤセン
サ９上には図２に例示したような回折像が結像される。

【００２７】このＣＣＤセンサ９上に結像された回折像
は、図示を略したＣＣＤセンサ読出回路によって画素単
位でそのデータが順次読み出され、Ａ／Ｄコンバータ１
７でディジタルデータに変換された後、コンピュータ１
８に入力される。コンピュータ１８は、図３に例示した
ように、このＣＣＤセンサ９から送られてくる各回折像
ｄ₁ ，ｄ₂ ，ｄ₃ のそれぞれについて、予め定めたｎ次
までの回折光までその光強度を積算し、得られた積算値
をそれぞれの結晶欠陥からの散乱光の光強度としてフレ
ームメモリ２０の対応するアドレス位置に書き込む。

【００２８】次いで、Ｘ軸移動モータ１２を駆動し、移
動ステージ２を所定のピッチ、例えばＣＣＤセンサ９の
画素単位でＸ軸方向に順次移動し、それぞれのＸ位置に
おいて前記したと同様の結晶欠陥の検出動作を行ない、
それぞれのＸ位置における赤外線レーザービームＢの通
過経路に沿って存在する各結晶欠陥を検出していく。こ
のようにして、ウェハ１のＸ方向の全幅に亘って走査を
完了すると、フレームメモリ２０には、当該深さ位置に
おけるウェハ１全面についての結晶欠陥の画像データが
得られる。

【００２９】したがって、この画像データをモニタ装置
２１に表示すれば、図８に例示するようなウェハ１全面
についての結晶欠陥像が得られる。また、この画像デー
タを外部のデータ処理システムなどへ送って所望のデー
タ処理を行なうことにより、例えば結晶欠陥の濃度分布
など、種々の欠陥分析を行なうことができる。

【００３０】さらに、Ｚ軸移動モータ１１を駆動し、移
動ステージ２を上下方向にも移動させて照射する赤外線
レーザービームＢの深さ位置を変え、各深さ毎にウェハ
全面の結晶欠陥像を検出し、これを立体的に組み合わせ
てモニタ装置２１に表示すれば、３次元の立体的な結晶
欠陥像を得ることができる。

【００３１】なお、前記実施例は移動ステージ２の移動
やレンズのピント合わせを各モータ１１〜１４，１６に
よって自動的に行なうようにした場合について例示した
が、モータに代えて手動で設定するようにしてもよいこ
とは勿論である。また、半導体結晶を例に採ったが、赤
外線に対して透明な結晶であれば、半導体結晶に限らず
他の結晶でも適用可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明方法による
ときは、赤外線レーザービームを水平方向から結晶に照
射するとともに、スリットからなる検出用アパーチャを
用いて回折像を得るようにしたので、赤外線レーザービ
ームの通過経路に沿って存在する結晶欠陥を１回の走査
で検出することができる。このため、赤外線レーザービ
ームを１次元方向へ走査するだけで、所定の深さ位置に
おける結晶全面の結晶欠陥を簡単に検出することができ
る。

【００３３】また、赤外線レーザービームを水平方向か
ら結晶に入射しているので、赤外線レーザービームが結
晶表面や裏面で反射あるいは散乱されることがなくな
る。このため、従来の検出方法のように結晶表面や裏面
からの反射光がノイズとなって観測光学系に入り込むこ
とがなくなり、検出用アパーチャのスリットによるノイ
ズ光の遮蔽効果と相まって解像度を高めることができ、
結晶欠陥の検出精度を向上することができる。

【００３４】また、照射する赤外線レーザービームの結
晶表面からの深さ位置を変えながら、結晶全面の結晶欠
陥を検出していくことにより、３次元の立体的な結晶欠
陥像を簡単に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の原理説明図である。

【図２】本発明方法によってセンサ上に結像された結晶
欠陥の回折像の一例を示す図である。

【図３】結晶欠陥による回折光の積算処理の説明図であ
る。

【図４】本発明方法を適用して構成した結晶欠陥検出装
置の１実施例のブロック図である。

【図５】従来方法の原理説明図である。

【図６】従来方法によってセンサ上に結像された結晶欠
陥像を示す図である。

【図７】従来方法における検出用アパーチャの平面図で
ある。

【図８】従来方法によるウェハ全面の結晶欠陥像を示す
図である。

【符号の説明】 １ ウェハ ２ 移動ステージ ３ 赤外線レーザー光源 ４ 対物レンズ ５ 検出用アパーチャ ６ スリット ７ 結像レンズ ８ 赤外線ＴＶカメラ ９ センサ Ｂ 赤外線レーザービーム Ｗ スリットの溝幅 ｄ₁ 〜ｄ₃ 結晶欠陥

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線レーザービームを結晶の側面から
   水平に入射し、この水平に入射された赤外線レーザービ
   ームの通過経路に沿って存在する結晶欠陥からの散乱光
   を結晶の上方に配置した対物レンズで集光して結像レン
   ズに送るとともに、 前記対物レンズと結像レンズの間であって対物レンズの
   焦点位置に位置して、赤外線レーザ光の波長と同程度の
   溝幅からなるスリットを備えた検出用アパーチャをその
   スリットの長手方向が前記赤外線レーザービームと平行
   になるように配置し、 該スリットを通ってセンサ上に結像される各結晶欠陥の
   回折像のそれぞれについて所定次数の回折光までその光
   強度を積算し、該得られた光強度から赤外線レーザービ
   ームの通過経路に沿って存在する各結晶欠陥を検出する
   ようにしたことを特徴とする共焦点光学系を用いた結晶
   欠陥検出方法。