JPH10153555A

JPH10153555A - 光散乱トモグラフ装置および観察方法

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Publication number: JPH10153555A
Application number: JP31063696A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Sakai; 一文坂井; Tomoya Ogawa; 智哉小川; Nagafumi Nangou; 脩史南郷
Original assignee: RATOC SYST ENG KK
Current assignee: RATOC SYST ENG KK
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 1998-06-09
Anticipated expiration: 2016-11-21
Also published as: JP3667904B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定試料中の光散乱体の形状を検出する。【解決手段】被測定試料１０によって散乱された光を
ビジコンカメラ３０により撮像する。この際、ビジコン
カメラ３０では、非焦点下の散乱像を撮像する。そし
て、得られた散乱像をコンピュータ５０が取り込み、フ
ーリエ変換することによって、被測定試料１０中の散乱
体の形状を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｓｉ（シリコン）
結晶などの被測定試料中の散乱体を観察する光トモグラ
フ装置および観察方法、特に非焦点下での散乱光を検出
するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高密度化等により、シリコ
ン結晶等により欠陥のないものが要求されるようになっ
てきている。例えば、シリコン結晶中に存在する析出物
は、酸化膜の耐圧劣化を生ずる原因となる。そこで、こ
の析出物の構造について各種の研究が行われている。

【０００３】この析出物は、検出方法により、いくつか
の種類に分類できるが、ＬＳＴＤ（Light Scattering M
ethod）により検出できる欠陥とその構造が当面の課題
となっている。そして、このＬＳＴＤの形状は、ＦＩＢ
（Focused Ion Beam）などにより成形した後、透過型電
子顕微鏡ＴＥＭ（Transmission electron microscope）
により観察している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようにして、結晶
中の析出物の観測が行われているが、上述のようにＴＥ
Ｍによる観測までに複雑な過程を経なければならず、そ
の観測が非常に大変な作業となるという問題点があっ
た。

【０００５】一方、赤外線を被測定試料に照射し、その
散乱光から結晶欠陥を検出する方法も従来から知られて
いる。この光散乱法によれば、被測定試料を非破壊で、
効率的な欠陥の検出が行える。しかし、この光散乱法
は、赤外線の波長より小さい欠陥の存在を検出すること
はできるが、欠陥の形状は観測できない。これは、光学
系の限界と、焦点下における像の空間分解能に限界があ
るからである。

【０００６】従って、簡単な作業で、結晶中の析出物な
どを検出できる装置が望まれていた。本発明は、この課
題に鑑みなされたものであり、散乱光を検出すること
で、結晶中の析出物などの形状を観測できる光散乱トモ
グラフ装置および観察方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測定試料中
に存在する散乱体の形状を検出する光散乱トモグラフ装
置であって、被測定試料に光線を照射する光照射手段
と、被測定試料により散乱された散乱光を集光する光学
手段と、この光学手段からの光を非焦点下で検出する検
出手段と、この検出手段で検出した散乱像に基づいて、
散乱体の形状を演算算出する演算手段と、を有すること
を特徴とする。

【０００８】このように、本発明では、被測定試料に光
線を照射したときに発生する散乱光を検出する。従っ
て、検出を非破壊、非接触で行うことができる。また、
環境の影響も受けずに測定が行えるため、結晶の欠陥な
どの被測定試料中に存在する散乱体の形状をその状態を
乱すことなく検出することができる。

【０００９】ここで、散乱光をそのままの散乱像として
得た場合には、光学系の限界と焦点下での空間分解能の
制約から散乱体の形状を検出することはできない。とこ
ろが、本発明では、非焦点下で散乱像を検出する。この
非焦点下での散乱像は、散乱体の形状と一定の関係があ
る。本発明では、この関係に基づいて、散乱体の形状を
演算算出する。これによって、光散乱トモグラフ装置に
より、被測定試料中に存在する散乱体の形状を認識する
ことができる。

【００１０】また、本発明は、上記演算手段が、散乱像
をフーリエ変換して散乱体の形状を演算算出することを
特徴とする。散乱像と散乱体の形状の間には、フーリエ
変換と逆フーリエ変換の関係がある。従って、得られた
散乱像をフーリエ変換することで、散乱体の形状を得る
ことができる。なお、このようにして得た散乱体の形状
は、ＴＥＭによって観察した散乱体の形状とよく一致し
た。

【００１１】また、本発明は、上記被測定試料中に存在
する散乱体が、結晶中に存在する析出物であることを特
徴とする。Ｓｉ結晶などの結晶欠陥の検査は、半導体装
置の製造の上で非常に重要である。本発明における光散
乱トモグラフ装置により、結晶中の析出物の散乱光か
ら、散乱体の形状を観察することができる。

【００１２】また、本発明は、被測定試料中に存在する
散乱体の形状を検出する光散乱トモグラフ観察方法であ
って、被測定試料に光線を照射し、被測定試料から散乱
される散乱光の像を非焦点下で得、得られた像につい
て、フーリエ変換を施し、被測定試料中に存在する散乱
体の形状についての像を得ることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に好適な実施の形態
（以下、実施形態という）について、図面に基づいて説
明する。

【００１４】「装置の構成」図１に、本実施形態の光散
乱トモグラフ装置の構成を示す。被測定試料１０は、Ｘ
ＹＺ移動ステージ１２上に設置される。被測定試料１０
は、アニールされたＳｉ結晶などである。また、ＸＹＺ
ステージ１２は、その上面に被測定試料を載置固定し、
ＸＹＺの３軸方向に移動可能である。

【００１５】レーザ光源２０は、ＸＹＺステージ１２の
側方に設置され、被測定試料１０にレーザ光を照射す
る。このレーザ光源２０は、Ｈｅ−Ｎｅレーザであり、
波長１．１５μｍの赤外光を射出する。

【００１６】そして、被測定試料１０の上方（レーザ光
の照射方向と直交する方向）には、ビジコンカメラ３０
が配置されており、被測定試料１０により散乱された光
が撮影される。このビジコンカメラ３０は、Ｚ軸方向に
移動可能となっており、被測定試料１０からの距離が調
整できる。また、ビジコンカメラ３０は、その入射部に
集光のためのレンズがあり、このレンズの後方に光電面
（光電変換素子の面）が位置している。そして、レンズ
からの撮像物の位置に応じて、レンズと光電面の距離を
調整し、光電面上に焦点下の像（散乱像）を結像させ、
これを電気信号変換し、映像信号として出力する。ここ
で、本実施形態では、光電面に焦点下の像を得ず、非焦
点下の像を得る。

【００１７】ビジコンカメラ３０で得られた映像信号
は、ＡＤコンバータ４０を介し、コンピュータ５０に入
力される。従って、コンピュータ５０は、被測定試料１
０の散乱光による像をデータとして入手する。

【００１８】そして、このコンピュータ５０は、入力さ
れたデータに基づき、これに所定の演算処理を施し、デ
ータを変換し、被測定試料１０中に存在する酸化析出物
などの散乱体の形状を得る。そして、得られた散乱体の
像は、モニタ５２等に表示され、またプリンタなどに出
力される。

【００１９】「散乱体の形状の観測」ここで、通常の場
合、光散乱トモグラフ装置においては、ビジコンカメラ
３０において、焦点下の散乱像を得る。しかし、光学系
の限界と焦点下での空間分解能の制約から焦点下の散乱
像からは散乱体の形状を認識することはできない。

【００２０】本実施形態では、非焦点下の散乱像を得
る。すなわち、ビジコンカメラ３０の光電面（photoele
ctric surface）とレンズとの距離を一定にして、散乱
体とレンズとの距離を増加させる。これによって、ビジ
コンカメラ３０において得られる像は、非焦点下の散乱
像になる。

【００２１】散乱体とレンズの距離をさらに増加させる
ことによって、さらに異なる像が得られる。これらの回
折波面（wave surface）と散乱体の形状は、フーリエ変
換と逆フーリエ変換の関係である。そこで、フーリエ変
換により、非焦点下の散乱像から散乱体の像を得る。

【００２２】「回折波面と散乱体の形状の関係」回折波
面と散乱体の形状の関係について、図２に基づいて説明
する。まず、ビジコンカメラ３０のレンズの焦点距離を
ｆとしてレンズと光電面の距離をＬ₂、散乱体（散乱
面）とレンズとの距離をＬ₁とすると、次式が成り立
つ。

【００２３】

【数１】１／Ｌ₁−１／Ｌ₂＝１／ｆ（１）ここで、Ｌ₁をΔＬ₁だけ増加すると、図２に示すよう
に、像点は光電面からレンズの方向に移動する。すなわ
ち、レンズから像点までの距離は、Ｌ₂からＬ₂’に変化
し、ΔＬ₂＝Ｌ₂−Ｌ₂’だけ像点がレンズ側に移動す
る。

【００２４】散乱体の形状をｆ（ｘ_i，ｙ_i）とすると、
レンズの前面での波面ｈ^-（ｘ，ｙ）は、フラウンホー
ファー（Fraunhofer）回折の近似を用い、次式により与
えられる。

【００２５】

【数２】ｈ^-（ｘ，ｙ）＝Ａ∬ｆ（ｘ_i，ｙ_i）ｅｘｐ｛−ｉ（２π／λ）（Ｌ₁＋ΔＬ₁）＊（ｘ_iｘ₀＋ｙ_iｙ₀）｝ｄｘ_iｄｙ_i （２）また、レンズ後面の波面はレンズの複素透過率をｔ
（ｘ，ｙ）とすると、次式で与えられる。

【００２６】ｈ⁺（ｘ，ｙ）＝ｔ（ｘ，ｙ）ｈ^-（ｘ，ｙ）（３）さらに、レンズにより集束する波面は、ｘ₀’，ｙ₀’平
面と、ｘ₀，ｙ₀平面で、各々次式で示される波面を形成
する。

【００２７】

【数３】ｇ（ｘ₀’，ｙ₀’）＝Ｂ∬ｈ⁺（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛−ｉ（２π／λ）Ｌ₂’（ｘｘ₀’＋ｙｙ₀’）｝ｄｘｄｙ（４）ｇ（ｘ₀，ｙ₀）＝Ｃ∬ｇ’（ｘ₀’，ｙ₀’）ｅｘｐ｛−ｉ（２π／λ）Ｌ₂（ｘ₀ｘ₀’＋ｙ₀ｙ₀’）｝ｄｘ₀’ｄｙ₀’ （５）式（２）におけるｈ^-とｆ（ｘ，ｙ）、式（４）におけ
るｇ（ｘ₀’，ｙ₀’）とｈ⁺（ｘ，ｙ）、式（５）にお
けるｇ（ｘ₀，ｙ₀）と、ｇ’（ｘ₀’，ｙ₀’）は、フー
リエ変換と逆フーリエ変換の関係にある。

【００２８】そこで、式（５）のｇ（ｘ₀，ｙ₀）が解る
と、ｆ（ｘ_i，ｙ_i）が解析的に求められ、従って散乱体
の形状が得られる。

【００２９】ここで、ｇ（ｘ₀，ｙ₀）は、測定できるの
が、振幅｜ｇ（ｘ₀，ｙ₀）｜であり、ｇ（ｘ₀，ｙ₀）の
位相情報は失われる。そこで、この位相を図３に示す手
順で取り戻す。

【００３０】まず、失われた位相に対して、ランダム値
を代入してｇ’（ｘ₀’，ｙ₀’）を計算する（Ｓ１）。
次に、ｇ’（ｘ₀’，ｙ₀’）より、ｇ（ｘ₀，ｙ₀）を計
算する（Ｓ２）。Ｓ２で得られたｇ（ｘ₀，ｙ₀）の位相
と元の振幅｜ｇ（ｘ₀，ｙ₀）｜より、ｇ’（ｘ₀’，
ｙ₀’）を計算する（Ｓ３）。次に、得られたｇ’
（ｘ₀’，ｙ₀’）を用いてｇ（ｘ₀，ｙ₀）を計算する
（Ｓ４）。そして、ｇ’（ｘ₀’，ｙ₀’）の振幅と位相
が１％以内の変化かを判定する（Ｓ５）。この判定で、
ＮＯの場合は、解が収束していないため、Ｓ３に戻り、
Ｓ４の判定でＹＥＳになる（収束する）まで、計算を繰
り返す。このようにして、位相情報を取り戻すことがで
きる。

【００３１】

【実施例】Ｃｚ−Ｓｉ（１００）ウェファを用い、７５
０゜Ｃで４時間アニールし、連続して９５０゜Ｃで６時
間から１８時間アニールを行ったものと、１０５０゜Ｃ
で８時間から６４時間アニールしたものを被測定試料１
０として使用した。また、ビジコンカメラ３０として、
商品名ＨＡＭＡＭＡＴＵＣ−１０００赤外ビジョンカ
メラを使用した。このビジコンカメラ３０は、光電面の
サイズ１０×１０ｍｍ，画素数５１２×５１２であっ
た。ＸＹＺステージ１２を調整することで、散乱体のイ
メージが画像の中心になるように移動した。そして、Ａ
Ｄコンバータ４０で８ビットのデジタルデータに変換
し、これを４０×４０画素のサイズでコンピュータ５０
に取り込む。そして、上述のような演算処理を行い、散
乱体の形状を算出し、これをモニタ５２に表示した。な
お、散乱体とレンズの距離は、光電面が焦点となる位置
に比べ、３０μｍ増加した距離としておいた。

【００３２】このようにして、ビジコンカメラ３０で得
られた像から、散乱体像が得られる。そこで、得られた
散乱体像に基づいて、近似しない式を使用して、回折像
を計算してみた。計算によって得られた回折像は、ビジ
コンカメラで得られた像とよく一致しており、計算によ
り求められた散乱体像が正しいことが確認された。

【００３３】各種のアニール後の被測定試料について、
測定を行い、散乱体像を得た。得られた散乱体像は、（ｉ）円形状、同心円状、平行四辺形状（ｉｉ）六角形状（中心に強い散乱体を含む）（ｉｉｉ）正方形のように類別された。

【００３４】このような散乱体像は、被測定試料１０の
アニールの温度、アニール時間等によって異なり、その
大きさな数１０ｎｍ〜１μｍであった。しかし、いずれ
の場合においても得られた散乱体像は、ＴＥＭによる観
測結果と一致していた。

【００３５】例えば、平行四辺形状の析出物は、アニー
ル温度９５０゜Ｃだけで観測でき、約１００ｎｍの大き
さであった。また、アニール時間を長くすると、散乱体
は約１００ｎｍから１μｍの大きさにまで成長し、強い
散乱体を中心に持った。

【００３６】これより、本実施形態の装置が、Ｓｉ結晶
のアニールによって生じる酸化析出物等の微小欠陥の形
状観測に、ＴＥＭと同様に使用できることが分かった。
特に本実施形態の装置によれば、被測定試料を非破壊お
よび非接触で観察できる。また、測定が環境に影響され
ることもない。従って、欠陥の状態を乱すことなく観察
が行える。

【００３７】「その他の構成」本実施例により得た散乱
体像は、そのエッジがシャープでない。これは、ｆ（ｘ
_i，ｙ_i）の計算をする際に、サンプリングしたデータを
回折像の４０×４０画素に限定したためと、計算の根拠
となる画素間隔が十分小さくなかったからと考えられ
る。サンプリング数を大きくし、計算の根拠となる画素
間隔を小さくすることによって、よりシャープな散乱体
像が得られると考えられる。

【００３８】さらに、この計算において、散乱光が被測
定試料から空気中に射出する際の屈折の効果を考慮して
いない。よって、散乱体のサイズが実際のサイズと多少
異なったものと考えられる。光散乱トモグラフ装置は、
９０゜散乱の測定装置を利用している。従って、図４に
示す各点からの散乱光は、ｘ方向とｚ方向に位相差を生
じる。

【００３９】得られたｆ（ｘ_i，ｙ_i）の位相から、ｘ方
向の位相を引くことにより、ｚ方向の位相分布が得られ
る。従って、散乱体の高さ方向（ｚ方向）の情報が得ら
れる。そこで、このｚ方向の位相情報と、射出光に対す
る屈折の影響を考慮することにより、より正確な形状
（特にサイズ）を得ることができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光散
乱トモグラフによれば、検出を非破壊、非接触で行うこ
とができる。また、環境の影響も受けずに測定が行える
ため、結晶の欠陥などの被測定試料中に存在する散乱体
の形状をその状態を乱すことなく検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の装置の全体構成を示す図である。

【図２】回折波面と散乱体形状の関係を示す図であ
る。

【図３】位相情報検出のフローチャートである。

【図４】散乱光の位相差を示す図である。

【符号の説明】

１０被測定試料、１２ＸＹＺステージ、２０レー
ザ光源、３０ビジコンカメラ、４０ＡＤコンバー
タ、５０コンピュータ、５２モニタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定試料中に存在する散乱体の形状を
検出する光散乱トモグラフ装置であって、被測定試料に光線を照射する光照射手段と、被測定試料により散乱された散乱光を集光する光学手段
と、この光学手段からの光を非焦点下で検出する検出手段
と、この検出手段で検出した散乱像に基づいて、散乱体の形
状を演算算出する演算手段と、を有することを特徴とする光散乱トモグラフ装置。
【請求項２】請求項１に記載の装置において、上記演算手段は、散乱像をフーリエ変換して散乱体の形
状を演算算出することを特徴とする光散乱トモグラフ装
置。
【請求項３】請求項１または２に記載の装置におい
て、上記被測定試料中に存在する散乱体は、結晶中に存在す
る析出物であることを特徴とする光散乱トモグラフ装
置。
【請求項４】被測定試料中に存在する散乱体の形状を
検出する光散乱トモグラフ観察方法であって、被測定試料に光線を照射し、被測定試料から散乱される散乱光の像を非焦点下で得、得られた像について、フーリエ変換を施し、被測定試料
中に存在する散乱体の形状についての像を得ることを特
徴とする光散乱トモグラフ観察方法。