JPH11295233A - パーティクル検査装置 - Google Patents

パーティクル検査装置

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JPH11295233A
JPH11295233A JP10099018A JP9901898A JPH11295233A JP H11295233 A JPH11295233 A JP H11295233A JP 10099018 A JP10099018 A JP 10099018A JP 9901898 A JP9901898 A JP 9901898A JP H11295233 A JPH11295233 A JP H11295233A
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8806Specially adapted optical and illumination features

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】厚み方向の情報を得て表面異物の検査精度を上
げる。 【構成】 2波長のレーザー源6,7を用いて、表面異
物31の存在と厚み方向の情報例えば膜中異物32の存
在とを2波長のレーザーの反射量により連立式により割
り出し、表面異物の検査精度を向上させる。2波長レー
ザーの反射量を別々に測定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、半導体回路形成用
基板のパーティクル検査装置に関し、特に、基板中の異
物の深さ方向の第2異物の存在をその表面上の第1異物
から区別して両方の情報例えばそれらの粒径を知ること
ができるパーティクル検査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の高集積化に伴い、配線パタ
ーン、ゲートパターン等の微細化が要請されている。パ
ターン上に異物があると、その異物によるパターン間の
電気的接合(ショート)、その異物による層間絶縁膜の
平坦性が悪化して上層パターンの断線等の事故が発生す
る。
【0003】半導体装置の高集積化に伴い、これまでは
問題視していなかった微少の異物でも、断線等の事故の
発生に厳しく影響する。このような影響の現れを阻止す
るために、より微少な異物の検出を可能にする検査方法
が求められている。より微少な異物の検出のためには、
より波長の短いレーザーを使用すればよい。例えば、A
rレーザーは、0.1μmの粒子の検出が可能である。
しかし、Si基板上にSiO2、SiNのような膜があ
ると、レーザーの膜による反射、吸収、屈折のために、
異物からの散乱反射光の量はその膜からの散乱反射光の
量に隠されてしまい、即ち、その膜からの散乱反射光の
量がノイズになってしまうので、高精度の異物検査を行
うことが困難になっている。
【0004】異物に基づく集光量の最大電圧をV1で表
しノイズによる最大電圧をV2で表すと、V1/V2が
1より大きくならなければ、ノイズと異物との区別がで
きない。この値は、現実的には3以上であることが好ま
しい。このような現実に対応するためには、膜厚、膜の
材料に対応して、レーザー波長を変えることが要請され
る。しかし、レーザー波長を変えるだけでは、膜厚、膜
の材料により吸収率、反射率が異なるという問題に対処
できない。
【0005】波長を短くするとウエハ表面部を形成する
シリコン膜の透過光量が急激に減少することがあり、膜
中の欠陥の存在を検出することができなくなる。膜圧、
粒子径の2変数により影響される散乱光強度から微小な
粒径の粒子の存在を確かに知るためには、少なくとも2
波長の検出用のレーザを用いる必要がある。そのような
2波長レーザ用いた粒子検出方法が、特開平6−140
85号により知られている。
【0006】この公知方法は、膜厚の変動に基づく干渉
によるウエハ表面の異物の検査精度の劣化を防止するこ
とができる。しかし、この方法は、膜厚の変動に対処し
た情報を得ることができるが、膜中の深さ方向のデータ
を得ることができない。膜厚変動よりも重要なデータ
は、膜中の異物例えば膜中の欠陥である空孔の存否であ
る。このような空孔からの光散乱は局所的であるが、そ
の強度が大きいために、膜厚変動よりもより重要な検査
対象である。空孔からの光散乱が起きる場合は、膜厚情
報は実質的には得られない。膜厚情報を削除して表面部
の異物の存在を確実に知ることができる検査方法が求め
られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
技術的背景に基づいてなされたものであり、本発明の目
的は、膜中異物の情報を得て表面部の異物の検出を確実
に行うことができるパーティクル検査装置を提供するこ
とにある。
【0008】本発明の他の目的は、膜厚方向の情報を削
除して表面部の異物の検出を確実に行うことができるパ
ーティクル検査装置を提供することにある。
【0009】本発明の更に他の目的は、膜中異物と膜表
面異物の両方の検出を確実に行うことができるパーティ
クル検査装置を提供することにある。
【0010】本発明の更に他の目的は、膜中異物の情報
を得て0.1μm以下の表面異物を検出することができ
るパーティクル検査装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明によるパーティク
ル検査装置は、第1レーザーの発振源である第1レーザ
ー源と、第2レーザーの発振源である第2レーザー源
と、その第1レーザーとその第2レーザーを半導体回路
形成用基板の同一点に照射するための光学系と、その第
1レーザーの波長とその第2レーザーの波長とが異なり
その基板からの第1レーザーの反射量と第2レーザーの
反射量を測定するための反射量測定手段とからなるパー
ティクル検査装置であり、その基板は基板本体とこれに
形成された形成膜とからなり、その反射量測定手段は、
その形成膜の上面の第1異物及び第2異物により散乱さ
れる第1レーザーの第1レーザー散乱光量とその形成膜
の中の第2異物により散乱される第2レーザーの第2レ
ーザー散乱光量をそれぞれに測定する測定手段とを備
え、更に、その第1レーザー散乱光量とその第2レーザ
ー散乱光量とを既知値とし、第1異物により散乱される
散乱光量と第2異物により散乱される散乱光量を未知数
とする連立方程式からそれらの未知数を計算により概ね
割り出す計算器とからなるものである。
【0012】その反射量測定手段は、第1レーザーの反
射量のみを測定する第1測定手段と第2レーザーの反射
量のみを測定する第2測定手段とを備え、その第1測定
手段とその第2レーザーの反射量のみを測定する第2測
定手段とは別個に設けられていることが、検査速度を速
くする点で好ましい。また、計算器は第2異物の深さ方
向の情報を計算することができることが、膜厚変動によ
る影響を少なくする点で特に好ましい。
【0013】半導体形成用基板の表面異物検査は、膜厚
変動、膜中異物の情報を得なければその検査精度が劣化
する。膜厚変動による光反射量の変動が膜中異物の存否
による変動よりも少なくなるように、膜厚形成技術の改
良を行うことが容易であるから、膜中の欠陥である異物
の検出が重要な課題であり、本発明はこの課題をよりよ
い検査精度で解決することができる。
【0014】用いるレーザーのうち少なくとも一方のレ
ーザーの波長が短くなればより粒径が小さい表面異物の
検査が可能になる。この場合、波長が短くなれなるほど
膜中吸収率が高くなる性質の利用により、膜表面の情報
を確実に得ることができるので、膜厚変動による誤情報
を削除することができる。例えば、用いる2つのレーザ
ーのうちの一方のレーザーの波長の値は、第1異物の粒
径の値よりも小さく、好ましくは、そのレーザー波長は
第1異物の粒径の4分の1以下であることが好ましい。
【0015】
【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照して本発
明のパーティクル検査装置を説明する。 図1、本発明
の第1の実施形態によるパーティクル検査装置を示して
いる。移動体1は、X−Y駆動手段2により2次元面上
で任意の位置に移動することができる。移動体1上に半
導体回路構成用基板3が、固定され支持されている。半
導体回路構成用基板3は、基板4と基板面上に形成され
たシリコン膜5とから形成されている。シリコン膜5
は、酸化シリコン、窒化シリコンなどにより形成されて
いる。
【0016】レーザー源は、短波長レーザー源6と長波
長レーザー源7とから構成されている。短波長レーザー
源6から取り出されるレーザーの波長は、長波長レーザ
ー源7から取り出されるレーザーの波長よりも短い。慣
用されるレーザー源の波長は、337nm、488n
m、532nm、810nm等が知られている。短波長
レーザー源6と長波長レーザー源7からそれぞれに取り
出される第1レーザービーム8と第2レーザービーム9
は、透過型反射鏡11により1光束の合成ビーム12に
合成される。
【0017】透過型反射鏡11としては、慣用のビーム
スプリッッタを用いることができる。第1レーザービー
ム8は透過型反射鏡11をそのまま透過し、第2レーザ
ービーム9は透過型反射鏡11で全反射する。短波長レ
ーザー源6と透過型反射鏡11との間には、第1焦点調
整レンズ13が介設されている。長波長レーザー源7と
透過型反射鏡11との間には、第2焦点調整レンズ14
が介設されている。合成ビーム12は、シャッタ15を
透過して通過するがシャッタ15が動作して閉じられて
いる間は、シャッタ15を通過しない。
【0018】合成ビーム12は、シリコン膜5にその上
面に直交して入射する。合成ビーム12は、入射点又は
点状の入射領域P(以下入射点という)で集光される必
要はないが、数十μm程度の断面積を持つように集光す
ることはできる。集光の程度は、第1焦点調整レンズ1
3と第2焦点調整レンズ14のそれぞれの位置移動によ
って調整することができる。
【0019】点Pで乱反射した乱反射光のコーン状の乱
反射束は、入射点Pをドーム型に囲むように端部が設け
られた多数の光導波管(光ファイバー)17に入射され
る。多数本の光導波管は、1束として集合体を形成して
いる。
【0020】全ての光導波管17の他端部は、光伝送管
18に光学的に接続されている。光導波管17に入射す
る入射光は、光伝送管18に侵入する。光伝送管18
は、光電子増倍管19に接続されている。即ち、光導波
管17に入射した光は概ねその全量が、光伝送管18の
光電面に入射することになる。
【0021】光電子増倍管19と光伝送管18との間に
分光器21が介設されている。分光器21は、波長が異
なる第1レーザと第2レーザーを空間的に分離すること
ができる。分光器21としては、例えば、プリズムを用
いることができる。分光器としては、プリズム以外にも
各種のものが知られ、例えば、波長分離用格子、共振用
平行平面板を用いることができる。光電子増倍管19
は、第1光電子増倍管22と第2光電子増倍管23とか
ら構成されている。分光器21で分離された第1レーザ
ーと第2レーザーは、それぞれに第1光電子増倍管22
と第2光電子増倍管23に入射する。
【0022】第1光電子増倍管22と第2光電子増倍管
23は、これらに入射する光量にそれぞれに比例する第
1電圧信号24と第2電圧信号25を出力することがで
きる。第1電圧信号24と第2電圧信号25は、CPU
26に入力される。CPU26は、演算回路27を備え
ている。CPU26とシャッタ15との間に、シャッタ
駆動手段28が介設されている。
【0023】CPU26は、これに入力されるプログラ
ムに従って、X−Y駆動手段2をデジタルに駆動する。
またCPU26は、その1回の駆動に対応させてシャッ
タ駆動手段28を動作させ、シャッタ15の一定時間の
1回の開動作を指示する。
【0024】図2は、合成ビーム12が集光されシリコ
ン膜5に入射して正反射し又は乱反射する様子を示す幾
何光学図である。この図は、シリコン膜5の表面に異物
である異物微粒子31が付着し、シリコン膜5中に欠陥
である空孔粒子32が存在する場合を示示している。
【0025】合成ビーム12は、空気と酸化シリコンの
シリコン膜5との第1境界面で正反射する第1正反射光
12aと、その境界面で屈折してシリコン膜5中で入射
しシリコン膜5と基板4との第2境界面で正反射し第2
反射面で再度屈折し空気中で進行する第2正反射光12
bと、異物微粒子31で乱反射する第1乱反射光12c
と、空孔粒子32で乱反射する第2乱反射光12dとに
分かれる。
【0026】シリコン膜5の膜厚は、一定であると仮定
する。パルスである合成ビーム12の光量2Qは、一定
である。光量2Qは、第1レーザー光量と第2レーザー
光量との和である。第1レーザー光量と第2レーザー光
量は等しいものとする。第1レーザーの第1境界面での
反射率K1と第2レーザーの第1境界面での反射率K2
とは異なる。
【0027】第1レーザーが第1境界面で反射する光量
Q1は概ね一定であり、Q1=K1Q。第2レーザーが
第1境界面で反射する光量Q2は概ね一定であり、Q2
=K2Q。第1正反射光12aの光量も第1乱反射光1
2cの光量も一定である。シリコン膜5中では、第1レ
ーザーの減衰率L1と第2レーザーの減衰率L2は異な
る。
【0028】第1レーザーがシリコン膜5中を通ってシ
リコン膜5から出る光量Q3は概ね一定であり、Q3=
L1(Q−K1Q)=L1Q(1−K1)。第2レーザ
ーがシリコン膜5中を通ってシリコン膜5から出る光量
Q4は概ね一定であり、Q4=L2(Q−K2Q)=L
2Q(1−K2)。異物微粒子31で乱反射する第1レ
ーザーの光量Q5をX1で表し、異物微粒子31で乱反
射する第2レーザーの光量Q6をX2で表す。
【0029】空孔粒子32で乱反射する第1レーザーの
光量Q7をY1で表し、空孔粒子32で乱反射する第2
レーザーの光量Q8をY2で表す。第1レーザーのシリ
コン膜5中での可変減衰率をV1で表し、第2レーザー
のシリコン膜5中での可変減衰率をV2で表す。シリコ
ン膜5から出る第1レーザーの光量は、V1Y1であ
る。シリコン膜5から出る第2レーザーの光量は、V2
Y2である。第1光電子増倍管22と第2光電子増倍管
23とで測定される第1レーザーの光量と第2レーザー
の光量をそれぞれに、Q1とQ2で表すと、以下の連立
式が得られる。 Q1=K1Q+L1(Q−K1Q)+X1+V1Y1. Q2=K2Q+L2(Q−K2Q)+X2+V2Y2.
【0030】ここで、光量X1と光量X2は、比例定数
kを用いれば、X1=kX2、光量Y1と光量Y2は比
例定数sを用いて、Y1=sY2。その連立式中の変数
は、X1とY1のみである。従って、測定値Q1とQ2
を連立式に代入すれば、異物微粒子31と空孔粒子32
で反射して第1光電子増倍管22と第2光電子増倍管2
3とに入射する第1レーザーの光量と第2レーザーの光
量とが計算により求めることができる。
【0031】空孔粒子32で乱反射する光量V1Y1と
光量V2Y2は異なる。次式、 Z=ln(V1Y1/V2Y2)=ln(sV1/V
2) で定義される無次元量Zは、深さに対応する減衰率V1
とV2により表される値であるから、この無次元量Zは
空孔粒子32のシリコン膜5中での深さを示す情報であ
る。このように異物微粒子31と空孔粒子32が同時に
存在していても、2波長光束を用いることにより、シリ
コン膜5の表面の異物とシリコン膜5中の欠陥の存在を
区別して知ることができ、しかも、その欠陥の深さをも
知ることができる。
【0032】更に、計算により求められる反射量X1と
Y1から、異物及び欠陥の粒径を知ることができる。即
ち、反射量は、粒径から光散乱理論により計算される。
膜厚が一定でない場合でも、3波長光束を用れば、連立
式は3式から構成され、膜厚情報が得られ、欠陥と異物
の両方の存在及びそれらの粒径を区別して知ることがで
きる。
【0033】シリコン膜5の完全鏡面でない表面で乱反
射する表面乱反射量は、反射率と屈折率が大きい場合に
多くなる。異物による乱反射量よりもノイズである表面
乱反射量が多すぎる場合は、検査精度が低下する。この
ような場合は、表面乱反射量を少なくするために、より
長い波長のレーザーを用いることが好ましい。
【0034】レーザーの波長を短くしたためシリコン膜
5の内部吸収量が多くなれば、表面近くの情報しか得ら
れなくなり、深さ方向の情報を削除することが可能であ
る。波長が長くなれば、検出可能な粒子の粒径は大きく
なる。一般に、パーティクルの存在は、図3に示すよう
に、その粒径が波長の4分の1程度であれば、明瞭に検
出することができる。
【0035】このため、Si上では、0.1μm径の異
物は、波長が488nmであるArレーザーを用いるこ
とが好ましい。波長が337nmであるN2レーザーを
用いれば、0.1μm以下の粒径の異物の検出が可能で
ある。各種の波長のレーザーを用いて散乱量を制御する
ことにより、検査精度を上げることができる。1.3μ
mのレーザーはSiを透過する。
【0036】810nmのレーザーは5μm程度の深さ
で吸収されてしまい、532nmのレーザーは0.5μ
m程度の深さで吸収されてしまうので、深さ方向の情報
を知るためには波長を長くする必要がある、波長がより
長いとより微少な粒径の異物を検出することが困難であ
る。
【0037】2波長レーザーのそれぞれの波長を変更す
ることにより、検査精度を上げることができる。即ち、
2波長レーザーの使用は、深さ方向の情報を得ることが
できるだけではなく、検査精度を向上させることができ
る。また、使用するレーザーの波長が長い場合シリコン
膜5中の欠陥の情報を取り込む。
【0038】その波長を短くしてシリコン膜5中の欠陥
の情報を削除することにより、表面の異物のみの検査を
行って表面異物の検査精度を上げることができる。この
ように、第1レーザーの波長の変更と第2レーザーの波
長の変更とを同時に行うことにより、表面異物と内部異
物の存在及びそれらの粒径を知る検査の精度を向上させ
ることができる。
【0039】図4は、集光手段の他の実施の形態を示し
ている。図に示す集光手段は、多数の小さい集光レンズ
41が用いられている。多数の集光レンズ41は、合成
ビーム12の入射点Pを中心とする球面上に配置されて
いる。それぞれの集光レンズ41の光軸は、入射点Pを
通過する。
【0040】1体の集光レンズ41に対応して1束の光
導波管束42が配置されている。光導波管束42は、1
本又は複数本の光導波管の集合束である。各導波管の端
部の中心線は、点Pを通るように向きつけられている。
集光レンズ41に入射したレーザーを分光器21へ導く
手段は、図1で説明した手段に同じである。
【0041】図4は、集光レンズ41の焦点距離が異な
る2例を示している。集光レンズ41を通過した乱反射
光が平行化される場合と集光レンズ41を通過した乱反
射光が光導波管束42に向かって集光される場合とが示
されている。
【0042】第1レーザーと第2レーザーのシリコン膜
5上への照射は、別々にすることができる。この場合、
シャッタ15を外して改めて独立に動作する2体のシャ
ッタ(図示せず)を第1レーザービーム8の光路と第2
レーザービーム9の光中に介設する。2体のシャッタ
は、シャッタ駆動手段28により独立に開閉動作させら
れる。この場合、分光器21は不要であり、光電子増倍
管19は1つでよい。3波長レーザーを用いれば、膜厚
情報を得ることができるのでより検査精度が向上するこ
とはいうまでもない。なお、3波長、4波長のレーザー
から選択的に2波長のレーザー又は3波長のレーザーを
選んであるいは選択の切り替えを行って、深さ、膜厚の
情報の精度を上げることができる。
【0043】散乱光量を測定する測定手段は、光量検出
手段である電子増倍管と光量検出手段光に散乱光を集め
て伝送する伝送手段と散乱光を捕捉する捕捉手段とから
なる。その捕捉手段として集光用レンズと光ファイバー
の組み合わせが例示されたが、集光用レンズは必要では
ない。その捕捉手段は、例えば、球面上に各開口面が配
置される光ファイバー束だけで形成することができる。
光電子増倍管の受光面を球面状に形成してその面で直接
に散乱光を受けるようにすれば、光伝送管(光ファイバ
ー)を用いる必要はない。
【0044】
【発明の効果】表面上の異物の検査精度が向上する。例
えば、(1)成膜ウエハーでも0.1μmの異物を検査
することが可能となる。その理由として、2波長のレー
ザーの内1つを488nmより短くすることで0.1n
mの異物を検出する事が可能となる。また例えば、
(2)膜表面の荒れより発生するノイズについては他の
波長レーザーの乱反射からは波長が長いため表面による
乱反射量が少なくなるため、2波長の乱反射量の差より
ノイズを削除する事が可能となる。膜のみの異物を検査
することが可能となる。その理由として、2波長のレー
ザーにより、膜による散乱の減衰量から深さ方向のデー
ターを収集することが可能となる。たとえば1.3μm
のレーザーの場合、Siを透過するが、810nmでは
5μm,532nmでは0.5μm程度の深さで吸収さ
れてしまう為、深さ方向の情報を知るためには波長を長
くする必要があるが微少の粒径の異物を検査できないこ
とになる。 このように2波長を使用することで異物の
深さ方向を調べ、また波長を短くすることで深さ方向の
情報を減らしSi基板内の欠陥を削除することが可能と
なり、膜の情報のみとなり、異物検査の信頼性を上げる
ことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明によるパーティクル検査装置の
実施の形態を示す光学系のブロック図である。
【図2】図2は、波長と光散乱との関係を示す光学図で
ある。
【図3】図3は、他の集光手段を示す断面図である。
【図4】図4は、他の集光手段を示す断面図である。
【符号の説明】
3:半導体回路構成基板 4:基板 5:シリコン膜 6:短波長レーザー源(第1レーザー源) 7:長波長レーザー源7(第2レーザー源) 19:光電子増倍管 22:第1光電子増倍管 23:第2光電子増倍管 26:CPU(計算器) 31:異物微粒子(第1異物) 32:空孔(第2異物、欠陥)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1レーザーの発振源である第1レーザー
    源と、 第2レーザーの発振源である第2レーザー源
    と、 前記第1レーザーと前記第2レーザーを半導体回
    路形成用基板の同一点に照射するための光学系と、 前
    記第1レーザーの波長と前記第2レーザーの波長とが異
    なり前記基板からの前記第1レーザーの反射量と前記第
    2レーザーの反射量を測定するための反射量測定手段と
    からなるパーティクル検査装置において、 前記基板は
    基板本体と前記基板本体に形成された形成膜とからな
    り、 前記反射量測定手段は、 前記形成膜の上面の第1異物により散乱される前記第1
    レーザーの第1レーザー散乱光量と前記形成膜の中の第
    2異物により散乱される前記第2レーザーの第2レーザ
    ー散乱光量をそれぞれに測定する測定手段とを備え、 更に、前記第1レーザー散乱光量と前記第2レーザー散
    乱光量とを既知値とし、前記第1異物により散乱される
    散乱光量と前記第2異物により散乱される散乱光量を未
    知数とする連立方程式から前記未知数を計算により概ね
    割り出す計算器とからなるパーティクル検査装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のパーティクル検査装置お
    いて、 前記反射量測定手段は、前記第1レーザーの反
    射量のみを測定する第1測定手段と前記第2レーザーの
    反射量のみを測定する第2測定手段とを備え、 前記第
    1測定手段と前記第2レーザーの反射量のみを測定する
    第2測定手段とは別個に設けられていることを特徴とす
    るパーティクル検査装置。
  3. 【請求項3】請求項1に記載のパーティクル検査装置お
    いて、 前記計算器は前記第2異物の深さ方向の情報を
    計算することができることを特徴とするパーティクル検
    査装置。
  4. 【請求項4】請求項1に記載のパーティクル検査装置お
    いて、 前記第1レーザーの波長の値は前記第1異物の
    粒径の値よりも小さいことを特徴とするパーティクル検
    査装置。
  5. 【請求項5】請求項1に記載のパーティクル検査装置お
    いて、 前記第1レーザーの波長の値は前記第1異物の
    粒径の値よりも小さく、前記第2レーザーの波長の値は
    前記第1異物の粒径の値よりも大きいことを特徴とする
    パーティクル検査装置。
  6. 【請求項6】請求項1に記載のパーティクル検査装置お
    いて、 前記第1レーザーの波長の値は488nmより
    も短いことを特徴とするパーティクル検査装置。
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