JPS60224044A - 光ヘテロダイン干渉法による表面検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザを用いた光ヘテロダイン干渉法による鏡
面状物体の表面のゴミあるいはキズ等を検出計測する表
面検査装置に関するものである。

〔発明の背景〕

現在半導体製造技術の進歩により、ＩＣの集積度は年々
増加し、それにつれて加工寸法が微細となり、ウエノ・
−表面に付着しているゴミ、あるいはウェハー表面のキ
ズ等がＩＣパターンの欠陥の主要因となっているため、
鏡面のウエノ・−上のゴミあるいはキズを光学的に非接
触で高精度に測定する必要がある。

〔従来技術と問題点〕

鏡面ウェハー上にあるゴミ、キズ等の異物等にレーザ光
を照射すると、反射光は異物の形状、大きさ、光学的性
質に応じて一部は吸収又は透過し、他の一部は散乱する
。この散乱光の強度は散乱角度や方向によって変化する
が、反射光の受光強度と異物の大きさの間には相関があ
り、反射光から得られる検出信号によってその大きさの
概略を知ることができる。

従来性なわれてきた表面検査装置は上記原理に基らきウ
ニ・・−上をレーザ光で走査し、反射光の光強度を検出
し、その検出信号と、予め粒径のわかっている標準粒径
に対する光強度の検出信号とを比較することによって異
物の大きさを判断している。

しかし上記の方法に基づ〈従来の表面検査装置では、■
測定が比較測定であること、■微小量の検出感度が悪い
こと、■ゴミとキズの判定がつきに（い、等の種々の欠
点がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記欠点を解消し、表面のゴミ、キズによる凹
凸判定もふくめた高感度な表面検査装置を提供するもの
である。

〔発明の構成〕

本発明の構成は、光ヘテロダイン干渉法による干渉信号
の位相データの正・負の符号の変化によりゴミ及びキズ
の判定を行ない、前記位相データの値によりその大きさ
を検出するものである。

〔発明の実施例〕

近年光ヘテロダイン干渉法はその高感度計測の故に各方
面で用いられるようになった。

光ヘテロダイン干渉は２つの異なる周波数成分を持つ光
を干渉させて、その強度を光電変換して、差の周波数の
ビート信号を得る方法である。

例えば周波数ｆ１、ｆ２の光波をＥ、、Ｅ２とすれば Ｅｔ　Ｉ）　＝ＡＩ　（ｔｌｃｏｓ　（２πｆ、　ｔ＋
グ＋　（１＋　）Ｅｚ（ｔ）二Ａ　２　（ｔ）ＣＯ３（
２πｆ２ｔ＋ダ２　ｆｔ）　）ここで、Ａ、、Ａ２は振
幅、Ｓ、、Ｕ２は位相を示す。

この２つの光波を干渉させると、その強度Ｉ　（ｔ）Ｉ
　（ｔ）　＝　Ｉ　ｇｌ（ｔ）＋　Ｅ２（ｔｌ　Ｉ　２
　となる、これを光検出器で電流ｉ　（ｔ）に変換する
と１（ｔｌ”Ａ、　２＋Ａ２”　＋２Ａ、Ａ２Ｃ０３（
２ｙｒΔｆｔ＋Δ５ｄ）但し　Δｆ＝ｆ、　−ｆ２、７
戸−戸、−ダ。

なる電気信号が得られる。

ここでΔｆは１０５〜１０”Ｈｚのオーダーで十分に電
気的検出が可能で、このビート信号の周波数、位相の変
化を検出することにより、もとの光波が持っている光の
周波数領域での情報を高精度に取り出すことができる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図に本発明の一実施例である表面検査装置のブロッ
ク線図を示す。

Ｈｅ−Ｎ　ｅレーザ管あるいは半導体レーザ等によるＶ
−ザ発振部１００から放射された周波数ｆＯをもつ１本
の光ビーム１０１は音響光学素子（Ａ−０）１０３に入
射される。Ａ−０１０３は少なくともｆｍなる周波数の
正弦波発振器１１１を人力とするＡ・０ドライバー１１
２によって超音波進行波をその内部に発生させ、光と超
音波の相互作用により光ヘテロゲイン干渉の基礎となる
周波数の異なる２本の光ビーム１０４及び１０５の２ビ
ームを発生させる。なお光線１０９は非回折光で計測に
は用いない光である。

ここでＡ・０ドライバー１１２は一般に電圧制御発振器
（ＶＣ’Ｑ）、平衡変調器、高周波パワーアンプ等から
構成され、超音波駆動信号の周波数ｆａ酸成分対して、
ｆａ−ｆｍ及びｆ　ａ　＋’　ｆ　ｍなる周波数成分を
持つ信号を発生させ、Ａ−０１０６内部を透過する光の
周波数シフトを行なうもので、光ビーム１０４はｆ　ｏ
　＋　ｆ　ａ　十ｆ　ｍ、光ビーム１０５はｆｏ、＋ｆ
ａ＋ｆｍなる周波数を持ち、その差の周波数は２ｆ、ｍ
である。

但し、周波数ｆａは前記（ＶＣＯ）によって作られる信
号である。

ここで光ビーム１０４及び１０５の間の距離は周波数ｆ
ｍに比例する。光ビーム１０４及び１０５の２つの光線
をひとつの単位としてグローブ光線となし、該プローブ
光線を２つの方向に分割する。

１０２は偏光ビームスプリッタ−及び１／４波長板から
構成される光アイソレータで、Ａ・０１０３と測定する
物体面１０７０間に設置する。

１０８は物体面１０７を移動させる移動ステージである
。

２つの光ビーム１０４及び１０５は光アイソレータ１０
２で２つの方向に分割する。一方は物体面１０７に照射
しない参照光１０４′、１０５となし、他方は集光用レ
ンズ１０６を通して物体面１０７に照射する。物体面１
０７からの反射光を再び集光用レンズ１０６を通して光
アイソレータ１０２により再び進路を曲げ物体反射光１
２０．１２１とする。１２２及び１２６は参照光１０４
．１０５′及び物体反射光１２０．１２１の干渉を行な
わせる光電変換部で、例えばＰＩＮフォトダイオード及
び電流−電圧変換器等で構成され、ＰＩＮフォトダイオ
ードから得られたビート電流信号を電流−電圧変換する
。

ここで参照光１０４′、１０５′は被測定物体面の表面
情報をふくまず、物体反射光１２０及び１２１は光ビー
ムが照射されたポイントの表面情報をふくむ。ゴミ、あ
るいはキズ等により、２つの光ビームの間に光路差が発
生すれば、両者の位相が異なり、干渉されたビート信号
の位相の変化として現われてくる。

光電変換部１２２及び１２６の出力信号となる電圧信号
の直流成分なカットすれば、得られる交流電圧信号１２
４及び１２５は各々 Ａ１′Ｃ０５（２π・２ｆｍｔ十θ、）　及びＡ２’Ｃ
０５（２ｒｃ　−Ｚｆｍｔ十０２）　で表わされる。

θ１は参照信号の初期位相で一定量であり、θ２は物体
面１０７の表面凹凸量によって変化する量で、この差θ
２−θ１の変化を検出すればよい。

１１４は位相比較器で参照光光電変換部１２２と物体反
射光光電変換部１２３からの信号相互の位相差を検出す
る。位相θ１、θ２の絶対値は意味がなく、θ２−θ１
の変動のみが意味のある量である。

２ビーム光１０４及び１０５が平らな面に照射され、光
路差が生じなくθ＝θ２−θ１−０の点を基準にすると
、θ。なる位相差があるときの表面の凹凸量の深さ方向
のＺは　Ｚ二λ・θ０／４π　で表わされる。

但しλはレーザ光線の波長である。例えばλ＝０．６３
２８ミクロンメートルとしたとき、位相差１°当りＺ二
８．８オングストロームである。

１２６は位相比較器で得られたデータの演算を行なうデ
ータ処理部である。

データ処理部１２６は位相データ（θ２−θ、）の符号
の変化に応じて表面状態が凹であるか凸であるかを判定
し、その位相の変化から凹又は凸の大きさを決定する。

第２図は表面状態と位相の符号の関係を示す模式図であ
る。

第２図（ａ）は鏡面ウエノ・−上にゴミが付着している
場合の表面状態を示す断面図、第２図（ｂ）は第２図（
ａ）を測定したときの位相データを表わす。

バーに付着しているゴミを表わす。

１０４及び１０５は前述の一組のプローブ光線で、スキ
ャン方向に対して光ビーム１０５が前進側にあるものと
する。さらに光ビーム１０５が光ビーム１０４に対して
図面上で上側、即ち光路長が短（なる場合を位相角θが
一ト側になるものとする。（（θ２−θ１　）〉０） 光ビーム、あるいは物体側２００をスキャンすると、ｔ
ｌ、ｔ２．１３、ｔ４の時刻において、０、十〇６、−
θ８．０と変化する位相データが得られ、■→ｅへ位相
角が変化するときはゴミであると判定する。

第２図（Ｃ）は鏡面ウエノ・−上にキズがある場合の表
面状態を示す断面図、第２図（ｄ）は絹２図（Ｃ）を測
定したときの位相データを表わす。

２０２は鏡面状ウェハーのキズであり、前述第２図（ａ
）の場合の説明と同様のスキャンを行なえば、第２図（
ｄ）に示す如きの位相データが得られ、ｅ→■へ位相角
が変化する場合はキズであると判定する。スキャンする
方向が逆になれば、位相符号の変化は前述と反対になる
。

以上述べた如く、測定される位相は物体面の微分値であ
るから、位相角を積分すれば、元の物体面の凹凸の量が
わかる。

測定される位相は前述の２ビーム光が照射されている点
の光路差によるものであるから、測定されるゴミ、キズ
等のスキャン方向の大キサハ、２ビーム光の間の距離及
びスキャンするステップの大きさによって影響される。

２ビーム光の間の距離は前述のｆｍ周波数及び光学系の
構成によって決まる量であり、１〜数１０ミクロンメー
トルの範囲で十分可変可能である。スキャンは移動ステ
ージ１０８等で被測定物を動かす方法と光ビームを動か
す方法がある。移動ステージ等で被測定物の側を動かす
場合には測定のサンプリング時間を十分に早くして、例
えば０．１ミクロンメートル毎に測定値を取り込むよう
にすれば０．１ミクロンメートルの大きさのゴミ、キズ
等も識別可能である。

またＡ・０１０６の光偏向作用を利用してＡ・０１０６
自体によって２ビーム光をスキャンしてもよい。

一般にＡ−０１０３による光偏向はｆｍ発振器１１１と
共に直流電圧発生器を用いて例えばＯ〜ＩＶまでの直流
電圧をＡ・０ドライバー１１２に印加してやり、電圧制
御発振器により５０〜９０ＭＨｚの高周波信号を作成し
、超音波信号に変換することによってなされ、偏向量は
上記周波数帯域及び光学系の構成によって決まるが、０
０５ミクロンメートルのステップで光偏向さすことは十
分に可能で、前述の移動ステージ１０８によるスキャン
よりはスキャン分解能がよい。

Ａ・０１０６による光偏向はスキャン範囲が狭＜数１０
０ミクロ７メートル程度であるため、予め移動ステージ
スキャンによって全体をスキャンし、表面凹凸による位
相角が変化する場所の座標を記憶させ、後にＡ・０１０
６によって前記記憶された場所を再度細かいスキャンス
テップで測定すれば、さらに正確な表面のゴミ、キズ等
による凹凸が測定される。

前述の実施例では位相角θ。が−π≦θ０≦πのきさに
ついての情報は得られない。

ゴミ、キズ等による表面凹凸が大きくて＋ｚ＋＞−Ｌと
なる様な場合は光散乱が大きく、従って物体反射光信号
のゲインが低下するため、ゲインの変動を検出すれば、
等制約に位相角の変動を例えば−２π≦θ０≦２πまで
広げることができる。

第３図は第１図に用いられる光ヘテロゲイン干渉の光学
系の詳細を示す模式図であり、１６０及び１６４はシリ
ンドリカルレンズで各々の焦点距離は１１　とする。１
６１及び１６２は平凸レンズで各々の焦点距離は１２と
する。１６６は偏光ビームスプリッタ−１１６５は１／
４波長板、１０６はレーザ集光レンズで焦点距離はｌ。

とする。

一般にＡ・０１０６は光と超音波の相互作用により、光
波の変調を行なうもので、Ａ・０１０６に入射する光の
ビーム幅は広いのが好ましいため、シー）ンド１】−ｈ
ルレンズＩＸｎ、］−平Ａレンズ１ス１の組み合せで幅
の広いだ円ビームを発生させる。

さらに直線偏光レーザを用いることにより、偏光ビーム
スプリッタ−１６６と１／４波長板１６５の組み合せか
ら参照光と物体光の分離を行なう。

光電変換部１２２及び１２６からのビーム信号１２４と
１２５は一般に振幅が異なり、位相比較器１１４にはで
きるだけ振幅が近い状態の電気信号を入力するのが好ま
しいため、照射する物体面１０７０反射率に応じて、例
えばレーザ管を回転させ直線偏光の軸を調整すればよい
。あるいは偏光板を回転させて直線偏光軸を回転しても
よい。

さらにビート信号１２４．１２５のＳ／Ｎ比を良（する
ため、偏光ビームスプリッタ−１６６は干渉光がだ円ビ
ームとなる場所に設置するのが好ましい。

第３図の実施例ではＡ・０１０６によって分離された２
つの光ビームは図示して（・ないが、実際には非常に接
近した２ビームに分離している。また非回折光は図から
省略している。

この２ビ一ム分離を与える周波数をｆ、　ｍとしたとき
、物体面上での分離距離ｄは で与えられる。

但し■はＡ・０１０６を伝わる超音波の速度である。し
かも■はＡ・０１０６の媒質で決まるもので、例えばＶ
＝＝　３．８’Ｋｍ／Ｓｅｃ、　ｌｌ　＝　１５　ｍｍ
、１１２＝５００ｍｍ１１１ａ　−＝７ｍｍとすれば、
ｆｍ＝１００ｋＨｚで、ｄ＝７ミクロンメートルである
。

また物体照射面でのビームスポット径は集光レンズ１０
６に入射されるビームの径（このときは円形ガウスビー
ムに変換されている）とレンズの焦点距離で。に関係す
るが、小さいビーム径及び２ビームの間かくｄをより小
さくするには、シリンドリカルレンズ１６４と焦光レン
ズ１０６の間にビームエクスパングーを入れればよい。

〔発明の効果〕

以上述べてきた実施例から明らかなように、本発明は位
相角の正・負の符号の変化からゴミ、キズ等に起因する
物体面の凹凸の判定が可能となり、その凹凸の高さ方向
あるいは深さ方向の量は測定された位相角の値を積分す
ることによってめられ、従来の方法に比べて高精度であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ヘテロダイン干渉法による表面
検査装置のブロック線図、第２図（ａ）は物体面上にゴ
ミが付着しているときの表面状態を示す断面図、第２図
（ｂ）は位相角の変化を表わすグラフ、第２図（Ｃ）は
物体面にキズがあるときの表面状態を示す断面図、第２
図（ｂ）は位相−の変化を表わすグラフ、第３図は第１
図に用いられる光ヘテロダイン干渉法の光学系の詳細を
示す模式図である。 １００・・・レーザ発振部、１０６・・・　音響光学素
子、１０４．１０５・・・・・・参照光、１０７・・・
・・物体面、１１４・・・・・位相比較器、１２０．１
２１・・・・・物体反射光、１２６・・・・・・データ
処理部。 特許出願人　シチズン時計株式会社 （。）　１２“　（ｂ） （Ｃ）（ｄ） 手続ネ１ｔｊＸ、１−−−Ｊ蓼：　（６式）昭和票年Ｓ
月３１日 特許庁長官　志賀　学　殿 １、事イ！１の表示 昭和５９年特　エ′１　願　第　０７９７７５　号２、
発明の名称 光ヘテロダイン干渉法にｊ；る表面検舎菰１１胃３、補
正をする者 事イ！ｌとの関係　特ｚ′［出願人 住所　東京都新仙′区西新宿２丁目１番１尼電話（０３
）３４２−１２３１ 昭和５９年　７月３１［巨発送日） ５、補正により増加づる発明の数 なし ６、補正の対象 昭和５９年特許願７９７７５号の明細書の第１６頁第１
２行目 ７、補正の内容 明ｍ吉の第１６頁第２行目「第２図（ｂ）」を［第２図
（ｄ）Ｊと補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ンーザ発振部から放射される光を音響光学素子により周
   波数の異なる２つの光線に分割し、該２つの周波数成分
   を有する２つの光線を被測定面である物体面に照射する
   光ヘテロダイン干渉法による表面検査装置において、前
   記音響光学素子から放射される周波数の異なる２つの光
   線をひとつの単位のグローブ光線となし、該グローブ光
   線を２つの方向に分割し、一方のグローブ光線は前記物
   体面に照射しない参照光となし、他方のプローブ光線は
   前記物体面に照射し、該物体面に照射された光の反射光
   を物体反射光となし、前記参照光を光電変換してビート
   信号を作成する参照光光電変換部と、前記物体反射光を
   光電変換してビート信号を作成する物体反射光光電変換
   部と、前記参照光光電変換部と前記物体反射光光電変換
   部からの信号相互の位相差を検出する位相比較器と、該
   位相比較器から得られる位相データの正・負の値の変化
   を検出して、前記物体面上のゴミあるいはキズ等に起因
   する物体面の凹凸を判定すると共に、前記位相データの
   値を積分して前記物体面の凹凸の大きさを演算するデー
   タ処理部とから構成される光ヘテロダイン干渉法による
   表面検査装置。