JPS62179642A - 表面欠陥検出装置 - 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）　　　　　ゝ この発明は、半導体ウェハ等の被検査体について、その
表面に存在する微小な凹凸やゆるやかな起伏などの欠陥
を光学的に検出する装置に関する。

（従来の技術とその問題点） 半導体ウェハやビデオディスク等においては、その表面
に存在する凹凸や傷などの欠陥によって製品の品質が大
きく左右されるため、これらの欠陥を検出することによ
って製品の品質管理を行なう必要がある。このような表
面欠陥検出装置としては種々の装置が提案されているが
、非破壊検査として代表的なものは光学方式の検出装置
であり、このようなものとしては、たとえば持分Ｗ８５
６−２６５５号に開示されている装置がある。

この装置は、光源からの光が被検査体表面において回折
され、それによって生ずる回折パターン像が、被検査体
表面に存在する欠陥等の表面状態によって変化する現象
を利用する。すなわち、この装置では、複数の光電変換
素子をスクリーン状に配置して、上記回折光をそのスク
リーン面上に結像させ、各々の光電変換素子の出力信号
を電気的に演算処理することにより、欠陥種類や表面状
態を識別するように構成されている。そして、このよう
な構成をとることによって、多種類の欠陥を検出するこ
とが可能となっている。

ところが、このような装置では、傾斜角の小さな食込み
状欠陥や、ゆるやかな起伏状欠陥などの検出は困難であ
るという問題がある。それは、このような欠陥によって
生ずる反射光の偏向量が極めて小さく、これが、スクリ
ーン状に配列された光電変換素子の配列ピッチ以下とな
るために、このような偏向量のわずかな相違を検出する
ことができないためである。

（発明の目的） この発明は従来技術における上述の問題の克服を意図し
ており、傾斜角の小ざな食込み状欠陥やゆるやかな起伏
状欠陥などを検出することのできる表面欠陥検出装置を
提供することを目的とＪる。

（目的を達成するための手段） 上述の目的を達成するため、この発明にかかる表面欠陥
検出装置では、被検査体からの反射光を受光する受光面
を有し、かつ上記反射光のこの受光面上での受光位置に
応じた受光位置検出信号を出力する受光位置検出手段を
設け、欠陥の存在によって生ずる受光位置の偏位に応じ
た量を上記受光位置検出信号から求めることによって、
上記欠陥の検出を行なう。

（実施例） 第１図はこの発明の第１の実施例である表面欠陥検出装
置の概略図である。同図に示すように、レーザ光源１か
ら照射されたレーザビームＬは、偏光ビームスプリッタ
２によって直線偏光となり、１／４波長板３および焦点
距離ｆの集束レンズ４を経て、このレンズ４から上記焦
点距離ｆの位置にある被検査体表面５に入射する。そし
て、被検査体表面５でこのレーザビームＬが反射される
ことによって得られる反射光（反射ビーム）Ｒは、再び
レンズ４および１／４波長板３を経て、偏光ビームスプ
リッタ２に再入ｔＪ４する。

この時点における反射光Ｒは１／４波長板３を２回通過
しているため、偏光ビームスプリッタ２を通過した直復
のレーザビームＬに対して、その偏光方向が９０°回転
したものとなっている。したがって、反射光Ｒは偏光ビ
ームスプリッタ２で直角方向に反射されて、輝点位置検
出器６の受光面７で受光される。

ところで、この場合、被検査体表面５が平坦であって、
欠陥も存在せず、レーザビームＬの入射方向に直角な平
面（以下「基準面５′」と言う。）に完全に一致してい
るときには、反射光ＲはレーザビームＬの入射方向と同
じ方向に反射されて、レーザビームＬの入射経路を逆に
進ｌυだ後に偏光ビームスプリッタ２で直角方向に反射
され、輝点位置検出器６の受光面７のうち、Ｘｇで示す
基準位置に輝点として入射する。

これに対して、第１図中の被検査体表面５のうち欠陥部
分へを拡大した第２図に示すように、食い込み２１が被
検査体表面５に存在し、その傾斜面２２においてレーザ
ビームＬが反射される場合には、この傾斜面２２が基準
面５′となす傾斜角をθとすると、反射光Ｒは入射レー
ザビームしに対して２θの偏向角で反射される。そして
、レンズ４を通過した後の反射光Ｒは入射レーザビーム
しに対して平行となるが、そこでは、入射レーザビーム
Ｌに対して Δｘ＝ｆ−ｔａｎ（２θ）　　　　　　　・（１）だけ
の偏位を生じている。したがって、この場合には、輝点
位置検出器６の受光面７上の基準位置Ｘ□からΔＸだけ
偏位した位置に反射光Ｒが入射することになる。このた
め、このΔＸを検出することによって、（１）式から傾
斜角θを求めることが可能となる。なお、精密加工面上
の微小な食い込みや起伏では傾斜角θは微小であるため
、上記（１）式の近似式として、 ΔＸ＃ｆ・２θ　　　　　　　　　　・・・（２）を用
いることができる。

このように、偏位量ΔＸは食込み欠陥２１等の傾斜角θ
を反映した量となっているため、この−位置ΔＸが所定
値を超えた場合に、表面欠陥が存在すると判定すること
が可能となる。

この判定を具体的に行なうためには、まず、上記輝点位
置検出器６において受光した輝点の偏位量ΔＸを、この
ΔＸに比例した電気信号レベルＶ、へと変換する。その
際、偏位量ΔＸの微細な変化を可能な限り精密にとらえ
得るように、この輝点位置検出器６としては、その受光
面が連続的な広がりを有する受光面となっているものを
使用することが望ましい。そこで、この実施例では、輝
点位置検出器６として、半導体装置検出器（以下、ＰＳ
Ｄと言う。）という名称で知られているセンサを使用す
る。第３図（ａ）はこのようなＰＳＤのうち、１次元Ｐ
ＳＤを使用して構成された輝点位置検出器６の受光面７
を示しており、電極Ｘ、、Ｘｂのそれぞれから取出され
る光電流値の比をとることによって、受光された輝点Ｓ
Ｐの一位聞ΔＸに応じた信号を、第１図の信号レベル■
ｏとして出力する。この動作において、受光面７が離散
的な素子の集合ではなく、連続的な広がりを持ったもの
となっているため、受光位置検出は高精度で行なわれる
。

この信号レベル■。は第１図の増幅器８によって増幅さ
れ、後述する理由で設けられたバンドパスフィルタ９を
介して受光位置（−位）検出信号■となる。この信号■
は次段の比較器１０において所定の基準値（しきい値）
と比較され、このしきい値による弁別処理が行なわれる
。そして、受光位置検出信号Ｖ（したがって、傾斜角θ
）が上記基準値を超えるときに「欠陥有り」とする欠陥
検出信号が出力される。

そこで、以下では、この比較・弁別動作を中心にしてこ
の装置の動作をより詳しく説明する。まず、レーザ光源
１からのレーザビームＬを被検査体表面５に照射しつつ
、レーザビーム走査機構（第１図中には図示せず。）を
用いて、被検査体表面５を順次走査する。このような走
査方法としては、以下のような方法を適宜採用すること
ができる。

■　レーザ光源１からのレーザビームを、回転ミラーあ
るいは振動ミラーを用いて、被検査体表面５上でスキャ
ンさせる方法。

■　第４図に示すように、被検査体Ｐがディスク状の場
合には、被検査体Ｐを矢符Ａ１方向に回転させながら、
矢符Ｂ１方向に並進させて被検査体表面５をスキャンす
る方法。

■　第５図に示すように、被検査体Ｑがドラム状の場合
には、被検査体Ｑを矢符Ａ２方向に回転させながら、矢
符Ｂ２方向に並進さＶて被検査体表面５をスキャンする
方法。

ただし、■の方法は、レーザビームをスキャンする幅の
全体をカバーすることができる大きな受光レンズを設け
る必要があるため、被検査体表面５の微小な傾きを検知
する場合には、■、■のスキャン法の方が好ましい。ま
た、■、■のスキャン法では、被検査体Ｐ、Ｑの並進運
動のかわりに、光学系の方を並進運動させてもよい。

このようなスキャンを行ないつつ上記反射光Ｒの入射位
置を輝点位置検出器６で検出すると、受光位置検出信号
■は第６図のように変化する。この第６図のうち、（ａ
）は被検査体表面５が平坦な場合であり、（ｂ）は欠陥
が存在する場合をそれぞれ示す。ただし、この実施例で
は、反射光Ｒの受光位置が第１図の基準位置ＸＯとなっ
ているときの信号レベルがｖ＝０となるように構成して
いる。

この第６図かられかるように、被検査体表面５に欠陥が
存在する場合には、受光位置検出信号Ｖが欠陥の傾斜角
θに応じた振幅で変動する。

第７図は、このような欠陥によって生ず°る受光位置検
出信ｊ３　Ｖの変動を、単一の食込み状欠陥の場合につ
いてモデル化して示した図である。この図に示すように
、被検査体表面に欠陥が存在すると、受光位置検出信号
■は一度（−ト）またはく−）方向に変動した後、これ
と反対符号方向に変動して基準レベル（Ｖ＝Ｏ）へと戻
る。それは、第２゛　図中に示したように、欠陥２１に
おいてひとつの方向に傾斜した傾斜面２２が存在すれば
、反対の方向に傾斜した傾斜面２３がこれに伴って存在
するため、輝点位置検出器６の受光面７における輝点位
置は、（＋）　　（−）の双方向に順次変動した優にＸ
。へと房るためである。

そこでこの実施例では、第１図の比較器１０に設定する
しきい値として、第７図に示すようなＶｌｌ、ｖ、の２
つの値を用いる。ただし、これらのしきい値■１１．Ｖ
Ｌは、Ｖｌｌ　＞Ｑ、ｖしく０であって、許容される欠
陥の限界値に応じて定められる値である。そして、Ｖが
ｖＩ＋以上となるか、またはＶ、以下となったときには
「欠陥有り」と判定し、その判定出力を欠陥検出信号と
して出力する。

次に、第８図に示すように、被検査体表面５が全体とし
て基準面５′から角度φだけ傾いている場合の処理を説
明する。このときには、欠陥が存在しない場合でも、レ
ーザビームＬがこの角度φに応じた反射角で反射され、
受光面上の反射光Ｒの受光位置がｘｏからずれたものと
なる。このため、位置検出信号■は第９図（ａ）のよう
なオフセットレベルＶＢを持ったものとなり、このオフ
セットレベルＶ８が大きくなると、上記しきい値Ｖ、Ｖ
、による欠陥の存在の判定が困難となる。

そこで、このような場合には、第１図の比較器１０の前
段に微分器（図示せず）を設け、位置検出信号■の時間
微分ΔＶ／Δｔを求める。この装置においては被検査体
表面５を走査しつつ検出信号を取込んでいることを考慮
すれば、これは、第９図（ａ）中に示した微小走査区間
ΔＳについての差分Δ■／ΔＳをとっていることと等価
である。

このようにして得られる信号が第９図（ｂ）に示されて
おり、この図かられかるように、被検査体表面５のうち
欠陥が存在しない位置では、傾きφの有無にかかわらず
Δ■／ΔＳ＝Ｑとなるため、欠陥が存在する位置のみに
おいて信号レベルΔＶ／ΔＳが（＋）　　（−）に変動
する。したがって、これをしきい値ｖ’、ｖＬ’　によ
って弁別することによって欠陥検出が可能となる。つま
り、この発明は、受光位置の偏位そのものだけでなく、
この例における差分のように、偏位に応じた量を求める
ことによって一般に実現可能である。

さらに、第１０図のように、被検査体Ｐを回転させて走
査を行なうような場合には、被検査体表面５が、図中矢
符Ｅで示すような面振れを起こし、それによって反射光
の反射方向が図中のＲ−Ｒ’の範囲で動揺してしまう。

この場合、第１図の輝点位置検出器６の出力Ｖ。を増幅
してそのまま位置検出信号■とすると、第１１図（ａ）
のように被検査体Ｐの回転周期に応じた周期を持った変
動■ｏが生ずることになる。このため、しきい値ＶＩＩ
、ＶＬによる欠陥検出がやはり困難となる。

これに対応するために、第１図の装置にはバンドパスフ
ィルタ９が設けられており、このバンドパスフィルタ９
によって被検査体Ｐの回転周期に応じた周波数成分を除
去する。こうすることによつで、第１１図（ｂ）のよう
な適正な受光位置検出信号■が得られることになる。

このように、バンドパスフィルタ９を設けることによっ
て、無用の低周波成分がカットされるが、さらに、これ
によって欠陥検出帯域以上のへ周波成分もカットされる
ため、製品の品質に影響しないような極めて小さな凹凸
やホコリによる信号、それに種々のノイズ等の影響も防
止されることになる。なお、このバンドパスフィルタ９
は、第９図（ａ）のオフレットレベル■８　（直流成分
）を除去する効果もある。

このように、受光位置検出信号Ｖの変動補正手段を設け
ることによって、種々の状況に対処可能な装置となる。

第１２図はこの発明の第２の実施例を示す部分概略図で
ある。この第２の実施例では、輝点位置検出器６′とし
て、反射光Ｒの受光位置を２次元的に検出可能な２次元
ＰＳＤを使用する。この２次元ＰＳＤの受光面７′が第
３図（ｂ）に示されており、１次元ＰＳＤにおける電極
の組Ｘ、Ｘｂに直交する方向に、第２の電極の組Ｙａ、
Ｙｂをさらに設けて、入射した綽点ＳＰの２次元的な偏
位量ΔＸ、Δｙが求められるようになっている。

そして、Ｘ、ｙ両方向のそれぞれの偏位量に応じた出力
レベルＶ、Ｖ、を第１２図の二乗増幅器８ａ、８ｂでそ
れぞれ二乗増幅し、その結果を加算器３１で加算する。

このようにして得られた信号（Ｖｘ’　　　　”）＋ｖ
ｙ は、バンドパスフィルタ９を通して位置検出信号Ｖ２と
なり、これと基準値（しきい値）Ｖ、、２゜＜Ｖ、　　
のときには「欠陥有り」と判定するわけである。こうす
れば、食込み欠陥や起伏の傾斜の方向にかかわらず、こ
れらを精度良く検出することが可能となる。被検査体全
体の傾斜や面振れ等については、第１の実施例と同様に
対処すればよい。

また、欠陥や起伏の方向をも検出したいとぎには、比：
Ｖ　　／Ｖ、を求め、ｔａｎ　　（Ｖ　　／Ｖ　　）ｙ
　　　　　　　　　　　　ｙ　　ｘ を計算すればよい。

このように、１次元ＰＳＤ、２次元ＰＳＤのいずれを用
いた場合にも欠陥検出を高精度に行なうことができるが
、ＰＳＤを使用することによって、起伏面上や欠陥の傾
斜面上に存在する極めて小さなホコリなどの影響を防止
することができるという効果もある。それは、ＰＳＤの
受光面に入射する輝点の強度分布は一般に第１３図（ａ
）のような分布形態を有しているが、ＰＳＤの出力（た
とえばＶ。）は、この分布の重心位置ｘＳＨを偏位量Δ
Ｘとして出力するような特性を有していることに起因す
る。すなわち、微細なホコリの存在等によって第１３図
（ｂ）のように強度分布に乱れが生じても、その重心位
１ｘ８Ｈ（Ｌ、たがって検出値ΔＸ）はほとんど変化せ
ず、製品の品質に影響の少ない微細なホコリ等による誤
検出を防止することができるわけである。

以上、この発明の実施例について述べたが、この発明は
上記実施例に限定されるものではなく、たとえば次のよ
うな変形も可能１ある。

■　この発明に用いられる光学系の配置としては、第１
４図に示すように、レーザ光源１と輝点位置検出器６の
受光面７とを、被検査体表面５の平坦面についての垂線
５０に対して対称的に、傾き角αで配置することもでき
る。この場合にも前記（１）、（２）式が成立するため
、これらの式に基いた検出が可能である。ただし、この
場合のｌは、被検査体表面５と受光面７との間の、角度
αに沿った方向の距離である。

■　輝点位置検出器（受光位置検出手段）の検出出力を
、上述のように基準値と比較して弁別を行ない、それに
よって欠陥の有無だけを検出するだけでなく、偏位量の
絶対値を出力してサンプリングし、これを分類集計して
欠陥の程度ごとにその分布状態などを求めることもでき
る。

■　上記実施例では、１次元ＰＳＤおよび２次元ＰＳＤ
のうちの一方を選択的に使用したが、反射光Ｒをハーフ
ミラ−等によって分割し、１次元ＰＳＤおよび２次元Ｐ
ＳＤの双方に入射させて、所定の方向に傾斜を有する欠
陥のみの検出と、各方向についての欠陥検出とを同時に
行なうことも可能である。

■　上記実施例では、基準面（平坦面）からの反射光の
受光位置を基準位置とし、この基準位置における受光位
置検出信号がｖ＝０となるように調整して、欠陥の存在
による受光位置の偏位量に応じた（＋）　　（−）レベ
ルを出力するようにしているが、必ずしも基準位置でｖ
＝Ｏとなるような素子の利用や配置□を行なう必要はな
く、受光位置に応じた信号を出力しさえすれば欠陥検出
は可能である。

■　この発明は、半導体ウェハやビデオディスクなどだ
けでなく、光反射を生ずる種々の被検査体の欠陥検出に
適用可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、この発明によれば、欠陥の存在に
よって生ずる受光位置の偏位に応じた量を、受光位置検
出手段からの受光位置検出信号から求め、それによって
欠陥検出を行なっているため、傾斜角の小さな食込み状
欠陥やゆるやかな起状状欠陥などを検出することのでき
る表面欠陥検出装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１の実施例の概略図、第２図は
、第１図の欠陥部分Ａの拡大図、第３図は、実施例にお
いて受光位置検出器として使用される半導体装置検出器
（ＰＳＤ）の受光面を示す図、 第４図および第５図は、実施例における走査方法を例示
する図、 第６図は、受光位置検出信号を例示する図、第７図は、
欠陥が存在する場合の受光位置検出信号をモデル化して
示す図、 第８図は、被検査体表面の全体的な傾きを示す図、 第９図は、被検査体表面に全体的な傾きがある場合の信
号処理の説明図、 第１０図は、被検査体に面振れが生ずる場合の状態を示
す図、 第１１図は、面振れがある場合の信号処理の説明図、 第１２図は、この発明の第２の実施例の部分概略図、 第１３図は、ＰＳＤの特性を説明するだめの図、第１４
図は、この発明の変形例を示す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からのビーム光を被検査体に照射し、前記被
   検査体表面からの反射光を検出することによつて前記被
   検査体表面に存在する欠陥を検出する装置であって、 前記反射光を受光する受光面を有し、かつ前記反射光の
   前記受光面上での受光位置に応じた受光位置検出信号を
   出力する受光位置検出手段を設け、前記欠陥の存在によ
   って生ずる前記受光位置の偏位に応じた量を前記受光位
   置検出信号から求めることによって、前記欠陥の検出を
   行なうことを特徴とする表面欠陥検出装置。
2. （２）前記受光面は連続的な広がりを有する受光面であ
   り、 前記受光位置検出信号は比較手段に与えられて所定の基
   準値と比較され、当該比較結果に応じて欠陥検出信号が
   出力される、特許請求の範囲第１項記載の表面欠陥検出
   装置。
3. （３）前記被検査体全体の傾きによって生ずる前記受光
   位置検出信号の変動を補正する補正手段が設けられた、
   特許請求の範囲第１項または第２項記載の表面欠陥検出
   装置。
4. （４）前記受光位置検出手段は、１次元および２次元輝
   点位置検出器のうちの少なくとも一方を備える、特許請
   求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の表面欠
   陥検出装置。