(57)【要約】      （修正有）【課題】測定値からノイズの影響を除去する。【解決手段】測定対象物上に複数の測定点Ｐ1〜ＰNを設定し、測定点Ｐ1〜ＰNの並ぶ方向に沿って振動させながら測定ビームを照射する。測定ビームの振幅Ｗの範囲にＭ個の測定点Ｐ4〜Ｐ8が含まれているとすると、Ｍ個の測定点Ｐ4〜Ｐ8から得られる２Ｍ個の測定値ｆ1〜ｆ2Mから、下記(７ａ）（７ｂ)式、2011080830.tif 000009に従って、フーリエ係数ｂ1(振幅が測定ビーム径の１／２の場合)、又はｂ2(振幅が測定ビーム径と等しい場合)を求め各測定点のフーリエ係数ｂ1又はｂ2の推移を求め、微小領域の分析を行なう。【選択図】図３
2011080830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ビームの照射スポットを、測定対象物上に並ぶ複数の測定点を通るように、前記測定点が並ぶ方向に沿って通過移動させ、検出された物理量から前記測定対象物の表面状態を分析する表面状態測定方法であって、
前記通過移動の際に、前記照射スポットを前記測定点が並ぶ方向に沿って振動移動させ、前記物理量のフーリエ係数から、前記測定対象物の表面状態を分析する表面状態測定方法。
【請求項２】
前記各測定点を中心とする前記振動を１．５回以上行ない、前記各測定点毎に、前記フーリエ係数の平均値を求める請求項１記載の表面状態測定方法。
【請求項３】
予め第一の閾値を設定しておき、前記フーリエ係数が前記第一の閾値を超える前記測定点を検出する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の表面状態測定方法。
【請求項４】
予め第二の閾値を設定しておき、隣接する前記測定点間の前記フーリエ係数の差を算出し、前記差の値が前記第二の閾値を超える前記測定点を検出する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の表面状態測定方法。
【請求項５】
円形基板上の前記測定点は、渦巻き状に配置する請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の表面状態測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームや電子ビーム等のビームを用いた表面状態測定方法に関し、特に、測定対象物表面の微小なダストや、構成材料の微小な変化等の表面状態を測定するのに適した表面状態測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビームスキャニング方式で測定対象物の表面状態を測定・観察する装置の一例として、半導体ウェハ等の測定対象物表面に付着した微細なダストを検出するダストモニター装置や、測定対象物表面の構成物質変化等を測定するオージェ電子分光分析装置がある。
ダストモニター装置では、ウェハ等の半導体基板が測定対象物となり、その表面に光ビームを照射し、返光される散乱光の光強度を検出しており、測定対象物表面に照射された測定光の照射スポットの位置をゆっくり移動させ、検出される散乱光の光強度変化から、付着したダスト数を計数したり、検出されたダストの粒径を求めている。
他方、オージェ電子分光分析装置では、測定対象物表面に電子ビームを照射し、放出されたオージェ電子のエネルギー値を検出しており、電子ビームの照射スポットをゆっくり移動させたとき、検出されるオージェ電子のエネルギー値の変化量から、測定対象物の組成変化や化学結合状態の変化を求めている。
【０００３】
ところが、近年では半導体装置等の微細化が進んでおり、測定対象物表面の一層微細な状態を測定できる技術が求められている。例えばダストモニター装置の場合では、半導体装置の生産現場において、ウェハ表面に付着した粒径０．１μｍ以下の微小なダストの検出が求められている。また、オージェ電子分光分析装置の場合でも、超格子層の断面観察等、数原子程度の幅の検出感度が求められている。
【０００４】
かかる場合、光ビームや電子ビームを小径化することが考えられるが、ビームの小径化は困難である。更に、ビームを小径化したとしても、微小なダストや、極めて薄い超格子層の元素(微量元素)に関する信号は微小であり、検出が極めて困難である。
検出感度を上げたとしても、ウェハ表面の荒さ等に起因する散乱光や迷光によるノイズも増大し、また、薄い超格子層に隣接する厚い超格子層の元素(メイン元素)から混入するノイズも増大するため、結局、有用な信号は、バックグラウンドノイズに埋もれてしまい、検出することができない。例えば、従来技術のダストモニター装置では、分解能０．１μｍ〜０．０８μｍ程度が限界であり、それより微小なダストの存在は検出できない。
【０００５】
上記問題点を解決するため、従来技術では、測定対象物上を測定ビームでスキャニングし、返光光の状態からウェハ表面のダストを検出する際に、測定ビーム照射位置をその進行方向と平行な方向に微小振動させ、微小振動の周波数の二倍(振動距離が測定ビーム直径と等しい場合)、又は一倍(振動距離が測定ビーム直径の半分)の周波数の信号の有無によって、ダストの有無を判断している(ビーム振動方式)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１３２９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら近年では、半導体デバイスや液晶表示装置等のパターンが微細化し、非常に小さなダストを精度よく検出する技術が求められているが、電源ノイズ等の影響により、同期検波回路では、振動周波数の一倍又は二倍の周波数の信号成分を精度よく抽出することができず、検出感度を向上させることが困難になっている。
本発明は上述の従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、ビーム振動方式の測定装置の検出感度を向上させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
先ず、ビーム振動方式の測定装置の原理を説明する。
一般に、測定ビームの直径に比べて微小なダストや超格子構造にビームを照射した場合、返光される散乱光強度や放出されるオージェ電子強度は、照射されるビームの強度に比例して変化する。
また、光ビームや電子ビーム等の測定ビームの断面強度分布はガウス分布に従い、中心では強く、周辺では弱くなっている。
【０００９】
そのような測定ビームの照射スポットが一定方向に移動しながら、その方向と平行に小さく振動移動し、振幅に比べて微小なダストや超格子構造等の微細構造物に測定ビームが照射されると、散乱光やオージェ電子強度等の微細構造物に測定ビームが照射されたことによって検出される物理量には、振幅がビーム径の１／２の場合は、振動移動の周波数の一倍の周波数の変化成分が含まれ、振幅がビーム径と同じ場合は、振動移動の周波数の二倍の周波数の変化成分が含まれる。
照射スポットの微小振動の移動範囲は非常に狭いので、バックグラウンドノイズの原因となるウエハー上の微小な凹凸の状態は、照射スポットが同一範囲内を微小振動している間は変化がなく、直流成分と見なすことができる。
【００１０】
従って、振幅が測定ビーム径の１／２の場合には振動移動の周波数の１倍、振幅が測定ビーム径と同じ場合には振動移動の周波数の２倍の成分を抽出すれば、微細構造に測定ビームが照射されたことに起因する物理量を抽出することができる。
【００１１】
以上のような表面状態の測定方法において、測定ビームとして光ビームを用い、検出する物理量を返光される散乱光強度とした場合、散乱光強度の変化が抽出すべき変化成分となり、変化成分の有無によってダストの有無が分かる。従って、この場合の測定すべき表面状態は、測定対象物上に存するダストの状態となる。
クリーンルーム内で問題となるダストの直径は、ビーム直径に比べて微小であり、微小なダストに光ビームが照射された場合、返光される散乱光強度とダスト径とは比例することが知られている。
【００１２】
従って、予め、照射する光ビームのピーク強度、返光される散乱光強度、及びダスト径との組合せを決定しておき、変化成分の最大値を検出するようにすると、検出したダストの直径も算出することが可能となる。
他方、測定ビームとして電子ビームを用い、検出すべき物理量を測定対象物から放射されるオージェ電子強度とすると、そのオージェ電子の強度変化が抽出すべき変化成分となる。変化成分の状態から、測定対象物表面の組成変化や化学結合状態の変化を測定することが可能となる。
【００１３】
上記のように、測定値から、特定の周波数の信号を抽出するためには同期検波回路が用いられていたが、電源ノイズ等の影響を受ける。
【００１４】
本発明の発明者等は、同期検波回路やフィルタに替え、離散フーリエ変換を行なうと電源ノイズ等の影響を効果的に除去できることを見出した。
連続関数ｆ(t)のフーリエ級数は、下記(１)式、
【００１５】
【数１】
2011080830.tif 000003
【００１６】
で表わせる。(１)式中、ａ0，ａn，ｂnはフーリエ係数と呼ばれており、それぞれ下記(２)〜(４)式で表わされる。
【００１７】
【数２】
2011080830.tif 000004
【００１８】
測定値は離散的であり、測定点が２Ｍ個の離散フーリエ変換の場合にはフーリエ係数は、下記(２ａ)〜(４ａ)式のように書き換えられる。ｆjは２Ｍ個(ｊ＝１〜２Ｍ)の測定値である。
【００１９】
【数３】
2011080830.tif 000005
【００２０】
但し、ω0、Δｔの内容は下記(５)、(６)式の通りである。
【００２１】
【数４】
2011080830.tif 000006
【００２２】
測定値から振動移動の周波数と同じ周波数の変化成分を抽出するためにはｋ＝１として下記係数ａ1又は係数ｂ1、
【００２３】
【数５】
2011080830.tif 000007
【００２４】
のうちの少なくとも一方を求めればよく、各測定点の求めた係数ａ1又はｂ1を比較すれば、その周波数の変化成分の推移が分かる。また、振動移動の周波数の二倍の周波数の変化成分を抽出するためには、ｋ＝２として係数ａ2，ｂ2、
【００２５】
【数６】
2011080830.tif 000008
【００２６】
のうちの少なくとも一方を求めればよい。
予め第一の閾値を設定しておき、フーリエ係数が第一の閾値を超える測定点を検出し、その測定点をダスト付着位置とするダスト測定方法等では、２・Δｔ／Ｔは定数であるから、三角関数(ｆjｓｉｎ(ｊω0))の値に乗算しなくても、係数ａ2、ｂ2と第一の閾値との比較はできる。
また、予め第二の閾値を設定しておき、隣接する測定点間の前記フーリエ係数の差を算出し、差の値が第二の閾値を超える測定点を検出し、その測定点を出すと付着位置とするダスト測定方法などの場合も、２・Δｔ／Ｔを乗算しなくても測定点間の差と第二の閾値との比較も行なうことができる。
【００２７】
本発明は、上記原理に基づいて創作されたものであり、測定ビームの照射スポットを、測定対象物上に並ぶ複数の測定点を通るように、前記測定点が並ぶ方向に沿って通過移動させ、検出された物理量から前記測定対象物の表面状態を分析する表面状態測定方法であって、前記通過移動の際に、前記照射スポットを前記測定点が並ぶ方向に沿って振動移動させ、前記物理量のフーリエ係数から、前記測定対象物の表面状態を分析する表面状態測定方法である。
また、本発明は、前記各測定点を中心とする前記振動を１．５回以上行ない、前記各測定点毎に、前記フーリエ係数の平均値を求める表面状態測定方法である。
また、本発明は、予め第一の閾値を設定しておき、前記フーリエ係数が前記第一の閾値を超える前記測定点を検出する表面状態測定方法である。
また、本発明は、予め第二の閾値を設定しておき、隣接する前記測定点間の前記フーリエ係数の差を算出し、前記差の値が前記第二の閾値を超える前記測定点を検出する表面状態測定方法である。
また、本発明は、円形基板上の前記測定点は、渦巻き状に配置する表面状態測定方法である。
【発明の効果】
【００２８】
ノイズの影響が除去され、測定対象物の表面状態の検出感度が向上する。
同期検波回路が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の測定装置の概要を示す図
【図２】(ａ)：照射スポットの振動移動と直線移動とダストの関係を示す図    (ｂ)：測定ビームの走査状態を説明するための図
【図３】測定点と振動移動の関係を説明するための図面
【図４】本発明がオージェ電子を測定するオージェ分光分析の場合の動作原理を説明するための図面
【図５】測定点が行列状に並べられた場合を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１の符号１は、本発明の一実施形態の測定装置である。
この測定装置１は、半導体ウエハー等の測定対象物１０表面に付着した極めて微小なダストの状態を検出するダストモニタであり、載置台８と、走査機構６と照射手段２を有している。走査機構６は載置台８を水平面内で回転移動させながら水平方向にゆっくり直線移動させるように構成されている。
測定対象物１０は、載置台８上に水平に吸着されており、載置台８が回転及び直線移動をすると、載置台８と一緒に回転及び直線的にスキャニング移動する。
【００３１】
照射手段２は、レーザの測定ビーム１１を照射するレーザ光源１６と、レーザ光源１６から照射された測定ビーム１１を、載置台８方向に反射する振動ミラー１７とを有している。
照射手段２からは、振動ミラー１７で反射された測定ビーム１２が射出され、載置台８上の測定対象物１０の表面に照射される。測定ビーム１２のビーム径(ビーム径は照射スポット径と同じ大きさである)は、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の円形である。
【００３２】
振動ミラー１７のレーザ光源１６に対する角度は振動しており、測定対象物１０上の照射スポットは、振動の中心点を中心として、一定周波数で繰り返し微小に振動するように構成されている。
振動の方向は、振動の中心点の回転の接線方向であり、微小な振動の範囲では回転移動は直線移動と見なせるから、振動方向は、近似的な直線移動の方向と平行である。
【００３３】
図２(ａ)は、測定ビーム１２の照射スポットの振動移動と近似的な直線移動を説明するための図面である。同図符号５１1、５１3は振動移動の両端に位置する照射スポットであり、符号５１2は、その中央に位置する照射スポットを示している。また、符号５５は、振動移動の中心点である。
測定対象物１０は、スキャニング移動により、回転移動しながら、回転の中心点がビーム振動の中心点を通るように直線的に移動する。従って、振動の中心位置は、図２(ｂ)に示すように、測定対象物１０の表面上で渦巻き状に外側から中心方向(又は中心から外側)に向かって移動する。
測定対象物１０は、１回転する間にビーム直径(ビームスポットの直径)分だけスキャニング移動するものとすると、振動の中心点が、測定対象物１０の回転中心から外周に向け、又は外周から回転中心に向けて移動すると、測定対象物１０がその半径距離だけスキャニング移動する間に、測定対象物１０は測定ビーム１２によって隈無く走査されることになる。
【００３４】
測定ビーム１２がレーザ光の場合、測定対象物１０に測定ビーム１２が照射されると反射光１３と散乱光１９とが発生する。
反射光１３の射出方向は、入射角と等しい角度であって逆方向であり、散乱光１９の射出方向は、それ以外の方向である。
この測定装置１では、レンズ１４と、スリット２２と、フォトダイオード等からなる光電変換部２４とが、反射光１３が入射しない位置に設けられており、レンズ１４が散乱光１９だけを集光し、スリット２２によって迷光が除去された状態で、光電変換部２４に入射するようになっている。
測定対象物１０が回転した角度と、スキャニング移動した距離は分かるから、測定ビームの照射スポットの測定対象物１０上の位置は算出することができる。
この測定装置１では、照射スポットの渦巻き状の移動経路の上に複数個の測定点が等間隔に設定されており、振動の中心点が各測定点に位置したときの散乱光１９の光強度が測定されるようになっている。
【００３５】
図３の符合Ｐ1〜ＰNは、照射スポットの移動経路に沿って測定対象物１０上に並んだ測定点中のＮ個の測定点を示している。測定点は、渦巻き状に配置されていても、微小距離の範囲内では直線状に並んでいると近似できる。
測定ビーム１２の照射スポットは、振動ミラー１７の振動によって振動しながら、測定対象物１０の回転によって、図面左方から右方に向けて測定点Ｐ1〜ＰN上を近似的に直線移動すると、照射スポットは、直線移動と振動移動を合成した移動になる。
測定点の間隔は、照射スポットの振動の中心が、上記いずれかの測定点を中心にしているとき、振幅の範囲に予め設定されたサンプル個数Ｍの測定点が含まれるように設定されている(振動中心の測定点の両側(照射スポットの直線移動の移動元側と移動先側の両方)には、それぞれ(Ｍ−１）／２個の測定点が含まれている)。
【００３６】
図３中、符合５９は、測定点Ｐ6を中心として、振幅Ｗの範囲に５個の測定点Ｐ4〜Ｐ8が含まれる一振動の測定スポットの軌跡を模式的に示しており、照射スポットが一振動する間には、振動の範囲に含まれる測定点Ｐ4〜Ｐ8には、一振動で二回ずつ測定ビームが照射されるから、振幅の範囲にＭ個の測定点が含まれていれば、２×Ｍ個の測定値ｆ1〜ｆ2×Mが得られる。
照射スポットの直径は測定ビーム１２の直径とほぼ等しく、一般に０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であるのに対し、現在のクリーンルームでは清浄度が向上しているため、検出すべきダスト径は０．１μｍ以下となっている。
照射スポットの振動速度は、近似的な直線移動の速度に比べて十分に速く設定されており、照射スポットが一測定点を通過する間に、複数回振動するように設定されおり、振動の回数をＲとすると、一測定点を中心とした２Ｍ個の測定値の組がＲ組得られるようになっている。
【００３７】
光電変換部２４は、入射した散乱光１９の光強度に応じた信号を、測定値としてデータ処理系１５に出力しており、データ処理系１５は、入力された測定値と、回転角度やスキャン移動の距離から求めた位置情報とから、照射スポットが測定点Ｐ4〜Ｐ8上に位置するときの測定値を抽出し、測定された位置と対応付けて記憶する。
そして、一測定点当たり、２Ｍ×Ｒ個の測定値から、各式に従って、フーリエ係数ａ1又はｂ1の少なくとも一方を求めることにより、各測定点で測定された物理量の平均値の推移の一次微分量が求められ、ａ2、ｂ2の少なくとも一方から、平均値の推移の二次微分量が求められる。
フーリエ係数ｂ1又はｂ2は、測定値中の振動周波数と同じ周波数(ｂ1の場合)又は振動周波数の二倍の周波数(ｂ2の場合)の変化成分の強度を示しており、一測定点当たり複数回の振動によって平均値が求められているので、ノイズの影響が除去されている。
【００３８】
データ処理系１５には、予め第一の閾値が記憶されており、算出されたフーリエ係数ｂ1又はｂ2の平均値が第一の閾値を超える測定点が特定されると、その測定点にダストが付着していると判断される。
データ処理系１５には、第二の閾値を記憶させておき、隣接する測定点間のフーリエ係数ｂ1又はｂ2の平均値の差の絶対値が、第二の閾値を超えたときに、その測定点(測定した順番が遅い方)にダストが付着していると判断してもよい。
ダストの付着が特定された測定点の位置は、表示装置３０によって表示される。
【００３９】
なお、測定ビーム１２のビーク強度をＩ、光電変換部２４に入射した散乱光１９の最大強度をＩmax、ダスト径をｄとした場合、ビームの波長λに対し、ダスト径ｄが十分小さい場合、次式、
【００４０】
Ｉmax ∝ｄ6・Ｉ
【００４１】
が成立するから、測定値から、ダスト５０の径を求めることもできる。
【００４２】
以上説明したように、本発明の測定装置１では、ダスト５０から返光される散乱光１９の離散フーリエ変換から、振動の振幅に応じた周波数の変化成分が抽出されており、検出感度が高くなっている。
なお、上記実施例では、測定対象物を回転させながら直線的にスキャニング移動させたが、測定ビーム１２を測定対象物１０上で渦巻き状にスキャンする方式としては、測定対象物１０を回転移動させ、測定ビーム１２の照射スポットを往復移動させながら、一方向にゆっくり直線移動させてもよい。
【００４３】
なお、振動ミラー１７に替え、回転するポリゴンミラーを用い、測定対象物１０表面で光ビームの照射スポットを微小に移動させることもできる。この場合、照射スポットの微小移動は、往復移動でなはく、往動又は復動のいずれか一方になる。
また、音響光学的光変調器(ＡＯＭ)を用い、電気的に照射スポットを振動移動させることもできる。
【００４４】
次に、本発明の測定方法を、オージェ電子分光分析装置により、超格子層の構成成分の分析を行う場合について説明する。
図４において、符号６７は、電子ビームからなる測定ビームであり、符号６９は測定ビーム６７が測定対象物６０に照射され、その表面から飛び出してきたオージェ電子である。符号Ａと符号Ｂは、それぞれ異なる物質から成る超格子の構成層であり、測定ビーム６７の径より十分に薄い層であり、Ｂ層はＡ層に比べて十分に厚い層であるものとする。
測定ビーム６７の照射スポットを、測定対象物６０上でゆっくり移動させた場合、ごく薄いＡ層からのオージェ電子の信号は僅かであり、Ａ層の両脇に位置する厚いＢ層からの信号に埋没し、Ａ層の信号を抽出することは困難である。
【００４５】
本発明では、上述の検出方法を適用して、電子ビームからなる測定ビーム６７を、Ａ層とＢ層を横断する方向に、ゆっくり直線移動させると共に、直線移動よりも高速に、微小に振動移動させ、(４ａ)式からフーリエ係数ｂ1又はｂ2の値、又はその平均値を求めると、薄いＡ層の構成成分を高感度で分析することが可能である。
更にまた、本発明は測定対象物を回転させて測定する場合に限定されるものではない。例えば、ガラス基板のように測定対象物が大型基板の場合には、測定対象物を測定台上に載置しておき、測定対象物上に行列状に位置する測定点上に、電子ビームを照射することができる。
【００４６】
図５の符号６０は、そのような矩形の測定対象物であり、行方向をｘ、列方向をｙ(ｘ、ｙは自然数)で表わすと、測定対象物表面の行列状の位置に測定点Ｑx,yが設定されている。
このように測定点Ｑx,yが行列状に配置されている場合、行方向を走査するか、列方向を走査するか決めておき、行方向を走査する場合、一行の一端から他端まで、行方向に沿って照射スポット位置を振動移動させながら、一端から他端まで照射スポットを直線的に通過移動させ、照射スポットが測定点Ｑx,y上に位置するときに測定される物理量のフーリエ級数を求める。
一行中の各測定点Ｑx,yを中心に複数回振動させ、各測定点Ｑx,y毎に平均値を算出し、未測定の隣接する一行の測定を行ない、行列状の測定点Ｑx,yの測定を行なうことができる。
【００４７】
列方向を走査する場合も、一列の一端から他端まで列方向に沿って振動移動させながら、一端から他端まで照射スポットを直線的に通過移動させ、照射スポットが測定点Ｑx,y上に位置するときに測定される物理量のフーリエ級数を求める。
なお、照射スポットを行方向に沿って直線移動させる際の行の端部付近に位置する測定点Ｑx,yは、振動移動の中心に置けないので、各測定点Ｑx,y毎に求めた測定結果から除外することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１……測定装置
２……照射手段
６……走査機構
１０……測定対象物
【図１】
2011080830.tif 000010
【図２】
2011080830.tif 000011
【図３】
2011080830.tif 000012
【図４】
2011080830.tif 000013
【図５】
2011080830.tif 000014