(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ステージ上に載置された試料表面に、反射光が最小となる入射角度で照射光を照射させる光照射手段と、試料表面に対して法線方向かつ対向する位置に配置された、試料表面からの散乱光を結像させる結像レンズ及び結像された散乱光を電気信号に変換させるＣＣＤからなる散乱光検出手段と、該ＣＣＤからの電気信号を記録させる記録手段とを有する表面評価装置において、前記試料ステージが試料表面の法線を軸にして回転可能であり、かつ試料の測定領域が回転の中心となるように設定され、
試料ステージ上に載置された試料が、１ステップ当りの角度送り５〜２０度で、断続的に回転され、かつＣＣＤの回転が試料の回転と同期されてなることを特徴とする表面評価装置。
【請求項２】
試料ステージ上に載置された試料表面に、反射光が最小となる入射角度で照射光を照射させる光照射手段と、試料表面に対して法線方向かつ対向する位置に配置された、試料表面からの散乱光を結像させる結像レンズ及び結像された散乱光を電気信号に変換させるＣＣＤからなる散乱光検出手段と、該ＣＣＤからの電気信号を記録させる記録手段とを有する表面評価装置において、前記試料ステージが試料表面の法線を軸にして回転可能であり、かつ試料の測定領域が回転の中心となるように設定され、
試料ステージ上に載置された試料が、１回の露光時間当りの角度送り５〜２０度で、連続的に回転され、かつＣＣＤの回転が試料の回転と同期されてなることを特徴とする表面評価装置。
【請求項３】
試料ステージ上に載置された試料表面に、反射光が最小となる入射角度で照射光を照射させる光照射手段と、試料表面に対して法線方向かつ対向する位置に配置された、試料表面からの散乱光を結像させる結像レンズ及び結像された散乱光を電気信号に変換させるＣＣＤからなる散乱光検出手段と、該ＣＣＤからの電気信号を記録させる記録手段とを有する表面評価装置において、前記試料ステージが試料表面の法線を軸にして回転可能であり、かつ試料の測定領域が回転の中心となるように設定されてなる表面評価装置を用いて、試料表面を評価することを特徴とする表面評価方法であって、
照射光と試料との各相対角度に対する散乱光強度分布の変化または変化率が、試料表面への照射光強度及び露光時間に対する比として標準化されることを特徴とする表面評価方法。
【請求項４】
請求項３において、試料の表面粗さまたは表面形状の方向依存性を評価することを特徴とする表面評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面からの散乱光を用いた表面評価装置及び該装置を用いた表面評価方法に関し、より詳しくは、半導体、絶縁体、金属等の試料表面に、光線を照射させ、試料表面からの散乱光を検出し、試料表面の微小な粒子、付着物等の異物、及び粗さ、キズ、線状の溝（「スクラッチ」という）等の微細な凹凸、並びに構造または組成の変化を、広い範囲にわたって、高精度に評価するための表面評価装置とその評価方法に関し、特に、試料表面の全方向のスクラッチ、あるいは試料の表面粗さや表面形状の方向依存性を評価するための表面評価装置とその評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パターン未形成のシリコンウエハ試料表面の微粒子、付着物等の異物は、Ｈｅ−ＮｅレーザーやＡｒレーザーのようなレーザー光を用いて、集光させた照射光を、試料表面に対して比較的垂直に近い角度で入射させ、表面からの散乱光を、凹面鏡である積分球等を用いて捕捉し、ついで各測定点での散乱光強度を、光電子増倍管（「ＰＭＴ」という。）を用いて、電気信号に変換させることにより、測定していた。また、異物の位置は、シリコンウエハや照射光を走査させて、照射位置を移動させることにより、測定していた。
【０００３】
検出可能な異物の最小粒径は、照射光を絞った時のスポット内の照射光の強度及び異物からの散乱光強度に対するＰＭＴの感度に左右され、現状では検出可能な異物は、粒径１００ｎｍ（１ｎｍは、１０００分の１μｍである。）程度である。より微小な粒径の異物の検出を可能とするためには、ＰＭＴの感度向上またはＰＭＴへの光量を増やす必要があり、このため、各方向に出される散乱光を積分球等によりできるだけ効率的に捕捉し、かつ測定時間を長くしなくてはならなかった。また、検出できる最小の粒径を示す分解能を向上するためには、照射光のスポット径を絞り、スポット内の光強度を上げる必要があった。
【０００４】
上記従来装置では、散乱光を補足するための光路上に、積分球等の光学部品を配置する必要があり、該部品に起因する反射光が迷光となり、Ｓ／Ｎ比を低下させる。また、露光時間を長くしても、Ｓ／Ｎ比は変らなかった。また、単一レーザー光を用いて、試料表面からの散乱光強度のみを測定しているだけであり、異物と微細な凹凸とを識別することができず、シリコンウエハのミラー面のような非常に平滑な面を評価するには不都合であった。
【０００５】
最近、従来の垂直に近い角度からの照射光に加えて、斜め方向からの照射光を併用して、垂直に近い角度からの照射光による結果と比較して、異物と微細な凹凸とを識別する方法が提案されている。しかしながら、異物と微小な凹凸との識別はできるものの、分解能は、従来と同様であり、なお不十分であった。また、照射光が２種類あり、複雑な装置構成であった。さらに、散乱光を捕捉する光路上に配置した光学部品による反射光が迷光となり、Ｓ／Ｎ比を下げる要因となっていた。
【０００６】
特開平１１−２８１５４３号公報では、楕円面鏡集光器を備えた装置を用いることにより、散乱光を捕捉する工夫がなされ、ｎｍオーダーの異物の検出が可能となった。しかしながら、該装置を用いても、従来と同様、測定時間が極端に長くなってしまうという問題が残されており、また、照射光が単一であり、Ｓ／Ｎ比については、前記の従来技術と大きな違いはなく、シリコンウエハのミラー面のように非常に平滑な表面の粗さ、例えばＳＴＭやＡＴＭによってのみ測定可能な微小周期を有する粗さ（「マイクロラフネス」という。）を評価するためには不十分なものであった。
【０００７】
一方、ＡＦＭ、ＳＴＭ等の装置を用いた場合、試料表面の異物やマイクロラフネスとの識別、あるいは表面形状の測定はできるものの、測定領域が極めて狭い範囲に限られ、シリコンウエハ等の試料表面を、広い範囲にわたって、マイクロラフネスレベルで評価するには不都合であった。
【０００８】
本発明者らは、先に出願した特願２００１−１５０５８４号により、上記問題点を解決する、試料表面の異物や微細な凹凸との識別が短持間かつ容易にでき、広い範囲にわたって、短時間かつ容易に、高精度に評価できる表面評価装置を提案した。また、特願平２００１−１５０５８３号により、シリコンウエハ等のマイクロラフネスを、高精度に評価できる表面評価方法を提案した。
【０００９】
しかしながら、試料表面の評価については、さらに、上記以外の他の表面評価方法が求められており、特に、シリコンウエハ等の試料表面の全方向のスクラッチ、あるいは試料の表面粗さや表面形状の方向依存性を評価し得る方法が望まれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記課題を解決し得る、シリコンウエハ等の試料表面の全方向のスクラッチ、あるいは試料の表面粗さや表面形状の方向依存性を、短時間かつ容易に、高精度に評価するための表面評価装置とその評価方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意研究した結果、試料を載置する試料ステージを、試料表面の法線を軸にして回転可能とし、かつ試料の測定領域が回転の中心となるように設定された装置を用いることにより、上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明の、請求項１に記載の表面評価装置は、試料ステージ上に載置された試料表面に、反射光が最小となる入射角度で照射光を照射させる光照射手段と、試料表面に対して法線方向かつ対向する位置に配置された、試料表面からの散乱光を結像させる結像レンズ及び結像された散乱光を電気信号に変換させるＣＣＤからなる散乱光検出手段と、該ＣＣＤからの電気信号を記録させる記録手段とを有する表面評価装置において、前記試料ステージが試料表面の法線を軸にして回転可能であり、かつ試料の測定領域が回転の中心となるように設定されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２に記載の表面評価装置は、請求項１に記載の発明において、照射光が、反射光を最小限に抑え、散乱光のみを発生させる入射角度であることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３に記載の表面評価装置は、請求項１または請求項２に記載の発明において、偏光面調整手段が、光照射手段に配設されてなることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４に記載の表面評価装置は、請求項３に記載の発明において、照射光が、Ｐ偏光であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明において、試料表面の測定領域よりも小面積に集光された照射光が、走査されて、該測定領域が均一に照射されてなることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発明において、試料表面と散乱光検出手段との間に、照射光の入射方向及び試料表面に対して平行に配置されたスリットを有することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、試料ステージ上に載置された試料が、１ステップ当りの角度送り５〜２０度で、断続的に回転されてなることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項８に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、試料ステージ上に載置された試料が、１回のステップ当りの角度送り５〜２０度で、断続的に回転され、かつＣＣＤの回転が試料と同期されてなることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項９に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、試料ステージ上に載置された試料が、１回の露光時間当りの角度送り５〜２０度で、連続的に回転されてなることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項１０に記載の表面評価装置は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、試料ステージ上に載置された試料が、１回の露光時間当りの角度送り５〜２０度で、連続的に回転され、かつＣＣＤの回転が試料と同期されてなることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１１に記載の表面評価方法は、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の表面評価装置を用いて、試料表面を評価することを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１２に記載の表面評価方法は、請求項１１に記載の発明において、試料の測定領域を回転させ、照射光と試料との各相対角度に対する散乱光強度分布の変化または変化率を測定することを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１３に記載の表面評価方法は、請求項１１に記載の発明において、照射光と試料との各相対角度に対する散乱光強度分布の変化または変化率が、試料表面への照射光強度及び露光時間に対する比として標準化されることを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１４に記載の表面評価方法は、請求項１２または請求項１３に記載の発明において、試料表面の全方向のスクラッチを評価することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１５に記載の表面評価方法は、請求項１２または請求項１３に記載の発明において、試料の表面粗さや表面形状の方向依存性を評価することを特徴とするものである。
【００２７】
本発明では、光源からのレーザー光を偏光面調整させ、かつ試料表面に対してブリュースター角に近い角度で照射光を入射させ、結像レンズ及びＣＣＤへの反射光を最小限に抑えながら、散乱光のみを効果的に発生させると共に、さらに、試料の測定領域よりも小面積に集光させた照射光を走査させることにより、該測定領域を均一な光強度で照射し、測定時のノイズとなる迷光、反射光や光量のバラツキを最小限に抑えることによって行われる。
【００２８】
また、本発明では、試料表面の状態により大きく依存する散乱光強度の変化に対して、照射光の光量及び／またはＣＣＤへの露光時間を調整させることにより、常にＣＣＤへの露光量を最適化し、散乱光強度の変化への追従性がよく、ダイナミックレンジが広い。
【００２９】
【作用】
図１は、本発明の測定原理を示す模式図である。以下、図１を参照して、本発明の測定原理について説明する。
【００３０】
試料ステージ２の上に載置された試料３表面に対して斜め上方から入射させた照射光１は、ほとんどが試料３内部に進み、ごく一部のみが反射光として逆方向に出て行く。照射光１は、試料３表面に対し法線方向かつ対向する位置に配置した、結像レンズ４及びＣＣＤ５への反射光を最小限に抑えながら、散乱光のみを効果的に発生させる入射角度θで、試料３表面に照射される。照射光１の入射角度θは、具体的には、試料の種類により決まるブリュースター角に近い角度であり、シリコンの場合、７６度である。
【００３１】
図２は、シリコン試料における、Ｐ偏光（光偏光面が入射面に対して平行な光）及び／またはＳ偏光（光偏光面が入射面に対して垂直な光）の照射光１の入射角度θに対する反射光の反射率の理論値及び実験値である。図中、縦軸は、反射光の反射率を、横軸は、試料表面に対する照射光の入射角度θを表す。Ｓ偏光では、照射光の入射角度θを９０度まで漸増させるに従い、反射率は単調に増加するが、Ｐ偏光では、７６度までは、反射率が漸減し、７６度でほぼ０となった後、急激に１に上昇する。反射率は、理論値、実験値共同様の挙動を示す。すなわち、照射光にＰ偏光を用いて７６度付近の入射角度とすることにより、迷光の原因となる反射光を最小限に抑えて、散乱光のみを効果的に発生させ、捕捉することが可能となり、非常にＳ／Ｎ比のよい状態での測定が可能となり、高感度な測定ができる。
【００３２】
試料３表面に、異物や微細な凹凸、あるいは構造や組成の変化等がある場合、集光した照射光１の照射部分より散乱光が発生する。発生した散乱光を、結像レンズ４により、ＣＣＤ５に結像させる。ＣＣＤ５は、散乱光強度に応じた強さの電気信号を発生させると共に、各測定部分に対応する散乱光強度に対応する画像をモニターに表示する。このＣＣＤ画像を記録、解析することにより、試料表面に存在する、異物、微細な凹凸、組成の変化やそれらの分布を測定し、例えばＳＴＭやＡＦＭによってのみ測定可能な微小周期を有する粗さであるマイクロラフネスレベルで、試料表面を評価することができる。
【００３３】
試料３表面がシリコンウエハのミラー面のように平滑な場合、表面粗さによる散乱光は、極めて微弱となり、一方、粗い場合には、大きくなる。散乱光強度は、試料３の表面状態により大きく依存するため、ＣＣＤ５からの電気信号が不十分であったり、逆に飽和してしまう恐れがある。このような場合には、照射光１の光量及び／またはＣＣＤ５への露光時間を調節して、ＣＣＤ５への露光量を、常に最適状態に保持することにより、常に高感度で高精度な測定を行うことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、実施例に基き、詳細に説明する。なお、本発明は、実施例によりなんら限定されない。
【００３５】
１．表面評価装置の実際例
図３は、上記測定原理を用いて構成した、本発明の表面評価装置（以下、「本装置」という。）を示す模式図である。また、図４は、結像レンズと試料との間にスリットを配置させた時の模式図である。以下、図３を参照して、「本装置」について説明する。
【００３６】
光源であるＡｒイオンレーザー６（波長：４８８ｎｍ、出力：０．１〜１．６Ｗ可変）から射出させた単一レーザー光は、減光フィルター８により、光量が調節された後、２分の１波長板９により、Ｐ偏光またはＳ偏光に偏光面調整される。通常、Ｐ偏光を用いるが、試料表面からの散乱光が強い場合には、Ｓ偏光の成分も入れて調整される。
【００３７】
ついで、偏光面調整された単一レーザー光は、照射光１走査用Ｘ−Ｙスキャナー７を経た後、試料３表面上で適当な大きさのスポットとなるように、集光レンズ１０により集光された照射光１が、試料ステージ２の上に載置した試料３表面に、反射光を最小限に抑え、散乱光のみを発生させる、ブリュースター角に近い角度で、斜め上方より照射される。
【００３８】
試料３表面への照射光１は、ほとんどが試料３内部を進行し、ごく一部のみが反射光となり、照射光１と逆方向に進む。反射光は、他の構造物に再反射して迷光となったり、試料３表面あるいは結像レンズ４やＣＣＤ５に再照射してノイズとなるため、迷光防止用遮蔽板１３が設置されている。
【００３９】
試料３表面から発生した散乱光は、試料３表面に対して法線方向かつ対向する位置に配置した、焦点可変の結像レンズ（口径：１０ｍｍ）４により、ＣＣＤ５に結像される。ついで、ＣＣＤ５に結像された散乱光は、その強度に応じた強さの電気信号に変換される。ＣＣＤ５は、ノイズ低減のため、ペルチェ素子を用いて冷却させて、暗電流を抑制している
【００４０】
ＣＣＤ５により変換された電気信号は、パソコン１１により、画像処理され、モニター１２に、発生させた散乱光の強度分布に対応したＣＣＤ画像が表示される。このＣＣＤ画像を記録、解析することにより、試料表面の異物、微細な凹凸、組成の変化やそれらの分布を測定し、高精度な評価が行われる。
【００４１】
「本装置」の試料ステージ２は、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向に位置調整でき、測定位置を移動できる位置調整ステージと、試料３表面の法線方向を軸として回転可能な回転ステージ（「シータ・ステージ」という。）とからなり、前記位置調整ステージは、照射光の中心と、回転させる試料３表面の測定領域の中心とが一致するように、シータ・ステージに対して上段側に配置される。
【００４２】
「本装置」に用いられる試料ステージ２は、試料３表面の測定領域の中心を回転軸とし、かつ該回転軸を照射光１の中心と高精度に一致させる必要がある。照射光１と前記回転軸を高精度に一致させるため、試料ステージ２の下段には、さらに、Ｘ−Ｙ−Ｚステージを配置させることがある。
【００４３】
また、試料ステージ２上に載置された試料自体の傾きによる散乱光強度の変化が生じないよう、試料ステージ２は、回転軸に対して垂直になるように十分調整されている。傾き調整は、ゴニオステージ等の傾斜ステージを配置して行う。
【００４４】
ガルバノ・ミラーを２段組み合わせた照射光１走査用Ｘ−Ｙスキャナー７は、試料３の測定領域に、照射光１を走査させ、測定領域を均一照射するためのものである。
【００４５】
Ｘ−Ｙスキャナーにより、試料３表面の測定領域よりも小面積に集光させた照射光１が、該測定領域の約２倍の領域に走査されて、測定領域が均一照射される。具体的には、楕円形状の１００μｍ程度のＰ偏光の単一レーザー光（出力：０．４３Ｗ）が、シリコンウエハの測定領域（縦×横：６００μｍ）に対して、縦×横１５００μｍの領域について、クランク状に７６.７μｍピッチで、１走査当り１.０６秒で走査される。
【００４６】
Ｘ−Ｙスキャナー７としては、ガルバノ・ミラーの２段組合せ以外に、ポリゴンミラーやレーザーの直接振幅等を用いてもよい。
【００４７】
図５は、「本装置」を用いて、Ｐ偏光の単一レーザー光を走査させて、シリコンウエハ試料３表面に照射させた時の、試料表面の異物による散乱光を記録したＣＣＤ画像（ＣＣＤへの露光時間：６３．６秒）である。ＣＣＤ画像は、１０１８×１０００画素で構成され、各画素の輝度は４０９６階調（「カウント数」とする。）である。図５（ａ）は、ＣＣＤ５からの画像であり、散乱光の強度分布が明るさの分布として表示されている。また、図５（ｂ）は、（ａ）のＣＣＤ画像を拡大したもので、（ｂ）中の輝点は、試料表面の粒子による散乱光であり、異物の位置を示している。
【００４８】
また、図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＣＣＤ画像内の各走査線上の散乱光の強度分布である。図中、縦軸がカウント数を、横軸がＸ方向測定位置を示しており、散乱光強度に応じた凸凹の波形が記録されている。図５（ｂ）のように試料３表面に異物がある時、異物の位置（Ａ１、Ａ２及びＡ３）に対応して、散乱光強度の極大値が現れる。この極大値の高さは、異物の粒径に対応しており、異物の粒径が推定できる。
【００４９】
図６は、図５（ａ）の全測定領域における、走査線上の異物による散乱光強度別発生個数の度数分布である。図中、横軸の散乱光強度（ａ．ｕ．：任意尺度の意味である。）は、異物による散乱光強度の極大値を表し、図５（ａ）のＣＣＤ画像より、適宜設定したしきい値より大きいものを異物による散乱光とし、つぎに、各輝点の最高カウント数の座標を求め、その値からバックグラウンドの平均であるベースライン値を引いたものである。縦軸は、全測定領域における発生個数を示している。図６により、試料の測定領域内に、どのような粒径の異物が何個存在しているか識別できる。
【００５０】
「本装置」において、図４に示したように、試料３表面からの散乱光を結像するための結像レンズ４の前または後に、試料３表面及び照射光１の入射方向に対して平行に、幅１ｍｍのスリットを配置させた場合、照射光１の入射方向と試料３表面のスクラッチ方向の測定可能な相対角度が±５度程度となり、スリットなし時の±１５度程度と比べ、該相対角度が狭く制限されることと引き換えに、Ｓ／Ｎ比が向上し、スリットなしでは検出されなかったスクラッチが検出できるので好ましい。
【００５１】
従来のＳＴＭやＡＦＭでも、試料表面の溝幅が数十ｎｍ程度までのスクラッチが測定できるが、測定領域が極めて狭い範囲に限られてしまうという欠点を有していた。本発明では、シリコンウエハ等の試料の広い範囲にわたって、断面形状については分からないものの、上記よりさらに１桁以上の微細なスクラッチを、短時間かつ容易に識別することができる。
【００５２】
２．試料表面の全方向のスクラッチの検出
図７は、入射方向が固定された照射光１と、試料ステージ２上に載置されたシリコンウエハ試料との関係を示す図である。シリコンウエハは、その結晶方位に対しての方向、位置決めを行うための直線部分（「オリフラ」という。）を有する。照射光１の中心は、試料３表面の測定領域の回転の中心と一致するように、予め調整され、試料３が、反時計回り（＋方向とする。）に回転される。図中、照射光１の入射方向に対して、シリコンウエハのオリフラが直角となる角度を、照射光の入射方向に対する試料の相対角度ωが０度とする。
【００５３】
試料表面の全方向のスクラッチは、以下に示す方法により、検出される。
【００５４】
図７に示すように、入射方向を固定させたレーザー光に対して、試料の測定領域を中心として反時計回りに断続的に回転させて、１ステップ当りの角度送り５〜２０度で、試料の相対角度ωを断続的に変化させることにより、各相対角度ω毎のＣＣＤ画像を、各々測定、記録する。ついで、試料の方向が同一となるように、各相対角度ωでのＣＣＤ画像を角度補正した後、各相対角度ωでのＣＣＤ画像を、重ね合わせ、１枚のデータに合成する。合成されたデータは、試料表面の全方向のスクラッチを示している。また、ＣＣＤの回転を試料の回転と同期させて、各相対角度ω毎のＣＣＤ画像を、そのまま１枚のデータに合成してもよい。
【００５５】
なお、ＣＣＤ画像は、照射光強度及びＣＣＤへの露光時間を予め一定に調整して測定するか、あるいは、各ＣＣＤ画像の測定結果を、照射光強度及び露光時間で除して、同一条件となるように標準化される。
【００５６】
図８は、入射方向を固定させた、Ｐ偏向の単一レーザー光を、シリコンウエハ試料表面に照射させた時の、試料の全方向のスクラッチを測定した結果を示す図である。図８の上段は、上記方法に準じて、１ステップ当りの角度送り１０度で、反時計回りに、相対角度ωを０〜９０度まで、断続的に試料を回転させた時の、各相対角度ωにおけるＣＣＤ画像の反転画像であり、また図８の下段は、上段の各反転画像を、重ね合わせて、一枚のデータとして合成したもので、シリコンウエハ表面の全方向のスクラッチが表示されている。このように、本発明は、試料表面の全方向のスクラッチを検出することができる。
【００５７】
試料表面の全方向のスクラッチは、上記のように、照射光の入射方向を固定し、試料を断続的に回転させて測定する方法以外に、試料を固定し、試料表面の測定領域を中心として、断続的に照射光を水平回転させて測定する方法、あるいは試料表面の同一測定領域を中心として照射するように、複数の照射光を予め設置し、相対角度ωに相当する位置の照射光に順次切替えて測定する方法でも、同様の結果が得られる。スリットを用いる場合には、相対角度ωに同期させる必要がある。
【００５８】
さらに、前記のような断続的に試料を回転させる以外に、入射方向を固定させた照射光に対して、試料表面の測定領域を中心として、反時計回りに、１回の露光時間当りの角度送り５〜２０度で、連続的に試料を回転させて、各走査毎のＣＣＤ画像を、各々測定、記録した後、各走査毎のＣＣＤ画像の角度補正を行い、１枚のデータに合成して、試料表面の全方向のスクラッチを評価することができる。また、試料を固定し、照射光を連続的に水平回転させても、同様の結果を得ることができる。この場合、スリットの回転を照射光の回転と同期させる必要がある。
【００５９】
３．試料の表面粗さの方向依存性の評価
「本装置」では、前記「１．表面評価装置の実際例」で示したように、試料表面の異物や微細な凹凸の位置に対応する点状または線状の輝点が表示された図５（ａ）、（ｂ）の「ＣＣＤ画像」、及び図５（ｃ）の「走査線上の散乱光の強度分布」のデータが得られる。
【００６０】
図５（ｃ）の「走査線上の散乱光の強度分布」データにおいて、図５（ｂ）の「ＣＣＤ画像」中、異物や微細な凹凸の位置に対応する点状または線状の輝点で表示された散乱光強度の極大値がある場合、図５（ｃ）中の該極大値の部分を取り除いたバックグラウンドレベルが、試料の表面粗さを反映している。なお、この場合、表面粗さに相応した散乱光強度が得られるということであり、散乱光強度の分布曲線が断面形状を表すものではない。
【００６１】
図５（ｃ）において、散乱光強度の極大値を取り除く補正をした後、散乱光強度分布の平均値を求めることにより、試料のマイクロラフネスが、数値化されたデータとして得られる。
【００６２】
異物や線状の微細な凹凸による輝点の密度が小さい場合には、上記補正の影響が十分小さく、無視しても差支えなく、異物の付着が極めて少ない、清浄なシリコンウエハのミラー面等においては、実際上、補正しなくとも、試料の表面粗さを十分に評価することができる。
【００６３】
試料の表面粗さは、散乱光強度の分布を表すカウント数で得られる。同一条件で測定した場合には、得られたカウント数を、そのまま比較することが可能であるが、測定条件が異なる場合には、入射角度は一定として、照射光強度及び露光時間をもとに標準化したカウント数として、以下に示した数式により求め、比較される。
【００６４】
【数１】
0004690584.tif 000002
【００６５】
上記標準化により、測定条件が異なる場合における表面粗さの比較が可能となり、また粗い面から平滑な面までの広い範囲を比較することができる。
【００６６】
本発明の試料の表面粗さの方向依存性は、上記「２．試料表面の全方向のスクラッチの検出」に準ずる方法により、各「走査線上の散乱光強度分布」を測定し、散乱光強度分布のバックグラウンドレベルまたは全散乱光強度分布を求めることにより、評価することができる。
【００６７】
１回に測定する試料表面の全測定領域の散乱光強度分布の平均値で表面粗さを比較する場合には、照射光の入射方向と試料との相対角度の角度補正を行う必要がない。また、１回に測定する試料表面の全測定領域をさらに細かい領域に区分する場合には、照射光の入射方向と試料との相対角度の角度補正を行う必要がある。
【００６８】
図９は、同一試料について、レーザー光に対する初期相対角度及び回転方向を変えた時の方向依存性を比較した図であり、入射方向を固定させた、Ｐ偏向の単一レーザー光に対して、同一シリコンウエハ試料を、まず（ａ）初期相対角度ωを０度とし、反時計回りに１５度ずつ断続的に回転させ、ついで（ｂ）初期相対角度ωを４５度とし、時計回りに１５度ずつ断続的に回転させた時の、各相対角度ω毎に測定した散乱光強度分布より求めた、標準化したカウント数を比較したものである。図９では、シリコンウエハの初期相対角度ω及び回転方向如何にかかわらず、各相対角度ωにおける散乱光強度分布は、同一の挙動を示しており、表面粗さの方向依存性の評価が容易に行うことができることを示している。
【００６９】
本発明は、成長条件により結晶成長特有の結晶方向を持つ面を形成しながら、エピタキシャル成長していく、シリコンウエハのエピタキシャル成長面の方向依存性を評価できる他、金属加工面や、焼結体等の試料についても、方向依存性や規則性の評価も行うことができる。
【００７０】
図１０は、光学部品に用いられる散乱板、及びメーカー３社のシリコンウエハ（直径：１５０ｍｍ、結晶方位（１００））について、上記方法に準じて、表面粗さの方向依存性を比較した結果である。図１０より、散乱板では、表面粗さがランダムなため、各相対角度ωでの散乱光強度分布の変化は極めて小さく、また、シリコンウエハでは、メーカーにより、散乱光強度分布であるカウント数や方向依存性ついて相異があることが、数値化されたデータとして定量的に示されている。
【００７１】
本発明は、従来、ＡＦＭ，ＳＴＭ等の装置でしか評価できなかったシリコンウエハ等のマイクロラフネスが、広い範囲にわたって、簡単かつ容易に、非破壊で、定量的に評価することができる。
【００７２】
また、本発明は、異物の検出や微細な表面の凹凸、表面粗さの評価以外にも、例えば、同一の材料であっても結晶、多結晶、非晶質（アモルファスという）等のように結晶性の変化に伴い、反射率と共に散乱光強度が変化するものであれば、評価、比較することができる。また、本発明は、試料表面に付着している有機物等の変化、あるいは複数の原材料が混合された試料において、原材料の組成比率の変化により、散乱光強度が変化するものも、評価、比較できる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は、従来と比べ、凹面鏡である積分球等の光学部品が不要の単純な光学系で光路上に光学部品がなく、かつ簡単な構成の装置であり、迷光が発生せず、非常に優れたＳ／Ｎ比で、試料表面を測定でき、高精度の表面評価を行うことができる。
【００７４】
本発明は、試料表面の異物や微細な凹凸、あるいは構造または組成の変化が、広い範囲にわたり、短時間かつ容易に、各々識別することができる。本発明は、粒径３０ｎｍまでの異物が、高速でカウント、マッピングでき、また、溝幅が１ｎｍ程度までの、キズ、スクラッチを検出することができる。
【００７５】
本発明は、評価装置の感度調節が短時間かつ容易にでき、常にＣＣＤ露光量を最適化することができ、散乱光強度の変化に対して追従性がよく、ダイナミックレンジが広い。
【００７６】
本発明は、試料表面の全方向のスクラッチが、簡単かつ容易に評価することができ、また、試料の表面粗さや表面形状の方向依存性が、簡単かつ容易に、定量的に評価することができる。
【００７７】
本発明は、金属、絶縁体、半導体等の幅広い試料に対する非破壊測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の測定原理を示す模式図である。
【図２】シリコンウエハ試料における、照射光の入射角度に対応する反射光の反射率の理論値及び実験値を示す図である。
【図３】本発明の測定原理を用いて構成した表面評価装置を示す模式図である。
【図４】「本装置」において、結像レンズと試料間にスリットを配置させた時の模式図である。
【図５】シリコンウエハ試料３表面の異物による散乱光を測定した「ＣＣＤ画像」及び各「走査線上の散乱光強度分布」を示す図である。
【図６】図４（ａ）の全測定領域における、異物による散乱光強度分布別発生個数の度数分布を示す図である。
【図７】レーザー光の入射方向に対して、試料の測定領域を中心にして、試料を回転させることを示す模式図である。
【図８】シリコンウエハ試料を断続的に回転させた時の全方向のスクラッチを測定した結果を示す図である。
【図９】同一シリコンウエハ試料について、レーザー光の入射方向に対する初期相対角度及び回転方向を変えた時の方向依存性を比較した図である。
【図１０】種々の試料について、表面粗さの方向依存性について比較した結果を示す図である。
【符号の説明】
１    照射光
２    試料ステージ
３    試料
４    結像レンズ
５    ＣＣＤ
５’  ＣＣＤ制御盤
６    光源（アルゴンイオンレーザー）
７    Ｘ−Ｙスキャナー
８    減光フィルター
９    ２分の１波長板
１０  集光レンズ
１１、１１’  パソコン
１２  モニター
１３  迷光防止用遮蔽板
１４  スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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