(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＯＩウエハの表面検査方法であって、
ＢＯＸ層、ＳＯＩ層、バルクＳｉの順で並んでいる該ＳＯＩウエハの表面に対して３°から３０°の第一の方向から、２１０から３９０ｎｍの範囲の波長を有するＳ偏光であり、反射率が７０％以上で前記ＳＯＩ層への深度が１０ｎｍ以下の第一のレーザビームを照射する第一の照明工程と、
該ＳＯＩウエハの表面に対して前記第一の方向とは異なる第二の方向から、２１０から３９０ｎｍの範囲の波長を有する第二のレーザビームを照射する第二の照明工程と、
該ＳＯＩウエハの表面から第三の方向に散乱する散乱光を検出する第一の検出工程と、
該ＳＯＩウエハの表面から前記第三の方向とは異なる第四の方向に散乱する散乱光を検出する第二の検出工程と、
前記第一の検出光学系により検出された第一の散乱光に基づく第一の信号と前記第二の検出光学系により検出された第二の散乱光に基づく第二の信号とを比較して、該ＳＯＩウエハ表面の欠陥と異物との弁別、または、該ＳＯＩウエハ表面の欠陥の凹凸の弁別の少なくとも一方を行う信号処理工程と、
を有することを特徴とする表面検査方法。
【請求項２】
ＳＯＩウエハの表面検査装置であって、
ＢＯＸ層、ＳＯＩ層、バルクＳｉの順で並んでいる該ＳＯＩウエハの表面に対して３°から３０°の第一の方向から、２１０から３９０ｎｍの範囲の波長を有するＳ偏光であり、反射率が７０％以上で前記ＳＯＩ層への深度が１０ｎｍ以下の第一のレーザビームを照射する第一の照明光学系と、
該ＳＯＩウエハの表面に対して前記第一の方向とは異なる第二の方向から、２１０から３９０ｎｍの範囲の波長を有する第二のレーザビームを照射する第二の照明光学系と、
該ＳＯＩウエハの表面から第三の方向に散乱する散乱光を検出する第一の検出光学系と、該ＳＯＩウエハの表面から前記第三の方向とは異なる第四の方向に散乱する散乱光を検出する第二の検出光学系と、
前記第一の検出光学系により検出された第一の散乱光に基づく第一の信号と前記第二の検出光学系により検出された第二の散乱光に基づく第二の信号とを比較して、該ＳＯＩウエハ表面の欠陥と異物との弁別、または、該ＳＯＩウエハ表面の欠陥の凹凸の弁別の少なくとも一方を行う信号処理系と、
を有することを特徴とする表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半導体基板等に存在する微小な異物・欠陥を高感度かつ高速に検査する異物欠陥検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて，製造装置の発塵状況を監視するために，
半導体基板や薄膜基板等の表面に付着した異物の検査が行われている。例えば，回路パターン形成前の半導体基板では，表面の0.1μｍ以下の微小な異物や欠陥の検出が必要である。従来，半導体基板等の試料上の微小な欠陥を検出する技術として，米国特許４、６０１、５７６号公報や米国特許５、７９８、８２９号公報に記載されているように，試料表面上に数十μｍに集光したレーザビームを照射して，半導体基板上に付着している異物や欠陥からの散乱光を検出し，試料の回転と直進送りで試料全面の異物や欠陥を検査するものがある。
【０００３】
これらの方式を採用した場合，SOI(Silicon-on-Insulator)ウェハでは，バルクSiの上にBOX層（酸化膜），SOI層（Si）がそれぞれ数10nmから数100ｎｍの厚さで積層されているため，薄膜干渉の影響を受けて，BOX層，SOI層の膜厚が変化すると，異物や欠陥からの散乱光の強度が変化する。この薄膜干渉の影響による検出感度変化を回避するため，特開平６-１０２１８９号公報では正反射光が最大となる照明角度を用いているが，同一面内での膜厚変化には対応できない。また，特開２００１−２８１１６２号公報，特開２００３−１６６９４７号公報には複数の波長で照明することにより薄膜干渉の影響を低減することが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許４、６０１、５７６号公報
【特許文献２】米国特許５、７９８、８２９号公報
【特許文献３】特開平６-１０２１８９号公報
【特許文献４】特開２００１-２８１１６２号公報
【特許文献５】特開２００３-１６６９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
SOIウェハ表面にレーザビームを集光・照明し，発生する散乱光から表面の異物・欠陥を検出する検査装置において，SOIウェハのBOX層，SOI層の膜厚変化の影響を受けず，またBOX層に存在する異物・欠陥を検出せずに，最表面に存在する異物・欠陥のみの検出を可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
Siの光学特性（ｎ：屈折率，ｋ：吸収係数）は照明するレーザの波長によって異なり，この屈折率と吸収係数から算出されるSiへの浸透深度（強度が1/eに減衰する距離）が浅くなる波長範囲が存在することを見出した。この範囲の波長を持つレーザで照明することにより， SOIウェハのBOX層，SOI層の膜厚変化の影響を受けずに最表面の異物・欠陥のみが検出可能となる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は以上説明したように，薄膜干渉の影響を受けずに検査可能となるので，SOIウェハの最表面のみの異物・欠陥を安定した感度で検査できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の一実施例を以下に説明する。
【０００９】
図１に半導体ウェハ上の異物を検出する装置の一例を示す。図１は概略，照明光学系102，検出光学系103およびウェハステージ101よりなる。該照明光学系102はArレーザや半導体レーザ等のレーザ光源104，波長板105，ビームエキスパンダ106，集光レンズ107から構成されレーザ光源104から射出したレーザビームはその偏光方向を波長板105で任意の方向に調整する。さらにビームエキスパンダ106でビーム径を拡大してから集光レンズ107でウェハ100上の検出エリア110を集光照明する。108，109はミラーで，照明光路を変えるためのものであり，必要に応じて使用する。
【００１０】
該検出光学系103は，散乱光検出レンズ112ａおよび光電変換素子113ａを備えて構成される高角度検出系と、散乱光検出レンズ112ｂおよび光電変換素子113ｂを備えて構成される低角度検出系とを備え、検出エリアに存在する異物・欠陥からの散乱光111をそれぞれの検出系で検出する。散乱光１１１に対する光学処理，例えば，偏光板や空間フィルタによる光学特性の変更・調整等もそれぞれの検出系の中に含まれる。光電変換素子113は散乱光量に比例した大きさの電気信号を発生し信号処理回路（表示せず）で信号処理することにより異物・欠陥の検出および大きさを測定する。光電変換素子113は検出光学系103によって集光された該散乱光を受光し光電変換するために用いるものであり，例えば，TVカメラやCCDリニアセンサやTDIセンサや光電子増倍管である。
【００１１】
また検出角度の異なる検出光学系（上記した高角度検出系と低角度検出系）で散乱光を検出し，それぞれの検出信号を演算・比較することによって異物と欠陥とを分離して検出することができる。すなわち、異物はウェハ表面に対して凸状であるために高角度検出系と低角度検出系とで検出される散乱光量がほぼ同じであり、それぞれの検出系からの検出信号のレベルがほぼ同じになるが、欠陥は、ウェハ表面に対して凹状であるために、照明光の入射方向の応じて高角度検出系と低角度検出系とで検出される散乱光量が異なり、それぞれの検出系からの検出信号のレベルに差が生じる。このような異物からと欠陥からとの散乱香料分布の違いを利用して、それぞれの検出信号を演算・比較することによって異物と欠陥とを分離して検出することができる。
【００１２】
該ウェハステージ101はウェハ100を保持するチャック（図示せず），ウェハ100を回転させるための回転機構（図示せず）およびウェハ100を半径方向に直進送りさせるための直進送り機構（図示せず）からなる。該ウェハステージ101でウェハ100を水平方向に回転走査及び直進移動させることによって，ウェハ100の全領域における異物・欠陥の検出および大きさの測定が可能となる。
【００１３】
ここで照明に使用するレーザの波長について考察する。Siの光学特性（ｎ：屈折率，ｋ：吸収係数）は，図２のように照明するレーザの波長によって異なる（出典：E.D.Palik (Naval Research Laboratory)：Handbook of Optical Constants of Solids:   Silicon,pp552(1985)）。この屈折率と吸収係数から算出されるSiへの浸透深度ｄ（強度が1/eに減衰する距離）は数１で計算できる（窪田：波動光学（岩波書店）：電磁波動，pp.15(1971)）。
【００１４】
【数１】
0004500641.tif 000002
【００１５】
ここで，λは波長、ｎは屈折率、ｋは吸収係数である。数１による計算結果を図３に示す。
【００１６】
図３により，浸透深度が10ｎｍ（図３では、１ｅ１と表示）より浅くなる波長範囲301（図３でハッチングした領域：２１０ｎｍ〜３９０ｎｍ）が存在することを見出した。この範囲の波長を持つレーザで照明することにより，照明光はBOX層まで到達せず，そのため薄膜干渉が生じない。
【００１７】
次に照明角度（図１，θ1）について考察する。屈折率と吸収係数から照明角度における反射率が計算できる。S偏光における計算結果を図４に示す。浸透深度が10ｎｍ以下となる波長範囲で，反射率が７０％以上となるのは，照明角度が３０度以下である。装置構成を考慮すると，照明角度は３度から３０度の範囲が望ましい。
【００１８】
該波長範囲と該照明角度の効果をシミュレーションで確認する。シミュレータとしては例えば米国Weidlinger Associates社のEMFilexがある。図５にシミュレーション結果を示す。BOX層の膜厚は100ｎｍとし，SOI層の膜厚を20ｎｍから200ｎｍの範囲とした。
【００１９】
図５（ａ）に示したように、SOI層の上にPSL(Polystyrene Latex，標準粒子)を置き，照明角度１０度，Ｓ偏光で照明した。波長は浸透深度が10ｎｍ以下となる波長範囲内の355ｎｍ，波長範囲外の400ｎｍおよび532ｎｍでシミュレーションを行った。その結果、図５(ｂ)に示したように、波長範囲外の400ｎｍ及び532ｎｍでは，薄膜干渉の影響を受けて，SOI層の膜厚変化に対して散乱光の検出信号レベル（散乱光検出電圧）が変動する。これに対し，浸透深度が10ｎｍ以下となる波長範囲内の355ｎｍでは薄膜干渉の影響を受けずに，SOI層の膜厚変化に対して散乱光検出電圧が安定している。また，波長範囲内の355ｎｍでは他の波長に対して検出信号レベル（散乱光検出電圧）が高くなり，高感度な検査が可能となる。波長範囲内の355ｎｍでは浸透深度が浅いため，ベアSiウェハでも同様な検査結果が得られるため，他の波長よりも高感度な検査を達成できる。
【００２０】
以上に説明したように、本発明の構成による照明光学系を採用することにより、ウェハ表面に形成された光学的に透明な薄い膜の表面と下面とからの反射光による干渉光の発生を防止でき、ウェハ表面の欠陥を高精度で安定に検出することができる。
【００２１】
照明用レーザが連続発振の場合には対策不要であるが，パルス発振の場合には発振周波数とウェハ上レーザビームスポット径およびウェハ回転に伴う異物・欠陥の移動速度の関係を考慮する必要がある。図６はその関係を示すものである。図６（ａ）に示したように、ウェハ上でのレーザビームスポット径(1/e2)をd［μｍ］，周速（ウェハ回転に伴う異物・欠陥の移動速度）をv[ｍ／Ｓ]，レーザ発振周波数をF[MHz]とすると，異物・欠陥（サイズ無限小）がレーザビームスポットd［μｍ］を通過する時間つまり散乱光が発生している時間T1[μＳ]は
T1 = d/v          ・・・（数２）
となる。一方レーザのパルス発振間隔T2[μＳ] は、図６（ｂ）に示したように、
T2 = 1/F          ・・・（数３）
である。サンプリング定理から
T1 > 2・T2          ・・・（数４）
が必要であり，式２，３，４より
F > 2・v/d          ・・・（数５）
となる。レーザ発振周波数Fおよびレーザビームスポットｄは通常固定であるため，式５を満たすように周速ｖを決定する。これにより，半径R[m]におけるウェハの回転数N[rps]は式６となる。
【００２２】
N < d・F/(4・π・R)      ・・・（数６）
図７に示すように，２つの照明角度で照明し，個別に散乱光を検出して検出電圧を比較することにより，欠陥の凹凸弁別が可能である。レーザ光源104、波長板105、ビームエキスパンダ106、ミラー108,109および集光レンズ107で構成される第1の照明系は、図１と同様であり，照明角度θ1，波長λ1である。レーザ光源801、波長板802、ビームエキスパンダ803、ミラー805，806および集光レンズ804で構成される第２の照明系は、第１の照明系と同一の構成からなり，照明角度θ2，波長λ2である。検出光学系は図１と同様であるが，それぞれに波長フィルタ806，807を挿入する。波長フィルタ807は波長λ1を通過し，波長λ2はカットする。波長フィルタ806は波長λ2を通過し，波長λ1はカットする。これにより２つの波長の散乱光を散乱光検出レンズ112ａ，112ｂを介して光電変換素子113ａ，113ｂで個別に検出できる。また照明の波長により検出欠陥の種類が異なる場合，２つの検出器113ａ，113ｂによる検査結果の論理和をとることもできる。ここで，波長は共に浸透深度が10ｎｍ以下となる波長を用いる。
【００２３】
図８は図７に示した２波長が含まれる散乱光を個別に検出する別の実施例である。波長λ1は通過し，波長λ2を反射するダイクロイックミラー901を挿入し，通過散乱光と反射散乱光を個別に検出することにより，図７の効果と同一の効果が実現できる。
【００２４】
図９に検査フローを示す。検査を開始すると（Ｓ９０１），まず検査に必要なパラメータ（レーザパワー等）を設定し（Ｓ９０２），ウェハを検査開始位置に移動する（Ｓ９０３）。次にウェハスキャン（回転と半径方向送り）を開始し（Ｓ９０４），異物・欠陥が存在したときにはその信号を取り込む（Ｓ９０５）。ウェハ全面の検査が終了すると，ウェハスキャンを停止し（Ｓ９０６），取り込んだ異物・欠陥の情報をマップ等で出力する（Ｓ９０７）。これにより，一連の検査が終了する（Ｓ９０８）。
【００２５】
異物・欠陥の情報をマップで出力する一例を図１０，１１，１２に示す。図１０は検査で得られる結果をすべて論理和をとって表示するものであり，図１１は図８，９による検査で得られる結果を波長毎に分けて表示するものであり，図１２は欠陥分類後に欠陥毎に分けて表示するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明を用いた検査方法を示した図である。
【図２】Siの光学特性を説明する図である。
【図３】Siへの浸透深度を説明する図である。
【図４】Si表面の反射率を説明する図である。
【図５】SOIウェハにおける検出感度変動の一例を示した図である。
【図６】パルス発振レーザの一例を示した図である。
【図７】異物・欠陥分類方法の一例を示した図である。
【図８】異物・欠陥分類方法の別例を示した図である。
【図９】検査フローの一例を示した図である。
【図１０】検査結果表示方法の一例を示した図である。
【図１１】検査結果表示方法の別例を示した図である。
【図１２】検査結果表示方法の別例を示した図である。
【符号の説明】
【００２７】
100・・・ウェハ    101・・・ウェハステージ    102・・・照明光学系    103・・・検出光学系    104，801・・・レーザ光源    105，802・・・波長板    106，803・・・ビームエキスパンダ    107，804・・・集光レンズ    108，109，805，806・・・ミラー    110・・・検出エリア    111・・・散乱光    112・・・散乱光検出レンズ    113・・・光電変換素子    301・・・波長範囲    806，807・・・波長フィルタ    901・・・ダイクロイックミラー
【図１】
0004500641.tif 000003
【図２】
0004500641.tif 000004
【図３】
0004500641.tif 000005
【図４】
0004500641.tif 000006
【図５】
0004500641.tif 000007
【図６】
0004500641.tif 000008
【図７】
0004500641.tif 000009
【図８】
0004500641.tif 000010
【図９】
0004500641.tif 000011
【図１０】
0004500641.tif 000012
【図１１】
0004500641.tif 000013
【図１２】
0004500641.tif 000014