(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面にレーザ光線を照射し、該レーザ光線の散乱反射光を検出して異物を検出する表面検査装置に於いて、光源部が複数の異なる波長のレーザ光線を発する発光源を有し、それぞれのレーザ光線を異なった光路により基板表面に照射する様にし、それぞれの光路を切替える光路切替え手段を前記レーザ光線の光路に挿脱可能に備え、前記光路切替え手段の挿脱により、相互の光路が入替って光路変更され、それぞれの発光源からのレーザ光線を基板表面に、基板表面での反射特性が異なる状態で照射する照射光学系を具備することを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記複数の発光源の少なくとも１つのレーザ光線の偏光状態を変更する偏光部材を設けた請求項１の表面検査装置。
【請求項３】
前記照射光学系が１つの結像レンズを有すると共に各発光源に対応して設けられ該発光源からのレーザ光線を前記結像レンズに入射させる光学部材を有する請求項１の表面検査装置。
【請求項４】
前記発光源がマトリックス状に配設された請求項１又は請求項２の表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体ウェーハ等の基板の表面の微細な異物、或は結晶欠陥等の微細な傷を検査する表面検査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
表面検査装置は、レーザ光線を基板表面に照射し、異物、傷によって生じる散乱反射光を検出して異物、傷の検出を行うものである。尚、表面検査装置での発光源としては、ガスレーザ（Ｈｅ、Ａｒ等）等が一般的に用いられてきたが、最近では取扱いが容易、安全、長寿命等の理由からレーザダイオード（ＬＤ）が用いられている。
【０００３】
図１１は発光源としてレーザダイオードが使用された従来の照射光学系を示している。
【０００４】
発光源１から発せられたレーザ光線２はコリメートレンズ３により、平行光束とされ、結像レンズ４によりウェーハ等の基板５の表面（前記結像レンズ４による集光位置ｆの点）に集光する様に照射される。又、前記レーザ光線２は前記基板５に対してθの角度で入射される。散乱反射光検出器（図示せず）は前記レーザ光線２の反射光軸から外れた位置、例えば紙面に対して略垂直な方向から散乱反射光を検出する様になっている。
【０００５】
検出感度、検出精度は、基板表面に照射するレーザ光線２の波長及び強度が関係する。波長を短くするか、強度を上げることで、検出感度を向上することができる。又強度を均質に保った状態で照射範囲を広げることで、検出感度を保ったまま検出精度を向上することができる。
【０００６】
近年、表面検査装置には一層の検出感度及び検出精度の向上が要求され、例えば半導体素子の高密度化に伴い、表面検査装置にはウェーハ表面の更に微細な異物、傷の検出を行うことが要求されている。
【０００７】
上記した様に表面検査装置では異物、傷の検出を散乱反射光の検出に基づいて行っているが、散乱反射光は基板表面の性状、即ち膜種、膜厚によって微妙に変化する。例えば、シリコンウェーハ表面に形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）の場合、膜厚に応じ反射率が変ることが分っており、又反射率の変化は膜厚により周期的に変動し、反射率の変化は波長によっても異なることも分っている。
【０００８】
図１２は、基板表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）が形成されている場合の、膜厚に対応した反射率変動曲線を３波長のレーザ光線（４８８ｎｍ、６８０ｎｍ、７８０ｎｍ）について示したものである。
【０００９】
異物、傷の検出感度は基板表面の反射率と略相関があり、反射率が低下し散乱反射光の光量が減少すると検出精度が低下する。従って、所定の検出精度を安定に維持するには、膜種、膜厚に対応して照射するレーザ光線の波長を選択する必要があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の表面検査装置では、膜種、膜厚に応じたレーザ光線の波長を設定する必要があり、作業性が悪い。更に、膜厚については基板全面で完全には均一ではなく、基板表面の部位により反射率が変動する可能性があり、反射率の変動に伴い、検出精度が変動する可能性があった。
【００１１】
本発明は斯かる実情に鑑み、基板表面の膜種、膜厚に影響されない安定した高精度の検査を可能とする表面検査装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板表面にレーザ光線を照射し、該レーザ光線の散乱反射光を検出して異物を検出する表面検査装置に於いて、光源部が複数の異なる波長のレーザ光線を発する発光源を有し、それぞれのレーザ光線を異なった光路により基板表面に照射する様にし、それぞれの光路を切替える光路切替え手段を前記レーザ光線の光路に挿脱可能に備え、前記光路切替え手段の挿脱により、相互の光路が入替って光路変更され、それぞれの発光源からのレーザ光線を基板表面に、基板表面での反射特性が異なる状態で照射する照射光学系を具備する表面検査装置に係り、又前記複数の発光源の少なくとも１つのレーザ光線の偏光状態を変更する偏光部材を設けた表面検査装置に係り、又前記照射光学系が１つの結像レンズを有すると共に各発光源に対応して設けられ該発光源からのレーザ光線を前記結像レンズに入射させる光学部材を有する表面検査装置に係り、更に又前記発光源がマトリックス状に配設された表面検査装置に係るものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１により表面検査装置の概略について説明する。
【００１５】
図中、５はウェーハ等の被検査物である基板であり、表面検査装置は走査駆動機構部６、照射光学系７、検出系８から主に構成されている。
【００１６】
又、前記走査駆動機構部６は前記基板５を保持する基板保持部９を具備し、該基板保持部９は回転駆動部１０により回転可能に支持され、該回転駆動部１０は直線駆動機構部１１により前記基板５の回転面と平行な半径方向に直線移動される様になっている。
【００１７】
前記照射光学系７は検査光であるレーザ光線２を発する光源部１２、該光源部１２からのレーザ光線２を前記基板５上に向けるミラー等の偏向光学部材１３，１４、前記レーザ光線２を前記基板５の表面に集光させるレンズ群１５等から構成されている。前記検出系８は前記基板５表面に照射されるレーザ光線２の光軸に交差する検出光軸を有する受光検出器１６，１７を具備している。
【００１８】
前記基板５の表面検査は、前記回転駆動部１０により前記基板５が回転された状態で、前記照射光学系７より前記基板５の表面に前記レーザ光線２が照射され、更に前記直線駆動機構部１１により前記回転駆動部１０が半径方向に移動される。
【００１９】
而して、前記基板５の一回転毎に所要ピッチでステップ送りすることにより、或は所定速度で前記回転駆動部１０を連続送りすることにより、前記レーザ光線２の照射点が同心円、或は螺旋円の軌跡を描きながら、前記基板５の中心から外縁迄移動し、該基板５の全面が前記レーザ光線２によって走査されることとなる。
【００２０】
該レーザ光線２が前記基板５の表面を走査する過程で、異物、傷があると前記レーザ光線２が散乱反射する。この散乱反射光は所定の位置に配置された前記検出系８の受光検出器１６，１７によって検出され、該受光検出器１６，１７からの信号を図示しない演算処理部により信号処理することで、異物、傷が検出される。
【００２１】
図２は本発明の表面検査装置の照射光学系７の概略を示し、図中、偏向光学部材１３，１４等は省略している。
【００２２】
前記光源部１２は２組の発光源１ａ，１ｂを有し、該発光源１ａ，１ｂは個別に発光状態を制御可能となっていると共に異なる波長λ1 ，λ2 のレーザ光線２ａ，２ｂを発する様になっている。
【００２３】
前記発光源１ａ，１ｂからのレーザ光線２ａ，２ｂはそれぞれ個別にコリメートレンズ３ａ，３ｂにより平行光束とされ、１つの結像レンズ４により前記基板５の表面に集光される様になっている。又、前記コリメートレンズ３ａ，３ｂと結像レンズ４の光軸はそれぞれ平行となっており、前記発光源１ａ及び発光源１ｂから発せられるレーザ光線２ａ，２ｂは前記結像レンズ４により同一照射点１８に集光される様になっている。
【００２４】
前記発光源１ａ及び発光源１ｂからの波長の異なるレーザ光線２ａ，２ｂが前記結像レンズ４により同一照射点１８に集光照射される。
【００２５】
前記発光源１ａ、発光源１ｂ単独のレーザ光線が前記照射点１８に照射された場合、例えば前記発光源１ａから単独に波長λ1 のレーザ光線２ａが前記照射点１８に照射された場合の散乱反射光の反射率は、上述した様に膜種がシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）であった場合、図１２に於ける所定の１波長の様に膜厚の変化に対して周期的に変動する。又、図示していないが、前記発光源１ｂからの波長λ2 のレーザ光線２ｂが単独に前記照射点１８に照射された場合、図１２に於ける波長が異なる線の様に前記発光源１ａの場合とは異なった位相で膜厚の変化に対応して周期的に変動する。
【００２６】
次に、前記発光源１ａ、発光源１ｂから前記レーザ光線２ａ，２ｂを同時に照射した場合の反射率は、図１２で示した様に位相がずれるので、膜厚の変化に対する合成反射率は該各レーザ光線２ａ，２ｂの反射率を合成したものとなる。即ち、該レーザ光線２ａ，２ｂの反射率が合成されることで、反射率のピークの部分が略平らとなり、反射率変動曲線は台形形状となる。
【００２７】
斯かる２種の波長λ1 ，λ2 のレーザ光線２ａ，２ｂを同一照射点１８に同時に照射することで、例えば図１２での所定の２波長に於ける反射率の落込み部分を少なくすることができるので、膜厚が変動した場合でも異物、傷に基づく散乱反射光は安定し、検出精度は安定して変化しない。
【００２８】
尚、３種以上の波長のレーザ光線を混合して同一照射点に照射する様にしてもよい。この場合、反射率の変動曲線は各レーザ光線の反射率を合成したものとなり、各レーザ光線の反射率変動曲線の位相が適宜量ずつずれる様な波長を選択し、照射光強度を調整すれば、反射率変動曲線のピークの平坦部分が更に大きくなり、膜厚の変動に対して更に安定する。
【００２９】
３種以上の波長のレーザ光線を混合する照射光学系の一例を図５に示す。
【００３０】
図５は第２の実施の形態を示し、該第２の実施の形態では、多数の発光源１ａ…１ｎを用いた場合を示している。該発光源１ａ…１ｎからはそれぞれ異なった波長のレーザ光線２ａ…２ｎが発せられている。
【００３１】
前記各発光源１ａ…１ｎを直線的に配設し、該各発光源１ａ…１ｎに対してそれぞれコリメートレンズ３ａ…３ｎを設け、該コリメートレンズ３ａ…３ｎを介してレーザ光線２ａ…２ｎが１つの結像レンズ４に入射される様にしたものであり、前記コリメートレンズ３ａ…３ｎの光軸を前記結像レンズ４の光軸と平行にしたものである。
【００３２】
本実施の形態では、波長の異なる全てのレーザ光線２ａ…２ｎが照射点１８の一点に集光され、各レーザ光線２ａ…２ｎの反射率が合成され、扁平な台形形状をした反射率変動曲線が得られる。
【００３３】
上記実施の形態では、波長が異なることで膜厚に対して反射率が変動することを説明したが、図２で示す様に、レーザ光線２の基板５に入射する角度θが大きくなると前記レーザ光線２の偏光状態が反射率に影響することが分っている。
【００３４】
図６に於いて、第３の実施の形態について説明する。
【００３５】
図６は第３の実施の形態の照射光学系７の概略を示し、図中、図２中で示したものと同等のものには同符号を付し、説明の詳細は省略する。
【００３６】
発光源１ａ，１ｂは個別に発光状態を制御可能となっており、該発光源１ａ，１ｂからのレーザ光線２ａ，２ｂはそれぞれ個別にコリメートレンズ３ａ，３ｂにより平行光束とされ、１つの結像レンズ４により基板５の表面に集光照射される様になっている。又、前記コリメートレンズ３ａ，３ｂと結像レンズ４の光軸はそれぞれ平行となっており、前記発光源１ａ及び発光源１ｂから発せられるレーザ光線２ａ，２ｂは前記結像レンズ４により同一照射点１８に集光される様になっている。
【００３７】
前記レーザ光線２ａ，２ｂのそれぞれの光軸に対して偏光部材１９ａ、偏光部材１９ｂが挿脱可能に設けられている。尚、前記発光源１ａ，１ｂから発せられるレーザ光線２ａ，２ｂの波長は、同一又は異なっていてもよいが、以下は同一として説明する。又、前記基板５に対するレーザ光線２の入射角θは前記レーザ光線２の偏光状態が反射率に反映される角度とする。
【００３８】
尚、偏光部材としては偏光板、１／２λ板、１／４λ板、偏光解消板（偏光をランダム偏光とする）等が挙げられる。
【００３９】
図６に於いて、例えば前記レーザ光線２ａの光軸に対してのみ前記偏光部材１９ａを挿入すると、前記レーザ光線２ａとレーザ光線２ｂとの偏光状態が変る。この為、図３の様に該レーザ光線２ａとレーザ光線２ｂとで膜厚の変動に対する反射率変動曲線に差が生じるが、該レーザ光線２ａ，２ｂの合成反射率変動曲線は図４で示す様に膜厚が０．６μｍ〜０．７μｍの間に於いて、ピーク値が平らとなる。
【００４０】
而して、第３の実施の形態に於いても、膜厚が変動した場合でも、異物、傷に基づく散乱反射光は安定し、検出精度は安定して変化しない。
【００４１】
尚、偏光板、１／２λ板、１／４λ板、偏光解消板を選択することで、レーザ光線の偏光状態が変更でき、反射率変動曲線も変化する。従って、前記レーザ光線２ａの光軸、レーザ光線２ｂの光軸に挿入する偏光部材１９ａ，１９ｂを適宜選択することで、前記レーザ光線２ａ，２ｂの反射率変動曲線を調整することが可能となる。
【００４２】
更に、該レーザ光線２ａ，２ｂの波長を変えることで該レーザ光線２ａ，２ｂの反射率変動曲線が変化することは言う迄もなく、反射率変動曲線を変化させる要因であるレーザ光線の波長、偏光状態を適宜選択することで反射率変動曲線の調整範囲が大きくなり、一層最適な反射率変動曲線を実現することができる。
【００４３】
図７は第４の実施の形態を示し、該第４の実施の形態では発光源１ａ，１ｂが分離した位置に設けられた場合で、レーザ光線を混交する場合である。
【００４４】
発光源１ａ及び該発光源１ａに対応して設けられるコリメートレンズ３ａは結像レンズ４の光軸に対して交差した位置、例えば直交する光軸上に設けられ、前記発光源１ａから発せられたレーザ光線２ａは反射鏡２１ａにより前記結像レンズ４の光軸と平行に反射され、前記結像レンズ４に導かれる。
【００４５】
発光源１ｂ、コリメートレンズ３ｂも同様に配設され、前記発光源１ｂから発せられたレーザ光線２ｂは反射鏡２１ｂにより反射され、前記結像レンズ４の光軸と平行に該結像レンズ４に入射される。
【００４６】
該結像レンズ４により前記発光源１ａ，１ｂから発せられたレーザ光線２ａ，２ｂは照射点１８に集光される。
【００４７】
上記第４の実施の形態で、発光源１が３以上の場合は、前記結像レンズ４の光軸を中心とした放射線上に光源１、コリメートレンズ３を配設すればよい。
【００４８】
該第４の実施の形態で、前記発光源１ａ，１ｂが発する波長を変え、或は該レーザ光線２ａ，２ｂの光軸上に偏光部材１９ａ，１９ｂを挿脱することで、上記した実施の形態と同様の反射率変動曲線ができ、最適な反射率変動曲線を実現することができる。
【００４９】
図８は第５の実施の形態を示しており、該第５の実施の形態では第４の実施の形態と同様、発光源１ａ，１ｂが分離した位置に設けられた場合で、レーザ光線２ａ，２ｂを混合する場合である。
【００５０】
光源部１２は離反して設けられた２組の発光源１ａ，１ｂを有し、該発光源１ａ，１ｂは個別に発光状態を制御可能となっていると共に異なる波長λ1 、λ2 のレーザ光線２ａ，２ｂを発する様になっている。
【００５１】
前記発光源１ａ，１ｂからのレーザ光線２ａ，２ｂはそれぞれ個別にコリメートレンズ３ａ，３ｂにより平行光束とされる。前記レーザ光線２ａの光軸上に反射鏡２２が配設され、該反射鏡２２の反射光軸と前記コリメートレンズ３ｂの光軸との交点にハーフミラー２３が配設されている。
【００５２】
前記レーザ光線２ａは前記反射鏡２２及びハーフミラー２３によって反射され、該ハーフミラー２３を透過するレーザ光線２ｂに合致し、結像レンズ４の光軸上の基板５の照射点１８に集光照射される。
【００５３】
上記第５の実施の形態に於いても、前記発光源１ａ，１ｂが発する波長を変え、或は前記レーザ光線２ａ，２ｂの光軸上に偏光部材１９ａ，１９ｂを挿脱することで、上記した実施の形態と同様の反射率変動曲線ができ、最適な反射率変動曲線を実現することができる。
【００５４】
尚、第５の実施の形態に於いて、前記反射鏡２２、ハーフミラー２３を省略し、前記発光源１ａからのレーザ光線２ａを偏向光学部材１４′、結像レンズ４′により直接照射点１８に集光照射させ、該照射点１８でレーザ光線２ａ，２ｂの混合を行ってもよい。この場合、該レーザ光線２ａとレーザ光線２ｂとは前記基板５に対して入射角が異なり、反射特性は入射角にも影響されるので、前記レーザ光線２ａ，２ｂの光路を切替えることで、異なった反射特性を得ることができる。
【００５５】
図９は光路切替え手段の一例を示すものである。
【００５６】
前記レーザ光線２ａの光軸上に反射鏡２４ａ、２５ａに、又前記レーザ光線２ｂの光軸上に反射鏡２４ｂ，２５ｂを一体に挿脱可能とし、反射鏡２４ａ、２５ａ及び反射鏡２４ｂ，２５ｂを挿入した状態では、レーザ光線２ａは反射鏡２４ａ，２５ｂに反射されて変更前のレーザ光線２ｂの光軸に、又レーザ光線２ｂは反射鏡２４ｂ，２５ａに反射されて変更前のレーザ光線２ａの光軸にそれぞれ光路が変更される。
【００５７】
図１０（Ａ）（Ｂ）は光路切替え手段の他の一例を示すものである。
【００５８】
該他の光路切替え手段では、発光源１ａ，１ｂを一体に回転可能とし、該発光源１ａ，１ｂを１８０°回転することで、光路の切替えを行うものである。
【００５９】
図５で示した実施の形態では、複数の発光源１を直線上に配設したが、更に所要列配設し、複数の発光源１の配置をマトリックス状としてもよい。
【００６０】
マトリックス状とした場合、特に図示しないが以下の如く照射点の光強度調整ができる。図５を参照して説明する。
【００６１】
即ち、各列について、発光源１については波長を変え、更に適宜偏光部材１９を挿脱し、第１列目について各レーザ光線の反射率が合成され、扁平な台形形状をした反射率変動曲線が得られる状態とする。次に第２列目以降第１列目と同様な反射率変動曲線が得られる状態としておく。各発光源に対応しても設けられたコリメートレンズ３の光軸を結像レンズ４の光軸と平行とする。
【００６２】
この状態では、全てのレーザ光線２が照射点１８に集光照射されることとなり、各列に関しては扁平な台形形状をした反射率変動曲線が得られ、更に光強度は各列の光強度が列数分だけ加算されることとなり、得られる散乱反射光量が増大する。
【００６３】
検出精度は、照射光強度を増大させることで向上するので、複数の発光源１をマトリックス状に配設した場合、表面検査装置の検査精度の膜厚変動に対する安定性が向上すると共に検査精度の向上も得られる。
【００６４】
更に、レーザ光線２が青色レーザダイオードの様に、単体では充分な光量が得られない場合に対しても有効である。
【００６５】
尚、複数あるレーザ光線２の配列はマトリックス状に限らず、円状であっても、その他の配列であってもよい。要は扁平な反射率変動曲線が得られる様に、各発光源の波長、偏光状態、光強度を調整すればよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、基板表面にレーザ光線を照射し、該レーザ光線の散乱反射光を検出して異物を検出する表面検査装置に於いて、光源部が複数の異なる波長のレーザ光線を発する発光源を有し、それぞれのレーザ光線を異なった光路により基板表面に照射する様にし、それぞれの光路を切替える光路切替え手段を前記レーザ光線の光路に挿脱可能に備え、前記光路切替え手段の挿脱により、相互の光路が入替って光路変更され、それぞれの発光源からのレーザ光線を基板表面に、基板表面での反射特性が異なる状態で照射する照射光学系を具備するので、異なった反射特性が得られ、散乱反射光が基板表面の膜種、膜厚に影響を受け難くなり、安定した高精度の検査が可能となる等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る表面検査装置の基本構成を示す骨子図である。
【図２】該表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図３】単一波長のレーザ光線を基板表面に照射した場合の膜厚の変化と反射率との関係を示す線図である。
【図４】偏光の異なる単一波長のレーザ光線を基板表面に照射した場合の膜厚の変化と反射率との関係を示す線図である。
【図５】第２の実施の形態の表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図６】第３の実施の形態の表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図７】第４の実施の形態の表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図８】第５の実施の形態の表面検査装置の照射光学系の説明図である。
【図９】第５の実施の形態に於ける光路切替え手段の一例を示す説明図である。
【図１０】（Ａ）（Ｂ）は第５の実施の形態に於ける光路切替え手段の他の一例を示す説明図である。
【図１１】従来の表面検査装置の照射光学系を示す説明図である。
【図１２】基板表面に形成された膜厚の変化と波長の異なるレーザ光線の反射率との関係を示す線図である。
【符号の説明】
１          発光源
２          レーザ光線
５          基板
６          走査駆動機構部
７          照射光学系
８          検出系
１２        光源部
１５        レンズ群
１８        照射点
１９        偏光部材
【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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【図１１】
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【図１２】
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