JP4905029B2 - 光散乱観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物へレーザ光線を照射し、被測定物から出射されるレーザ光線をＣＣＤカメラで撮影して被測定物内に存在する散乱体を観察する光散乱観察装置に係り、特に、高価な２次元ステージを用いることなく被測定物断面の散乱像を観察でき、更に被測定物内に存在する散乱体の位置と大きさをも観察できる光散乱観察装置の改良に関するものである。

従来、被測定物の内部にレーザ光線などの光を照射し、その散乱光を得ることにより被測定物内部の欠陥に関する情報を得て上記欠陥を可視化する内部欠陥観察方法および装置が知られている。

こうした欠陥を観察する装置が、例えば非特許文献１に開示されている。この装置において、被測定物の側面からレンズにより集光したレーザ光線を入射させる。レーザ光線は被測定物の内部の欠陥により散乱される。この散乱光は被測定物から出射し、この散乱光をレーザ光線の光軸に直交する位置に配置されたＣＣＤカメラで撮影する。これにより、被測定物内部の欠陥を可視化し、検出する。

半導体ウェハーの欠陥等を評価する装置としては、レーザ光線を被測定物内にその表面に対して斜めに入射させ、それによる被測定物内部の欠陥や粒子を検出するようにした装置が特許文献１に開示されている。この装置においては、被測定物からのレーザ光線の反射方向と異なる方向から散乱光を観察することにより、反射光の影響を極力排除するようにしている。また、レーザ光線の波長や被測定物の温度を変化させてレーザ光線が被測定物内に入り込む深さを調整できるようにしている。

また、半導体ウェハーの欠陥等を評価する装置として、当該散乱光の散乱源が半導体ウェハーの表面に存在する粒子等であるか、内部に存在する欠陥等であるかを評価するために、レーザ光線のｐ偏光成分とｓ偏光成分を使う装置が特許文献２に開示されている。

ところで、これ等特許文献に開示された測定装置において一回に測定できる範囲はレーザ光線が照射されている線状の部分だけであり、被測定物全体の欠陥の分布を知りたい場合には、被測定物を精密な２次元ステージに載置し、この２次元ステージを操作して被測定物の内部全体をレーザ光線で走査する共に、それぞれの画像をパソコンのメモリに保存し、かつ、それぞれの画素を合成して全体像を求める過程が必要であった。

このため、測定操作が煩雑で、かつ、高価な２次元ステージ等が必要となる分、装置自体も高額となる問題が存在した。
特開平４−２４５４１号公報 特許第２８４７４５８号公報 守矢一男著、応用物理、55（1986）542頁

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、高価な２次元ステージを用いることなく被測定物断面の散乱像を観察でき、更に被測定物内に存在する散乱体の位置と大きさをも観察可能な光散乱観察装置を提供することにある。

すなわち、請求項１に係る発明は、
レーザ光源からのレーザ光線を被測定物へ照射し、被測定物から出射されるレーザ光線をＣＣＤカメラで撮影して被測定物内に存在する散乱体を観察する光散乱観察装置を前提とし、
上記被測定物がウェハー加工前のサファイアインゴットで構成され、レーザ光源とサファイアインゴットとの間の光路上に、直線偏光の方位を回転させる２分の１波長板とガルバノミラーおよび反射ミラーが配置されると共に、２分の１波長板を透過したレーザ光線が上記ガルバノミラーと反射ミラーにより平面状に走査されて、サファイアインゴットの真上９０度に配置された自動焦点調整機能を有するＣＣＤカメラによりサファイアインゴット断面の散乱像が観察されるようになっており、かつ、上記２分の１波長板により、サファイアインゴットに照射されるレーザ光線の偏光が水平偏波または垂直偏波に選択的に切り換えられて、水平偏波を入射することによりサファイアインゴット中に存在するマイクロバブルが検出され、垂直偏波を入射することによりサファイアインゴット中に存在するマイクロバブル以外の大型のバブルと刃状転位による歪の大きい部分が検出されるようになっていることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係る光散乱観察装置を前提とし、
上記２分の１波長板を透過したレーザ光線がガルバノミラーと反射ミラーにより平面状に走査されて、サファイアインゴットの中心軸に対し垂直に走査されたサファイアインゴット断面の散乱像が観察されるようになっていることを特徴とする。

次に、請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の発明に係る光散乱観察装置を前提とし、
エンコーダ付きの垂直移動ステージにより上記サファイアインゴットを移動させて、垂直方向の異なる位置におけるサファイアインゴット断面の散乱像が観察されるようになっていることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項３に記載の発明に係る光散乱観察装置を前提とし、
サファイアインゴットの各断面における散乱像の画像情報と各断面における水平方向の位置情報および垂直方向の位置情報を保存し、保存された各情報に基づく画像処理によりサファイアインゴット内に存在する散乱体の位置と大きさが特定されるようになっていることを特徴とし、
また、請求項５に係る発明は、
請求項１、２、３または４に記載の発明に係る光散乱観察装置を前提とし、
上記サファイアインゴットが、エピタキシャル成長基板に適用されるウェハー加工前のサファイアインゴットであることを特徴とする。

請求項１に記載の発明に係る光散乱観察装置によれば、
２分の１波長板を透過したレーザ光線がガルバノミラーと反射ミラーにより平面状に走査されるため、２次元ステージを用いることなく被測定物であるサファイアインゴット断面の散乱像を観察できる効果を有する。

特に、請求項３〜４に記載の発明に係る光散乱観察装置によれば、
エンコーダ付きの垂直移動ステージにより被測定物を垂直方向へ移動させて垂直方向の異なる位置における被測定物断面の散乱像が観察されるため、２次元ステージを用いることなく被測定物であるサファイアインゴット内に存在する散乱体の位置と大きさをも観察できる効果を有する。

以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。

まず、本発明に係る光散乱観察装置は、図１に示すように、レーザ光源１と、このレーザ光源１と被測定物５との間の光路上に配置された２分の１波長板２、ガルバノミラー３および反射ミラー４と、被測定物５が搭載されこの被測定物５を垂直方向へ移動させるエンコーダ付きの垂直移動ステージ６と、自動焦点調整機能を有し被測定物５断面の散乱像を撮影するＣＣＤカメラ７と、被測定物５における各断面の画像情報と各断面の水平方向並びに垂直方向における各位置情報を保存しかつ処理を行うコンピュータ８とでその主要部が構成されている。

この光散乱観察装置において、レーザ光源１より出射されたレーザ光線は２分の１波長板２によりｐ偏光またはｓ偏光に変換され、２分の１波長板２を透過してガルバノミラー３に入射したレーザ光線は水平方向に走査され、更に、反射ミラー４に入射したレーザ光線は垂直移動ステージ６に搭載された被測定物５に垂直に入射して被測定物５断面がレーザ光線により走査される。すなわち、レーザ光線の走査する面は被測定物５の中心軸に対して垂直である。そして、被測定物５の真上９０度に配置された自動焦点調整機能を有する上記ＣＣＤカメラ７により被測定物５断面の散乱像が撮影され、その断面の画像情報と水平方向の位置情報並びに垂直方向の位置情報がそれぞれコンピュータ８のメモリに保存される。次に、上記垂直移動ステージ６が垂直方向へ上昇若しくは下降して被測定物５を所定の位置に移動させ、上述した撮影工程を繰り返して上昇若しくは下降位置における被測定物５断面の画像情報と水平方向の位置情報並びに垂直方向の位置情報が保存され、以下、これ等工程が複数回繰り返されて被測定物５全体における各断面の画像情報と水平方向の位置情報並びに垂直方向の位置情報がそれぞれメモリに保存される。そして、保存された各情報に基づき画像処理がなされて被測定物内に存在する散乱体の位置と大きさが特定されるようになっている。尚、ガルバノミラー３は、制御系により走査の振動数およびレーザ光線の振れ角を設定することが可能である。

ここで、上記レーザ光源１より発せられるレーザ光線は直線偏光であることが望ましいが、直線偏光でない場合は偏光子により直線偏光に変換すれば差し支えない。そして、２分の１波長板２を回転させることによりｐ偏光とｓ偏光を選択することが可能となる。

ところで、入射波、散乱波の偏光状態を考える場合、観察者の位置により記述の仕方が異なるので、以後、観察者の位置にかかわらず、レーザ光線の電場ベクトルが地面に対して水平である場合の偏光状態を水平偏波、レーザ光線の電場ベクトルが地面に対して垂直である場合の偏光状態を垂直偏波と呼ぶことにする。

そして、単結晶サファイア等の被測定物に水平偏波を入射させた場合の散乱光を真上から観察した場合、被測定物中に存在するマイクロバブルを検出することが可能となる。また、被測定物に垂直偏波を入射させた場合の散乱光を真上から観察した場合、被測定物中に存在する大型のバブル、刃状転位による歪の大きい部分を検出することが可能となる。そして、上述したように特許文献１や特許文献２等において開示された測定装置においては、被測定物全体の欠陥分布を測定するためには被測定物を精密な２次元ステージを用いて走査し散乱画像のデータを保存する必要があった。

しかし、本発明に係る光散乱観察装置によれば、１個のガルバノミラーによりレーザ光線を水平面内にランダムに走査させ、被測定物中に存在する欠陥等の散乱体による散乱光を被測定物の真上に配置させたＣＣＤカメラで撮影し、かつ、垂直移動ステージにより測定位置を垂直方向へ移動させて上記撮影工程を繰り返し、被測定物全体における各断面の画像情報と水平方向の位置情報並びに垂直方向の位置情報をコンピュータメモリに保存する。そして、これ等各情報に基づき画像処理を行えば、被測定物中に存在する欠陥等散乱体の位置と大きさを正確に知ることが可能になる。

次に、本発明に係る光散乱観察装置の測定原理を簡単に説明する（非特許文献１参照）。

まず、光学的に結晶中の欠陥が観察されるためには、欠陥の周りで誘電率が変化している必要がある。

ここで、欠陥部分の誘電率を、

この式をMaxwellの方程式に代入し、

この近似が有効であるためには、相対散乱強度が非常に小さいことが必要である。上式において、第１項は入射波を表すから散乱波は第２項となる。

入射波として平面波

散乱因子は散乱波の振舞いを示す量で、散乱体の誘電率のFourier変換によって与えられる。誘電率は２階のテンソルであるから、散乱因子も、

と求まる。これが９０°散乱の基本式である。

図２に結晶系の欠陥の座標軸と観察系の座標軸の関係を示す。

となる。

均一球状粒子による散乱の場合の散乱ベクトルの関係は図３のようになる。

本発明に係る光散乱観察装置においては、水平偏波が被測定物中の球状のマイクロバブルに入射した場合、被測定物の真上９０度に位置するＣＣＤカメラに入射する散乱光の強度は最大になる。垂直偏波がマイクロバブルに入射した場合、散乱は生じない。

また、本発明に係る光散乱観察装置においては、垂直偏波が被測定物に入射した場合、比較的大きな（レーザ光線の波長と比較して充分大きな）粒子による散乱と、光弾性効果により屈折率が局所的に変化している部分（歪）による散乱が生じる。

ここでいう歪とは、例えば、単結晶サファイアまたは人工水晶中の刃状転位に起因するものである。サファイア中の刃状転位について以下に簡単に説明する。サファイアのｃ面ウェハーに平行に光が入射する場合を考える。サファイア結晶を六方晶と見なすと、ａ軸方向に伸びた刃状転位がｃ面に沿って分布している。入射波の電場ベクトルがｃ軸に平行な場合にのみ刃状転位による散乱が観察される。

まとめると、単結晶サファイア等の被測定物に水平偏波が入射した場合の散乱は、マイクロバブルによる散乱と大きな散乱体によるものであり、垂直偏波が入射した場合の散乱は、マイクロバブル以外の比較的大きな粒子による散乱と歪に起因する光弾性効果による散乱である。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

まず、図１に示した本発明に係る光散乱観察装置において、レーザ光源１から出射したレーザ光は、２分の１波長板２を透過して水平偏波または垂直偏波に変換され、ガルバノミラー３により水平方向に２００Ｈｚの周波数で走査される。反射ミラー４と被測定物５の距離は１ｍである。

ここで、被測定物として直径が３インチ、長さが７０ｍｍのサファイアのインゴットを考える。サファイア単結晶は青色ＬＥＤの素材であるＧａＮをエピ成長させるときの基板として用いられている。サファイア基板はインゴットから切り出してウェハーに加工されるが、結晶中に散乱体や欠陥があれば、ウェハーの表面において、突起またはピットとなって残り、ＧａＮのエピ成長の場合においてサファイア基板の欠陥がＧａＮの欠陥としてそのまま転写されてしまうことが知られている。それゆえに、良質なＧａＮをエピ成長させるためには、表面に欠陥の無いサファイアウェハーを基板に使用することが不可欠となっている。被測定物のサファイアインゴットの円筒面と上下の端面はラップ処理されているので、レーザ光線を照射しても内部の散乱を観察することはできない。円筒面と上下端面に光学研磨を施せばインゴット内部の散乱が観察可能になるが、サファイアの硬度はダイアモンドに次いで高いので光学研磨には多大の時間と費用を要する。この問題を解決するために、サファイアインゴットを屈折率整合のためにヨウ化メチレンに浸漬して使用することとする。サファイアの可視域における屈折率は約１．７６、ヨウ化メチレンの屈折率は１．７４であるので、サファイアの表面における散乱および反射の寄与を除去することが可能となる。

散乱測定に用いるレーザ光源は、微小な欠陥を検出するため出力が高い方が望ましい。この光散乱観察装置においては、出力が３００ｍＷ、波長が６７０ｎｍの赤レーザが適用されている。また、インゴット全体をレーザ光線で走査する必要があるため、露光時間は走査の１周期１／２００秒以上が必要である。微小な散乱を検出するためには露光時間を更に長く設定する必要がある。

そして、サファイアインゴットの断面全体をレーザ光線が走査するように、ガルバノミラー３の水平方向の振幅が８０ｍｍとなるようにガルバノミラーの制御系を調整した。

以下、垂直偏波をインゴットに入射させて撮影したサファイアインゴット断面における散乱像の画像を図４〜図７に示す。尚、カメラの露出をＦ５、露光時間を２秒として撮影した写真である。また、Ｚの値はインゴット底面からの距離を表す。

得られた画像から以下のことが確認される。

まず、図４と図５の光散乱写真図からＺ＝５ｍｍの位置では大型の散乱体は観察されないが、Ｚ＝２０ｍｍの位置から大型の散乱体が存在することが確認される。この大型の散乱体の塊は、図６と図７の光散乱写真図からＺ＝２５ｍｍを中心としてほぼ±５ｍｍの高さ範囲に位置していることが確認される。そして、この位置における散乱体の塊の断面積（Ｚ＝２５ｍｍの位置における水平断面の面積）は、画像処理を行うことにより２．４５ｃｍ^２と求まる。

尚、この実施例においては、サファイアインゴットにおける高さ方向のＺの値を５ｍｍ間隔で変えながら散乱像の画像を保存したが、上記間隔を任意のより小さい値に設定すれば、散乱体のより詳細な大きさを知ることが可能となる。

そして、この光散乱観察装置を使用することにより、サファイアインゴットからウェハーを切り出す際、欠陥が存在してエピ成長基板として使えない部分を予め除外することが可能となる。このため、コスト削減および加工時間の短縮に寄与することができる。

本発明に係る光散乱観察装置によれば、高価な２次元ステージを用いることなく被測定物内に存在する散乱体の位置と大きさを観察することが可能となる。従って、単結晶インゴット、半導体ウエハー等の欠陥を評価する装置に用いられる産業上の利用可能性を有している。

本発明に係る光散乱観察装置の概略構成を示す説明図。 被測定物である結晶系における欠陥の座標軸と観察系の座標軸との関係を示す説明図。 均一球状粒子による散乱の場合の散乱ベクトルの関係を示す説明図。 本発明に係る光散乱観察装置を用いて撮影されたインゴット底面から５ｍｍの位置におけるサファイアインゴット断面の光散乱写真図。 本発明に係る光散乱観察装置を用いて撮影されたインゴット底面から２０ｍｍの位置におけるサファイアインゴット断面の光散乱写真図。 本発明に係る光散乱観察装置を用いて撮影されたインゴット底面から２５ｍｍの位置におけるサファイアインゴット断面の光散乱写真図。 本発明に係る光散乱観察装置を用いて撮影されたインゴット底面から３０ｍｍの位置におけるサファイアインゴット断面の光散乱写真図。

符号の説明

１ レーザ光源
２ ２分の１波長板
３ ガルバノミラー
４ 反射ミラー
５ 被測定物
６ 垂直移動ステージ
７ ＣＣＤカメラ
８ コンピュータ

Claims (5)

1. レーザ光源からのレーザ光線を被測定物へ照射し、被測定物から出射されるレーザ光線をＣＣＤカメラで撮影して被測定物内に存在する散乱体を観察する光散乱観察装置において、
   上記被測定物がウェハー加工前のサファイアインゴットで構成され、レーザ光源とサファイアインゴットとの間の光路上に、直線偏光の方位を回転させる２分の１波長板とガルバノミラーおよび反射ミラーが配置されると共に、２分の１波長板を透過したレーザ光線が上記ガルバノミラーと反射ミラーにより平面状に走査されて、サファイアインゴットの真上９０度に配置された自動焦点調整機能を有するＣＣＤカメラによりサファイアインゴット断面の散乱像が観察されるようになっており、かつ、上記２分の１波長板により、サファイアインゴットに照射されるレーザ光線の偏光が水平偏波または垂直偏波に選択的に切り換えられて、水平偏波を入射することによりサファイアインゴット中に存在するマイクロバブルが検出され、垂直偏波を入射することによりサファイアインゴット中に存在するマイクロバブル以外の大型のバブルと刃状転位による歪の大きい部分が検出されるようになっていることを特徴とする光散乱観察装置。
2. 上記２分の１波長板を透過したレーザ光線がガルバノミラーと反射ミラーにより平面状に走査されて、サファイアインゴットの中心軸に対し垂直に走査されたサファイアインゴット断面の散乱像が観察されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の光散乱観察装置。
3. エンコーダ付きの垂直移動ステージにより上記サファイアインゴットを移動させて、垂直方向の異なる位置におけるサファイアインゴット断面の散乱像が観察されるようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の光散乱観察装置。
4. サファイアインゴットの各断面における散乱像の画像情報と各断面における水平方向の位置情報および垂直方向の位置情報を保存し、保存された各情報に基づく画像処理によりサファイアインゴット内に存在する散乱体の位置と大きさが特定されるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の光散乱観察装置。
5. 上記サファイアインゴットが、エピタキシャル成長基板に適用されるウェハー加工前のサファイアインゴットであることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の光散乱観察装置。

Images