JPH0625740B2 - 結晶基板の薄膜層内欠陥検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は結晶性薄膜層内欠陥検出方法、特に化合物半導
体結晶等の内部における結晶欠陥をレーザビームの散
乱、回折、あるいは干渉によって非破壊に検出する方法
に関するものである。

［従来の技術］ 結晶内部の種々の欠陥を非破壊検査法によって検出する
ことが有用であり、特に化合物半導体の単結晶ウエハ内
の結晶欠陥を迅速に非破壊検査することは半導体製品の
歩留まりを高めるために極めて重要である。

この種の半導体としては、Ｇa Ａs ，Ｉn Ｐ，シリコン
等が当面の対象であるが、これらに対して種々の欠陥検
出が行われている。従来の古典的な欠陥検出方法として
はＸ線回折法が行われ、被検査結晶にＸ線を照射し、こ
のときの回折又は透過光を写真乾板に感光させＸ線照射
経路における内部欠陥を画像として表示するものであっ
た。しかしながら、このようなＸ線回折法では予め結晶
サンプルをスライスし、薄板化して破壊検査することを
必要とし、また、写真乾板の現像が必要であるためにリ
アルタイムで検査結果を得ることができず、装置も大掛
かりとなるなどの種々の問題があった。

従来の他の検査方法として赤外線吸収法を用いた検査方
法があり、特にＧa Ａs 等のＥＬ2 欠陥を検出するため
には極めて好適であったが、他の各種の結晶欠陥に対し
て十分な結果を得ることができず、また、分解能が低
く、更に赤外線の透過光を積分して欠陥を検出するため
にその応用範囲が狭いという問題があった。

申請者らは欠陥検出方法として赤外線レーザビームを結
晶に照射し、欠陥から回折像あるいは散乱像を求め、こ
れによって内部欠陥の状態を画像表示する方法を提案
し、これを実用化した。この赤外線散乱を用いた検査方
法は、高い分解能の検出結果がリアルタイムで得られ
る。更に多くの半導体結晶は赤外線領域で透明であり、
完全な形での非破壊検査を可能としている。本発明はこ
の光散乱法の延長上のウエハ等の欠陥検査方法として極
めて好適な方法であり、良好な評価を得るに至ってい
る。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前述した赤外線散乱による結晶欠陥検出
方法は通常の結晶基板検査には好適であったが、近年、
結晶基板に形成された薄膜単結晶層内での同様の結晶欠
陥にも有益な検査方法としての応用が要望されてきた。
この種の薄膜単結晶層としては、基板上に成長形成され
たエピタキシャル層等があり、実際上、ＩＣ製造時にお
ける歩留まりはこのエピタキシャル層内の結晶欠陥が大
きな影響をもち、この欠陥検出に前述した種々の利点を
もった赤外線レーザの照射による散乱あるいは回折検査
法を用いることが強く要望されてきた。

しかしながら、薄膜層、例えばエピタキシャル層はその
厚みが、薄いものでは数μ程度であり、一方赤外線レー
ザビームは十分に絞り込んだとしても、数十μのビーム
径を有し、このまま、エピタキシャル層内にレーザビー
ムを照射しても、レーザビームは結晶基板にまたがって
エピタキシャル層内を通過し、この結果、赤外線散乱あ
るいは回折によって得られた情報も純粋にエピタキシャ
ル層のみの欠陥を示すことがなく、このような薄膜層の
みの欠陥検出は不可能とされていた。

本発明は上記従来の課題に鑑み為されたものであり、そ
の目的は、レーザビーム径よりも薄い薄膜層に対して赤
外線散乱あるいは回折による結晶欠陥の検出方法を有効
にかつ最適となるように改良された欠陥検出方法を提供
することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、上部に平坦面を
有し下部に所定の角度の傾斜面を有する光路変更手段を
結晶基板の裏面に密着させ、この状態でレーザビームを
この光路変更手段の傾斜面に照射して平坦面を介し結晶
基板に入射させ、このレーザビームの入射方向を調整す
ることにより結晶基板の表面部に形成された薄膜層から
の出射角をほぼ９０゜として該薄膜層内に疑似表面波を
生じさせ、この疑似表面波による薄膜層内での散乱また
は回折または干渉光を検出し、前記薄膜層内の欠陥を検
出することを特徴とする。

本発明によれば、薄膜層内に照射されるレーザビームは
その径が薄膜層より大きくても何ら差し支えなく、これ
らのレーザビームから臨界現象によって薄膜層内に生じ
る疑似表面波は、極めて薄い厚みをもった疑似表面波と
して薄膜層内を流れ、この結果、薄膜層内の散乱又は回
折又は干渉に十分に用いることができる。

［実施例］ 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明す
る。

第２図には薄膜層１０にその裏面から入射光Ｅi を照射
したときの反射光Ｅr 及びＥt が示されており、これら
は以下の式にて示される。

尚、ここで、λは赤外線レーザビームの薄膜層１０内で
の波長、λ_０は空気中では波長、αは入射角、βは出射
角を示す。

さて、ここで、前記出射角βが９０゜となり、いわゆる
臨界透過現象が生じたときには、薄膜層１０の表面には で示される疑似表面波（薄膜を導波路とする波、guided
wavesを含む）が発生する。

すなわち、この臨界透過現象が生じるためには、薄膜層
１０の屈折率をn としたときに ｎ sin α_ｃ＝１ …(5) を満たす臨界角α_ｃが存在し、入射光Ｅi をこの臨界角
α_ｃで照射することによって、薄膜層１０の表面には極
めて薄い厚みをもった疑似表面波が発生することとな
る。

第３図には前記疑似表面波の拡大図が示されており、レ
ーザビームの直径Ｄが薄膜層１０の厚みd より大きいと
しても、臨界角α_ｃで入射したレーザビームは臨界透過
現象によって疑似表面波となり、図示のごとく、この疑
似表面波Ｃ_１…Ｃ_ｉはレーザビーム入射光Ｅi の径Ｄに
かかわらず薄膜層１０内を流れ、各表面波c はそれぞれ
位相が異なるのみで、薄膜層から外に出ることがないの
で、薄膜層１０のみの欠陥検出に有効に利用可能であ
る。

前記臨界角α_ｃの近傍で入射角αを微調整すると、 （ａ）αα_ｃの場合には、表面に沿って伝搬する波が
存在する。

（ｂ）αα_ｃの場合には、全反射が生じλ＜２ｄ
（ｄ：膜厚）の時には全反射光はエピタキシャル膜また
はウエハー内を導波路として伝搬する。

以上のように本発明によれば、薄膜層例えばエピタキシ
ャル層を表面に有する結晶基板にその裏面側からレーザ
ビームを照射し、この照射ビームの入射角を薄膜層で臨
界透過現象が生じる臨界角に調整すれば、薄膜層内でレ
ーザビームの疑似表面波が生じ、この疑似表面波は薄膜
層内を伝搬するので、薄膜層内に結晶欠陥があれば、所
定位置において、散乱あるいは回折現象が生じ、薄膜層
のみの結晶欠陥を高分解能でかつ非破壊的に正確に検出
することが可能となる。

前記薄膜層は必ずしも結晶基板の表面にあるとは限ら
ず、また結晶基板に多数積層される場合もあり、本発明
はこれらの各薄膜層に対してそれぞれ設定された臨界角
を調整することによって所望の薄膜層に疑似表面波を伝
搬させることができる。

第４図には多層膜１０ａ，１０ｂ，１０ｃが積層された
状態を示しており、このような場合においても、前述し
た式（５）が同様の関係で成立する。すなわち ｎ_１sin α_１＝１ ｎ_２sin α_２＝１ ・・・・・・・ ・・・・・・・ ｎ_ｊsin α_ｊ＝１ …(6) となり、この結果、所望の薄膜層に対して、所定の臨界
角を設定すれば、希望する薄膜層のみに疑似表面波を生
じさせることが可能となる。

第１図には、本発明を用いて半導体結晶のエピタキシャ
ル層の内部結晶欠陥を２次元画像として画像表示する好
適な実施例が示されている。

半導体結晶からなるウエハ２０の表面にはエピタキシャ
ル層１０が形成されており、このウエハ２０は紙面に垂
直方向ウエハ２０を移動する試料台３０上に載置されて
いる。

実施例において、ウエハ２０にレーザビーム１００を正
しい臨界角で導くため、ウエハ２０には直角プリズム２
２が密着されている。

この直角プリズム２２は三角柱からなり、紙面と垂直方
向にその柱軸を有し、その高さはウエハ２０より十分に
大きく選ばれ、ウエハ２０とともに試料台３０上で移動
することができる。

このプリズム２２をウエハ２０に密着するため、適当な
屈折率を屈折率をもった液体、例えば、屈折率整合油あ
るいは蒸溜水などをウエハ２０の裏面とプリズム２２の
表面との間に注入する。この結果、ウエハ２０とプリズ
ム２２とは隙間無く密着され、この結果、レーザビーム
１００はプリズム２２からスムーズにウエハ２０に入射
され、ウエハ２０とプリズム２２との境界面で前述した
臨界条件を満たすようにレーザビーム１００をプリズム
２２に入射する、前記密着状態によってウエハ２０とプ
リズム２２との間では実際の臨界現象が生じることな
く、一旦ウエハ２０内に入射されたのちその屈折率の差
によってウエハ２０の表面で臨界現象を生じさせる条件
が成立する。

従って、このようにプリズム２２の表面での臨界条件さ
え満たせば試料とプリズム２２を隙間無く密着すること
によって屈折率の異なる試料に対しても同一レーザビー
ム入射角によって所望の臨界条件を試料の表面にて得る
ことが可能となり、試料ごとにレーザビームの入射角を
その都度調整する必要がないという利点がある。

以上のようにして、薄膜層１０には、所望の疑似表面波
を得ることができ、以下にこの疑似表面波を用いてエピ
タキシャル層全域の結晶欠陥を画像化する構成について
説明する。

第１図において、試料台３０はパルスモータ３２により
前述したごとく所定の移動量で紙面と垂直方向に順次送
りされ、各走査位置にて前記表面波により紙面に平行な
結晶欠陥が検出され、これを全走査領域間で繰り返せ
ば、全エピタキシャル層内の結晶欠陥が検出可能であ
る。レーザ光１００は実施例においてＹＡＧレーザー源
３４から供給され、光学系３６を介して前記プリズム２
２に入射される。前記レーザ源３４及び光学系３６には
角度調整機構３８が連設されており、前記レーザビーム
１００の入射角度を任意に微調整することが可能であ
る。

前記ウエハ２０の上方には受光用テレビカメラあるいは
フォトダイオードアレイ等の受光素子４０が設けられて
おり、前記疑似表面波に基づいて欠陥からの散乱光ある
いは回折光が検出される。

そして、前記受光素子４０の出力は画像入力装置４２を
介してモニタ受像機４４で監視されるとともに、コント
ローラ４６が前記画像入力装置４２の出力をメモリ、例
えば、フロッピディスク４８等に記憶させる。また、画
像入力装置４２から得られる信号のライン幅に応じて前
記パルスモータ３２を駆動して各ラインの信号取り込み
が終了するつど前述した紙地面に垂直方向の送り走査を
コントローラ４６が制御する。

以上のようにして、エピタキシャル層全域が疑似表面波
の走査にさらされ、これにより生じた散乱光をメモリ４
８に記憶して任意に２次元画像として読み出すことがで
き、迅速かつ非破壊でエピタキシャル層等の薄膜層の結
晶欠陥を容易に検査することが可能となる。

勿論、前述した実施例において、試料の走査は平行移動
によるが、本発明において回転駆動により行ってもよい
ことは勿論である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、層厚が極めて薄
い薄膜層に対して比較的ビーム径が大きいレーザビーム
を用いても、臨界透過現象を用いて薄膜層内に疑似表面
波を伝搬させ、この疑似表面波から散乱あるいは回折現
象にて結晶欠陥を検査することが可能であるので、薄膜
層に対して極めて有効な非破壊検査を迅速かつ容易に行
うことが可能となる。

特に、本発明においては、光路変更手段、例えば直角プ
リズムを結晶基板の裏面に有している。そこで、結晶基
板の表面側の薄膜層からの出射角を９０゜として、薄膜
層内に疑似表面波を生成し、薄膜層内の欠陥を検出する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る欠陥検出方法を用いた検査装置の
概略構成を示す説明図、 第２図は本発明の臨界透過現象を説明するための原理
図、 第３図は第２図における臨界透過現象時の疑似表面波を
示す拡大説明図、 第４図は多層膜に対する臨界透過現象を示す説明図であ
る。 １０……薄膜層 ２０……結晶基板 １００……レーザビーム ｃ……疑似表面波

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上部に平坦面を有し下部に所定の角度の傾
   斜面を有する光路変更手段を結晶基板の裏面に密着さ
   せ、この状態でレーザビームをこの光路変更手段の傾斜
   面に照射して平坦面を介し結晶基板に入射させ、このレ
   ーザビームの入射方向を調整することにより結晶基板の
   表面部に形成された薄膜層からの出射角をほぼ９０゜と
   して該薄膜層内に疑似表面波を生じさせ、この疑似表面
   波による薄膜層内での散乱又は回折又は干渉光を検出
   し、前記薄膜層内の結晶欠陥を検出することを特徴とす
   る結晶基板の薄膜層内欠陥検出方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の方法におい
   て、上記レーザビームは赤外線レーザビームであること
   を特徴とする結晶基板の薄膜層内欠陥検出方法。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項に記載
   の方法において、上記光路変更手段を結晶基板の裏面に
   屈折率整合用の液体を介し密着させることを特徴とする
   結晶基板の薄膜層内欠陥検出方法。