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JP5687014B2 - 光学式表面欠陥検査装置及び光学式表面欠陥検査方法 - Google Patents

光学式表面欠陥検査装置及び光学式表面欠陥検査方法 Download PDF

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Description

本発明は、光学式表面欠陥検査装置及び光学式表面欠陥検査方法に係わり、特に被検査体の表面にできる線状の微細欠陥(スクラッチ)の検出に好適な光学式表面欠陥検査装置及び光学式表面欠陥検査方法に関する。
磁気ディスクやＩＣウエハ等の被検査体の表面の微細欠陥を検査する光学式表面欠陥検査装置は全数全面検査に対応できる高速の検査と同時に高感度検査（幅数十nｍ、深さ数nｍ程度の微細欠陥検出)が要求される。特に線状の微細欠陥(スクラッチ：Scratch)は製品に与えるダメージが大きくこれを検査することが必須とされている。高感度欠陥検出には一般に、強い強度の微小スポットを表面に照射しこれを表面上で走査して、表面上の欠陥からの散乱光を高感度で検出する方法が採られる。また高速検査するためには走査ピッチを粗くして全体の走査を早く完了させる必要があるが、この場合照射スポットのサイズは少なくとも走査ピッチを充分カバーできることが必要となる。しかしスポットサイズを大きくするとスポット強度が低下し、検出感度が低下するジレンマがある。
高感度、かつ高速の表面欠陥検査を行う方法(特許文献１)として、散乱光検出器を被検査体の半径方向に配列したバンドルファイバをｎ個の小部分に分割した多分割セル構造とし、被検査体表面に照射した微細スポット上の微細視野の像をこの多分割セル上に結像して、１セル当たりのバックグランドノイズ（主に表面粗さにより生じるノイズ）のレベルを１／ｎとする方法がある。また、特許文献１の方法では、径方向の位置依存性をなくすために、各小部分を径方向に一様に配置している。この場合の欠陥信号は、欠陥の位置に対応したいずれかのセル１ヶ所で検出される。一方、バックグランドノイズはセル面積が全体の１／ｎになった分だけ小さくなる。この結果欠陥を検出したセル信号のレベルは小さくならずに、ノイズのみが１／ｎとなり、Ｓ／Ｎ比がｎ倍に向上する。また走査ピッチは検出セルｎ個分の幅まで広げることができるので、検査速度を落とすことはない。
特開平２−０６１５４２
しかし、本方式を採った場合、微細視野の像を多分割セル上に結像させるために必要な光学系の解像度が必須となる。例えば被検査物上の１μｍを検出器の1セルに対応させる場合、解像度要求から必要な対物レンズの開口数が決まるが、開口数を大きくすると焦点深度が浅くなり、若干の焦点ずれでも検出セル面上での像がぼけてしまい（像が複数セルにまたがってしまい）セル分割した意味がなくなってしまう。この問題点を避けるために、微細な分割セル方式を採用する場合は一般に、オートフォーカス機能により、高速走査中の対物レンズ−被検査面間距離を一定に保っている。
しかしながら、走査速度を極端に早くした場合、オートフォーカス動作が物理的に追従できなくなる。
従って、本発明は、オートフォーカス動作を行わなくとも、多分割セル方式によるＳ／Ｎ向上を可能とし、高感度の検査を実現できる光学式表面欠陥検査装置または光学式表面欠陥検査方法を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために、少なくとも下記に示す特徴を有する。
本発明は、被検査体に検査光を照射し、該被検査体の表面からの散乱光を受光器に結像し、該受光器からの出力に基づいて前記被検査体の表面の欠陥を検査する光学式表面欠陥検査装置または光学式表面欠陥検査方法において、
前記受光器は、一端が前記散乱光を受光する円形上の受光面を形成し、他端が複数の受光素子に接続された光ファイバーバンドルを有し、該光ファイバーバンドルは、前記受光面において扇形状を有する複数のセルに分割され、該セル単位で該受光素子に接続されており、複数の前記セルの出力に基づいて前記検査を行うことを第１の特徴とする。
また、本発明は、前記セルの数は偶数であり、互いに対向する位置に設けられた一対のセルは同一の前記受光素子に接続されていることを第２の特徴とする。
さらに、本発明は、前記処理部が、前記一対のセルのうち少なくとも１組の特定の前記一対のセルが他の前記一対のセルに比べ有意な値の前記散乱光を受光したときはスクラッチと判断することを第３の特徴とする。
また、本発明は、前記処理部が、複数の前記セル間の前記散乱光の受光レベルに有意な差がないときは点状欠陥または異物が存在すると判断することを第４の特徴とする。
さらに、本発明は、前記照射手段がレーザ光源を有することを第５特徴とする。
また、本発明は、前記被検査体は円板状の磁気ディスクまたはやＩＣウエハであり、前記検査光を前記被検査体面上に二次元的に走査させて、前記検査をすることを第６特徴とする。
本発明によれば、オートフォーカス動作を行わなくとも、多分割セル方式によるＳ／Ｎ向上を可能とし、高感度の検査を実現できる光学式表面欠陥検査装置または光学式表面欠陥検査方法を提供できる。
光学式表面欠陥検査装置の一実施形態を示す図である。 本発明の実施形態の特徴のである検査光学系の構成を示す図である。 光ファイバーバンドルの受光面と扇形状の複数のセルを説明する図である。 セルは微細な光ファイバー素線を扇形状に束ねたサブ光ファイバーバンドルで構成されていることを示す図である。 セルと受光素子との接続関係の第１の実施例を示す図である。 セルと受光素子との接続関係の第２の実施例を示す図である。 スクラッチが検出される原理を模式的に示す図である
図１は光学式表面欠陥検査装置(以下、単に検査装置という)５０の一実施形態を示す図である。検査装置はワークである磁気ディスクやＩＣウエハ等の円板状の被検査体２の表面に検査光を照射し反射光を得る検査光学系１と、検査光学系１を装置に支持するフレーム９と、被検査体２の全面を検査できるように被検査体２を走査する走査部１０と、検査光学系１の出力を処理する前処理部４と、走査部１０の制御し、前処理部４の出力を入力しデータを処理する処理部１２を具備するデータ処理装置１１とを有する。
まず、本発明の実施形態の特徴である検査光学系１の構成について図２を用いて説明
する。検査光学系１は、被検査体２の表面にレーザ光２１を照射するレーザユニット(光
源)２０と、被検査体２上のスクラッチＳからの反射光のうち散乱光３１を光ファイバー
バンドル４１の受光面４１ｍに結像させる散乱光学系３０と、光ファイバーバンドル４１
と光ファイバーバンドル４１に連結された複数の受光素子４２とを具備する受光器４０と
を有する。
散乱光学系３０は、対物レンズ３２と、反射光のうち正反射光２６をカットするマスク３４と、正反射光２６がカットされた散乱光３１をピンホール３５に集束させる結像レンズ３３とを有する。
受光器４０の光ファイバーバンドル４１は、図３に示すように、その受光面４１ｍは円形形状を有し、扇形状の複数のセルＡ１、Ｂ１、Ｃ１・・に分割されている。各セルは、図４に示すように、微細な光ファイバー素線４１ｆを扇形状に分割したサブ光ファイバーバンドル４１Ａ１、４１Ｂ１・・・を有する。サブ光ファイバーバンドル４１Ａ１、４１Ｂ１等は、バンドル単位で受光素子４２Ａ、４２Ｂ・・・に接続される。受光素子４２には光電子増倍管やＡＰＤなどを使用する。
本実施形態では、図４に示すように、受光面４１ｍを１６のセルＡ１〜Ｈ１およびＡ２〜Ｈ２に分割とする。そして、第１の実施例では、図５に示したように、対向する２つのセル、例えばＡ１とＡ２のサブ光ファイバーバンドルの末端を１つの受光素子４２Ａに接続する。同様にＢ１とＢ２を受光素子４２Ｂ、Ｃ１とＣ２を受光素子４２Ｃというように対向する２つのセルを対応する受光素子４２にそれぞれ接続する。第１の実施例では使用する受光素子４２は、分割数の半数となる。このような受光器４０の構成によって、受光面４１ｍに結像した散乱光３１は、セルＡ１からＨ１およびＡ２からＨ２を介して各々の受光素子４２Ａ〜４２Ｈに導かれる。各受光素子４２Ａ〜４２Ｈの出力は前処理部４で増幅、Ａ／Ｄ変換され、図１のデータ処理装置１１に入力される。
勿論、図６の第２の実施例に示すように、各セルＡ１〜Ｈ１およびＡ２〜Ｈ２を各々別の受光素子４２Ａ１〜４２Ｈ１および４２Ａ２〜４２Ｈ２に接続しても良く、この場合、受光面の分割数は奇数でもかまわない。
次に、以上説明した検査光学系１の動作とその効果について説明する。
一般的に、被検査体２の表面が全くの平らで鏡面状であった場合、散乱光３１はほとんど発生しなく、反射光の多くは正反射光２６となる。一方、被検査体２の表面に傷等の欠陥が存在すると散乱光が強く発生する。この散乱光の変化を捉えて欠陥を検出する。また、欠陥のサイズや形状によっても散乱光の強度は変化する。
被検査体２の表面の欠陥がスクラッチ状で非常に浅い傷のとき、発生する散乱光は非常に弱く、表面粗さ等にて発生するバックグラウンドノイズである散乱光と区別がつけ難い。すなわちＳ／Ｎが低いため検出が難しい。このような浅いスクラッチ状の傷に対して、本実施形態はＳ／Ｎを改善でき有効である。以下、図３、図５に示す第１の実施例用いて、受光面４１ｍを偶数(２ｎ)である１６のセルに分割した例を説明する。
前述のように、欠陥の形状が線状のスクラッチであるとき、そのスクラッチの向きと直角の方向に散乱光が分布するという特徴が生まれる。一方、被検査体２の表面粗さ等にて発生する散乱光（バックグラウンドノイズ）にはこのような分布の特徴はない。
図７は、スクラッチ欠陥が検出される原理を模式的に示す図である。図７の各上図は受光面４２ｍにおける散乱光の分布を斜線で示し、下図は対応する受光素子４２の出力波形を示す。
図７(ａ)は、セルＡ１、Ａ２が散乱光を強く検出し、受光素子４２Ａが大きな(有意な)
出力を有し、一方、他の検出素子４２Ｂ、４２Ｃ等ではほとんど検出されていない例を示
す。即ち、セルＡ１、Ａ２が他のセルに比べ有意な値を持って散乱光を受光した例である
。本例でのスクラッチはセルＡ１、Ａ２がカバーする角度範囲に存在し、かつ隣接するセ
ルＢ１，Ｂ２、Ｃ１，Ｃ２にはほとんど検出されていないことから、スクラッチはセルＡ
１、Ａ２の中央に存在することが分かる。従って、セルＤ１、Ｅ１の境界線を基点として
時計回り方向に対して、スクラッチがセルＡ１、Ａ２の中央角度約１０１．２５度の付近に存在する。
図７(ｂ)は、受光素子４２Ｂ、４２Ｃがほぼ同じレベルの有意な出力を有し、他の受光
素子４２Ａ等はほとんど変化がない例を示す。図7(ａ)の例と同様に考えると、スクラッ
チは、セルＢ１，Ｂ２とセルＣ１，Ｃ２の境界位置である約１３５度の位置に存在する。
図７(ｃ)は、さらに複雑な例で、受光素子４２Ｆと受光素子４２Ｇの出力波高値が１：２で有意な値を持ち、隣接する受光素子４２Ｈの出力がほとんど零の場合である。この場合は、散乱光３１の強度分布に基づく角度に対する重みがないとすれば、１：２の割合で中央角度間を分配し、スクラッチは約４８．７５度の位置に存在する。
このように、受光素子の位置で散乱光を強く検出したかによってスクラッチの角度を知ることができる。しかし、図７に示すデータは被検査体２の表面一点におけるデータあり、後述するように被検査体２の表面全体を検査し、隣接データを繋ぎ合わせることで、スクラッチＳの角度を含めた長さ等の情報を得ることができる。
以上の本実施形態の検査において、表面粗さ等による散乱光の分布は一様なので、受光面全面のバックグラウンドノイズに対して、分割した各セルのバックグラウンドノイズは分割数分の一になり、例えば１６分割の場合はセルのバックグラウンドノイズは１／１６である。対向した２つのセルを１つの受光素子に接続している場合は、各受光素子のベースノイズは全体の１／８となり、すなわち、スクラッチに対する受光感度のＳ／Ｎ比を８倍に改善できる。
以上の説明ではスクラッチを検査する例を示した。しかしながら、点状欠陥や異物などの場合、スクラッチのように特定のセルの出力が他のセルに比べ強く現れる(有意な値をとる)ことはない。そのような場合は、本実施形態の光学式表面欠陥検査装置５０では、一つのセルあるいは光ファイバーバンドル４１の一部または全体を一つの検出器と考えれば、その単位で強い出力が現れれば、点状欠陥や異物などと判断し検査を行うことができる。
最後に、図２に示すようなドーナツ状の被検査体２を螺旋走査して被検査体表面を全面走査する機構と動作を説明する。ワークテーブル３は、図１に示すように、直線移動テーブル５とθ回転テーブル６とに支持されている。直線移動テーブル５はＲ方向に直線移動し、θ回転テーブル６はこの直線移動テーブル５の上に設けられている。θ回転テーブル６には回転角度を示す信号を発生するエンコーダ６ａが設けられ、直線移動テーブル５にはＲ方向の移動位置を示すエンコーダ５ａが設けられている。各エンコーダ５ａ，６ａの信号はデータ処理装置１１（インターフェース１４）に走査位置信号として送出される。なお、２ａは被検査体２がワークテーブル３に載置されていることを検出するセンサである。３ａはドーナツ状にした被検査体２の中心がθ回転テーブル６の回転中心と一致するように被検査体２をセットするためのガイドピンである。８はθ回転テーブル６を駆動するθ方向駆動回路であり、ワークテーブル３の回転方向と回転速度、停止位置等がこの駆動回路を介して制御される。７は直線移動テーブル５をＲ方向に直線移動させるＲ方向駆動回路である。これら駆動回路はデータ処理装置１１からの制御信号に応じて制御される。
このような機構を記憶部１３に格納された定速度螺旋走査プログラム１３ｂよって被検査体２を螺旋走査する。具体的には、被検査体２の中心がθ回転テーブル６の回転中心と一致するように被検査体２を載置し、検査光２１をドーナツの内側の縁にセットする。その後、ワークテーブル３をθ回転テーブル６で定速に回転させながら、直線移動テーブル５で被検査体２の径(Ｒ)方向、例えば図１において左右方向に移動させる。これによって、検査光２１を被検査体２の全面に亘って走査できる、即ち検査できる。
走査は螺旋に限らず矩形上に走査させてもよいし、検査光学系１側を走査させてもよい。
全面走査した場合の各測定点での散乱光の測定データは前処理部４を経てデジタル値に変換されてデータ処理装置１１に転送されて、各エンコーダ５ａ，６ａで規定される各測定点(走査)位置とその点における測定値が記憶部１３の測定結果記憶エリア１３ｃに記憶される。記憶部１３に格納された欠陥解析プログラム１３ａによって、位置が認識された各測定点のデータを解析し、スクラッチＳを始め異物などの検査を行うことができ、その結果を表示装置１５に表示することができる。なお、図１において１６はバスである。
以上説明した実施形態によれば、オートフォーカス動作を行わなくとも、多分割セル方式によるＳ／Ｎ向上を可能とし、高感度の検査を実現できる光学式表面欠陥検査装置及び光学式表面欠陥検査方法を提供できる。
１：検査光学系 ２：被検査体
３：ワークテーブル ４：前処理部
１０：走査部 １１：データ処理装置
１２：処理部 １３：記憶部
１４：インターフェース １５：表示装置
２０：レーザユニット(光源) ３０：散乱光学系
３１：散乱光 ３２：対物レンズ
３３：結像レンズ ３４：マスク
３５：ピンホール ４０：受光器
４１Ａ１から４１Ｈ２：サブ光ファイバーバンドル
４１ｍ：受光面 ４１：光ファイバーバンドル
４１ｆ：光ファイバー素線
４２（４２Ａから４２Ｈまたは４２Ａ１から４２Ｈ２）：受光素子
５０：光学式表面欠陥検査装置
Ａ１からＨ１及びＡ２からＨ２：セル
Ａ１ｂからＨ１ｂ及びＡ２ｂからＨ２ｂ Ｓ：スクラッチ。

Claims (6)

  1. 被検査体に検査光を照射する照射手段と、該被検査体の表面からの散乱光を受光器に結像させる散乱光学系と、該受光器からの出力に基づいて前記被検査体の表面の欠陥を検査する処理部とを有する光学式表面欠陥検査装置において、
    前記受光器は、一端が前記散乱光を受光する円形上の受光面を形成し、他端が複数の受光素子に接続された光ファイバーバンドルを有し、該光ファイバーバンドルは、前記受光面において扇形状を有する複数のセルに分割され、
    前記セルの数は偶数であり、互いに対向する位置に設けられた一対のセルは同一の前記受光素子に接続され、
    前記処理部は、前記一対のセルのうち少なくとも１組の特定の前記一対のセルが他の前記一対のセルに比べ有意な値の前記散乱光を受光したときはスクラッチと判断し、前記特定の前記一対のセルの中央角度及び隣接する前記特定の前記一対のセルの前記有意な値の比に基づいて、前記スクラッチの角度を検出する、
    ことを特徴とする光学式表面欠陥検査装置。
  2. 前記照射手段はレーザ光源を有することを特徴とする請求項１に記載の光学式表面欠陥検査装置。
  3. 前記被検査体は円板状の磁気ディスクまたはＩＣウエハであり、前記検査光を被検査体面上に二次元的に走査させる走査手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光学式表面欠陥検査装置。
  4. 被検査体に検査光を照射し、該被検査体の表面からの散乱光を受光器に結像し、該受光器からの出力に基づいて前記被検査体の表面の欠陥を検査する光学式表面欠陥検査方法において、
    前記受光器は、一端が前記散乱光を受光する円形上の受光面を形成し、他端が複数の受光素子に接続された光ファイバーバンドルを有し、該光ファイバーバンドルは、前記受光面において扇形状を有する複数のセルに分割され、
    前記セルの数は偶数であり、互いに対向する位置に設けられた一対のセルは同一の前記受光素子に接続され、
    前記検査は、前記一対のセルのうち少なくとも１組の特定の前記一対のセルが他の前記一対のセルに比べ有意な値の前記散乱光を受光したときはスクラッチと判断し、前記特定の前記一対のセルの中央角度及び隣接する前記特定の前記一対のセルの前記有意な値の比に基づいて、前記スクラッチの角度を検出する、
    ことを特徴とする光学式表面欠陥検査方法。
  5. 前記検査は、複数の前記セル間の前記散乱光の受光レベルに有意な差がないときは点
    状欠陥または異物が存在すると判断することを特徴とする請求項４に記載の光学式表面欠陥検査方法。
  6. 前記被検査体は円板状の磁気ディスクまたはＩＣウエハであり、前記検査光を前記被検査体面上に二次元的に走査させて、前記検査をすることを特徴とする請求項４に記載の光学式表面欠陥検査方法。
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