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JP4905029B2 - Light scattering observation device - Google Patents
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JP4905029B2 - Light scattering observation device - Google Patents

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JP4905029B2 JP2006264324A JP2006264324A JP4905029B2 JP 4905029 B2 JP4905029 B2 JP 4905029B2 JP 2006264324 A JP2006264324 A JP 2006264324A JP 2006264324 A JP2006264324 A JP 2006264324A JP 4905029 B2 JP4905029 B2 JP 4905029B2
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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。   The present invention relates to a light scattering observation apparatus for irradiating a measurement object with a laser beam, photographing a laser beam emitted from the measurement object with a CCD camera, and observing a scatterer present in the measurement object. The present invention relates to an improvement in a light scattering observation apparatus that can observe a scattered image of a cross section of an object to be measured without using an expensive two-dimensional stage, and can also observe the position and size of a scatterer existing in the object to be measured. .

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。   Conventionally, there has been known an internal defect observation method and apparatus for visualizing the defect by irradiating the inside of the object with light such as a laser beam and obtaining the scattered light to obtain information on the defect inside the object to be measured. Yes.

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。   An apparatus for observing such a defect is disclosed in Non-Patent Document 1, for example. In this apparatus, a laser beam condensed by a lens is incident from the side surface of the object to be measured. The laser beam is scattered by defects inside the object to be measured. The scattered light is emitted from the object to be measured, and the scattered light is photographed by a CCD camera arranged at a position orthogonal to the optical axis of the laser beam. Thereby, the defect inside the object to be measured is visualized and detected.

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。   As an apparatus for evaluating defects or the like of a semiconductor wafer, an apparatus in which a laser beam is obliquely incident on the surface of the object to be measured to detect defects and particles inside the object to be measured is disclosed in Patent Literature. 1 is disclosed. In this apparatus, the influence of reflected light is eliminated as much as possible by observing scattered light from a direction different from the reflection direction of the laser beam from the object to be measured. Further, the depth at which the laser beam enters the object to be measured can be adjusted by changing the wavelength of the laser beam or the temperature of the object to be measured.

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。   Further, as an apparatus for evaluating defects or the like of a semiconductor wafer, a laser beam is used to evaluate whether the scattering source of the scattered light is a particle or the like existing on the surface of the semiconductor wafer or a defect or the like existing inside. An apparatus using the p-polarized component and the s-polarized component is disclosed in Patent Document 2.

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。   By the way, in the measuring device disclosed in these patent documents, the range that can be measured at a time is only a linear portion irradiated with a laser beam, and when it is desired to know the distribution of defects of the entire object to be measured, The object to be measured is placed on a precise two-dimensional stage, and the two-dimensional stage is operated to scan the entire inside of the object to be measured with a laser beam, and each image is stored in the memory of a personal computer. The process of obtaining the whole image by combining the pixels was necessary.

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
Therefore, there is a problem that the measuring operation is complicated and the apparatus itself is expensive because an expensive two-dimensional stage is required.
JP-A-4-24541 Japanese Patent No. 2847458 Kazuo Moriya, Applied Physics, 55 (1986) 542

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。   The present invention has been made paying attention to such problems, and the problem is that the scattered image of the cross-section of the object to be measured can be observed without using an expensive two-dimensional stage. The object is to provide a light scattering observation apparatus capable of observing the position and size of an existing scatterer.

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。
That is, the invention according to claim 1
Assuming a light scattering observation device that irradiates a laser beam from a laser light source onto a measurement object, images the laser beam emitted from the measurement object with a CCD camera, and observes a scatterer present in the measurement object,
The object to be measured is composed of a sapphire ingot before wafer processing, and a half-wave plate, a galvano mirror and a reflection mirror for rotating the direction of linearly polarized light are arranged on the optical path between the laser light source and the sapphire ingot. In addition, the laser beam transmitted through the half-wave plate is scanned in a plane by the galvanometer mirror and the reflection mirror, and sapphire is obtained by a CCD camera having an automatic focus adjustment function disposed 90 degrees directly above the sapphire ingot. A scattered image of the ingot cross-section is observed, and the polarization of the laser beam applied to the sapphire ingot is selectively switched between horizontal polarization and vertical polarization by the half-wave plate. Therefore, the microbubbles present in the sapphire ingot are detected by incident horizontal polarization, and the vertical polarization is detected. Wherein the bubbles and the edge dislocation due to a large portion of the strain of large than microbubbles present in the sapphire ingot is adapted to be detected by incident.

また、請求項に係る発明は、
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。
The invention according to claim 2
On the premise of the light scattering observation apparatus according to the invention of claim 1 ,
The laser beam transmitted through the half-wave plate is scanned in a plane by a galvanometer mirror and a reflection mirror so that a scattered image of a sapphire ingot section scanned perpendicularly to the central axis of the sapphire ingot is observed. It is characterized by becoming.

次に、請求項に係る発明は、
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。
Next, the invention according to claim 3 is
On the premise of the light scattering observation apparatus according to the invention of claim 1 or 2 ,
The sapphire ingot is moved by a vertical movement stage with an encoder, and a scattered image of a sapphire ingot cross section at a different position in the vertical direction is observed,
The invention according to claim 4
On the premise of the light scattering observation apparatus according to the invention of claim 3 ,
The image information of the scattered image in each cross section of the sapphire ingot and the horizontal position information and vertical position information in each cross section are stored, and the position of the scatterer existing in the sapphire ingot by image processing based on each stored information And the size is specified,
The invention according to claim 5
Based on the light scattering observation apparatus according to the invention of claim 1, 2, 3, or 4 ,
The sapphire ingot is a sapphire ingot before wafer processing applied to an epitaxial growth substrate.

請求項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。
According to the light scattering observation apparatus according to the invention of claim 1 ,
Since the laser beam that has passed through the half-wave plate is scanned in a plane by a galvanometer mirror and a reflection mirror, it has an effect of allowing observation of a scattered image of a cross-section of the sapphire ingot that is a measurement object without using a two-dimensional stage .

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。
In particular, according to the light scattering observation apparatus according to the invention of claims 3 to 4 ,
A sapphire ingot , which is a measurement object , is used without using a two-dimensional stage because a measurement object is moved in a vertical direction by a vertical movement stage with an encoder and a scattered image of a cross section of the measurement object at different positions in the vertical direction is observed. This has the effect of observing the position and size of the scatterers existing inside.

以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

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。   First, as shown in FIG. 1, the light scattering observation apparatus according to the present invention includes a laser light source 1 and a half-wave plate 2 disposed on the optical path between the laser light source 1 and the object to be measured 5. The galvanometer mirror 3 and the reflection mirror 4, the object to be measured 5 are mounted, the vertical moving stage 6 with an encoder for moving the object to be measured 5 in the vertical direction, and the automatic focus adjustment function and the cross section of the object to be measured 5 The CCD camera 7 that captures the scattered image and the computer 8 that stores and processes image information of each cross section of the object to be measured 5 and position information of each cross section in the horizontal direction and the vertical direction are configured. ing.

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。   In this light scattering observation apparatus, the laser beam emitted from the laser light source 1 is converted into p-polarized light or s-polarized light by the half-wave plate 2, passes through the half-wave plate 2, and enters the galvanometer mirror 3. The laser beam thus scanned is horizontally scanned, and further, the laser beam incident on the reflection mirror 4 is vertically incident on the object to be measured 5 mounted on the vertical moving stage 6 and the cross section of the object to be measured 5 is scanned by the laser beam. The In other words, the surface scanned by the laser beam is perpendicular to the central axis of the DUT 5. Then, a scattered image of the cross section of the object to be measured 5 is taken by the CCD camera 7 having an automatic focus adjustment function disposed 90 degrees directly above the object to be measured 5, and image information of the cross section, horizontal position information, and The position information in the vertical direction is stored in the memory of the computer 8 respectively. Next, the vertical movement stage 6 moves up or down in the vertical direction to move the object 5 to be measured to a predetermined position, and repeats the above-described photographing process to obtain image information of the cross section of the object 5 to be measured in the ascending or descending position. The position information in the horizontal direction and the position information in the vertical direction are stored, and thereafter, these steps are repeated a plurality of times, so that the image information of each cross section, the position information in the horizontal direction and the position information in the vertical direction in the entire object to be measured 5 are obtained. Each is stored in memory. Then, image processing is performed based on each stored information, and the position and size of the scatterer existing in the object to be measured are specified. The galvanometer mirror 3 can set the scanning frequency and the deflection angle of the laser beam by a control system.

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。   Here, it is desirable that the laser beam emitted from the laser light source 1 is linearly polarized light. However, if it is not linearly polarized light, it may be converted into linearly polarized light by a polarizer. Then, by rotating the half-wave plate 2, it becomes possible to select p-polarized light and s-polarized light.

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。   By the way, when considering the polarization state of incident waves and scattered waves, the description method differs depending on the position of the observer, and hence the case where the electric field vector of the laser beam is horizontal with respect to the ground regardless of the position of the observer. This polarization state is called horizontal polarization, and the polarization state when the electric field vector of the laser beam is perpendicular to the ground is called vertical polarization.

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。   Then, when the scattered light when the horizontally polarized light is incident on an object to be measured such as single crystal sapphire is observed from directly above, it is possible to detect microbubbles existing in the object to be measured. In addition, when the scattered light when vertically polarized light is incident on the object to be measured is observed from directly above, it is possible to detect large bubbles present in the object to be measured and parts with large distortion due to edge dislocations. It becomes. As described above, in the measuring apparatus disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, etc., in order to measure the defect distribution of the entire object to be measured, the object to be measured is scanned using a precise two-dimensional stage. It was necessary to save the scattered image data.

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。   However, according to the light scattering observation apparatus according to the present invention, a laser beam is randomly scanned in a horizontal plane by one galvanometer mirror, and scattered light from a scatterer such as a defect existing in the measurement object is measured. The image is taken with a CCD camera placed directly above the image, and the measurement position is moved in the vertical direction by the vertical movement stage, and the above photographing process is repeated, and the image information of each cross section and the horizontal position information in the entire object to be measured In addition, the position information in the vertical direction is stored in the computer memory. If image processing is performed based on these pieces of information, the position and size of a scatterer such as a defect present in the object to be measured can be accurately known.

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)。   Next, the measurement principle of the light scattering observation apparatus according to the present invention will be briefly described (see Non-Patent Document 1).

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。   First, in order to optically observe defects in the crystal, the dielectric constant needs to change around the defects.

ここで、欠陥部分の誘電率を、   Here, the dielectric constant of the defective part is

Figure 0004905029
この式をMaxwellの方程式に代入し、
Figure 0004905029
Substituting this equation into Maxwell's equation,

Figure 0004905029
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。
Figure 0004905029
For this approximation to be effective, the relative scattering intensity must be very small. In the above equation, since the first term represents the incident wave, the scattered wave becomes the second term.

入射波として平面波   Plane wave as incident wave

Figure 0004905029
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、
Figure 0004905029
The scattering factor is a quantity indicating the behavior of the scattered wave, and is given by the Fourier transform of the dielectric constant of the scatterer. Since the dielectric constant is a second-order tensor, the scattering factor is

Figure 0004905029
と求まる。これが90°散乱の基本式である。
Figure 0004905029
It is obtained. This is the basic formula of 90 ° scattering.

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。   FIG. 2 shows the relationship between the coordinate axis of a crystal defect and the coordinate axis of an observation system.

Figure 0004905029
となる。
Figure 0004905029
It becomes.

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。   The relationship of the scattering vector in the case of scattering by uniform spherical particles is as shown in FIG.

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。   In the light scattering observation apparatus according to the present invention, when the horizontally polarized light is incident on the spherical microbubble in the object to be measured, the intensity of the scattered light incident on the CCD camera located 90 degrees directly above the object to be measured is Become the maximum. When vertically polarized light is incident on the microbubble, no scattering occurs.

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。   In the light scattering observation apparatus according to the present invention, when vertically polarized light is incident on the object to be measured, the light is scattered by relatively large particles (sufficiently large compared with the wavelength of the laser beam) and refracted by the photoelastic effect. Scattering occurs due to a portion (distortion) in which the rate changes locally.

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。   The strain referred to here is caused by, for example, edge dislocations in single crystal sapphire or artificial quartz. The edge dislocations in sapphire will be briefly described below. Consider the case where light is incident on a sapphire c-plane wafer in parallel. When the sapphire crystal is regarded as a hexagonal crystal, edge dislocations extending in the a-axis direction are distributed along the c-plane. Scattering due to edge dislocations is observed only when the electric field vector of the incident wave is parallel to the c-axis.

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。   In summary, scattering when horizontal polarization is incident on an object to be measured such as single crystal sapphire is due to scattering by microbubbles and large scatterers, and scattering when vertical polarization is incident is other than microbubbles. Scattering by relatively large particles and scattering by the photoelastic effect due to strain.

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.

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。   First, in the light scattering observation apparatus according to the present invention shown in FIG. 1, the laser light emitted from the laser light source 1 passes through the half-wave plate 2 and is converted into horizontal polarization or vertical polarization. The mirror 3 scans in the horizontal direction at a frequency of 200 Hz. The distance between the reflection mirror 4 and the object 5 to be measured is 1 m.

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。   Here, a sapphire ingot having a diameter of 3 inches and a length of 70 mm is considered as an object to be measured. The sapphire single crystal is used as a substrate when epitaxially growing GaN which is a material of a blue LED. The sapphire substrate is cut out from the ingot and processed into a wafer. However, if there are scatterers or defects in the crystal, they remain as protrusions or pits on the surface of the wafer. It is known that the GaN defects are transferred as they are. Therefore, in order to epitaxially grow good quality GaN, it is indispensable to use a sapphire wafer having no defects on the surface as a substrate. Since the cylindrical surface of the sapphire ingot of the object to be measured and the upper and lower end surfaces are lapped, the internal scattering cannot be observed even when the laser beam is irradiated. If the cylindrical surface and the upper and lower end surfaces are optically polished, scattering inside the ingot can be observed. However, since sapphire has the second highest hardness after diamond, optical polishing requires a great deal of time and money. In order to solve this problem, a sapphire ingot is used by being immersed in methylene iodide for refractive index matching. Since the refractive index of sapphire in the visible range is about 1.76 and the refractive index of methylene iodide is 1.74, it is possible to remove the contribution of scattering and reflection on the surface of sapphire.

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。   The laser light source used for scattering measurement preferably has a higher output in order to detect minute defects. In this light scattering observation apparatus, a red laser having an output of 300 mW and a wavelength of 670 nm is applied. Further, since it is necessary to scan the entire ingot with a laser beam, the exposure time is required to be 1/200 second or more of one scanning period. In order to detect minute scattering, it is necessary to set the exposure time longer.

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。   Then, the control system of the galvanometer mirror was adjusted so that the horizontal amplitude of the galvanometer mirror 3 would be 80 mm so that the laser beam scans the entire cross section of the sapphire ingot.

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。   Hereinafter, images of scattered images in a sapphire ingot cross-section photographed with vertically polarized light incident on the ingot are shown in FIGS. It is a photograph taken with the camera exposed at F5 and the exposure time of 2 seconds. The value of Z represents the distance from the bottom surface of the ingot.

得られた画像から以下のことが確認される。   The following is confirmed from the obtained image.

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と求まる。 First, from the light scattering photographs of FIGS. 4 and 5, a large scatterer is not observed at the position of Z = 5 mm, but it is confirmed that a large scatterer is present from the position of Z = 20 mm. It is confirmed from the light scattering photograph diagrams of FIGS. 6 and 7 that this large scatterer lump is located in a height range of approximately ± 5 mm with Z = 25 mm as the center. The cross-sectional area of the lump of scatterers at this position (the area of the horizontal cross section at the position of Z = 25 mm) is found to be 2.45 cm 2 by performing image processing.

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。   In this example, the image of the scattered image was stored while changing the value of Z in the height direction in the sapphire ingot at intervals of 5 mm. However, if the interval is set to an arbitrarily smaller value, the scattering of the scatterer It becomes possible to know the detailed size.

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。   By using this light scattering observation apparatus, when a wafer is cut out from a sapphire ingot, it is possible to exclude in advance a portion that has a defect and cannot be used as an epitaxial growth substrate. For this reason, it can contribute to cost reduction and shortening of processing time.

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。   According to the light scattering observation apparatus according to the present invention, it is possible to observe the position and size of the scatterer existing in the object to be measured without using an expensive two-dimensional stage. Accordingly, the present invention has industrial applicability for use in an apparatus for evaluating defects such as single crystal ingots and semiconductor wafers.

本発明に係る光散乱観察装置の概略構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows schematic structure of the light-scattering observation apparatus which concerns on this invention. 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。Explanatory drawing which shows the relationship between the coordinate axis of the defect in the crystal system which is a to-be-measured object, and the coordinate axis of an observation system. 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。Explanatory drawing which shows the relationship of the scattering vector in the case of scattering by a uniform spherical particle. 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。The light-scattering photograph figure of the sapphire ingot cross section in the position of 5 mm from the ingot bottom face image | photographed using the light-scattering observation apparatus which concerns on this invention. 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。The light-scattering photograph figure of the sapphire ingot cross section in the position of 20 mm from the ingot bottom face image | photographed using the light-scattering observation apparatus which concerns on this invention. 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。The light-scattering photograph figure of the sapphire ingot cross section in the position of 25 mm from the ingot bottom face image | photographed using the light-scattering observation apparatus which concerns on this invention. 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。The light-scattering photograph figure of the sapphire ingot cross section in the position of 30 mm from the ingot bottom face image | photographed using the light-scattering observation apparatus which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 2 1/2 wavelength plate 3 Galvanometer mirror 4 Reflecting mirror 5 Object to be measured 6 Vertical movement stage 7 CCD camera 8 Computer

Claims (5)

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。
In a light scattering observation apparatus for irradiating a measurement object with a laser beam from a laser light source, photographing a laser beam emitted from the measurement object with a CCD camera and observing a scatterer present in the measurement object,
The object to be measured is composed of a sapphire ingot before wafer processing, and a half-wave plate, a galvano mirror and a reflection mirror for rotating the direction of linearly polarized light are arranged on the optical path between the laser light source and the sapphire ingot. In addition, the laser beam transmitted through the half-wave plate is scanned in a plane by the galvanometer mirror and the reflection mirror, and sapphire is obtained by a CCD camera having an automatic focus adjustment function disposed 90 degrees directly above the sapphire ingot. A scattered image of the ingot cross-section is observed, and the polarization of the laser beam applied to the sapphire ingot is selectively switched between horizontal polarization and vertical polarization by the half-wave plate. Therefore, the microbubbles present in the sapphire ingot are detected by incident horizontal polarization, and the vertical polarization is detected. Light scattering observation apparatus characterized by large bubbles and the edge dislocation due to a large portion of the strain other than microbubbles present in the sapphire ingot is adapted to be detected by incident.
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。 The laser beam transmitted through the half-wave plate is scanned in a plane by a galvanometer mirror and a reflection mirror so that a scattered image of a sapphire ingot section scanned perpendicularly to the central axis of the sapphire ingot is observed. The light scattering observation apparatus according to claim 1, wherein: 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。 3. The light according to claim 1, wherein the sapphire ingot is moved by a vertical moving stage with an encoder so that a scattered image of a cross section of the sapphire ingot at different positions in the vertical direction is observed. Scattering observation device. 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に記載の光散乱観察装置。 The image information of the scattered image in each cross section of the sapphire ingot and the horizontal position information and vertical position information in each cross section are stored, and the position of the scatterer existing in the sapphire ingot by image processing based on each stored information The light scattering observation apparatus according to claim 3 , wherein the size is specified. 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。 The sapphire ingot, light scattering observation apparatus according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that a sapphire ingot before wafer processing to be applied to the epitaxial growth substrate.
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