JP2018155641A - 光学検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触で内部検査が可能な光学検査装置を提供する。
【解決手段】 実施形態の光学検査装置１０は、被検物２０に弾性波５４を励起するための励起光５３を発生させる励起光発生部１１と、検知光５１を発生させる検知光発生部１２と、検知光５１を受光する受光器１３とを備え、被検物２０に対する検知光５１の第１の光侵入長は、被検物２０に対する励起光５３の第２の光侵入長よりも長い。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、光学検査装置に関する。

半導体の製造プロセス、各種産業における製造品、設備、配管等の維持管理などにおいて、非接触で欠陥を検査する技術が重要となっている。従来、光の集光と反射とを利用し、光を探査針のように用いた非接触の検査装置がある。

特開２００８−１３４１８６号公報

C. Thomsen, et. al., "Surface generation and detection of phonons by picosecond light pulses", Physical Review B, vol. 34, 6, 1986.

光の集光と反射とを利用し、光を探査針のように用いる場合には、光を透過しない物質の内部検査ができなかった。また、光を用いる場合には、使用する光の波長以下の大きさの欠陥を検出することは困難であった。

本発明が解決しようとする課題は、非接触で内部検査をすることができる光学検査装置を提供することである。

実施形態の光学検査装置は、被検物に弾性波を励起するための励起光を発生させる励起光発生部と、検知光を発生させる検知光発生部と、前記検知光を受光する受光器とを備え、前記被検物に対する前記検知光の第１の光侵入長は、前記被検物に対する前記励起光の第２の光侵入長よりも長い。

図１は、第１実施形態に係る光学検査装置の構成例の概略を示す模式図である。 図２は、第１実施形態に係る弾性波が励起された際の被検物の深さ方向における応力分布の一例を示す模式図である。 図３は、第１実施形態に係る反射光の強度の時系列変化の理論値の一例を示す模式図である。 図４は、第１実施形態に係る検知光の波長を図３に示す場合と比較して長いものに変更した場合の、反射光の強度の時系列変化の理論値の一例を模式図として示す。 図５は、第２実施形態に係る光学検査装置の構成例の概略を示す模式図である。 図６は、第２実施形態に係る被検物の深さ方向を含む断面と光線との一例を示す模式図である。 図７は、第２実施形態に係る被検物の深さ方向を含む断面と光線との一例を示す模式図である。 図８は、第２実施形態に係る透過光の強度の時系列変化の一例を示す模式図である。 図９は、第３実施形態に係る光学検査装置の構成例の概略を示す模式図である。 図１０は、第３実施形態に係る光学検査装置の構成例の概略を示す模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
以下、本実施形態に係る光学検査装置１０について、図１〜図４を参照して詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る光学検査装置１０の構成について説明をする。図１に、本実施形態に係る光学検査装置１０の構成例の概略を模式図として示す。図１では、検査試料（被検物２０）の断面上を示す模式図が合わせて示されている。被検物２０として用いられる試料は何でもよく、例えばＳＵＳ（ステンレス鋼）、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉなどの金属（合金を含む）でもよいし、カーボンやアモルファスカーボンなどの非金属でもよい。また、被検物２０は、ＳｉやＳｉＣなどの半導体でもよいし、アクリルやポリカーボネイトなどの樹脂でもよい。さらに、被検物２０は、内部に多層膜などの構造を備えていてもよい。ただし、本実施形態では、簡単のために、被検物２０が単層膜である場合を例として説明をする。以下、図１に示すように、被検物２０の深さ方向をｚ方向と定義して説明をする。

図１に示すように、本実施形態に係る光学検査装置１０は、励起光発生部１１と、検知光発生部１２と、受光器１３と、処理回路１４とを備える。

本実施形態に係る励起光発生部１１は、例えば光源と集光光学系とを含む。この集光光学系により、光源からの光を照射面でスポット状に照射することができる。励起光発生部１１は、被検物２０の表面２１に向けて励起光５３を照射する。ここで、励起光５３の波長をλ１とする。本実施形態に係る検知光発生部１２は、例えば光源と集光光学系とを含む。この集光光学系により、光源からの光を照射面でスポット状に照射することができる。検知光発生部１２は、被検物２０の表面２１に向けて検査用の光（検知光５１）を照射する。ここで、検知光５１の波長をλ２とする。本実施形態に係る受光器１３は、例えば被検物２０の表面２１で反射された反射光５２（検知光５１）を受光する。本実施形態に係る受光器１３は、例えば、受光光学系と、受光光学系から入射する光の強度について時間的及び空間的変化を取得できるストリークカメラと、ストリークカメラの生成するストリーク像を取得するＣＣＤカメラとを含む。処理回路１４は、例えば受光器１３が受光した反射光５２（検知光５１）の強度の時系列変化に基づいて被検物２０に係る情報を取得する。被検物２０に係る情報は、被検物２０のｚ方向の厚さｄ、被検物２０の欠陥の有無などを含む。

また、本実施形態に係る光学検査装置１０は、制御回路１８をさらに備える。制御回路１８は、光学検査装置１０の備える各部の動作を制御するように構成されている。制御回路１８は、処理回路１４を含んで構成されていてもよい。なお、制御回路１８及び制御回路１８の備える機能の一部は、励起光発生部１１と、検知光発生部１２と、受光器１３とのそれぞれに設けられていてもよい。また、図示していないが、本実施形態に係る光学検査装置１０は、電源装置と、記録回路とをさらに備える。電源装置は、光学検査装置１０の備える各部に電力を供給するように構成されている。記録回路は、例えば受光器１３の取得する検知光５１の強度の時系列変化を記録するように構成されている。記録回路は、揮発性メモリであってもよいし、不揮発性メモリであってもよい。

本実施形態に係る励起光発生部１１の備える光源は、例えばＹＡＧレーザーである。また、励起光発生部１１が照射する励起光５３は、短パルスレーザー光であるとする。ここで、本実施形態では、励起光５３として用いられる短パルスレーザー光について、パルス幅（レーザー強度の時系列変化に対するパルス幅）は、例えば１００ｆｓ（フェムト秒）であり、波長（λ１）は、例えば５３２ｎｍ（第２高調波）であるとする。

本実施形態に係る検知光発生部１２の備える光源は、例えばＹＡＧレーザーである。ここで、本実施形態では、検知光５１として用いられるレーザー光について、波長（λ２）は、例えば１０６４ｎｍ（基本波）であるとする。

ただし、励起光発生部１１及び検知光発生部１２の備える光源やこれら光源が照射する光の波長、パルス幅は上述の記載に限らない。例えば励起光５３及び検知光５１の光源は、被検物２０として用いられる試料の物性、励起光５３及び検知光５１として要求される波長などに応じて選択されればよく、ＹＶＯ４レーザー、ＹＬＦレーザー等の固体レーザーであってもよいし、エキシマレーザー等の気体レーザーであってもよい。なお、励起光５３及び検知光５１として要求される波長などは、以降の説明において記載する。

励起光５３、検知光５１等の光を試料（被検物２０）に照射したとき、当該光は、試料の照射面（被検物２０の表面２１）で反射されたり、透過されたり、吸収されたりする。このとき、表面２１において、反射される光のエネルギーと、透過される光のエネルギーと、吸収される光のエネルギーとの和は、当該照射面へ入射した光（外来照射光）のエネルギーに等しい。

ここで、被検物２０が単位体積当たり吸収する光のエネルギー密度を光吸収密度とする。例えば外来照射光に対する光吸収密度は、表面２１から被検物２０内部へと深くなるほど（照射面から離れるほど）減少する。また、光が被検物２０によって吸収される深さを光侵入長（ζ）とする。光侵入長（ζ）は、照射面（表面２１）を基準とし、光吸収密度が基準の１／ｅ倍になる深さと定義する。例えば試料が単層膜の場合、光侵入長（ζ）は、試料の照射面における複素屈折率の虚部をκとし、光の波長をλとすると、
と表される。ここで、光侵入長（ζ）の値が∞であるとは、試料による光の吸収は起こらないで、光は反射されたり透過されたりすることを意味する。

ここで、本実施形態に係る励起光５３の光侵入長をζ１とし、本実施形態に係る検知光５１の光侵入長をζ２とする。つまり、励起光５３の光侵入長（ζ１）を
とし、検知光５１の光侵入長（ζ２）を
とする。ここで、検知光５１の光侵入長（ζ２）は、励起光５３の光侵入長（ζ１）よりも長くしておく。つまり、
とする。ここで、例えば、試料がアモルファスカーボンであるとすると、励起光５３（波長λ１＝５３２ｎｍ）の複素屈折率の虚部κ１と検知光５１（波長λ２＝１０６４ｎｍ）の複素屈折率の虚部κ２とは、ほぼ同じ値（≒０．５）になる。このとき、検知光５１の光侵入長（ζ２）は励起光５３の光侵入長（ζ１）の約２倍となる。

次に、本実施形態に係る光学検査装置１０の動作について説明をする。図１に示すように、励起光発生部１１は、試料表面（被検物２０の表面２１）に励起光５３を照射する。励起光５３は、被検物２０の表面２１の近傍で吸収される。このとき、光吸収密度の分布に応じて応力が生じ、照射面（表面２１）近傍で弾性波５４が生じる。弾性波５４のパルス幅（ｚ方向の厚さ）は、励起光５３の光侵入長（ζ１）に等しい。

ここで、弾性波５４が励起された際の被検物２０の深さ（ｚ）方向における応力分布の一例を図２に模式図として示す。図２中に示すグラフでは、横軸が被検物２０の深さ（ｚ）方向を示し、縦軸が被検物２０に生じている応力の値を示す。弾性波５４のパルス幅は、図２に示すように、深さ方向の応力分布５５において、応力がピーク値σからピーク値σの１／ｅ倍の値（σ／ｅ）になるまでの領域幅であるとする。つまり、励起光５３の光侵入長（ζ１）が短いほど、急峻な弾性波５４のパルスが生じる。一方、励起光５３の光侵入長（ζ１）が長いほど、なだらかな弾性波５４のパルスが生じる。

ここで再び図１を参照して、本実施形態に係る光学検査装置１０の動作について説明を続ける。このようにして生じた弾性波５４は、被検物２０の深さ方向に被検物２０に固有の音速で進行する。また、弾性波５４が存在する位置の被検物２０の複素屈折率は、弾性波５４が存在しない位置の被検物２０の複素屈折率とは異なる。そのため、弾性波５４が被検物２０の深さ方向に進行するのに伴って、被検物２０内において複素屈折率の分布に変化が生じることになる。

本実施形態に係る検知光発生部１２は、少なくとも弾性波５４の発生直前と直後に検知光５１を被検物２０の表面２１へ向けて照射する。本実施形態に係る受光器１３は、検知光５１のうち表面２１で反射された反射光５２を受光し、反射光５２の強度を測定する。なお、本実施形態に係る受光器１３としてストリークカメラが用いられることによって、受光した光の強度について、ｘ−ｙ平面の位置情報が取得され得る。ここで、本実施形態において、ｘ−ｙ平面は、ｚ方向に垂直な面であり、表面２１に平行な面であると定義する。本実施形態に係る処理回路１４は、受光器１３が測定した反射光５２（検知光５１）の強度についてケーブル１５を介して取得し、弾性波５４の発生の前後における反射光５２（検知光５１）の強度の時系列変化を取得する。このような、弾性波５４の発生の前後における反射光５２（検知光５１）の強度の時系列変化を第１の反射光変化とする。

弾性波５４は、被検物２０の裏面２２（反対面）で反射され、表面２１へと戻る。なお、被検物２０が内部に構造を有する場合、温度分布が存在する場合など、被検物２０の内部に屈折率の異なる界面が存在する場合には、弾性波５４は、当該界面で反射され、表面２１へと戻る。表面２１へと戻った弾性波５４は、その表面２１で再び反射され、深さ方向（裏面２２の方向）へと再び進行する。

ここで、弾性波５４が被検物２０の表面２１を通過すると、表面２１の複素屈折率が変化する。このため、弾性波５４が表面２１に到達する前後において、受光器１３で受光される反射光５２（検知光５１）の強度が時系列変化する。これを第２の反射光変化とする。

図３に反射光５２（検知光５１）の強度の時系列変化の理論値の一例を模式図として示す。図３中に示すグラフでは、横軸が経過時間を示し、縦軸が反射光５２の強度を示し、実線５６が反射光５２の強度の時系列変化（反射率変化ΔＲの時系列データ）を示す。図３中に示すグラフでは、第１の反射光変化が生じた時刻ｔ１を時刻０としている。

上述したように、表面２１に弾性波５４が存在する場合に反射光５２の強度が変化する。したがって、第２の反射光変化が生じた時刻として、図３に示すように、反射光５２の強度の時系列変化の値が変位する位置５７の時刻ｔ２が取得される。第１の反射光変化と第２の反射光変化との時間間隔Ｔは、時刻ｔ２と時刻ｔ１との差分として取得される。

本実施形態に係る光学検査装置１０では、励起光発生部１１が励起光５３を照射する前又は同時に、検知光発生部１２が検知光５１を照射し、受光器１３は一定間隔（Δｔ）で反射光５２の強度を測定する。このとき、Δｔの値が十分小さければ、受光器１３は、第１の反射光変化と第２の反射光変化との時間間隔Ｔを精度よく測定できることになる。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える処理回路１４は、被検物２０の音速が与えられれば、当該音速と、第１の反射光変化から第２の反射光変化までの時間間隔Ｔとの積として、被検物２０の厚さｄ（被検物２０に係る情報）を算出できる。例えば、アモルファスカーボンの音速は約６ｎｍ／ｐｓである。

また、被検物２０の内部、すなわち弾性波５４が通過する領域に被検物２０の欠陥がある場合には、当該欠陥において弾性波５４が反射されて表面２１へと戻ってくることになる。この場合、時間間隔Ｔは、弾性波５４が表面２１と欠陥との間を往復する時間を表すことになる。すなわち、本実施形態に係る光学検査装置１０の備える処理回路１４は、被検物２０の内部の欠陥の有無（被検物２０に係る情報）を検出できる。また、本実施形態に係る光学検査装置１０の備える処理回路１４は、時間間隔Ｔと被検物２０の音速との積として、被検物２０の内部の欠陥の位置（被検物２０に係る情報）を算出できる。ここで、当該欠陥の位置として算出される値は、表面２１と欠陥との距離である。

このようにして、本実施形態に係る光学検査装置１０では、被検物２０の厚さｄの測定又は欠陥の有無及び位置の検知、すなわち被検物２０に係る情報の取得が可能となる。

試料（被検物２０）に励起光５３、検知光５１等の光を照射すると、被検物２０の光吸収密度分布に応じた昇温が起こる。光侵入長（ζ）が短いとき、被検物２０内の温度分布は急峻になる。光の吸収量が同じで光侵入長（ζ）が異なると仮定すると、光侵入長（ζ）が短く被検物２０内の温度分布が急峻になるほど最高到達温度は高くなる。最高到達温度が高くなるほど、被検物２０が損傷する可能性は高くなる。これより、被検物２０の損傷を低減するためには、なるべく光侵入長（ζ）は長いほうがよい。そこで、少なくとも検知光５１は、光侵入長（ζ２）を長くするように光源及び波長が選択されることが好ましい。

一方、励起光５３については、光侵入長（ζ１）が短いほど振幅が大きい弾性波５４が生じる。そのため、弾性波５４が通過する時の被検物２０内の複素屈折率変化も大きくなる。つまり、励起光５３の光侵入長（ζ１）を短くすることで、弾性波５４が検知光５１の照射面を通過する時の、受光器１３が受光する反射光５２（検知光５１）の強度の時系列変化が大きくなり、Ｓ／Ｎ値（シグナルとノイズの比）が向上する。

さらに、励起光５３の光侵入長（ζ１）が短いほど、弾性波５４のパルス幅も短くなる。これにより、被検物２０の厚さｄが薄い場合でも、その厚さｄと比較して十分に小さなパルス幅を持つ弾性波５４を生成することができる。このとき、上述したように、反射光５２の時系列変化から第１の反射光変化と第２の反射光変化とを判別することが可能となる。しかし、被検物２０の厚さｄと比較して弾性波５４のパルス幅が大きい場合は、励起された弾性波５４が被検物２０内に収まらない。そのため、第１の反射光変化と第２の反射光変化とを判別することが困難となる。つまり、励起光５３の光侵入長（ζ１）は、被検物２０の厚さｄよりも小さい必要があり、
の関係が成立することが要求される。

以上より、検知光５１の光侵入長（ζ２）は長いほうがよく、励起光５３の光侵入長（ζ１）は短いほうがよい。すなわち、好ましくは、式（１）が満たされることが必要である。つまり、式（１）が満たされることで、被検物２０の損傷の低減とＳ／Ｎ値の向上とを実現することが可能となるという効果がある。

さらに、検知光５１の光侵入長（ζ２）を励起光５３の光侵入長（ζ１）よりも長くしておくことで、検知光５１は被検物２０内深くまで浸透することができる。このとき、被検物２０内の、より深い位置にいる弾性波５４まで検知光５１が届くようになり、弾性波５４を界面として検知光５１が反射され、反射光５２が受光器１３によって受光される。

図４に、検知光５１の波長を図３に示す場合と比較して長いものに変更した場合の、反射光５２の強度の時系列変化の理論値の一例を模式図として示す。このとき、検知光５１の光侵入長（ζ１）は励起光５３の光侵入長（ζ２）に対して４倍の値としている。図４中に示すグラフでは、横軸が経過時間を示し、縦軸が反射光５２の強度を示し、実線５８が反射光５２の強度の時系列変化（反射率変化ΔＲの時系列データ）を示す。図４中に示すグラフでは、第１の反射光変化が生じた時刻ｔ３を時刻０としている。

図４中に示すグラフから、第１の反射光変化が生じた時刻ｔ３と第２の反射光変化が生じた時刻ｔ４との近傍において、それぞれ反射光５２の強度の時系列変化に振動（フリンジ５９）が生じていることがわかる。このフリンジ５９は、検知光５１の一部が被検物２０の表面２１より深くまで侵入し、被検物２０内部の弾性波５４を界面として反射されることによって生じる。すなわち、フリンジ５９は、表面２１で反射された検知光５１の一部（表面反射光）と、被検物２０内部の弾性波５４で反射された検知光５１の一部（界面反射光）との干渉の結果生じるものであると表現できる。フリンジ５９は、弾性波５４が速いほど、表面反射光と界面反射光との干渉が生じる時間が短くなり、短い周期の波形となり、一方で、弾性波５４が遅いほど長い周期の波形となる。

このように、弾性波５４の速度とフリンジ５９の波形とは相関を持っている。これより、処理回路１４は、フリンジ５９から弾性波５４の速度情報を抽出できる。弾性波５４の速度（被検物２０の音速）は、被検物２０の密度と剛性（例えば弾性定数）とから算出できるため、弾性波５４の速度がわかれば、被検物２０の密度と剛性とに関する情報（被検物２０に係る情報）が得られる。

以上より、検知光５１の光侵入長（ζ１）を励起光５３の光侵入長（ζ２）よりも長くすることで、被検物２０に係る情報として、膜厚（厚さｄ）や欠陥の有無だけではなく、密度や剛性に関する情報（被検物２０に係る情報）も得られるという効果がある。

なお、一般的に、励起光５３の光侵入長（ζ２）を短くするためには、上述したように励起光５３の波長を短くすることが考えられる。しかし、励起光５３の波長を短くするだけでなく、励起光５３の被検物２０への入射角度を大きくすることでも励起光５３の光侵入長（ζ２）を短くできると考えられる。実際に、励起光５３の被検物２０への入射角度を大きくするほど、励起光５３の光侵入長（ζ２）が短くなることは理論的に導ける。この場合、励起光５３の波長と検知光５１の波長とを同じにしても式（１）は満たされることになる。

本実施形態に係る光学検査装置１０によれば、以下のことが言える。本実施形態に係る光学検査装置１０は、被検物２０に弾性波５４を励起する励起光５３を発生させる励起光発生部１１と、検知光５１を発生させる検知光発生部１２と、検知光５１を受光する受光器１３とを備え、被検物２０に対する検知光５１の第１の光侵入長（ζ２）は、被検物２０に対する励起光５３の第２の光侵入長（ζ１）よりも長い。

この構成によれば、検知光５１の光侵入長（ζ２）を長くすることで、検知光５１の照射による被検物２０の損傷を低減できる。さらに、励起光５３の光侵入長（ζ１）を短くすることで、受光器１３が受光する反射光５２（検知光５１の）の強度の弾性波５４による変化が大きくなり、Ｓ／Ｎ値が向上する。上記構成によれば、被検物２０の損傷を低減させつつ、高精度に、また、非接触で被検物２０の内部探査が可能となる。

本実施形態に係る光学検査装置１０は、弾性波５４が被検物２０に励起された後、受光器１３によって受光された検知光５１の強度の時系列変化に基づいて被検物２０に係る情報を取得する処理回路１４をさらに備える。

この構成によれば、被検物２０の音速と、第１の反射光変化から第２の反射光変化までの時間間隔Ｔとの値に基づいて、被検物２０の厚さｄの測定及び被検物２０内部の欠陥の有無の検知ができる。また、フリンジ５９の波形に基づいて、弾性波５４の速度情報の取得ができる。さらに、当該速度情報に基づいて、被検物２０の密度と剛性とに関する情報の取得ができる。したがって、上記構成によれば、非接触、非破壊で被検物２０の内部探査を行い、被検物２０に係る情報を取得することが可能となる。

本実施形態に係る光学検査装置１０において、被検物２０は、励起光発生部１１側にある表面２１と、表面２１とは反対側にある反対面（裏面２２）と、を有し、弾性波５４は、被検物２０の内部を表面２１から反対面に向かって伝播し、反対面又は被検物２０が欠陥を有する場合には欠陥で反射された後に表面２１に向かって伝播し、受光器１３で受光される検知光５１は、検知光発生部１２から放射され、表面２１で反射された反射光５２であり、本実施形態に係る光学検査装置１０の備える処理回路１４は、弾性波５４が励起される前の状態から弾性波５４が表面２１に励起された状態に検知光５１の強度が変化する第１の透過光変化と、弾性波５４が表面２１と反対面との間又は被検物２０が欠陥を有する場合には表面２１と欠陥との間に位置する状態から弾性波５４が表面２１に位置する状態に検知光５１の強度が変化する第２の透過光変化と、の時間間隔Ｔと、弾性波５４の被検物２０の内部における伝播速度（音速）と、から、表面２１と反対面との距離又は被検物２０が欠陥を有する場合には表面２１と欠陥との距離を被検物２０に係る情報として算出する。

この構成によれば、非接触、非破壊で被検物２０の内部探査を行い、被検物２０に係る情報として被検物２０の厚さｄ（表面２１と裏面２２（反対面）との距離）又は欠陥の位置（表面２１と欠陥との距離）を取得することが可能となる。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える励起光発生部１１は、励起光５３として短パルスレーザー光を照射する。この構成によれば、励起光５３を吸収する被検物２０の表面２１の近傍を急速に膨張させ、被検物２０内の熱拡散と比較して、支配的に弾性波５４を励起させることができる。そのため、被検物２０内の熱拡散によって被検物２０に生じる損傷を低減させ、また、被検物２０内の温度（応力）分布を急峻なものとすることができる。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える励起光発生部１１は、第２の光侵入長（励起光５３の光侵入長）をζ１とし、被検物２０の厚みをｄとすると、
を満たす励起光５３を照射する。この構成によれば、被検物２０の厚さｄと比較して小さなパルス幅を持つ弾性波５４を生成することができるため、被検物２０の厚さｄが薄い場合でも、第１の反射光変化と第２の反射光変化とを判別することが容易となる。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える検知光発生部１２は、励起光発生部１１が照射する励起光５３の波長よりも長い波長を有する検知光５１を照射する。この構成によれば、検知光５１の光侵入長（ζ１）を励起光５３の光侵入長（ζ２）よりも長くすることができる。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える検知光発生部１２は、検知光５１の被検物２０に対する入射角が、励起光５３の被検物２０に対する入射角よりも小さくなるように構成されている。この構成によれば、検知光５１の光侵入長（ζ１）を励起光５３の光侵入長（ζ２）よりも長くすることができる。さらに、この構成により、照射面における励起光５３のスポットは、検知光５１のものよりも楕円に近づき、検知光５１に比べてスポットの面積が大きくなる。つまり、励起光５３のスポットは検知光５１のスポットを含むことになる。これより、検知光５１の全ての光線を、励起光５３により発生する弾性波５４に照射することができる。つまり、検知光５１の全光線は、弾性波５４による反射光変化を受けることになり、Ｓ／Ｎが向上するという利点がある。

なお、本実施形態では、励起光発生部１１が励起光５３を被検物２０の表面２１へ向けて照射して、被検物２０に弾性波５４が励起される場合を例として説明をしたが、これに限らない。例えば、本実施形態に係る光学検査装置１０は、励起光発生部１１に代えて、音波などの圧力波を出力する圧力波発生部を備えていてもよい。この場合、圧力波発生部は、表面２１へ向けて音波などの圧力波を出力し、被検物２０に弾性波５４を励起させる。また、圧力波発生部は、圧力波そのものを出力しなくてもよい。例えば圧力波発生部は、被検物２０の表面２１へ向けて励起光を照射して、表面２１を局所的に加熱して気化させ、表面２１の一部が気化する際に生じる圧力波によって弾性波を励起させてもよい。ただし、この場合には、上述した本実施形態に係る光学検査装置１０と同様にして被検物２０に係る情報を取得できるが、被検物２０に対して非接触の検査ではあるものの、上述してきたような非破壊の検査とはならない。さらに、例えば本実施形態に係る光学検査装置１０は、励起光発生部１１に代えて、被検物２０と物理的に接触して表面２１へ応力を与えることによって弾性波５４を励起させる応力伝達部を備えていてもよい。ただし、この場合には、上述した本実施形態に係る光学検査装置１０と同様にして被検物２０に係る情報を取得できるが、上述してきたような非接触、非破壊の検査とはならない。

なお、本実施形態に係る処理回路１４は受光器１３が測定した反射光５２の強度についてケーブル１５を介して取得するとした場合を例として説明をしたが、これに限らない。受光器１３と処理回路１４との間の接続は有線であってもよいし、無線であってもよい。何れの場合でも、上述した光学検査装置１０と同様の効果が得られ得る。

（第２実施形態）
ＳｉＣなどの半導体は、製造プロセスにおいて、その内部に結晶欠陥が発生することがある。この際、欠陥の位置を特定することで、欠陥の種類および発生原因を推定することができるため、欠陥の位置を特定する技術には需要がある。特に、試料の深さ方向（z方向）の位置は測定が困難である。そこで、試料に電場（電圧、電荷）を印加し、結晶欠陥が等方的に発光することを利用し、深さ方向の位置を特定する。以下、本実施形態に係る光学検査装置１０について、図５〜図８を参照して詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る光学検査装置１０の構成について説明をする。図５に、本実施形態に係る光学検査装置１０の構成例の概略を模式図として示す。図５には、検査試料（被検物２０）の断面上を示す模式図が合わせて示されている。当該断面は、被検物２０の深さ方向（z方向）を含む。また、当該断面における被検物２０内には結晶欠陥２３が存在する。欠陥２３のｚ方向の位置（被検物２０の表面２１からの距離）は、ｚ１であるとする。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える検知光発生部１２は、第１実施形態に係る検知光発生部１２とは異なり、電場発生部１６と配線１７とを備える。電場発生部１６は、配線１７を介して被検物２０に電場（電圧、電荷）を印加する。

本実施形態に係る被検物２０は、印加された電場（電圧、電荷）によって、内部の欠陥２３が等方的に発光するとする。本実施形態に係る被検物２０は、例えばＳｉＣであるとして以下の説明をするが、これに限らない。被検物２０は、電場（電圧、電荷）の印加によって結晶欠陥２３が発光する試料であればよい。

また、図５中には、欠陥２３から等方的に放射される光線の一例も合わせて示している。本実施形態では、このように被検物２０の内部に存在する欠陥２３から発光される放射光を検知光として用いる。

本実施形態に係る受光器１３は、欠陥２３から放射され、被検物２０を透過する放射光を受光できるように配置されている。したがって、例えば図５中に示すように、欠陥２３から発光される放射光６０、放射光６１等の放射光のうち、被検物２０の内部を透過して受光器１３へと到達する放射光６１が透過光６２として受光器１３によって受光されることになる。

次に、本実施形態に係る光学検査装置１０の動作について説明する。図６及び図７に、本実施形態に係る被検物２０の深さ方向を含む断面と光線との一例を模式図として示す。

図６は、弾性波５４が表面２１と欠陥２３との間に存在する場合の様子を示している。第１実施形態に係る励起光発生部１１と同様に、励起光５３が被検物２０の表面２１へ本実施形態に係る励起光発生部１１より照射され、表面２１に弾性波５４が励起される。励起された弾性波５４は、図６に示すように、被検物２０内を深さ方向に伝播する。なお、第１実施形態において上述したように、弾性波５４のパルス幅は励起光５３の光侵入長（ζ１）と等しくなる。

図７は、図６に示す状態から弾性波５４がさらに深さ（ｚ）方向へ伝播し、欠陥２３を通り過ぎたときの様子を示す。すなわち、図７は、弾性波５４が欠陥２３と裏面２２との間に存在する場合の様子を示している。

弾性波５４は、被検物２０内の複素屈折率を変化させるため、図６に示す状態では、弾性波５４を界面として、欠陥２３から発光された放射光６１のうち、一部が界面反射光６３として反射され、一部が界面透過光６４として界面を透過する。これにより、受光器１３へと入射する透過光６２の強度は図５に示す状態で受光器１３へと入射する透過光６２と比較して低減する。これを第１の透過光変化とする。

一方、図７のように弾性波５４が欠陥２３を通過すると、弾性波５４に向かう放射光６０は弾性波５４を界面とし、界面反射光６５として反射される。これにより、弾性波５４によって低減されていない状態の放射光６１と界面反射光６５とが、透過光６２として受光器１３で受光されることになり、透過光６２の強度は増加する。これを第２の透過光変化とする。

以上を踏まえ、図８に、透過光６２の強度ΔＳの時系列変化の一例を模式図として示す。図８中に示すグラフにおいて、横軸が経過時間を示し、縦軸が透過光６２の強度を示し、実線６６が透過光６２の強度の時系列変化を示す。

図８に示すように、第１の透過光変化と第２の透過光変化との時間間隔をＴとする。時間間隔Ｔと弾性波５４の速度との積として、欠陥２３の深さ（ｚ）方向の位置ｚ１が算出できる。なお、ｘ−ｙ平面の位置は第１実施形態と同様に取得可能である。つまり、本実施形態に係る光学検査装置１０を利用すれば、欠陥２３の位置が検出可能になるという効果がある。

なお、欠陥に応力をかけると、欠陥から発光される放射光について、発光スペクトルのピーク値がわずかに変化することが知られている。被検物２０内の欠陥２３を弾性波５４が通過する際には、弾性波５４により欠陥２３に応力が付加されることになる。そのため、欠陥２３から発光される放射光の発光スペクトルがわずかに変化する。

そこで、本実施形態に係る受光器１３は、例えば分光器を備えて、スペクトル分光可能なものであってもよい。当該分光器は例えば回折格子であるが、これに限らない。例えば、分光プリズムが用いられてもよい。

分光器を備える受光器１３は、弾性波５４の通過により生じる発光スペクトルの変化をスペクトル分光測定で検知する。このような構成とすることで、本実施形態に係る光学検査装置１０は、欠陥２３の位置を確実かつ精度よく測定することができるという効果がある。つまり、少なくとも２つの異なる波長を検出できる受光器１３を使うと欠陥検知の高精度化が図れる。ここで、少なくとも２つの異なる波長とは、分光された発光スペクトルの波長のうち、欠陥２３を弾性波５４が通過する（欠陥２３に応力が付加される）ときに変化する波長の変化前と変化後との波長を含む。

本実施形態に係る光学検査装置１０によれば、以下のことが言える。本実施形態に係る光学検査装置１０において、被検物２０は、励起光発生部１１側にある表面２１と、表面２１とは反対側にある反対面（裏面２２）と、を有し、弾性波５４は、被検物２０の内部を表面２１から反対面に向かって伝播し、受光器１３で受光される検知光５１は、被検物２０の有する欠陥２３から放射され、被検物２０の内部を透過した透過光６２であり、本実施形態に係る光学検査装置１０の備える処理回路１４は、弾性波５４が励起される前の状態から弾性波５４が表面２１に励起された状態に検知光５１の強度が変化する第１の透過光変化と、弾性波５４が表面２１と欠陥２３との間に位置する状態から弾性波５４が欠陥２３と反対面との間に位置する状態に検知光５１の強度が変化する第２の透過光変化と、の時間間隔Ｔと、弾性波５４の被検物２０の内部における伝播速度（音速）と、から、表面２１と欠陥２３との距離を被検物２０に係る情報として算出する。

この構成によれば、欠陥２３から放射される光を検知光５１として用いて、非接触、非破壊で被検物２０の内部探査を行い、被検物２０に係る情報として被検物２０の欠陥２３の位置（表面２１と欠陥２３との距離）を取得することが可能となる。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える検知光発生部１２は、被検物２０に電場をかけ、検知光５１を発生させる。この構成によれば、被検物２０の内部に存在する欠陥２３から発光されて被検物２０内を透過した透過光６２を検知光５１として用いることができる。すなわち、受光器１３によって透過光６２（検知光５１）の受光強度の時系列変化が取得され得る。したがって、本実施形態に係る光学検査装置１０を利用すれば、電場を印加するという簡単な手法によって光を放射する欠陥２３の位置が検出可能になる。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える受光器１３は、少なくとも２つの異なる波長を受光できるように構成されている。この構成によれば、被検物２０内の欠陥２３を弾性波５４が通過する際に生じる、欠陥２３から発光される放射光の発光スペクトル変化を検出できる。そのため、欠陥２３の位置を確実かつ精度よく測定することができる。

なお、本実施形態では、印加された電場（電圧、電荷）によって被検物２０の内部の欠陥２３が等方的に発光するとした場合を例として説明をしたが、欠陥２３が等方的に発光するのと同時に、被検物２０の欠陥２３以外の領域が発光していてもよい。例えば欠陥２３の発光強度と被検物２０の欠陥２３以外の領域の発光強度との差が小さい場合でも、発光強度の時間方向の差分から欠陥２３の発光が検出できれば欠陥２３の位置は取得されることになる。

（第３実施形態）
以下、本実施形態に係る光学検査装置１０について、図９及び図１０を参照して詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る光学検査装置１０の構成について説明をする。図９及び図１０に、本実施形態に係る光学検査装置１０の構成例の概略を模式図として示す。図９は、励起光５３が照射されて弾性波５４が発生し、弾性波５４が深さ方向に進行する様子を示す。図１０は、図９に示す状態から、弾性波５４がさらに深く進行し、欠陥２３を通り過ぎたときの様子を示す。

図９及び図１０には、検査試料（被検物２０）の断面上を示す模式図が合わせて示されている。当該断面は、被検物２０の深さ方向（z方向）を含む。また、当該断面における被検物２０内には結晶欠陥２３が存在する。欠陥２３のｚ方向の位置（被検物２０の表面２１からの距離）は、ｚ１であるとする。本実施形態では、被検物２０がＳｉＣであるとして説明するが、これに限らない。また、図９及び図１０には、光線の一例も合わせて示している。

図９及び図１０に示すように、本実施形態では、第２実施形態で説明した場合とは異なり、被検物２０には、電場は印加されていない。本実施形態に係る光学検査装置１０は、例えば第１実施形態で説明した場合と同様の検知光発生部１２を備える。

次に、本実施形態に係る光学検査装置１０の動作について説明する。本実施形態に係る光学検査装置１０の備える励起光発生部１１は、励起光５３を被検物２０の表面２１へと照射して、被検物２０に弾性波５４を励起させる。弾性波５４のパルス幅は光侵入長（ζ１）と等しくなる。

また、本実施形態に係る検知光発生部１２は、検知光５１を表面２１へと照射する。なお、被検物２０に対する検知光５１の光侵入長（ζ２）は、励起光５３の光侵入長（ζ１）よりも長い値を有するとする。検知光５１が被検物２０内を透過して欠陥２３に当たると、検知光５１は欠陥２３によって散乱される。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える受光器１３は、欠陥２３から散乱される光を、２つの互いに異なる角度で受光できるように、第１の受光器１３ａと第２の受光器１３ｂとの２つの受光器を備える。第１の受光器１３ａは、表面２１で反射される検知光５１を受光可能なように配置される。第２の受光器は、例えば表面２１に対して垂直に透過する光線を受光可能なように配置される。

図９に示すように、被検物２０に励起光５３を照射すると弾性波５４が生じる。このとき、検知光５１を被検物２０へ向けて照射すると、検知光５１の一部は表面２１から被検物２０内へと侵入して透過する（透過光６７）。弾性波５４は被検物２０内の複素屈折率を変化させるため、弾性波５４を界面として透過光６７の一部は反射され（界面反射光６８）、透過光６７の一部は弾性波５４を通過してさらに深い方向に透過する（界面透過光６９）。界面反射光６８は、表面２１へ向けて被検物２０内を透過し、反射光５２として第１の受光器１３ａに到達する。一方で界面透過光６９が欠陥２３に到達すると、界面透過光６９は、欠陥２３によって散乱され、受光器１３へと向かう方向の散乱成分（散乱光７０）が生じる。しかし、散乱光７０は、受光器１３に到達する前に弾性波５４によって一部反射されてしまう（界面反射光７１）。そのため、散乱光７０のうち弾性波５４を通過した散乱光７０の一部のみが受光器１３へと到達する。

このように、弾性波５４が発生した後には、受光器１３の受光する散乱成分の強度は低下する。弾性波５４が生じた直後の受光器１３における受光信号の強度の変化を第１の透過光変化とする。なお、当該受光信号の強度の変化には、受光信号の有無によって生じる変化も含まれる。

一方で、図１０に示す状態のように、弾性波５４が欠陥２３を通過すると、検知光５１のうち被検物２０内に侵入した透過光６７は、弾性波５４による反射ロスなく欠陥２３に直接到達でき、また、散乱される。さらに、散乱成分は、弾性波５４による反射ロスなく受光器１３に到達できる。つまり、受光器１３に到達する散乱成分の強度は、図９に示す状態と比較して、図１０に示す状態の方が大きい。弾性波５４が欠陥２３を通過した直後の受光信号の強度の変化を第２の透過光変化とする。

第１の透過光変化と第２の透過光変化との時間間隔をＴとする。この時間間隔Ｔと弾性波５４の速度との積として、欠陥２３の深さ方向の位置ｚ１が算出できる。つまり、本実施形態に係る光学検査装置１０を用いれば、欠陥２３の位置が検出可能になるという効果がある。

ここで、第２の受光器１３ｂは、例えば図１０中に破線矢印で示す散乱光（透過光６２）のような、欠陥２３で散乱された散乱成分のうち被検物２０を透過した光線のみを受光することができる。つまり、第２の受光器１３ｂの信号の有無によって欠陥２３の有無を判別することができるという効果がある。

本実施形態に係る光学検査装置１０によれば、以下のことが言える。本実施形態に係る光学検査装置１０において、被検物２０は、励起光発生部１１側にある表面２１と、表面２１とは反対側にある反対面（裏面２２）と、を有し、弾性波５４は、被検物２０の内部を表面２１から反対面に向かって伝播し、受光器１３で受光される検知光５１は、検知光発生部１２から放射され、被検物２０の有する欠陥２３で散乱され、被検物２０の内部を透過した透過光６２であり、本実施形態に係る光学検査装置１０の備える処理回路１４は、弾性波５４が励起される前の状態から弾性波５４が表面２１に励起された状態に検知光５１の強度が変化する第１の透過光変化と、弾性波５４が表面２１と欠陥２３との間に位置する状態から弾性波５４が欠陥２３と反対面との間に位置する状態に検知光５１の強度が変化する第２の透過光変化と、の時間間隔Ｔと、弾性波５４の被検物２０の内部における伝播速度（音速）と、から、表面２１と欠陥２３との距離を被検物２０に係る情報として算出する。

この構成によれば、欠陥２３で散乱される光を検知光５１として用いて、非接触、非破壊で被検物２０の内部探査を行い、被検物２０に係る情報として被検物２０の欠陥２３の位置（表面２１と欠陥２３との距離）を取得することが可能となる。

本実施形態に係る光学検査装置１０の備える受光器１３は、被検物２０に対し、少なくとも２つの異なる角度で検知光５１を受光できるように構成されている。この構成によれば、被検物２０の内部に存在する欠陥２３によって散乱されて被検物２０内を透過した透過光６２を検知光５１として用いることができる。すなわち、受光器１３によって透過光６２（検知光５１）の受光強度の時系列変化が取得され得る。したがって、本実施形態に係る光学検査装置１０を利用すれば、欠陥２３の位置が検出可能になる。

なお、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態において、光学検査装置１０が、励起光発生部１１は表面２１へ励起光５３を照射して弾性波５４を被検物２０の表面２１へ励起させ、受光器１３は表面２１から受光器１３へ向かう光を受光するように構成されている場合を例として説明をしたが、これに限らない。例えば、各々の実施形態に係る励起光発生部１１は、裏面２２へ励起光５３を照射して弾性波５４を裏面２２に励起させてもよい。

例えば、第１実施形態に係る励起光発生部１１は、励起光５３照射時に第１の信号を処理回路１４へ出力する。第１実施形態に係る受光器１３は、弾性波５４の表面２１への到達を検知したときに第２の信号を処理回路１４へ出力する。第１実施形態に係る処理回路１４は、第１の信号と第２の信号との間の時間間隔と弾性波５４の速度との積として厚みｄを算出する。

例えば、第２実施形態及び第３実施形態に係る励起光発生部１１は、励起光５３照射時に第１の信号を処理回路１４へ出力する。第２実施形態及び第３実施形態に係る受光器１３は、弾性波５４の欠陥２３への到達を検知したときに第２の信号を処理回路１４へ出力する。第２実施形態及び第３実施形態に係る処理回路１４は、第１の信号と第２の信号との間の時間間隔と弾性波５４の速度との積として欠陥２３の位置（裏面２２からの距離）を算出する。

例えば、第２実施形態及び第３実施形態に係る受光器１３は、弾性波５４の欠陥２３への到達を検知したときに第１の信号を処理回路１４へ出力し、弾性波５４の表面２１への到達を検知したときに第２の信号を処理回路１４へ出力する。第２実施形態及び第３実施形態に係る処理回路１４は、第１の信号と第２の信号との間の時間間隔と弾性波５４の速度との積として欠陥２３の位置（表面２１からの距離）を算出する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…光学検査装置、１１…励起光発生部、１２…検知光発生部、１３…受光器、１３ａ…第１の受光器、１３ｂ…第２の受光器、１４…処理回路、１５…ケーブル、１６…電場発生部、１７…配線、２０…被検物、２１…表面、２２…裏面、２３…欠陥、５１…検知光、５２…反射光、５３…励起光、５４…弾性波、６２…透過光。

Claims (12)

1. 被検物に弾性波を励起するための励起光を発生させる励起光発生部と、
   検知光を発生させる検知光発生部と、
   前記検知光を受光する受光器と
   を備え、
   前記被検物に対する前記検知光の第１の光侵入長は、前記被検物に対する前記励起光の第２の光侵入長よりも長い、
   光学検査装置。
2. 前記弾性波が前記被検物に励起された後、前記受光器によって受光された前記検知光の強度の時系列変化に基づいて前記被検物に係る情報を取得する処理回路をさらに備える、
   請求項１に記載の光学検査装置。
3. 前記被検物は、前記励起光発生部側にある表面と、前記表面とは反対側にある反対面と、を有し、
   前記弾性波は、前記被検物の内部を前記表面から前記反対面に向かって伝播し、前記反対面又は前記被検物が欠陥を有する場合には前記欠陥で反射された後に前記表面に向かって伝播し、
   前記受光器で受光される前記検知光は、前記検知光発生部から放射され、前記表面で反射された反射光であり、
   前記処理回路は、
   前記弾性波が励起される前の状態から前記弾性波が前記表面に励起された状態に前記検知光の強度が変化する第１の透過光変化と、前記弾性波が前記表面と前記反対面との間又は前記被検物が前記欠陥を有する場合には前記表面と前記欠陥との間に位置する状態から前記弾性波が前記表面に位置する状態に前記検知光の強度が変化する第２の透過光変化と、の時間間隔と、
   前記弾性波の前記被検物の内部における伝播速度と、
   から、前記表面と前記反対面との距離又は前記被検物が前記欠陥を有する場合には前記表面と前記欠陥との距離を前記被検物に係る情報として算出する、
   請求項２に記載の光学検査装置。
4. 前記被検物は、前記励起光発生部側にある表面と、前記表面とは反対側にある反対面と、を有し、
   前記弾性波は、前記被検物の内部を前記表面から前記反対面に向かって伝播し、
   前記受光器で受光される前記検知光は、前記被検物の有する欠陥から放射され、前記被検物の内部を透過した透過光であり、
   前記処理回路は、
   前記弾性波が励起される前の状態から前記弾性波が前記表面に励起された状態に前記検知光の強度が変化する第１の透過光変化と、前記弾性波が前記表面と前記欠陥との間に位置する状態から前記弾性波が前記欠陥と前記反対面との間に位置する状態に前記検知光の強度が変化する第２の透過光変化と、の時間間隔と、
   前記弾性波の前記被検物の内部における伝播速度と、
   から、前記表面と前記欠陥との距離を前記被検物に係る情報として算出する、
   請求項２に記載の光学検査装置。
5. 前記被検物は、前記励起光発生部側にある表面と、前記表面とは反対側にある反対面と、を有し、
   前記弾性波は、前記被検物の内部を前記表面から前記反対面に向かって伝播し、
   前記受光器で受光される前記検知光は、前記検知光発生部から放射され、前記被検物の有する欠陥で散乱され、前記被検物の内部を透過した透過光であり、
   前記処理回路は、
   前記弾性波が励起される前の状態から前記弾性波が前記表面に励起された状態に前記検知光の強度が変化する第１の透過光変化と、前記弾性波が前記表面と前記欠陥との間に位置する状態から前記弾性波が前記欠陥と前記反対面との間に位置する状態に前記検知光の強度が変化する第２の透過光変化と、の時間間隔と、
   前記弾性波の前記被検物の内部における伝播速度と、
   から、前記表面と前記欠陥との距離を前記被検物に係る情報として算出する、
   請求項２に記載の光学検査装置。
6. 前記検知光発生部は、
   前記被検物に電場をかけ、
   前記検知光を発生させる、
   請求項１又は２に記載の光学検査装置。
7. 前記受光器は、
   前記被検物に対し、少なくとも２つの異なる角度で前記検知光を受光できるように構成されている、
   請求項１又は２に記載の光学検査装置。
8. 前記受光器は、
   少なくとも２つの異なる波長を受光できるように構成されている、
   請求項１又は２に記載の光学検査装置。
9. 前記励起光発生部は、
   前記励起光として短パルスレーザー光を照射する、
   請求項１又は２に記載の光学検査装置。
10. 前記励起光発生部は、
    前記第２の光侵入長をζ１とし、前記被検物の厚みをｄとすると、
    を満たす前記励起光を照射する、
    請求項１又は２に記載の光学検査装置。
11. 前記検知光発生部は、
    前記励起光発生部が照射する前記励起光の波長よりも長い波長を有する前記検知光を照射する、
    請求項１又は２に記載の光学検査装置。
12. 前記検知光発生部は、
    前記検知光の前記被検物に対する入射角が、前記励起光の前記被検物に対する入射角よりも小さくなるように構成されている、
    請求項１又は２に記載の光学検査装置。