JP2000097872A

JP2000097872A - 光学的検査装置

Info

Publication number: JP2000097872A
Application number: JP10271433A
Authority: JP
Inventors: Toyokazu Nakamura; 豊一中村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2000-04-07
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: JP3185878B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単でコンパクトな構成で、被検査対象の表
面の欠陥の高速検出を可能にする。【解決手段】繰り返しパターン１０ａが形成されてい
る半導体ウェハ１０に光源１からモノクローム光線を照
射し、その反射光の一部を空間フィルタ２に入射させた
後、透過した光線を対物レンズを介して拡大光学系４に
入射させる。光検出器５により拡大光学系４を透過した
光線を検出し、コンピュータ６にて解析する。光線が斜
めに照射されるため、繰り返しパターン以外の部分から
の通常の反射光は空間フィルタ２の方向には進行しな
い。半導体ウェハ１０に設けられた繰り返しパターン１
０ａからの回折光は、空間フィルタの遮断部２ａに遮断
されて、拡大光学系４に入射不能である。光検出器５
は、半導体ウェハに欠陥１０ｃがあった場合のその欠陥
１０ｃによる散乱光のみを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面に規則的な繰
り返しパターンが形成された基板等の製品、例えば半導
体ウェハの欠陥を検査する装置に関し、暗視野光学検査
技術を利用した光学的検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化が顕著
であり、それに伴って、この半導体デバイスに用いられ
る半導体ウェハの表面に形成されるパターンが極めて微
細であることが求められている。さらに、微細なパター
ンが形成された半導体ウェハの表面に異物の付着等によ
る欠陥が生じると、高集積半導体デバイスとして使用し
得なくなるため、半導体ウェハの表面の欠陥の光学的検
査が行われている。

【０００３】光学的検査方法としては、被検査表面に光
線を照射しその反射光を光検出器にて受光し、その結果
に基づいて欠陥の有無を検査する方法が採用されてい
る。但し、この際、欠陥の影響を受けた散乱光と表面に
形成されたパターンからの回折光とが混在すると検査が
煩雑になるおそれがある。そこで、空間フィルタを用い
てパターンからの回折光を遮断し、パターン以外の表面
からの通常の反射光と異物や欠陥の影響を受けた散乱光
のみを光検査装置に入射させる装置が用いられている。
なお、通常は半導体ウェハの表面に形成されるパターン
が規則的な繰り返しパターンであることが多く、パター
ンからの回折光は指向性を有しているので、空間フィル
タによる遮断が容易である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開平５−１１８９９
４号公報や特表平７−５０３７９３号公報に開示されて
いる光学的検査装置の基本構成は、図７に概略的に示す
通り、半導体ウェハ等の被検査対象３０に向けられる対
物レンズ２３と、対物レンズ２３の後段に設けられてい
るフーリエ変換光学系２７と、このフーリエ変換光学系
２７中に配置された空間フィルタ２２と、拡大光学系２
４と、光検出器２５と、光検出器２５の検出結果を解析
するコンピュータ２６とからなる。そして、被検査対象
のパターン３０ａによる回折光が、フーリエ変換光学系
２７内の空間フィルタ２２の遮断部２２ａにより遮断し
ている。このように、従来の光学的検査装置では、拡大
光学系２４とフーリエ変換光学系２７とが必要であり、
検査装置全体の大規模化を招いている。また光学部品の
増加による光量の減損が起こり、それに伴って検査時間
の長期化を招いていた。

【０００５】そこで本発明の目的は、フーリエ変換光学
系のような複雑な付加的光学系を用いることなく、良好
に繰り返しパターンからの回折光を遮断することがで
き、小型化および検査時間の短縮化が図れる光学的検査
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光学的検査装置
は、繰り返しパターンが形成されている被検査対象の検
査面に対し光線を照射する光源と、前記検査面に存在す
る欠陥に前記光線が照射された場合に対物レンズを介し
て入射する欠陥による散乱光を検出する検査部と、前記
被検査対象と前記対物レンズとの間に配置されており、
前記繰り返しパターンからの回折光を前記検査手段に入
射不能に遮断する空間フィルタとを有する。

【０００７】前記検査部が、前記散乱光を受光する光検
出器と、該光検出器の検出結果に基づいて前記検査面上
の欠陥の有無を判定するコンピュータとを含むことが好
ましい。

【０００８】前記対物レンズが、前記空間フィルタと前
記検査部との間に設けられている拡大光学系の一部をな
すものであっても構わない。

【０００９】このような構成によると、対物レンズの前
段（被検査対象物と対物レンズとの間）に空間フィルタ
が配置されており、ここで繰り返しパターンによる回折
光は遮断される。したがって、対物レンズの後段にフー
リエ変換光学系を設ける必要がない。

【００１０】前記光線の断面積が、前記対物レンズの開
口面積の１割以下であることが好ましい。この場合、空
間フィルタの不透明領域（回折光を遮断する部分）の面
積が小さく抑えられ、大部分を透明領域とすることがで
きるので、欠陥による散乱光を捕捉しやすく、検査精度
が向上する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１２】本実施形態の構成を図１に示している。こ
の光学的検査装置は、光源１と、空間フィルタ２と、対
物レンズ３を含む拡大光学系４と、光検出器５とコンピ
ュータ６とからなる検査部７と、多分割フォトダイオー
ド８とから構成されている。光源１は、ステージ９上に
置かれる半導体ウェハ等の被検査対象１０の検査面に対
して、斜方から光線（モノクローム光線）Ｍを照射可能
なものである。被検査対象１０の検査面は、図２に概略
的に示すように、実質的な矩形状をなす矩形パターン１
０ｂを主要部とする規則的な繰り返しパターン１０ａが
形成された表面である。

【００１３】空間フィルタ２は、被検査対象１０の検査
面と対物レンズ３との間に介在しており、モノクローム
光線Ｍを透過可能な透過部（透明領域）２ａと、これを
遮断する遮断部（不透明領域）２ｂとを有している。具
体的には、被検査対象１０の検査面の繰り返しパターン
１０ａに対応して遮断部２ｂが形成されており、繰り返
しパターン１０ａによる回折光を遮断するように設けら
れている。

【００１４】拡大光学系４は対物レンズ３を含み、被検
査対象１０が置かれるステージ９に対し相対的に水平方
向に移動可能である。光検出器５は、空間フィルタ２の
透過部２ａを透過し拡大光学系４により拡大された光線
を検出し、その結果をコンピュータ６に送信する。多分
割フォトダイオード８は、検査面によるモノクローム光
線Ｍの反射光（０次回折光）を受光し、その結果をコン
ピュータ６に送信する。コンピュータ６は、光検出器５
の検出結果を解析して被検査対象１０の検査面の欠陥の
有無の判定を行なうとともに、多分割フォトダイオード
８の検出結果を解析して拡大光学系４と被検査対象１０
が置かれるステージ９との間隔を制御する。

【００１５】この光学的検査装置による検査方法につい
て説明する。

【００１６】まず、半導体ウェハ等の被検査対象１０
を、検査面（規則的な繰り返しパターンが形成された表
面）が空間フィルタ２と対向するようにステージ９上に
置く。そして、光源１が平行光線であるモノクローム光
線Ｍを検査面に照射する。被検査対象１０の検査面にモ
ノクローム光線が照射されると、正反射光とパターン１
０ａによる回折光が検査面で発生し、さらに場合によっ
ては、検査面に存在する何らかの欠陥１０ｃにより散乱
光が発生される場合もある。

【００１７】図１に示すように、繰り返しパターン１０
ａ以外の部分による通常の反射光（０次回折光）は、光
源１から斜めに入射した入射角と対応した角度で反射す
るため、多分割フォトダイオード８に入射し、空間フィ
ルタ２および対物レンズ３の方向には進行せず、拡大光
学系４および光検出器５には入射しない。したがって、
繰り返しパターン１０ａ以外の部分による反射光（０次
回折光）は、光検出部５にて検出されない。

【００１８】一方、検査面に何らかの欠陥１０ｃが存在
する場合、図３に示すように、その欠陥１０ｃによる散
乱光が検査面から発生される。散乱光は無指向性で様々
な方向に広がるため、その一部が空間フィルタ２に入射
し、その透過部２ａを透過して対物レンズ３から拡大光
学系４に入射する。そして拡大光学系４を透過した散乱
光は光検出器５により検出される。

【００１９】また、光源１から繰り返しパターン１０ａ
上にモノクローム光線Ｍが照射された場合、パターン１
０ａによる回折光は格子状に広がり、その一部が空間フ
ィルタ２に入射する。しかし、図４に概略的に示すよう
に、空間フィルタ２に設けられている遮断部２ｂがこの
回折光を遮断するので、回折光は対物レンズ３の方向へ
は透過せず、拡大光学系４および光検出器５には入射し
ない。具体的には、空間フィルタ２には、格子状に広が
る回折光の格子点にあたる位置に遮光性塗料を塗布する
などして遮断部２ｂが設けられている。

【００２０】この結果、拡大光学系４を介して光検出器
５により検出されるのは、検査面に何らかの欠陥１０ｃ
が存在する場合の欠陥１０ｃによる散乱光だけである。
そこで、光検出器５のデータをコンピュータ６が解析し
て、散乱光の存在が検出されたら、この被検査対象１０
の検査面には異物等による欠陥１０ｃが存在することが
わかる。

【００２１】図３，４には、図面上で判り易くするため
に、散乱光および回折光の一部のみを概略的に示してい
る。

【００２２】なお、コンピュータ６が、被検査対象１０
が置かれたステージ９を水平方向に移動させることによ
って、被検査対象１０の検査面上で検査領域が走査され
ることになり、被検査対象１０の全面にわたって欠陥の
検知が行われる。すなわち、ステージ９が水平方向に移
動すると、光源１からのモノクローム光線の照射領域が
走査されて、空間フィルタ２および拡大光学系４を介し
て光検出器５に入射される範囲が移動する。なお、図示
しない移動機構により、空間フィルタ２と、光源１と、
対物レンズ３を含む拡大光学系４と、検査部７の光検出
器５と、多分割光センサ８とが一体的に図１上下方向に
移動可能であり、これらが一体的に移動することによっ
て、被検査対象１０の検査面との間隔が変化する。

【００２３】図１に示すように、多分割フォトダイオー
ド８が検査面によるモノクローム光線Ｍの反射光（０次
回折光）を受光し、その差分出力に基づいて、コンピュ
ータ６が拡大光学系４内の対物レンズ３を含むレンズ群
（対物レンズ３以外は図示省略）の位置を調整してフォ
ーカス調整が自動的に行われる。

【００２４】［実施例１］以上説明した本実施形態の具
体的な実施例について次に説明する。

【００２５】実施例１において、被検査対象は１６メガ
ＤＲＡＭのメモリーチップが配列された半導体ウェハ１
０であり、拡大光学系４は、作動距離が１６．５ミリメ
ートルと長く開口面の直径が２４ミリメートルと大きな
対物レンズ３を含む光学系であり、光源１は直径０．６
ミリメートルのＨｅＮｅレーザービーム（モノクローム
光線Ｍ）を照射するレーザー発振器であり、空間フィル
タ２は、半導体ウェハ１０の繰り返しパターン１０ａか
ら回折される光のみを遮断するように不透明領域２ｂが
設けられ、その他の領域２ａは透明なものである。

【００２６】本実施例では、光源１からＨｅＮｅレーザ
ーを半導体ウェハ１０表面に照射し、パターン１０ａに
よる回折光および欠陥１０ｃによる散乱光を空間フィル
タ２に入射させる。なお、パターン以外の部分による通
常の反射光（０次回折光）は多分割フォトダイオード８
の方向へ進行し、空間フィルタ２には入射しない。空間
フィルタ２に入射した、パターン１０ａによる回折光は
不透明領域２ｂにより遮断される。欠陥１０ｃによる散
乱光のみが空間フィルタ２の透明領域２ａを透過して、
対物レンズ３から拡大光学系４内に取り込まれる。この
散乱光が拡大光学系４によって拡大され、光検出器５に
よって捕捉され、コンピュータ６によって検知される。
こうして、光検出器５により光が検出された場合は、散
乱光を生じさせる欠陥１０ｃが半導体ウェハ１０の表面
に存在するとみなされ、コンピュータ６は当該半導体ウ
ェハ１０が、欠陥１０ｃを有する不良品であると判定す
る。

【００２７】コンピュータ６が、半導体ウェハ１０が置
かれたステージ９を拡大光学系４に対し水平方向に移動
させてモノクローム光線Ｍの照射領域を走査させなが
ら、前記したような半導体ウェハ１０の表面の欠陥の検
知を全面に亘って行う。特に、モノクローム光線Ｍが、
図２に示す繰り返しパターン１０ａの主要部をなす矩形
パターン１０ｂの一つの辺に平行または垂直に走査され
ることが好ましい。

【００２８】本実施例では、８インチの半導体ウェハ１
０の全面の欠陥検出を、３分という短時間で高速に行う
ことができた。また本実施例では、直径が０．２５ミク
ロンメートル程度の大きさの欠陥を、９５％程度の検出
率で検知することができた。なお、多分割フォトダイオ
ード８が検査面によるモノクローム光線の反射光（０次
回折光）を受光し、その差分出力に基づいて、コンピュ
ータ６が拡大光学系４のフォーカス調整を自動的に行わ
せる。

【００２９】光源１としては、フォトダイオード、光電
子増倍管、ＣＣＤアレイ、ＴＤＩセンサ、ＣＭＯＳイメ
ージセンサなどを用いることができる。

【００３０】次に、本実施例の空間フィルタ２の製造方
法について図５を参照して説明する。なお、本実施例の
空間フィルタ２は、透明なシートに不透明領域が印刷形
成されたものである。

【００３１】半導体ウェハ１０の検査を行なう際に空間
フィルタ２を配置するのと同じ位置に、半透明の光拡散
機能を有するスクリーン１２を配置し、このスクリーン
１２上に被検査対象である半導体ウェハ１０（欠陥の存
在しない良品）に形成された繰り返しパターン１０ａを
投影する。繰り返しパターン１０ａからの回折光の投影
図を、検査時に用いる対物レンズよりも低倍率である倍
率１倍の対物レンズ１３を含む拡大光学系１４を介し
て、ＣＣＤイメージセンサ１５に取り込む。こうして得
られた回折光の回折図柄を、コンピュータ１６の画像処
理によりコントラストや拡大率等を調整した後、格子状
に広がった回折光の格子点が投影された領域が不透明に
なりその他の部分が透明になるように設定して印刷機を
用いて透明シートに印刷をおこなうことにより、空間フ
ィルタ２を形成する。なお、図面中では、繰り返しパタ
ーン１０ａからの回折光や、この回折光がスクリーン１
２により散乱した散乱光は、１本の線で模式的に示して
いるが、実際には様々な方向に広がるものである。

【００３２】このようにして形成した空間フィルタ２
は、不透明領域２ｂの面積を透明領域２ａの面積の１割
以下にすることができた。そのため、この空間フィルタ
２を用いて半導体ウェハ１０の光学的検査を行なうと、
半導体ウェハ１０の欠陥からの散乱光の大部分が透明領
域２ａを通過して拡大光学系４に入射し光検出器５によ
って捕捉され、散乱光が空間フィルタ２に遮断されて検
出されない可能性は極めて低い。そして、繰り返しパタ
ーン１０ａによる回折光を遮断し、欠陥による散乱光の
みが光検出器５に入射するため、検知時に回折光と散乱
光とが混同されることがなく、ノイズが小さく（信号雑
音比が高く）正確な認識が行なわれやすい。したがっ
て、前記の通り、直径０．２５ミクロンメートル程度の
欠陥を約９５％の検出率で検知することができる。

【００３３】この点について補足すると、本実施例で
は、開口面の直径が２４ミリメートルと大きな対物レン
ズ３に比べ、その１／１０以下の直径０．６ミリメート
ルの細いＨｅＮｅレーザービームを用いていることが検
査精度向上に効果的である。本実施例の構成では、従来
とは異なり空間フィルタを対物レンズ３の前段（被検査
対象１０と対物レンズ３との間）に配置しているため、
仮に照射するモノクローム光線Ｍの径が大きいと、被検
査対象１０の繰り返しパターン１０ａからの回折光も太
くなるので、空間フィルタの不透明領域（遮光部）も、
モノクローム光線の径と同程度まで大径に形成せざるを
得ない。場合によっては、繰り返しパターン１０ａから
の回折光が対物レンズ３に入射する前に、隣り合う矩形
パターン１０ｂからの回折光が広がって部分的に重なり
合うところが生じることがある。従来は、対物レンズ３
の前段に空間フィルタを設けることによりこの回折光を
遮断するという発想はない。また、仮に対物レンズ３の
前段に空間フィルタを設けたとすると、不透明領域が空
間フィルタの大部分を占めることになり、暗くなって、
被検査対象の欠陥からの散乱光を十分に捕えることが困
難になる。そこで従来は、図７に示すように対物レンズ
２３の後段に拡大光学系２４の他にフーリエ変換光学系
２７を設け、このフーリエ変換光学系２７内に空間フィ
ルタ２２を設けることにより、繰り返しパターンによる
回折光の遮断を図っている。

【００３４】これに対し本実施例では、対物レンズ３の
１／１０以下の細いモノクローム光線Ｍ（ＨｅＮｅレー
ザービーム）を用いているため、繰り返しパターン１０
ａからの回折光が比較的細い状態で空間フィルタ２によ
り遮断することができるので、空間フィルタ２の不透明
領域２ｂの面積が、前記の通り透明領域２ａの面積の１
割以下にすることができた。したがって、空間フィルタ
２の大部分が透明領域２ａで占められ、明るくて、被検
査対象１０の欠陥からの散乱光を十分に捕え得る。そし
て、対物レンズ３の前段でパターンによる回折光を遮断
してしまうので、フーリエ変換光学系を設けることな
く、欠陥による散乱光の検出が行なえる。なお、空間フ
ィルタ２の透過部２ａが空隙であってもかまわない。

【００３５】［実施例２］本実施例では、モノクローム
光線ＭとしてＨｅＮｅレーザーを２本照射する光源１１
を用い、これを半導体ウェハ１０に直交させて照射し、
半導体ウェハ１０上の欠陥からの散乱光を空間フィルタ
２を介して対物レンズ３から拡大光学系４に取り込んで
いる。そして、光検出器５およびコンピュータ６によ
り、欠陥からの散乱光が検知される。

【００３６】本実施例によると、２本のＨｅＮｅレーザ
ーを用いることにより、８インチの半導体ウェハ１０の
全面の欠陥検出を、２分３０秒という短時間で高速に行
うことができた。また本実施例では、直径が０．２５ミ
クロンメートル程度の大きさの欠陥を、９８％程度の検
出率で検知することができた。このように、ＨｅＮｅレ
ーザーを２本用いることにより、検査の高速化及び高精
度化が図れた。なお、その他の構成については、実施例
１と同一である。

【００３７】

【発明の効果】本発明の光学的検査装置によると、従来
のようにフーリエ変換光学系などのな複雑な付加的光学
系を用いることなく、繰り返しパターンからの回折光を
遮断することにより、コンパクトで低価格の構成で、精
度よく迅速に被検査対象の欠陥を検知することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学的検査装置の概略図である。

【図２】被検査対象を概略的に示す平面図である。

【図３】本発明の光学的検査装置による散乱光検出状態
を示す概略図である。

【図４】本発明の光学的検査装置による回折光遮断状態
を示す概略図である。

【図５】本発明の光学的検査装置の空間フィルタ製造方
法の一部を示す概略図である。

【図６】本発明の光学的検査装置の他の実施例を示す概
略図である。

【図７】従来の光学的検査装置を示す概略図である。

【符号の説明】

１光源２空間フィルタ２ａ透明領域（透過部）２ｂ不透明領域（遮断部）３対物レンズ４拡大光学機構５光検出器６コンピュータ７検査部８多分割フォトダイオード９ステージ１０半導体ウェハ（被検査対象）１０ａ繰り返しパターン１０ｂ矩形パターン１０ｃ欠陥１１光源１２スクリーン１３対物レンズ１４拡大光学系１５ＣＣＤイメージセンサ１６コンピュータＭモノクローム光線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】繰り返しパターンが形成されている被検
査対象の検査面に対し光線を照射する光源と、前記検査面に存在する欠陥に前記光線が照射された場合
に対物レンズを介して入射する欠陥による散乱光を検出
する検査部と、前記被検査対象と前記対物レンズとの間に配置されてお
り、前記繰り返しパターンからの回折光を前記検査手段
に入射不能に遮断する空間フィルタとを有する光学的検
査装置。
【請求項２】前記検査部が、前記散乱光を受光する光
検出器と、該光検出器の検出結果に基づいて前記検査面
上の欠陥の有無を判定するコンピュータとを含む請求項
１に記載の光学的検査装置。
【請求項３】前記対物レンズが、前記空間フィルタと
前記検査部との間に設けられている拡大光学系の一部を
なす請求項１または２に記載の光学的検査装置。
【請求項４】前記光線がモノクローム光線である請求
項１〜３のいずれか１項に記載の光学的検査装置。
【請求項５】前記光線が平行光線である請求項１〜４
のいずれか１項に記載の光学的検査装置。
【請求項６】前記光線が、前記検査面に対して斜方か
ら照射される請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学
的検査装置。
【請求項７】前記光線の断面積が、前記対物レンズの
開口面積の１割以下である請求項１〜６のいずれか１項
に記載の光学的検査装置。
【請求項８】前記光線がレーザー光線である請求項１
〜７のいずれか１項に記載の光学的検査装置。
【請求項９】前記光線が前記検査面に２本照射される
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学的検査装置。
【請求項１０】前記光線が、前記繰り返しパターンの
主要部をなす矩形パターンの一つの辺に平行または垂直
に走査される請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学
的検査装置。
【請求項１１】前記光検出器がフォトダイオードまた
は光電子増倍管またはＣＣＤアレイまたはＴＤＩセンサ
または画像処理機能回路内蔵のＣＭＯＳイメージセンサ
であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項
に記載の光学的検査装置。
【請求項１２】前記空間フィルタが、前記被検査対象
に前記光線を照射し前記繰り返しパターンによる回折光
をスクリーンに投影して得られた投影図を画像処理して
形成されている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の
光学的検知装置。
【請求項１３】前記対物レンズが、その光軸が前記検
査面に垂直になるように配置されている請求項１〜１２
のいずれか１項に記載の光学的検査装置。
【請求項１４】前記光線の前記検査面による反射光を
受光する多分割光センサを有し、前記検査部が、前記多
分割光センサの差分出力に基づいて前記散乱光の前記検
査部への照射のフォーカス調整を行う請求項１〜１３の
いずれか１項に記載の光学的検査装置。
【請求項１５】前記空間フィルタと、前記光源と、前
記対物レンズを含む光学系と、前記検査部の光検出器と
が、前記検査面との間隔が変化するように一体的に移動
可能である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光学
的検査装置。
【請求項１６】前記空間フィルタと、前記光源と、前
記対物レンズを含む光学系と、前記検査部の光検出器
と、前記多分割光センサとが、前記検査面との間隔が変
化するように一体的に移動可能である請求項１４に記載
の光学的検査装置。
【請求項１７】前記空間フィルタの前記反射光を透過
する部分が空隙である請求項１〜１６のいずれか１項に
記載の光学的検査装置。