JP2000193434A - 異物検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学顕微鏡では検出が困難な微小パーテイク
ルを短時間で、位置精度良く、又誤検出少なく検出でき
る異物検出装置を提供する。 【解決手段】 ウエハーの斜め上方向から、照射するレ
ーザー１と、ウエハー５の表面からの散乱光を集光する
対物レンズ６と、集光した散乱光を結像するイメージイ
ンテシファイアー等の2 次元光検出器８を有し、また、
２次元光検出器の前にレンズ系１４と開孔１２を有し、
凹凸の異物を弁別できる構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ウエハー上のご
み、欠陥位置を調べる異物検査装置に関し、特にベアウ
エハー上の異物検査を目的とする。

【０００２】

【従来の技術】従来技術としては、例えば光学顕微鏡明
視野異物検査装置は、特公平7-81956号、及び特開平5-4
7885 号、レーザー散乱型異物検査装置は、例えば特開
平5-76778 などに、構造が開示されている。また暗視野
レーザー散乱系は、特開平８ー152430号に示されている
が、ウエハー上の凸部（パーティクル）と凹部（結晶欠
陥）との分離は、完全ではなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の光学顕微鏡明視
野異物検査装置では、0.3 μm 程度のパーティクルは、
検出可能であったが、光学顕微鏡の回折限界以下の0.25
μm 以下のパーティクルを検出する場合は、信号は微弱
になり検出できなくなってきた。またレーザー散乱型異
物検査装置は、0.15μm 程度のパーティクルは検出可能
であったが、照射ビームエリアが20μm 角程度と大き
く、パーティクルの正確な位置は得られなかった。一方
ビーム径を小さくすると、パーティクル位置精度は向上
するが、測定が時間が遅くなる。つぎにパーティクル
（凸部）とウエハーの結晶欠陥のピット（凹部）よりの
散乱光の分離が十分でなく、パーティクルの誤検出の原
因になっている。

【０００４】そこでこの発明の目的は、従来のこのよう
な問題を解決することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、ウエハーの斜め上方向から、照射する
レーザーと、ウエハー表面からの散乱光を集光する対物
レンズと、集光した散乱光を結像するイメージインテン
シファイアー付きＣＣＤ等の２次元光検出器を有し、ま
た、同一の検出系として、同一の対物レンズを用い明視
野像、暗視野像観察用のＣＣＤと照明を有する構成とし
た。

【０００６】また対物レンズにピエゾ板を取り付け外部
からの電圧で、対物レンズを上下に振動する構成とし
た。さらに前記２次元光検出器の前に光軸方向に移動可
能な開孔を設けある角度の散乱光のみ、２次元光検出器
に入射できる構成とした。

【０００７】

【作用】前記のように構成された異物検査装置において
は、ウエハー表面のパーティクルとウエハーの結晶欠陥
よりの散乱光は、対物レンズで集光された後、２次元光
検出器の所定の位置に結像される。またウエハー表面の
粗さ成分より散乱される光は、２次元光検出器全体にひ
ろがるバックグランド光となる。したがってパーティク
ルとウエハーの結晶欠陥よりの散乱光（異物よりの散乱
光）とウエハー表面の粗さ成分より散乱される光との分
離が、装置のS ／N の向上に寄与する。

【０００８】次に、異物よりの散乱光のうちパーティク
ル（凸部）とウエハーの結晶欠陥のピット（凹部）より
それぞれ得られた散乱光は、対物レンズを上下すること
と、前記２次元光検出器の前の散乱光の焦点位置に開孔
を挿入することにより、分離可能である。詳細は、次項
の実施形態例中で説明する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下図1 に、この発明の実施の形
態を図面に基づいて説明する。 （１）第一実施形態例 ＜構成＞以下図1 に、この発明の実施の形態を図面に基
づいて説明する。図1 は、本発明の第一の実施形態例の
斜視図であり、図2 は模式図である。

【００１０】図1 、図２において、レーザー1 より照射
された強度Ｉ（I=5 〜100mW)で波長λ（λ=400〜550nm
）の光は、1/4 λ板2 と偏光子3 により偏光面を制御
され、ミラー系4 により、ウエハーのオリフラに対し
て、＋／−45度方向より、ウエハー面の垂線に対して入
射角度（0 〜95度）程度でウエハー5 に入射する。この
とき入射ビーム径は垂直入射と仮定とすると、直径500
〜1000μm 程度とする。ウエハー面からの反射光は、直
接対物レンズ6 に入射しない暗視野光学系とする。

【００１１】ウエハー面より散乱した光I は、信号成分
Isとして、パーティクル01または、ウエハーの結晶欠陥
のピット部02より散乱したものであり、ノイズ成分In
は、平坦なウエハー表面の粗さ（微小な凹凸）から散乱
したものである。これらの散乱光は、NAが（0.2 〜0.95
程度）の対物レンズにより集光され、集光された散乱光
は、結像レンズ8-1 により、イメージインテンシファイ
アー8-2 等の高感度の２次元光検出器の所定の位置に結
像される構成とした。また対物レンズの後方に取り外し
可能な検光子7 を回転させ、パーティクルと平坦なウエ
ハー表面の粗さ（微小な凹凸）から、散乱光の偏光面の
違いによる強度差がつかないか調べ、ウエハー表面の粗
さからの散乱光のノイズの圧縮を行なってもよい。ただ
しこのノイズの圧縮方法は、パーティクルと結晶欠陥
（ピット）よりの散乱光のS/N 向上には、寄与しない。

【００１２】図3 に示す画像取り込み系は、イメージイ
ンテンシファイアー付きＣＣＤ等の２次元光検出器の画
像データ採取用に、ビデオコンバーター20の後に、A/D
変換器21と、フレームメモリ22があり、画像処理用のコ
ンピュータ23に接続している。つぎにこの装置の動作を
示す。散乱光の信号成分は、Isとして、パーティクル01
または、ウエハーの結晶欠陥のピット02より散乱したも
のであり、対物レンズ6 、結像レンズ8-1 により、２次
元光検出器8-2 に結像されたものである。ノイズ成分In
は、ウエハーの表面粗さよりの散乱光となり、検出器全
体にかぶるバックグランド光となる。ここで入射光角度
θを変えると、バックグランド光の透過帯域が変わり、
Is／ In の比を改善できる。

【００１３】次にパーティクル01とウエハーの結晶欠陥
のピット部02よりの散乱光の分離法を示す。図3 に示す
ように計測しようとする異物の真上に対物レンズ6 を合
わせ、対物レンズを対物レンズに取り付けられたリング
状のピエゾ6-1 でピエゾドライバー6-６、交流電源6-９
により微少に振動させる。この振動の特定の位置で、２
次元光検出器上8-2 に結像された光散乱像をビデオコン
トローラー20に取り込み、逐次A/D 変換を行ないフレー
ムメモリ22に取り込む。取り込まれた散乱光像のうちで
スポット径が、最小半径になる対物レンズとパーティク
ルの距離（焦点距離）を求める。光散乱像であるから、
最小のスポット径は、R=1.22λf ／D （R ：最小スポッ
ト径、D ；レンズ開口径、f ；焦点距離、λ；波長）で
示された回折限界約0.25〜0.3 μm に等しくなり、上記
より小さい散乱スポットは観察されない。従って、図4
に示すように、同じ高さにあり、距離d が0.2 μm 以下
に離れた2 つの0.1 μm クラスのパーティクル01は、焦
点位置では分離できない。しかし図4 に示すように、オ
フ焦点位置での、散乱光束のひろがりを焦点位置より連
続的に求めれば、2 点からの散乱光と1 点からの散乱光
を認別できる。

【００１４】また図5 に示すように、結晶欠陥（ウエハ
ー面より低い）02とパーティクル（ウエハー面より高
い）01は、同様にオフ焦点位置での散乱光束ひろがり
と、散乱像のスポット径が最小半径になる高さ（焦点距
離）の差（d1）より分離することができる。以上のよう
に、上記構成により、パーティクルのウエハー表面から
の高さと概略の形状の推定が行なえる。

【００１５】またパーティクル01とウエハーの結晶欠陥
部（ピット）02よりの散乱光を高速に分離する別形態と
して図6 に示すように、２次元光検出器の前にレンズ14
を入れレンズの焦点位置付近を光軸に平行に移動できる
ステージ13上に開孔12を設け、対物レンズの焦点位置か
ら発するある角度の散乱光のみ、２次元光検出器に入射
できる構成とした。

【００１６】図6 に示す構成装置の動作手順を以下に示
す。 1. 最初ウエハーの傾き補正を行なう。第一の方法は、
視野内でウエハー最表面が２次元光検出器に対して焦点
を結ぶ位置に対物レンズを調整する。これはウエハー上
の（できれば視野内）3 点以上で顕微鏡の焦点深度を用
い計測を行いウエハーの傾き成分をもとめておく。

【００１７】第二の方法はリアルタイムでウエハーの傾
きや反りにあわせて対物レンズの焦点距離を補正する方
法で、図7 に示す。図7 では、ウエハーの表面での反射
光を前記リング状のピエゾ6-1 と同一感度のリング状の
ピエゾ6-3 のが付いた2 分割の光検出器6-2 で受け反射
光の位置を検出し、つぎに2 分割検出器に取りついたリ
ング状のピエゾ6-3 に電圧を印加し、いつも2 分割の光
検出器6-2 の同じ位置に反射光が来るように、2 分割検
出器用プレアンプ6-4 、サーボ系6-5 、ピエゾドライバ
ー6-6 を用い制御する。この時、同一の電圧を電圧デバ
イダー6-7 に入力し、入力電圧に比例した電圧を前記リ
ング状のピエゾ6-1 に印加し、対物レンズとウエハー表
面の距離を一定に保つ。また対物レンズ振動用の交流電
圧は、加算器6-8 を通じて印加する。 2. 図7 に示すように対物レンズ上のリング状のピエゾ
6-1 に正弦波状の電圧を交流電源6-9 より印加し、振幅
1-5 μm 程度振動させる。このとき図８(b) 中のh 点
（ウエハー表面よりの距離0.1 μm 以上）で焦点を2 次
元光検出器上に結ぶ光を透過させるようにピエゾステー
ジ13を調整し、開孔12位置をきめる。視野内でこの状態
で観察される散乱光は、パーティクルである。 3. 図７に示すように対物レンズ上のリング状のピエゾ
6-1 に正弦波状の電圧を交流電源6-9 より印加し、振幅
1-5 μm 程度振動させる。このとき図８(b) 中のl 点
（ウエハー表面よりの距離-0.1μm 以上）で焦点を２次
元光検出器上に結ぶ光を透過させるようにピエゾステー
ジ13を調整し、開孔12位置をきめる。視野内でこの状態
で観察される散乱光は、結晶欠陥（ピット）である。 4. 視野を移動し、1.項より繰り返す。

【００１８】以上で図6 に示す散乱光検出系の動作の説
明を終了する。次に別形態として開孔のピエゾステージ
13と対物レンズ上のリング状のピエゾ6-1 を同期振動さ
せて、光散乱像を検出する系を説明する。図9(a)示すよ
うに、ピエゾステージ13にも対物レンズ上のリング状の
ピエゾ6-1 と同様の正弦波の電圧を印加し、開孔12を対
物レンズと同期して移動させ、それぞれ図９に示すよう
に同期検出器20-1でサンプリングを行ない、上の半周期
での輝点を凸異物（パーティクル）、下の周期での輝点
を凹異物（結晶欠陥）とする。また２次元光検出器８-2
上で最小のスッポト径になる対物レンズの振動位相で異
物の概略サイズが判る。

【００１９】次に別形態として開孔を入れた2 光路検出
を有する光散乱検出系を説明する。パ- ティクルと結晶
欠陥を同時に検出する方法として、図10に示すように、
光路をハーフミラー等9-1 で二つに分離し6 図の検出系
を2 つ用いる方法がある。このとき一方の開孔12を凸異
物が検出されるように、もう一方の開孔12a を凹異物が
検出されるようにあらかじめ位置設定しておく。

【００２０】最後にウエハーステージの走査方法を説明
する。図１１(a) に示すようにウエハー用ステージ15
は、XYステージ15-X、15-Yより構成される。移動量は、
対物レンズと２次元光検出器系で構成される検出系の視
野に相当する距離だけ、ＸＹウェハステージドライバー
16-X、16-Yからなるウェハステージドライバーと、ＸＹ
ウェハステージコントローラー17-X、17-Yからなるウェ
ハステージコントローラーにより、図１１(b) に示すよ
うにステップ状に移動する。今対物レンズと２次元光検
出器（画素数m 個／1 辺；m:約500 ）の視野は、一辺L
が100 〜500 μm であり、ウエハーステージは、視野の
一辺づつ順番にステップ状に走査すれば良い。またステ
ージ精度は、一辺L の1/100 程度あれば良い。

【００２１】次に、異物の検出位置の再現性について述
べる。２次元光検出器は結像光学系であるから、視野内
の位置精度は、L/m でおよそ0.2 〜1 μm 程度である。
今ある視野での原点座標を（Xi0,Yi0)、視野内で観測さ
れたパーティクルの座標を（xj,yj)とすると、パーティ
クル座標は、ウエハー上でXp=Xi0+xj,Yp=Yi0+yj で表わ
される。ここで視野の原点座標精度は、ウエハーステー
ジ精度の1 〜5 μm 程度であり、視野内のパーティクル
の座標精度は、0.2 〜1 μm 程度である。従って、パー
ティクルの座標精度は、両精度の加算である。しかし、
ウエハーをたとえば洗浄後に再度測定する場合、1 〜5
μm の視野の範囲に類似のパーティクルがないときは、
容易に同一のパーティクルと認識でき、原点座標のずれ
を修正でき、この場合異物の位置の再現性は、視野内の
パーティクルの座標精度0.2 〜1μm 程度となる。した
がって、ステージの座標精度を上げなくても同一の異物
を再発見できる。また測定は、ステージの停止中に行な
うため、ステージの移動時の精度、直線性は、異物の位
置精度に関係ない。

【００２２】ステージの移動速度を説明する。この異物
検査装置は、前記２次元光検出器の視野内（約200 μmx
200 μm ）は走査する必要はなく、一つの視野測定後は
次の視野に移動できる。また検出系は結像光学系であ
り、瞬時にパーティクルの位置を検出できる。２次元光
検出器上の散乱像は、逐次A/D 変換器を行ない、フレー
ムメモリに取り込み、取り込み後およそ1 〜100ms で画
像処理ができる。従って、ステージは、画像処理中に20
0 μm/１〜100ms の速度で、次の視野の開始点に移動
し、停止すればよい。

【００２３】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように暗視野
のレーザー散乱系を、ウェハー表面の斜め方向から照射
するレーザと、対物レンズとイメージインテンシファイ
アー付きＣＣＤ等の２次元光検出器を有する構成とした
ので、光学顕微鏡方式では検出が難しい、0.15μm 以下
のパーティクル欠陥を発見できるという効果がある。
又、対物レンズをピエゾ素子で振動できる機構を有する
ので、パーティクルと結晶欠陥を分離できるという効果
もある。さらにステージの移動の刻みは、２次元光検出
器の視野で決まり、従来の異物検査装置のように細かい
移動刻みを行なわなくとも、欠陥位置情報を十分な精度
で得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の異物検査装置の第一実施形態例の斜視
図である。

【図２】本発明の異物検査装置の一実施形態例の模式図
である。

【図３】本発明の異物検査装置の検出系の断面図であ
る。

【図４】近接したパーティクル分離の模式図である。

【図５】異物凸部と異物凹部の分離の模式断面図であ
る。

【図６】本発明の異物検査装置の検出系の第二実施形態
例の断面図である。

【図７】本発明の異物検査装置の検出系の第三実施形態
例の断面図である。

【図８】(a) は対物レンズの振動の模式図、(b) は対物
レンズの振動位相の模式図である。

【図９】(a) は本発明の異物検査装置の検出系の第四実
施形態例の断面図、(b) は対物レンズの振動用の交流電
源の位相模式図である。

【図10】本発明の異物検査装置の検出系の第五実施形態
例の断面図である。

【図11】(a) はウエハーステージの模式図、(b) はウエ
ハーステージの移動距離- 時間図である。

【符号の説明】

１ レーザー光源 ２ 1 ／４λ板 ３ 偏光子 ４ ミラー系 ５ シリコンウエハー ６ 対物レンズ ７ 検光子 ８ ２次元光検出器システム

【手続補正書】

【提出日】平成１１年６月１６日（１９９９．６．１
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【発明の実施の形態】以下図１に、この発明の実施の形
態を図面に基づいて説明する。 （１）第一実施形態例 ＜構成＞図１は、本発明の第一の実施形態例の斜視図で
あり、図２は模式図である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】図１、図２において、レーザー１より照射
された強度Ｉ（I=5 〜100mW)で波長λ（λ=400〜550nm
）の光は、1/4 λ板2 と偏光子3 により偏光面を制御
され、ミラー系4 により、ウエハーのオリフラに対し
て、＋／−45度方向より、ウエハー面の垂線に対して入
射角度（0 〜89度）程度でウエハー5 に入射する。この
とき入射ビーム径は垂直入射と仮定とすると、直径500
〜1000μm 程度とする。ウエハー面からの反射光は、直
接対物レンズ6 に入射しない暗視野光学系とする。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】次にパーティクル01とウエハーの結晶欠陥
のピット部02よりの散乱光の分離法を示す。図3 に示す
ように計測しようとする異物の真上に対物レンズ6 を合
わせ、対物レンズを対物レンズに取り付けられたリング
状のピエゾ6-1 でピエゾドライバー6-６、交流電源6-９
により微少に振動させる。この振動の特定の位置で、２
次元光検出器上8-2 に結像された光散乱像をビデオコン
トローラー20に取り込み、逐次A/D 変換を行ないフレー
ムメモリ22に取り込む。取り込まれた散乱光像のうちで
スポット径が、最小半径になる対物レンズとパーティク
ルの距離（焦点距離）を求める。光散乱像であるから、
最小のスポット径は、R=1.22λf ／D （R ; 最小スポッ
ト径、D ；レンズ開口径、f ；焦点距離、λ；波長）で
示された回折限界約0.25〜0.3 μm に等しくなり、上記
より小さい散乱スポットは観察されない。従って、図4
に示すように、同じ高さにあり、距離d が0.2 μm 以下
に離れた2 つの0.1 μm クラスのパーティクル01は、焦
点位置では分離できない。しかし図4 に示すように、オ
フ焦点位置での、散乱光束のひろがりを焦点位置より連
続的に求めれば、2 点からの散乱光と1 点からの散乱光
を認別できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA24 AA49 AA51 CC19 DD04 FF04 FF10 FF41 GG04 HH12 JJ03 JJ23 JJ26 LL10 LL12 LL30 LL33 LL34 LL36 LL46 MM03 QQ03 QQ24 2G051 AA51 AB01 AB02 AB20 BA10 BA11 BB05 CA03 CA04 CB05 DA07 EA02 EA12 EA14 EA25 4M106 AA01 BA05 CA42 CA43 CB19 DB02 DB03 DB08 DB12 DB14 DB20 DJ03 DJ11 DJ21

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査ウエハーの表面に斜め方向から、
   レーザーを照射し、ウエハー表面からの散乱光を対物レ
   ンズで集光し、散乱光をイメージインテンシファイアー
   付きＣＣＤ等の２次元光検出器に結像する異物検査装置
   において、前記対物レンズをウエハーに対して垂直に振
   動させて光散乱像を２次元光検出器上に結像させ、前記
   ２次元光検出器上の光散乱像の径の最小位置より異物の
   Ｚ方向位置を、前記２次元光検出器上の光散乱像の形状
   より、異物の形状を測定することを特徴とする異物検査
   装置
2. 【請求項２】 前記２次元光検出器の前に光軸に平行に
   移動できるステージあるいは、ピエゾ素子に開孔を取り
   付け、光散乱像の集光位置付近に前記開孔を配置したこ
   とを特徴とする請求項１記載の異物検査装置。
3. 【請求項３】 前記ステージあるいは、ピエゾ素子に取
   り付けた開孔を対物レンズに取り付けたステージあるい
   は、ピエゾ素子に同期して振動させ、振動周期の半周期
   でウエハー上の凸部（パーティクル等）を振動周期のも
   う一方の半周期でウエハー内の凹部（結晶欠陥等）を前
   記２次元光検出器上に結像することを特徴とする請求項
   １記載の異物検査装置。
4. 【請求項４】 前記対物レンズをウエハーの傾き、そり
   等に従って移動させ、常にウエハー最表面を前記２次元
   光検出器上に結像させることを特徴とする請求項１記載
   の異物検査装置。
5. 【請求項５】 前記２次元光検出器の視野内は、走査す
   る必要はなく1 視野測定後は次の視野に移動できること
   で、次の視野の開始点に、ステージをステップして移動
   することを特徴とする請求項1 記載の異物検査装置