JP2000512401A - 共焦点顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 物体をラスター型に照明するための照明装置と、照明光の第１の波長選択分割を作り出すための第１の手段と、物体の数個の点について平行な、物体から来る光の第２の波長選択分割を作り出すための第２の手段と、第２の手段によって作り出される配光を把握するための検出手段とから成る共焦点顕微鏡装置を介して、共焦点顕微鏡用のオートフォーカスが実現し、その際波長選択照明されている物体像のスペクトル分割と検出とが点ごとに少なくとも１回行われ、物体状況に対応するあらかじめ与えられた標準値からの周波数変位および/または強度変位を決定することによって、フォーカス状況を調整するための駆動信号が鉛直方向の物体位置および/または顕微鏡の結像系を介して作り出され、またさらに少なくとも１個の同時に検出されるまたはあらかじめ検出された第２の高さプロフィールからの少なくとも１個の第１の高さプロフィールの変位を求めるための、主として半導体構造の欠陥を把握および/または制御するための方法が実現し、その際第１の物体が光源を用いて波長選択照明され、第１の物体から起源する光によって検出され、あらかじめ検出されているまたは同時に検出される第２の物体と比較される。

Description

【発明の詳細な説明】 共焦点顕微鏡装置 GB2144537によって、多色光源を有し、表面プロフィール（あらさ）を測定す るための装置が知られている。照明光を軸方向にスペクトル分割し、物体上へ焦 点を合わせ、その際どの焦点にもある決まった波長が対応する。物体から反射し た光はビームスプリッターを通じて分散素子上へ到達し、ここから光ダイオード アレイ上へ焦点合わせされる。光ダイオードアレイからの読み取り値によって最 も強い信号を求め、物体表面に関するものであると結論する。 WO88/10406は、大きな色収差をもつ光学素子と対象との距離を測定するための 装置であって、構成された光源とスペクトル分散装置とCCDカメラとをもち、あ らさをも同様に測定するための装置について記述している。 US4965441は、高い深度解像度をもつ走査型の、すなわち点ごとに探査する共 焦点配置について記述しており、ここでは波長分離のための参照光程内に分散素 子が配置されている。 強い色収差をもち、物体から散乱する光をスペクトル分解する対物レンズをも つ走査型像生成法の原理も、DE4419940A1の対象とするところである。 WO92/01965は、照明光程内に動くピンホール絞りをもち同時に像を生成するた めの配置を記述し、ここでは対物レンズは強い色収差を有するものでよく、この 配置をあらさセンサーとして使用すると記述する。 WO95/00871には、同様に動くピンホール絞りと、軸上色分散のある集束素子と をもつ配置が記述され、ここでは２つのカメラの参照光程内にあらかじめしつら えたスペクトルフィルターが配備されている。画素ごとに、波長を決定するため の信号分割が行われる。このような配置はSCANNING第14巻、1992年、145-153ペ ージからも知られている。 色彩による高さプロフィールの像を生成するためのシステムは、以下本出願者 のアキシオトロン顕微鏡に画素ごとにＣＳＭ付加することによって実現する。色 彩像を視覚的に評価することによって高さプロフィールを検査する。 このことが特に使えるのはウェハ検査で、すなわちウェハ上の欠陥を検出する ときである(たとえば混ざっている粒子や構造の不規則)。欠陥はここでは色分け された範囲として目に見える。こうして0.1μｍより小さい高さの違いが色彩的 に区別される。識別できる高まりの範囲、つまり色の広がりは、使用される対物 レンズにより、たとえば50x対物レンズでは４μｍの値となる。 自動ウェハ検査の際には欠陥を迅速に検出することが必要である。通例実施さ れる方法はレーザー分散またはデジタル画像処理に基づいて行われる。これによ って目下のところ0.2μｍ領域の欠陥が時間当たりおおよそウェハ装入量20枚(φ =200mm)で検出される。レーザー分散法によればその際粒子（汚染、塵埃）があ ることを立証するのみであるが、一方デジタル画像処理と他の検出法では、いわ ゆる「パターン欠陥」のような構造欠陥も立証できる。 集積密度の大きな電子スイッチ回路を使うときにはもっと小さな立証限界が必 要となる。IGB DRAMではたとえば欠陥の大きさ0.1μｍの立証が必要であること がわかる。デジタル画像処理法では立証できる最小欠陥の大きさは解像力によっ て、検査速度は計算機能力によって決まる。その際情報を相応の速度で処理する にはかなりの電子計算機の消費を伴うこととなろう。たとえば直径300mmで0.3μ ｍの格子をラスターしたウェハでは、全体として10¹²画素をデジタル画像処理に よって処理しなければならない。 この発明の根底にある課題は、ウェハ欠陥の迅速でなおかつ高精度な検出を可 能にすることである。 この課題はこの発明に従えば独立請求項によって解決される。さらに有利にな る製作法は従属請求項に記述されている。 色映像情報の全体的なスペクトル分解、分析についてここに述べる方法は、0. 1μｍより小さい高さの増し高をもつ欠陥を立証できるという長所をもっている 。スペクトル分解による光学的前処理は、そのほかにも既存の高さプロフィール のより速い処理を可能にするのであるが、それは像視野全体として高さプロフィ ールがスペクトル中に圧縮されて既存しているからである。同様にこの発明に従 う装置によれば、高精度のオートフォーカスが実現するのであるが、このことは 以 下により詳細に論じよう。 この発明とその実施例及び長所は引き続き図示に基づいてより詳細に説明する 。図示しているのは： 図１：この発明に従う測定・評価の原理 図２：種々の高さプロフィールとそれに対応する色・高さスペクトル 図３：導体路表面の高さの違いによるスペクトル線の移動 図４：分光計入射スリット上へ作り出された中間像の結像 図５：断面変成器を用いた第１の実施例 図６：断面変成器を用いた第２の実施例 図７：像評価のためのカラーカメラを用いた実施例 図８：数個の異なる波長のレーザーを用いた実施例 図９：種々の高さプロフィールについてレーザ一波長λ1およびλ2を用いて２ つの平面上へ焦点を結ぶときのスペクトル 表１：種々の対物レンズについての色の広がり 図１に従う平行共焦点構成では、白色光源であってよく、種々の波長の多色レ ーザーまたは多線レーザーから成っていてもよい光源１と、集光レンズ２と、鏡 ３と、光学スプリッター素子４とをもち、顕微鏡対物レンズ７の中間像平面内に あるピンホールラスター５が照明される。ピンホールラスタ−５のところでは主 としてマイクロレンズ配置をもつ回転するニプコウ円盤または二重ニプコウ円盤 が重要な役割をもち、たとえばEP 727 684 A2に記述されている。ピンホールラ スター配置は像を走査するのに適するよう動かされ、平行共焦点像を作り出す。 クロマート６によって目指す縦の色ずれが光程内へ、色補正された対物レンズ７ を透過した後光源１のさまざまな色成分の焦点８が種々の平面内にあるような仕 方で持ち込まれる。これによって物体０の平行共焦点像が得られ、その中で高さ の情報が対応する色表現によって視覚的に符号化されて表される。この色表現は 分散素子９、これはたとえばプリズムまたはホログラフィ格子がダイオード配列 またはＣＣＤ配列の上へ作られたものでよいが、分散素子９によって評価・処理 ユニット14と結合されている。色コード化された高さプロフィールはこれによ って等価色スペクトルへ分解される。これは図2a-dに示されている。最大値のス ペクトル位置はここではそれがもつ高さの線に対応し、一方件数（最大値の下の 面積）はその場合ごとに高さレベルがもつ面積比率に比例している。物体はここ に示していないｘｙ移動テーブル上にあり、連続した動きとステップアンドゴー 手順とのどちらかによって走査される。移動テーブルの調整は受信機10の読み取 り値を用いて同期され、読み取られた高さ情報が物体０上の位置に明確に分類さ れるようにする。ｚ方向の高さ調整はオートフォーカスシステムによって、また は以下にさらに説明する特別な高さ制御アルゴリズムによって制御される。図2a -dには高さプロフィールＨと検出すべき欠陥位置Ｆと、その場合ごとにプロフィ ールに対応し受信機10上で測定されるスペクトルＳ A-Dと評価の際にできる差ス ペクトルＳ A-B,A-C,A-Dが示されている。理想的な高さプロフィールに対応する スペクトルＳAを実際にウェハ制御の際測定されるスペクトルＳB-ＳDと比較する ことによって、既存の欠陥位置Ｆの種類と大きさについての情報が得られること が明らかとなる。模範的なものであり一般性を失わないものとしていくつか欠陥 の類型Ｆを図２に挙げている。図2aにあるＡのケースは欠陥のない理想的な高さ プロフィールの特徴をもつ。図2bでは粒子Ｆ最上面の上にあり、図2cでは両方の 高さ構造Ｈの間に粒子が描かれている。図2dは両方の高さ構造Hの間を欠陥が結 びつけていることを示す。欠陥の型に応じて相応のスペクトルSA-SDが決まるこ とがわかるであろう。同様に、相応の差スペクトルA-B,A-C,A-Dが、既存の欠陥 型に応じて、対応する最大値の位置、幅、強度に関して決定する。この差異によ って既存の欠陥型と欠陥サイズとを結論することが可能となる。 たとえばウェハ検査に利用する際欠陥を認知するために、さまざまな方法を使 うのが有利である。 1.図２に図解したように、２個の似通ったスペクトルを取り上げ、互いの違い を考える。たとえばピークサーチルーチンのようなルーチンでは、分光学で 通常行われるように、差スペクトル中の最大値であらかじめ定めた雑音レベ ル以上のものを決定する。このような最大値が存すれば、検査範囲内に欠陥 がある。位置とそれに対応するスペクトルもしくは標準スペクトルを保存す る。分類ユニット内でスペクトルをのちにより正確に評価するためであるが、 これには位置と半値幅には欠陥の種類に関するほかの情報が含まれ、これを 欠陥分類のために利用するからである。 2.スペクトルの比較を1.で記述したように行い、ただし比較スペクトルとして は保存されている理想スペクトルのみを引用する。 3.次に数個のスペクトルを取り上げ、これらを平均して標準スペクトルを作る。 この平均化された標準スペクトルを次に1.に記述したように実際のスペクト ルと比較する。 上に挙げた欠陥認知アルゴリズムには高さ制御が必要で、これは高さの差異に よってスペクトルが互いにずれる結果となるからである。原則的にはこの高さ制 御は通常のオートフォーカスシステムを用いて、または次に述べるスペクトル高 さ情報を利用する高さ制御アルゴリズムを用いて実行できる。 図３には高さ変位Δｚに対応する波長λ₀からのスペクトル変位Δλを図示し た。 検査すべき物体の結像光学系に相対的な高さ位置を、適切なｚ調整設備たとえ ばｚ−テーブルによって、あるスペクトル線が物体のある高さ水準に相当するよ う選択する。この線λ₀（目標最大値）は理想的には完璧な水準、たとえばウェ ハの導体路表面で特徴づけられる。高さ（ｚ方向）がΔｚの量だけ変動するのは 、色分散の調整と使用しているクロマート６とに応じて(たとえば表１を見よ)、 この主線が相応するΔλだけ移動するのに対応している。任意に取り上げたスペ クトルについてλ₀領域に正確な最大値の位置を決定する。最大値が所定値だけ λ₀から変位すると、ｚ−テーブルの再調整が調整素子を通じて、主として圧電 調整素子を通じて行われる。この所定値より変位が少ないときには、完全なスペ クトルが電子的手段によって相応に変位されて得られ、その後上記の欠陥認知ア ルゴリズムの１つが実行される。 このことを通じて上に挙げた高さ制御のための方法は、長所をもった共焦点顕 微鏡用のオートフォーカス法として適合している。共焦点顕微鏡の長所は周知の ように、物体平面、焦点平面が限定的に像中に浮き彫りされるという点にある。 共焦点原理によって他の平面からの光学的結像が抑制される。したがって像中に は焦点平面のみが見える。ウェハ検査の場合共焦点原理を用いてある決まったウ ェハ平面が焦点を結ぶことができる。他の平面はすべてこの像の中では暗く見え る。ある決まった平面のみを検査するときの利用では、このことによって共焦点 法が有利となる。欠陥認知のためにデジタル画像処理することはこれによって容 易となる。しかし共焦点顕微鏡を特別な平面、たとえばウェハを分析するために 利用するには、関心のある平面上へ正確に焦点を結ぶ高精度オートフォーカスシ ステムが必要となる。通常のオートフォーカス法は(たとえば三角測量法のよう に)、ある決まった物点の高さ位置のみを測定する。しかしそのとき既存の構造 に応じて絶対に関心のある平面が焦点を結ばなければならぬということはない。 数個の物点について平均する方法でも望みの平面上のみへの焦点合わせができる 。しかし既存の発明では、スペクトル分析によって高さヒストグラム、すなわち 一定の物体範囲にわたる高さの分類を受け取るのが可能である。上に挙げた高さ 制御アルゴリズムに従ってこの分類を評価すると、たとえば図３の波長λ₀が対 応する一定の平面上への焦点合わせが可能となる。 図４では円柱レンズ（図示していない）をもつ顕微鏡対物レンズ７が、ピンホ ール絞り配置５の平面内にある中間像Zを作っている。この中間像は結像光学系 ９の助けによってたとえば顕微鏡のカメラ出力部ＫＡへ結像される。このカメラ 出力部ＫＡの視野の一部が、主としてカメラ出力部の像平面またはそれと光学的 に共役な平面内にあるスリット11によって、ダイオードアレー分光器内へ結像さ れる。この分光器は格子12ここではホログラフ格子と、ダイオードの配列13と、 ここでは記憶装置と表示ユニットと比較器とから成る評価ユニット14とで構成さ れている。物体はステップアンドゴーモードによってここに示していないxy−テ ーブルを用いてラスター走査される。テーブルの位置を把握するためには、たと えばよく知られた干渉測距システムが配備されていて、ここではx,y,z方向のテ ーブル位置の運転と把握とが評価ユニット14と接続することによってスペクトル 評価を用いて結合されている。このように、この実施例においては中間像の一部 のみが分光計へ伝送される。評価もしくは欠陥認知は評価ユニットに おいて、保存されている理想的な高さプロフィールと比較することによって(ダ イトウダイデータベース比較：die-to-die)、または一つかいくつかの先行する 高さプロフィールと比較することによって（ダイトウダイ比較）上述の欠陥認知 アルゴリズムと上述の高さ制御アルゴリズムとに対応して行われる。 さらに有利な図５に従う実施形態は、カメラ出力部ＫＡ上へ結像された中間像 の一部が、ばらばらのガラス繊維束15を用いて結像される。このガラス繊維束は 、格子13とダイオード配列13と評価ユニット14とから成るダイオードアレイ分光 計への断面変成器の役割をしており、それは繊維が中間像平面内で光入力束とし て、また入力部スリット11の前で上下に配列されているからである。こうするこ とによって中間像視野の比較的大きな面積の像が同時にスペクトル分析できる。 評価と欠陥認知と、ラスター走査の動きとｚ制御とはすでに記述したように行 われる。 中間像視野全体をまとめてスペクトル分析するためには、さらに有利な図６に 従う実施形態で、歪曲像（円筒光学系）断面変成器16が中間像を分光計スリット 11へ結像するために使用される。すなわちスリット方向とスリットに垂直な方向 への結像とは大きさが異なる。こうした実施形態は、中間像視野全体またはその 大部分が分析できるという長所をもつ。 評価と欠陥認知と、ラスター走査の動きとｚ制御とはすでに記述したように行 われる。 図７に従う他の実施形態では、中間像全体をスペクトル分析するために、顕微 鏡のカメラ出力部ＫＡに装着されたカメラが使用される。モノクロカメラを使用 する際には画素ごとの分析が灰色値の比較によって行われ、カラーカメラを使用 する際には画素ごとに色比較が行われる。灰色値もしくは色は画素ごとに計算さ れ、色に従ったスペクトル値もしくは灰色値がヒストグラムに表される。別の方 法としては、スペクトル色情報が２基のモノクロカメラを異なったフィルターの 組み合わせで、WO95/00871およびSCANNING第14巻、1992年、145-153ページに記 述されているように使用することによっても得られる。高さ制御はオート フォーカス・システムによって、主として上述のオートフォーカス法によって、 欠陥認知は上述の欠陥認知アルゴリズムによって行われる。 図８は他の実施形態を示し、ここでは白色光源が３つの異なる色のレーザーL1 -L3をもつ照明と替わっている。レーザーを使用することによって種々の像平面 を目標にして強調することができる。構成スペクトルはこのとき使用されている レーザー波長λ₁,λ₂,λ₃の線のみから成る。その場合ごとの線の発生件数は全 体として、対応する焦点平面の面部分に比例する。欠陥がこの平面に既存すると き、検出される光子の数は対応して減少し、図９に２波長について図示したとお りとなる。欠陥がこのように検出される件数全体としてのみ現れるが、しかし白 色光源をいろいろ異なった波長として用いた実施形態のときと同様ではない。断 面変成器14としては、この実施形態では前記実施形態中に示された断面変成器が 使用されている。示されているのは歪曲結像16である。 欠陥認知の際には上に挙げた欠陥認知アルゴリズムが簡略化される。スペクト ルの差に従って、使用されているレーザー波長の範囲でのみ雑音レベル以上の件 数が数えられるに違いない。この件数はその線に対応する高さにある欠陥の面積 比率に比例する。 表１には種々の対物レンズについて典型的な色分散が示されている。 表１ 色分散

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 あらかじめ検出されているまたは同時に検出される第２ の物体と比較される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 物体をラスター形に照明するための照明装置と、照明光の第１の波長選択分 割を作り出すための第１の手段と、物体の数個の点について平行であり物体 から来る光の第２の波長選択分割を作り出すための第２の手段と、第２の手 段によって作り出された配光を把握するための検出手段と、から成る共焦点 顕微鏡装置。 2. 第１の手段が高さの色ずれを作り出すための少なくとも１個の光学素子であ る、請求の範囲１に従う共焦点顕微鏡装置。 3. 物体がピンホールラスター円盤またはスリットラスター円盤を通じて照明さ れる、請求の範囲１または２のうちの１つである共焦点顕微鏡装置。 4. 少なくとも１個の物体像が、少なくとも１個の同時にまたはあらかじめ検出 されそして/または保存されている第２の物体像からの変位を、第１の試料像 の分配を第２の試料像の分配と電子的に比較することによって求めるための 、請求の範囲１から３までのうちの１つである共焦点顕微鏡装置。 5. 照明されている物体が分光計の入射スリット上へ結像される、請求の範囲１ から４までのうちの１つである共焦点顕微鏡装置。 6. 照明されている物体が結像される中間像平面内に入射スリットが配置されて いる、請求の範囲５の共焦点顕微鏡装置。 7. 照明されている物体から作り出された中間像を分光計の入射スリットへ合わ せるための手段が配備されている、請求の範囲１から６までのうちの１つで ある共焦点顕微鏡装置。 8. 検出の方向に配置された中間像平面と分光計の入射スリットとの間で断面変 成するための手段をもつ、請求の範囲１から７までのうちの１つである共焦 点顕微鏡装置。 9. 断面変成するためのファイバー光学系が配備されている請求の範囲８の装置 。 10. 断面変成するための歪曲光学系が配備されている請求の範囲８の装置。 11. 物体の照明が白色光を用いて行われる、請求の範囲１から10までのうち の１つである共焦点顕微鏡装置。 12. 物体の照明が少なくとも２個の光源、主として異なる波長のレーザーお よび/または少なくとも１個の多線レーザーを用いて行われる、請求の範囲１ から10までのうちの１つである共焦点顕微鏡装置。 13. 照明光程内に動くラスター円盤をもつ、請求の範囲１から12までのうち の１つである共焦点顕微鏡装置。 14. 走査事象を作り出すために照明されている物体が動く、請求の範囲１か ら12までのうちの１つである共焦点顕微鏡装置。 15. 検出光程内にカラーカメラまたはモノクロカメラをもつ、請求の範囲１ から14までのうちの１つである共焦点顕微鏡装置。 16. 少なくとも１個のプリズムおよび/または格子がスペクトル分割するため に配備されている、請求の範囲１から15までのうちの１つである共焦点顕微 鏡装置。 17. 検出手段としてCCD並びまたはダイオード配列が配備されている、請求の 範囲１から16までのうちの１つである共焦点顕微鏡装置。 18. 波長選択照明されている物体像が少なくとも点ごとに１回のスペクトル 分割と検出とが行われ、物体状況に対応してあらかじめ与えられている標準 値からの周波数および/または強度の変位を決定することによって、物体の鉛 直位置および/または顕微鏡の結像系を介して焦点状況を調整するための駆動 信号が作り出される、共焦点顕微鏡用オートフォーカス。 19. 少なくとも１個の第１の高さプロフィールが、少なくとも１個の同時に 検出されるまたはあらかじめ検出されている、主として半導体構造の欠陥を 把握および/または制御するための、主として請求の範囲１から18の共焦点顕 微鏡を介する第２の高さプロフィールからの変位を求めるための方法であっ て、第１の物体が光源を用いて波長選択照明されるステップと、また第１の 物体から起源する光によって検出されるステップと、あらかじめ検出されて いるかまたは同時に検出される第２の物体と電子的に比較されるステップ とを含む、変位を求める方法。 20. 検出に先立って他の波長選択分割が行われる請求の範囲19の方法。 21. 全く同じ物体の隣接する領域の比較が行われるステップを含む、請求の 範囲19または20のうちの１つである方法。 22. 保存されている物体と比較が行われるステップを含む、請求の範囲19か ら21までのうちの１つである方法。 23. 数個の物体領域または物体の検出結果を平均し、標準値を作ることによ って比較が行われるステップを含む、請求の範囲19から22までのうちの１つ である方法。 24. 取り上げられそして/または保存されている２個の像の差によって比較が 行われるステップを含む、請求の範囲19から23までのうちの１つである方法 。