JP2003014438A

JP2003014438A - 基板検査装置および基板検査方法

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Publication number: JP2003014438A
Application number: JP2001200614A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2003-01-15

Abstract

(57)【要約】【課題】基板の大型化に伴う装置の大型化を確実に抑
えることができる基板検査装置および基板検査方法を提
供する。【解決手段】基板(１１)の被検査面における一部領域
の像を形成する光学系(２６,２７)と、被検査面の中心
を通って被検査面に垂直な軸(１２ａ)を回転軸として基
板を９０度間隔で回転させる回転手段(１６)と、回転手
段による基板の回転が停止中に、基板と光学系とを被検
査面に沿って相対的に平行移動させる平行移動手段(１
４,１５)とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子や液晶
表示素子の製造工程において、半導体ウエハや液晶基板
の検査に用いられる基板検査装置および基板検査方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、半導体素子や液晶表示素
子の製造工程では、マスク(レチクル)に形成された回路
パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジス
ト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程と
を経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパター
ン）が転写され、このレジストパターンをマスクとして
エッチングや蒸着などを行うことにより(加工工程)、レ
ジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パタ
ーンが転写される（パターン形成工程）。

【０００３】次いで、上記所定の材料膜に形成された回
路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同
様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工
程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜
の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上
に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成さ
れる。

【０００４】ところで、上記の製造工程においてレジス
トパターンに欠陥が存在すると、その欠陥にしたがって
加工が行われ、不良品となってしまう。欠陥箇所は、例
えば、露光機のディフォーカスによってパターン断面形
状が変化した箇所や、レジスト膜厚が変化した箇所、異
物や傷の付いた箇所である。このため、従来より、レジ
ストパターンの欠陥検査が行われている。

【０００５】また、あるパターン形成工程でのレジスト
パターンが１つ前のパターン形成工程で形成された回路
パターン（以下「下地パターン」という）に対し、正確
に重ね合わされていないことがある。そのままパターン
形成工程の処理を続け、レジストパターンを介して材料
膜を加工すると、下地パターンに対する重ね合わせ状態
の不正確な回路パターンが形成され、不良品（性能の悪
い素子または機能しない素子）となってしまう。このた
め、従来より、下地パターンに対するレジストパターン
の重ね合わせ検査が行われている。

【０００６】ちなみに、レジストパターンが形成された
基板に対する検査（欠陥検査または重ね合わせ検査）
時、基板は、水平面内で直交する２方向に移動可能な２
軸ステージ上に載置され、固定された検査光学系に対し
て移動される。そして、基板の検査対象部分が検査光学
系の視野内に位置決めされると、ＣＣＤカメラなどの撮
像素子を用いて検査対象部分の像を取り込み、得られた
画像信号に対して画像処理を施すことにより、基板の検
査が行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術では、様々な処理工程を効率良く進めるため
に基板を大型化すると、それだけ２軸ステージを大きく
構成しなければならないという問題があった。２軸ステ
ージを用いた場合、基板の任意の部分を検査光学系の視
野内に位置決めできるようにするには、２軸ステージの
可動範囲（ステージストローク）として、少なくとも基
板の縦横寸法に相当する範囲を確保しておく必要があ
る。このため、２軸ステージの大きさは、少なくとも基
板の縦横寸法の２倍に相当する大きさになる。

【０００８】今日主力となっている３００ｍｍΦのウエ
ハでは、少なくともステージのストロークは、６００ｍ
ｍ×６００ｍｍという大きなものが必要となる。これに
対し、一世代前の２００ｍｍΦのウエハでは、必要なス
テージストロークは４００ｍｍ×４００ｍｍである。し
たがって、ウエハの径が１.５倍になったとき、面積で
２.２５倍大きくしなければならない。

【０００９】そして、２軸ステージが大型化する結果、
２軸ステージや検査光学系を備えた装置も全体的に大型
化してしまい、場合によっては、クリーンルームも大き
くしなければならい。クリーンルームの大型化は、コス
ト高を招くため、好ましくない。さらに、クリーンルー
ムを大型化すると、クリーン度を高く保つことが困難に
なり、回路パターンの微細化に伴うクリーン度の向上要
求に対応し難いため、好ましくない。

【００１０】なお、基板を固定しておき、検査光学系を
２軸ステージ上に載置した構成でも、上記と同様の問題
が生じる。また、異物の付着を嫌うウエハの上側に発塵
源となる可動部を配置するのは、クリーン度向上以前の
問題である。本発明の目的は、基板の大型化に伴う装置
の大型化を確実に抑えることができる基板検査装置およ
び基板検査方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の基板検査装置
は、基板(１１)の被検査面における一部領域の像を形成
する光学系(２６,２７)と、被検査面の中心を通って被
検査面に垂直な軸(１２ａ)を回転軸として基板を９０度
間隔で回転させる回転手段(１６)と、回転手段による基
板の回転が停止中に、基板と光学系とを被検査面に沿っ
て相対的に平行移動させる平行移動手段(１４,１５)と
を備えたものである。

【００１２】本発明の基板検査方法は、基板の被検査面
の中心を通って被検査面に垂直な軸を回転軸として基板
を９０度間隔で回転させるステップと、基板の回転が停
止中に、被検査面における一部領域の像を形成する光学
系と基板とを被検査面に沿って相対的に平行移動させる
ステップとを備えたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
形態を詳細に説明する。

【００１４】(第１実施形態)本発明の第１実施形態は、
請求項１,請求項２,請求項４に対応する。第１実施形態
の基板検査装置１０は、図１に示すように、被検物体で
ある半導体ウエハ１１(円盤状の基板)を真空吸着によっ
て水平状態に保持するウエハホルダ１２と、ウエハホル
ダ１２を駆動するホルダ駆動部(１４〜１６)と、半導体
ウエハ１１の表面の検査を行うウエハ検査部(１７〜２
９)とで構成される。なお、基板検査装置１０には、焦
点合わせ部(３０〜４１)も設けられる。ウエハ検査部
(１７〜２９)および焦点合わせ部(３０〜４１)は、半導
体ウエハ１１の上方に固定されている。

【００１５】この基板検査装置１０について具体的に説
明する前に、ウエハホルダ１２に保持される半導体ウエ
ハ１１の説明を行う。半導体ウエハ１１の表面(被検査
面)には、図２に示すように、矩形状のショット領域１
１ａがウエハ面内での座標軸であるｘ方向およびｙ方向
に沿って２次元的に複数配列されている。ｘ方向,ｙ方
向は互いに直交する。また、各々のショット領域１１ａ
には、回路パターン１１ｂ,１１ｃが形成されている。
通常、回路パターン１１ｂ,１１ｃの直線方向は、ｘ方
向またはｙ方向に平行である。

【００１６】さらに、半導体ウエハ１１の周囲には、ノ
ッチ１１ｄまたはオリエンテーションフラット(不図示)
などの指標が設けられている。ノッチ１１ｄなどの指標
は、半導体ウエハ１１をウエハホルダ１２に載置させる
際、半導体ウエハ１１の方位（ｘｙ座標系の向き）を示
す外形基準として用いられる。また、このような半導体
ウエハ１１をウエハホルダ１２に載置させるに当たって
は、半導体ウエハ１１の表面の中心１１ｅがウエハホル
ダ１２の中心軸１２ａ（図１）上に位置するように、不
図示のプリアライメント系で調整される。この中心軸１
２ａは、ウエハホルダ１２の中心を通って鉛直方向（ｚ
方向）と平行な軸である。

【００１７】さて次に、基板検査装置１０の構成説明を
行う。ここでは、ウエハ検査部(１７〜２９)、ホルダ駆
動部(１４〜１６)、焦点合わせ部(３０〜４１)の順に、
構成を説明する。半導体ウエハ１１の表面の検査を行う
ウエハ検査部(１７〜２９)は、軸１０ａに沿って配置さ
れた光源１７,コレクタレンズ１８,フィルター１９,リ
レーレンズ２０,開口絞り２１,リレーレンズ２２,視野
絞り２３,コンデンサレンズ２４,ハーフミラー２５と、
軸１０ｂに沿って配置された対物レンズ２６,結像レン
ズ２７,２次元撮像素子２８と、２次元撮像素子２８に
接続された画像処理部２９とで構成される。

【００１８】また、ハーフミラー２５は、軸１０ｂ上
（対物レンズ２６と結像レンズ２７との間のアフォーカ
ル系）に配置される。画像処理部２９は、後述するホル
ダ駆動部(１４〜１６)にも接続される。なお、軸１０ｂ
上には、後述する焦点合わせ部(３０〜４１)のダイクロ
イックミラー３５も配置されている。上記したウエハ検
査部(１７〜２９)において、光源１７からの光は、コレ
クタレンズ１８で集光され、フィルター１９,リレーレ
ンズ２０,開口絞り２１,リレーレンズ２２,視野絞り２
３,コンデンサレンズ２４を介してハーフミラー２５に
入射する。そして、ハーフミラー２５で反射され、ダイ
クロイックミラー３５,対物レンズ２６を介して、半導
体ウエハ１１の表面に照射される。

【００１９】このとき、半導体ウエハ１１の表面に対す
る照明光は、所定の入射角度範囲で所定の視野範囲（一
部領域）のみに照射される。照明光の入射角度範囲は、
対物レンズ２６の瞳２６ａに共役な面に配置された開口
絞り２１の絞り径によって決まる。照明光の視野範囲
は、半導体ウエハ１１の表面に共役な面に配置された視
野絞り２３の絞り径によって決まる。

【００２０】そして、半導体ウエハ１１の表面に形成さ
れた回路パターン１１ｂ,１１ｃ(図２参照）で反射,回
折,散乱した光は、対物レンズ２６で集光され、ダイク
ロイックミラー３５,ハーフミラー２５を透過して結像
レンズ２７に導かれ、２次元撮像素子２８の撮像面に結
像される。このとき、２次元撮像素子２８の撮像面に
は、半導体ウエハ１１の表面にある回路パターン１１
ｂ,１１ｃの拡大像（以下「パターン像」という）が形
成される。以下、２次元撮像素子２８の撮像面に対応す
る半導体ウエハ１１の表面の領域を「撮像領域」とい
う。

【００２１】２次元撮像素子２８では、撮像面に形成さ
れたパターン像が各画素ごとに光電変換され、パターン
像の光強度(明るさ)に応じた撮像信号が外部に出力され
る。２次元撮像素子２８からの撮像信号は、デジタル信
号に変換され、パターン画像として画像処理部２９に取
り込まれる。パターン画像は、半導体ウエハ１１の表面
のうち、上記の撮像領域内に位置決めされた部分の画像
である。

【００２２】ここで、２次元撮像素子２８の複数の画素
は、第１実施形態において、ほぼ正方格子状に配列され
ているとする。また、２次元撮像素子２８の各画素の配
列方向のうち、横方向をＵ方向、縦方向をＶ方向とす
る。Ｕ方向,Ｖ方向は互いに直交する。また、ステージ
上の撮像領域での座標ｕ,ｖを各画素の配列方向Ｕ,Ｖに
相当する方向にとると、基板検査装置１０では、軸１０
ｂが途中で偏向されないため、ｕ方向,ｖ方向は水平面
に平行である。

【００２３】次に、ウエハホルダ１２を駆動するホルダ
駆動部(１４〜１６)について説明する。ホルダ駆動部
(１４〜１６)は、ウエハホルダ１２を水平面(ｕｖ面)内
において平行移動させるｕ駆動部１４,ｖ駆動部１５
と、ウエハホルダ１２を中心軸１２ａの周りに回転させ
る回転駆動部１６と、ウエハホルダ１２を鉛直方向(ｚ
方向)に移動させる不図示のｚ駆動部とで構成される。

【００２４】このホルダ駆動部(１４〜１６)により、ウ
エハホルダ１２に保持された半導体ウエハ１１は、水平
状態を保ったまま回転または移動することになる。上記
のように、半導体ウエハ１１の表面の中心１１ｅはウエ
ハホルダ１２の中心軸１２ａ上に位置するため、半導体
ウエハ１１の回転は、半導体ウエハ１１の中心１１ｅの
周りに行われることになる。

【００２５】また、ｕ駆動部１４は、ウエハホルダ１２
をｕ方向に移動させるものである。ｕ駆動部１４によっ
てウエハホルダ１２を平行移動させると、ウエハホルダ
１２上の半導体ウエハ１１に形成された回路パターン１
１ｂ,１１ｃ(図２参照）がｕ方向に平行移動するため、
２次元撮像素子２８の撮像面に形成されるパターン像も
ｕ方向に平行移動することになる。

【００２６】同様に、ｖ駆動部１５は、ウエハホルダ１
２をｖ方向に移動させるものである。ｖ駆動部１５によ
ってウエハホルダ１２を平行移動させると、ウエハホル
ダ１２上の半導体ウエハ１１に形成された回路パターン
１１ｂ,１１ｃ(図２参照）がｖ方向に平行移動し、２次
元撮像素子２８の撮像面上のパターン像もｖ方向に平行
移動する。

【００２７】なお、ウエハホルダ１２上の半導体ウエハ
１１の方位（ｘｙ座標系の向き）は、半導体ウエハ１１
のノッチ１１ｄなどを用いて調整され、図２の状態とな
るように、ｕ駆動部１４,ｖ駆動部１５によるｕｖ座標
系と一致するように位置決めされ、ウエハホルダ１２に
載置される。したがって、半導体ウエハ１１の各ショッ
ト領域１１ａに形成された回路パターン１１ｂ,１１ｃ
（図２）の直線方向は、ｕ駆動部１４,ｖ駆動部１５に
よるｕｖ座標系のｕ方向またはｖ方向に平行となる。

【００２８】一方、回転駆動部１６は、ウエハホルダ１
２を９０度間隔で回転させるものである。回転駆動部１
６によってウエハホルダ１２を回転させると、ウエハホ
ルダ１２上の半導体ウエハ１１も９０度間隔で回転す
る。すなわち、半導体ウエハ１１の回転状態には、図
２,図３,図４,図５に示す４通りの状態が存在すること
になる。

【００２９】そして、これら４通りの状態（図２〜図
５）において、半導体ウエハ１１に形成された回路パタ
ーン１１ｂ,１１ｃの直線方向は、常に、ｕ駆動部１４,
ｖ駆動部１５によるｕｖ座標系のｕ方向またはｖ方向に
平行となる。例えば、図２でｕ方向に平行な回路パター
ン１１ｂは、９０度回転する(図３)とｖ方向に平行とな
り、さらに９０度回転する(図４)と再びｕ方向に平行と
なり、さらに９０度回転する(図５)と再びｖ方向に平行
となる。

【００３０】また、上記４通りの状態（図２〜図５）に
おいて、２次元撮像素子２８の撮像面に形成されるパタ
ーン像の直線方向も、常に、複数の画素の配列方向、つ
まり、横方向(ｕ方向)または縦方向(ｖ方向)に平行とな
る。第１実施形態の基板検査装置１０では、回転駆動部
１６による回転を停止させているときにｕ駆動部１４,
ｖ駆動部１５による平行移動を行うため、半導体ウエハ
１１の回転状態が上記４通り（図２〜図５）の何れであ
っても、ｕ駆動部１４,ｖ駆動部１５による平行移動時
には、ｕｖ座標系に対する半導体ウエハ１１の方位（ｘ
ｙ座標系の向き）が一定に保たれる。

【００３１】さらに、第１実施形態の基板検査装置１０
において、ｕ駆動部１４,ｖ駆動部１５によるウエハホ
ルダ１２の可動範囲Δｕ,Δｖ（ステージストローク）
は、図６に示すように、半導体ウエハ１１の半径ｒと同
程度に設定されている。このため、回転駆動部１６によ
る回転を停止させているときに、ｕ駆動部１４,ｖ駆動
部１５による平行移動を上記の範囲Δｕ,Δｖ内で行っ
た場合、半導体ウエハ１１の表面における１つの象限
（図６中のハッチング範囲）の中で任意の部分を上記し
た撮像領域内に位置決めすることができ、パターン画像
を取り込むことができる。

【００３２】ここで、半導体ウエハ１１の方位（ｘｙ座
標系の向き）がｕ駆動部１４,ｖ駆動部１５によるｕｖ
座標系と一致している状態（図２）を基準として、半導
体ウエハ１１の４つの象限を図７に示すように「第１象
限５１」,「第２象限５２」,「第３象限５３」,「第４
象限５４」と呼ぶことにする。第１象限５１は(＋ｘ,＋
ｙ)方向の象限であり、第２象限５２は(−ｘ,＋ｙ)方向
の象限であり、第３象限５３は(−ｘ,−ｙ)方向の象限
であり、第４象限５４は(＋ｘ,−ｙ)方向の象限であ
る。

【００３３】第１実施形態の基板検査装置１０では、半
導体ウエハ１１を図２の回転状態で停止させたときに、
上記の範囲Δｕ,Δｖ（図６）内で平行移動させると、
半導体ウエハ１１の第１象限５１の任意の部分を撮像領
域内に位置決めして、パターン画像を取り込むことがで
きる。

【００３４】同様に、半導体ウエハ１１を図３の回転状
態で停止させたときに、上記の範囲Δｕ,Δｖ（図６）
内で平行移動させると、半導体ウエハ１１の第２象限５
２の任意の部分を撮像領域内に位置決めして、パターン
画像を取り込むことができる。さらに、半導体ウエハ１
１を図４,図５の回転状態で停止させたときに、上記の
範囲Δｕ,Δｖ（図６）内で平行移動させると、半導体
ウエハ１１の第３象限５３,第４象限５４の任意の部分
を撮像領域内に位置決めして、パターン画像を取り込む
ことができる。

【００３５】基板検査装置１０の構成説明の最後に、焦
点合わせ部(３０〜４１)について説明する。焦点合わせ
部(３０〜４１)は、軸１０ｃに沿って配置された光源３
０,コレクタレンズ３１,ＡＦ用スリット３２,ハーフミ
ラー３３,コンデンサレンズ３４,ダイクロイックミラー
３５と、軸１０ｄに沿って配置されたリレーレンズ３
６,瞳分割プリズム３７,リレーレンズ３８,円筒レンズ
３９,１次元撮像素子４０と、１次元撮像素子４０に接
続されたＡＦ処理部４１とで構成される。

【００３６】また、ハーフミラー３３は、軸１０ｄ上に
も配置される。軸１０ｃ,１０ｄは互いに直交し、軸１
０ｃは上記の軸１０ｂに直交する。瞳分割プリズム３７
は、対物レンズ２６の瞳２６ａに共役な位置に配置され
ている。ＡＦ処理部４１は、上記したホルダ駆動部(１
４〜１６)にも接続される。なお、光源３０は、上記し
たウエハ検査部(１７〜２９)の光源１７とは波長の異な
る赤外光などのオートフォーカス用の光（ＡＦ光）を射
出する。

【００３７】この焦点合わせ部(３０〜４１)において、
光源３０からのＡＦ光は、コレクタレンズ３１,ＡＦ用
スリット３２,ハーフミラー３３,コンデンサレンズ３４
を通過したのち、ダイクロイックミラー３５で反射さ
れ、対物レンズ２６を介して半導体ウエハ１１の表面に
照射される。このとき、半導体ウエハ１１の表面には、
ｘｙ座標系に対して４５度傾いた方向に、スリット像が
投影される。

【００３８】そして、半導体ウエハ１１の表面で反射さ
れたスリット状のＡＦ光は、再び対物レンズ２６で集光
され、ダイクロイックミラー３５,コンデンサレンズ３
４を介してハーフミラー３３に入射し、そこで反射され
る。さらに、ハーフミラー３３で反射したスリット状の
ＡＦ光は、リレーレンズ３６,瞳分割プリズム３７,リレ
ーレンズ３８を介して円筒レンズ３９に入射し、そこで
長手方向の広がりが圧縮されたのち、１次元撮像素子４
０の撮像面に結像される。

【００３９】ここで、ＡＦ光は瞳分割プリズム３７にお
いて２つに分割されるため、１次元撮像素子４０の撮像
面には、瞳分割プリズム３７で分割された２つのＡＦ光
に起因する像が形成される。したがって、ＡＦ処理部４
１では、１次元撮像素子４０の撮像面に形成された２つ
の像の間隔に基づいて、半導体ウエハ１１の表面と対物
レンズ２６の物体面とのｚ方向のずれ量を検出し、ウエ
ハホルダ１２のｚ方向の移動量を決定し、不図示のｚ駆
動部を制御する。その結果、ウエハホルダ１２を合焦状
態に設定することができる。

【００４０】焦点合わせ部(３０〜４１)による上記のＡ
Ｆ制御は、第１実施形態の基板検査装置１０における画
像取り込み動作時に適宜実行される。次に、第１実施形
態の基板検査装置１０における画像取り込み動作を説明
する。ここでは、半導体ウエハ１１に対する欠陥検査を
行うために、半導体ウエハ１１の表面の全体的な画像を
取り込む例を挙げて説明する。

【００４１】不図示の搬送系によって半導体ウエハ１１
がウエハホルダ１２に載置され、ウエハ１１の中心１１
ｅがウエハホルダ１２の中心軸１２ａ上に位置決めされ
ると共に、半導体ウエハ１１の方位（ｘｙ座標系の向
き）がｕｖ座標系に一致されると（図２の状態）、画像
処理部２９は、図８に示すフローチャートの手順にした
がって画像取り込み動作を実行する。

【００４２】画像処理部２９は、ステップＳ１におい
て、ｕ駆動部１４,ｖ駆動部１５による平行移動を上記
の範囲Δｕ,Δｖ（図６）内で行い、半導体ウエハ１１
の第１象限５１のパターン画像を順次に取り込んでいく
（図９(ａ)）。このとき得られる第１象限５１のパター
ン画像は、ｕｖ座標系での画像データとなる。最終的に
はｘｙ座標系での画像データが必要なため、ステップＳ
１で取り込まれた第１象限５１のｕｖ座標系での画像デ
ータには、後述するステップＳ８において、(ｕ,ｖ)→
(ｘ,ｙ)＝(＋ｕ,＋ｖ)の座標変換が施される。

【００４３】次に、画像処理部２９は、ステップＳ２に
おいて、半導体ウエハ１１の４つの象限(５１〜５４)に
ついての画像取り込みが終了したか否かを判定し、未だ
画像を取り込んでいない象限がある場合（ステップＳ２
がＮ）には、ステップＳ３に進む。この段階では、半導
体ウエハ１１の第２象限５２についての画像取り込みを
行うため、ステップＳ３に進む。

【００４４】ステップＳ３において、画像処理部２９
は、第１象限５１と第２象限５２との境界線上に位置す
る２つの指標マーク６１,６２のｘｙ位置を計測する。
そして、ステップＳ４において、半導体ウエハ１１を９
０度だけ回転させる（図３,図９(ｂ)の状態）。次に、
画像処理部２９は、先ほどｘｙ位置を計測した指標マー
ク６１,６２のｘｙ位置を再度計測し（ステップＳ
５）、半導体ウエハ１１の回転誤差および中心１１ｅの
位置ずれ（位置補正量）を算出し（ステップＳ６）、得
られた位置補正量に基づいて半導体ウエハ１１の回転誤
差と中心１１ｅの位置ずれとを補正する(ステップＳ
７)。

【００４５】その後、画像処理部２９は、ステップＳ１
に戻り、半導体ウエハ１１の第２象限５２のパターン画
像を順次に取り込んでいく（図９(ｂ)）。このとき得ら
れる第２象限５２のパターン画像は、ｕｖ座標系での画
像データとなる。この第２象限５２のｕｖ座標系での画
像データには、後述するステップＳ８において、(ｕ,
ｖ)→(ｘ,ｙ)＝(−ｖ,＋ｕ)の座標変換が施される。

【００４６】次に、画像処理部２９は、半導体ウエハ１
１の第３象限５３についての画像取り込みを行うため
（ステップＳ２がＮ）、上記と同様、ステップＳ３に進
み、第２象限５２と第３象限５３との境界線上に位置す
る２つの指標マーク６３,６４のｘｙ位置を計測する。
そして、ステップＳ４において、半導体ウエハ１１を９
０度だけ回転させ（図４,図９(ｃ)の状態）、指標マー
ク６３,６４のｘｙ位置を再度計測し（ステップＳ
５）、半導体ウエハ１１の位置補正量を算出し（ステッ
プＳ６）、得られた位置補正量に基づいて半導体ウエハ
１１の回転誤差と中心１１ｅの位置軸ずれとを補正する
(ステップＳ７)。

【００４７】その後、画像処理部２９は、ステップＳ１
に戻り、半導体ウエハ１１の第３象限５３のパターン画
像を順次に取り込んでいく（図９(ｃ)）。このとき得ら
れる第３象限５２のパターン画像は、ｕｖ座標系での画
像データとなる。この第３象限５３のｕｖ座標系での画
像データには、後述するステップＳ８において、(ｕ,
ｖ)→(ｘ,ｙ)＝(−ｕ,−ｖ)の座標変換が施される。

【００４８】次に、画像処理部２９は、半導体ウエハ１
１の第４象限５４についての画像取り込みを行うため
（ステップＳ２がＮ）、上記と同様、ステップＳ３に進
み、第３象限５３と第４象限５４との境界線上に位置す
る２つの指標マーク６５,６６のｘｙ位置を計測する。
そして、ステップＳ４において、半導体ウエハ１１を９
０度だけ回転させ（図５,図９(ｄ)の状態）、指標マー
ク６５,６６のｘｙ位置を再度計測し（ステップＳ
５）、半導体ウエハ１１の位置補正量を算出し（ステッ
プＳ６）、得られた位置補正量に基づいて半導体ウエハ
１１の回転誤差と中心１１ｅの位置軸ずれとを補正する
(ステップＳ７)。

【００４９】その後、画像処理部２９は、ステップＳ１
に戻り、半導体ウエハ１１の第４象限５４のパターン画
像を順次に取り込んでいく（図９(ｄ)）。このとき得ら
れる第４象限５４のパターン画像は、ｕｖ座標系での画
像データとなる。この第４象限５４のｕｖ座標系での画
像データには、後述するステップＳ８において、(ｕ,
ｖ)→(ｘ,ｙ)＝(＋ｖ,−ｕ)の座標変換が施される。

【００５０】以上で半導体ウエハ１１の４つの象限(５
１〜５４)についての画像取り込みが終了するため、画
像処理部２９は、ステップＳ２からステップＳ８に進
む。このステップＳ８では、４つの象限(５１〜５４)の
ｕｖ座標系での画像データに対して、それぞれ上記した
座標変換を施し、得られた４つの象限(５１〜５４)のｘ
ｙ座標系での画像データに基づいてパターン画像を再構
成して、画像取り込み動作を終了する。

【００５１】ステップＳ８におけるパターン画像の再構
成は、回転駆動部１６による半導体ウエハ１１の回転方
位（象限）の情報、および、ｕ駆動部１４,ｖ駆動部１
５による半導体ウエハ１１の水平位置(ｕ,ｖ)の情報に
基づいて行われる。その結果、半導体ウエハ１１の全体
のｘｙ座標系でのパターン画像を得ることができる。以
上説明したように、第１実施形態の基板検査装置１０に
よれば、半導体ウエハ１１を中心１１ｅの周りに９０度
間隔で回転させるとともに、この回転を停止させたとき
にｕｖ方向に平行移動させるため、水平面(ｕｖ面)内で
の可動範囲Δｕ,Δｖ(図６)を半導体ウエハ１１の半径
ｒと同程度に設定することができる。

【００５２】したがって、ホルダ駆動部(１４〜１６)の
底面寸法を半導体ウエハ１１の直径の１.５倍程度に小
さくすることができる。その結果、基板検査装置１０の
小型化が図られる。また、半導体ウエハ１１の直径をΔ
φだけ大きくした場合には、ホルダ駆動部(１４〜１６)
の底面寸法を大きくしなければならないが、第１実施形
態の基板検査装置１０では、ホルダ駆動部(１４〜１６)
の底面積の増分を「(１.５)²・((φ＋Δφ)²−φ²)＝
４.５φ・Δφ＋２.２５Δφ²」程度に、従来通りスト
ロークを大きくした場合の増分「８φ・Δφ＋４Δ
φ²」に比べて、小さく抑えることができる。例えば、
φ＝２００ｍｍ,Δφ＝１００ｍｍのとき、第１実施形
態の基板検査装置１０による増分は１１２５００ｍｍ²
であり、従来における増分は２０００００ｍｍ²であ
る。

【００５３】さらに、第１実施形態の基板検査装置１０
では、半導体ウエハ１１の回転を９０度間隔で行うた
め、半導体ウエハ１１に形成された回路パターン１１
ｂ,１１ｃ（図２〜図５）の直線方向を、常に、ｕｖ座
標系のｕ方向またはｖ方向に平行である状態を保つこと
ができる。つまり、回路パターン１１ｂ,１１ｃの直線
方向がｕｖ座標系のｕ方向またはｖ方向に対して斜めに
なることはない。

【００５４】したがって、半導体ウエハ１１の各象限
(５１〜５４)からパターンと画素の関係が同じ条件でパ
ターン画像を取り込むことができ、各象限(５１〜５４)
に形成された回路パターン１１ｂ,１１ｃの検査を同じ
精度で行うことができる。また、第１実施形態の基板検
査装置１０では、各象限(５１〜５４)の境界部分をオー
バーラップさせてパターン画像を取り込み、ウエハホル
ダ１２の回転軸ずれや回転量誤差を補正しながら、各象
限(５１〜５４)のパターン画像を取り込むため、各象限
(５１〜５４)の境界部分にずれの無い良好なパターン画
像を取り込むことができる。

【００５５】なお、上記した第１実施形態では、半導体
ウエハ１１の回転を停止させた状態でｕｖ方向に平行移
動させる際、何れの各象限(５１〜５４)が画像取り込み
の対象となっているかに関わらず、常に、ｕ方向への平
行移動時にパターン画像を取り込む例を説明した（図
９）が、本発明はこの構成に限らない。その他、第１象
限５１が画像取り込みの対象となっている場合（図１０
(ａ)）と第３象限５３が画像取り込みの対象となってい
る場合（図１０(ｃ)）には、ｖ方向への平行移動時にパ
ターン画像を取り込み、第２象限５２が画像取り込みの
対象となっている場合（図１０(ｂ)）と第４象限５４が
画像取り込みの対象となっている場合（図１０(ｄ)）に
は、ｕ方向への平行移動時にパターン画像を取り込むよ
うに、各象限(５１〜５４)ごとに順次切り換える構成が
考えられる。

【００５６】この構成によれば、パターン画像を取り込
む際の平行移動の方向は、半導体ウエハ１１のｘｙ座標
系に対して一定となる。つまり、半導体ウエハ１１の表
面における走査方向が各象限(５１〜５４)によらず一定
となる。したがって、パターン画像の再構成を効率良く
行えると共に、再構成された全体的なパターン画像の精
度が向上する。

【００５７】また、パターン画像を取り込む際の平行移
動の方向を各象限(５１〜５４)ごとに切り換える代わり
に、２次元撮像素子２８の読み出し方向を各象限(５１
〜５４)ごとに切り換えても良い。この場合、画像処理
部２９には、半導体ウエハ１１の半分について、パター
ン画像の信号が一様に入ってくるので、複雑な座標変換
が不要となる。

【００５８】(第２実施形態)本発明の第２実施形態は、
請求項１〜請求項４に対応する。ここでは、上記した基
板検査装置１０を用い、半導体ウエハ１１における重ね
合わせ検査を行うために、半導体ウエハ１１の表面の指
定された重ね合わせマークの画像を取り込む例を説明す
る。

【００５９】重ね合わせマークは、半導体ウエハ１１の
表面に形成された下地パターンに対するレジストパター
ンの重ね合わせ状態を示すマークであり、通常、外側の
矩形マークと内側の矩形マークとで構成される。また、
重ね合わせマークは、一般に、半導体ウエハ１１（図
２）の各ショット領域１１ａの四隅に形成されている。
画像取り込みの基本的な動作は、上記した図８のステッ
プＳ１〜Ｓ７と同じであり、半導体ウエハ１１を図２の
回転状態で停止させたときに、ｕｖ方向に平行移動させ
ることで、第１象限５１の中の重ね合わせマーク７１
（図１１(ａ)）を撮像領域内に位置決めし、その重ね合
わせマーク７１のパターン画像を画像処理部２９に取り
込む。位置決め制御は、画像処理部２９が行う。

【００６０】そして、同様に、半導体ウエハ１１を図３
の回転状態で停止させたときに、第２象限５２の中の重
ね合わせマーク７２（図１１(ｂ)）を撮像領域内に位置
決めし、その重ね合わせマーク７２のパターン画像を画
像処理部２９に取り込む。さらに、半導体ウエハ１１を
図４,図５の回転状態で停止させたときに、第３象限５
３,第４象限５４の中の重ね合わせマーク７３,７４（図
１１(ｃ),(ｄ)）を撮像領域内に位置決めし、各々の重
ね合わせマーク７３,７４のパターン画像を画像処理部
２９に取り込む。

【００６１】このようにして半導体ウエハ１１の各象限
(５１〜５４)から重ね合わせマーク７１〜７４のパター
ン画像を取り込むと、画像処理部２９は、各々の重ね合
わせマーク７１〜７４において、外側の矩形マークの中
心座標(ｘ₁,ｙ₁)と内側の矩形マークの中心座標(ｘ₂,ｙ
₂)との位置ずれ量および位置ずれ方向を重ね合わせずれ
量(Δｘ,Δｙ)として計算する。重ね合わせずれ量は、
半導体ウエハ１１の表面の２次元ベクトルとして表され
る。

【００６２】また、上記のようにして重ね合わせずれ量
(Δｘ,Δｙ)を計算したあと、この重ね合わせずれ量(Δ
ｘ,Δｙ)には、ＴＩＳ（Tool Induced Shift）と呼ばれ
る補正値を用いた補正が施される。ＴＩＳとは、基板検
査装置１０の調整時に追い込みきれない装置起因の測定
誤差であり、半導体ウエハ１１の各処理工程ごとに異な
る値が用いられる。

【００６３】ここで、基板検査装置１０において、ＴＩ
Ｓの値を決定するための動作を説明する。まず、半導体
ウエハ１１を図２の回転状態で停止させたときに、半導
体ウエハ１１の中心１１ｅ付近に位置する重ね合わせマ
ーク７５（図１２(ａ)）のパターン画像を取り込み、次
に、半導体ウエハ１１を１８０度回転させて、同じ重ね
合わせマーク７５（図１２(ｂ)）のパターン画像を取り
込む。

【００６４】そして、画像処理部２９は、図１２(ａ)の
状態で取り込んだ重ね合わせマーク７５のパターン画像
に基づいて重ね合わせずれ量(Δｘ₀,Δｙ₀)を計算する
と共に、図１２(ｂ)の状態で取り込んだ重ね合わせマー
ク７５のパターン画像に基づいて重ね合わせずれ量(Δ
ｘ₁₈₀,Δｙ₁₈₀)を計算し、これら２つの重ね合わせずれ
量の平均値をＴＩＳの値（ＴＩＳｕ,ＴＩＳｖ）として
決定する。

【００６５】ＴＩＳｕは、基板検査装置１０のｕ方向の
測定誤差であり、ＴＩＳｖは、ｖ方向の測定誤差であ
る。次に、上記のようにして決定された基板検査装置１
０のＴＩＳの値（ＴＩＳｕ,ＴＩＳｖ）を用い、半導体
ウエハ１１の各象限(５１〜５４)における重ね合わせマ
ーク７１〜７４（図１１）の重ね合わせずれ量(Δｘ,Δ
ｙ)を補正する処理について説明する。

【００６６】ＴＩＳの値（ＴＩＳｕ,ＴＩＳｖ）を用い
た補正処理は、半導体ウエハ１１からパターン画像を取
り込むときのｘｙ座標系の方位を考慮して行われる。図
１１(ａ)に示すように、第１象限５１のパターン画像を
取り込むとき、ｕｖ座標系に対するｘｙ座標系の方位
は、(＋ｘ,＋ｙ)＝(＋ｕ,＋ｖ)という関係にある。ま
た、第２象限５２のパターン画像を取り込むとき、ｕｖ
座標系に対するｘｙ座標系の方位は、(＋ｘ,＋ｙ)＝(−
ｖ,＋ｕ)という関係にある。

【００６７】さらに、第３象限５３のパターン画像を取
り込むとき、ｕｖ座標系に対するｘｙ座標系の方位は、
(＋ｘ,＋ｙ)＝(−ｕ,−ｖ)という関係にある。また、第
４象限５４のパターン画像を取り込むとき、ｕｖ座標系
に対するｘｙ座標系の方位は、(＋ｘ,＋ｙ)＝(＋ｖ,−
ｕ)という関係にある。したがって、半導体ウエハ１１
の各象限(５１〜５４)における重ね合わせマーク７１〜
７４（図１１）の重ね合わせずれ量(Δｘ,Δｙ)を補正
するためには、上記した各象限(５１〜５４)でのｘｙ座
標系の方位を考慮して、以下の表１に示すように、ｘ方
向の重ね合わせずれ量Δｘに対する補正値Ｈｘと、ｙ方
向の重ね合わせずれ量Δｙに対する補正値Ｈｙとが、各
々設定される。

【表１】そして、表１に示す補正値Ｈｘ,Ｈｙを用いて、各象限
(５１〜５４)の重ね合わせずれ量(Δｘ,Δｙ)を補正す
ることで、装置起因の測定誤差であるｕ方向のＴＩＳｕ
とｖ方向のＴＩＳｖとが補正された正確な重ね合わせず
れ量(ΔＸ,ΔＹ)を得ることができる（ΔＸ＝Δｘ＋Ｈ
ｘ,ΔＹ＝Δｙ＋Ｈｙ）。なお、上記した実施形態で
は、固定された光学系(２６,２７,…)に対して、ウエハ
ホルダ１２をｕｖ方向に平行移動させることで、半導体
ウエハ１１の１/４に相当する１つの象限からパターン
画像を取り込む例を説明したが、本発明はこの構成に限
定されない。

【００６８】その他、ウエハホルダ１２を固定し、光学
系(２６,２７,…)をｕｖ方向に平行移動させることで、
半導体ウエハ１１の１つの象限からパターン画像を取り
込んでも良い。また、ウエハホルダ１２の平行移動と光
学系(２６,２７,…)の平行移動とを組み合わせて、半導
体ウエハ１１の１つの象限からパターン画像を取り込ん
でも良い。

【００６９】また、上記した実施形態では、ウエハホル
ダ１２の回転軸ずれや回転量誤差を補正しながら、各象
限(５１〜５４)のパターン画像を取り込む例（図８）を
説明したが、本発明はこの手順に限定されない。その
他、図８のステップＳ７を省略した手順によって、全て
の象限(５１〜５４)のパターン画像を取り込み、ステッ
プＳ８でパターン画像を再構成するときに、ステップＳ
６で算出した位置補正量を用いて画像データのずれ補正
を行っても良い。

【００７０】さらに、上記した実施形態では、２次元撮
像素子２８として、複数の画素が正方格子状に配列され
た構成を用いたが、本発明では、複数の画素が３角格子
状に配列された２次元撮像素子にも、６角格子状に配列
された２次元撮像素子にも適用できる。その際には、画
像の検出方向と画素の方向を一致させるため、回転のス
テップを６０°または３０°にすることが望ましい。

【００７１】また、上記した実施形態では、瞳分割され
たスリット像の間隔を測定して焦点ずれ量を検知するオ
ートフォーカス機構（焦点合わせ部(３０〜４１)）を説
明したが、スリット像を斜めに投影して焦点ずれ量を検
知し、その焦点ずれ量に応じた分だけウエハホルダ１２
を上下させるスリット像投影方式や、ウエハホルダ１２
をｚ方向に移動させて取り込んだ画像のコントラストが
最大になるｚ位置を合焦位置として位置決めする画像処
理方式などを用いてもよい。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板の大型化に伴う装置の大型化が確実に抑えられるた
め、クリーンルームの大型化を回避することができ、結
果として、コストが削減され、回路パターンの微細化に
も対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の基板検査装置１０の全体構成図
である。

【図２】半導体ウエハ１１を説明する図である（回転角
０度）。

【図３】半導体ウエハ１１を説明する図である（回転角
９０度）。

【図４】半導体ウエハ１１を説明する図である（回転角
１８０度）。

【図５】半導体ウエハ１１を説明する図である（回転角
２７０度）。

【図６】ウエハホルダ１２の可動範囲を説明する図であ
る。

【図７】半導体ウエハ１１における４つの象限を説明す
る図である。

【図８】基板検査装置１０における画像取り込み動作の
手順を示すフローチャートである。

【図９】半導体ウエハ１１の４つの象限からパターン画
像を取り込む動作を説明する図である。

【図１０】半導体ウエハ１１の４つの象限からパターン
画像を取り込む別の動作を説明する図である。

【図１１】半導体ウエハ１１の４つの象限に形成された
重ね合わせマークを示す図である。

【図１２】基板検査装置１０のＴＩＳの値を決定するた
めの動作を説明する図である。

【符号の説明】

１０基板検査装置１１半導体ウエハ１２ウエハホルダ１４ｕ駆動部１５ｖ駆動部１６回転駆動部２６対物レンズ２７結像レンズ２８２次元撮像素子２９画像処理部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｇ０１Ｒ 31/02 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５０２ＶＦターム(参考） 2F065 AA03 BB02 BB03 BB27 CC19 DD02 FF04 JJ03 JJ09 JJ25 JJ26 LL04 LL12 LL22 LL30 LL46 MM02 MM03 PP12 QQ31 2G014 AA00 AB59 AC09 2G051 AA51 AB01 AB02 AB10 BB07 BB09 BB15 CA03 CB01 CB05 CC11 CC12 DA07 DA08 DA09 DA15 EA12 ED11 ED12 4M106 AA01 CA39 CA50 DB04 DB11 DB12 DB13 DJ04 DJ06 DJ07 DJ11 DJ19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の被検査面における一部領域の像を
形成する光学系と、前記被検査面の中心を通って前記被検査面に垂直な軸を
回転軸として、前記基板を９０度間隔で回転させる回転
手段と、前記回転手段による前記基板の回転が停止中に、前記基
板と前記光学系とを前記被検査面に沿って相対的に平行
移動させる平行移動手段とを備えたことを特徴とする基
板検査装置。
【請求項２】請求項１に記載の基板検査装置におい
て、前記平行移動手段は、前記被検査面の１つの象限に相当
する範囲内で、前記基板と前記光学系とを相対的に平行
移動させることを特徴とする基板検査装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の基板検
査装置において、前記回転手段および前記平行移動手段を制御し、前記被
検査面に設けられた複数のパターン層の重ね合わせ状態
を示すマークを前記光学系の視野内に位置決めする位置
決め手段と、前記光学系によって形成される前記マークの像を画像と
して取り込み、該画像に基づいて前記重ね合わせ状態を
検出する検出手段とを備えたことを特徴とする基板検査
装置。
【請求項４】基板の被検査面の中心を通って前記被検
査面に垂直な軸を回転軸として、前記基板を９０度間隔
で回転させるステップと、前記基板の回転が停止中に、前記被検査面における一部
領域の像を形成する光学系と前記基板とを前記被検査面
に沿って相対的に平行移動させるステップとを備えたこ
とを特徴とする基板検査方法。