JP2003177102A

JP2003177102A - パターン欠陥検査方法およびその装置

Info

Publication number: JP2003177102A
Application number: JP2002267554A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yoshida; 実吉田; Shunji Maeda; 俊二前田; Atsushi Shimoda; 篤下田; Kaoru Sakai; 薫酒井; Takashi Okabe; 隆史岡部; Masahiro Watanabe; 正浩渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2003-06-27

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は，微細な回路パターンを高い分解能で
検出し，欠陥を検出する方法及び装置を提供することに
ある。【解決手段】試料の像を検出する対物レンズと，その瞳
に対して照明を行うレーザ照明手段と，レーザ照明の可
干渉性を低減する手段と，蓄積型の検出器と，その検出
信号を処理する手段とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は被検査パターンの欠
陥（ショートや断線など）や異物を検出するパターン検
査，異物検査に係り，特に半導体ウェハや液晶ディスプ
レイ，フォトマスクなどの被検査パターンにおける欠陥
・異物を検査する被検査パターンの欠陥検査方法及びそ
の装置に関する。以下，欠陥は異物を含むものとする。

【０００２】

【従来の技術】従来，この種の検査装置は特許文献１に
記載のように，被検査パターンを移動させつつ，ライン
センサ等の撮像素子により被検査パターンの画像を検出
し，検出した画像信号と定めた時間遅らせた面俊信号の
濃淡を比較することにより.不一致を欠陥として認識す
るものであった。

【０００３】また，被検査パターンの欠陥検査に関する
従来技術としては，特許文献２が知られている。この従
来技術2には，メモリマット部などのパターン密度が高
い領域と周辺回路などのパターン密度が低い領域とがチ
ップ内に混在する半導体ウェハなどの被検査パターンに
おいて，検出した画像上での明るさの頻度分布より被検
査パターンの高密度領域と低密度領域との間での明るさ
或いはコントラストが定めた関係となるべく，前記検出
された画像信号をA/D変換して得られるディジタル画像
信号に対して階調変換し，この階調変換された画像信号
と比較する階調変化された画像信号とを位置合わせした
状態で比較を行って，微細欠陥を高精度に検査する技術
が記載されている。

【０００４】また、フォトマスクのパターンを検査する
従来技術としては、特許文献３において知られている。
この従来技術３には、光源にエキシマレーザのようなＵ
Ｖレーザ光を用い、光路上に挿入した拡散板を回転させ
て可干渉性を低減させたＵＶ光をマスクに均一に照明
し、得られるマスクの画像データから特徴量を計算し
て、フォトマスクの良否を判定することが記載されてい
る。また、エキシマレーザを用いた投影露光装置は、特
許文献４や特許文献５などにおいて知られている。

【０００５】

【特許文献１】特開平７-３１８３２６号公報

【特許文献２】特開平８-３２０２９４号公報

【特許文献３】特開平１０−７８６６８号公報

【特許文献４】特開昭５９−２２６３１７号公報

【特許文献５】特開昭６２−２３１９２４号公報

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年のLSI製造におい
ては，ウェハ上に形成された回路パターンは，高集積化
のニーズに対応して微細化してそのパターン幅が０．２
５μｍからそれ以下になってきており，結像光学系の解
像限界に達している。このため結像光学系の高ＮＡ化や
光超解像技術の適用が進められている。

【０００７】しかしながら，高NA化は，物理的に限界に
達している。従って，検出に用いる波長をＵＶ(Ultravi
olet，波長：300〜380nm)光やDUV(Deep Ultraviolet,波
長：190〜300)光あるいはVUV(Vacuum Ultraviolet,波
長：100〜190nm)，EUV(ExtremeUltraviolet,波長：数十
0nm)の領域へ短波長化していくのが本質的なアプローチ
である。

【０００８】また，高速に検査を行う必要があるため，
細く絞ったレーザビームを試料上で走査する方法は用い
ることはできない。逆にレーザビームを視野一杯に広げ
て照明を行うと，スペックルが発生し，また回路パター
ンのエッジ部分にリンギングと呼ばれるオーバーシュー
ト，アンダーシュートが発生するため，良質の画像を得
ることができない。

【０００９】本発明の目的は，上記課題を解決し，微細
な回路パターンを高い分解能で高速に検出し，欠陥を検
出するパターン欠陥検査方法及びその装置を提供するこ
とにある。また、本発明の他の目的は、上記パターン欠
陥検査方法及びその装置を用いて、超微細な半導体デバ
イスを製造することができるようにした半導体デバイス
の製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光源にＵＶ光源またはＵＶレーザ光源
を用い、光路中にＵＶ光またはＵＶレーザ光のスペック
ルの発生を抑制する手段を設け、可干渉性を低減させた
ＵＶ光を対象物表面に照射して、対象物の像を検出する
ようにした。ここで、ＵＶ光は、ＤＵＶ光も含むものと
する。このＵＶ光のスペックルの発生を抑制する手段と
して、本発明では拡散板を配置し、光軸とほぼ垂直な向
きに、光束と相対的な運動をさせる手段を設けるように
した。また、パターンコントラストを向上させるため、
レーザの偏光状態が自在に制御できることに着目し、照
明光の偏光の向き、楕円率を制御し、検出光の一部偏光
成分を検出することを可能とした。

【００１１】即ち、本発明では、上記目的を達成するた
めに、パターン欠陥検査装置を、ＵＶ光、レーザ光若し
くはＵＶレーザ光等を出射する光源と、この光源から出
射したＵＶ光、レーザ光若しくはＵＶレーザ光の光量を
調整する光量調整手段と、この光量調整手段から出射し
たＵＶ光、レーザ光若しくはＵＶレーザ光の照明範囲を
形成する照明範囲形成手段と、この照明範囲形成手段か
ら出射したＵＶ光、レーザ光若しくはＵＶレーザ光を可
干渉性を低減して試料上に照射する照射手段と、この照
射手段によりレーザを照射された試料を撮像して画像信
号を検出する画像検出手段と、この画像検出手段で検出
した試料の画像信号に関する情報に基いて試料に形成さ
れたパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段とを備えて
構成した。

【００１２】また、本発明は、ＵＶ光を出射する光源
と、この光源から出射したＵＶ光の光量を調整する光量
調整手段と、この光量調整手段から出射したＵＶ光の照
明範囲を形成する照明範囲形成手段と、この照明範囲形
成手段から出射したＵＶ光の可干渉性を低減して対物レ
ンズを介して試料上に照射する照射手段と、該照射手段
により可干渉性が低減されて照射された試料を前記対物
レンズを介して撮像して画像信号を検出する画像検出手
段と、該画像検出手段で検出された検出画像信号に関す
る情報に基いて試料に形成されたパターンの欠陥を検出
する欠陥検出手段とを備えたことを特徴とするパターン
欠陥検査装置である。

【００１３】また、本発明では、上記目的を達成するた
めに、パターン欠陥検査方法を、ＵＶ光若しくはＵＶレ
ーザ光をパターンが形成された試料上に照射し、このＵ
Ｖ光若しくはＵＶレーザ光が照射された試料を撮像し、
この撮像して得た試料の画像信号を予め記憶した参照画
像と比較してパターンの欠陥を検出するようにした。

【００１４】また,本発明では、上記パターン欠陥検査
方法において、ＵＶ光若しくはＵＶレーザ光を対物レン
ズの瞳上に集光して走査することによって、可干渉性を
低減してスペックルの発生を抑制するようにした。

【００１５】また、本発明では、パターン欠陥検査方法
を、レーザ光源から出射されたレーザ光の可干渉性を低
減させ、この可干渉性を低減させたレーザ光をパターン
が形成された試料の表面に対物レンズを介して照射方向
を時間的に変化させながら照射し、このレーザ光が照射
された試料を撮像し、この撮像して得た試料の検出画像
信号と予め記憶した参照画像信号とを比較してパターン
の欠陥を検出するようにした。

【００１６】また、本発明では、試料上に形成されたパ
ターンの欠陥を検査する方法において、試料の表面に可
干渉性を低減させたＵＶレーザ光を照射し,このＵＶレ
ーザ光が照射された試料の表面を撮像して画像信号を
得,この画像信号を処理することにより試料上の１００
ｎｍ以下の欠陥を検出し、この検出した１００ｎｍ以下
の欠陥の試料上の位置に関する情報を出力するようにし
た。

【００１７】もちろん，ＵＶ光源またはＵＶレーザ光源
の他にもDUV光源あるいはVUV光源，EUV光源である波長
４００〜５０ｎｍの光源を用いることも可能である。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明に係わる被検査パターンの
欠陥検査方法及びその装置の実施例を、図面を用いて説
明する。図１は、本発明に係わる装置の一実施例を示す
図である。

【００１９】ステージ２は、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ（回転）ス
テージから構成され、被検査パターンの一例である半導
体ウエハ（試料）１を載置するものである。ＸＹθの駆
動は，駆動回路１００により行われる。また，Ｚの駆動
は駆動回路１０１により行われる。照明光源３は、例え
ば波長２６６ｎｍや波長３５５ｎｍのＵＶレーザ光源か
ら構成され、試料１を照明する光源である。ＵＶレーザ
光源としては、固体のＹＡＧレーザを非線形光学結晶等
で波長変換して基本波の第３高調波（３５５ｎｍ）や、
第４高調波（２６６ｎｍ）を発生する装置で構成され
る。また、波長１９３ｎｍ、あるいは波長２４８ｎｍな
どのレーザ光源を使用してもかまわない。さらに、レー
ザ光源として存在するならば，１９３nm以下の波長帯域
でのレーザを使用すれば解像度が益々向上することにな
る。レーザの発振形態は、連続発振でも、パルス発振で
も構わないが、ステージを連続走行させて試料１からの
画像を検出する関係で、連続発振が好ましい。

【００２０】照明光源３からの光束Ｌ１は、光軸を所望
の位置に取り回すミラー４，ミラー５を反射し、光量を
制限するＮＤフィルタ１０を透過することにより、検査
に必要な光量を制限する。ミラー４およびミラー５は照
明光源３の光束を図示しない方法により駆動回路８によ
り上下左右方向に調整可能である。

【００２１】ＮＤフィルタ１０とミラー５の間にパーシ
ャルミラー６を挿入する。このパーシャルミラー６は反
射率を数％としたもので，ほとんどの光量は透過させ
る。パーシャルミラー６の反射光は，分割センサ７に投
影される。本実施例では４分割センサとし，各センサの
光量バランスを図示しない方法により測定し，そのずれ
量を駆動回路８に入力する。例えば，照明光の光軸が中
心であるとき，分割センサ７の光量バランスが均一にな
るように設定する。その場合は，ミラー４，５は動作さ
せない。何らかの原因により，照明光源３の光軸が変動
した場合，分割センサ７の光量バランスが変化すること
になる。この分割センサ７の光量変動は位置変動となる
ため，ミラー４，５を動作させ，分割センサ７の光量バ
ランスが取れるように駆動回路８でフィードバックを行
う。また，分割センサ７の総出力は照明光源３の出力を
測定していることから，照明光源３の出力低下のモニタ
としても活用できる。この出力を駆動回路８で演算し，
照明光源３のコントローラ９により出力が一定となるよ
うに制御を行う。

【００２２】照明光源３から出射する光束は，一般にφ
1mm程度であり，照明光源としては小さすぎるため，ビ
ームエキスパンダ１１により光束を拡大する。照明光路
切り替え光学系１２は、試料１上の照明範囲を設定する
ものである。開口絞り１３は、対物レンズ１４の瞳１４
ａと共役の位置に設置し、瞳１４ａに入射するＮＡを制
限するものである。

【００２３】拡大された光束は，可干渉性低減光学系１
５に光束を導く。可干渉性低減光学系１５は、照明光源
３から出射されるレーザ光の可干渉性を低減するもので
ある。この可干渉性低減光学系１５は、時間的あるいは
空間的コヒーレンスを低減するものであれば良い。

【００２４】可干渉性低減光学系１５からの光束は、ビ
ームスプリッタ１６により対物レンズ１４に導かれる。
このビームスプリッタ１６は、場合により偏光ビームス
プリッタで構成され、照明光源３からの照明光を反射さ
せて対物レンズ１４を通して試料１に対して例えば明視
野照明を施すように構成している。ビームスプリッタ１
６を偏光ビームスプリッタで構成すると、レーザ光の偏
光方向が反射面と平行な場合は反射し、垂直な場合は透
過する作用をもつ。従って、レーザ光は、元々偏光レー
ザ光であるため、偏光ビームスプリッタ１６によってこ
のレーザ光を全反射させることが可能となる。偏光素子
群１７は、レーザ照明光及び反射光の偏光方向を制御し
て、パターンの形状、密度差により、反射光が明るさむ
らとなって到達しないように、照明光の偏光比率を任意
に調整する機能を有するもので、例えば、１／２波長板
と１／４波長板で構成される。

【００２５】試料１からの反射光は，対物レンズ１４を
再度透過し，偏光素子群１７，ビームスプリッタ１６に
より試料１からの反射光のみ導かれる。

【００２６】反射光は、結像レンズ１８及び結像レンズ
１９により、イメージセンサ２０に結像される。絞り２
１は，対物レンズ１４の瞳１４ａと共役な位置に設置さ
れる。絞り２１は駆動回路２２により図示しない方法に
より光束を絞ることが可能である。最大の絞りの大きさ
は，対物レンズ１４の瞳１４ａが総て透過する大きさで
ある。これを必要に応じて可変する。

【００２７】移動ミラー２３はビームスプリッタ１６と
レンズ１８の間に挿入可能である。移動ミラー２３を挿
入した場合，レンズ２４によりカメラ２５に試料１の像
が結像可能である。

【００２８】移動ミラー２６は絞り２１と結像レンズ１
８の間に挿入可能である。移動ミラー２６を挿入した場
合，結像レンズ１８によりカメラ２７に試料１の像が結
像可能である。

【００２９】カメラ２５での像は広い視野での検出，す
なわち低倍により試料１の全体を見渡せるように，カメ
ラ２７での像は狭い視野での検出，すなわち高倍により
試料１を解像度で観察するときに用いられる。

【００３０】イメージセンサ２０は、結像レンズ１８，
１９の組合せにより，試料上換算で、０．０５μｍ〜
０．３μｍ程度の画素寸法を有し、被検査パターンの一
例である試料（例えば半導体ウエハ）１からの反射光の
明るさ（濃淡）に応じた濃淡画像信号を出力するもので
ある。この濃淡信号は，信号画像処理回路５０に送り込
まれ，画像処理を行い，欠陥の検出を行う。

【００３１】対物レンズ１４の焦点深度は，波長が短く
なるに従って狭くなる。そのため，常に試料１の表面を
対物レンズ１４の焦点位置に合せる必要がある。対物レ
ンズ１４の解像性能は，各種収差が影響する。そのた
め，対物レンズ１４は構成する材料，レンズ表面のコー
ティングを使用する波長に最適化することで性能を満足
することが出来る。そのため，対物レンズ１を用いて焦
点合わせを行うことが装置の構成上困難となってきてい
る。そのため，対物レンズ１を使用しないで，オフライ
ンで焦点を合せる方式が有利である。本実施例において
は，対物レンズ１４のわきに焦点検出系２９を設置す
る。図示しない方法により，対物レンズ１４の周囲から
試料１の高さを検出し，その結果をフィードバック回路
３０により駆動回路１０１により試料１を焦点方向に移
動する。対物レンズ１４の焦点位置と焦点検出系２９の
設定位置は前もって合わせておく。

【００３２】なお、これらの光学系は、図示しない光学
架台上に展開し、照明光源および照明光学系、検出光学
系及びセンサを一体化して構成する。その光学架台は、
図示しない方法でステージ２を展開した例えば定盤の上
部に設置される。そのため、温度変化、振動等による外
乱に対し、安定した検出が可能となる。

【００３３】図２に信号処理回路５０を示す。信号処理
回路５０は，Ａ／Ｄ変換器２００、階調変換部２０１、
画像フィルタ２１５、遅延メモリ２０２、位置合わせ部
２０３、局所階調変換部２０４、比較部２０５、ＣＰＵ
２１２、画像入力部２０６、散布図作成部２０７、記憶
手段２０８、表示手段２０９、出力手段２１０、および
入力手段２１１等で構成される。Ａ／Ｄ変換器２００
は、イメージセンサ２０から得られる濃淡画像信号３１
をディジタル画像信号に変換して試料の画像信号を出力
するものである。例えば１０ビットのものが使われる。
階調変換器２０１は、Ａ／Ｄ変換器２００から出力され
る１０ビットディジタル画像信号に対して特開平８−３
２０２９４号公報に記載されたような階調変換を施すも
のである。即ち、階調変換器２０１は、対数変換や指数
変換、多項式変換等を施し、画像を補正するものであ
り、例えば８ビットディジタル信号で出力するように構
成される。画像フィルタ２１５は、階調変換され補正さ
れた画像から、ＵＶ光で検出された画像の特徴的なノイ
ズを効率良く除去するフィルタである。遅延メモリ２０
２は、参照画像信号を記憶する記憶部であり、画像フィ
ルタ２１５からの出力画像信号を、繰り返される半導体
ウエハを構成する１セル又は複数セルピッチまたは１チ
ップまたは複数チップ分記憶して遅延させるものであ
る。ここで、セルはチップ内のパターンの繰返し単位で
ある。なお、画像フィルタ２１５は遅延メモリ２０２を
通過した後でもよい。

【００３４】位置合わせ部２０３は、階調変換器２０１
から出力される階調変換が施された画像信号（試料から
得られる検出画像信号）２１３と遅延メモリ２０２から
得られる遅延画像信号（基準となる参照画像信号）２１
４との位置ずれ量を正規化相関によって検出して画素単
位に位置合わせを行なう部分である。

【００３５】局所階調変換部２０４は、特徴量（明る
さ、微分値、標準偏差、テクスチャ等）の異なる信号
を、該特徴量が一致するように双方若しくは一方の画像
信号について階調変換する部分である。

【００３６】比較部２０５は、局所階調変換部２０４で
階調変換された検出画像信号同士を比較して特徴量の相
違に基いて欠陥を検出する部分である。即ち、比較部２
０５は、遅延メモリ２０２から出力されるセルピッチ等
に相当する量だけ遅延した参照画像信号と検出した検出
画像信号を比較する。半導体ウエハ１上における配列デ
ータ等の座標を、キーボード、ディスク等から構成され
た入力手段２１１で入力しておくことにより、ＣＰＵ２
１２は、半導体ウエハ１上における配列データ等の座標
に基づいて、欠陥検査データを作成して記憶手段２０８
に格納する。この欠陥検査データは、必要に応じてディ
スプレイ等の表示手段２０９に表示することもでき、ま
た出力手段２１０に出力することもできる。

【００３７】なお、比較処理部２０５の詳細は、特開昭
６１−２１２７０８号公報に示したもの等でよく、例え
ば画像の位置合わせ回路や、位置合わせされた画像の差
画像検出回路、差画像を２値化する不一致検出回路、２
値化された出力より面積や長さ（投影長）、座標などを
算出する特徴抽出回路からなる。画像入力部２０６は、
位置合わせ部２０３で画素単位で位置合わせされた両画
像の散布図を作成するために、同期或いは非同期で入力
する部分である。散布図作成部２０７は、画像入力部２
０６で入力された両画像について、カテゴリ別の検出画
像の特徴量と参照画像の特徴量との間の散布図を作成
し、例えば表示手段２０９に表示するものである。

【００３８】画像フィルタ２１５の一例を説明する。図
３は処理の流れを示している。まず、入力された画像２
８０，２８０’に対し、必要に応じてノイズの除去２８
１を行い画質の改善を行い、Ｓ／Ｎを向上させる。ノイ
ズ除去には各種フィルタが用意され、対象物やノイズの
質に応じて選択可能となっている。その例を挙げると、
近傍の値を、重みをつけて用いる方法である。実際には
着目画素に対してｎ×ｍの近傍の値にフィルタ係数をか
けて加算するものである。図４ではｍ＝ｎ＝３とし、各
近傍画素値の重みが１／８の場合である。着目画素の値
は（数１）となる。

【００３９】

【数１】Ｆ（ｉ，ｊ）＝Ｂ・1/8＋Ｄ・1/8＋Ｆ・1/8＋Ｈ・1/8＋Ｅ・1/2 （数１）フィルタのサイズ、係数はルックアップテーブルを用い
てフレキシブルに変えることができる。もう１つの例と
してメディアン・フィルタがある。これは設定した近傍
内の輝度値の中央値をとるものであり、特異点の影響を
除去することができる。また、別の例はガウス関数を用
いる。これは、まず画像ｆ（ｘ、ｙ）に対して平均０、
分散σ²の２次元ガウス関数（数２）を（数３）により
たたみ込むことによって画像の平滑化を行う。

【００４０】

【数２】Ｇ（ｘ、ｙ）＝（1/2πσ²）・exp（−（ｘ²＋ｙ²）/2σ²）（数２）

【００４１】

【数３】

【００４２】また、別の例では、フーリエ変換を利用し
規則的に生じるノイズを除去することも可能である。

【００４３】次にノイズの除去により劣化した画像を復
元２８２する。その１つの例としてウィーナ・フィルタ
により復元を行う。これは入力後の画像ｆ（ｘ、ｙ）と
復元後の画像ｆ'（ｘ、ｙ）との平均２乗誤差が最小と
なるような画像を与えるものである。

【００４４】更に、比較する検出画像と参照画像間で見
え方に大きな違いがないかを調べる。評価指標は、コン
トラスト、明るさのばらつき（標準偏差）、ノイズ成分
の周波数などがある。画像間でこれらの特徴に大きな差
があればまずは、これらの特徴量が近くなるような画像
の特徴量演算２８３を行う。これは上記のウィーナ・フ
ィルタを検出画像と参照画像間で用いてもよい。特徴量
の比較２８４を行い，画像の合わせ込み２８５を行った
後，感度低下の判定２８６を行う。また、検出処理にお
いて、特徴量の合わせ込みができないレベルにあるとき
は、比較部にて感度を低下させ虚報の発生を押さえるよ
うにする。

【００４５】なお、画像処理部２４での詳細な欠陥算出
方法については、特開２００１−１９４３２３号公報に
示したもの等で実現可能である。

【００４６】次に、照明光源３について説明する。高解
像化のためには短波長化を行うことが必要であるが、そ
の効果が最も得られるＵＶの波長領域において高照度の
照明を得る手段としてレーザを光源とするのが適してい
ると考えられる。以上のように、レーザ光を光源とする
ことには大きなメリットが存在する。本発明では、レー
ザ光による照明を行う方法を示す。図５に照明光源の構
成を示す。(a)は平面図，(b)は側面図である。照明光源
３は、プレート１０２上に固定する。プレート１０１
は、光学ベース１００に位置合せされて固定する。位置
合せは、例えば、光学ベース１００に固定したピン１０
３をガイドにして固定する。ピン１０３は、光学系の光
軸に対して調整されているものとする。プレート１０２
はプレート１０１に固定する。照明光源３は、レーザ発
振器の寿命により、交換することが発生する。照明光源
３を乗せ換え時に光学系の光軸調整を行うと、装置の停
止時間が長くなる可能性がある。そのため、照明光源３
は乗せ換え前に光軸調整を行い、最低限の光軸調整で所
望の性能が出るようにする。

【００４７】図６に光軸調整治具の一例を示す。(a)は
平面図，(b)は側面図である。光軸調整ベース１０４
は、ピン１０３を光学ベース１００と同様な配置で固定
される。ターゲット１０５とターゲット１０６は高さ方
向には同一であり、ピン１０３の位置とは平行な関係で
固定され、レーザ光が透過するピンホール１０７を空け
ておく。ターゲット１０５とターゲット１０６の距離は
レーザ光源３を調整するに十分な距離がある。この構成
において、プレート１０１を光軸調整ベース１０４に固
定する。照明光源３を予めプレート１０２に仮固定して
おく。プレート１０２をプレート１０１上に設置し、レ
ーザを出射させる。光束Ｌをターゲット１０５，１０６
のピンホール１０７を通過させるように、左右方向をプ
レート１０２で調整し、あおり方向をレーザ光源で調整
する。調整後、プレート１０２と照明光源３を固定し、
さらにプレート１０２をプレート１０１に固定する。こ
のようにしてピン１０３を基準にして照明光源３の光束
が調整されたことになる。その後、光学ベース１００上
にプレート１０１に固定された照明光源３を乗せ変える
ことで、光軸が一致することになる。

【００４８】次に、光量を制限するＮＤフィルタについ
て説明する。照明光源３からは、最大出力で照射され
る。そのため、イメージセンサ２０に到達する光量を制
限する必要がある。ＮＤフィルタ７を光路中に挿入す
る。図７にＮＤフィルタ７の設置状態を示す。（ａ）は
配置図，（ｂ）は特性図である。図７（ｂ）に示す用に
透過率が角度によって変化する。ＮＤフィルタ７は、図
示しない方法で回転可能であり、所定の角度で固定が可
能である。また、光軸に足して角度αだけ傾ける。角度
αは、ＮＤフィルタ７から反射した光束Ｒが照明光源３
のレーザ出射口に直接戻らない角度に設定すれば良い。
すなわち、ＮＤフィルタ７の反射光により、照明光源３
の共振器内で干渉し、レーザ出力が不安定になるのを防
止するためである。

【００４９】次に、開口絞り系について説明する。図８
に、本発明における開口絞り９の一例を示す。開口絞り
９の位置は、対物レンズ１４の瞳位置１４ａと共役な位
置である。開口絞り９は，瞳１４ａの径を最大ｄとし，
透過する径d1を対象となる試料１の表面形状によって可
変することが可能である。また、開口絞り９を輪帯形状
にする事も可能である。図８（ｂ）に輪帯照明を実現す
るときの形状を示す。瞳１４ａの径を最大ｄとし，中側
の遮光する径d2とし，外側の透過する遮光する径d3とす
る。径d2と径d3の透過する輪帯で照明されることにな
る。この径は，各種用意し、図示しない方法で変更すれ
ば、さらに解像度の高い検出が実現可能である。

【００５０】次に照明について説明する。

【００５１】図９には、通常の白色光で照明した場合の
対物レンズ瞳と視野の照明状況を示した。図中（ａ）は
瞳３２を、（ｂ）は視野３３を示す。瞳３２の位置では
光源の像３４が結像し、視野３３の位置では視野全体３
５がほぼ均一に照明される。

【００５２】次に、図１０には、レーザ光源で照明した
場合を示す。この場合、（ａ）に示す瞳３２の位置での
光源像３６は点になる。（ｂ）に示す視野３３上で３７
に示す如く照明された回路パターンは、たとえば同図
（ｃ）のような断面のパターン３８の場合、（ｄ）のよ
うな検出波形３９を持った像となる。このように回路パ
ターンをレーザ光で照明して回路パターンの画像を取得
する場合、エッジ部分にオーバーシュート、アンダーシ
ュートが発生したり、スペックル４０が発生する。その
原因は照明のσが小さいためである。このことは、対物
レンズ１４下の視野３３に対して照明を様々な角度から
行っていないともいうことができる。通常の白色光の照
明では、瞳３２上にある大きさを持った照明を行い、視
野３３に対して対物レンズ１４のＮＡ（開口数）に匹敵
する角度範囲を持った方向から照明を行っている。

【００５３】レーザ光のごとき可干渉（コヒーレンスを
有する）な光では、σ（瞳上での光源の大きさに比例す
る）は０となる。これは、可干渉な光は、その光源像が
点であるため、瞳上での像が点になってしまうためであ
る。もちろん、図１１（ａ）のごとく、別なレンズ系に
より広げた光束４１を瞳３２上に投影することはできる
が、レーザ光にコヒーレンスがあるため、σ＝０の位置
からすべての光がでているのと同じ結果（図１０（d）
に示す３９）を得てしまい、問題の解決とはならない。
従って、レーザ光のコヒーレンスを低減する手段が必要
となる。コヒーレンスを低減するには、時間コヒーレン
スか空間コヒーレンスかのいずれかを低減させればよ
い。

【００５４】次にコヒーレンシ低減の一実施例を示す。
瞳３２に光源の像を結像し、たとえば最初に図１２
（ａ）中の４２の位置を照明し、次に４２'の位置を、
次に４２''の位置を……というように走査し、図１２
（ｂ）に示す視野３３上を照明４３とすることを提案す
る。また、図１２（ｃ）に示すように、瞳３２上で渦巻
き状に走査４４してもよい。また、図１２（ｄ）に示す
ように、瞳３２上で２次元に走査４５してもよい。この
間、各位置でスペックルとオーバーシュート、アンダー
シュートの像が得られるが、得られた時刻がそれぞれ異
なるために互いに干渉性はない。従って、それらをイメ
ージセンサ２０上で加算すると、インコヒーレントな光
源によるものと同じ像を得ることになる。

【００５５】イメージセンサ２０上で加算するために
は、イメージセンサ２０は、試料上（視野上）換算で、
０．０５〜０．３μｍ程度の画素寸法を有し、ＣＣＤの
ように蓄積型の検出器（具体的にはＴＤＩセンサ）が適
している。イメージセンサ２０は、ＣＣＤセンサの中で
も時間遅延積分形、即ちＴＤＩ（ＴｉｍｅＤｅｌａｙ
＆Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）式のセンサを用いることで
構成する。ＴＤＩセンサの場合、短手方向には、視野上
でＮ段（数十〜１０００段程度）のステージと呼ばれる
受光部が並び、長手方向にはそのステージが複数個なら
んで一元センサを形成する。なお，この駆動周波数は自
由に制御することが可能とする。

【００５６】光源の像を走査してコヒーレンシを低減す
る一実施例を示す。図１３は，走査する手段に共振型の
ガルバノミラーを使用した例である。照明光源３からの
光束をレンズ６００により対物レンズ１４の瞳１４ａと
共役な位置６０６を作成する。反射光をレンズ６０１と
レンズ６０２により次の共役位置６０６'を作成する。
この反射光をレンズ６０３により，対物レンズ１４の瞳
１４aに結像する。この共役位置６０６に上下方向に揺
動可能なガルバノミラーａ６０５を，共役位置６０６'
に左右方向に揺動可能なガルバノミラーb６０５'を設置
する。なお，レンズ６０２とレンズ６０３の間には試料
１と共役位置６５０が作成される。

【００５７】次に，共振型のガルバノミラーの一実施例
を図１４に示す。ガルバノミラー６０５，６０５'は，
固定となる部分と揺動する部分を一体整形して作成され
る。すなわち，固定側６０８と６０９から張り出したバ
ー６１０，６１０'によって揺動可能な面６０７を有す
る。面６０７は，コイル６１１を形成されている。コイ
ル６１１の両端は，磁石６１２，６１３である。コイル
に電流６１４を流すことにより，磁石６１２，６１３と
反発し，面６０７が揺動する構造となっている。なお，
面６０７の裏側はレーザ光を全反射するコーティングを
施し，ミラーの役目を果たしている。

【００５８】一定の電流を流すと，面６０７は一定の周
波数で揺動することが確認されている。図１５に周波数
特性を示す。共振周波数を横軸に，揺動角度を縦軸に示
す。ピークを持つ周波数は，１０００Ｈｚから５０００
Ｈｚで任意の周波数とする。この周波数を制御するため
には，前述したバー６１０，６１０'の幅を変えること
により実現可能である。もちろん，１０００Ｈｚ以下の
周波数も可能である。所定の周波数で揺動角度が最大と
なるような特性で製作する。図１６に電流値と揺動角度
の関係を示す。電流を横軸に，揺動角度を縦軸に示す。
流す電流に応じて，揺動角度も制限可能である。図１３
のように配置したガルバノミラーでは，光束を上下左右
に動作するため，同じ共振周波数のガルバノミラーを配
置することが望ましい。

【００５９】なお，ガルバノミラーの共振周波数は，イ
メージセンサ２０の蓄積時間に同期させることが望まし
い。イメージセンサ２０は，駆動周波数と短手方向のス
テージ段数の積の時間で画像を取得する。例えば，駆動
周波数が３００ＫＨｚとし，ステージ段数が５００段と
した場合，６００Ｈｚで画像を取得することになる。揺
動する共振型のガルバノミラーの周波数が６００Hzとな
るように特性を設定すれば，蓄積時間で，一回転の揺動
が実現可能である。または，共振型のガルバノミラーが
製作時のばらつきなどにより，周波数が例えば６１１Ｈ
ｚ等のように理想的な周波数と異なった場合は，イメー
ジセンサの駆動周波数を３０５．５ＫＨｚのように変更
すれば，蓄積時間で，一回転の揺動が実現可能である。
すなわち，イメージセンサでの画像取得時間と共振型の
ガルバノミラーの周波数をどちらかで合わすことによっ
て，理想的な揺動と画像取得が可能となる。

【００６０】次に、コヒーレンシを低減する第二の実施
例を示す。本実施例では、レーザ光路中に拡散板を設置
し，入射する角度を時間的にずらす方式でコヒーレンシ
低減を実現している。

【００６１】図１７にコヒーレンシ低減光学系１２の構
成を示す。照明光源３からの光束をレンズ６００により
対物レンズ１４の瞳１４ａと共役な位置６０６を作成す
る。反射光をレンズ６０１とレンズ６０２により次の共
役位置６０６'を作成する。この反射光をレンズ６０３
により，対物レンズ１４の瞳１４aに結像する。この共
役位置６０６にミラー７００，７０１を設置する。な
お，レンズ６０２とレンズ６０３の間には試料１と共役
位置６５０が作成される。この共役位置付近にモータ７
０３により回転可能な拡散板７０２を設置する。

【００６２】拡散板７０２の形状を図１８に示す。
（ａ）は正面図であり、（ｂ）は拡散面の詳細図であ
る。（ｃ）は、（ａ）の断面Ｘ−Ｘを示したものであ
る。拡散板７０２は、表面から観察すると、粒径が０．
１ｍｍ程度の大きさで、多角形の形状あるいは円形であ
るランダムな大きさの粒状７０４をランダムに配置して
形成することが望ましい。また、断面も粒径に応じ、凹
凸の量もランダムな形状をしていることが望ましい。

【００６３】なお，拡散板７０２の回転数であるが，理
想的には，イメージセンサ２０の蓄積時間内に１回転さ
せることが望ましい。しかしながら，イメージセンサ２
０の蓄積時間は数百Hzオーダとなるため，実現できない
回転数となる。そのため，実験的にこの拡散板の回転数
とイメージセンサのノイズの関係を求めた。図１９に拡
散板の回転数とイメージセンサでのノイズの関係を示
す。拡散板の回転数を横軸に，イメージセンサのノイズ
を縦軸に示す。ノイズは，試料をパターンなどが描画さ
れていない平坦な面とし，その反射光をイメージセンサ
で取得し，イメージセンサの明るさの変動をノイズとし
た。イメージセンサの蓄積時間と拡散板の回転数が一致
した位置が最もノイズが小さい。これは，拡散板７０２
の粒径７０４がイメージセンサ２０の蓄積時間内で１回
転するため，平均化されるためである。なお，この変化
は，２次関数的に変化し，画像処理において性能に影響
しないノイズレベルにおいては，かならずしもイメージ
センサの蓄積時間と拡散板の回転数を一致させる必要が
ないことが判る。この回転数は，１２,０００回転程度
である。そのため，拡散板７０２を公知の手段で回転さ
せるだけでも効果を得ることが出来る。

【００６４】さらに、拡散板７０２を位相板に変更して
も同様な効果が得られる。図２０に位相板７５０の形状
を示す。（ａ）は正面図、（ｂ）は詳細を示した図、
（ｃ）は、（ａ）の断面Ｘ−Ｘを示した図である。位相
板７５０の厚さを例えば、位相λ７５１，位相差１／２
λを７５２、１／４λを７５３、及び３／４λを７５４
のように，位相をランダムにずらし，これをランダムに
配置する。この位相板７５０を、拡散板７０２の変わり
にモータ７０３に固定し、回転させることで、レーザ光
の位相を格段の深さに応じて変化させることができるた
め、レーザの干渉性を低減することが可能である。な
お，拡散板の回転と共振ガルバノミラーを同一光路に設
置しても同様の効果があることは当然である。

【００６５】次に、照明範囲について説明する。図２１
に照明の概念図を示す。通常，顕微鏡などにおいての照
明は，試料面上で円形の照明３００である。本発明に示
すような一次元のイメージセンサを用いる場合，試料上
では長方形の範囲３０１のみ検出に寄与することにな
り，それ以外は無駄な領域となってしまう。そこで，イ
メージセンサでの検出で照度を向上させるためには、図
２２に示すようにイメージセンサの検出範囲３０１に対
して領域３０２のように矩形状の照明を行うと良い。し
かし，観察用としてはＴＶカメラを使用しているため，
長方形の照明範囲が必要となり，上述した矩形の照明で
は，上下方向に照明されない状態が発生する。

【００６６】照明光路切替え系８について説明する。図
２３に照明光路切替え系８の構成を示す。光軸６０は照
明光源３からの照明光である。その光路中にホモジナイ
ザ３０３を挿入する。ミラー６３，６４，６５，６６と
レンズ６７は、ベース６２に固定される。ベース６２は
図示しない方法により、光路６０側に移動可能である。
図２３（ａ）は，検査時の状態である。ホモジナイザ３
０３での照明を実現できる。図２３（ｂ）にＴＶカメラ
で観察時の状態を示す。ベース６２を光軸６０内に挿入
する。光軸６０は，ミラー６３，６４，６５，６６とレ
ンズ６７を返して照明されるため，通常の円形照明を実
現出来る。

【００６７】次に，矩形照明を実現するホモジナイザに
ついて説明する。図２４ホモジナイザ３０３の形状を示
す。ホモジナイザ３０３は，レンズアレイ３０４を複数
配置したものである。この焦点位置レンズアレイ３０４
の焦点位置は，光路中のレンズ群を透過して，対物レン
ズ１４の瞳１４ａに結像するように配置する。レンズア
レイ３０４は，長方形な形状とする。矩形照明の長手方
向は，レンズアレイ３０４の長手方向となるようにす
る。これを複数個配置することで所定の矩形照明となる
ようにする。

【００６８】次に、光路切り替え機構の構成を示す。図
２５に光路切り替え機構を示す。光路切り替え機構は、
イメージセンサ２０とＴＶカメラ２７の光路を切り替え
るものである。ミラー２６は、図示しない方法によって
光路内に挿入可能である。ＴＶカメラ２７は、ミラー２
６が光路内に挿入された状態で、イメージセンサ２０の
結像位置と共役な位置に固定する。検査時においては、
ミラー２５は待避しており、検査結果を観察する際にミ
ラー２６を図示しない方法によって光路内に移動させ、
ＴＶカメラ２７により試料１を観察が可能である。な
お、ＴＶカメラ２７は、光軸に対し傾けた状態で取り付
けるものとする。

【００６９】ＴＶカメラ２７は，一般的にカバーガラス
をセンサ前に設置し、センサを保護している。このガラ
スの表面及び裏面にレーザ光が入射すると多重干渉する
ため、検出器での観察画面に干渉縞が発生する事にな
る。そのため、ＴＶカメラ２７を干渉がおきない角度α
１およびα２の角度に調整し、固定することで干渉縞の
発生を防止することができる。尚、ＴＶカメラ２５も同
様に傾けるようにする。

【００７０】ミラー２３もミラー２６と同様の作用をす
るものとする。なお、結像レンズ１８は、画素寸法に応
じた倍率のものを切り替えて使用する。即ち、画素寸法
が異なっても、対物レンズは交換せず、結像レンズを交
換する。また、各倍率の結像レンズ１８ａ、１８ｂ，の
結像位置は、倍率が異なっても同じ位置に結像するよう
にする。よって、倍率が異なってもイメージセンサ２
０，ＴＶカメラ２７の位置を変更する必要がなく、安定
した検出が可能となる。

【００７１】また、対物レンズ１４の焦点距離と結像レ
ンズ１８，１８ａ、１８ｂの焦点距離で倍率が決定し、
イメージセンサ２０の開口寸法によって画素サイズは決
定する。ところが、対物レンズ１４および結像レンズ１
８，１８ａ、１８ｂの製造時の誤差、組立時の誤差が生
じるため倍率がロット毎に異なる可能性が生じる。その
ため、光学系のロット毎、即ち装置毎に検出感度が異な
るといった問題点が生じることになる。そのため、結像
レンズ１８，１８ａ、１８ｂは焦点距離を可変出来る機
構を有する。

【００７２】図２６に結像レンズの断面図を示す。結像
レンズ１８は、鏡筒５００内に複数枚のレンズ５０１，
５０２，５０３、５０４を組合せて構成される。例え
ば、そのレンズの１枚のレンズを光軸方向に移動するこ
とによって、焦点距離が変えられるように結像レンズの
設計を行う。レンズ５０３が移動することで焦点距離が
変わるとする。このレンズ５０３をレンズ鏡筒５００の
外側から移動可能なレンズホルダ５０５とする。これを
図示しない方法で移動することにより、焦点位置（焦点
距離）が変動することになり、対物レンズ１４の焦点距
離は一定であるため、倍率を変動させることが可能とな
る。なお、当然ながら、倍率を可変する結像レンズは、
ズームレンズを使用しても同じ効果が得られる。

【００７３】次に，絞り２１について説明する。図２７
に絞り２１の形状を一実施例示す。絞りの透過する範囲
Ｄは，瞳１４ａの大きさと同様とする。この径Ｄを図示
しない方法により制御系２２により移動することで透過
する範囲を可能である。

【００７４】この径Ｄとコヒーレンス低減光学系１５の
共振型ガルバノミラーの揺動範囲を組合せることによ
り，試料１のパターンからの回折光を制御してイメージ
センサ２０に取り込むことが可能である。

【００７５】図２８にその一例を示す。(a)は，対物レ
ンズ１４の瞳１４ａでの照明軌跡である。(b)は，絞り
２１の制御範囲を示す図である。制御範囲は，回折光の
高域を制御可能となるように径dを決めればよい。この
組合せによって，グレインなどに効果が得られる。

【００７６】図２９に別の一例を示す。(a)は，対物レ
ンズ１４の瞳１４ａでの照明軌跡である。(b)は，絞り
２１の制御範囲を示す図である。制御範囲は，回試料１
からの主な回折光を制御可能となるように径d２及びd３
を決めればよい。この組合せによって，色むらなどに効
果が得られる。

【００７７】次に、このようにＵＶ光、特にＤＵＶ光を
検出できるＴＤＩセンサの実施例について説明する。図
３０に表面反射型センサを示す。照明光源３として、Ｄ
ＵＶレーザ光源を使用する場合は、ＤＵＶに対して感度
のあるイメージセンサを使用する必要がある。表面照射
型イメージセンサ２００は、入射光１５０はカバーガラ
ス１５１を透過し、ゲート１５４を通過してＣＣＤ１５
５に入るため、短波長の入射光が減衰し４００ｎｍ以下
の波長に対して感度がほとんどなく、ＤＵＶ光の有効検
出はできない。そこで、カバーガラスに有機薄膜コーテ
ィングを施し、ＤＵＶ光が入射されるとそれに応じて可
視光を発光するようにすることで、可視光にしか感度の
ないイメージセンサでＤＵＶ光を検出する方法がある。

【００７８】図３１に有機薄膜コーティング方式のイメ
ージセンサを示す。有機薄膜コーティング方式のイメー
ジセンサ２０１は、カバーガラス１５１に有機薄膜コー
ティング１５２を施し、入射光１５０の透過光を有機薄
膜コーティング面１５２で蛍光１５３を発するため、可
視光でしか感度のない表面照射形イメージセンサでもＤ
ＵＶ光を検出可能となる。

【００７９】図３２に分光特性を示す。分光特性１５６
は、通常の表面照射型イメージセンサ２００の特性であ
る。４００ｎｍ以下の波長に対して感度なない。分光特
性１５７は、有機薄膜コーティング方式のイメージセン
サ２０１の特性である。４００ｎｍ以下の波長に対して
感度が付加されるようになる。

【００８０】さらにＤＵＶ光に対して感度をよくするた
めには、裏面照射型イメージセンサを使用すればよい。
図３３に裏面照射型イメージセンサの構造を示す。入射
光１５０はカバーガラス１５１を透過して、ゲート構造
のない裏側に光が入射する。そのため、ゲート１５４を
通過することがないため、図３２に示すように、分光特
性１６１となり、量子効率が高く（例えば、３０％以
上）ダイナミックレンジが大きくとれ（例えば、３００
０以上）、４００ｎｍ以下の波長にも感度があり、２０
０ｎｍを切るような短波長照明に特に有利である。この
ようなイメージセンサの場合、いくつかの照明波長を用
いるときも、ひとつのイメージセンサで対応可能であ
る。また、イメージセンサ２０をＴＤＩ（Time Delay I
ntegration：時間遅延積分型）にすることで、感度を大
きくすることができる。さらに、アンチブルーミングの
特性をもたせることで、必要以上の検出光量が得られた
ときに、周囲の画素に電荷があふれるという課題を解決
できる。

【００８１】次に、イメージセンサ２０の取り付けにつ
いて説明する。図３４にセンサの取り付け方法を示す。
イメージセンサ２０は前述したように、カバーガラスが
あるため、ガラス面での干渉縞が発生する可能性があ
る。センサ２０の段数方向に角度θだけ傾けることによ
り、画素方向にはフォーカスのずれが発生することな
く、レーザ光の干渉による干渉縞の発生を防止出来る。

【００８２】さらに、ＵＶ光による高解像度化に加え、
前述したように偏向素子群１３の制御により、パターン
のコントラストを向上する方法について説明する。パタ
ーンコントラストを向上させるため、偏向素子群１７の
制御に基いて、ＵＶレーザ光の偏光状態を自在に制御で
きることに着目し、照明光の偏光の向き、楕円率を制御
し、イメージセンサ２０で検出光の一部偏光成分を検出
することを可能とした。ＵＶレーザ光による照明の特徴
に単一波長であるということと、直線偏光であるという
ことがある。このため、光路内に設けた１／２波長板と
1／４波長板等の偏光素子群１７により、高効率にその
偏光状態を制御することができる。制御は、例えば光軸
中心に１／２波長板と1／４波長板等を回転すればよ
い。

【００８３】照明の偏光状態によりパターンコントラス
トが大きく変化するため、偏光状態を制御可能（波長板
を回転させて位置決め）とすることにより光学系の性能
を向上することができる。より具体的には、１／２波長
板で直線偏光の向きを制御し、1／４波長板で楕円率を
変えることができる。これにより、検出感度の向上が図
れる。これらの組み合せにより、平行ニコルと直交ニコ
ルも実現できる。勿論、円偏光状態も実現できる。な
お、これらは、照明波長自体には依存しない。また、上
記概念が成立すれば、実現するための構成は任意のもの
でよい。偏光を制御すると、高次の回折光をより効率的
に抽出できる。発明者らの実験によると、約２０〜３０
０％コントラストが向上することが判明している。

【００８４】以上の構成により、照明光源３より出射さ
れた照明光（例えばＵＶレーザ光）は、ミラー４，５で
反射され、光量を制限するＮＤフィルタ７を透過し、ビ
ームエキスパンダ８で拡大され、可干渉性低減光学系１
５、ビームスプリッタ１６、および偏向素子群１７を介
して対物レンズ１４に入射し、試料（半導体ウエハ）１
上に照射される。試料１からの反射光は、試料１の垂直
上方より対物レンズ１４、偏光素子群１７、ビームスプ
リッタ１６、および結像レンズ１８，１９を介してイメ
ージセンサ２０で検出される。検査時においては、ステ
ージ２を走査して被検査パターンの一例である半導体ウ
エハ１を等速度で移動させつつ、焦点検出系２９で、試
料１の被検査面のＺ方向位置を常に検出し、対物レンズ
１４との間隔が一定になるようにステージ２をＺ方向に
制御する。イメージセンサ２０は、半導体ウエハ１上に
形成された被検査パターンの明るさ情報（濃淡画像信
号）を高精度で検出する。画像処理５０によって検出画
像の画像処理を行い，試料１での微細な欠陥検査を行う
ことが実現できる。

【００８５】図３５に第２の実施例を示す。上述した第
１の実施例と異なるのは，イメージセンサ２０前に設置
した，絞り２１の位置を対物レンズの直前に設置するこ
とで，結像レンズ１９を割愛したことである。ほかの作
用は同じである。絞り２１は，対物レンズ１４の瞳１４
ａの近辺に設置するため，同様の効果がある。

【００８６】図３６に本実施例で説明した欠陥検査装置
を用いた場合の，半導体形成工程においての有効な活用
方法を示す。LSI等の半導体は，さまざまな工程を経て
形成される。すなわち，各工程にて転写されたパターン
が積層されてデバイスとなるが，その工程のなかで１箇
所でも断線，ショートなどの欠陥があるとそれ以降の工
程が不良として製作されることになる。この検査装置を
用いて，突発的な以上の有無を取得し，それの分析する
ことで，例えば，膜厚装置へのフィードバックが可能と
なる。また，検出された欠陥部を観察することによって
不良解析を行い，致命欠陥でなければ，そのまま工程を
通すことで不良率を低減させ，不良であれば製造装置へ
速やかにフィードバックをすることで大量の不良をだす
ことが無くなる。

【００８７】以上説明したように、２６６ｎｍや２４８
ｎｍあるいは１９２ｎｍなどの波長のＤＵＶ光を用いる
ことによって、０．０７μｍルール以下のデバイスに対
する欠陥検査を実現することができる。また、被検査対
象物としてＣｕダマシンの検査に適用することが可能と
なる。また、被検査対象物として、パターンがないとこ
ろでも、スペックが生じないので、検出画像と参照画像
とを比較しても、虚報が生じることなく、検査をするこ
とが可能となる。

【００８８】なお、照明光として用いている３６５ｎｍ
以下のＵＶ光は、光エネルギーが高く、光学素子に照射
されると、有機物などの汚染物質がＵＶ光のエネルギー
によって分解あるいは反応して、表面に付着する。その
ため、図示しない方法で光学部品の表面に空気を強制排
気する手段や、強制的に空気を吹き付ける手段を設ける
ことにより、光学部品の劣化を防止することが可能であ
る。

【００８９】また、実施例においては、明視野光学系を
説明したが、検出光学系に共焦点顕微鏡の構成を用いて
も同様の効果が得られる。

【００９０】以上に説明した本発明により、高輝度のＵ
Ｖ若しくはＤＵＶ照明が得られ、高解像度の画像を短時
間で撮像することでき、結果として高速かつ高感度な検
査装置を得ることができる。検出したパターンの欠陥
は、その位置、寸法を出力するものである。特に、上記
被検査対象物（試料）１としては、ＳｉＯ2などの絶縁
膜に形成されたビア（コンタクト）ホールや配線の溝に
Ｃｕなどの導電性金属を成膜によって埋め込みを行な
い、ＣＭＰなどの研磨によって余分な堆積部分を除去し
てホールの埋め込み配線を行なったＣｕなどのダマシン
がある。従って、本発明に係る検査方法およびその装置
をＣｕなどのダマシンに適用することが可能である。

【００９１】また、本発明に係るＤＵＶ光（２６６ｎｍ
や２４８ｎｍや１９３ｎｍの光）を用いた検査方法およ
びその装置を、０．０７μｍデザインルール以下のデバ
イスに適用した場合、０．０７μｍよりも小さな超微細
な欠陥を検出することができる点で非常に有効である。

【００９２】また，対物レンズ１４としては、ＤＵＶ光
より波長の短い光を用いる場合には，反射対物レンズを
用いれば、色収差の影響を小さくすることができる。

【００９３】

【発明の効果】本発明によれば、高解像化に必須な短波
長照明で、しかもその実用化に有利なレーザ光源により
通常の放電管照明と同等以上の品質の像を、より高感度
・高速に得ることができ、微細な欠陥を高感度に検出す
ることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る被検査パターンの欠陥検査装置の
概略の構成を示す斜視図である。

【図２】本発明に係る被検査パターンの欠陥検査装置の
画像処理部の概略の構成を示すブロック図である。

【図３】本発明に係る画像フィルタの処理の流れを示す
フローチャートである。

【図４】本発明に係る画像処理の画像フィルタを説明す
る画像の平面図である。

【図５】本発明に係るレーザ光源の取り付け関係を示す
照明光源の（ａ）正面図と（ｂ）平面図である。

【図６】本発明に係るレーザ光源の調整方法を示す照明
光源の（ａ）正面図と（ｂ）平面図である。

【図７】本発明に係る（ａ）ＮＤフィルタと照明光源
とを含む光学系の斜視図と（ｂ）光量調整機の特性を示
すグラフである。

【図８】本発明に係る開口絞りの平面図である。

【図９】（ａ）放電管照明による検出対物レンズの瞳上
の照明状況を示す平面図、（ｂ）放電管照明による視野
上の照明状況を示す平面図である。

【図１０】（ａ）レーザ照明による検出対物レンズの瞳
上の照明状況を示す平面図、（ｂ）レーザ照明による視
野上の照明状況を示す平面図、（ｃ）パターンの断面
図、（ｄ）検出波形図である。

【図１１】（ａ）レーザ照明による検出対物レンズの瞳
上の照明状況を示す平面図、（ｂ）レーザ照明による視
野上の照明状況を示す平面図である。

【図１２】（ａ）（ｃ）（ｄ）は、何れもレーザ照明に
よる検出対物レンズの瞳上の照明状況を示す平面図、
（ｂ）は、レーザ照明による視野上の照明状況を示す平
面図である。

【図１３】本発明に係る照明光路切り替え光学系の斜視
図である。

【図１４】本発明に係る共新型ガルバノミラーの正面図
である。

【図１５】本発明に係る共新型ガルバノミラーの周波数
特性を示すグラフ図である。

【図１６】本発明に係る共新型ガルバノミラーの電流値
と揺動角度との関係を示すグラフである。

【図１７】本発明に係る照明光路切り替え光学系の斜視
図である。

【図１８】本発明に係るコヒーレンシ低減光学系の拡散
板の（ａ）正面図、（ｂ）正面の拡大図、（ｃ）ｘ−ｘ
断面図である。

【図１９】本発明に係るコヒーレンシ低減光学系の拡散
板の回転数と画像ノイズとの関係を示すグラフである。

【図２０】本発明に係るコヒーレンシ低減光学系の位相
板の（ａ）正面図、（ｂ）正面の拡大図、（ｃ）ｘ−ｘ
断面図である。

【図２１】視野上での照明領域を示す視野の平面図であ
る。

【図２２】本発明に係る視野上でのＣＣＤ検出器と照明
領域の関係を示す視野の平面図である。

【図２３】本発明に係る照明光路切り替え系の構成を示
す平面図であり、（ａ）は検査時、（ｂ）はTVカメラで
の観察時である。

【図２４】本発明に係るホモジナイザの斜視図である。

【図２５】本発明に係る検出光路の切り替え機構の概略
構成を示す斜視図である。

【図２６】本発明に係る結像レンズ系の平面図である。

【図２７】本発明に係る絞りの平面図である。

【図２８】（ａ）本発明に係る対物レンズの瞳での照明
軌跡を示す瞳位置の平面図、（ｂ）は、絞りの制御範囲
を示す絞りの平面図である。

【図２９】（ａ）本発明に係る対物レンズの瞳での照明
軌跡を示す瞳位置の平面図、（ｂ）は、絞りの制御範囲
を示す絞りの平面図である。

【図３０】本発明に係るＴＤＩイメージセンサの側面図
である。

【図３１】本発明に係るＴＤＩイメージセンサの側面図
である。

【図３２】本発明に係るＴＤＩイメージセンサの分光特
性を示すグラフである。

【図３３】本発明に係る裏面照射型ＴＤＩイメージセン
サの側面図である。

【図３４】本発明に係るＴＤＩイメージセンサの取り付
けについて説明するＴＤＩイメージセンサの斜視図であ
る。

【図３５】本発明の第２の実施例に係る被検査パターン
の欠陥検査装置の概略の構成を示す斜視図である。

【図３６】本発明に係る半導体形成工程の流れを示すフ
ローチャート図である。

【符号の説明】

1…披検査試料，2…ステージ，3…レーザ光源，７…照
明範囲切り替え機構，８…開口絞り、１０…コヒーレン
ス低減光学系，１３…偏光素子、１４…対物レンズ，１
８…検出器，１９…結像レンズ、２０…イメージセン
サ，２２…検出器、２４…信号処理回路，７４…ホモジ
ナイザ、９２…拡散板、９３…エアータービンモータ、
９７…回転位相板、２００…A/D変換器，２０１…階調
変換器，２０２…遅延メモリ，２０５…比較器，２１２
…ＣＰＵ，２０８…記憶装置，２１５…画像フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｇ０６Ｔ 5/00 ３００Ｇ０６Ｔ 5/00 ３００ (72)発明者下田篤神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者酒井薫神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者岡部隆史神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者渡辺正浩神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内Ｆターム(参考） 2F065 AA49 BB02 CC19 DD03 FF01 FF04 GG04 JJ03 JJ26 LL00 LL06 LL10 LL13 LL32 LL36 LL49 QQ03 QQ07 QQ24 2G051 AA51 AA56 AA73 AB01 AB02 BA05 BA10 BA11 CA03 CA04 DA07 DA08 EA04 EA08 EA12 EA14 EB01 EB02 EC03 ED07 FA10 5B047 AA12 AB02 BA01 BB01 BC05 BC07 BC09 BC11 BC14 BC18 BC23 CB22 DC09 5B057 AA03 BA15 BA19 CA08 CA12 CA16 CB08 CB12 CB16 CE02 CE06 CE11 CH01 CH11 DA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を出射するレーザ光源と、該レー
ザ光源から出射したレーザ光の光量を調整する光量調整
手段と、該光量調整手段から出射したレーザ光の照明範
囲を形成する照明範囲形成手段と、該照明範囲形成手段
から出射したレーザ光の可干渉性を低減して試料上に照
射する照射手段と、該照射手段により可干渉性が低減さ
れて照射された試料を撮像して画像信号を検出する画像
検出手段と、該画像検出手段で検出された検出画像信号
に関する情報に基づいて試料に形成されたパターンの欠
陥を検出する欠陥検出手段とを備えたことを特徴とする
パターン欠陥検査装置。
【請求項２】ＵＶ光を出射する光源と、該ＵＶ光源から
出射したＵＶ光の光量を調整する光量調整手段と、該光
量調整手段から出射したＵＶ光の照明範囲を形成する照
明範囲形成手段と、該照明範囲形成手段から出射したＵ
Ｖ光の可干渉性を低減して試料上に照射する照射手段
と、該照射手段により可干渉性が低減されて照射された
試料を撮像して画像信号を検出する画像検出手段と、該
画像検出手段で検出された検出画像信号に関する情報に
基いて試料に形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥
検出手段とを備えたことを特徴とするパターン欠陥検査
装置。
【請求項３】ＵＶレーザ光を出射するＵＶレーザ光源
と、該ＵＶレーザ光源から出射したレーザ光の光量を調
整する光量調整手段と、該光量調整手段から出射したＵ
Ｖレーザ光の照明範囲を形成する照明範囲形成手段と、
該照明範囲形成手段から出射したＵＶレーザ光の可干渉
性を低減して試料上に照射する照射手段と、前記ＵＶレ
ーザ光の偏光の状態を制御する偏光制御手段と、該偏光
制御手段により偏光の状態が制御され前記照射手段によ
り可干渉性が低減されて照射された試料を撮像して画像
信号を検出する画像検出手段と、該画像検出手段で検出
された検出画像信号に関する情報に基いて試料に形成さ
れたパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段とを備えた
ことを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【請求項４】ＵＶ光を出射する光源と、該ＵＶ光源から
出射したＵＶ光の光量を調整する光量調整手段と、該Ｕ
Ｖ光源からの光軸変動を検出する手段と，該光軸変動に
応じて光軸を調整可能な光軸可変手段と，該光量調整手
段から出射したＵＶ光の照明範囲を形成する照明範囲形
成手段と、該照明範囲形成手段したＵＶ光の可干渉性を
低減して対物レンズを介して試料上に照射する照射手段
と、該照射手段により可干渉性が低減されたＵＶ光が照
射された試料を検出する手段と，試料からの回折像を制
御する手段と，前記試料を検出する手段により検出した
像を再結像する手段と，再結像した像を撮像して画像信
号を検出する画像検出手段と、該画像検出手段で検出さ
れた検出画像信号に関する情報に基いて試料に形成され
たパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段とを備えたこ
とを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【請求項５】前記ＵＶ光源からの光軸変動を検出する手
段は、光軸の変動と光量の変動を測定可能なことを特徴
とする請求項４記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項６】前記光軸変動に応じて光軸を調整可能な光
軸可変手段は，光軸を上下左右に調整可能ことを特徴と
する請求項４記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項７】前記光量調整手段は、透過する光量を低減
可能なフィルタと、該フィルタによって任意の透過光量
を設定可能な光量設定系とを備えて構成することを特徴
とする請求項１乃至４の何れかに記載のパターン欠陥検
査装置。
【請求項８】前記照明範囲形成手段は、照明範囲を長方
形に形成する長方形照明手段と、照明範囲を円形に形成
する円形照明手段と、前記長方形照明手段と円形照明手
段を切り替える切替手段とを備えて構成することを特徴
とする請求項１乃至４の何れかに記載のパターン欠陥検
査装置。
【請求項９】前記試料からの回折像を制御する手段は、
試料と共役な位置あるいはその近傍に設置することを特
徴とする請求項４記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１０】前記試料からの回折像を制御する手段
は、試料からの周波数をフィルタリングすることを特徴
とする請求項４記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１１】前記画像検出手段は、時間遅延積分型の
イメージセンサを備えて構成することを特徴とする請求
項１乃至４の何れかに記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１２】前記欠陥検出手段は、参照画像信号を記
憶する記憶部と、前記画像検出手段から検出される検出
画像信号の正常部における明るさと前記記憶部に記憶さ
れた参照画像信号の正常部における明るさとをほぼ同じ
ようになるように画像信号の明るさを補正する明るさ補
正部と、該明るさ補正部で補正された検出画像信号と参
照画像信号とを比較することにより試料に形成されたパ
ターンの欠陥を検出する欠陥検出部とを有することを特
徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のパターン欠陥
検査装置。
【請求項１３】前記欠陥検出手段は、参照画像信号を記
憶する記憶部と、前記画像検出手段から検出される検出
画像信号の正常部における特徴量と前記記憶部に記憶さ
れた参照画像信号の正常部における特徴量との対応関係
を示す散布図を作成する散布図作成部と、該散布図作成
部で作成された散布図に基いて画像信号の階調値を補正
する階調変換部と、該階調変換部で補正された検出画像
信号と参照画像信号とを比較することにより試料に形成
されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出部とを有する
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のパタ
ーン欠陥検査装置。
【請求項１４】前記偏光手段は、前記ＵＶレーザ光源と
前記試料上とを結ぶ光路内に配置した１／４波長板若し
くは１／２波長板と１／４波長板、並びに、前記試料と
前記画像検出手段の検出器と結ぶ光路中に配置した検光
子、の何れか一方又はその両方を有することを特徴とす
る請求項３記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１５】前記１／２波長板若しくは１／４波長
板、並びに前記検光子のうち、少なくとも一つを回転可
能な構成としたことを特徴とする請求項１４記載のパタ
ーン欠陥検査装置。
【請求項１６】前記時間遅延積分型のイメージセンサ
は、アンチブルーミング特性を備えていることを特徴と
する請求項１１記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１７】前記時間遅延積分型のイメージセンサ
は、カバーガラスに有機薄膜コーティングを施した表面
照射型のイメージセンサであることを特徴とする請求項
１１記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１８】前記時間遅延積分型のイメージセンサ
は、裏面照射型のイメージセンサであることを特徴とす
る請求項１１記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１９】前記欠陥検出手段は、検出するパターン
の欠陥についての位置及び寸法に関する情報を出力する
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のパタ
ーン欠陥検査装置。
【請求項２０】レーザ光を出射するレーザ光源と、該レ
ーザ光源から出射したレーザ光の可干渉性を低減して試
料上に照射する照射手段と、該照射手段により照射され
た試料の画像を検出する画像検出手段と、該画像検出手
段で検出された試料の画像を処理する画像処理手段を有
し、直径２００ｍｍ相当のウエハを１時間あたり３枚以
上のスループットに相当する速度で処理して、前記試料
に形成されたパターンに対し１００ｎｍの欠陥を含んで
検出することを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【請求項２１】前記レーザ光の可干渉性を低減して試料
上に照射する照射手段は，試料と共役位置付近に設置し
た拡散板と、該拡散板を回転させる手段と、対物レンズ
と,該対物レンズの瞳位置と共役な位置に設置した揺動
ミラーとを備えることを特徴とする請求項２０記載のパ
ターン欠陥検査装置。
【請求項２２】前記画像検出手段は時間遅延積分型のイ
メージセンサを備え,前記拡散板を回転する手段は，回
転数を前記時間遅延積分型のイメージセンサの蓄積時間
に応じて決定することを特徴とする請求項２０記載のパ
ターン欠陥検査装置。
【請求項２３】前記対物レンズの瞳位置と共役な位置に
揺動ミラーは，揺動周波数を前記時間遅延積分型のイメ
ージセンサの蓄積時間と同期することを特徴とする請求
項２１記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項２４】複数のアルゴリズムを搭載し、自動的に
或いは指定によりこれらのアルゴリズムや欠陥判定のし
きい値を選択可能とした画像処理部を複数備え、試料に
形成されたパターンを撮像して得た画像を前記複数の画
像処理部で処理することにより前記パターンの欠陥を検
出することを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【請求項２５】ＵＶ光を可干渉性を低減してパターンが
形成された試料上に照射し、該照射された試料を撮像し
て検出画像信号を得、該得られた検出画像信号を参照画
像信号と比較してパターンの欠陥を検出することを特徴
とするパターン欠陥検査方法。
【請求項２６】ＵＶ光を対物レンズの瞳上に集光して走
査することによりＵＶ光を可干渉性を低減してパターン
が形成された試料上に照射し、該照射された試料を撮像
して検出画像信号を得、該得られた検出画像信号を参照
画像信号と比較してパターンの欠陥を検出することを特
徴とするパターン欠陥検査方法。
【請求項２７】ＵＶ光の可干渉性を低減してパターンが
形成された試料上に照射し、該照射された試料を撮像し
て検出画像信号を得、該得られた検出画像信号の正常部
における明るさと参照画像信号の正常部における明るさ
とがほぼ同じになるように画像信号の明るさ補正を行
い、該明るさ補正を行った後、画像フィルタにより特有
のノイズを低減し、該ノイズを低減した検出画像信号と
参照画像信号とを用いて前記パターンの欠陥を検出する
ことを特徴とするパターン欠陥検査方法。
【請求項２８】可干渉性を低減したＵＶ光をパターンが
形成された試料上に照射し、該照射された試料を撮像し
て検出画像信号を得、該得られた検出画像信号のノイズ
をフィルタリング処理により低減し,該ノイズを低減し
た検出画像信号と参照画像信号とを比較してパターンの
欠陥を検出することを特徴とするパターン欠陥検査方
法。
【請求項２９】可干渉性を低減したＵＶ光をパターンが
形成された試料上に照射し、該ＵＶ光が照射された試料
を撮像して検出画像信号を得、該得られた検出画像信号
と参照画像信号とを少なくとも画素単位で位置合わせを
行ない、この位置合わせされた検出画像信号の正常部に
おける階調値と参照画像信号の正常部における階調値と
がほぼ同じになるように画像信号の階調値補正を行い、
該階調値補正を行った検出画像信号と参照画像信号とを
比較してパターンの欠陥を検出することを特徴とするパ
ターン欠陥検査方法。
【請求項３０】ＵＶ光を可干渉性を低減してパターンが
形成された試料上に照射し、該照射された試料を撮像し
て検出画像信号を得、該得られた検出画像信号の正常部
における特徴量と参照画像信号の正常部における特徴量
との対応関係を示す散布図を作成し、該作成された散布
図に基いて画像信号の階調値を補正し、該補正された検
出画像信号と参照画像信号とを前記散布図から得られる
判定しきい値で比較してパターンの欠陥を検出すること
を特徴とするパターン欠陥検査方法。
【請求項３１】レーザ光源から出射されたレーザ光の可
干渉性を低減させ、該可干渉性を低減させたレーザ光を
パターンが形成された試料上に対物レンズを介して照射
方向を時間的に変化させながら照射し、該照射された試
料を撮像して検出画像信号を得、該得られた検出画像信
号と参照画像信号とを比較してパターンの欠陥を検出す
ることを特徴とするパターン欠陥検査方法。
【請求項３２】前記試料を撮像して検出画像信号を得る
際、偏光の状態を制御して試料を撮像することを特徴と
する請求項２５乃至３１の何れかに記載のパターン欠陥
検査方法。
【請求項３３】前記ＵＶ光を試料に照射する際、偏光の
状態を制御して照射することを特徴とする請求項２５乃
至３１の何れかに記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３４】前記検出した欠陥の位置及び寸法に関す
る情報を出力することを特徴とする請求項２５乃至３１
の何れかに記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３５】前記ＵＶ光を試料上に照射する際、ＮＡ
が０．７５以上の対物レンズを介して照射することを特
徴とする請求項２５乃至３１の何れかに記載のパターン
欠陥検査方法。
【請求項３６】試料上に形成されたパターンの欠陥を検
査する方法であって、試料の表面に可干渉性を低減させ
たＵＶレーザ光を照射し、該ＵＶレーザ光が照射された
前記試料の表面を撮像して画像信号を得、該画像信号を
処理することにより試料上の１００ｎｍ以下の欠陥を検
出し、該検出した１００ｎｍ以下の欠陥の試料上の位置
に関する情報を出力することを特徴とするパターン欠陥
検査方法。
【請求項３７】前記試料の表面を撮像して画像信号を得
る際、偏光の状態を制御して撮像することを特徴とする
請求項３６記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３８】可干渉性を低減したＵＶレーザ光を直径
２００ｍｍ相当のウエハ上に照射し、該照射されたウエ
ハを撮像してウエハの画像を検出し、該検出したウエハ
の画像を処理してウエハに形成されたパターンの１００
ｎｍ以下の欠陥を１時間あたり３枚以上ウエハのスルー
プットで検出することを特徴とするパターン欠陥検査方
法。
【請求項３９】前記検出した欠陥情報を，該欠陥が作成
された工程に対してフィードバックすることを特徴とす
る請求項３８記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項４０】前記ＵＶレーザは，４００〜５０ｎｍの
波長であることを特徴とする請求項３８記載のパターン
欠陥検査方法。