JP2003344306A - 微細構造観察方法、および欠陥検査装置 - Google Patents
微細構造観察方法、および欠陥検査装置Info
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Abstract
TF改善効果を得るとともに、必要に応じて照明光の偏
光状態を直線偏光にも切り替えられるような光学系を実
現する。 【解決手段】照明された試料の像を結像させる結像手段
が、λを波長として対物レンズとλ/4板とλ/2板
と、λ/4板とλ/2板とを個別に光路に対して出し入
れする波長板切り替え手段と、部分偏光ビームスプリッ
タとアナライザと結像レンズとを具備する欠陥検査装
置。
Description
法、およびそれを実現する高分解能な顕微鏡の光学系、
特に半導体製造工程やフラットパネルディスプレイの製
造工程などにおいて微細パターンの欠陥および異物等の
観察や検査に用いる高分解能光学系と、これを用いた欠
陥検査装置に関する。
プレイの製造工程などにおいて、光学顕微鏡を用いた微
細パターンの欠陥および異物等の観察や検査が行われて
いる。近年、半導体デバイスの集積度の向上に伴い、顕
微鏡光学系の高性能化が必要となってきた。
は、結像に使用する光の波長の短波長化と、対物レンズ
の高開口数(NA)化,結像系の伝達関数(MTF)の
高域を持ち上げる超解像技術を用いる方法などがある。
これらのうち、短波長化と高NA化は直接的な方法であ
るが、実用上はいずれについても様々な制約があり、実
現できない場合がある。そこで、波長とNAを変えずに
微細構造を高いコントラストで観察できる方法、すなわ
ち結像系のMTFの高域を持ち上げる超解像技術が注目
されている。
することでMTFを改善する方法が特開2000−15
5099に示されている。直線偏光で試料を照明し、試
料からの反射光をアナライザを通して結像系に導く方法
と、楕円偏光で試料を照明し、試料からの反射光のうち
偏光ビームスプリッタで反射された直線偏光成分のみを
結像系に導く方法が示されている。前者では、試料上の
直線状パターンの方向に対する試料を照明する直線偏光
の方位とアナライザの方位を最適化することで、試料上
のパターンによる高次回折光と0次光との光量比を調整
している。0次光の光量を減らすことで高域のMTFが
改善されるとともに、パターンのある部分と無い部分の
光量差を減らすことが可能になり、微細パターンが見や
すくなり、また、観察像を用いた欠陥検査の性能を向上
させることができる。照明系の結像系の光路の分離に無
偏光ビームスプリッタを用いる必要があるため、光の利
用効率が低く、像が暗くなるという欠点はあるが、試料
での反射時の偏光の変化が顕著に現われるため、大きな
MTF改善効果を得ることができる。後者の方法では、
試料上の直線状パターンの方向に対する試料を照明する
楕円偏光の方位と楕円率を最適化することで、同様のM
TF改善効果が得られる。直線偏光照明を用いる系より
も光の利用効率を高くとることが可能で、明るい像を得
ることができる。なお、この系では、直線偏光照明を実
現することもできる。しかし、その場合には、試料から
の反射光が結像系に戻らないため、MTF改善効果が最
も大きくなる直線偏光照明で像を観察することはできな
い。
者の楕円偏光照明を用いる場合の例を図4および図5に
示す。光源8からでた光は、凹面鏡とレンズ9を介して
開口絞り11に達し、さらにレンズと波長選択フィルタ
12,視野絞り13を経て偏光ビームスプリッタ15に
入射する。偏光ビームスプリッタ15を透過した直線偏
光は、λを波長として、λ/2板16,λ/4板17を
通って楕円偏光となり、対物レンズ20によって試料1
に照射される。λ/4板17を回転させることによって
楕円偏光の長軸の方向を制御し、λ/2板16を回転さ
せることによって楕円偏光の楕円率を制御することがで
きる。試料1で反射された光は、対物レンズ20,λ/
4板17,λ/2板16を経て再び偏光ビームスプリッ
タ15に入射し、s偏光成分だけが反射され、結像レン
ズ30とズームレンズ50からなる結像系に導かれる。
この系では、試料1を円偏光照明するように2枚の波長
板の角度を決めた場合には、試料面で反射する際に偏光
状態が変化しなかった成分だけが、偏光ビームスプリッ
タ15で反射されて結像系に導かれる。
枚の波長板の角度を決めた場合には、試料1で反射する
際に偏光状態が変化した成分の一部も偏光ビームスプリ
ッタ15で反射されて結像系に導かれる。一般的に直線
状のパターンで回折された光は偏光状態が変化する場合
があるが、0次光は変化しない。そこで、楕円偏光照明
することによって回折光成分が強調され、結像系に導か
れる。その結果、高域のMTFが改善された像を得るこ
とが可能になる。
偏光照明や楕円偏光照明を用いる方法は、高域のMTF
を改善できる有効な方法である。しかし、大きなMTF
改善効果を得るためには、試料上のパターンの方位によ
って照明光の偏光の方位を変える必要があり、条件設定
が煩雑であるという問題点があった。また、試料上に方
位の異なるパターンが混在する場合に、すべてのパター
ンについて同等のMTF改善効果を得ることが難しいと
いう問題があった。これは、MTFの改善効果が等方的
でなく、照明光の偏光方向と試料上のパターンの方向と
の関係に依存するからである。そこで、本発明の目的
は、試料上のパターンの方向に依存せず高域でのMTF
改善効果が得られる方法および装置を提供することにあ
る。
利用効率が高く、かつMTF改善効果も得られる優れた
方式ではあるが、直線偏光照明を用いる方法との共存が
難しいという問題があった。直線偏光照明を用いる方法
は、光の利用効率が低く像が暗くなるため、常用するに
は問題がある。しかし、楕円偏光照明の場合より大きな
MTF改善効果が得られるため、必要な時には使用でき
ることが望ましい。ところが、照明系の結像系の光路の
分離に用いるビームスプリッタ等に求められる特性が異
なるため、ひとつの光学系で両方を実現することが非常
に困難である。そこで、本発明の他の目的は、必要に応
じて照明光の偏光状態を直線偏光にも切り替えられるよ
うな光学系を実現することにある。
ては、試料に照明光を照射する照明手段と、照明された
試料の像を結像させる結像手段と、前記試料の像を撮像
する撮像手段と、取得された画像を予め記憶しておいた
画像と比較して前記試料の欠陥を検出する欠陥検出手段
と、該欠陥検出手段で検出した欠陥を表示する表示手段
を備えた欠陥検査装置において、結像手段が、λを波長
として対物レンズとλ/4板とλ/2板と、λ/4板と
λ/2板とを個別に光路に対して出し入れする波長板切
り替え手段と、部分偏光ビームスプリッタとアナライザ
と結像レンズを具備するものである。
善効果をえるために、円偏光照明下でMTF改善効果を
得る方法を提供する。具体的には、照明系と結像系の光
路の分離に部分偏光ビームスプリッタを用い、これにλ
/4板を加えて試料を円偏光で照明し、部分偏光ビーム
スプリッタ直後の結像系にアナライザを追加する。試料
で反射された際に偏光が変化して生じた成分は、部分偏
光ビームスプリッタにp偏光として入射するため、一部
が反射されて結像系に導かれる。結像系のアナライザの
方位を調整することで、この成分を必要な量だけ結像系
に導くことが可能になり、MTF改善効果を得ることが
可能になる。さらに、本発明では、必要に応じて偏光ビ
ームスプリッタとアナライザの間に位相補償板を追加す
る。部分偏光ビームスプリッタで反射されたp偏光成分
とs偏光成分をアナライザで加算する際の互いの位相差
を、位相補償板で調整することで、さらにMTF改善効
果を大きくすることが可能になる。
切り替えによって、従来の楕円偏光照明系と上述の円偏
光照明、もっとも大きなMTF改善効果が得られる直線
偏光照明のすべてを実現する方法を提供する。具体的に
は、照明系と結像系の光路の分離に部分偏光ビームスプ
リッタを用い、これに個別に出し入れ可能にしたλ/2
板とλ/4板を加えて試料を任意の偏光状態の光で照明
し、部分偏光ビームスプリッタ直後の結像系にアナライ
ザを追加する。従来の楕円偏光照明方式と互換の系を実
現する場合には、部分偏光ビームスプリッタで反射され
た光のうちs偏光成分のみが結像系に導かれるようにア
ナライザの方位を設定する。それ以外の場合には、アナ
ライザの方位を調整することでMTF改善効果の程度を
調整することができる。さらに、直線偏光照明を用いた
場合には、試料で反射された際に偏光が変化して生じた
成分は、部分偏光ビームスプリッタにs偏光として入射
するため、ほとんど全てが反射されて結像系に導かれ
る。この成分に関しては、無偏光ビームスプリッタを用
いた場合と比べると、約2倍の効率で結像系に導かれる
ため、従来の直線偏光照明による方法よりさらに大きな
MTF改善効果を得ることが可能になる。
た光学欠陥検査装置の実施例を図1に示す。円偏光照明
を用いる例である。試料1はチャック2に真空吸着され
ており、このチャック2は、θステージ3,Zステージ
4,Yステージ5,Xステージ6上に搭載されている。
試料1の上方に配置されている光学系111は、試料1
に形成されているパターンの外観検査を行うために試料
1の光学像を撮像するものであり、主に照明光学系と試
料1の像を作り撮像する結像光学系及び、焦点検出光学
系45で構成されている。照明光学系に配置された光源
8はインコヒーレント光源であり、例えばキセノンラン
プである。
口絞り11の開口部を透過し、さらにレンズと波長選択
フィルタ12を経て視野絞り13に到達する。この波長
選択フィルタ12は試料1の分光反射率を考慮し、高解
像度の試料1の像を検出するために照明波長域を限定す
るものであり、例えば干渉フィルタを配置する。視野絞
り13を透過した光は、光路分離部210に入射する。
リッタ200(例えば、Tp:Rp=6:4,Ts/R
s<0.05)とλ/4板17,位相補償板220,アナ
ライザ22から構成されており、光源8から試料1に向
かう照明光の光路と試料1から撮像素子へ向かう光路を
分離する。その機能は図2に示す。光路分離部210に
入射した照明光(ランダム偏光)は、部分偏光ビームス
プリッタ200を透過率Tp(〜0.6)だけ透過してp
偏光の直線偏光となる。さらにλ/4板17によって円
偏光となって対物レンズ20を経て試料1に照射され
る。試料1に照明された光は、試料1上で反射,散乱,
回折され、対物レンズ20のNA以内の光は再び対物レ
ンズ20に入射し、λ/4板17を通り、部分偏光ビー
ムスプリッタ200で反射され、アナライザ22に入射
する。試料で反射された光のうち反射時に回転方向が逆
になった成分(正反射成分、すなわち0次光成分)は、
λ/4板17で直線偏光となり、部分偏光ビームスプリ
ッタ200にs偏光として入射し、ほとんどロスなく反
射される。
回転方向が変わらなかった成分(反射光の偏光状態の変
化によって生じた成分、すなわち高次回折光の一部)
は、λ/4板17で直線偏光となり、部分偏光ビームス
プリッタ200にp偏光として入射し、反射率Rpで反
射される。(普通の偏光ビームスプリッタではRp〜0
なので、この成分は結像系には到達しない)これらの成
分は、位相補償板220で互いの位相差を調整された
後、アナライザ22に入射し、その方位で決まる比率で
合成(加算)され結像光学系に導かれる。位相補償板2
20の位相補償量およびアナライザ22の方位は、高次
回折光が0次光より効率良く結像系に導かれるように決
める。円偏光の回転方向が反射時に変わらなかった高次
回折光成分も結像光学系に取り込むことができるので、
高域のMTFを改善することが可能になる。また、位相
補償板で円偏光の回転方向が反射時に反転した成分と変
わらなかった成分との位相差を最適化し、アナライザの
方位を調整することで、結像光学系へ導かれる光中のこ
れらの成分の割合を調整することができるので、高域の
MTFの改善度合いの調整も可能である。
ズ30とズームレンズ50からなる結像光学系を介し
て、イメージセンサ70の受光面に試料1の像を形成す
る。イメージセンサ70はリニアセンサやTDIイメー
ジセンサ或いはエリアセンサ(TVカメラ)等が用いら
れる。また、試料からの反射光の一部は、例えばダイク
ロイックミラー等の光分割手段25によって焦点検出光
学系45に導かれ、自動焦点合せを行うための信号検出
に用いられる。
高さ情報を有した光学像をセンサ41上に形成し、この
センサ出力の信号は、焦点検出信号処理回路90に入力
される。焦点検出信号処理回路90は試料1の高さと対
物レンズ20の焦点位置のズレ量を検出し、CPU75
に焦点ズレ量のデータを送る。この焦点ズレ量に応じ
て、CPU75からステージ制御部80にZステージ4
を駆動させる指令を行い、所定パルスをステージ制御部
80からZステージ4に送り、自動焦点合わせが行われ
る。
検出した試料1の光学像の画像データは、画像処理回路
71に入力されて処理が行われ、欠陥判定回路72で欠
陥部の判定が行われる。その結果は、ディスプレイなど
の表示手段に表示されるとともに、通信手段を介して、
ワークステーションやデータサーバなどの外部記憶・制
御装置へ送信される。
うイメージセンサ70から欠陥判定回路72までの一連
の画像処理の具体的な処理の方法としては、例えば、特
開平2−170279号公報または特開平3−3360
5号公報などに記載されているように、隣接チップの対
応する画像データ同士を比較することにより行う方法
や、隣接チップの対応する画像データ同士を比較する方
法、隣接するパターンの画像データ同士を比較する方
法,設計データと画像データ同士を比較する方法等があ
る。
御部80でXステージ6及びYステージ5の動きを2次
元的に制御して行う。また、θステージ3は、XYステ
ージ6及び5の運動方向と試料1に形成されたパターン
のθアライメントを行うときに用いれらる。
光学系において、直線偏光照明を実現する際の照明系と
結像系の光路分離部210の実施例を図2に示す。
分偏光ビームスプリッタ200(例えば、Tp:Rp=
6:4,Ts/Rs<0.05 )と、それぞれ出し入れ
可能なλ/2板16とλ/4板17,位相補償板22
0,アナライザ22から構成される。
は、図に示すように光路にλ/2板16を挿入し、λ/
4板17を外す。部分偏光ビームスプリッタ200に入
射した照明光(ランダム偏光)は、Tp(〜0.6)だけ
透過してp偏光となり、λ/2板16で試料上のパター
ンに合わせて偏光の方位を変えられたあと、対物レンズ
20を経て試料に入射する。試料で反射された光のうち
偏光方向が変化しなかった成分は、λ/2板16で元の
偏光方向に戻され、部分偏光ビームスプリッタ200に
p偏光として入射し、反射率Rp(〜0.4)で反射され
る。
偏光方向が回転したことによって生じた成分は、λ/2
板16で元の偏光と直行する直線偏光となり、部分偏光
ビームスプリッタ200にs偏光として入射し、ほとん
どロスなく反射される。これらの成分は、位相補償板2
20で互いの位相差を調整された後、アナライザ22に
入射し、その方位で決まる比率で合成(加算)され結像
光学系に導かれる。反射時に偏光方向が変化することに
よって生じた成分を効率よく結像光学系に取り込むこと
ができるので、従来の楕円偏光照明を用いる方法だけで
なく、同様に直線偏光照明による像観察が可能な無偏光
ビームスプリッタ用いる方法と比べても、より大きなM
TF改善効果が得られる。
わらなかった成分と反射時に偏光方向が変化することに
よって生じた成分の位相差を最適化し、アナライザの方
位を調整することで、結像光学系へ導かれる光中のこれ
らの成分の割合を調整することができるので、MTF改
善効果のさらなる強調や調整が可能である。
式に切り替えるには、光路にλ/4板17を挿入し、λ
/2板16を外せばよい。さらに従来の楕円偏光照明を
用いる方法と互換性をとるためには、光路にλ/2板1
6とλ/4板17の両方を挿入し、部分偏光ビームスプ
リッタで反射された光のうちs偏光成分のみが結像系に
導かれるようにアナライザの方位を設定すればよい。こ
のように、簡単な切り替えで、必要に応じて観察条件を
変えることが可能になる。
10に位相補償板220が入る例を示したが、これは必
須ではない。位相補償板220無しでもこの系は成立
し、円偏光照明下で高域でのMTF改善の効果が得られ
る。また、部分偏光ビームスプリッタ200の特性の例
として、Tp:Rp=6:4,Ts/Rs<0.05 と
いう数字を示したが、これらも必須の条件ではない。p
偏光成分が一部反射されるものであれば良い。
でのMTF改善効果が得られるので、試料上のパターン
方向に依存しない高分解能像観察、および、高感度な欠
陥検出が可能になる。また、必要に応じて、簡単な切り
替えで直線偏光照明と円偏光照明、楕円偏光照明を使い
分けることが可能になるので、より多様な試料への対応
が可能になる。
向に依存せず高域でのMTF改善効果が得られる。ま
た、必要に応じて照明光の偏光状態を直線偏光にも切り
替えられるような光学系を実現できる。
示す縦断面図。
を切り替えて用いる場合の光路分離部の構成を示す縦断
面図。
面図。
を示す縦断面図。
板、20…対物レンズ、22…アナライザ、30…結像
レンズ、50…ズームレンズ、70…イメージセンサ、
71…画像処理回路、72…欠陥判定回路、200…部
分偏光ビームスプリッタ、210…光路分離部、220
…位相補償板。
Claims (7)
- 【請求項1】試料表面に形成された微細なパターンを光
によって観察する方法において、概略円偏光状態の照明
光を対物レンズを通して試料面に照射し、試料で反射さ
れた光をλを波長としてλ/4板と部分偏光ビームスプ
リッタとアナライザを通して結像光学系に導き、結像光
学系で結像された像を観察あるいは撮像することを特徴
とする微細構造観察方法。 - 【請求項2】試料表面に形成された微細なパターンを光
によって観察する方法において、概略直線偏光状態の照
明光を対物レンズを通して試料面に照射し、試料で反射
された光をλを波長としてλ/2板と部分偏光ビームス
プリッタとアナライザを通して結像光学系に導き、結像
光学系で結像された像を観察あるいは撮像することを特
徴とする微細構造観察方法。 - 【請求項3】前記部分偏光ビームスプリッタと前記アナ
ライザの間に位相補償素子を備え、部分偏光ビームスプ
リッタで反射されたs偏光成分とp偏光成分の位相差を
調整したうえで結像光学系に導くことを特徴とする請求
項1または2に記載の微細構造観察方法。 - 【請求項4】試料に照明光を照射する照明手段と、照明
された試料の像を結像させる結像手段と、前記試料の像
を撮像する撮像手段と、取得された画像を予め記憶して
おいた画像と比較して前記試料の欠陥を検出する欠陥検
出手段と、該欠陥検出手段で検出した欠陥を表示する表
示手段を備えた欠陥検査装置において、該照明手段が概
略円偏光状態の照明光を対物レンズに入射させる円偏光
生成手段を具備し、結像手段が、λを波長として対物レ
ンズとλ/4板と部分偏光ビームスプリッタとアナライ
ザと結像レンズを具備していることを特徴とする欠陥検
査装置。 - 【請求項5】試料に照明光を照射する照明手段と、照明
された試料の像を結像させる結像手段と、前記試料の像
を撮像する撮像手段と、取得された画像を予め記憶して
おいた画像と比較して前記試料の欠陥を検出する欠陥検
出手段と、該欠陥検出手段で検出した欠陥を表示する表
示手段を備えた欠陥検査装置において、該照明手段が概
略直線偏光状態の照明光を対物レンズに入射させる直線
偏光生成手段を具備し、結像手段が、λを波長として対
物レンズとλ/2板と部分偏光ビームスプリッタとアナ
ライザと結像レンズを具備していることを特徴とする欠
陥検査装置。 - 【請求項6】試料に照明光を照射する照明手段と、照明
された試料の像を結像させる結像手段と、前記試料の像
を撮像する撮像手段と、取得された画像を予め記憶して
おいた画像と比較して前記試料の欠陥を検出する欠陥検
出手段と、該欠陥検出手段で検出した欠陥を表示する表
示手段を備えた欠陥検査装置において、結像手段が、λ
を波長として対物レンズとλ/4板とλ/2板と、λ/
4板とλ/2板とを個別に光路に対して出し入れする波
長板切り替え手段と、部分偏光ビームスプリッタとアナ
ライザと結像レンズを具備することを特徴とする欠陥検
査装置。 - 【請求項7】前記結像手段が位相補償手段を具備するこ
とを特徴とする請求項4,5,6のいずれかに記載の欠
陥検査装置。
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