JP2005156537A - 欠陥観察方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
半導体デバイス等の基板上に回路パターンを形成するデバイス製造工程において、製造
工程中に発生する微小な異物やパターン欠陥を、高速で高精度に検査できる装置および方
法を提供すること。
【解決手段】
試料を入射角度の異なる複数の方向から暗視野照明して暗視野照明による試料からの散乱光を複数の方向ごとに検出し、複数の方向ごとに検出して得た信号を処理することによりパターン以外のノイズを低減し、試料の光学的に透明な膜の表面に存在する欠陥と透明な膜の中又は下に存在する欠陥とを識別し、電子顕微鏡で試料の光学的に透明な膜の表面に存在する欠陥と識別された欠陥を観察するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造工程で発生した欠陥を検査する欠陥検査方法及びその装置に係り
、特に電子顕微鏡を用いて欠陥を詳細に観察するのに適した欠陥観察方法及びその装置に
関する。

半導体製造工程では、半導体基板（ウェハ）上に異物が存在すると配線の絶縁不良や短
絡などの不良原因になる。さらに半導体素子の微細化に伴い、より微細な異物がキャパシ
タの絶縁不良やゲート酸化膜などの破壊の原因にもなる。これらの異物は、搬送装置の可
動部から発生するものや、人体から発生するもの、プロセスガスにより処理装置内で反応
生成されたもの、薬品や材料に混入していたものなど種々の原因により種々の状態で混入
され、例えば半導体ウェハ上のスクラッチ（引掻き傷）、材料残り、粒子等が挙げられ製
造スループットに影響を与えている。
このため、製造プロセス中に半導体基板上に発生した欠陥を検出し、検出した欠陥を分
類して欠陥の発生源をいち早く突き止め、欠陥の大量発生を食い止める必要がある。

従来、このように欠陥の原因を追求するための方法として、光学式の異物検査装置を用
いて半導体基板の表面を暗視野照明して異物からの散乱光を検出して欠陥の位置を特定し
、または、光学式外観検査装置を用いて半導体基板の明視野光学像を検出してこれを参照
画像と比較することにより半導体基板上の欠陥の位置を特定し、この位置が特定された欠
陥を、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で詳細に観察して分類し、データベースと比較して分
類した欠陥の発生原因を推定する方法が採られていた。このような観察方法に関しては、
特許文献１〜３に開示されている。

特開２００１-１３３４１７号公報 特開２００３-７２４３号公報 特開平５-４１１９４号公報

光学式の異物検査装置を用いて半導体基板表面の異物を検出する場合、検査のスループ
ットを上げるために、半導体基板表面を暗視野照明するためのレーザビームのスポットサ
イズを大きくして半導体基板表面を走査して照射している。このため、半導体基板表面を
走査するレーザビームスポットの位置から求める位置座標の精度は、大きな誤差成分を含
んでしまう。

このような大きな誤差成分を含んだ欠陥の位置情報に基づいてＳＥＭを用いて欠陥を詳
細に観察しようとすると、光学式の異物検査装置よりも遥かに高い倍率で観察するＳＥＭ
の視野の中に、観察したい欠陥が入らない場合がある。このような場合、ＳＥＭの視野内
に見たい欠陥の画像を入れるために、ＳＥＭの視野内を移動させながら欠陥を探すことに
なるが、そのための時間がかかってしまい、ＳＥＭ観察のスループットが低下する原因に
なってしまう。

また、光学式外観検査装置は、検査対象である半導体基板を明視野照明し、撮像して得
た画像を参照画像と比較することにより欠陥を検出するが、半導体基板の表面が光学的に
透明な膜で覆われている場合には、この光学的に透明な膜の表面の欠陥の他に、膜中又は
膜下に存在する欠陥も検出してしまう。

このような光学式外観検査装置で検出した欠陥の位置情報に基づいて、欠陥をＳＥＭで
詳細に観察しようとすると、一般にＳＥＭでは試料表面の情報しか得られないので、光学
式外観検査装置で検出した膜中又は膜下に存在する欠陥を観察することができない。この
ような場合、ＳＥＭによる観察装置からは、光学式外観検査装置が誤検出したと認識して
しまうという問題があった。

本発明の目的は、光学式の異物検査装置又は光学式外観検査装置で検出した欠陥を、Ｓ
ＥＭを用いて詳細に観察する場合において、光学式の異物検査装置又は光学式外観検査装
置で検出した欠陥を、確実にＳＥＭの観察視野内に入れることができる欠陥観察方法及び
その装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、欠陥観察装置を、予め他の検査装置を用いて検出された繰返しパターンが形成されて表面を光学的に透明な膜で覆われた試料の欠陥の位置情報に基いて欠陥を検出する欠陥検出手段と、欠陥検出手段で検出された欠陥の位置情報に基づいて予め他の検査装置を用いて検出された試料上の欠陥の位置情報を修正する位置情報修正手段と、位置情報修正手段で修正された位置情報に基づいて予め他の検査装置を用いて検出された試料上の欠陥を観察する電子顕微鏡手段と、欠陥検出手段で検出された試料を電子顕微鏡手段に移動させるテーブル手段と、内部にこのテーブル手段を格納して欠陥検出手段と電子顕微鏡手段とが設置されて内部が真空に排気される真空チャンバ手段とを備え、欠陥検出手段は、試料を明視野照明して撮像する明視野画像取得部と、試料を互いに入射角度が異なる複数の方向から順次暗視野照明して撮像する暗視野画像取得部と、明視野画像取得部で取得した画像又は暗視野画像取得部で取得した画像を処理して試料上の欠陥を検出する画像処理部とを有し、画像処理部は暗視野欠陥検出部で試料を順次暗視野照明して得た画像を処理することにより試料上の欠陥を検出し、欠陥を光学的に透明な膜の上に有る欠陥と透明な膜の中又は下にある欠陥とに識別可能に構成した。

また、本発明では、予め他の光学検査装置を用いて検出された繰返しパターンが形成されて表面を光学的に透明な膜で覆われた試料の欠陥の位置情報に基いて欠陥を検出し、検出した欠陥の位置情報に基づいて予め他の光学検査装置を用いて検出された試料上の欠陥の位置情報を修正し、修正した欠陥の位置情報に基づいて予め他の光学検査装置を用いて検出された試料上の欠陥を電子顕微鏡で観察する方法において、欠陥の位置情報に基いて欠陥を検出する工程において、試料を入射角度の異なる複数の方向から暗視野照明して暗視野照明による試料からの散乱光を複数の方向ごとに検出し、複数の方向ごとに検出して得た信号を処理することにより試料の光学的に透明な膜の表面に存在する欠陥と透明な膜の中又は下に存在する欠陥とを識別し、電子顕微鏡で欠陥を観察する工程において、試料の光学的に透明な膜の表面に存在する欠陥と識別された欠陥を観察することを特徴とする欠陥観察方法。

本発明によれば、光学式の異物検査装置又は光学式外観検査装置で検出した欠陥を、Ｓ
ＥＭを用いて詳細に観察する場合において、光学式の異物検査装置又は光学式外観検査装
置で検出した欠陥を、確実にＳＥＭの観察視野内に入れることができるようになり、ＳＥＭを用いた欠陥の詳細観察のスループットを上げることができた。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明に係る物体表面の欠陥検査装置は、図１に示すように、様々な品種や様々な製造工程から得られるウェハ等の被検査対象基板１００を載置、移動させるＸＹＺステージ１２０とコントローラ８０を備えた搬送系１２５と、レーザ光源３０から射出されたレーザ光Ｌ１を、ビーム径可変手段３３である大きさに設定後、波長板３５、ミラー３８を介して、被検査対象基板１００の斜め上方向から照射する暗視野照明系３００と、被検査対象基板１００を載置するＸＹテーブル１２０の上方に配置された対物レンズ１３、ビームスプリッタ２０、第１レンズ群１１、空間フィルタ１０、第２レンズ群１２、光学フィルタ１９、ＣＣＤ等の光検出器１５を備えた検出光学系３５０を有する欠陥検出装置１４０と、
前記検出光学系３５０内の光検出器１５から出力される画像信号に基づいて欠陥を検出す
る信号処理系４００と、全体のシーケンスを制御する全体制御部１３０とを含んで構成さ
れる。また、全体制御部１３０は、入出力部７３（キーボードやネットワークも含む）、
表示部７２、記憶部７１が設けられている。

一方、前記、欠陥検出装置１４０に対して、Ｙ方向に同軸、Ｘ方向に距離ｄだけ離間し
た位置に、電子ビーム軸１１２を有する電子顕微鏡（ＳＥＭ）１１０が設けられている。
電子顕微鏡（ＳＥＭ）１１０は、被検査対象基板１００に電子ビームを照射、走査して、
被検査対象基板１００から発生する２次電子を検出することによって高倍率で画像観察す
る装置であって、別の検査装置により検出した被検査対象基板１００上の欠陥を、該別の
検査装置から出力された被検査対象基板１００上の欠陥の位置情報である欠陥マップデー
タを前記入出力部７３（キーボードやネットワークも含む）を介して入力し、該欠陥マッ
プデータに基づいて、前記電子顕微鏡（ＳＥＭ）１１０の電子ビーム軸１１２に対して、
ＸＹ方向でほぼ一致する位置にＸＹステージ１２０を移動せしめ、焦点検出系９０（図１
では投光側だけを示し、受光側は省略している）で被検査対象基板１００上のＺ方向の位
置を検出し、ＳＥＭ像が鮮明になるように全体制御部１３０で電子ビームの焦点を制御し
ながら前記被検査対象基板１００上の欠陥を観察するものである。なお、２次電子検出器
（図示しない）は、電子ビーム軸１１２と被検査対象基板１００の交差する点を望むよう
に設けられた光電変換器やＥＤＸ等により構成されている。

次に視野照明系３００について、図１乃至３を用いて説明する。レーザ光源３０から
出射したレーザ光Ｌ１は、全体制御部１３０からの駆動信号により開閉するシャッタ３１を通過し、ビーム径可変手段３３、波長板３５、窓部３６を透過して真空チャンバ１５０の内部に入り、反射角の異なるミラー３８またはミラー３９で反射して被検査対象基板１００表面に照射される。この時、被検査対象基板１００表面の欠陥からの散乱光は光軸３１２を有する検出光学系３５０に、また、正反射光Ｌ２は光減衰器３７に到達する。光減衰器３７は、吸収、干渉等により入射光を打ち消す作用を備えた光学素子であり、表面に形成した微細な針状突起で入射光をとらえるものである。

ビーム径可変手段３３は、図２に示すように、例えば焦点距離の異なる２群のレンズ３３ａ、３３ｂから構成されている。レンズ３３ｂは、レンズ保持部４１を介してモータ４０(例えばパルスモータ)及びボールネジ４２により光軸方向(Ｘ方向)に移動し、被検査対象基板１００の表面に照射されるレーザ光束を収斂させて照射範囲を変えるようになっている。すなわち、レンズ保持部４１の先端に設けられた位置決めセンサの可動部４５で、原点センサ４６の位置を検知した後、モータ４０の回転パルスを全体制御部１３０からの駆動信号により図示しないコントローラを介して制御するものである。

センサ４７及び４８は原点センサ４６を挟むように設置されたリミットセンサである。位置決めセンサとしては、光学的、磁気的センサ等が考えられる。なお、これら一連の動作は、全体制御部１３０からの指令に基づいて実行される。また、照明範囲の設定は、検出光学系３５０の検出倍率の切替えに同期して行われる。照明範囲は、ビーム径とレンズ３３ｂの位置関係で決まり、予め、全体制御部１３０にデータが記憶されており、載置台１２２の一部に図示しない校正板等を設けて計測することも可能である。

一方、検出光学系３５０は、電子顕微鏡１１０の電子ビーム軸１１２から距離ｄ離れた
位置に光軸を有し、光学系全体がＺステージ６１によってＺ方向に移動可能になっている
。Ｚステージ６１は全体制御部１３０で制御されるモータ６０の回転制御によってＺ方向に移動する。モータ６０は駆動回路４１０介して全体制御部１３０からの制御信号によって制御される。検出光学系３５０と真空チャンバ１５０は、変形自在なカップリング５０により接合されており、Ｚステージ移動の間も真空チャンバ内の真空度が保たれる構造になっている。

すなわち、検出光学系３５０は、図４に示すように、ミラー１７、対物レンズ１３、ビ
ームスプリッタ２０、第１レンズ群１１、空間フィルタ１０、第２レンズ群１２、光学フ
ィルタ１９及び光検出器１５で構成され、被検査対象基板１００表面の欠陥５５からの散
乱光Ｌ３を検出する。レーザ光源３０としては、可視または紫外領域の単色あるいは白色レーザ等を用いることが考えられ、光検出器１５はレーザ光源３０から出射される光の波長に対して受光感度を有する受光素子が用いられる。
出射窓１４は対物レンズ１３とミラー１７の間に設けられた透明窓であり、真空シール
材１６によって真空チャンバ１５０内の真空度が保たれるようになっている。欠陥散乱光
Ｌ３は、対物レンズ１３を通過後、ビームスプリッタ２０を経て第１レンズ群１１、空間
フィルタ１０、第２レンズ群１２を介して光検出器１５に到達する。光検出器１５は、例
えば受光素子（画素）が一次元または二次元方向に配列されたＣＣＤやＴＤＩセンサなどであり、受光の蓄積時間を変えられる機能を有している。光検出器１５から出力された電気信号は、信号処理部４００で処理され、処理結果が全体制御部１３０に送られる。

空間フィルタ１０は、対物レンズ１３のフーリエ変換位置（射出瞳に相当する）に配置
されており、欠陥や異物を検出する際にノイズとなる被検査対象基板１００上からの反射光（例えば、規則的な繰返しパターン等からの反射回折光によるフーリエ像）を遮光する。例えば検出光学系３５０の光路中に、検査中はＹ方向に退避可能なミラー２０１と、投影レンズ２０２、ＴＶカメラ２０３からなる瞳観察光学系２００を設け、図５に示すフーリエ変換位置における繰り返しパターンからの反射回折光像５０１をＴＶカメラ２０３で撮像し、回折像の輝度点５０２（図中の白色部）を矩形状の遮光パターン５０３を有する遮光板５１０で遮光するものである。

遮光パターン５０３は、図示しない機構によって間隔Pを変化させることができ、ＴＶカメラ２０３で得られる画像が輝点のない像５０４になるように調整されるものであり、ＴＶカメラ２０３からの信号を信号処理部４００で処理して全体制御部１３０の指令に基づいて実施される。なお、空間フィルタ１０は、移動手段２１によって光路中に設置、退避可能になっている。

ところで、電子顕微鏡で被検査対象基板１００上の欠陥を観察する際において、被検査
対象基板１００は、図示しない基板カセットからロボットアームによって取り出され、搬送系１２５でＸＹステージ１２０の載置台１２２上に搬送されて位置決め固定される。

次に、予め入出力部７３から全体制御部１３０に入力されている他の検査装置によって出力された欠陥マップデータに基づいて、観察対象の欠陥が検出光学系３５０の光軸位置に位置決めされ、欠陥の画像が光検出器１５で取得されて信号処理系４００に入力される。
信号処理系４００ は、入力された画像から欠陥の検出処理を行い、結果を全体制御部１３０に出力する。

全体制御部１３０は、駆動回路を介してＸＹステージ１２０に駆動信号を発し、ＸＹス
テージ１２０がＸ方向に電子顕微鏡の電子ビーム軸１１２と検出光学系３５０の光軸３１
２の離間距離ｄだけ移動して電子顕微鏡の電子ビーム軸１１２上に欠陥検出装置１４０で
検出された欠陥が移動されて欠陥の確認・分析が実施される。表示部７２では電子顕微鏡
の観察画像及び光検出器１５が取得した画像を切り換えて、又は同一の画面上に並べて表
示し、観察することが可能である。信号処理系４００ において欠陥が検出されなかった
場合は検出光学系の被検査対象基板１００上での検出視野を拡大または縮小して欠陥を探
すことになるが、これに伴いレーザ光Ｌ１の照明範囲もレンズ３３ｂを移動させることに
よって変化させる。

次に、光検出器１５の取得画像から欠陥を検出する動作について説明する。図６は光検出器１５の受光面の模式図であり、m×ｎ個の画素で構成されている場合である。

被検査対象基板１００の表面の欠陥は、レーザ光源３０からのレーザ光Ｌ１または明視野光源２３からの照明によって散乱光を発し、光検出器１５の受光面４０２に欠陥画像５６として結像し、光検出器１５から信号処理部４００にの欠陥画像が取り込まれる。画像取り込みは、Ｚステージ６１をＺ方向に一定量づつステップ移動して焦点を変化させながら行い、図７に示す欠陥像５６のＸ(Ｙ)方向の輝度値Ｉが最大値ＩmaxとなるＺ位置を合焦点位置とし、そのときの画像に対して、受光面４０２の中心位置４０３と欠陥画像５６の差ＸＬ、ＹＬを算出し、欠陥を電子光学系の電子ビーム軸の位置に移動する際のオフセット値として使用する。例えば、図６（ｂ）に示すように欠陥画像５６が複数の画素にわたっている場合は、重心画素５８が欠陥の代表座標として記憶される。

図８は、信号処理部４００の構成を示している。検出器１５から出力された画像信号２５はＡ／Ｄ変換器４０５でアナログ／デジタル変換され除算処理回路４２０に入力される。除算処理回路４２０は欠陥情報の含まれていない参照画像４１５と、検出器１５から出力された画像を位置合わせた後、各画素毎に除算し、比較回路４４０に出力する。

比較回路４４０は、しきい値回路４３０から出力されたしきい値Ｔｈと除算処理回路４
２０の出力を各画素毎に比較する。すなわち、二次元画像ｆ（ｉ，ｊ）の各画素の明るさ
信号ｖ（ｉ，ｊ）に対して、しきい値Ｔｈを設定し、各画素がしきい値を超えているか否
かを判定する。しきい値を越えた画素を“１”、越えない画素を“０”として結果を検出
座標判定処理回路４５０に出力する。

検出座標判定処理回路４５０は、入力された画像信号の中で“１”の画素を欠陥候補とし、重心位置の画素を、欠陥座標として全体制御部１３０に記憶し、他の検査装置の欠陥マップ座標とを比較して、両者の座標が、光検出器１５のウェハ１００上での検出光学系３５０の視野より大きい場合は座標位置の更新が行われ、それ以外の時は欠陥マップの座標が参照される。

参照画像４１５としては、検査に先立って取得された照明光のシェージング画像、または、被検査対象基板１００に繰り返し形成されたチップ又はメモリセルを撮像して得た画像データが用いられ、検出光学系３５０の光路中に空間フィルタ１０を配した状態でＸＹステージ１２０が移動中に欠陥座標の隣接あるいは近傍のチップ又はメモリセル部の検査対象のパターンと本来同一の形状となるべきパターン画像を回路途中に設けられたスイッチを開閉して選択できる構成になっている。

一方、半導体の高集積化に伴い、被検査対象基板１００上に形成されるパターンの線幅は益々、微細化の傾向にある。パターンのエッジ部は微小な凹凸形状を呈しているため、レーザ光を照射するとエッジ部からスペックルノイズが発生する。このスペックルノイズは、レーザの照射条件によってエッジ部での散乱状態が変化する。これによって同一形状パターンの場合でも光検出器１５で検出されるパターン像の形状に差が生じ、チップ比較において不一致部となり正常部を欠陥と認識してしまう。このためパターンエッジ部でのスペックルノイズを低減してパターンを安定検出する必要がでてきた。

そこで、暗視野照明系を図９に示すように、被検査対象基板１００の表面に対して複数の異なる方向から照明してパターンエッジ部でのスペックルノイズの指向性を抑える構成にし、光検出器１５の検出視野内でパターンエッジ部でのスペックルノイズを低減してパターンを安定に検出できるようにした。

図９（ａ）に示す暗視野照明系３０１は、同一または異なる波長の光源１６１〜１６３と集光レンズ１７１〜１７３との組合せにより、被検査対象基板１００の表面を照明している例である。光源１６１〜１６３は、自己あるいは光路中に配した開閉手段（図示せず）により連続または断続的に被検査対象基板１００の表面を照明する。一方、検出器１５は、光源１６１〜１６３による被検査対象基板１００の表面の照明に同期した露光時間が設定されている。

図９（ｂ）、（ｃ）は、単一光源により複数方向から被検査対象基板１００を照明する実施例である。

図９（ｂ）に示す暗視野照明系３０２は、レーザ光源３０から発した光を集光レンズ１８１、走査手段１８２、コリメータレンズ１８４、集光レンズ１８６を介して被検査対象基板１００の表面に照明するものである。すなわち、集光レンズ１８１で走査手段１８２の内部に集光されたレーザ光を、ＡＯ偏向器やマイクロデバイスミラー、ガルバノミラー等により、レーザ光の１走査時間と検出器１５の露光時間を同期させつつ、例えばＺ方向にレーザ光を走査して被検査対象基板１００上に時間的に異なる方向からレーザ光Ｌ３を照明する。

また、図９（ｃ）に示す暗視野照明系３０３は、前記走査手段１８２を不要とした例であり、レーザ光をビームエキスパンダ１９０で任意の方向に拡大した後、それぞれ長さＬの異なる透明ロッド群１９３に入射させ、透明ロッド群１９３の出射端の側に設けた集光レンズ１９４で被検査対象基板１００表面の同一箇所に異なる方向からレーザ光Ｌ４を照射するものである。透明ロッド１９３の入射断面は被検査対象基板１００への照明領域に応じて設定され、透明ロッド１９３を構成する各ロッド間の長さＬの差は、光源３０の可干渉距離以上の光路差となるように各々の長さが設定される。

ところで、図１０に示すように、被検査対象基板１００の表面には多層化の工程で透明な膜(例えば酸化膜)８０４が形成され、その上にパターンが形成される工程の繰り返しにより多層ウェハが作られる。酸化膜の形成されたウェハ上において、酸化膜表面の異物８０３やパターン欠陥のみを検出するニーズが高まっているが、パターン、異物検査装置では照明光が透明膜中に達して膜中の欠陥に照射され、透明膜表面の欠陥、異物８０３に限らず、透明膜中の欠陥、異物８０２も検出されるため、パターン検査装置の検査マップには両者が混在していると考えられる。
しかし、ＳＥＭを用いて透明膜中の欠陥８０２を観察することは難しいものとされてい
る。このため、欠陥座標をＳＥＭの電子ビーム軸１１２の真下に位置決めしても、欠陥を
確認することができず、パターン検査装置の誤検出と認識されてしまう場合がある。この
ため、本発明では、暗視野照明系３００に配したミラー３８、３９によって照明角度を変
えて照明することにより、透明膜への照明光の透過、反射を調整して表面欠陥あるいは膜
中欠陥のいずれかに照明光が多く照射されるようにして、光学式外観検査装置で検出した
欠陥が、膜上、膜中いずれに存在する欠陥かを検出光学系３５０で判定して、ＳＥＭにフ
ィードバックできるようにしている。ミラー３８は入射角の小さい照明（垂直に近い）に
よって透明膜中の欠陥を照射し、ミラー３９は大きい入射角の照明（水平に近い）により透明膜中への透過を抑え膜の表面の欠陥に多くの照明が照射されるように構成している。

即ち、レーザ光Ｌ１の直線偏光の向きを光路中に配した波長板３５を図示しない回転手
段でもって光軸中心に回転させ、Ｌ１が図３の紙面に垂直な偏光の場合は、ミラー３９で
全反射し、紙面に平行な偏光の場合は、ミラー３８で全反射するような特性の反射膜がミラー３８と３９それぞれの表面に形成されているものである。なお、照明角度は両者から得られる結果から最適値が設定される。

上記のような構成において、波長板３５の回転角を調整して、レーザ光Ｌ１の直線偏光
の向きが図３において紙面に垂直な方向になるようにし、ミラー３８を図示しない駆動手段でレーザ光L1の光路から外れる位置に対比させておくと、レーザ光Ｌ１はミラー３９に入射しミラー３９で全反射して、図１０（ａ）に示すように試料表面に対して入射角α_Lで入射する。この入射角α_Lで透明膜８０４に入射したレーザ光Ｌ１は、大部分が透明膜８０４の表面で反射され、表面の欠陥８０３から散乱光Ｓ1が発生する。この散乱光Ｓ1は、図１に示した検出光学系３５０を通って光検出器１５に到達して検出される。

一方、波長板３５の回転角を調整して、レーザ光Ｌ１の直線偏光の向きが図３において紙面に平行になるように設定し、図示しない駆動手段でミラー３８を駆動してミラー３８をレーザ光L１の光路中に挿入すると、レーザ光Ｌ１はミラー３８で反射されて、図１０（ｂ）に示すように試料表面に対して入射角α_Sで入射する。この入射角α_Sで透明膜８０４に入射したレーザ光Ｌ１は、膜中又は膜下の欠陥８０２に照射されて散乱光を発生する。この膜中又は膜下の欠陥８０２からも散乱光Ｓ2が発生し、図１に示した検出光学系３５０を通って光検出器１５に到達して検出される。

ミラー３８で反射された光による照明では、透明膜８０４の表面の欠陥８０３と、膜中の欠陥８０２から散乱光が発生する。また、ミラー３９で反射された光による照明では、透明膜８０４の膜中の欠陥８０２からは散乱光が発生しない。従って、反射ミラー３８、３９の切換と光検出器１５で検出される欠陥信号の有無によって透明膜８０４表面の欠陥か膜中又は膜下に存在する欠陥かを識別可能である。すなわち、透明膜８０４の表面の欠陥８０３からの散乱光の情報を、透明膜８０４の膜中又は膜下の欠陥８０２からの散乱光の情報と識別することができる。

ところで、信号処理部４００ において欠陥が検出されなかった場合は、検出光学系の被検査対象基板１００上での検出視野を拡大して欠陥を探索することになるが、レーザ光Ｌ１の照明範囲も拡大されるため、単位面積当たりの照度が低下する。このため、図１１に示すようにレーザ光Ｌ１を被検査対象基板１００上でＸＹ方向に走査して照明光の照度低下への対応を図っている。

すなわち、ビーム径可変手段３３を通過したレーザ光Ｌ１は、平行光束となってミラー
１４１で反射し、レンズ１５５で集光後、レンズ１５６で再度、平行光束となりレンズ１
５７を介してミラー３８または３９で反射され被検査対象基板１００上にスポット状に集
光される。ミラー１４１、１４４は、電気信号によって回転または揺動するモータ１６１
、１６４に取り付けられており、これにより、レーザ光Ｌ１を被検査対象基板１００上で二次元走査することができる。このようにしてレーザ光Ｌ１を二次元走査することにより被検査対象基板１００から発生する散乱光の一部は検出光学系３５０に入射して、検出器１５で検出される。

モータ１６１，１６４へ入力する電気信号としては、例えば三角波や鋸波等であり、入
力する電気信号の周波数や振幅は照射されるレーザスポット径、照明幅、光検出器１５の
蓄積時間に応じて適宜決定されるものである。また、スポット走査する手段としては、半
導体技術により形成された二次元振動ミラーや、ポリゴンミラーも考えられる。本発明で
の例は、モータによって振動するミラーの例を示しているがＳＥＭは振動を嫌う装置であ
るため、図示しない除振装置と併用して搭載する必要がある。また、ＡＯＤ等の光学振動子などを使用しても同様の効果を得ることができる。

つぎに、上記構成を備えた本発明による欠陥検査装置を用いて欠陥を検査する手順を図１３、１４により説明する。

まず、デバイス製造ラインにおいて所定の処理工程を経た被検査対象基板１００は、図
示していない検査装置（パターン欠陥を検出する光学式外観検査装置または異物を検出す
る異物検査装置）を用いて検査され、被検査対象基板１００上の欠陥が検出される。この検出された欠陥の位置座標情報は、図示していない通信手段を介して全体制御部１３０に
転送され記憶される。

次に、この欠陥検査が行われた被検査対象基板１００は、図示しないカセットに収納、運搬され、ゲートバルブ２４２の開閉によりロードロック室１６０に供給される(S1100)。次にロードロック室１６０内の真空排気が行われ(S110)、真空排気後ゲートバルブ２４３が開閉して、搬送ロボット２４４によりＳＥＭの真空チャンバ内のＸＹステージ１２０上に被検査対象基板１００が位置決めして載置される。

次に全体制御部１３０に記憶され、前記図示していない検査装置で検出した欠陥の位置座標情報に基づいてＸＹステージ１２０を駆動して、被検査対象基板１００上の欠陥座標位置が欠陥検査装置１４０の視野に移動（S1120）させ、暗視野照明用のレーザ光源３０から被検査対象基板１００上にレーザ光を照射して欠陥検査装置１４０の視野内で欠陥となる輝点の自動探索を行い（S1130）、透明膜８０４の表面の欠陥８０３を検出する(S1140)。この移動させた欠陥検査装置１４０の視野内で所望の欠陥を検出できない場合は、ＸＹステージ１２０を駆動して欠陥座標を基準に探索領域を拡大して再度探索が行われる。

一方、透明膜８０４の表面の欠陥８０３を検出すると、光検出器15の欠陥検出画像の輝点を基に、ＸＹステージ１２０に載置した状態での被検査対象基板１００上の欠陥の座標を求める。そして、この求めた座標情報が図示していない検査装置で予め検出して求めた欠陥の座標データに対してある程度以上の差異が生じている場合は、図示していない検査装置で予め検出して求めた欠陥の座標データを更新して記憶させることになる(S1150)。ここで、ある程度以上の誤差としては、例えば、欠陥検査装置１４０の検出視野から外れてしまうような大きさの誤差を基準として用いてもよいし、また、図示していない検査装置で予め検出して求めた欠陥の座標データを基準として位置合せしたときの欠陥検査装置１４０で検出した欠陥の検出視野内での画素ずれ量で定義しても良い。

欠陥検査装置１４０で検出された欠陥が図示していない検査装置で予め検出して求めた欠陥の座標データに対してある程度以上の誤差があった場合には、座標データが修正された上で、被検査対象基板１００はＸＹステージ１２０により移動されて、欠陥検査装置１４０で検出された欠陥がＳＥＭの観察視野内に位置される。そして、ＳＥＭの電子ビーム調整による焦点合わせ後、ＳＥＭで欠陥を撮像して欠陥の詳細な画像が取得され、観察される。さらに、ＡＤＣ（Ａｕｔｏ Ｄｅｆｅｃｔ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ：欠陥自動分類）の技術を用いれば、ＳＥＭで取得した欠陥の詳細な画像を解析して（S1180）、欠陥画像の特徴から、欠陥を分類し、欠陥の種類を特定することができる。

なお、欠陥の検索は基本的にはレーザ光による暗視野照明にて実施されるが、前記図示していない検査装置の検出方式に応じて検出することもできる。例えば、予め検査して全体制御部１３０に記憶しておいた欠陥の位置座標情報が、図示していない明視野照明を用いた欠陥検査装置で検出されたものであった場合には、被検査対象基板１００を明視野光源２３で照明して検出光学系３５０で被検査対象基板１００の表面を撮像し、前述の探索方法にて欠陥を検出し、この検出した欠陥が視野の中心に位置するようにＸＹステージを微調整し、微調整したＸＹステージの位置情報に基いて、全体制御部１３０に記憶しておいた欠陥の位置情報を修正する。

また、例えば、予め検査して全体制御部１３０に記憶しておいた欠陥の位置座標情報が、図示していない暗視野照明を用いた欠陥検査装置で検出されたものであった場合には、暗視野照明系３００を用い、波長板３５の回転角を調整して、レーザ光源３０から発射されてレーザをミラー３８又はミラー３９で反射させて被検査対象基板１００を照明し、被検査対象基板１００の欠陥を検出する。このとき、被検査対象基板１００上に形成されたパターンからの暗視野照明による散乱光は、検出光学系３５０の空間フィルタ１０で遮光され、光検出器１５へは欠陥からの散乱光だけが到達することになる。

前述の通り、ＳＥＭは基本的に被検査対象基板１００の透明膜中に存在する欠陥を観察することが苦手である。このため、暗視野照明系３００を用いて検出された欠陥の散乱光の信号を信号処理部４００で処理して、透明膜８０４表面の欠陥８０３か膜中又は膜下の欠陥８０２かを識別し、欠陥の位置情報とともに全体制御部１３０に記憶してＳＥＭ観察の際にフィードバックすることにより、図示していない予め欠陥を検出するための検査装置の誤検出と判定されることを防止できる。

また、図１４（ｂ）に示すように、欠陥探索時に、例えば欠陥の輝点５６を光検出器１５で撮像した欠陥検査装置１４０の暗視野画像２６０を全体制御部１３０に記憶しておき、ＳＥＭ観察の際に、ＳＥＭ観察画面２５０内に該暗視野画像２６０と共に表示し、更にＳＥＭ観察画面２５０内に観察位置を示す指標２５３を、該暗視野画像２６０内に指標２６２を表示して、ＸＹステージの移動量に同期させて指標を移動させることにより、該暗視野画像とＳＥＭ観察像との整合性を実時間にて得ることができる。

また、被検査対象基板１００に形成した透明膜８０４表面の欠陥か膜中の欠陥かを判別する他の実施例として、欠陥検出装置１４０を図１２（ａ）に示す構成にしても良い。即ち、前述の検出光学系３５０と同様の機能を有する検出光学系３５０ａを被検査対象基板１００の上方設置に加え、被検査対象基板１００の表面に対して照明角γ方向からの照明が可能な光源３００と、水平角φでもって検出角θ方向に検出系３５０ｂを設けて、被検査対象基板１００からの迷光を低減し微小欠陥のみを検出するものであり、また、図１２（ｂ）または（ｃ）に示したように、照明と検出の方向を変えても良い。

以上、本発明によれば別の検査装置で検査した欠陥座標に基づいて欠陥をＳＥＭにて観察する際に、被検査対象基板表面に形成された透明膜表面の欠陥と膜中又は膜下の欠陥を識別して検出し、ＳＥＭ観察の際にフィードバックすることにより、ＳＥＭで観察することが難しい透明膜中又は膜下の欠陥を別の光学式検査装置で検査した欠陥座標に基づいて探し回るということを回避できる。その結果、ＳＥＭで観察すべき膜表面の欠陥を確実に、且つ、容易にＳＥＭの視野内に入れることができるため、膜表面の欠陥の詳細な観察を容易に行うことができる。

更に、ＡＤＣの技術を用いれば、ＳＥＭで取得した欠陥の詳細な画像の特徴から、欠陥の種類を特定することができる。また、ＳＥＭ画像と暗視野画像の並列表示と指標によるナビゲーション採用により、ＳＥＭ観察の際の目視による欠陥探索時間を短縮することができるという効果も有る。

本発明に係る物体表面の欠陥検査装置の概略構成を示す正面図である。 図１に示す照明光学系の構成を説明するための概略構成図である。 照明光学系の構成を説明するための配置図である。 図１に示す検出光学系の構成を説明するための概略構成図である。 図４に示す検出光学系の空間フィルタについて説明するための図である。 検出画像から欠陥座標を求める処理について説明するための図である。 図６に示す欠陥画像の断面プロファイルについて説明する図である。 図１に示す信号処理部の内容を説明するためのブロック図である。 照明光学系の他の実施例を示すための図である。 透明膜上の欠陥を検出する際の照明方法について説明するための図である。 図１に示す照明光学系の他の実施例を示す構成図である。 図１に示す欠陥検出装置の他の実施例を示す構成図である。 図１に示す欠陥検出装置で検出の欠陥をＳＥＭ観察するフロー図である。 本発明の全体構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０・・・空間フィルタ １１・・・第１レンズ群 １２・・・第２レンズ群 １３・・・対物レンズ １４・・・出射窓 １５・・・光検出器 １９・・・光学フィルタ ２０・・・ビームスプリッタ ２３・・・明視野光源 ３０・・・レーザ光源 ３３・・・ビーム径可変手段 ３５・・・波長板 ３７・・・光減衰器
５５・・・欠陥 ５６・・・欠陥像 ６１・・・Ｚステージ ７１・・・記憶部
７２・・・表示部 ７３・・・入出力部 ８０，４１０・・・駆動回路
９０・・・焦点検出系 １１０・・・電子顕微鏡(ＳＥＭ) １２０・・・ＸＹステージ １２２・・・載置台 １４０・・・欠陥検出装置 １５０・・・真空チャンバ
１６０・・・ロードロック室 ３００・・・暗視野照明系 ３５０・・・検出光学系
４００・・・信号処理系 ４１０・・・駆動回路

Claims (10)

1. 予め他の光学検査装置を用いて検出された繰返しパターンが形成されて表面を光学的に透明な膜で覆われた試料の欠陥の位置情報に基いて該欠陥を検出し、該検出した欠陥の位置情報に基づいて前記予め他の光学検査装置を用いて検出された前記試料上の欠陥の位置情報を修正し、該修正した欠陥の位置情報に基づいて前記予め他の光学検査装置を用いて検出された試料上の欠陥を電子顕微鏡で観察する方法であって、前記欠陥の位置情報に基いて該欠陥を検出する工程において、前記試料を入射角度の異なる複数の方向から暗視野照明して該暗視野照明による前記試料からの散乱光を前記複数の方向ごとに検出し、該複数の方向ごとに検出して得た信号を処理することにより前記試料の光学的に透明な膜の表面に存在する欠陥と該透明な膜の中又は下に存在する欠陥とを識別し、前記電子顕微鏡で欠陥を観察する工程において、前記試料の光学的に透明な膜の表面に存在する欠陥と識別された欠陥を観察することを特徴とする欠陥観察方法。
2. 前記光学的に透明な膜の表面に存在すると識別された欠陥の位置情報に基づいて前記予め他の光学検査装置を用いて検出された前記試料上の欠陥の位置情報を修正することを特徴とする請求項１記載の欠陥観察方法。
3. 前記欠陥を検出する工程において、前記試料を入射角度の異なる複数の方向から暗視野照明して該暗視野照明による前記試料からの散乱光のうち、前記試料に形成されたパターンのエッジからの散乱光を遮光して検出することを特徴とする請求項１記載の欠陥観察方法。
4. 予め他の光学検査装置を用いて検出された繰返しパターンが形成されて表面を光学的に透明な膜で覆われた試料の欠陥の位置情報に基いて該欠陥を光学的に検出し、該検出した欠陥の位置情報に基づいて前記予め他の光学検査装置を用いて検出された前記試料上の欠陥の位置情報を修正し、該修正した欠陥の位置情報に基づいて前記予め他の光学検査装置を用いて検出された試料上の欠陥を電子顕微鏡で観察する方法であって、前記欠陥を光学的に検出する工程において、光学的に検出した欠陥について前記試料の表面を覆う光学的に透明な膜の表面に存在する欠陥と該透明な膜の中又は下に存在する欠陥とを識別し、前記光学的に透明な膜の表面に存在すると識別した欠陥を電子顕微鏡で観察することを特徴とする欠陥観察方法。
5. 前記欠陥を光学的に検出する工程において、前記試料を高い角度方向から照明して得た暗視野画像と前記試料を低い角度方向から照明して得た暗視野画像とを用いて前記試料の表面を覆う光学的に透明な膜の表面に存在する欠陥と該透明な膜の中又は下に存在する欠陥とを識別することを特徴とする請求項４記載の欠陥観察方法。
6. 前記欠陥を検出する工程において、前記試料を高い角度方向から照明して暗視野画像を得るときと前記試料を低い角度方向から照明して暗視野画像を得るときに、前記それぞれの照明による試料からの散乱光のうち、前記試料に形成されたパターンのエッジからの散乱光を空間フィルタで遮光して検出することを特徴とする請求項４記載の欠陥観察方法。
7. 予め他の検査装置を用いて検出された繰返しパターンが形成されて表面を光学的に透明な膜で覆われた試料の欠陥の位置情報に基いて前記欠陥を検出する欠陥検出手段と、該欠陥検出手段で検出された欠陥の位置情報に基づいて前記予め他の検査装置を用いて検出された試料上の欠陥の位置情報を修正する位置情報修正手段と、該位置情報修正手段で修正された位置情報に基づいて前記予め他の検査装置を用いて検出された試料上の欠陥を観察する電子顕微鏡手段と、前記欠陥検出手段で検出された試料を前記電子顕微鏡手段に移動させるテーブル手段と、内部に該テーブル手段を格納して前記欠陥検出手段と前記電子顕微鏡手段とが設置されて前記内部が真空に排気される真空チャンバ手段とを備えた欠陥観察装置であって、前記欠陥検出手段は、前記試料を明視野照明して撮像する明視野画像取得部と、前記試料を互いに入射角度が異なる複数の方向から順次暗視野照明して撮像する暗視野画像取得部と、前記明視野画像取得部で取得した画像又は前記暗視野画像取得部で取得した画像を処理して前記試料上の欠陥を検出する画像処理部とを有し、前記画像処理部は前記暗視野欠陥検出部で前記試料を前記順次暗視野照明して得た画像を処理することにより前記試料上の欠陥を検出し、該欠陥を前記光学的に透明な膜の上に有る欠陥と該透明な膜の中又は下にある欠陥とに識別することを特徴とする欠陥観察装置。
8. 前記位置情報修正手段は、前記欠陥検出手段で検出された前記光学的に透明な膜の表面に存在すると識別された欠陥の位置情報を用いて前記予め他の光学検査装置を用いて検出された前記試料上の欠陥の位置情報を修正することを特徴とする請求項７記載の欠陥観察装置。
9. 前記欠陥検出手段は、前記暗視野照明による前記試料からの散乱光のうち、前記試料に形成されたパターンのエッジからの散乱光を遮光する空間フィルタ部を備えていることを特徴とする請求項７記載の欠陥観察装置。
10. 前記真空チャンバ手段は、ロードロック室を有し、大気中から前記基板を該ロードロック室を介して前記真空チャンバ内に搬入することを特徴とする請求項７記載の欠陥観察装置。
    

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