JP2005257339A - 半導体ウエハ検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学的手法によって、波長限界以下の分解能で、ウェハの幾何学的測定と物理的計測を高速に行うことを、小型の装置で実現する。
【解決手段】 単色光源と、その単色光を入力してサンプルを照射し反射光をえるための光学モジュールとフォトセンサーと計算機によって構成され、光学モジュールは、半導体プロセスによって作成することによって、集積化と小型化を可能にする。
光学モジュールは、単色光をサンプルに照射するための細孔からなる入射側の光ガイドと、波長以下の直径の第１の微小開口と、第１の開口に近接した第２の微小開口と、第２の開口からの伝播光をフォトセンサーに伝播するための充分に大きな孔からなる反射側の光ガイドによって構成される。
光学モジュールはサンプルからの反射光が第１の微小開口に斜めに入射するようにウエハの上に波長以下の間隔で取り付けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウエハの検査装置に関し、特に顕微鏡計測、膜厚、屈折率測定、欠陥検査装置に関する。

ウエハ表面の顕微鏡計測は、パターンおよび材料の幾何学的形状を画像として所定の分解能で観察できることを前提とし、ウエハの幾何学的測定、すなわちＣＤ測定、重ねあわせ精度、欠陥、パーティクル検出など、および物理的計測、すなわち屈折率、膜厚測定などを行う。

走査型電子顕微鏡による観察においては、高速化と充分なＳＮをえるために電子ビームのエネルギーをあげる必要があり、試料に照射損傷が発生する。そのため、得られた画像の解釈においては、装置とサンプルとの相互作用の理解、すなわち画像形成過程についての仮定と適切な解釈が前提とされる。

解像度が光の波長で制約される遠視野での従来の顕微鏡観察は、充分な分解能をもたない。

近接場光顕微鏡は分解能が高く三次元画像が得られるなどの長所を持っているが、プローブとサンプルとの間隔の制御、測定速度などの技術的課題に加え、プローブと近接場との相互作用のため、近接場光の強度はプローブの材質や形状などに、またサンプルの光学定数にも依存していて、理論的に複雑な問題をはらんでいる。この測定においてはサンプルとプローブとの間隔がクリティカルな意味を持っているため、プローブを集積化することは困難である。
Bethe: Phys. Rev.[66],163(1944) Bouwkamp: Phillips Res. Rep. [5],401(1950) Nakano and Kawata: J.Mod.Opt.[39]645(1982)

ウエハの大口径化の状況の中で、オフラインでの品管的測定から進んで、製造プロセスと一体化したフィードバック装置として、インライン、ｉｎ−ｓｉｔｕで使用可能な装置となるよう、上述の計測課題の高速化が求められている。また堆積される薄膜の膜厚が薄くなっていくことは、より細かい分解能での測定を必要としている。必要とされる分解能は製造技術のパターン寸法縮小のスケジュールによって規定される。

本発明は光学的手法によって半導体ウエハの幾何学的測定と物理的計測を行うものであり、試料に対して非線形な相互作用を与えることなく、波長限界以下の分解能で、サンプルを高速に測定できることを、小型の装置で実現することを目的とする。

上記目的を実現するため、本発明の半導体ウエハ検査装置は、単色光源と、その単色光を入力してサンプルを照射し反射光をえるための光学モジュールと、光学モジュールからの光出力を画像信号に変換するフォトセンサーと、データ処理のための計算機によって構成される。本発明の主要部である光学モジュールは、半導体プロセスによって作成可能な構造とすることによって、集積化と小型化を可能とし、ウエハの上にそのモジュールを複数配置することを可能にする。

上記光学モジュールは、単色光をサンプルに照射するための約1μmの直径の細孔からなる入射側の光ガイドと、波長以下の直径の第１の開口と、第１の開口に近接して第１の開口と同じ直径の第２の開口と、第２の開口からの伝播光をフォトセンサーに伝播するための充分に大きな直径の孔からなる反射側の光ガイドによって構成されている。

上記光学モジュールはサンプルからの反射光が第１の開口に斜めに入射するようにウエハの上に波長以下の間隔で取り付けられる。

本発明の半導体ウエハ検査装置は、波長以下の分解能で光学的測定を可能にしたものである。本発明においては遠距離伝播光を測定するため、レンズを使う遠視野での顕微鏡よりは近いが、近接場光顕微鏡に比べては光学系を被測定ウエハから遠い距離を置いて測定することが出来、ウエハとの間隔について精密な制御を要せず、高速で集積化が可能な構造である。これらによって主要部を半導体プロセスで作成でき、その結果小型な装置とすることができる。

図１は、本発明の半導体ウエハ検査装置１の概略構成を示す図である。半導体ウエハ２を保持するステージ３と、分光器によって単色化された光源４と、光学モジュールを内蔵する光学ユニット５と、入射光を光学ユニット５に供給するための合成石英光ファイバー６と、光学ユニット５を移動するためのピエゾ駆動機構７と、光学ユニット５からの光出力をデータ処理するための計算機８から構成されている。

図２は半導体プロセスによって構成された光学モジュール９を内蔵した光学ユニット５の構造を示している。光学モジュール９の入射側には、光ファイバー６と、コリメーターレンズ１０と、ＫＤＰなどの偏光子１１と、照射光量をモニターするためのフォトダイオード１２を設ける。

ウエハ２による反射光を測定するために、光学モジュール９の反射側には、ＫＤＰなどの検光子１３と、フォトセンサー１４を設ける。

理想的に調整されたコリメーターレンズ１０は平面波を光学モジュール９に入射することを可能にする。

ウエハ２には、その平面波を入射側の光ガイド１５を通して照射するか、あるいはコリメーターレンズ１０とウエハ２の光路の間にウエハ２の表面がほぼ焦点に位置するようなマイクロレンズを設けて、ウエハ２の表面に収束する共心光束を照射する。

ウエハ２に対する偏光計測を行うためには、ウエハ２に対し斜入射角で（通常７０°）光を照射する。そのさい、入射側の光ガイド１５と反射側の光ガイド１６はウエハ２の表面によって鏡面反射するものとして互いの角度を固定する。

半導体プロセスにおいては、最も多くの場合薄膜は基板と平行に堆積される。平面波をウエハに照射するとき、正常な膜の箇所では反射光は平面波であり、恒等反射して膜の存在は分解能には影響しない。散乱体、パターンの境界、薄膜の粗さなどは反射光の波面に影響し、そこでは反射光は球面波となり、反射光の角度成分はsin²Θ（Θ＝散乱角）に比例する。反射光の特定の角度成分を測定すれば、その角度分解能とウエハからの距離の積に対応する分解能で、光学測定が出来る。そこで測定される光量は薄膜の局所的不規則性を反映している。

本発明はウエハ２の表面に技術的に可能な距離で（約３００ｎｍ程度）微小な開口を設けてウエハ２からの反射光を測定するものである。高い分解能を得るため本発明においては開口の直径を波長以下にするが、開口の後部に発生する電場の主成分は近接場光で、その光量は入射光の方向に関する強い依存性をもっていて垂直入射より斜入射のほうが大きい。したがって、ウェハ２からの鏡面反射光が開口に斜め方向から入射するよう構成する。このようにして高い角度分解能でウエハ２によって鏡面反射した成分のみを検出できるようになる。この開口の背後に金属の散乱体や別の微小開口を設けることによって近接場光を伝播光に変換し、フォトセンサー１４によって光計測が出来る。

図３は実施例１の光学モジュール９を示している。

光ガイド１５は、単色光をウエハ２に照射するための波長より大きい直径(約1μm）の細孔である。

光学モジュール９の反射側の光ガイド１６は、充分に小さな第１の開口１７と、第１の開口１７に近接して第１の開口１７と同じ直径の第２の開口１８と、第２の開口からの伝播光をフォトセンサー１４に伝播するための充分に大きな直径の孔１９からなる。

第１の開口１７の直径はこのモジュール９の分解能を直接的に規定する。よって、この開口１７の直径は光学波長以下とする。

第２の開口１８は第１の開口１７からの近接場光を伝播光に変換する役割をする。したがって第２の開口１８と第１の開口１７の間隔は第１の開口１７の直径以下とする。

フォトセンサー１４となるＰＮ接合を第２の開口１８の位置に直接配置すればこの第２の開口１８と孔１９は省略できる。

本発明の実施例２では、第１の開口１７の前面、波長程度の間隔をおいて第３の開口２０を設ける。第３の開口２０の直径は第１の開口１７の直径と同程度とする。第３の開口２０はウエハ２からの反射光の偏向成分の角度分解能を向上させる役割をする。

光学ユニット５は第１の開口１７または第３の開口２０がウエハ２からの反射光が斜めに入射するようにウエハ２の上に取り付けられる。第１の開口１７または第３の開口２０とウエハ２との間隔は、反射光の偏向成分の角度分解能を保障するために波長以下とする。この間隔は近接場顕微鏡で必要とされるプローブとサンプル面との間隔の約１０倍である。

なお、上述の構成および実施例１，２で説明する構成において、必要とされる分解能が粗い場合などにおいて、おのおのの開口の直径や間隔などを上述の説明より大きく構成することが出来ることは当然である。

光学ユニット５はピエゾ駆動機構７によってＸＹに移動でき、別の測定点(の集合）を測定でき顕微鏡計測を可能とする。この移動ステップを開口１７の直径より短くすることによってウエハ２からの反射光の差分情報を得ることが出来、追加の分解能を得ることが出来る。実際的にはピエゾ駆動機構７は間隔調整などのためＺ軸にも移動できるようにする。

偏光子１１または検光子１３の電圧を直線的に走査すれば偏光計測を行うことが出来る。 上記のように反射側の開口１７、１８、２０によって反射光のうち鏡面反射の関係を満たす光線の偏向成分のみをフォトセンサー１４で測定するので、ウエハへ収束光を照射した場合にも偏光計測に前提される一定の入射角条件を満たしている。本発明の構成においては反射側の開口１７、１８、２０において、透過光の透過率は電場の振動方向に依存する。しかしながらこの影響は一定であるので、校正することが出来、そのようにしてウエハの膜厚と屈折率の偏光計測を細かい分解能で行うことが出来る。

この偏光計測による情報は幾何学的測定にフィードバックすることが出来る。すなわち、ウエハ上に形成されるパターンは異なる材質あるいは膜厚によって作り出されるので、膜の反射率は幾何学的要因だけでなくこれらの物性的要因によっても影響される。偏光計測による物性的要因の測定によって光量測定のみでは得られない微細な２次元的分解能を追加できる。さらに基板と薄膜の複素屈折率が測定できればそこから反射率が求められ、反射光量を反射率で除することによって三次元的プロフィールを得ることが出来る。

本発明においては、上述のように光学系が光学ユニット５の中に封入されているので、光学素子の汚染や、空気の揺らぎによる光路の揺らぎの影響は最小限に押さえることができる。

また本発明の主要部である光学モジュール９は、実施例１，２が示すように半導体プロセスによって作成可能な構造であり、よって上述の構成を集積化し、フォトセンサー１４をＣＣＤイメージセンサーとするなどして多点測定を行うことが可能である。

さらに、この小型化、集積化した光学ユニット５をウエハ２の上に複数個数配置すれば、さらに並列的にデータを収集できる。その場合には光学ユニット５相互の間隔だけウエハ２または光学ユニット５を移動させることによってウエハ２の全面を測定できるので、装置の大きさはウエハ２のサイズにこの移動間隔を足した程度の大きさが必要とされるだけで、半導体ウエハ検査装置１のフットプリントは小さくなる。

さらに、本光学ユニット５は小さいので、この半導体ウエハ検査装置１は薄型に作成することができて、装置を縦方向に何台かスタックすることが可能となり、同時に多くのウエハを測定できる。
また、この小さい光学ユニット５はウエハ搬送ポッドの内部に取り付けることも可能となる。

図４は光学モジュール９の反射側の構造を説明している。

シリコン（１，０，０）の裏面から異方性エッチングで孔１９を作る。アルミを蒸着し、第２の開口１８を作る。開口１８の直径は５０ｎｍである。その上にＳｉＯ２とＳｉ３Ｎ４で空洞２１を作成する。それに直径５０ｎｍの第１の開口１７をあける。表面はアルミを蒸着する。空洞２１の厚みは４０ｎｍ程度とする。

この開口１７の透過効率は約６０％である。透過光は開口１７への照射光の強度に比例する。開口１７の後方に存在する透過光の成分は開口によって形成された近接場光と伝播光とよりなる。開口から0.3×開口径以下の距離においては近接場光が主成分であり空洞２１の内部で開口付近に局在する。開口の直径より距離が大きくなるにつれ近接場光は急激に減衰し、開口に入射した偏向成分の伝播光が主成分となる。したがって空洞２１の厚みを波長程度以上に設定した場合は第１の開口１７を通過した伝播光のみが第２の開口１８に到達する。

図５は実施例１の第１の開口１７の前にウエハ２からの反射光の角度分解能をあげるために第３の開口２０を設けた光学モジュール９の反射側の構造を示している。

第１の開口１７と第３の開口２０の間隔を波長程度以上に設定した場合は第３の開口２０を通過した伝播光のみが第１の開口１７に到達する。

本発明の実施例の半導体ウエハ検査装置の概略構成を示す図である。 本発明の光学ユニットの構造を説明する図である。 本発明の実施例１の光学モジュールの構造を説明する図である。 本発明の実施例１の光学モジュールの反射側の構造を説明する図である。 本発明の実施例２の光学モジュールの反射側の構造を説明する図である。

符号の説明

１ 半導体ウエハ検査装置
２ ウエハ
３ ステージ
４ 光源
５ 光学ユニット
６ 光ファイバー
７ ピエゾ駆動機構
８ 計算機
９ 光学モジュール
１０ コリメーターレンズ
１１ 偏光子
１２ フォトダイオード
１３ 検光子
１４ フォトセンサー
１５ 光ガイド
１６ 光ガイド
１７ 開口
１８ 開口
１９ 孔
２０ 開口
２１ 空洞

Claims (7)

1. 半導体ウエハによる反射光を、半導体プロセスによって作成した微小開口によって検出することを原理とする半導体ウエハ検査装置
2. 反射光を検出する微小開口と半導体ウエハとの間隔を波長以下にするよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハ検査装置
3. 微小開口の背後に発生する近接場光を伝播光に変えることによって半導体ウエハによる反射光を検出するよう構成したことを特徴とする請求項１、請求項２に記載の半導体ウエハ検査装置
4. 微小開口の背後に第２の微小開口を設けることによって近接場光を伝播光に変えることを特徴とする請求項３に記載の半導体ウエハ検査装置
5. 微小開口の前に第３の微小開口を設けることによって半導体ウエハからの反射光の角度分解能を向上させることを特徴とする請求項３、請求項４に記載の半導体ウエハ検査装置
6. 微小開口に対し斜めに半導体ウエハによる鏡面反射光が入射するよう構成したことを特徴とする請求項１、請求項２に記載の半導体ウエハ検査装置
7. 入射光側及び反射光側の光路に電気光学素子を挿入することによって偏光解析を可能にするよう構成したことを特徴とする請求項１、請求項２に記載の半導体ウエハ検査装置

Images