JP2005524827A - 増強ダイナミックレンジによる欠陥検出 - Google Patents

Abstract

光学検査用の装置は、サンプル上で放射スポットを走査するように適合され、それにより、上記放射スポットから放射線が散乱する光放射線源を有する。検出システムは、互いに光学的に結合されて散乱放射線を受けるとともにそれに応じて第１および第２の出力をそれぞれ形成する少なくとも第１および第２の検出器を備えるとともに、上記第１の検出器が上記第２の検出器よりも大きな感度をもって散乱放射線における変化を検出し、上記第２の検出器が散乱放射線の強度を上記第１の検出器よりも高く飽和するように構成されている。信号プロセッサは、上記第１および第２の出力を受けるとともに、この出力に応じてサンプル上の欠陥の場所を決定するように結合されている。

Description

関連出願に対する相互参照

この出願は、２００１年９月２４日に提出された「欠陥検出のためのシステムおよび方法」と題する米国仮特許出願第６０／３２４，３４１号の利益を主張し、参照として本願に組み込まれる。

発明の分野

本発明は、一般に、光学検査システムに関し、具体的には、基板上の欠陥を検出するための方法およびシステムに関する。

発明の背景

特に半導体ウエハ等の基板上の欠陥を検出するための暗視野システムは、光学検査の技術において良く知られている。暗視野検査で生成される光信号は、一般に、非常に高いダイナミックレンジによって特徴付けられる。この光信号は、（複合屈折率の関数として）検査下にあるスポット内の材料の反射率およびスポット内での空間的な変化の両方に依存している。明視野システムにおいては、通常、反射率が支配的であり、その結果として生じる収集信号の変化は、一般に、約２オーダー以下の大きさである。しかしながら、暗視野検出の場合、滑らかな表面では、殆ど信号を収集することができず、突出した特徴部を有する表面が大きい度合いで散乱することができる。

高性能集積回路を製造する際に使用されるパターン化されたウエハは、通常、その暗視野散乱信号が６オーダー以上の大きさで変化し得る領域を含む。この現象の例としては、以下のタイプの領域間の散乱変化（差異）を挙げることができる。

・スクライブラインは、パターン領域とは違って光を散乱する。

・メモリブロックは、その付随するＩ／Ｏ回路とは違って散乱する。

・マイクロプロセッサユニットのキャッシュメモリは、論理領域とは違って散乱する。

・所定のメモリ領域は、散乱放射線を集めるために使用される検出器へ向かって強い回折ローブを生成するピッチを有していてもよいが、異なるピッチを有する他の領域のローブは、検出を逃れることができる。

・（サイズが数ミクロン以下の）ベアパッチは、密度の高いパターンの隣接領域よりもかなり少なく散乱する。

検査ツールの感度は、信号取得（例えば、レーザパワーおよび検出器のゲイン）および信号処理パラメータの両方を制御することにより、これらの異なる領域に関して最適化することができる。しかしながら、１つのウエハを走査するプロセスにおいて、検査スループットを低下させることなく、取得パラメータを進行中に変えることは非常に困難である。これは、一般に、取得パラメータの急速な変化に起因するアーチファクトを避けるためには、走査速度を低下させなければならないからである。また、信号の取得および処理のためにウエハ上で様々な領域を規定することは、厄介な作業である。パターンの密度が高い領域間の（検査システムの数ピクセルに対応して、サイズが数ミクロンとなる場合がある）ベアパッチの特別な場合、検査システムをプログラミングして領域毎にその取得パラメータおよび処理パラメータを変更することは実用的ではない。検査システムは、基本的には、信号処理パラメータを適応させて学習することができるが、取得パラメータが幾つかのピクセルのタイムスパン内で適応することは殆ど不可能である。現代の検査システムの通常の動作において、このタイムスパンは、一般に、１０〜１００ナノ秒以下である。

したがって、特に、暗視野検査においては、進行中の調整を行なうことなく、検査される基板の非常に暗い領域および明るい領域の両方から重要な信号を集めるために、非常に大きなダイナミックレンジを有する検出システムが必要である。しかしながら、高いデータ転送速度（毎秒数十〜数百のメガサンプル）で動作する検出システムを用いて、１０ビットまた１２ビット（１：１０２４または１：４０９６）よりも大きいダイナミックレンジを得ることは非常に困難である。検出器それ自身のダイナミックレンジは、最小検出可能信号に対する飽和出力の比によって制限される。この比は、通常、検出器および増幅回路のノイズレベルによって決まる。更なる制限は、高速アナログ・デジタル変換器の限られたビットレンジによって課される。

この問題に対する１つの考えられる解決策は、検出器からの出力信号に対して非線形な増幅を適用して、低振幅信号範囲を強調することである。この種の手法については、米国特許第６，００２，１２２号でＷｏｌｆにより説明されている。なお、この特許の開示内容は、参照として本願に組み込まれる。この場合、暗視野検出器の出力は、対数増幅器およびゲイン補正機構によって処理される。この手法は、基板の暗視野像における欠陥の視認性を向上させるが、検出システムのダイナミックレンジの根本的な制約を解決することはできない。

マルチ露光イメージングシステムが技術的に知られている。例えば、Ａｌｓｔｏｎ等に対して付与された米国特許第４，６４７，９７５号は、２つの連続する露光区間を実施することに基づく、ダイナミック露光レンジが拡張された電子イメージングカメラについて説明している。なお、この特許の開示内容は、参照として本願に組み込まれる。この場合、組み合わされた像は、２つの露光区間中に検出された電子情報信号間で選択することにより構成される。通常、周辺光を用いて撮られた景色の一方の露光と、フラッシュ照明下で撮られた景色の他方の露光とを組み合わせるために、カメラが使用される。Ｇｉｎｏｓａｒ等に対するＰＣＴ特許公報ＷＯ９０／０１８４５は、様々な露光レベルで像を受ける複数のイメージセンサを有する撮像装置について説明している。なお、この特許の開示内容は、参照として本願に組み込まれる。これらのセンサ出力は、広いダイナミックレンジで１つの像を作るために組み合わされる。

発明の概要

本発明の幾つかの態様の目的は、光学検査のための、特に基板上の欠陥を検出するための改良されたシステムおよび方法を提供することである。

本発明の幾つかの態様の更なる目的は、大きいダイナミックレンジを有する暗視野検出システムを提供することである。

本発明の好ましい実施形態において、暗視野光学検出システムは、検査下の基板を走査するレーザ等の光照射源と、基板からの散乱光を捕捉するための２つ以上の検出器とを備える。一方の検出器は高感度に最適化され、他方の検出器は、通常、その感度を犠牲にして、高い飽和レベルを有するように設計されていることが好ましい。基板上の各点から散乱された光は、検出器間で分割される。この場合、異なる検出器へと方向付けられる放射線の各部分は、必ずしも等しくない。光は、例えば全ての検出器に光を供給する共通の積分球を使用して、偏光および角度とは無関係な一貫した形態で、検出器間において分割されることが好ましい。

各検出器の出力は、それ自身の処理チャンネルによってサンプリングされる。高感度チャンネルの出力は、散乱強度が低い領域での基板上の欠陥に関する情報を与える。一方、高飽和チャンネルの出力は、散乱強度が高い領域に関する情報を与える。したがって、複数の平行な検出器を使用することにより、利用可能な光が非常に少ない領域においても、明るい領域での飽和に起因して信号を損失することなく、散弾雑音が緩和された検出が可能になる。このようにすると、基板上の欠陥は、技術的に知られるような検出器が１つのシステムを使用して得られるダイナミックレンジよりも非常に大きいダイナミックレンジで検出される。

本発明の幾つかの好ましい実施形態においては、基板から散乱された光に対し、この光が検出器に影響を与える前に、空間フィルタリングが適用される。そのようなフィルタリングの重要な目的は、基板上の繰り返しパターンに起因する特定の角度での干渉による強め合いの干渉ローブ（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｌｏｂｅｓ）を除去することであり、また、基板上の他の明るい特徴からの反射を遮ることである。そのような空間フィルタリングは、局部の欠陥からの弱い散乱信号に対する検出器の感度を高める。これらの幾つかの好ましい実施形態においては、全ての検出器によって収集される散乱光を濾過するために、１つの空間フィルタが使用される。他の好ましい実施形態において、少なくとも２つの検出器は、それ自身の別個の空間フィルタを有する。このようにすれば、高飽和検出器に影響を与える強い散乱光に対して適用されるフィルタリング特性とは異なるフィルタリング特性を、高感度検出器に影響を与える弱い散乱光に対して適用することができる。

ここに記載される好ましい実施形態は、一般に半導体ウエハである基板上の欠陥の暗視野検出に関するものであるが、本発明の原理は、様々なタイプのサンプルの光学検査で使用される他の種類の散乱測定および他の検出手法に対しても同様に適用することができる。

したがって、本発明の好ましい実施形態においては、サンプル上で放射スポットを走査するように適合し、上記放射スポットから放射線が散乱する光放射線源と、
互いに光学的に結合されて散乱放射線を受けるとともにそれに応じて第１および第２の出力をそれぞれ生成する少なくとも第１および第２の検出器を有し、上記第１の検出器が上記第２の検出器よりも大きな感度をもって散乱放射線における変化を検出し、上記第２の検出器が散乱放射線の強度を上記第１の検出器よりも高く飽和するように構成された検出システムと、
上記第１および第２の出力を受けるとともに、この出力に応じてサンプル上の欠陥の場所を決定するように結合された信号プロセッサと、
を備える光学検査用の装置が提供される。

上記第１および第２の検出器は、第１および第２のダイナミックレンジをそれぞれ有し、上記信号プロセッサは、上記第１および第２の出力を処理するように適合することにより、上記第１および第２のダイナミックレンジよりも大きい第３のダイナミックレンジを有する組み合わせ出力を、欠陥の場所を決定する際に使用するために生成するように適合されていることが好ましい。好ましい実施形態において、上記信号プロセッサは、上記組み合わせ出力を、上記第１および第２の出力の加重合計として生成するように適合されている。他の好ましい実施形態において、上記信号プロセッサは、スポットがサンプル上にわたって走査される際の各点で、上記第１および第２の出力のうちの一方の値を選択することにより、組み合わせ出力を生成するように適合されている。更に他の好ましい実施形態において、上記検出システムは、散乱放射線を上記第１および第２の検出器のいずれか一方へと順に方向付けるように適合されている光スイッチを備え、上記信号プロセッサは、上記スイッチを駆動させることにより、スポットがサンプル上にわたって走査される際の各点で、散乱放射線が方向付けられるべき検出器の一方を選択するように結合されている。通常、上記第１および第２の検出器は、組み合わせ出力の感度が散弾雑音を緩和するように選択される各ゲインによって特徴付けられる。

更なる他の好ましい実施形態において、上記信号プロセッサは、上記第１および第２の出力をそれぞれ処理して、第１および第２の欠陥マップをそれぞれ形成するとともに、上記第１および第２の欠陥マップを組み合わせてサンプル上の欠陥の場所を決定するように結合されている。

上記第１および第２の検出器は、これらの検出器に入射する散乱放射線の強度に関連する上記第１および第２のゲインをそれぞれ用いて上記第１および第２の出力を形成するように構成され、第１のゲインは、第２のゲインよりも実質的に大きいことが好ましい。好ましい実施形態において、上記第１の検出器は光電子増倍管およびアバランシェ・フォトダイオードのうちの一方を備え、上記第２の検出器はＰＩＮフォトダイオードを備える。

好ましい実施形態において、上記検出システムは、散乱放射線を上記第１の検出器と上記第２の検出器との間で分割するように位置されるビームスプリッタを備える。上記ビームスプリッタは、大部分の散乱放射線を上記第２の検出器よりも上記第１の検出器の方へと方向付けるように構成されていることが好ましい。

他の好ましい実施形態においては、上記検出システムが回折格子を備え、この回折格子は、散乱放射線を遮るとともに、散乱放射線の一方の次数を上記第１の検出器へと回折させ、散乱放射線の他方の次数を上記第２の検出器へと回折させるように位置されている。

上記検出システムは、散乱放射線の散乱角および偏向とは実質的に無関係に上記第１の検出器と上記第２の検出器との間で散乱放射線を分割するように適合されている光学素子を備えることが好ましい。好ましい実施形態においては、上記光学素子が積分球を有し、この積分球は、散乱放射線を受けるように結合された入口ポートと、散乱放射線を上記第１および第２の検出器へそれぞれ伝送するように結合された第１および第２の出口ポートとを有する。

上記検出システムが少なくとも１つの空間フィルタを備え、この空間フィルタは、散乱放射線の一部が上記第１および第２の検出器に達するのを妨げるように構成され、これにより、欠陥から散乱される放射線の検出を容易にすることが好ましい。好ましい実施形態において、上記少なくとも１つの空間フィルタは、第１および第２の空間フィルタから成り、これらの空間フィルタはそれぞれ、上記第１の空間フィルタが上記第１の検出器に達する散乱放射線を濾過し且つ上記第２の空間フィルタが上記第２の検出器に達する散乱放射線を濾過するように位置されている。上記信号プロセッサは、各空間フィルタによって遮られる散乱放射線の部分を変更するために、上記第１および第２の空間フィルタをそれぞれ個別に制御するように結合されていることが好ましい。

随意的に、上記検出システムが少なくとも１つの減衰器を備えており、この減衰器は、上記第１および第２の検出器の少なくとも一方に達する散乱放射線の強度を調整するように制御可能である。

好ましい実施形態において、装置は、散乱放射線を受けるととともに、それに応じて第３の出力を形成するように光学的に結合された第３の検出器を有し、上記第３の検出器の感度は、上記第１の検出器の感度と上記第２の検出器の感度との中間であり、上記信号プロセッサは、上記第３の出力を受けるとともに、この第３の出力と上記第１および第２の出力とに応じて欠陥の場所を決定するように結合されている。

通常、光放射線がコヒーレントな放射線を含み、上記検出システムは、上記検出器が暗視野モードで散乱放射線を受けるように構成されている。好ましい実施形態において、上記サンプルは、その上にパターンが形成された半導体ウエハを含み、上記信号プロセッサは、上記パターンの欠陥の場所をマッピングするように適合されている。

また、本発明の好ましい実施形態においては、
放射線を受けるように適合されている入口ポートと、
上記入口ポートを通じて受けられた放射線を拡散反射するように適合されている内面を有する球体と、
第１および第２の出力ポートであって、放射線を上記球体内から出力ポートに結合された第１および第２の検出器へと伝送するように適合されている第１および第２の出力ポートと、
を備え、
上記第１の出力ポートは、上記第２の出力ポートよりも実質的に大きい直径を有し、これにより、放射線のかなりの部分が上記第２の検出器よりも上記第１の検出器の方へと伝送される積分球が提供される。

更に、本発明の好ましい実施形態においては、
サンプル上で放射スポットを走査することにより、上記放射スポットから放射線が散乱されるようにし、
第１の検出器が第２の検出器よりも大きな感度をもって散乱放射線における変化を検出し、上記第２の検出器が散乱放射線の強度を上記第１の検出器よりも高く飽和するように、少なくとも第１および第２の検出器を構成し、
少なくとも上記第１および第２の検出器を使用して散乱放射線を検出し、それに応じて第１および第２の出力をそれぞれ形成し、
少なくとも上記第１および第２の出力を処理して、サンプル上の欠陥の場所を決定する、
光学検査方法が提供される。

更に、本発明の好ましい実施形態においては、
積分球内で放射線を集め、
第１および第２の検出器を上記積分球の第１および第２の出力ポートにそれぞれ結合することを含み、
上記第１の出力ポートは、上記第２の出力ポートよりも実質的に大きい直径を有し、これにより、放射線のかなりの部分が上記第２の検出器よりも上記第１の検出器の方へと伝送される放射線処理方法が提供される。

本発明は、図面を参照するとともに、その好ましい実施形態についての以下の詳細な説明から、更に十分に理解することができる。

好ましい実施形態の詳細な説明

図１は、基板２２上の欠陥を検出するための本発明の好ましい実施形態に係るシステム２０の概略斜視図である。一般に、基板２２は、レーザ光源２４によってコヒーレント光から成るビームが照射される半導体ウエハを構成している。ビームは、技術的に知られるスキャニング方法を使用して、基板の表面上にわたって走査される。対物レンズ２５は、基板２２から散乱された光を収集するとともに、この光を検出器２６，２８，３０へと方向付ける。レーザ光源２４およびレンズ２５は、暗視野照明の形態で配置され、これにより、検出器が散乱光のみを受光してレーザ光源からの照明反射光を受光しないようにすることが好ましい。図面に描かれた構成において、光源２４は、略垂直な方向で基板２２に光を当てる。一方、レンズ２５は、散乱光を小さい角度（ローアングル）で収集する。当業者であれば分かるように、他の光照射形態および検出形態を使用してもよい。

空間フィルタ３８は、基板２２からの散乱光の望ましくない角度成分を濾過して除くため、レンズ２５のフーリエ面内に配置されていることが好ましい。基板が規則正しく繰り返す構造（例えば、特徴的なパターンが付けられた半導体ウエハ）を含む場合、これらの構造からのコヒーレント光の散乱は、干渉による強め合いの干渉ローブ（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｌｏｂｅｓ）を明確な方向に沿って形成する。フィルタ３８は、フーリエ面内で干渉ローブを遮断し、これにより、基板上の欠陥および不規則なパターンの検出を容易にする。フィルタ３８は、技術的に知られる任意の適当な空間フィルタリング法を行なってもよい。例えば、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒ等に対して付与された米国特許第５，１７７，５５９号は、ウエハパターンに対応する空間周波数成分を減じるために不透明な空間フィルタを使用してパターンが繰り返された集積回路を検査するための暗視野結像系について説明している。なお、米国特許第５，１７７，５５９号の開示内容は、参照として本願に組み込まれる。また、Ｇａｌｂｒａｉｔｈ等に対して付与された米国特許第５，２７６，４９８号は、走査される集束レーザビームと、液晶光弁アレーから成る適応空間フィルタとを使用して、暗視野面検査を行なうシステムについて説明している。なお、米国特許第５，２７６，４９８号の開示内容も、参照として本願に組み込まれる。

他の例として、本特許出願の譲受人に対して譲渡されたＭｉｌｓｈｔｅｉｎ等による米国特許出願０９／５９５，９０２は、透明な基板上のクロム内に形成され且つフィルタホイールと精密な並進モータとを組み合わせ使用して位置決めされる一組のマスクを使用する空間フィルタリングシステムについて説明している。なお、米国特許出願０９／５９５，９０２の開示内容は、参照として本願に組み込まれる。また、この特許出願は、材料の周知の特性および基板の３次元構造と組み合わせて、ウエハ面の高解像度２次元画像を解析することにより、最適なフィルタ形態を演繹的に決定する方法について説明している。また、 に提出された「空間フィルタリングを使用するパターン化されたウエハの検査」と題する他の米国特許出願に記載されているように、反射型空間フィルタが使用されてもよい。なお、この米国特許出願も同様に、本特許出願の譲受人に対して譲渡されており、その内容は、参照として本願に組み込まれる。また、この出願は、レンズ２５のフーリエ面の像をリアルタイムで取得して解析することに基づいてフィルタ３８により適用される空間フィルタリングパターンを決定するために使用できる方法について説明している。

図１に示される実施形態は、１つの空間フィルタ３８を使用して、全ての検出器２６，２８．３０に影響を与える散乱光を濾過するが、各検出器毎に別個のフィルタを使用することもできる。この種の実施形態は図４に示されている。

第１のビームスプリッタ３２は、レンズ２５によって集められた散乱光の一部を分割して、この一部を検出器２６へと方向付ける。第１のビームスプリッタを通過して伝送された光は、第２のビームスプリッタ３４により検出器２８と検出器３０との間で分割される。３つの検出器は、組み合わせて使用されることにより、後述するように大きなダイナミックレンジで、基板２２上の欠陥に起因する散乱を検出する。随意的に、ここに記載された方法は、システム２０内の検出状態および特定の照射に応じて、多数のビームスプリッタおよび検出器の使用にまで及んでもよい。他の方法では、ビームスプリッタ３２および検出器２６，３０だけが使用され、ビームスプリッタ３４および検出器２８が省かれる。簡単のため、以下の説明は、明らかに、２つの検出器および１つのビームスプリッタを使用するこの後者の形態のみに関するものである。以下に説明する考え方を３つ以上の検出器の場合に適用するために必要な変更は、当業者にとって明らかである。

検出器の一方（例えば、検出器２６）は、強い散乱信号を受けるように構成されており、したがって、高い飽和レベルを有することが好ましい。これに対し、他方の検出器（例えば、検出器３０）は、高い感度をもって弱い散乱信号を受けるように構成されている（検出器２８も使用される場合には、検出器２８は、例えば、他の２つの検出器間の中間の範囲の散乱信号を受けるように構成されてもよい）。光信号が弱いと、この光信号は、検出器２６の最小検出可能信号限界値を下回る可能性があるが、その場合でもまだ、検出器３０が良好な信号／ノイズ性能を達成することができる。光信号が強いと、検出器３０が飽和する場合があるが、検出器２６は、良好な信号／ノイズ比をもって信号を検出する。

検出器２６，３０の出力は、一般的には適当なフロントエンド・アナログ・デジタル処理回路（図示せず）を有するコンピュータである信号プロセッサ３６によって受けられる。プロセッサ３６は、検出器信号を解析することにより、基板２２上の欠陥を検出して分類する。欠陥検出のための典型的な方法は、米国特許第５，６９９，４４７号、第５，９８２，９２１号、第６，１７８，２５７号において、Ａｌｕｍｏｔ等により説明されている。なお、これらの特許の開示内容は、これらを参照することにより本願に組み込まれる。また、Ｒａｖｉｄ等は、米国特許第６，２５６，０９３号において、有用な不良分類方法について説明している。なお、同様に、米国特許第６，２５６，０９３号の開示内容は、これらを参照することにより本願に組み込まれる。欠陥を検出して分類するため、プロセッサ３６は、検出器２６，３０からのそれぞれの出力信号を解析してもよく、あるいは、これらの検出器信号を組み合わせることにより、解析用の１つの増強信号を形成してもよい。以下、検出器信号を組み合わせて処理する方法について詳細に説明する。

Ｒａｖｉｄ等は、レーザ光が照射されるウエハ上の１つの点の周囲に離間して配置された複数の暗視野センサを使用して、様々な方向で散乱された光を取得している。欠陥を検出するとともに、欠陥を異なる欠陥タイプに分類するために、センサの出力が組み合わされて比較される。しかしながら、Ｒａｖｉｄ等は、本発明によって教示されるようにこれらの複数のセンサを異なる感度レベルで使用して欠陥検出のダイナミックレンジを高めることができる点については示唆していない。一方、本発明の好ましい実施形態に係るマルチ検出器アセンブリは、ダイナミックレンジが大きいという利点が付加された状態でＲａｖｉｄ等の検出手法を実施するために、システム２０内の複数の方位角位置に配置されてもよい。

ビームスプリッタ３２の分割比は、所要のダイナミックレンジ、システム２０内のノイズ源、利用可能なアナログ・デジタル変換器の機能に応じて規定される。１つの実施形態において、ビームスプリッタ３２は、基板２２から散乱された光信号を、２つの検出器間で均等に分割する。検出器２６は、高い飽和レベルを有するタイプのもの、例えばＵＤＴ（カリフォルニア州のエルセガンド）から入手できるシリコンＰＩＮフォトダイオード等であることが好ましい。検出器３０は、高感度検出器、例えば浜松（日本の浜松市）から入手できる光電子増倍管（ＰＭＴ）や、アドバンストフォトニクス（カリフォルニア州のサンタバーバラ）から入手できるアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）等を備えることが好ましい。検出器３０は、高い光レベル（すなわち強度）からダメージを受けることなく急速に回復することができるように、「ダメージ制御」機構（図示せず）を有することが好ましい。この種の「ダメージ制御」は、検出器への供給電流を制限することにより、非線形な又は飽和可能な検出器ゲイン特性（検出器利得特性）を使用することにより、あるいは、ビームスプリッタ３２と検出器３０との間に非線形な光吸収体を配置することにより行なうことができる。

他の実施形態において、ビームスプリッタ３２は、検出器間で不均等に光を分割する。通常、大部分の光は高感度検出器へと方向付けられ、これにより、散乱光が弱い場合であっても、適切な信号／ノイズ比を維持することができるように適合されている。例えば、ビームスプリッタ３２が１：１０の強度比をもって検出器２６，３０間で散乱光を分割する場合、システム２０のダイナミックレンジは、いずれかの検出器がそれ単独で要する固有のダイナミックレンジを９００％だけ超えて効果的に増大する。

前述したように、プロセッサ３６は、以下のような多くの他の方法で、検出器２６，３０による信号出力を処理してもよい。

・選択 − 基板２２上の各点毎に、高感度検出器３０の出力は、それが飽和されていない場合に、選択されて出力信号として使用され、一方、そうでない場合には、検出器２６の出力が使用される。このような選択は、ソフトウェアにより、あるいは、プロセッサ３６内の高速アナログまたはデジタル切換回路（図示せず）により行なうことができる。

・パラレル − 基板２２の欠陥マップを形成するため、各検出器による信号出力が個別に処理される。検出器２６の出力に基づく欠陥マップは、一般に、強く散乱する欠陥のみを示しており、一方、検出器３０の出力に基づく欠陥マップは、明るい欠陥の領域で飽和を伴って弱く散乱する欠陥を示している。これらのマップは、幅広いダイナミックレンジを有する１つのマップ出力を与えるために組み合わされる。

・再構成 − 検出器２６，３０の出力の加重合計が計算され、これにより、ダイナミックレンジが大きい１つの組み合わされた検出器信号が効果的に形成される。

ここで、幅広いダイナミックレンジを有する出力信号を再構成するための典型的な方法について説明する。この目的のため、我々は以下の用語を定義する。

・Ｓ_ｉｎ − 任意の単位での全ての光信号
・ｒ − 検出器３０（高感度）へと向かう信号部分
・１−ｒ − 検出器２６（高飽和）へと向かう信号部分
・Ｇ − 検出器３０，２６のゲイン（利得）間の比
・Ｓ１ − 検出器３０からのデジタル信号
・Ｓ２ − 検出器２６からのデジタル信号
・ｎ_１，ｎ_２ − 検出器３０および検出器２６のそれぞれにおけるデジタル化ビットの数
・ｗ_１（Ｓ１，Ｓ２） − 高感度信号（Ｓ１）のための重み関数
・ｗ_２（Ｓ１，Ｓ２） − 高飽和信号（Ｓ２）のための重み関数
・Ｓ_ｏｕｔ − デジタル出力信号（ｎ_ｏｕｔビット）
通常、重み付け値ｗ_１，ｗ_２は、ゲイン差（Ｇ）、光出力分布（ｒ）、Ｓ１（ｎ_１）およびＳ２（ｎ_２）のビット数、システムノイズ特性、所要の出力ビット数（ｎ_ｏｕｔ）によって決まる。正確な重み付け値を伴なう２つの信号Ｓ１，Ｓ２を加えるために、出力信号Ｓ_ｏｕｔは、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）を使用して形成されることが好ましい。

Ｓ_ｏｕｔ＝Ｓ１・ｗ_１（Ｓ１，Ｓ２）＋Ｓ２・Ｇ・ｗ_２（Ｓ１，Ｓ２） （１）
（また、この演算は、ｎ_ｏｕｔを処理するために、出力信号を所要の数の出力ビットに圧縮する）通常、高感度信号Ｓ１が非常に低い場合、ｗ_１（Ｓ１，Ｓ２）＝１であり、ｗ_２（Ｓ１，Ｓ２）＝０である。一方、Ｓ１が飽和状態である場合、ｗ_１（Ｓ１，Ｓ２）＝０であり、ｗ_２（Ｓ１，Ｓ２）＝１である。これらの両極端間では、Ｓ１においてｗ_１（Ｓ１，Ｓ２）が単調に減少することが好ましく、一方、ｗ_２（Ｓ１，Ｓ２）が単調に増加することが好ましい。（Ｓ１，Ｓ２）の階段関数として値０と値１との間で変化するようにｗ_１およびｗ_２を設定することは、前述した信号Ｓ１，Ｓ２同士を組み合わせる「選択」方法に相当する。簡単のため、方程式（１）は、両方の検出器チャンネルにおいてゼロオフセットを前提としているが、方程式は、同様にオフセットを扱うために変更されてもよい。

システム２０で得られる実際のダイナミックレンジの向上は、特に、システム内のノイズ源によって決まる。ここで、高感度検出器の出力でノイズと同等の信号が最下位ビットである散弾雑音機構（信号の平方根に比例する）を想定する。デジタル化量子（ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ）が任意の所定の信号で散弾雑音よりも大きくならないように我々が選択できる最大利得係数（Ｇ）は、Ｇ＝２＾（ｎ_１／２）である。すなわち、Ｇは、検出器３０のダイナミックレンジＤＲ_１の平方根２＾ｎ_１に等しい。ＬＵＴエントリを決定する利得係数を適切に選択することにより、システム２０の散弾雑音が緩和される。このゲイン（利得）の選択のため、システム２０の全ダイナミックレンジ（ＤＲ_Ｔ）は、ｎ_１＝ｎ_２＝ｎで且つ両方の検出器が同じダイナミックレンジ２＾ｎ／２を有すると仮定すると、ＤＲ_Ｔ＝Ｇ^＊ＤＲ_２＝２＾（ｎ／２）^＊ＤＲ_２＝２＾（３ｎ／２）となる。

図２は、本発明の他の好ましい実施形態に係るシステム２０の概略斜視図である。この実施形態では、基板２２から散乱された放射線ビームを検出器２６，２８，３０間で分割するため、ビームスプリッタ３２の代わりに回折格子４０が使用される。レンズ２５および空間フィルタ３８等の光学素子は、簡単のため、この図から省かれている。回折格子４０および検出器２６，２８，３０は、回折次数のうちの１つ、例えば一次回折が検出器３０に向かって回折され、二次回折等の他の回折次数が検出器２８に向かって回折され、三次回折等の更に他の回折次数が検出器２６に向かって回折されるように配置されている。したがって、図１の実施形態で複数のビームスプリッタが必要とされたのとは異なり、１つの光学素子（回折格子４０）を使用して、３つ以上の検出器間で放射線を分配することができる。回折格子は、回折格子に入射する殆どの光が検出器３０に達する次数へと回折され、一方、連続する僅かな光の部分が検出器２８，２６に達する次数となるように形成されていることが好ましい。随意的に、他の高次の回折を捕らえるために、別個の検出器が配置されてもよい。

図３は、本発明の更に他の好ましい実施形態に係るシステム２０の概略斜視図である。基板２２から散乱された光は、積分球４４の入力ポート４５を通じて、積分球４４内に集められる（この場合も同様に、簡単のため、幾つかの光学素子が省かれている）。技術的に知られるように、積分球は、その内側が拡散反射コーティング剤を用いてコーティングされている。光は、検出器２６，３０がそれぞれ結合される出力ポート４６，４８を通じて積分球から出る。好ましくは、ポート４８は、ポート４６よりも大きく、そのため、高感度検出器３０は、比較的多くの散乱光を受けることが好ましい。また、検出器２８のための別個の中間ポート（図示せず）が設けられてもよい。

積分球４４は、光の偏向および散乱角とは無関係に散乱光を検出器へ分配する（積分球の入力開口の限界内で）ため、有益である。これに対し、ビームスプリッタ３２等の鏡面反射する素子は、偏光および入射角に影響されるため、異なる検出器によって取得された信号間で不一致が生じる虞がある。

図４は、本発明の更に他の好ましい実施形態に係るシステム２０の概略斜視図である。この実施形態において、ガルバノミラーまたは音響光学素子等の光スイッチ５０は、基板２２から散乱された光ビームを検出器２６，３０間で切り換える。スイッチは、基板のレイアウトについての事前の知識に基づいてプロセッサ３６により制御されることが好ましい。強く散乱することが分かっている領域では、スイッチ５０は、散乱光を高飽和検出器２６へと偏向させる。これに対し、散乱が弱い領域では、スイッチは、光を高感度検出器３０へと方向付ける。また、中間検出器２８等の別個の検出器が加えられてスイッチ５０により扱われてもよい。

プロセッサ３６は、検出器２６，３０からの出力信号を組み合わせて、基板全体の欠陥マップを形成する。基板上の各点では、活性な検出器信号だけを処理しなければならず、一方、他の信号は切り捨てることができる。この手法は、プロセッサ３６側での負担を減少させるという利点がある。また、この手法によれば、システム２０は、高い検査スループット率を維持することができる。これは、高感度チャンネルと高飽和チャンネルとの間で迅速にスイッチ５０を走査できるからである。技術的に知られた適応ゲインシステムとは異なり、ここでは、オンザフライで検出器のゲイン（利得）または他の取得パラメータを変更する必要がない。

随意的に、各検出器２６，３０は、それ自身の空間フィルタ５２，５４を有し、プロセッサ３６によって制御されることが好ましい。この構成により、基板２２の様々な領域の様々な散乱特性に応じて、空間フィルタを単独で設定することができる。例えば、フィルタ５４は、基板の薄暗い部分の特定のパターンから散乱された回折ローブを遮るように設定されてもよい。一方、フィルタ５２は、基板上の導電ラインに起因する特定の方位角の強い回折を遮るように設定される。また、基板の様々な薄暗い領域のために様々な空間フィルタリング特性が必要とされる場合には、例えば、基板の明るい領域を光源２４が走査している間、プロセッサ３６は、フィルタ５４の特性を変更することができる。この場合、フィルタ５２および検出器２６だけが使用される。新たなフィルタ特性をフィルタ５４にロードすることはゆっくりとしたプロセスであるが、このプロセスは、システム２０のスループットに対して実質的に影響を与えない。これは、検出器３０が使用されていない間にプロセスが行なわれるからである。フィルタ５２を同様にして再ロードすることができる。

別の選択肢として、各検出器２６，３０は、好ましくはプロセッサ３６によって制御されるそれ自身の可変減衰器５６，５８を有していてもよい。減衰器５８は、ダメージを与える虞がある高い光レベルから高感度検出器３０を保護する際に特に有用である。

ここに記載した好ましい実施形態は、一般的には半導体ウエハである基板２２上の欠陥の暗視野検出に関するものであるが、本発明の原理は、他のタイプのサンプルおよび散乱測定に対しても同様に適用することができ、また、他の分野の光学検査に適用することもできる。特に、本発明のマルチ検出器光学手法および処理方法は、様々な暗視野検出構成および明視野検出に対しても同様に適用することができる。

すなわち、前述した好ましい実施形態が一例として挙げられており、特に図示して前述したものに本発明が限定されないことは言うまでもない。むしろ、本発明の範囲は、前述した様々な特徴のコンビネーションおよびサブコンビネーションを含むとともに、前述した説明を読む当業者にとって自明で且つ従来技術に開示されていない変形および変更を含むものである。

基板上の欠陥を検出するための本発明の好ましい実施形態に係るシステムの概略斜視図である。 基板上の欠陥を検出するための本発明の好ましい実施形態に係るシステムの概略斜視図である。 基板上の欠陥を検出するための本発明の好ましい実施形態に係るシステムの概略斜視図である。 基板上の欠陥を検出するための本発明の好ましい実施形態に係るシステムの概略斜視図である。

符号の説明

２０…システム、２２…基板、２４…レーザ光源、２５…対物レンズ、２６，２８，３０…検出器、３２，３４…ビームスプリッタ、３６…プロセッサ

Claims (46)

1. サンプル上で放射スポットを走査するように適合され、これにより、前記放射スポットから放射線が散乱する光放射線源と、
   互いに光学的に結合されて散乱放射線を受けるとともにそれに応じて第１および第２の出力をそれぞれ生成する少なくとも第１および第２の検出器を備える検出システムであって、前記第１の検出器が前記第２の検出器よりも大きな感度をもって散乱放射線における変化を検出し、前記第２の検出器が散乱放射線の強度を前記第１の検出器よりも高く飽和するように構成された前記検出システムと、
   前記第１および第２の出力を受けるとともに、この出力に応じてサンプル上の欠陥の場所を決定するように結合された信号プロセッサと、
   を備える光学検査用の装置。
2. 前記第１および第２の検出器は、第１および第２のダイナミックレンジをそれぞれ有し、前記信号プロセッサは、前記第１および第２の出力を処理するように適合され、前記第１および第２のダイナミックレンジよりも大きい第３のダイナミックレンジを有する組み合わせ出力を、欠陥の場所を決定する際に使用するために生成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記信号プロセッサは、前記組み合わせ出力を、前記第１および第２の出力の加重合計として生成するように適合されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記信号プロセッサは、スポットがサンプル上にわたって走査される際の各点で、前記第１および第２の出力のうち、一方の値を選択することにより、組み合わせ出力を生成するように適合されている、請求項２に記載の装置。
5. 前記検出システムは、散乱放射線を前記第１および第２の検出器のいずれか一方へと順に方向付けるように適合されている光スイッチを備え、前記信号プロセッサは、前記スイッチを駆動させることにより、スポットがサンプル上にわたって走査される際の各点で、散乱放射線が方向付けられるべき検出器の一方を選択するように結合されている、請求項２に記載の装置。
6. 前記第１および第２の検出器は、組み合わせ出力の感度が散弾雑音を緩和するように選択される各ゲインによって特徴付けられる、請求項２に記載の装置。
7. 前記信号プロセッサは、前記第１および第２の出力をそれぞれ処理して、第１および第２の欠陥マップをそれぞれ生成するとともに、前記第１および第２の欠陥マップを組み合わせてサンプル上の欠陥の場所を決定するように結合されている、請求項１に記載の装置。
8. 前記第１および第２の検出器は、これらの検出器に入射する散乱放射線の強度に関連する前記第１および第２のゲインをそれぞれ用いて前記第１および第２の出力を生成するように構成され、第１のゲインは、第２のゲインよりも実質的に大きい、請求項１に記載の装置。
9. 前記第１の検出器は光電子増倍管およびアバランシェ・フォトダイオードのうちの一方を備え、前記第２の検出器はＰＩＮフォトダイオードを備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記検出システムは、散乱放射線を前記第１の検出器と前記第２の検出器との間で分割するように位置されるビームスプリッタを備える、請求項１に記載の装置。
11. 前記ビームスプリッタは、大部分の散乱放射線を前記第２の検出器よりも前記第１の検出器の方へと方向付けるように構成されている、請求項１０に記載の装置。
12. 前記検出システムが回折格子を備え、この回折格子は、散乱放射線を遮るとともに、散乱放射線の一方の次数を前記第１の検出器へと回折させ、散乱放射線の他方の次数を前記第２の検出器へと回折させるように位置されている、請求項１に記載の装置。
13. 前記検出システムは、散乱放射線の散乱角および偏向とは実質的に無関係に前記第１の検出器と前記第２の検出器との間で散乱放射線を分割するように適合されている光学素子を備える、請求項１に記載の装置。
14. 前記光学素子が積分球を構成し、この積分球は、散乱放射線を受けるように結合された入口ポートと、散乱放射線を前記第１および第２の検出器へそれぞれ伝送するように結合された第１および第２の出口ポートとを有する、請求項１３に記載の装置。
15. 前記第１の出口ポートは、前記第２の出口ポートよりも実質的に大きい、請求項１４に記載の装置。
16. 前記検出システムが少なくとも１つの空間フィルタを備え、この空間フィルタは、散乱放射線の一部が前記第１および第２の検出器に達するのを妨げるように構成され、これにより、欠陥から散乱される放射線の検出を容易にする、請求項１に記載の装置。
17. 前記少なくとも１つの空間フィルタは、第１および第２の空間フィルタから成り、これらの空間フィルタはそれぞれ、前記第１の空間フィルタが前記第１の検出器に達する散乱放射線を濾過し且つ前記第２の空間フィルタが前記第２の検出器に達する散乱放射線を濾過するように位置されている、請求項１６に記載の装置。
18. 前記信号プロセッサは、各空間フィルタによって遮られる散乱放射線の部分を変更するために、前記第１および第２の空間フィルタをそれぞれ個別に制御するように結合されている、請求項１７に記載の装置。
19. 前記検出システムが少なくとも１つの減衰器を備えており、この減衰器は、前記第１および第２の検出器の少なくとも一方に達する散乱放射線の強度を調整するように制御可能である、請求項１に記載の装置。
20. 散乱放射線を受けるととともに、それに応じて第３の出力を生成するように光学的に結合された第３の検出器を備え、前記第３の検出器の感度は、前記第１の検出器の感度と前記第２の検出器の感度との中間であり、前記信号プロセッサは、前記第３の出力を受けるとともに、この第３の出力と前記第１および第２の出力とに応じて欠陥の場所を決定するように結合されている、請求項１に記載の装置。
21. 光放射線がコヒーレントな放射線を構成し、前記検出システムは、前記検出器が暗視野モードで散乱放射線を受けるように構成されている、請求項１に記載の装置。
22. 前記サンプルは、その上にパターンが生成された半導体ウエハを構成し、前記信号プロセッサは、前記パターンの欠陥の場所をマッピングするように適合されている、請求項２１に記載の装置。
23. 放射線を受けるように適合されている入口ポートと、
    前記入口ポートを通じて受けられた放射線を拡散反射するように適合されている内面を有する球体と、
    第１および第２の出力ポートであって、放射線を前記球体内から出力ポートに結合された第１および第２の検出器へと伝送するように適合されている第１および第２の出力ポートと、
    を備え、
    前記第１の出力ポートは、前記第２の出力ポートよりも実質的に大きい直径を有し、これにより、放射線のかなりの部分が前記第２の検出器よりも前記第１の検出器の方へと伝送される積分球。
24. サンプル上で放射スポットを走査することにより、前記放射スポットから放射線が散乱されるようにするステップと、
    第１の検出器が第２の検出器よりも大きな感度をもって散乱放射線における変化を検出し、前記第２の検出器が散乱放射線の強度を前記第１の検出器よりも高く飽和するように、少なくとも第１および第２の検出器を構成するステップと、
    少なくとも前記第１および第２の検出器を使用して散乱放射線を検出するステップであって、それに応じて第１および第２の出力をそれぞれ生成する前記ステップと、
    少なくとも前記第１および第２の出力を処理するステップであって、サンプル上の欠陥の場所を決定する前記ステップと、
    を含む光学検査方法。
25. 前記第１および第２の検出器は、第１および第２のダイナミックレンジをそれぞれ有し、少なくとも前記第１および第２の出力を処理するステップは、前記第１および第２のダイナミックレンジよりも大きい第３のダイナミックレンジを有する組み合わせ出力を、欠陥の場所を決定する際に使用するために生成することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 組み合わせ出力を生成することは、前記第１および第２の出力の加重合計を計算することを含む、請求項２５に記載の方法。
27. 組み合わせ出力を生成することは、スポットがサンプル上にわたって走査される際の各点で、前記第１および第２の出力のうち、一方の値を選択することを含む、請求項２５に記載の方法。
28. 前記散乱放射線を検出するステップは、スポットがサンプル上にわたって走査される際に、散乱放射線を前記第１の検出器と前記第２の検出器との間で光学的に切り換えることを含み、組み合わせ出力を生成することは、散乱放射線が方向付けられる検出器から出力を受けることを含む、請求項２５に記載の方法。
29. 前記第１および第２の検出器は各ゲインによって特徴付けられ、少なくとも第１および第２の検出器を構成するステップは、組み合わせ出力の感度が散弾雑音を緩和するようにゲインを設定することを含む、請求項２５に記載の方法。
30. 少なくとも前記第１および第２の出力を処理するステップは、前記第１および第２の出力をそれぞれ処理して、第１および第２の欠陥マップをそれぞれ生成するとともに、前記第１および第２の欠陥マップを組み合わせてサンプル上の欠陥の場所を決定することを含む、請求項２４に記載の方法。
31. 少なくとも第１および第２の検出器を構成するステップは、これらの検出器に入射する散乱放射線の強度に関連する前記第１および第２のゲインをそれぞれ用いて前記第１および第２の出力を生成するように検出器を構成することを含み、第１のゲインは、第２のゲインよりも実質的に大きい、請求項２４に記載の方法。
32. 前記第１の検出器は光電子増倍管およびアバランシェ・フォトダイオードのうちの一方を備え、前記第２の検出器はＰＩＮフォトダイオードを備える、請求項３１に記載の方法。
33. 少なくとも第１および第２の検出器を構成するステップは、散乱放射線を前記第１の検出器と前記第２の検出器との間で分割することを含む、請求項２４に記載の方法。
34. 散乱放射線を分割することは、大部分の散乱放射線を前記第２の検出器よりも前記第１の検出器の方へと方向付けることを含む、請求項３３に記載の方法。
35. 散乱放射線を分割することは、回折格子を位置決めして、散乱放射線を遮るとともに、散乱放射線の一方の次数を前記第１の検出器へと回折させ、散乱放射線の他方の次数を前記第２の検出器へと回折させることを含む、請求項３３に記載の方法。
36. 散乱放射線を分割することは、散乱放射線の散乱角および偏向とは実質的に無関係に前記第１の検出器と前記第２の検出器との間で散乱放射線を分割することを含む、請求項３３に記載の方法。
37. 散乱放射線を分割することは、散乱放射線を積分球に通過させることを含み、前記積分球は、散乱放射線を前記第１および第２の検出器へそれぞれ伝送するように結合された第１および第２の出口ポートを有する、請求項３６に記載の方法。
38. 前記第１の出口ポートは、前記第２の出口ポートよりも実質的に大きい、請求項３７に記載の方法。
39. 少なくとも第１および第２の検出器を構成するステップは、欠陥から散乱される放射線の検出を容易にするため、散乱放射線の一部が前記第１および第２の検出器に達するのを妨げるように散乱放射線を空間的にフィルタリングすることを含む、請求項２４に記載の方法。
40. 散乱放射線を空間的にフィルタリングすることは、第１および第２の空間フィルタを使用して放射線をフィルタリングすることを含み、前記第１および第２の空間フィルタはそれぞれ、前記第１の空間フィルタが前記第１の検出器に達する散乱放射線を濾過し且つ前記第２の空間フィルタが前記第２の検出器に達する散乱放射線を濾過するように位置されている、請求項３９に記載の方法。
41. 散乱放射線を空間的にフィルタリングすることは、各空間フィルタによって遮られる散乱放射線の部分を変更するために、前記第１および第２の空間フィルタをそれぞれ個別に制御することを含む、請求項４０に記載の方法。
42. 少なくとも第１および第２の検出器を構成することは、前記第１および第２の検出器の少なくとも一方に達する散乱放射線の強度を可変減衰させることを含む、請求項２４に記載の方法。
43. 少なくとも第１および第２の検出器を構成するステップは、散乱放射線を受けるととともに、それに応じて第３の出力を生成するための第３の検出器を構成することを含み、前記第３の検出器の感度は、前記第１の検出器の感度と前記第２の検出器の感度との中間であり、少なくとも前記第１および第２の出力を処理することは、前記第３の出力と前記第１および第２の出力とを処理することを含む、請求項２４に記載の方法。
44. 光放射線がコヒーレントな放射線を構成し、少なくとも第１および第２の検出器を構成するステップは、前記検出器が暗視野モードで散乱放射線を受けるように光学系を構成することを含む、請求項２４に記載の方法。
45. 前記サンプルは、その上にパターンが生成された半導体ウエハを構成し、少なくとも前記第１および第２の出力を処理するステップは、前記パターンの欠陥の場所をマッピングすることを含む、請求項４４に記載の方法。
46. 積分球内で放射線を集めるとともに、第１および第２の検出器を前記積分球の第１および第２の出力ポートにそれぞれ結合することを含み、前記第１の出力ポートは、前記第２の出力ポートよりも実質的に大きい直径を有し、これにより、放射線のかなりの部分が前記第２の検出器よりも前記第１の検出器の方へと伝送される放射線処理方法。

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