JP2006162500A

JP2006162500A - 欠陥検査装置

Info

Publication number: JP2006162500A
Application number: JP2004356415A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Oshima; 良正大島; Hisafumi Iwata; 尚史岩田; Hiroyuki Nakano; 博之中野
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-06-22
Also published as: US20060139629A1; US7426023B2

Abstract

【課題】
安定した異物等の欠陥を検査できるようにした欠陥検査装置を提供することにある。
【解決手段】
被検査試料表面にレーザビームを集光・照明し、発生する散乱光から表面の異物・欠陥を検出する検査装置において、レーザ光源１０５から出射したレーザビームのガウス分布形状をビーム整形光学系１０８により平坦に整形し、レーザビーム照射位置と欠陥・異物の相対位置が変化しても安定した検出信号を得るように構成したことにある。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板等に存在する微小な異物や欠陥等を高感度かつ高速に検査する欠陥検査装置に関する。

半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて、製造装置の発塵状況を監視するために、半導体基板や薄膜基板等の表面に付着した異物の検査が行われている。例えば、回路パターン形成前の半導体基板では、表面の０．１μｍ以下の微小な異物や欠陥の検出が必要である。従来、半導体基板等の試料上の微小な欠陥を検出する技術として、Ｕ.Ｓ.Ｐ.Ｎｏ．４，６０１，５７６号（特許文献１）やＵ.Ｓ.Ｐ.Ｎｏ．５，７９８，８２９号（特許文献２）に記載されているように、試料表面上に数十μｍに集光したレーザビームを照射して、半導体基板上に付着している異物や欠陥からの散乱光を検出し、試料の回転と直進送りで試料全面の異物や欠陥を検査するものが知られている。

照射するレーザビームは、通常図１６に示すように、ガウス分布形状２０１であるために、照射と異物・欠陥の存在の相対位置により照射密度が異なり、同一の異物・欠陥でも散乱光強度が異なり、検出信号２０２、２０３、２０４のように、変化する。被検査試料の試料台への搭載精度は数十μｍから数百μｍであり、またレーザビームのサイズも数十μｍから数百μｍであり、検査のたびにレーザビーム照射位置と欠陥・異物の相対位置が変化し、同一異物・欠陥の検出信号が変化する。このため、検査の再現性が低下する。

Ｕ.Ｓ.Ｐ.Ｎｏ.４，６０１，５７６号Ｕ.Ｓ.Ｐ.Ｎｏ.５，７９８，８２９号Ｕ.Ｓ.Ｐ.Ｎｏ.６，２９５，１６８号

被検査試料表面にレーザビームを集光・照明し、発生する散乱光から表面の異物・欠陥を検出する検査装置において、レーザビームのガウス分布形状に起因する再現性の低下を排除し、安定した異物・欠陥検出を可能とする。

即ち、本発明の目的は、安定した異物等の欠陥を検査できるようにした欠陥検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、レーザビームのガウス分布形状を平坦に整形し、レーザビーム照射位置と欠陥・異物の相対位置が変化しても安定した検出信号を得るように構成した欠陥検査装置である。

また、本発明は、照度分布がガウス分布形状を有するレーザビームを出射するレーザ光源と該レーザ光源から出射されたレーザビームを照度分布が平坦な分布になるように整形するビーム整形光学系と該ビーム整形光学系で照度分布が平坦になるように整形されたレーザビームを集光して被検査基板に照明する集光光学系とを備えたレーザビーム照明光学系と、該レーザビーム照明光学系によって照射された被検査基板から得られる散乱光を集光し、該集光された散乱光を受光して信号に変換する検出光学系と、該検出光学系で変換された信号に基づいて前記被検査基板上の欠陥を検査する信号処理部とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置である。

また、本発明は、前記ビーム整形光学系は、回折光学素子（ＤＯＥ）で構成することを特徴とする。また、本発明は、前記ビーム整形光学系は、ホモジナイザで構成することを特徴とする。また、本発明は、前記レーザビーム照明光学系において、前記ビーム整形光学系と前記レーザ光源との間にビーム径を拡大するビームエキスパンダを備えることを特徴とする。

また、本発明は、前記レーザビーム照明光学系において、切り替えることによって被検査基板に対して高角度照明および低角度照明を行えるように構成したことを特徴とする。また、本発明は、前記信号処理部において、被検査基板上に存在する微小異物と微小凹凸欠陥とを分離して検査できるように構成したことを特徴とする。また、前記検出光学系において、フーリエ変換レンズと逆フーリエ変換レンズの共通像面に空間フィルタを配置して構成したことを特徴とする。

本発明によれば、平坦化されたレーザビームで照明するため、微小な異物・欠陥を安定した感度で検査できる。

本発明に係る欠陥検査装置の実施の形態について図面を用いて説明する。

まず、本発明に係る半導体ウェハ上の異物や欠陥等を検査する欠陥検査装置の第１の実施例について図１〜図５を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明に係る半導体ウェハ上の異物や欠陥等を検査する欠陥検査装置の第１の実施例を示す構成図である。欠陥検査装置は、ウェハステージ１０２上に載置された半導体ウェハ（被検査基板）１０１上の検出エリアに対して斜方照明（暗視野照明）する照明光学系１０３ａと、半導体ウェハ１０１上の検出エリアから得られる散乱光を集光して検出して信号に変換する検出光学系１０４とを備えて構成される。照明光学系１０３は、Ａｒレーザや半導体レーザ等のレーザ光源１０５と、例えば直線偏光の向きを調整する１／２等の波長板１０６と、ビーム径を拡大するビームエキスパンダ１０７と、レーザビームの照度分布を一様に整形するビーム整形光学系１０８と、集光レンズ１０９とから構成される。レーザ光源１０５から射出したレーザビームはその偏光方向を波長板１０６で任意の方向に調整する。さらにビームエキスパンダ１０７でビーム径を拡大してから集光レンズ１０９で半導体ウェハ１０１上の検出エリアを集光照明する。１１４、１１５はミラーで、照明光路を変えるためのものであり、必要に応じて使用する。ビーム整形光学系１０８では、例えば図２及び図３に示すように、レーザビームの照度分布をガウス分布形状から平坦形状に整形する。

検出光学系１０４は、散乱光検出レンズ１１０および光電変換素子１１１から構成される。検出エリアに存在する異物や欠陥等からの散乱光を散乱光検出レンズ１１０で光電変換素子１１１の受光面上にほぼ集光する。なお、検出光学系１０４には、上記異物や欠陥からの散乱光に対する光学処理、例えば、偏光板や空間フィルタによる光学特性の変更・調整等もこの中に含まれる。光電変換素子１１１は散乱光量に比例した大きさの電気信号を発生し信号処理回路（図示せず）で信号処理することにより異物及び欠陥の検出および大きさを測定する。光電変換素子１１１は検出光学系１０４によって集光された該散乱光を受光し、光電変換するために用いるものであり、例えば、ＴＶカメラやＣＣＤリニアセンサやＴＤＩセンサや光電子増倍管である。なお、図１（ｂ）に示すように、スリット状ビーム１２０を検出エリアに対して斜め方向から照射した場合には、光電変換素子１１１としては、ＣＣＤリニアセンサやＴＤＩセンサを用いるのが好ましい。

ウェハステージ１０２は、ウェハ１０１を保持するチャック（図示せず）、ウェハ１０１を回転させるための回転機構（図示せず）及びウェハ１０１を半径方向に直進送りさせるための直進送り機構（図示せず）から構成される。従って、ウェハステージ１０２は、図１（ｂ）に矢印で示すように、ウェハ１０１を水平方向に回転走査及び直進移動させてスリット状ビーム１２０を例えば螺旋状に走査させることが可能となり、その結果ウェハ１０１の全領域における異物及び欠陥の検出並びに大きさの測定が可能となる。

ビーム整形光学系１０８としては、回折光学素子（ＤＯＥ）３０１’やホモジナイザ３０１（図２）を用いることができる。非球面レンズを利用したホモジナイザとしては、例えばＵ.Ｓ.Ｐ.Ｎｏ.６，２９５，１６８に記載されたもの等が利用可能である。

照明光学系１０３ａに使用するビームエキスパンダ１０７は、図３に示すように、平凸レンズ４０１、４０２で構成する。平凸レンズ４０１の焦点距離をｆ１、平凸レンズ４０２の焦点距離ｆ２、レーザ光源１０５の出射ビーム径をｄ１、ビームエキスパンダ１０７の出射ビームをｄ２とすると、ｄ２＝ｄ１＊ｆ２／ｆ１の関係となる。

ホモジナイザ３０１によるビーム整形光学系の実施例を図２及び図４に示す。ホモジナイザ３０１は、図４に示すように、２枚の非球面レンズ５０１、５０２で構成する。非球面レンズ５０１はガウス分布形状をある平面で均一強度分布となるような非球面とする。それぞれの非球面形状はコンピュータで計算して決定する。このように整形光学系１０８として２枚の非球面レンズ５０１、５０２で構成されるホモジナイザ３０１を用いてビームエキスパンダ１０７でビーム径ｄ２に拡大されたガウス分布の照度分布を有するレーザビームをビーム径ｄ３に絞り込んで平坦化された照度分布に変換され、図１（ｂ）に示すように、集光レンズ１０９によりウェハ１０１上の検出エリアに対してスリット状ビーム１２０が照射されることになる。

回折光学素子（ＤＯＥ）３０１’によるビーム整形光学系の実施例を図２及び図９に示す。ガウス分布形状は、回折光学素子（ＤＯＥ）３０１’により平坦状に整形され、集光レンズ１０９により試料上を集光・照明する。回折光学素子（ＤＯＥ）３０１’は光学ガラスであり、その表面に微小な凹凸を形成し、光の回折現象を利用して微小範囲毎に光線の向きを変えることにより、ガウス分布から平坦状分布に整形できる。回折光学素子（ＤＯＥ）の表面の微小凹凸は、シミュレーションにより最適な高さ、大きさと形状とを決定し、エッチングによりガラス表面を加工して作られる。

回折光学素子（ＤＯＥ）３０１”によるビーム整形光学系の他の実施例を図１０に示す。上述のシミュレーションのパラメータを変更することにより、特性の異なる回折光学素子（ＤＯＥ）３０１”を作ることができる。図１０に示すように、集光レンズ１０９を用いずに、回折光学素子（ＤＯＥ）３０１”のみで試料上を集光・照明することも可能である。また、シミュレーションのパラメータを変更することにより、試料上の照明形状を楕円形状（近似楕円形状も含む）にすることも、図１０のような四角形状（近似四角形状も含む）にすることも可能である。楕円形状の場合には、欠陥の照明範囲内の通過位置により通過時間が異なる。これに対し、四角形状の場合には通過時間が一定となるため、照明手段として有効である。

このようにスリット状ビーム１２０として、図５に示す如く、平坦化された照明光照度分布６０１を用いる結果、異物や欠陥の位置に関係なく、同一異物や欠陥からの散乱光はほぼ一定となり、検出信号６０２、６０３、６０４もほぼ一定となる。これにより、被検査試料の試料台への搭載を繰り返しても、同一異物や欠陥の検出信号は常に一定となり、検査の再現性を向上させることが可能となる。

次に、本発明に係る半導体ウェハ上の異物や欠陥等を検査する欠陥検査装置の第２の実施例について図６を用いて説明する。図６は、本発明に係る半導体ウェハ上の異物や欠陥等を検査する欠陥検査装置の第２の実施例を示す構成図である。第２の実施例において、第１の実施例との相違点は、照明光学系１０３ｂにおいて高角度照明光学系と低角度照明光学系とを切り替えて照明できるようにし、各々の照明での散乱光を検出し、各々検出される検出信号を演算及び比較することによって異物と欠陥（凹凸）とを分離して検出できるように構成したことにある。即ち、照明光学系１０３ｂは、ガウス分布を有するレーザビームを出射するレーザ光源１０５と、偏光方向を任意の方向に調整する波長板１０６と、ビームエキスパンダ１０７と、平坦な照度分布に整形する整形光学系１０８とを共通にし、ミラー１１５と集光レンズ１０９とで低角度照明光学系を形成し、ミラー１１７と集光レンズ７０２とミラー１１６とで高角度照明光学系を形成し、進退するミラー７０１で切り替えるように構成する。よって、ミラー７０１が光軸上にあるときには、整形光学系１０８によって平坦化（均一化）された照度分布を有する低角度の照明となり、ミラー７０１が光軸外にあるときには、整形光学系１０８によって平坦化（均一化）された照度分布を有する高角度の照明となる。均一化された照度分布を有する低角度の照明での全面の検査を行い、散乱光検出信号を処理回路７０３で増幅、ＡＤ変換等必要な処理を行ったのち、メモリ７０４に位置座標や輝度情報（諧調値情報）や個数や面積（大きさ）等の特徴量等の必要な情報を記憶する。次いで均一化された照度分布を有する高角度の照明での検査を行い、散乱光検出信号を処理回路７０３で増幅、ＡＤ変換等必要な処理を行ったのち、メモリ７０５に位置座標や輝度情報（諧調値情報）や個数や面積（大きさ）等の特徴量等の必要な情報を記憶する。２角度での検査終了後にメモリ７０４、７０５の各々に記憶された位置座標や輝度情報等の内容を用いて、同一座標の異物及び欠陥の輝度情報を比較回路７０６で比較・演算することにより、異物（凸）と欠陥（凹）に分離することができる。即ち、平坦化（均一化）された照度分布を有する低角度照明によって微小粒子状異物（凸欠陥）からは高輝度の散乱光（高次の回折光）が得られ、平坦化（均一化）された照度分布を有する高角度照明によってスクラッチ等の凹欠陥からは高輝度の散乱光（高次の回折光）が得られ、同一座標系で比較・演算することによって微小粒状異物と微小スクラッチ等の凹凸欠陥とを識別することが可能となる。

なお、メモリ７０４、７０５および比較回路７０６は、パソコンを利用しても同様な効果を得られる。

即ち、欠陥の形状により、照明の方向による散乱光強度が異なるため、上記のように、異なる角度で照明してその散乱光強度を比較することにより、欠陥の分類が可能となる。例えば付着異物のような凸欠陥の場合には低角度照明での散乱光強度は高角度照明での散乱光強度より大きくなり、スクラッチやＣＯＰ（結晶欠陥）のような凹欠陥の場合には逆となる。そこで、散乱光強度の比をとることにより、図１１に示すように、凸欠陥と凹欠陥との分離が可能となる。

ところで、上述のように欠陥と照明の相対位置は不定である。このため、照明の強度分布がガウス分布形状の場合には、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、検査のたびに欠陥と照明強度の位置が異なり、散乱光の強度比が変化する。本来は図１２（ａ）に示すように凸欠陥（低角度照明散乱光強度＞高角度照明散乱光強度）であるべきものが、図１２（ｂ）に示すように散乱光の強度比が逆転して凹欠陥（高角度照明散乱光強度＞低角度照明散乱光強度）とみなして、図１３に示すように、分類が不安定となる。

しかし、本発明のように照明が平坦状の強度分布の場合には、欠陥と照明の相対位置が変化しても、欠陥で発生する散乱光の強度は一定となるため、安定な欠陥分類が可能となる。

以上説明したように、第２の実施例によれば、長手方向のサイズが数十μｍから数百μｍで、平坦化（均一化）された照度分布を有するレーザビームが照明されるため、照明角度を切り替えて検査するたびにレーザビーム照射位置と欠陥及び異物の相対位置が変化したとしても、同一異物及び欠陥からの検出信号が安定し、異物（凸欠陥）と欠陥（凹欠陥）の分離を安定に行うことが可能となる。

次に、本発明に係る半導体ウェハ上の欠陥等を検査する欠陥検査装置の第３の実施例について図７を用いて説明する。図７は、本発明に係る半導体ウェハ上の欠陥等を検査する欠陥検査装置の第３の実施例を示す構成図である。即ち、第３の実施例である回路パターンが形成されたウェハの欠陥検査においても、ビーム整形光学系は有効である。第３の実施例は、ウェハ８０２を搭載してＸＹ方向に移動するウェハステージ８０１と、ウェハ８０２に対して斜方照明する照明光学系８２０と、検出光学系８２１と、処理回路８２２とから構成される。

照明光学系８２０は、レーザ光源８０３およびビーム整形光学系８０４により構成される。ビーム整形光学系８０４は必要なビームエキスパンダや集光レンズ等を含む。検出光学系８２１は、フーリエ変換レンズ８０５、逆フーリエ変換レンズ８０６、空間フィルタ８０７、センサ８０８により構成される。センサ８０８はＴＶカメラ、リニアセンサ、ＴＤＩセンサ等が利用できる。処理回路８２２はアナログ処理回路８０９、メモリ８１０、比較回路８１１により構成される。ウェハ８０２上の等ピッチパターンからの回折光は空間フィルタ８０７で遮光されるが、不規則配列パターンや異物・欠陥からの散乱光は空間フィルタ８０７を通過してイメージセンサに到達する。イメージセンサ８０８の出力はアナログ処理回路８０９で増幅やＡＤ変換等の処理を施す。メモリ８１０には１つ前のダイの情報（座標、検出信号強度等）を記憶しておき、比較回路８１１でアナログ処理回路８０９の出力と比較及び演算することにより、回路パターンの情報を除外し、異物及び欠陥の情報のみが出力される。

ここで、図１５に示すように、レーザビームによる照明がガウス分布形状の場合には、シェージング補正と呼ばれる処理が行われる。レーザビームによる照明がガウス分布形状の場合、検出信号のレベルは照明の照度分布に比例して画素毎に異なり、比較回路８１１での比較・演算が正確に行われない。このため、同一異物・欠陥が同一検出信号レベルになるように、画素毎に増幅率を変えて増幅するが、増幅率の高い画素ほどノイズも大きくなるという課題を持っている。

そこで、第３の実施例では、ビーム整形光学系８０４を用いることにより、検出信号レベルは一定となるためシェージング補正が不要となり、安定な比較・演算が可能となる。

以上説明したように、第１〜第３の実施例によれば、異物及び欠陥が安定に検出されるため、検査の結果は図１４に比べて図８に示すようにマップ表示９０１ａも安定する。マップ情報には、異物及び欠陥の位置情報、サイズ情報、個数等が含まれる。図１４（ａ）（ｂ）は、ガウス分布形状を持つレーザビームによる照明の場合を示し、異物及び欠陥が検出されたり、されなかったりするため、マップ表示９０１ｃ、９０１ｄが異なることになる。

また、第１〜第３の実施例によれば、平坦化されたレーザビームで照明するため、微小な異物・欠陥を安定した感度で検査できる。

（ａ）は、本発明に係る半導体ウェハ上の異物や欠陥等を検査する欠陥検査装置の第１の実施例を示す構成図であり、（ｂ）はスリット状ビームを検出エリアに対して斜め方向から照射して走査される状態を示す図である。本発明に係るビーム整形光学系によるビーム整形の一実施例を説明するための図である。本発明に係るビームエキスパンダの一実施例を説明するための図である。本発明に係るホモジナイザによるビーム整形光学系の一実施例を説明するための図である。本発明に係る平坦化されたビーム形状による異物及び欠陥の検出例を説明するための図である。本発明に係る半導体ウェハ上の異物や欠陥等を分離して検査する欠陥検査装置の第２の実施例を示す構成図である。本発明に係る回路パターン付半導体ウェハ上の異物や欠陥等を検査する欠陥検査装置の第３の実施例を示す構成図である。本発明に係る検査結果マップ表示の一実施例を示した図である。本発明に係る回折格子素子（ＤＯＥ）によるビーム整形光学系の一実施例を説明するための図である。本発明に係る回折格子素子（ＤＯＥ）によるビーム整形光学系の他の一実施例を説明するための図である。本発明に係る第２の実施例において異なる角度で照明して散乱光強度比をとることによって凸欠陥と凹欠陥とを分離できることを説明するための図である。照明がガウス分布形状の場合において、低角度照明と高角度照明とによって凸欠陥から得られる検出信号と、低角度照明と高角度照明とによって凹欠陥から得られる検出信号との比較例を示す図である。照明がガウス分布形状の場合において、低角度照明と高角度照明とによる散乱光の強度比をとったとき、凸欠陥が凹欠陥と誤認識される比較例を説明するための図である。照明がガウス分布形状の場合での検査結果マップ表示の比較例を示した図である。照明がガウス分布形状の場合での信号処理方式の比較例を示した図である。従来技術を説明するための図である。

符号の説明

１０１、８０２…ウェハ（被検査基板）、１０２，８０１…ウェハステージ、１０３ａ、１０３ｂ、８２０…照明光学系、１０４、８２１…検出光学系、１０５、８０３…レーザ光源、１０６…波長板（１／２）、１０７…ビームエキスパンダ、１０８、８０４…ビーム整形光学系、１０９、７０２…集光レンズ、１１０…散乱光検出レンズ、１１１、８０８…光電変換素子（イメージセンサ）、１１４、１１５、１１６，１１７…ミラー、１２０…スリット状ビーム、３０１…ホモジナイザ、３０１’、３０１”…回折光学素子（ＤＯＥ）、４０１、４０２…平凸レンズ、５０１、５０２…非球面レンズ、６０１…平坦化された照明光照度分布、６０２〜６０４…検出信号、７０１…ミラー、７０３、８２２…処理回路、７０４、７０５…メモリ、７０６…比較回路、８０５…フーリエ変換レンズ、８０６…逆フーリエ変換レンズ、８０７…空間フィルタ、８０９…アナログ処理回路、８１０…メモリ、８１１…比較回路、９０１ａ…マップ表示。

Claims

照度分布がガウス分布形状を有するレーザビームを出射するレーザ光源と該レーザ光源から出射されたレーザビームを照度分布が平坦な分布になるように整形するビーム整形光学系と該ビーム整形光学系で照度分布が平坦になるように整形されたレーザビームを集光して被検査基板に照明する集光光学系とを備えたレーザビーム照明光学系と、
該レーザビーム照明光学系によって照射された被検査基板から得られる散乱光を集光し、該集光された散乱光を受光して信号に変換する検出光学系と、
該検出光学系で変換された信号に基づいて前記被検査基板上の欠陥を検査する信号処理部とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
前記レーザビーム照明光学系のビーム整形光学系は、回折光学素子（ＤＯＥ）で構成することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記レーザビーム照明光学系のビーム整形光学系は、ホモジナイザで構成することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記レーザビーム照明光学系において、前記ビーム整形光学系と前記レーザ光源との間にビーム径を拡大するビームエキスパンダを備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の欠陥検査装置。
前記レーザビーム照明光学系において、切り替えることによって被検査基板に対して高角度照明および低角度照明を行えるように構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに一つに記載の欠陥検査装置。
前記信号処理部において、被検査基板上に存在する微小異物と微小凹凸欠陥とを分離して検査できるように構成したことを特徴とする請求項５記載の欠陥検査装置。
前記検出光学系において、フーリエ変換レンズと逆フーリエ変換レンズの共通像面に空間フィルタを配置して構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の欠陥検査装置。