JP2007071803A - 欠陥観察方法及びその装置 - Google Patents

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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】
表面に透明膜が形成された被検査対象物に対し、高ＮＡ対物レンズを真空チャンバ内に設置し、対物レンズ内に照明光路を設けたことにより、暗視野照明を可能にし被検査対象物表面の異物または欠陥の反射散乱光を高感度に検出できるようにした。
【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観察する欠陥観察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（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：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、特開２００１-１３３４１７号公報（特許文献１）、特開２００３-７２４３号公報（特許文献２）及び、特開平５-４１１９４号公報（特許文献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
の画像の中に、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捜すことに
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に存在する欠陥の他に、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検出することができない。この
ような場合、ＳＥＭによる検査装置からは、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検査方法及び
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、パターンが形成されて表面を光学的に透明な
膜で覆われた基板を予め他の検査装置を用いて検出して得られた欠陥の位置情報を記憶す
る記憶手段と、欠陥を照明する照明系と照明された欠陥を検出する検出光学系とを備えた
欠陥観察手段と、基板を載置して記憶手段に記憶した欠陥の位置情報に基づいて観察すべ
き欠陥を検出光学系の視野内に位置させるステージ手段と、欠陥観察手段で検出された欠
陥を観察する電子顕微鏡手段とを備えた欠陥検査装置において、照明系には、基板を大き
な入射角度で照明する第１の照明部と前記基板を小さい入射角度で照明する第２の照明部
とを備え、検出光学系には、照明系で照明した基板のパターンからの回折光像を遮光する
遮光部を更に備えて構成し、記憶手段に記憶した予め他の検査装置を用いて検出して得ら
れた欠陥の位置情報に基づいて観察すべき欠陥を欠陥観察手段の検出光学系の視野内に位
置させ、この視野内に位置させた欠陥を照明系で照明して検出光学系で照明によるパター
ンからの回折光像を遮光して検出し、この検出した信号に基いて欠陥が光学的に透明な膜
の表面に存在する欠陥か光学的に透明な膜の中又は下に存在する欠陥かを識別し、光学的
に透明な膜の表面に存在すると識別された欠陥をＳＥＭで観察するようにした。
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検査のスループットを上げることができる。
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、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１１０、欠陥検出装置１４０、搬送系１２５と、これらを内部に装備してロードロック室１６０と図示しない真空排気手段とを備えた真空チャンバ１５０、及び全体制御部１３０とを含んで構成される。
搬送系１２５は、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ＸＹステージ１２０とコントローラ８０を備えている。
欠陥検出装置１４０は、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３３０である大きさに設定後、波長板３５、ビームスプリッタ２０、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を備えて構成される。
前記検出光学系３５０内の光検出器１５から出力された画像信号２５は信号処理系４００で処理されて欠陥が検出され、全体のシーケンスを制御する全体制御部１３０に送られる。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、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１１０は、前記した欠陥検出装置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が在るように配置されている。走査型電子顕微鏡（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、前記走査型電子顕微鏡（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（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：エネルギー分散型Ｘ線分光法）等により構成されている。
次に暗視野照明系３００について、図２及び図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（図２参照）を通過し、ビーム径可変手段３３０、波長板３５、レンズ３４を通過した後、ビームスプリッタ２０で下方に反射され、透明窓部３６を透過して真空チャンバ１５０の内部に設けられた対物レンズ１３に入射し、ミラー３８ａで反射されて被検査対象基板１００の表面に斜め上方より照射される。この時、被検査対象基板１００表面の欠陥５からの散乱光Ｓ１（図３参照）は光軸３１２を有する検出光学系３５０に、また、正反射光Ｌ２はミラー３８ａの検出光学系３５０の光軸対称位置に配したミラー３８ｂに達し上方に反射される。
ビーム径可変手段３３０は、図２に示すように例えば焦点距離の異なる３群のレンズ２１５、２２０、２３０から構成されている。レンズ２２０は、レンズ保持部２２３を介してモータ２２１(例えばパルスモータ)及び送りネジ２２２により光軸方向(Ｘ方向)に移動する。また、レンズ２３０もレンズ保持部２３３を介してモータ２３１及び送りネジ２３２により光軸方向(Ｘ方向)に移動し、レンズ２２０とレンズ２３０のＸ方向の間隔を変えることによって、レンズ３４に入射するレーザのビーム径を変化させることができ、被検査対象基板１００の表面に照射されるレーザ光の照射範囲を可変できるようになっている。
すなわち、レンズ保持部２２３の先端に設けられた位置決めセンサの可動部２２５で原点センサ２２６の位置を検知した後、モータ２２１の回転パルスを全体制御部１３０からの駆動信号によりコントローラ（図示せず）を介して制御するものである。センサ２２７及び２２８は原点センサ２２６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、磁気的センサを用いることができる。なお、これら一連の動作は、全体制御部１３０からの指令に基づき、照明範囲の設定は検出光学系３５０の検出倍率に同期して行われる。なお、照明範囲はビーム径可変手段３３０によるビーム径とレンズ３４の焦点距離で決定されるが、そのビーム径と焦点距離（ビーム径可変手段３３０とレンズ３４）との関係のデータは、予め全体制御部１３０に記憶されている。
次に、検出光学系３５０について説明する。検出光学系３５０は、図４に示すように対物レンズ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の上方より欠陥５で反射散乱された光（散乱光）を検出する。より微小な欠陥を検出するためには対物レンズの検出ＮＡ(開口数)を大きくすることが望まれる。しかし、ＮＡを拡大することにより作動距離が小さくなり、対物レンズ外からのレーザ照明が困難になるなどの問題が生じる。
そこで、本発明では、これらの課題を解決するための手段として、対物レンズ１３を真空チャンバ１５０の内部に配置し、被検査対象基板１００に近接させて高ＮＡ検出を図るとともに、対物レンズ１３の鏡筒６８の内部を通して斜め方向からレーザを被検査対象基板１００に照射し、被検査対象基板１００で反射散乱された光（散乱光）を対物レンズ１３で集光して光検出器１５で検出することにより暗視野検出を行い、被検査対象基板１００からの正反射光を位置検出器５５で検出することにより被検査対象基板１００の表面の高さ方向（Ｚ方向）の変動を求め、対物レンズ１３をアクチュエータ７０でＺ方向に微動させて焦点変動を補正する構成とした。
すなわち、対物レンズ１３をＺ方向に微動可能なアクチュエータ７０を介して真空チャンバ１５０内に配置し、全体制御部１３０からの信号により駆動回路４１０を介してアクチュエータ７０をＺ方向に微動させ焦点合わせを行うものである。ミラー３８は対物レンズ１３を支持している鏡筒に固定され、アクチュエータ７０の駆動によって対物レンズ１３と共にＺ方向に移動する構造になっている。レーザ照明光Ｌ１は、ミラー３８ａで反射されて被検査対象基板１００表面に照射される。レーザ照明光の正反射側にミラー３８ａと対称な位置に設けられたミラー３８ｂは、被検査対象基板１００表面で反射したレーザ光をＺ方向に反射する。
レーザ光は、ビームスプリッタ２０で反射された後、レンズ６２及びレンズ６３によって位置検出器５５上に達する。検査対象基板１００表面と位置検出器５５の受光面は結像関係になっている。位置検出器５５は受光面が４分割または２分割された光電素子であり、それぞれの分割素子が受光強度に応じて電気信号を出力する。位置検出器５５から出力された位置信号は処理回路１９０で処理されて全体制御部１３０に送られる。処理回路１９０では位置検出器５５の分割素子の出力信号の差分信号が求められる。全体制御部１３０は処理回路１９０の出力信号から被検査対象基板１００上でレーザが照射された箇所のＸ方向位置（レーザが照射された箇所の被検査対象基板１００上のＸ座標位置）を算出し、あらかじめ対物レンズ１３の焦点位置として記憶されている設定値と比較し、駆動回路４１０を介してアクチュエータ７０を駆動してレーザ照射位置と対物レンズ１３の光軸３１２が一致するように制御する。
なお、対物レンズ１３をＳＥＭの真空チャンバ１５０内に設置する検出光学系３５０の別の構成としては、図１２に示すように対物レンズ１３ａを真空チャンバ１５０内に固定し、大気側に同様の対物レンズ１３ｂを設け、被検査対象基板１００との焦点変動を大気側に設けた対物レンズ１３ｂをアクチュエータ７０で駆動することによって補正することも可能である。但し、この場合、予め被検査対象基板１００と対物レンズ１３aの焦点移動距離と位置検出器５５の出力を測定しておき、位置検出器５５の出力信号に合わせて対物レンズ１３ｂをＺ方向に移動させ、検出光学系３５０の第２結像系３４０についても同時にＺ方向に移動させる必要がある。また、対物レンズ１３のＺ方向の駆動を真空外で行う手段として、図１３に示すように対物レンズ１３を真空ベローズ９５で支持するとともに、接合部にＯリング９６、９７を設置して真空遮断し、大気中に設けた駆動手段により対物レンズ１３を移動させる方法であり、モータ１０３、送りねじ１０５によって傾斜ブロック１０４を駆動して対物レンズ１３の支持されている支持板１０６をＺ方向に作動させるものである。
一方、欠陥散乱光は対物レンズ１３を通過後、入射窓３６、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に到達し画像として検出される。入射窓３６は対物レンズ１３とビームスプリッタ２０の間に設けられた透明窓であり、図示しない真空シール材を介して真空チャンバ１５０内の真空度が保たれる構造になっている。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（電化結合素子）やＥＢＣＣＤやＴＤＩセンサ（時間遅延型積分センサ）等であり、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２５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。
なお、ビームスプリッタ２０は、暗視野照明、明視野照明によってそれぞれ切り換えられる構造になっている。すなわち、暗視野照明時には光軸３１２を中心として対物レンズの開口数に相当する円形開口部が光軸中心に明けられたビームスプリッタ２０を使用する。これにより、レーザ光源３０から出射された照明光は反射し、被検査対象基板１００表面の欠陥５からの散乱光は１００％透過せしめるものである。一方、明視野照明時に用いるビームスプリッタ２０は全体が半透鏡になっており、ビームスプリッタ２０に入射した光の半分は反射し、残りは透過するように構成されている。これらは、図示しない機構によって切り換えられるようになっている。
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を備えた瞳観察光学系２００を設け、図５（ａ）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、回折像の輝点５０２を図５（ｂ）に示すような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で得られる画像が図５（ｃ）に示すような輝点のない像５０４になるように調整する。
この調整は、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、この撮像して得た信号を信号処理部４００で処理してフーリエ変換位置における回折光像の輝点５０２の位置を求め、この求めた輝点５０２の位置情報を用いて全体制御部１３０から遮光パターン５０３の間隔Ｐを制御する指令を出して図示しない機構によって間隔Ｐを変化させることで実施される。遮光パターンの間隔Ｐを制御して繰り返しパターンからの反射回折光像５０１による輝点５０２が遮光された状態で被検査対象基板１００上の規則的な繰り返しパターンのある領域を撮像し、検出された画像の輝度信号が予め設定したレベル以上の箇所を欠陥として検出する。
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、退避可能になっており、被検査対象基板１００の規則的な繰り返しパターンがない領域を撮像する場合には、移動手段２１によって空間フィルタ１０を光路中から退避させる。このときは、被検査対象基板１００上の検査領域と同じパターンが存在する領域の画像と比較して不一致部分を抽出することにより欠陥候補を検出することができる。
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２２０、２３０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に欠陥画像が取り込まれる。画像取り込みは、基本的には位置検出器５５の出力信号によって対物レンズ１３ａと被検査対象基板１００は合焦点関係になっているが、アクチュエータ７０をＺ方向に一定量づつステップ移動して対物レンズ１３の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する機能も備えて、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）に示すように欠陥が複数の画素にわたっている場合は、重心画素５
８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１
３０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１
５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の撮像画像データが用いられる。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。
ところで、図９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、光学式パターン検査装置や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、異物に限らず、透明膜中の欠陥８０２も検出されるため上記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、図９を用いて説明すると、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。すなわち、ミラー３９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３８は大きい入射角の照明（水平に近い）により透明膜の表面に多くの照明光が照射されるように構成してある。
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（例えばλ/２板やλ/４板など）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９の紙面に垂直な偏光の場合は、ミラー３８で全反射し、紙面に平行な偏光の場合は、ミラー３９で全反射するような特性の反射膜がミラー３８，３９のそれぞれに形成されている。なお、ミラー３８，３９で反射された照明光が被検査対象基板１００に入射する角度（照射角度）は、ミラー３８，３９それぞれの傾きを変えて照射角度を振って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９の紙面に垂直になるようにすると、レーザ光Ｌ１はミラー３８で全反射して
、図９（ａ）に示すように試料表面に対して入射角αLで入射する。この入射角αL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９の紙面に
平行になるようにすると、レーザ光Ｌ１はミラー３９で反射されて、図９（ｂ）に示すように試料表面に対して入射角αSで入射する。この入射角αSで透明膜８０４に入射したレーザ光Ｌ１は表面の欠陥８０３に照射されて欠陥８０３から散乱光Ｓ1を発生させると同時に、膜中又は膜下の欠陥８０２にも照射されて欠陥８０２から散乱光Ｓ2を発生させる。この膜中の欠陥８０２からの散乱光Ｓ2は、表面の欠陥８０３からの散乱光Ｓ1とともに図１に示した光学系３５０を通って光検出器１５に到達して検出される。
ミラー３９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３８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、波長板３５の回転角の情報を用いてミラー３８と３９による照明角の切換と同期して光検出器１５で検出される欠陥信号を処理することにより、透明膜８０４の表面の欠陥８０３と膜中に存在する欠陥８０２とを識別することが可能になる。すなわち、ミラー３８で照明したときとミラー３９で照明したときの両方とも検出された場合には透明膜８０４の表面に欠陥８０３があることが判り、ミラー３８で照明したときに検出されずミラー３９で照明したときに検出された場合には透明膜８０４の膜中に欠陥８０２が存在することが判る。
以上の考えに基づいて本発明での一実施例として、暗視野照明系３００を図１０に示す構成とした。すなわち、異なる照明角度を実現するために、Ｙ方向には平面、Ｘ−Ｚ方向に多段の放物面を有する放物面鏡６９を、対物レンズ１３を支持している鏡筒６８の内部に対物レンズ１３の光軸上のＹ方向に対して対称な位置に設置し、暗視野照明系３００の光路中に設けた直角ミラー２６を図示しない移動手段によってＸ方向に移動させることにより、レーザ光源３０から出射したレーザ光Ｌ１のビームスプリッタ２０での反射位置がＸ方向に変化して、放物面鏡６９に到達、反射されることにより、透明膜８０４の表面の欠陥８０３に対して照明角度を変えられるようにしているものである。また、透明膜８０４の表面の欠陥を検出する場合においても、レーザ照明光による透明膜８０４の表面からの正反射光Ｌ４をレンズ５２及び５３で検出器５５上に結像させて検出することにより、検出された像の位置から被検査対象基板１００上のレーザ照明位置の変動を検出することができ、この位置変動の情報を用いて対物レンズ１３の焦点合わせを行うことができる。
ここで、照明光路中に設置したミラー２６は、ミラー３８ａで反射し被検査対象基板１００上に照射された照明光をミラー３８ｂで反射させて位置検出器５５に導くために直角形状としているが、図１１（ａ）に示すように、照明とθだけ角度をずらした方向にミラー４０ａ、ｂを配置しても良い。例えばθ＝９０度方向にミラー４２、４３を設けて欠陥からの散乱光を検出する場合、直角ミラー２６の代わりに４角錐ミラーを設けて４方向に反射するようにし、照明および位置検出光路とはＹ−Ｚ方向に９０度回転した位置に、第２の検出系２９０、２９１を設け、ＴＶカメラ等の二次元ＣＣＤで画像を検出しても良い。このような構成の場合、欠陥を斜方向より検出することになり、図１１（ｂ）の如く被検査対象基板１００上に形成されたチップ１８０内の欠陥検出の他に、被検査対象基板１００の外周端面の欠陥検出にも適用できる効果がある。この場合、照明としてはビームスプリッタ２０を図示しない手段により切換えて明視野光源２３を用いて照明しても良い。
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１４、１５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、被検査対象基板１００上の欠陥座標位置が光顕の視野に移動（S1120）し、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光顕の視野内で欠陥となる輝点の自動探索を行う（S1130）。視野内で欠陥を検出できない場合は、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、欠陥を検出すると、光検出器15の欠陥検出画像の輝点を基に座標を求め、検査装置の座標と検出視野以上の差異が生じている場合は、検査装置の欠陥座標を更新して記憶させることになる(S1150)。
光顕で検出された欠陥はＸＹステージ１２０によりＳＥＭの観察視野に移動し、ＳＥＭの電子ビーム調整による焦点合わせ後ＳＥＭにて欠陥の像（ＳＥＭ像）を取得し、全体制御部１３０において、取得したＳＥＭ像の解析を行う（S1180）。このＳＥＭ像の解析においては、欠陥画像の特徴量（欠陥の寸法、Ｘ方向とＹ方向の寸法の比、面積、重心位置、形状、輝度分布など）をＳＥＭ画像から抽出し、この抽出した特徴量を予めデータベースに記憶しておいた分類データと比較することによりこの観察した欠陥の分類を行う。
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。例えば全体制御部１３０に記憶しておいた欠陥の位置座標情報を、検出した前記図示していない検査装置が明視野照明を用いた欠陥検査装置であった場合には、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、全体制御部１３０に記憶しておいた欠陥の位置座標情報を検出した前記図示して
いない検査装置が暗視野照明を用いた欠陥検査装置であった場合には、暗視野照明系３０
０を、波長板３５の回転角を調整して、レーザ光源３０から発射されたレーザをミラー３
８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。
前述の通り基本的にＳＥＭは被検査対象基板１００の透明膜中に存在する欠陥の観察は苦手である。このため、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ＳＥＭ観察の際にフィードバックすることにより、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１５（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で撮像した光顕の暗視野画像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。
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の欠陥を高解像度でもって検出、識別してＳＥＭ観察の際にフィードバックすることにより、膜表面の欠陥を容易に視野内に入れることができる。また、膜表面の欠陥を詳細に観察することができ、欠陥画像の特徴から、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。
本発明に係る物体表面欠陥検査装置の一実施の形態の概略構成を示す正面図である。 （ａ）照明光学系の概略構成を示す正面図，（ｂ）ビーム径可変手段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概略構成を示す正面図である。 図１に示す検出光学系の概略構成を示す正面図である。 （ａ）瞳観察光学系で観察される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、（ｂ）遮光板の平面図、（ｃ）フーリエ変換位置に遮光板を配置したときに瞳観察光学系で観察される像である。 （ａ）光検出器の受光面の平面図、（ｂ）欠陥の像が受光面上に投影された状態を示す光検出器の受光面の平面図である。 図６に示す欠陥画像の断面プロファイルを示す画像信号波形のグラフである。 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。 （ａ）レーザ光の直線偏光の向きが紙面に垂直な場合の試料表面への入射と反射の状態を示す試料の断面図、（ｂ）レーザ光の直線偏光の向きが紙面に平行な場合の試料表面への入射と反射の状態を示す試料の断面図である。 照明光学系の他の実施例の概略構成を示す正面図である。 （ａ）はミラー３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂ，４２及び４３と対物レンズ及び鏡筒との位置関係を示す対物レンズの平面図、（ｂ）は位置検出器６０、及び照明系・検出系と被検査対象基板との関係を示す被検査対象基板の平面図である。 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に示す検出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で検出の欠陥をＳＥＭ観察するフロー図である。 （ａ）は本発明の全体構成を示すブロック図、（ｂ）は暗視野検出画像をＳＥＭ観察画面上に重ねて表示した画面である。
符号の説明
５・・・欠陥 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
１６・・・真空シール材 １７・・・ミラー １８・・・指示板 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 ３１・・・シャッタ ３３・・・ビーム径可変手段 ３５・・・波長板 ３６・・・入射窓 ３８・・・ミラー ５６・・・ 欠陥像 ５８・・・欠陥中心画素 ６０・・・位置検出系 ７０・・・アクチュエータ 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 １００・・・被検査対象基板１１０・・・電子顕微鏡(ＳＥＭ) １１２・・・電子ビーム軸 １２０・・・ＸＹステージ １２２・・・載置台 １２５・・・搬送系 １４０・・・欠陥検出装置 １５０・・・真空チャンバ １６０・・・ロードロック室 １９３・・・透明ロッド ２４２，２４３・・・ゲートバルブ ２４４・・・搬送ロボット ２５３、２６２・・・指標 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 (12)

  1. 電子顕微鏡を用いて試料表面の欠陥を検査する方法であって、予め他の検査装置を用いて検出して得られた欠陥の位置情報に基づいて試料表面の観察すべき欠陥を検出光学系の視野内に位置させ、該視野内に位置させた欠陥を入射角度が異なる複数の方向から照明して前記試料で反射散乱された光を検出し、該反射散乱された光を検出して得た信号を処理して前記試料の表面にある欠陥と表面下にある欠陥とを識別し、前記試料の表面にあると識別した欠陥を電子顕微鏡の観察視野内に位置決めし、該電子顕微鏡で前記観察視野内に位置決めした欠陥を観察することを特徴とする欠陥観察方法。
  2. 前記視野内に位置させた欠陥を、入射角度が異なる複数の方向から順次切り替えて照明し、前記試料で反射散乱された光を前記照明の順次切り替えと同期して検出することにより前記試料の表面にある欠陥と表面下にある欠陥とを識別することを特徴とする請求項１記載の欠陥観察方法。
  3. 前記試料上の検出し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して得られた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。
  4. 前記修正した欠陥の位置情報に基づいて前記基板を前記検出光学系の視野内から前記電
    子顕微鏡の視野内に移動させて、前記検出光学系で検出し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を前記電子顕微鏡の視野内に設定することを特徴とする請求
    項３記載の欠陥検査方法。
  5. 前記電子顕微鏡で前記欠陥を観察して該欠陥のＳＥＭ像を得、該ＳＥＭ像から前記欠陥の特徴量を抽出し、該抽出した特徴量に応じて前記観察した欠陥を分類することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
  6. 光学検出手段と電子顕微鏡手段とを備えた欠陥観察装置であって、
    予め他の検査装置を用いて検出して得られた欠陥の位置情報に基づいて試料表面の観察すべき欠陥を光学検出手段の観察視野内に位置させるテーブル手段と、
    該テーブル手段により前記観察視野内に位置された欠陥を入射角度が異なる複数の方向から照明する照明部と、該照明部により照明されて前記試料で反射散乱された光を検出する検出部と、該検出部で前記反射散乱された光を検出して得た信号を処理して前記試料の表面にある欠陥と表面下にある欠陥とを識別する信号処理部とを備えた光学検出手段と、
    前記テーブル手段を駆動して該光学検出手段で前記試料の表面にあると識別された欠陥を前記光学検出手段の観察視野内から電子顕微鏡の観察視野内に移動させて位置決めするテーブル位置制御手段と、
    該テーブル位置制御手段で前記観察視野内に位置決めされた欠陥のＳＥＭ像を撮像する電子顕微鏡手段と
    を備えたことを特徴とする欠陥観察装置。
  7. 前記光学検出手段の照明部は、前記テーブル手段により前記観察視野内に位置させた欠陥を入射角度が異なる複数の方向から順次切り替えて照明し、前記検出部は、前記照明部により照明された前記試料から反射散乱された光を前記照明の順次切り替えと同期して検出することを特徴とする請求項６記載の欠陥観察装置。
  8. 前記光学検出手段の信号処理部は、前記試料の表面にある欠陥と表面下にある欠陥とを識別して前記試料の表面にある欠陥の位置情報を得、前記テーブル位置制御手段は、前記信号処理部で得た前記試料の表面にある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して得られた欠陥の位置情報を修正して前記テーブル手段を駆動し前記試料の表面にある欠陥を前記光学検出手段の観察視野内から電子顕微鏡の観察視野内に移動させて位置決めすることを特徴とする請求項６記載の欠陥観察装置。
  9. 前記光学検出手段の検出部は対物レンズと空間フィルタとを有し、前記照明部により照明されて前記試料で反射散乱された光のうち前記試料に形成された繰返しパターンから反射散乱された光により前記対物レンズの瞳面に形成される回折光パターンを前記空間フィルタで遮光することを特徴とする請求項６記載の欠陥観察装置。
  10. 前記光学検出手段の検出部は結像レンズと多数の受光素子を備えた光検出器を有し、前記結像レンズで結像された前記試料で反射散乱された光による像を前記多数の受光素子を備えた光検出器で検出して画像を取得することを特徴とする請求項６記載の欠陥観察装置。
  11. 前記光学検出手段は、前記試料の表面の高さを光学的に検出する高さ検出部を更に有することを特徴とする請求項６記載の欠陥観察装置。
  12. 表示手段を更に備え、前記光学検出手段で検出した前記試料の表面にある欠陥の画像と前記電子顕微鏡手段で撮像して得た前記試料の表面にある欠陥のＳＥＭ像とを前記表示手段の画面上に同時に表示することを特徴とする請求項６記載の欠陥観察装置。
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