JP2007101401A - 外観検査装置及び外観検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料表面の光学像に基づいて試料の欠陥を検出する外観検査装置及び外観検査方法において、異なる照明方向の照明によって生じる光学像を容易に切り替えて取得する。
【解決手段】 外観検査装置１を、試料４の表面をその法線方向に対して斜めにかつ異なる２つの方位から照明する照明部２０ｘ、２０ｙと、照明部２０ｘ、２０ｙにより照明された試料４の表面の光学像を形成する投影光学系５と、投影光学系５によって生成される投影光を、２つの方位のうちの一方からの照明光により生じた投影光と他方からの照明光により生じた投影光とに分離する分光部３０と、を備えて構成し、２つの方位からの照明光による光学像を別々に形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、試料の対応する２箇所を撮像した検査画像を比較して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査装置及びその方法に関する。特に半導体製造工程において半導体ウエハ上に形成される半導体回路パターンの欠陥を検出するために使用される外観検査装置及びその方法に関する。

本発明は、試料の対応する２箇所を撮像した検査画像を比較して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査装置及びその方法を対象とする。ここでは半導体製造工程で半導体ウエハ上に形成した半導体回路パターンの欠陥を検出する外観検査装置（インスペクションマシン）を例として説明を行なうが、本発明はこれに限定されるものではない。

半導体製造工程では、半導体ウエハ上に多数のチップ（ダイ）を形成する。各ダイには何層にも渡ってパターンが形成される。完成したダイは、プローバとテスタにより電気的な検査が行われ、不良ダイは組み立て工程から除かれる。半導体製造工程では、歩留まりが非常に重要であり、上記の電気的な検査の結果は製造工程にフィードバックされて各工程の管理に使用される。しかし、半導体製造工程は多数の工程で形成されており、製造を開始してから電気的な検査が行われるまで非常に長時間を要する。このため、電気的な検査により工程に不具合があることが判明した時には既に処理中のウエハが多数存在するので、検査の結果を歩留まりの向上に十分に生かすことができない。
そこで、途中の工程で形成したパターンを検査して欠陥を検出するパターン欠陥検査が行われる。全工程のうちの複数の工程でパターン欠陥検査を行なえば、前の検査の後で発生した欠陥を検出することができ、検査結果を迅速に工程管理に反映することができる。

従来から使用されている外観検査装置のブロック図を図１に示す。図示するように、外観検査装置１は、２次元又は３次元方向に自在に移動可能なステージ２を備え、その上面には試料台（チャックステージ）３が設けられている。この試料台３の上に、試料となる半導体ウエハ４を載置して固定する。ステージの上部には、明視野照明や暗視野照明などの様々な照明方法によって照明された半導体ウエハ４の光学像を、１次元又は２次元のＣＣＤカメラなどを用いて構成される撮像部６の撮像面に投影する投影光学系５が設けられており、撮像部６は半導体ウエハ４上に形成されたパターンの画像信号を発生させる。

図２に示すように、半導体ウエハ４上には、複数のダイ４ａが、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれ繰返し、マトリクス状に配列されている。各ダイには同じパターンが形成されるので、隣接するダイ同士の対応する部分の画像を比較するのが一般的である。両方のダイに欠陥がなければグレイレベル差は所定の欠陥検出閾値より小さいが、一方に欠陥があればグレイレベル差は欠陥検出閾値より大きくなる（シングルディテクション）。これではどちらのダイに欠陥があるか分からないので、更に異なる側に隣接するダイとの比較を行ない、同じ部分のグレイレベル差が欠陥検出閾値より大きくなればそのダイに欠陥があることが分かる（ダブルディテクション）。

いま、１次元のＣＣＤカメラ（ＴＤＩセンサ等）を備えた撮像部６を、撮像素子の画素の配列方向に垂直方向に沿って、半導体ウエハ４に対して相対的にスキャンするとダイ４ａの２次元画像が得られる。撮像部６を半導体ウエハ４ａに対して相対的にスキャンさせるために、ステージ２を駆動して固定された撮像部６に対してウエハ４ａ側を移動させるのが通常である。画像信号は多値のディジタル信号（グレイレベル信号）に変換された後に画像記憶部１１に記憶される。

画像記憶部１１に、隣り合うダイ２個分のグレイレベル信号が記憶されると、差分検出部１２はこれらの２つのダイの各々同じ部分の小さな部分画像（ロジカルフレーム）のグレイレベル信号を画像記憶部１１から読み出す。実際には微小な位置合わせ処理などが行われるがここでは詳しい説明は省略する。
差分検出部１２は、隣り合うダイの同じ部分の部分画像の一方を検査部分画像とし他方を参照画像として、各々の対応する画素同士のグレイレベル信号の差（グレイレベル差）を検出して、検出閾値計算部１３と欠陥検出部１４とに出力する。検出閾値計算部１３は、グレイレベル差の分布に応じた欠陥検出閾値を自動的に決定して欠陥検出部１４に出力する。欠陥検出部１４は、差分検出部１２が検出したグレイレベル差と検出閾値計算部１３が決定した閾値とを比較し、グレイレベル差が閾値を超えるときこれら画素のうちいずれかが欠陥であると判定する。そして欠陥検出部１４は、欠陥と判定された部分について、各欠陥毎に、その欠陥の位置やグレイレベル差などを含む欠陥情報を出力する。

特開２００４−１７７３９７号公報 特開平４−１０７９４６号公報 特許第２９９６２６３号公報 特開２００２−２２４２１号公報

半導体ウエハ４表面には高い密度で半導体回路パターンが形成され、これらパターンのエッジ部では、ウエハ４を照明した照明光が散乱して散乱光を生じる。特に線状パターンが繰り返して配置されるような領域では、パターンのエッジから生じる散乱光のために、線間に存在する欠陥からの反射光が捉えにくい場合が生じる。この様子を図３を参照して説明する。図３の（Ａ）はウエハ４上に繰り返して線状パターンが配置された様子を示す図であり、図３の（Ｂ）はＡ方向からの斜光照明で照明した場合の撮像画像であり、図３の（Ｃ）はＢ方向から斜光照明で照明した場合の撮像画像である。

図３の（Ｂ）に示すようにＡ方向から斜めに照明した斜光照明では、領域８に形成される線状パターンが照明方位に沿って延在するためにエッジからの散乱光は抑えられ線間の欠陥（図中に星印で示す）が捉えやすくなる一方で、領域７のＢ方向の線状パターンのエッジからの散乱光が発生し欠陥が捉えにくくなる。反対に図３の（Ｃ）に示すようにＢ方向から斜めに照明した斜光照明では、領域７の線間に存在する欠陥が捉えやすくなる一方で、領域８の線間に存在する欠陥が捉えにくくなる。

このように半導体ウエハ４の表面の光学像は、ウエハ４の表面形態とその照明方向に大きく依存して変動するため、異なる照明方向の照明によって生じる光学像を表面形態に応じて容易に切り替えて捉えることができれば好適である。本発明は、このような事情をふまえてなされたものであり、試料表面の光学像に基づいて試料の欠陥を検出する外観検査装置及び外観検査方法において、異なる照明方向の照明によって生じる光学像を容易に切り替えて取得することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、試料の表面をその法線方向に対して斜めにかつ異なる２つの方位から照明して、照明された試料の表面の光学像を投影する投影光を生成し、この投影光を２つの方位のうちの一方からの照明光により生じた投影光と他方からの照明光により生じた投影光とに分離し、２つの方位からの照明光による光学像を別々に形成する。
２つの方位からの照明光により生じた投影光を分離するために、偏光面の旋回方向がそれぞれ異なるように円偏光又は楕円偏光された照明光の一方によって２つの方位の一方から試料を照明し、他方の照明光によって２つの方位の他方から試料を照明することとしてよい。そして投影光に含まれる旋回方向が異なる円偏光成分又は楕円偏光成分をそれぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分に変換したのち、２つの直線偏光成分を分離することとしてよい。このとき照明する２つの方位は、互いに９０度異なる方位であることとしてよい。

また２つの方位からの照明光により生じた投影光を分離するために、試料の表面を基準とする偏光面の向きがこの表面への入射方向から見て同じ向きとなるように直線偏光された２つの照明光を９０度異なる方位から試料にそれぞれ照射しておき、上記投影光においてそれぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分となった２つの照明光により生じた投影光のそれぞれを分離してもよい。
このとき、直線偏光された２つの照明光の一方をＰ波成分及びＳ波成分のいずれか一方のみを含むように直線偏光された光とし、２つの照明光の他方をこの一方の照明光と同じ偏光成分を有するように直線偏光された光としてよい。すなわち、また２つの方位からの照明光により生じた投影光を分離するために、Ｐ波成分及びＳ波成分のいずれか一方のみを含むように直線偏光された照明光とこの照明光と同じ偏光成分を有するように直線偏光された他の照明光とを９０度異なる方位から試料にそれぞれ照射し、上記投影光においてそれぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分となった２つの照明光により生じた投影光のそれぞれを分離してもよい。

そして、２つの方位からの照明光により生じた試料の表面の各々の光学像のうち、試料の表面に形成された線状パターンの延在方向に沿った方向からの照明光により生じた光学像を選択して欠陥検出に使用してよい。

本発明によれば、異なる照明方向の照明によって生じる光学像を容易に切り替えて取得することが可能となるため、表面形態とその照明方向に依存して試料の光学像が大きく変動する際に、好適な方向からの照明光による光学像を捉えることが容易となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図４は、本発明の第１実施例による半導体回路用の外観検査装置の概略構成図である。
図示するように外観検査装置１は、試料となる半導体ウエハ４の光学画像データを取得する光学系部分５１と、取得された光学画像データに基づいて欠陥を検出する処理を行う信号処理部５２とから成る。光学系部分５１は、２次元又は３次元方向に自在に移動可能なステージ２と、試料となる半導体ウエハ４を保持するためにステージ２の上面に設けられる試料台（チャックステージ）３と、試料台３上に保持された半導体ウエハ４をウエハ４表面の法線方向に対して斜めに異なる２つの方位からそれぞれ照明する照明部２０ｘ及び２０ｙと、照明部２０ｘ及び２０ｙによる照明光が半導体ウエハ４上で反射した反射光による光学像を後述の撮像部６１及び６２の撮像面上に投影して結像するための投影光学系５と、撮像部６１及び６２とを備える。ここで「方位」という用語は、ウエハ４の表面に平行な平面（ＸＹ平面）内における方向を示すために使用する。

照明部２０ｘ及び２０ｙは、円偏光又は楕円偏光された照明光をそれぞれＸ方向及びＹ方向である異なる２つの方位からウエハ４表面に照射することにより斜光照明を与える。図５の（Ａ）〜（Ｃ）はこのような照明光を与える照明部２０ｘ及び２０ｙの配置例を示す図であり、ここの図５の（Ａ）はＸＹ平面図を示し、図５の（Ｂ）はＹ方向に沿って見た正面図を示し、図５の（Ｃ）はＸ方向に沿って見た側面図を示す。

図５の（Ａ）から図５の（Ｃ）に示すように、照明部２０ｘ及び２０ｙは９０度異なる方位からウエハ４を照明する。また照明部２０ｘによる照明光Ｌｘはウエハ４表面と角度θｔｘをなしてウエハ４表面の法線方向に対して斜めに照射され、照明部２０ｙによる照明光Ｌｙはウエハ４表面と角度θｔｙをなしてウエハ４表面の法線方向に対して斜めに照射される。照明部２０ｘ及び２０ｙは、それぞれの照明光Ｌｘ及びＬｙがウエハ４表面となす角度θｔｘ及びθｔｙが異なるように配置されてもよいが、これら照明部２０ｘ及び２０ｙのどちらの照明光によっても照明状態を変えないためには角度θｔｘ及びθｔｙが同一となるように配置することが好適である。
なお図５の（Ａ）から図５の（Ｃ）に示した配置例では、照明部２０ｘ及び２０ｙを各々１つの照明ユニットで構成して、１つの照明部２０ｘによりＸ方向に沿った１つの方位角からウエハ４を照明し、かつ１つの照明部２０ｙによりＹ方向に沿った１つの方位角からウエハ４を照明することとしたが、照明部２０ｘ及び２０ｙの構成はこれに限られるわけではない。例えば、照明部２０ｘ及び２０ｙを各々２つずつの照明ユニットで構成して、２つの照明部２０ｘによってＸ方向に沿った対抗する２つの方位角からウエハ４を照明し、かつ２つの照明部２０ｙによってＹ方向に沿った対抗する２つの方位角からウエハ４を照明するように構成してもよい。

図６の（Ａ）及び（Ｂ）は、円偏光又は楕円偏光された照明光を生じさせる照明部２０ｘ及び２０ｙの構成例を示す図である。照明部２０ｘ及び２０ｙは同様の構成で実現することが可能であるので同一の図面で説明する。
図６の（Ａ）に示す構成では、照明部２０は、水銀ランプなどのランプ部２１と、ランプ部２１が発生した光から、例えば波長３６５ｎｍの単波長紫外線や波長４５０〜６００ｎｍの広域紫外線を取り出す光学フィルタ２２と、光学フィルタ２２を透過した光線を直線偏光する偏光子２３と、直線偏光された光線を円偏光するλ／４波長板２４から構成され、円偏光又は楕円偏光された照明光を提供する。

偏光子２３によって直線偏光された光線をλ／４波長板２４に入射させる際に、その偏光面がλ／４波長板２４の常光線の偏光方向に対して傾けることによって、楕円偏光又は円偏光した照明光を生じさせることが可能である。このときλ／４波長板２４に入射させるべき直線偏光された光線の偏光面とλ／４波長板２４の常光線の偏光方向とがなす角度を、照明部２０ｘと２０ｙとで反対方向にすることで、照明部２０ｘと２０ｙが生じさせる照明光Ｌｘ及びＬｙの偏光面の旋回方向を反対向きにする。
また、図６の（Ｂ）に示す構成では、レーザダイオードなどのレーザ光源２５から生じさせた直線偏光された照明光を、偏波面保存ファイバー２６などでガイドしてλ／４波長板２４に入射させて楕円偏光又は円偏光した照明光を得る。

図４に戻り外観検査装置１は、ウエハ４の光学像を投影光学系５が投影する投影光の光軸上に、この投影光をＸ及びＹ方向の２つの方位のうちの一方（Ｘ方向）からの照明光により生じた投影光と、他方（Ｙ方向）からの照明光により生じた投影光と、に分離する分光部３０を備える。
分光部３０は、投影光に含まれる円偏光成分又は楕円偏光成分を直線偏光成分に変換する光学変換素子であるλ／４波長板３１と、偏光ビームスプリッター３２とを備える。
ここで、λ／４波長板３１は、入射する投影光に含まれる円偏光成分等を直線偏光成分に変換する際に、旋回方向が異なる円偏光成分等を、それぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分に変換することが可能である。したがってこのλ／４波長板３１の作用によって、旋回方向が異なる円偏光成分等として投影光に含まれているＸ方向からの照明光Ｌｘにより生じた投影光と、Ｙ方向からの照明光Ｌｙにより生じた投影光とが、それぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分に変換される。

そして、偏光ビームスプリッター３２は、それぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分に変換されたこれら投影光を、偏光ビームスプリッター３２を透過して撮像部６１へ投影されその受光面で結像する投影光と、偏光ビームスプリッター３２で反射して撮像部６２へ投影されその受光面で結像する投影光とに分離する。
このようなλ／４波長板３１及び偏光ビームスプリッター３２の作用によって、分光部３０は、投影光学系５が投影する投影光を、Ｘ方向からの照明光Ｌｘにより生じた投影光と、Ｙ方向からの照明光Ｌｙにより生じた投影光とに分離し、撮像部６１及び６２には、これら異なる２つの方位からの照明光による光学像が別々に形成される。

以下、図４に示す信号処理部５２の動作を説明する。信号処理部５２は、図示するように、画像記憶部１１と、差分検出部１２と、検出閾値計算部１３と、欠陥検出部１４と、信号選択部４１と、領域データ記憶部４２を備えて構成される。

２つの撮像部６１及び６２は、それぞれの受光面に結像した光学像を撮像してその画像信号を生成する。生成された画像信号は、多値のディジタル信号（グレイレベル信号）に変換された後に、信号選択部４１に入力される。
信号選択部４１は、２つの撮像部６１及び６２により生成された画像信号のうち、外観検査に使用する画像信号を選択して画像記憶部１１に記憶する。このとき、例えば信号選択部４１は、ウエハ４表面のうち現在撮像中の領域に形成された半導体回路パターンに応じて、この領域に存在するパターンがＸ方向及びＹ方向のいずれかの方向に延在する線状パターンであるときは、撮像部６１及び６２により生成された画像信号のうちから、パターンの延在方向に沿った方位から照射された照明光により生じた光学像を撮像した方の画像信号を選択して画像記憶部１１に記憶する。

信号選択部４１が画像信号を選択する際に基準となるパターンの延在方向に関する情報を提供するために、外観検査装置１は、ウエハ４上のダイ内の各領域に、どのような半導体回路パターンが形成されているかを記憶する領域データ記憶部４２を備えてよい。領域データ記憶部４２は、ダイ内の各領域毎に、当該領域に形成される半導体回路パターンが種類（例えば、線状の繰り返しパターン領域のように方向性を有する回路であるか、ロジック回路のような方向性の少ない回路であるか）や、パターンが方向性を有する場合にはその方向性といった情報を記憶する。このような情報はダイの設計データ（ＣＡＤデータ）に基づいて生成することが可能であり、または領域データ記憶部４２にダイの設計データを記憶して、信号選択部４１がその都度パターンを分析してその方向性を検出してもよい。

そして画像記憶部１１に、隣り合うダイ２個分のグレイレベル信号が記憶されると、差分検出部１２は、これらの２つのダイの各々同じ部分の小さな部分画像（ロジカルフレーム）のグレイレベル信号をそれぞれ画像記憶部１１から読み出す。差分検出部１２は、２個のダイの同じ部分の部分画像の一方を検査部分画像とし他方を参照画像として、検査部分画像と参照画像の間で対応する画素、すなわち２つのダイ内における同じ位置を撮像した画素同士のグレイレベル信号の差（グレイレベル差）を検出して検出閾値計算部１３と欠陥検出部１４に出力する。

検出閾値計算部１３は、入力されたグレイレベル差の（例えばロジカルフレーム内での）分布に応じて自動的に検出閾値を決定して欠陥検出部１４に出力する。欠陥検出部１４は、差分検出部１２から入力されたグレイレベル差と検出閾値計算部１３が決定した閾値とを比較し、グレイレベル差が閾値を超えるとき、対比したダイのいずれかの当該画素部分が欠陥であると判定する。そして欠陥検出部１４は、欠陥と判定された部分について、各欠陥毎に、その欠陥の位置やグレイレベル差などを含む欠陥情報を出力する。

図７は、図４に示した分光部３０の他の構成例である。本構成による分光部３０は、λ／４波長板３１によって２つの直線偏光成分に変換された２方向からの照明光により生じた投影光を分離するために、λ／４波長板３１から出射した投影光を分光する無偏光ビームスプリッター３３と、無偏光ビームスプリッター３３に入射する投影光に含まれる２つの直線偏光成分のうちの一方のみを、無偏光スプリッター３３を透過した投影光において透過する第１偏光板３４と、２つの直線偏光成分のうちの他方のみを、無偏光スプリッター３３で反射した投影光において透過する第２偏光板３５と、を備えて構成される。

図８の（Ａ）及び図８の（Ｂ）は、それぞれ図４の信号処理部の他の構成例を示す図である。
図８の（Ａ）に示す構成では、撮像部６１及び６２により生成された画像信号を、それぞれ第１画像記憶部１１ａ及び第２画像記憶部１１ｂに個別に記憶する。
そして第１画像記憶部１１ａ及び第２画像記憶部１１ｂのおのおのに、隣り合うダイ２個分のグレイレベル信号が記憶されると、第１差分検出部１２ａは、撮像部６１により撮像され第１画像記憶部１１ａに記憶された２つのダイの各々同じ部分の小さな部分画像（ロジカルフレーム）のグレイレベル信号をそれぞれ第１画像記憶部１１ａから読み出す。一方で第２差分検出部１２ｂは、撮像部６２により撮像され第２画像記憶部１１ｂに記憶された２つのダイの各々同じ部分の小さな部分画像（ロジカルフレーム）のグレイレベル信号をそれぞれ第２画像記憶部１１ｂから読み出す。

第１及び第２差分検出部１２ａ及び１２ｂは、２個のダイの同じ部分の部分画像の一方を検査部分画像とし他方を参照画像として、検査部分画像と参照画像の間で対応する画素、すなわち２つのダイ内における同じ位置を撮像した画素同士のグレイレベル信号の差（グレイレベル差）を検出して、それぞれ検出閾値計算部１３に出力する。また第１及び第２差分検出部１２ａ及び１２ｂは、欠陥検出部１４にもグレイレベル差信号を出力する。

検出閾値計算部１３は、第１及び第２差分検出部１２ａ及び１２ｂの信号を基に演算を行い検出閾値を決定して欠陥検出部１４に出力する。
そして、欠陥検出部１４は、入力されたグレイレベル差と検出閾値とを比較し、グレイレベル差が閾値を超えるとき、対比したダイのいずれかの当該画素部分が欠陥であると判定する。

図８の（Ｂ）に示す構成では、第１画像記憶部１１ａ、第１差分検出部１２ａ、第１検出閾値計算部１３ａ及び第１欠陥検出部１４ａによって、撮像部６１からの画像信号に基づいて欠陥検出を行い、一方で第２画像記憶部１１ｂ、第２差分検出部１２ｂ、第２検出閾値計算部１３ｂ及び第２欠陥検出部１４ｂによって、撮像部６２からの画像信号に基づいて欠陥検出を行う。そして演算部４４においてこれら２つの系統の双方で検出された欠陥のみを検出して出力する（すなわち上記２つの系統で検出された欠陥の積集合が出力される）。または、演算部４４は上記２つの系統で検出された欠陥のうち重複しているものを１つの欠陥にまとめて出力する（すなわち上記２つの系統で検出された欠陥の和集合が出力される）。

図９は、本発明の第２実施例による半導体回路用の外観検査装置の概略構成図である。本実施例による外観検査装置１は、図４を参照して説明した外観検査装置と同様の構成を有しており、以下に別段の説明がない限り、同一の構成要素は同一の機能を有しており同じ参照番号を付して説明を省略する。
図９に示す外観検査装置１では、照明部２０ｘはウエハ４の表面を入射面とするＰ波成分及びＳ波成分のいずれか一方のみを含むように直線偏光された照明光によって、図９に示すＸ方向からウエハ４表面を照明する。また、照明部２０ｙは照明部２０ｘと同じ偏光成分を有するように直線偏光された他の照明光を、照明部２０ｘの照明方向とは９０度異なる方位からウエハ４表面を照明する。なお、照明部２０ｘ及び２０ｙの配置は図５に示す配置と同様としてよい。

ここで、ウエハ４の表面層が光学的異方性を有しない材質で形成されている限り、これら照明部２０ｘ及び２０ｙにから照射されウエハ４の表面で反射した反射光は、入射時と同じ偏光面を有する。したがって、照明部２０ｘ及び２０ｙが同じ直線偏光成分を含む照明光を、９０度異なる方位からウエハ４表面へ照射すると、これらの２つの照明光で照明されたウエハ４の表面の光学像を投影光学系５が投影した投影光において、照明部２０ｘからの照明光により生じた投影光と照明部２０ｙからの照明光により生じた投影光とが、互いに直交する偏光面を有する直線偏向成分となる。

互いに偏光面が直交する２つの直線偏光成分は、分光部３０の偏光ビームスプリッター３２を透過して撮像部６１へ投影されその受光面で結像する投影光と、偏光ビームスプリッター３２で反射して撮像部６２へ投影されその受光面で結像する投影光とに分離される。このようにして、分光部３０は、投影光学系５が投影する投影光を、Ｘ方向からの照明光により生じた投影光と、Ｙ方向からの照明光により生じた投影光とに分離し、撮像部６１及び６２には、これら異なる２つの方位からの照明光による光学像が別々に形成される。

図１０の（Ａ）及び（Ｂ）は、直線偏光された照明光を生じさせる照明部２０ｘ及び２０ｙの構成例を示す図である。照明部２０ｘ及び２０ｙは同様の構成で実現することが可能であるので同一の図面で説明する。
図１０の（Ａ）に示す構成では、照明部２０は、水銀ランプなどのランプ部２１と、ランプ部２１が発生した光から所定の波長光を取り出す光学フィルタ２２と、光学フィルタ２２を透過した光線を直線偏光する偏光子２３とから構成され、直線偏光された照明光を提供する。

照明部２０ｘ及び２０ｙは、照明光の偏光面が常にウエハ４表面に対して平行（Ｐ波成分）、垂直（Ｓ波成分）又は後述の通り偏光面が所定の方向を向くように、偏光子２３を固定して備えてよく、または光軸を中心に偏光子２３を回転させることによって照明光の偏光面の方向を自由に変更する偏光面変更部２７を設けて、偏光面の方向を可変としてもよい。

例えば、照明光のウエハ４への入射角がウエハ４の表面に形成された酸化膜等の薄膜のブリュースター角となるように照明部２０ｘ及び２０ｙを配置しておき、照明光をＰ波に直線偏光すると、照明光はウエハ４の表面に形成された薄膜表面で反射せずその内部に届き、薄膜の厚さや屈折率や表面の粗さといった薄膜の膜特性の相違を反映して強度が変動する。
そこで、図９に戻り外観検査装置１に、偏光面変更部２７を制御して偏光子２３を回転させることによって照明光の偏光面の方向を、例えばＰ波、Ｓ波又は所定の入射方向というように制御する偏光面制御部４３を設けてもよい。そして偏光面制御部４３は、ウエハ４の表面に形成された薄膜の膜特性の相違を反映した画像信号を得る場合には、Ｐ波に偏光された照明光を照射するように、照明部２０ｘ及び２０ｙ内の偏光面変更部２７を制御し、ウエハ４の表面に形成された薄膜の膜特性によらない画像信号を得る場合には、Ｓ波に偏光された照明光を照射するように、照明部２０ｘ及び２０ｙ内の偏光面変更部２７を制御する。

また、図１０の（Ｂ）に示す構成では、レーザダイオードなどのレーザ光源２５から生じさせた直線偏光された照明光を、偏波面保存ファイバー２６などでガイドしてλ／２波長板２８に入射させて偏光面の方向を制御する。

図１１は、図９に示した分光部３０の他の構成例である。本構成による分光部３０は、投影光学系によって生成された投影光に直交する２つの直線偏光成分として含まれる２方向からの照明光により生じた投影光を分離するために、投影光を分光する無偏光ビームスプリッター３３と、無偏光ビームスプリッター３３に入射する投影光に含まれる２つの直線偏光成分のうちの一方のみを、無偏光スプリッター３３を透過した投影光において透過する第１偏光板３４と、２つの直線偏光成分のうちの他方のみを、無偏光スプリッター３３で反射した投影光において透過する第２偏光板３５と、を備えて構成される。

また上述の図４に示す第１実施例と同様に、信号処理部５２として、図８の（Ａ）及び図８の（Ｂ）に示す他の構成例を採用することも可能である。

図１２の（Ａ）から図１２の（Ｄ）は、照明部２０ｘ及び２０ｙによる照明光の偏光面の向きを説明する図である。２方向からの照明光により生じた投影光を、分光部３０によって完全に分離するためには、２方向からの照明光により生じた投影光のそれぞれの偏光面が直交している必要がある。上述の通り照明部２０ｘによる照明光をＰ波成分及びＳ波成分のいずれか一方のみを含むように直線偏光し、かつ照明部２０ｙは照明部２０ｘと同じ偏光成分を有するように直線偏光することによってこのような偏光状態を実現することが可能である。

しかし、照明部２０ｘ及び２０ｙによる照明光が直線偏光される偏光面は、必ずしもＰ波又はＳ波に偏光される必要はなく、これら２つの照明光は、ウエハ４表面を基準とする偏光面の向きが、ウエハ４表面への入射方向から見て同じ向きとなるようにおのおの直線偏光されていれば足りる。
例えば、図１２の（Ａ）は、Ｘ方向からの照明部２０ｘの照明光Ｌｘが、ウエハ４表面に対してその光軸とウエハ４表面とが角度θｔｘをなして入射している様子を示す斜視図である。図１２の（Ｂ）は、照明光Ｌｘが照明されるウエハ４を、照明光Ｌｘの入射方向から見た図である。図示するとおり、照明光Ｌｘの偏光面Ｐｘの法線ｎｘとウエハ４の表面の法線ｎ０は角度θｐｘをなし、このため図１２の（Ａ）に示すように偏光面Ｐｘとウエハ４表面とは交線ａ１で交わっている。

一方で、図１２の（Ｃ）は、Ｙ方向から照明部２０ｙの照明光Ｌｙが、ウエハ４表面に対してその光軸とウエハ４表面とが角度θｔｙをなして入射している様子を示す斜視図である。図１２の（Ｄ）は、照明光Ｌｙが照明されるウエハ４を、照明光Ｌｙの入射方向から見た図である。図示するとおり、照明光Ｌｙの偏光面Ｐｙの法線ｎｙとウエハ４の表面の法線ｎ０は角度θｐｙをなし、このため図１２の（Ｃ）に示すように偏光面Ｐｙとウエハ４表面とは交線ａ２で交わっている。
ここで、これら２つの照明光Ｌｘ及びＬｙが、それぞれの偏光面の法線とウエハ４表面とのなす角をそれぞれの入射方向から見たときに同じ角度となっているとき（θｐｘ＝θｐｙ）、すなわち、これら２つの照明光Ｌｘ及びＬｙが、ウエハ４表面を基準とする偏光面Ｐｘ、Ｐｙの向きが、ウエハ４表面へのそれぞれの入射方向から見て同じ向きとなるように直線偏光されていれば、２つの交線ａ１及びａ２は直交することになる。

したがって、ウエハ４表面を照明する２つの照明光は、各々の照明光がウエハ４表面に入射する際に、各々その偏光面とウエハ４表面とがそれぞれなす交線がウエハ４表面上において互いに直交するように、直線偏光されていれば足りる。
さらにいえば、半導体ウエハ４を照明する２つの直線偏光された照明光もまた、必ずしも９０度の方位の差をもってウエハ４を照明する必要はなく、異なる２つの入射方位からウエハ４を照明する２つの照明光が、各々の照明光がウエハ４表面に入射する際に、各々その偏光面とウエハ４表面とがそれぞれなす交線がウエハ４表面上において互いに直交するように、互いの入射方位角の差に応じて各々の偏光面の偏光方向を定めて直線偏光されていれば足りる。
ただし、現在の半導体ウエハ４上に形成される配線パターンはＸ方向及びＹ方向に延在するように配線されるのが殆どであり、パターンのエッジで散乱する散乱光による検査への影響が大きいのがこれらパターンの延在方向に直交する方位から照明した場合であるので、ウエハ４表面を照明する２方位の照明光の方位は、Ｘ方向及びＹ方向に設定することが好適である。

本発明は、試料の対応する２箇所を撮像した検査画像を比較して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査装置及びその方法に利用可能である。特に半導体製造工程において半導体ウエハ上に形成される半導体回路パターンの欠陥を検出するために使用される外観検査装置及びその方法に利用可能である。

従来の半導体回路用の外観検査装置の概略構成図である。 半導体ウエハ上のダイの配列を示す図である。 （Ａ）はウエハ４上に繰り返して線状パターンが配置された様子を示す図であり、（Ｂ）はＡ方向からの斜光照明で照明した場合の撮像画像であり、（Ｃ）はＢ方向から斜光照明で照明した場合の撮像画像である。 本発明の第１実施例による外観検査装置の概略構成図である。 図４に示す外観検査装置の照明部の配置例を示す図である。 図４に示す外観検査装置の照明部の構成例である。 図４に示す外観検査装置の分光部の構成例である。 図４に示す信号処理部の構成例である。 本発明の第２実施例による外観検査装置の概略構成図である。 図９に示す外観検査装置の照明部の構成例である。 図９に示す外観検査装置の分光部の構成例である。 照明光の偏光面の向きを説明する図である。

符号の説明

１ 外観検査装置
２ ステージ
３ 試料台
４ ウエハ
５ 投影光学系
２０ｘ、２０ｙ 照明部
３０ 分光部
３１ λ／４波長板
３２ 偏光ビームスプリッター
６１、６２ 撮像部

Claims (12)

1. 試料の表面の光学像に基づいて該試料の欠陥を検出する外観検査装置において、
   前記試料の表面を、その法線方向に対して斜めにかつ異なる２つの方位から照明する照明部と、
   前記照明部により照明された前記試料の表面の光学像を形成する投影光学系と、
   前記投影光学系によって生成される投影光を、前記２つの方位のうちの一方からの照明光により生じた投影光と他方からの照明光により生じた投影光とに分離する分光部と、を備え、
   前記２つの方位からの照明光による光学像を別々に形成することを特徴とする外観検査装置。
2. 前記照明部は、偏光面の旋回方向がそれぞれ異なるように円偏光又は楕円偏光された照明光の一方によって前記２つの方位の一方から前記試料を照明し、他方の前記照明光によって前記２つの方位の他方から前記試料を照明し、
   前記分光部は、前記投影光に含まれる前記旋回方向が異なる円偏光成分又は楕円偏光成分をそれぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分に変換する光学変換素子を備え、該光学変換素子により変換された前記２つの直線偏光成分を分離することを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
3. 前記２つの方位は、互いに９０度異なる方位であることを特徴とする請求項２に記載の外観検査装置。
4. 前記照明部は、前記試料の表面を基準とする偏光面の向きが該表面への入射方向から見て同じ向きとなるように直線偏光された２つの照明光を、９０度異なる方位から前記試料にそれぞれ照射し、
   前記分光部は、前記投影光においてそれぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分となった、前記２つの照明光により生じた投影光のそれぞれを分離することを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
5. 前記照明部は、Ｐ波成分及びＳ波成分のいずれか一方のみを含むように直線偏光された照明光と、この照明光と同じ偏光成分を有するように直線偏光された他の照明光とを、９０度異なる方位から前記試料にそれぞれ照射し、
   前記分光部は、前記投影光においてそれぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分となった、２つの前記照明光により生じた投影光のそれぞれを分離することを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
6. 前記２つの方位からの照明光により生じた前記試料の表面の各々の光学像のうち、該試料の表面に形成された線状パターンの延在方向に沿った方向からの照明光により生じた前記光学像を選択して、該試料の欠陥を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の外観検査装置。
7. 試料の表面の光学像に基づいて該試料の欠陥を検出する外観検査方法において、
   前記試料の表面を、その法線方向に対して斜めにかつ異なる２つの方位から照明し、
   照明された前記試料の表面の光学像を投影する投影光を生成し、
   前記投影光を、前記２つの方位のうちの一方からの照明光により生じた投影光と他方からの照明光により生じた投影光とに分離し、
   前記２つの方位からの照明光による光学像を別々に形成することを特徴とする外観検査方法。
8. 偏光面の旋回方向がそれぞれ異なるように円偏光又は楕円偏光された照明光の一方によって前記２つの方位の一方から前記試料を照明し、他方の前記照明光によって２つの方位の他方から前記試料を照明し、
   前記投影光に含まれる前記旋回方向が異なる円偏光成分又は楕円偏光成分をそれぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分に変換し、
   前記２つの直線偏光成分を分離する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の外観検査方法。
9. 前記２つの方位は、互いに９０度異なる方位であることを特徴とする請求項８に記載の外観検査方法。
10. 前記試料の表面を基準とする偏光面の向きが該表面への入射方向から見て同じ向きとなるように直線偏光された２つの照明光を、９０度異なる方位から前記試料にそれぞれ照射し、
    前記投影光においてそれぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分となった、前記２つの照明光により生じた投影光のそれぞれを分離することを特徴とする請求項７に記載の外観検査方法。
11. Ｐ波成分及びＳ波成分のいずれか一方のみを含むように直線偏光された照明光と、この照明光と同じ偏光成分を有するように直線偏光された他の照明光とを、９０度異なる方位から前記試料にそれぞれ照射し、
    前記投影光においてそれぞれ偏光方向が直交する２つの直線偏光成分となった、２つの前記照明光により生じた投影光のそれぞれを分離することを特徴とする請求項７に記載の外観検査方法。
12. 前記２つの方位からの照明光により生じた前記試料の表面の各々の光学像のうち、該試料の表面に形成された線状パターンの延在方向に沿った方向からの照明光により生じた前記光学像を選択して、該試料の欠陥を検出することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一項に記載の外観検査方法。

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