JP2008157638A - 試料表面の欠陥検査装置及びその欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板の欠陥検査において、検査対象はベアＳｉウェハの他に、その表面上に各種成膜を施したウェハがある。特に金属膜を成膜した試料では、その表面ラフネスで発生する散乱光が大きいため、微小な欠陥・異物の検出が困難である。試料表面のラフネスで発生する散乱光に関係なく微小な欠陥・異物の検出することが望ましい。
【解決手段】検出光学系の光路中に、ラフネスで発生した散乱光が最小となる角度に検光子を挿入することにより、ラフネスで発生した散乱光を抑制することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、欠陥検査装置及び欠陥検出方法に係り、特に、半導体基板等の表面に存在する微小な異物・欠陥を高感度かつ高速に検査する異物欠陥検査装置及び欠陥検出方法に関する。

半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて、製品の歩留まりを維持・向上するために、半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥や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等の試料では、表面の0.05μm以下の微小な欠陥や異物の検出が必要である。従来の検査装置では、このような微小な欠陥や異物を検出するために、例えば、特許文献１（特開平9-304289）、特許文献２（USP5,903,342）のように、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、欠陥や異物からの散乱光を集光・検出している。

特開平９−３０４２８９号公報 米国特許第５,９０３,３４２号明細書

半導体基板の欠陥検査において、検査対象はベアSiウェハの他に、その表面上に各種成膜を施したウェハがある。特に金属膜を成膜した試料では、その表面ラフネスで発生する散乱光が大きいため、微小な欠陥・異物の検出が困難である。

よって、本願発明の目的は、試料表面のラフネスで発生する散乱光に関係なく微小な欠陥・異物の検出することが可能な欠陥検出装置およびその欠陥検出方法を提供することである。

本願発明の主な構成は、レーザ光源と、このレーザ光源から射出された光を制御する照明光学系と、被検査試料を保持する試料台と、その照明光学系から射出された光が被検査試料の表面に照射され前記表面に存在する異物・欠陥を含む物体から散乱される第１の散乱光と前記表面が有する表面ラフネスから散乱される第２の散乱光とを検出する検出光学系とを備え、上記の検出光学系は、第１および第２の散乱光を集光する集光部と、集光されたこれらの散乱光を電気信号に変換する光電変換装置と、さらに光電変換装置に入力される第２の散乱光を抑制する検光子とを有することである。

すなわち、検出光学系の光路中に、ラフネスで発生した散乱光が最小となる角度に検光子を挿入することにより、ラフネスで発生した散乱光を抑制して微小な欠陥・異物の検出が可能となる。

本発明は以上説明したように、検光子でラフネス散乱光を抑制した状態で検査できるため、ラフネスの大きな金属膜を成膜した試料でも、微小な異物・欠陥を検査できる。

以下に、本発明の実施例を図を用いて説明する。

＜実施例１＞
図２は、本発明である半導体ウェハ上の欠陥・異物を検出する装置の一例を示す。図２では、回路パターン形成前の半導体ウェハの欠陥・異物を検出する場合を示す。本装置の概略の構成は、照明光学系101、検出光学系102およびウェハステージ103よりなる。
なお、図２では検出光学系は、102a、102bの２つが示されているが、１もしくは２つ以上を設けてもよい。

該照明光学系101はレーザ光源2、アッテネータ3、ビームエキスパンダ4、波長板5、集光レンズ7から構成される。レーザ光源2から射出したレーザビームは、アッテネータ3で必要な光量に調整し、ビームエキスパンダ4でビーム径を拡大し、波長板5で照明の偏光方向を設定して集光レンズ7でウェハ1上の検出エリア8を集光照明する。6a、6b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。波長板5は照明の偏光をＳ偏光、Ｐ偏光、円偏光に設定するものである。

該検出光学系102は、散乱光検出レンズ9および光電変換素子12から構成され、検出エリアに存在する異物・欠陥からの散乱光を散乱光検出レンズ9で光電変換素子12の受光面上にほぼ集光する。光電変換素子12は受光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（表示せず）で信号処理することにより異物・欠陥を検出し、その大きさや存在場所を検知する。光電変換素子12は検出光学系102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。

該ウェハステージ103はウェハ1を保持するチャック（図示せず）、ウェハ1を回転させるための回転機構14およびウェハ1を半径方向に直進送りさせるための直進送り機構13からなる。該ウェハステージ103でウェハ1を水平方向に回転走査及び直進移動させることによって、ウェハ1の全領域における異物・欠陥の検出および大きさの測定が可能となる。

該アッテネータ3は1/2波長板と偏光ビームスプリッタにより構成する。レーザ光源の射出ビーム（直線偏光）を1/2波長板で偏光方向に変え、PBS(Polalized Beam Splitter)を通過する光量を変更する。1/2波長板を回転することにより偏光の方向が変化して光量を調整することができる。
該検出光学系102は多方向とすることが可能であり、各々の光電変換素子12a、12bの出力は用途に応じて加算、減算、除算等が行われる。

ウェハ1の表面に金属膜等が成膜されている場合、該光電変換素子12は異物・欠陥からの散乱光に加え、試料表面のラフネスからの散乱光も受光する。そこで、該検出光学系102の光路中に検光子15を挿入し、ラフネスからの散乱光が最小となるようにその角度を設定する。角度設定はラフネス散乱光を実測して行い、設定後は固定である。

図３は、横軸に検出方位角φ[°]をとり、縦軸にラフネスからの散乱光が最小となる検光子角度α[°]をとり、検出仰角θ₀を１５度から６０度まで変化させた場合の検光子角度と検出方位角との関係を示す。ここで、検出方位角は、上記の照明光学系を通過して来た光の進行方向を含む平面がウェハステージの表面と直交して形成される交叉線を基準として、右周りまたは左周りに０〜１８０度までの角度をとるものとする。また、検光子角度は、任意に決定した線を起点として、正または負の方向に検光子が回転する角度をとるものとする。また、検出仰角は、ウェハステージの表面を起点として上方へ９０度までの角度をとるものとする。

図３に示すように、検光子の角度は検出系102の検出方位角α、検出仰角θoによって異なる。
さらに、照明の偏光方向（Ｓ、Ｐ、円）によっても検光子角度は異なる。

図４は、ウェハ1表面に成膜された材質（Cu、W、Al）による検光子角度を示したグラフである。縦軸および横軸は、図３と同様である。照明の条件は波長355nm、Ｓ偏光、照明仰角（θi）20度であり、検出仰角（θo）15度である。

図５は、図４と同一照明条件で、検出仰角（θo）15度、検出方位角（φ）40度におけるラフネスからの散乱光量を示したものである。横軸は検光子角度、縦軸はラフネスからの散乱光量であり、材質毎に最大値が“１”となるように正規化している。成膜材質はAl、W、Cuについて示したが、成膜材質の複素屈折率によってラフネスからの散乱光が最小となる検光子角度が異なる。図４、図５からわかるように、検出仰角（θo）、検出方位角（φ）、成膜材質の複素屈折率、照明条件（照明仰角θi、偏光方向）によって最適な検光子角度が異なる。

＜実施例２＞
上述のように、最適な検光子角度は、検出仰角（θo）、検出方位角（φ）などの条件により異なる。これに対応するための一実施例を図１に示す。装置構成、照明光学系は図２と同一である。なお、検出光学系は、図１と同様に、１もしくは２つ以上を設けてもよい。検出光学系に挿入する検光子10を回転可能な構成とし、回転機構11で検光子10の回転制御を行う。この構成により、検出仰角（θo）、検出方位角（φ）、成膜材質の複素屈折率、照明条件（照明仰角θi、偏光方向）が変わっても、検光子10の角度（α）を制御することにより、常に最適な検出条件で異物・欠陥の検査が可能となる。

図６に検光子10を回転制御するための機構11の一実施例を示す。検光子10を回転機構の内部にリング16で固定する。回転機構は歯車18a、18bを介してパルスモータ17により回転する。検光子10の回転角度はパルスモータ17の分解能（１回転当りのパルス数）と歯車のギア比から計算して制御する。回転機構の原点は、回転機構にドグ19を付けておき、該ドグ19が光電スイッチ20を横切る時とする。該回転機構11は直動ステージ21に載置し、検光子10が不要な検査条件のときには、光路から退避できる構造とする。
検光子10の角度（α）を決める方法として、
１）ラフネスからの散乱光が最小となる角度であり、
２）欠陥の検出信号とラフネスの検出信号の比（S/N）が最大となる角度がある。

上記１）の場合には、図７に示す検査フローのように、ウェハがロードされた時点でラフネス信号が最小となるように角度を調整した後、ウェハ検査を行う。また、レシピを取り込んだ時点で、検査条件と成膜材質の複素屈折率から回転角を計算して角度を調整することもできる。なお、レシピには、レーザ光の強度、偏光角度（Ｓ，Ｐ、円）、検光子角度などが入力されている。
検査条件、検出光学系102の方向、成膜材質の複素屈折率から回転角を計算し、予め回転角のデータベースを作成しておき、検査レシピを取り込んだ時点でその検査条件に合致した検光子角度をデータベースから入力して角度を調整することもできる。そのときの検査フローを図８に示す。なお、データベースには、材質と検光子との対応リストが入力されている。

上記２）の場合には、実測あるいは計算により検出光学系102の方向毎に、検査条件、材質複素屈折率に基づくデータベースを作成しておき、図８に示す検査フローのように、レシピ取り込み後に検光子角度を調整することができる。

図９はGUIの一例である。GUI画面31は、検査終了後に表示する欠陥マップ32、検査前に材質を入力するサブウィンドウ33、検出光学系毎に検光子角度を表示するサブウィンドウ34を必要構成とする。欠陥マップは検査時に取り込んだ欠陥信号と欠陥位置座標を基に表示する。材質の入力は直接入力でもプルダウン選択でも可能である。検光子角度表示サブウィンドウ34により、検光子角度の誤設定の有無が確認可能である。

本発明の一実施例を示す図。 本発明の他の実施例を示す図。 検出光学系の方向と検光子角度の関係を説明する図。 成膜材質と検光子角度の関係を説明する図。 成膜材質と検光子角度の関係を説明する図。 検光子回転機構の一実施例を説明する図。 検査フローを説明する図。 他の検査フローを説明する図。 GUIの一例を示す図。

符号の説明

1…ウェハ、101…照明光学系、102a,102b…検出光学系、103…ウェハステージ、2…レーザ光源、3…アッテネータ、4…ビームエキスパンダ、5…波長板、6a,6b…ミラー、7…集光レンズ、9a,9b…散乱光検出レンズ、10a,10b…検光子、11a,11b…検光子回転機構、12a,12b…光電変換素子、31…ＧＵＩ画面、32…欠陥マップ。

Claims (14)

1. レーザ光源と、前記レーザ光源から射出された光を制御する照明光学系と、
   被検査試料を保持する試料台と、
   前記照明光学系から射出された光が前記被検査試料の表面に照射され前記表面に存在する異物・欠陥を含む物体から散乱される第１の散乱光と前記表面が有する表面ラフネスから散乱される第２の散乱光とを検出する検出光学系と、を備え、
   前記検出光学系は、前記第１および第２の散乱光を集光する集光部と、集光されたこれらの散乱光を電気信号に変換する光電変換装置と、さらに前記光電変換装置に入力される前記第２の散乱光を抑制する検光子とを有し、
   前記電気信号に基づき前記被検査試料の表面に存在する異物・欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
2. 前記検光子は、前記検出光学系の光学中心軸を軸として回転可能な構造を有し、前記検光子の角度が調整できることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
3. 前記検出光学系は、少なくとも２つ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
4. 前記照明光学系は、前記レーザ光源と、前記レーザ光源から射出された光量を調整するアッテネータと、前記アッテネータを通過した光のビーム径を拡大するビームエキスパンダと、前記被検査試料に照明する光の偏光を設定する波長板と、を有することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
5. 前記偏光方向、前記検出方向と、前記成膜材質の複素屈折率に対応する検光子角度のデータベースを保存する手段と、
   前記被検査試料に対する検査レシピを保存する手段を有し、
   前記検光子の角度が前記検査レシピと前記データベースに基づいて設定されることを特徴とする請求項２記載の欠陥検査装置。
6. 前記検出光学系が少なくとも２つ設けられた多方向で検出可能な欠陥検査装置において、前記検出方向毎に前記検光子の角度を設定することを特徴とする請求項２記載の欠陥検査装置。
7. レーザ光源と、前記レーザ光源から射出された光を制御する照明光学系と、
   被検査試料を保持する試料台と、
   前記照明光学系から射出された光が前記被検査試料の表面に照射され前記表面に存在する異物・欠陥を含む物体から散乱される第１の散乱光と前記表面が有する表面ラフネスから散乱される第２の散乱光とを検出する検出光学系と、を備え、
   前記検出光学系は、前記第１および第２の散乱光を集光する集光部と、集光されたこれらの散乱光を電気信号に変換する光電変換装置と、さらに前記光電変換装置に入力される前記第２の散乱光を抑制する検光子と、前記検光子を回転するための回転機構と、を有し、
   前記電気信号に基づき前記被検査試料の表面に存在する異物・欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
8. 前記検出光学系は、少なくとも２つ設けられていることを特徴とする請求項７に記載の欠陥検査装置。
9. 前記偏光方向、前記検出方向と、前記成膜材質の複素屈折率に対応する検光子角度のデータベースを保存する手段と、
   前記被検査試料に対する検査レシピを保存する手段を有し、
   前記検光子の角度が、前記回転機構により前記検査レシピと前記データベースに基づいて設定されることを特徴とする請求項７記載の欠陥検査装置。
10. レーザ光源と、前記レーザ光源から射出された光を制御する照明光学系と、被検査試料を保持する試料台と、前記照明光学系から射出された光が前記被検査試料の表面に照射され前記表面に存在する異物・欠陥を含む物体から散乱される第１の散乱光と前記表面が有する表面ラフネスから散乱される第２の散乱光とを検出する検出光学系とを備え、前記検出光学系は、前記第１および第２の散乱光を集光する集光部と、集光されたこれらの散乱光を電気信号に変換する光電変換装置と、さらに前記光電変換装置に入力される前記第２の散乱光を抑制する検光子とを有する欠陥検査装置を用いて、
    前記検光子の角度を、前記第２の散乱光の強度が最小となるように設定することを特徴とする欠陥検出方法。
11. 前記被検査試料は、ベアSiウェハであることを特徴とする請求項１０記載の欠陥検出方法。
12. 前記被検査試料は、金属膜が成膜されたウェハであることを特徴とする請求項１０記載の欠陥検出方法。
13. 前記検出光学系が少なくとも２つ設けられ、前記検出方向毎に前記検光子の角度を設定することを特徴とする請求項１０記載の欠陥検出方法。
14. 前記検光子の角度は、前記被検査試料に照射する光の偏光方向と、前記検出光学系の位置を決定する検出方向と、前記被検査試料の表面に形成された成膜材質の複素屈折率とに応じて設定されることを特徴とする請求項１０記載の欠陥検出方法。

Images