JP2009031251A - 光学式検査方法、および光学式検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体製造する際に用いられる研磨または研削加工技術による平坦化加工工程において生じるスクラッチやボイド、異物等の欠陥を弁別して検査する光学式半導体ウェハ検査装置およびその方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、研磨または研削された絶縁膜の表面に発生したスクラッチ、ボイド、異物に対してほぼ同じ光速で斜方照明を行い、斜方照明時における散乱光を被検査物の表面から異なる角度で検出することによってスクラッチ、ボイド、異物を弁別することを特徴とする光学式半導体ウェハ検査装置およびその方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造する際に用いられる研磨または研削加工技術による平坦化加工工程において生じるスクラッチやボイド、異物等の欠陥を弁別して検査する光学式半導体ウェハ検査装置およびその方法に関する。

半導体ウェハ上のスクラッチや異物等の欠陥を弁別して検査する従来技術としては、特開２００６−２０１１７９号公報が知られている。即ち、落射照明系と斜方照明系と、それにより照明された個所から発生する散乱光を集光し受光して輝度信号に変換する、高角検出光学系と中角検出光学系の組み合わせにより、複数の検出条件を設定し、それぞれの条件で検出された輝度信号の関係に基づいて被検査物上の欠陥を弁別することが記載されている。

特開２００６−２０１１７９号公報

しかしながら、上記従来技術には複数の検出条件として照明系は落射照明系と斜方照明系を必ず切り替えており、照明系を斜方照明系に固定し高角検出光学系と中角検出光学系、または高角検出光学系と低角検出光学系を切り替えることについては考慮されていない。

その為、高角検出光学系と低角検出光学系の処理を並列に行い検査速度を上げることも考慮されていなかった。ここで中角、低角とは、絶対的な角度を意味するのではなく、高角に対して、それより相対的に低い角度の位置という意味である。

本発明は上記の課題に対処し、半導体ウェハを含む被検査物の表面上に存在するスクラッチ、ボイドや異物等の欠陥を迅速に弁別できる光学式検査装置、および光学式検査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明は、被検査物を載せるステージと、ステージ上に載せられた被検査物の表面上に斜方照明する斜方照明系と、表面上に対し高角度に向け、斜方照明により被検査物から発生する高角度散乱光を検出する高角検出光学系と、表面上に対して低角度に向け、斜方照明により被検査物から発生する低角度散乱光を検出する低角検出光学系と、高角検出光学系が検出した輝度と、低角検出光学系が検出した輝度とを比べて被検査物上に存在する欠陥を弁別することを特徴とする。

本発明は、被検査物を載せるステージと、被検査物の表面上に斜方照明する斜方照明系と、斜方照明系の照明により被検査物から発生する散乱光を検出する検出光学系を備える光学式検査装置において、検出光学系は、表面上に対し高角度に向けた高角検出光学系と、表面上に対して低角度に向けた低角検出光学系を有し、高角検出光学系が検出する輝度と、低角検出光学系が検出する輝度を比べて被検査物上の欠陥を弁別する判定部を有することを特徴とする。

本発明によれば、欠陥の検査を迅速に行うことが出来る。

本発明に係わる半導体製造工程において用いられる平坦化加工工程の安定稼動を目的とした光学式半導体ウェハ検査装置および、その方法の実施の形態について図面を用いて説明する。

この実施の形態では図２に示すように、Ｓｉウェハ２１上にＳｉＯ２膜（被加工対象物）２２を形成し、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を施した際、ウェハ１０上に生じたスクラッチ２３、ボイド２４、異物２５とを弁別することにある。

ところで、ＳｉＯ２膜２２の下は、必ずしもＳｉ基板２１があるわけでなく、配線層が存在する場合もある。

ＣＭＰ工程では、このＳｉＯ２膜２２の表面を平坦化するために研磨を行う。そのため、研磨傷であるスクラッチ２３は図２に示すようにＳｉＯ膜２２の表面に生じる。

またボイド２４はＳｉＯ２膜２２の内部にあった泡（ボイド）が表面を研磨することによって現れる。異物２５はＳｉＯ２膜２２の表面に載った半導体製造装置内からの発塵の可能性がある。

このように平坦化加工工程の安定稼動のためには欠陥の弁別処理を欠陥の検出と同時に高速に行い、欠陥発生のメカニズムを推定し対策を行うことが重要である。

次に実施の形態を実現するための光学式半導体ウェハ検査装置の実施例を図１に示す。

光学式半導体ウェハ検査装置は、位置座標が測定されてＸＹ方向に走行制御されるステージ１５上に載せられる被検査物であるウェハ１０と、例えば波長４８８ｎｍのＡｒレーザーの光源からなる光源２、反射ミラー４により構成される斜方照明光学系１を有する。

また、光学式半導体ウェハ検査装置は、集光レンズ６ａ，６ｂ、およびフォトマル、ＣＣＤカメラ、ＣＣＤセンサ、ＴＤＩセンサ等から構成される光電変換器７ａ，７ｂによりそれぞれ構成される高角検出光学系５ａ，低角検出光学系５ｂと、光電変換器７ａ，７ｂから出力されるアナログ輝度信号をデジタル輝度信号に変換するＡ／Ｄ変換部１５ａ，１５ｂを有する。

更に、光学式半導体ウェハ検査装置は、上記ステージ１５から測定される位置座標を基に上記ステージ１５を走行制御するステージコントローラ１４と、ステージ１５の走行に同期して欠陥部を検出しその輝度信号を算出する判定部１７ａ，１７ｂと、上記ステージコントローラ１４を制御し、さらに判定部１７ａ，１７ｂを制御し判定部１７ａ，１７ｂから得られる検査結果を受ける全体制御部９を有する。

判定部１７ａ，１７ｂとしては、例えばステージ１５の走行に同期してスキャンする光電変換器７ａ，７ｂのスキャンクロックに同期したパイプライン処理を行える専用のデジタル信号回路などがある。

判定部１７ａ，１７ｂとして上記のように同期処理を行わず、例えば一旦Ａ／Ｄ変換部１５ａ，１５ｂの出力をメモリに記憶し、非同期で処理する方法もある。この場合、同期処理よりは検査速度は遅くなる。

上記照明光学系、検出光学系について、図４を引用して説明を加える。

図４（ａ）は、照明光学系、検出光学系の配置を真上から見た平面図である。

低角度の低角検出光学系５ｂは、Ｙ軸に対して１８０°（マイナス方向：反時計方向）のところに位置する。斜方照明光学系１は、Ｙ軸に対して０°、４５°、１３５°の３方向に可変できる。

言い換えると、低角検出光学系と斜方照明系の位置関係は、表面上のＸＹ軸平面上で、０°から４５°を除く範囲内で任意に選択可能である。

図４（ｂ）は、照明光学系、検出光学系の配置を真横から見た正面図である。

高角検出光学系５ａは、ＸＹ平面に対して９０°のところに位置している。低角検出光学系５ｂは、ＸＹ平面に対して１２°のところに位置している。斜方照明光学系１は、Ｘ軸に対して３°、５°、２０°の３方向に可変できる。傾斜照明波長は、ＹＡＧレーザ３５５ｎｍを使用することができる。

言い換えると、斜方照明系は、ＸＹ平面（表面上）に対し、３°〜２０°の仰角範囲内で任意に選択可能である。

また、低角検出光学系は、ＸＹ平面（表面上）に対して１２°程度の仰角に保たれる。

次に、検出手順について述べる。

斜方照明光１２を、集光レンズ６ａ，６ｂの表面に対して直接照射することなく、またウェハ１０上からの斜方照明光１２の正反射光が集光レンズ６ａ，６ｂの表面に対して直接照射することがないように、ウェハ１０上の絶縁膜２２のＣＭＰ面に対して照射する。

すると絶縁膜２２から発生した正反射光成分が除かれた状態で、絶縁膜２２上の欠陥であるスクラッチ２３、ボイド２４、異物２５から射出した散乱光（低次の回折光成分）のみが、集光レンズ６ａ，６ｂによりＣＣＤ，ＴＤＩセンサ等から構成される光電変換器７ａ，７ｂの受光面に集光される。そしてステージ１５を走行させながらＣＣＤ，ＴＤＩセンサ等の光電変換器７ａ，７ｂをスキャンさせる。

そして光電変換器７ａ，７ｂの出力をＡ／Ｄ変換部１６ａ，１６ｂでＣＣＤ，ＴＤＩセンサ等の光電変換器７ａ，７ｂのスキャンに同期させながらＡ／Ｄ変換する。

そしてＡ／Ｄ変換部１６ａ，１６ｂの出力を判定部１７ａ，１７ｂに入力し、判定部１７ａ，１７ｂはステージ１５の走行や光電変換器７ａ，７ｂのスキャンに同期して絶縁膜２２上の欠陥であるスクラッチ２３、ボイド２４、異物２５からの散乱光輝度情報と欠陥位置情報を算出し、全体制御部９に検査結果として記録する。

欠陥の判定方法としては例えば、絶縁膜２２上からの散乱光の輝度レベルが、あるしきい値以上であれば欠陥があると判定する。

次に、欠陥があると判定した後の弁別について説明する。

本発明に係わる上記実施の形態を実現するための弁別原理について図３を用いて説明する。

絶縁膜３２上の欠陥であるスクラッチ３３の場合、浅い凹欠陥である為、欠陥サイズの大小によらず、高角検出光学系５ａの輝度信号が低角検出光学系５ｂよりも小さい。

ボイド３４の場合、深い凹欠陥である為、低角検出光学系５ｂの方向から見た穴のエッジ部の露出が少なく、欠陥サイズの大小によらず、高角検出光学系５ａの輝度信号が低角検出光学系５ｂよりも大きい。

異物２５の場合、高い凸欠陥であり欠陥サイズの大小によらず、高角検出光学系５ａの輝度信号と低角検出光学系５ｂの輝度信号がほぼ同じである。

したがって以下の関係によりスクラッチ３３、ボイド３４、異物３５の弁別が可能となる。

［スクラッチ３３の場合］
高角検出光学系５ａの輝度信号 ＜ 低角検出光学系５ｂの輝度信号
〔ボイド３４の場合〕
高角検出光学系５ａの輝度信号 ＞ 低角検出光学系５ｂの輝度信号
＜異物３５の場合＞
高角検出光学系５ａの輝度信号 ≒ 低角検出光学系５ｂの輝度信号
上記より、検出光学系が１つでは欠陥の輝度信号が小さい場合、小さなサイズの異物３５なのか、大きなサイズのスクラッチ３３なのか判断できず、このような高角検出光学系５ａの輝度信号と低角検出光学系５ｂの輝度信号の相対的な強さを見ることにより弁別が可能なのである。

実施例では半導体ウェハ上のスクラッチ３３、ボイド３４、異物３５の弁別について説明したが、例えばハードディスクの製造工程でハードディスク上に発生するスクラッチ、異物についての弁別も可能である。

上記弁別に関し、図５に示すフローチャートを引用して説明する。

ステップ５０１で開始し、ステージスキャン（ステップ５０２）が開始される。高角検出光学系と低角検出光学系により集光された信号をＡ／Ｄ変換する。（ステップ５０３）ステップ５０４で、Ａ／Ｄ変換された信号から欠陥判定部にて欠陥を検出し、その輝度レベルを算出する。算出された高角検出の輝度と低角検出の輝度との比較（ステップ５０５）で、高角検出の輝度＜低角検出の輝度のときはスクラッチと判定（ステップ５０６）される。

逆に、算出された高角検出の輝度と低角検出の輝度との比較（ステップ５０７）で、高角検出の輝度＞低角検出の輝度のときはボイドと判定（ステップ５０８）される。

また、算出された高角検出の輝度と低角検出の輝度との比較（ステップ５０９）で高角検出の輝度≒低角検出のときは異物と判定（ステップ５１０）される。

ステージスキャン中に検出された全ての欠陥が判定されるまで上記の判定が実行される。（ステップ５１１）
そして、ウェハ上の全ての検査エリアを繰り返しステージスキャンが済まされ（ステップ５１２）、エンド（ステップ５１３）に至る。上記の判定はステージスキャンに同期して実行されるので、検査処理が迅速に行なわれる。

また、高角検出光学系と低角検出光学系の検出処理も並列的に行われるので検査の迅速化に寄与している。

上記弁別に関し、図６〜１０図を引用して更に詳しく説明する。

図６に異物とボイドの輝度比の散布図データを示す。これは実際の異物３５とボイド３４の弁別を行ったデータ例である。

高角検出光学系５ａの輝度信号と低角検出光学系５ｂの輝度信号の相対的な強さを低角検出光学系５ｂの輝度信号 ÷ 高角検出光学系５ａの輝度信号 ＝ 輝度比としている。

輝度比の散布図で、しきい値を０．６とすると、しきい値以上の欠陥を異物３５、しきい値以下の欠陥をボイド３４として弁別できることが分かる。このしきい値は、各光電変換機７ａ，７ｂのゲインにより変わるが、異物やボイドの大きさによらず、あるしきい値をもって弁別できることに変わりはない。

この原理を、図７〜図１０を使って説明する。

図７に、ある面での光の反射率と入射角の一般的な関係式を示す。ここで、Ｐ波（Ｒｐ）、Ｓ波（Ｒｓ）とはそれぞれ、光の電場ベクトルが入射面に平行、垂直という意味である。例としてｎ＝１．７の物質と空気との界面での反射率のグラフを図８に示す。このグラフは、図７の関係式の数値（数１）としたときの関係に等しい。

一般的にグラフの形は物質の屈折率などで変化するが、光の入射角度が面に平行に近くなるほど、反射率が大きくなる。入射する光の電場ベクトルに偏りがない場合、光の反射率はグラフのＲｐ＋Ｒｓとなる。また、図８では面に垂直な角度を０°、面に平行な角度を９０°としている。これを図４に当てはめて考えると、
（９０°方向の高角検出光学系５ａの散乱方向・・・図８の０°方向）
（１２°方向の低角検出光学系５ｂの散乱方向・・・図８の７８°方向）
となる。

図８の反射率 Ｒｐ＋Ｒｓは、０°で約０．０７となる。また７８°で０．３５となる。反射率は約５倍に増大する。図６の異物分布中心とボイド分布中心にも、約５倍の開きがある。

この原理を図６の輝度比の散布図データを取得した時の状態に当てはめて説明する。

図９に示すボイド散乱光の状態のように、図４で示した９０°方向の高角検出光学系５ａの散乱方向には、遮る面があまり無い。この方向は図８で示した０°方向になる。

これに対し、図４で示した１２°方向の低角検出光学系５ｂの散乱方向には境界面があり、ここで散乱光が大きく反射され、低角検出光学系５ｂにあまりとどかない状況が起きる。この方向は図８で示した７８°方向になる。これにより、図６で示した輝度比は、ボイドの場合小さくなると考えられる。

一方、図１０に示す異物散乱光の状態では、９０°方向の高角検出光学系５ａの散乱方向にも、１２°方向の低角検出光学系５ｂの散乱方向にも、遮るものが無い。これにより、図６で示した輝度比は、異物の場合大きくなる。

以上により、低角検出光学系５ｂの角度を約１２°以下に保つことにより、異物とボイドの弁別が可能なことが分かる。

本発明の実施例に係わる検査装置の構成例である。 本発明の実施例に係わる弁別対象の欠陥の例である。 本発明の実施例に係わる欠陥弁別方法の例である。 本発明の実施例に係わる照明光学系、検出光学系を示す例である。 本発明の実施例に係わる弁別のフローチャートを示す例である。 本発明の実施例で説明した異物とボイドの輝度比の散布図データである。 本発明の実施例で説明した光の反射率と入射角の関係式である。 本発明の実施例で説明した光の反射率と入射角のグラフである。 本発明の実施例で説明したボイド散乱光の状態である。 本発明の実施例で説明した異物散乱光の状態である。

符号の説明

１…斜方照明光学系、２…光源、４…反射ミラー、５ａ…高角度検出光学系、５ｂ…低角度検出光学系、６ａ，６ｂ…集光レンズ、７ａ，７ｂ…光電変換器、９…全体制御部、１０…ウェハ、１２…斜方照明光、１４…ステージコントローラ、１５…ステージ、１５ａ，１５ｂ…Ａ／Ｄ変換部、１７ａ，１７ｂ…判定部、２１…Ｓｉウェハ（Ｓｉ基板）、２２…絶縁膜（ＳｉＯ２膜）、２３…スクラッチ、２４…ボイド、２５…異物、３２…絶膜（ＳｉＯ２膜）、３３…スクラッチ、３４…ボイド、３５…異物。

Claims (8)

1. 被検査物を載せるステージと、
   前記ステージ上に載せられた被検査物の表面上に斜方照明する斜方照明系と、
   前記表面上に対し高角度に向け、前記斜方照明により前記被検査物から発生する高角度散乱光を検出する高角検出光学系と、
   前記表面上に対して低角度に向け、前記斜方照明により前記被検査物から発生する低角度散乱光を検出する低角検出光学系と、
   前記高角検出光学系が検出した輝度と、前記低角検出光学系が検出した輝度とを比べて前記被検査物上に存在する欠陥を弁別することを特徴とする光学式検査方法。
2. 請求項１記載の光学式検査方法において、
   前記表面上に向けた斜方照明のスキャン、前記高角検出光学系の検出、前記低角検出光学系の検出、および前記弁別が同期して処理されることを特徴とする光学式検査方法。
3. 請求項１記載の光学式検査方法において、
   前記高角検出光学系の輝度が前記低角検出光学系の輝度より大きいときは欠陥をボイドと判定し、
   前記低角検出光学系の輝度が前記高角検出光学系の輝度より大きいときは欠陥をスクラッチと判定し、
   前記低角検出光学系の輝度と前記高角検出光学系の輝度が近似するときは欠陥を異物と判定することを特徴とする光学式検査方法。
4. 被検査物を載せるステージと、
   前記被検査物の表面上に斜方照明する斜方照明系と、
   前記斜方照明系の照明により前記被検査物から発生する散乱光を検出する検出光学系を備える光学式検査装置において、
   前記検出光学系は、前記表面上に対し高角度に向けた高角検出光学系と、前記表面上に対して低角度に向けた低角検出光学系を有し、
   前記高角検出光学系が検出する輝度と、前記低角検出光学系が検出する輝度を比べて前記被検査物上の欠陥を弁別する判定部を有することを特徴とする光学式検査装置。
5. 請求項４記載の光学式検査装置において、
   前記高角検出光学系は前記表面上の真上に位置し、
   前記低角検出光学系と前記斜方照明系の位置関係は、前記表面上のＸＹ軸平面上で、０°から４５°を除く範囲内で任意に選択可能であることを特徴とする光学式検査装置。
6. 請求項５記載の光学式検査装置において、
   前記高角検出光学系は前記表面上の真上に位置し、
   前記斜方照明系は、前記表面上に対し、３°〜２０°の仰角範囲内で任意に選択可能であることを特徴とする光学式検査装置。
7. 請求項６記載の光学式検査装置において、
   前記低角検出光学系は、前記表面上に対し、１２°程度の仰角に保たれることを特徴とする光学式検査装置。
8. 請求項６記載の光学式検査装置において、
   前記低角検出光学系は、前記表面上に対する仰角を１２°以下にしたことを特徴とする光学式検査装置。

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