JP2009085826A - 観察装置及び観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の表面に形成する膜を構成する物質の屈折率と、膜厚と、半導体回路のパターンピッチなどの基板表面状態の情報から照明光として使用するのに最適な波長の光を選択して設定することができる、観察装置を提供すること。
【解決手段】被検物（ウェハ１０）の表面に光を照射して観察する観察装置であって、前記被検物の表面に光を照射する照明部２０（光源２１、波長選択フィルタ２４，２５）と、前記照明部によって光が照射された前記被検物の表面を観察する観察部３０（２次元カメラ３１，画像処理部３１）と、前記被検物の表面状態に基づいて前記照明部が照射する光の波長を選択して設定する波長設定部４０（演算部４１、画像処理部４２、ハードウェア制御部４３）と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体ウェハや液晶表示素子などの基板の表面に生じた欠陥を観察する観察装置及び観察方法に関する。

半導体ウェハや液晶表示素子などの基板の表面に生じたマクロ欠陥を検査する装置や方法としては、例えば基板を載置したステージを移動させながらショット単位あるいはチップ単位など、部分に分割した画像を２次元カメラで取得し、この取得した複数枚の画像を比較して欠陥箇所を抽出するもの、画像取得部に１次元センサを使用し、基板を載置したステージを１次元センサの下で移動させながら画像を取得し、この１次元画像をステージの位置情報をもとにショット単位あるいはチップ単位の画像に合成し、この合成画像を比較して欠陥箇所を抽出するもの、上述した２次元カメラや１次元センサで取得した基板全面分の画像を合成した合成画像から欠陥箇所を抽出するもの、基板全面の画像を２次元カメラで一括取得してこの画像の中から欠陥箇所を抽出するが知られている。これら装置や方法では、いずれも基板表面に照射する照明光として白色光又は単一波長の光を使用している。

基板の表面には、例えば基板の表面に塗布したレジスト膜の塗布ムラなどによって膜厚差が生じている。このためｅ線、ｇ線あるいは紫外光などの単一波長の光を照明光として採用する場合、波長によっては干渉により欠陥箇所が鮮明になるが、波長によっては膜厚の変化に敏感であるため、波長選択を誤ると取得画像にムラが写ってしまい、ムラに隠されて本来欠陥箇所として検出される変化を見落としてしまう課題があった。

また、白色光を使用する場合、塗布ムラのように表面の膜厚差となってあらわれる種類の欠陥は、膜厚差による光の干渉が消えてしまい、取得画像から欠陥箇所が見えづらくなる課題があった。

このため、干渉が完全に消えないように２乃至４つの異なる波長の光を組み合わせた照明光で基板表面を照明して観察することが提案されている。このように波長の異なる光を組み合わせた照明光を使用すれば、白色光に比して欠陥箇所が見つけやすく、また単一波長の光に比してムラの少ない画像を得ることができ、基板表面の欠陥検査を容易に行うことが期待できる。

基板表面の欠陥をより見つけやすくするには組み合わせる光の数は少ないほうがよい。例えば、４つの異なる波長の光よりは３つの異なる波長の光のほうがよく、また３つの異なる波長の光よりは２つの異なる波長の光のほうがよい（特許文献１）。
特開２００１−１４１６５７号公報

しかし、上述の如く、２つの異なる波長の光に固定してしまうと、膜厚条件によっては２つの波長の光がともに膜厚の変動に敏感でムラを増大させ、何れか一方の波長の光が膜厚の変動に非常に敏感で、他方の波長の光によってもムラを消去できないことがある。

正反射光を使用する検査では、同じ波長の光でもレジスト膜などの膜厚と、膜を構成する物質の屈折率とによって干渉条件が変わり、ムラが大きくなったり、小さくなったりする。また、回折光を使用する検査では、同じ波長の光でもレジスト膜などの膜厚と、膜を構成する物質の屈折率と、半導体回路のパターンピッチの組み合わせによって干渉条件が変わり、ムラが大きくなったり、小さくなったりする。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、基板の表面に形成する膜物質の屈折率と、膜厚などの基板表面状態の情報から照明光として使用するのに最適な波長の光を選択して設定することができる、観察装置及び観察方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の観察装置は、被検物の表面に光を照射して観察する観察装置であって、前記被検物の表面に光を照射する照明部と、前記照明部によって光が照射された前記被検物の表面を観察する観察部と、前記被検物の表面状態に基づいて前記照明部が照射する光の波長を選択して設定する波長設定部と、を備えてなることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の観察装置は、前記波長設定部が、前記被検物の表面に形成される被覆物の厚さを変えて行った反射特性のシミュレーション計算の結果に基づいて前記照明部が照射する光の波長を選択して設定することを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の観察装置は、前記波長設定部が、波長の異なる複数の光を設定することを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の観察装置は、前記照明部から平行光が前記被検物の全面に入射することを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の観察装置は、前記波長設定部が、前記被検物の表面状態を示すデータを入力するデータ入力部を備えていることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の観察方法は、被検物の表面に光を照射して観察する方法であって、前記被検物の表面状態に基づいて前記光の波長を選択して設定する波長設定工程と、前記波長設定工程で設定された波長の光を前記被検物の表面に照射する照明工程と、前記照明工程で光が照射された前記被検物の表面を観察する観察工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、基板の表面に形成する膜物質の屈折率と、膜厚などの基板表面状態の情報から照明光として使用するのに最適な波長の光を選択して設定することができる。

以下本発明の観察装置及び観察方法の一実施形態について図１乃至図６を参照して説明する。

本発明の観察装置は被検物の表面に光を照射して観察する装置であり、図１は本発明の観察装置の一実施形態を示す概略図である。

本実施形態の観察装置は、図１に示すように、被検物としての半導体ウェハ（以下ウェハと記す）１０の表面に光を照射する照明部２０と、照明部２０によって光が照射されたウェハ１０の表面状態を観察する観察部３０と、ウェハ１０の表面に塗布したフォトレジストの種類（フォトレジストの屈折率）、フォトレジストの膜厚、この膜厚の許容幅、ウェハ１０の表面最上層に形成された配線パターンのパターンピッチなど、ウェハ１０の表面状態に基づいて照明部２０が照射する光の波長を選択して設定する波長設定部４０（図３参照）と、を備える。

ウェハ１０は、水平２方向と垂直方向にウェハ１０を移動及び回転させ、またウェハ１０を傾斜させることが出来る観察ステージ１５上に載置される。

照明部２０は、図２に示すように、光源２１と、この光源２１の光のうち、所定の波長の光を透過・反射させるダイクロイックミラー２２，２３と、これらダイクロイックミラー２２，２３を透過・反射した光が入射する波長選択フィルタ２４，２５と、波長選択フィルタ２４によって選択された波長の光と波長選択フィルタ２５によって選択された波長の光とを合成するハーフミラー２６と、このハーフミラー２６によって合成され２波長合成照明光をウェハ１０に向けて射出させる射出口２７と、を備える。ミラー２９は波長選択フィルタ２５を通過した光をハーフミラー２６に導くものである。

波長選択フィルタ２４，２５は、それぞれ円盤にその円周方向に沿って適宜間隔を開けて配置した複数のフィルタを備え、不図示の回転駆動機構によって回転してこれらフィルタのうち何れかのフィルタがダイクロイックミラー２２，２３を透過・反射した光の光路上に位置するように構成されている。なお、ハーフミラー２６に替えてダイクロイックミラー２２と同様なダイクロイックミラーを用いてもよい。

波長選択フィルタ２４，２５によって波長が設定された照明光は、射出口２７から射出し投射レンズ２８によって平行光となり、ウェハ１０の表面全体に同じ入射角度で照射される。

観察部３０は、ウェハ１０の表面で反射した正反射光を、集光レンズ３３を介して受光する２次元カメラ（ＣＣＤカメラ）３１と、該カメラ３１の撮像信号を画像処理する画像処理部３２を備える。

波長設定部４０は、図３に示すように、観察装置コンピュータ５０内に装備される。観察装置コンピュータ５０は、露光装置、コータデベロッパ、エッチング装置などの製造装置、各種検査装置及び計測装置などの装置全体を管理しているホストコンピュータ６０とオンラインで接続され、このホストコンピュータ５０によってオンライン制御されるものである。

波長設定部４０は、回折を含む反射特性のシミュレーション（予想）計算を実行する演算部４１と、この演算部４１での演算結果などのデータを画像処理してグラフ表示するなどの画像処理装置４２と、演算部４１でのシミュレーション（予想）結果に基づいて波長選択フィルタ２４，２５を駆動制御するハードウェア制御部４３を備える。

また、波長設定部４０は、ホストコンピュータ６０からウェハ１０の表面に塗布してあるフォトレジストの種類（又はフォトレジストの屈折率、吸光係数）、フォトレジスト層の膜厚、この膜厚の許容幅、ウェハ１０の表面の最上層に形成された配線パターンなどのパターンピッチなどのウェハ１０の表面に関する情報をオンラインで入力する、データ入力部４４を備える。

演算部４１は、データ入力部４４を介して入力したウェハ１０の表面に関する各種情報から膜厚によって正反射信号強度（正反射効率）がどのように変化するか、シミュレーション計算を実行する。

このシミュレーション計算の結果から対象のピッチに対し微妙な膜厚差でも膜厚ムラが生じない画像が得られる波長を選択し、ハードウェア制御部４３から波長選択フィルタ２４，２５の回転駆動機構に制御信号を出力し、照明部２０から射出される光の波長を設定する。

また、シミュレーション計算の結果は、画像処理部４２によって画像処理され、例えば図４のグラフに示すように表示される。

図４は照明光の波長と、膜厚と、パターンピッチによって正反射効率が変化するグラフを示している。同図に示す各グラフ（図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ））は横軸に線幅（ｎｍ）を表し、縦軸に正反射効率を表している。

図４（ａ）はｅ線（波長５２７ｎｍの光）を照明光とし、ピッチを１０００ｎｍとした場合のシミュレーション計算結果を示す。図４（ｂ）はｇ線（波長４３６ｎｍの光）を照明光とし、ピッチを１０００ｎｍとした場合のシミュレーション計算結果を示す。図４（ｃ）はｈ線（波長４０５ｎｍの光）を照明光とし、ピッチを１０００ｎｍとした場合のシミュレーション計算結果を示す。これら図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）中、一点鎖線は膜厚が最も薄い場合のシミュレーション計算結果を示し、長い点線は膜厚が最も厚い場合のシミュレーション計算結果を示している。一点鎖線から、太い一点鎖線、細線、短い点線、長い点線の順で膜厚が厚くなっている。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のグラフ中、点線で囲まれた部分に注目すると、図４（ａ）に示す場合、すなわちｅ線を照明光として選択した場合、膜厚によって正反射効率のバラツキが少ないことが分かる。これに対し、図４（ｂ）や図４（ｃ）中の点線で囲まれた部分では膜厚によって正反射効率のバラツキが大きいことが分かる。

図５は本発明の観察方法の一実施形態（観察装置コンピュータ５０と波長設定部４０の動作内容）を示すフローチャートである。図５は観察に最適な単一波長の照明光を選択してウェハ１０の表面を観察するものである。

図５中、ステップＳ１では、データ入力部４４を介してホストコンピュータ６０からウェハ１０の表面に塗布してあるフォトレジストの種類（又はフォトレジストの屈折率、吸光係数）、フォトレジスト層の膜厚、この膜厚の許容幅、ウェハ１０の表面の最上層に形成された配線パターンなどのパターンピッチなどのウェハ１０の表面に関する情報をオンラインでダウンロードする。なお、パターンピッチの情報は回折信号強度をシミュレーション計算する場合に使用する。

ステップＳ２では、ダウンロードした情報をもとに照明光の波長を照明波長Ａ（例えばｅ線 ５２７ｎｍ）に選択した場合にウェハ１０で反射する反射光の正反射信号強度のシミュレーション計算を実行する。

ステップＳ３では、照明波長Ａの下で、ウェハ１０に塗布される膜の膜厚をその許容幅の範囲内で変化させて正反射信号強度のシミュレーション計算を実行する。

ステップＳ４では、照明光の波長を別の照明波長Ｂ（例えばｇ線 ４３６ｎｍ）、照明波長Ｃ（例えばｈ線 ４０５ｎｍ）、照明波長Ｄ・・・について、ステップＳ２とステップＳ３の内容を実行する。

すなわち、各照明波長Ｂ，Ｃ，Ｄ・・・に選択した場合における、ウェハ１０で反射する反射光の正反射信号強度のシミュレーション計算を実行し、次いで、各照明波長Ｂ，Ｃ，Ｄ・・・の下でウェハ１０に塗布される膜の膜厚をその許容幅の範囲内で変化させて正反射信号強度のシミュレーション計算を実行する。

ステップＳ５では、ステップＳ３、ステップＳ４のシミュレーション計算の結果から正反射信号強度のバラツキを求め、このバラツキの一番小さい照明波長を選択する。

ステップＳ６では、選択した波長の光が照明光となるようにハードウェア制御部４３から照明部２０の波長選択フィルタ２４，２５の何れかに制御信号を出力し、照明光の波長を設定する。

波長が設定された照明光は射出口２７から投影レンズ２８を介して平行光となりウェハ１０の表面全体に照射される。ウェハ１０を反射した正反射光は集光レンズ３３を介して２次元カメラ３１によって受光され、光電変換されて撮像信号になる。撮像信号は画像処理部３２で画像処理され、図示しない表示装置によって撮像画像が表示され、欠陥の観察が行われる。

図６は本発明の観察方法の別の実施形態（観察装置コンピュータ５０と波長設定部４０の動作内容）を示すフローチャートである。図６は図５に示す場合と異なり、観察に最適な２つの異なる波長を有する照明光を選択してウェハ１０の表面を観察するものである。

図６中、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４は、図５のステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ４と同じ内容である。

すなわち、ステップＳ１１では、入力部４４を介してホストコンピュータ６０からウェハ１０の表面に塗布してあるフォトレジストの種類（又はフォトレジストの屈折率、吸光係数）、フォトレジスト層の膜厚、この膜厚の許容幅、ウェハ１０の表面の最上層に形成された配線パターンなどのパターンピッチなどのウェハ１０の表面に関する情報をオンラインでダウンロードする。パターンピッチの情報は回折信号強度をシミュレーション計算する場合に使用する。ステップＳ１２では、ダウンロードした情報をもとに照明光の波長を照明波長Ａに選択した場合にウェハ１０で反射する反射光の正反射信号強度のシミュレーション計算を実行する。ステップＳ１３では、照明波長Ａの下で、ウェハ１０に塗布される膜の膜厚をその許容幅の範囲内で変化させて正反射信号強度のシミュレーション計算を実行する。ステップＳ１４では、照明光の波長を照明波長Ｂ、照明波長Ｃ、照明波長Ｄ・・・について、ステップＳ２とステップＳ３の内容を実行する。すなわち、各照明波長Ｂ，Ｃ，Ｄ・・・に選択した場合においてウェハ１０で反射する反射光の正反射信号強度のシミュレーション計算を実行し、次いで、各照明波長Ｂ，Ｃ，Ｄ・・・の下でウェハ１０に塗布される膜の膜厚をその許容幅の範囲内で変化させて正反射信号強度のシミュレーション計算を実行する。

ステップＳ１５では、各照明波長Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ・・・の照明光の下で、膜厚を増加・減少させたときの正反射信号強度の変化が、増加側に変化する波長と、反対に減少側に変化する波長との、２つの波長の組み合わせを選択する。すなわち、膜厚が増加あるいは減少する変化をしても正反射信号強度の変化が互いに打ち消され、その結果、正反射信号強度が膜厚によってバラツキが小さくなるような２つの波長の光の組み合わせを選択する。

ステップＳ６では、選択した２つの波長の光が照明光となるようにハードウェア制御部４３から照明部２０の波長選択フィルタ２４，２５の双方に制御信号を出力し、照明光の波長を設定する。

設定された２つの波長の光はハーフミラー２６によって合成され、この２波長合成光は照明光として射出口２７から投影レンズ２８を介して平行光としてウェハ１０の表面全体に照射される。ウェハ１０を反射した正反射光は集光レンズ３３を介して２次元カメラ３１によって受光され、光電変換されて撮像信号になる。撮像信号は画像処理部３２で画像処理され、図示しない表示装置によって撮像画像が表示され、最適波長の照明光によって撮影された画像で欠陥の観察が行われる。

本実施形態では、上述した如く、ウェハ１０の表面状態に関する情報を入手し、この情報に基づいてウェハ１０の表面全体を照射する照明光の波長の候補を複数あげ、そして各波長の照明光のもとでウェハ１０の表面に形成されるフォトレジスト膜などの膜の厚さを許容幅の範囲内で変化させて得られる正反射信号強度をシミュレーション計算によって求め、このシミュレーション計算の結果から、膜厚を変化させても正反射信号強度の変化が最も少ない、単一波長の光又は２波長の光を選択して設定するようにしている。

したがって、従来の単一波長の光を照明光として採用する場合の如く、干渉によって欠陥箇所が鮮明になるが、波長によっては膜厚の変化に敏感であるため、波長選択を誤ると取得画像にムラが写ってしまい、本来欠陥箇所ではないのにあたかも欠陥のように見えてしまうような問題は生じない。

また、白色光を使用する場合の如く、塗布ムラのように表面の膜厚差となってあらわれる種類の欠陥が、膜厚差による光の干渉が消えてしまい、取得画像から欠陥箇所が見えづらくなるような問題も生じない。

さらに、２つの異なる波長の光に固定してしまう先行技術のように、膜厚条件によっては２つの波長の光がともに膜厚の変動に敏感でムラを増大させ、何れか一方の波長の光が膜厚の変動に非常に敏感で、他方の波長の光によってもムラを消去できないような事態が生じることはない。

このため、従来技術に比して欠陥箇所を見落とす誤判断率を大幅に低下させることが出来る。

本発明は上記実施形態に示したものに限定されるものではない。例えば、フォトレジスト膜などの、ウェハ１０の表面に被覆される被覆膜の塗布ムラのような膜厚差となってあらわれる欠陥を観察するに適用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、ウェハ１０の表面にあらわれる各種欠陥を観察するのに適用される。

また、正反射信号強度（正反射効率）の変化をシミュレーション計算し、この計算結果から最適波長の光を選択していたが、回折信号強度（回折率）の変化をシミュレーション計算し、この計算結果から最適波長の光を選択してもよい。

さらに、照明光として平行光をウェハ１０に一括照射してウェハ１０の全面の画像を取得し、この取得画像で欠陥箇所の観察を行う場合を示したが、これに限定されず、検査ステージ１５によってウェハ１０を移動させつつ照明光を照射して、ショット単位あるいはチップ単位の画像を取得し、この取得画像で欠陥箇所を観察するようにしてもよい。

本発明の観察装置の一実施形態を示す概略図である。 図１の観察装置に装備される照明部の構成を説明する説明図である。 図１の観察装置がホストコンピュータにオンラインで接続される状態を示すブロック図である。 図１の観察装置に装備される演算部でのシミュレーション計算結果を示すグラフである。 本発明の観察方法の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明の観察方法の別の実施形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ ウェハ（基板）
１５ 観察ステージ
２０ 照明部
２１ 光源
２４，２５ 波長選択フィルタ
３０ 観察部
３１ ２次元カメラ（ＣＣＤカメラ）
３２ 画像処理部
４０ 波長設定部
４１ 演算部
４２ 画像処理部
４３ ハードウェア制御部
４４ 入力部
５０ 観察装置コンピュータ

Claims (6)

1. 被検物の表面に光を照射して観察する観察装置であって、
   前記被検物の表面に光を照射する照明部と、
   前記照明部によって光が照射された前記被検物の表面を観察する観察部と、
   前記被検物の表面状態に基づいて前記照明部が照射する光の波長を選択して設定する波長設定部と、
   を備えてなることを特徴とする観察装置。
2. 請求項１に記載の観察装置において、
   前記波長設定部は、前記被検物の表面に形成される被覆物の厚さを変えて行った反射特性のシミュレーション計算の結果に基づいて前記照明部が照射する光の波長を選択して設定することを特徴とする観察装置。
3. 請求項１又は２に記載の観察装置において、
   前記波長設定部は、波長の異なる複数の光を設定することを特徴とする観察装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の観察装置において、
   前記照明部から平行光が前記被検物の全面に入射することを特徴とする検査装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の観察装置において、
   前記波長設定部は、前記被検物の表面状態を示すデータを入力するデータ入力部を備えていることを特徴とする観察装置。
6. 被検物の表面に光を照射して観察する方法であって、
   前記被検物の表面状態に基づいて前記光の波長を選択して設定する波長設定工程と、
   前記波長設定工程で設定された波長の光を前記被検物の表面に照射する照明工程と、
   前記照明工程で光が照射された前記被検物の表面を観察する観察工程と、
   を有することを特徴とする観察方法。

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