JP2009192333A - 表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハにおける大規模な欠陥を容易に検出可能な表面検査装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る表面検査装置１は、ウェハ１０の表面に照明光を照射する照明光学系２０と、照明光が照射されたウェハ１０の表面を撮像する撮像光学系３０と、撮像光学系３０により撮像されたウェハ１０の画像に対し解像度を下げる画像処理を行うとともに、ウェハ１０における欠陥の有無を検査する画像処理部４１と、画像処理部４１により解像度を下げたウェハ１０の画像を表示する画像表示装置４２とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハ等の基板表面を検査する表面検査装置に関する。

半導体ウェハの表面に形成された繰り返しパターンを検査する装置として、ウェハの表面から出射される回折光の強度変化を利用した検査装置がある（例えば、特許文献１を参照）。このような検査装置によれは、露光装置のデフォーカスやドーズシフトに基づく線幅不良、パターンの断面形状不良、レジスト塗布不良等を、高速かつ高精度で検出することができる。
特許第３６６９１０１号公報

しかしながら、このような検査装置では、ウェハの表面に大規模な欠陥が存在する場合、ウェハの画像における大規模欠陥を構成する部分と良品部分とのコントラスト差が小さいため、このような大規模な欠陥の検出は難しかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、被検基板における大規模な欠陥を容易に検出可能な表面検査装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る表面検査装置は、被検基板の表面に照明光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記被検基板の表面を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された前記被検基板の画像に対し解像度を下げる画像処理を行う画像処理部と、前記画像処理部により解像度を下げた前記被検基板の画像を表示する表示部と、前記被検基板における欠陥の有無を検査する検査部とを備えている。

なお、上述の発明において、前記撮像部は、前記被検基板の表面から発せられる回折光に基づく像を撮像することが好ましい。

また、上述の発明において、前記被検基板を保持するとともに、前記保持した前記被検基板を、前記照明光が照射された前記被検基板の表面から発せられる回折光に基づく像を前記撮像部が撮像する状態と、前記照明光が照射された前記被検基板からの正反射光に基づく像を前記撮像部が撮像する状態とに傾動させる保持部をさらに備えることが好ましい。

本発明によれば、被検基板における大規模な欠陥を容易に検出することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１に本実施形態に係る表面検査装置の一例を示しており、この装置により被検基板である半導体ウェハ１０の表面欠陥を一括検査する。この表面検査装置１は、表面に繰り返しパターンが形成されたウェハ１０を載置保持するホルダ５を備え、不図示の搬送装置によって搬送されてくるウェハ１０を、ホルダ５の上に載置させるとともに真空吸着によって固定保持する。ホルダ５は、このように固定保持したウェハ１０の中心（ホルダ５の中心）を通りウェハ１０の表面に垂直な軸ＡＸを回転軸として、ウェハ１０を回転（ウェハ１０の表面内での回転）可能に保持する。また、ホルダ５は、ウェハ１０の表面を通る軸を中心に、ウェハ１０をチルト（傾動）させることが可能であり、検査用照明光の入射角を調整できるようになっている。

表面検査装置１はさらに、ホルダ５に固定保持されたウェハ１０の表面に照明光を照射する照明光学系２０と、照明光が照射されたウェハ１０の表面を撮像する撮像光学系３０とを備えて構成される。照明光学系２０は、メタルハライドランプや水銀ランプ等の光源を有して照明光を射出する照明部２１と、照明部２１から射出された照明光を反射させる第１凹面鏡２３とを主体に構成される。

照明部２１は、図示しない波長選択フィルタを有して構成され、特定の波長を有する光を照射することができるようになっている。照明部２１から第１凹面鏡２３へ射出された照明光は、第１凹面鏡２３により平行光束となってホルダ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。このとき、ウェハ１０の表面に照射される照明光は、ウェハ１０の中心を通りウェハ１０の表面に垂直な軸ＡＸに対して角度θiを有して照射され、軸ＡＸに対して角度θrを有する光がウェハ１０の表面から出射（反射）される。これら入射角θiと出射角θrとの関係が、ホルダ５をチルト（傾動）させることにより調整可能である。すなわち、ホルダ５のチルトによりウェハ１０の載置角度を変化させて、ウェハ１０への光の入射角θiを変化させることが変化させることができ、また、ＣＣＤカメラ３３で受光する角度（ウェハ１０からの光の出射角θr）も変化させることができる。

ウェハ１０の表面からの出射光（回折光）は撮像光学系３０により集光される。撮像光学系３０は、軸ＡＸに対して角度θrを有した方向に対向して配設された第２凹面鏡３１と、ＣＣＤカメラ３３とを主体に構成され、第２凹面鏡３１により集光された出射光（回折光）はＣＣＤカメラ３３の撮像面上に達し、当該撮像面上でウェハ１０の像が結像される。この結果、ウェハ１０の表面の像がＣＣＤカメラ３３の撮像面上に形成される。

ＣＣＤカメラ３３は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４１に出力する。画像処理部４１には、画像表示装置４２が電気的に接続されている。画像処理部４１は、ＣＣＤカメラ３３から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。そして、画像処理部４１は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像とメモリに記憶された良品ウェハの画像とをパターンのショット領域毎に比較して、ウェハ１０の表面における欠陥の有無を検査する。具体的には、ウェハ１０の画像における（輝度値に相当する）信号強度を、良品ウェハの画像における信号強度と比較し、信号強度の変化量が予め設定した閾値を超えたとき、欠陥があると判定する。

さらに、画像処理部４１は、ウェハ１０の画像を生成すると、生成したウェハ１０の画像に対し解像度を下げる画像処理を行う。このような画像処理として、本実施形態においては、いわゆる「ガウスぼかし」と称されるぼかし処理を行うとともにコントラストの調整を行う。なお、「ガウスぼかし」に限らず、ぼかし処理として「平均化」処理を行うようにしてもよい。ウェハ１０の画像に対し解像度を下げる画像処理を行うと、画像処理部４１は、解像度を下げたウェハ１０の画像全体と（メモリに記憶された）解像度を下げた良品ウェハの画像全体とを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥の有無を検査する。具体的には、解像度を下げたウェハ１０の画像における信号強度を、解像度を下げた良品ウェハの画像における信号強度と比較し、信号強度の変化量が予め設定した閾値を超えたとき、欠陥があると判定する。そして、画像処理部４１による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像（解像度を下げたウェハ１０の画像も含む）が画像表示装置４２で出力表示される。

以上のように構成される表面検査装置１を用いた表面検査方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、被検基板であるウェハ１０の表面に照明光を照射する（ステップＳ１０１）。このとき、照明部２１から第１凹面鏡２３へ射出された照明光は、第１凹面鏡２３により平行光束となってホルダ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。またこのとき、パターンのピッチをＰとし、ウェハ１０の表面に照射する照明光の波長をλとし、照明光の入射角をθiとし、ｎ次回折光の出射角をθrとしたとき、次の（１）式を満足するように設定を行う。

Ｐ×｛ｓｉｎ（θr）−ｓｉｎ（θi）｝＝±ｎ×λ …（１）

（１）式を満足するような条件でウェハ１０の表面に照明光が照射されると、ウェハ１０の表面から回折光（例えば１次回折光）が発生する。そこで次に、ウェハ１０の表面から出射された回折光によるウェハ１０の像を撮像する（ステップＳ１０２）。このとき、ウェハ１０の表面から出射された回折光は、撮像光学系３０の第２凹面鏡３１により集光されてＣＣＤカメラ３３の撮像面上に結像される。そして、ＣＣＤカメラ３３は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の回折像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４１に出力する。

そして、先のステップで撮像したウェハ１０の画像に基づいて、ウェハ１０の表面における欠陥の有無を検査する（ステップＳ１０３）。このとき、画像処理部４１は、ＣＣＤカメラ３３から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成し、生成したウェハ１０の画像とメモリに記憶された良品ウェハの画像とをパターンのショット領域毎に比較して、ウェハ１０の表面における欠陥の有無を検査する。これにより、ショット領域毎の微細な欠陥を高精度に検出することができる。

さらにこのとき、画像処理部４１は、生成したウェハ１０の画像に対し解像度を下げる画像処理を行うとともに、解像度を下げたウェハ１０の画像全体と（メモリに記憶された）解像度を下げた良品ウェハの画像全体とを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥の有無を検査する。そして、画像処理部４１による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像（解像度を下げたウェハ１０の画像も含む）が画像表示装置４２で出力表示され、ウェハ１０の状態を目視確認することもできる。

ここで、図３に良品ウェハ１０Ａの画像を模式的に示し、図４に大規模な欠陥が存在するウェハ１０Ｂの画像を模式的に示す。図３および図４に示すウェハの表面には、主にコンタクトホールを形成するための繰り返しパターンが生成されている。図４に示すウェハ１０Ｂのように、ウェハの表面に大規模な欠陥Ｋが存在する場合、ショット領域毎に良品ウェハ１０Ａの画像と比較して欠陥を見つけようとしても、ウェハの画像における大規模欠陥を構成する部分と良品部分とのコントラスト差（信号強度の差）が小さいため、このような大規模な欠陥の検出は難しい。なお、このような大規模欠陥は、例えば、ホール工程におけるレジストの膜厚の不均一性等に起因して生じる。また、図３および図４に示すウェハの表面中央部は、回折条件等により信号強度が弱くなっているだけで、欠陥ではない。

これに対し、図４に示すウェハ１０Ｂの画像に対し解像度を下げる画像処理を行って、図６に示すように適度に（ウェハの片側に分布する欠陥Ｋが浮き上がるように）解像度を下げたウェハ１０Ｄの画像全体と、図６に示す場合と同程度に解像度を下げた良品ウェハ１０Ｃ（図５を参照）の画像全体とを比較することで、ウェハの画像におけるパターン部分の信号強度が相対的に小さくなり、ウェハの画像における大規模欠陥を構成する部分と良品部分とのコントラスト差（信号強度の差）が大きくなることから、ウェハ１０における大規模な欠陥を見つけることができる。このように、本実施形態の表面検査装置１によれば、ウェハ１０における大規模な欠陥を容易に検出することが可能である。

なお、図３で模式的に示した良品ウェハ１０Ａの画像を図７に示し、図４で模式的に示した大規模な欠陥Ｋが存在するウェハ１０Ｂの画像を図８に示し、図５で模式的に示した解像度を下げた良品ウェハ１０Ｃの画像を図９に示し、図６で模式的に示した解像度を下げた大規模な欠陥Ｋが存在するウェハ１０Ｄの画像を図１０に示す。すなわち、説明を理解し易くするため図３〜図６のように模式的に示したウェハの画像はそれぞれ、実際には、図７〜図１０のように示される。なお、図７および図８に示すウェハの表面には、前述したように、主にコンタクトホールを形成するための繰り返しパターンが生成される。また、図７および図８に示すウェハの表面中央部は、前述したように、回折条件等により信号強度が弱くなっているだけで、欠陥ではない。

なお、上述の実施形態において、撮像光学系３０により回折光に基づくウェハ１０の像を撮像しているが、これに限られるものではなく、例えば、正反射光（０次回折光）に基づくウェハの像を撮像するようにしてもよい。

また、上述の実施形態において、解像度を下げたウェハ１０の画像に基づく検査を行うかどうかを、レシピ設定時に入力するようにしてもよい。これにより、必要な場合にのみ、ウェハ１０における大規模な欠陥の有無を検査することができる。

また、上述の実施形態において、画像処理部４１がウェハ１０における欠陥の有無を検査しているが、これに限られるものではなく、画像処理部と別体に、ウェハ１０における欠陥の有無を検査する検査部を設けるようにしてもよい。

本発明に係る表面検査装置の全体構成を示す図である。 本発明に係る表面検査装置を用いた表面検査方法を示すフローチャートである。 良品ウェハの画像を示す模式図である。 大規模な欠陥が存在するウェハの画像を示す模式図である。 良品ウェハの解像度を下げた画像を示す模式図である。 大規模な欠陥が存在するウェハの解像度を下げた画像を示す模式図である。 良品ウェハの画像を示す図である。 大規模な欠陥が存在するウェハの画像を示す図である。 良品ウェハの解像度を下げた画像を示す図である。 大規模な欠陥が存在するウェハの解像度を下げた画像を示す図である。

符号の説明

１ 表面検査装置 ５ ホルダ（保持部）
１０ ウェハ（被検基板）
１０Ａ 良品ウェハ １０Ｂ 大規模な欠陥が存在するウェハ
１０Ｃ 良品ウェハ １０Ｄ 大規模な欠陥が存在するウェハ
２０ 照明光学系 ２１ 照明部
３０ 撮像光学系 ３３ ＣＣＤカメラ（撮像部）
４１ 画像処理部（検査部） ４２ 画像表示装置（表示部）

Claims (3)

1. 被検基板の表面に照明光を照射する照明部と、
   前記照明光が照射された前記被検基板の表面を撮像する撮像部と、
   前記撮像部により撮像された前記被検基板の画像に対し解像度を下げる画像処理を行う画像処理部と、
   前記画像処理部により解像度を下げた前記被検基板の画像を表示する表示部と、
   前記被検基板における欠陥の有無を検査する検査部とを備えることを特徴とする表面検査装置。
2. 前記撮像部は、前記被検基板の表面から発せられる回折光に基づく像を撮像することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記被検基板を保持するとともに、前記保持した前記被検基板を、前記照明光が照射された前記被検基板の表面から発せられる回折光に基づく像を前記撮像部が撮像する状態と、前記照明光が照射された前記被検基板からの正反射光に基づく像を前記撮像部が撮像する状態とに傾動させる保持部をさらに備えることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の表面検査装置。