JP2010080565A - 基板の検査装置、および、基板の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
同じ検査領域に繰り返し電子線を照射することなしに、検査条件を決定することができる基板の検査装置、および、基板の検査方法を提供する。
【解決手段】
本発明は、回路パターンが形成された基板に電子線を照射して発生する二次電子を検出し、検出された信号を画像化して記憶し、該記憶された画像を他の同一の回路パターンから形成された第二の画像と比較し、予め設定された欠陥判定条件に基づいて比較結果から基板の欠陥を抽出する基板の検査装置において、基板の一端から他端にわたる範囲の領域の画像を蓄積する記憶部と、該記憶部に蓄積された画像を利用して欠陥判定条件とは異なる欠陥判定条件で繰り返し欠陥判定する欠陥判定部とを備える構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置や液晶等微細な回路パターンを有する基板の欠陥検査技術に係わり、特に半導体装置製造過程途中の半導体ウエハに代表される基板の検査技術に関する。

半導体ウエハの検査を一例として説明する。半導体装置は、半導体ウエハ上にフォトマスクに形成されたパターンをリソグラフィー処理及びエッチング処理により転写する工程を繰り返すことにより製造される。半導体装置の製造過程において、リソグラフィー処理やエッチング処理その他の良否，異物発生等の欠陥は、半導体装置の歩留まりに大きく影響を及ぼす。したがって、このような製造過程における異常や不良発生を早期にあるいは事前に検知するために、製造過程の半導体ウエハを検査する各種装置が用いられている。

半導体ウエハ上のパターンに存在する欠陥や異物を検査する方法としては、半導体ウエハに光を照射し、光学画像を用いて複数のＬＳＩの同種の回路パターンを比較する欠陥検査装置や、半導体ウエハに電子線等の荷電粒子線を照射し、発生する二次電子や反射電子を検出し、その信号を画像化し、欠陥と思われる欠陥候補を検出する欠陥検査装置が実用化されている。

電子線を照射する欠陥検査装置において、分解能やコントラストの適正な画像を得るために、オペレータは、レシピとよばれる電子光学系の条件を決め、装置に設定する（例えば、特許文献１参照）。

しかし、一度の電子線照射では欠陥検出条件が決定されず、同じ領域に電子線を何度も照射して欠陥検出条件が決まる場合がある。半導体ウエハ表面の場合、電子線を何度も照射すると、半導体ウエハ表面の帯電電位が変化して画像コントラストが変化してしまうことがある。したがって、欠陥検出条件を決める場合に、同じ検査領域に繰り返し電子線を照射することは、避けなければならない。

特開２００７−２３４７９８号公報

本発明の目的は、同じ検査領域に繰り返し電子線を照射することなしに、検査条件を決定することができる基板の検査装置、および、基板の検査方法を提供することである。

本発明の実施態様によれば、回路パターンが形成された基板に電子線を照射して発生する二次電子を検出し、検出された信号を画像化して記憶し、該記憶された画像を他の同一の回路パターンから形成された第二の画像と比較し、予め設定された欠陥判定条件に基づいて比較結果から基板の欠陥を抽出する基板の検査装置において、基板の一端から他端にわたる範囲の領域の画像を蓄積する記憶部と、該記憶部に蓄積された画像を利用して欠陥判定条件とは異なる欠陥判定条件で繰り返し欠陥判定する欠陥判定部とを備えるものである。

本発明によれば、基板の同じ検査領域に繰り返し電子線を照射することなしに、検査条件を決定することができる基板の検査装置、および、基板の検査方法を提供することができる。

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しながら説明する。

図１は、電子線を用いた基板の検査装置の構成図であり、主要な構成を略縦断面図と機能図とで表している。検査装置１は、室内が真空排気される検査室２と、検査室２内に基板９を搬送するための予備室（図示せず）を備えており、この予備室は検査室２とは独立して真空排気できるように構成されている。また、基板の検査装置１は、検査室２と予備室の他に画像処理部５から構成されている。

検査室２内は大別して、電子光学系カラム３，試料室８，光学顕微鏡室４から構成されている。電子光学系カラム３は、電子銃１０，引き出し電極１１，コンデンサレンズ１２，ブランキング偏向器１３，絞り１４，走査偏向器１５，対物レンズ１６，反射板１７，Ｅ×Ｂ偏向器１８，検出器２０から構成され、一次電子線１９を基板９へ照射するとともに、基板９から発生した二次電子を検出する。

試料室８は、試料台３０，Ｘステージ３１，Ｙステージ３２，回転ステージ３３，位置モニタ測長器３４，基板高さ測定器３５から構成されている。

光学顕微鏡室４は、検査室２の室内における電子光学系カラム３の近傍であって、互いに影響を及ぼさない程度離れた位置に配置されている。光学顕微鏡室４は光源４０，光学レンズ４１，ＣＣＤカメラ４２により構成されている。

電子光学系カラム３と光学顕微鏡室４の間の距離は既知であり、Ｘステージ３１又はＹステージ３２が電子光学系カラム３と光学顕微鏡室４の間の既知の距離を往復移動するようになっている。

二次電子検出部７は、二次電子検出器２０からの出力信号を増幅するプリアンプ２１，増幅信号をアナログからデジタルへ変換するＡＤ変換器２２を備え、それぞれを駆動するためのプリアンプ駆動電源２７，ＡＤ変換器駆動電源２８，逆バイアス電源２９と、これらに電気を供給する高圧電源２６を備える。増幅されたデジタル信号は光変換手段２３で光信号に変換され、光伝送手段２４を通って電気変換手段２５で電気信号に変換され、画像処理部５の記憶部４５へ送られる。なお、図示していないが、ＣＣＤカメラ４２で取得した光学画像も同様にして、画像処理部５へ送られる。

画像処理部５は、記憶部４５，画像処理回路４６，欠陥データバッファ４７，演算部４８，全体制御部４９から構成されている。記憶部４５に記憶された信号は画像処理回路４６で画像化されるとともに、特定位置はなれた画像同士の位置合わせ，信号レベルの規格化，ノイズ信号を除去するための各種画像処理を施し、画像信号を比較演算する。

演算部４８は、比較演算された差画像信号の絶対値を所定のしきい値と比較し、所定のしきい値よりも差画像信号レベルが大きい場合に欠陥候補と判定し、インターフェース６にその位置や欠陥候補数等を送る。全体制御部４９はこれらの画像処理や演算を制御し、状況を補正制御回路６１へ送信する。

電子線画像あるいは光学画像は、インターフェース６の画像表示部５６に表示される。検査装置１の各部の動作命令及び動作条件は、インターフェース６から指示命令が入力され、画像処理部５の全体制御部４９から補正制御回路６１へ送られる。インターフェース６では、一次電子線１９の発生時の加速電圧，偏向幅，偏向速度，二次電子，検出部７の信号取り込みタイミング，Ｘステージ３１やＹステージ３２の移動速度等の検査条件が、目的に応じて任意にあるいは選択して設定できる。インターフェース６は、例えば、ディスプレイの機能を有し、マップ表示部５５には、検出された複数の欠陥の分布が、基板９を模式的に表したマップの上に記号化されて表示される。画像取得指示領域５７は、検出された欠陥候補ごと、あるいは領域ごとに電子線画像あるいは光学画像を取得する指示を出す部分である。画像処理指示領域５８は、取得した画像の明るさ調整やコントラスト調整を指示する部分である。処理条件設定指示部５９は、一次電子線１９を基板９に照射するときの偏向幅，偏向速度，対物レンズの焦点距離，焦点深度などの各種条件を設定する部分である。

補正制御回路６１は、一次電子線１９の発生時の加速電圧，偏向幅，偏向速度，二次電子検出部７の信号取り込みタイミング，Ｘステージ３１やＹステージ３２の移動速度等が、画像処理部５の全体制御部４９から送られた指示命令に従うように制御する。また、位置モニタ測長器３４，基板高さ測定器３５の信号から基板９の位置や高さをモニタし、その結果から補正信号を生成し、走査信号発生器４３や対物レンズ電源４４に補正信号を送り、一次電子線１９が常に正しい位置に照射されるように偏向幅，偏向速度，対物レンズの焦点距離，焦点深度を変える。

電子銃１０には、拡散補給型の熱電界放出電子源を使用している。この電子銃を用いることにより、従来の例えばタングステン・フィラメント電子源や、冷電界放出型電子源に比べて安定した電子線の電流を確保することができるため、明るさ変動の少ない電子線画像が得られる。また、この電子銃により、電子線電流を大きく設定することができるため、後述するような高速検査を実現できる。

一次電子線１９は、荷電粒子源１０と引き出し電極１１との間に電圧を印加することで電子銃１０から引き出される。一次電子線１９の加速は、電子銃１０に高電圧の負の電位を印加することで決まる。これにより、一次電子線１９はその電位に相当するエネルギーで試料台３０の方向に進み、コンデンサレンズ１２で収束され、さらに対物レンズ１６により細く絞られて試料台３０に搭載された基板９に照射される。

ブランキング偏向器１３，走査偏向器１５は、ブランキング信号及び走査信号を発生する走査信号発生器４３により制御される。ブランキング偏向器１３は、一次電子線１９が絞り１４の開口部を通過しないように、一次電子線１９を偏向し、一次電子線１９の基板９への照射を防ぐことができる。一次電子線１９は対物レンズ１６により細く絞られているので、走査偏向器１５により、基板９上で走査される。

自動検査装置には、速い検査速度が求められている。従って、通常のＳＥＭのようにｐＡオーダーの電子線電流の電子線を低速で走査したり、多数回の走査及び各々の画像の重ね合せは行わない。また、絶縁材料への帯電を抑制するためにも、電子線走査は高速で一回あるいは数回程度にする必要がある。そこで本実施例では、通常のＳＥＭに比べ約１００倍以上の、例えば１００ｎＡの大電流電子線を一回のみ走査することにより画像を形成する構成とした。また、走査幅は例えば１００マイクロメートルとし、１画素は０.１マイクロメートル四方とし、１回の走査を１マイクロ秒で行うようにした。

対物レンズ１６には、対物レンズ電源４４が接続されている。コンデンサレンズ１２にも図示しないレンズ電源が接続されている。そしてこれらのレンズ強度はレンズ電源の電圧を変えることによって、補正制御回路６１で調整される。

基板９には、リターディング電源３６により負の電圧を印加できるようになっている。リターディング電源３６の電圧を調節することにより、一次電子線１９を減速させ、電子銃１０の電位を変えることなしで基板９への電子線照射エネルギーを調節することができる。

Ｘステージ３１，Ｙステージ３２の上には基板９が搭載されている。検査実行時には、Ｘステージ３１，Ｙステージ３２を静止させ、一次電子線１９を二次元に走査する方法と、Ｘステージ３１を静止させ、Ｙステージ３２をＹ方向に連続して一定速度で移動させながら一次電子線１９をＸ方向に走査する方法とがある。ある特定の比較的小さい領域を検査する場合には、前者のステージを静止させて検査する方法が、比較的広い領域を検査するときは、後者のステージを連続的に一定速度で移動して検査する方法が有効である。

Ｘステージ３１またはＹステージ３２の一方を連続的に移動させながら、基板９の画像を取得する場合、ステージの移動方向に対して略直角方向に一次電子線１９を走査し、基板９から発生した二次電子を一次電子線１９の走査及びステージの移動と同期して二次電子検出器２０で検出する。基板９上に一次電子線１９を照射することによって発生した二次電子は、基板９に印加された負の電圧により加速される。基板９の上方に、Ｅ×Ｂ偏向器１８が配置され、これにより加速された二次電子は所定の方向へ偏向される。Ｅ×Ｂ偏向器１８に印加する電圧で磁界の強度を変え、偏向量を調整することができる。また、Ｅ×Ｂ偏向器１８の電磁界は、基板９に印加した負の電圧に連動させて可変させることができる。Ｅ×Ｂ偏向器１８により偏向された二次電子は、所定の条件で反射板１７に衝突する。この反射板１７は、基板９に照射する一次電子線１９の偏向器１５のシールドパイプを兼ね、円錐形状をしている。この反射板１７に加速された二次電子が衝突すると、反射板１７からは数Ｖから５０ｅＶのエネルギーを持つ第二の二次電子が発生する。

位置モニタ測長器３４として、本実施例ではレーザ干渉を原理とした測長計をＸ方向とＹ方向に用い、Ｘステージ３１及びＹステージ３２の位置を一次電子線１９を照射しながら測定し、補正制御回路６１に送信されるように構成されている。また、Ｘステージ３１，Ｙステージ３２，回転ステージ３３の各駆動モータの回転数も各々のドライバ回路から補正制御回路６１に送信されるように構成されている。補正制御回路６１は、これらのデータに基づいて一次電子線１９が照射されている領域や位置が正確に把握できるようになっており、一次電子線１９の照射位置の位置ずれを補正制御回路６１より補正する。また、一次電子線１９を照射した領域を記憶できるようになっている。

基板高さ測定器３５には、電子線以外の測定方式である光学式測定器、例えばレーザ干渉測定器や反射光の位置で変化を測定する反射光式測定器が使用される。例えば、スリットを通過した細長い白色光を透明な窓越しに基板９に照射し、反射光の位置を位置検出モニタにて検出し、位置の変動から高さの変化量を算出する方式が知られている。基板高さ測定器３５は、Ｘステージ３１，Ｙステージ３２に搭載され、基板９の高さを測定する。基板高さ測定器３５の測定データに基づいて、一次電子線１９を細く絞るための対物レンズ１６の焦点距離がダイナミックに補正され、常に検査領域に焦点が合った一次電子線１９を照射できるようになっている。また、基板９の反りや高さ歪みを一次電子線１９の照射前に予め測定し、そのデータに基づいて対物レンズ１６の検査領域毎の補正条件を設定するように構成することも可能である。

図２はインターフェース６のディスプレイに表示される画像の一例を示す画面図である。ディスプレイの画面の広い領域には、マップ表示部５５と画像表示部５６とが配置される。画面の下方には、モード切替えボタン６０が配置され、「検査」「欠陥確認」「レシピ作成」「ユーティリティ」の各モードを選択できる。「レシピ作成」モードは、自動検査の条件を設定するモードである。「ユーティリティ」モードは、他のモードには現れない補助機能を呼び出すモードであり、通常は使用しない。

図３は、レシピ作成モードにおけるレシピの作成手順を示すフローチャートである。レシピ作成においては、得られた画像から真の欠陥候補を抽出できる画像処理条件を決定することが重要であり、作成された電子光学条件で試し検査を行い、取得した画像を画像処理して欠陥候補の検出を行い、レシピの妥当性をオペレータが判断する。

レシピ作成モードでは、オペレータは、はじめに基板が収納されたカセット棚番を指定し（ステップ３０１）、基板の仕様に合わせて使用するレシピを選択し（ステップ３０２）、基板を検査装置へロードし（ステップ３０３）、電子光学条件を調節して電子のビーム校正を行い（ステップ３０４）、画像のコントラストを確認する（ステップ３０５）。次に、基板上の検査対象を設定するために、ダイやショットのマトリクスを確認し（ステップ３０６）、座標合せのためにダイやショットのマトリクスを用いてアライメント条件を設定し実行し（ステップ３０７）、検査対象領域をセル領域設定（ステップ３０８）、ダイ領域設定（ステップ３０９）により設定して、基板全体の検査領域を確認して設定が完了する（ステップ３１０）。次に、画像処理のキャリブレーションを設定し実行し（ステップ３１１）、基板の中の小領域での試し検査を実行する（ステップ３１２）。

小領域での試し検査が終了したら、広領域の最終試し検査を行う（ステップ３１３）。広領域の最終試し検査の後、検査結果をレビューし（ステップ３１４）、レシピが確定したらレシピと検査結果を保存する（ステップ３１５）。最後に基板をアンロードし（ステップ３１６）、レシピ作成モードが終了する。

試し検査の手順には、ステップ３１２の小領域試し検査の後にステップ３１３の広領域最終試し検査を行う場合と、両ステップに替えてステップ３１７の広領域最終試し検査を行う場合とがある。

ステップ３１２の小領域試し検査は、小領域のみに電子線を照射して画像を取得し、画像処理を行って欠陥候補を抽出し、欠陥候補の状態によっては画像処理条件を変更して、再度、欠陥候補の画像を取得し、これを繰り返すものである。

図４は、小領域試し検査の概要を示す基板の平面図、図５は、小領域試し検査の手順を示すフローチャートである。図４（ａ）に示すように、基板９には多くのダイ４０１が形成され、その中の一つのダイをオペレータが選択すると、選択されたダイで試し検査が実行されることを記号４０２で表示する。次に、図４（ｂ）に示すように、ダイ４０１の指定されたダイの中のメモリマット４０３の検査対象を選択し指定すると、選択されたメモリマットで試し検査が実行されることを記号４０２で表示する。図５に示す小領域試し検査の手順では、はじめに図４に示したようにして選択された対象領域の画像を取得してその画像データが画像処理装置へ保存され（ステップ５０１）、レシピ作成で設定された画像処理条件を呼び出して設定し（ステップ５０２）、画像処理装置で欠陥を検出し（ステップ５０３）、欠陥を確認する（ステップ５０４）。次に、欠陥検出結果が満足できるかどうかを判定し（ステップ５０５）、満足できない場合は、画像を取得せず、画像処理条件を変えて欠陥検出処理を行う。

このように、検出された結果を確認して、所望の欠陥候補の検出率が悪かったり、虚報が多い時には、画像処理条件を変更して欠陥検出処理を再度、実行する。画像処理条件を変更しながら最適な条件を決定する。利点は画像再取得を必要としないので、余分な荷電粒子線の照射を避けることができると共に、画像取得する時間を必要としないので、条件出し時間の短縮になる。欠点は画像を蓄積する領域を小さくしたので、基板全体に対する欠陥検出処理の適否を確認することができない。

図６は、広領域試し検査の概要を示す基板の平面図、図７は、広領域試し検査の手順を示すフローチャートであり、図３のステップ３１３の内容を説明するものである。図５に示した手順で決定した小領域試し検査の画像処理条件を用いて、広範囲の領域を検査し、小領域試し検査で決定した画像処理条件が、広範囲の領域の検査に摘要できるかどうか、欠陥検出率の低下、虚報の増大がないかを確認する。

図６において、基板９の一端から他端にわたるダイのうち、図４（ｂ）に示したようなメモリマット部を検査領域として、記号６０２で示す領域で試し検査を行う。所望の結果が得られないときは、記号６０３で示す領域で試し検査を行う。例えば、基板外周で虚報が増加するなど所望の検出性能が出ていないときは、検査領域を変更して、同様な検査を実施する。この動作を所望の結果が得られるまで繰り返し実施する。

図７に示す広領域試し検査の手順では、はじめに広領域の検査領域を選択し指定し（ステップ７０１）、画像処理条件を設定し（ステップ７０２）、画像を取得しながら欠陥検出処理が行われ、結果をみて画像処理条件の適否を判定し（ステップ７０３）、適であれば終了し、否であればステップ７０１へ戻る（ステップ７０４）。

この手順の利点は、基板全体に対する検出性能が確認できることであるが、広範囲の領域に何度も電子線を照射してしまうこと、画像取得と検出処理の両方を実施するのでそれぞれの条件設定に時間がかかってしまうこと、さらに、毎回異なる検査領域を使用し、異なる欠陥密度の状態で検出条件を比較することから、定量的な判断ができないことが課題であった。

図８は、広領域試し検査の概要を示す基板の平面図、図９は、広領域試し検査の手順を示すフローチャートであり、図３のステップ３１７の内容を説明するものである。図８の記号８０２で示す広領域で画像を取得し、欠陥候補を検出する画像処理条件を決める。図９において、はじめに、広範囲の検査領域を選択し設定し（ステップ９０１）、画像処理条件を設定し（ステップ９０２）、画像を取得しながら欠陥を検出し（ステップ９０３）、図８に示す記号８０２で示す広領域の画像の取得が終了したら画像を確認し、必要に応じて画像処理条件を更新設定し（ステップ９０４）、取得した画像を用いて設定された画像処理条件で欠陥候補の検出を行う（ステップ９０５）。所望の結果が得られた場合は終了する（ステップ９０６）。所望の結果が得られていない場合は、画像処理条件を変更設定し（ステップ９０４）、画像を取得しないで欠陥検出処理を行う（ステップ９０５）。これを所望の結果が得られるまで繰り返す。

広範囲の領域の画像を利用して何度も繰り返して欠陥検出処理が実施できるので、余分な荷電粒子線の照射を避けると共に、常に同じ欠陥に対して比較できるので定量的な比較が可能となり、また、条件出しの時間を短縮することができる。

以上述べたように、本実施例によれば、余分な電子線の照射を避け、基板全体の欠陥検出性能を確認しつつ、短時間で画像処理条件を決定することができるので、レシピの作成時間を短縮することができる。

電子線を用いた基板の検査装置の構成図。 インターフェースのディスプレイに表示される画像の一例を示す画面図。 レシピ作成モードにおけるレシピの作成手順を示すフローチャート。 小領域試し検査の概要を示す基板の平面図。 小領域試し検査の手順を示すフローチャート。 広領域最終試し検査の概要を示す基板の平面図。 広領域最終試し検査の手順を示すフローチャート。 広領域最終試し検査の概要を示す基板の平面図。 広領域最終試し検査の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１ 検査装置
５ 画像処理部
６ インターフェース
９ 基板
４５ 記憶部
４６ 画像処理回路
４７ 欠陥データバッファ
４９ 全体制御部
５５ マップ表示部
５６ 画像表示部

Claims (5)

1. 回路パターンが形成された基板に電子線を照射して発生する二次電子を検出し、検出された信号を画像化して記憶し、該記憶された画像を他の同一の回路パターンから形成された第二の画像と比較し、予め設定された欠陥判定条件に基づいて前記比較結果から前記基板の欠陥を抽出する基板の検査装置において、
   前記基板の一端から他端にわたる範囲の領域の画像を蓄積する記憶部と、
   該記憶部に蓄積された前記画像を利用して前記欠陥判定条件とは異なる欠陥判定条件で繰り返し欠陥判定する欠陥判定部とを備えたことを特徴とする基板の検査装置。
2. 請求項１の記載において、前記欠陥判定部は、前記記憶部に蓄積された前記画像に対して、前記異なる欠陥判定条件で繰り返し連続して欠陥判定することを特徴とする基板の検査装置。
3. 回路パターンが形成された基板に電子線を照射して発生する二次電子を検出し、検出された信号を画像化して記憶し、該記憶された画像を他の同一の回路パターンから形成された第二の画像と比較し、該比較結果から基板の欠陥を抽出する基板の検査装置において、
   前記画像を記憶する記憶部と、
   前記画像と前記第二の画像との間の位置合わせ、信号レベルの規格化，ノイズ信号の除去を行うとともに、画素間の信号レベルの差が予め定められた閾値を越えた場合に該差を欠陥として抽出する画像処理装置とを備え、
   該画像処理装置による前記欠陥の抽出が所望の結果でない場合に、前記記憶部に記憶された画像を用いて前記画像と前記第二の画像との間の位置合わせ、信号レベルの規格化，ノイズ信号の除去を再度行うとともに、画素間の信号レベルの差が予め定められた閾値を越えた場合に該差を欠陥として抽出することを特徴とする基板の検査装置。
4. 回路パターンが形成された基板に電子線を照射して発生する二次電子を検出し、検出された信号を画像化して記憶し、該記憶された画像を他の同一の回路パターンから形成された第二の画像と比較し、予め設定された欠陥判定条件に基づいて前記比較結果から前記基板の欠陥を抽出する基板の検査方法において、
   前記基板の一端から他端にわたる範囲の領域の画像を蓄積し、該記憶部に蓄積された前記画像を利用して前記欠陥判定条件とは異なる欠陥判定条件で繰り返し欠陥判定することを特徴とする基板の検査方法。
5. 請求項４の記載において、前記記憶部に蓄積された前記画像に対して、前記異なる欠陥判定条件で繰り返し連続して欠陥判定することを特徴とする基板の検査方法。

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