JP2010160079A - 欠陥検査装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高いスループット及び高感度を維持しながら、複数の照明条件により検査対象物の検査を行なうことが可能な欠陥検査装置を実現する。
【解決手段】照明光学系から領域１０ａと１０ｂとで互いに異なる照明条件の光が照射される。センサ７０とセンサ８０とは、照明条件が互いに異なる領域１０ａ、１０ｂからの反射光について同時に検査を実行する。試料１０の領域１０ａで散乱された光は、検出レンズ４０の対物レンズ４０ａと空間フィルタ１５０と結像レンズ４０ｂとを経て、ビームスプリッタ５０によって反射され、センサ８０にて光電変換される。試料１０の領域１０ｂで散乱された光は、検出レンズ４０の対物レンズ４０ａと空間フィルタ１００と結像レンズ４０ｂとを経て、ビームスプリッタ５０を透過し、収差補正素子６０を経てセンサ７０にて光電変換される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子等のパターン形成工程において、異物やパターンの変形等の欠陥を検出する欠陥検査装置およびその方法に関する。

半導体製造工程では、検査対象物である半導体基板（ウエハ）上に異物が存在すると配線の絶縁不良や短絡などの不良原因になる。また、半導体素子上のパターンの微細化につれて、半導体基板中に微細な異物が存在した場合に、この異物がキャパシタの絶縁不良やゲート酸化膜などの破壊の原因となっている。

同様に、液晶表示素子製造工程でも、パターン上に異物が混入したり、パターンの形状に何らかの欠陥が生じたりすると、表示素子として使用できないものになってしまう。プリント基板の製造工程でも状況は同じであって、異物の混入はパターンの短絡、不良接続の原因に成る。

従来、種の基板上の異物を検出する技術の１つとして、特許文献１に記載されている。つまり、半導体基板上にレーザを照射して半導体基板上に異物が付着している場合には、異物から散乱光が発生するので、この散乱光を検出し、直前に検査した同一品種半導体基板の検査結果と比較することにより、パターンによる虚報を無くし、高感度かつ高信頼度な異物及び欠陥検査を可能にする技術である。

また、上記異物を検査する技術として、ウエハにコヒーレント光を照射してウエハ上の繰り返しパターンから射出する光を空間フィルタで除去し繰り返し性を持たない異物や欠陥を強調して検出する方法が知られている。

また、ウエハ上に形成された回路パターンに対して、この回路パターンの主要な直線群に対して４５度傾けた方向から光を照射して主要な直線群からの０次回折光を検出光学系の対物レンズの開口内に入射させないようにした異物検査装置が、特許文献２に記載されている。

また、基板上の同一領域からの反射光を、検出レンズとセンサの間に配置したビームスプリッタによって２分岐し、２つのセンサで同時に基板上の異物を検出する欠陥検査技術が特許文献３に記載されている。

また、特許文献４には、ビームスプリッタと光入射手段との間に球面収差補正板を有するレーザ検査装置が記載されている。

さらに、特許文献５には、結像光学系の光路中に、残存する収差を補正する収差補正板を対物レンズ間に配置する観察装置が記載されている。

特開昭６２−８９３３６号公報 特開平１−１１７０２４号公報 特開２０００−１０５２０３号公報 特開２００２−２１４５１９号公報 特開２００２−１７５９６４号公報

半導体や液晶表示素子の製造工程においてはパターンの微細化と半導体ウエハやガラス基板の大型化に伴い、欠陥検査装置全体も大型化する傾向にある。

このため、高感度でありながら、小型化が可能な欠陥検査装置及び欠陥検査方法が望まれている。

さらに、半導体や液晶表示素子の製造工程においては、高感度化と高スループット化の同時実現がより重要となってきている。

しかし、従来の技術にあっては、高感度化のためには、微細画素による検査や複数の光学条件による複数回検査が必要であり、スループットの低下が避けられなかった。

つまり、従来技術においては、検査対象物の同一領域からの反射光を２分割して、別個の検出器で検出してはいるが、検査対象物への照明条件としては、同一であるので、複数の照明条件を実行するためには、検査を複数回行う必要があった。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、高感度を維持しながら小型化が可能な欠陥検査方法およびその装置、さらには、高いスループット及び高感度を維持しながら、複数の照明条件により検査対象物の検査を行なうことが可能な欠陥検査方法およびその装置を実現することである。

上記目的を達成するために、本発明は、以下のように構成される。

欠陥検査装置において、検査対象に照明光を照射する照明手段と、検査対象からの反射光により光学像を形成する結像手段と、上記検査対象からの反射光を透過及び反射して２分岐する光路分割手段と、この光路分割手段を透過した光の収差を補正する収差補正手段と、この収差補正手段により収差が補正された光学像を電気信号に変換する第１の検出手段と、光路分割手段により反射され、かつ、上記結像手段により結像された光学像を電気信号に変換する第２の検出手段と、第１の検出手段及び第２の検出手段からの出力信号に基づいて検査対象上の欠陥を検出する欠陥検出手段とを備える。

さらに、上記欠陥検査装置において、上記照明手段は、上記検査対象の２つの領域に、互いに異なる照明条件の照明光を照射する。

高感度を維持しながら小型化が可能な欠陥検査方法およびその装置、さらには、高いスループット及び高感度を維持しながら、複数の照明条件により検査対象物の検査を行なうことが可能な欠陥検査方法およびその装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態が適用される欠陥検査装置の全体概略構成図である。

図１において、検査対象である試料１０（半導体ウエハや、表示素子、プリント基板など）は、ステージ１１０に搭載されている。ステージ１１０は、例えば、ＸＹステージ、Ｚステージ、シータステージ（角度（ａ）の調整）などの組み合わせで構成される。ステージ１１０は、このステージ１１０の上方に設置された検査光学系１００によって、試料１０の全面が検査できるように、試料１０をＸＹ面内で走査できるものが用いられる。

試料１０は、照明光学系３０（光源を含む）から射出される照明光２０によって照明される。試料１０上のパターンや異物等の欠陥からの散乱反射光のうち、検査レンズ４０に入射したものは、ビームスプリッタ５０を経てセンサ７０、８０に導かれる。

ビームスプリッタ５０としては、大判のものの実現が容易な平板ビームスプリッタを用いる。ビームスプリッタ５０を透過する光については、さらにビームスプリッタ５０による収差を補正するガラス平板等の収差補正素子６０を経てセンサ７０に導かれる。センサ７０、８０に入射した光は、光電変換され画像信号が画像処理部（欠陥検出手段）１４０に送られる。

なお、検査レンズ４０としては、検光子を備えたものを用いることもある。センサ７０、８０としては、リニアＣＣＤセンサやＴＤＩセンサなどが用いられる。画像処理部１４０では、隣接する同じパターンからの画像が比較され、得られた差分から欠陥が検出される。

制御部１２０は、ステージ１１０、照明光学系３０、センサ７０、８０、画像処理部１４０の動作を制御する。また、操作部１３０は、オペレータ等からの操作指令を画像処理部１４０、制御部１２０に伝達する。

図２は、試料１０からセンサ７０、８０までの検出光学系１００の構成を示す図であり、図２の（Ａ）は、正面図であり、図２の（Ｂ）は、図２の（Ａ）の左側から見た側面図である。

この第１の実施形態は、試料１０上の２つの異なる領域１０ａと１０ｂをそれぞれセンサ８０（第２の検出手段）と７０（第１の検出手段）とで検出する例である。つまり、照明光学系３０からは、領域１０ａと１０ｂとで互いに異なる照明条件の光が照射される。例えば、照明強度を互いに異なる値としたり、照射方位角、照射仰角、偏光条件を互いに異ならせて、領域１０ａと１０ｂとに照射される。

そして、センサ７０とセンサ８０とは、照明条件が互いに異なる領域１０ａ、１０ｂからの反射光について、同時に検査を実行することができる。

以下、構成について詳述する。

図２において、試料１０の領域１０ａで散乱された光は、結像手段である検出レンズ４０の対物レンズ４０ａと空間フィルタ１５０と結像レンズ４０ｂとを経て、ビームスプリッタ（光路分割手段）５０によって反射され（一部は透過される）、センサ８０にて光電変換される。

また、試料１０の領域１０ｂで散乱された光は、検出レンズ４０の対物レンズ４０ａと空間フィルタ１００と結像レンズ４０ｂとを経て、ビームスプリッタ５０を透過し（一部は反射される）、収差補正素子６０を経てセンサ７０にて光電変換される。

試料１０面で散乱された光は、センサ７０面で像を結ぶ必要があるため、ビームスプリッタ５０を透過する際には収束光となっている。特に、高スループットのモードでは、試料１０面上の画素サイズを大きくするために、検出レンズ４０の投影倍率として低い倍率が用いられるため、像側ＮＡが比較的大きな収束光となる。

一般的に、収束光束が傾斜した平行平板に入射すると、板厚と傾斜角に応じて以下に示す収差が生じるため、収差補正素子６０により補正を行う。

収束光束が傾斜した平行平板に入射した場合の主要な収差量は以下の式（１）〜（３）で表される。なお、式（１）〜（３）において、Ｔは平板の板厚、Ｕは光線の光軸に対する最大傾斜角（ＮＡ＝ｓｉｎＵ）、ｎは平板の屈折率、ｆ＃は、ｆ-number、（Ｕ_ｂａｒ）は平板の光軸に対する傾斜角である。また、球面収差をｄＷ_ｓｐｈ、コマ収差をｄＷ_ｃｏｍａ、非点収差をＷ_{ａｓｔｉｇ}とする。

ｄＷ_ｓｐｈ＝−｛ＴＵ^４（ｎ^２−１）｝/（８ｎ^３）＝−｛Ｔ/（ｆ＃）^４｝｛（ｎ^２−１）/（１２８ｎ^３）｝ ・・・（１）
ｄＷ_ｃｏｍａ＝−｛ＴＵ^３（Ｕ_ｂａｒ）（ｎ^２−１）｝ｃｏｓ（ａ）/（２ｎ^３）＝−｛Ｔ（Ｕ_ｂａｒ）/（ｆ＃）^３｝｛（ｎ^２−１）/（１６ｎ^３）｝ｃｏｓ（ａ） ・・・（２）
ｄＷ_{ａｓｔｉｇ}＝−｛ＴＵ^２（Ｕ_ｂａｒ）^２（ｎ^２−１）｝ｃｏｓ^２（ａ）/（２ｎ^３）＝−｛Ｔ（Ｕ_ｂａｒ）^２/（ｆ＃）^２｝｛（ｎ^２−１）/（８ｎ^３）｝ｃｏｓ^２（ａ） ・・・（３）
例えば、ビームスプリッタとして、厚さ５ｍｍ、屈折率１．５のガラスを用い、光路を９０度曲げるために、光軸に対して４５度傾けて配置するケースでは、検出レンズ４０の物体側ＮＡを０．０５と仮定すると、球面収差（ｄＷ_sph）とコマ収差（ｄＷ_ｃｏｍａ）は無視できるレベルであるが、非点収差（ｄＷ_{ａｓｔｉｇ}）が１．０ラムダrms程度生じる。

本発明の第１の実施形態では、収差補正素子６０として平行平板を用い、図２に示すようにビームスプリッタ５０とねじれの位置関係となる様に光軸に対して傾斜させて配置して非点収差を補正する。

収差補正素子６０がビームスプリッタ５０と同じ材質かつ同じ厚さの場合には、ビームスプリッタ５０と同じ角度（４５度）だけ光軸に対して傾けることで、逆符号の非点収差を発生させ、ビームスプリッタ５０による非点収差を相殺することが可能となる。

収差補正素子６０が、実装上の制約等で同じ角度傾けることができない場合には、ビームスプリッタ５０より屈折率の高い硝材を用いたり、板厚の厚い基板を用いることで、小さい傾斜角で補正することも可能である。

収差補正素子６０の配置位置は、上記式（３）に基づき、ビームスプリッタ５０で生じる収差量と逆符号で同等の収差量が発生させられればよい。

本発明の第１の実施形態においては、さらに必要に応じて収差補正素子６０にこの収差補正素子６０上の場所（位置）によって透過率の異なるＮＤフィルタ膜（誘電体多層膜又は金属膜）を設ける。こうすることにより、センサ７０と８０とで明るさの異なる領域の検査が可能となり、センサのダイナミックレンジを拡大するのと等価な効果が得られる。

センサ７０と８０で検出する光量の差を予め決めておける場合には、収差補正素子６０に所定の透過率の膜をつければよく、ＮＤフィルタ膜のコストを低減することが可能である。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、互いに照明条件が異なる領域１０ａ、１０ｂからの反射光をそれぞれのセンサ７０、８０で同時に検出し、検査することができる。さらに、ビームスプリッタ５０を透過した光については、収差補正素子６０により収差を補正しているので、高感度を維持することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態が適用される欠陥検査装置の検出光学系１００の構成を示す図である。この第２の実施形態における欠陥検査装置の全体構成は、第１の実施形態と同様であるので、図示及び説明は省略する。

本発明の第２の実施形態と第１の実施形態との相違は、センサ７０とビームスプリッタ５０との間に、平行平板６０に代えてシリンドリカルレンズ９０を収差補正素子として配置したところである。その他の構成は、図２に示した例と同等となっている。

シリンドリカルレンズ９０は、透過する光の光軸に対して直交するように配置する。ビームスプリッタ５０で生じる収差は、非点収差が主成分であるため、収差補正素子として使用するシリンドリカルレンズ９０は非常に屈折力の弱いものを使用する。

本発明の第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

ただし、この第２の実施形態におけるシリンドリカルレンズ９０は、配置位置精度が、第１の実施形態における平行平板６０の配置位置精度より精度が要求される。第１の実施形態における平行平板６０の場合は、光軸に対する傾斜角度は高精度に設定されなければならないが、他の配置条件は、シリンドリカルレンズ９０に比較して、高精度は要求されない。

なお、上述した第２の実施形態においては、シリンドリカルレンズ９０を用いたが、収差補正素子として収差を相殺する表面形状をもつ素子であれば、他の形状、組成の素子を使用することができる。

本発明の第１及び第２の実施形態では、センサ７０と８０とで試料１０上の異なる領域１０ａ、１０ｂの像を得る例を示したが、試料１０上の一つの領域に同一の照明条件の照明光を照射する構成とすることもできる。この場合にも、ビームスプリッタ５０を透過した光を簡単な構成の収差補正素子６０で収差を補正することが可能であり、検査の高精度を維持しながら小型化が可能な欠陥検査装置及び欠陥検査方法を実現することができる。

さらに、照明光学系３０からの照射光を試料１０上の２つの領域に異なる照明条件で照射する状態と、試料１０上の一つの領域に同一の照明条件で照射する状態とを切り替えられる構成とすることもできる。これは、操作部１３０からの指令により、制御部１２０が、照明光学系３０をいずれかの状態に切り替える。

試料１０上の一つの領域に同一の照明条件で照射する場合、一つの領域から同一の照明条件の反射光が、センサ７０と８０との双方に入力されるが、それぞれの検出感度を調整可能とすれば、センサのダイナミックレンジを見かけ上、拡大することが可能である。

また、上述した例は、照明光学系３０からの照明光２０を検出レンズ４０を通さずに入れる暗視野光学系の例を示したが、明視野光学系に対しても本発明は有効である。

本発明が適用される欠陥検査装置の全体構成図である。 本発明の第１の実施形態である欠陥検査装置の検出光学系の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態である欠陥検査装置の検出光学系の構成例を示す図である。

１０・・・検査対象（試料、基板、ウエハ）、 ２０・・・照明光、 ３０・・・照明光学系（光源含）、 ４０・・・検査レンズ、 ５０・・・ビームスプリッタ、 ６０・・・収差補正素子（平行平板）、 ７０、８０・・・センサ、 ９０・・・収差補正素子（シリンドリカルレンズ）、 １００・・・検出光学系、 １１０・・・ステージ、 １２０・・・制御部、 １３０・・・操作部、 １４０・・・画像処理部

Claims (11)

1. 検査対象に照明光を照射する照明手段と、
   上記照明手段により照明された上記検査対象からの反射光により光学像を形成する結像手段と、
   上記結像手段を透過した上記検査対象からの反射光を透過及び反射して２分岐する光路分割手段と、
   上記光路分割手段を透過した光の収差を補正する収差補正手段と、
   上記収差補正手段により収差が補正され、かつ、上記結像手段により結像された光学像を電気信号に変換する第１の検出手段と、
   上記光路分割手段により反射され、かつ、上記結像手段により結像された光学像を電気信号に変換する第２の検出手段と、
   上記第１の検出手段及び第２の検出手段からの出力信号に基づいて、上記検査対象上の欠陥を検出する欠陥検出手段と、
   を備えることを特徴とする欠陥検査装置。
2. 請求項１記載の欠陥検査装置において、上記照明手段は、上記検査対象の２つの領域に、互いに異なる照明条件の照明光を照射することを特徴とする欠陥検査装置。
3. 請求項２記載の欠陥検査装置において、上記光路分割手段は、平板状のビームスプリッタであることを特徴とする欠陥検査装置。
4. 請求項３記載の欠陥検査装置において、上記収差補正手段は、上記光路分割手段を透過した光の光軸に対して傾斜して配置される平板状の光学素子であることを特徴とする欠陥検査装置。
5. 請求項４記載の欠陥検査装置において、上記収差補正手段である平板状の光学素子は、上記平板状のビームスプリッタが透過する光の光軸に対して傾斜される傾斜角度と同一の傾斜角度で、上記光軸に対して傾斜されていることを特徴とする欠陥検査装置。
6. 請求項３記載の欠陥検査装置において、上記収差補正手段は、上記光路分割手段を透過した光の光軸に対してほぼ直交して配置される光学素子であることを特徴とする欠陥検査装置。
7. 請求項６記載の欠陥検査装置において、上記収差補正手段は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする欠陥検査装置。
8. 請求項４記載の欠陥検査装置において、上記収差補正手段には、光の透過率を低減させる膜が形成されていることを特徴とする欠陥検査装置。
9. 請求項８記載の欠陥検査装置において、上記光透過率を低減させる膜は、光透過率が位置によって異なることを特徴とする欠陥検査装置。
10. 検査対象上の欠陥を検査する欠陥検査方法において、
    検査対象に照明光を照射し、
    上記照明手段により照明された上記検査対象からの反射光により光学像が形成されるように光を収束し、
    上記検査対象からの反射光を光路分割手段により透過及び反射して２分岐し、
    上記光路分割手段を透過した光の収差を収差補正手段により収差補正し、
    上記収差補正手段により収差が補正され、かつ、上記結像手段により結像された光学像を第１の検出手段により電気信号に変換し、
    上記光路分割手段により反射され、かつ、上記結像手段により結像された光学像を第２の検出手段により電気信号に変換し、
    上記第１の検出手段及び第２の検出手段からの出力信号に基づいて、上記検査対象上の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。
11. 請求項１０記載の欠陥検査方法において、上記検査対象の２つの領域に、互いに異なる照明条件の照明光を照射することを特徴とする欠陥検査方法。

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