JP2011141137A - 表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハの端部近傍を高速に検査可能な表面検査装置を提供する。
【解決手段】表面検査装置１は、ウェハ１０を回転可能に支持するステージ１５と、照明系２０と、受光系３０および撮像装置３５と、画像処理部４０と、制御部４５とを備え、受光系３０および撮像装置３５は、ウェハ１０の表面に対する照明光の正反射方向に近くて正反射光を検出しない方向を向くように配設されて、ウェハ１０の端部近傍で生じた散乱光を検出し、画像処理部４０は、撮像装置３５により検出された散乱光の情報に基づいて、ウェハ１０の端部近傍における異常の有無を検査し、制御部４５は、ステージ１５に照明光に対して繰り返しパターンで回折光が検出されない回転角度位置にウェハ１０を回転させる制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造工程において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。

上述のような表面検査装置として、半導体ウェハの表面に照明光を照射して当該ウェハの表面に形成された繰返しパターンからの回折光による像を撮像し、撮像面内における輝度変化からパターンの良否判断を行う表面検査装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような表面検査装置では、ウェハの表面に区画形成されたチップ領域毎に、パターンの良否判断を行う。

特開２００８−１５１６６３号公報

近年、ウェハに形成されるパターンの集積度が高くなるのに伴い、ウェハの端部近傍における検査が重要となってきている。しかしながら、上述のような表面検査装置は、チップ領域毎に検査を行うことはできるが、各チップ領域の外側に位置するウェハの外周端部近傍を検査するための機能を有していなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、基板の端部近傍を高速に検査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、表面に所定の繰り返しパターンが形成された略円盤状の基板を回転可能に支持するステージ部と、前記ステージ部に支持された前記基板の表面に照明光を照射する照射部と、前記照明光が照射された前記基板の表面からの光を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記光の情報に基づいて前記基板における異常の有無を検査する検査部と、前記ステージ部の回転作動を制御する制御部とを備え、前記検出部は、前記基板の表面に対する前記照明光の正反射方向に近くて且つ正反射光を検出しない方向を向くように配設されて、前記基板の端部近傍で生じた散乱光を検出し、前記検査部は、前記検出部により検出された前記散乱光の情報に基づいて、前記基板の端部近傍における異常の有無を検査し、前記制御部は、前記ステージ部に前記照明光に対して前記繰り返しパターンで回折光が検出されない回転角度位置に前記基板を回転させる制御を行うようになっている。

なお、上述の表面検査装置において、前記制御部は、前記回折光が検出されない第１の回転角度位置および、前記第１の回転角度位置に対して９０度だけ回転した第２の回転角度位置にそれぞれ、前記基板を回転させる制御を行い、前記第１の回転角度位置および前記第２の回転角度位置においてそれぞれ、前記検出部が前記散乱光を検出して前記検査部が前記検査を行うことが好ましい。

本発明によれば、基板の端部近傍を高速に検査することができる。

散乱光を利用した表面検査を行うときの表面検査装置を示す図である。 回折光を利用した表面検査を行うときの表面検査装置を示す図である。 ウェハの表面を示す図である。 ウェハの端部近傍を示す拡大図である。 レジストの端部とウェハの端部との間の幅の分布を示すグラフである。

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。本実施形態の表面検査装置１を図１および図２に示しており、この装置により半導体ウェハ１０（以下適宜、単にウェハ１０と称する）の表面を検査する。本実施形態の表面検査装置１は、略円盤形に形成されたウェハ１０を支持するステージ１５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は、ステージ１５の上に載置されるとともに真空吸着によって固定保持される。ステージ１５は、ウェハ１０の回転対称軸（ステージ１５の中心軸）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）可能に支持する。また、ステージ１５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、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、ステージ１５に支持されたウェハ１０の表面に照明光を平行光として照射する照明系２０と、照明光の照射を受けたときのウェハ１０からの光を受光する受光系３０と、受光系３０により集光された光を受けてウェハ１０の表面の像を撮像する撮像装置３５と、画像処理部４０および制御部４５とを備えて構成される。照明系２０は、照明光を射出する照明ユニット２１と、照明ユニット２１から射出された照明光をウェハ１０の表面に向けて反射させる照明側凹面鏡２５とを有して構成される。照明ユニット２１は、メタルハライドランプや水銀ランプ等の光源部２２と、光源部２２からの光のうち所定の波長を有する光を抽出し強度を調節する調光部２３と、調光部２３からの光を照明光として照明側凹面鏡２５へ導く導光ファイバ２４とを有して構成される。

そして、光源部２２からの光は調光部２３を通過し、所定の波長を有する照明光が導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出され、導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出された照明光は、導光ファイバ２４の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点面に配置されているため、照明側凹面鏡２５により平行光束となってステージ１５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。なお、ウェハ１０に対する照明光の入射角と出射角との関係は、ステージ１５をチルト（傾動）させてウェハ１０の載置角度を変化させることにより調整可能である。

ウェハ１０の表面からの出射光（例えば、回折光）は受光系３０により集光される。受光系３０は、ステージ１５に対向して配設された受光側凹面鏡３１を主体に構成され、受光側凹面鏡３１により集光された出射光は、撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像（例えば、回折像）が結像される。撮像装置３５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４０に出力する。

画像処理部４０は、撮像装置３５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。画像処理部４０の内部メモリ（図示せず）には、良品ウェハの画像データ（複数の次数における回折像や正反射像等）が予め記憶されており、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、例えば、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における異常（欠陥）の有無を検査する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。制御部４５は、ステージ１５や撮像装置３５、画像処理部４０等の作動を制御する。

ところで、ウェハ１０は、ウェハ１０の表面に塗布された最上層のレジスト膜１１（図３を参照）への露光・現像後、不図示の搬送系により、不図示のウェハカセットまたは現像装置からステージ１５上に搬送される。なおこのとき、ウェハ１０は、ウェハ１０のパターンもしくは外縁部（ノッチやオリエンテーションフラット等）を基準としてアライメントが行われた状態で、ウェハステージ１０上に搬送される。なお、ウェハ１０の表面には、図３に示すように、レジスト膜１１への露光・現像によって、複数のチップ領域（ショット）１２が縦横に配列され、各チップ領域１２の中には、ラインパターンまたはホールパターン等の繰り返しパターン１３が形成されている。

以上のように構成される表面検査装置１を用いて、ウェハ１０の表面検査を行うには、まず、不図示の搬送装置により、検査対象となるウェハ１０をステージ１５上に搬送する。なお、搬送の途中で不図示のアライメント機構によりウェハ１０の表面に形成されているパターンの位置情報を取得しており、ウェハ１０をステージ１５上の所定の位置に所定の方向で載置することができる。

次に、回折光を利用してウェハ１０の表面検査を行う場合には、制御部４５の作動制御によって、図２に示すように、ウェハ１０の表面上における照明方向と繰り返しパターン１３の繰り返し方向とが一致するようにステージ１５を回転させるとともに、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θ１とし、ｎ次回折光の出射角をθ２としたとき、ホイヘンスの原理より、次の（１）式を満足するように設定を行う（ステージ１５をチルトさせる）。

Ｐ＝ｎ×λ／｛ｓｉｎ（θ１）−ｓｉｎ（θ２）｝ …（１）

次に、照明光をウェハ１０の表面に照射する。このような条件で照明光をウェハ１０の表面に照射する際、照明ユニット２１における光源部２２からの光は調光部２３を通過し、所定の波長を有する照明光が導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５で反射した照明光が平行光束となってウェハ１０の表面に照射される。

ウェハ１０の表面から出射された回折光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の表面の像（回折像）が結像される。そこで、撮像装置３５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４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力された画像信号に基づいて、ウェハ１０の表面の画像（回折像）を生成する。また、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（回折像）を生成すると、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における異常の有無を検査する。

なお、回折光を利用したウェハ１０の表面検査は、チップ領域１２ごとに行われ、検査対象となるウェハ１０の輝度値と良品ウェハの輝度値との差が所定の閾値よりも大きい場合に、異常と判定する。一方、輝度値の差が閾値よりも小さければ、正常と判定する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の表面の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。

一方、散乱光を利用してウェハ１０の表面検査を行う場合には、制御部４５の作動制御によって、図１に示すように、ウェハ１０の表面に対する照明光の正反射方向に近い方向で正反射光を受光しない方向から受光系３０で散乱光を受光できるように、ステージ１５をチルトさせる。すなわち、ウェハ１０表面の法線に対する受光系３０（および撮像装置３５）の検出角度（光軸の傾斜角度）を正反射光の出射角に近い角度（例えば、正反射光の出射角に対して約１度だけ傾いた角度）に設定する。これにより、暗視野観察を行うための照明光をウェハ１０の表面に照射することになる。なお、照明光の入射角（正反射光の出射角）は、例えば、ウェハ１０表面の法線を基準として約１４度に設定される。

またこのとき、制御部４５の作動制御によって、ウェハ１０の表面上における照明方向と繰り返しパターン１３の繰り返し方向とが異なるようにステージ１５を回転させる。これにより、回折光は照明の方向が変わってもパターンの繰り返し方向に射出するため、撮像装置３５に回折光が入らなくなる。そして、回折光が検出されない第１の回転角度位置および、第１の回転角度位置に対して９０度だけ回転した第２の回転角度位置においてそれぞれ、ウェハ１０の外周端部近傍における異常の有無を検査する。

このような設定で照明光をウェハ１０の表面に照射する際、照明ユニット２１における光源部２２からの光は調光部２３を通過し、所定の波長を有する照明光が導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５で反射した照明光が平行光束となってウェハ１０の表面に照射される。なお、レジスト膜１１の外周端部は、図４に示すように、ＥＢＲ処理によってウェハ１０の表面に対しほぼ垂直な壁状に形成されている。そのため、ウェハ１０の外周部近傍に照明光が照射されると、レジスト膜１１の外周端部の一部（主に、照明光の入射側および出射側）で正反射光に近い散乱光が生じる。そのため、前述のように、回折光が検出されない第１の回転角度位置および、第１の回転角度位置に対して９０度だけ回転した第２の回転角度位置においてそれぞれ、ウェハ１０の外周端部近傍における異常の有無を検査することが好ましい。

ところで、レジスト膜１１の外周端部では、図３および図４の二点鎖線で示すように、凹みを有する形状崩れ１４が波打つように生じる場合があり、露光時の不具合の原因となる。従来、散乱光を利用してウェハ１０の表面検査を行う場合には、ウェハ１０表面の法線に対する角度が９０度に近い入射角で照明光を照射していた。この場合、異物のような突起状の異常については散乱光を検出しやすいが、凹み部分のような異常については散乱光が偏りやすいため散乱光を検出しにくい。凹み部分のような異常を検出する場合、ウェハ１０表面の法線に対する照明光の入射角を９０度よりも小さくして、正反射光の出射角に近い角度から散乱光を検出することが好ましい。このようにすれば、凹み部分で生じる散乱光を検出しやすくなるため、レジスト膜１１の外周端部で生じる形状崩れ１４のような凹みを有する異常をより確実に検出することができる。

レジスト膜１１の外周端部にこのような形状崩れ１４が形成されている場合、照明光が照射された形状崩れ１４の部分からも散乱光が生じ、当該散乱光の一部が受光系３０に達することになる。受光系３０に達した散乱光の一部は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達して結像される。そこで、撮像装置３５は、撮像面上で結像した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４０に出力する。なお、画像処理部４０は、撮像装置３５から入力された画像信号に基づいて、ウェハ１０の画像（暗視野像）を生成する。このとき、レジスト膜１１の外周端部の一部が光る暗視野像が生成される。また、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（暗視野像）を生成すると、生成した画像（暗視野像）における異常の有無を検査する。

なお、散乱光を利用したウェハ１０の表面検査は、繰り返しパターン１３で回折光が検出されないため、チップ領域１２を除いたウェハ１０の外周端部近傍について行うことができ、例えば、レジスト膜１１の外周端部に形状崩れ１４等が存在する場合には、ウェハ１０の外周端部近傍に異常があると判定する。一方、ウェハ１０の画像（暗視野像）に異常が存在しなければ、正常と判定する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときの画像（暗視野像）が図示しない画像表示装置で出力表示される。

このように、本実施形態の表面検査装置１によれば、受光系３０（および撮像装置３５）がウェハ１０の表面に対する照明光の正反射方向に近くて且つ正反射光を受光しない方向を向くように配設されて、撮像装置３５によりウェハ１０の端部近傍で生じた散乱光を検出し、画像処理部４０は、撮像装置３５により検出された散乱光の情報に基づいて、ウェハ１０の端部近傍における異常の有無を検査し、制御部４５は、ステージ１５の作動制御によって繰り返しパターン１３で回折光が検出されない回転角度位置にウェハ１０を回転させるため、撮像装置３５がウェハ１０の表面全体を一括で撮像することで、ウェハ１０の端部近傍を高速に検査することが可能になる。また、繰り返しパターン１３による回折光が検出されないため、撮像装置３５が散乱光以外の光（回折光）を検出するのを防止できることから、ウェハ１０の端部近傍を高精度に検査することが可能になる。

なお、回折光が検出されない第１の回転角度位置および、第１の回転角度位置に対して９０度だけ回転した第２の回転角度位置においてそれぞれ、ウェハ１０の端部近傍における異常の有無を検査することで、異常の検出漏れを防ぐことができる。

また、回折光を利用したウェハ１０の表面検査がチップ領域１２ごとに行われ、散乱光を利用したウェハ１０の表面検査がウェハ１０の外周部近傍について行われることにより、種類の異なる表面検査が可能になる。

このとき、ステージ１５をチルト（傾動）させてウェハ１０に対する受光系３０（および撮像装置３５）の相対角度を変えることにより、検査の設定を変えるため、簡便な構成で種類の異なる表面検査を行うことができる。

なお、上述の実施形態において、レジスト膜１１の外周端部が光る暗視野像が生成されるため、レジスト膜１１の外周端部とウェハ１０の外周端部との間の半径方向の幅Ａ（図３を参照）を管理することも可能である。例えば、ウェハ１０の外周端部を正反射像により検出しておけば、レジスト膜１１の外周端部が光る暗視野像と、ウェハ１０の外周端部が映る正反射像とを比較することで、レジスト膜１１の外周端部とウェハ１０の外周端部との間の幅Ａを求めることができる。ここで、幅Ａの分布の一例を図５に示す。この図からわかるように、幅Ａの分布が正常の場合には、幅Ａの分布が設計値近傍に集中した狭い（左右対称の）分布となり、幅Ａの分布が異常の場合には、幅Ａの分布が正常の場合よりも幅広い分布となる。これにより、ウェハ１０の全周にわたって幅Ａを管理することができる。

また、上述の実施形態において、ウェハ１０の表面で生じた回折光を利用して、ウェハ１０の表面をチップ領域１２ごとに検査しているが、これに限られるものではなく、ウェハ１０の表面で生じた正反射光（正反射像）を利用して、ウェハ１０の表面をチップ領域１２ごとに検査するようにしてもよい。

また、上述の実施形態において、散乱光を利用してレジスト膜１１の外周端部における形状崩れ１４を検出しているが、これに限られるものではなく、レジスト膜１１の外側のウェハ１０の傷等の異常を検出することも可能である。

１ 表面検査装置
１０ ウェハ（基板） １３ 繰り返しパターン
１５ ステージ ２０ 照明系（照射部）
３０ 受光系（検出部） ３５ 撮像装置（検出部）
４０ 画像処理部（検査部） ４５ 制御部

Claims (2)

1. 表面に所定の繰り返しパターンが形成された略円盤状の基板を回転可能に支持するステージ部と、
   前記ステージ部に支持された前記基板の表面に照明光を照射する照射部と、
   前記照明光が照射された前記基板の表面からの光を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された前記光の情報に基づいて前記基板における異常の有無を検査する検査部と、
   前記ステージ部の回転作動を制御する制御部とを備え、
   前記検出部は、前記基板の表面に対する前記照明光の正反射方向に近くて且つ正反射光を検出しない方向を向くように配設されて、前記基板の端部近傍で生じた散乱光を検出し、
   前記検査部は、前記検出部により検出された前記散乱光の情報に基づいて、前記基板の端部近傍における異常の有無を検査し、
   前記制御部は、前記ステージ部に前記照明光に対して前記繰り返しパターンで回折光が検出されない回転角度位置に前記基板を回転させる制御を行うことを特徴とする表面検査装置。
2. 前記制御部は、前記回折光が検出されない第１の回転角度位置および、前記第１の回転角度位置に対して９０度だけ回転した第２の回転角度位置にそれぞれ、前記基板を回転させる制御を行い、
   前記第１の回転角度位置および前記第２の回転角度位置においてそれぞれ、前記検出部が前記散乱光を検出して前記検査部が前記検査を行うことを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。

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