JP2013122393A - 欠陥検査装置および欠陥検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元デバイスに対して高感度の欠陥検査を可能にする欠陥検査装置および欠陥検査方法を提供する。
【解決手段】第１の撮像手段ＩＵ１は、試料Ｗの第１の表面側に配置され、第１の表面に第１の光Ａ_ｏを照明する第１の照明光学系と、第１の光の照明により発生した第１の光の反射光Ａ_Ｒを含む第１の散乱光を導いて検出し、第１の信号を出力する第１の結像光学系とを持ち、第２の撮像手段ＩＵ２は、試料の前記第１の表面とは逆の第２の表面側に配置され、第２の表面に第２の光Ｂ_ｏを照明する第２の照明光学系と、第２の光の照明により発生した第２の光の反射光Ｂ_Ｒを含む第２の散乱光を導いて検出し、第２の信号を出力する第２の結像光学系とを有する。画像処理手段２５は、信号から複数の暗視野光学画像を生成し、これらを合成して合成画像を取得する。欠陥検出手段２６は合成画像と参照画像との差分画像から試料の欠陥を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、欠陥検査装置および欠陥検査方法に関する。

近年、半導体デバイスの三次元構造化に伴ってパターンのアスペクト比が高くなってきている。このため、パターンの内部などに発生した欠陥の検査が非常に重要になってきている。

しかし、ＵＶ（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光やＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光を用いた光学式欠陥検査においては、パターン内部でＵＶ光やＤＵＶ光の吸収作用が生じて欠陥信号が殆ど検出されず、このため、欠陥検査は非常に困難となっている。

一般的に、デバイス内部の検査を行う方法として、パターン内部での光の吸収作用の小さい赤外領域の光を用いた欠陥検査が行われる。そこで、アスペクト比の高いパターンに対しては、赤外領域の光を用いた欠陥検査の検査を採用することが考えられる。

しかしながら、赤外光など、ＵＶ光に対して波長の長い光を用いた光学式検査の場合、赤外光ではデバイスのパターンに対して波長が長い分だけ分解能が低下し、微細構造のデバイスの欠陥検査では十分な感度が得られない可能性がある。

また、赤外光はデバイスを透過してしまうため、三次元デバイスにおける所望の検査領域以外の領域の情報（ノイズ）も検出していまい、この所望領域以外の情報が検査の妨げになって十分な感度を得られない可能性がある。また、デバイスの所望の領域以外も見えてしまうため、焦点を特定の領域に合わせることも非常に困難である。

特開２０１１−０３３４４９号公報

本発明が解決しようとする課題は、三次元デバイスに対して高感度の欠陥検査を可能にする欠陥検査装置および欠陥検査方法を提供することである。

実施形態の欠陥検査装置は、第１の撮像手段と、第２の撮像手段と、画像処理手段と、欠陥検出手段と、を持つ。前記第１の撮像手段は、試料の第１の表面側に配置され、前記第１の表面に第１の光を照明する第１の照明光学系と、前記第１の表面側に発生する第１の散乱光を導いて検出し、第１の信号を出力する第１の結像光学系と、を有する。第２の撮像手段は、前記試料の前記第１の表面とは逆の第２の表面側に前記第１の撮像手段とは独立に配置され、前記第２の表面に第２の光を照明する第２の照明光学系と、前記第２の表面の側に発生する第２の散乱光を導いて検出し、第２の信号を出力する第２の結像光学系と、を有する。前記画像処理手段は、前記第１および第２の信号から複数の暗視野光学画像を生成し、これらを合成して合成画像を取得する。欠陥検出手段は、前記合成画像と参照画像との差分画像から前記試料の欠陥を検出する。前記第１の散乱光は、前記第１の光の反射光、または前記第１の光の反射光および前記第２の光の透過光であり、前記第２の散乱光は、前記第２の光の反射光、または前記第２の光の反射光および前記第１の光の透過光である。

実施形態１による欠陥検査装置の概略構成を示す図。 図１の欠陥検査装置による入射光および散乱光を模式的に表した図。 従来の光学系による入射光と欠陥で発生した散乱光の一例の模式図。 実施形態１の欠陥検査装置による入射光と欠陥で発生した散乱光とを模式的に表した図。 実施形態２の欠陥検査方法により画像を合成する態様の一例を示す図。 実施形態３の欠陥検査装置における２つの光学系の焦点を一致させるための手法の模式図。 図６Ａの手法を説明するための輝度分布図の一例を示す図。 マークと試料表面との間の高さを測定する方法を説明するための模式図。 図７Ａの方法を説明するための輝度分布図の一例を示す図。 欠陥を含む試料画像のコントラストの波長依存性の一例を示す図。 デバイス自身からの反射率の波長依存性の一例を示す図。

三次元デバイスなどはパターン内部に発生した欠陥の検出は、従来のＵＶ光やＤＵＶ光を用いた光学式欠陥検査においてはパターン内部での光の吸収作用の影響で検出感度が非常に低いものとなる。そこで、光の吸収が小さい赤外線顕微鏡を用いた欠陥検査が有効であると考えられる。しかし、赤外線を用いた欠陥検査ではデバイスの微細なパターンに対して波長が長いことによる分解能の低下で欠陥に対する感度が低いことが懸念される。

以下、欠陥信号を増量することで検査感度を上げる形態、ノイズ成分を下げることで高感度検査を可能にする形態を含む、実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。

（１）実施形態１
図１は、実施形態１による欠陥検査装置の概略構成を示す図である。図１に示す欠陥検査装置は、ステージＳと、ステージ駆動ユニット２２と、ウェーハＷを間に挟むように対向して互いに独立に配置された第１および第２の撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２と、高さ測定ユニット９０と、メインコンピュータ３０と、メモリ２４と、を備える。

ステージＳは、ウェーハＷを上面に載置すると共に、ステージ駆動ユニット２２によって駆動されて水平方向に移動することにより、ウェーハＷの表面が光で走査される。高さ測定ユニット９０は、メインコンピュータ３０から指令信号を与えられてＵＶ光やＤＵＶ光を発して高さ測定の対象物に照射し、反射光を検出することにより、対象物の高さ、例えばウェーハＷの主面の高さなどを測定する。ここで、ウェーハＷの主面とは、ウェーハＷの表面のうち、デバイスの素子や配線となるパターンが形成された面をいう。本実施形態において、主面は例えば第１の表面に対応する。

撮像ユニットＩＵ１は、ウェーハＷの主面側に配置され、撮像ユニット制御コンピュータ２１と、照明光学系と、結像光学系とを含み、撮像ユニット制御コンピュータ２１の制御によってウェーハＷの主面の暗視野画像を撮像する。

撮像ユニットＩＵ１の照明光学系は、光源１と、波長フィルタ２と、エネルギーフィルタ３と、ビームエキスパンダ４，５と、オプティカルインテグレータ６と、コリメータ７と、コリメータ駆動部１９と、入射側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ８と、ビームスプリッタ１０と、対物レンズ９と、対物レンズ駆動部２０と、を含む。

光源１は光を発光する。なお、第４の実施形態で後述するように、光源１の光は波長幅を持つことが望ましい。波長フィルタ２は、光源１から特定の波長帯の光を透過させ、その他の光は反射または吸収する。本実施形態では、光可視光中の赤色の光から赤外線までの波長範囲の光を通過させる。エネルギーフィルタ３は、波長フィルタ２を通過した光の強度を調整する。ビームエキスパンダ４，５は、それぞれ凹レンズおよび凸レンズで構成され、エネルギーフィルタ３を通過した光の光束を広げた後に平行光束にする。

オプティカルインテグレータ６は、ビームエキスパンダ５を通過した光を屈折・反射させることで、その照度分布を均一にする。コリメータ７は、オプティカルインテグレータ６によって照度分布を均一にされた光に対して完全な平行光線を作るためのレンズである。コリメータ７は、撮像ユニット制御コンピュータ２１からの指令信号を受けたコリメータ駆動部１９によって駆動され、その光軸位置や焦点が調整される。入射側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ８は、対物レンズ９の瞳面の位置に配置されたアパーチャであり、これにより、ウェーハＷに照射する光の角度成分が選択される。

入射側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ８を通過した光は、ビームスプリッタ１０によってその光路が約９０度だけ変更され、対物レンズ９に入射する。対物レンズ９は、対物レンズ駆動部２０によって駆動され、入射光の光軸位置や焦点が調整される。対物レンズ９を出た光は、入射光ＡｏとしてウェーハＷの主面へ照射する。本実施形態において、入射光Ａｏは例えば第１の光に対応する。

撮像ユニットＩＵ１の結像光学系は、ビームスプリッタ１０と、結像側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ１３と、結像レンズ１５と、検出器１６と、を含む。入射光ＡｏはウェーハＷの主面で反射し、反射光（散乱光）Ａ_Ｒとして対物レンズ９に再び入射する。ビームスプリッタ１０は対物レンズ９を通過した反射光Ａ_Ｒをそのまま通過させる。結像側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ１３は、結像レンズの瞳面の位置に配置されるアパーチャであり、結像する反射光Ａ_Ｒの角度成分を選択する。結像レンズ１５は、結像側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ１３を通過した反射光Ａ_Ｒの光路を制御して検出器１６の検出面に結像させる。検出器１６は、その検出面に結像した反射光Ａ_Ｒを検出し、例えば光電変換などによって信号を出力し、撮像ユニット制御コンピュータ２１へ送る。本実施形態において、検出器１６から出力される信号は例えば第１の信号に対応する。

撮像ユニットＩＵ２は、ウェーハＷを間に挟むように撮像ユニットＩＵ１に対向してウェーハＷの主面側とは逆の裏面側に配置され、撮像ユニット制御コンピュータ２３と、照明光学系と、結像光学系とを含み、撮像ユニット制御コンピュータ２３の制御によってウェーハＷの裏面の暗視野画像を撮像する。本実施形態において、裏面は例えば第２の表面に対応する。

撮像ユニットＩＵ２の照明光学系は、光源５１と、波長フィルタ５２と、エネルギーフィルタ５３と、ビームエキスパンダ５４，５５と、オプティカルインテグレータ５６と、コリメータ５７と、コリメータ駆動部６９と、入射側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ５８と、ビームスプリッタ７０と、対物レンズ５９と、対物レンズ駆動部８０と、を含む。

光源５１は光を発光する。なお、光源５１の光についても波長幅を持つことが望ましい。波長フィルタ５２は、光源５１から特定の波長帯の光を透過させ、その他の光は反射または吸収する。本実施形態では、光可視光中の赤色の光から赤外線までの波長範囲の光を通過させる。エネルギーフィルタ５３は、波長フィルタ５２を通過した光の強度を調整する。ビームエキスパンダ５４，５５は、それぞれ凹レンズおよび凸レンズで構成され、エネルギーフィルタ５３を通過した光の光束を広げた後に平行光束にする。

オプティカルインテグレータ５６は、ビームエキスパンダ５５を通過した光を屈折・反射させることで、その照度分布を均一にする。コリメータ５７は、オプティカルインテグレータ５６によって照度分布を均一にされた光に対して完全な平行光線を作るためのレンズである。コリメータ５７は、撮像ユニット制御コンピュータ２３からの指令信号を受けたコリメータ駆動部６９によって駆動され、その光軸位置や焦点が調整される。入射側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ５８は、対物レンズ９の瞳面の位置に配置されたアパーチャであり、これにより、ウェーハＷに照射する光の角度成分が選択される。

入射側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ５８を通過した光は、ビームスプリッタ７０によってその光路が約９０度だけ変更され、対物レンズ５９に入射する。対物レンズ５９は、対物レンズ駆動部８０によって駆動され、入射光の光軸位置や焦点が調整される。対物レンズ５９を出た光は、入射光ＢｏとしてステージＳを介してウェーハＷの裏面へ照射する。本実施形態において、入射光Ｂｏは例えば第２の光に対応する。

撮像ユニットＩＵ２の結像光学系は、ビームスプリッタ７０と、結像側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ６３と、結像レンズ６５と、検出器６６と、を含む。入射光ＢｏはウェーハＷの裏面で反射し、反射光（散乱光）Ｂ_Ｒとして対物レンズ５９に再び入射する。ビームスプリッタ７０は対物レンズ５９を通過した反射光Ｂ_Ｒをそのまま通過させる。結像側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ６３は、結像レンズの瞳面の位置に配置されるアパーチャであり、結像する反射光Ｂ_Ｒの角度成分を選択する。結像レンズ６５は、結像側Ｐｕｐｉｌ Ｆｉｌｔｅｒ６３を通過した反射光Ｂ_Ｒの光路を制御して検出器６６の検出面に結像させる。検出器６６は、その検出面に結像した反射光Ｂ_Ｒを検出し、例えば光電変換などによって信号を出力し、撮像ユニット制御コンピュータ２３へ送る。本実施形態において、検出器６６から出力される信号は例えば第２の信号に対応する。

メモリ２４は、後述する合成画像および参照画像のデータを一時的に格納する他、後述する欠陥検査方法の一連の手順が記述されたレシピファイルを格納する。レシピファイルには、後述する、欠陥判定のための閾値の情報を含む。

メインコンピュータ３０は、メモリ２４および撮像ユニット制御コンピュータ２１，２３に接続され、メモリ２４から検査レシピを読み出して欠陥検査装置の各構成要素を制御することにより、欠陥検査を実行する。

メインコンピュータ３０はまた、ステージ駆動ユニット２２に接続され、ステージＳを駆動するための指令信号を生成してステージ駆動ユニット２２に送る。メインコンピュータ３０は、画像処理部２５と欠陥検出部２６とを含む。画像処理部２５は撮像ユニット制御コンピュータ２１，２３に接続され、撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２で生成された暗視野画像を合成して合成画像を生成し、メモリ２４へ一時的に格納させる。欠陥検出部２６は、メモリ２４から参照画像と合成画像とを取り出して差分画像を生成し、その輝度と、メモリ２４から引き出した輝度に関する閾値とを比較することにより、欠陥の有無、位置を検出する。

次に、図１に示す欠陥検査装置の動作を、実施形態１による欠陥検査方法として以下に説明する。

撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の光源１，５１はそれぞれ光を生成してウェーハＷの主面側および裏面側から入射光Ａｏ，Ｂｏを照射する。ウェーハＷからの反射光Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒは撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の結像光学系を通って検出器１６，５９の検出面に結像する。ウェーハＷを透過した光（透過光）Ｂ_Ｒ，Ａ_Ｒもまた撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の結像光学系を通って検出器１６，５９の検出面に結像する。

図２は、図１の欠陥検査装置による入射光および散乱光を模式的に表した図である。入射光Ａｏ，Ｂｏは、図２の二重斜線に示すようにコリメート光となっており、散乱光（Ａ_Ｒ＋Ｂ_Ｔ），（Ｂ_Ｒ＋Ａ_Ｔ）は図２の斜線に示すように広がった領域を通過する。本実施形態において、散乱光（Ａ_Ｒ＋Ｂ_Ｔ）および散乱光（Ｂ_Ｒ＋Ａ_Ｔ）は、例えば第１および第２の散乱光にそれぞれ対応する。

検出器１６，５９は、検出信号を出力して撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の各撮像ユニット制御コンピュータ２１，２３に送る。撮像ユニット制御コンピュータ２１，２３は、送られた検出信号を処理して暗視野画像を生成する。各暗視野画像の信号は撮像ユニット制御コンピュータ２１，２３からメインコンピュータ３０に送られ、画像処理部２５がこれらの暗視野画像を合成して合成画像を生成する。

図３は、従来の光学系による入射光と欠陥で発生した散乱光の一例を示す模式図である。図３に示すように、従来は、ウェーハＷの表面へ光Ａｏを入射し、返ってきた反射光Ａ_Ｒのみを検出して画像を生成し、欠陥検査を行っていた。

これに対して本実施形態においては、図４に示すように、ウェーハＷの主面側のみならず裏面側からも光Ｂｏを入射する。そして、主面から入射した光Ａｏの反射光Ａ_Ｒと裏面から入射した光Ｂｏの透過光Ｂ_Ｔとを、主面側の撮像ユニットＩＵ１の結像光学系を経由して検出器１６にて検出し、また、裏面から入射した光Ｂｏの反射光Ｂ_Ｒと主面から入射した光Ａｏの透過光Ａ_Ｔとを、裏面側の撮像ユニットＩＵ２の結像光学系を経由して検出器６６にて検出することにより、ウェーハＷを間に挟んで対向する２つの撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２で２つの暗視野画像を生成する。暗視野光学系で観察した場合の欠陥信号は、参照画像に対して輝度値の増加として認識される。このため、２つの撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の結像系で得られた暗視野画像を合成することにより、上記の通常の欠陥検査よりも欠陥信号量が増加した画像を取得することが可能である（図５の画像ＩｍＡ_Ｒ，合成画像ＩｍＡ_Ａｌｌを参照）。

本実施形態および以下の各実施形態において、参照画像とは、ウェーハＷ上で欠陥の無い領域に対して入射光Ａｏ，Ｂｏを照射して得られた画像を合成して生成された画像をいう。しかしながら、参照画像としてはこれに限ることなく、例えば設計データからシミュレーションによって検査対象領域の正常な輝度値分布を求め、これをデータ形式で持たせてもよい。

最後に、欠陥検出部２６は、メモリ２４から取り出した、検査領域に対応する参照画像と、予め設定された閾値の情報を引き出し、該参照画像と、画像処理部２５を経由して送られた合成画像と、の差分画像を生成し、差分画像中で閾値を上回る輝度値を有する箇所を欠陥箇所と認識することにより、欠陥の検出を行い、その位置情報と共に出力する。

（２）実施形態２
本実施形態では、所望の検査エリア以外からの不必要な情報（以下ノイズ）を分離する手法を提供する。まず、一例として、主面付近でウェーハＷの内部に存在する欠陥をターゲットとし、裏面側の欠陥をノイズとする管理が必要な場合を取り挙げて説明する。なお、本実施形態において検査エリアとは二次元領域ではなく、試料の深さ方向に広がりを持った三次元の領域を意味する。

本実施形態の特徴の一つは、検出欠陥の情報をより多く得るために、主面から入射した光の反射光と裏面から入射した光の反射光のみならず、主面から入射した光の透過光と裏面から入射した光の透過光をも検出し、これら合計４種類の信号による暗視野画像を別々に取得して解析することにより、ターゲット欠陥の特定とノイズの分離を行う点にある。

まず、４つの暗視野画像の取得方法について説明する。

撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の各撮像ユニット制御コンピュータ２１，２３は、メインコンピュータ３０から指令信号を与えられてパルス照明による暗視野画像の取得を行う。すなわち、光源１，５１から周期的なパルス光を発光し、ウェーハＷの主面および裏面へそれぞれ入射して照明を行う。ここで、メインコンピュータ３０は、撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の入射光学系が互いに位相がずれたパルス照明を行うように指令信号を生成する。撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の各結像光学系は、それぞれの照明のタイミングに合わせて撮像を行い、各撮像ユニット制御コンピュータ２１，２３は、得られた暗視野画像を、その検出器１６，６６内の位置関係の情報と撮像のタイミングに関する情報と共に画像処理部２５に送る。画像処理部２５は、撮像タイミングに関する情報と検出器１６，６６内の位置関係の情報から各暗視野画像を区別してメモリ２４に一時的に保存する。この手法により、透過光Ａ_Ｔの検出信号、透過光Ｂ_Ｔの検出信号、反射光Ａ_Ｒの検出信号、および反射光Ｂ_Ｒの検出信号からの４つの画像を別々に取得することが可能となる。

図５は、本実施形態の欠陥検査方法により得られた暗視野画像を合成する態様の一例を示す。

図５中、符号ＩｍＡ_Ｒに示す画像が撮像ユニットＩＵ１からの入射光Ａ_０の反射光Ａ_Ｒの暗視野画像であり、符号ＩｍＡ_Ｔに示す画像が撮像ユニットＩＵ１からの入射光Ａ_０の透過光Ａ_Ｔの暗視野画像である。また、符号ＩｍＢ_Ｒに示す画像が撮像ユニットＩＵ２からの入射光Ｂ_０の反射光Ｂ_Ｒの暗視野画像であり、符号ＩｍＢ_Ｔに示す画像が撮像ユニットＩＵ２からの入射光Ｂ_０の透過光Ｂ_Ｔの暗視野画像である。そして、符号ＩｍＡ_Ａｌｌに示す画像がこれら４つの暗視野画像ＩｍＡ_Ｒ、ＩｍＡ_Ｔ、ＩｍＢ_ＲおよびＩｍＢ_Ｔの合成画像である。

図３に示した従来の光学系を用いた欠陥検出方法によれば、暗視野画像ＩｍＡ_Ｒのみが生成され、十分な検出感度を得ることができなかった。

これに対して本実施形態によれば、従来の暗視野画像ＩｍＡ_Ｒよりも欠陥信号量が多い合成画像ＩｍＡ_Ａｌｌが得られるので、欠陥検出の感度を大幅に向上させることができる。

合成画像ＩｍＡ_Ａｌｌを得た後は、前述の実施形態１と同様にして、欠陥検出部２６によって、検査領域に対応する参照画像と閾値の情報とをメモリ２４から取り出し、合成画像ＩｍＡ_Ａｌｌと参照画像との差分画像を生成し、差分画像中で閾値を上回る輝度値を有する箇所を欠陥箇所と特定することにより、欠陥の検出を行う。

なお、上述した実施形態１および本実施形態では２つの透過光Ａ_Ｔ、Ｂ_Ｔの暗視野画像ＩｍＡ_ＴおよびＩｍＢ_Ｔをも使用して合成画像ＩｍＡ_Ａｌｌを生成したが、反射光Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒの暗視野画像ＩｍＡ_Ｒ，ＩｍＢ_Ｒからのみ合成画像を作成しても、欠陥検出の感度が向上することは明らかである。

また、従来の欠陥検出方法では、欠陥の位置は二次元レベルでしか特定できなかったが、本実施形態によれば、各暗視野画像の情報を処理することにより、ウェーハ表面からの深さ方向の位置をも推定することが可能である。

例えば、入射光について、ウェーハＷの主面に波長７００ｎｍの光（入射光Ａ_０）を照射し、裏面には波長１０００ｎｍの光（入射光Ｂ_０）を照射して撮像を行う場合を考える。波長７００ｎｍの光ではデバイス内のＳｉの光の吸収作用が若干作用するために透過光Ａ_Ｔ、反射光Ａ_Ｒは比較的試料表面付近の情報を多く含む。この一方、波長１０００ｎｍの光では光の吸収作用が殆どないために透過光Ｂ_Ｔと反射光Ｂ_Ｒは、ウェーハＷ内部全体の情報をほぼ均等に含んでいると考えられる。そのため、欠陥が主面付近に存在する場合は式（１−１）が成立し、裏面付近に存在する場合は式（１−２）が成立する。
ここで、Ａは、欠陥を中心として任意の面積で切り取られた画像Ａを表した輝度値行列をいい、Ａ（ｘ，ｙ）は画像Ａにおける位置（ｘ，ｙ）の輝度値を表し、Ａ’はＡに対する参照画像を表し、関数Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ（Ａ）＝Ａ−Ａ’、σ（Ａ）＝画像Ａの標準偏差、と定義する。

図５に示す例では、ウェーハ主面側の情報を多く持っている暗視野画像ＩｍＡ_Ｒの欠陥信号の方が、ウェーハ裏面側の情報を多く持っている暗視野画像ＩｍＢ_Ｒよりも大きい。このことから、図５の画像から特定された欠陥がウェーハ主面付近の欠陥であると推定することができる。

さらに、本実施形態の説明で最初に取り挙げたように、上記式（１−１）、（１−２）により推定された欠陥位置情報を用いて所望の検査エリア以外からの不必要な情報（以下ノイズ）を分離することができる。

より具体的は、欠陥検出部２６が、上記式（１−１）、（１−２）により推定した欠陥位置情報を用いてターゲット欠陥に感度を合わせた欠陥検出を行う。本実施形態では、主面付近でウェーハＷの内部に存在する欠陥をターゲットとするので、欠陥検出部２６が、式（１−２）を満足させる欠陥をノイズとして検出欠陥から除外する。これにより、ターゲット欠陥の検出感度を向上させることが可能になる。

上述の説明では、７００ｎｍと１０００ｎｍの入射波長を取り挙げて行ったが、入射波長の組み合わせはこれ以外の波長帯で勿論可能である。

その他のノイズキャンセルの具体的方法のいくつかを取り挙げて説明する。前述した方法では、撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の検出器１６，５９の検出信号から得られる欠陥情報からノイズを分離したが、欠陥信号の波長依存性からノイズかどうかを判断する方法も考えることができる。

すなわち、合成画像の欠陥信号の中で主面への入射光Ａ_０による散乱光が多いのか、裏面への入射光Ｂ_０による散乱光が多いのかを欠陥検出部２６が比較することでノイズを特定し、検出すべき欠陥かノイズかの分離を行う。

比較のための算定式の一例を式（２−１）および式（２−２）として以下に示す。例えば、裏面付近の欠陥をノイズとする場合は、表面の情報を多く含んでいるＡ_０による欠陥信号が多い式（２−２）に当てはまる欠陥のみを検出すればよい。

検出欠陥からノイズを削減する方法としては、上述したノイズ自身を特定する方法の他に、ノイズが多く含まれてしまう特定の領域では検出感度を故意に落とし、検出欠陥に対してノイズの割合を出来る限り減らす方法がある。例えば、パターンエッジによる散乱光で光っている部分と光っていない部分の境界ではパターン形状に起因するノイズが出やすい。そこで、設計情報などからノイズが出やすい領域を予め特定しておき、そのような領域を検査する場合は感度を落とせばよい。パターン起因のノイズに関しては、例えば式（３−１）の数値から判断することができる。

パターンエッジによる散乱光の境界では合成像内の輝度分布が広がるため式（３−１）は大きな値となり、パターンエッジによる散乱光の境界以外ではあまり輝度に変化がないため輝度分布が小さくなり式（３−１）は小さい値となる。そこで、パターンノイズが発生し易い式（３−１）の値が大きな領域は欠陥検出感度を下げ、パターンノイズが発生し難い、式（３−１）の値が小さい領域では検出感度を上げて検査を行うことでノイズの検出を抑えた検査が可能となる。

その他、製造プロセスの影響などから画像内にモワレが発生したり、にじみのようなものが広がる状態が発生したりする場合がある。このような状態が出やすい場所を参照画像から予め特定しておき、合成画像から対応する欠陥をノイズとして除去することで検出精度を高めることができる。このようなパターンノイズレベル判断の算定式としては、例えば以下の式（３−２）や式（３−３）を挙げることができる。

上述の式（１−１）乃至（３−３）は、本実施形態において例えば検出欠陥のノイズ判定の指標となる特徴量の算定式に対応する。

このように、本実施形態によれば、欠陥の位置を三次元のレベルで特定することができる。

また、ノイズ成分を下げることで高感度での欠陥検査が可能になる。

（３）実施形態３
実施形態３の特徴は、三次元デバイスの所望の特定の領域に焦点を合わせて検査を実施する手法を含む点にある。所望の焦点領域は、試料の構造から事前に決定するか、または検査画像の見え方から判断し、検査レシピ作成時に主面からの深さ情報として入力し、メモリ２４に格納しておく。以下、図６乃至図７Ｂを参照しながら説明する。

先ずは、撮像ユニットＩＵ１，ＩＵ２の焦点位置をある一点に一致させる方法について説明する。光学系の焦点を一致させるために、赤外線に対する透明薄膜上に形成されたマーク、または微細な針状のマークを欠陥検査装置内に設け、このマークを焦点調整用のマークとして利用する。透明薄膜上のマークや微細な針形状のマークを使用するのは、試料を間に挟むように対向設置される撮像ユニットの光学系の光路がマークに対して対称になるようにするためである。

図６に焦点調整用マークの一例を示す。図６では、ウェーハＷを支持するステージＳの周縁に設けられた３つの焦点調整用マークＭＦａ〜ＭＦｃが示されている。すなわち、ステージＳの周縁の任意の場所に微小なホールを穿設し、このホール内でウェーハＷ側に二層の膜を成膜し、これら二層の膜の最上面、二層の間の界面および二層の膜の最下面に焦点調整用マークＭＦａ，ＭＦｂ，ＭＦｃがそれぞれ形成されている。二層の膜ＵＶ光やＤＵＶ光を反射させるが、赤外線に対しては透明な材料、例えば誘電体材料で形成される。

メインコンピュータ３０は、焦点調整用の指令信号を生成して撮像ユニット制御コンピュータ２１へ送り、撮像ユニット制御コンピュータ２１は、撮像ユニットＩＵ１の照明光学系および結像光学系を制御し、図６Ａの拡大部分に示すように、例えば焦点調整用マークＭＦａへウェーハＷ主面側からのみ光Ａｏを照射しながら結像光学系で検出されるマーク画像を取得し、メインコンピュータ３０に供給する。メインコンピュータ３０は、マークＭＦａの画像について輝度分布を解析し、解析結果を用いて撮像ユニットＩＵ１の光学系を調整する。具体的には、図６Ｂの符号Ａ_Ｒで指示する輝度値分布において、輝度が最も高くなるフォーカス値を与える位置を撮像ユニットＩＵ１の焦点調整位置として決定する。同様にしてメインコンピュータ３０は、焦点調整用の指令信号を生成して撮像ユニット制御コンピュータ２３へ送り、撮像ユニット制御コンピュータ２３は、撮像ユニットＩＵ２の照明光学系および結像光学系を制御し、図６Ａに示すように、例えば焦点調整用マークＭＦａへウェーハＷ裏面側からのみ光Ｂ_Ｏを照射しながら結像光学系で検出されるマーク画像を取得し、メインコンピュータ３０に供給する。メインコンピュータ３０は、マークＭＦａの画像について輝度分布を解析し、解析結果を用いて撮像ユニットＩＵ２の光学系を調整する。具体的には、図６Ｂの符号Ｂ_Ｒで指示する輝度値分布において、輝度が最も高くなるフォーカス値を与える位置を撮像ユニットＩＵ２の焦点調整位置として決定する。以上の操作により、マークＭＦａの位置に上下の光学系の焦点を一致させることができる。本実施形態において、メインコンピュータ３０および撮像ユニット制御コンピュータ２１，２３は、例えば焦点調整手段に対応する。

続いて、欠陥検査中における焦点調整方法について説明する。

まず、メインコンピュータ３０は、高さ測定ユニット９０を用いて初めに焦点調整用マークの表面の高さを測定し、これを検査時のフォーカス位置の基準の一つとして使用する。ここで、高さ測定ユニット９０の照明はＵＶ光やＤＵＶ光を使用するので、焦点調整用マークを透過することなく焦点調整用マークの表面の高さを測定することが可能となっている。メインコンピュータ３０は、検査画像の撮像前に高さ測定ユニット９０により、撮像領域のウェーハＷ主面の高さを測定する。すなわち、焦点調整用マークＭＦａにＵＶ光やＤＵＶ光を照射してその反射光を検出し、例えば図７Ｂの符号ＭＦで指示する輝度値分布において、輝度が最も高くなる位置を特定し、焦点調整用マークＭＦａの高さを求める。メインコンピュータ３０はさらに、高さ測定ユニット９０により、撮像領域のウェーハＷ主面にＵＶ光やＤＵＶ光を照射してその反射光を検出し、例えば図７Ｂの符号Ｓで指示する輝度値分布において、輝度が最も高くなる位置を特定し、撮像領域におけるウェーハＷ主面で最も高い箇所の高さを求める。得られたウェーハＷ主面の最大高さを焦点調整用マークの高さと合わせてフォーカス調整の基準として使用し、ウェーハＷ内部の所望の領域に高精度に焦点を合わせて検査を実施し、欠陥に対して高感度での検査を可能にする。

また、焦点を合わせる所望の領域は、ウェーハＷの深さ方向に一定とは限らず、深さ方向の所望の範囲で焦点を段階的に振りながら画像を撮像する場合がある。本実施形態によれば、このようなスルーフォーカス機能へも容易に適用することが可能である。

本実施形態によれば、ウェーハＷ中の任意の深さにフォーカスを合わせた検査やスルーフォーカス検査が可能になるので、検出感度をさらに向上させることができる。

（４）実施形態４
検査波長を選定する際には、欠陥またはデバイスからの薄膜干渉の影響をも考慮する必要がある。図８Ａは、電磁波の厳密解析手法であるＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ）法を用いて試料内部にある約直径１００ｎｍ欠陥像のコントラストの波長依存性を求めた結果の一例を示す。図８Ａに示すグラフからは、欠陥像のコントラストが波長に応じて白黒反転し、コントラストが０になる波長も存在することが分かる。これは、欠陥内での光の薄膜干渉効果により散乱強度が増減することに起因する。すなわち、波長に依存して検出できない欠陥種があり得ることが分かる。

また、図８Ｂは、デバイス自身からの反射率の波長依存性を同じくＦＤＴＤ法で計算した結果の一例を示す。図８Ｂからは、波長に依存して反射率が大きく増減することが分かる。これは、デバイス自身の厚さに起因する薄膜干渉の影響によるものである。このことは、図１に示す欠陥検査装置を用いた欠陥検査を実施するに当たり、使用する波長によって暗視野光学系の散乱信号強度が影響を受ける場合があることを意味する。また、このような散乱信号強度の変動は、デバイスの製造プロセス上の膜厚変動に伴って生じる場合もある。

そこで、本実施形態では、光源１，５１として、単色のレーザー光源ではなく波長幅を持った光を発する光源を採用する。その波長は、より具体的には、例えばデバイスの材料がＳｉを主体とする場合、実施形態２と同様に、撮像ユニットＩＵ１の場合は波長７００ｎｍ以上で波長幅をもった光源、撮像ユニットＩＵ２の場合は１０００ｎｍ以上で波長幅をもった光源となる。

波長７００ｎｍ以上で波長幅をもった光源としては、例えばレーザー励起でランプの光量を増加させるレーザーアシストランプ、ＬＥＤの一種となるスーパールミネッセントダイオード、キセノンランプ、クリプトンランプ、フォトニック結晶ファイバを用いたスーパーコンティニューム光を使用することができる。スーパールミネッセントダイオードは波長幅約±２０ｎｍでその他の光源は１μｍ以上の非常に幅広い光源である。

また、上記波長帯における高感度の検出器として、例えばＳｉ素子の冷却ＣＣＤ、ＩｎＧａＡｓの冷却カメラの他、上記波長帯で吸収量が多い、Ｇｅ素子のＣＭＯＳセンサまたは光電子増倍管を用いることができる。

本実施形態によれば、波長幅をもった光源を使用するので、欠陥またはデバイスからの薄膜干渉の影響を除去することができ、高精度の欠陥検出が可能になる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の欠陥検査装置によれば、ウェーハＷを間に挟むように対向配置された撮像ユニットＩＵ１および撮像ユニットＩＵ２を備え、それぞれの検出信号から暗視野画像を生成し、かつ、これらの暗視野画像を合成して合成画像を取得する画像処理部２５を備えるので、得られる欠陥信号量が増大して検査感度を向上させることが可能となる。

また、以上述べた少なくともひとつの実施形態の欠陥検査方法によれば、ウェーハＷを間に挟むように対向配置された撮像ユニットＩＵ１および撮像ユニットＩＵ２によってウェーハＷからの散乱光を検出し、それぞれの検出信号から暗視野画像を生成し、かつ、これらの暗視野画像を合成して合成画像を取得するので、得られる欠陥信号量が増大してデバイス内部の検査感度を向上させることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，５１…光源、２１，２３…撮像ユニット制御コンピュータ、２５…画像処理部、２６…欠陥検出部、３０…メインコンピュータ、９０…高さ測定ユニット、ＩｍＡ_Ｒ，ＩｍＡ_Ｔ，ＩｍＢ_Ｒ，ＩｍＢ_Ｔ…暗視野光学画像、ＩｍＡｌｌ…合成画像、ＩＵ１，ＩＵ２…撮像ユニット、Ｓ…ステージ、Ｗ…ウェーハ、ＭＦａ〜ＭＦｃ…マーク、Ａ_０，Ｂ_０…入射光、Ａ_Ｒ，Ｂ_Ｒ…反射光、Ａ_Ｔ，Ｂ_Ｔ…透過光

Claims (8)

1. 焦点調整用のマークを含み、試料を支持するステージと、
   試料の第１の表面側に配置され、前記第１の表面に第１の光を照明する第１の照明光学系と、前記第１の表面側から発生する第１の散乱光を導いて検出し、第１の信号を出力する第１の結像光学系と、を含む第１の撮像手段と、
   前記試料の前記第１の表面とは逆の第２の表面側に前記第１の撮像手段とは独立に配置され、前記第２の表面に第２の光を照明する第２の照明光学系と、前記第２の表面側に発生する第２の散乱光を導いて検出し、第２の信号を出力する第２の結像光学系と、を含む第２の撮像手段と、
   前記マークの高さおよび前記試料の前記第１の表面の高さを測定してマーク位置に対する検査領域の試料表面高さ情報を算出し、前記試料表面高さ情報から前記第１または第２の表面に対して任意の深さに前記第１および第２の照明光学系並びに前記第１および第２の結像光学系の焦点を合わせる焦点調整手段と、
   前記第１および第２の信号から複数の暗視野光学画像を生成し、これらを合成して合成画像を取得する画像処理手段と、
   前記第１および第２の光が同一周期の異なる位相でパルス照射されるように前記第１および第２の撮像手段を制御し、前記差分画像における検出欠陥周辺またはその外部の輝度値情報から検出欠陥のノイズ判定の指標となる特徴量を算出する制御手段と、
   前記合成画像と参照画像との差分画像から前記試料の欠陥を検出する欠陥検出手段と、
   を備え、
   前記第１の散乱光は、前記第１の光の反射光および前記第２の光の透過光であり、
   前記第２の散乱光は、前記第２の光の反射光および前記第１の光の透過光であり、
   前記第１または第２の光は、欠陥または薄膜干渉の影響を考慮した波長幅を有し、
   前記欠陥検出手段は、前記特徴量に基づいてノイズを分離した上で前記欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
2. 試料の第１の表面側に配置され、前記第１の表面に第１の光を照明する第１の照明光学系と、前記第１の表面側に発生する第１の散乱光を導いて検出し、第１の信号を出力する第１の結像光学系と、を含む第１の撮像手段と、
   前記試料の前記第１の表面とは逆の第２の表面側に前記第１の撮像手段とは独立に配置され、前記第２の表面に第２の光を照明する第２の照明光学系と、前記第２の表面側に発生する第２の散乱光を導いて検出し、第２の信号を出力する第２の結像光学系と、を含む第２の撮像手段と、
   前記第１および第２の信号から複数の暗視野光学画像を生成し、これらを合成して合成画像を取得する画像処理手段と、
   前記合成画像と参照画像との差分画像から前記試料の欠陥を検出する欠陥検出手段と、
   を備え、
   前記第１の散乱光は、前記第１の光の反射光、または前記第１の光の反射光および前記第２の光の透過光であり、
   前記第２の散乱光は、前記第２の光の反射光、または前記第２の光の反射光および前記第１の光の透過光である、ことを特徴とする、
   欠陥検査装置。
3. 前記第１および第２の光が同一周期の異なる位相でパルス照射されるように前記第１および第２の撮像手段を制御し、前記差分画像における検出欠陥周辺またはその外部の輝度値情報から検出欠陥のノイズ判定の指標となる特徴量を算出する制御手段をさらに備え、
   前記欠陥検出手段は、前記特徴量に基づいてノイズを分離した上で前記欠陥を検出することを特徴とする請求項２に記載の欠陥検査装置。
4. 焦点調整用のマークを含み、試料を支持するステージと、
   前記マークの高さおよび前記試料の前記第１の表面の高さを測定してマーク位置に対する検査領域の試料表面高さ情報を算出し、前記試料表面高さ情報から前記第１または第２の表面に対して任意の深さに前記第１および第２の照明光学系並びに前記第１および第２の結像光学系の焦点を合わせる焦点調整手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載の欠陥検査装置。
5. 前記制御手段は、前記第１または第２の表面からの深さについて所定範囲毎に段階的に焦点を振って前記第１および第２の撮像手段を制御し、
   前記画像処理手段は、各焦点位置毎の暗視野画像を生成する、
   ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の欠陥検査装置。
6. 前記第１または第２の光は、欠陥または薄膜干渉の影響を考慮した波長幅を有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の欠陥検査装置。
7. 前記第１および第２の光のいずれか一方は波長幅±２０ｎｍを有する波長７００ｎｍ以上の光であり、
   前記第１および第２の光のいずれか他方は波長幅±２０ｎｍを有する波長１０００ｎｍ以上の光である、
   ことを特徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の欠陥検査装置。
8. 試料の第１の表面側に配置された第１の照明光学系で前記第１の表面に第１の光を照明し、前記第１の表面から発生した第１の散乱光を検出して信号を出力する工程と、
   前記試料の前記第１の表面とは逆の第２の表面側に前記第１の撮像手段とは独立に配置された第２の照明光学系で前記第２の表面に第２の光を照明し、前記第２の表面から発生した第２の散乱光を検出して信号を出力する工程と、
   前記信号から複数の暗視野光学画像をそれぞれ生成し、これらを合成して合成画像を取得する工程と、
   前記合成画像と参照画像との差分画像から前記試料の欠陥を検出する工程と、
   を備え、
   前記第１の散乱光は、前記第１の光の反射光、または前記第１の光の反射光および前記第２の光の透過光であり、
   前記第２の散乱光は、前記第２の光の反射光、または前記第２の光の反射光および前記第１の光の透過光である、ことを特徴とする、
   欠陥検査方法。