JP2014095612A - 検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明光のビームフォーカス位置（特に短周期）の変動や振動による変動の影響を低くするのが望ましい。
【解決手段】本発明は、試料に対して斜方から照明光を供給する照明光学系と、前記試料からの光を集光し、欠陥を検出するための第１の検出光学系と、前記試料からの反射光を検出する第２の検出光学系と、前記第２の検出光学系から、前記照明光の光軸の角度の変化を得る処理部と、を有し、前記照明光学系は、前記照明光を供給するための光路にミラーと、前記ミラーの角度を変更するためのピエゾアクチュエータと、を有し、前記処理部は、前記光軸の角度の変化を無くすよう前記ピエゾアクチュエータを駆動することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェーハ等の試料の異物、傷に例示される欠陥を検出する検査装置、及び検査方法に関する。特に、本発明は、光を用いて欠陥を検出する検査装置、及び検査方法に関する。

半導体デバイスは、高純度なシリコンのインゴットをスライスした薄いウェーハに対して研磨や結晶成長、イオン注入などを施して作成される。この際に、ウェーハの表面に存在する微小な異物や傷に例示される欠陥が半導体デバイス作成の歩留まりに強く影響する。そのため、半導体デバイス作成の各工程でウェーハの欠陥の分布状況の知ること必要とされている。
ウェーハの表面に存在する微小な欠陥を検査する方法としては電子ビーム等の荷電粒子線を用いる方法とレーザ光を用いる方法がある。レーザ光を用いる方法としては、ウェーハの表面で散乱された光を受光素子で検出し光の散乱の程度からウェーハの表面情報を解析するものとウェーハの表面で正反射された光を受光素子で検出しウェーハの表面情報を解析するものがある。

前記のレーザ光を用いたウェーハの表面検査装置の例として、特許文献１に開示されている。ウェーハは、回転ステージに置かれて、回転されながら径方向に移動する。その際にウェーハにレーザ光が照射され、ウェーハの表面に存在する欠陥からの散乱光を複数個の検出器で受光する。そして、得られた欠陥の分布を、ファイルやディスプレイなどに出力する。なお、その他の特許文献としては、特許文献２乃至５が挙げられる。

特開２００７−２２５４８０号公報 特開平１０−３１８７１８号公報 特開２００４−１６３１２９号公報 特開２００４−３４７３６１号公報 特開２０１１−１５８２６０号公報

このような表面検査装置にはレーザ光照射系が搭載されているが、被検査物へ照射されたレーザ光の照射位置は照射されたウェーハ上に形成される照明領域の形状、寸法に影響を及ぼす、このレーザ光の照射位置が検査中に変動すると、最終出力結果である欠陥のサイズや座標精度に大きく影響を与えることになる。
この照射位置の変動には幾つかの要因が考えられる。要因の例としては、レーザ照射系の光軸角度の変移、レーザ照射系の光軸が平行移動することによる変移、被検査物の高さ変移である。さらに、被検査物の高さ変移にも幾つかの要因があり、例えば、稼働ステージの平坦度に起因するもの、ウェーハに成膜された膜の応力によるものや、機械的な動作による振動などがある。

特許文献１により、被検査物からの反射光を利用して被検査物の高さをステージの高さを制御することで一定に保つ方法が提案されている。

しかし、上記の解決法では稼働ステージの平坦度による高さ変移や応力による反り等の緩やかな被検査物の高さ方向の変動を起因とする照射光位置の変移には対応できるが、照射光自身の光軸変動によるビームフォーカス位置（特に短周期）の変動や振動による変動を考慮する点には配慮がなされていない。また、ビームフォーカス位置が短周期で変動する場合、これをステージ高さで位置補正を行うと振動の原因となり、機差の要因となる点についても配慮がなされていない。本発明はこの点に配慮したものである。

本発明は、試料に対して斜方から照明光を供給する照明光学系と、前記試料からの光を集光し、欠陥を検出するための第１の検出光学系と、前記試料からの反射光を検出する第２の検出光学系と、前記第２の検出光学系から、前記照明光の光軸の角度の変化を得る処理部と、を有し、前記照明光学系は、前記照明光を供給するための光路にミラーと、前記ミラーの角度を変更するためのピエゾアクチュエータと、を有し、前記処理部は、前記光軸の角度の変化を無くすよう前記ピエゾアクチュエータを駆動することを特徴とする。

本発明は以下の効果のうち少なくとも１つを奏する。（１）ビームフォーカス位置が実質的に一定となり、欠陥のサイジング（寸法を得ること）についての再現性が向上する。（２）欠陥の座標精度が向上する。（３）装置毎にランダムな特性を持っていた位置変移が無くなるため、装置間での欠陥のサイジングおよび座標の機差が低減される。

実施例１の表面検査装置を説明する図。 正反射光の取り扱いを説明する図。 正反射光のもう１つの取り扱いを説明する図。 可動ミラー２０７について説明する図。 変位計測光学系２１０について説明する図。 レーザ光の光軸が変化した場合を説明する図 実施例１を説明するフローチャート。 レーザ光の光軸は実質的には変化せずウェーハ１０１の表面の位置が変化した場合を説明する図。 レーザ光の光軸を変更することで図８の状態を補正したことを説明する図。 実施例２の表面検査装置を説明する図。 実施例２のフローチャートを説明する図。

本実施例の表面検査装置、表面検査方法では、主に被検査物としてウェーハ１０１が用いられるが、それ以外にも液晶パネルのガラス基板や太陽電池パネルなどの平面状のウェーハ１０１に対して適用が可能である。ここでは、ウェーハ１０１を一例にして、本発明の実施例を説明する。

表面検査装置として、図1に簡単な略図を示す。ウェーハ１０１は、裏面吸着法、またはエッジ部分を保持し、裏面は保持しない保持機構（いわゆるエッジグリップ法）によって、ステージ１０３に固定される。
レーザ光源１０４からはレーザ光が発振される。発振されたレーザ光は照明光切替ミラー１０５によって垂直照明機構１０６または斜方照明機構１０７に入射する。垂直照明機構１０６を経由してウェーハ１０１にはその法線方法からレーザ光が照明される。また、斜方照明機構１０７を経由してウェーハ１０１には所定の入射角をもってレーザ光が照明されることになる。垂直照明機構１０６、斜方照明機構１０７には、ミラー、レンズ、それらの組み合わせに例示される光学素子が含まれる。
照明光がウェーハ１０１に照明される際に、ステージ１０３の走査機構１０２は、回転しながら径方向に移動する（ある方向に直線的に移動する）ので、ウェーハ１０１の表面をスパイラル状にレーザ光は走査することになる。また、ステージ１０３の径方向への移動方法は等速移動でなくてもよく、ウェーハ１０１が一回転してから一定距離移動するようにして、レーザ光が同心円状の軌跡を描くようにウェーハ１０１の表面を走査するようにしてもよい。

ウェーハ１０１の表面に照明されたレーザ光は、ウェーハ１０１の表面に存在する欠陥によってウェーハ101の上方に散乱される。ウェーハ１０１からの散乱光はウェーハ１０１の上方に取付けられた少なくとも１つ以上の検出器１０８a〜１０８cによって受光される。検出器１０８a〜１０８cは、ウェーハ１０１の上方を覆うように配置しても、仰角を変えて２段以上配置してもよい。検出器１０８a〜１０８cは、例えば試料からの光を集光し、欠陥を検出するための第１の検出光学系であると表現することができる。

検出器１０８a〜１０８cの種類としては、例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ）が挙げられる。検出器１０８a〜１０８c がＰＭＴである場合、検出器１０８a〜１０８c は各々印加電圧源１０９、及び受光信号の増幅やフィルタ処理、欠陥の判定、分類を行う情報処理部１１０に接続されている。印加電圧源１０９は、情報処理部１１０からの命令によってＰＭＴへ印加する印加電圧を変更することができる。情報処理部１１０は、検出器１０８a〜１０８cの出力を基にウェーハ１０１上の欠陥の検出、分類、寸法の計算（サイジング）を行い、制御部１１１はその結果をファイルやディスプレイ１１２に出力すること、及びステージ１０３や照明光切替ミラー１０５、検出器１０８a〜１０８cなどの制御を行う。

次に、ウェーハ１０１から発生する正反射光の取り扱いについて説明する。図２は正反射光の取り扱いを説明する図である。レーザ光２０１は照明光切替ミラー１０５により斜方照明機構１０７を経由して測定室２０８へ導かれる。ウェーハ１０１により照射されたレーザ光は反射され、正反射光はビームディフューザー２０５により受け止められる。
次に、もう１つの正反射光の取り扱いについて図３を用いて説明する。ここでは特に図２との違いについて説明する。図３では、レーザ光２０１は可動ミラー２０７により測定室２０８へ導かれ、斜方照明機構１０７を経由してウェーハ１０１へ照射される。可動ミラー２０７は反射面の裏面に少なくとも１つ以上のピエゾアクチュエータに取りつけられたミラーであり、ウェーハ１０１へ照射されるレーザ光２０１の光軸の角度を変化させること、その結果ウェーハ１０１上の照明領域の位置、寸法を変化させることが可能である。可動ミラー２０７、及び斜方照明機構１０７を経由したレーザ光はウェーハ１０１にて反射され、ビームディフューザー２０５の代りに配置された変位計測光学系２１０へと入射する。変位計測光学系２１０にて検出された変位信号は変位量処理系２１１により処理され、可動ミラー２０７へ制御信号を送信しレーザ光２０１の光軸を制御する。
図３では、可動ミラー２０７が可動することにより、レーザ光の光軸を制御する。これはファンフィルタユニット等によって他の部分よりも清浄度が高く保たれた測定室２０８内での不所望な発塵を避けるためである。もちろん、測定室２０８内に配置された斜方照明機構１０７のミラーを可動としてもよい。さらに、可動ミラー２０７、斜方照明機構１０７のミラー両者を可動としても良い。
次に、可動ミラー２０７について詳細に図４を用いて詳細に説明する。可動ミラー２０７は、主に反射面４００１と反射面の裏面に配置された少なくとも１つ以上のピエゾアクチュエータ４００２によって構成される。ピエゾアクチュエータ４００２が配置される場所には様々なバリエーションが考えられるが、例えば反射面の裏面の複数の場所、より具体的な例としては、裏面の対角線上が考えられる。各ピエゾアクチュエータ４００２は変位量処理系２１１からの制御信号によって矢印４００３の方向に伸縮する。その結果、反射面４００１は図４中で便宜的に定義するxyz軸について所望の角度θ₁、θ₂、θ₃を伴って回転することが可能となる。ピエゾアクチュエータ４００１は電気信号により高速応答が可能であり、分解能も高いので、ビームフォーカス位置（特に短周期）の変動や振動による変動を無くすよう反射面４００１の角度を変更するには好適である。
次に、変位計測光学系２１０について図５を用いて詳細に説明する。詳細は後述するが、変位計測光学系２１０は試料からの反射光を検出し、照明光の光軸の角度変化を得るための第２の検出光学系と表現することができる。ウェーハ１０１から反射されたレーザ光（正反射光）はビーム整形ユニット３０３により鉛直方向（図５の矢印３０８の方向）に縮小される。これは後述する位置センサとして役割を果たす検出ユニット３０７の測定精度を上げるためである。本実施例のビーム整形ユニット３０３はアナモルフィックプリズムを有するアナモルフィック光学系であり、1軸方向のレーザ光の角度変位を拡大し、レーザ光の平行移動成分（図５の矢印３０９の方向）はそのまま通過させることが可能となる。なお、アナモルフィックプリズムは必ずしも必須なものではなく、複数のレンズを組み合わせることで、アナモルフィックプリズムと同様の作用を生ずるよう構成しても良い。
本実施例では1軸方向（鉛直方向）のみの変移検出を行っているが、ビーム整形ユニット３０３を鉛直方向のみの整形でなく水平方向も整形し（角度変位を拡大し）、検出系ユニット３０５、３０７のセンサを2次元的な位置を検出できるもの（４分割ホトダイオード、画素を２次元的に配列した画像センサ）を使用しても良い。この場合は、2軸方向の変位を検出ユニット３０７で検出できるようになるため、より詳細なレーザ光３０１の光軸の調整が可能となる。
鉛直方向に縮小されたレーザ光は分光ユニット３０４により2系統に分光される。この分光ユニット３０４はλ/２波長板とPBS（ポラライジングビームスプリッタ）にて構成されており、検出ユニット３０５へ入射する光の光量を調整する役割を果たす。なお、分光ユニット３０４はNDフィルタ（ニュートラルデンシティフィルタ）とハーフミラーに例示される他の光学素子との組み合わせを利用しても良い。
分光ユニット３０４によって２系統に分光されたレーザ光のうち、ＰＢＳによって反射された反射光は検出ユニット３０５により変位が検出される。この検出ユニット３０５はレンズ３１０と受光器３１１により構成され、受光器３１１はレンズ３１０の焦点位置に配置されており、レンズの平行光を一点に収束させるという特性を利用し、入射レーザ光の平行移動による検出光位置の変位を無くすように構成されている。検出ユニット３０５によって、照明光の光軸の角度の変化を得ることができる。

分光ユニットを透過したレーザ光は減光ユニット３０６により後述する検出ユニット３０７が検出するのに適切な光量に調整される。検出するのに適切な光量とは様々な定義が可能であるが、１つの表現としては、検出ユニット３０７の信号が飽和してしまう光量未満の光量と表現することができる。減光ユニット３０６はλ/２波長板とPBSにて構成されているが、透過率の違うNDフィルタ等を使用しても良い。

減光ユニット３０６によって適切な光量に調整されたレーザ光は検出ユニット３０７によって変位が検出される。この検出ユニット３０７では入射レーザ光の平行移動と傾き変位とが合算された変位を検出する。検出ユニット３０７は、その受光面に結像された像の変位を検出するため、例えば、分割ホトダイオード、４分割ホトダイオード、画素を２次元的に配列した画像センサであることが望ましい。
本実施例ではこの検出ユニット３０５、及び検出ユニット３０７の少なくとも１つが得た情報からレーザ光の照射角度の変位、レーザ光の平行移動、及びウェーハ１０１の高さ変動の少なくとも１つを得るものである。
図６はレーザ光の光軸が変化した場合を説明する図である。なお、当業者に分かりやすく説明するため、減光ユニット３０６は図６では省略している。図７は本実施例を説明するフローである。本実施例の表面検査装置のステージにウェーハ１０１が搭載されると、レーザ光の照射、ステージによるウェーハ１０１の回転、及び移動が開始し、検査が開始される（ステップ７０１）。図６において、ウェーハ１０１に照明されるレーザ光の光軸４０１が光軸４０２に変化した場合、ウェーハからの反射した光の光軸は図６に示すように元の光路（実線４０６）から変化した光路（破線４０７）へと変化する。その結果、検出ユニット３０５に結像される像の位置は位置４０８から位置４０９へ変化する。同様に、検出ユニット３０７に結像される像の位置は位置４１０から位置４１１へ変化する。

変位量処理系２１１は、位置４０８から位置４０９への変化量をΔ１、及び位置４１０から位置４１１への変化量Δ２を得る（ステップ７０２）。特に、Δ１は照明光の光軸の角度が変化したことを表現している。次に、変位処理系２１１は、Δ１＝０、Δ２＝０となるよう可動ミラー２０７のピエゾアクチュエータを駆動する。より具体的には、変位処理系２１１は、Δ１＝０、Δ２＝０となるような可動ミラー２０７の角度を計算し（ステップ７０３）、計算した角度を形成するようピエゾアクチュエータを駆動する（ステップ７０４）。ウェーハ１０１の全面、又は一部の検査が終了するまで、ステップ７０２〜ステップ７０３のフローは継続する（ステップ７０５、７０６）。その結果、ウェーハ１０１に照射されるレーザ光の光軸は実質的に常に所望の状態を維持できることになり、結果的に欠陥のサイジング精度、欠陥の位置座標精度が向上することになる。
なお、レーザ光の光軸は実質的には変化せず、ウェーハ１０１の表面の位置（ウェーハ１０１の高さ、ステージがウェーハ１０１を保持する高さと表現することもできる）が変化する場合もある。この場合でも、本実施例は適用可能である。図８はレーザ光の光軸は実質的には変化せずウェーハ１０１の表面の位置が変化した場合を説明する図である。
図８の場合では、ウェーハ１０１によって反射されたレーザ光の光軸はウェーハ１０１の表面の位置が変わる前後で実線８０１から破線８０２へ変化する。その結果、ウェーハ１０１上の照明領域の位置も位置８０３から位置８０４へ変化することになる。図８の場合では、検出ユニット３０５に結像される像の位置に変化は無く（Δ１＝０）、検出ユニット３０７に結像される像の位置は位置８０５から位置８０６へ変化する（Δ２≠０）。この場合、変位処理系２１１は、Δ２＝０となるような可動ミラー２０７の角度を計算し、可動ミラー２０７が計算した角度を持つようピエゾアクチュエータを駆動することになる。

次に実施例２について説明する。前述したように、図８の場合でも、実施例１は適用可能であるが、図８の状態を補正すると、図９に示すようにウェーハ１０１に照明されるレーザ光の光軸が補正前の光軸９０１から補正後の光軸９０２へ変化し、Δ１≠０となる場合も考えられる。レーザ光の光軸が変化すると欠陥からの散乱光の方位が異なる場合も考えられる。図７の状態を補正する場合でも、レーザ光の光軸は変化しないことが望ましい場合もある。本実施例はこの点に配慮したものである。

以降の説明では実施例１と異なる点について主に説明する。実施例２では、検出ユニット３０５はウェーハ１０１に照射される光軸の角度変化を捕捉し、検出ユニット３０７は前述した光軸の角度変化、及びウェーハ１０１上の照明領域の位置変化を捕捉できる点を利用する。図１０は実施例２の表面検査装置を説明する図であり、図１１は実施例２を説明するフローチャートである。図１０で実施例１と異なるのは変位量処理系２１１がステージ１０３の高さも制御する点である。

まず、変位処理系２１１はΔ１、Δ２の値を取得する（ステップ１１０１）。
Δ１＝０、Δ２≠０の場合、変位処理系２１１は図８の状態であると判断し、可動ミラー２０７を駆動するのではなく、ステージ１０３がウェーハ１０１を保持する高さを変える（ステップ１１０２、ステップ１１０３）。Δ１＝０、Δ２＝０となれば調整は終了である（ステップ１１０４、ステップ１１０５、ステップ１１０６）。
Δ１≠０、Δ２≠０である場合、まず変位処理系２１１は可動ミラー２０７を駆動し、Δ１＝０とする（ステップ１１０７、１１０８、１１０９）。Δ１＝０となった後、Δ２≠０であれば、変位処理系２１１はステージ１０３がウェーハ１０１を保持する高さを変更し、Δ２＝０とする（ステップ１１１０、１１０４）。Δ１＝０、Δ２＝０となれば調整は終了である（ステップ１１０５、１１０６）

１０１・・・ウェーハ
１０２・・・走査機構
１０３・・・ステージ
１０４・・・レーザ光源
１０５・・・照明光切替ミラー
１０６・・・垂直照明機構
１０７・・・斜方照明機構
１０８a・・・検出器
１０８b・・・検出器
１０８c・・・検出器
１０９・・・印加電圧原

Claims (7)

1. 試料に対して斜方から照明光を供給する照明光学系と、
   前記試料からの光を集光し、欠陥を検出するための第１の検出光学系と、
   前記試料からの反射光を検出する第２の検出光学系と、
   前記第２の検出光学系から、前記照明光の光軸の角度の変化を得る処理部と、を有し、
   前記照明光学系は、前記照明光を供給するための光路に配置されたミラーと、前記ミラーの角度を変更するためのピエゾアクチュエータと、を有し、
   前記処理部は、前記光軸の角度の変化を無くすよう前記ピエゾアクチュエータを駆動することを特徴とする検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記第２の検出光学系は、アナモルフィック光学系を有することを特徴とする検査装置。
3. 請求項２に記載の検査装置において、
   前記第２の検出光学系は、前記アナモルフィック光学系を通過した光を分光する分光光学系を有することを特徴とする検査装置。
4. 請求項３に記載の検査装置において、
   前記第２の検出光学系は、前記分光光学系を反射した光を集光するレンズと、前記レンズの焦点位置に配置された第１の受光器とを有することを特徴とする検査装置。
5. 請求項４に記載の検査装置において、
   前記処理部は、前記第１の受光器に投影された像の位置の変化を無くすよう前記ピエゾアクチュエータを駆動することを特徴とする検査装置。
6. 請求項４に記載の検査装置において、
   前記第２の検出光学系は、前記分光光学系を通過した光の光量を下げる減光光学系を有することを特徴とする検査装置。
7. 請求項５に記載の検査装置において、
   前記試料を搭載するステージを有し、
   前記第２の検出光学系は、前記減光光学系を通過した光を検出する第２の受光器を有し、
   前記処理部は前記第２の受光器に投影された像の位置の変化を無くすよう前記ステージが前記試料を搭載する高さを変更することを特徴とする検査装置。