JP2015127653A - 検査装置、及び検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より正確に検査することができる検査装置、及び検査方法を提供する。【解決手段】検査装置は、光源１０と、検出器１１と、試料２０の表面形状又は高さ方向における寸法を検査対象項目とした場合に、前記検査対象項目の値と前記検出器によって取得された試料画像の輝度値と、の相関に基づいて、検査を行う処理装置とを備えている。２以上の検査対象項目についての検査を行うため、処理装置は２以上の撮像条件で試料画像を取得し、それぞれの検査対象項目の値を、２以上の試料画像の輝度値に基づいて算出し、パターン２４の下地の高さが、検査対象項目に含まれ、下地の高さ変化に対する前記輝度値の変化率をシミュレーションによって求め、変化率を用いて、検査対象項目の値が算出されている。【選択図】図２

Description

本発明は、検査装置、及び検査方法に関する。

半導体ウェハなどの面内を高速に検査する手法としてマクロ検査装置が使用されている（非特許文献１、非特許文献２）。マクロ検査装置では、低倍率で撮像しているため、ウェハ全体を短時間で検査することができる。例えば、非特許文献１のマクロ検査装置では、ウェハを斜め方向から照明して、ウェハを撮像している。パターンの線幅（ＣＤ）が変わると、反射光強度が変わる。したがって、非特許文献１では、線幅と輝度値との線形性を求めている。

An In-line Image Quality Monitoring System for Imaging Device Fabrication using Automated Macro-Inspection, Tohru Sasaki et al., Proc. SPIE 6152, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XX, 61522W (March 24, 2006) Full wafer macro-CD imaging for excursion control of fast pattering process, Lars Markwort et al., Proc. SPIE 7638, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXIV, 763807 (April 01, 2010)

マクロ検査装置では、検出器の受光強度（輝度値）とＣＤ値とを対応付けして、検査を行っている。例えば、非特許文献１の図１では、パターン幅が広くなるにつれて、輝度値が高くなっている。換言すると、輝度分布が、ＣＤ分布に対応することになり、輝度分布から、ＣＤ検査を行うことが可能になる。

このような検査装置において、輝度は、パターンの表面形状や高さによって変化する。例えば、パターンのＣＤや厚さによって、輝度が変化する。さらに、輝度は、試料の表面パターンの下地の影響を受ける。例えば、パターンの下に下地膜が設けられている場合、下地膜の厚さ（高さ）によっても、輝度が変化する。例えば、下地膜の膜厚にばらつきがあると、パターンのＣＤ、及び高さが一定であったとしても、輝度が変化してしまう。また、光学系のシェーディング等による輝度値の変化も含まれる。

このように、パターンの線幅、及び高さだけでなく、下地の高さによっても輝度が変化する。したがって、ＣＤやパターン高さ等の検査対象となる値を輝度値に正確に対応付けることが困難となる。すなわち、輝度値には、ＣＤ、パターン高さ、下地高さの情報が含まれるため、これらを分離することが困難である。さらに、下地高さは、測長ＳＥＭ等を用いて測定することが困難である。また、下地の高さに限らず、実際の測定が困難な項目もある。よって、下地の高さやその他の項目にばらつきがある試料では、正確に検査を行うことが困難であるという問題点がある。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、より正確に検査を行うことができる検査装置、及び検査方法を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様に係る検査装置は、パターンが設けられた試料を照明する光源と、前記光源によって照明された試料からの光を検出する検出器と、前記試料の表面形状又は高さ方向における寸法を検査対象項目とした場合に、前記検査対象項目の値と前記検出器によって取得された試料画像の輝度値と、の相関に基づいて、検査を行う処理装置とを備え、２以上の検査対象項目についての検査を行うため、前記処理装置は２以上の撮像条件で前記試料画像を取得し、それぞれの前記検査対象項目の値を、２以上の前記試料画像の輝度値に基づいて算出し、少なくとも一つの前記検査対象項目の値の変化に対する前記輝度値の変化率がシミュレーションによって求められ、前記変化率を用いて、前記検査対象項目の値が算出されるものである。この構成により、参照試料において一部の検査対象項目を測定することなく、正確に検査することができる。

上記の検査装置において、前記パターンの下地の高さが、前記検査対象項目に含まれ、前記下地の高さ変化に対する前記輝度値の変化がシミュレーションによって求められていてもよい。これにより、下地の高さ変化を測定することなく、正確に検査することができる。
上記の検査装置において、全ての検査対象項目の値の変化に対する前記輝度値の変化率がシミュレーションによって求められていてもよい。こうすることで、参照試料を用意する必要がなくなるため、正確な検査を簡便に行うことができる。

上記の検査装置において、照明光の波長、照明光の偏光、照明光の照明角度、照明光の形状、検出器の検出角度、及び試料の角度の少なくとも一つを変えることで、前記撮像条件を変えるようにしてもよい。こうすることで、容易に撮像条件を変えることができる。

本発明の一態様に係る検査方法は、パターンが設けられた試料を照明するステップと、照明された前記試料からの光を検出するステップと、前記試料の表面形状又は高さ方向における寸法を検査対象項目とした場合に、前記検査対象項目の値と前記検出器によって取得された試料画像の輝度値と、の相関に基づいて、検査を行うステップとを備え、２以上の検査対象項目についての検査を行うため、２以上の撮像条件で前記試料画像を取得し、それぞれの前記検査対象項目の値を、２以上の前記試料画像の輝度値に基づいて算出し、少なくとも一つの前記検査対象項目の値の変化に対する前記輝度値の変化率をシミュレーションによって求め、前記変化率を用いて、前記検査対象項目の値が算出されるものである。こうすることにより、参照試料において一部の検査対象項目を測定することなく、正確に検査することができる。

上記の検査方法において、前記パターンの下地の高さが、前記検査対象項目に含まれ、前記下地の高さ変化に対する前記輝度値の変化をシミュレーションによって求めてもよい。これにより、下地の高さ変化を測定することなく、正確に検査することができる。
上記の検査方法において、全ての検査対象項目の値の変化に対する前記輝度値の変化率がシミュレーションによって求められていてもよい。こうすることで、参照試料を用意する必要がなくなるため、正確な検査を簡便に行うことができる。

上記の検査方法において、照明光の波長、照明光の偏光、照明光の照明角度、照明光の形状、検出器の検出角度、及び試料の角度の少なくとも一つを変えることで、前記撮像条件を変えるようにしてもよい。こうすることで、容易に撮像条件を変えることができる。

本発明によれば、より正確に検査することができる検査装置、及び検査方法を提供することができる。

本実施形態にかかる検査装置の全体構成を示す図である。 試料の構造を示す断面図である。 ３枚の試料画像を用いて、３つの検査対象項目をそれぞれ検査する手順を説明するための図である。 幅Ａ，厚さＣ，及び厚さＦに対する輝度値の変化をシミュレーションした結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。

本実施の形態に係る検査装置は、微細なパターンが形成された半導体ウェハ等の試料を検査するマクロ検査装置である。検査装置は、試料画像の輝度値に基づいて、マクロ検査を行う。例えば、検査装置は、液浸露光や、ＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）露光などでパターニングされたパターンの検査を行う。試料は、撮像素子や、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ、ＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)、ＳＲＡＭ(Static Random Access Memory)等の半導体ウェハであり、周期的なパターンが形成されている。検査装置は、パターンが周期的に形成された試料を撮像して、パターンの線幅（ＣＤ）分布、下地高さ、膜厚分布、テーパ角度分布、表面プロファイルを検出する。また、半導体ウェハ以外にもＴＦＴ(Thin film transistor)基板等の液晶表示パネル用のパターン基板、又はフォトマスクを検査するようにしてもよい。以下、半導体ウェハの検査を例に挙げて説明する。

本実施の形態にかかる検査装置の構成について、図１を用いて説明する。図１は、検査装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。検査装置１００は、光源１０と、検出器１１と、結像レンズ１２と、フィルタ１３と、ポラライザ１４と、ステージ３０と、処理装置５０と、を備えている。また、図１では、説明の明確化のため、ＸＹＺの３次元直交座標系を示している。なお、Ｚ方向が鉛直方向であり、試料２０のパターン形成面と垂直な方向である。Ｘ方向、及びＹ方向が水平方向であり、試料２０のパターン形成面と平行な方向である。

試料２０の上には、光源１０、及び検出器１１が配置されている。光源１０は、例えば、ライン状の照明光を照射する線状光源である。あるいは、光源１０がリング状や面状の照明光を照射してもよい。光源１０は、例えば、可視光、又は赤外光等の照明光を照射する。光源１０は、斜め方向、すなわちＺ軸から傾いた方向から試料２０を照明する。あるいは、光源１０はＺ軸上から試料２０を照明してもよい。照明光は、試料２０の表面において、Ｙ方向に沿ったライン状の領域を均一に照明する。試料２０の表面において、照明光のＹ方向の長さは、試料２０の検査領域の全体にわたっている。

光源１０からの照明光は、試料２０の表面において、ライン状の領域を照明する。そして、照明されたライン状の領域からの反射光が、検出器１１で検出される。検出器１１は、Ｙ方向に受光画素が並んだラインセンサカメラである。従って、試料２０の表面状態、パターン寸法、下地高さ等に応じて反射光強度が変わるため、検出器１１での輝度値が変化する。

試料２０と検出器１１との間には、結像レンズ１２と、フィルタ１３と、ポラライザ１４とが配置されている。結像レンズ１２は、試料２０からの反射光を検出器１１の受光面に結像する。これにより、試料２０を撮像することができる。

フィルタ１３は、例えば、バンドパスフィルタ等の波長フィルタである。実際には複数のフィルタ１３が、光路中に挿脱可能に配置されている。例えば、複数のバンドパスフィルタの中から選択された１つのバンドパスフィルタがフィルタ１３として、光路中に挿入される。これにより、検出器１１で検出される反射光の波長を選択することができる。フィルタ１３は、検出波長を変更する手段となる。このように、フィルタ１３を光路中に配置したり、光路中から取り除くことで撮像条件を変えることができる。

ポラライザ１４は、所定の偏光方向の直線偏光を透過させる。さらに、ポラライザ１４は回転可能に配置されている。例えば、図示しないモータが、結像レンズ１２の光軸周りにポラライザ１４を回転する。ポラライザ１４の回転角度を０°、又は９０°に切り替えると、ｐ偏光、又はｓ偏光を選択的に検出することができる。このように、ポラライザ１４を回転させることで、撮像条件を変えることができる。

検出器１１の画素サイズは、例えば、数μｍ〜数十μｍ程度であり、試料２０上での画素サイズも同程度となっている。なお、検出器１１としては、フォトダイオードが一列に配列されたラインセンサを用いることができる。検出器１１と光源１０はＺ方向に対して傾いて配置されている。試料２０上でのパターン寸法は、試料２０上での画素サイズよりも十分に小さくなっている。なお、ＸＺ平面における光源１０からの照明光の照明角度と、検出器１１の角度は同じでもよく、異なっていてもよい。

さらに、光源１０と検出器１１の角度は可変になっている。例えば、光源１０をＹ軸周りに回転させることで、照明光の照明角度を変えることができるようになっている。また、検出器１１をＹ軸周りに回転させることで、検出器１１の検出角度を変えることができるようになっている（図１の矢印参照）。光源１０と検出器１１の角度は独立して調整することができる。あるいは、ステージ３０をＸ軸またはＹ軸周りに傾けて照明光及び検出器１１の角度を変更してもよい。なお、検出角度を変えるために検出器１１を移動すると、結像レンズ１２、フィルタ１３、及びポラライザ１４も移動する。したがって、試料２０からの反射光は、結像レンズ１２、フィルタ１３、及びポラライザ１４を介して、検出器１１に入射する。

ステージ３０には、検査対象の試料２０が載置されている。試料２０は、例えば、半導体ウェハ、マスク等のパターン基板である。試料２０の表面はＺ方向と直交している。そして、ステージ３０は、Ｘ方向に移動可能となっている。ステージ３０をＸ方向に移動させながら、光源１０で照明された領域からの反射光を検出器１１が検出する。そして、検出器１１によって検出された光の輝度に応じた検出データが処理装置５０に入力される。さらに、処理装置５０は、ステージ３０の駆動を制御している。そして、処理装置５０は、検出器１１の検出した光の輝度変化を可視化する。こうすることで、試料２０全面の反射画像を取得することができる。

また、ステージ３０は、Ｚ軸周りに回転することができる。これにより、ＸＹ平面内において、試料２０の角度を変えることができる。すなわち、照明光に対するパターンの角度を変えることができる。

光源１０が、Ｙ方向において、試料２０の全体を一度に照明している。すなわち、低倍率で、視野の広い光学系を用いている。このように、低倍率の光学系によって、高いスループットで検査することができるので、１０〜１５０枚／ｈでの検査が可能になる。スループットが高いため、製造工程中におけるウェハの全数検査が可能になる。

例えば、処理装置５０は、レジストや配線等のパターンが形成された半導体ウェハなどの画像を取得する。取得した画像に基づいて、検査を行う。例えば、膜厚ばらつき、パターン寸法（パターン幅）ばらつきなどがある場合、反射光強度が変化するため、試料画像の輝度が変化する。よって、試料画像の輝度変化に応じて、膜厚ばらつき、幅ばらつき等を検査することができる。

ここで、処理装置５０は、例えば、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、取得した試料画像に対して、処理を行う。処理装置５０は、検出器１１によって取得された試料画像の輝度値と、試料２０のパターンの高さ方向又は幅方向における寸法との相関に基づいて、検査を行う。処理装置５０は、幅、及び膜厚の検査を行うための処理を行っている。幅検査、膜厚検査によって、幅異常、膜厚異常が検出された場合、製造プロセスなどにフィードバックし、リワーク処理を行うこと等により、生産性を向上することができる。

次に、図２を参照して、試料２０の構成について説明する。図２は、試料２０の構成を模式的に示す断面図である。試料は、ウェハ２１と、第１の下地膜２２、第２の下地膜２３と、パターン２４とを備えている。ウェハ２１は、例えば、シリコンウェハ等の基板である。ウェハ２１の上には、第１の下地膜２２が形成されている。第１の下地膜２２の上には、第２の下地膜２３が形成されている。このように、ウェハ２１の上には、第１の下地膜２２と、第２の下地膜２３が設けられている。第１の下地膜２２と第２の下地膜２３は、ウェハ２１のほぼ全面に形成されている。

第２の下地膜２３の上には、パターン２４が形成されている。複数のパターン２４が、第２の下地膜２３の上に繰り返し配置されている。パターン２４は所定の幅、及び高さを有している。パターン２４は、試料２０の最上層、すなわち表面に形成されている。

パターン２４の幅をＡ、繰り返しピッチをＢ、厚さ（高さ）をＣとする。さらに、第１の下地膜２２の厚さ（高さ）をＦ、第２の下地膜２３の厚さ（高さ）をＤとする。ここで、繰り返しピッチＢ、及び厚さＤは、試料２０の全面においてほぼ一定となっていると仮定する。換言すると、試料２０のＸＹ位置に応じて、幅Ａ、厚さＣ、厚さＦが変化する。

一方、幅Ａ、厚さＣ、及び厚さＦには、ばらつきがある。検査装置１００は、幅Ａ、厚さＣ、厚さＦを検査対象項目として検査を行う。すなわち、検査対象項目が幅Ａ、厚さＣ、厚さＦの３項目となっている。検査装置１００は、マクロ検査を行うことで、幅Ａ、厚さＣ，及び厚さＦのばらつきを測定する。以下の説明では、検査対象項目が３つの場合について説明するが、検査対象項目は２つであっても、４つ以上であってもよい。

幅Ａ、繰り返しピッチＢ、厚さＣ、厚さＤ、及び厚さＦは、検査光の波長に対して、十分に小さくなっている。したがって、試料２０で反射した反射光は、可干渉性を有している。例えば、検査波長は４００〜８００ｎｍ程度であり、幅Ａ、繰り返しピッチＢ、高さＣ、厚さＤ、及び厚さＦは例えば、１００ｎｍ程度になっている。

検出強度（輝度値）Iは、パターン２４の表面Ｓ１、及び底面Ｓ２の反射光に応じて変化する。なお、パターンの厚さＣは検査波長に対して十分小さい。このため、表面Ｓ１、底面Ｓ２でそれぞれ反射した光には干渉性がある。したがって、検出強度Ｉは、これらの反射光の干渉状態によって決まる。さらに、検出強度Ｉは、パターン２４の下地からの影響を受ける。例えば、第１の下地膜２２に凹凸がある場合、パターン２４の高さ分布は、凹凸を反映した形状となる。

図２に示すように、パターン２４の厚さＣが変化した場合、表面Ｓ１で反射する反射光と、底面Ｓ２で反射する光との光路差が変化する。光路差の変化、すなわち厚さＣに因って、干渉状態が変化する。そして、干渉状態の変化により検出強度Ｉが変化する。しかし、検出強度Ｉは、表面Ｓ１、及び底面Ｓ２からの反射光のみには因らず、その下地からの影響（干渉状態の変化を含む）を受ける。このため、単純に厚さＣと検査光の波長から検出強度Ｉを求めることはできない。

また、幅Ａが変化した場合、例えば表面Ｓ１と底面Ｓ２の面積比が変化する。面積比の変化に因って各面での反射光強度が変化する。面積比による光強度変化とそれに因る干渉状態の変化により、検出強度Ｉが変化する。しかし、光路差変化と同様に検出強度Ｉは、表面Ｓ１と底面Ｓ２からの反射光のみには因らず、その下地からの影響（干渉状態の変化を含む）受ける。このため、単純に幅Ａの変化から、検出強度Ｉを求めることはできない。

本実施形態にかかる検査方法では、厚さＣ、幅Ａ、厚さＦに対する検出強度（輝度値）の変化率をシミュレーションにより求める。そして、変化率に対応する係数を用いて、試料画像の輝度値を厚さＣ、幅Ａ、厚さＦに換算している。あるいは、厚さＣ、幅Ａ、厚さＦの一部を実験的に求めて、残りをシミュレータにより求めてもよい。例えばパターンの厚さＣと幅Ａについては実験的に求め、第１の下地膜２２の厚さＦについてはシミュレーションにより求めてもよい。

ここで、３つの検査対象項目を検査するため、異なる３つの撮像条件で検出器１１は、試料２０を撮像している。すなわち、処理装置５０は、撮像条件を変えて、試料画像を取得している。そして、本実施の形態では、処理装置５０が複数の試料画像の輝度値を、幅Ａ、厚さＣ，及び厚さＦに変換している。このように、処理装置５０は、撮像条件を変えて取得された複数の試料画像に基づいて、試料２０を検査している。

撮像条件としては、照明光のＹ軸周りの角度、検出器１１のＹ軸周りの角度、試料２０のＺ軸周りの角度、照明光波長、照明光の偏光、試料２０上における照明光のスポット形状などがある。少なくとも、照明光のＹ軸周りの角度、検出器１１のＹ軸周りの角度、試料２０のＺ軸周りの角度、照明光波長、照明光の偏光、及び照明光のスポット形状のうちの一つ以上を変えて、複数の試料画像を取得している。このようにすることで、適切な撮像条件を簡便に選択することができる。

照明光のＹ軸周りの角度を変える場合、光源１０を移動させればよい。検出器１１のＹ軸周りの角度を変える場合、検出器１１を移動させればよい。または、ステージ３０をＹ方向に傾けてもよい。試料２０のＺ軸周りの角度を変える場合、ステージ３０を回転させればよい。または、ステージ３０に試料２０を設置する向きを変更してもよい。照明波長を変える場合、光路中にフィルタ１３を配置すればよい。そして、フィルタ１３を入れ変えることで、照明波長を変えることができる。あるいは、複数の光源を用いて、照明波長を変えてもよい。

偏光状態を変える場合、ポラライザ１４の角度を調整すればよい。例えば、ポラライザ１４を９０度回転させることで、ｐ偏光からｓ偏光に変えることができる。照明光のスポット形状を変える場合、例えば、ライン照明の幅を変える。あるいは、リング照明を用いるようにしてもよい。リング照明を用いる場合、リング照明の大きさを変えるなどして、撮像条件を変えてもよい。このように、試料２０からの反射光の強度が変化するように、撮像条件を変える。

図３に示すように、３枚の試料画像を撮像する。ここで、第１の撮像条件での試料画像を第１の試料画像Ｐ１、第２の撮像条件での試料画像を第２の試料画像Ｐ２、第３の撮像条件での試料画像を第３の試料画像Ｐ３とする。第１〜第３の試料画像Ｐ１〜Ｐ３の各画素の輝度値が処理装置５０に入力される。すなわち、処理装置５０は、第１〜第３の試料画像Ｐ１〜Ｐ３の各画素の輝度値を記憶部５１に記憶する。

ここで、試料画像において、幅Ａ、厚さＣ、及び厚さＦに対する輝度値の変化を図４に示す。図４では、左から順に、幅Ａに対する輝度値の変化、厚さＣに対する輝度値の変化、厚さＦに対する輝度値の変化をシミュレーションした結果を示している。図４では、上から順に、第１の撮像条件Ｇ１での輝度値、第２の撮像条件Ｇ２での輝度値、第３の撮像条件Ｇ３での輝度値のグラフを示している。すなわち、第１〜第３の撮像条件Ｇ１〜Ｇ３のそれぞれに対して、反射光強度のシミュレーションを行っている。

実際の試料２０において、高さＣが変化する範囲は、例えば、５ｎｍ程度であり、波長（例えば、４００〜８００ｎｍ）に比べて十分に小さい。すなわち、試料２０において高さＣの最大値と最小値の差は、５ｎｍ程度であり、波長に比べて十分に小さい。したがって、高さＣがある限定された範囲で変化する場合に、高さＣの変化に対する輝度値の変化は１次式で近似することができる。すなわち、図４に示すように、高さＣに対して、輝度値が線形に変化する。

幅Ａが変化する範囲についても同様に、波長に比べて十分小さい。よって、幅Ａがある限定された範囲で変化する場合に、幅Ａの変化にする輝度値の変化は１次式で近似することができる。すなわち、幅Ａに対して、輝度値が線形に変化する。第１の下地膜２２の厚さＦについても同様に、輝度値が線形に変化する。このように、ばらつきが小さい場合、幅Ａ、厚さＣ，及び厚さＦのそれぞれに対して、輝度値が線形に変化すると仮定することができる。

第１の撮像条件Ｇ１で撮像された試料画像Ｐ１の輝度値をＩ_１とすると、輝度値Ｉ_１は以下の式（１）で示される。
Ｉ_１＝ａ_１Ａ＋ｃ_１Ｃ＋ｆ_１Ｆ＋ｄ_１・・・（１）
式（１）において、Ａ、Ｃ、Ｆは幅Ａ、高さＣ、及び高さＦの値であり、ａ_１、ｃ_１、ｆ_１、ｄ_１は係数である。係数ａ_１、ｃ_１、ｆ_１、ｄ_１は互いに独立した係数である。

同様に、試料画像Ｐ２、試料画像Ｐ３の輝度値Ｉ_２、Ｉ_３は、それぞれ、式（２）、式（３）で示される。
Ｉ_２＝ａ_２Ａ＋ｃ_２Ｃ＋ｆ_２Ｆ＋ｄ_２・・・（２）
Ｉ_３＝ａ_３Ａ＋ｃ_３Ｃ＋ｆ_３Ｆ＋ｄ_３・・・（３）
式（２）、式（３）において、Ａ、Ｃ、Ｆは幅Ａ、高さＣ、及び高さＦの値であり、ａ_２、ｃ_２、ｆ_２、ｄ_２、ａ_３、ｃ_３、ｆ_３、ｄ_３は係数である。係数ａ_２、ｃ_２、ｆ_２、ｄ_２は互いに独立した係数である。係数ａ_３、ｃ_３、ｆ_３、ｄ_３は互いに独立した係数である。撮像条件が異なると、係数ａ、ｃ、ｆ、ｄが異なる。例えば、係数ａ_１、ａ_２、ａ_３はそれぞれ異なる値となっている。

ここで、図３の係数設定部５３は、係数ａ_１〜ｆ_３を電磁界シミュレータによって算出している。あるいは、係数設定部５３が係数ａ_１〜ｆ_３の少なくとも一部を実験的に算出してもよい。係数設定部５３は、シミュレータ、又は実験によって、係数ａ_１〜ｆ_３を予め設定している。係数ａ_１〜ａ_３、ｃ_１〜ｃ_３、ｄ_１〜ｄ_３、ｆ_１〜ｆ_３はそれぞれ独立の係数となっている。

ここで、式（１）〜式（３）において、未知の変数は、Ａ、Ｃ、Ｆの３つであり、異なる３つの撮像条件で撮像を行っている。すなわち、検査対象項目である幅Ａ、厚さＣ、及び厚さＦの値が未知の変数となっている。したがって、演算部５２は、既知の係数ａ_１〜ｆ_３を用いて、Ａ、Ｃ、Ｆを算出する。すなわち、演算部５２は、式（１）〜式（３）に示される３元一次方程式をＡ、Ｃ、Ｆについて解く。また、撮像条件を変えて３回撮像しているため、確実にＡ、Ｃ、Ｆを分離することができる。例えば、数学的に解が得られない条件を避けるように、撮像条件を設定する。

換言すると、試料画像Ｐ１〜Ｐ３を重み付け加算することで、幅Ａのみに依存する加算画像ＰＡと、厚さＣのみに依存する加算画像ＰＣと、厚さＦのみに依存する加算画像ＰＦが得られる（図３参照）。加算画像ＰＡの輝度値は、厚さＣ、及び厚さＦによってはほとんど変化しない。加算画像ＰＣの輝度値は、幅Ａ、及び厚さＦによってはほとんど変化しない。加算画像ＰＦの輝度値は、厚さＣ、及び幅Ａによってはほとんど変化しない。このように、試料画像Ｐ１〜Ｐ３を重み付け加算することで３つの加算画像ＰＡ、ＰＣ、ＰＦが算出される。もちろん、加算画像ＰＡ、ＰＣ、ＰＦでは重み付け加算のパラメータが異なっている。パラメータは上記のようにシミュレーションにより求めることができる。すなわち、シミュレーションによって求めた係数によって、重み付け加算のパラメータが算出される。

係数ａ_１〜ａ_３、ｃ_１〜ｃ_３、ｄ_１〜ｄ_３、ｆ_１〜ｆ_３を用いることで、検査対象項目である幅Ａ、高さＣ、及び高さＦの像を分離することができる。すなわち、試料画像Ｐ１〜Ｐ３の輝度値を重み付け加算することで、輝度値が幅Ａ，厚さＣ、及び厚さＦにそれぞれ変換される。判定部５５は、加算画像の輝度値と、しきい値とを比較することによって、良否判定を行っている。例えば、加算画像ＰＡの輝度値が上限値と下限値との間の正常範囲内にあるか否かを判定する。加算画像ＰＡの輝度値が、上限値と下限値の間にある場合は、判定部５５は、幅Ａが正常と判定する。また、加算画像ＰＡの輝度値が、上限値よりも大きい場合、又は下限値よりも小さい場合は、判定部５５は、幅Ａが異常となっていると判定する。厚さＣ、及び厚さＦについても上限値と下限値との比較によって、良否判定を行う。

試料２０のパターン２４の幅Ａ、及び厚さＣに応じて、輝度値が変化する。したがって、試料画像の輝度値分布には、パターン２４の幅Ａの分布とパターン２４の厚さＣの分布の情報が含まれていることになる。同様に、第１の下地膜２２の厚さＦに応じて、輝度値が変化する。パターン２４の下に第１の下地膜２２がある場合、試料画像の輝度値分布に、第１の下地膜２２の厚さＦの分布の情報が含まれている。よって、輝度変化がある場合、１枚の試料画像の輝度値をしきい値と比較するのみでは、幅Ａのばらつきによるものか、厚さＣのばらつきによるものか、厚さＦのばらつきによるものか、を判別することが困難である。

そこで、本実施形態では、異なる２又は３以上の撮像条件で取得された試料画像を用いている。すなわち、検査対象項目の数だけ、撮像条件を変えて試料画像を取得している。例えば、検査対象項目に対する感度が異なり、検査対象項目以外の感度が同等の撮像条件を複数選び出している。図４に示すように、第２の撮像条件Ｇ２では、厚さＣに対して輝度値がほとんど変化していない。そして、第１の撮像条件Ｇ１では、第２の撮像条件Ｇ２と比較して、厚さＣに対する輝度値の変化率が大きくなっている。このように、厚さＣに対する輝度値の変化率が大きい条件と小さい条件を選択する。こうすることで、厚さＣを精度よく測定することができる。

もちろん、幅Ａ、及び厚さＦについても、輝度値の変化率が大きく異なるように、撮像条件を設定する。例えば、幅Ａ又は厚さＦが増加するにつれて輝度値が増加する条件として、第２の撮像条件が選択され、減少する撮像条件として第１及び第３の撮像条件が選択されている。変化率が正となる撮像条件と、負となる撮像条件を設定することが好ましい。このように撮像条件を設定することで精度よく測定することができる。すなわち、検査対象項目の値と輝度値を正確に紐付けすることができる。

係数を算出するためのシミュレータとしては、電磁界シミュレータを用いることができる。例えば、３次元ＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）によるシミュレータを採用している。あるいは、ＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法を用いて、シミュレーションを行ってもよい。

シミュレータ上で、試料２０の断面構造をモデリングして、物質の光学特性を設定する。さらに、照明の波長、偏光、照明光のスポット形状、照明光の入射角度、パターン２４に対する照明光の入射方向を撮像条件と一致させる。幅Ａ、厚さＣ、及び厚さＦを掃引するパラメータとして、反射率をシミュレーションで算出する。このように、係数設定部５３は、シミュレーションによって、係数ａ_１、ａ_２、ａ_３、ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３、ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３を算出する。さらに、シミュレーションによって、幅Ａ、厚さＣ、又は厚さＦに対する輝度値の変化率が大きく異なる撮像条件を探索してもよい。

実験的に算出する場合、面内において、ばらつきがある参照試料を用意する。例えば、厚さＣを測定する場合、面内で厚さＣが変化する参照試料を製作する。そして、参照試料を第１〜第３の撮像条件で撮像する。こうすることで、係数ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３を算出することができる。そして、シミュレーションで算出した係数と、実験的に求めた係数とを用いて、検査を行う。

なお、全ての係数をシミュレーションによって算出することで、参照試料の測定が不要となる。例えば、測長ＳＥＭ、（ＣＤ−ＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy））等による破壊検査が不要となり、より簡便に検査することができる。さらに、下地膜の厚さについては、実際に測定することが困難である。よって、係数設定部５３は、下地膜の厚さについては、シミュレーションによって設定している。これにより、測定が困難な下地膜の厚さを精度よく検査することができる。

このように、処理装置５０は３以上の撮像条件で試料画像を取得し、試料画像の輝度値に基づいて、３以上の検査対象項目についての検査を行っている。パターン２４の下地の高さが、検査対象項目に含まれている。処理装置５０は、それぞれの検査対象項目の値を、３以上の試料画像の輝度値に基づいて算出する。下地の高さ変化に対する輝度値の変化率がシミュレーションによって求められている。そして、処理装置５０は、変化率を用いて、検査対象項目の値を算出する。これにより、下地の高さを測定することなく、検査対象項目の値を正確に算出することができる。よって、検査対象項目を正確に検査することができる。

上記の説明では、第１〜第３の撮像条件において、試料画像を取得したが、４以上の撮像条件で試料画像を取得してもよい。すなわち、４以上の試料画像の輝度値を重み付け加算するようにしてもよい。３つの検査対象項目について、４以上の試料画像を取得することで、より精度の高い検査が可能になる。この場合も、シミュレータによって係数を算出する。もちろん、一部の係数については、実際の測定によって決定してもよい。

なお、本実施形態において、検査対象項目を２つとすることもできる。すなわち、検査対象項目は２つ以上であればよい。検査対象項目を２項目とする場合、異なる２つの撮像条件で試料画像を取得する。そして、パターン２４の下地の高さが検査対象項目に含まれている。具体的には、厚さＦと厚さＣの２つを検査対象項目としてもよい。あるいは、厚さＦと幅Ａを検査対象項目としてもよい。

処理装置５０は、それぞれの検査対象項目の値を、２つの試料画像の輝度値に基づいて算出する。下地の高さ変化に対する輝度値の変化率がシミュレーションによって求められている。そして、処理装置５０は、変化率を用いて、検査対象項目の値を算出する。すなわち、２元一次方程式を解くことで、２つの検査対象項目の値を分離することができる。これにより、下地の高さを測定することなく、検査対象項目の値を正確に算出することができる。よって、検査対象項目を正確に検査することができる。検査対象項目を２つとした場合において、異なる３以上の撮像条件で撮像することで、精度よく検査することができる。

さらに、検査対象項目は、４以上であってもよい。この場合、撮像条件を変えて、検査対象項目の数以上の試料画像を取得する。例えば、第２の下地膜２３の厚さＤが面内で変化する場合、厚さＤを検査対象項目としてもよい。幅Ａ、厚さＣ、厚さＤ、及び厚さＦの４つを検査対象項目とする場合、異なる４種類の撮像条件で、試料画像を撮像する。そして、４元一次方程式を解くことで、幅Ａ、厚さＣ、厚さＤ、及び厚さＦをそれぞれ分離することができる。また、光学系のシェーディング等による輝度値の変化も加算されることもある。この場合、シェーディング等による輝度値の変化をシミュレーションすることが好ましい。

なお、上記の説明では、下地膜を２層としたが、下地膜の層数については特に限定されるものではない。下地膜は、１層でもよく、３層以上であってもよい。あるいは、下地膜はなくてもよい。この場合、ウェハ２１の表面粗さ等が下地高さとなる。すなわち、下地膜、又はパターン２４の厚さに限られ、ウェハ２１や膜の高さを検査対象項目とすることができる。このように、下地の高さを検査対象項目とすることができる。

上記のように、照明光のＹ軸周りの角度、検出器１１のＹ軸周りの角度、試料２０のＺ軸周りの角度、照明光波長、照明光の偏光、照明光のスポット形状などの撮像条件を変更している。こうすることで、適切な撮像条件を容易に設定することができる。

さらに、テーパ角度検査、表面プロファイル検査についても同様に行うことができる。パターンの表面形状又は高さ方向の寸法であるＣＤ、膜厚、テーパ角度、表面プロファイルごとに重み付けパラメータを設定することができる。パターンの表面形状の寸法、又は高さ方向の寸法のいずれか一項目を検査対象とした場合に、検査対象項目以外の項目に対する感度が同等の撮像条件を設定するようにしてもよい。さらには、ウェハ２１、第１の下地膜２２、又は第２の下地膜２３の構造変化についても同様に検査することができる。例えば、下地膜の表面形状、膜厚、テーパ角度、表面プロファイル等を検査対象として、重み付けパラメータを設定する。あるいは、ウェハ２１の表面形状、膜厚、テーパ角度、表面プロファイル等を検査対象として、重み付けパラメータを設定する。そして、検査対象項目以外の項目に対する感度が同等の撮像条件を設定するようにしてもよい。
なお、シミュレーションによって輝度値の変化率を求める検査対象項目は、下地の高さに限られるものではない。下地高さ以外の検査対象項目の変化に対する輝度値の変化がシミュレーションによって求められていてもよい。すなわち、少なくとも一つの検査対象項目の変化に対する輝度値の変化がシミュレーションによって求められていればよい。こうすることで、参照試料において一部の検査対象項目に対する測定を行わなくても、正確に検査することができる。

係数設定部５３は、他のコンピュータでシミュレーションされた結果に基づいて、係数を設定してもよい。すなわち、係数を設定するためのシミュレーションを行う演算処理装置は、処理装置５０と異なる演算処理装置であってもよい。そして、他の演算処理装置で求められた係数が、処理装置５０に入力される。

画素毎に輝度値を加算するのではなく、一定の領域の輝度値を加算してもよい。例えば、複数画素の輝度値の平均値を重み付け加算してもよい。

上記の説明では、半導体ウェハの幅検査、及び膜厚検査を行ったが、検査対象はこれらに限られるものではない。すなわち、試料上での受光画素サイズに対して微細なパターンが形成されたパターン基板であれば、検査することができる。本実施形態は、ＴＦＴ基板等の表示パネル用のパターン基板、フォトマスク基板の検査にも適用可能である。試料画像の輝度値と、試料のパターンの表面形状又は高さ方向における寸法との相関に基づいて、検査を行うことができる。これにより、パターンの表面形状、表面粗さや、パターン幅、パターン間隔、表面粗さ、テーパ角度、高さ情報、表面プロファイルなどの検査が可能になる。さらに、低倍率で試料を撮像しているため、短時間で試料全体を検査することが可能となる。

なお、ＣＤ検査の手法としてスキャットロメトリがある。スキャットロメトリはＬＳ（Line and Space）等の構造物の形状を観測すること、側壁の傾き等の情報を含め高さ、幅を正確に測定することを目的としている。それに対して本提案はマクロ検査の手法であり、検査を行うウェハ内もしくはチップ内での高さの変化量のばらつきとその分布を検査することを目的としている。スキャットロメトリの出力は構造物の形状であり、本実施形態に係る検査方法では、図３に示したような幅、または高さ変化量の分布を示した加算画像を得ることができる。

スキャットロメトリではＬＳの形状測定を行う場合、実ウェハの反射光分光特性と、ある仮定したＬＳの形状モデルのシミュレーションによって求められた分光特性との比較を行う。そして、比較結果が示す合致度によりＬＳの形状を決定します（分光スキャットロメトリ）。スキャットロメトリを使用してＸＹステージ等でスキャンを行う場合、画素単位で上記処理を行うには膨大な時間がかかってしまう。

これに対して、本実施形態に係る検査方法では、上記のような分光特性の比較は行わず、撮像条件（偏光角、波長、入出射光の角度）を変えて撮像を例として３回行っている。そして、式（１）〜式（３）を用いて、３枚の試料画像の輝度値から、高さ情報の抽出を行いっている。処理装置５０は、その結果として高さ情報の分布画像として出力している。上記は側壁の傾き変化等、微細な形状変化は考慮しない簡略化した方法であるため、スキャットロメトリに比べて、短時間で検査を行うことができる。

１０ 光源
１１ 検出器
２０ 試料
３０ ステージ
５０ 処理装置
５１ 記憶部
５２ 演算部
５３ 係数設定部
５５ 判定部

Claims (8)

1. パターンが設けられた試料を照明する光源と、
   前記光源によって照明された試料からの光を検出する検出器と、
   前記試料の表面形状又は高さ方向における寸法を検査対象項目とした場合に、前記検査対象項目の値と前記検出器によって取得された試料画像の輝度値と、の相関に基づいて、検査を行う処理装置とを備え、
   ２以上の検査対象項目についての検査を行うため、前記処理装置は２以上の撮像条件で前記試料画像を取得し、
   それぞれの前記検査対象項目の値を、２以上の前記試料画像の輝度値に基づいて算出し、
   少なくとも一つの前記検査対象項目の値の変化に対する前記輝度値の変化率がシミュレーションによって求められ、
   前記変化率を用いて、前記検査対象項目の値が算出される検査装置。
2. 前記パターンの下地の高さが、前記検査対象項目に含まれ、
   前記下地の高さ変化に対する前記輝度値の変化がシミュレーションによって求められている請求項１に記載の検査装置。
3. 全ての検査対象項目の値の変化に対する前記輝度値の変化率がシミュレーションによって求められている請求項１、又は２に記載の検査装置。
4. 照明光の波長、照明光の偏光、照明光の照明角度、照明光の形状、検出器の検出角度、及び試料の角度の少なくとも一つを変えることで、前記撮像条件を変えている請求項１〜３のいずれか１項に記載の検査装置。
5. パターンが設けられた試料を照明するステップと、
   照明された前記試料からの光を検出するステップと、
   前記試料の表面形状又は高さ方向における寸法を検査対象項目とした場合に、前記検査対象項目の値と前記検出器によって取得された試料画像の輝度値と、の相関に基づいて、検査を行うステップとを備え、
   ２以上の検査対象項目についての検査を行うため、２以上の撮像条件で前記試料画像を取得し、
   それぞれの前記検査対象項目の値を、２以上の前記試料画像の輝度値に基づいて算出し、
   少なくとも一つの前記検査対象項目の値の変化に対する前記輝度値の変化率をシミュレーションによって求め、
   前記変化率を用いて、前記検査対象項目の値が算出される検査方法。
6. 前記パターンの下地の高さが、前記検査対象項目に含まれ、
   前記下地の高さ変化に対する前記輝度値の変化をシミュレーションによって求めている請求項５に記載の検査方法。
7. 全ての検査対象項目の値の変化に対する前記輝度値の変化率がシミュレーションによって求められている請求項５、又は６に記載の検査方法。
8. 照明光の波長、照明光の偏光、照明光の照明角度、照明光の形状、検出器の検出角度、及び試料の角度の少なくとも一つを変えることで、前記撮像条件を変えている請求項５〜７のいずれか１項に記載の検査方法。