JP2015135300A

JP2015135300A - 検査装置および計測装置

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Publication number: JP2015135300A
Application number: JP2014007429A
Authority: JP
Inventors: 幕内　雅巳; Masami Makuuchi; 雅巳幕内; 神宮　孝広; Takahiro Jingu; 孝広神宮
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2015-07-27
Anticipated expiration: 2034-01-20
Also published as: WO2015107795A1; US20160322193A1; JP6259669B2; US9779912B2

Abstract

【課題】光子計数センサにおいて微小異物を高精度に検出する検出回路およびそれを用いた検査装置、計測装置を提供する。【解決手段】試料表面を検査または計測する検査または計測装置であって、前記試料表面にレーザビームを照射する照射手段と、前記試料表面からの散乱光を検出して検出信号を生成する検出手段と、を備え、前記検出手段は、Ｎピクセル（Ｎは自然数）の光検出素子から、Ｍ個（Ｍは自然数、Ｍ＜Ｎ）の出力信号を出力する光子計数センサと、前記光子計数センサの出力信号をそれぞれ電流電圧変換するＭ個の電流電圧変換手段と、前記電流電圧変換手段に基準電圧を印加する電圧印加手段と、前記電流電圧変換手段の出力に基づいて検出信号を生成する検出信号生成手段と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、検査装置および計測装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特表２００５−５２６２３９号公報（特許文献１）がある。この公報には、「半導体ウエハのような試料から発せられるビームからの（例えば散乱された光、反射された光、または二次電子）比較的大きなダイナミックレンジの強度値を検出するメカニズムを提供する。」と記載されている（要約参照）。

また、特許文献２には、「複数の素子に直流電圧を供給する電圧調整装置であって、前記複数の素子の各高電位側端子に、第１電圧を供給する第１供給回路と、前記複数の素子の各低電位側端子に、それぞれ、前記第１電圧よりも小さい、前記複数の素子の特性に依存した複数の電圧を供給する第２供給回路と、を備える電圧調整装置」が記載されている。

特表２００５−５２６２３９号公報特開２０１２−１３５０９６号公報

前記特許文献１には、ウエハ表面にビームを照射した際の、ウエハ表面上にある異物からの散乱光強度を比較的大きなダイナミックレンジで検出する仕組みが記載されている。しかし、特許文献１の装置では、例えば、ウエハ上の異物からの散乱光強度が、異物径に応じて微小になった場合には、センサから出力される検出信号にはセンサ素子自身の暗ノイズの占める割合が大きくなり、微小な異物の検出が困難となる。

上記の課題を解決するために、光検出手段として例えば、光子計数センサとしてＭＰＰＣ(Multi-Pixel Photon Counter、浜松ホトニクス株式会社の登録商標)のような半導体光検出素子や、光電子増倍管が使用される。

光子計数センサでは、特許文献２で述べられているように、半導体光検出素子が所定の光量の光入力に対して所定の電圧を出力するため、半導体光素子への印加電圧を調整する手段を光検出手段に配設する必要がある。

また、レーザ光源がパルス発振しているため、高速で繰り返される散乱光入射に対して光子計数センサの応答速度が不足すると、光子計数センサで検出される信号成分が低下し、微小異物の高精度検出が困難となる。

さらに、光子計数センサは、光検出素子が数百ピクセル以上に細分化して配置されており、各光検出素子の増倍率がデバイス上で部分ごとに偏る可能性がある。この場合、光子計数センサからの出力電流が光入射部分に応じてばらつくため、出力電流値から光子数が弁別出来ず、今後、数個レベルでの光子を計数する、より高度な微小異物の高精度検出が困難となる、という課題を有している。

そこで、本発明は、光子計数センサにおいて微小異物を高精度に検出する検出回路およびそれを用いた検査装置、計測装置を提供する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、試料表面を検査または計測する検査または計測装置であって、前記試料表面にレーザビームを照射する照射手段と、前記試料表面からの散乱光を検出して検出信号を生成する検出手段と、を備え、前記検出手段は、Ｎピクセル（Ｎは自然数）の光検出素子から、Ｍ個（Ｍは自然数、Ｍ＜Ｎ）の出力信号を出力する光子計数センサと、前記光子計数センサの出力信号をそれぞれ電流電圧変換するＭ個の電流電圧変換手段と、前記電流電圧変換手段に基準電圧を印加する電圧印加手段と、前記電流電圧変換手段の出力に基づいて検出信号を生成する検出信号生成手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、光子計数センサにおいて微小な異物を高精度に検出することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第一の実施の形態に係る検査装置の構成図の例である。第一の実施の形態に係るセンサの例である。第一の実施の形態に係る光子計数センサの例である。第二の実施の形態に係るセンサの例である。第三の実施の形態に係るセンサの例である。第一の実施の形態に係る半導体計測装置の構成図の例である。第一の実施の形態に係る質量分析装置の構成図の例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

光子計数センサは、半導体検査または計測装置や、医用・医療装置など分野で幅広く応用されている。例えば、半導体検査または計測装置は、検査または計測対象のウエハに電子ビームをスキャンして照射し、発生する二次電子をシンチレーションで光に変換し、この光を光子計数センサで信号検出して計測や検出画像を生成し、計測や検出画像に基づいて、検査または計測を行う装置である。この半導体検査または計測装置を用いて、半導体を検査または計測する場合には、製造過程における異常や不良の発生を早期に、あるいは事前に検知するため、各製造工程の終了時において半導体上のパターンの検査または計測が行われる。

本実施例では、微小異物の高精度検出のために、レーザ光源のパルス発振に対する光子計数センサの高速応答を実現するとともに、デバイス上の光像倍率のばらつきを抑制する検査装置の例を説明する。

図１は、本実施例の検査装置の構成図の例である。

検査装置５０は、レーザ２、反射板３、レンズ４、５、センサ６、増幅回路７、Ａ／Ｄ変換回路８、データ処理部９、ＣＰＵ１０、マップ出力部１１、ステージ制御部１２、回転ステージ１３、並進ステージ１４、クロック検出部２０、遅延制御部２４を有する。

異物検査装置５０では、ウエハ１を回転ステージ１３上に設置して、レーザ光源２から出力されるレーザ光を反射板３とレンズ４を介してウエハ１上に照射する。このとき、異物検査装置５０では、ＣＰＵ１０の制御によりステージ制御部１２を介して、ウエハ１を回転ステージ１３で回転動作させるとともに、並進ステージ１４で直線動作させる。これにより、ウエハ１上に照射されるレーザ光は、ウエハ１の全面でらせん状の軌跡となり、ウエハ１の全表面を検査することができる。

クロック検出部２０は、センサ２１、ＩＶ変換回路２２、クロック再生回路２３を有し、反射板３を透過したレーザ光を元に、レーザ光源２に同期したクロック信号を生成する。

本実施例による検査装置５０では、クロック検出部２０で生成されたクロック信号を、遅延調整部２４を介して遅延調整し、これに基づいてセンサ６が出力する検出信号を増幅回路７で増幅し、Ａ／Ｄ変換回路８でサンプリングする。図２は、検査装置５０におけるセンサ６の構成図の例、図３は本実施例における分子型格子計数センサ２００の構成図の例である。

センサ６は、光子計数センサ２００、バイアス電圧設定手段１００、ＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４、加算回路１０５、電圧設定手段１０６を有する。光子計数センサ２００は、Ｎピクセルの光検出素子を搭載しており、図３に図示したように、４つの領域２０１、２０２、２０３、２０４毎に出力を共通化して出力する。

ＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４は、光子計数センサ２００の領域２０１、２０２、２０３、２０４からの出力電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を、それぞれ電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４に変換し、加算回路１０５でＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４の出力を加算して検出信号Ｖｏを出力する。

電圧設定手段１０６は、ＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４の基準電圧を制御し、その結果、光子計数センサ２００の領域２０１、２０２、２０３、２０４には、バイアス電圧設定手段が出力した電圧Ｖｂ０と、電圧設定手段１０６が出力した電圧Ｖｂ１の差電圧が印加される。

ＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４、および加算回路１０５の抵抗値をすべてＲとすると、センサ６の出力電圧Ｖｏは、式１で与えられる。式１より、Ｖｂ１およびＲは既知であり、Ｖｏを計測することで、光子計数センサ２００の出力電流、すなわち光子計数センサへの入射光量を計測することが可能となる。
（式１）Ｖｏ＝（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）・Ｒ−４・Ｖｂ１
このように、光子計数センサ２００におけるＮピクセルをＭ個の領域毎（Ｎ＞Ｍ。Ｍ、Ｎともに自然数）に共通化し、それぞれ独立にＩＶ変換回路で電圧に変換して加算出力することで、光子計数センサ２００内部の寄生成分の影響を分散して、レーザ光源２のパルス発振に対する光子計数センサ２００の高速応答を実現することが可能となる。

そして、光子計数センサとして例えばＭＰＰＣ（登録商標）を使用する場合、通常７０Ｖ程度の高電圧を印加すると、数Ｖの電圧で増倍率が変動することが知られている。そこで、図２に図示した電圧設定手段１０６により基準電圧Ｖｂ１を各ＩＶ変換回路に印加することで、光子計数センサからの出力電流の、光入射部分に応じたばらつきを調整し、光子計数センサの増倍率を制御することができる。

すなわち、本実施例の構成により光子計数センサにおいて、レーザ光源の高速パルス発振に対応し、かつ、数百ピクセル以上に細分化して配置された各光検出素子の増倍率のばらつきを抑制できるため、微小異物の高精度検出が可能となる。なお、本実施例では、ＩＶ変換回路１０１〜１０４の全てに基準電圧Ｖｂ１を印加しているが、光入射領域毎のばらつきに応じて、各ＩＶ変換回路にそれぞれ異なる基準電圧を印加する構成であっても、光子計数センサの増倍率の制御が可能となる。

本実施例では、光子計数センサが搭載される検査装置について説明したが、光子計数センサを搭載する装置はこれに限らず、半導体計測装置、または、質量分析装置でも良い。

図６に半導体計測装置の構成図の例を示す。半導体計測装置３００では、電子銃３０１で電子ビーム３０３を生成し、集束レンズ３０２、偏向制御部３０４、対物レンズ３０５を介して、ステージ３０７上にある半導体ウエハ３０６を電子ビーム３０３でスキャンする。半導体ウエハ３０６では電子ビーム３０３の照射により２次電子３０８が発生し、２次電子３０８はシンチレータ３０９、光子計数センサ３１０を介して検出され、データ処理部３１１で検出画像の生成と計測あるいは検査が行われる。

図７に質量分析装置の構成図の例を示す。質量分析装置では、試料をイオン化して真空チャンバ内の電極間に捕捉し、この電極に高電圧をスキャンして各電圧に応じた質量のイオンを放出し、これをシンチレーションで光に変換し、光子計数センサで信号検出して質量分析が行われる。質量分析装置４００では、試料ガス４０１を試料導入室４０２に注入し、これをイオン化室４０３でイオン化する。イオン化された試料は、イオントラップ部４０４で捕捉され、ここに高電圧印加部４０５から高電圧をスキャンすることで各電圧に応じた質量のイオンがシンチレータ４０６と光子計数センサ４０７を介して検出され、データ処理部４０８で質量部分析が行われる。

なお、光子計数センサが搭載される装置に関しては、以降の実施例においても、本実施例と同様に、検査装置に限らない。

図４は、本発明に係る検査装置のセンサについて、第２の実施形態を示す構成図である。なお、説明が煩雑になることを避けるため、実施例１と同一の符号をつけた構成要素についての説明は省略する。

図４で示したセンサ６は、光子計数センサ２００、バイアス電圧設定手段１００、ＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４、加算回路１０５、１０７、電圧設定手段１０６で構成される。

センサ６では、電圧設定手段１０６から基準電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２、Ｖｂ３、Ｖｂ４を出力し、ＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４を介して、光子計数センサ２００の領域２０１、２０２、２０３、２０４の領域毎にバイアス電圧を可変して増倍率を設定する。

また、加算回路１０７を介して電圧設定手段１０６の出力電圧を加算し、最終的に加算回路１０５を介して検出信号Ｖｏを得る。センサ６の抵抗値をすべてＲとすると、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖｏは式２〜７で与えられる。
（式２）Ｖ１＝Ｖｂ１−Ｉ１・Ｒ
（式３）Ｖ２＝Ｖｂ２−Ｉ２・Ｒ
（式４）Ｖ３＝Ｖｂ３−Ｉ３・Ｒ
（式５）Ｖ４＝Ｖｂ４−Ｉ４・Ｒ
（式６）Ｖ５＝−（Ｖｂ１＋Ｖｂ２＋Ｖｂ３＋Ｖｂ４）
（式７）Ｖｏ＝（Ｉ１＋Ｉ２＋Ｉ３＋Ｉ４）・Ｒ
本実施例の構成によると、ＩＶ変換回路毎に基準電圧を設定することで、光子計数センサの領域毎に増倍率にばらつきがある場合にも、そのばらつきが均一になるように調整できる。さらに、電圧設定手段１０６の出力電圧を加算する加算回路１０７を設け、最終的に加算回路１０５で各ＩＶ変換回路の出力と加算回路１０７の出力とを加算して検出信号Ｖｏを検出することで、電圧設定手段１０６からの電圧の出力をキャンセルすることができるため、微小異物の高精度検出が可能となる。

なお、本実施例では、ＩＶ変換回路毎に基準電圧を設定したが、実施例１と同様に全てのＩＶ変換回路に等しい基準電圧を印加しても、電圧設定手段１０６からの電圧の出力をオフセットすることができるため、微小異物の高精度検出が可能である。

図５は、本発明に係る検査装置のセンサについて、第３の実施形態を示す構成図である。なお、説明が煩雑になることを避けるため、実施例１と同一の符号をつけた構成要素についての説明は省略する。

図４で示したセンサ６は、光子計数センサ２００、バイアス電圧設定手段１００、ＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４、加減算回路１０８、電圧設定手段１０６で構成される。

実施例２と同様に、センサ６では、電圧設定手段１０６から基準電圧Ｖｂ１、ｖｂ２、Ｖｂ３、Ｖｂ４を出力して、ＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４を介して、光子計数センサ２００の領域２０１、２０２、２０３、２０４の領域毎にバイアス電圧を可変して増倍率を設定するとともに、各ＩＶ変換回路１０１、１０２、１０３、１０４からの出力は上記式２〜５で与えられる。加えて、電圧設定手段１０６により、Ｖｂ１〜Ｖｂ４を加算した電圧と等しいＶ５を出力することで、加減算回路１０８を介して上記式７で与えられる検出信号Ｖｏを得る。

本実施例の構成によると、ＩＶ変換回路毎に基準電圧を設定することで、光子計数センサの領域毎に増倍率にばらつきがある場合にも、そのばらつきが均一になるように調整できる。さらに、電圧設定手段１０６からＶｂ１〜Ｖｂ４を加算した電圧Ｖ５を出力し、最終的に加減算回路１０８で検出信号Ｖｏを検出することで、電圧設定手段１０６からの電圧の出力をキャンセルすることができるため、微小異物の高精度検出が可能となる。

なお、実施例１〜３では、一例としてＮピクセルを有する光子計数センサを４個の領域毎に共通化し、それぞれ独立にＩＶ変換回路で電圧に変換して加算出力するとともに、電圧設定手段とＩＶ変換手段を介して前記光子計数センサの領域毎にバイアス電圧を独立して制御することを説明したが、光子計数センサの領域ＭはＮ＞Ｍであれば良く、さらに各領域に含まれるピクセル数がＮ／Ｍピクセルと等しくなくても良いことは言うまでもない。

また、電圧設定手段については、例えば、温度変動に対する光子計数センサの動作補償や検査装置に使用状況に応じて、ＣＰＵやユーザプログラム（図示せず）から可変制御できるとともに、電圧設定手段を用いずに任意の基準電圧をＩＶ変換回路に設定することで、上記の実施例１〜３と同様の効果が得られることはいうまでもない。

また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例１〜３は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除。置換をすることが可能である。

実施例１〜３では、センサ６をウエハの検査装置に適用するものとして説明したが、検査装置に限らず、計測装置、医用・医療装置など検出手段として光子計数センサを用いる装置であれば適用可能であり、高精度な検出が可能となる。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、ＣＰＵ１０がそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１、３０６ウエハ
２レーザ光源
３反射板
４、５レンズ
６センサ
７増幅回路
８Ａ／Ｄ変換回路
９データ処理部
１０ＣＰＵ
１１マップ出力部
１２ステージ制御部
１３回転ステージ
１４並進ステージ
２０クロック検出部
２１センサ
２２ＩＶ変換回路
２３クロック再生回路
２４遅延制御部
５０検査装置
１００バイアス電圧設定手段
１０１、１０２、１０３、１０４ＩＶ変換回路
１０５、１０７加算回路
１０６電圧設定手段
１０８加減算回路
２００，３１０、４０７光子計数センサ
３００半導体計測装置
３０１電子銃
３０２集束レンズ
３０３電子ビーム
３０４偏向制御部
３０５対物レンズ
３０７ステージ
３０８２次電子
３０９、４０６シンチレータ
３１１データ処理部
４００質量分析装置
４０１試料ガス
４０２試料導入室
４０３イオン化室
４０４イオントラップ部
４０５高電圧印加部
４０８質量分析部

Claims

試料表面を検査または計測する検査または計測装置であって、
前記試料表面にレーザビームを照射する照射手段と、
前記試料表面からの散乱光を検出して検出信号を生成する検出手段と、
を備え、
前記検出手段は、
Ｎピクセル（Ｎは自然数）の光検出素子から、Ｍ個（Ｍは自然数、Ｍ＜Ｎ）の出力信号を出力する光子計数センサと、
前記光子計数センサの出力信号をそれぞれ電流電圧変換するＭ個の電流電圧変換手段と、
前記電流電圧変換手段に基準電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電流電圧変換手段の出力に基づいて検出信号を生成する検出信号生成手段と、
を有する検査または計測装置。
請求項１に記載の検査または計測装置であって、
前記検出信号生成手段は、前記Ｍ個の電流電圧手段の出力を加算して検出信号を生成することを生成することを特徴とする検査または計測装置。
請求項１に記載の検査または計測装置であって、
前記電圧印加手段は、前記Ｍ個の電流電圧変換手段に同じ基準電圧を印加することを特徴とする検査または計測装置。
請求項２に記載の検査または計測装置であって、
前記検出手段は、前記電圧印加手段の出力を加算する加算手段を有し、
前記検出信号生成手段は、前記電流電圧変換手段と前記加算手段との出力に基づいて検出信号を生成する、
ことを特徴とする検査または計測装置。
請求項１に記載の検査または計測装置であって、
前記電圧印加手段は、前記電流電圧変換手段に印加する電圧の合計値を出力し、
前記検出信号生成手段は、前記電流電圧手段の出力を加算し、前記合計値を減算することで検出信号を生成することを特徴とする検査または計測装置。
請求項１に記載の検査または計測装置であって、
前記光子計数センサは、前記Ｎピクセルの光検出素子の出力を、前記光検出素子が配置されている領域毎に共通化してＭ個の出力信号を出力し、
前記電圧印加手段は、前記光検出素子の配置されている領域毎の出力信号のばらつきに基づいて、前記電流電圧変換手段に印加する電圧を設定する、
ことを特徴とする検査または計測装置。