JP2015203658A - 検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストかつ広範囲の散乱光を捕捉可能な検出光学系を備えた欠陥検査装置を提供する。
【解決手段】本発明は、試料から第１の角度で散乱した光を集光し、コリメートする第１の反射型光学素子群と、前記試料から前記第１の角度よりも低い第２の角度で散乱した光を集光し、コリメートする第２の反射型光学素子群と、を有することを１つの特徴とする。本発明によれば低コストで広範囲の散乱光の集光が可能となる。例えば、高仰角用の光学系を仰角９０度〜６０度、中仰角用の光学系を仰角６０度〜４５度、低仰角用の光学系を仰角４５度〜３０度の散乱光を集光するように設計すれば仰角３０度〜９０度の領域を抜けなく集光する事が出来る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイス製造におけるウェーハなどの、パターンが形成された試料の欠陥検査装置に係り、特に光学式欠陥検査装置に関する。

半導体デバイスの製造プロセスでは、スパッタや化学気相成長による成膜、化学機械研磨による平坦化、リソグラフィとエッチングによるパターニングを多数繰り返す。半導体デバイスの歩留まりを確保するために、製造プロセスの途中でウェーハを抜き取り、欠陥検査を行う。欠陥とは、ウェーハ表面の異物、スクラッチやパターン欠陥（ショート、オープン等）である。欠陥検査の目的は、製造装置の状態を管理すること、及び不良が発生した工程とその原因を特定することにある。

ウェーハに光を照射して画像を取得する光学式欠陥検査装置は、電子線など他方式の欠陥検査装置に比べてスループットが高いので、インライン検査に多く使用されている。特に照射した光の散乱光を検出する暗視野式の検査装置が多く使われている
半導体デバイスの微細化に伴い、検出すべき欠陥サイズが小さくなっており、検出感度の向上が要求されている。また、サイズ以外にもその種類や形状についても多種多様な欠陥の検出が要求されている。

具体的な欠陥検出方法は、例えば特許文献１に開示されている。半導体ウェーハに照明光を当て、発生する散乱光を検出光学系において集光して暗視野画像を取得し、取得した画像をチップ単位、セル単位で比較する。比較では、２つの画像（検査画像と参照画像）を位置合わせした後、両者の差分をとる。得られた差画像において、画素値が閾値より大きい位置を欠陥と判定する。

従って、正しく欠陥を判定するには、その欠陥からの散乱光を検出光学系で捕捉する必要がある。一方で散乱光の発生方位は欠陥の大きさや形状、周辺パターンの形状等に依存し、特定の方向にのみ強く出る場合がある。従って高感度かつ多様な欠陥を検出するためには、散乱光がどの方位にあっても検出できるように、検出光学系による散乱光の捕捉範囲を広く取る事が必要である。

特許文献２において、側方に検出光学系を追加した構成が開示されている。この構成によれば、側方低仰角に強い散乱のある欠陥を検出することが出来る。

特開２０１２−１６３４２２号公報 国際公開２０１３/１７２１０３号公報

特許文献１の欠陥検出方法は、検出光学系が単独の屈折光学系のみで構成されており、集光できる散乱光の仰角範囲は、検出光学系の開口によって制約を受ける。

また、特許文献２の欠陥検出方法は、側方に２個の独立な検出光学系を追加することによって側方においての低仰角の散乱光も集光できるようにしている。しかし、検出光学系のちょうど中間の仰角となる散乱光や、前側方、後側方の散乱光は捕捉できない。

より多くの欠陥種を高感度で検出するためには、広範囲の散乱光が捕捉できる必要がある。しかしながら、単独の屈折光学系でカバーしようと思うと、検出光学系をウェーハに接近させるか、もしくは離れていても広範囲の光を拾えるように巨大化させる必要がある。

しかしながら、検出光学系をウェーハに近づける方法は照明光学系と物理的に干渉するリスクがあり、現実的でない。また、巨大な検出光学系を作成することは、大きさに比例して使用する材料の絶対量や重量が増加するためコストがかかる。さらに、開口の大きい光学系は一般的に収差も大きく、収差を補正するために多段化させる必要があるため、透過率の低下や、飛躍的なコストの増加は免れない。

一方、例えば前側方、後側方にも検出光学系を追加するなど、複数の独立な検出光学系を作る手段もあるが、こちらも検出光学系の数だけコストがかかるため、コストの面で不利である。また、感度に関しても検出光学系の間の領域の感度が悪いという課題がある。

本発明の目的は、低コストかつ広範囲の散乱光を捕捉可能な検出光学系を備えた欠陥検査装置を提供することにある。

本発明は、所定のブロックが形成された試料へ光を供給する照明光学系と、前記試料からの光を検出する検出光学系と、処理部と、を有し、前記検出光学系は、散乱光の仰角ごとに異なる光学系で結像することを１つの特徴とする。

より具体的には、本発明は前記検出光学系について、高仰角の散乱光をコリメートする屈折光学系と、中仰角の散乱光をコリメートする反射光学系と、低仰角の散乱光をコリメートする反射光学系を持つこと１つの特徴とする。

本発明によれば低コストで広範囲の散乱光の集光が可能となる。例えば、高仰角用の光学系を仰角９０度〜６０度、中仰角用の光学系を仰角６０度〜４５度、低仰角用の光学系を仰角４５度〜３０度の散乱光を集光するように設計すれば仰角３０度〜９０度の領域を抜けなく集光する事が出来る。

実施例１の欠陥検査装置の一実施形態を示す図である。 実施例１の検出光学系における対物光学系の基本的な構成を側面から見た図である。 実施例１の検出光学系における対物光学系の基本的な構成を上面から見た図である。 実施例１の欠陥検査装置の別の一実施形態を示す図である。 実施例１の検出光学系における対物光学系の別の形態を側面、および上面から見た図である。 実施例１の検出光学系における対物光学系の第３の形態を側面から見た図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明による欠陥検査装置の概略構成を示す。検査対象は、パターンが形成された複数のチップを有する半導体ウェーハ（以降、ウェーハ１と称する）である。

欠陥検査装置は大きく分けて、画像取得部２と画像処理部３とから構成される。画像取得部２は、ステージ４、光源５、照明光学系６、検出光学系７、及び画像センサ８を有している。

ステージ４は、ウェーハ１を搭載して、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動及びθ方向（Ｚ軸回り）に回転する。ここで、Ｘ方向とＹ方向はウェーハの面内方向、Ｚ方向はウェーハの法線方向である。

光源５は、レーザのようなコヒーレント光源や放電ランプのようなインコヒーレント光源などが使用される。波長領域は、可視光、紫外光、遠紫外光、真空紫外光などである。

照明光学系６は、光源５から発した光を所定の波長、偏光、パワー、及びビームサイズなどに調整し、ウェーハ１に入射させる。ウェーハ１上に形成される照明領域は実質的な線や点である場合がある。

ウェーハ１からの散乱光は、暗視野型の検出光学系７により集光される。検出光学系７は、ウェーハ１からの散乱光を平行光に変換する対物光学系９と、不要な光を遮断するための空間フィルタ１０と、遮断後の光をセンサに集光結像する集光光学系１１によって構成されている。ここで、ウェーハからの正反射光は、対物光学系９、検出光学系７の開口外に出射する。

ウェーハ１の暗視野像は、画像センサ８上に拡大されて結像する。画像センサ８は、ＣＣＤセンサなどのエリアセンサやＴＤＩ（Time Delay Integration）センサなどのラインセンサが使用される。

画像センサ８により撮像された検査画像は、Ａ／Ｄ変換器（図示しない）によりデジタル信号に変換される。以上の動作と並行して、ステージをＸ方向とＹ方向に走査する。このようにして、検査対象のチップの画像が逐次、画像処理部３に伝送される。ステージ４をさらに走査することにより、ウェーハ１上の所定のチップの画像が逐次、画像処理部３に伝送される。

画像処理部３は、伝送された画像をあらかじめ決められた方法に則して画像処理、欠陥判定を行い、判定結果が欠陥の場合、当該検査画像の欠陥として出力する。

このようにして、ウェーハ上の所定のチップについて検査を行った後、ユーザインターフェース部（図示しない）にウェーハ面内の欠陥マップなどを出力する。

次に対物光学系９の基本的な構成について図２を用いて説明する。対物光学系９は高仰角散乱光コリメート用レンズ郡２０１、中仰角散乱光コリメート用ミラーセット２０２、低仰角散乱光コリメート用ミラーセット２０３により構成されている。高仰角散乱光コリメート用レンズ郡２０１は第１の角度で散乱した第１の散乱光を集光するため光学素子群であり、中仰角散乱光コリメート用ミラーセット２０２は第１の散乱光よりも低い第２の角度で散乱した光を集光するための光学素子群であり、低仰角散乱光コリメート用ミラーセット２０３は第２の角度よりも低い第３の角度で散乱した光を集光するため光学素子群であると表現することができる。なお、第１の角度、第２の角度、及び第３の角度の少なくとも１つは所定の範囲を持つ場合もある。

ウェーハ１の断面を見る方向（y方向と表現することもできる）から対物光学系９を説明すると、中仰角散乱光コリメート用ミラーセット２０２は低仰角散乱光コリメート用ミラーセット２０３よりも低い位置に配置される。また、ウェーハ１の上方から対物光学系９を説明すると、低仰角散乱光コリメート用ミラーセット２０３の最外周ミラーであるミラー２０３a、２０３cよりも内側に、中仰角散乱光コリメート用ミラーセット２０２はある。

図３(a)はレンズ郡２０１を、図３(b)はミラーセット２０２を、図３(c)はミラーセット２０３を上面から見た図である。ミラーセット２０２，２０３は照明光を遮光しないために照明光側の一部を、正反射光を開口外に出すために正反射光側の一部をそれぞれ切り欠いている。

ウェーハ１に照明を当てる事によって発生した散乱光のうち、例えば仰角９０度〜６０度の高仰角のものは高仰角コリメート用レンズ郡２０１を通り平行光へ変換される。また、例えば仰角６０度〜４５の中仰角の散乱光は第一のミラー２０２ａに反射され、その反射光をさらに２０２ｂに反射されることにより平行光に変換される。同様に、例えば仰角４５度〜３０度の低仰角の散乱光は２０３aに反射されてから２０３ｂに反射されることにより平行光に変換される。

ミラーセット２０２、２０３は球面鏡もしくは楕円球面鏡の一部を除去した形状（たとえば、お椀の底をくりぬいたような形状）をしている。本ミラーセットは適切な所定の距離、曲率半径を持たせる、または非球面化させることなどにより、収差の低減が可能である。このとき、各レンズ郡、ミラーセットの収差はそれぞれ独立に、限られた領域の収差を考慮すれば良い。従って、開口の大きい一つの屈折型や反射型の光学系にして収差補正を加えるのに比べて、狭い領域内での収差補正となるため、比較的容易に設計可能である。

図４、図５は垂直照明用のミラー１２を追加し、レンズ郡２０１を照明光学系として使用した場合の構成である。この場合、正反射光もレンズ郡２０１を通るためミラーセット２０２、２０３は切り欠きの無いミラーを使うことで散乱光をとり逃す領域を減らすことが出来る。

また、本発明は必ずしも仰角成分を３段階に分ける必要は無く、例えば図６に示すように２段階にしても良い。このとき、レンズ郡６０１の倍率とミラーセット６０２の倍率を合わせることにより、共通の空間フィルタで遮光することができる。

また、本実施例では全ての仰角成分を１個のセンサに集光する構成をしているが、仰角成分ごとに異なる集光光学系とセンサを持たせても良い。そうすることにより、欠陥ごとの散乱仰角の違いをより活用することが出来る。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は実施例に限定されない。実施例では３つの散乱光を集光する例を説明したが、いずれの散乱光を集光するかは任意に選択でき、例えば、高仰角散乱光、中仰角散乱光、低仰角散乱光のうち少なくとも２つを集光すること、高仰角散乱光は集光せず、中仰角散乱光、低仰角散乱光の２つを集光することも本明細書の開示の範囲内である。

１・・・ウェーハ
２・・・画像取得部
３・・・画像処理部
４・・・ステージ
５・・・光源
６・・・照明光学系
７・・・検出光学系
８・・・画像センサ
９・・・対物光学系
１０・・・空間フィルタ
１１・・・集光光学系
１２・・・垂直照明用ミラー
２０１・・・高仰角コリメート用レンズ郡
２０２・・・中仰角コリメート用ミラーセット
２０３・・・低仰角コリメート用ミラーセット
２０２ａ・・・中仰角コリメート用ミラーセットの第１ミラー
２０２ｂ・・・中仰角コリメート用ミラーセットの第２ミラー
２０３ａ・・・低仰角コリメート用ミラーセットの第１ミラー
２０３ｂ・・・低仰角コリメート用ミラーセットの第２ミラー
６０１・・・実施例１の第３の形態における高仰角コリメート用レンズ郡
６０２・・・実施例１の第３の形態における中、低仰角コリメート用ミラーセット

Claims (3)

1. 試料から第１の角度で散乱した光を集光し、コリメートする第１の反射型光学素子群と、
   前記試料から前記第１の角度よりも低い第２の角度で散乱した光を集光し、コリメートする第２の反射型光学素子群と、を有する検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記第１の反射型光学素子群は、前記試料の断面方向から見た場合に、前記第２の反射型光学素子群よりも低い位置にある検査装置。
3. 請求項２に記載の検査装置において、
   前記第１の反射型光学素子群は、前記試料上方から見た場合に、前記第２の反射型光学素子群の最外周の反射型光学素子よりも内側にある検査装置。