JP2018506843A - 半導体検査及び度量衡用ラインスキャンナイフエッジ高さセンサ - Google Patents

半導体検査及び度量衡用ラインスキャンナイフエッジ高さセンサ Download PDF

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Abstract

本半導体検査及び度量衡システムは、ウェハから反射されてくる光を受光可能に構成されているナイフエッジミラーを有する。ナイフエッジミラーは、自ナイフエッジミラー上の反射膜が、ウェハから反射されてくる光のうち少なくとも幾ばくかを阻止する構成となるよう、ウェハから反射されてくる光の焦点に配置する。ウェハから反射されてくる光がアンダフォーカス又はオーバフォーカスしているときに、阻止される光の割合が変化する。少なくとも1個のセンサで、ウェハから反射されてくる光を受光する。光がアンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかを、当該少なくとも1個のセンサからの示度を用い判別することができる。ウェハの表面上にある被照明領域の高さを、当該少なくとも1個のセンサからのそうした示度を用い判別することができる。

Description

本件開示は半導体ウェハの検査及び度量衡に関する。
(関連出願への相互参照)
本願は2014年12月17付米国暫定特許出願第62/092836号に基づく優先権を主張する出願であり、この参照を以てその暫定出願の開示内容を本願に繰り入れることとする。
半導体産業では、シリコンウェハを対象とした三次元的(3D)な検査及び/又は度量衡学プロセスが必要とされている。そうした検査を使用することで、例えば、シリコン貫通電極(TSV)及びバンプ構造又は粒子形状(例.サイズ及び高さ)を調べることができる。典型的な検査又は度量衡技術としては(1)三角測量、(2)幾何陰影、(3)種々の共焦点顕微鏡技術及び(4)白色光(又は広帯域光)干渉計測がある。三角測量及び幾何陰影技術は十分に精密でないので、当今のバックエンドオブライン(BEOL)アプリケーション向けでない。共焦点顕微及び干渉計測技術では、通常、スループット条件が充足されない。
白色光干渉計測は、3D検査及び度量衡向け高分解能手法たりうるものとして知られ、半導体産業にて既に使用されている。市場にはそうしたデバイスが二種類存している:(1)走査型白色光干渉計(SWI)及び(2)分光型白色光干渉計である。SWIデバイスでは、サンプル(例.検査対象ウェハ)又は検査光学系を、ウェハ表面に対し垂直な方向例えばz方向に沿いある距離に亘り走査運動(スキャン)させる。そのz値を違え都合複数個のフレームを得ることで、ウェハ表面上の特定のx−y位置に関し高さ計測値が求まる。こうしたSWIデバイスは頑丈ではあるが総じて低速である。更には、この技術では計測実行前にサンプルを視野まで動かし安定化させる必要があることも、速度の制約となっている。同様に、現在の分光型白色光干渉計に係るスループットも、半導体産業向けとしては緩速である。
半導体検査及び度量衡プロセスでは、光学プローブ(OP)に関しオートフォーカス機構が使用されている。この技術では、焦点が所定位置にあるのか、前方にあるのかそれとも後方にあるのかを調べるためチョッパが使用される。光はこのチョッパを介してバイセルフォトディテクタに送られる。バイセルフォトディテクタ及びチョッパはロックインアンプと電子的に接続される。光が合焦している場合、チョッパからの参照信号と、バイセルフォトディテクタに備わる2個のチャネルからの信号と、の間の位相シフトは0になる。光がアンダフォーカス又はオーバフォーカスしている場合、一方のセルの位相が参照信号に対しそれぞれ負又は正方向にシフトし、他方のセルの位相がその逆の方向にシフトする。100xの光学系でなら、本方法による検知及びサーボループで、合焦具合を20nm以内の良好さで制御することができる。しかしながらチョッパ技術のスループットは緩速である。
特開2002−022415号公報 特開昭58−060433号公報
既存の三角測量及び幾何陰影技術では、通常、標的の構造高さが10μm未満に縮んでいると、3D検査向けに必要な正確性及び精度を提供できない。共焦点及び干渉計測法は、往々にして、所要のスループットを提供できないか或いは高価すぎて3D検査に適さない。そのため、より秀逸な正確性、コスト及びスループットを提供しうる検査及び度量衡技術が求められている。
第1実施形態ではシステムが提供される。本システムは、光をもたらすよう構成されている光源と、その光源からの光を受光可能にウェハを保持するよう構成されているステージと、ナイフエッジミラーと、ウェハから反射されてくる光を受光するよう構成されているセンサと、を備える。ナイフエッジミラーは、ウェハから反射されてくる光を受光するよう構成する。ナイフエッジミラーは、いずれも自ナイフエッジミラー上に配されていてそれらにより反射膜・抗反射膜間境界が形成される反射膜及び抗反射膜を有する。ナイフエッジミラーは、その反射膜が、ウェハから反射されてくる光のうち少なくとも幾ばくかを阻止する構成となるよう、そのウェハから反射されてくる光の焦点に配置する。ナイフエッジミラーは、ウェハから反射されてくる光がアンダフォーカス又はオーバフォーカスしているときに、自ナイフエッジミラーによって阻止される光の割合が異なるよう、構成する。センサは、ウェハから反射されてくる光がアンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかを検知する。
本システムは、光源からの光でウェハを照明するよう且つそのウェハから反射されてくる光を結合させるよう構成されている対物レンズを備えうる。
本システムは、センサと電気的に通信するプロセッサを備えうる。このプロセッサは、ウェハの表面上にある被照明領域の高さをそのウェハの通常時表面を基準にして判別するよう構成するとよい。
センサは2個のフォトダイオードを有しうる。それら2個のフォトダイオードは、ウェハから反射されてくる光がアンダフォーカス又はオーバフォーカスしているときに、そのウェハから反射されてくる光を別量で受光しうる。
センサは、バイセルフォトダイオードと、ウェハから反射されてくる光の2個の半部をそのバイセルフォトダイオード上へと屈折させるプリズムと、を有しうる。
本システムは、光が線状に整形されウェハ上に投射されるよう構成されている回折光学系を備えうる。そのセンサはフォトダイオードアレイを有しうる。
ナイフエッジミラーは、ウェハから反射されてくる光に対し非垂直角で配置されうる。そのセンサは2個のフォトダイオードを有しうる。本システムは、更に、そのウェハから反射されてきた光のうちナイフエッジミラーによって反射されたものを受光するよう構成されている、第2センサを備えうる。その第2センサは2個のフォトダイオードを有しうる。
ナイフエッジミラーは、ウェハから反射されてくる光に対し非垂直角で配置されうる。センサはバイセルフォトダイオードを有しうる。本システムは、更に、そのウェハから反射されてきた光のうちナイフエッジミラーによって反射されたものを受光するよう構成されている、第2センサを備えうる。その第2センサは第2バイセルフォトダイオードを有しうる。
ナイフエッジミラーは、ウェハから反射されてくる光に対し非垂直角で配置されうる。センサはバイセルフォトダイオードを有しうる。本システムは、更に、光が線状に整形されウェハ上に投射されるよう構成されている回折光学系と、ウェハから反射されてくる光の2個の半部をバイセルフォトダイオード上へと屈折させるよう構成されているプリズムと、ウェハから反射されてきた光のうちナイフエッジミラーにより反射されたものを受光するよう構成されている第2センサと、ウェハから反射されてきた光のうちナイフエッジミラーにより反射されたものの2個の半部を第2バイセルフォトダイオード上へと屈折させるよう構成されている第2プリズムと、を備えうる。第2センサは第2バイセルフォトダイオードを有しうる。
ナイフエッジミラーは、ウェハから反射されてくる光に対し非垂直角で配置されうる。第2センサは2個のフォトダイオードアレイを有しうる。本システムは、更に、光が線状に整形されウェハ上に投射されるよう構成されている回折光学系と、ウェハから反射されてきた光のうちナイフエッジミラーにより反射されたものを受光するよう構成されている第2センサと、を備えうる。その第2センサは2個のフォトダイオードアレイを有しうる。
ステージは、光源からの光を基準にしてウェハを走査運動させるよう構成されうる。
第2実施形態では方法が提供される。本方法は、ウェハの表面で光を反射させるステップと、ナイフエッジミラーにその光を通すステップと、ナイフエッジミラーからの光を少なくとも1個のセンサで受光するステップと、その光がアンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかを上記少なくとも1個のセンサからの示度を用い判別するステップと、を有する。ナイフエッジミラーは、いずれも自ナイフエッジミラー上に配されていてそれらにより反射膜・抗反射膜間境界が形成される反射膜及び抗反射膜を有する。ナイフエッジミラーは、その反射膜がウェハから反射されてくる光のうち少なくとも幾ばくかを阻止する構成となるよう、且つそのウェハから反射されてくる光がアンダフォーカス又はオーバフォーカスしているときに自ナイフエッジミラーによって阻止される光の割合が異なるよう、そのウェハから反射されてくる光の焦点に配置する。
本方法は、更に、ウェハの表面上にある被照明領域の高さをそのウェハの通常時表面を基準にして判別するステップを有しうる。本方法は、更に、ウェハ上における欠陥の存否を判別するステップを有する。
ウェハは、光を基準にして走査運動させうる。
本方法は、更に、ナイフエッジミラーからの光を二量に分岐させるステップと、それらの量が等しいか否かを判別するステップと、を有しうる。
ウェハ上へと投射される光は線状に整形することができる。
光の一部分をナイフエッジミラーから第2センサへと反射させることができる。光がアンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかを、第2センサからの示度を用い判別することができる。また、本方法は更に、ナイフエッジミラーから反射されてくる光を二量に分岐させるステップと、それらの量が等しいか否かを判別するステップと、を有しうる。
本件開示の性質及び目的をより満足に理解するには、後掲の詳細な説明と併せ以下の添付図面を参照すべきである。
本件開示に係り2個のフォトダイオードが使用されている実施形態を示す図である。 光が合焦しているときの図1のフォトダイオードに係る示度を示す図である。 光がアンダフォーカスしているときの図1のフォトダイオードに係る示度を示す図である。 光がオーバフォーカスしているときの図1のフォトダイオードに係る示度を示す図である。 本件開示の一実施形態に従いナイフエッジミラーを通過している光の模式図である。 本件開示に係りバイセルフォトダイオードが使用されている実施形態を示す図である。 光が合焦しているときの図6のバイセルフォトダイオードに係る示度を示す図である。 光がアンダフォーカスしているときの図6のバイセルフォトダイオードに係る示度を示す図である。 光がオーバフォーカスしているときの図6のバイセルフォトダイオードに係る示度を示す図である。 本件開示に係りフォトダイオードアレイが使用されている実施形態を示す図である。 光が合焦しているときの図10のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 光がアンダフォーカスしているときの図10のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 光がオーバフォーカスしているときの図10のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 本件開示の一実施形態に従いナイフエッジミラーを通過している光の別の模式図である。 本件開示に係り4個のフォトダイオードが使用されている実施形態を示す図である。 光が合焦しているときの図15のフォトダイオードに係る示度を示す図である。 光がアンダフォーカスしているときの図15のフォトダイオードに係る示度を示す図である。 光がオーバフォーカスしているときの図15のフォトダイオードに係る示度を示す図である。 本件開示に係り2個のバイセルフォトダイオードが使用されている実施形態を示す図である。 光が合焦しているときの図19のバイセルフォトダイオードに係る示度を示す図である。 光がアンダフォーカスしているときの図19のバイセルフォトダイオードに係る示度を示す図である。 光がオーバフォーカスしているときの図19のバイセルフォトダイオードに係る示度を示す図である。 本件開示に係り4個のフォトダイオードアレイが使用されている実施形態を示す図である。 光が合焦しているときの図23のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 光がアンダフォーカスしているときの図23のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 光がオーバフォーカスしているときの図23のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 本件開示に係り2個のフォトダイオードアレイが使用されている実施形態を示す図である。 光が合焦しているときの図27のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 光がアンダフォーカスしているときの図27のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 光がオーバフォーカスしているときの図27のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 本件開示に係り2個のフォトダイオードアレイが使用されている別の実施形態を示す図である。 フォトダイオードアレイにおける像の再整形を示す模式図である。 光が合焦しているときの図31のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 光がアンダフォーカスしているときの図31のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 光がオーバフォーカスしているときの図31のフォトダイオードアレイに係る示度を示す図である。 本件開示に係る方法のフローチャートである。
特許請求の範囲に記載の主題をある種の実施形態によって説明するが、他の実施形態、例えば本願にて説明されている長所及び特徴が全ては提供されない実施形態もまた、本件開示の技術的範囲内である。種々の構造的、論理的、処理ステップ的及び電子的変更を、本件開示の技術的範囲から離隔することなく実行することができる。従って、本件開示の技術的範囲は別項の特許請求の範囲に対する参照によってのみ画定される。
本願記載のシステム及び方法の諸実施形態では、焦点シフトに対する位相シフトの特性を使用しスループットが改善される。光が合焦しているのか、アンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかを判別するためナイフエッジミラー(KEM)が使用される。より多くの信号も使用しうるが、x−y点1個あたり2〜4個の信号のみで、ウェハ上にある反射点の高さを求めるに足りる。この構成は、既存技術に比べ頑丈、低コストであり且つ白色光干渉計測より高速となりうる。とりわけ3D検査及び度量衡については、本願記載のシステム及び方法の諸実施形態により、既存技術に比し良好なスループット、コスト及び正確性がもたらされる。例えば、ラインスキャン方式を用いる場合、スループットをチョッパ技術に比し幾桁もの大きさに高めることができる。
図1は2個のフォトダイオード115,116を用いる実施形態である。本システム100は光源101を有しており、その光源101はある波長域スペクトラムを有する光102をもたらすよう構成されている。ある種の実施形態では、光源101が、白色光(即ち可視スペクトラムに属する広帯域光)をもたらすように、或いは部分的に又は完全に可視スペクトラム外にある光をもたらすように、構成されよう。ある例示実施形態では、光源101によりもたらされる光102が400〜800nmの波長(λ)を含有する。
光源101としてはレーザ光源を使用することができ、ひいては分光法例えば白色光干渉計測及びクロマティック共焦点顕微に比し高い輝度を提供することができる。レーザ光源例えばダイオードレーザは、寿命、安定性、並びに光源の熱制御に秀でている。光源101は例えば可視ダイオードレーザにするとよい。
光102はソースピンホール103及びビームスプリッタ104の方へ投射され、図1に見られる如く光102がそこで二量に分岐される。次いで、光102は対物レンズ105例えば高倍率対物レンズ越しに投射される。光102は、その一部又は全てが、対物レンズ105を介し、サンプルのうち少なくとも照明点107に存する部分へと通過していく。サンプルとされうるのは例えばウェハ106である。照明点107における光102のスポットサイズは回折による制約を受けうる。
ウェハ106はステージ117上に配されており、そのステージ117はウェハ106を光102に対し位置決めしうるよう構成されている。ステージ117は固定させてもよいし、x方向、y方向及び/又はz方向に沿い走査運動可能であってもよい。ウェハ106は、例えば機械的及び/又は静電的クランピングによってステージ117に暫時クランプすることができる。例えば、光102又は対物レンズ105の軸に対し垂直な平面(例.x−y平面)内で、ステージ117によりウェハ106を並進させることができる。
ウェハ106からの反射光108は対物レンズ105及びKEM109を介し投射される。KEM109は反射膜110及び抗反射膜111を有しており、これらはそのKEM109上に配されている。反射膜110・抗反射膜111間にはある境界がある。例えば、KEM109の半分を抗反射膜111で覆い、またKEM109の半分を反射膜110で覆うとよい。反射膜110・抗反射膜111間境界は直線であり、その振る舞いはフーコーテストにおけるナイフエッジに類している。
KEM109の反射膜110・抗反射膜111間境界は、ウェハ106の表面がその面の通常時z位置にあるときには、焦点スポットの中葉にある反射光108の焦点に対しその位置が揃っている。フーコーテストでそうであるように、反射光108がKEM109内を通る際には、そのKEM109によって均一な透過光ビームがもたらされる。これにより、フォトダイオード115,116双方で平衡信号がもたらされる。
KEM109を基準にした反射光108に係る焦点118については、図1中の挿入枠からより良好に看取することができる。KEM109の反射膜110・抗反射膜111間境界がその焦点118(エアリーディスク)の中葉にあるので、透過ビームがそのビームに亘り均一な強度分布を呈するような形態で、反射膜110により反射光108が裁断される。
KEM109を通過した反射光108は、その二側面に高反射被覆が備わるプリズム112によって二量に分岐され、各成分ビームが付加的なレンズ113,114のうち一方を介しフォトダイオード115,116のうち一方へと投射される。プリズム112は瞳面に配置するのが理想であり、必要ならリレーレンズを介し配置する。本実施形態にあってはレンズ113,114が必要ではなく、反射光108はプリズム112からフォトダイオード115,116のうち一方へと直に投射することができる。フォトダイオード115,116は、光−電子効率、時間応答及び電子増幅利得の面で同じ性能を呈するものにすることができる。
図2〜図4に、光が合焦しているとき、アンダフォーカスしているとき並びにオーバフォーカスしているときのそれぞれについて、図1のフォトダイオード115,116に係る示度を示す。光102はウェハ106の照明点107を照らしている。KEM109が反射光108の焦点に位置している場合、図2から読み取れるように、KEM109からの出射ビームが均一になるため、2個のフォトダイオード115,116によって平衡信号がもたらされるであろう。しかしながら、ウェハ106上の照明点107は、その変動等により、ウェハ106の表面に亘り異なる高さとなりうる。例えば、ウェハ106の表面又は内方にバンプ(こぶ)、スクラッチ(ひっかき傷)、未充填ビア又は欠陥が存しうる。これは、KEM109を基準にした反射光108の焦点を変化させる。
ウェハの表面の高さが通常のz方向沿い設定値より大きくなる場合、図3に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109を越えたところになるため反射光108がアンダフォーカスとなる。この場合、フォトダイオード116へと出射される光がKEM109によって多めに阻止されるのに対しフォトダイオード115へのそれは少なめに阻止されるので、2個のフォトダイオード115,116によって不平衡信号がもたらされることとなろう。即ち、KEM109からの出射ビームが均一でない。
ウェハの表面の高さが通常のz方向沿い設定値より小さくなる場合、図4に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109より手前になるため反射光108がオーバフォーカスとなる。この場合、同じ仕組みに従い、図3のアンダフォーカス例とは逆様の不平衡信号が、2個のフォトダイオード115,116によってもたらされることとなろう。
本システム100によれば、ウェハ106上の被検知特徴がそのウェハ106の通常時表面より上方にあるのか下方にあるのかを、2個のフォトダイオード115,116の信号に従い弁別することができる。フォトダイオード115,116のどちらが多く受光しどちらが少なく受光しているのかを踏まえ、反射光108がアンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスを判別することができる。即ち、フォトダイオード115,116が同量の反射光108を受光していない場合に、ウェハ106上の被検知特徴がそのそのウェハ106の通常時表面より上方にあるのか下方にあるのかを判別することができる。
図5は、照明点を基点にしKEM109を通過している光の模式図である。反射膜110(R=1)は、エアリーディスクの中葉を通るようその境界を配置することで、反射光108が合焦しているのか、アンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかによらず、ウェハからの反射光108の約半分が阻止されるように構成されている。反射光108が合焦しているのか、アンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかによる違いはただ一つ、強度均一性が変化することである。抗反射膜111(T=1)は、反射光108の一部が透過しうるように構成されている。ある例では、図5にて反射光108のビームスポット(破線で図示)により形成されているエアリーディスクの半分が、反射膜110によって阻止されることとなろう。
図6はバイセルフォトダイオード203を用いる実施形態である。バイセルフォトダイオード例えばバイセルフォトダイオード203は2個の能動フォトダイオード領域を有しており、それら能動フォトダイオード領域により光ビームの均一性を計測することができる。本システム200では、反射光108の2個の半部がプリズム201によりバイセルフォトダイオード203上へと屈折される。それを付加的なレンズ202に通してもよい。ウェハ106に合焦しているときにはバイセルフォトダイオード203が平衡状態になろう。
図7〜図9に、光が合焦しているとき、アンダフォーカスしているとき及びオーバフォーカスしているときのそれぞれについて、図6のバイセルフォトダイオード203に係る示度を示す。ウェハ106の表面上に高低差があると反射光108の焦点が変化する。KEM109が反射光108の焦点に存していると、図7に見られる如くKEM109からの出射ビームが均一となるため、バイセルフォトダイオード203によって平衡信号がもたらされることとなろう。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より大きくなると、図8に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109を越えたところになるため反射光108がアンダフォーカスとなる。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より小さくなると、図9に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109より手前になるため反射光108がオーバフォーカスとなる。本システム200によれば、ウェハ106上の被検知特徴がそのウェハ106の通常時平面より上方にあるのか下方にあるのかを、バイセルフォトダイオード203の信号に従い弁別することができる。
図10はフォトダイオードアレイ(PDA)303を用いる実施形態である。本システム300では、ソーススリット304を用い光102を点状ではなく線状に整形している。このソーススリット304は、その第1寸法(例.ソーススリット304の“長さ”例えばy方向)が第2寸法(例.ソーススリット304の“幅”例えばz方向)に比べ実質的に大きいものとすることができる。ある種の例示実施形態ではソーススリット304が1mm〜5mm長とされよう。例えば、ある実施形態ではソーススリット304が3mm長とされる。他の長さにすることもできる。ソーススリット304の幅は、ソーススリット304を一次元的なものと見なせるよう全体的に十分小さな値とする。例えば、ソーススリット304の幅を、古典的な干渉計における点状ビームの直径に近い値にすることができる。例えば、ある種の実施形態ではソーススリット304が5μm〜30μmサイズとされよう。
また、光102がビームスプリッタ104又はソーススリット304上に入射するのに先立ち、その光102を点状ではなく線状に整形しうるよう、回折光学系(図示せず)を組み込んでもよい。照明線305はウェハ106上に入射する。KEM109は、その縁が反射光108の線に対し平行になるよう位置揃えされる。KEM109の境界は、ウェハ106に合焦しているのか、アンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかによらず照明線305の線状像の半分が阻止されるよう、位置揃えされる。しかしながら、瞳面上の線の強度分布は、ウェハ106に合焦しているときに均一になろう。照明線305のスポットサイズは回折による制約を受けうる。
プリズム301は、反射光108の2個の半部を、レンズ302を介しPDA303上へと屈折させる。レンズ302は、ウェハ106上の照明線305に沿った空間分解能を提供するのに必要となりうる。PDA例えばPDA303は、光ビームを検知可能な領域複数個からなるアレイを有している。PDA303は、ウェハ106に合焦しているときに平衡することとなろう。照明線305上にありウェハ106を構成している点の中にそのウェハ106の通常時表面とは異なる高さを有する点がある場合、その点に対応する焦点がシフトし、PDA303上の対応する画素にて不平衡信号が生じることとなろう。その高さは、PDA303に備わる2個以上のフォトダイオードからの不平衡強度に基づき、例えば画素対画素様式にて、PDA303からの信号から抽出することができる。PDA303は、例えば、古典的なPDAを2個横並びに整列させたものや、2×n個の画素を有する他種PDA(例.2個の行を有するPDA)とすることができる。PDA303における画素の個数は変化させうる。
図11〜図13に、光が合焦しているとき、アンダフォーカスしているとき及びオーバフォーカスしているときのそれぞれについて、図10のPDA303に係る示度を示す。ウェハ106の表面上に高低差があると反射光108の焦点が変化する。反射光108の焦点がKEM109に存していると、図11に見られる如く、PDA303によって平衡信号がもたらされることとなろう。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より大きくなると、図12に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109を越えたところになるため反射光108がアンダフォーカスとなる。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より小さくなると、図13に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109より手前となるため反射光108がオーバフォーカスとなる。本システム300によれば、ウェハ106上の被検知特徴がウェハ106の通常時表面より上方にあるのか下方にあるのかを、PDA303の信号に従い弁別することができる。
図14は、照明線を基点としKEM109を通過している光の別の模式図であり、これには図5と同じ機構を使用することができる。反射膜110(R=1)は、反射光108が合焦しているのか、アンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかによらず、ウェハからの反射光108(破線で図示)の半分を阻止するよう、構成されている。抗反射膜111(T=1)は、残りの反射光108を通過させうるよう構成されている。焦点スポットは、ビームが合焦しているとき、幾何学的な無限小点ではなく有限なサイズを有するもの(エアリーディスク)となる。KEM109の境界では、常に、ビームの半分を反射し且つビームの半分を透過させる。焦点が変化したときの差はただ一つ、KEM109からビームが出射される際の均一性の変化である。
図15は、4個のフォトダイオード115,116,404,405を用いる実施形態である。本システム400では、R=1域から(即ち反射膜110から)出射されたビームセクションがプリズム401及び一方の付加的レンズ402,403を介しフォトダイオード404,405へと送給されるよう、KEM109がある角度を以て傾けられている。KEM109は、反射光108(例.反射光108の軸)に対し非垂直角となるよう傾けることができる。レンズ402,403は必要ではなく、プリズム401から一方のフォトダイオード404,405へと反射光108を直に投射させることが可能である。フォトダイオード404,405の信号によりもたらされる冗長且つ補足的な計測結果を用い、正確性及び精度を改善することができる。例えば、フォトダイオード115,116,404,405によって複数個の計測値を提供し、それらの平均を以て最終結果とすることができる。即ち、系統誤差が存している場合、その系統誤差を対称部分と非対称部分に分かち、最終計算で非対称部分を均し除けることができる。
図16〜図18に、光が合焦しているとき、アンダフォーカスしているとき及びオーバフォーカスしているときのそれぞれについて、図15のフォトダイオード115,116,404,405に係る示度を示す。ウェハ106の表面上に高低差があると反射光108の焦点が変化する。反射光108の焦点がKEM109に存していると、図16に見られる如く、フォトダイオード115,116,404,405により平衡信号がもたらされることとなろう。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より大きくなると、図17に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109を越えたところになるため反射光108がアンダフォーカスになる。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より小さくなると、図18に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109より手前になるため反射光108がオーバフォーカスになる。本システム400によれば、ウェハ106上の被検知特徴がそのウェハ106の通常時表面より上方にあるのか下方にあるのかを、フォトダイオード115,116,404,405の信号に従い弁別することができる。
図19は2個のバイセルフォトダイオード203,503を用いる実施形態である。本システム500では、R=1域から(即ち反射膜110から)出射されたビームセクションがプリズム501へと送給され、そのビームセクションの2個の半部がそのプリズム501によってバイセルフォトダイオード503上へと屈折されるよう、KEM109が傾けられている。それに付加的なレンズ502を介在させてもよい。バイセルフォトダイオード503は、ウェハ106に合焦しているときに平衡状態になろう。バイセルフォトダイオード203,503の信号によってもたらされる冗長且つ補足的な計測結果を用い、正確性及び精度を改善することができる。
図20〜図22に、光が合焦しているとき、アンダフォーカスしているとき及びオーバフォーカスしているときのそれぞれについて、図19のバイセルフォトダイオード203,503に係る示度を示す。ウェハ106の表面上に高低差があると反射光108の焦点が変化する。反射光108の焦点がKEM109に存していると、図20に見られる如く、バイセルフォトダイオード203,503により平衡信号がもたらされることとなろう。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より大きくなると、図21に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109を越えたところになるため反射光108がアンダフォーカスとなる。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より小さくなると、図22に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109より手前になるため反射光108がオーバフォーカスとなる。本システム500によれば、ウェハ106上の被検知特徴がウェハ106の通常時表面より上方にあるのか下方にあるのかを、バイセルフォトダイオード203,503の信号に従い弁別することができる。
図23は4個のPDA604,605,609,610を用いる実施形態である。本システム600では、ソーススリット304を用い、光102を点状ではなく線状に整形する。光102がビームスプリッタ104又はソーススリット304上に入射するのに先立ちその光102を点状ではなく線状に整形するため、回折光学系(図示せず)を組み込んでもよい。照明線305はウェハ106上に入射する。KEM109は、その縁が反射光108の線に対し平行になるよう位置揃えされる。
プリズム601は、反射光108の2個の半部を2個のPDA604,605上へと屈折させる。レンズ602,603は、照明線305沿い空間分解能を提供すべくプリズム601とPDA604,605の間に配置されている。PDA604,605は、ウェハ106に合焦しているときに平衡状態になろう。照明線305上にありウェハ106を構成している点の中にそのウェハ106の通常時表面とは異なる高さを有する点がある場合、その点に対応する焦点がシフトし、PDA604,605上の対応する画素にて異なった不平衡信号が生じることとなろう。PDA604,605からの信号は、各PDA604,605に備わる2個のフォトダイオードからの不平衡強度信号に基づき、例えば画素対画素様式にて、抽出することができる。
本システム600では、R=1域から(即ち反射膜110から)出射されたビームセクションがプリズム606へと送給されるようKEM109が傾けられており、そのプリズム606によりそのビームセクションの2個の半部がPDA609,610上へと屈折されている。レンズ607,608は照明線305沿い空間分解能を提供する。PDA609,610は、ウェハ106に合焦しているときに平衡状態になろう。PDA609,610の信号によりもたらされる冗長且つ補足的な計測結果を用い、正確性及び精度を改善することができる。
図24〜図26に、光が合焦しているとき、アンダフォーカスしているとき及びオーバフォーカスしているときのそれぞれについて、図23のPDA604,605,609,610に係る示度を示す。ウェハ106の表面上に高低差があると反射光108の焦点が変化する。反射光108の焦点がKEM109に存していると、図24に見られる如く、PDA604,605,609,610によって平衡信号がもたらされることとなろう。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より大きくなると、図25に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109を越えたところになるため反射光108がアンダフォーカスとなる。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より小さくなると、図26に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109より手前になるため反射光108がオーバフォーカスとなる。本システム600によれば、ウェハ106上の被検知特徴がそのウェハ106の通常時平面より上方にあるのか下方にあるのかを、PDA604,605,609,610の信号に従い弁別することができる。
図27は2個のPDA303,703を用いる実施形態である。本システム700では、R=1域から(即ち反射膜110から)出射されたビームセクションがプリズム701へと送給され、そのビームセクションの2個の半部がそのプリズム701によってレンズ702越しにPDA703上へと屈折され、それにより照明線305沿い空間分解能が提供されるよう、KEM109が傾けられている。PDA703は、ウェハ106に合焦しているときに平衡状態になろう。PDA703の信号によってもたらされる冗長的な計測結果を用い、正確性及び精度を改善することができる。
図28〜図30に、光が合焦しているとき、アンダフォーカスしているとき及びオーバフォーカスしているときのそれぞれについて、図27のPDA303,703に係る示度を示す。ウェハ106の表面上に高低差があると反射光108の焦点が変化する。反射光108の焦点がKEM109に存していると、図28に見られる如くPDA303,703によって平衡信号がもたらされることとなろう。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より大きくなると、図29に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109を越えたところになるため反射光108がアンダフォーカスとなる。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より小さくなると、図30に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109より手前になるため反射光108がオーバフォーカスとなる。本システム700によれば、ウェハ106上の被検知特徴がそのウェハ106の通常時平面より上方にあるのか下方にあるのかを、PDA303,703の信号に従い弁別することができる。
図31は2個のPDA803,806を用いる別の実施形態である。反射光108はプリズム801へと送給され、ビームセクションの2個の半部がそのプリズム801によってレンズ802越しにPDA803上へと屈折され、それにより照明線305沿い空間分解能が提供されている。PDA803は、ウェハ106に合焦しているときに平衡状態になろう。
本システム800では、R=1域から(即ち反射膜110から)出射されたビームセクションがプリズム804へと送給されるようKEM109が傾けられており、そのプリズム804によりそのビームセクションの2個の半部がPDA806上へと屈折されている。これに付加的なレンズ805を介在させてもよい。PDA806は、ウェハ106に合焦しているときに平衡状態になろう。PDA806の信号によりもたらされる冗長且つ補足的な計測結果を用い、正確性及び精度を改善することができる。
PDA803,806は図32中のPDA807の如く構成するとよい。KEMから出射される線の像は、その線像の左半分及び右半分が図32に示す如くスティッチされるよう、ビームスティッチ技術によって更に再整形することができる。線像の左半分と右半分との間の違いを、同じPDA807で同時に検知することができる。即ち、2個のPDA808,809の動作を1個のPDA807により実行することができる。これにより、より正確な結果が得られよう。
図33〜図35に、光が合焦しているとき、アンダフォーカスしているとき及びオーバフォーカスしているときのそれぞれについて、図31のPDA803,806に係る示度を示す。ウェハ106の表面上に高低差があると反射光108の焦点が変化する。反射光108の焦点がKEM109に存していると、図33に見られる如くPDA803,806によって平衡信号がもたらされることとなろう。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より大きくなると、図34に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109を越えたところになるため反射光108がアンダフォーカスとなる。ウェハの表面の高さがそのz方向沿い通常設定値より小さくなると、図35に見られる如く、反射光108の焦点がKEM109より手前になるため反射光108がオーバフォーカスとなる。本システム800によれば、ウェハ106上の被検知特徴がそのウェハ106の通常時平面より上方にあるのか下方にあるのかを、PDA803,806の信号に従い弁別することができる。
図36は一方法のフローチャートである。900では、光がウェハ例えばウェハ106の表面で反射される。901ではその反射光がKEMを通過する。902では、KEMからの反射光が少なくとも1個のセンサによって受光される。903では、その光がアンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかが、当該少なくとも1個のセンサからの示度を用い判別される。アンダフォーカスかそれともオーバフォーカスかに関する判別結果を用い、ウェハの表面の高さを判別すること又はウェハの表面上に欠陥が存しているか否かを判別することができる。
本願記載のセンサ(例.フォトダイオード、バイセルフォトダイオード、PDA)については、そのうち幾つか又は全てをコントローラに電子的に接続することができる。そのコントローラには、プロセッサと、そのプロセッサと電子的に通信しうる電子格納デバイスと、同プロセッサと電子的に通信しうる通信ポートとを具備させうる。このプロセッサは、それらセンサから例えば電子的接続を介し示度を受け取ることができる。プロセッサは、それらセンサからの示度を用い、ウェハ表面の被照明領域(例.点又は線)の高さを判別しうるよう又はウェハ表面の表面若しくは内方に欠陥が存しているか否かを判別しうるよう、構成することができる。
ウェハは、本願記載の諸実施形態に備わるステージを用い、光に対しx方向及び/又はy方向沿いに走査運動させることができる。これにより、そのウェハの表面のうちあるエリアについての表面トポグラフィ情報がもたらされうる。例えば、パッチ像、フルウェハ検査、或いはバンプ高さ検査に望ましい点が、そのエリアとされうる。
注記すべきことに、本願記載の諸実施形態ではz方向沿い走査無しでウェハの表面高さプロファイルを判別可能だが、ステージを他目的でz方向沿いに動かせるようにしてもよい。
本願記載のシステムの諸実施形態については校正が必要かもしれない。校正には、既知の高低差に対する相対的な信号差分(例.画像の総和に対するそれら画像の差分の比)の関係についての判別が含まれうる。
レーザ光源に対する給電は例えば変調又はパルス化を通じ制御することができ、それによりストロービングが可能となる。例えば、本願記載の諸実施形態の動作中に、光学系を固定例えば静止保持することができ、またウェハを照明線に直交する方向に沿いPDA読出タイマに同期して動かすことができる。ステージ例えばステージ117の動きによるぼけをストロービングによって減らせるため、ストロービング技術、例えばレーザを変調すること及びそのレーザをPDAの示度と同期させることによって引き起こされるそれによって、更に、空間的改善をもたらすことができる。
本願記載のシステムの諸実施形態は、ウェハの検査又は度量衡に使用することができる。ウェハ表面の高さ、或いはウェハ表面上又は内方における欠陥の存否を、半導体製造中のフィードバックとして使用することができる。
本願記載のシステムの諸実施形態では、複数個ある設計パラメタを最適化することができる。例えば、高さ感度は焦点深度に関わるものであり、対物系の数値開口(NA)の二乗に反比例する。多くの用途で0.25超のNAが必要とされるところ、比較的高NAの調整が可能である。通常、高NA対物系では狭めの視野がもたらされ、ひいては高めの空間(x及びy)分解能及び遅めの動作がもたらされる。
1個又は複数個の具体的実施形態との関連で本件開示について記述してきたが、ご理解頂けるように、本件開示の技術的範囲から離隔することなく本件開示の他の実施形態をなすことができる。従って、本件開示は、別項の特許請求の範囲及びそれについての理のある解釈によってのみ限定されるものと認められる。

Claims (20)

  1. 光をもたらすよう構成されている光源と、
    上記光源からの光を受光可能にウェハを保持するよう構成されているステージと、
    上記ウェハから反射されてくる光を受光しうるよう構成されているナイフエッジミラーであり、いずれも自ナイフエッジミラー上に配されていてそれらにより反射膜・抗反射膜間境界が形成される反射膜及び抗反射膜を有するナイフエッジミラーであり、その反射膜が上記ウェハから反射されてくる光のうち少なくとも幾ばくかを阻止する構成となるようそのウェハから反射されてくる光の焦点に配置されているナイフエッジミラーであり、上記ウェハから反射されてくる光がアンダフォーカス又はオーバフォーカスしているときに自ナイフエッジミラーによって阻止される光の割合が異なるよう構成されているナイフエッジミラーと、
    上記ウェハから反射されてくる光を受光するよう構成されており、そのウェハから反射されてくる光がアンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかを検知するセンサと、
    を備えるシステム。
  2. 請求項1記載のシステムであって、更に、上記光源からの光で上記ウェハを照明するよう且つそのウェハから反射されてくる光を結合させるよう構成されている対物レンズを備えるシステム。
  3. 請求項1記載のシステムであって、更に、上記センサと電気的に通信するプロセッサを備え、そのプロセッサが、上記ウェハの表面上にある被照明領域の高さをそのウェハの通常時表面を基準にして判別するよう構成されているシステム。
  4. 請求項1記載のシステムであって、上記センサが2個のフォトダイオードを有し、それら2個のフォトダイオードが、上記ウェハから反射されてくる光がアンダフォーカス又はオーバフォーカスしているときに、そのウェハから反射されてくる光を、異なる量受光するシステム。
  5. 請求項1記載のシステムであって、上記センサがバイセルフォトダイオードを有し、更に、上記ウェハから反射されてくる光の2個の半部をそのバイセルフォトダイオード上へと屈折させるプリズムを備えるシステム。
  6. 請求項1記載のシステムであって、更に、上記光が線状に整形されウェハ上に投射されるよう構成されている回折光学系を備え、上記センサがフォトダイオードアレイを有するシステム。
  7. 請求項1記載のシステムであって、上記ナイフエッジミラーが、上記ウェハから反射されてくる光に対し非垂直角で配置されており、上記センサが2個のフォトダイオードを有し、更に、そのウェハから反射されてきた光のうちナイフエッジミラーによって反射されたものを受光するよう構成されている第2センサを備え、その第2センサが2個のフォトダイオードを有するシステム。
  8. 請求項1記載のシステムであって、上記ナイフエッジミラーが、上記ウェハから反射されてくる光に対し非垂直角で配置されており、上記センサがバイセルフォトダイオードを有し、更に、そのウェハから反射されてきた光のうちナイフエッジミラーによって反射されたものを受光するよう構成されている第2センサを備え、その第2センサが第2バイセルフォトダイオードを有するシステム。
  9. 請求項1記載のシステムであって、上記ナイフエッジミラーが、上記ウェハから反射されてくる光に対し非垂直角で配置されており、上記センサがバイセルフォトダイオードを有し、更に、
    上記光が線状に整形されウェハ上に投射されるよう構成されている回折光学系と、
    上記ウェハから反射されてくる光の2個の半部を上記バイセルフォトダイオード上へと屈折させるよう構成されているプリズムと、
    上記ウェハから反射されてきた光のうち上記ナイフエッジミラーにより反射されたものを受光するよう構成されており、第2バイセルフォトダイオードを有している第2センサと、
    上記ウェハから反射されてきた光のうち上記ナイフエッジミラーにより反射されたものの2個の半部を上記第2バイセルフォトダイオード上へと屈折させるよう構成されている第2プリズムと、
    を備えるシステム。
  10. 請求項1記載のシステムであって、上記ナイフエッジミラーが、上記ウェハから反射されてくる光に対し非垂直角で配置されており、上記センサが2個のフォトダイオードアレイを有し、更に、
    上記光が線状に整形されウェハ上に投射されるよう構成されている回折光学系と、
    上記ウェハから反射されてきた光のうち上記ナイフエッジミラーにより反射されたものを受光するよう構成されており、2個のフォトダイオードアレイを有している第2センサと、
    を備えるシステム。
  11. 請求項1記載のシステムであって、上記ステージが、上記光源からの光を基準にして上記ウェハを走査運動(scan)させるよう構成されているシステム。
  12. ウェハの表面で光を反射させるステップと、
    ナイフエッジミラーに光を通すステップであり、そのナイフエッジミラーが、いずれも自ナイフエッジミラー上に配されていてそれらにより反射膜・抗反射膜間境界が形成される反射膜及び抗反射膜を有し、そのナイフエッジミラーが、その反射膜が上記ウェハから反射されてくる光のうち少なくとも幾ばくかを阻止する構成となるよう且つそのウェハから反射されてくる光がアンダフォーカス又はオーバフォーカスしているときに自ナイフエッジミラーによって阻止される光の割合が異なるよう、そのウェハから反射されてくる光の焦点に配置されているステップと、
    上記ナイフエッジミラーからの光を少なくとも1個のセンサで受光するステップと、
    その光がアンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかを上記少なくとも1個のセンサからの示度(reading)を用い判別するステップと、
    を有する方法。
  13. 請求項12記載の方法であって、更に、上記ウェハの表面上にある被照明領域の高さをそのウェハの通常時表面を基準にして判別するステップを有する方法。
  14. 請求項12記載の方法であって、更に、上記ウェハ上における欠陥の存否を判別するステップを有する方法。
  15. 請求項12記載の方法であって、更に、光を基準にして上記ウェハを走査運動させるステップを有する方法。
  16. 請求項12記載の方法であって、更に、
    上記ナイフエッジミラーからの光を二量に分岐させるステップと、
    それらの量が等しいか否かを判別するステップと、
    を有する方法。
  17. 請求項12記載の方法であって、更に、上記ウェハ上へと投射された光を線状に整形するステップを有する方法。
  18. 請求項12記載の方法であって、更に、上記ナイフエッジミラーからの光の一部分を第2センサへと反射させるステップを有する方法。
  19. 請求項18記載の方法であって、更に、光がアンダフォーカスしているのかそれともオーバフォーカスしているのかを上記第2センサからの示度を用い判別するステップを有する方法。
  20. 請求項19記載の方法であって、更に、
    上記ナイフエッジミラーから反射されてくる光を二量に分岐させるステップと、
    それらの量が等しいか否かを判別するステップと、
    を有する方法。
JP2017532718A 2014-12-17 2015-12-17 半導体検査及び度量衡用ラインスキャンナイフエッジ高さセンサ Active JP6580141B2 (ja)

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