JP3458139B2 - パターニングされた基板の光学検査用装置 - Google Patents

パターニングされた基板の光学検査用装置

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JP3458139B2 JP51415393A JP51415393A JP3458139B2 JP 3458139 B2 JP3458139 B2 JP 3458139B2 JP 51415393 A JP51415393 A JP 51415393A JP 51415393 A JP51415393 A JP 51415393A JP 3458139 B2 JP3458139 B2 JP 3458139B2
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光回折基板、特にパターニングされた半導
体ウェハ上の微細な汚染物質の光学的検出に関する。
背景技術 半導体ウェハ上の汚染物質の検出の分野では、そのま
まのまたはパターニングされないウェハの検出用の様々
な器具が存在する。これらの器具は、そのままのウェハ
上の粒子の存在を検出するために走査レーザビームから
１エレメントまたは複数エレメントから作られた集光部
へ散乱する光を用いる。ビームの位置および隣接したス
キャンにおける粒子または欠陥から散乱する光の量がわ
かっているある装置では、光を散乱する粒子の画像が推
定される。
一旦ウェハがパターニングされると、汚染物質を検出
するための単純な光散乱アプローチを行なうことは困難
となる。もしウェハ上に回路を製造することにより固有
の位相的特徴が形成されたなら、非汚染物質特徴からの
散乱があまりにも多いため汚染物質からのいかなる散乱
信号も通常失われてしまう。先行技術のアプローチのい
くつかは、望ましくない散乱信号を所望の信号から分離
するためにパターンの冗長性または周期性を用いる。
回路パターンの冗長性はエル・リン（L.Lin）らへの
米国特許第4,806,774号の集積回路の欠陥および汚染物
質の画像化で用いられる。この検査システムは、光学軸
に沿って位置決めされたフーリエ変換レンズおよび逆フ
ーリエ変換レンズを用いて、パターニングされた標本ウ
ェハの照射された領域から空間周波数標本を生成し、そ
の周波数成分は選択的に濾波されてウェハの照射された
領域中の欠陥の画像パターンを生成することができる。
濾波された画像は照射された軸上ウェハダイの中だけの
欠陥に対応する光の存在を検出する二次元光検出器アレ
イの表面に照射される。
マルダリ（Maldari）らの米国特許第4,895,446号は、
特に図３において、パターニングされたウェハから回折
された光をフィルタするためにマスクを使用することを
開示している。ウェハ上方のレンズはマスク上の表面の
フーリエ変換を行なう。このマスクはパターニングされ
た表面のフーリエ変換に対応するパターンを含む。粒子
から散乱した光以外のすべての光はマスクによって遮断
される。レンズはこの光をカメラ上へ結像する。
ミナミ（Minami）らへの米国特許第3,972,616号は、
２つの光源と組合わせて空間フィルタを使用することを
開示しており、光源のうちの一方はレーザであり他方は
広帯域のインコヒーレント光源である。このシステムは
２つの重畳された画像、つまり欠陥場所における明るい
スポット以外のほとんどの情報を空間フィルタが取去っ
たレーザ光画像および検査されている全パターンの形状
を示すインコヒーレント光画像を生成し、この結果、欠
陥の位置を特定することができる。インコヒーレント光
画像がその機能を完遂するためには、空間フィルタがこ
の画像中の大半の情報をブロックしないことが必要であ
る。
冗長な回路特徴を有するパターニングされたウェハ中
の粒子および欠陥を検出する上で空間のフィルタリング
の価値が既に認められているということがこれらの例か
ら理解される。空間フィルタを用いることの利点は、欠
点を識別するためにコンピュータが調べなければならな
い情報量を低減することである。空間フィルタの欠点
は、通常はレーザ源である単色およびコリメートされた
光源の使用が必要であると一般に考えられていることで
あり、このためシステムがスペックルノイズを受けやす
くなる。単色光の他の欠点は、共振効果のために単色粒
子検出システムが照明の波長に関係したあるサイズの粒
子に対して相対的に感応しなくなることである。
周知のことであるが、表面を照射するために、レーザ
または実質的に空間的および時間的にコヒーレンスを有
する他のソースが使用される場合であって、その表面の
パターニングまたは粗さが波長またはそれ以上のオーダ
の深さを有し、かつその表面中でパターニングまたは粗
さが観察光学系の光解像度よりも小さい横空間周波数に
おける重要な成分を有する場合、画像はスペックルと呼
ばれる表面のランダムな斑点を含み、これはごみの粒子
などの関心のある特徴と見分けることが非常に困難なも
のである。
スペックルは粗い表面の異なる高領域および低領域か
ら反射された光のコヒーレントな加算、つまり干渉によ
って引起こされ、それらのすべては表面の光学的に分解
可能な副領域内にある。スペックルの存在は検出可能な
欠陥または粒子の最小サイズを実質的に引上げる。スペ
ックルは様々な公知の方法によって低減したり排除する
ことができ、これらの方法には照明をスペクトル的に変
化させることと照射角を変化させることとの２つの方法
が含まれる。
今日まで広帯域光源からの光へ効果的に空間フィルタ
を与える検査機械を構築することは不可能と思われてい
るが、これはなぜなら広帯域光源はフーリエ面中の情報
を広げさせ、有用な空間フィルタの構築を不可能にして
いるように思われるためである（普通の空間フィルタが
多彩色光に対して効果がないという事実は、先に引用し
た米国特許第3,972,616号の装置の動作の基礎に実際な
っている）。空間フィルタを角度が多様な光源と組合わ
せる装置が作られたが、角度が多様なことによるフーリ
エ平面の画像のスミアを克服するために、これらの装置
は典型的には複雑な移動メカニズムを用いている。かか
る装置の１つでは、空間フィルタはコリメートされた光
源の回転と同期してフーリエ面中で回転し、その結果フ
ィルタ上の暗いスポットの位置は検査されているパター
ンからの回折されたれスポットの位置をたどる。初期の
頃のかかる装置の説明はシー・イー・トーマス（C.E.Th
omas）『応用光学（Applied Optics）』vol.7、no.3、
p.517ff（1968年３月）に見られる。
本発明の目的は、空間フィルタを用いて、冗長な特徴
を有するパターニングされたウェハのための、反スペッ
クル特性を有する検査装置を考案することであった。
発明の概要 上記の目的は、パターニングされたウェハの検査装置
のフーリエ平面中で用いられる新しい種類の空間フィル
タを考案することによって達成されている。このフィル
タは広帯域の光、角度の多様な光、またはその両方のい
ずれかと組合わせて用いられる。
先行技術と同じく、本発明は、ダイパターン内の冗長
な特徴から光を回折するタイプのパターニングされた半
導体ウェハなどの、周期的な特徴を有する基板を検査す
るために用いられる。回折を引起こすのはダイパターン
全体である。本発明で用いられる光源は１つ以上のビー
ムを有し、これらのビームはピンホール開口絞りを有す
る光学系を通って周期的特徴上へ焦められ、各次数が長
い帯を形成する状態で複数個のスペクトル分散次数の形
の複数個のスペクトル線を回折によって生成する。これ
らの長い帯は他の態様では透過性であるフィルタ上で不
透明なトラックによってブロックされる。フィルタを通
過可能な光は基板上の欠陥または粒子からの光である。
非レーザ光源から十分な光強度を得るために、光源
は、特定の中心方向のまわりに実質的に角度が拡大した
拡大光源であってもよい。この場合は、ピンホール開口
は矩形の長いスリットに拡大される。スリット状の開口
はフーリエ平面画像を上述のような長い帯状の像に広げ
る。拡大光源の代替としては、光源の角度が異なる複数
個の様々な光源が用いられてもよい。かかるすべての光
源は開口を通過するビームを発生し、これらの光源の波
長は同一であるかまたは異なっていてもよい。その結果
生じる回折パターンは上述のような種類の帯状の像であ
る。
スリット状の開口絞りを用いることはいくつかの利点
を有するということが理解されるべきである。光源にレ
ーザのような顕著な明るさが欠けている場合は、開口の
形をピンホールからスリットへと拡大すると光源からよ
り多くの光を使用することが可能となり、このことは実
際の検査器具において有用な動作速度を達成するために
は重要なことであり得る。また、光源が、ピンホール開
口を通って本来非常に高い光パワーを送ることが可能な
レーザである場合、（開口の異なる部分から入来する光
の空間的コヒーレンスを低減する公知の手段と結合され
て）様々な角度を与えると、スペックルを低減する助け
となる。
もし用いられる光源自体の空間的コヒーレンスが低け
れば、スリット開口の空間的にインコヒーレントな光を
得るためには特別な手段を必要としない場合が多い。空
間的コヒーレンスの高い光源を用いる場合、空間的コヒ
ーレンスを低減する周知の手段の１つは、光源とスリッ
トとの間の光経路に回転グラウンドガラスプレートを設
置することである。プレート中の厚さの摂動によってス
リットの異なる部分の間にランダムな位相関係が導入さ
れ得る。このプレートは、データの１つのピクセルが集
められている間に位相関係が360度のオーダの量だけ変
化するのに十分な速さで回転する必要がある。空間的コ
ヒーレンスを低減する手段は周知であるため、かかる方
法についてはここでは詳述しない。
本発明のフィルタは写真フィルムをフーリエ平面に載
置し、ネガ画像が現像されるときに適切な不透明性が得
られるのに十分な露出で帯を記録することによって製造
され得る。このネガ画像はフィルタまたは同様のフィル
タを作るためのマスタとして作用し得る。フィルタは透
過性フィールド中に上述のバンドに対応する複数個の不
透明なトラックを有する。
フィルタを通過する光は粒子および基板欠陥などの非
周期的特徴に対応する。この光は二次元直線アレイまた
はカメラ上へ照射される。ウェハまたはビームは基板の
様々な領域を検査するために動かされてもよい。
図面の簡単な説明 図１は本発明に従う光学検出システムの第１の実施例
の立面図である。
図２は本発明に従う光学検査システムの第２の実施例
の立面図である。
図３は図１の装置を用いるテスト表面からの回折を示
す詳細な図である。
図４は図１の装置とともに用いるための本発明に従う
空間フィルタの頂部平面図である。
図５は観察用対物レンズを介して光が供給される、本
発明の従う光学検査システムの代替の実施例の立面図で
ある。
図６は図５の装置とともに用いるための本発明に従う
空間フィルタの平面図である。
発明を実施するためのベストモード 図１を参照して、パターニングされたウェハ10はウェ
ハチャック12によって支持されて示される。パターニン
グされたウェハは垂直な通路によって分離された複数個
の集積回路ダイを含む。各ダイは集積回路チップであ
る。これらのダイは各ダイ上にレイアウトされた回路パ
ターンに従った谷で分離されたメイズなどの位相的特徴
を有する。通常は、回路パターンの一部を形成するワイ
ヤまたはメタライゼーションは多くの場合同一方向に走
り、顕微鏡で見ると平行なラインまたは区画として見ら
れる。１つのメモリチップは何千もの、またはおそらく
は100万以上もの、すべてチップ上のラインパターンで
形成されたトランジスタを有するかもしれない。１つの
チップ上のライン間の間隔、または隣接するチップ上の
ラインもしくは隣接するチップを分離している通路間の
間隔により、ウェハを照射している光ビームの回折パタ
ーンが生じる。ウェハは、ラインを互いに平行に走らせ
る一方でライン間の間隔を可能なところではすべて均一
に保つことによってなどのように、ラインパターンが強
力な回折を促進するように設計され得る。この態様では
最適化されないウェハはなお通路および他の通常の特徴
から光を回折するが、それほど強力にではない。光を回
折する能力を有するウェハがパターニングされたウェハ
10である。
水銀、キセノンまたは炭素アーク灯などのアーク光源
14は広帯域ビーム源16を形成する。焦点レンズ18はビー
ムをピンホール開口絞り20を通るように配向し、ここで
はパターニングされたウェハ10に当たる光の中に狭い角
度範囲の光線のみが存在するような程度にビームが制限
される。この光はコリメートレンズ22によってウェハ上
へ送られる。
ウェハ10上の間隔の密な光回折特徴に当たる光は、い
くつかの回折次数に対応して様々な方向に配向される。
これらの回折次数のうちのいくつかは対物レンズ24によ
って集められてフーリエ平面に配置される空間フィルタ
26上で焦点を合わされる。以下に説明するように、周期
的特徴からの光は空間フィルタ26によって濾波され、一
方欠陥からの光はフィルタを透過して逆変換レンズ28へ
入り、このレンズ28は光をたとえばCCDビデオカメラで
あり得る二次元撮像装置30の画像面上へ配向する。もし
周期的特徴が空間フィルタ26によって濾波されていれ
ば、粒子および欠陥のみが撮像装置30へ通過する。フィ
ルタ理論は次のように理解され得る。
今、狭い波長範囲のみの光を与えるようにビーム16も
またスペクトル的に濾波されていると仮定する。これは
実際には起こり得ないが、このフィルタの仮定は本発明
の理解を容易にするためである。もしウェハ10上に微細
な周期的パターンが存在すれば、典型的にはフーリエ平
面にはいくつかのディスクリートな光のスポットが存在
し、各スポットは異なる回折次数（つまり周期的パター
ンによって光が回折される異なる角度）に対応してい
る。ここでもしスペクトルフィルタの波長が徐々に変化
するとすれば、各スポットは波長に伴って単一的に移動
する。これはなぜなら回折角は典型的には次の公式で表
わされるためである。
ここでｉは入射角、ｍは回折次数、ｄは回折を引起こす
格子の間隔、sin（θ）は表面を離れる回折された光線
の角度の正弦、かつλは波長を示す。
ジェンキンスおよびホワイト（Jenkins and White）
『光学の基礎（Fundamentals of Optics）』第４版、p.
360からの上記の公式は一次元の格子による回折に当て
はまるが、同じ公式は複雑な二次元の周期的構造による
回折にも当てはまる。回折の角度の正弦は常に波長に比
例して変化する。特定の角度でウェハ10を離れる光線は
フーリエ平面の対応する位置に集まり、そのため角度θ
が変化するとフーリエ平面のスポットも移動する。もし
仮想スペクトルフィルタが、検査装置が動作する場合に
使用するつもりである全スペクトル範囲にわたって波長
に対して変化するとすれば、各スポットはフーリエ平面
中で直線または曲線のトラックをたどることになる。も
しスペクトルフィルタを取除いて全波長を同時に存在さ
せれば、前述の各スポットは帯として現われるであろ
う。
一般的には、光源のスペクトル帯域幅が増大するにつ
れてスペックルの低減はより効果的となり、かつ達成さ
れ得るいかなる量の帯域幅の増大も望ましいということ
が言えるだろう。有用な実用的な目標は、400nmから600
nmの波長の範囲などの極値の波長においては約比率1.5
である。かかる範囲では、極長波長での深さが0.5波長
である基板上の２つのポイントの間の高低差は極短波長
においては0.75波長深さである。干渉は最長端では建設
的であるが最短端では有害である。このことはスペック
ルを抑制する助けとなる。
システム中にピンホール開口20が存在する場合は、非
レーザ源から十分な光強度を得るのは困難である。照明
器が特定の方向に実質的に角度を広げるようにすること
によって本出願人らは基本的な発明に対して改良を行な
う。ピンホール開口20は好ましくはスリットへと拡張さ
れる。スリット状の開口絞りは複数の色を使用する場合
とちょうど同じように各フーリエ平面スポットをストリ
ップに広げさせる。光をスペクトル分散帯と実質的に同
じ方向に広げるようにスリットを配向することによっ
て、クリアなまたは透過性のフィールド上に複数の暗い
または不透明な縞からなる空間フィルタを作ることはな
お可能であり、このフィルタは周期的パターンによって
回折された光の大半をブロックする一方で、粒子によっ
て散乱した光の大部分を通過させる。スリット状の開口
絞りを効果的にするためには、スリットが光源14からの
光で確実に満たされるようにレンズ18をおそらくは複数
レンズ系に発展させなければならないということが光学
設計分野の当業者には理解されるであろう。かかるレン
ズまたはレンズ系の設計方法は周知である。
図１では、ウェハ10に送られた照明光は、アーク源14
が異なる波長範囲の光を発し、このため広帯域の光源を
形成するのでスペクトル的な多様性を持っている。この
光はまた、ウェハ10を打つ光の角度範囲が開口絞り20に
よって制御されるので、ある量の角度の多様性を有し、
この開口絞り20はピンホールから一方向に実質的に延び
るスリットへと発展している。この角度の多様性は前述
のようにスペックルの低減に寄与している。
スペクトルの多様性を達成することは可能であるが、
これはほぼ継続的な広いスペクトル出力を有するアーク
灯などの光源を用いることによってだけではなく、実質
的なスペクトル間隔にわたっていくつかのディスクリー
トなスペクトル線を発する光源を代替的に用いることに
よって、または複数個の別個の単一線光源からの光を組
合わせることによっても達成される。たとえば、ニコラ
ス・ジョージおよびアトウール・ジャイン（Nicholas G
eorge and Atul Jain）は、『応用光学』vol.6、pp.120
2ff（1973年６月）に、スペックルを低減するために複
数線アルゴンレーザの使用を記載している。この同じ論
文において、著者は150nmのスペクトル帯域幅全体にわ
たって広がる６つの異なるレーザ線を使用することによ
ってスペックルの低減をシミュレートしたことを報告し
ている。彼らの作業は直接の実証というよりはむしろシ
ミュレーションであった。なぜなら彼らは本物のレーザ
を使用する代わりにアーク灯からの光を濾波することに
よって６つの十分に離れたスペクトル線を作成したから
である。
図２は光源の角度の多様性がさらに進み得ることを示
す図である。この図はまた、実質的な角度の多様性を有
する光を生成するためにレーザ源を用いることができる
方法の一例を示している。２つの別個の照明通路が設け
られている。第１の照明通路201はレーザ205、ディフュ
ーザ204、レンズ203、開口絞り20およびコリメートレン
ズ22を含む。第２のほぼ同じ照明器202はレーザ210、デ
ィフューザ209、レンズ208、開口絞り207およびコリメ
ートレンズ206を含む。両方の照明器からの光はウェハ
チャック12に支持されたウェハ10上に当たる。パターニ
ングされたウェハからの光は対物レンズ24を通過した後
空間フィルタ26へ向かって回折される。ここで再び、ウ
ェハ上の欠陥からの光または粒子から散乱した光は空間
フィルタ26を通過してレンズ28によって集められ、その
後、光は焦点を合わされた画像として画像装置30へ送ら
れる。照明器201からの光は概してほぼ仰角a1に配置さ
れる。照明器202からの光は概してほぼ角度a2に配置さ
れ、これは角度a1とは異なってもよい。便宜上、２つの
照明光は180度離れた方位角から届くように示される
が、一般にはこれらの照明光はいかなる２つの方位角か
ら届いてもよく、実際は方位角は同じだが仰角が異なっ
てもよい。典型的な仰角は正常な入射に対して50゜−80
゜の間であり得る。
ディフューザ204の目的はレーザ205によって発せられ
た光の角度の多様性を増大することであり、このためこ
の光は開口絞り20を満たすようにレンズ203によって像
形成されることができる。ディフューザがない場合は、
レーザ205によって発せられた光の優れたコリメート効
果のために絞り20が十分に照射されないかもしれない。
ディフューザ209はディフューザ204と同じ機能を有す
る。
２つの照明器の各々はレンズ24によって作られたフー
リエ変換面中に別個の光のパターンを作り出す。写真手
段または他の手段によって対物レンズのフーリエ平面中
に載置されるべき空間フィルタ26を作り出すことができ
る。空間フィルタ26はいずれかの照明器で発生するパタ
ーン回折された光の大半をブロックする一方で、粒子ま
たはパターン欠陥などのウェハ10上の非周期的特徴によ
って散乱した光の有用な部分をなお透過する。不透明で
なければならないフィルタ26の領域の部分は単一光源を
用いる場合に必要な不透明領域のほぼ２倍であり得る
が、これは非周期的特徴によって散乱した光の有用な部
分を透過する十分な空き領域が残っている限りは受容可
能である。空き領域は好ましくはフィルタの全領域の約
50％以上必要である。
第１の照明器201と第２の照明器202との間の角度の分
離は１つの照明器を用いて容易に得られるよりも大きな
角度の多様性をスペックルの低減のために生じる。２つ
のレーザの波長は同一であってもまたは異なっていても
よいが、波長が異なると幾分スペクトルの多様性を与え
る。ここで再び、開口絞り20は開口を通る光の量を増大
すると同時に光の角度の多様性を増大するために、好ま
しくは矩形のスリットである。
図３には相対的に浅い角度でウェハ10に当たるコリメ
ートされた照射ビーム40が示される。突起物などの多数
の冗長な特徴42、44および46がウェハ上方に突出してい
るのがわかる。これらのウェハ特徴は光を回折できると
いう点で格子の谷と尾根と同様である。かかる回折され
た光は光線48で示され、これらは対物レンズ24によって
フィルタ26に集められる。様々な波長または角度の成分
が、概矩形であることを特徴とするバンドB1を形成す
る。他の回折次数はバンドB2、B3およびB4を作り出し、
これらはすべフーリエ平面中にある。上述のように、写
真フィルムがフーリエ平面に載置され、その後、露光さ
れかつ現像される。露光、現像またはその両方により、
様々な光のバンドが暗くなるかまたは不透明にされる。
これはクリアなまたは光学的に透過性のフィールド中に
トラックを形成する。図３では粒子50が光線52および54
を散乱しているのが示される。この光は空間フィルタ26
を通過し、その後レンズ28上に当たり、そこで光線が撮
像装置30へ向かって屈折する。光線52および54は大抵の
場合フィルタ26の不透明なトラックの間を通過する。不
透明なトラックによってブロックされたフィルタの領域
は好ましくは２分の１未満であり、好ましいフィルタ形
状では普通は20％のオーダである。撮像装置30はCCDア
レイ（これはたとえば水平に768ピクセル垂直に494ピク
セルを含み得る）、またはビジコンカメラであってもよ
い。高速多重出力時間遅延集積（TDI）センサなどの多
くの他の形式のセンサもまた本発明とともに使用可能で
ある。ウェハ10を支持するウェハチャック12はウェハの
様々な領域が観察できるようにｘ−ｙ平面中で移動可能
である。観察される各パターンは全ウェハの複合画像が
得られるようにメモリに記憶され得る。
図４には不透明なトラック56を有する空間フィルタ26
が示される。各トラックの頭部の点58は光源およびスリ
ット状の開口絞り20の一方端部からの最短の波長を表わ
す。もし開口絞りがピンホールで、かつこの１つの波長
だけが存在するとすれば、フィルタ上のパターンは複数
個のスポットから作られるであろう。しかしながら、こ
れはスペックルについての補償をしない先行技術のフィ
ルタ設計である。本発明では、空間フィルタ26上に複数
個のトラックを形成することによって１つの光源または
複数の光源からのスペクトルおよび／または角度の多様
性を用いてスペックルが低減される。スポット58の位置
はウェハ上の冗長な特徴の周期に関係する。フィルタは
上述のような写真ネガかまたはコピーのどちらであって
もよい。高品質のネガおよびコピーは、半導体業界で使
用されるようなタイプの高解像度フォトプレートを露光
し現像することによって、またはコダックテクニカルパ
ン（Kodak Technical Pan）フィルムなどの高コントラ
ストラインアートフィルムを用いることによって作られ
得る。
不透明な領域のサイズをパターンによって回折された
光が当たる領域よりも幾分大きくすることによって空間
フィルタを修正することがよく所望され、このためアラ
イメントがわずかに不完全な場合でもフィルタは効果的
に作用する。この１つの方法は、フィルムがフーリエ平
面からわずかに離れた軸方向の位置にある状態でフィル
タを写真的に記録することである。その結果生じるぼか
しにより暗いスポットがわずかに大きくなり、もし高コ
ントラストフィルムを用いれば、大きくなったスポット
はその端部までずっと不透明である。適切に作られた空
間フィルタは、典型的な量のアライメント誤差が存在す
る場合でも基板からのパターン回折された光の大半を確
実にブロックするのに十分な幅だが、観察システムの全
ての光開口の約50％以上はブロックしないような幅の縞
を有する。
図４に示される空間フィルタの外観は典型的なもので
あり、ここでは照射ビームの仰角が垂直面に対して約45
゜であるかどうか、かつ照射ビームの方位角が概直線
（「マンハッタン」）形状を有するパターニングされた
ウェハのストリートおよびアベニューに対して約45゜で
あるかどうかがわかる。本発明の方法はウェハ形状に対
して角度の配向が上述のようである光かまたは他の任意
のものである光を用いても使用することができるという
点を強調すべきである。仰角および方位角の両方とも変
化し得る。
図５はウェハに対する照射が通常どおりである本発明
の一実施例を示す。この図はまた、本発明の空間フィル
タ設計を用いることが可能な多数の代替の光学系の１つ
を示す。ウェハ501は複数のエレメントからなる顕微鏡
対物レンズ502によって観察される。この顕微鏡対物レ
ンズは市場で入手可能な他の多くのレンズと同じく、空
間フィルタの設置のためにアクセスできない対物レンズ
中の内部レベルにフーリエ平面503を有する。レンズ504
および505はリレーレンズ系514を構成し、これは空間フ
ィルタ506の位置にフーリエ平面503の画像を生成する。
この単純な例では、レンズ504および505の各々の焦点距
離はｆであると仮定する。図に示されるようにこれらの
レンズは倍率１のアフォーカルリレー系を構成するよう
に間隔をあけられる。この特定の配列は本発明に必要で
はない。必要なことは、フーリエ平面またはその画像が
何らかの手段によって空間フィルタの設置のためにアク
セス可能にされることである。
リレー系514がない場合は、対物レンズはウェハ表面
の画像を平面513に形成する。リレーの効果はこの画像
を画像検出器507の入射面に再形成することである。
このシステム中の光はビームスプリッタ508によって
与えられる。照明器515はレンズ509および511、光源512
（たとえば白熱電球、アーク灯、または複数線レー
ザ）、フィールド絞り516ならびに開口絞り510からな
る。開口絞り510はピンホールであることが最も有用で
ある。この照明器の配列の効果は一般に正常な光をウェ
ハに送ることである。
図６は図５の装置において有用であり得る空間フィル
タ506を示す。このフィルタは概透過性のフィールド中
に放射状に配向された不透明なトラック656を有する。
各トラックの頭部の点は光源512によって与えられる最
短波長を表わす。不透明なスポット602は対物レンズ502
がウェハから反射された光を集める場所を表わす。この
光（時によって「ゼロ次の回折」と称される）は、トラ
ック656が他の回折された次数の光をブロックするのと
同じようにブロックされなければならない。
図５のシステムの示す要点は、フーリエ変換および最
終画像を形成するために別個のレンズを設置する必要は
ないということである。無限遠訂正された対物レンズを
用いるシステムの典型的なものである図１の例では、変
換はレンズ24によって形成され最終画像はレンズ28によ
って形成された。有限管長顕微鏡対物レンズを用いるシ
ステムの典型的なものである図５のシステムでは、フー
リエ変換および画像の両方が対物レンズ502によって
（それぞれ平面503および513において）形成される。本
発明を実行する上で不可欠なことは、アクセス可能なフ
ーリエ平面およびアクセス可能な画像平面を生成するよ
うに配置された１つ以上のレンズが存在することであ
る。この目的を完遂するためには多くの異なる配列があ
るが、それらは光学システム設計の分野の当業者には公
知である。
本発明に従って作られた光学フィルタの特徴は、不透
明な縞が仮想上のポイントから放射状にのびて直線また
は曲線のほぼセグメントとして現われることであり、こ
のポイントはフィルタ自体の領域の内側であっても外側
であってもよい。たとえば、図６ではこのポイントはフ
ィルタの中心に位置する。図４ではこのポイントはフィ
ルタの左上に位置する。この現象を理解するには、周知
のように、フーリエ平面の各ポイントは検査されている
基板から光が回折される特定の角度を表わしているとい
うことを認識する必要がある。縞がそこから放射してい
るように見える見かけ上の中心は反射されたビームが基
板を離れる角度に対応する。
可能性のある本発明の有用な変形の例は、広帯域の光
源およびピンホール開口を有する図１の単純な装置に戻
ることによって説明され得る。空間フィルタ26は図４の
ものとほぼ同じ外観を有する。開口絞り20はピンホール
であるため、フーリエ平面の各回折次数は、波長の短い
光がスペクトルの一方端部にありかつ波長の長い光が他
方端部にある単純な分散スペクトルとなる。単純な不透
明な縞の代わりに可変波長（色）ブロックフィルタを構
築するように染料または薄い膜の技術を用いることが実
用的であるかもしれず、これにより空間フィルタ上の縞
の小領域の各々は、検査されている基板上の正常なパタ
ーンによってその場所へ回折された１つの特定の色の対
応する光のみをブロックする。これにより空間フィルタ
を通過可能な他の光（典型的には識別されるべき欠陥を
表わす）の量を最大にする。
今日の技術を用いれば、これまでのところ最も経済的
なアプローチは単純な不透明な縞を用いてパターン回折
された光のすべてをブロックすることである。関心のあ
る多数の基板について、空き領域が50％を超えるため小
さな周期的欠陥によって散乱した光の減衰率が50％を超
えない本発明に従う不透明な縞フィルタを構築すること
が実用的であると証明されている。
上述の議論の何ヵ所かでウェハ上のパターンのフーリ
エ変換について言及しているが、これは平面の「フーリ
エ面」として説明されている。多くの実際の光学系にお
いてはフーリエ変換のある表面は曲面を有しているとい
うことが周知である。したがって、本明細書中のフーリ
エ平面に対する言及は他の２つの場合を含むと考えられ
るべきである。第１に、空間フィルタをカーブした基板
上に作ることによってカーブした変換面に対処すること
が望ましいかもしれず、このカーブした基板はその変換
面近くに存在する（このアプローチは技術的に困難なた
めに一般的ではない）。第２に、変換面の曲面に対処す
るより一般的な方法として、フィルタを平面基板上に作
り、それを真の変換面の近くに置く方法がある。フィル
タの不透明領域のサイズをわずかに大きくすることによ
って、フィルタが変換面中に正確にない場合でも周期的
なパターンによって回折した光のほとんどをブロックす
ることが可能となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フェイン，マイケル・イー アメリカ合衆国、94040 カリフォルニ ア州、マウンテン・ビュー、ライム・ツ リー・レーン、1909 (72)発明者 ニューカーマンス，アルマンド・ピィ アメリカ合衆国、94303 カリフォルニ ア州、パロ・アルト、アービュタス・ア ベニュ、3510 (56)参考文献 特開 平３−222343（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/84 - 21/958 H01L 21/64 - 21/66

Claims (18)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光をフーリエ平面または表面中へ回折する
    タイプの周期的特徴を有する、パターニングされた半導
    体ウェハなどの基板のための検査装置であって、 基板の光学軸に沿って配向されたビームを発生する広帯
    域の光源を含み、基板は非周期的な汚染物質および欠陥
    とともに反復的な、異なった高さの周期的地形特徴のパ
    ターンを有し、前記周期的特徴は複数個のスペクトル分
    散次数の形の複数個のスペクトル線に前記ビームからの
    光を回折する間隔を有し、スペクトル線の各次数は長い
    バンドを形成し、さらに 前記ビームがそこを通過しかつ基板の前記周期的特徴上
    へ集められる状態で前記光学軸に沿って配置された開口
    絞りと、 基板から回折された光のフーリエ平面中に配置されたほ
    ぼ透過性の空間フィルタとを含み、フィルタは前記広帯
    域の光源からの光のバンドをブロックするが前記非周期
    的な特徴から散乱した光は透過する複数個の間隔をあけ
    られた不透明なトラックを有し、さらに 前記空間フィルタを透過した光を受ける位置に前記空間
    フィルタから間隔をあけて設置された２次元撮像センサ
    と、 空間フィルタを通過する光を前記撮像センサへ送るため
    の手段とを含む、装置。
  2. 【請求項２】前記空間フィルタはフーリエ変換フィルタ
    である、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記フーリエ変換フィルタは、高コントラ
    ストフィルムが前記フーリエ平面からわずかに離れた焦
    点の合っていない位置に対置された状態で写真で形成さ
    れており、これにより前記フィルタは完全なフーリエ変
    換フィルタよりもわずかに大きな不透明なトラックを有
    する、請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】光をフーリエ平面または表面中へ回折する
    タイプの周期的地形表面特徴を有する、パターニングさ
    れた半導体ウェハなどの基板のための検査方法であっ
    て、 基板の方へ光学軸に沿って配向されたビームを発生する
    ステップを含み、基板は非周期的な汚染物質および欠陥
    とともに反復的な周期的地形表面特徴のパターンを有
    し、 前記周期的特徴は複数個の分散次数の形の複数個の線に
    前記ビームからの光を回折する間隔を有し、線の各次数
    は長いバンドを形成し、さらに 前記ビームを前記光学軸に沿って配置された細長いスリ
    ット形状の開口絞りに通過させ前記ビームを基板の前記
    周期的特徴上へ集めるステップと、 基板から回折された光のフーリエ平面中にフーリエ変換
    フィルタを位置決めするステップとを含み、フィルタ
    は、スリット形状の開口絞りと関連付けられる前記光の
    バンドをブロックするが前記非周期的な特徴から散乱し
    た光は透過する複数個の間隔をあけられた不透明なトラ
    ックを有し、さらに 空間フィルタを通過した光を２次元撮像センサに送るス
    テップと、 基板がセンサに対して移動されるとき、前記空間フィル
    タを透過した光を、前記空間フィルタから間隔をあけて
    設置された前記２次元撮像センサで検出するステップと
    を含む、方法。
  5. 【請求項５】前記周期的特徴は格子状の反復的ジオメト
    リを有し、前記ビームは、格子状の反復ジオメトリに対
    して斜めの仰角で整列させられる、請求項４に記載の方
    法。
  6. 【請求項６】光をフーリエ平面または表面中へ回折する
    タイプの周期的特徴を有する、パターニングされた半導
    体ウェハなどの基板のための検査装置であって、 基板の共通領域に配向されるビームを発生する複数個の
    光源を含み、基板は非周期的な汚染物質および欠陥とと
    もに反復的な周期的特徴のパターンを有し、前記周期的
    特徴は、複数個のスペクトル分散次数の形の複数個のス
    ペクトル線に前記ビームからの光を回折する間隔を有
    し、スペクトル線の各次数は長いバンドを形成し、各ビ
    ームは、基板に当るときその角度変化を制御する開口絞
    りを有し、さらに、基板から回折された光のフーリエ平
    面中に配置されたほぼ透過性の空間フィルタを含み、フ
    ィルタは前記複数個の光源からの前記光のバンドをブロ
    ックするが前記非周期的な特徴から散乱した光を透過す
    る複数個の間隔をあけられた不透明なトラックを有し、
    各トラックは仮想上のポイントから放射状に延び、さら
    に、前記空間フィルタを透過した光を受ける位置に前記
    空間フィルタから間隔をあけて設置された２次元撮像セ
    ンサと、空間フィルタを通過する光を前記撮像センサへ
    送るための手段とを含む、装置。
  7. 【請求項７】前記空間フィルタはフーリエ変換フィルタ
    である、請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】前記フーリエ変換フィルタは、高コントラ
    ストフィルムが前記フーリエ平面からわずかに離れた焦
    点の合っていない位置に載置された状態で写真で形成さ
    れており、これにより前記フィルタは完全なフーリエ変
    換フィルタよりもわずかに大きな不透明なトラックを有
    する、請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】前記空間フィルタは、任意の所与の場所
    で、前記周期的特徴によってそこに回折される光の色に
    対して不透明であるトラックを有する可変波長（色）ブ
    ロックフィルタである、請求項６に記載の装置。
  10. 【請求項１０】前記空間フィルタの前記不透明なトラッ
    クは見掛け上の中心から外向きに放射状に延びる、請求
    項６に記載の装置。
  11. 【請求項１１】前記開口絞りは細長いスリットである、
    請求項６に記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記開口絞りはピンホールである、請求
    項６に記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記ビームはレーザビームである、請求
    項６に記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記ビームは同じ波長を有する、請求項
    ６に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記ビームは異なった波長を有する、請
    求項６に記載の装置。
  16. 【請求項１６】前記複数個の光源は、10度と40度との間
    の基板に対して異なった仰角で間隔をあけられる、請求
    項６に記載の装置。
  17. 【請求項１７】前記撮像センサはTDIセンサである、請
    求項６に記載の装置。
  18. 【請求項１８】光をフーリエ平面または表面中へ回折す
    るタイプの周期的地形表面特徴を有する、パターニング
    された半導体ウェハなどの基板のための検査方法であっ
    て、 斜角で基板を照明するステップを含み、基板は非周期的
    な汚染物質および欠陥とともに反復的な周期的地形表面
    特徴のパターンを有し、 前記周期的特徴は複数個の分散次数の形の複数個の線に
    前記ビームからの光を回折する間隔を有し、線の各次数
    は長いバンドを形成し、さらに 前記ビームを前記光学軸に沿って配向される細長いスリ
    ット形状の開口絞りに通過させ前記ビームを基板の前記
    周期的特徴上に集めるステップと、 基板から回折された光のフーリエ平面中にフーリエ変換
    フィルタを位置決めするステップとを含み、フィルタは
    スリット形状の開口絞りと関連付けられる前記光のバン
    ドをブロックするが前記非周期的特徴から散乱する光を
    透過する複数個の間隔をあけられた不透明のトラックを
    有し、さらに ２次元撮像センサに対して基板を移動させることにより
    基板の表面を走査するステップと、 周期的特徴および周期的欠陥の両方を検出するステップ
    とを含む、方法。
JP51415393A 1992-02-07 1993-02-02 パターニングされた基板の光学検査用装置 Expired - Lifetime JP3458139B2 (ja)

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