JP3752935B2 - パターン欠陥検査方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス製造工程やフラットパネルディスプレイの製造工程に代表される微細パターン欠陥及び異物等の検査や観察に用いる高解像度光学系とこれを用いた欠陥検査方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の高集積化に伴い、回路パターンは益々微細化の傾向にある。この中で半導体素子をホトリソ工程で製造する際に用いられるマスクやレチクル、これらに形成された回路パターンが露光によって転写されるウェハ上のパターン欠陥は益々高解像度での検出が要求されている。解像度を高める手法として、照明光の波長を可視光から紫外光へ短波長化することが挙げられる。従来、光源としては水銀ランプが用いられ、水銀ランプの持つ種々の輝線の中から必要とする波長のみを光学的に選択して使っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水銀ランプの輝線では発光スペクトル幅が広く光学系の色収差を補正するのが困難であること。十分な照度を得るためには光源が大形になり、効率が悪いなどの問題がある。近年、半導体製造における露光装置用光源として、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ装置を搭載した露光装置が開発されているが、エキシマレーザ光源は大形であり、またフッ素ガスを使用しているため所定の安全対策が必要などの問題がある。紫外レーザ光源としては、例えば、固体のYAGレーザ光を非線形光学結晶により波長変換したレーザ装置や、Ａｒ−Ｋｒレーザ装置等があり、波長２６６ｎｍないし３５５ｎｍのレーザ光を得ることができる。これらのレーザ装置は、従来、光源としていたランプに比べ、出力が大きい点が利点であるが、装置の大形化や、あるいはリング形の共振器を用いて基本波の第３、あるいは第４高調波を発生させるものであり、共振器の内部はかなり複雑な構造を呈している。このため、パターン検査あるいは測定装置への搭載は、発熱や機構部分の振動の影響を考慮すると、従来のランプのように、光学系と同一の架台には設置できない。また、照明光源として使用する場合、紫外光は目に見えないので、光軸調整など扱いにくい問題があった。
【０００４】
そこで本発明の目的は、上記問題を解消し、紫外レーザ光を光源として安定した高効率照明を実現すると共に、半導体素子等の微細パターンを高解像度に検出できるパターン欠陥検査方法及びその装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、パターン欠陥検査装置を、紫外レーザを発射するレーザ光源と、レーザ光源から発射された紫外レーザの可干渉性を低減する可干渉低減手段と、対物レンズを有して可干渉低減手段を通過した紫外レーザを対物レンズを介して表面に回路パターンが形成された試料に照射し試料を照明する照明光学系手段と、照明光学系手段で照明された試料の像を撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像して得た試料の画像を処理して試料上に形成された回路パターンの欠陥を検出する画像処理手段と、対物レンズの瞳面と共役な位置に設けたスクリーンとレンズとＴＶカメラを有して可干渉低減手段を通過した紫外レーザをスクリーンに照射して発生させた蛍光をレンズで拡大してＴＶカメラで撮像することにより紫外レーザによる対物レンズの瞳面における照明パターンを可視化して観察するための観察手段を備えて構成した。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図１〜図１０により説明する。
【０００７】
図１は、本発明に係わる装置の一例を示す図である。本発明ではＤＵＶ領域で高輝度の照明を行うために、ＤＵＶレーザ光を光源としている。２はX,Y,Z,θ方向の自由度を有したステージであり、試料として被検査パターンの一例である半導体ウェハ１が載置される。レーザ光源３から発せられたレーザ光Ｌ１はミラー４、ビームエキスパンダ５、コヒーレンス低減光学系６、レンズ７、偏光ビームスプリッタ９、偏光素子群１０を介して対物レンズ１１に入射し、被検査パターンの一例である半導体ウェハ１上に照射される。ビームエキスパンダ５はレーザ光をある大きさに拡大するものであり、拡大されたレーザ光Ｌ１はレンズ７によって対物レンズ１１の瞳付近１１ａに集光された後、試料に上にケーラー照明される。試料からの反射光は、試料の垂直上方より対物レンズ１１、偏光素子群１０、偏光ビームスプリッタ９、結像レンズ１２を介してイメージセンサ１３で検出される。偏光ビームスプリッタ９は、レーザ光の偏光方向が反射面と平行な場合は反射し、垂直な場合は透過する作用をもつ。光源としているレーザ光は、元々、偏光レーザであり、偏光ビームスプリッタ９は、このレーザ光が全反射するように設置されている。一方、半導体プロセスによりウェハ１上に形成された被検査パターンは、様々な形状を呈している。このため、パターンからの反射光は、様々な偏光成分を持っている。偏光素子群１０は、レーザ照明光及び反射光の偏光方向を制御して、パターンの形状、密度差により、反射光がイメージセンサ１３へ明るさむらとなって到達しないように調整する機能を有するもので、例えば照明波長の位相を４５度、ないし９０度変化させるための波長板で構成されている。イメージセンサ１３は被検査パターンの一例である半導体ウェハ１からの反射光の明るさ（濃淡）に応じた濃淡画像信号を出力するものである。１４はＡ／Ｄ変換器であり、イメージセンサ１３から得られる濃淡画像信号１３ａをディジタルに変換するものである。すなわち、ステージ２を走査して被検査パターンの一例である半導体ウェハ１を等速度で移動させつつ、図示していない焦点検出系で、半導体ウェハ１被検査面のＺ方向の位置を常に検出し、対物レンズ１１との間隔が一定になるようにステージ２をＺ方向に制御して、イメージセンサ１３により半導体ウェハ上に形成された被検査パターンの明るさ情報（濃淡画像信号）を高精度で検出する。１５は、例えば８ビットの階調変換器であり、Ａ／Ｄ変換器１４から出力されるディジタル画像信号に対して特開平８−３２０２９４号公報に記載されたような階調変換を施すものである。即ち、階調変換器１５は対数、指数、多項式変換等を施し、プロセスで半導体ウェハ１上に形成された薄膜と、レーザ光が干渉して生じた画像の明るさむらを補正するものである。１６は遅延メモリであって、階調変換器１５からの出力画像信号をイメージセンサ１３の走査幅でもって、半導体ウェハ１を構成する１セル又は１チップ又は１ショット分記憶して遅延させるものである。
【０００８】
１７は比較器であり、階調変換器１５から出力される画像信号と、遅延メモリ１６から得られる画像信号とを比較し、不一致部を欠陥として検出するものである。
【０００９】
比較器１７は、遅延メモリ１６から出力されるセルピッチ等に相当する量だけ遅延した画像と検出した画像とを比較するものであり、設計情報に基づいて得られる半導体ウェハ１上における配列データ等の座標をキーボード、ディスク等から構成された入力手段１８で入力しておくことによりＣＰＵ１９は、比較器１７による比較の結果を入力された半導体ウェハ１上における配列データ等の座標に基づいて、欠陥検査データを作成して記憶装置２０に格納する。この欠陥検査データは、必要に応じてディスプレイ等の表示手段２１に表示することもでき、また出力手段２２に出力して、例えば他のレビュー装置等で欠陥箇所の観察も可能である。
【００１０】
なお、比較器１７の詳細は、特開昭６１−２１２７０８号公報に示したもの等でよく、例えば画像の位置合わせ回路や、位置合わせされた画像の差画像検出回路、差画像を２値化する不一致検出回路、２値化された出力より面積や長さ、座標等を抽出する特徴抽出回路から構成されている。
【００１１】
次に光源について説明する。高解像を得るためには波長の短波長化が必要であり、検査速度の向上には高輝度照明が必要である。従来の照明光源として、例えば水銀キセノン等の放電ランプを用いて、ランプの持つ発光スペクトル（輝線）のうち、可視域を広範囲に使うことにより、照明光量を確保していた。しかし、ランプの持つ紫外、深紫外領域での発光スペクトルは、可視光に比べ、数パーセント程度であり、所望の輝度を確保するためには大形の光源が必要となる。光源が大形化した場合、問題となるのは発熱による光学系への影響であるが、光源からレンズ系により照明光を導くため、光学系から遠ざけることにも限界がある。このような観点から、本発明では、短波長を容易に確保できる紫外レーザ光を光源としている。紫外レーザ光源として、最近では固体のＹＡＧレーザを非線形光学結晶等で波長変換して基本波の第３高調波（３５５ｎｍ）や、第４高調波（２６６ｎｍ）を発生する装置がでており、これらを利用することも考えられる。高調波を発生させるため、レーザ装置の内部には共振器が設けられている。すなわち、入力した基本波をキャビティと称するミラー共振器で共振させて、特定波長のみを出力させている。共振器内の一部のミラーは安定共振となるよう振動し、電気的にフィードバックされている。これらのレーザ装置を光源としてパターンの欠陥検査へ適用するための課題として、レーザ装置の冷却、及びレーザ装置への振動の影響を考慮する必要がある。
【００１２】
そこで、本発明者は、図１０に示すように、レーザ光源３を光学系８５から分離して設置し、ステージ等が発する機械的振動のレーザ装置への伝播、及びレーザ装置からの光学系への熱伝導を遮断する構成にした。本実施例ではレーザ光源を除振定盤８０の下部に設置した場合を示している。この場合、図示していないが、レーザ光源の発する熱が上部の定盤に伝わらないよう局部的な排気が必要である。レーザ光源３から出射したレーザ光Ｌ１は、ミラー４でＺ方向に折り返され、ミラー９０、ビームエクスパンダ５を介して、光学系８５に到達する。半導体ウェハ１表面のパターン検査は、ウェハ１を載置したステージ２をＸＹ方向に走査して、全面を検査するが、検査中はステージ移動に伴ってその重心位置が変化するため定盤が傾斜する。この場合、エアーサーボ等により、定盤は水平状態に戻されるが、レーザ光源３から出射されるレーザＬ１はビーム径が１ｍｍ以下であり、光学系８５とレーザ光Ｌ１の光軸が一時的に光軸外となることが予想される。このため本発明では、定盤８０上にミラー９０、レンズ９１、位置検出器９２を設置し、これによりレーザ光Ｌ１の移動量を検出し、ミラー４をビエゾなどのアクチュエータを用いて移動させ、軸外となったレーザ光Ｌ１の光路を高速修正するものである。ここでミラー９０は、レーザ光Ｌ１の僅かな光を反射するよう反射膜がコーティングされたものであり、レンズ９１は反射光を位置検出器９２に拡大投影する。位置検出器９２は、例えば受光素子がＸＺ方向に分割して配置されており、受光素子の検出信号を図示していない電気回路で演算してレーザ光の移動量を検出する。これにより、レーザ光が安定して光学系８０に入射可能になる。
【００１３】
光学系８０に導かれたレーザ光Ｌ１は、コヒーレンス低減光学系６に入射する。一般的にレーザには可干渉性（コヒレンスを有する）があり、ウェハ１をレーザで照明した場合、回路パターンからスペックルノイズが発生する原因となる。このためレーザ照明では、コヒーレンスを低減する必要がある。コヒーレンスを低減するには、時間的あるいは空間的コヒーレンスのいずれかを低減させればよく、本発明では、図２に示す如く直行する２枚の走査ミラー６１，６４により、レーザ光を２次元的に走査して、空間的コヒーレンスを低減するようにしている。図３は照明系の模式図である。レーザ光源３から出射され、ビームエクスパンダ５によりある大きさに拡大されたレーザ光Ｌ１は、平行光束となってミラー６１で反射し、レンズ６２で集光後、レンズ６３で再度、平行光束となりレンズ７によって対物レンズの瞳１１ａ上に集光される。４１、４３は走査ミラー６１、６４でのレーザ光の反射位置を示しており、ウェハ１の表面と共役な位置関係になっている。また、４２は対物レンズ１１の瞳面１１ａと共役な第１瞳共役面である。走査ミラー６１，６３は、電気信号によって回転または揚動する振動ミラーであり、これにより、レーザ光Ｌ１は対物レンズ１１の瞳面１１ａ上で、２次元的に走査されることになる。走査ミラー６１，６４へ入力する電気信号としては、例えば三角波や正弦波等であり、入力する電気信号の周波数や振幅を変えることで、対物レンズ１１の瞳面１１ａでの様々な形状の走査が可能である。このため本発明では、第２の実施例として、照明光路中にミラー２４を配して、ウェハ１の照明に支障のない照明光量を分岐し、対物レンズ１１の瞳面１１ａと共役な位置に、紫外レーザ光が照射されると蛍光を発するスクリーンを設置した。紫外レーザ光は不可視光であるため、スクリーン２５で蛍光を発生させ、これをレンズ２６で拡大してＴＶカメラ２７で観察できるようにしたものである。図４はその様子を示すもので、スクリーン２５に照射された照明レーザ光をＴＶカメラ２７で撮像したときの受光面での照明パターンの例の模式図きである。これによれば、レーザの照明パターンは黒く表示しているが、実際はレーザ照明部分が明るく表示ので、同図（ｃ）に示す如く、ＴＶカメラの画素をＹ方向に加算し、明るさの投影をとることにより、対物レンズ１１の瞳径３４の中心Ｘｏに対する照明光のずれ量ΔＸを求めることも可能であり、ずれ量は信号処理回路８１で算出され、制御回路８２からの指令により、コヒーレンス低減光学系６内に設置された走査ミラー６１ないし６４を駆動して補正可能である。また、ＴＶカメラ２７で受光した画像を２値化して、ある明るさ以上の画素を加算することにより照明の面積を算出することができ、照明条件(照明σ)を最適値に設定することも可能である。
【００１４】
なお、走査ミラーによる照明光の走査はイメージセンサの蓄積時間内に行うことは言うまでもない。
【００１５】
照明条件の他の実施例として、対物レンズ１１の瞳面での照明をマルチスポットにすることも考えられる。これによれば、照明σをかせげるので走査ミラーの走査時間を遅くできるメリットを奏する。図５はコヒーレンス低減光学系６にマルチレンズアレイを配した立体図であり、図６はこれを用いた照明系の模式図である。前述の図２、３との相違点は照明光路中に新たに付加したマルチレンズアレイとレンズ６６により、レーザ光Ｌ１の複数の光源を作り出し、結果的に対物レンズ１１の瞳面１１ａ上に複数のレーザ集光点が形成される構成になっている。複数の光源を作り出す手段としては、例えば、図７（ａ）に示すシリンドリカルレンズアレイ７１を２個直交させて配置（同図(ｂ)）させるか、或いは小形の凸レンズが２次元的に配置したレンズアレイ７３を光路中に配することで達成される。対物レンズ１１瞳上での走査状態を図４（ｃ）に示す。対物レンズ１１の瞳面１１ａ上でのレーザ集光点のピッチ１１０はレンズ６６の焦点距離をはじめ、その他のレンズの焦点距離を選定することにより、自由に変えることも可能である。
【００１６】
ここで光源としているレーザ光は直線偏光を有している。光学系の解像度は照明、あるいは検出の偏光状態により変化するため、本発明では、光路中に偏光素子１０ａ(例えば１／２波長板)、１０ｂ(例えば１／４波長板)を設置して、それぞれ回転可能な構成にし、半導体プロセスによりウェハ１上に形成された回路パターンから発する反射光の偏光状態を制御して検出することにより、光学系の性能を向上するようにしている。すなわち、偏光ビームスプリッタ９からイメージセンサ１３に至る光路中に設けた、ミラー２８、レンズ２９、検出器３０によって、対物レンズ１１の瞳面の空間像を検出するものである。
【００１７】
図８は検出器３０の受光面４０に、対物レンズ１１の瞳内８１の空間像４２〜４４が明画像として投影された状態を示す模式図である。検出器３０の受光面には受光素子である画素４１が二次元に配列している。４２は回路パターンからの０次反射光の明画像であり、４３、４４はそれぞれ１次反射光の明画像を示している。この中で、反射光量が最も大きいのは０次であり、主としてウェハ１表面からの反射光である。一方、１次反射光はパターンエッジで回折した光であり、メモリセル部等の微細パターンが密集した領域で多く発生するが、正反射成分が少ないため強度的には小さい。従がって、イメージセンサ１３の検出感度を０次反射光に合わせると、１次反射光は殆ど検出されなくなる。そこで、検出器３０の受光面上の特定領域(ｎ×ｎ画素：ｎは整数)Ｐ１〜Ｐ４に着目し、各領域の平均明るさを画像処理装置１００で算出し、０次、１次反射光がイメージセンサ１３のダイナミックレンジ内に入るように、偏光素子１０を、制御回路からの信号によって、モータ５３と伝達手段５０でホルダ５５を駆動して、ホルダ５５に保持された偏光素子１０を、実験的に求めた回転角に設定するものである。モータ５３は、例えばパルスモータであり、偏光素子１０の原点位置はセンサ１０２で検出可能になっており、ホルダ５５の端面に設けた凹部を原点としている。この作業は、例えば設計データ等を用いて、あらかじめ被検査ウェハ１上に形成された回路パターンからの反射光を測定して偏光制御することにより、イメージセンサ１３上に到達するパターンからの反射光強度を平均化でき、安定した欠陥検出感度を得る効果を奏する。
【００１８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、レーザ光源を光学系から分離して設置し、レーザ光路が常に一定になるようにフィードバックすることにより、レーザ光源からの光学系への熱伝導やレーザ装置への機械振動の影響を防止できる。また、コヒーレンス低減手段やマルチスポット照明にしたことにより、レーザ光特有の可干渉性を低減でき、パターンからの反射光を検出しこれを、偏光制御することにより、安定したパターン欠陥検査を実現する効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる被検査パターンの欠陥管検査装置の実施例を示す構成図である。
【図２】レーザ照明の空間的コヒーレンスを低減する光学系の一例を説明するための図である。
【図３】レーザ照明の空間的コヒーレンスを低減する光学系の模式図である。
【図４】レーザ照明による対物レンズ瞳上の照明状況を検出するための説明図である。
【図５】マルチスポットを用いたレーザ照明の空間的コヒーレンスを低減する光学系の一例を説明するための図である。
【図６】マルチスポットを用いたレーザ照明系の模式図である。
【図７】マルチスポットを形成する光学素子の一例を説明するための図である。
【図８】対物レンズ瞳上でのパターンからの反射光状態を説明する図である。
【図９】回路パターンからの反射光制御手段の一例を示す図である。
【図１０】本発明に係わる被検査パターンの欠陥検査装置の側面図である。
【符号の説明】
１…ウェハ、２…ステージ、３…レーザ光源、６…コヒーレンス低減光学系、９…偏光ビームスプリッタ、１０…偏光素子、１１…対物レンズ、１３…イメージセンサ、２３…信号処理回路。

Claims (6)

1. 紫外レーザを発射するレーザ光源と、該レーザ光源から発射された紫外レーザの可干渉性を低減する可干渉低減手段と、対物レンズを有して前記可干渉低減手段を通過した紫外レーザを前記対物レンズを介して表面に回路パターンが形成された試料に照射し前記試料を照明する照明光学系手段と、該照明光学系手段で照明された前記試料の像を撮像する撮像手段と、該撮像手段で撮像して得た前記試料の画像を処理して前記試料上に形成された回路パターンの欠陥を検出する画像処理手段とを備えたパターン欠陥検査装置であって、前記対物レンズの瞳面と共役な位置に設けたスクリーンとレンズとＴＶカメラを有して前記可干渉低減手段を通過した紫外レーザを前記スクリーンに照射して発生させた蛍光を前記レンズで拡大して前記ＴＶカメラで撮像することにより前記紫外レーザによる前記対物レンズの瞳面における照明パターンを可視化して観察するための観察手段を更に備えたことを特徴とするパターン欠陥検査装置。
2. 前記可干渉性低減手段は、前記レーザ光源から発射された紫外レーザを直交する２枚のミラーで２次元的に走査して空間的な可干渉性を低減する走査ミラー部を備えていることを特徴とする請求項１記載のパターン欠陥検査装置。
3. 前記照明光学系手段は、前記紫外レーザで照明された前記試料からの反射光の偏光状態を制御する偏光状態制御部を備えていることを特徴とする請求項１記載
   のパターン欠陥検査装置。
4. レーザ光源から発射された紫外レーザの可干渉性を低減し、該可干渉性が低減された紫外レーザを対物レンズを介して試料に照射して前記試料を照明し、該照明された前記試料の像を撮像し、該撮像して得た前記試料の画像を処理して前記試料上に形成された回路パターンの欠陥を検出するパターン欠陥検査方法であって、前記対物レンズの瞳面と共役な位置に設置された紫外レーザが照射されると蛍光を発するスクリーンに前記光源から発射された紫外レーザを照射して前記スクリーンから発生する蛍光をレンズで拡大してＴＶカメラで観察することにより前記可干渉性を低減した前記紫外レーザによる前記対物レンズの瞳面における照明パターンを可視化して観察することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
5. 前記レーザ光源から発射された紫外レーザを直交する２枚のミラーで２次元的に走査して前記紫外レーザの空間的コヒーレンスを低減することを特徴とする請求項４記載のパターン欠陥検査方法。
6. 前記紫外レーザで照明された前記試料からの反射光の偏光状態を制御して前記試料の像を撮像することを特徴とする請求項４記載のパターン欠陥検査方法。

Images