JP3858571B2 - 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】
本発明は被検査パターンの欠陥（ショートや断線など）や異物を検出するパターン検査、異物検査に係り、特に半導体ウェーハや液晶ディスプレイ、ホトマスクなどの被検査パターンにおける欠陥・異物を検査する被検査パターンの欠陥検査方法及びその装置に関する。以下、欠陥は異物を含むものとする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の検査装置は特開平７-３１８３２６号(従来技術1)に記載のように、被検査パターンを移動させつつ、ラインセンサ等の撮像素子により被検査パターンの画像を検出し、検出した画像信号と定めた時間遅らせた画像信号の濃淡を比較することにより.不一致を欠陥として認識するものであった。また、被検査パターンの欠陥検査に関する従来技術としては、特開平８-３２０２９４号公報(従来技術2)が知られている。
【０００３】
この従来技術2には、メモリマット部などのパターン密度が高い領域と周辺回路などのパターン密度が低い領域とがチップ内に混在する半導体ウェーハなどの被検査パターンにおいて、検出した画像上での明るさの頻度分布より被検査パターンの高密度領域と低密度領域との間での明るさ或いはコントラストが定めた関係となるべく、前記検出された画像信号をA/D変換して得られるディジタル画像信号に対して階調変換し、この階調変換された画像信号と比較する階調変化された画像信号とを位置合わせした状態で比較を行って、微細欠陥を高精度に検査する技術が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年のLSI製造においては、ウェーハ上に形成された回路パターンは、高集積化のニーズに対応して微細化してそのパターン幅が０．２５μｍからそれ以下になってきており、結像光学系の解像限界に達している。このため結像光学系の高ＮＡ化や光超解像技術の適用が進められている。
【０００５】
しかしながら、高NA化は、物理的に限界に達している。従って、検出に用いる波長を紫外光（ＵＶ光やDUV光）の領域へ短波長化することが、本質的なアプローチである。
【０００６】
また、高速に検査を行う必要があるため、細く絞ったレーザビームを試料上で走査する方法は用いることはできない。しかし、レーザビームを視野一杯に広げて一括照明を行うと、スペックルが発生し、また回路パターンのエッジ部分にリンギングと呼ばれるオーバーシュート、アンダーシュートが発生するため、良質の画像を得ることができない。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決し、微細な回路パターンを高い分解能で高速に検出し、欠陥を検出する方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を蓬成するために、本発明では、光源にレーザ光源を用い、光路中にレーザのスペックルの発生を抑制する手段を設け、可干渉性を低減させた光を対象物表面に照射して、対象物の像を検出するようにした。
【０００９】
このレーザのスペックルの発生を抑制する手段として、本発明では光源からの光を対物レンズの瞳上の1点、或いは複数の点に集光し、その集光点を検出器の蓄積時間にタイミングを合わせて瞳上を走査する手段を設けるようにした。
【００１０】
また、パターンコントラストを向上させるため、レーザの偏光状態が自在に制御できることに着目し、照明光の偏光の向き、楕円率を制御し、検出光の一部偏光成分を検出することを可能とした。
【００１１】
さらに、光源として、複数のレーザ光を用いることにした。これは欠陥検出感度の向上のみならず、長寿命化、故障時の対応など種々の効果が期待できる。また異なる波長のレーザ光であっても、それらを合成して用いることにした。これにより、偏光状態を制御する上で効果があり、またそれぞれのレーザの出力を低減させた状態で用いることができるので、レーザを長寿命化する上でも効果がある。レーザ光の合成は、偏光ビームスプリッタ、ダイクロイックミラー、或いはハーフミラーを用いて行う。
【００１２】
同一波長の場合は、偏光ビームスプリッタで、偏光方向が直交するレーザ光が得られる。ダイクロイックミラーでは、異なる波長のレーザ光を用いて、偏光方向が平行・直交いずれも得ることができる。いずれもハーフミラーに比べて、高い効率が得られる。また、異なる波長の場合、異なる波長の一方或いは両方の偏光状態を波長板により変えることを可能にした。
【００１３】
本発明では、レーザ光源として、紫外光（ＵＶ光）のレーザを発射するレーザ光源を用いた。ここで、UV光とDUV光とを総称してUV光と記載する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる被検査パターンの欠陥検査方法及びその装置の実施例を、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係わる装置の一例を示す図である。２はX、Y、Z、θ（回転）ステージであり、被検査パターンの一例である半導体ウェーハ１を載置するものである。７は対物レンズを含む光学系である。３は被検査パターンの一例である半導体ウェーハ１を照明する照明光源（例えば波長２６６ｎｍや２５７ｎｍのＵＶレーザ）である。ここでは、２つのレーザ光源を示したが、２つ以上の複数であってもよい。２つの波長は異なってもよいし、同じでもよいが、それぞれレーザ光の合成部により種々の異なる効果が発生する。ただし、波長に応じて、光学系は波長補正がなされている。
【００１５】
５はビームスプリッタ(場合により偏光ビームスプリッタやハーフミラー)であり、照明光源３からの照明光を反射させて光学系７を通して半導体ウェーハ１に対して例えば明視野照明を施すように構成している。６は波長板であり、１／２や１／４波長板からなる。４はコヒーレンス低減機構であり、例えば光源からのレーザビームを対物レンズ７の瞳上を走査するための走査機構である。８はイメージセンサであり、被検査パターンの一例である半導体ウェーハ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。
【００１６】
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ーハ１を等速度で移動させつつ、イメージセンサ８により半導体ウェーハ１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）を検出する。
【００１７】
１２は画像処理系であり、ダイ同士の比較やダイ内の繰り返しパターンの比較を行う。ここでは、遅延メモリ１１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。半導体ウェーハ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(図示せず)で入力しておくことにより、制御系１３は、半導体ウェーハ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(図示せず)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に表示することもでき、また出力手段に出力することもできる。
【００１８】
なお、比較器の詳細は、特開昭61-212708号公報に開示されているもの等でよく、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（投影長）、座標などを算出する特徴抽出回路からなる。
【００１９】
次に、光源３について説明する。高解像化のためには、短波長化を行うことが必要であるが、その効果が最も得られるＵＶの波長領域において、高照度の照明を得ることは難しい。ＵＶ光源としては放電ランプが優れており、特に水銀キセノンランプはＵＶ領域での輝線が他の放電ランプと比べて強い。
図２には、水銀キセノンランプの波長に対する放射強度の一例を示したが、従来の可視光の広い波長範囲に比べて、ＤＵＶ領域での輝線は全出力光の１〜２％にすぎない（可視域では３０％程度ある）。また、光の放射に方向性がなく、放電ランプから出た光を試料上まで導ける効率は、慎重に設計した光学系の場合でも大きくはできず、ＵＶ領域での放電ランプによる照明では、高速画像検出の用途において十分な光量を確保することはできない。
また、試料上での照度（輝度）向上をねらって大出力の放電ランプを用いても、それらは小出力のものと比べて発光輝点のサイズが大きくなっているだけなので、輝度（単位面積あたりの光パワー）を向上させることにはならない。従って、ＵＶ領域で有効な、高輝度の照明を行うにはレーザを光源とするするのが適していると考えられる。
【００２０】
以上のように、レーザを光源とすることには大きなメリットが存在する。本発明では、レーザによる照明を行う方法を示す。
【００２１】
図３に、通常の白色光で照明した場合の対物レンズ瞳と視野の照明状況を示した。図中ＡＳは瞳を、ＦＳは視野を示す。瞳位置では光源の像が結像３１し、視野の位置では視野全体がほぼ均一に照明３２される。
次に、図４にレーザ光源で照明した場合を示す。この場合、瞳位置での光源像４１は点になる。視野上で走査４２して照明された回路パターンは、たとえば同図ｃ）のような断面のパターンの場合、ｄ）のような検出波形を持った像となる。このように回路パターンをレーザ光で照明し、回路パターンの画像を取得する場合にエッジ部分にオーバーシュート、アンダーシュートが発生したりスペックルが発生する原因は照明のσが小さいためである。このことは、対物レンズ下の視野に対して照明を様々な角度から行っていないともいうことができる。通常の白色光の照明では、瞳上にある大きさを持った照明を行い、視野に対して対物レンズのＮＡ（開口数）に匹敵する角度範囲を持った方向から照明を行っている。
【００２２】
レーザ光のごとき可干渉（コヒーレンスを有する）な光では、σ（瞳上での光源の大きさに比例する）は０となる。これは、可干渉な光は、その光源像が点であるため、瞳上での像が点になってしまうためである。もちろん、図５のごとく別なレンズ系により広げた光束５１を瞳上に投影することはできるが、レーザにコヒーレンスがあるため、σ＝０の位置からすべての光がでているのと同じ結果５２を得てしまい、問題の解決とはならない。従って、レーザ光のコヒーレンスを低減する手段が必要となる。コヒーレンスを低減するには、時間コヒーレンスか空間コヒーレンスかのいずれかを低減させればよい。
【００２３】
そこで本発明では、検査装置の対物レンズの瞳上に光源の像を結像し、たとえば最初に図６ａ）中の６１の位置を照明し、次に６２の位置を、次に６３の位置を……というように走査し、視野上を照明６５することを提案する。この間、各位置でスペックルとオーバーシュート、アンダーシュートの像が得られるが、得られた時刻がそれぞれ異なるために互いに干渉性はない。従って、それらを検出器上で加算すると、インコヒーレントな光源によるものと同じ像を得ることになる。検出器上で加算するためには、検出器はＣＣＤのように蓄積型の検出器が適している。
【００２４】
図１９に、本発明による対物（検出／照明）レンズの瞳上をレーザスポットで走査するための構成を示した。同図では、照明側の構成を示すもので、検出側の構成は省略している。また、原理を示すために走査機構は一次元分だけ示してある。
【００２５】
レーザ光源１９７から出たビーム（レーザビームなので平行光である）は、ビーム成形機構１９６により必要なビーム形状に成形され、走査機構１９５で偏向される。ここでは走査機構の例としてポリゴンミラーを示した。偏向された平行ビームは集光レンズと呼ばれるｆ−θレンズ１９４で偏向角度が位置の変化に直される。従って、レンズ１９４は、走査ミラー面からレンズ１９４の焦点距離だけ離間した位置に配置される。そして、レンズ１９４により、対物レンズ１９２の瞳面１９３上に集光される。従って、レンズ１９４と瞳面１９３の距離もレンズ１９４の焦点距離となる。このようにして、試料上では、対物レンズ１９２から出たレーザビームが平行ビームとして、角度を変えながら試料１９１に照明される。
【００２６】
図２０には、瞳上を２次元にレーザビームを走査する場合を示す。同図では、走査機構の一例としてガルバノ等のプレート状のミラーで図示した。マイクロマシン等で作成した可動ミラーであってもよい。また、同図中のミラー１９１１は光路を曲げるために用いるもので必須のものではない。従って、図１９に対して異なるのはｆーθレンズ１９９、もう１軸の走査機構である走査ミラー１９８、走査ミラー１９５への入射レンズ１９１０が加わった点である。同図において、図６に示した２次元の走査を実現する。
【００２７】
なお、実施例における対物レンズ１９２のＮＡは、０．７５である。このＮＡは大きいほど、瞳走査の効果が大きくなり、試料パターンの薄膜干渉の影響(膜厚が異なるパターンの明るさが異なり、後述のパターン比較で正常部の差が大きくなり、微細な欠陥が検出困難になる。グレインやヒロックと呼ばれる微小範囲の膜厚変動でも明るさの違いは大きい)を低減するものである。
【００２８】
また、図２１には、光路中に拡散板を配置した例を示す。拡散板の配置位置は、対物レンズ１９２の瞳１９３と共役な位置である。この例では、レーザビームが拡散板上で走査されるため、コヒーレンシの低減効果がより大きくなる。勿論、拡散板を高速にレーザビームの光軸と垂直な方向に往復また回転移動させてもよい。
【００２９】
前記の瞳上への光源像の結像は、例えば図１７に示すごとく、レーザ光源からの光を集光レンズにより対物レンズ１７２（落射照明による検出では、照明或いは照射レンズと検出レンズが兼用される）の瞳上面１７１に集光することで行われる。ここで、光源が点光源であるレーザでは、回折限界まで絞られた点、スポットとなる。即ち、レーザの全出力がこのスポットへ集中するわけであり、その地点におけるパワーは相当な大きさになる。
【００３０】
実際の対物レンズは、収差を補正するために、非常に多くの枚数（多い場合には１０枚以上）のレンズ群からなり、瞳面１７１の位置も対物レンズの設計によりレンズから離間した位置ばかりでなく、レンズ内部（硝材部分）やレンズ表面近傍になる場合がある。この場合、レンズに施される（反射防止等の）コーティングが高いパワーのレーザ光にさらされることによるダメージが問題となる。これは、通常のレーザ走査顕微鏡と呼ばれるレーザ共焦点式顕微鏡が瞳面上でレーザ光束が広がるのに対し、本発明が瞳面上でスポットを形成することによる（一方、レーザ走査顕微鏡では、試料上でスポットを絞るため、試料にダメージを与える可能性もある）。
【００３１】
この問題に対し、対物レンズにおける瞳の役割が大きい本発明では、瞳面の位置をあらかじめ、レンズ硝材表面から離間した位置に設計することで問題の発生を回避する。離間すると、スポットは集光の状態からぼけた状態になり、直径が若干大きくなり、平均パワー密度が低下する。
【００３２】
また、対物レンズの構成上十分な離間距離が取れない場合は、そのレンズのみを無コートとしてもいい。一部のレンズを無コートとするだけならば、対物レンズ全体の透過率への影響も小さく、コーティングの耐力の問題へも対処可能だと発明者は考える。
【００３３】
また、望ましくは、レーザ光源としては連続発振形のレーザが適している。これは、パルス発振形のレーザでは、平均出力は抑えられても、パルスの出力のピーク値（尖頭値）では、非常に大きなパワーがかかることになり、この時にダメージが発生してしまうからである。勿論、ダメージの心配がない小出力レーザでは、パルス発振形のレーザでもよい。
【００３４】
さて、以上のように作られた瞳上のスポットの走査は、図６ｂ）やｃ）のごとく螺旋状走査６６でもテレビ状（ラスタ）走査６７でもよいし、さらにほかの走査でも良い。ただし、走査の１単位は検出器の蓄積時間以内に行うことが望ましい。従って、走査を検出器の動作と同期をとって行うと良い。例えば、図２０の構成において、瞳上を環状に走査する場合(後述の図２６に示すような走査)、イメージセンサは蓄積時間を１ｍｓと仮定すると、ガルバノミラー１９５、１９８は、１ｋＨｚの基本周期で駆動すればよい。さらには、ステージとセンサと瞳上走査の同期をとることが良い。この場合、ステージが最も慣性が大きく、従って同期に合わせることが最も困難である。
【００３５】
瞳上走査光学系は、その機構の種類によっては広い周波数で同期が容易か、或いは限定された周波数で同期が容易である。また、センサは電気回路であるため、同期が容易である。そのため、ステージの位置から基本となる同期信号を作り、それに対して他の二つを同期させることが容易であり、望ましい。
【００３６】
図１６にはそのシステムを示す。ＸＹステージ２に取り付けられたリニアエンコーダ等の位置検出機構１６１からステージの位置を求め、同期信号発生器１６３により、センサの転送パルス等の同期信号１６４と瞳上走査機構の同期信号１６５を発生する。
【００３７】
瞳上走査機構は、Ａ／Ｏ偏向器やＥ／Ｏ偏向器等の電気信号が直接光の偏向角に変換されるものがもっとも同期が容易である。さらに、ガルバノミラーやポリゴンミラーといった鏡をベースにした偏向器も使用できる。
【００３８】
以上のようにして図６ではａ）ＦＳのような視野全体に対する照明６５の像を得ることができる。ここで、２波長を用いる場合、干渉低減の効果もある。
【００３９】
次に、レーザビームの合成部１０を説明する。２つのレーザビームの合成は、例えば偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)を用いて行う。この場合、偏光方向は直交するようにすれば、効率の良い合成が可能になる。２つのレーザの波長が異なっていても良いし、同一波長でもよい。偏光ビームスプリッタの代わりに、ダイクロイックミラーを用いても良い。この場合、２つのレーザの波長は異なるものとする。ダイクロイックミラーでは、波長の違いを利用して、合成する。この場合、偏光方向は同一／平行でも良い。また、ハーフミラーの場合は、波長は偏光方向は問わないが、合成時の効率は低下する。また、波長対応の１／２波長板６を配置し、波長の違いを利用して偏光を同一方向に合わせることも考えられる。いずれにせよ、照明の効率と偏光の方向を考えた、それぞれに最適な構成が実現できる。
【００４０】
次に、検出器を蓄積型の検出器として、１次元センサを使うことを考える。図７に示すように１次元センサ７１に対し、視野全面を照明しても、検出に寄与する照明は領域７２だけで、その光パワーの大部分を占める領域７３は寄与していない。照度を向上させるためには、図８に示すように１次元センサ７１に対して領域８２のように線状の照明を行うのが良い。（視野上でＣＣＤがＹ方向に走査することにより２次元画像が得られる）。その場合、瞳上で図９の９１に示すように図中Ｙ方向を長手とする照明を行うことで、視野上にＣＣＤ７１の形に合わせた照明９２ができる。また、瞳上での走査はＸ方向に対して行う。また、その走査の周期Ｔｓは、ＣＣＤの蓄積時間Ｔｉより短く行う。これにより画像の加算ができる。
【００４１】
問題は、この走査では瞳上Ｙ方向に最初から広がっているためにＹ方向の走査ができないという点にある。このため、視野上でＣＣＤのＹ方向に生じるオーバーシュート・アンダーシュートを低減できない。逆に瞳上でのＹ方向の走査を行おうとＹ方向の長さを短くすると視野上でのＹ方向の幅が広がってしまい、照度が低下する。
【００４２】
この問題に対し、本発明では、図１０に示すようにＣＣＤセンサの中でも時間遅延積分形、即ちＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ ＆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）式のセンサを用いることで解決する。ＴＤＩセンサの場合、視野上でＮ段（数十〜２５６段程度）のステージと呼ばれるの受光部が並ぶため、視野上で照明されるエリアの幅がＮ倍に広がっても照明光は検出に有効に利用される。
【００４３】
このため、瞳上での集光１０２のＹ方向長さはＣＣＤの場合の約１／Ｎにすることができ、瞳上でＸとＹの両方向に走査できるようになる。これにより視野上でＴＤＩのＸ・Ｙの両方向に生じるオーバーシュート・アンダーシュートを低減でき、良好な検出画像を得られる。また、瞳上の走査周期ＴｓはＴＤＩ１段の蓄積時間のＮ倍よりも短くあればよい。ただし、視野上に生じる照度分布を考慮すると、より均一な検出のためには、ＴｓはＴｉのＮ倍の１／２より短い方が良い。また、均一な照明のためには、レーザ光源からの光を直接瞳上に集光するのではなく、フライアイやインテグレータを通してから集光すると良い。
【００４４】
次に、空間的なコヒーレンスを低減させる方法について説明する。空間的なコヒーレンスを低減させるためには、レーザの可干渉距離よりも長い光路差を持った光を得れば良く、より具体的には、図１１に示すようにレーザの出力光を個々の長さを変えて束ねた光ファイバ１１１またはガラスロッドに対して入射させれば、その出力光はそれぞれインコヒーレント（干渉性がない）光になる。これをそれぞれ瞳上に配置すればオーバーシュート・アンダーシュート・スペックルがない画像が得られる。また、この方式では、レーザ光源の可干渉距離は短い方が良く、そのためには、図１１ａ）に示すような発振波長の帯域Δλ１が狭く、単一の縦モード（発振スペクトル）で発振するものよりは、同図ｂ）に示すような縦モードが複数あるΔλ２が広いものが適している。
【００４５】
また、他の空間的コヒーレンスを低減する考案としては、光ファイバに光軸をずらして入射させたときに、射出光の横モード（空間分布、空間に対する光強度Ｉ）が変化するという現象を使うものがある。通常、このようなモード変化は産業上の利用に対して不利な現象とされ、横モードの変化の低減に努力するのが一般であるが、本発明ではこれを逆手に取り、図１２に示すように、故意に様々な光軸ずらしをおこなってファイバ１２１に入射させ、様々に横モードを変化させた射出光ａ）、ｂ）ｃ）、ｄ）、ｅ）……を作り出す。その結果、得られた射出光は互いにインコヒーレントとなるので、これらを瞳上に配置する。この方式の場合、複数のファイバ素線を束ねることにより非常に多くの複数光源（瞳上の輝点）を得ることができる。
【００４６】
図１３にはレーザ光源３からの射出光を、偏光ビームスプリッタ１３１により互いに直行する偏波面を持つ２つの光１３３／１３４に分離した様子を示す。１３２は方向を変えるためのミラーである。互いに直行する偏波面を持った光には可干渉性がないので、非常に簡単な構成で可干渉性のない光を得ることができる。この方式では２つの光しか得ることができないが、これもでに述べた方式と合わせることにより、可干渉性のない光を１／２の手間で得ることができる。
【００４７】
また、互いに独立した光源には可干渉性がないので、図１４に示すように、独立した光源１４１、１４２、１４３、１４４……を用いて、対物レンズ７の瞳の各点を照明するのでもよい。また、これに前述の偏光ビームスプリッターによる考案を組み合わせれば、レーザ光源の数を１／２にでき、価格を抑えることができる。
【００４８】
以上、レーザのコヒーレンスを低減させ、それにより瞳上の複数の点を照明し、対物レンズで集光して像を得る考案を複数示したが、これらは互いに組み合わせることもでき、また、これらと同等の低減方法を用いるものであっても良い。
【００４９】
さらに、本発明のごとく、光路の一部に振動（或いは揺動）するミラー等により照明光路を一部変化させてレーザ照明を行い、さらにそれらの光路の照明による画像を時間的に蓄積して画像の検出を行う場合には、時間的コヒーレンス低減作用その過程に含まれるので、空間的コヒーレンス性に関しては上記ほど厳密に低減させる必要がない。
【００５０】
具体的には、前述の瞳面上に形成した複数の輝点を形成する際に、可干渉距離以上に光路差を設けなくとも良く、例えば図２２に示すような長さのそろったガラスロッドレンズ群（フライアイレンズ）により一個のレーザ光源から複数の光源を作り出してもよい。また、図２３に示すような、ガラスロッドレンズ群よりも構成が簡単なマルチシリンドリカルレンズアレイを用いてもよい。マルチシリンドリカルレンズアレイの場合には、一方向のみに複数の光源を発生するので、これを２個直交させて配置することにより２次元的に複数の光源を発生させることができる。またその場合、それぞれのピッチを変えることにより、縦横で光源間ピッチの異なる光源群を生成することもできる。
【００５１】
また、この方式の更なる利点は、例えば図２６のａ）に示すごとく、光源群２５２を瞳面２５１上に倍率を変えて形成し、そして例えば同図矢印２５４のように光源群２５２を環状に回転走査させると、結果として図２６のｂ）に斜線で示すような照明の瞳面上分布２４３が得られ、これが輪帯状照明になり検出像の解像度改善を行うことができることにある。また、上記光源群の倍率を変化させることだけで輪帯照明条件を変えられる。シグマ＝１とすべく、瞳面全面を照明することも可能である。
【００５２】
スキャンレート１ｋＨＺのＮ段からなるＴＤＩイメージセンサを使用する場合、さらに利点があり、ガルバノミラーの基本周期は、１ｋＨｚ／Ｎであればよく、この周期で瞳面全面の走査も可能となる。ガルバノミラーは、数キロＨｚのものが市販されており、これとＴＤＩイメージセンサを組み合わせれば、瞳走査を実用的な速度で実現でき、高速画像検出が可能となる。ここで、TDIイメージセンサの段数（ステージ数）は、ガルバノミラーの速度に合せて、準備すればよい。また、段数（ステージ数）可変のTDIイメージセンサを用いれば、瞳走査の方法により、蓄積時間を変更することもできる。
【００５３】
図２４には、上記レンズアレイを用いた照明系の模式図を示す。正しくは、図２１のごとく３次元的に表記すべきだが、それでは、ここで重要となる光の集光関係を示すことができなくなるので、模式的に示した。レーザからの平行光束２３５をレンズアレイ２３４に入射し、対物レンズ１９２の瞳面１９３と共役な第２瞳共役面２３３上に複数の輝点（新たな光源）を生成する。ここからは複数の光束が出て行くが、説明を分かり易くするため、図２４中には、一個の光束について着目し示してある。このあらたな光源群から出た光は第２投影レンズ２３２により概略平行光束に変換され、第２走査ミラー面１９８上に投影される。
【００５４】
第２走査ミラー面１９８で反射した光は、第２集光レンズ１９９により第１瞳共役面２３１を通り、第１投影レンズ１９１０により概略平行光に変換されてもう一つの第１走査ミラー面１９５上に投影される。そして、第１集光レンズにより瞳面１９３上に集光され、対物レンズ１９２により概略平行光に変換され、試料面１９１上に照明される。この方式の良い点は、生成された複数の輝点が、入射したガウシアンビーム２３５の強度分布の対応する各々の出力を持っているため、それらが試料上１９１で重なり合い、照度分布の少ない照明が得られるという点にある。
【００５５】
さらに、短波長による高解像度化に加え、パターンのコントラストを向上する方法を説明する。
【００５６】
パターンコントラストを向上させるため、レーザの偏光状態が自在に制御できることに着目し、照明光の偏光の向き、楕円率を制御し、検出光の一部偏光成分を検出することを可能とした。図２５には、図１の照明光学系に対し、さらに改良を加えたものを示す。
【００５７】
レーザによる照明の特徴に、直線偏光であるということがある。レーザビームの合成部１０でダイクロイックミラーを用いた場合、同一偏光方向にできる。このため、光路内に設けた１／２波長板と1／４波長板等の偏光素子２４１により、高効率にその偏光状態を制御することができる。制御は、例えば光軸中心に１／２波長板と1／４波長板等を回転すればよい。
【００５８】
照明の偏光状態によりパターンコントラストが大きく変化するため、偏光状態を制御可能（波長板を回転させて位置決め）とすることにより光学系の性能を向上することができる。より具体的には、１／２波長板で直線偏光の向きを制御し、1／４波長板で楕円率を変えることができる。また、検出側に設けた検光子２４２により所望の偏光成分を抽出することができ、欠陥検出に寄与しない成分、例えば０次光をより低減させ、回折光などパターンエッジを含み、欠陥検出に寄与する光成分をより多く取り込むことができる。これにより、検出感度の向上が図れる。
【００５９】
検光子も偏光状態に合わせて回転可能とすると良い。これらの組み合せにより、平行ニコルと直交ニコルも実現できる。勿論、円偏光状態も実現できる。なお、これらは、照明波長自体には依存しない。また、上記概念が成立すれば、実現するための構成は任意のものでよい。
【００６０】
レーザビームの合成部１０に偏光ビームスプリッタを用いた場合は、例えばほぼ直交する偏光方向になるので、直交する直線偏光が、１／２波長板と1／４波長板等の偏光素子２４１により、その偏光状態を制御することになる。
【００６１】
対物レンズの瞳面でパターンからの回折光を観察すると(図２５には図示していないが、瞳を観察する系を持たせることは容易である)、偏光状態を選ぶことにより、高次の回折光に比べ０次光が減衰することを確認できる。これにより、低周波成分を減衰させ、パターンコントラストを向上できる。勿論、対物レンズの瞳と共役な位置に、空間フィルタを配置し、０次光を減衰させてもよい（空間フィルタにより、パターンからの回折光をブロックし、異物からの散乱光をイメージセンサに導くこともできる）。しかしながら、偏光を制御すると、高次の回折光をより効率的に抽出できる。発明者らの実験によると、約２０〜３００％コントラストが向上することが判明している。
【００６２】
また、偏光素子２４１の設置位置も図２５の位置にとらわれることなく、所望の性能を得られる位置（例えばハーフプリズム２４１−１／４波長板６間など）に設置することができる。
【００６３】
図１で使用するイメージセンサ８の構造を、図２７に示す。DUVレーザ光源を使用する場合は、DUVに対して感度のあるイメージセンサを使用する必要がある。表面照射型イメージセンサは、入射光がゲートを通過してＣＣＤに入るため、短波長の入射光が減衰し４００ｎｍ以下の波長に対して感度がほとんどなく、DUV光の有効検出はできない。表面照射型イメージセンサでDUVの感度を得るためには、ゲートを薄くして短波長の減衰を少なくする方法がある。
【００６４】
他の方法としては、カバーガラスに有機薄膜コーティングを施し、DUV光が入射されるとそれに応じて可視光を発光するようにすることで、可視光にしか感度のないイメージセンサでDUV光を検出する方法がある。
【００６５】
また、裏面照射型イメージセンサはゲート構造のない裏側に光が入射するので、量子効率が高く(例えば、３０％以上)ダイナミックレンジが大きくとれ(例えば、３０００以上)、４００ｎｍ以下の波長にも感度があり、２００ｎｍを切るような短波長照明に特に有利である。このようなイメージセンサの場合、いくつかの照明波長を用いるときも、ひとつのイメージセンサで対応可能である。
【００６６】
また、イメージセンサをTDI(Time Delay Integration)にすることで、感度を大きくすることができる。さらに、アンチブルーミングの特性をもたせることで、必要以上の検出光量が得られたときに、周囲の画素に電荷があふれるという課題を解決できる。さらに、イメージセンサをＭOS形とし、ログアンプ内蔵によって高ダイナミックレンジ対応を図ることや、マルチタップ構成とし、on-chipでその段数を切替えるなども効果がある。
【００６７】
次に、図２８に、上記イメージセンサにより入力した画像から欠陥を検出するための処理方式の例を示す。検査対象は繰り返しパターンを有しているので、検査は隣のパターンとの比較を行うことで欠陥候補点を抽出する。イメージセンサ８からの出力信号をＡＤ変換してデジタル信号に変換する。比較対象の参照用画像を作成するために、遅延メモリ２７２では１ピッチ分に相当するずれ量だけ遅延させるようにする。これにより、遅延メモリの出力は検査画像を１ピッチずらした画像となる。比較部２７３では比較する２枚の画像に関して対応する画素値の差を求める。求めた差画像を欠陥検出用のしきい値で２値化して、欠陥候補点を抽出する。
【００６８】
２値化しきい値の設定例としては、あらかじめ設定されたしきい値、または被検査画像の明るさ等から求めたしきい値を用いて画像全体を２値化する。
【００６９】
別のしきい値設定例としては、画像の各座標毎、または明るさ毎にしきい値を算出し、画像の各点において別のしきい値を持って２値化する方式が考えられる。
【００７０】
２値化後の画像は虚報も含まれているが、できるだけ欠陥のみを抽出するために、検出した候補点から特徴量を抽出し、欠陥をみつける。特徴量抽出部２７４では欠陥候補点の、面積、座標、投影長等を算出する。求めた特徴量から欠陥候補点が欠陥か虚報かを判断して、欠陥２７５を検出する。
【００７１】
次に、比較する2枚の画像の処理を画像処理として含む、他の実施例を示す。特に、ここでは、明るさが異なる2枚の画像を比較するため、積極的に明るさ補正を実施している。
【００７２】
図２９において、８は(DUVに対して感度のある)イメージセンサであり、被検査パターンである半導体ウェーハ１からの反射光の明るさ、すなわち濃淡に応じた濃淡画像信号を出力するものであり、９はイメージセンサ８から得られる濃淡画像信号をディジタル画像信号２８５に変換するＡ／Ｄ変換器、１１は濃淡画像信号を遅延させる遅延メモリ、１は被検査パターンのある半導体ウェーハ、２は被検査パターンの半導体ウェーハ１を載置するＸ方向とＹ方向とＺ方向とθ方向（回転）の移動するステージ、６は半導体ウェーハ１に対する対物レンズ、５は照明光を反射して対物レンズ６を通して半導体ウェーハ１に照射すると共に、半導体ウェーハ１からの反射光を透過するハーフミラー、２８５は濃淡画像信号がＡ／Ｄ変換器で変換されたディジタル画像信号である。このようにして、レーザによる照明光を反射させて対物レンズ６を通して半導体ウェーハ１に対して、例えば明視野照明を施すように構成している。対物レンズ６の瞳を走査することは、既に説明した方法に依っている。
【００７３】
また、１１は、画像信号２８５を繰り返される１セルまたは複数セルピッチ分を記憶して遅延させる遅延メモリであってもよいし、 画像信号９を繰り返される１チップまたは複数チップピッチ分記憶して遅延させる遅延メモリでもよい。
【００７４】
２８６はディジタル画像信号２８５及び遅延されたディジタル画像信号２８４を位置合わせするものであり、ここでは、画素単位で濃淡差が最小となる位置ずれ量を正規化相関により検出し、この位置ずれ量に基づき一方の画像をシフトして、２枚の画像を位置合わせするものである。なお、正規化したのは、位置合せすべき画像間の明るさの違いの影響を軽減するためである。
【００７５】
即ち、検出画像f(x、y)に対して記憶画像g(x、y)を移動し、相関値Ｒ(Δｘ，Δｙ）が最大となる位置(Δx,Δy)を下式により求める(Δx,Δy:整数)。
【００７６】
【数１】

【００７７】
【数２】

【００７８】
【数３】

【００７９】
【数４】

【００８０】
【数５】

【００８１】
ここで、画像はイメージセンサにより連続的に検出されるが、画像を小領域ごとに分割し、この単位で位置合わせを行う。上式では、検出画像はＸ×Ｙ画素の寸法である。小領域への分割は、画像がもっている歪みに対応するためである。即ち、小領域内では画像歪みはほとんど無視できるレベルになるよう、その大きさを決める。
なお、図示していないが、画像の位置ずれを求める上記した正規化相関は、すべての画像を相手にして行う必要はなく、例えば画像をイメージセンサの長手方向にK分割し、分割した各小画像（X／K×Y画素の大きさ）のうち、情報がある小画像について、行ってもよい。情報があるかどうかの判断は、例えば各小画像を微分し、エッジの有無を検出し、エッジが多い小画像を選ぶ。たとえば、イメージセンサがマルチタップ構成の並列出力可能なリニアイメージセンサの場合、各タップ出力画像が、小画像に相当する。この考え方は、並列出力される画像は、位置ずれが等しいということに基づいている。さらには、分割した各小領域で独立に、正規化相関を求め、最大となる領域について求められた位置ずれ量を採用してもよい。なお、ここで用いるイメージセンサは、上記した、DUVに対して感度のある並列出力型の時間遅延積分型ＴＤＩ ＣＣＤイメージセンサであってもよい。
【００８２】
２８７は、明るさの異なる画像信号を、明るさを一致させるべく、双方の画像信号の階調を変換する階調変換部である。ここでは、個々の画素毎にゲインとオフセットにより線形変換を実施して、明るさを一致させている。
【００８３】
そして、得られた画像信号を比較部２８８において比較し、不一致を欠陥として検出するものである。
【００８４】
検出された画像信号は、各画素を上記方法に基づき階調変換後、パイプライン型の画像処理により、順次一定の処理が施され、最後に欠陥とその特徴が出力されるものである。
【００８５】
次に、上記構成の検査装置の動作について説明する。
【００８６】
図２９において、対物レンズ６で収束させた照明光で、ステージ２をＸ方向に走査して被検査パターンの半導体ウェーハ１の対象領域について等速度で移動させつつ、イメージセンサ８により前記半導体ウェーハ１上に形成された被検査パターン、すなわちチップ内のメモリマット部及び周辺回路部の明るさ情報（濃淡画像信号）を検出する。
【００８７】
１列分の移動が終わると、隣の列にＹ方向に高速移動し、位置決めする。すなわち、等速移動と高速移動を繰り返して検査を行うものである。もちろん、ステップ＆リピート型の検査でも差し支えない。そして、Ａ／Ｄ変換器９は、イメージセンサ８の出力（濃淡画像信号）をディジタル画像信号２８５に変換する。このディジタル画像信号２８５は１０ビット構成である。勿論、６ビット程度あれば、画像処理する上では特に問題ないが、微小欠陥を検出するにはある程度のビット数が必要である。
【００８８】
ここで、上記した画像検出、処理を各画素５０ＭＨｚ以下で処理するものである。そうすれば、直径２００ｍｍ相当のウェーハを1時間あたり３枚以上のスループットに相当する速度で、５０nm以下の欠陥を含んで検出でき、半導体製造ラインにおいて、有効な検査情報を適度な時間で出力することができる。
【００８９】
以上、これらの本発明により、高輝度の照明が得られ、高解像度の画像を短時間で撮像することでき、結果として高速かつ高感度な検査装置を得ることができる。検出したパターンの欠陥は、その位置、寸法を出力するものである。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、高解像化に必須な短波長照明で、しかもその実用化に有利なレーザ光源により通常の放電管照明と同等以上の品質の像を、より高感度・高速に得ることができ、欠陥を高感度に検出することができる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る被検査パターンの欠陥検査装置の概略の構成を示す正面図である。
【図２】図２は、放電管照明の発光スペクトルを説明するグラフである。
【図３】図３は、放電管照明による、検出対物レンズの瞳上と視野上の照明状況を示す平面図である。
【図４】図４ａ）は、レーザ照明による検出対物レンズの瞳上と視野上の照明状況を示す平面図、図４ｂ）は、視野上のパターンの断面図、図４ｃ）は、視野上のパターンｂ）を検出して得られる検出信号を示す図である。
【図５】図５は、瞳上で広げたレーザ照明による検出対物レンズの瞳上と視野上の照明状況を示す平面図である。
【図６】図６は、本発明に係るレーザ照明による検出対物レンズの瞳上と視野上の照明状況を示す平面図である。
【図７】図７は、本発明に係る視野上でのＣＣＤ検出器と照明領域の関係を示す平面図である。
【図８】図８は、本発明に係る視野上でのＣＣＤ検出器と照明領域の関係を示す平面図である。
【図９】図９は、本発明に係るレーザ照明による検出対物レンズの瞳上と視野上のＣＣＤ検出器と照明状況を示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明に係るレーザ照明による検出対物レンズの瞳上と視野上のＴＤＩ検出器と照明状況を示す平面図である。
【図１１】図１１は、本発明に係るレーザ照明の空間的コヒーレンスを低減する考案を説明するレーザ光源部の略正面図である。
【図１２】図１２は、本発明に係るレーザ照明の空間的コヒーレンスを低減する考案を説明するレーザ光源部の略正面図図である。
【図１３】図１３は、本発明に係るレーザ照明の空間的コヒーレンスを低減する考案を説明する光学系の略正面図である。
【図１４】図１４は、本発明に係るレーザ照明の空間的コヒーレンスを低減する考案を説明するレーザ光源部の略正面図である。
【図１５】図１５は、本発明に係るレーザ照明の空間的コヒーレンスを低減する考案を説明するレーザ光源部の略正面図である。
【図１６】図１６は、本発明に係る被検査パターンの欠陥検査装置において、ステージと瞳走査光学系とセンサの同期をとる構成を説明する斜視図である。
【図１７】図１７は、本発明に係るレーザ照明が対物レンズの瞳上で集光される様子を説明する光学系の正面図である。
【図１８】図１８は、レーザ光源からのビームが持つ強度分布を説明するグラフである。
【図１９】図１９は、本発明に係るレーザ照明を瞳上で走査する機構の一実施例の正面図である。
【図２０】図２０は、本発明に係るレーザ照明を瞳上で２次元的に走査する機構の一実施例の正面図である。
【図２１】図２１は、本発明に係るレーザ照明を瞳上で走査する機構で光路中に拡散板を挿入したの一実施例の正面図である。
【図２２】図２２は、本発明に係るガラスロッドレンズ群の斜視図である。
【図２３】図２３は、本発明に係るマルチシリンドリカルレンズアレイの斜視図である。
【図２４】図２４は、本発明に係る光学系の一実施例を示す略正面図である。
【図２５】図２５は、本発明に係るレーザ照明の偏光状態を制御する機構を備えた光学系の一実施例を示す正面図である。
【図２６】図２６は、本発明に係る輪帯照明の瞳面上の状態を説明する平面図である。
【図２７】図２７は、本発明に係るＴＤＩイメージセンサの正面図である。
【図２８】図２８は、本発明に係る画像比較の構成を示すブロック図である。
【図２９】図２９は、本発明に係る欠陥を判定するための構成を示す略正面図である。
【符号の説明】
1…披検査試料 2…ステージ 3…レーザ光源 ４…コヒーレンス低減機構 ７…光学系 ８…検出器 １２…画像処理系 １９…信号処理回路 １９７…レーザ光源 １９６…ビーム成形機構 １９５…走査機構 １９４…f-シータレンズ １９２…対物レンズ １９３…瞳面
２３４…レンズアレイ ２４１…偏光素子 ２４２…検光子

Claims (32)

1. 波長の異なるレーザ光を発射する複数のレーザ光源から発射されたレーザを合成し互いの偏光方向を制御して出力するレーザ光源手段と、該レーザ光源手段から発射したレーザの可干渉性を低減する可干渉性低減手段と、該可干渉性低減手段で可干渉性を低減したレーザを試料上に照射する照射手段と、前記試料を載置して移動可能なテーブル手段と、該照射手段によりレーザを照射された前記試料の像を対物レンズを介して検出するマルチタップ構成の並列出力可能な蓄積型のイメージセンサを備えた像検出手段と、レーザ光源と像検出手段との間の偏光の状態を制御する偏光状態制御手段と、該像検出手段で前記試料の像を検出して得た画像に対して順次一定の処理を施す形態の画像処理を行うことにより前記試料に形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段とを備えたことを特徴とするパターン欠陥検査装置。
2. 前記蓄積型のイメージセンサは、最大量子効率が３０％以上であ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. 前記レーザ光は紫外光であり、前記蓄積型のイメージセンサは、紫外光に感度を有する裏面照射型であ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. 前記蓄積型のイメージセンサとして時間遅延積分型のイメージセンサを有し、前記テーブル手段の移動と前記時間遅延積分型のイメージセンサの撮像とのタイミングを制御する制御手段を有し、更に参照画像を記憶する記憶手段を有し、前記時間遅延積分型のイメージセンサで検出した前記試料の像に基く画像信号を前記記憶手段に記憶した参照画像信号と比較して前記試料に形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段とを備えた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。
5. 前記偏光状態制御手段は、１／４波長板、或いは１／２波長板と１／４波長板からな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。
6. 少なくとも前記１／２波長板、１／４波長板は、移動或いは回転可能としたことを特徴とする請求項５記載のパターン欠陥検査装置。
7. 前記複数のレーザ光を、偏光ビームスプリッタで合成す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。
8. 前記異なる波長の一方或いは両方の偏光状態を波長板により変え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。
9. 前記複数のレーザ光を、ダイクロイックミラーで合成す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。
10. 前記レーザ光は、２Ｗ以上の出力を有す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。
11. 前記可干渉性低減手段が、複数のガラスロッドレンズ、または複数のシリンドリカルレンズアレイと集光レンズ、からなる光路部を有し、かつ、前記レーザ光源手段から発射したレーザを前記光路部の複数のガラスロッドレンズ、またはシリンドリカルレンズアレイと集光レンズの一端に入射して、前記複数のガラスロッドレンズ、またはシリンドリカルレンズアレイと集光レンズの他端から前記対物レンズの側へ出射し、前記対物レンズの側へ出射したレーザ光を前記対物レンズの瞳面上で走査す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。
12. 前記レーザ光源手段が発射する複数のレーザの波長が266nmと257nmのいずれかを含む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。
13. 前記蓄積型イメージセンサは、266nmと257nmのいずれかを含む波長に感度を有することを特徴とする請求項３記載のパターン欠陥検査装置。
14. 前記蓄積型イメージセンサは、６４ｃｈ以上の並列出力が可能であ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。
15. 前記イメージセンサは、CMOS或いはMOS型であ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。
16. 前記対物レンズは、NAが0.75以上、視野０．５ｍｍ以上であ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。
17. 複数のレーザ光源から発射された波長の異なるレーザ光を合成し互いの偏光方向を制御したレーザ光の可干渉性を低減し、該可干渉性を低減したレーザ光の偏光の状態を制御して試料上に照射し、該偏光の状態を制御したレーザ光が照射された前記試料の像を対物レンズを介してマルチタップ構成の並列出力可能な蓄積型のイメージセンサを用いて検出し、該検出して得た画像に対して順次一定の処理を施す形態の画像処理により試料に形成されたパターンの欠陥を検出することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
18. 前記蓄積型のイメージセンサは、最大量子効率が３０％以上であることを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
19. 前記レーザ光源手段から発射するレーザが紫外光であり、前記蓄積型のイメージセンサは、紫外光に感度を有する裏面照射型であることを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
20. 前記蓄積型のイメージセンサとして、時間遅延積分型のイメージセンサを用いて、試料の移動に同期して時間遅延積分型のイメージセンサを駆動することを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
21. 前記偏光の状態を制御することを、１／４波長板、或いは１／２波長板と１／４波長板を用いて行うことを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
22. 前記１／２波長板と１／４波長板とを、移動或いは回転可能としたことを特徴とする請求項２１記載のパターン欠陥検査方法。
23. 前記複数のレーザ光を、偏光ビームスプリッタで合成することを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
24. 前記異なる波長の一方或いは両方の偏光状態を波長板により変えることを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
25. 前記複数のレーザ光を、ダイクロイックミラーで合成することを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
26. 前記レーザ光は２Ｗ以上の出力を有することを特徴とする請求項１７記載のパターン欠
    陥検査方法。
27. 前記可干渉性の低減は、レーザを複数のガラスロッドレンズ、またはシリンドリカルレンズアレイと集光レンズの一端に入射させて、前記複数のガラスロッドレンズ、またはシリンドリカルレンズアレイと集光レンズの他端から対物レンズの側へ出射させ、この出射させたレーザ光を前記対物レンズの瞳面上で走査することを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
28. 前記レーザ波長が266nmと257nmのいずれかを含むことを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
29. 前記蓄積型イメージセンサは、266nmと257nmのいずれかを含む波長に感度を有することを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
30. 前記蓄積型イメージセンサは、６４ｃｈ以上の並列出力が可能であることを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
31. 前記イメージセンサは、CMOS或いはMOS型であることを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。
32. 前記対物レンズは、NAが0.75以上、視野０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１７記載のパターン欠陥検査方法。

Images