JP3878107B2 - 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、半導体製造工程やフラットパネルデイスプレイの製造工程に代表される薄膜プロセスを経て基板上に形成されたパターンの欠陥や異物欠陥などの検査や観察に用いる光学系とこの光学系を用いた欠陥検査方法及びその装置、並びに検査情報の効率的な活用方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マスク検査を対象とした光学系として、特許文献１がある。この光学系はマッハチェンダー型の干渉系を構成しており、マスクの表面をシェアリングした２光束で照明し、マスクで反射した２光束を干渉させる。これにより、マスク表面の凹凸欠陥を高感度に検出しようとするものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２１８１６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この構成では、シェアリングされた２光路の光路長が長くなる。このため、外乱や可動部からの振動により分岐された光路で光路差が生じる。このため、像面の干渉強度は、１）マスク表面の凹凸による２光束の光路差 ２）振動による２分岐された光路の光路差 の和に対応した強度となる。このうち、振動による２分岐された光路の光路差は時間的に変動するため、時間的に干渉強度（像の明るさ）が変動してしまう。この干渉強度の変動は、マスク表面の欠陥を検出する上でのノイズ成分となる。このため、マスク表面の欠陥を高感度に検出できないという課題があった。また、２光束にシェアリングした光を検査対象に照明し、干渉した像を検出することによりシェアリング方向には縦分解能が向上するが、シェアリングと直交する方向の縦分解能は向上しない。このため、縦分解能に方向性が生じ、検査対象とする欠陥の方向に応じて検査感度が異なる問題があった。
【０００５】
また、検査対象によっては、金属配線工程がある。この金属配線では、表面にグレインと称する微小な凹凸が生じる。このグレインは、デバイスにとって致命性はないため、欠陥として検出するべきではない。しかし、干渉光学系は、凹凸（光路差）を顕在化するものであり、金属配線工程のウェハでは干渉光学系による凹凸の顕在化が不利になる。本発明ではグレインのある検査工程（検査対象例：金属［Ａｌ等］配線工程）では凹凸を低コントラスト化し、グレインのない工程では凹凸を顕在化する光学条件に設定できることを特徴とする光学系を提供できるものである。また、検査感度を向上するためには、干渉光学系による縦分解能の向上だけではなく、横分解能を向上させる必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、従来に技術では十分に考慮されていなかった光学系の振動などによる干渉光強度の時間的な変動を抑制すると共に、縦分解能の方向依存性を低減した光学系を備えた欠陥検査方法及びその装置を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の目的は、デバイスに致命性のない表面の凹凸を欠陥として検出しないような光学系を備えた欠陥検査方法及びその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】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の複屈折プリズムでシェアリングした２光束を１／２波長板で偏光方向を４５°回転させ、第１の複屈折プリズムでシェアリングされた方向と直交する方向にシェアリングさせるように配置した第２の複屈折プリズムで対象物を４光束照明し、この４光束は、同一のレンズを伝搬して検査対象を照明することにより、光学系の振動等に起因した干渉強度の変動を抑制するようにした。また、直交した２方向シェアリングにより、縦分解能の方向依存性を低減するようにした。
【０００９】
また、本発明では、デバイスに致命性のない凹凸がある検査対象では、明暗視野複合照明により凹凸の低コントラスト化を図り、欠陥としての検出を抑制するようにした。
【００１０】
さらに、本発明では、０次光の振幅・位相を制御することにより横分解能を向上させ、検査感度の向上を図るようにした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
例えば、半導体ウェハの検査工程には大きく分けてトランジスタレイヤと金属配線レイヤがある。トランジスタレイヤでは形成されたパターンの微小な凹凸がデバイスにとって致命的な欠陥となる可能性が高く、検査装置としては凹凸欠陥を検出すべきである。これに対して金属配線レイヤではグレインなどの凹凸はデバイスにとって致命性が無いため、欠陥として検出すべきではない。このため、凹凸がデバイスにとって致命性があるかどうかによって凹凸を顕在化するべきか、凹凸を低コントラスト化するべきかが決まる。従って、半導体ウェハの検査工程を１台の装置で行うためには、凹凸を顕在化する光学条件と低コントラスト化する光学条件をそれぞれ設定可能なように構成しておく必要がある。
【００１２】
図１にウェハ１上の凹凸を顕在化する光学系について示す。ウェハを照明する入射偏光７は、複屈折プリズム２００により電界ベクトルが直交する２光束にシェアリングされる。２光束７１０，７２０にシェアリングされた偏光は１／２波長板２１５で４５°偏光方向を回転させる。この偏光を上記複屈折プリズム２００と直交した方向にシェアリングさせるように配置した複屈折プリズム２２０で直交した４光束７１１，７１２，７２１，７２２にシェアリングする。この４光束が対物レンズ３０を介してウェハ１を落射照明し、それぞれの光束が反射した位置の高さに応じて４光束の反射光７１１’、７１２’、７２１’、７２２’が光路差を受ける。反射した４光束７１１’、７１２’、７２１’、７２２’は、対物レンズ３０，複屈折プリズム２２０，１／２波長板２１５及び複屈折プリズム２００を通過し、４光束７１１’、７１２’、７２１’、７２２’が１光束７’に合成される。合成された光束は位相差に応じた偏光状態となり、特定の電界ベクトルのみを検出することにより、ウェハ１の凹凸を顕在化できる。特定の電界ベクトルを検出する構成として、特定の電界ベクトルを透過するアナライザや偏光ビームスプリッタ等がある（図示せず）。これらの構成により、像面で形成される光学像はウェハ１の凹凸に対応した位相差を明るさとして検出することが可能となる。図２に、それぞれの光学要素を透過した光の偏光状態を示す。図２（ａ）に複屈折プリズム２００のシェアリング方向２３０と入射偏光方向２０７の状態を示す。複屈折プリズム２００を透過した光は、直交した２光束７１０と７２０にシェアリングされる（図２（ｂ））。この２光束２３３の振動方向は直交している。１／２波長板の結晶軸は、複屈折プリズム２００のシェアリング方向に対して、２２．５°の角度をなしている。この１／２波長板を透過した光は、振動方向が４５°回転した偏光となる(図２（ｃ）)。この２光束７１０と７２０を第２の複屈折プリズム２２０に入射させる。この第２の複屈折プリズム２２０のシェアリング方向２３０’は、第１の複屈折プリズム２００のシャアリング方向２３０に対して直交した方向に設定されている。この第２の複屈折プリズム２２０を透過した光は、シェアリング方向が直交した４光束７１１，７１２，７２１，７２２の直線偏光となって（図２（ｄ））、ウェハ１を照明する。ウェハ１で反射した４光束７１１’、７１２’、７２１’、７２２’は、ウェハ１の凹凸に応じて波面がシフトする。これらの光束は、第２の複屈折プリズム２２０，１／２波長板２１５及び第１の複屈折プリズム２００を通過して１つの光束７’に合成される。この合成された光束７’は、合成前の４光束の波面に応じた偏光状態となり、検出光路で特定の電界ベクトルの方向成分のみを光学センサに導いて結像させることにより、ウェハ面で直交する２方向の凹凸を高分解能で検出可能な微分干渉系が成り立つ。
【００１３】
図３に微分干渉の原理を示す。シェアリングされた一方の光束を７ａとする。この照明光は、位相の揃った平面波であり、ウェハ１上の段差ｄに応じて、反射光７ｂの波面は位相が２ｄ変化する。この平面波とシェアリングされた他方の平面波の干渉により、パターンのエッジ部が明るく検出する事が可能である。尚、パターンのエッジ部を明るく検出し、平坦部を暗く検出するためには、複屈折プリズム２００に入射する光線が直線偏光であり、シェアリング方向に対して入射偏光の振動方向がなす角は４５°が好ましい。これは、シェアリングされた２光線の振幅を同等程度にすることが望ましいことによる。
【００１４】
図４に検査装置の基本構成を示す。本構成では、微分干渉が可能な明視野照明と暗視野照明とが可能な構成を備えている。図４の構成において、光源３（レーザまたはランプ光源）を射出した光は、１／２波長板１３に入射する。この１／２波長板１３は、光軸を中心とした回転機構１３ｄで入射偏光の振動方向に対して結晶軸のなす角が任意に制御可能な構成になっている。
【００１５】
尚、光学部品の回転機構は、光学部品の番号［例：１３］に「ｄ」を付けて表示する［例：１３ｄ］。１／２波長板１３を透過した光はＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）１１に入射し、ＰＢＳ面に対応した偏光分岐比で光路が分けられる。ＰＢＳ１１を透過した光は、レンズ１６及びレンズ１７でビーム径を調整され、１／２波長板１９に入射する。１／２波長板１９を透過した光は、ＰＢＳ２０に対してＳ偏光成分のみがウェハ側に反射され、対物レンズ３０を透過してウェハ１を落射照明する明視野照明光となる。尚、１／２波長板１９を回転させることにより、ＰＢＳ２０に入射する光の偏光方向（電界ベクトル）を変更することが可能であり、明視野照明光の光量を連続的に調整することが可能である。
【００１６】
また、ＰＢＳ１１で反射した光は、メニスカスコーンレンズ４０を透過することによりリング状（輪帯状）の中空光束８となり、レンズ４５とレンズ４６によりリングの径が調整される。この光は、ＰＢＳ５０でＳ偏光成分がウェハ１側に反射し、回転機構５３ｄにより回転可能な１／２波長板５３でＰＢＳ２０に対してＰ偏光に偏光回転させる。この光はＰＢＳ２０を透過し、対物レンズ３０の外側を通ってミラー３５で反射して対物レンズ３０の外側よりウェハ１を斜方照明する暗視野照明光となる。この暗視野照明光は、１／２波長板５３でＰＢＳ２０に入射する偏光方向を調整することにより、光量を連続的に調整することが可能である。
【００１７】
暗視野照明によりウェハ１で散乱・回折した光の内、対物レンズ３０のＮＡ(Numerical Aperture)内を透過した光は、１／４波長板２６，複屈折プリズム２２０，１／２波長板２１５，複屈折プリズム２００，１／２波長板２２を透過して、ＰＢＳ２０に対してＰ偏光成分が検出光路５７に導かれる。これらの光はＰＢＳ５０を透過し、結像レンズ６０によりイメージセンサ８０上にウェハ１の像を結像する。尚、１／４波長板２６，複屈折プリズム２２０，１／２波長板２１５，複屈折プリズム２００，１／２波長板２２には、それぞれ光軸を中心とした回転機構２６ｄ，２２０ｄ，２１５ｄ，２００ｄ，２２ｄが具備されている。また、明視野照明光もウェハ１上で反射・回折・散乱された光の内、対物レンズのＮＡ内に伝搬した光は、暗視野検出光と同様の光路をたどってイメージセンサ８０上にウェハ１の像を結像する。
【００１８】
イメージセンサ８０で検出した光強度分布は、光電変換されアナログ出力としてＡ／Ｄ変換器９０に入力する。デジタル信号に変換された画像データは、画像処理部９２に送られ、比較検査等により欠陥を検出する。この欠陥情報は、ＯＣ（operating Computer）に送られ、欠陥座標やその特徴量などが参照できるようになっている。また、イメージセンサ８０がＴＤＩ(Time Delay Integration)型である場合は、ウェハ１を定速移動させながら画像を取得する必要がある。この場合、ウェハ１の移動とＴＤＩの垂直転送を同期化することが望ましい。この場合は、ＭＣ(Mechanical Controllar)でウェハ１が移動した情報を取得し、ＴＤＩの垂直転送タイミングを制御する。
【００１９】
ウェハ１は、水平面内を移動するためにＹステージ１０２，Ｘステージ１０４に搭載されている。また、ウェハ１とステージ定速移動方向を平行に位置決めするためのθステージ１０６と対物レンズの光軸方向の位置決めをするためのＺステージ１０８も必要である。これらの上にウェハチャック１００が搭載されており、ウェハ１がチャッキングされている構成である。Ｙステージ１０２，Ｘステージ１０４、θステージ１０６のそれぞれの位置は、図示しないリニアスケールまたはレーザ測長器などによって測定されており、ウェハ１の移動情報（位置情報）は、これらのリニアスケールまたはレーザ測長器などから得るようにしても良い。
【００２０】
図５に暗視野照明光路に配置した１／２波長板５３の構成を示す。１／２波長板５３は、暗視野照明光が通過する領域（リング状）に複屈折位相差材（例えば、水晶やフッ化マグネシウム等）が配置されている。この１／２波長板５３の結晶軸と入射する直線偏光の電界ベクトルＥｉｎのなす角度が４５度に設定されているとする。この場合、１／２波長板５３を透過した直線偏光の電界ベクトルＥｏｕｔはＥｉｎに対して９０°（結晶軸を挟み込む方向）をなす。尚、暗視野照明光が通過しない中央部５４は、中空になっている。従って、１／２波長板５３と入射電界ベクトルＥｉｎのなす角度を制御することにより、ＰＢＳ２０を透過する暗視野照明光の光量を調整することが可能となる。
【００２１】
また、明視野照明光と暗視野照明光の光量配分を調整する手段として、図４に示す１／２波長板１３の結晶軸と１／２波長板１３に入射する直線偏光の振動方向がなす角を調整することによって、ＰＢＳ１１の分岐比を調整することが可能となる。
【００２２】
図６にＰＢＳ１１に入射する直線偏光５と入射偏光方向（Ｓ，Ｐ偏光）の関係を示す。Ｐ偏光方向と入射直線偏光５の振動方向９のなす角度をθとする。明視野及び暗視野の照明光量と角度θの関係を図７に示す。θ＝０°の場合は、ＰＢＳ入射光がＰ偏光となるため、光は全て透過する。図４の構成では透過光は明視野照明７側へ向かうため、暗視野照明光８側へ向かう光はなくなる。θを大きくすると、明視野照明光７側へ向かう光はコサインカーブの軌跡を描いて推移し、暗視野照明光８側へ向かう光はサインカーブを描いて推移する。このため、θを調整することにより明視野照明７側へ向かう光と暗視野照明８側へ向かう光の光量配分を調整することが可能となる。これにより、高感度検査を実現できる暗視野と明視野の照明光のバランスを調整することが可能となる。
【００２３】
図８に微分干渉による検査感度向上の効果を示す。ウェハ１にダイ２００が規則的に配列されている。このダイ内には、同一のパターンが形成されており、比較検査により欠陥を検出する。比較検査とは例えば、ダイ２００ａとダイ２００ｂの同一パターン部の画像を位置合わせし、デジタル画像の濃淡差をもとめる。この濃淡差が特定のしきい値を超える部位を欠陥として検出する。しかし、ウェハ１には電気的に絶縁させる膜（例えばＳｉＯ２）が形成されている。このＳｉＯ２膜は、光学的に透明であるため、膜の表面で反射した光と膜に下面で反射した光とによる干渉、いわゆる薄膜干渉を生じる。このため、図８（ａ）でダイ２００ａと隣接するダイ２００ｂのＳｉＯ２膜に膜厚むらがあると薄膜干渉に分布が生じ、検出した画像には明るさの違いとして検出される。このＳｉＯ２膜の膜厚の違いが、デバイスにとって致命性が無い場合は、検査上この明るさむらは検出すべきではない。このため、従来はこの明るさむらを検出しないしきい値に設定する必要があった。このため、しきい値が高くなり、検査感度が低くなるという問題があった。
【００２４】
図８（ｂ）にダイ２００の拡大図を示す。ダイ内にはパターン２０２が形成されており、他の領域はＳｉＯ２で被覆されている。このＳｉＯ２がダイ２００ａと隣接ダイ２００ｂで膜厚が異なっているとする。この場合、Ａ−Ａ部における明視野検出時のデジタル画像の明るさ分布は、ダイ２００ａの分布（図８（ｃ））とダイ２００ｂの分布（図８（ｄ））では平坦部の明るさがＮ値異なる。このため、しきい値はＮよりも大きな値に設定する必要がある。これに対して、微分干渉の画像（ダイ２００ａは図８（ｅ），ダイ２００ｂは図８（ｆ）に表す）では、平坦部を暗く検出することが可能であるため、ＳｉＯ２の膜厚むらに伴う明るさむらを抑制することが可能となる。このため、しきい値を小さな値に設定可能となり、明視野検出に比べて検査感度を向上させることが可能となる。尚、この効果は、平坦部を暗く検出することにより実現することが可能である。他の実現方法としては、暗視野検出により、平坦部を暗く検出することが可能であり、同様の効果が得られる。
【００２５】
図９に明暗視野照明による効果を説明する。図９（ａ）で、ダイ２００に反射率の低いパターン２０３と線状のパターン部（Ｌｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅ：以下、Ｌ＆Ｓと示す）２１１が形成されているとする。これらの領域以外にはＳｉＯ２が膜付けされているとする。また、このダイにはパターン２０３よりも反射率の低い欠陥２１０とＬ＆Ｓ部の太り欠陥２１２がある。このダイのＡ−Ａ部における明視野検出の光量分布を図９（ｂ）に示す。明視野検出では、反射率が低いパターン２０３上の暗い欠陥２１０の信号レベルＳ２１０ｂは低く、欠陥検出が困難である。これに対して反射率の低い太り欠陥は、明るい背景に形成されているため、比較的濃淡差Ｓ２１２ｂが大きくなり、欠陥検出が容易である。従って、背景と欠陥部の明るさの違いが大きい場合は、欠陥検出が容易になる。
【００２６】
暗視野検出のＡ−Ａ部の光量分布を図９（ｃ）に示す。暗視野検出では、ウェハ１上の凹凸を明るさとして検出できるため、反射率の低いパターン上にあるさらに反射率の低い凸欠陥を高い信号レベルＳ２１０ｃで検出することが可能である。これに対して暗視野照明は、光学的に横分解能が低いため、太り欠陥の信号レベルＳ２１０ｃは低くなる。このため、欠陥２１０を検出しやすい方式は暗視野検出であり、欠陥２１２を検出しやすい検出方式は明視野検出である。そこで双方の欠陥の信号レベルを平均的に高め、それぞれの欠陥を検出し易くする検出方式が明暗視野照明である。これは、明視野照明と暗視野照明を複合したものである。この明暗視野照明をした場合のＡ−Ａ部における光量分布を図９（ｄ）に示す。
【００２７】
欠陥２１０及び太り欠陥２１２の信号レベルＳ２１０ｄとＳ２１２ｄは明視野照明と暗視野照明の信号レベルの平均的な値となる。この明視野照明により、平均的に検査感度を向上することが可能となる。また、明視野照明と暗視野照明の光量バランスを調整することにより、様々なパターンが形成されたパターンに対しても検査感度を向上する照明光量バランスを実現することが可能となる。図１０に、明視野照明と暗視野照明の照明エリアを調整する手法について説明する。明視野照明光路と暗視野照明光路には、それぞれ視野絞り（図４において、明視野用視野絞り１８，暗視野用視野絞り４７）が配置されている。例えば、この視野絞りにより照野３２の半分８４を明視野照明し、他の半分８５を暗視野照明する。尚、イメージセンサ８０は、ＴＤＩ型であり垂直転送する方向１０１に明視野照明光８４ａと暗視野照明光８５ａが共に加算されるように配置する。明視野照明及び暗視野照明の画像を１つのイメージセンサ８０で個別に検出する方法を図１１に示す。明視野照明された領域８４に対応したＴＤＩイメージセンサ８０を構成するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）の領域と暗視野照明された領域８５のＣＣＤを並列に出力する。尚、ＴＤＩによる垂直転送方向は１０１’である。並列に出力されたアナログ画像データは、それぞれのＡ／Ｄ変換器９０ａ，９０ｂでデジタル画像に変換され、画像処理部９２ａ，９２ｂにより欠陥を検出する。それぞれで検出した欠陥は、その照明方式により、形状に特徴がある。例えば、暗視野検出で検出した欠陥は、光軸方向に凹凸のある欠陥である。このため、例えば、異物のような凹凸欠陥は、暗視野照明で検出した欠陥であるというような光学的な欠陥分類が可能となる。これにより、大量に欠陥を検出した場合などの、欠陥観察時には、観察したい欠陥を選択的にレビューすることが可能となる。これにより、半導体製造プロセスの異常や製造装置の発塵などを早期発見することが可能である。これにより、半導体製造歩留まりを高レベルに維持することが可能となる。尚、図１０で示した明・暗視野照明領域の分割を行わず、明視野と暗視野照明光を重複させて照明する方法も当然考えられる。
【００２８】
図１２（ａ）にＳｉＯ２に膜厚むらがある場合の明視野検出画像を示す。隣接するダイの画像を（ａ１）と（ａ２）に示す。（ａ１）のには、ＳｉＯ２に膜厚むらがあり、２０１ａに示す反射率の分布（明るさむら）がある。これに対して、（ａ２）には３種類の欠陥ｄ１，ｄ２，ｄ３がある。（ａ１）と（ａ２）の設計上の同一座標ａａ部とｂｂ部の光量分布をそれぞれに示す。また、（ａ１）と（ａ２）の差画像を（ａ３）に示す。ＳｉＯ２の膜厚むらに伴う明るさむらを欠陥として検出しないためには、しきい値をＴｈ１に設定する必要がある。このしきい値Ｔｈ１にした場合、ｄ１，ｄ２は検出可能であるが、ｄ３は検出することができない。特に、ｄ３は、明るい領域にある暗い欠陥であり、比較する隣接ダイの明るさが薄膜干渉の影響により暗くなっているため、濃淡差の絶対値が小さくなっている。これに対して、（ｂ）に暗視野照明の画像を示す。この場合、明るさむらを抑制できるため、しきい値を小さく設定できている。これにより、３種類の欠陥を検出することが可能となる。
【００２９】
図１３に光学系の横分解能（対物レンズの光軸に垂直な面内の分解能）を向上させる手法を示す。（ａ）に検査対象となるウェハ１の表面にｙ軸に平行なラインアンドスペースが形成されているとする。ウェハ１を垂直に直線偏光が照明されるとする。この直線偏光Ａの電界ベクトルをｘｙ平面に投射した方向とｙ軸のなす角度をθ１とする。この場合の回折効率の一例を（ｂ）に示す。入射偏光Ａとｙ軸のなす角θ１が平行な場合は０次光の強度が強く、直交する場合は１次光の強度が強い結果を得ている。像面に形成される光学像は、０次光と１次光の干渉により形成されるため、像の高コントラスト化には、０次光と１次光の振幅が同等であることが望ましい。しかし、ウェハ１に形成されているパターンが微細になると、回折角が大きくなるため、対物レンズのＮＡ内に伝搬する高次回折光の割合が低くなる。このため、高次回折光が像面に到達する振幅が小さくなり、光学像のコントラストが低下する。この微細パターンの像コントラストを向上させる手法として、例えば、入射偏光Ａとｙ軸のなす角を５０°付近に設定することにより、０次光と１次光の回折効率は０．１１程度になる。（ｃ）に対物レンズで屈折した０次光と高次回折光の電界ベクトルをｘｙ平面に投射し、ｘｙ方向に分解したスカラーを示す（対物レンズで屈折後の光線は、光軸に平行であると近似した）。０次光のｘ方向成分をＤ’０ｘ，ｙ方向成分をＤ’０ｙ，１次光のｘ方向成分をＤ’1ｘ，ｙ方向成分をＤ’１ｙとする。この場合、入射偏光Ａとｙ軸のなす角を５０°付近では、Ｄ’０ｙとＤ’１ｘの成分が回折効率０．０９程度である。このため、ｘ方向及びｙ方向と４５°の角度をなす方向の電界ベクトルのみを検出するようにアナライザを配置することにより、０次光と１次光の振動方向が平行でかつ、振幅が同等程度にすることが可能である。これにより、光学像の高コントラスト化を図ることが可能となる。
【００３０】
図１４（ａ）にＰＢＳで直線偏光された光の振動方向７ａについて、光軸と垂直な断面３１（ｘｙ面）で示す。直線偏光された光の振動方向は、ｙ軸に平行に揃っている。これに対して、ウェハ１上に形成された様々な方向のパターンを高コントラストに検出するためには、光軸を中心とした同心円の接線方向に偏光を振動させる必要がある（ｂ）。これを実施する実施例を図１５に示す。（ａ）にＰＢＳ２０で反射した光の振動方向を示す（本図では、ｘ軸方向に平行な方向に振動する直線偏光であるとした）。この直線偏光をＶ字型に厚さを変化させた複屈折波長板２１６に入射させる（ｂ）。この複屈折波長板は、周辺部でｎλ＋λ／２の複屈折位相差となるような厚みとなっており、中心部は、ｎλの複屈折位相差となる厚みとなっている。この波長板の結晶軸をｘ軸に対して４５°に設定する。これにより、波長板を透過した光は、ｘ軸上の両端で波長板通過前の偏光に対して９０°振動方向が回転する（ｃ）。但し、両端以外の位置においては、楕円偏光になる。この構成により、波長板通過前の偏光に対しては、光軸の同心円に対して接線方向成分が多くなり、比較的様々な方向のパターンを高コントラストに検出することが可能となる。他の実施例として、図１６に波長板の貼り合わせによる方法を示す。ＰＢＳ２０で直線偏光にされた光の振動方向を（ａ）に示す。振動方向はｘに平行であるとした。これに対して、４枚に分割した１／２波長板を隣り合う波長板の結晶軸（遅相軸）が直交する方向に貼り合わせる（ｂ）。この波長板を通過した直線偏光は（ｃ）に示す通り、光軸を中心とする同心円に対して接線方向となる。この直線偏光を４分割した１／４波長板に入射させる（貼り合わせにより隣り合う１／４波長板の遅相軸は直交するように配置する）（ｄ）。この貼り合わせ１／４波長板の結晶軸を入射偏光の振動方向に対してθ１の角度をなすことにより、通過した偏光の楕円率はｔａｎθ１となる。これにより、直交するパターンに対しては、それぞれ高コントラストに像を検出することが可能となる。
【００３１】
図１７に微分干渉と楕円偏光の組み合わせによる光学系について示す。ＰＢＳ２０を反射した直線偏光は、複屈折プリズム２００に入射し、２光束にシェアリングされる。これらの光は１／２波長板２２で偏光の振動方向が回転され、１／４波長板で楕円偏光になる。対物レンズ３０でウェハ１を照明した楕円偏光は、ウェハで正反射して再び対物レンズ３０に補足される。ウェハで正反射した光は、位相の飛びを受けて、再び１／４波長板２６に入射する。１／４波長板２６を通過した光は再び直線偏光となり、１／２波長板２２に入射する。さらに、複屈折プリズム２００により２光束は同軸化される。同軸化された光振動方向の合成ベクトルのうち、ＰＢＳ２０に対してＰ偏光成分が透過し、検出光路に導かれる。これらの光は、結像レンズ６０により、イメージセンサ８０上にウェハ１の像を形成する。尚、１／４波長板２６がない構成においても高次回折光は、０次光に対して伝搬する方向が異なるため、０次光に対して異なる振動方向となる。このため、０次光がＰＢＳ２０を透過しないＳ偏光成分であったとしても高次回折光はＰＢＳを透過する成分がある。このため、１）微分干渉による縦分解能向上２）０次光に対して高次回折光を強調して検出による横分解能向上の相乗効果により、検査感度を向上することが可能となる。また、シェアリング方向を変更可能とするため、複屈折プリズム２００と１／２波長板２２及び１／４波長板２６はそれぞれ光軸を中心とした水平面内に回転可能な機構２００ｄ，２２ｄ，２６ｄが具備されている。
【００３２】
微分干渉では平坦部を明るく検出したり、暗く検出したり調整することが可能である。特に、ウェハ１の表面にＳｉＯ２が形成されていなかったり、ＳｉＯ２の膜厚むらが無いようなウェハ１では、平坦部を明るく検出した方が検査感度が向上することもある。そこで、微分干渉による平坦部の検出光量を調整する手法を図１８に示す。ＰＢＳ２０を反射した直線偏光は、１／４波長板２０４に入射する。例えば、１／４波長板２０４の結晶軸と直線偏光の振動方向のなす角を４５°に設定する。この場合、１／４波長板２０４を透過した光は円偏光となる。この円偏光を複屈折プリズム２００に入射させ、２光束にシェアリングする。これらの光は、１／２波長板２２と１／４波長板２６を通過して２光束で楕円の長軸が直交する楕円偏光となる。対物レンズ３０を介してウェハ１を照明した光は、再び対物レンズ３０，１／４波長板２６，１／２波長板２２及び複屈折プリズム２００を介して１／４波長板２０４に入射する。この場合、ウェハ１上に段差が無い場合は、１／４波長板２０４を通過した光はＰＢＳに対してＰ偏光となり、大半の光が検出光路５７に導かれ、像面で光学像を形成する。この構成により、平坦部を明るく検出することが可能となる。尚、１／４波長板２６で調整される楕円率に応じて、検出光路５７に導かれる光量は変化する（例えば、１／４波長板２６の結晶軸が、入射偏光に対して平行あるいは直交している場合は、検出光路に導かれる光量が多い）。また、１／４波長板２０４，複屈折プリズム２００，１／２波長板２２，１／４波長板２６は、それぞれ光軸を中心とする回転機構が具備されている（図面の数字で「ｄ」が付加されている部位）。さらに、１／４波長板２６により、楕円偏光にされた成分は、複屈折プリズム２００で照明時の光路と異なる光路をたどることになる。これにより、光学像はゴーストのような二重像に見えることになる。この二重像のシフト量はシェアリング量と関連し、二重像の強度は１／４波長板２６の楕円率に関連する。この二重像は比較検査をする上では、欠陥検出上打ち消されてしまうため、問題とはならない。また、１／４波長板２０４の結晶軸とＰＢＳを反射して直線偏光となる照明光の振動方向を平行に配置することにより、平坦部を暗く検出する条件が成り立つ。また、単なる微分干渉効果を期待する場合は、１／４波長板２６に入射する偏光の振動方向（２光束は直交した振動）に対して、遅相軸と進相軸を直角・平行になるように配置することにより実現可能である。従って、微分干渉効果を期待する場合は、１／２波長板２２と１／４波長板２６が無くても良い。
【００３３】
図１９に、以上に説明した全ての構成をまとめた実施例を示す。照明光路は、明視野照明光路７と暗視野照明光路８に分かれており、それぞれ、ウェハ１を照明する。ＰＢＳ２０を反射した明視野照明光は、１／４波長板２０４，複屈折プリズム２００，１／２波長板２１５，複屈折プリズム２２０，１／２波長板２２，１／４波長板２６，０次光対応位相差板２７（照明光の透過率の高いガラス材に開口絞りの開口部に対応した位置に位相膜を配置）を通過し、直交方向に４光束にシェアリングされた光として対物レンズ３０を介してウェハ１を照明する。ここで、０次光対応位相差板２７とは、開口絞りが輪帯状の開口部を有しており、この開口に対応した領域に位相差π（波長の１／２の光路）を加える位相差膜が形成されている。これにより、ウェハで正反射した０次光に位相差πを与え、位相差膜のない領域を通過した高次回折光には位相差が与えられない。このため、０次光対応位相差板２７が無い場合に、低いコントラストであったウェハ段差を０次光対応位相差板２７を配置することにより、高コントラストに検出することが可能となる。尚、０次光対応位相差板２７が無くても十分高コントラスト像が検出できる場合は、０次光対応位相差膜を配置する必要がない。この場合は、０次光対応位相差板２７を光路から外して、厚さの一様なガラス材を配置する。これは、ケーラー照明の場合、輪帯状の開口絞りは対物レンズ３０の瞳と共役な位置近傍に配置する必要がある。このため、０次光対応位相差板２７も対物レンズ３０の瞳位置付近か瞳位置と共役な位置（開口絞りと共役な位置）に配置する必要がある。この瞳位置付近にガラス板を配置する場合は、波面収差が生じるため、対物レンズ３０の設計段階で０次光対応位相差板２７による波面収差を補正するような設計をする必要がある。このため、０次光対応位相差板２７が不要な場合は、これを除去する変わりに、同等の材質・板厚のガラス２７ａを配置する機構２９が必要となる。以上の構成により、ウェハ１上で反射・回折・散乱した光のうち、ＰＢＳ２０に対してＰ偏光成分が検出光路に導かれ、結像レンズ６０により、ウェハ１の像をイメージセンサ８０上に結像する。
【００３４】
以上に示した実施例は、本発明の一例であり、これらの組み合わせは、容易に考えられる。従って、本実施例で示した内容の構成をどのような組み合わせで使っても本発明の範囲であることは容易に推測できる。
【００３５】
また、実施例に記載の光学像検出方式として多数の光学条件を示した。このため、初めて検査を行うウェハ１では検査に有利な光学条件を見出す時間が莫大になってしまう。このため、検査を行ったそれぞれの条件について、▲１▼検査感度（検出欠陥数，疑似欠陥）▲２▼検出欠陥の特徴量（サイズ，方向性，欠陥の存在するレイヤ，欠陥の座標，致命性）▲３▼検査対象ウェハ１の特徴（デザインルール，主たるパターンの方向性，検査対象レイヤの材質，ＳｉＯ２膜の有無，致命性の高い欠陥の特徴（パターン欠陥［ショート，断線等］，異物等））等をＯＣ９５のデータベースに蓄積していく。新たな品種・工程のウェハを検査する場合は、これらの情報に対応した推奨条件を自動的に選択することにより、光学条件設定の短時間化を図る。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、直交する２次元方向に光束をシェアリングし微分干渉させることにより、ウェハの段差を明るさの違いとして検出することが可能となる。また、平坦部を暗く検出する条件では、ウェハ上に形成されたＳｉＯ２等の透明膜による薄膜干渉に伴う明るさむら（デバイスにとって致命性なし）を抑制でき、検査感度を向上することが可能である。この効果は、暗視野照明によっても実現可能である。さらに、金属配線等で形成されるグレイン（凹凸等）がデバイスにとって致命性が無い場合は、明暗視野複合照明によりコントラストを低減できる。さらに、０次光の振幅を抑制して光学像を形成させる楕円偏光照明により、パターンコントラストを向上可能である。また、高次回折光に対して０次光に位相差を加えることにより、低いコントラストの像を高コントラストに検出することが可能である。以上の光学条件により、様々な品種・工程の検査対象に対して、欠陥検出上有利な光学条件を選択することにより、高感度検査を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光軸と垂直な面内の２次元微分干渉を実現する構成。
【図２】２次元シェアリングの概要。
【図３】微分干渉の説明。
【図４】本実施例の構成。
【図５】暗視野照明用１／２波長板の外観。
【図６】ＰＢＳ入射偏光の定義
【図７】明視野照明と暗視野照明の光量配分量の概要。
【図８】暗視野検による明るさむら抑制効果の説明。
【図９】明暗視野照明による効果。
【図１０】明・暗視野の分離照明に関する説明。
【図１１】明・暗視野照明像の分離検出に関する一例。
【図１２】暗視野照明による効果の一例。
【図１３】０次光の振幅抑制に関する一例。
【図１４】０次光振幅抑制に関する電界ベクトルの例。
【図１５】等方的偏光照明の一例。
【図１６】等方的偏光照明の一例。
【図１７】微分干渉と０次光振幅抑制検出の一例。
【図１８】微分干渉と０次光振幅抑制検出の一例。
【図１９】微分干渉，０次光振幅抑制検出，０次光位相差検出，暗視野照明を搭載した光学系の構成。
【符号の説明】
１…ウェハ，３…光源，５…照明光，７…明視野照明光，８…暗視野照明光，１３…ＰＢＳ，１３…明暗視野光量分岐用１／２波長板、１５…１／２波長板回転機構，２０…ＰＢＳ，２２…１／２波長板，２６…１／４波長板，１７…０次光位相差板，３０…対物レンズ，３５…暗視野照明用ミラー，５０…暗視野照明用ＰＢＳ，６０…結像レンズ，８０…イメージセンサ，２００…複屈折プリズム，２１５…直交シェアリング用１／２波長板，２２０…第２の複屈折プリズム

Claims (13)

1. 照明光を第１の複屈折プリズムと該第１の複屈折プリズムに対して入射光を分岐する方向が異なるように設置された第２の複屈折プリズムとで４光束に分割し、該分割した４光束を対物レンズを介して試料に照射し、該照射による前記試料からの反射光を前記対物レンズと前記第２の複屈折プリズム及び前記第１の複屈折プリズムを介して合成し、該合成した光を結像させ、該結像した光を検出して前記試料の画像を得、該得た画像を用いて前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。
2. 前記４光束に分割した光を前記対物レンズを介して前記試料に照射するときに、前記対物レンズの外側から前記試料に斜方から照明光を照射することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
3. 前記合成された光の電界ベクトルについて、試料の平坦部で反射した光の振幅を抑制して光学像を形成することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
4. 表面にパターンが形成された試料を第１の複屈折プリズムと該第１の複屈折プリズムに対して入射光を分岐する方向が異なるように設置された第２の複屈折プリズムとで４光束に分割した偏光光束で対物レンズを介して照明し、該４光束に分割した偏光光束で照明された前記基板からの反射光のうち前記対物レンズに入射した反射光を１つの光束に合成し、該合成した１つの光束のうちの特定の偏光成分による前記試料の光学像をセンサ面上に結像させて撮像し、該撮像して得た画像を処理することにより前記試料の表面の欠陥を検査することを特徴とする欠陥検査方法。
5. 前記試料からの反射光のうち、０次光の光量と電界ベクトルの方向を調整して光学像を形成することを特徴とする請求項４記載の欠陥検査方法。
6. 第１の複屈折プリズムと該第１の複屈折プリズムに対して入射光を分岐する方向が異なるように設置された第２の複屈折プリズムとで４光束に分割した偏光光束による明視野照明光と暗視野照明光で試料を照明し、前記明視野照明光と前記暗視野照明光の光量配分を偏光ビームスプリッタに入射する電界ベクトルの方向で調整し、前記４光束に分割した偏光光束で明視野照明した前記試料からの反射光を１つの光束に合成してそのうちの特定の偏光成分で形成した前記試料の光学像と前記暗視野照明で形成された像を用いて比較前記試料表面の欠陥を検査することを特徴とする欠陥検査方法。
7. 表面にパターンが形成された試料を照明し、該照明した試料を撮像し、該撮像して得た画像を処理することにより前記試料の表面の欠陥を検査する方法であって、前記試料の表面に形成されたパターンの種類に応じて前記試料の照明を、前記試料を第１の複屈折プリズムと該第１の複屈折プリズムに対して入射光を分岐する方向が異なるように設置された第２の複屈折プリズムとで４光束に分割した偏光光束で照明して該照明による前記試料からの反射光を合成して１つの光束にした後に特定の偏光成分で光学像を形成する明視野照明または該明視野照明と暗視野照明との組合わせの何れかに切り替えることを特徴とする欠陥検査方法。
8. 前記明視野照明は、微分干渉が可能な照明であることを特徴とする請求項６または７に記載の欠陥検査方法。
9. 光源と、該光源から発射された光を第１の複屈折プリズムと該第１の複屈折プリズムに対して入射光を分岐する方向が異なるように設置された第２の複屈折プリズムとで４光束に分割して表面にパターンが形成された試料を照明する照明手段と、該照明手段により照明された前記試料からの前記４つの光束によるそれぞれの反射光を１つの光束に合成して特定の偏光成分を抽出し該抽出した特定の偏光成分による前記基板の光学像を形成する結像手段と、該結像手段で結像した前記基板の光学像を検出して前記試料の画像を得る画像取得手段と、該画像取得手段で取得した画像を処理して前記試料上の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
10. 前記照明手段は、前記試料を照明する４つに分割された光束の偏光方向を調整する第１の偏光調整部を有し、前記結像手段は、前記試料からの前記４つの光束によるそれぞれの反射光を合成した光束の偏光方向を調整する第２の偏光調整部を有することを特徴とする請求項９記載の欠陥検査装置。
11. 前記光源から発射された光を分岐する分岐手段を更に備え、該分岐手段で分岐した一方の光を前記照明手段に入射させ、他方の光を前記試料を斜方から照明する斜方照明手段に入射させることを特徴とする請求項９記載の欠陥検査装置。
12. 光源と、該光源から発射された光を２つの光路に分岐する分岐手段と、該分岐手段で分岐された一方の光を対物レンズを介して表面にパターンが形成された試料を照明する明視野照明手段と、前記分岐手段で分岐された他方の光を前記対物レンズの外側から前記試料を斜方照明する暗視野照明手段と、前記明視野照明手段と前記暗視野照明手段とにより照明された前記試料から反射して前記対物レンズを透過した光により前記試料の光学像を形成する結像手段と、該結像手段で結像した前記試料の光学像を検出して前記試料の画像を得る画像取得手段と、該画像取得手段で取得した画像を処理して前記試料上の欠陥を検出する画像処理手段とを備え、前記明視野照明手段は第１の複屈折プリズムと第２の複屈折プリズムとを備えて前記分岐手段で分岐された一方の光を前記第１の複屈折プリズムと該第１の複屈折プリズムに対して入射光を分岐する方向が異なるように設置された第２の複屈折プリズムとで４つの偏光光束に分離する光束分割部を有し、前記結像手段は前記明視野照明手段により４つの偏光光束で照明された前記試料からの反射光を１つの光束に合成して特定の偏光成分を透過させる偏光検出部を有し、該偏光検出部を透過した光による光学像を形成するこ
    とを特徴とする欠陥検査装置。
13. 前記光束分割部は、１/２波長板を挟んで分割方向が異なるように配置された２つの複屈折プリズムを備えて構成されていることを特徴とする請求項１２記載の欠陥検査装置。

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