JP3918840B2 - 欠陥検査方法及びその装置 - Google Patents

Description

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などにおいて、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装置に関する。

従来の技術として、特許文献１に、光学顕微鏡を用いて緻密なライン幅構造を映像化する方法及び装置が記載されている。この技術の特徴として、偏光板を用いて直線状に偏光した偏光光の試料上に投射される偏光軸線の方向が、試料上の直線状のパターンに対して約４５°の角度になるようにしている。偏光板と試料との間に配置された１／４波長板の光学（遅延）軸線は、試料の主たる直線状の形状に対して最適な角度（典型的な例として２５°）の方向に向けられており、この１／４波長板により直線偏光を楕円偏光に変換し、試料を照明する。この楕円偏光の照明光は、試料で反射されると位相差を受ける。これらの光は、再び１／４波長板を透過して、検出光路上に設けた偏光板を透過する向きに偏光される。検出光路上の偏光板を透過した光が、光電変換素子の受光面上で試料の像を結像するように光学系が構成されている。そして、試料による位相差量を予め予測して照明光を楕円偏光に設定し、試料で反射した後に円偏光になるように光学部品を設定することが記載されている。

特開平７−１２８５９５号公報 なし。

上記した従来の技術に記載されたような、光学顕微鏡を用いて緻密なライン幅構造を映像化する方法では、照明光路に偏光器を配置して直線偏光の光を透過させ、この直線偏光を１／４波長板で楕円偏光に変換して試料を照明する構成となっているが、この光学系では、試料で反射することにより生じる位相差量を予め予測して、検出系のアナライザを透過する光量が最大となるように照明光を楕円偏光に設定している。このため、光学像の形成に寄与する０次光と高次回折光の振幅の割合は、ランダム偏光照明の場合と同等である（高次回折光に比べ０次光の振幅の方が大きい）。このため、０次光と高次回折光の干渉により形成される試料の光学像は、０次光に比べて高次回折光の振幅が小さいために相対的に低周波成分が大きくなり、光学像の解像度はあまり向上しない。
また、イメージセンサなどを用いて画像を検出する場合、センサの受光量が飽和しないように照明光量を調節する必要があるが、例えば、周期的な微細パターンは回折角が大きくなるため、パターンの明暗差が小さく且つ暗く検出されることがあり、パターン像の観察が困難になる。パターンの明暗差が小さく且つ暗く検出される画像では、画像処理を用いた欠陥検査装置においては、検出感度が低くなる問題がある。

本発明の目的は、照明光の偏光と光学像を形成する０次光と高次回折光の偏光をコントロールし、観察や検査を対象としたパターンを高解像度に検出して微小欠陥を検出できるように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。

上記目的を達成するために、本発明では、試料を偏光照明する照明光学系と、当該試料で偏光回転を受けた高次回折光を０次光に対して高効率に透過する偏光光学部品と、偏光光学部品を透過あるいは反射した光で試料の像を光電変換素子上に結像させる検出光学系とを用いて高解像度光学系を構成した（たとえば、直線状のパターンに対して直交する振動方向の偏光を照明し、パターンに対してほぼ４５゜の振動方向を透過軸とする偏光器を配置する）。
この照明光学系の偏光照明は、偏光ビームスプリッターを透過あるいは反射した光を用いて行うことも可能である。この場合、偏光ビームスプリッターと試料の間にλ／２板とλ／４板を配置し、パターンの方向等に応じて、λ／２板を回転させることにより偏光方向を調整し、λ／４板を回転させることにより偏光の楕円率を調整することができる。
また、照明光の振動方向と光学像を形成する０次光と高次回折光の振動方向との組み合わせはたくさんある。これらの設定方法が実用化の上で重要である。本発明では、偏光状態を変更して検出した画像を一覧したり、予備的な欠陥検査を行って欠陥検出感度が高くなる偏光状態を選択できる機能を備えることにより、最適な偏光状態を短時間で正確に求められるようにした。

本発明によれば、試料に形成されたパターンに応じて照明光の偏光面における電界ベクトルの振動方向とパターンの方向のなす角をコントロールすることにより、高解像度の画像を検出して、検出画素サイズの約半分程度の微小な欠陥を検出できる光学系を実現できた。さらに、偏光面における電界ベクトルの振動方向や照明波長などを高効率に設定できるようになり、高解像度光学系とこれを用いた高感度欠陥検査装置を実現することができた。

本発明の高解像度光学系の実施形態について、図１（ａ）を用いて模式的に説明する。
光源８を発光した光１８０’はレンズ９を介して集光され、偏光板１４を透過する。偏光板１４を透過した光は直線偏光となり、ハーフミラー１５を透過した光が照明光１８０となる。ハーフミラー１５を透過した光は対物レンズ２０を介して試料１を落射照明する。試料１で反射回折した光１８９’のうち、対物レンズ２０のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）内の光１８９は再び対物レンズ２０に捕捉され、ハーフミラー１５を反射して検出光路に導かれる。この検出光１８９は偏光板２２の透過軸に対応した偏光面の電界ベクトルの振動方向（以下、偏光の振動方向と称す）の光を透過し、結像レンズ３０を介してイメージセンサ７０上に試料１の像を結像する。
ここで、偏光板１４は試料１に形成された主たるパターンの方向１ａに対して、偏光の振動方向を決める役割を持っており、検出したいパターンの方向１ａに対して、例えば直交する振動方向を有する偏光となるように位置決めする。尚、この振動方向は、対物レンズ２０の射出瞳１９における振動方向である。
また、偏光板２２は検出光１８９のうち、特定の振動方向の光を透過するものであり、パターン方向１ａに対して例えば４５°に設定する。射出瞳１９上における照明光と試料１を反射した０次光と高次回折光の偏光を図１（ｂ）を用いて説明する。また、試料１上の照明光の偏光と試料１を反射した０次光と高次回折光の偏光を図１ （ｃ）を用いて説明する。
図１（ｂ）において、射出瞳における照明光１８０の１点の偏光を３００とする
。偏光３００は、瞳位置にける偏光の振動方向と、試料１を照明する方向３０１が一致（あるいは直交）しているため、正反射光（０次光）の偏光３１０’と高次回折光の偏光３１１は照明光の振動方向と同様である（実際には、試料１を反射、回折するときに位相差を受けるため、直線偏光は楕円偏光になるが、ここでは省略した）。
しかし、照明光の振動方向３００’と試料１の照明方向３０２が一致あるいは直交していない場合は、０次光の振動方向３１０’は照明光の振動方向３００’と同じであるが、高次回折光の振動方向３２０は偏光回転を受けて照明光の振動方向３００’とは異なる（尚、実際の振動方向は分布を持っており、振動方向とは振幅の最も大きい振動方向を指す）。
このため、図１（ｄ）に示すとおり、０次光の振動方向と高次回折光の振動方向は異なるため、偏光板２２の透過軸を高次回折光の振動方向と一致させることにより、像面における高次回折光の振幅の割合を大きくすることが可能となる。これにより、０次光と高次回折光の振幅をほぼ同等にすることが可能となり、０次光と高次回折光の干渉で形成される光学像の高解像度化が可能となる。
図２に、従来の落射照明と本発明の偏光照明・検出によるラインアンドスペースの光学像検出結果を示す。本発明の画像を取得した時の偏光板１４，２２の透過軸は、図１に示した条件である。従来照明と本発明の照明σは共に１であり、従来照明の回折像は全体に０次光が分布し、±１次回折光は０次光に対して暗く、振幅が小さい。これに対して、本発明の回折像は±１次回折光の振幅が０次光に比べ大きく、明るく検出されている。尚、±１次回折像には０次光も含まれており、正確にはー１次回折像は＋１次回折光に対応する０次光とー１次回折光の分布の和である。これは＋１次回折像についても同様である。
また、０次光の低減部は、対応する高次回折光が対物レンズ２０のＮＡ外となるため、対物レンズ２０の射出瞳１９における回折像には検出されない（この±１次回折光の回折角は波長とパターン幅によって求まる） 。従って、０次光低減部の光は試料１の像の形成には寄与しない低周波成分であるため、低減による高解像度化が説明できる。このため、従来照明ではラインアンドスペースのコントラストが低く（Ｃ＝０．０２８）、ラインアンドスペースの分離が困難であるが、本発明ではコントラストが０．１７８に向上し、ラインアンドスペースの分離が明確になっている。
この結果、例えば１画素の検出サイズが０．２μｍの検出光学系を用いたとき、従来照明では、せいぜい０．１５μｍ程度しか分解能が得られなかったのに対して、本発明によれば、画素サイズの半分０．１μｍ程度まで分解能を高くすることができた。これにより、本発明によれば、高解像度化が達成されることが明らかになった。

図３に、本発明の光学系を用いた光学検査装置の実施例を示す。試料１はチャック２に真空吸着されており、このチャック２は、θステージ３、Ｚステージ４、Ｙステージ５、Ｘステージ６上に搭載されている。試料１の上方に配置されている光学系１１１は、試料１に形成されているパターンの外観検査を行うために試料１の光学像を検出するものであり、主に照明光学系と試料１の像を撮像する検出光学系及び、焦点検出光学系４５で構成されている。照明光学系に配置された光源８はインコヒーレント光源であり、例えばキセノンランプである。
光源８で発光した光は、レンズ９を介して開口絞り１１の開口部を透過し、レンズを介して波長選択フィルタ１２を透過した光が視野絞り１３に到達する。この波長選択フィルタ１２は試料１の分光反射率を考慮し、高解像度の試料１の像を検出するために照明波長域を限定するものであり、例えば干渉フィルタを配置する。視野絞り１３を透過した光は、偏光板１４を透過して直線偏光になる。この偏光された光はハーフミラー１５を透過して、対物レンズ２０に入射し、試料１を照明する。
試料１を照明した光は、試料１上で反射、散乱、回折し、対物レンズ２０のＮＡ以内の光は再び対物レンズ２０に入射し、ハーフミラー１５で反射され、偏光板２２に入射する。偏光板２２は高次回折光を０次光に対して比較的高透過率になるようにθ方向の位置決めをしており、結像レンズ３０及びズームレンズ５０を介して、試料１の像を撮像するイメージセンサ７０の受光面に試料１の像を形成する。尚、イメージセンサ７０はリニアセンサやＴＤＩイメージセンサ或いはＴＶカメラ等である。また、自動焦点合せを行うためには、焦点検出光を焦点検出光学系４５に導く必要があり、この光分割手段２５は例えばダイクロイックミラーである。
焦点検出光は結像レンズ４０で試料１の高さ情報を有した光学像をセンサ４１上に形成し、このセンサ出力の信号は、焦点検出信号処理回路９０に入力され、この焦点検出信号処理回路９０で試料１の高さと対物レンズ２０の焦点位置のズレ量を検出し、ＣＰＵ７５に焦点ズレ量のデータを送る。この焦点ズレ量に応じて、ＣＰＵ７５からステージ制御部８０にＺステージ４を駆動させる指令を行い、所定パルスをステージ制御部８０からＺステージ４に送り、自動焦点機能が働く。
また、検出光学系の光電変換素子７０で検出した試料１の光学像の画像データは、画像処理回路７１に入力されて記憶や処理が行われ、欠陥判定回路７２で欠陥部の判定を行い、その結果を、デイスプレイなどの表示手段に表示するとともに、通信手段を介して、ワークステーションやデータサーバなどの外部記憶・制御装置へ送信される。
検出した画像データから欠陥部の判定を行う光電変換素子７０から欠陥判定回路７２までの一連の画像処理の具体的な処理の方法としては、例えば、特開平２−１７０２７９号公報または特開平３−３３６０５号公報などに記載されているように、隣接チップの対応する画像データ同士を比較することにより行う方法や、隣接チップの対応する画像データ同士を比較する方法、隣接するパターンの画像データ同士を比較する方法、設計データと画像データ同士を比較する方法等がある。
試料１のＸＹ方向への移動は、ステージ制御部８０でＸステージ６及びＹステージ５の動きを２次元的に制御して行う。また、θステージ３は、ＸＹステージ６及び５の運動方向と試料１に形成されたパターンのθアライメントを行うときに用いる。
本発明では、落射照明方式の光学系が実施の形態であるが、この光学系の解像度Ｒは、一般的にＲ＝λ／（２ＮＡ）で求められる。しかし、直線偏光を用いた光学系では、先に求めたＲ以上の解像度が得られることを、図２で明らかにした。
図４に、本発明の他の実施形態について説明する。尚、この実施形態においても図１、図２で示したものと同等の効果が得られる。
光源８から発射した光は、レンズ９を介して開口絞り１１を透過し、波長選択フィルタ１２、視野絞り１３を透過して偏光ビームスプリッター１５に入射する。偏光ビームスプリッター１５を透過するＰ偏光を照明光とし、Ｐ偏光に位相差を与えるλ／２板１６，λ／４板１７を透過した光が、対物レンズ２０を介して試料１を照明する。ここで、λ／２板１６を回転させることにより、偏光の振動方向をパターンに対して所定の角度に設定する（図１に示した例では９０°であるが、必ずしも９０°である必要はない）。また、λ／４板は直線偏光を楕円偏光にする位相差板であり、対物レンズ２０を介して試料１を照明した検出光が再びλ／２板１６，λ／４板１７を透過して偏光ビームスプリッタ２０を反射し、検出光路に導かれるようにするためである。
本実施例では試料１の反射による位相差を考慮していないが、λ／４板１７がない場合は試料１を正反射（０次光）した光は偏光ビームスプリッターで透過するため、検出光路に導かれるのは高次回折光のみとなる。但し、実際は試料１を反射することにより多少の位相差を受けるため、０次光の漏れ光が検出される。
このため、偏光ビームスプリッタ１５を図１に示す偏光板１４、偏光板２２の代替えとして用いる場合は、高次回折光の振幅と同等の０次光を検出光路に導くためには、λ／４板１７を用いて試料１を照明する偏光の楕円率を適正値に設定する必要がある。尚、λ／４板１７の結晶の光軸と照明光の直線偏光の振動方向が４５°をなす場合は、λ／４板１７を透過した照明光は円偏光となる。
この場合、試料１を反射してλ／４板１７を往復した０次光はＳ偏光となり、偏光ビームスプリッター１５を反射して検出光路に導かれる。従って、検出光路に導かれる光量は大きくなる。これは、低周波成分である０次光の光量が大きくなるためであり、光学像のコントラストは従来の顕微鏡と同等程度となり、光学像の解像度は向上しない。このため、λ／４板１７の結晶の光軸方向と直線偏光の振動方向のなす角は試料１に形成されたパターン等により最適な角度は変化する。従って、λ／４板１７による位相差（試料１を照明する偏光の楕円率）を変更できるように回転可能な構成にすると良い。
これにより、試料１を反射、回折した光の一部はλ／２板１７，λ／４板１７を再び透過して、偏光ビームスプリッター１５を反射し、イメージセンサ７０上に試料１の光学像を形成する。ここで、λ／２板１６とλ／４板１７を電動モータで回転可能な構成とっすることにより、試料１を照明する偏光の楕円率とその長軸の向きを制御することができる。
また、偏光の楕円率とその長軸の向きをモータのパルス数としてデータベース化することにより、光学像の高コントラスト化を実現する偏光状態の自動設定が容易になる。さらに、波長幅の広い照明光を用いる場合は、偏光ビームスプリッター１５、λ／２板１６、λ／４板１７について、波長による特性の変化が少ない方が望ましい。これは、λ／２板１６、λ／４板１７を用いて波長に位相差を加えた場合、波長による位相差のむらが大きいと、特定の波長域が検出系に導かれ、この波長に応じた色が強調されるためである。従って、広帯域波長照明をしても、試料１に透明膜が形成されている場合などは、薄膜干渉による明るさむらが強調されるためである。

図５に、波長２００〜２５０ｎｍ以下程度の照明光を用いた欠陥検出方法について示す。尚、短波長化により解像度が向上するため、紫外光やＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光を用いると、さらなる高解像度化になる。
図５（ａ）の光学系では、紫外線光源８を発光した光を照明光学系１１２を通過してビームスプリッター１５に入射する。これを透過したＰ偏光はλ／２板１６とλ／４板１７により位相差を受け、対物レンズ２０を介して試料１を落射照明する。尚、落射照明する光は、明視野検出する紫外線と、試料１の高さを検出する焦点検出光である。この焦点検出光は平坦化膜で吸収されない可視光等の光が有効である。これは、平坦化膜などで光が吸収されると、高さ検出できないためである。この焦点検出用波長域は、ダイクロイックミラー２５の分光反射率（Ｒ）で決定される。この一例として、図５（ｂ）に、６５０ｎｍ以上の光を焦点検出用波長域としている。
また、紫外線による明視野像を検出する光路は、第二のダイクロイックミラー２６を反射した光路であり、結像レンズ３０ａでセンサ７０ａ面に像を検出する。この紫外線波長域は第二のダイクロイックミラーの分光反射率で決定され、図５（ｃ）に示す。
また、試料１に紫外線を照射すると、材質によって蛍光が生じる。この蛍光による画像を検出することにより、通常の明視野画像では検出できない欠陥を検出できる。この光学系として、２つのダイクロイックミラーを透過した光を結像レンズで中間像を作り、この像をズームレンズ５０でイメージセンサ７０上に拡大投影する構成により、実用化できる。尚、紫外線用対物レンズでは紫外線で収差補正されているが、焦点検出光は比較的紫外線と収差が少ない光を選択する必要がある。

図６に、半導体等の製造工程におけるパターンの欠陥検査装置において、「検査レシピ画面」９１５上で光学パラメータを設定する方法について説明する。
まず、この「検査レシピ画面」９１５上で検査するウェハのＩＤを登録し、このウェハの品種を入力する。これにより、個々のウェハのどの工程でどのような欠陥がどこにあるか明確になる。さらに、検査する領域を、例えばウェハの座標で指定する。さらに、欠陥検査は、ウェハに形成されたパターンの画像を取得し、この取得した画像を用いて検出するが、検査の方式としては、隣接チップ同士の画像の比較を行って不一致部を欠陥として検出する方式や、設計データと画像を比較する方式がある。「検査レシピ画面」９１５上の「検査方式」ではこの方式を選択する。
次に、検査レシピ画面９１５上の「画像処理パラメータ」の項では、画像の位置合わせや欠陥検出感度を決める差画像のしきい値等を入力する。
さらに、検査レシピ画面９１５上で「光学パラメータ」を選択することにより、「光学パラメータ設定画面」９１６を画面上に表示して、光学パラメータを変更することにより、種々の欠陥検出感度を設定できるようになっている。この「光学パラメータ設定画面」９１６では、１．偏光特性 ２．波長 ３．照明σ ４．空間フィルタ等のうち、少なくとも一つを設定できるようになっている。
１．の偏光特性では、照明光学系と検出光学系の偏光を例えば番号で決められており、欠陥検出感度の高くなる偏光特性の番号が既知である場合は番号を入力する。しかし、ウェハの最初の検査では、欠陥検出感度が高くなる偏光特性が未定であるため、パターンの形状から欠陥検出感度の向上に有利な偏光特性を選択されるようになっている。このパターンの形状と偏光特性の関係は、例えば図１（ａ）のような関係から求められる。
また、２．の波長は、欠陥のコントラストが高くなるような照明波長域を選択するものであり、例えば、検査対象とするパターンの反射率が高い波長域を選択する。あるいは、パターンとパターンの背景（パターンのない領域）との明るさの差が大きくなる波長域を選択する。さらに、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理をされたウェハでは、膜厚むらがあると絶縁膜の薄膜干渉により検出した像の明るさにむらが生じる。この膜厚むらは欠陥ではないため、明るさの違いは欠陥検査上ノイズになる。この、明るさの違いを低減するためには照明波長幅を広げることが有効である。但し、波長幅をどこまで広げるかは、絶縁膜の設計膜厚とその誤差によって異なるため、絶縁膜の膜厚から照明波長幅を求めることが効果的である。そこで、照明波長域を決める条件として絶縁膜の膜厚を入力する。
次に、３．の照明σは、照明系の開口絞り１１の開口径を選択するものであり、穴状のパターンが形成されている場合は、ライン状のパターンの照明σよりも比較的小さくした方が欠陥検出感度が向上する。
また、４．の空間フィルタとは、フーリエ変換面（対物レンズの射出瞳位置あるいはこの射出瞳と共役な位置（ズームレンズ５０の瞳位置））に０次光の振幅透過率を低減させたり、位相差を与えたりする光学フィルタであり、パターンの形状や密度などに応じて配置することにより、像の高解像度化が可能となる。
以上のような光学パラメータを設定することにより、欠陥検出に有利な画像を検出することが可能となる。しかし、設定した条件が良いかどうかは、パターンの形状やウェハの構造などにより異なる。
図７に示すように、ウェハ１には露光装置の露光フィールド（ショット）単位で規則的にパターンが配列されている。このパターンの一部分である１’の拡大図の図７（ｂ）では、検査対象と仮定するパターン１ａ，１ａ’や、前の工程で形成されたパターン１ｃ等がある。ウェハ１を、図７（ｂ）のライン１２５で切断したときの断面構造を、図７（ｃ）に示す。検査対象パターン１ａ，１ａ’は、絶縁膜１ｂの膜上に形成されており、検査対象としないパターン１ｃは、絶縁膜１ｂの膜中に形成されているとする。この場合、検査対象パターン１ａ，１ｂの主たる方向は縦であるため、この方向のパターンが高コントラストになるように光学パラメータを設定することにより、欠陥検出感度の向上が図れる。しかし、光学パラメータの最適値はパターンの形状や構造などによりことなるため、決定するためには大量の時間を要する。
そこで、図８に、高効率な光学パラメータ設定のフローを示す。
まず、ウェハをローディングし、検査対象領域を光学系の視野に移動する。次に光学パラメータの １）偏光特性 ２）照明σ ３）照明波長 ４）空間フィルタ について予備的に画像を取得するための、パラメータ範囲を入力する。次に、設定した範囲の条件でそれぞれ画像を取得し、回折像やパターン像を一覧できるように表示すると共に、パターンのコントラストやパターンの鮮鋭度を示す２次微分値の総和などを表示する。
これにより、光学パラメータと光学像の解像度に関する情報が一覧でき、光学パラメータの適正値を容易に決定することができる。但し、最終的な光学パラメータは、欠陥検出上有利な画像であるか否かにより決定する。このため、先のコントラストや２次微分値の和より光学パラメータの範囲を絞り込み、最終的には光学パラメータを変更しながら予備検査を行い、光学パラメータを決定する必要がある。この予備検査結果として表示する内容は、例えば、正常部における差画像の不一致量（平均、最大、偏差）や比較検査結果（検出欠陥数や欠陥の信号レベル及び正常部の最大不一致量Ｎと欠陥部の不一致量Ｓの比であるＳ／Ｎ等）であって、これら表示された結果から光学パラメータを決定する。
以上の光学パラメータ設定手段により、欠陥検出感度の高い光学パラメータを、効率的に設定することができる。
図９に、回折像・パターン像の一覧表示の一例として、偏光状態をパラメータとした場合の一覧表示９２０を示す。まず、偏光の振動方向はＸＹステージやウェハのオリフラの方向などに対して定義すればよい。例えば、照明光の振動方向：９０°、検出光の振動方向４５°とは、検査対象パターンの主たる方向と物体上における主光線の振動方向がなす角度である。
このように一覧に表示することにより、高次回折光と０次光の振幅の割合を、回折像のデータから予測することが可能である。また、検査対象パターンが様々な方向にある場合には、検査対象のパターン像よりパターン方向とコントラストなどを検出することが可能である。また、画像の光強度分布を折れ線グラフなどで表示することにより、明るさのレベルなども認識し易くなる。さらに、コントラストや２次微分値の和より、照明光の偏光の振動方向はθ：９０°，６８°付近が高解像度であることが、容易に読み取ることができる。従って、次に行う予備検査をこの条件で行うことにより、高感度な検査を可能にする光学条件を、短時間で設定することができる。
尚、図４・図５に示す光学系の構成では、試料１を照明する偏光の楕円率とその長軸の向きが偏光状態のパラメータとなる。従って、楕円率とその長軸の向きをパラメータとして、図９と同様の一覧表を表示することが可能となり、高感度検査を実現できるおよその偏光状態を容易に特定することが可能となる。

図１０（ａ）に、偏光を利用した明視野像の検出と暗視野像の検出、及び、明暗視野像の中立像を検出する手段を示す。照明光１８０は、ランダム偏光である。偏光ビームスプリッター１５に入射した照明光１８０は、Ｐ偏光成分の光だけが透過する。このＰ偏光は、λ／２板１６とλ／４板１７を透過することにより、偏光の振動方向の回転と楕円率がかわる。
λ／２板１６とλ／４板１７とを透過し、更に対物レンズ２０を透過した照明光は、試料１で反射することにより位相の飛びと共に試料のパターンに応じて位相差が与えられ、偏光状態が変化する。また、パターンのエッジなどで回折した光は回折光の方向に応じて偏光も変化する。これらの反射光は、再び対物レンズ２０に捕捉され、λ／４板１７とλ／２板１６を通過してＰＢＳに入射し、Ｓ偏光成分が反射してセンサ７０上に明視野像を結像する。
ここで、λ／２板１６とλ／４板１７とを用いない通常の明視野検出の場合では、検出した画像が図１０（ｂ）のような濃淡画像であったとすると、このときのＡ−Ａ部の明るさ分布は図１０（ｃ）のように、画像左側の密パターン部で暗い画像となっている。この場合、光量を大きくすれば密パターン部の濃淡差を大きくすることが可能であるが、画像右側の平坦部の明るさがさらに大きくなり、ＣＣＤセンサ７０等ではセンサ７０が飽和し、ブルーミングが生じてしまう。このため、光量を大きくすることができず、密パターンをコントラストよく検出することが大変難しい。
しかし、本発明のように、λ／２板１６とλ／４板１７とを用いて位相差量を調節すれば、偏光ビームスプリッターで反射される平坦部の光を低減して、密パターン部の回折光が反射される割合を大きくすることができる。これにより、密パターンと平坦部の明るさを同じレベルで検出することができるようになる。従って、パターンの密度等によらず、常にコントラストの高い画像を検出でき、密パターン部のパターン欠陥等も容易に検出できる。

図３，図４，図５，図１０に示した光学系の構成では、直線偏光の照明光が、１／４波長板１７を透過して楕円偏光となる。この楕円偏光を対物レンズ２０を介して、試料１に照明する。試料１で反射・回折した光は、対物レンズ２０に捕捉され、再び１／４波長板１７を透過して位相差を受ける。この１／４波長板１７を回転させることにより、試料１を照明する楕円偏光の楕円率を変更することが可能である。
図１１に、楕円率を−１．０〜１．０の間で変化させたときに、イメージセンサ７０で検出される試料１の光学像のコントラストと検出光量比との関係を示す。尚、楕円率の符号は、右回り及び左回りの偏光を区別するものである。また、コントラストは、試料１の表面に形成されているラインアンドスペースの像より求めた。さらに、照明光の照度が一定の場合、楕円率の絶対値が小さくなると、イメージセンサ７０に到達する光量が低下する。このため、楕円率−１．０，１．０の円偏光時にイメージセンサ７０で検出される光量を基準として、楕円率を変えた時の検出光量比を表している。
この図１１から分かるように、コントラストは、楕円率が−０．１８の付近で最大となっており、検出光量比が最大となるところ、即ち楕円率が１又は−１になる点とは一致していない。従って、ラインアンドスペースの欠陥検査を行うには、−０．１８付近の楕円率となるように設定すると有利である。

検査対象となるウェーハには、様々な形状をしたパターンが形成されている。この場合、検査感度を向上せしめる偏光の楕円率とその長軸の方向を決定するにあたり、予備検査を行うと効率的である。例えば、図１２に示すように、検査対象ウェーハの「検査レシピ作成モード」に、「照明条件設定モード」を設ける。

この「照明条件設定モード」には、１）照明光の波長幅を選択する「波長フィルタ」選択ボタン ２）照明入射角範囲を変更する「開口絞り」選択部ボタン ３）薄膜が積層されている場合にどの層に焦点を合わせるかを決定する「フォーカスオフセット」値設定ボタン ４）「パターン強調度」を変化させるために照明光の偏光状態（偏光の楕円率とその方向）を設定するボタンを準備しておく。
これらのボタンは、番号（図中、Ｎｏ）を指定することにより、予め登録されている条件に設定するものである。尚、偏光状態には、様々な検査対象パターンの形状や向きに応じて、検出画像のコントラストを高める偏光条件がデータベース化されている。従って、このデータベース化されている偏光条件の全条件あるいは一部の条件で検査対象ウェーハを予備検査し、この予備検査の結果から、最も検出感度の高い検査結果が得られた偏光状態を、本検査時の偏光条件に設定する方法が考えられる。尚、予備検査を行う場合は、画面上に表示されている「予備検査ボタン」を選択することにより、暫定的に設定した上記 １）〜４）の条件の下で、検査が実行される。
偏光条件とは、図４、図５，図１０に記載の光学系において、λ／２板１６とλ／４板１７を電動回転させるモーターのパルス数などが考えられる。さらに、数種類の偏光条件で予備検査した結果より、本検査に用いる偏光条件を決定する判断基準として、以下の判断基準が挙げられる。
１）欠陥を最も多く検出している偏光条件
２）致命的な欠陥を最も多く検出している偏光条件
３）検出したい欠陥の座標が既知である場合は、この欠陥を最も多く検出している偏光条件従って、複数回の予備検査を行った場合は、上記１）〜３）に示すような判断基準を一覧表示すると決定が容易になる。また、１）〜３）の何れかの値が最大となる偏光条件を自動的に決定することにより、装置ユーザーの条件出しが容易になる。
以上、偏光条件を決定するにあたり、実際には光学顕微鏡か電子顕微鏡で欠陥部をレビューして、検査感度が高い偏光条件を決定することが望ましい。

直線偏光照明による０次光と高次回折光の偏光の状態を説明する図である。 直線偏光を用いた高解像度化の一例を示す図である。 本発明の高解像度光学系を用いた検査装置の概略構成の一例を示す略正面図である。 本発明の高解像度光学系を用いた検査装置の概略構成の他の例を示す略正面図である。 本発明による短波長照明高解像度光学系を用いた検査装置の概略構成の一例を示す略正面図（ａ）とこの光学系を用いたときの分光反射率を示す図（ｂ）、（ｃ）である。 本発明による光学パラメータ設定手段の一例を示す表示画面の正面図である。 本発明の検査対象パターンの一例を示す平面図である。 本発明による光学パラメータ設定手順の一例を示すフロー図である。 射出瞳像と光学像および解像度評価値の一覧の一例を示す図である。 本発明による偏光照明による高コントラスト画像検出の一例を示す図である。 偏光の楕円率とパターン検出光量比との関係の一例を示す図である。 本発明による偏光条件設定手法の一例を示す図である。

符号の説明

１…試料、１ｂ…絶縁膜、２…チャック、３…θステージ、４…Ｚステージ、５…Ｙステージ、６…Ｘステージ、８…光源、１４…ポラライザ、２２…アナライザ、３０…結像レンズ、７０…イメージセンサ、３００，３００‘…照明光の偏光面における電界ベクトルの振動方向、３１０，３１０’…０次光（正反射光）の偏光面における電界ベクトルの振動方向、３２０…高次回折光の偏光面における電界ベクトルの振動方向、１５…偏光ビームスプリッター、１６…λ／２板、１７…λ／４板、９１５…検査レシピ画面、９１６…光学パラメータ設定画面、９２０…光学条件と光学像一覧画面、９２１…光学条件と予備検査結果一覧画面。

Claims (7)

1. 表面にパターンが形成された試料の欠陥を検査する方法であって、偏光の状態を調整した光を対物レンズを介して前記試料に照射し、該照射により前記試料から発生した回折光の０次回折光と高次回折光との偏光の状態を制御することにより０次回折光と高次回折光との光量のバランスを調整した状態で回折光像を形成し、該回折光像を検出して前記試料表面の画像を得、該得た画像を予め記憶しておいた画像と比較し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. 前記回折光像を、前記試料から発生した0次回折光のうち偏光の振動方向が高次回折光の偏光の振動方向と一致する成分を透過させるように偏光板を用いて偏光の状態を制御することで０次回折光の振幅を高次回折光の振幅に対して大きな割合で減衰させることにより０次回折光と高次回折光との光量のバランスを調整した状態で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。
3. 表面にパターンが形成された試料の欠陥を検査する方法であって、偏光の状態を調整した光を対物レンズを介して前記試料に照射し、該照射により前記試料の表面で反射した光を検出して第１の画像を得、該第１の画像をモニタ画面上に表示し、前記試料の表面で反射した光の０次回折光と高次回折光との偏光の状態を制御することにより０次回折光と高次回折光との光量のバランスを調整して該モニタ画面上に表示された第１の画像のコントラストを大きくし、該第１の画像のコントラストを大きくするように前記０次回折光と高次回折光との光量のバランスを調整した調整条件を用いて前記試料の表面で反射した光を検出して第２の画像を得、該得た第２の画像を予め記憶しておいた画像と比較し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。
4. 前記第１の画像のコントラストを大きくするように前記０次回折光と高次回折光との光
   量のバランスを調整することが、前記試料に照射する光又は前記試料の表面で反射した光の０次回折光のうち偏光の振動方向が高次回折光の偏光の振動方向と一致する成分を透過させるように調整した偏光板を用いて偏光の状態を制御することで０次回折光と高次回折光との光量のバランスを調整することを特徴とする請求項３記載の欠陥検査方法。
5. 表面にパターンが形成された試料の欠陥を検査する装置であって、対物レンズを介して
   前記試料に偏光光を照射して照明する照明手段と、該照明手段で前記試料を照明することにより前記試料の表面で反射した反射光を前記対物レンズと偏光調整部とを介して検出して前記試料の画像を得る画像検出手段と、該画像検出手段で得た画像と該画像のコントラスト調整条件とを表示する表示手段と、該表示手段に表示されたコントラスト調整条件に基いて前記試料の表面で反射した光の０次回折光のうち偏光の振動方向が高次回折光の偏光の振動方向と一致する成分を透過させるように前記偏光調整部の偏光の状態を制御することで０次回折光と高次回折光との光量のバランスを調整するコントラスト調整手段と、該コントラスト調整手段で調整されたコントラストの画像を予め記憶しておいた画像と比較して前記試料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欠陥検査装置。
6. 前記画像検出手段の偏光調整部は、１／２波長板と１／４波長板とを有し、該１／４波長板は前記試料表面から反射した光のうち、前記表面に形成されたパターンからの０次回折光の振幅を高次回折光の振幅に対して大きな割合で減衰させるように前記パターンに応じて調整できるように回転可能に設置されていることを特徴とする請求項５記載の欠陥検査装置。
7. 前記画像検出手段は空間フィルタを備え、前記コントラスト調整手段は、前記表示手段に表示されたコントラスト調整条件の中から選択された前記照明手段と前記画像検出手段との上記偏光の状態を含む、照明波長、照明σおよび空間フィルタの何れかの光学パラメータを調整することを特徴とする請求項５記載の欠陥検査装置。

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