JP3920218B2 - 表面検査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、少なくとも一つのレーザー光源と、検査されるべき表面によって反射される光のための検出器とを有し、表面を検査する、特に、一つ以上の半導体の表面（複数の表面）を検査する装置のような表面を検査する装置と、光ビームの一つ以上のモードを抑制するモードフィルタのようなモードフィルタと、表面が少なくとも一つのレーザー光源によって照射され、検査されるべき表面によって反射される光が少なくとも一つの検出器で検出される、表面を検査する、特に、一つ以上の半導体の表面（複数の表面）を検査する方法のような表面を検査する方法とに関わる。
【０００２】
ＷＯ９７／３４１２３は、表面によって反射された光が検出される表面の場所を検査するためにレーザーを使用することを教授する。表面において或いは表面上に欠陥があるとき、レーザー光源によって表面に供給される光は、少なくとも光の一部が欠陥によって散乱されるように反射される。それにより反射された成分における強度は減少する。従って、欠陥の位置探しは、反射された光の強度を測定することで可能となる。解像力は制限され、約５００ｎｍとなる。しかしながら、このような解像力は、互いに近接して位置する導体トラック或いは構成要素の群を有する微細構造には十分でない。欠陥により生ずる散乱光が検出された場合でも、実現され得る最適感度は、約６０ｎｍの範囲にある。感度を高めるためには、照射される領域を小さくすることが必要である。しかしこの場合、測定に非常に時間がかかる。
【０００３】
本発明は、表面の汚染或いは損傷の測定を向上させることを目的とする。
【０００４】
この目的は、本発明に従って、上記反射された光と関連付けられる、且つ、少なくとも一つの横方向のレーザーモードをフィルタ処理するように具現された、少なくとも一つのモードフィルタを有することを特徴とする装置のような装置を用いて、Ｇｕｏｙ位相原理に従って動作することを特徴とする、モードフィルタのようなモードフィルタを用いて、及び、所定のモードで光が上記レーザー光源から放出され、上記表面によって反射される光が、少なくとも一つの横方向のレーザーモードをフィルタ処理するように具現されたモードフィルタを通じて案内されることを特徴とする方法のような方法を用いて実現される。更なる有利な実施例に関して上記モードフィルタが、上記レーザー光源のモードに対応する上記反射された光のモードを抑制することを特徴とする装置、互いと干渉する少なくとも２つのサブビームに光ビームを分離するビームスプリッタを有することを特徴とする装置、上記サブビームの一方が、モード選択位相シフトのための装置を通過することを特徴とする装置、上記装置が、経路の長さにおける差と共に全体的に１８０°にわたるモードの位相シフトを実現し、上記サブビームがこのモードに関して破壊的に干渉することを特徴とする装置、１８０°にわたる位相シフトを実現するようＧｕｏｙ位相系に基づいて動作するレンズ系が設けられることを特徴とする装置、上記モードフィルタにおいてこの目的のためにビーム分割が実施され、上記サブビームの一方の位相を反転させ２つの集束レンズを含む装置が設けられ、上記集束レンズの焦点において位相シフトが実現されることを特徴とするモードフィルタ、上記モードフィルタが上記レーザー光源のモードを抑制し、上記モードに影響を与えない反射の場合には信号が検出されないことを特徴とする方法を参照する。
【０００５】
表面によって反射される光が一つ以上のモードフィルタを通過する本発明による装置の構造は、供給される光に対する反射光の位相及び／又は振幅の変化の測定を可能にさせる。このような変化は、理想の円滑な表面からの反射と比べて偏りを示す全ての光の反射によって生じ、検出され得る。従って、本発明による装置の感度は、吸収或いは散乱の上記測定と比べて著しく増加する。これにより、現在の最新技術に従って検出することができる大きさの四分の一しかない大きさの欠陥も検出することが可能となる。モードフィルタは、検出器に供給される光のスペクトルフィルタ処理を実施する。その結果、空気からのより大部分の散乱信号が抑制される。特に、非弾性散乱であるため供給される光に対して散乱光の周波数シフトを生じさせるブリユアン散乱による信号は、完全に抑制される。レイリー散乱もある程度抑制される。更に、信号の強さが著しく増加される：１．５の屈折率を有するガラスが照射されるとき、約６０ｎｍの大きさの欠陥を検出する際に本発明による測定方法によって与えられる信号の強さは、散乱信号が測定されるときよりも約８倍高い。シリコン表面が照射されるとき、信号の強さは約１３２倍高い。更に、直径ｄの粒子によってまだ妨害されている最高のモードインデックスＮ_ＭＡＸは（１／ｄ）^２に比例するため、検出された欠陥の大きさはモードの変化に基づいて決定され得る。適当なモードに基づいて所与の欠陥の大きさに関して制限を予め設定することも可能である。散乱光を検出する方法では、信号の強さは（ｄ／λ）^４に依存し、このときｄは欠陥の大きさであり、λは供給される光の波長である。本発明による方法では、信号の強さは（ｄ／λ）^２に比例する。従って、欠陥が小さいと、散乱光を検出する方法の場合よりも信号の強さの減少率がかなり少なくなり、小さい欠陥をまだ検出することができる。これにより、より大きい変動の波長の光が可能となる。
【０００６】
共焦点測定方法、つまり、表面にビームを合焦する光学系の焦点に検出される領域が位置し、この焦点だけが検出器においてイメージングされる方法の場合、空気での散乱による妨害は焦点の近接場に減少される。それにより空気の更なる層からの散乱の相当部分が排除され、測定の感度は著しく高められる。更に、集束面に位置しない光学素子からの散乱も測定信号から除去される。
【０００７】
供給されるレーザー光のモードをモードフィルタが除去するとき、いわゆる暗視野測定が実施される。この場合、欠陥が表面で測定されたときだけ信号が受信される。信号対ノイズ比は、明視野測定の場合の方がよい。
【０００８】
モードフィルタにＧｕｏｙの原理が適用されるとき、複数のモードを有する光ビームからあるモードが除去される。例えば、レーザーのモードは、モードの混合を有する反射光の場合にもフィルタアウトされ得る。
【０００９】
これまで公知の欠陥に対する強度の変化、散乱、又は、位相遅延の検出に関して、本発明による光の振動モードのトラッキングは、完全に新規な測定の原理を提供する。欠陥が検出されるとき、欠陥が存在するときに理想的反射からの偏りが生ずるため、供給される光のガウス固有モードは、表面から反射された光において生じない。この変化が検出され得る。
【００１０】
本発明の更なる利点及び詳細は、図面を参照して説明する本発明の以下の実施例から明らかとなるであろう。
【００１１】
図１に示す装置の実施例は、レーザー光源として構成され、従って、高強度を発生する光源１を有する。レーザー光源１は、例えば、互いに対して調節可能であり、且つ、放射される光ビーム２のビーム路において互いから距離Ｌだけ離間されているミラー４、５を含む光共振器３を具備する。ミラー４、５は、調節し易いよう平面ミラーとして又は凹面ミラーとして構成される。共振条件が満たされるとこれらミラーの間で定在波が形成され、この定在波はＴＥＭ_ｍｎｐとして分類され得、このときＴＥＭは横方向の電磁モーメントであり、添え字ｍはｘ方向における零の位置の数を示し、ｎはｙ方向における零の位置の数を示し、ｐは（可視光であり、共振器が１０センチメートル（ｃｍ）の大きさのオーダーの長さの寸法を有するとき１０^６の大きさのオーダーである）共振器の軸の長さＬの方向におけるノードの数である。共振器３が例えば、モードＴＥＭ_１０ｐとなるよう調節されるとき、図５に従って零交差がｘ方向に生ずる。このようなレーザーの所定のモード分布は、ガウス固有モードでの振動と呼ばれる。図示する共振器３を使用するとき、レーザー光源１は従って単一モードの振動で光ビーム２を生成する。図２に示すように、共振器３は、誘導放出によって光ビーム２を生成する実際のレーザー媒体６に後続するよう接続され得る。更に、レーザー媒体を囲うキャビティー内素子もその域に配置され、これら素子はレーザー媒体６において既にモード選択を実現している。この場合共振器３は、下流のファインフィルタとして機能し、実際に出力側においてビーム２が一つのモードだけを有することを確実にする。更に、レーザー媒体６を囲うミラー７及び８、又は、レーザー媒体６と直接的に関連付けられる他の手段が、単一の共振器３として機能することも可能である。レーザー１は、絶えず動作し、例えば、可視範囲で単色光を伝達し、光は、典型的には、例えば、４８８ｎｍ（アルゴンレーザー）の波長を有する。原則として、様々なタイプのレーザー、例えば、ソリッド・ステートレーザー、半導体レーザー、又は、ガスレーザーが使用され得る。本実施例では、チタンサファイアレーザーが使用される。
【００１２】
解像力を改善するために波長が減少した光源を使用することができるが、表面を外被する空気での光の散乱断面は増加する。ヘリウム環境又は真空状態における測定は理論的に可能であるが、非常に高価である。
【００１３】
レーザー１によって放出されるビーム２のビーム路にビームスプリッタ９が配置される。ビームスプリッタは、様々な方法、例えば、フレネルミラーとして、二重ギャップとして、偏向光キューブ及びλ／２板の組合せとして、又は、別の公知の機構として構成され得る。本実施例は、半透明な偏光ミラー９を有し、このミラーの後には検査されるべき表面１０の方向にλ／４板１１がおかれ、この板は、供給される光の偏光面を回転し、出力側で楕円偏光を生成し、この光は、顕微鏡対物（microscope objective）１２を介して例えば、ウェーハ１４の表面１０に直角に入射される。表面１０が理想的な円滑な表面である場合、反射された光１３は、再びλ／４板１１を通過し、ビームスプリッタ９で偏向され、モードフィルタ１５に供給されることが確実となる。
【００１４】
表面１０に光を合焦するために顕微鏡対物１２を使用することで本発明による測定方法において高い正確さを得ることを可能にする。所望の解像力に従って異なる顕微鏡対物１２を使用することができる。表面１０の光点９の大きさが小さくなるため、正確さが高いほど、測定にかかる時間は長くなる。
【００１５】
対物１２によって表面１０に結像される光点９は、この場合検査されるべきウェーハ１４の半径方向に可動な光学系を用いて移動され得、ウェーハの表面１０を完全に走査することが可能となる。入射ビーム２に影響を与え、要求される正確さになるよう非常に正確に調節されなくてはならない全体的な光学系が代わりに非常に有利に一定に保たれる一方で、ウェーハ１４は、回転運動に加えて、重畳された直進運動を実施し得、これにより図７に示す対象物１４の螺旋状の軌道Ｂが得られる。光点は、その位置を維持し、ウェーハ１４は表面１０が完全に走査され得るよう光点の下に移動される。
【００１６】
モードフィルタ１５として様々な、部分的に公知のモードフィルタを使用することができる。例えば、更なる共振器或いは位相素子、又は、光学ファイバが使用されてもよい。
【００１７】
図３は、共振器に基づくモードフィルタを示す図である。記載する共振器３に類似して、２つの凹面ミラー１６、１７がレーザー光源１の一部として中に設けられ、これらミラーは光軸に対して垂直に、互いに対向しておかれる。入射光１３は、ミラー１６を介してミラー１６と１７の間の共振器空間１８に入り、リヤミラー１７によって反射される。ミラー１６及び１７は、光学軸の方向に互いから距離Ｌ_１離間して位置する。この距離は、第１のミラー１６の焦点幅ｆ１と第２のミラー１７の焦点幅ｆ２の和に対応する。焦点幅ｆ１は及びｆ２は、図３に示す実施例では、同じである。しかしながら、必ずしもそうではない。ミラー１６と１７の間の距離と焦点幅は、共振器において抑制されるべき該モードに依存する。反射光１３のビーム路におけるモードフィルタ１５の前にはコリメーター光学系１９があり、この場合、コリメーター光学系１９は、レンズ１９と第１のミラー１６との間の距離と、第１のミラー１６の焦点幅ｆ１との和に焦点幅ｆ３が対応する集束レンズである。従って、ミラー１６及び１７の焦点Ｆ１及びＦ２と、レンズ１９の焦点Ｆ３は、本実施例において同じ点に位置する。これは、抑制されるべき所望のモードに依存して変化し得る。光学系に入る平行光１３は、焦点Ｆ３において束となる。凹面ミラー１６及び１７の曲率によって課される共振条件を満たすモードの光１３だけがモードフィルタ１５を通ることができる。
【００１８】
図４は、全体的な構造がマッハ−ツェンダー干渉計の構造に類似する代替のモードフィルタ１５．１を示し、ここでは、様々なモードの混合を含む場合がある入射ビーム１３が最初にλ／２板２０を通過する。従って、入射ビームの偏向面は９０°回転される。
【００１９】
影響を与えられた光ビーム１３．１は、ビーム１３．１をサブビーム１３．２及び１３．３に分離する偏光ビームスプリッタ２１に入射し、サブビーム１３．２は、ビーム１３．２及び１３．３を再び組み合わす第２のビームスプリッタ２３に直線的に供給される。
【００２０】
サブビーム１３．３は直角に偏向され、２つのミラー２４及び２５を介してビームスプリッタ２３に供給され、第１のサブビーム１３．２と再び組み合わされる。サブビーム１３．３は、サブビーム１３．２と比べてより長い光学距離を移動しなくてはならない。ミラー２４と２５との間には、光学軸の方向に互いから距離Ｌ_２だけ離間されている２つのレンズ２６及び２７の系が配置されている。この距離は、本実施例においてレンズ２６、２７の焦点幅の２倍である。
【００２１】
距離Ｌ_２は、レーザー光源のモードに正確に調節され、つまり、このモードの光は焦点Ｆ４において位相シフトを受ける。サブビーム１３．２と１３．３との間の位相差が正確に１８０°となるときサブビーム１３．２及び１３．３は、このモードで正確に振動する限りビームスプリッタ２３で破壊的に干渉する。位相差は、レンズ２６及び２７での位相シフト、及び、サブビーム１３．２及び１３．３の間の路の長さにおける差から生ずる。表面１０からの理想的な反射の場合、つまり、入射ビーム２の位相プロファイル及び振幅プロファイルに変化が無い反射の場合、モードフィルタ１５の後に続く検出器２８によってどの信号も受信されない（暗視野測定）。その結果、妨害は、明視野測定の場合よりも測定された信号に対してより少ない影響を与える。
【００２２】
２つのレンズ間のモードの記載した位相シフト（Ｇｕｏｙ位相）は、モードフィルタに関して初めて提案されたものである。しかしながら、このようなモードフィルタ１５．１は、表面検査以外のモードフィルタの様々な用途にも使用され得る。従って、一つのモードを確実に分離するモータフィルタ１５．１が実現され、他の幾つかのモードは構成上の干渉に制御される。様々なモードがレンズ２６と２７の距離及び焦点幅に依存して分離され得る。モードフィルタ１５は、従って、レンズ２６及び２７の変化によって同調され得る。
【００２３】
検出器２８は、表面１０に入射するビーム２の調節によって空間解像度が提供されるため、空間解像された方法で動作する必要はない。電気信号に入る光子を変換する様々な装置が検出器、例えば、二次電子増倍器としての使用に好適である。このような装置は、光に非常に感応なため、光の非常に弱い散乱も検出することができる。
【００２４】
光源１、表面１０、及び検出器２８が適切な偏向及び集束光学系の選択によって実現され得る様々な方法で配置され得ることは明らかである。当然のことながら、光２が表面１０に上から入射されることも必要でなく、下から入射されてもよく、或いは、異なる方向付けを有してもよい。
【００２５】
測定の典型的なパラメータは、以下の表に基づいて推定される。
【００２６】
【表１】

これらパラメータに対する信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は、約７００である。この値が欠陥の大きさの５乗に比例するため、ＳＮＲ＝１の場合には１６ナノメートル（ｎｍ）の大きさの粒子がまだ検出され得る。
【００２７】
本発明による装置は、ウェーハ１４の検査に好適なだけでなく、任意の他の半導体表面又は他の表面、例えば、薄層を有する基板、光学又は磁気記憶媒体、ＣＤ、ＤＶＤの表面、及び、半導体構造等の適用のためのマスクにも好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 装置の第１の実施例を示す図である。
【図２】 レーザー光源の詳細図である。
【図３】 モードフィルタを示す図である。
【図４】 代替のモードフィルタを示す図である。
【図５】 ｘ方向に見たときの、レーザーのＴＥＭ_１０ｐ振動モードを示す図である。
【図６】 サンプルホルダを示す図である。
【図７】 動きの軌道を示す、検査されるべき表面の平面図である。

Claims (8)

1. 少なくとも一つのレーザー光源と、検査されるべき表面によって反射される光のための検出器とを有し、表面を検査する、特に、一つ以上の半導体の表面（複数の表面）を検査する装置であって、
   上記反射された光と関連付けられる、且つ、少なくとも一つの横方向のレーザーモードをフィルタ処理するように具現された、少なくとも一つのモードフィルタを有することを特徴とする装置。
2. 上記モードフィルタは、上記レーザー光源のモードに対応する上記反射された光のモードを抑制することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 互いと干渉する少なくとも２つのサブビームに光ビームを分離するビームスプリッタを有することを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 上記サブビームの一方は、モード選択位相シフトのための装置を通過することを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 上記装置は、経路の長さにおける差と共に全体的に１８０°にわたるモードの位相シフトを実現し、上記サブビームはこのモードに関して破壊的に干渉することを特徴とする請求項４記載の装置。
6. １８０°にわたる位相シフトを実現するようＧｕｏｙ位相系に基づいて動作するレンズ系が設けられることを特徴とする請求項５記載の装置。
7. 表面が少なくとも一つのレーザー光源によって照射され、検査されるべき表面によって反射される光が少なくとも一つの検出器で検出される、表面を検査する、特に、一つ以上の半導体の表面（複数の表面）を検査する方法であって、
   所定のモードで光が上記レーザー光源から放出され、上記表面によって反射される光が、少なくとも一つの横方向のレーザーモードをフィルタ処理するように具現されたモードフィルタを通じて案内されることを特徴とする方法。
8. 上記モードフィルタが上記レーザー光源のモードを抑制し、上記モードに影響を与えない反射の場合には信号が検出されないことを特徴とする請求項７記載の方法。

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