JP4090069B2 - 表面の異常を検出するための光学システムおよび方法 - Google Patents

表面の異常を検出するための光学システムおよび方法 Download PDF

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Description

本発明は一般的に表面検査システムに関し、さらに詳しく言えば、半導体ウェーハ，フォトマスク，焦点板，セラミックタイル等の表面上の異常を検査するための高速走査システムに関する。
シリコンウェーハ上に製造される半導体装置はますます小型化してきている。例えば、本発明の出願時には、半導体装置は０．５ミクロン以下の分解精度で製造され、６４メガバイトＤＲＡＭは０．３５ミクロンの設計規定で製造されている。半導体装置がますます小型化していくことで、ウェーハ検査装置の感度に対する要求がさらに高まっており、このウェーハ検査装置とは、半導体装置のサイズと比較すると小さいものである汚染粒子やパターン欠陥を検出するのに使用されるものである。一方、ウェーハ検査システムが生産工程での欠陥ウェーハの検出用に使用できるように、これらのシステムには適切な処理能力を有することが望まれる。
本発明の現在の譲受人に譲渡されたストーンストロム等の米国特許第４，８９８，４７１号（特許文献１）では、走査ビームでのウェーハ表面の照明領域は走査方向に移動する楕円である。ストーンストロム等の一例では、楕円の幅は２０ミクロンで長さは１１５ミクロンである。そのような照明領域にある異常もしくはパターンにより光が散乱され、８０°〜１００°幅の方位角に位置する光電検出器が前記光を検出する。光電検出器により検出された信号はテンプレートを構成するのに使用される。楕円スポットを走査方向に沿って近接した位置へと移動する際に、前記スポット内の構造からの散乱光が再度検出され、その後、光電検出器の信号がテンプレートと比較され、通常のパターンとは異なる汚染粒子もしくはパターン欠陥が存在するかを確認する。ストーンストロム等の特許では、走査方向のウェーハ全体に延びるウェーハの細長い帯状部分を照明し検査するのに、走査ビームはウェーハ全体を走査する。それから、機械ステージによりウェーハが近接する長い帯状部分を走査するために、走査方向に対して垂直な方向に動かされる。その後、この操作はウェーハ全体にいきわたるまで繰り返される。
ストーンストロム等のシステムは、粗い分解精度で製造された半導体装置をもつウェーハを検査するのに非常に優れているが、製造装置のサイズがますます小型化されるにつれ、ストーンストロム等のシステムを使用しても検出するのが困難な微小サイズの異常を検出するのに使用する、改良された検査器具を提供することが現在望まれている。
米国特許第４，８９８，４７１号 光学走査のミルトン ゴットリーブによる「音響光学走査および変調器」（ジェラルド Ｆ．マーシャル編集，デッカー１９９１年，６１５〜６８５ページ）
本発明は、微小サイズの異常は走査光ビームで照明する領域のサイズを小さくすることで検出できるという認識に基づいている。前記スポットの構造から散乱される光は、表面のパターンにより散乱される光や、汚染粒子，パターン欠陥，もしくは表面の欠陥等の異常により散乱される光のような背景光を含む。そのような背景光は非常に大きいものである。このため、異常のサイズが照明領域のものと比べて小さいものである場合、そのような異常から散乱された光は背景光に圧倒され検出できなくなる。照明領域か照明スポットのサイズを小さくすることで、背景光の光強度に対して異常により散乱される光強度の割合が増加し、それにより検出感度が高まる。しかしながら、スポットのサイズがより小さくなると、ウェーハ全体を通る長い直線の走査線に沿ってスポットの均一性を保つことはさらに困難になる。走査通路を短い区分に分けることで、前記通路に沿ってスポットの均一性を保ちながらも、スポットのサイズをより小さくすることが可能となる。システムの観点から見ると、走査距離を縮めることで、散乱光を検出するための光収集機器のサイズがさらに取扱いやすくなる。
したがって、本発明の一つの特徴は表面の異常を検出し、グレージング角で光ビームを表面に向けるステップを含み、ビームが表面全体の全てにいきわたる走査通路を走査するようにビームと表面との間に相対運動を惹起させ、そして、異常を検出するために前記通路に沿って散乱する光を収集する方法に関する。前記走査通路は複数の走査通路区分のアレイを含んでおり、ここにおいて、少なくとも前記各走査通路区分のいくつかは、表面の大きさよりも短いスパンをもつ。
本出願において、検査対象の表面にある照明領域もしくはスポットの「最小幅」は、表面の方向に沿って領域もしくはスポットの周りにある境界の最小範囲と定義され、ここにおいて境界とは表面上の位置と定義されており、ここでの照明の光強度は領域もしくはスポットでの予め定められた最大照明強度の一部かある割合である。例えば、好適な実施例の記載において、前記境界は光照明強度が領域もしくはスポットの最大照明強度の１／ｅ2 のところであり、ここでｅは自然対数の底である。前記最小範囲は２本の平行な線の間の最短距離であり、この平行線の間には領域もしくはスポットの境界がある。「最小幅」という表現は、以下に詳細に記載される。
本発明では、欠陥を検出するのに適度な速度でデータを収集しながら、適切な処理能力を提供することも考慮されているので、用いるデータ収集や処理システムは過度に複雑かつ高価なものである必要はない。
したがって、本発明の別の特徴は、半導体ウェーハの表面の異常を検出し、約５〜１５ミクロンの最小幅のサイズをもつスポットを規定する表面の領域を照明するのに光ビームを表面に向けるステップを含み、ビームが表面全体の全てにいきわたる通路を走査するようにビームと表面との間に相対運動を惹起させ、そして、異常を検出するために前記通路に沿って散乱する光を収集する方法に関する。スポットのサイズや方向付けおよび惹起させるステップは、１５０ｍｍ直径ウェーハで毎時約４０ウェーハを超える処理能力で、２００ｍｍ直径ウェーハでは毎時約２０ウェーハを超える処理能力で、そして３００ｍｍ直径ウェーハでは毎時約１０ウェーハを超える処理能力で、ビーム走査はウェーハ表面の全体を検査する。
本発明のさらなる別の特徴は、表面の異常を検出し、約５〜１５ミクロンの最小幅のサイズをもつスポットを規定する表面の領域を照明するのに光ビームを表面に向けるステップを含み、ビームが表面全体の全てにいきわたる通路を走査するようにビームと表面との間に相対運動を惹起させ、そして、異常を検出するために前記通路に沿って散乱する光を収集する方法に関する。スポットのサイズや前記方向付けおよび惹起させるステップは、表面が少なくとも約１．５ｃｍ2 ／ｓの速度で検査されるものである。
本発明のさらなる別の特徴は、表面の異常を検出し、約５〜１５ミクロンの最小幅のサイズをもつスポットを規定する表面の領域を照明するのに光ビームを前記表面に向けるステップを含み、ビームが表面全体の全てにいきわたる通路を走査するようにビームと表面との間に相対運動を惹起させ、そして、異常を検出するために前記通路に沿って散乱する光を収集する方法に関する。前記表面は、表面に沿った方向に少なくとも２００ｍｍの大きさをもつ。方向付けおよび惹起させるステップは、ビームが約５０〜９０秒で表面全体を全て走査するものである。
本発明の別の特徴は表面の異常を検出し、グレージング角で光ビームを表面に向ける手段と、ビームが表面全体の全てにいきわたる走査通路を走査するようにビームと表面との間に相対運動を惹起させる手段と、そして、異常を検出するために前記通路に沿って散乱する光を収集する手段を含むシステムに関する。前記走査通路は複数の走査通路区分のアレイを含んでおり、ここにおいて、少なくとも前記各走査通路区分のいくつかは、表面の大きさよりも短いスパンをもつ。
本発明のさらなる特徴は、半導体ウェーハの表面の異常を検出し、約５〜１５ミクロンの最小幅のサイズをもつスポットを規定する表面の領域を照明するのに光ビームを前記表面に向ける手段と、ビームが表面全体の全てにいきわたる通路を走査するようにビームとウェーハとの間に相対運動を惹起させる手段と、そして、異常を検出するために前記通路に沿って散乱する光を収集する手段を含むシステムに関する。スポットのサイズや前記方向付けおよび惹起させる手段は、１５０ｍｍ直径ウェーハでは毎時約４０ウェーハを超える処理能力で、２００ｍｍ直径ウェーハでは毎時約２０ウェーハを超える処理能力で、そして３００ｍｍ直径ウェーハでは毎時約１０ウェーハを超える処理能力で、ビーム走査はウェーハ表面の全体を検査する。
本発明のさらなる別の特徴は、表面の異常を検出し、約５〜１５ミクロンの最小幅のサイズをもつスポットを規定する表面の領域を照明するのに光ビームを前記表面に向ける手段と、ビームが表面全体の全てにいきわたる通路を走査するようにビームと表面との間に相対運動を惹起させる手段と、そして、異常を検出するために前記通路に沿って散乱する光を収集する手段を含むシステムに関する。スポットのサイズや前記方向付けおよび惹起させるステップは、表面が少なくとも約１．５ｃｍ2 ／ｓの速度で検査されるものである。
本発明のさらなる別の特徴は、表面の異常を検出し、約５〜１５ミクロンの最小幅のサイズをもつスポットを規定する表面の領域を照明するのに光ビームを前記表面に向ける手段と、ビームが表面全体の全てにいきわたる通路を走査するようにビームと表面との間に相対運動を惹起させる手段と、そして、異常を検出するために前記通路に沿って散乱する光を収集する手段を含むシステムに関する。前記表面は、表面に沿った方向に少なくとも２００ｍｍの大きさをもつ。方向付けおよび惹起させるステップは、ビームが約５０〜９０秒で表面全体を全て走査するものである。
簡潔にするために、本発明の異なる図にある同一の構成部分には、同一の参照番号が付されている。
図１Ａは本発明を説明するもので、本発明のシステムにより検査対象の表面に照明される楕円形の領域（もしくはスポット）の略図である。以下に説明するように、検査される表面を照明するレーザビームはグレージング角で表面に近づくので、照明ビームの断面が環状であっても、照明される領域は図１Ａの領域１０のように楕円形である。当業者に既知であるが、レーザビームのような光ビームでは、光強度は通常均一に配分されず、そして図１Ａにあるスポット１０の境界１０ａのような照明されたスポットの境界で光強度は突然０に落ちるわけではない。その代わり、光強度はある一定の傾斜で照明されたスポットの外縁で落ちるので、図１Ａに示されている境界１０ａのようなはっきりとした境界ではなく、境界は通常ぼやけており、照明領域の中心から離れるに従って強度が弱くなるバンドを形成する。
多くのレーザでは、発光されるレーザビームは図１Ｂに示されているようなガウス強度分布をもつ。図１Ｂは、レーザビームのＹ方向における照明強度の空間分布を示したグラフであり、前記レーザビームは、好適な実施例において、図１Ａに示されている検査対象の表面のスポット１０を照明するために使用されるものであり、そして図１Ｂはまた、Ｙ方向のスポット１０の照明強度分布である。図１Ｂに図示しているように、照明強度は頂点が１になるような基準に合わせており、また照明強度には、Ｙ方向そしてＸ方向のガウス分布も示されている。点１２と１４は空間位置ｙ１とｙ５にあり、前記点で照明強度は頂点強度の１／ｅ2 に落ち、ここでのｅは自然対数の底である。スポット１０の最小幅は、前記２つの点の間の距離（ｙ１とｙ５との間の距離）であり、楕円の照明領域１０の短軸の長さであって、図１Ａで幅ｗとして示されており、好適な実施例を記載するのにここで用いられている。スポット１０は、照明がスポットの中心の最大照明強度の１／ｅ2 である境界１０ａの領域で規定されている。
広義には、楕円のスポット１０ａの「最小幅」を、領域もしくはスポットの境界を囲む２本の平行線の間の最短距離と定義する。例えば、図１Ａのスポット１０を参照すると、線ｑ１やｑ２のような境界１０ａを囲む２本の平行線を引く場合、線ｑ１とｑ２間の距離がｄであり、これは、ｑ１とｑ２の両方が境界１０ａに接触するときに最小になる。距離ｄは、線ｑ１とｑ２が格子線ｙ１とｙ５に一致するときに全ての方向に対して最小になるので、スポット１０の最小幅はｗである。１０ａが楕円ではなく、別の形、例えば、長方形，正方形，もしくは不規則な形である場合でも、同じ幅の定義が当てはまる。
図１Ｂは、レーザーか光ビームのメインローブのみを示している。メインローブはまたサイドローブもともなうことが知られているので、領域もしくはスポット１０の外側の表面領域も照明され、サイドローブの表面構造によって散乱される光そして検出器によって収集されたものは雑音の原因となる。
上述された記載において、検査対象の表面サイズに比べ相対的に小さいスポットでは、ウェーハの長さもしくは幅全てにいきわたる走査線を通るようにスポットの均一性を維持することは困難になる。図１Ａ，１Ｂを参照すると、焦点面の強度分布のメインローブにおける最小幅（すでに定義された）ｗが変動することと、サイドローブのレベルは、ビームが表面を走査するときのスポット１０の均一性の基準となるものである。最小幅とサイドローブのレベルが走査線上でほとんど変動しない場合、スポットは均一の状態である。すなわち、スポットのサイズが検査対象の表面のサイズに比べて相対的に小さい場合、ウェーハの全幅にわたる長い走査線の全長にいきわたる焦点面の強度分布のメインローブに均一な幅を維持しそしてサイドローブに均一なレベルを維持することは困難となる。これら２つのパラメータ（メインローブの幅とサイドローブのレベル）のどちらか一つが変動すると、走査方向に望ましくない検出感度の変動が生じる。
以上の問題点を考慮して、本出願人は、図２および図４の好適な実施例に図示されているように、走査する表面の大きさよりも小さな空間的スパンをもつ短い走査通路区分を光ビームが走査することで均一な検出感度を維持しながらも、走査線ビームで照明される領域のサイズを小さくした表面検査システムを発明し、ここにおいて、これらの短い走査通路区分は互いに接続はされていないが、以下により詳細に説明するように走査通路区分のアレイを形成するように設けられている。
本発明の表面検査システムを図２および図３を参照して記述する。図２に示されているように、システム２０はレーザビーム２４を発光するレーザ２２を含む。ビーム２４はビーム拡張器２６で拡張され、拡張ビーム２８は音響光学偏向器（ＡＯＤ）３０で偏向ビーム３２に偏向される。偏向ビーム３２は、ＡＯＤ後の偏光選択光学系３４を通過し、そこから生じたビームは、半導体ウェーハ，フォトマスク，もしくはセラミックタイルのようなパターン化されたものやされていないものの検査対象となる表面４０のスポット上にあるテレセントリック走査レンズ３６で焦点が合わされる。
表面全体を走査するために表面４０に焦点を合わせた照明領域を移動させるには、ＡＯＤ３０で偏向ビーム３２を方向転換し、表面４０の照明スポット１０を走査線５０に沿って走査する。図２に示されているように、走査線５０は、走査線と同じ方向に沿って表面４０の大きさよりも短い長さをもつ直線が好ましい。線５０が曲がっている場合でも、その全長はほぼ同じ方向に沿って表面４０の大きさよりも短いものである。照明スポットが走査線５０に沿って表面４０の走査を終了した後、ウェーハの表面４０はＸ軸方向に移動するので、表面の照明領域は矢印５２に沿って移動し、そして、ＡＯＤ３０は走査線５０に平行でＸ軸の負の方向に沿って走査線５０から離れた近接した位置にある走査線に沿い、照明スポットを走査をする。照明スポットがそのような走査線に行き渡った後、表面４０は少しの距離だけ移動するので、照明される表面の領域は、異なるＸ位置にある近接した走査線を走査するために、方向５２に沿って移動する。以下に記載するように、この少しの距離とは、スポット１０の高さの約４分の１と同じ距離のものが好ましい。この手順は照明スポットが帯状部分５４にいきわたるまで繰り返され、ちょうどこの時点で照明領域は縁５４ａにあるかその付近に位置する。そのような点で、表面４０は走査線５０の長さ分Ｙ方向に沿って移動されるので、縁５６ａかその付近の位置から開始され、近接する帯状部分５６を走査してその部分をカバーする。それから、帯状部分５６の表面は同じ方法で５０のような短い走査線でカバーされ、その後、帯状部分５６の他端もしくは縁５６ｂは、点表面５０が帯状部分５８を走査するようにＹ方向に沿って再度移動される場所へ達する。この手順は、帯状部分５４，５６，５８が走査される前に繰り返され、そして前記帯状部分が走査された後、表面全体４０が走査されるまで続く。したがって、表面４０は複数の短い通路区分のアレイを走査することで走査され、それら全てで表面４０の全体をカバーすることになる。
図４は、２つの帯状部分５４，５６の一部の分解図と２つの他の近接する帯状部分の一部を示したもので、上述した走査手順を詳細に説明するためのものである。図４に示されているような好適な実施例において、光ビーム３８は、走査通路区分５０，５０' ，５０''，５０''' の矢印で示されている一方向にのみ走査する。走査通路５０には事実上の開始位置７２があり、スポット１０は帯状部分５４と５６との間の境線５５に達するまでそこから右側へ移動する。境線５５に達すると、ステージ（図３参照）は表面４０を走査方向Ｙに垂直なＸ方向に移動し、スポットは新しい開始位置７４に達し、走査線５０に平行な走査線５０' に沿って移動する。以下に説明するように、走査線５０，５０' ，５０''，５０''' 等に沿ってスポット１０を移動するのはＡＯＤ３０である。
ＡＯＤ３０によるビーム３２の偏向は、チャープ信号を発生するチャープ発生器８０により制御される。チャープ信号は増幅器８２により増幅され、当業者には既知の方法で、ビーム３２の偏向を生じさせる音波を発生させるものであるＡＯＤ３０の変換部に送られる。ＡＯＤの動作の詳細な記載に関しては、光学走査のミルトン ゴットリーブによる「音響光学走査および変調器」（ジェラルド Ｆ．マーシャル編集，デッカー１９９１年，６１５〜６８５ページ）（非特許文献１）を参照されたい。簡潔に述べると、ＡＯＤ３０の変換部により発生した音波は、周期的に音響光学結晶の光屈折率を変換することで、ビーム３２が偏向する。チャープ発生器８０が適切な信号を発生するので、レンズ３６で焦点を合わせた後、ビーム３２の偏向により焦点合わせされたビームが、記述した方法で、ライン５０のような走査線に沿って走査する。
チャープ発生器８０は、好適な実施例においてマイクロプロセッサを含むタイミング電子回路８４で制御される。マイクロプロセッサはチャープ発生器８０に開始および終わり周波数ｆ１，ｆ２を供給し、前記発生器は、周波数ｆ１，ｆ２で決定された予め定められた範囲の偏向角でビーム３２の偏向を生じさせる適切なチャープ信号を発生する。自動位置決めセンサ（ＡＰＳ）光学器９０およびＡＰＳ電子装置９２は表面４０の高度もしくは高さを検出するのに使用され、関連出願の一部となるものである。検出器１１１ｂのような検出器は、走査線５０に沿って、異常の他に表面や他の構造により散乱された光を収集し、異常の特徴を検出し分析するために、処理装置に出力信号を送る。
図３は収集もしくは検出チャンネルの配置を詳細に示す図２のシステム２０の斜視図で、好適な実施例を説明するものである。図３に示されているように、４つの収集チャンネルが使用されており、２つのチャンネル１１０ａ，１１０ｂは散乱光を収集するためのもので、それぞれ方位角−（７５−１０５）°と（７５−１０５）°の範囲のものである。また、さらなる２つの収集チャンネル１１１ａ，１１１ｂは前方の散乱された光を検出するためのもので、それぞれ方位角−（３０−６０）°と（３０−６０）°の範囲のものである。任意に、収集の他の固定角をもつ４つの独立した収集チャンネルを設けることも当然可能であり、前記収集チャンネルのうちの２つは前方方向で±４５°の方位角に集中した光を収集するのに前方方向に設けられ、そして前記チャンネルの２つは±９０°の方位角に集中した光を収集するのに設けられる。
図５は４つの検出器の収集角度を示した平面図である。図５に示されているように、チャンネル１１０ａ，１１０ｂの収集固定角にはΦ1 が、そしてチャンネル１１１ａ，１１１ｂにはΦ 2が付されている。図を簡潔にするために、レーザ２２と焦点ビーム３８の間にある構成部分は図５には示していない。図３を参照すると、システム２０は画像チャンネル１２１と位置合わせ／登録チャンネル１２２も含む。
表面４０は滑らかな部分（１１８）かパターン化された部分（１１９）である。入射焦点ビーム３８は表面４０に垂直な方向１５０に対して約１０〜８５°の範囲にあるのが好ましく、垂直方向から５０〜８０°の範囲にあるのがさらに好ましく、図３では、この角度にΘを付している。４つの収集チャンネルは、表面４０の平面から３〜３０°の散乱光を収集する仰角αに位置することが好ましい。
改良された検出感度
検出感度の観点からは、照明スポット１０の最小幅ｗが最小限度にされるようにシステム２０の照明光学部分が設計されることが望ましい。最小幅ｗはレンズ３６の焦点距離に比例し、ビーム２８および３２のビーム直径に反比例する。それ故に、最小幅ｗは、レンズ３６の焦点距離を減少させるかビーム２８の直径を増加させるか、または両者により減少させることができる。しかしながら、もしレンズ３６の焦点距離が増大させられれば、これは走査線５０の長さを増大させられることになり、好ましくない。ビーム２８の直径がＡＯＤ３０の結晶の透明窓と比較することができれる程度になればこれは高いレベルのサイドローブを生成することになり好ましくない。前述したように、サイドローブの増大させられたレベルは背景信号のレベルを増大させる。出願人はＡＯＤ３０での透明窓のビーム２８および３２の直径に対する比率ｋが、１．２を超えることが好ましいことを発見した。
長いＡＯＤの結晶を用いることによって、ビーム２８および３２の直径を増加することができ、一方ｋを１．２以上に保つことができる。しかしながら、コストを考慮すると、より大きいＡＯＤの結晶はより大きい損失を引き起こし、それにより前記ＡＯＤ装置の回折効率を低下させることになる。この理由により、同時に感度および処理能力の要求を満たして、できる限り小さいＡＯＤの結晶を用いることが望ましい。ＡＯＤ３０に入射するビーム２８が、ガウス分布の強度プロファイルを持つとし、前記ＡＯＤの透明な開孔Ｄが次の式を満足するとすると：
Ｄ＝４ｋｌｖ／Πw Δｆ， （１）
ここにおいてΠは円周率である。
ここにおいてｌは走査通路区分５０の走査線であり、ｖはＡＯＤ結晶３０中の音響速度であり、ｗは表面の４０上の楕円のスポットの短径（また楕円でないときはスポットの最小の幅）の長さであり、Δｆまたは（ｆ2 −ｆ1 ）はＡＯＤ３０の帯域幅である。定数ｋは１．２から５の範囲にあることが好ましい。ある実施例ではｋは１．７でありｌは２〜１０ｍｍの範囲内である。
処理能力についての配慮
実際の製造現場でウェーハの全体的な表面を詳しく検査する半導体ウェーハ検査装置において、その装置の処理能力は絶対的なものである。それ故に、前述の感度の可能性に加えて、本発明のウェーハ検査システムは、高い処理能力をもつことを要求される。半導体ウェーハを検査するために必要な時間はまず、前記ウェーハの全表面を走査するための光ビームの照明のために必要な時間を含む。前述した短い走査通路区分の走査を実行するために、全体的な表面を走査するために必要な時間は多数の要因に依存する。明白な要因は、前記照明ビームの照明角度が図３に示されている検査対象の表面に垂直な線１５０と前記照明ビームとの角度Θである。Θの値が大きくなればなるほど（つまり入射のグレイジング角度がより小さくなる程) 図１Ａにおけるスポット１０の形がより長くなり、検査されるべき領域もより大きくなる。処理能力に影響するさらに他の要素は、照明ビームの強度分布が典型的には平坦ではなく変化し, 例えばガスウ分布の形をとる, という事実である。したがって、表面の上のある位置からの散乱の強度はその位置における照明光の強度に依存する。そのような強度の変動を補償するために、後述されるように図６に図解されているようにスポットが表面を移動させられる際、特定の位置からの散乱から多数のデータ点が得られる。
図６は、システム２０の走査とデータ収集方法を説明するために、検査されるべき表面上の３つの位置を略図的に示したものである。図６に示されているように、ある瞬間にビーム３８は表面４０の領域１０を照明している。領域あるいはスポット１０は格子線ｘ１〜ｘ５，ｙ１〜ｙ５によって１６個のピクセルに分けられる。この明細書で用語「ピクセル」は図１Ｂのような強度分布からデータサンプルを取得し、引き続き処理されることに関連して用いられ、他の技術分野、例えばビデオ技術、のデータサンプリングや処理を転用したものである。格子線ｘ２，ｘ３とｙ２，ｙ３によって囲まれたピクセルはピクセルＰであり、図６に斜線を施して示されている。このピクセルＰに異常があり、前記ピクセルＰを照明する光が図１Ｂに示されているように格子線ｙ２とｙ３間の強度分布を持つとすると、前記異常散乱された光も同様に高い強度をもつであろう。しかしながら、ビームがＹ軸に沿って移動して、領域１０' が替わりに照明されたとすると、ピクセルＰは図１Ｂを参照すると格子線ｙ１とｙ２の間のより低い強度レベル、すなわち図１Ｂの格子線ｙ１とｙ２の間の照明強度である。したがって、もし収集または収集チャンネル１１０ａ，１１０ｂ，１１１ａ，１１１ｂにより検出された光を処理するための図３の処理装置２００によるサンプリングのレートは、前記照明ビームが位置１０にあるときと、前記照明ビームが位置１０’にあるとき、サンプルが取得されるものである場合、２つのデータ点が記録されることになる。かくして、もしピクセルＰが異常を包含すれば、２つのデータ点が取られ、一つは図１Ｂのデータ点Ｄ２により図解される高いレベルの照明時であり、他の一つは、図１Ｂのデータ点Ｄ１により図解されるより低いレベルの照明時である。もし位置１０が図３と図４に図示された短い走査通路区分５０の出発点でないときには、２つの先行するサンプルが照明ビームが表面４０の位置１０を照明するときよりも前に取り入れられ、前記処理装置はさらに２つのデータ点Ｄ３，Ｄ４を格子線ｙ３，ｙ４と格子線ｙ４，ｙ５の強度値の光がそれぞれピクセルＰを照明するときに前記照明ビームの先の位置に対応して取得するであろう。換言すれば、ピクセルＰの異常により散乱された光による４つの分離されたデータ点Ｄ１〜Ｄ４が、Ｙ方向への走査の際に前記照明ビームがピクセルＰを照明する際に獲得されたであろう。
多くのレーザビームにおいて、ビーム強度はＹ方向だけではなくＸ方向にもガウス分布を持つ。この理由により、照明ビームが図４に示されているように区分５０のような短い走査通路区分を走査するための走査動作を終了したあとで、かつ、隣接する短い走査通路区分５０’を走査するための位置７４に帰るときに、通路５０' に沿った照明領域が走査通路５０に重なり、多数のサンプルまたはデータ点がＹ方向と同様にＸ方向にも取得されるようにすることが好ましい。図４においてスポット１０は隣接する走査区分との間の重なりを示すために実際の比率に合わせて示されていない。それ故に、図４に示されているように開始位置７４から走査線５０' に沿って前記照明ビームが走査しているときに、照明されている領域はスポット１０に重なるものであり、この重なりのスポットは図６に１０''で示されており、ここにおいてスポット１０''はＸ軸の負の方向に楕円１０と１０''の長径の１／４だけずれている。
上述したように、スポット１０, １０' ，１０''の最小の幅（すなわち短軸の長さ) はｗである。もし、図３に示されているように検査されるべき表面４０に垂直な線１５０と前記照明光ビームの角度がΘであれば、楕円１０, １０' ，１０''の長軸の大きさはｗ／ｃｏｓΘとなる。したがって、各短い走査通路区分において照明光ビームによって次々に照明される領域は（ｗ／ｃｏｓΘ）＊ｌとなり、ここにおいてｌは走査通路区分、例えば５０の長さである。かくして、もし表面４０の半径がＲで前記短い走査通路区分で走査するために必要な時間をＴとすると、前記照明光ビームが全ウェーハを走査するに要する時間はＮΠＲ2 ＴｃｏｓΘ／ｌｗ（ここでは、デュ−ティファクタと照明光学系が前記ビームを帯状部分間、例えば帯状部分５４，５６を動かすための時間は計算に入れていない）。この表現においてＮは各スポット例えば１０，１０’，１０''のＸ軸に沿ったピクセルの数であり、表面の各ピクセルは前述したように、ｘ方向に照明の強度の変化を計数するために走査の過程でＮ回照明される。図６に図解されている好適な実施例では、４個のデータ点はＸおよびＹ方向の両方に取り入れられ、Ｎは値Ｔをもつ。
図２〜４に関して上述された走査方法で、照明光学系において照明スポットを帯状部分間例えば帯状部分５４と５６間で移動する時間が必要になる。もしΤが帯状部分間の照明スポットの移動に必要な時間であるとすると、この付加的な時間は全体のウェーハを走査するために必要な総時間に加算されるべきである。上に記述された好適な実施例でステージ１２４はモータを含み、そのモータは図２および３に示されているように、照明用のスポットが前記表面の一つの帯状部分から隣の帯状部分に移動させるのに用いられる。半径Ｒの円形のウェーハにとって、全体のウェーハの帯状部分の全てを通るように隣接する帯状部分間でスポットを移動させるには２Ｒ／ηｌ回必要となるから、２Ｒτ／ηｌ時間が必要となり、ここにおいてηはデューティファクタ（後述する）である。
当業者に知られているように、ＡＯＤ３０が短い走査通路区分、例えば５０に沿ってビーム３８が走査させるために用いられると、前記走査の始めに、ＡＯＤの変換部分で発生させられた音波がビームの偏向を開始させるために前記ＡＯＤの遠端に到達するまでの時間が必要になる。これは、下記の式２で表される方程式により与えられるデューティファクタという量として説明され、それ故に、システム２０が半径Ｒのウェーハの全表面を走査するための全時間は、下記の（３）式で与えられるｔs となる。
η＝１−（４ｋｌ／Πw ＴΔｆ） （２）
ｔs ＝（ＮΠＲ2 ＴｃｏｓΘ＋２Ｒτw ）／ηｌw （３）
上記方程式３から、走査通路区分，例えば５０に沿って走査するための時間Ｔが短ければ短いほど、全体のウェーハを走査する時間が短くなり、その結果処理能力が大きくなる。前記時間Ｔはチャープ時間と言われるものであり、これもまたデータ速度を決定する。データを処理するための電子回路の速度が、最終的に前記チャープ時間の低いほうの限界を決定する。
上記方程式１から、与えられたスポットサイズについて、前記走査通路区分とｋの値については、帯域幅Δｆまたはｆ2 −ｆ1 が大きければ大きい程、前記ＡＯＤに必要な透明な開孔はより小さくなる。最大帯域幅をＡＯＤから得るために、前記ＡＯＤは可能な限り高い周波数で動作させられるべきであり、そして前記変換器の中心の回りに１オクターブの帯域幅を期待している。しかしながら、ＡＯＤ結晶の前記音響的な損失は、作動の中心周波数とともに増大する。大きな音響的な損失は２つの主要な問題を惹起する。それは、散乱効率の減少と結晶中に惹起される熱誤差である。回折効率の減少は微粒子に対するシステムの感度を減少させる。前記ＡＯＤ変換器が高周波数で動作させられると、音響エネルギーがより多く熱に変換されそれが前記ＡＯＤ結晶中に熱の勾配を形成する。そのような熱の勾配は焦点スポットの品質低下の原因となり、それは異常の検出の感度の減少につながる。それ故に、音響損失を少なくするために、前記変換器の中心周波数を低くとることが有利である。受入可能な検出感度と受入可能な処理能力との妥協点を見いだす必要がある。出願人は５０〜３００メガヘルツの範囲の中心周波数および好ましくは５０〜２５０メガヘルツの範囲内での帯域幅を受容できることを見い出した。前記ＡＯＤ３０は好ましくは、図２の発生器８０からの直線周波数変調（ＦＭ）によるチャープ信号により駆動される。前記量ηｌは、走査通路区分の実行長であり、好適な実例態では前記実行長は、２から１０mmの範囲であり、より好ましくは５．４７ｍｍの値が好ましく、ここにおいてｌの値は６. ２ｍｍである。
上記の方程式３からは、角度Θが大きければ大きい程処理能力が大きくなり、その理由は照明されるスポットが前記表面のより大きい領域をカバーするからである。しかし前述したように、前記スポットのサイズが大きければ大きいだけ、検出の感度はより低くなる。好適な実施例においては、Θは１０から８５°の範囲であり、より好ましくは、５０から８０°の範囲である。
上記の方程式３から、前記照明されたスポットの直径を横切って獲得されるサンプルの数が大きければ大きい程、前記ウェーハを走査するのにより多くの時間がかかることは明白である。好適な実施例で、照明されたスポットの直径に沿った直交する軸（ｘ，ｙ）上の両方のサンプルの数は２〜１０の範囲である。ここにおいて、前記Ｘ軸に沿って少なくとも４つのサンプルが獲得され、式３においてＮは４である。
感度を考慮すると、照明された領域の最小の幅ｗは５〜１５ミクロンの範囲内にあることが好ましい。もし、Θが５０〜８０°の範囲内にあれば、走査通路区分５０が、前記表面が２．５ｃｍ2 ／ｓより遅くない速度で、さらに好ましくは約２．５〜３．８ｃｍ2 ／ｓの速度で検査されるように照明ビームで照明される。
上記の式３から、もし前記ウェーハまたは照明ビームの移動に必要な時間に照明されたスポットが隣接する帯状部分、例えば帯状部分５４, ５６間を移動するための時間を勘案すると、前記全体の表面４０を走査するための平均の速度は区分５０のような短い走査通路区分を走査するために時間と比較して減少させられる。そのうえ、全ウェーハを検査するための速度は、図６を参照して説明したように全ウェーハ上の各ピクセルが、多数回走査されるので、ウェーハ全体を検査するための速度はさらに減少させられる。もしτの値がおよそ０．３秒で、各走査通路区分に沿っての走査の速度が２．５ｃｍ2 ／ｓであれば、前記全体の表面を照明ビームにより走査する平均の速度は１．５ｃｍ2 ／ｓより少なくない。好適な実施例で、前記平均の速度は好ましくは約１．５から５ｃｍ2 ／ｓである。走査された表面４０が表面に沿って任意の方向に２００ミリメートルより少なくない大きさをもっていれば、照明ビームはおよそ５０〜９０秒で全体の表面を走査する。前述したように、区分５０のような前記走査通路区分の長さは検査されるべき前記表面４０の大きさに比較して小さいことが好ましい。好適な実施例において、これらの区分は実質的に２〜１０ミリメートルの範囲内にある。
好適な実施例において発生器８０は、直線ＦＭチャープ信号を前記ＡＯＤを駆動するために発生し、前記チャープ期間は好ましくは２０〜２００μ秒で、さらに好ましくは、およそ８０〜１２０μ秒の範囲である。前記ＡＯＤ３０による偏向の前にビーム２８は、少なくとも一つの横断面寸法（例えばもっと長い寸法）およそ４〜１２ミリメートルの範囲内を持っている。好ましくは前記走査レンズ３６は前記ＡＯＤ３０から実質的にある焦点距離だけ離れて配置され、前記ビーム３８は前記表面４０をテレセントリックに走査する。
前述したように、高い感度でかつ高い処理能力を持つ表面検査システムを提供する本発明の目的は、データサンプリングと処理電子回路を穏当なコストで作成し、適当なデータ転送速度（例えば２２ＭＨｚ）で達成できる。このシステムは０．３５ミクロンの設計規定で設計されたパターン化されたウェーハ、例えば６４および２５６メガビットのＤＲＡＭ技術のもの、の検査が可能である。このシステムはメモリまたは論理装置の汚染粒子とパターン欠陥を検出することができる。ステージ１２４上のウェーハ４０を取り外し置き換えるための現在のロボット技術をシステム２０で利用できそして固有の遅れ（約２５秒／ウェーハ）をもつものであり、前述したシステム２０は、１５０ｍｍ直径のウェーハ（６インチウェーハ）を毎時４０ウェーハ以上、２００ｍｍ直径のウェーハ（８インチウェーハ）を毎時２０ウェーハ以上、３００ｍｍ直径のウェーハ（１２インチウェーハ）を毎時１０ウェーハ以上の検査が可能である。
図７Ａ，図７Ｂは、本発明によって用いられる偏光の方式を示す側面図である。ある偏光の方式を採用することにより，システムの信号対背景光の比率が実質的に改善されることが知られている。前記採用された偏光の方式は表面依存性であり、異常の構成（例えば誘電体材料に対する金属）を決定するために使用可能である。パターン欠陥に対して、図２のＡＯＤ後の偏光選択光学系３４に含まれる偏光素子はＰかＳの偏光のどちらかの状態での照明のビームに向かう。図７Ａは、照明用のビーム２１４が、Ｓ偏光の状態にあることを示しており、電界Ｅは入射平面に対して直角であり、前記入射平面は前記入射ビーム２１４と前記鏡面反射されたビーム２１４ａにより定義され、この入射平面はこの紙の平面に平行である。前記ビームのベクトル表現は伝搬方向を示すｋベクトルで示される。磁界はＨベクトルとして示される。前記入射平面に対して直角である電界のベクトルは点で示されＥが付されている。図７Ｂにおいて、前記ビーム２１４はＰ偏光を示しており、前記電界Ｅは入射平面でこの紙の平面にある。図７Ｂにおいて、前記ビーム２１４は伝搬ベクトルｋの形で示され、磁界のベクトルは点で示されＨが付されており、電界ベクトルＥは伝播ベクトルｋに対して直角である。ＰかＳの分極の状態のかわりに、照明ビームは左の、または右円偏光であり得る。ここにおいて、前記照明ビームの偏光状態は信号対雑音背景光を最適にするために選ばれそして検出のためのコレクタまたはコレクタチャンネルは検出能力とＳＮ比を増大するために予め定められた偏光状態の光を通過させる偏光フィルタを含んでいる。
上に記述された本発明で、前記走査通路区分はまっすぐな行として記述され、説明されているが、例えば前述したＸおよびＹの方向でのまっすぐな行に沿って移動させられる替わりに、ウェーハが軸の回りに回転させられるようにすることもできる。上に記述された好適な実施例で、短い走査通路区分はアレイを作り各アレイが実質的に前記ウェーハの矩形帯状部分をカバーする例を示したが、全体の表面４０をカバーするために他の異なる配列も可能であり、それらおよび他の変形は本発明の範囲に属するものと理解されたい。前記スポット１０が前記表面４０の端に近接するにつれて、前記走査通路区分の長さは前記スポットが表面４０の外に落ちないように減少させられるであろう。もし、ある区分が前記表面の大きさに対して小さいスパンをもち、前記区分の長さが異なっても前述した全ての特徴を得ることができる。また前記ＡＯＤ３０は多角ミラーまたはガルバノメータにおき変えることができる。本発明は好適な実施例を参照して説明されたが、変更および変化は添付の請求の範囲によって定義される本発明の範囲を逸脱することなくなされるものであると理解されたい。
本発明を説明するもので、検査対象の表面に照明される楕円形の領域もしくはスポットの略図である。 本発明を説明するもので、スポットの境界を規定した図１Ａの楕円スポットの幅もしくは短軸の照明強度を示したグラフである。 本発明の好適な実施例を説明するもので、半導体ウェーハ表面の異常を検査するためのシステムの一部の斜視図および一部のブロック図である。 図２のシステムの照明および収集の特徴を詳細に示した斜視図である。 本発明の好適な実施例を説明するもので、表面の照明スポットの走査通路を示した半導体のウェーハ表面のある小さな部分の略図である。 図３のシステムの照明および収集角度を示した略図である。 本発明の走査およびデータ収集過程を説明するもので、３つの楕円の照明領域もしくはスポットの略図である。 検査対象の表面を照明するもので、本発明の偏光の方式を示した側面図である。 検査対象の表面を照明するもので、本発明の偏光の方式を示した側面図である。

Claims (2)

  1. 表面の汚染粒子またはパターン欠陥などの表面の異常を検出するための光学システムにおいて、
    表面に垂直方向から５０〜８０°の範囲の斜角で表面を照明する偏光された放射ビームを供給する光学系と、
    ２つ以上の検出器と、
    表面から散乱される放射をチャンネルに沿って収集し、かつ収集される散乱放射を検出器へ照射し、それに応じて検出器に出力信号を供給させる複数の光学素子であって、前記チャンネルおよび検出器が、各検出器が他の検出器によって感知される放射とは異なる方向で表面から散乱される放射を感知し、かつ前記検出器のうちの少なくとも１つが表面から３〜３０°の範囲の仰角で放射ビームに対して前方方向に表面から散乱される放射を感知するような配置とする前記複数の光学素子と、
    ビームと表面との間に相対運動を各々惹起させる移動ステージと音響光学偏向器を備える装置であって、ビームが表面全体を実質的にカバーする走査通路区分の複数のアレイを含むように構成される走査通路を走査し、少なくともいくつかのそのような走査通路区分の各々は表面の面積よりも短いスパンを有し、その結果ビームが表面の異なる部分を照明するようにさせられ、かつ検出器がビームによって照明される表面の異なる部分からの放射に応じて出力信号を発生するようにする前記装置と、
    異常を識別するために検出器から異なる方向で表面の異なる部分から散乱される放射を考慮して前記検出器の出力信号からの情報を処理するプロセッサと、
    を備える表面の汚染粒子またはパターン欠陥などの表面の異常を検出するための光学システム。
  2. 表面の汚染粒子またはパターン欠陥などの表面の異常を検出するための光学方法において、
    偏光された放射ビームを用いて表面を表面に垂直方向から５０〜８０°の範囲の斜角で照明するステップと、
    表面から散乱される放射をチャンネルに沿って収集し、かつ収集される散乱放射を２つ以上の検出器へ照射し、それに応じて検出器に出力信号を供給させ、各検出器が他の検出器によって感知される放射とは異なる方向で表面から散乱される放射を感知し、かつ前記検出器のうちの少なくとも１つが表面から３〜３０°の範囲の仰角で放射ビームに対して前方方向に表面から散乱される放射を感知するように前記チャンネルおよび検出器を配置する収集および照射するステップと、
    ビームと表面との間に音響光学偏向器と移動ステージにより相対運動を惹起させるステップであって、ビームが表面全体を実質的にカバーする走査通路区分の複数のアレイを含むように構成される走査通路を走査し、少なくともいくつかのそのような走査通路区分の各々は表面の面積よりも短いスパンを有し、その結果検出器がビームによって照明される表面の異なる部分からの放射に応じて出力信号を発生するようにする前記惹起させるステップと、
    異常を識別するために検出器から異なる方向で表面の異なる部分から散乱される放射を考慮して前記検出器の出力信号からの情報を処理するステップと、
    を含む表面の汚染粒子またはパターン欠陥などの表面の異常を検出するための光学方法。
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