JP4206234B2 - パターン欠陥検査装置、及び、パターン欠陥検査方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パターンの欠陥を検査するパターン欠陥検査装置、及び、パターン欠陥検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスやフラットパネルディスプレイ，パターンの露光用マスクなどの微細なパターンの欠陥や異物を検査したり観察するために、高解像度光学系を用いたパターン欠陥検査装置が求められている。
【０００３】
解像度を高める手法として、照明光の波長を可視光から紫外光へ短波長化することが試みられている。例えば、特開平１１−３４４４４７号公報には、紫外光を使用したレチクルなどの外観検査装置が記載されている。
【０００４】
従来、光源としては水銀ランプが用いられ、水銀ランプの持つ種々の輝線の中から必要とする波長のみを光学的に選択して使っていた。しかしながら、水銀ランプの輝線では発光スペクトル幅が広く光学系の色収差を補正するのが困難であること。十分な照度を得るためには光源が大形になり、効率が悪いなどの問題がある。近年、半導体製造における露光装置用光源として、波長２４８ｎｍのKrFエキシマレーザ装置を搭載した露光装置が開発されているが、エキシマレーザ光源は大形で高価であり、また有毒のフッ素ガスを使用しているため所定の安全対策が必要などのメンテナンス性での問題がある。
【０００５】
紫外レーザ光源としては、例えば、固体のＹＡＧレーザ光を非線形光学結晶により波長変換したレーザ装置や、Ａｒ−Ｋｒレーザ装置等があり、波長２６６ｎｍないし３５５ｎｍのレーザ光を得ることができる。これらのレーザ装置は、従来、光源としていたランプに比べ、高い出力が得られる利点はあるが、可干渉性（コヒーレンス）を有しており、レーザ光で回路パターン等を照明した場合、不要な干渉パターン（スペックルノイズ）が発生し、そのノイズが画像ノイズとして正常な画像信号とともに検出され、これが回路パターン検査に悪影響を及ぼす。
【０００６】
このスペックルノイズを低減させる方法として、レーザ光路中に光を拡散させる効果をもつ拡散板を配置し、拡散効果を均質にするために拡散板を一定回転させる構成が一般的に用いられている。しかし、長時間拡散板の同一円周上に紫外レーザ光を照射しつづけると、拡散板母材のガラス材に劣化が生じ、透過率や拡散効率に変化が生じ、均質な照明が維持できなくなる。
【０００７】
また、非検出物体、すなわちここで言う検査ウェハの種類によって、高感度に検出するための最適照明条件は変化する。つまり、金属配線のような反射率の高い表面を持つ検査ウェハと、酸化膜やレジスト膜のような比較的反射率の低い表面を持つ検査ウェハとを同じ照明条件で検出すると、必ずしも最適な照明状態とはならず、検査感度の劣化を引き起こす可能性がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記課題を解消し、紫外レーザ光を光源としてパターンを高解像度で安定して検査することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の実施態様においては、濃度フィルタに設ける微小な凹凸の粗密度合いを円形拡散板の半径方向に沿って変化させ、レーザ光軸と略直角方向に移動させることでレーザ光の濃度フィルタに当たる位置を変えて拡散効果を変化させ、試料上に照射する照明条件を変えることができるようにした。
【００１１】
この機能によって基板表面状態に応じて、異なる基板表面状態に対し、最適な照明条件を選択できることができるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明に係わるパターン欠陥検査装置の一例を示す斜視図である。本発明ではＤＵＶ（深紫外，Deep Ultra Violet ）領域で高輝度の照明を行うために、ＤＵＶレーザ光を出射するレーザ光源３としている。深紫外光のかわりに紫外光を用いても同様の効果が得られる。ステージ２はＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向の自由度を有し、試料１として、被検査パターンが形成された被検査対象物（例えば半導体ウェハ）が載置される。ステージ２はステージ制御回路３２０を介して中央処理装置１９に接続されている。レーザ光源３から発せられたレーザ光Ｌ２は、ミラー４，ミラー２１４，拡散板２１０，ビームエキスパンダ５，マルチスポット成形器６５，レンズ６６，コヒーレンス低減光学系６，レンズ７，偏光ビームスプリッタ９、および偏光素子群１０を介して対物レンズ１１に入射し、被検査パターンが形成された試料１上に照射される。ビームエキスパンダ５で光束が拡大されたレーザ光Ｌ２はレンズ７によって対物レンズ１１の瞳付近１１ａに集光された後、試料１上に照射される。
【００１３】
試料１からの反射光は、試料１の垂直上方より対物レンズ１１，偏光素子群１０，偏光ビームスプリッタ９，結像レンズ１２を介してイメージセンサ１３で検出される。偏光ビームスプリッタ９は、レーザ光の偏光方向が反射面と平行な場合は反射し、垂直な場合は透過する作用を持ち、ここでは、レーザ光Ｌ２が全反射するように配置されている。
【００１４】
偏光素子群１０は、レーザ照明光及び試料１からの反射光の偏光条件を変える機能を有する。試料１上に形成された被検査パターンは、形状，密度差により反射光の強度が変化する。このため、偏光素子群１０は、パターン反射光の強度差がイメージセンサ１３へ明るさむらとなって到達しないように、照明光の偏光比率を調節するもので、照明光に位相変化を与えるための１／２波長板１０ａ，１／４波長板１０ｂで構成されている。例えば、１／４波長板１０ｂを光軸に対して４５度回転することにより、照明光は、円偏光となって試料１に照射され、反射光は１／４波長板１０ｂを２回通過するため、照明光と直交の偏光方向となり、偏光ビームスプリッタ９を透過して、イメージセンサ１３上に到達する。イメージセンサ１３は、例えばＤＵＶ領域の検出感度を持つ蓄積形のイメージセンサ（例えばＴＤＩセンサ等）で構成され、試料１上に形成された被検査パターン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。すなわち、ステージ２をＹ方向に走査して試料１を一定速度で移動させつつ、イメージセンサ１３により試料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。
【００１５】
焦点検出光学系３００は、ステージ２が走査している間、試料１のＺ方向の変位を検出するものであり、検出信号３０１は位置検出回路３４０を介して中央処理装置１９に入力される。中央処理装置１９は、試料１の表面が常に合焦点位置となるように、ステージ制御回路３２０を介してステージ２を駆動し、Ｚ方向の変位を制御する。試料１の合焦点位置は、ステージ２の試料載置位置から離間し、検査に支障のない位置に設置された基準試料５５を用いてあらかじめ設定されるものである。即ち、合焦点制御位置を、基準試料５５を用いて検出した焦点位置よりオフセットして設定することにより、試料１に形成された薄膜表面の任意の位置で焦点合わせ制御を行うことが可能である。これにより、イメージセンサ１３から得られる濃淡画像信号１３ａが、信号処理回路２３に入力されて回路パターンの欠陥検査が行われる。
【００１６】
信号処理回路２３は、Ａ／Ｄ変換器１４，階調変換器１５，遅延メモリ１６，比較器１７、及び中央処理装置１９等から構成される。Ａ／Ｄ変換器１４は、イメージセンサ１３から得られる濃淡画像信号１３ａをディジタル画像信号に変換し、階調変換器１５は、例えば８ビットの階調変換器で構成され、Ａ／Ｄ変換器１４から出力されるディジタル画像信号に対して特開平８−３２０２９４号公報に記載されたような階調変換を施すものである。即ち、階調変換器１５は対数，指数，多項式変換等を施し、プロセスで半導体ウェハ等の試料１上に形成された薄膜と、レーザ光が干渉して生じた画像の明るさむらを補正するものである。
【００１７】
遅延メモリ１６は、階調変換器１５からの出力画像信号をイメージセンサ１３の走査幅でもって、試料１を構成する１セル又は１チップ又は１ショット分を記憶して遅延させるものである。
【００１８】
比較器１７は、階調変換器１５から出力される画像信号と、遅延メモリ１６から得られる画像信号とを比較し、不一致部を欠陥として検出するものである。即ち、比較器１７は、遅延メモリ１６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ものである。中央処理装置１９は、キーボード，記録媒体，ネットワーク等から構成された入力手段１８を用いて設計情報に基づいて得られる半導体ウェハ等の試料１上における配列データ等の座標を入力しておくことにより、この入力された試料１上における配列データ等の座標に基づいて、比較器１７による比較検査結果を基に、欠陥検査データを作成して記憶装置２０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２１に表示することもでき、また出力手段２２に出力して、例えば他のレビュー装置等で欠陥箇所の観察も可能である。
【００１９】
なお、比較器１７の詳細は、特開昭６１−２１２７０８号公報に示したもの等でよく、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，座標等を抽出する特徴抽出回路から構成されている。
【００２０】
次に、レーザ光源３について説明する。高解像を得るためには波長の短波長化が必要であり、検査速度の向上には高輝度照明が必要である。照明手段として、例えば水銀キセノン等の放電ランプを用い、ランプの持つ発光スペクトル(輝線)のうち、可視域を広範囲に使うことにより光強度を得ていたが、紫外，深紫外領域での輝線による光強度は、可視光の広帯域に比べると、わずか数パーセント程度であり、所望の光強度を確保するためには大形の光源が必要となる。ランプ光源は熱を発するので、使用に当たっては万全な放熱対策と、光学系への熱伝導を防止するために光学系から離して設置する等の制約がある。このような観点から、本発明では、前述のように、短波長を容易に確保できる深紫外レーザ光(DUVレーザ光）を光源３としている。
【００２１】
レーザ光源（紫外レーザ発生装置）３は、図２に示すように、例えば、波長５３２ｎｍのレーザ基本波光Ｌ１を出射するレーザ装置８０と、基本波光Ｌ１を２倍波に波長変換する波長変換装置８１からなる。波長変換装置８１の内部には、ミラーＭ１〜Ｍ４が配置されており、レーザ装置８０から出射したレーザ光Ｌ１は、ミラーＭ１を通過してミラーＭ２に到達する。ミラーＭ２は入射光の一部を透過し、残りを反射する。ミラーＭ２で反射されたレーザ光はミラーＭ３に至る。ミラーＭ３とミラーＭ４の光路中には非線形光学結晶８５が配置されており、ミラーＭ３で全反射されたレーザ光は、非線形光学結晶８５を通過してミラーＭ４に到達する。そしてこれらミラーＭ１〜Ｍ４からなる高反射率を有する光学部材によって共振器が構成される。更に非線形光学結晶８５は、光学的に計算された適切な位置に配置されているので、この結晶８５により、入射光Ｌ１は、波長が２６６ｎｍの第２高調波Ｌ２に変換される。
【００２２】
ミラーＭ４では、第２高調波の紫外レーザ光Ｌ２のみが出射される。すなわち、ミラーＭ４には、第２高調波を透過し、それ以外の波長は反射するよう反射コーティングが施されている。非線形光学結晶８５で未変換のレーザ光Ｌ３は、ミラーＭ４で反射されてミラーＭ１に達し、ミラーＭ１を通過したレーザ光Ｌ１と同じ光路を再び辿る。ここで、ミラーＭ２を通過した一部の入射光は、図示しない検出手段にて、入射光の周波数と波長変換装置８１の共振周波数の誤差を検出し、両者が常に共振状態となるように同調させるものである。例えば、図示しないサーボ機構（例えば圧電素子等のアクチュエータ）により、ミラーＭ３を高速に微動し、高精度で共振器長を制御して安定共振となるように電気的にフィードバックされると同時に、波長変換装置８１に入射するレーザ光Ｌ１についても、レーザ装置８０に設けられた図示しないミラーサーボ機構によりレーザ光Ｌ１が波長変換装置８１の光軸と常に一致するように制御されている。
【００２３】
波長変換装置８１から出射された紫外レーザ光Ｌ２は、コヒーレンス（可干渉性）を有し、試料１上の回路パターンをレーザで照明した場合、スペックル（干渉縞）が発生する原因となる。従って、紫外レーザ光Ｌ２の照明では、コヒーレンスを低減する必要がある。コヒーレンスを低減するには、時間的あるいは空間的コヒーレンスのいずれかを低減させればよい。そこで、本発明では、図３に示すコヒーレンス低減光学系により、空間的コヒーレンスを低減するようにした。
【００２４】
図３は本発明に係わる図１の一部分のコヒーレンス低減光学系の一実施例を示す模式図である。本発明では、コヒーレンス低減を拡散板２１０を用いて実現している。レーザ光Ｌ２は拡散板２１０を通過した後、ビームエキスパンダ５，マルチスポット成形器６５を通過する。図４は拡散板２１０の平面図である。拡散板２１０には、図４に示すように、ガラス基板に微小な凹凸を密に設けたスリガラス状の濃度フィルタ２２０を複数設けたものであり、この拡散板２１０の濃度フィルタ２２０をレーザ光が通過することによってコヒーレンスを低減することができる。コヒーレンス低減の度合いをできる限り検査画像取り込み中で均質にするために、ＴＤＩセンサの取り込み周期に同期した周期で拡散板２１０をモータ２００で回転させる。このようにして、レーザ光のコヒーレンスを低減し、スペックルノイズによる画像ノイズを押さえた信号を取り込み、画像処理を行う。
【００２５】
この拡散板２１０を用いてコヒーレンスを低減しつづける場合に、拡散板210の濃度フィルタ２２０の同一円周上に長時間にわたって紫外レーザ光が当たりつづけることとなり、その部分のガラス母材が劣化，変質して、拡散効果の度合いが徐々に変化してしまう。つまり、拡散板２１０によるコヒーレンス低減効果が経時変化を生じることになる。その対策として、長時間同じ個所に紫外レーザ光が当たりつづけないようにするために、拡散板２１０とモータ２００とをレーザ光軸と概ね直角方向に移動させる直進ステージ２０１を設けて、拡散板２１０の濃度フィルタ２２０の異なる円周上にレーザ光が当たるよう拡散板２１０を移動させる。なお、移動量は、最低、レーザ光のビーム半径以上であれば、拡散板２１０の濃度フィルタ２２０の新たな円周位置にレーザ光を導くことができる。レーザ光の当たる位置を定期的に変化させるなど、予め定められた制御内容に従って変化させるようにすれば、ガラス母材の劣化，変質を防ぐことができる。
【００２６】
拡散板２１０の移動指令は、あらかじめ設定した時間を経過した後、外部の制御装置（図示せず）から与えられる。拡散板２１０を、外部指令によってレーザ光軸と略直角方向にレーザ光のビーム半径以上を１回の移動量とする値で移動し、移動後固定するように制御する方法が考えられる。もちろん、装置を操作するオペレータが任意に移動指令を与えることも可能であり、移動指令のタイミングは特別規定されるものではない。
【００２７】
図５および図６に拡散板２１０に設けられた濃度フィルタ２２０の平面図を示す。図５に示す濃度フィルタ２２０は、円形のガラス板の表面２２１に設けられた微小な凹凸が全体に均質に設けられ、全体的に同じ拡散効果が得られるようにしてある。
【００２８】
図６に示す濃度フィルタ２２０は、検査パターンごとに最適照明条件を選択することを可能とするものである。円形の拡散板の半径方向に沿って、ガラス板の表面２２２の凹凸の密度が連続的にあるいは段階的に変化しており、半径方向で拡散効果が異なる構造のものである。この濃度フィルタ２２０を前記光学系に用いて、光軸と直角方向に移動させると、その位置に応じてレーザ光が透過する濃度フィルタ２２０の祖密度が異なるため、拡散効果を可変にすることができる。この構成を用いることによって、検査パターンごとに照明条件を最適化でき、常に感度の高い欠陥検査が可能となる。この場合の拡散板移動指令は、検査パターンの検出画像を元に明るさやコントラストが最適となる拡散板条件をあらかじめ設けられたテーブルから導き出し、その状態になる位置に指令を与える自動で行うオートモードと、操作者が検出画像を随時確認しながら拡散板位置を動かして最適状態を探索するマニュアルモードとによって構成される。
【００２９】
これらの拡散板を用いたコヒーレンス低減照明によって照明された検査パターンから反射した反射光は、検出光学系によってＴＤＩセンサ等の画像検知センサに入力されて画像信号となり、その画像信号を元に画像処理装置によって欠陥の有無が検査されて結果が表示装置等によって出力される。これらの一連の構成をとることによって、紫外レーザを用いた欠陥検査において、画像処理を高感度に行うために最も重要なスペックルノイズ低減が拡散板を設けることによって実現でき、しかも長期間安定して維持できるようになるとともに、種々の検査パターンに対応して最適照明条件を与えることが可能となり、より高感度な欠陥検査が実現できるようになる。
【００３０】
以上、説明したように、パターン検査において、高解像・高速検査は重要な課題であり、このために、短波長でかつ高輝度な紫外レーザ光源が必要である。しかしながら、紫外レーザ光を用いた照明光学系においては、スペックルノイズにより画像ノイズが生じて検出感度が劣化するので、その解決策としてガラス基板に微小な凹凸を設けた拡散板を用いてレーザ光のコヒーレンス低減が図られる。本発明では、このコヒーレンス低減を図る拡散板に当たるレーザ光の位置を定期的に変化させることによって拡散板の局部劣化を防ぎ、コヒーレンス低減効果を長期間安定させて照明条件を均質化したので、紫外レーザ光を用いて安定した欠陥検出ができるようになる。
【００３１】
さらに、拡散効果を発するガラス基板に設ける微小な凹凸を、円形拡散板の半径方向に沿って連続的に、あるいは段階的に変化させ、検査するパターンによってレーザ光が拡散板を透過する円周方向の位置を変化させる方法を用いることによって、種々のパターンに対応した最適な照明条件が選択できるようになり、高感度な欠陥検査が安定してできるようになる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、紫外レーザ光を光源としてパターンを高解像度でしかも安定して検査できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】欠陥検査装置の構成を示す斜視図。
【図２】紫外レーザ光発生装置の概略を示す構成図。
【図３】レーザコヒーレンス低減光学系を示す模式図。
【図４】拡散板の平面図。
【図５】濃度フィルタの平面図。
【図６】濃度フィルタの平面図。
【符号の説明】
１…試料、２…ステージ、３…レーザ光源、２００…モータ、２０１…直進ステージ、２１０…拡散板、２２０…濃度フィルタ。

Claims (1)

1. 紫外光を発生するレーザ光源と、
   該レーザ光源から射出されたレーザ光の光路中にあって、該レーザ光の可干渉性を低減する可干渉低減手段と、
   該可干渉低減手段をレーザ光光軸に対して略直角方向に移動させる移動手段と、
   該可干渉低減手段を通過したレーザ光が対物レンズの瞳位置に集光され、試料上に照射され試料上に形成されたパターンから発生する反射光を検出する検出手段とを備え、
   前記可干渉低減手段は、
   前記可干渉性を低減するための拡散板と、
   前記拡散板に配置された濃度フィルタとを備え、
   前記濃度フィルタのガラス表面に形成した微小な凹凸の粗密度合いは、
   前記拡散板の回転する中心から前記拡散板の外周へ向かう方向に沿って連続的あるいは段階的に変化した拡散効果が異なる構造であり、
   前記移動手段は、
   前記濃度フィルタの、前記拡散板の回転する中心から前記拡散板の外周へ向かう方向で前記拡散効果が異なる構造に前記レーザ光が当たるよう、
   前記濃度フィルタを、前記レーザ光光軸に対して略直角方向に移動することを特徴とするパターン欠陥検査装置。

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