JP4444668B2 - 露光制御を使用して表面を検査する方法およびシステム - Google Patents

露光制御を使用して表面を検査する方法およびシステム Download PDF

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Description

本発明は、ウェハ検査システムのような表面検査システムに関する。特に、本発明は、多重散乱領域を含んでいてもよい表面全体の欠陥に対する感度を改善するために露光制御を使用する方法に関する。
散乱によってパターン付きウェハを検査するシステムには、これまでレーザスポット走査システムおよび投光照射結像システムの二つがあった。一般的に、パターン付きウェハ検査では、システムの感度は、(1)空間分解能、(2)フーリエフィルタ、および(3)マルチチャネルフィルタリングを含む三つの基本的なシステムパラメータに依存する。フーリエフィルタリングは、ウェハから反復的または周期的な散乱光強度パターンを除去するものであり、マルチチャネルフィルタリングは、パターンの形とウェハとを識別するものである。セルサイズがスポットサイズより小さい場合、レーザスポット走査システムの利点は、マルチチャネルフィルタリングができることと、アレイ上でフーリエフィルタリングができることにある。投光照射結像システムの利点は、空間分解能が高く、フーリエフィルタリングの性能が効果的に発揮できることにある。
国際特許出願PCT/US98/16116
最近、レーザスポット走査システムおよび投光照射結像システムの態様を組み合わせた「ライン照射結像システム」(すなわち、ハイブリッド・システム)が成功を収めている。これは、1998年7月28日出願され、1999年2月11日公開された本願の譲渡人に譲渡された国際特許出願PCT/US98/16116(特許文献1)に記載され、その全体が本願明細書において参照により援用されている。ライン照射結像システムは、今日の市場で求められる要件および将来の市場で求められる要件を満たし、フーリエフィルタリングおよびマルチチャンネルフィルタリングの性能を保持する空間分解能を提供する。
ウェハ検査システムの感度に加え、高い処理能力も望まれていると言える。システムの処理能力は、システムのデータ速度に依存する。スポット走査システムは、検査のために光電子増倍管(PMT)を使用することができる。投光照射は、検査のために時間遅延積分(TDI)を使用することができる。ライン照射結像システムは、検査のために一つ以上のライン走査式電荷結合素子(CCD)を使用することができる。PMTは一度に一つの測定点を処理するが、TDIまたはCCDはいくつかの測定点を同時に処理することができる。したがって、TDIを備える投光照射およびCCDを備えるライン照射システムのデータ速度(ひいては処理能力)は、PMTを備えるスポット走査システムより通常高くなる。
上述したシステムパラメータ以外に、検出器のフルダイナミックレンジを利用しないと、検査中にウェハ上のいくつかの領域で検出感度に不利が生じてしまうことがある。検出器の「ダイナミックレンジ」とは、検出器の検知できる光の最低値と最大値との間の範囲のことである。パターンの散乱強度は多くの要因に依存し、例えば、局所的なウェハ構造、照射角、照射偏光、照射波長、照射線幅、集束角、集束偏光、および集光器の開口数(NA)に依存する。集光NAとは、本願明細書中では集光の円錐の角度の半分のサインのことである。ダイ内には、ランダム(論理)構造およびアレイパターンがある。論理構造はランダムに分散し、アレイ構造は周期的に分散する。フーリエフィルタを使用すると周期的なアレイパターンを遮断することができるので、残りの散乱光強度信号は欠陥から発生することになる。このため、散乱光強度は、ダイ内の領域によって著しく異なる可能性がある。
ウェハ全体について良好な感度を得るために、検出器によって集められた散乱強度が、所定のダイナミックレンジまたは限界内にあるようにする必要がある。散乱強度が強すぎる場合、検出器が飽和し、ダイ同士の比較またはセル同士の比較の後の計算に誤りが生じてしまう。散乱強度が低すぎる場合、ウェハ上の欠陥によって引き起こされる散乱光強度の信号が弱すぎて、ダイ同士の比較またはセル同士の比較の後の電子雑音を克服することができない可能性があり、これも感度の低下につながる。したがって、検出器の上限は検出器の飽和によって決まり、下限は電子雑音によって決まる。
これまで、検査中はレーザパワーおよび検出器の積分時間(光を集める時間)を固定していた。このため、ウェハから出て来る散乱強度がすべて所定のダイナミックレンジ内にあることを保証することは困難であり、システムは、いくつかの領域では感度を失う虞がある。この問題を解決するためには、レーザパワーまたは検出器の積分時間の一方を検査中に変えなければならない。レーザパワーを変更することは、高速切り替えのほか、別の問題が生じてしまうので、実際的ではないと考えられる。
本発明は、ウェハなどの表面を検査するために露光制御を使用する方法およびシステムを提供するものである。この方法は、検出器のフルダイナミックレンジを利用し、不規則な光散乱領域を含む表面全体に対して良好な欠陥に対する感度を提供する。一実施形態では、検出用のCCDを備えるライン照射結像システムによってこの方法が実施される。
上述した本発明は、パターン付きまたはパターンなしウェハ、フォトマスク、レチクル、液晶ディスプレイ、および他の平面パネルディスプレイの検査を実施することができる別のメカニズムを提供するために使用することもできる。さらに、本発明は、検出のためにCCDを使用する検査システムであればどのシステムにも使用することができる。
本発明の一態様は、ウェハなどの表面を検査するように構成されるシステムに関する。表面は、光を異なって散乱させる少なくとも二つの領域を備える。システムは、表面から散乱した光を集めるように構成される電荷結合素子(CCD)を備える。CCDは複数のタップを備える。各タップは一連の画素を備える。CCDは、表面から散乱した光を集めるように設けられるタップの一連の画素の位置に依存して、各タップの積分時間を独立して調節するように構成される。
本発明の別の態様は、ウェハなどの表面から散乱した光を集めるように構成される電荷結合素子(CCD)に関する。表面は、光を異なって散乱させる二つの領域を備える。CCDは複数のタップを備える。各タップは一連の画素を備える。CCDは、表面から散乱した光を集めるように設けられるタップの一連の画素の位置に依存して、各タップの積分時間を独立して調節するように構成される。
本発明の別の態様は、ウェハなどの表面から散乱した光を集める方法に関する。表面は、光を異なって散乱させる二つの領域を備える。この方法は、表面から散乱した光を集めるように設けられるタップの画素の位置に応じて、電荷結合素子(CCD)中の複数のタップに対し積分時間を設定するステップと、積分時間の間に表面から散乱した光を集めるステップとを含む。
本発明の別の態様は、電荷結合素子(CCD)中の複数のタップに対し積分時間を設定する方法に関する。CCDは光を異なって散乱させる二つの領域を備えるウェハなどの表面を走査するように構成される。この方法は、第1の領域から散乱した光を集めるように設けられる第1のタップに対し第1の積分時間を設定するステップと、第2の領域から散乱した光を集めるように設けられる第2のタップに対し第2の積分時間を設定するステップであって、第1の積分時間は第2の積分時間と異なるものである第2の積分時間を設定するステップと、第1および第2の領域から散乱した光を集めるステップとを含む。
一実施形態では、レーザからのビームによって照射されるラインの異なる部分から散乱した放射が同じCCDの異なる画素(ひいてはタップ)上に結像されるように集光光学系が配置される。
ライン照射システム
ライン照射システムでは、レーザがライン状にウェハ表面を照射する。照射線は、例えば、幅が約1〜3ミクロン以下など非常に狭く、長さが約0.1〜約10mm以上など比較的長くなっているものが好ましい。幅の狭い照射線にはスポット走査システムの長所があるので、複数の傾斜結像システム(例えば、図1および図2の集光器117〜119)が、マルチチャネルフィルタリングの性能を発揮できるようになる。一方、長い照射線には投光照射システムの長所があるので、フーリエフィルタリングが効果的に提供される。
照射の角度は傾斜していてもよいし、垂線であってもよい。図1は、斜光照射を備えるライン照射検査システム100の一実施形態を示す。図2は、垂直照射を備えるライン照射検査システム200の一実施形態を示す。図1のシステム100はレーザ111と、電荷結合素子(CCD)のような検出器120〜122を含む集光器117〜119とを備える。システム100は、一つ以上のレンズ、鏡、ビームスプリッタ、ビームエクスパンダ、偏光子、および波長板などの集光光学系および/または照射光学系(図示せず)をさらに備えることができる。システム100の種々の態様は、本願の譲渡人に譲渡された国際特許出願PCT/US98/16116(特許文献1)に記載され、その全体が本願明細書において参照により援用されている。図2のレーザ111は、鏡130で反射され、ウェハ表面113上に入射するレーザビーム102を生成する。システム200は、一つ以上のレンズ、鏡、ビームスプリッタ、ビームエクスパンダ、偏光子、および波長板などの集光光学系および/または照射光学系(図示せず)をさらに備えることができる。
図1および図2のレーザ111は任意のタイプのレーザを含むことができる。レーザ111は、所望のパワーおよび波長を持つ放射を放出することができ、波長は、例えば、532nm、355nm、または266nmである。レーザ111はレーザビーム102を生成し、ビームは(図1および図2には示されていない)照射光学系を通過し、線114状になってウェハ表面113を照射する。照射線114は照射光学系によって生成することもできる。照射線114は検出面115に垂直であり、またウェハ112の走査方向116に対しても垂直である。
図1のシステム100を参照して以下説明するが、以下の説明は図2のシステム200にも適用することができる。
図1および図2では、ウェハ112を移動させるように構成されるステージ140にウェハ112が置かれる。照射線114がウェハ表面113を走査するように照射線に垂直な走査方向にステージ140を移動させながら、ウェハ112を走査する。例えば、ウェハ112は、矢印116によって示される走査方向に移動させることができる。照射線114に起因して、ウェハ表面113はウェハから光を散乱する。散乱光は集光器117〜119によって集められ、集光器117〜119のCCD120〜122で結像する。図1および図2の集光器117〜119は、レンズ、フーリエフィルタ、偏光子、および検出器を含んでもよい。このシステムに使用される検出器120〜122はリニア電荷結合素子(CCD)(ライン走査CCDともいう)である。CCD120〜122はすべて、図1および図2に示すように照射線114に垂直な検出面115にある。
TDIシステムのように、リニアCCDはいくつかの測定点を同時に処理することができる。図1および図2の検出器120〜122はすべてリニアCCDであるので、システム100,200の処理能力は非常に高くなりうる。一実施形態では、各CCDが毎秒約1ギガバイトのデータを処理するリニアCCDである。他の実施形態では、各CCDが、毎秒1ギガバイト未満またはそれを超えるギガバイトのデータを処理することができる。CCDのデータ速度はシステムの所望の処理能力に応じて設計することができる。
システム100,200が備える集光器は、それぞれ三つより少なくても多くてもよい。さらに、システム100,200は、傾斜照射および垂直照射の両方を含んでもよい。
CCDおよび露光制御
図3は、図1および図2のシステム100,200に使用することのできるCCD300の一例を示す。一実施形態では、図3のCCD300は画素ラインを有する1次元アレイセンサである。CCDの用途として512,1024,2048,または4096画素を使用する場合がほとんどであるが、CCDは、任意の所望の画素数を有していてもよい。図3のCCD300は64画素を有する。CCD300はさらにいくつかのタップ301を有していてもよい。「タップ」とは、画素のグループのことである。タップ内の画素は連続的に読み出されるが、タップは、CCDのデータ速度が速くなるように、平行して読み出される。図3のCCD300は8個のタップ301を有し、各タップは8画素302を制御する。実際の検査システム用のCCDが有する画素数およびタップ数はどのような値でもよい。ライン照射検査システムではタップの数を増やすとより効果的であるが、複雑なカメラ設計が必要になると考えられる。
各タップは一連の画素の積分時間を制御する。「積分時間」とは、画素が集光する時間のことである。本発明によるCCDは、非常に速い速度でタップごとに積分時間を変えることができる。つまり、CCDは、独立して各タップの積分時間を制御することができる。例を挙げると、このようなCCDは、カナダ、オンタリオ州ワーテルローのDALSAデジタル・イメージング・ソリューション (DALSA Digital Imaging Solutions)から手に入れることができ、あるいはカリフォルニア州サンタクララのパーキンエルマー・オプトエレクトロニクス (PerkinElmer Optoelectronics)で特別注文すれば手に入れることもできる。手に入れられるCCDがこのような市販品と異なっていても、CCD設計者またはCCDメーカーならば、どのようにすればタップごとに積分時間を設定し変更することができるように従来のCCD設計を修正すべきかわかるはずであろう。
CCDは変更可能なライン速度および利得を有していてもよい。CCD利得は、各画素によって集められた電子を、読み出しおよびデジタル化のできる電気信号(通常電圧)の形態に変換する増幅器の機能を果たす。
積分時間が短いと画素によって集光される光が減り、積分時間が長いと画素によって集光される光が多くなる。一つのタップ内の画素での積分時間は同じであるが、タップが異なれば画素上での積分時間は異なっていてもよい。タップごとにCCD積分時間を変更することを「露光制御」と呼ぶこともできる。このCCD露光制御によって、システム100,200のようなライン照射検査システムは、ウェハ全体の散乱信号を上述したダイナミックレンジ内で提供することができるようになる。
理想的には、各タップの積分時間を0〜1/(CCDライン速度)まで連続的に変化させることが望ましい。「CCDライン速度」とは、リニアCCDが毎秒読み出すことのできる回数のことである。実際、システム100,200のようなライン照射検査システムでは、1/(CCDライン速度)の何パーセント(1%、2%、…100%まで)かに積分時間を変えれば十分である。
集光器117〜119中の(図1および2には示されていない)集光光学系は、CCDアレイ120〜122中の対応する画素(ひいてはタップ)上に照射線114の一部の像を投影し、これによって、照射線114の対応する部分からの散乱光を各画素が検知する。このため、照射線114の種々の部分(ひいては種々の散乱領域)から散乱する光は、各CCDの異なる画素(ひいては異なるタップ)上に結像する。さらなる詳細については、本願の譲渡人に譲渡された国際特許出願PCT/US98/16116(特許文献1)に記載され、その全体が本願明細書において参照により援用されている。
本願明細書中に記載されたライン検査システム100,200の一方針は、異なる領域に対し異なるCCD積分時間を設定することによって、ウェハ全体の全領域からの最大(非飽和)グレイレベルを用いて良好な散乱光強度信号を獲得することである。
一実施形態によれば、レーザビーム102からの照射線114(図1および図2)の異なる部分から散乱する放射が、同じCCDの異なるタップ301(図3)上に結像するように集光光学系が設けられる。
手動式露光制御
手動式露光制御では、異なる領域に対し異なるCCD積分時間をシステムが適用することができるように、異なる光散乱領域の正確な位置を知ることが検査システムに求められる。
アレイおよび論理のパターンによって種々に散乱が発生するため、システム100,200の最も有用な用途のうちの一つとして、アレイおよび論理構造を含むウェハの検査が挙げられる。論理領域中の論理パターンは光をランダムに散乱させ、アレイ領域中のアレイパターンは光を周期的に散乱させる。アレイ領域からの周期的な散乱パターンは、フーリエフィルタを使用し、集光器のフーリエ平面でフィルタアウトすることができる。アレイパターンをフーリエフィルタリングした後、アレイ領域は、散乱像中、論理領域よりもはるかに暗く見える。検査中は照射レーザパワーを固定する。論理領域からの散乱がCCDのダイナミックレンジ内にあるようにレーザパワーを設定すると、フィルタリングされたアレイ領域からの散乱が弱くなる可能性があり、CCDの電子雑音がアレイ領域を占める可能性がある。フィルタリングされたアレイ領域からの散乱がCCDのダイナミックレンジ内にあるようにレーザパワーを設定すると、論理領域からの散乱が強くなり、CCDを飽和させるかもしれない。どちらの場合も、論理領域およびフィルタリングされたアレイ領域両方からの散乱信号をCCDのダイナミックレンジ内で提供するとは限らず、ダイ同士またはセル同士の比較の後の欠陥に対する感度が失われる虞がある。感度の損失を回避するために、論理領域およびアレイ領域上のCCD積分時間を種々に設定することができる。
図4は、ウェハ401上のCCD視野400の一実施形態を示す。ウェハ401はアレイ領域403を備え、複数の論理構造406を備えていてもよい論理領域402を備える。ある領域から別の領域へウェハ401を走査するとき、CCD視野400はアレイ領域403のみか、あるいは論理領域402のみを視野に入れる。ウェハ401は、図4に示される矢印405のように照射線に垂直な走査方向に移動させることができる。
一実施形態では、CCD400がアレイ領域403を検査し、次に論理領域402を検査するか、またはその逆である。集光経路上のフーリエフィルタを適用し、周期的なアレイパターンをフィルタアウトすると、アレイ領域403は散乱像中の論理領域402よりはるかに暗く見える。検査中、照射レーザのパワーを固定しているため、感度の損失を回避するために、異なる領域402,403に対して二つの異なるCCD積分時間を設定する。一般に、フィルタリングされたアレイ領域403をCCDが走査する場合、比較的長い積分時間が望ましく、CCDが論理領域402を走査する場合、比較的短い積分時間が望ましい。
これらの領域402,403からの散乱光強度信号が検査中にCCDのダイナミックレンジ内にあるように、検査前にこれらの領域402,403に対するCCD積分時間を設定する方法が多くある。検査前にレーザパワーおよびCCDの積分時間を設定する一例を以下に示す。所定のCCDライン速度について、フィルタリングされたアレイ領域403の検査中に比較的長い積分時間をCCDに設定し、CCDが(非飽和の)最大グレイレベルを達成するまでレーザパワーを調整する。その後、レーザパワーを固定し、ウェハ401の移動とともにCCDが論理領域402を検査する。CCD積分時間は、CCDが論理領域402から(非飽和の)最大グレイレベルを得るように低減される。この例では、アレイおよび論理領域403,402上のCCD積分時間が異なっているが、CCDの全タップでの積分時間は各領域に対して同じになっている。
境界404を横切る際に積分時間を切り替えるために、アレイと論理領域403,402との間の境界404の位置を検査システム内でプログラムをしておくか、または考慮しておかなければならない。
図5は、アレイおよび論理領域501,502を検査する別の状態を示す。図5は、走査方向を示す矢印505によって示される方向のように照射線に垂直な方向へ移動するウェハ520を走査するように構成されるCCD視野500の一実施形態を示す。図5では、アレイおよび論理領域501,502がともに同じCCD視野500にある。CCD500は同時に両領域501,502を検査することができる。CCD500は8個のタップ510A〜510Hを有し、各タップは8画素と結合する。論理領域502は複数の論理構造503を含んでもよい。フーリエフィルタを使用してパターンを散乱するアレイをフィルタアウトしてもよい。アレイおよび論理領域501,502が両方とも同じ視野500にあるので、CCDは個々のタップ510A〜510Hに対し異なる積分時間を適用することができる。図5では、タップ510E〜510Hがアレイ領域501のみをカバーし、タップ510A〜510Cが論理領域502のみをカバーしている。タップ510A〜510Cとは異なる積分時間でタップ510E〜510Hを設定することができる。境界504(アレイ領域501と論理領域502との間)は、タップ510Dによってカバーされる。
これらの領域501,502からの散乱信号が検査中にCCDのダイナミックレンジ内にあるように、検査前にこれらの領域501,502に対するCCD積分時間を設定する方法が多くある。検査前にレーザパワーおよびCCDの積分時間を設定する一例を以下に示す。図4を参照して上述した例のように、まず、レーザパワーおよびフィルタリングされたアレイ領域501に対するCCD積分時間を設定し、次に論理領域502に対するCCD積分時間を設定する。
(アレイと論理領域との間の)境界をカバーするタップ510Dについて、デフォルト積分時間を設定することができる。例えば、このタップ用のデフォルト積分時間は、これら二つの領域501,502の短い方の積分時間に設定してもよい。ユーザはこの値をデフォルト値と異なる値に設定してもよい。このタップ510Dに対して論理領域502の積分時間を選択すると、アレイ感度が損なわれることがある。他方、アレイ領域501の積分時間を選択すれば、論理感度が損なわれることがある。このため、論理パターンおよびアレイパターンが混ざったものを所定のタップに共存させる場合、感度についての妥協点を作っておく必要がある。二つの散乱領域501,502の間の境界504上の感度損失を最小限にするために、さらに多くのタップでCCDを設計することもでき、各タップが含む画素数は少なくなる。
図5では、第1、第2および第3のタップ510A〜510Cが論理領域502のみをカバーし、それらの積分時間は時刻T1に設定することができる。第5〜第8のタップ510E〜510Hはアレイ領域501のみをカバーし、それらの積分時間は時刻T2に設定することができる。第4のタップ510Dは、アレイおよび論理領域501,502の両方をカバーし、その積分時間は時刻T1に設定することができる。フーリエフィルタリングをアレイ領域501に適用するので、T1はT2より小さく、T2は1/(所定のCCDライン速度)未満である。
この露光制御は所定のウェハに多数の散乱特性が見られる場合に適用することができる。種々の論理領域において、ある論理領域の散乱が別の論理領域よりも強くなり得る。異なるアレイ領域についても同じことが言える。フーリエフィルタリングを適用した後、バックグラウンド散乱はアレイ領域によって異なる。検査システムがこれらの領域の正確な位置を知っている限り、システムはこれらの領域上に対し異なる露光制御を適用することができる。この露光制御は、散乱ベース(暗視野)のウェハ検査システムだけでなく、反射ベース(明視野)のウェハ検査システムにも適用することができる。
自動式露光制御
検査システムが異なる散乱領域の正確な位置を知っている必要があるため、上述した実施形態は手動式露光制御を使用する。CCDのフルダイナミックを利用する課題に取り組む別の方法には、タップごとに自動的に積分時間を調節する自動式露光制御を使用する方法がある。散乱強度が強すぎる場合、予め定められたグレイレベルにCCDが達するようにCCDは積分時間を低減させることができる。他方、散乱強度が弱すぎる場合、予め定められたグレイレベルにCCDが達するようにCCDは積分時間を増加させることができる。この自動式露光制御方法の利点の一つは、検査システムが種々の散乱領域の正確な位置を知る必要がないことである。欠点の一つは、古いグレイレベルと新しいグレイレベルとの間で像に遅延が見られることである。
上述した本発明は、パターン付きまたはパターンなしウェハ、フォトマスク、レチクル、液晶ディスプレイおよび他の平面パネルディスプレイの検査を実施することができる別のメカニズムを提供するために使用することもできる。さらに、本発明は、検出のためにCCDを使用する検査システムであればどのシステムにも使用することができる。
要約すると、本願明細書中に記載されたライン照射検査システムの一実施形態は、検出器としてCCDを備え、各CCDの露光制御機能は、検査中にCCDのフルダイナミックレンジをウェハ全体にわたって利用するものである。
本発明の上述した実施形態は単なる実例に過ぎず、限定するものではない。種々の変更および変形は、本発明から逸脱することなく、本発明のより広い態様の範囲内で実施することができる。添付の請求項は、本発明の精神および範囲内にあるこのような変更および変形を包含する。
斜光照射を備えるライン照射検査システムの一実施形態を示す。 垂直照射を備えるライン照射検査システムの一実施形態を示す。 図1および図2に使用することのできる電荷結合素子(CCD)の一例を示す。 走査方向を示す矢印によって示された方向のように照射ラインに垂直な方向へ移動するウェハを走査するように構成されるCCD視野の一実施形態を示す。 走査方向を示す矢印によって示された方向のように照射ラインに垂直な方向へ移動するウェハを走査するように構成される別のCCD視野の一実施形態を示す。

Claims (2)

  1. 光を異なって散乱させる少なくとも二つの領域を備えるウェハを検査するように構成されるシステムであって
    前記ウェハから散乱した光を集めるように構成される集光器を備え、前記集光器は電荷結合素子(CCD)を備え、前記CCDは、
    第1および第2のタップを含む複数のタップを備え、各タップは一連の画素を備え、第1の積分時間を第1の領域から散乱した光を集めるように設けられる第1のタップ用に設定し、第2の積分時間を第2の領域から散乱した光を集めるように設けられる第2のタップ用に設定し、前記第1の積分時間は前記第2の積分時間とは異なるものであるシステム。
  2. 光を異なって散乱させる二つの領域を備える表面を走査するように構成される電荷結合素子(CCD)中の複数のタップの積分時間を設定する方法であって
    1の領域から散乱した光を集めるように設けられる第1のタップの第1の積分時間を設定するステップと、
    2の領域から散乱した光を集めるように設けられる第2のタップの第2の積分時間を設定するステップであって、前記第1の積分時間は前記第2の積分時間と異なるものである第2の積分時間を設定するステップと、
    前記第1および第2の領域から散乱した光を集めるステップと、
    を含む方法。
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