JP4469047B2

JP4469047B2 - 表面検査装置

Info

Publication number: JP4469047B2
Application number: JP2000018949A
Authority: JP
Inventors: 新一鈴木; 健司三友; 祐一郎加藤
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: JP2001208697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェハ基板やマスク基板などの基板上に形成された金属膜などの被検査物の表面に存在する異物やスクラッチなどの欠陥を検査する表面検査装置に係り、特に被検査物の材質や表面状態に応じて最適な検出感度で異物やスクラッチなどの欠陥検出を行うことのできる表面検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の表面検査装置は、被検査物に光ビーム例えばレーザ光を斜めに照射し、その被検査物からの散乱光を検出することによって、被検査物の表面に付着した異物やスクラッチなどの欠陥を検出している。この表面検査装置として、特開平９−３０４２８９号公報に記載されたものがある。これには、被検査物にＰ偏光の光ビームを照射し、Ｓ偏光のみを通過させるＳ偏光フィルタを介して受光することによって、被検査物表面の異物のみをより高精度に検出するように構成された表面検査装置が開示されている。この表面検査装置のように、被検査物にＰ偏光の光ビームをブリュースター角付近で入射させることにより、入射光の大部分を被検査物の表面下に透過させ、表面から発生する不要な情報の検出を避けることができる。被検査物の表面下に入り込んだ光は、被検査物の内部で吸収されたり散乱したりして、特に被検査物内部からの散乱光が表面上に出てくる場合は、その大部分がＰ偏光成分である。これに対して、被検査物表面上の異物やスクラッチなどの欠陥からの散乱光は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の両成分なので、Ｓ偏光フィルタを介してＳ偏光成分の散乱光のみを受光すれば、被検査物内部から発生する光の大部分をカットすることができ、被検査物表面上の異物やスクラッチなどの欠陥のみを効率良く検出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の表面検出装置は、前述のように、被検査物に直線偏光されたレーザ光を照射し、その直線偏光成分と直交する偏光成分を通過させる偏光フィルタを介して受光することによって、異物を検出するものである。すなわち、この表面検査装置は、被検査物表面からは照射されたレーザ光と同じ直線偏光成分の光が反射するという物理現象を前提に構成されている。ところが、被検査物の材質や表面状態に応じて、被検査物表面からの反射光が必ずしも照射された直線偏光成分と同じでないことが判明した。例えば、基板上に形成された金属膜などに直線偏光のレーザ光を照射した場合、その金属膜表面からは一般的に楕円偏光成分の光が反射することが確認された。従って、従来のように、直線偏光成分と直交する偏光成分を通過させる偏光フィルタを介して受光するだけでは、被検査物表面からの楕円偏光成分の反射光を効率良く偏光フィルタによって除去することができなくなり、偏光フィルタを通過した反射光に応じたノイズ成分により検出感度が低下するという問題が生じるようになった。
本発明は、被検査物の材質や表面状態に応じて最適な検出感度で異物検出を行うことのできる表面検査装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された本発明に係る表面検査装置は、直線偏光された光ビームを被検査物に照射する投光系手段と、前記光ビームが前記被検査物に照射されることによって発生する前記被検査物や異物からの反射光や散乱光を受光して、前記反射光や散乱光に対応した電気信号を出力するように構成された受光系手段と、前記受光系手段の光軸上に設けられた偏光板と、前記受光系手段の光軸を中心軸として前記偏光板の偏光方向を回転させる偏光板回転手段と、前記受光系手段から出力される前記電気信号に基づいて前記被検査物からの反射光が前記偏光板によって除去されるような前記偏光板の回転位置を決定する回転位置決定手段とを備えたものである。
【０００５】
投光系手段が直線偏光された光ビームとして、Ｓ偏光成分の光ビームを照射すると、被検査物表面からは楕円偏光の反射光が発生する。そこで、偏光板を偏光板回転手段で回転させて、偏光板の偏光方向と楕円偏光の反射光の長軸方向とがほぼ垂直になるような位置に位置決めする。このような位置は目視で認識不可能なので、この発明では、受光系手段から出力される電気信号の値が最低値を示したときの回転位置をその被検査物の表面検査時における偏光板の回転位置として決定することにした。このようにして偏光板の回転位置が決定したら、その後の表面検査時には、偏光板をその回転位置に位置決めすることによって、被検査物から反射する楕円偏光の反射光を有効に除去することが可能となり、異物によって散乱した散乱光を高精度に検出することができる。
【０００６】
請求項２に記載された本発明に係る表面検査装置は、請求項１において、前記投光系手段は、表面検査時には前記光ビームを結像レンズを用いて小さなビームスポットに集光してから前記被検査物に照射し、前記回転位置決定手段による前記偏光板の回転位置を決定する時には前記結像レンズを用いることなく前記ビームスポットよりも大きなビームスポットの光ビームを前記被検査物に照射するように構成されているものである。通常、表面検査装置が被検査物の検査を行う場合には、ビームスポットは結像レンズにて小さく集光されて被検査物表面に照射される。従って、この小さく集光されたビームスポットに基づいて偏光板の回転位置を決定してもよいが、この発明では、ビームスポットを集光することなく、大きなビームスポットを被検査物に照射することによって、被検査物表面からの平均的なＣＤ成分情報を得ることができるので、より正確に偏光板の回転位置を検出決定することができる。
【０００７】
請求項３に記載された本発明に係る表面検査装置は、請求項１又は２において、前記回転位置決定手段は、前記受光系手段から出力される前記電気信号のＤＣレベルが最低の値となった場合における前記偏光板の回転位置を、前記被検査物からの反射光が前記偏光板によって除去されるような前記偏光板の回転位置として決定するものである。偏光板を偏光板回転手段で回転させて、偏光板の偏光方向と楕円偏光の反射光の長軸方向とがほぼ垂直になる場合に、受光系手段から出力される電気信号の値すなわちＤＣレベルが最低値を示すことになり、この時に被検査物からの反射光が最も多く偏光板によってカットされるので、この時の回転位置を表面検査時における偏光板の回転位置として決定するようにした。
【０００８】
請求項４に記載された本発明に係る表面検査装置は、請求項１、２又は３において、前記回転位置決定手段による前記偏光板の回転位置が決定した後に、前記被検査物の表面検査を行うように構成されたものである。表面検査を行う場合に、被検査物の材質や表面状態や膜の生成状態・生成条件などによって、偏光板の最適な回転位置は種々異なるので、表面検査の前に偏光板の回転位置を決定するようにした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。図１は本発明の表面検査装置の一実施の形態を示す構成図である。表面検査装置は、シリコンウェハやこのシリコンウェハ上に形成された金属膜、マスクブランクスなどの被検査物１１を回転・移動テーブル１２上に搭載し、回転・移動テーブル１２によって位置決めする。被検査物１１には、レーザ光源（図示せず）から出射したＳ偏光成分のレーザ光Ｉｓが結像レンズ２ａを介して被検査物１１に照射される。結像レンズ２ａ（２ｂ）は、被検査物１１上でレーザ光を集光させてφ１０〜２０μｍの小さなビームスポット径を形成する。レーザ光Ｉｓの照射角度θｉは、５度〜２０度の範囲である。
【００１０】
結像レンズ脱着駆動手段２０は、結像レンズを２ａ又は２ｂの位置に自由に移動するものであり、モータやエアシリンダなどの駆動手段で構成される。通常の表面検査処理時には、結像レンズ脱着駆動手段２０は、結像レンズを２ａの位置に移動し、後述する偏光板回転角度検出処理時には、結像レンズを２ｂの位置に移動させる。結像レンズが２ｂの位置にあるときには、レーザ光Ｉｓは集光しなくなるので、被検査物１１上でφ１０〜２０ｍｍの大きなビームスポット径を形成することになる。
【００１１】
集光レンズ群３１は、被検査物１１に照射したレーザ光Ｉｓによって発生した散乱光Ｓを集光するためのレンズ群である。この実施の形態では、レーザ光Ｉｓの照射角度θｉよりも十分に大きな仰角４０度〜５０度の高角度受光系の一つのみを図示している。実際は、このような高角度受光系がレーザ光Ｉｓの照射位置を中心としてその円周方向に複数個設けられたり、また、仰角が照射角度θｉとほぼ同じ５度〜２０度の低角度受光系が同じく複数個設けられたりする。
【００１２】
偏光板３２は、集光レンズ群３１によって集光された散乱光の内、特定の偏光成分の光のみを通過させるための光学素子である。偏光板回転駆動手段３３は、この偏光板３２を光軸に対して、光軸を回転の中心軸として回転駆動するものである。光電変換手段３４は、集光レンズ群３１によって集光された光のうち、偏光板３２を通過した光Ｓｐを受光し、その光Ｓｐの強度に応じた電流を出力するものであり、光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）で構成される。
【００１３】
信号処理回路４１は、光電変換手段３４から出力される電流を電圧に変換し、その電圧信号を増幅して、次のＤＣレベル検出回路４２に出力する。ＤＣレベル検出回路４２は、信号処理回路４１から出力される電圧信号のＤＣレベル（電圧）を検出し、演算処理回路４４に出力する。回転位置制御回路４３は、偏光板３２の回転位置を検出し、その位置信号を演算処理回路４４に出力したり、演算処理回路４４からの回転位置信号に基づいて偏光板３２をその回転位置に位置決めするための位置制御信号を偏光板回転駆動手段３３に出力したりする。演算処理回路４４は、ＤＣレベル検出回路４２からのＤＣレベル及び回転位置制御回路４３からの回転位置信号に基づいてＤＣレベルの最も低くなる偏光板３２の回転位置を決定する。
【００１４】
図２は、このＤＣレベル検出回路４２に入力される電圧信号波形の一例を示す図である。通常、ウェハなどの被検査物１１が回転している状態では、被検査物１１上に異物やスクラッチなどの欠陥があると、光電変換手段３４には一瞬光が入いるようになるので、検出信号はパルス的になる。ところが、被検査物１１の表面状態に関わる光は、常に光電変換手段３４に入射されているので、パルス的ではなく直流成分となり、すなわち、オフセット値が上がった状態となる。この直流成分のことをＤＣレベルと言う。図２（Ａ）及び（Ｂ）において、中央付近の大きなレベルの信号が検出したい信号、すなわち被検査物１１の表面に付着した異物やスクラッチなどの欠陥から散乱した光に対応したパルス的な信号であり、この信号の左右に存在するランダムな信号が光電変換手段３４に常に入射してくる被検査物１１の表面状態に関わる光、すなわち被検査物１１の表面で反射した反射光に対応する直流成分の信号である。この信号において、全体をグランドレベルＧＮＤより引き上げているのがＤＣレベルである。このＤＣレベルは常に光電変換手段３４に入ってくる光の量に応じて増減する。また、この信号において、ランダムな信号がノイズである。このノイズは、回路ノイズと光電変換手段３４から発生するショットノイズとが合わされたものであり、実験の結果、その大部分がショットノイズであることが判明している。光電変換手段３４の性質上、光電変換手段３４に常に入ってくる光の量に応じてショットノイズも増大する。このショットノイズが大きいと異物やスクラッチなどの欠陥からのパルス的な信号と、ランダムなノイズを処理回路上で切り分けることが困難になる。そこで、ＤＣレベル検出回路４２は、このランダムな信号をローパスフィルタを通すことによってＤＣレベルを検出するような構成になっている。
【００１５】
図２（Ａ）及び（Ｂ）では、このＤＣレベルの大きさがそれぞれ異なる。これは、偏光板３２の回転位置がそれぞれ異なるからである。すなわち、図２（Ａ）は、被検査物１１の表面からの反射光を最も有効に除去することのできる回転位置に偏光板３２が位置する場合の電圧信号波形を示し、図２（Ｂ）はその逆である、被検査物１１の表面からの反射光を有効に除去することのできない位置に偏光板３２が位置する場合の電圧信号波形を示している。従って、光電変換手段３４の特性上、常に入射する反射光の量が多いと、ノイズレベルとＤＣレベルが高くなる。これによって、検出したい信号のＳ／Ｎ比が低下し、異物からの散乱光に対応した信号の検出精度が劣化することになる。従って、この実施の形態のように、被検査物１１の材質や表面状態に応じてＤＣレベルが最低値となるように、偏光板回転駆動手段３３によって偏光板３２の回転位置を適宜調整することによって、検出したい異物からの散乱光を有効に検出することができるようになる。
【００１６】
次に、この表面検査装置の動作例を説明する。まず、結像レンズ脱着駆動手段２０が結像レンズを２ｂの位置に移動させる。これによって、被検査物１１はφ１０〜２０ｍｍの大きなビームスポット径のレーザ光Ｉｓによって照射されるようになる。回転位置制御回路４３は、偏光板回転駆動手段３３に一定速度で偏光板３２を回転させるための制御信号を出力する。これによって、偏光板３２は光軸に対して、光軸を回転の中心軸として一定の速度で回転するようになる。偏光板３２が一定の速度で回転すると、光電変換手段３４には、偏光板３２を通過して集光レンズ群３１に入射し、集光レンズ群３１によって集光された光Ｓｐが入射するようになるので、光電変換手段３４は偏光板３２の回転位置に同期して変動する電流を出力するようになる。
【００１７】
光電変換手段３４から出力された変動電流は、信号処理回路４１によって、電圧信号に変換され、ＤＣレベル検出回路４２に入力される。信号処理回路４１から出力される電圧信号は、偏光板３２の回転位置に同期して変動するが、ＤＣレベル検出回路４２は、この変動する電圧信号に基づいてＤＣレベルを検出して演算処理回路４４に出力する。演算処理回路４４は、ＤＣレベル検出回路４２からのＤＣレベル及び回転位置制御回路４３からの回転位置信号に基づいてＤＣレベルの最も低くなる偏光板３２の回転位置を決定する。
【００１８】
以上のようにして、ＤＣレベルの最も低くなる偏光板３２の回転位置が決定すると、表面検査装置は、通常の表面検査処理を行う。従って、今度は、結像レンズ脱着駆動手段２０が結像レンズを２ａの位置に移動させて、被検査物１１にφ１０〜２０μｍの小さなビームスポット径のレーザ光Ｉｓが照射されるようにする。そして、回転・移動テーブル１２によって被検査物１１を移動させて、レーザ光Ｉｓのビームスポットが被検査物１１の表面をスパイラル状に走査するように制御して、通常の表面検査処理を行う。これによって、被検査物１１の材質や表面状態に応じて反射光の偏光方向が種々変化した場合でも、偏光板３２でその反射光を効率良く除去することができるようになるため、最適な検出感度で異物検出を行うことができるようになる。
【００１９】
なお、上述の実施の形態では、偏光板３２を一定速度で回転して、ＤＣレベルの最低値を求める場合について説明したが、この方法を被検査物１１の複数箇所で行い、その中から最適な回転位置を決定するようにしてもよい。また、上述の実施の形態では、表面検査の前に偏光板の最適な回転位置を検出する場合について説明したが、予め被検査物や膜の材質や表面状態に応じた偏光板の回転位置を示すテーブルを作成しておいてもよいし、このようにして予め作成されたテーブルに基づいてその近傍で偏光板を回転制御して最適な回転位置を求めるようにしてもよい。また、上述の実施の形態では、レーザ光について説明したが、白色光、紫外光等であってもよい。また、上述の実施の形態では、ビームスポットが被検査物の表面をスパイラル状に走査する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ｘ−ｙ移動や回転移動（同心円と一方向の送り）などで走査するようにしてもよい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の表面検査装置によれば、被検査物の材質や表面状態に応じて反射光の偏光方向が種々変化した場合でも、最適な検出感度で異物検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面検査装置の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１のＤＣレベル検出回路に入力される電圧信号波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１…被検査物、１２…回転・移動テーブル、２ａ，２ｂ…結像レンズ、２０…結像レンズ脱着駆動手段、３１…集光レンズ群、３２…偏光板、３３…偏光板回転駆動手段、３４…光電変換手段、４１…信号処理回路、４２…ＤＣレベル検出回路、４３…回転位置制御回路、４４…演算処理回路

Claims

直線偏光された光ビームをウェハ基板やマスク基板などの基板上に形成された金属膜などの被検査物に照射する投光系手段と、前記光ビームが前記被検査物に照射されることによって発生する前記被検査物や異物からの反射光や散乱光を受光して、前記反射光や散乱光に対応した電気信号を出力するように構成された受光系手段と、前記受光系手段の光軸上に設けられた偏光板と、前記受光系手段の光軸を中心軸として前記偏光板の偏光方向を回転させる偏光板回転手段と、前記受光系手段から出力される前記電気信号に基づいて前記被検査物からの反射光が前記偏光板によって除去されるような前記偏光板の回転位置を決定する回転位置決定手段とを備え、前記投光系手段は、表面検査時には前記光ビームを結像レンズを用いて小さなビームスポットに集光してから前記被検査物に照射し、前記回転位置決定手段による前記偏光板の回転位置を決定する時には前記結像レンズを用いることなく前記ビームスポットよりも大きなビームスポットの光ビームを前記被検査物に照射するように構成されていることを特徴とする表面検査装置。
請求項１において、前記回転位置決定手段は、前記受光系手段から出力される前記電気信号のＤＣレベルが最低の値となった場合における前記偏光板の回転位置を、前記被検査物からの反射光が前記偏光板によって除去されるような前記偏光板の回転位置として決定することを特徴とする表面検査装置。
請求項１又は２において、前記回転位置決定手段による前記偏光板の回転位置が決定した後に、前記被検査物の表面検査を行うように構成されたことを特徴とする表面検査装置。
請求項1乃至３のいずれかにおいて、前記ウェハ基板やマスク基板などの基板上に形成された金属膜などの被検査物は、シリコンウェハまたはシリコンウェハ上に形成された金属膜あるいはマスクブランクスであることを特徴とする表面検査装置。
請求項1乃至４のいずれかにおいて、前記回転位置決定手段は、前記電気信号または予め被検査物や膜の材質や表面状態に応じた作成した偏光板の回転位置を示すテーブルのうち少なくとも一方に基づいて前記偏光板の回転位置を決定することを特徴とする表面検査装置。