JP4485910B2 - 外観検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検査パターンの欠陥を検出する外観検査装置にかかわり、特に半導体ウエハ、フォトマスク、プリント基板などの製造工程におけるパターンの欠陥及び異物等の検査に用いる外観検査装置に関する。

半導体ウエハの外観検査において例えば特許文献１に示されているように照明光により試料表面で反射した反射光の０次光と高次回折光の干渉により形成される試料の光学像のコントラストを向上させることにより、試料上に形成された微細な配線パターンの欠陥を感度良く検出する方式が取られている。この時の光学系の基本構成を図４及び図５に示す。光源８から出た光は、凹面鏡とレンズ９を介して開口絞り１１に達し、さらにレンズと波長選択フィルタ１２、視野絞り１３を経て偏光ビームスプリッタ１５に入射する。偏光ビームスプリッタ１５を透過した直線偏光は、λ／２板１６、λ／４板１７を通って楕円偏光となり、対物レンズ２０によって試料１に照射される。λ／４板１７を回転させることによって楕円偏光の長軸の方向を制御し、λ／２板１６を回転させることによって楕円偏光の楕円率を制御することができる。試料１で反射された光は、対物レンズ２０、λ／４板１７、λ／２板１６を経て再び偏光ビームスプリッタ１５に入射し、ｓ偏光成分だけが反射され、結像レンズ３０とズームレンズ５０からなる結像系に導かれる。

この系では、試料１を円偏光照明するように２枚の波長板の角度を決めた場合には、試料面で反射する際に偏光状態が変化しなかった成分だけが、偏光ビームスプリッタ１５で反射されて結像系に導かれる。一方、試料１を楕円偏光照明するように２枚の波長板の角度を決めた場合には、試料１で反射する際に偏光状態が変化した成分の一部も偏光ビームスプリッタ１５で反射されて結像系に導かれる。一般的に直線状のパターンで回折された光は偏光状態が変化する場合があるが、０次光は変化しない。そこで、楕円偏光照明することによって回折光成分が強調され、結像系に導かれる。これを以下ＳＲ強さあるいはその偏光条件をＳＲ条件と呼ぶことにする。

特開２０００−１５５０９９号公報

実際の検査においては試料のパターンの特徴等に合わせて検査感度を向上させるためにλ／２板やλ／４板を回転させることによって偏光状態を変えている。前述の観察あるいは撮像用画像検出イメージセンサは複数の素子から構成されており、各素子は通常チャンネルという呼び方で区別されている。例えば32チャンネルもしくは64チャンネルに分けられている。

ＳＲ強さはイメージセンサのチャンネル依存性があった。従って一つの照明条件に対してチャンネル間での感度に差が出るために、平均感度の値で照明条件を決定していた。検査感度向上のためにはこのイメージセンサのチャンネル間の感度差を低減する必要性がある。

本発明の目的は、ＳＲ強さのイメージセンサ上でのチャンネル依存性を低減して、検査感度の向上を図ることができる光学系を実現することにある。

ＳＲ強さのチャンネル依存性には、入射光の偏光ビームスプリッタへの入射方向が関係している。図３は、従来の外観検査装置における、入射照明光の入射方向と偏光ビームスプリッタの反射面と偏光ビームスプリッタ上に投影されたイメージセンサの視野形状との関係を示す図である。入射照明光3100の方向は偏光ビームスプリッタ15上に投影されたイメージセンサの視野3300に対して、その長手方向に対して概ね垂直方向である。偏光ビームスプリッタ上に投影されたイメージセンサの視野の長手方向に対して、入射光の方向が概ね垂直であるために、視野長手方向の中心付近に比べて端部では入射角度がずれるために、反射照明光の偏光条件がずれる。イメージセンサの長方形状の長手方向は前述の1から32もしは64チャンネルとチャンネル方向に相当しているためにチャンネル依存性が生じていた。

本発明では、偏光ビームスプリッタ上に投影されるイメージセンサの視野に対して、該視野の概略長方形状長手方向と概ね平行方向になるように偏光ビームスプリッタへの入射照明光の方向を合わせる光学系配置を採用した。

本発明によれば、偏光条件に対するイメージセンサのチャンネル依存性を低減できるので、偏光条件の最適化が容易となり、チャンネルによる感度の低下部分もなくなるので、全体としての欠陥検出感度の向上を図ることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。同じ機能部分には同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明による外観検査装置の一例を示す概略図である。試料1はステージ101によりチャックされていて、回転方向、Ｘ方向、Ｙ方向及び高さ方向にそれぞれ必要に応じて最適な位置に移動する。光源8から出た光は、途中でミラー200、シャープカットフィルタ300、レンズ9、コーンレンズ700、拡散板800、ＮＤフィルタ900、波長フィルタ12、開口絞り11の開口部を通過して、偏光ビームスプリッタ15に達する。途中光は一部ダイクロックミラー400でランプ位置センサ500に分岐されて、ランプ位置のモニタ用に使用される。また偏光ビームスプリッタ15に入る前に縞パターンレチクル1200を通してその縞パターンを試料1面上に投影することによって、後述のオートフォーカス系で試料1の高さ方向の調整用に使われたりする。偏光ビームスプリッタ15を通過した直線偏光は、λ／２板16、λ／４板17を通って楕円偏光となり、対物レンズ20によって試料1に照射される。λ／４板17を回転させることによって楕円偏光の長軸の方向を制御し、λ／２板16を回転させることによって楕円偏光の楕円率を制御することができる。

試料1で反射された光は、対物レンズ20、λ／４板17、λ／２板16を経て再び偏光ビームスプリッタ15に入射し、s偏光成分だけが反射され、結像レンズ30を通してイメージセンサ2000の受光面に試料1の像を形成する。イメージセンサ2000はリニアセンサやTDIイメージセンサ等が用いられる。また試料1で反射し、偏光ビームスプリッタ15で反射した光の一部がビームスプリッタ1800で分離されてオートフォーカス系2100に導かれて、試料の高さ方向の制御に利用される。

光源8としては水銀ランプやキセノンランプを用いることができるが、レーザ光源を用いるとDUV(Deep Ultra Violet)領域で強い光出力を得ることができる。

ここでイメージセンサ2000は、例えばその受光面が256個×4096個のCCDから構成されているTDIイメージセンサであり、受光面が3.3mm×53.2mmの大きさの長方形状であったりする。さらに4096個の画素方向の内、例えば64画素毎に256個の画素方向に積分して通常チャンネルと呼ばれる単位に区分される。本実施例ではTDIイメージセンサは長方形の長手方向に64チャンネル分から構成されることになる。図１において、イメージセンサ2000は図示のようにその長手方向を紙面左右方向になるように配置することにより、その視野が偏光ビームスプリッタ上に投影された時に紙面上下方向になる。偏光ビームスプリッタ15は、本実施例では立方体形状である。図１において、入射光及び反射光の方向は紙面上下のため、その方向は偏光ビームスプリッタ15上に投影されたイメージセンサの長手方向と一致する。

図２は、本発明の他の実施例における偏光ビームスプリッタとイメージセンサ視野形状と入射照明光と反射照明光の関係を示す模式図、図３は従来技術での偏光ビームスプリッタとイメージセンサ視野形状と入射照明光と反射照明光の関係を示す模式図である。図２（ａ）及び図３（ａ）は上面図、図２（ｂ）及び図３（ｂ）は側面図である。これらの図を用いて、本発明の効果を説明する。

図２（ａ）に示す本発明のレイアウトでは、偏光ビームスプリッタ15上に投影されたイメージセンサ視野3300の長手方向（チャンネル方向）は、入射照明光3100と同じ方向である。この時イメージセンサ視野の中央部での偏光の方向3500b、及び端部での偏光の方向3500a，3500cは、イメージセンサ視野の各位置（各チャンネル）に到達する光の反射面3400に対する入射光の角度が同じなので、同じになる。その結果、図２（ｃ）に示すように、イメージセンサのチャンネル依存性が生じない。

次に、従来の光学系について説明する。図３（ａ）において入射光3100は偏光ビームスプリッタ15に対して左から右方向水平に入射するとする。偏光ビームスプリッタ15上に投影されるイメージセンサ視野3300はその長手方向（チャンネル方向）が上下方向とする。図３（ｂ）は、偏光ビームスプリッタの反射面3400と反射照明光3200の関係を示す。図３（ａ）に、イメージセンサ視野の中央部での偏光の方向3600b及び端部での偏光の方向3600a，3600cを示す。イメージセンサ視野の各位置（各チャンネル）に到達する光の反射面3400に対する入射光の角度が異なるために、偏光方向3600a、3600b、3600Cが僅かに異なる。その結果、図３（ｃ）に示すように、イメージセンサにおけるチャンネル依存性が生じていた。

図６は、本発明による外観検査装置の他の例を示す概略図である。図１に示した外観検査装置との違いは、図１に示した装置は偏光ビームスプリッタ15と対物レンズ20の間にλ／２板16とλ／４板17を配置しているのに対し、図６に示した装置はλ／４板17のみを配置した点である。図１に示した外観検査装置の構成は楕円偏光による照明を用いる場合に対して、図６に示した装置構成は円偏光による照明を用いる場合に有効である。

図７は、本発明による外観検査装置の他の例を示す概略図である。図１に示した外観検査装置との違いは、図１に示した装置は偏光ビームスプリッタ15と対物レンズ20の間にλ／２板16とλ／４板17を配置しているのに対し、図７に示した装置はλ／２板16のみを配置した点である。この外観検査装置は、直線偏光による照明を用いる場合に有効である。

本発明による外観検査装置の一例を示す概略図。 本発明による光学系レイアウトを示す図。 従来技術における光学系レイアウトを示す図。 欠陥検査装置光学系の構成例を示す図。 欠陥検査装置における光路分離部の構成例を示す図。 本発明による外観検査装置の他の例を示す概略図。 本発明による外観検査装置の他の例を示す概略図。

符号の説明

１…試料
１５…偏光ビームスプリッタ
１６…λ／２板
１７…λ／４板
2000…イメージセンサ

Claims (6)

1. 試料を保持する試料ステージと、光源と、偏光ビームスプリッタと、対物レンズと、前記偏光ビームスプリッタと対物レンズの間に配置されたλ／４板と、結像光学系と、イメージセンサとを備え、前記光源からの照明光を前記偏光ビームスプリッタ、λ／４板及び対物レンズを通して前記試料ステージに保持された試料に照射し、試料からの反射光を前記対物レンズ、λ／４板及び偏光ビームスプリッタを通して前記結像光学系に導き、前記イメージセンサ上に結像する外観観察装置において、
   前記イメージセンサはリニアイメージセンサであり、
   前記偏光ビームスプリッタ上に投影された前記リニアイメージセンサの視野のチャンネル方向に対して、前記光源からの照明光の前記偏光ビームスプリッタへの入射方向が概ね平行であること、を特徴とする外観検査装置。
2. 請求項１記載の外観検査装置において、前記光源はレーザ光源であることを特徴とする外観検査装置。
3. 試料を保持する試料ステージと、光源と、偏光ビームスプリッタと、対物レンズと、前記偏光ビームスプリッタと対物レンズの間に配置されたλ／２板と、結像光学系と、イメージセンサとを備え、前記光源からの照明光を前記偏光ビームスプリッタ、λ／２板及び対物レンズを通して前記試料ステージに保持された試料に照射し、試料からの反射光を前記対物レンズ、λ／２板及び偏光ビームスプリッタを通して前記結像光学系に導き、前記イメージセンサ上に結像する外観観察装置において、
   前記イメージセンサはリニアイメージセンサであり、
   前記偏光ビームスプリッタ上に投影された前記リニアイメージセンサの視野のチャンネル方向に対して、前記光源からの照明光の前記偏光ビームスプリッタへの入射方向が概ね平行であること、を特徴とする外観検査装置。
4. 請求項３記載の外観検査装置において、前記光源はレーザ光源であることを特徴とする外観検査装置。
5. 試料を保持する試料ステージと、光源と、偏光ビームスプリッタと、対物レンズと、前記偏光ビームスプリッタと対物レンズの間に配置されたλ／４板及びλ／２板と、結像光学系と、イメージセンサとを備え、前記光源からの照明光を前記偏光ビームスプリッタ、λ／４板及びλ／２板並びに対物レンズを通して前記試料ステージに保持された試料に照射し、試料からの反射光を前記対物レンズ、λ／４板及びλ／２板並びに偏光ビームスプリッタを通して前記結像光学系に導き、前記イメージセンサ上に結像する外観観察装置において、
   前記イメージセンサはリニアイメージセンサであり、
   前記偏光ビームスプリッタ上に投影された前記リニアイメージセンサの視野のチャンネル方向に対して、前記光源からの照明光の前記偏光ビームスプリッタへの入射方向が概ね平行であること、を特徴とする外観検査装置。
6. 請求項５記載の外観検査装置において、前記光源はレーザ光源であることを特徴とする
   外観検査装置。

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