JP4521240B2 - 欠陥観察方法及びその装置 - Google Patents
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Description
、特に電子顕微鏡を用いて欠陥を詳細に観察するのに適した欠陥観察方法及びその装置に
関する。
絡などの不良原因になる。さらに半導体素子の微細化に伴い、より微細な異物がキャパシ
タの絶縁不良やゲート酸化膜などの破壊の原因にもなる。これらの異物は、搬送装置の可
動部から発生するものや、人体から発生するもの、プロセスガスにより処理装置内で反応
生成されたもの、薬品や材料に混入していたものなど種々の原因により種々の状態で混入
され、例えば半導体ウェハ上のスクラッチ(引掻き傷)、材料残り、粒子等が挙げられ製
造スループットに影響を与えている。
このため、製造プロセス中に半導体基板上に発生した欠陥を検出し、検出した欠陥を分
類して欠陥の発生源をいち早く突き止め、欠陥の大量発生を食い止める必要がある。
いて半導体基板の表面を暗視野照明して異物からの散乱光を検出して欠陥の位置を特定し
、または、光学式外観検査装置を用いて半導体基板の明視野光学像を検出してこれを参照
画像と比較することにより半導体基板上の欠陥の位置を特定し、この位置が特定された欠
陥を、SEM(走査型電子顕微鏡)で詳細に観察して分類し、データベースと比較して分
類した欠陥の発生原因を推定する方法が採られていた。このような観察方法に関しては、
特許文献1〜3に開示されている。
ットを上げるために、半導体基板表面を暗視野照明するためのレーザビームのスポットサ
イズを大きくして半導体基板表面を走査して照射している。このため、半導体基板表面を
走査するレーザビームスポットの位置から求める位置座標の精度は、大きな誤差成分を含
んでしまう。
細に観察しようとすると、光学式の異物検査装置よりも遥かに高い倍率で観察するSEM
の視野の中に、観察したい欠陥が入らない場合がある。このような場合、SEMの視野内
に見たい欠陥の画像を入れるために、SEMの視野内を移動させながら欠陥を探すことに
なるが、そのための時間がかかってしまい、SEM観察のスループットが低下する原因に
なってしまう。
た画像を参照画像と比較することにより欠陥を検出するが、半導体基板の表面が光学的に
透明な膜で覆われている場合には、この光学的に透明な膜の表面の欠陥の他に、膜中又は
膜下に存在する欠陥も検出してしまう。
詳細に観察しようとすると、一般にSEMでは試料表面の情報しか得られないので、光学
式外観検査装置で検出した膜中又は膜下に存在する欠陥を観察することができない。この
ような場合、SEMによる観察装置からは、光学式外観検査装置が誤検出したと認識して
しまうという問題があった。
EMを用いて詳細に観察する場合において、光学式の異物検査装置又は光学式外観検査装
置で検出した欠陥を、確実にSEMの観察視野内に入れることができる欠陥観察方法及び
その装置を提供することにある。
EMを用いて詳細に観察する場合において、光学式の異物検査装置又は光学式外観検査装
置で検出した欠陥を、確実にSEMの観察視野内に入れることができるようになり、SEMを用いた欠陥の詳細観察のスループットを上げることができた。
前記検出光学系350内の光検出器15から出力される画像信号に基づいて欠陥を検出す
る信号処理系400と、全体のシーケンスを制御する全体制御部130とを含んで構成さ
れる。また、全体制御部130は、入出力部73(キーボードやネットワークも含む)、
表示部72、記憶部71が設けられている。
た位置に、電子ビーム軸112を有する電子顕微鏡(SEM)110が設けられている。
電子顕微鏡(SEM)110は、被検査対象基板100に電子ビームを照射、走査して、
被検査対象基板100から発生する2次電子を検出することによって高倍率で画像観察す
る装置であって、別の検査装置により検出した被検査対象基板100上の欠陥を、該別の
検査装置から出力された被検査対象基板100上の欠陥の位置情報である欠陥マップデー
タを前記入出力部73(キーボードやネットワークも含む)を介して入力し、該欠陥マッ
プデータに基づいて、前記電子顕微鏡(SEM)110の電子ビーム軸112に対して、
XY方向でほぼ一致する位置にXYステージ120を移動せしめ、焦点検出系90(図1
では投光側だけを示し、受光側は省略している)で被検査対象基板100上のZ方向の位
置を検出し、SEM像が鮮明になるように全体制御部130で電子ビームの焦点を制御し
ながら前記被検査対象基板100上の欠陥を観察するものである。なお、2次電子検出器
(図示しない)は、電子ビーム軸112と被検査対象基板100の交差する点を望むよう
に設けられた光電変換器やEDX等により構成されている。
出射したレーザ光L1は、全体制御部130からの駆動信号により開閉するシャッタ31を通過し、ビーム径可変手段33、波長板35、窓部36を透過して真空チャンバ150の内部に入り、反射角の異なるミラー38またはミラー39で反射して被検査対象基板100表面に照射される。この時、被検査対象基板100表面の欠陥からの散乱光は光軸312を有する検出光学系350に、また、正反射光L2は光減衰器37に到達する。光減衰器37は、吸収、干渉等により入射光を打ち消す作用を備えた光学素子であり、表面に形成した微細な針状突起で入射光をとらえるものである。
位置に光軸を有し、光学系全体がZステージ61によってZ方向に移動可能になっている
。Zステージ61は全体制御部130で制御されるモータ60の回転制御によってZ方向に移動する。モータ60は駆動回路410介して全体制御部130からの制御信号によって制御される。検出光学系350と真空チャンバ150は、変形自在なカップリング50により接合されており、Zステージ移動の間も真空チャンバ内の真空度が保たれる構造になっている。
ームスプリッタ20、第1レンズ群11、空間フィルタ10、第2レンズ群12、光学フ
ィルタ19及び光検出器15で構成され、被検査対象基板100表面の欠陥55からの散
乱光L3を検出する。レーザ光源30としては、可視または紫外領域の単色あるいは白色レーザ等を用いることが考えられ、光検出器15はレーザ光源30から出射される光の波長に対して受光感度を有する受光素子が用いられる。
出射窓14は対物レンズ13とミラー17の間に設けられた透明窓であり、真空シール
材16によって真空チャンバ150内の真空度が保たれるようになっている。欠陥散乱光
L3は、対物レンズ13を通過後、ビームスプリッタ20を経て第1レンズ群11、空間
フィルタ10、第2レンズ群12を介して光検出器15に到達する。光検出器15は、例
えば受光素子(画素)が一次元または二次元方向に配列されたCCDやTDIセンサなどであり、受光の蓄積時間を変えられる機能を有している。光検出器15から出力された電気信号は、信号処理部400で処理され、処理結果が全体制御部130に送られる。
されており、欠陥や異物を検出する際にノイズとなる被検査対象基板100上からの反射光(例えば、規則的な繰返しパターン等からの反射回折光によるフーリエ像)を遮光する。例えば検出光学系350の光路中に、検査中はY方向に退避可能なミラー201と、投影レンズ202、TVカメラ203からなる瞳観察光学系200を設け、図5に示すフーリエ変換位置における繰り返しパターンからの反射回折光像501をTVカメラ203で撮像し、回折像の輝度点502(図中の白色部)を矩形状の遮光パターン503を有する遮光板510で遮光するものである。
対象基板100は、図示しない基板カセットからロボットアームによって取り出され、搬送系125でXYステージ120の載置台122上に搬送されて位置決め固定される。
信号処理系400 は、入力された画像から欠陥の検出処理を行い、結果を全体制御部130に出力する。
テージ120がX方向に電子顕微鏡の電子ビーム軸112と検出光学系350の光軸31
2の離間距離dだけ移動して電子顕微鏡の電子ビーム軸112上に欠陥検出装置140で
検出された欠陥が移動されて欠陥の確認・分析が実施される。表示部72では電子顕微鏡
の観察画像及び光検出器15が取得した画像を切り換えて、又は同一の画面上に並べて表
示し、観察することが可能である。信号処理系400 において欠陥が検出されなかった
場合は検出光学系の被検査対象基板100上での検出視野を拡大または縮小して欠陥を探
すことになるが、これに伴いレーザ光L1の照明範囲もレンズ33bを移動させることに
よって変化させる。
20の出力を各画素毎に比較する。すなわち、二次元画像f(i,j)の各画素の明るさ
信号v(i,j)に対して、しきい値Thを設定し、各画素がしきい値を超えているか否
かを判定する。しきい値を越えた画素を“1”、越えない画素を“0”として結果を検出
座標判定処理回路450に出力する。
しかし、SEMを用いて透明膜中の欠陥802を観察することは難しいものとされてい
る。このため、欠陥座標をSEMの電子ビーム軸112の真下に位置決めしても、欠陥を
確認することができず、パターン検査装置の誤検出と認識されてしまう場合がある。この
ため、本発明では、暗視野照明系300に配したミラー38、39によって照明角度を変
えて照明することにより、透明膜への照明光の透過、反射を調整して表面欠陥あるいは膜
中欠陥のいずれかに照明光が多く照射されるようにして、光学式外観検査装置で検出した
欠陥が、膜上、膜中いずれに存在する欠陥かを検出光学系350で判定して、SEMにフ
ィードバックできるようにしている。ミラー38は入射角の小さい照明(垂直に近い)に
よって透明膜中の欠陥を照射し、ミラー39は大きい入射角の照明(水平に近い)により透明膜中への透過を抑え膜の表面の欠陥に多くの照明が照射されるように構成している。
段でもって光軸中心に回転させ、L1が図3の紙面に垂直な偏光の場合は、ミラー39で
全反射し、紙面に平行な偏光の場合は、ミラー38で全反射するような特性の反射膜がミラー38と39それぞれの表面に形成されているものである。なお、照明角度は両者から得られる結果から最適値が設定される。
の向きが図3において紙面に垂直な方向になるようにし、ミラー38を図示しない駆動手段でレーザ光L1の光路から外れる位置に対比させておくと、レーザ光L1はミラー39に入射しミラー39で全反射して、図10(a)に示すように試料表面に対して入射角αLで入射する。この入射角αLで透明膜804に入射したレーザ光L1は、大部分が透明膜804の表面で反射され、表面の欠陥803から散乱光S1が発生する。この散乱光S1は、図1に示した検出光学系350を通って光検出器15に到達して検出される。
141で反射し、レンズ155で集光後、レンズ156で再度、平行光束となりレンズ1
57を介してミラー38または39で反射され被検査対象基板100上にスポット状に集
光される。ミラー141、144は、電気信号によって回転または揺動するモータ161
、164に取り付けられており、これにより、レーザ光L1を被検査対象基板100上で二次元走査することができる。このようにしてレーザ光L1を二次元走査することにより被検査対象基板100から発生する散乱光の一部は検出光学系350に入射して、検出器15で検出される。
力する電気信号の周波数や振幅は照射されるレーザスポット径、照明幅、光検出器15の
蓄積時間に応じて適宜決定されるものである。また、スポット走査する手段としては、半
導体技術により形成された二次元振動ミラーや、ポリゴンミラーも考えられる。本発明で
の例は、モータによって振動するミラーの例を示しているがSEMは振動を嫌う装置であ
るため、図示しない除振装置と併用して搭載する必要がある。また、AOD等の光学振動子などを使用しても同様の効果を得ることができる。
示していない検査装置(パターン欠陥を検出する光学式外観検査装置または異物を検出す
る異物検査装置)を用いて検査され、被検査対象基板100上の欠陥が検出される。この検出された欠陥の位置座標情報は、図示していない通信手段を介して全体制御部130に
転送され記憶される。
55・・・欠陥 56・・・欠陥像 61・・・Zステージ 71・・・記憶部
72・・・表示部 73・・・入出力部 80,410・・・駆動回路
90・・・焦点検出系 110・・・電子顕微鏡(SEM) 120・・・XYステージ 122・・・載置台 140・・・欠陥検出装置 150・・・真空チャンバ
160・・・ロードロック室 300・・・暗視野照明系 350・・・検出光学系
400・・・信号処理系 410・・・駆動回路
Claims (6)
- 表面が光学的に透明な膜で覆われた繰り返しパターンを有する試料を検査装置で検査して検出された欠陥の位置情報を用いて電子顕微鏡装置に搭載された光学式顕微鏡を用いて前記欠陥を再検出する工程と、
該再検出する工程で前記光学式顕微鏡で再検出した欠陥の位置情報に基づいて前記検査装置で検出して記憶した欠陥の位置情報を修正する工程と、
該修正した位置情報を用いて前記検査装置で検出した欠陥を前記電子顕微鏡装置で観察する工程とを有する欠陥を観察する方法であって、
前記光学式顕微鏡を用いて前記欠陥を再検出する工程は、
前記試料の同一領域を前記試料に対して斜方から複数の異なる仰角で暗視野照明する工程と、
前記複数の暗視野照明による前記試料からの散乱光のうち前記試料の繰り返しパターンからの回折光を空間フィルタで遮光して得られた散乱光に基づく信号を処理して、前記再検出された欠陥が前記透明な膜の表面に存在するのか又は前記透明な膜の膜中若しくは膜下に存在するのかを判別する工程と、
を有することを特徴とする欠陥観察方法。 - 請求項1記載の欠陥観察方法であって、
前記暗視野照明する工程では、単一光源から発せられた光の光路を切り替えることにより複数の照明をすることを特徴とする欠陥観察方法。 - 請求項1記載の欠陥観察方法であって、
前記暗視野照明する工程では、偏光照明を用いることを特徴とする欠陥観察方法。 - 表面が光学的に透明な膜で覆われた繰り返しパターンを有する試料を他の検査装置で検査して検出された欠陥の位置情報を用いて前記試料に光を照射して前記欠陥を再検出する光学式顕微鏡手段と、
該光学式顕微鏡手段で再検出した欠陥の位置情報に基づいて前記検査装置で検出して記憶した欠陥の位置情報を修正する位置情報修正手段と、
該位置情報修正手段で修正した位置情報を用いて前記他の検査装置で検出した欠陥を観察する電子顕微鏡手段と、
前記試料を載置するテーブルを有して前記光学式顕微鏡手段で検出した前記試料上の欠陥を前記テーブルを駆動させて前記電子顕微鏡手段の視野内に移動させるテーブル手段とを備え、
前記光学式顕微鏡手段は、
前記試料の同一領域を前記試料に対して斜方から複数の異なる仰角で暗視野照明する暗視野照明光学系と、
前記暗視野照明光学系による複数の異なる仰角からの暗視野照明による前記試料からの散乱光のうち前記試料の繰り返しパターンからの回折光を遮光する空間フィルタ部を有し、前記空間フィルタ部を介して散乱光を受光する検出手段と、
を有し、
さらに、前記受光した散乱光に基づく信号を処理して、前記再検出された欠陥が前記透明な膜の表面に存在するか又は前記透明な膜の膜中若しくは膜下に存在するのかを判別する処理手段を有する
ことを特徴とする欠陥観察装置。 - 請求項4記載の欠陥観察装置であって、
前記暗視野照明光学系は、光源と、前記光源から発せられた光の光路を切り替えて前記試料に対する照明光の仰角を変更可能な切り替え手段を有することを特徴とする欠陥観察装置。 - 請求項4乃至6のいずれかに記載の欠陥観察装置であって、
さらに、前記光学式顕微鏡手段と前記電子顕微鏡手段とを設置して内部を真空に排気可能な真空チャンバ手段を備えることを特徴とする欠陥観察装置。
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