JP4560900B2

JP4560900B2 - Inspection device

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Publication number: JP4560900B2
Application number: JP2000183776A
Authority: JP
Inventors: 昌幸森田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2020-06-19
Also published as: JP2002006226A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検査物の検査箇所に照明光を照射し、この照明光により照明された検査箇所からの反射光や散乱光、回折光を検出することで、検査箇所の状態を検査する検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気産業分野におけるデジタル化が進む中で、半導体チップの集積度の向上が盛んに行われている。そして、このように高度に集積された半導体チップを如何に効率良く低コストで提供できるかが、今後のデジタル電気産業の発展を左右する重要な課題となっている。
【０００３】
半導体チップを低コストで効率良く生産するためには、製造プロセス中に発生する問題を迅速に且つ正確に検出することが重要である。このため、半導体チップに形成された微細な回路パターンを精度良く検査できる検査装置に対する需要が高まっている。
【０００４】
一般に、半導体チップの回路パターンに代表される微細なパターンを検査するための検査装置としては、光学顕微鏡を用いたものが多用されている。光学顕微鏡を用いた検査装置では、被検査物の検査箇所に照明光を照射し、その反射光、散乱光、回折光、屈折光等を光学的に検出することで、検査箇所の状態を検査するようにしている。
【０００５】
ところで、半導体チップの回路パターンは益々微細化される傾向にあり、近年では線幅０．１８μｍ以下のデザインルールが適用されるようになってきている。このように非常に微細なパターンを精度良く検査するために、検査装置の分野においては、既存の光学顕微鏡の分解能を大きく超える高い分解能を求められるようになってきている。
【０００６】
高い分解能が得られる顕微鏡としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）、近接場光学顕微鏡（Near-field scanning optical Microscope）等が開発されている。このような顕微鏡を用いて検査を行うようにすれば、高い分解能での検査が可能であるが、検査環境を真空にする必要があること、視野の狭さから検査に長時間を要すること等の問題があり、検査原理自体が高スループット化の障害要因となる。
【０００７】
ところで、近年、単一波長を持つレーザ光を照明光として用いるレーザ顕微鏡の開発が盛んに進められている。そして、短波長の深紫外レーザ光を連続発振可能な光源装置が実用化され、この光源装置を照明光源として用いることで、半導体チップにおける微細な回路パターンを検査するための検査装置として満足しうる水準の分解能が得られるようになってきている。
【０００８】
このようなレーザ顕微鏡を用いて検査装置を構成すれば、高い分解能で微細なパターンを精度良く検査できると共に、高スループット化を実現して迅速な検査が可能となるので、特に、半導体チップの回路パターンのように、微細なパターンの寸法測定や微小な欠陥を検出するための装置として、強い期待が寄せられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような検査装置を実用化するにあたっては、微細パターンの検査をより適切に行うために、検査箇所となる微細パターンに応じて最適な光学的特性が得られることが望まれる。これまで、検査装置の光学的特性の向上は、照明光の短波長化と対物レンズの開口数（ＮＡ：numerical aperture）を高めることによって、解像力の向上を図ることで実現されてきた。しかしながら、照明光の短波長化や対物レンズの高ＮＡ化を図るには、非常に高価な開発費や材料費、加工費等が必要とされるので、更なる光学的特性の向上を、照明光の短波長化と対物レンズの高ＮＡ化のみによって実現することは、コストの点からも困難である。
【００１０】
そこで、本発明は、照明光の短波長化と対物レンズの高ＮＡ化のみに頼ることなく、光学的な周波数応答を被検査物の検査箇所に応じて最適なものとし、微細形状を有する被検査物の検査を極めて高精度に行うことが可能な検査装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
実際の顕微鏡における光学的特性は、照明系の開口絞り面における照明光の強度分布に大きく依存することが知られている。すなわち、パーシャルコヒーレントである照明系において、照明系の開口絞りの直径を変えることで、解像限界、コントラスト、可干渉性といった光学的特性は大きく変わることになる。したがって、照明系の開口絞り面における照明光の強度分布を検査箇所となる微細パターンに応じた最適なものとすれば、この微細パターンに応じた最適な光学特性が得られることになる。
【００１２】
本発明に係る検査装置は、以上のような知見に基づいて創案されたものであって、被検査物を支持する支持手段と、この支持手段に支持された被検査物の検査箇所に、所定の波長域の単色光を照明光として照射する照明手段と、照明光により照明された検査箇所からの反射光、散乱光、回折光を検出する検出手段と、この検出手段からの出力に基づいて、上記検査箇所の状態を検査する検査手段とを備えている。そして、この検査装置は、照明手段が、開口絞り面内における照明光の強度分布を上記検査箇所の構造や検査目的に応じて切り替える切り替え手段を有することを特徴としている。
【００１３】
この検査装置において、被検査物は支持手段により支持される。そして、支持手段に支持された被検査物の検査箇所に対して、照明手段により所定の波長域の単色光が照明光として照射される。このとき、照明手段の切り替え手段が、開口絞り面内における照明光の強度分布を、検査箇所の構造や検査目的に応じた最適なものとなるように切り替える。これにより、検査箇所の構造や検査目的に応じた最適な照明光が、検査箇所に照射されることになる。
【００１４】
検査箇所に照射された照明光は、この検査箇所の状態に応じて反射、散乱、回折することになる。これら検査箇所からの反射光、散乱光、回折光が検出手段により検出される。そして、これら反射光、散乱光、回折光に応じた検出手段からの出力に基づいて、検査手段により被検査物の状態が検査されることになる。
【００１５】
この検査装置では、以上のように、検査箇所の構造や検査目的に応じた最適な照明光が検査箇所に照射され、その反射光、散乱光、回折光に応じた検出手段からの出力に基づいて検査箇所の状態が検査されるので、精度の良い検査が可能である。
【００１６】
なお、この検査装置において、照明手段は、紫外波長域のレーザ光を出射する紫外レーザ光源を有することが望ましい。この紫外レーザ光源から出射された紫外波長域のレーザ光を照明光として用いるようにすれば、検査箇所の状態をより精度良く検査することができる。
【００１７】
また、この検査装置において、照明手段は、ケーラー照明により検査箇所を照明する第１の照明系と、臨界照明により検査箇所を照明する第２の照明系との切り替えを行う照明系切り替え手段を有することが望ましい。この切り替え手段によって、ケーラー照明により検査箇所を照明する第１の照明系と、臨界照明により検査箇所を照明する第２の照明系との切り替えを可能にしておけば、例えば、被検査物の検査箇所の検査をする際は第１の照明系を選択し、開口絞り面内における照明光の強度分布の調整等を行う際は第２の照明系を選択すると行ったように、目的に応じて最適な照明系を選択することができる。
【００１８】
また、この検査装置において、照明手段は、照明光の可干渉性を低減するための可干渉性低減手段を有することが望ましい。この可干渉性低減手段によって照明光の可干渉性を低減させるようにしておけば、照明光の均一性を高めることができる。
【００１９】
また、この検査装置において、照明手段は、照明光の光量をモニタする光量モニタ手段と、この光量モニタ手段によって検出された照明光の光量に応じて照明光の透過又は遮断を切り替えるシャッタ手段とを有することが望ましい。このように、モニタ手段によって照明光の光量をモニタし、それに応じてシャッタ手段が照明光の透過又は遮断を切り替えるようにしておけば、照明光の照射光量を検査箇所に応じて調整することができるので、検査箇所にダメージを与えることなく、この検査箇所の検査を適切に行うことができる。
【００２０】
また、この検査装置においては、検出手段と支持手段に支持された被検査物の検査箇所とのフォーカス状態を、距離センサからの出力に基づいて制御するフォーカス制御手段を備え、このフォーカス制御手段が、照明手段を第２の照明系に切り替えて、臨界照明によって検査箇所を照明することにより得られる情報に基づいて、支持手段の支持面精度に起因するフォーカス誤差量を検出し、このフォーカス誤差量に応じて距離センサからの出力を補正して、フォーカス制御を行うことが望ましい。このように、フォーカス手段が、臨界照明によって検査箇所を照明することにより得られる情報に基づいて、支持手段の支持面精度に起因するフォーカス誤差量を検出し、このフォーカス誤差量に応じて距離センサからの出力を補正して、フォーカス制御を行うようにしておけば、非常に高い精度のフォーカス制御を実現することができ、検査箇所の状態をより精度良く検査することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。ここでは、本発明を半導体チップにおける回路パターンの検査を行う検査装置に適用した例について説明するが、本発明はここで挙げる例に限定されるものではなく、微細形状を有する検査対象の検査を行う検査装置に対して広く適用可能である。
【００２２】
半導体チップは、多数の回路パターンが半導体ウェハに一括形成され、この半導体ウェハが個々のチップ毎に切り出されることで製造される。本発明を適用した検査装置は、レーザ光を用いて半導体ウェハを顕微鏡観察して、半導体ウェハに存在する各種の欠陥を検出し、また、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ上に形成されたレジストパターンや、このレジストパターンを用いたエッチング加工により形成される回路パターンの微細寸法、重ね合わせ精度等を検査或いは計測するものである。
【００２３】
本発明を適用した検査装置の概略構成を図１に示す。この図１に示す検査装置１は、半導体ウェハ１００を任意の位置に移動可能に支持する可動ステージ２を備えている。
【００２４】
この可動ステージ２は、例えば、当該可動ステージ２上に設置された半導体ウェハ１００を水平方向に移動させるためのＸ，Ｙステージと、半導体ウェハ１００を垂直方向に移動させるためのＺステージと、半導体ウェハ１００を回転させるためのθステージと、半導体ウェハ１００を吸着して固定するための吸着プレートとを備える。この可動ステージ２では、上記各ステージが制御部３の制御のもとで動作されるようになされており、上記各ステージが駆動されることで、吸着プレートにより吸着された半導体ウェハ１００上の任意の検査箇所を検査装置１の所定の検査位置へと移動させると共に、半導体ウェハ１００の高さ方向の調整を適切に行って、フォーカス状態を最適な状態に調整できるようになされている。
【００２５】
また、この検査装置１は、所定の検査箇所に位置決めされた半導体ウェハ１００上の任意の検査箇所を照明するための照明光を出射する照明光源４を備えている。
【００２６】
この照明光源４としては、例えば、紫外線固体レーザが用いられる。この紫外線固体レーザは、例えばＹＡＧレーザ等の固体レーザから出射されるレーザ光を非線形光学素子を用いて波長変換し、例えば、波長が２６６ｎｍや１９３ｎｍ程度の深紫外（ＤＵＶ：Deep Ultra Violet）レーザ光を出射するようになされている。
【００２７】
光学顕微鏡の分解能は、検査対象に照射する照明光の波長と対物レンズのＮＡとに依存し、照明光の波長が短波長であり、対物レンズのＮＡが高い方が光学的分解能は向上する。本発明を適用した検査装置１では、照明光源４として紫外線固体レーザが用いられ、短波長のＤＵＶレーザ光で半導体ウェハ１００上の検査箇所を照明するようになされているとともに、高ＮＡの対物レンズが用いられるので、高い分解能を得ることができ、微細なパターンを精度良く検査することが可能である。また、紫外線固体レーザは、装置自体が小型であり、更に、例えば、リソグラフィ工程において用いられているエキシマレーザに比べて、波長安定性、単色性、ビームプロファイル、冷却対策、ガス補充対策、レーザ安全対策、取り扱いの利便性等の点においても優れており、検査装置１における照明光源４として最適である。
【００２８】
また、この検査装置１は、照明光源４から出射されたＤＵＶレーザ光を半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射させてこの検査箇所を照明するための照明光学系と、ＤＵＶレーザ光により照明された検査箇所からの反射光、散乱光、回折光等を画像撮像素子５に導き、検査箇所の像を画像撮像素子５上に結像させる結像光学系とを備えている。
【００２９】
ここで、これら照明光学系及び結像光学系を構成する各光学素子について説明する。照明光源４から出射されたＤＵＶレーザ光は、先ず、可変式ＮＤフィルタ（減光フィルタ）６を透過して、コンデンサレンズ７に入射する。ここで、可変式ＮＤフィルタ６は、照明光源４から出射されたＤＵＶレーザ光を分光組成を変えないで減光するものである。
【００３０】
コンデンサレンズ７に入射したＤＵＶレーザ光は、このコンデンサレンズ７により集光され、シャッタ８の内部に結像する。シャッタ８は、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acoustic Optics Modulator）等よりなり、制御部３の制御のもとで、ＤＵＶレーザ光の透過又は遮断の切り替えを行う。音響光学変調器は、音響光学効果を利用した光変調器であり、回折光を回折効率の範囲内で自由に変調することが可能となっている。この音響光学変調器からの０次回折光を遮断し、１次回折光のみを空間フィルタを用いて取り出すようにすれば、極めて応答性の良いシャッタを構成できる。このシャッタ８によりＤＵＶレーザ光の透過又は遮断を切り替えることで、シャッタ８を透過するＤＵＶレーザ光の光量が調整され、半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射されるＤＵＶレーザ光の照射光量が調節されることになる。
【００３１】
この検査装置１を用いて、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンの微細寸法測定を行う場合、検査対象となるレジストパターンには、その露光波長に近いＤＵＶレーザ光が照射されることになるので、レジストパターンに収縮を生じさせないためには、ＤＵＶレーザ光の照射光量を制御することが重要である。そこで、検査装置１においては、ＤＵＶレーザ光の光路中にシャッタ８を設け、このシャッタ８が、制御部３の制御に応じてＤＵＶレーザ光の透過又は遮断を切り替えることで、ＤＵＶレーザ光の照射光量を調整するようにしている。
【００３２】
なお、シャッタ８としては、照明光源４から出射されたＤＵＶレーザ光の透過又は遮断を切り替えられるものであれば、どのようなものを用いてもよい。例えば、液晶材料を用いた液晶パネル等の空間光変調器や、回折格子を用いた光回折式のシャッタ、光弾性効果を利用した導波路式のシャッタ等を用いるようにしてもよい。
【００３３】
シャッタ８を透過したＤＵＶレーザ光は、光ファイバ９を介して回転拡散板１０の拡散面に照射される。ここで、光ファイバ８は、照明光源４より出射されたＤＵＶレーザ光を後段の各光学素子にフレキシブルに導くと共に、照明光源４から直線偏光の状態で出射されるＤＵＶレーザ光の偏光方向をランダムにして、シングルモードにて入射されたＤＵＶレーザ光をマルチモードに変換するためのものである。また、回転拡散板１０は、可干渉性の良いＤＵＶレーザ光を照明光として用いた場合に問題とされるスペックルノイズを低減させるためのものである。いずれも、照明光学系の可干渉性を落とし、均一な照明を得るための可干渉性低減手段として機能するものである。
【００３４】
回転拡散板１０に照射されたＤＵＶレーザ光は、この回転拡散板１０を光源とするケーラー照明系を構成するコンデンサレンズ１１、開口絞り１２、視野絞り１３、コンデンサレンズ１４を順次透過して、偏光ビームスプリッタ１５に入射する。
【００３５】
偏光ビームスプリッタ１５に入射したＤＵＶレーザ光は、この偏光ビームスプリッタ１５により互いに直交する２方向の直線偏光成分に分離され、その一方が、偏光ビームスプリッタ１５により反射され、他方が偏光ビームスプリッタ１５を透過する。
【００３６】
偏光ビームスプリッタ１５により反射された一方の直線偏光成分の光は、１／４波長板１６を透過することにより円偏光に変換され、対物レンズ１７を介して、半導体ウェハ１００上の所定の検査箇所に照射される。これにより、半導体ウェハ１００上の所定の検査箇所がＤＵＶレーザ光により照明されることになる。
この検査装置１においては、上述した可変式ＮＤフィルタ６から対物レンズ１７までの各光学素子により、照明光学系が構成されている。
【００３７】
また、偏光ビームスプリッタ１５を透過した他方の直線偏光成分の光は、結像レンズ１８を介して光量モニタ１９に入射し、この光量モニタ１９により受光される。ここで、偏光ビームスプリッタ１５を透過して光量モニタ１９により受光される他方の直線偏光成分の光は、照明光源４の偏光依存性が一定である条件において、偏光ビームスプリッタ１５により反射されて半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射される一方の直線偏光成分の光と比例関係が成り立つ。したがって、これらの光の間の相関関係を予め求めておけば、光量モニタ１９により受光される他方の直線偏光成分の光の光量から、半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射されるＤＵＶレーザ光の照射光量を求めることができる。
【００３８】
ＤＵＶレーザ光の照射光量をモニタリングする光量モニタ１９としては、例えば、深紫外レーザ光に対して高い感度が得られるように構成された紫外光用のＣＣＤ（charge-coupled device)カメラが用いられる。この光量モニタ１９は、積算回路２０に接続されており、受光した光を電気信号に変換して、積算回路２０に供給するようになされている。積算回路２０は、光量モニタ１９から供給された電気信号から、ＤＵＶレーザ光の積算照射光量を算出して、制御部３に供給する。
【００３９】
なお、光量モニタ１９としては、受光した光を電気信号に変換できるものであれば、どのようなものを用いてもよい。例えば、フォトトランジスタやカロリーメータ等を光量モニタ１９として用いるようにしてもよい。
【００４０】
この検査装置１では、制御部３が、積算回路２０により算出されたＤＵＶレーザ光の積算照射光量に応じてシャッタ８を制御して、半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射されるＤＵＶレーザ光の照射光量を調整するようにしている。例えば、上述したように、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンの微細寸法測定を行う場合には、積算回路２０により算出されたＤＵＶレーザ光の積算照射光量がレジストパターンに収縮を生じさせる照射閾値に近づくと、制御部３は、シャッタ８を閉じてＤＵＶレーザ光を遮断させ、ＤＵＶレーザ光がレジストパターンに照射されないようにする。また、制御部３は、可変式ＮＤフィルタ６を制御することでも、レジストパターンに照射されるＤＵＶレーザ光の照射光量を調整することができる。
【００４１】
また、この検査装置１では、制御部３が、紫外光用ＣＣＤカメラ等よりなる画像撮像素子５のシャッタと同期させて、照明光学系中のシャッタ８の開閉動作を制御することも可能である。このように、画像撮像素子５のシャッタと同期させて照明光学系中のシャッタ８の開閉動作を制御するようにすれば、半導体ウェハ１００上の検査箇所に効率よくＤＵＶレーザ光を照射させることができる。
【００４２】
この検査装置１では、上述した照明光源３から、照明光学系、結像レンズ１８及び光量モニタ１９、積算回路２０、制御部３を含めた各部が、照明手段として機能するようになっている。
【００４３】
半導体ウェハ１００上の所定の検査箇所に照射されＤＵＶレーザ光は、この検査箇所の状態に応じて反射、散乱、回折することになる。これら検査箇所からの反射光、散乱光、回折光は、対物レンズ１７を透過して、１／４波長板１６に入射する。そして、１／４波長板１６により直線偏光の光に変換された後、偏光ビームスプリッタ１５に再度入射する。ここで、偏光ビームスプリッタ１５に再度入射した検査箇所からの反射光、散乱光、回折光は、先に偏光ビームスプリッタ１５により反射された直線偏光成分の光とは直交する直線偏光成分の光であるので、偏光ビームスプリッタ１５を透過することになる。
【００４４】
偏光ビームスプリッタ１５を透過した検査箇所からの反射光、散乱光、回折光は、結像レンズ２１を介して画像撮像素子５に入射する。これにより、対物レンズ１７により拡大された検査箇所の画像が、画像撮像素子５により撮像されることになる。
【００４５】
この検査装置１においては、対物レンズ１７から結像レンズ２１までの各光学素子により、結像光学系が構成されている。そして、これら結像光学系及び画像撮像素子５が、検出手段として機能するようになっている。
【００４６】
ここで、対物レンズ１７としては、例えば、開口数ＮＡが０．９程度の高開口数のレンズが用いられている。この検査装置１では、照明光として短波長のＤＵＶレーザ光を用いると共に、対物レンズ１７として高開口数のレンズを用いることで、微細なパターンの検査を精度良く行えるようになされている。また、対物レンズ１７は、例えば、波長が２６６ｎｍのＤＵＶレーザ光に対して収差が低減されるような対策が施されている。
【００４７】
また、画像撮像素子５としては、例えば、ＤＵＶレーザ光に対して約３６％の量子効率が得られる高感度の紫外光用ＣＣＤカメラが用いられる。このように、画像撮像素子５として、ＤＵＶレーザ光に対する感度が高いＣＣＤカメラを用いれば、微細なパターンの画像を高解像度で撮像することが可能である。この画像撮像素子５は、画像処理用コンピュータ２２に接続されている。そして、この検査装置１においては、画像撮像素子５により撮像された半導体ウェハ１００上の検査箇所の画像が、画像処理用コンピュータ２２に取り込まれるようになされている。
【００４８】
なお、この画像撮像素子５は、冷却機構を備えたものであることが望ましい。
例えば、紫外光用ＣＣＤカメラを画像撮像素子５として用いる場合には、ＣＣＤチップがペルチェ素子により５℃程度まで冷却される構成となっていることが望ましい。以上のように画像撮像素子５を冷却するようにすれば、この画像撮像素子５により撮像された半導体ウェハ１００上の検査箇所の画像を画像処理用コンピュータ２２に転送する際に発生する読み出し雑音や熱雑音を大幅に低減することが可能となる。
【００４９】
この検査装置１においては、上述したように、結像光学系によって画像撮像素子５に結像され、この画像撮像素子５により撮像された半導体ウェハ１００上の検査箇所の画像が画像処理用コンピュータ２２に供給される。そして、この検査箇所の画像を画像処理用コンピュータ２２により画像処理し、解析することによって、検査箇所の状態の検査が行われることになる。すなわち、この検査装置１では、画像処理用コンピュータ２２が検査手段として機能し、この画像処理用コンピュータ２２により、半導体ウェハ１００上の検査箇所の状態が検査されるようになされている。
【００５０】
具体的には、例えば、半導体ウェハ１００に存在する欠陥を検出する場合には、欠陥のある箇所の画像（欠陥画像）と、同じパターンを有する欠陥のない箇所の画像（参照画像）とがそれぞれ撮像され、画像処理用コンピュータ２２によりこれら欠陥画像と参照画像との差分が算出されることによって、その差分が半導体ウェハ１００に存在する欠陥として検出される。また、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンや、このレジストパターンを用いたエッチング加工により形成される回路パターンの微細寸法、重ね合わせ精度等を検査或いは計測する場合には、画像処理用コンピュータ２２によって検査箇所の画像が画像処理され、光の強度プロファイルが作成される。そして、この光の強度プロファイルをもとにして、パターン寸法の計測や重ね合わせ精度の検査等が行われる。
【００５１】
ところで、この検査装置１においては、上述したコンデンサレンズ１４の焦点距離が、対物レンズ１７の焦点距離よりも十分に長くなるように、照明光学系が構成されている。したがって、コンデンサレンズ１４を取り外すことで、回転拡散板１０、コンデンサレンズ１１、開口絞り１２、対物レンズ２０により臨界照明系が成立し、開口絞り１２面内における空間像が半導体ウェハ１００上に結像することになる。すなわち、この検査装置１では、コンデンサレンズ１４を切り替え式に出し入れすることで、ケーラー照明系による照明と、臨界照明系による照明とを切り替えることができるようになされている。なお、臨界照明系による照明時は、結像位置がケーラー照明系による照明時とは異なることになるので、可動ステージ２は、ケーラー照明系による照明時と、臨界照明系による照明時との焦点位置差を調整し得るステージストロークが必要となる。この検査装置１においては、回転拡散板１０から対物レンズ１７に至る照明光学系と、対物レンズ１７から結像レンズ２１に至る結像光学系は無限光学系を構成しており、対物レンズ１７の焦点距離に比べ、コンデンサレンズ１４の焦点距離が十分長いので、上記焦点位置差は微小である。
【００５２】
コンデンサレンズ１４の出し入れの切り替えは、例えば、コンデンサレンズ１４をリボルバに取り付け、このリボルバを回転操作して、コンデンサレンズ１４をＤＵＶレーザ光の光路上と、ＤＵＶレーザ光の光路から外れた位置とに亘って移動させることで行う。この場合、コンデンサレンズ１４が取り付けられたリボルバが、照明系切り替え手段として機能する。なお、コンデンサレンズ１４の出し入れの切り替えは、以上のようなリボルバ式に限らず、スライド式、カム式等、コンデンサレンズ１４の出し入れが任意に行える方式であれば、どのような方式であっても構わない。また、コンデンサレンズ１４を取り外す代わりに、相当のレンズを挿入する方法で、ケーラー照明系を臨界照明系に切り替えるようにしてもよい。但し、この場合には、コサイン４乗則によって周辺光量が減少するという問題があるので、ケーラー照明系を臨界照明系に切り替える方法としては、コンデンサレンズ１４を取り外す方法が最適である。
【００５３】
一般的に、光学顕微鏡の照明調整は検査対象面において均一な照明になるように調整するのが一般的である。この検査装置１においても、実際に半導体ウェハ１００上の検査箇所の検査を行う場合には、照明光学系をケーラー照明系にして、半導体ウェハ１００上の検査箇所に均一にＤＵＶレーザ光が照射されることが望ましい。一方、光学系の解像力は、対物レンズのＮＡ、照明光の波長の他に、照明系開口絞り面内における照明光の強度分布に大きく依存することが知られている。そこで、検査装置１においては、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布が、半導体ウェハ１００上の検査箇所のパターン形状や検査目的に応じて最適な分布となるようにしている。
【００５４】
ここで、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布を最適化するには、光学系の調整を行う必要があるが、ケーラー照明系では、このような光学系の調整が困難である。すなわち、ＤＵＶレーザ光の照射状態を観察しながら光学系の調整を行うようにすれば、光学系の調整を簡便に行うことができるが、ケーラー照明系では、コンデンサレンズ１４の像が検査箇所（ＤＵＶレーザ光が照射される箇所）に結像することになり、ＤＵＶレーザ光の照射状態を観察しながら光学系の調整を行うことができない。したがって、この場合には、検査装置１とは別の特別な調整治具を用いて光学系の調整を行う必要がある。
【００５５】
これに対して、臨界照明系では、開口絞り１２面内の像が検査箇所（ＤＵＶレーザ光が照射される箇所）に結像することになるので、ＤＵＶレーザ光の照射状態を観察しながら光学系の調整を行うことができる。したがって、光学系の調整を臨界照明系で行うようにすれば、例えば、半導体ウェハ１００上の検査箇所の検査を行っている途中であっても、特別な段取り替えを行ったり、検査装置１とは別の調整治具を用いたりすることなく、適切且つ簡便に光学系の調整を行うことができる。そこで、検査装置１においては、光学系の調整を行う場合には、コンデンサレンズ１４を取り外して照明光学系を臨界照明系にし、光学系の調整を適切且つ簡便に行えるようにしている。
【００５６】
また、検査装置１においては、開口絞り１２が、任意のσ値（開口絞りの直径／対物レンズの瞳径）を有する空間フィルタ絞り（以下、σ絞りという。）と、例えば図２に示すような、照明光学系光軸を中心とする任意のσ値の輪帯を組み合わせた形状の空間フィルタ絞り（以下、ドーナツ絞りという。）とを有し、これらの空間フィルタ絞りのうちで検査箇所のパターン形状や検査目的に応じて最適なものを選択できるようになされている。
【００５７】
具体的には、例えば、半導体ウェハ１００に存在する欠陥を検出する場合には、検査箇所のパターンの空間周波数に対して平均的な周波数応答を示すσ絞りを選択し、このσ絞りを用いた照明系（以下、σ照明という。）によって検査箇所を照明するようにしている。また、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンや、このレジストパターンを用いたエッチング加工により形成される回路パターンの微細寸法計測を行う場合には、検査箇所のパターンの特定空間周波数に対して特に敏感に周波数応答を示すドーナツ絞りを選択し、このドーナツ絞りを用いた照明系（以下、ドーナツ照明という。）によって検査対象を照明し、又は、検査箇所のパターンの特定空間周波数に対して特に敏感に周波数応答を示すσ絞りを選択し、このσ絞りを用いたσ照明によって検査対象を照明するようにしている。
【００５８】
空間フィルタ絞りの切り替えは、例えば、上述したσ絞りやドーナツ絞り等の各空間フィルタ絞りをリボルバに取り付け、このリボルバを回転操作して、選択された空間フィルタ絞りをＤＵＶレーザ光の光路上に配置させることで行う。この場合、各空間フィルタ絞りが取り付けられたリボルバが、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布を切り替える切り替え手段として機能する。なお、空間フィルタ絞りの切り替えは、以上のようなリボルバ式に限らず、スライド式、カム式等、空間絞りフィルタの切り替えが任意に行える方式であれば、どのような方式であっても構わない。
【００５９】
また、上述したσ絞り及びドーナツ絞りのσ値は、この検査装置１により検査を行うことが想定される被検査物の検査箇所の形状や検査目的等に応じて、０．０１〜１．０までの間で任意に決定される。また、開口絞り１２として検査装置１に組み込むσ絞りやドーナツ絞りの個数も、この検査装置１により検査を行うことが想定される被検査物の検査箇所の形状や検査目的等に応じて任意に決定される。
【００６０】
この検査装置１では、以上のように、開口絞り１２の空間フィルタ絞りを検査箇所のパターンや検査目的に応じて切り替えて、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布が検査箇所のパターンや検査目的に応じた最適な分布となるようにしているので、検査箇所の状態を高解像力で極めて精度良く検査することができる。実際に、図２に示すようなドーナツ絞りを用いたドーナツ照明により半導体ウェハ１００上に形成された特定のレジストパターンを照明し、その画像から得られる光の強度プロファイルをもとにそのレジストパターンの微細寸法計測を行ったところ、極めて精度良く計測できることが確認された。
【００６１】
また、検査装置１は、対物レンズ１７と被検査物である半導体ウェハ１００との間の距離、すなわち、結像光学系のフォーカス状態を調整するフォーカス制御手段を備えている。
【００６２】
通常の光学顕微鏡を用いた検査装置では、照明光を被検査物に照射させてその反射光を検出することで対物レンズと被検査物との間の距離を測定し、フォーカス状態の調整を行うようにしているが、照明光を被検査物に照射させながらフォーカス状態の調整を行うと、このときの照明光も被検査物に対する照射光量として積算されてしまうことになる。このように、フォーカス状態の調整で照明光の照射光量が積算されてしまうと、実際の検査を行う際の照明光量が制限されることになり、非常に効率が悪い。
【００６３】
そこで、この検査装置１では、静電容量型センサ２３を対物レンズ１７の近傍に配設して、この静電容量型センサ２３により対物レンズ１７と被検査物である半導体ウェハ１００との間の距離を検出し、これに基づいて、対物レンズ１７と半導体ウェハ１００との間の距離が最適となるように、制御部２が可動ステージ２のＺステージを駆動することで、結像光学系のフォーカス状態を調整するようにしている。すなわち、この検査装置１では、静電容量型センサ２３と、制御部３と、可動ステージ２のＺステージとが、結像光学系のフォーカス状態を調整するフォーカス制御手段として機能する。
【００６４】
ここで、被検査物である半導体ウェハ１００が高さ方向に傾斜している場合や、半導体ウェハ１００を支持する可動ステージ２の姿勢が高精度に維持されない場合には、対物レンズ１７の光軸の軸外にて対物レンズ１７と半導体ウェハ１００との間の距離を測定している静電容量型センサ２３が１つであった場合、アッベ誤差が発生して、対物レンズ１７と半導体ウェハ１００との間の距離を正確に測定できない。特に、短波長のＤＵＶレーザ光を照明光として用い、高開口数のレンズを対物レンズ１７として用いる検査装置１では、光学系の焦点深度が非常に狭く、僅かな位置ずれも検査精度に大きく影響する。
【００６５】
特に、この検査装置１により、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンや、このレジストパターンを用いたエッチング加工により形成される回路パターンの微細寸法計測を行う場合には、光学系の焦点深度内のフォーカスずれであっても、フォーカス誤差は測定結果に大きな影響を与える。このため、以上のようなフォーカス制御を行うのみで微細寸法計測を高精度に行うには限界がある。そこで、検査装置１においては、微細寸法計測時には、半導体ウェハ１００を垂直方向に逐次走査させて微細寸法計測を行い、検査箇所における微細パターンのコントラストが最大となる点を関数フィッティングにより、半導体ウェハ１００を垂直方向に逐次走査した際のステップ幅の１０分の１程度の精度まで求め、微細寸法計測を行うようにしている。
【００６６】
ここで、フォーカス精度は、この際の逐次操作ステップ数とステップ幅とにより定まるが、半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンの微細寸法測定を行う場合には、その露光波長に近いＤＵＶレーザ光の照射光量は極力減らす必要がある。このため、逐次走査ステップ数は、コントラストの関数フィッティング精度を満足しうる最小にしたい。さらに、検査箇所における微細パターンのコントラスト最大点を求めるための関数フィッティング精度を上げるためには、ステップ幅は小さい方が望ましい。このような制約条件があるため、検査装置１では、フォーカス精度として５０ｎｍ程度が必要である。
【００６７】
このため、検査装置１では、図３に示すように、対物レンズ１７の光軸に対して対象となる位置に複数の静電容量型センサ２３を配置し、アッベ誤差の低減を図るようにしている。なお、静電容量型センサ２３の個数は、図３に示すような２個に限らず、静電容量型センサ２３の重心位置が対物レンズ１７の光軸中心と一致するようになされていれば、いくつ配置しても構わない。また、図４に示すように、対物レンズ１７の光軸に対して対象に配設した静電容量型センサ２３を複数組み合わせるようにしてもよい。この場合には、半導体ウェハ１００の外周を測定する際に、静電容量型センサ２３が半導体ウェハ１００からはみ出す領域においても、複数の静電容量型センサ２３間で出力を相互に補完し合うことで、半導体ウェハ１００の全面における測定が可能である。
【００６８】
静電容量型センサ２３は、測定プローブと被検査物である半導体ウェハ１００との間の静電容量を電圧値に変換して出力するものであり、静電容量型センサ２３からの出力電圧は、測定プローブと半導体ウェハ１００との間の距離に比例している。更に、測定プローブと半導体ウェハ１００との間の静電容量は、測定プローブと半導体ウェハ１００との間の媒体の誘電率によっても変化する。
【００６９】
この検査装置１では、静電容量型センサ２３の測定プローブと半導体ウェハ１００は共に大気雰囲気中にあり、大気の誘電率は、温度、湿度等の環境パラメータによって変化することが知られている。更に、静電容量型センサ２３の測定プローブとアンプとの間にいおけるケーブルの熱膨張によっても変化する。このため、検査装置１では、これらの環境パラメータのうち、温度、湿度等をモニタし、静電容量型センサ２３の出力値にフィードバックすることで、フォーカス精度を向上させている。
【００７０】
ところで、アッベ誤差及び半導体ウェハ１００の傾斜による誤差の低減、静電容量型センサ２３の温度、湿度依存性の補償に関しては、以上の方法で適切に行うことができるが、可動ステージ２の吸着プレート上に保持された状態での半導体ウェハ１００表面の平坦性が悪く、静電容量型センサ２３の設置間隔内においてフォーカス精度以上の面うねりがある場合には、検査装置１では、上記平坦性情報をモニタしていないため、何らかの誤差フィードバックを行わないとフォーカス精度が悪化することになる。ここで、半導体ウェハ１００の平坦性に関しては別に規格により定められており、フォーカス精度に影響を与えるのは主に可動ステージ２上に設置した状態での吸着プレートの平坦性である。
【００７１】
そこで、検査装置１では、必要とされるフォーカス精度を確保するために、吸着プレートの平坦性の補間を行うようにしている。詳述すると、検査装置１では、上述した照明光学系をコンデンサレンズ１４を取り外すことで臨界照明系にし、この臨界照明系によって半導体ウェハ１００上に結像した光源像を用い、上記微細寸法測定時の処理アルゴリズムを応用して、吸着プレートの平坦性補間データの取得を行う。
【００７２】
半導体ウェハ１００上に結像した光源像は、例えば図５に示すように、回転拡散板１０上におけるＤＵＶレーザ光のスペックルノイズを多数含んでいる。なお、この図５は、上述したドーナツ照明によって半導体ウェハ１００上に結像した光現像を示している。ここで、上記微細寸法測定時の処理アルゴリズムに含まれる可動ステージ２の垂直方向への逐次操作を行うと、フォーカス状態の変化に伴って、図６に示すように、例えば、画像撮像素子５の各画素の強度分散等のパラメータが、ある地点で極値を持つようになる。なお、この図６は、可動ステージ２の垂直方向への逐次操作を行いながら、図５におけるＡ部を観察したときに得られる画素強度の分散を示したものであり、縦軸が画素強度の分散値、横軸が可動ステージ２の垂直方向における位置を示している。
【００７３】
以上のように計測されたパラメータにフィッティングをかけることにより、サブステップ幅でパラメータの極値を求めることができる。この際の可動ステージ２と対物レンズ１７との間隔、すなわち、静電容量型センサ２３の出力とフォーカス目標値における静電容量型センサ２３の出力との差を求めれば、その値を観察位置における吸着プレートの平坦性補間データとすることができる。この作業を、半導体ウェハ１００面内で適宜なステップ間隔にて行い、得られた各観察位置における吸着プレートの平坦生保間データをもとに、例えばスプライン補間等を行うことで、半導体ウェハ１００の任意の測定点における吸着プレートの平坦性補間データとすることができる。
【００７４】
半導体ウェハ１００は、反射率が一様で平坦性が良好なベアウェハであることが望ましく、反射率が一様な平面であれば、ベアウェハに限らず、平面ミラー等でも構わない。上記の測定を、半導体ウェハ１００を回転し複数回測定することにより、半導体ウェハ１００に起因する誤差成分を除去することができる。例えば、半導体ウェハ１００を９０度回転し、上記吸着プレートの平坦性補間データを取得する。これを１８０度、２７０度の回転位置に置いても吸着プレートの平坦性補間データを取得し、０度、９０度、１８０度、２７０度の回転位置にて取得した吸着プレートの平坦性補間データを、回転成分、非回転成分に成分毎に抽出する。このうちの回転成分が半導体ウェハ１００に起因する誤差成分であり、回転成分を除去した非回転成分を最終的な検査装置１における吸着プレートの平坦性補間データとする。
【００７５】
ところで、以上のような吸着プレートの平坦性補間データの取得を行う際は、上述したように、照明光学系を臨界照明系に切り替えて、光源像を半導体ウェハ１００上に結像させ、その像を観察することにより行う。所定のパターンが形成された半導体ウェハ１００を観察する際に、上述した手法による吸着プレート平坦性補間データ取得を行うと、データを取得する位置にパターンが描画されていなくてはならない。このため、吸着プレート平坦性補間データ取得に制約が加わることになる。さらに、ケーラー照明系により、同様の手法で吸着プレートの平坦性補間データの取得を行うと、ケーラー照明系では、デフォーカスした状態でも、ＤＵＶレーザ光が半導体ウェハ１００に平行に照明されることになるため、光量の差が出にくく、また、パターンの空間周波数によりデフォーカス特性が異なり、極値が求めがたい。このため、精度良く吸着プレートの平坦性補間データ取得を行うのが困難である。
【００７６】
以上のような理由から、吸着プレートの平坦性補間データを取得する際には、照明光学系を臨界照明系に切り替えて、光源像を半導体ウェハ１００上に結像させ、その像を観察することにより行うことが望ましい。
【００７７】
なお、以上は、対物レンズ１７と被検査物である半導体ウェハ１００との間の距離を検出する距離センサとして静電容量型センサ２３を用いる例について説明したが、距離センサとしては、対物レンズ１７と半導体ウェハ１００との間の距離を高精度に測定できるものであればどのようなものを用いてもよい。例えば、作動トランス型変位計や、渦電流型変位計、原子間力プローブを用いた変位計、空気式変位計等を距離センサとして用いるようにしてもよい。
【００７８】
以上説明したように、本発明を適用した検査装置１では、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布を任意に操作して、検査箇所のパターンや検査目的に応じた最適な分布となるようにすることで、検査箇所の状態を高解像力で極めて精度良く検査することができ、例えば、従来計測できなかったような非常に微細なパターン寸法等も精度良く計測することが可能となる。すなわち、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布を、検査箇所のパターンや検査目的に応じた最適な分布とすることで、結像限界を決定するＫファクタ（結像限界＝Ｋ×λ／ＮＡ）を小さくすることができる。Ｋファクタを小さくすることは、照明波長λを短波長化することや、対物レンズの開口数ＮＡを高めることと等価であり、照明波長λの短波長化や対物レンズの高ＮＡ化に比べると、遙かに低コストで実現できる。
【００７９】
また、この検査装置１では、照明光学系を臨界照明系に切り替えて光学系の調整を行うことで、例えば、検査途中であっても、特別な調整治具を用いることなく、適切且つ簡便に光学系の調整を行うことができる。したがって、従来、高度な調整技術と時間を要していた照明光源３や光ファイバ９の交換作業等、光学系のメンテナンス作業時間を大幅に短縮することができる。
【００８０】
更に、この検査装置１では、光学系の焦点深度よりも遙かに高精度にフォーカス制御が可能になり、特に、微細パターンの寸法計測を極めて高精度に行うことができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明に係る検査装置によれば、照明手段の開口絞り面内における照明光の強度分布を、被検査物の検査箇所の構造や検査目的に応じて最適な分布に切り替えることができるので、検査箇所の状態を高解像力で極めて精度良く検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した検査装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】上記検査装置の照明光学系が備えるドーナツ絞りの一例を示す平面図である。
【図３】上記検査装置が備える静電容量型センサの配置の一例を示す平面図である。
【図４】上記検査装置が備える静電容量型センサの配置の他の例を示す平面図である。
【図５】上記ドーナツ絞りを用いたドーナツ照明によって半導体ウェハ上に結像した光現像を示す図である。
【図６】上記検査装置が備える可動ステージの垂直方向への逐次操作を行いながら、図５におけるＡ部を観察したときに得られる画像撮像素子の画素強度の分散を示す図である。
【符号の説明】
１検査装置、２可動ステージ、３制御部、４照明光源、５画像撮像素子、６可変式ＮＤフィルタ、７コンデンサレンズ、８シャッタ、９光ファイバ、１０回転拡散板、１１コンデンサレンズ、１２開口絞り、１３視野絞り、１４コンデンサレンズ、１５偏光ビームスプリッタ、１６１／４波長板、１７対物レンズ、１８結像レンズ、１９光量モニタ、２０積算回路、２１結像レンズ、２２画像処理用コンピュータ、２３静電容量型センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention irradiates an inspection spot of an inspection object with illumination light, and inspects the state of the inspection spot by detecting reflected light, scattered light, and diffracted light from the inspection spot illuminated by the illumination light. Relates to the device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the progress of digitalization in the electrical industry field, the integration degree of semiconductor chips has been actively improved. And how efficiently and highly cost-effectively provided semiconductor chips can be provided is an important issue that will affect the future development of the digital electrical industry.
[0003]
In order to efficiently produce semiconductor chips at a low cost, it is important to quickly and accurately detect problems that occur during the manufacturing process. For this reason, the demand for an inspection apparatus capable of accurately inspecting a fine circuit pattern formed on a semiconductor chip is increasing.
[0004]
In general, as an inspection apparatus for inspecting a fine pattern typified by a circuit pattern of a semiconductor chip, an apparatus using an optical microscope is frequently used. Inspection equipment using an optical microscope inspects the state of the inspection part by irradiating the inspection part of the inspection object with illumination light and optically detecting the reflected light, scattered light, diffracted light, refracted light, etc. Like to do.
[0005]
By the way, the circuit pattern of a semiconductor chip tends to be increasingly miniaturized, and in recent years, a design rule having a line width of 0.18 μm or less has been applied. In order to inspect such a very fine pattern with high accuracy, in the field of inspection apparatuses, a high resolution that greatly exceeds the resolution of an existing optical microscope has been demanded.
[0006]
Scanning electron microscopes (SEMs), atomic force microscopes (AFMs), near-field scanning optical microscopes (near-field scanning optical microscopes), etc. have been developed as microscopes with high resolution. Yes. If such a microscope is used for inspection, inspection with high resolution is possible, but the inspection environment needs to be evacuated, inspection takes a long time due to narrow field of view, etc. The inspection principle itself becomes an obstacle factor for high throughput.
[0007]
By the way, in recent years, development of a laser microscope using laser light having a single wavelength as illumination light has been actively promoted. Then, a light source device capable of continuously oscillating short-wavelength deep ultraviolet laser light has been put into practical use, and by using this light source device as an illumination light source, it can be satisfied as an inspection device for inspecting a fine circuit pattern in a semiconductor chip. A level of resolution has been gained.
[0008]
By configuring an inspection apparatus using such a laser microscope, it is possible to inspect fine patterns with high resolution with high accuracy and to achieve high throughput and rapid inspection. As a pattern, there is a strong expectation as an apparatus for measuring the size of a fine pattern and detecting a minute defect.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In putting the above-described inspection apparatus into practical use, in order to perform inspection of a fine pattern more appropriately, it is desired that optimum optical characteristics can be obtained according to the fine pattern serving as an inspection location. Until now, the improvement of the optical characteristics of the inspection apparatus has been realized by improving the resolving power by shortening the wavelength of illumination light and increasing the numerical aperture (NA) of the objective lens. However, in order to shorten the wavelength of illumination light and to increase the NA of the objective lens, very expensive development costs, material costs, processing costs, etc. are required. It is difficult to realize by only shortening the wavelength of light and increasing the NA of the objective lens from the viewpoint of cost.
[0010]
Therefore, the present invention optimizes the optical frequency response according to the inspection location of the object to be inspected without relying only on the shortening of the illumination light wavelength and the increase in the NA of the objective lens, and has a fine shape. An object is to provide an inspection apparatus capable of inspecting an inspection object with extremely high accuracy.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
It is known that optical characteristics in an actual microscope greatly depend on the intensity distribution of illumination light on the aperture stop surface of the illumination system. That is, in a partially coherent illumination system, changing the diameter of the aperture stop of the illumination system greatly changes the optical characteristics such as resolution limit, contrast, and coherence. Therefore, if the intensity distribution of the illumination light on the aperture stop surface of the illumination system is optimized according to the fine pattern serving as the inspection location, optimum optical characteristics corresponding to the fine pattern can be obtained.
[0012]
An inspection apparatus according to the present invention has been created based on the above-described knowledge, and is provided with a support means for supporting an object to be inspected, and a predetermined inspection point of the inspection object supported by the support means. Based on the output from the detection means for detecting the reflected light, scattered light and diffracted light from the inspection spot illuminated by the illumination light And an inspection means for inspecting the state of the inspection location. This inspection apparatus is characterized in that the illumination means has switching means for switching the intensity distribution of the illumination light within the aperture stop surface according to the structure of the inspection location and the inspection purpose.
[0013]
In this inspection apparatus, the inspection object is supported by the support means. And the monochromatic light of a predetermined wavelength range is irradiated as illumination light with respect to the test | inspection location of the to-be-inspected object supported by the support means by the illumination means. At this time, the switching means of the illumination means switches the illumination light intensity distribution in the aperture stop surface so as to be optimal according to the structure of the inspection location and the inspection purpose. Thereby, the optimal illumination light according to the structure of a test location and the test purpose is irradiated to a test location.
[0014]
The illumination light applied to the inspection location is reflected, scattered, and diffracted according to the state of the inspection location. Reflected light, scattered light, and diffracted light from these inspection locations are detected by the detection means. And based on the output from the detection means according to these reflected light, scattered light, and diffracted light, the state of the inspection object is inspected by the inspection means.
[0015]
In this inspection apparatus, as described above, the optimal illumination light according to the structure of the inspection location and the inspection purpose is irradiated to the inspection location, and based on the output from the detection means corresponding to the reflected light, scattered light, and diffracted light. Since the state of the inspection location is inspected, it is possible to inspect with high accuracy.
[0016]
In this inspection apparatus, it is desirable that the illumination means has an ultraviolet laser light source that emits laser light in the ultraviolet wavelength region. If laser light in the ultraviolet wavelength region emitted from this ultraviolet laser light source is used as illumination light, the state of the inspection location can be inspected with higher accuracy.
[0017]
Moreover, in this inspection apparatus, the illumination means includes illumination system switching means for switching between a first illumination system that illuminates the inspection location with Koehler illumination and a second illumination system that illuminates the inspection location with critical illumination. It is desirable. If it is possible to switch between the first illumination system that illuminates the inspection location with Koehler illumination and the second illumination system that illuminates the inspection location with critical illumination by this switching means, for example, inspection of the inspection object The first illumination system is selected when inspecting the location, and the second illumination system is selected when adjusting the intensity distribution of the illumination light within the aperture stop surface. An optimal illumination system can be selected.
[0018]
Moreover, in this inspection apparatus, it is desirable that the illumination unit has a coherence reduction unit for reducing the coherence of the illumination light. If the coherence of the illumination light is reduced by the coherence reduction means, the uniformity of the illumination light can be improved.
[0019]
Further, in this inspection apparatus, the illumination unit includes a light amount monitor unit that monitors the light amount of the illumination light, and a shutter unit that switches transmission or blocking of the illumination light according to the light amount of the illumination light detected by the light amount monitor unit. It is desirable to have. In this way, if the light amount of the illumination light is monitored by the monitor means, and the shutter means switches between transmission and interruption of the illumination light accordingly, the illumination light irradiation light amount can be adjusted according to the inspection location. As a result, it is possible to appropriately inspect the inspection portion without damaging the inspection portion.
[0020]
The inspection apparatus further includes a focus control unit that controls a focus state between the detection unit and the inspection portion of the inspection object supported by the support unit based on an output from the distance sensor. The focus error amount due to the support surface accuracy of the support means is detected based on the information obtained by switching the illumination means to the second illumination system and illuminating the inspection location with the critical illumination, and this focus error amount Accordingly, it is desirable to perform focus control by correcting the output from the distance sensor. In this way, the focus means detects the focus error amount due to the support surface accuracy of the support means based on the information obtained by illuminating the inspection location with the critical illumination, and the distance sensor according to the focus error amount. If the output from is corrected and focus control is performed, focus control with very high accuracy can be realized, and the state of the inspection location can be inspected with higher accuracy.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, an example in which the present invention is applied to an inspection apparatus for inspecting a circuit pattern in a semiconductor chip will be described, but the present invention is not limited to the example given here, and inspection of an inspection object having a fine shape is performed. It can be widely applied to the inspection apparatus to be performed.
[0022]
A semiconductor chip is manufactured by forming a large number of circuit patterns on a semiconductor wafer and cutting out the semiconductor wafer for each chip. An inspection apparatus to which the present invention is applied uses a laser beam to observe a semiconductor wafer under a microscope to detect various defects present on the semiconductor wafer, and also a resist formed on the semiconductor wafer in a lithography process of the semiconductor process. This is to inspect or measure a pattern, a fine dimension of a circuit pattern formed by etching using this resist pattern, overlay accuracy, and the like.
[0023]
A schematic configuration of an inspection apparatus to which the present invention is applied is shown in FIG. The inspection apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a movable stage 2 that supports a semiconductor wafer 100 so as to be movable to an arbitrary position.
[0024]
The movable stage 2 includes, for example, an X and Y stage for moving the semiconductor wafer 100 installed on the movable stage 2 in the horizontal direction, a Z stage for moving the semiconductor wafer 100 in the vertical direction, and a semiconductor. A θ stage for rotating the wafer 100 and a suction plate for sucking and fixing the semiconductor wafer 100 are provided. In this movable stage 2, each of the above stages is operated under the control of the control unit 3, and any stage on the semiconductor wafer 100 sucked by the suction plate is driven by driving each of the above stages. The inspection position is moved to a predetermined inspection position of the inspection apparatus 1 and the semiconductor wafer 100 is appropriately adjusted in the height direction so that the focus state can be adjusted to an optimum state.
[0025]
Further, the inspection apparatus 1 includes an illumination light source 4 that emits illumination light for illuminating an arbitrary inspection location on the semiconductor wafer 100 positioned at a predetermined inspection location.
[0026]
For example, an ultraviolet solid laser is used as the illumination light source 4. This ultraviolet solid laser, for example, converts the wavelength of laser light emitted from a solid laser such as a YAG laser using a non-linear optical element, for example, a deep ultraviolet (DUV) laser light having a wavelength of about 266 nm or 193 nm. Are emitted.
[0027]
The resolution of the optical microscope depends on the wavelength of the illumination light applied to the inspection object and the NA of the objective lens, and the optical resolution is improved when the wavelength of the illumination light is shorter and the NA of the objective lens is higher. In the inspection apparatus 1 to which the present invention is applied, an ultraviolet solid laser is used as the illumination light source 4, and an inspection portion on the semiconductor wafer 100 is illuminated with a short wavelength DUV laser light, and a high NA objective lens is used. Is used, it is possible to obtain high resolution and to inspect fine patterns with high accuracy. In addition, the UV solid state laser has a small apparatus itself, and further, for example, wavelength stability, monochromaticity, beam profile, cooling countermeasure, gas replenishment countermeasure, laser safety compared to the excimer laser used in the lithography process. It is excellent in measures and convenience in handling, and is optimal as the illumination light source 4 in the inspection apparatus 1.
[0028]
Further, the inspection apparatus 1 is illuminated with an illumination optical system for irradiating the inspection location on the semiconductor wafer 100 with the DUV laser light emitted from the illumination light source 4 and the DUV laser light. An imaging optical system that guides reflected light, scattered light, diffracted light, and the like from the inspection location to the image pickup device 5 and forms an image of the inspection location on the image pickup device 5 is provided.
[0029]
Here, each optical element constituting the illumination optical system and the imaging optical system will be described. The DUV laser light emitted from the illumination light source 4 first passes through the variable ND filter (attenuating filter) 6 and enters the condenser lens 7. Here, the variable ND filter 6 reduces the DUV laser light emitted from the illumination light source 4 without changing the spectral composition.
[0030]
The DUV laser light incident on the condenser lens 7 is condensed by the condenser lens 7 and forms an image inside the shutter 8. The shutter 8 includes, for example, an acousto-optic modulator (AOM: Acoustic Optics Modulator) or the like, and switches between transmission and blocking of DUV laser light under the control of the control unit 3. The acousto-optic modulator is an optical modulator using an acousto-optic effect, and can freely modulate diffracted light within the range of diffraction efficiency. If the zero-order diffracted light from the acousto-optic modulator is blocked and only the first-order diffracted light is extracted using a spatial filter, a shutter with extremely good response can be configured. By switching between transmission and blocking of the DUV laser light by the shutter 8, the light amount of the DUV laser light that passes through the shutter 8 is adjusted, and the irradiation light amount of the DUV laser light irradiated to the inspection location on the semiconductor wafer 100 is adjusted. Will be.
[0031]
When this inspection apparatus 1 is used to measure a fine dimension of a resist pattern formed on a semiconductor wafer 100 in a lithography process of a semiconductor process, a DUV laser beam close to the exposure wavelength is applied to the resist pattern to be inspected. Since it is irradiated, it is important to control the irradiation amount of the DUV laser light in order to prevent the resist pattern from shrinking. Therefore, in the inspection apparatus 1, the shutter 8 is provided in the optical path of the DUV laser light, and the shutter 8 switches the transmission or blocking of the DUV laser light according to the control of the control unit 3, thereby irradiating the DUV laser light. The amount of light is adjusted.
[0032]
As the shutter 8, any shutter 8 may be used as long as transmission or blocking of the DUV laser light emitted from the illumination light source 4 can be switched. For example, a spatial light modulator such as a liquid crystal panel using a liquid crystal material, a light diffraction shutter using a diffraction grating, a waveguide shutter using a photoelastic effect, or the like may be used.
[0033]
The DUV laser light transmitted through the shutter 8 is irradiated onto the diffusion surface of the rotating diffusion plate 10 through the optical fiber 9. Here, the optical fiber 8 flexibly guides the DUV laser light emitted from the illumination light source 4 to each optical element in the subsequent stage, and randomly changes the polarization direction of the DUV laser light emitted in a linearly polarized state from the illumination light source 4. Thus, the DUV laser light incident in the single mode is converted into the multimode. The rotary diffusion plate 10 is for reducing speckle noise, which is a problem when a DUV laser beam having good coherence is used as illumination light. In either case, the coherency of the illumination optical system is reduced and functions as a coherence reduction means for obtaining uniform illumination.
[0034]
The DUV laser light applied to the rotary diffusion plate 10 is sequentially transmitted through the condenser lens 11, the aperture stop 12, the field stop 13, and the condenser lens 14 constituting the Koehler illumination system using the rotary diffusion plate 10 as a light source. The light enters the beam splitter 15.
[0035]
The DUV laser light incident on the polarization beam splitter 15 is separated into linearly polarized components in two directions orthogonal to each other by the polarization beam splitter 15, one of which is reflected by the polarization beam splitter 15 and the other is passed through the polarization beam splitter 15. To Penetrate.
[0036]
The light of one linearly polarized component reflected by the polarization beam splitter 15 is converted into circularly polarized light by passing through the quarter-wave plate 16, and a predetermined inspection location on the semiconductor wafer 100 via the objective lens 17. Is irradiated. As a result, a predetermined inspection location on the semiconductor wafer 100 is illuminated by the DUV laser light.
In the inspection apparatus 1, an illumination optical system is configured by the optical elements from the variable ND filter 6 to the objective lens 17 described above.
[0037]
The light of the other linearly polarized light component transmitted through the polarization beam splitter 15 is incident on the light amount monitor 19 through the imaging lens 18 and is received by the light amount monitor 19. Here, the light of the other linearly polarized light component that is transmitted through the polarizing beam splitter 15 and received by the light amount monitor 19 is reflected by the polarizing beam splitter 15 under the condition that the polarization dependency of the illumination light source 4 is constant, and is thus semiconductor. A proportional relationship is established with the light of one linearly polarized light component irradiated to the inspection location on the wafer 100. Therefore, if the correlation between these lights is obtained in advance, the DUV laser light irradiated to the inspection location on the semiconductor wafer 100 is calculated from the light quantity of the other linearly polarized light component received by the light quantity monitor 19. The amount of irradiation light can be obtained.
[0038]
As the light amount monitor 19 for monitoring the irradiation light amount of the DUV laser light, for example, a CCD (charge-coupled device) camera for ultraviolet light configured so as to obtain high sensitivity to the deep ultraviolet laser light is used. The light quantity monitor 19 is connected to the integrating circuit 20, converts received light into an electrical signal, and supplies it to the integrating circuit 20. The integrating circuit 20 calculates the integrated irradiation light amount of the DUV laser light from the electric signal supplied from the light amount monitor 19 and supplies it to the control unit 3.
[0039]
As the light quantity monitor 19, any monitor can be used as long as it can convert received light into an electrical signal. For example, a phototransistor or a calorimeter may be used as the light amount monitor 19.
[0040]
In this inspection apparatus 1, the control unit 3 controls the shutter 8 in accordance with the integrated irradiation light amount of the DUV laser light calculated by the integration circuit 20, so that the DUV laser light irradiated on the inspection site on the semiconductor wafer 100 is controlled. The amount of irradiation light is adjusted. For example, as described above, when the fine dimension measurement of the resist pattern formed on the semiconductor wafer 100 is performed in the lithography process of the semiconductor process, the integrated irradiation light amount of the DUV laser light calculated by the integrating circuit 20 is the resist pattern. When approaching the irradiation threshold value causing shrinkage, the control unit 3 closes the shutter 8 to block the DUV laser light so that the resist pattern is not irradiated with the DUV laser light. The control unit 3 can also adjust the irradiation light amount of the DUV laser light applied to the resist pattern by controlling the variable ND filter 6.
[0041]
In the inspection apparatus 1, the control unit 3 can also control the opening / closing operation of the shutter 8 in the illumination optical system in synchronization with the shutter of the image pickup device 5 made of an ultraviolet light CCD camera or the like. . As described above, when the opening / closing operation of the shutter 8 in the illumination optical system is controlled in synchronization with the shutter of the image pickup device 5, the inspection spot on the semiconductor wafer 100 can be efficiently irradiated with the DUV laser light. it can.
[0042]
In the inspection apparatus 1, each unit including the illumination optical system, the imaging lens 18, the light amount monitor 19, the integrating circuit 20, and the control unit 3 from the illumination light source 3 described above functions as illumination means.
[0043]
The DUV laser light irradiated to a predetermined inspection location on the semiconductor wafer 100 is reflected, scattered, and diffracted according to the state of the inspection location. Reflected light, scattered light, and diffracted light from these inspection locations pass through the objective lens 17 and enter the quarter-wave plate 16. Then, after being converted into linearly polarized light by the quarter-wave plate 16, the light enters the polarization beam splitter 15 again. Here, the reflected light, scattered light, and diffracted light from the inspection site that has entered the polarizing beam splitter 15 again are linearly polarized light components that are orthogonal to the linearly polarized light components previously reflected by the polarizing beam splitter 15. Therefore, it passes through the polarization beam splitter 15.
[0044]
Reflected light, scattered light, and diffracted light from the inspection point that has passed through the polarizing beam splitter 15 are incident on the image pickup device 5 via the imaging lens 21. As a result, the image of the inspection portion enlarged by the objective lens 17 is picked up by the image pickup device 5.
[0045]
In the inspection apparatus 1, an imaging optical system is configured by the optical elements from the objective lens 17 to the imaging lens 21. The imaging optical system and the image pickup device 5 function as detection means.
[0046]
Here, as the objective lens 17, for example, a high numerical aperture lens having a numerical aperture NA of about 0.9 is used. In this inspection apparatus 1, a short wavelength DUV laser beam is used as the illumination light, and a high numerical aperture lens is used as the objective lens 17, so that a fine pattern can be inspected with high accuracy. For example, the objective lens 17 is provided with a measure to reduce aberration with respect to DUV laser light having a wavelength of 266 nm.
[0047]
As the image pickup element 5, for example, a high-sensitivity ultraviolet CCD camera capable of obtaining a quantum efficiency of about 36% with respect to DUV laser light is used. As described above, if a CCD camera having high sensitivity to DUV laser light is used as the image pickup element 5, it is possible to pick up an image of a fine pattern with high resolution. The image pickup device 5 is connected to an image processing computer 22. In the inspection apparatus 1, an image of the inspection portion on the semiconductor wafer 100 captured by the image capturing element 5 is captured by the image processing computer 22.
[0048]
The image pickup element 5 is preferably provided with a cooling mechanism.
For example, when an ultraviolet light CCD camera is used as the image pickup element 5, it is desirable that the CCD chip be cooled to about 5 ° C. by a Peltier element. If the image pickup device 5 is cooled as described above, the readout noise generated when the image of the inspection location on the semiconductor wafer 100 picked up by the image pickup device 5 is transferred to the image processing computer 22. Thermal noise can be greatly reduced.
[0049]
In the inspection apparatus 1, as described above, an image is formed on the image pickup device 5 by the imaging optical system, and an image of the inspection portion on the semiconductor wafer 100 picked up by the image pickup device 5 is an image processing computer 22. To be supplied. Then, the image of the inspection location is subjected to image processing by the image processing computer 22 and analyzed to inspect the state of the inspection location. That is, in this inspection apparatus 1, the image processing computer 22 functions as inspection means, and the image processing computer 22 inspects the state of the inspection location on the semiconductor wafer 100.
[0050]
Specifically, for example, when a defect existing in the semiconductor wafer 100 is detected, an image with a defect (defect image) and an image without a defect having the same pattern (reference image) are respectively obtained. The difference between the defect image and the reference image is calculated by the image processing computer 22, and the difference is detected as a defect existing in the semiconductor wafer 100. In the case of inspecting or measuring the resist pattern formed on the semiconductor wafer 100 in the lithography process of the semiconductor process, the fine dimension of the circuit pattern formed by etching using the resist pattern, overlay accuracy, etc. Then, the image of the inspection location is subjected to image processing by the image processing computer 22, and a light intensity profile is created. Based on the light intensity profile, pattern dimension measurement, overlay accuracy inspection, and the like are performed.
[0051]
By the way, in this inspection apparatus 1, the illumination optical system is configured so that the focal length of the condenser lens 14 described above is sufficiently longer than the focal length of the objective lens 17. Therefore, by removing the condenser lens 14, a critical illumination system is established by the rotating diffusion plate 10, the condenser lens 11, the aperture stop 12, and the objective lens 20, and an aerial image in the plane of the aperture stop 12 is formed on the semiconductor wafer 100. Will do. That is, in this inspection apparatus 1, the condenser lens 14 can be switched in and out so that the illumination by the Koehler illumination system and the illumination by the critical illumination system can be switched. When the illumination is performed by the critical illumination system, the imaging position is different from that when the illumination is performed by the Koehler illumination system. Therefore, the movable stage 2 has a focal point between the illumination by the Kohler illumination system and the illumination by the critical illumination system. A stage stroke capable of adjusting the position difference is required. In this inspection apparatus 1, the illumination optical system from the rotary diffusing plate 10 to the objective lens 17 and the imaging optical system from the objective lens 17 to the imaging lens 21 constitute an infinite optical system. Since the focal length of the condenser lens 14 is sufficiently longer than the focal length, the focal position difference is minute.
[0052]
For example, the condenser lens 14 can be switched in and out by, for example, attaching the condenser lens 14 to a revolver and rotating the revolver so that the condenser lens 14 is positioned on the optical path of the DUV laser light and at a position off the optical path of the DUV laser light. It is done by moving across. In this case, the revolver to which the condenser lens 14 is attached functions as illumination system switching means. The switching of the condenser lens 14 is not limited to the revolver type as described above, and any system can be used as long as the condenser lens 14 can be arbitrarily taken in and out, such as a slide type and a cam type. I do not care. Further, instead of removing the condenser lens 14, the Kohler illumination system may be switched to the critical illumination system by inserting a considerable lens. However, in this case, there is a problem that the amount of peripheral light is reduced by the cosine fourth law. Therefore, as a method of switching the Kohler illumination system to the critical illumination system, a method of removing the condenser lens 14 is optimal.
[0053]
In general, the illumination adjustment of the optical microscope is generally adjusted so that uniform illumination is obtained on the surface to be inspected. Also in this inspection apparatus 1, when actually inspecting an inspection location on the semiconductor wafer 100, the illumination optical system is a Kohler illumination system, and the inspection location on the semiconductor wafer 100 is uniformly irradiated with DUV laser light. It is desirable. On the other hand, it is known that the resolving power of the optical system largely depends on the intensity distribution of the illumination light in the illumination system aperture stop surface, in addition to the NA of the objective lens and the wavelength of the illumination light. Therefore, in the inspection apparatus 1, the intensity distribution of the DUV laser light in the surface of the aperture stop 12 is set to an optimum distribution according to the pattern shape of the inspection location on the semiconductor wafer 100 and the inspection purpose.
[0054]
Here, in order to optimize the intensity distribution of the DUV laser light in the surface of the aperture stop 12, it is necessary to adjust the optical system. However, in the Koehler illumination system, it is difficult to adjust such an optical system. That is, if the optical system is adjusted while observing the irradiation state of the DUV laser light, the optical system can be adjusted easily. However, in the Koehler illumination system, the image of the condenser lens 14 is inspected ( The optical system cannot be adjusted while observing the irradiation state of the DUV laser light. Therefore, in this case, it is necessary to adjust the optical system using a special adjustment jig different from the inspection apparatus 1.
[0055]
On the other hand, in the critical illumination system, an image within the surface of the aperture stop 12 is formed at the inspection location (location irradiated with the DUV laser light), so that the optical is observed while observing the irradiation state of the DUV laser light. System adjustments can be made. Therefore, if the optical system is adjusted by the critical illumination system, for example, even during the inspection of the inspection location on the semiconductor wafer 100, a special setup change or the inspection apparatus 1 is performed. The optical system can be adjusted appropriately and simply without using another adjustment jig. Therefore, in the inspection apparatus 1, when adjusting the optical system, the condenser lens 14 is removed to make the illumination optical system a critical illumination system so that the optical system can be adjusted appropriately and simply.
[0056]
In the inspection apparatus 1, the aperture stop 12 is a spatial filter stop (hereinafter referred to as σ stop) having an arbitrary σ value (diameter of the aperture stop / pupil diameter of the objective lens), for example, as shown in FIG. In addition, a spatial filter stop (hereinafter referred to as a donut stop) having a combination of an annular zone of an arbitrary σ value centered on the optical axis of the illumination optical system. An optimum one can be selected according to the pattern shape and inspection purpose.
[0057]
Specifically, for example, when detecting a defect present in the semiconductor wafer 100, a σ stop showing an average frequency response with respect to the spatial frequency of the pattern at the inspection location is selected, and this σ stop is used. The inspection location is illuminated by an illumination system (hereinafter referred to as σ illumination). In addition, when performing fine dimension measurement of a resist pattern formed on the semiconductor wafer 100 in a lithography process of a semiconductor process or a circuit pattern formed by etching using the resist pattern, the pattern of the inspection location is specified. A donut stop that exhibits a frequency response particularly sensitive to a spatial frequency is selected, and an inspection object is illuminated by an illumination system using the donut stop (hereinafter referred to as donut illumination), or a specific space of a pattern of an inspection location A sigma stop exhibiting a frequency response that is particularly sensitive to the frequency is selected, and the inspection object is illuminated by sigma illumination using the sigma stop.
[0058]
The spatial filter diaphragm can be switched by, for example, attaching each spatial filter diaphragm such as the above-mentioned σ diaphragm or donut diaphragm to the revolver and rotating the revolver to place the selected spatial filter diaphragm on the optical path of the DUV laser light. To do. In this case, the revolver to which each spatial filter stop is attached functions as switching means for switching the intensity distribution of the DUV laser light in the surface of the aperture stop 12. The switching of the spatial filter aperture is not limited to the revolver type as described above, and any method may be used as long as the spatial aperture filter can be switched arbitrarily, such as a slide type and a cam type. .
[0059]
Further, the σ values of the σ stop and the donut stop described above are 0.01 to 1.0 depending on the shape of the inspection portion of the inspection object that is supposed to be inspected by the inspection apparatus 1 and the inspection purpose. It is arbitrarily decided between. In addition, the number of σ stops and donut stops incorporated in the inspection apparatus 1 as the aperture stop 12 is also arbitrarily determined according to the shape of the inspection portion of the inspection object to be inspected by the inspection apparatus 1 and the inspection purpose. It is determined.
[0060]
In the inspection apparatus 1, as described above, the spatial filter aperture of the aperture stop 12 is switched according to the pattern of the inspection location and the inspection purpose, and the intensity distribution of the DUV laser light in the surface of the aperture stop 12 is changed to the pattern of the inspection location. Since the distribution is optimized according to the inspection purpose, the state of the inspection location can be inspected with high resolution and extremely high accuracy. Actually, a specific resist pattern formed on the semiconductor wafer 100 is illuminated by donut illumination using a donut stop as shown in FIG. 2, and the resist pattern of the resist pattern is based on the light intensity profile obtained from the image. As a result of measuring the fine dimensions, it was confirmed that the measurement can be performed with extremely high accuracy.
[0061]
In addition, the inspection apparatus 1 includes a focus control unit that adjusts the distance between the objective lens 17 and the semiconductor wafer 100 that is the inspection object, that is, the focus state of the imaging optical system.
[0062]
In an inspection apparatus using a normal optical microscope, the distance between the objective lens and the inspection object is measured by irradiating the inspection object with illumination light and detecting the reflected light, thereby adjusting the focus state. However, if the focus state is adjusted while illuminating the object to be inspected with illumination light, the illumination light at this time is also integrated as the amount of light applied to the object to be inspected. Thus, if the illumination light amount is integrated by adjusting the focus state, the illumination light amount at the time of actual inspection is limited, which is very inefficient.
[0063]
Therefore, in the inspection apparatus 1, the capacitive sensor 23 is disposed in the vicinity of the objective lens 17, and the electrostatic sensor 23 between the objective lens 17 and the semiconductor wafer 100 that is the object to be inspected. The distance is detected, and based on this, the control unit 2 drives the Z stage of the movable stage 2 so that the distance between the objective lens 17 and the semiconductor wafer 100 is optimized. The focus state is adjusted. That is, in this inspection apparatus 1, the capacitance type sensor 23, the control unit 3, and the Z stage of the movable stage 2 function as a focus control unit that adjusts the focus state of the imaging optical system.
[0064]
Here, when the semiconductor wafer 100 that is the object to be inspected is inclined in the height direction, or when the posture of the movable stage 2 that supports the semiconductor wafer 100 is not maintained with high accuracy, the optical axis of the objective lens 17. If there is one capacitance type sensor 23 measuring the distance between the objective lens 17 and the semiconductor wafer 100 outside the axis, an Abbe error occurs, and the objective lens 17 and the semiconductor wafer 100 are detected. The distance between the two cannot be measured accurately. In particular, in the inspection apparatus 1 that uses a short-wavelength DUV laser beam as illumination light and a high numerical aperture lens as the objective lens 17, the depth of focus of the optical system is very narrow, and a slight positional deviation greatly affects the inspection accuracy. To do.
[0065]
In particular, when the inspection apparatus 1 performs fine dimension measurement of a resist pattern formed on the semiconductor wafer 100 in a lithography process of a semiconductor process or a circuit pattern formed by etching using the resist pattern, Even if there is a focus shift within the depth of focus of the optical system, the focus error greatly affects the measurement result. For this reason, there is a limit to performing fine dimension measurement with high accuracy only by performing the focus control as described above. Therefore, in the inspection apparatus 1, at the time of fine dimension measurement, the semiconductor wafer 100 is sequentially scanned in the vertical direction to perform fine dimension measurement, and the point at which the contrast of the fine pattern at the inspection location becomes maximum is obtained by function fitting. Is obtained to an accuracy of about one tenth of the step width when sequentially scanning in the vertical direction, and fine dimension measurement is performed.
[0066]
Here, the focus accuracy is determined by the sequential operation step number and the step width at this time. However, when measuring the fine dimension of the resist pattern formed on the semiconductor wafer 100, the DUV laser light close to the exposure wavelength is used. It is necessary to reduce the amount of irradiation light as much as possible. For this reason, the number of sequential scanning steps should be minimized to satisfy the contrast function fitting accuracy. Furthermore, in order to increase the function fitting accuracy for obtaining the maximum contrast point of the fine pattern at the inspection location, it is desirable that the step width is small. Because of such constraints, the inspection apparatus 1 requires a focus accuracy of about 50 nm.
[0067]
For this reason, in the inspection apparatus 1, as shown in FIG. 3, a plurality of capacitive sensors 23 are arranged at target positions with respect to the optical axis of the objective lens 17 so as to reduce Abbe error. Yes. Note that the number of capacitive sensors 23 is not limited to two as shown in FIG. 3, as long as the center of gravity of the capacitive sensor 23 coincides with the optical axis center of the objective lens 17. Any number can be arranged. Further, as shown in FIG. 4, a plurality of capacitive sensors 23 disposed on the object with respect to the optical axis of the objective lens 17 may be combined. In this case, when measuring the outer periphery of the semiconductor wafer 100, the outputs of the plurality of capacitive sensors 23 complement each other even in the region where the capacitive sensors 23 protrude from the semiconductor wafer 100. Thus, measurement on the entire surface of the semiconductor wafer 100 is possible.
[0068]
The capacitance type sensor 23 converts the capacitance between the measurement probe and the semiconductor wafer 100 as the inspection object into a voltage value and outputs the voltage value. The output voltage from the capacitance type sensor 23 is as follows. , Which is proportional to the distance between the measurement probe and the semiconductor wafer 100. Furthermore, the capacitance between the measurement probe and the semiconductor wafer 100 also varies depending on the dielectric constant of the medium between the measurement probe and the semiconductor wafer 100.
[0069]
In this inspection apparatus 1, it is known that the measurement probe of the capacitive sensor 23 and the semiconductor wafer 100 are both in the air atmosphere, and the dielectric constant of the air varies depending on environmental parameters such as temperature and humidity. Further, it also changes due to thermal expansion of the cable between the measurement probe of the capacitive sensor 23 and the amplifier. For this reason, the inspection apparatus 1 improves the focus accuracy by monitoring the temperature, humidity, and the like among these environmental parameters and feeding back to the output value of the capacitive sensor 23.
[0070]
By the way, although the Abbe error and the error due to the inclination of the semiconductor wafer 100 and the compensation of the temperature and humidity dependence of the capacitive sensor 23 can be appropriately performed by the above method, the suction plate of the movable stage 2 can be appropriately performed. When the flatness of the surface of the semiconductor wafer 100 in the state of being held on is poor and there is surface undulation more than the focus accuracy within the installation interval of the capacitive sensor 23, the inspection apparatus 1 uses the flatness information. Is not monitored, focus accuracy will deteriorate unless some error feedback is performed. Here, the flatness of the semiconductor wafer 100 is separately defined by the standard, and it is the flatness of the suction plate in a state where it is installed on the movable stage 2 that affects the focus accuracy.
[0071]
Therefore, in the inspection apparatus 1, in order to ensure the required focus accuracy, interpolation of the flatness of the suction plate is performed. More specifically, in the inspection apparatus 1, the illumination optical system described above is changed to a critical illumination system by removing the condenser lens 14, and a light source image formed on the semiconductor wafer 100 by the critical illumination system is used to measure the fine dimension. The flatness interpolation data of the suction plate is acquired by applying the above processing algorithm.
[0072]
The light source image formed on the semiconductor wafer 100 includes many speckle noises of the DUV laser light on the rotating diffusion plate 10, for example, as shown in FIG. FIG. 5 shows light development imaged on the semiconductor wafer 100 by the donut illumination described above. Here, when a sequential operation in the vertical direction of the movable stage 2 included in the processing algorithm at the time of fine dimension measurement is performed, for example, as shown in FIG. A parameter such as intensity dispersion of each pixel has an extreme value at a certain point. FIG. 6 shows the dispersion of the pixel intensity obtained when the portion A in FIG. 5 is observed while sequentially operating the movable stage 2 in the vertical direction. The vertical axis indicates the pixel intensity. The dispersion value and the horizontal axis indicate the position of the movable stage 2 in the vertical direction.
[0073]
By fitting the parameters measured as described above, the extreme values of the parameters can be obtained with the sub-step width. If the distance between the movable stage 2 and the objective lens 17 at this time, that is, the difference between the output of the capacitive sensor 23 and the output of the capacitive sensor 23 at the focus target value is obtained, the value is obtained at the observation position. The flatness interpolation data of the suction plate can be used. This operation is performed at an appropriate step interval within the surface of the semiconductor wafer 100, and by performing, for example, spline interpolation based on the flat life data of the suction plate at each observation position obtained, The flatness interpolation data of the suction plate at an arbitrary measurement point can be used.
[0074]
The semiconductor wafer 100 is desirably a bare wafer with uniform reflectivity and good flatness, and may be a flat mirror or the like as long as it is a flat surface with uniform reflectivity. By measuring the above measurement a plurality of times by rotating the semiconductor wafer 100, an error component caused by the semiconductor wafer 100 can be removed. For example, the semiconductor wafer 100 is rotated 90 degrees, and flatness interpolation data of the suction plate is acquired. Even if this is placed at 180 ° and 270 ° rotation positions, the suction plate flatness interpolation data is acquired, and the suction plate flatness interpolation data acquired at 0 °, 90 °, 180 °, and 270 ° rotation positions. Is extracted for each component as a rotation component and a non-rotation component. Among these, the rotation component is an error component caused by the semiconductor wafer 100, and the non-rotation component from which the rotation component is removed is used as the flatness interpolation data of the suction plate in the final inspection apparatus 1.
[0075]
By the way, when acquiring the flatness interpolation data of the suction plate as described above, as described above, the illumination optical system is switched to the critical illumination system, and the light source image is formed on the semiconductor wafer 100, and the image is obtained. By observing. When the suction plate flatness interpolation data is acquired by the above-described method when observing the semiconductor wafer 100 on which the predetermined pattern is formed, the pattern must be drawn at the position where the data is acquired. For this reason, restrictions are imposed on the suction plate flatness interpolation data acquisition. Further, when the flattening interpolation data of the suction plate is obtained by the same method by the Kohler illumination system, the DUV laser light is illuminated in parallel to the semiconductor wafer 100 even in the defocused state in the Kohler illumination system. Therefore, it is difficult to produce a difference in the amount of light, and the defocus characteristic differs depending on the spatial frequency of the pattern, and it is difficult to obtain an extreme value. For this reason, it is difficult to acquire flatness interpolation data of the suction plate with high accuracy.
[0076]
For the above reasons, when acquiring flatness interpolation data of the suction plate, the illumination optical system is switched to the critical illumination system, the light source image is formed on the semiconductor wafer 100, and the image is observed. It is desirable to do by.
[0077]
In the above description, the example in which the capacitive sensor 23 is used as the distance sensor for detecting the distance between the objective lens 17 and the semiconductor wafer 100 that is the object to be inspected has been described. Any device can be used as long as the distance between the semiconductor wafer 100 and the semiconductor wafer 100 can be measured with high accuracy. For example, an operating transformer displacement meter, an eddy current displacement meter, a displacement meter using an atomic force probe, a pneumatic displacement meter, or the like may be used as the distance sensor.
[0078]
As described above, in the inspection apparatus 1 to which the present invention is applied, the intensity distribution of the DUV laser light in the surface of the aperture stop 12 is arbitrarily manipulated to obtain an optimal distribution according to the pattern of the inspection location and the inspection purpose. By doing so, it is possible to inspect the state of the inspection location with high resolution with extremely high accuracy. For example, it is possible to accurately measure very fine pattern dimensions and the like that could not be measured conventionally. In other words, the KUV factor (imaging limit = K × λ) is determined by setting the intensity distribution of the DUV laser light in the surface of the aperture stop 12 to an optimum distribution according to the pattern of the inspection location and the inspection purpose. / NA) can be reduced. Decreasing the K factor is equivalent to shortening the illumination wavelength λ or increasing the numerical aperture NA of the objective lens, compared to shortening the illumination wavelength λ or increasing the NA of the objective lens. It can be realized at a much lower cost.
[0079]
Further, in this inspection apparatus 1, by switching the illumination optical system to the critical illumination system and adjusting the optical system, for example, even during the inspection, it is possible to appropriately and easily use a special adjustment jig. The optical system can be adjusted. Therefore, the maintenance work time of the optical system, such as the replacement work of the illumination light source 3 and the optical fiber 9, which has conventionally required high adjustment technology and time, can be greatly shortened.
[0080]
Furthermore, the inspection apparatus 1 can perform focus control with much higher accuracy than the depth of focus of the optical system, and in particular, can measure the dimensions of a fine pattern with extremely high accuracy.
[0081]
【The invention's effect】
According to the inspection apparatus according to the present invention, the intensity distribution of the illumination light within the aperture stop surface of the illumination means can be switched to an optimal distribution according to the structure of the inspection location of the inspection object and the inspection purpose. The state of the part can be inspected with high resolution and extremely high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an inspection apparatus to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a plan view showing an example of a donut stop provided in the illumination optical system of the inspection apparatus.
FIG. 3 is a plan view showing an example of an arrangement of a capacitive sensor provided in the inspection apparatus.
FIG. 4 is a plan view showing another example of the arrangement of the capacitive sensors provided in the inspection apparatus.
FIG. 5 is a diagram showing light development imaged on a semiconductor wafer by donut illumination using the donut stop.
6 is a diagram showing dispersion of pixel intensity of the image pickup element obtained when observing part A in FIG. 5 while sequentially performing a vertical operation of a movable stage included in the inspection apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inspection apparatus, 2 Movable stage, 3 Control part, 4 Illumination light source, 5 Image pick-up element, 6 Variable type ND filter, 7 Condenser lens, 8 Shutter, 9 Optical fiber, 10 Rotating diffuser plate, 11 Condenser lens, 12 Aperture stop , 13 Field stop, 14 Condenser lens, 15 Polarization beam splitter, 16 1/4 wavelength plate, 17 Objective lens, 18 Imaging lens, 19 Light quantity monitor, 20 Integration circuit, 21 Imaging lens, 22 Computer for image processing, 23 Capacitive sensor

Claims

Support means for supporting the object to be inspected;
Illumination means for irradiating, through the objective lens, monochromatic light in a predetermined wavelength range emitted from a light source as illumination light to the inspection location of the inspection object supported by the support means;
Detection means for detecting reflected light, scattered light, and diffracted light from an inspection location illuminated by illumination light reflected by the polarization beam splitter out of illumination light emitted from the light source and incident on the polarization beam splitter ; ,
Inspection means for inspecting the state of the inspection location based on the output from the detection means,
A focus control means for controlling the focus state between the detection means and the inspection location of the inspection object supported by the support means based on an output from a distance sensor disposed in the vicinity of the objective lens;
The illumination means includes a switching means for switching the intensity distribution of the illumination light in the aperture stop surface according to the structure of the inspection location and the inspection purpose, a first illumination system that illuminates the inspection location with Koehler illumination, and critical illumination. Illumination system switching means for switching to the second illumination system for illuminating the inspection location, and the light emitted from the light source and sequentially transmitted through the switching means and the illumination system switching means and incident on the polarization beam splitter A light amount monitor means for monitoring the light amount of the illumination light transmitted through the polarizing beam splitter, and a shutter means for switching transmission or blocking of the illumination light according to the light amount of the illumination light detected by the light amount monitor means; Have
Said focus control means, focus the illuminating means is switched to the second illumination system, on the basis of information obtained by illuminating the inspection point by the critical illumination, due to the support surface precision of the support means detecting the amount of error, by correcting the output from the distance sensor in accordance with the focus error amount, performs focus control,
An inspection apparatus in which a plurality of the distance sensors are arranged at positions symmetrical with respect to the optical axis of the objective lens.

The aperture stop includes an σ stop having an arbitrary σ value (aperture stop diameter / pupil diameter of an objective lens) and a donut stop having a shape in which a ring zone having an arbitrary σ value is combined. The inspection apparatus according to claim 1, wherein the inspection apparatus is attached to any one of the cams and is selectively switched between the σ diaphragm and the donut diaphragm according to the structure of the inspection portion and the inspection purpose.

The distance sensor is any one of a capacitive sensor, an actuating transformer displacement meter, an eddy current displacement meter, a displacement meter using an atomic force probe, or a pneumatic displacement meter. 2. The inspection apparatus according to 2.

The inspection apparatus according to claim 1, wherein the illumination unit includes an ultraviolet laser light source that emits laser light in an ultraviolet wavelength region.

The inspection apparatus according to claim 1, wherein the illumination unit includes a coherence reduction unit for reducing coherence of the illumination light.

The inspection apparatus according to claim 5, wherein the illumination unit includes a rotating diffuser plate as the coherence reduction unit.

6. The inspection apparatus according to claim 5, wherein the illumination unit includes an optical fiber that converts the incident light from a single mode to a multimode and emits the light as the coherence reduction unit.