JP4595881B2 - 表面検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面検査装置に関する。

従来、半導体ウェハの表面に形成されたパターンの良否を判定する技術として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた検査技術が提案されている（特許文献１）。
この従来技術は、表面段差を検出するため、電子線照射を繰り返す必要があり、検査に膨大な時間を要する。さらに、走査型電子顕微鏡の観察倍率が高いため、ウェハ全面を一度に検査することができず、ウェハ全面の検査に更に時間を要してしまう。そのため、特許文献１の技術は、半導体製造過程における良否判別のように、高スループットが要求される用途にはあまり適さない。

一方、本発明者は、特許文献２において、直線偏光を半導体ウェハに照射し、反射像に生じる偏光成分の変化からウェハ表面の欠陥を検出する技術を開示している。
この特許文献２の技術によれば、ウェハ全面の表面欠陥を短時間に検出することができる。そのため、特許文献２の技術は、半導体製造過程における良否判別のように、高スループットが要求される用途に好適な技術である。
特開２００３−３０２２１４号公報 国際公開第２００５／０４０７７６号明細書

本発明者は、特許文献２の技術を更に発展させることによって、不良原因別に表面欠陥を検査できることに成功した。
そこで、本発明は、表面欠陥の良否判別をより詳細に実施する表面検査装置を提供することを目的とする。

《１》 本発明の表面検査装置は、照明部、受光部、第１偏光素子、設定部、第２偏光素子、制御部、条件記憶部、第１判定部、および第２判定部を備える。
照明部は、被検基板に照明光を照射する。
受光部は、照明光の照射によって被検基板から正反射方向に発生する光を結像し、結像された像を光電変換して光強度信号を生成する。
第１偏光素子は、照明部と被検基板との光路中に設けられる。
設定部は、第１偏光素子を通過した照明光の振動面に対し、被検基板の表面形状の周期性パターンを斜め向きに設定する。
第２偏光素子は、被検基板と受光部との光路中に設けられ、第１偏光素子とは偏光方向が異なる。
制御部は、第１偏光素子および第２偏光素子を光路中に配置した偏光観察状態において周期性パターンが斜め向きに設定された被検基板の像から得られる光強度信号の第１信号レベルを検出する。さらに、制御部は、第１偏光素子および第２偏光素子の少なくとも一方を光路から外したオープン観察状態において光強度信号の第２信号レベルを検出する。
条件記憶部は、第１信号レベルによる良否の判定条件である第１条件と、第２信号レベルによる良否の判定条件である第２条件とを記憶する。
第１判定部は、第１条件に基づいて、第１信号レベルによる良否判定を行う。
第２判定部は、第２条件に基づいて、第２信号レベルによる良否判定を行う。
《２》 なお好ましくは、第１判定部および第２判定部のいずれかにおいて不良と判定された場合、被検基板を不良品と判定する良品判定部を備える。
《３》 また好ましくは、第１条件と第２条件を学習する動作モードの機能を備える。この動作モードでは、制御部は、予め良品・不良品の判明している被検基板について良品・不良品の情報入力を受け付ける。制御部は、この被検基板について検出した第１信号レベルと第２信号レベルを、入力された良品・不良品の情報に従って区分することによって、第１条件と第２条件を学習的に生成する。
《４》 なお好ましくは、フォトリソ工程を経て表面にレジストパターンが形成された被検基板の良否判定を行う。この場合、第１判定部は、第１信号レベルから、レジストパターンを露光する際のフォーカスの良否を判定する。また、第２判定部は、第２信号レベルから、レジストパターンを露光する際の露光量の良否を判定する。
《５》 本発明の別の表面検査装置は、照明部、撮像部、第１偏光素子、設定部、第２偏光素子、および制御部を備える。
照明部は、露光装置によってパターンが設けられた被検基板に照明光を照射する。
撮像部は、照明光による被検基板の正反射像を撮像する。
第１偏光素子は、照明部と被検基板との光路中に設けられる。
設定部は、第１偏光素子を通過した照明光の振動面に対し、パターンを斜め向きに設定する。
第２偏光素子は、被検基板と撮像部との光路中に設けられ、第１偏光素子とは偏光方向が異なる。
制御部は、第１偏光素子および第２偏光素子を光路中に配置した偏光観察状態において周期性パターンが斜め向きに設定された被検基板の像から得られる光強度信号の第１信号レベルを検出する。さらに、制御部は、第１偏光素子および第２偏光素子の少なくとも一方を光路から外したオープン観察状態において光強度信号の第２信号レベルを検出する。
この場合、第１信号レベルに基づく情報と第２信号レベルに基づく情報との少なくとも一方を露光装置にフィードバック可能である。
《６》 なお好ましくは、条件記憶部、第１判定部、および第２判定部を備える。
条件記憶部は、第１信号レベルによる良否の判定条件である第１条件と、第２信号レベルによる良否の判定条件である第２条件とを記憶する。
第１判定部は、第１条件に基づいて、第１信号レベルによる良否判定を行う。
第２判定部は、第２条件に基づいて、第２信号レベルによる良否判定を行う。
この場合、第１判定部の判定結果と前２判定部の判定結果との少なくとも一方を露光装置にフィードバック可能である。

２種類の観察状態（偏光観察状態，オープン観察状態）について、被検基板の良否をそれぞれ判別する。そのため、表面欠陥の良否判別をより詳細に実施することが可能になる。

《表面検査装置の構成説明》
図１は、表面検査装置１０の構成を示す図である。
図１において、表面検査装置１０には、被検基板である半導体ウェハ２０などを支持するステージ１１が設けられる。半導体製造の工程では、ウェハカセットや露光現像装置から、不図示の搬送系を介して半導体ウェハ２０が搬送され、ステージ１１に吸着される。
このステージ１１は、ステージ駆動機構１６によって回転角が制御される。このステージ１１の上方には、アライメント系１２が設けられる。このアライメント系１２は、半導体ウェハ２０のアライメントマークなどの位置を検出することにより、半導体ウェハ２０の角度を求める。
また、ステージ１１の上方には、凹面反射鏡その他の照明光学系３５が配置される。この照明光学系３５は、光源３１の光をほぼ平行なコリメート光に整形し、半導体ウェハ２０上の回路形成範囲のほぼ全域を一括照明する。この光源３１には、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、または水銀ランプなどと共に、波長選択フィルタ、光量調整用のＮＤフィルタ等が交換可能に内蔵される。そのため、所望の波長域の光を所望の光量設定で適宜に出射することができる。

駆動モータ４０は、この照明光路に対し偏光板３４の挿抜を行う。偏光板３４が照明光路上に挿入された場合、半導体ウェハ２０に対する照明光は、直線偏光（例えばＰ偏光）に加工される。
上述した照明光は、半導体ウェハ２０の表面で反射される。この正反射方向には、凹面反射鏡その他の受光光学系３６が配置される。この受光光学系３６で集光された反射光は、結像レンズ３７を介して、撮像部３９の撮像面に光像を形成する。撮像部３９は、この光像を光電変換し（すなわち、各画素ごとに入射した光の強度に応じたレベルの電気信号に変換し）、画像データを生成する。
駆動モータ４１は、この受光光路に対し偏光板３８の挿抜を行う。この偏光板３８の偏光方向は、偏光板３４の偏光方向と異なる角度に設定される。
なお、表面検査装置１０には、マイクロプロセッサ１５が設けられる。このマイクロプロセッサ１５は、上述した駆動モータ４０、アライメント系１２、光源３１、ステージ駆動機構１６、撮像部３９、および駆動モータ４１などを制御する。また、マイクロプロセッサ１５には、条件学習部１５ａおよびメモリ１５ｂが接続される。

《良否判別の動作説明》
図２は、表面検査装置１０による半導体ウェハ２０の良否判定を示す流れ図である。以下、この図２に示すステップ番号に沿って、この良否判定の処理を説明する。

ステップＳ１： マイクロプロセッサ１５は、駆動モータ４０を制御して、照明光路に偏光板３４を挿入する。同様に、マイクロプロセッサ１５は、駆動モータ４１を制御して、受光光路に、偏光板３４とは偏光方向が異なる偏光板３８を挿入する。以下、この状態を偏光観察状態という。

ステップＳ２： 半導体ウェハ２０の表面には、フォトリソ工程を経て、図３［Ａ］に示すようなレジストパターンによる表面段差が形成される。この表面段差のエッジは、製造予定の半導体回路の形状に合わせて縦横方向に主として配置される。そのため、レジストパターンは、縦横に繰り返す周期性の強いパターンとなる。

マイクロプロセッサ１５は、アライメント系１２を介して、半導体ウェハ２０のアライメントマークの位置を検出することにより、このレジストパターンの主たるパターン方向（段差パターンの方向）を検出する。マイクロプロセッサ１５は、このパターン方向が照明光（直線偏光）の振動面に対して斜め向きとなるよう、ステージ駆動機構１６を介してステージ１１の回転角を制御する。図３［Ｂ］は、この回転角制御後の状態を示す図である。

このように直線偏光の振動面に対し周期性パターンを斜め向きに配置することにより、図３［Ｃ］に示すように、段差パターンから生じる反射光は楕円偏光となる。これは、周期性パターンの構造性複屈折によって、パターン方向と、その直交方向（パターンの繰り返し方向）の２軸方向において偏光状態や位相などが変化するためと考えられる。
この反射光を偏光板３８に通すことにより、図３［Ｄ］に示すように、偏光板３４とは異なる偏光方向の成分が抽出される。
なお、反射時における偏光状態の変化分のみを鋭敏に検出するためには、偏光板３４，３８をクロスニコルの状態（直交偏光方向）に設定することが好ましい。

また、このような偏光状態の変化を顕著に生じさせるためには、図４［Ａ］〜［Ｄ］に示す角度に設定することが好ましい。この場合、照明光の振動面とパターン方向との角度は、４５度，１３５度、２２５度、３１５度のいずれか、またはこれらの角度に近づけて設定される。
なお、このように照明光の入射面に対してウェハの繰り返しパターンの繰り返し方向を傾けることによって、繰り返しパターンによる回折光が受光光路に入りにくくなるという効果もある。

ステップＳ３： マイクロプロセッサ１５は、偏光板３４，３８による光量低下分を補うため、偏光観察状態に適した露出（撮像部３９の撮像感度や露光時間、結像レンズ３７の絞り値、ＮＤフィルタの有無）に設定する。

ステップＳ４： マイクロプロセッサ１５は、撮像部３９を制御して、偏光観察状態における画像データＩｐを生成する。

ステップＳ５： マイクロプロセッサ１５は、図５［Ａ］に示すような判定条件Ｃｐをメモリ１５ｂから読み出す。マイクロプロセッサ１５は、この判定条件Ｃｐに従って、画像データＩｐの信号レベルＬｐを画素単位または画素ブロック単位に判定する。なお、判定に先立って、画像データＩｐを局所平滑化することによって、信号レベルＩｐのＳ／Ｎを予め改善しておくことが好ましい。

ステップＳ６： ステップＳ５の判定において、不良判定箇所が存在した場合、マイクロプロセッサ１５はステップＳ１３に動作を移行する。
一方、不良判定箇所が存在しない場合、マイクロプロセッサ１５はステップＳ７に動作を移行する。

ステップＳ７： マイクロプロセッサ１５は、駆動モータ４０を制御して、照明光路から偏光板３４を待避させる。同様に、マイクロプロセッサ１５は、駆動モータ４１を制御して、受光光路から偏光板３８を待避させる。以下、この状態をオープン観察状態という。
なお、偏光板３４，３８の一方のみを待避させた状態を、オープン観察状態としてもよい。

ステップＳ８： マイクロプロセッサ１５は、偏光板３４，３８の待避に伴う露出過多を補正するため、オープン観察状態に適した露出（撮像部３９の撮像感度や露光時間、結像レンズ３７の絞り値、ＮＤフィルタの有無）に設定する。

ステップＳ９： マイクロプロセッサ１５は、撮像部３９を制御して、オープン観察状態における画像データＩｏを生成する。

ステップＳ１０： マイクロプロセッサ１５は、図５［Ｂ］に示すような判定条件Ｃｏをメモリ１５ｂから読み出す。マイクロプロセッサ１５は、この判定条件Ｃｏに従って、画像データＩｏの信号レベルＬｏを画素単位または画素ブロック単位に判定する。なお、判定に先立って、画像データＩｏを局所平滑化することにより、信号レベルＩｏのＳ／Ｎを予め改善しておくことが好ましい。

ステップＳ１１： ステップＳ１０の判定において、不良判定箇所が存在した場合、マイクロプロセッサ１５はステップＳ１３に動作を移行する。
一方、不良判定箇所が存在しない場合、マイクロプロセッサ１５はステップＳ１２に動作を移行する。

ステップＳ１２： ステップＳ６およびステップＳ１１の両方において不良判定箇所が検出されないため、マイクロプロセッサ１５は、半導体ウェハ２０（レジストパターン）を良品と判定する。この場合、半導体ウェハ２０は、不図示の搬送系を介して、レジストパターンを用いた製造工程（イオン注入など）などへ運ばれる。

ステップＳ１３： ステップＳ６およびステップＳ１１の一方において不良判定箇所が検出されたため、マイクロプロセッサ１５は、半導体ウェハ２０（レジストパターン）を不良品と判定する。この場合、半導体ウェハ２０は、不図示の搬送系を介して、レジストパターンの再形成工程（レジストパターンを剥がして再形成する工程）へと運ばれる。

《判定条件の学習動作の説明》
図６は、表面検査装置１０による判定条件Ｃｐ，Ｃｏを学習する動作モードの流れ図である。以下、この図６に示すステップ番号に沿って、この動作モードを説明する。

ステップＳ２１： 判定条件Ｃｐ，Ｃｏの学習用として、図７［Ａ］，［Ｂ］に示すように、レジストパターンの露光範囲ごとに、フォーカス位置および露光量を所定の刻み幅でずらしたテスト基板２０ａが予め作成される。
判定条件の学習時には、このテスト基板２０ａが、不図示の搬送系によって搬送され、ステージ１１に吸着される。

ステップＳ２２〜Ｓ２５： ステップＳ１〜Ｓ４と同じ処理。

ステップＳ２６： 条件学習部１５ａの表示画面には、画像データＩｐがモニタ表示される。ユーザーは、この画像データＩｐを見ながら、テスト基板２０ａの各領域について良品・不良品の別を条件学習部１５ａに情報入力する。
これらの情報は、テスト基板２０ａの表面段差を電子顕微鏡などで観察することによって、予め良否別を決定した情報である。

ステップＳ２７： マイクロプロセッサ１５は、画像データＩｐを、良品・不良品の情報に照合することによって、良品範囲に相当する信号レベルＬｐの許容下限を求める。マイクロプロセッサ１５は、この信号レベルＬｐの許容下限に基づいて、図５［Ａ］に示すような判定条件Ｃｐを決定する。マイクロプロセッサ１５は、決定された判定条件Ｃｐをメモリ１５ｂに保存する。

ステップＳ２８〜Ｓ３０： ステップＳ７〜Ｓ９と同じ処理。

ステップＳ３１： マイクロプロセッサ１５は、画像データＩｏを、良品・不良品の情報に照合することによって、良品範囲に相当する信号レベルＬｏの上限下限を求める。マイクロプロセッサ１５は、この信号レベルＬｏの上限下限に基づいて、図５［Ｂ］に示すような判定条件Ｃｏを決定する。マイクロプロセッサ１５は、決定された判定条件Ｃｏをメモリ１５ｂに保存する。

《本実施形態の効果など》
上述した偏光観察状態では、被検基板の表面段差のライン直線性が良いほど、構造性複屈折の作用が強く表れ、信号レベルＬｐが大きくなる。そこで、所定の許容下限以上の信号レベルＬｐを良品とする判定条件Ｃｐを定めれば、表面段差が許容可能なライン直線性を示す被検基板を迅速に良品として判別することが可能になる。

なお、レジストパターンの場合、このライン直線性は、レジスト露光時のフォーカス位置によって大きく変化する。即ち、ジャストフォーカス状態ではライン直線性が最良となり、信号レベルＬｐは最大値を示す。一方、フォーカスが外れるに従ってレジストパターンのライン直線性が乱れ、その分だけ信号レベルＬｐは低くなる。したがって、信号レベルＬｐを判定条件Ｃｐに従って判定することにより、許容可能なフォーカス状態の被検基板を迅速に良品として判別することが可能になる。

一方、オープン観察状態では、被検基板の凸面部分や凹面部分やその中間の側壁部分で反射された光像を観察することになる。この場合、凹凸面の面積比率や段差の高低差や反射率差に応じて、光像の明るさが変化する。したがって、良品範囲に相当する信号レベルＬｏの信号範囲を判定条件Ｃｏとして定めれば、表面段差の定量的な状態（例えば体積比）が正常な被検基板を良品として迅速に判別できる。

なお、レジストパターンの場合、この表面段差の定量的な状態は、レジスト露光時の露光量によって大きく変化する。したがって、信号レベルＬｏを判定条件Ｃｏに従って判定することにより、適正露光量の被検基板を良品として迅速に判別することが可能になる。

さらに、本実施形態では、偏光観察状態とオープン観察状態のいずれかで不良判別されると、被検基板を不良品と判別する。この場合、被検基板の表面段差のライン直線性と、表面段差の定量的状態との両方の観点から、迅速かつ厳正な良否判別を行うことができる。

なお、被検基板の種類が変わるごとに良品の条件が変化するため、判定条件は頻繁に変更する必要がある。しかしながら、表面検査装置１０では、テスト基板２０ａとその良否情報を与えるだけで、被検基板ごとに判定条件Ｃｐ，Ｃｏを迅速に決定することができる。そのため、少数ロットの半導体製造などにおいて、特に利便性の高い表面検査装置１０を実現することができる。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、被検基板を単に良品・不良品として区別する動作について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。表面検査装置１０では、表面段差のライン直線性（フォーカスなど）と、表面段差の凹凸パターンの定量的な状態（露光量など）とに分けて、被検基板の良否判定を行うことができる。その結果、被検基板の良品・不良品をその不良原因別に区別することも可能になる。

また、上述した実施形態において、表面検査装置１０を、半導体製造システムや露光装置システムの一部として組み込んでもよい。この場合、表面検査装置１０はレジストパターンの不良原因を、露光装置にフィードバックすることが好ましい。露光装置側では、次回のレジスト露光において、その不良原因（フォーカスおよび／または露光量）の設定を修正変更することが可能となる。その結果、半導体製造システムや露光装置システムにおいて不良品の継続的な発生を未然に防止することが可能になる。

なお、上述した実施形態では、１枚のテスト基板２０ａを使用して、判定条件Ｃｐ，Ｃｏの学習を一度に行っている。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、フォーカスおよび露光量を所定の刻み幅で変化させた複数枚のテスト基板を準備し、これらテスト基板を入れ替えながら、判定条件Ｃｐ，Ｃｏの学習を行ってもよい。

また、上述した実施形態では、レジストパターンの表面段差について良否判定を行っている。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。一般には、周期性を有する表面段差の生じた被検基板であれば、良否判定を行うことができる。例えば、エッチングによる表面段差について良否判定を行うことも可能である。

以上説明したように、本発明は、表面検査装置や露光装置システムなどに利用可能な技術である。

表面検査装置１０の構成を示す図である。 半導体ウェハ２０の良否判別処理を示す流れ図である。 偏光観察状態における光学作用を説明する図である。 半導体ウェハ２０の配置角度の例を示す図である。 判定条件Ｃｐ，Ｃｏを説明する図である。 判定条件Ｃｐ，Ｃｏの学習動作を示す流れ図である。 テスト基板２０ａを用いた判定条件の学習動作を示す図である。

符号の説明

１０…表面検査装置，１１…ステージ，１２…アライメント系，１５…マイクロプロセッサ，１５ａ…条件学習部，１５ｂ…メモリ，１６…ステージ駆動機構，２０…半導体ウェハ，２０ａ…テスト基板，３１…光源，３４…偏光板，３５…照明光学系，３６…受光光学系，３７…結像レンズ，３８…偏光板，３９…撮像部，４０…駆動モータ，４１…駆動モータ

Claims (6)

1. 被検基板に照明光を照射する照明部と、
   前記照明光の照射により前記被検基板から正反射方向に発生する光を結像し、結像された像を光電変換して、光強度信号を生成する受光部と、
   前記照明部と前記被検基板との光路中に設けられる第１偏光素子と、
   前記第１偏光素子を通過した前記照明光の振動面に対し、前記被検基板の表面形状の周期性パターンを斜め向きに設定する設定部と、
   前記被検基板と前記受光部との光路中に設けられ、前記第１偏光素子とは偏光方向が異なる第２偏光素子と、
   前記第１偏光素子および前記第２偏光素子を光路中に配置した偏光観察状態において周期性パターンが斜め向きに設定された前記被検基板の像から得られる前記光強度信号の第１信号レベルを検出し、前記第１偏光素子および前記第２偏光素子の少なくとも一方を光路から外したオープン観察状態において前記光強度信号の第２信号レベルを検出する制御部と、
   前記第１信号レベルによる良否の判定条件である第１条件と、前記第２信号レベルによる良否の判定条件である第２条件とを記憶する条件記憶部と、
   前記第１条件に基づいて、前記第１信号レベルによる良否判定を行う第１判定部と、
   前記第２条件に基づいて、前記第２信号レベルによる良否判定を行う第２判定部と
   を備えたことを特徴とする表面検査装置。
2. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記第１判定部および前記第２判定部のいずれかにおいて不良と判定された場合、前記被検基板を不良品と判定する良品判定部を備えた
   ことを特徴とする表面検査装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の表面検査装置において、
   前記制御部は、
   予め良品・不良品の判明している前記被検基板について良品・不良品の情報入力を受け付け、前記被検基板について検出した前記第１信号レベルと前記第２信号レベルを、入力された前記良品・不良品の情報に従って区分することにより、前記第１条件と前記第２条件を学習的に生成する動作モードを備えた
   ことを特徴とする表面検査装置。
4. 請求項１ないし請求項３に記載の表面検査装置において、
   前記被検基板は、フォトリソ工程を経て表面にレジストパターンが形成され、
   前記第１判定部は、前記第１信号レベルから、前記レジストパターンを露光する際のフォーカスの良否を判定し、
   前記第２判定部は、前記第２信号レベルから、前記レジストパターンを露光する際の露光量の良否を判定する
   ことを特徴とする表面検査装置。
5. 露光装置によってパターンが設けられた被検基板に照明光を照射する照明部と、
   前記照明光による前記被検基板の正反射像を撮像する撮像部と、
   前記照明部と前記被検基板との光路中に設けられる第１偏光素子と、
   前記第１偏光素子を通過した前記照明光の振動面に対し、前記パターンを斜め向きに設定する設定部と、
   前記被検基板と前記撮像部との光路中に設けられ、前記第１偏光素子とは偏光方向が異なる第２偏光素子と、
   前記第１偏光素子および前記第２偏光素子を光路中に配置した偏光観察状態において周期性パターンが斜め向きに設定された前記被検基板の像から得られる光強度信号の第１信号レベルを検出し、前記第１偏光素子および前記第２偏光素子の少なくとも一方を光路から外したオープン観察状態において前記光強度信号の第２信号レベルを検出する制御部とを備え、
   前記第１信号レベルに基づく情報と前記第２信号レベルに基づく情報との少なくとも一方を前記露光装置にフィードバック可能なことを特徴とする表面検査装置。
6. 請求項５に記載の表面検査装置において、
   前記第１信号レベルによる良否の判定条件である第１条件と、前記第２信号レベルによる良否の判定条件である第２条件とを記憶する条件記憶部と、
   前記第１条件に基づいて、前記第１信号レベルによる良否判定を行う第１判定部と、
   前記第２条件に基づいて、前記第２信号レベルによる良否判定を行う第２判定部と
   をさらに備え、
   前記第１判定部の判定結果と前記第２判定部の判定結果との少なくとも一方を前記露光装置にフィードバック可能なことを特徴とする表面検査装置。
   

Images