JP4610798B2 - レーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡とそのオートフォーカス方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程の歩留り管理に用いられるレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡のオートフォーカス機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の超高集積化されたＬＳＩの製造において不良品をもたらす主たる要因は、ウエハに付着した微小異物によるものといわれている。すなわち、その微小異物が汚染物質となって回路パターンの断線やショートを引き起こし、半導体チップの不良の発生や品質、信頼性の低下に大きくつながっている。回路パターンの微小化に伴い直径O.1μmレベルの微小異物までが対象となっている。そのため微小異物の付着状態などの実態を定量的に精度よく計測および分析して把握し、管理することが、超高集積ＬＳＩの製造における歩留り向上の最重要課題となっている。
【０００３】
現在この微小異物の付着状態などの実態を定量的に精度よく計測および分析する手法としては図１に示すようなパーティクル検査装置が用いられている。この装置は▲１▼走査型電子顕微鏡像と▲２▼高感度ＣＣＤカメラ４を介して得る高感度暗視野像と▲３▼ＣＣＤカメラ５による暗視野像若しくは明視野像の三種類の画像がＣＲＴ９上に表示できる装置である。走査型電子顕微鏡１は鏡筒部11と二次電子検出器（ＳＥＤ）12とを備えており、鏡筒部11の偏向手段によって偏向走査されて試料６に照射された電子ビームによって弾き出された二次電子をＳＥＤ12によって検出し、該検出情報をビーム照射位置との対応をとって画像化し、走査型電子顕微鏡像▲１▼とする。▲３▼の明視野像はライト８からの光を光学路を介して上方より試料表面に光スポットを照射し、該試料表面が鏡面であるときは一様に反射され、異物等不連続形状があるときはそこで光が散乱されることに基きその試料表面を上方よりＣＣＤカメラ５で撮影して得る画像である。▲３▼の暗視野像はレーザ光源７からのビームを斜め上方から試料面に照射し、該試料表面が鏡面であるときは全反射され、異物等があるときはそこで光が散乱されることに基きその試料表面を上方よりＣＣＤカメラ５で撮影して得る画像である。▲２▼の高感度暗視野像は基本的に▲２▼の暗視野像と同様であるが、より小さな微粒子を観察するために高感度ＣＣＤカメラ４を介して得る画像である。対象が超微粒子であるため散乱光は微弱となるため高感度のＣＣＤ（ＩＣＣＤ）カメラが用いられる。
【０００４】
この装置を用いた欠陥検出は、他の欠陥検出装置で既に得られた欠陥位置情報を基に▲３▼または▲２▼の顕微鏡画像を撮って、この装置における基準位置に対応した正確な位置情報を得て、この欠陥を走査型電子顕微鏡で観察・分析するものである。まず、低倍率の明視野像や暗視野像によって比較的大きな異物の位置を当該装置における基準位置に対して検知し、必要ならばその数や分布状況も把握する。明視野像を得るときにはコンピュータ10を介してコントロールボックス11を操作しライト８を点灯して上方より試料面にスポットを照射し、標準ＣＣＤカメラ５で顕微鏡像を撮像する。暗視野像を撮像するときはコンピュータ10を介してコントロールボックス11を操作しレーザ光源を発光させて斜め上方から試料面にレーザビームを照射し、標準ＣＣＤカメラ５で顕微鏡像を撮像する。この当初の検査により存在を確認できなかった微小異物について、更に高感度のＩＣＣＤカメラ４で高倍率の暗視野像によって、最初の検査では観察できなかった微細な異物粒子の位置を当該装置における基準位置に対して検知し、必要ならばその数や分布状況も把握する。この作業によって特定された着目異物の位置情報に基いて走査型電子顕微鏡の位置合わせを行い、その着目異物の観測を行う。試料ステージの駆動機構として対応できない微細な変位量も画面座標上の情報として扱い、電子光学系の偏向手段で対応することができる。また、着目する異物粒子の組成については高倍率光学画像や二次電子検出の走査顕微鏡像からでは分析できないが、これについては二次Ｘ線検出（ＥＤＳ）機能を有した電子顕微鏡を用いることで分析することができる。この検査によって発生原因の特定が更に効果的に行えるようになる。
ところで、レーザ散乱光を光学顕微鏡で観察する欠陥検出方法は光学系の焦点深度が深いため光学顕微鏡のフォーカス点がウエハ面上になくてもそれなりの欠陥の検出ができる。しかし、走査型電子顕微鏡の場合には焦点深度が浅いためフォーカス面が10μｍ以上ずれると0.1μｍの欠陥は観察が困難になる。そのためレーザで欠陥を見つけそれを走査型電子顕微鏡に切り替えて観察しようとした場合、欠陥は走査型電子顕微鏡のフォーカス点からずれていることが多く、その場合該当粒子を観察出来ないこととなる。しかも対象となる欠陥は非常に小さいためフォーカスを取り直すためには相当の時間がかかってしまい、作業効率を悪くしている現状がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の問題すなわち、粒子欠陥を観察分析するシステムにおいて、光学顕微鏡の暗視野像で位置特定した欠陥を走査型電子顕微鏡で観察する際に、フォーカス点が合った状態を時間と手間をかけずに確保できる機能を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡のオートフォーカス機能は、まず、光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡のフォーカス位置のずれ(オフセット量)を正確に把握しておき、光学顕微鏡のレーザ暗視野像で欠陥を検出した後該暗視野像を解析することにより該光学顕微鏡のフォーカスを取り直し高さを合わせ、走査型電子顕微鏡による観察に移る際に前記オフセット量に前記光学顕微鏡の調整量を加えて自動的に走査型電子顕微鏡の焦点合わせを行うようにした。
また、光学顕微鏡のフォーカスを取り直すための暗視野像の解析は、欠陥面積が最小となるところを求めるか、欠陥部の輝度が最も明るくなるところを求めるか、画面内を微分走査し最大微分値が得られたところを求めるかのいずれか、若しくはその組合せであり、粒子欠陥検査は、画面中の１つの欠陥を抽出するモードと、複数を抽出するモードと、画面内全ての欠陥を抽出するモードとが選択できるようにした。
【０００７】
【発明の実施の形態】
レーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡を用いてシリコンウエハ等平面状の試料表面に存在する微小異物を検出し、検査評価しようとする際、レーザ照射による暗視野像で位置特定した微小異物を改めて走査型電子顕微鏡で観察しようとしても、すぐに観察できず調整に手間取ってしまう。その理由は前述したように走査型電子顕微鏡の場合、焦点深度が浅いため焦点がぴったり合っていないと像がボケてしまい、極めて小さい粒子になると全く観察できない。そこで、本発明は、走査型電子顕微鏡にオートフォーカス機能を備えさせ速やかに走査型電子顕微鏡による観察ができるようにしたのである。合焦信号はレーザ暗視野像を得る光学顕微鏡の焦点位置を正確に検知し、それに基いて走査型電子顕微鏡の焦点位置を割り出すようにし、それに従って電子光学系を制御するものである。レーザ光学系の場合には焦点深度が深いため、少々焦点が狂っていても試料表面の像は観察できるのであるが、焦点の狂いは当然に結像の鮮明さに影響するものであるから、像の鮮明さを観測し最も鮮明となる焦点位置を合焦位置と判定するようにした。図２のａはレーザ暗視野顕微鏡において焦点がぴったり合った状態の顕微鏡画像であり、ｂは焦点が50μｍズレたときの顕微鏡画像である。このように異物である微小粒子によって散乱されたレーザ光は図３に示したようにフォーカスがあっていないとレーザ散乱光の受光面積が大きくなり、欠陥の面積は大きく輝度は低くなる。逆にフォーカスが合っている場合、レーザ散乱光の受光面積が小さくなり、欠陥の面積は小さく輝度は高くなる。したがって、フォーカスが合っているときは図２のａのように微細な粒子の存在も明瞭に判別出来るが、フォーカスが合っていないときは図２のｂのように微細な粒子の存在は観察出来ないし、比較的大きな粒子については像がぼんやりと広がって観察される。この例は両者の差を判り易くするために画面内に大きさの異なる粒子を多数存在させてあるが、実際の顕微鏡画像では１画像に１つの異物が存在する程度である。
このレーザ暗視野顕微鏡像の鮮明さを観測し最も鮮明となる焦点位置を合焦位置と判定する手法としては
ａ）散乱像が最も小さくなるところ
ｂ）輝度信号が最も高くなるところ
ｃ）画像面を走査させながら輝度信号の微分値が最も高くなるところ
の３つを採用するようにした。すなわち、ａ）の手法は焦点が狂っていれば像がボケて周辺に広がる現象に着目したものであり、ｂ）の手法は焦点が狂っていれば像がボケて光も散ってしまう現象に着目したものである。そして、ｃ）の手法は焦点が狂っていれば像がボケて境界が不明瞭になる現象に着目したものである。
【０００８】
上記のいずれかの手法により光学顕微鏡の正確な合焦位置が把握されたならば、その情報を走査型電子顕微鏡の合焦制御信号に用いるのであるが、光学顕微鏡の焦点位置と走査型電子顕微鏡の焦点位置との位置関係がわからなければ、光学顕微鏡の正確な合焦位置情報を走査型電子顕微鏡の合焦制御信号に反映することができない。そこで、本発明では両光学系の焦点位置のズレ（オフセット）量を予め把握しておくことが必要である。この当初のオフセット量に対して光学顕微鏡の正確な合焦位置情報を加味して走査型電子顕微鏡の合焦制御信号とするのである。このようにすることでレーザ照射による暗視野像で発見した微小異物を改めて走査型電子顕微鏡で観察しようする際に、走査型電子顕微鏡の焦点を速やかに自動制御することが可能となる。
【０００９】
次に試料面に存在する実寸法0.3μｍの異物粒子を、試料ステージのｚ軸駆動を行い、それぞれの位置でその画像上どれだけの寸法になるかを測定した結果を図４にグラフで示す。菱形でプロットしたのがｘ軸方向の寸法であり、正方形でプロットしたのがｙ軸方向寸法である。実寸法0.3μｍの異物粒子がｘ方向とｙ方向とで焦点のズレに対応して表示寸法が相違してくるのはこの場合、レーザ照射方向がｘ軸方向であることによる。グラフ上で太線で表示したものは入力された実測データを基に機械上で近似多項式を算出して表示したものである。この近似式を用いてｘ方向とｙ方向の最小寸法位置（グラフ上では最小値）を求めさせ、自動的に合焦位置を算定することもできる。
【００１０】
【実施例１】
レーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡において、本発明のオートフォーカス機構を実現するシステムを示す。コンピュータ本体10内には記憶部があり、ここに光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡の光学軸の相対位置情報（これは、装置上の配置関係で一義的に決まる固定値）に加え、光学顕微鏡の焦点位置と走査型電子顕微鏡の焦点位置との相対関係（オフセット）量を入力しておく。また、コンピュータ本体10は光学顕微鏡３の画像情報から、ａ）輝度が設定域値以上のピクセル数を積算してその面積を算出する手段と、ｂ）輝度信号のピーク値を記憶する手段と、ｃ）画像をラスター状に走査してその輝度信号の微分値を算出すると共にそのピーク値を記憶する手段とを有しており、更に、試料ステージのｚ軸（光学軸方向）駆動によって試料高さを変化させたとき、そのｚ軸位置情報と共に先のａ）ｂ）ｃ）の演算を繰返すと共にその結果を記憶し、それぞれの最適値をとる位置情報を特定する手段を備えている。ａ）ｂ）ｃ）の演算結果が同じ位置情報を特定した場合にはその値を光学顕微鏡の合焦位置と判定するが、異なる値を示したときには多数決若しくはマニュアルでそのいずれかを選択して特定する。何れの判定手法が適しているかは欠陥状況により異なるからである。
光学顕微鏡における異物の合焦位置が特定できたならば、コンピュータ本体10の演算機能によってその値と先の記憶部に記憶されている光学顕微鏡の焦点位置と走査型電子顕微鏡の焦点位置とのオフセット量とを綜合して走査型電子顕微鏡の合焦位置を算出する。ここで算出された値が制御目標値であり、これに基いてサーボ機構による走査型電子顕微鏡のオートフォーカスを実行するのであるが、光学顕微鏡の光学軸と走査型電子顕微鏡の光学軸は数十ｍｍ離れているので、同じ異物を観察するためには、まずこの光学軸を合わせなければならない。これは固定値として記憶部に記憶してある情報に基き、観察を切替える際に試料ステージのｘ軸（又はｙ軸若しくは両軸合成）駆動で位置制御を行い、その上で、先の走査型電子顕微鏡のオートフォーカスが実行される。
【００１１】
更に、本実施例では粒子欠陥検査が、画面中の１つの欠陥を抽出するモードと、複数を抽出するモードと、画面内全ての欠陥を抽出するモードとが選択できるようにした。画面中の１つの欠陥を抽出するモードの場合は、対象物が一つであるから、暗視野レーザ顕微鏡の画像から得た顕微鏡合焦位置情報を走査型電子顕微鏡の合焦制御信号に反映させればよいが、対象物が複数となると個々の異物に対してその位置（ｘｙ平面上の）と焦点位置（ｚ軸成分）とを得ておかなければならない。焦点位置については試料面が完全に平坦であり、粒子の大きさが同じであれば変わることは無いのであるが、実際は試料表面には凹凸や反りが存在し、粒子の大きさも差があるので0.1μｍが問題となる走査型電子顕微鏡の合焦動作では個々に特定することが必要となる。また、ｘｙ平面上の位置合わせは試料ステージのｘ軸、ｙ軸駆動で対応することができるが、この顕微鏡画面内での位置合わせは機械機構では対応出来ないことが多い。その場合には画面座標上の位置情報として把握し、電子光学系の偏向機能により電子ビームの偏向により対応させる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明のレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方法は、光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡のフォーカス位置のずれ(オフセット)量を正確に把握しておき、光学顕微鏡のレーザ暗視野像で欠陥を検出した後該暗視野像を解析することにより該光学顕微鏡のフォーカスを取り直し高さを合わせるステップと、走査型電子顕微鏡による観察に移る際に前記オフセット量に前記光学顕微鏡のフォーカス調整量を加えて自動的に走査型電子顕微鏡のフォーカス調整を行うステップとからなるようにしたので、暗視野レーザ顕微鏡の観察に続き、走査型電子顕微鏡での観察・分析を実行しようとする際、その焦点合わせに厄介な手間や時間をかけること無く自動的に速やかにフォーカス合わせを行うことができる。
また、本発明では光学顕微鏡のフォーカスを取り直すための暗視野像の解析は、欠陥面積が最小となるところを求めるか、欠陥部の輝度が最も明るくなるところを求めるか、画面内を微分走査し最大微分値が得られたところを求めるかのいずれか、若しくはその組合せで行う構成を採用したので、全ての手法で同じ結果が得られた場合にはそのデータの信頼性の高いことが確認でき、異なる結果がでた場合にも欠陥の種別に応じて最適な判定手法を選択することができる。
【００１３】
また、本発明のレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡は、少なくともｘｙｚ３軸方向の駆動機構を備えた試料ステージ上の近接した位置に光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡とを備えた粒子欠陥検査装置であって、前記光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡のフォーカス位置のずれ(オフセット)量を記憶する手段と、前記光学顕微鏡で得られたレーザ暗視野像から該光学顕微鏡の合焦位置を割り出すための解析を実行する手段と、前記オフセット量に前記光学顕微鏡のフォーカス調整量を加えて前記走査型電子顕微鏡のフォーカス調整を自動的に行う制御手段とを備えたものであるから、従来装置に特別のハードを必要とすることなく、コンピュータ内の機能を充実されることで本発明のオートフォーカス機能を実行するシステムを実現することが出来る。
更に、本発明のレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡は、粒子欠陥検査が、画面中の１つの欠陥を抽出するモードと、複数を抽出するモードと、画面内全ての欠陥を抽出するモードとを選択できる構成を採用できるので、粒子欠陥が多い場合にも頻繁に両光学系の観察を繰返すこと無く効率的にその検査を実行することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のオートフォーカス方式を実現するレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡システムの基本構成を示す図である。
【図２】シリコンウエハ面の異物粒子をレーザ暗視野像を高感度ＣＣＤカメラで撮像したもので、フォーカスが合った像とズレた像の比較図である。
【図３】顕微鏡画像面でのレーザ散乱光の信号分布を示すグラフである。
【図４】実サイズ0.3μｍの異物が表示画面上で見える大きさを試料ステージのＺ軸方向位置をかえて計測したグラフである。
【符号の説明】
１ 走査型電子顕微鏡 ７ レーザ光源
１１ 鏡筒部 ８ ライト
１２ 二次電子検出器 ９ ＣＲＴ
３ 光学顕微鏡 １０ コンピュータ
４ 高感度ＣＣＤカメラ １５ コントロールボックス
５ ＣＣＤカメラ
６ 試料

Claims (6)

1. 光学顕微鏡で試料表面の欠陥を検出し、検出した欠陥を走査型電子顕微鏡で観察するレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方法において、
   前記光学顕微鏡のレーザ暗視野像観察で前記欠陥に対する前記光学顕微鏡の焦点位置のフォーカス調整量を取得するステップと、
   前記光学顕微鏡と前記走査型電子顕微鏡の焦点位置のずれ量と、前記光学顕微鏡の焦点位置のフォーカス調整量とから前記走査型電子顕微鏡の電子光学系を制御し焦点位置を調整するステップと、からなるレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方法。
2. 前記欠陥に対する前記光学顕微鏡の焦点位置のフォーカス調整量を取得するステップは、前記欠陥のレーザ暗視野像の欠陥面積が最小になる焦点位置を取得する、または、前記欠陥のレーザ暗視野像の前記欠陥の輝度が最も明るくなる焦点位置を取得する、または、前記欠陥のレーザ暗視野像の輝度の微分値が最大値になる焦点位置を取得する、のいずれか一つ、または、それらの組合せにより前記焦点位置を取得する請求項１に記載のレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方法。
3. 前記光学顕微鏡のレーザ暗視野像観察で前記欠陥に対する前記光学顕微鏡の焦点位置のフォーカス調整量を取得するステップにおいて、前記レーザ暗視野像内の一つの欠陥の焦点位置を取得するモード、または、前記レーザ暗視野像内の複数の欠陥の焦点位置を取得するモード、または、前記レーザ暗視野像内の全ての欠陥の焦点位置を取得するモードのいずれか一つを選択可能な請求項１または２に記載のレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方法。
4. 光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡と試料ステージを備えたレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡において、
   前記光学顕微鏡と前記走査型電子顕微鏡の焦点位置のずれ量を記憶する手段と、
   前記光学顕微鏡のレーザ暗視野像観察で前記欠陥に対する前記光学顕微鏡の焦点位置のフォーカス調整量を取得する手段と、
   前記ずれ量と、前記光学顕微鏡の焦点位置の情報とから前記走査型電子顕微鏡の電子光学系を制御し焦点位置を調整する手段と、を有するレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡。
5. 前記欠陥に対する前記光学顕微鏡の焦点位置のフォーカス調整量を取得する手段は、前記欠陥のレーザ暗視野像の欠陥面積が最小になる焦点位置を取得する、または、前記欠陥のレーザ暗視野像の前記欠陥の輝度が最も明るくなる焦点位置を取得する、または、前記欠陥のレーザ暗視野像の輝度の微分値が最大値になる焦点位置を取得する、のいずれか一つ、または、それらの組合せにより前記焦点位置を取得する手段である請求項４に記載のレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡。
6. 前記光学顕微鏡のレーザ暗視野像観察で前記欠陥に対する前記光学顕微鏡の焦点位置のフォーカス調整量を取得する手段は、前記レーザ暗視野像内の一つの欠陥の焦点位置を取得するモード、または、前記レーザ暗視野像内の複数の欠陥の焦点位置を取得するモード、または、前記レーザ暗視野像内の全ての欠陥の焦点位置を取得するモードのいずれか一つを選択可能である請求項４または５に記載のレーザ欠陥検出機能を備えた走査型電子顕微鏡。

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