JP4704040B2

JP4704040B2 - 光学的検査のための照明システム

Info

Publication number: JP4704040B2
Application number: JP2004541513A
Authority: JP
Inventors: ナフタリ，ロン; ゲッタ，アヴィシェー; フェルドマン，ハイム; ショハム，ドロン; ブライ，ジル
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2023-09-08
Also published as: JP2006515668A; AU2003263108A8; EP1546691A1; JP5702045B2; CN1771456A; AU2003263109A1; AU2003263108A1; CN102393398B; US20100097680A1; US20070008519A1; AU2003263109A8; CN1685219A; CN100561204C; CN1685220A; EP1546693A1; WO2004031754A1; JP2006501469A; AU2003265989A1; EP1576355A2; CN1685220B

Description

関連出願への相互参照

[0001]本出願は、同日に出願された「Dark Field Inspection System」及び「Inspection System with Oblique ViewingAngle」と題する他の２つの米国特許出願に関連している。これら関連出願は、両方とも、参考としてここに援用する。

発明の分野

[0002]本発明は、一般に、光学的検査に係り、より詳細には、半導体ウェハのような固体表面を検査し、その上の特徴部及び欠陥部を検出するための方法及び装置に関する。

発明の背景

[0003]光学的検査は、半導体デバイス製造において、ウェハ表面上の欠陥、例えば、汚染粒子、スクラッチ及び材料層の非除去部分を検出するために通常使用されている。欠陥は、デバイスの故障を引き起こすことがあり、従って、プロセスの収率を実質的に低下させる。それ故、製造プロセスの種々の段階で非パターン化ウェア及びパターン化ウェハの清潔さ及び品質の両方を検証するために入念な検査が要求される。

[0004]半導体ウェハを検査するための通常の方法は、ウェハ表面上をレーザビームで走査し、ビームが入射した各ポイントから散乱される光を測定することである。暗フィールド散乱検出をベースとする１つのこのような方法が、参考としてここにその開示を援用する米国特許第６，３６６，６９０号においてスミランスキー氏等により提案されている。スミランスキー氏等は、レーザと、該レーザの周りに配列された光ファイバー型集光器により信号供給される多数の光センサとを備えた光学検出ヘッドをベースとするウェハ検査システムを説明している。この光学ヘッドは、ウェハ表面上に配置され、ウェハを回転及び並進移動して、レーザビームで表面を走査する。センサは、光ファイバーの位置で決定されるように、表面から異なる角度方向に同時に散乱される放射を検出する。従って、全ウェハ表面が、螺旋経路に沿って一度に１ピクセルで走査される。

[0005]別の暗フィールドウェハ検査システムが、参考としてここにその開示を援用する米国特許第６，２７１，９１６号においてマークサー氏等により説明されている。このシステムでは、レーザビームがウェハ表面に直角方向に向けられ、螺旋経路に沿って表面を走査する。直角とは異なる角度で表面から散乱されるレーザ放射を収集するために楕円ミラーが使用される。好ましくは、第１の角度範囲内で散乱された光が１つの検出器により収集され、一方、第２の角度範囲内で散乱された光が別の検出器により散乱される。異なる検出信号を使用して、大きな欠陥を小さな欠陥から区別する。

[0006]この解決策をベースとする更に別の欠陥検出システムが、参考としてここに援用する米国特許第６，５３８，７３０においてベイツ−イラバニ氏等により説明されている。この場合には、広角度及び狭角度の異なる収集チャンネルが使用される。狭角度及び広角度の収集チャンネルから得られた信号を比較して、極微スクラッチと粒子との間を区別することができる。又、この目的で、前方散乱放射を収集して使用してもよい。更に、Ｓ及びＰ−偏光放射をもつ順次照明を使用して散乱の強度を測定してもよい。

[0007]チャン氏等は、参考としてここにその開示を援用する米国特許第６，３９２，７９３号において開口数（ＮＡ）の高い像形成システムを説明している。このシステムは、ミラー及びレンズの反射屈折グループをベースとするもので、これを使用して、ある角度範囲にわたり反射、回折及び散乱された光を収集することができる。このシステムは、暗フィールド像形成を含む幾つかの用途を有する。

[0008]キニー氏等は、参考としてここにその開示を援用する米国特許第５，９０９，２７６号において粒子及び欠陥を検出するための光学検査モジュール及び方法を説明している。このモジュールは、すれすれの入射角で被検査表面を照明する光源を備えている。表面上の欠陥により光ビーム路から散乱される非鏡面反射光を収集するようにレンズが向けられる。レンズの焦点面に設けられた光検出器アレイが散乱光を受ける。このアレイの各ピクセルは、表面上のあるエリアに対応し、複数のピクセルで、実質的に全表面をカバーする視野が形成される。

[0009]スペックルは、コヒレントな照明を使用する像形成システムにおいて、ビーム振幅の強力な自己相関により生じる良く知られた効果である。通常連続波（ＣＷ）レーザ照明をベースとする既知のコヒレント照明システムでは、レーザビームを回転する拡散器に通して、自己相関を減少させ、ひいては、スペックルコントラストをそれに応じて減少させる。或いは又、例えば、参考としてここにその開示を援用する米国特許第６，２４９，３８１号においてスガムラ氏により説明されたように、異なる長さの光ファイバーの束にレーザビームを通してもよい。又、参考としてここにその開示を援用する、本特許出願の譲受人に譲渡された米国特許出願公告ＵＳ２００２／００６７４７８Ａ１号においてカーポル氏等により説明されたように、光路に沿って順次配置された２つの光ファイバー束を使用することによりスペックル除去の改善を達成することができる。

発明の概要

[0010]本発明の実施形態は、半導体ウェハのようなサンプルの表面を照明するための改良された方法及び装置であって、このような表面を高い解像度及び高いデータ収集率で検査することのできる方法及び装置を提供する。これら実施形態において、検査システムは、通常パルスレーザビームをベースとする強力な光放射のソースであって、被検査表面のエリアを照射するソースを備えている。１つ以上の検出器アレイが、表面から散乱された放射を受け取って、各像を形成するように構成される。

[0011]本発明のある実施形態では、パルスレーザビームを表面に入射させる前に、通常ビームのコヒレンスのために生じるスペックルを減少するようにビームが処理される。これら実施形態に使用されるスペックル減少サブシステムは、１０ｎｓ程度に短いレーザパルスの厳密な時間制約内で、非常に低いレベルのスペックルコントラスト（サンプル表面上の照明エリアにわたり１％程度に低い強度変動）を達成するように新規なやり方で適応される。

[0012]これら実施形態の幾つかでは、異なる長さの光ファイバーの束にレーザビームを通すことによりスペックルコントラストが減少される。これら実施形態の１つでは、ファイバー束は、長さの変化するマルチモードファイバーを含む。別の実施形態では、２つのファイバー束を、端−端接続状態で使用することができる。このように２つのファイバー束を使用すると、希望のスペックル減少を達成するために各束に含ませねばならないファイバーの本数が、単一ファイバー束の場合に比して実質的に減少される。

[0013]別の実施形態では、スペックル減少システムは、通常高速の音響−光学トランスジューサをベースとする高速スキャナであって、希望のスペックル減少を達成するに充分な速度でターゲット平面（サンプル表面のような）にわたり入射角のパルスレーザビームを走査する高速スキャナを備えている。

[0014]本発明のある実施形態では、レーザソースは、少なくとも２つの異なる波長の放射を放出するように構成され、従って、表面の散乱特性を両方の波長において同時に評価することができる。レーザビームは、光学スイッチにより表面に向けられ、この光学スイッチは、異なる波長を、表面の同じエリアに対して同じ角度で又は異なる角度で合成し又は別々に向けるように構成可能である。この光学スイッチは、ビームが直角の入射角及び斜めの入射角の両方で表面に収束されるのを許容する。照明サブシステムは、直角及び斜めの両ビームがサンプル表面上の実質的に同じエリアを照射するように両ビームを整形する。

[0015]それ故、本発明の実施形態によれば、光学放射を発生するための装置であって、次のものを備えた装置が提供される。

[0016]複数の横モードで同時に動作するように構成されて、第１のスペックルコントラストで特徴付けられる入力ビームを発生するレーザ；及び
[0017]入力ビームの横モードを混合して、第１のスペックルコントラストより実質的に小さい第２のスペックルコントラストを有する出力ビームを発生するための光学系。

[0018]ここに開示する実施形態では、光学系は拡散器を含み、又、光学系は、異なる各々の長さを有するマルチモード光ファイバーの少なくとも１つの束を含む。通常、レーザは、ビーム発散比Ｍ^２によって特徴付けられ、又、第２のスペックルコントラストは、Ｍ^２に第１のスペックルコントラストを乗じたものより小さい。レーザの横モードを拡散器でスクランブルした後に、レーザビームのスペックルコントラストがＭ^２だけ減少される。ファイバー束に続いて、スペックルコントラストは、レーザの縦モードの数とファイバーの数との小さい方の平方根だけ更に減少される。

[0019]更に、本発明の実施形態によれば、レーザ放射ビームのスペックルを減少する装置であって、次のものを備えた装置が提供される。

[0020]ターゲット平面に対してある入射角のビームを走査するように結合された光学スキャナ；及び
[0021]スキャナから出て来るビームを、そのビームがある範囲の異なる角度にわたってターゲット平面の単一エリアを照射するように向けて、放射を相関除去するように結合された出力光学系。

[0022]通常、レーザ放射は、巾が１μｓより短いパルスを含み、又、光学スキャナは、エリアに形成されるスペックルのコントラストを１０％未満に減少するに充分な速度でビームを走査するように適応される。好ましくは、光学スキャナは、エリアに形成されるスペックルのコントラストを約１％以下に減少するに充分な速度でビームを走査するように適応される。

[0023]ある実施形態では、光学スキャナは、ビームの一部分を回折により偏向すると共に、上記入射角のビームのその偏向された部分を上記範囲の異なる角度にわたって走査するように適応された光学−電子スキャナを備えている。これら実施形態の１つにおいて、この光学−電子スキャナは、音響−光学トランスジューサと、周波数チャープパルスをこのトランスジューサに印加して、上記ビームの偏向された部分を走査させるように結合されたドライブ回路とを備えている。

[0024]更に、本発明の実施形態によれば、サンプルを光学的に検査する装置であって、次のものを備えた装置が提供される。

[0025]サンプル上のエリアの像を捕獲するように構成された検出器アッセンブリ；
[0026]第１及び第２の異なる各波長を有する第１及び第２の放射ビームを発生するように適応されたレーザソース；及び
[0027]第１及び第２の放射ビームを、サンプル上のエリアを照射するように向けるよう結合された照明モジュールであって、各ビームがエリアを直角に又は斜めに照射するように第１及び第２の両ビームを同時に且つ独立して向けさせるよう動作する光学スイッチを含む照明モジュール。

[0028]一実施形態において、光学スイッチは、第１ビームを表面に直角に入射するように向ける一方、第２ビームを表面に斜めに入射するように向けるよう構成できる。通常、照明モジュールは、表面に斜めに入射する放射を、第１及び第２の両ビームが実質的に同様の幾何学的プロフィールで表面のエリアを照射するように向けるよう結合されたリレー光学系を備えている。

[0029]それに加えて又はそれとは別に、照明モジュールは、レーザソース又は照明モジュールの他の要素を移動せずに、レーザソースにより照射されるエリアのサイズを変更するように選択可能な倍率をもつテレセントリック拡大光学系を備えている。

[0030]更に、本発明の実施形態によれば、光学放射を発生するための方法であって、次のステップを備えた方法が提供される。

[0031]レーザを複数の横モードで同時に動作して、第１のスペックルコントラストにより特徴付けられる入力ビームを発生するステップ；及び
[0032]入力ビームの横モードを混合して、第１のスペックルコントラストより実質的に小さい第２のスペックルコントラストを有する出力ビームを発生するステップ。

[0033]更に、本発明の実施形態によれば、レーザ放射のビームのスペックルを減少するための方法であって、次のステップを備えた方法が提供される。

[0034]実質的に固定の拡散器に対してある入射角のビームを光学的に走査して、ビームがある範囲の異なる角度にわたって拡散器を通るようにするステップ；及び
[0035]上記範囲の異なる角度にわたり拡散器から出て来るビームを、ターゲットの単一エリアを照射するように向けるステップ。

[0036]更に、本発明の実施形態によれば、サンプルを光学的に検査するための方法であって、次のステップを備えた方法が提供される。

[0037]第１及び第２の異なる各波長を有する第１及び第２のレーザ放射ビームを発生するステップ；
[0038]第１及び第２の放射ビームを、光学スイッチを経てサンプル上のエリアを照射するように向けるステップであって、光学スイッチは、各ビームがエリアを直角に又は斜めに照射するように第１及び第２の両ビームを同時に且つ独立して向けさせるよう動作するステップ；及び
[0039]エリアから散乱された放射を捕獲して、エリアの像を形成するステップ。

[0040]本発明は、添付図面を参照した実施形態の以下の詳細な説明から充分に理解されよう。

実施形態の詳細な説明

[0053]図１は、本発明の一実施形態により半導体ウェハ２２を光学的に検査するためのシステム２０を概略的に示すブロック図である。通常、ウェハ２２は、この技術で知られた半導体デバイスの製造方法を使用してパターン化され、又、システム２０は、暗フィールド光学的技術を適用して、ウェハの表面上の欠陥を検出する。しかしながら、それとは別に、システム２０で実施される原理は、非パターン化ウェハや、他の形式のサンプル及び表面、例えば、マスク及びレチクルの検査にも適用できる。更に、システム２０は、暗フィールド検査に専用のものであるが、本発明の態様は、明フィールド検査や、他の分野の照明、検査及び像形成にも適用することができる。

[0054]システム２０は、パルスレーザ放射を使用してサンプル２２の表面を照明する照明モジュール２４を備えている。通常、このモジュール２４は、２つ以上の異なる波長のレーザ放射を、同時に又は一度に１つづつ、選択的に放出することができる。いずれのレーザ波長のレーザ放射も、以下に述べるように、モジュール２４により、ウェハ表面に直角に又は斜めに、ウェハ２２に当たるように向けることができる。照明モジュールは、可視光線、紫外線（ＵＶ）及び／又は赤外線（ＩＲ）範囲の波長において光学放射を放出するように構成することができる。それ故、ここで使用する「照明」及び「光学放射」という語は、可視、ＵＶ及びＩＲ範囲のいずれか又は全部を指すものとして理解されたい。

[0055]ウェハ２２から散乱された放射は、広い角度範囲にわたり光学収集モジュール２６により収集される。このモジュール２６は、ウェハ２２の表面を複数のカメラ３０に像形成する収集光学系２８を備えている。この光学系２８は、開口数（ＮＡ）の高い単一の対物レンズで構成されてもよいし、或いは各カメラに１つずつの個々の対物レンズの集合で構成されてもよい。これら別々の光学構成及びカメラ３０の両方を以下に詳細に述べる。光学系２８及びカメラ３０は、全てのカメラが、ウェハ表面の同じエリア、即ち照明モジュール２４で照明されたエリアを像形成する一方、各カメラが異なる角度範囲へと散乱された放射を捕獲するように配列される。各カメラ３０は、この技術で良く知られたように、ＣＣＤ又はＣＭＯＳアレイのような検出素子の二次元アレイを備えている。各アレイの各検出素子は、照明モジュール２４により照射されるエリア内の対応スポットに像形成される。従って、角度の関数としてのウェハ２２上の所与のスポットの散乱特性は、異なるカメラ３０の対応検出素子により発生される信号に基づいて決定することができる。

[0056]カメラ３０は、通常、システムコントローラ３２により照明モジュールからのレーザパルスと同期され、各カメラにより発生される各像出力フレームが単一レーザパルスから散乱された放射に対応するようにされる。各カメラからの出力は、像プロセッサ３４により受信され、デジタル化され、分析される。像プロセッサは、以下に詳細に述べるように、通常、専用ハードウェア信号処理回路及び／又はプログラム可能なデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を備えている。Ｘ−Ｙ−Ｚステージ３６のような機械的スキャナは、ウェハ２２を通常ラスタパターンで並進移動し、照明モジュール２４からの各レーザパルスが、手前のパルスで照射されたエリアに隣接する（且つ通常はそれと若干重畳する）ウェハ表面の異なるエリアを照射するようにする。それとは別に又はそれに加えて、照明及び収集モジュールがウェハに対して走査されてもよい。

[0057]像プロセッサ３４は、各カメラ３０により出力された各像フレームを処理して、ウェハ表面上の欠陥を表わし得る像特徴部を抽出する。これら像特徴部は、ホストコンピュータ３８、通常、適当なソフトウェアを伴う汎用コンピュータワークステーションへ通され、該コンピュータは、特徴部を分析して、被検査ウェハに対する欠陥リスト（又は欠陥マップ）を発生する。

[0058]モジュール２４により照射されてカメラ３０により像形成されるエリアは、全ウェハ表面にわたり或いは表面の選択されたエリアにわたりステージ３６を使用して走査することができる。モジュール２４により放出されるパルスが充分に短いもので、例えば、実質的に１μｓ未満である場合には、ステージ３６は、カメラにより捕獲された像に著しいボケを生じることなく、ウェハ２２をこのように連続的に並進移動することができる。照射されるエリアは、通常、２ｘ１ｍｍ程度の大きさを有するが、以下に述べるように、このエリアは、照明モジュールに拡大光学系を使用することにより増加又は減少することもできる。各カメラ３０が約２０００ｘ１０００検出素子のアレイを含むと仮定すれば、ウェハ表面に投影される各ピクセルのサイズは、おおよそ１ｘ１μｍとなる。モジュール２４が４００パルス／秒の繰り返し率で動作する状態では、像プロセッサ３４への各カメラ３０のデータ出力率は、８００Ｍピクセル／秒となる。この率では、例えば、全１２インチの半導体ウェハを、２分以内に１μｍ解像度で走査することができる。しかしながら、像の解像度、サイズ及び速度のこれら典型的な指数は、単に一例として取り上げたもので、システム速度及び解像度要求に基づいて更に大きな又は小さな指数を使用してもよいことが理解されよう。

[0059]又、コントローラ３２は、ステージ３６のＺ位置（高さ）を調整して、ウェハ表面上にカメラ３０の適切な焦点を維持する。それとは別に又はそれに加えて、コントローラは、この目的でカメラの光学系を調整してもよい。更に、それとは別に又はそれに加えて、コントローラは、異なるカメラ３０により捕獲される像のスケール及び整列のずれを補正して高さ変動を補償するように、像プロセッサ３４及びホストコンピュータ３８に命令することもできる。

[0060]焦点を確認して調整するために、コントローラ３２は、自動焦点照明装置４０及び自動焦点センサモジュール４２を使用する。照明装置４０は、通常、ＣＷダイオードレーザのようなレーザ（図示せず）を備え、これは、照明モジュール２４により照明されたウェハ２２の表面のエリア又はその隣接部に、コリメートされたビームを斜めの角度で放出し、ウェハ表面にスポットを形成する。従って、収集モジュール２６に対してウェハ２２のＺ位置が変化すると、スポットの横方向変位が生じる。センサモジュール４２は、通常、ウェハ表面上のスポットの像を捕獲する検出器アレイ（図示せず）を備えている。スポットの像を分析して、スポットの横方向位置を検出し、これは、収集モジュールに対するウェハ表面のＺ位置の測定値をコントローラ３２に与える。コントローラは、スポットが、適切な焦点を表わす予め校正された基準位置となるまで、ステージ３６を駆動することができる。

[0061]照明装置４０により放出されたビームは、ウェハ表面への途中で収集光学系２８を通過することができ、又、センサモジュール４２も同様に、収集光学系を経て表面上のスポットの像を捕獲することができる。この場合に、照明装置４０は、照明モジュール２４とは異なる波長範囲で動作するのが好ましい。従って、適当なフィルタを使用して、自動焦点ビームがカメラ３０へ散乱するのを阻止すると共に、モジュール２４からのパルスビームが自動焦点測定と干渉するのを防止することができる。

[0062]或いは又、この技術で良く知られた自動焦点検出の他の手段を使用することもできる。例えば、容量性センサを使用して、光学系とウェハ表面との間の垂直距離を決定し調整することもできる。

[0063]図２は、本発明の一実施形態による照明モジュール２４を絵画的に示す図である。レーザヘッド５０は、単一波長の光を放出するか又は２つの波長の光を同時に放出するように構成できるパルスレーザを含む。例えば、レーザヘッドは、ポジティブ・ライト・インク（カリフォルニア州ロスゲータス）により製造されたエボリューション１５レーザのようなＮｄ：ＹＬＦレーザを、このレーザヘッドが基本レーザ周波数の第２高調波（５２７ｎｍ）の光を放出するようにさせる内部周波数コンバータと共に含むことができる。又、第４高調波出力（２６３ｎｍ）を与えるように外部周波数コンバータが追加されてもよい。或いは又、モジュール２４は、３つ以上の波長を同時に放出するか、更に、それとは別に又はそれに加えて、波長同調可能な出力を与えるように構成されてもよい。通常、レーザヘッド５０は、上述したように１μｓ未満（及びおそらくは１０ｎｓ程度に短い）のパルス巾をもつ短い強力なパルスを放射するようにＱスイッチされる。レーザ空洞は、以下に述べるように、ウェハ表面におけるコヒレンス関連スペックルを減少するのを助けるために、レーザが複数の横モードで動作するように構成されるのが好ましい。

[0064]高調波分離モジュール５２は、レーザヘッド５０の出力を異なる波長の２つの別々のビームに分離する。一実施形態では、モジュール５２は、この技術で良く知られた二色性ビームスプリッターのみで構成される。分離されたビームは、以下に詳細に述べるスペックル減少モジュール５４により処理されて、コヒレンス関連スペックルを除去する。選択可能なテレスコープ５６を使用してレーザビームを伸張し、ウェハ２２の表面上に希望の照射エリアが与えられる。テレスコープを回転可能なホイールに取り付けて、図示されたように、希望のテレスコープの便利な選択を許容することができる。図２に示す実施形態は、レーザヘッド５０により出力される異なる波長の各々に対して個別のスペックル減少モジュール及びテレスコープを含むが、他の実施形態では、高調波分離モジュールを光学経路において更に下流に配置して、両波長が単一のスペックル減少モジュール及び／又は共通セットのテレスコープを共有するようにしてもよい。

[0065]テレスコープ５６により出力された伸張されたビームは、コリメートレンズ５８により可変光学密度フィルタ６０へ搬送される。回転可能なフィルタホイールに便利に取り付けることのできるこれらのフィルタは、ウェハ２２における２つのレーザビームの強度を、用途の要求に応じて調整するのを許容する。偏光器６２も同様に回転して、ビームの偏光角度を決定することができる。ピックオフビームスプリッター６４は、各レーザビームの光の僅かな既知の部分を各エネルギーメーター６６に向けて偏向する。このエネルギーメーターは、各レーザビームの強度の測定値を与え、これは、パルス対パルスエネルギー偏差を補正すると共に、おそらくレーザヘッド５０へフィードバック制御を与えるために像プロセッサ３４により使用される。又、エネルギーメーター６６は、以下に述べるように、カメラ３０へ同期入力を与えるのにも使用できる。

[0066]リレーミラー６８を含む光学スイッチモジュール７０は、各波長が直角又は斜めの入射角でウェハ２２に入射するように、各レーザ波長のビーム経路を選択するのを許容する。従って、以下に詳細に述べるスイッチモジュール７０は、直角出力光学系７２及び斜め出力光学系７４の両方に信号供給する。斜めの光学系７４は、通常、表面から約５°乃至５０°の角度でウェハ表面を照明するように構成されるが、それより大きな及び小さな照明角度も考えられる。光学系７２及び７４は、通常、約０．０１乃至０．２の範囲の開口数（ＮＡ）を有する。又、スイッチモジュールは、レーザ波長の１つを阻止して、単一の波長しかウェハに入射しない（直角又は斜めのいずれかで）ようにセットされてもよい。両方の波長を同時に使用するときには、通常適当なレンズで構成される色補償素子７６を一方のビーム（この実施形態では、斜めのビーム）の経路に導入して、斜め及び直角ビームの両方がウェハ表面上の同じエリアを実質的に同じ幾何学的プロフィールで照明するようにしてもよい。

[0067]図３Ａは、本発明の一実施形態によるスペックル減少モジュール５４の概略側面図である。この図に示されたモジュールは、図２に示す構成において、レーザ波長の１つに適用することもできるし、或いはモジュールの光学素子が両波長に適切に設計される限り、両波長に一緒に適用することもできる。

[0068]上述したように、連続波（ＣＷ）レーザ照明に基づくこの技術で知られたコヒレントな照明システムでは、レーザビームが回転拡散器に通され、これが自己相関を減少させ、ひいては、スペックルコントラストをそれに応じて減少させる。しかしながら、システム２０では、レーザヘッド５０により放出されるパルス巾が短いために、この従来の解決策を無効にしてしまう。というのは、スペックルコントラストを充分に減少するには、拡散器に実際的でないほど高い回転速度が要求されるからである。

[0069]それ故、図３Ａに示すモジュール５４の実施形態では、音響−光学トランスジューサ８２が、ターゲット平面８４に対して入射角のレーザビームを高い速度で走査するように駆動される。この高速度の走査は、希望のスペックルコントラスト減少を達成するためにレーザパルスの時間巾中に充分な角度範囲にわたってターゲット平面（ひいては、ウェハ２２）にビームを入射させる。レーザヘッド５０からモジュール５４に入力されるビームは、通常、円筒状のビーム伸張器８６により伸張される。トランスジューサ８２は、レーザパルスと同期されたドライバ８８によりレーザビームの一部分を回折するように駆動される。ドライバ８８は、周波数チャープされる電気駆動信号を発生し、従って、トランスジューサ８２は、一次のレーザビーム９０を、レーザパルスの巾にわたり変化する角度で回折する。像形成レンズ９７は、回折された一次ビーム９０をターゲット平面８４に像形成する。レンズ９７のフーリエ平面にあるダイアフラム９４は、偏向されないゼロ次のビーム９６が通過するのを停止する。或いは又、効率を改善するために（入力に対するモジュール５４からの出力の強度に関して）、第２の音響−光学トランスジューサを追加して、ゼロ次ビームを走査することもできる。

[0070]ドライバ８８により適用される周波数チャープの結果として、ターゲット平面８４における回折された一次ビームの入射角は、レーザパルス中に迅速に変化する。所与のチャープ帯域巾Δｆ及び走査時間Ｔ（レーザパルス巾に等しい）に対して、音響−光学走査の解像度ポイントの数（ＮＲＰ）は、おおよそＮＲＰ＝ΔｆＴにより与えられる。レーザビームは、換言すれば、相互に非相関のＮＲＰ個の異なる角度成分に分割される。出力光学系９８は、ターゲット平面８４から角度ビーム成分を収集し、それをテレスコープ５６へ収束する。ターゲット平面８４（ひいては、ウェハ２２）におけるスペックルコントラストの減少は、おおよそ次式で与えられる。

例えば、１００−３００ｎｓのレーザパルス巾が与えられると、４００から８００ＭＨｚのチャープ帯域巾Δｆは、ビームのスペックルを、入力ビームコントラストの６−１６％の範囲に減少させる。入力レーザビームの偏光は、出力に保持される。

[0071]更に別のオプションとして、トランスジューサは、この技術で良く知られたように、回転ミラースキャナのような他の形式の高速スキャナと置き換えられてもよい。しかしながら、スペックルの減少程度は、走査速度に依存する。

[0072]図３Ｂは、本発明の別の実施形態によるスペックル減少モジュール５４の概略側面図である。この実施形態は、光ファイバー束１００及び１０２を使用して、レーザ５０からテレスコープ５６へビームを搬送する。或いは又、以下に詳細に述べるように、単一の光ファイバー束を使用してもよい。通常、束１００及び１０２は、石英又は他のＵＶ透明ファイバーで構成される。

[0073]各束１００及び１０２の個々のファイバーは、長さの異なるものであり、従って、Ｎ個の異なるスペックルパターンを形成し、それらは拡散器１０４により混合される。その結果、テレスコープ５６へ出力されるビームにおけるスペックルコントラストは、Ｎ^１／２の係数で減少される。この技術で知られたシステムの場合と同様に、単一モード光ファイバーの単一束がモジュール５４に使用された場合には、出力のスペックルコントラストを入力コントラストの１％に減少するのに、異なる長さのファイバーが１０，０００本必要とされる。この解決策は、コストがかかると共に、実施が困難である。このため、ここでは、２つの束１００及び１０２が端−端関係で使用され、束１００及び１０２における個々のファイバーの数を各々ｎ及びｍとすれば、Ｎ＝ｎｘｍ個の異なるスペックルパターンを生じる。従って、束１００及び１０２の各々が百本のファイバーを含む場合には、１％出力コントラストへの希望の減少を達成することができる。しかしながら、以下に述べるように、マルチモードファイバーの束を使用することで、実際的な困難さを少なくしながら、より良好なスペックル減少を得ることができる。

[0074]入力カプラー１０８は、レーザ５０からのビームを、拡散器１０４を経てファイバー束１００へ収束する。この目的で、この技術で知られたように、マイクロレンズアレイ又はモードスクランブラーのような適当な形式の拡散素子を使用してもよい。レーザビームのコヒレンス長さが１ｍｍであると仮定すれば、束１００は、例えば、百本のファイバーを含み、これらは、１−２ｍｍのステップで長さが均一に等級付けされてもよい。フーリエレンズ１１０は、束１００の出力を束１０２へ収束し、束１００における各ファイバーの出力が束１０２の実質的に全てのファイバー間に分布されるようにする。束１０２のファイバーも、長さが等級付けされる。出力カプラー１１２は、束１０２からの放射出力をテレスコープ５６へ収集する。カプラー１０８及び１１２と、フーリエレンズ１１０は、単純なレンズとして図示されているが、実際には、カプラー及びフーリエレンズは、多素子のテレセントリック光学系で構成されてもよい。端−端ファイバー束をベースとするスペックル除去(de-speckling)システムは、前記米国特許出願公告ＵＳ２００２／００６７４７８Ａ１号に更に詳細に示されている。

[0075]図示されていない別の実施形態では、モジュール５４は、マルチモードファイバーの単一束で構成されてもよい。この実施形態は、図３Ｂに示したものと構造が同様であるが、フーリエレンズ１１０及び束１０２が除去される。これは、特にレーザ５０が複数の横モードを発生するときに有用である。束１００のマルチモードファイバーの各々は、ファイバーを通る異なる光学経路長さを有する複数の伝播モードをサポートする。本発明者は、マルチモードレーザと一緒に動作する１００本から２００本のマルチモードファイバー（ファイバー直径、ＮＡ及び長さ等のファイバー特性に基づき）の束は、出力コントラストを１％に減少するのに必要なＮ＝１０，０００個の異なるスペックルパターンを発生することができる。しかしながら、マルチモードファイバーを使用すると、入力ビームの偏光が破壊される。

[0076]マルチモードレーザが放射を放出する横モードの数は、単一モードレーザに対するマルチモードレーザビームの角度発散と、ｘ及びｙの各方向における同じビームくびれ直径との良く知られた比をＭ^２とすれば、おおよそ係数Ｍ_ｘ ^２・Ｍ_ｙ ^２で与えられる。従って、例えば、Ｍ_ｘ ^２＝Ｍ_ｙ ^２＝３０を有するレーザは、ほぼ１０００個の異なる横モードを発生する。各横モードは、自己コヒレントである（レーザのコヒレント長さ内で）が、他の横モードとは空間的に非重畳であり且つ非コヒレントである。ファイバー束が存在しない場合でも、ビームを拡散器に通すことにより横モードを混合すると、ビームのスペックルコントラストは、次式の分だけ減少され、即ち約３０の係数で減少される。

或いは又、レーザビームは、上述したように、拡散器を経てフーリエレンズにより異なる長さのマルチモードファイバーの束へ収束されてもよい。この場合に、スペックル減少モジュール５４は、レーザの横モード及び縦モードの両方を混合し、束におけるファイバーの数をＮとすれば、スペックルコントラストを次式の分だけ減少させる。

Ｎ＝１００、Ｍ_ｘ ^２＝Ｍ_ｙ ^２＝１０の場合には、レーザビームのスペックルコントラストは、その入力値の１％に減少される。

[0077]それとは別に又はそれに加えて、スペックル減少モジュール５４は、この技術で知られた他のスペックル減少方法を実施してもよい。又、モジュール５４は、レーザビームを均質化する目的も果たし、ビームのエリア、ひいては、ウェハ２２の表面に照射されるエリアにわたり実質的に均一の強度プロフィールを与えることができることに注意されたい。

[0078]図４は、本発明の一実施形態による照明モジュール２４の更に別の要素を示す概略側面図である。この実施形態の幾つかの観点は、図２に示した実施形態とは異なるが、図２に示した他の要素は、簡単化のためにここでは省略されている。当業者であれば、図２及び４に示す特徴及び要素の種々の他の組合せも、システム２０に使用できることが理解されよう。

[0079]図４に示す実施形態では、異なる倍率のテレスコープ５６を備えた単一のテレスコープアッセンブリ１２０が、レーザヘッド５０の両出力波長に使用される。或いは又、図２に示されたように、出力波長の各々に対して個別のテレスコープ５６が使用されてもよい。通常、テレスコープ５６は、対物平面１２４の各ポイント（スペックル減少モジュール５４からの出力における）が、テレスコープの出力におけるフーリエ平面１２６の全てのポイントを照明するように、テレセントリックのケラー型光学系を含む。全てのテレスコープ５６が同じ焦点面を有し、従って、対物平面１２４及びフーリエ平面１２６は、アッセンブリ１２０の倍率が切り換えられても移動しない。又、テレスコープは、色補正され、両方のレーザ波長において同じ焦点面を有する。テレスコープは、コントローラ３２の制御のもとで、必要なときに倍率を容易に切り換えられるように、回転ホイール１２２に取り付けられてもよい。

[0080]この実施形態の二色性ビームスプリッター１２８は、図２に示した高調波分離モジュール５２に置き換わる。このビームスプリッター１２８は、レーザ波長の一方を第１光学経路１３０へ通すと共に、他方の波長を第２光学経路１３２へ通す。各光学経路は、上述したように、フィルタ６０及び偏光器６２を含む。光学スイッチ１３４は、どの波長を直角光学系７２へ搬送し、どの波長を斜めの光学系７４へ搬送するか決定する。スイッチ１３４は、１３６ａ及び１３６ｂで示された２つの設定のいずれかに配置される回転ミラー１３６を含む。この回転ミラーが設定１３６ａにあるときには、光学経路１３２の放射を斜めの光学系７４へと偏向し、一方、経路１３０の放射を直角光学系７２へ向けるように通すのを許容する。スイッチ１３４の回転ミラーを設定１３６ｂへ切り換えると、経路１３２の放射を直角光学系７２へ通す一方、経路１３０の放射が斜めの光学系７４へ偏向される。スイッチ１３４は、両方の経路１３０及び１３２の放射を一緒に直角光学系７２又は斜めの光学系７４のいずれかに搬送するという更に別の設定を有してもよい。二色性ビーム合成器１３８は、一方又は両方の経路を必要に応じて直角チャンネルへ向ける。又、スイッチ１３４は、ウェハ２２を単一波長のみで照射することが望まれるときに経路１３０又は１３２のいずれかを阻止するためのビームブロック（図示せず）を備えてもよい。

[0081]直角及び斜めの光学系７２及び７４は、レーザビームをウェハ２２の希望のエリアへ搬送するためのリレーレンズ１４０を備えている。更に、斜めの光学系７４は、レーザビームを適切な斜めの角度で表面に向ける回転ミラー１４２を備えている。通常、光学系７２及び７４は、非像形成光学系であり、直角及び斜めのビームの両方がウェハ表面の実質的に同じエリアを照射するように整列される。（例えば、斜めの光学系７４は、レーザビームが軸を外れてこれら光学系を通過して、斜めの入射角を補償するように、整列されてもよい。）カメラ３０により像形成されるウェハのエリアは、変化してもよく、ある場合には、以下に述べるように、方形ではなく長方形でもよい。それ故、リレーレンズ１４０は、レーザビームにより照射されるエリアを、カメラ３０により像形成されるエリアに一致させるために、１つ以上の円筒状レンズのようなアナモルフィック素子を含んでもよい。

[0082]図５は、本発明の一実施形態による収集モジュール２６の概略側面図である。この実施形態及び図１に示す実施形態では、モジュール２６は、５つのカメラ３０を含むものとして示されている。或いは又、モジュール２６は、より少数の又は多数のカメラを備えてもよく、通常、１０個ほどのカメラを備えてもよい。上述したように、全てのカメラは、ウェハ２２の表面上の共通のエリア１４８からの散乱放射を像形成するが、各カメラは、異なる角度軸（即ち異なる高さ及び／又は方位）に沿った放射を収集するように構成される。システム２０は、主として暗フィールド検出に使用するように設計されるが、１つ以上のカメラ３０が、直角入射又は斜め入射のいずれかの照明ビームに関連して、明フィールド検出に使用されてもよい。

[0083]対物レンズ１５０は、エリア１４８からの散乱光を収集し、コリメートする。散乱光を低い高さで収集するために、対物レンズ１５０は、高いＮＡを有するのが好ましく、０．９５といった高いＮＡを有するのが最も好ましい。複数の屈折素子を使用した対物レンズ１５０の例示的設計を、図６を参照して以下に説明する。或いは又、対物レンズ１５０は、例えば、上述した米国特許第６，３９２，７９３号に説明されたように屈折又は反射屈折素子を備えてもよい。各カメラ３０は、図５に示すように、対物レンズ１５０により収集される光の特定角度部分を受光するように配置される。

[0084]各カメラ３０に対して、バンドパスフィルタ１５２は、カメラが受け取るべき波長範囲を選択する。通常、フィルタ１５２は、照明モジュール２４により放出される２つの波長の一方を選択し、他方の波長を拒絶する。又、フィルタ１５２は、二色性ビームスプリッターとして実施されてもよく、更に、カメラ３０の１つが１つの波長における所与の角度に沿った散乱光を受光する一方、別のカメラが他の波長における同じ角度に沿った散乱光を受光するように構成されてもよい。更に別の態様として、フィルタ１５２は、ウェハ２２が蛍光を発すると予想される帯域のような別の波長範囲における放射を通過させるように選択されてもよい。例えば、ホトレジストのような有機材料は、２６６ｎｍにおいて照射されると、４００ｎｍの範囲で蛍光を発する傾向がある。従って、４００ｎｍ帯域の光を通過するようにフィルタ１５２を設定すると、カメラ３０は、有機材料又はその残留物における欠陥を検出することができる。

[0085]空間的フィルタ１５４は、コリメートされた散乱光のある領域を阻止することにより、各カメラ３０の収集角度を制限するように使用することができる。この空間的フィルタは、パターン化されたウェハにおける繰り返し特徴部からのバックグランド回折を排除するのに特に有用である。この空間的フィルタは、ウェハ表面上の特徴部の既知の回折パターンに基づいて、これら強力な回折の節を阻止し、この技術で知られたように、実際の欠陥に対するシステム２０の感度を向上させる。この目的で空間的フィルタリングをこのように使用することが、例えば、本特許出願の譲受人に譲渡され、参考としてその開示をここに援用する２００２年１月１５日に出願された米国特許出願第１０／０５０，８９０号に説明されている。この特許出願は、異なる分類のウェハパターンの回折ローブに応答して空間的フィルタを適応式に生成する方法を説明している。この方法は、モジュール２６のフィルタ１５４において実施されてもよい。或いは又、空間的フィルタ１５４は、この技術で知られたように、固定のパターンを含んでもよい。

[0086]カメラ３０により受光されるべき散乱光の偏光の方向を選択するために、回転可能な偏光器１５６が光学経路に設けられる。この偏光器は、例えば、ウェハ２２の粗面及び／又は高反射面構造によるバックグランド散乱を拒絶することにより検出感度を改善する上で有用である。任意であるが、偏光器１５６は、２つのカメラ３０が直交偏光における所与の角度に沿って散乱された光を受光するように構成された偏光ビームスプリッターとして実施される。

[0087]更に別のオプションとして（図示せず）、光学経路は、所与の収集角度に沿って散乱された光を２つ以上の異なるカメラ３０間に分割するビームスプリッターを備えてもよい。このビームスプリッターは、上述したように、波長分割に使用されてもよいし、或いは同じ波長を２つ以上のカメラ間で所定の比率で分割するのに使用されてもよい。異なるカメラへのビーム経路においてビームスプリッターに続いて異なる空間的フィルタ１５４を使用して、ウェハ上の異なる分類のパターンによる回折ローブをフィルタ除去してもよい。更に別の態様として、ビームスプリッターは、所与の角度に沿って散乱された光を２つ以上のカメラ間で不平等に、例えば、１００：１の比率で分割してもよい。この構成は、システム２０のダイナミックレンジを効果的に増加する。というのは、より小さな分担で放射を受け取るカメラは、より大きな分担で放射を受け取るカメラが飽和するような明るい散乱のエリアでも、依然、意味のある像データを発生できるからである。この種の構成が、例えば、本特許出願の譲受人に譲渡され、参考としてその開示をここに援用する２００２年１月１５日に出願された米国特許出願第１０／０５０，８８９号に説明されている。

[0088]集束レンズ１５８は、収集されてフィルタされた光をカメラ３０に収束する。このレンズ１５８は、手動で又はモータ制御のもとで調整可能であってもよい。可変拡大器１６０を使用して、カメラにより受け取られる拡大像のサイズを変更することができる。或いは又、レンズ１５８及び拡大器１６０の機能は、各カメラの単一光学ユニット内に結合されてもよい。拡大器は、カメラ３０により捕獲される像の解像度、即ちカメラからの出力像における各ピクセルに対応するウェハ表面上のエリアのサイズを決定する。拡大器１６０は、通常、照明モジュール２４におけるテレスコープ５６に関連して動作され、照明されるエリアのサイズが、カメラにより像形成されるエリアにほぼ等しくなるようにする。

[0089]各カメラ３０は、像増強装置１６２を備え、そのホトカソードは、集束レンズ及び拡大器の像平面に整列される。この目的で、浜松ホトニクス株式会社（日本、静岡県）により製造されたＣ６６５４像増強装置のような第１及び第２世代の両形式を含む適当な形式の像増強管を使用してもよい。システム２０の需要環境において最適な像形成を与えるために、増強装置１６２は、広い帯域巾及び高い解像度を有するのが好ましく、又、通常、約１０００パルス／秒までのレーザヘッド５０の繰り返し率において、高い電流及び低い蛍光体記憶でゲート動作を実行できるのが好ましい。増強装置１６２の有用な直径は、少なくとも１８ｍｍであるのが好ましいが、それより大きな２５−４０ｍｍの範囲の直径が更に効果的であろう。

[0090]像増強装置１６２の出力は、リレー光学系１６４により像センサ１６６に収束される。このリレー光学系は、例えば、像センサチップに直結されたリレーレンズ又は光ファイバフェイスプレートのいずれを含んでもよい。像センサ１６６は、この技術で知られたように、ＣＣＤ又はＣＭＯＳアレイのような検出素子の二次元マトリクスで構成される。例えば、像センサは、ミクロン・テクノロジー・インク（アイダホ州、ボイス）により製造されたモデルＭＩ−ＭＶ１３のようなＣＭＯＳデジタル像センサでよい。このセンサは、１２８０ｘ１０２４ピクセルを有し、垂直及び水平ピッチが１２μｍであり、フレーム率が全フレームに対して５００フレーム／秒までである。

[0091]カメラ３０における像増強装置１６２の使用は、増強を伴わずに像センサ１６６しか使用しないカメラに対し、カメラの感度を著しく高める。増強装置は、照明モジュール２４からの光パルスと同期してゲート作動され、カメラの感度を高めると共に、それらのノイズレベルを更に引き下げることができる。通常、増強装置１６２のホトカソードは、照明モジュールにより放出される波長において高い量子効率を有するように選択されるが、増強装置の蛍光体は、像センサ１６６が高い応答性を有する異なる波長範囲において光を放出するように選択することができる。従って、像増強装置は、入射する散乱光を増幅するのに加えて、ウェハ２２から散乱される紫外線（ＵＶ）及び青い光を、シリコン像センサがより応答し得る緑又は赤の範囲へダウン変換するのにも有用である。更に、増強装置１６２は、ローパス空間フィルタとして働き、従って、センサ１６６により出力される像にエイリアシングを引き起こすことのある散乱光における高周波構造を平滑化するのに役立つことができる。

[0092]増強装置１６２は、センサ１６６の解像度で指令されるような高い解像度を有するのが好ましい。例えば、上述したＭＶ１３センサの解像度の完全な利点を取り入れるためには、増強装置１６２は、像の対角方向に沿って１６４０個の個別ピクセルを与えるように設計されねばならない。又、この解像度基準は、増強装置の変調伝達関数（ＭＴＦ）に関して表現されてもよく、これは、３３ライン対／ｍｍのテスト像に対してＭＴＦ＝３０％を与える。カメラ３０により捕獲された像における明るいポイントは、一般に、像増強管の内部の反射のために明るいハローを形成することになり、これは、像の解像度との妥協になる。増強装置１６２は、このような反射を抑制して、ハローの直径がいかなる場合も０．２ｍｍ以下となるように設計されるのが好ましい。更に、センサ１６６の感度の全範囲を利用するためには、増強装置１６２が、通常、６００μＷ／ｃｍ^２程度の高い最大出力輝度（ＭＯＢ）まで直線的な振舞いを示さねばならない。

[0093]図６は、本発明の一実施形態による対物レンズ１５０の詳細を示す概略光学図である。この実施形態では、対物レンズ１５０は、以下に示す寸法（単位ｍｍ）を有する全て溶融シリカ（屈折率１．４９９６７９）で作られた１０個の素子を備えている。各素子の第１表面は、対物平面に接近した表面（図面の右側）であり、又、曲率半径は、曲率の中心が表面の右に配置された表面について、正としてリストされる。
・レンズ１７０
−第１表面曲率：−５５４．３２；対物平面からの距離：０．１０
−厚み：２８．９２
−第２表面曲率：３８．２３
・レンズ１７２
−第１表面曲率：２２．１７；レンズ１７２の第２表面からの距離：１４．３５
−厚み：４２．８６
−第２表面曲率：５９．９７
・レンズ１７４
−第１表面曲率：１１６．１１；レンズ１７２の第２表面からの距離：０．１０
−厚み：２８．９９
−第２表面曲率：９０．２４
・レンズ１７６
−第１表面曲率：２３３．９６；レンズ１７４の第２表面からの距離：０．１０
−厚み：１０．００
−第２表面曲率：５７８．５０
・レンズ１７８
−第１表面曲率：２６０．１６；レンズ１７６の第２表面からの距離：１５．９４
−厚み：５３．０７
−第２表面曲率：１３６．１０
・レンズ１８０
−第１表面曲率：４４６．１６；レンズ１７８の第２表面からの距離：０．１０
−厚み：１０．００
−第２表面曲率：−２８５０．６３
・レンズ１８２
−第１表面曲率：４７３．８１；レンズ１８０の第２表面からの距離：３４．１１
−厚み：２８．５４
−第２表面曲率：２９４．９０
・レンズ１８４
−第１表面曲率：７０１．４３；レンズ１８２の第２表面からの距離：０．１０
−厚み：１０．００
−第２表面曲率：−４１１７．１５
・レンズ１８６
−第１表面曲率：１２７５．４３；レンズ１８４の第２表面からの距離：２１．７８
−厚み：４８．４２
−第２表面曲率：３９５．８４
・レンズ１８８
−第１表面曲率：−１１０４７．７３；レンズ１８６の第２表面からの距離：０．１０
−厚み：１３２．３０
−第２表面曲率：３１３．９９
[0094]図６に示す対物レンズ１５０は、ＮＡ＝０．９５を有する。

[0095]図７は、本発明の別の実施形態による収集モジュール２６の概略側面図である。この場合に、モジュール２６は、図５及び図６のような単一共有対物レンズではなく、それ自身の収集光学系を各々有する複数の別々の像形成チャンネル１９０を備えている。これらチャンネル１９０は、各々の異なる角度でウェハ２２から散乱された光を収集するように分布される。各チャンネルは、その対物レンズとして、無限焦点リレー１９２と、傾斜補正ユニット（ＴＣＵ）１９４とを備え、これらは、ウェハ表面の中間像１９６を形成する。拡大モジュール（ＭＧＭ）１９８は、中間像を、倍率を調整できる状態で、カメラ３０の入口平面に収束する。上述したように、システム２０におけるカメラの入口平面は、通常、上述したように、カメラの一部分を形成する像増強装置のホトカソード平面である。

[0096]無限焦点リレー１９２及びＴＣＵ１９４は、斜めの角度で表面を像形成するときに生じる次の２つの問題を解決するように設計される。

１．表面上のポイントから対物レンズの入口瞳孔までの対物距離が、対物レンズの視野にわたって変化する。

２．対物レンズにより形成される中間像が、対物レンズの光学軸に対する表面の傾斜により傾斜及びスキューされる。
無限焦点リレー及びＴＣＵは、以下に詳細に述べるように、これらの問題を解消し、従って、全てのチャンネル１９０の中間像１９６は、チャンネル１９０がそれらの像を捕獲する角度が異なるにも関わらず、均一な倍率で、ウェハ表面上の同じエリア１４８のフラットな無歪像となる。ビュー角度に関わらず、全ての無限焦点リレー１９２に対して、且つ全ての拡大モジュール１９８に対して、同じ光学設計を使用することができる。ＴＣＵ１９４の設計は、チャンネルの光学軸に対する対物平面の傾斜の高さに伴う変化のために、各チャンネル１９０のビュー角度の高さの関数として変化する。

[0097]図８は、本発明の一実施形態による無限焦点リレー１９２及びＴＣＵ１９６を詳細に示す概略光学図である。無限焦点リレーは、単位倍率のテレセントリック設計のもので、対物平面の傾斜にも関わらず、根本的な歪を生じることがなく、且つエリア１４８の像を均一に拡大する。無限焦点リレーは、その瞳孔２１４の周りで光学的に対称的で、以下に示す寸法（単位ｍｍ）を有する次の素子（図面の左側から始めて）を含む。各素子の第１表面は、対物平面に接近した表面（図面の左側）であり、又、曲率半径は、曲率の中心が表面の右に配置された表面について、正としてリストされる。
・レンズ２００
−第１表面曲率：−２９．５３；対物平面からの距離：６０．４８
−厚み：９．９９
−第２表面曲率：−３６．３７
・レンズ２０２
−第１表面曲率：４６９．４１；レンズ２００の第２表面からの距離：３２．９８
−厚み：１４．８５
−第２表面曲率：−１００．００
・レンズ２０４
−第１表面曲率：−６９．５６；レンズ２０２の第２表面からの距離：３６．５０
−厚み：４．４１
−第２表面曲率：−７６．３５
・レンズ２０６
−第１表面曲率：６１．１５；レンズ２０４の第２表面からの距離：１０．２０
−厚み：１１．７８
−第２表面曲率：−３４５．２９
・レンズ２０８
−第１表面曲率：−８９．７５；レンズ２０６の第２表面からの距離：４．７２
−厚み：５．５０
−第２表面曲率：５４．７５
・レンズ２１０
−第１表面曲率：２５５．１３；レンズ２０８の第２表面からの距離：３８．２３
−厚み：１８．２１
−第２表面曲率：−６３．３４
・レンズ２１２
−第１表面曲率：−６０．７４；レンズ２１０の第２表面からの距離：４１．２６
−厚み：１９．３９
−第２表面曲率：−１６５．２６
レンズ２１２の第２表面から瞳孔２１４までの距離は、２０．００ｍｍである。瞳孔の右側の素子は、上述した素子と鏡像において同一である。

[0098]図８に示す無限焦点リレー１９２は、波長に基づいて約０．２５から０．３のＮＡを有する。空間的フィルタ１５４及び偏光器１５６（並びに必要であれば波長フィルタ）を、図示されたように、瞳孔２１４に位置するリレー１９２のフーリエ平面に挿入することができる。

[0099]ＴＣＵ１９４は、プリズム２１６を備え、その入口面２１８は、無限焦点リレー１９２の像平面にほぼ平行に向けられる。（上述したように、リレー１９２の光学軸に対するこの像平面の角度は、光学軸に対する対物平面の角度、即ちウェハ２２の表面の角度、に等しい。ここに示す実施例では、対物平面及び像平面は、光学軸に対して６０°傾斜される。）リレー１９２により出力される光線の屈折は、中間像１９６を虚像として生成し、これは、プリズム２１６の出口面２２０にほぼ平行となろう。ここに示す実施形態では、リレー１９２の光学軸とウェハ２２の法線との間が６０°であり、プリズム２１６の面２１８と２２０との間の頂角が４６．５６°である。プリズムの角度及び方向は、ウェハ表面に対するリレー１９２の光学軸の仰角の関数として変化することが明らかである。

[0100]プリズム２１６により導入される擬似コマを補償するために、ＴＣＵ１９４は、次の特性（寸法単位ｍｍ）を有する一対の溶融シリカ円筒状レンズ２２２及び２２４を備えている。
・レンズ２２２（平凹）
−第１表面曲率：フラット；レンズ２００（リレー１９２の最後のレンズ）の第２表面からの距離：１８．５１
−厚み：１３．７８
−第２表面曲率：９２．９０
−偏心：５．６５；傾斜：−４．９３°（リレー１９２の軸に対する）
・レンズ２２４（平凸）
−第１表面曲率：フラット；レンズ２００の第２表面からの距離：３９．２７
−厚み：１１．３８
−第２表面曲率：−１０３．１７
−偏心：−１５．３９；傾斜：−１６．７７°
この構成では、プリズム２１６の面２１８がレンズ２００の第２表面から７１．２７ｍｍに配置され、偏心が−３．８４ｍｍで、傾斜が−６９．６９°である。

[0101]図９は、本発明の一実施形態による像形成チャンネル１９０の１つの概略側面図で、光学系及びカメラ３０の機械的設計の態様を示す図である。この実施形態では、機械的便宜性の理由で、無限焦点リレー１９２は、該リレーの光学軸を、図示された屈曲形態へと曲げる回転ミラー（図示せず）を備えている。しかしながら、機能的には、リレー１９２は、実質的に上述したように動作する。リレー１９２の中心に配置されたフィルターユニット２３０は、偏光器１５６と、必要に応じて波長フィルタ１５２（図示せず）及び空間的フィルタ１５４とを受け入れる。

[0102]この実施形態では、集束レンズ１５８及び拡大モジュール１９８の位置が、図５の集束レンズ及び拡大器１６０の位置に対して逆転されているが、それらの機能は、実質的に同じである。モジュール１９８は、テレスコープアッセンブリ１２０（図４）の場合のようにモジュールを回転することにより選択できる異なる倍率をもつ複数の異なるレンズを備えている。増強装置１６２の解像度を約１５μｍと仮定すれば、カメラ３０が、０．５μｍから４μｍの解像度（対物平面で測定された）でウェハ表面の像を形成することが意図される間に、モジュール１９８が約４Ｘから３２Ｘの倍率を与えることが望ましい。拡大モジュール１９８は、特注の対物レンズ及び／又は既製の顕微鏡用対物レンズの選択を含んでもよく、これは、例えば、これらの倍率要求を満足するように選択される。

[0103]図１０は、本発明の一実施形態によりシステム２０で走査される像２３６のパターンを示すウェハ２２の概略上面図である。ウェハ２２は、この技術で知られたように、ダイ２３２に分割される。ステージ３６（図１）は、ウェハ２２をラスタパターンで走査し、その走査方向が図１０に矢印２３４で示されている。或いは又、次々の走査線が互いに逆方向に横断されてもよい。ここに示す実施例では、カメラ３０は、最初にダイＡ’、Ｂ’、Ｃ’、…の像２３６をラスタの１つの走査線で捕獲し、次いで、像Ａ、Ｂ、Ｃ、…を後続走査線で捕獲する。各走査線において、ａ、ｂ、ｃ及びｄと示された４つの隣接する次々の像２３６が各ダイの巾をカバーする。通常、ラスタパターンは、次々の走査線がウェハ２２の実質的に全面をカバーするように選択される。しかしながら、図１０は、図示明瞭化のために、２本の走査線しか示していない。

[0104]照明モジュール２４及びカメラ３０（図１）は、像２３６がウェハ２４上のダイ２３２と整列されるようにステージ３６と同期される。換言すれば、図１０に示すように、像２３６は、各像ａ、ｂ、ｃ及びｄがダイの所定エリアをカバーするようにダイ境界と整列される。各像のエリアは、それ以前の対応する走査線において同じ像によりカバーされたエリアと一貫したものである。それ故、いずれかのカメラ３０によりダイＢを捕獲した像ａは、同じカメラで捕獲されたダイＡの像ａと実質的に同じ特徴を像内の同じ位置に含むことが予想される。この対応性は、以下に述べるように、ダイ対ダイの比較を容易にする。上述したように、全てのカメラ３０がウェハ２２上の同じエリアの各像を同時に捕獲する。従って、図１０に示すパターンは、いずれかの及び全てのカメラにより捕獲される像の特性であるが、ビュー角度が異なるためにカメラごとに若干の歪が生じることがある。この歪は、通常、以下に述べるように、ダイ対ダイの比較の後にのみ補正される。

[0105]像２３６とダイ２３２の境界との整列は、カメラの光学系及び／又はセンサ１６６（図５）の像捕獲エリアの調整により達成される。上述したＭＶ−１３のようなＣＭＯＳ像センサの利点は、出力のピクセル率を必ずしも減少せずに像における行の数を調整できることである。換言すれば、アクティブな行の数を減少又は増加して希望の像高さを与え、各ダイ２３２を固定の整数個の像２３６に分割することができる。次いで、センサのフレーム率を増加又は減少して、像高さの変化を補償し、希望の出力ピクセル率（ひいては、システム２０の希望のスループット）を維持する。

[0106]図１１は、本発明の一実施形態により像プロセッサ３４及びホストコンピュータ３８で遂行される信号処理オペレーションを概略的に示すブロック図である。像プロセッサ３４は、通常各カメラ３０に対して１チャンネルずつの、複数の処理チャンネル２４０を備えている。カメラ３０により捕獲された各像フレームは、通常、一連のデジタルピクセル値の形態で対応チャンネル２４０へ転送される。通常、カメラ３０は、８ビットのデジタル値を出力する。上述したＣＭＯＳのＭＶ−１３センサのようなセンサ１６６は、通常、オンボードのアナログ／デジタルコンバータを備え、これは、１０ビットのような高いビット解像度をもつ強度値を出力することができる。この場合に、各カメラ３０は、センサ出力を８ビット値へスケールダウンする１０Ｂ／８Ｂコンバータ（図示せず）を備えてもよい。スケーリングは、直線的でもよいし、又は低い強度の特徴を強調するように選択されてもよい。この後者の目的で、例えば、１０Ｂ／８Ｂコンバータは、１０ビット入力から８ビット出力への平方根又は対数スケーリングをもつルックアップテーブル（ＬＵＴ）を備えてもよい。

[0107]各チャンネル２４０において、正規化モジュール２４２は、エネルギーセンサ６６（図２）により報告されるレーザエネルギーのパルス対パルス変動を補償するためにピクセル値を補正する。次いで、像補償モジュール２４６は、所与のカメラで発生される全ての像に生じる一貫した偏差に対してピクセル値を補正し、この偏差は基準入力２４８により与えられる。基準入力は、通常、予め校正されたもので、カメラにより像形成されるエリア１４８にわたるレーザビームの強度分布の変動や、カメラにより発生されるピクセル対ピクセル感度変動及び固定パターンノイズを反映するものである。モジュール２４６の目的は、全てのカメラにより発生される全ての像における全てのピクセルに対して実質的に均一な感度を与えることである。

[0108]所与のカメラから受け取られる各像フレームにおける各ピクセルのピクセル値は、ステージ３６（図１）の座標に基づき、ウェハ２２の既知のダイ上の特定の既知の位置からある角度へ散乱される光の強度に対応する。ダイ対ダイ比較モジュール２５０は、現在像フレームにおける各ピクセルのピクセル値を、以前に走査されたダイの同じ位置から同じカメラで受け取られたピクセル値と比較する。従って、図１０を参照すれば、ダイＢの像ａの各ピクセルは、ダイＡの像ａの対応ピクセルと比較され、等々となる。この目的で、以前のダイを走査する際に記録されたピクセル値が遅延線バッファ２５２に保持される。モジュール２５０は、座標偏差データ２５４を使用して、現在のダイと以前のダイを互いに適切に整列させる。座標偏差は、例えば、ステージ３６による配置の不正確さ（これは、ビュー角度に関わらず全てのカメラ３０に共通となる）から生じるか、或いは光学的焦点に対するウェハ表面の高さ変動（斜めの収集角度のために、カメラごとに異なる座標の偏差を生じさせる）から生じ得る。

[0109]所与のダイに欠陥がない限り、現在フレームにおける各ピクセルの全てのピクセル値は、規定の公差内で、バッファ２５２から読み出されるフレームにおける対応ピクセルのピクセル値と同一でなければならない。一方、所与のピクセルの値が、バッファされたフレームの対応ピクセルの値から所与のスレッシュホールドを越えて異なる場合には、その差が、ピクセルの位置における欠陥を表わすことができる。像処理チャンネル２４０は、ダイ対ダイ比較においてこのような偏差が見つかったピクセルをホストコンピュータ３８へ報告し、該コンピュータは、次いで、種々のチャンネルにより報告される偏差ピクセルの値を、以下に述べるように比較する。

[0110]しかしながら、チャンネル２４０が偏差値をホストコンピュータに報告する前に、歪補正装置２５５が、異なるカメラ及び処理チャンネル間の像歪及び不整列を補正すべくピクセル値を調整する。この種の歪は、一般に、異なるカメラの角度及び光学経路の差から生じる。歪の補正は、甚だしい計算を伴うタスクである。それ故、補正装置２５５は、欠陥の疑いのあるエリアのピクセル、例えば、その値が、１つのチャンネル２４０における比較モジュール２５０により、以前のダイにおける対応ピクセルから所定スレッシュホールド以上ずれていることが分かったピクセルのみについて、歪を補正するように構成されてもよい。比較モジュール２５０がチャンネルに異常がないと分かったピクセルについては、それ以上の計算が必要とされない（これは、ウェハ２２上の大多数のピクセルを含まねばならない）。スレッシュホールド及び／又は他のピクセル選択基準は、ピクセルのあるパーセンテージ以下、例えば、１％が補正装置２５５に提示されるように設定されてもよい。

[0111]ホストコンピュータにおけるマルチパースペクティブ判断モジュール２５６（通常ソフトウェアプロセス）は、全ての異なるチャンネル２４０からの歪補正された偏差ピクセル読みを合成する。所与の疑いのあるピクセルに対して異なるチャンネルから受け取った値に基づいて、モジュール２５６は、ウェハ２２上の対応位置からの散乱放射の角度プロフィールをアッセンブルすることができる。この散乱プロフィールは、モジュール２５６が、ウェハ上のこの位置で生じた欠陥を、予めプログラムされた判断ルール及びスレッシュホールドに基づいて識別し、一般的に言えば、分類できるようにする。これらのルールは、例えば、所与の位置からの１組の散乱測定値が粒子又はスクラッチ（及び粒子又はスクラッチのサイズ）を表わすかどうか指示する。ウェハ２２の走査が完了すると、ホスト３８は、見つかった全ての欠陥の位置及び形式を指示する欠陥リストレポート２５８を発行する。

[0112]或いは又、チャンネル２４０は、ダイ対ダイ比較又は他の欠陥検出処理が実行される前に、全ての像ピクセルにわたり座標歪を補正するように構成されてもよい。この場合には、上述した実施形態のように、像２３６をダイ２３２に整列させる必要はない。次いで、各ピクセルに対するダイ対ダイ比較を複数の散乱角度（即ち複数のカメラ３０により捕獲される放射）に対して同時に実行してもよい。本特許出願の譲受人に譲渡され、参考としてここにその開示を援用する米国特許出願第１０／０９７，４４２号は、個々の相違を考慮してこの場合に適用できる多検出器欠陥検出方法を説明している。それとは別に又はそれに加えて、チャンネル２４０は、モジュール２５０が、現在ダイを、そのピクセル値が以前に記録された別のウェハの同等のダイと比較するように構成されてもよい（ウェハ対ウェハ比較）。

[0113]上述したように、ここに述べた実施形態は、システム２０におけるウェハ２２の暗フィールド検査を特に参照したが、本発明の原理は、他の分野の光学的検査、並びに他の形式の照明及び像形成システムにも適用できる。従って、上述した実施形態は、一例として取り上げたもので、本発明は、特に図示して上述したものに限定されないことが明らかであろう。むしろ、本発明の範囲は、上述した種々の特徴の結合及び副次的結合や、従来技術に開示されておらず且つ前記説明を読んだときに当業者に明らかとなるその変更や修正も包含する。

本発明の一実施形態による光学的検査システムを概略的に示すブロック図である。本発明の一実施形態による照明モジュールを絵画的に示す図である。本発明の一実施形態によるレーザスペックル減少モジュールの概略側面図である。本発明の別の実施形態によるレーザスペックル減少モジュールの概略側面図である。本発明の一実施形態による照明モジュールに使用される光学的拡大及びスイッチ素子の概略側面図である。本発明の一実施形態による光学収集モジュールの概略側面図である。本発明の一実施形態による高ＮＡの対物レンズを示す概略光学図である。本発明の別の実施形態による光学収集モジュールの概略側面図である。本発明の一実施形態による無限焦点リレーレンズ及び傾斜補正ユニットの概略光学図である。本発明の一実施形態による光学的検査システムに使用される光学収集チャンネルを絵画的に示す図である。本発明の一実施形態によりウェハ表面の捕獲像のエリアを示す被検査半導体ウェアの概略上面図である。本発明の一実施形態により光学的検査に使用するための信号処理サブシステムを概略的に示すブロック図である。

符号の説明

２０…光学的検査システム、２２…半導体ウェハ、２４…照明モジュール、２６…光学収集モジュール、２８…収集光学系、３０…カメラ、３２…システムコントローラ、３４…像プロセッサ、３６…Ｘ−Ｙ−Ｚステージ、３８…ホストコンピュータ、４０…自動焦点照明装置、４２…自動焦点センサモジュール、５０…レーザヘッド、５２…高調波分離モジュール、５４…スペックル減少モジュール、５６…テレスコープ、５８…コリメートレンズ、６０…可変光学密度フィルタ、６２…偏光器、６４…ピックオフビームスプリッター、６６…エネルギーメーター、６８…リレーミラー、７０…光学スイッチモジュール、７２…直角出力光学系、７４…斜めの出力光学系、８２…音響−光学トランスジューサ、８４…ターゲット平面、８６…円筒状ビーム伸張器、８８…ドライバ、９７…像形成レンズ、１００、１０２…光ファイバー束、１０４…拡散器、１０８…入力カプラー、１１０…フーリエレンズ、１１２…出力カプラー、１２０…単一テレスコープアッセンブリ、１２４…対物平面、１２６…フーリエ平面、１２８…二色性ビームスプリッター、１３４…光学スイッチ、１３６…回転ミラー

Claims

光学放射を発生するための装置において、
複数の横モードで同時に動作するように構成されて、ビーム発散比Ｍ^２を有すると共に第１のスペックルコントラストで特徴付けられる入力ビームを発生するためのパルスレーザと、
上記入力ビームの上記横モードを混合して、試料表面上に上記第１のスペックルコントラストの１／Ｍ倍より小さい第２のスペックルコントラストを有するように出力ビームを発生するための光学系と、
を備え、
上記光学系は、
上記入力ビームを受けるように構成されると共に、上記入力ビームを異なる波長の２つの分離ビームに分離するように構成された高調波分離モジュールと、
それぞれが上記高調波分離モジュールからの上記２つの分離ビームのうちの一つを受けるように構成されたスペックル減少モジュールであって、上記入力ビームの上記横モードを混合して、上記２つの分離ビームのうちの当該一つからコヒレンス関連スペックルを除去するように構成されたスペックル減少モジュールと、
上記スペックル減少モジュールからの出力ビームを受けると共に、上記試料表面上に、所望の照明エリアを与えるように、当該ビームを伸張するための選択可能光学系であって、テレスコープを備えており前記テレスコープの選択が可能である、前記選択可能光学系と、
伸張された上記ビームを受けるとともに、上記２つの分離ビームの各々が上記試料表面に直角又は斜めの入射角で入射されるように上記２つの分離ビームのビーム経路を選択する光学スイッチモジュールであって、直角出力光学系と、上記表面から約５°〜５０°の角度で上記試料表面を照明するように構成されている斜め出力光学系の両方にビームを供給する光学スイッチモジュールと、
を備えた装置。
上記光学系は拡散器を備えた、請求項１に記載の装置。
上記光学系は、異なる各々の長さを有するマルチモード光ファイバーの少なくとも１つの束を備えた、請求項１に記載の装置。
上記ビーム発散比Ｍ^２は９００より大きい、請求項１に記載の装置。
光学放射を発生するための方法において、
パルスレーザを複数の横モードで同時に動作して、ビーム発散比Ｍ^２を有すると共に第１のスペックルコントラストにより特徴付けられる入力ビームを発生するステップと、
上記入力ビームの上記横モードを混合して、試料表面上に上記第１のスペックルコントラストの１／Ｍ倍より小さい第２のスペックルコントラストを有するように出力ビームを発生するステップであって、
上記入力ビームを高調波分離モジュールで受けて、上記入力ビームを異なる波長の２つの分離ビームに分離するステップ、
スペックル減少モジュールにおいて、上記入力ビームの上記横モードを混合して、上記２つの分離ビームの各々からコヒレンス関連スペックルを除去するステップ、
上記試料表面上に所望の照明エリアを与えるように、テレスコープを備える選択可能光学系であって前記テレスコープの選択が可能な前記選択可能光学系を利用して上記２つの分離ビームを伸張するステップ、及び、
直角出力光学系と、上記表面から約５°〜５０°の角度で上記試料表面を照明するように構成されている斜め出力光学系の両方にビームを供給する光学スイッチモジュールを利用して、上記２つの分離ビームの各々が上記試料表面に直角又は斜めの入射角で入射されるように上記２つの分離ビームのビーム経路を選択的にスイッチするステップ、
を含むステップと、
を備えた方法。
上記横モードを混合する上記ステップは、上記入力ビームを拡散器に通すことを含む、請求項５に記載の方法。
上記横モードを混合する上記ステップは、上記入力及び出力ビームの少なくとも１つを、各々異なる長さを有するマルチモード光ファイバーの束に通すことを含む、請求項５に記載の方法。
上記ビーム発散比Ｍ^２は９００より大きい、請求項５に記載の方法。
上記光学系は、上記入力ビームをマルチモード光ファイバーの第１の束に結合させるための拡散器と、マルチモード光ファイバーの上記第１の束の出力をマルチモード光ファイバーの第２の束に、上記第１の束における各光ファイバーの出力が上記第２の束の実質的に全ての光ファイバー間に分布されるように結合するためのフーリエレンズと、上記第２の束からの出力を上記選択可能光学系に収集するための出力カプラーと、
を備え、
上記第１及び第２の束の各々の各マルチモード光ファイバーは、異なる各々の長さを有する、請求項３記載の装置。
上記横モードを混合する上記ステップは、上記入力ビームを、マルチモード光ファイバーの第１の束、フーリエレンズ及びマルチモード光ファイバーの第２の束に、上記第１の束における各光ファイバーの出力が上記第２の束の実質的に全ての光ファイバー間に分布されるように結合するステップであって、上記第１及び第２の束の各マルチモード光ファイバーは異なる各々の長さを有する、ステップ、及び、上記第２の束からの出力を上記選択可能光学系に収集するステップを有する、請求項５記載の方法。