JP4916663B2 - 高透過光学検査ツール - Google Patents

Description

本発明は、一般に光学検査システムに関し、より具体的には光学検査システムのオートフォーカス技術に関する。

一般に、半導体製造産業は、回路を半導体材料に集積する高度に複雑な技術を伴う。プロセスステップの数の多さ、および半導体デバイスの小さくなっていくサイズのために、半導体製造プロセスは、デバイスの歩留まりを下げるプロセス欠陥を生じやすい。したがってこれらプロセス欠陥をプロセスステップから除去する検査プロシージャは、高歩留まりの製造施設を維持するために重要である。検査プロシージャは、製造プロセスの不可欠かつ重要な部分であるので、半導体産業は常により感度が高く効率のよい検査プロシージャを求めている。

図１は、集積されたオートフォーカスメカニズム１１４を含む典型的な光学半導体検査システム１００の概略図である。図１は、本発明の記載に関係のある光学検査システムの要素だけを示すので、検査システムの動作に必要なさまざまな要素は示されていない。図１は、光または光子を光学レンズ１０４の１つ以上のセットを通すことによって、半導体ウェーハ試料１０６が照射され、検査されるようにする照射源１０２を示す。図１に示される光学レンズセット１０４は、対物レンズセットである。試料１０６で反射された光子は、ビームスプリッタ１１０を通して検査検出器１０８に戻るように導かれる。検査検出器１０８は、検査のために、試料１０６から反射された光子を検出する。検査システム１００が正確な検査結果を作るためには、試料１０６は非常に小さい被写界深度１１２内に位置されなければならない。そうでなければ、検査システム１００の感度は損なわれる。

試料１０６が被写界深度１１２内にあることを確実にするためには、オートフォーカスメカニズム１１４が用いられる。オートフォーカスメカニズム１１４は、光ビーム１１８が試料１０６に当たり、それからビームスプリッタ１２２および１２４を介してオートフォーカス検出器１２０に戻るよう導かれるようにオートフォーカス光ビーム１１８を光学レンズ１０４に導く発光ダイオード（ＬＥＤ）１１６を含む。互いにわずかにずらされた格子１２６および１２８は、それぞれＬＥＤ１１６およびオートフォーカス検出器１２０の前に置かれる。格子画像１２６（ａ）および１２８（ａ）は、それぞれの向きを示すよう示される。視野１１２に対する試料１０６の位置は、オートフォーカス検出器１２０において検出される光の強度に影響を与える。したがって光学システム１００のフォーカスは、オートフォーカスメカニズム１１４を通してモニタされえる。オートフォーカスデバイスは、少なくともいくつかの同じ光学レンズ要素をシステム内で照射源１０２として用いる。図１は、照射源１０２およびオートフォーカスデバイス１１４が共に光ビームを対物レンズ部１０４を通して導く実施形態を示す。具体的にはオートフォーカス光ビーム１１８は、対物レンズ部１０４の視野を通して導かれる。

よく知られるように反射防止膜（ＡＲコーティング）は、光学検査システムの光学レンズの表面に形成される。ＡＲコーティングは、有利にレンズ表面の反射を減らすが、レンズを通して透過されえる光量を低減する傾向もある。以下にさらに詳述されるように、これらＡＲコーティングはまた、光学検査システムの感度を低下させるような不要な効果も引き起こす。

本発明は、上述の課題を解決するためになされた。

一般に、本発明は、紫外および遠紫外電磁波スペクトラム内、またはその近傍で動作する光学検査システムを透過される光のパーセンテージを増加させる技術に関する。光透過の量を増加させると共に、本発明の技術はまた、リップルの低減、検査システムをマッチさせる能力が高められること、および改良された製造可能性のようなさらなる優位性を提供する。本発明の技術は、検査システムの動作範囲の近傍のオートフォーカス光源を用いること、およびこの動作範囲の下端をわずかに上げることを含む。

本発明のある局面は、検査光学レンズ要素群の少なくとも１つのセット、光を前記検査光学レンズ要素群のセットに導く照射源であって、検査に用いられる光の前記動作帯域幅は、紫外および遠紫外領域、またはその領域の一部のほぼ中にある、照射源、オートフォーカス光ビームを前記検査光学レンズ要素群のセットのうちの少なくともいくつかに導くオートフォーカスデバイスであって、前記オートフォーカス光ビームの波長は、前記動作帯域幅の近傍、またはその中にある、オートフォーカスデバイスを備える顕微鏡光学検査システムに関する。

本発明の他の局面は、検査光学レンズ要素群の少なくとも１つのセット、光を前記検査光学レンズ要素群のセットに導く照射源、オートフォーカス光ビームを前記検査光学レンズ要素群のセットのうちの少なくともいくつかに導くオートフォーカスデバイスであって、前記オートフォーカスデバイスは、少なくともガリウムおよび窒化物から形成されるオートフォーカス光源を用いる、オートフォーカスデバイスを備える顕微鏡光学検査システムに関する。

本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の本発明の明細書および添付図面においてより詳細に示され、これらは本発明の原理を例示的に示す。

本発明は、そのさらなる効果と共に、以下の記載を添付図面と参照することによって最もよく理解されえる。

本発明のよりより理解のために、現在の光学検査システムがどのように動作するかが説明される。光学検査システムは、特定の範囲の波長の光または光子を利用して、試料を照射し検査する。この波長の範囲は、検査システムの動作範囲と呼ばれる。例えば、紫外および遠紫外の範囲で動作する光学検査システムは、約２００〜３７０ナノメートル（ｎｍ）の範囲の波長を有する光の照射を典型的には用いる。この波長範囲の上側および下側端は変わりえることが理解されよう。またこれらの光学検査システムは、ずっと長い波長を有する光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）を有するオートフォーカスメカニズムを用いる。例えば典型的にはオートフォーカスメカニズムは、ほぼ７８０ナノメートルの光を放射するガリウムヒ素でできた照射源を用いる。図２は、紫外領域か、またはその近傍で動作する現在の光学検査システムを通して透過される照射量およびオートフォーカス光の量を示すグラフ２００を示す。グラフ２００は、ｙ軸が透過された光のパーセンテージを表し、ｘ軸が光の波長を表す座標系に描かれている。曲線２０２は、検査システムを通して透過される照射およびオートフォーカス源の両方からの光量を表す。ほぼ２３０〜３７０ｎｍの範囲の曲線２０２の部分は、システムを通して透過される照射源からの光を表す。ほぼ７８０ｎｍにおける曲線２０２のスパイクは、システムを通して透過されるオートフォーカス光源からの光を表す。オートフォーカス波長は、破線２０６で示される。非常に少しの光しか３７０〜７８０ｎｍの範囲でシステムを通しては透過されないことに注意されたい。

光学検査システムで典型的に要求されるように、個々の光学レンズは、複数の反射防止膜（ＡＲコーティング）を持つよう提供される。２３０〜３７０ｎｍの動作範囲、およびかなり離れた約７８０ｎｍのオートフォーカス範囲における光の透過を可能にするために、複数のＡＲコーティングの複雑な積層（layering）がそれぞれの光学レンズ表面上に必要である。結果として生じるＡＲコーティングの積層は、ＡＲコーティング透過曲線２０４によって表される光透過性をそれぞれの光学レンズに与える。ＡＲコーティング透過曲線２０４は、それぞれのレンズ表面のＡＲコーティングが、照射光（ほぼ２３０〜３７０ｎｍの範囲）およびオートフォーカス光（ほぼ７８０ｎｍの範囲）の大部分を透過することを示すが、１００％の透過は典型的には観測されない。これら２つの範囲の間においては、ＡＲコーティングは光を阻止または吸収するよう設計される。

典型的な光学検査システムは多くの表面を有するため、照射ランプから検出器までの光透過である、システムを通る光透過の累積量は、典型的には１０％までに低減される。システムによっては、累積光透過は１０％未満にさえなりえる。ウェーハ検査ツールは、ウェーハ画像の統計的試験が欠陥の存在を検出できるように、検出器において充分に強い信号を必要とすることに注意しなければならない。残念ながら複数のＡＲコーティングレイヤは、特に紫外および遠紫外範囲での動作時に、検出システムの速度および感度も減少される程度まで光透過を減少させる。例えば、光が低レベルだと、画像化および試料上の欠陥検出のための、より少ないレベルのグレースケールしか提供されない。また、必要とされる感度のために充分な信号光子を累積するために、充分な光が利用できない場合、ウェーハのスキャン速度が遅くされえる。したがって光学検出システムの照射光透過レベルを増すことは、光学検査システムの速度および解像度を増す。

さらにＡＲコーティングの複雑なレイヤは、光学検査システムに統一されない透過レベルを持たせる。これは特に動作波長範囲において問題がある。これは、「リップル」と呼ばれる。リップルは、帯域幅内のさまざまな波長で計測されるときの与えられたコーティングラン（coating run）からのコーティングのバッチ（batch of coatings）の統計的なバラツキであり、複数レイヤのコーティングにおける光学レイヤの厚さの通常のバラツキによって引き起こされる。リップルは図２で明らかであり、それは透過曲線２０４が約２３０〜３７０ｎｍの範囲で変動する透過量を持つように示される部分である。理想的には、透過曲線２０４は、一定の透過レベルをこの範囲で持つはずである。典型的にはＡＲコーティングが動作しなければならない波長帯域が広いほど、より多くのレイヤが設計上、必要とされ、そのため、より多くのプロセスによるバラツキが生じえる。図２に示されるシステムのような、動作波長範囲から遠く離れたところでオートフォーカス波長を設定する検査システムは、したがって多くのＡＲコーティングレイヤを必要とする。現在のシステムの実施形態によっては、２０以上にも及ぶＡＲコーティングがそれぞれのレンズ表面上に必要とされる。これは、リップル効果を避け、高いレベルの透過を持つのを非常に困難にする。見られるように、曲線２０２は、約２３０〜３７０ｎｍの範囲の動作範囲で変動する。この変動は、部分的には、ＡＲコーティングの変動する透過特性のためである。明らかにこれは検査ツールの感度にさまざまな波長において影響を与える。さらに光透過の量は、用いられるＡＲコーティングの数が増加すると減少する。

リップルに伴う統計的バラツキは、マッチングを実現するのを非常に難しくする。マッチングとは、２つの同一の検査システムが同じ試料について同じ検査結果を生むようにできる状態である。リップルはマッチングを難しくするが、これはＡＲコーティングが検査システムの光透過の量においてランダムなバラツキを生じるからである。複数の光学検査システムが同じ試料について同じ検査結果を生む確率が低くなるので、これは望ましくない。ツールをマッチングさせる能力は、一貫したレシピ設定およびレシピのポータビリティを提供する。

複数レイヤＡＲコーティングを形成するのは非常に難しい。ＡＲコーティングを形成するときの誤差はふつう修正不可能であり、よって適正に形成されなかったＡＲコーティングが廃棄されることをレンズに要求する。この困難さは、必要とされるコーティングの数が増加するにしたがって非常に大きくなる。図２に記載される波長における光を利用するシステムについては、２０に達するレイヤ、またはそれ以上のレイヤがそれぞれのレンズ表面に必要とされえる。ＡＲコーティングはしたがって、検査システム製造の困難さ、およびコストを非常に大きくする。

本発明は、添付図面に示されるそのいくつかの好ましい実施形態を参照して詳細に記載される。以下の記載において、多くの具体的な詳細が述べられるが、これは本発明を完全に理解できるようにするためである。しかし当業者には、本発明はこれら特定の詳細の一部または全部がなくても実施できることが明らかであろう。あるいは、よく知られた操作は、本発明の趣旨を不必要にぼかさないために詳細には記載されていない。

一般に、本発明は、紫外および遠紫外電磁スペクトラム内、またはその近傍で動作する光学検査システムを通って透過される光のパーセンテージを増加させる技術に関する。本発明の技術は、検査システムの動作範囲の近傍のオートフォーカス光源を使用し、動作範囲の下端をわずかに上げることを伴う。

図３は、本発明の光学検査システムを通って透過される照射光およびオートフォーカス光の量のグラフ３００を示す。グラフ３００のｙ軸は、透過された光のパーセンテージを表し、ｘ軸は、検査システムを通って透過する光の波長を表す。本発明の光学検査システムは、紫外および遠紫外光のスペクトル範囲内およびその近傍で動作する。例えば、検査システムは、約１９０〜４５０ナノメートルの波長範囲で動作しえる。検査システムの動作範囲は、本発明の異なる実施形態の間で変わりえる。この検査システムは、水銀ーキセノン照射源を用いる。照射源は、ランプ、エキシマレーザ、発光ダイオード、レーザダイオード、または高調波変換ソリッドステートレーザ（harmonically converted solid-state laser）でありえる。

本発明は、反射屈折または非反射屈折対物レンズのいずれでも用いられえる。本発明は、連続帯域幅を持つ光、または不連続の帯域幅を持つ光のいずれを放射する照射源でも動作可能である。不連続光源の例には、異なる波長において光を放射する２つ以上の別個のレーザを有する光源が含まれる。本検査システムは、ブロードまたはナローバンドモードのいずれでも動作しえる。

グラフ３００は、本発明の２つの主要局面を示す。第１に、オートフォーカス波長３０２は、電磁スペクトラムの紫外範囲に引き下げられている。図３の実施形態において、オートフォーカス波長は、約４０５ｎｍである。破線３０２は、オートフォーカス波長を示す。第２に、光学レンズの表面上のＡＲコーティングは、それらが約２４７〜５００ナノメートルの水銀ーキセノン照射源の光の光子を効果的に透過するようにコーティングされる。したがってＡＲコーティングは、検査ツールの動作帯域幅を狭める。図１について記載されたように、照射光源およびオートフォーカス光源は、検査システムの同じ対物レンズを通して光を導く。

オートフォーカス波長について、約４０５ｎｍのその波長は、図２に示されるシステムに比べて、動作範囲により近い。４０５ｎｍにおける光を作りだすのに用いられるオートフォーカス光源は、少なくともガリウム（Ｇａ）および窒素（Ｎ）から形成される。この光源は、以下に限定されないが、発光ダイオード、半導体レーザ、および周波数アップコンバートされたソリッドステートレーザ（frequency upconverted solid-state laser）を含むさまざまなデバイスでありえる。実施形態によっては、オートフォーカス光源は他の材料をも含む。例えば、オートフォーカス光源は、インジウムーガリウムー窒化物、またはアルミニウムーガリウムー窒化物から形成されえる。他の実施形態においては、オートフォーカス光源は、３００〜５００ｎｍの範囲の波長を有する光を放射するように構成されえる。この範囲の波長は、オートフォーカス光が照射光波長の範囲の近傍、またはその中にあることを可能にする。動作光子、およびオートフォーカス光子は、波長についてお互いに近いので、ＡＲコーティングは、より狭い範囲で光を効率的に透過すればよい。具体的には、図３のシステムは、２４７〜３７０ｎｍの間の光を効率的に透過しさえすればよい。ＡＲコーティングはより狭い範囲で効率的であればよいので、図２のシステムで必要とされるＡＲコーティングと比べて、それほど複雑なＡＲコーティングは必要とされない。例えば、より少ないレイヤのＡＲコーティングしか必要とされない。逆に、簡略化されたＡＲコーティングは、より大きなパーセンテージの光が光学システムを通って透過されることを可能にする。

図２に示された検査システムと比較して、動作範囲の下端は、２３０ｎｍから２４７ｎｍに上げられる。動作帯域幅の下端を上げることによって、約２４７ｎｍより下の照射はなくて済むが、照射に用いられない光量からの役目は、検査システムの動作帯域幅を狭める能力によって補償され、したがって必要とされるＡＲコーティングのレイヤを簡略化する。動作帯域の下端を上げることはまた、約２４７ｎｍより下の波長を有する光の光子を吸収するＡＲコーティング材料の使用を許す。再び、これはより大きな量の光が約２４７ｎｍより長い波長において光学システムを通って透過されることを許す。実施形態によっては、検査システムを通る照射量が２倍になる。好ましくは、レンズ表面上のコーティングは、２４７〜３７０ｎｍの波長範囲の光を効率的に透過するように形成される。実施形態によっては、レンズ表面上のＡＲコーティングは、約２４７〜３７０ナノメートルの波長範囲の光を効率的に透過する。代替実施形態においては、コーティングは、この範囲を超える光を透過するように調節されえるが、光学システムを通って透過される光の量は、減少されえることが理解されよう。

典型的には、ＵＶおよび遠ＵＶスペクトル範囲で動作する光学検査システムには２０以上のレイヤのＡＲコーティングが必要とされる。しかしオートフォーカス光を検査システムの動作範囲に近づけること、およびＡＲコーティングの透過範囲を狭めることを組み合わせて、劇的に少ない数のＡＲコーティングしか必要とされない。ある実施形態においては、光学レンズ表面当たり４つのＡＲコーティングで充分である。ＡＲコーティングのそれぞれは、以下に限定されないが、Ｓｃ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＺｒＯ₂、およびＹ₂Ｏ₃を含むさまざまな材料から形成されえる。実施形態によっては、ＡＲコーティングレイヤのそれぞれは、約２５〜２５０ナノメートルの範囲の厚さを有する。

上述のように、オートフォーカス光を動作範囲の近傍に置き、検査システムの動作帯域幅をわずかに狭めることによって、光学システムを通って透過される光量は増加される。これは、増加された光が検査システムの解像度を増すので有益である。しかし本発明はまた、さらなる優位性も生む。本発明の他の有益な効果は、より少ないＡＲコーティングレイヤしか必要とされないことである。これは、製造するのがより簡単で、より少ないコストで済む。また結果として生じるＡＲコーティングは、より少ないリップル効果しか示さない。換言すれば、本ＡＲコーティングは、光が透過されるさまざまな波長のそれぞれについて、より均一なレベルの光を透過する。これは図３に示され、ここで曲線３０６は、約２４７〜３５０ｎｍの範囲の透過程度において、より少ない変動しか持たないように示される。リップル効果を低減することによって、互いにマッチングが取れる複数の光学検査システム群を製造するのがより簡単になる。

本発明の効果は、オートフォーカス波長を動作波長範囲の近傍に動かす局面、および約２４７〜３７０ｎｍの範囲の光を効率的に透過するようにＡＲコーティングを設計する局面の両方が実施されるときに、完全に実現される。実施形態によっては、より少ない程度しか効果が得られないが、これら局面のうちの一つが実施され、もう一方が実施されなくてもよい。

本発明は、いくつかの好ましい実施形態を参照して記載されてきたが、本発明の範囲に入る改変、組み合わせ、および等価物が存在する。本発明の方法および装置を実現するには多くの代替方法が存在することに注意されたい。したがって、以下の添付の特許請求の範囲は、そのような改変、組み合わせ、および等価物の全てを、本発明の真の精神および範囲に入るものとして含むように解釈されるよう意図される。

集積化されたオートフォーカスメカニズムを含む典型的な光学半導体検査システムの概略図である。 紫外領域内、またはその近傍で動作する現在の光学検査システムを透過される照射およびオートフォーカス光の量を示すグラフである。 本発明の光学検査システムを透過される照射およびオートフォーカス光の量を示すグラフである。

符号の説明

１００…光学半導体検査システム
１０２…照射源
１０４…光学レンズセット
１０６…半導体ウェーハ試料
１０８…検査検出器
１１０…ビームスプリッタ
１１２…被写界深度
１１４…オートフォーカスデバイス
１１６…ＬＥＤ
１１８…オートフォーカス光ビーム
１２０…オートフォーカス検出器
１２２…ビームスプリッタ
１２６…格子画像
２００、３００…グラフ
２０２…曲線
２０４…ＡＲコーティング透過曲線
２０６…破線
３０２…オートフォーカス波長

Claims (10)

1. 顕微鏡光学検査システムであって、
   検査光学レンズ要素群の少なくとも１つのセットと、
   光を前記検査光学レンズ要素群のセットに導く照射源であって、検査に用いられる光の動作帯域幅がほぼ２４７〜４５０ナノメートルの範囲の光の波長を含む照射源と、
   発光ダイオードによって生成されたオートフォーカス光ビームを前記検査光学レンズ要素群のセットのうちの少なくともいくつかに導くオートフォーカスデバイスであって、前記照射源と共に使用され、前記オートフォーカス光ビームとして波長がほぼ４０５ナノメートルの光のみを使用するオートフォーカスデバイスと、
   を備え、
   前記検査光学レンズ要素の少なくとも１つは、ほぼ２４７〜４５０ナノメートルの範囲の波長の光を透過する複数の反射防止膜の層状形成を有する、
   顕微鏡光学検査システム。
2. 請求項１に記載の顕微鏡光学検査システムであって、前記照射源が水銀−キセノン照射源である顕微鏡光学検査システム。
3. 請求項２に記載の顕微鏡光学検査システムであって、前記水銀−キセノン照射源は、ランプ、エキシマレーザ、発光ダイオード、レーザダイオード、および高調波変換ソリッドステートレーザからなるグループから選択されるタイプである顕微鏡光学検査システム。
4. 請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の顕微鏡光学検査システムであって、前記発光ダイオードは、少なくともガリウムおよび窒化物から作られる、顕微鏡光学検査システム。
5. 請求項４に記載の顕微鏡光学検査システムであって、前記発光ダイオードは、ガリウム−窒化物、アルミニウムーガリウムー窒化物、またはインジウムーガリウムー窒化物からなるグループから選択される化合物から形成される顕微鏡光学検査システム。
6. 請求項１に記載の顕微鏡光学検査システムであって、前記光学レンズ要素の少なくとも１つは、ほぼ２４７〜３７０ナノメートルの範囲の波長の光を透過する複数の反射防止膜の層状形成を有する顕微鏡光学検査システム。
7. 請求項１に記載の顕微鏡光学検査システムであって、前記反射防止膜のうちの少なくとも１つは、Ｓｃ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＺｒＯ₂、およびＹ₂Ｏ₃からなるグループから選択される材料から形成される顕微鏡光学検査システム。
8. 請求項７に記載の顕微鏡光学検査システムであって、反射防止膜群のそれぞれの層状形成内の反射防止膜は、ほぼ２５〜２５０ナノメートルの範囲の厚さを有する顕微鏡光学検査システム。
9. 請求項１に記載の顕微鏡光学検査システムであって、前記少なくとも１つの光学レンズ要素は、対物レンズユニットの一部である顕微鏡光学検査システム。
10. 請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載の顕微鏡光学検査システムであって、前記顕微鏡光学検査システムは、反射屈折光学系である顕微鏡光学検査システム。

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