JP4931502B2 - 表面検査方法及び検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板（半導体ウェハ）上に微小な異物・欠陥並びに半導体基板の表面粗さに関する情報を計測する表面検査方法に関する。

半導体基板（半導体ウェハ）の製造ラインにおいて、製造装置の発塵状況を監視するために、半導体基板の表面に付着した異物や加工中に発生したスクラッチ等の欠陥の検査が行われている。

例えば、回路パターン形成前の半導体基板では、その表面において数１０ｎｍ以下までもの微小な異物や欠陥の検出が必要である。また、半導体基板表面の検査としては、異物や欠陥以外に、基板表面近傍の浅い領域に存在する結晶欠陥や基板表面の表面粗さも検査対象となる。

半導体基板等の被検査物体表面上の微小な欠陥を検出する技術としては、例えば、特許文献１に記載されているように、集光したレーザ光束を半導体基板表面に固定照射して、半導体基板上に異物が付着している場合に発生する異物からの散乱光を検出し、半導体基板全面の異物や欠陥を検査するものがある。

このような表面検査においては、検出すべき異物・欠陥の散乱強度は異物・欠陥の粒径の一般に２乗以上に比例して増大する。特に、照明に用いる光の波長に比べて検出すべき異物や欠陥が十分小さくRayleigh散乱則に従うような場合には異物・欠陥の散乱強度は異物・欠陥の粒径の６乗に比例して増大することが知られている。

そのため、半導体基板の表面検査で測定可能な粒径範囲を広く取るためには、表面検査の測定系に大きなダイナミックレンジが要求される。そこで、半導体基板表面検査においてダイナミックレンジを拡大するための技術として、下記の方法が知られている。

（１）同一の異物・欠陥に同一の強度の照明光を照射しても、異なる強度の散乱光を生じるような２つまたは複数の照明仰角から被測定基板を照明し、２つまたは複数の照明仰角に対応する散乱光を検出する技術。

（２）同一の異物・欠陥に所定の方向から照明光を照射したときに、検出される散乱光の強度が異なるような２つまたは複数の検出方向（仰角または方位角またはその両方の組合せ）において散乱光を検出する技術。

（３）同一の異物・欠陥に所定の方向から照明光を照射し、所定の方向において散乱光を検出する際に、前記所定の散乱方向に、検出感度の異なる２つまたは複数の光検出器を配置する技術。

（４）同一の異物・欠陥に所定の方向から照明光を照射し、所定の方向において散乱光を検出する際に、前記所定の散乱方向に配置した光検出器の検出感度を検出中の散乱光強度に基づいて可変制御する技術。

上記（１）及び（２）の技術は、例えば、特許文献２に示されている。また、上記（３）及び（４）の技術は、例えば、特許文献３に示されている。

米国特許第５、７９８、８２９号明細書 特開２００１−２３５４２９号公報 米国特許第６、８３３、９１３号明細書

ところで、上述した従来技術のダイナミックレンジ拡大方法において、検出対象となる異物や欠陥の粒径の算出精度を、粒径に関らず常に高く保つためには、高感度側の検出系と低感度側の検出系の間の感度比が正しく求められていることが前提となる。

ここで、上記（１）及び（２）に示した従来技術は、検出すべき異物・欠陥の形態が球のように等方的である場合、または異物・欠陥の粒径がRayleigh散乱則に従う程度に小さい場合には適用が可能である。

しかしながら、上記（１）及び（２）に示した従来技術は、異物・欠陥がRayleigh散乱則に従う範囲よりも大きく、かつ形態が異方性を有する場合には、異なる照明方向または異なる検出方向に対応する散乱光強度の間の関係は異方性に依存して一定しないことが容易に予想され、高感度側の検出系と低感度側の検出系の間の感度比を正しく設定することが困難である。

特に、上記（２）に記載の従来技術は、必然的に、偏った特定の方位角のみから散乱光を検出することになり、主走査が回転移動で副走査が並進移動から成る被検査物体移動ステージを用いる場合には、主走査回転移動に伴って被検査物体と検出方位角の相対関係が変化するため、同じ異物・欠陥であっても、被検査物体表面上での付着位置によって感度が変化してしまう可能性が大きくなる。

また、上記（３）に記載の従来技術では、上記（１）及び（２）に記載した技術のような問題は生じない。しかしながら、複数の仰角と複数の方位角とを組合わせた方向において散乱光を検出する複数の光検出器から構成されている場合には、各光検出器の一つ一つを高感度検出器と低感度検出器の組合せにすることは、光検出器の空間配置上、大きな困難を生じる。さらに、光検出器の数の増大は装置のＭＴＢＦ（平均故障間時間）の低下を招く。

また、上記（４）に記載の技術では、光検出器の数の増大はないが、測定中に光検出器の感度を動的に変化させることは、光検出器の過渡応答特性の個体差の影響を受け易いことが予想され、特に、多数の光検出器を備える場合には、同一機種の複数装置間で検査感度特性を一定に保つことが困難である。

本発明の目的は、被検査物体表面や表面近傍に存在する異物や欠陥に由来して発生する散乱光の強度が照明方向または検出方向に依存する異方性を有する場合であっても、異物や欠陥の粒径の算出精度を粒径に関らず高く維持した上で、測定系のダイナミックレンジを拡大可能な表面検査方法及び装置を実現することである。

本発明の表面検査方法は、主走査が回転移動で副走査が並進移動を行う被検査物体移動ステージ上に搭載された被検査物体の表面に光ビームを照射し、上記被検査物体からの散乱・回折・反射された光を集光し、集光した光に基づいて上記被検査物体表面を検査する。

そして、上記表面検査方法において、上記被検査物体の表面に対して、略等しい仰角と、略等しい方位角と、略等しい偏光特性と、略等しい波長とを有し、互いに強度が異なる第１の光ビームと第２の光ビームとを、上記被検査物体の表面の異なる２つの領域に照射し、上記２つの領域からの散乱・回折・反射された光を集光し、集光した光に基づいて上記被検査物体表面上又は表面近傍内部に存在する異物や欠陥の位置や大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出する。

また、本発明の表面検査装置は、被検査物体の表面に対して、略等しい仰角と、略等しい方位角と、略等しい偏光特性と、略等しい波長とを有し、互いに強度が異なる第１の光ビームと第２の光ビームとを、上記被検査物体の表面の異なる２つの領域に照射する光ビーム照射手段と、上記２つの領域からの散乱・回折・反射された光を集光する集光手段と、集光した光に基づいて上記被検査物体表面上又は表面近傍内部に存在する異物や欠陥の位置や大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出する検査手段とを備える。

被検査物体表面や表面近傍に存在する異物や欠陥に由来して発生する散乱光の強度が照明方向または検出方向に依存する異方性を有する場合であっても、異物や欠陥の粒径の算出精度を粒径に関らず高く維持した上で、測定系のダイナミックレンジを拡大可能な表面検査方法及び装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の表面検査方法の原理説明図であり、図２は、本発明の第１の実施形態が適用される表面検査装置の概略構成図である。

図２において、被検査物体である半導体ウェーハ１００はチャック１０１に真空吸着されており、このチャック１０１は、回転ステージ１０３と並進ステージ１０４とを備える被検査物体移動ステージ１０２及びＺステージ１０５上に搭載されている。

半導体ウェーハ１００の上方に配置されている照明・検出光学系１１０は、図３、図４に示す光学系である。図３は光学系の平面図であり、図４は、光学系の側面図である。図３、図４において、照明・検出光学系１１０の、照明光の光源１１には、紫外域の波長の光を時間的に繰返してパルス発振するパルスレーザを用いる。この光源１１から出た光は、ビームエキスパンダ１３によってより適切なビーム径の平行光束に調整された後、第１の１／２波長板１４を通過した後、ウォーラストンプリズム１２で２本の照明ビーム２１、２２に分けられる。

互いに分離された照明ビーム２１、２２は、直線偏光子１６を通過した後、第２の１／２波長板１５を通過する。紫外域で適切な板状直線偏光子が存在しない場合には、偏光ビームスプリッタを直線偏光子の代用に用いても良い。ここで、光源１１から出た光ビームと、第１の１／２波長板１４と、ウォーラストンプリズム１２と、直線偏光子１６と、第２の１／２波長板１５との各偏光素子の偏光軸の方位の相対関係を図５に示す。

図５において、光源１１から出た光ビームの振動方向が照明・検出光学系１１０の水平面（装置が設置される床面と平行な面）に対して垂直であるとし、ウォーラストンプリズム１２を構成する２個の複屈折性結晶のうち入射側に位置する結晶の常光線方向の偏光軸は光源１１から出た光ビームの振動方向と平行であるとする。

また、光源１１から出た光ビームの振動方向に対する角度として、第１の１／２波長板１４の遅相軸はθ１、直線偏光子１６の偏光軸はθ２、第２の１／２波長板１５の遅相軸はθ２／２の角度を成すものとする。

このとき、照明ビーム２１及び２２の間の強度比Ｒは次式（１）となる。

Ｒ＝（ｓｉｎ^２θ１・ｓｉｎ^２θ２）／（ｃｏｓ^２θ１・ｃｏｓ^２θ２） −−−（１）
本発明の第１の実施形態では、強度比Ｒ＝１／１００となるように設定するものとし、これは上式（１）より、例えば、θ１＝θ２≒１７．５５°のときに満たされる。

図５から明らかなように、第２の１／２波長板１５を通過した後の照明ビーム２１及び２２は振動方向が等しく、共に光源１１から出た光ビームの振動方向と平行な直線偏光となっている。第２の１／２波長板１５を通過した後、照明ビーム２１は照射レンズ１８の作用により図１に示す第１の照明スポット３を形成し、照明ビーム２２は同じ照射レンズ１８の作用により図１の第２の照明スポット４を形成する。このようにして、第１及び第２の照明スポット３、４は共にｐ偏光で斜方照明される。

微小な異物や欠陥を高感度で検出するためには、照明ビームの被検査物体表面に対する仰角は、略５°乃至４５°程度の低い仰角、より望ましくは被検査物体を構成する材料に対するブリュースター角近辺とするのがよい。

そこで、本発明の第１の実施形態では、両照明ビーム２１、２２を、共に、概略、結晶Ｓｉに対するブリュースター角で、共に半導体ウェーハ１００の内周から外周へ向かう方向に沿って斜入射するように構成する。このため、照明スポット３、４は概略楕円形状をしている。

ここで、照度が照明スポット中心部のｅの２乗分の１（ｅは自然対数の底）に低下する輪郭線の内部を、あらためて照明スポットと定義することにする。図１に示すように、照明スポットの長軸方向の幅をｄ１、短軸方向の幅をｄ２とする。照明スポット３及び４は、略等しい長軸方向の幅ｄ１及び短軸方向幅ｄ２を有し、半導体ウェーハ１００の表面に対して等しい仰角と、等しい方位角と、等しい偏光特性と、等しい波長とを有する照明光束で照明されており、照度は１００：１となるように調節されている。

また、図１に示すように、前記照明スポット３及び４は、被検査物体移動ステージ１０２の主走査方向に、互いに重ならないように照射され、被検査物体移動ステージ１０２の主走査回転に伴って照明スポット３が半導体ウェーハ１００の表面上で描く軌跡と、照明スポット４が描く軌跡とは被検査物体移動ステージ１０２の半径方向において概略重なるようになっている。

また、照明スポット３及び４は、主走査回転に伴って半導体ウェーハ１００上の１点が第２の照明スポット４を通過した後に第１の照明スポット３を通過する順序で配置されている。

ここで、ウォーラストンプリズム１２で照明ビーム２１、２２が分離されるときの分離角をＡ、照射レンズ１８の焦点距離をｆとすると、照明スポット３と４との間の距離Ｌは次式（２）で表される。

Ｌ≒ｆ・ｔａｎＡ −−−（２）
本発明の第１の実施形態では、Ｌ＝２００マイクロメートルとなるよう設定するものとし、照射レンズ１８として焦点距離ｆ＝２００ｍｍのレンズを用いるとすると、ウォーラストンプリズム１２での分離角Ａ≒３．４分となる。

また、距離Ｌの大きさは、増幅器２６で２つの照明スポット３、４に由来する２つの信号ピークが適切に分離して検出できる距離を確保した上で、近接していることが望ましい。

次に、集光レンズ５は、レーリー散乱に従うような微小な異物に対して効率良くその散乱光を捕捉できるよう、低い仰角で散乱・回折・反射光（散乱、回折又は反射光）を集光できる構成にしてある。集光レンズ５で集光された散乱・回折・反射光は、光検出器７で散乱・回折・反射光信号に変換される。なお、本発明の第１の実施形態では光検出器７として光電子増倍管を用いているが、異物・欠陥からの散乱・回折・反射光を高感度に検出できる光検出器であれば他の検出原理の光検出器であっても良い。

この構成において、異物・欠陥１は第２の照明スポット４（照度がスポット３の１００分の１）を通過後、第１の照明スポット３を通過するので、光検出器７からは各照明スポット３、４に対応した散乱・回折・反射光信号が得られる。光検出器７からの散乱・回折・反射光信号は増幅器２６で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３０で予め定められたサンプリング間隔ｄＴ毎にサンプリングされ、デジタルデータに変換される。

サンプリング間隔ｄＴは、異物・欠陥（異物又は欠陥）１が照明スポット４を通過後、照明スポット３を通過するまでの時間間隔に対し、十分小さくなるように設定してある。サンプリング間隔ｄＴ毎のデジタルデータは、異物・欠陥判定機構１０８で予め定められた検出下限閾値と比較され、デジタルデータが閾値以上であれば異物・欠陥判定機構１０８はこのデジタルデータが異物・欠陥によるものだと判定して、異物・欠陥判定情報を発生する。

上述したように、第２の照明スポット４の照度は第１の照明スポット３の照度に対し１／１００となるように設定してあるので、異物・欠陥１がどのくらいの効率で散乱・回折・反射光を発生するかによって、以下の３つの場合がある。

（１）照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号と、照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号が共に検出下限閾値を超える場合。

（２）照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号は検出下限閾値を超えるが、照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号は検出下限しきい値を超えない場合。

（３）照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号も、照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号も共に検出下限しきい値を超えない場合。

不所望な外乱要因によっては、次の不正規な現象（４）も起こり得る。

（４）照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号は検出下限しきい値を超えないが、照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号は検出下限しきい値を超える。

しかし、上記（４）の場合は、これは異常であって生起確率も非常に低いと考えられるため無視するものとし、照明スポット３、４の散乱・回折・反射光信号が共に検出下限閾値を超えない上記（３）の場合も対応する必要はないため、上記（１）及び（２）の場合のみ考慮するものとする。

図６は、本発明の第１の実施形態における散乱・回折・反射光信号の処理フローチャートである。

図６において、新たなピーク信号が捕らえられてか否かを判断する（ステップＳ１）。ステップＳ１で新たなピークが捉えられたら、照明スポット３、４に対応する２個のピークが捉えられたか否か、つまり、同一の異物等に対して、照明スポット３、４共に散乱等が検出されたか否かを判断する（ステップＳ２）。

そして、上記（１）の場合は、ステップＳ４に進み、照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号が有効下限閾値以下であるかどうか判定する。有効下限閾値は、変換されたデジタル値の有効数字が小さ過ぎると粒径換算の際に量子化誤差が大きくなるのを避けるために設けたものである。

このステップＳ４での比較判定において、照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号が有効下限閾値以下であれば、異物・欠陥１に対応する散乱・回折・反射光信号として照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号を採用する（ステップＳ６）。

一方、ステップＳ４において、照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号が有効下限閾値を超えていれば、異物・欠陥１に対応する散乱・回折・反射光信号として照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号に１００（第１の光ビーム２１の強度の第２の光ビーム２２の強度に対する倍率）を乗じた値を採用する（ステップＳ５）。

また、ステップＳ２において、捉えられたピーク信号が１つの場合、つまり、上記（２）の場合には、異物・欠陥１に対応する散乱・回折・反射光信号として照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号を採用する（ステップＳ３、ステップＳ６）。

上述した処理によって、少なくとも１００倍のダイナミックレンジ拡大効果が得られる。なお、この有効下限閾値による判定は、Ａ／Ｄ変換器３０から得られるデジタルデータを予め定められた有効下限閾値と比較して異物・欠陥の存在を判定する代わりに、増幅器２６からの出力電気信号を予め定められた有効下限閾値電圧と比較して判定するようにしても良い。

そして、粒径算出機構１２０は異物・欠陥１に対応する散乱・回折・反射光信号から、検出された異物・欠陥の大きさを算出する。

次に、異物・欠陥座標検出機構１３０は、異物・欠陥判定機構１０８から異物・欠陥判定情報が発生されると、被検査物体移動ステージ１０２が発生する主走査並びに副走査の現在位置の情報から、異物・欠陥の主走査方向並びに副走査方向の座標位置（ｒ，θ）を算出する。

このとき、異物・欠陥座標検出機構１３０は、２つの照明スポット３、４から発生する散乱・回折・反射光信号のデジタルデータのうち、異物・欠陥１に対応する散乱・回折・反射光信号としてどちらの照明スポット３、４に対応するデジタルデータが採用されたかによって、座標位置（ｒ，θ）のうちθ座標に補正を施す。

具体的には、ある異物・欠陥が照明スポット３で検出された場合は、同じ異物・欠陥が照明スポット４で検出された場合に比べて、半導体ウェハ１００は主走査方向に２００マイクロメートル（照明スポット３及び４の間の距離）だけ進んでいることになるので、この分を補正する。

以上のように、本発明の第１の実施形態では、等しい波長と等しい仰角と等しい方位角と等しい偏光特性を有し、強度が１００：１だけ異なる２つの照明ビーム３、４によって、被検査物体表面を照明しているので、両照明光３、４による散乱・回折・反射光の間の強度比は、半導体ウェハ表面や表面近傍に存在する異物や欠陥に由来して発生する散乱光の強度が照明方向または検出方向に依存する異方性を有する場合であっても、それらに依存することなく常に１００：１の一定値であり、異物や欠陥の粒径の算出精度を前記異物や欠陥の異方性や粒径に関らず常に高く維持した上で、測定系のダイナミックレンジを拡大できるという効果が得られる。

なお、上述した例では、光源１１を「紫外域の波長の光を時間的に繰返してパルス発振するパルスレーザ」としたが、「紫外域以外の波長のレーザ」でもよく、また「連続発振するレーザ」を光源に用いた場合でも、上記技術はそのまま適用することができる。

また、２つの照明ビーム２１、２２が半導体ウェーハ１００表面を照明する方向は、「共に略内周から外周に向かう方向」としたが、「共に略外周から内周に向かう方向」からであっても上記技術はそのまま適用することができる。斜方照明では一般的に、照明ビームと被照明表面との高さ関係が変化した時に、照明スポット位置が変位してしまう現象を生じる。しかし、２つの照明ビームの照射方向を「共に略外周から内周に向かう方向」または「共に略内周から外周に向かう方向」とすることにより、このような場合に２つの照明スポット３、４は半導体ウェーハ１００の表面上でｒ方向の同じ向きに同じ距離だけ移動するので、「被検査物体移動ステージ１０２の主走査回転に伴って照明スポット３が半導体ウェーハ１００の表面上で描く軌跡と、照明スポット４が描く軌跡は前記被検査物体移動ステージ１０２の半径方向において概略重なる」という関係は崩れることなく保たれるという利点が得られる。

また、上述した例では、第１及び第２の照明スポットが照明されるときの両照明ビーム２１、２２の偏光状態を「共にｐ偏光」としたが、両照明ビーム２１、２２の光路中に偏光制御部１１１を設置して、照明スポット３、４に入射する段階で「共にｓ偏光」または「共に円偏光」または「共に概略等しい楕円率を有する楕円偏光」となるように制御しても本実施例で得られる効果に変わりはない。

さらに、上述した例では、第１及び第２の照明スポット３、４から発生した散乱・回折・反射光信号のうちどちらを採用するかを、「第２の照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号が有効下限しきい値以下であるかどうか」で判定するようにしたが、代わりに「照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号が検出上限しきい値を超えているかどうか」で判定するようにしてもよい。

これは、一般の光検出器において、特に本発明の構成に好適な光電子増倍管においては、検出器出力がある以上に増大すると、入射光量と出力電気信号量の間の直線性が崩れ始め、その後さらに入射光量が増大すると出力電気信号が飽和してしまうことが良く知られており、そのため、光検出器７を常に入射光量と出力電気信号量の間の直線性が崩れ始める範囲以下で使用するために、検出上限しきい値を設け、それ以下で使用するようにするものである。この比較判定において、照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号が検出上限閾値を超えていなければ、異物・欠陥１に対応する散乱・回折・反射光信号として照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号を採用する。

一方、照明スポット３に対応する散乱・回折・反射光信号が検出上限閾値を超えていれば、異物・欠陥１に対応する散乱・回折・反射光信号として照明スポット４に対応する散乱・回折・反射光信号に１００を乗じた値を採用する。

なお、この検出上限閾値による判定は、Ａ／Ｄ変換器３０から得られるデジタルデータを予め定められた検出上限閾値と比較して異物・欠陥の存在を判定する代わりに、前記増幅器２６からの出力電気信号を予め定められた検出上限閾値値電圧と比較して判定するようにしても良い。

ここで、本発明の第１の実施形態では、散乱・回折・反射光の検出方向を一つとしたが、検出系を複数の仰角と複数の方位角を組合わせた複数の方向の各方向に配置して複数の方位から散乱・回折・反射光を検出するよう構成することもできる。

図７及び図８は、本発明の第２の実施形態の説明図であり、上述した検出系を複数の仰角と複数の方位角を組合わせた複数の方向の各方向に配置して複数の方位から散乱・回折・反射光を検出する場合である。なお、図７は検出系の平面図、図８は検出系の側面図である。

本発明の第２の実施形態における照明光学系は、本発明の第１の実施形態と同等であるので詳細な説明は省略する。

本発明の第２の実施形態における散乱・回折・反射光検出系は、略等しい第１の仰角を有し、被検査物体移動ステージ１０２の主走査回転軸に関して相互に異なり、互いに略６０°ずつ隔たった６つの方位角から散乱・回折・反射光を検出する６個の集光素子７１を含む第１仰角検出系７０と、第１の仰角より大きく略等しい第２の仰角を有し、被検査物体移動ステージ１０２の主走査回転軸に関して相互に異なり、互いに概略９０°ずつ隔たった４つの方位角から散乱・回折・反射光を検出する４個の集光素子８１を含む第２仰角検出系８０から構成される。

１０個の各集光素子７１、８１は、レンズから成る。図９に示すように、各集光素子７１、８１で集光された第１の照明スポット３及び第２の照明スポット４に由来する散乱・回折・反射光は、各集光素子７１、８１に対応した１０本の光検出器７で、散乱・回折・反射光信号に変換される。そして、、散乱・回折・反射光は、各集光素子７１、８１毎に設けられた１０個の増幅器２６では増幅された後、それそれに対応する１０個のＡ／Ｄ変換器３０で予め定められたサンプリング間隔ｄＴ毎にサンプリングされ、デジタルデータに変換される。

サンプリング間隔ｄＴの満たす条件は、第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。第２の実施形態では、検出すべき異物・欠陥の形態が異方性を有する場合であっても、可能な限り検出感度を均一に保つために、第１の仰角に対応する６本の光検出器７から得られる散乱・回折・反射光信号を全て加算器３１で加算して第１の合成散乱・回折・反射光信号として扱う。

第２の仰角に対応する４本の光検出器７から得られる散乱・回折・反射光信号も同様に全て加算器３１で加算して第２の合成散乱・回折・反射光信号として扱う。

第１の合成信号と第２の合成信号は、各々に対応した異物・欠陥判定機構１０８へ送られる。２つの異物・欠陥判定機構１０８の働きは第１の実施形態例の異物・欠陥判定機構１０８と同様であり、照明スポット３、４に由来する散乱・回折・反射光信号から、異物・欠陥１に対応する散乱・回折・反射光信号を生成する。

本発明の第２の実施形態の表面検査装置は一つの粒径算出機構１２０を備え、この粒径算出機構１２０は、異物・欠陥１に対応する第１の合成散乱・回折・反射光信号から、検出された異物・欠陥の大きさを算出する。異物・欠陥座標検出機構１３０の働きは、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。

本発明の第２の実施形態では一つの異物・欠陥に対して異なる２つの仰角から測定した２つの散乱・回折・反射光信号が得られるので、異物・欠陥分類機構１４０は、第１及び第２の合成散乱・回折・反射光信号を互いに比較することにより、検出した異物・欠陥の種別、例えば、半導体ウェハ１００表面の付着異物か、半導体ウェハ１００内部の結晶欠陥かを判別し、分類する。

本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、等しい波長と等しい仰角と等しい方位角と等しい偏光特性とを有し、強度が１００：１だけ異なる２つの照明ビームによって被検査物体１００表面を照明している。

したがって、両照明光２１、２２による散乱・回折・反射光の間の強度比は、半導体ウェハ表面や表面近傍に存在する異物や欠陥に由来して発生する散乱光の強度が照明方向または検出方向に依存する異方性を有する場合であっても、それらに依存することなく常に１００：１の一定値であり、異物や欠陥の粒径の算出精度を異物や欠陥の異方性や粒径に関らず常に高く維持した上で、測定系のダイナミックレンジを拡大できる効果が得られる。

さらに、各検出方向に配置された複数の光検出器７の個数を増やす必要がないので、光学素子の空間配置に問題を生じることなくダイナミックレンジを拡大できるという効果がある。

また、各光検出器７の駆動条件、例えば印加電圧等を測定中に切り換えることもないため、安定な出力信号が得られる。

なお、上記実施形態では、「第１の仰角に対応する６本の光検出器７から得られる散乱・回折・反射光信号を全て加算して第１の合成散乱・回折・反射光信号として扱う」および「第２の仰角に対応する前記４本の光検出器７から得られる散乱・回折・反射光信号を全て加算して第２の合成散乱・回折・反射光信号として扱う」とし、「異物・欠陥分類機構１４０は第１および第２の合成散乱・回折・反射光信号を比較することにより、検出した異物・欠陥の種別、例えば、半導体ウェハ１００表面の付着異物か、半導体ウェハ１００内部の結晶欠陥かを判別し、分類する」としたが、他の方法により、判定、分類してもよい。

例えば、検出した異物・欠陥の判別は、各仰角毎に全ての光検出器信号を加算した結果を比較するのではなく、各仰角に属する個々の光検出器から得られる散乱・回折・反射光信号を個別に用いて判定するようにしても良い。

この処理により、例えば、検出した異物・欠陥の形態に異方性があるかどうかを判定することが可能になる。もちろん、このように異物・欠陥分類機構１４０での処理を変更しても、ダイナミックレンジに関係する粒径算出機構１２０における処理が変わらなければ、本発明の効果に変わりはない。

以上のように、本発明によれば、半導体ウェハ表面や表面近傍に存在する異物や欠陥に由来して発生する散乱光の強度が照明方向または検出方向に依存する異方性を有する場合であっても、異物や欠陥の粒径の算出精度を粒径に関らず常に高く保つた上で、測定系のダイナミックレンジを拡大することが可能になる。

特に、複数の仰角と複数の方位角を組合わせた複数の方向において散乱光を検出する表面検査技術を用いる場合に、半導体ウェハ表面や表面近傍に存在する異物や欠陥に由来して発生する散乱光の強度が照明方向または検出方向に依存する異方性を有する場合であっても、異物や欠陥の粒径の算出精度を粒径に関らず常に高く保つた上で、測定系のダイナミックレンジを拡大することが可能になる。

本発明における第１の照明領域と第２の照明領域との位置関係を説明する図である。 本発明が適用される異物・欠陥検査装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態における光学系の平面図である。 本発明の第１の実施形態における光学系の側面図である。 本発明の第１の実施形態における照明光学系の偏光方向の相対関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態における処理フローチャートである。 本発明の第２の実施形態による異物・欠陥検査装置の検出光学系の概略平面図である。 本発明の第２の実施形態による異物・欠陥検査装置の検出光学系の概略側面図である。 本発明の第２の実施形態における信号処理系の概略構成図である。

符号の説明

１・・・異物・欠陥、２・・・異物・欠陥の移動軌跡、３、４・・・照明スポット、５・・・集光レンズ、７・・・光検出器、１１・・・光源、１２・・・ウォーラストンプリズム、１３・・・ビームエキスパンダ、１４、１５・・・１／２波長板、１６・・・直線偏光子、１８・・・照射レンズ、２１、２２・・・照明ビーム、２５・・・前置増幅器、２６・・・増幅器、３０・・・Ａ／Ｄ変換器、３１・・・加算器、７０・・・第１仰角検出系、８０・・・第２仰角検出系、７１、８１・・・集光素子、１００・・・半導体ウェハ、１０１・・・チャック、１０２・・・被検査物体移動ステージ、１０３．回転ステージ、１０４・・・並進ステージ、１０５・・・Ｚステージ、１０６・・・検査座標検出機構、１０８・・・異物・欠陥判定機構、１１０・・・照明・検出光学系、１１１・・・偏光制御部、１２０・・・粒径算出機構、１３０・・・異物・欠陥座標検出機構、１４０・・・異物・欠陥分類機構

Claims (6)

1. 主走査が回転移動で副走査が並進移動を行う被検査物体移動ステージ上に搭載された被検査物体の表面に光ビームを照射し、上記被検査物体からの散乱、回折又は反射された光を集光し、集光した光に基づいて上記被検査物体表面を検査する表面検査方法において、
   １つの光源から発生された光ビームを分割した第１及び第２の光ビームであって、上記被検査物体の表面に対して、互いに略等しく、かつ５°〜４５°の範囲にある仰角と、互いに略等しい方位角と、互いに略等しい偏光特性と、互いに略等しい波長とを有し、互いに強度が異なる上記第１の光ビームと第２の光ビームとを、上記被検査物体の表面の異なる２つの領域に照射し、
   上記２つの領域からの散乱、回折又は反射された光を集光し、集光した光に基づいて上記被検査物体表面上又は表面近傍内部に存在する異物又は欠陥の位置及び大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出することを特徴とする表面検査方法。
2. 請求項１記載の表面検査方法において、上記第１の光ビーム及び第２の光ビームの、上記被検査物体の表面に対する仰角は、上記被検査物体の主構成物質の光学定数に関して略ブリュースター角であることを特徴とする表面検査方法。
3. 主走査が回転移動で副走査が並進移動を行う被検査物体移動ステージ上に搭載された被検査物体の表面に光ビームを照射し、上記被検査物体からの散乱、回折又は反射された光を集光し、集光した光に基づいて上記被検査物体表面を検査する表面検査方法において、
   上記被検査物体の表面に対して、略等しい仰角と、略等しい方位角と、略等しい偏光特性と、略等しい波長とを有し、互いに強度が異なる第１の光ビームと第２の光ビームとを、上記被検査物体の表面の異なる２つの領域に照射し、
   上記被検査物体移動ステージの主走査回転に伴って上記第２の光ビームにより照射された上記被検査物体表面の第２の照明領域が上記被検査物体表面上で描く軌跡と、上記第１の光ビームにより照射された上記被検査物体表面の第１の照明領域が上記被検査物体表面上で描く軌跡とが、上記被検査物体移動ステージの半径方向において略一致して重ならせ、
   上記第１及び第２の照明領域からの散乱、回折又は反射された光から得られるピーク信号が、上記第１の照明領域からのみ得られた場合は、この第１の照明領域から得られたピーク信号に基づいて、上記被検査物体表面上又は表面近傍内部に存在する異物又は欠陥の位置及び大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出し、
   上記第１及び第２の照明領域からの散乱、回折又は反射された光から得られるピーク信号が、上記第１の照明領域及び第２の照明領域の２つの領域から得られた場合であって、第２の照明領域から得られたピーク信号が、有効下限閾値以下のときは、上記第１の照明領域から得られたピーク信号に基づいて、上記異物又は欠陥の位置及び大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出し、
   上記第１及び第２の照明領域からの散乱、回折又は反射された光から得られるピーク信号が、上記第１の照明領域及び第２の照明領域の２つの領域から得られた場合であって、第２の照明領域から得られたピーク信号が、有効下限閾値を越えるときは、上記第１の光ビームの強度の上記第２の光ビームの強度に対する倍率を、上記第２の照明領域から得られたピーク信号に乗算して得られた信号に基づいて、上記異物又は欠陥の位置及び大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出することを特徴とする表面検査方法。
4. 主走査が回転移動で副走査が並進移動を行う被検査物体移動ステージ上に搭載された被検査物体の表面に光ビームを照射し、上記被検査物体からの散乱、回折又は反射された光を集光し、集光した光に基づいて上記被検査物体表面を検査する表面検査装置において、
   １つの光源と、この１つの光源から発生された光ビームを上記第１及び第２の光ビームに分割する手段とを有し、上記被検査物体の表面に対して、互いに略等しく、共に５°〜４５°の範囲にある仰角と、互いに略等しい方位角と、互いに略等しい偏光特性と、互いに略等しい波長とを有し、互いに強度が異なる上記第１の光ビームと上記第２の光ビームとを、上記被検査物体の表面の異なる２つの領域に照射する光ビーム照射手段と、
   上記２つの領域からの散乱、回折又は反射された光を集光する集光手段と、
   集光した光に基づいて上記被検査物体表面上又は表面近傍内部に存在する異物又は欠陥の位置及び大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出する検査手段と、
   を備えることを特徴とする表面検査装置。
5. 請求項４記載の表面検査装置において、上記第１の光ビーム及び第２の光ビームの、上記被検査物体の表面に対する仰角は、上記被検査物体の主構成物質の光学定数に関して略ブリュースター角であることを特徴とする表面検査装置。
6. 主走査が回転移動で副走査が並進移動を行う被検査物体移動ステージ上に搭載された被検査物体の表面に光ビームを照射し、上記被検査物体からの散乱、回折又は反射された光を集光し、集光した光に基づいて上記被検査物体表面を検査する表面検査装置において、
   上記被検査物体の表面に対して、互いに略等しい仰角と、互いに略等しい方位角と、互いに略等しい偏光特性と、互いに略等しい波長とを有し、互いに強度が異なる第１の光ビームと第２の光ビームとを、上記被検査物体の表面の異なる２つの領域に照射する光ビーム照射手段であり、上記被検査物体移動ステージの主走査回転に伴って上記第２の光ビームにより照射された上記被検査物体表面の第２の照明領域が上記被検査物体表面上で描く軌跡と、上記第１の光ビームにより照射された上記被検査物体表面の第１の照明領域が上記被検査物体表面上で描く軌跡とが、上記被検査物体移動ステージの半径方向において略一致して重なるように上記第１の光ビームと第２の光ビームとを照射する上記光ビーム照射手段と、
   上記２つの領域からの散乱、回折又は反射された光を集光する集光手段と、
   集光した光に基づいて上記被検査物体表面上又は表面近傍内部に存在する異物又は欠陥の位置及び大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出する検査手段と、
   を備え、
   上記検査手段は、
   上記第１及び第２の照明領域からの散乱、回折又は反射された光から得られるピーク信号が、上記第１の照明領域からのみ得られた場合は、この第１の照明領域から得られたピーク信号に基づいて、上記異物又は欠陥の位置、大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出し、
   上記第１及び第２の照明領域からの散乱、回折又は反射された光から得られるピーク信号が、上記第１の照明領域及び第２の照明領域の２つの領域から得られた場合であって、第２の照明領域から得られたピーク信号が、有効下限閾値以下のときは、上記第１の照明領域から得られたピーク信号に基づいて、上記異物又は欠陥の位置、大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出し、
   上記第１及び第２の照明領域からの散乱、回折又は反射された光から得られるピーク信号が、上記第１の照明領域及び第２の照明領域の２つの領域から得られた場合であって、第２の照明領域から得られたピーク信号が、有効下限閾値を越えるときは、上記第１の光ビームの強度の上記第２の光ビームの強度に対する倍率を、上記第２の照明領域から得られたピーク信号に乗算して得られた信号に基づいて、上記異物又は欠陥の位置及び大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出することを特徴とする表面検査装置。

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