JP5033365B2 - 検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造工程等で半導体ウエハ等の被検査物上の異物，欠陥等を検査する検査装置に関する。

一般に、半導体製造工程において不良を最小限に抑え歩留まりを向上するためには、工程内でウエハ上の異物や欠陥などを高感度で検出し、検出結果を分類し、発生原因を特定し、対策することが重要である。

このような異物，欠陥の検出・分類のために使用されるのが検査装置（以下では異物検査装置と称する）であり、高感度・高スループット・高分類性能が要求される。

このような異物検査装置に関するものとして、下記文献を挙げることができる。
〔特許文献１〕，〔特許文献２〕，〔特許文献３〕，〔特許文献４〕，〔特許文献５〕，〔特許文献６〕，〔特許文献７〕，〔特許文献８〕。

このような異物検査装置では、高感度を得るために焦点調整を行う。

焦点位置は、気圧および気温といった気象条件によって変化する。

すなわち、気圧および気温の変化はともに空気の密度を変化させ、空気の屈折率の変化となり、ひいては焦点位置の変化となるものである。

本発明は、気圧および気温の変化が光学系の焦点位置を変化させる点に着目し、気象条件に伴う感度変動を対策する過程で考案された。

特開昭６２−８９３３６号公報 特開平１−１１７０２４号公報 特開平１−２５０８４７号公報 特開平６−２５８２３９号公報 特開平６−３２４００３号公報 特開平８−２１０９８９号公報 特開平８−２７１４３７号公報 特開２０００−１０５２０３号公報

上述の如く、一般に光学系を有する機器では、最適な像を得るために焦点調整を行う。

ステッパあるいはスキャナといった露光装置では、露光光学系を通してＴＴＬ(ThroughThe Lens) で像質を直接モニタできるため、露光光学系内部に気圧および気温による焦点変動が生じたとしても、像質をモニタして焦点を調整することで、気圧および気温による焦点変動も併せて調整できる。

これは、露光装置に限らず、たとえばカメラのような、光学系を通して像質を直接把握できる装置一般にあてはまる。

これに対し該異物検査装置では、顕微鏡光学系を通して像質を直接モニタする方法では焦点調整を行うことができない。

それがため、異物検査のための顕微鏡光学系とは別に、焦点制御のための焦点制御光学系を有する。

該異物検査装置における検出光学系の焦点調整は、顕微鏡光学系で装置の性能指標である「信号強度」が最大になるＺ座標を探索しておき、焦点制御光学系でこのＺ座標を維持するように制御することで成される。

信号強度が最大になるＺ座標を探索する動作は、異物検査装置本来の動作とは異なり、キャリブレーション的な動作である。Ｚ座標の探索を頻繁に行うことは、焦点変動の影響を軽微に抑えるためには必要だが、これは煩雑な作業であり、かつ装置の稼働率の低下をもたらす。

以上述べたように、該異物検査装置における焦点調整には次の問題点がある。

まず、焦点調整の機能上の問題点としては、気圧および気温といった気象条件の変化で、信号強度が最大となる最適なＺ座標値が変わってしまい、感度が低下することである。

次に、焦点調整の作業上の問題点としては、焦点調整作業は煩雑で、時間がかかることである（３分〜８分）。

焦点変動の影響を軽微に抑えるためには、気圧および気温の変化よりも短い周期で頻繁に焦点調整作業を行う必要がある。

実測によれば、気圧および気温の変化の周期は２時間程度で現れる場合もあり、これの影響から逃れるためには、１時間に１回程度の焦点調整作業を行う必要があった。

本発明は、このような点に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、常に最高の感度の維持を実現し、高感度を維持するために行う煩雑な焦点調整作業を不要とすることである。

また、本発明の目的は、稼働率の低下をもたらす焦点調整作業を不要とし、装置の稼働率の向上を実現することである。

上記の目的を達成する本発明の第一の特徴は、Ｚ座標値の変化が、気圧と気温の変化によってもたらされる点に着目したことにある。これは次のように説明できる。

最初に、気体の状態方程式により、ＰＶ＝ｎＲＴと表わすことができる。
（Ｐ：圧力［atm］，Ｖ：体積［Ｌ］，ｎ：モル数，Ｒ：気体定数＝０.０８２，Ｔ： 絶対温度［Ｋ］）
ここで、ｎ＝ｗ／Ｍ(ｗ：質量，Ｍ：分子量)であり、Ｖ＝ｗ／ｄ(ｄ：密度［ｇ／Ｌ］)とすると、気体の状態方程式は、ｄ＝ＰＭ／ＴＲと書け、さらにΔｄ＝ΔＰＭ／ΔＴＲと書ける。

これは、空気の密度変化は気圧変化に比例し、気温変化に反比例することを意味する。

次に、Gladstone−Daleの式により、Ｎ＝１＋ｄ・ｒと表わすことができる。
（Ｎ：屈折率、ｄ：密度［ｇ／Ｌ］、ｒ：Gladstone−Dale定数）
これは、空気の密度の変化は光学系の屈折率の変化となることを意味する。

最終的に、スネルの法則により、屈折率の変化は焦点距離（Ｚ座標）の変化となる。

本発明の第二の特徴は、気圧センサと気温センサを設けることで、気象条件の変化による焦点の変動を包括的に補正できることである。

たとえば気圧センサだけあるいは気温センサだけを備えた補正では、気象条件の変化による焦点変化を包括的に補正できているとはいえない。ただし、気圧あるいは気温のいずれかがコントロールされた環境下では、コントロールされていない側の補正だけを備えれば充分なことはいうまでもない。

本発明の第三の特徴は、単に気圧と気温の変動を補正してＺ座標を安定化するという点にとどまらず、常に最大感度を得るようにＺ座標を補正し続けるということである。

その方法は、信号強度が最大となる最適なＺ座標を探索しておき、その時点の気圧（気圧基準値）と、気温（気温基準値）と、最適なＺ座標（Ｚ基準値）の３つを基準値として持ち、以降、異物を検出する任意の時点での気圧と、気温を計測し、各々基準値との変動分をとって、これをＺ座標に換算し、Ｚ基準値に足し込むという簡便な制御により成される。

本発明は、該異物検査装置に限定されるものではなく、像質を直接モニタする方法で焦点調整を行うことができず、顕微鏡光学系とは別に、焦点制御光学系を有する装置全般において、煩雑な焦点調整動作を行うことなく、最大の信号強度を維持する目的に有効に作用する。

以上述べたように、この発明によれば、最適なＺ座標の探索を一度だけ行っておき、その後は気圧および気温の変動を監視しながらＺ座標をコントロールすればよく、該異物検査装置のような像質を直接モニタできない装置であっても、常に信号強度が最大の状態で検査を行うことができるようになる。

また、この発明によれば、１時間に１回程度、３分〜８分かけて行う煩雑な焦点調整作業から開放され、装置の稼働率も向上する。

本発明は、上記の特徴を備えた、ウエハ上の異物を検査する異物検査装置の焦点調整に関するものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る異物検査装置の概略構成を示す図である。

図２は、該異物検査装置の異物検出光学系と、焦点検出光学系の概略構成を示す図である。

図３は、気圧および気温を補正する実施例を示すブロック図である。

異物検査装置の実施の形態は、被検査対象ウエハ１を載置したＸＹＺステージ３０１，３０２，３０３、θステージ３０４およびステージコントローラ３０５から構成されるステージ部３００と、レーザ光源１０１等で構成される照明光学系部１００と、照明ビームスポット結像部１１０，１２０，１３０と、対物レンズ２０１，空間フィルタ２０２，結像レンズ２０３，ズームレンズ群２０４，ＴＤＩセンサ等の１次元検出器（イメージセンサ）２０５から構成される異物検出光学系２００と、信号処理系４０２，異物等の欠陥検出結果を記憶すると共に欠陥検出結果を出力する出力手段、モータ等の駆動，座標，センサを制御する演算処理系４０１，表示系４０３および入力系４０４より構成される制御系４００とにより構成される。

３つの照明ビームスポット結像部１１０，１２０，１３０は、レーザ光源１０１から射出された光を、３方向から被検査対象ウエハ１に対して照明するように構成される。

検出光学系部２００は、ウエハ１から射出した光を、検出レンズ（対物レンズ）２０１、繰り返しパターンからの反射回折光によるフーリエ変換像を遮光する空間フィルタ202，結像レンズ２０３，ＴＤＩセンサ等の１次元検出器２０５で検出するように構成される。

検査中のステージ動作については、ＸＹステージ３０１，３０２を駆動することにより、被検査対象ウエハ１の全面に亘って照明ビームスポットを照射スキャンする。

検査中の焦点制御については、焦点検出光学系５００は照射スキャン中のウエハ１の表面位置を検出し、検出された位置信号を焦点信号処理部５０５に渡す。焦点信号処理部
５０５はＺ駆動装置３０３ａの移動量に変換し、Ｚステージ制御部３０５ａに渡す。これによりＺステージ制御部３０５ａはＺ駆動装置３０３ａを駆動し、Ｚステージ３０３は対物レンズ２０１とウエハ１の表面との間隔を一定に保つように上下方向に作動する。

対物レンズ２０１とウエハ１の表面との間隔については、Ｚステージ制御部３０５ａにオフセット量を設定することで任意にコントロールできる。本発明は、気圧および気温の変化に伴う焦点の変動を、Ｚステージ制御部３０５ａに与えるオフセット量としてコントロールするものである。

次に、本発明に係る焦点変動を補正する手順について説明する。

まず、気温補正を例にあげて、補正の流れを説明する。

図４は、気温補正を行わない状態での、気温変動と、フォーカスＺ座標の変化を表わしたものである。

フォーカスＺ座標とは、信号強度が最大となるＺ座標のことであり、焦点調整作業で求められる。

ここで、気温は恒温槽で気温をステップ状に変化させた。気圧は一定である。

したがって図４は、気温を変化させながら焦点調整作業を繰り返し行って求めたものといえる。

図５は、気温とフォーカスＺ座標の関係を示したものである。

気温とフォーカスＺ座標は一次の関数で表わすことができ、気温１℃あたりフォーカスＺ座標が−１.８０μｍ 変化することが読み取れる。この値を気温係数として保存しておく。

気温係数は、光学系の構成によってさまざまな値をとる。

図６は、気温変動と、気温のＺ補正値を表わしたものである。

気温のフォーカスＺ補正値とは、
気温のＺ補正値＝Ｚ基準値＋（気温係数×（気温基準値−任意の時点の気温））
で求めたものである。

すなわち、図４の特性において、時刻Ｔ１でＺ基準値と気温基準値を取得し、時刻Ｔ１以降はＺ補正値として計算で求めたものである。すなわち、煩雑な焦点調整作業を行わず、フォーカスＺ座標を計算で求めようとするものである。

図７は、図６の特性から、図４の特性を減じたものである。すなわち、気温のＺ補正によるフォーカス誤差を表わす。

残留する補正誤差は、気温とフォーカスＺ座標の間の一次関数からの乖離で生ずる。気温のＺ補正によるフォーカス誤差は０.１μｍ 以下であって、実用上問題にならないほど充分に小さい。

次に、気圧補正を例にあげて、補正の流れを説明する。手順としては気温補正と同様である。

図８は、気圧補正を行わない状態での、気圧変動と、フォーカスＺ座標の変化を表わしたものである。

ここで、気圧の変化は気象の変化で捉えた。気温は恒温槽で一定に保った。

図９は、気圧とフォーカスＺ座標の関係を示したものである。

気圧とフォーカスＺ座標は一次の関数で表わすことができ、気圧１ｈＰａあたりフォーカスＺ座標が＋０.１２μｍ 変化することが読み取れる。この値を気圧係数として保存しておく。

気圧係数も、光学系の構成によってさまざまな値をとる。

図１０は、気圧変動と、気圧のＺ補正値を表わしたものである。

気圧のフォーカスＺ補正値とは、
気圧のＺ補正値＝Ｚ基準値＋（気圧係数×(気圧基準値−任意の時点の気圧)）
で求めたものである。

すなわち、図８の特性において、時刻Ｔ２でＺ基準値と気圧基準値を取得し、時刻Ｔ２以降はＺ補正値として計算で求めたものである。

図１１は、図１０の特性から、図８の特性を減じたものである。すなわち、気圧のＺ補正によるフォーカス誤差を表わす。

残留する補正誤差は、気圧とフォーカスＺ座標の間の一次関数からの乖離で生ずる。気圧のＺ補正によるフォーカス誤差は、０.１μｍ 以下であって充分に小さい。

次に、補正の構成を説明する。

図３は、気圧および気温を補正する実施例を示すブロック図である。

気圧センサ６０１で計測した任意の時点の気圧は、気圧ロガー６０２に蓄えられる。気温センサ６０３で計測した任意の時点の気温は、気温ロガー６０４に蓄えられる。

制御ＣＰＵ部４０１には、最大感度を得るＺ座標（Ｚ基準値）と、その時点の気圧（気圧基準値）と、その時点の気温（気温基準値）と、予め求めておいた気圧をＺ座標に換算する係数（気圧係数）と、気温をＺ座標に換算する係数（気温係数）を保存してある。

気圧の変動補正については、任意の時点での気圧の計測値と、気圧基準値との差分をとって、気圧係数を掛けて変動分のＺ換算値を求め、気圧のＺ換算値をＺ基準値に足しこむことでＺ補正値を得る。

気温の変動補正については、任意の時点での気温の計測値と、気温基準値との差分をとって、気温係数を掛けて変動分のＺ換算値を求め、気温のＺ換算値をＺ基準値に足しこむことでＺ補正値を得る。

気圧の変動補正と気温の変動補正は、各々独立して動作する。

したがって、気圧に依拠するＺ換算値と気温に依拠するＺ換算値とを共にＺ基準値に足しこみＺ補正値を得ることで、気圧と気温とを同時に補正できる。

得られたＺ補正値は、Ｚステージ制御部３０５ａに送られ、Ｚステージ３０３のフォーカス追従動作に対してオフセットを与える。

フォーカス追従動作に対して与えたオフセットは、気圧および気温の変化に伴う焦点の変動を補正するように作用する。

以上により、気圧および気温の変化に伴う焦点の変動を補正して制御できる。

本発明の一実施の形態による異物検査装置の概略構成を示す図である。 該異物検査装置の異物検出光学系と、焦点検出光学系の概略構成を示す図である。 気圧および気温を補正する実施例を示すブロック図である。 気温補正を行わない状態での、気温変動と、フォーカスＺ座標の変化を表わしたグラフである。 気温とフォーカス座標が一次の関係にあることを示すグラフである。 気温変動と、Ｚ補正値を表わしたグラフである。 図６の特性から、図４の特性を減じたものである。すなわち、気温補正によるフォーカス誤差を表わすグラフである。 気圧補正を行わない状態での、気圧変動と、フォーカスＺ座標の変化を表わしたグラフである。 気圧とフォーカス座標が一次の関係にあることを示すグラフである。 気圧変動と、Ｚ補正値を表わしたグラフである。 図１０の特性から、図８の特性を減じたものである。すなわち、気圧補正によるフォーカス誤差を表わすグラフである。

符号の説明

１…被検査対象ウエハ、１００…照明光学系、１０１…レーザ光源、１１０…０度照明ビームスポット結像部、１２０，１３０…４５度照明ビームスポット結像部、２００…異物検出光学系、２０１…対物レンズ、２０２…空間フィルタ、２０３…結像レンズ、204…ズームレンズ群、２０５…異物検出センサ、３００…ステージ系、３０１…Ｘステージ、３０２…Ｙステージ、３０３…Ｚステージ、３０３ａ…Ｚ駆動装置、３０４…Θステージ、３０５…ステージ制御部、３０５ａ…Ｚステージ制御部、４００…信号処理系、401…制御ＣＰＵ部、４０２…異物信号処理部、４０３…表示部、４０４…入力部、５００…焦点検出光学系、５０１…焦点検出光源、５０２…焦点検出投光光学系、５０３…焦点検出受光光学系、５０４…焦点検出センサ、５０５…焦点信号処理部、６００…気圧気温センサ系、６０１…気圧センサ、６０２…気圧データロガー、６０３…気温センサ、６０４…気温データロガー。

Claims (5)

1. 異物検査のための顕微鏡光学系とは別に、焦点制御のための焦点制御光学系を有する検査装置であって、
   気圧センサと、
   前記気圧センサで得た任意の時点の気圧を保存する保存部と、を有し、
   前記任意の時点の気圧を用いて前記焦点制御を行い、
   前記任意の時点の気圧、基準となる気圧、気圧係数、及び基準となる基板高さを用いて前記焦点制御を行うことを特徴とする検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置であって、
   基板を載置し移動するステージと、
   前記ステージを上下方向に移動するＺステージと、を有し、
   前記任意の時点の気圧を用いて、前記Ｚステージを移動することを特徴とする検査装置。
3. 請求項１に記載の検査装置であって、
   温度センサと、
   前記温度センサで得た任意の時点の温度を保存する保存部と、を有し
   前記任意の時点の温度を用いて前記焦点制御を行うことを特徴とする検査装置。
4. 請求項３に記載の検査装置であって、
   前記任意の時点の温度、基準となる温度、温度係数、及び前記基準となる基板高さを用いて前記焦点制御を行うことを特徴とする検査装置。
5. 請求項３に記載の検査装置であって、
   前記任意の時点の気圧を用いることで得た焦点制御量、前記任意の時点の温度を用いることで得た焦点制御量、及び前記基準となる基板高さを用いて前記焦点制御を行うことを特徴とする検査装置。

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