JP5182090B2 - 欠陥検出装置及び欠陥検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、欠陥検出装置及び欠陥検出方法に関するものである。

半導体ウェハの表面に形成されたパターンの良否を判断する方法として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察により、断面形状を計測する方法が種々提案されている。ＳＥＭによる断面形状の計測は、被検基板上のパターンに照射した電子線をパターンの断面方向に走査し、パターンからの反射電子や二次電子を検出、解析して、走査した部分の断面形状を求める方法で行われる。上記の操作をパターン上の何点かで行い、パターン全体の形状の良否を判断する。

パターンの良否を判断するその他の方法として、スキャトロメータによるＣＤ及びオーバレイのインライン測定技術がある。

分光スキャトロメータは、波長の関数として固定角度にて散乱光の特性を測定し、通常はキセノン、重水素、またはキセノンアーク灯のようなハロゲン系光源のような広帯域光源を使用する。固定角度は、垂直入射か斜め入射でよい。

角度分解スキャトロメータは、入射角の関数として固定波長にて散乱光の特性を測定し、通常は単一波長の光源としてレーザを使用する。
特開２００５−１８８９４４号公報

ＳＥＭによる計測方法は、パターン上に電子線を照射して走査する作業を何回も繰り返し行うため、パターンの形状を求めるのに膨大な時間を要してしまう。また観察倍率が高いため、ウェハ上の全てのパターン形状を求めるのは困難であり、何点かをサンプリングしてウェハ全体の良否を判断する。その結果、サンプリングされたパターン以外の部分に欠陥があっても見逃されてしまう。また、レジストパターンでは、電子線を照射すると加速電圧によって電子線がレジストに吸収、チャージされてパターンの目減りが起こる。場合によっては放電が発生してパターンが倒れてしまい、その後の工程で不都合が生じるため、加速電圧や観察倍率を色々と変えながら最適な観察条件をも求める。それ故、さらに計測に時間を要する。

角度分解スキャトロメータ技術の問題は、１回に１つの波長しか検出しないことであり、したがって複数の波長があるスペクトルは、その波長を時分割多重化しなければならず、スペクトルの検出および処理にかかる全取得時間が増加してしまう。分光スキャトロメータでは、小さい格子を入射角の小さい広がりで照明しなければならないので、この拡張光源からの大量の光が無駄になる。その結果、検出器上の光のレベルが低くなって、取得時間が長くなり、スループットにマイナスの影響を及ぼす。短い取得時間を選択すると、測定結果が安定しないことがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、レジストパターン、エッチング後のパターンに関わらず、被検査基板上のパターン形状の良否を短時間で判別することができる表面検査装置および表面検査方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する装置であって、
前記試料を載置するステージと、
対物レンズを通して前記試料の表面に偏光光を落射照明する照明光学系と、
前記試料の表面から反射した光を前記対物レンズと、所定の方向に透過軸が配置された検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を検出する検出光学系と、
検出された前記試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像と、対物レンズの瞳面の基準像とを比較して前記試料の欠陥を検出する検出部と、
を有することを特徴とする欠陥検査装置である。
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段において、前記検出部は、前記試料の表面から反射した光で形成された対物レンズの瞳面の像に基づく光量と、前記基準像に基づく光量との差に基づいて前記試料の欠陥を検出することを特徴とするものである。
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段または第２の手段において、前記基準像は、表面に良品の繰り返しパターンが形成された良品試料の該表面を偏光光で落射照明し、該表面から反射した光を対物レンズおよび検光子を通して検出した対物レンズの瞳面の像であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第４の手段は、表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する装置であって、
前記試料を載置するステージと、
対物レンズを通して前記試料の表面に偏光光を落射照明する照明光学系と、
前記試料の表面から反射した光を前記対物レンズと、所定の方向に透過軸が設定された検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を検出する検出光学系と、
前記瞳面の像の光軸に対して対称な部分同士を比較して、前記試料の欠陥を検出する検出部を有することを特徴とする欠陥検査装置である。
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段において、前記検出部は、前記瞳面の像の光軸に対して対称な部分同士の光量を比較して、前記試料の欠陥を検出することを特徴とするものである。
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から前記第５の手段のいずれかにおいて、前記照明光学系は、前記試料の表面へ直線偏光光を落射照明することを特徴とするものである。
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第６の手段において、前記検光子の透過軸は、前記直線偏光光の振動方向とクロスニコル条件を満足するように設定されることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から前記第７の手段のいずれかであって、前記照明光学系は、照度均一化ユニット、任意の波長帯域を選択可能な複数の干渉フィルタ、開口絞りを有し、前記対物レンズに対する照明の条件が可変なことを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第９の手段は、前記第１の手段から第８の手段のいずれかであって、前記照明光学系中に、複数の相異なる種類の開口絞りが、それらのうち一つを選択して使用可能なように設けられていることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第１０の手段は、表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する装置であって、
前記試料を載置するステージと、
対物レンズを通して前記試料の表面に直線偏光光を落射照明する照明光学系と、
その照射による前記試料の表面からの反射光を前記対物レンズと検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を検出する検出光学系と、
検出された前記試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像と、対物レンズの瞳面の基準像とを比較して前記試料の欠陥を検出する検出部とを有し、
前記直線偏光光の振動方向及び前記検光子の少なくとも一つを回転させる回転機構を有し、前記直線偏光光の振動方向と前記検光子の透過軸とのなす角が６５°から８９°の範囲内になるように設定することを特徴とする欠陥検査装置である。

前記課題を解決するための第１１の手段は、前記第１０の手段であって、前記検出光学系で検出される光の偏光主軸の回転量が、前記直線偏光光の振動方向と直交する軸に対して１〜２５°であることを特徴とするものである。
前記課題を解決するための第１２の手段は、前記第１０の手段または前記第１１の手段において、前記基準像は、表面に良品の繰り返しパターンが形成された良品試料の該表面を直線偏光光で落射照明し、該表面から反射した光を対物レンズおよび検光子を通して検出した対物レンズの瞳面の像であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第１３の手段は、前記第６の手段から第１２の手段のいずれかであって、前記照明光学系は、光源と、前記光源から出射された光が入射する偏光子と、を有することを特徴とするものである。
前記課題を解決するための第１４の手段は、前記第１の手段から第１３の手段のいずれかであって、前記試料の欠陥検出に際して、前記瞳面の像のうちから感度の高い箇所を採用することを特徴とするものである。

前記課題を解決する第１５の手段は、表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する方法であって、
対物レンズを通して前記試料の表面に直線偏光光を落射照明し、
その照射による前記試料の表面からの反射光を前記対物レンズと、前記直線偏光光の振動方向とクロスニコル条件を満足するように透過軸が配置された検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を取得し、
取得した前記対物レンズの瞳面の像と、予め表面に良品の繰り返しパターンが形成された良品試料を直線偏光光で落射照明して、該表面から反射した光を前記対物レンズおよび前記検光子を通して取得した前記対物レンズの瞳面の像とを比較して、前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法である。

前記課題を解決するための第１６の手段は、前記第１５の手段であって、前記パターンの繰り返しの方向を、前記直線偏光の振動方位から４５°ずらして設定することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第１７の手段は、前記第１５の手段であって、前前記パターンの繰り返しの方向を、前記直線偏光の振動方位から２２．５°又は６７．５°ずらして設定することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第１８の手段は、前記瞳面の像の比較は、前記試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像の放射方向の光量分布と、前記良品試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像の放射方向の光量分布との差であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第１９の手段は、前記第１５の手段から第１８の手段のいずれかであって、前記欠陥の検出は、前記試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像の光量分布と、前記良品試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像の光量分布との差分と、所定の閾値とに基づいて行うことを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第２０の手段は、表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する方法であって、対物レンズを通して前記試料の表面に直線偏光光を落射照明し、
その照射による前記試料の表面からの反射光を前記対物レンズと、前記直線偏光光の振動方向とクロスニコル条件を満足するように透過軸が配置された検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を得て、
当該瞳面の像の光軸に対する対称位置同士の光量又は色相の差に基づいて、前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法である。

前記課題を解決するための第２１の手段は、表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する方法であって、
対物レンズを通して前記試料の表面に直線偏光光を落射照明し、
その照射による前記試料の表面からの反射光を前記対物レンズと、検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を取得し、
取得した前記対物レンズの瞳面の像と、予め表面に良品の繰り返しパターンが形成された良品試料を直線偏光光で落射照明して、該表面から反射した光を前記対物レンズおよび前記検光子を通して取得した前記対物レンズの瞳面の像とを比較して、前記試料の欠陥を検出する欠陥検査方法であって、
前記直線偏光光の振動方向及び前記検光子の少なくとも一つを回転機構により回転させて、前記直線偏光光の振動方向と前記検光子の透過軸とのなす角が６５°から８９°の範囲内になるように設定されてなる欠陥検査方法である。

前記課題を解決するための第２２の手段は、前記第２１の手段であって、前記対物レンズの偏光主軸の回転量が１〜２５°であることを特徴とするものである。

本発明によれば、レジストパターン、エッチング後のパターンに関わらず、被検査基板上のパターン形状の良否を短時間で判別することができる表面検査装置および表面検査方法を提供することができる。

本発明の実施の形態の１例である欠陥検査装置の概要を示す図である。 観察する瞳像の分割の例を示す図である。 本発明の実施の形態の他の例である欠陥検査装置の概要を示す図である。 複数の単位開口絞りを有する開口絞りの例を示す図である。 検光子と偏光子の方位とＬ／Ｓパターンからなるウェハの位置関係を示した図である。 ウェハへの照射光の入射角度と瞳内の場所の関係を説明するための図である。 Ｌ／Ｓレジストパターンの理想形状の模式図である。 Ｌ／Ｓレジストパターンの台形状の模式図である。 Ｌ／Ｓレジストパターンからの正反射光が検光子を透過して瞳内に形成する光量分布を示す図である。 Ｌ／Ｓレジストパターンからの正反射光が検光子を透過して瞳内に形成する光量分布を示す図である。 Ｌ／Ｓレジストパターンからの正反射光が検光子を透過して瞳内に形成する光量分布を示す図である。 瞳の各位置での反射光の振偏光軸方向を示す図である。 ウェハへの光の入射角度と正反射光量との関係を示す図である。 ウェハへの光の入射角度と正反射光量との関係を示す図である。 ウェハへの光の入射角度と正反射光量との関係を示す図である。 Ｌ／Ｓレジストパターン方位角α＝４５°に設定し、波長λ＝５４６ｎｍかつ入射角度６０°において、Ｌ／Ｓレジストパターンからの正反射光が検光子を透過して瞳内に形成する光量を計算により求めた図である。 Ｌ／Ｓレジストパターン方位角α＝４５°に設定し、波長λ＝４３６ｎｍかつ入射角度６０°において、Ｌ／Ｓレジストパターンからの正反射光が検光子を透過して瞳内に形成する光量を計算により求めた図である。 ウェハパターンの回転角度αを２２．５とし、ウェハの異なる場所の測定を行ったときの、瞳半径方向の反射光量分布を示す図である。 ウェハパターンの回転角度αを４５°とし、ウェハの異なる場所の測定を行ったときの、瞳半径方向の反射光量分布を示す図である。 ウェハパターンの回転角度αを６７．５°とし、ウェハの異なる場所の測定を行ったときの、瞳半径方向の反射光量分布を示す図である。 図１に示す装置を用い、ベアウェハを観察したときに得られる観察像を示す図である。

符号の説明

１…光源、２…レンズ、３…照度均一化ユニット、４…開口絞り、４ａ〜４ｅ：単位開口絞り、５…視野絞り、６…レンズ、７…偏光子、８…ハーフミラー、９…対物レンズ、１０…ウェハ、１１…ウェハステージ、１２…検光子、１３…レンズ、１４…ハーフプリズム、１５…レンズ、１６…視野絞り、１７…撮像素子、１８…撮像素子、１９…ハーフミラー、２０…光源

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である欠陥検査装置の概要を示す図である。光源１（例えば、白色ＬＥＤやハロゲンランプなど）から放出された光は、レンズ２、及び干渉フィルタを含む照度均一化ユニット３を介して、開口絞り４、視野絞り５を経て、レンズ６によってコリメートされる。開口絞り４、視野絞り５は、光軸に対して開口部の形状および開口部の位置が変更可能な構造になっている。これにより、照明領域の大きさと位置が可変とされると共に、照明の開口角が可変とされる。

コリメートされた光は着脱可能な偏光子７を経て、ハーフミラー８により反射されて対物レンズ９に導かれ、直交ｘ、ｙ、ｚ３軸方向に移動可能であり、かつｚ軸の回りにθ回転可能なウェハステージ１１上に設置されたウェハ１０を同軸落射照明する（この同軸落射照明の光軸をｚ軸としている）。

ウェハ１０に同軸落射照明された光は、ウェハ１０で反射して再び対物レンズ９にもどり、ハーフミラー８を透過して、着脱可能な検光子１２、レンズ１３を経て、ハーフプリズム１４に入射する。ハーフプリズム１４で反射した光は撮像素子１８にウェハ１０の像を結像し、ハーフプリズム１４を透過した光は、更に、レンズ１５を経て、光軸（ｚ軸）に対してｘ、ｙ軸方向に移動可能な開口形状可変機能を有する視野絞り１６にウェハ１０の像を結像し、撮像素子１７に対物レンズ９の瞳像を結像させる。

図示しない制御装置に、予め撮像素子１７によって撮像された、健全なパターンを有する瞳像を記憶しておき（基準像）、被検査対象である瞳像（検出像）と比較し、その違いを検出することにより欠陥を検出する。

欠陥の検出方法としては、例えば、基準像と検出像の画素毎の輝度の差を比較し、ある画素においてその差が所定の閾値を超えたときに欠陥があると判定するようにしてもよい。比較する画素は、全画素でなくてもよく、後に示すように、光軸を通る所定の線上（放射方向）の画素のみを比較の対象としてもよい。

さらに、欠陥があると、反射光の対称性が崩れ、瞳像の光軸に対して対称な部分同士の輝度又は色相に差が出てくるので、この差を検出することにより欠陥を検出することができる。

又、瞳像の、ウェハへの入射角が４５°である場合に対応する円の内側と外側に分けて、これらの各部分における基準像と検出像の差を検出して、その結果に基づいて欠陥を検出するようにしてもよい。その他、図２（ａ）に示すように、瞳像２１をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｄの各部分に分割して、これらの各部分における基準像と検出像の差を検出して、その結果に基づいて欠陥を検出するようにしてもよく、図２（ｂ）に示すように、瞳像２１中の、円で示す９つの部分における基準像と検出像の差を検出して、その結果に基づいて欠陥を検出するようにしてもよい。なお、図２以下の図面において、前出の図面に示された構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。

なお、欠陥検出の手法として瞳像（対物レンズの瞳面の像）の比較を用いているのは、単なるウェハ面の画像では、パターンのピッチが検査装置の分解能以下となり、欠陥があっても光学的に検出できないからである。

又、視野絞り１６を開口の位置や形状が可変なものとしているのは、ウェハ１０の所望の位置の所望の大きさの領域の情報を検出可能とするためである。さらに、偏光子７と検光子１２は、クロスニコルス条件を満足するように設定されているので、後に示すような対物レンズによる偏光主軸の回転による影響がある場合を除いて、ウェハ１０のパターンにより偏光主軸が回転しない限り、観測される光量が０に近くなる。

この実施の形態においては、開口絞り４により、照明σ（照明のＮＡ／対物レンズのＮＡ）が可変とされている。よって、適当な明るさでウェハ１０を照明することができる。

図３は、本発明の実施の形態の他の例である欠陥検査装置の概要を示す図である。図３に示す欠陥検査装置は、図１に示す欠陥検査装置とは、ハーフプリズム１４を透過した光が撮像素子１８に到達する点と、ハーフミラー１９、光源２０が設けられており、ハーフプリズム１４で反射した光が、ハーフミラー１９で反射されて撮像素子１７に到達する点、視野絞り１６とレンズ１５の位置関係が逆転している点が異なっている。又、開口絞り４は、後に説明するように、複数の相異なる形状をした開口絞りのうち、一つが選択されて光路中に入れられる点も異なっている。その他の点では、図１に示す欠陥検査装置と同じであるので、同じ部分の説明を省略し、相異なる部分のみの説明を行う。

開口絞り４は、例えば、図４に示した単位開口絞り４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅで構成されており、開口絞り４を回転することにより、単位開口絞り４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを選択して使用することが可能である。

単位開口絞り４ａは、図４に示すとおり４箇所の開口からなり、単位開口絞り４ｂは、図４に示すとおり８箇所の開口からなり、単位開口絞り４ｃは図４に示すとおり９箇所の開口からなり、単位開口絞り４ｄは図４に示すとおり中心部を遮光した開口からなり、単位開口絞り４ｅは図４に示すとおり開口のみからなる。そして、各開口の径は、大きさ可変としてもよい。各開口部に光源（例えば、白色ＬＥＤやハロゲンランプなど）を配置してもよい。

ウェハ１０の種類によっては、照明光の入射角を選択し、特別の入射角で入射する照明光のみで照明した方が、欠陥の検出性能が上がることがある。そのため、単位開口絞り４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを逐次選択することにより、照明光の入射角を変えて検査を行い、検出性能が最も良い検査結果を採用すればよい。ウェハの種類によって、予め行った検査により、どの単位開口絞りが最適か分かっている場合には、最初から、その単位開口絞りを使用して検査を行うことができる。

また、ウェハ１０の種類によっては、多くの照明光を照射するとダメージを与えて好ましくないことがある。この場合には、単位開口絞り４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを選択することで、照明光の光量を減らすことができ、ウェハ１０にダメージを与えないようにすることもできる。

又、検査を行う場合に、撮像素子１８で観測されるウェハ１０の像は広い範囲を撮像し、撮像素子１７で観測されるウェハ１０の瞳像は、ウェハ１０の特定の狭い範囲に限定したい場合がある。このような場合には、視野絞り５の開口を大きくしてウェハ１０の広い範囲を照明し、視野絞り１６の開口を小さくして特定の開口位置とし、特定の範囲に視野を絞るようにすればよい。

その場合に、ウェハ１０のどの範囲が、瞳像となって撮像素子１７により観測されているのかが分からない。これに対応するために、この実施の形態においては光源２０を有している。すなわち、光源２０から放出された照明光は、ハーフミラー１９を透過し、視野絞り１６を通ってハーフミラー１４で反射され、レンズ１３、検光子１２、ハーフミラー８、対物レンズ９からなる落射照明光学系を通して、視野絞り１６の像をウェハ１０の表面上に結像する。その像を、撮像装置１８で観測することにより、ウェハ１０のどの範囲が、瞳像となって撮像素子１７により観測されているのかが分かる。光源２０からの光が、検査の支障となる場合には、例えば、光源１と光源２０を切り替えて使用すればよい。又は瞳像となって撮像素子１７により観測されている位置を知るときのみ、光源２０を点灯し、実際の検査時には光源２０を消灯するようにすればよい。

図５は、検光子と偏光子の方位とＬ／Ｓパターンからなるウェハの位置関係を示した図である。図５において、Ｘ軸方向に検光子の方位を、Ｙ軸方向に偏光子の方位を設定し、Ｌ／Ｓパターンの繰り返し方向が、Ｙ軸からＸ軸方向へαだけ回転している。

ここで、ウェハへの照射光の入射角度と瞳内の場所の関係について図６を使って説明する。ウェハへの入射角度０°は、図６の破線で示した矢印のように、瞳上では、瞳中心に位置する。一方、入射角度６４°（ＮＡ＝０．９相当）は、実線で示した矢印のように、瞳上では、瞳最周辺に位置する。従って、入射角度は、瞳上では、瞳内の半径方向場所に対応する。すなわち、瞳内で光軸から同一半径にある位置に結像する光は、ウェハに同一角度で入射した光である。

ＮＡ＝０．９の対物レンズを用いて、４５ｎｍＬ／Ｓレジストパターンからの正反射光が検光子を透過して瞳内に形成する光量分布をベクトル解析手法から求めた一例を次に説明する。

図７は、ベクトル解析を行うにあたって４５ｎｍＬ／Ｓレジストパターンの理想形状の模式図を示しており、レジスト幅Ｌ１＝スペース幅Ｌ２＝４５ｎｍ、レジスト厚さｈ１＝１１０ｎｍ、SiＯ_２厚さｈ２＝１００ｎｍとしている。

図８は、４５ｎｍＬ／Ｓレジストパターンの台形状の模式図であり、例えば、露光装置において、ベストフォーカスから外れて露光されてレジストパターンが台形状の形状変化を起こした場合を想定することができる。この台形状の形状変化を（ｔ１＋ｔ２）／Ｌ１（ｔ１。ｔ２は、それぞれ、台形の左右の斜辺の幅）で数値化すると、理想状態すなわち矩形であれば形状変化は０％となり、三角形であれば形状変化は１００％となる。

図５に示したウェハパターンの回転角度αを４５°とし、波長λ＝５４６ｎｍにおいて、４５ｎｍＬ／Ｓレジストパターンからの正反射光が検光子を透過して瞳内に形成する光量分布を求めたところ、図９Ａ〜図９Ｃに示すような結果が得られた。

図９Ａ〜図９Ｃは、横軸に入射角度、縦軸に正反射光量をとり、形状変化が０％、４０％、８０％のＬ／Ｓパターンを観察したときの両者の関係を折れ線グラフで示したものであり、図９Ａは、図１０に示した瞳内のＯ−Ｕ断面における反射光量、図９Ｂは、図１０に示した瞳内のＯ−ＵＬ断面における反射光量、図９Ｃは、図１０に示した瞳内のＯ−ＵＲ断面における反射光量になる。なお、図９Ａ〜図９Ｃに示したグラフの縦軸のスケールは、形状変化０％のときの、Ｏ−ＵＬ断面の正反射光最大値を１として規格化している。なお、入射角度は、前述のように瞳内では半径に対応するので、図９Ａ〜図９Ｃのデータは、前記各断面の半径を横軸にとったときの正反射分布に対応するものである。

なお、図１０は、瞳の各位置での反射光の偏光主軸方向を矢印で示すものである。偏光軸は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向（Ｒ，Ｌ，Ｕ，Ｄ，Ｏ）では、Ｙ軸方向（偏光子の方位方向）を向いており回転していないが、Ｘ軸、Ｙ軸に対して４５°傾いた方向（ＵＲ．ＬＲ，ＬＬ，ＵＬ）では、瞳の周辺部で約４．５°回転している。

図９Ａ〜図９Ｃから、入射角度が大きくなると反射光量が増えるが、形状変化が大きくなると反射光量が低下することが分かる。よって、正常なＬ／Ｓパターンを有するウェハの反射光量と、被検査体であるウェハの反射光量を比較することにより、形状変化の大きさ、すなわち欠陥の程度が検出可能となる。

また、図９から瞳内の場所によって反射光量が異なり、Ｏ−ＵＬ断面が最も反射光量が大きいことが分かる。しかも、入射角度６０°では、形状変化にともなう反射光量の変化量は、Ｏ−ＵＬ断面で最も大きいことが分かる。よって、偏光子と検光子をクロスニコルスの状態にして、図７、図８に示す構造からなる４５ｎｍＬ／Ｓパターンの形状変化を瞳内で検出する方法においては、波長λ＝５４６ｎｍでは、Ｏ−ＵＬ断面の入射角度６０°付近の光量変化を計測することで感度が高いパターン欠陥検査が可能になる。

図１１Ａ〜図１１Ｃは、横軸にウェハへの光の入射角度、縦軸に正反射光量比をとり、形状変化が０％、４０％、８０％のＬ／Ｓパターンを観察したときの両者の関係を折れ線グラフで示したものであり、図１１Ａは、図１０に示した瞳内のＯ−Ｕ断面における反射光量比、図１１Ｂは、図１０に示した瞳内のＯ−ＵＬ断面における反射光量比、図１１Ｃは、図１０に示した瞳内のＯ−ＵＲ断面における反射光量比になる。なお、図１１は、形状変化０％における正反射光量で規格化している。

図１１Ａ〜図１１Ｃから、形状変化にともなう反射光量比が入射角度と瞳内の場所によって異なることが分かる。Ｏ−ＵＬ断面では、入射角度が大きくなると、形状変化にともなう正反射光量比の変化が小さくなるが、Ｏ−ＵＲ断面では、入射角度が大きくなると、形状変化にともなう正反射光量比の変化が大きくなることが分かる。

このため、偏光子と検光子をクロスニコルスの状態にして、図７、図８に示す構造からなる４５ｎｍＬ／Ｓパターンの形状変化を瞳内で検出する方法においては、波長λ＝５４６ｎｍでは、Ｏ−ＵＲ断面の入射角度６０°付近の光量変化比率を計測することで感度が高いパターン欠陥検査が可能になる。

従って、パターン構造の情報をもとに、予めベクトル解析により形状変化と入射角度をパラメータとして、瞳内の光量分布を求めて、瞳内で形状変化に対する光量変化が大きい場所、または瞳内で形状変化に対する光量変化比率が大きい場所を優先的に選択し、光量変化または、光量変化比率を検出することで高感度な形状欠陥検査ができる。

本実施例では、図７、図８に示した模式図を用いて計算したが、レジスト幅Ｌ１とスペース幅Ｌ２の比率を変えて線幅変化に対する瞳内の光量分布を求めて、瞳内で線幅変化に対する光量変化が大きい場所、または瞳内で線幅変化に対する光量変化比率が大きい場所を優先的に選択し、光量変化または、光量変化比率を検出することで高感度な線幅欠陥検査ができる。

また、レジスト厚さｈ１やSiＯ_２厚さを変えて膜厚変化に対する瞳内の光量分布を求めて、瞳内で膜厚変化に対する光量変化が大きい場所、または瞳内で膜厚変化に対する光量変化比率が大きい場所を優先的に選択し、光量変化または、光量変化比率を検出することで高感度な膜厚欠陥検査ができる。

更に、波長λを変えて計算し、各種欠陥に対して感度が高くなる最適波長λを選択し、瞳内の場所を選択することで高感度な欠陥検査ができる。

たとえば、白色ＬＥＤを光源とし、瞳内の光量分布をカラーＣＣＤで撮像することによりＲＧＢ分割することでも波長選択可能であり、パターン構造をもとに予め計算により最適な瞳位置を選択し、ＲＧＢ比を検出したり、良品パターンの瞳画像と不良品の瞳画像を記憶しておき、瞳像の比較検査により欠陥検査もできる。

いま、偏光子による直線偏光の透過軸をｙ軸とし、検光子の透過軸をｘ軸とした場合、検光子を透過して観察される瞳像の光強度は、図１０の瞳の上下左右のＵ，Ｒ，Ｄ，Ｌにおいては、以下の式で表される。ただし、Aｘは、ｘ方向の振動成分の振幅である。

一方、図１０における瞳の対角方向ＵＲ，ＵＬ，ＬＲ、ＬＬにおいては、対物レンズ９の偏光主軸が±４．５°回転しているため、この回転量をθとし、検光子を透過して観察される瞳像の光強度は、以下の式で与えられる。ただし、Aｘ、Ayは、それぞれ、ｘ方向、ｙ方向の振動成分の振幅であり、δ_ｘ、δ_ｙは、それぞれ、ｘ方向、ｙ方向の振動成分の位相である。

偏光主軸が右回り（時計方向）に回転する場合を＋、左回りを−とすると、ＵＲ、ＬＬにおいては、偏光主軸がθ＝＋４．５°回転しており、ＵＬ、ＬＲにおいては、偏光主軸がθ＝−４．５°回転しているため、Ｕ、Ｒ、Ｄ、Ｌとは異なった光強度になり、更にＵＲ，ＬＬとＵＬ，ＬＲとは異なった光強度になる。このため、パターン形状に応じて瞳内の輝度及び色相の変化が認められ、良品との差分により欠陥検査ができる。

以上において、対物レンズ９の偏光主軸回転量θ＝±４．５°による効果を説明したが、この回転量θの最適な範囲について検討した結果を図１２、図１３に示す。図１２は、波長λ＝５４６ｎｍ、Ｌ／Ｓパターンの周期方向の回転角度をα＝４５°、入射角度を６０°に限定し、横軸に偏光主軸の回転角度、縦軸に正反射光量をとり、偏光主軸の回転角度−２５°〜＋２５°の範囲で、形状変化０％、４０％、８０％の４５nmＬ／Ｓパターンを観察したときの関係を折れ線グラフで示したものである。なお、図１２は、形状変化０％における正反射光量で規格化している。

図１２に矢印で示したＵＬ、ＵＲは、ＮＡ０．９程度の対物レンズ９の偏光主軸回転量±４．５°に対応しており、形状変化に伴う反射光量比の変化量はＵＲが大きいことを示しているが、偏光主軸回転量が−７．５°になると、形状変化に伴う反射光量比の変化量がＵＲよりも更に大きいことがわかった。

図１３は、波長λ＝４３６ｎｍ、Ｌ／Ｓパターンの周期方向の回転角度をα＝４５°、入射角度を６０°に限定し、横軸に偏光主軸の回転角度、縦軸に正反射光量をとり、偏光主軸の回転角度−２５°〜＋２５°の範囲で、形状変化０％、４０％、８０％の４５nmＬ／Ｓパターンを観察したときの関係を折れ線グラフで示したものである。なお、図１３は、形状変化０％における正反射光量で規格化している。

図１３に矢印で示したＵＬ、ＵＲは、ＮＡ０．９程度の対物レンズ９の偏光主軸回転量±４．５°に対応しており、形状変化に伴う反射光量比の変化量はＵＲが大きいことを示しているが、偏光主軸回転量が−１．５°になると、形状変化に伴う反射光量比の変化量がＵＲよりも更に大きいことがわかった。

このため、波長、入射角度及び偏光主軸回転量を選択し、光量変化比率を計測することで感度が高いパターン欠陥検査が可能であり、最適な偏光主軸回転量は１°から２５°であることがわかった。

偏光主軸回転量を可変とするには、対物レンズの各レンズ面に施されている反射防止膜の位相特性がそれぞれ異なる複数の対物レンズを用意し、各対物レンズを切り替えて使用する。また、偏光子と検光子のクロスニコルの関係を崩すことで対応可能であり、偏光子または検光子に光軸中心に回転可能な機構を設け、偏光子又は検光子をその光軸中心に回転させることにより、偏光子の透過軸と検光子の透過軸とのなす角が６５°から８９°の範囲内になるように設定する（これにより、偏光主軸の回転量を１°から２５°にすることができる）ことが望ましい。

瞳内の輝度及び色相の変化を捉える方法としては、光源として、白色ＬＥＤを用い、カラーＣＣＤ撮像素子により可能である。また、瞳内の特定の場所において、輝度及び色相の変化が大きいため、瞳内を分割して分光測光することで瞳内の輝度及び色相の変化を測定し、良品と比較することにより欠陥検査ができる。さらに、パターン形状の非対称性を判別するために、光軸を中心として瞳内の対称な場所を選んで輝度及び色相の変化を測定することが有効である。瞳内の分割は、ウェハへの入射角度４５度を基準として、内側の円と外側の円に分割して輝度及び色相の変化を測定することが有効である。

以上の実施例においては、ウェハパターンの回転角度αを４５°として測定を行った。αが０°又は９０°のとき、ウェハパターンの欠陥があっても、それにより偏光軸の回転が余り現れず、欠陥検出能力が低下する。よって、αをそれらの中間である、４５°とすることにより、ウェハパターンの欠陥による偏光軸の回転が大きくなり、欠陥検出能力が向上すると考えられる。

αを２２．５°、４５°、６７．５°と３段階に変化させて、ウェハ内特定の露光範囲内２箇所（中央部分と最下外周付近）の測定を行った結果を、図１４〜図１６に示す。図１４は、α＝２２．５°、図１５はα＝４５°、図１６は、α＝６７．５°に関するものであり、いずれも図１０の、ＵＬ−ＬＲ方向断面での反射光量分布を示すものである。横軸は、瞳内半径方向位置（ウェハへの入射角度）、縦軸は反射光量を示す。ウェハ内特定の露光範囲２箇所としては、露光装置の投影レンズの露光範囲（矩形領域）の中央部分と最下外周部付近を採用した。

これらの図によると、α＝４５°では、露光範囲内２箇所での光量分布の差はあまり見られないのに対し、α＝２２．５°と６７．５°では、瞳内の周辺部（ウェハへの入射角度の大きい部分）で大きな差が出ていることが分かる。これらの差は、ウェハの各部分におけるＬ／Ｓパターンの微小な違いによるものと考えられるので、α＝２２．５°、６７．５°とすることにより、α＝４５°では検出できなかった欠陥を検出できる可能性があることが分かる。

構造性複屈折を有するパターンからの反射光は、ウェハの厚さｈおよび形状に応じて入射光の振動面に平行な成分（Ｙ軸方向成分）と垂直な成分（Ｘ軸方向成分）との間で位相差、振幅Ax、振幅Ayが変化し、楕円偏光となる。また、ウェハ面へ入射角や波長によっても、入射光の振動面に平行な成分と垂直な成分との間で位相差、振幅Ax、振幅Ayが変化する。

ステージ上にベアウェハをセットし、ＮＡ０．９程度の対物レンズ９を用いて、偏光子の透過軸を瞳内の上下方向に設定し、検光子の透過軸を瞳内の左右方向、つまり互いに直交してクロスニコルス条件が成り立つようにすると、撮像素子１７によって観察される瞳像は図１７に示した中心部が暗黒の４つ葉状となった。

これは、対物レンズ９のＮＡが大きくなるに従って、対物レンズ面への光線の入射角が大きくなり、偏光主軸が回転するために発生する現象である。本実施例では、ＮＡ＝０．９の対物レンズにおいて、瞳の対角方向において最大で約４．５度程度（対物レンズを透過してウェハ面で反射して再び対物レンズを透過して戻る往復光路で）の偏光主軸の回転が発生していることにより、この回転量に応じて検光子から漏れ光が透過し、撮像素子１７で観察される瞳像は、対角方向が明るい像になっている。

次に、構造性複屈折を有するパターン付ウェハをセットし、視野絞り５または視野絞り１６の開口形状および位置を適切に設定し、ウェハ面のパターンの周期方向を偏光子の透過軸に対して回転させながら、ウェハ面からの正反射光を瞳上で観察すると、ベアウェハで暗黒部となっていた部分の輝度及び色相の変化が認められた。

これは、ウェハのパターンからの回折光および正反射光が瞳上で観察されるためであり、特に、視野絞り５または視野絞り１６の開口形状および位置を、検査しようとするパターンが形成されている領域内に設定すると、回折光は観察されず、構造性複屈折により、ウェハに照明した直線偏光光が楕円偏光となって反射して来ることで検光子を透過して撮像素子１７の撮像面にできる瞳内に輝度及び色相の変化が現れる。

例えば、ウェハのパターン周期の方向を偏光子の透過軸に対して４５°方向及び１３５度方向にセットすると、瞳像全体の輝度が高くなった。

更に、ウェハのパターン周期の方向を偏光子の透過軸に対して２２．５度、６７．５度にセットすると、前述のように、パターンプロファイル変化に応じた瞳内の輝度分布変化が最も大きいことが分かった。

また、瞳内の輝度分布は、パターンプロファイル変化に応じて、瞳内の場所によって輝度及び色相の変化が認められた。

Claims (22)

1. 表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する装置であって、
   前記試料を載置するステージと、
   対物レンズを通して前記試料の表面に偏光光を落射照明する照明光学系と、
   前記試料の表面から反射した光を前記対物レンズと、所定の方向に透過軸が配置された検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を検出する検出光学系と、
   検出された前記試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像と、対物レンズの瞳面の基準像とを比較して前記試料の欠陥を検出する検出部と、
   を有することを特徴とする欠陥検査装置。
2. 請求項１に記載の欠陥検査装置において、
   前記検出部は、前記試料の表面から反射した光で形成された対物レンズの瞳面の像に基づく光量と、前記基準像に基づく光量との差に基づいて前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の欠陥検査装置において、
   前記基準像は、表面に良品の繰り返しパターンが形成された良品試料の該表面を偏光光で落射照明し、該表面から反射した光を対物レンズおよび検光子を通して検出した対物レンズの瞳面の像であることを特徴とする欠陥検査装置。
4. 表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する装置であって、
   前記試料を載置するステージと、
   対物レンズを通して前記試料の表面に偏光光を落射照明する照明光学系と、
   前記試料の表面から反射した光を前記対物レンズと、所定の方向に透過軸が設定された検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を検出する検出光学系と、
   前記瞳面の像の光軸に対して対称な部分同士を比較して、前記試料の欠陥を検出する検出部を有することを特徴とする欠陥検査装置。
5. 請求項４に記載の欠陥検査装置において、
   前記検出部は、前記瞳面の像の光軸に対して対称な部分同士の光量を比較して、前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の欠陥検査装置において、
   前記照明光学系は、前記試料の表面へ直線偏光光を落射照明することを特徴とする欠陥検査装置。
7. 請求項６に記載の欠陥検査装置において、
   前記検光子の透過軸は、前記直線偏光光の振動方向とクロスニコル条件を満足するように設定されることを特徴とする欠陥検査装置。
8. 前記照明光学系は、照度均一化ユニット、任意の波長帯域を選択可能な複数の干渉フィルタ、開口絞りを有し、前記対物レンズに対する照明の条件が可変なことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の欠陥検査装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の欠陥検査装置であって、前記照明光学系中に、複数の相異なる種類の開口絞りが、それらのうち一つを選択して使用可能なように設けられていることを特徴とする欠陥検査装置。
10. 表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する装置であって、
    前記試料を載置するステージと、
    対物レンズを通して前記試料の表面に直線偏光光を落射照明する照明光学系と、
    その照射による前記試料の表面からの反射光を前記対物レンズと検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を検出する検出光学系と、
    検出された前記試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像と、対物レンズの瞳面の基準像とを比較して前記試料の欠陥を検出する検出部とを有し、
    前記直線偏光光の振動方向及び前記検光子の少なくとも一つを回転させる回転機構を有し、前記直線偏光光の振動方向と前記検光子の透過軸とのなす角が６５°から８９°の範囲内になるように設定することを特徴とする欠陥検査装置。
11. 前記検出光学系で検出される光の偏光主軸の回転量が、前記直線偏光光の振動方向と直交する軸に対して１〜２５°であることを特徴とする請求項１０に記載の欠陥検査装置。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の欠陥検査装置において、
    前記基準像は、表面に良品の繰り返しパターンが形成された良品試料の該表面を直線偏光光で落射照明し、該表面から反射した光を対物レンズおよび検光子を通して検出した対物レンズの瞳面の像であることを特徴とする欠陥検査装置。
13. 前記照明光学系は、光源と、前記光源から出射された光が入射する偏光子と、を有することを特徴とする請求項６から１２のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。
14. 前記試料の欠陥検出に際して、前記瞳面の像のうちから感度の高い箇所を採用することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。
15. 表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する方法であって、
    対物レンズを通して前記試料の表面に直線偏光光を落射照明し、
    その照射による前記試料の表面からの反射光を前記対物レンズと、前記直線偏光光の振動方向とクロスニコル条件を満足するように透過軸が配置された検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を取得し、
    取得した前記対物レンズの瞳面の像と、予め表面に良品の繰り返しパターンが形成された良品試料を直線偏光光で落射照明して、該表面から反射した光を前記対物レンズおよび前記検光子を通して取得した前記対物レンズの瞳面の像とを比較して、前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。
16. 請求項１５に記載の欠陥検査方法であって、前記パターンの繰り返しの方向を、前記直線偏光の振動方位から４５°ずらして設定することを特徴とする欠陥検査方法。
17. 請求項１５に記載の欠陥検査方法であって、前記パターンの繰り返しの方向を、前記直線偏光の振動方位から２２．５°又は６７．５°ずらして設定することを特徴とする欠陥検査方法。
18. 請求項１５から請求項１７のうちいずれか１項に記載の欠陥検査方法であって、前記瞳面の像の比較は、前記試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像の放射方向の光量分布と、前記良品試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像の放射方向の光量分布との差であることを特徴とする欠陥検査方法。
19. 請求項１５から請求項１８のうちいずれか１項に記載の欠陥検査方法であって、前記欠陥の検出は、前記試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像の光量分布と、前記良品試料の表面から反射した光で形成された前記対物レンズの瞳面の像の光量分布との差分と、所定の閾値とに基づいて行うことを特徴とする欠陥検査方法。
20. 表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する方法であって、対物レンズを通して前記試料の表面に直線偏光光を落射照明し、
    その照射による前記試料の表面からの反射光を前記対物レンズと、前記直線偏光光の振動方向とクロスニコル条件を満足するように透過軸が配置された検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を得て、
    当該瞳面の像の光軸に対する対称位置同士の光量又は色相の差に基づいて、前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。
21. 表面に繰り返しパターンが形成された試料の欠陥を検査する方法であって、
    対物レンズを通して前記試料の表面に直線偏光光を落射照明し、
    その照射による前記試料の表面からの反射光を前記対物レンズと、検光子とを通して前記対物レンズの瞳面の像を取得し、
    取得した前記対物レンズの瞳面の像と、予め表面に良品の繰り返しパターンが形成された良品試料を直線偏光光で落射照明して、該表面から反射した光を前記対物レンズおよび前記検光子を通して取得した前記対物レンズの瞳面の像とを比較して、前記試料の欠陥を検出する欠陥検査方法であって、
    前記直線偏光光の振動方向及び前記検光子の少なくとも一つを回転機構により回転させて、前記直線偏光光の振動方向と前記検光子の透過軸とのなす角が６５°から８９°の範囲内になるように設定されてなる欠陥検査方法。
22. 前記対物レンズの偏光主軸の回転量が１〜２５°であることを特徴とする請求項２１に記載の欠陥検査方法。