JP5355922B2 - 欠陥検査装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体基板や薄膜基板等の試料の表面および端面に存在する微小な欠陥を高
感度でかつ高速に検査する欠陥検査装置に関する。
半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて、製品の歩留まりを維持・向上するために、半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥の検査が行われている。
該欠陥検査装置およびその方法の従来技術としては、特開平9−304289号公報(特許文献1)、特開2003−240730号公報(特許文献2)及び特開2008−32621号公報(特許文献3)が知られている。
特許文献1には、ウェハの表面を基準とした仰角が30度以下の角度の低角度受光系とこれよりも大きな仰角の高角度受光系とを設け、ウェハをレーザ光により走査して低角度受光系と高角度受光系とがレーザ光の散乱光を受光して走査に対応して異物検出を行い、同じ走査位置において前記高角度受光系のみで検出されたものを結晶欠陥とし、前記低角度受光系で検出されたものを付着異物とするウェハ表面検査装置が記載されている。
また、特許文献2には、ウェハのエッジ部からの散乱光はエッジ部から法線方向に強い指向性を有して分布し、ウェハのエッジ部に存在する異物等の欠陥からの散乱光は顕著な指向性を示さない特性を利用して、1乃至複数の検出光学系を前記エッジ部からの散乱光を受光しないように避けて(前記法線方向から外して)配置するか、または前記エッジ部からの散乱光をフーリエ変換面に配置された空間フィルタで遮光することによって、前記欠陥からの散乱光を検出器で検出する表面検査装置が記載されている。
また、特許文献3には、被検査体の表面に光ビームを走査しながら照射して、前記被検査体からの散乱光を検出する表面検査装置において、前記光ビームの照射位置に対する前記被検査体の相対的移動位置を検出する位置検出手段を備え、該位置検出手段によって検出された前記光ビームの照射位置が前記被検査体のエッジ部に差し掛かる前に散乱光検出用の検出器への前記散乱光の入射を遮る検出器遮蔽手段、又は前記位置検出手段によって検出された前記光ビームの照射位置が前記被検査体のエッジ部に差し掛かる前に照射する光ビームの光路を遮る光路遮断機構、又は前記位置検出手段によって検出された前記光ビームの照射位置が前記被検査体のエッジ部に差し掛かる前に散乱光検出用の検出器の機能を停止する検出器制御手段を備え、散乱光に引き起こされる検出器の劣化を低減することが記載されている。さらに、特許文献3には、前記光ビームが前記被検査体のエッジ部に掛かる時に、エッジ部から生じる散乱光が前記検出器の方に向かって増大しない方向に前記光ビームを走査して行くことが記載されている。
特開平9−304289号公報 特開2001−255278号公報 特開2008−32621号公報
特に半導体基板等の製造において、基板の外周端部(以下エッジ部と呼ぶ)の近傍は、異物の付着、膜の剥れなどによる不良が起きやすい。このようなエッジ部に発生する不良に対して早期/事前に対処するためには、エッジ部での欠陥検査が必要とされている。しかも基板の全面積のうち良品として確保できるチップの総面積を最大化することにより、製造歩留りを向上させることが課題である。
しかしながら、特許文献1にはエッジ部での欠陥検査については考慮されていない。
また、特許文献2に記載された表面検査装置の場合、エッジ部から発生する指向性の強い回折光を受光しないように避ける形で検出光学系を配置するか、またはエッジ部から発生する指向性の強い回折光を空間フィルタで遮光して検出器で検出しないように構成している。また、特許文献3に記載された表面検査装置の場合、位置検出手段によって検出された光ビームの照射位置が被検査体のエッジ部に差し掛かる前に、散乱光検出用の検出器への散乱光(回折光)の入射を遮り、又は光ビームの光路を遮り、又は散乱光検出用の検出器の機能を停止し、エッジ部からの散乱光(回折光)を検出しないように構成している。
しかしながら、特許文献2および3は、基板の表面検査と同様に、基板のエッジ部近傍を高速度で、且つ高感度に検査することについては十分考慮されていなかった。
本発明の目的は、半導体基板や薄膜基板等の基板の表面および端面に存在する微小な欠
陥を高感度でかつ高速に検査できるようにした欠陥検査装置を提供すること
にある。
上記目的を達成するために、本発明は、光源から出射した光を試料上に導いて照野とし
て照明する照明光学系と、該照明光学系によって照明された照野により前記試料上にて発
生した光を複数の方向から集光して該複数の方向ごとに検出信号を得る複数の検出光学系
と、該複数の検出光学系から得られる複数の検出信号を処理して欠陥の存在を判定する信
号処理部とを備えた欠陥検査装置であって、前記試料のエッジ部近傍を検査する際、前記
複数の検出光学系の内前記試料のエッジ部近傍より発生する回折光が入射する検出光学系
において前記入射する回折光の強度を監視して得られた信号に基づいて前記入射する回折
光を遮光手段により遮光するように構成し、前記信号処理部において前記試料のエッジ部近傍から発生する回折光が入射しない検出光学系から得られる検出信号を処理して欠陥の存在を判定することを特徴とする。
また、本発明は、光源から出射した光を試料上に導いて照野として照明する照明光学系
と、該照明光学系によって照明された照野により試料上にて発生した光を複数の方向から
集光して該複数の方向ごとに検出信号を得る複数の検出光学系と、該複数の検出光学系に
よって得られる複数の検出信号を処理して欠陥の存在を判定する信号処理部とを備えた欠
陥検査装置であって、前記試料のエッジグリップ部近傍を検査する際、前記複数の検出光
学系の内前記試料のエッジグリップ部より発生する回折光が入射する検出光学系において
前記回折光の強度を監視して得られた信号に基づいて前記回折光を遮光手段により遮光す
るように構成し、前記試料のエッジグリップ部近傍を検査する際、前記信号処理部において前記試料のエッジグリップ部から発生する回折光が入射しない遮光を必要としない検出光学系から得られる検出信号を処理して欠陥の存在を判定することを特徴とする。
また、本発明は、光源から出射した光を試料上に導いて照野として照明する照明光学系
と、該照明光学系によって照明された照野により前記試料上にて発生した光を複数の方向
から集光して該複数の方向ごとに検出信号を得る複数の検出光学系と、該複数の検出光学
系から得られる複数の検出信号を処理して欠陥の存在を判定する信号処理部とを備えた欠
陥検査装置であって、前記試料のエッジ部近傍及び前記試料のエッジグリップ部近傍を検
査する際、前記複数の検出光学系の内前記試料のエッジ部近傍より発生する回折光と前記
試料のエッジグリップ部より発生する回折光との少なくとも何れかが入射する検出光学系
において前記入射する回折光の強度を監視して得られた信号に基づいて前記入射する回折
光を遮光手段により遮光するように構成し、前記試料のエッジ部近傍及び前記試料のエッジグリップ部近傍を検査する際、前記信号処理部において前記試料のエッジ部近傍及び前記試料のエッジグリップ部から発生する回折光が入射しない遮光を必要としない検出光学系から得られる検出信号を処理して欠陥の存在を判定することを特徴とする。
また、本発明は、光源から出射した光を試料上に導いて偏光照明による照野として照明
する照明光学系と、該照明光学系によって照明された偏光照明による照野により前記試料
上にて発生した光を複数の方向から集光して該複数の方向ごとに検出信号を得る複数の検
出光学系と、該複数の検出光学系から得られる複数の検出信号を処理して欠陥の存在を判
定する信号処理部とを備えた欠陥検査装置であって、前記試料のエッジ部近傍及び前記試
料のエッジグリップ部近傍を検査する際、前記複数の検出光学系の内前記試料のエッジ部
近傍より発生する回折光と前記試料のエッジグリップ部より発生する回折光との少なくと
も何れかが入射する検出光学系において前記入射する回折光の偏光成分を偏光フィルタに
より選択的に遮光するように構成し、前記試料のエッジ部近傍及び前記試料のエッジグリップ部近傍を検査する際、前記信号処理部において少なくとも前記試料のエッジ部近傍及び前記試料のエッジグリップ部から発生する回折光が入射しない検出光学系から得られる検出信号を処理して欠陥の存在を判定することを特徴とする。
本発明によれば、基板の表面検査と同様に、基板のエッジ部近傍を高感度に検査することが可能となる。
本発明の実施形態の構成を図1で説明する。照明光学系101、検出光学系102a、102b、ウェハ1を載置可能なステージ103、信号処理部105、全体制御部53、表示部54から構成される。
照明光学系101はレーザ光源2、アッテネータ3、偏光素子4、ビームエキスパンダ7、照度分布制御素子5、反射ミラーm1、m2、集光光学系(集光レンズ)6より構成される。レーザ光源2から射出されたレーザ光は、アッテネータ3で所望のビーム強度に調整され、偏光素子4で所望の偏光状態に調整され、ビームエキスパンダ7で所望のビーム径に調整され、反射ミラーmおよび集光レンズ6を介して、ウェハ1の被検査領域に照明される。照度分布制御素子5は、ウェハ1上における照明の強度分布を制御するために用いられる。図1では照明光学系101がウェハ1の法線に対して傾斜した斜方から光を照射する構成を示したが、図1に図示しない別の光路を経由してウェハ1の表面に対して垂直に光を照射することも可能であり、照明の角度は検査対象に応じて切替えることが可能である。
レーザ光源2としては、ウェハ表面近傍の微小な欠陥を検出するには、短波長の紫外または真空紫外のレーザビームを発振し、かつ出力1W以上の高出力のものが用いられる。ウェハ内部の欠陥を検出するには、可視あるいは赤外のレーザビームを発振するものが用いられる。
ステージ103は、ステージ制御部55、並進ステージ11、回転ステージ10、Zステージ(図示せず)からなる。図2に、ウェハ1上の照明領域(照野20)と、回転ステージ10および並進ステージ11の運動による走査方向との関係およびそれによりウェハ1上に描かれる照野20の軌跡を示す。図2では、照明光学系101における照度分布制御あるいは斜方からの照明によって、1方向に長くそれに直交する方向に短い楕円形状に形成された照野20の形状を示す。照野20は、回転ステージ10の回転運動によって、回転ステージ10の回転軸を中心とした円の円周方向S1に、ステージ11の並進運動によって、ステージ11の並進方向S2に走査される。照野20の長手方向が走査方向S2と平行となり、かつ走査方向S2の走査によって回転ステージ10の回転軸を照野20が通過するように、照明光学系101が構成される。Zステージの移動は、ウェハ1の高さ、すなわちウェハ1表面の法線方向の移動に対応する。以上の構成において、走査方向S1の走査によりウェハを1回転する間に、走査方向S2の走査を照野20の長手方向の長さ以下の距離だけ行うことにより、照野がらせん状の軌跡Tを描き、ウェハ1の全面が走査される。
検出光学系102aと102bは互いに異なる方位、角度に発生する散乱光あるいは回折光を集光して検出するよう構成される。図3に検出光学系102aの構成を示す。検出光学系102bの構成要素は検出光学系102aと共通であるため説明は省略する。図7(b)を用いて後述するように、広い角度範囲の散乱光を検出するため、2つの検出光学系102a、102b以外に図1に図示していない、互いに異なる複数の検出光学系が配置される。
検出光学系102aは、集光結像系8、偏光フィルタ13、およびセンサ(検出器)9から構成される。偏光フィルタ13は集光結像系8の光軸A上へ着脱および検光方位の回転が可能であり、ノイズ要因となるウェハラフネス等による散乱光成分、エッジによる回折・散乱光成分を低減する目的で用いる。
照野20の像は集光結像系8によりセンサ9上に結像される。微弱な異物散乱光の検出を可能にするため、センサ9として、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード、イメージインテンシファイアと結合した半導体光検出器などが用いられる。
次に、本発明に係る複数の検出光学系102a、102bによって検出される散乱光の角度成分の関係について図4を用いて説明する。図4(a)は各検出光学系が散乱光を検出する角度範囲を示す説明図で、赤道面がウェハ表面に対応し、ウェハ表面の法線方向を天頂とする半球で示し、走査方向(並進方向)S2を基準とする検出光学系102の光軸の方位角(経度)をφ、天頂からの角度をθとする。検出光学系102によって検出される角度範囲は、半球状の領域Rによって示され、これを赤道面に平行な面に平行投影して表示したのが図4(b1)(b2)である。図4(b1)(b2)には、各検出光学系102が検出する角度範囲を斜線の網掛けで示している。図4(b1)(b2)に示すように、検出光学系102を複数備えて広い角度範囲をカバーするように構成することにより様々な種類の欠陥を検出することが可能である。また、欠陥種や欠陥寸法によって、欠陥散乱光の角度分布が異なるため、様々な角度の散乱光強度を複数の検出光学系102によって同時に検出し、後述する信号処理部105によって処理することで、様々な欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度で行うことが可能である。
図4(b1)は数十nmオーダーの微小寸法から数百nmオーダーの大寸法の異物を検査するのに適した検出光学系102を配置した場合の一実施例を示した図である。微小異物の散乱光は、P偏光照明を行った場合には、低角度に強く出る。そのため、複数の検出光学系102により低角度散乱光成分を全方位に亘って検出することで、ごく微小な欠陥の検出が可能である。さらに、検出光学系102により高仰角に出る散乱光成分を検出することで、高角度の散乱光が強く出る結晶欠陥(COP:Crystal Originated Particle)等のへこみ欠陥も高感度に検査することができる。図4(b2)は個々の検出光学系のNAを大きくとる検出光学系102を配置した場合の一実施例を示した図である。このように、個々の検出光学系のNAを大きくとることで、より微弱な散乱光まで検出することができ、より微小寸法の欠陥の検出に適する。
いずれの構成でも、複数の検出光学系102によって広い角度範囲の散乱光を捉えることで、欠陥によって出る方向が異なる散乱光を検出し、多種の欠陥をロバストに検出することができる。さらに、低仰角と高仰角の散乱光成分を個別に検出することで、異物等の凸欠陥と、COPやスクラッチなどの凹欠陥とを同時に検出し、分類することが可能である。
次に、本発明に係る照明光学系101における照度分布制御素子5の構成と照度分布の制御方法とについて図5及び図6を用いて説明する。図5(a)は照度分布制御素子5として透過型光学素子を用いた場合の構成を示す図である。即ち、レーザ光源2から発し、前述の照明光学系101の構成により所望の強度、偏光、ビーム径に調整されたレーザ光41は、照度分布制御素子5を透過し、集光光学系6を介してウェハ1上に導かれる。照度分布制御素子5は全体制御部53からの信号を受けたコントローラ14より制御される。図5(b)は照度分布制御素子5として反射型光学素子を用いた場合の構成を示す図である。また、照度分布制御素子5としては、透過する光の光軸に垂直な面内の、二次元的(図5(c)に示す)、あるいは一次元的(図5(d)に示す)な位置ごとに、透過する光の強度あるいは位相を変化させる機能を有する光学素子を用いる。そして、照度分布制御素子5の光透過面の像を集光光学系6によりウェハ1上に結像される構成とすることで、照度分布制御素子5により変調された光強度分布の相似形がウェハ1上に投影される。集光光学系6から光軸とウェハ1の上面との交点までの距離、および集光光学系6から照度分布制御素子5の透過面までの距離を共に集光光学系6の焦点距離と等しくすることで、照度分布制御素子5の光透過面における光振幅分布のフーリエ変換像がウェハ1上に投影される。このような構成とすることにより、照度分布制御素子5により与えられる透過率および位相分布に応じた照度分布がウェハ1上に形成される。さらに集光光学系6としてシリンドリカルレンズを用いることで、上記作用を1軸のみに作用させ、もう一方の軸方向にはレーザ光(照明光)を集光させて、走査方向(並進方向)S2には照度分布制御素子5により与えられる透過率および位相分布に応じた照度分布を与え、走査方向(円周方向)S1には短い領域のみを照明することが可能となる。ところで、レーザ光源2から発するレーザ光の照度分布は実質的にガウス分布であるため、照度分布制御素子5を特に作用させない場合には、ビームエキスパンダ7及び集光レンズ6により形状が決まるガウス分布のレーザビームがウェハ上に投影される。
上記のように与えられる透過率分布あるいは位相分布が固定な照度分布制御素子5としては、回折光学素子(DOE)、ホモジナイザー(非球面レンズ、マイクロレンズアレイ、光ファイババンドル、または中空パイプの内面に反射コーティングを施したもの(図5(e)に示す))などがある。また、照度分布制御素子5を、全体制御部53に接続されたコントローラ14によって制御される動的に可変な空間光変調素子(SLM:Spatial Light Modulator)で構成することによって、照野20がウェハ1を走査する前後あるいは走査している間に、照度分布が任意の形状になるよう動的に制御、調整される。動的に可変な空間光変調素子の透過型のものとしては、液晶素子、磁気光学空間光変調素子などがあり、反射型のものとしては、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、グレーティングバルブ(GLV)、LCOS等の反射型液晶素子などがある。
次に、上記構成により形成される照度分布の実施例について図6を用いて説明する。図6(a)にはレーザ光源2の照度分布が反映された実質的にガウス分布を示し、図6(b)には照度分布制御素子5としてホモジナイザーなどを用いて均一な照度分布を形成した場合を示す。図6(b)に示す均一な照度分布は、高照度レーザ照射によるウェハに対する熱ダメージを抑えつつ、欠陥からの散乱光量を最大化して高感度検査を実現するのに適する。図6(c)には均一照度分布に対して中央の照度を落とした分布を示す。均一照度分布をしたときに発生する温度上昇が照度分布の中央で極大となり、そこでウェハに対する熱ダメージが発生する可能性があるため、図6(c)に示す照度分布は、それを回避しつつ、高感度を実現するのに適した分布である。
次に、本発明に係る、広い角度範囲をカバーする複数の検出光学系によって同時に検出される様々な角度の散乱光強度信号に基づいて様々な欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度に行う信号処理部105について説明する。
まず、信号処理部105を構成するアナログ処理部51について図7を用いて説明する。ここでは簡単のため検出光学系を検出光学系102a、102bの2系統備えた場合のアナログ処理部51の構成について説明する。センサ(検出器)9a、9bの各々から出力された信号電流は、プリアンプ部501a、501bにより各々電圧に変換されて増幅される。該増幅されたアナログ信号は、さらにローパスフィルタ511a、511bにより高周波数のノイズ成分がカットされ、その後、ローパスフィルタ511a、511bのカットオフ周波数より十分高いサンプリングレートを備えたアナログ−デジタル変換部(A/D変換部)502a、502bで、デジタル信号に変換されて出力される。
次に、信号処理部105を構成するデジタル処理部52について図8を用いて説明する。アナログ処理部51からの各々の出力信号は、デジタル処理部52において、ハイパスフィルター604a、604bの各々により欠陥信号603a、603bの各々が抽出され、欠陥判定部605に入力される。欠陥は照野20によりS1方向に走査されるため、欠陥信号の波形は照野20のS1方向の照度分布プロファイルを拡大縮小したものとなる。従って、ハイパスフィルター604a、604bの各々により、欠陥信号波形の含まれる周波数帯域を通し、ノイズが相対的に多く含まれる周波数帯域および直流成分をカットすることで、欠陥信号603a、603bのS/Nが向上する。各ハイパスフィルター604a、604bとしては、特定のカットオフ周波数を持ちその周波数以上の成分を遮断するよう設計されたハイパスフィルター、あるいはバンドパスフィルター、あるいは欠陥信号の波形と相似形を成すFIRフィルタを用いる。欠陥判定部605は、ハイパスフィルター604a、604bの各々から出力された欠陥波形を含む信号の入力に対してしきい値処理を行い、欠陥の有無を判定する。即ち、欠陥判定部605には、複数の検出光学系からの検出信号にもとづく欠陥信号が入力されるので、欠陥判定部605は、複数の欠陥信号の和や加重平均に対してしきい値処理を行うか、または複数の欠陥信号に対してしきい値処理により抽出された欠陥群についてウェハの表面に設定された同一座標系でORやANDを取ることなどにより、単一の欠陥信号に基づく欠陥検出と比較して高感度の欠陥検査を行うことが可能となる。
更に、欠陥判定部605は、欠陥が存在すると判定された箇所について、その欠陥波形と感度情報信号に基づいて算出されるウェハ内の欠陥位置を示す欠陥座標および欠陥寸法の推定値を、欠陥情報607として全体制御部53に提供して表示部54などに出力する。欠陥座標は欠陥波形の重心を基準として算出される。欠陥寸法は欠陥波形の積分値を元に算出される。
さらに、アナログ処理部51からの各々の出力信号は、デジタル処理部52を構成するハイパスフィルター604a、604bに加えて、ローパスフィルター601a、601bの各々に入力され、ローパスフィルター601a、601bの各々において、ウェハ上の照野20における微小ラフネスからの散乱光量(ヘイズ)に対応する周波数の低い成分および直流成分が出力される。このようにローパスフィルター601a、601bの各々からの出力はヘイズ処理部606に入力されてヘイズ情報の処理が行われる。即ち、ヘイズ処理部605は、ローパスフィルター601a、601bの各々から得られる入力信号の大きさからウェハ上の場所ごとのヘイズの大小に対応する信号をヘイズ信号として出力する。また、微小ラフネスの空間周波数分布に応じてラフネスからの散乱光量の角度分布が変わるため、図8に示したように、互いに異なる方位、角度に設置された複数の検出光学系102の各検出器(各センサ)9からのヘイズ信号をヘイズ処理部606への入力とすることで、ヘイズ処理部606からはそれらの強度比などから微小ラフネスの空間周波数分布に関する情報を得ることができる。
ところで、レーザビームの一部がウェハのエッジ部の凸形状にかかると非常に強い回折光が発生し、該発生した非常に強い回折光が広い立体角をカバーする検出光学系102の検出器9に入射するため、検出器9が飽和し、検査が不可能となる。また、過大光の入力により検出器9が劣化、破損する事態も発生しうる。また、強い回折光は、エッジ部においてウェハを保持するグリップの形状によっても発生する。
そこで、本発明は、ウェハのエッジ部近傍の欠陥検査において、エッジ部近傍におけるエッジ回折光強度を検出光学系41及び信号処理部105においてモニタし、エッジ回折光が入射する検出光学系41の検出器のみを遮光し、遮光の必要の無い他の検出光学系102の検出器9を用いて異物の付着、膜の剥れなどによる不良が起きやすいエッジ部近傍まで高感度の欠陥検出を行ってウェハの全面積のうち良品として確保できるチップの総面積を最大化することにより歩留まりを向上させるように構成した。次に、本発明の特徴とする構成の実施の形態について図面を用いて説明する。
まず、本発明に係る照野20がウェハのエッジ部近傍を走査する際、ウェハのエッジ部からの回折光及び散乱光の出方について図9を用いて説明する。図9(a)はウェハを上から見た図であり、走査S1およびS2により照野20がウェハの中央から順に走査されてウェハのエッジ部近傍に近づいた(差し掛かる)状態を示す。図9(b)は照野20がウェハのエッジ部近傍に近づいたウェハの1(断面)を示す。一般にウェハエッジの傾斜部31はベベルと呼ばれ、端面32はアペックスと呼ばれている。ここではレーザ光の照度分布21をガウス分布と仮定し、模式的に示した。照度分布の裾野がエッジ部に差し掛かると、エッジ部、特にベベル境界の角の部分で、エッジ部以外の表面の微小ラフネス散乱光などと比較して強い回折光及び散乱光22が発生する。これは、ナノメートルからオングストロームオーダの微小ラフネスと比べて、ベベル部境界の角の凹凸のスケールがミクロンオーダ以上と非常に大きいためである。エッジ部にて発生する回折光及び散乱光の角度分布を図9(c)に模式的に示す。図9は、図4にて説明した検出光学系の方位、角度表示方法に従う。円周方向の走査S1および並進方向の走査S2によるらせん走査により、ベベル境界線は常に照明方向に対して直交している。従って、図9(c)に示すように、照明光の入射方向、正反射光の出射方向23および天頂を通る面内の方向にエッジ回折光24が発生する。さらにベベル部境界およびベベル部にラフネスや表面あれが存在するため、これによる散乱光25が図9(c)に示すように回折光24の周りに現れる。
ところが、エッジ回折光24は大強度のため、検出光学系102のセンサ(検出器)9に直接入射すると、センサ9の劣化や故障を起こす場合が考えられる。
そこで、本発明の特徴とするセンサ9の劣化や故障を回避する方法の実施の形態について図10及び図11を用いて説明する。
まず、エッジ回折光強度のモニタ手段について図10を用いて説明する。検出光学系102の配置としては、図4(b1)に示した配置の場合について説明する。図10(a)に示すように、エッジ回折光24は複数の検出光学系のうち一部(エッジ回折光が入射する検出光学系をエッジ回折光検出光学系41とする)41に入射される。その結果、エッジ回折光検出光学系41の検出器9で検出された検出信号は信号処理部105を構成するアナログ処理部51を通り、デジタル処理部52のローパスフィルター601から図10(b)(c)に示すエッジ回折光強度信号が得られることになる。なお、図10(b)は、図6(a)に示す照明光(レーザ光)の照度分布がガウス分布の場合を示し、図10(c)は、図6(b)に示す照明光(レーザ光)の照度分布が均一照度分布(かつ、中心から離れた際の照度の落ち込みが急峻な分布)の場合を示す。図10(b)に示すエッジ回折光強度信号は、照明光の照度分布がガウス分布のため、照野20がエッジ部に近づくにつれて強くなる。他方、図10(c)に示すエッジ回折光強度信号は、照明光の照度分布が均一照度分布のため、照野20がエッジ部に近づくと急峻に強くなる。しかも半径方向(並進方向)の走査S2は円周方向の走査S1に対して速度が遅いため、エッジ回折光強度信号の時間変化は緩やかであり、例えばヘイズ処理部606は検出光学系41のヘイズ信号、すなわちローパスフィルター601通過後の信号を観測することでエッジ回折光強度信号を観測することができる。従って、例えばヘイズ処理部606は、検出光学系41のヘイズ信号の強度が予め定めた遮光開始しきい値を超えたかどうかを判定し、超えたところで、後述する図11に示す遮光手段によって強いエッジ回折光の検出光学系41のセンサ9への入射を遮光することで、エッジ回折光によるセンサ9へのダメージを回避することが可能となる。
ところで、図10(c)に示す照明光の照度分布が均一照度分布の場合は、図10(b)に示す照明光の照度分布がガウス分布の場合(一点鎖線で表示)と比較して、ビーム中心から離れた位置での照度が小さい(照度分布の裾野が短い)ため、エッジ部近傍領域Reにおいて、エッジ部から発生する回折光及び散乱光が弱く抑えられる。このため、照明光の照度分布が均一照度分布の場合は、エッジ部近傍領域Reにおいてもウェハ表面と同様の高感度な検査が可能となる。
次に、エッジ検出光学系41の遮光手段について図11を用いて説明する。エッジ検出光学系41は検出光学系120の構成に加え、遮光シャッタ15を備えた構成となっている。遮光シャッタ15は、デジタル処理部52において観測されるエッジ回折光強度信号が予め定めた遮光開始しきい値を超えたと判定された信号を基に遮光シャッタコントローラ16から得られる電気的な切替信号によって、遮光と光透過との切替えが行われる。遮光シャッタ15としては、機械式シャッタ、液晶フィルタ、電気光学素子、音響光学素子などが用いられる。遮光シャッタコントローラ16は、図10に示した処理に基づきデジタル処理部52から出力されるエッジ部回折光強度が一定強度を越えたかどうかの判定信号を受け、エッジ部回折光強度が一定強度を越えたときに遮光シャッタ15を遮光状態に切替えるような信号を出力する。以上により、エッジ部近傍のエッジ回折光による過大光入射が問題になる状況でのみ、センサ保護のための遮光を行うことが可能になる。
次に、本発明に係るウェハを保持するエッジグリップの実施の形態について図12を用いて説明する。即ち、ウェハ裏面の汚染や異物付着を避けるために、エッジ部を外から押さえて保持するエッジチャックが用いられる。このようにエッジチャックにおいてウェハのエッジに接触して該エッジを保持する部分がエッジグリップ81と呼ばれる。該エッジグリップ81を真上から見た状態および断面の模式図を図12(a)に示す。エッジグリップ81の形状において、走査方向S1すなわちウェハ円周方向と実質的に等しい方向の辺(稜)(図12(a)に太線で図示)をエッジグリップ稜83、走査方向S2すなわちウェハ直径方向と実質的に等しい方向の辺(稜)をエッジグリップ稜82とする。そして、照明光が当たるエッジグリップ表面とウェハ表面とが成す角、すなわちエッジグリップ稜82とウェハ表面とが成す角をφeとする。図12(a)に示したように、エッジグリップ81はアペックス32より内側にせり出しているため、エッジ部近傍の検査をする場合には、エッジグリップ81にて生じる回折光及び散乱光も高感度検査を阻害する要因となる。
ところで、照野20がウェハのエッジ部近傍に近づいた際には、エッジ部と同様に、エッジグリップ81からも散乱光及び回折光が発生する。ここで、照明光の一部が当たるエッジグリップ81の表面およびエッジグリップ稜82、83が、凹凸が小さくなるよう研磨されていれば、回折光に対して散乱光の強度が弱くなり、エッジグリップ部81から発生する光のうちエッジグリップ稜82、83からの回折光85、86が支配的となる。図12(b)にはエッジグリップ稜82、83による回折光85、86の出射方向を、図4(a)にて説明した検出光学系の方位、角度表示方法にて示す。エッジグリップ稜83は、ウェハのエッジ境界と同じ方向のため、エッジグリップ稜83からのエッジグリップ回折光86は、図12(b)に示すように、エッジ回折光24と同様に、照明光の入射方向、エッジグリップ表面正反射光の出射方向23’および天頂を通る面内の方向に出射される。一方、エッジグリップ稜82はエッジグリップ稜83と直交する方向であるため、エッジグリップ回折光85は、図12(b)に示すように、エッジグリップ表面正反射光の出射方向23’を通りエッジグリップ回折光86に直交する形で出射される。従って、エッジグリップ回折光85の出射方向は、図12(b)の表示にて、円の中心(天頂方向=ウェハ法線方向が対応)から円周(天頂から90度の方向に対応)の距離を1としたときのエッジグリップ表面正反射光の出射方向23’の位置に対応するkの値によって定まり、この値は以下の計算により求められる。照明光の入射角をφiとすると、エッジグリップ表面正反射光23’の出射角度はφi−2φeとなる。図4(a)に示した定義より、k=sin(φi−2φe)となる。以上より、エッジグリップ81の形状(例えばφe等)および照明光の入射角φiの選択によって、エッジグリップ回折光85の出射方向kを選択することができる。
図12(c)には、エッジグリップ回折光が入射する検出光学系の数を最小化するk1の値を選択した実施例を示す。図12(c)に示すようにk1の値を選択した場合には、エッジグリップ回折光85は検出光学系87のみに入射する。即ち、検出光学系87は図9(c)に示すエッジ回折光24および図12(b)に示すエッジグリップ回折光86も入射する方向にある(エッジ回折光検出光学系41はエッジグリップ回折光検出光学系87を含む。)。従って、エッジ部近傍およびエッジグリップ近傍において、エッジ回折光検出光学系41を図10及び図11に示した手段により選択的に遮光することで、エッジ回折光検出光学系41のセンサへのダメージを回避し、かつ他の検出光学系による欠陥検出を行うことができる。
図12(d)は、エッジグリップ回折光85がいずれの検出光学系にも入射しないk2の値を選択した実施例を示す。この実施例にするには、照明光の入射角φiを大きくする(即ち低仰角の照明を行う)ことと、φeを小さくする(即ちエッジグリップ稜の角度をウェハ表面と平行に近づける)ことが有効である。そこで、何れの検出光学系にもエッジグリップ回折光85を入射させないためには例えばk2>0.95とする必要があり、そのためには(φi−2φe)>72度とする必要がある。そのため、φi=70度ならばφe<−1度、φi=80度ならば、φe<4度となるような形状のエッジグリップを用いる。当然エッジグリップ形状をもとに照明光の入射角φiを設定してもよい。
以上説明したようにエッジ回折光検出光学系41のセンサへのダメージを回避し、かつ他の検出光学系によってエッジ部近傍およびエッジグリップ近傍までの広い面積に亘って高感度の欠陥検出を行ってウェハの全面積のうち良品として確保できるチップの総面積を最大化することにより歩留まりを向上させることが可能となる。
次に、本発明に係るウェハのエッジ部近傍から発生して検出光学系41に入射されるエッジ回折光24及びエッジ部を押さえて保持するエッジグリップ81から発生して検出光学系41(検出光学系87を含む)に入射されるエッジグリップ回折光86を検光(偏光フィルタ)によって除去する実施の形態について図13を用いて説明する。
即ち、細かいラフネス上の微小欠陥を検出する際には、図1に示す照明光学系101により斜方からP偏光照明がウェハ1に対して入射される。照明光の入射面(照明光の入射方向とウェハ法線を含む面)内から見れば、P偏光斜方照明による電場の振動は入射面と平行な方向のみであるため、入射面内の方向に発する散乱光・回折光の振動方向も入射面と平行な方向となる(図13(a)では横方向)。そのため、上記エッジ回折光24及び上記エッジグリップ回折光86が入射される検出光学系41(検出光学系87を含む)において、この方向の偏光を遮断するような偏光フィルタ13を用いることで、エッジ回折光24及びエッジグリップ回折光86を遮光することができる。
他方、比較的粗いラフネス上の欠陥を検出する際には、図1に示す照明光学系101により照明光としてS偏光斜方照明が用いられる。この場合、ウェハのエッジ部近傍から発生するエッジ回折光24及びエッジグリップ81から発生するエッジグリップ回折光86の偏光方向は、P偏光斜方照明によるエッジ回折光24及びエッジグリップ回折光86の偏光方向と直交する方向となる(図13(b)では縦方向)。そのため、上記エッジ回折光24及び上記エッジグリップ回折光86が入射される検出光学系41(検出光学系87を含む)において、この方向の偏光を遮断するような偏光フィルタ13を用いることで、上記エッジ回折光24及び上記エッジグリップ回折光86を遮光することができる。
以上説明したように、細かいラフネス上の微小欠陥を検出する場合と比較的粗いラフネス上の欠陥を検出する場合との各々において、検出光学系41(検出光学系87を含む)に、照明偏光とクロスニコルになるように検光子(偏光フィルタ)13を配置することで、エッジ回折光24およびエッジグリップ回折光86を選択的に遮光することができる。このとき、検出光学系41(検出光学系87を含む)において、欠陥からの散乱光は欠陥の形状や材質によって偏光状態が乱れるため、偏光フィルタ13を透過して検出される。勿論、他の検出光学系には検光子13が配置されないので、エッジ部近傍およびエッジグリップ近傍までの広い面積に亘って欠陥を高感度で検出することが可能となる。
次に、本発明の特徴としているウェハ表面のずれ(傾斜角度ずれ及び高さずれ)による照野の位置ずれを補正して照野が検出光学系の視野から外れて検査感度が低下することを防止する照野位置ずれ測定手段(エッジ断面形状プロファイル計測手段)及び照野位置補正手段について図14及び図15を用いて説明する。図14は本発明に係る照野位置ずれ測定手段(ウェハ断面形状プロファイル計測手段)の一実施の形態を示す概略構成図であり、図15は本発明に係る照野位置補正手段の一実施の形態を示す概略構成図である。ところで、照明光による正反射光の出射角度及び出射位置(例えば23、23’)は、ウェハ表面(エッジ近傍も含め)の傾斜角度及び高さの変化によって変化することになる。そこで、本発明に係る照野位置ずれ測定手段(ウェハ断面形状プロファイル計測手段)は、図14に示すように、焦点距離fの集光レンズ203と、位置検出器204と、ハーフミラー201と、位置検出器202と、処理回路205とを備えて構成される。上記集光レンズ203は、照明光の正反射光が通過する光路上でウェハ表面からの距離がfより十分大となる位置に設置される。上記位置検出器204は、上記集光レンズ203から距離fの位置に検出面が設置され、ウェハ表面の傾斜角度及び高さの変化による正反射光の角度変化(角度ずれ)を位置の変化として検出する。上記位置検出器202は、上記ハーフミラー201によって折り返された正反射光の光路上に設置され、正反射光の角度ずれと該正反射光のウェハ上における出射位置のずれ(即ち照野20の位置ずれ)とを合わせて検出する。上記処理回路205は、上記位置検出器202によって検出された正反射光の角度ずれ及び照野20の位置ずれから、位置検出器204によって検出された正反射光の角度ずれを差し引く処理を行うことで、照野20の位置ずれ量を算出する。そして、処理回路205で得られた照野20の位置ずれ信号は全体制御部53に入力されて、sin(φi)で除算することでウェハ表面の高さの変化量に変換される。全体制御部53はさらに走査方向(並進方向)S2の走査位置Rごとにウェハ表面高さの変化量を記録することで、ウェハ表面からエッジ部にかけてのウェハ断面形状プロファイルが求められる。このように全体制御部53で得られたウェハ断面形状プロファイルは表示部54に例えばグラフとして表示される。
ところで、ウェハ表面の高さずれによって照野20の位置がずれて検出光学系の視野から外れると、検査感度が低下することになる。これを防ぐために、照野位置ずれ測定手段(ウェハ断面形状プロファイル計測手段)で得られる照野20の位置ずれ測定値に基づき、図15に示す照野位置補正手段により照野の位置を補正する必要がある。即ち、照明光学系101に備えられた照野位置補正手段は、照明光学系101の光路中に、ビーム偏向素子211、集光レンズ212及びミラー213(m2)を設置して構成される。照明光はビーム偏向素子211により角度制御を受けたのち、ミラー213(m2)にて反射し、ウェハ1上に導かれる。そして、照野位置補正コントローラ214によってビーム偏向素子211による偏向の大きさを制御することで、ビーム位置が制御される。即ち、照野位置補正用コントローラ214は、処理回路205(全体制御部53も含む)から得られた照野20の位置ずれ量(位置ずれ測定値)に基づき、照野位置を元に戻すようビーム偏向素子211を制御することにより、各検出光学系の散乱光検出角度範囲に対する照野20の位置、即ち正反射光の出射角度及び出射位置(例えば23、23’)は、ウェハ表面(エッジ近傍も含め)の傾斜角度及び高さの変化に合うように補正され、その結果検出光学系41(検出光学系87を含む)においてはエッジ回折光24及びエッジグリップ回折光86を遮光し、他の検出光学系においてはエッジ回折光24及びエッジグリップ回折光85、86の入射をなくして広い角度範囲で散乱光を検出してウェハの表面検査と同様に、ウェハのエッジ部近傍を高感度に検査することが可能となる。
以上説明したように、本発明に係る実施の形態によれば、エッジ形状プロファイル計測手段及び照野位置補正手段を備え、ウェハ表面のずれ(傾斜角度ずれ及び高さずれ)による照野の位置ずれ、即ち正反射光の出射角度及び出射位置(例えば23、23’)のずれを補正することにより、特定の検出光学系においてはエッジ回折光及びエッジグリップ回折光を遮光し、他の検出光学系においては検出器がカバーしている角度範囲を広げ、しかも浅い焦点深度のトレードオフで空間分解能・解像度を高くして検査感度を高めることが可能となる。即ち、本発明に係る実施の形態によれば、照明光学系101による微小レーザビームスポットの走査と複数の検出光学系102による広い立体角で高集光効率の散乱光検出とを行うことで、ウェハの表面検査と同時に、ウェハのエッジ部近傍について数百nmから数十nmオーダーの欠陥を検出可能な高感度検査を実現している。
本発明に係る欠陥検査装置の一実施の形態を示す全体概略構成図である。 本発明に係る試料上の照野の走査方法を示す模式図である。 本発明に係る各検出光学系の概略構成を示す図である。 (a)は本発明に係る各検出光学系が散乱光を検出する角度範囲を示す説明図であり、(b1)及び(b2)は本発明に係る複数の検出光学系の配置を示す模式図である。 (a)(b)は本発明に係る照度分布制御方法を示す模式図であり、(c)〜(e)は本発明に係る照度分布制御素子の構成を示す図である。 本発明に係る照明光学系によって実現される照度分布を示す図である。 本発明に係る信号処理部を構成するアナログ処理部の構成を示すブロック図である。 本発明に係る信号処理部を構成するデジタル処理部の構成を示すブロック図 本発明に係る照野をウェハのエッジ部近傍を走査した際、ウェハのエッジ部において発生する散乱光及び回折光を説明する断面及び平面図である。 (a)は本発明に係るウェハのエッジ部から発生するエッジ回折光が入射される検出光学系を示す図であり、(b)(c)は本発明に係るデジタル処理部のヘイズ処理部でモニタするエッジ回折光の強度信号波形を照明光の照度分布に対応させて示す図である。 本発明に係るエッジ回折光が入射する検出光学系におけるエッジ回折光を遮光する遮光手段の一実施の形態を示す構成図である。 (a)は本発明に係るウェハを保持するエッジグリップを示す断面図であり、(b)は本発明に係るエッジグリップから発生する回折光を説明する平面図、(c)(d)は本発明に係るエッジグリップから発生する回折光が入射される検出光学系を示す平面図である。 (a)は本発明に係るP偏光照明した場合のエッジおよびエッジグリップにおいて発生する回折光の検光(偏光フィルタ)を示す図であり、(b)は本発明に係るS偏光照明した場合のエッジおよびエッジグリップにおいて発生する回折光の検光(偏光フィルタ)を示す図である。 本発明に係る照野位置ずれ測定手段(ウェハ断面形状プロファイル計測手段)の一実施例を示す構成図である。 本発明に係る照野位置補正手段の一実施例を示す構成図である。
符号の説明
1…ウェハ、2…レーザ光源、3…アッテネータ、4…偏光素子、5…照度分布制御素子、6…集光レンズ、7…ビームエキスパンダ、8…集光結像系、9…センサ、10…並進ステージ、11…回転ステージ、13…偏光フィルタ、14…コントローラ、15…遮光シャッタ、16…シャッタコントローラ、20…照野、31…ベベル、32…アペックス、41…エッジ回折光検出光学系、51…アナログ処理部、52…デジタル処理部、53…全体制御部、54…表示部、81…エッジグリップ、101…照明光学系、102…検出光学系、103…ステージ、105…信号処理部、202…位置検出器、203…集光レンズ、204…位置検出器、205…処理回路、211…ビーム偏向器、212…集光レンズ、214…視野位置補正コントローラ、501a,b…プリアンプ部、502a,b…A/D変換部、511a,b…ローパスフィルター、601a,b…ローパスフィルター、604a,b…ハイパスフィルター、605…欠陥判定部、606…ヘイズ処理部、S1…走査方向、S2…走査方向、Re…エッジ部近傍領域。

Claims (5)

  1. 光源から出射した光を試料上に導いて照野として照明する照明光学系と、
    該照明光学系によって照明された照野により前記試料上にて発生した光を複数の方向か
    ら集光して該複数の方向ごとに検出信号を得る複数の検出光学系と、
    該複数の検出光学系から得られる複数の検出信号を処理して欠陥の存在を判定する信号
    処理部とを備えた欠陥検査装置であって、
    前記試料のエッジ部近傍を検査する際、前記複数の検出光学系の内前記試料のエッジ部
    近傍より発生する回折光が入射する検出光学系において前記入射する回折光の強度を監視
    して得られた信号に基づいて前記入射する回折光を遮光手段により遮光するように構成し、前記信号処理部において前記試料のエッジ部近傍から発生する回折光が入射しない検出光学系から得られる検出信号を処理して欠陥の存在を判定することを特徴とする欠陥検査装置。
  2. 光源から出射した光を試料上に導いて照野として照明する照明光学系と、
    該照明光学系によって照明された照野により試料上にて発生した光を複数の方向から集
    光して該複数の方向ごとに検出信号を得る複数の検出光学系と、
    該複数の検出光学系によって得られる複数の検出信号を処理して欠陥の存在を判定する
    信号処理部とを備えた欠陥検査装置であって、
    前記試料のエッジグリップ部近傍を検査する際、前記複数の検出光学系の内前記試料の
    エッジグリップ部より発生する回折光が入射する検出光学系において前記回折光の強度を
    監視して得られた信号に基づいて前記回折光を遮光手段により遮光するように構成し、前記信号処理部において前記試料のエッジグリップ部から発生する回折光が入射しない検出光学系から得られる検出信号を処理して欠陥の存在を判定することを特徴とする欠陥検査装置。
  3. 光源から出射した光を試料上に導いて照野として照明する照明光学系と、
    該照明光学系によって照明された照野により前記試料上にて発生した光を複数の方向か
    ら集光して該複数の方向ごとに検出信号を得る複数の検出光学系と、
    該複数の検出光学系から得られる複数の検出信号を処理して欠陥の存在を判定する信号
    処理部とを備えた欠陥検査装置であって、
    前記試料のエッジ部近傍及び前記試料のエッジグリップ部近傍を検査する際、前記複数
    の検出光学系の内前記試料のエッジ部近傍より発生する回折光と前記試料のエッジグリッ
    プ部より発生する回折光との少なくとも何れかが入射する検出光学系において前記入射す
    る回折光の強度を監視して得られた信号に基づいて前記入射する回折光を遮光手段により
    遮光するように構成し、前記信号処理部において前記試料のエッジ部近傍及び前記試料のエッジグリップ部から発生する回折光が入射しない検出光学系から得られる検出信号を処理して欠陥の存在を判定することを特徴とする欠陥検査装置。
  4. さらに、前記照明光学系により試料上に照明された照野の位置ずれ量を測定する照野位
    置ずれ測定手段を備え、前記照明光学系には、該照野位置ずれ測定手段で測定された照野
    の位置ずれ量に基づいて前記試料上に照明される照野の位置を補正する照野位置補正手段
    を有することを特徴とする請求項1乃至の何れか一つに記載の欠陥検査装置。
  5. 光源から出射した光を試料上に導いて偏光照明による照野として照明する照明光学系と

    該照明光学系によって照明された偏光照明による照野により前記試料上にて発生した光
    を複数の方向から集光して該複数の方向ごとに検出信号を得る複数の検出光学系と、
    該複数の検出光学系から得られる複数の検出信号を処理して欠陥の存在を判定する信号
    処理部とを備えた欠陥検査装置であって、
    前記試料のエッジ部近傍及び前記試料のエッジグリップ部近傍を検査する際、前記複数
    の検出光学系の内前記試料のエッジ部近傍より発生する回折光と前記試料のエッジグリッ
    プ部より発生する回折光との少なくとも何れかが入射する検出光学系において前記入射す
    る回折光の偏光成分を偏光フィルタにより遮光するように構成し、前記信号処理部において少なくとも前記試料のエッジ部近傍及び前記試料のエッジグリップ部から発生する回折光が入射しない検出光学系から得られる検出信号を処理して欠陥の存在を判定することを特徴とする欠陥検査装置。
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