JP5544176B2 - 検査装置および検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板の検査装置に係り、特にウエハを検査する装置に関する。

半導体ウエハの検査装置は、ウエハを回転させながら検査する検査装置と、ウエハをＸＹ方向にスキャンさせて検査する方法の２種類がある。本発明に関する方法は、ウエハを回転させながら半径方向に直線移動させながら、光学的にビームを照射し、ウエハ上で反射してきた散乱光を利用してウエハ上の異物等の欠陥を検出する方法に関するものである。

ウエハの散乱光強度を検出する方法として、回転ステージに取り付けられた角度検出器（エンコーダ）から出力される信号を使用して、検出信号をＡ／Ｄ変換した後、フィルタなどの信号処理を行い、異物・欠陥の大きさや座表を検出している。

ウエハを回転させてらせん状にビームを走査して表面を検査する異物欠陥検査装置は、照射されるビームの形状として半径方向に長い楕円形状のビームが用いられている。

従来技術では、上記楕円形状をした散乱光を一つの光検出器（たとえばホトマル）で検出しウエハ上の異物や欠陥の検出を行っていた。散乱光検出方法としてホトマルなどの代わりにマルチアノードタイプの光検出器を使った事例もあるが、楕円形状のビームの光軸とマルチアノードの方向を合わせる必要があるなど精度の高い光学系の校正が必要になっていた。

特開２００５−３４４７号公報

マルチアノードを用いた検出方法に関する従来例としては、特許文献１（特開２００５−３４４７号公報）記載の光学式検査装置がある。特許文献１によれば、楕円形状のビームの長辺方向にマルチアノードの検出器を配置していることが説明されている。

ウエハを回転させて半径方向を長辺とした楕円形状の光ビームを用いて欠陥を検出する検査装置においては、光ビームの光軸と半径方向の軸を合わせることが必要である。従来は、光軸を観察する光画像検出部と検査に使用する散乱光検出部とは別に配置されており、光軸は、光画像検出部を用いて行い、欠陥検出は散乱光検出部を用いて行っていた。このように二つの別々の検出器を用いると光画像検出部で光軸を調整しても、散乱光検出部では必ずしも光軸合っているとはいえず、欠陥検出位置の精度が向上しないという点には配慮がなされていなかった。

本発明は、散乱光の検出方法としてマルチアノードの検出器を使用し、従来方法で困難であった、楕円ビームの光軸とマルチアノードの一次元センサの受光軸とを合わせる方法を提供することである。

本発明の第１の特徴は、ウエハに楕円形状の第１の光を照射する照射光学系と、ウエハからの第２の光を検出するマルチアノード検出系と、前記マルチアノード検出系の検出結果を用いて、前記第１の光の光軸を調整する調整部とを有することにある。

本発明の第２の特徴は、マルチアノード検出系の検出結果を用いて、検出結果の補正を行う補正部を有することにある。

本発明の第３の特徴は、照射光学系からの第１の光の長辺方向の長さは、搬送系の走査ピッチより長く、マルチアノード検出系の検出素子の長さは、基板からの第２の光の長辺方向の長さより長いことにある。

本発明の第４の特徴は、前記補正部が、前記第１の光の回転補正、または振幅補正を行うことにある。

本発明の第５の特徴は、前記第１の光の強度の分布は、ガウス分布、または半径方向及びθ方向に一定な分布であることにある。

本発明によれば、欠陥検出の精度を向上させることができる。

本発明の欠陥検出方法の構成を示す図。 散乱光とマルチ光検出器の関係を示した図。 ウエハの送りピッチとビーム形状の関係を示す図。 マルチ光検出器で受光した光の信号強度を示す図。 照射光ビームの例を示した図。 マルチ光検出器で検出した信号から二次元画像を生成した場合の例。 半径方向，θ方向にほぼ一定の光強度を持った照射ビームの例。 本発明の第１の実施例としてのシステム構成を示す図。 本発明の第２の実施例としてのシステム構成を示す図。 本発明の第３の実施例としてのシステム構成を示す図。 光ビームの分布計測とＧＵＩ表示の関係を示した図。 本発明の異物・欠陥検査装置の全体構成を示す図。 異物欠陥情報の回転補正を行う方法を示す図。 異物欠陥情報の振幅補正を行う方法を示す図。 二次元の入力データと補正係数の関係を示す図。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。

まずは、半導体ウエハの異物・欠陥検出装置の構成例について説明する。

図１２は、本発明の異物・欠陥検出方法を用いた異物・欠陥検査装置の全体構成を示す図である。被検査物体である半導体ウエハ１はチャック１２０４に真空吸着されており、このチャック１２０４は、回転ステージ１２０６と並進ステージ１２０７から成る被検査物体移動ステージ１２０５，Ｚステージ１２０８上に搭載されている。半導体ウエハ１の上方に配置されている照明・検出光学系１２０１は、照明用及び検出用の光学系である。照明光の光源２にはレーザ光源を用いており、光源２から出た照射ビームは照射レンズ１２０２を通って半径ｒ方向に長い楕円形状のビームを形成し、ウエハ１に照射され、異物あるいは欠陥１２００にあたって散乱してきた光を光検出器１２０３で検出し、電気信号に変換された後増幅回路１２１１に入力される。

被検査物体移動ステージ１２０５は、主走査である回転移動θと副走査である並進移動Ｒを時間と共に組合せて変化させることで、相対的に照明スポットを半導体ウエハ１０１の全表面上で螺旋状に走査させる。

前記回転ステージが１回転する間に、副走査はΔｒだけ移動する。本実施例では、照明スポットの走査は半導体ウエハ１の内周から外周に向かって走査を行うが、逆であっても差し支えない。また、本実施例では、半導体ウエハ１の内周から外周までの全領域で、前記回転ステージ１２０６を概略角速度一定で、かつ前記並進ステージ１２０７を概略線速度一定で駆動させる。その結果、半導体ウエハ１の表面に対する照明スポットの相対移動線速度は、内周に比べて外周で高速となる。被検査物体移動ステージ１２０５には、検査中の主走査座標位置θと副走査座標位置ｒを検出するために、検査座標検出機構１２１４が取り付けてある。本実施例では、主走査座標位置θの検出に光学読み取り式のロータリエンコーダ，副走査座標位置ｒに光学読み取り式のリニアエンコーダを用いているが、共に、高精度で角度または直線上の位置が検出できるセンサであれば、他の検出原理を用いたものでも良い。

増幅回路１２１１の出力をＡＤ変換回路１２１２でディジタル信号に変換し、検査座標検出機構１２１４から出力されるｒとθの座標データを道いて、欠陥検出回路１２１３によって欠陥の大きさと欠陥の位置とを算出し、コントローラ１２１０に出力される。

この構成において、異物あるいは欠陥１２００は照明スポットを通過し、光電子検出器１２０３からは光散乱光信号が得られる。本実施例では光検出器１２０３として光電子増倍管を用いているが、異物からの散乱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。

図１は、本発明の欠陥検出方法の構成を示す図である。

光源２の光ビームは、ウエハ１に照射光ビーム３の形状で照射され、放射状パターン６にあたることによって、散乱光ビーム形状５が発生し、マルチ光検出器４に入力される。

マルチ光検出器４は半径方向に複数の検出素子が配列された一次元の光検出器である。

照射光ビーム３は、ウエハの半径方向に長辺をもつ楕円形状の光ビームを用いている。照射された照射光ビーム３は、異物や欠陥（ウエハ上の凹凸）にあたると散乱光ビーム形状５が発生する。放射状の凹凸やパターンがあると散乱光は、照射ビームの形状を投影した信号となる。したがって、放射状のパターンにビームを照射するとマルチ光検出器では半径方向におけるビーム強度を検出することになる。

図２は、散乱光とマルチ光検出器の関係を示した図である。

ウエハ上の放射状パターンにあたり散乱してきた散乱光ビーム形状５は、図２に示すように楕円形状になっており、等高線に示すようなビーム強度の信号が得られる。

マルチ光検出器４は、光ビームの長辺方向に沿って素子が配列されており、ビーム強度分布７の縦方向１列分のデータ２０４を得ることができる。ウエハが回転することで、放射状パターン上を照射ビームが本図の横方向に走査することになり、マルチ光検出器から得られたデータを一定時間間隔で取り込んでディジタル信号に変換してメモリなどに蓄積することでビーム強度分布７に示すデータ２０１からデータ２０６の信号を二次元の強度分布信号が得られる。照射ビームの長辺方向の長さは、光がウエハをらせん状に走査する走査ピッチ相当になっており、楕円ビームの短辺の大きさは、１０μｍから数１０μｍ程度である。たとえば、１０μｍ幅のビームを一定間隔で取り込んで二次元の強度分布信号を得るために、１０μｍを５分割〜１０分割程度のデータが得られるようにサンプリングする。

図３は、ウエハの送りピッチとビーム形状の関係を示す図である。

ウエハを回転させながら欠陥検査を行う装置は、ウエハ１に照射光ビーム３を照射しながら一定の送りピッチでウエハを移動させ、らせん状に検査を行っていく。図３（ａ）は光ビームが照射されているＡ部分の拡大図である。３０１〜３０３は、一定の送りピッチでウエハを移動させた場合の光ビームが通った（あるいはこれから通る）軌跡である。ウエハの送りピッチすなわち光の走査ピッチはＰとなる。また照射された光ビームの長辺方向の長さをＢ１とすると、Ｂ１＞Ｐの関係を持っている。また、散乱光の長辺方向の長さをＢ２とし、マルチ光検出器の検出素子が配列されている長さをＬとすれば、Ｌ＞Ｂ２の関係が成り立つように構成されている。そうすることによって、楕円光ビームの長辺方向の信号をマルチ光検出器４にて一度に受光し変換できる。

図４は、マルチ光検出器で受光した光の信号強度を示す図である。

照射光ビーム３は、ウエハ上の放射状パターン６を矢印４０４の方向に走査することにより、マルチ光検出器４によって散乱光ビーム形状５が得られる。

照射光の強度は、通常ガウス分布形状をしており、楕円形状ビームの長辺方向（図中のＹ方向，ウエハ上では半径方向）の散乱光ビーム強度のＲ方向波形４０１のようになる。また、短辺方向（図中のＸ方向，ウエハ上では円周（θ）方向）の信号波形は４０２となる。マルチ光検出器４の出力信号としては、出力信号４０３に示すようにそれぞれの検出器から出力信号が得られる。

図５は、照射光ビームの例を示した図である。

図５（ａ）は、図４と同様に照射光がきれいなガウス分布をした散乱光を受講した場合の図であり、ビーム強度の中心がＣ１とビーム中央に位置し、Ｒ方向波形４０１，θ方向出力４０２ともに歪のないガウス分布波形を形成している。図５（ｂ）および図５（ｃ）は、光強度分布が歪んだ場合の例である。図５（ｂ）は、光ビーム強度の中心Ｃ２が楕円ビームの中心になっていない例であり、Ｒ方向出力５０１θ方向出力５０２が、それぞれガウス分布となっておらず歪んだかたちとなっている。照射光ビームが歪んでいると、散乱光も同様なひずみになり、欠陥信号の最大値の位置がずれることになる。ウエハの異物の位置や大きさを検出する場合に、本来ビームの中心位置Ｃ１に異物があったとしても、図５（ｂ）のように光分布が歪んでいると、Ｃ２の位置に検出信号の最大値があることになり、Ｃ２近傍に異物の位置があるように誤検出されることになる。また、図５（ｃ）は照射光ビームが半径方向に対して傾いている場合の波形である。このように光ビームが傾いている場合にも、異物の検出結果の位置が回転方向にずれて検出されるなど、検出位置の精度が悪くなる原因となる。

図６は、マルチ光検出器で検出した信号から二次元画像を生成した場合の例を示す。二次元画像６０４は、マルチ光検出器から検出された信号をθ方向に数個のデータを並べて二次元画像にした信号である。散乱光強度二次元画像６０１は図５（ａ）の光検出信号に相当した画像である。散乱光強度二次元画像６０２は図５（ｂ）の光検出信号に相当したものであり、信号強度の最大値がビームの中心からずれた画像になっている。また、散乱光強度二次元画像６０３は図５（ｃ）の光検出信号に相当したものであり、光ビームが回転した画像になっている。

本発明ではガウス分布の光強度を持つ例について説明してきたが、欠陥検出に使用する照射ビームの多くはガウス分布をした光強度のビームのほかに、半径方向，θ方向に一定（フラット）な光強度を持ったビームを使用する場合もある。

図７は、半径方向，θ方向にほぼ一定の光強度を持った照射ビームの例である。

図７（ａ）は正常な強度一定のビームを照射した場合の検出信号である。強度一定照射ビーム７０１のビーム波形はＲ（半径）方向波形７０２，θ（円周）方向波形７０３が得られる。図７（ｂ）は正常な強度が不均一なビームを照射した場合の検出信号である。強度が不均一な照射ビーム７０４のビーム波形はＲ（半径）方向波形７０５，θ（円周）方向波形７０６が得られる。

このように、強度一定なビームを使用する場合にも、ビームの形状が計測できるため、ビーム強度の補正や照射ビームの回転補正が可能になる。

図８は、本発明の第１の実施例としてのシステム構成を示す図である。

光源１から照射された光ビームは、光軸補正機構８０１を通りウエハ１に照射される。ウエハには放射状パターン６が刻まれており、放射状パターンにあたって反射した散乱光はマルチ光検出器４によって複数の素子によって、それぞれの素子ごとに光信号から電気信号に変換される。電気信号に変換された検出信号は、素子ごとに配置された増幅器１０によって増幅され、それぞれの信号ごとにＡＤ変換器１１によってディジタル信号に変換する。マルチ光検出器から得られたそれぞれの信号は、ＡＤ変換された後、メモリ回路１２に入力され、二次元画像の形として蓄積される。メモリに入力された画像は散乱光検出処理回路１３によって信号処理を行い、コントローラ１４に送信される。散乱光検出処理回路では、散乱光から異物や欠陥位置の検出処理を行うとともに異物の大きさの識別などを行う。さらに、本発明では、散乱光検出処理回路１３において、二次元の画像信号からビームの強度分布情報を算出しその結果をコントローラ１４に送信する。コントローラ１４は、散乱光強度分布の情報から、照射ビームの最大値の大きさや位置情報，半径Ｒを基準とした散乱光の傾き角度情報を求めて、さらに、光軸を調整するためのデータを生成し、光軸調整制御回路８０２を介して光軸補正機構８０１を制御して、照射光ビームが本来のガウス分布の強度で、かつ楕円ビームの長辺が半径方向と一致するように調整する。

図９は、本発明の第２の実施例としてのシステム構成を示す図である。

図８の実施例では、照射ビームの最大値の大きさや位置情報，半径Ｒを基準とした散乱光の傾き角度の検出をコントローラ１４にて行っているが、図９の実施例では、散乱光検出処理回路１３の後段に、二次元の画像信号からビームの中心位置座標検出回路１５とビーム強度分布係数算出回路１７を設け、強度分布係数をコントローラ１４に送信し、コントローラ１４にて欠陥検出位置の補正データを生成し、欠陥位置座標補正回路１６によって、散乱光の光強度の補正や回転の補正を行う。

本実施例は、図８における光軸補正のための回路は図示していないが、光軸補正機構８０１と欠陥位置補正回路１６を併用することで異物や欠陥の位置を高精度に検出することができる。

また、コントローラ１４に送信されたデータをもとにして、ＧＵＩインタフェース２０に光ビームの形状や算出された補正データを表示する。ビーム形状や補正データを表示することでユーザに光ビームの状態を知らせることにより光学系の調整がやりやすくなる。

図１０は、本発明の第３の実施例としてのシステム構成を示す図である。

本実施例では、欠陥位置座標補正回路１６の後段にビーム強度補正回路１８を設けており、ビーム強度分布係数算出回路１７のデータによって特に半径方向の光ビームの歪による信号振幅の補正を行う。欠陥位置座標補正回路１６およびビーム強度補正回路１８の内容については、図１３，図１４にて説明する。

図１１は、光ビームの分布計測とＧＵＩ表示の関係を示した図である。

マルチ光検出器４の出力をそれぞれの検出器ごとに配置された増幅器１０，ＡＤ変換器１１によってディジタル信号に変換して、メモリ回路１２に入力する。

マルチ光信号検出器は、前述したようにウエハ上の放射状パターンから散乱してくる半径方向の一次元のデータをメモリに入れながら、メモリ回路１２には散乱光強度の最大値を中心としたθ方向のデータを蓄積している。メモリには、１１０１に示すような二次元画像データとしてデータが保存される。メモリ回路１２に保存されたデータをコントローラ１４に送信し、コントローラ１４では、ＧＵＩインタフェース（表示装置）２０を用いて光ビーム形状などの表示を行う。

ＧＵＩインタフェース（表示装置）２０における表示の例を２１に示す。ＧＵＩインタフェースでは、光ビームの強度分布に相当する強度の等高線表示１１０１や強度分布データなどから得られた光ビームの補正データの表示を行う。

光ビームデータの補正データの一例としては、回転補正データやレベル（振幅）補正データがある。補正式補正係数の一例を下記に示す。
光ビームの回転補正：
Ｐ（θ）＝Ａｘ＋Ｂｙ …（式１）
ｘ／ｙ…二次元画像のＸＹ座標
Ａ／Ｂ…ｘおよびｙ方向の補正量（補正係数）
レベル（振幅）補正：
Ｚ（ｃ）＝Ｇｚ＋Ｃ …（式２）
ｚ…二次元画像の各ポイントの振幅値
Ｇ／Ｃ…ゲイン補正係数およびシフト補正量

上記の補正データを用いて二次元画像データの各ポイントごとに補正計算を行うことによって、光ビームの回転補正や振幅補正を行う。

図１５は、二次元の入力データと補正係数の関係を示す図である。入力された二次元画像１５０１を用いて、光ビームの中心位置のズレ量や半径方向との回転角データなどを算出し、それを補正するためのデータとして補正係数テーブル１５０２を設ける。補正係数テーブル１５０２は、ビーム形状を包含する二次元の補正係数データテーブル（メモリ）となっており、それぞれのポイントごとに補正係数ｋ１１〜ｋ６１、およびｋ１ｎ〜ｋ６ｎが格納されている。それぞれの補正係数は係数データ１５０３のような内容となっている。係数データ１５０３は、たとえばｋ１１の内容を示すものであり、回転補正（Ａｘ＋Ｂｙ）の係数としてＡ１１，Ｂ１１を、また振幅補正（Ｇｚ＋Ｃ）の係数としてＺ１１，Ｃ１１が格納されている。

図１５で説明した補正係数を用いて、検出された異物や欠陥に対する回転補正や振幅補正を行う。

図１３は、異物欠陥情報の回転補正を行う方法を示す図である。

欠陥位置座標検出回路１９によって、欠陥検出信号１３０２を入力として欠陥１２００の座標を検出する。一方、強度分布係数検出回路１７−１によって、ビーム強度分布補正データ１３０１の中から、回転補正を行うためのデータ（図１５のＡｎ，Ｂｎ）を取り出し、前記欠陥座標検出回路で得られた異物・欠陥座標に相当する回転補正用の係数を取り出し、欠陥位置座標補正回路１６で補正演算を行う。欠陥位置座標補正回路によって回転の補正を行うことによって検出された欠陥位置１３０５が角度θ分だけ補正され真の欠陥位置１３０６に位置情報が補正され、欠陥検出データ１３０３が得られる。

図１４は、異物欠陥情報の振幅補正を行う方法を示す図である。

欠陥位置座標検出回路１９によって、欠陥検出信号１４０２を入力として欠陥１２００の座標を検出する。一方、強度分布係数検出回路１７−２によって、ビーム強度分布補正データ１４０１の中から、振幅補正を行うためのデータ（図１５のＺｎ，Ｃｎ）を取り出し、前記欠陥座標検出回路で得られた異物・欠陥座標に相当する振幅補正用の係数を取り出し、ビーム強度補正回路１８で補正演算を行う。ビーム強度補正回路によって振幅補正を行うことによって検出された欠陥信号１４０５の大きさがゲインＧ分だけ補正され真の欠陥振幅１４０６に補正され、補正された欠陥検出データ１４０３となる。

なお、照射ビームの形状は、楕円形状ではなくスポット形状であっても良い。
また、検査装置の構成は本実施例には限定されず、検出器は、ＣＣＤ等の画素を複数有するセンサであっても良いし、楕円球を用いて散乱光を集光する方式を用いても良い。さらに、検査対象はウエハに限定されず、ハードディスク基板等であっても良い。

１ ウエハ
２ 光源
３ 照射光ビーム
４ マルチ光検出器
５ 散乱光ビーム形状
６ 放射状パターン
７ ビーム強度分布
１０ 増幅器
１１ ＡＤ変換器
１２ メモリ回路
１３ 散乱光検出処理回路
１４ コントローラ
１５ ビームの中心位置座標検出回路
１６ 欠陥位置補正回路
１７ ビーム強度分布係数算出回路
１８ ビーム強度補正回路
１９ 欠陥位置座標検出回路
２０ ＧＵＩインタフェース
２１ ＧＵＩ表示例
４０１ Ｒ方向波形
６０１，６０２，６０３ 散乱光強度二次元画像
７０１ 強度一定照射ビーム
８０１ 光軸補正機構
８０２ 光軸調整制御回路
１２００ 欠陥
１２０３ 光電子検出器
１２０５ 被検査物体移動ステージ
１２０８ Ｚステージ

Claims (4)

1. 基板を検査する検査装置において、
   基板を移動する搬送系と、
   前記基板に照明光を供給し楕円形状の照明領域を形成する照射光学系と、
   前記基板からの光を検出する欠陥検出のための光検出器と、を有し、
   前記光検出器は複数の画素を有しており、さらに、
   前記光検出器の検出結果を用いて、前記照明光の光軸を調整する調整部と、を有し、
   前記照明領域の強度の分布は、ガウス分布、または前記基板上での半径方向及びθ方向において実質的に一定な分布であり、
   前記照明領域の長辺方向の長さは、前記搬送系の走査ピッチより長く、
   前記複数の画素の長さは、前記画素上に結像される前記基板からの光の像の長さより長いことを特徴とする検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記調整部は、前記長辺が前記半径方向と実質的に一致するよう前記照明光を調整することを特徴とする検査装置。
3. 請求項２に記載の検査装置において、
   欠陥の位置を補正する処理部を有することを特徴とする検査装置。
4. 請求項３に記載の検査装置において、
   前記処理部は、欠陥信号の大きさを補正することを特徴とする検査装置。

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