JP5865738B2 - 欠陥検査方法及びその装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体製造工程やフラットパネルデイスプレイ製造工程に代表される薄膜プロセスを経て試料上に形成された微細パターンの欠陥や異物などを光学的に検査する欠陥検査装置に係り、特に微細な欠陥や異物を検出するのに適した照明光学系を備えた欠陥検査方法及びその装置に関するものである。
従来の半導体ウェハ検査装置として、国際公開ＷＯ１９９９／００６８２３号公報（特許文献１）がある。この特許は、レーザ光をウェハ上に線状に照明する方式が記載されている。照明方式は、シリンドリカルレンズやミラーの主面をウェハと平行に配置して、ウェハ上を細長い線状に照明する技術が記載されている。
また、特開平５−２０９８４１号公報（特許文献２）にもウェハ上を線状照明する方式が記載されている。これはレーザ光を回折格子上に集光し、この集光した像をウェハ上に斜方結像する技術が記載されている。
国際公開ＷＯ１９９９／００６８２３号公報 特開平５−２０９８４１号公報
検査対象となる半導体ウェハの例では、品種（メモリ製品、ロジック製品）や配線ノードの世代に応じて、多層構造の層数や層毎の配線材料及び、パターン幅や形状、さらにはパターンを形成する処理工程が異なる。このため、検出したい欠陥は多種多様である。欠陥の代表例は、同一層や異なる層（層間配線）のショートやオープンである。
これらの欠陥を高感度に検出するためには、欠陥像を顕在化した画像を検出し、欠陥判定画像処理をする必要がある。欠陥像のコントラストが高い画像を検出するためには、検出したい欠陥に応じて照明条件と検出条件を適正化する必要がある。
レーザを光源とした装置における照明条件の適正化パラメータとしては、照明の入射角、方位、偏光、線幅が挙げられる。線幅は微細な方が望ましく、他の入射角・方位・偏光については、前述の欠陥種に応じて欠陥像を顕在化する条件が異なる。このため、ウェハの製造工程毎に検出したい欠陥に対応した照明条件を設定することが望ましい。
特許文献１では、シリンドリカルレンズやシリンドリカルミラーを配置してウェハ上を集光照明することが記載されている。集光照明の幅を微細な１〜２μｍ又はそれ以下にする場合、集光照明位置での波面収差を十分抑える必要があるため、シリンドリカルレンズやミラーの曲率や厚さは、特定の入射角や方位に対応させる必要がある。このため、例えば入射角を検査対象に応じて６０度と７０度に変更可能な構成とするには、それぞれの入射角に応じたシリンドリカルレンズやミラーを備え、交換可能な構成とする必要がある。しかし、集光幅１〜２μｍ又はそれ以下にするためにはレンズやミラー面の面精度や交換時の位置決め精度を非常に高くする必要があり、シリンドリカルレンズやミラーの交換に多大な時間が必要になるという課題がある。
特許文献２においても、照明入射角や方位を変更する手段については記載されていない。
また、特許文献１に記載のシリンドリカルレンズやミラーを用いた構成では、ガウス分布の円形レーザ光をシリンドリカルレンズやミラーに斜入射してウェハ上を照明する場合、レンズやミラーに対する入射面と直交する方向の光線がウェハ上の１点に集まらず、入射面方向に広がってしまう。この広がりは、照明条件が集光幅１〜２μｍ、波長３５５ｎｍ、入射角７０度の場合では５〜１０ｍｍ以上になる。このため、必要な照明範囲を１〜２ｍｍに設定したとしても実際の照明範囲は５〜１０ｍｍとなり、必要な照明範囲での照明強度が低下する。従って、照度低下による検査速度の低下を防ぐためには、高価な高出力レーザを使用しなければならない問題がある。
本発明は、従来技術の課題を解決して、検査対象に応じて照明幅が狭い照明光の入射角度の変更を容易にし、かつ照明領域に有効に照明光を照射できるようにして照明の効率を上げることが可能な照明方法とこれを用いた欠陥検査装置を提供するものである。
上記した課題を解決するために、本発明では、欠陥検査装置を、検査対象の試料を載置
するテーブル手段と、このテーブル手段に載置された試料を斜方から照明する照明光学系
手段と、この照明光学系手段により照明光が斜方から照射された試料から発生した散乱光
を集光してこの散乱光による試料表面の像を検出する検出光学系手段と、この検出光学系
手段で散乱光による試料表面の像を検出して得た信号を処理して試料表面の欠陥候補を抽
出する画像処理手段と、テーブル手段と照明光学系手段と検出光学系手段と画像処理手段
とを制御する制御手段とを備えて構成し、照明光学系手段は、光源とシリンドリカルレン
ズとシリンドリカルミラー及びリレーレンズと回折格子パターンピッチが異なる複数の回折格子を有し、シリンドリカルレンズで線状に集光して集光像を回折格子の表面に形成してリレーレンズで集光像が形成された回折格子により発生した回折光のうち高次回折光を集光してこの集光した高次回折光による集光像のパターンを試料表面に結像させることを、シリンドリカルレンズで線状に集光した集光像を形成する位置に設置する回折格子を切り替えることにより、試料表面に結像させる集光像の入射角を変更することを可能にし、光源から発射された光をシリンドリカルレンズとシリンドリカルミラーで線状に集光して集光像を形成し、この集光像をリレーレンズでテーブル手段に載置された試料の表面に斜方から投影してこの試料の表面に結像させることにより試料表面の線状の領域を照明するようにした。
又、上記課題を解決するために、本発明では、一方向に連続的に移動しているテーブル
に載置された試料に斜方から照明光を照射し、この照明光が斜方から照射された試料から
発生した散乱光を集光してこの散乱光による試料表面の像を検出し、この散乱光による試
料表面の像を検出して得た信号を処理して試料表面の欠陥候補を抽出する欠陥検査方法に
おいて、試料に斜方から照明光を照射することを、光源から発射された光をシリンドリカ
ルレンズとシリンドリカルミラーを用いて線状に集光して集光像を回折格子の表面に形成し、この集光像が表面に形成された回折格子により発生した回折光のうち高次回折光を集光し、この集光した高次回折光による集光像のパターンを一方向に連続的に移動しているテーブルに載置された試料の表面に斜方から投影してこの試料の表面に結像させて試料表面の線状の領域を照明することにより行い、集光像を形成する回折格子をこの回折格子に形成されている格子パターンのピッチが異なる回折格子と切り替えることにより、試料表面に結像させる高次回折光の試料表面への入射角度を変更するようにした。
本発明によれば、照明線幅を１〜２μｍ又はそれ以下に微細化すると共に、検査対象欠陥毎に照明光の入射角、方位、偏光を調整することが可能となり、より微細な欠陥の欠陥像の顕在化による検査感度の向上が期待できる。さらに、高価な集光ミラーやレンズを変更することなく、複数の照明入射角に設定可能であり、装置コストを抑制することが可能にある。また、レーザから出力された光を低損失かつ、必要以上に照明領域を広げないことが可能となり、比較的低出力レーザが適用可能なことにより、レーザの低コスト化と照明部品のダメージ抑制が可能となる。
実施例１における欠陥検査装置の概略の構成を示すブロック図である。 実施例１におけるビーム照射部で、比較的光子ピッチが狭い回折格子を用いた場合のビーム照射部の構成を示すブロック図である。 実施例１におけるビーム照射部で、比較的光子ピッチが広い回折格子を用いた場合のビーム照射部の構成を示すブロック図である。 実施例１におけるビーム照射部で、シリンドリカルレンズによる集光像を回折格子の格子面上に形成した場合に回折格子の面内回転による照明入射角と方位の変更の概念を示すビーム照射部の斜視図である。 実施例１におけるビーム照射部で、シリンドリカルレンズによる集光像を回折格子の手前に形成した場合に、回折格子の面内回転による照明入射角と方位の変更の概念を示すビーム照射部の斜視図である。 実施例１におけるビーム照射部で、回折格子として反射型回折格子を用いた場合のビーム照射部の構成を示す斜視図である。 実施例２における欠陥検査装置の概略の構成を示すブロック図である。 実施例２におけるビーム照射部で、ウェハへの照明光の入射角をθ３に設定した場合のビーム照射部の構成を示すブロック図である。 実施例２におけるビーム照射部で、ウェハへの照明光の入射角をθ４に設定した場合のビーム照射部の構成を示すブロック図である。 実施例２におけるビーム照射部の第１の変形例で、シリンドリカルレンズによる集光像が形成される位置に集光像を透過させるためのスリットを設けたビーム照射部の構成を示すブロック図である。 スリット板の正面図である。 スリット板の側面図である。 実施例２におけるビーム照射部の第２の変形例で、凹面ミラーと凸面レンズとで構成したビーム照射部の正面図である。 実施例２におけるビーム照射部の第２の変形例で、凹面ミラーと凸面レンズとで構成したビーム照射部の側面図である。 実施例３における欠陥検査装置の概略の構成を示すブロック図である。 実施例３における欠陥検査装置の検出光学系の低角度散乱光検出光学系の概略の構成を示す低角度散乱光検出光学系の断面図である。 実施例４における欠陥検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
以下に、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
本発明を半導体ウェハのパターンのショート欠陥やオープン欠陥又は異物欠陥などの欠陥を検査する欠陥検査装置１０００に適用した例を、図１乃至図５を用いて説明する。図１に欠陥検査装置１０００の構成を示す。
欠陥検査装置１０００は、検査対象である表面に回路パターンが形成された半導体ウェハ（以下、ウェハと記す）１を載置してＸ−Ｙ平面内及び高さ方向（Ｚ方向）に移動可能なステージ部１３００と、ステージ部１３００に載置されたウェハ１に照明光を照射する照明光学系１１００、照明光が照射されたウェハ１からの散乱光を検出する検出光学系１２００、検出光学系１２００から出力されたウェハ１からの散乱光検出信号を処理する画像処理部１４００、照明光学系１１００と検出光学系１２００及びステージ部１３００の機構部の動きを制御する機構制御部１５００、画像処理部１４００と機構制御部１５００とを制御するシステム制御部１６００、検査の結果や検査条件等を記憶する記憶部１６１０、検査条件を入力し検査の結果を表示する表示する画面を備えた表示部１６２０を備えて構成される。
照明光学系１１００は、レーザ光源１０、レーザ光源１０から発射されたレーザのビーム径を拡大するためのビームエクスパンダ１２、ビームエクスパンダ１２で拡大されたレーザビームを特定の方向に拡大するアナモルフィックプリズム１４、アナモルフィックプリズム１４から出射したレーザビームを反射して光路を変えるミラー１５、ミラー１５で光路を変えられたレーザビームをステージ部１３００に載置されたウェハ１に斜め方向から基板１上の細長い領域（線状領域）３５に照射するビーム照射部１１１０を備えている。ビーム照射部１１１０の構成については、後述する。
ステージ部１３００は、ウェハ1を吸着して保持するチャック２、チャック２を搭載して高さ方向（Ｚ方向）に移動可能なＺステージ３、Ｚステージ３を搭載して平面内でＸ方向に移動可能なＸステージ５、Ｘステージ５を搭載して平面内でＹ方向に移動可能なＹステージ７、Ｙステージ７を搭載するベースプレート８を備えている。ステージ部１３００は、更に、Ｚステージ３とＸステージ５とＹステージ７とのそれぞれの位置を検出する位置センサを備えているが、図示を省略する。
検出光学系１２００は、ステージ部１３００のチャック２に保持されているウェハ１の、照明光学系１１００により照明された領域３５から発生した散乱光のうちウェハ１の上方に散乱した光を捕捉して集光する対物レンズ４０、対物レンズ４０で捕捉されたウェハ１からの散乱光のうち、ウェハ１上に形成された微細な繰り返しパターンからの散乱光により発生する強い回折光を遮光する空間フィルタ４２、空間フィルタ４２で遮光されずに空間フィルタ４２を透過したウェハ１からの散乱光のうち特定の偏光だけを透過させる偏光フィルタ４４、偏光フィルタ４４を透過した特定の偏光を結像させる結像レンズ４５、結像レンズ４５により結像された散乱光の像を検出するイメージセンサ５０を備えている。
画像処理部１４００は、イメージセンサ５０から出力された検出信号（アナログ）を増幅してデジタル信号に変換（Ａ/Ｄ変換）するＡ/Ｄ変換部１４０１、Ａ/Ｄ変換された信号を処理して画像信号を得る信号処理部１４０２、信号処理部１４０２で得られた画像信号を処理して欠陥候補を抽出してこの抽出した欠陥候補の画像特徴量を求める欠陥検出部１４０３を備えている。
上記した構成を備えた欠陥検査装置１０００を用いて、回路パターンが形成された半導体ウェハ１の表面の欠陥を以下のようにして検査する。
検査対象となる半導体ウェハ1はチャック２に吸着され、このチャック２がＺステージ３、Ｘステージ５、Ｙステージ７に搭載されている。Ｘステージ５とＹステージ７による水平方向の運動により、ウェハ１を全面検査する。
照明光学系１１００のレーザ光源１０としては、連続発振レーザを出力するタイプのものであっても、パルス発振レーザを出力するタイプのものであっても何れでもよい。レーザ光源１０の候補としては、波長５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍやガスレーザの２４８ｎｍ（ＫｒＦ）、１９３ｎｍ（ＡｒＦ）、１５７ｎｍ（Ｆ２）がある。
レーザ光源１０で発振されたレーザ光１１は、ビームエクスパンダ１２で所定のビーム径に拡大され、アナモルフィックプリズム１４で特定の方向のみが拡大されて楕円状の光束となる。ここで、特定の方向とはウェハ1上にて、集光される方向である。
楕円状の光束に成形されたレーザ１１は、平面ミラー１５、１６で反射し、ビーム照射部１１１０に入射する。ビーム照射部１１１０に入射した楕円状の光束のレーザは、図２Ａに示すように、シリンドリカルレンズ２０に入射し、一方向が集光された細長い光束となって透過型回折格子２５上に集光する。この集光部での収差を低減し、より細い集光幅とするためには、シリンドリカルレンズ２０の凸面を非球面形状にすることが望ましい。また、シリンドリカルレンズ２０から出射して透過型回折格子２５へ入射するレーザ１１の入射角は垂直照明となる入射角０度あるいは斜入射の何れでもよい。
透過型回折格子２５に入射したレーザ１１のうち、透過型回折格子２５で回折した特定の高次回折光２８がレンズ３１と３３とを含んで構成されるリレーレンズ３０に入射し、透過型回折格子２５の表面に集光された細長い光束により形成された線状の集光ラインがウェハ１上に斜方から入射して、ウェハ１上のＸ方向に長手、Ｙ方向に細い領域（線状領域）３５に結像する。リレーレンズ３０は、両側テレセントリックのリレーレンズである。ウェハ１上の線状領域３５に照射される照明光はＸ方向に長くなるが、リレーレンズ３０にてウェハ１の表面と透過型回折格子２５が共役関係になるように設定することにより、透過型回折格子２５の表面に集光された細長い光束形状がウェハ１上の線状領域３５に投影されてウェハ１を線状の集光照明することができる。
なお、シリンドリカルレンズ２０を透過した光レーザ１１が透過型回折格子２５に入射する角度は、照明に用いる特定の高次回折光２８の回折効率が高くなる入射角に設定することが望ましい。また、透過型回折格子２５の単位長さ当たりの格子本数（または格子ピッチ）はリレーレンズ３０の倍率が等倍の場合には、回折格子の法線から高次回折光が進む角とウェハ１への入射角が一致するように設定すればよい。このため、ウェハ１への入射角を変更したい場合は、回折格子の単位長さ当たりの格子本数（または格子ピッチ）を変更した透過型回折格子２６に図示していない駆動手段を用いて変更すればよい。
さらに、一般的に回折格子は偏光に応じて回折効率が変化する。この回折効率が高いほど照明系としての光利用効率が高くなるため、レーザ光源１０として、安価な低出力レーザを発振する光源を適用することが可能となる。最大の回折効率を得るためには、透過型回折格子２５への入射偏光をＳ偏光あるいはＰ偏光のいずれかにすればよい。この回折効率最大となるように調整したＰ又はＳ偏光を回折格子への入射偏光とする。しかし、ウェハ１上に発生した欠陥を顕在化するためには、欠陥種に応じてＳ/Ｐ/円偏光を変更可能とする必要がある。
そこで、透過型回折格子２５とウェハ１の間に配置されるリレーレンズ３０を構成するレンズ３１と３３との間に１/２波長板や１/４波長板又はそれらの組み合わせで構成されるそれぞれ独立して回転可能な波長板３２を組み込む構成とする。また、回折格子２５の格子ピッチをリレーレンズ３０の解像度と同等あるいはそれ以上に細かくすることにより、ウェハ１上の線状領域３５に照射される照明光に発生する透過型回折格子２５の周期的構造による明暗を低減することができる。
検出光学系１２００では、ウェハ１上の線状領域３５に照射された照明光によりウェハ１の線状領域３５に形成されたパターンや欠陥にて散乱した光のうちウェハ１の上方に散乱した光を対物レンズ４０にて捕捉し、対物レンズ４０のフーリエ変換面に配置した空間フィルタ４２に形成された遮光パターンにより正常パターンからの回折光を遮光する。空間フィルタ４２を透過した光のうち特定の偏光成分の光が偏光フィルタ４４を透過し、結像レンズ４５にてイメージセンサ５０上にウェハ１の暗視野像が結像される。
イメージセンサ５０としては、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)タイプやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）タイプが候補であり、図１に示した構成ではＹステージ７を等速走査させながら連続的に画像を検出する1次元イメージセンサである。この１次元イメージセンサ５０としては、ＴＤＩ（Time Delay Integration）センサや、デュアルラインセンサ等の複数ラインセンサであってもよい。
画像処理部１４００では、ウェハ１の暗視野像を検出したイメージセンサ５０から出力されたアナログ信号をＡ/Ｄ変換部１４０１で増幅してデジタル信号に変換（Ａ/Ｄ変換）し、Ａ/Ｄ変換されたデジタル信号は信号処理部１４０２に入力して画像処理されてデジタルの画像が得られる。このデジタル画像は、欠陥検出部１４０３に送られてダイ比較やセル比較などの画像処理により欠陥候補が抽出され、この抽出された欠陥候補の画像特徴量が算出される。この欠陥候補の位置情報と画像特徴量の情報がシステム制御部１６００に送られる。
システム制御部１６００は、表示部１６２０の画面上に欠陥検査装置１０００に動作を指示するユーザとのＧＵＩ（Graphical User Interface）が表示され、このＧＵＩを介してユーザが検出したい欠陥の情報であったり、記憶部１６１０に記憶されている過去の検査履歴や検査レシピの閲覧が可能となっている。また、画像処理部１４００から送られてきた情報は、記憶部１６１０に記憶される。表示部１６２０に表示されたＧＵＩを介してユーザが指示した命令に応じて、機構制御部１５００を介して、各機構が動作する。制御される機構としては、照明光学系１１００のレーザ光源１０のＯＮ/ＯＦＦ、ビームエクスパンダ１２の拡大率、透過型回折格子２５の交換、波長板ユニット３２の回転角、検出光学系１２００の空間フィルタ４２の遮光パターン、偏光フィルタ４４の回転角および、ステージ部１３００の各ステージの動作や画像処理部１４００への画像取り込みタイミングの指示などがある。
図２Ａ及び図２Ｂに、ビーム照射部１１１０において、透過型回折格子２５と２６とを図示していない切替機構により切り替えることによりウェハ１への照明入射角を変更させる概要を示す。図２Ａにおいて、シリンドリカルレンズ２０に光軸の断面形状が楕円形状に整形されたレーザ１９が入射し、シリンドリカルレンズ２０を透過したレーザ１９は透過型回折格子２５上に線状集光される。透過型回折格子２５を透過した光のうち、リレーレンズ３０の側に回折して照明に用いられる高次回折光と透過型回折格子２５の法線の角度をθ１とする。等倍リレー系３０により、透過型回折格子２５上に線状に集光されたレーザ１９の集光像をウェハ１に入射角θ１で斜方から入射させて、ウェハ１上の線状領域３５に結像（斜方投影）する。
図２Ｂにはウェハ１への入射角を図２Ａの場合に対して小さくする構成を示している。レーザ光１９、シリンドリカルレンズ２０、リレーレンズ３０及び、ウェハ１は図２Ａの場合と同じ配置であり、図２Ａで用いた透過型回折格子２５をそれよりも格子ピッチが大きい透過型回折格子２６に交換している。
ここで、入射レーザ光１９と回折格子法線とのなす角をα、回折光と回折格子法線とのなす角（回折角）をβとすると、以下のような関係式が成り立つ。
Sinα±sinβ＝Ｎmλ …（数１）
Ｎ：１ｍｍあたりの格子本数
ｍ：回折次数（ｍ＝０，±１，±２，…）
λ：波長
図２Ｂに示した透過型回折格子２６は、図２Ａに示した透過型回折格子２６に対して格子本数が少なくなっており（格子間のピッチが大きくなっている）、回折角βが小さくなることにより、高次回折光と回折格子２６の法線のなす角度θ２がθ１よりも小さくなる。この高次回折光を捕捉可能なＮＡ(Numerical Aperture)に設計したリレーレンズ３０にてウェハ１上に斜方投影することにより、ウェハ１を図２Ａの場合に対して高入射角で照明することが可能である。
このように、シリンドリカルレンズ２０により線状に集光されたレーザ１９の集光像をウェハ１上の線状領域３５に結像させるので、シリンドリカルレンズ２０で１〜２μｍ又はそれ以下に細い幅の集光像が形成できれば、照明光のウェハ１への入射角度に関わらずウェハ１上に結像させる線状領域３５の幅も１〜２μｍ又はそれ以下に細くすることができる。これにより、検査のための撮像範囲から外れた検査に関与しない領域への照明光の拡散を防止でき、レーザ光源１０から出力されたレーザ１１をウェハ１上の検査したい領域、即ち検査のための撮像領域に効率良く照射することができる。その結果、ウェハ１上の照明光が照射される線幅が細い線状領域の照明輝度を向上させることができ、より高感度の検査を可能にする。
また、透過型回折格子を格子パターンピッチの異なるものに切り替えることにより、照明光学系１１００や、ビーム照射部１１１０の位置を変更することなく透過型回折格子からの高次回折光のウェハ１上への入射角度を変更することが可能になる。
図３にウェハ１への照明仰角と方位を変更する手段を示す。シリンドリカルレンズ２０に入射するレーザ光１９はアナモルフィックプリズム１４により光軸に垂直な面における断面形状が楕円１８に整形された平行光であり、シリンドリカルレンズ２０により透過型回折格子２５上に線状に集光２７される。シリンドリカルレンズ２０を透過したレーザ１９により発生した回折光のうち高次回折光２８をリレーレンズ３０に入射させて、リレーレンズ３０を構成するレンズ３１，３３にてウェハ１に透過型回折格子２５上に線状に集光された照明光２７の像を等倍結像する。この構成で透過型回折格子２７を格子法線７０を回転中心として矢印７５のように図示していない回転駆動手段を用いて回転させることにより、高次回折光２８の回折方向を変更することが可能である。これにより、ウェハ１上の照明光が照明される領域３５の照明方位をリレーレンズ３０を構成するレンズ３１，３３のＮＡの範囲内で制御可能となる。
図１〜図３ではシリンドリカルレンズ２０に入射したレーザが集光される位置を透過型回折格子２７の格子面近傍にする構成として説明した。しかし、図４に示す通りシリンドリカルレンズ２０による線状集光位置２７と透過型回折格子２５とはシリンドリカルレンズ２０の焦点深度以上に離れていても、集光位置２７とウェハ１の結像関係が保たれていれば、線状集光像をウェハ１に斜方結像することは可能である。このように、集光位置と格子面を空間的に離す事により、格子面に集光するレーザ光のエネルギーを低減することが可能となり、透過型回折格子２５の格子面のダメージを抑制することが可能となる。
図１〜図４では回折格子として透過型回折格子２５を用いた例について説明したが、透過型回折格子２５の代わりに反射型回折格子２９を用いた例を図５に示す。図５に示した構成においては、シリンドリカルレンズ２０を反射型回折格子２９の回折格子が形成された面の側に配置し、図１に示した構成におけるミラー１６を用いず、アナモルフィックプリズム１４で楕円整形されてミラー１５で反射されたレーザ光１９をシリンドリカルレンズ２０に入射させ、反射型回折格子２９の付近に線状集光２７する。照明に用いる高次回折光をリレーレンズ３０の等倍リレー系を構成するレンズ３１，３３により、反射型回折格子２９の付近に集光させた集光像をウェハ１上の線状の領域３５に斜方結像する構成である。
図６に、実施例１で説明したような透過型回折格子２５、２６又は反射型回折格子２９を使用せずにウェハ１上を斜方照明する照明光学系２１００を備えた欠陥検査装置２０００の概略の構成を示す。
照明光学系２１００以外の構成は、図１で説明した欠陥検査装置１０００の構成と同じであるので、図１と同じ番号を付けて、説明を省略する。
照明光学系２１００において、レーザ光源１０で発振されたレーザ光１１は、ビームエクスパンダ１２で所定のビーム径に拡大され、アナモルフィックプリズム１４で特定の方向のみが拡大されて楕円状の光束となる。ここで、特定の方向とはウェハ1上にて、集光される方向である。楕円状の光束に成形されたレーザ１９は、平面ミラー１５、１６で反射し、ビーム照射部２１１０に入射する。ビーム照射部２１１０に入射した楕円状の光束のレーザ１９は、平面ミラー１６に対して図７Ａに示すように配置されたシリンドリカルレンズ２０に入射する。シリンドリカルレンズ２０を透過したレーザ１９は、一方向が集光された細長い光束となって線状集光像９２（中間像）を形成する。この集光部像９２での収差を低減し、より細い集光幅とするためには、シリンドリカルレンズ２０の凸面を非球面形状にすることが望ましい。
集光部像９２を形成した光はレンズ３１と３３とを有してズーム機能を備えたリレーレンズ１００に入射し、線状集光９２の像がウェハ１上の線状の領域３５に斜方結像３５される。ウェハ１上の線状の領域３５は、Ｘ方向に長手、Ｙ方向に細い領域となる。ウェハ１上の照明光が照射される線状の領域３５はＸ方向に長くなるが、リレーレンズ３０にてウェハ１の表面と線状集光３５が共役関係になるように設定することにより、ウェハ１上の線状の領域３５に、シリンドリカルレンズ２０で形成した線状の集光像９２を投影して照明することができる。
リレーレンズ１００からウェハ１上の線状の領域３５に照射される集光照明光のウェハ１への入射角を大きくした場合、平面ミラー１６で反射してシリンドリカルレンズ２０へ入射するレーザ１９の入射角も大きくなる。この場合、シリンドリカルレンズ２０の表面の反射ロスを低減するためには、シリンドリカルレンズ２０へ入射するレーザ１９の偏光をＳ偏光あるいはＰ偏光のいずれか一方を選択して、シリンドリカルレンズ２０の表面に形成する反射防止膜（図示せず）を最適化する必要がある。この表面反射を抑制する偏光を図示していない反射防止膜が形成されたシリンドリカルレンズ２０への入射偏光とする。しかし、ウェハ１上に発生した欠陥を顕在化するためには、欠陥種に応じてＳ/Ｐ/円偏光を変更可能とする必要がある。そこで、リレーレンズ３０の内部に１/２波長板又は１/４波長板又はそれらの組み合わせで構成されるそれぞれ独立して回転可能な波長板３２を組み込む構成とする。
図７Ａ及び図７Ｂにウェハ１に入射する照明光の仰角（照明仰角）を変更する手段を示す。平面ミラー１６とシリンドリカルレンズ２０が集光ユニット９５を構成しており、このユニットは一体構造である。図７Ａはウェハ１への入射角θ３が大きいケース、図７Ｂは入射角θ４が小さいケースである。図７Ａにおいて、平面ミラー１６とシリンドリカルレンズ２０とで構成される集光ユニット９５は、ゴニオメータ９０に搭載されている。
平面ミラー１５で反射されて集光ユニット９５に入射した楕円状の光束１９は平面ミラー１６を反射し、シリンドリカルレンズ２０に入射し、シリンドリカルレンズ２０を出射した楕円状の光束１９が一方向に集光され、線状集光９２を形成する。ゴニオメータ９０は、この線状集光９２とシリンドリカルレンズ２０を出射した楕円状の光束１９の光軸の交差点９４を回転中心として、集光ユニット９５を回転させることが可能な構成となっている。線状の集光像９２を形成した光は、ズーム機能を備えたリレーレンズ１００に入射し、線状集光９２の全域とウェハ１の表面が共役関係になっているウェハ１の表面の線状の領域３５に照射される。
これに対して、図７Ｂに示した構成では集光ユニット９５が回転（紙面において反時計回り）することにより線状の集光像９３も同様に回転する。このとき、線状集光９３を形成する光線はＺ軸とのなす角が大きくなる方向に傾斜する。これにより、ズームレンズ１００を透過した光は、ウェハ１上において入射角θ４が小さくなる。
なお、線状の集光像９３が回転することにより、図７Ａのズーム機能を備えたリレーレンズ１００の倍率のままでは線状の集光像９３とウェハ１が共役関係から外れるため、ズーム機能を備えたリレーレンズ１００（ズーム機能を実現するための構成の図示を省略）にて線状の集光像９３の像をウェハ１に投影する倍率を図７Ａに対して縮小方向に調整する。これにより、線状の集光像９３とウェハ１を共役関係にすることが可能となる。
図８に実施例２の第１の変形例として、機械的に細線形状を形成してウェハ１上に斜方投影する構成を示す。光学系の構成は図６に示した構成と同じであり、シリンドリカルレンズ２０による線状集光位置に線状の開口１１３が形成されたスリット板１１０を配置する。このスリット板１１０の開口１１３の像をリレーレンズ３０にてウェハ１上に斜方投影する。これにより、レーザの揺らぎなどによる線状照明位置や線幅の変動を抑制することができる。
スリット板１１０の構造を図９Ａに正面図を、図９Ｂに側面図を示す。スリット板１１０の基板１１１は紫外光を透過する合成石英で形成されており、遮光部１１２に反射膜や吸収膜などを形成し、スリット状の開口部１１３（幅Ｗ，長さＬ）にはこの膜がない。遮光部１１２に形成する反射膜としては、誘電体多層膜やアルミなどの金属膜があり、吸収膜としても酸化クロムなどが候補である。図９Ａに示した開口部１１３の開口幅Ｗは2〜1μm以下であるため、ホトリソグラフィとエッチング処理により開口パターンを形成することが可能である。
図１０に実施例２の第２の変形例として、リレーレンズ３０やズーム機能を備えたリレーレンズ１００にてウェハ１上に投影する線状の集光像９２の形成手段を示す。楕円整形された平行光１９を凹面シリンドリカルミラー１２０に入射し、この反射光を凸面シリンドリカルレンズ１２５に入射させて線状の集光像９２を形成する。凹面シリンドリカルミラー１２０の反射面の半径に対して、凸面シリンドリカルレンズ１２５の凸面半径をほぼ半分にすることにより、シリンドリカルミラー１２０とシリンドリカルレンズ１２５の入射面と直交する方向の光線がウェハ上の1点に集めることができる。このため、必要以上に線状の集光像９２の長手方向が広がることはなく、照明効率の低下を抑制することが可能となる。
また、シリンドリカルミラー１２０の凹面とシリンドリカルレンズ１２５の凸面の少なくても一方を非球面形状とすることにより線状の集光像を形成する位置での収差を低減し、より微細な集光幅を得ることができる。なお、凹面或いは凸面の非球面化をしなくても、他の光学素子で収差が低減するように波面補正する代替案も考えられる。例としては、図６の平面ミラー１５の非球面化や平行平板（図示せず）の片面を非球面化するなどである。
次に、本発明を表面にパターンが形成されていないウェハ（ベアウェハ）３００１上の表面欠陥や表面に付着した異物を検出する表面検査装置３０００に適用した例を、図１１Ａを用いて説明する。図１１Ａで、実施例１で説明した図１の構成と同じものについては、図１と同じ番号を付している。
図１１Ａに示した表面検査装置は、照明光学系１１００、検出光学系３２００、ステージ部３３００、画像処理部３４００、機構制御部３５００、全体制御部３６００、記憶部３６１０、表示部３６２０を備えている。
上記構成において、照明光学系１１００は実施例１で説明した構成と同じであり、シリンドリカルレンズ２０により透過型回折格子２５の表面に線状に集光された照明光の像が、リレーレンズ３０を介してウェハ３００１の表面の線状領域３０３５に斜方投影されて結像する。
線状に集光された照明光の像が斜方投影されたウェハ３００１表面の線状領域３０３５から発生した散乱光は、検出光学系３２００で検出される。
ウェハ３００１はステージ部３３００のチャック３３０２に吸着され、このチャック３３０２が回転可能なθステージ３３０３、θステージ３３０３を搭載してＸ方向に移動可能なＸステージ３３０４、Ｘステージ３３０４を搭載するベースプレート３３０５を備えている。ステージ部３３００は、θステージ３３０３の回転角度を検出するセンサ、Ｘステージの位置を検出するセンサをそれぞれ備えているが、図示を省略する。
ウェハ３００１はチャック３３０２に吸着され、θステージ３３０３で回転されながらＸステージ３３０４でＸ方向に一定の速度で移動している状態で線状に集光された照明光の像がウェハ３００１表面の線状領域３０３５に斜方投影される。
検出光学系３２００は、ウェハ３００１表面の線状領域３０３５から発生した散乱光のうち、ウェハ３００１の表面から見て低角度方向に散乱した散乱光を検出する低角度散乱光検出光学系３２１０と３２４０、ウェハ３００１の表面から見て高角度方向に散乱した散乱光を検出する高角度散乱光検出光学系３２２０と３２３０とを備えている。
低角度検出光学系３２１０の構成は、図１１Ｂに示すように、ウェハ３００１表面の線状領域３０３５から発生した散乱光のうち低角度検出光学系３２１０の方向に散乱した光を集光する対物レンズ３２１１、対物レンズ３２１１で集光された散乱光によるウェハ３００１表面の線状領域３０３５の散乱光の像を結像させる結像レンズ３２１２、結像レンズ３２１２で形成された線状領域３０３５の散乱光の像を検出する１次元センサ３２１３、全体を包む鏡筒３２１４を備えている。低角度検出光学系３２４０及び高角度散乱光検出光学系３２２０、３２３０も同様の構成を備えている。
低角度散乱光検出光学系３２１０と３２４０及び高角度散乱光検出光学系３２２０と３２３０でそれぞれウェハ３００１表面の線状領域３０３５から発生した散乱光の像を検出した得られたアナログ信号は画像処理部３４００のＡ/Ｄ変換部３４０１に入力して増幅された後にそれぞれデジタル信号に変換され（Ａ/Ｄ変換）る。Ａ/Ｄ変換されたそれぞれの信号は信号処理部３４０２で処理されて画像信号が得られ、それぞれの画像信号は欠陥検出部３４０３で処理されてウェハ３００１上の欠陥候補が検出されと共に、この検出された欠陥候補のウェハ３００１上における位置情報と大きさや長さ、画像の輝度等の特徴量が抽出される。
この検出された欠陥候補の位置情報や特徴量の情報は、システム制御部３６００に送られる。システム制御部３６００での処理及び機構制御部３５００の機能は実施例１で説明したシステム制御部１６００での処理及び機構制御部１５００の機能と同じであるので説明を省略する。
このような構成の表面検査装置３０００で、照明光学系１１００の、シリンドリカルレンズ２０により線状に集光されたレーザ１９の集光像をウェハ１上の線状領域３０３５に結像させるので、シリンドリカルレンズ２０で１〜２μｍ又はそれ以下の細い幅の集光像が形成できれば、照明光のウェハ１への入射角度に関わらずウェハ１上に結像させる線状領域３５の幅も１〜２μｍ又はそれ以下に細くすることができる。これにより、検査のための撮像範囲から外れた検査に関与しない領域への照明光の拡散を防止でき、レーザ光源１０から出力されたレーザ１１をウェハ１上の検査したい領域、即ち検査のための撮像領域に効率良く照射することができる。その結果、ウェハ１上の照明光が照射される線幅が細い線状領域の照明輝度を向上させることができ、より高感度の検査を可能にする。
実施例２で説明した照明光学系を、表面にパターンが形成されていないウェハ（ベアウェハ）３００１上の表面欠陥や表面に付着した異物を検出する表面検査装置４０００に適用した例を、図１２を用いて説明する。図１２で、実施例２で説明した図６の構成又は実施例３で説明した図１１Ａの構成と同じものについては、それぞれ図６又は図１１Ａと同じ番号を付している。
図１２に示した表面検査装置は、照明光学系２１００、検出光学系３２００、ステージ部３３００、画像処理部４４００、機構制御部４５００、全体制御部４６００、記憶部４６１０、表示部４６２０を備えている。
上記構成において、照明光学系２１００は実施例２で説明した構成と同じであり、シリンドリカルレンズ２０により線状に集光された照明光の像９２が、リレーレンズ３０を介してウェハ３００１の表面の線状領域３０３５に斜方投影されて結像する。
実施例２で説明したように、照明光学系２１００の平面ミラー１６とシリンドリカルレンズ２０とは、シリンドリカルレンズ２０により線状に集光された照明光の像９２が形成され利位置を回転の中心とするゴニオメータ９０に搭載されているが、図１２では表示を省略している。
線状に集光された照明光の像が斜方投影されたウェハ３００１表面の線状領域３０３５から発生した散乱光は、検出光学系３２００で検出される。
検出光学系３２００で検出された信号処理以降の操作については実施例３で説明したものと同じであるので、説明を省略する。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、その要旨を逸脱しない範囲である実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の公知の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１，３００１…ウェハ ２，３３０２…チャック ３…Ｚステージ ３３０３…θステージ ５、３３０４…Ｘステージ ７…Ｙステージ ８，３３０５…ベースプレート １０…レーザ光源 １２…ビームエクスパンダ １４…アナモルフィックプリズム ２０…シリンドリカルレンズ ２５…透過型回折格子 ２９…反射型回折格子 ３０…リレーレンズ ３２…波長板 １２００，３２００…検出光学系 ４０，３２１１…対物レンズ ４２…空間フィルタ ４４…偏光フィルタ ４５，３２１２…結像レンズ ５０，３２１３…イメージセンサ １３００，３３００…ステージ部 １４００，３４００…画像処理部 １６００，２６００，３６００，４６００…システム制御部 １５００，２５００，３５００，４５００…機構系制御 １１０…スリット １２０…凹面シリンドリカルレンズ １２５…凸面シリンドリカルレンズ

Claims (12)

  1. 検査対象の試料を載置するテーブル手段と、
    該テーブル手段に載置された試料を斜方から照明する照明光学系手段と、
    該照明光学系手段により照明光が斜方から照射された前記試料から発生した散乱光を集
    光して該散乱光による前記試料表面の像を検出する検出光学系手段と、
    該検出光学系手段で前記散乱光による前記試料表面の像を検出して得た信号を処理して
    前記試料表面の欠陥候補を抽出する画像処理手段と、
    前記テーブル手段と前記照明光学系手段と前記検出光学系手段と前記画像処理手段とを
    制御する制御手段とを備えた欠陥検査装置であって、
    前記照明光学系手段は、光源とシリンドリカルレンズとシリンドリカルミラー及びリレ
    ーレンズと回折格子パターンピッチが異なる複数の回折格子を有し、前記シリンドリカルレンズで線状に集光して集光像を前記回折格子の表面に形成して前記リレーレンズで前記集光像が形成された前記回折格子により発生した回折光のうち高次回折光を集光して該集光した高次回折光による前記集光像のパターンを前記試料表面に結像させることを、前記シリンドリカルレンズで線状に集光した集光像を形成する位置に設置する回折格子を切り替えることにより、前記試料表面に結像させる前記集光像の入射角を変更することを可能にし、
    該光源から発射された光を前記シリンドリカルレンズとシリンドリカルミラーで線状に
    集光して集光像を形成し、該集光像を前記リレーレンズで前記テーブル手段に載置された
    試料の表面に斜方から投影して該試料の表面に結像させることにより前記試料表面の線状
    の領域を照明することを特徴とする欠陥検査装置。
  2. 請求項１において、
    前記照明光学系手段は、前記光源から発射された光を前記シリンドリカルミラーを介し
    て前記シリンドリカルレンズに入射するよう配置されていることを特徴とする欠陥検査装
    置。
  3. 請求項２において、
    前記照明光学系手段のシリンドリカルミラーは凹面であることを特徴とする欠陥検査装
    置。
  4. 請求項３において、
    前記照明光学系手段のシリンドリカルミラーの凹面は非球面であることを特徴とする欠
    陥検査装置。
  5. 請求項１において、
    前記シリンドリカルレンズは凸面形状のシリンドリカルレンズであり、該凸面を非球面
    で形成してあることを特徴とする欠陥検査装置。
  6. 請求項１において、
    前記検出光学系手段は、前記照明光で照明された前記試料表面の線状の領域から発生し
    た散乱光のうち、前記試料表面に対して垂直な方向を含む上方に散乱した散乱光による前
    記試料表面の像を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
  7. 請求項１において、
    前記検出光学系手段は、前記照明光で照明された前記試料表面の線状の領域から発生し
    た散乱光のうち、前記試料表面に対して高角度方向に散乱した散乱光による前記試料表面
    の像を検出する高角度散乱光検出系と、前記試料表面に対して低角度方向に散乱した散乱
    光による前記試料表面の像を検出する低角度散乱光検出系とを備え、
    前記画像処理手段は、前記高角度散乱光検出系で検出した前記高角度方向に散乱した散
    乱光による試料表面の像の検出信号と前記低角度散乱光検出系で検出した前記低角度方向
    に散乱した散乱光による試料表面の像の検出信号とを用いて前記試料表面の欠陥候補を抽
    出することを特徴とする欠陥検査装置。
  8. 一方向に連続的に移動しているテーブルに載置された試料に斜方から照明光を照射し、
    該照明光が斜方から照射された前記試料から発生した散乱光を集光して該散乱光による
    前記試料表面の像を検出し、
    該散乱光による前記試料表面の像を検出して得た信号を処理して前記試料表面の欠陥候
    補を抽出する欠陥検査方法であって、
    前記試料に斜方から照明光を照射することを、光源から発射された光をシリンドリカル
    レンズとシリンドリカルミラーを用いて線状に集光して集光像を前記回折格子の表面に形成し、該集光像が表面に形成された回折格子により発生した回折光のうち高次回折光を集光し、該集光した高次回折光による前記集光像のパターンを前記一方向に連続的に移動しているテーブルに載置された試料の表面に斜方から投影して該試料の表面に結像させて[ることにより]前記試料表面の線状の領域を照明することにより行い、前記集光像を形成する前記回折格子を該回折格子に形成されている格子パターンのピッチが異なる回折格子と切り替えることにより、前記試料表面に結像させる前記高次回折光の前記試料表面への入射角度を変更することを特徴とする欠陥検査方法。
  9. 請求項８において、
    前記試料に斜方から照明光を照射することを、光源から発射された光を該光の光軸に垂
    直な断面の形状を楕円形状に成形し、該楕円形状に成形した光を前記シリンドリカルレン
    ズとシリンドリカルミラーを用いて線状に集光して集光像を形成することを特徴とする欠
    陥検査方法。
  10. 請求項８において、
    前記テーブルは、回転しながら前記一方向に連続的に移動していることを特徴とする欠
    陥検査方法。
  11. 請求項８において、
    前記散乱光による前記試料表面の像を検出することを、前記照明光が照射された前記試
    料表面の線状の領域から発生した散乱光のうち、前記試料表面に対して垂直な方向を含む
    上方に散乱した散乱光による前記試料表面の像を検出することにより行うことを特徴とす
    る欠陥検査方法。
  12. 請求項８において、
    前記散乱光による前記試料表面の像を検出することを、前記照明光で照明された前記試
    料表面の線状の領域から発生した散乱光のうち、前記試料表面に対して高角度方向に散乱
    した散乱光による前記試料表面の像と前記試料表面に対して低角度方向に散乱した散乱光
    による前記試料表面の像とを検出し、前記試料表面の欠陥候補を抽出することを、前記高
    角度方向に散乱した散乱光による試料表面の像の検出信号と前記低角度方向に散乱した散
    乱光による試料表面の像の検出信号とを用いて前記試料表面の欠陥候補を抽出することを
    特徴とする欠陥検査方法。
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