JP6387416B2

JP6387416B2 - ウェーハ映像検査装置

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Inventors: パク，テフン; ラム，シーガル
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Description

本発明は、ウェーハ検査装置に係り、さらに詳しくは、半導体回路が形成されたウェーハ部分に対する映像を得、これを分析して欠陥の存否を検査することのできるウェーハ検査装置に関する。

ウェーハの検査のための一つの方法によれば、ウェーハの部分に対する映像を取得して検査するウェーハ検査装置においては、通常、撮像のためにウェーハが定められた領域を通過しながらウェーハの当該領域に対して所定の周期にて単一波長のパルス照明光を照らす。また、一回のパルス照明によりレンズ部が映像を得る対象領域（ＦＯＶ：ＦｉｅｌｄＯｆＶｉｅｗ）が照らされ、対象領域の反射光はレンズ部を通過してレンズ部の後方においてスクリーンの役割を果たす撮像素子の画素部にウェーハの撮像領域映像が結像される。一応、ウェーハの撮像領域に対する撮像が行われると、次回のパルス照明時間にはその撮像領域と隣り合う次の撮像領域が撮像されるようにウェーハが動く。

ウェーハの全ての領域を撮像するためには、パルス照明時間は非常に短いためこの時間中にはウェーハはほとんど動かないことを前提とし、撮像素子が一回の撮像により取り扱える撮像対象領域の幅に見合う分だけウェーハがパルス照明周期中に幅方向に移動せねばならない。

ところが、照明により照らされた撮像対象領域を一つの個別撮像素子を用いて撮像することは、既存の撮像素子の容量が制限されているが故に全体のウェーハを検査するのに長時間がかかり、たとえ大きな容量を有する撮像素子が使用可能であるとしても、この撮像素子と連結されて映像を分析するコンピュータシステムにおける分析に長時間がかかるため不向きである。

このため、撮像部の全体は複数の単位撮像素子を配置して焦点表面配列（ＦＰＡ：ＦｏｃａｌＰｌａｎｅＡｒｒａｙ）を構成して、一回につき撮像可能なウェーハ面積を増やし、それぞれの撮像素子を一つのコンピュータを用いて分析してウェーハの検査にかかる時間を短縮する領域センサー型ウェーハ映像検査装置が用いられる。

ところが、焦点表面配列に当たって、現実的に複数の単位撮像素子を互いに密着させて配置することは困難である。例えば、それぞれの撮像素子には、映像を受け取る画素領域に加えて、これらの画素領域に結像された映像に相当する情報信号を外部に引き出すための行及び列別のリード線が設けられなければならず、これらのリード線を設けるために、画素領域の周りには設置面積若しくは設置空間を設ける必要がある。これらのリード線の設置空間を考慮するとき、多数の撮像素子の画素領域を隙間無く行列状に配置することは考えられ難い。

このため、ウェーハの撮像領域の映像が結像される焦点の表面に配置されるべき単位撮像素子の仮想の行列に含まれる複数の単位撮像素子を現実的には空間的に分離して設け、光学要素を用いて焦点の表面に照らされる映像を領域別に分割して空間的に距離を隔てて設けられる個別の撮像素子に分配する方式が用いられている。

このような方式により、空間的に距離を隔てて設けられる個別の撮像素子を用いながらウェーハの有効領域の全体に亘って撮像及び映像分析を行い、それによる欠陥の検出が行われるウェーハ検査装置は、ネゲブテックリミテッド(ＮｅｇｅｖｔｅｃｈＬｔｄ．）による大韓民国特許登録第１１１３６０２号に開示されており、図１の斜視図は、この種の従来のウェーハ映像検査装置の概念を示している。

この種の装置においては、焦点の表面を形成する複数の単位撮像素子、すなわち、２次元検出器８７ａ、８７ｃ、８７ｄ、８７ｅ、８７ｆとこれらの２次元検出器の間において焦点の表面のイメージを分割するように動作する少なくとも一つの光学要素、ここではガラス板状のビームスプリッタ６９、プリズム８９ａ、８９ｂ、９５、鏡などを用いて焦点表面のイメージを分割する。

この種の装置においては、対象領域の正確な映像を確保するために、常に複数の単位撮像素子を配置するときに焦点表面配列（ＦＰＡ）を構成することを基本とし、焦点表面配列以外の映像は常に装備の再設定の対象となっている。

一方、半導体装置は、そもそも素子及び導線などの回路要素を小さなサイズで平面に集積させて回路装置を形成し、集積度を高めるために素子及び導線のサイズを減らし続ける方法を用いていた。しかしながら、素子の集積度が高くなるにつれて、素子及び導線のサイズを減らすことは、半導体装置を製作する工程上の種々の限界、例えば、フォトリソグラフィ工程の光学的な限界により困難になり、且つ、素子のサイズを減らすことが素子機能の問題を招く虞があるという状態に至っている。

このような状況において、半導体装置の素子の集積度を高めるために、半導体装置の複層化及び素子構成の立体化などの３次元的な装置の構成が盛んに模索されて行われている。

高度に精密であり、且つ、複雑多段な工程段階を経て半導体装置の生産が行われるとき、半導体装置が設計通りに正常に行われて正常の機能を発揮するか否かを確認する検査作業は、工程不良及び問題点を見出して是正して工程の効率及び効率性を高めるのに非常に重要な役割を果たす。

既存の半導体装置の検査装備のうち映像を用いた検査装備は、対象となる半導体装置の一部に対する映像を取得してその映像が正常的であるか否かを判断して半導体装置の良否を確認するが、半導体装置の３次元的な構成は、従来の平面的な半導体装置の検査方式を用いて検査を十分に且つ適切に行うことを不可能にするという問題を発生している。

例えば、パターンが小さ過ぎると、照明ビームがそれらの間に投射されて到達され難く、光学顕微鏡は、使用光の波長の半分よりも大きな場合にのみ有意的な解像度の結果を与え、半導体装置の検査などの小さなパターンの検査に際して、顕微鏡のユーザは類似のパターンを所定の距離にグループを分けて配列しておき、光がどれほどそれらのグループの間において分散されるかを観測して大きさを決定する方法を用いることができるが、この方法には、半導体装置の新たな３次元構造を測定し難いという難点が存在する。

非光学的な測定方法も考えられるが、原子顕微鏡などの非光学的なイメージ処理方式は高価であり、しかも、遅いため、実用的な検査装置として用いられ難い。

最近、米国国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）のＲａｖｉｋｉｒａｎＡｔｔｏｔａらは、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ：ＴｈｒｏｕｇｈｆｏｃｕｓＳｃａｎｎｉｎｇＯｐｔｉｃａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて３次元的微細パターンが測定可能であることを提示している。（“ＴＳＯＭｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍｅｔｒｏｌｏｇｙ”，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ７９７１，Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＭｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＸＸＶ，７９７１０Ｔ，Ａｐｒｉｌ２０，２０１１）

同技術は、既存の光学顕微鏡を用いるが、同じ対象に対して互いに異なる焦点位置において２次元イメージを収集して対象に関する３次元的映像データ空間を作る方法を用いる。このため、得られた２次元イメージは、焦点が合っているイメージ及び焦点が外れているイメージを多数含むスルー焦点イメージを構成する。このような３次元的映像データ空間に対するコンピュータ処理が行われる。コンピュータは、収集された同じ対象に対する複数のスルー焦点イメージから輝度プロファイルを抽出し、焦点位置情報を用いてスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）イメージを作成する。

スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）が提供するイメージは、通常の写真とは異なり、具体的に対象をそのまま示すものではなく、僅かに抽象的であるが、これらのイメージ間の違いは、測定された対象となる３次元構造体の微細な形状差を推論可能にする。

シミュレーション研究を通じて、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）は１０ナノメートル以下の特性が測定可能であることが知られており、微細な３次元構造体の形状分析に対する可能性を提示している。

しかしながら、未だに非常に小さな対象に対して焦点位置が異なる多数の光学映像を得ることは長時間がかかる作業であり、既存にこれを解決して実質的な半導体装置の照射に用いられる好適な方法は未だに提示されていないのが現状である。

本発明は、ウェーハが置かれるステージやウェーハ映像を取得するレンズ部が動かないながらも、実質的に同時に互いに異なる焦点位置の複数の映像を得ることのできるウェーハ検査装置を提供することを目的とする。

このような互いに異なる焦点位置の複数の映像は、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を得るようにしてウェーハの微細パターンに対する３次元的検査が行えるようにする。

このため、本発明は、既存の光学的ウェーハ検査装置を用いてウェーハの３次元微細パターンの欠陥有無を判断することのできるウェーハ検査装置を提供することを目的とする。

本発明は、既存の光学的ウェーハ映像検査装置を用いて３次元微細パターンの欠陥有無を安価に且つ迅速に判断することのできるウェーハ検査装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、半導体ウェーハの欠陥を検査するためにウェーハ映像を取得して検査するウェーハ映像検査装置であって、検査対象部分に対する映像ビームを分岐させて同時に焦点位置が異なる複数の映像を得ることを特徴とする。

より具体的に、本発明による装置は、照明光を発生させる照明部と、前記照明光が検査対象となるウェーハに照射された後に反射されるウェーハ映像を取得して一方に照らして転送するレンズ部と、前記レンズ部から転送されたウェーハ映像を分割する分割光学要素と、前記レンズ部及び前記分割光学要素を経た映像がそれぞれ互いに異なる焦点位置に結像されるように設けられる複数の撮像素子からなる映像検出部と、前記複数の撮像素子において撮像された互いに異なる焦点位置の映像を結合してスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を構成し、前記スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を前記検査対象ウェーハの正常パターンに対するスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像と比較して対象ウェーハの良否を判断するスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明において、分割光学要素と撮像素子との間には、分割光学要素により分割された複数の映像にそれぞれ対応して互いに異なる焦点位置の映像を前記映像検出部の撮像素子に結像させるために結像光学系が設けられてもよく、この結像光学系は、レンズ部の一部であり、例えば、結像光学系が第２のレンズ部を構成しながら設けられてもよい。

以上の本発明において、レンズ同士の位置が調節可能であってもよく、互いに異なる焦点位置は、結像光学系に互いに異なる焦点長さを有するレンズ若しくはレンズアセンブリを用いるか、あるいは、同じ結像光学系と各撮像素子との間の距離を異ならせて実現してもよく、互いに異なる焦点長さを有するレンズアセンブリは、同じレンズアセンブリ内のレンズ同士の距離を調整して構成してもよく、レンズの少なくとも一部を焦点距離が異なる他のレンズとして採択して構成してもよい。

本発明において、照明部は、パルスレーザを備えていてもよい。

本発明において、分割光学要素は一つ以上のビームスプリッタやミラーを備えていてもよい。

本発明において、前記スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部は、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像構成部及びスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像比較判断部を備えていてもよい。スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像構成部は、複数の撮像素子において得られた焦点位置の異なる２次元映像の輝度プロファイルを抽出し、焦点位置情報を用いてスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を作成し、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像比較判断部は、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部において得られたスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を正常の半導体装置部分に対するスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像と比較して対象物の良否を判断してもよい。映像処理部は、イメージ処理プログラム及び映像情報処理のためのプロセッサを両方とも備えていてもよく、通常、装備専用コンピュータにより実現されてもよい。

本発明において、全体的なウェーハ映像検査装置内には、ウェーハを把持して移動させるウェーハ移動ステージと、ウェーハが照明光に露出される位置である映像検出位置を前記照明光のパルス発生周期と関連付けるようにウェーハ移動ステージの搬送速度を制御する信号発生部と、が配備されてもよい。

本発明において、撮像素子若しくは映像センサーは、電荷結合素子（ＣＣＤ）や相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型の単位撮像素子であってもよい。

本発明によれば、照明に照らされて発生されたウェーハ映像をレンズ部から転送された分割光学要素が複数の映像に分割すると、分割光学要素と撮像素子との間の結像光学系が互いに異なる焦点距離を用いるか、あるいは、結像光学系と撮像素子との間の距離を調節して複数の異なる焦点位置の映像を作成することができる。

本発明によれば、これらの複数の互いに異なる焦点位置の映像を処理装置を用いて処理して３次元的微細パターンの欠陥を検出する半導体装置の検査が行える。

図１は、従来のウェーハ映像検査装置における映像の分割と関連する一部の構成を示す構成図である。図２は、本発明の一実施形態によるウェーハ映像検査装置の全体的な構成を示す構成概念図である。図３は、本発明の一実施形態により検査されるウェーハ撮像領域を示す平面図である。図４は、本発明の他の実施形態のレンズ部を介して投射されるウェーハ撮像領域に対するイメージを示す図である。図５は、本発明の一実施形態の上下分割用ミラーユニット及び映像検出部の構成を概略的に示す斜視図である。図６は、本発明の他の実施形態によるウェーハ映像検査装置の全体的な構成を示す構成概念図である。図７は、本発明のさらに他の実施形態の結像光学系を示す概念図である。図８は、図７の実施形態において結像光学系の無限焦点ズームシステムを構成するレンズ同士の相互位置及び相の大きさの変化を示す概念図である。図９は、本発明のさらに他の実施形態の結像光学系を示す概念図である。図１０は、本発明のさらに他の実施形態によるウェーハ映像検査装置の全体的な構成を示す構成概念図である。

以下、添付図面を参照しながら実施形態を挙げて本発明をより詳細に説明する。

図２は、本発明の主部の構成を単純化させて概念的に示す構成概念図である。

この実施形態を通して本発明によるウェーハ映像検査装置の構成について説明すると、ウェーハ１０は、ウェーハステージ２０若しくはウェーハ移動ステージのウェーハ固定チャック２１に把持されてウェーハ平面と平行な平面においてｘ軸及びｙ軸方向に動くことができ、ここでは、矢印のｘ方向に連続して動く。このようなウェーハステージは、ウェーハの加工のための様々な装備において実質的に同じ方式により用いられてきたものであるため、その具体的な構成は省略する。

図３には、ウェーハ１０の上に一回に撮像される、単位領域１２の３×４行列からなる撮像対象領域が表示されている。

この領域は、４つの列ａ、ｂ、ｃ、ｄからなり、各列には、３つの単位対象領域が上下に配列されている。

所定の周期にて光源が照らす映像検出位置が固定され、ウェーハがウェーハステージにおいて、矢印にて示すように、ｘ軸方向に移動するならば、次の周期の光がウェーハに照射されるときには、図示の４つの列の直ぐ左側に位置する４つの列が映像検出位置にある。

ウェーハの進行速度に光源の発光周期を乗算した距離が一回に撮像される撮像領域の幅（４列の幅）に等しければ、撮像映像は、ウェーハの上に重なる領域や欠落領域無しにウェーハの全体を表わすことができる。

図４には、レンズ部を通して確認可能なウェーハの対象領域に対する映像が示されている。

単位対象領域に対する映像１２’が表示されており、この映像も３×４行列を構成している。この３×４行列を構成するウェーハ映像は、第１のレンズ４０を経て後方に投射される。

現在のウェーハ１０の位置において撮像対象領域を含むように照明光Ｌが照らされる。ウェーハを高速にて検査するために、ウェーハステージを高速にて運転しながら映像を取得するためには映像の撮像時間が非常に短くなり、これにより、照明も短い時間内において強い光（エネルギーの大きな）を発生させなければならないため、フラッシュ又はストロボ照明形式やレーザビーム照明を適用することができる。

ここでは、照明光の光源としてはレーザ３０が用いられる。レーザビーム照明を適用するためには数マイクロ秒以内において強いエネルギーを発生させるパルスレーザを用いなければならず、レーザビームエネルギーの発生時間及び映像撮像時間は、上述したように、同期させる必要がある。レーザは、トリガ信号を受け取って光照射領域にレーザパルスを照射する。

従来には、フラッシュランプを用いる場合が多く、レーザもパルス発生数が１秒当たりに１２０ｈｚを超え難く、しかも、高いメンテナンスコストが発生したが、最近には、ダイオードレーザによりポンピングされた固相レーザを用いることにより耐久寿命が長くなり、メンテナンスコストが節減され、パルス発生周期も１０００ｈｚ以上まで延長可能になり、その分だけウェーハの移動速度を高めることができてウェーハの全体に対する検査速度も高くなる。ここでも、このようなダイオードレーザポンピング固相レーザを用いる。

照明光を受光するウェーハ部分においては、ウェーハ１０の表面から反射された反射光が周りの全ての方向に出射されるが、光の経路上からみたとき、ウェーハ１０の当該領域の後方にはレンズ部が設けられて、反射光に含まれているウェーハの対象領域の映像はこのレンズ部を介してレンズ部の後方に投射される。

レンズ部は、一つのレンズにより構成されてもよく、複数のレンズが集まったレンズアセンブリであってもよく、レンズ部は、取付位置においても、必ずしも一箇所に集まったわけではなく、光路上に散在されてもよい。ここでも、レンズ部は、ウェーハの後方の第１のレンズ部４０と、分割光学要素を構成するビームスプリッタ５２、５３、５４、５５の後方の第２のレンズ部若しくは結像光学系４１、４２、４３と、に分けられている。

第１のレンズ部４０は、通常、ウェーハの対象領域を拡大する凸レンズの役割を果たし、レンズの中心及び対象領域の距離を調節すれば、第１のレンズ部４０の後方に投射される映像は、第１のレンズ部４０と映像検出部との間の距離を問わずに、所定の大きさで投射可能である。

投射される撮像対象領域の映像は、第１のビームスプリッタ５１を用いて反射光及び透過光に分岐される。もちろん、このとき、映像は、幅や高さ（上下）の方向に区切られるわけではなく、ビームスプリッタ５１の反射度及び透過度により光量が減った状態の二つの全体の領域映像に区切られたものである。区切られた反射光及び透過光は、それぞれ第２のビームスプリッタ及び第３のビームスプリッタ５２、５３に投影される。

第２のビームスプリッタに入射した反射光は、再び透過光及び反射光に分岐され、透過光は、第４のビームスプリッタ５４に入射して再び透過光及び反射光に分岐される。このようにして分岐された３つの光は、それぞれ互いに異なる焦点距離を有する結像光学系（第２のレンズ部：４１、４２、４３）を通過し、映像を横に（幅方向に）分割するプリズム（若しくは、ミラー）６０により二つの列（カラムａ、カラムｃ）に分岐された後に上下分割用ミラーユニット７０に入射する。

第３のビームスプリッタ５３に入射した透過光は、再び透過光及び反射光に分岐され、透過光は、第５のビームスプリッタ５５に入射して再び透過光及び反射光に分岐される。このようにして分岐された３つの光もそれぞれ互いに異なる焦点距離の結像光学系４１、４２、４３を通過し、プリズム（若しくは、ミラー）６０により二つの列（カラムｂ、カラムｄ）に分岐された後にそれぞれ上下分割用ミラーユニット７０に入射する。

このとき、一つの幅分割用光学素子であるプリズム６０が、隣り合う列ではなく、一つの列を間に挟んでいる二つの列をそれぞれ上下分割用ミラーユニットを用いて分割して投射する理由は、隣り合う二つの列をプリズムの周縁部分を用いて分割する場合、プリズムの分割エッジ（周縁）部分の映像が歪むことを防いで各列の完全な映像を各上下分割用ミラーユニット７０に投射するためである。

図５に示すように、上下分割用ミラーユニットにおいて上下区域別に分割された３つの単位検査対象領域（例えば、図４に示す検査対象領域のカラムａにおけるａ１、ａ２、ａ３）の映像は、映像検出部の単位撮像素子８１に投射される。

このため、この実施形態においては、映像は合計で１２個の筋に分岐され、各筋ごとに一つのカラムに相当する上下に配列された３つずつの単位検査対象領域を有して、撮像素子は合計で３６個設けられる。

以上の実施形態において、各列（カラムａ、カラムｂ、カラムｃ、カラムｄ）は３種類の互いに異なる焦点距離を有する結像光学系４１、４２、４３を経て互いに異なる焦点位置の映像を３つずつ（例えば、カラムａの場合には１ａ、２ａ、３ａ）得るため、各列に属する単位検査対象領域もそれぞれ３つの互いに異なる焦点位置の映像を有し、これらの３つの互いに異なる焦点位置の映像が撮像素子におけるコンピュータのスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部において処理されれば、各単位検査対象領域（ここでは、合計で１２個の単位検査対象領域）のスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像が得られる。

幅分割用プリズム６０のそれぞれから各上下分割用ミラーユニット７０に投射された映像は、上下の高さ方向に３つのウェーハ単位領域に対する映像が列方向に配列されたものである。

上下分割用ミラーユニット７０は、ウェーハ上の３つの撮像対象領域が配列されてなる一つの列に相当する入射映像に対して左側及び右側の方向に通常４５°傾いた上下分割用ミラー７１（７１ａ、７１ｂ）を有して、映像の進行方向を基準として左側及び右側に一つずつ撮像素子８１へのウェーハ単位領域映像の投射が行われ、列を構成する３つの単位領域に対する映像のうちの残りの一つは反射無しに進んで当該撮像素子８１に投射される。

図５は、上下分割用ミラーユニット７０において各列の映像が上下に分割され、分割された３つの映像がそれぞれ単位撮像素子８１若しくは単位映像検出部に投射される様子を示している。各列における最上側にある単位領域映像の方向を左側に変更するように反射させるか、あるいは、最下側にある単位領域映像の方向を右側に変更するように反射させるミラー７１ａ、７１ｂは、三角プリズムの斜面に反射層を形成してなる。

映像検出部は、ここで、上下分割用ミラーユニット７０の左側、右側及び後方にそれぞれ一つずつ散在された単位４メガピクセル容量の相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型撮像素子８１からなる。従来より多用されている相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型撮像素子は、「１秒当たりに取得可能な映像（以下、ｆｐｓ：（ｆｒａｍｅｐｅｒｓｅｃｏｎｄ））」が約６０フレーム以下であり、大面積ウェーハの映像を取得するには映像の取得速度が遅かったが、最近、上市されている４メガピクセルの相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型センサー付きカメラは、最近、撮像素子の技術が発達するに伴い、相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型センサーを用いても１秒当たりに２４０Ｈｚ以上の映像フレームを得ることができる。

単位撮像素子は、通常、電荷結合素子（ＣＣＤ）などの撮像素子であってもよく、撮像素子は、多数の行列状の画素を有する画素部に投射された映像を受信してデジタル映像信号にしてコンピュータなど画像を通じて半導体素子のエラーを検出し得る画像処理装置（図示せず）若しくは映像処理手段（図示せず）に取り込む。

このとき、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部は、既に得られた各単位対象領域に対する焦点位置の異なる３つずつの映像から輝度プロファイルを抽出し、３つの映像のそれぞれの焦点位置情報を用いてスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）イメージを作成する。

対象物に対する互いに異なる焦点位置を有する映像を得るために焦点位置情報を用いるとき、検査対象物である３次元微細パターンの焦点深さ（深度）方向の距離の変化（ｄＺ_wafer）は、レンズ及び撮像素子を有する本発明の装置において、レンズによる拡大倍率Ｍａｇ、撮像素子の焦点表面配列（ＦＰＡ）を基準とする投射方向の距離（ｄＺ_FPA）とともに、下記の数式１の関係を有することを用いて、対象物と、レンズ及び撮像素子の位置を調節することができ、これは、対象物やレンズ若しくは撮像素子を映像の投射方向若しくは焦点方向に動かす機械的装置を調節するプログラムに反映して行われる。

［数１］
ｄＺ_FPA＝Ｍａｇ²＊ｄＺ_wafer

例えば、本発明の装置において用いられる光の波長λが可視光線の赤色や近赤外線に相当する７６０ｎｍ（ナノメートル）であり、レンズの倍率と関連する開口率（ＮＡ）が０．６であるとしたとき、下記の数式２により、対象物の焦点深さ（ＤＯＦ：ｄｅｐｔｈｏｆｆｏｃｕｓ）差が１μｍであり、拡大倍率は３６であるとしたとき、上記の数式１によりｄＺ_FPAは１．３ｍｍとなる。

［数２］
ＤＯＦ（１μｍ）＝λ／２ＮＡ²

また、コンピュータの映像比較判断部は、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像をコンピュータメモリに既に格納されている当該領域の正常のパターンに対するスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像と比較して当該単位検査対象領域においてパターン不良が発生したか否かを確認して判断する。

ここでは、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を作成する方法と、これらを比較して微細パターン間の相違点を確認することについては詳述しないが、同じ３次元対象物に対する複数の互いに異なる焦点位置の光学顕微鏡映像を処理して得たスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を比較して両３次元対象物間の数十ナノメートルレベルの微細な相違点を検出することができるということは周知であるため、それについての詳細な説明は省略する。

以上の実施形態においては、結像光学系４１、４２、４３は互いに異なる焦点長さを有するレンズ（レンズアセンブリ）を用いると記述しているが、同じ焦点長さを有するレンズを用いるが、レンズと撮像素子８１との間の距離（光路上の距離）を焦点表面配列（ＦＰＡ）を基準としてそれぞれ異ならせて設けてもよく、結像光学系を構成するレンズ間の距離を調節して互いに異なる焦点位置を有する単位検査対象領域の映像を取得してもよい。

ここで、別途に図示はしないが、単位相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型撮像素子の矩形状の画素部の周りには、外部に映像デジタル信号を転送するためのリード線及び回路部が形成される。撮像素子において得られた映像信号は、映像処理を通して検査された半導体素子の良否を判断するためにコンピュータなどの映像処理手段（図示せず）に入力される。

映像処理手段は、通常、プロセッサを有するコンピュータシステムと、このシステムに組み込まれている映像処理プログラムと、を備え、映像処理プログラムは、一種のイメージ処理プログラムであり、パターンを予め入力された正常のパターンと比較して異常部位を見出す。

映像処理手段は、映像検出部の単位撮像素子８１において検出される映像を受信して処理する多数の端末（図示せず）及びこれらの端末において処理された映像を取り合わせて最終的にウェーハ欠陥有無を検出するマスター端末（図示せず）を備えていてもよく、各端末の映像処理速度が遅ければ、より高速に検査を行うために映像検出部の単位撮像素子において検出される映像を複数の経路に分配してそれぞれ別々の映像処理用端末に送るように映像分配部がさらに設けられていてもよい。

一方、照明光を構成するレーザ３０のパルス周期とウェーハステージ２０におけるウェーハ１０の移動速度を連動させて、ウェーハ１０が所定の速度にて動きながらも次回のレーザパルスの照明に際しては既に撮像した撮像領域の幅に見合う分だけｘ軸に移動して、次の撮像領域が正確に撮像素子により撮像されるように、ウェーハステージ２０のウェーハ１０の移動速度を調節するトリガ信号発生部９０が設けられる。

映像検出部の映像デジタル信号と連動された信号がコンピュータを介して、若しくは、単位撮像素子から直接的にウェーハステージを運用するトリガ信号発生部９０に入力されてウェーハの移動速度の調節及びレーザパルスと撮像の同期化に使用可能である。

すなわち、トリガ信号発生部９０は、ウェーハを搬送するウェーハステージ２０の駆動信号と照明光を提供するレーザ３０の制御信号を発生させて、映像検出部に投影される撮像領域が重なり合ったり欠落したりしないように調節する。

撮像素子は、別途の信号なしに照明光がウェーハ領域を照らし、ウェーハ映像が画素部に入力される場合に自動的に撮像が行われるように設けられてもよいが、照明と同期化された信号により信号が転送されるときに限って撮像を行ってもよい。例えば、トリガ信号発生部９０は、ウェーハ映像を取得するために、照明光を提供するレーザ３０と映像検出部にキャプション制御信号を提供する。

このため、検査位置がマッピングされている位置データが下位のステージ制御装置に格納され、格納されたマッピングデータは、当該位置に達すれば、映像の撮像と照明部の照明光の点灯のためのトリガ信号を発生させる。発生されたトリガ信号は、トリガ信号発生部において照明と映像取得のための正確な同期信号が発生されるように構成して映像取得信号と照明発生信号を区別して出力することができる。

図６は、本発明の他の実施形態を示す図である。

ここでは、上述した実施形態に比べて、分割光学要素と映像検出部の構成に相違点がある。

すなわち、上述した実施形態においては、投射される撮像対象領域は、１２個の単位検査対象領域が３＊４行列状を呈しており、その映像は第１乃至第５のビームスプリッタにより次第に反射光及び透過光に再び分岐され、このようにして分岐された６個の光は、それぞれ互いに異なる焦点距離の３種類の結像光学系（第２のレンズ部）を通過し、映像を横に（幅方向に）分割するプリズム（若しくは、ミラー）により２つの列に分岐されて合計で１２個の光の筋を作成した後、各光の筋は上下分割用ミラーユニット７０に入射して左右及び正面の３つの方向に再び分岐されて３６個の撮像素子に投射される。各単位検査対象領域の映像は、３種類の結像光学系を経て３つの互いに異なる焦点位置の映像となる。

しかしながら、図６の実施形態においては、投射される撮像対象領域は、３つの単位検査対象領域が一つの列を構成しており、その映像は、上述した実施形態のように、第１乃至第５のビームスプリッタ５１、５２、５３、５４、５５により次第に反射光及び透過光に再び分岐され、このようにして分岐された６個の光は、それぞれ互いに異なる焦点距離の６種類の結像光学系（第２のレンズ部：４１、４２、４３、４４、４５、４６）を通過するが、映像を横に（幅方向に）分割するプリズム（若しくは、ミラー）は経ないため、そのまま合計で６個の光の筋を作成した後に各光の筋は上下分割用ミラーユニット７０に入射して左右及び正面の３つの方向に再び分岐されて１８個の撮像素子８１に投射される。要するに、列に含まれている３つの各単位検査対象領域の映像は、６種類の結像光学系を経て６個の互いに異なる焦点位置の映像となる。

毎回のレーザパルスがウェーハを照らす度に、撮像素子において得られた３つの単位検査対象領域の６個の互いに異なる焦点位置の映像が得られれば、これらの映像は装備のコンピュータに送られてスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部において処理され、その結果、各単位検査対象領域（ここでは、合計で３つの単位検査対象領域）のスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像が得られる。

ここでは、上述した実施形態に比べて撮像素子の数が少ないため、個々の撮像素子の容量をやや増やしても一括して処理することが可能であり、横４０００×縦３０００の１２メガピクセル容量の相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）型撮像素子からなる。

図７は、本発明のさらに他の実施形態の結像光学系を示す図である。

ここでは、結像光学系として、通常、ズームレンズシステムと呼ばれる無限焦点ズームシステムＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃及び焦点レンズＬ_Fを備えるレンズアセンブリが設けられる。

全体的なレンズアセンブリの取付位置及び撮像素子Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃の位置が表示されており、ここでは、同じ対象物に対する互いに異なる焦点位置の映像を得るために、焦点レンズＬ_Fと撮像素子Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃との間の距離が互いに異なるように表示される。

直接的に図示はしないが、複数のレンズアセンブリは互いに異なる焦点レンズを採択して焦点距離を異ならせ、焦点レンズと各撮像素子との間の距離は同じくなるように撮像素子を配置しても互いに異なる焦点位置の映像を得ることが可能である。

これらの構成においては、無限焦点ズームシステムＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃のＬ₁、Ｌ₂レンズの位置を図８のように変化させて倍率差を有する互いに異なる焦点位置の映像を得、これらから検査対象領域のスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を得る。半導体装置において、実際の検査対象領域は、倍率差に応じて広くなったり狭くなったりする。

倍率が大きくなれば、それに伴い、半導体装置の全体を漏れなく検査するために、ウェーハステージにおけるウェーハの移動速度を連動させて落としたり、レーザパルスの１秒当たりの照射回数を増やしたりする方法を採用する。

このような構成によれば、撮像素子の取付位置や結像光学系の全体的な位置を調節することなく、無限焦点ズームシステムを構成する一部のレンズＬ₁、Ｌ₂の位置のみを既存の無限焦点ズームシステムのズームレンズの調節のように自動的な調節方式を用いて調節して倍率、すなわち、検査対象領域の大きさのみを必要に応じて変更しながら検査を行ってもよい。

図９は、本発明のさらに他の実施形態の結像光学系を示す図である。

ここでは、一つの凸レンズＬ_CV及び凹レンズＬ_CCよりなるレンズアセンブリにおいて、凸レンズＬ_CVの位置は固定された状態で凹レンズＬ_CCの位置が動くようになっている。凹レンズＬ_CCの動きに応じて、結像光学系のレンズアセンブリの全体の焦点距離が変動される。このため、撮像素子Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃の位置が固定された場合であっても、レンズアセンブリのレンズ間の距離を調整して互いに異なる焦点位置の検査対象領域映像を得、これらを組み合わせてスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を得ることが可能である。

レンズアセンブリが一つの鏡筒に設けられ、鏡筒の位置は変わらない状態で鏡筒の凹レンズＬ_CC、凸レンズＬ_CV若しくはこれらの両方の位置を変化させる方式を用いて調節すれば、全体のウェーハ映像検査装置においてレンズアセンブリを構成する鏡筒と撮像素子Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃との間の相対的な位置は変化しない状態で焦点位置が互いに異なる複数の映像を得ることができ、これらの映像の焦点における位置離隔度も調節可能である。

図１０は、本発明のさらに他の実施形態によるウェーハ映像検査装置の全体的な構成を示す構成概念図である。

ここでは、全体的に図６と略同じ構成を有しながらも、結像光学系、例えば、図７に示すように、通常的にズームレンズシステムと呼ばれる無限焦点ズームシステムＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃及び焦点レンズＬ_Fを備えるレンズアセンブリ４９が分割光学要素の後方に設けられる代わりに、分割光学要素の直前に設けられてレンズ部がいずれもウェーハと分割光学要素との間に配設されるようにした。

このため、結像光学系は、分割光学要素により分岐された全ての光ビームに対応して複数設けられていたが、これらの複数の結像光学系が単一の共通結像光学系にまとめられた。また、この実施形態においては、撮像素子の位置を調節してレンズ部及び複数撮像素子のそれぞれの光路上の距離を異ならせて各撮像素子において互いに異なる焦点位置の映像が得られるようにした。

この実施形態においては、一応撮像素子のそれぞれの位置が決定されれば、撮像素子の取付位置や結像光学系の全体的な位置を調節することなく、一つの共通の結像光学系の無限焦点ズームシステムを構成する一部のレンズＬ₁、Ｌ₂の位置のみを既存の無限焦点ズームシステムのズームレンズの調節のように自動的な調節方式を用いて調節して倍率、すなわち、検査対象領域の大きさを必要に応じて変更しながら手軽に検査を行うことができる。

以上、本発明を好適な実施形態と結び付けて説明して図示したが、本発明はここで図示されて説明された構成形態に何ら限定されるものではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲の思想範囲内において多くの変更及び修正が行えるということは当業者であればよく理解できる筈である。よって、このようなあらゆる適切な変形及び均等物もまた本発明の範囲に属するものと見なされるべきである。

Claims

半導体ウェーハの欠陥を検査するためにウェーハ映像を取得して検査するウェーハ映像検査装置であって、
照明光を発生させる照明部と、
前記照明光が検査対象となるウェーハに照射された後に反射されるウェーハ映像を含む反射光を通過させて後方に投射させるレンズ部と、
前記レンズ部から転送されたウェーハ映像を分割する分割光学要素と、
前記レンズ部及び前記分割光学要素を経た映像がそれぞれ互いに異なる焦点位置に結像されるように設けられる複数の撮像素子からなる映像検出部と、
前記複数の撮像素子において撮像された互いに異なる焦点位置の映像を結合してスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を構成し、前記スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を前記検査対象ウェーハの正常パターンに対するスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像と比較して対象ウェーハの良否を判断するスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部と、
を備え、
前記レンズ部を構成するレンズ同士の距離が調節可能であり、
前記レンズ部は、前記照明光が検査対象となるウェーハに照射された後に反射されるウェーハ映像を含む反射光を通過させて後方に投射させる第１のレンズ部と、
前記分割光学要素により分割された複数の映像にそれぞれ対応して設けられる複数の第２のレンズ部と、
を備え、
前記第２のレンズ部を構成するレンズ同士の距離が調節可能であり、
前記映像検出部は、前記第１のレンズ部と、前記分割光学要素及び前記第２のレンズ部を経た映像がそれぞれ互いに異なる焦点位置に結像されるように設けられるウェーハ映像検査装置。
それぞれ互いに異なる焦点位置の映像を得るために、前記複数の第２のレンズ部を構成するレンズの種類は同じくするが、相互間の距離を異ならせて焦点距離を異ならせることを特徴とする請求項１に記載のウェーハ映像検査装置。
それぞれ互いに異なる焦点位置の映像を得るために、前記複数の第２のレンズ部を構成するレンズの種類及び相互間の距離は同じくするが、前記複数の第２のレンズ部と前記複数の撮像素子との間の距離をそれぞれ互いに異ならせることを特徴とする請求項１に記載のウェーハ映像検査装置。
それぞれ互いに異なる焦点位置の映像を得るために、前記複数の第２のレンズ部を構成するレンズ同士の距離は同じくするが、種類を異ならせて焦点距離を異ならせることを特徴とする請求項１に記載のウェーハ映像検査装置。
前記第２のレンズ部は、無限焦点ズームシステムを構成するレンズ及び焦点レンズを備え、前記無限焦点ズームシステムを構成するレンズ同士の距離が調節可能であることから、検査の対象となる領域の大きさ又は拡大倍率が調節可能であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のウェーハ映像検査装置。
前記スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部は、スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像構成部及びスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像比較判断部を備え、
前記スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像構成部は、複数の撮像素子において得られた焦点位置の異なる２次元映像の輝度プロファイルを抽出し、焦点位置情報を用いてスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を作成し、
前記スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像比較判断部は、前記スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部において得られたスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像を正常の半導体装置部分に対するスルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像と比較して対象物の良否を判断することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載のウェーハ映像検査装置。
前記スルー焦点走査光学顕微鏡（ＴＳＯＭ）映像処理部は、イメージ処理プログラム及び映像情報処理のためのプロセッサを両方とも備えるものであることを特徴とする請求項６に記載のウェーハ映像検査装置。
前記照明部はパルスレーザを備え、前記分割光学要素は一つ以上のビームスプリッタやミラーを備え、
前記ウェーハを把持して移動させるウェーハ移動ステージと、前記ウェーハが前記照明光に露出される位置である映像検出位置を前記照明光のパルス発生周期と関連付けるように前記ウェーハ移動ステージの搬送速度を制御する信号発生部と、が配備される請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載のウェーハ映像検査装置。