JP6755323B2 - 偏光形ウエハ検査のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は一般的に、ウエハ検査システムの分野に関する。より具体的には、本発明は欠陥検出に関する。

（関連出願への相互参照）
本願は、2016年3月28日付けで出願された米国仮特許出願第62/314,362号に対する優先権を主張しており、その出願は、その全体が全ての目的のために参照によってここに援用される。

一般的に、半導体製造産業は、シリコンのような基板の上に積層されてパターニングされた半導体材料を使用して集積回路を製造するために、高度に複雑な技法を伴う。回路集積の大きなスケール及び半導体装置のダウンサイズのために、製造されるデバイスはますます欠陥に敏感になってきている。すなわち、デバイスに動作不良を引き起こす欠陥は、ますます小さくなってきている。デバイスは一般的に、エンドユーザ又は顧客に出荷される前に動作不良フリーである必要がある。

米国特許出願公開第２０１４／０００９７５９号

様々な検査システムが、半導体ウエハ上の欠陥を検出するために半導体産業の内部で使用されている。しかし、改善された半導体ウエハ検査システム及び技法に対する継続的な需要が存在している。

本発明のある実施形態の基本的な理解を提供するために、以下に本開示の簡略化された要約を提示する。この要約は本開示の完璧な概略ではなく、本発明のキーとなる／重要な要素を特定したり本発明の範囲を限定したりしない。その唯一の目的は、以下に提示されるより詳細な記述への序章として、ここに開示されるいくつかの概念を簡略化された様式で提示することである。

一つの実施形態では、半導体サンプルを検査する検査システムが開示されている。このシステムは、入射ビームを生成してウエハの表面上の欠陥に向ける照射光学系サブシステムを備える。この照射光学系サブシステムは、入射ビームを生成するための光源と、入射ビームの電界成分について２つの基底ベクトルの間の比及び／又は位相差を調整するための一つ又はそれ以上の偏光要素と、を含む。このシステムはさらに、入射ビームに応答して欠陥及び／又は表面からの散乱光を収集するための収集光学系サブシステムを含み、この収集光学系サブシステムは、瞳平面に調整可能な開口を備え、それに続いて収集された散乱光の電界成分について位相差を調整するための回転可能な波長板と、それに続いて回転可能な検光子と、を備える。このシステムはまた、(i)入射ビームの偏光の選択、(ii)欠陥散乱マップの獲得、(iii)表面散乱マップの獲得、及び(iv)欠陥信号対雑音比を最大にするように欠陥及び散乱マップの分析に基づいて一つ又はそれ以上の偏光要素と開口マスクと回転可能な波長板と検光子との構成の決定、のために構成されたコントローラを含む。

ある特定の具現化では、欠陥及び表面散乱マップが収集光学系サブシステムの波長板の４つ又はそれ以上の角度で獲得され、構成の決定が、(i)瞳平面における各瞳位置に対して、獲得された欠陥散乱マップに基づいて欠陥ストークスパラメータを決定するステップと、(ii)瞳平面における各瞳位置に対して、獲得された表面散乱マップに基づいて表面ストークスパラメータを決定するステップと、(iii)決定された欠陥及び表面ストークスパラメータに基づいて偏光直交性マップを生成するステップと、(iv)偏光直交性マップからの相対的な偏光直交性の値と欠陥散乱マップからの相対的な強度分布値とを比較して構成を決定するステップと、によって達成される。

ある局面では、照射サブシステムの一つ又はそれ以上の偏光要素が、入射ビームの偏光角を制御するための回転可能な1/2波長板と、入射ビームの円又は楕円偏光を制御するための回転可能な1/4波長板と、を含む。さらなる局面では、照射サブシステムの一つ又はそれ以上の偏光要素が、入射ビームのパワーを制御し且つダイナミックレンジを増すための他の1/2波長板と直線偏光子とをさらに備える。さらにさらなる局面では、1/4波長板が直線偏光子の前に位置されている。

他の実施形態では、収集光学系サブシステムが、欠陥及び表面散乱マップを別個に獲得するために調整可能な視野絞りをさらに含む。他の例では、収集光学系サブシステムが、センサと、瞳イメージをセンサにリレーするための一つ又はそれ以上のリレーレンズと、をさらに含む。

他の具現化では、照射光学系サブシステムがフルサイズまで開く開口を含み、構成の決定が、欠陥信号対雑音比を最大にするように開口マスク、1/4波長板、及び検光子に対して異なる設定を反復的に数学的に適用することによって達成される。他の局面では、開口マスクの構成が、最大化された偏光直交性及び欠陥散乱強度を有するエリアを除いて瞳のエリアをブロックするように決定される。代替的な実施形態では、照射光学系サブシステムの一つ又はそれ以上の偏光要素が直線偏光子を備えており、収集光学系サブシステムの回転可能な波長板が回転可能な1/4波長板である。他の実施形態では、直線偏光子及び回転可能な1/4波長板が共役平面に各々配置されている。さらに他の実施形態では、光源が広帯域光源であり、照射光学系サブシステムが対物レンズを通して入射ビームをウエハの表面上に向けるように構成されている。

他の実施形態では、本発明は半導体サンプルを検査する方法に関する。この方法は、(i)検査システムの照射光学系サブシステムにおいて、入射ビームを生成してウエハの表面の上の欠陥に選択された偏光状態で向けるステップであって、検査システムの照射光学系サブシステムが、入射ビームを生成するための光源と、入射ビームの電界成分について比及び／又は位相差を調整するための一つ又はそれ以上の偏光要素と、を含むステップと、(ii)検査システムの収集光学系サブシステムにおいて、入射ビームに応答して欠陥及び／又は表面からの散乱光を収集するステップであって、検査システムの収集光学系サブシステムが、瞳平面に調整可能な開口を備え、それに続いて収集された散乱光の電界成分の位相差を調整するための回転可能な波長板と、それに続いて回転可能な検光子と、を備えるステップと、(iii)収集された散乱光に基づいて欠陥散乱マップを獲得するステップと、(iv)収集された散乱光に基づいて表面散乱マップを獲得するステップと、(v)欠陥信号対雑音比を最大にするように、欠陥及び表面散乱マップの分析に基づいて一つ又はそれ以上の偏光要素と開口マスクと回転可能な波長板と検光子との構成を決定するステップと、を含む。

本発明のこれら及び他の局面は、図面を参照して以下にさらに記述される。

Ｓ及びＰ照射下における全集積散乱（ＴＩＳ）の欠陥サイズ及び異なる欠陥材料の関数としてのグラフである。 照射偏光角の関数としての規格化されたＴＩＳのグラフである。 様々なパラメータが入射直線偏光角の関数としてどのように変化するか、及びそれらが欠陥ＳＮＲ及び照射偏光角の選択に結合的にどのように影響することができるかを示すグラフである。 Ｐ偏光照射に対する80nmのSiO₂粒子欠陥についての偏光ベクトルの位置合わせを描く図である。 Ｐ偏光照射に対するシリコンウエハ基板についての偏光ベクトルの位置合わせを描く図である。 Ｓ偏光照射に対する80nmのSiO₂粒子欠陥についての偏光ベクトルの位置合わせを描く図である。 Ｓ偏光照射に対するシリコンウエハ基板についての偏光ベクトルの位置合わせを描く図である。 粗いシードCuウエハ上の80nmのSiO₂粒子欠陥に基づく１セットの数値シミュレーションの結果を表す図である。 平滑なベアSiウエハ上の20nmのSiO₂粒子欠陥散乱のシミュレーションの結果を表す図である。 本発明の一つの実施形態に従った検査システムのダイアグラム図である。 本発明の特定の実施形態に従った検査システムの一つの可能な具現化の詳細な模式図を示す図である。 本発明の一つの実施形態に従った入射偏光方向の調整のダイアグラム図である。 複数の異なるサイズの視野絞りの構成を示す図である。 複数の異なるサイズの開口マスクの構成を示す図である。 本発明の特定の具現化に従った最適化プロセスを表す流れ図である。 本発明の代替的な実施形態に従った最適化プロセスを表す流れ図である。 本発明の代替的な実施形態に従った検査システムのダイアグラム図である。 本発明の特定のアプリケーションに従って、Ｗフィルムウエハ上に堆積された48.5nmのSiO₂粒子に対する一つの可能なステップ毎の最適化を表す図である。 ５つの異なるウエハ上で且つ５つのイメージングモードにおける、堆積されたSiO₂粒子のＳＮ値の棒グラフである。 一つの例示的な具現化に従った、異なる直線入射偏光での２回の連続した走査を使用した改良を表す図である。 未偏光の最適な収集マスクを使った従来のＳ偏光照射下で、及び最適な波長板、検光子、及び収集マスクを使った最適な直線偏光照射下で、獲得された突起欠陥のイメージを表す図である。 1/4波長板及び直線偏光子が２つの共役フィールド平面にて収集経路に連続して置かれている検査システムの代替的な実施形態を表す図である。 広帯域光源を利用する検査システムの代替的な実施形態を表す図である。

以下の記述では、本発明の十分な理解を提供するために、数多くの具体的な詳細が提示される。本発明は、これらの具体的な詳細のいくつか又は全て無しに実行され得る。他の場合には、不必要に本発明を不明確にしないように、良く知られた構成要素又はプロセス操作が詳細に記述されてはいない。本発明がこれらの具体的な実施形態に関連して記述されるが、本発明をこれらの実施形態に制限することが意図されていないことを理解されたい。

ここでは、ある検査システムの実施形態が、半導体構造を検査するために構成されているものとして記述される。ソーラーパネル構造、光ディスクなどのような他のタイプの構造もまた、本発明の検査システムを使用して検査又はイメージングされ得る。

半導体ウエハ検査は時折、Ｓ又はＰ偏光設定のような直線偏光構成を有するように構成可能な検査ツールを使用することができる。Ｓ又はＰ偏光のいずれかの選択は、ウエハのタイプ、欠陥タイプ（例えば粒子）などに基づいて行われることができる。

Ｓ及びＰ偏光を利用する検査顕微鏡使用法の一つの形態はレーザ暗視野（ＤＦ）顕微鏡であり、これは、半導体ウエハ上のナノスケールの異常物を検出するために、ウエハ検査産業で広く使用されてきている。ＤＦ技法は、ウエハからの正反射光をブロックする一方でたいていの散乱光を収集することによって、しばしば欠陥検出感度を向上させる。加えて、照射偏光子、検光子、開口マスク、及びフーリエフィルタが、感度をさらに改善するために適用されることができる。これらの適用されるファクタの中で、通常は照射偏光子が、欠陥感度に最も直接的なインパクトを有すると考えられている。偏光した広帯域システムのような他のタイプのシステムはまた、円、Ｓ、及びＰ構成を利用し得る。

Fosseyらに対する米国特許第6,118,525号に記述されているように、一般的にＰ偏光照射が、平滑な表面上のより小さな欠陥に対して、より敏感である。さらに、Zhaoらに対する米国特許第8,891,079号に記述されているように、直線偏光子が、対応するマスクと共にウエハからの光学的散乱を零にするために適用されることができて、それによって欠陥感度を向上する。この特許は、参照によってここに援用される。

図１Ａは、粒子直径が約80nmを越えて増加するにつれて、Ｓ照射下における全集積散乱（ＴＩＳ）がＰ照射下のＴＩＳを越えることを描いている。このＴＩＳの差は、より大きなサイズの欠陥に対して、より良い検出感度をもたらす結果となる。すなわち、Ｓ偏光は、Ｐ偏光に対するＴＩＳ（例えば１０２ｂ）と比較して、約80nm及びそれ以上である欠陥サイズに対して、はるかに大きなＴＩＳ（例えば１０２ａ）をもたらす結果となる。対照的に、より小さな欠陥に対しては、Ｐ偏光に対するＴＩＳ（例えば１０４ｂ）はＳ偏光に対するＴＩＳ（例えば１０４ａ）よりも低い。図１Ｂは、照射偏光角の関数としての規格化されたＴＩＳのグラフである。示されるように、Ｓ照射は、80nmの欠陥とヘーズとの間で、より広い差をもたらす結果となる。

より小さな欠陥vs.より大きな欠陥に対するＳ又はＰのいずれかの選択は、いくつかの条件下でうまく機能するが、欠陥感度を最大化するにあたって、この選択をそれほど明確なものにさせなくし得る他の効果がある。例えば、Ｐ照射は80nmのSiO₂粒子欠陥及びウエハ基板に対して異なった向きを向いた偏光ベクトルを有し、80nmの欠陥に対してより良い欠陥信号対雑音比（ＳＮＲ）をもたらす結果となる。対照的に、80nmの欠陥及びウエハ基板の偏光ベクトルはＳ照射下ではだいたいそろっていて、偏光子を使用してウエハ表面の散乱を除外することによって欠陥信号対雑音比をさらに改善する余地は、ほとんどない。

円偏光照射は、Ｐ及びＳ偏光が等しい強度で且つπ／２の一定の位相オフセットで重なり合っている偏光状態である。言い換えると、円偏光は、固定された位相オフセットでのＰ及びＳ偏光の平均とみなされることができる。Batchelderによる米国特許第4,740,708号にさらに記述されているように、Ｐ又はＳ照射のいずれかに比較して、円偏光はアプリケーションが限定される。

ある場合には、Ｐ又はＳ偏光のいずれかが、より良い感度をもたらす。しかし、欠陥とウエハ基板との間の散乱強度及び偏光直交性の両方を考慮することで、改善された結果が生じ得る。定性的には、偏光直交性は、欠陥及びウエハ表面の散乱が光学的にどれだけ分離され得るかを、それらの偏光状態の相違に基づいて示す指標である。一例として、粒子及びウエハの散乱の両方が直線偏光であって、且つ加えて、一方がＰ偏光で他方がＳ偏光であるならば、それらの偏光直交性は１と規定されることができる。この場合、ウエハの散乱が直線偏光子によって完全に消されることができる一方で、他の粒子信号は変更されないままである。対照的に、両方の散乱が直線偏光であるがお互いに平行であったら、それらの偏光直交性は０と規定されることができる。この後者の場合、これら２つを偏光子で区別する手段はない。さらに、粒子散乱が直線偏光である一方でウエハ散乱が円偏光であったら、それらの偏光直交性は0.5と規定されることができ、直線偏光子が粒子散乱の偏光方向に揃えられることができて、ウエハ散乱を２倍だけ低減する。

偏光直交性を定量的に記述するために、純粋に偏光された光の電界が、最初にジョーンズベクトルによって定義されることができる。

ここで、
及び
は電界のｘ及びｙ成分の強度であり、
及び
はｘ及びｙ成分の位相である。偏光状態を完全に定義するためには、位相差
のみが必要とされる。

以下の表１は、規格化されたジョーンズベクトルの６つの例を与える。

欠陥（ここでは「粒子」とも称される）散乱に対する一つとウエハ（ここでは「表面」とも称される）散乱に対する一つの２つの偏光された電界の偏光直交性は、以下のように定義され得る。

上記の数学的な定義は、一方の電界ベクトルを他方の電界ベクトルの上に投射したときの規格化された強度を１から引いたものと解釈されることができる。定義によりPolorthの値は０から１であり、０は２つの偏光状態が同一であることを意味し、１は完全に直交していることを意味する。ウエハ散乱が優勢な雑音源であるような理想的な条件下では、偏光直交性を最大化することで、最も適したＳＮＲが得られる。

いくつかの金属フィルムウエハのようなより粗い表面に対しては、散乱光は部分的に偏光されることがある。この場合、部分的に偏光された散乱光は、純粋に偏光された光と未偏光の光との２つの部分に分けられ、別個に取り扱われることができる。部分的に偏光された光は、以下で与えられるストークスベクトルによって定義されることができる。

ここで、Ｓ_0,1,2,3はストークスベクトルの４つの要素であって、これらは偏光測定によって抽出されることができる。偏光された部分の強度は、以下の式によって与えられる。

また、未偏光部分の強度は、以下の式によって与えられる。

偏光の度合いは、以下の式によって与えられる。

偏光された光のｘ及びｙ成分は、以下の式によって与えられる。

電界の偏光された部分のｘ／ｙ成分の間の位相差は、以下の式で表現される。

定義により、電界の未偏光部分のｘ／ｙ成分の間の位相差は、０〜360度の間にランダムに分布する。

ウエハ検査での使用の場合、粒子サイズは一般的に十分に小さくて、粒子からの散乱光は常に偏光される。それゆえ、ウエハ表面散乱のみが、ときどき部分的に偏光される。ウエハ散乱の偏光された部分は先に論じられたように取り扱われることができて、ウエハ散乱の未偏光部分は、典型的には収集経路における波長板及び検光子の組み合わせによって半分まで抑制される。ウエハ散乱の未偏光の光の抑制されなかった部分は残存バックグラウンドを表し、ＳＮＲ最適化プロセスにおいて考慮され得る。偏光の度合いはまた瞳位置にも依存して、これはＳＮＲ最適化プロセスをさらに複雑化する。この場合、最適化は、偏光要素を通るストークスベクトル伝搬に基づき得る。ＳＮＲは、以下のように書かれることができる。

ここで、
及び
は、波長板及び検光子を通過した後の粒子散乱及びウエハ散乱の強度である
及び
のストークスベクトルの第1要素である。
は波長板のミュラー行列であり、
は検光子のミュラー行列である。

本発明のある実施形態は、Ｓ及びＰ偏光状態の間の中間である照射偏光角を利用して欠陥検出感度を改善する検査システムに関する。異なる検査及び試料条件では、雑音を最小化し且つ欠陥ＳＮＲを改善し、それによって欠陥検出感度を改善するように、特定の中間の偏光角が選択されることができる。

上記のＳＮＲの等式（９）における全パラメータは、入力偏光角の関数である。いくつかの媒体の粗さ表面に対しては、純粋なＰ及びＳ偏光の間に最適な照射角があることが例証される。これは、照射偏光角が粒子散乱、表面散乱、及び偏光直交性に、異なる割合で影響を与えるからである。これより、Ｓ及びＰの間の最適な照射偏光が見出されて使用されることができる。これらの最適な照射偏光の実施形態では、位相遅れが1/4波長板を使用することによって補償されることができ、偏光子が表面散乱を、それが波長板によって直線偏光化された後に抑制するために使用されることができる。

図２は、様々な信号パラメータが入射直線偏光角の関数としてどのように変化し、且つそれらが結合的に欠陥ＳＮＲ及び照射偏光角の選択にどのように影響を与えることができるかを示すグラフである。図２の横軸は直線入射偏光角を示す。０度の照射角はＰ偏光（入射平面に平行な電界）に対応し、90度はＳ偏光（入射平面に垂直な電界）に対応する。

図３Ａ〜Ｂに示されるように、Ｐ偏光下での偏光直交性は、瞳の前方端部分に向かって高い（３０２ａ及び３０２ｂ）。対照的に、図３Ｃ〜Ｄに示されるように、偏光直交性はＳ偏光下では瞳全体に渡って低い。この効果は、照射偏光がＳからＰに変わると、図２において、横軸の最も右ではＳとラベルされ且つ最も左及びこの軸の原点ではＰとラベルされている濃い破線で描かれているように、偏光直交性が次第に増加することを示す。

加えて、図２において、欠陥ＳＮＲ（２０６）は、欠陥信号を全ウエハヘーズで割ってから偏光直交性ファクタを掛けたものに比例している。欠陥及びウエハ散乱の偏光の間の直交性が大きいほど、欠陥信号が光学的検光子によってウエハ信号から分離される可能性が高くなる。したがって、偏光直交性は最適値（２１０）を有し得て、これはＳ及びＰの間の中間の偏光状態であって、ＳＮＲピーク（曲線２０６上において）をもたらす結果となり、これはまた、最大化された欠陥感度に対応する。

図４は、粗いシードCuウエハ上の80nmのSiO₂粒子欠陥に基づく１セットの数値シミュレーションの結果を表す。粒子散乱及びウエハ散乱の両方が、３つの直線入射偏光状態L0(P)、L90(S)、及びL45で示されている。ここでL45は、入射光が直線偏光されていて、その偏光角がL0(P)及びL90(S)に対して45度であることを意味する。対応する偏光直交性マップが、図４の3番目の列にプロットされている。明るさレベルの増加は偏光直交性の値の増加を表す（白が最高）。これより、L45は明らかに、特に瞳の下半分に向かって、偏光直交性を最大化する。図４の４番目の列では、粒子信号の相対強度を考慮することも望まれるので、粒子信号に偏光直交性ファクタを掛けたものがプロットされている。一般的に、L45の直線入射偏光は、純粋なＳ又はＰ照射偏光のいずれかに比較して、より良い欠陥感度を有する。加えて、シミュレーション結果は、瞳の下半分（濃い点線４０２で囲まれている）に印加されたマスクが、欠陥感度をさらに向上させられることを示している。これらのシミュレーションは、L45に近い中間の偏光状態が欠陥感度を最大化できることを示している。

入射偏光の最適化が全ての場合には機能し得ないことを指摘しておく価値がある。例えば、図５は、平滑なベアSiウエハ上での20nmのSiO₂粒子の散乱のシミュレーションを示す。入射偏光がLO(P)からL90(S)に変わるにつれて、粒子信号及びウエハヘーズの両方が減少し、粒子信号はより速い割合で落ちている。その一方で、偏光直交性は、L90に向かって単調減少している。これは、Zhaoらによる米国特許第8,891,079B2号に開示されているように、最適な場合が中間偏光状態の代わりにL0(P)にて検光子を印加することであることを意味している。加えて、シミュレーション結果は、瞳のある部分（濃い点線によって囲まれている２つのエリア５０２ａ及び５０２ｂ）に印加されたマスクが、欠陥感度をさらに向上させられることを示している。

上記のＳＮＲ最適化プロセスの利点の一つは、瞳における欠陥散乱及びウエハ散乱特性が抽出されることができる限りは、最適化パイプラインがどのタイプの波長板又は検光子が適用されるかには無関係であることである。言い換えれば、偏光直交性は、欠陥及びウエハ散乱特性のみによって決定される本質的なパラメータである。

実際には、異なるウエハ及び欠陥タイプに対して、異なる照射偏光状態下で光学的散乱がどのようにふるまうかを正確に予測することは、圧倒的にチャレンジングなタスクである。欠陥サイズ及びウエハ構造の両方に対してほとんど情報が分からないと、数値的シミュレーションからいくらかの情報を引き出すことが可能であるのみである。比較的に実用的なアプローチは、任意の所与の照射偏光状態において、対象のウエハ及び欠陥エリアの両方の完全な散乱マップを測定することである。

要するに、照射偏光は、最適化された収集マスク、波長板、及び検光子に加えて、Ｐ、Ｓ、又は円偏光以外の状態を含むＰ及びＳ状態の間の状態で完全に最適化され得る。そのような組み合わせは、厳密にＰ及びＳのシステムに比べて、ＳＮＲの補足的な改善を追加で提供し得る。

任意の適切なツールが、Ｓ及びＰ偏光状態の間である可変の偏光状態がそのツール上で設定され得る限りは、利用され得る。選択可能な偏光状態は、Ｓ及びＰ偏光状態、ならびにＳ又はＰ偏光ではない状態を含む。一般的に、本発明の技法の実現のために適用可能な検査ツールは、異なる偏光状態で入射光ビームを生成するための少なくとも一つの光源を含み得る。そのような検査はまた、入射ビームを対象エリアに向ける検査光学系と、入射ビームに応答して対象エリアから散乱された電磁波形（例えば散乱された光、Ｘ線など）を方向付ける収集光学系と、この散乱された出力を検出して、その検出された散乱出力からイメージ又は信号を生成するセンサと、検査ツールの構成要素を制御して、さらにここで述べるように様々な材料及び構造における欠陥検出を容易にするコントローラ又はコンピュータと、を含み得る。

図６は、本発明の一つの実施形態に従った検査システム６００のダイアグラム図である。示されるように、このシステムは、入射ビーム（例えば任意の適切な電磁波形）を生成し、そのようなビームを対物レンズシステム６０４に向け且つそれからウエハのようなサンプル６０６に向かって向ける照射サブシステム６０２を含む。照射サブシステム６０２はまた、サンプル６０６上の入射偏光状態を制御するようにも構成され得る。

入射ビームを生成する光源の例は、レーザ駆動光源、高パワープラズマ光源、透過照射光源（例えばハロゲン又はXeランプ）、フィルタ付きランプ、LED光源などを含む。検査システムは、広帯域光源を含む任意の適切な数及びタイプの付加的な光源を含み得る。

光源からの入射ビームは、一般的に任意の数及びタイプのレンズを通過し、これらのレンズは、ビームをサンプルに向けてリレーする（例えば、形状を整える、フォーカスさせるか又は焦点オフセットを調整する、波長をフィルタリング／選択する、偏光状態をフィルタリング／選択する、サイズを変更する、拡大する、歪みを低減する、など）ように機能する。例えば、照射モジュール６０２はまた、ここでさらに記述されるように、任意の数の直線偏光子及び波長板を含み得る。

サンプル上に当たる入射ビームに応答して、収集システム６０５により散乱光が受け取られ、一つ又はそれ以上のセンサ（例えば６２２及び６１８）に向かって向けられ得る。対物レンズシステム６０４は、ウエハからの散乱光を集める。収集システム６０５は、散乱光をそれぞれの検出器６１８及び６２２に向かってフォーカスさせるために、開口又は視野絞り６０７、コリメータ６０８、開口マスク６１０、検光子サブシステム６１２、スプリッタ６１４、及びフォーカスレンズ６１６及び６２０のような任意の適切な数及びタイプの光学要素を含み得る。ウエハの拡大されたイメージが、収集経路の後端でイメージセンサ上に形成される。例として、各検出器はＣＣＤ（電荷結合素子）又はＴＤＩ（時間遅れ積分）検出器、光電子増倍管（ＰＭＴ）、又はその他のセンサの形態であり得る。

検光子サブシステム６１２は一般的に、選択された照射偏光に最適化されている照射サブシステム６０２とともに、散乱光を分析して検出感度を最適化するための複数の光学素子を含む。エティエン・ルイ・マリュスに因んで名付けられたマリュスの法則は、完全な偏光子が光の偏光されたビームに置かれると、通過する光の強度Ｉが以下の式で与えられることを示す。

I = I₀cos²θ_i

ここでIoは初期の強度であり、θ_iは光の初期の偏光方向と偏光子の軸との間の角度である。一般に、未偏光の光のビームは、全ての可能な角度における直線偏光が一様に混合されたものを含むと考えられることができる。cos²θの平均値は1/2であるので、平均の透過係数は以下のようになる。

I/I₀ = 1/2

２つの偏光子が順に置かれていると（第２の偏光子は一般に検光子と呼ばれる）、それらの偏光軸の間の相互角がマリュスの法則のθの値を与える。２つの軸が直交していると偏光子はクロスであって、理論的には光は透過されない。

コンピュータサブシステムは、自動制御のために照射サブシステム及び検光子サブシステムの両方に接続されている。例えば、各検出器によって獲得された信号は、各センサからのアナログ信号を処理のためにデジタル信号に変換するように構成されたアナログ・デジタル変換器を有する信号処理装置を含み得るコンピュータサブシステム６２４によって処理されることができる。コンピュータサブシステム６２４は、センシングされた光ビームの強度、位相、及び／又はその他の特性を分析するように構成され得る。コンピュータサブシステム６２４は、ここでさらに記述されるように、結果として得られるイメージ及びその他の検査特性を表示するためのユーザインターフェースを（例えばコンピュータスクリーン上に）提供するように（例えばプログラミング指令と共に）構成され得る。コンピュータサブシステム６２４はまた、入力（例えば、変化する波長、偏光、マスク配置、開口配置、などとして）をユーザに提供し、検出結果データ又はイメージを見て、検査ツールの仕様を設定し、などのための一つ又はそれ以上の入力装置（例えばキーボード、マウス、ジョイスティック）を含み得る。

コンピュータサブシステム６２４はソフトウエア及びハードウエアの任意の適切な組み合わせであり得て、一般的に検査システムの様々な構成要素及びその他のコントローラを制御するように構成される。コンピュータサブシステム６２４は、照射源の選択的な駆動、照射又は出力開口の設定、波長帯、焦点オフセット設定、偏光設定、検光子設定などを制御し得る。コンピュータサブシステム６２４はまた、各検出器によって生成されたイメージ又は信号を受領し、結果として得られたイメージ又は信号を分析して、欠陥がサンプル上に存在するかどうかを決定し、サンプル上に存在する欠陥を特徴付けし、又はその他の方法でサンプルを特徴付けするようにも構成され得る。例えば、コンピュータサブシ
ステム６２４は、本発明の方法の実施形態の指令を実行するようにプログラムされたプロセッサ、メモリ、及びその他のコンピュータ周辺機器を含み得る。コンピュータサブシスステム６２４はまた、適切なバス又はその他の通信メカニズムを介して入力／出力ポート及び一つ又はそれ以上のメモリに結合された一つ又はそれ以上のプロセッサも有し得る。

そのような情報及びプログラム指令は特別に構成されたコンピュータシステム上で実行され得るので、そのようなシステムは、ここで記述される様々な動作を実行するためのプログラム指令／コンピュータコードを含み、それらはコンピュータ読み取り可能媒体に記憶されることができる。機械読み取り可能媒体の例は、ハードディスク、フロッピーディスク、磁気テープのような磁気媒体；ＣＤ−ＲＯＭディスクのような光学媒体；光ディスクのような磁気光学媒体；ならびに、リードオンリーメモリ装置（ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のようなプログラム指令を記憶及び実行するように特別に構成されているハードウエア装置を含み得るが、これらに限られるものではない。プログラム指令の例は、コンパイラによって作り出されるマシンコードと、インタープリタを使ってコンピュータによって実行され得る、より高レベルのコードを含むファイルと、の両方を含む。

ここで記述される本発明のシステムの実施形態は、欠陥及びウエハバックグラウンドの光学的散乱強度及び偏光状態を特徴付ける一方で、収集開口マスク、波長板及び検光子の最適化と共に、照射偏光の最適化も行うために、使用されることができる。Ｐ、Ｓ、又は円偏光照射のみの従来のアーキテクチャに比べて、本発明の実施形態は、不透明で粗いフィルムウエハ及びパターンウエハの両方における欠陥感度を改善する。ウエハからの光学的散乱を特徴付けるように構成されるときには、本発明のシステムの実施形態は、顕微鏡対物レンズの瞳平面で散乱光の高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ）ストークスベクトルマップを獲得することができる偏光計測散乱計を提供することができる。異なる視野絞り及び開口マスクを採用することによって、欠陥及びウエハからの散乱光の強度分布及び偏光状態の両方が抽出されることができて、そのうちの後者は、欠陥感度の最適化を手助けすることができる。

欠陥感度を改善するようにカスタマイズされるときには、本発明のある実施形態は、ここでさらに記述されるように光学的システムの構成可能な変数の最適な組み合わせを見出すように任意の照射偏光状態を出力する一方で収集マスク及び検光子の最適化を同時に行うように、構成可能である。ベンチテストの結果は、従来の最適なイメージングモードをベースラインとして比較すると、不透明なフィルムウエハ上に堆積されたSiO₂粒子欠陥のＳＮＲの1.6倍〜４倍の改善、及びラインパターンウエハ上の突起欠陥のＳＮＲの1.7倍の改善を示す。

図７は、本発明の一つの実施形態に従った検査装置７００の一つの可能な具現化の詳細な模式図を示す。この検査システムは、照射及び収集のためにＳ〜Ｐの可変偏光範囲を有する。図６のシステムと同様に、暗視野顕微鏡対物レンズ７０４が、サンプルからの散乱光を収集するために使用され得る。偏光計測散乱計による特徴付け用途のために、対物レンズは、１）より高い空間周波数に向けてできるだけたくさんの散乱光の収集を可能にする高い開口数（ＮＡ）イメージング（例えば約0.9より大きいＮＡ）、２）散乱光の偏光状態が一般的に保存される、３）検光子及びマスクが位置されるアクセス可能な瞳平面、及び４）構成可能な視野絞りが挿入されることができるアクセス可能なフィールド平面、というこれら４つの特徴を有し得る。

図７に示される照射サブシステム７０２は、４つの偏光素子、すなわち第１の1/2波長板７０２ｂ、直線偏光子７０２ｃ、第２の1/2波長板７０２ｄ、及び1/4波長板７０２ｅとともに、光源７０２ａを含み得る。照射サブシステム７０２は一般的に、Ｐ、Ｓ、又は円状態以外の照射偏光状態を作り出すように、構成可能で且つ自由に操作される。より一般的には、照射光学系サブシステムは、入射ビームの電界成分について比及び／又は位相差を調整するために、一つ又はそれ以上の偏光要素を含み得る。

照射サブシステム７０２は、パワーを制御するために任意の適切な構成要素、光学的又はその他のものを含み得る。描かれている実施形態では、直線偏光子７０２ｃは、一つの直線方向を除いて各方向の偏光を消すために固定位置を有する。第１の回転可能な1/2波長板７０２ｂは、直線偏光子７０２ｃから受領される直線偏光の光の方向をシフトする。第１の回転可能な1/2波長板７０２ｂ及び直線偏光子７０２ｃの組み合わせは、入射パワーを制御し且つシステムのダイナミックレンジを増す。照射サブシステムはまた、Ｓ及びＰ状態の間である入射ビームの偏光状態を導入するための一つ又はそれ以上の偏光要素も含み得る。1/2波長板７０２ｂが、入射ビームの偏光方向を強度変化なしに０〜180度だけ回転させるように機能する一方で、直線偏光子７０２ｃは、偏光を消し且つ入射パワーを制御する。パワーの制御及び／又はダイナミックレンジの増加のための任意の他の適切な構成要素が、1/2波長板及び直線偏光子の組み合わせの代わりに利用され得る。

回転可能な第２の1/2波長板７０２ｄは一般的に入射光の直線偏光角を制御し、回転可能な1/4波長板７０２ｅは楕円偏光の度合いを制御する。具体的には、直線偏光子の後の位置に第２の回転可能な1/2波長板７０２ｄを追加することは、偏光角をＳ及びＰの間の値に連続的に調整するメカニズムを提供する。より具体的には、偏光角は入射偏光角と第２の1/2波長板７０２ｄのファスト軸との間の角度の２倍である２θになる。これより、1/2波長板７０２ｄは、偏光に対して所望の回転の1/2である位置まで回転される。図８に示される例によって描かれているように、1/2波長板が角度θに位置されていると、Ｐ偏光方向に向いている入射偏光（Pi）は２θだけ回転されて、ベクトルｖをもたらす結果となる。図２の例を参照すると、第２の1/2波長板７０２ｄは、最大粒子信号２０６（及び顕著に低いウエハ信号２０４）に対応する偏光２１０を作り出すように回転される。

1/4波長板７０２ｅは、入射光の位相を変えるために使用され且つ位置されることができる。例えば、1/4波長板７０２ｅは、円又は楕円偏光の入射光を作り出すために置かれる。この1/4波長板７０２ｅはオプションである。

収集経路の列に沿って収集サブシステムは、完全視野絞り７０７、コリメータ７０８、共役瞳平面における開口マスク７１０、回転可能な1/4波長板７１２ａ、回転可能な直線偏光子（または検光子）７１２ｂ、リレーレンズ７１４、フーリエ平面（ＦＰ）レンズ７１６、及びイメージセンサ７１８を含む。視野絞り７０７及び開口マスク７１０の両方は、バックグラウンド散乱に比べてウエハ散乱により敏感な瞳平面のエリアがセンサ７１８に到達するように、調整可能であり得る。1/4波長板７１２ａ及び直線偏光子７１２ｂの両方、ならびにＦＰレンズは、サンプル７０６からの散乱光のフレキシブルな制御のために、光路の内外にスライドして位置され得る。

このシステムは散乱計測測定のために構成されているが、例えば、全サイズ視野絞り及び全サイズ開口マスクが利用されることができる。図９Ａは複数の異なったサイズの視野絞りの構成ＦＳ１、ＦＳ２、ＦＳ３、及びＦＳ４を示し、図９Ｂは複数の異なったサイズの開口マスクの構成ＡＭ１、ＡＭ２、ＡＭ３、及びＡＭ４を示している。全サイズ視野絞りはＦＳ１とラベルされ、全サイズ開口マスクはＡＭ１とラベルされている。

いくつかの例では、完全に平坦な表面（例えばミラー）から反射且つ散乱された光は位相シフトを有さない傾向にあり、反射及び散乱光は相関された位相を有し、これは直線又は楕円／円偏光したウエハ散乱光をもたらす結果となる。他の場合には、ウエハ散乱の異なる部分が未偏光及び偏光の両方（例えば部分的に偏光している）であることができる。すなわち、ウエハ散乱光が、瞳平面のある部分では未偏光であることができる。特定の例では、未偏光の光が（平坦な表面については0.1又は1nmよりも小さいことに比べて）入射光としての266nmの波長に対して10〜20nm又はより高いような比較的粗い表面からもたらされ得る。ウエハ散乱光は、散乱角の関数として直線又は楕円／円散乱である傾向がある。他の方法で言及されたように、入射ビームは表面凹凸形状のピーク又は谷に対して異なる角度で当たることができて、ある角度に対しては強め合いの干渉を起こす散乱光となって、直線又は楕円／円偏光のウエハ散乱をもたらす。逆に、他の角度では散乱ウエハ光は弱め合いの干渉を起こして、未偏光になる。したがって、完全に消すことが困難である未偏光の異なる部分が、開口マスク７１０によって部分的にブロックされることができる。

構成可能な1/4波長板７１２ａ及び直線偏光子７１２ｂはお互いに対して配置されており、一緒に検光子サブシステム７１２を形成する。オプションとして、任意の波長板が利用され得て、収集された散乱光の電界成分に対する位相差の調整のために構成される。1/4波長板７１２ａ及び直線偏光子７１２ｂの両方は、光路に挿入可能であり得る。1/4波長板７１２ａはウエハ散乱のような楕円／円偏光から直線偏光を作り出すように機能する一方で、同時に粒子／欠陥散乱の偏光状態を変調する。直線偏光子７１２ｂは出力ビームの偏光を特定の方向に延長する。直線偏光子７１２ｂがウエハ散乱の直線偏光方向に垂直に位置合わせされると、ウエハ散乱は完全に消されるか、あるいは少なくとも、ＳＮＲが最大化されるように検出されないか又は最小限で検出可能なレベルまで低減される。

加えて、リレーレンズ７１４及びＦＰレンズ７１６は、一緒になって瞳又は開口マスクをイメージセンサ７１８上にイメージングする、ＦＰリレーレンズ７１６が光路に挿入されると、センサ７１８は開口マスクのみを捉える。この例では、開口マスクが完全にオープン（ＡＭ１）であると、イメージセンサ７１８はウエハイメージの代わりにフルサイズの瞳イメージを捉える。ここで、x’（ＮＡｘ）及びy’（ＮＡｙ）は瞳座標である。

一般的に、ここでさらに記述されるように、ツール設定を最適化するためにストークス等式が使用され得る。光学ツールの偏光及び開口設定を最適化するための任意の適切なプロセスが利用され得る。図１０は、本発明の特定の具現化に従った最適化プロセス１０００を描く流れ図である。最初に、既知の欠陥タイプ及び位置を有するウエハが、操作１００１で与えられる。例えば、選択された材料から形成された欠陥が、ベアウエハ表面に堆積される。ウエハは様々なサイズ及びタイプの既知の欠陥を含み得て、これは特定の位置に形成されている。各欠陥はまた、例えば、そのような欠陥の位置を決めるために走査型電子顕微鏡のような高解像度ツールによってイメージングされ得る。欠陥位置が決定された後に、欠陥位置と共にウエハが光学ツールのステージ上に搭載され得て、そのようなステージは、欠陥がイメージングされるように光学ツールの照射コラムに対して動かされることができる。

入射偏光がそれから、操作１００２にて選択され得る。例えば、偏光設定は、最初に第２の1/2波長板７０２ｄを介して照射側に選択（又は調整）され得る（例えば図７）。最大化された欠陥感度のための最適な設定を見出すように、様々な設定がプロセス１０００に対して以下でトライされ得る。

ウエハ上の対象領域に対する局在化された特徴付けを可能にするために、センサの視野内部の望まれないエリアから散乱される光を軽減するように、異なる視野絞りが適用され得る。ページブレーク又はロジックエリアによって取り囲まれた小さなアレイ領域をウエハが有する例では、図９Ａに描かれているＦＳ２又はＦＳ３のようなクロップされた視野絞りが利用され得る。極端な場合には、視野絞りのサイズは、ＦＳ４のように、単一の対象欠陥のみを取り囲むようにさらに低減され得る。しかし、この最後の設定は、測定された散乱マップがウエハではなく欠陥から来る信号をほぼ表すように、ウエハ設定が、平滑なベアシリコン表面上に堆積された比較的大きな粒子のように、散乱検出に比べてはるかに低いことを必要とする。

これより、欠陥位置をイメージングするための視野絞りが、操作１００４にて欠陥散乱マップを得るために選択され得る。例えば、視野絞りＦＳ４（図９Ａ参照）が、周囲のウエハ表面を除いて欠陥の既知の位置上に位置するように選択され得る。４つ又はそれ以上（Ｎ?４）の1/4波長板の角度βの各々に対して、欠陥散乱マップがそれから、操作１００６にて得られ得る。すなわち、イメージングされた瞳又は瞳平面の各画素に対する反射及び散乱強度が、（例えばセンサ７１８上にイメージングされて）得られる。

それから操作１００８にて、各瞳位置に対する欠陥ストークスパラメータが決定され得る。直線偏光子７１２ｂがx’方向に位置合わせされ、且つ1/4波長板の回転角がβであるとすると、瞳イメージは、以下の等式によってストークスベクトルの４つの要素に関係する。

上記の等式（１０）は以下のように書き換えられることができる。

ここでｉ＝１〜Ｎである。

また、

等式（３）で定義され且つ等式（１０）及び（１１）に示されるようなストークスベクトルを解くために、1/4波長板７１２ａが０〜180度の範囲内のＮ個（Ｎ?４）の離散的な角度βまで回転される。すなわち等式（１１）でｉ＝１〜Ｎである。加えて、各Ｎ個の瞳イメージは離散的な1/4波長板の角度βに対応する。一般に、各々の個別の画素におけるストークスベクトルは、Ｎ個の瞳イメージに基づいて計算され得る。例えば、４つの異なる角度における４つの異なる測定が、４つの未知数S₀〜S₃を解くために得られ得る。偏光計測測定の出力は瞳イメージの各画素に対する４要素のストークスベクトルであり、ストークスベクトルの各要素は、以下のように2次元マトリクスの形態である。

同様のイメージング及びストークス計算プロセスが、欠陥プロセスと平行に又はそれに引き続いて、ウエハ領域（非欠陥又はベアウエハエリア）に対して実行され得る。例えば、ウエハ領域をイメージングするための視野絞りが、操作１０１０にてウエハ散乱マップを得るために選択され得る。例えば、ＦＳ２のような大きな視野絞りが、ウエハ領域上に置かれ得る。４つ又はそれ以上（Ｎ?４）の1/4波長板角度の各々に対して、操作１０１２において、ウエハ散乱マップが瞳に対して得られ得る。それから操作１０１４にて、各々の瞳位置に対するウエハストークスパラメータが決定され得る。

偏光直交性マップがそれから、操作１０１６にて、欠陥及びウエハ散乱マップに対して決定されたストークスパラメータに基づいて生成され得る。他の偏光又は光特性もまた、操作１０１６にて決定され得る。等式（１２）に示されているような各ウエハ及び粒子位置に対するストークスベクトルの４つの要素を知ることで、偏光された光の強度分布Spol（等式４）、偏光された光の位相δ（等式８）、及び偏光の度合いｐ（等式６）を含む組み合わされた散乱光の偏光特性が、それから抽出され得る。散乱マップの全散乱強度分布を表すストークスベクトルの第１の要素S₀と共に、散乱計測測定は、顕微鏡対物レンズの瞳において、ウエハ散乱がどのよう分布、偏光、及び脱偏光されているかを明らかにするように使用されることができる。この完全な状況が、欠陥感度を最大化するために最適なツール配置を選択するために使用されることができる。

相対的な偏光直交性及び強度分布がそれから、操作１０１８にて比較され得る。検査システム構成はそれから、操作１０２０にて、偏光直交性及び強度分布の相対的な比較に基づいて欠陥感度を最大にするように最適化され得て、プロセス１０００が終了する。検光子設定は、偏光直交性ができる限り高い瞳空間の内部で最も有効であり、マスク最適化は散乱強度分布の効率的な使用を可能にする。具体的に構成されたシステムはそれから、既知の欠陥散乱痕跡、同一のダイ又はセルから得られた参照イメージ、又はレンダリングされた参照イメージとの比較のような任意の適切な検査プロセスを使用して、ウエハ上の未知の欠陥を位置決めするために使用され得る。

相対的な欠陥強度及び偏光直交性のようにあるファクタを他に対して適切に重み付けすることによって、最適化プロセスは最終的に、光学システムの構成可能な変数の好適な組み合わせを導いて、最大化された欠陥感度を得る。すなわち、ウエハ表面からの光ができる限りブロックされる一方で、欠陥光の最小量のみがブロックされる。例えば、ウエハ信号が楕円であり得る一方で、粒子信号は楕円ではない。この例では、楕円光がブロックされることができる。収集経路における1/4波長板（例えば７１２ａ）は、円又は楕円偏光のウエハ光を直線偏光のウエハ光に変換するように配置且つ回転されることができて、これはそれから、検光子（例えば直線偏光子７１２ｂ）によってブロックされることができる。

上記の最適化プロセスはそれから、異なる照射偏光設定に対して繰り返され得る。例として、測定及び決定された偏光パラメータの結果が図４の例によって表されたとすると、L45の入射直線偏光は、純粋なＳ又はＰ照射偏光に比べて、より良い欠陥感度を有する。加えて、瞳の下半分（濃い点線４０２によって囲まれている）に向けて適用されたマスクは、さらに欠陥感度を向上することができる。

あるいは図１１に描かれているように、最適化プロセス１１００は、反復的な方法でオフラインにて実行され得る。図１０のプロセス１０００と同様に、既知の欠陥タイプ及び位置を有するウエハが操作１００１で提供されて、入射偏光が操作１００２で選択される。欠陥散乱マップ（１１０４）及びウエハ散乱マップ（１１０５）が得られ得る。欠陥及びウエハ散乱マップは、フルサイズの開口（ＡＭ１）でイメージングすることによって得られ得る。

ツールそれ自身における異なる選択された物理的な1/4波長板及び検光子の設定でイメージングする代わりに、開口マスク、1/4波長板、及び検光子は、操作１１０６、１１１０、及び１１１２でそれぞれ欠陥及びウエハ散乱マップに数値的に適用されることができる。ＳＮＲがそれから、操作１１１４にて、調整された欠陥及びウエハ散乱マップに基づいて推定され得る。それから操作１１１６にて、推定されたＳＮＲが最適化されるかどうかが判定され得る。例えば、開口マスク、1/4波長板、及び検光子は、最大化されたＳＮＲが達成されるまで様々な組み合わせで構成され得て、プロセス１１００が終了する。

ある実施形態では、1/4波長板は、直線偏光子の適用に先立って適用される。この構成は、ウエハ散乱が楕円又は円偏光であって1/4波長板がそれを直線偏光に変換し、これより直線偏光子によって完全に消されることができる場合に、有益であることができる。

欠陥散乱を瞳平面で直接的に特徴付けすることには、２つの不利益があり得る。第１に、欠陥及びウエハ散乱を瞳空間で区別することが困難である場合がある。第２に、過度に小さい視野絞りＦＳ４は、瞳イメージのスペックルノイズに悪いインパクトを与え得る。図１２に示されるような代替的な具現化では、システム１２００は、フルサイズ視野絞りＦＳ１ １２０２と共に、並進可能な小さいサイズの開口マスク１２１０を含み得る。加えて、イメージセンサ７１８が瞳イメージの代わりに欠陥イメージを獲得するように、ＦＰリレーレンズ７１６が取り除かれ得る。

欠陥画素のストークスベクトル（１２０６）がそれから、各開口マスクＸＹ位置（例えば１２１２ａ及び１２１２ｂ）にて計算され得る。最後に、瞳平面における欠陥の完全散乱マップ（１２０４）が、ウエハイメージ上で獲得されたストークスベクトル（１２０６）の補間によって再構成され得る。言い換えると、全開口を横切るように開口マスク（１２１２ａ、１２１２ｂ、……）を連続的に並進することによって、瞳平面におけるストークスベクトル（１２０４）が離散的にサンプリングされ得て、それからイメージ平面（１２０６）で獲得された複数のストークスベクトルから融合され得る。

上述された技法及びシステムと共に、任意の適切な数及びタイプの技法が、散乱計測測定のダイナミックレンジを改良するために実行され得る。例えば、照射サブシステムは、入射パワーを100%から0.1%より低くまで変調するように構成され得る。第２に、イメージセンサの露光時間は、約１マイクロ秒から約１秒レベルまで調整され得る。さらに、ダイナミックレンジをさらに増すために、ニュートラル濃度フィルタが瞳平面に挿入され得る。それゆえ、全体的なダイナミックレンジは10⁸を十分に超えることができて、このことは、強い正反射又は非零次の回折を伴うウエハの特徴付けのために、特に有益である。

欠陥感度の改善は、数多くの不透明な粗いフィルムウエハに対して、ならびにパターンウエハ上で、観察され得る。図１３は、本発明の特定のアプリケーションに従ったＷフィルムウエハ上に堆積された48.5nmのSiO₂粒子に対する一つの可能なステップ毎の改善を表している。開始位置は、未偏光の全開口収集を伴うＳ照射である。この設定は、より粗いフィルム上の中サイズの粒子を検出するための最適なモードとして、従来は採用されてきている。ベースラインＳＮ（信号対雑音）値は16.99である。第２列では、収集光学系は変わらないままである一方で、照射偏光が純粋なＳ（L90）からL56に変えられている。L56偏光状態は、照射源が依然として直線偏光であるが、電界が入射平面から56度だけ回転されていることを意味する。この場合、ＳＮ値は9.48まで落ちる。さらに第３列では、垂直に向けられた1/4波長板及び70度の直線偏光子が、イメージングチェーンに連続して適用されている。この変更の直ぐの結果は、瞳平面の下部がより暗くなることであって、これは、ウエハ散乱がそこで顕著に抑制されていることを意味する。最後に、開口マスクが瞳平面の下半分に適用される。結果として得られる最適化されたＳＮ値は46.57であって、これは、未偏光の全開口収集を伴うベースラインのＳ照射に対して2.7倍の改善である。

照射がＳ（L90）からL56に変わると粒子信号が落ちて、ＳＮの16.99から9.48への低減に寄与することが見出された。しかし、偏光直交性は、偏光がＳからＰに変わると同時に増加する。1/4波長板が適用されると、ウエハ散乱の一部における偏光状態は直線偏光に変換されて、これはそれから直線偏光子によって完全に消されることができる。最後に、瞳の最適化された低ヘーズ領域のみをカバーする開口マスクが適用されると、粒子ＳＮは、純粋なＳ偏光照射に比べて顕著に改善される。

実験結果は、シードCu、ポリ、CMP Cu、及びＷを含むいくつかの粗いフォルムウエハの間で一貫した粒子感度の改善を示している。図１４に示されるのは、５つのイメージングモード、すなわち(1)ＰＵフル：未偏光の全開口収集を伴うＰ偏光照射、(2)ＰＬマスク（半分）：最適な直線検光子及びマスクを伴うＰ偏光照射、(3)ＬＱＬ：1/4波長板及び最適な直線検光子及びマスクを伴う任意の直線偏光照射、(4)ＳＵバック：未偏光の後向き収集を伴うＳ偏光照射、及び(5)ＳＵフル：未偏光の全開口収集を伴うＳ偏光照射、の下での体積されたSiO₂粒子のＳＮ値の棒グラフである。

比較を容易にするために、全てのＳＮ値はＬＱＬモードに対して規格化されている。比較的粗いフィルム（シードCu、ポリ、CMP Cu、及びＷ）に対しては、最適なモードは、Ｐ及びＳの間の中間照射偏光状態を伴うＬＱＬであるようであって、図４に示されたシミュレーションと一致する。ＳＮ改善比は、従来のベースラインモードの最も良いものに比べて1.6倍（強い脱偏光を伴うポリ）から４倍（あまり脱偏光していないCMP Cu）の範囲である。しかし、比較的平滑なEpiウエハに対しては、最適モードはＰＬマスク（半分）であるようであって、これは図５に示されたシミュレーションと一致する。平滑な表面上の小さいサイズの粒子に対してＰ照射下の粒子信号がＳ照射下よりも強いことが、理由であり得る。加えて、粒子散乱偏光はウエハ散乱と交差する。それゆえ、平滑なフィルム上のより一層小さな粒子に対して最適化プロセスが具現化され続けるにつれて、ＬＱＬモードは最終的にはＰＬマスクモードに収束して、そこではＰ偏光が他の偏光状態よりも好ましくなることが予測され得る。

粒子感度はまた、異なる直線入射偏光による２回の連続した走査によって、さらに改善され得る。図１５に示されるように、第１の走査１５０２ａは、図１３に示される照射偏光及び収集光学系と同じ設定を採用した。第２の走査１５０２ｂでは、照射偏光は入射平面に関して反対方向まで回転されて、L56と示される。収集検光子はそれに対応して110度まで変更され、開口マスクは瞳の上部まで動かされている。２回の走査の開口マスクは瞳空間の２つの異なる領域を取るので、それらのスペックルノイズは相関されない。欠陥イメージは、インコヒーレントに加算されたイメージ１５０２ｃによって示されるように、付加的な1.4倍までのウエハ雑音の低減比でインコヒーレントに加算されることができる。しかし、欠陥信号が２つのイメージのインコヒーレントな加算によって落ちることが無いように、この技法では欠陥感度が２つの対称的な直線入射偏光角で一致していることが必要とされることを指摘しておく価値がある。

感度の改善がさらに、ラインスペース構造及び突起欠陥を有するパターンウエハ上で示されている。図１６に示されているのは、未偏光の最適な収集マスクを伴う従来のＳ偏光照射で取られた突起ＤＯＩ（対象の欠陥）のイメージ１６０２ａである。第１のイメージ（左上）における白い矢印は照射アジマス方向を示し、これはまたラインパターンの方向でもある。最適化された直線入射偏光を有する欠陥イメージ１６０２ｂに対応して、収集開口、1/4波長板、及び検光子が示されている。ベースラインのＳ偏光照射に比べて、ＳＮ改善比は平均で1.7倍である。

図１７は、検査システム１７００の代替的な実施形態を描いている。顕微鏡対物レンズ、照射サブシステム、及び収集開口マスクは図７と同じである。しかし、収集経路において、1/4波長板１７１２ａ及び直線偏光子１７１２ｂが、２つの共役フィールド平面に連続して置かれている。このシステムはまた、そのようなイメージをセンサ７１８に向けてリレーするためにリレーレンズ１７１４ａ及び１７１４ｂを含む。したがって、散乱光の偏光状態の分析又は変調のいずれかは、瞳平面の代わりに中間イメージ平面にて実現される。

他の代替的な実施形態では、明視野タイプの顕微鏡対物レンズが具現化され得る。図１８に示されるように、レーザのような狭帯域光源を使用してウエハを対物レンズの外側から照射する代わりに、ランプ又はＬＥＤのような広帯域光源１８０２ａが顕微鏡対物レンズ１８０４を通してウエハを照射する。照射偏光状態のフレキシブルな制御を可能にするために、同様に照射経路に沿って、直線偏光子１８１２ａ、直線偏光角を回転させるための1/2波長板１８１２ｂ、及び楕円偏光の度合いを変調するための1/4波長板１８１２ｃが配置されている。照射開口１８０６が適用されて、収集経路がＤＦイメージングモードにカスタマイズされ得るように、照射光源を空間的にフィルタリングする。照射経路及び収集経路は、ビームスプリッタ１８０８によって分けられる。収集経路では、ビームスプリッタ１８０８に続いて、図７に示されたものと同様の光学素子が配置される。この実施形態は、フレキシブルな照射偏光の制御及び最適化が、ＤＦ検査ツールにおいてと同様に、大抵の現存するＢＦウエハ検査ツールにおいて実行され得ることを示している。

本発明のある実施形態は、Ｓ及びＰの他に、任意の偏光状態における照射偏光の最適化を提供する。言い換えると、このシステムは、照射偏光をＰとＳとの間で変調し、散乱強度ファクタと偏光直交性ファクタとの間のバランスを取ることによって、欠陥感度を改善している。このフレキシブルな設計は、従来技術では滅多に試みられてきていない最適化の新しい自由度を本質的に提供する。加えて、最適化された検光子と共に1/4波長板が、楕円又は円偏光のいずれかである場合にウエハ雑音の抑制を最大化する。検光子のみを用いてウエハ雑音を低減する技法に比べて、ある実施形態は、より効率的な雑音抑制策を提供し、これにより、はるかにより良い感度を導く。実験結果は、不透明な粗いフィルムウエハ上に堆積されたSiO₂粒子のＳＮの1.6倍から4倍の改善を示している。突起ＤＯＩを有するラインパターンウエハでは、ベースラインのＳ偏光照射に比べて、平均で1.7倍のＳＮの改善が達成されている。

照射源の相対する直線偏光角による２回の連続した走査もまた適用され得る。対称性のために、これら２回の走査の最適な収集マスクは、一般的にイメージング瞳の異なる部分をカバーする。結果として、２回の走査のバックグラウンドスペックルの相互相関は非常に低くなる。その結果、スペックルノイズの1.4倍までのさらなる低減が、２回の走査の欠陥イメージをインコヒーレントに加算することによって達成されることができる。

本発明のある実施形態は、欠陥及びウエハの両方の散乱光の偏光計測的な散乱計測による特徴付けを可能にする。ここで記述された測定は、散乱強度分布、偏光散乱光の強度、偏光散乱光の位相、及び偏光の度合いを含むウエハ散乱についての重要な特性を明らかにするために使用されることができる。この情報はそれから、個々の欠陥画素における偏光の位相及び度合いを使用するように、欠陥感度の最適化又は欠陥の分類のいずれかのために使用されることができる。

他のアプリケーションは、粗いフィルムウエハ及びアレイパターニングされたウエハの上の欠陥のＳＮ改善を提供することができる。位相遅れ補償及び検光子と組み合わされると、粗いフィルムに対してより良いＳＮを提供する最適な照射偏光角（wrt入射平面）。最適な検光子と共に1/4波長板を使用すると、ウエハ雑音の抑制を最大化することができる。偏光計測的な散乱測定マッピング能力はまた、欠陥及びウエハ散乱の両方に対して提供され得る。加えて、欠陥分類能力は、散乱光の偏光の位相又は度合いの情報を使用して、達成されることができる。ここで記述された技法及びシステムは、さらなる感度の改善のために、構造化された照射と組み合わされることができる。ここで記述された技法及びシステムはまた、さらなる感度の改善のために、固体又は液体の浸漬と組み合わされることができる。

特定のシステムの実施形態に関わらず、各光学素子は、そのような光学素子の経路における光の特定の波長範囲に対して最適化され得る。最適化は、例えば、対応する波長帯域に対する収差を最小化するためのガラスのタイプ、配置、形状、及びコーティング（例えば反射防止コーティング、高反射性コーティング）の選択によって、波長依存性収差を最小化することを含み得る。例えば、レンズは、より短い又はより長い波長範囲による分散によって引き起こされる効果を最小にするように配置される。他の実施形態では、全ての光学要素は反射性である。反射性検査システム及び構成の例は、2008年4月1日付けで発行された米国特許第7,351,980号にさらに記述されており、これはその全体が参照によってここに援用される。

検査ツールの光学的レイアウトは、上述のものから変わることができる。例えば、システム顕微鏡対物レンズは、透過コーティングが特定の選択された波長帯域又はサブ帯域に対して最適化され且つ各波長帯域に対して収差が最小化されている限りは、多くの可能なレイアウトの一つであることができる。異なる光源が、各経路に対して使用されることができる。例えば、Xe光源が長波長経路に対して使用され得て、HgXe又はHgランプが短波長経路に対して使用され得る。複数のＬＥＤ又はスペックルバスタレーザダイオードもまた、各経路に対して可能な光源である。ズーム比は、レンズのみのアプローチ、光学的トロンボーンを有するほとんど固定されたレンズ、又はそれらの任意の組み合わせのいずれかを介して、異なる拡大範囲を含むように改変されることができる。

上記で描かれたように、サンプルは検査システムのステージ上に置かれ得て、検査システムはまた、ステージ（及びサンプル）を入射ビームに対して動かすための位置決め機構も含み得る。例として、一つ又はそれ以上のモータ機構が各々、ねじドライブ及びステッピングモータ、位置フィードバックを伴うリニアドライブ、又はバンドアクチュエータ及びステッピングモータから、形成され得る。一つ又はそれ以上の位置決め機構はまた、照射又は収集ミラー、開口、ＦＰリレーレンズ、波長フィルタ、偏光子、検光子、波長板などのような検査システムの他の構成要素を動かすようにも構成され得る。

検査システムの上記の記述及び図面がシステムの特定の構成要素に対する制約とみなされるべきではなく、且つシステムが多くの他の形態で実施され得ることに留意されたい。例えば、検査又は測定ツールは、欠陥を検出し且つ／又はレチクル又はウエハの形状の重要な特徴を見分けるように配置された任意の数の既知のイメージング又は計測ツールからの任意の適切な特徴を有し得る。例として、検査又は測定ツールは、明視野イメージング顕微鏡、暗視野イメージング顕微鏡、全天イメージング顕微鏡、位相コントラスト顕微鏡、偏光コントラスト顕微鏡、及びコヒーレンスプローブ顕微鏡のために適合され得る。ターゲットのイメージを獲得するために単一及び複数のイメージング方法が使用され得ることも企図されている。これらの方法は例えば、シングルグラブ、ダブルグラブ、シングルグラブコヒーレンスプローブ顕微鏡（ＣＰＭ）及びダブルグラブＣＰＭ法を含む。散乱計測のような非イメージング光学方法もまた、検査又は計測装置の一部を形成するものとして企図されている。

入射ビームをサンプルに向け、且つサンプルから発せられる出力ビームを検出器に向けるために、任意の適切なレンズ配置が使用され得る。システムの照射及び収集光学素子は、反射性又は透過性であり得る。出力ビームは、サンプルから反射又は散乱されても、あるいはサンプルを透過してもよい。同様に、出力ビームを受け取り、受け取った出力ビームの特性（例えば強度）に基づいてイメージ又は信号を提供するために、任意の適切な検出器タイプ又は数の検出要素が使用され得る。

理解の明瞭化の目的で、前述の発明がいくつか詳細に記述されてきたが、添付の特許請求項の範囲内で、ある変更及び改変が行われ得ることは明らかである。本発明のプロセス、システム、及び装置を具現化する多くの代替的なやり方があることに留意されたい。例えば、欠陥検出特性のデータは、透過、反射、又は組み合わせの出力ビームから得られ得る。したがって、本実施形態は制約的ではなく描写的とみなされるべきであり、本発明はここに与えられた詳細に限定されるものではない。

Claims (17)

1. 半導体サンプルを検査するための検査システムであって、
   入射ビームを生成してウエハの表面上の欠陥に向ける照射光学系サブシステムであって、前記入射ビームを生成するための光源と、前記入射ビームの電界成分について比及び／又は位相差を調整するための一つ又はそれ以上の偏光要素と、を含む照射光学系サブシステムと、
   前記入射ビームに応答して前記欠陥及び／又は背景表面からの散乱光を収集するための収集光学系サブシステムであって、瞳平面に調整可能な開口を備え、それに続いて収集された散乱光の電界成分の位相差を調整するための回転可能な波長板と、それに続いて回転可能な検光子と、を備える収集光学系サブシステムと、
   前記一つ又はそれ以上の偏光要素を介して前記入射ビームの電界成分について比及び／又は位相差の選択、欠陥からの散乱光の収集に基づく欠陥散乱マップの獲得、バックグラウンド表面からの散乱光の収集に基づく表面散乱マップの獲得、及び、欠陥信号対雑音の比を最大にするように前記欠陥及び表面散乱マップの分析に基づいて前記一つ又はそれ以上の偏光要素と開口マスクと回転可能な波長板と検光子との構成の決定、という操作を実行するように構成されたコントローラと、
   を備える、検査システム。
2. 前記欠陥及び表面マップが前記収集光学系サブシステムの前記波長板の４つ又はそれ以上の角度で獲得され、
   前記構成の決定が、
   前記瞳平面における各瞳位置に対して、前記獲得された欠陥散乱マップに基づいて欠陥ストークスパラメータを決定するステップと、
   前記瞳平面における各瞳位置に対して、前記獲得された表面散乱マップに基づいて表面ストークスパラメータを決定するステップと、
   前記決定された欠陥及び表面ストークスパラメータに基づいて偏光直交性マップを生成するステップと、
   前記偏光直交性マップからの相対的な偏光直交性の値と前記欠陥散乱マップからの相対的な強度分布値とを比較して前記構成を決定するステップと、
   によって達成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記照射サブシステムの前記一つ又はそれ以上の偏光要素が、前記入射ビームの偏光角を制御するための回転可能な１／２波長板と、入射ビームの電界成分の位相差を制御するための回転可能な１／４波長板と、を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記照射サブシステムの前記一つ又はそれ以上の偏光要素が、前記入射ビームのパワーを制御し且つダイナミックレンジを増すための他の１／２波長板と直線偏光子とをさらに備え、前記１／４波長板は前記直線偏光子の前に位置されている、請求項３に記載のシステム。
5. 前記収集光学系サブシステムが、前記欠陥及び表面散乱マップを別個に獲得するために調整可能な視野絞りをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記収集光学系サブシステムが、センサと、瞳イメージを前記センサにリレーするための一つ又はそれ以上のリレーレンズと、をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記開口マスクの構成が、最大化された偏光直交性及び欠陥散乱強度を有するエリアを除いて前記瞳のエリアをブロックするように決定される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記照射光学系サブシステムの前記一つ又はそれ以上の偏光素子が直線偏光子を備えており、前記収集光学系サブシステムの前記回転可能な波長板が回転可能な１／４波長板であり、前記直線偏光子及び前記回転可能な１／４波長板が共役平面に各々配置されている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記欠陥及び表面散乱マップの解析は、前記欠陥及び前記表面散乱マップの散乱強度及び偏光直交性から構成される、請求項１に記載のシステム。
10. 前記構成の決定は、開口マスク、１／４波長板、及び検光子に対して異なる設定を欠陥及びウエハ散乱マップへ反復的に数学的に適用し、欠陥信号対雑音比を最大にするように前記異なる設定の１つを選択することにより達成される、請求項１に記載のシステム。
11. 半導体サンプルを検査する方法であって、
    検査システムの照射光学系サブシステムにおいて、入射ビームを生成してウエハの表面上の欠陥に向けるステップであって、前記検査システムの前記照射光学系サブシステムが、前記入射ビームを生成するための光源と、前記入射ビームの電界成分について比及び／又は位相差を調整するための一つ又はそれ以上の偏光要素と、を含むステップと、
    検査システムの収集光学系サブシステムにおいて、前記入射ビームに応答して前記欠陥及び／又は表面からの散乱光を収集するステップであって、前記検査システムの前記収集光学系サブシステムが、瞳平面に調整可能な開口を備え、それに続いて収集された散乱光の電界成分の位相差を調整するための回転可能な波長板と、それに続いて回転可能な検光子と、を備えるステップと、
    欠陥からの前記収集された散乱光に基づいて欠陥散乱マップを獲得するステップと、
    バックグラウンド表面からの前記収集された散乱光に基づいて表面散乱マップを獲得するステップと、
    欠陥と表面散乱マップの散乱強度と偏光直交性を考慮して欠陥信号対雑音比を最大にするように前記欠陥及び表面散乱マップの分析に基づいて前記一つ又はそれ以上の偏光要素と開口マスクと回転可能な波長板と検光子との構成を決定するステップと、
    を包含する、方法。
12. 前記欠陥及び表面マップが前記収集光学系サブシステムの前記波長板の４つ又はそれ以上の角度で獲得され、
    前記構成を決定するステップが、
    前記瞳平面における各瞳位置に対して、前記獲得された欠陥散乱マップに基づいて欠陥ストークスパラメータを決定するステップと、
    前記瞳平面における各瞳位置に対して、前記獲得された表面散乱マップに基づいて表面ストークスパラメータを決定するステップと、
    前記決定された欠陥及び表面ストークスパラメータに基づいて偏光直交性マップを生成するステップと、
    前記偏光直交性マップからの相対的な偏光直交性の値と前記欠陥散乱マップからの相対的な強度分布値とを比較して前記構成を決定するステップと、
    によって達成される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記照射サブシステムの前記一つ又はそれ以上の偏光要素が、前記入射ビームの偏光角を制御するための回転可能な１／２波長板と、入射ビームの電界成分の位相差を制御するための回転可能な１／４波長板と、を含み、前記１／４波長板が前記直線偏光子の前に位置されている、請求項１１に記載の方法。
14. 前記収集光学系サブシステムが、前記欠陥及び表面散乱マップを別個に獲得するために調整可能な視野絞りをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記収集光学系サブシステムが、センサと、瞳イメージを前記センサにリレーするための一つ又はそれ以上のリレーレンズと、をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記開口マスクの構成が、最大化された偏光直交性及び欠陥散乱強度を有するエリアを除いて前記瞳のエリアをブロックするように決定される、請求項１１に記載の方法。
17. 前記構成の決定は、開口マスク、１／４波長板、及び検光子に対して異なる設定を欠陥及びウエハ散乱マップへ反復的に数学的に適用し、欠陥信号対雑音比を最大にするように前記異なる設定の１つを選択することにより達成される、請求項１１に記載の方法。