JPH0711491B2 - 半導体ウエ−ハ走査装置及び方法 - Google Patents

半導体ウエ−ハ走査装置及び方法

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JPH0711491B2 JP61084019A JP8401986A JPH0711491B2 JP H0711491 B2 JPH0711491 B2 JP H0711491B2 JP 61084019 A JP61084019 A JP 61084019A JP 8401986 A JP8401986 A JP 8401986A JP H0711491 B2 JPH0711491 B2 JP H0711491B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体ウェーハやそれに類似の物体の表面上
のパターンを走査するための装置に関する。更に詳しく
は、本発明は、コンピュータ制御による走査装置を有す
る高分解能顕微鏡を利用した画像システムで、欠陥検出
や長さ測定のための正確で詳細な情報を出力するための
装置に関する。
半導体ウェーハやそれに類似の物体の表面パターンの欠
陥を検出するための走査技術においては、光学顕微鏡や
超音波顕微鏡を利用した分解能の高い方法が開発されて
いる。光学的画像システムにおいては一般に、テレビカ
メラに類似の装置が用いられる。このシステムでは、ウ
ェーハ上の比較的大きい領域から反射された電磁波を光
学システムと光電検出器で処理して多重強度の画像を生
成し、ディジタルもしくはアナログ装置で、CRTのよう
な適当な出力装置に出力する。
最近では更に試料を高精度且つ、高速で走査する顕微鏡
が開発されている。こうした装置の一例では、超音波顕
微鏡が用いられ、音響レンズが板バネ上に装着されて50
Hzの周波数で電磁的に駆動できるように設けられてい
る。試料はx-yティルト・ステージ上に装着される。更
に別のx-y低速駆動装置が設けられ、試料の望む部分を
音響レンズの視野内にもってくるために用いられる。ピ
エゾ効果を用いたＺ軸駆動装置は、試料表面のいろいろ
な異る高さの面を視るために用いられる。
他の最新の半導体ウェーハ走査装置は、共焦点画像シス
テムをもつ走査型光学顕微鏡を用いる。ウェーハを集光
したレーザ光の焦点のまわりに機械的に走査することに
より、テレビ型の表示装置上に画像が生成される。
共焦点光学装置を用いた走査装置では、例えばレーザの
ような光源からの光を鋭く集光し、レンズ系を通して、
試料上の非常に小さい点領域に当てる。試料からの反射
光は同じレンズ系を通って検出器へと導かれる。こうし
た光学系を用い、試料を平面上で高速に走査し、光電検
出器に、適当な電子回路を結合することにより、画像が
生成される。この場合、小さい集光点が試料上の各点を
次々と走査する間に反射光の強度が変化することを利用
する。上記のような共焦点光学系を用いた走査型顕微鏡
は、シェパードの米国特許第4,198,571号に詳述されて
いる。
本発明による装置では、電磁波源とレンズ系により、ビ
ームを半導体ウェーハ上の小さな点に集光するための共
焦点光学画像システムが与えられる。本装置は、ウェー
ハ近傍に設けられた対物レンズを含有し、実質的に平行
な光線が光源から入射し、また実質的に平行な光線が検
出器に送られるように設けられる。この対物レンズは、
平行光線の方向に微小距離だけ動くことができ、画像シ
ステムの焦点位置を変えることにより、ウェーハ表面の
深さ方向の情報を検出できる。ウェーハ自体は、機械的
走査装置上に設けられ、上記機械的走査装置は少くとも
平面上の２方向に動くことができる。この平面上の運動
には２種類あって、一つは、ウェーハの目的とする部分
を直ちに視野内にもってくるための大きな運動で、もう
１つは、比較的小さな振幅で振動的に走査しながらそれ
と直角方向にゆっくりと動かすことによりウェーハの一
部を隈なく走査する運動である。こうした走査運動を行
っている間に、反射光は光電検出器でディジタル的に抽
出され、反射光の測定可能な諸特性が制御装置に記憶さ
れてウェーハ上の各点の情報が貯えられる。反射光の特
性として通常用いられるのは強度であるが、位相、偏
光、波長といった他の特性を検出する場合も本発明の範
囲に含まれることに留意されたい。こうした特性もウェ
ーハ表面の詳細な情報を得るのに役立つ。振動駆動装置
が次々と一定間隔を置いて平面上を走査する間に、深さ
を変えて走査することにより、ウェーハの走査部の３次
元的画像情報が得られCRTのような出力装置に表示でき
る。
本発明における高分解能画像システムにより、ウェーハ
上の線幅や接続部の面積を迅速に測定することができ
る。また線の断面形状や厚さも正確にかつ容易に測定す
ることができ、表面パターンの重ね合わせの精度も迅速
に検出してミスアライメントをチェックできる。
更に本装置は、ウェーハの平面厚、傷、はく離、架橋
等、線パターンの大きな欠陥の検出にも用いることがで
きる。
本発明によるウェーハ走査装置の概略は、第1A図に示さ
れている。光学装置（20）は、コンピュータ装置（22）
によって制御され、信号をこのコンピュータ装置に送
る。コンピュータ装置（22）は、いろいろな表示装置
（24）に情報を出力する。検査すべき試料や半導体ウェ
ーハ（Ｗ）は光学装置の下に置かれ、光学装置（20）か
ら照射される光ビームに直角な平面内で動くように設け
られる。このように、ウェーハはコンピュータ装置（2
2）からの信号（x,y走査制御信号）によって制御され
て、機械的走査メカニズム（第1A図には示されていな
い）により水平面上で互に直交するx,y方向に動く。Ｚ
方向の運動、即ち光学装置より照射される光ビームに平
行な方向への運動は、焦点制御メカニズム（28）によっ
て行われる。即ち、光学装置の一部である対物レンズ
（26）がごく小さい距離だけ移動して光学装置の焦点面
を変化させる焦点制御メカニズムは、コンピュータから
の焦点制御信号によって制御され、レンズを上下方向に
移動させる。光学装置からのビームは非常に鋭く集光さ
れ焦点深度は非常に浅い。上記ビームは、焦点面上の試
料表面（もしあれば）から反射され、再び光学装置を通
って光電検出器へ導かれる。光電検出器からの信号は制
御回路によりディジタル化されコンピュータ装置に送ら
れる。この信号は、x-y面上のいろいろな点における焦
点レベルＺの関数としての反射光強度を表わしている。
第1A図に斜線で示したように、あるＺレベルにあるいく
つかの面は比較的低い反射率を有し、他の面は高い反射
率を有するといったように表面の特性の違いにより反射
光強度が異る。また光学装置が非常に浅い焦点深度をも
っているので、反射光の強度は、反射面がちょうど焦点
面に一致した時に最大となり、反射表面が焦点面から少
しずれると急速に反射光の強度がおちる。したがって、
出力信号が最大となるように焦点制御メカニズム（28）
を調節することにより、任意の位置におけるウェーハ面
の高さは直ちに検出することができる。コンピュータ装
置は、ウェーハ上のx,y位置と焦点面位置Ｚを反射強度
の値と共に記録し、これらの情報を全て統合して、走査
されたウェーハの３次元的な表現を出力する。
本発明による装置の更に広範囲の図面を第１図に示す。
コンピュータ装置（22）は、２台のCRT表示装置に情報
を出力する。一方はグラフィックス・ビデオ・ディスプ
レイ（24b）で第1A図に示したようなウェーハの断面図
やデータのグラフィックな表示に用いられ、他方はイメ
ージディスプレイモニタ（24a）で、x-y面内のいろいろ
な点におけるいろいろな表面深度Ｚの関数として記憶さ
れている反射強度信号を用いて、ウェーハの走査した部
分の画像を表示する。このような信号は、走査時にビデ
オ・ディスプレイ・メモリ（29）に記憶され、望みのフ
ォーマットでモニタ（24a）上に表示される。
第１図に示したように、ウェーハ（Ｗ）は水平面内でｘ
ステージ（34）とｙステージ（32）によって動かされ、
上記x,yステージはコンピュータの制御の下にx,yステー
ジモータ制御回路（36）によって駆動される。後に詳し
く述べるが、ステージ（32,34）は、普通の精密平行移
動テーブルで、光学的位置エンコーダを備えており、１
ミクロン以下の分解能と精度を有している。モータ制御
回路（36）も、通常のものであって、ステージを動かす
ためのパルスを送出し、また位置エンコーダからの信号
を受信し分析して常にウェーハの位置を正確に監視す
る。Ｚ軸焦点制御回路（38）は、焦点制御メカニズム
（28）へ電圧信号を出力する。この例では、焦点制御メ
カニズムは、ピエゾ結晶から構成され、上記ピエゾ結晶
は、印加電圧に応じて垂直面内で伸縮してレンズ（26）
の相対位置を変化させる。
第１図に示したように、光学装置（20）を含む光学モジ
ュールはレーザビーム源（40）より光を受け、対物レン
ズ（26）により非常に細く集光された光線をウェーハ上
に出力する。上記集光々線の径は10ミクロン以下であ
り、通常は１ミクロンより小さくなる。ウェーハで反射
されたビームは光学装置（20）を通って光電子増倍管よ
り成る検出器（42）へ送り返される。後に詳述するよう
に全システムの制御回路（44）は、光電子増倍管より、
光強度信号を増幅器（45）を介して連続的に受けとり、
このデータを走査装置からの位置情報と同期させる。制
御回路は更に走査駆動信号（正弦波信号）を増幅器（4
7）を介して振動走査メカニズムに送出する。走査メカ
ニズム（46）は、ウェーハをｘ方向に迅速に振動させる
働きをする。この間、一次元移動台であるｙステージ
（32）はゆっくりとｙ方向に移動し、全体として二次元
の平面走査を行う。この動作については後に詳述する。
第１図により明らかなように、制御回路（44）内におい
て、走査駆動波形がラインスキャン波形メモリ（95）か
らディジタル的に発生され、上記波形はD/Aコンバータ
（91）によってアナログ信号に変換され、次に増幅器
（47）により増幅される。上記メモリ（95）はスキャン
制御同期回路（97）によりアドレス指定される。光電検
出器（42）から得られるアナログ信号はA/Dコンバータ
（92）によってディジタル化される。
本発明による装置の特長の一つは、ウェーハを駆動する
走査メカニズム（46）が一定速度ではなく、ウェーハを
走査するにつれて変化する速度で走査を行うが、ディジ
タル信号のサンプリングのタイミングもこれに応じ変化
して、最後に記録される信号は、ウェーハ上に等間隔に
並んだ点上の情報になっている点である。このように設
けることにより、歪のないウェーハ像が得られる。これ
を実現するためにラインキャン歪メモリ（94）が設けら
れて、ディジタル信号のサンプリングのタイミングを制
御する。メモリ（94）から得られた信号は、ピクセルタ
イミング同期回路（96）により、ラインスキャン・ピク
セル・メモリ（93）を制御するのに用いられる。上記ラ
インスキャンピクセルメモリ（93）は、ちょうど適切な
時刻にディジタル入力信号を受け入れて記憶するための
ものである。各入力信号は、ウェーハ上の非常に小さな
領域であるピクセルの一つに対応し、サンプルされる信
号は、上記領域からの反射光強度の測定値である。
本発明による装置の光学系が第２図に示されている。レ
ーザビーム源（40）から出た非常に細いコヒーレント光
（Ｂ）は、ミラー（50）で反射されてアイソレータ（5
1）を通る。アイソレータ（51）は、光を矢印（Ｔ）で
示した方向のみに通し、ウェーハで反射してきた光が逆
にレーザに戻らないようにする働きがある。ビームスプ
リッタ（52）は、レーザ光源からのコヒーレント光
（Ｂ）の一部を透過させると共に、反射して帰ってきた
光の一部を矢印（Ｒ）で示した方向に反射して光電子倍
増管（42）に送る働きをする。（58）は偏光板で、光学
系の偏光方向を調節する。本装置では偏光板（53）は、
四分の一波長板になっており、この板を回転することに
より偏光度を調節できる。対物レンズ（54）、（55）
は、入射光であるコヒーレント光（Ｂ）とウェーハから
の反射光の両方を受け、２つのレンズの焦点にピンホー
ルを有する空間フィルタ（56）により調光を行う。この
ピンホールの大きさは、反射光のエアリー・ディスクよ
り小さくなくてはならず、５〜10ミクロン程度でなけれ
ばならない。対物レンズ（55）は、透過光であるコヒー
レント光（Ｂ）を再コリメートして、以後の光が直径約
1cmの非常に平行度のよい光に変換する。この光はミラ
ー（57）で反射されて、垂直方向に向きが変わり、しぼ
り装置（58）によってビームの太さが自由に調節でき
る。ビームの太さは、後にのべるように、ウェーハ上に
焦点を結ぶ光点によって掃引される面の大きさによって
適正値に決められる。対物レンズ（26）は、焦点制御メ
カニズム（28）によって上下に動かすことができ、入射
光のコヒーレント光（Ｂ）をウェーハ上の非常に小さい
点（通常、直径約１ミクロン）に集光する働きをする。
ウェーハ面を走査するには、図に示したようにウェーハ
（ｗ）をx-y面内で動かすことにより、レーザ光のスポ
ットがウェーハ面の小さい領域をくまなく走査するよう
にする。
既に指摘したように、本光学系は、共焦点結像系をなし
ている。共焦点結像系とは、光がある光学系を通過して
試料のある点に像を結び、この点からの反射光が再び同
じ光学系を逆に通って処理されるような装置である。第
２図に示したように、反射光は対物レンズ（26）、（5
4）、（55）と四分の一波長板である偏光板（53）を通
るように設けられている。ビームスプリッタ（52）によ
り、反射光の一部は直角方向（矢印Ｒの方向）に曲げら
れて光電子増倍管（42）に達する。ビームスプリッタ
（52）を通り抜けて直進する残りの光は、アイソレータ
（51）で吸収され、レーザ源と反射光の干渉効果によっ
て誤った信号を発生しないように設けられる。
本発明による半導体ウェーハ走査装置の機械的構造を第
３〜第７図に示した。先ず、第３図を参照すると、テー
ブル（61）があってその上に４本のピストン‐シリンダ
型空気バネ（62）を介して四隅が支えられた大理石の定
盤（60）がのっている。ウェーハ駆動装置と光学系の全
体はこの大理石定盤の上に装着される。定盤（60）の上
には枠構造（64）が立っていて、光学モジュール（20）
と焦点制御メカニズム（28）を支持している。
焦点制御メカニズムは、第３、５、６図に詳細に示され
ている。可動な対物レンズ（26）は、前部と上部が開い
たケージ（72）の内部に装着され（第６図）、ケージの
裏面は枠（64）の垂直面上に設けられたスライド溝（7
3）にはまっている。ケージ（72）の一方の側面には支
持用ブラケット（70）が設けられ、上記ブラケットは外
側に張り出してDCサーボモータ（66）を支えている。上
記サーボモータから突き出したリードネジ（67）は、主
柱枠（64）に固定された支持ブラケット（68）の上面に
接触している。第３図から明らかなように、モータ（6
6）に取り付けられたネジ（67）を動かすことにより、
対物レンズをウェーハ支持台に対して上下に動かすこと
ができる。上記の機構は、光学系の焦点をウェーハ面に
大体合わせるための粗動機構として作用する。また、モ
ータによってレンズ（26）を動かして、ウェーハ支持台
からはるか上方に持ち上げることができるので、ウェー
ハの着脱を迅速に行うことができる。
対物レンズの微調整は、第５、６図に示した（一般に）
円筒形のピエゾ結晶（76）を用いて行う。ピエゾ結晶
は、ケージ（72）の底部と上部輪状支持部材（74）の間
に置かれ、上記支持部材（74）は中心ハブ（75）を有し
ていて、レンズ（26）の装着機構上部が上記ハブにネジ
止めされている（第５図）。第６図電気リード線（77）
に印加する電圧を変化させることにより、結晶（76）は
第５図の矢印の方向に伸縮するので、対物レンズ（26）
を下のウェーハに対して上下に動かすことができる。結
晶（76）に電圧を印加することにより生じるレンズ（2
6）の動きは１ミクロンないしそれ以下の大きさであ
り、ウェーハ面のレベルの比較的小さな差異も直ちに検
出することができることに注目されたい。
第４図は、平面駆動機構を詳細に示している。ｘ及びｙ
方向駆動装置即ちステージ（34）、（32）の各々は、通
常の平行微動テーブルで構成されており、ここで述べる
実施例では、約６〜８インチの移動を行うことができ
る。これらのテーブルは、それぞれ、駆動モータ（82）
を有し、溝枠（83）内のスライド・ブロック（80）にネ
ジで係合したリードネジ（図示されていない）によって
上記スライドブロック（80）を駆動する。図には示され
ていないが、各平行微動テーブルは、１ミクロン以上の
精度をもつ光学的位置エンコーダを有していて、位置を
表す信号をコンピュータ（22）に送り、この信号によっ
て、任意の時刻におけるx-y平面内でのウェーハの位置
を制御し、且つ、光学系による反射光強度の測定結果と
ウェーハ位置とを関連付けることができる。Y-ステージ
平行微動テーブル（32）の上面には平板状の下段傾斜板
（84）が取り付けられ、上記下段傾斜板（84）には、中
段傾斜板（86）が板バネ（88）によって取り付けられて
いる。上記板バネは、上記両傾斜板の隣り合う側面に固
定されている。傾斜調節ネジ（87）が、傾斜板（86）の
バネ（88）とは反対側の端部に取り付けられ、このネジ
は上記下段傾斜板（84）の上面に係合して中段傾斜板を
ｘ軸まわりに回転させてその傾斜角を調節する。これと
同様に、上段傾斜板（90）が、その後端部の板バネ（9
2）により中段傾斜板とは間隔を開けて取り付けられ、
傾斜角調節ネジ（91）が傾斜板（90）の前方端部に設け
られて傾斜板（86）の上面に係合する。このネジを調節
することにより、傾斜板（90）をＹ軸のまわりに回転さ
せてその傾斜角を調節する。装置を最初にセットアップ
したり、後にこれを点検する際、傾斜ネジ（87）、（9
1）を適正に調節して、上段傾斜ブロック（90）の表面
が完全に水平面内にあって、上部に配置された光学系
（20）の光軸に対して正しく直角をなすように配置する
ことが重要である。
なお、当業者には周知の通り、別のステージを設けてウ
ェーハを上記駆動モータとは異なる速度で平行移動させ
ることもできる。
ウェーハ（ｗ）をｘ方向に高速で走査するための振動走
査メカニズム（46）の詳細を第７図に示す。また同メカ
ニズムの分解図を第４図に示す。図からわかるように、
走査メカニズムは、駆動部材を支持するための１対の板
バネ（120a）、（120b）と、１対の張力調節用板バネ
（121a）、（121b）を含有する矩形の構造体から成る。
上記各板バネは、その頂部を４個のコーナブロック（12
2）にボルトで止めることにより、矩形状に配置され
る。振動用板バネ（120a）、（120b）の中点を結んで１
本の駆動棒（78）を橋渡し的に固定する。駆動棒（78）
の上面には、真空チャック（89）が設けられ、その平坦
な上面にウェーハ（ｗ）を吸引によって固定する。駆動
棒（78）は、後面に突き出ていて（78a）、コイル（7
9）が装着され、制御回路（44）からの信号が増幅器（4
7）（第１図）で増幅されて、駆動電流として上記コイ
ル（79）に印加される。上記コイル（79）に隣接する柱
状ブロック（100）には複数個の磁石（101）が装着さ
れ、これらを合わせて完全な電磁駆動装置を形成する。
柱状ブロック（100）は、第４図に示すように、上段傾
斜板（90）の延長部（90a）の上に固定されていて、コ
イル線のターミナル（101a）の取り付け部としても用い
られている（第４図）。
走査装置（46）を上段傾斜板（90）に固定するために、
張力調節用板バネ（121a）、（121b）の中点に装着板
（128）を介してＶ字型装着ブロック（124）がボルト止
めされる。上記装着板の各々はその中点にネジ穴が設け
られ、セットネジ（127）がさしこまれる。各々のネジ
は上記装着ブロック（124）に設けられた穴（127a）内
に自由に動けるように延在する（第７図）。上記上段傾
斜板（90）には台ブロック（125）が固定され（第４
図）、セットネジを受ける面を提供する。第４、７図に
示すように装着ブロック（124）もボルト（126）によっ
て上段傾斜板（90）の上面に固定される。上記ボルト
（126）は、上記ブロック（124）に設けられたスロット
内に延在するので、これをゆるめることにより、上記ブ
ロックを走査装置に対して横方向にずらせることができ
る。このように、装置ブロック（124）は、ボルト（12
6）をしめつけるに先立って台ブロック（125）の側面に
沿って動かすことができるので、第７図に示すように、
張力調節バネ（121a）、（121b）を一番内側の位置から
外向きに（矢印方向に）ふくらむように変形させること
ができる。この機構により板バネ（120a）、（120b）に
かかる張力を調節して、装置の機械的な共鳴周波数を望
ましい値に調節することができる。上記共鳴周波数は、
走査装置の駆動周波数より若干高めに選ぶのが良く、こ
うすることにより高いエネルギー効率を実現すると共
に、駆動に際して走査装置が共鳴周波数を決して通過し
ないので、制御不能になったり、構造体を損傷したりす
るような事故が起こらない。板（128）が台ブロック（1
25）から外向きにずれる方向にセットネジ（127）をま
わすことにより、張力調節バネ（121a）、（121b）が外
向きにふくらんで、バネ（120a）、（120b）は第７図の
矢印で示す方向に張力を受ける。張力調節用バネ（121
a）、（121b）は付属のネジ（127）によりそれぞれ独立
して調節できるので、バネ機構のいかなる非対称性も補
償することができて、完全に対称的な駆動装置を実現す
ることができる。
磁石が第７図に示したように配置されているので、コイ
ル（79）に交流電流を供給することにより、駆動棒（7
8）とそれに支えられているウェーハ（ｗ）とを交流電
流と同じ周波数で前後に移動させることができる。この
横方向運動の大きさが、ウェーハの走査幅となるが、こ
れは典型的な場合2mmにセットする。
なお、上記走査装置は、ウェーハに振動作用を与えられ
る位置に設ける限り、装着装置とは切り離して設けるこ
ともできる。
本発明による走査装置の制御回路（44）を第８図に示
す。コイル（79）に駆動信号を供給するための走査制御
同期回路（97）（第１図）は、スキャン分周器（10
2）、リニアスキャン位置カウンタ（103）、位相オフセ
ット比較器（105）、位相レジスタ（106）から構成され
る。クロック（ｃ）はパルス列を発生するが、そのくり
かえし周波数は、ウェーハの観察領域を一走査する間に
必要なデータ点の数、各データ点の間に必要な可変遅延
カウント、及び走査速度によって決まる。本発明による
装置の一例として、クロックのパルスを10MHzとし、走
査装置（46）が50Hzの正弦波形で駆動されるものとす
る。また十分な分解能を得るために、上記正弦波を2048
個のディジタルな領域に分割するものとする。したがっ
て、スキャン分周器（102）は、コンピュータ（22）に
よって、クロック周波数を102.4KHz（50×2048）のパル
ス周波数に分周し、これらのパルスは、リニア・スキャ
ン位置カウンタ（103）によって、2048サイクルの周波
数で計数される。各々の計数値は、ライン・スキャン波
形メモリ（95）に送られて、中に記憶されているデータ
をアドレスするのに用いられる。上記メモリは通常のRA
Mチップで、正弦波を発生するのに必要なディジタル・
データを記憶している。メモリ中のデータは、位置カウ
ンタ（103）から出てくる一連の信号に従って出力され
る。ディジタル振幅スケーラ（113）は、ディジタル・
データにプログラマブルなスケーリングファクタを掛け
合わせる。D/Aコンバータ（91）、走査駆動装置の中の
コイル（79）に対してアナログ正弦波電流を供給し、以
って前述したやり方で走査装置を駆動する。
振動的な駆動装置では、従来から知られている如く、駆
動波形と任意の時点における実際の走査位置との間に位
相差が生じる。光学装置からの信号が、ウェーハ上のど
の位置のものであるかを知るためには、この位相差を補
正しなければならない。そこで、位相オフセット比較器
（105）がカウンタ（103）から順に位置信号を受け取っ
て、位相レジスタ（106）中のディジタル数と比較す
る。上記位相レジスタ中のディジタル数は、駆動波形と
実際の走査位置との間の差を表している。この比較操作
の後スタート信号もしくはリセット信号がビクヤルカウ
ンタ（108）に送られ、データ読み取りが開始される。
第8A図は上記回路の機能を図で示したものである。図に
は、正弦的な駆動波形と位相角で表わしたオフセット、
走査装置の実際の位置を表す第２波形が示されている。
更に、走査メカニズムが一方向に動く場合の全振幅を画
像情報の取得に用いるとストロークの終りの方で速度が
低下して画像が歪むので望ましくない。そこで、一方向
の運動が開始してからデータ記録が開始されるまでの間
のもう１つのオフセットも補正する必要がある。後者の
オフセットは位置オフセットと呼ばれ、第8A図にも示さ
れている。そこで１つの一次元トラッキング運動が開始
されてからの全オフセット、即ち第8A図の電気波形のピ
ークからの位相オフセットと位置オフセットの両方を補
正しなければならない。位相レジスタ（106）には、カ
ウンタ（103）からのパルスの、このオフセットに相当
するカウント数が記録されている。そして、カウンタ
（103）は、駆動波形のピークのところから計数を開始
する。位相オフセット比較器（105）の中の数値がカウ
ンタ（103）によって順次更新されていき、第8A図に示
した開始点で位相レジスタに記憶されている数値と等し
くなる。その時、位相オフセット比較器はピクセル・カ
ウンタ（108）に対してリセット信号を送り、データ読
みが開始される。走査装置が運動の終端点に行きつく直
前に停止点に到達し（この位置は、ピクセル計数回路に
よって決定される。）、この点から後はコンピュータの
データ出力が停止する。ピクセルタイミング同期回路
（96）（第１図を参照）は、第８図に示すようにピクセ
ル・カウンタ（108）、ピクセル遅延カウンタ（109）、
ピクセル・ズームファクター・レート・デバイダ（11
0）、データ記憶場所カウンタ（111）を含有する。ディ
ジタル画像装置で普通に行われるように、試料の一端か
ら他端に至る１走査は、一連の単一信号要素、即ちスナ
ップショットに分割され、各々の要素は試料上の小さい
領域を表している。こうした小領域をピクセルという。
本発明による装置では、一本の線上に最大4096のピクセ
ルを取ることができる。したがってピクセル・カウンタ
（108）は、位相オフセット比較器（105）からのリセッ
トパルスによって計数を開始してから、ピクセル・遅延
カウンタ（109）のエネーブル・パルスが生起するたび
に１カウントずつ加えていって、全部で4096までカウン
トする。走査メカニズムの速度は、一様でなく、運動の
中点で最大になり、振動運動の終点では０にまで減速す
る。データ信号のタイミングを調節して、ピクセルがウ
ェーハ上に等間隔に並ぶようにするためには、この速度
の変化を正しく補正しなければならない。そのために、
ライン・スキャン歪メモリ（94）が、プログラムされて
複数個の遅延信号カウントが記憶されている。この遅延
信号カウントは各データ信号間の実時間遅れを表してお
り、走査装置の位置に依存する値をもっている。このよ
うに、ピクセル・遅延カウンタは、メモリー（94）から
遅延カウント信号を受け取り、これにクロック（ｃ）か
ら直接受けとる入力パルスによってカウントダウンして
零になるとピクセル・カウンタ（108）に信号を送る。
カウンタ（108）中のカウントが更新されるとメモリー
（94）に「足し算」信号が送られ、次のシーケンシャル
遅延カウントが遅延カウンタ（109）に位相され、また
改めてカウントダウンが開始される。
通常のディジタル画像表示スクリーンでは、１本の線上
に表示できるピクセルの数が例えば512と制限されてい
るので、プログラマブル・ピクセル・ズームファクタレ
ートデバイダ（110）を設けて、4096個の可能なピクセ
ルを表示可能な数（例えば512）に落とす。したがって
レートデバイダ回路（110）は８個のピクセルにつき１
回だけデータ記録を行うことによって、入力してくるピ
クセル信号を８で割る作用のみを行う。分解能を上げた
い場合には、この回路の除数を小さくするなり、あるい
は１にして（全ピクセルを記録する）、出力ディスプレ
イに走査の一部分のみ表示する。デバイダ（110）の出
力信号がデータ記憶位置カウンタ（111）を賦活する
と、上記位置カウンタ（111）はライン・スキャン・ピ
クセルメモリ（93）（通常のRAMチップから構成され
る）中のいろいろなアドレスを順に指し示す。カウンタ
（111）からのシーケンシャル・パルスの各々は、メモ
リ（93）をアドレス指定してA/D変換器からの入力ディ
ジタルデータの現在値が上記アドレスに記憶されるよう
にする。上記入力ディジタルデータは光電検出器（42）
からの光強度読取り値の現在値を表している。ライン・
スキャン・ピクセル・メモリは、データを記憶し、適当
な命令を受けると、バスインターフェース（115）を介
して中央処理装置もしくはコンピュータ（22）にデータ
を出力するが、これは通常のプログラミング技術に従っ
て行われる。
本発明による走査装置によってウェーハの一部分を走査
する様子を第９図に示す。ウェーハの端から端までの間
に10個のピクセルしか図示してないが、適切な分解能を
得るためには、もっと多くのピクセルが必要なことはも
ちろんである。本発明による装置では、走査メカニズム
（46）が１走査する場合、512個のピクセルを通過す
る。第９図の太線（130）は、ウェーハが動いた時のス
ポットの中心線の描く線を示している。線（130）の実
線部は、走査線のうちデータ記録シーケンスが動作して
いる部分であり、破線部は動作していない部分である。
第９図には前述した位置オフセットを省略してあるの
で、走査装置は、一方向に端から端まで動く間中データ
記録を行い、逆方向に動く時は全く記録を行わない点に
注意されたい。
第９図においてウェーハの（ステージ（32）による）Ｙ
方向の低速運動は、走査装置が左に房った時にピクセル
が走査方向だけでなくそれに直角な方向にもきちんと並
んで、各ピクセルのデータが２次元のウェーハ画像とし
て後で表示された時に歪のない画像を与えるように行わ
ねばならない。前にも説明したように、第８図の歪補正
回路は、データの読みとりタインミングを調節して画像
がウェーハ上にきちんと一様間隔で配置された部分から
構成されるようにする働きがある。ピクセル内の斜線を
入れた円は、反射強度が記録された時刻におけるレーザ
ビーム・スポットのウェーハ上での寸法を表している。
上の２列のスポットは、各ピクセルの境界線近くまで達
してピクセルの大部分を覆うような寸法になっている。
このようにスポットの直径がピクセルの直径に大体等し
い状態が適正寸法であって第３図に示したしぼりメカニ
ズム（58）はスポットがこの寸法になるよう調節され
る。第３行目はスポット寸法がピクセルの寸法に比べて
小さくなっている。この場合でもウェーハ上のパターン
がピクセルの間隔に比べて粗い場合には問題はない。一
番下の走査線では、一つのピクセルのスポットが隣のピ
クセルのスポットと少し重っている。この場合でも装置
の分解能如何によっては、ウェーハ表面パターンを正確
に表すのに不都合はない。
第10、11図は、本発明による装置を利用して、ウェーハ
表面のパターンの典型的な測定を行った例（第10図）と
検出された欠陥（第11図）とを示している。第10図にお
いては、走査装置を線（Ｔ）で示すようにｘ方向に動か
した場合で、この場合には、導電体の線幅は（132）、
（133）に示すように走査装置がそれを横切って動くの
で直ちに測定することができる。線の側線で表面の高さ
が変化すると（走査装置の深さレベルを一定にしておく
と）反射光強度が急激に変化して直ちに検出できる点に
注目されたい。線と線の間隔（134）、線のオフセット
（135）も直ちに測定することができる。接続端子穴（1
36）の直径も同様に測定することができる。ピクセルは
ｘ方向にもｙ方向には整列しているので、メモリ中に記
憶された１行毎のデータから、（Ｔ）に直角方向の寸法
測定（137）、（138）もできる。また、（139）に示す
ような重ねて描いた線のずれも検出することができる。
第11図は、本発明による装置が検出しうるウェーハ表面
パターンの欠陥の典型例を示す。例えば、線（Ｔ）の方
向に順次走査を繰り返して比較することにより、（14
2）に示すように一方の導電体の線が他の導体の近くに
形成されたために線幅が変化した例を検出することがで
きる。また、分解能を適当に調節すると、「ピンホー
ル」（143）が信号強度の変化として検出される。更に
同様にして導電体の小さな残留物（144）も検出するこ
とかできる。線と線のブリッジング（145）、線の縁の
欠け（146）、その他の線の縁部の異常も記録したデー
タを一行づつ比較することにより検出することができ
る。
本明細書には、本発明の最も好ましいと思われる実施例
のみを詳述したが、本発明の主旨から離れることなく、
修正や変形を行い得ることは明白である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による半導体ウェーハ走査装置の回路
図、第1A図は本発明の走査装置で走査されているウェー
ハのＺ−Ｘ面の断面形状を示す走査装置を簡略化した回
路図、第２図は、第１図の走査システムの光学系の配置
を示す説明図、第３図は、本発明による走査装置の部分
断面側面図、第４図は、本発明による装置のスキャナと
ｘ−ｙ平面駆動装置の分解図であり、第５図は第３図の
走査装置の焦点制御装置の部分断面平面図、第６図は第
５図の６−６線断面図、第７図は本発明による装置の振
動走査メカニズムの平面図、第８図は本発明による装置
の制御装置の一部分を示すブロック図、第8A図は制御信
号と機械装置の位相関係を示す振動駆動装置の略図、第
９図はウェーハ上の小さい領域でその点に関して表面情
報が得られる仮想上のピクセルと反射光強度の測定の行
われるレーザビーム集光点とを示す、半導体ウェーハ上
の連続する複数の走査運動を示す図、 第10図は本発明による装置で測定できる主要な寸法を示
す典型的な半導体ウェーハの部分図、第11図は本発明に
よる装置で検出できる主要な欠陥の種類を示す典型的な
半導体ウェーハの部分図である。
フロントページの続き (72)発明者 イアン・アール・スミス アメリカ合衆国 カリフォルニア州ロス・ ガトス、エデレン・アベニュー 226 ナ ンバー 43 (72)発明者 ガリー・エイ・メルモン アメリカ合衆国 カリフォルニア州サラト ガ、グレン・ブラエ 13190 (56)参考文献 特開 昭55−112502（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−267728（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−71833（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−49240（ＪＰ，Ｕ)

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも２つの互いに直交する方向に平
    面内運動できるように設けるウェーハ装着装置と、 電磁エネルギ源と、 該電磁エネルギ源からのビームを上記ウェーハ上の約10
    ミクロン以下の比較的小さいスポットに向け、更に上記
    ウェーハ上の上記スポットからの反射ビームを受けるた
    めの共焦点結像装置と、 上記ウェーハを上記方向に比較的長い距離にわたって移
    動させてウェーハの望みの部分を、上記結像装置の視野
    内にもってくる、上記装着装置と連結された装置と、 上記ウェーハを上記方向のうちの一方の方向に比較的短
    い距離にわたって高速で動かす、上記移動装置とは別個
    の振動装置と、 該振動装置と連動して動作し、上記ウェーハを上記方向
    のうちの他方の方向に比較的低速で動かすための装置
    と、 上記結像装置から上記反射ビームを受け、上記ウェーハ
    上の特定のスポット位置から反射されたビームの測定可
    能な特性を表す出力信号を与える検出器と、 上記ウェーハが与えられた方向へ振動運動を一度行う間
    に、密に配列したスポットからの複数個の上記出力信号
    を記憶する装置と、 複数の連続的な上記振動運動の間に蓄積記憶された上記
    信号を表示することにより、ウェーハ表面の少なくとも
    一部分の画像を与える装置とを含有する、表面パターン
    の情報を得るための半導体ウェーハ等走査装置。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の半導体ウェ
    ーハ等走査装置にして、上記振動装置は、平行に配置さ
    れた一対の板バネと、上記一対の板バネの両端部間で固
    定されて該バネ間の間隙を埋める装着ブロックとを含有
    し、上記ウェーハ装着装置は、上記装着ブロックに固定
    され、さらに電磁駆動装置は上記装着ブロックに連結さ
    れて、上記板バネに対して直交する方向に振動すること
    を特徴とする半導体ウェーハ等走査装置。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項に記載の半導体ウェ
    ーハ等走査装置にして、上記各板バネの各端部はコーナ
    ブロックに固定され、板バネの相隣り合う端部に対応す
    る上記コーナブロック同志は、張力調節バネで連結され
    て一般に矩形の構造体を構成し、上記矩形構造体は、装
    着ブロックが振動した時にその中点が上記装着ブロック
    の軸方向に弾性的に移動変形することを特徴とする半導
    体ウェーハ等走査装置。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第２項に記載の半導体ウェ
    ーハ等走査装置にして、上記制御装置は上記振動駆動装
    置の正弦的振動運動を補償する装置を含有し、以て上記
    出力信号の間隔を調整して、上記ウェーハ上に一般に一
    様な間隔で配列した各特定位置に対応する出力信号が得
    られることを特徴とする半導体ウェーハ等走査装置。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項に記載の半導体ウェ
    ーハ等走査装置にして、上記スポットの寸法を調節する
    装置を含有し、上記スポット寸法を連続的な出力信号の
    時間間隔の間にウェーハが移動する距離に大体等しい大
    きさに調節できることを特徴とする半導体ウェーハ等走
    査装置。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項に記載の半導体ウェ
    ーハ等走査装置にして、一つの方向への各振動運動が複
    数個の分離したセグメントに分割され、個々のセグメン
    トはその内部で上記スポットが大部分を占めるような大
    きさを有し、 ウェーハを低速で移動させるための上記装置は、上記セ
    グメントが上記振動運動の方向に対して直交する方向に
    も連続的に整列するように上記ウェーハを移動させ、 上記制御装置は特定のセグメントに付随したスポットに
    対応する出力信号の大きさの配列の一部分として各セグ
    メントを表示することにより、ウェーハの上記部分の上
    記画像を出力する装置を含有することを特徴とする半導
    体ウェーハ等走査装置。
  7. 【請求項７】特許請求の範囲第１項に記載の半導体ウェ
    ーハ等走査装置にして、上記出力信号は予め定めた時間
    間隔を以てサンプリングすることによって得られ、 上記制御装置は、上記ウェーハ上での上記ビームの非等
    速度運動を補償する装置を含有して、上記出力信号の時
    間間隔をウェーハ上のスポットの一様な空間間隔に対応
    させることを特徴とする半導体ウェーハ等走査装置。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第７項に記載の半導体ウェ
    ーハ等走査装置にして、上記補償装置は、予め定められ
    た多数の時間遅延信号を記憶する装置と、上記時間遅延
    信号を順次読み出す装置と、読み出した特定の時間遅延
    信号にしたがって、出力信号間の時間間隔をカウントす
    る装置とを有することを特徴とする半導体ウェーハ等走
    査装置。
  9. 【請求項９】ウェーハを装着ブロック上に装着し、上記
    ウェーハを平面内で移動してその特定の部分を上部に配
    置された光学的結像装置の視野内にもってくる段階と、 上記平面内でウェーハを一方向には高速で振動させ、該
    振動方向と直交する方向には低速で移動させる段階と、 上記振動運動中に、上記結像装置から小さい光ビームを
    上記ウェーハ上の10ミクロン以下の大きさのスポットに
    照射し、反射光を再び上記結像装置を通して検出器に送
    り、以て上記運動の間にウェーハの上記部分を走査する
    段階と、 上記振動運動の間に、平行な走査線に沿ってウェーハ上
    に密に配列したスポットから得られた反射ビーム情報を
    ディジタル的に記録する段階と、 ウェーハ表面上の異なる高さレベルにスポットの焦点を
    合わせるために結像装置の焦点面を変えながら上記振動
    運動を繰り返す段階と、 上記記録された反射光情報に基づいてウェーハ表面の上
    記部分の３次元的表現を表示する段階とから構成され
    る、表面パターン情報を与えるための半導体ウェーハ等
    走査方法。
  10. 【請求項１０】特許請求の範囲第９項に記載の半導体ウ
    ェーハ等走査方法にして、反射光情報が記録されるとこ
    ろのビーム位置は、一般にウェーハ上で一様な間隔で配
    列しており、ビーム情報を記録するタイミングをウェー
    ハ運動の速度変化に応じて調節し、以てウェーハ上での
    ビーム位置の上記一般的一様性を得る段階を含有するこ
    とを特徴とする半導体ウェーハ等走査方法。
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