JPH1151874A - 欠陥検査装置 - Google Patents

欠陥検査装置

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JPH1151874A
JPH1151874A JP9211057A JP21105797A JPH1151874A JP H1151874 A JPH1151874 A JP H1151874A JP 9211057 A JP9211057 A JP 9211057A JP 21105797 A JP21105797 A JP 21105797A JP H1151874 A JPH1151874 A JP H1151874A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】自動化による効率化を図ると共に、小型で簡易
的であるにもかかわらず、検出精度の高い欠陥検査装置
を提供する。 【解決手段】基板を載せるステージと、前記基板を照明
する第一の照明光学系と、前記基板を照明する第二の照
明光学系と、前記第一の照明光学系からの照明光のうち
前記基板上のパターンからの回折光ならびに前記第二の
照明光学系からの照明光のうち該基板からの散乱光のみ
を受光する一組の受光光学系と、該ステージを傾斜させ
る傾斜機構と、該受光光学系にて得られた該基板の画像
に基づいて画像処理を行う画像処理装置と、を備え、前
記基板の欠陥を検査することを特徴とする欠陥検査装置
を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等の製
造過程における、ウェハ表面の傷、塗布ムラ等の欠陥を
検出する欠陥検査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、ウェハ表面の傷、塗布ムラ等
の欠陥検査には人手による目視検査が行われている。ま
た、近年は自動的に検査を行うものとして、例えば、ウ
ェハに照明した光の反射光によるウェハの像を画像処理
装置に取り込み、ウェハ表面の欠陥を検出するものがあ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置では、以下のような問題点があった。即ち、人手に
よる目視検査では個人差があり、非効率的であり、一般
的に装置も大型である。また、反射光を用いた自動検査
装置においては、特にウェハ表面の傷の検出において、
反射光でウェハ表面を観察することから、傷の入り方に
よってはコントラストが低下して傷そのものが見えにく
くなり検出できなくなってしまう。
【0004】本発明は斯かる問題点に鑑みてなされるも
のであり、自動化による効率化を図ると共に、小型で簡
易的であるにもかかわらず、検出精度の高い欠陥検査装
置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明では、基板を載せるステージと、前記基板を
照明する第一の照明光学系と、前記基板を照明する第二
の照明光学系と、前記第一の照明光学系からの照明光の
うち前記基板上のパターンからの回折光ならびに前記第
二の照明光学系からの照明光のうち該基板からの散乱光
のみを受光する一組の受光光学系と、該ステージを傾斜
させる傾斜機構と、該受光光学系にて得られた該基板の
画像に基づいて画像処理を行う画像処理装置と、を備
え、前記基板の欠陥を検査することを特徴とする欠陥検
査装置を提供する。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を用いて説明する。図1に示す欠陥検査装置では、第
一の照明光学系1は、光源101、リレーレンズ10
2、表面反射鏡103及び球面反射鏡104で構成され
ている。光源101から射出された照明光は、リレーレ
ンズ102を通り、表面反射鏡103で反射された後、
球面反射鏡104に入射する。球面反射鏡104で反射
された照明光は、ほぼ平行な光束となってウェハ2に向
かう。ウェハ2は回転軸及び傾斜軸を持つステージ6に
より、ローテーション及びチルトが可能である。ウェハ
2からは回折光が生じる。生じた回折光は、パターンの
ピッチにより回折角が異なる。そこで回折光が、受光光
学系3に導かれるようにウェハ2が適宜チルトされる。
チルトした時の様子を示したのが図2である。
【0007】受光光学系3は、球面反射鏡301、表面
反射鏡302、受光レンズ303及びCCD撮像素子を
備えたCCDカメラ304で構成されている。そしてウ
ェハ2の回折光による像をCCDカメラ304の撮像素
子上に形成する。CCDカメラ304に入射する受光光
学系3の光軸は、表面反射鏡302で紙面と垂直な面内
に反射されることにより、ウェハ2を挟んだ第一の照明
光学系1の光軸と受光光学系3の光軸とがなす平面、図
1では紙面に平行な面とは異なる面内にある。これは、
場合によってはウェハ2からの回折光のうち0次回折
光、即ち正反射光が直接CCDカメラ304に入射し、
画像処理に影響を与えるのを防ぐためである。
【0008】CCDカメラ304で取り込んだ画像は、
画像処理装置4にて適宜処理される。画像処理装置4
は、検査中のウェハ2の像と、あらかじめ記憶させてお
いた欠陥のないウェハの像とを比較する。デフォーカス
によるムラなどの欠陥がある場合はその部分の明暗の差
から、その部分を欠陥として出力する。今ここで、ウェ
ハ2のパターンのピッチをp、照明光の波長をλ、回折
次数をm、ウェハ2が水平の時、つまりウェハ2をチル
トしてない時のウェハ面の法線を基準として、ウェハ2
と交わる照明光学系1の光軸角度をθi、同様にウェハ
2と交わる受光光学系3の光軸角度をθd、また、チル
ト角をθt、とすれば以下の式が成り立つ。
【0009】
【数1】
【0010】符号については図3に示すとおり、第一の
照明光学系1の光軸角度θiは入射側に見込む角度方向
をプラス、反射側に見込む角度方向をマイナスとし、受
光光学系3の光軸角度θd、チルト角θtは、入射側に
見込む角度方向をマイナス、反射側に見込む角度方向を
プラスとしている。また、回折次数mはウェハへの入射
光の正反射光を基準として入射側に見込む角度方向をマ
イナス、反射側に見込む角度方向をプラスとしている。
チルト角θtが0度なら(数1)でθt=0とおいて
【0011】
【数2】
【0012】となり、一般的な入射角と回折角の関係を
示す式になる。図2に示したように、ウェハ2のチルト
により回折光が受光光学系3に導かれた時、(数1)の
関係を満足している。取り込む回折光の次数は、マイナ
ス一次及びマイナス二次である。第一の照明光学系1の
光源は例えばハロゲンランプである。光源から射出され
た光のうち、干渉フィルタによって白色光のうち、一部
の波長域の光を取り出し、これを照明光として利用す
る。パターンのピッチと波長とが比例関係にあることか
ら、年々進むパターンのピッチの微細化を考慮すれば波
長は短いほうがよい。しかし、あまりに短いと未現像の
レジストを感光させてしまうので、550nm付近の波
長のものを照明光として使用している。
【0013】レジストの塗布忘れ、剥離忘れ、塗布や剥
離のムラを検出する際に、レジストの有無によるウェハ
の見え方の差が少ない場合がある。これはレジストのな
い所の光の強度と、ある所の干渉後の強度が一致するた
めである。この時は強度に差が出るように、干渉フィル
タを交換して照明光の波長を変更する。波長を変更した
場合、(数1)の関係を満足するようにウェハ2をチル
トさせるのは言うまでもない。
【0014】第一の照明光学系1及び受光光学系3は、
球面反射鏡104を用いた反射型の光学系でテレセント
リックな光学系である。第一の照明光学系1では、光源
が球面反射鏡104の前側焦点位置、ウェハ面が後側焦
点面とほぼ一致するように配置されている。受光光学系
3では、球面反射鏡301の前側焦点面とウェハ面と
が、また後側焦点面と受光レンズ303の入射瞳面をほ
ぼ一致させている。それらによってテレセントリックな
光学系を構成している。テレセントリックにするのは、
CCDカメラ304で取り込んだ画像の見え方を、ウェ
ハ全面に渡って同じにするためである。
【0015】テレセントリックでない光学系では、ウェ
ハ上の位置により、(数1)のウェハへの入射角θi+
θt、回折角θd−θtがそれぞれ異なる。回折光の強
度は入射光の入射角に依存して変化するため、同じ欠陥
でもウェハ上の位置により見え方が異なる場合がある。
しかし、図1に示す装置ではテレセントリックなので、
ウェハ全面に渡って入射角θi+θt、回折角θd−θ
tが一様となる。故にウェハ上の位置にかかわらず同じ
欠陥であれば見え方が同じになり、欠陥の特定に、より
有利である。
【0016】また、屈折系のテレセントリック光学系を
用いると装置が大型化するため、球面反射鏡104を用
いた反射型の光学系にすることで、装置を小型化してい
る。ただ偏心光学系なので、球面反射鏡104に対する
反射光の入射角は出来るだけ小さい方が望ましい。あま
り大きいと非点収差が大きくなるからである。図1に示
す装置では、10度になっている。
【0017】第一の照明光学系1及び受光光学系3それ
ぞれの光軸角度の値には、ある条件が必要となる。一般
にウェハに対する入射角が大きくなると、入射角と回折
角の差は大きくなり、照明光学系と受光光学系が離れて
いくことになる。しかし、入射角は90度を超えること
がないので、入射角が90度の時の入射角と回折角の差
より大きくなることはない。つまり、照明光学系1と受
光光学系3との角度の差は、入射角90度の時の入射角
と回折角との差より小さくならなければならない。
【0018】また、入射角が一定なら、ピッチが小さい
ほど回折角が大きくなる。従って入射角と回折角との差
が小さくなるので、最少ピッチの時の入射角と回折角と
の差より小さくなるように照明光学系1と受光光学系3
とが設定されなければならない。そこで検査対象の最小
ピッチをp1とし、入射角が90度になった時の入射角
と回折角の差θd+θiを求めると、ウェハへの入射角
θi+θt=90と置けば、θt=90−θiだから、
(数1)は、
【0019】
【数3】
【0020】となり、整理して、
【0021】
【数4】
【0022】となる。これが照明光学系1と受光光学系
3の角度の差の最大値で、これより大きくなることはな
い。つまり以下が必要条件となる。
【0023】
【数5】
【0024】そして、θi、θdを設定すれば、チルト
角θtは(数1)から容易に求められる。即ち(数1)
を変形して、
【0025】
【数6】
【0026】
【数7】
【0027】となる。実際、(数5)で得られる条件の
最大値に近い値を用いることは実際はあまりない。何故
なら、検査対象の最小ピッチの時に入射角が90度に近
くなるため、ウェハを照明する光量が極端に減り、検査
に影響を及ぼすからである。ウェハへの入射角を小さく
して光量を多くとるという点では、角度差はなるべく小
さい方が良い。ただあまりに小さいと、今度は機械的に
互いの光学系が干渉することになるので、干渉せず、か
つ、角度差が小さくなるよう、第一の照明光学系1と受
光光学系3とを配置するのが良い。
【0028】例えば、検査対象ピッチをp=0.4〜1
μm、λ=0.55μm、m=−1とすると、照明光学
系1と受光光学系3の角度差は、68°以下にしなけれ
ばならないことになる。機械的に干渉し始める角度差
は、球面反射鏡104並びに球面反射鏡301の大き
さ、焦点距離、取り付ける金物の形状によって異なる
が、おおよそ35°位である。従って、角度差の範囲は
35°〜68°、幅で約30°となる。ウェハを照明す
る光量を多くするには、角度差を35°に近い値にする
のが良いことになる。仮に、角度差を40度として第一
の照明光学系1の光軸角度を20度、受光光学系3の光
軸角度を20度とすれば、チルト角は、p=0.4μm
の時は47°、p=1μmの時は17°となる。また、
第一の照明光学系1の光軸角度を60度、受光光学系3
の光軸角度を−20度とすれば、チルト角は、p=0.
4μmの時は7°、p=1μmの時は−23°となる。
【0029】チルト角の範囲は、検査対象の最小ピッチ
から最大ピッチまでに対してプラスマイナスほぼ同等に
なるよう、第一の照明光学系1、受光光学系3が設定さ
れる場合もある。プラス側とマイナス側で極端に偏りが
あると機械的に不都合になる場合があるからである。
今、検査対象の最小ピッチをp1、その時のチルト角を
θt、最大ピッチをp2とする。p2の時のチルト角は
−θtとなる。(数1)より
【0030】
【数8】
【0031】
【数9】
【0032】となり、両辺をそれぞれ足して整理する
と、
【0033】
【数10】
【0034】となる。また、同様に両辺をそれぞれ引い
て整理すると、
【0035】
【数11】
【0036】となり、(数10)及び(数11)から
【0037】
【数12】
【0038】を得る。また、(数10)、(数11)及
び(数12)よりθd−θi、θd+θiが求まるの
で、ウェハのチルト範囲からθd、θiを特定すること
も出来る。先と同様、検査対象ピッチをp=0.4〜1
μm、λ=0.55μm、m=−1として、P=0.4
μmの時のチルト角を+18°(p=1μmの時のチル
ト角は−18°)とすれば、(数12)よりθd−θi
=−74.3°、(数10)または(数11)よりθd
+θi=66.2°となり、θd=−4.1°、θi=
70.3°となる。また、P=0.4μmの時のチルト
角を+15°(p=1μmの時のチルト角は−15°)
とすれば、θd−θi=−64°、θd+θi=40°
となり、θd=−12°、θi=52°となる。チルト
角が小さい方が、θd+θi、即ち第一の照明光学系1
と受光光学系3との角度の差が小さくなり、先に述べた
ようにウェハを照明する光量の点から、より有利であ
る。この時も、第一の照明光学系1と受光光学系3が機
械的に干渉しないで、かつ、チルト角が小さくなるよう
に配置されることはもちろんである。また、チルト角が
少なくてすむので、機械的にもより有利となる。
【0039】ウェハ2が回転してステージ6に乗せられ
た場合、回折光が図の紙面と垂直方向の角度成分を持つ
ようになる。故にローテーション量が多すぎると回折光
が受光光学系3から外れてしまい、ウェハ2の像を取り
込めなくなってしまう。ウェハ2のローテーション量の
絶対量をδφ、回折光の紙面と垂直方向の角度成分をδ
θ、受光光学系3のウェハ側の開口数をNAとする。δ
φ、δθの単位はラジアンである。δθは、δφがごく
小さければ、以下のように表せることがわかった。
【0040】
【数13】
【0041】ローテーションによりδθだけ角度成分を
持った回折光は、受光光学系3の球面反射鏡で反射さ
れ、ほぼ光軸と平行にCCDカメラ304へと向かう。
回折光は、CCDカメラ304に入射する際に入射瞳の
外側にあるとけられてしまい、ウェハ2の像を得ること
ができなくなる。球面反射鏡からCCDカメラ304ま
では平行系であるから、CCDカメラ304の入射瞳面
での回折光の位置はδθに、また、入射瞳の半径は受光
光学系3のウェハ面でのNAにそれぞれ相当する。従っ
て、ウェハ2がローテーションしても回折光がCCDカ
メラ304に入射するための条件は、
【0042】
【数14】
【0043】であり、(数13)より
【0044】
【数15】
【0045】となり、ローテーションは(数15)を満
足する量であれば良い。例えばp=0.4μm、λ=
0.55μm、m=−1、NA=0.01とすれば、
(数15)より、δφ≦7.3ミリラアジンとなる。図
4(a)及び(b)は、図1に示す装置において、表面
反射鏡302で光軸を紙面と平行でない面内に曲げる代
わりに球面反射鏡301で光軸を曲げたもので、図4
(a)では、紙面と垂直に、手前方向に回折光が反射さ
れている。図4(b)は、図4(a)の装置を右側から
見た図で、ウェハ2で紙面と垂直な面内に回折された光
が、球面反射鏡301で紙面と平行な面に内に反射され
ている。この様な構成でも図1に示す装置と同等の効果
を得られるのは勿論であるし、図5(a)及び(b)に
示したように、球面反射鏡301から直接受光レンズ3
03、CCDカメラ304に回折光を取り込む構成を取
っても何ら問題はない。
【0046】なお、図4(a)、4(b)、5(a)及
び5(b)に示した装置では、CCD撮像素子上に形成
される像は上下、若しくは左右が反転した像となるが、
画像処理の際に特に問題となるものではない。必要であ
れば表面反射鏡をもう1枚挿入するか、電気的な処理を
施して正立像にすればよい。また、図1に示す装置にお
いては、球面反射鏡を用いているが、反射型のフレネル
ゾーンプレートを用いても同様の効果を得ることが出来
るのは勿論である。
【0047】傷を検出するには散乱光を用いる。図1に
示す装置おいて、第二の照明光学系5は、光源501、
光ファイバー502、波長選択フィルタ503及びシリ
ンドリカルレンズ504からなる。受光光学系は、回折
光による欠陥検査の時と同じものを使用する。散乱光用
の照明光学系5は、ウェハ2と交わる第一の照明光学系
1の光軸と、ウェハ2と交わる受光光学系3の光軸とが
なす平面と、ほぼ等しい平面内に配置されている。この
ように配置する理由は、装置自体をよりコンパクトにす
るためである。
【0048】光源501から射出された光は、光ファイ
バー502を経由する。光ファイバー502の射出側の
端面の形状は、紙面と垂直方向に細長いスリット状であ
る。波長選択フィルタ503は、光源501から射出さ
れた白色光のうち、短波長の光を選択的に吸収し、未現
像のレジストの感光を防いでいる。ファイバー502の
端面から射出された光は、広がりを持つため、シリンド
リカルレンズ504にてスリットの短手方向の面内で平
行、もしくはほぼ平行な光にする。これによりファイバ
ー502から射出された光を効率良くウェハ2に照射さ
せることが出来る。
【0049】その後、光はウェハ2で反射されるが、そ
の際にパターンによる回折光と、傷がある場合には傷に
よる散乱光が生じる。受光光学系3には、散乱光のみが
入射すれば良いが、回折光が入射している場合はウェハ
2をチルト、及びローテーションさせ、回折光が受光光
学系3に入らないようにする。これにより、ウェハ上の
傷によって生じた散乱光のみがCCDカメラ304に取
り込まれる。結果、散乱光による傷の像が得られる。
【0050】図1に示す装置においては、シリンドリカ
ルレンズを用いているが、シリンドリカルレンズのかわ
りにセルフォックレンズを用いてもよい。この場合は複
数個のセルフォックレンズを束ねたものが使用され、光
ファイバーの端面はセルフォックレンズの焦点位置に配
置される。光ファイバーから射出された光はセルフォッ
クレンズで平行光束となってウェハに向かう。この時使
用される光源等はシリンドリカルレンズを用いたときと
同様である。また、セルフォックレンズの代わりにフラ
イアイレンズを用いても同様の効果を得ることが出来
る。
【0051】
【発明の効果】以上のように本発明においては、回折光
による基板の画像に基づいて画像処理を行うことで、効
率的な自動欠陥検査が可能となる。特に照明光学系、受
光光学系を固定とし、基板をチルトさせることによっ
て、可動部分の少ない、コンパクトな装置を得ることが
出来る。
【0052】また、散乱光での検査の際に基板をローテ
ーションさせることで、特に傷の検出に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態を示す装置の構成図
である。
【図2】 ステージを傾けたときを示す図である。
【図3】 符号を示す図である。
【図4】 他の実施の形態を示した図である。
【図5】 更に他の実施の形態を示した図である。
【符号の説明】
1 第一の照明光学系 2 基板 3 受光光学系 4 画像処理装置 5 第二の照明光学系 6 ステージ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板を載せるステージと、前記基板を照明
    する第一の照明光学系と、前記基板を照明する第二の照
    明光学系と、前記第一の照明光学系からの照明光のうち
    前記基板上のパターンからの回折光ならびに前記第二の
    照明光学系からの照明光のうち該基板からの散乱光のみ
    を受光する一組の受光光学系と、前記ステージを傾斜さ
    せる傾斜機構と、前記受光光学系にて得られた前記基板
    の画像に基づいて画像処理を行う画像処理装置と、を備
    え、前記基板の欠陥を検査することを特徴とする欠陥検
    査装置。
  2. 【請求項2】前記ステージは、前記基板と垂直な軸に回
    転可能であり、前記基板と交わる第一の照明光学系の光
    軸と前記基板と交わる前記受光光学系の光軸とのなす平
    面は、前記基板と交わる前記第二の照明光学系の光軸と
    前記基板と交わる前記受光光学系とのなす平面とほぼ同
    一であることを特徴とする請求項1記載の欠陥検査装
    置。
  3. 【請求項3】前記傾斜機構の傾斜軸は、前記基板の表面
    内で、かつ、前記基板と交わる前記第一の照明光学系の
    光軸と前記基板と交わる前記受光光学系の光軸とのなす
    平面に垂直であることを特徴とする請求項1又は2記載
    の欠陥検査装置。
  4. 【請求項4】前記第一の照明光学系及び前記受光光学系
    は、実質的にテレセントリックな光学系であり、反射型
    の光収束素子を含むことを特徴とする請求項1乃至3記
    載の欠陥検査装置。
  5. 【請求項5】前記反射型の光収束素子は、反射球面鏡で
    あることを特徴とする請求項4記載の欠陥検査装置。
  6. 【請求項6】前記第一の照明光学系は、複数の波長を選
    択可能であり、前記第二の照明光学系の波長は、波長幅
    が少なくとも100nm以上であることを特徴とする請
    求項1乃至5記載の欠陥検査装置。
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KR100389967B1 (ko) * 2000-08-21 2003-07-02 김성남 자동화 결함 검사 장치
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