JPH1151874A

JPH1151874A - 欠陥検査装置

Info

Publication number: JPH1151874A
Application number: JP9211057A
Authority: JP
Inventors: Kinya Kato; 欣也加藤; Takeo Omori; 健雄大森
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 1999-02-26
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JP3982017B2

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

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。