JPS63134937A - パタ−ン検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ＬＳＩクエ八等へ微細なパターンの欠陥を検
査する自動パターン検査装置に係り、特にウニ八等の基
板上に形成されたパターンに基づき半導体集積回路製造
用レチクルのパターン欠陥や異物の有無を検査するに適
したパターン欠陥自動検査装置に関する。

［従来の技術］ 半導体集積回路のパターンは年々微細化され、ウニ八基
板上へのパターン形成方法として縮小投影露光法が普及
している。この縮小投影露光に使用する回路パターンの
原版はレチクルと呼ばれ、その面上には実寸の５倍ある
いは１０倍の大きさの回路パターンが形成されている。

レチクルには一般に複数の同一パターンチップが形成さ
れ、ウェハ全面に繰返し露光される。

第２図はレチクルの外観図で、ガラス基板１上に同一パ
ターンのチップ２ａ、２ｂが形成されている例である。

また、第３図はレチクル１を使用してウェハ３上にチッ
プ２ａ、２ｂを繰返し露光した状態を示すものである。

この第３図の例でもわかるように、もしレチクル１上の
パターンに欠陥がある場合にはウェハ３の全域にその欠
陥が転写されるため、著しい歩留りの低下を招くことに
なる。

このような事態を回避するために従来は縮小露光後に現
像されたウェハ上のパターンを顕微鏡を用いて丹念に検
査している。あるいは近年になフてレチクルを露光装置
に装着する以前にレチクル自体のパターン欠陥を自動的
に検査する装置が例えば電子材料（１９８３年９月号）
等に紹介されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前者は、最も簡易な方法であるが検査に
要する時間が長い上に検査者や検査時期の違いによる欠
陥認識の均一性が保障されないという問題がある。一方
、後者の検査装置は、前者の問題点を解決して比較的短
時間に均一な検査結果が得られるようになったものの、
レチクルが露光装置に装着された後に発生する欠陥や異
物に対しては前者の方法により再検査するかあるいはレ
チクルを定期的に検査するかしなければならず、検査の
重複による検査効率の低下や、レチクル脱着の煩わしさ
、脱着時に欠陥、異物の発生する危険性等の問題点を有
している。

一方、ウェハ上に形成されたチップパターン同士を比較
してこれらのパターンのいずれかの異常を検出し、これ
らのチップパターンの露光に用いたレチクルの異常を検
知することが提案されている（例えばＳ　ｏｌｉｄ　　
Ｓ　ｔａｔｅ　　Ｔ　ｅｃｎｏｌｏｇｙ　　日本版１９
８４年５月号、および　Ｓ　ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
　　Ｗ　ｏｒｌｄ１９８４年６月号）。

しかし、上記提案の方法においては、比較しようとする
一対のチップパターンを結像する際の画像捕捉位置やピ
ントなど結像状態に相違があると、正常なパターンが異
常判定されるなど欠陥検出の信頼性が必ずしも充分では
ないという不都合がある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、レチ
クル等の原版を露光装置に装着したままその欠陥を効率
よく高い信頼度で検出できるパターン検査装置を提供す
るにある。

［問題点を解決するための手段コ 上記目的を達成するために本発明では、ＬＳＩウニ八等
へ平面基板上に形成された微細な）＼ターンの欠陥を検
査するためのパターン検査装置において、同一平面基板
上の２つのパターンを比較検査する手段として２系統の
独立した自動焦点合せ機構を有するパターン検出光学系
を具備し、かつその一方を前後左右に移動する位置合せ
機構を有することを特徴としている。

また、本発明の一通用例を示せば、レチクルパターンを
露光、現像されたウェハ上においてレチクルフィールド
の互いに異なるチップ同士をパターンの位置ずれを補正
しつつ、部分領域毎に比較検査をチップ全域にわたり繰
返し行なうことにより何れのチップに欠陥があるかを検
出する手法によりレチクル全域の検査を行なうことを特
徴とし、さらに検出欠陥の位置を記憶し隣接するレチク
ルフィールドの同一位置を再度検査することにより、繰
返し欠陥すなわちレチクルの欠陥を検出することを特徴
とし、これによりレチクルを露光装置に装着したまま、
その欠陥の有無を検査することができる。

［作用］ 上記構成からなる本発明の装置においては、自動焦点合
せ機構と位置合せ機構とにより、２つのパターンをそれ
ぞれ検出する２系統のパターン検出光学系における結像
状態を最良かつ相互に均等な状態に調整することが可能
となり、結像状態の差異に影響されず、両パターン自体
の差異を綿密かつ高信頼度に検出することができる。

したがって、例えば縮小露光工程に検査用のサンプルウ
ェハを混入し、それを検査することにより、レチクルを
再評価することができるため、量産ラインでのリアルタ
イムなレチクル検査を実現でき、集積回路等の製品の信
頼性向上や検査コストの低減ひいては原価低減等に著し
い効果が得られる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によると、基板上のパターンの欠
陥を高信頼度で検出することができる。

よって、この検出結果を用いることにより、原版を露光
装置に装着したままその欠陥を効率よく高い信頼度で検
出することができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を添付図に基づいて説明する。第
１図は本発明の一実施例に係るパターン検査装置の概略
構成図である。同図において、３は検査対象であるパタ
ーンを露光、現像された半導体ウェハ（第３図参照）、
１１はＸ、Ｙ、Ｚ、θ各方向に移動可能なウェハ３の載
置部、１２ａ。

１２ｂはウェハ３上のパターンを結像させるための結像
光学系、１３８．１３ｂはそれぞれ光学系１２８゜１２
ｂにより得られる像を電気信号に変換する受光系、１４
ａ、１４ｂは受光系１３ａ、　１３ｂを制御する受光制
御部、１５ａ、　１５ｂは受光、４１３　ａ　、　１３
　ｂより得られた画像信号を補正およびＡ／Ｄ変換する
カメラコントロールユニット、１６ａ、１６ｂはカメラ
コントロールユニット１５ａ、　１５ｂによりＡ／Ｄ変
換された画像信号を一時的に記憶するメモリユニット、
１７はカメラコントロールユニット１５ａ、　１！ｉｂ
よりそれぞれ得られた画像信号を［シ較演算して゛欠陥
を検出する演算部、１８はメモリユニット１’６’ａ　
。

１６ｂに記憶された画像信号の一部分を利用しそそれぞ
れの画像の２値化レベルを計算するとともに２値化され
た画像信号を基に２つの画像のずれ量を計算する画像ア
ライメント部、１９はメモリユニット１８ａ、　１６ｂ
に記憶された画像信号を選択、拡大、縮小等の処理を行
なう画像表示制御部、２０は画像表示制御部により処理
された画像信号を表示するモニタユニットである。

上記構成において、被検ウェハ３は第４図に示すように
ローダ兼アンローダ３９から前置アライメント部４０を
経由してオリエンテーションフラット部が常に一定方向
となるように２方向およびθ方向の可、勤載置台３７に
裏面吸着にて載置される。この載置台３７はＸ方向の移
動台３５上に、ざらにＸ方向移動台３５はＹ方向移動台
３６上にあり、それぞれ既知のＤＣモータ兼タコメータ
３１ａ、３１ｂ、ボールネジ３３ａ、３３ｂ、クロスロ
ーラガイド３４ａ。

３４ｂおよびロータリーエンコーダ３２ａ、３２ｂによ
り構成される駆動部により±４μｍの精度でサーボ制御
されており、これにより被検ウェハ３は載置台制御部３
８により任意方向に精度良く移動可能となっている。

被検ウェハ３が載置台３７に精度良く載置された後、被
検ウェハ３上のパターンは第５図に示すような左右一対
の結像光学系１２ａ、　１２ｂとそれぞれ一体化された
受光系１３ａ、１３ｂによって光電変換される。光学系
１２ａ、　１２ｂは、それぞれ対物レンズ４２ａ、４２
ｂおよび落射照明装ｆＺ４３ａ、４３ｂを有し、垂直反
射光による像を捉える構造となっている。また、これら
の結像光学系と受光系とを一体化してなる一対のパター
ン検出光学系４ａ、４ｂのうち一方のパターン検出光学
系４ａは全体をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動することが可能で
ある。

第６図および第７図はこの移！ａｍ横の略図である。第
６図において、パターン検出光学系４ａは、既知のボー
ルネジ４４のナツトに固定されており、ＤＣモータ４５
を駆動することによりＸ方向に移動させることができる
が、これを精度良くするためにボールネジ４４に固定し
た第１の歯車４６１ともう一つのＤＣモータ４７に固定
された第２の歯車４６２とをかみ合せ、１μｒＪ位で移
ＩＪＩ］′ｆｆｉを検出する位置制御部５１によってＤ
Ｃモータ４５および４７を制御する所謂差動ギヤ方式に
よる駆動を行なう工夫がなされている。

また、第７図においてＹ方向の移動は所謂マイクロメー
タ送り機構４８により手動で行なわれ、Ｚ方向の移動は
ＤＣモータ５０とボールネジ４９によって行なわれる機
構となっており、その構造は光学系１２ａ、　１２ｂの
共通固定板４１に対してまずＸ方向穆動部、つづいてＺ
軸穆動部、そしてＹ紬移動部と積み上げ構造になってい
る。これらの移動機構は検査対象となるチップの大きさ
によりその撮像位置を任意にしかも正確に決定でき、さ
らに、高精度の自動焦点合せを行なうことができる。

第８図はその自動焦点合せの光学的概略図であり、これ
らは左右の光学系１２ａ、１２ｂの内部にそれぞれ独立
に配置されている。本出願人は特開昭５９−１８９１３
号おいて、光学顕微鏡の焦点合せを合焦光束の投光とそ
の反射光の受光出力による対物系と被検体の距離調整に
て行なうことができる合焦装置を開示している。本実施
例で使用する自動焦点合せは２系統それぞれが上記特開
昭５９−１８９１３号で提案されている原理と同一であ
るが合焦動作が２段階になっている特徴を有する。すな
わち２系統の合焦動作において、第１の動作として対物
レンズ４２ｂと被検ウェハ３の表面との距離が合焦とな
るようにウェハ載置台３７のＺ方向を駆動し、これが合
焦となった後に第２の動作として対物レンズ４２ａと被
検ウェハ３の表面との距離が合焦となるように光学系１
２ａの２方向をＤｃモータ５ｏによって駆動するもので
ある。これにより２系統のパターン画像を精度良く検出
することができる。

第８図において、半導体レーザ５６より投光された合焦
光束はコールドミラー５３、ハーフミラ−５２、対物レ
ンズ４２ａを経由して被検ウェハ３の表面で反射する。

その正反射光は同じ光路を逆に経由し反射ミラー６０を
介して受光レンズ５９およびバンドパスフィルタ５８を
通過した後に受光素子５７に到達する。そして、受光素
子５７にて光電変換された電気信号出力を合焦制御ユニ
ット６１にて処理することにより、対物レンズ４２ａと
被検ウェハ３の表面との距離を一定に保っている。この
ように合焦状態に保持された被検ウェハ３上のパターン
は、照明装置４３ａ、ハーフミラ−５２により投射され
た光の反射光が対物レンズ４２ａにより例えば２０倍に
拡大され、ハーフミラ−５２を透過し、コールドミラー
５３により反射され結像投影レンズ５４によりさらに例
えば２．５倍に拡大された後、反射プリズム５５を経由
して受光系１３ａに投影されることによって得られる。

第９図は受光系の略図である。同図において、光学系１
２ａにより投影された被検ウェハ３（不図示）上のパタ
ーンは受光素子であるＣＣＤラインセンサ７７の受光面
上に結像される。このＣＣＤラインセンサ７７は例えば
２０４８個の光電変換画素を有し、紙面に垂直な方向に
自己走査している。これによりパターンは１次元信号と
して得られるが、それを２次元図形の信号として得るた
めに、本実施例ではＣＣＤラインセンサ７７をその自己
走査方向に対して垂直な方向に移動する工夫をしている
。すなわち、ＣＣＤラインセンサ７７は固定基板７６に
取付けられ、さらにボールネジ７２のナツト７４に固定
されており、ＤＣモータ７１とロータリエン、　コーグ
７３によりボールネジ７２が位置制御駆動されることに
より、パターンの結像面上を移動する。

その際に固定基板７６がクロスローラガイド７５に沿っ
て６勤するようになっており、ＣＣＤラインセンサ７７
の移動時に発生する振動を低減する工夫がなされている
。また、ＣＣＤラインセンサ７７の穆動量や８勤速度は
受光系制御部１４ａによって変えることができ、例えば
光で変換画素数に換算して３０００画素分の距難を６秒
で移動するように設定することができる。このようにし
て得られた２次元信号はＣＣＤラインセンサ７７の自己
走査方向の有効エリアを例えば２０００画素とすれば第
１θ図のように表わされ、１画面が６００万−素で構成
される高精細度の信号を得ることができる。例えばＣＣ
Ｄラインセンサ７７の光電変換画素の画素間隔を１３μ
ｍとすれば結像面における大ぎさは２６ｍｍｘ　３９ｍ
ｍであり、被検ウェハ３上での実寸は例えば対物レンズ
４２ａの倍率を２０倍、結像投影レンズ５４の倍率を２
．５倍とすれば５２０μｍ　Ｘ　７８０μｍとなり画素
間隔は０．２６μｍということになる。

したがって、１度の撮像だけではチップ全域を撮像する
ことかでとないので、被検ウェハ３上での大きさ分だけ
載置台３７をＸ方向移動台３５およびＹ方向径動台３６
により順次移動して撮像を繰返し行ない、第１１図に示
すようなマツプを構成することにより、チップ全域を検
査する工夫がなされている。

第９図のＣＣＤラインセンサ７７により光電変換された
パターン信号は受光系制御部１４ａを経由してカメラコ
ントロールユニット１５ａ（第１図）に至り補正処理お
よびＡ／Ｄ変換された後に出力される。

第１２図はその系統図であり、８１は画像信号の最暗時
のレベルを補正する回路（ブラックシェイディング補正
回路）、８３は画像信号の最明時のレベルを補正する回
路（ホワイトシェイディング補正回路）、８５は画像信
号のＡ／Ｄ変換回路である。

補正処理の方法は、まず、ＣＣＤラインセンサ７７に入
射する光を遮断した時の出力を、切換回路８２によりブ
ラックシェイディング補正回路８１を経由しないように
し、さらに切換回路８４によりホワイトシェイディング
補正回路８３を経由させずにＡ／Ｄ変換回路８５でディ
ジタル変換した後データ記憶回路８７へ蓄積する。記憶
回路８７へ蓄積されるデータは１ライン分すなわち２０
００個の画素単位のＤｉ感度データである。これらのデ
ータを画像検出時にＣＣＤラインセンサ７７のスキャン
に同期させて取り出し、ＣＣＤラインセンサ７７の出力
信号との間で差ｌｌＩ増幅することにより、画素単位で
の感度補正を行なうことができる。補正回路８１は差動
増幅と信号同期の機能を有する。

つぎに、ＣＣＤラインセンサ７７に最大光量を入射した
時の出力を切換回路８２により補正回路８１を経由させ
、記憶回路８７の出力によって回路８１で補正された信
号を切換回路８４により補正回路８３を経由させずにＡ
／Ｄ変換回路８５でディジタル変換した後データ記憶回
路８６へ蓄積する。記憶回路８６へ蓄積されるデータは
、１９２ライン分すなわちＣＣＤラインセンサ７７のス
キャンする３０００ラインを１６ライン単位で分割し、
その平均値を代表値とする画素単位の照度むらデータで
ある。これらのデータを画像検出時にＣＣＤラインセン
サ７７のスキャンに同期させて取り出し、１６ライン毎
の分割領域に応じたラインデータすなわち照度むらデー
タとＣＣＤラインセンサ７７の出力信号との間で差動増
幅することにより、照明のむらを補正することができる
。この方法によれば、画像領域内の照度データを２００
０　Ｘ　　１９２個使用することになるので、非常に精
度良く照度むらを補正することが可能である。

これらの蓄積されたデータに基づき補正回路８１および
８３によって補正されたデータをディジタル変換するこ
とにより、ＣＣＤラインセンサ７７の光電変換画素の感
度のばらつきと照明４３ａ、４３ｂの照度むらに影響さ
れない画像信号を得ることができる。

このようにして得られたディジタル画像信号は、第１図
の比較演算部１７により演算される際に画像アライメン
ト部１８で得られた２値化レベルと画像間の位置ずれ二
に基づいて制御される。

第１３図はアライメント演算部の系統図である。

同図において、１０１はマイクロプロセッサ、１０２は
マイクロプログラム用ＲＯＭ％１０３および１０４は画
像データ用のＲＡＭ、１０５は２値化レベルを格納する
レジスタ、１０δは位置ずれ量を格納するレジスタであ
る。また、第１４図は比較演算部の系統図で、１０７ａ
および１０７ｂは画像信号を２値化する回路、１０８ａ
および１０８ｂは位置ずれを補正するためのバッファメ
モリ、１０９ａおよび１０９ｂは画像信号を拡大する回
路、１１０は画像１３号を比較演算す、る回路、１１１
は演算によって検出された欠陥データをコード化する回
路である。

位置ずれ量を算出する目的は次の通りである。

すなわち、被検ウェハ３は前置アライメント部４θによ
って一定方向に位は決めされた後、載置台３７にＭ置さ
れ、移動可能な光学系４ａ、４ｂによって比較演算部１
７で比較される２つのパターンの位置が決定されるわけ
であるが、これらの位置合せや移動等はすべて機械上の
誤差を有するため、この誤差を除くことにある。

第１５図はその原理図である。第１５図（Ａ）および（
Ｂ）はメモリユニット１８ａ、　１６ｂ　（第１図）に
それぞれ記憶されている画像信号で、これらの画像のパ
ターンを有する１部分を第１３図の画像データＲＡＭ１
０３　、１０４　　（第１３図）に導いてマイクロプロ
セッサ１０１により第１５図（Ｃ）に示すようにそれぞ
れのパターンのｍ心Ｇ、、Ｇ２を求め、第１５図（Ｄ）
のように領域の４辺に近い重心Ｇ１に重心Ｇ２を一致さ
せ、つぎに所謂相関演算によってパターンが完全に一致
する位置を求めることにより、位置ずれ世を高速で算出
することができる。そしてこの位置ずれ丘は被検ウェハ
３を移動しても不変であることから、載置台３７の精密
な位置決めを不要とし装置構成を単純化することに役立
つ□ものである。

つぎに比較演算の原理は第１６図に示すように原画像信
号（Ｆ）および（Ｇ）をそれぞれ拡大回路１０９ａおよ
び１０９ｂによって各画素に対して例えば３×３の拡大
処理をして第１６図（Ｈ）および（Ｉ）を得た後、比較
演算回路１１０により（Ｆ）マイナス（りと（Ｇ）マイ
ナス（Ｈ）の減算を、並行して行ない、結果が正の部分
のみを抽出することにより、第１６図（Ｊ）および（Ｋ
）が得られる。これにより、原画像（Ｆ）と（Ｇ）の相
違点を、輪郭の乱れによる疑似欠陥を除去した上で検出
することができ、さらに相違点（減算の結果が正の部分
）が（Ｊ）と（Ｋ）のいずれに検出されたかにより、原
画像（Ｆ）と（Ｇ）のいずれに欠陥があるかを認識する
こともできる。

以上のように本実施例によれば、ウェハ上のパターンを
手本パターン無しでしかも疑似欠陥を発生すること無く
比較検査を行なうことができ、高い信顆度で微小な欠陥
を検出することができる。

すなわち、本実施例によれば高速で信頼性の高いパター
ン欠陥検査をも実現することができるので、例えば縮小
露光工程に検査用のサンプルウェハを混入し、それを検
査することにより、レチクルを再評価することができる
ため、Ｈａミラインのリアルタイムなレチクル検査を実
現でき、集積回路等の製品の信頼性向上や検査コストの
低減ひいては原価低減等に著しい効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係るパターン検査装置の
系統図、 第２図は、縮小露光用レチクルの一例の外観図、 第３図は、縮小露光されたウェハの一例の外観図、 第４図は、本実施例に用いているウニ八載置台の構成図
、 第５図は、第１図の装Ｍのパターン検出部の構成図、 第６図および第７図は、それぞれ可動な側のパターン検
出部の駆動機構の構成を示す正面および側面図、 第８図は、パターン検出部の光学的な構成図、第９図は
、第１図の装置の受光部の構成図、第１θ図は、第９図
の受光部により得られる画像の画素配列図、 第１１図は、第１図の装Ｍにおける検査手順の原理説明
図、 第１２図は、第１図の装置のカメラコントロールユニッ
トにおける画像補正機能を表わす系統図、第１３図は、
第１図の装置の画像アライメント部における位置ずれ演
算機能を表わす系統図、第１４図は、第１図の装置の比
較演算部における比較演算機能を表わす系統図、 第１５図は、第１３図における位置ずれ演算の原理図、 第１６図は、第１４図に４６ける欠秘検出の原理図であ
る。 １ニレチクル ２ａ、２ｂ：パターン ３：ウェハ、 ４ａ、４ｂ：パターン検出光学系 １１；ウニ八載置部 １２ａ、　１２ｂ　：結像光学系 １３ａ、　１３ｂ　：受光系 １４ａ、　１４ｂ　：受光制御部 １５ａ、　１５ｂ　；カメラコントロールユニット１６
ａ、　１６ｂ　：メモリユニット １７：比較演算部 １８−画像アライメント部 １９：画像表示制御部 ２０：モニタユニット ３７：載置台 ４５、４７．５０：モータ ５１：位置制御部 ４８：マイクロメータ送り機構 ５７：（合焦検出用）受光素子 ７１：（ＣＣＤラインセンサ送り用）モータ７７：（パ
ターン検出用）ＣＣＯＣＣラインセンサ；ブラックシエ
イディング補正回路８３ニホワイトシェイディング補正
回路１０９ａ、　１０９ｂ　：拡大回路 １１０：比較演算回路 第２図 第３図 第５図 第６図 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同一平面基板上に形成された２つのパターンをそれ
   ぞれ結像する２系統の結像光学系と、各結像光学系を独
   立に合焦させる自動焦点合せ機構と、 一方の結像光学系を他方と相対的に、かつ該光学系の焦
   点面と平行に移動させる位置合せ機構とを具備すること
   を特徴とするパターン検査装置。 ２、前記自動焦点合せ機構が、前記２系統の結像光学系
   の一方を合焦させるべく前記平面基板を該光学系の焦点
   面に垂直に移動する第１の垂直移動機構と、他方を合焦
   させるべく該他方の結像光学系を該光学系の焦点面に垂
   直に上記一方の結像光学系と独立して移動させる第２の
   垂直移動機構とを具備する特許請求の範囲第１項記載の
   パターン検査装置。 ３、前記位置合せ機構は、前記２系統の結像光学系が前
   記平面基板上に形成された実質的に同一であるべき２つ
   のパターンの相当箇所をそれぞれの視野の同一箇所に捉
   えるべく前記一方の結像検出光学系を位置合せする特許
   請求の範囲第１項記載のパターン検査装置。 ４、前記２つのパターンが、同一形状の複数のパターン
   を有する原版から同一の露光により転写されたものであ
   る特許請求の範囲第３項記載のパターン検査装置。