JPS63136541A - パターン検査装置 - 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ウニウェの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、クエへ基
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。あるいは近年になっ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　ａｃｉｄ　　
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］ 上記目的を達成するために本発明では、ＬＳＩウニウェ
の平面基板上に形成された微細なパターンの欠陥を検査
するためのパターン検査装置であって、同一パターンが
複数個形成された平面基板を２次元的に移動する手段と
、該基板上の２つのパターンを同時に検出する手段と、
２つのパターンの相対的な位置ずれを補正する手段と、
２つのパターンを比較して欠陥を検出する手段とを具備
することを特徴としている。

また、本発明の一適用例を示せは、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。

［作用および効果］ 上記構成からなる本発明の装置においては、被検査部を
２次元的に移動して走査するのでパターンを電気信号に
変換して検出する場合にも高精細度の検出が可能である
。また、２つのパターンを同時に検出し、かつこれらの
パターンの位置ずれを補正するようにしているので２つ
のパターンを比較して欠陥を検出する際の位置ずれなど
に影響される誤検出も防止される。

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、量産ラインでのりアルタ
イ、ムなレチクル検査を実現でき、集積回路等の製品の
信顆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。すなわち、本発明によると、基板
上のパターンの欠陥を高信傾度で検出することができ、
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顆度で検出するこ
とができる。

［実施例］ 以下、本発明の実ｔｉＩ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、１３ａ、　１３ｂはそれぞれ光学系１２ａ、１
２ｂにより得られる像を電気信号に変換する受光系、１
４ａ、１４ｂは受光系１３ａ、　１３ｂを制御する受光
制御部、１５ａ、　１５ｂは受光系１３ａ、１３ｂ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、　１５ｂ
よりそれぞれ得られた画像信号を比較演算して欠陥を検
出する演算部、１８はメモリユニット１６ａ。

１６ｂに記憶された画像信号の一部分を利用してそれぞ
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はメモリュニッ）−１６ａ、　１６
ｂ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Ｚ方向およびθ方向の可動載置台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、さらにＸ方向移動台３５はＹ方向移動台３
６上にあり、それぞれ既知のＤＣモータ兼タコメータ３
１ａ、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＜　ｆＪ勅可能となっている
。

被検ウェハ３がｆｆｉ！首台３７に精度良く載置された
後、？ｌｔ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
、４２ｂおよび落射照明装置４３ａ、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図はこの移動機構の略図である。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、１μｍｉ位で穆
勅量を検出する位置制御部５１によってＤＣそ一夕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、２方向の穆勤は
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方向移動部、つづいてＺ
Ｍ８動部、そしてＹ軸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５９−１８９１
３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ｌｉｔ
！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、
これが合点となった後に第２の動作として対物レンズ４
２ａ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１２ａのＺ方向をＤＣモータ５０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クエハ３（不図示）上のパタ
ーンは受光素子であるＣＯＤラインセンサ７フの受光面
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ダ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
て移動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の移動量や６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
光電変換画素数に換算して３０００画素分の距離を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
１Ｏ図のように表わされ、１画面が６００万画素で構成
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きさは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・ンブ全域を撮像す
ることができないので、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方向移動台３
６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２４８号は受光系制御部Ｌ４ａ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（ブラックシエイディング補正
回路）、８３は画像信号の最明時のレベルを補正する回
路（ホワイトシエイデイング補正回路）、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個の画素単位の暗感度データである。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
号との間で差動増幅することにより、画素単位での感度
補正を行なうことかできる。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に最大光二を入射した
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８Ｓ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で遜られた２値化レベルと画像間の位置ずれ量
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、１０６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ｔｏａｂ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は画像信号を比較演算する回路、ｔｔｉ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４０によ
って一定方向に位置決めされた後、載置台３７に載置さ
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つのパターンの位はが決定されるわけ
であるが、これらの位置合せやυ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１６ａ、　１８ｂ　（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
れのパターンの重心Ｇ、、Ｇ２を求め、第１５図（Ｄ）
のように領域の４辺に近い重心Ｇ。

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
ずれ量を高速で算出することができる。そしてこの位置
ずれ量は被検ウェハ３を８勅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Ｎ＞を得た後、比較演
算回路１１０により（Ｆ）マイナス（Ｉ）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、高い信頼度で微小な欠陥
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、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顆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へ載置台の構成図
、 第５図は、第１図の装置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１０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図の装置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図における欠陥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：ウェハ載置部 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 ４８二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）ＣＣＤラインセンサ８１：ブラックシエ
イディング補正回路８３：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９図 第１０図 （Ｆ） （Ｈ） （Ｊ） Ｆ−１＞０ 第 （Ｇ） （Ｋ） Ｇ−Ｈ＞０ １６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同一パターンが複数個形成された平面基板を２次元
   的に移動する手段と、 上記基板上の２つのパターンを同時に検出する手段と、 これら２つのパターンの相対的な位置ずれを補正する手
   段と、 これらの２つのパターンを比較して欠陥を検出する手段
   と を具備することを特徴とするパターン検査装置。 ２、前記欠陥検出手段が、検出した欠陥を表示する手段
   を含む特許請求の範囲第１項記載のパターン検査装置。 ３、前記パターン検出手段が、独立した自動焦点合せ機
   構を有する２系統の結像光学系と、各光学系により結像
   された像を電気的な画像信号に変換する受光系とを含む
   特許請求の範囲第１項記載のパターン検査装置。 ４、前記位置ずれ補正手段が、前記２系統の結像光学系
   の一方を前記平面基板表面と平行に移動させる手段と、
   前記各パターンの周辺部において画像信号の重心を算出
   して上記移動手段に粗位置合せ信号を送出する手段と、
   前記２つのパターンの粗位置合せ後これらのパターンの
   画像信号の相関を演算して上記移動手段に精密位置合せ
   信号を送出する手段とを含む特許請求の範囲第３項記載
   のパターン検査装置。