JPWO2008139735A1

JPWO2008139735A1 - 表面検査装置および表面検査方法

Info

Publication number: JPWO2008139735A1
Application number: JP2009514017A
Authority: JP
Inventors: 直史坂口; 渡部　貴志; 貴志渡部; 大作持田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2010-07-29
Also published as: KR20100007968A; US20100053603A1; TW200905186A; WO2008139735A1

Abstract

検査対象の基板の傾斜したエッジ部分を前記エッジ部分の法線方向から所定の角度だけずらした方向から照明する照明部と、エッジ部分からの回折光を結像させる結像光学系と、結像光学系によって得られた像を撮像する撮像部と、撮像部によって得られたエッジ部分に対応する画像に線状の像が現れるか否かに基づいて、欠陥の有無を検出する検出手段とを備える。

Description

本発明は、集積回路製造に用いられる半導体ウェハのエッジ部分の表面検査装置および表面検査方法に関する。

半導体ウェハ(以下、単にウェハと称する)上の集積回路が形成される領域については、様々な表面検査手法が提案されており、また、表面全体を概観するマクロ検査装置およびウェハの一部の領域について詳細な検査が可能なミクロ検査装置などが実現されている。これらの自動検査装置は、鏡面仕上げされた平面の欠陥を検査することを前提として構成されている。

これに対して、ウェハのエッジ部分は、円盤状のウェハの外縁部分に相当する円環状の部分であり、ウェハの平坦な表面に対して傾斜している傾斜部分(以下、ベベル部と称する)とウェハ表面とほぼ垂直な端面部(以下、アペックス部と称する)とからなっており、また、上述したベベル部の傾斜角が周辺部に向かうにつれて増大してアペックス部につながっているなどの特徴を持っている。

また、鏡面仕上げが施される上に、多種多様な工程においてレジスト膜や保護膜が精密な管理の下で施される集積回路形成領域に対して、エッジ部分では、加工は比較的粗雑であり、また、リソグラフィ工程などにおけるレジスト膜などに関する塗布管理もエッジ部分には及んでいない。

このため、エッジ部分には、集積回路形成領域に影響を及ぼすおそれのある欠陥があったり、このような欠陥部分が様々な工程における処理中あるいは搬送中に崩れて発生したパーチクルが付着したりしている可能性がある。また、様々な膜の剥離や膜内の気泡の有無、膜の回り込みなどが、後の工程に悪影響を及ぼす場合もある。

このような欠陥を検出するためのエッジ部分の検査手法としては、例えば、レーザ光などの照射による散乱光での異物検知手法や、拡散光によってエッジ部分を照明した際の明暗度から微小欠陥などの凹凸を検出する手法(特許文献１参照)などが提案されている。
特開２００３−１３９５２３号公報

ところで、近年では、エッジ部分に付着している細かいパーチクルなどが、搬送中などに集積回路が形成される領域に移動してレジスト膜の塗布や露光処理などに影響を与えたり、打痕などの微小欠陥が様々な工程中に集積回路形成領域にまで及ぶ破損につながったりすることが分かってきた。

このため、このエッジ部分を研磨して、致命的な破損に至る前に打痕などの微小欠陥を除去し、更に、パーチクルの発生や付着を防ぐ手法が提案されている。

この手法を採用した場合には、研磨によって微小欠陥が除去される一方、研磨することによってエッジ部分に研磨痕が残る可能性があるため、研磨されたエッジ部分の表面を検査して研磨痕が残っているか否かを判別する技術が必要とされている。

研磨によって形成される研磨痕は、深さが１ミクロン以下と極めて微細であるため、このような研磨痕を観察する方法としては、従来は、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)などの高倍率の顕微鏡を用いる必要がある。しかしながら、そのためには、ウェハの一部を試料として切断するなどの破壊的な処理が必要であり、集積回路製造過程におけるウェハの検査として適用することはできなかった。

本発明は、ウェハのエッジ部分の研磨痕を含む微細な欠陥を検出する表面検査装置および表面検査方法を提供することを目的とする。

上述した目的は、検査対象の基板の傾斜したエッジ部分をエッジ部分の法線方向から所定の角度だけずらした方向から照明する照明部と、エッジ部分からの回折光を結像させる結像光学系と、結像光学系によって得られた像を撮像する撮像部と、撮像部によって得られたエッジ部分に対応する画像に線状の像が現れるか否かに基づいて、欠陥の有無を検出する検出部とを備えた表面検査装置によって達成される。

また、上述した目的は、上述した表面検査装置において、照明部に、白色光を放射する白色光源を備えて構成される表面検査装置によって達成することもできる。

同様に、上述した目的は、上述した表面検査装置において、検査対象の基板の中心付近を回転軸として、基板と照明部および結像光学系とを相対的に回転させる回転機構と、回転機構と撮像部とを連携させることにより、基板の全周のエッジ部分に対応する画像を取得する連携制御部とを備えた表面検査装置によって達成することもできる。

また、上述した目的は、上述の表面検査装置に備えられる照明部に、エッジ部分を照明する角度を調整する調整部を備えた構成の表面検査装置によっても達成される。

更に、上述した目的は、上述した表面検査装置に備えられる照明部において、所定の角度は、４０度乃至７０度である構成の表面検査装置によっても達成される。

また、上述した目的は、検査対象の基板の傾斜したエッジ部分をエッジ部分の法線方向から所定の角度だけずらした方向から照明し、エッジ部分からの回折光を結像させ、結像光学系によって得られた像を撮像し、得られたエッジ部分に対応する画像に線状の像が現れるか否かに基づいて、欠陥の有無を検出する表面検査方法によって達成することができる。

本発明にかかわる表面検査装置の実施形態を示す図である。観察画像の例(傷がある場合)を示す図である。観察画像の例(傷がない場合)を示す図である。照明部の配置に関する実験を説明する図である。対物レンズおよび照明部の配置の例を示す図である。本発明にかかわる表面検査装置の別実施形態を示す図である。撮像領域を説明する図である。本発明にかかわる表面検査装置の別実施形態を示す図である。本発明にかかわる表面検査装置の別実施形態を示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に、本発明にかかわる表面検査装置の実施形態を示す。

図１に示した表面検査装置において、照明部１１は、半導体ウェハ(基板)のエッジ部分の一部であるベベル部を白色光源から放射される光束を用いて集光照明する。この照明部１１の光軸は、検査対象のベベル部の法線Ｌ(図１において破線で示す)と所定の角θをなすように配置されている。

また、図１において、対物レンズ１２は、例えば、検査対象の半導体ウェハ(基板)の表面に立てた法線に平行で上述した照明部１１の光軸と交わる直線に光軸を一致させて配置されており、照明部１１によって照明されているベベル部の撮像領域からの回折光を撮像素子１３上に結像させる。この対物レンズ１２としては、例えば、倍率４倍のテレセントリック型対物レンズを用いることができる。

ベベル部の表面での正反射による０次光を対物レンズ１２に入射させることなく、ベベル部による回折光を選択的に対物レンズ１２に入射させ、撮像素子１３上にこの回折光による像を結ばせる。

図１に示した撮像素子１３によって得られた画像信号を、画像信号処理部１４を介して表示部１５による表示処理に供することにより、この表示部１５による表示画像として、上述したベベル部の撮像領域に対応する回折像を観察することができる。

図２および図３に、図１に示した表面検査装置によって、本出願人が実験的に半導体ウェハのベベル部を観察した際に得られた観察画像の模式図を示す。

ベベル部に研磨痕などの溝状の欠陥が存在する場合には、それぞれの溝状の欠陥によって照明光が回折され、１次の回折光あるいは２次以上の高次の回折光が対物レンズ１２に入射し、図２に示すように、暗視野に細い線状の回折像が撮像素子１３上に形成される。

一方、ベベル部に欠陥が存在しない場合には、照明光はベベル部の表面で全反射されるため、撮像素子１３上に回折像は形成されず、図３に示すように、ベベル部は、一様に暗い領域として観察される。

したがって、図１に示した表面検査装置によれば、表示部１５による表示画像に図２に示したような輝線が表れるか否かによって、ベベル部に研磨痕などの微細な欠陥があるか否かを直感的に判断することができる。例えば、図２に示した観察画像から、検査対象の半導体ウェハのベベル部には、多種多様な長さの研磨痕が残されていることが分かる。

また、出願人は、図１に示した対物レンズ１２を半導体ウェハ表面に立てた法線方向に光軸を平行にして固定した状態で、照明部１１の光軸の方向を変えて、回折像の観察に適した条件を探索する実験を試みている。

この実験において、出願人は、図４に示すように、半導体ウェハ表面を含む水平面から時計回りを正、半時計回りを負として測った照明部１１の光軸の角度φが、±３０度、±５０度、±７０度、±８０度である場合について、上述したようにして回折像の観察を行った。

この実験の結果から、照明部１１が半導体ウェハの中央寄りに配置され、角度φが５０度以下の浅い角度でベベル部を照明する配置では、回折像が観察されず、また、照明部１１が半導体ウェハの外縁部より外側に配置されている場合(角度φが負の場合)には、全ての場合に正反射光が対物レンズ１２に入射するために回折像の有無を判別することが困難であることが分かった。

そして、照明部１１を半導体ウェハの中央寄りに配置して、角度φが５０度から８０度の範囲でベベル部を照明した際に、ベベル部の研磨痕の回折像が観察可能であり、特に、角度φが７０度から８０度の範囲では回折像が比較的明るく観察されることが分かった。

これらのことから、照明部１１の光軸と半導体ウェハ表面との角が上述した範囲となるように、照明部１１を対物レンズ１２よりも半導体ウェハの中央寄りに配置し、照明部１１の光軸を対物レンズ１２の光軸から１０度乃至２０度傾けて位置決めした配置が回折像の観察に適しているといえる。

ここで、ベベル部はウェハ表面に対して−３０度傾いており、ベベル部の法線を基準に見ると、観察用の対物レンズ１２の光軸は３０度傾いている。また、照明部１１からの照明光はベベル部の法線を基準に見ると対物レンズ１２と同じ方向に４０〜７０度傾いて照明することが好ましく、４０〜５０度傾いて照明することが特に好ましいといえる。

なお、図５(ａ)に示すように、対物レンズ１２を半導体ウェハの裏面に立てた法線に光軸を一致させて配置し、更に、照明部１１の光軸と半導体ウェハ裏面との角が上述した範囲となるように、照明部１１を対物レンズ１２よりも半導体ウェハの中央寄りに配置して、照明部１１の光軸を対物レンズ１２の光軸から１０度乃至２０度傾けて位置決めすることにより、図１に示した照明部１１によって照明されているベベル部に対向する下側のベベル部に関する回折像を観察することができる。

また、図５(ｂ)に示すように、対物レンズ１２をアペックス部の頂点に立てた法線に光軸を一致させて配置し、更に、照明部１１の光軸とアペックス部の頂点に立てた法線に垂直な平面との角が上述した範囲となるように、アペックス部の観察対象領域に合わせて、照明部１１の光軸を対物レンズ１２の光軸から４０度乃至５０度傾けて実線の位置あるいは破線で示した位置に位置決めすることにより、アペックス部に関する回折像を観察することができる。

また、図１に示した照明部１１の光源として白色光源を用いた場合には、幅広い波長領域の光によって観察対象のベベル部(あるいはアペックス部)が照明されることになるので、撮像領域のベベル部(あるいはアペックス部)に存在する溝状の欠陥からの回折光が対物レンズ１２に入射するための条件を満たす波長の光が含まれている可能性が高くなる。このため、様々な幅や深さの欠陥からの回折光が対物レンズに入射し、様々な色の輝線として現れる。つまり、白色光源を用いた構成では、様々な幅や深さの欠陥に対応する回折像を一括して観察することができる。

なお、照明部１１に備える光源はナトリウムランプなどの単色光源を用いることも可能である。
（実施形態２）
図６に、本発明にかかわる表面検査装置の別実施形態を示す。

なお、図６に示す構成要素のうち、図１に示した各部と同等のものについては、図１に示した符号を付して示し、その説明を省略する。

図６に示した半導体ウェハは、回転ステージ１６の回転軸に回転中心を一致させて位置決めされており、この回転ステージ１６の回転動作は、検査制御部１７によって制御されている。

また、図６に示した画像メモリ１８は、検査制御部１７からの指示に応じて、画像信号処理部１４によって得られた画像データを保持する。

例えば、図７に示すように、半導体ウェハの中心を回転中心として、半導体ウェハあるいは照明部１１、対物レンズ１２および撮像素子１３とを相対的に回転させ、撮像領域を移動させていき、適切に決定された観察位置で得られた画像データを画像メモリ１８に保持することにより、半導体ウェハのエッジ部分を全周に渡って表示部１５を介して観察するとともに、エッジ部分の全周に対応する画像データを画像メモリ１８に蓄積することが可能である。

図６に示した画像合成処理部１９は、検査制御部１７からの指示に応じて、このようにして画像メモリ１８に蓄積された画像データを合成することにより、円環状のエッジ部分の全体を表す画像データを生成し、この画像データを表示部１５による表示処理に供する。

このようにして、円環状のエッジ部分の全体を表す画像データを自動的に生成し、この画像データに基づいてエッジ部分全体の画像を一括して利用者に提供することにより、エッジ部分の全周にわたって漏れなく研磨痕の有無を検査することができる。

また、予め決定された観察位置において得られた画像データを表示部１５による表示処理を介して利用者による目視に提供するとともに、このとき画像メモリ１８に保持された画像データについて、図２に示したような、線状の回折像を検出する処理を行うことにより、検査の自動化を図ることも可能である。

なお、図６に示した回転ステージ１６を用いて、半導体ウェハをその中心の周りに回転させる代わりに、照明部１１、対物レンズ１２および撮像素子１３が位置決めされた構造物を半導体ウェハの中心を回転中心として回転させる回転機構を備えることによって、上述したような相対的な回転を実現することもできる。
（実施形態３）
図８に、本発明にかかわる表面検査装置の別実施形態を示す。

なお、図８に示す構成要素のうち、図１に示した各部と同等のものについては、図１に示した符号を付して示し、その説明を省略する。

図８に示した表面検査装置は、照明部１１の光軸方向を調整する角度調整部２１を備えている。

この角度調整部２１により、例えば、対物レンズ１２の光軸と照明部１１の光軸とのなす角が１０度乃至２０度となる範囲を含む所定の範囲で、対物レンズの光軸とベベル部との交点付近を回転中心として照明部１１を回転移動させながら、ベベル部からの回折像を観察することにより、検査対象の半導体ウェハのベベル部からの回折像の観察に最も適した照明角度を見つけ、適切な観察条件の下で表面検査を行うことができる。

また、同様にして、アペックス部からの回折像の観察に最も適した照明角度を見つけることも可能である。

これにより、検査対象の半導体ウェハのベベル部およびアペックス部の傾斜にかかわらず、ベベル部およびアペックス部について研磨痕などの微細な欠陥を漏れなく検出することが可能となる。

図８に示した角度調整部２１を設ける代わりに、図９に示すように、高ＮＡ照明部２２を備えて表面検査装置を構成することもできる。

図９に示した高ＮＡ照明部２２は、様々な角度でベベル部を照明することができるので、ベベル部における様々な次数の回折光が対物レンズ１２に入射し、これらの回折光による回折像を得ることができる。このようにして得られる回折像の中には、図８に示した角度調整部２１によって照明部１１の光軸の角度を最適な角度に調整した際に得られる回折像も含まれている。

したがって、角度調整部２１を備えた表面検査装置と同様に、検査対象の半導体ウェハのベベル部およびアペックス部の傾斜にかかわらず、ベベル部およびアペックス部について研磨痕などの微細な欠陥を漏れなく検出することが可能となる。

また、ウェハのエッジ部分の処理が高精度化するなどして、検出したい線傷が微細化することが予想される。このような場合は、検出したい線傷の程度に合わせて照明角度を適宜設定することにより検出精度を保つことができる。

なお、撮像素子としてＣＣＤやＣＭＯＳといった２次元増幅型固体撮像素子を用いることができるが、基板を回転させる第２の実施形態の場合は、ラインイメージセンサを用いてもよい。

上述したように構成された表面検査装置および表面検査方法によれば、半導体ウェハの外縁部のベベル部およびアペックス部からなるエッジ部分に残された研磨痕を含むきわめて微細な溝状の欠陥の有無を、回折像の有無として、比較的低倍率の結像光学系を用いて可視化することができる。これにより、半導体ウェハのエッジ部分の微細な欠陥を漏れなく検出し、半導体ウェハのエッジ部分の研磨状態の良否の検査に供することが可能である。

上述した構成の表面検査装置の特徴は、半導体ウェハから検査用の試料を切り取るなどの破壊的な処理が一切不要である点にある。

したがって、非破壊検査が前提となる集積回路製造の過程における半導体ウェハの全数検査などに適用可能であるので、半導体製造分野において極めて有用である。

Claims

検査対象の基板の傾斜したエッジ部分を前記エッジ部分の法線方向から所定の角度だけずらした方向から照明する照明部と、
前記エッジ部分からの回折光を結像させる結像光学系と、
前記結像光学系によって得られた像を撮像する撮像部と、
前記撮像部によって得られた前記エッジ部分に対応する画像に線状の像が現れるか否かに基づいて、欠陥の有無を検出する検出部と
を備えたことを特徴とする表面検査装置。
請求項１に記載の表面検査装置において、
前記照明部は、白色光を放射する白色光源を備えた
ことを特徴とする表面検査装置。
請求項１または請求項２に記載の表面検査装置において、
前記検査対象の基板の中心付近を回転軸として、前記基板と前記照明部および前記結像光学系とを相対的に回転させる回転機構と、
前記回転機構と前記撮像部とを連携させることにより、前記基板の全周のエッジ部分に対応する画像を取得する連携制御部とを備えた
ことを特徴とする表面検査装置。
請求項１または請求項２に記載の表面検査装置において、
前記照明部は、前記エッジ部分を照明する角度を調整する調整部を備えた
ことを特徴とする表面検査装置。
請求項１に記載の表面検査装置において、
前記所定の角度は４０度乃至７０度である
ことを特徴とする表面検査装置。
検査対象の基板の傾斜したエッジ部分を前記エッジ部分の法線方向から所定の角度だけずらした方向から照明し、
前記エッジ部分からの回折光を結像させて撮像し、
得られた前記エッジ部分に対応する画像に線状の像が現れるか否かに基づいて、欠陥の有無を検出する
ことを特徴とする表面検査方法。