JPWO2012090373A1 - 検査装置 - Google Patents

Abstract

検出器を増やすこと無く半導体ウエハ表面からの背景散乱光を低減し、高感度な検査を実現する。レーザー光等の光ビームを被検査物の表面へ照射し、該表面で発生した反射光又は散乱光を検出することにより、異物の有無を検出する表面検査装置において、被検査部と検出器の間に光学的フーリエ変換機能を有する開口の大きなレンズを配置し、フーリエ変換面に開口径とその位置が可変なフィルタを設け、半導体ウエハ表面からの背景散乱光を効果的に遮光することによって、異物，欠陥からの信号のみを検出する。

Description

本発明は、基板上の欠陥を検査する検査装置、及び検査方法に関する。例えば、半導体ウエハの表面検査装置、及び方法に関する。

半導体製造工程で使用される鏡面ウエハに異物や傷等の欠陥が存在する場合、欠陥は半導体デバイスの歩留まりに影響を及ぼす。よって、鏡面ウエハ上の欠陥を検査することは重要である。さらに、この欠陥の管理基準には、半導体デバイスの進展に伴ってより高い水準が求められている。表面検査装置は、この欠陥の管理に用いられるものである。表面検査装置としては、レーザー光等の光ビームを被検査物の表面へ照射し、該表面で発生した反射光又は散乱光を検出することにより、欠陥の有無を検出するものが知られている。

表面検査装置について説明する。特許文献１の表面検査装置では、方位，仰角の異なる複数の検出器を配置し、異物や欠陥からの散乱光が強い検出器を選択することで背景散乱光を抑え、異物や欠陥の感度を向上させている。

また、鏡面ウエハ用の検査装置ではないが、回路パターンの形成されたウエハ用の検査装置としては特許文献２が挙げられる。その他の特許文献としては、特許文献３乃至８が挙げられる。

特開２００８−２４１５７０号公報 特開２００４−９３２５２号公報 特開平７−１１３７６０号公報 特開平２００８−１１６４０５号公報 特開平１１−３５２０７５号公報 特開２０１０−１９０７２２号公報 特開２０１０−２５６１４８号公報 特開平６−０８２３８０号公報

上述した表面検査装置では、微小な欠陥を検出すること、つまり高感度化が要求されている。ここで、高感度化のためには背景散乱光の影響を低減することが有効であると本発明では考えた。併せて、本発明では、半導体ウエハ表面からの背景散乱光の空間分布は、例えば表面粗さの間隔によって異なることを本発明では見出した。

ここで、特許文献１の構成では、散乱光を検出する範囲（方位，仰角）の自由度は検出器の数に律束される。従って、今後さらに高感度化を進めるためには、検出器とそれに伴う信号処理の並列数を増加させる必要があり、ハードウエアの大型化と材料費の増加が避けられない。

特許文献２では、いわゆる空間フィルタを開示するが、これは回路パターンからの回折光を遮光するために用いられるものである、背景散乱光、及びその空間分布との関連については開示されていない。

また、特許文献３乃至８では、背景散乱光の空間分布については開示されていない。

本発明は、上記の課題を鑑み、高感度な検査を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、被検査物の表面に光ビームを照射し、反射光または散乱光の受光強度より被検査物表面に存在する異物の有無を検査する表面検査装置において、被検査部と検出器の間に光学的フーリエ変換機能を有する開口の大きなレンズを配置し、フーリエ変換面に開口径とその位置が可変なフィルタを設けたものである。

これは、他の表現としては、以下のように表現することができる。フーリエ面では、ウエハから発生した散乱光の情報は、フーリエ光学的に回折を用いて表現される。これは、フーリエ面においては、光の強度と位相に関する情報が得られることを示している。このフーリエ面においては、欠陥からの散乱光の情報と背景散乱光の情報とは分離して得られる。つまり、このフーリエ面にて欠陥からの散乱光を通過させ、背景散乱光を遮光すれば、欠陥からの散乱光のみを検出でき、高感度化が図れるというのが本発明の１つの側面である。また、特許文献１のように集光のための光学系を増やすのではなく、集光した後にフーリエ面にて任意の信号を取り出せば、それは特許文献１で検出器を増やしたのと同等以上の効果が得られるというのも本発明のその他の側面である。

この構成によれば、フーリエ面に設けたフィルタの開口径と位置を最適化することによって半導体ウエハ表面からの背景散乱光を効果的に遮光することができる。

上記のように構成した本発明によれば、半導体ウエハ表面からの背景散乱光の分布が異なる場合でも上記フーリエ面に設けたフィルタの開口径と位置を変えることで効果的に遮光できるため、高感度な検査を実現することができる。

実施例１における表面検査装置の概略構成を示す図である。 実施例１における空間フィルタの構成例を示す図である。 実施例１における空間フィルタの形状例を示す図である。 実施例１における第１のバリエーションを示す図である。 実施例１における第２のバリエーションを示す図である。 実施例１における第３のバリエーションを示す図である。 実施例１におけるアテネータの構成例を示す図である。 実施例２を説明する図である。 実施例３を説明する図（其の１）。 実施例３を説明する図（其の２）。 実施例３を説明する図（其の３）。 実施例３を説明する図（其の４）。 実施例４を説明する図（其の１）。 実施例４を説明する図（其の２）。 実施例４を説明する図（其の３）。 実施例４を説明する図（其の４）。 実施例４を説明する図（其の５）。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本実施例１の検査装置の構成を示す図である。まず、ウエハ１００を移動させる搬送系について説明する。ウエハ１００はθステージ１０３によって固定される。ウエハ１００はＺステージ１０２によって高さが調節される（オートフォーカス）。さらにウエハ１００はＲステージ１０１によって一方向に直線的に移動される。ウエハ１００は、θステージ１０３によって高速回転され、さらにＲステージ１０１に直線方向（半径方向）に移動される。これによって、ウエハ全面が後述する光に対して相対的に全面走査されることになる。

次にウエハ１００に光を照明する照明光学系について説明する。パルス光源１１７からの光は、レンズ１０５によって照明される。本実施例１では、レンズ１０５はたとえばシリンドリカルレンズでありウエハ１００にはスリット状の光がウエハ１００に対して斜めに照明される。すなわち本実施例で検出される画像は暗視野像となる。

次にウエハ１００からの散乱光を検出する検出光学系について説明する。検出光学系はウエハ１００に対して異なる仰角，方位角（仰角，方位角の組み合わせは自由である）に配置された第１の結像光学系１２０，第２の結像光学系１２１，光ファイバ１１８，複数の画素を有するセンサ１１３によって構成される。

第１，第２の結像光学系について説明する。第１，第２の結像光学系１２０，１２１は、ウエハ１００から散乱した光を検出するためのフーリエレンズ１０６，フーリエレンズ１０６の後ろに配置された背景散乱光除去部１０７，背景散乱光除去部１０７の後ろに配置された結像レンズ１０８，結像レンズ１０８によって結像された暗視野像を後述する光ファイバ１１８に集光するマイクロレンズアレイ１０９によって構成されている。

なお、フーリエレンズ１０６は高ＮＡのレンズである。例えば、ウエハ１００に対して仰角方向のＮＡよりも方位角方向のＮＡが高い楕円形状のレンズである。例えば、仰角方向のＮＡは０.３５であり、方位角方向のＮＡは０.８（方位角にして１５０°程度）のレンズである。これにより、１枚のレンズで広範囲の散乱光を取り込むことができるとともに、結像光学系を仰角方向に積層させることもできる。

さらに、結像レンズ１０８によって結像された像は、結像レンズ１０８の焦点に配置されたマイクロレンズアレイ１０９によって、その後ろに配置された光ファイバ１１８に集光された後、その像の形を保ったまま光ファイバ１１８によって装置筐体１１９の外に配置された複数の画素のセンサ１１３に導光され、センサ１１３によって暗視野像として検出される。

ここで、光ファイバ１１２における第１の結像光学系１２０からの第１の暗視野像を導光する第１の部分１２２と、第２の結像光学系１２１からの第２の暗視野像を導光する第２の部分１２３との光路長は異なっており、第１の暗視野像と第２の暗視野像とはセンサ１１３によって時間的に異なるタイミングで検出されるようになっている。これにより、複数の暗視野像を１つのセンサで検出することが可能となる。もちろん、光ファイバごとにセンサを設けても良い。ここで、センサ１１３は例えばマルチピクセルフォトンカウンター（以降、ＭＰＰＣ）である。

次に画像処理について説明する。検出された暗視野像は、Ａ／Ｄ変換部１１５によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。ここで、フォトダイオード１１１によってパルス光源による照明光１０４の波形は発光タイミングとして計測されている。Ａ／Ｄ変換部１１５によって検出される信号は遅延しているため、フォトダイオード１１１によって計測された発光タイミングにも前述したＡ／Ｄ変換部１１５の遅延時間に対応した遅延信号が波形調整部１２４によって付加される。Ａ／Ｄ変換部１１５では、この遅延信号が付加された信号に基づいて前述した暗視野像を取得する。これによっていわゆるゲートサンプリングが可能となる。取得された暗視野像は、画像処理部１１６によって閾値と比較される。閾値以上の信号は欠陥による信号と認識される。

次に、背景散乱光除去部１０７について図２〜図７を用いて詳細に説明する。背景散乱光除去部１０７は、後述するウエハ１００からの背景散乱光を除去するための空間フィルタ２０１と空間フィルタ２０１の後ろに配置された検出光量を調整するためのアテネータ７０１によって構成される。

図２は空間フィルタの構成を説明する図である。空間フィルタ２０１は第１の遮光板２０２，第２の遮光板２０３によって構成される。第１の遮光板２０２，第２の遮光板２０３はそれぞれ開口を有する。この開口は絞りのようにその開口径を任意に変えることができる。以降、第１の遮光板２０２の開口を第１の開口２０４，第２の遮光板２０３の開口を第２の開口２０５とする。本実施例では、第１の開口２０４と第２の開口２０５を重ねることによって、任意の遮光パターンを作成する。

図３は第１の遮光板２０２，第２の遮光板２０３について説明する図である。第１の開口２０４と第２の開口２０５はそれぞれ、図３に示すように開口３０１と第１の遮光部３０２との大きさの比を任意に変えることができる。さらに、第１の遮光板２０２，第２の遮光板２０３はフーリエ面に対して平行な面内で例えばモータ，ボールネジ等の移動機構で自由に動くことができる。

次に、第１の開口２０４と第２の開口２０５の使用方法について説明する。本実施例では、レンズ開口より後ろのフーリエ面において、背景散乱光を除去する部分の位置，形状・欠陥を示す散乱光を含んだ散乱光を通過させる部分の位置，形状を自在に変えることを特徴とする。

図４は第１のバリエーションであり、第１の遮光板２０２（第２の遮光板２０３であってもよい）、１枚のフィルタを使用した例である。図４では、第１の開口２０４は、フーリエレンズ１０６の開口４０１内でかつ、中心軸をはずれた位置に配置される。さらに、フーリエレンズ１０６の開口４０１は第１の遮光部３０２の中にある。ウエハ１００からの散乱光は、フーリエレンズ１０６の開口４０１と第１の開口２０４とが重なった部分のみを通過する。

次に図５を用いて第２のバリエーションについて説明する。第２のバリエーションも第１の遮光板２０２（第２の遮光板２０３であってもよい）、１枚のフィルタを使用した例であるが、第１のバリエーションとは異なり、フーリエレンズ１０６の開口４０１と第１の開口２０４とが一部重なっている例である。

次に図６を用いて第３のバリエーションについて説明する。第３のバリエーションは、第１の遮光板２０２、及び第２の遮光板２０３，２枚の遮光板を用いた例である。図６では、第１の開口２０４と第２の開口２０５とが一部重なっており、かつその重なった領域６０１がフーリエレンズの開口４０１の開口内にある。ウエハ１００からの散乱光は、領域６０１のみを通過する。

図４〜図６に説明したように、開口の大きさ，位置，重なり具合，フーリエレンズの開口との位置関係を制御部１２５で制御することで、フーリエ面において背景散乱光が、偏った位置に発生する場合、ウエハ表面からの背景散乱光の空間分布が、表面粗さの間隔によって異なる場合でも、効果的にその背景散乱光を除去することができる。

ここでこれらの開口に凹凸構造、より具体的にはジグザグ構造を設けることで検出する光に含まれる不所望な光（例えば回折光）の影響を低減することもできる。事前にこの不所望な光の光学的な性質が分かっていれば、これらの構造をこの不所望な光の光学的な性質に対応づけることもできる。この場合はより効果的に回折光の影響を低減することができる。

さらに、ある特定の欠陥の種類（傷，異物，結晶欠陥等）に対応した、遮光パラメータ（例えば、表面粗さ、表面粗さに対応した背景散乱光の分布状態、開口の大きさ，位置，重なり具合，フーリエレンズの開口との位置関係）を記憶しておいて、検査の際は、既知の表面状態や、任意の欠陥の種類に対応した遮光パラメータを選択するように制御部１２５で制御することで、ある特定の欠陥のみを高感度に検出することができる。

次に図７を用いてアテネータ７０１について説明する。アテネータ７０１は前述した空間フィルタの後ろに配置されており、半波長板７０２，半波長板７０２の後ろに配置された偏光ビームスプリッタ７０３，偏光ビームスプリッタ７０３の反射側に配置された散乱光を減衰吸収させるためのダンパー７０４によって構成させる。なお、偏光ビームスプリッタ７０３を透過した光は、結像レンズ１０８等を通過してセンサ１１３で暗視野像として検出される。

ここで、Ａ／Ｄ変換部１１５はこのセンサ１１３での暗視野像の輝度を測定しており、暗視野像の一部の領域が閾値を超えた場合は、暗視野像に飽和した領域があると判断する。この判断結果に基づいて、半波長板７０２は回転する。これによって、暗視野像の輝度の飽和を抑制することができる。

なお、本実施例では、第１，第２の結像光学系１２０，１２１はそれぞれ上述したアテネータを備えている。これによって、ある特定の方位に散乱光が強く散乱した場合も、効果的に欠陥を検出することができる。

さらに、ある特定の欠陥の種類（傷，異物，結晶欠陥等）に対応した、遮光パラメータ（例えば、開口の大きさ，位置，重なり具合，フーリエレンズの開口との位置関係）を記憶しておいて、検査の際は任意の欠陥の種類に対応した遮光パラメータを選択するように制御する場合に、アテネータも併せて制御することで、ある特定の欠陥のみを暗視野像の飽和を抑制してさらに高感度に検出することができる。

以上、本実施例では高ＮＡのレンズを用いて散乱光を集光し、増加した背景散乱光については、背景散乱光除去部を使用することで効果的に除去する。これによって、従来よりも少ない検出器で高感度な欠陥検出，分類を行うことができる。

次に実施例２について図８を用いて説明する。実施例２では、ウエハ１００に対して斜方（入射角θ）から線状の照明光８０１を照明する。そして、実施例１において説明した第１の結像光学系１２０、及び第２の結像光学系１２１は、照明光８０１の光軸とウエハ１００に対して垂直な線によって形成される入射面８０２に垂直な方向８０３に互いに対向するように仰角αで配置されている。

ここで、ウエハ１００を上から見た場合、第１の結像光学系１２０の検出開口８０６と第２の結像光学系１２１の検出開口８０７とは、照明光８０１の長手方向に対して線対称（８０８）であり、かつ照明光８０１の長手方向に対して垂直な線に対して線対称（８０９）である。このような配置にすることにより高感度に欠陥を検出することが可能となる。

さらに、第１の結像光学系１２０、及び第２の結像光学系１２１より高い仰角βに第３の結像光学系８０４、及び第４の結像光学系８０５を設けることで、さらに高感度に欠陥を検出することが可能となる。

さらに、欠陥はその形状等の性質によって散乱光の散乱パターンが異なる。この点に着目して、特定の欠陥の散乱パターンに対応した開口パターンを第１〜第４の結像光学系で設定して検査を行うことで、ある特定の欠陥のみを高感度に検出することもできる。

次に、実施例３について図９〜図１２を用いて説明する。実施例３では、実施例１，２と異なる部分について、主に説明する。図９は本実施例３の空間フィルタを説明するものである。本実施例３の空間フィルタ３００は、遮光板３０２と、遮光板３０２に形成された円弧上の開口３０１とを有する。さらに、空間フィルタ３００はフーリエ面に対して平行移動する機構と回転する回転機構によって自在に動くことが可能である。この空間フィルタ３００は、例えば欠陥からの散乱光の仰角が既知である場合に有効である。そして、図１０に示すように、フーリエレンズの開口４０１内に開口３０１を移動させる場合には、既知の仰角で比較広い方位に広がった散乱光を検出する場合に有効である。

さらに、本実施例３の空間フィルタは、上述した遮光板３０２と他の遮光板とを組み合わせて構成することも可能である。例えば、図１１のように、フーリエレンズの開口４０１内に配置された開口３０１の両端を円弧上の遮光板１１０２，１１０３で遮光すれば、開口３０１よりも短い円弧状の開口１１０１を得ることができる（なお、遮光板１１０２，１１０３は前述した第１の遮光板２０２、第２の遮光板２０３で代替しても良い。）。

さらに、図１２に示すように。円弧上の開口３０１のような円弧状の開口を２つ１８０°回転させて、重ね合わせ。遮光板１２０１，１２０２を使用して、重ね合わせた部分以外を遮光することで、実質的に点対称な開口１２０３，１２０４を形成することができる。

次に、実施例４について図１３〜図１７を用いて説明する。本実施例４は、棒状、例えばL字形の遮光板を使用し、自由度の高い遮光パターンを形成する実施例である。図１３は本実施例を説明する図である。本実施例４では、空間フィルタを複数のL字の遮光板１３００によって構成する。なお、この遮光板１３００はフーリエ面内において平行移動する機構を有するものである。本実施例４では、例えば、図１４に示す第１のバリエーションのように、フーリエレンズの開口４０１内で、遮光板１４０１、及び１４０２が交差するように配置する。このような配置では、照明方向に対して前方、後方、及びそれに直行する方向に背景散乱光が強い場合、その背景散乱光を効率的に遮光できる。

図１５は本実施例４の第２のバリエーションを示す図である。図１５では、遮光板１５０１と遮光板１５０２とを接触させることで、フーリエレンズの開口４０１の概略中心のみを実質的に遮光する実質的に四角形の遮光パターン１５０３を形成するものである。この第２のバリエーションでは、ウエハ法線方向に背景散乱光が強く発生した場合に有効である。

さらに、図１６に示す第３のバリエーションのように、遮光板１５０１と遮光板１５０２とを、フーリエレンズの開口４０１内の概略中心に実質的に長方形の開口１６０３を形成するように配置することもできる。この場合は、フーリエ変換面にて開口面をＸ方向に広く、Ｙ方向に狭くすることによって、Ｙ方向に決まった空間周波数を持つもののみを透過させることができる。

図１６は第４のバリエーションを示す図である。図１６では、遮光板１７０１〜１７０４を使用することにより、第３のバリエーションとは反対に、フーリエ変換面のX方向に短く、Y方向に長い開口１７０５を形成するにて開口面をＸ方向に狭く、Ｙ方向に広くすることによって、Ｘ方向に決まった空間周波数を持つもののみを透過させることができる。

さらに、上述した第３，第４のバリエーションを使うことによって、背景散乱光の周波数解析を行うことができ、背景散乱光の分布が未知のウエハであっても、効率的な遮光パターンを求めることができる。

１００ ウエハ
１０１ Ｒステージ
１０２ Ｚステージ
１０３ θステージ
１０４ 照明光
１０５ レンズ
１０６ フーリエレンズ
１０７ 背景散乱除去部
１０８ 結像レンズ
１０９ マイクロレンズアレイ
１１０ ミラー
１１１ フォトダイオード
１１２，１１８ 光ファイバ
１１３ センサ
１１５ Ａ／Ｄ変換部
１１６ 画像処理部
１１７ パルス光源
１１９ 装置筐体
１２０ 第１の結像光学系
１２１ 第２の結像光学系
１２２ 第１の部分
１２３ 第２の部分
１２４ 波形調整部
１２５ フィルタ制御部
２０１ 空間フィルタ
２０２ 第１の遮光板
２０３ 第２の遮光板
２０４ 第１の開口
２０５ 第２の開口
３０１ フィルタの開口部
３０２ 第１の遮光部
４０１ フーリエレンズの開口
７０１ アテネータ
７０２ 半波長板
７０３ 偏光ビームスプリッタ
７０４ ダンパー

Claims (8)

1. 基板の欠陥を検査する検査装置において、
   前記基板を搭載する搭載部と、
   前記基板に光を照射する照射部と、
   前記基板からの光を集光して結像する検出部と、
   前記検出部の検出結果を用いて前記欠陥を検出する処理部と、を有し、
   さらに、前記検出部は、
   前記結像された像を検出する検出器と、
   前記検出器よりも前に配置された前記基板からの背景散乱光を除去するための背景散乱光除去部と、を有し、
   前記背景散乱光除去部は、検出すべき欠陥の種類、および前記基板の表面状態に応じて前記背景散乱光を除去することを特徴とする検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記検出部は、
   前記背景散乱光除去部より前に、高ＮＡのレンズを備えることを特徴とする検査装置。
3. 請求項２に記載の検査装置において、
   前記レンズは、
   前記基板に対して仰角方向のＮＡよりも方位角方向のＮＡが高い楕円形状のレンズであることを特徴とする検査装置。
4. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記背景散乱光除去部は、
   第１の開口を有する第１の遮光板を有し、
   さらに前記第１の開口の開口径は可変であることを特徴とする検査装置。
5. 請求項４に記載の検査装置において、
   前記第１の遮光板の位置を変える第１の移動部を備えることを特徴とする検査装置。
6. 請求項４に記載の検査装置において、
   前記背景散乱光除去部は、
   前記第１の遮光板の後ろに配置された第２の開口を有する第２の遮光板を有し、
   さらに前記第２の開口の開口径は可変であることを特徴とする検査装置。
7. 請求項６に記載の検査装置において、
   前記第２の遮光板の位置を変える第２の移動部を備えることを特徴とする検査装置。
8. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記背景散乱光除去部と前記検出器との間に、前記像を前記検出器へ伝搬するための光ファイバアレイを有することを特徴とする検査装置。

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