KR100411356B1

KR100411356B1 - 표면검사장치

Info

Publication number: KR100411356B1
Application number: KR10-2001-0056394A
Authority: KR
Inventors: 후까자와가즈히꼬; 오오모리다께오
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2003-12-18
Also published as: TW555968B; KR20020021073A; JP2002162368A; US20020060789A1; JP4591802B2; US6654113B2

Abstract

본 발명에 관한 표면검사장치는, 장치조건 변경에 의해 적어도 하나의 장치조건 (예를 들어 웨이퍼의 틸트각) 을 변경시키면서 촬상장치에 의해 피검물체를 촬상하여 피검물체의 화상을 취득하고, 이렇게 취득된 화상에 기초하여 피검물체의 표면검사를 하기 위한 최적조건을 구할 수 있기 때문에, 피검물체의 표면에 형성된 패턴의 피치를 몰라도 최적조건을 정확하고 간단하게 구할 수 있다. 그리고, 이렇게 구한 최적조건을 이용하여 표면검사장치에 의한 피검물체의 표면검사를 하면, 검사원의 판단 편차에 의한 영향이 없고 항상 일정 수준에서의 고정밀도 및 고효율인 표면검사를 하는 것이 가능하다.

본 발명은 피검물 표면의 패턴 피치를 몰라도 결함 검사를 하기 위한 최적의 장치조건을 구할 수 있고, 신뢰성이 높은 표면검사를 할 수 있는 표면검사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

표면검사장치{APPARATUS FOR INSPECTING SURFACE}

본 발명은 IC 칩, 액정표시패널 등의 제조공정에서 웨이퍼 등의 피검물체의 표면검사를 하기 위한 장치에 관한 것이다.

IC 칩이나 액정표시소자 패널은 웨이퍼 등의 기판 표면에 각종의 상이한 회로 패턴을 몇 층 적층하여 구성되어 있다. 이러한 회로 패턴은 포토리소그래피 공정 등을 이용하여 웨이퍼상에 한 층씩 적층하도록 하여 형성된다.

IC 칩을 예로 하면, 먼저 웨이퍼 (기판) 의 표면에 형성된 산화막상에 레지스트를 얇은 층상으로 도포하여 노광장치에 의해 레티클의 회로 패턴을 이 레지스트층상에 노광한다. 다음으로, 현상처리를 하여 노광된 레지스트를 제거하고 레티클의 회로 패턴과 동일 형상 (또는 축소된 상사(相似)형상) 의 레지스트층으로 이루어지는 패턴을 형성한다. 그 후, 에칭처리하여 노출되는 산화막을 제거한 후, 나머지 레지스트층을 제거하면, 웨이퍼의 표면에는 산화막층의 회로 패턴이 형성된다. 이 산화막층의 회로 패턴에 대하여 도핑처리 등을 하고 다이오드 등의 소자를 형성한다. 제조된 IC 의 종류에 따라서도 다르지만, 통상은 상기와 같은 소정의 회로패턴층을 형성하는 공정이 몇 번이나 반복되고, 그 결과 웨이퍼 위에 복수의 회로 패턴이 몇 층이나 겹쳐진다.

이렇게 하여 웨이퍼상에 회로 패턴을 다층으로 겹쳤을 때, 각 층마다 형성된 회로 패턴에 결함, 이상 등이 발생되고 있는지에 관하여 표면검사를 한다. 이 검사는, 예를 들어 레지스트층에 의한 회로 패턴이 형성된 시점에서 행해진다. 이 검사에서 결함, 이상 등이 발견된 때에는 레지스트가 박리되고 다시 레지스트층의 도포 및 노광이 행해져 이 회로 패턴층의 재생처리가 행해진다.

이상과 같이 회로 패턴을 웨이퍼상에 다층으로 겹쳐 IC 칩 등이 제작되었을 때, 각 회로 패턴에 결함, 이상 등이 발생한 것에서는 IC 칩 등이 불량품이 되고만다. 따라서, 이러한 결함, 이상 등의 검사, 즉 웨이퍼의 표면검사가 중요하다.

이 표면검사에서는, 회로 패턴이 형상 불량, 레지스트층의 막두께 편차, 손상 등과 같은 표면 결함 또는 이상 등이 검사된다. 종래의 표면검사로서, 각종 검사용 조명광을 여러 각도에서 피검물 (웨이퍼) 표면에 조사하여 피검물을 회전 또는 요동시키면서 피검물로부터 나온 광을 검사원이 직접적으로 육안으로 관찰하여 행하는 것이 있다.

이러한 검사 방법은 일반적으로 매크로 검사라고 칭해진다. 이 매크로 검사를 검사원의 육안으로 행한 경우, 검사원의 판단이나 기량 차이 등에 의해 검사결과에 편차가 발생할 우려가 있다. 또, 검사원의 부담도 크다. 그래서, 매크로 검사를 자동화할 것이 검토되어 왔으며, 각종 자동 매크로 검사장치가 제안되어 있다. 예를 들어 피검물의 표면에 검사용 조명광을 조사하고 피검물의 표면에 형성된 반복 패턴으로부터 나온 회절광을 촬상장치에 의해 수광하여 회절화상을 취득하고 화상 처리하여 표면검사를 자동으로 하게 한 장치이다.

그러나, 종래의 표면검사장치에서는 피검물의 표면상의 회로 패턴 (반복 패턴) 으로부터 나온 회절광에 기초하여 회절 이미지를 촬상할 때의 장치조건 (조명광의 입사각, 피검물 기판의 틸트각, 조명광의 파장, 촬상수단에 입사시키는 피검물체로부터 나온 출사광의 수광위치 등) 을 최적조건으로 자동설정할 수는 없었다. 최적조건이란 반복 패턴에서 발생하는 회절광의 진행방향과, 회절광을 수광하는 수광 광학계의 광축방향이 거의 일치하는 조건이며, 바꾸어 말하면 표면검사를 하는데 충분한 회절 이미지를 얻을 수 있는 조건이다.

장치조건의 최적조건은 피검물상에 형성된 반복 패턴의 피치에 따라 상이하다. 이 때문에, 반복 패턴의 피치에 따라 장치조건을 변경해야 한다. 그러나 대부분의 경우 반복 패턴의 피치 설계값이 검사원에게 알려지는 일은 없다. 그래서, 종래의 표면검사장치에서는 피검물의 회절 화상을 모니터에 표시하고, 검사원이 모니터상의 회절 화상을 보면서 장치조건을 최적조건으로 설정하게 되어 있었으나, 최적 장치조건을 검사원이 판단하는 것은 곤란하여 검사원의 능력이나 숙련을 요한다는 문제가 있었다.

본 발명에 관한 표면검사장치는 장치조건 변경에 의해 적어도 하나의 장치조건 (예를 들어 웨이퍼의 틸트각) 을 변경시키면서 촬상장치에 의해 피검물체를 촬상하여 피검물체의 화상을 취득하고, 이렇게 취득한 화상에 기초하여 피검물체의 표면검사를 하기 위한 최적조건을 구할 수 있기 때문에, 피검물체의 표면에 형성된 패턴의 피치를 몰라도 최적조건을 정확하고 간단하게 구할 수 있다. 그리고, 이렇게 구한 최적조건을 이용하여 표면검사장치에 의한 피검물체의 표면검사를 하면 검사원의 판단 편차의 영향이 없이 항상 일정한 수준에서의 고정밀도 및 고효율인 표면검사를 하는 것이 가능하다.

도 1 은 본 발명에 관한 표면검사장치의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 2 는 본 발명에 관한 표면검사장치의 피검대상물이 되는 웨이퍼 표면의 패턴예를 나타내는 평면도이다.

도 3 은 도 2 의 웨이퍼 표면을 검사했을 때의 틸트각도와 최대휘도의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4 는 도 3 의 그래프에 나타내는 파형을 2차미분한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 5 는 본 발명에 관한 표면검사장치의 제어부에서의 화상 촬상 및 취득 수단을 나타내는 플로차트이다.

도 6 은 본 발명에 관한 표면검사장치에서 화상검사를 위한 최적조건을 결정하는 수단을 나타내는 플로차트이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 관하여 설명한다. 도 1 에 본 발명의 실시형태에 관한 표면검사장치의 일례를 나타내고 있으며, 이 장치에 의해 반도체 웨이퍼 (100) 의 표면결함을 검사한다. 이 장치는 웨이퍼 (100) 를 탑재유지하는 홀더 (5) 를 가지며, 도시하지 않은 반송장치에 의해 반송되어 오는 웨이퍼 (100) 를 홀더 (5) 상에 탑재시킴과 동시에 진공흡착에 의해 고정유지한다. 홀더 (5) 는 이렇게 고정유지된 웨이퍼 (100) 의 표면에 수직인 축 (Ax1) 을 중심으로 하여 회전 (웨이퍼 표면내에서의 회전) 가능하며 웨이퍼 (100) 의 표면을 통과하는 축 (Ax2) 을 중심으로 하여 틸트 (경동) 가능하게 구성되어 있다.

이 표면검사장치는 또한, 홀더 (5) 에 고정유지된 웨이퍼 (100) 의 표면에 검사용 조명광을 조사하는 조명광학계 (10), 검사용 조명광의 조사를 받았을 때의 웨이퍼 (100) 로부터 나온 반사광, 회절광 등을 집광하는 집광광학계 (20) 및 집광광학계 (20) 에 의해 집광된 광을 받아 웨이퍼 (100) 표면 이미지를 검출하는 CCD 카메라 (30) 등 (촬상장치) 을 포함한다.

조명광학계 (10) 는 메탈 할라이드 램프 등의 방전광원 (11), 이 방전광원 (11) 으로부터 나온 조명광속을 집광하는 콜렉터 렌즈 (12), 콜렉터 렌즈 (12) 에 의해 집광된 조명광속을 투과시켜 파장선택을 하는 파장선택필터 (13) 및 조광(調光)을 행하는 뉴트럴 덴시티 필터 (14) 를 구비한다. 그리고, 이들 필터 (13,14) 를 투과한 조명광속을 집속시키는 인풋 렌즈 (15) 를 가지며, 인풋 렌즈 (15) 에 의해 집속된 조명광이 화이버 (16) 의 일단 (16a) 에 도입된다.

여기에서, 파장선택 필터 (13) 는 전환구동기구 (13a) 를 가진 원반 (터릿(turret); 13b) 내에 설치되어 있고, 몇 가지 종류의 필터를 전환하여 사용하는 것이 가능해져 있다. 예를 들어 g 선 (파장 436 ㎚), i 선 (파장 365 ㎚) 등의 특정 파장의 광만 투과시키는 간섭 필터, 또는 특정 파장대역의 광을 투과시키는 밴드 패스 필터, 또는 소정 파장보다 긴 파장의 광만 투과시키는 샤프 컷 필터 등을 필요에 따라 선택하여 사용할 수 있다. 뉴트럴 덴시티 필터 (14) 는 회전각에 따라 투과광량이 순차적으로 변화하는 원반형 필터로 이루어지며, 회전구동기구 (14a) 에 의해 회전제어되어 투과광량을 제어할 수 있게 구성되어 있다.

조명광학계 (10) 는 또한, 화이버 (16) 의 타단 (16b) 으로부터 출사되는 발산광속을 받는 조명계 오목면경 (17) 을 가지며, 이 조명계 오목면경 (17) 으로부터 대략 이 집접거리만큼 떨어진 위치에 필터 (16) 의 타단 (16b) 이 설치되어 있다. 이 때문에, 화이버 (16) 의 일단 (16a) 에 도입되어 화이버 (16) 의 타단 (16b) 으로부터 조명계 오목면경 (17) 에 발산조사된 조명광은 조명계 오목면경 (17) 에 의해 평행광속이 되어 홀더 (5) 에 지지된 웨이퍼 (100) 의 표면에 조사된다. 이 때 웨이퍼 (100) 의 표면에 조사되는 조명광속은 웨이퍼 (100) 의 표면과 수직인 축 (Ax1 ; 연직축) 에 대하여 각도 (θi) 로 조사되며, 웨이퍼 (100) 로부터 나온 광이 각도 (θr) 로 출사된다. 이들 입사각 (θi) 과 출사각 (θr) 의 관계가 축 (Ax2) 을 중심으로 하여 홀더 (5) 를 틸트 (경동) 시킴으로써 조정가능하다. 즉, 홀더 (5) 의 틸트에 의해 웨이퍼 (100) 의 탑재각도를 변화시켜 입사각 (θi) 과 출사각 (θr) 의 관계를 조정가능하다.

웨이퍼 (100) 의 표면으로부터 나온 출사광 (여기에서는 회절광을 사용한다) 은 집광광학계 (20) 에 의해 집광된다. 이 집광광학계 (20) 는 연직축 (Ax1) 에 대하여 각도 (θr) 를 가진 방향으로 대향하여 설치된 집광계 오목면경 (21), 이 집광계 오목면경 (21) 의 집광위치에 배치된 조리개 (22) 및 이 조리개 (22) 의 후측에 배치된 결상렌즈 (23) 로 구성된다. 이 결상렌즈 (23) 의 후측에 CCD 카메라 (30) 가 설치되어 있다. 집광계 오목면경 (21) 에 의해 집광됨과 동시에 조리개 (22) 에 의해 좁혀진 출사광 (n 차 회절광) 은 렌즈 (23) 에 의해 CCD 카메라 (30) 의 CCD 촬상소자 (이미지 디바이스 ; 31) 에 결상된다. 그 결과, 웨이퍼 (100) 표면의 회절 이미지가 CCD 촬상소자 (31) 에 형성된다.

CCD 촬상소자 (31) 는 그 수상면에 형성된 웨이퍼 표면의 이미지를 광전변환하여 화상신호를 생성하고, 화상처리검사장치 (35) 로 보낸다. 화상처리검사장치 (35) 의 내부에는 제어부 (37), 웨이퍼 (100) 의 최적 틸트각을 결정하는 조건결정부 (38), 웨이퍼 (100) 의 검출을 검출하는 결함검출부 (39) 및 메모리 (기억장치; 36) 가 형성되어 있다.

제어부 (37) 는 전환구동기구 (13a) 에 의한 파장선택 필터 (13) 의 전환동작제어, 회전구동기구 (14a) 에 의한 뉴트럴 덴시티 필터 (14) 의 회전제어, 연직축 (Ax1) 을 중심으로 한 홀더 (5) 의 회전제어, 틸트 중심축 (Ax2) 을 중심으로 한 홀더 (5) 의 틸트제어 등을 한다. 그리고, 제어부 (37) 는 CCD 촬상소자 (30) 에서 얻을 수 있는 웨이퍼 (100) 의 화상을 소정 비트 (예를 들어 8 비트) 의 디지털 화상으로 변환한다.

메모리 (기억장치 ; 36) 에는 제어부 (37) 로부터의 디지털 화상과 그 때의 장치조건 (틸트각) 이 기억되어 있다. 기억된 디지털 화상은 웨이퍼 (100) 의 최적 틸트각의 결정시에는 조건결정부 (38) 에, 웨이퍼 (100) 의 결함검출시에는 결함검출부 (39) 에 출력된다. 이와 같이 구성된 제어부 (37) 는, 웨이퍼 (100) 의 최적 틸트각의 결정시에는 틸트각을 변경시키면서 웨이퍼 (100) 의 화상을 취득하고, 틸트각이 다를 때의 디지털 화상을 순차적으로 메모리 (36) 에 기억한다.

조건결정부 (38) 는 웨이퍼 (100) 의 최적 틸트각 (φs) 을 결정할 때, 메모리 (36) 에 기억된 웨이퍼 (100) 의 디지털 화상을 순차적으로 취득하여 각 디지털 화상별로 최대 휘도 (또는 평균 휘도이어도 좋다) 를 구하고, 이것에 기초하여 최적 틸트각을 결정한다.

결함검출부 (39) 는 웨이퍼 (100) 의 결함검출시에 메모리 (36) 에 기억된 웨이퍼 (100) 의 디지털 화상을 취득하여 화상처리하는 것 외에 화상의 광량을 모니터하고, 화상의 명암에 기초하여 웨이퍼 (100) 의 막두께 편차, 패턴형상의 이상, 손상 등의 결함 위치를 특정한다.

여기에서, 피검물체인 웨이퍼 (100) 의 표면에는 주기적으로 반복되는 선배열 형상의 회로패턴이 형성되어 있고, 웨이퍼 (100) 의 표면에서는 이들 회로패턴을 구성하는 선이 주기적으로 반복하여 배열되어 있다. 따라서, 회로패턴을 구성하는 선의 반복 피치가 p 이고 조명광의 파장이 λ일 때, 홀더 (5) 를 틸트시켜 웨이퍼 (100) 표면의 틸트각 (T) 을 다음 식 (1) 이 성립하도록 설정하면 웨이퍼(100) 로부터 출사되는 n 차 회절광이 집광광학계 (20) 를 통과하여 CCD 카메라 (30) 에 집광되게 된다. 이렇게 하여 n 차 회절광을 수광하여 CCD 촬상소자 (31) 에 의해 얻어진 웨이퍼 (100) 표면의 이미지로부터 표면 결함의 유무를 검사한다.

sin(θi-T) - sin(θr+T) = n·λ/p (1)

식 (1) 에 있어서, θi 및 θr 이 틸트각 (T) 을 변화시키기 전 (틸트각 T = 0 일 때) 의 입사각 및 출사각의 값, 즉 초기값이다. 틸트각 (T) 을 변화시킨 경우에 입사각 (θi-T) 및 n 차 회절광의 출사각 (θr+T) 은 웨이퍼 (100) 의 표면에 대한 법선 (Ax1) 을 기준으로 하여 입사측으로 들어가는 각도방향을 플러스, 그 반대측으로 들어가는 각도방향을 마이너스로 한다. 회절차수 n 은 n = 0 인 0 차광 (정반사광) 을 기준으로 하여 입사측으로 들어가는 각도방향을 플러스, 그 반대측으로 들어가는 각도방향을 마이너스로 한다. 틸트각 (T) 을 변경하면 입사각 (θi-T), 출사각 (θr+T) 이 변화하게 되는데, 틸트각 (T) 은 예를 들어 홀더 (5) 가 수평상태에 있을 때를 0 으로 하여, 입사측으로의 각도방향을 플러스, 출사측으로의 각도방향을 마이너스로 한다. 여기에서는 틸트각이 0 도 (기준상태) 일 때에 입사각을 θi, 출사각을 θr 로 하고 있다.

이 검사를 위하여 CCD 촬상소자 (31) 에 의해 촬상된 웨이퍼 (100) 표면의 화상신호가 화상처리검사장치 (35) 로 보내진다. 화상처리검사장치 (35) 에서는 CCD 촬상소자 (31) 로부터 나온 화상신호에 의해 얻어지는 웨이퍼 (100) 표면의 화상과 미리 기억되어 있는 양질의 웨에퍼 표면의 화상 (검사기준 화상) 과의 패턴매칭을 하거나, 미리 학습시켜 둔 검사기준 화상의 특징과의 차이점 유무검사를 한다. 검사대상이 되는 웨이퍼 (100) 에 디포커스에 의한 막두께 편차, 패턴 형상의 이상, 손상 등의 결함이 존재하는 경우에는, 그 부분에는 예를 들어 검사기준 화상과의 명암차나 특징의 차이가 검출되기 때문에, 결함이 존재한다고 검출된다.

이러한 웨이퍼 (100) 의 표면검사를 하기 위해서는 조명광학계 (10) 로부터 홀더 (5) 에 지지된 웨이퍼 (100) 의 표면에 검사용 조명광을 조사했을 때 웨이퍼 (100) 로부터 나온 회절광이 집광광학계 (20)를 통하여 CCD 카메라 (30) 에 집광되도록 장치조건을 설정할 필요가 있다. 이 장치조건으로는 예를 들어 웨이퍼 (100) 에 대한 조명광의 파장 (λ), 이 조명광의 입사각 (θi), 웨이퍼 (100) 로부터 집광광학계 (20) 로의 출사각 (θr), 웨이퍼 (100 ; 홀더 (5)) 의 틸트각 (T) 등이 있으며, 이들이 웨이퍼 (100) 의 표면에 형성된 회로 패턴의 피치 (p) 에 대하여 상기 식 (1) 을 만족하도록 설정하여 표면검사를 하는 것이 바람직하다.

여기에서, 회로패턴의 피치 (p) 를 알고 있다면 상기 식 (1) 을 만족하도록 장치조건을 설정하면 되지만, 피치 (p) 를 모르는 경우가 많다. 이 경우에, 상기 식 (1) 을 만족하는 장치조건, 즉 최적 장치조건을 구하는 본 실시형태의 장치 및 방법에 관하여 이하에 설명한다.

(제 1 실시형태)

먼저, 도 2 에 웨이퍼 (100) 표면에 형성된 회로패턴 (전사패턴) 예를 모식적으로 도시하고 있다. 이 웨이퍼 (100) 표면에는, 노광장치에 의해 복수의 쇼트영역 별로 회로패턴이 나열되고 노광되어 형성된다. 도 2 에서는 2 개의 쇼트영역 (110 및 120) 을 대표적으로 나타내고 있으나, 실제로는 다수의 쇼트영역이 나열되어 형성된다.

도 2 에는 웨이퍼 (100) 의 중심 가까이에 있는 제 1 쇼트영역 (110) 과 주변에 있는 제 2 쇼트영역 (120) 이 도시되어 있다. 제 1 쇼트영역 (110) 에는 반복 피치가 상이한 제 1 패턴 (111) 및 제 2 패턴 (121) 이 형성되며, 제 2 쇼트영역 (120) 에는 반복 피치가 상이한 제 1 패턴 (121) 및 제 2 패턴 (122) 이 형성되어 있다. 이 웨이퍼 (100) 는 최적 장치조건을 구하기 위해 사용하는 것이다. 각 쇼트영역에 노광형성되는 패턴 전체를 전사패턴이라 부른다. 예를 들어 제 1 쇼트영역 (110) 에는 반복 피치가 상이한 제 1 패턴 (111) 및 제 2 패턴 (112) 으로 이루어지는 전사패턴이 노광형성되어 있다.

이 웨이퍼 (100) 의 표면에 노광형성되는 각 쇼트영역의 패턴 (전사패턴) 은 동일한 노광장치에 의해 동일 레티클 (마스크) 상의 패턴 (원판 패턴) 이 동일 조건으로 노광형성된 것이다. 따라서, 제 1 및 제 2 쇼트영역 (110,120) 내에는 동일한 패턴이 노광형성되어 있고, 양 쇼트영역의 제 1 패턴 (111,121) 끼리 동일 피치 (p1) 의 동일 형상 패턴으로 이루어지며, 제 2 패턴 (112,122) 끼리 동일 피치 (p2) 의 동일 형상 패턴으로 이루어진다.

이러한 웨이퍼 (100) 에 대하여 도 1 에 나타낸 표면검사장치를 사용하여 검사하는 경우, 피치 (p1) 의 제 1 패턴 (111,121) 에서 발생하는 회절광의 출사각과 피치 (p2) 의 제 2 패턴 (112,122) 에서 발생하는 회절광의 출사각이 상이하므로, CCD 카메라 (30) 에 의해 웨이퍼 (100) 로부터 나온 회절광을 사용하여 웨이퍼 표면 화상을 촬상하기 위한 장치조건이 2 가지 있다고 생각된다. 여기에서, 상술한 복수의 장치조건 중 웨이퍼 (100 ; 홀더 (5)) 의 틸트각 (T) 만을 가변으로 하고 그 이외의 장치조건을 고정하여 상기 2 가지 틸트각 (T) 의 조건을 결정한다.

이하, 제 1 실시형태에 의한 표면검사장치의 동작을 도 5 및 도 6 의 플로 차트도 참조하면서 설명한다.

홀더 (5) 상에 웨이퍼 (100) 가 탑재되고 고정된 상태에서, 그리고 조명광학계 (10) 로부터 소정 파장 (λ) 의 검사용 조명광이 웨이퍼 (100) 의 표면에 조사된 상태로 검사된다. 제어부 (37) 는 홀더 (5) 를 제어하여 웨이퍼 (100) 의 틸트각 (T) 을 변화시키면서 (스텝 S11) CCD 카메라 (30) 에 의해 웨이퍼 표면을 촬상하여 그의 2차원 화상을 취득한다 (스텝 S12). 이 때, 틸트각 (T) 의 각 변화에 대응하는 복수의 촬상화상과 이 때의 장치조건 (틸트각) 을 메모리 (36) 에 기억한다 (스텝 S13). 이 때, CCD 카메라 (30) 에서는 웨이퍼 (100) 의 표면 전체의 화상이 촬상된다. 구체적으로는 조명광학계 (10) 로부터 나온 검사용 조명광의 입사각이 20°∼75°인 각도범위에서 화상촬상하도록 틸트각 변동범위가 설정되어 있고, 이 틸트각 범위의 전 범위에 걸친 화상 취득이 완료된 시점 (스텝 S14)에서 웨이퍼 (100) 의 각 틸트각에서의 표면 전체의 화상 촬상이 완료된다.

다음으로, 조건결정부 (38) 는 도 6 의 플로 차트에서의 스텝 S21∼24 에 나타낸 바와 같이 메모리 (36) 에 기억되는 복수의 2 차원 화상 (웨이퍼 (100) 의 전체 이미지) 정보로부터 각 틸트각 (T) 에 대응하는 화상별로 최대휘도 (또는 평균 휘도이어도 좋다) 를 구한다. 구체적으로는 틸트각 (Ti ; 단 I = 1∼N) 의 각각에 관하여 상기와 같은 방법으로 촬상기억된 화상을 판독하여 각 화상마다 최대휘도를 구한다.

이렇게 구한 틸트각 (T) 에 대응하는 최대휘도변화의 관계를 도 3 에 도시하고 있다. 도 3 에서 알 수 있는 바와 같이, 틸트각 (T) = t1 및 (T) = 2 인 근처에서 최대휘도가 커진다. 조건결정부 (38) 는 또한 최대휘도 변화의 피크위치를 검출하기 위해 도 3 의 파형을 2차 미분하는 처리를 하여 최대휘도의 변화점을 구한다 (스텝 S25). 이 2차 미분결과를 도 4 에 도시하고 있으며, 틸트각 t1 및 t2 에서 최대휘도의 피크값이 발생하는 것을 알 수 있다.

조명광의 파장 (λ) 이 일정한 경우, 웨이퍼 상의 패턴의 피치 (p) 가 클수록 식 (1) 을 만족하기 위해서는 sin(θi-T) - sin(θr+T) 를 작게 해야 한다. 따라서, 틸트각 (T) 을 플러스측 (입사각 (θi-T) 를 작게 하는 방향, 또는 출사각 (θr+T) 를 크게 하는 방향) 으로 하면 된다.

이상으로부터 도 3 에서 2 개의 최대휘도의 피크값이 발생하는 틸트각 t1, t2 중 틸트각이 작은 쪽인 t1 이 제 1 패턴 (111,121 ; 피치가 큰 패턴) 으로부터 나온 회절광에 대응하고, 틸트각이 큰 쪽인 t2 가 제 2 패턴 (112,122 ; 피치가 작은 패턴) 으로부터 나온 회절광에 대응하는 것을 알 수 있다. 즉, 틸트각 t1 이 제 1 패턴 (111,121) 으로부터 나온 회절광을 CCD 카메라 (30) 에 수광하기 위한 장치조건이 되며, 틸트각 t2 이 제 2 패턴 (112,122) 으로부터 나온 회절광을 수광하기 위한 장치조건이 된다. 이들 장치조건이 다른 장치조건과 함께 메모리 (36) 에 기억된다 (스텝 S26).

이상과 같은 2 개의 피크가 있는 경우에, 각 피크가 어떤 패턴에 대응하고 있는지를 꼭 표면검사장치가 인식할 필요는 없다. 2 개의 피치가 다른 패턴이 존재하는 것을 인식할 수 있다면 이하와 같이 검사할 수 있다.

결함검출부 (39) 는 메모리 (36) 로부터 최대휘도의 피크값이 발생한 틸트각 t1, t2 일 때의 각 웨이퍼 (100) 의 디지털 화상을 읽어들인다. 그리고, 각 디지털 화상에 대하여 화상처리를 하는 것 외에 화상의 광량을 모니터하고 화상의 명암에 기초하여 웨이퍼 (100) 의 결함 위치를 특정한다. 이렇게 하여 2 개의 패턴 양방에 대하여 결함을 검출할 수 있다. 상술한 것과 같이 하여 최대휘도의 피크값이 발생한 각 틸트각에 대응하는 패턴을 인식할 수 있다면, 어떤 패턴에 결함이 있는지를 특정할 수도 있다.

또, 상기한 동작설명에서는 최적조건을 결정한 후에 그 최적조건에서의 웨이퍼 (100) 의 화상을 메모리 (36) 에서 판독하여 결함을 검출하도록 하였다. 그러나, 이 웨이퍼 (100) 를 장치조건 결정에만 사용하는 경우도 있다. 즉, 어떤 웨이퍼에서 최적 장치조건을 결정하고, 동일 패턴이 형성된 다른 웨이퍼를 그 최적 장치조건으로 검사하는 경우이다. 이 경우, 최적 장치조건을 결정한 후에는 이 결정에 이용한 웨이퍼의 화상은 메모리 (36) 에서 기억할 필요는 없으며 결정된 최적 장치조건만 기억하고 있으면 된다.

그리고, 장치조건을 결정한 후 다른 웨이퍼를 검사하는 경우의 동작은 이하와 같다.

먼저, 도시하지 않은 반송장치에 의해 검사대상이 되는 웨이퍼가 홀더 (5)에 반송된다. 홀더 (5) 에 의해 웨이퍼를 진공흡착하여 고정 유지한다. 그리고, 조명광학계 (10) 로부터 소정 파장 (λ) 의 검사용 조명이 웨이퍼의 표면에 조사된 상태에서 검사가 행해진다. 제어부 (37) 는 메모리 (36) 에 기억된 최적 장치조건을 판독한다. 상술한 것처럼 최적 장치조건 (틸트각) 이 2 개 결정된 경우는 2 개의 최적 장치조건 (틸트각 t1,t2) 이 판독된다. 그리고, 제어부 (37) 는 홀더 (5) 를 제어하여 틸트각이 t1 이 되도록 설정한다. 제어부 (37) 는 이 때 CCD 카메라 (30) 로 촬상된 웨이퍼의 전체 이미지를 취득해서 디지털 화상으로 변환하여 메모리 (36) 에 기억한다.

결함검출부 (39) 는 메모리 (36) 로부터 디지털 화상을 읽어들인다. 그리고, 화상의 광량을 모니터하고 화상의 명암에 기초하여 웨이퍼 (100) 의 결함 위치를 특정한다. 다음으로, 제어부 (37) 는 홀더 (5) 를 제어하여 틸트각이 t2 가 되도록 설정하고, 이하 틸트각 t1 일 때와 마찬가지로 검사한다. 이렇게 하여 웨이퍼 상의 2 개의 패턴 양쪽에 대하여 결함을 검출할 수 있다.

(제 2 실시형태)

제 1 실시형태에서는 최적 장치조건이 2 개 존재하는 경우에 그 양쪽 조건으로 검사하였는데, 제 2 실시형태에서는 복수의 최적 장치조건 중 하나를 선택하여 검사한다. 이것에 관하여 이하에 설명한다.

본 실시형태에서도 제 1 실시형태와 마찬가지로 도 1 의 표면검사장치를 사용하여 도 2 와 같이 패턴이 형성된 웨이퍼를 검사한다. 이 경우에도 홀더 (5) 위에 웨이퍼 (100) 가 탑재되고 고정된 상태에서, 그리고 조명광학계 (10) 로부터소정 파장 (λ) 의 검사용 조명광이 웨이퍼 (100) 표면에 조사된 상태에서 검사된다. 제어부 (37) 는 홀더 (5) 의 제어를 하여 웨이퍼 (100) 의 틸트각 (T) 을 변화시키면서 CCD 카메라 (30) 에 의해 웨이퍼 표면을 촬상하여 그 2차원 화상을 취득한다. 이 때, 틸트각 (T) 의 각 변화에 대응하는 복수의 촬상화상과, 이 때의 장치조건 (틸트각) 을 메모리 (36) 에 기억한다. 이 때, CCD 카메라 (30) 에서는 웨이퍼 (100) 표면 전체의 화상이 촬상된다.

그리고, 조건결정부 (38) 는 메모리 (36) 에 기억된 복수의 2차원 화상 (웨이퍼 (100) 의 전체 이미지) 정보로부터 각 틸트각 (T) 에 대응하는 화상별로 최대휘도 (또는 평균휘도이어도 된다) 를 구한다. 이렇게 구한 틸트각 (T) 에 대응하는 최대휘도 변화의 관계 (예를 들어 도 3 에 나타내는 관계) 로부터 최대휘도의 피크값이 발생하는 틸트각 (T) = t1 및 t2 를 최적조건으로서 메모리 (36) 에 기억한다.

다음으로, 조건결정부 (38) 는 메모리 (36) 에 기억된 최적조건 (틸트각 t1, t2) 을 판독한다. 그리고, 먼저 틸트각 t1 일 때의 화상 정보를 메모리 (36) 에서 판독하여 소정 휘도 (화소값) 이상의 화소수를 구한다. 이 화소에 대응하는 영역이, 제 1 패턴이 노광형성된 영역이라고 생각된다. 그리고, 이 소정 휘도 이상의 화소의 평균휘도를 구한다. 이어서 구한 화소수와 평균휘도를 메모리 (36) 에 기억한다.

마찬가지로 하여 틸트각 t2 일 때의 화상 정보도 메모리 (36) 에서 판독하여 소정 휘도 이상의 화소수, 이들 화소의 평균 휘도를 구하여 메모리 (36) 에 기억한다. 이들 화소에 대응하는 영역이 제 2 패턴이 노광형성된 영역이라고 생각된다.

이어서, 기억된 각 틸트각에서의 화소수와 평균 휘도를 판독하여 이들 값으로부터 최종적인 최적조건을 결정한다. 예를 들어 t1 에 대응하는 상기 화소수가 t2 에 대응하는 상기 화소수보다 많을 때 (즉 제 1 패턴이 노광형성된 영역 쪽이 넓다고 생각했을 때), 그리고 t1 에 대응하는 상기 화소의 평균 휘도가 높을 때에는 틸트각 t1 을 최적조건으로 결정한다. 이렇게 결정된 최종적인 최적조건을 메모리 (36) 에 기억한다.

또, 상술한 바와 같이 화소수와 평균 휘도에 의해 최적조건을 결정할 때, 예를 들어 틸트각을 복수 설정하여 표면검사하는 경우에는 화소수와 평균 휘도의 양 파라미터에 의해 틸트각 설정의 우선순위를 정할 수 있다. 이 우선순위는 당연히 화소수가 많고 평균 휘도가 높은 순으로 설정된다. 이처럼 복수의 틸트각을 설정하여 표면검사를 각각 하여 그 결과를 종합적으로 판단함으로써 표면검사의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 관한 표면검사장치에 의하면, 장치조건 변경에 의해 적어도 하나의 장치조건 (예를 들어 웨이퍼의 틸트각) 을 변경시키면서 촬상장치에 의해 피검물체를 촬상하여 피검물체의 화상을 취득하고, 이렇게 취득된 화상에 기초하여 피검물체의 표면검사를 하기 위한 최적조건을 구할 수 있기 때문에, 피검물체의 표면에 형성된 패턴의 피치를 몰라도 최적조건을정확하고 간단하게 구할 수 있다. 그리고, 이렇게 구한 최적조건을 이용하여 표면검사장치에 의한 피검물체의 표면검사를 하면, 검사원의 판단 편차에 의한 영향이 없고 항상 일정 수준에서의 고정밀도 및 고효율인 표면검사를 하는 것이 가능하다.

Claims

표면에 복수의 상이한 피치의 반복 패턴이 형성된 피검물체를 조명하는 조명수단;

상기 피검물체로부터의 회절광에 기초하여 물체 이미지를 촬상하는 촬상수단;

상기 촬상수단에 의해 상기 물체 이미지를 촬상할 때의 장치조건을 설정 또는 변경하는 조건제어수단; 및

상기 조건제어수단에 의한 상기 장치조건의 변경시에 상기 촬상수단에 의해 촬상되는 상기 물체 이미지의 화상을 취득하고, 그 화상에 기초하여 상기 패턴을 검사하기 위한 상기 장치조건의 최적조건을 결정하는 조건결정수단을 구비하며,

상기 조건결정수단은, 상기 복수의 상이한 피치의 반복 패턴 각각에 의한 회절광에 기초하여 상기 물체 이미지의 화상을 취득하여, 상기 반복 패턴에 대응하는 상기 장치조건의 최적조건을 결정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 최적조건은, 상기 복수의 상이한 피치의 반복 패턴에 대응하여 복수 결정되는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 최적조건은, 소정의 파라미터에 기초하여, 하나로 결정되는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 조건결정수단에 의해 결정된 상기 최적조건일 때의 상기 물체 이미지의 상기 화상을 기억하는 기억수단; 및

상기 기억수단에 기억된 상기 화상을 판독하고, 상기 화상에 기초하여 상기 피검물체에 형성된 패턴의 결함을 검출하는 결함검출수단을 구비한 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 조건결정수단에 의해 결정된 상기 최적조건을 기억하는 기억수단을 구비하며,

상기 피검물체와 별도의 피검물체를 검사하는 경우에, 상기 조건제어수단은 상기 기억수단으로부터 상기 최적조건을 판독하여, 상기 최적조건에 기초한 장치조건으로 설정한 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 조건결정수단은, 상기 장치조건의 변화에 대응하는 상기 물체 이미지의 휘도변화에서의 피크값이 얻어질 때의 장치조건을 상기 최적조건으로서 설정하는것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 조건결정수단은, 상기 장치조건의 변화에 대응하는 상기 물체 이미지에서의 휘도변화의 관계를 2차미분하여 상기 휘도의 피크값이 얻어지는 장치조건을 구하고, 이 때의 장치조건을 상기 최적조건으로서 설정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 장치조건의 종류가, 상기 피검물체로의 상기 조명수단에 의한 조명광의 입사각도, 상기 피검물체의 탑재 각도, 상기 조명광의 파장 및 상기 촬상수단에 입사시키는 상기 피검물체로부터의 출사광의 수광위치 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 1 항에 있어서,

상기 피검물체의 표면에 형성된 상기 복수의 상이한 피치의 반복 패턴은 노광장치에 의해 원판 패턴을 노광하여 형성된 전사패턴으로 이루어지고, 복수의 상기 전사패턴이 상기 피검물체의 표면에 동일 노광조건으로 노광되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 9 항에 있어서,

상기 피검물체의 표면에서의 떨어진 위치에 형성된 한 쌍의 상기 전사패턴에 대하여 각각의 상기 반복 패턴으로부터의 회절광에 기초하는 물체 이미지를 상기 촬상수단에 의해 촬상하고, 이렇게 촬상된 화상에 기초하여 각각의 상기 반복 패턴에 대한 상기 최적조건을 상기 조건결정수단에 의해 결정하고,

상기 각 반복패턴마다, 상기 한 쌍의 전사패턴의 최적조건을 비교하여, 어느 일방의 상기 반복 패턴에 대한 최적조건을 선택하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 9 항에 있어서,

상기 피검물체의 표면에서의 근접한 위치에 형성된 한 쌍의 상기 전사패턴에 대하여 각각의 상기 반복 패턴으로부터의 회절광에 기초하는 물체 이미지를 상기 촬상수단에 의해 촬상하고, 이렇게 촬상된 화상에 기초하여 각각의 상기 반복 패턴에 대한 상기 최적조건을 상기 조건결정수단에 의해 결정하고,

상기 각 반복패턴마다, 상기 한 쌍의 전사패턴의 최적조건을 비교하여, 어느 일방의 상기 반복 패턴에 대한 최적조건을 선택하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 3 항에 있어서,

상기 촬상수단은 복수의 화소로 이루어지는 2차원 촬상소자로 이루어지고,

상기 조건결정수단은 상기 소정의 파라미터로서 상기 각 화소로부터의 휘도값 및 상기 화소의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 12 항에 있어서,

상기 조건결정수단은 상기 촬상수단에 의해 촬상된 상기 물체 이미지의 최대휘도를 나타내는 틸트각을 복수 기억하고, 상기 소정의 파라미터에 기초하여 상기 복수의 틸트각으로부터 하나의 틸트각을 결정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 12 항에 있어서,

상기 조건결정수단은 상기 촬상수단에 의해 촬상된 상기 물체 이미지의 최대휘도를 나타내는 틸트각을 복수 기억하고, 상기 소정의 파라미터에 기초하여 상기 복수의 틸트각의 우선순위를 결정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
제 12 항에 있어서,

상기 조건결정수단은 상기 틸트각마다 상기 화소의 휘도값이 소정 휘도 이상인 화소수와 상기 화소의 평균휘도값을 기억하고, 상기 기억된 화소수 및 평균휘도값에 기초하여 최적의 틸트값을 결정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.