KR101496603B1 - 검사 장치 - Google Patents

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가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
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Abstract

결함 검사 장치에서는, 미세화에 수반하여 치명 결함의 신호 강도가 감소하므로, SN비를 확보하기 위해서는, 웨이퍼의 산란광에 의한 노이즈를 저감할 필요가 있다. 산란원인 패턴 에지 러프니스나 표면 러프니스는, 웨이퍼 전체 범위에 퍼져 있다. 그로 인해, 노이즈를 저감시키기 위해서는, 조명 영역을 축소하는 것이 유효하다는 것을 본 발명에서는 알아내었다. 즉, 조명 영역을 스폿 형상으로 하고, 스폿 빔의 치수를 축소하는 것이 유효하다는 것을 본 발명에서는 알아내었다. 시간적·공간적으로 분할한 복수의 스폿 빔을 시료에 조사한다.

Description

검사 장치{EXAMINATION DEVICE}
본 발명은 기판의 결함을 검사하는 검사 장치, 검사 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 반도체 디바이스 제조에서의 웨이퍼 등의, 패턴이 형성된 시료의 결함 검사 장치에 관한 것으로, 특히 광학식 결함 검사 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에서는, 스퍼터나 화학 기상 성장에 의한 성막, 화학 기계 연마에 의한 평탄화, 리소그래피와 에칭에 의한 패터닝을 다수 반복한다. 반도체 디바이스의 수율을 확보하기 위해서, 제조 프로세스 도중에 웨이퍼를 빼내어 결함 검사를 행한다.
결함이란, 웨이퍼 표면의 이물질, 팽창, 스크래치나 패턴 결함(쇼트, 오픈, 홀의 개구 불량 등)이다.
결함 검사의 목적은, 첫째로 제조 장치의 상태를 관리하는 것, 둘째로 불량이 발생한 공정과 그 원인을 특정하는 것에 있다. 반도체 디바이스의 미세화에 수반하여, 결함 검사 장치에 대하여 높은 검출 감도가 요구되고 있다.
웨이퍼에는 동일한 패턴을 갖는 수백의 디바이스('칩'이라고 함)가 제작된다. 또한, 디바이스의 메모리부 등에서는, 반복 패턴을 갖는 다수의 셀이 형성된다. 결함 검사 장치에서는, 인접하는 칩 간 또는 인접하는 셀 간에서 화상을 비교하는 방법이 사용되고 있다.
웨이퍼에 광을 조사하여 화상을 촬상하는 광학식 결함 검사 장치는, 전자선 등 다른 방식의 결함 검사 장치에 비하여 스루풋이 높으므로, 인라인 검사에 많이 사용되고 있다.
종래의 광학식 결함 검사 장치에 관하여, 일본 특허 공표 제2005-521064호 공보(특허문헌 1)가 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는, 레이저 광원으로부터 사출된 빔으로부터, 복수의 이동 렌즈에 의해 복수의 스폿 빔을 생성하고, 웨이퍼에 조사한다. 복수의 스폿 빔을 라인상에서 주사하면서, 스폿 빔에 대응하는 검출기를 병렬 동작함으로써, 단일 스폿 빔에 비하여 스루풋을 향상시키고 있다.
그 밖의 기술로서는, 특허문헌 2 내지 4를 들 수 있다.
일본 특허 공표 제2005-521064호 공보 일본 특허 공표 제2005-517906호 공보 미국 특허 제6724473호 미국 특허 제6248988호
반도체 디바이스의 미세화에 수반하여, 광학식 결함 검사 장치에 대하여 검출 감도의 향상이 요구되고 있어, 광학계에 대해서는 SN비의 확보가 중요 과제로 되어 있다.
미세화에 수반하여 치명 결함의 신호 강도가 감소하므로, SN비를 확보하기 위해서는, 웨이퍼의 산란광에 의한 노이즈를 저감할 필요가 있다. 산란원인 패턴 에지 러프니스나 표면 러프니스는, 웨이퍼 전체 범위에 퍼져 있다. 그로 인해, 노이즈를 저감하기 위해서는, 조명 영역을 축소하는 것이 유효하다는 것을 본 발명에서는 알아내었다. 즉, 예를 들어 조명 영역을 스폿 형상으로 하고, 스폿 빔의 치수를 축소하는 것이 유효하다는 것을 본 발명에서는 알아내었다.
특허문헌 1은, 음향 광학 소자를 이용하여 이동 렌즈를 생성하고 있다. 매질 내의 음파의 전파를 시간적·공간적으로 제어하여 굴절률 분포를 생성하는 것이지만, 수차가 잔존하므로, 스폿 빔의 치수의 축소에는 한계가 있다. 또한, 스폿 빔의 주사 속도에 한계가 있으므로, 스루풋을 더 향상시키는 것은 어렵다.
본 발명의 목적은, 반도체 디바이스의 미세화에 대응하며, 미소한 스폿 빔을 이용한 고감도이면서 높은 스루풋의 결함 검사 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 예를 들어 이하의 특징을 갖는다.
본 발명은 시간적 및 공간적으로 분할된 복수의 조명 영역을 시료 위에 형성하는 시간적 공간적 분할 광학계를 갖는 것을 특징으로 한다. 여기서, 조명 영역이란, 예를 들어 스폿 조명, 선상(線狀) 조명, 선상 조명을 더 좁힌 세선(細線) 조명 또는 그들을 미소하게 형성한 것이라고 표현할 수 있다. 또한, 시간적 분할이란, 예를 들어 피검사물 위에 다른 시간에 복수의 조명 영역을 형성하는 것이라고 표현할 수 있다. 공간적 분할이란, 피검사물 위에 서로 떨어진 복수의 조명 영역을 형성하는 것이라고 표현할 수 있다. 본 발명은 이들 시간적 분할 및 공간적 분할 중 적어도 1개를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 시료 위에 서로 다른 시간에 이산적으로 조명 영역을 형성하고, 검출기 측에서는 이들을 연속적인 신호로서 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 조명 광학계는, 상기 복수의 조명 영역을 상기 시료에서 단일의 라인상에 배열하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 시간적 공간적 분할 광학계는, 펄스 빔을 형성하는 펄스 빔 생성부와, 상기 펄스 빔을 분할하여 시간적인 차를 설정하는 시간 분할 유닛과, 상기 펄스 빔을 분할하여 공간적인 차를 설정하는 공간 분할 유닛과, 상기 시간 분할 유닛 및 상기 공간 분할 유닛에 의해 시간적 및 공간적으로 분할된 펄스 빔을 복수의 조명 스폿으로서 상기 시료에 조사하는 결합 유닛을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 복수의 조명 영역의 개수, 치수 및 간격 중 적어도 1개는 가변인 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 라인에 수직인 방향으로 시료를 주사하는 주사부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 검출 광학계는 암시야(暗視野)형인 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 조명 광학계는, 상기 시료에 수직인 방향에서, 상기 복수의 조명 스폿을 상기 시료에 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 조명 광학계는, 상기 시료에 경사진 방향으로부터, 상기 복수의 조명 스폿을 상기 시료에 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 복수의 검출 광학계와 복수의 화상 센서를 갖고, 각각의 화상을 촬상하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 촬상한 복수의 화상을 통합 처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 검출 광학계는 명시야(明視野)형인 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 결함 검사 장치는, 배선이 형성된 시료를 검사하는 결함 검사 장치이며, 상기 배선의 피치로부터 산출되는 주파수로, 상기 센서의 검출 결과를 샘플링하는 처리부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 센서는 적어도 1개 이상의 화소를 갖는 센서이며, 상기 센서의 1 화소의 크기에 상당하는 시간 중에서, 촬상을 개시하는 개시 시간과 촬상을 종료하는 종료 시간을 바꾸는 제어부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 서로 평행한 복수의 라인상에서, 서로 떨어진 복수의 조명 스폿을 상기 시료에 형성하는 공간 분할 광학계를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 복수의 개구를 배열한 마스크와, 상기 개구의 상(像)을 상기 시료에 투영하는 투영 광학계를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 상기 조명 광학계는, 복수의 발광 소자를 배열한 어레이 형상 광원과, 상기 발광 소자의 상(像)을 상기 시료에 투영하는 투영 광학계를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 예를 들어 이하의 효과를 발휘한다. 이하의 효과는 독립적으로 발휘되는 경우도 있으면, 복합적으로 발휘되는 경우도 있다.
(1) 종래보다 낮은 노이즈의 검사를 행할 수 있다.
(2) 종래보다 광시야의 광학계를 구성할 수 있다.
(3) 종래보다 고감도의 결함 검출이 가능해진다.
(4) 종래보다 높은 스루풋의 결함 검사가 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따른, 빔을 시간적·공간적으로 분할하여 조명하는 결함 검사 장치의 제1 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 2는 빔을 시간적·공간적으로 분할하는 광학계를 설명하는 도면이다.
도 3은 시간적·공간적 분할의 타임차트를 나타내는 도면이다.
도 4는 시간적·공간적으로 분할한 스폿 빔에 의한 웨이퍼의 조명을 나타내는 도면이다.
도 5는 웨이퍼 단부에서의 가변 조명 영역을 설명하는 도면이다.
도 6a는 사방(斜方) 검출 광학계의 원형 개구의 웨이퍼 면으로의 투영도를 나타내는 도면이다.
도 6b는 검출 광학계의 윤대(輪帶) 개구의 웨이퍼 면으로의 투영도를 나타내는 도면이다.
도 7은 복수의 검출 광학계를 갖는 제2 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 8은 제2 실시 형태에서, 복수의 사방 검출 광학계의 개구의 웨이퍼면으로의 투영도를 나타내는 도면이다.
도 9는 스폿 빔을 웨이퍼에 경사진 방향으로부터 조사하는, 제3 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 10은 제3 실시 형태에서, 복수의 검출 광학계의 개구의 웨이퍼면으로의 투영도를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른, 빔을 공간적으로 분할하여 조명하는 결함 검사 장치의 제4 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 12는 공간적으로 분할한 스폿 빔에 의한 웨이퍼의 조명을 설명하는 도면이다.
도 13은 마스크의 구조를 나타내는 도면이다.
도 14는 셔터 어레이를 나타내는 도면이다.
도 15는 복수의 검출 광학계를 갖는 제5 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 16은 스폿 빔을 웨이퍼에 경사진 방향으로부터 조사하는, 제6 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 17은 어레이 형상 광원을 갖는 제7 실시 형태를 나타내는 도면이다.
도 18은 어레이 형상 광원을 나타내는 도면이다.
도 19는 실시예 8을 설명하는 도면이다.
도 20은 실시예 9를 설명하는 도면이다.
도 21은 실시예 10을 설명하는 도면이다.
도 22는 실시예 11을 설명하는 도면이다.
도 23은 실시예 12를 설명하는 도면이다.
도 24는 실시예 13을 설명하는 도면이다.
도 25는 검출 광학계의 예를 나타내는 도면이다.
도 26은 종래의 샘플링 과제를 나타내는 도면이다.
도 27은 본 발명의 샘플링 방법을 나타내는 도면이다.
도 28은 샘플링 값을 정하는 수순을 설명하는 도면이다.
도 29는 샘플링 값을 정하는 처리 결과를 나타내는 도면이다.
도 30은 종래의 과제를 나타내는 도면이다.
도 31은 축적 시간과 본 발명의 제어 방법을 설명하는 도면이다.
도 32는 본 발명의 제어예를 나타내는 도면이다.
도 33은 본 발명의 시스템 구성예를 나타내는 도면이다.
도 34는 촬상 타이밍의 어긋남량을 계측하는 방법을 설명하는 도면이다.
이하, 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 이하의 실시예에 개시되는 내용은 독립적으로 실시할 수도 있으며, 조합적으로 실시할 수도 있다.
[실시예 1]
본 발명의 제1 실시 형태(이하, '실시예 1'이라고 함)로서, 시간적·공간적 분할 조명에 의한, 반도체 웨이퍼를 대상으로 하는 암시야 결함 검사 장치에 대하여 설명한다.
제1 실시예의 개략 구성을 도 1에 나타낸다. 주요부는, 광원(1), 시간적·공간적 분할 광학계(3), 조명 광학계(4), 검출 광학계(6), 화상 센서(7), 화상 처리계(8), 스테이지(9), 제어계(10) 및 조작계(11)이다.
광원(1)으로부터 사출된 빔은, 미러(2)로 반사되고, 시간적·공간적 분할 광학계(3)에 입사한다. 여기서, 빔은 소정의 형상, 편광, 파워로 조정되고, 나아가 시간적·공간적으로 분할되어, 복수의 빔이 사출된다. 시간적·공간적 빔 분할의 상세는 후술한다.
상기의 복수의 빔은, 조명 광학계(4)에 의해 각각 스폿 형상으로 집광되고, 웨이퍼(5)에 수직인 방향으로부터 웨이퍼 위의 서로 다른 위치를 조사한다. 상기의 스폿 빔의 조사 위치는, 웨이퍼 위에서 Y축에 평행한 라인상에 있다.
웨이퍼에서 산란된 광은, 검출 광학계(6)에 의해 집광된다. 검출 광학계의 광축은, 웨이퍼에 수직인 방향으로부터 소정 각도 기울어져 있다. 정반사 광은 검출 광학계의 개구 밖으로 사출되므로, 복수의 스폿 빔 위치에서의 암시야 상이 화상 센서(7)에 결상한다.
화상은 A/D 변환기(도시생략)에 의해 디지털 신호로 변환되고, 화상 처리계(8)로 전송된다. 이들 동작과 병행하여, 스테이지(9)를 X축 방향으로 주사한다.
화상 처리계(8)에는, 검사 칩과 인접하고, 동일 패턴을 갖는 칩으로 촬상한 참조 화상이 기록되어 있다. 검사 화상과 참조 화상에 대하여 위치 정렬 등의 처리를 행한 후, 양자의 차분 화상을 출력한다. 차분 화상의 휘도를 미리 설정한 임계값과 비교하고, 결함을 검출한다.
결함의 위치 좌표는, 제어계(10)로 전송되고, 소정의 검사 종료 후에 조작계(11)에 표시된다.
시간적·공간적 빔 분할의 상세를, 도 2를 이용하여 설명한다. 여기에서는, 시간적으로 4분할, 공간적으로 8분할의 실시예를 설명하지만, 시간적으로도 공간적으로도 분할 수를 증감시키는 것은 가능하다.
각 빔은 평행 빔이며, 도 2에서는 그 주 광선을 나타낸다. 시간적·공간적 분할 광학계의 주요부는, 시간 분할 유닛(12a 내지 12c), 공간 분할 유닛(13a 내지 13d) 및 결합 유닛(14a 내지 14c)이다.
처음에 시간적 분할에 대하여 설명한다. 입사 빔은, 직선 편광의 펄스 빔이다. 입사 빔은 우선, 시간 분할 유닛(12a)에 의해 빔 L1과 L1′로 1:3의 강도비로 분할된다. 빔 L1′는, 시간 분할 유닛(12b)에 의해 빔 L2와 L2′로 1:2의 강도비로 분할된다. 빔 L2′는, 시간 분할 유닛(12c)에 의해 빔 L3과 L4로 1:1의 강도비로 분할된다.
빔 L1, L2, L3 및 L4는, 공간 분할 유닛의 입사 위치에서, 서로 광로 길이가 다르므로, 사출 펄스 간에 광로 차에 대응하는 시간 차가 발생하고 있다. 즉, 빔 L1, L2, L3 및 L4가 공간 분할 유닛으로 입사할 때까지의 광로 길이를 바꾸는 기구(기계적이어도, 광학적이어도 무방함)를 설치함으로써 시간 분할의 분할 간격을 바꿀 수 있다. 또한, 예를 들어 소요되는 광로 차를 얻기 위해서, 각 시간 분할 유닛의 사이에, 적절한 길이의 광 파이버를 설치해도 된다.
또한, 빔 L1, L2, L3 및 L4의 강도는 서로 동일하게 되어 있다. 시간 분할 유닛으로서는, 1/2 파장판과 편광 빔 스플리터 등을 사용할 수 있다. 1/2 파장판의 광학축을 편광 빔 스플리터에 대하여 소정 방향으로 설정함으로써, 상기의 빔 분할이 가능하다.
이어서, 공간적 분할에 대하여 설명한다. 빔 L1은, 공간 분할 유닛(13a)에 의해, 서로 진행 방향이 다른 빔 L11과 L12로 1:1의 강도비로 분할된다.
마찬가지로, 빔 L2는 빔 L21과 L22로, 빔 L3은 빔 L31과 L32로, 빔 L4는 빔 L41과 L42로 분할된다. 공간 분할 유닛으로서는, 월라스톤 프리즘과 1/2 파장판, 회절 격자, 음향 광학 소자 등을 사용할 수 있다.
예를 들어, 1개의 공간 분할 유닛이, 광학 특성이 서로 다른 복수의 월라스톤 프리즘, 복수의 1/2 파장판, 또는 복수의 회절 격자를 가짐으로써, 공간 분할의 분할 간격을 바꿀 수 있다. 또한, 음향 광학 소자를 이용하는 경우에는, 그 구동 신호를 바꾸는 제어를 행하면, 공간 분할의 분할 간격을 바꿀 수 있다.
이어서, 빔의 결합에 대하여 설명한다. 빔 L41, L42와 빔 L31, L32는 결합 유닛(14c)으로 입사하고, 결합 유닛(14b)을 향해서 사출된다. 빔 L41, L42, L31, L32와 빔 L21, L22는 결합 유닛(14b)으로 입사하고, 결합 유닛(14a)을 향해서 사출된다. 빔 L41, L42, L31, L32, L21, L22와 빔 L11, L12는 결합 유닛(14a)으로 입사하고, 서로 진행 방향이 다른 8개의 빔이, 4가지의 펄스 시간 차로 사출된다. 이 펄스 시간 차는, 시간 분할 유닛에서의 광로 차와 결합 유닛에서의 광로 차의 합에 대응한다. 결합 유닛으로서는, 1/2 파장판과 편광 빔 스플리터 등을 사용할 수 있다.
이어서, 시간적·공간적 빔 분할의 타임차트를 도 3에 나타낸다. 웨이퍼 위의 위치 Y1과 Y5는 시간 T1로, 위치 Y2와 Y6은 시간 T2=T1+ΔT로, 위치 Y3과 Y7은 시간 T3=T1+2ΔT로, 위치 Y4와 Y8은 시간 T4=T1+3ΔT로, 각각 조사한다.
시간 차 ΔT는, 전술한 시간적·공간적 분할 광학계에 의한 펄스 시간 차이다. 광원의 발광 주기 ΔTs의 경과 후, 마찬가지로 조사를 반복한다. 서로 조사 시간이 다르면, 조사 빔의 위치가 인접하고 있어도, 화상 센서에서의 노이즈는 조사 빔의 위치가 떨어져 있는 것과 동일하게 억제할 수 있다.
또한, 빔을 분할함으로써, 조명 출력의 피크값은 광원 출력의 피크값에 비하여 감소하므로, 웨이퍼의 조사 손상을 억제할 수 있는 이점도 있다.
이어서, 시간적·공간적으로 분할한 스폿 빔에 의한 웨이퍼의 조명을 도 4에 나타낸다. 8개의 스폿 빔의 중심은, Y축에 평행한 직선상에 있다. 스폿 빔의 치수 D는, 산란광에 의한 노이즈가 작아지도록(바람직하게는 충분히 작아지도록) 설정하고, 예를 들면 1㎛ 정도로 한다.
또한, 동일 시간에 조사하는 2개의 스폿 빔 위치의 간격 Ss는, 검출 광학계의 해상도보다 크게(바람직하게는 충분히 크게) 설정하고, 서로의 산란광이 화상 센서의 화소에 혼입되지 않도록 한다.
또한, 인접하는 2개의 스폿 빔 위치의 간격 St는, 각각의 스폿 빔을 Y축에 투영하면, 겹치도록 설정한다. 이 조건에서 스테이지를 X축 방향으로 주사하면, 간극 없이 화상을 촬상할 수 있다. 즉, 스폿 빔의 집합과 스테이지 주사를 조합함으로써, 라인 빔에 의한 조명과 등가의 촬상 영역이 얻어진다.
또한, 스폿 빔의 강도 프로파일은 가우스 분포를 형성한다. 따라서, 도 4에서, 시간적으로는 분할되어 있지만, 화상 센서(7)에서는 인접하는 관계로 검출되는 적어도 2개 이상의 조명 스폿(401, 402)의 간격을, 조명 시간을 동일하게 한 경우에 중첩되는 양자의 강도 프로파일(403과 404)의 합이 개략 평탄, 또는 실질적으로 평탄해지도록 하는 간격으로 설정한다. 그리고, 이러한 관계를 다른 조명 스폿끼리에서도 적용한다.
다시 말하자면, 화상 센서(7) 측에서 보면, 시간적, 공간적으로 분할된 도 4의 조명 스폿의 강도 프로파일의 총합은, 조명 위치(Y1-Y8)에서, 개략, 또는 실질적으로 평탄하다고 표현할 수 있다.
다른 표현으로서는, 시료 위에 서로 다른 시간적, 공간적으로 이산적으로 조명 영역을 형성하고, 검출기 측에서는 이들을 연속적인 신호로서 검출한다고 표현할 수 있다.
이와 같이 함으로써, 조명 영역 Y1 내지 Y8에 걸쳐서 강도 프로파일이 개략 평탄 또는 실질적으로 평탄한 라인 빔에 의해, 조명된 것과 등가의 검사를 행할 수 있다.
또한, 시간적 및 공간적으로 분할된 조명 스폿의 조사 방법은, 본 실시예에 한정되지 않는다. 펄스 빔을 분할하여, 시료 위에 시간적 및 공간적으로 분할된 조명 스폿을 형성할 수 있는 것이라면, 시간 분할 유닛, 공간 분할 유닛, 결합 유닛의 광학적인 배치나 그들의 조합은 자유롭다.
화상 센서(7)는 예를 들어 CCD 1차원 센서 또는 CCD 2차원 센서이다. 이들 센서는 예를 들어, 광을 전기 신호로 변환하는 광전 변환 센서라고 표현할 수 있다. CCD 1차원 센서(직사각형 화소)의 경우, 조명 영역 전체의 X축 방향 치수는 화소의 긴 변 방향 치수에 비하여 작게 설정한다. 직사각형 화소는, 후술하는 바와 같이, 오버 샘플링에 의한 촬상이 가능하다.
또한, 화상 센서로서 멀티 픽셀 포톤 카운터(MPPC)를 사용해도 된다. MPPC는 극미약 광의 검출에 적합하므로, 미소 결함의 검출에 유효하다.
상기의 구성에 의해, 1㎛ 정도의 스폿 빔에 의한 고감도 검사와, 라인 빔에 상당하는 시야 치수에 의한 높은 스루풋 검사를 양립할 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 스테이지 주사 중에 스폿 빔의 개수, 치수 및 간격 중 적어도 1개를 동적으로 제어함으로써, 조명 영역의 길이를 가변하도록 할 수 있다. 제어 수단으로서는, 예를 들어 시간적·공간적 분할 광학계의 하류측에 액정 셔터를 설치하고, 스폿 빔마다 차광/투과를 제어하면 된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 조명 영역의 가변 기능은, 웨이퍼 단부의 검사에 유효하다.
또한, 광원은, 펄스 레이저뿐만 아니라, 연속 발진 레이저, LED, 방전 램프 등의 연속 발진 광원도 사용할 수 있다. 연속 발진 광원의 경우, 시간적·공간적 분할 광학계의 상류측에, 빔을 펄스화하는 수단을 추가하면 된다. 가시광 영역, 자외광 영역 및 원자외광 영역에서, 그 경우에는 필요한 파장이나 파워 등에 따라서 최적의 광원을 선택한다.
검출 광학계(6)에는, 렌즈로 이루어지는 굴절형, 미러로 이루어지는 반사형, 미러와 렌즈를 조합한 반사·굴절형 및 프레넬 존플레이트 등의 회절형을 사용할 수 있다.
또한, 검출 광학계(6)에는, 도 1에 도시한 바와 같은, 광축이 웨이퍼에 수직인 방향으로부터 소정 각도 기울어진 원형 개구 외에, 광축이 웨이퍼에 수직인 방향의 윤대 개구를 사용할 수도 있다. 원형 개구와 윤대 개구에 대하여, 웨이퍼면으로의 투영도를 각각 도 6a와 도 6b에 나타낸다. 여기서, NA는 개구수의 의미이다. NA=1인 원은 웨이퍼 면에 평행한 방향을 나타내고, 원의 중심은 웨이퍼 면에 수직인 방향을 나타낸다.
윤대 개구의 경우, 산란광의 집광 입체각을 크게 할 수 있으므로, 결함으로부터의 산란광이 미약하더라도 신호 강도를 확보하는 것이 가능하다.
[실시예 2]
본 발명의 제2 실시 형태(이하, '실시예 2'라고 함)를 도 7에 나타낸다. 제1 실시예와 동일한 구성의 설명은 생략한다.
실시예 2에서는, 검출 광학계(6a)와 화상 센서(7a)에 의해 암시야 상을 촬상하고, 검출 광학계(6b)와 화상 센서(7b)에 의해 다른 암시야 상을 촬상한다. 이들 화상을 화상 처리계로 전송한다. 도시는 생략하였지만, 검출 광학계와 화상 센서를 더 설치해도 된다.
실시예 2와 같이 복수의 검출 광학계를 구비하는 경우에 대하여, 개구의 웨이퍼 면으로의 투영도를 도 8에 나타낸다. 여기에서는, 검출 광학계의 광축 방위각(웨이퍼 면 내의 각도)이 서로 다르다. 일반적으로, 결함으로부터의 산란광의 각도 분포는 다양하다. 또한, 노이즈원으로부터의 산란광의 각도 분포도 다양하다.
실시예 2에서는, 복수의 화상 중에서 SN비가 높은 화상을 이용함으로써, 단일의 화상을 이용하는 제1 실시예에 비하여, 결함 검출의 확률을 높일 수 있다. 또한, 복수의 화상을 통합 처리함으로써, 출력 화상의 SN비를 원래의 화상에 비하여 향상시켜서, 결함 검출의 확률을 더 높일 수도 있다.
[실시예 3]
본 발명의 제3 실시 형태(이하, '실시예 3'이라고 함)를 도 9에 나타낸다. 제1 실시예와 동일한 구성의 설명은 생략한다. 실시예 3은 실시예 1에서 설명한 바와 같은 시간적·공간적으로 분할된 복수의 스폿 빔 군을 웨이퍼에 경사진 방향으로부터 조사하고, 웨이퍼 표면에 대하여 수직인 방향에서 검출하는 것이다.
웨이퍼에서 산란된 광은, 검출 광학계(6)에 의해 집광된다. 검출 광학계(6)의 광축은, 웨이퍼에 수직이다. 정반사 광은 검출 광학계(6)의 개구 밖으로 사출되므로, 복수의 스폿 빔 위치에서의 암시야 상이 화상 센서(7)에 결상한다.
실시예 3에서는, 검출 광학계의 광축이 웨이퍼에 수직이므로, 제1 실시예에 비하여, 산란광의 집광 입체각이 더 크다는 이점이 있다.
또한 본 실시예 3에서도, 검출 광학계(6)와 화상 센서(7)의 조를 복수 설치할 수 있다. 복수의 검출 광학계를 구비하는 경우에 대하여, 개구의 웨이퍼면으로의 투영도를 도 10에 나타낸다.
여기에서는, 검출 광학계의 광축의 앙각(웨이퍼면에서의 각도)과 방위각 중 적어도 한쪽이, 서로 다르다. 일반적으로, 결함으로부터의 산란광의 각도 분포는, 결함의 종류나 치수, 패턴의 형상이나 하지(下地)의 구조 등에 의해 서로 다르다. 또한, 노이즈원으로부터의 산란광의 각도 분포도, 패턴의 형상이나 하지의 구조 등에 의해 서로 다르다. 그로 인해, 복수의 화상 중에서 SN비가 높은 화상을 이용하여 결함을 검출함으로써, 단일의 화상을 이용하여 결함을 검출하는데 비하여, 결함 검출의 확률을 높일 수 있다. 또한, 복수의 화상을 통합 처리함으로써, 출력 화상의 SN비를 원래의 화상에 비하여 향상시켜서, 결함 검출의 확률을 더 높일 수도 있다.
[실시예 4]
본 발명의 제4 실시 형태(이하, '실시예 4'라고 함)로서, 공간적 분할 조명에 의한, 반도체 웨이퍼를 대상으로 하는 암시야 결함 검사 장치에 대하여 설명한다.
실시예 4는, 전술한 실시예 1 내지 3과는 달리, 개구를 갖는 광학 소자(예를 들어, 후술하는 마스크(17))를 이용하여 공간적으로 분할된 조명 스폿을 형성하는 것이다.
실시예 4의 개략 구성을 도 11에 나타낸다. 광원(1)으로부터 사출된 빔은, 미러(2)로 반사되고, 마스크 조명 광학계(16)에 입사한다. 여기서, 빔은 소정의 형상, 편광, 파워로 조정되고, 마스크(17)에 입사한다. 마스크(17)에는, 소정의 복수의 개구가 배열되어 있다. 도 11에서는, 개구는 X축 방향으로 3군데 나타나 있지만, 개구는 Y축 방향으로는 다수 배열되어 있다. 마스크(17)를 이동함으로써, 다양한 소정의 복수의 개구를 광로에 삽입하는 것이 가능하다. 각각의 개구를 투과한 빔은 발산하지만, 웨이퍼 조명 광학계(18)에 의해 집광된다. 마스크(17)와 웨이퍼는, 웨이퍼 조명 광학계에 대하여 공액으로 되어 있으므로, 개구의 상이 웨이퍼에 투영된다. 이와 같이 하여, 웨이퍼(5)에 수직인 방향으로부터, 복수의 스폿 빔을 웨이퍼에 조사한다. 검출 광학계 이후의 구성은, 제1 실시예와 동일하므로, 설명은 생략한다.
이어서, 상기의 스폿 빔과 스테이지 주사에 의한 촬상에 대하여 설명한다. 도 12는, 공간적으로 분할한 스폿 빔에 의한 웨이퍼의 조명을 나타낸다. 조명 라인 1, 조명 라인 2 및 조명 라인 3은 X축(스테이지의 주사 방향)에 수직이다. 검출 광학계가 사방 검출인 경우에는, 광축 밖에서 디포커스가 발생하므로, 조명 라인의 간격은 초점 심도 이내가 되도록 설정한다. 각각의 조명 라인상에 서로 겹치지 않도록 스폿 빔을 배열한다. 스폿 빔의 치수는, 산란광에 의한 노이즈가 충분히 작아지도록 설정하고, 예를 들어 1㎛ 정도로 한다. 또한, 조명 라인의 길이는 검사 장치의 시야 치수와 동일하게 한다. 스폿 빔의 간격은, 각각의 조명 라인을 Y축에 투영하면, 스폿 빔이 겹치도록 설정한다. 이 조건에서 스테이지를 X축 방향으로 주사하면, 간극 없이 화상을 촬상할 수 있다. 즉, 스폿 빔의 집합과 스테이지 주사를 조합함으로써, 라인 빔에 의한 조명과 등가인 촬상 영역이 얻어진다.
화상 센서(7)는 예를 들어 CCD 1차원 센서 또는 CCD 2차원 센서이다.
CCD 1차원 센서(직사각형 화소)의 경우, 조명 영역 전체의 X축 방향 치수는 화소의 긴 변 방향 치수에 비하여 작게 설정한다. 또한, 스폿 빔의 Y축 방향의 간격은, 화소의 짧은 변 치수의 정수배로 설정한다. 직사각형 화소는, 후술하는 바와 같이, 오버 샘플링에 의한 촬상이 가능하다.
CCD 2차원 센서(정사각형 화소)의 경우, 조명 라인의 간격은 화소 치수의 정수배로 설정한다. 또한, 스폿 빔의 Y축 방향의 간격도, 화소 치수의 정수배로 설정한다. 스폿 빔의 치수와 배열을 고정하면, 2차원 센서의 화소 치수는 1차원 센서에 비하여 작으므로, 고해상도의 촬상이 가능하다.
또한, 화상 센서(7)로서 멀티 픽셀 포톤 카운터(MPPC)를 사용해도 된다. MPPC는 극미약 광의 검출에 적합하므로, 미소 결함의 검출에 유효하다.
상기의 구성에 의해, 1㎛ 정도의 스폿 빔에 의한 고감도 검사와, 라인 빔에 상당하는 시야 치수에 의한 높은 스루풋 검사를 양립할 수 있다.
마스크(17)의 구조는, 도 13에 도시한 바와 같이, 광을 투과하는 기판에 차광막을 성막하고, 스폿 빔에 대응하는 개구를 형성한 것이다. 반도체 리소그래피용 포토마스크와 마찬가지의 공정에 의해, 미소하면서 다수의 개구를 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 마스크(17)의 구조는, 도 14에 도시한 바와 같이, 복수의 액정 소자를 2차원으로 배열한 셔터 어레이로 하여도 된다. 제어계는, 액정 소자마다 투광과 차광을 제어하는 기능을 갖는다. 스폿 빔의 치수와 간격을 자유로이 설정할 수 있으므로, 다양한 화소 치수에 용이하게 대응 가능하다. 또한, 스테이지 주사 중에 스폿 빔의 개수를 동적으로 제어함으로써, 조명 영역의 길이를 가변하도록 할 수 있으므로, 웨이퍼 단부의 검사에도 유효하다.
광원(1)으로서는, 펄스 레이저, 연속 발진 레이저, LED, 방전 램프 등을 사용할 수 있다. 가시광 영역, 자외광 영역 및 원자외광 영역에서, 필요한 파장이나 파워 등에 따라서 최적의 광원을 선택한다.
[실시예 5]
본 발명의 제5 실시 형태(이하, '실시예 5'라고 함)를 도 15에 나타낸다. 본 실시예 5에서는, 실시예 4와 같은 마스크 조명 광학계(16), 마스크(17)에 의해 공간적으로 분할된 광을, 웨이퍼 조명 광학계(18)를 개재하여, 웨이퍼(5)에 대하여 수직인 방향에서 조명하고, 웨이퍼(5)로부터 발생한 산란광을, 복수의 검출 광학계(6a, 6b)와 화상 센서(7a, 7b)로 검출하는 것이다. 또한, 검출 광학계 이후의 구성은, 제2 실시예와 동일하므로, 설명은 생략한다.
[실시예 6]
본 발명의 제6 실시 형태(이하, '실시예 6'이라고 함)를 도 16에 나타낸다. 복수의 스폿 빔 군을 웨이퍼에 경사진 방향으로부터 조사한다. 여기서, 빔의 단면 형상이 원형인 경우, 웨이퍼 위의 빔 직경은 Y 방향으로 신장된다. 소정의 빔 직경을 얻기 위해서, 마스크(17)의 Y 방향의 개구 치수(또는 셔터 어레이의 Y 방향의 소자 치수)는 X 방향보다 작게 하는 것이 유효하다. 검출 광학계 이후의 구성은, 제3 실시예와 동일하므로, 설명은 생략한다.
[실시예 7]
본 발명의 제7 실시 형태(이하, '실시예 7이라고 함)를 도 17에 나타낸다. 제4 실시예와 동일한 구성의 설명은 생략한다.
본 실시예 7에서는, 복수의 발광 소자를 2차원으로 배열한 어레이 형상 광원(19)을 사용한다. 발광 소자로서는, 예를 들어 LED를 사용할 수 있다.
제어계(10)는 발광 소자마다 발광과 소광을 제어하는 기능을 갖는다.
본 실시예 7에서는, 스폿 빔의 치수와 간격을 자유로이 설정할 수 있으므로, 다양한 화소 치수에 용이하게 대응 가능하다.
또한, 스테이지 주사 중에 스폿 빔의 개수를 동적으로 제어함으로써, 조명 영역의 길이를 가변하도록 할 수 있으므로, 웨이퍼 단부의 검사에도 유효하다. 실시예 7은, 제4 실시예에 비하여, 마스크 조명 광학계와 마스크가 없으므로, 장치 구성의 간략화라고 하는 이점도 얻어진다.
[실시예 8]
실시예 8로서, 시간적 분할에 대한 베리에이션을 설명한다. 본 실시예 8의 특징은 주로 연속 발진 레이저(이후, 'CW 레이저'라고 함)와 음향 광학 소자를 이용하여 시간적 분할 조명 광학계를 구성하는 점에 있다. 이후의 설명에서는, 이 시간적 분할 조명 광학계에 대하여 주로 설명한다.
도 19는 본 실시예 8을 설명하는 도면이다.
광원으로부터 조사된 연속 발진 레이저 LS0은 음향 광학 소자(801)에 입사한다. 음향 광학 소자(801)는 제어부(802)로부터의 어떤 주파수의 구동 신호에 의해 제어된다. 이에 의해, CW 레이저 LS0을 구동 신호의 주파수에 의존한 시간 차를 갖는 펄스 레이저 LS1·LS2로서 다룰 수 있다. 또한, 이 주파수를 제어함으로써 LS1·LS2의 시간 차를 제어할 수 있다. LS1은 미러(803), LS2는 미러(804)로 각각 반사되고, 파워·편광·ON/OFF 제어계(805·806)에 입사한다. 파워·편광·ON/OFF 제어계(805·806)는 각각 조도·편광 제어용의 λ/2판, λ/4판과 조명의 ON/OFF를 제어하는 셔터를 갖는다. 이에 의해, CW 레이저를 이용한 시간 분할 조명 광학계를 제공할 수 있다.
[실시예 9]
실시예 9로서, 시간적 분할에 대한 다른 베리에이션을 설명한다. 본 실시예 9의 특징은 주로 연속 발진 레이저(이후, 'CW 레이저'라고 함)와 액정 셔터를 이용하여 시간적 분할 조명 광학계를 구성하는 점에 있다. 이후의 설명에서는, 이 시간적 분할 조명 광학계에 대하여 주로 설명한다.
도 20은 본 실시예 9를 설명하는 도면이다.
CW 레이저 LS0은, λ/2판(901)에 입사한 후, 편광 빔 스플리터(902)에 입사하고, 2개의 광으로 분기된다. 편광 빔 스플리터(902)의 뒤의 광로에는 액정 셔터(903, 904)가 배치되어 있다. 분기된 광은 각각 액정 셔터(903·904)에 각각 입사한다. 제어부(802)는 액정 셔터(903·904)의 ON/OFF를 어떤 시간 차를 갖고 제어한다. 이에 의해, CW 레이저 LS0을 액정 셔터(903·904) 사이의 ON/OFF의 시간 차에 의존한 펄스 레이저 LS1·LS2로서 다룰 수 있다. LS1·LS2는, 파워·편광·ON/OFF 제어계(905·906)로 입사한다. 파워·편광·ON/OFF 제어계(905·906)는 각각 조도·편광 제어용의 λ/2판, λ/4판과 조명의 ON/OFF를 제어하는 셔터를 갖는다.
또한, 전술한 시간 차는, 파워·편광·ON/OFF 제어계(905·906) 내의 셔터를 제어함으로써 행해도 된다. 또한, 시간 차를 제로로 하면 동시 조명으로서 다룰 수도 있다.
[실시예 10]
다음으로 실시예 10에 대하여 설명한다. 실시예 10은, 실시예 8, 9에서의 LS1, LS2를 웨이퍼에 대하여 서로 다른 앙각으로 조명하는 예이다.
본 실시예 10은, 복수의 앙각으로부터 어떤 시간 차를 갖고 피검사물 위로 조명 영역을 형성하고, 피검사물로부터 발생한 산란광을, 복수의 앙각으로 검출하고, 검출 결과에 조명 시의 시간 차에 관한 정보, 검출 시의 앙각에 관한 정보를 부가하는 것을 특징으로 한다.
도 21은 본 실시예 10을 설명하는 도면이다. 실시예 8 또는 9에서 시간 차를 갖는 LS1, LS2는, 미러(10001, 10002), 렌즈(10003, 10004)에 의해, 웨이퍼(10015)에 대하여 서로 다른 앙각을 갖고 조명된다. 이에 의해, 시간 분할 이앙각(異仰角) 조명을 실현할 수 있다.
웨이퍼(10015)에서 발생한 산란광은, 각각, 렌즈(10013, 10014)로 집광되고, 검출기(10005, 10006)로 검출되어 광전 변환되고, A/D 변환부(10007, 10008)에서 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환된다.
여기서, 검출기측에서 보면, 검출한 신호가 어느 시간에 발생한 것인지 알 수 없다. 따라서, 본 실시예 10에서는, 이하의 구성을 더 갖는다.
본 실시예 10에서는, LS1의 광로에 미러(10018), LS2의 광로에 미러(10010)를 각각 설치한다. 그리고, LS1을 포토다이오드(10009), LS2를 포토다이오드(10011)로 검출한다. 포토다이오드(10009)의 검출 신호 ADS1, 포토다이오드(10011)의 검출 신호 ADS2는 논리합부(10012) 및 멀티플렉서(10016, 10017)로 보내진다. 논리합부(10012)의 신호 ADS는 A/D 변환부(10007, 10008)로 보내지고, A/D 변환부(10007, 10008)의 신호는 각각 멀티플렉서(10016, 10017)로 보내진다.
멀티플렉서(10016)는, 검출기(10005)의 신호에 시간 차에 관한 정보를 부가한다. 보다 구체적으로는, 검출기(10005)의 신호에 이하의 것을 부가한다.
(1) LS1의 조사에 의해 발생한 산란광인 것을 나타내는 정보
(2) LS2의 조사에 의해 발생한 산란광인 것을 나타내는 정보
멀티플렉서(10017)는, 검출기(10006)의 신호에 시간 차에 관한 정보를 부가한다. 보다 구체적으로는, 검출기(10006)의 신호에 이하의 것을 부가한다.
(3) LS1의 조사에 의해 발생한 산란광인 것을 나타내는 정보
(4) LS2의 조사에 의해 발생한 산란광인 것을 나타내는 정보
즉, 본 실시예 10에서는, 검출 결과에 조명 시의 시간 차에 관한 정보, 검출시의 앙각에 관한 정보를 부가할 수 있다고 표현할 수 있다.
결함은 그 형상, 종류 등에 따라, 산란광의 산란 앙각, 방위각에 차이가 있다. 따라서, 본 실시예 10에서는, 조명 앙각, 검출 앙각에 관한 정보를 정확하게 알 수 있으므로 결함의 분류 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예 10은, 서로 다른 조명 앙각, 검출 앙각에 대하여 설명했지만, 방위각에 대하여 적용해도 된다.
[실시예 11]
다음으로 실시예 11에 대하여 설명한다. 전술한 실시예 1 내지 10에서는, 도시는 생략하였지만, 피검사물 위에 형성된 회로 패턴 등으로부터의 회절광의 영향을 제외하고, 검출기에서는 결함으로부터의 산란광만을 검출하기 때문에 검출 광학계의 푸리에면에 공간 필터를 배치해도 된다.
그러나, 공간 필터만으로는 회절광을 차광할 수 없는 경우가 있다. 그것은, 회로 패턴 위에는, 메모리 셀부, 복잡한 패턴으로 형성되는 로직부, 반복 패턴으로 형성되는 페리부 등 복수의 패턴이 있는 것에 반하여, 공간 필터의 차광 패턴이 균일한 것에 기인하고 있다. 즉, 공간 필터에서는, 어떤 영역으로부터의 회절광은 차광할 수 있어도, 그 밖의 영역으로부터의 회절광은 완전히 차광할 수 없다. 그로 인해, 검출기가 이 결함 이외의 영역의 회절광도 검출되어버려, 포화해 버린다고 하는 과제가 있다. 본 실시예 11은 이 과제를 해결하는 것이다.
도 22는, 본 실시예 11을 설명하는 도면이다.
본 실시예 11에서는, 검사에 앞서서 도 22의 (a)와 같이, 웨이퍼 좌표(2001), 칩 좌표(2003)를 얻는다. 이에 의해, 웨이퍼 내의 어느 위치에 칩(2002)이 있는지, 칩(2002) 내의 어느 위치에 종류가 다른 영역 A, B, C가 있는지 알 수 있다. 이 웨이퍼 좌표(2001), 칩 좌표(2003)는 회로 패턴의 설계 데이터, 웨이퍼의 노치 위치 등으로부터 충분히 얻어진다.
이어서, 광을 조명하고, 복수 화소를 갖는 센서로 산란광을 검출함으로써, 도 22의 (b)의 포화 특성을 얻는다. 횡축은 센서의 축적 시간이며, 종축은 포화 전압이다. 포화 특성(2004)은 영역 A에서의 포화 특성이고, 포화 특성(2005)은 영역 B에서의 포화 특성이며, 포화 특성(2006)은 영역 C에서의 포화 특성이다. 본 실시예 11에서는, 기울기가 급준(急峻)한 점에서 영역 A에서의 포화 특성(2004)이 가장 높은 것을 알 수 있다. 또한, 포화 특성은 광학적 시뮬레이션에 의해 구해도 된다.
다음으로 실제 검사를 행하지만, 그 때에는 웨이퍼 내 좌표(2001), 칩 좌표(2002)에 기초하여 센서의 화소가 어느 영역으로부터의 산란광을 검출하고 있는지 파악하여, 센서의 화소마다 포화 특성을 제어한다. 보다 구체적으로는, 피검사물을 반송하는 반송계의 신호로부터 웨이퍼 좌표(2001), 칩 좌표(2002), 어느 쪽의 영역인지를 결정하고, 센서의 화소마다 도 22의 (b)의 포화 특성을 정규화한 다음에, 영역에 대응한 포화 특성을 가장 포화 특성이 낮은 포화 특성에 맞춘다. 본 실시예 11이면, 영역 A로부터의 산란광을 검출하고 있는 센서의 화소는, 그 포화 특성(2004)을 포화 특성(2006)에 맞추게 된다. 또한, 어느 쪽 화소가 어느 쪽 영역의 산란광을 검출하고 있는지는, 검출 광학계의 광학적인 배치를 사전에 알아두면, 충분히 알 수 있다.
이와 같이 포화 특성을 화소마다 제어함으로써 센서의 포화를 방지할 수 있다. 또한, 본 실시예 11의 제어 방법은, 다른 실시예의 구성에 적용할 수 있다.
[실시예 12]
다음으로 실시예 12에 대하여 설명한다. 실시예 12는 센서의 포화를 방지하는 다른 베리에이션이다.
실시예 12에서는, 센서의 화소마다 그 전하 축적량을 관찰하고, 전하 축적량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 23은 실시예 12를 설명하는 도면이다.
도 23의 (a)는 복수의 화소를 갖는 센서를 설명하고 있다. 본 실시예 12에서는, 4 화소(23001 내지 23004)를 갖는다.
도 23의 (b)는 1 화소의 상세한 구성을 설명하고 있다. 본 실시예 12에서는 센서의 화소는 CMOS 구조로 되어 있다. 산란광은 포토다이오드(2301)에 의해 광전 변환된다. 광전 변환된 전하는 스토리지 영역(2302)에 축적된다. 일정 시간 축적된 전하는, 출력 전압으로서 출력된다. 본 실시예 12에서는, 스토리지 영역의 전하량을 제어부(2307)에서 관찰하고, 드레인 영역에 유입하는 전하량을 제어한다. 보다 구체적으로는, 스토리지 영역(2302)의 전압을 전압 비교기(2305)로 비교한다. 또한 그 비교 결과에 따라서 스위치 선택부(2306)가 스위치를 전환함으로써 드레인 영역의 제어 전압을 제어하고, 드레인 영역에 유입하는 전하량을 제어한다. 즉 스토리지 영역에 유입하는 전하량이 제어되게 된다. 이와 같은 제어를 화소마다 행함으로써 센서의 포화를 방지할 수 있다.
[실시예 13]
다음으로 실시예 13에 대하여 설명한다. 실시예 13은, 본 명세서에 개시되는 시간 분할 공간 분할 조명, 공간 분할 조명, 시간 분할 조명 중 적어도 1개와, 검출 광학계의 광학적인 배치에 관한 것이다.
도 24는, 본 실시예 13을 설명하는 도면이다. 도 24의 (a)는 본 실시예 13의 광학적인 배치를 경사진 방향으로부터 설명하는 도면이며, 도 24의 (b)는 본 실시예 13의 광학적인 배치를 웨이퍼(12003)의 위에서 설명하는 도면이다.
본 실시예 13에서는, 웨이퍼(24003)에 대하여 입사각 θ로 광(24001)을 입사시켜서(사방 조명), 본 명세서에 개시되는 시간 공간 분할 조명 스폿(24011), 공간 분할 조명 스폿(24012), 시간 분할 조명 스폿(24013) 중 적어도 1개를 웨이퍼(24003) 위에 형성한다.
본 실시예 13에서는 산란광을 검출하여 결상하기 위한 검출 광학계(24005 및 24006)를 갖는다. 이 검출 광학계(24005 및 24006)는 도 24의 (a)에서, 광(24001)의 광축과 웨이퍼(24002)에 대하여 수직인 선에 의해 형성되는 입사면(24015)에 수직인 방향(24004)에 서로 대향하도록 앙각 α로 배치되어 있다.
또한, 도 24의 (b)에서, 검출 광학계(24005)의 검출 개구(24009)와 검출 광학계(24006)의 검출 개구(24010)는, 제1 축(24008)에 대하여 선대칭이면서, 제1 축(24008)에 수직인 제2 축(24007)에 대하여 선대칭(809)이다.
또한 검출 광학계에서 결상된 상을 검출하는 검출기의 시점에 서면 본 실시예 13은 이하의 특징을 갖는다.
(1) 시간 공간 분할 조명 스폿(24011)을 형성하는 경우
·조명 스폿(24018)과 조명 스폿(24017)은, 회절광의 영향을 받지 않을 정도로 충분히 떨어져 있다.
·조명 스폿(24018)의 강도 프로파일과 조명 스폿(24017)의 강도 프로파일은, 검출기에서 보면 개략, 또는 실질적으로 평탄하다.
(2) 공간 분할 조명 스폿(24012)을 형성하는 경우
·조명 스폿(24018)과 조명 스폿(24017)은, 선상 조명을 조명한 경우보다도 노이즈의 영향이 적어질 정도로 충분히 떨어져 있다.
(3) 시간 분할 조명 스폿(24013)을 형성하는 경우
·조명 스폿(24018)의 강도 프로파일과 조명 스폿(24017)의 강도 프로파일은, 검출기에서 보면 개략, 또는 실질적으로 평탄하다.
이와 같이 함으로써, 선상 조명을 실제로 조사한 경우보다도 노이즈를 적게 하면서, 검출기에서 보면 실질적으로 선상의 조명 영역을 형성하고 있는 것과 동등한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 검출기에서 본 강도 프로파일을 평탄하게 함으로써, 선상 조명을 조사한 경우보다도 노이즈를 적게 하면서, 실질적으로 강도 프로파일이 광범위하게 걸쳐서 평탄한 선상의 조명광으로 검사한 것과 동등한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예의 광학적인 배치에서는 보다 고감도의 검사도 가능하게 된다.
[실시예 14]
이어서, 실시예 14에 대하여 설명한다. 본 실시예 14에서는, 산란광의 검출 및 화상 처리에 대하여 주로 설명한다. 또한, 본 실시예 14에서는, 조명 광학계 등, 검사 장치로서의 다른 구성은, 실시예 1 내지 7에 개시되는 구성을 적절히 이용할 수도 있고, 시간적·공간적으로 분할하고 있지 않은 선상의 조명광을 이용할 수도 있다.
도 25는 본 실시예 14의 검출 광학 시스템의 일례를 나타내고 있다. 검출 광학 시스템(1911)은 렌즈군(1913)과 검출기(1912)로 구성되어 있으며, 웨이퍼에 조사된 조명 영역의 상을 형성하는 기능을 갖는다. 이후, 검출기(1912)는 라인 센서(x 방향으로 1 화소, y 방향으로 복수 화소가 배열되어 있음)를 예로 하여, 웨이퍼는 x 방향으로 스캔 이동, y 방향으로 스텝 이동하는 경우로 설명한다.
도 26에서 종래의 과제를 설명한다. 도 26의 (a)는 웨이퍼 위의 배선군(1021)이 배선 피치 p로 배치되어 있으며, x 방향으로 웨이퍼를 스캔 이동하는 예이다. 도 26의 (a)는 검출기(1912)의 화소 A가 촬상하는 영역의 궤적을 나타내고 있다. 도 26의 (a)에서는, 배선 피치 p와는 무관한 간격으로 샘플링하고 있다.
이때의 신호와 샘플링의 관계를 나타낸 것이 도 26의 (b)이다. 도 26의 (b)는 횡축이 웨이퍼 위치, 종축이 신호 강도를 나타내고 있으며, 배선의 신호 강도(1022)는 배선군(1021)으로부터의 반사, 산란광을 무한소의 화소로 촬상한 경우의 파형이다. 이에 반하여, 도 26의 (a)에 도시한 유한의 화소 치수로 샘플링하면, 도 26의 (b)의 화살표에 나타내는 위치에서 샘플링하게 된다.
그 결과, 도 26의 (c)에 도시한 위치의 신호가 얻어지지만, 종래의 방법에서는, 배선군(1021)의 신호 강도의 변동 주기에 대하여 샘플링 주기가 무상관하기 때문에, 배선군(1021)의 각 배선의 신호량이 변동되어, 이 변동이 결함 검출 시의 노이즈로 되어버린다.
또한, 상기 배선의 신호 강도의 주파수보다도 충분히 큰 주파수(샘플링 정리에 의해 산출되는 주파수 이상)로 샘플링하고, 신호 보간에 의해 배선의 신호 강도를 복원할 수 있는 경우에는, 이에 한정되지 않는다.
한편, 도 27은 본 실시예 14의 샘플링 방법을 나타내고 있다. 본 실시예 14의 샘플링 방법은, 배선군(1021)의 배선 피치 p로부터 산출되는 주파수로 샘플링하는 방법이다.
도 27의 (a)는 배선군(1021)과 화소 A의 촬상 영역의 궤적을 나타내고 있다. 이 때의 배선군(1021)의 신호 강도와 샘플링 위치의 관계를 나타낸 것이 도 27의 (b)이다.
본 실시예 14에서는, 배선 피치 p와 거의 동일한 간격으로 샘플링하고 있다.
본 실시예 14의 샘플링 결과가 도 27의 (c)이다. 본 실시예 14의 샘플링 방법을 이용함으로써, 신호 강도의 변동을 저감할 수 있다.
본 실시예 14에 의해, 인접 회로 패턴(배선 패턴이나 구멍 패턴 외에, 피검사물에 형성되어 있는 패턴)이나, 인접 다이 내의 동일 위치의 회로 패턴 또는, CAD 정보로부터 계산한 회로 패턴과의 신호 비교를 행한 다음에, 비교 대상이 되는 회로 패턴 간의 신호 차가 작아져서, 결함 검출 노이즈를 작게 할 수 있다.
본 실시예 14는, 샘플링 주기를 배선군(1021)의 배선 피치 p에 맞추는 예로 설명하였지만, 다른 표현으로서는, 검출기(1912)로 촬상할 때의 샘플링의 타이밍을, 신호 비교 처리를 행하는 회로 패턴끼리로 합하는 것으로 표현할 수 있다.
그로 인해, 배선 피치 p로 샘플링하여도 되고, 배선 피치 p의 정수배 또는 (1/정수)배의 간격으로 샘플링해도 된다. 피치 p의 정수배로 샘플링한 경우에는, 샘플링 방향(스캔 방향)의 촬상 분해능이 높아져서, 검출 감도가 향상되는 이점이 있고, (1/정수)배로 샘플링한 경우에는, 촬상 화소가 적어지기 때문에, 검사 속도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이어서, 샘플링의 결정 방법을 설명한다. 사전에 회로 패턴의 피치를 알고 있는 경우에는, 이 피치 정보로부터 샘플링 간격을 정하면 된다.
한편, 회로 패턴의 피치가 불분명한 경우에는, 도 28에서 설명하는 시퀀스로 샘플링 간격을 정하면 된다.
즉, 우선, 샘플링의 초기값을 설정한다(스텝 2201).
이어서, 미리 정한 샘플링 간격으로 화상을 취득한다(스텝 2202). 이 화상은, 신호 비교 처리에서 비교 대상이 되는 위치의 화상이다.
상기 취득 화상에 대하여 화상 간에서 차를 산출하고(스텝 2203), 차의 절대값의 합을 산출한다(스텝 2204).
이어서, 샘플링 간격을 바꾸어(예를 들어 10％ 바꾸어)(스텝 2205), 다시 화상을 취득하고, 차의 절대값의 합을 산출한다. 이 동작을 반복함으로써, 도 29의 그래프를 작성할 수 있다.
도 29는, 횡축에 샘플링 간격, 종축에 화상 간의 차의 절대값의 합을 플롯한 그래프이다. 샘플링 간격이 적정한 경우에는, 상기 합의 값이 작아지기 때문에, 상기 합이 최소로 되는 위치를 회로 패턴의 피치로 정하면 된다. 회로 패턴의 피치가 정해진 후, 전술한 바와 같이 피치의 정수배 또는 (1/정수)배로 되도록 샘플링 피치를 정하면 된다.
이상, 본 실시예 14에서는, 단독의 검출 광학계를 구비한 경우의 샘플링 방법을 설명하였다.
[실시예 15]
이어서, 복수의 검출 광학계를 구비한 경우의 과제와 해결 방법을 실시예 15로서 설명한다.
도 30은 과제를 설명하는 도면이다. 도 30의 (a)는 검출 광학 시스템(1011), 검출 광학 시스템(1061)으로 구성되어 있으며, 각각, 렌즈군(2401, 2403)과 검출기(2402, 2404)로 구성되어 있다.
도 30은, 검출 광학 시스템(1011)의 초점 위치와 검출 광학 시스템(1061)의 초점 위치가 동일 위치에 있는 구성이며, 도 30의 (a)는 웨이퍼의 위치가 상기 초점 위치에 배치되어 있는 도면이다. 즉, 도 30의 (a)의 상면도에 도시한 바와 같이, 검출 광학 시스템(1011)과 검출 광학 시스템(1061)의 웨이퍼 위의 화소 위치의 중심이 겹치도록 하는 배치이다. 그로 인해, 각각의 화소 위치의 중심에서, 검출 광학계(1011)와 검출 광학계(1061)는 웨이퍼 위의 동일 위치를 촬상할 수 있는 상태이다.
이에 반하여, 도 30의 (b)는 웨이퍼의 Z 위치가 어긋난 경우를 나타내고 있다. 웨이퍼의 Z 위치가 어긋나면, 검출 광학 시스템(1011)의 광축과 웨이퍼의 교점은 점 A로 되고, 검출 광학 시스템(1061)의 광축과 웨이퍼의 교점은 점 B로 되기 때문에, 양쪽의 검출 광학 시스템의 화소 중심 위치가 어긋나게 된다. 이것을 설명한 것이, 도 30의 (b)의 상면도이다. 이와 같이 화소 중심의 위치가 어긋나면, 검출 광학 시스템(1011)과 검출 광학 시스템(1061)으로 촬상하는 위치가 어긋나게 되기 때문에, 검출 광학 시스템(1011)과 검출 광학 시스템(1061)의 촬상 결과를 통합하여 처리하는 경우에 화상 처리에 의한 위치 정렬 처리 등이 필요해져서, 데이터 처리의 규모가 커진다고 하는 과제가 있다.
따라서, 본 실시예 15의 촬상 방법을 도 31에서 설명한다. 우선, 도 31의 (a)는 촬상의 축적 시간에 대하여 설명하고 있다. 즉, 시간 S에서 웨이퍼 위 패턴(도 31에서는 K 문자)을 촬상 개시하고, 검출기의 축적 시간 Δt의 시간만큼 웨이퍼를 이동하면서 광 또는 전하를 축적하고, 시간 E에서 촬상을 종료하고 있으며, 이 촬상 개시부터 촬상 종료까지의 시간이 검출기의 축적 시간(Δt)이다.
본 실시예 15의 촬상 방법은, 검출기의 1 화소의 크기에 상당하는 시간 중에서, 촬상을 개시하는 시간 S와 촬상을 종료하는 시간 E를 임의로 바꿀 수 있는 것이 특징이다. 이것은, 개시 시간 S와 축적 시간 Δt를 바꾼다고 생각해도 된다. 이와 같이, 1 화소 내에서의 촬상 타이밍을 제어함으로써, 1 화소 내에서의 촬상 위치의 어긋남을 보정할 수 있어, 도 30에서 설명한 과제를 해결할 수 있다.
도 31의 (b)에 타임차트를 나타낸다. 종래의 방법에서는, 1 화소분의 이동 거리에 상당하는 시간 tA를 축적 시간으로 하고 있었다.
한편, 본 실시예 15에서는, 개시 시간 tS와 종료시간 tE를 제어하고, 화소 내에서의 촬상 위치가 어긋난 분만큼 tS를 어긋나게 함으로써, 웨이퍼의 Z 위치의 변동에서 어긋난 촬상 위치를 보정하여 화상을 취득할 수 있다.
Best Focus 위치와 Z 위치가 어긋났을 때에 대한 차이를 도 32에 나타낸다. 본 실시예 15에서는, 검출 광학 시스템(1011)의 광축 방향은 웨이퍼의 법선 방향이 거의 일치하고 있으며, 검출 광학 시스템(1061)의 광축 방향은 웨이퍼의 법선에 대하여 기울어져 있는 경우로 설명한다.
또한, 검출 광학계의 광축이 웨이퍼의 법선에 대하여 기울어져 있는 경우, 광축이 기울어져 있는 방향으로 웨이퍼 위의 화소 치수가 길어지기 때문에, 검출 광학 시스템(1011)의 웨이퍼 위의 화소 치수와 검출 광학 시스템(1061)의 웨이퍼 위의 화소 치수는 서로 다르다.
도 32에 도시한 바와 같이, 검출 광학계의 광축이 웨이퍼의 법선과 거의 동일한 검출 광학 시스템(1011)에서는, 웨이퍼의 Z가 오르내려도, 검출기의 화소 중심 위치는 변하지 않기 때문에, 화소에 대한 시간 S(tSa, tSb)와 시간 E(tEa, tEb)는 화소 중심에 대하여 대칭이 되도록 설정하면 된다.
한편, 검출 광학 시스템의 광축과 웨이퍼의 법선이 기울어져 있는 검출 광학 시스템(1061)에서는, Best Focus 위치의 시간 S(tSc), 시간 E(tEc)에 대하여 Focus 어긋남 위치의 시간 S(tSd), 시간 E(tEd)를 어긋나게 하는 제어를 가함으로써, Focus 어긋남의 영향을 보정할 수 있다.
본 실시예 15의 검사 장치의 구성을 도 33에서 설명한다. 본 실시예 15의 검사 장치는 도시를 생략한 조명 광학계와 검출 광학 시스템(1011, 1061), 웨이퍼 높이 계측 기구(1091), 타이밍 제어 기구(1092), 신호 통합 처리(1093)로 구성되어 있다.
본 실시예 15의 검사 장치에서는, 우선, 검출 광학계의 초점 위치 부근의 웨이퍼 높이를 웨이퍼 높이 계측 기구(1091)로 계측하여, 높이 정보를 타이밍 제어 기구(1092)로 송신하고, 타이밍 제어 기구(1092)에서는, 검출기로부터 얻어진 신호에 대하여 사전에 정해 둔 타이밍으로 전하를 축적, 전송한다.
또한, 상기 사전에 정한 타이밍이라고 하는 것은, 검출 광학 시스템의 광축의 기울기 각도와 웨이퍼의 Z 위치로부터 정해지는 값이다. 타이밍 제어 기구(1092)로부터 출력된 신호는, 신호 통합 처리(1093)에서 신호 처리되고, 결함 검출 처리가 실시된다.
또한, 웨이퍼의 높이가 크게 어긋나는 경우에는, 자동 포커싱 기구를 추가하여 웨이퍼의 Z 높이를 제어해도 된다.
이어서, 검출 광학 시스템(1011)과 검출 광학 시스템(1061)의 촬상 타이밍의 어긋남량을 계측하는 방법을 설명한다. 전술한 바와 같이, 기하 계산으로 산출하는 것도 가능하고, 본 방법에서 설명한 바와 같이 실측으로 산출하는 것도 가능하기 때문에, 여기에서는, 실측 방법을 설명한다.
촬상 타이밍의 어긋남량을 계측하기 위해서는, 동일한 결함(표준 입자이어도 가능)을 촬상하고, 신호량을 계측하면 된다. 도 34에 계측 결과 예를 나타낸다. 도 34는, 횡축이 검출기의 축적 시간, 종축이 각각의 축적 시간에서 얻어지는 신호량이다. 도 34의 (a)가 예를 들어, 검출 광학 시스템(1011)의 결과, 도 34의 (b)가 예를 들어, 검출 광학 시스템(1061)의 결과로 한다. 웨이퍼 위에서의 촬상 위치가 서로 다른 경우, 도 34의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 축적 시간에 대한 신호량의 증가 타이밍이 어긋난 결과가 얻어진다. 따라서, 신호의 증가 개시 타이밍인 tSA, tSB를 계측하면, tSA와 tSB의 차를 촬상 타이밍의 어긋남량으로서 이용할 수 있다.
이상의 실시 형태에서는, 반도체 웨이퍼를 대상으로 하는 암시야 결함 검사 장치에 대하여 설명했지만, 본 발명은 명시야 결함 검사 장치에도 적용 가능하다.
또한, 본 발명은 패턴이 형성되어 있지 않은 경면 웨이퍼, 자기 기억 매체나 액정 디바이스 등의 패턴이 형성된 시료에도 널리 적용 가능하다.
1: 광원
2, 2a, 2b, 15a, 15b: 미러
3: 시간적·공간적 분할 광학계
4: 조명 광학계
5: 웨이퍼
6, 6a, 6b: 검출 광학계
7, 7a, 7b: 화상 센서
8: 화상 처리계
9: 스테이지
10: 제어계
11: 조작계
12a, 12b, 12c: 시간 분할 유닛
13a, 13b, 13c, 13d: 공간 분할 유닛
14a, 14b, 14c: 결합 유닛
16: 마스크 조명 광학계
17: 마스크
18: 웨이퍼 조명 광학계

Claims (27)

  1. 시료의 결함을 검사하는 검사 장치로서,
    상기 시료에 광을 조사하는 조명 광학계와,
    상기 조명 광학계에 의한 조명 영역으로부터의 광을 결상하는 결상 광학계와,
    상기 결상 광학계에 의해 결상된 광을 광전 변환하는 센서와,
    상기 센서의 검출 결과를 이용하여 상기 결함을 검출하는 처리부를 갖고,
    또한,
    상기 조명 광학계는,
    시간적 및 공간적으로 분할된 복수의 조명 영역을 상기 시료 위에 형성하는 시간적 공간적 분할 광학계를 갖고,
    상기 복수의 조명 영역 중, 2개의 조명 영역의 간격은 상기 결상 광학계의 해상도보다도 큰 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 조명 영역 간의 간격은,
    상기 센서측에서, 상기 복수의 조명 영역의 가우스 프로파일이 평탄해지도록 하는 간격인 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조명 광학계는,
    상기 복수의 조명 영역을 상기 시료에서 단일의 라인상에 배열하는 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시간적 공간적 분할 광학계는,
    펄스 빔을 형성하는 펄스 빔 생성부와,
    상기 펄스 빔을 분할하여 시간적인 차를 설정하는 시간 분할 유닛과,
    상기 펄스 빔을 분할하여 공간적인 차를 설정하는 공간 분할 유닛과,
    상기 시간 분할 유닛 및 상기 공간 분할 유닛에 의해 시간적 및 공간적으로 분할된 펄스 빔을 복수의 조명 스폿으로서 상기 시료에 조사하는 결합 유닛을 갖는 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 조명 영역의 개수, 치수 및 간격 중 적어도 1개는 가변인 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 라인에 수직인 방향으로 시료를 주사하는 주사부를 갖는 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 결상 광학계는 암시야형인 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 조명 광학계는,
    상기 시료에 수직인 방향으로부터, 상기 복수의 조명 영역을 상기 시료에 형성하는 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 조명 광학계는,
    상기 시료에 경사진 방향으로부터, 상기 복수의 조명 영역을 상기 시료에 형성하는 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    복수의 결상 광학계와 복수의 화상 센서를 갖고, 각각의 화상을 촬상하는 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    촬상한 복수의 화상을 통합 처리하는 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 결상 광학계는 명시야형인 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 결함 검사 장치는, 배선이 형성된 시료를 검사하는 결함 검사 장치이며,
    상기 배선의 피치로부터 산출되는 주파수로, 상기 센서의 검출 결과를 샘플링하는 처리부를 갖는 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 적어도 1개 이상의 화소를 갖는 센서이며,
    상기 센서의 1 화소의 크기에 상당하는 시간 중에서, 촬상을 개시하는 개시 시간과 촬상을 종료하는 종료 시간을 변화시키는 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 결함 검사 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 조명 영역은 동일한 시간에 조명되는 결함 검사 장치.
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