KR101885392B1 - 검사 장치, 검사 방법, 노광 방법, 및 반도체 디바이스의 제조 방법 - Google Patents

검사 장치, 검사 방법, 노광 방법, 및 반도체 디바이스의 제조 방법 Download PDF

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요시히코 후지모리
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가부시키가이샤 니콘
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Abstract

표면 검사 장치(1)가, 노광 장치(100)에 의해 노광되어 표면에 사전 결정된 패턴이 형성된 웨이퍼(10)를 지지하는 스테이지(5)와, 스테이지(5)에 지지된 웨이퍼(10)의 표면에 조명광을 조사하는 조명계(20)와, 조명광이 조사된 웨이퍼(10)의 표면으로부터의 광을 검출하고 검출 신호를 출력하는 촬상 장치(35)와, 촬상 장치(35)로부터 출력된 검출 신호에 근거하여, 노광 시의 포커스 상태를 판정하는 화상 처리부(40)를 구비하여 구성된다.

Description

검사 장치, 검사 방법, 노광 방법, 및 반도체 디바이스의 제조 방법{INSPECTION APPARATUS, INSPECTION METHOD, EXPOSURE METHOD, AND METHOD FOR MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은, 노광에 의해 사전 결정된 패턴이 형성된 기판의 표면을 검사하는 검사 장치 및 검사 방법에 관한 것이고, 또한, 기판의 표면에 사전 결정된 패턴을 노광하기 위한 노광 방법 및 이 노광 방법에 의해 제조되는 반도체 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.
스텝·앤드·스캔(step-and-scan) 방식의 노광 장치는, 마스크 및 투영 렌즈를 거쳐서 슬릿 형상의 광을 조사하면서, 레티클(즉, 패턴이 형성된 마스크 기판)을 유지한 스테이지와 웨이퍼(즉, 반도체 패턴을 형성하는 웨이퍼)를 유지한 스테이지를 상대 이동시켜 1 샷(shot)분만큼 주사(스캔)함으로써, 반도체 웨이퍼에 대해서 1 샷분(사전 결정된 범위)의 노광을 행하도록 되어 있다. 이와 같이 하면, 슬릿(광)의 긴 측면과 레티클 스테이지의 상대 스캔 거리로 노광 샷의 크기가 정해지기 때문에, 노광 샷을 크게 할 수 있다. 노광 샷은, 노광 필드라고도 불린다.
이러한 노광 장치에 있어서는, 포커스(웨이퍼면상에서의 패턴의 포커스 상태)의 관리가 매우 중요하다. 그래서, 노광 장치의 웨이퍼면상에서의 포커스 상태를 감시하고 있다(여기서 포커스 관리는, 디포커싱(defocusing)(논포커스(non-focus))에 의한 결함에 한정하지 않고, 샷내 혹은 웨이퍼 전체면에 있어서 포커스 상태의 변동, 및 도우즈(노광량) 상태의 변동을 관리하는 것을 말함). 노광 장치의 포커스 상태의 계측에는, 주요한 것으로서, 노광 샷내의 포커스 상태의 분포를 계측하는 것과, 웨이퍼 전체면의 포커스 상태의 분포를 계측하는 것이 있다. 이하, 전자를 상면 혹은 상면 계측, 후자를 포커스 모니터 혹은 포커스 모니터 계측이라고 칭한다. 포커스 상태란, 노광하였을 때의 포커스가 베스트 포커스(best focus) 혹은 포커스의 기준 상태로부터 얼마나 어긋나 있는지를 수치로 나타낸 것이다. 노광 장치의 포커스 상태를 계측할 때에는, 예를 들면, 전용의 마스크 기판을 이용하여, 테스트 패턴을 노광·현상하고, 얻어진 테스트 패턴의 위치 차이로부터 포커스 오프셋량을 계측하는 방법이 알려져 있다.
그러나, 이러한 방법으로 노광 장치의 포커스 상태를 계측하는 경우에는, 계측에 필요한 파라미터의 조건 산출 작업에 시간이 걸릴 뿐만 아니라, 계측이 기본적으로 1점 1점의 계측이기 때문에, 계측에 많은 시간을 소비해 버린다. 또한, 패턴의 종류나 노광 장치의 조명 조건에 제약이 있어, 실제의 디바이스와는 상이한 패턴으로 포커스 상태를 계측할 수 밖에 없다.
또한, 이러한 노광 장치에 있어서는, 투영 렌즈의 포커스를 맞추기(포커스시키기) 위해, 웨이퍼 스테이지의 높이에 따라 마스크 기판의 높이를 조정하고 있다. 그런데, 투영 렌즈 등에 의해서 (패턴의) 상면이 기우는 경우, 마스크 기판의 높이의 1 차원적 조정만으로는 포커스를 맞출 수 없다. 그래서, 이러한 노광 장치는, 웨이퍼에 대한 노광을 행하기 전에, 최적인 포커스 조건의 계측을 행하고 있다. 최적인 포커스 조건을 구하는 데에는, 예를 들면, 1 슬릿보다 작은 영역마다 포커스를 변화시키면서 계측용의 패턴을 노광·현상하고, 얻어진 패턴의 정반사상에 근거하여 베스트 포커스로 되는 조건을 구하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조). 이 때, 현미경 및 촬상 소자를 이용하여, 패턴의 정반사상을 확대 관찰하고, 레지스트 패턴(라인)과 스페이스의 콘트라스트가 극대로 되는 조건을 베스트 포커스로 되는 조건으로 판정한다.
그러나, 이러한 방법으로 최적인 포커스 조건을 구하는 경우에는, 노광 에너지의 변화에 의한 레지스트의 막 두께 변화(레지스트막)나, 과대한 디포커스에 의한 패턴 손실 등의 영향을 받기 쉽고, 요구 정밀도를 만족할 수 없는 경우가 있었다. 또한, 1 샷보다 작은 영역마다 포커스를 변화시켜 노광하기 때문에, 샷내의 상면 계측 시의 제어 오차가 포함되어 버려 정밀도를 저하시키는 요인이 되고 있었다. 또한, 레티클 스테이지 혹은 웨이퍼 스테이지가 스캔할 때의 오차에 의해서도, 웨이퍼상의 포토레지스트에 형성되는 반도체 패턴상이 상대적으로 기울어 버리는 경우가 있어, 대응할 수 없었다.
(선행 기술 문헌
(특허 문헌)
특허 문헌 1 : 미국 특허 출원 공개 제2008/0207499호
위에서 설명한 바와 같이, 노광 시의 노광 상태(포커스 상태·도우즈 상태)를 정밀도 좋게 단시간에 계측하기 위한 방책이 요구되고 있다.
본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 노광 시의 노광 상태를 정밀도 좋게 단시간에 계측 가능한 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적 달성을 위해, 본 발명에 따른 검사 장치는, 사전 결정된 범위내의 노광을 반복하여 제조된 복수의 패턴을 갖는 기판의 상기 패턴에 조명광을 조사하는 조명부와, 상기 조명광이 조사된 상기 기판의 상기 사전 결정된 범위의 상기 패턴으로부터의 광을 일괄하여 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출된 검출 결과에 근거하여, 상기 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 연산부를 구비하고 있다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 연산부는, 상기 노광 상태로서 상기 패턴이 노광되었을 때의 포커스 상태와 노광량 중 적어도 한쪽을 연산하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 조명부와 상기 검출부를 제어하는 제어부를 더 구비하며, 상기 포커스 상태와 상기 노광량 중 한쪽을 상기 노광 상태로서 연산할 때에는, 다른쪽의 영향을 받기 어렵도록, 상기 제어부가 상기 조명부와 상기 검출부 중 적어도 한쪽을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 검출부가 상기 패턴으로부터의 회절광을 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 검출부가 4차 이상의 차수의 회절광을 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 검출부가 상기 패턴으로부터의 반사광 중 사전 결정된 편광 성분을 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 복수의 상이한 노광 상태에서 노광된 복수의 패턴의 검출 결과를 기억하는 기억부와, 통신 가능한 입력부를 더 구비하며,상기 연산부는, 상기 기억된 검출 결과에 근거하여 상기 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 기억부는, 복수의 상이한 노광 상태와, 상기 노광 상태에서 노광된 패턴의 검출 결과를 기억할 수 있고, 상기 연산부는, 상기 기억된 검출 결과와 검사 대상의 패턴의 검출 결과에 근거하여, 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 기억부는, 상기 복수의 상이한 노광 상태와 상기 노광 상태에서 노광된 패턴의 검출 결과의 관계를 나타내는 노광 상태 커브를 기억할 수 있고, 상기 연산부는, 상기 노광 상태 커브의 변곡점에 근거하여 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 기억부는, 상기 복수의 상이한 노광 상태와 상기 노광 상태에서 노광된 패턴의 검출 결과의 관계를 나타내는 노광 상태 커브를 기억할 수 있고, 상기 연산부는, 검사 대상의 패턴의 검출 결과와 상기 노광 상태 커브의 피팅(fitting)에 의해 상기 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 검출부는 상기 패턴으로부터의 광을 복수회 검출하고, 상기 연산부는 상기 복수회의 검출 결과를 적분한 적분 신호에 근거하여 상기 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 기판과 상기 검출부의 상대 위치와, 상기 기판과 상기 조명부의 상대 위치 중 적어도 한쪽을 변경하는 변경부를 더 구비하며, 상기 연산부는, 상기 상대 위치의 변경 전후의 검출 결과에 근거하여 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 연산부는, 복수의 상기 상대 위치에 있어서의 검출 결과의 평균에 근거하여 상기 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 조명부는, 평행한 광속으로 상기 기판의 패턴이 형성된 전체면을 일괄하여 조명하고, 상기 검출부는, 상기 전체면에 있는 패턴으로부터의 광을 일괄하여 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 장치에 있어서, 상기 연산부가 결정한 노광 상태를, 상기 노광을 행한 노광 장치에 피드백 가능하게 출력하는 출력부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 검사 방법은, 사전 결정된 범위내의 노광을 반복하여 제조된 복수의 패턴을 갖는 기판의 상기 패턴에 조명광을 조사하고, 상기 조명광이 조사된 상기 기판의 상기 사전 결정된 범위의 상기 패턴으로부터의 광을 일괄하여 검출하고, 상기 검출된 검출 결과에 근거하여, 상기 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 구하도록 되어 있다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 노광 상태로서 상기 패턴이 노광되었을 때의 포커스 상태와 노광 상태 중 적어도 한쪽을 구하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 포커스 상태와 상기 노광 상태 중 적어도 한쪽을 결정할 때에, 다른쪽의 영향을 받기 어렵도록 상기 조사와 상기 검출 중 적어도 한쪽을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 패턴으로부터의 회절광을 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 패턴으로부터의 광의 사전 결정된 편광 성분을 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 복수의 상이한 노광 상태에서 노광된 복수의 패턴의 검출 결과에 근거하여, 상기 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 복수의 상이한 노광 상태에서 노광된 복수의 패턴의 검출 결과와, 상기 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태의 관계에 근거하여, 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 복수의 상이한 노광 상태에서 노광된 복수의 패턴의 검출 결과와, 상기 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태의 관계로서, 노광 상태 커브를 이용하여, 상기 노광 상태 커브의 변곡점에 근거하여 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 복수의 상이한 노광 상태에서 노광된 복수의 패턴의 검출 결과와, 상기 패턴이 노광된 노광된 노광 상태의 관계로서, 노광 상태 커브를 이용하여, 검사 대상의 패턴의 검출 결과와 상기 노광 상태 커브의 피팅에 근거하여 상기 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 패턴으로부터의 광을 복수회 검출하고, 상기 복수회의 검출 결과를 적분하여 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 조명광의 조사 상태와, 상기 패턴으로부터의 광의 검출 상태 중 적어도 한쪽을 변경하고, 상기 변경 전후에 검출된 검출 결과에 근거하여 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 변경 전후에 검출된 검출 결과의 평균에 근거하여 상기 노광 상태를 결정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 상기 패턴이 형성된 전체면을 일괄하여 조명하고, 상기 전체면에 있는 상기 패턴으로부터의 광을 일괄하여 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 검사 방법에 있어서, 검사 대상의 패턴이 노광되었을 때의 노광 상태를 구하고, 상기 패턴을 노광한 노광 장치에 피드백 가능한 정보로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 노광 방법은, 본 발명에 따른 검사 방법에 의해 얻어진 상기 피드백 가능한 정보에 근거하여, 노광 조건을 결정하도록 되어 있다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 디바이스의 제조 방법은, 본 발명에 따른 노광 방법에 의해 제조되도록 되어 있다.
본 발명에 의하면, 노광 시의 노광 상태를 정밀도 좋게 단시간에 계측할 수 있게 된다.
도 1은 표면 검사 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 표면 검사 장치의 광로상에 편광 필터가 삽입된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 반도체 웨이퍼의 표면의 외관도이다.
도 4는 반복 패턴의 요철 구조를 설명하는 사시도이다.
도 5는 직선 편광의 입사면과 반복 패턴의 반복 방향의 경사 상태를 설명하는 도면이다.
도 6은 노광 장치의 상면의 경사를 구하는 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 7은 조건 가변 웨이퍼(condition-varied wafer)에서 설정한 포커스 오프셋량을 나타내는 표이다.
도 8은 조건 가변 웨이퍼의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 포커스 커브의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 샷내에 있어서의 포커스 오프셋량의 분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 노광 시의 포커스 상태를 결정하는 순서를 (a)~(b)의 순서로 나타내는 도이다.
도 12은 웨이퍼 전체면에 있어서의 포커스 오프셋량의 시프트의 분포를 나타내는 도면이다.
도 13은 포커스 커브의 일례를 나타내는 도면이다.
도 14는 포커스 커브의 일례를 나타내는 도면이다.
도 15는 복수의 홀로 이루어지는 패턴 블록의 모식도이다.
도 16은 이득을 변경하면서 피팅을 행하는 예를 나타내는 도면이다.
도 17은 노광 장치의 포커스의 변동 상태를 결정하는 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 18은 피팅에 의해 상면의 경사를 구하는 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 19는 피팅에 의해 포커스의 변동 상태를 결정하는 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 20은 피팅의 일례를 나타내는 도면이다.
도 21은 피팅의 일례를 나타내는 도면이다.
도 22는 웨이퍼의 매수가 1매인 때의 피팅의 예를 나타내는 도면이다.
도 23은 노광 장치의 도우즈의 변동 상태를 결정하는 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 24는 도우즈 커브의 일례를 나타내는 도면이다.
도 25는 웨이퍼의 표면 전체에 대한 도우즈의 변동 상태를 결정하는 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 26은 노광 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 27은 반도체 디바이스 제조 방법을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 설명한다. 제 1 실시 형태의 표면 검사 장치를 도 1에 나타내고 있고, 이 장치에 의해 반도체 기판인 반도체 웨이퍼(10)(이하, 웨이퍼(10)라 칭함)의 표면을 검사한다. 제 1 실시 형태의 표면 검사 장치(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 대략 원반형의 웨이퍼(10)를 지지하는 스테이지(5)를 구비하며, 미도시의 반송 장치에 의해 반송되어 오는 웨이퍼(10)는, 스테이지(5)상에 탑재됨과 아울러 진공 흡착에 의해 고정 유지된다. 스테이지(5)는, 웨이퍼(10)의 회전 대칭축(스테이지(5)의 중심축)을 회전축으로 하고, 웨이퍼(10)를 회전(웨이퍼(10)의 표면 내에서의 회전) 가능하게 지지한다. 또한, 스테이지(5)는, 웨이퍼(10)의 표면을 통하는 축을 중심으로, 웨이퍼(10)를 틸트(경사 움직임)시키는 것이 가능하고, 조명광의 입사각을 조정할 수 있도록 되어 있다.
표면 검사 장치(1)는 또한, 스테이지(5)에 지지된 웨이퍼(10)의 표면에 조명광을 평행광으로서 조사하는 조명계(20)와, 조명광의 조사를 받았을 때의 웨이퍼(10)로부터의 반사광이나 회절광 등을 집광하는 수광계(30)와, 수광계(30)에 의해 집광된 광을 수광하여 웨이퍼(10)의 표면의 상을 검출하는 촬상 장치(35)와, 화상 처리부(40)와, 검사부(60)와, 제어부(80)와, 기억부(85)를 구비하여 구성된다. 또한, 제어부(80)는, 기억부(85)와의 기억 정보의 교환(통신)을 행하는 통신 포트(82)를 구비하고 있다. 조명계(20)는, 조명광을 사출하는 조명 유닛(21)과, 조명 유닛(21)으로부터 사출된 조명광을 웨이퍼(10)의 표면을 향해 반사시키는 조명측 오목면경(25)을 갖고 구성된다. 조명 유닛(21)은, 메탈 할라이드 램프나 수은 램프 등의 광원부(22)와, 제어부(80)의 지령에 의해 광원부(22)로부터의 광 중 사전 결정된 파장을 갖는 광을 추출하여 강도를 조절하는 조광부(dimming unit)(23)와, 조광부(23)로부터의 광을 조명광으로 하여 조명측 오목면경(25)에 유도하는 도광섬유(24)를 갖고 구성된다.
그리고, 광원부(22)로부터의 광은 조광부(23)(투과 파장이 상이한 복수의 밴드 패스 필터를 갖는 터릿판(turret plate)과 뉴트럴 밀도 필터(neutral density filter)를 구비하며, 제어부(80)의 지령에 근거하여 조명광의 파장과 강도를 제어함)를 통과하고, 사전 결정된 파장(예를 들면, 248nm의 파장)을 갖는 사전 결정된 강도의 조명광이 도광섬유(24)로부터 조명측 오목면경(25)에 사출되고, 도광섬유(24)로부터 조명측 오목면경(25)에 사출된 조명광은, 도광섬유(24)의 사출부가 조명측 오목면경(25)의 초점면에 배치되어 있기 때문에, 조명측 오목면경(25)에 의해 평행 광속으로 되어 스테이지(5)에 유지된 웨이퍼(10)의 표면에 조사된다. 또한, 웨이퍼(10)에 대한 조명광의 입사각과 출사각의 관계는, 제어부(80)의 지령에 의해 스테이지(5)를 틸트(경사 움직임)시켜 웨이퍼(10)의 탑재 각도를 변화시킴으로써 조정 가능하다.
또한, 도광섬유(24)와 조명측 오목면경(25)의 사이에는, 제어부(80)의 지령에 근거하여 미도시의 조명측 편광 필터 구동부에 의해 조명측 편광 필터(26)가 광로상에 삽입 가능하게 설치되어 있고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 조명측 편광 필터(26)를 광로상으로부터 제거한 상태에서 회절광을 이용한 검사(이하, 편의적으로 회절 검사라고 칭함)가 행해지고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 조명측 편광 필터(26)를 광로상에 삽입한 상태에서 편광(구조성 복굴절에 의한 편광 상태의 변화)을 이용한 검사(이하, 편의적으로 PER 검사라고 칭함)를 행하도록 되어 있다(조명측 편광 필터(26)의 상세에 대해서는 후술함). 또한, 조명광이 s 편광이 되도록 조명측 편광 필터(26)를 광로상에 배치하여, 회절 검사를 행하는 것도 가능하다. s 편광을 이용한 회절 검사에서는 기초층의 영향을 받기 어렵고 최상층의 상태를 검출할 수 있다.
웨이퍼(10)의 표면으로부터의 출사광(회절광 혹은 반사광)은 수광계(30)에 의해 집광된다. 수광계(30)는, 스테이지(5)에 대향하여 배치된 수광측 오목면경(31)을 주체로 구성되고, 수광측 오목면경(31)에 의해 집광된 출사광(회절광 혹은 반사광)은, 촬상 장치(35)의 촬상면상에 도달하여, 웨이퍼(10)의 상이 결상된다.
또한, 수광측 오목면경(31)과 촬상 장치(35)의 사이에는, 제어부(80)의 지령에 근거하여 미도시의 수광측 편광 필터 구동부에 의해 수광측 편광 필터(32)가 광로상에 삽입 가능하게 설치되어 있고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 수광측 편광 필터(32)를 광로상으로부터 제거한 상태에서 회절 검사가 행해지고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 수광측 편광 필터(32)를 광로상에 삽입한 상태에서 PER 검사가 행해지도록 되어 있다(수광측 편광 필터(32)의 상세에 대해서는 후술함).
촬상 장치(35)는, 촬상면상에 형성된 웨이퍼(10)의 표면의 상을 광전 변환하여 화상 신호를 생성하고, 화상 신호를 화상 처리부(40)에 출력한다. 제어부(80)의 지령에 의해 화상 처리부(40)는, 촬상 장치(35)로부터 입력된 웨이퍼(10)의 화상 신호에 근거하여, 웨이퍼(10)의 디지털 화상을 생성한다. 화상 처리부(40)의 내부 메모리(도시하지 않음)에는, 우량품 웨이퍼의 화상 데이터가 미리 기억되어 있고, 화상 처리부(40)는, 웨이퍼(10)의 화상(디지털 화상)을 생성하면, 검사부(60)와 웨이퍼(10)의 화상 데이터와 우량품 웨이퍼의 화상 데이터를 비교하고, 웨이퍼(10)의 표면에 있어서의 결함(이상)의 유무를 검사한다. 그리고, 화상 처리부(40) 및 검사부(60)에 의한 검사 결과 및 그 때의 웨이퍼(10)의 화상이 도시하지 않는 화상 표시 장치에서 출력 표시된다. 또한, 화상 처리부(40)는, 웨이퍼의 화상을 이용하여, 노광 시의 포커스 상태(예를 들면, 노광 장치(100)에 의해 투영 노광되는 패턴의 상면의 경사나, 노광 장치(100)의 포커스의 변동 상태)나 도우즈 상태(예를 들면, 노광 장치(100)에 의해 투영 노광되는 패턴의 샷내 혹은 샷 사이에서의 노광량의 변동 상태)를 판정할 수 있도록 되어 있다(상세한 것은 후술함).
그런데, 웨이퍼(10)는, 노광 장치(100)에 의해 최상층의 레지스트막에 대해서 사전 결정된 패턴이 투영 노광되고, 현상 장치(도시하지 않음)에 의한 현상 후, 미도시의 반송 장치에 의해, 미도시의 웨이퍼 카세트 또는 현상 장치로부터 스테이지(5)상에 반송된다. 또한 이 때, 웨이퍼(10)는, 웨이퍼(10)의 패턴 혹은 외연부(노치나 오리엔테이션 플랫 등)를 기준으로 하여 얼라인먼트가 행해진 상태에서, 스테이지(5)상에 반송된다. 또한, 웨이퍼(10)의 표면에는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 칩 영역(11)이 종횡으로 (도 3에 있어서의 XY 방향으로) 배열되고, 각 칩 영역(11) 중에는, 반도체 패턴으로서 라인 패턴 또는 홀 패턴 등의 반복 패턴(12)이 형성되어 있다. 하나의 노광 샷에는, 복수의 칩 영역이 포함되는 것이 많지만, 도 3에서는 알기 쉽게 하기 위해서 샷 당 하나의 칩으로 하고 있다. 또한, 노광 장치(100)는, 상세한 도시를 생략하지만, 전술의 스텝·앤드·스캔 방식의 노광 장치이며, 케이블 등을 거쳐서 본 실시 형태의 표면 검사 장치(1)의 신호 출력부(90)와 전기적으로 접속되고, 표면 검사 장치(1)로부터의 데이터(신호)에 근거하여 노광 제어의 조정이 가능하게 구성되어 있다.
이상과 같이 구성되는 표면 검사 장치(1)를 이용하여, 웨이퍼(10) 표면의 회절 검사(이하, 포커스 상태를 검출하는 순서를 설명하고, 도우즈 상태를 검출하는 순서에 대해서는 후술함)를 행하기 위해서는, 제어부(80)가 기억부(85)에 기억된 레시피 정보(검사 조건이나 순서 등)를 통신 포트(82)를 거쳐서 판독하고, 이하의 처리를 행한다. 우선, 도 1에 나타낸 바와 같이 조명측 편광 필터(26) 및 수광측 편광 필터(32)를 광로상으로부터 제거하고, 미도시의 반송 장치에 의해, 웨이퍼(10)를 스테이지(5)상에 반송한다. 또한, 반송 도중에 미도시의 얼라인먼트 기구에 의해 웨이퍼(10)의 표면에 형성되어 있는 패턴의 위치 정보를 취득하고 있고, 웨이퍼(10)를 스테이지(5)상의 사전 결정된 위치에 사전 결정된 방향으로 탑재할 수 있다.
다음에, 웨이퍼(10)의 표면상에 있어서의 조명 방향과 패턴의 반복 방향이 일치(라인 패턴인 경우, 라인에 대해서 직교)하도록 스테이지(5)를 회전시킴과 아울러, 패턴의 피치를 P로 하고, 웨이퍼(10)의 표면에 조사하는 조명광의 파장을 λ로 하고, 조명광의 입사각을 θ1로 하고, n차 회절광의 출사각을 θ2로 하였을 때, 호이겐스의 원리로부터, 다음의 (1)식을 만족하도록 설정을 행한다(스테이지(5)를 틸트시킴).
Figure 112013046150295-pct00001
다음에, 조명광을 웨이퍼(10)의 표면에 조사한다. 이러한 조건에서 조명광을 웨이퍼(10)의 표면에 조사할 때, 조명 유닛(21)에 있어서의 광원부(22)로부터의 광은 조광부(23)를 통과하고, 사전 결정된 파장(예를 들면, 248nm의 파장)을 갖는 사전 결정된 강도의 조명광이 도광섬유(24)로부터 조명측 오목면경(25)에 사출되고, 조명측 오목면경(25)에서 반사한 조명광이 평행 광속으로 되어 웨이퍼(10)의 표면에 조사된다. 웨이퍼(10)의 표면에서 회절한 회절광은, 수광측 오목면경(31)에 의해 집광되어 촬상 장치(35)의 촬상면상에 도달하여, 웨이퍼(10)의 상(회절상)이 결상된다.
그래서, 촬상 장치(35)는, 촬상면상에 형성된 웨이퍼(10)의 표면의 상을 광전 변환하여 화상 신호를 생성하고, 화상 신호를 화상 처리부(40)에 출력한다. 화상 처리부(40)는, 촬상 장치(35)로부터 입력된 웨이퍼(10)의 화상 신호에 근거하여, 웨이퍼(10)의 디지털 화상을 생성한다. 또한, 화상 처리부(40)는, 웨이퍼(10)의 화상(디지털 화상)을 생성하면, 웨이퍼(10)의 화상 데이터와 우량품 웨이퍼의 화상 데이터를 비교하여, 웨이퍼(10)의 표면에 있어서의 결함(이상)의 유무를 검사한다. 그리고, 화상 처리부(40)에 의한 검사 결과 및 그 때의 웨이퍼(10)의 화상이 도시하지 않는 화상 표시 장치에서 출력 표시된다.
또한, 화상 처리부(40)는, 노광 장치(100)의 포커스 오프셋량을 샷마다 변화시킨 조건에서 노광하여 현상한 웨이퍼의 화상을 이용하여, 회절광에 의한 포커스 커브(포커스 오프셋량과 회절광의 강도의 관계를 나타내는 커브)를 구할 수 있다. 이 포커스 커브를 이용하여, 1개의 샷내의 미소 영역마다 회절광의 신호 강도가 극대(최대)로 되는 포커스 오프셋량을 구하도록 하면, 노광 장치(100)에 의해 투영 노광되는 패턴의 상면(노광 샷내의 포커스 상태의 분포)을 구할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 신호 강도는, 촬상 장치(35)의 촬상 소자에서 검출되는 광의 강도에 따른 신호 강도이며, 조명광 강도, 패턴에 의한 회절 효율, 촬상 장치의 감도 등에 의해 정해지는 것이다. 본 실시 형태에 있어서는, 신호 강도는 화상 휘도로서 관측되므로, 이 2개의 용어는 실질적으로 동일한 것을 나타낸다. 또한, 본원의 발명자는, 회절광의 경우, 라인 앤드 스페이스(line-and-space)의 듀티비를 라인이 1에 대해서 스페이스가 10 이상이면, 신호 강도가 극대로 되는 포커스 오프셋량이 베스트 포커스인 것을 발견하였다. "극대"란 용어는, 예를 들면, 4차 함수는 최대 3개의 극값(위로 향한 또는 아래로 향한 피크)을 가지지만, 이들 중, 포커스의 계측 범위(베스트 포커스 부근) 내의 극대점을 나타낸다.
그래서, 노광 장치(100)에 의해 투영 노광된 패턴의 상면의 경사를 구하는 방법에 대해, 도 6에 나타내는 플로우차트를 참조하면서 설명한다. 우선, 노광 장치(100)의 포커스 오프셋량을 샷마다 변화시켜 반복 패턴을 형성한 웨이퍼를 작성한다(스텝 S101). 이 때, 노광 샷마다 포커스 오프셋량을 변화시켜, 동일한 포커스 오프셋량의 샷을 복수 설정하고 그들을 랜덤한 방식으로 배치한다. 이하, 이러한 웨이퍼를 조건 가변 웨이퍼(10a)(도 7 및 도 8을 참조)라 칭하기로 한다.
여기서, 동일한 포커스 오프셋량의 샷을 랜덤한 방식으로 배치하는 것은, 예를 들면, 웨이퍼의 중앙측과 외주측의 사이에 발생하는 레지스트 조건의 차이나, 스캔 노광 시의 이른바 좌우차이 등의 영향을 상쇄할 목적으로 행한다. 또한, 웨이퍼상에 형성되는 레지스트막(포토레지스트)은 스핀 코팅에서 도포 형성되는 경우가 많고, 레지스트 원액이 스핀에 의해 확산되어 용제 성분이 휘발하고 점도가 상승하여 막이 두꺼워지는 경향이 있고, 웨이퍼의 중앙측과 외주측의 사이에 레지스트 조건의 차이가 발생한다. 또한, 이른바 좌우차이는 예를 들면, 스캔 방향을 X 방향으로 한 경우에, 레티클이 X＋ 방향으로 이동(웨이퍼는 X－ 방향으로 이동)하면서 노광할 때와, 레티클이 X－ 방향으로 이동(웨이퍼는 X＋ 방향으로 이동)하면서 노광할 때의 차이이다.
본 실시 형태의 조건 가변 웨이퍼(10a)는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 포커스 오프셋량을 25nm 간격으로 -175nm∼＋200nm의 16 단계로 가변되어 있다. 또한, 도 7의 각 샷에는, 25nm 간격으로 가변된 포커스 오프셋량의 단계를 번호(1~16)로 나타내고 있고, 단계가 동일하고 스캔 방향이 역방향인 경우에는 「'」을 부여하고 있다. 예를 들면, 번호 12로 나타낸 포커스 오프셋량의 샷은, 동일한 포커스 오프셋량으로 행하는 노광을, 레티클 이동 X＋ 방향/중앙측에서 1 샷·레티클 이동 X＋ 방향/외주측에서 1 샷·레티클 이동 X－ 방향/중앙측에서 1 샷·레티클 이동 X－ 방향/외주측에서 1 샷과 같이 4개소 설정하고 있다. 또한, 예를 들면, 번호 15로 나타낸 포커스 오프셋량의 샷은, 동일한 포커스 오프셋량으로 행하는 노광을, 조건 가변 웨이퍼(10a)의 중심을 대칭축으로 하여, 레티클 이동 X＋ 방향/외주측에서 2 샷·레티클 이동 X－ 방향/외주측에서 2 샷과 같이 4개소 설정하고 있다. 본 실시 형태에서는, 이와 같이 포커스 오프셋량을 16 단계, 각 포커스 오프셋량으로 4 샷의 합계 64 샷으로, 그들을 랜덤한 방식으로 배치하여 조건 가변 웨이퍼(10a)를 작성하고 있다.
또한, 조건 가변 웨이퍼를 복수매 작성하여, 포커스 커브를 구해도 좋다. 그 경우, 각 조건 가변 웨이퍼의 포커스 오프셋량마다의 샷 배치는, 포커스 오프셋 이외의 조건에 의한 영향을 상쇄하도록 설정하는 것이 바람직하다.
조건 가변 웨이퍼(10a)를 작성하면, 회절 검사의 경우와 마찬가지로 하여, 조건 가변 웨이퍼(10a)를 스테이지(5)상에 반송한다(스텝 S102). 다음에, 회절 검사의 경우와 마찬가지로, 조명광을 조건 가변 웨이퍼(10a)의 표면에 조사하고, 촬상 장치(35)가 조건 가변 웨이퍼(10a)의 회절상을 광전 변환하여 화상 신호를 생성하여, 화상 신호를 화상 처리부(40)에 출력한다(스텝 S103). 이 때, 조건 가변 웨이퍼(10a)에 대해, 노광한 패턴의 피치 정보 또는 회절 조건 탐색을 이용하여, 회절 조건을 구하고 회절광을 얻을 수 있도록 회절 검사의 경우와 마찬가지의 설정을 행한다. 회절 조건 탐색은, 정반사 이외의 각도 범위에서 스테이지(5)의 틸트 각도를 단계적으로 변화시켜 각각의 틸트 각도로 화상을 취득하고, 화상이 밝아지는, 즉, 회절광이 얻어지는 틸트 각도를 구하는 기능을 나타낸다. 또한, 조건 가변 웨이퍼(10a)의 방위각(노광한 패턴의 조명광의 조명 방향에 대한 자세)은, 노광한 패턴의 반복 방향(라인 앤드 스페이스의 패턴인 경우 라인과 직교하는 방향)과 조명 방향이 일치하도록 배치되어 있다.
다음에, 화상 처리부(40)는, 촬상 장치(35)로부터 입력된 조건 가변 웨이퍼(10a)의 화상 신호에 근거하여, 조건 가변 웨이퍼(10a)의 디지털 화상을 생성하고, 포커스 오프셋량이 동일한 샷마다 화소 단위(각각의 샷의 대응하는 부분의 화소끼리)로 신호 강도(휘도)의 평균화를 행한다(스텝 S104). 또한, 회절 검사에서 결함이라고 판단된 부분에 대해서는, 전술의 평균화의 대상으로부터 제외한다. 다음에, 화상 처리부(40)는, 평균화에 의해 얻어진(서로 포커스 오프셋량이 상이한) 모든 샷에 대해, 도 8에 나타낸 바와 같이 샷내에 설정한 복수의 설정 영역(작은 직사각형으로 둘러싼 영역) A에서의 신호 강도의 평균치(이하, 편의적으로 평균 휘도라고 칭함)를 각각 구한다(스텝 S105). 지금까지의 처리에서, 노광 샷내에 복수 설치된 설정 영역 A마다, 포커스 오프셋을 25nm 간격으로 -175nm∼＋200nm의 16 단계로 가변된 때의 각각에 대해 평균 휘도가 얻어진다.
화상 처리부(40)는, 평균 휘도를 구한 각 설정 영역 A마다, 포커스 오프셋과 평균 휘도의 관계를 나타내는 그래프, 즉, 포커스 커브를 구한다(스텝 S106). 또한, 포커스 커브의 일례를 도 9, 도 13 및 도 14에 나타낸다. 다음에, 화상 처리부(40)는, 포커스 커브를 함수로 근사한 근사 곡선을 설정 영역 A마다 각각 구한다(스텝 S107). 또한, 근사 곡선의 함수에는, 4차 함수(4 차식)를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서, 구한 포커스 커브를 기준 포커스 커브라고 칭한다. 또한, 4차 함수는 다음의 (2)식과 같이 나타내어진다.
Figure 112013046150295-pct00002
여기서, x는 포커스 오프셋이며, y는 신호 강도(평균 휘도)이며, a, b, c, d, e는 계수이다. 최소 이승법 등을 이용하여, 포커스 커브를 근사하기 위한 최적인 계수 a, b, c, d, e를 구함으로써, (2)식의 근사 함수가 얻어진다.
다음에, 화상 처리부(40)는, 각 설정 영역마다, 포커스 커브의 근사 곡선에 있어서 평균 휘도가 극대로 되는 포커스 오프셋량을 구한다(스텝 S108). 이와 같이 하면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 샷내에 있어서의, 회절광의 평균 휘도가 극대로 되는 포커스 오프셋량의 분포를 구할 수 있고, 그러한 값과 노광 시의 포커스 오프셋 설정치의 차이를 노광 샷내의 설정 영역마다 계산한 것이 상면의 계측치가 된다(스텝 S109).
그리고, 상면의 계측치에 근거하여, 노광 장치(100)에 의해 노광되는 슬릿(광)의 긴 측면 방향에 있어서의 포커스의 경사(즉, 상면의 경사량) 및, 노광 장치(100)의 레티클 스테이지(도시하지 않음)와 웨이퍼 스테이지의 스캔 방향에 있어서의 포커스의 경사를 각각 (근사적으로) 구한다. 또한, 상기와 같이 상면을 계측할 수 있는 것은, 회절광의 강도가 극대로 되는 포커스 오프셋량이 베스트 포커스라고 하는 가정에 근거하고 있지만, 패턴에 따라서는 회절광의 강도가 극대로 되는 포커스 오프셋량과 베스트 포커스의 사이에 차이가 있는 경우가 있다. 그러나, 그러한 경우에서도, 샷내의 패턴은 각각 근사하고 있기 때문에 그 오프셋량과 베스트 포커스의 차이는 일정하고, 상면의 경사는 측정치의 각 설정 영역의 값의 상대적인 경사이므로, 상기와 같이 하여 구한 상면의 계측치로부터 상면의 경사를 구할 수 있다. 이와 같이 하여 구한 상면의 계측 결과는, 예를 들면, 상면 만곡률이나 최대 최소치·대각 방향의 경사 등 노광 장치(100)가 채택 가능한 파라미터로 변환된 후에, 화상 처리부(40)로부터 신호 출력부(도시하지 않음)를 거쳐서 노광 장치(100)에 출력되고, 노광 장치(100)에 의한 노광에 반영된다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 상면의 경사는, 노광 장치(100)에 있어서의 투영 렌즈에 의한 투영상의 상면 경사와 레티클 스테이지 및 웨이퍼 스테이지의 스캔 오차에 의한 웨이퍼상의 포토레지스트층에 대한 종합적인 상면의 경사이다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 화상 처리부(40)가, 노광 장치(100)에 의해 노광된 조건 가변 웨이퍼(10a)의 화상에 근거하여, 노광 장치(100)에 의해 투영 노광되는 패턴의 상면의 경사(즉, 웨이퍼(10)에 형성되는 반복 패턴(12) 내의 포커스 어긋남의 경향)를 판정하기 때문에, 계측 전용의 패턴뿐만이 아니라, 실제의 노광에 이용하는 패턴 및 조명 조건에서 노광하여 현상한 웨이퍼의 화상에 근거하여 계측을 행할 수 있다. 이 때, 본 실시 형태에서는, 노광 장치(100)의 포커스 오프셋량을 샷마다 변화시키면서 노광한 패턴의 각각을, 조건 가변 웨이퍼(10a)의 표면에 있어서 일괄하여 촬상하는 것이 가능하다. 그 때문에, 촬상은 단시간에 완료하고, 또한 샷내의 각 설정 영역 A마다 회절광의 극대 휘도(강도)를 구할 때, 조건 가변 웨이퍼(10a)상의 포커스 오프셋량이 상이한 샷마다 각 설정 영역 A의 평균 휘도를 구하기 때문에, 레지스트막 등의 막 두께 변동에 의한 영향을 평균화하여 저감할 수 있다. 이와 같이, 실제의 노광에 이용하는 패턴으로 노광한 샷의 화상에 근거하여 계측을 행할 수 있고, 또한, 레지스트막 등의 막 두께 변동에 의한 영향을 평균화하여 저감할 수 있으므로, 노광 장치(100)의 상대적인 광학적 상면을 정밀도 좋게 계측하는 것이 가능하게 된다.
또한, 이상의 설명에서는, 조건 가변 웨이퍼(10a)는, 포커스 오프셋량이 동일한 샷을 복수 갖고, 그들을 랜덤한 방식으로 배치했지만, 노광 장치의 조정에 일반적으로 이용되는, 이른바 FEM(Focus Exposure Matrix) 웨이퍼를 이용해도, 상면의 계측은 가능하다. FEM 웨이퍼는, 포커스와 도우즈(노광 에너지)를 매트릭스 형상으로 가변하여 노광해서 현상한 웨이퍼이며, 동일한 포커스 오프셋량이고 또한 동일한 도우즈량의 샷은 하나만 있는 것이 일반적이다. 이 때문에, 평균화에 의해 레지스트 막 두께 변동 등에 의한 영향을 평균화할 수 없기 때문에, 계측 정밀도는 약간 열화하지만, 도우즈량이 일정하고, 포커스 오프셋량이 상이한 샷을 사용하면 포커스 커브를 구할 수 있어, 상면의 계측은 가능하다(또한, 포커스량이 일정하고 도우즈량이 상이한 샷을 사용하면, 후술하는 바와 같이 도우즈 변동을 계측할 수 있음).
또한, 웨이퍼의 표면으로부터 생긴 회절광에 의한 상을 촬상하도록 하면, 레지스트막 등의 막 두께 변동에 의한 영향을 받기 어렵기 때문에, 노광 장치(100)의 상대적인 광학적 상면을 보다 정밀도 좋게 계측하는 것이 가능하다.
이 때, 대상이 되는 각종의 패턴마다 최적인 회절 조건을 선택함으로써, 고정밀의 계측이 가능하게 된다. 특히, 미소량의 포커스 변화에 대한 감도가 높고 고 분해 가능이 얻어진다.
또한, 노광 장치의 노광 조건에 관해서, 샷내의 조명계 불균일, 렌즈 헤이징(hazing) 등에 의한 불균일성에 관해서도, 적절한 회절 조건을 선택함으로써, 영향이 적은 상면 계측이 가능해진다. 또한, 종래 기술에서는, 샷내의 조명계 불균일 등에 의한 콘트라스트 불균일성도 정밀도를 저하시키는 원인이었다.
또한, 대상이 되는 패턴에 따라서는 회절 조건을 복수 선택하고, 각 회절 조건에 있어서 구한 노광 장치(100)의 상대적인 상면(상면의 경사)을 평균화함으로써, 정밀도 향상이 더 얻어진다. 이 때, 예를 들면, 샷내의 중심 위치를 기준으로 하여 동일한 포커스 오프셋량이 되도록, 각 회절 조건에 있어서 구한 상면을 각각 오프셋시키도록 하면, 정밀도 좋게 평균화할 수 있다. 또한 이 때, 차수가 높은 회절 조건이나 파장을 선택하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 복수의 패턴 피치가 존재하는 조건에 대해서는, 상이한 피치 조건에 의한 화상을 취득하여 해석하고, 포커스 커브의 방식이 급격한 조건을 이용하면 정밀도가 안정화되어 좋아진다. 또한, 평균화할 때에, 이상치를 제거하도록 해도 좋다.
또한, 회절 조건을 선택할 때, 도우즈량에 관계없이 베스트 포커스 위치가 거의 변하지 않는 회절 조건을 선택함으로써, 샷내의 도우즈(에너지) 불균일성이 있어도, 상면 계측에는 영향이 없는 정밀도를 구하는 것이 가능해진다. 종래 기술과 같이, 1 샷보다 작은 영역 내에서 포커스 오프셋을 변경하어 노광하고, 계측하면, 상이한 샷내의 에너지 분포를 계측하여 버리기 때문에, 종래에는 오차가 생기고 있었다. 또한, 도우즈량에 관계없이 베스트 포커스 위치가 거의 변하지 않는 회절 조건을 선택하기 위새서는, 예를 들면, 전술의 FEM 웨이퍼를 이용하여, 상이한 도우즈량마다 포커스 커브를 구하고 비교하여, 도우즈량에 의해 베스트 포커스 위치가 변하지 않는 조건을 선택하면 좋다.
또한, 화상 처리부(40)는, 노광 장치(100)의 포커스 오프셋량을 웨이퍼마다 변화시켜 노광하여 현상한 복수의 웨이퍼의 화상을 이용하여, 웨이퍼(10)의 표면 전체에 대한 노광 장치(100)의 포커스의 변동 상태를 구한하는, 즉, 포커스 모니터 계측을 할 수 있도록 되어 있다. 그래서, 노광 장치(100)의 포커스의 변동 상태를 결정하는 방법에 대해, 도 17에 나타내는 플로우차트를 참조하면서 설명한다. 우선, 도 11(a)에 나타낸 바와 같이, 노광 장치(100)의 포커스 오프셋량을 웨이퍼마다 변화시켜 노광하여 현상한 복수의 웨이퍼(여기에서는, 예를 들면, 포커스 오프셋량이 -100nm, －50nm, 0nm, ＋50nm, ＋100nm인 5개의 웨이퍼(15a~15e))의 화상을 취득한다(스텝 S201). 이 때, 웨이퍼의 조명 및 촬상 등은, 회절 검사의 경우와 마찬가지로 하여 행한다. 여기서, 편의상, 포커스 오프셋량이 상이한 5개의 웨이퍼(15a~15e)를 계측용 웨이퍼(15a~15e)라고 칭하기로 한다.
다음에, 취득한 웨이퍼의 화상으로부터, 노광 장치(100)의 포커스 오프셋량을 변화시킨 계측용 웨이퍼(15a~15e)마다, 웨이퍼 내의 모든 샷에 대한 신호 강도를 화소 단위(또는 소수의 화소로 형성되는 설정 영역의 평균치, 이하 동일함)로 구한다(스텝 S202). 화소 단위이더라도, 소수의 화소로 형성되는 설정 영역이더라도, 편의상 설정 영역 A라고 칭하고, 그 신호 강도(또는 평균치)를 평균 휘도라고 칭하기로 한다. 상면의 계측에서는 노광 샷에 대해서 복수의 설정 영역 A를 설정했지만, 포커스 모니터 계측에서는, 웨이퍼 표면 전체에 대해서 복수(다수)의 설정 영역 A를 설정하고, 각 설정 영역마다 평균치를 구하는 것이다. 다음에, 도 11(b)에 나타낸 바와 같이, 샷의 설정 영역 A마다, (서로 포커스 오프셋량이 상이한) 각 웨이퍼에 있어서의 동일 위치의 설정 영역 A에서의 평균 휘도와, 이에 대응하는 포커스 오프셋량과의 관계를 나타내는 그래프, 즉, 포커스 커브(조건 가변 웨이퍼에서 구한 기준이 되는 포커스 커브와 구별하기 위해서, 이후 적절히 샘플 포커스 커브라고 칭함)를 구한다(스텝 S203). 또한, 샘플 포커스 커브를 근사할 때에도 근사 곡선으로서 4차 함수를 이용하는 것이 바람직하다(스텝 S204).
다음에, 화상 처리부(40)는, 각 설정 영역마다, 포커스 커브의 근사 곡선에 있어서 평균 휘도가 극대로 되는 포커스 오프셋량을 구한다(스텝 S205). 이와 같이 하면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 내에 있어서의, 회절광의 평균 휘도가 극대로 되는 포커스 오프셋량(도 12에서는 포커스 오프셋량을 밝기로 변환하고 있음)의 분포를 구할 수 있고, 그러한 값과 노광 시의 포커스 설정치의 차이를 웨이퍼 내의 설정 영역마다 계산하고(스텝 S206), 웨이퍼 전체면의 포커스 상태의 분포, 즉, 포커스 모니터의 계측치가 얻어진다. 또한, 여기까지 설명한 상면 계측의 방법 및 포커스 모니터 계측의 방법, 즉, 포커스 커브의 근사 곡선이 극대로 되는 포커스 오프셋량으로부터 구하는 방법을, 편의적으로 피크법이라고 칭하기로 한다.
이와 같이 하면, 웨이퍼면상에서의 포커스 오프셋량의 편차량의 분포를 구할 수 있기 때문에, 웨이퍼(10)의 표면 전체에 대한 노광 장치(100)의 포커스의 변동 상태를 결정하는 것이 가능하게 된다(예를 들면, 도 12를 참조). 본 실시 형태에서는, 웨이퍼 전체면의 화상을 일괄하여 취득할 수 있기 때문에, 매우 단시간에 웨이퍼 전체면의 포커스 상태를 계측할 수 있다. 또한, 도 12의 예에서는, 노광 장치(100)의 포커스의 변동 상태를 명암으로 나타내고 있지만, 의사 컬러 표시를 이용하도록 하면, 색을 변경하는 것에 의해 포커스 차이의 대소 및 양/음을 한 번에 표시하는 것이 가능하다. 또한, 화상 처리부(40)에서 구해진 웨이퍼(10)의 표면에 대한 노광 장치(100)의 포커스의 변동 상태(포커스 오프셋량)를, 화상 처리부(40)로부터 신호 출력부(도시하지 않음)를 거쳐서 노광 장치(100)에 출력하고, 노광 장치(100)의 설정에 피드백할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 실제의 노광에 이용하는 패턴으로 노광한 웨이퍼의 화상에 근거하여 노광 장치(100)의 포커스의 변동 상태를 판정할 수 있고, 전용의 패턴은 아니며, 실제의 디바이스에 이용하는 패턴을 사용할 수 있고, 또한, 노광 장치(100)의 조명 조건도 제약되지 않기 때문에, 노광 장치(100)의 포커스 상태를 정밀도 좋게 계측하는 것이 가능하게 된다. 물론, 노광 장치의 조정용 등으로, 전용의 패턴을 이용해도 좋다.
또한, 웨이퍼의 표면으로부터 생긴 회절광에 의한 상을 촬상하도록 하면, 레지스트막 등의 막 두께 변동에 의한 영향을 받기 어렵기 때문에, 노광 장치(100)의 포커스 상태를 정밀도 좋게 계측하는 것이 가능하다. 특히, 조명광의 파장은, 248nm나 313nm(j선) 등의 짙은 자외역의 파장이 바람직하다.
또한, 복수의 회절 조건을 이용하여, 노광 장치(100)의 포커스 상태를 구하도록 하면, 예를 들면, 각 회절 조건에 대해 평균화함으로써, 정밀도 향상을 더 기대할 수 있다. 또한, 대상이 되는 각종의 패턴마다 최적인 회절 조건을 선택함으로써, 감도가 높고, 고정밀의 계측이 가능하게 된다. 또한, 평균화할 때에, 이상치를 제외하도록 해도 좋다.
또한, 포커스 오프셋량에 대한 회절 휘도 변화(즉, 포커스 커브)를 구할 때, 베스트 도우즈량으로부터 약간 오버 또는 언더의 도우즈량(노광량)으로 노광을 행하면, 계측 감도가 향상한다. 특히, 오버도우즈량 쪽이 효과적이다. 노광 장치의 정기 점검 등에서 보다 정밀도가 높은 측정이 필요한 경우에는, 이러한 방법도 가능하다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 회절이 발생하기 위해서는 패턴의 반복 간격이 조명 파장의 1/2 이상이 아니면 안 된다. 그 때문에, 조명광으로서 파장이 248nm의 광을 이용한 경우, 반복 간격이 124nm 이하의 반복 패턴에서는 회절광이 발생하지 않게 된다. 그러나, 그러한 경우에서도, 샷내의 각 위치에 124nm보다 긴 반복 간격을 갖는 패턴(예를 들면, 가이드 패턴 등)이 있으면, 그 위치에서 회절광이 발생하므로 측정이 가능해진다. 또한, 패턴을 노광할 때의 조명 조건은, 미세한 패턴에 맞추어 있기 때문에, 전술의 반복 간격의 긴 패턴이 미세한 패턴보다 포커스 어긋남(디포커스)에 의해 형상이 붕괴되기 쉽고, 즉, 포커스 차이에 민감하게 되어, 측정 정밀도가 상승하는 경우가 있다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 반복 패턴의 임의의 패턴의 피치에 대해서, 1차 회절광을 이용하는 것보다도, 고차의 회절광을 이용하는 것이, 일반적으로 패턴의 변화에 대한 회절 효율의 변동이 커지기 때문에, 포커스의 변화에 대한 감도가 향상하고, 노광 시의 포커스 상태(전술의 포커스 어긋남의 경향이나 노광 장치(100)의 포커스의 변동 상태)를 보다 정밀도 좋게 계측할 수 있다. 본원의 발명자에 의한 실험에서는, 4차 이상의 회절광으로 효과가 얻어지고, 10차 회절광이나 120차 회절광에서도 높은 정밀도를 얻을 수 있는 경우가 있었다.
패턴의 반복 피치가 짧고 회절광이 출사하지 않는 경우에서도, 패턴 블록, 즉, 패턴의 그룹의 반복으로부터의 회절광에 의해 검사를 할 수 있는 경우가 있다. 예를 들면, 도 15에 나타낸 바와 같이, 복수의 홀(13)로 이루어지는 패턴 블록(14)이 종횡으로 배열된 반도체 소자 DV(예를 들면, 메모리 소자 등)인 경우이다. 본 출원의 발명자는, 10μm의 반복 피치로 배열되는 패턴 블록(14)으로부터 100차 회절광을 얻을 수 있도록 회절 조건을 설정하면, 패턴 블록(14)에 있어서 0.14μm의 반복 피치로 배열되는 직경 60nm의 홀(13)의 형상 변화(즉, 홀 패턴의 변화)에 대해서, 해당 100차 회절광이 높은 감도를 갖는 것을 발견했다. 이와 같이, 상대적으로 반복 간격이 긴 패턴으로부터 고차의 회절광이 얻어지도록 회절 조건을 설정함으로써, 회절광이 발생하기 어려운 미세한 패턴(즉, 상대적으로 반복 간격의 짧은 패턴)의 디포커스에 의한 패턴 변화를 검출할 수 있고, 노광 시의 포커스 상태를 보다 정밀도 좋게 계측할 수 있다.
또한, 고차의 회절광을 얻기 위해서, 조명광으로서 파장이 짧은 자외광을 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 조명광의 파장은, 248nm나 313nm(j선) 등의 짙은 자외역의 파장이 바람직하다. 전술의 (1)식으로부터, 반복 패턴의 피치가 동일한 경우, 조명광의 파장을 짧게 함으로써, 고차의 회절광을 얻을 수 있다. 또한, 웨이퍼의 반복 패턴에 기초층이 있는 경우나 기초막의 막 두께 가변성이 있는 경우, 단파장(예를 들면, 248nm나 313nm 등)의 조명광을 사용하면, 기초막의 영향을 받기 어렵게 할 수 있다.
또한, 고차의 회절광을 이용하는 경우, 촬상 장치(35)에 의해 웨이퍼의 상(회절상)을 복수회(예를 들면, 10회) 촬상하여 각각의 화상 신호를 화상 처리부(40)에 출력하고, 화상 처리부(40)에 의해, 촬상 장치(35)로부터의 복수의 화상 신호를 적분한 적분 신호에 근거하여, 웨이퍼의 디지털 화상의 생성이나, 노광 시의 포커스 상태의 판정 등을 행하는 것이 바람직하다. 고차의 회절광은 반사율이 낮아지기 때문에, 화상 신호의 적분을 행함으로써, 신호량이 증가하여 SN비가 향상하고, 노광 시의 포커스 상태를 보다 정밀도 좋게 계측할 수 있다.
또한, 미리 촬상 장치(35)의 촬상 소자에 대해 암전류(dark current)를 측정해 두고, 화상 신호의 적분을 행할 때, 암전류에 의한 신호를 제거하도록 해도 좋다. 이에 의해, SN비를 보다 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 촬상 회수를 N으로 하고, N회분의 화상 신호의 적분치를 S로 하고, 암전류의 신호치를 A로 하였을 때, 암전류에 의한 신호를 제거한 화상 신호의 적분치 Sa는, Sa=S－｛A×(N－1)｝로 표현된다.
또한, 신호량을 늘려 SN비를 향상시키기 위해서, 촬상 장치(35)에 의한 촬상 시간(노광 시간)을 길게 하도록 해도 좋다. 또한, 촬상 소자의 랜덤 노이즈를 작게 하기 위해서, 촬상 장치(35)의 촬상 소자를 냉각하도록 해도 좋다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 촬상 장치(35)에 의해, 스테이지(5)에 의해 사전 결정된 회전 위치(제 1 회전 위치)에 위치하는 웨이퍼의 상(회절상)에 부가하여, 이 회전 위치로부터 180도 회전시킨 회전 위치(제 2 회전 위치)에 위치하는 웨이퍼의 상(회절상)을 촬상하고, 화상 처리부(40)에 의해, 촬상 장치(35)로부터 회전분을 보정하여 각각 출력된 각 회전 위치에서의 화상 신호를 평균화하고, 웨이퍼의 디지털 화상의 생성이나, 노광 시의 포커스 상태의 판정 등을 행하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면, 패턴 형상의 비대칭성에 근거하는 계측 오차나, 웨이퍼에 대한 조명의 불균일성에 근거하는 계측 오차를 저감시킬 수 있기 때문에, 노광 시의 포커스 상태를 보다 정밀도 좋게 계측할 수 있다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 촬상 장치(35)에 의해 웨이퍼의 상(회절상)을 복수회(예를 들면 10회) 촬상하고, 화상 처리부(40)에 의해, 촬상 장치(35)로부터 각각 출력된 각 회마다의 화상 신호를 평균화하여, 웨이퍼의 디지털 화상의 생성이나, 노광 시의 포커스 상태의 판정 등을 행하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면, 촬상 소자의 랜덤 노이즈가 1회만의 촬상보다 1/10 정도로 감소하기 때문에, 노광 시의 포커스 상태를 보다 정밀도 좋게 계측할 수 있다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 조건 가변 웨이퍼(10a)의 화상에 근거하여, 노광 장치(100)의 상면을 계측하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 노광 장치(100)의 포커스 오프셋량을 웨이퍼마다 변화시켜(동일한 웨이퍼에 있어서는, 동일한 조건으로) 노광하여 현상한 복수의 웨이퍼의 화상을 이용하여, 노광 장치(100)의 상면을 계측하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면, 샷 위치를 변경할 때마다 생기는 동적인 제어 오차(웨이퍼 스테이지의 스캐닝 오차나 레벨링(leveling) 오차, 레티클 스테이지의 스캐닝 오차나 레벨링 오차, 레티클 스테이지와 웨이퍼 스테이지의 동기 오차 등)를 저감할 수 있기 때문에, 보다 고정밀의 계측이 가능하게 된다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 노광 장치(100)는 스텝·앤드·스캔 방식의 노광 장치였지만, 노광 장치(100)의 스테이지 스캔이나 레티클 스캔을 행하지 않는, 스텝·앤드·리피트 노광을 행할 때도 마찬가지의 계측이 유효한 수단이 된다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 포커스 커브의 근사 곡선(4 차식)을 구할 때, 포커스 커브의 단부 근방에 있어서 커브가 불연속 혹은 불규칙한 변화로 되는 점이 존재하면, 근사 곡선의 오차의 원인이 된다. 그 때문에, 최소 이승법으로 근사 곡선의 파라미터를 계산할 때에, 측정치에 가중치를 부여하고, 예를 들면, 포커스 커브에 있어서의 신호 강도가 큰 점의 가중치를 크게 하고, 신호 강도가 작은 점의 가중치를 작게 함으로써, 포커스 커브에 있어서의 단부 근방의 불연속점이나 불규칙점의 영향을 저감하는 것이 바람직하다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 선택한 조명 파장에 있어서, 조명 각도와 수광 각도가, 패턴이 형성된 레지스트막에 대한 반사율이 극대 혹은 극소 근방이 되는 회절 조건을 선택하는 것이 바람직하다. 노광량(도우즈)이 변화하면, 패턴의 선폭이 변화하여 해당 패턴이 형성된 레지스트막의 실질적인 막 두께가 변화한다. 그 때문에, 반사광의 간섭 조건(반사율)이 레지스트 막 두께에 따라 주기적으로 변화하는 것을 이용하여, 레지스트막에 대한 반사율이 극대 혹은 극소 근방이 되는 회절 조건(조명 각도와 수광 각도)을 선택함으로써, 막 두께 변화(선폭 변화)에 대한 반사율의 변동이 작아지므로, 노광량의 변화에 의한 영향을 저감할 수 있다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 웨이퍼의 표면에서 생긴 회절광을 이용하여, 노광 장치(100)의 상면이나 포커스 상태를 구하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 웨이퍼의 표면에서 생긴 정반사광이나 편광 상태 변화 등을 이용하여, 노광 장치(100)의 상면이나 포커스 상태를 구하도록 해도 좋다.
그래서, 표면 검사 장치(1)에 의해 웨이퍼(10) 표면의 PER 검사를 행하는 경우에 대해 설명한다. 또한, 반복 패턴(12)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 복수의 라인부(2A)가 그 측방향(X 방향)을 따라 일정한 피치 P로 배열된 레지스트 패턴(라인 패턴)인 것으로 한다. 또한, 인접하는 라인부(2A)의 사이가 스페이스부(2B)이다. 또한, 라인부(2A)의 배열 방향(X 방향)을 「반복 패턴(12)의 반복 방향」이라고 칭하기로 한다.
여기서, 반복 패턴(12)에 있어서의 라인부(2A)의 선폭 DA의 설계치를 피치 P의 1/2로 한다. 설계치와 같이 반복 패턴(12)이 형성되었을 경우, 라인부(2A)의 선폭 DA와 스페이스부(2B)의 선폭 DB는 동등하게 되고, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)의 체적비는 대략 1:1이 된다. 이에 대해서, 반복 패턴(12)을 형성할 때의 노광 포커스가 적정치로부터 어긋나면, 피치 P는 변하지 않지만, 라인부(2A)의 선폭 DA가 설계치와 달라져 버림과 아울러, 스페이스부(2B)의 선폭 DB도 달라져 버려, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)의 체적비가 대략 1:1로부터 어긋난다.
PER 검사는, 상기한 반복 패턴(12)에 있어서의 라인부(2A)와 스페이스부(2B)의 체적비의 변화를 이용하여, 반복 패턴(12)의 이상 검사를 행하는 것이다. 또한, 설명을 간단하게 하기 위해서, 이상적인 체적비(설계치)를 1:1로 한다. 체적비의 변화는, 노광 포커스의 적정치로부터의 어긋남에 기인하여, 웨이퍼(10)의 샷 영역마다 나타난다. 또한, 체적비를 단면 형상의 면적비라고 달리 지칭할 수도 있다.
PER 검사에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 조명측 편광 필터(26) 및 수광측 편광 필터(32)가 광로상에 삽입된다. 또한, PER 검사를 행할 때, 스테이지(5)는, 조명광이 조사된 웨이퍼(10)로부터의 정반사광을 수광계(30)에서 수광할 수 있는 경사 각도로 웨이퍼(10)를 틸트시킴과 아울러, 사전 결정된 회전 위치에서 정지하고, 웨이퍼(10)에 있어서의 반복 패턴(12)의 반복 방향을, 도 5에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(10)의 표면에 있어서의 조명광(직선 편광 L)의 진동 방향에 대해서, 45도만큼 비스듬하게 되도록 유지한다. 반복 패턴(12)의 검사의 신호 강도를 가장 높게 하기 위해서이다. 또한, 22.5도나 67.5도로 하면 검사의 감도가 높아진다. 또한, 각도는 이들에 한정하지 않고, 임의의 각도 방향으로 설정 가능하다.
조명측 편광 필터(26)는, 도광섬유(24)와 조명측 오목면경(25)의 사이에 배치됨과 아울러, 그 투과축이 사전 결정된 방위(방향)로 설정되고, 투과축에 따라 조명 유닛(21)으로부터의 광으로부터 편광 성분(직선 편광)을 추출(투과)한다. 이 때, 도광섬유(24)의 사출부가 조명측 오목면경(25)의 초점 위치에 배치되어 있기 때문에, 조명측 오목면경(25)은, 조명측 편광 필터(26)를 투과한 광을 평행 광속으로 하여, 반도체 기판인 웨이퍼(10)를 조명한다. 이와 같이, 도광섬유(24)로부터 사출된 광은, 조명측 편광 필터(26) 및 조명측 오목면경(25)을 거쳐서 p 편광의 직선 편광 L(도 5를 참조)이 되어, 조명광으로서 웨이퍼(10)의 표면 전체에 조사된다.
이 때, 직선 편광 L의 진행 방향(웨이퍼(10) 표면상의 임의의 점에 도달하는 직선 편광 L의 주광선의 방향)은 광축에 대략 평행하므로, 웨이퍼(10)의 각 점에 있어서의 직선 편광 L의 입사각도는, 평행 광속이기 때문에 서로 동일하게 된다. 또한, 웨이퍼(10)에 입사하는 직선 편광 L가 p 편광이기 때문에, 도 5에 나타낸 바와 같이, 반복 패턴(12)의 반복 방향이 직선 편광 L의 입사면(웨이퍼(10)의 표면에 있어서의 직선 편광 L의 진행 방향)에 대해서 45도의 각도로 설정되었을 경우, 웨이퍼(10)의 표면에 있어서의 직선 편광 L의 진동 방향과 반복 패턴(12)의 반복 방향이 이루는 각도도, 45도로 설정된다. 환언하면, 직선 편광 L은, 웨이퍼(10)의 표면에 있어서의 직선 편광 L의 진동 방향이 반복 패턴(12)의 반복 방향에 대해서 45도 기운 상태에서, 반복 패턴(12)을 비스듬하게 횡단하도록 하여 반복 패턴(12)에 입사하게 된다.
웨이퍼(10)의 표면에서 반사한 정반사광은, 수광계(30)의 수광측 오목면경(31)에 의해 집광되어 촬상 장치(35)의 촬상면상에 도달하지만, 이 때, 반복 패턴(12)에서의 구조성 복굴절에 의해 직선 편광 L의 편광 상태가 변화(타원 편광화)한다. 수광측 편광 필터(32)는, 수광측 오목면경(31)과 촬상 장치(35)의 사이에 배치되고, 수광측 편광 필터(32)의 투과축의 방위는, 상술한 조명측 편광 필터(26)의 투과축에 대해 직교하도록 설정되어 있다(크로스 니콜(crossed Nicols) 상태). 따라서, 수광측 편광 필터(32)에 의해, 웨이퍼(10)(반복 패턴(12))로부터의 정반사광 중 직선 편광 L과 진동 방향이 대략 직각인 편광 성분(예를 들면, s 편광의 성분)을 추출하여, 촬상 장치(35)에 유도할 수 있다. 그 결과, 촬상 장치(35)의 촬상면에는, 웨이퍼(10)로부터의 정반사광 중 직선 편광 L에 대해서 진동 방향이 대략 직각인 편광 성분에 의한 웨이퍼(10)의 반사상이 형성된다. 또한, 타원 편광의 짧은 축 방향이 직선 편광 L과 직교하고 있지 않은 경우에는, 수광측 편광 필터(32)의 투과축을 타원 편광의 짧은 축 방향에 맞춤으로써 감도가 향상한다.
표면 검사 장치(1)에 의해 웨이퍼(10) 표면의 PER 검사를 행할 때에는, 우선, 도 2에 나타낸 바와 같이 조명측 편광 필터(26) 및 수광측 편광 필터(32)를 광로상에 삽입하고, 미도시의 반송 장치에 의해, 웨이퍼(10)를 스테이지(5)상에 반송한다. 또한, 반송 도중에 미도시의 얼라인먼트 기구에 의해 웨이퍼(10)의 표면에 형성되어 있는 패턴의 위치 정보를 취득하고 있고, 웨이퍼(10)를 스테이지(5)상의 사전 결정된 위치에 사전 결정된 방향으로 탑재할 수 있다. 또한 이 때, 스테이지(5)는, 조명광이 조사된 웨이퍼(10)로부터의 정반사광을 수광계(30)에서 수광할 수 있는 경사 각도로 웨이퍼(10)를 틸트시킴과 아울러, 사전 결정된 회전 위치에서 정지하고, 웨이퍼(10)에 있어서의 반복 패턴(12)의 반복 방향을, 웨이퍼(10)의 표면에 있어서의 조명광(직선 편광 L)의 진동 방향에 대해서, 45도만큼 비스듬하게 되도록 유지한다.
다음에, 조명광을 웨이퍼(10)의 표면에 조사한다. 이러한 조건에서 조명광을 웨이퍼(10)의 표면에 조사할 때, 조명 유닛(21)의 도광섬유(24)로부터 사출된 광은, 조명측 편광 필터(26) 및 조명측 오목면경(25)을 거쳐서 p 편광의 직선 편광 L로 되고, 조명광으로서 웨이퍼(10)의 표면 전체에 조사된다. 웨이퍼(10)의 표면에서 반사한 정반사광은, 수광측 오목면경(31)에 의해 집광되어 촬상 장치(35)의 촬상면상에 도달하여, 웨이퍼(10)의 상(반사상)이 결상된다.
이 때, 반복 패턴(12)에서의 구조성 복굴절에 의해 직선 편광 L의 편광 상태가 변화하고, 수광측 편광 필터(32)는, 웨이퍼(10)(반복 패턴(12))로부터의 정반사광 중 직선 편광 L과 진동 방향이 대략 직각인 편광 성분(즉, 직선 편광 L의 편광 상태의 변화)을 추출하여, 촬상 장치(35)에 유도할 수 있다. 그 결과, 촬상 장치(35)의 촬상면에는, 웨이퍼(10)로부터의 정반사광 중 직선 편광 L과 진동 방향이 대략 직각인 편광 성분에 의한 웨이퍼(10)의 반사상이 형성된다.
그래서, 촬상 장치(35)는, 촬상면상에 형성된 웨이퍼(10)의 표면의 상(반사상)을 광전 변환하여 화상 신호를 생성하고, 화상 신호를 화상 처리부(40)에 출력한다. 화상 처리부(40)는, 촬상 장치(35)로부터 입력된 웨이퍼(10)의 화상 신호에 근거하여, 웨이퍼(10)의 디지털 화상을 생성한다. 또한, 화상 처리부(40)는, 웨이퍼(10)의 화상(디지털 화상)을 생성하면, 웨이퍼(10)의 화상 데이터와 우량품 웨이퍼의 화상 데이터를 비교하여, 웨이퍼(10)의 표면에 있어서의 결함(이상)의 유무를 검사한다. 또한, 우량품 웨이퍼, 즉, 베스트 포커스·베스트 도우즈 상태에서 노광하고, 현상된 웨이퍼의 반사 화상의 신호 강도(휘도치)는, 가장 높은 신호 강도(휘도치)를 나타내는 것으로 생각되기 때문에, 예를 들면, 우량품 웨이퍼와 비교한 신호 강도 변화(휘도 변화)가 미리 정해진 임계치(허용치)보다 크면 「이상」이라고 판정하고, 임계치보다 작으면 「정상」이라고 판단한다. 그리고, 화상 처리부(40)에 의한 검사 결과 및 그 때의 웨이퍼(10)의 화상이 도시하지 않는 화상 표시 장치에서 출력 표시된다.
그런데, 화상 처리부(40)는, 노광 장치(100)의 포커스 오프셋량을 샷마다 변화시킨 조건에서 노광하여 현상한 웨이퍼의 화상을 이용하여, 노광 장치(100)의 편광에 의한 포커스 커브를 구할 수 있다. 이 포커스 커브를 이용하여, 검출되는 편광의 신호 강도(전술의 평균 휘도)가 극대로 되는 포커스 오프셋량을 구하도록 하면, 회절광의 경우와 마찬가지로, 노광 장치(100)에 의해 투영 노광되는 패턴의 상면의 경사를 구할 수 있다. 구체적으로는, 도 6에 나타내는 플로우차트의 스텝 S103에 있어서, 조명광으로서 직선 편광 L을 조건 가변 웨이퍼(10a)의 표면에 조사하고, 촬상 장치(35)가 조건 가변 웨이퍼(10a)의 반사상을 광전 변환하여 화상 신호를 생성하고, 화상 신호를 화상 처리부(40)에 출력하면 좋다. 또한, 편광의 경우, 신호 강도가 극대로 되는 포커스 오프셋량이 베스트 포커스라고 생각되기 때문에, 베스트 포커스로 되는 포커스 오프셋량을 용이하게 알 수 있다.
또한, 화상 처리부(40)는, 웨이퍼의 조명 및 촬상 등을, PER 검사의 경우와 마찬가지로 하여 행하면, 노광 장치(100)의 포커스 오프셋량을 웨이퍼마다 변화시켜 노광하여 현상한 복수의 웨이퍼의 화상을 이용하여, 편광의 평균 휘도(조명 조건은 일정)에 의한 포커스 커브를 구함으로써, 웨이퍼(10)의 표면에 대한 노광 장치(100)의 포커스 상태, 즉, 포커스 모니터 계측을 행할 수 있다.
또한, 수광측 편광 필터(32)의 투과축의 방위는, 상술한 조명측 편광 필터(26)의 투과축에 있어서 직교 상태로부터 약간 어긋나게 하여, 조명광인 편광의 구조성 복굴절에 의한 회전에 맞추어도 좋다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 피크법에 의해 포커스 모니터 계측을 행하고 있지만, 다른 방법으로 포커스 모니터 계측을 행하는 것도 가능하다. 패턴에 따라서는, 포커스 커브의 극대치 부근이 평탄한 형태를 하고 있는 경우가 있다. 예를 들면, 도 16에 나타내는 포커스 커브 CV1, CV2와 같은 형상인 경우이다. 이 경우에는, 신호 강도가 극대로 되는 포커스 오프셋량을 정밀도 좋게 결정하는 것이 어렵기 때문에, 제 1 실시 형태의 피크법에서는, 결과적으로 측정 정밀도가 저하한다.
그래서, 이러한 경우에 유효한 방법을 본원의 제 2 실시 형태로서 설명한다. 제 2 실시 형태에서는, 장치 구성이나 웨이퍼의 노광 방법 등이 기본적으로 제 1 실시 형태의 경우와 마찬가지이기 때문에, 제 2 실시 형태의 표면 검사 장치에 대해서는 상세한 설명을 생략한다. 제 2 실시 형태와 제 1 실시 형태의 차이는, 포커스 상태의 측정 방법이 제 1 실시 형태에서는 피크법인 것에 대해, 제 2 실시 형태에서는 편의상 피팅법이라고 칭하는 방법에 따른 것이다.
최초로, 피팅법에 따른 상면 계측의 순서를, 도 18에 나타내는 플로우차트를 참조하면서 설명한다. 도 18의 스텝 S301~S305는, 도 6의 스텝 S101~S105와 동일한 처리이다. 동일한 처리 부분의 설명은 생략하지만, 스텝 S305까지, 포커스 오프셋을 가변한 각 샷에 대해서, 샷내에 복수 설정한 설정 영역마다 평균 휘도가 구해지고 있다. 다음에, 또한 포커스 오프셋을 가변한 각 샷에 대해서, 샷내의 모든 설정 영역의 평균치(평균 휘도)를 평균하여, 샷 평균치를 구한다(스텝 S306). 다음에, 그 샷 평균치와 포커스 오프셋의 관계를 나타내는 포커스 커브(다른 포커스 커브와 구별하기 위해서, 이후 샷 포커스 커브라고 칭함)를 구하고, 구한 샷 포커스 커브를, 예를 들면, 4차 함수의 근사 곡선으로 근사한다(스텝 S307). 또한, 샷 포커스 커브는, 1매의 조건 가변 웨이퍼로부터 1개만이 얻어진다.
다음에, 샷내의 설정 영역마다, 스텝 S305에서 구한 각 포커스 오프셋에 대한 평균치(평균 휘도)와, 스텝 S307에서 구한 샷 포커스 커브를 피팅하고, 가장 일치하는 샷 포커스 커브의 (그래프상의) 위치를 구한다(스텝 S308). 본 명세서에서 사용되는 피팅이란, 예를 들면 도 20에 나타내는 그래프에 있어서, 실선으로 나타낸 샷 포커스 커브의 근사 곡선을 좌우에, 즉, 포커스 오프셋을, 예를 들면, 1nm 간격으로 평행 이동시키면서, 마름모형의 마커로 나타낸 평균 휘도와의 일치도를 구하고, 가장 일치하는 위치를 구하는 것으로, 원래의 샷 포커스 커브로부터의 이동량(즉, 포커스 오프셋의 차이)이 그 설정 영역의 (포커스 상태를 나타내는) 계측치가 된다. 또한, 일치도로서 평균 휘도와, 해당 평균 휘도와, 동일한 포커스 오프셋에서의 근사 곡선의 값의 차이의 제곱화를 구하여, 그 제곱화가 최소로 되는 위치를 구해도 좋고, 상관 계수를 구하여, 상관 계수가 최대로 되는 위치를 구해도 좋다.
피크법에서는, 설정 영역마다 포커스 커브를 구하고, 그 극대치의 포커스 오프셋으로부터 포커스 상태를 구했지만, 피팅법에서는, 기준이 되는 하나의 샷 포커스 커브에 대한 설정 영역마다의 평균 휘도의 위치의 차이를 구하여, 포커스 상태를 얻는 것이다. 그리고, 샷내의 (설정 영역마다의) 포커스 상태의 분포를 구함으로써(스텝 S309), 피팅법에 따른 상면 계측을 행할 수 있다.
계속해서, 피팅법에 따른 포커스 모니터 계측의 순서를, 도 19에 나타내는 플로우차트를 참조하면서 설명한다. 피팅법에 따른 포커스 모니터 계측에서는, 상면 계측에서 이용한 것과 마찬가지로 작성한 1매의 조건 가변 웨이퍼와, 사전 결정된 2 종류의 포커스 오프셋량(예를 들면, －100nm와 -50nm)으로 각각 노광하여 현상한 2매의 웨이퍼(이하 편의상, 계측용 웨이퍼라고 칭함)의 합계 3매의 웨이퍼를 이용한다.
우선, 1매의 조건 가변 웨이퍼와 2매의 계측용 웨이퍼의 화상을 취득한다(스텝 S401). 다음에, 조건 가변 웨이퍼의 화상으로부터, 상면 계측인 경우와 마찬가지의 방법으로 노광 샷내에 복수 설정한 설정 영역마다, (제 1 실시 형태에서 서술한 경우와 마찬가지의) 기준 포커스 커브를 구하고, 구한 기준 포커스 커브를, 예를 들면, 4차 함수의 근사 곡선으로 근사한다(스텝 S402). 다음에, 계측용 웨이퍼의 웨이퍼면 내에 복수 설정한 설정 영역마다, 평균 휘도를 구하고 기준 포커스 커브의 근사 곡선과의 피팅을 행하여(스텝 S403), 그 결과를 출력한다(스텝 S404). 도 21은, 임의의 하나의 설정 영역에 있어서의 피팅의 예를 설명하는 도면이다. 도 21에 있어서, 그래프의 실선으로 나타내는 곡선이 기준 포커스 커브의 근사 곡선이며, 마름모형의 마커가 계측용 웨이퍼의 평균 휘도이다. 근사 곡선을 그래프의 좌우 방향으로 어긋나게 해서 평균 휘도와 가장 일치하는 위치를 구하면, 파선으로 나타내는 곡선과 같이 되지만, 그 좌우 방향의 이동량, 즉 포커스 오프셋의 차이가, 이 설정 영역의 포커스 상태를 나타내는 계측치가 된다.
포커스 모니터 계측에 있어서의 피팅에서는, 구체적으로는, 설정 영역마다, 근사 곡선을, 예를 들면, 포커스 오프셋량으로 (좌우로) 1nm씩 어긋나게 하면서, 계측용 웨이퍼의 신호 강도(평균 휘도)와 근사 곡선의 차이를 구하고 계측용 웨이퍼의 매수분만큼 그 차분의 제곱화를 계산하여, 그 제곱화가 가장 작아지는 위치를 구하면 좋다. 또한, 근사 곡선을 어긋나게 하면서, 상관 계수를 계산하고, 상관 계수가 가장 커지는 위치를 구해도 좋다.
기준 포커스 커브를 구할 때의 샷내의 설정 영역과, 계측용 웨이퍼에 있어서 웨이퍼 내에 마련하는 설정 영역은, 샷내의 배치가 동일한 위치 관계가 되도록 해 두고, 상기 피팅 시, 계측용 웨이퍼의 설정 영역과 샷내의 위치 관계가 동일한 설정 영역마다의 기준 포커스 커브를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 기준 포커스 커브에 한정하지 않고, 상면 계측에서 구한 샷 포커스 커브를 이용하도록 해도 좋다. 설정 영역마다의 기준 포커스 커브를 이용하면, 샷의 상면의 변동 성분을 제외한 웨이퍼 전체면의 포커스 상태가 계측되는 것에 비해, 샷 포커스 커브를 이용하면, 상면의 변동 성분을 포함하는 웨이퍼 전체면의 포커스 상태가 계측된다. 즉, 용도에 따라 구분하여 사용할 수 있다.
이와 같이 하면, 1매의 조건 가변 웨이퍼와 2매의 계측용 웨이퍼로 포커스 모니터 계측을 행하는 것이 가능하다. 피팅법에서는, 비록 포커스 커브의 극대치 부근이 평탄하더라도, 곡선 전체에서 피팅하므로, 고정밀도의 계측이 가능하다. 또한, 계측에 필요한 웨이퍼의 매수를 적게 하여 계측할 수 있다고 하는 이점도 있다.
상술의 실시 형태에 있어서, 계측용 웨이퍼의 매수를 2매로 했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 2매 이상이면 몇 매라도 좋다. 계측용 웨이퍼의 매수가 많을수록, 안정된 계측을 행할 수 있다. 또한, 계측용 웨이퍼의 매수가 1매에서는, 도 22에 나타낸 바와 같이, 피팅에 있어서 일치하는 위치가 2개소 있으므로, 계측을 행할 수 없다.
조건 가변 웨이퍼와 계측용 웨이퍼의 사이에서, 레지스트 막 두께나 도우즈량의 약간의 차이에 의해, 화상의 밝기가 약간 변동하는 경우가 있지만, 그 경우에는, 근사 곡선의 신호 강도에 이득을 곱하고, 밝기에 맞추어 피팅하면 보다 정밀도가 높은 결과가 얻어진다. 이득의 값은, 웨이퍼의 화상으로부터 구한 고정치이어도 좋다. 또한, 이득을 변경하면서 피팅을 행하고, 근사 곡선과 평균 휘도의 괴리가 가장 작은 이득, 및, 근사 곡선의 좌우 방향의 이동량(즉, 포커스 오프셋의 차이)을 동시에 얻도록 해도 좋다(예를 들면, 도 16을 참조).
또한, 상술의 제 2 실시 형태에 있어서도, 제 1 실시 형태의 경우와 마찬가지로, 회절광 뿐만 아니라 편광 상태의 변화를 이용한 계측이 가능하고, 화상의 적분이나 평균화, 고차 회절광이나 단파장의 이용 등, 제 1 실시 형태에서 설명한 정밀도 향상의 수단을 적용해도 유효하다.
또한, 상술의 제 1 실시 형태 및 제 2 실시 형태에 있어서, 노광 시의 포커스 상태를 구하고 있지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 노광 시의 도우즈 상태를 결정하는 것도 가능하다. 그래서, 본원의 제 3 실시 형태에 대해 설명한다. 제 3 실시 형태에서는, 회절 검사의 수법으로 도우즈(노광량)의 변동을 구한다. 또한, 도우즈는, 패턴을 형성할 때의 에너지량이다. 또한, 제 3 실시 형태에서는, 장치 구성이나 웨이퍼의 노광 방법 등이 기본적으로 제 1 실시 형태의 경우와 마찬가지이기 때문에, 제 3 실시 형태의 표면 검사 장치에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
노광 장치(100)의 도우즈의 변동 상태를 결정하는 방법에 대해, 도 23에 나타내는 플로우차트를 참조하면서 설명한다. 우선, 노광 장치(100)의 도우즈량을 변화시켜 반복 패턴을 형성한 웨이퍼를 작성한다(스텝 S501). 이 때, 노광 샷마다 도우즈량을 랜덤한 방식으로 변화시켜 노광하여 현상한다. 이하, 이러한 웨이퍼를 도우즈 조건 가변 웨이퍼라고 칭하기로 한다. 여기서, 도우즈량을 랜덤한 방식으로 하는 것은, 웨이퍼의 중앙측과 외주측의 사이에 발생하는 레지스트 조건의 차이나, 스캔 노광 시의 좌우차이 등의 영향을 상쇄할 목적으로 행한다.
본 실시 형태의 도우즈 조건 가변 웨이퍼는, 도우즈량을 1.5mJ 간격으로 8 단계(10.0mJ, 11.5mJ, 13.0mJ, 14.5mJ, 16.0mJ, 17.5mJ, 19.0mJ, 20.5mJ)로 가변되어 있다. 또한, 패턴 노광에 필요로 하는 노광량은, 패턴에 의해 5mJ~40mJ 정도이며, 도우즈 조건 가변 웨이퍼를 작성할 때의 진폭은, 0.5mJ~2.0mJ로 하는 것이 바람직하다.
또한, 도우즈 조건 가변 웨이퍼를 복수매 작성하여, 도우즈 커브를 구해도 좋다. 그 경우, 각 조건 가변 웨이퍼의 도우즈량마다의 샷 배치는, 도우즈량 이외의 조건에 의한 영향을 상쇄하도록 설정하는 것이 바람직하다.
도우즈 조건 가변 웨이퍼를 제조하면, 회절 검사의 경우와 마찬가지로 하여, 도우즈 조건 가변 웨이퍼를 스테이지(5)상에 반송한다(스텝 S502). 다음에, 회절 검사의 경우와 마찬가지로, 조명광을 도우즈 조건 가변 웨이퍼의 표면에 조사하고, 촬상 장치(35)가 도우즈 조건 가변 웨이퍼의 회절상을 광전 변환하여 화상 신호를 생성하고, 화상 신호를 화상 처리부(40)에 출력한다(스텝 S503). 이 때, 도우즈 조건 가변 웨이퍼에 대해, 노광한 패턴의 피치 정보 또는 회절 조건 서치를 이용하여 회절 조건을 구해서, 회절광을 얻을 수 있도록 회절 검사의 경우와 마찬가지의 설정을 행한다. 회절 조건 탐색은, 정반사 이외의 각도 범위에서 스테이지(5)의 틸트 각도를 단계적으로 변화시켜 각각의 틸트 각도에서 화상을 취득하여, 화상이 밝아지는, 즉, 회절광이 얻어지는 틸트 각도를 구하는 기능을 나타낸다. 또한, 도우즈 조건 가변 웨이퍼의 방위각(노광한 패턴의 조명광의 조명 방향에 대한 자세)은, 노광한 패턴의 반복 방향(라인 앤드 스페이스의 패턴인 경우 라인과 직교하는 방향)과 조명 방향이 일치하도록 배치되어 있다.
다음에, 화상 처리부(40)는, 촬상 장치(35)로부터 입력된 도우즈 조건 가변 웨이퍼의 화상 신호에 근거하여, 도우즈 조건 가변 웨이퍼의 디지털 화상을 생성하고, 도우즈량이 동일한 샷마다 화소 단위(각각의 샷의 대응하는 부분의 화소끼리)로 신호 강도(휘도)의 평균화를 행한다(스텝 S504). 또한, 회절 검사에서 결함이라고 판단된 부분에 대해서는, 전술의 평균화의 대상으로부터 제외한다. 다음에, 화상 처리부(40)는, 평균화에 의해 얻어진 (서로 도우즈량이 상이한) 모든 샷에 대해, 포커스 커브를 구할 때에 도 8에 나타낸 샷내에 설정한 복수의 설정 영역(작은 직사각형으로 둘러싼 영역) A에서의 신호 강도의 평균치(이하, 편의적으로 평균 휘도라고 칭함)를 각각 구한다. 또한, 도우즈 조건 가변 웨이퍼는, 노광 장치(100)의 도우즈량을 샷마다 변화시키고 있기 때문에, 샷의 위치로부터 도우즈량을 구할 수 있고, 상이한 도우즈량으로 노광된 각각의 샷내의 동일 위치의 설정 영역에 있어서, 도우즈량에 따라 평균 휘도가 변화하게 된다.
그래서, 화상 처리부(40)는, 평균 휘도를 구한 설정 영역마다, (서로 도우즈량이 상이한) 각 샷에 있어서의 동일 위치의 설정 영역에서의 평균 휘도와, 이것에 대응하는 도우즈량과의 관계를 나타내는 그래프, 즉, 도우즈 커브를 구한다(스텝 S505). 또한, 도우즈 커브의 일례를 도 24에 나타낸다.
다음에, 화상 처리부(40)는, 도우즈 커브를 함수로 근사한 근사 곡선을 설정 영역마다 각각 구한다(스텝 S506). 또한, 근사 곡선의 함수에는, 4차 함수(4 차식)를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 여기서 구한 도우즈 커브를 기준 도우즈 커브라고 칭한다. 4차 함수에 대해서는, 포커스 커브와 마찬가지이므로, 설명을 생략한다.
다음에, 화상 처리부(40)는, 도우즈 커브의 근사 곡선에 있어서 설계치에 대응한 휘도로 되는 도우즈량을 구한다(스텝 S507). 이 때, 설계치에 대응한 휘도로 되는 도우즈량을 설정 영역마다 구한다(스텝 S508). 이와 같이 하면, 샷내에 있어서의 도우즈량의 분포를 구할 수 있다. 또한, 도우즈 커브의 근사 곡선에 있어서의 설계치에 대응한 휘도(신호 강도)는, 미리 선폭이 설계치와 일치한 패턴을 이용하여 구해 둔다.
그리고, 샷내에 있어서의, 회절광의 휘도가 설계치에 대응한 휘도로 되는 도우즈량의 분포에 근거하여, 노광 장치(100)에 의해 투영 노광되는 패턴의 상면에 있어서의 도우즈의 변동 상태가 구해진다. 이와 같이 하여 구한 상면에서의 도우즈의 변동 상태는, 예를 들면, 노광 장치(100)에 맞춘 파라미터로 변환되고, 화상 처리부(40)로부터 신호 출력부(90)를 거쳐서 노광 장치(100)에 출력되거나, 또는 광학계를 조정하여 노광 장치(100)에 의한 노광에 반영된다.
이와 같이 하면, 노광 장치(100)의 도우즈량을 변화시켜 반복 패턴을 형성한 웨이퍼의 화상을 촬상 취득하기 때문에, 실제의 노광에 이용하는 패턴으로 노광한 웨이퍼의 화상에 근거하여, 노광 장치(100)의 도우즈의 변동 상태를 단시간에 정밀도 좋게 계측할 수 있다.
또한, 웨이퍼의 표면으로부터 생긴 회절광에 의한 상을 촬상하도록 하면, 레지스트막 등의 막 두께 변동에 의한 영향을 받기 어렵기 때문에, 노광 장치(100)의 도우즈의 변동 상태를 정밀도 좋게 계측하는 것이 가능하다. 특히, 조명광의 파장은, 248nm나 313nm(j선) 등의 짙은 자외역의 파장이 바람직하다. 또한, 복수의 회절 조건을 이용하여, 노광 장치(100)의 도우즈의 변동 상태를 구하도록 하면, 예를 들면, 각 회절 조건에 대해 평균화함으로써, 정밀도 향상을 더 기대할 수 있다. 또한, 대상이 되는 각종의 패턴마다 최적인 회절 조건을 선택함으로써, 감도가 높고, 고정밀의 계측이 가능하게 된다.
또한, 화상 처리부(40)는, 노광 장치(100)의 도우즈량을 웨이퍼마다 변화시켜 노광하여 현상한 복수의 웨이퍼의 화상을 이용하여, 웨이퍼(10)의 표면 전체에 대한 노광 장치(100)의 도우즈의 변동 상태를 구할 수도 있다. 그래서, 웨이퍼(10)의 표면에 대한 노광 장치(100)의 도우즈의 변동 상태를 결정하는 방법에 대해, 도 25에 나타내는 플로우차트를 참조하면서 설명한다. 우선, 노광 장치(100)의 도우즈량을 웨이퍼마다 변화시켜 노광하여 현상한 복수의 웨이퍼(도우즈량이 10.0mJ, 11.5mJ, 13.0mJ, 14.5mJ, 16.0mJ, 17.5mJ, 19.0mJ, 20.5mJ인 8개의 웨이퍼)의 화상을 취득한다(스텝 S601). 이 때, 웨이퍼의 조명 및 촬상 등은, 회절 검사의 경우와 마찬가지로(최적인 도우즈량과 최적인 포커스 조건에서 노광·현상된 패턴으로부터 사전 결정된 신호 강도가 얻어지는 조건) 하여 행한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 도우즈량이 상이한 복수의 웨이퍼를 계측용 웨이퍼라고 칭하기로 한다.
다음에, 취득한 웨이퍼의 화상으로부터, 노광 장치(100)의 도우즈량을 변화시킨 계측용 웨이퍼마다, 웨이퍼 내의 모든 샷에 대한 평균 휘도를 1 샷의 화소 단위(또는 소수의 화소로 형성되는 미소 영역, 이하 마찬가지로 적용됨)로 구한다(스텝 S602). 다음에, 휘도치를 평균 휘도로 치환한 샷을 계측용 웨이퍼마다 생성하고(스텝 S603), 생성한 샷의 설정 영역마다, (서로 도우즈량이 상이한) 각 샷에 있어서의 동일 위치의 설정 영역에서의 평균 휘도(신호 강도)와, 이것에 대응하는 도우즈량과의 관계를 나타내는 그래프, 즉, 도우즈 커브(조건 가변 웨이퍼로 구한 기준이 되는 도우즈 커브와 구별하기 위해서, 이후 적절히 샘플 도우즈 커브라고 칭함)를 구한다(스텝 S604). 또한, 샘플 도우즈 커브를 함수로 근사한 근사 곡선을 설정 영역마다 각각 구하지만, 근사 곡선의 함수에는, 4차 함수(4 차식)를 이용하는 것이 바람직하다. 이 때, 노광 장치(100)의 도우즈 오프셋량을 계측용 웨이퍼마다 변화시키고 있기 때문에, 생성한 평균 휘도의 샷에 대응하는 계측용 웨이퍼의 종류로부터 도우즈량을 구할 수 있고, 샷내의 동일 위치의 설정 영역에 있어서, 도우즈량에 따라 평균 휘도가 변화하게 된다.
다음에, 구한 샘플 도우즈 커브를 이용하여, 모든 샷의 설정 영역에 대해, 각 설정 영역의 샘플 도우즈 커브에 대응하는 도우즈의 편차량을 각각 구한다(스텝 S605). 구체적으로는 우선, 도시하지 않는 메모리에 기억된, 각 설정 영역의 샘플 도우즈 커브와, 대응하는 설정 영역의 기준 도우즈 커브의 상관이 가장 좋아지도록 피팅(이른바 패턴 매칭)을 행한다. 이 때, 도우즈량의 증감 방향으로의 이동량이, 즉, 그 설정 영역의 도우즈의 편차량이 된다.
이와 같이 하면, 웨이퍼면상에서의 도우즈의 편차량의 분포를 구할 수 있기 때문에, 웨이퍼(10)의 표면 전체에 대한 노광 장치(100)의 도우즈의 변동 상태를 결정하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 실시 형태에서는 회절 검사와 마찬가지의 수법에 의해 도우즈 변동을 구하는 기술을 설명했지만, 편광 검사(PER 검사)와 마찬가지의 수법에 의해서도 도우즈 변동을 구할 수 있다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 도우즈 커브의 근사 곡선의 식으로서 4 차식을 이용하는 것이 바람직하다고 했지만, 그래프의 형상에 따라서는, 직선 근사를 행하도록 해도 좋다.
또한, 상술의 실시 형태에 있어서, 웨이퍼(10)의 표면 전체에 대한 노광 장치(100)의 도우즈의 변동 상태를 구할 때, 포커스의 변동에 의해 도우즈 변화에 대한 신호 강도의 감도가 변화하기 쉬운 경우에는, 미리, 상이한 포커스 오프셋량마다 기준 도우즈 커브를 구해 두고, 포커스의 변동 상태에 따라 기준 도우즈 커브를 선택하여 이용하도록 해도 좋다.
이와 같이, 각 실시 형태에 의하면, 노광 시의 포커스 상태나 도우즈 상태를 단시간에 정밀도 좋게 계측할 수 있다. 또한, 계측된 포커스 상태나 도우즈 상태를 노광 장치(100)에 피드백함으로써, 웨이퍼 전체면에 있어서 노광·현상된 패턴의 선폭을 설계치와 같이 할 수 있다.
또한, 상술의 각 실시 형태에 있어서, 노광 상태로서 포커스의 상태(포커스 상태)와 노광량(도우즈 상태)에 대해 설명했지만, 이것으로 한정되는 것은 아니며, 스캔 노광 시의 레티클 스테이지나 웨이퍼 스테이지의 스캔 속도에도 적용할 수 있다. 또한, 노광 상태는 패턴 상태를 넓게 포함하는 것으로, 현상 후의 에칭 상태도 노광 상태에 포함된다.
또한, 본 발명에 의해 노광 장치가 고성능을 유지할 수 있기 때문에, 선폭이 매우 미세한 패턴이어도 결함(불량)의 발생률을 지극히 낮게 할 수 있다. 그 때문에, 본 발명을 적용한 노광 장치를 사용한 노광 시스템에 의하면, 결함을 갖지 않는 고성능인 반도체 디바이스를 제조할 수 있다.
예를 들면, 도 25에 나타낸 바와 같이, 노광 장치(100)의 노광 조건의 설정(패턴마다 행하는 설정 혹은 피드백 설정)을 행하는 설정 스텝 S701과, 설정한 노광 조건에 의해 노광 장치(100)가 노광을 행하는 노광 스텝 S702를 갖는 노광 방법에 있어서, 설정 스텝 S701에 있어서, 표면 검사 장치(1)의 신호 출력부(90)로부터 노광 장치(100)에 출력된 정보(전술의 각종 파라미터)에 근거하여, 노광 조건을 결정하도록 하면, 노광 장치(100)가 고성능을 유지할 수 있기 때문에, 선폭이 매우 미세한 패턴이어도 결함(불량)의 발생률을 지극히 낮게 할 수 있다.
또한, 도 26에 나타낸 바와 같이, 반도체 디바이스(도시하지 않음)는, 디바이스의 기능·성능 설계를 행하는 설계 공정(스텝 S801), 이 설계 공정에 근거한 레티클을 제조하는 레티클 제조 공정(스텝 S802), 실리콘 재료로부터 웨이퍼를 제조하는 웨이퍼 제조 공정(스텝 S803), 노광 등에 의해 레티클의 패턴을 웨이퍼에 전사하는(노광 공정, 현상 공정 등을 포함함) 리소그래피 공정(스텝 S804), 디바이스의 조립을 행하는(다이싱 공정, 본딩 공정, 패키지 공정 등을 포함함) 조립 공정(스텝 S805), 디바이스의 검사를 행하는 검사 공정(스텝 S806) 등을 거쳐 제조된다. 이러한 반도체 디바이스 제조 방법의 리소그래피 공정에 있어서, 전술의 노광 방법을 이용하여, 패턴의 노광을 행함으로써, 선폭이 매우 가는 패턴이어도 결함(불량)의 발생률을 지극히 낮게 할 수 있기 때문에, 결함을 갖지 않는 고성능인 반도체 디바이스를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 노광 장치에 의해 사전 결정된 마스크 패턴이 투영 노광되어 표면에 마스크 패턴에 근거하는 반도체 패턴이 형성된 반도체 기판을 지지하는 스테이지와, 스테이지로 지지된 상기 반도체 기판의 표면에 조명광을 조사하는 조명부와, 조명광이 조사된 반도체 기판의 표면으로부터의 광을 검출하는 검출부와, 검출부로 검출된 상기 반도체 기판의 표면으로부터의 광의 정보에 근거하여, 형성된 패턴 내의 포커스 어긋남의 경향을 구하는 연산부를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 검사 장치를 얻을 수 있다. 또한, 연산부는, 노광 장치의 포커스 조건을 샷마다 변화시켜 상기 투영 노광된 반도체 기판의 표면으로부터의 광의 정보에 근거하여, 상기 포커스 어긋남의 경향을 구할 수 있다. 또한, 연산부는, 샷내에 설정한 복수의 설정 영역마다, 상기 설정 영역의 휘도가 최대로 되는 샷에서의 포커스 조건을 구하고, 설정 영역마다 구한 휘도가 최대로 되는 포커스 조건에 근거하여 포커스 어긋남의 경향을 구할 수 있다. 또한, 연산부에 의해 구해진 포커스 어긋남의 경향을 노광 장치에 입력 가능한 신호로 변환하여 출력하는 신호 출력부를 더 구비할 수 있다. 또한, 조명부는, 대략 평행한 광속으로 반도체 기판의 상기 패턴이 형성된 면의 전체면을 일괄 조명하고, 검출부는, 전면으로부터의 광을 일괄하여 검출할 수 있다. 또한, 조명부는, 반도체 기판의 반도체 패턴으로 회절광이 발생하도록, 조명광을 반도체 기판의 표면에 조사하고, 검출부는, 조명광이 조사되어 반도체 기판의 반도체 패턴에서 발생한 회절광을 검출할 수 있다. 또한, 회절광이 발생하는 회절 조건을 변화시켜, 조명부가 반도체 기판의 표면에 조명광을 조사함과 아울러, 검출부가 회절 조건에 따른 회절광을 검출하고, 연산부는, 복수의 회절 조건에서 검출된 회절광의 정보에 근거하여, 포커스 어긋남의 경향을 구할 수 있다. 또한, 조명부는, 조명광으로서 대략 직선 편광을 반도체 기판의 표면에 조사하고, 검출부는, 편광이 조사된 반도체 기판의 반도체 패턴에 있어서의 구조성 복굴절에 의한 편광의 변화를 검출할 수 있다.
또한, 노광 장치에 의해 노광되어 표면에 반도체 패턴이 형성된 반도체 기판을 지지하는 스테이지와, 스테이지로 지지된 반도체 기판의 표면에 조명광을 조사하는 조명부와, 조명광이 조사된 반도체 기판의 표면으로부터의 광을 검출하는 검출부와, 검출부로 검출된 반도체 기판의 표면으로부터의 광의 정보에 근거하여, 반도체 기판의 표면에 대한 노광 장치의 포커스의 변동 상태를 결정하는 연산부를 구비하여 구성되는 검사 장치를 얻을 수 있다. 또한, 노광 장치의 포커스의 변동 상태와 반도체 기판의 표면으로부터의 광의 관계를 기억하는 기억부를 더 구비하며, 연산부는, 기억부에 기억된 정보와 검사 대상인 반도체 기판의 표면으로부터의 광과에 근거하여, 노광 장치의 포커스의 변동 상태를 구할 수 있다. 또한, 조명부는, 반도체 기판의 반도체 패턴으로 회절광이 발생하도록, 조명광을 반도체 기판의 표면에 조사하고, 검출부는, 조명광이 조사되어 반도체 기판의 반도체 패턴으로 발생한 회절광을 검출할 수 있다. 또한, 조명부는, 조명광으로서 대략 직선 편광을 반도체 기판의 표면에 조사하고, 검출부는, 편광이 조사된 반도체 기판의 반도체 패턴에 있어서의 구조성 복굴절에 의한 편광의 변화를 검출할 수 있다. 또한, 조명부가, 반도체 기판의 반도체 패턴으로 회절광이 발생하도록, 조명광을 반도체 기판의 표면에 조사함과 아울러, 검출부가, 조명광이 조사되어 반도체 기판의 반도체 패턴으로 발생한 회절광을 검출하고, 조명부가, 조명광으로서 대략 직선 편광을 반도체 기판의 표면에 조사함과 아울러, 검출부가, 편광이 조사된 반도체 기판의 반도체 패턴에 있어서의 구조성 복굴절에 의한 편광의 변화를 검출하고, 연산부는, 검출부에 각각 검출된 상기 회절광의 정보 및 편광의 변화 정보에 근거하여, 노광 장치의 포커스의 변동 상태를 구할 수 있다.
1 : 표면 검사 장치
5 : 스테이지(변경부)
10 : 웨이퍼(10a : 조건 가변 웨이퍼)
15a∼15e : 계측용 웨이퍼
20 : 조명계(조명부)
30 : 수광계
35 : 촬상 장치(검출부)
40 : 화상 처리부(연산부)
60 : 검사부
80 : 제어부
82 : 통신 포트(입력부)
85 : 기억부
90 : 신호 출력부
100 : 노광 장치

Claims (34)

  1. 상이한 노광 상태에서의 노광에 의해 작성된 복수의 패턴에 조명광을 조사하는 조명부와,
    상기 조명광이 조사된 상기 복수의 패턴으로부터의 광을 검출하는 검출부와,
    상기 검출부에서 검출된 검출 결과에 근거하여, 노광 상태를 구하는 연산부
    를 구비하고,
    상기 연산부는, 상기 복수의 패턴에 있어서의 제 1 패턴 영역에서의 상기 광의 검출 결과와 상기 복수의 상이한 노광 상태의 제 1 관계를 구하고, 상기 복수의 패턴에 있어서의 제 2 패턴 영역에서의 상기 광의 검출 결과와 상기 복수의 상이한 노광 상태의 제 2 관계를 구하고, 상기 제 2 패턴 영역에 포함되는 패턴이 노광에 의해 작성되었을 때의 노광 상태를 구하기 위해, 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계를 비교하는
    검사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는, 상기 노광 상태로서 상기 패턴이 노광되었을 때의 포커스 상태와 노광량 중 적어도 한쪽을 연산하는 검사 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 조명부와 상기 검출부를 제어하는 제어부를 더 구비하며,
    상기 제어부는, 상기 포커스 상태의 오프셋에 기인하는 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계 중 적어도 한쪽의 변화가 상기 노광량의 오프셋에 기인하는 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계 중 적어도 한쪽의 변화보다 작도록, 또는 상기 노광량의 오프셋에 기인하는 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계 중 적어도 한쪽의 변화가 상기 포커스 상태의 오프셋에 기인하는 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계 중 적어도 한쪽의 변화보다 작도록, 상기 조명부와 상기 검출부 중 적어도 한쪽을 제어하는
    검사 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출부가 상기 패턴으로부터의 회절광을 검출하는 검사 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 검출부가 4차 이상의 차수의 회절광을 검출하는 검사 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출부가 상기 패턴으로부터의 반사광 중 사전 결정된 편광 성분을 검출하는 검사 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 패턴으로부터의 광을 복수 회 검출하고, 상기 연산부는 상기 복수 회의 검출 결과를 적분한 적분 신호에 근거하여 상기 노광 상태를 결정하는 검사 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명부는 실질적으로 콜리메이트된 광을 이용하여 상기 복수의 패턴이 형성된 표면 전체를 일괄하여 조명하고,
    상기 검출부는 상기 표면에 있는 상기 복수의 패턴으로부터의 상기 광을 일괄하여 검출하는
    검사 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부에 의해 결정된 상기 노광 상태를 출력하는 출력부를 더 구비하고,
    상기 노광 상태는 상기 노광을 행한 노광 장치에 피드백될 수 있도록 보내지는
    검사 장치.
  10. 상이한 노광 상태에서의 노광에 의해 작성된 복수의 패턴에 조명광을 조사하는 단계와,
    상기 조명광이 조사된 상기 복수의 패턴으로부터의 광을 검출하는 단계와,
    상기 검출하는 단계에서 검출된 검출 결과에 근거하여, 노광 상태를 구하는 단계
    를 구비하고,
    상기 구하는 단계는 상기 복수의 패턴에 있어서의 제 1 패턴 영역에서의 상기 광의 검출 결과와 상기 복수의 상이한 노광 상태의 제 1 관계를 구하는 단계와, 상기 복수의 패턴에 있어서의 제 2 패턴 영역에서의 상기 광의 검출 결과와 상기 복수의 상이한 노광 상태의 제 2 관계를 구하는 단계와, 상기 제 2 패턴 영역에 포함되는 패턴이 노광에 의해 작성되었을 때의 노광 상태를 구하기 위해, 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계를 비교하는 단계를 포함하는
    검사 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 노광 상태로서 상기 패턴이 노광되었을 때의 포커스 상태와 노광량 중 적어도 한쪽이 결정되는 검사 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 포커스 상태의 오프셋에 기인하는 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계 중 적어도 한쪽의 변화가 상기 노광량의 오프셋에 기인하는 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계 중 적어도 한쪽의 변화보다 작도록, 또는 상기 노광량의 오프셋에 기인하는 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계 중 적어도 한쪽의 변화가 상기 포커스 상태의 오프셋에 기인하는 상기 제 1 관계와 상기 제 2 관계 중 적어도 한쪽의 변화보다 작도록, 조명하는 조명부와 결과를 검출하는 검출부 중 적어도 한쪽이 제어되는 검사 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패턴으로부터의 회절광이 검출되는 검사 방법.
  14. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패턴으로부터의 광의 사전 결정된 편광 성분이 검출되는 검사 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 패턴으로부터의 광이 복수 회 검출되고, 상기 복수 회의 검출 결과를 적분한 적분 신호에 근거하여 상기 노광 상태가 결정되는 검사 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 패턴이 형성된 표면 전체가 일괄하여 조명되고, 상기 표면 전체에 있는 상기 패턴으로부터의 상기 광이 일괄하여 검출되는 검사 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 패턴을 노광한 노광 장치에 피드백될 수 있는 정보로서 결정되고 사용되는 상기 노광 상태를 출력하는 단계를 더 구비하는 검사 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 비교에 근거하여 상기 제 2 패턴 영역에 포함되는 패턴이 만들어졌을 때의 노광 상태를 결정하는 검사 장치.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제 13 항에 있어서,
    4차 이상의 차수의 회절광이 검출되는 검사 방법.
  24. 제 10 항에 있어서,
    상기 비교에 근거하여 상기 제 2 패턴 영역에 포함되는 패턴이 만들어졌을 때의 노광 상태가 결정되는 검사 방법.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 패턴은 기판 상에 있는 검사 장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 검출부 사이의 상대 위치와 상기 기판과 상기 조명부 사이의 상대 위치 중 적어도 한쪽을 변경하는 변경부를 더 구비하고,
    상기 검출부는 상기 상대 위치의 변경 전후에 상기 복수의 패턴으로부터의 광의 결과를 검출하고,
    상기 연산부는 상기 상대 위치의 변경 전후의 상기 검출 결과에 근거하여 상기 제 2 패턴 영역에 포함되는 패턴이 만들어졌을 때의 노광 상태를 결정하는
    검사 장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 연산부는 복수의 상기 상대 위치에 대한 상기 검출 결과의 평균에 근거하여 상기 노광 상태를 결정하는 검사 장치.
  32. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 패턴은 기판 상에 있는 검사 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 기판과 결과를 검출하는 검출부 사이의 상대 위치와 상기 기판과 조명하는 조명부 사이의 상대 위치 중 적어도 한쪽을 변경하는 단계와,
    상기 검출부에 의한 상기 상대 위치의 변경 전후에 상기 복수의 패턴으로부터의 광의 결과를 검출하는 단계와,
    상기 상대 위치의 변경 전후에 생성되는 상기 검출 결과에 근거하여 상기 제 2 패턴 영역에 포함되는 패턴이 만들어졌을 때의 노광 상태를 결정하는 단계
    를 더 구비하는 검사 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 노광 상태는 복수의 상기 상대 위치에 대하여 생성되는 상기 검출 결과의 평균에 근거하여 결정되는 검사 방법.
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