WO2013118543A1 - 表面計測装置 - Google Patents

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WO2013118543A1
WO2013118543A1 PCT/JP2013/050618 JP2013050618W WO2013118543A1 WO 2013118543 A1 WO2013118543 A1 WO 2013118543A1 JP 2013050618 W JP2013050618 W JP 2013050618W WO 2013118543 A1 WO2013118543 A1 WO 2013118543A1
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WO
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spatial frequency
measurement apparatus
frequency spectrum
surface measurement
detection
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PCT/JP2013/050618
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French (fr)
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昌昭 伊東
神宮　孝広
貴則 近藤
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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Publication date
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    • G—PHYSICS
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    • G01N2033/0095—Semiconductive materials
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    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions

Definitions

  • the present invention relates to a surface measuring device for measuring the roughness of a substrate surface and an inspection device for inspecting a defect on the substrate surface.
  • the present invention relates to a surface measurement and inspection apparatus using a light scattering method, and more particularly to microroughness measurement and defect inspection of a wafer surface or the like in a semiconductor device manufacturing process.
  • microroughness occurs in processes such as polishing, cleaning, film formation, heat treatment, and planarization. Therefore, in order to improve the performance and yield of devices, the microroughness is measured for each process. It is necessary to properly manage state and process conditions.
  • AFM Anamic Force Microscope
  • Patent Document 5 A microroughness measuring apparatus using a light scattering method is disclosed in, for example, US Pat. No. 7,286,218 (Patent Document 5).
  • Patent Document 8 discloses filtering by signal processing.
  • the aperture of a plurality of detection optical systems is associated with a spatial frequency region of microroughness, and RMS (root mean square) roughness can be evaluated for each spatial frequency region.
  • RMS root mean square
  • the spatial distribution of scattered light changes in various directions such as forward / backward / sideways depending on the difference in microroughness, but consideration is given to changes in scattered light that do not enter the aperture of the detection optical system. Absent.
  • an epi wafer has a step / terrace structure in a specific direction and a specific spatial frequency.
  • the microroughness of the epi-wafer has anisotropy in a wide spatial frequency region in addition to the step / terrace structure. It was also found that due to this anisotropy, the spatial distribution of scattered light changes according to the direction of illumination light even in the same microroughness. The change in the detection signal due to the microroughness anisotropy is not considered in the prior art.
  • Patent Document 8 it is said that the low spatial frequency component of the background signal can be reduced by signal processing.
  • a first object of the present invention is to provide a surface measuring apparatus and method capable of measuring surface roughness with high precision in anisotropic microroughness.
  • a second object of the present invention is to provide a surface inspection apparatus and method capable of highly sensitive detection of defects on a surface having anisotropy microroughness.
  • the present invention is characterized in that a characteristic amount related to anisotropy of microroughness on a substrate surface is obtained.
  • the present invention is characterized in that the surface state is obtained in consideration of the microroughness anisotropy of the substrate surface.
  • the present invention is characterized in that surface defects are detected in consideration of the microroughness anisotropy of the substrate surface.
  • the present invention is characterized by continuously obtaining a two-dimensional spatial frequency spectrum defined by orthogonal spatial frequency axes with respect to surface roughness.
  • the present invention provides a surface measurement apparatus that illuminates light on a sample surface, detects scattered light from the sample surface with a plurality of detection optical systems, and measures the roughness of the sample surface from the plurality of detection signals.
  • the optical axis directions of the detection optical systems are different from each other, and the method includes a process of calculating a two-dimensional spatial frequency spectrum of the sample surface.
  • the present invention is characterized in that the illumination light is a spot beam, and the illumination light scans the sample surface by rotational movement and linear movement of the sample.
  • the present invention is characterized in that the optical axes of at least two of the detection optical systems are in a plane perpendicular to the incident surface of the sample, and the aperture is symmetric with respect to the incident surface.
  • the optical axes of at least two of the detection optical systems are in a plane perpendicular to the incident surface of the sample, and the aperture is symmetric with respect to the incident surface, and the optical axes of the at least two of the detection optical systems are incident. It lies in a plane parallel to the surface.
  • a relationship between a two-dimensional spatial frequency spectrum having a known surface roughness and a detection signal is recorded in advance in a library, the detection signal from the sample surface is compared with the library, and a two-dimensional space on the sample surface is compared. It includes processing for calculating a frequency spectrum.
  • the present invention includes a process of calculating a sum of the plurality of detection signals, and a process of calculating a ratio (detection signal ratio) between each detection signal and the detection signal sum.
  • the present invention includes a process of calculating a predetermined feature amount of the sample surface using the two-dimensional spatial frequency spectrum, and outputs a map of the feature amount in the entire sample surface or a predetermined region.
  • the feature amount is at least an anisotropic principal axis angle of the two-dimensional spatial frequency spectrum, an anisotropic flatness, an RMS roughness in a predetermined two-dimensional spatial frequency region, or the two-dimensional space. It is the cut-off spatial frequency or peak spatial frequency of the frequency spectrum, or the thickness of the film forming the sample surface.
  • the present invention includes a process of calculating a three-dimensional shape of the sample surface using the two-dimensional spatial frequency spectrum at a predetermined position on the sample surface, and outputting the three-dimensional shape.
  • the present invention provides a surface measurement method for illuminating a sample surface with light, detecting scattered light from the sample surface with a plurality of detection optical systems, and measuring the roughness of the sample surface from the plurality of detection signals.
  • the optical axis directions of the detection optical systems are different from each other, and the method includes a process of calculating a two-dimensional spatial frequency spectrum of the sample surface.
  • the present invention illuminates the sample surface with light, detects scattered light from the sample surface with a plurality of detection optical systems, and processes the plurality of detection signals to detect defects on the sample surface. Multiplying the plurality of detection signals by a weighting factor, and adding the output of the step to obtain a signal sum, wherein the weighting factor is a function of a declination in the polar coordinate system of the sample surface.
  • the present invention has at least one of the following effects.
  • a detailed state of the substrate surface can be obtained.
  • Highly sensitive detection of defects becomes possible. To express this effect more clearly, for example, by multiplying the detection signal according to the deviation angle of the inspection position on the wafer, high-sensitivity detection of defects can be performed on an anisotropic microroughness surface. It can also be expressed as possible.
  • FIG. 1 It is a figure which shows schematic structure of the surface measuring apparatus which concerns on this invention. It is a figure which shows the flow of the surface measurement which concerns on this invention. It is a figure which shows a pair of detection optical system and photodetector in Example 1 of the surface measuring apparatus which concerns on this invention. It is a figure which shows rotation and linear movement of a wafer. It is a figure which shows an example of the AFM measurement value of micro roughness. It is a figure which shows the contour line of a two-dimensional spatial frequency spectrum. It is a figure explaining the relationship between the principal axis direction of anisotropy and scattered light distribution. It is a figure explaining the relationship between an anisotropic flatness ratio and scattered light distribution.
  • Example 10 is a diagram illustrating a set of detection optical systems and photodetectors in Example 3. It is a figure which shows the signal processing of the conventional surface inspection apparatus. It is a figure explaining the relationship between the deflection angle of a test
  • FIG. 1 A schematic configuration of the surface measuring apparatus is shown in FIG.
  • the main components are a stage 2 on which the wafer 1 is mounted, a light source 3, an illumination optical system 4 having a lens, a mirror, etc., a detection optical system 51 to 59 having a lens, a mirror, etc. (53 to 59 are not shown), a detection Photodetectors 61 to 69 (63 to 69 are not shown) for detecting the light collected by the optical systems 51 to 59, a signal processing system 7, a control system 8, and an operation system 9.
  • the detection optical systems 51 to 59 are arranged so that at least one of an elevation angle and an azimuth angle differs from the wafer 1. Accordingly, the photodetectors 61 to 69 are also arranged so that at least one of the elevation angle and the azimuth angle differs from the wafer 1.
  • the light having a predetermined wavelength emitted from the light source 3 is changed to a predetermined polarization by a polarizing filter (not shown).
  • Light from the light source 3 passes through an illumination optical system 4 including a lens, a mirror, and the like.
  • the light that has passed through the illumination optical system 4 illuminates the wafer 1 with a predetermined incident angle and a predetermined direction (projection of the direction of the illumination light onto the wafer surface), and as a result, a spot of a predetermined size is formed on the wafer 1.
  • a beam is formed.
  • the direction of the illumination light and the spot beam position on the wafer are fixed with respect to the space.
  • the direction of the illumination light is, for example, parallel to a straight line connecting the spot beam position and the wafer center.
  • the operation so far is expressed as step 200 in FIG.
  • the scattered light due to microroughness on the surface of the wafer 1 is diverged by the illumination of the spot beam. Scattered light is collected by the detection optical systems 51 to 59 and detected by the photodetectors 61 to 69. This operation is included in step 201 in FIG.
  • FIG. 3 shows scattered light detection by a set of detection optical systems and photodetectors.
  • the detection optical system 52 and the photodetector 62 are arranged so as not to detect the regular reflection light from the surface of the wafer 1. That is, a dark field image of the spot beam on the wafer 1 is formed.
  • the detection optical systems 51 to 59 are arranged so that at least one of the elevation angle and the azimuth angle differs from the wafer 1, that is, the directions of the optical axes of the detection optical systems 51 to 59 are mutually different. Therefore, the set of detection signals reflects the spatial distribution of scattered light (hereinafter referred to as scattered light distribution). This indicates that the surface measurement apparatus of the present embodiment can obtain the scattered light distribution from the microroughness (step 201 in FIG. 2).
  • the detected signal is converted into a digital signal by an AD converter (not shown) and transmitted to the signal processing system 7.
  • the control system 8 moves the stage 2 so that the spot beam scans the entire surface of the wafer or a predetermined region while acquiring the detection signal.
  • the stage 2 is a rotary stage mounted on a linear moving stage.
  • the scanning operation performed between the spot beam and the wafer 1 will be described.
  • the wafer 1 is linearly moved by the stage 2 in the direction of the arrow 401 (this can also be expressed as a direction substantially parallel to the direction of the illumination light) Rotate in the direction of arrow 402. Accordingly, the locus of the spot beam on the wafer 1 is spiral.
  • the signal processing system 7 stores the measurement position on the wafer 1 in a polar coordinate system (coordinate system expressed by a radius and a declination) with the center of the wafer 1 as the origin.
  • a virtual reference line 405 for example, a half line passing through the notch 404 and the wafer center
  • the signal processing system 7 performs the subsequent processing.
  • the signal processing system 7 includes a storage medium in which a library is stored.
  • This library includes, for example, detection signals in optical conditions for obtaining a two-dimensional spatial frequency spectrum and scattered light distribution for a number of known microroughnesses. The relationship with is recorded.
  • the signal processing system 7 obtains a two-dimensional spatial frequency spectrum by referring to the detected scattered light distribution and the data in this library. More specifically, the signal processing system 7 compares the detected detection signal with the detection signal in the library, and obtains a two-dimensional spatial frequency spectrum for the most similar detection signal (step 203).
  • the two-dimensional spatial frequency spectrum means that when the surface shape is expressed in three-dimensional coordinates (X, Y, Z), the height Z is two-dimensionally Fourier transformed with respect to (X, Y), and the absolute value of the amplitude is squared. It can be expressed as the power that can be obtained. That is, the two-dimensional spatial frequency spectrum is defined by two intersecting (more specifically, orthogonal) spatial frequency axes in the X direction and the Y direction. Although details of the two-dimensional spatial frequency spectrum will be described later, the two-dimensional spatial frequency spectrum obtained in the present embodiment is continuous on the two-dimensional spatial frequency axis as shown in FIG.
  • the signal processing system 7 calculates a feature value of microroughness using the two-dimensional spatial frequency spectrum (step 204) and transmits it to the control system 8. Details of the feature amount will be described later. Then, after calculating the feature amount of the entire wafer surface or a predetermined region, a feature amount map is displayed on the operation system 9 (step 205).
  • a single wavelength light source such as a laser or a light emitting diode in the visible light region, the ultraviolet light region, and the far ultraviolet light region can be used.
  • a continuous wavelength light source such as a mercury lamp or a xenon lamp can also be used.
  • single wavelength light can be selected by a wavelength filter according to the sample surface.
  • s-polarized light, p-polarized light, circularly polarized light, elliptically polarized light, and the like can be selected according to the sample surface.
  • the spot beam size of the illumination light can be selected according to the required spatial resolution of the measurement position.
  • the incident angle of the illumination light can be selected from oblique incidence to normal incidence according to the sample surface.
  • the illumination optical system 4 and the detection optical systems 51 to 59 of the above-described embodiment are diffracted by a refractive type consisting of a lens, a reflective type consisting of a mirror, a reflective / refractive type combining a mirror and a lens, and a Fresnel zone plate.
  • a refractive type consisting of a lens
  • a reflective type consisting of a mirror
  • a reflective / refractive type combining a mirror and a lens
  • a Fresnel zone plate a Fresnel zone plate
  • a photomultiplier tube for the photodetectors 61 to 69 of the above embodiment, a photomultiplier tube, a multi-pixel photon counter, an avalanche photodiode array, or the like can be used.
  • the library of the embodiment can be created using a test wafer.
  • a test wafer is produced by intentionally changing process conditions in processes such as polishing, cleaning, film formation, heat treatment, and planarization.
  • microroughness is measured using AFM, and a two-dimensional spatial frequency spectrum is calculated.
  • a test wafer is mounted on the surface measuring apparatus of this embodiment, and a detection signal is acquired at the sampling position. In this way, the relationship between the two-dimensional spatial frequency spectrum and the detection signal can be recorded for known microroughness.
  • the library of the above embodiment can be created using numerical simulation.
  • a two-dimensional spatial frequency spectrum corresponding to an arbitrary microroughness is defined.
  • the BRDF method Bidirectional Reflectance Distribution
  • strength (proportional to a detection signal) of the scattered light which a detection optical system condenses is calculated using the calculated value of scattered light distribution.
  • the relationship between a number of two-dimensional spatial frequency spectra and detection signals can be recorded in the library without using a test wafer by numerical simulation.
  • FIG. 5 shows an example of an AFM measurement value of microroughness having anisotropy in a direction in which the amplitude of roughness is large and a direction in which it is small.
  • FIG. 5A represents the microroughness in a certain direction on the substrate (here, for convenience, the X direction).
  • FIG. 5B represents microroughness in a direction intersecting (more specifically, orthogonal) with the X direction. 5 expresses that the state of FIG. 5A is larger in roughness than the state of FIG. 5B.
  • the degree of difference in microroughness in two directions within a certain plane can be expressed as anisotropy of microroughness.
  • microroughness having anisotropy can be viewed as a set of roughness of various spatial frequencies in various directions.
  • the two-dimensional spatial frequency spectrum represents a quantity related to the amplitude of roughness on the two-dimensional spatial frequency axis.
  • the direction in which the two-dimensional spatial frequency spectrum is maximum is referred to as an anisotropic main axis in the following description.
  • the two-dimensional spatial frequency spectrum is minimal in the direction perpendicular to the principal axis.
  • the maximum value of the two-dimensional spatial frequency spectrum is P max and the minimum value is P min at a constant spatial frequency
  • “1- (P min / P max )” is an This is called flatness.
  • the flatness is 0 or more and 1 or less, and the larger the flatness, the more the anisotropy. That is, by obtaining the direction of the main axis, it is possible to know the maximum direction and the minimum direction of the two-dimensional spatial frequency spectrum. Further, the degree of anisotropy can be known by obtaining the anisotropic flatness.
  • FIG. 6 shows the contour of a two-dimensional spatial frequency spectrum for microroughness having anisotropy.
  • the microroughness having anisotropy the relationship between the two-dimensional spatial frequency spectrum and the scattered light distribution will be described.
  • the wafer 1 is rotated by the stage 2 while illuminating the wafer 1 from one direction. Therefore, as the wafer 1 rotates, the anisotropic principal axis direction changes with respect to the direction of the illumination light.
  • FIG. 7 shows the relationship between the anisotropic principal axis direction and the scattered light distribution.
  • the scattered light distribution display method is a projection of the intensity distribution on the celestial sphere onto a plane parallel to the wafer surface, and indicates that the intensity is higher as the gradation of light and shade is brighter. It can be seen that the scattered light distribution changes according to the anisotropic main axis direction. For example, if a plane including the direction of the illumination light and the normal of the wafer surface is defined as the incident surface, the state of FIG. 7A (the state where the incident surface and the principal axis direction are parallel) and FIG. (C) Comparing the states of (d), the intensity distribution of the scattered light changes greatly, particularly in the direction perpendicular to the incident surface. When the anisotropic main axis is parallel or perpendicular to the direction of the illumination light, the scattered light distribution is symmetric with respect to the incident surface.
  • FIG. 8 shows the relationship between the anisotropic flatness and scattered light distribution.
  • the principal axis of anisotropy is parallel to the direction of the illumination light. It can be seen that when the flatness is large (the state shown in FIG. 8B), compared to when the flatness is small (the state shown in FIG. 8A), the region where the scattered light is strong is shifted to the incident surface. That is, when the anisotropic flatness ratio changes, the scattered light distribution greatly changes in the direction perpendicular to the incident surface.
  • FIG. 9 shows the relationship between the spatial frequency component of microroughness and the scattered light distribution.
  • the principal axis of anisotropy is parallel to the direction of the illumination light.
  • FIGS. 7 to 9 can be summarized as follows. (1) When the anisotropic main axis direction changes, the scattered light distribution greatly changes in the direction perpendicular to the incident surface. (2) When the anisotropic flatness ratio changes, the scattered light distribution changes greatly in the direction perpendicular to the incident surface. (3) When the spatial frequency characteristic of microroughness changes, the scattered light distribution changes greatly in the direction parallel to the incident surface.
  • the detection apertures 101 to 109 of the detection optical systems 51 to 59 of the present embodiment are as shown in FIG. (The opening on the celestial sphere is projected and displayed on a plane parallel to the wafer surface).
  • the centers of the detection apertures 106 to 109 of the detection optical systems 56 to 59, that is, the optical axis of the detection optical system are in a plane perpendicular to the incident surface.
  • the projection line onto the wafer surface in a plane perpendicular to the incident surface can also be expressed as passing through the projection images of the detection apertures 106 to 109 projected onto the wafer surface.
  • the detection apertures 106 and 109 are symmetric with respect to the incident surface, and the detection apertures 107 and 108 are symmetric with respect to the incident surface.
  • the anisotropic main axis direction or the flatness ratio changes, the scattered light distribution changes greatly in the direction perpendicular to the incident surface, so that the change in the scattered light distribution can be detected with the above arrangement.
  • the centers of the detection apertures 101 to 105 of the detection optical systems 51 to 55 are within the incident plane.
  • the projection line of the incident surface onto the wafer surface can also be expressed as passing through the projection image of the detection apertures 101 to 105 projected onto the wafer surface.
  • a two-dimensional spatial frequency spectrum can be approximately represented by a function including several parameters.
  • an anisotropic ABC type function P (f, ⁇ ) will be described. This function is obtained by adding a weight function W ( ⁇ ) representing anisotropy to the ABC type function P 0 (f) that has been conventionally known. Definitions are shown in equations (1) to (5).
  • f X and f Y are spatial frequencies in the X direction and the Y direction, respectively.
  • A is related to the power on the low spatial frequency side
  • B is the reciprocal of the cutoff spatial frequency
  • C is related to the slope on the high spatial frequency side.
  • ⁇ is an angle formed by the principal axis of anisotropy and the spatial frequency axis in the X direction, and ⁇ is a flatness.
  • FIG. 11 shows an example of a two-dimensional spatial frequency spectrum expressed by an anisotropic ABC type function.
  • the calculation of the two-dimensional spatial frequency spectrum results in obtaining parameters ⁇ and ⁇ related to anisotropy and parameters A, B, and C related to spatial frequency characteristics.
  • FIG. 12 shows a calculation flow of a two-dimensional spatial frequency spectrum expressed by an anisotropic ABC type function.
  • the principal axis direction of anisotropy is constant with respect to the reference line of the wafer at each measurement position on the wafer.
  • the X direction of the orthogonal coordinate system is made to correspond to the reference line (polar angle 0 ° of the polar coordinate system).
  • the ratio between each detection signal and the total detection signal is calculated (step 1202).
  • the angle formed by the principal axis of anisotropy and the direction of the illumination light is given by ⁇ . Therefore, the detected signal ratio at the angle ⁇ - ⁇ is compared with the corresponding library, and the anisotropic flatness ⁇ is calculated (step 1204).
  • the detection signal ratio at the angle ⁇ - ⁇ and the flatness ratio ⁇ is compared with the corresponding library, and the parameters B and C of the spatial frequency characteristics are calculated (step 1205).
  • the sum of the detection signals at the angle ⁇ , the flatness ratio ⁇ , and the parameters B and C is compared with the corresponding library, and the parameter A is calculated (step 1206).
  • the above parameters ⁇ , ⁇ , A, B, and C can be calculated by numerical calculation such as the least square method.
  • the data capacity can be compressed, so that the two-dimensional spatial frequency spectrum data of all measurement positions can be stored.
  • all the parameters of the anisotropic ABC type function are calculated.
  • a parameter with a small change may be a fixed value (calculation is omitted), and only a parameter with a large change may be calculated.
  • the parameters ⁇ , ⁇ , B, and C are hardly changed, but the parameter A is largely changed.
  • the parameters ⁇ , ⁇ , B, and C may be fixed values, and only the parameter A may be calculated.
  • the anisotropic ABC type function defined by the equations (1) to (5) has been described.
  • other appropriate functions may be used according to the microroughness of the measurement target.
  • the operator uses the display device and the input device of the operation system 9 to select the feature quantity to be noticed according to the process.
  • the signal processing system 7 calculates the selected feature amount.
  • the feature amount is, for example, the principal axis angle of anisotropy of the two-dimensional spatial frequency spectrum (the angle that the principal axis forms with respect to the reference line 405 of the wafer in FIG. 4), the flatness ratio of the anisotropy, and a predetermined two-dimensional space.
  • RMS roughness in the frequency domain, cut-off spatial frequency, peak spatial frequency, etc. of the two-dimensional spatial frequency spectrum The RMS roughness is obtained by integrating a two-dimensional spatial frequency spectrum in the spatial frequency domain.
  • the two-dimensional spatial frequency spectrum is calculated as a continuous function of the spatial frequency, the spatial frequency region can be arbitrarily set.
  • FIG. 13 shows an example of a map of RMS roughness on the entire wafer surface.
  • the RMS roughness map reveals whether the state of the process equipment and the process conditions are appropriate.
  • the cut-off spatial frequency and peak spatial frequency are calculated by analyzing a two-dimensional spatial frequency spectrum.
  • a two-dimensional spatial frequency spectrum is calculated as a continuous function of spatial frequency, analysis can be performed with high spatial frequency resolution.
  • the cut-off spatial frequency map reveals how high the spatial frequency roughness exists.
  • the peak spatial frequency map makes it clear whether a specific direction and roughness of a specific spatial frequency exist as in the step-and-terrace structure.
  • the operator refers to the feature amount map and designates a position of interest on the wafer.
  • the operator designates a spatial frequency region of interest.
  • the signal processing system 7 calculates the coordinates (X, Y, Z) of the three-dimensional shape by performing a two-dimensional inverse Fourier transform in the spatial frequency domain using the two-dimensional spatial frequency spectrum at the position.
  • the spatial frequency region can be arbitrarily set.
  • the coordinate data is transmitted to the operation system 9, and the three-dimensional shape at the designated position is output.
  • FIG. 14 shows an example of the output of the three-dimensional shape of microroughness. With such a display, the operator can visually recognize the microroughness.
  • phase information is not included in the two-dimensional spatial frequency spectrum.
  • phase ⁇ range 0-2 ⁇
  • Two-dimensional inverse Fourier transform is performed on the complex amplitude U ⁇ (cos ⁇ + i ⁇ sin ⁇ ).
  • the wafer 1 may be a bare wafer or a wafer with a film.
  • the film is transparent with a wafer with a film, the microroughness of the interface between the film and the substrate and the thickness of the film can also be measured.
  • the present embodiment for example, by detecting the spatial distribution of scattered light and calculating a two-dimensional spatial frequency spectrum, it is possible to measure microroughness having anisotropy with high accuracy.
  • Example 2 expands the detectable spatial frequency region with respect to the first embodiment.
  • FIG. 15 shows the arrangement of the detection optical system (projecting the aperture on the celestial sphere onto a plane parallel to the wafer surface).
  • the second embodiment has 13 detection optical systems and 13 photodetectors corresponding to them. That is, detection openings 110 to 113 are added to the first embodiment.
  • the detection openings 110 and 111 are symmetric with respect to the incident surface, and the detection openings 112 and 113 are symmetric with respect to the incident surface.
  • Such a detection optical system arrangement can expand the detectable spatial frequency region. As a result, changes in the two-dimensional spatial frequency spectrum can be captured sensitively, and the measurement accuracy of anisotropic microroughness is improved.
  • Example 3 will be described.
  • the third embodiment improves the resolution of the detectable spatial frequency as compared with the first and second embodiments.
  • FIG. 16 shows scattered light detection by a set of detection optical systems and photodetectors.
  • the point of irradiating the wafer 1 with illumination light 1601 is the same as in the first and second embodiments.
  • the detection optical system mentioned in the first and second embodiments is replaced with a Fourier transform optical system 1602.
  • the Fourier transform optical system 1602 collects scattered light 1603 that diverges from the wafer and emits parallel light 1604. Then, the parallel light is detected by the two-dimensional sensor 1605.
  • a charge coupled device (CCD), a time delay integration sensor (TDI), a multi-pixel photon counter, an avalanche photodiode array, or the like can be used. After the scattered light is detected by the two-dimensional sensor, the same signal processing as in the first and second embodiments is performed.
  • CCD charge coupled device
  • TDI time delay integration sensor
  • multi-pixel photon counter an avalanche photodiode array, or the like
  • the spatial frequency resolution of the surface measuring device can be further improved because the spatial distribution of scattered light can be detected even with a pair of detection optical system and photodetector.
  • changes in the two-dimensional spatial frequency spectrum can be captured sensitively, and the measurement accuracy of anisotropic microroughness is improved.
  • the surface roughness measuring apparatus can measure the microroughness of the wafer surface in the semiconductor manufacturing process with high accuracy and appropriately manage the state of the process apparatus and the process conditions. .
  • the surface measuring device of the present invention can be widely applied to the measurement of the microroughness of the surface of a magnetic storage medium or the like.
  • the configuration of the surface inspection apparatus is basically the same as the surface measurement apparatus shown in FIG. Hereinafter, description of common parts is omitted, and only the signal processing system 7 will be described.
  • FIG. 17 shows signal processing for defect detection in a conventional surface inspection apparatus.
  • an appropriate threshold value is set with reference to the background signal from the microroughness. Then, the signal sum is compared with the threshold, and when the signal sum is larger than the threshold, it is determined that the inspection position is defective.
  • the microroughness has anisotropy, as shown in FIG. 7, the scattered light distribution changes according to the angle formed by the main axis direction of the anisotropy and the direction of the illumination light.
  • FIG. 18 shows the relationship between the deviation angle of the inspection position and the signal sum in one rotation of the wafer. In this case, since the threshold value needs to be set larger than the maximum value of the background signal, a defect cannot be detected.
  • FIG. 19 shows signal processing for defect detection performed by the signal processing system 7 of the surface inspection apparatus of this embodiment.
  • the weighting coefficient is a function of the deviation angle of the inspection position, and is set so as to cancel the change in the background signal accompanying the rotation of the wafer 1.
  • the adder 1902 adds the results of the weight multiplier 1901 to obtain a signal sum.
  • the comparison unit 1903 compares the signal sum with the threshold value. If the signal sum is greater than the threshold, the signal sum is recognized as a defect.
  • the comparison unit 1903 stores the defect position in association with the polar coordinates in the wafer 1.
  • FIG. 20 shows an example of the weighting factors W i and W j for the detection signals S i and S j by the two detection optical systems that are symmetric with respect to the incident surface. As described above, the weighting factor is different for each detection signal. Then, S 1 ⁇ W 1 , S 2 ⁇ W 2 ,..., S n ⁇ W n are added to obtain a signal sum.
  • FIG. 21 shows the relationship between the deviation angle of the inspection position and the signal sum in one rotation of the wafer in the surface inspection apparatus of this example. Since the maximum value of the background signal is small as compared with the conventional surface inspection apparatus, the threshold value can be set small. On the other hand, the defect signal is the same as that of the conventional surface inspection apparatus. As a result, it is possible to detect a defect missed by the conventional surface inspection apparatus.
  • the particle size analysis unit 1904 obtains the particle size of the defect by comparing the signal sum at the position determined to be a defect with the conversion function 1905.
  • This conversion function is obtained by inspecting a mirror-surface wafer coated with standard particles such as polystyrene latex spheres of known size with the surface inspection apparatus of this embodiment. Note that the conversion function described above may not be used as long as the particle size can be converted.
  • the detection signal by multiplying the detection signal by a weight according to the deviation angle of the inspection position on the wafer, it becomes possible to detect a defect with high sensitivity on a surface having microroughness having anisotropy. . Further, the particle size can be obtained more accurately even in the case of defects on the surface having microroughness having anisotropy.
  • the surface inspection apparatus of the present invention can detect defects on the wafer surface in the semiconductor manufacturing process with high sensitivity, and can appropriately manage the state and process conditions of the process apparatus. Moreover, the surface inspection apparatus of the present invention can be widely applied to surface defect inspection of magnetic storage media and the like.

Abstract

　表面計測、欠陥検査における従来技術では以下の点に配慮がなされていない。（１）空間周波数の刻みの粗さ（２）マイクロラフネスの異方性に起因する検出信号の変化（３）マイクロラフネスの異方性に起因する背景信号の変化。本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性に関する特徴量を得ることを特徴とする。さらに、本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性を考慮して表面の状態を得ることを特徴とする。さらに、本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性を考慮して表面の欠陥を検出することを特徴とする。

Description

表面計測装置
　本発明は、基板表面の粗さを計測する表面計測装置、及び基板表面の欠陥を検査する検査装置に関する。例えば、本発明は光散乱法を用いる表面計測および検査装置に係り、特に、半導体デバイス製造工程におけるウェハ表面などのマイクロラフネス計測および欠陥検査に関する。
　半導体デバイスの微細化に伴い、ベアウェハや膜付ウェハの表面のマイクロラフネスが電気特性に大きな影響を与えるようになってきた。マイクロラフネスは、研磨、洗浄、成膜、熱処理、平坦化などのプロセスで発生するので、デバイスの高性能化・歩留まり向上のためには、それぞれのプロセスごとにマイクロラフネスを計測し、プロセス装置の状態やプロセス条件を適正に管理する必要がある。
　マイクロラフネスの振幅は、サブナノメータからナノメータと非常に小さいので、一般的にはＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて３次元形状を計測している。しかし、ＡＦＭによる計測は長時間を要するので、ウェハ全面のインライン計測は実質的に不可能である。
　一方、マイクロラフネスは光散乱と相関があることが、従来から知られている。光散乱法を用いるマイクロラフネス計測装置は、例えば米国特許７２８６２１８号公報（特許文献５）に開示されている。その他の先行技術としては、特許文献１乃至４、６及び７が挙げられる。
　また、半導体デバイスの微細化に伴い、ベアウェハや膜付ウェハの表面において、微小な異物、突起、凹みなどの欠陥に対する検出感度の向上が要求されている。
　光散乱法を用いる表面検査装置の高感度化のためには、欠陥からの散乱光の検出信号（欠陥信号）を増大させ、マイクロラフネスからの散乱光の検出信号（背景信号）を低減する必要がある。背景信号の低減については、例えば特表２００７－５０１９４４号公報（特許文献８）に、信号処理によるフィルタリングが開示されている。
特表平９－５０３２９９号公報 特開平７－３３３１６４号公報 特開２０１０－２２３７７０号公報 特表２００７－５００８８１号公報 米国特許７２８６２１８号公報 米国特許５４２８４４２号公報 特開２００８－２７８５１５号公報 特表２００７－５０１９４４号公報
　特許文献５では、複数の検出光学系の開口をマイクロラフネスの空間周波数領域に対応付けて、空間周波数領域ごとにＲＭＳ（二乗平均平方根）粗さを評価できるとしている。しかし、空間周波数領域の分割数は検出光学系の数（実施例は６個）と同じなので、空間周波数の刻みが粗いという点には配慮がなされていない。
　また、散乱光の空間分布はマイクロラフネスの差異に応じて、前方／後方／側方と色々な方向に変化するが、検出光学系の開口に入らない散乱光の変化については、配慮がなされていない。
　また、エピタキシャル成長ウェハ（以下エピウェハと呼ぶ）の表面では、特定の方向かつ特定の空間周波数において、ステップ・テラス構造があることが、従来から知られている。本発明では、エピウェハのマイクロラフネスについて、ステップ・テラス構造の他に、広い空間周波数領域での異方性が存在することを見出した。そして、この異方性のために、同一のマイクロラフネスにおいても、散乱光の空間分布は照明光の方位に応じて変化してしまうことを見出した。このようなマイクロラフネスの異方性に起因する検出信号の変化ついては、従来技術では配慮がなされていない。
　また、特許文献８では、背景信号の低空間周波数成分を信号処理により低減できるとしている。しかし、エピウェハのようなマイクロラフネスの異方性に起因する背景信号の光学的な変化については、配慮がなされていない。
　従来技術では配慮がなされていない課題を整理するなら、例えば以下のように表現することができる。
（１）空間周波数の刻みの粗さ
（２）マイクロラフネスの異方性に起因する検出信号の変化
（３）マイクロラフネスの異方性に起因する背景信号の変化
　本発明は、例えば上述した（１）乃至（３）の課題のうち少なくとも１つを解決するものである。そして、本発明の第一の目的は、異方性を有するマイクロラフネスにおいて、表面粗さの高精度計測が可能な表面計測装置とその方法を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、異方性を有するマイクロラフネスがある表面において、欠陥の高感度検出が可能な表面検査装置とその方法を提供することにある。
　本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性に関する特徴量を得ることを特徴とする。
　本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性を考慮して表面の状態を得ることを特徴とする。
　本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性を考慮して表面の欠陥を検出することを特徴とする。
　より具体的に説明するなら、例えば以下のように表現することもできる。本発明は、表面粗さに関して、直交する空間周波数軸で定義する２次元空間周波数スペクトルを連続的に得ることを特徴とする。
　本発明は、試料表面に光を照明し、前記試料表面からの散乱光を複数の検出光学系により検出し、前記複数の検出信号から前記試料表面の粗さを計測する表面計測装置において、前記検出光学系の光軸の方向が互いに異なること、前記試料表面の２次元空間周波数スペクトルを算出する処理を含むことを特徴とする。
　本発明は、前記照明光はスポットビームであり、前記試料の回転移動と直線移動により、前記照明光が前記試料表面を走査することを特徴とする。
　本発明は、少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は前記試料の入射面に垂直な平面内にあり、かつ開口は入射面に関して対称であることを特徴とする。
　本発明は、少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は前記試料の入射面に垂直な平面内にあり、かつ開口は入射面に関して対称であり、少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は入射面に平行な平面内にあることを特徴とする。
　本発明は、既知の表面粗さの２次元空間周波数スペクトルと検出信号との関係を予めライブラリに記録し、前記試料表面からの前記検出信号を前記ライブラリと比較し、前記試料表面の２次元空間周波数スペクトルを算出する処理を含むことを特徴とする。
　本発明は、前記複数の検出信号の総和を計算する処理と、それぞれの検出信号と前記検出信号総和との比率（検出信号比率）を計算する処理とを含むことを特徴とする。
　本発明は、前記２次元空間周波数スペクトルを用いて、前記試料表面の所定の特徴量を算出する処理を含み、前記試料表面の全体または所定の領域における前記特徴量のマップを出力することを特徴とする。
　本発明は、前記特徴量は少なくとも、前記２次元空間周波数スペクトルの異方性の主軸角度、または異方性の扁平率、または所定の２次元空間周波数領域におけるＲＭＳ粗さ、または前記２次元空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、またはピーク空間周波数、または前記試料表面を形成する膜の厚さであることを特徴とする。
　本発明は、前記試料表面の所定の位置で、前記２次元空間周波数スペクトルを用いて前記試料表面の３次元形状を算出する処理を含み、前記３次元形状を出力することを特徴とする。
　本発明は、試料表面に光を照明し、前記試料表面からの散乱光を複数の検出光学系により検出し、前記複数の検出信号から前記試料表面の粗さを計測する表面計測方法において、前記検出光学系の光軸の方向が互いに異なること、前記試料表面の２次元空間周波数スペクトルを算出する処理を含むことを特徴とする。
　本発明は試料表面に光を照明し、前記試料表面からの散乱光を複数の検出光学系により検出し、前記複数の検出信号を処理して前記試料表面の欠陥を検出する表面検査装置において、前記複数の検出信号に重み係数を乗じるステップと、前記ステップの出力を加算して信号総和を得るステップとを含み、前記重み係数は前記試料表面の極座標系における偏角の関数であることを特徴とする。
　本発明は以下の効果のうち少なくとも１つを奏する。
（１）基板表面の詳細な状態を得ることができる。この効果をより分かりやすく表現するなら、例えば、散乱光の空間分布を検出し、２次元空間周波数スペクトルを算出することにより、異方性を有するマイクロラフネスの高精度計測が可能になると表現することもできる。
（２）欠陥の高感度検出が可能となる。この効果をより分かりやすく表現するなら、例えば、ウェハ上の検査位置の偏角に応じて検出信号に重みを乗じることにより、異方性を有するマイクロラフネスのある表面において、欠陥の高感度検出が可能になると表現することもできる。
本発明に係る表面計測装置の概略構成を示す図である。 本発明に係る表面計測のフローを示す図である。 本発明に係る表面計測装置の実施例１における、一組の検出光学系と光検出器を示す図である。 ウェハの回転と直線移動を示す図である。 マイクロラフネスのＡＦＭ計測値の一例を示す図である。 ２次元空間周波数スペクトルの等高線を示す図である。 異方性の主軸方向と散乱光分布の関係を説明する図である。 異方性の扁平率と散乱光分布の関係を説明する図である。 空間周波数成分と散乱光分布の関係を説明する図である。 本発明に係る表面検査装置の実施例１における、検出光学系の配置を示す図である。 異方性ＡＢＣ型関数で表した２次元空間周波数スペクトルの一例を示す図である。 異方性ＡＢＣ型関数で表した２次元空間周波数スペクトルの算出フローを示す図である。 ウェハ全面におけるＲＭＳ粗さのマップの一例を示す図である。 ３次元形状の出力の一例を示す図である。 実施例２における、検出光学系の配置を示す図である。 実施例３における、一組の検出光学系と光検出器を示す図である。 従来の表面検査装置の信号処理を示す図である。 従来の表面検査装置における、検査位置の偏角と信号総和の関係を説明する図である。 実施例４における信号処理を示す図である。 実施例４における検出信号の重み係数の一例を示す図である。 実施例４における検査位置の偏角と信号総和の関係を説明する図である。 実施例４における粒径換算を説明する図である。
　以下、図面を用いて説明する。
　本発明の一実施例として、半導体デバイス製造におけるウェハ表面のマイクロラフネスの計測装置について説明する。表面計測装置の概略構成を図１に示す。主な構成要素は、ウェハ１を搭載するステージ２、光源３、レンズ、ミラー等を有する照明光学系４、レンズ、ミラー等を有する検出光学系５１～５９（５３～５９は図示しない）、検出光学系５１～５９によって集光された光を検出する光検出器６１～６９（６３～６９は図示しない）、信号処理系７、制御系８、および操作系９である。なお、検出光学系５１～５９は、ウェハ１に対して仰角、及び方位角のうち少なくとも１つが異なるように配置される。それに伴い、光検出器６１～６９もウェハ１に対して仰角、及び方位角のうち少なくとも１つが異なるように配置されている。
　次に図２を用いて、本実施例での表面計測のフローについて説明する。光源３から放射される所定の波長の光を、偏光フィルタ（図示しない）により所定の偏光とする。光源３からの光は、レンズ、ミラー等を含む照明光学系４を通過する。そして照明光学系４を通過した光は、所定の入射角と所定の方位（照明光の方向のウェハ表面への投影）でウェハ１を照明し、その結果ウェハ１上には所定のサイズのスポットビームが形成される。照明光の方位とウェハ上のスポットビーム位置は、空間に対して固定である。照明光の方位は、例えば、スポットビーム位置とウェハ中心とを結ぶ直線に平行である。ここまでの動作は図２のステップ２００として表現される。
　スポットビームの照明により、ウェハ１表面のマイクロラフネスによる散乱光が発散する。検出光学系５１～５９により、散乱光を集光し、光検出器６１～６９で検出する。この動作は図２のステップ２０１に含まれる。
　ここで、検出光学系５１～５９が行う集光動作について説明する。図３は、一組の検出光学系と光検出器による散乱光検出を示すものである。本実施例では、ウェハ１表面からの正反射光は検出しないように、検出光学系５２、及び光検出器６２を配置している。つまり、ウェハ１上のスポットビームの暗視野像を結像することになる。前述したように検出光学系５１～５９は、ウェハ１に対して仰角、及び方位角のうち少なくとも１つが異なるように配置されている、つまり、検出光学系５１～５９の光軸の方向は互いに異なるので、検出信号の集合は散乱光の空間分布（以下散乱光分布と呼ぶ）を反映していることになる。このことは、本実施例の表面計測装置では、マイクロラフネスからの散乱光分布を得ることができることを示している（図２のステップ２０１）。
　検出された信号はＡＤ変換器（図示しない）によりデジタル信号に変換され、信号処理系７に伝送される。制御系８は、検出信号を取得しつつ、スポットビームがウェハ全面または所定の領域を走査するように、ステージ２を移動する。ステージ２は、直線移動ステージの上に、回転ステージを搭載したものである。
　ここで、スポットビームとウェハ１間で行われる走査動作について説明する。本実施例では、図４に示すように、ウェハ１はステージ２によって矢印４０１の方向（これは照明光の方位に対して実質的に平行な方向と表現することもできる）に直線移動し、矢印４０２の方向に回転する。したがって、ウェハ１上のスポットビームの軌跡は、らせん状になる。信号処理系７はウェハ１上の計測位置を、ウェハ１の中心を原点とする極座標系（半径と偏角とで表現される座標系）で記憶する。偏角は、ウェハ１の回転に応じて変化し、ウェハ上に仮想した基準線４０５（例えば、ノッチ４０４とウェハ中心とを通る半直線）を基準に表現できる。以上の走査動作により、ウェハ１上の位置座標と検出信号とは順次、信号処理系７に蓄積されることになる。この動作は図２のステップ２０２に含まれる。
　そして、ウェハ１の全面または所定の領域の走査終了後（ステップ２０２）、以降の処理を信号処理系７は行う。信号処理系７の内部にはライブラリを保存した記憶媒体があり、このライブラリには、例えば、多数の既知のマイクロラフネスについて、２次元空間周波数スペクトルと散乱光分布を得る際の光学条件における検出信号との関係が記録されている。信号処理系７は、検出した散乱光分布とこのライブラリ内のデータとを参照することで２次元空間周波数スペクトルを得る。より具体的には、信号処理系７は、検出した検出信号とライブラリ内の検出信号とを比較し、最も類似している検出信号について、２次元空間周波数スペクトルを得る（ステップ２０３）。
　ここで、２次元周波数スペクトルについて説明する。２次元空間周波数スペクトルとは、表面形状を３次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で表現したとき、高さＺを（Ｘ、Ｙ）に関して２次元フーリエ変換し、その振幅の絶対値を二乗して得られるパワーと表現することができる。つまり、２次元空間周波数スペクトルは、Ｘ方向とＹ方向という交差する２つの（より具体的には、直交する）空間周波数軸で定義される。なお、２次元空間周波数スペクトルの詳細については後述するが、本実施例で得られる２次元空間周波数スペクトルは図１１のように、２次元の空間周波数軸において連続的なものとなる。
　次に、２次元空間周波数スペクトルを得た後、信号処理系７は、２次元空間周波数スペクトルを用いてマイクロラフネスの特徴量を算出し（ステップ２０４）、制御系８に伝送する。なお、特徴量の詳細については後述する。そして、ウェハ全面または所定の領域の特徴量を算出後、特徴量のマップを操作系９に表示する（ステップ２０５）。
　本実施例の光源３については、可視光領域、紫外光領域、および遠紫外光領域のレーザや発光ダイオードなどの単一波長光源を使用できる。また、水銀ランプやキセノンランプなどの連続波長光源も使用できる。連続波長光源の場合、試料表面に応じて、波長フィルタにより単一波長光を選択できる。
　また、前記実施例の照明光の偏光については、ｓ偏光、ｐ偏光、円偏光、楕円偏光などを、試料表面に応じて選択できる。照明光のスポットビームサイズについては、計測位置の必要な空間分解能に応じて選択できる。照明光の入射角については、試料表面に応じて、斜入射から直入射まで選択できる。
　また、前記実施例の照明光学系４と検出光学系５１～５９については、レンズから成る屈折型、ミラーから成る反射型、ミラーとレンズを組み合わせた反射・屈折型、およびフレネルゾーンプレートなどの回折型を使用できる。
　また、前記実施例の光検出器６１～６９については、光電子増倍管、マルチピクセルフォトンカウンター、アバランシェフォトダイオードアレイなどを使用できる。
　また、前記実施例のライブラリについては、テストウェハを用いて作成できる。テストウェハとは、研磨、洗浄、成膜、熱処理、平坦化などのプロセスにおいて、プロセス条件を意図的に変えて作製したものである。テストウェハ表面のサンプリング位置で、ＡＦＭを用いてマイクロラフネスを計測し、２次元空間周波数スペクトルを算出する。そして、テストウェハを本実施例の表面計測装置に搭載し、前記サンプリング位置で検出信号を取得する。このように、既知のマイクロラフネスについて、２次元空間周波数スペクトルと検出信号との関係を記録できる。
　また、前記実施例のライブラリについては、数値シミュレーションを用いて作成することもできる。まず、任意のマイクロラフネスに対応する、２次元空間周波数スペクトルを定義する。次に、２次元空間周波数スペクトルと表面材料の複素屈折率や膜厚、および照明条件（例えば、照明光の波長、偏光、入射角、方位角等）を入力データとし、ＢＲＤＦ法（Bidirectional Reflectance Distribution Function）などを用いて、散乱光分布を計算する。そして、散乱光分布の計算値を用いて、検出光学系が集光する散乱光の強度（検出信号に比例）を計算する。このように、数値シミュレーションにより、テストウェハを用いなくても、多数の２次元空間周波数スペクトルと検出信号との関係を、ライブラリに記録できる。
　次に、本実施例の表面計測装置により、異方性を有するマイクロラフネスの計測精度が向上するメカニズムを説明する。
　図５は、異方性を有するマイクロラフネスのＡＦＭ計測値の一例を、粗さの振幅が大きい方向と小さい方向で示す。図５（ａ）は基板上のある方向（ここでは便宜的にＸ方向とする）でのマイクロラフネスを表現している。図５（ｂ）はＸ方向と交差（より具体的には直交）する方向でのマイクロラフネスを表現している。図５では、図５（ａ）の状態が、図５（ｂ）の状態よりも粗さが大きいことを表現している。このように、ある平面内の２つの方向について、マイクロラフネスが異なる度合いをマイクロラフネスの異方性と表現することができる。一般に、異方性を有するマイクロラフネスは、色々な方向の色々な空間周波数の粗さの集合と見ることができる。２次元空間周波数スペクトルは、２次元の空間周波数軸において、粗さの振幅に関係する量を表したものである。
　本実施例では、２次元空間周波数スペクトルが最大の方向を、以下の説明では、異方性の主軸と呼ぶ。多くの場合、主軸に直交する方向で、２次元空間周波数スペクトルは最小である。
　また、一定の空間周波数において、２次元空間周波数スペクトルの最大値をＰmax、最小値をＰminとするとき、以下の説明では、「１－（Ｐmin／Ｐmax）」を異方性の扁平率と呼ぶ。扁平率は０以上１以下であり、扁平率が大きいほど異方性は著しい。つまり、主軸の方向を得ることで２次元空間周波数スペクトルが最大の方向、最小の方向を知ることができる。また、異方性の扁平率を得ることで異方性の程度を知ることができる。
　図６は、異方性を有するマイクロラフネスについて、２次元空間周波数スペクトルを等高線表示したものである。以下、異方性を有するマイクロラフネスについて、２次元空間周波数スペクトルと散乱光分布との関係を説明する。本実施例では、前述したようにウェハ１を一方向から照明しながら、ステージ２によってウェハ１を回転させる。したがって、ウェハ１の回転に伴い、異方性の主軸方向は、照明光の方位に対して変化する。
　図７は、異方性の主軸方向と散乱光分布との関係を示したものである。散乱光分布の表示方法は、天球面上の強度分布をウェハ表面に平行な平面に投影したものであり、濃淡の階調が明るいほど強度は大きいことを示している。散乱光分布は、異方性の主軸方向に応じて変化することが分かる。例えば、照明光の方向とウェハ表面の法線とを含む平面を入射面と定義するなら、図７（ａ）の状態（入射面と主軸方向とが平行である状態）と図７（ｂ）（ｃ）（ｄ）の状態を比較すると、散乱光の強度分布は特に、入射面に垂直な方向で、大きく変化している。また、異方性の主軸が照明光の方位に対して平行または垂直のとき、散乱光分布は入射面に関して対称になる。
　図８は、異方性の扁平率と散乱光分布との関係を示す。ここで、異方性の主軸は照明光の方位に対して平行としている。扁平率が大きい場合（図８（ｂ）の状態）、扁平率が小さい場合（図８（ａ）の状態）に比べて、散乱光の強い領域は入射面に片寄ることが分かる。つまり、異方性の扁平率が変化すると、散乱光分布は入射面に垂直な方向で大きく変化するのである。
　図９は、マイクロラフネスの空間周波数成分と散乱光分布との関係を示す。ここで、異方性の主軸は照明光の方位に対して平行としている。高空間周波数成分が大きい場合（図９（ｂ）の状態）は、低空間周波数成分が大きい場合（図９（ａ）の状態）に比べて、散乱光の強い領域は照明光の進行方向に対して後方に片寄ることが分かる。つまり、マイクロラフネスの空間周波数特性が変化すると、散乱光分布は入射面に平行な方向で大きく変化するのである。
　図７乃至図９の説明をまとめると以下のように表現することができる。
（１）異方性の主軸方向が変化すると、散乱光分布は入射面に垂直な方向で大きく変化する。
（２）異方性の扁平率が変化すると、散乱光分布は入射面に垂直な方向で大きく変化する。
（３）マイクロラフネスの空間周波数特性が変化すると、散乱光分布は入射面に平行な方向で大きく変化する。
　つまり、散乱光分布の入射面に対する方向に着目すれば、異方性を有するマイクロラフネスに関する情報が得られるということである。
　このような異方性の差異と空間周波数特性の差異による散乱光分布の変化を検出するために、本実施例の検出光学系５１～５９の各検出開口１０１～１０９は、図１０のように配置される（天球面上の開口をウェハ表面に平行な平面に投影表示）。検出光学系５６～５９の各検出開口１０６～１０９の中心、すなわち検出光学系の光軸は、入射面に垂直な平面内にある。これは、他の表現としては、入射面に垂直な平面のウェハ表面への投影線は、ウェハ表面に投影される検出開口１０６～１０９の投影像を、通過すると表現することもできる。さらに、検出開口１０６と１０９は入射面に関して対称とし、検出開口１０７と１０８は入射面に関して対称としている。異方性の主軸方向または扁平率が変化すると、散乱光分布は入射面に垂直な方向で大きく変化するので、上記の配置により散乱光分布の変化を敏感に検出できる。
　一方、検出光学系５１～５５の各検出開口１０１～１０５の中心、すなわち検出光学系の光軸は、入射面内にある。これは、他の表現としては、入射面のウェハ表面への投影線は、ウェハ表面に投影される検出開口１０１～１０５の投影像を、通過すると表現することもできる。空間周波数特性が変化すると、散乱光分布は入射面に平行な方向で大きく変化するので、上記の配置により散乱光分布の変化を敏感に検出できる。
　以上のように検出光学系５１～５９をマイクロラフネスの異方性に関する情報を考慮した形で配置することにより、２次元空間周波数スペクトルにおける異方性の変化と空間周波数特性の変化を、敏感に捉えることが可能である。したがって、異方性を有するマイクロラフネスの計測精度が向上する。
　次に、異方性を有するマイクロラフネスの２次元空間周波数スペクトルの算出（図２のステップ２０３）について詳細に説明する。一般に、２次元空間周波数スペクトルは、いくつかのパラメータを含む関数で近似的に表すことができる。典型的な例として、異方性ＡＢＣ型関数Ｐ（ｆ、θ）について説明する。この関数は、従来から知られているＡＢＣ型関数Ｐ0（ｆ）に、異方性を表す重み関数Ｗ（θ）を付加したものである。定義を式（１）～（５）に示す。
　　ｆ＝（ｆX 2＋ｆY 2）1/2　　　　　　　　　　　　　　　…（１）
　　θ＝tan-1（ｆY／ｆX）　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
　　Ｐ0（ｆ）＝Ａ／（１＋（Ｂ×ｆ）2）C/2　　　　　　　…（３）
　　Ｗ（θ）＝ε／（２－ε）×cos（２（θ－α））＋１　…（４）
　　Ｐ（ｆ、θ）＝Ｐ0（ｆ）×Ｗ（θ）　　　　　　　　　…（５）
　ここで、ｆXとｆYはそれぞれＸ方向とＹ方向の空間周波数である。Ａは低空間周波数側のパワー、Ｂはカットオフ空間周波数の逆数、Ｃは高空間周波数側の傾きに関係する。また、αは異方性の主軸がＸ方向の空間周波数軸となす角、εは扁平率である。
　図１１は、異方性ＡＢＣ型関数で表した２次元空間周波数スペクトルの一例を示す。２次元空間周波数スペクトルの算出は、異方性に関するパラメータα、εと、空間周波数特性に関するパラメータＡ、Ｂ、Ｃを求めることに帰着する。
　図１２は、異方性ＡＢＣ型関数で表した２次元空間周波数スペクトルの算出フローを示す。ここでは、ウェハ上の各計測位置で、異方性の主軸方向はウェハの基準線に対して一定とする。また、直交座標系のＸ方向は、基準線（極座標系の偏角０°）に対応させる。まず、図２のステップ２０２の後、ウェハ１上の各計測位置において、検出器の全ての検出信号の総和を計算する（ステップ１２０１）。
　次に、それぞれの検出信号と検出信号総和との比率、すなわち検出信号比率を計算する（ステップ１２０２）。
　そして、入射面に関して対称な２つの検出器（図１０で説明するなら検出光学系５６の光検出器６６と検出光学系５９の光検出器６９との組み合わせ、検出光学系５７の光検出器６７と検出光学系５８の光検出器６８との組み合わせ）について、両者の検出信号比率が等しくなる偏角を抽出する。抽出された偏角（ウェハ３６０°回転当たり４通り）の方向に対して、異方性の主軸は平行または垂直である。そこで、ライブラリを参照し、異方性の主軸と平行な偏角を算出する。この偏角が、異方性の主軸がＸ方向となす角αである（ステップ１２０３）。
　次に、任意の偏角φにおいて、異方性の主軸と照明光の方位のなす角は、φ－αで与えられる。そこで、角度φ－αにおける検出信号比率を対応するライブラリと比較し、異方性の扁平率εを算出する（ステップ１２０４）。
　次に、角度φ－α、扁平率εにおける検出信号比率を対応するライブラリと比較し、空間周波数特性のパラメータＢ、Ｃを算出する（ステップ１２０５）。
　最後に、角度φ－α、扁平率ε、パラメータＢ、Ｃにおける検出信号総和を対応するライブラリと比較し、パラメータＡを算出する（ステップ１２０６）。
　上記のパラメータα、ε、Ａ、Ｂ、Ｃの算出は、最小二乗法などの数値計算により行うことができる。このように、２次元空間周波数スペクトルを関数で近似し、少数のパラメータで表現することにより、データ容量を圧縮できるので、全部の計測位置の２次元空間周波数スペクトルデータを保存できる。
　以上の実施例では、異方性ＡＢＣ型関数の全部のパラメータを算出したが、プロセスによっては、プロセス装置の状態やプロセス条件が変化しても、ほとんど変化しないパラメータがある。この場合、当該プロセスでは、変化が小さいパラメータは固定値とし（算出を省略）、変化が大きいパラメータだけを算出しても良い。例えば、テストウェハのＡＦＭ計測の結果、パラメータα、ε、Ｂ、Ｃはほとんど変化しないが、パラメータＡは変化が大きいとする。この場合、パラメータα、ε、Ｂ、Ｃは固定値とし、パラメータＡだけを算出しても良い。
　また、本実施例では、式（１）～（５）で定義した異方性ＡＢＣ型関数について説明したが、計測対象のマイクロラフネスに応じて、他の適切な関数を使用しても良い。
　次に、マイクロラフネスの特徴量の算出と出力について説明する。オペレータは、操作系９の表示装置、入力装置を使ってプロセスに応じて注目する特徴量を選択する。信号処理系７は選択された特徴量を算出する。ここで特徴量とは例えば、２次元空間周波数スペクトルの異方性の主軸角度（主軸が図４のウェハの基準線４０５に対してなす角）、異方性の扁平率、所定の２次元空間周波数領域におけるＲＭＳ粗さ、２次元空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数やピーク空間周波数などである。ＲＭＳ粗さは、２次元空間周波数スペクトルを当該空間周波数領域で積分して得られる。本実施例では、空間周波数の連続関数として、２次元空間周波数スペクトルを算出しているので、当該空間周波数領域は任意に設定できる。
　図１３は、ウェハ全面におけるＲＭＳ粗さのマップの一例を示す。ＲＭＳ粗さのマップにより、プロセス装置の状態やプロセス条件が適正か否かが判明する。
　また、カットオフ空間周波数やピーク空間周波数は、２次元空間周波数スペクトルの解析により算出する。本実施例では、空間周波数の連続関数として、２次元空間周波数スペクトルを算出しているので、高い空間周波数分解能にて解析できる。カットオフ空間周波数のマップにより、どのくらい高い空間周波数の粗さが存在しているかが判明する。また、ピーク空間周波数のマップにより、ステップ・テラス構造のような特定方向かつ特定空間周波数の粗さが存在するかが判明する。
　次に、マイクロラフネスの３次元形状の算出と出力について説明する。オペレータは、前記の特徴量のマップを参照して、ウェハ上の注目する位置を指定する。また、オペレータは、注目する空間周波数領域を指定する。信号処理系７は、当該位置の２次元空間周波数スペクトルを用いて、当該空間周波数領域で２次元フーリエ逆変換を行い、３次元形状の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を算出する。本実施例では、空間周波数の連続関数として、２次元空間周波数スペクトルを算出しているので、当該空間周波数領域は任意に設定できる。座標データは操作系９に伝送され、指定位置の３次元形状が出力される。図１４は、マイクロラフネスの３次元形状の出力の一例を示す。このような表示により、オペレータはマイクロラフネスを視覚的に認識できる。
　ここで、２次元フーリエ逆変換を行うには、振幅と位相が必要であるが、２次元空間周波数スペクトルに位相情報は含まれていない。しかし、マイクロラフネスの位相はランダムなので、乱数を発生させて位相を与えることができる。つまり、信号処理系７が３次元形状を得るフローは、以下のとおりである。
（１）２次元空間周波数スペクトル（パワー）の平方根を、振幅Ｕとする。
（２）位相δ（０～２πの範囲）を一様乱数で発生させる。
（３）複素振幅Ｕ×（cosδ＋ｉ×sinδ）を２次元フーリエ逆変換する。
　なお、ウェハ１はベアウェハでも膜付きウェハでも良い。膜付きウェハで膜が透明の場合、膜と基板との界面のマイクロラフネスや膜の厚さも計測できる。
　本実施例によれば、例えば、散乱光の空間分布を検出し、２次元空間周波数スペクトルを算出することにより、異方性を有するマイクロラフネスの高精度計測が可能になる。
　次に、実施例２について説明する。実施例２は、実施例１に対して、検出可能な空間周波数領域を拡大するものである。
　図１５は、検出光学系の配置を示す（天球面上の開口をウェハ表面に平行な平面に投影）。実施例２は、１３個の検出光学系と、それらに対応した１３個の光検出器を有する。すなわち、実施例１に対して、検出開口１１０～１１３が追加されている。検出開口１１０と１１１は入射面に関して対称とし、検出開口１１２と１１３は入射面に関して対称としている。
　このような検出光学系の配置により、検出可能な空間周波数領域を拡大することができる。その結果、２次元空間周波数スペクトルの変化を敏感に捉えることが可能となり、異方性のマイクロラフネスの計測精度が向上する。
　次に、実施例３について説明する。実施例３は、実施例１及び実施例２に対して、検出可能な空間周波数の分解能を向上させるものである。
　図１６は、一組の検出光学系と光検出器による散乱光検出を示す。ウェハ１に対して照明光１６０１を照射する点は、実施例１及び実施例２と同様である。実施例３では、実施例１及び実施例２で言及した検出光学系を、フーリエ変換光学系１６０２に置換している。フーリエ変換光学系１６０２は、ウェハから発散する散乱光１６０３を集光し、平行光１６０４を射出する。そして、平行光を２次元センサ１６０５により検出する。２次元センサとしては、電荷結合素子（ＣＣＤ）、時間遅延積分センサ（ＴＤＩ）、マルチピクセルフォトンカウンター、アバランシェフォトダイオードアレイなどを使用できる。２次元センサにより散乱光を検出した後、実施例１及び２と同様の信号処理が施される。
　実施例３では、一組の検出光学系と光検出器においても、散乱光の空間分布を検出できるので、表面計測装置の空間周波数分解能をさらに向上させることができる。その結果、２次元空間周波数スペクトルの変化を敏感に捉えることが可能となり、異方性のマイクロラフネスの計測精度が向上する。
　以上の実施例１～３に詳述したように、本発明の表面計測装置により、半導体製造プロセスにおけるウェハ表面のマイクロラフネスを高精度で計測し、プロセス装置の状態やプロセス条件を適正に管理できる。
　また、本発明の表面計測装置は、磁気記憶媒体などの表面のマイクロラフネスの計測にも広く適用可能である。
　本発明の他の実施例として、半導体デバイス製造におけるウェハ表面の欠陥検査装置について説明する。
　表面検査装置の構成は、図１に示した表面計測装置と基本的に同じである。以下、共通部分の説明は省略し、信号処理系７のみ説明する。
　図１７は、従来の表面検査装置における欠陥検出の信号処理を示す。複数の検出光学系により取得した検出信号Ｓ1、Ｓ2、…、Ｓnを加算し、信号総和を得る。一方、マイクロラフネスからの背景信号を参照し、適切な閾値を設定する。そして、信号総和と閾値を比較し、信号総和が閾値より大きい場合、検査位置に欠陥があると判定する。ところが、マイクロラフネスに異方性がある場合、図７に示したように、異方性の主軸方向と照明光の方位とのなす角に応じて、散乱光分布が変化する。このため、ウェハ面内でマイクロラフネスが同一でも、ウェハの回転に伴い、背景信号が変化してしまう。図１８は、ウェハ１回転における、検査位置の偏角と信号総和の関係を示す。この場合、閾値は背景信号の最大値より大きく設定する必要があるので、欠陥を検出できない。
　図１９は、本実施例の表面検査装置の信号処理系７が行う欠陥検出の信号処理を示す。信号処理系７内の重み乗算部１９０１では複数の検出光学系により取得した検出信号Ｓ1、Ｓ2、…、Ｓnに、それぞれ重み係数Ｗ1、Ｗ2、…、Ｗnを乗じる。重み係数は、検査位置の偏角の関数であり、ウェハ１の回転に伴う背景信号の変化を打ち消すように設定されている。加算部１９０２では、重み乗算部１９０１の結果を加算し、信号総和を得る。比較部１９０３では、信号総和と閾値とを比較する。信号総和が閾値より大きければ、その信号総和は欠陥であると認識される。比較部１９０３は、欠陥の位置をウェハ１内の極座標と対応付けて保存する。
　図２０は、入射面に関して対称な２つの検出光学系による検出信号Ｓi、Ｓjに対して、重み係数Ｗi、Ｗjの一例を示す。このように、重み係数は各検出信号ごとに異なる。そして、Ｓ1×Ｗ1、Ｓ2×Ｗ2、…、Ｓn×Ｗnを加算し、信号総和を得る。
　図２１は、本実施例の表面検査装置について、ウェハ１回転における、検査位置の偏角と信号総和の関係を示す。従来の表面検査装置に比べ、背景信号の最大値が小さいので、閾値を小さく設定できる。一方、欠陥信号は従来の表面検査装置と同じである。この結果、従来の表面検査装置で見逃した欠陥を検出することができる。
　さらに、本実施例の表面検査装置では、図２２に示す通り比較器１９０３の後段に粒径解析部１９０４を設けることも可能である。粒径解析部１９０４では、欠陥と判断された位置の信号総和と換算関数１９０５とを比較することで欠陥の粒径を得る。なお、この換算関数は、例えば大きさが既知のポリスチレンラテックスの球等の標準粒子を塗布した鏡面ウェハを本実施例の表面検査装置で検査することで得られるものである。なお、粒径を換算できるものであれば上述した換算関数でなくても良い。
　本実施例によれば、例えば、ウェハ上の検査位置の偏角に応じて検出信号に重みを乗じることにより、異方性を有するマイクロラフネスのある表面において、欠陥の高感度検出が可能になる。また、異方性を有するマイクロラフネスのある表面上の欠陥においても、その粒径をより正確に得ることができる。
　以上の実施例４に詳述したように、本発明の表面検査装置により、半導体製造プロセスにおけるウェハ表面の欠陥を高感度で検出し、プロセス装置の状態やプロセス条件を適正に管理できる。また、本発明の表面検査装置は、磁気記憶媒体などの表面の欠陥検査にも広く適用可能である。
１　ウェハ
２　ステージ
３　光源
４　照明光学系
７　信号処理系
８　制御系
９　操作系
５１、５２　検出光学系
６１、６２　光検出器

Claims (21)

  1. 　光を試料に照明する照明光学系と、
    　前記試料からの散乱光を検出する複数の検出光学系と、
    　前記複数の検出光学系の検出信号とライブラリとを用いて前記試料の連続的な２次元空間周波数スペクトルを得る信号処理系と、を有し、
    　前記２次元空間周波数スペクトルは交差する２つの空間周波数軸で定義されることを特徴とする表面計測装置。
  2. 　請求項１に記載の表面計測装置において、
    　前記ライブラリは、既知の表面粗さについて、２次元空間周波数スペクトルと検出信号との関係を記録したものであることを特徴とする表面計測装置。
  3. 　請求項２に記載の表面計測装置において、
    　前記信号処理系は、前記試料のマイクロラフネスに関する特徴量を得ることを特徴とする表面計測装置。
  4. 　請求項３に記載の表面計測装置において、
    　前記特徴量には、前記２次元空間周波数スペクトルの異方性に関する情報が含まれることを特徴とする表面計測装置。
  5. 　請求項４に記載の表面計測装置において、
    　前記２次元周波数スペクトルの異方性に関する情報には、２次元空間周波数スペクトルの異方性の主軸角度が含まれることを特徴とする表面計測装置。
  6. 　請求項４に記載の表面計測装置において、
    　前記２次元周波数スペクトルの異方性に関する情報には、異方性の扁平率が含まれることを特徴とする表面計測装置。
  7. 　請求項３に記載の表面計測装置において、
    　前記特徴量には、所定の２次元空間周波数領域におけるＲＭＳ粗さが含まれることを特徴とする表面計測装置。
  8. 　請求項３に記載の表面計測装置において、
    　前記特徴量には、前記２次元空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数が含まれることを特徴とする表面計測装置。
  9. 　請求項３に記載の表面計測装置において、
    　前記特徴量には、前記２次元空間周波数スペクトルのピーク空間周波数が含まれることを特徴とする表面計測装置。
  10. 　請求項３に記載の表面計測装置において、
    　前記検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面計測装置。
  11. 　請求項１０に記載の表面計測装置において、
    　前記信号処理系は、前記複数の検出光学系からの信号それぞれに係数を乗算するステップと、前記係数が乗算された信号を使用して前記試料上の欠陥を検出するステップと、を行い、
    　前記係数は前記試料の回転に伴う背景信号の変化を打ち消すよう設定されること特量とする表面計測装置。
  12. 　請求項１１に記載の表面計測装置において、
    　前記信号処理系は、前記欠陥の寸法を得ることを特徴とする表面計測装置。
  13. 　請求項１に記載の表面計測装置において、
    　少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は前記試料の入射面に実質的に垂直な平面内にあり、かつ開口は入射面に関して対称であることを特徴とする表面計測装置。
  14. 　請求項１に記載の表面計測装置において、
    　少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は前記試料の入射面に実質的に垂直な平面内にあり、かつ開口は入射面に関して対称であり、
    　少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は入射面に実質的に平行な平面内にあることを特徴とする表面計測装置。
  15. 　請求項１に記載の表面計測装置において、
    　前記信号処理系は、前記複数の検出光学系それぞれの検出信号の総和と前記検出信号との比率を得て、前記検出信号総和と前記検出信号比率と前記ライブラリとを用いて前記２次元空間周波数スペクトルを得ることを特徴とする表面計測装置。
  16. 　請求項１に記載の表面計測装置において、
    　前記検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面計測装置。
  17. 　請求項１に記載の表面計測装置において、
    　前記信号処理系は、前記２次元空間周波数スペクトルの異方性の主軸角度、異方性の扁平率、所定の２次元空間周波数領域におけるＲＭＳ（二乗平均平方根）粗さ、前記２次元空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、ピーク空間周波数、及び記試料表面を形成する膜の厚さのうち少なくとも１つを得ることを特徴とする表面計測装置。
  18. 　請求項１に記載の表面計測装置において、
    　前記信号処理系は、前記２次元空間周波数スペクトルに対して２次元フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面計測装置。
  19. 　請求項１８に記載の表面計測装置において、
    　前記信号処理系は、乱数を用いて前記２次元フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面計測装置。
  20. 　請求項１に記載の表面計測装置において、
    　前記信号処理系は、
    　前記複数の検出光学系からの信号それぞれに係数を乗算するステップと、前記係数が乗算された信号を使用して前記試料上の欠陥を検出するステップと、を行い、
    　前記係数は前記試料の回転に伴う背景信号の変化を打ち消すよう設定されること特量とする表面計測装置。
  21. 　請求項２０に記載の表面計測装置において、
    　前記信号処理系は、前記欠陥の寸法を得ることを特徴とする表面計測装置。
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