JP2000155099A - 試料表面の観察方法及びその装置並びに欠陥検査方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料表面に形成したパターンの欠陥を検出する
欠陥検出光学系において、照明光により試料表面で反射
した反射光の０次光と高次回折光の干渉により形成され
る試料の光学像のコントラストを向上させることによ
り、試料上に形成された微細な配線パターンの欠陥を感
度良く検出する。 【解決手段】試料を偏光照明する照明光学系と、試料で
偏光回転を受けた高次回折光を０次光よりも効率良く透
過する偏光光学部品と、偏光光学部品を透過あるいは反
射した光で試料の像を光電変換素子上に結像させる検出
光学系とを用いて高解像度光学系を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造工程や
フラットパネルデイスプレイの製造工程などにおいて、
微細パターン欠陥及び異物等の検査や観察に用いる高解
像度光学系とこれを用いた欠陥検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術として、特開平７−１２８５
９５号公報に、光学顕微鏡を用いて緻密なライン幅構造
を映像化する方法及び装置が記載されている。この技術
の特徴として、偏光板を用いて直線状に偏光した偏光光
の試料上に投射される偏光軸線の方向が、試料上の直線
状のパターンに対して約４５°の角度になるようにして
いる。偏光板と試料との間に配置された１/４波長板の
光学（遅延）軸線は、試料の主たる直線状の形状に対し
て最適な角度（典型的な例として２５°）の方向に向け
られており、この１/４波長板により直線偏光を楕円偏
光に変換し、試料を照明する。この楕円偏光の照明光
は、試料で反射されると位相差を受ける。これらの光
は、再び１/４波長板を透過して、検出光路上に設けた
偏光板を透過する向きに偏光される。検出光路上の偏光
板を透過した光が、光電変換素子の受光面上で試料の像
を結像するように光学系が構成されている。そして、試
料による位相差量を予め予測して照明光を楕円偏光に設
定し、試料で反射した後に円偏光になるように光学部品
を設定することが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の技術に
記載されたような、光学顕微鏡を用いて緻密なライン幅
構造を映像化する方法では、照明光路に偏光器を配置し
て直線偏光の光を透過させ、この直線偏光を１/４波長
板で楕円偏光に変換して試料を照明する構成となってい
るが、この光学系では、試料で反射することにより生じ
る位相差量を予め予測して、検出系のアナライザを透過
する光量が最大となるように照明光を楕円偏光に設定し
ている。このため、光学像の形成に寄与する０次光と高
次回折光の振幅の割合は、ランダム偏光照明の場合と同
等である(高次回折光に比べ０次光の振幅の方が大き
い)。このため、０次光と高次回折光の干渉により形成
される試料の光学像は、０次光に比べて高次回折光の振
幅が小さいために相対的に低周波成分が大きくなり、光
学像の解像度はあまり向上しない。

【０００４】また、イメージセンサなどを用いて画像を
検出する場合、センサの受光量が飽和しないように照明
光量を調節する必要があるが、例えば、周期的な微細パ
ターンは回折角が大きくなるため、パターンの明暗差が
小さく且つ暗く検出されることがあり、パターン像の観
察が困難になる。パターンの明暗差が小さく且つ暗く検
出される画像では、画像処理を用いた欠陥検査装置にお
いては、検出感度が低くなる問題がある。

【０００５】本発明の目的は、照明光の偏光と光学像を
形成する０次光と高次回折光の偏光をコントロールし、
観察や検査を対象としたパターンを高解像度に検出して
微小欠陥を検出できるようにした光学系を備えた欠陥検
査方法及びその装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、試料を偏光照明する照明光学系と、当
該試料で偏光回転を受けた高次回折光を０次光に対して
高効率に透過する偏光光学部品と、偏光光学部品を透過
あるいは反射した光で試料の像を光電変換素子上に結像
させる検出光学系とを用いて高解像度光学系を構成した
（たとえば、直線状のハ゜ターンに対して直交する振動方向
の偏光を照明し、ハ゜ターンに対してほぼ45゜の振動方向を
透過軸とする偏光器を配置する）。

【０００７】この照明光学系の偏光照明は、偏光ビーム
スプリッターを透過あるいは反射した光を用いて行うこ
とも可能である。この場合、偏光ビームスプリッターと
試料の間にλ/２板とλ/４板を配置し、ハ゜ターンの方向等
に応じて、λ/２板を回転させることにより偏光方向を
調整し、λ/４板を回転させることにより偏光の楕円率
を調整することができる。

【０００８】また、照明光の振動方向と光学像を形成す
る０次光と高次回折光の振動方向との組み合わせはたく
さんある。これらの設定方法が実用化の上で重要であ
る。本発明では、偏光状態を変更して検出した画像を一
覧したり、予備的な欠陥検査を行って欠陥検出感度が高
くなる偏光状態を選択できる機能を備えることにより、
最適な偏光状態を短時間で正確に求められるようにし
た。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の高解像度光学系の実施形
態について、図１(a)を用いて模式的に説明する。

【００１０】光源８を発光した光１８０'はレンス゛９を介
して集光され、偏光板１４を透過する。偏光板１４を透
過した光は直線偏光となり、ハーフミラー１５を透過した光が
照明光１８０となる。ハーフミラー１５を透過した光は対物レ
ンズ２０を介して試料１を落射照明する。試料１で反射
回折した光１８９'のうち、対物レンズ２０のNA(Numeri
cal Aperture)内の光１８９は再び対物レンズ２０に捕
捉され、ハーフミラー１５を反射して検出光路に導かれる。こ
の検出光１８９は偏光板２２の透過軸に対応した偏光面
の電界ベクトルの振動方向(以下、偏光の振動方向と称
す)の光を透過し、結像レンス゛３０を介してイメーシ゛センサ７０
上に試料１の像を結像する。

【００１１】ここで、偏光板１４は試料１に形成された
主たるハ゜ターンの方向1aに対して、偏光の振動方向を決め
る役割を持っており、検出したいハ゜ターンの方向1aに対し
て、例えば直交する振動方向を有する偏光となるように
位置決めする。尚、この振動方向は、対物レンズ２０の
射出瞳１９における振動方向である。

【００１２】また、偏光板２２は検出光１８９のうち、
特定の振動方向の光を透過するものであり、ハ゜ターン方向1
aに対して例えば45°に設定する。射出瞳１９上におけ
る照明光と試料１を反射した０次光と高次回折光の偏光
を図１(b)を用いて説明する。また、試料１上の照明光
の偏光と試料１を反射した０次光と高次回折光の偏光を
図１ (c)を用いて説明する。

【００１３】図１(b)において、射出瞳における照明光
１８０の１点の偏光を３００とする。偏光３００は、瞳
位置にける偏光の振動方向と、試料１を照明する方向３
０１が一致(あるいは直交)しているため、正反射光(０
次光)の偏光３１０'と高次回折光の偏光３１１は照明光
の振動方向と同様である(実際には、試料１を反射、回
折するときに位相差を受けるため、直線偏光は楕円偏光
になるが、ここでは省略した)。

【００１４】しかし、照明光の振動方向３００'と試料
１の照明方向３０２が一致あるいは直交していない場合
は、０次光の振動方向３１０'は照明光の振動方向３０
０'と同じであるが、高次回折光の振動方向３２０は偏
光回転を受けて照明光の振動方向３００'とは異なる
(尚、実際の振動方向は分布を持っており、振動方向と
は振幅の最も大きい振動方向を指す)。

【００１５】このため、図１(d)に示すとおり、０次光
の振動方向と高次回折光の振動方向は異なるため、偏光
板２２の透過軸を高次回折光の振動方向と一致させるこ
とにより、像面における高次回折光の振幅の割合を大き
くすることが可能となる。これにより、０次光と高次回
折光の振幅をほぼ同等にすることが可能となり、０次光
と高次回折光の干渉で形成される光学像の高解像度化が
可能となる。

【００１６】図２に、従来の落射照明と本発明の偏光照
明・検出によるラインアンドスペースの光学像検出結果
を示す。本発明の画像を取得した時の偏光板１４，２２
の透過軸は、図１に示した条件である。従来照明と本発
明の照明σは共に１であり、従来照明の回折像は全体に
０次光が分布し、±１次回折光は０次光に対して暗く、
振幅が小さい。これに対して、本発明の回折像は±１次
回折光の振幅が０次光に比べ大きく、明るく検出されて
いる。尚、±１次回折像には０次光も含まれており、正
確にはー１次回折像は＋１次回折光に対応する０次光と
ー１次回折光の分布の和である。これは＋１次回折像に
ついても同様である。

【００１７】また、０次光の低減部は、対応する高次回
折光が対物レンズ２０のNA外となるため、対物レンズ２
０の射出瞳１９における回折像には検出されない(この
±１次回折光の回折角は波長とパターン幅によって求ま
る) 。従って、０次光低減部の光は試料１の像の形成に
は寄与しない低周波成分であるため、低減による高解像
度化が説明できる。このため、従来照明ではラインアン
ドスペースのコントラストが低く(C=0.028)、ラインアンドス
ペースの分離が困難であるが、本発明ではコントラストが0.17
8に向上し、ラインアンドスペースの分離が明確になっ
ている。

【００１８】この結果、例えば１画素の検出サイズが
０.２μmの検出光学系を用いたとき、従来照明では、せ
いぜい０.１５μｍ程度しか分解能が得られなかったの
に対して、本発明によれば、画素サイズの半分０.１μ
ｍ程度まで分解能を高くすることができた。これによ
り、本発明によれば、高解像度化が達成されることが明
らかになった。

【００１９】図３に、本発明の光学系を用いた光学検査
装置の実施例を示す。試料１はチャック２に真空吸着さ
れており、このチャック２は、θステージ３、Ｚステー
ジ４、Ｙステージ５、Ｘステージ６上に搭載されてい
る。試料１の上方に配置されている光学系１１１は、試
料１に形成されているパターンの外観検査を行うために
試料１の光学像を検出するものであり、主に照明光学系
と試料１の像を撮像する検出光学系及び、焦点検出光学
系４５で構成されている。照明光学系に配置された光源
８はインコヒーレント光源であり、例えばキセノンラン
プである。

【００２０】光源８で発光した光は、レンズ９を介して
開口絞り１１の開口部を透過し、レンズを介して波長選
択フィルタ１２を透過した光が視野絞り１３に到達す
る。この波長選択フィルタ１２は試料１の分光反射率を
考慮し、高解像度の試料１の像を検出するために照明波
長域を限定するものであり、例えば干渉フィルタを配置
する。視野絞り１３を透過した光は、偏光板１４を透過
して直線偏光になる。この偏光された光はハーフミラー
１５を透過して、対物レンズ２０に入射し、試料１を照
明する。

【００２１】試料１を照明した光は、試料１上で反射、
散乱、回折し、対物レンズ２０のＮＡ以内の光は再び対
物レンズ２０に入射し、ハーフミラー１５で反射され、
偏光板２２に入射する。偏光板２２は高次回折光を０次
光に対して比較的高透過率になるようにθ方向の位置決
めをしており、結像レンズ３０及びズームレンズ５０を
介して、試料１の像を撮像するイメージセンサ７０の受
光面に試料１の像を形成する。尚、イメージセンサ７０
はリニアセンサやＴＤＩイメージセンサ或いはＴＶカメ
ラ等である。また、自動焦点合せを行うためには、焦点
検出光を焦点検出光学系４５に導く必要があり、この光
分割手段２５は例えばダイクロイックミラーである。

【００２２】焦点検出光は結像レンズ４０で試料１の高
さ情報を有した光学像をセンサ４１上に形成し、このセ
ンサ出力の信号は、焦点検出信号処理回路９０に入力さ
れ、この焦点検出信号処理回路９０で試料１の高さと対
物レンズ２０の焦点位置のズレ量を検出し、ＣＰＵ７５
に焦点ズレ量のデータを送る。この焦点ズレ量に応じ
て、ＣＰＵ７５からステージ制御部８０にＺステージ４
を駆動させる指令を行い、所定パルスをステージ制御部
８０からＺステージ４に送り、自動焦点機能が働く。

【００２３】また、検出光学系の光電変換素子７０で検
出した試料１の光学像の画像データは、画像処理回路７
１に入力されて記憶や処理が行われ、欠陥判定回路７２
で欠陥部の判定を行い、その結果を、デイスプレイなど
の表示手段に表示するとともに、通信手段を介して、ワ
ークステーションやデータサーバなどの外部記憶・制御
装置へ送信される。

【００２４】検出した画像データから欠陥部の判定を行
う光電変換素子７０から欠陥判定回路７２までの一連の
画像処理の具体的な処理の方法としては、例えば、特開
平２−１７０２７９号公報または特開平３−３３６０５
号公報などに記載されているように、隣接チップの対応
する画像データ同士を比較することにより行う方法や、
隣接チップの対応する画像データ同士を比較する方法、
隣接するパターンの画像データ同士を比較する方法、設
計データと画像データ同士を比較する方法等がある。

【００２５】試料１のＸＹ方向への移動は、ステージ制
御部８０でＸステージ６及びＹステージ５の動きを２次
元的に制御して行う。また、θステージ３は、ＸＹステ
ージ６及び５の運動方向と試料１に形成されたパターン
のθアライメントを行うときに用いる。

【００２６】本発明では、落射照明方式の光学系が実施
の形態であるが、この光学系の解像度Ｒは、一般的にＲ
＝λ／（２ＮＡ）で求められる。しかし、直線偏光を用
いた光学系では、先に求めたＲ以上の解像度が得られる
ことを、図２で明らかにした。

【００２７】図４に、本発明の他の実施形態について説
明する。尚、この実施形態においても図１、図２で示し
たものと同等の効果が得られる。

【００２８】光源８から発射した光は、レンズ９を介し
て開口絞り１１を透過し、波長選択フィルタ１２、視野
絞り１３を透過して偏光ビームスプリッター１５に入射
する。偏光ビームスプリッター１５を透過するＰ偏光を
照明光とし、Ｐ偏光に位相差を与えるλ/２板１６,λ/
４板１７を透過した光が、対物レンズ２０を介して試料
１を照明する。ここで、λ/２板１６を回転させること
により、偏光の振動方向をハ゜ターンに対して所定の角度に
設定する(図１に示した例では９０°であるが、必ずし
も９０°である必要はない)。また、λ/４板は直線偏光
を楕円偏光にする位相差板であり、対物レンズ２０を介
して試料１を照明した検出光が再びλ/２板１６,λ/４
板１７を透過して偏光ビームスプリッタ２０を反射し、
検出光路に導かれるようにするためである。

【００２９】本実施例では試料１の反射による位相差を
考慮していないが、λ/４板１７がない場合は試料１を
正反射(０次光)した光は偏光ビームスプリッターで透過
するため、検出光路に導かれるのは高次回折光のみとな
る。但し、実際は試料１を反射することにより多少の位
相差を受けるため、０次光の漏れ光が検出される。

【００３０】このため、偏光ビームスプリッタ１５を図
１に示す偏光板１４、偏光板２２の代替えとして用いる
場合は、高次回折光の振幅と同等の０次光を検出光路に
導くためには、λ/４板１７を用いて試料１を照明する
偏光の楕円率を適正値に設定する必要がある。尚、λ/
４板１７の結晶の光軸と照明光の直線偏光の振動方向が
４５°をなす場合は、λ/４板１７を透過した照明光は
円偏光となる。

【００３１】この場合、試料１を反射してλ/４板１７
を往復した０次光はＳ偏光となり、偏光ビームスプリッ
ター１５を反射して検出光路に導かれる。従って、検出
光路に導かれる光量は大きくなる。これは、低周波成分
である０次光の光量が大きくなるためであり、光学像の
コントラストは従来の顕微鏡と同等程度となり、光学像
の解像度は向上しない。このため、λ/４板１７の結晶
の光軸方向と直線偏光の振動方向のなす角は試料１に形
成されたパターン等により最適な角度は変化する。従っ
て、λ/４板１７による位相差（試料１を照明する偏光
の楕円率）を変更できるように回転可能な構成にすると
良い。

【００３２】これにより、試料１を反射、回折した光の
一部はλ/２板１７,λ/４板１７を再び透過して、偏光
ビームスプリッター１５を反射し、イメージセンサ７０
上に試料１の光学像を形成する。ここで、λ/２板１６
とλ/４板１７を電動モータで回転可能な構成とっする
ことにより、試料１を照明する偏光の楕円率とその長軸
の向きを制御することができる。

【００３３】また、偏光の楕円率とその長軸の向きをモ
ータのパルス数としてデータベース化することにより、
光学像の高コントラスト化を実現する偏光状態の自動設
定が容易になる。さらに、波長幅の広い照明光を用いる
場合は、偏光ビームスプリッター１５、λ/２板１６、
λ/４板１７について、波長による特性の変化が少ない
方が望ましい。これは、λ/２板１６、λ/４板１７を用
いて波長に位相差を加えた場合、波長による位相差のむ
らが大きいと、特定の波長域が検出系に導かれ、この波
長に応じた色が強調されるためである。従って、広帯域
波長照明をしても、試料１に透明膜が形成されている場
合などは、薄膜干渉による明るさむらが強調されるため
である。

【００３４】図５に、波長200〜250nm以下程度の照明光
を用いた欠陥検出方法について示す。尚、短波長化によ
り解像度が向上するため、紫外光やDUV(Deep Ultra Vio
let)光を用いると、さらなる高解像度化になる。

【００３５】図５(a)の光学系では、紫外線光源８を発
光した光を照明光学系１１２を通過してビームスプリッ
ター１５に入射する。これを透過したＰ偏光はλ/２板
１６とλ/４板１７により位相差を受け、対物レンズ２
０を介して試料１を落射照明する。尚、落射照明する光
は、明視野検出する紫外線と、試料１の高さを検出する
焦点検出光である。この焦点検出光は平坦化膜で吸収さ
れない可視光等の光が有効である。これは、平坦化膜な
どで光が吸収されると、高さ検出できないためである。
この焦点検出用波長域は、ダイクロイックミラー２５の
分光反射率（Ｒ）で決定される。この一例として、図５
(b)に、650nm以上の光を焦点検出用波長域としている。

【００３６】また、紫外線による明視野像を検出する光
路は、第二のダイクロイックミラー２６を反射した光路
であり、結像レンズ30aでセンサ70a面に像を検出する。
この紫外線波長域は第二のダイクロイックミラーの分光
反射率で決定され、図５(c)に示す。

【００３７】また、試料１に紫外線を照射すると、材質
によって蛍光が生じる。この蛍光による画像を検出する
ことにより、通常の明視野画像では検出できない欠陥を
検出できる。この光学系として、２つのダイクロイック
ミラーを透過した光を結像レンズで中間像を作り、この
像をズームレンズ５０でイメージセンサ７０上に拡大投
影する構成により、実用化できる。尚、紫外線用対物レ
ンズでは紫外線で収差補正されているが、焦点検出光は
比較的紫外線と収差が少ない光を選択する必要がある。

【００３８】図６に、半導体等の製造工程におけるパタ
ーンの欠陥検査装置において、「検査レシピ画面」９１
５上で光学パラメータを設定する方法について説明す
る。

【００３９】まず、この「検査レシピ画面」９１５上で
検査するウェハのIDを登録し、このウェハの品種を入力
する。これにより、個々のウェハのどの工程でどのよう
な欠陥がどこにあるか明確になる。さらに、検査する領
域を、例えばウェハの座標で指定する。さらに、欠陥検
査は、ウェハに形成されたパターンの画像を取得し、こ
の取得した画像を用いて検出するが、検査の方式として
は、隣接チップ同士の画像の比較を行って不一致部を欠
陥として検出する方式や、設計データと画像を比較する
方式がある。「検査レシピ画面」９１５上の「検査方
式」ではこの方式を選択する。

【００４０】次に、検査レシピ画面９１５上の「画像処
理パラメータ」の項では、画像の位置合わせや欠陥検出
感度を決める差画像のしきい値等を入力する。

【００４１】さらに、検査レシピ画面９１５上で「光学
パラメータ」を選択することにより、「光学パラメータ
設定画面」９１６を画面上に表示して、光学パラメータ
を変更することにより、種々の欠陥検出感度を設定でき
るようになっている。この「光学パラメータ設定画面」
９１６では、1.偏光特性 2.波長 3.照明σ 4.空間フィ
ルタ等のうち、少なくとも一つを設定できるようになっ
ている。

【００４２】1.の偏光特性では、照明光学系と検出光学
系の偏光を例えば番号で決められており、欠陥検出感度
の高くなる偏光特性の番号が既知である場合は番号を入
力する。しかし、ウェハの最初の検査では、欠陥検出感
度が高くなる偏光特性が未定であるため、パターンの形
状から欠陥検出感度の向上に有利な偏光特性を選択され
るようになっている。このパターンの形状と偏光特性の
関係は、例えば図１(a)のような関係から求められる。

【００４３】また、2.の波長は、欠陥のコントラストが
高くなるような照明波長域を選択するものであり、例え
ば、検査対象とするパターンの反射率が高い波長域を選
択する。あるいは、パターンとパターンの背景(パター
ンのない領域)との明るさの差が大きくなる波長域を選
択する。さらに、CMP(Chemical Mechanical Polishing)
処理をされたウェハでは、膜厚むらがあると絶縁膜の薄
膜干渉により検出した像の明るさにむらが生じる。この
膜厚むらは欠陥ではないため、明るさの違いは欠陥検査
上ノイズになる。この、明るさの違いを低減するために
は照明波長幅を広げることが有効である。但し、波長幅
をどこまで広げるかは、絶縁膜の設計膜厚とその誤差に
よって異なるため、絶縁膜の膜厚から照明波長幅を求め
ることが効果的である。そこで、照明波長域を決める条
件として絶縁膜の膜厚を入力する。

【００４４】次に、3.の照明σは、照明系の開口絞り１
１の開口径を選択するものであり、穴状のパターンが形
成されている場合は、ライン状のパターンの照明σより
も比較的小さくした方が欠陥検出感度が向上する。

【００４５】また、4.の空間フィルタとは、フーリエ変
換面(対物レンズの射出瞳位置あるいはこの射出瞳と共
役な位置(ズームレンズ50の瞳位置))に０次光の振幅透
過率を低減させたり、位相差を与えたりする光学フィル
タであり、パターンの形状や密度などに応じて配置する
ことにより、像の高解像度化が可能となる。

【００４６】以上のような光学パラメータを設定するこ
とにより、欠陥検出に有利な画像を検出することが可能
となる。しかし、設定した条件が良いかどうかは、パタ
ーンの形状やウェハの構造などにより異なる。

【００４７】図７に示すように、ウェハ１には露光装置
の露光フィールド(ショット)単位で規則的にパターンが
配列されている。このパターンの一部分である１'の拡
大図の図７(b)では、検査対象と仮定するパターン1a，1
a'や、前の工程で形成されたパターン1c等がある。ウェ
ハ１を、図７(b)のライン１２５で切断したときの断面
構造を、図７(c)に示す。検査対象パターン1a，1a'は、
絶縁膜1bの膜上に形成されており、検査対象としないパ
ターン1cは、絶縁膜1bの膜中に形成されているとする。
この場合、検査対象パターン1a，1bの主たる方向は縦で
あるため、この方向のパターンが高コントラストになる
ように光学パラメータを設定することにより、欠陥検出
感度の向上が図れる。しかし、光学パラメータの最適値
はパターンの形状や構造などによりことなるため、決定
するためには大量の時間を要する。

【００４８】そこで、図８に、高効率な光学パラメータ
設定のフローを示す。

【００４９】まず、ウェハをローディングし、検査対象
領域を光学系の視野に移動する。次に光学パラメータの
1)偏光特性 2)照明σ 3)照明波長 4)空間フィルタ につい
て予備的に画像を取得するための、パラメータ範囲を入
力する。次に、設定した範囲の条件でそれぞれ画像を取
得し、回折像やパターン像を一覧できるように表示する
と共に、パターンのコントラストやパターンの鮮鋭度を
示す２次微分値の総和などを表示する。

【００５０】これにより、光学パラメータと光学像の解
像度に関する情報が一覧でき、光学パラメータの適正値
を容易に決定することができる。但し、最終的な光学パ
ラメータは、欠陥検出上有利な画像であるか否かにより
決定する。このため、先のコントラストや２次微分値の
和より光学パラメータの範囲を絞り込み、最終的には光
学パラメータを変更しながら予備検査を行い、光学パラ
メータを決定する必要がある。この予備検査結果として
表示する内容は、例えば、正常部における差画像の不一
致量（平均、最大、偏差）や比較検査結果（検出欠陥数
や欠陥の信号レヘ゛ル及び正常部の最大不一致量Nと欠陥部
の不一致量Sの比であるS／N等）であって、これら表示
された結果から光学パラメータを決定する。

【００５１】以上の光学パラメータ設定手段により、欠
陥検出感度の高い光学パラメータを、効率的に設定する
ことができる。

【００５２】図９に、回折像・パターン像の一覧表示の
一例として、偏光状態をパラメータとした場合の一覧表
示９２０を示す。まず、偏光の振動方向はXYステージや
ウェハのオリフラの方向などに対して定義すればよい。
例えば、照明光の振動方向：９０°、検出光の振動方向
４５°とは、検査対象パターンの主たる方向と物体上に
おける主光線の振動方向がなす角度である。

【００５３】このように一覧に表示することにより、高
次回折光と０次光の振幅の割合を、回折像のデータから
予測することが可能である。また、検査対象パターンが
様々な方向にある場合には、検査対象のパターン像より
パターン方向とコントラストなどを検出することが可能
である。また、画像の光強度分布を折れ線グラフなどで
表示することにより、明るさのレベルなども認識し易く
なる。さらに、コントラストや２次微分値の和より、照
明光の偏光の振動方向はθ:９０°,６８°付近が高解像
度であることが、容易に読み取ることができる。従っ
て、次に行う予備検査をこの条件で行うことにより、高
感度な検査を可能にする光学条件を、短時間で設定する
ことができる。

【００５４】尚、図４・図５に示す光学系の構成では、
試料１を照明する偏光の楕円率とその長軸の向きが偏光
状態のパラメータとなる。従って、楕円率とその長軸の
向きをパラメータとして、図９と同様の一覧表を表示す
ることが可能となり、高感度検査を実現できるおよその
偏光状態を容易に特定することが可能となる。

【００５５】図１０(a)に、偏光を利用した明視野像の
検出と暗視野像の検出、及び、明暗視野像の中立像を検
出する手段を示す。照明光１８０は、ランダム偏光であ
る。偏光ビームスプリッター１５に入射した照明光１８
０は、Ｐ偏光成分の光だけが透過する。このＰ偏光は、
λ/２板１６とλ/４板１７を透過することにより、偏光
の振動方向の回転と楕円率がかわる。

【００５６】λ/２板１６とλ/４板１７とを透過し、更
に対物レンズ20を透過した照明光は、試料１で反射する
ことにより位相の飛びと共に試料のパターンに応じて位
相差が与えられ、偏光状態が変化する。また、パターン
のエッジなどで回折した光は回折光の方向に応じて偏光
も変化する。これらの反射光は、再び対物レンズ２０に
捕捉され、λ/４板１７とλ/２板１６を通過してＰＢＳ
に入射し、Ｓ偏光成分が反射してセンサ７０上に明視野
像を結像する。

【００５７】ここで、λ/２板１６とλ/４板１７とを用
いない通常の明視野検出の場合では、検出した画像が図
１０(b)のような濃淡画像であったとすると、このとき
のA-A部の明るさ分布は図１０(c)のように、画像左側の
密パターン部で暗い画像となっている。この場合、光量
を大きくすれば密パターン部の濃淡差を大きくすること
が可能であるが、画像右側の平坦部の明るさがさらに大
きくなり、ＣＣＤセンサ７０等ではセンサ７０が飽和
し、ブルーミングが生じてしまう。このため、光量を大
きくすることができず、密パターンをコントラストよく
検出することが大変難しい。

【００５８】しかし、本発明のように、λ/２板１６と
λ/４板１７とを用いて位相差量を調節すれば、偏光ビ
ームスプリッターで反射される平坦部の光を低減して、
密パターン部の回折光が反射される割合を大きくするこ
とができる。これにより、密パターンと平坦部の明るさ
を同じレベルで検出することができるようになる。従っ
て、パターンの密度等によらず、常にコントラストの高
い画像を検出でき、密パターン部のパターン欠陥等も容
易に検出できる。

【００５９】図３，図４，図５，図１０に示した光学系
の構成では、直線偏光の照明光が、１／４波長板１７を
透過して楕円偏光となる。この楕円偏光を対物レンズ２
０を介して、試料１に照明する。試料１で反射・回折し
た光は、対物レンズ２０に捕捉され、再び１／４波長板
１７を透過して位相差を受ける。この１／４波長板１７
を回転させることにより、試料１を照明する楕円偏光の
楕円率を変更することが可能である。

【００６０】図１１に、楕円率を−１.０〜１.０の間で
変化させたときに、イメージセンサ７０で検出される試
料１の光学像のコントラストと検出光量比との関係を示
す。尚、楕円率の符号は、右回り及び左回りの偏光を区
別するものである。また、コントラストは、試料１の表
面に形成されているラインアンドスペースの像より求め
た。さらに、照明光の照度が一定の場合、楕円率の絶対
値が小さくなると、イメージセンサ７０に到達する光量
が低下する。このため、楕円率−１.０，１.０の円偏光
時にイメージセンサ７０で検出される光量を基準とし
て、楕円率を変えた時の検出光量比を表している。

【００６１】この図１１から分かるように、コントラス
トは、楕円率が−０.１８の付近で最大となっており、
検出光量比が最大となるところ、即ち楕円率が１又は−
１になる点とは一致していない。従って、ラインアンド
スペースの欠陥検査を行うには、−０.１８付近の楕円
率となるように設定すると有利である。

【００６２】検査対象となるウェーハには、様々な形状
をしたパターンが形成されている。この場合、検査感度
を向上せしめる偏光の楕円率とその長軸の方向を決定す
るにあたり、予備検査を行うと効率的である。例えば、
図１２に示すように、検査対象ウェーハの「検査レシピ
作成モード」に、「照明条件設定モード」を設ける。こ
の「照明条件設定モード」には、1)照明光の波長幅を選
択する「波長フィルタ」選択ボタン 2)照明入射角範囲
を変更する「開口絞り」選択部ボタン 3)薄膜が積層さ
れている場合にどの層に焦点を合わせるかを決定する
「フォーカスオフセット」値設定ボタン 4)「パターン
強調度」を変化させるために照明光の偏光状態（偏光の
楕円率とその方向）を設定するボタンを準備しておく。

【００６３】これらのボタンは、番号（図中、No）を指
定することにより、予め登録されている条件に設定する
ものである。尚、偏光状態には、様々な検査対象パター
ンの形状や向きに応じて、検出画像のコントラストを高
める偏光条件がデータベース化されている。従って、こ
のデータベース化されている偏光条件の全条件あるいは
一部の条件で検査対象ウェーハを予備検査し、この予備
検査の結果から、最も検出感度の高い検査結果が得られ
た偏光状態を、本検査時の偏光条件に設定する方法が考
えられる。尚、予備検査を行う場合は、画面上に表示さ
れている「予備検査ボタン」を選択することにより、暫
定的に設定した上記 １）〜４）の条件の下で、検査が
実行される。

【００６４】偏光条件とは、図４、図５，図１０に記載
の光学系において、λ/２板１６とλ/４板１７を電動回
転させるモーターのパルス数などが考えられる。さら
に、数種類の偏光条件で予備検査した結果より、本検査
に用いる偏光条件を決定する判断基準として、以下の判
断基準が挙げられる。

【００６５】１）欠陥を最も多く検出している偏光条件 ２）致命的な欠陥を最も多く検出している偏光条件 ３）検出したい欠陥の座標が既知である場合は、この欠
陥を最も多く検出している偏光条件 従って、複数回の予備検査を行った場合は、上記１）〜
３）に示すような判断基準を一覧表示すると決定が容易
になる。また、１）〜３）の何れかの値が最大となる偏
光条件を自動的に決定することにより、装置ユーザーの
条件出しが容易になる。

【００６６】以上、偏光条件を決定するにあたり、実際
には光学顕微鏡か電子顕微鏡で欠陥部をレビューして、
検査感度が高い偏光条件を決定することが望ましい。

【００６７】

【発明の効果】以上に説明したごとく、本発明によれ
ば、試料に形成されたパターンに応じて照明光の偏光面
における電界ベクトルの振動方向とパターンの方向のな
す角をコントロールすることにより、高解像度の画像を
検出して、検出画素サイズの約半分程度の微小な欠陥を
検出できる光学系を実現できた。さらに、偏光面におけ
る電界ベクトルの振動方向や照明波長などを高効率に設
定できるようになり、高解像度光学系とこれを用いた高
感度欠陥検査装置を実現することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】直線偏光照明による０次光と高次回折光の偏光
の状態を説明する図である。

【図２】直線偏光を用いた高解像度化の一例を示す図で
ある。

【図３】本発明の高解像度光学系を用いた検査装置の概
略構成の一例を示す略正面図である。

【図４】本発明の高解像度光学系を用いた検査装置の概
略構成の他の例を示す略正面図である。

【図５】本発明による短波長照明高解像度光学系を用い
た検査装置の概略構成の一例を示す略正面図（ａ）とこ
の光学系を用いたときの分光反射率を示す図（ｂ）、
（ｃ）である。

【図６】本発明による光学パラメータ設定手段の一例を
示す表示画面の正面図である。

【図７】本発明の検査対象パターンの一例を示す平面図
である。

【図８】本発明による光学パラメータ設定手順の一例を
示すフロー図である。

【図９】射出瞳像と光学像および解像度評価値の一覧の
一例を示す図である。

【図１０】本発明による偏光照明による高コントラスト
画像検出の一例を示す図である。

【図１１】偏光の楕円率とパターン検出光量比との関係
の一例を示す図である。

【図１２】本発明による偏光条件設定手法の一例を示す
図である。

【符号の説明】

１…試料、１b…絶縁膜、２…チャック、３…θステー
ジ、４…Ｚステージ、５…Ｙステージ、６…Ｘステー
ジ、８…光源、１４…ポラライザ、２２…アナライザ、
３０…結像レンズ、７０…イメージセンサ、３００，３
００‘…照明光の偏光面における電界ベクトルの振動方
向、３１０，３１０’…０次光(正反射光)の偏光面にお
ける電界ベクトルの振動方向、３２０…高次回折光の偏
光面における電界ベクトルの振動方向、１５…偏光ビー
ムスプリッター、１６…λ/２板、１７…λ/４板、９１
５…検査レシピ画面、９１６…光学パラメータ設定画
面、９２０…光学条件と光学像一覧画面、９２１…光学
条件と予備検査結果一覧画面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 和夫 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 吉田 実 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 吉田 敦志 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 二宮 隆典 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式会 社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者 松井 繁 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式会 社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者 岡 健次 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 渡辺 健二 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面にパターンが形成された試料を観察す
   る方法であって、偏光した光を対物レンズを介して前記
   試料に照射し、該照射により前記試料の表面で反射した
   光を前記対物レンズを介して検出して前記偏光した光の
   前記試料表面での焦点の光軸方向の位置ずれを算出し、
   該算出した焦点の位置ずれ量に応じて前記対物レンズに
   対する前記試料の高さを調整し、該高さを調整した前記
   試料の表面からの前記偏光した光の照射による反射光を
   前記対物レンズと位相差板と検光子とを介して検出して
   前記試料の表面の画像を得ることを特徴とする試料表面
   の観察方法。
2. 【請求項２】前記位相差板は、前記照射により前記試料
   表面から反射した光のうち、前記表面に形成されたパタ
   ーンからの０次回折光の振幅を高次回折光の振幅に対し
   て大きな割合で減衰させることを特徴とする請求項１記
   載の試料表面の観察方法。
3. 【請求項３】表面にパターンが形成された試料を光学系
   を介して観察する方法であって、光学系を第１の偏光の
   条件に設定した状態で偏光光を前記試料に照射し、該照
   射により前記試料の表面で反射した光を位相差板と検光
   子とを介して検出して第１の画像を得、該第１の画像を
   モニタ画面上に表示し、該モニタ画面上に表示された第
   １の画像に基いて前記光学系を第２の偏光の状態に設定
   し、前記光学系を前記第２の偏光の状態に設定した状態
   で偏光光を前記試料に照射し、該照射により前記試料の
   表面で反射した光を位相差板と検光子とを介して検出し
   て第２の画像を得ることを特徴とする試料表面の観察方
   法。
4. 【請求項４】前記第１の偏光条件と前記第２の偏光条件
   が、それぞれ、偏光特性、偏光光の波長、照明系の開口
   絞りの開口数、空間フィルタの形状などの条件であるこ
   とを特徴とする請求項３記載の試料表面の観察方法。
5. 【請求項５】前記第２の偏光状態に設定するときに、前
   記照射により前記試料表面から反射した光のうち、前記
   表面に形成されたパターンからの０次回折光の振幅を高
   次回折光の振幅に対して大きな割合で減衰させるように
   前記位相差板を調整することを特徴とする請求項３記載
   の試料表面の観察方法。
6. 【請求項６】前記検出した試料表面の画像を、偏光特
   性、偏光光の波長、照明系の開口絞りの開口数、空間フ
   ィルタの形状の内の少なくとも何れか一つの情報ととも
   にモニタ画面上に表示することを特徴とする請求項３記
   載の試料表面の観察方法。
7. 【請求項７】表面にパターンが形成された試料を観察す
   る装置であって、前記試料に偏光した光を対物レンズを
   介して照明する照明手段と、該照明手段の照明により前
   記試料の表面で反射した光を前記対物レンズを介して検
   出する検出手段と、該検出手段で検出した前記偏光した
   光の前記試料表面での焦点の光軸方向の位置ずれを算出
   する焦点位置検出手段と、該焦点位置検出手段で算出し
   た焦点の位置ずれ量に応じて前記対物レンズに対する前
   記試料の高さを調整する高さ調整手段と、該高さ調整手
   段で高さを調整した前記試料に前記照明手段で前記偏光
   した光を照明したときに前記試料の表面からの反射光を
   前記対物レンズと位相差板部と検光子部とを介して検出
   する偏光光検出手段とを備えたことを特徴とする試料表
   面の観察装置。
8. 【請求項８】前記位相差板部は、１／２波長板と１／４
   波長板とを備え、該１／２波長板と１／４波長板とを調
   整することにより前記照射により前記試料表面から反射
   した光のうち、前記表面に形成されたパターンからの０
   次回折光の振幅を高次回折光の振幅に対して大きな割合
   で減衰させることを特徴とする請求項７記載の試料表面
   の観察装置。
9. 【請求項９】前記検光子部を偏光ビームスプリッタで構
   成したことを特徴とする請求項７記載の試料表面の観察
   装置。
10. 【請求項１０】表面にパターンが形成された試料の欠陥
    を検査する方法であって、偏光した光を対物レンズを介
    して前記試料に照射し、該照射による前記試料の表面か
    らの反射光を前記対物レンズと位相差板と検光子とを介
    して検出して前記試料表面の画像を得、該得た画像を予
    め記憶しておいた画像と比較して前記試料の欠陥を検出
    することを特徴とする欠陥検査方法。
11. 【請求項１１】前記位相差板は、前記照射により前記試
    料表面から反射した光のうち、前記表面に形成されたパ
    ターンからの０次回折光の振幅を高次回折光の振幅に対
    して大きな割合で減衰させることを特徴とする請求項１
    ０記載の欠陥検査方法。
12. 【請求項１２】表面にパターンが形成された試料の欠陥
    を検査する方法であって、光学系を第１の偏光の条件に
    設定した状態で偏光光を前記試料に照射し、該照射によ
    り前記試料の表面で反射した光を検出して第１の画像を
    得、該第１の画像をモニタ画面上に表示し、該モニタ画
    面上に表示された第１の画像に基いて前記光学系を第２
    の偏光の状態に設定し、前記光学系を前記第２の偏光の
    状態に設定した状態で偏光光を前記試料に照射し、該照
    射により前記試料の表面で反射した光を検出して第２の
    画像を得、該得た第２の画像を予め記憶しておいた画像
    と比較して前記試料の欠陥を検出することを特徴とする
    欠陥検査方法。
13. 【請求項１３】前記第１の偏光条件と前記第２の偏光条
    件とは、それぞれ、偏光特性、偏光光の波長、照明系の
    開口絞りの開口数、空間フィルタの形状のうちの少なく
    とも一つの条件を含むことを特徴とする請求項１２記載
    の欠陥検査方法。
14. 【請求項１４】前記第２の偏光状態を、前記照射により
    前記試料表面から反射した光のうち、前記表面に形成さ
    れたパターンからの０次回折光の振幅を高次回折光の振
    幅に対して大きな割合で減衰させるように設定すること
    を特徴とする請求項１２記載の欠陥検査方法。
15. 【請求項１５】表面にパターンが形成された試料の欠陥
    を検査する方法であって、偏光した光を対物レンズを介
    して前記試料に照射し、該照射により前記試料の表面で
    反射して前記対物レンズを通過した光を偏光の状態を変
    化させて検出して前記試料表面の画像を得、該得た画像
    を予め記憶しておいた画像と比較して前記試料の欠陥を
    検出することを特徴とする欠陥検査方法。
16. 【請求項１６】前記対物レンズを通過した光の偏光の状
    態を変化させることを、前記対物レンズを通過した光を
    １／２波長板と１／４波長板とを透過させることにより
    行うことを特徴とする請求項１５記載の欠陥検査方法。
17. 【請求項１７】表面にパターンが形成された試料の欠陥
    を検査する装置であって、前記試料に偏光した光を対物
    レンズを介して照射する照明手段と、該照明手段で前記
    試料に前記偏光した光を照射することにより前記試料の
    表面で反射した反射光を前記対物レンズと前記反射光の
    偏光の状態を変化させる偏光部とを介して検出して前記
    試料の画像を得る偏光画像検出手段と、該偏光画像検出
    手段で得た画像を予め記憶しておいた画像と比較して前
    記試料の欠陥を検出する欠陥検出手段と、該欠陥検出手
    段で検出した結果を表示する表示手段とを備えたことを
    特徴とする欠陥検査装置。
18. 【請求項１８】前記偏光部が、位相差板と検光子とを備
    えていることを特徴とする請求項１７記載の欠陥検査装
    置。
19. 【請求項１９】前記位相差板は、１／２波長板と１／４
    波長板とを有し、前記試料表面から反射した光のうち、
    前記表面に形成されたパターンからの０次回折光の振幅
    を高次回折光の振幅に対して大きな割合で減衰させるこ
    とを特徴とする請求項１７記載の欠陥検査装置。
20. 【請求項２０】前記照明手段と前記偏光画像検出手段と
    の偏光特性、波長、照明σおよび空間フィルタなどの光
    学パラメータを設定する光学パラメータ設定手段を更に
    備えたことを特徴とする請求項１７記載の欠陥検査装
    置。