JP2003279497A - 半導体測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定中において測定／観察系とサンプル面と
の距離を常に所定の許容範囲内に維持することができる
半導体測定装置を提供すること。 【解決手段】 ステージ２上に載置されるサンプル１の
表面１ａに光を照射して当該サンプル表面１ａを測定／
観察系１３によって測定／観察する半導体測定装置にお
いて、前記ステージ２の上方の一端側に第１光源１６と
第２位置検出センサ２６とを設ける一方、前記ステージ
２の上方の他端側に第１位置検出センサ２５と第２光源
２０とを設け、前記第１および第２光源１６，２０から
前記サンプル表面１ａに光１５，１９を照射したとき、
前記第１および第２位置検出センサ２５，２６からのそ
れぞれ得られる変位を表す信号の和を予め設定される変
位許容値と比較し、変位許容値を超えている場合には、
前記ステージ２を移動させて、サンプル１と測定／観察
系１３との間の距離を調整するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、ＬＳＩ
製造プロセスにおいて、半導体ウェハにパターンを焼き
付けるために用いられるレティクル／マスク、あるい
は、パターンが形成された製品ウェハ、さらには、液晶
用基板などの検査対象基板を観察し、異物などが付着し
ているか否かおよびその大きさや付着場所を特定するた
めの半導体測定装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】例えば、半導体ウェハや、半導体ウェハ
の製造に用いられるレティクルやマスクなど、鏡面であ
り概ね平面であるサンプルの表面（検査対象面）を測定
／観察系によって測定／観察する半導体測定装置におい
ては、サンプル表面に対して測定／観察系の焦点を常に
合わせた状態にする必要がある。そのため、従来におい
ては、前記サンプル表面を、その真上から、測定／観察
系としての光学顕微鏡とＣＣＤカメラで観察し、その観
察像のコントラストの最も高くなるところを焦点位置と
していた。なお、前記観察像にコントラストが無い場合
は、格子模様を不可視波長の光でサンプル表面に投影
し、その観察像を用いるようにしている。 【０００３】また、前記光学顕微鏡を用いない場合に
は、サンプル表面に対して、その斜め方向上方からを照
射し、そのときの反射光位置を、前記光の入射方向と１
８０°対称の位置に設けられたレンズを介して光位置検
出センサに集光することにより検出していた。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記サ
ンプルの真上からサンプル表面を観察する手法では、例
えば、反射率が小さい透明な面が上方に存在し、その下
方の反射率が比較的大きい面を観察するような場合、前
記上方に存在する反射率の低さにより当該観察対象面を
検出することが困難である。そして、複数の平面が重な
り合っている場合や、反射率が大きく異なっている部分
がある場合など、特に反射光の弱い面を検出する際な
ど、他の面からの光が迷光となって検出を妨害したり、
反射光が弱すぎて検出することができないなど、各面ご
との検出が困難であった。 【０００５】これに対して、前記サンプル表面に対し
て、その斜め方向上方から光を入射させ、この入射方向
と１８０°対象の位置において反射光を検出する手法に
おいては、前記真上方向における観察手法における問題
はないものの、対象面における傾きが変化する場合、そ
の影響を大きく受けるといった問題があった。 【０００６】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、測定中において測定／観察系と
サンプル面との距離を常に所定の許容範囲内に維持する
ことができる半導体測定装置を提供することである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、ステージ上に載置されるサンプルの
表面に光を照射して当該サンプル表面を測定／観察系に
よって測定／観察する半導体測定装置において、前記ス
テージの上方の一端側に第１光源と第２位置検出センサ
とを設ける一方、前記ステージの上方の他端側に第１位
置検出センサと第２光源とを設け、前記第１および第２
光源から前記サンプル表面に光を照射したとき、前記第
１および第２位置検出センサからのそれぞれ得られる変
位を表す信号の和を予め設定される変位許容値と比較
し、変位許容値を超えている場合には、前記ステージを
移動させて、サンプルと測定／観察系との間の距離を調
整するようにしている。 【０００８】上記半導体測定装置によれば、検査対象面
であるサンプル表面の傾きが変化する場合であっても、
その影響を自動的に補正することができ、サンプル面の
変位量のみを検出することができ、常に焦点を合わせた
状態で測定／観察することができる。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を、図を参
照しながら説明する。図１は、この発明の半導体測定装
置としての光散乱式の異物検査装置の光学系の一例を概
略的に示すもので、この図において、１は検査対象基板
（サンプル）としてのレチクルで、図示していない支持
機構によって矢印Ｘ方向、矢印Ｙ方向および矢印Ｚ方向
にそれぞれ直線的に往復移動することができるステージ
２の上面に載置されている。３はペリクル枠である。 【００１０】４はステージ２の水平方向における移動方
向Ｘに直交する矢印Ｙ方向にレーザ光５を往復走査させ
ながら、これをサンプル１の表面１ａに照射する入射光
学系で、一定の偏向角を有するレーザ光５を発する例え
ばＨｅ−Ｎｅレーザ発振器６と、ビームエキスパンダ７
と、レーザ光５を走査するガルバノミラー８と、スキャ
ニングレンズ９などからなり、サンプル表面１ａに対し
て所定角度斜め上方から、レーザ光５を矢印Ｙ方向に走
査照射するように構成されている。 【００１１】１０Ａ，１０Ｂはサンプル表面１ａの左半
分と右半分におけるレーザ光５の照射に基づく散乱光１
１を各別に検知する左右の検出光学系で、入射光学系５
の走査方向中間のレーザ光照射基準中心１２に対して左
右両側に配置されており、詳細な図示は省略するが、そ
れぞれ、集光レンズと、散乱光１１に対する入射光制限
用のスリットが形成されたスリット部材と、例えば光電
子倍増管などの光検出器などからなる。 【００１２】１３はステージ２の真上に設けられる測定
／観察系としての光学顕微鏡、１４はこの光学顕微鏡１
３の後段に設けられるカメラ（例えばＣＣＤカメラ）
で、ステージ２上のサンプル表面１ａを適宜拡大して観
察することができる。ここまでの構成は、従来の半導体
測定装置の構成と変わるところはない。この発明の半導
体測定装置は、上記構成に加えて、図２にも示すような
構成を備えている。 【００１３】すなわち、図２に示すように、ステージ２
の上方のＹ方向の一端側に、ステージ２上のサンプル表
面１ａに斜め方向から光１５を所定の角度θで照射する
第１光源１６が設けられ、ステージ２の上方のＹ方向の
他端側の第１光源１６と１８０°対称の位置に、第１光
源１６からの光１５がサンプル表面１ａにおいて反射し
た光１７を検出する第１反射光検出部１８が設けられて
いる。そして、ステージ２の上方のＹ方向の他端側に、
第１反射光検出部１８と近接しかつ平行な状態に、サン
プル表面１ａに斜め方向から光１９を所定の角度θで照
射する第２光源２０が設けられ、ステージ２の上方のＹ
方向の一端側に、第２光源２０と１８０°対称の位置で
あってかつ第１光源１６と近接しかつ平行な状態に、第
２光源２０からの光１９がサンプル表面１ａにおいて反
射した光２１を検出する第２反射光検出部２２が設けら
れている。すなわち、第１光源１６と第１反射光検出部
１８および第２光源２０と第２反射光検出部２２がそれ
ぞれ同一入射面に位置している 【００１４】つまり、ステージ２の一端側の上方に、第
１光源１５と第２反射光検出部２２を並設される一方、
ステージ２の上方の他端側に第２光源２０と第１反射光
検出部１８とが設けられており、図５に示すように、第
１光源１５からサンプル表面１ａに入射する光１５の入
射点（反射点）１５ａと第２光源２０からサンプル表面
１ａに入射する光１９の入射点（反射点）１９ａは、測
定／観察系である光学顕微鏡１３の中心線１３Ａがサン
プル表面１ａと交わる点１３ａを中心に点対称となって
いる。 【００１５】前記第１光源１６および第２光源２０は、
互いに同じ構成よりなり、例えばレーザ光を発するもの
からなるが、点光源とみなせるものがより好ましい。そ
して、各光源１６，２０は、図示してないが、焦点調節
用のレンズを備えている。また、第１光源１６からの光
１５の入射点１５ａと第２光源２０からの光１９の入射
点１９ａは、サンプル表面１ａを測定する際には、測定
部位に近い位置に設定されるのが好ましい。 【００１６】また、前記第１反射光検出部１８および第
２反射光検出部２２は、互いに同じ構成よりなり、それ
ぞれ、第１、第２集光レンズ２３，２４と第１、第２位
置検出センサ２５，２６とからなる。第１、第２位置検
出センサ２５，２６としては、例えばＰＳＤ（浜松ホト
ニクス社製）やＣＣＤあるいは、二次元ＰＳＤや二次元
ＣＣＤカメラがある。 【００１７】ここで、第１、第２集光レンズ２３，２４
と第１、第２位置検出センサ２５，２６のより具体的な
位置関係を説明すると、第１、第２位置検出センサ２
５，２６は、それぞれ、第１、第２集光レンズ２３，２
４から適宜距離離れた後方位置に配置されるが、第１、
第２光源１６，２０のそれぞれに設けられた焦点調節用
のレンズの位置を調整して、反射光１７，２１が第１、
第２集光レンズ２３，２４の前方（サンプル１の表面１
ａ側）の所定の集光点（前集光点）において結ぶように
する。 【００１８】また、第１、第２位置検出センサ２５，２
６のそれぞれのセンサ面２５ａ，２６ａと第１、第２集
光レンズ２３，２４の前集光点２７，２８とが光学的に
共役であるか、あるいは、前記前集光点２７，２８が第
１、第２集光レンズ２３，２４の前焦点面付近にあり、
第１、第２集光レンズ２３，２４の後方において概ねコ
リメートされるようにしてもよい。但し、この場合、セ
ンサ面２５ａ，２６ａでは、第１、第２集光レンズ２
３，２４を通過した反射光１７，２１は、光点の移動を
検出できる程度のビーム太さになるように設定する必要
がある。また、想定されるセンサ面２５ａ，２６ａ上で
の前記反射光１７，２１の移動で、ビームの一部がセン
サ面２５ａ，２６ａから外れない程度のビーム太さに設
定する必要がある。 【００１９】そして、前記いずれの反射光検出部１８，
２２においても、第１、第２集光レンズ２３，２４の焦
点距離ｆに応じて、前集光点２７，２８での光変位をセ
ンサ面２５ａ，２６ａ上で適宜拡大するのに必要な距離
に設定されており、サンプル１の表面１ａと前集光点２
７，２８までの距離をＳ、第１、第２集光レンズ２３，
２４とセンサ面２５ａ，２６ａまでの距離をＳ’とする
とき、 １／ｆ＝１／Ｓ＋１／Ｓ’ ……（１） が成り立ち、このときの拡大倍率はＳ’／Ｓとなる。 【００２０】そして、前記半導体測定装置の各部は、画
像処理機能を有するコンピュータ（図示していない）か
らの指令に基づいて制御されるとともに、検出光学系１
０Ａ，１０Ｂの出力、カメラ１４の出力、反射光検出部
１８，２２の出力は、前記コンピュータに入力され、適
宜演算処理されたり画像処理され、その演算結果など処
理結果は適宜のメモリに蓄積されるとともに、カラー表
示機能を有するディスプレイ（図示していない）に表示
されるようにしてある。 【００２１】図３は、前記半導体測定装置において、サ
ンプル表面１ａと測定／観察系としての光学顕微鏡１３
との間の距離を所定の距離に調整し、サンプル表面１ａ
を常に光学顕微鏡１３の焦点範囲内に収めるための信号
処理系の構成例を示すもので、この図に示すように、第
１、第２位置検出センサ２５，２６からの変位を表す出
力は、それぞれ、位置信号回路２９，３０において処理
され、その処理後の出力が加算回路３１において加算さ
れる。そして、このとき得られる和信号は、コンパレー
タおよびＩ／Ｏ３２に入力され、予め設定されている変
位許容値（コンパレートレベル）と比較される。そし
て、前記和信号が変位許容値を超えているときには、ス
テージ制御部３３に所定制御信号が出力され、サンプル
１を載置するステージ２における変位が所定の変位許容
範囲内に収まるように、ステージ２の位置を適宜調整す
るのである。なお、前記基準となるコンパレートレベル
は、正負両方について設定しておく。 【００２２】そして、例えばステージ２が最適位置から
大きく外れており、このような状態からステージ２を最
適位置に急速に近づけるような場合、さらに、第２、第
３のコンパレートレベルを設定し、より外側のコンパレ
ートレベルを超えたときには、それに相当するように、
サンプル１と測定／観察系１３の距離を移動し、最適位
置に近づけるようにする。この場合、最も内側の正負の
コンパレートレベルの内側が合焦範囲になるようにして
おく。さらに、前記和信号を変位量に直接変換し、ステ
ージ２を測定された変位量だけ移動させるようにしても
よい。 【００２３】また、上記半導体測定装置においては、サ
ンプル表面１ａを測定／観察する測定／観察系１３の光
路と、第１光源１６と第１反射光検出部１８を結ぶ光路
および第２光源２０と第２反射光検出部２２とを結ぶ光
路とがオーバーラップしないので、測定／観察中におい
ても、ステージ２の調整を行うことができる。 【００２４】次に、ステージ２上のサンプル表面１ａの
各種の変位の形態について、図４以下の図を参照しなが
ら説明する。 【００２５】まず、図４に示すように、サンプル表面１
ａが、仮想線１ａ’で示すように、ｄだけ平行に移動
（図示例では下降）した場合、第１光源１６からサンプ
ル表面１ａに入射する光１５および第２光源２０からサ
ンプル表面１ａに入射する光１９は、それぞれ、サンプ
ル表面１ａ’において反射して、符号１７’，２１’で
示すように反射する。このとき、第１、第２の位置検出
センサ２５，２６のセンサ面２５ａ，２６ａにおける光
点の移動方向は同じである。この場合、これら位置検出
センサ２５，２６の出力を加算することにより、サンプ
ル表面１ａの変位量を得ることができる。この場合、サ
ンプル表面１ａが光学顕微鏡１３との関係において最適
の位置にあるときに、前記出力信号がゼロとなるように
位置調整する機構を設けてあることが好ましい。 【００２６】そして、図５に示すように、サンプル表面
１ａが上下方向においては変位せず、測定／観察系１３
の中心１３Ａがサンプル表面１ａと交わる点１３ａを中
心にして角度ψだけ回転して仮想線１ａ’のように傾い
た場合、前記入射光１５，１９は、図中の符号１７’，
２１’で示すように反射する。このとき、第１、第２の
位置検出センサ２５，２６のセンサ面２５ａ，２６ａに
おける光点の移動は、方向が互いに逆でしかもその移動
量が等しくなる。したがって、この場合、第１、第２の
位置検出センサ２５，２６の出力は、加算することによ
って相殺され、和信号がゼロとなる（発生しない）。こ
の場合、サンプル表面１ａと光学顕微鏡１３の距離を調
整する必要はない。 【００２７】次に、図６に示すように、サンプル表面１
ａの上下方向の変位と傾きが同時に発生した場合、変位
および傾いた状態のサンプル表面１ａ’における反射光
は、図中の符号１７’，２１’で示すようになる。そし
て、既に説明したように、サンプル表面１ａの傾きのた
めに生じた変位分は相殺され、サンプル表面１ａの平行
移動に伴う変位分のみが表れる。このときの第１、第２
の位置検出センサ２５，２６のセンサ面２５ａ，２６ａ
における反射光１７’，２１’の変位について、図７お
よび図８を参照しながら説明する。 【００２８】図７は、サンプル表面１ａが光学顕微鏡１
３の中心１３Ａがサンプル表面１ａと交わる点１３ａを
中心にして角度ψだけ傾いたときの状態を示している。
このように、サンプル表面１ａが傾くことにより、入射
光１５に起因する反射光１７は、符号１７’で示すよう
に角度を変え、入射光１９に起因する反射光２１は、符
号２１’で示すように角度を変える。そして、図中の符
号β，εは、サンプル表面１ａが角度ψだけ変位したこ
とに起因して反射点１５ａ，１９ａがそれぞれ点１５
ａ’，１９ａ’に変位したときのセンサ面２５ａ，２６
ａ垂直方向での変位を表している。また、図中の符号
γ，ζは、サンプル表面１ａの傾きにより反射点が変位
したことに起因する反射点とセンサ面２５ａ，２６ａの
距離の変化分を表している。 【００２９】そして、入射光１５，１９のサンプル表面
１ａへの入射角はθであり、また、光学顕微鏡１３の中
心線１３Ａがサンプル表面１ａと交わる点１３ａと入射
光１５，１９のサンプル表面１ａへの入射点１５ａ，１
９ａの距離をｅとすると、図７中の符号α，δ，β，
γ，ε，ζで示される部分の大きさは、下記の各式で表
される。 α＝ｅ・ｓｉｎ（ψ）／ｓｉｎ（θ−ψ） δ＝ｅ・ｓｉｎ（ψ）／ｓｉｎ（π−θ−ψ） β＝α・ｓｉｎ（２θ） γ＝α・ｃｏｓ（２θ） ε＝δ・ｓｉｎ（２θ） ζ＝δ・ｃｏｓ（２θ） 【００３０】そして、集光レンズ前集光点２７，２８と
サンプル表面１ａの間の距離をｌとするとき、位置検出
センサ２５，２６のそれぞれのセンサ面２５ａ，２６ａ
におけるビームの変位量ｄ₁ ，ｄ₂ は、それぞれ、下記
の式で表される。 ｄ₁ ＝｛（集光レンズ前集光点でのサンプル表面の傾きによる変位）＋（サ ンプル表面の移動による変位）｝×（集光レンズ系の倍率） ＝｛（ｌ＋ζ）ψ＋ε｝×（集光レンズ系の倍率） ｄ₂ ＝｛（集光レンズ前集光点でのサンプル表面の傾きによる変位）＋（サ ンプル表面の移動による変位）｝×（集光レンズ系の倍率） ＝｛（ｌ＋γ）ψ＋β｝×（集光レンズ系の倍率） 【００３１】そして、ｌ＝２００ｍｍ、θ＝３０°、ｅ
＝１５ｍｍとしたときにおける、ψを０〜０．００５ｒ
ａｄの間で計算すると、図８（Ａ），（Ｂ）に示すよう
な結果が得られた。但し、集光レンズ系の倍率は考慮し
ていない。 【００３２】すなわち、図８（Ａ）は、サンプル表面１
ａの傾きに伴う二つの反射光１７’，２１’の変位の和
を示している（なお、図７の紙面の上向きが正、下向き
が負とする）。また、同図（Ｂ）は、サンプル表面１ａ
の傾きに伴う第１位置検出センサ２５におけるビームの
変位を示している。 【００３３】上記図８に示すように、二つの反射光１
７’，２１’の傾きによる変位では、γとζの違いの
分、反射点１５ａ，１９ａの移動に伴う変位では、βと
εの違いの分が、二つの位置検出センサ２５，２６にお
いて異なっている。しかし、ここで想定しているサンプ
ル表面１ａの傾きは、１／２００（約０．０００５ｒａ
ｄ）以下であり、それぞれの反射光１７’，２１’の変
位に比して十分小さな誤差（１％未満）である。 【００３４】さらに、図２における紙面の奥手前方向
（紙面に垂直な方向）におけるサンプル表面１ａの傾き
については、その傾きの大きさが十分小さいときには、
その影響を無視することができる。以下、これについ
て、図９および図１０を参照しながら簡単に説明する
と、図９は、サンプル表面１ａが紙面に垂直な方向にお
いて手前側に角度ψだけ傾いたときの、例えば第２光源
２０からの入射光１９に基づく反射光２１の傾き具合を
示すもので、そのときの反射光は図中の符号２１’で示
すように、紙面の手前側に傾く。このとき、図中の符号
τで示されるような高さ方向の変位が生ずる。 【００３５】そして、前記反射光２１’の長さをｌとす
るとき、図中のηは、 η＝ｌ・ｓｉｎ（θ） と表され、ビームの高さの方向の変位τは、 τ＝η｛１−ｃｏｓ（２ψ）｝ となる。そして、ｌ＝２００ｍｍ、θ＝３０°として計
算を行うと、図１０に示すような結果が得られた。この
図は、奥手前の傾きと上下方向の変位との関係を示すも
ので、この図から、前記ビームの高さの方向の変位τ
は、ビームの変位の大きさの１％以下であることが分か
る。 【００３６】この発明は、上述の光散乱式の異物検査装
置に限られるものではなく、他の種々の半導体測定装置
に適用できることはいうまでもない。 【００３７】 【発明の効果】以上説明したように、この発明の半導体
測定装置によれば、検査対象面であるサンプル表面の傾
きが変化する場合であっても、その影響を自動的に補正
することができ、サンプル面の変位量のみを検出するこ
とができ、常に焦点を合わせた状態で測定／観察するこ
とができる。 【００３８】そして、前記半導体測定装置によれば、ガ
ラスなどの透明体サンプルや、ペリクルなどの透明保護
膜、ペリクルなどを透かしてその下方の測定面を測定／
観察する場合においても、検査対象面の位置を確実に検
出することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明の半導体測定装置の光学系の一例を概
略的に示す図である。 【図２】前記光学系の要部の構成を概略的に示す図であ
る。 【図３】前記半導体測定装置における信号処理系の構成
の一例を概略的に示す図である。 【図４】サンプル表面が下方に平行移動したときにおけ
る反射光の状態を説明するための図である。 【図５】サンプル表面が一点を中心に回転したときにお
ける反射光の状態を説明するための図である。 【図６】サンプル表面が下方に平行移動しかつ一点を中
心に回転したときにおける反射光の状態を説明するため
の図である。 【図７】サンプル表面がその上下方向で傾いた状態を説
明するための図である。 【図８】サンプル表面が図７のように傾いたときにおけ
る位置検出センサにおける影響を説明するための図であ
る。 【図９】サンプル表面がその奥手前方向において手前方
向に傾いた状態を説明するための図である。 【図１０】サンプル表面が図９のように傾いたときにお
ける位置検出センサにおける影響を説明するための図で
ある。 【符号の説明】 １…サンプル、１ａ…サンプル表面、２…ステージ、１
３…測定／観察系、１５…入射光、１６…第１光源、１
９…入射光、２０…第２光源、２５…第１位置検出セン
サ、２６…第２位置検出センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 萩原 孝志 京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地 株式会社堀場製作所内 (72)発明者 吉永 秀 京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地 株式会社堀場製作所内 (72)発明者 廣嶋 幸夫 京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地 株式会社堀場製作所内 Ｆターム(参考） 2G051 AA51 AA56 AA73 AB01 BA01 BA10 CA03 CA04 CA07 CB01 CB05 DA01 DA07 EA14 EB01 EB02 FA10 4M106 AA01 CA42 CA43 DJ05

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ステージ上に載置されるサンプルの表面
   に光を照射して当該サンプル表面を測定／観察系によっ
   て測定／観察する半導体測定装置において、前記ステー
   ジの上方の一端側に第１光源と第２位置検出センサとを
   設ける一方、前記ステージの上方の他端側に第１位置検
   出センサと第２光源とを設け、前記第１および第２光源
   から前記サンプル表面に光を照射したとき、前記第１お
   よび第２位置検出センサからのそれぞれ得られる変位を
   表す信号の和を予め設定される変位許容値と比較し、変
   位許容値を超えている場合には、前記ステージを移動さ
   せて、サンプルと測定／観察系との間の距離を調整する
   ようにしたことを特徴とする半導体測定装置。