JP2007101494A

JP2007101494A - 表面検査装置

Info

Publication number: JP2007101494A
Application number: JP2005295138A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sakaguchi; 直史坂口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】被検物の表面に形成されている薄膜の種類や膜厚に拘わらず、良好な焦点検出を行うことができる表面検査装置を提供する。
【解決手段】予め定めた複数の異なる波長域のうち少なくとも１つの波長域を選択し、該波長域の光を焦点検出用の照明光として被検物３０に照射する照明手段(１５〜２２,１２)と、照明光が照射されたときに被検物からの反射光を受光し、該被検物の焦点位置を検出する検出手段(１２,２１,２０,２３,２５)と、照明手段による波長域の選択を制御し、複数の異なる波長域のうち反射光の強度が所定値以上となる波長域を、焦点検出用の照明光の波長域として選択させる制御手段２５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検物の表面の欠陥検査を行う表面検査装置に関する。

半導体ウエハや液晶ガラス基板などの被検物の表面の欠陥を検査するために、表面検査装置が用いられている。この装置にはアクティブ方式の焦点検出手段が設けられ、所望のタイミングで被検物の焦点検出を行う。焦点検出の際には、近赤外域の中の特定波長域の照明光が被検物に照射され、被検物からの反射光に基づいて焦点検出が行われる（例えば特許文献１を参照）。焦点検出用の照明光の波長幅は非常に狭く（１nm〜数１０nm程度）、略単一の波長域と見なすことができる。このため、高精度な焦点検出が可能となる。
特開２００３−３３８４４８号公報

しかし、上記の装置では、被検物の表面に薄膜が形成されている場合、この薄膜によって近赤外域の中の特定波長域の照明光が著しく吸収されることがある。そして、その場合には、被検物からの反射光が微弱になって、良好な焦点検出を行うことができなくなる。このように、良好な焦点検出を行えるか否かは、照明光が薄膜によって吸収されるか否かに関係し、薄膜の種類や膜厚に依存する。

本発明の目的は、被検物の表面に形成されている薄膜の種類や膜厚に拘わらず、良好な焦点検出を行うことができる表面検査装置を提供することにある。

本発明の表面検査装置は、予め定めた複数の異なる波長域のうち少なくとも１つの波長域を選択し、該波長域の光を焦点検出用の照明光として被検物に照射する照明手段と、前記照明光が照射されたときに前記被検物からの反射光を受光し、該被検物の焦点位置を検出する検出手段と、前記照明手段による波長域の選択を制御し、前記複数の異なる波長域のうち前記反射光の強度が所定値以上となる波長域を、前記焦点検出用の照明光の波長域として選択させる制御手段とを備えたものである。

また、前記制御手段は、前記反射光の強度をモニタするモニタ部を含み、該モニタ部の出力に基づいて前記照明光の波長域を選択させることが好ましい。
また、前記制御手段は、前記被検物の情報を入力する入力部を含み、該入力部から入力された情報に基づいて前記照明光の波長域を選択させることが好ましい。
また、前記被検物の情報は、前記被検物の表面に形成されている薄膜の種類および膜厚の情報であることが好ましい。

また、前記被検物の情報は、前記被検物に対する検査の種類を特定する情報であることが好ましい。
また、前記照明手段は、異なる波長域の光を出射する複数の光源、または、１つの光源および異なる波長域の光を透過する複数の光学フィルタを含むことが好ましい。
また、前記照明手段は、矩形状の開口を有するスリット板と、該スリット板を光軸中心に回転させる駆動部とを含むことが好ましい。

本発明の表面検査装置によれば、被検物の表面に形成されている薄膜の種類や膜厚に拘わらず、良好な焦点検出を行うことができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の表面検査装置１０は、図１(ａ)に示す通り、被検物３０を載置する試料台１１と、対物レンズ１２および不図示の結像レンズを含む顕微鏡部と、この顕微鏡部の像面側に配置されたカメラ１３と、カメラ１３に接続された撮像システム１４と、対物レンズ１２を介して被検物３０の焦点合わせを行うＡＦ部(１５〜２６)とで構成される。被検物３０は、半導体ウエハや液晶ガラス基板などであり、その表面(下層３Ａの上面)に薄膜３Ｂが形成されている。

被検物３０の表面の欠陥検査を行う際、本実施形態の表面検査装置１０では、不図示の光学系から対物レンズ１２に検査用の照明光（可視域の光）が導かれ、対物レンズ１２を介して被検物３０に照射される。このとき被検物３０から発生した反射光は、対物レンズ１２などの顕微鏡部を介してカメラ１３に導かれ、そこで撮像される。カメラ１３による撮像信号は、撮像システム１４に出力される。

撮像システム１４は、カメラ１３の出力に基づいて被検物３０の画像を取得し、これをモニタに表示する。このため、モニタに表示された画像を観察することで、被検物３０の表面の欠陥検査（外観検査）を行うことができる。また、被検物３０の画像と良品ウエハとのマッチング処理を行うことで、被検物３０の欠陥検査を自動的に行うことができる。
被検物３０から製造される半導体装置の低コスト化を図るためには、このような被検物３０の欠陥検査を効率よく短時間で（高スループットに）行う必要がある。このため、表面検査装置１０では、被検物３０の欠陥検査に関わる各種処理を自動化している。例えば、被検物３０の表面の検査領域は、その座標がレシピなどに応じて指示され、試料台１１の移動によって対物レンズ１２の視野内に位置決めされる。

ところで近年、被検物３０から製造される半導体装置の集積度はさらに高くなり、製造過程で被検物３０の表面に形成される薄膜３Ｂの種類が増え、その膜厚も様々となっている。薄膜３Ｂの膜厚に関しては薄くなる傾向にある。そして、被検物３０の表面に形成されている薄膜３Ｂの種類や膜厚に拘わらず、良好な焦点検出を行うことが望まれるようになってきた。これは、被検物３０上の薄膜３Ｂの種類や膜厚に拘わらず、被検物３０の焦点合わせを自動で行うためである。

表面検査装置１０において、被検物３０の焦点合わせを行うＡＦ部(１５〜２６)には、光源１５,１６と、レンズ１７,１８と、ハーフミラー１９〜２１と、スリット板２２と、受光部２３と、モニタ部２４と、ＡＦ制御部２５と、上下駆動部２６とが設けられる。このうち、ハーフミラー２１は、上記の対物レンズ１２と不図示の結像レンズとの間の光路上に配置される。スリット板２２は、矩形状の開口２Ａ（図１(ｂ)）を有する。

２つの光源１５,１６は、異なる波長域λ₁,λ₂（図２）の光を出射するように構成され、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる。光源１５,１６の波長域λ₁,λ₂は、それぞれ赤外域（例えば近赤外域）に含まれ、その中の非常に波長幅の狭い（１nm〜数１０nm程度の）領域となっている。また、光源１５,１６から出射される光は、各波長域に単一のピークを持つ。光源１５,１６の点灯／消灯は、ＡＦ制御部２５からの制御信号に基づいて選択的に行われる。

光源１５（または光源１６）から出射された光は、レンズ１７（またはレンズ１８）を介して略平行光に変換された後、ハーフミラー１９とスリット板２２とハーフミラー２０,２１とを介して対物レンズ１２に導かれ、対物レンズ１２を介して焦点検出用の照明光として被検物３０に照射される。被検物３０の表面における照明領域は、スリット板２２の開口２Ａに対応する矩形状の領域となる。

このとき被検物３０から発生した反射光は、対物レンズ１２とハーフミラー２１,２０とを介して受光部２３に導かれる。受光部２３は、例えばＣＣＤなどの光電変換素子を有し、被検物３０からの反射光を受光して、その受光信号をモニタ部２４とＡＦ制御部２５との各々に出力する。モニタ部２４は、受光部２３の出力に基づいて、被検物３０からの反射光の強度をモニタし、そのモニタ信号をＡＦ制御部２５に出力する。

このように、ＡＦ制御部２５には、受光部２３からの受光信号と、モニタ部２４からのモニタ信号とが入力される。前者の受光信号は、被検物３０の表面の焦点検出に用いられる。後者のモニタ信号は、２つの光源１５,１６の点灯／消灯の制御に用いられる。通常、受光信号に基づく被検物３０の焦点検出を行う前に、モニタ信号に基づく光源１５,１６の点灯／消灯の制御が行われる。

例えば、光源１５を点灯して光源１６を消灯すると、被検物３０の表面には波長域λ₁（図２）の照明光が照射され、このときの反射光の強度に関わるモニタ信号が、モニタ部２４からＡＦ制御部２５に入力される。逆に、光源１６を点灯して光源１５を消灯した場合には、被検物３０の表面に波長域λ₂（≠λ₁）の照明光が照射され、このときの反射光の強度に関わるモニタ信号が、モニタ部２４からＡＦ制御部２５に入力される。

被検物３０からの反射光の強度は、照明光の波長域λ₁,λ₂によって異なることがある。このため、ＡＦ制御部２５は、モニタ部２４からのモニタ信号に基づいて、被検物３０からの反射光の強度が所定値以上であるか否かを判断する。そして、反射光の強度が所定値以上となる波長域（波長域λ₁,λ₂のうち少なくとも１つ）を、照明光の波長域として選択するために、光源１５,１６の点灯／消灯を制御する。

ここで、被検物３０からの反射光の強度は、照明光の強度を一定とすれば、被検物３０の表面に形成されている薄膜３Ｂの反射率に依存して変化する。そして、薄膜３Ｂの反射率が照明光の波長域λ₁,λ₂によって異なる場合は、被検物３０からの反射光の強度も波長依存性を示すことになる。
また、薄膜３Ｂの反射率は、図３に示す照明光Ｌ₁の強度と反射光Ｌ₂の強度との比に相当し、照明光Ｌ₁のうち薄膜３Ｂの内部に入射した光Ｌ₃がそこで吸収（減衰）されると、その分だけ小さくなる。

一般に、薄膜３Ｂの反射率（Ｒ）は、薄膜３Ｂの種類や膜厚に依存し、薄膜３Ｂの屈折率ｎ₁および膜厚ｄ₁と、下層３Ａの物質の屈折率ｎ_gと、照明光の波長λとを用いて、次の式(１)で表される。

さらに、薄膜３Ｂの反射率Ｒ＝０の条件は、次の式(２),(３)となる。

下層３Ａがシリコンの場合（屈折率ｎ_g＝３.５）、反射率Ｒ＝０の条件（式(３)）を満たす薄膜３Ｂの屈折率ｎ₁は、ｎ₁＝１.８７となる。また、薄膜３Ｂの膜厚ｄ₁＝１２５０Åの場合、反射率Ｒ＝０の条件（式(２)）を満たす波長λは、λ＝９３５ｎｍとなる。膜厚ｄ₁＝２０００Åの場合には、波長λ＝１４９６ｎｍとなる。このように、薄膜３Ｂの種類（屈折率ｎ₁）が同じでも、その膜厚ｄ₁が異なっていれば、反射率Ｒ＝０となる波長λも異なることが分かる。

また、反射率Ｒ＝０以外の任意の反射率Ｒも同様であり、薄膜３Ｂの種類（屈折率ｎ₁）が同じでも、その膜厚ｄ₁が異なっていれば、反射率の波長依存性も異なる。その一例を、図４(ａ),(ｂ)に示す。これは、薄膜３Ｂの屈折率ｎ₁＝１.８７とし、膜厚ｄ₁＝１２５０Åまたは２０００Åとした場合に関して、波長λに対する反射率Ｒの変化をグラフ化したものである。

このように、薄膜３Ｂの反射率（Ｒ）は、その種類（屈折率ｎ₁）と膜厚ｄ₁との組み合わせに応じて様々な波長依存性を示す。そして、上記した半導体装置の高集積化に伴い、使用される薄膜３Ｂの種類が増え、その膜厚ｄ₁も様々となった現在、様々な波長依存性の薄膜３Ｂに共通する高反射率の波長域（つまり反射光の強度が所定値以上となる波長域）を見付けることが難しくなってきた。したがって、従来のような略単一の波長域の照明光では良好な焦点検出を行えない場合がある。

そこで、本実施形態の表面検査装置１０では、異なる波長域λ₁,λ₂（図２）の光を出射可能な２つの光源１５,１６を設け、その一方を点灯して他方を消灯したときに、モニタ部２４からのモニタ信号に基づいて、被検物３０からの反射光の強度が所定値以上であるか否かを判断する。そして、所定値以上であれば、そのまま被検物３０の焦点検出を行う。また、反射光の強度が所定値より小さければ、光源１５,１６の点灯／消灯を切り換えて、被検物３０の焦点検出を行う。

すなわち、ＡＦ制御部２５では、受光部２３からの受光信号に基づいて、被検物３０の焦点位置を検出する。そして、被検物３０と対物レンズ１２との相対距離（例えば被検物３０の高さ）を調整するために必要な試料台１１の移動量と移動方向に関する制御信号を、上下駆動部２６に出力する。上下駆動部２６は、ＡＦ制御部２５の指示にしたがって試料台１１を駆動し、被検物３０を最適な焦点位置（合焦位置）に位置決めする。このような被検物３０の焦点検出および焦点合わせは、被検物３０に対する検査中の任意のタイミングで行われる。

本実施形態の表面検査装置１０によれば、予め定めた２つの異なる波長域λ₁,λ₂（図２）のうち、被検物３０からの反射光の強度が所定値以上となる波長域を選択して、この波長域の照明光を照射するため、被検物３０の表面に形成されている薄膜３Ｂの種類や膜厚に拘わらず、良好な焦点検出を行うことができる。その結果、被検物３０上の薄膜３Ｂの種類や膜厚に拘わらず、被検物３０の焦点合わせを自動で行うことができる。

したがって、被検物３０上の薄膜３Ｂの種類や膜厚に拘わらず、常に、ピントの合った状態で被検物３０の正確な画像を上記の撮像システム４０に取り込むことができ、被検物３０の良好な欠陥検査が可能となる。さらに、被検物３０上の薄膜３Ｂの種類や膜厚に拘わらず、被検物３０の自動検査を継続して行うことができる。つまり、様々な被検物３０の欠陥検査を良好かつ高スループットに行うことができる。

さらに、本実施形態の表面検査装置１０によれば、モニタ部２４により被検物３０からの反射光の強度をモニタするため、被検物３０からの反射光の強度が所定値以上となる波長域を直接確認した上で、２つの光源１５,１６の点灯／消灯を制御することができる。
光源１５,１６の点灯／消灯は、光源１５,１６の一方をメイン光源、他方を補助光源とし、メイン光源を点灯したときの反射光の強度が所定値より小さいときに補助光源に切り替える方法や、各光源を順に点灯したときの反射光の強度を大小比較して焦点検出に使用する光源を選択する方法などが考えられる。

また、本実施形態の表面検査装置１０によれば、２つの光源１５,１６の波長域λ₁,λ₂が共に赤外域（例えば近赤外域）に含まれ、どちらを選択するにしても不可視領域の光を用いて焦点検出が行われるため、被検物３０の画像に焦点検出用の照明光が写り込む事態を回避できる。
さらに、本実施形態の表面検査装置１０によれば、ＡＦ部(１５〜２６)のスリット板２２を光軸中心に回転させる駆動部を設け、スリット板２２の回転によって、被検物３０の表面における矩形状の照明領域の向きを調整することができる。矩形状の照明領域の向きを被検物３０の表面の回路パターンの向きに応じて調整することにより、回路パターンの影響を受けない焦点検出が可能となり、ＡＦ感度が向上する。

（変形例）
なお、上記した実施形態では、モニタ部２４によって被検物３０からの反射光の強度をモニタして光源１５,１６の点灯／消灯を制御したが、本発明はこれに限定されない。ＡＦ制御部２５に被検物３０の情報を入力する入力部を設け、この入力部から入力された情報に基づいて同様の制御を行ってもよい。外部操作による手動入力でも構わないが、レシピに応じた自動入力の方が好ましい。

被検物３０の情報としては、被検物３０の表面に形成されている薄膜３Ｂの種類（例えば屈折率ｎ₁などの物性情報）および膜厚ｄ₁の情報を入力することが考えられる。この場合、上記の式(１)や式(２),(３)を用いた計算によって、高反射率の波長域（つまり反射光の強度が所定値以上となる波長域）を求め、この波長域に基づいて光源１５,１６の点灯／消灯を制御すればよい。

また、被検物３０の情報として、被検物３０に対する検査の種類を特定する情報（例えば検査工程の番号など）を入力してもよい。複数の被検物３０に対して同様の検査を繰り返す場合には、例えば初回の検査時に最適な波長域（つまり反射光の強度が所定値以上となる波長域）が分かるため、この波長域と検査の種類とを対応づけておけば、検査の種類の入力に応じて最適な波長域を知ることができ、光源１５,１６の点灯／消灯の制御を簡単に行える。

さらに、上記した実施形態では、ＡＦ部(１５〜２６)に２つの光源１５,１６を設けたが、本発明はこれに限定されない。同様の光源を３つ以上設けて点灯／消灯してもよい。
また、上記した実施形態では、ＡＦ用に複数の光源を設け、各光源の波長幅を１nm〜数１０nm程度の狭い領域としたが、本発明はこれに限定されない。上記した複数の光源の各波長域を含むような広い波長域の光源（例えば発光ダイオードまたはランプ光源など）を１つ設け、その後段に、異なる波長域の光を透過する複数の光学フィルタを設け、これらの光学フィルタの切り換えによって最適な波長域を選択してもよい。

さらに、上記した実施形態では、ＡＦ用に予め定めた複数の異なる波長域が何れも赤外域（例えば近赤外域）に含まれる例を説明したが、本発明はこれに限定されない。何れか１つの波長域が、被検物３０の画像の取り込み用と同じ波長域（つまり可視域）に含まれる場合でも、本発明を適用できる。
ただし、この場合には、焦点検出用の照明光が被検物３０の画像にノイズとして混入する可能性がある。このような写り込みを回避するためには、受光部２３とＡＦ制御部２５との間にサンプルホールド回路(不図示)を設け、次のようなタイミング制御を行うことが好ましい。つまり、カメラ１３による画像の取り込み動作と同期して、焦点検出用の照明光を被検物３０に断続的に照射する。照明光の照射は、カメラ１３のＣＣＤ駆動信号に起因して光電変換しないタイミング（オプティカルブラックなど）を利用して行えばよい。照明光が断続的なので、受光部２３からの受光信号も断続的となるが、複数の受光信号をサンプルホールド回路に蓄積すれば、ＡＦ制御部２５で使用可能な信号となる。

また、上記のようなタイミング制御を行わずに、ＡＦ用の可視域の照明光を被検物３０に照射して焦点合わせを行い、この可視域の照明光の照射を中止した後、カメラ１３による被検物３０の画像の取り込みを行うようにしてもよい。この方法でも、被検物３０の画像に焦点検出用の照明光が写り込む事態を回避できる。撮像システム１４のモニタに被検物３０の画像を表示させるときには照明光の照射を中止せず、良品ウエハとのマッチング処理に用いられる画像を取り込む際のみ照明光の照射を中止してもよい。

さらに、上記した実施形態では、カメラ１３と撮像システム１４とを用いて被検物３０の画像を取り込み、被検物３０の欠陥検査を行う例で説明したが、本発明はこれに限定されない。カメラ１３などを省略し（またはカメラ１３などに追加して）、顕微鏡部の像面側に接眼レンズを設け、被検物３０の欠陥検査を目視観察により行ってもよい。接眼レンズを用いる場合には、ＡＦ用の照明光として可視域の光を使わないことが好ましい。

また、上記した実施形態では、複数の光源の点灯／消灯、または、複数の光学フィルタの切り換えにより、波長幅の狭い（１nm〜数１０nm程度の）光を焦点検出用の照明光として被検物３０に照射したが、本発明はこれに限定されない。予め定めた複数の異なる波長域を含むような広い波長域の光を、そのまま波長選択せずに被検物３０に照射してもよい。さらに、複数の光源を同時に点灯してもよい。

本実施形態の表面検査装置１０の構成を示す図である。光源１５,１６の波長域λ₁,λ₂を説明する図である。被検物３０の表面付近を拡大して示す図である。薄膜３Ｂの反射率の波長依存性を説明する図である。

符号の説明

１０表面検査装置 ; ３０被検物 ; １５,１６光源 ; ２５ＡＦ制御部 ;
１２対物レンズ ; ２３受光部 ; ２４モニタ部 ; ２２スリット板

Claims

予め定めた複数の異なる波長域のうち少なくとも１つの波長域を選択し、該波長域の光を焦点検出用の照明光として被検物に照射する照明手段と、
前記照明光が照射されたときに前記被検物からの反射光を受光し、該被検物の焦点位置を検出する検出手段と、
前記照明手段による波長域の選択を制御し、前記複数の異なる波長域のうち前記反射光の強度が所定値以上となる波長域を、前記焦点検出用の照明光の波長域として選択させる制御手段とを備えた
ことを特徴とする表面検査装置。
請求項１に記載の表面検査装置において、
前記制御手段は、前記反射光の強度をモニタするモニタ部を含み、該モニタ部の出力に基づいて前記照明光の波長域を選択させる
ことを特徴とする表面検査装置。
請求項１に記載の表面検査装置において、
前記制御手段は、前記被検物の情報を入力する入力部を含み、該入力部から入力された情報に基づいて前記照明光の波長域を選択させる
ことを特徴とする表面検査装置。
請求項３に記載の表面検査装置において、
前記被検物の情報は、前記被検物の表面に形成されている薄膜の種類および膜厚の情報である
ことを特徴とする表面検査装置。
請求項３に記載の表面検査装置において、
前記被検物の情報は、前記被検物に対する検査の種類を特定する情報である
ことを特徴とする表面検査装置。
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の表面検査装置において、
前記照明手段は、異なる波長域の光を出射する複数の光源、または、１つの光源および異なる波長域の光を透過する複数の光学フィルタを含む
ことを特徴とする表面検査装置。
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の表面検査装置において、
前記照明手段は、矩形状の開口を有するスリット板と、該スリット板を光軸中心に回転させる駆動部とを含む
ことを特徴とする表面検査装置。