JP3729156B2

JP3729156B2 - パターン欠陥検出方法およびその装置

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Publication number: JP3729156B2
Application number: JP2002166456A
Authority: JP
Inventors: 実吉田; 幸雄宇都; 俊二前田; 俊彦中田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2022-06-07
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス製造やフラットパネルディスプレィの製造に代表される微細パターン欠陥及び異物等の検査や観察に用いられるレーザ光を照明光として用いる欠陥検査装置およびその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体の光集積化に伴い、回路パターンは益々微細化の傾向にある。この中で、半導体素子をホトリソ工程で製造する際に用いられるマスクやレチクル、これらに形成された回路パターンが露光によって転写されるウェハ上のパターン欠陥は、益々高解像度での検出が要求されている。解像度を高める手法として、検出する照明光の波長を可視光から紫外光へ短波長化することが掲げられる。従来は、光源として例えば水銀ランプや、クセノンランプ等が用いられ、ランプの持つ種々の輝線の中から必要とする波長のみを光学的に選択して使っていた。
【０００３】
しかしながら、ランプによる紫外光への短波長化は、わずかに輝線のある紫外領域を取り出さなければならなく、十分な光量を得るためには光源が大型化することになり、照明の効率が悪くなる、また、パターンを検出する光学系に用いられるレンズは、発光スペクトル幅が広く光学系の色収差を補正するのが困難であるなどの課題がある。
【０００４】
そこで、半導体製造における露光装置においては、波長２４８ｎｍのフッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザ光源を搭載した露光装置が主流となってきている。さらに、より波長の短い波長１９６ｎｍのフッ化アルゴン（ＡｒＦ）レーザ光源を用いた露光装置も開発されている。
【０００５】
しかし、このレーザ光源は出力も大型ではあるが有害であるフッ素ガス等を使用しているため、装置が大型化するとともに、所定の安全対策が必要となる課題がある。
【０００６】
最近、他の紫外レーザ光源として、固体レーザであるＹＡＧレーザ光を非線形光学結晶により波長変換し、ＹＡＧレーザ光の第３高調波（波長３５５ｎｍ）、あるいは第４高調波（波長２６６ｎｍ）を得ることができる、取り扱いの簡単な小型化を実現したレーザ光源も開発されてきた。検査装置においては、このような小型で取り扱いの容易な紫外光を発生するレーザ装置を用いることが有利である。
【０００７】
レーザ光は、可干渉性の良さから、試料に照明を行う際、光束に強弱を生じさせ、試料上で干渉縞を生じさせることになる。レーザを用いたパターン検査装置としては、特開平１１−２７１２１３号公報に、光源であるレーザ光をフライアイレンズに照射して複数の光源を作成し、これで検査試料を照明することにより均一な照明を行い、この試料上からの反射光の強度を蓄積型の電荷結合素子（ＣＣＤ）ラインセンサで検出する構成が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のパターン検査装置では、以下のような問題があった。レーザ光源からの照射光をフライアイレンズによって多点の光源とし、コンデンサレンズによって検査試料全面に照明しているが、このフライアイレンズとコンデンサレンズの焦点位置によって、おのずと検査する試料に対する照明光の照射角度は一定となる。試料表面に薄膜が存在すると、表面での反射に加えて、薄膜を透過した光による薄膜の下層面からの反射光が発生する。薄膜の厚さが変化すると下層面からの反射光の薄膜表面における位相が変化して表面での反射光との干渉の状態が変化するため、センサ面で検出される反射光の強度が変化する。
【０００９】
試料１の表面に絶縁膜などの薄膜が形成されている状態での反射強度について説明する。図６に干渉のモデルを示す。入射する照明光３７の波長をλ、試料表面の法線方向とのなす角度をθ、空気層３４の屈折率をn0とし、薄膜３５の厚さをt1、屈折率をn1、基板３６の屈折率をn2とする。薄膜３５表面での反射光３８をr01、薄膜３５を透過し、基板３６で反射した反射光３９をr12とし、この合成された反射光をＲと定義する。数１から数４に示すようにこれらは、フレネルの式として理論モデル化ができる。その結果の一例を図７に示す。横軸に薄膜３５の膜厚t1を、縦軸に合成された反射強度Ｒを示す。波形４０に示すような結果が得られる。
【００１０】
【数１】

【００１１】
【数２】

【００１２】
【数３】

【００１３】
【数４】

【００１４】
回路が形成された試料１の断面の一例を図８に示す。基板３６上に回路４１および４２が形成され、絶縁膜３５が全面に形成されている。例えば、回路４１は粗のパターン密度であり、回路４２は密のパターン密度であるとする。絶縁膜３５が何らかの原因で膜厚のむらが発生したと過程する。回路４１の上部では、t10の厚さであり、回路４２の上部ではt11の厚さである。上述したように、絶縁膜３５の厚さが異なることによって、絶縁膜３５の表面で反射した光と絶縁膜３５を透過して下層面で反射した光とが合成された反射光の強度も変化する。図９には、図８の場合における反射強度の違いを示す。絶縁膜３５の厚さがt10とt11との場合の反射強度の差は、膜厚と反射強度との関係を示す波形４３の４４に示した部分となり、 Rt1の強度変化が生じてします。この状態で、試料１の検査を行うと、透明膜の膜厚の違いによって生じる反射強度の変化が、明るさの変化として検出されてしまう。
【００１５】
しかるに、従来の方法では、照明光を試料に対して一定の角度で入射させて照明するため、パターンの表面を覆う透明膜の膜厚が場所によって異なっていると、透明膜表面からの反射光と透明膜下層面からの反射光とが合成された反射光の強度が場所によって変化し（干渉縞パターンが発生し）、ＣＣＤラインセンサ面上の干渉縞パターンにより検出する反射光の強度が場所によって変化する。この干渉縞パターンによる明るさむらの発生の影響を低減するために、ＣＣＤラインセンサでは暗い部分に合わせて検出するように調整しなければならず、検出感度を低下させて用いなければならなかった。
【００１６】
本発明の目的は、レーザのような単波長の光源を用いた場合でも、試料のパターン表面を覆う透明な薄膜の厚さ変化に影響されない照明を行うことが出来る光学系、検出感度を低下させることなく高精度な検査を行うことを可能にするパターン欠陥検出方法およびその装置を提供することにある。
【００１７】
【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、レーザ光源から発射したレーザを対物レンズの瞳の位置で輪帯状に走査し、この輪帯状に走査したレーザを対物レンズを介して基板上に形成したパターンを光学的に透明な薄膜で被覆した試料に照射し、このレーザが照射された試料の光学像を撮像手段で撮像し、この撮像して得た画像を処理することによりパターンの欠陥を検出する方法において、レーザを輪帯状に走査する輪帯の径を、光学的に透明な薄膜の膜厚に基づいて決定するようにした。
【００１８】
また、本発明では、基板上に形成したパターンをこのパターンを覆う光学的に透明な薄膜を介して検査する方法において、レーザ光源から発射したレーザを対物レンズの瞳の位置で輪帯状に走査し、この輪帯状に走査したレーザで一方向に連続的に移動するテーブルに載置された基板のパターンを照明し、この照明されたパターンの光学像をレーザの輪帯状の走査と同期して撮像し、この撮像して得た画像を処理することによりパターンの欠陥を検出するようにした。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる高解像度光学系並びに欠陥検査装置およびその方法の実施の形態について図１〜図２３を用いて説明する。
【００２０】
本発明に係わる欠陥検査装置の第１の実施の形態を図１を用いて説明する。
【００２１】
図１において、１は試料で、例えば、被検査パターンが形成された半導体ウェハ（被検査対象物）である。試料１はＺ方向および回転方向に移動可能なＺステージ２に図示しない方法（例えば、真空チャック又は静電チャック等）により固定される。Ｙステージ４及びＸステージ３はそれぞれステージ制御回路１００により任意の位置に移動可能であり、図示しない測長器または位置検出器により位置が検出される。この検出されたＸステージ３及びＹステージ４の位置情報は、中央処理装置（ＣＰＵ）に入力される。ステージ制御回路１００は、中央処理装置１９に接続されている。本発明における照明では、遠紫外領域で高輝度の照明が行えるようにするために、遠紫外レーザ光を出射する紫外レーザ光源（紫外レーザ発生装置）５を用いている。紫外レーザ光源５から発せられたレーザ光Ｌ１は、ビームエキスパンダ７、コヒーレンス低減光学系８、レンズ９、ビームスプリッタ１０を介して対物レンズ１１に入射し、試料１上に照射される。ビームエキスパンダ７は、紫外レーザ光をある大きさに拡大するものであり、拡大されたレーザ光Ｌ１はレンズ９によって対物レンズ１１の瞳付近１２に集光された後、試料１上に照射される。
【００２２】
このレーザの照射による試料１からの反射光は、試料１の垂直上方より対物レンズ１１、ビームスプリッタ１０、結像レンズ１３を介してイメージセンサ１４の検出素子表面に結像されてこの光像がイメージセンサ１４により検出される。イメージセンサ１４は、例えば紫外光を検出できる蓄積形のセンサ（Time Delay Integration sensor:時間遅延型積分センサ：以下、ＴＤＩセンサと記す）で構成され、被検査対象物１上に形成された被検査パターンからの反射光の明るさ（濃淡）に応じた濃淡画像信号を出力する。
【００２３】
ここで、ＴＤＩセンサ１４は、図２０に示すように、１次元型のイメージセンサが多段に接続された構成をしており、中央処理装置１９からの制御信号により、連続的に移動するＹステージの移動と同期して試料１を最初の段の１次元イメージセンサ１４_１で撮像する。この撮像して得た信号を第２段目の１次元イメージセンサ１４_２に転送する。次に、Ｙステージが移動することにより、先ほど最初の段の１次元イメージセンサ１４_１で撮像された試料１上の領域の像が次の段の１次元イメージセンサ１４_２の位置に移動したときに、この領域の像をこの次の段の１次元イメージセンサ１４_２で撮像して、その検出信号を最初の段の１次元イメージセンサ１４_１で撮像して転送されてきた信号に加算する。これを多数の段の１次元イメージセンサ１４_ｎに渡って順次繰り返すことにより、試料１の同じ領域を撮像して得た各段の１次元イメージセンサからの検出信号が蓄積されて出力される。
【００２４】
上記した構成により、中央処理装置１９からステージ制御回路１００に指令を出し、ステージ３を駆動して被検査対象物１を一定の方向に等速度で移動させつつ、図示しない測長器又は位置検出器で検出したステージ３の位置情報を用いて、ＴＤＩセンサ１４によりステージ３の移動と同期させて被検査対象物１上に形成された被検査パターンの光像を検出することにより被検査パターンの明るさ情報（濃淡画像信号）を得る。そして、ＴＤＩセンサ１４から得られる濃淡画像信号１４ａは、信号処理回路１０１に入力されて被検査対象物上異物も含めて欠陥検査が行われる。
【００２５】
信号処理回路１０１はＡ／Ｄ変換器１５、階調変換器１６、遅延メモリ１７、比較器１８、及び中央処理装置１９等から構成される。なお、Ａ／Ｄ変換器１５は、ＴＤＩセンサ１４から得られる濃淡画像信号１４ａをディジタルに変換するもので、信号処理回路１０１から切離して、ＴＤＩセンサ１４の直後に配置しても良い。コヒーレンス低減光学系８は、中央処理装置１９より、必要に応じて角度制御回路２４により、内部の制御を行う。
【００２６】
階調変換器１６は、例えば８ビットの階調変換器で構成され、Ａ／Ｄ変換器１５から出力されるディジタル画像信号に対して特開平８−３２０２９４号公報に記載されたような階調変換を施すものである。即ち、階調変換器１６は対数、指数、多項式変換等を施し、プロセスで半導体ウェハ等の被検査対象物１上に形成された薄膜と、レーザ光が干渉して生じた画像の明るさむらを補正するものである。
【００２７】
遅延メモリ１７は、階調変換器１６からの出力画像信号をイメージセンサ１４の走査幅でもって、半導体ウェハ等の被検査対象物１上を構成する１セル又は１チップ又は１ショット分記憶して遅延させるものである。
【００２８】
比較器１８は、階調変換器１６から出力される画像信号と、遅延メモリ１７から得られる画像信号とを比較し、不一致部を欠陥として検出するものである。即ち、比較器１８は、遅延メモリ１７から出力されるセルピッチ又は１チップ分に相当する量だけ遅延した画像と、検出した画像とを比較するものである。
【００２９】
中央処理装置（ＣＰＵ）１９は、キーボード、記録媒体、ネットワーク等から構成された入力手段２０を用いて設計情報に基いて得られる半導体ウェハ等の被検査対象物１上における配列データ等の座標を入力しておくことにより、この入力された半導体ウェハ１上における配列データ等の座標に基いて、比較器１８による比較検査結果を基に、欠陥検査データを作成して記憶装置２１に格納する。この欠陥検査データは、必要に応じてディスプレイ等の表示手段２２に表示することもでき、また出力手段２３に出力して、例えば他のレビュー装置等で欠陥箇所の観察も可能である。
【００３０】
なお、比較器１８の詳細は、例えば、特開昭６１−２１２７０８号公報に開示されているようなものでよく、例えば、図２１に示すように、階調変換器１６から出力された比較画像Ｉiと遅延メモリ１７から出力された参照画像Ｉrとの位置を合わせる位置合せ回路１８１や、位置合せされた比較画像Ｉiと参照画像Ｉrとの差画像Ｉdを検出する差画像検出回路１８２、この差画像検出回路１８２で検出された差画像Ｉdをあるしきい値を用いて２値化する不一致検出回路１８３、この不一致検出回路１８３で２値化された出力より面積や長さ、座標等を抽出する特徴抽出回路１８４から構成されている。
【００３１】
次に、紫外レーザ光源（紫外レーザ発生装置）５の実施例について説明する。前述したように、高い解像度の画像を得るためには、照明光の波長を短波長化することが必要であり、速い検査速度を確保するには試料１を高輝度に照明することが必要である。従来は水銀キセノン等の放電ランプを用い、ランプの持つ発光スペクトル（輝線）のうち、可視域を広範囲に使っていたが、このランプの紫外、深紫外領域での輝線は、可視光領域の光強度に比べて数パーセント程度であり、このランプを用いて紫外、又は深紫外領域で所望の輝度を確保するためには、大形の光源が必要となる。
【００３２】
このように光源を大形化した場合、発熱の影響を受けないようにするために、光源を光学系から遠ざけて用いなければならないが、それにも限界が有る。このような観点から、本発明では、短波長を容易に確保できる紫外レーザ光（ＤｅｅｐＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Rａｙｓ：以下、ＤＵＶ光と記す）を光源５として用いた。本発明で用いるレーザ光源５からは、波長が１００ｎｍ〜３５５ｎｍの範囲のＤＵＶレーザ光を発射する。
【００３３】
一般的にレーザ光には、可干渉性（コヒーレンスを有する）があり、被検査対象物１上の回路パターンをレーザ照明した場合、スペックルノイズ（干渉縞）が発生してパターンの欠陥検出の障害となってしまう。このため、本発明では、空間的にレーザ照明光のコヒーレンスを低減するようにしたコヒーレンス低減光学系８を用いて、スペックルノイズを低減するようにしている。
【００３４】
図２は、コヒーレンス低減光学系８についての一実施例を示す斜視図である。レーザ光源５から発射されたレーザ光Ｌ１は、ミラー２５に入射する。このミラー２５は、微少な角度で揺動する揺動モータ２６によって駆動される。この揺動モータ２６に駆動されてミラー２５が搖動することにより、ミラー２５に入射したレーザ光Ｌ１による反射光の光軸は、上下方向に走査される。ミラー２５で反射したレーザ光Ｌ１は、レンズ２７およびレンズ２８を透過して、ミラー２９に入射する。このミラー２９は微少な角度で揺動する揺動モータ３０によって駆動される。この揺動モータ３０に駆動されてミラー２９が搖動することにより、ミラー２９に入射したレーザ光Ｌ１による反射光の光軸は、左右方向に走査される。なお、ミラー２５とミラー２９とは、それぞれ対物レンズ１１の結像位置と共約関係にある位置に配置されている。
【００３５】
対物レンズ１１を光軸方向からみた図を、図３に示す。また、対物レンズ１１を横方向から見た図を図４に示す。ミラー２５で上下方向に、ミラー２９で左右方向に走査されたレーザ光Ｌ１は、光束３１となって図１で示した光学系により、対物レンズ１１の瞳１２に結像する構成になっている。瞳１２で結像してレンズ１１’に入射した光束３１は、平行光となって対物レンズ１１から出射して、試料１を照明する。即ち、試料１は、ケーラー照明される。
【００３６】
ミラー２５とミラー２９とを同期させて搖動させることにより、光束３１は、対物レンズ１１の瞳１２上で円環状に走査される。図５に、その一例を示す。揺動モータ２６でミラー２５を駆動するときの制御曲線を３２とする。一般にサイン曲線により制御される。一方揺動モータ３０でミラー２９を駆動するときの制御曲線を３３とする。制御曲線３３では、制御曲線３２に対して位相を９０°ずらして制御する。このように制御することによって、光束３１を対物レンズ１１の瞳１２上で円環状に走査することが可能となる。これにより試料１は、入射する方向が時間的に連続的に変化する光で照射されることになり、異なる方向から入射する光同士が干渉することがないので、コヒーレンシーが低減される。
【００３７】
ここで、光束３１を対物レンズ１１の瞳１２上で円環状に１回走査させる周期は、ＴＤＩセンサ１４を構成するそれぞれの１次元イメージセンサが光を検出して電荷を蓄積する蓄積時間と同期させる。即ち、ＴＤＩセンサ１４の各１次元イメージセンサが電荷を蓄積する１蓄積時間内に光束３１を対物レンズ１１の瞳１２上で円環状に１回または複数回走査させる。また、揺動モータ２６、３０に与える振幅を変化させることによって、瞳１２内で円環状に走査される光束３１の円環の径を変化させることが可能である。すなわち、図５に示した振幅Ｗ１で揺動モータ２６、３０を駆動した場合、図３に示す瞳１２での大きさはφｄ１となる。振幅を小さくした波形３２７、３３７の場合は、振幅ｗ２となり、瞳１２での大きさはφｄ２となる。
【００３８】
このように、揺動モータ２６、３０の振幅を制御することによって、瞳１２で走査する光束３１の円環の大きさを自由に変化することが可能である。そして、この瞳１２で走査する光束３１の円環の大きさを変化させることを、ＴＤＩセンサ１４の各１次元イメージセンサが電荷を蓄積する１蓄積時間内に複数回の走査を行う場合に、それぞれの走査ごとに行っても良い。
【００３９】
以上の構成において動作を説明する。
【００４０】
図１１は、試料１に対する照明光束の角度変化を行う図である。例えば、揺動モータ２６、３０の振幅を調整し、対物レンズ１１の瞳１２の端の近傍を円環状に走査するときの光束４７を(a)に示す。光軸中心からPr1の位置に主光線があり、レンズ１１’によって試料１に角度Ｐr1θの角度で照射される。次に、揺動モータ２６、３０の振幅を調整し、対物レンズ１１の瞳１２の中央付近を円環状に走査するときの光束４８を(b)に示す。同様に、レンズ１１’によって試料１に角度Ｐr2θの角度で照射される。
【００４１】
このように、瞳１２で円環状に走査する光軸の径を変化させることにより、試料１に入射する角度が変化する。すなわち、図６及び図７に示したように、表面に光学的に透明な薄膜が形成された試料においては、照明光の入射角度が変化することによって、試料からの反射光の強度が変化することになる。図１２に入射角度が変化した場合の反射強度の変化を示す。
【００４２】
例えば、図１１の（ａ）で示した場合のように、光束４７を瞳１２の位置で円環状に走査して試料１を照射した場合の薄膜の膜厚に対する反射光の強度の変化を示す曲線を４９とし、図１１の（ｂ）で示した場合のように、光束４８を瞳１２の位置で円環状に走査して試料１を照射した場合の薄膜の膜厚に対する反射光の強度の変化を示す曲線を５０とする。光束４７と４８の場合のように、瞳位置１２で円環状に走査する径Pr1とPr2とを変えることにより反射光強度の波形の位相がシフトして、ある膜厚Ｔのときの強度変化は瞳１２の入射角度によって大きく変化する。すなわち、入射角度が大きい場合は反射強度Ｒ２となり、小さい場合は反射強度Ｒ１となる。
【００４３】
瞳１２上で円環状に走査する光束３１の走査半径（対物レンズ１１の光軸から光束３１の主光線までの距離）を一定にして試料を照射した場合、試料1の表面の光学的に透明な薄膜３５の膜厚に対して試料１からの反射光の強度は、図７に示したように、正弦波状に変化するが、この変化の仕方は、図１２に示したように光束３１の瞳１２上での走査半径によって異なる。即ち、図９と図１０とに示すように、膜厚がｔ_０１とｔ_１１の薄膜３５に光束３１を照射した場合の試料１からの反射光の強度の差は、大きく異なる。すなわち、図１０の場合の反射光の強度の変化は、図９の場合に比べて薄膜３５の膜厚の変化の影響が小さい。
【００４４】
この性質を利用して、試料１上に形成された薄膜３５の膜厚の範囲を予め測定しておき、この測定した膜厚の変化の範囲内で反射光強度の変化量が最も小さくなるような光束３１の瞳１２上での走査半径に設定することにより、薄膜３５の膜厚の分布の影響を低減させた状態で試料１上に形成されたパターンの検査を行うことが可能になる。
【００４５】
この入射角度と膜厚変化の関係は、検査前に入射角度変化と強度変化の関係を求めるためのプレ検査を行って求めておき、記憶手段２１に記憶させておく。図１に示した中央処理部１９から角度制御器２４に角度指令を与えて検査を行えば可能となる。
【００４６】
図１３に試料１のチップ間での画像比較を行った結果の一例を示す。（ａ）は、図９で示したような入射角度で試料１を照明して画像検出を行ったときの、階調変換器１６から出力される画像信号と遅延メモリ１７から出力される画像信号との差を取った、比較画像である。例えば、白い部分は差が少ない、黒い部分５２は差が大きい部分を示す。すなわち、チップ間での強度変化を考慮しないで、画像比較を行ったため、差が大きい部分５２が強調されている。この状態で欠陥検査を行うと、黒い部分を無くすために、しきい値を大幅に上げなければならず、本来あるべき欠陥部分を検出することが出来なくなってしまう。
【００４７】
一方、（ｂ）には、図１０で示したように試料１への照明光の入射角度を適切に設定した場合で画像検出を行ったときの比較画像を示す。薄膜３５の膜厚が分布する範囲で試料１からの反射光の強度の変化が小さくなるように照明光の試料１への入射角度を設定したことにより、チップ間での強度変化が小さく抑えられるため、階調変換器１６と遅延メモリ１７とからのそれぞれの画像信号の間の光量差が小さくなり、それらの比較画像からは、本来検出すべき欠陥５４を抽出することができる。この結果、高感度な欠陥検出を行うことが可能となる。
【００４８】
次に、コヒーレンス低減光学系８の他の実施例を、図１４を用いて説明する。レーザ光源５からのレーザ光Ｌ１を多数個の点光源を作成可能なホモジナイザ５５に照射する。ホモジナイザ５５は幅a、ピッチbを有するものである。ホモジナイザ５５で断面が多数の点状のスポットに成形されたレーザ光Ｌ１は、レンズ５６を透過して、ミラー２５に入射する。このミラー２５は微少な角度を揺動可能な揺動モータ２６によって保持される。このミラー２５に入射したレーザ光Ｌ１は、反射されて光軸が上下方向に振られてレンズ２７およびレンズ２８を透過して、ミラー２９に入射する。このミラー２９は微少な角度を揺動可能な揺動モータ３０によって保持される。このミラー２９に入射したレーザ光Ｌ１は、反射されて光軸が左右方向に振られる。なお、ミラー２５とミラー２９とは、対物レンズ１１の結像位置と共約な関係にある位置にそれぞれ配置されていす。
【００４９】
ホモジナイザ５５の結像関係は、レンズ５６、２７、２８によって対物レンズの瞳に結像するケーラー照明を実現している。図１５に対物レンズ１１の瞳１２でのホモジナイザ５５の結像状態を示す。ホモジナイザ５５の結像点は幅a、ピッチbで対物レンズ１１の瞳１２の位置に結像５５'する。この点群が揺動モータ２６、３０によって瞳１２内で円状に回転する。このような点光源の集合体でも、揺動モータ２６、３０に与える振幅を変化することによって、瞳１２内で径を変化することが可能である。このような構成においても同様な効果が得られる。
【００５０】
さらに、コヒーレンス低減光学系８の他の実施例を、図１６を用いて説明する。
【００５１】
レーザ光源５からのレーザ光Ｌ１を固定ミラー６１に照射する。レンズ２７およびレンズ２８を介し、角度揺動ミラー６２に照査する。この角度揺動ミラー６２は回転可能な回転モータ６３によって保持される。図１７にミラー６２の詳細を示す。（ａ）はミラー反射面から見た図である。（ｂ）は横方向から見た図である。（ａ）において、角度揺動ミラー６２のある位置６４の軌跡を図１８に示す。横軸は角度、縦軸は反射面の高さを示す。角度揺動ミラー６２が１回転で例えばサイン曲線６５で形成する。角度揺動ミラー６２に４５゜の角度でレーザ光６７が入射することにより、位置６４で反射角度が変化することになり、角度揺動ミラー６２の１回転で図１８で示した軌跡６５の高さに応じた、レーザ光６８が円弧の軌跡が得られる。
【００５２】
図１７の角度揺動ミラー６２の断面Ａ−Ａを図１９に示す。ミラー６２は横方向には傾斜６６を有する。すなわち、この傾斜により、図１８で示した円弧方向の高さが変化する。図１６に示したように角度揺動ミラー６２とモータ６３を紙面左右方向に移動することで、レーザ光の照射する位置が変化し、中央付近では、振幅が小さく、端では振幅のおおきな円弧運動するレーザ光が得られる。角度揺動ミラー６２の位置は、対物レンズ１１の結像位置と共約関係に配置する。回転モータ６３の位置を変化させることによって、対物レンズの瞳で径を変化することが可能である。このような構成においても同様な効果が得られる。
【００５３】
以上の構成を備えた本発明による検査装置を用いて、半導体ウェハ上に形成された回路パターンの欠陥を検査する方法の概略について説明する。
【００５４】
まず、Ｚステージ２上に試料１であるウェハを設置してウェハの位置を合わせる。次に、ウェハ１を載置したＹステージ４は、図示しないステージ位置センサからの信号を受けてステージの位置を制御するステージ制御回路１００で駆動制御されて、Ｙ軸方向に一定の速度で移動する。
【００５５】
一方、レーザ光源５から発射したレーザビームＬ１は、ビームエキスパンダ７でビーム径が拡大された後、コヒーレンス低減光学系８に入射し、走査ミラー２５と２９とで互いに直交する２軸方向に走査された状態で出射される。コヒーレンス低減光学系８から出射したレーザビームＬ１は、偏向ビームスプリッタ１０で光路を変更した後、対物レンズ１１に入射してウェハ１の表面に集光照射される。
【００５６】
ここで、コヒーレンス低減光学系８の走査ミラー２５と２９とで互いに直交する２軸方向に走査されたレーザビームＬ１は、対物レンズ１１の瞳面１２上で円形に走査されると共に、円形の１走査ごとに、ウェハ１への入射角がウェハ１の表面の法線方向に対して順次変化しながらＹ軸方向に一定の速度で移動しているウェハ１を照明する。レーザビームＬ１のウェハ１への入射角度は、予め測定されて記憶手段２１に記憶されたウェハ１の表面に形成された光学的に透明な薄膜の厚さ分布データと、同様に予め測定されて記憶手段２１に記憶された薄膜の厚さと反射光の強度との関係をレーザビームＬ１のウェハ１への入射角度毎に求めたデータと、図示しないＸステージ３及びＹステージ４の位置測定手段からの各ステージの位置情報とを用いてＣＰＵ１９で決定され、その結果により角度制御手段２４を介して搖動モータ２６及び３０を制御してミラー２５及びミラー２９の搖動量が制御される。
【００５７】
ウェハ１は、表面を覆う透明な薄膜の膜厚に応じた入射角度のレーザで照明され、この照明によるウェハ１からの反射光は、対物レンズ１１で集光されて結像レンズ１３によりＴＤＩセンサ１４上に結像される。
【００５８】
ここで、前記したように、ＴＤＩセンサ１４は、時間遅延積分型のイメージセンサで、１次元イメージセンサを多段に接続した構造をしており、各段の１次元イメージセンサで検出した信号を順次後段の１次元イメージセンサに転送して信号を加算する構成となっており、この転送のタイミングは、ステージ位置センサで検出したＹステージ５１の移動に同期させる。
【００５９】
ＴＤＩセンサ１４でウェハ１の像を撮像して得た濃淡画像信号１４ａは、Ａ／Ｄ変換器１５でデジタル信号に変換され、階調変換器１６で、プロセスで半導体ウェハ等の被検査対象物１上に形成された薄膜と、レーザ光が干渉して生じた画像の明るさむらを補正する。階調変換器１６で処理された信号は分岐されて、一方は遅延メモリ１７に記憶され、他方は、比較器１８に入力される。
【００６０】
比較器１８では、階調変換器１６から出力された信号である比較画像Ｉiと、遅延メモリ１７に記憶された比較画像Ｉiの一つ前（隣接チップまたは隣接パターン）に検出した信号である参照画像Ｉrとが位置合せ回路１８１に入力され。位置合せ回路１８１では、比較画像Ｉiと参照画像Ｉrとの位置ずれ量が求められ、このずれが補正される。
【００６１】
位置合せ回路１８１からは、互いの位置ずれが補正された比較画像Ｉiと参照画像Ｉrとが出力され、差画像検出回路１８２に入力されて、両画像間の差画像Ｉdが求められる。この求められた差画像Ｉdは、不一致検出回路１８３に送られて予め設定されたしきい値と比較され、このしきい値よりも大きい部分が欠陥として検出される。この検出された欠陥の情報は、次の特徴抽出回路１８４に送られる。
【００６２】
特徴抽出回路１８４では、不一致検出回路１８３で検出された欠陥の情報から、欠陥の面積や長さ、座標などの情報を抽出し、中央処理装置（ＣＰＵ）１９へ出力する。欠陥の情報を受けた中央処理装置１９は、この欠陥情報を記憶装置２１に記憶させると共に、欠陥情報として表示手段２２の画面上に表示する。ここで、図１及び図２１には記載していないが、階調変換器１６から出力されて位置合せ回路１８１で位置ずれが補正された比較画像Ｉiも中央処理装置１９に入力されて記憶装置２１に記憶されると共に、必要に応じて表示手段２１の画面上に欠陥を含む画像として表示される。また、記憶装置２１に記憶された欠陥に関する情報は、出力手段２３から通信回線を介して他の装置、例えば欠陥を詳細に観察するレビュー装置に送信される。
【００６３】
次に、図２２に、本発明の第２の実施形態を示す。基本構成は図１と同様であるが、画像処理回路１０１'の構成が多少異なっている。本実施例では、画像処理回路１０１'の中央処理装置１９０に膜厚データ６９を入力可能にした。上記構成において、動作を説明する。図１においては、プレ検査において膜厚と反射光の強度の関係を求めて適切な角度を決めて、検査を行うこととした。本実施例では、試料１の膜厚を予め膜厚測定器等によって測定し、この測定して得た膜厚データ６９を中央処理装置１９０に入力し、中央処理装置１９０で処理することで、試料１の表面を覆う透明な薄膜の膜厚に応じて角度制御回路２４に指令を与え、試料を照明光の最適な入射角度で照明して得た画像を用いて検査する。このような構成においても同様な効果が得られる。
【００６４】
また、本発明により検査時に適切な照射角度を設定したにも係わらず、強度変化が発生し、検査結果が大きく変動した場合、試料の膜厚変化が突発的に大きくなったと考えられる。それにより、検査時において、試料の膜厚の突発的な変動を把握でき、工程管理も可能となる。図２３に工程管理に適用した場合のフローチャートを示す。検査工程において異常な検査結果がある場合は、この試料を抜き出し、膜厚測定器などによって再測定し、原因を究明する。結果によっては、膜形成装置へ結果をフィードバックする。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、試料に照射するレーザ光の角度を試料の薄膜の厚さに応じて適切な角度で照射することにより、薄膜干渉の影響を低減する事が出来る。このため、回路パターンの粗密で生じる薄膜の膜厚むら、試料の場所によって生じるチップ間での薄膜の膜厚むらによる検査時の光量変動を打ち消すことができる。よって、高感度な検査を実現することができる効果を奏する。
【００６６】
また、本発明によれば、検査によって突発的な強度変化を検出した場合、工程管理にも適用できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる欠陥検査装置の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１に示すコヒーレンス低減光学系を含む照明光学系の一実施例を示す模式図である。
【図３】対物レンズの瞳におけるレーザ走査の状態を示す図である。
【図４】対物レンズの瞳における光束を説明する図である。
【図５】図２に示すコヒーレンス低減光学系に指令する波形を説明する図である。
【図６】薄膜干渉を説明する模式図である。
【図７】図６での薄膜干渉おける反射強度を示す図である。
【図８】回路パターンを施した試料の断面を示す図である。
【図９】図８における薄膜干渉を求めた図である。
【図１０】本発明における薄膜干渉を求めた図である。
【図１１】本発明における試料に対する角度変化を説明する図である。
【図１２】本発明における試料に対する角度変化においての反射強度の変化を示す図である。
【図１３】本発明における検査結果を示す模式図である。
【図１４】本発明の第２の実施例におけるコヒーレンス低減光学系を含む照明光学系の一実施例を示す模式図である。
【図１５】図１４における対物レンズ瞳での光束を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施例におけるコヒーレンス低減光学系を含む照明光学系の一実施例を示す模式図である。
【図１７】図１６におけるミラーの詳細を示す図である。
【図１８】図１７におけるミラーの形状を示す図である。
【図１９】図１７におけるミラーの断面を示す図である。
【図２０】（ａ）は、ＴＤＩイメージセンサの概略構成を示す正面図、（ｂ）は、その側面図である。
【図２１】図１に示す比較器１８の概略の構成を示すブロック図である。
【図２２】本発明に係わる欠陥検査装置の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図２３】本発明に係わる欠陥検査装置を工程管理に適用した図である。
【符号の説明】
１…試料２…Ｚステージ３…Ｘステージ４…Ｙステージ
５…レーザ光源７…ビームエキスパンダ８…コヒーレンシ低減光学系
９…レンズ１０…ハーフプリズム１１…対物レンズ
１２…瞳１３…結像レンズ１４…ＣＣＤセンサ１５…A/D変換器
１６…階調変換器１７…遅延メモリ１８…比較器
１９…中央処理装置(CPU) ２０…入力手段２１…記憶装置
２２…表示手段２３…出力手段２４…角度制御回路２５…ミラー
２６…揺動モータ２７、２８…レンズ２９…ミラー
３０…揺動モータ５５…ホモジナイザ５６…レンズ６１…レンズ
６２…角度揺動ミラー６３…回転モータ６９…膜厚データ入力手段
１００…ステージ制御回路１０１…画像処理回路

Claims

レーザ光源から発射したレーザを対物レンズの瞳の位置で輪帯状に走査し、該輪帯状に走査したレーザを前記対物レンズを介して基板上に形成したパターンを光学的に透明な薄膜で被覆した試料に照射し、該レーザが照射された試料の光学像を撮像手段で撮像し、該撮像して得た画像を処理することにより前記パターンの欠陥を検出する方法であって、前記レーザを輪帯状に走査する輪帯の径を、前記光学的に透明な薄膜の膜厚に基づいて決定することを特徴とするパターン欠陥検出方法。
基板上に形成したパターンを該パターンを覆う光学的に透明な薄膜を介して検査する方法であって、レーザ光源から発射したレーザを対物レンズの瞳の位置で前記光学的に透明な薄膜の膜厚に基づいて決定した径で輪帯状に走査し、該輪帯状に走査したレーザで一方向に連続的に移動するテーブルに載置された前記基板上に形成されたパターンを照明し、該照明されたパターンの光学像を前記レーザの輪帯状の走査と同期して撮像し、該撮像して得た画像を処理することにより前記パターンの欠陥を検出することを特徴とするパターン欠陥検出方法。
前記パターンを照明するレーザは、紫外領域の波長を有することを特徴とする請求項１または２に記載のパターン欠陥検出方法。
前記パターンを照明するレーザは、１００〜３５５ｎｍの範囲の波長を有することを特徴とする請求項１または２に記載のパターン欠陥検出方法。
レーザ光源と、該レーザ光源から発射したレーザを走査する走査手段と、該走査手段で走査されたレーザを対物レンズを介して基板上に形成したパターンを光学的に透明な薄膜で被覆した試料に照射する照射手段と、該レーザが照射された試料のパターンの光学像を前記対物レンズを介して撮像する撮像手段と、該撮像手段で撮像して得た画像を処理することにより前記パターンの欠陥を検出する画像処理手段とを備えたパターン欠陥検出装置であって、前記走査手段は、前記照射手段の対物レンズの瞳の位置で前記レーザを輪帯状に走査し、該走査する輪帯状の径を前記光学的に透明な薄膜の膜厚に基づいて決定することを特徴とするパターン欠陥検出装置。
基板上に形成したパターンを該パターンを覆う光学的に透明な薄膜を介して検査するパターン欠陥検出装置であって、レーザ光源と、対物レンズを備えた照明光学系手段と、前記基板を載置して少なくとも一方向に移動可能なテーブル手段と、前記レーザ光源から発射したレーザを前記照明光学系の対物レンズの瞳の位置で輪帯状に走査する走査手段と、該走査手段で前記レーザを輪帯状に走査する該輪帯の径に関する情報を前記パターンを覆う光学的に透明な薄膜の膜厚の情報を用いて決めて前記走査手段に出力する制御手段と、前記走査手段で対物レンズの瞳の位置で輪帯状に走査されたレーザを前記照明光学系手段を介して照明された前記テーブル手段に載置された基板上のパターンの光学像を前記レーザの輪帯状の走査と同期して撮像する撮像手段と、該撮像手段で撮像して得た画像を処理することにより前記パターンの欠陥を検出する画像処理手段とを備えたことを特徴とするパターン欠陥検出装置。
前記レーザ光源は、前記パターンを紫外領域の波長の光で照明することを特徴とする請求項６記載のパターン欠陥検出装置。
前記レーザ光源は、前記パターンを１００〜３５５ｎｍの範囲の波長の光で照明することを特徴とする請求項６記載のパターン欠陥検出装置。
前記撮像手段はＴＤＩセンサを備え、該ＴＤＩセンサで前記パターンの光学像を撮像することを特徴とする請求項６記載のパターン欠陥検出装置。