JP3832028B2 - 基板の欠陥検査装置及び欠陥検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の欠陥検査装置及び欠陥検査方法に関し、特に基板表面の膜厚むら、汚れ、基板に形成されたパターンの段差、露光忘れ、表面の傷等のマクロ的欠陥を検査する欠陥検査装置及び欠陥検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体用ウエハなどの基板を自動検査するための従来技術としては、特公平６−８７８９号公報に開示されているように、基板に対する照明光の入射角を可変にし、基板表面からの正反射光をカメラで撮影してその画像情報を基に基板の汚れ、傷などの欠陥を検査する方法がある。また、特開平８−７５６６１号公報には、基板上の繰り返しパタ―ンからの回折光のみを受光して基板上の傷、異物、シミなどの欠陥を検査する方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体を製造する際には、基板は多数のプロセスを経て処理されるので、それらのプロセス毎の検査や管理が必要となるが、以上のような従来技術によれば、特に重ねて形成された複数の層のうち１層を分離して検査することが困難であった。
【０００４】
半導体ウエハのなかには、周期的な繰り返しパタ―ンの上に透明な薄膜などが塗布され、表面がほとんど平坦なものや、あるいは表面層とその下の層で繰り返しパタ―ンのピッチが異なるようなものが存在する。
【０００５】
例えば前者のような表面が平坦な試料からの回折光を受光すると、下層の繰り返しパタ―ンからの情報が中心で、表面の薄膜のマクロ的検査は困難であった。
【０００６】
また後者のような場合は、検査すべき層のパタ―ンのピッチに合わせて回折光を受光できればよいが、表面層の透明薄膜のパタ―ンピッチが下層のパタ―ンピッチの整数倍になった場合は、それぞれの回折光を別々に受光することが困難であるため、工程（層）毎の欠陥情報を誤り無く検出することが困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、工程（層）毎の種々の欠陥を高い信頼性をもって検査できる欠陥検査装置及び欠陥検査方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による基板の欠陥検査装置は、図１と図２に示されるように、基板Ｗの表面の法線に対して光軸が８０°〜８９°の角度θｉをもって配置された照明光学系１０と；前記照明光学系１０によって照明された基板Ｗの表面に関する情報を含んだ光を受光する受光手段３０と；前記基板Ｗからの所定の光を選択的に受光するために、前記受光手段３０の受光角を設定する受光角設定手段４０と；前記基板Ｗの表面と交差する軸線回りに前記基板Ｗを回転させる回転機構５０とを備え、前記受光手段３０は、前記回転機構５０で前記基板Ｗを回転させ複数の回転角で前記光を受光するよう構成されたことを特徴とする。
このように構成すると、照明光学系の光軸が基板表面の法線に対して８０°〜８９°という９０°に近い角度をもって配置されているので、照明光の大半が基板の表面で反射され、主として基板の表面の情報が取り出される。そのような情報を含んだ光を受光する受光手段が、受光角設定手段により所定の受光角に設定されようになっているので、基板からの所定の光、例えば所定の方向に向かう正反射光、散乱光、回折光の中からいずれかの光を選択的に受光することができる。また、基板の表面と交差する軸線回りに基板を回転させる回転機構を備えるので、任意の方向のパターンや傷に対処でき、受光手段が回転機構で基板を回転させ複数の回転角で受光するよう構成されているので、複数の方向のパターンや傷に対処できる。ここで、その軸線は一般的には基板の表面に垂直な軸線である。
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項２に係る発明による基板の欠陥検査装置は、図１と図２に示されるように、前記光が、正反射光または回折光であってもよい。
このように構成すると、基板Ｗからの所定の方向に向かう正反射光または回折光を選択的に受光することができ、前記受光角設定手段４０が前記基板 W からの正反射光または回折光を受光する方向に前記受光手段３０を配置するので、正反射光によって、基板表面の厚膜むら、しみや汚れなどの欠陥を検出し、または回折光によって、基板上のパターンの欠陥を検出できる。
【００１０】
ここで、請求項３に記載のように、受光角設定手段は、照明光学系と基板とを一体的に傾斜させて受光角を設定するように構成されていてもよい。
【００１１】
このように構成すると、照明光学系と基板とを一体的に傾斜させるので、照明光の入射角は一定に保ったまま、受光角を任意に設定できる。また、検査装置中で受光光学系を固定的に配置することができる。
【００１２】
請求項４に係る発明による基板の欠陥検査方法は、基板の表面に対して８０°〜８９°の入射角をもって前記基板を照明する照明工程と；前記照明工程で照明された前記基板にて生ずる、前記基板の表面に関する情報を含んだ光のうちの所定の光を、選択的に受光する第１の受光工程と；前記基板を前記基板の表面と交差する軸線回りに回転させ前記第１の受光工程とは異なった方向から、前記基板の表面に関する情報を含んだ光のうち所定の光を選択的に受光する第２の受光工程と；前記第１の受光工程と前記第２の受光工程で得られた情報に基づいて前記基板の欠陥を検出する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この方法では、基板表面に対して８０°〜８９°という９０°に近い角度をもって基板が照明されるので、照明光の大半が基板の表面で反射され、主として基板の表面の情報が取り出される。第１の受光工程および第２の受光工程で、基板の表面に関する情報を含んだ光のうちの所定の光を選択的に受光するので、異なる条件下で、選択された光に応じた欠陥が検出される。
【００１４】
上記方法では、請求項５に記載のように、前記第１の受光工程及び前記第２の受光工程は、前記基板にて生ずる所定の回折光、散乱光あるいは正反射光を選択的に受光するのが望ましい。
【００１５】
この場合、選択された光が正反射光であれば、基板表面の膜厚むら、しみや汚れに関する情報が、回折光であれば、基板上のパターンの情報が、そして散乱光であれば、表面の傷や異物の情報が主として拾われる。そして欠陥を検出する工程で、それらの基板に係わる欠陥が検出される。
【００１６】
以上の方法では、請求項６に記載のように、前記欠陥を検出する工程は、前記第１の受光工程及び前記第２の受光工程で得られた情報と前記基板の基準状態を示す基準情報とを比較する工程をさらに備えてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明による基板の欠陥検査装置の実施の形態を示す側面図であり、図２は図１の装置の平面図である。
【００１８】
図１に示されるように、照明光学系１０は基板ステ―ジＳＴＧに対して相対的に固定されている。基板ステ―ジＳＴＧ上に取り付けられていてもよい。さらに基板ステージＳＴＧの上面には、基板Ｗを載置する面を有する試料台２０が設けられている。
【００１９】
照明光学系には、照明光を供給するライトガイド１１がその光射出端面１２を基板Ｗの方向に向けて配置されている。射出端面１２の光の進行方向には、試料台に載置される基板の表面の法線に平行な方向にパワ―を持つ円筒凹面鏡１３が、その焦点位置に射出端面１２が位置するように配置され、円筒凹面鏡１３で反射された射出端面１２からの光の進行方向には、前記法線に直角な方向にパワ―を持つ円筒凹面鏡１４が、その焦点位置に射出端面１２が位置するように配置されている。
【００２０】
ここで、円筒凹面鏡１４で反射された射出端面１２からの光が、試料台２０上に載置された基板Ｗの表面に、８０°〜８９°の角度をもって入射するように、照明光学系１０は配置されている。即ち、照明光学系１０の光軸が、試料台２０上に載置された基板Ｗの表面に、前記のような角度をもつように、配置されている。
【００２１】
このように構成されているので、ライトガイド１１の射出端面１２から射出された光は、基板の表面の法線方向、即ち鉛直方向、基板表面の法線直角方向、即ち水平方向の両方向共に実質的に平行である光束Ｌ１となって基板Ｗを９０°に近い入射角（基板の表面にすれすれの入射角）で入射し、基板の表面を照明する。このため媒質の異なる境界面での光の反射、屈折に関するフレネルの式により、照明光の大半は基板の表面で反射されるので、基板（被検試料）内部の情報ではなく、主に表面の情報を取り出すことができる。
【００２２】
また基板Ｗを照明する照明光学系の開口数（Ｎ．Ａ．）が、基板表面の法線と照明光学系１０の光軸とを含む面方向、図１でいえば紙面方向と、それに直交する方向とで等しくなるように、ライトガイド１１の端面１２の形状は、円筒凹面鏡１３と円筒凹面鏡１４のそれぞれの焦点距離に比例する寸法とするとよい。
【００２３】
一方、基板の表面状態に関する情報を含んだ基板からの光を受光する受光光学系３０が、基板からの光の進行方向に設けられている。図１中、受光光学系３０は、凹面反射鏡３１が基板Ｗからの正反射光を受光する方向、即ち本実施の形態では、基板上の反射角が８０°〜８９°の入射角と同じ角度で入射点おける法線に対して反対側の方向に配置されている。さらに凹面反射鏡３１からの反射光の進行方向には、結像レンズ３２と２次元イメ―ジセンサ３３がこの順に、かつ基板Ｗの表面と２次元イメ―ジセンサ３３の表面とが実質的に共役になるように配置されている。
【００２４】
したがって、基板Ｗで正反射された平行な光束Ｌ２は凹面反射鏡３１で反射され、結像レンズ３２の入射瞳位置に集光され、基板Ｗの表面の正反射画像を２次元イメ―ジセンサ３３上に結ぶ。
【００２５】
ここで照明効率の点からも、照明光学系１０の開口数（Ｎ．Ａ．）と受光光学系系３０の開口数は実質的に揃えておくことが望ましい。
【００２６】
基板Ｗの表面のレジスト塗布むらや部分的な露光異常などの原因による異常な段差などがあると反射率がそのような異常を反映したものとなり、正常な基板のそれとは異なるので、比較することにより異常を検出することができる。
【００２７】
次に回折光を受光する場合を考える。被検基板Ｗ上に周期的な繰り返しパタ―ンがあればそのピッチに応じて回折光が生ずる。図１のように入射角θｉに対する回折角θｄは、パタ―ンのピッチと波長をそれぞれｐ、λ、回折の次数をｍ（整数）とすると以下の関係を満足する。
【００２８】
sinθｄ―sinθｉ＝ｍλ／ｐ （１）
入射角が９０゜に近い場合、式（１）におけるsinθｉは、ほぼ１に等しくなるので、sinθｉ＝１と置けば、式（１）は、
sinθｄ＝ｍλ／ｐ＋１ （２）
となる。
【００２９】
回折光を受光する場合はパタ―ンのピッチ情報に応じて、式（１）で決まる受光角に設定しなければならないが、受光光学系３０ａ全体を基板Ｗの中心の回りに回転させることにより受光角を調節し、図１の破線で示めされるように、基板表面からの射出角を式（１）で求められる回折角θｄに設定することにより、回折光Ｌ３による画像を得ることができる。
【００３０】
ここで正常なパタ―ンに対してパタ―ン段差や凹凸の比率（デュ―ティ―比）が異なると、回折効率が異なり、回折像の明るさが正常なパタ―ンのそれとは異なるので、比較することにより異常を検査することができる。
【００３１】
照明系の入射角を９０゜付近にすることにより、表面反射率を高め、表面からの回折光を効率良く受光する点は、正反射光受光の場合と同様である。なお受光角を変化させる他の方法として、照明光学系１０と基板Ｗとの相対的位置関係を一定に保持したまま、ステ―ジＳＴＧ全体を傾斜させてもよい。そのために、基板ステージＳＴＧには、受光角設定手段４０が設けられている。その回転軸は、ほぼ基板Ｗの表面を含む平面内にあり、照明光学系１０の光軸に直交する方向に向いている。
【００３２】
また散乱光を受光する場合は、パタ―ンからの回折光が２次元イメージセンサ３３に直接入射しない方向に受光光学系３０を設定するのが望ましい。散乱光の検出は基板Ｗ上の異物や傷の検出に有効であるが、傷による散乱光は傷に対して直角の方向に強く出るので、傷の方向によって散乱光を受光すべき方向が異なる。したがって、基板Ｗを載置する試料台２０が３６０゜回転できる構造になっている。試料台２０は、基板ステージＳＴＧに設けられた、試料台２０の基板Ｗを載置する上面、ひいては基板Ｗの表面の法線に平行な回転軸を有する回転機構５０（図１参照）により回転される。回転機構５０は、基板ステ―ジＳＴＧ上に取り付けられていてもよい。
【００３３】
このようにして、基板Ｗは、上記法線回りに少なくとも０゜、４５゜の２方向で検査される。おのおのの回転角における画像と正常なパタ―ンの画像とを比較することにより異常を検査する点では前述２方式と同様である。
【００３４】
以上のように、任意の受光角を選択できる構成、及び基板表面の法線回りに回転して異なった方向から基板の表面を観察できるように構成することにより、最適な観察の方向を設定できる他、異なる条件下で得られる複数の画像情報を基に基板上の欠陥検査を行うこともできる。
【００３５】
図２に示されるように、凹面反射鏡３１の反射方向を基板Ｗの中心からずらしてあるのは、反射光による検出をする際に、反射光に回折光の影響が及ばないようにするためである。
【００３６】
次に、図３〜図５を参照して、本発明に係る基板の欠陥検査方法の実施の形態を説明する。図３は、検査開始を開始して、回折光を選択的に受光して行う検査のフローを示し、図４は、正反射光を選択的に受光して行う検査のフローを示し、図５は、散乱光を選択的に受光して行う検査及び、基板の良、不良を判別し、欠陥検査方法を終了するまでのフローを示している。
【００３７】
先ず図３に示されるように、本実施の形態では、基板に形成されているパターンに関する情報を読みとる（工程ＳＰ１）。そのパターンが周期性パターンであるかを判断して（工程ＳＰ２）、周期性パターンでなければ、回折光を受光して行う検査は不要であるので、正反射光を受光する検査（図４、工程ＳＰ８）にバイパスしてよい（Ｘ１）。
【００３８】
周期性パターン、例えばラインアンドスペースパターンであれば、基板の表面の法線回りの回転角を、照明光を入射させる方向に対してラインの方向が直交するように設定する（工程ＳＰ３）。
【００３９】
また、パターンピッチに対する回折角を、式（１）あるいは式（２）にしたがって計算する（工程ＳＰ４）。計算で求められた回折角θｄに、受光角度を設定する（工程ＳＰ５）。もちろん、ここで工程３は工程５の後でもよい。
【００４０】
以上のようにして方向と傾斜が設定された基板の表面に、９０°近い入射角で照明光を照射する（工程６）。そして基板表面の情報を取り込んで基板から生じる回折光を受光する。ここで、受光角は回折光を受光しながら最も適切な角度にさらに調整してもよい。
【００４１】
取り込まれた画像を、予め用意されている欠陥のない基板の状態を与える基準画像と比較して（工程８）、許容できる程度に同じではない場合には不要品と判断して、そのような基板は不良品トレイに納める（Ｘ３、図５、工程２８）。
【００４２】
工程８で、基準画像と同じと判定された場合は次の工程に移る（Ｘ１、図４、工程ＳＰ１１）。
【００４３】
なお、基板に形成されているパターンに関する情報が、基板毎の特性として事前に知られていれば、読みとる工程ＳＰ１と周期性パターンかの判断工程ＳＰ２は省略して、以下説明する直接Ｘ１以下の正反射受光工程、あるいは乱反射受光工程から、本検査方法を開始してもよい。
【００４４】
図４を参照して、正反射光を受光して行われる検査工程を説明する。先ず、受光角を照明光の入射角と同一に設定する（工程ＳＰ１１）。次に、傾斜が（受光角が）設定された基板の表面に、９０°近い入射角で照明光を照射する（工程１２）。そして基板表面の情報を取り込んで基板から反射する正反射光を受光し、正反射画像を取り込む。ここで、受光角は反射光を受光しながら最も適切な角度にさらに調整してもよい。
【００４５】
取り込まれた正反射画像を、予め用意されている欠陥のない基板の状態を与える基準画像と比較して（工程１４）、許容できる程度に同じではない場合には不要品と判断して、そのような基板は不良品トレイに納める（Ｘ３、図５、工程２８）。工程１４で、基準画像と同じと判定された場合は次の工程に移る（Ｘ２、図５、工程ＳＰ２１）。
【００４６】
図５を参照して、乱反射光を受光して行われる検査工程を説明する。先ず、受光光学系を基板に対して、乱反射光を受光するに適した受光角に設定する。乱反射光は、正反射あるいは回折光の場合と違って、ほぼあらゆる方向に発せられるが、例えば正反射光を避ける方向、あるいは１次、２次の回折光の方向を避ける方向に設定すれば、効率良く乱反射光による観察ができる。
【００４７】
このようにして方向と傾斜が設定された基板の表面に、９０°近い入射角で照明光を照射する（工程２２）。そして基板表面の情報を取り込んで基板から生じる散乱光を受光する。ここで、受光角はあらためて散乱光を受光しながら最も適切な角度にさらに調整してもよい。
【００４８】
取り込まれた画像を、予め用意されている欠陥のない基板の状態を与える基準画像と比較して（工程２４）、許容できる程度に同じではない場合には不良品と判断して、そのような基板は不良品トレイに納める（Ｘ３、工程２８）。そしてまだ検査すべ基板が残っているか否かを判断する（工程ＳＰ２９）。
【００４９】
工程２４で、基準画像と同じと判定された場合は、次にさらに基板表面の法線回りの別の角度から観察するかを判断し、別の角度から観察する場合は、ここで基板を回転し（工程ＳＰ２６）、工程ＳＰ２１に戻り、その位置において散乱光を受光して行う検査を繰り返す。
【００５０】
工程２５で、基板をさらに回転させて観察する必要がないと判断された場合は、基板を良品トレイに納める（工程ＳＰ２７）。そしてまだ検査すべき基板が残っているか否かを判断する（工程ＳＰ２９）。
【００５１】
まだ検査すべき基板が残っている場合は、次の基板を検査テーブルに載せ（工程ＳＰ３０）、その基板が前に検査された基板と同じ種類の基板かを判断し、同じ種類ではなければ工程ＳＰ１に戻り（Ｘ４）、パターン情報の読込から工程を繰り返す。同じ種類であれば、パターン情報の読込みは不要であるので、工程ＳＰ２に戻る。
【００５２】
工程２９で全ての基板が検査されたと判断されると、この検査は終了する（ＥＮＤ）。
【００５３】
以上、周期性パターンを受光する回折光受光の工程、正反射光受光の工程、乱反射光受光の工程の順番で実行する場合を説明したが、順番はこの限りにあらず、例えば正反射、乱反射、回折光の順番でもよい。また、周期性パターンを有さない基板の場合は回折光受光検査は省略してよいが、一般的には正反射工程と、乱反射工程は省略しない。
【００５４】
以上説明したように、欠陥のない基板の状態即ち基準状態と、検査される基板を状態とを比較することにより、欠陥を判別することができる。
【００５５】
以上のように、周期性を有する繰り返しパタ―ンの上に透明な薄膜などが塗布され、表面がほとんど平坦な試料の表面状態を検査する場合は、異物からの散乱光を検出することにより異物を検出することができる。また表面の膜厚むらなどは表面の正反射画像が明るさのむらとなるので検出することができる。
【００５６】
ここで、表面の反射率をできるだけ高め、照明光が下層まで到達しないようにするために、照明系の入射角は８０°〜８９°とし、できるだけ９０゜に近い角度にする。望ましくは８７°〜８９°とする。例えば一実施例では入射角８８゜とする。この場合照明光の大半（９０％以上）が表面で反射される。図１は、入射角８８°の場合を示しているが、図１の（ａ）は、入射する照明光と正反射光との関係が分かり易いように、入射角８０°の場合の試料周辺を部分的に示している。
【００５７】
また、表面層と下層の繰り返しパタ―ンのピッチが異なるような試料では、検査すべき層のパタ―ンのピッチに合わせて回折光を受光しなければならないが、表面層と下層からの回折光同士がうまく分離できない場合（ピッチが整数倍の場合）も、やはり照明系の入射角は８０°〜８９°とし、できるだけ９０゜に近くする。さらに８７°〜８９°とするのが望ましい。例えば望ましい実施例では入射角を８８゜とする。このようにすることにより、基板の表面反射率を高め、表面からの回折光を効率良く受光することができる。
【００５８】
このように試料に応じて最適な検出なモ―ドを選択することによって、工程毎の種々の欠陥に対して信頼性の高い検査が可能となる。
【００５９】
また、照明光学系１０及び受光光学系３０はテレセントリック光学系とするのが望ましい。このように構成すれば、被検査基板の表面全体にわたって同一入射角をもって照明が行われ、また同一受光角をもって観察することができる。したがって、基板表面の欠陥を検査するのに、目視検査でよく行われるように基板の傾斜を少しづつ変化させる必要がない。
【００６０】
また、照明光学系１０は互いに直交方向でパワ―の異なる２群の光学要素から成り、開口絞りの寸法形状が前記パワ―に逆比例するように構成してもよい。
【００６１】
以上のように本発明によれば試料基板に応じて反射光、回折光、散乱光の中から最適な検出モ―ドを選択することができ、さまざまの工程における種々の欠陥に対して信頼性の高い検査が可能となる。
【００６２】
また、装置が表面の画像情報を入手するような構成となっているので、工程終了毎にこれらの検査を行うことが望ましい。
【００６３】
またこれらの方法は、半導体ウエハばかりでなく、液晶用の大型基板等の欠陥、異物の検出にも応用できる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、照明光が基板に対して８０°〜８９°の角度で入射するので、大半の光が基板の表面で反射され、第１層である表面の欠陥を検出することが可能となる。また基板の表面から所定の光を選択的に受光するので、例えば正反射光、散乱光、回折光の中からいずれかの光を選択して受光でき、それらの光で検出するのに適した欠陥を検出することを可能にする。このようにして、基板の各層毎の種々の欠陥を高い信頼性をもって検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の欠陥検出装置の実施の形態を示す側面図である。
【図２】図１の装置の平面図である。
【図３】本発明の欠陥検出方法の実施の形態中、回折光を受光して行う方法の部分を示すフロー図である。
【図４】本発明の欠陥検出方法の実施の形態中、正反射光を受光して行う方法の部分を示すフロー図である。
【図５】本発明の欠陥検出方法の実施の形態中、散乱光を受光して行う方法の部分を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０ 照明光学系
１１ ライトガイド（光ファイバー）
１２ 射出端面
１３ 円筒凹面鏡
１４ 円筒凹面鏡
２０ 試料台
３０ 受光光学系
３１ 凹面反射鏡
３２ 結像レンズ
３３ ２次元イメージセンサ
４０ 受光角設定手段
５０ 回転機構
θｉ 入射角
θｄ 回折角
Ｗ 基板
ＳＴＧ 基板ステージ
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 反射光
Ｌ３ 回折光
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の欠陥検査装置及び欠陥検査方法に関し、特に基板表面の膜厚むら、汚れ、基板に形成されたパターンの段差、露光忘れ、表面の傷等のマクロ的欠陥を検査する欠陥検査装置及び欠陥検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体用ウエハなどの基板を自動検査するための従来技術としては、特公平６−８７８９号公報に開示されているように、基板に対する照明光の入射角を可変にし、基板表面からの正反射光をカメラで撮影してその画像情報を基に基板の汚れ、傷などの欠陥を検査する方法がある。また、特開平８−７５６６１号公報には、基板上の繰り返しパタ―ンからの回折光のみを受光して基板上の傷、異物、シミなどの欠陥を検査する方法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体を製造する際には、基板は多数のプロセスを経て処理されるので、それらのプロセス毎の検査や管理が必要となるが、以上のような従来技術によれば、特に重ねて形成された複数の層のうち１層を分離して検査することが困難であった。
【０００４】
半導体ウエハのなかには、周期的な繰り返しパタ―ンの上に透明な薄膜などが塗布され、表面がほとんど平坦なものや、あるいは表面層とその下の層で繰り返しパタ―ンのピッチが異なるようなものが存在する。
【０００５】
例えば前者のような表面が平坦な試料からの回折光を受光すると、下層の繰り返しパタ―ンからの情報が中心で、表面の薄膜のマクロ的検査は困難であった。
【０００６】
また後者のような場合は、検査すべき層のパタ―ンのピッチに合わせて回折光を受光できればよいが、表面層の透明薄膜のパタ―ンピッチが下層のパタ―ンピッチの整数倍になった場合は、それぞれの回折光を別々に受光することが困難であるため、工程（層）毎の欠陥情報を誤り無く検出することが困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、工程（層）毎の種々の欠陥を高い信頼性をもって検査できる欠陥検査装置及び欠陥検査方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による基板の欠陥検査装置は、図１と図２に示されるように、基板Ｗの表面の法線に対して光軸が８０°〜８９°の角度θｉをもって配置された照明光学系１０と；前記照明光学系１０によって照明された基板Ｗの表面に関する情報を含んだ光を受光する受光手段３０と；前記基板Ｗからの所定の光を選択的に受光するために、前記受光手段３０の受光角を設定する受光角設定手段４０と；前記基板Ｗの表面と交差する軸線回りに前記基板Ｗを回転させる回転機構５０とを備え、前記受光手段３０は、前記回転機構５０で前記基板Ｗを回転させ複数の回転角で前記光を受光するよう構成されたことを特徴とする。
このように構成すると、照明光学系の光軸が基板表面の法線に対して８０°〜８９°という９０°に近い角度をもって配置されているので、照明光の大半が基板の表面で反射され、主として基板の表面の情報が取り出される。そのような情報を含んだ光を受光する受光手段が、受光角設定手段により所定の受光角に設定されようになっているので、基板からの所定の光、例えば所定の方向に向かう正反射光、散乱光、回折光の中からいずれかの光を選択的に受光することができる。また、基板の表面と交差する軸線回りに基板を回転させる回転機構を備えるので、任意の方向のパターンや傷に対処でき、受光手段が回転機構で基板を回転させ複数の回転角で受光するよう構成されているので、複数の方向のパターンや傷に対処できる。ここで、その軸線は一般的には基板の表面に垂直な軸線である。
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項２に係る発明による基板の欠陥検査装置は、図１と図２に示されるように、前記光が、正反射光または回折光であってもよい。
このように構成すると、基板Ｗからの所定の方向に向かう正反射光または回折光を選択的に受光することができ、前記受光角設定手段４０が前記基板 W からの正反射光または回折光を受光する方向に前記受光手段３０を配置するので、正反射光によって、基板表面の厚膜むら、しみや汚れなどの欠陥を検出し、または回折光によって、基板上のパターンの欠陥を検出できる。
【００１０】
ここで、請求項３に記載のように、受光角設定手段は、照明光学系と基板とを一体的に傾斜させて受光角を設定するように構成されていてもよい。
【００１１】
このように構成すると、照明光学系と基板とを一体的に傾斜させるので、照明光の入射角は一定に保ったまま、受光角を任意に設定できる。また、検査装置中で受光光学系を固定的に配置することができる。
【００１２】
請求項４に係る発明による基板の欠陥検査方法は、基板の表面に対して８０°〜８９°の入射角をもって前記基板を照明する照明工程と；前記照明工程で照明された前記基板にて生ずる、前記基板の表面に関する情報を含んだ光のうちの所定の光を、選択的に受光する第１の受光工程と；前記基板を前記基板の表面と交差する軸線回りに回転させ前記第１の受光工程とは異なった方向から、前記基板の表面に関する情報を含んだ光のうち所定の光を選択的に受光する第２の受光工程と；前記第１の受光工程と前記第２の受光工程で得られた情報に基づいて前記基板の欠陥を検出する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この方法では、基板表面に対して８０°〜８９°という９０°に近い角度をもって基板が照明されるので、照明光の大半が基板の表面で反射され、主として基板の表面の情報が取り出される。第１の受光工程および第２の受光工程で、基板の表面に関する情報を含んだ光のうちの所定の光を選択的に受光するので、異なる条件下で、選択された光に応じた欠陥が検出される。
【００１４】
上記方法では、請求項５に記載のように、前記第１の受光工程及び前記第２の受光工程は、前記基板にて生ずる所定の回折光、散乱光あるいは正反射光を選択的に受光するのが望ましい。
【００１５】
この場合、選択された光が正反射光であれば、基板表面の膜厚むら、しみや汚れに関する情報が、回折光であれば、基板上のパターンの情報が、そして散乱光であれば、表面の傷や異物の情報が主として拾われる。そして欠陥を検出する工程で、それらの基板に係わる欠陥が検出される。
【００１６】
以上の方法では、請求項６に記載のように、前記欠陥を検出する工程は、前記第１の受光工程及び前記第２の受光工程で得られた情報と前記基板の基準状態を示す基準情報とを比較する工程をさらに備えてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明による基板の欠陥検査装置の実施の形態を示す側面図であり、図２は図１の装置の平面図である。
【００１８】
図１に示されるように、照明光学系１０は基板ステ―ジＳＴＧに対して相対的に固定されている。基板ステ―ジＳＴＧ上に取り付けられていてもよい。さらに基板ステージＳＴＧの上面には、基板Ｗを載置する面を有する試料台２０が設けられている。
【００１９】
照明光学系には、照明光を供給するライトガイド１１がその光射出端面１２を基板Ｗの方向に向けて配置されている。射出端面１２の光の進行方向には、試料台に載置される基板の表面の法線に平行な方向にパワ―を持つ円筒凹面鏡１３が、その焦点位置に射出端面１２が位置するように配置され、円筒凹面鏡１３で反射された射出端面１２からの光の進行方向には、前記法線に直角な方向にパワ―を持つ円筒凹面鏡１４が、その焦点位置に射出端面１２が位置するように配置されている。
【００２０】
ここで、円筒凹面鏡１４で反射された射出端面１２からの光が、試料台２０上に載置された基板Ｗの表面に、８０°〜８９°の角度をもって入射するように、照明光学系１０は配置されている。即ち、照明光学系１０の光軸が、試料台２０上に載置された基板Ｗの表面に、前記のような角度をもつように、配置されている。
【００２１】
このように構成されているので、ライトガイド１１の射出端面１２から射出された光は、基板の表面の法線方向、即ち鉛直方向、基板表面の法線直角方向、即ち水平方向の両方向共に実質的に平行である光束Ｌ１となって基板Ｗを９０°に近い入射角（基板の表面にすれすれの入射角）で入射し、基板の表面を照明する。このため媒質の異なる境界面での光の反射、屈折に関するフレネルの式により、照明光の大半は基板の表面で反射されるので、基板（被検試料）内部の情報ではなく、主に表面の情報を取り出すことができる。
【００２２】
また基板Ｗを照明する照明光学系の開口数（Ｎ．Ａ．）が、基板表面の法線と照明光学系１０の光軸とを含む面方向、図１でいえば紙面方向と、それに直交する方向とで等しくなるように、ライトガイド１１の端面１２の形状は、円筒凹面鏡１３と円筒凹面鏡１４のそれぞれの焦点距離に比例する寸法とするとよい。
【００２３】
一方、基板の表面状態に関する情報を含んだ基板からの光を受光する受光光学系３０が、基板からの光の進行方向に設けられている。図１中、受光光学系３０は、凹面反射鏡３１が基板Ｗからの正反射光を受光する方向、即ち本実施の形態では、基板上の反射角が８０°〜８９°の入射角と同じ角度で入射点おける法線に対して反対側の方向に配置されている。さらに凹面反射鏡３１からの反射光の進行方向には、結像レンズ３２と２次元イメ―ジセンサ３３がこの順に、かつ基板Ｗの表面と２次元イメ―ジセンサ３３の表面とが実質的に共役になるように配置されている。
【００２４】
したがって、基板Ｗで正反射された平行な光束Ｌ２は凹面反射鏡３１で反射され、結像レンズ３２の入射瞳位置に集光され、基板Ｗの表面の正反射画像を２次元イメ―ジセンサ３３上に結ぶ。
【００２５】
ここで照明効率の点からも、照明光学系１０の開口数（Ｎ．Ａ．）と受光光学系系３０の開口数は実質的に揃えておくことが望ましい。
【００２６】
基板Ｗの表面のレジスト塗布むらや部分的な露光異常などの原因による異常な段差などがあると反射率がそのような異常を反映したものとなり、正常な基板のそれとは異なるので、比較することにより異常を検出することができる。
【００２７】
次に回折光を受光する場合を考える。被検基板Ｗ上に周期的な繰り返しパタ―ンがあればそのピッチに応じて回折光が生ずる。図１のように入射角θｉに対する回折角θｄは、パタ―ンのピッチと波長をそれぞれｐ、λ、回折の次数をｍ（整数）とすると以下の関係を満足する。
【００２８】
sinθｄ―sinθｉ＝ｍλ／ｐ （１）
入射角が９０゜に近い場合、式（１）におけるsinθｉは、ほぼ１に等しくなるので、sinθｉ＝１と置けば、式（１）は、
sinθｄ＝ｍλ／ｐ＋１ （２）
となる。
【００２９】
回折光を受光する場合はパタ―ンのピッチ情報に応じて、式（１）で決まる受光角に設定しなければならないが、受光光学系３０ａ全体を基板Ｗの中心の回りに回転させることにより受光角を調節し、図１の破線で示めされるように、基板表面からの射出角を式（１）で求められる回折角θｄに設定することにより、回折光Ｌ３による画像を得ることができる。
【００３０】
ここで正常なパタ―ンに対してパタ―ン段差や凹凸の比率（デュ―ティ―比）が異なると、回折効率が異なり、回折像の明るさが正常なパタ―ンのそれとは異なるので、比較することにより異常を検査することができる。
【００３１】
照明系の入射角を９０゜付近にすることにより、表面反射率を高め、表面からの回折光を効率良く受光する点は、正反射光受光の場合と同様である。なお受光角を変化させる他の方法として、照明光学系１０と基板Ｗとの相対的位置関係を一定に保持したまま、ステ―ジＳＴＧ全体を傾斜させてもよい。そのために、基板ステージＳＴＧには、受光角設定手段４０が設けられている。その回転軸は、ほぼ基板Ｗの表面を含む平面内にあり、照明光学系１０の光軸に直交する方向に向いている。
【００３２】
また散乱光を受光する場合は、パタ―ンからの回折光が２次元イメージセンサ３３に直接入射しない方向に受光光学系３０を設定するのが望ましい。散乱光の検出は基板Ｗ上の異物や傷の検出に有効であるが、傷による散乱光は傷に対して直角の方向に強く出るので、傷の方向によって散乱光を受光すべき方向が異なる。したがって、基板Ｗを載置する試料台２０が３６０゜回転できる構造になっている。試料台２０は、基板ステージＳＴＧに設けられた、試料台２０の基板Ｗを載置する上面、ひいては基板Ｗの表面の法線に平行な回転軸を有する回転機構５０（図１参照）により回転される。回転機構５０は、基板ステ―ジＳＴＧ上に取り付けられていてもよい。
【００３３】
このようにして、基板Ｗは、上記法線回りに少なくとも０゜、４５゜の２方向で検査される。おのおのの回転角における画像と正常なパタ―ンの画像とを比較することにより異常を検査する点では前述２方式と同様である。
【００３４】
以上のように、任意の受光角を選択できる構成、及び基板表面の法線回りに回転して異なった方向から基板の表面を観察できるように構成することにより、最適な観察の方向を設定できる他、異なる条件下で得られる複数の画像情報を基に基板上の欠陥検査を行うこともできる。
【００３５】
図２に示されるように、凹面反射鏡３１の反射方向を基板Ｗの中心からずらしてあるのは、反射光による検出をする際に、反射光に回折光の影響が及ばないようにするためである。
【００３６】
次に、図３〜図５を参照して、本発明に係る基板の欠陥検査方法の実施の形態を説明する。図３は、検査開始を開始して、回折光を選択的に受光して行う検査のフローを示し、図４は、正反射光を選択的に受光して行う検査のフローを示し、図５は、散乱光を選択的に受光して行う検査及び、基板の良、不良を判別し、欠陥検査方法を終了するまでのフローを示している。
【００３７】
先ず図３に示されるように、本実施の形態では、基板に形成されているパターンに関する情報を読みとる（工程ＳＰ１）。そのパターンが周期性パターンであるかを判断して（工程ＳＰ２）、周期性パターンでなければ、回折光を受光して行う検査は不要であるので、正反射光を受光する検査（図４、工程ＳＰ８）にバイパスしてよい（Ｘ１）。
【００３８】
周期性パターン、例えばラインアンドスペースパターンであれば、基板の表面の法線回りの回転角を、照明光を入射させる方向に対してラインの方向が直交するように設定する（工程ＳＰ３）。
【００３９】
また、パターンピッチに対する回折角を、式（１）あるいは式（２）にしたがって計算する（工程ＳＰ４）。計算で求められた回折角θｄに、受光角度を設定する（工程ＳＰ５）。もちろん、ここで工程３は工程５の後でもよい。
【００４０】
以上のようにして方向と傾斜が設定された基板の表面に、９０°近い入射角で照明光を照射する（工程６）。そして基板表面の情報を取り込んで基板から生じる回折光を受光する。ここで、受光角は回折光を受光しながら最も適切な角度にさらに調整してもよい。
【００４１】
取り込まれた画像を、予め用意されている欠陥のない基板の状態を与える基準画像と比較して（工程８）、許容できる程度に同じではない場合には不要品と判断して、そのような基板は不良品トレイに納める（Ｘ３、図５、工程２８）。
【００４２】
工程８で、基準画像と同じと判定された場合は次の工程に移る（Ｘ１、図４、工程ＳＰ１１）。
【００４３】
なお、基板に形成されているパターンに関する情報が、基板毎の特性として事前に知られていれば、読みとる工程ＳＰ１と周期性パターンかの判断工程ＳＰ２は省略して、以下説明する直接Ｘ１以下の正反射受光工程、あるいは乱反射受光工程から、本検査方法を開始してもよい。
【００４４】
図４を参照して、正反射光を受光して行われる検査工程を説明する。先ず、受光角を照明光の入射角と同一に設定する（工程ＳＰ１１）。次に、傾斜が（受光角が）設定された基板の表面に、９０°近い入射角で照明光を照射する（工程１２）。そして基板表面の情報を取り込んで基板から反射する正反射光を受光し、正反射画像を取り込む。ここで、受光角は反射光を受光しながら最も適切な角度にさらに調整してもよい。
【００４５】
取り込まれた正反射画像を、予め用意されている欠陥のない基板の状態を与える基準画像と比較して（工程１４）、許容できる程度に同じではない場合には不要品と判断して、そのような基板は不良品トレイに納める（Ｘ３、図５、工程２８）。工程１４で、基準画像と同じと判定された場合は次の工程に移る（Ｘ２、図５、工程ＳＰ２１）。
【００４６】
図５を参照して、乱反射光を受光して行われる検査工程を説明する。先ず、受光光学系を基板に対して、乱反射光を受光するに適した受光角に設定する。乱反射光は、正反射あるいは回折光の場合と違って、ほぼあらゆる方向に発せられるが、例えば正反射光を避ける方向、あるいは１次、２次の回折光の方向を避ける方向に設定すれば、効率良く乱反射光による観察ができる。
【００４７】
このようにして方向と傾斜が設定された基板の表面に、９０°近い入射角で照明光を照射する（工程２２）。そして基板表面の情報を取り込んで基板から生じる散乱光を受光する。ここで、受光角はあらためて散乱光を受光しながら最も適切な角度にさらに調整してもよい。
【００４８】
取り込まれた画像を、予め用意されている欠陥のない基板の状態を与える基準画像と比較して（工程２４）、許容できる程度に同じではない場合には不良品と判断して、そのような基板は不良品トレイに納める（Ｘ３、工程２８）。そしてまだ検査すべ基板が残っているか否かを判断する（工程ＳＰ２９）。
【００４９】
工程２４で、基準画像と同じと判定された場合は、次にさらに基板表面の法線回りの別の角度から観察するかを判断し、別の角度から観察する場合は、ここで基板を回転し（工程ＳＰ２６）、工程ＳＰ２１に戻り、その位置において散乱光を受光して行う検査を繰り返す。
【００５０】
工程２５で、基板をさらに回転させて観察する必要がないと判断された場合は、基板を良品トレイに納める（工程ＳＰ２７）。そしてまだ検査すべき基板が残っているか否かを判断する（工程ＳＰ２９）。
【００５１】
まだ検査すべき基板が残っている場合は、次の基板を検査テーブルに載せ（工程ＳＰ３０）、その基板が前に検査された基板と同じ種類の基板かを判断し、同じ種類ではなければ工程ＳＰ１に戻り（Ｘ４）、パターン情報の読込から工程を繰り返す。同じ種類であれば、パターン情報の読込みは不要であるので、工程ＳＰ２に戻る。
【００５２】
工程２９で全ての基板が検査されたと判断されると、この検査は終了する（ＥＮＤ）。
【００５３】
以上、周期性パターンを受光する回折光受光の工程、正反射光受光の工程、乱反射光受光の工程の順番で実行する場合を説明したが、順番はこの限りにあらず、例えば正反射、乱反射、回折光の順番でもよい。また、周期性パターンを有さない基板の場合は回折光受光検査は省略してよいが、一般的には正反射工程と、乱反射工程は省略しない。
【００５４】
以上説明したように、欠陥のない基板の状態即ち基準状態と、検査される基板を状態とを比較することにより、欠陥を判別することができる。
【００５５】
以上のように、周期性を有する繰り返しパタ―ンの上に透明な薄膜などが塗布され、表面がほとんど平坦な試料の表面状態を検査する場合は、異物からの散乱光を検出することにより異物を検出することができる。また表面の膜厚むらなどは表面の正反射画像が明るさのむらとなるので検出することができる。
【００５６】
ここで、表面の反射率をできるだけ高め、照明光が下層まで到達しないようにするために、照明系の入射角は８０°〜８９°とし、できるだけ９０゜に近い角度にする。望ましくは８７°〜８９°とする。例えば一実施例では入射角８８゜とする。この場合照明光の大半（９０％以上）が表面で反射される。図１は、入射角８８°の場合を示しているが、図１の（ａ）は、入射する照明光と正反射光との関係が分かり易いように、入射角８０°の場合の試料周辺を部分的に示している。
【００５７】
また、表面層と下層の繰り返しパタ―ンのピッチが異なるような試料では、検査すべき層のパタ―ンのピッチに合わせて回折光を受光しなければならないが、表面層と下層からの回折光同士がうまく分離できない場合（ピッチが整数倍の場合）も、やはり照明系の入射角は８０°〜８９°とし、できるだけ９０゜に近くする。さらに８７°〜８９°とするのが望ましい。例えば望ましい実施例では入射角を８８゜とする。このようにすることにより、基板の表面反射率を高め、表面からの回折光を効率良く受光することができる。
【００５８】
このように試料に応じて最適な検出なモ―ドを選択することによって、工程毎の種々の欠陥に対して信頼性の高い検査が可能となる。
【００５９】
また、照明光学系１０及び受光光学系３０はテレセントリック光学系とするのが望ましい。このように構成すれば、被検査基板の表面全体にわたって同一入射角をもって照明が行われ、また同一受光角をもって観察することができる。したがって、基板表面の欠陥を検査するのに、目視検査でよく行われるように基板の傾斜を少しづつ変化させる必要がない。
【００６０】
また、照明光学系１０は互いに直交方向でパワ―の異なる２群の光学要素から成り、開口絞りの寸法形状が前記パワ―に逆比例するように構成してもよい。
【００６１】
以上のように本発明によれば試料基板に応じて反射光、回折光、散乱光の中から最適な検出モ―ドを選択することができ、さまざまの工程における種々の欠陥に対して信頼性の高い検査が可能となる。
【００６２】
また、装置が表面の画像情報を入手するような構成となっているので、工程終了毎にこれらの検査を行うことが望ましい。
【００６３】
またこれらの方法は、半導体ウエハばかりでなく、液晶用の大型基板等の欠陥、異物の検出にも応用できる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、照明光が基板に対して８０°〜８９°の角度で入射するので、大半の光が基板の表面で反射され、第１層である表面の欠陥を検出することが可能となる。また基板の表面から所定の光を選択的に受光するので、例えば正反射光、散乱光、回折光の中からいずれかの光を選択して受光でき、それらの光で検出するのに適した欠陥を検出することを可能にする。このようにして、基板の各層毎の種々の欠陥を高い信頼性をもって検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の欠陥検出装置の実施の形態を示す側面図である。
【図２】図１の装置の平面図である。
【図３】本発明の欠陥検出方法の実施の形態中、回折光を受光して行う方法の部分を示すフロー図である。
【図４】本発明の欠陥検出方法の実施の形態中、正反射光を受光して行う方法の部分を示すフロー図である。
【図５】本発明の欠陥検出方法の実施の形態中、散乱光を受光して行う方法の部分を示すフロー図である。
【符号の説明】
１０ 照明光学系
１１ ライトガイド（光ファイバー）
１２ 射出端面
１３ 円筒凹面鏡
１４ 円筒凹面鏡
２０ 試料台
３０ 受光光学系
３１ 凹面反射鏡
３２ 結像レンズ
３３ ２次元イメージセンサ
４０ 受光角設定手段
５０ 回転機構
θｉ 入射角
θｄ 回折角
Ｗ 基板
ＳＴＧ 基板ステージ
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 反射光
Ｌ３ 回折光
Claims (6)
- 基板の欠陥検査装置であって；
前記基板の表面の法線に対して光軸が８０°〜８９°の角度をもって配置された照明光学系と；
前記照明光学系によって照明された基板の表面に関する情報を含んだ光を受光する受光手段と；
前記基板からの所定の光を選択的に受光するために、前記受光手段の受光角を設定する受光角設定手段と；
前記基板の表面と交差する軸線回りに前記基板を回転させる回転機構とを備え；
前記受光手段は、前記回転機構で前記基板を回転させ複数の回転角で前記光を受光するよう構成されたことを特徴とする；
基板の欠陥検査装置。 - 前記光が、正反射光または回折光であることを特徴とする；
請求項１に記載の基板の欠陥検査装置。 - 前記受光角設定手段は、前記照明光学系と前記基板とを一体的に傾斜させて受光角を設定するように構成されたことを特徴とする；請求項１または請求項２に記載の、基板の欠陥検査装置。
- 基板の表面に対して８０°〜８９°の入射角をもって前記基板を照明する照明工程と；
前記照明工程で照明された前記基板にて生ずる、前記基板の表面に関する情報を含んだ光のうちの所定の光を、選択的に受光する第１の受光工程と；
前記基板を前記基板の表面と交差する軸線回りに回転させ、前記第１の受光工程とは異なった方向から、前記基板の表面に関する情報を含んだ光のうち所定の光を選択的に受光する第２の受光工程と；
前記第１の受光工程と前記第２の受光工程で得られた情報に基づいて前記基板の欠陥を検出する工程とを備えることを特徴とする；
基板の欠陥検査方法。 - 前記第１の受光工程および前記第２の受光工程は、前記基板にて生ずる所定の回折光、散乱光あるいは正反射光を選択的に受光することを特徴とする；請求項４に記載の、基板の欠陥検査方法。
- 前記欠陥を検出する工程は、前記第１の受光工程および前記第２の受光工程で得られた情報と前記基板の基準状態を示す基準情報とを比較する工程をさらに備えることを特徴とする；請求項４または請求項５に記載の、基板の欠陥検査方法。
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