JP3965325B2 - 微細構造観察方法、および欠陥検査装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細構造の観察方法、およびそれを実現する高分解能な顕微鏡の光学系、特に半導体製造工程やフラットパネルディスプレイの製造工程などにおいて微細パターンの欠陥および異物等の観察や検査に用いる高分解能光学系と、これを用いた欠陥検査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造工程やフラットパネルディスプレイの製造工程などにおいて、光学顕微鏡を用いた微細パターンの欠陥および異物等の観察や検査が行われている。近年、半導体デバイスの集積度の向上に伴い、顕微鏡光学系の高性能化が必要となってきた。
【0003】
光学顕微鏡の分解能を上げる方法としては、結像に使用する光の波長の短波長化と、対物レンズの高開口数(NA)化,結像系の伝達関数(MTF)の高域を持ち上げる超解像技術を用いる方法などがある。これらのうち、短波長化と高NA化は直接的な方法であるが、実用上はいずれについても様々な制約があり、実現できない場合がある。そこで、波長とNAを変えずに微細構造を高いコントラストで観察できる方法、すなわち結像系のMTFの高域を持ち上げる超解像技術が注目されている。
【0004】
超解像技術の一例として、偏光状態を制御することでMTFを改善する方法が特開2000−155099に示されている。直線偏光で試料を照明し、試料からの反射光をアナライザを通して結像系に導く方法と、楕円偏光で試料を照明し、試料からの反射光のうち偏光ビームスプリッタで反射された直線偏光成分のみを結像系に導く方法が示されている。前者では、試料上の直線状パターンの方向に対する試料を照明する直線偏光の方位とアナライザの方位を最適化することで、試料上のパターンによる高次回折光と0次光との光量比を調整している。0次光の光量を減らすことで高域のMTFが改善されるとともに、パターンのある部分と無い部分の光量差を減らすことが可能になり、微細パターンが見やすくなり、また、観察像を用いた欠陥検査の性能を向上させることができる。照明系の結像系の光路の分離に無偏光ビームスプリッタを用いる必要があるため、光の利用効率が低く、像が暗くなるという欠点はあるが、試料での反射時の偏光の変化が顕著に現われるため、大きなMTF改善効果を得ることができる。後者の方法では、試料上の直線状パターンの方向に対する試料を照明する楕円偏光の方位と楕円率を最適化することで、同様のMTF改善効果が得られる。直線偏光照明を用いる系よりも光の利用効率を高くとることが可能で、明るい像を得ることができる。なお、この系では、直線偏光照明を実現することもできる。しかし、その場合には、試料からの反射光が結像系に戻らないため、MTF改善効果が最も大きくなる直線偏光照明で像を観察することはできない。
【0005】
この方法を実現する系の基本構成のうち後者の楕円偏光照明を用いる場合の例を図4および図5に示す。光源8からでた光は、凹面鏡とレンズ9を介して開口絞り11に達し、さらにレンズと波長選択フィルタ12,視野絞り13を経て偏光ビームスプリッタ15に入射する。偏光ビームスプリッタ15を透過した直線偏光は、λを波長として、λ/2板16,λ/4板17を通って楕円偏光となり、対物レンズ20によって試料1に照射される。λ/4板17を回転させることによって楕円偏光の長軸の方向を制御し、λ/2板16を回転させることによって楕円偏光の楕円率を制御することができる。試料1で反射された光は、対物レンズ20,λ/4板17,λ/2板16を経て再び偏光ビームスプリッタ15に入射し、s偏光成分だけが反射され、結像レンズ30とズームレンズ50からなる結像系に導かれる。この系では、試料1を円偏光照明するように2枚の波長板の角度を決めた場合には、試料面で反射する際に偏光状態が変化しなかった成分だけが、偏光ビームスプリッタ15で反射されて結像系に導かれる。
【0006】
一方、試料1を楕円偏光照明するように2枚の波長板の角度を決めた場合には、試料1で反射する際に偏光状態が変化した成分の一部も偏光ビームスプリッタ15で反射されて結像系に導かれる。一般的に直線状のパターンで回折された光は偏光状態が変化する場合があるが、0次光は変化しない。そこで、楕円偏光照明することによって回折光成分が強調され、結像系に導かれる。その結果、高域のMTFが改善された像を得ることが可能になる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来例で説明した直線偏光照明や楕円偏光照明を用いる方法は、高域のMTFを改善できる有効な方法である。しかし、大きなMTF改善効果を得るためには、試料上のパターンの方位によって照明光の偏光の方位を変える必要があり、条件設定が煩雑であるという問題点があった。また、試料上に方位の異なるパターンが混在する場合に、すべてのパターンについて同等のMTF改善効果を得ることが難しいという問題があった。これは、MTFの改善効果が等方的でなく、照明光の偏光方向と試料上のパターンの方向との関係に依存するからである。そこで、本発明の目的は、試料上のパターンの方向に依存せず高域でのMTF改善効果が得られる方法および装置を提供することにある。
【0008】
また、楕円偏光照明を用いる方法は、光の利用効率が高く、かつMTF改善効果も得られる優れた方式ではあるが、直線偏光照明を用いる方法との共存が難しいという問題があった。直線偏光照明を用いる方法は、光の利用効率が低く像が暗くなるため、常用するには問題がある。しかし、楕円偏光照明の場合より大きなMTF改善効果が得られるため、必要な時には使用できることが望ましい。ところが、照明系の結像系の光路の分離に用いるビームスプリッタ等に求められる特性が異なるため、ひとつの光学系で両方を実現することが非常に困難である。そこで、本発明の他の目的は、必要に応じて照明光の偏光状態を直線偏光にも切り替えられるような光学系を実現することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施態様においては、試料に照明光を照射する照明手段と、照明された試料の像を結像させる結像手段と、前記試料の像を撮像する撮像手段と、取得され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欠陥を表示する表示手段を備えた欠陥検査装置において、結像手段が、λを波長として対物レンズとλ/4板とλ/2板と、λ/4板とλ/2板とを個別に光路に対して出し入れする波長板切り替え手段と、部分偏光ビームスプリッタとアナライザと結像レンズを具備するものである。
【0010】
試料上のパターンの方位によらずMTF改善効果をえるために、円偏光照明下でMTF改善効果を得る方法を提供する。具体的には、照明系と結像系の光路の分離に部分偏光ビームスプリッタを用い、これにλ/4板を加えて試料を円偏光で照明し、部分偏光ビームスプリッタ直後の結像系にアナライザを追加する。試料で反射された際に偏光が変化して生じた成分は、部分偏光ビームスプリッタにp偏光として入射するため、一部が反射されて結像系に導かれる。結像系のアナライザの方位を調整することで、この成分を必要な量だけ結像系に導くことが可能になり、MTF改善効果を得ることが可能になる。さらに、本発明では、必要に応じて偏光ビームスプリッタとアナライザの間に位相補償板を追加する。部分偏光ビームスプリッタで反射されたp偏光成分とs偏光成分をアナライザで加算する際の互いの位相差を、位相補償板で調整することで、さらにMTF改善効果を大きくすることが可能になる。
【0011】
また、本発明では、単一の光学系で簡単な切り替えによって、従来の楕円偏光照明系と上述の円偏光照明、もっとも大きなMTF改善効果が得られる直線偏光照明のすべてを実現する方法を提供する。具体的には、照明系と結像系の光路の分離に部分偏光ビームスプリッタを用い、これに個別に出し入れ可能にしたλ/2板とλ/4板を加えて試料を任意の偏光状態の光で照明し、部分偏光ビームスプリッタ直後の結像系にアナライザを追加する。従来の楕円偏光照明方式と互換の系を実現する場合には、部分偏光ビームスプリッタで反射された光のうちs偏光成分のみが結像系に導かれるようにアナライザの方位を設定する。それ以外の場合には、アナライザの方位を調整することでMTF改善効果の程度を調整することができる。さらに、直線偏光照明を用いた場合には、試料で反射された際に偏光が変化して生じた成分は、部分偏光ビームスプリッタにs偏光として入射するため、ほとんど全てが反射されて結像系に導かれる。この成分に関しては、無偏光ビームスプリッタを用いた場合と比べると、約2倍の効率で結像系に導かれるため、従来の直線偏光照明による方法よりさらに大きなMTF改善効果を得ることが可能になる。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の微細構造観察方法を用いた光学欠陥検査装置の実施例を図1に示す。円偏光照明を用いる例である。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の光学像を撮像するものであり、主に照明光学系と試料1の像を作り撮像する結像光学系及び、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。
【0013】
光源8からでた光は、レンズ9を介して開口絞り11の開口部を透過し、さらにレンズと波長選択フィルタ12を経て視野絞り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、光路分離部210に入射する。
【0014】
光路分離部210は、部分偏光ビームスプリッタ200(例えば、Tp:Rp=6:4,Ts/Rs<0.05)とλ/4板17,位相補償板220,アナライザ22から構成されており、光源8から試料1に向かう照明光の光路と試料1から撮像素子へ向かう光路を分離する。その機能は図2に示す。光路分離部210に入射した照明光(ランダム偏光)は、部分偏光ビームスプリッタ200を透過率Tp(〜0.6)だけ透過してp偏光の直線偏光となる。さらにλ/4板17によって円偏光となって対物レンズ20を経て試料1に照射される。試料1に照明された光は、試料1上で反射,散乱,回折され、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、λ/4板17を通り、部分偏光ビームスプリッタ200で反射され、アナライザ22に入射する。試料で反射された光のうち反射時に回転方向が逆になった成分(正反射成分、すなわち0次光成分)は、λ/4板17で直線偏光となり、部分偏光ビームスプリッタ200にs偏光として入射し、ほとんどロスなく反射される。
【0015】
一方、試料で反射された光のうち反射時に回転方向が変わらなかった成分(反射光の偏光状態の変化によって生じた成分、すなわち高次回折光の一部)は、λ/4板17で直線偏光となり、部分偏光ビームスプリッタ200にp偏光として入射し、反射率Rpで反射される。(普通の偏光ビームスプリッタではRp〜0なので、この成分は結像系には到達しない)これらの成分は、位相補償板220で互いの位相差を調整された後、アナライザ22に入射し、その方位で決まる比率で合成(加算)され結像光学系に導かれる。位相補償板220の位相補償量およびアナライザ22の方位は、高次回折光が0次光より効率良く結像系に導かれるように決める。円偏光の回転方向が反射時に変わらなかった高次回折光成分も結像光学系に取り込むことができるので、高域のMTFを改善することが可能になる。また、位相補償板で円偏光の回転方向が反射時に反転した成分と変わらなかった成分との位相差を最適化し、アナライザの方位を調整することで、結像光学系へ導かれる光中のこれらの成分の割合を調整することができるので、高域のMTFの改善度合いの調整も可能である。
【0016】
アナライザ22を透過した光は、結像レンズ30とズームレンズ50からなる結像光学系を介して、イメージセンサ70の受光面に試料1の像を形成する。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エリアセンサ(TVカメラ)等が用いられる。また、試料からの反射光の一部は、例えばダイクロイックミラー等の光分割手段25によって焦点検出光学系45に導かれ、自動焦点合せを行うための信号検出に用いられる。
【0017】
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に入力される。焦点検出信号処理回路90は試料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、自動焦点合わせが行われる。
【0018】
また、検出光学系のイメージセンサ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71に入力されて処理が行われ、欠陥判定回路72で欠陥部の判定が行われる。その結果は、ディスプレイなどの表示手段に表示されるとともに、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。
【0019】
検出した画像データから欠陥部の判定を行うイメージセンサ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。
【0020】
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れらる。
【0021】
次に、円偏光照明や楕円偏光照明が可能な光学系において、直線偏光照明を実現する際の照明系と結像系の光路分離部210の実施例を図2に示す。
【0022】
この実施例では、光路分離部210は、部分偏光ビームスプリッタ200(例えば、Tp:Rp=6:4,Ts/Rs<0.05 )と、それぞれ出し入れ可能なλ/2板16とλ/4板17,位相補償板220,アナライザ22から構成される。
【0023】
直線偏光照明を用いて像観察を行う場合には、図に示すように光路にλ/2板16を挿入し、λ/4板17を外す。部分偏光ビームスプリッタ200に入射した照明光(ランダム偏光)は、Tp(〜0.6)だけ透過してp偏光となり、λ/2板16で試料上のパターンに合わせて偏光の方位を変えられたあと、対物レンズ20を経て試料に入射する。試料で反射された光のうち偏光方向が変化しなかった成分は、λ/2板16で元の偏光方向に戻され、部分偏光ビームスプリッタ200にp偏光として入射し、反射率Rp(〜0.4)で反射される。
【0024】
一方、試料で反射された光のうち反射光の偏光方向が回転したことによって生じた成分は、λ/2板16で元の偏光と直行する直線偏光となり、部分偏光ビームスプリッタ200にs偏光として入射し、ほとんどロスなく反射される。これらの成分は、位相補償板220で互いの位相差を調整された後、アナライザ22に入射し、その方位で決まる比率で合成(加算)され結像光学系に導かれる。反射時に偏光方向が変化することによって生じた成分を効率よく結像光学系に取り込むことができるので、従来の楕円偏光照明を用いる方法だけでなく、同様に直線偏光照明による像観察が可能な無偏光ビームスプリッタ用いる方法と比べても、より大きなMTF改善効果が得られる。
【0025】
また、位相補償板で反射時に偏光方向が変わらなかった成分と反射時に偏光方向が変化することによって生じた成分の位相差を最適化し、アナライザの方位を調整することで、結像光学系へ導かれる光中のこれらの成分の割合を調整することができるので、MTF改善効果のさらなる強調や調整が可能である。
【0026】
また、図1に示した円偏光照明を用いる方式に切り替えるには、光路にλ/4板17を挿入し、λ/2板16を外せばよい。さらに従来の楕円偏光照明を用いる方法と互換性をとるためには、光路にλ/2板16とλ/4板17の両方を挿入し、部分偏光ビームスプリッタで反射された光のうちs偏光成分のみが結像系に導かれるようにアナライザの方位を設定すればよい。このように、簡単な切り替えで、必要に応じて観察条件を変えることが可能になる。
【0027】
なお、これらの実施例では、光路分離部210に位相補償板220が入る例を示したが、これは必須ではない。位相補償板220無しでもこの系は成立し、円偏光照明下で高域でのMTF改善の効果が得られる。また、部分偏光ビームスプリッタ200の特性の例として、Tp:Rp=6:4,Ts/Rs<0.05 という数字を示したが、これらも必須の条件ではない。p偏光成分が一部反射されるものであれば良い。
【0028】
上記のように、円偏光照明の場合でも高域でのMTF改善効果が得られるので、試料上のパターン方向に依存しない高分解能像観察、および、高感度な欠陥検出が可能になる。また、必要に応じて、簡単な切り替えで直線偏光照明と円偏光照明、楕円偏光照明を使い分けることが可能になるので、より多様な試料への対応が可能になる。
【0029】
【発明の効果】
本発明によれば、試料上のパターンの方向に依存せず高域でのMTF改善効果が得られる。また、必要に応じて照明光の偏光状態を直線偏光にも切り替えられるような光学系を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】欠陥検査装置の構成を示す縦断面図。
【図2】円偏光照明を用いる場合の光路分離部の構成を示す縦断面図。
【図3】直線偏光照明と円偏光照明および楕円偏光照明を切り替えて用いる場合の光路分離部の構成を示す縦断面図。
【図4】従来の欠陥検査装置の光学系の構成を示す縦断面図。
【図5】従来の欠陥検査装置における光路分離部の構成を示す縦断面図。
【符号の説明】
1…試料、8…光源、16…λ/2板、17…λ/4板、20…対物レンズ、22…アナライザ、30…結像レンズ、50…ズームレンズ、70…イメージセンサ、71…画像処理回路、72…欠陥判定回路、200…部分偏光ビームスプリッタ、210…光路分離部、220…位相補償板。
Claims (7)
- 試料表面に形成された微細なパターンを光によって観察する方法において、概略円偏光状態の照明光を対物レンズを通して試料面に照射し、試料で反射された光をλを波長としてλ/4板と部分偏光ビームスプリッタとアナライザを通して結像光学系に導き、結像光学系で結像された像を観察あるいは撮像することを特徴とする微細構造観察方法。
- 試料表面に形成された微細なパターンを光によって観察する方法において、概略直線偏光状態の照明光を対物レンズを通して試料面に照射し、試料で反射された光をλを波長としてλ/2板と部分偏光ビームスプリッタとアナライザを通して結像光学系に導き、結像光学系で結像された像を観察あるいは撮像することを特徴とする微細構造観察方法。
- 前記部分偏光ビームスプリッタと前記アナライザの間に位相補償素子を備え、部分偏光ビームスプリッタで反射されたs偏光成分とp偏光成分の位相差を調整したうえで結像光学系に導くことを特徴とする請求項1または2に記載の微細構造観察方法。
- 試料に照明光を照射する照明手段と、照明された試料の像を結像させる結像手段と、前記試料の像を撮像する撮像手段と、取得され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欠陥を表示する表示手段を備えた欠陥検査装置において、該照明手段が概略円偏光状態の照明光を対物レンズに入射させる円偏光生成手段を具備し、結像手段が、λを波長として対物レンズとλ/4板と部分偏光ビームスプリッタとアナライザと結像レンズを具備していることを特徴とする欠陥検査装置。
- 試料に照明光を照射する照明手段と、照明された試料の像を結像させる結像手段と、前記試料の像を撮像する撮像手段と、取得され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欠陥を表示する表示手段を備えた欠陥検査装置において、該照明手段が概略直線偏光状態の照明光を対物レンズに入射させる直線偏光生成手段を具備し、結像手段が、λを波長として対物レンズとλ/2板と部分偏光ビームスプリッタとアナライザと結像レンズを具備していることを特徴とする欠陥検査装置。
- 試料に照明光を照射する照明手段と、照明された試料の像を結像させる結像手段と、前記試料の像を撮像する撮像手段と、取得され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欠陥を表示する表示手段を備えた欠陥検査装置において、結像手段が、λを波長として対物レンズとλ/4板とλ/2板と、λ/4板とλ/2板とを個別に光路に対して出し入れする波長板切り替え手段と、部分偏光ビームスプリッタとアナライザと結像レンズを具備することを特徴とする欠陥検査装置。
- 前記結像手段が位相補償手段を具備することを特徴とする請求項4,5,6のいずれかに記載の欠陥検査装置。
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