JP3965325B2

JP3965325B2 - 微細構造観察方法、および欠陥検査装置

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Publication number: JP3965325B2
Application number: JP2002154896A
Authority: JP
Inventors: 啓志村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: JP2003344306A

Description

【０００１】
【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

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。