JP3982017B2

JP3982017B2 - 欠陥検査装置

Info

Publication number: JP3982017B2
Application number: JP21105797A
Authority: JP
Inventors: 欣也加藤; 健雄大森
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH1151874A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の製造過程における、ウェハ表面の傷、塗布ムラ等の欠陥を検出する欠陥検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ウェハ表面の傷、塗布ムラ等の欠陥検査には人手による目視検査が行われている。また、近年は自動的に検査を行うものとして、例えば、ウェハに照明した光の反射光によるウェハの像を画像処理装置に取り込み、ウェハ表面の欠陥を検出するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置では、以下のような問題点があった。即ち、人手による目視検査では個人差があり、非効率的であり、一般的に装置も大型である。また、反射光を用いた自動検査装置においては、特にウェハ表面の傷の検出において、反射光でウェハ表面を観察することから、傷の入り方によってはコントラストが低下して傷そのものが見えにくくなり検出できなくなってしまう。
【０００４】
本発明は斯かる問題点に鑑みてなされるものであり、自動化による効率化を図ると共に、小型で簡易的であるにもかかわらず、検出精度の高い欠陥検査装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明では、パターンが形成された基板を載置するステージと、前記基板を照明する第一の照明光学系と、前記基板を照明する第二の照明光学系と、前記第一の照明光学系からの照明光による前記基板からの回折光及び前記第二の照明光学系から照明光による前記基板からの散乱光を受光する受光光学系と、前記ステージを傾斜させる傾斜機構と、前記受光光学系で得られた前記基板の像に基づいて画像処理を行う画像処理装置とを備え、前記受光光学系は、第１反射鏡と第２反射鏡と検出器とを含み、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡の間の光軸及び前記第２反射鏡と前記検出器の間の光軸の少なくともいずれか一方の光軸が、前記基板と交わる第一の照明光学系の光軸と前記基板と交わる前記受光光学系の光軸とがなす平面と同一平面上にないことを特徴とする欠陥検査装置を提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１に示す欠陥検査装置では、第一の照明光学系１は、光源１０１、リレーレンズ１０２、表面反射鏡１０３及び球面反射鏡１０４で構成されている。光源１０１から射出された照明光は、リレーレンズ１０２を通り、表面反射鏡１０３で反射された後、球面反射鏡１０４に入射する。球面反射鏡１０４で反射された照明光は、ほぼ平行な光束となってウェハ２に向かう。ウェハ２は回転軸及び傾斜軸を持つステージ６により、ローテーション及びチルトが可能である。ウェハ２からは回折光が生じる。生じた回折光は、パターンのピッチにより回折角が異なる。そこで回折光が、受光光学系３に導かれるようにウェハ２が適宜チルトされる。チルトした時の様子を示したのが図２である。
【０００７】
受光光学系３は、球面反射鏡３０１、表面反射鏡３０２、受光レンズ３０３及びＣＣＤ撮像素子を備えたＣＣＤカメラ３０４で構成されている。そしてウェハ２の回折光による像をＣＣＤカメラ３０４の撮像素子上に形成する。ＣＣＤカメラ３０４に入射する受光光学系３の光軸は、表面反射鏡３０２で紙面と垂直な面内に反射されることにより、ウェハ２を挟んだ第一の照明光学系１の光軸と受光光学系３の光軸とがなす平面、図１では紙面に平行な面とは異なる面内にある。これは、場合によってはウェハ２からの回折光のうち０次回折光、即ち正反射光が直接ＣＣＤカメラ３０４に入射し、画像処理に影響を与えるのを防ぐためである。
【０００８】
ＣＣＤカメラ３０４で取り込んだ画像は、画像処理装置４にて適宜処理される。画像処理装置４は、検査中のウェハ２の像と、あらかじめ記憶させておいた欠陥のないウェハの像とを比較する。デフォーカスによるムラなどの欠陥がある場合はその部分の明暗の差から、その部分を欠陥として出力する。
今ここで、ウェハ２のパターンのピッチをｐ、照明光の波長をλ、回折次数をｍ、ウェハ２が水平の時、つまりウェハ２をチルトしてない時のウェハ面の法線を基準として、ウェハ２と交わる照明光学系１の光軸角度をθｉ、同様にウェハ２と交わる受光光学系３の光軸角度をθｄ、また、チルト角をθｔ、とすれば以下の式が成り立つ。
【０００９】
【数１】

【００１０】
符号については図３に示すとおり、第一の照明光学系１の光軸角度θｉは入射側に見込む角度方向をプラス、反射側に見込む角度方向をマイナスとし、受光光学系３の光軸角度θｄ、チルト角θｔは、入射側に見込む角度方向をマイナス、反射側に見込む角度方向をプラスとしている。また、回折次数ｍはウェハへの入射光の正反射光を基準として入射側に見込む角度方向をマイナス、反射側に見込む角度方向をプラスとしている。チルト角θｔが０度なら（数１）でθｔ＝０とおいて
【００１１】
【数２】

【００１２】
となり、一般的な入射角と回折角の関係を示す式になる。
図２に示したように、ウェハ２のチルトにより回折光が受光光学系３に導かれた時、（数１）の関係を満足している。取り込む回折光の次数は、マイナス一次及びマイナス二次である。
第一の照明光学系１の光源は例えばハロゲンランプである。光源から射出された光のうち、干渉フィルタによって白色光のうち、一部の波長域の光を取り出し、これを照明光として利用する。パターンのピッチと波長とが比例関係にあることから、年々進むパターンのピッチの微細化を考慮すれば波長は短いほうがよい。しかし、あまりに短いと未現像のレジストを感光させてしまうので、５５０ｎｍ付近の波長のものを照明光として使用している。
【００１３】
レジストの塗布忘れ、剥離忘れ、塗布や剥離のムラを検出する際に、レジストの有無によるウェハの見え方の差が少ない場合がある。これはレジストのない所の光の強度と、ある所の干渉後の強度が一致するためである。この時は強度に差が出るように、干渉フィルタを交換して照明光の波長を変更する。波長を変更した場合、（数１）の関係を満足するようにウェハ２をチルトさせるのは言うまでもない。
【００１４】
第一の照明光学系１及び受光光学系３は、球面反射鏡１０４を用いた反射型の光学系でテレセントリックな光学系である。第一の照明光学系１では、光源が球面反射鏡１０４の前側焦点位置、ウェハ面が後側焦点面とほぼ一致するように配置されている。受光光学系３では、球面反射鏡３０１の前側焦点面とウェハ面とが、また後側焦点面と受光レンズ３０３の入射瞳面をほぼ一致させている。それらによってテレセントリックな光学系を構成している。テレセントリックにするのは、ＣＣＤカメラ３０４で取り込んだ画像の見え方を、ウェハ全面に渡って同じにするためである。
【００１５】
テレセントリックでない光学系では、ウェハ上の位置により、（数１）のウェハへの入射角θｉ＋θｔ、回折角θｄ−θｔがそれぞれ異なる。回折光の強度は入射光の入射角に依存して変化するため、同じ欠陥でもウェハ上の位置により見え方が異なる場合がある。しかし、図１に示す装置ではテレセントリックなので、ウェハ全面に渡って入射角θｉ＋θt、回折角θｄ−θｔが一様となる。故にウェハ上の位置にかかわらず同じ欠陥であれば見え方が同じになり、欠陥の特定に、より有利である。
【００１６】
また、屈折系のテレセントリック光学系を用いると装置が大型化するため、球面反射鏡１０４を用いた反射型の光学系にすることで、装置を小型化している。ただ偏心光学系なので、球面反射鏡１０４に対する反射光の入射角は出来るだけ小さい方が望ましい。あまり大きいと非点収差が大きくなるからである。図１に示す装置では、１０度になっている。
【００１７】
第一の照明光学系１及び受光光学系３それぞれの光軸角度の値には、ある条件が必要となる。一般にウェハに対する入射角が大きくなると、入射角と回折角の差は大きくなり、照明光学系と受光光学系が離れていくことになる。しかし、入射角は９０度を超えることがないので、入射角が９０度の時の入射角と回折角の差より大きくなることはない。つまり、照明光学系１と受光光学系３との角度の差は、入射角９０度の時の入射角と回折角との差より小さくならなければならない。
【００１８】
また、入射角が一定なら、ピッチが小さいほど回折角が大きくなる。従って入射角と回折角との差が小さくなるので、最少ピッチの時の入射角と回折角との差より小さくなるように照明光学系１と受光光学系３とが設定されなければならない。
そこで検査対象の最小ピッチをｐ１とし、入射角が９０度になった時の入射角と回折角の差θｄ＋θｉを求めると、ウェハへの入射角θｉ＋θｔ＝９０と置けば、θｔ＝９０−θｉだから、（数１）は、
【００１９】
【数３】

【００２０】
となり、整理して、
【００２１】
【数４】

【００２２】
となる。これが照明光学系１と受光光学系３の角度の差の最大値で、これより大きくなることはない。つまり以下が必要条件となる。
【００２３】
【数５】

【００２４】
そして、θｉ、θｄを設定すれば、チルト角θｔは（数１）から容易に求められる。即ち（数１）を変形して、
【００２５】
【数６】

【００２６】
【数７】

【００２７】
となる。
実際、（数５）で得られる条件の最大値に近い値を用いることは実際はあまりない。何故なら、検査対象の最小ピッチの時に入射角が９０度に近くなるため、ウェハを照明する光量が極端に減り、検査に影響を及ぼすからである。ウェハへの入射角を小さくして光量を多くとるという点では、角度差はなるべく小さい方が良い。ただあまりに小さいと、今度は機械的に互いの光学系が干渉することになるので、干渉せず、かつ、角度差が小さくなるよう、第一の照明光学系１と受光光学系３とを配置するのが良い。
【００２８】
例えば、検査対象ピッチをｐ＝０．４〜１μｍ、λ＝０．５５μｍ、ｍ＝−１とすると、照明光学系１と受光光学系３の角度差は、６８°以下にしなければならないことになる。機械的に干渉し始める角度差は、球面反射鏡１０４並びに球面反射鏡３０１の大きさ、焦点距離、取り付ける金物の形状によって異なるが、おおよそ３５°位である。従って、角度差の範囲は３５°〜６８°、幅で約３０°となる。ウェハを照明する光量を多くするには、角度差を３５°に近い値にするのが良いことになる。仮に、角度差を４０度として第一の照明光学系１の光軸角度を２０度、受光光学系３の光軸角度を２０度とすれば、チルト角は、ｐ＝０．４μｍの時は４７°、ｐ＝１μｍの時は１７°となる。また、第一の照明光学系１の光軸角度を６０度、受光光学系３の光軸角度を−２０度とすれば、チルト角は、ｐ＝０．４μｍの時は７°、ｐ＝１μｍの時は−２３°となる。
【００２９】
チルト角の範囲は、検査対象の最小ピッチから最大ピッチまでに対してプラスマイナスほぼ同等になるよう、第一の照明光学系１、受光光学系３が設定される場合もある。プラス側とマイナス側で極端に偏りがあると機械的に不都合になる場合があるからである。今、検査対象の最小ピッチをｐ１、その時のチルト角をθｔ、最大ピッチをｐ２とする。ｐ２の時のチルト角は−θｔとなる。（数１）より
【００３０】
【数８】

【００３１】
【数９】

【００３２】
となり、両辺をそれぞれ足して整理すると、
【００３３】
【数１０】

【００３４】
となる。また、同様に両辺をそれぞれ引いて整理すると、
【００３５】
【数１１】

【００３６】
となり、（数１０）及び（数１１）から
【００３７】
【数１２】

【００３８】
を得る。また、（数１０）、（数１１）及び（数１２）よりθｄ−θｉ、θｄ＋θｉが求まるので、ウェハのチルト範囲からθｄ、θｉを特定することも出来る。
先と同様、検査対象ピッチをｐ＝０．４〜１μｍ、λ＝０．５５μｍ、ｍ＝−１として、Ｐ＝０．４μｍの時のチルト角を＋１８°（ｐ＝１μｍの時のチルト角は−１８°）とすれば、（数１２）よりθｄ−θｉ＝−７４．３°、（数１０）または（数１１）よりθｄ＋θｉ＝６６．２°となり、θｄ＝−４．１°、θｉ＝７０．３°となる。また、Ｐ＝０．４μｍの時のチルト角を＋１５°（ｐ＝１μｍの時のチルト角は−１５°）とすれば、θｄ−θｉ＝−６４°、θｄ＋θｉ＝４０°となり、θｄ＝−１２°、θｉ＝５２°となる。チルト角が小さい方が、θｄ＋θｉ、即ち第一の照明光学系１と受光光学系３との角度の差が小さくなり、先に述べたようにウェハを照明する光量の点から、より有利である。この時も、第一の照明光学系１と受光光学系３が機械的に干渉しないで、かつ、チルト角が小さくなるように配置されることはもちろんである。また、チルト角が少なくてすむので、機械的にもより有利となる。
【００３９】
ウェハ２が回転してステージ６に乗せられた場合、回折光が図の紙面と垂直方向の角度成分を持つようになる。故にローテーション量が多すぎると回折光が受光光学系３から外れてしまい、ウェハ２の像を取り込めなくなってしまう。
ウェハ２のローテーション量の絶対量をδφ、回折光の紙面と垂直方向の角度成分をδθ、受光光学系３のウェハ側の開口数をＮＡとする。δφ、δθの単位はラジアンである。δθは、δφがごく小さければ、以下のように表せることがわかった。
【００４０】
【数１３】

【００４１】
ローテーションによりδθだけ角度成分を持った回折光は、受光光学系３の球面反射鏡で反射され、ほぼ光軸と平行にＣＣＤカメラ３０４へと向かう。回折光は、ＣＣＤカメラ３０４に入射する際に入射瞳の外側にあるとけられてしまい、ウェハ２の像を得ることができなくなる。球面反射鏡からＣＣＤカメラ３０４までは平行系であるから、ＣＣＤカメラ３０４の入射瞳面での回折光の位置はδθに、また、入射瞳の半径は受光光学系３のウェハ面でのＮＡにそれぞれ相当する。従って、ウェハ２がローテーションしても回折光がＣＣＤカメラ３０４に入射するための条件は、
【００４２】
【数１４】

【００４３】
であり、（数１３）より
【００４４】
【数１５】

【００４５】
となり、ローテーションは（数１５）を満足する量であれば良い。例えばｐ＝０．４μｍ、λ＝０．５５μｍ、ｍ＝−１、ＮＡ＝０．０１とすれば、（数１５）より、δφ≦７．３ミリラアジンとなる。
図４（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す装置において、表面反射鏡３０２で光軸を紙面と平行でない面内に曲げる代わりに球面反射鏡３０１で光軸を曲げたもので、図４（ａ）では、紙面と垂直に、手前方向に回折光が反射されている。図４（ｂ）は、図４（ａ）の装置を右側から見た図で、ウェハ２で紙面と垂直な面内に回折された光が、球面反射鏡３０１で紙面と平行な面に内に反射されている。この様な構成でも図１に示す装置と同等の効果を得られるのは勿論であるし、図５（ａ）及び（ｂ）に示したように、球面反射鏡３０１から直接受光レンズ３０３、ＣＣＤカメラ３０４に回折光を取り込む構成を取っても何ら問題はない。
【００４６】
なお、図４（ａ）、４（ｂ）、５（ａ）及び５（ｂ）に示した装置では、ＣＣＤ撮像素子上に形成される像は上下、若しくは左右が反転した像となるが、画像処理の際に特に問題となるものではない。必要であれば表面反射鏡をもう１枚挿入するか、電気的な処理を施して正立像にすればよい。また、図１に示す装置においては、球面反射鏡を用いているが、反射型のフレネルゾーンプレートを用いても同様の効果を得ることが出来るのは勿論である。
【００４７】
傷を検出するには散乱光を用いる。図１に示す装置おいて、第二の照明光学系５は、光源５０１、光ファイバー５０２、波長選択フィルタ５０３及びシリンドリカルレンズ５０４からなる。受光光学系は、回折光による欠陥検査の時と同じものを使用する。散乱光用の照明光学系５は、ウェハ２と交わる第一の照明光学系１の光軸と、ウェハ２と交わる受光光学系３の光軸とがなす平面と、ほぼ等しい平面内に配置されている。このように配置する理由は、装置自体をよりコンパクトにするためである。
【００４８】
光源５０１から射出された光は、光ファイバー５０２を経由する。光ファイバー５０２の射出側の端面の形状は、紙面と垂直方向に細長いスリット状である。波長選択フィルタ５０３は、光源５０１から射出された白色光のうち、短波長の光を選択的に吸収し、未現像のレジストの感光を防いでいる。ファイバー５０２の端面から射出された光は、広がりを持つため、シリンドリカルレンズ５０４にてスリットの短手方向の面内で平行、もしくはほぼ平行な光にする。これによりファイバー５０２から射出された光を効率良くウェハ２に照射させることが出来る。
【００４９】
その後、光はウェハ２で反射されるが、その際にパターンによる回折光と、傷がある場合には傷による散乱光が生じる。受光光学系３には、散乱光のみが入射すれば良いが、回折光が入射している場合はウェハ２をチルト、及びローテーションさせ、回折光が受光光学系３に入らないようにする。これにより、ウェハ上の傷によって生じた散乱光のみがＣＣＤカメラ３０４に取り込まれる。結果、散乱光による傷の像が得られる。
【００５０】
図１に示す装置においては、シリンドリカルレンズを用いているが、シリンドリカルレンズのかわりにセルフォックレンズを用いてもよい。この場合は複数個のセルフォックレンズを束ねたものが使用され、光ファイバーの端面はセルフォックレンズの焦点位置に配置される。光ファイバーから射出された光はセルフォックレンズで平行光束となってウェハに向かう。この時使用される光源等はシリンドリカルレンズを用いたときと同様である。また、セルフォックレンズの代わりにフライアイレンズを用いても同様の効果を得ることが出来る。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、回折光による基板の画像に基づいて画像処理を行うことで、効率的な自動欠陥検査が可能となる。特に照明光学系、受光光学系を固定とし、基板をチルトさせることによって、可動部分の少ない、コンパクトな装置を得ることが出来る。
【００５２】
また、散乱光での検査の際に基板をローテーションさせることで、特に傷の検出に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す装置の構成図である。
【図２】ステージを傾けたときを示す図である。
【図３】符号を示す図である。
【図４】他の実施の形態を示した図である。
【図５】更に他の実施の形態を示した図である。
【符号の説明】
１第一の照明光学系
２基板
３受光光学系
４画像処理装置
５第二の照明光学系
６ステージ

Claims

パターンが形成された基板を載置するステージと、
前記基板を照明する第一の照明光学系と、
前記基板を照明する第二の照明光学系と、
前記第一の照明光学系からの照明光による前記基板からの回折光及び前記第二の照明光学系から照明光による前記基板からの散乱光を受光する受光光学系と、
前記ステージを傾斜させる傾斜機構と、
前記受光光学系で得られた前記基板の像に基づいて画像処理を行う画像処理装置とを備え、
前記受光光学系は、第１反射鏡と第２反射鏡と検出器とを含み、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡の間の光軸及び前記第２反射鏡と前記検出器の間の光軸の少なくともいずれか一方の光軸が、前記基板と交わる第一の照明光学系の光軸と前記基板と交わる前記受光光学系の光軸とがなす平面と同一平面上にないことを特徴とする欠陥検査装置。
前記第一の照明光学系と、前記受光光学系とは、前記基板と交わる前記第一の照明光学系の光軸と、前記基板と交わる前記受光光学系の光軸とがなす平面は、前記基板の面と垂直に交わるように配置され、
前記傾斜機構は、前記基板面近傍の前記平面に垂直に交わる軸を傾斜軸として前記ステージを傾斜させることを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記基板を照明する照明光の波長をλ、前記ステージが傾斜していない状態での前記基板の垂線と前記第一の照明光学系の光軸との角度をθｉ、前記基板の垂線と前記受光光学系の光軸との角度をθｄとし、前記基板に形成されたパターンのピッチをＰ、受光する回折光の回折次数をｍとしたとき、
ステージの傾斜角θｔが以下の条件を満足するようにステージを傾斜させることを特徴とする請求項１又は２記載の欠陥検査装置。
ｓｉｎ（θｄ−θｔ）−ｓｉｎ（θｉ＋θｔ）＝ｍλ／Ｐ
前記ステージは、更に、前記ステージが傾斜していない状態での前記ステージの垂線の周りに回転させる回転機構を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。
前記第一の照明光学系および前記受光光学系は、実質的にテレセントリックな光学系であり、反射型の光収束素子を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。
前記第二の照明光学系は、その光軸と前記受光光学系の光軸とがなす平面が、前記基板と交わる第一の照明光学系の光軸と、前記基板と交わる前記受光光学系の光軸とがなす平面と略重なるように配設されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。