JP4666244B2 - 表面検査装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣチップ、液晶表示パネル等の製造工程においてウエハ等の被検物体の表面検査を行うための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣチップや液晶表示素子パネルは、ウエハ表面に種々の異なる回路パターンを何層にも積み重ねて構成されている。このような回路パターンは、フォトリソグラフィー工程等を用いてウエハ上に一層ずつ積み重ねるようにして形成される。
【０００３】
ＩＣチップを例にとると、まず、ウエハ（基板）の表面に形成された酸化膜の上にレジストを薄い層状に塗布し、露光装置によりレチクルの回路パターンをこのレジスト層上に露光する。次に、現像処理を行って露光されたレジストを除去し、レチクルの回路パターンと同一形状（もしくは縮小された相似形状）のレジスト層からなるパターンを形成する。その後、エッチング処理を行って露出する酸化膜を除去した後、残りのレジスト層を除去すると、ウエハの表面には酸化膜層の回路パターンが形成される。この酸化膜層の回路パターンに対してドーピング処理等を行い、ダイオード等の素子を形成する。製造されるＩＣの種類によっても異なるが、通常は上記のような所定の回路パターン層を形成する工程が何度も繰り返され、その結果、ウエハの上に複数の回路パターンが何層にも重ねられる。
【０００４】
このようにしてウエハ上に回路パターンを多層に重ねるときに、各層毎に形成された回路パターンに欠陥、異常等が発生していないか否かについての表面検査が行われる。この検査は、例えば、レジスト層による回路パターンが形成された時点で行われる。この検査において欠陥、異常等が発見されたときには、レジストが剥離されて、再びレジスト層の塗布および露光が行われ、この回路パターン層の再生処理が行われる。
【０００５】
以上のように、回路パターンをウエハ上に多層に重ねてＩＣチップ等が作られるときに、各回路パターンに欠陥、異常等が発生したのではＩＣチップ等が不良品となってしまう。そのため、このような欠陥、異常等の検査、すなわち、ウエハの表面検査が重要である。
【０００６】
また、レジストの現像処理段階で見つかった欠陥については、レジストを除去して再度レジスト塗布工程からやり直して再生処理をすることが可能である。しかしながら、エッチング処理が行われて酸化層等に回路パターンが形成された段階では、欠陥、異常等が発見されてもこの部分は再生処理不可能である。このように、レジストの現像処理段階での表面検査で見つかった表面欠陥についてのみ、レジストパターン層を除去してパターンの再生処理が可能であり、レジストパターン形成段階での表面検査が特に重要である。
【０００７】
この表面検査においては、回路パターンの形状不良、レジスト層の膜厚ムラ、傷等といった表面欠陥もしくは異常等が検査される。従来の表面検査として、種々の検査用照明光を様々な角度から被検物（ウエハ）表面に照射し、被検物を回転もしくは揺動させながら被検物からの光を検査員が直接的に目視により観察して行うものがある。
【０００８】
このような検査方法は一般的にマクロ検査と称される。このマクロ検査を検査員の目視により行った場合に、検査員の判断の相違、技量の相違等により検査結果にばらつきが出るおそれがある。また、検査員の負担も大きい。そこで、マクロ検査を自動化することが検討されていおり、種々の自動マクロ検査装置が提案されている。例えば、被検物の表面に検査用照明光を照射して、被検物の表面に形成された繰り返しパターンからの回折光を撮像装置により受光して回折画像を取り込み、画像処理を行って表面検査を自動で行うようにした装置がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の表面検査装置では、被検物の表面上の回路パターン（繰り返しパターン）からの回折光に基づいて回折像を撮像する際の装置条件（照明光の入射角、被検物基板のチルト角、照明光の波長等）を最適条件に自動設定することができなかった。最適条件とは、繰り返しパターンから発生する回折光の進行方向と、回折光を受光する受光光学系の光軸方向とがほぼ一致する条件であり、換言すれば、表面検査を行うのに十分な回折像が得られる条件である。
【００１０】
従来の表面検査装置では、被検物の回折画像をモニタに表示し、検査員がモニタ上の回折画像を見ながら装置条件を最適条件に設定することが行われているが、最適な装置条件を検査員が判断することは難しく、検査員の能力や熟練を要するという問題があった。
【００１１】
本出願人は、先に出願した特願2000-102546号において、被検物上に形成された繰り返しパターンのピッチを検査員が知らなくても、装置条件を最適条件に設定することができる表面検査装置を提案した。この装置は、装置条件を設定または変更する手段を有し、装置条件の変更時に回折画像を取り込み、その画像の画素値に基づいて最適条件を決定するものである。
【００１２】
しかしながら、パターンは前述のように多層形成されており、各パターン層の形成後に表面検査を行うことが望ましいのであるが、検査工数や効率の問題から、一般的には、パターン層形成後に全数のウエハの表面検査をするわけではない。このため、ある層のパターン形成工程において欠陥が発生しても、これについて表面検査が行われずに見逃され、その後この層より上層のパターンの形成後の表面検査において上記欠陥が見つかるような場合がある。これは、下の層からの回折光に基づいて検査を行ってしまう場合があるからである。この場合、その欠陥が最上位の層にあると誤った判断をしてしまうと、最上位のレジストパターン層を除去してパターンの再生処理をすることになるが、実際には下層に欠陥があるため、その作業は無駄になる。
【００１３】
このように、従来の表面検査では、欠陥を見つけても、その欠陥が最上位の層のものか否かがわからないという問題があった。
【００１４】
本発明はこのような問題に鑑みたもので、パターンが多層形成されている被検物の表面検査において欠陥等が見つかったときに、この欠陥等が最上層のパターンにあるか否かを判断できる表面検査装置および方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
このような目的達成のため、本発明に係る表面検査装置は、複数のパターン層が重ねられて形成された表面を有する被検物体の表面を検査する装置であり、被検物体の表面に照明光を照射する照明光学系と、被検物体からの回折光に基づく物体像を撮像する撮像手段と、撮像手段により物体像を撮像する際の装置条件を設定または変更する条件制御手段と、条件制御手段による装置条件の変更時に撮像手段により撮像される物体像の画像を取り込み、その画像に基づいてパターン層を検査するための装置条件の最適条件を求める条件検出手段とを有する。そして、条件検出手段は、最上位のパターン層形成前の画像から装置条件の最適条件を求め、かつ最上位のパターン層形成後の画像からも装置条件の最適条件を求め、このように求められた複数の最適条件から撮像手段で撮像された画像が前記最上位のパターンによるものであるか否かを判断するように構成される。
【００１６】
このような構成の表面検査装置を用いれば、任意の被検物体の表面に検査用照明光を照射して得られる回折光に基づいて撮像手段により撮像して得られた被検物体の画像が、条件検出手段により求められた最適測定条件に基づいて最上位のパターン層の画像であるか否かを簡単に判断できる。
【００１７】
なお、条件検出手段は、装置条件を変化させながら撮像手段により撮像して得られる複数の画像に基づいて、装置条件の最適条件を求めるようにするのが好ましい。この場合に、条件検出手段は、これら複数の画像におけるそれぞれの輝度を検出し、装置条件の変化に対応するこのように検出された輝度の変化の関係に基づいて最適条件を求めるようにするのが好ましい。また、条件検出手段は、上記複数の画像におけるそれぞれの最大輝度を検出し、装置条件の変化に対応する最大輝度の変化の関係を求め、この変化の関係を装置条件により二次微分して求まる最大輝度のピーク値に対応する装置条件を最適条件としても良い。
【００１８】
このように変化させる装置条件の種類としては、照明光学系による被検物体への照明光の入射角度、被検物体の載置角度（チルト角度）、照明光の波長およびおよび結像手段に入射させる被検物体からの出射光の受光位置があり、これらのうちの少なくとも１つが用いられる。
【００１９】
本発明の表面検査装置においては、条件検出手段によって最上位パターンによるものであると判断された最適条件の下で撮像手段により撮像された画像に基づいて被検物体に形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段を備える。
【００２０】
本発明の表面検査装置を、条件検出手段によって最上位パターンによるものであると判断された最適条件の下で撮像手段により撮像された画像を記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶された画像を読み出し、読み出した画像に基づいて被検物体に形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段とを備えて構成しても良い。
【００２１】
本発明の表面検査装置を、条件検出手段によって最上位パターンによるものであると判断された最適条件を記憶する記憶手段を有して構成し、被検物体とは別の被検物体を検査する場合に、条件制御手段は記憶手段から最適条件を読み出し、読み出した最適条件に基づいた装置条件に設定するように構成しても良い。いずれの構成でも、撮像手段により撮像されたパターン像がいずれのパターン層であるか（特に、最上位のパターン層であるか）を簡単に判断することができる。
【００２２】
本発明に係る表面検査方法は、複数のパターン層が重ねられて形成された表面を有する被検物体の表面に照明光を照射し、被検物体からの回折光に基づく物体像を撮像手段により撮像し、撮像手段により得られた画像に基づいて表面検査を行うように構成される。そして、最上位のパターン層形成前に、撮像手段により撮像する際の装置条件を変更しながら撮像手段からの画像を取り込み、その画像に基づいてパターン層を検査するための装置条件の最適条件を求め、さらに、最上位のパターン層形成後に、撮像手段により撮像する際の装置条件を変化させながら撮像手段からの画像を取り込み、その画像に基づいてパターン層を検査するための装置条件の最適条件を求め、このようにして求められた複数の最適条件から撮像手段で撮像された画像が最上位のパターンによるものであるか否かを判断する。これにより、撮像手段により撮像された画像が最上位のパターンのものであるか否かを簡単に判断できる。
【００２３】
なお、本発明の表面検査方法において、装置条件を変化させながら、撮像手段により撮像して得られた複数の画像から装置条件の最適条件を求めるのが好ましい。この場合に、複数の画像におけるそれぞれの輝度を検出し、装置条件の変化に対応する輝度の変化の関係に基づいて最適条件を求めるのが好ましい。もしくは、複数の画像におけるそれぞれの最大輝度を検出し、装置条件の変化に対応する最大輝度の変化の関係を求め、この関係を装置条件により二次微分して求まる最大輝度のピーク値に対応する装置条件を最適条件としても良い。なお、上記のように変化させる装置条件の種類としては、照明光学系による被検物体への照明光の入射角度、被検物体の載置角度（チルト角度）、照明光の波長、結像手段に入射させる被検物体からの出射光の受光位置等がある。
【００２４】
本発明の表面検査方法においては、最上位パターンによるものであると判断された最適条件時の下で撮像手段により撮像された画像に基づいて被検物体に形成されたパターンの欠陥を検出する。本発明の表面検査方法において、最上位パターンによるものであると判断された最適条件の下で撮像手段により撮像された画像を記憶し、記憶された画像を読み出し、この読み出し画像に基づいて被検物体に形成されたパターンの欠陥を検出するようにしても良い。
【００２５】
本発明の表面検査方法において、条件検出手段によって最上位パターンによるものであると判断された最適条件を記憶し、被検物体と別の被検物体を検査する場合に、記憶された最適条件を読み出し、このように読み出した最適条件に基づいた装置条件に設定しても良い。
【００２６】
本発明の表面検査方法において、撮像手段により撮像された画像から複数のパターン層における欠陥の有無を判断し、複数のパターン層のうちの最上層のパターン層に欠陥があることが検出されたときには、最上層のパターン層の再生処理を行うのが好ましい。これにより、無駄の無い且つ効率の良いパターン層の形成が可能となる。
【００２７】
もう一つの本発明に係る表面検査装置は、複数のパターン層が重ねられて形成された表面を有する被検物体の表面に光を照射する照明光学系と、被検物体からの回折光を検出してその光量に応じた回折光信号を出力する信号出力手段と、出力手段により回折光を検出する際の装置条件を設定または変更する条件制御手段と、条件制御手段による装置条件の変更時に信号出力手段から出力される回折光信号に基づいてパターン層を検査するための装置条件の最適条件を求める条件検出手段とを有して構成され、条件検出手段は、最上位のパターン層形成前の回折光信号から装置条件の最適条件を求め、かつ最上位のパターン層形成後の回折光信号から装置条件の最適条件を求め、求められた複数の最適条件から信号出力手段からの回折光信号が最上位のパターンによるものであるか否かを判断するように構成される。
【００２８】
一方、もう一つの本発明に係る表面検査方法は、複数のパターン層が重ねられて形成された表面を有する被検物体の表面に光を照射し、回折光検出部により前記被検物体からの回折光を検出し光量に応じた回折光信号を生成し、その回折光信号に基づいて表面検査を行う。そして、この表面検査方法において、最上位のパターン層形成前に、回折光検出部により検出する際の装置条件を変更しながら回折光検出部からの回折光信号を取り込み、その回折光信号に基づいてパターン層を検査するための装置条件の最適条件を求め、最上位のパターン層形成後に、回折光検出部により検出する際の装置条件を変更しながら回折光検出部からの回折光信号を取り込み、その回折光信号に基づいて装置条件の最適条件を求め、このように求められた複数の最適条件から回折光検出部からの回折光信号が最上位のパターンによるものであるか否かを判断する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１に本発明の実施形態に係る表面検査装置の一例を示しており、この装置により半導体ウエハ１００の表面欠陥を検査する。この装置は、ウエハ１００を載置保持するホルダ５を有し、不図示の搬送装置によって搬送されてくるウエハ１００を、ホルダ５の上に載置させるとともに真空吸着によって固定保持する。ホルダ５は、このように固定保持したウエハ１００の表面に垂直な軸Ax1を中心として回転（ウエハの表面内での回転）可能で、且つ、ウエハ１００の表面を通る軸Ax2を中心としてチルト（傾動）可能に構成されている。
【００３０】
この表面検査装置はさらに、ホルダ５に固定保持されたウエハ１００の表面に検査用照明光を照射する照明光学系１０と、検査用照明光の照射を受けたときのウエハ１００からの反射光、回折光等を集光する集光光学系２０と、集光光学系２０により集光された光を受けてウエハ１００の表面の像を検出するＣＣＤカメラ３０等（撮像装置）を有する。
【００３１】
照明光学系１０は、メタルハライドランプ等の放電光源１１と、この放電光源１１からの照明光束を集光するコレクタレンズ１２と、コレクタレンズ１２により集光された照明光束を透過させて波長選択を行う波長選択フィルタ１３と、調光を行うニュートラルデンシティフィルタ１４とを備える。さらに、これらフィルタ１３，１４を透過した照明光束を集束させるインプットレンズ１５を有し、インプットレンズ１５により集束された照明光がファイバ１６の一端１６ａに導入される。
【００３２】
ここで、波長選択フィルタ１３は、切替駆動機構１３ａを有した円盤（ターレット）１３ｂ内に設けられており、いくつかの種類のフィルタを切換えて使用することが可能となっている。例えばｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）等の特定の波長の光だけを透過させる干渉フィルタ、あるいは特定の波長帯域の光を透過させるバンドパスフィルタ、あるいは所定の波長より長い波長の光だけを透過させるシャープカットフィルタ等を必要に応じて選択して用いることができる。ニュートラルデンシティフィルタ１４は、回転角に応じて透過光量が順次変化する円盤状のフィルタからなり、回転駆動機構１４ａにより回転制御されて透過光量を制御できるように構成されている。
【００３３】
照明光学系１０はさらに、ファイバ１６の他端１６ｂから出射される発散光束を受ける照明系凹面鏡１７を有しており、この照明系凹面鏡１７からほぼその焦点距離だけ離れた位置にファイバ１６の他端１６ｂが配設されている。このため、ファイバ１６の一端１６ａに導入されてファイバ１６の他端１６ｂから照明系凹面鏡１７に発散照射された照明光は、照明系凹面鏡１７によって平行光束となってホルダ５に保持されたウエハ１００の表面に照射される。このときウエハ１００の表面に照射される照明光束は、ウエハ１００の表面と垂直な軸Ax1（鉛直軸）に対して角度θiを有して照射され、ウエハ１００からの光が角度θrを有して出射される。これら入射角θiと出射角θrとの関係が、軸Ax2を中心としてホルダ５をチルト（傾動）させることにより調整可能である。すなわち、ホルダ５のチルトによりウエハ１００の載置角度を変化させて、入射角θiと出射角θrとの関係を調整可能である。
【００３４】
ウエハ１００の表面からの出射光（ここでは回折光を用いる）は集光光学系２０により集光される。この集光光学系２０は、鉛直軸Ax1に対して角度θrを有した方向に対向して配設された集光系凹面鏡２１と、この集光系凹面鏡２１の集光位置に配設された絞り２２と、この絞り２２の後側に配設された結像レンズ２３とから構成される。この結像レンズ２３の後側にＣＣＤカメラ３０が配設されている。集光系凹面鏡２１により集光されるとともに絞り２２によって絞られた出射光（ｎ次の回折光）は、レンズ２３によってＣＣＤカメラ３０のＣＣＤ撮像素子（イメージデバイス）３１に結像される。この結果、ウエハ１００の表面の回折像がＣＣＤ撮像素子３１に形成される。
【００３５】
ＣＣＤ撮像素子３１は、その受像面に形成されたウエハ表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像処理検査装置３５に送る。画像処理検査装置３５の内部には、制御部３７と、ウエハ１００の最適チルト角を決定する条件決定部３８と、ウエハ１００の欠陥を検出する欠陥検出部３９と、メモリ（記憶装置）３６が設けられている。
【００３６】
制御部３７は、切替駆動機構１３ａによる波長選択フィルタ１３の切替作動制御、回転駆動機構１４ａによるニュートラルデンシティフィルタ１４の回転制御、鉛直軸Ax1を中心としたホルダ５の回転制御、チルト中心軸Ax2を中心としたホルダ５のチルト制御等を行う。さらに、制御部３７は、ＣＣＤ撮像素子３０から得られるウエハ１００の画像を所定ビット（例えば８ビット）のディジタル画像に変換する。
【００３７】
メモリ（記憶装置）３６には、制御部３７からのディジタル画像とそのときの装置条件（チルト角）が記憶される。記憶されたディジタル画像は、ウエハ１００の最適チルト角の決定時には条件決定部３８に、ウエハ１００の欠陥検出時には欠陥検出部３９に出力される。このように構成された制御部３７は、ウエハ１００の最適チルト角の決定時には、チルト角を変更させながらウエハ１００の画像を取り込み、チルト角が異なるときのディジタル画像を順次メモリ３６に記憶する。
【００３８】
条件決定部３８は、ウエハ１００の最適チルト角φｓを決定するにあたって、メモリ３６に記憶された、ウエハ１００のディジタル画像を順次に取り込み、各ディジタル画像ごとに、最大輝度（あるいは平均輝度でもよい）を求め、これに基づいて最適なチルト角を決定する。
【００３９】
欠陥検出部３９は、ウエハ１００の欠陥検出に当たって、メモリ３６に記憶された、ウエハ１００のディジタル画像を取り込み、画像処理を行う他に、画像の光量をモニタし、画像の明暗に基づいてウエハ１００の膜厚むら、パターン形状の異常、きず等の欠陥箇所を特定する。
【００４０】
ここで、被検物体であるウエハ１００の表面には周期的に繰り返される線配列形状の回路パターンが形成されており、ウエハ１００の表面においてはこれら回路パターンを構成する線が周期的に繰り返して配列されている。このため、回路パターンを構成する線の繰り返しピッチがｐであり、照明光の波長がλであるときに、ホルダ５をチルトさせてウエハ１００の表面のチルト角Ｔを次式（１）が成立するように設定すれば、ウエハ１００から出射されるｎ次の回折光が集光光学系２０を介してＣＣＤカメラ３０に集光されるようになる。このようにして、ｎ次の回折光を受光してＣＣＤ撮像素子３１により得られたウエハ１００の表面の像から表面欠陥の有無の検査を行う。
【００４１】
【数１】
sin(θi−Ｔ) − sin(θr＋Ｔ) ＝ n・λ／ｐ ・・・（１）
【００４２】
式（１）において、θiおよびθrがチルト角Ｔを変化させる前（チルト角Ｔ＝０のとき）の入射角および出射角の値、すなわち、初期値である。チルト角Ｔを変化させた場合に、入射角（θi− Ｔ)およびｎ次の回折光の出射角(θr ＋ Ｔ)は、ウエハ１００の表面に対しての法線Ax1を基準として入射側に見込む角度方向をプラス、その反対側に見込む角度方向をマイナスとする。回折次数ｎは、ｎ＝０の０次光（正反射光）を基準として入射側に見込む角度方向をプラス、その反対側に見込む角度方向をマイナスとする。チルト角Ｔを変えると入射角（θi− Ｔ)、出射角(θr ＋ Ｔ)が変化するわけであるが、チルト角Ｔは、たとえば、ホルダ５が水平状態にあるときを０度とし、入射側への角度方向をプラス、出射側への角度方向をマイナスとする。ここでは、チルト角が０度（基準状態）のときでの入射角初期値をθi、出射角初期値をθrとしている。
【００４３】
この検査のため、ＣＣＤ撮像素子３１により撮像されたウエハ１００の表面の画像信号が画像処理検査装置３５に送られる。画像処理検査装置３５においては、ＣＣＤ撮像素子３１からの画像信号により得られるウエハ１００の表面の画像と、予め記憶されている良品ウエハの表面の画像（検査基準画像）とのパターンマッチングを行ったり、予め学習させておいた検査基準画像の特徴との相違点の有無検査を行う。検査対象となるウエハ１００にデフォーカスによる膜厚むら、パターン形状の異常、きず等の欠陥が存在する場合には、その部分にはたとえば検査基準画像との明暗差や特徴の相違が検出されるため、欠陥が存在することが検出される。
【００４４】
このように欠陥の有無は検査基準画像との対比等により検出できるが、欠陥が見つかった場合にこの欠陥が、ウエハ１００の表面に多層形成されたいずれのパターン層に存在するかを判断することはできない。このようなことから、本実施形態の画像処理検査装置３５は、最上位のパターン層に欠陥があるか否かの検出を行うようになっている。これについて、図１０〜図１２に示すフローチャートを参照しながら、以下に詳しく説明する。
【００４５】
まず、被検対象となるウエハ１００の表面に形成されたパターン層を図２に模式的に示している。図２は、ウエハ１００の表面にフォトリソグラフィー工程により形成された回路パターン５ａからなる下層パターン５と、下層パターン５の上に形成された中間層７と、中間層７の上に露光現像されて形成されたレジスト層パターン６ａからなる上層パターン６とを示している。
【００４６】
下層パターン５は、フォトリソグラフィー工程による回路パターン形成工程が完了し配線用の回路パターンが形成された状態のものである。そして、下層パターン５の上に次の回路パターンを形成するための材料層（例えば酸化層）からなる中間層７が設けられている。中間層７は、フォトリソグラフィー工程により所定の回路パターンが形成される層である。そして、この回路パターン形成のため、中間層７の上に回路パターンに対応するレジスト層パターン６ａからなる上層パターン６が形成されている。レジスト層パターン６ａは、中間層７の上にレジスト層を設け、これにマスクパターンを露光させて現像して形成されている。よって、この状態では上層パターン６，すなわちレジスト層パターン６ａについては、これを除去して再度レジスト層を塗布し、レジスト層パターン６ａを再生する処理が可能な状態である。しかし、下層パターン５はこのような再生処理ができない状態になっている。
【００４７】
図２においては、下層パターン５における酸化層パターン５ａのピッチがｐ２で、上層パターン６におけるレジスト層パターン６ａのピッチがｐ１であり、両ピッチｐ１，ｐ２が相違する。このため、図１に示す表面検査装置を用いて、図２に示すパターンが形成された状態のウエハ１００の表面検査を行う場合、上記式（１）から以下のことがわかる。
【００４８】
ある波長λの照明光を入射角（θi−Ｔ）でウエハ１００の表面に照射した場合、上層パターン６からの回折光の出射角（θr1＋Ｔ）、下層パターン５からの回折光の出射角（θr2＋Ｔ）はそれぞれ下記式（２）および（３）で表される。ここで、ｐ１＞ｐ２であるから、下記式（４）の関係となる。したがって、（θr2＋Ｔ）＞（θr1＋Ｔ）となり、同じ入射角で照明光を入射させても、それぞれのパターン層からの回折光の出射角は異なることがわかる。
【００４９】
【数２】
sin(θr1＋Ｔ)＝sin(θi−Ｔ)−n・λ／ｐ１ ・・・（２）
sin(θr2＋Ｔ)＝sin(θi−Ｔ)−n・λ／ｐ２ ・・・（３）
sin(θr2＋Ｔ)＞sin(θr1＋Ｔ) ・・・（４）
【００５０】
本実施形態では、このことに注目し、ウエハの表面検査に際して、ウエハ表面からの回折光に基づいて得られたウエハ表面の画像が、いずれの層の画像であるかを判断できるようしている。これにより、欠陥が見つかったときにこの欠陥がいずれの層の欠陥であるか（最上位か否か）を判断できる。このため、本実施形態においては、まず、図２に示すようなパターン構成の良品ウエハについて以下のような表面検査を行い、条件決定部３８において、各パターン層毎の装置条件の最適条件を求める。
【００５１】
まず、図５に示すような下層パターン５が形成された状態の良品ウエハがホルダ５の上に載置され、固定された状態で、且つ照明光学系１０から所定波長λの検査用照明光がウエハ１００の表面に照射された状態で検査が行われる。この検査内容を図１０のフローチャートに示している。制御部３７は、ホルダ５の制御を行い、ウエハ１００のチルト角Ｔを変化させながら（ステップＳ１１）、ＣＣＤカメラ３０によりウエハ表面を撮像してその二次元画像を取り込む（ステップＳ１２）。このとき、チルト角Ｔの変化毎に対応する複数の撮像画像と、そのときの装置条件（チルト角）をメモリ３６に記憶する（ステップＳ１３）。同時に、ＣＣＤカメラ３０では、ウエハ１００の表面全体の画像が撮像される。具体的には、照明光学系１０からの検査用照明光の入射角が２０°〜７５°の角度範囲で画像撮像を行うようにチルト角変動範囲が設定されており、このチルト角範囲の全範囲についての画像取り込みが完了した時点（ステップＳ１４）でウエハ１００の表面全体の画像の撮像が完了する。
【００５２】
次に、条件決定部３８は、図１１のフローチャートにおけるステップＳ２１〜Ｓ２４に示すように、メモリ３６に記憶された複数の二次元画像（ウエハ１００の全体像）情報から、各チルト角Ｔに対応する画像毎に最大輝度（もしくは平均輝度でも良い）を求める。具体的には、チルト角Ｔｉ（但し、ｉ＝１〜Ｎ）のそれぞれについて上記のようにして撮像記憶された画像を読み出し、各画像毎に最大輝度を求める。
【００５３】
このように求めたチルト角Ｔに対応する最大輝度変化の関係を図６に示している。図６から分かるように、Ｔ＝ｔ２の辺りにおいて最大輝度が大きくなる。さらに、最大輝度変化のピーク位置を検出するため、図６の波形を二次微分する処理を行い、最大輝度の変化点を求める（ステップＳ２５）。この二次微分結果を図７に示しており、チルト角ｔ２において最大輝度のピーク値が発生することが分かる。つまり、チルト角度ｔ２において、下層パターン５からの回折光が集光光学系２０を介してＣＣＤカメラ３０に入射することが分かる。したがって、下層パターン５の検査のための最適な装置条件は、Ｔ＝ｔ２であると決定できる。条件決定部３８は、このときのチルト角度ｔ２という装置条件を下層パターン５に対しての最適な装置条件ａ２としてメモリ３６に記憶する（ステップＳ２６）。さらに、その最適な装置条件ａ２のときに撮像された画像も同様にメモリ３６に記憶する。
【００５４】
次に、図２に示すような下層パターン５上に上層パターン６が形成された後の良品ウエハの検査を行う。
【００５５】
前述の図５に示す下層パターン５が形成された後のウエハの検査のときと同様に、ホルダ５の上にウエハ１００が載置され、固定された状態で、かつ照明光学系１０から所定波長λの検査用照明光がウエハ１００の表面に照射された状態で検査は行われる。制御部３７は、チルト角Ｔを変化させながらＣＣＤカメラ３０によりウエハ表面の全体像を撮像してその二次元画像を取り込み、チルト角Ｔの変化毎に対応する複数の撮像画像と、そのときの装置条件（チルト角）をメモリ３６に記憶する。これについても、図１０に示すフローチャートに沿った手順で行われる。
【００５６】
次に、条件決定部３８は、メモリ３６に記憶された複数の二次元画像（ウエハ１００の全体像）情報から、各チルト角Ｔに対応する画像毎に最大輝度（もしくは平均輝度でも良い）を求める。このように求めたチルト角Ｔに対応する最大輝度変化の関係を図３に示している。図３から分かるように、チルト角Ｔ＝ｔ１およびＴ＝ｔ２の辺りにおいて最大輝度が大きくなる。これについては、図１１に示すフローチャートに沿った手順で行われる。
【００５７】
この検査においてはチルト角Ｔのみを変化させており、照明光学系１０および集光光学系２０は固定してＣＣＤカメラ３０による撮像を行っている。このため、チルト角Ｔの変化に対応してウエハ１００の表面に照射される照明光学系１０からの照明光の入射角（θｉ−Ｔ）および出射角（θｒ−Ｔ）の関係が変化する。そして、チルト角度ｔ１において下層パターン５および上層パターン６のいずれか一方からの回折光が集光光学系２０を介してＣＣＤカメラ３０に入射する。さらに、チルト角度ｔ２において下層パターン５および上層パターン６の他方からの回折光が集光光学系２０を介してＣＣＤカメラ３０に入射することが分かる。なお、条件決定部３８は、さらに、最大輝度変化のピーク位置を検出するため、図３の波形を二次微分する処理を行い、最大輝度の変化点を求める。この二次微分結果を図４に示しており、チルト角ｔ１およびｔ２において最大輝度のピーク値が発生することが分かる。
【００５８】
ここで、上層パターン６が形成される前の段階、すなわち、図５に示すように下層パターン５のみが形成された状態での検査結果をメモリ３６の内容を読み込んで参照すれば、下層パターン５のみが形成された状態で最適な装置条件は、チルト角Ｔ＝ｔ２であることがわかる。したがって、上層パターン６が形成された後の検査で検出された２つの最大輝度のピークのうち、チルト角ｔ２におけるピークは、下層パターン５からの回折光によるものと考えられ、チルト角ｔ１におけるピークが上層パターン６からの回折光によるものと判断できる。
【００５９】
以上のことから、チルト角度ｔ１において、上層パターン６からの回折光が集光光学系２０を介してＣＣＤカメラ３０に入射することが分かる。したがって、上層パターン６の検査のための最適な装置条件は、Ｔ＝ｔ１であると決定できる。条件決定部３８は、このときのチルト角度ｔ１という装置条件を上層パターン６に対しての最適な装置条件ａ１としてメモリ３６に記憶する。さらに、その最適な装置条件ａ１のときに撮像された画像もメモリ３６に記憶する。
【００６０】
以上のような条件決定部における条件決定手順を図１２に示している。これを簡単にまとめれば、まず、ステップＳ３１において、最上位のパターン層（上記実施形態では上層パターン６）が形成された後の検査、すなわち、図２に示すように下層パターン５の上に上層パターン６が形成された状態での検査において記憶されたチルト角（ｔ１，ｔ２）を読み出す。次に、ステップＳ３２において、最上位のパターン層（上記実施形態では上層パターン６）が形成される前の検査、すなわち、図５に示すように下層パターン５のみが形成された状態での検査において記憶されたチルト角（ｔ２）を読み出す。そして、このように読み出されたチルト角を比較して、最上位のパターン層（上記実施形態では上層パターン６）を検査するための最適チルト角（ｔ１）を決定する。
【００６１】
また、条件決定部３８において、図３に示したチルト角度Ｔに対する最大輝度の関係、すなわち、下層パターン５および上層パターン６を有したウエハ１００表面におけるチルト角度Ｔに対する最大輝度の関係を示す波形と、図６に示した下層パターン５のみの場合のチルト角度に対する最大輝度の関係を示す波形とをメモリ３６に記憶してもよい。この場合、メモリ３６から２つの波形を読み出して、両者の相違点を抽出する。この結果を図８に示しており、回折光の最大輝度はチルト角度ｔ１において大きくなる。
【００６２】
このことから、チルト角度ｔ１において、上層パターン６からの回折光が集光光学系２０を介してＣＣＤカメラ３０に入射することが分かる。条件決定部３６においてはさらに、図８の最大輝度を示す波形を二次微分処理して波形の変化点を抽出する。この結果を図９に示しており、チルト角度ｔ１において輝度のピーク値を示すことが分かる。そして、条件決定部３８は、このときのチルト角度ｔ１を上層パターン６の最適な装置条件ａ１として、メモリ３６に記憶する。
【００６３】
以上のようにして、良品ウエハ１００について、上層パターン６に対しての最適な装置条件ａ１と下層パターン５の最適な装置条件ａ２とがメモリ３６に記憶される。その後、図２のパターン構成を有する任意のウエハ１００（被検対象となるウエハ）の検査を、図１に示す表面検査装置により行う。
【００６４】
図２のパターン構成を有する任意のウエハ１００がホルダ５の上に載置され、固定され、照明光学系１０から所定波長λの検査用照明光がウエハ１００の表面に照射された状態で検査は行われる。制御部３７は、メモリ３６に記憶されている最適な装置条件ａ１（この場合、チルト角ｔ１）を読み出す。そして、制御部３７は、ホルダ５の制御を行い、チルト角がｔ１となるように設定する。制御部３７は、このときＣＣＤカメラ３０で撮像されたウエハの全体像を取り込み、デジタル画像に変換してメモリ３６に記憶する。
【００６５】
次に、制御部３７は、メモリ３６に記憶されている最適な装置条件ａ２（この場合、チルト角ｔ２）を読み出す。そして、制御部３７は、ホルダ５の制御を行い、チルト角がｔ２となるように設定する。制御部３７は、このときＣＣＤカメラ３０で撮像されたウエハの全体像を取り込み、デジタル画像に変換してメモリ３６に記憶する。
【００６６】
欠陥検出部３９は、メモリ３６から、装置条件ａ１、ａ２それぞれに対応するデジタル画像を読み込む。そして、それぞれの画像の光量をモニタし、画像の明暗に基づいてウエハ１００の欠陥箇所を特定する。
【００６７】
欠陥検出部３９は、装置条件ａ１に対応する画像で欠陥が見つかった場合には、上層パターン６にこの欠陥が存在すると判断する。この場合は、上層パターン６を構成するレジスト層パターン６ａを除去し、再度レジスト層を塗布して露光現像を行う再生処理を行う。一方、欠陥検出部３９は、装置条件ａ２に対応する画像で欠陥が見つかった場合には、下層パターン５にこの欠陥が存在すると判断する。この場合は、再生不可能であるため、この欠陥を含むＩＣチップを廃却処理するか、ウエハ全体を廃却する。
【００６８】
本実施形態では、上層および下層パターンに対応して設定記憶された各最適な装置条件で表面検査を行い、欠陥が見つかったときの最適な装置条件からその欠陥がいずれの層にあるかを判断しているが、装置条件の一つであるウエハのチルト角度を変化させながら表面検査を行い、欠陥が見つかったときに、そのときの装置条件を設定記憶されている装置条件と比較してその欠陥がいずれの層にあるかを判断するようにしても良い。
【００６９】
なお、本実施形態では、ウエハの表面に下層パターンおよび上層パターンが形成された場合について説明したが、ウエハの表面の３層以上のパターンが形成された場合についても、条件決定部３８により各パターン毎での最適な装置条件を予め求めて記憶しておくことにより、発見された欠陥がいずれの層に存在するかを判断することができる。この場合にも、欠陥が最上層のレジスト層パターンに存在するときには、レジスト層パターンを除去してこのパターンの再生処理が行われる。
【００７０】
本実施形態ではまた、条件決定部３８は、他の装置条件は固定して一つの装置条件すなわちウエハのチルト角度Ｔのみを変更することにより、ＣＣＤカメラにより撮像された複数の画像信号の輝度から、回折光が最大となるチルト角度を求め、このチルト角度および他の固定条件を最適な装置条件として設定している。しかし、本発明において設定記憶される最適な装置条件はこれに限られるものではない。例えば、照明光の波長のみを可変にし、その他の装置条件は固定でＣＣＤカメラにより撮像される画像信号の輝度が最大となる条件を最適な装置条件と設定しても良い。
【００７１】
同様に、照明光学系の位置を移動可能とすることにより、凹面鏡１７からウエハへの照明光の入射角を可変させても良い。すなわち、この構成によりウエハへの照明光の入射角を変更しながら他の条件を固定した状態で、ＣＣＤカメラにより撮像される画像信号の輝度が最大となる条件を最適な装置条件としても良い。さらに、集光光学系２０およびＣＣＤカメラ３０の位置を移動可能とすることにより、ウエハ面からの出射光のうちの凹面鏡２１からＣＣＤカメラ３０へ導く光の出射角を可変させても良い。すなわち、この構成によりウエハからの出射光のうちのＣＣＤカメラ３０へ導く出射光の出射角を変更しながら他の条件を固定した状態で、ＣＣＤカメラにより撮像される画像信号の輝度が最大となる条件を最適な装置条件としても良い。無論、複数の可変要素を組み合わせて最適な装置条件を求めても良い。
【００７２】
また、実施形態では、例えば、図３に示すチルト角度に対する最大輝度の関係を二次微分して図４のように最大輝度となるチルト角度を求めているが、二次微分を行う前のもの、すなわち、図３の関係から最大輝度となるチルト角度を求めても良い。但し、チルト角度に対する最大輝度の関係は、実際には図３に示すような滑らかなものとなることは少なく、乱れることが多いため、何らかの画像処理を施した波形を比較して装置条件を求めるのが好ましい。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、任意の被検物体の表面に照明光を照射して得られる回折光から撮像装置により撮像して得られた被検物体の画像が、最上位のパターン層の画像であるか否か判断できる。そして、検出された欠陥が、最上位のパターン層の欠陥であるか否かを判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る表面検査装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係る表面検査装置の被検対象物となるウエハ表面のパターン構成を示す断面図である。
【図３】図２のウエハ表面の検査を行ったときでのチルト角度と最大輝度との関係を示すグラフである。
【図４】図３のグラフに示す波形を二次微分した結果を示すグラフである。
【図５】図２のウエハ表面における上層パターンが形成される前の状態におけるパターン構成を示す断面図である。
【図６】図５のウエハ表面の検査を行ったときでのチルト角度と最大輝度との関係を示すグラフである。
【図７】図６のグラフに示す波形を二次微分した結果を示すグラフである。
【図８】図３の関係と図６の関係との相違を示すグラフである。
【図９】図８のグラフに示す波形を二次微分した結果を示すグラフである。
【図１０】制御部における画像撮像および取り込み手順を示すフローチャートである。
【図１１】画像検査のための最適条件を決定する手順を示すフローチャートである。
【図１２】最上位のパターン層を検査するための最適条件を決定する手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ウエハ
５ ホルダ
１０ 照明光学系
１６ ファイバ
１７ 照明系凹面鏡
２０ 集光光学系
２１ 集光系凹面鏡
２３ 結像レンズ
３０ ＣＣＤカメラ
３５ 画像処理検査装置
３６ メモリ
３７ 制御部
３８ 条件決定部
３９ 欠陥検出部

Claims (19)

1. 複数のパターン層が重ねられて形成された表面を有する被検物体の前記表面に照明光を照射する照明光学系と、
   前記被検物体からの回折光に基づく物体像を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により前記物体像を撮像する際の装置条件を設定または変更する条件制御手段と、
   前記条件制御手段による前記装置条件の変更時に前記撮像手段により撮像される前記物体像の画像を取り込み、その画像に基づいて前記パターン層を検査するための前記装置条件の最適条件を求める条件検出手段とを有し、
   前記条件検出手段は、最上位のパターン層形成前の画像から前記装置条件の最適条件を求め、かつ前記最上位のパターン層形成後の画像から前記装置条件の最適条件を求め、求められた複数の最適条件から前記撮像手段で撮像された画像が前記最上位のパターンによるものであるか否かを判断することを特徴とする表面検査装置。
2. 前記条件検出手段は、装置条件を変化させながら前記撮像手段により撮像して得られる複数の画像に基づいて、前記装置条件の最適条件を求めることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記条件検出手段は、前記複数の画像におけるそれぞれの輝度を検出し、前記装置条件の変化に対応する前記輝度の変化の関係に基づいて前記最適条件を求めることを特徴とする請求項２に記載の表面検査装置。
4. 前記条件検出手段は、前記複数の画像におけるそれぞれの最大輝度を検出し、前記装置条件の変化に対応する前記最大輝度の変化の関係を求め、前記関係を二次微分して求まる前記最大輝度のピーク値に対応する前記装置条件を前記最適条件とすることを特徴とする請求項２に記載の表面検査装置。
5. 前記変化させる装置条件の種類が、前記照明光学系による前記被検物体への前記照明光の入射角度、前記被検物体の載置角度、前記照明光の波長および前記結像手段に入射させる前記被検物体からの出射光の受光位置のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面検査装置。
6. 前記条件検出手段によって前記最上位パターンによるものであると判断された最適条件の下で前記撮像手段により撮像された画像に基づいて前記被検物体に形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面検査装置。
7. 前記条件検出手段によって前記最上位パターンによるものであると判断された最適条件の下で前記撮像手段により撮像された画像を記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶された前記画像を読み出し、前記画像に基づいて前記被検物体に形成されたパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面検査装置。
8. 前記条件検出手段によって前記最上位パターンによるものであると判断された最適条件を記憶する記憶手段を有し、
   前記被検物体とは別の被検物体を検査する場合に、前記条件制御手段は前記記憶手段から前記最適条件を読み出し、前記最適条件に基づいた装置条件に設定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面検査装置。
9. 複数のパターン層が重ねられて形成された表面を有する被検物体の前記表面に照明光を照射し、
   前記被検物体からの回折光に基づく物体像を撮像手段により撮像し、
   前記撮像手段により得られた画像に基づいて表面検査を行う表面検査方法において、
   最上位のパターン層形成前に、前記撮像手段により撮像する際の装置条件を変更しながら前記撮像手段からの画像を取り込み、その画像に基づいて前記パターン層を検査するための前記装置条件の最適条件を求め、
   前記最上位のパターン層形成後に、前記撮像手段により撮像する際の装置条件を変化させながら前記撮像手段からの画像を取り込み、その画像に基づいて前記パターン層を検査するための前記装置条件の最適条件を求め、
   求められた複数の最適条件から前記撮像手段で撮像された画像が前記最上位のパターンによるものであるか否かを判断する
   ことを特徴とする表面検査方法。
10. 前記装置条件を変化させながら、前記撮像手段により撮像して得られた複数の画像から前記装置条件の最適条件を求めることを特徴とする請求項９に記載の表面検査方法。
11. 前記複数の画像におけるそれぞれの輝度を検出し、前記装置条件の変化に対応する前記輝度の変化の関係に基づいて前記最適条件を求めることを特徴とする請求項１０に記載の表面検査方法。
12. 前記複数の画像におけるそれぞれの最大輝度を検出し、前記装置条件の変化に対応する前記最大輝度の変化の関係を求め、前記関係を二次微分して求まる前記最大輝度のピーク値に対応する前記装置条件を前記最適条件とすることを特徴とする請求項１０に記載の表面検査方法。
13. 前記変化させる装置条件の種類が、前記照明光学系による前記被検物体への前記照明光の入射角度、前記被検物体の載置角度、前記照明光の波長および前記結像手段に入射させる前記被検物体からの出射光の受光位置のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の表面検査方法。
14. 前記最上位パターンによるものであると判断された最適条件時の下で前記撮像手段により撮像された画像に基づいて前記被検物体に形成されたパターンの欠陥を検出することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の表面検査方法。
15. 前記最上位パターンによるものであると判断された最適条件の下で前記撮像手段により撮像された画像を記憶し、
    記憶された前記画像を読み出し、前記画像に基づいて前記被検物体に形成されたパターンの欠陥を検出することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の表面検査方法。
16. 前記条件検出手段によって前記最上位パターンによるものであると判断された最適条件を記憶し、
    前記被検物体と別の被検物体を検査する場合に、前記記憶された前記最適条件を読み出し、前記最適条件に基づいた装置条件に設定することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の表面検査方法。
17. 前記撮像手段により撮像された画像から前記複数のパターン層における欠陥の有無を判断し、
    前記複数のパターン層のうちの最上層のパターン層に欠陥があることが検出されたときに、前記最上層のパターン層の再生処理を行うことを特徴とする請求項９〜１６のいずれかに記載の表面検査方法。
18. 複数のパターン層が重ねられて形成された表面を有する被検物体の前記表面に光を照射する照明光学系と、
    前記被検物体からの回折光を検出し、光量に応じた回折光信号を出力する信号出力手段と、
    前記出力手段により前記回折光を検出する際の装置条件を設定または変更する条件制御手段と、
    前記条件制御手段による前記装置条件の変更時に前記信号出力手段から出力される回折光信号に基づいて前記パターン層を検査するための前記装置条件の最適条件を求める条件検出手段とを有し、
    前記条件検出手段は、最上位のパターン層形成前の回折光信号から前記装置条件の最適条件を求め、かつ前記最上位のパターン層形成後の回折光信号から前記装置条件の最適条件を求め、求められた複数の最適条件から前記信号出力手段からの回折光信号が前記最上位のパターンによるものであるか否かを判断することを特徴とする表面検査装置。
19. 複数のパターン層が重ねられて形成された表面を有する被検物体の前記表面に照明光学系により光を照射し、
    回折光検出部により前記被検物体からの回折光を検出して光量に応じた回折光信号を生成し、その回折光信号に基づいて表面検査を行う表面検査方法において、
    最上位のパターン層形成前に、前記回折光検出部により検出する際の装置条件を変更しながら前記回折光検出部からの回折光信号を取り込み、その回折光信号に基づいて前記パターン層を検査するための前記装置条件の最適条件を求め、
    前記最上位のパターン層形成後に、前記回折光検出部により検出する際の装置条件を変更しながら前記回折光検出部からの回折光信号を取り込み、その回折光信号に基づいて前記装置条件の最適条件を求め、
    求められた複数の最適条件から前記回折光検出部からの回折光信号が前記最上位のパターンによるものであるか否かを判断する
    ことを特徴とする表面検査方法。

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