JP6461904B2 - 表面増強電場を用いた欠陥検出 - Google Patents

Description

本発明は、表面増強電場を用いた欠陥検出に関する。

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年３月１１日出願の米国仮出願第６１／７７６，７１８号に対する利益を主張する。本出願の内容は、本明細書内にその全体があらゆる目的で参照により組み込まれる。

パターン化されない検査システムは、シリコン・ウエハ製造業者及び集積回路（ＩＣ）製造業者によってベア・シリコン・ウエハ及び薄膜でコーティングされたウエハの検査用に使用される。これらのシステムは、ウエハ上の粒子、くぼみ、ひっかき傷、及び結晶欠陥などの様々な欠陥を検出するために使用される。さらに、これらのシステムは、ウエハからのヘイズを計測することによって表面粗さを特徴付けるために使用される。粒子によるレーザー散乱の暗視野検出は、例えば、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ製のＳｕｒｆＳｃａｎベア・ウエハ検査ツールなどのベア・ウエハ検査のコア技術であった。

レーザービームによって照射されたウエハ表面上の小粒子（波長より小さい）の分散光を検出することは、粒子検出のための大変効果的な技術であった。しかしながら、その散乱プロセスは、粒子の小型化によって散乱効率が急速に粒子直径の６の累乗まで降下するので、大変小さな粒子を検出するのに本質的に効率が悪い。さらに、検査速度が画素駆動時間を制限するので、小粒子検出器に到達する散乱光子の数は、きわめて低い。したがって、粒子散乱効率を改善する必要性がある。

米国特許出願公開第２００７／０１７７７８７号

本発明の目的は、エバネッセント波を利用することによってウエハ表面上に増強電場を生成するための方法およびシステムを提供することより、ウエハ表面上の粒子欠陥の検出感度を改善することである。

増強電場によって励起されたウエハ上の粒子からの散乱光を検出するためのシステム及び方法。固浸レンズは、ウエハ表面に隣接して配置される。このレンズの前部平坦面は、空隙が保持されるようにウエハ表面に対して平行である。深紫外光源は、臨界角（全内反射が起きる入射角として定義される）で固浸レンズを通して表面を照射するレーザービームを放射し、それによりエバネッセント波を生成する。エバネッセント波によって誘発される増強電場は、ウエハ表面で生成される。空隙距離は、ＤＵＶ光源によって放射される波長よりも小さい。固浸レンズは、レンズ支持体によって支持される。増強電場によって励起された粒子の散乱光は、固浸レンズによって遠距離場に連結され、第１及び第２のレンズによって集光される。検出器は、集光された光を受光し、対応する電気信号を生成する。プロセッサは、この検出器信号を受信及び分析する。

任意の格子またはコーティングを固浸レンズに施して、エバネッセント信号の生成を改善することができる。

様々な入射角でのＳｉ表面上の２６６ｎｍ波長光入射の反射率を示す。 Ｓｉ表面の法線方向でのＰ偏光の電場強度分布を示す。 周辺材料がＳｉＯ２の場合のＳｉ表面上の２６６ｎｍ波長光入射の反射率を示す。 入射角が７５°の場合の電場分布を示す。 周辺材料がＳｉＯ２で、周辺材料とＳｉ表面との間に１４５ｎｍの空隙を有する場合の、反射率曲線を示す。 表面の法線方向に沿った電場分布を示す。 本発明の機能ブロック図を示す。 ２５０ｎｍ、２６０ｎｍ、及び２８０ｎｍの３つの異なる波長用の電場分布を示す。 図４に示される固浸レンズに施された任意の金属コーティングを示す。 図４に示される固浸レンズに施された任意の格子を示す。 図４に示されるレンズ支持位置をより詳細に示す。 図４に示されるレンズ支持位置をより詳細に示す。 本発明に従うフローチャートを示す。

エバネッセント波による全内反射及び散乱は、よく知られており、バイオセンサーなどに応用が見出される。表面プラズモン共鳴は、例えば、可視赤色波長におけるＡｇまたはＡｕなどの金属が大々的に研究されるよく知られた現象である。これらの２つの概念は、全内反射を用いた照明構成を必要とする表面プラズモン波の励起としてよく関連付けられる。

図１Ａは、様々な入射角でのＳｉ表面上の２６６ｎｍ波長光入射の反射率を示し、図１Ｂは、入射角が７５°である（表面上の粒子を検出するためのほぼ最適入射角である）ときの、Ｓｉ表面の法線方向でのＰ偏光（電場ベクトルは入射面に対して平行である）の電場強度分布を示す。これは、一般的な既存のウエハ検査の構成を表す。電場の振動は、入射ビームと反射ビームとの間の干渉の結果であり、ピークおよび谷間の位置は、材料特性に依存する反射ビームの位相シフトに依存し、ビークの谷間に対するコントラストは、その反射率に依存し、ピークおよび谷間の平均は、入射ビームと反射ビームの強度の合計である。

電場強度は、入射ビームに対して正規化される。この場合、表面における電場強度が、入射ビームと反射ビームとの合計にほぼ等しい。参考のため、図２Ａは、周辺材料がＳｉＯ２の、深紫外波長に利用される一般的なガラス材料の場合のＳｉ表面上の２６６ｎｍ波長光入射の反射率を示す。図２Ｂは、入射角が７５°の場合の電場分布を示す。この場合も、Ｓｉ表面での電場強度が、入射及び反射ビームの合計にほぼ等しい。これは、粒子検出用の実践的な構成ではない。これは、比較目的でのみ使用されている。

図３Ａは、周辺材料がＳｉＯ２で、周辺材料とＳｉ表面との間に約１４５ｎｍの空隙が存在する場合の反射率曲線を示す。Ｐ偏光照明について、ＳｉＯ２の臨界角で強力な吸収が存在し、反射光強度が実質的にゼロまで落ちる。図３Ｂは、表面の法線方向に沿った電場分布を示す。Ｓｉ表面において、電場強度は、図１に示される従来の構成での電場よりもはるかに高いピークに到達する。粒子散乱は、基本的には外部場によって励起される双極子放射であるため、散乱光強度は、粒子位置における外部場強度に比例する。したがって、Ｓｉ表面上の粒子の散乱は、電場増強の同一のファクタによって増強される。

本発明において、深紫外（ＤＵＶ）レーザーは、レンズ内の全内反射を作り出す波長において半導体ウエハを照射して、ウエハ表面での電場を増強する。本実施例は、２６６ｎｍレーザーと組み合わせて半導体ウエハとしてＳｉを使用する。

図４は、本発明に従う機能ブロック図である。ＳｉＯ２からなる固浸レンズ１０がＳｉ表面に近づけられる一方で、レンズ１０ａの前部平坦面は、Ｓｉ表面に対して平行であり、その空隙は、約１４５ｎｍである。レーザービーム１２ａを放射するＤＵＶ光源１２は、固浸レンズ１０を通してＳｉ表面法線から約４３°の角度で表面を照射する（半球レンズに関しても、ガラス内の入射角が約４３°である）。この空隙は波長未満であるため、レンズ１０ａの前面とＳｉ表面との間の接触面において生成されるエバネッセント波は、Ｓｉ表面上の増強電場を生じさせる。固浸レンズ１０は、レンズ支持体１４（図示せず）によって支持される。この空隙は波長未満であるため、増強電場によって励起された粒子の散乱光は、固浸レンズによって遠距離場に連結され、任意の第１及び第２のレンズ１６ａ、１６ｂによって集光される。第１のレンズ１６ａは、散乱光を平行光にするのに対し、第２のレンズ１６ｂは、平行光にされた散乱光の焦点を検出器１８上に合わせる。検出器１８は、集光された光を検出し、対応する検出器信号を生成する。プロセッサ２０は、その検出器信号を受信及び分析する。

好適なＤＵＶ光源１２は、高次調波、例えば、第３及び第４高調波変換のダイオード励起固体レーザー、例えば、Ｎｅｗｐｏｒｔ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎまたはＣｏｈｅｒｅｎｔ，Ｉｎｃ製のものを含むが、これに限定されない。図５に示される波長を放射する広帯域光源を使用してもよい。必要であれば、光源は、適切な光学素子と組み合わせてＰ偏光された偏光照射ビームを生成してもよい。

固浸レンズ１０は、好ましくは半球レンズである。固浸レンズは、対象スペースを高屈折率固体物質で充填することによって、共用レンズよりも高い倍率及びより高い開口数を取得する。所望の空隙を備えたウエハ表面に近づけることができ、入射ビームを所望の入射角で周辺ガラスからウエハを照射することができる第１の表面を有する形状であれば、例えば球面または非球面などの、他の形状の素子も可能である。

任意の金属コーティング１１ａは、図６により詳細に示されるように、エバネッセント波を生成することを可能にするＡｇ、Ａｕ、または任意の他の材料から成ってもよい。あるいは、格子１１ｂは、図７に示されるようにレンズに施されてもよい。格子のプロファイルおよびピッチは、特定の入射角に関して、任意の回折次数が生成され、その伝達方向がレンズの表面に対して平行であり、その格子材料が金属または誘電体であり得るように設計することができる。Ｓｉウエハ検査に関して、好適なレンズ材料は、２６６ｎｍにおいて透明でなければならない。

動作中、ウエハ表面における電場が増強されることによって、粒子による散乱がより効率化される。散乱効率の増加は、特定のスループットでの粒子感度を改善するか、または特定の感度におけるスループットを増加するかのいずれかのために使用することができる。光学構成は、必然的に固浸結像と互換性があり、固浸レンズは、対象スペースを高屈折率固体物質で充填することによって、共用レンズよりも高い倍率及びより高い開口数を有する。したがって、結像解像度も、レンズインデックスのファクタによって、ＳｉＯ２材料が使用されるときに約１．５倍に改善される。

レンズ支持体１４は、図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、所望の空隙の周囲の範囲内でウエハに最も近くにレンズ表面を位置付ける。図８Ａは、より大きな粒子上への破壊を避けるために検査に先立って照射されたプレスキャン・ビームを示している。より大きな粒子は、電場増強無しでレーザー照射によって容易に検出することができる。レーザー照射電場は、走査方向で、半球レンズよりも前方にある。より大きな粒子が検出されると、半球レンズは、その大きな粒子を飛び越えるために、圧電ステージによってその粒子を越える高さまで引き上げられる。図８Ｂは、レンズ支持体のための能動的フィードバック制御を示している。レンズ支持体１４は、固浸レンズ１０と変位センサー２２とを収容している。圧電アクチュエータ２４は、空隙を計測し、プロセッサ２０に接続される変位センサー２２からの電気信号を受信する。圧電アクチュエータ２４は、変位センサー２２からの測定された高さのフィードバックに応じてレンズ１０の高さを調整し、空隙用の所望の距離を維持するために走査の間のウエハの高さ変動を相殺する。

図９は、本発明に従うフローチャートを示している。ステップ９０２では、光学ビームが、１１０ｎｍ〜３５５ｎｍの範囲の深紫外波長において生成される。ステップ９０４では、増強電場が、ウエハ表面で生成される。ステップ９０６では、増強電場によって励起された粒子が、散乱光信号を生成する。ステップ９０８では、散乱光信号が検出される。ステップ９１０では、対応する電気信号が生成される。ステップ９１２では、この電気信号が、背景騒音よりも高い閾値を設定することによって分析される。欠陥は、設定された閾値よりも高いパルスとして認定される。しかしながら、ＤＵＶ波長は好ましい一方で、同様な概念を、例示的表面において増強電場を生成することが可能な、波長と材料の他の組み合わせに適用することができる。

臨界角よりも大きな角度で波動が固浸レンズにぶつかるため、その境界において全内反射下で固浸レンズ内に波動が進むときにエバネッセント波が形成される。臨界角照射及び適切な空隙において、エバネッセント波が、増強電場をウエハ表面上に生じさせる。増強電場によって励起された粒子が、散乱光信号を生成する。この散乱光信号が閾値、例えば既知の良好なベア・ウエハ信号よりも高いとき、質の悪いウエハが検出される。本発明と組み合わせて利用され得る例示的欠陥分類は、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒに委譲され、参照することにより本明細書に組み込まれた米国特許第８，５３２，９４９号「試験片上の欠陥を分類するためのコンピュータ実装方法及びシステム」に開示されている。ウエハ・ステージ技術および欠陥検出システムを含む、欠陥分類システムのさらなる実施例は、参照することにより本明細書に組み込まれた公開米国特許出願第２０１４−０００９７５９号及び同第２０１３−０２０８２６９号に見出される。ウエハ上で検出された個々の欠陥は、それらの欠陥の１つ以上の特性に基づき欠陥群に割り当てられる。あるいは、ユーザは、その欠陥群のそれぞれに分類を割り当ててもよい。

本概念は、ベア・ウエハ検査用に説明されているが、Ｓｉ上にパターンを有するいくつかのパターン化ウエハ上の画像コントラストが改善され得るように、パターン化ウエハ検査にまで拡大することも可能である。本発明は、エバネッセント波を利用することによってウエハ表面上に増強電場を生成し、それによりウエハ表面上の粒子欠陥の検出感度を改善するための方法およびシステムを提供する。

Claims (12)

1. ウエハの表面を検査するためのシステムであって、
   深紫外波長の光学ビームを生成するソースと、
   固浸レンズであって、前記ウエハの表面法線に対して臨界角よりも大きな単一の角度で前記光学ビームを受光し、前記固浸レンズと前記ウエハ表面との間の空隙が、前記波長未満であるように配置され、増強電場が前記ウエハ表面で生成され、前記ウエハ上の少なくとも１つの粒子が、前記増強電場を受け、前記ウエハの表面法線に対して前記臨界角未満の角度で散乱する散乱光を生成する、固浸レンズと、
   前記ウエハ表面において増強電場を生成するための、前記固浸レンズの前記ウエハ側の表面に設けられた金属コーティングと、
   前記散乱光を受光し、かつ対応する電気信号を生成する検出器と、
   前記電気信号を受信及び分析するプロセッサと、を備えるシステム。
2. 前記ウエハがシリコンであるとき、前記深紫外波長が１５０ｎｍ〜３５５ｎｍの範囲である、請求項１に記載のシステム。
3. 少なくとも１つの対物レンズが、前記散乱光を集光するために前記固浸レンズと前記検出器との間に挿置される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記固浸レンズが、平坦面を有する半球レンズ、球面レンズ、及び非球面レンズを含む群から選択される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記金属コーティングが、銀及び金を含む群から選択される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記ウエハに近接する前記固浸レンズの前記表面上に格子を備える、請求項４に記載のシステム。
7. 前記固浸レンズと検出器との間に挿置された第１及び第２のレンズをさらに含み、前記第１のレンズが、散乱光を平行光にし、前記第２のレンズが、前記散乱光の焦点を前記検出器上に合わせる、請求項１に記載のシステム。
8. ウエハの表面を検査するための方法であって、
   深紫外波長の光学ビームを生成することであって、前記ウエハと固浸レンズを分離する空隙が、前記波長未満である、生成することと、
   前記固浸レンズが、前記ウエハの表面法線に対して臨界角よりも大きな単一の角度で前記光学ビームを受光することと、
   前記固浸レンズの前記ウエハ側の表面に設けられた金属コーティングにより、前記ウエハ表面で、前記光学ビームから増強電場を生成することと、
   前記ウエハ上の粒子が前記増強電場を受けたときに、前記ウエハの表面法線に対して前記臨界角未満の角度で散乱する散乱光を生成することと、
   前記散乱光を検出することと、
   対応する電気信号を生成することと、
   前記電気信号を分析することと、を含む、方法。
9. 前記深紫外波長が１５０ｎｍ〜３５５ｎｍの範囲である、請求項８に記載の方法。
10. 前記光学ビームを生成する前に大きな粒子について前記ウエハを走査することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記電気信号を分析することが、前記電気信号を閾値と比較することを含み、前記閾値がウエハの質を示す、請求項８に記載の方法。
12. 前記散乱光を平行光にすることと、
    前記散乱光の焦点を検出器上に合わせることと、をさらに含む、請求項８に記載の方法。

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