KR20110086696A

KR20110086696A - 결함 검사 장치 및 결함 검사 방법

Info

Publication number: KR20110086696A
Application number: KR1020117009944A
Authority: KR
Inventors: 가즈마사 엔도
Original assignee: 가부시키가이샤 니콘
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-07-29
Also published as: CN102197300A; US8705840B2; TW201027649A; WO2010050488A1; JPWO2010050488A1; US20110249112A1

Abstract

시료 표면의 패턴 형상의 양품 여부를 단시간에 판별할 수 있는 결함 검사 장치 및 검사 방법을 제공한다. 반복 패턴이 형성된 기판[웨이퍼(10)]의 결함을 검사하는 결함 검사 장치(20)는, 대물 렌즈(9)를 포함하고, 상기 대물 렌즈(9)를 통해 웨이퍼(10)에 형성된 반복 패턴에 광원(1)으로부터의 빛을 조사하는 조명 광학계(21)와, 반복 패턴에 기인하여 발생한 복수 차수의 회절광에 의한, 대물 렌즈(9)의 동공면의 상을 검출하는 검출 광학계(22)와, 얻어진 동공상으로부터 웨이퍼(10)의 반복 패턴의 결함을 검출하는 검출부(23)를 갖는다.

Description

결함 검사 장치 및 결함 검사 방법{DEFECT INSPECTION DEVICE AND DEFECT INSPECTION METHOD}

본 발명은 결함 검사 장치 및 결함 검사 방법에 관한 것이다.

종래, 반도체 회로 소자나 액정 표시 소자의 제조 공정에서는, 반도체 웨이퍼나 액정 기판(이하, "시료"라고 함)의 표면의 레지스트층에 형성된 패턴의 결함 검사가 행해졌다. 예를 들면, 광원으로부터의 빛의 편광 상태와 광학상을 형성하는 0차와 높은 차수의 회절광의 강도를 조정하여, 시료 표면의 화상을 비교하는 검사 방법이 개시되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이러한 검사에는, Critical Dimension SEM(측장 주사형 전자 현미경이며, 이하, "CD-SEM"이라 함)이 사용된다.

일본 특허 제3956942호 공보

그러나, 상기 CD-SEM을 이용한 검사 방법에서는, 레지스트의 손상 문제나 스루풋의 관점에서, 웨이퍼의 전체 면을 검사하기에는 적절하지 않다는 과제가 있었다.

본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 시료 표면에 형성된 레지스트의 패턴이나 에칭 후의 패턴(검사 패턴)에 관계없이, 시료 표면의 패턴 형상의 양품 여부를 단시간에 판별할 수 있는 결함 검사 장치 및 결함 검사 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본원 발명에 관한 결함 검사 장치는, 반복 패턴이 형성된 기판의 결함을 검사하는 결함 검사 장치이며, 대물 렌즈를 포함하고, 상기 대물 렌즈를 통해 기판에 형성된 반복 패턴에 광원으로부터의 빛을 조사하는 조명 광학계와, 반복 패턴에 기인하여 발생한 복수 차수의 회절광에 의한, 대물 렌즈의 동공면(瞳面)의 상을 검출하는 검출 광학계와, 얻어진 동공상(瞳像)으로부터 기판의 반복 패턴의 결함을 검출하는 검출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

이러한 결함 검사 장치에서 있어서, 검출부는, 동공면의 상의 휘도값을 구하고, 상기 휘도값에 의해 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 장치는, 양품 시료에 의한 동공면의 상의 휘도값을 미리 계측하여 기준값으로서 기억하는 기억부를 가지며, 검출부는, 기억부로부터 기준값을 판독하여, 상기 기준값과 동공면의 상으로부터 구해진 휘도값을 비교하여, 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 장치에서 있어서, 검출부는, 동공면의 상으로부터, 휘도값을 구하기 위한 최적 위치를 결정하고, 상기 최적 위치에서의 휘도값에 의해 기판의 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 장치에 있어서, 최적 위치는, 복수 차수의 회절광에 의한 동공상 중 어느 하나의 차수의 회절광에 의한 동공상 영역이며, 어느 하나의 차수의 회절광에 의한 동공상 영역은, 기준이 되는 측정 수단에 의한, 양품 여부의 정도가 서로 다른 반복 패턴이 복수 형성된 평가용 기판의 측정값과, 평가용 기판에 의한 복수 차수의 회절광에 의한 동공상의 휘도값과의 상관을 차수마다 구하여, 상기 상관이 높은 차수의 회절광에 의한 동공상 영역을 결정하는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 장치에 있어서, 조명 광학계는, 기판에 형성된 반복 패턴에 조사되는 광원으로부터의 빛의 파장 영역을 선택하는 파장 선택부를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 장치에 있어서, 조명 광학계는, 기판에 형성된 반복 패턴에 조사되는 광원으로부터의 빛을 소정의 직선 편광 상태로 정렬하는 편광자를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 장치에 있어서, 조명 광학계는, 동공면과 공역인 위치에 개구 조리개를 가지며, 상기 개구 조리개의 개구부는, 조명 광학계의 광축과 직교하는 면 내에서 위치 및 개구 직경을 변화시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 장치에 있어서, 조명 광학계는, 동공면과 공역인 위치에 개구 조리개를 가지며, 상기 개구 조리개의 개구부의, 조명 광학계의 광축과 개구부를 연결하는 직선 방향의 길이를 Ra라고 하고, 개구 조리개 및 대물 렌즈의 동공 간의 결상 배율을 β라고 하고, 기판에 형성된 반복 패턴에 조사되는 빛의 파장을 λ라고 하고, 반복 패턴의 주기를 P라고 하고, 대물 렌즈의 초점 거리를 f라고 했을 때, 다음 식 Ra≤｜β|×f×λ/P의 조건을 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 관한 결함 검사 방법은, 반복 패턴이 형성된 기판의 결함을 검사하는 방법이며, 대물 렌즈를 통해 기판에 형성된 반복 패턴에 광원으로부터의 빛을 조사하는 조명 공정과, 반복 패턴에 기인하여 발생한 복수 차수의 회절광에 의한, 대물 렌즈의 동공면의 상을 검출하는 촬상 공정과, 얻어진 동공상으로부터 기판의 반복 패턴의 결함을 검출하는 검출 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.

이러한 결함 검사 방법에 있어서, 검출 공정은, 동공면의 상의 휘도값을 구하여, 상기 휘도값에 의해 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 방법에 있어서, 검출 공정은, 양품 시료에 의한 동공면의 상의 휘도값을 기준값으로 하여 미리 계측해 두고, 상기 기준값과, 촬상 공정에서 얻어진 동공면의 상으로부터 구해진 휘도값을 비교하여, 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 방법에 있어서, 검출 공정은, 촬상 공정에서 얻어진 동공면의 상으로부터, 휘도값을 구하기 위한 최적 위치를 결정하고, 상기 최적 위치에서의 휘도값에 의해 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 결함 검사 방법에 있어서, 최적 위치는, 복수 차수의 회절광에 의한 동공상 중 어느 하나의 차수의 회절광에 의한 동공상 영역이며, 어느 하나의 차수의 회절광에 의한 동공상 영역은, 기준이 되는 측정 수단에 의한, 양품 여부의 정도가 서로 다른 반복 패턴이 복수 형성된 평가용 기판의 측정값과, 평가용 기판에 의한 복수 차수의 회절광에 의한 동공상의 휘도값과의 상관을 차수마다 구하여, 상기 상관이 높은 차수의 회절광에 의한 동공상 영역을 결정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 관한 결함 검사 장치 및 결함 검사 방법에 따르면, 시료 표면의 레지스트 패턴이나 에칭 후의 패턴에 관계없이, 상기 시료 표면의 패턴 형상의 양품 여부를 단시간에 판별할 수 있다.

도 1은 결함 검사 장치의 구성을 도시하는 단면 모식도이다.
도 2는 개구 조리개의 구성을 도시하는 설명도이며, (a)는 대략 원형인 개구부가 형성된 개구 조리개를 도시하고, (b)는 대략 사각형인 개구부가 형성된 개구 조리개를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시하는 개구 조리개의 개구부의 상이 형성된 대물 렌즈의 동공상을 도시하는 설명도이며, (a)는 도 2의 (a)의 개구 조리개를 사용한 경우를 도시하고, (b)는 도 2의 (b)의 개구 조리개를 사용한 경우를 도시한다.
도 4는 웨이퍼 상의 검사 포인트와 동공상의 분할 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 테스트 웨이퍼의 CD-SEM값과 결함 검사 장치로 측정한 동공상의 계조값의 관계를 관리하는 테이블의 구성을 도시하는 설명도이며, (a)는 CD-SEM값과 동공상의 영역마다의 계조값의 대응을 기억하는 대응표를 나타내고, (b)는 CD-SEM값과 동공면의 영역마다의 상관 계수를 기억하는 상관 함수표를 나타낸다.
도 6은 CD-SEM값과 계조값의 관계를 도시하고, 그 허용 범위를 도시하는 모식도이다.
도 7은 웨이퍼 표면의 패턴의 주기 방향에 대하여 P 편광으로 조명하는 경우의 모식도이다.
도 8은 웨이퍼 표면의 패턴의 주기 방향에 대하여 S 편광으로 조명하는 경우의 모식도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시 형태의 일례인 결함 검사 장치(20)의 개요를 도시하는 도면이며, 광축을 통과하는 면 내에서의 단면 모식도로서 나타내고 있다.

결함 검사 장치(20)는, 광원(1)과, 스테이지(11) 상에 재치된 시료인 웨이퍼(기판)(10)에 광원(1)으로부터 방사된 조명광을, 대물 렌즈(9)를 통해 조사하는 조명 광학계(21)와, 웨이퍼(10)에서 반사된 빛을 집광하는 검출 광학계(22)와, 상기 검출 광학계(22)로 집광된 상 중, 대물 렌즈(9)의 동공상을 검출하는 제 1 촬상 소자(17)와, 웨이퍼(10)의 상을 검출하는 제 2 촬상 소자(18)와, 제 1 촬상 소자(17)로 촬상된 동공상으로부터 웨이퍼(10)의 결함을 검출하는 검출부(23)를 가지고 구성된다.

조명 광학계(21)는, 광원(1)측으로부터 순서대로 콘덴서 렌즈(2), 간섭 필터를 포함하는 조도 균일화 유닛(3), 개구 조리개(4), 제 1 시야 조리개(5), 릴레이 렌즈(6), 편광자(7), 하프 미러(8) 및 대물 렌즈(9)를 가지며, 광축 상에 이 순서대로 늘어서 배치되어 있다. 여기서, 상기 조명 광학계(21)에 있어서, 광원(1)으로부터 방사된 조명광은, 하프 미러(8)에서 반사된 후, 대물 렌즈(9)를 통해 웨이퍼(10)로 인도되도록 구성되어 있다. 또한, 상기 조명 광학계(21)의 광축은, 검출 광학계(22)의 광축과 거의 일치하도록 배치되어, 웨이퍼(10)를 동축 낙사 조명하도록 구성되어 있다. 또한, 스테이지(11)는, 상기 동축 낙사 조명의 광축을 z축으로 하고, z축에 수직한 면 내에서 상기 ｚ축을 지나 각각 직교하는 축을 x축, y축이라고 하면, x축, y축, z축 방향으로 이동 가능하면서 z축의 둘레로 회전 가능하게 구성되어 있다.

한편, 검출 광학계(22)는, 하프 미러(8) 및 대물 렌즈(9)를 조명 광학계(21)와 공용하고, 웨이퍼(10)측으로부터 순서대로 대물 렌즈(9), 하프 미러(8), 검광자(12), 제 1 결상 렌즈(13), 하프 프리즘(14), 제 2 결상 렌즈(15) 및 제 2 시야 조리개(16)를 가지며, 광축 상에 이 순서대로 늘어서 배치되어 있다. 여기서, 웨이퍼(10)에서 반사된 빛은, 하프 미러(8)를 투과하여 제 1 및 제 2 촬상 소자(17, 18)에 인도되도록 구성되어 있다. 또한, 제 1 촬상 소자(17)는 하프 프리즘(14)을 투과한 빛을 검출하는 위치에 배치되어 있고, 제 2 촬상 소자(18)는 하프 프리즘(14)에서 반사된 빛을 검출하는 위치에 배치되어 있다. 상기 검출 광학계(22)에 있어서, 제 1 촬상 소자(17)는, 대물 렌즈(9)의 동공면의 상을 검출하는 위치, 즉 대물 렌즈(9)의 동공면과 공역인 위치에 배치되어 있고, 또한, 제 2 촬상 소자(18)는, 웨이퍼(10)의 상을 검출하는 위치, 즉 웨이퍼(10)의 표면과 공역인 위치에 배치되어 있다. 또한, 제 2 시야 조리개(16)는, 웨이퍼(10)의 표면과 공역인 위치에 배치되어 있다. 그리고, 제 1 촬상 소자(17)측에 배치된 착탈 가능한 조명부(도시 생략)에 의해 제 2 시야 조리개(16)를 조명함으로써, 웨이퍼(10)로부터 반사되어 오는 제 2 시야 조리개(16)의 상을 제 2 촬상 소자(18)로 촬상함으로써, 제 1 촬상 소자(17)로 검출하는 웨이퍼(10) 상의 영역을, 제 2 촬상 소자(18)의 촬상 위치로 환산한다. 상기 제 1 및 제 2 촬상 소자(17, 18)로 검출된 대물 렌즈(9)의 동공면의 상 및 웨이퍼(10)의 상은, 각각 검출부(23)를 통해 모니터(19)로 관찰할 수 있다. 따라서, 제 2 촬상 소자(18)에 의해 검출한 상을 모니터(19)를 통해 관찰하면, 웨이퍼(10) 상의 어느 위치에 조명광이 조사되어 있는지를 확인할 수 있다.

또한, 조명 광학계(21)에 배치된 편광자(7) 및 검출 광학계(22)에 배치된 검광자(12)는, 각각 상기 결함 검사 장치(20)에 착탈 가능하게 구성되어 있고, 관찰 대상[웨이퍼(10)]의 상태에 따라서 광축 상에 삽입 및 탈락시킬 수 있다. 이후의 설명에서는, 편광자(7) 및 검광자(12)는 제외한 상태로 사용한다.

또한, 개구 조리개(4) 및 제 1 시야 조리개(5)의 개구부에 대해서는, 각각 그 크기(특히, 광축과 상기 개구부를 연결하는 직선 방향의 직경의 크기) 및 광축에 직교하는 면 내에서의 위치를 변화시킬 수 있는 구조로 되어 있다. 그 때문에, 개구 조리개(4)의 개구부의 위치를 변화시키면, 웨이퍼(10)에 조사되는 조명광의 입사각이 변화되고, 또한, 제 1 시야 조리개(5)의 개구부의 크기 및 위치를 변화시키면, 웨이퍼(10)의 표면에 조사되는 조명 영역의 크기(조명의 범위)와 위치를 변화시킬 수 있다. 개구 조리개(4)의 개구부의 크기를 변화시키면, 동공면에서의 회절상의 크기를 변화시킬 수 있다.

이러한 구성의 결함 검사 장치(20)에 있어서, 광원(1)으로부터 방사된 조명광은, 콘덴서 렌즈(2)로 집광되고, 조도 균일화 유닛(3)에서 조도가 균일화된 후, 개구 조리개(4)에 조사된다. 그리고, 개구 조리개(4)의 개구부를 통과한 조명광은, 제 1 시야 조리개(5)를 통과하여 릴레이 렌즈(6)에서 콜리메이트되고, 하프 미러(8)에서 반사되어 대물 렌즈(9)에 인도된다. 여기서, 개구 조리개(4) 및 대물 렌즈(9)의 동공면은, 제 1 릴레이 렌즈(6)를 사이에 두고 각각 상기 제 1 릴레이 렌즈(6)의 초점 거리의 대략 2배의 위치에 배치되어 있다. 그 때문에, 개구 조리개(4)의 개구부의 상이 대물 렌즈(9)의 동공면 상 혹은 그 근방에 결상되고, 또한 대물 렌즈(9)로 집광되어 웨이퍼(10)에 조사된다. 즉, 개구 조리개(4)와 대물 렌즈(9)의 동공면은 공역 관계로 되어 있다.

그리고, 대물 렌즈(9)에 의해 웨이퍼(10)에 조사된 조명광은, 상기 웨이퍼(10)의 표면에서 반사되어 다시 대물 렌즈(9)로 집광된다. 이때, 웨이퍼(10)에서 반사된 개구 조리개(4)의 개구부의 상은, 대물 렌즈(9)의 동공면(혹은 그 근방)에 결상되는데, 웨이퍼(10)에 형성된 반복 패턴(이후의 방법에 의해 검사되는 검사 패턴)에 의한 회절광도 발생하여 마찬가지로 동공면에 결상된다. 그 때문에, 예를 들면, 개구 조리개(4)에, 도 2의 (a)에 도시하는 바와 같은 원형 형상의 개구부(4a)가, 상기 개구 조리개(4)의 외주부 근방에 형성되어 있는 경우, 도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이, 대물 렌즈(9)의 동공면[도 3의 (a)는 상기 동공면의 상(PI)을 도시함]에 있어서, 개구부(4a)의 회절상(40)이 회절 차수에 따라 그 차수의 순서대로 늘어서 결상된다. 또한, 상기 회절상(40)이 늘어서는 방향은, 광축 및 개구 조리개(4)로 치우치게 기울어진 조명광의 중심선을 포함하는 면과 동공면이 교차하는 선상이다. 그리고, 회절 차수가 0차인 회절상(반사상)은, 대물 렌즈(9)의 동공면 상에 있어서, 개구 조리개(4)의 개구부(4a)에 대응하는 위치(및 범위)에 결상되고, 1차, 2차, …, n차의 회절상은, 상술한 바와 같이 늘어서 결상된다[도 3의 (a)]. 이때, 0차(반사광에 의한 상)~n차의 각각의 회절상이 겹치지 않도록 하기 위해서 개구 조리개(4)의 개구부(4a)의 직경의 크기를 조정한다. 예를 들면, 상술한 바와 같이, 개구 조리개(4)에 원형의 개구부(4a)가 형성되어 있는 경우, 상기 개구부(4a)의 개구 직경(치수)(Ra)의 크기를 변화시켜, 동공면에 형성된 회절상이 서로 겹치지 않도록 조정한다.

구체적으로는, 개구 조리개(4)의 개구부(4a)의 개구 직경(치수)(Ra)은, 이하의 식 (1)에 나타내는 조건을 충족시키도록 설정함으로써, 동공면에 있어서 인접하는 회절상이 겹치지 않도록 할 수 있다. 여기서, β는 개구 조리개(4)와 대물 렌즈(9)의 눈동자와의 사이의 결상 배율을 나타내고, P는 검사 대상인 웨이퍼(10)에 형성된 반복 (검사) 패턴의 주기를 나타내고, λ는 웨이퍼(10)에 조사되는 조명광의 파장(검사 파장)을 나타내고, f는 대물 렌즈(9)의 초점 거리를 나타내고 있다.

Ra≤｜β|×f×λ/P ……… (1)

여기서, 조명광의 파장(검사 파장)을 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 3파장으로 한 경우에는, 가장 짧은 파장을 갖는 파란 빛(λ=440nm)에 있어서, 식 (1)을 만족하도록 개구부(4a)의 치수(Ra)를 설정하면 된다. 이는, 파장이 짧아짐에 따라 회절광에 의한 상의 간격도 좁아지므로, 가장 짧은 파장의 것으로 상기 조건을 만족하도록 설정하면, 그것보다 긴 파장의 경우에도 만족할 수 있기 때문이다.

또한, 개구 조리개(4)에 형성하는 개구부의 형상은 원형에 한정되지 않으며, 예를 들면, 도 2의 (b)에 도시하는 개구부(4a')과 같이 사각 형상으로 해도 좋다. 이 경우에도 상술한 원형 형상의 개구부(4a)와 마찬가지로, 도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이 회절 차수에 따른 회절상(40')이, 그 차수의 순서대로 대물 렌즈(9)의 동공면[동공상(PI)] 상에 늘어서 결상된다. 또한 이때, 개구부(4a')의, 광축과 상기 개구부(4a')를 연결하는 직선 방향으로 연장되는 변의 길이(Sb)가 다음에 나타내는 식 (2)를 만족하도록 조정함으로써, 동공면 상에 늘어서 결상된 회절상(40')이 겹치지 않도록 조정할 수 있다.

Sb≤｜β|×f×λ/P ………(2)

또한, 이러한 사각 형상의 개구부(4a')를 갖는 경우, 상기 치수(Sb)로 나타내는 변과 직교하는 방향으로 연장되는 변의 치수(Lb)는, 치수(Sb)보다 크게 설정되는 것이 바람직하다. 이는, 이러한 형상의 개구부(4a')의 상의 휘도는, 중심으로부터 조명광이 시료면에 입사하는 방향과 직교하는 방향으로 서서히 퍼져나가 낮아져 가기 때문에, 회절상의 중심부에서 얻어지는 휘도가 높은 범위를 확보하기 위해서이다. 또한, 이후에서는, 원형의 개구부(4a)를 갖는 개구 조리개(4)를 이용한 경우에 대해서 설명한다.

상기 결함 검사 장치(20)에 있어서, 웨이퍼(10)의 표면에 대하여 조명광이 조사되는 위치는, 스테이지(11)를 xy축 방향으로 이동시켜서 조정하고, 조명광이 조사되는 각도는, 상술한 바와 같이 개구 조리개(4) 및 제 1 시야 조리개(5)의 개구부의 위치 및 크기를 조정하고, 검사 대상인 웨이퍼(10)에 형성된 반복 패턴(검사 패턴)의 주기 방향에 대하여 조사되는 방향(반복 패턴에 대한 조명광의 방위각)은 스테이지(11)를 회전시켜서 조정한다. 또한, 대물 렌즈(9)의 초점 상에 웨이퍼(10)의 표면을 이동시킬 때에는, 스테이지(11)를 z축 방향으로 이동시켜서 조정한다. 또한, 조명광의 파장 영역은, 조도 균일화 유닛(3)의 간섭 필터에 의해 조정한다.

결함 검사 장치(20)를 이상과 같은 구성으로 하면, 대물 렌즈(9)의 동공면(혹은 그 근방)에 형성되는 동공상(PI)을 제 1 촬상 소자(17)로 촬상함으로써, 웨이퍼(10)의 표면에서 반사되어 대물 렌즈(9)의 동공면에 결상되는 개구 조리개(4)의 개구부(4a)의 복수 차수의 회절상을 검출할 수 있고, 검출부(23)는, 복수 차수의 회절상을 이용하여, 검사 대상인 웨이퍼(10)에 형성된 반복 패턴(검사 패턴)의 양품 여부를 판정할 수 있다. 즉, 제 1 촬상 소자(17)에 의해 촬상된 양품 패턴으로 이루어지는 웨이퍼(이하, 양품 패턴을 갖는 웨이퍼를 "양품 시료"라고 함)의 동공상을 기준상으로 하여 검출부(23)에 접속된 기억부(24)에 기억해 두고, 검출부(23)에 의해 상기 기준상을 판독하고, 검사 대상인 웨이퍼(10)의 동공상을 검출상으로서 검출하여, 검출상과 기준상을 비교하여 그 차이를 검출함으로써, 검사 대상인 웨이퍼(10)의 결함을 검출한다. 또한, 상기 검출부(23)에 의한 결함의 검사 방법으로는, 예를 들면, 기준상과 검출상의 화소마다의 계조값[동공상에 있어서의 휘도값은, 복수단의 계조(디지털량)로서 검출되기 때문에, 이후의 설명에서는 "계조값"이라고 함]의 차이를 비교하여, 임의의 화소에서 그 차이가 소정의 임계값을 넘은 경우에 결함이 있다고 판정하도록 해도 좋다. 이와 같이, 웨이퍼(10)의 양품 여부 판정은, 상기 웨이퍼(10)에 의한 대물 렌즈(9)의 동공면의 상의 휘도값(계조값)을 구하여, 미리 계측되어 기억된 양품 시료에 의한 기준값과 비교함으로써 행해지므로, 보다 단시간에 계측이 가능해진다.

또한, 비교하는 화소는 전체 화소가 아니어도 되며, 이하에 설명하는 바와 같이, 소정의 화소만을 비교의 대상으로 삼아도 좋다. 우선, 비교 대상이 되는 동공면의 상(PI)[소정의 위치(CP)의 동공상] 내의 검사 대상의 화소의 위치(이를 이후의 설명에서는 "최적 위치"라고 함)의 결정 방법에 대해서 설명한다. 또한, 여기서 최적 위치는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 동공상(PI)을 미리 소정의 크기를 갖는 복수의 영역(P)(L, M)(L×M 분할의 영역)으로 분할해 두고, 그 영역 중 어느 것에 해당하는지를 나타내는 것으로 한다. 최적 위치의 결정 방법으로는, 평가용 기판인 양품 범위에서 불량품 범위까지 선폭이 서로 다른 반복 패턴이 존재하는 웨이퍼(예를 들면, 웨이퍼 내에 노광량을 바꾸어 노광함으로써, 양품 범위에서 불량품 범위까지 선폭이 서로 다른 반복 패턴이 존재하는 웨이퍼로서, 이하 "테스트 웨이퍼"라고 함)를 이용하여, 기준이 되는 측정 수단에 의해 미리 테스트 웨이퍼의 상술한 양품 범위에서 불량품 범위까지 선폭이 서로 다른 반복 패턴을 포함하는 소정의 위치(CP)를 측정하여 측정값을 취득해 둔다. 그리고, 본 실시 형태에서 나타내는 결함 검사 장치(20)에 의해, 양품 범위에서 불량품 범위까지 선폭이 서로 다른 반복 패턴이 존재하는 테스트 웨이퍼 상의, 상기 소정의 위치(CP)에 대응하는 위치에 조명광을 조사하고, 상기 소정의 위치(CP)의 동공상을 촬상하여 상기 영역마다 계조값(휘도값)을 산출하고, 상술한 측정값과 각각의 계조값(휘도값)의 상관을 구하여 그 상관이 가장 큰 영역을 최적 위치라고 하는 것이다. 또한, 여기서는, 기준이 되는 측정 수단으로서, CD-SEM을 이용한 경우에 대해서 설명한다(또한, 상기 CD-SEM에 의한 측정값을 "CD-SEM값"이라고 함). 이때 테스트 웨이퍼의 CD-SEM값은, 미리 측정되어 기억부(24)에 기억되어 있는 것으로 하여 설명한다.

구체적으로는, 결함 검사 장치(20)의 스테이지(11) 상에 테스트 웨이퍼를 재치하고, 상기 테스트 웨이퍼 상의 소정의 위치(CP)[도 4에 도시하는 웨이퍼(10) 상의 포인트(CP)]에 있어서의 동공상(PI)의 영역마다, 각각의 계조값(휘도값)을 구하고, 각각의 영역마다, 그 계조값과, 기억부(24)에 기억된 테스트 웨이퍼의 CD-SEM값 중, 상술한 소정의 포인트(CP)에 대응하는 CD-SEM값과의 상관을 구한다.

예를 들면, 테스트 웨이퍼면 내의 검사 포인트(CP)(No.1~No.n)마다, 제 1 촬상 소자(17)로 검출한 동공면의 상(PI)을, 예를 들면, 45×45의 영역(P)으로 분할하여 설정한다. 상기 동공면의 상(PI)에는, 테스트 웨이퍼로부터의 회절광에 의한 상이 결상되어 있고, 제 1 촬상 소자(17)는, 상술한, 예를 들면 도 3의 (a)와 같은 회절상(동공상)(40)으로서 검출된다. 그리고, 상기 설정한 영역[P(0, 0)~P(45, 45)] 내에서의 동공상(PI)의 계조값(휘도값)과 CD-SEM값의 상관을 구한다. 도 5의 (a)는, 테스트 웨이퍼면 내의 검사 포인트(CP)(No.1~No.n)에 있어서의 CD-SEM값(SEM)과 동공면[상면(PI)] 상의 임의인 영역(P)(L, M)에서의 계조값(휘도값)의 대응표(100)를 나타내고 있고, 상기 대응표(100)는, 상술한 기억부(24)에 기억되어 있다. 여기서, 검사 포인트 칼럼(100a)에는, 테스트 웨이퍼면 내에서 설정된 각 검사 포인트(CP)(No.1~No.n)가 설정되어 있다. SEM 칼럼(100b)은, 각 검사 포인트(CP)에 있어서의 CD-SEM값이 기억되어 있다. 또한, 계조값R 칼럼(100c)에는 검사 파장(조명 파장) R을, 계조값G 칼럼(100d)에는 검사 파장(조명 파장) G를, 계조값B 칼럼(100e)에는 검사 파장(조명 파장) B를 설정한 경우의 각 검사 포인트(CP)에 있어서의 동공면 상의 임의인 영역(P)(L, M)에서의 계조값(휘도값)이 각각 기억되어 있다. 그 결과로부터, 각 검사 파장(조명 파장)을 사용한 경우의 검사 포인트(CP)에 있어서의 동공면 상의 임의인 영역(P)(L, M)의 계조값과 CD-SEM값과의 상관 계수(100f)[CR(L, M), CG(L, M), CB(L, M)]가 각각 구해진다.

상기 상관 계수는, 각 검사 포인트(CP)(No.1~No.n)에 대하여, 그 포인트에서 얻어진 동공상을 각 영역[P(0, 0)~P(N, N)]에서의 각 검사 파장의 상관 계수[CR(L, M), CG(L, M), CB(L, M)]로서 구하여, 기억부(24)의 상관 함수표(101)에 기억된다. 상기 상관 함수표(101)는, 도 5의 (b)와 같은 데이터 구조를 가지고 있으며, 동공상 상의 영역 칼럼(101a)에는, 그 포인트(CP)에서 얻어진 동공상(PI) 상의 영역[P(0, 0)~P(N, N)]이 설정되고, 그 영역(P)에서의 검사 파장(R)에 있어서의 계조값(휘도값)의 상관 계수가 계조값R 칼럼(101b)에 기억된다. 마찬가지로, 검사 파장(G, B)에 있어서의 계조값(G, B)의 상관 계수가 각각 계조값G 칼럼(101c), 계조값B 칼럼(101e)에 기억된다.

여기서, 각 검사 파장에 있어서, 동공면에 결상되는 회절상의 위치가 변하기 때문에, 동공상(PI)을 어떻게 분할할지는 파장마다 조정하는 것이 바람직하다. 이상으로부터, 도 5의 (b)와 같이 구한 각 파장에 있어서의 상관 계수로부터 얻어지는 상관값이 최대가 되는 동공면의 영역(P)(Xf, Yf)을 최적 위치로서 결정한다.

다음으로, 상관이 최대가 되는 동공상(PI)의 영역(P)(Xf, Yf)에서의 계조값과 CD-SEM값의 관계를 도 6에 도시하는 바와 같이 그래프화하고, CD-SEM에 의해 측정된 테스트 웨이퍼의 CD-SEM값에 있어서의 허용 범위로부터, 본 결함 검사 장치(20)에서 측정되는 동공상의 최적 위치에서의 계조값에 있어서의 허용 범위를 결정한다. 또한, 도 6은, 웨이퍼(10)에 형성된 검사 패턴이 홀 패턴일 때의 검사예이며, CD-SEM값과 계조값은 2차 함수로 근사된다.

이상과 같은 구성으로 하면, 검사 대상의 웨이퍼(10)를 스테이지(11) 상에 재치하여 제 1 촬상 소자(17)로 동공상(PI)을 촬상하고, 검출부(23)에 있어서, 상기 동공상(PI)에 있어서의 최적 위치의 계조값(휘도값)을 산출하여, 상술한 허용 범위에 있는지의 여부를 검사함으로써, 허용 범위 내에 있을 때에는 검사 대상의 웨이퍼(10)에 형성된 반복 패턴이 양품이라고 판정하고, 허용 범위 외에 있을 때에는 불량품이라고 판정할 수 있다.

또한, 여기서, 동공상(PI)에 형성된 회절상(40)의 계조값(강도)이 포화하지 않도록 광원(1)의 광량을 조정하는 것이 바람직하다. 이는, 0차에서 높은 차수의 회절광이 됨에 따라 회절광이 약해지고, 그에 따라 높은 차수의 회절상의 계조값(휘도값)이 낮아져 가기 때문에, 예를 들면, 0차의 회절광에 광원(1)의 광량을 맞추면 높은 차수의 회절광이 약하기 때문에 회절상의 계조값이 지나치게 낮아져, 측정할 수 없게 되고, 반대로, 높은 차수의 회절광에 광원(1)의 광량을 맞추면, 0차의 회절광이 강하여, 회절상의 계조값(휘도값)이 포화하여 측정할 수 없게 되기 때문이다. 이 때문에, 최적 위치(P)(Xf, Yf)에 따라서, 몇 차의 회절광에 의한 회절상을 사용하여 검사를 행하는지에 따라 광원(1)의 광량을 조정하여 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 제 1 촬상 소자(17)로 촬상된 동공면의 화상에 있어서, 휘도값을 구하기에 최적인 위치를 결정하고, 그 위치에서의 휘도값으로 결함을 검출함으로써, 웨이퍼(10)의 결함 검출을 단시간에 효율적으로 행할 수 있다. 상기 최적 위치는, 기준이 되는 측정 수단, 예를 들면, CD-SEM에 의한 측정에서 구해진 테스트 웨이퍼의 측정값과, 제 1 촬상 소자(17)로 촬상한 테스트 웨이퍼의 동공상 내의 복수의 영역에서의 휘도값과의 상관으로부터 상관이 높은 위치(영역)로 되어 있으므로, 더욱 효율적으로 결함 검사를 할 수 있고, 양품 여부 판정을 단시간에 행할 수 있다.

이상의 결함 검사 장치(20)에 있어서는, 조도 균일화 유닛(3)은, 광원(1)으로부터 방사되어 웨이퍼(10)에 조사되는 조명광의 파장을 선택하는 간섭 필터를 포함하여 구성되어 있는 경우를 나타내고 있지만, 상기 간섭 필터를 포함하지 않는 것으로 구성해도 좋다. 또한, 예를 들면, 제 1 촬상 소자(17)와 제 2 시야 조리개(16)의 사이에 광로 분할 소자나 컬러 필터 등을 배치하고, 또한 제 1 촬상 소자(17)를 복수의 촬상 소자로 구성하면, R, G, B의 파장 영역마다 나누어서 동공상을 관찰할 수 있게 된다.

또한, 상술에서는, 광원(1)으로부터의 빛에 대하여 편광 처리를 특별히 행하지 않는 경우의 결함 검사에 대해서 설명했지만, 웨이퍼(10)에 조사되는 조명광으로서 S 편광 성분의 빛만, 또는 P 편광 성분의 빛만을 사용하여 검사를 행해도 좋다. 즉, 착탈 가능한 편광자(7)를 갖고 있기 때문에, 조명광을 직선 편광으로 갖추는 것도 가능하다. 도 7은, 광원(1)으로부터의 빛에 대하여 편광자(7)를 회전시켜, 웨이퍼(10)에 형성된 패턴(10')의 주기(P)의 방향에 대하여 P 편광으로 입사하는 경우[입사광(LP)]를 도시하고 있고, 도 8은, 편광자(7)를 회전시켜, 웨이퍼(10)에 형성된 패턴(10')의 주기(P)의 방향에 대하여 S 편광으로 입사하는 경우[입사광(LS)]를 도시하고 있다. 도 7의 입사광(LP)에 수직으로 교차하는 양단 화살표는 직선 편광의 진동 방향(PP)을 나타내고 있고, 도 8의 입사광(LS)에 대하여, 수직으로 교차하고 안쪽에서부터 앞쪽을 향하도록 도시되어 있는 것은, 직선 편광의 진동 방향(SP)이다. 이와 같이, 각 편광 성분의 빛만을 사용하여 검사를 행하면, 웨이퍼(10)의 표면에 형성되어 있는 패턴(10')의 더욱 아래쪽(하지)의 영향(노이즈)을 제거할 수 있다. 즉, 편광 성분에 의해, 하지의 영향에 의한 노이즈 성분에 따라 반사의 특성이 서로 다르므로, 이를 이용하여 하지의 영향을 제거하는 결함 검사 장치 및 방법으로 할 수도 있다.

본 실시예에서는, 기준이 되는 측정 수단에 의해 측정된 테스트 웨이퍼의 측정값과, 제 1 촬상 소자(17)로 촬상된 테스트 웨이퍼에 의한 대물 렌즈의 동공면의 상 내의 복수의 위치의 각각에서의 휘도값과의 상관을 구하여, 상관이 높은 대물 렌즈의 동공면의 상 내의 위치의 휘도값을 계측에 이용하고 있는데, 조명의 입사각과 편광 성분을 파라미터로 하여, 패턴의 치수 형상 변화와 동공 내의 계조 변화의 상관이 가장 높아지는 최적의 동공 내의 위치를, 미리 벡터 해석 시뮬레이션에 의해 구해 두고, 본 실시 형태에 의한 제 1 촬상 소자(17)로 촬상한 테스트 웨이퍼의 동공상 내의 복수의 영역에서의 휘도값과의 상관으로부터 상관이 높은 위치(영역)를 단시간에 설정 가능한 것은 물론이다.

1 : 광원 4 : 개구 조리개
4a : 개구부 9 : 대물 렌즈
10 : 웨이퍼(기판) 20 : 결함 검사 장치
22 : 검출 광학계 23 : 검출부
24 : 기억부

Claims

반복 패턴이 형성된 기판의 결함을 검사하는 결함 검사 장치에 있어서,
대물 렌즈를 포함하고, 상기 대물 렌즈를 통해 기판에 형성된 반복 패턴에 광원으로부터의 빛을 조사하는 조명 광학계와,
상기 반복 패턴에 기인하여 발생한 복수 차수의 회절광에 의한, 대물 렌즈의 동공면(瞳面)의 상을 검출하는 검출 광학계와,
얻어진 상기 동공상(瞳像)으로부터 상기 기판의 반복 패턴의 결함을 검출하는 검출부를 갖는 것을 특징으로 하는
결함 검사 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 검출부는, 상기 동공면의 상의 휘도값을 구하고, 상기 휘도값에 의해 상기 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성된
결함 검사 장치.
제 2 항에 있어서,
양품 시료에 의한 상기 동공면의 상의 휘도값을 미리 계측하여 기준값으로서 기억하는 기억부를 가지며,
상기 검출부는, 상기 기억부로부터 상기 기준값을 판독하여, 상기 기준값과 상기 동공면의 상으로부터 구해진 상기 휘도값을 비교하여, 상기 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성된
결함 검사 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 검출부는, 상기 동공면의 상으로부터, 상기 휘도값을 구하기 위한 최적 위치를 결정하고, 상기 최적 위치에서의 상기 휘도값에 의해 상기 기판의 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성된
결함 검사 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 최적 위치는, 상기 복수 차수의 회절광에 의한 동공상 중 어느 하나의 차수의 회절광에 의한 동공상 영역이며,
상기 어느 하나의 차수의 회절광에 의한 동공상 영역은, 기준이 되는 측정 수단에 의한, 양품 여부의 정도가 서로 다른 반복 패턴이 복수 형성된 평가용 기판의 측정값과, 상기 평가용 기판에 의한 상기 복수 차수의 회절광에 의한 동공상의 상기 휘도값과의 상관을 상기 차수마다 구하여, 상기 상관이 높은 상기 차수의 회절광에 의한 동공상 영역을 결정하는
결함 검사 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조명 광학계는, 상기 기판에 형성된 반복 패턴에 조사되는 상기 광원으로부터의 빛의 파장 영역을 선택하는 파장 선택부를 갖는
결함 검사 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조명 광학계는, 상기 기판에 형성된 반복 패턴에 조사되는 상기 광원으로부터의 빛을 소정의 직선 편광 상태로 정렬하는 편광자를 갖는
결함 검사 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조명 광학계는, 상기 동공면과 공역인 위치에 개구 조리개를 가지며,
상기 개구 조리개의 개구부는, 상기 조명 광학계의 광축과 직교하는 면 내에서 위치 및 개구 직경을 변화시킬 수 있도록 구성된
결함 검사 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조명 광학계는, 상기 동공면과 공역인 위치에 개구 조리개를 가지며,
상기 개구 조리개의 개구부의, 상기 조명 광학계의 광축과 상기 개구부를 연결하는 직선 방향의 길이를 Ra라고 하고,
상기 개구 조리개 및 상기 대물 렌즈의 상기 동공 간의 결상 배율을 β라고 하고,
상기 기판에 형성된 반복 패턴에 조사되는 상기 빛의 파장을 λ라고 하고,
상기 반복 패턴의 주기를 P라고 하고,
상기 대물 렌즈의 초점 거리를 f라고 했을 때, 다음 식
Ra≤｜β|×f×λ/P
의 조건을 만족하도록 구성된
결함 검사 장치.
반복 패턴이 형성된 기판의 결함을 검사하는 결함 검사 방법이며,
대물 렌즈를 통해 상기 기판에 형성된 반복 패턴에 광원으로부터의 빛을 조사하는 조명 공정과,
상기 반복 패턴에 기인하여 발생한 복수 차수의 회절광에 의한, 상기 대물 렌즈의 동공면의 상을 검출하는 촬상 공정과,
얻어진 상기 동공상으로부터 상기 기판의 반복 패턴의 결함을 검출하는 검출 공정을 갖는 것을 특징으로 하는
결함 검사 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 검출 공정은, 상기 동공면의 상의 휘도값을 구하여, 상기 휘도값에 의해 상기 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성된
결함 검사 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 검출 공정은, 양품 시료에 의한 상기 동공면의 상의 휘도값을 기준값으로 하여 미리 계측해 두고, 상기 기준값과, 상기 촬상 공정에서 얻어진 상기 동공면의 상으로부터 구해진 상기 휘도값을 비교하여, 상기 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성된
결함 검사 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 검출 공정은, 상기 촬상 공정에서 얻어진 상기 동공면의 상으로부터, 상기 휘도값을 구하기 위한 최적 위치를 결정하고, 상기 최적 위치에서의 상기 휘도값에 의해 상기 기판에 형성된 반복 패턴의 결함을 검출하도록 구성된
결함 검사 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 최적 위치는, 상기 복수 차수의 회절광에 의한 동공상 중 어느 하나의 차수의 회절광에 의한 동공상 영역이며,
상기 어느 하나의 차수의 회절광에 의한 동공상 영역은, 기준이 되는 측정 수단에 의한, 양품 여부의 정도가 서로 다른 반복 패턴이 복수 형성된 평가용 기판의 측정값과, 상기 평가용 기판에 의한 상기 복수 차수의 회절광에 의한 동공상의 상기 휘도값과의 상관을 상기 차수마다 구하여, 상기 상관이 높은 상기 차수의 회절광에 의한 동공상 영역을 결정하는
결함 검사 방법.