WO2020208680A1 - 表面形状検出装置及び検出方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a surface shape detection technique using a differential interference contrast inspection device.
- Patent Document 1 defects on the wafer surface are classified on a rule basis by using the signal comparison results of a signal using scattered light and a signal using differential interference contrast. Further, as an apparatus for measuring the surface state of a semiconductor wafer, a differential interference microscope that acquires an epi-illumination type differential interference contrast image as in Patent Document 2 is known.
- Patent Document 2 highly accurate differential interference contrast observation is realized by making the amount of shift of two rays called the shear amount variable.
- As described in Patent Document 2, as a means for changing the shear amount light rays are generally separated by using a Nomalski prism processed from a birefringent crystal in a differential interference microscope.
- the amount of phase shift which indicates the shift of the wave plane in the shift direction of the shear amount
- the differential interference contrast optical system only the amount of displacement of the phase plane relative to the displacement direction of the shear amount can be observed, so that the surface shape of the wafer cannot be restored unless the amount of displacement of the phase plane is continuously integrated. Therefore, the error of the restored shape of the wafer surface increases as the number of times of integration of random noise, that is, the number of times of quantization (sampling) until restoration increases.
- the sampling pitch which is the interval of integration
- the number of integrations required for the restoration of the surface shape is reduced, so that the error is also reduced, but in that case, there is a trade-off with the resolution in the measurement of the surface shape.
- An object of the present invention is to provide a surface shape detection device and a detection method that solves the above problems and realizes reduction of a wafer surface shape restoration error while maintaining resolution.
- the surface shape detecting device includes a light spot scanning unit that scans the surface of the inspection target with light spots and a plurality of light spots separated by a predetermined design distance.
- An interference light detection mechanism that detects the interference light of light obtained by scanning the surface, and a surface shape that restores the surface shape to be inspected by sampling and calculating the interference light information at predetermined quantization time intervals.
- a surface shape detecting apparatus comprising a restoration processing unit and having a predetermined design distance larger than a quantization distance interval corresponding to a predetermined quantization time interval.
- the surface shape detection method detects interference light of light obtained by scanning the surface of an inspection target with a plurality of light spots separated by a predetermined design distance. Then, when the detected interference light information is sampled at a predetermined quantization time interval and calculated to restore the surface shape of the inspection target, a predetermined design distance is set to a quantum corresponding to a predetermined quantization time interval.
- a predetermined design distance is set to a quantum corresponding to a predetermined quantization time interval.
- a surface shape detection method in which the distance is larger than the quantization distance interval.
- the schematic diagram which shows the conventional differential interference contrast optical system The figure which shows one configuration example of the surface shape detection apparatus which detects the shape of the wafer surface by using the differential interference contrast optical system which concerns on Example 1.
- FIG. The figure which shows the flowchart of the detection process of the surface shape of the wafer which concerns on Example 1.
- FIG. The schematic diagram of the differential interference contrast optical system when the shear amount which concerns on Example 1 is larger than a sampling pitch.
- FIG. The schematic diagram when the shear amount according to Example 1 is not an integral multiple of a sampling pitch.
- FIG. 1 The figure which shows the surface shape of a wafer and the simulation result which restored the surface shape by the differential interference contrast optical system of Example 1.
- FIG. 1 The figure which shows the result of simulating the restoration error using the structure of Example 1 as a two-dimensional map with respect to the shear amount and the width of the surface shape of the detection target.
- ⁇ represents the shear amount
- W (x) represents the phase plane from the wafer plane. That is, it can be approximated to the derivative of the shear amount of the wave surface from the wafer in the shifting direction multiplied by the shear amount ⁇ . Further, the surface shape of the wafer is restored by integrating the derivative of the shear amount in the shifting direction in the one-dimensional direction in which the surface shape is to be restored. For example, the wafer surface height h (x) at a point separated by L from the restoration start point is expressed by Equation 2.
- Fig. 1 shows a schematic diagram of this with a finite value and based on the implementation in a surface shape detection device that performs actual quantization, that is, digital sampling.
- the solid line 100 represents the actual wafer surface shape
- the black circle 101 represents the wafer surface height in each sampling.
- ⁇ h (i) represents the amount of phase shift in the shift direction of the shear amount in the i-th sampling
- ps represents the sampling pitch.
- the wafer surface height h (i) in the i-th sampling is represented by Equation 3.
- Equation 3 In the differential interference contrast optical system as shown in Equation 1, only the amount of phase shift ⁇ h relative to the shift direction of the shear amount can be observed. Therefore, the surface shape of the wafer cannot be restored unless the amount of phase displacement is continuously integrated.
- the restoration error due to random noise when restoring the surface shape of the actual wafer is received by a light receiving part such as a photodiode, converted into an electric signal, then subjected to output amplification or attenuation by an electric circuit, and then sampled by an ADC (Analog To Digital Converter). Is done. Therefore, the signal quality is impaired by superimposing random noise such as shot noise and circuit noise in each sampling.
- a light receiving part such as a photodiode
- ADC Analog To Digital Converter
- the restored shape h (N) of the wafer surface when added up to the Nth integration time is expressed in the range of Equation 4.
- ⁇ i is the same ⁇ in each sample
- the restored shape h (N) of the wafer surface is expressed in the range of Equation 5.
- the error of the restored shape increases as the number of times of integration of random noise and the number of times of quantization until restoration in Equation 5 increase.
- the integration interval in this case, the sampling pitch ps is increased, the number of integrations required to restore the surface shape is reduced, so that the error is also reduced.
- the measurement of the surface shape there is a problem that there is a trade-off with resolution.
- the first embodiment is a surface shape detecting apparatus capable of solving the above-mentioned problems, wherein an optical spot scanning unit that scans the surface of an inspection target with an optical spot and a plurality of optical spots separated by a predetermined design distance are the inspection targets.
- An interference light detection mechanism that detects the interference light of light obtained by scanning the surface, and a surface shape that restores the surface shape to be inspected by sampling and calculating the interference light information at predetermined quantization time intervals.
- This is an example of a surface shape detecting device including a restoration processing unit and having a predetermined design distance larger than a quantization distance interval corresponding to a predetermined quantization time interval.
- a surface shape detection method in which interference light of light obtained by scanning the surface of an inspection target with a plurality of light spots separated by a predetermined design distance is detected, and the information of the detected interference light is quantized into a predetermined value.
- a surface shape detection method in which a predetermined design distance is made larger than a quantization distance interval corresponding to a predetermined quantization time interval when the surface shape to be inspected is restored by sampling and calculating at time intervals. Is an example of.
- FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a surface shape detecting device that detects the shape of the wafer surface using a differential interference contrast optical system.
- the surface shape detection device 200 is connected to the external control device 202 via the input / output control circuit 201.
- the input / output control circuit 201 is realized by, for example, a single communication interface such as a network adapter or a USB port, or a plurality of communication interfaces.
- the surface shape detecting device 200 receives the information signal detected from the external control device 202 by the input / output control circuit 201.
- the surface shape detection device 200 includes a light source 205, a differential interference optical system 221 constituting an interference light detection mechanism, a rotation speed detection sensor 218, a wafer rotation direction drive unit 219, and a wafer translation direction drive unit 220.
- the rotation speed detection sensor 218, the wafer rotation direction drive unit 219, and the wafer translation direction drive unit 220 form an optical spot scanning unit.
- the surface shape restoration processing unit includes an interference light signal processing circuit 227 that receives signals from the light receiving element 217 of the differential interference optical system 221 and performs current / voltage (I / V) conversion, and an analog-to-digital converter (ADC). It is composed of 228, a buffer unit 229, and a wafer surface shape restoration unit 230.
- the wafer rotation direction drive unit 219 has a detachable unit (not shown) to which the wafer 215 can be attached to and detached from the rotation axis, and the wafer is configured to be rotatable by the wafer rotation direction drive unit 219.
- the position where the light beam for differential interference contrast is irradiated is determined by the geometrical positional relationship between the differential interference contrast optical system 221 and the wafer 215, and is a fixed position on the apparatus unless the differential interference contrast optical system 221 is changed.
- the wafer 215 is configured to be movable in the radial direction by the wafer translation direction drive unit 220, and the combination of the wafer rotation direction drive unit 219 and the wafer translation direction drive unit 220 is used for differential interference in the wafer 215.
- the configuration is such that the position where the light beam is irradiated can be scanned.
- the configuration of the light receiving element 217 is not limited to a single one, and for example, a structure having a plurality of light receiving units arranged in a direction substantially perpendicular to the scanning direction so that a plurality of locations can be detected at the same time. It may be.
- the rotation speed detection sensor 218 constituting the wafer rotation speed detection mechanism uses a predetermined speed detection pattern provided on the wafer 215 to rotate the wafer rotation direction drive unit 219, and by extension, the wafer 215 itself installed on the wafer rotation speed detection mechanism. It receives a brightness signal to generate a rotation speed detection signal for detecting the speed.
- the luminance signal received by the rotation speed detection sensor 218 is input to the rotation speed detection signal generation circuit 222.
- the rotation speed detection signal generation circuit 222 generates a rotation speed detection signal that controls the rotation speed of the wafer rotation direction drive unit 219 based on the input brightness signal, and outputs the rotation speed detection signal to the rotation speed control circuit 223.
- the rotation speed detection sensor 218 is realized by, for example, an optical rotary encoder, but it does not necessarily have to be an optical sensor, and the input to the rotation speed detection signal generation circuit 222 does not necessarily have to be a brightness signal. It may be a means of realizing.
- the target rotation speed from the controller 203 to the rotation speed control circuit 223 is input.
- a rotation speed control signal is generated so that the rotation speed of the wafer rotation direction drive unit 219 becomes the target rotation speed input from the controller 203, and is output to the rotation speed drive circuit 224.
- the rotation speed control circuit 223 is realized by, for example, a speed feedback control system.
- a drive signal for driving the wafer rotation direction drive unit 219 is generated based on the input rotation speed control signal, and is output to the wafer rotation direction drive unit 219. As a result, the wafer rotation direction drive unit 219 can control the target rotation speed.
- the wafer translation direction drive unit 220 has a translation direction position detection sensor (not shown) that detects the position of the movable part of the wafer translation direction drive unit 220 inside.
- the translational position detection sensor obtains the position of the movable portion of the wafer translational drive unit 220 by optically detecting the pattern in the scale portion having a predetermined position detection pattern provided on the wafer translational direction drive unit 220, for example. To detect.
- the translation position detection signal generation circuit provided inside the wafer translation direction drive unit 220 outputs the position signal of the movable part of the wafer translation direction drive unit 220.
- the output position signal of the movable portion of the translational direction drive unit 220 is input to the translational position control circuit 225.
- the translational direction position detection sensor does not necessarily have to be an optical detection method, and may be another realization means.
- the target translation direction position is input from the controller 203 to the translation direction position control circuit 225.
- a position control signal is generated so that the position of the movable part of the wafer translation direction drive unit 220 becomes the target position input from the controller 203, and is output to the translation direction drive circuit 226.
- the translational direction position control circuit 225 is realized by, for example, a position feedback control system.
- a drive signal for driving the wafer translation direction drive unit 220 is generated based on the input position control signal, and is output to the wafer translation direction drive unit 220. As a result, the wafer translation direction drive unit 220 can control the target translation position.
- FIG. 3 shows a flowchart of the surface shape detection process of the wafer 215.
- the target translational position is set in the translational direction position control circuit 225 by the controller 203 from the external control device 202 via the input / output control circuit 201.
- Step S302 the position of the target in the translation direction is determined based on the input of the rotation synchronization signal generated by the rotation speed control circuit 223.
- the process proceeds to step S303.
- step S303 it is determined whether or not the position of the movable portion of the translational direction drive unit 220 has reached the target position. For example, it is determined whether or not the difference between the current position Pnow of the movable portion of the wafer translational direction driving unit 220 and the target translational position Ptalget has converged within a predetermined range. If it is determined in step S303 that the position of the movable portion of the translational direction drive unit 220 is not the target position (No in step S303), the process proceeds to step S303 again. That is, step S303 is repeated until the feedback control of Pnow in the translational direction position control circuit 225 converges to Ptardet. When it is determined in step S303 that the position of the movable portion of the translational direction drive unit 220 has reached the target position (Yes in step S303), the process proceeds to step S304.
- step S304 the target rotation speed is set from the controller 203 to the rotation speed control circuit 223 from the external control device 202 via the input / output control circuit 201, and then the process proceeds to step S305.
- step S305 it is determined whether or not the rotation speed of the wafer rotation direction drive unit 219 has reached the target rotation speed. For example, it is determined whether or not the difference between the current rotation speed Rnow of the wafer rotation direction drive unit 219 and the target rotation speed Rtaget has converged within a predetermined range. If it is determined in step S305 that the rotation speed of the wafer rotation direction drive unit 219 does not reach the target rotation speed (No in step S305), the process proceeds to step S305 again.
- step S305 is repeated until the feedback control of Rnow in the rotation speed control circuit 223 converges to Rtaget.
- the process proceeds to step S306.
- step S306 a signal for turning on the light source is input from the controller 203 to the light source drive circuit 204.
- a drive signal for lighting the light source 205 is input from the light source drive circuit 204.
- the light source 205 for example, a laser diode is used.
- a light ray is emitted from the light source 205 by inputting a drive signal for lighting by the light source drive circuit 204.
- the light beam is emitted by a polarizer (not shown) built in the light source 205 while changing the polarization state to a specific linearly polarized light.
- the light beam emitted from the light source 205 is P-polarized.
- the luminous flux of the emitted light beam is made substantially parallel to the optical axis by the collimating lens 206.
- the light rays that have passed through the collimating lens 206 pass through a polarization beam splitter 207 that is optically designed to reflect S-polarized light and transmit P-polarized light.
- the light rays transmitted through the polarizing beam splitter 207 pass through the ⁇ / 4 wave plate 208 and the ⁇ / 8 wave plate 209, and change their polarization states.
- the light rays transmitted through the ⁇ / 8 wave plate 209 are divided into two light rays so as to have a predetermined shift amount ⁇ (shear amount) with respect to the direction in which the surface shape is to be detected by the polarizing prism 210.
- the shifting direction of the two light rays by the polarizing prism is set to be substantially perpendicular to the radial direction of the wafer 215.
- the polarizing prism 210 is realized by, for example, a Wollaston prism.
- the light rays divided into two rays become substantially parallel to each other by the objective lens 211, and both rays pass through the first relay lens 212 and the second relay lens 213, and the falling mirror 214 with respect to the wafer surface of the wafer 215. It is incident almost vertically.
- the two light rays reflected on the surface of the wafer 215 pass in substantially the same path as when they were incident, and interfere with each other by becoming one light ray again in the polarizing prism 210.
- the interference light passes through the ⁇ / 8 wave plate 209 and the ⁇ / 4 wave plate 208 to change its polarization state.
- the interference light transmitted through the ⁇ / 4 wave plate 208 is reflected by the polarizing beam splitter 207 toward the light receiving element 217.
- the interference light reflected by the polarizing beam splitter 207 is imaged on the light receiving element 217 by the imaging lens 216 and received.
- the brightness signal of the interference light received by the light receiving element 217 is converted into a voltage signal by the interference light signal processing circuit 227 of the surface shape restoration processing unit described above, and then converted into a digital signal by the ADC 228 at predetermined sampling time intervals Ts. Will be converted.
- step S307 the luminance signal (Differential Interference Control, hereinafter referred to as DIC signal) of the interference light that has become a digital signal by the ADC 228 is stored by the buffer unit 229 by a predetermined storage capacity.
- step S307 the process proceeds to step S308.
- step S308 the wafer surface shape restoration unit 230 performs restoration processing of the surface shape of the wafer 215 for each DIC signal having a predetermined storage capacity stored in the buffer unit 229. The details of the surface shape restoration process by the wafer surface shape restoration unit 230 of the surface shape restoration processing unit will be described later.
- step S309 it is determined whether or not the restoration process of the entire detection target area is completed. If it is determined in step S309 that the restoration process of the entire detection target area has not been completed (No in step S309), the process proceeds to step S302, and the processes from step S302 to step S308 are performed again. If it is determined in step S309 that the restoration process of the entire detection target area is completed (Yes in step S309), the process proceeds to step S310.
- step S310 a signal for turning off the light source is input from the controller 203 to the light source drive circuit 204. As a result, a drive signal for turning off the light source 205 is input from the light source drive circuit 204.
- step S310 the wafer surface shape detection process is completed (step S311). In the series of wafer surface shape detection processes, the movable part of the wafer translational direction drive unit 220 could not move to the target translational direction position, or the rotation speed of the wafer rotation direction drive unit 219 did not reach the target rotation speed. If an error is omitted, such as the above, the wafer surface shape detection process shall be terminated with the error code left. Further, in FIG.
- the surface shape restoration unit is described as the same housing included in the surface shape restoration device 200, but the device configuration is not limited to this configuration, and for example, the surface shape restoration unit is configured.
- the buffer unit 229 and the wafer surface shape restoration unit 230 may be separate housings such as a server PC in which either one or both of them are connected to a network that can communicate with the surface shape restoration device.
- the configuration of the separate housing may be either a configuration in which the corresponding function is realized in the external control device 202 or a configuration in a separate housing different from the external control device 202.
- the shear amount ⁇ is designed to be smaller than the sampling pitch ps. This is because by making the shear amount ⁇ as small as possible, the phase difference ⁇ h between the two rays between the shear amounts ⁇ can be treated as being close to the ideal differential value as in Equation 1.
- the interference optical system in this embodiment is characterized in that the shear amount ⁇ is larger than the sampling pitch ps.
- FIG. 4 shows a case where the shear amount ⁇ is exactly three times the sampling pitch ps as an example.
- the surface shape restoration process is performed for each DIC signal of a predetermined capacity stored in the buffer unit 229.
- the surface shape restoration process in the conventional differential interference optical system restores the surface shape of the wafer 215 by integrating the differential values as in Equation 2 or by integrating as in Equation 3, but as in this embodiment, ⁇ > ps.
- the phase difference ⁇ h between the two rays between the shear amounts ⁇ is the shear amount ⁇ . Since the value is large, it cannot be approximated as a differential value as in Equation 1, and the surface shape of the wafer 215 cannot be accurately restored. Therefore, in the wafer surface shape restoration unit 230 in this embodiment, the integration is performed not for each sampling pitch ps but for each shear amount ⁇ .
- FIG. 5 shows a schematic diagram explaining the concept of surface shape restoration in this embodiment.
- FIG. 5 shows a case where the shear amount ⁇ is exactly three times the sampling pitch ps as in FIG.
- the heights corresponding to the positions of the white circle, triangle, and square symbols in FIG. 5 represent the surface shape of the wafer 215 at the sampling timing, respectively. The same symbol is placed exactly every three times the sampling pitch ps.
- FIG. 5 for the sake of simplicity, only the timing of sampling 9 times in total from 1 to 9 is shown.
- the target of integration is the first sampling (circle) separated by the shear amount ⁇ (equivalent to three times the sampling pitch ps), and the difference value ⁇ h1 of the surface shape is integrated. ..
- the target of integration is the shear amount ⁇ , that is, the 4th sampling (circle) separated by 3 times the sampling pitch ps, and the difference value ⁇ h4 of the surface shape is integrated. ..
- triangles are integrated between triangles separated by a shear amount ⁇
- squares are integrated between squares separated by a shear amount ⁇ .
- the interference light detected at the current quantization timing with respect to the surface shape value restored at the quantization timing corresponding to a predetermined number of quantizations is performed by adding the amount of phase shift in the separation direction of a plurality of light spots calculated from the information.
- Equation 6 the calculation of the surface shape h (i) of the wafer 215 in the i-th sample in the wafer surface shape restoration unit 230 is expressed by Equation 6.
- Int is an integer value represented by Equation 7, and the arithmetic symbol rounddown represents an integer rounding operator in the zero direction.
- ⁇ h (i) represents the amount of phase shift in the shift direction of the shear amount in the i-th sampling as in Equation 3.
- the shear amount ⁇ is exactly an integral multiple of the sampling pitch ps, that is, an integer multiple obtained by dividing the shear amount at a predetermined design distance by the sampling pitch ps at the quantization distance interval. It showed an ideal state. That is, the surface shape restoration processing unit performs an operation based on the value of the surface shape restored at the quantization timing of a predetermined number of times of quantization, and the predetermined number of times of quantization quantizes a predetermined design distance. Corresponds to the quotient divided by the distance interval.
- the shear amount ⁇ is not always an integral multiple of the sampling pitch ps.
- the calculation is performed based on the value of the surface shape restored at the quantization timing corresponding to the predetermined number of times of quantization (sampling), and this predetermined number of times of quantization quantizes the predetermined design distance. It does not always correspond to the quotient divided by the distance interval.
- FIG. 6 shows a schematic diagram when the shear amount ⁇ is not an integral multiple of the sampling pitch, that is, when the predetermined number of quantizations does not correspond to the quotient obtained by dividing the predetermined design distance by the quantization distance interval.
- the target of integration in the surface shape h (i) of the wafer 215 in the i-th sample is the value at the point A indicated by the position of the hollow circle in FIG. 6 separated by the shear amount ⁇ , but this point is during the sampling pitch. It is in, and the value cannot be obtained.
- the wafer surface shape restoration unit 230 corrects the value digitally sampled by the height corresponding to ⁇ h'.
- Equation 8 The calculation of the surface shape h (i) in the wafer surface shape restoration unit 230 when the shear amount ⁇ is not an integral multiple of the sampling pitch is expressed by Equation 8.
- Equation 9 ⁇ ps in Equation 9 is represented by Equation 10.
- Equation 11 the calculation of the surface shape h (i) in the linear interpolation process can be expressed by Equation 11.
- the wafer surface shape restoration unit 230 has the value of the surface shape restored at the previous quantization timing by the predetermined number of quantizations and the quantization timing one step before the predetermined quantization number.
- the calculation is performed by linear interpolation processing with the restored surface shape value in.
- the linear interpolation process is performed based on the remainder of the value obtained by dividing the predetermined design distance by the quantization distance interval. That is, the surface shape restoration processing unit has the value of the surface shape restored at the quantization timing corresponding to the predetermined number of quantizations and the surface shape restored at the quantization timing one step before the predetermined number of quantizations.
- the calculation is performed by linear interpolation processing with the value of, and this linear interpolation processing is performed based on the remainder of the value obtained by dividing a predetermined design distance by the quantization distance interval.
- the method of deriving the height corresponding to ⁇ h' is not necessarily limited to the linear interpolation process, and may be a complementary process by, for example, another higher-order function or the like.
- the point of digital sampling may be not only the case where the Int is rounded in the zero direction by rounddown, but also the point when the rounding process is performed in the positive infinity direction. That is, in the restoration process in the wafer surface shape restoration unit 230, the quantization timing corresponding to the value obtained by dividing the predetermined design distance by the quantization distance interval and rounding it in the positive infinity direction is the predetermined number of quantizations.
- the calculation can be performed based on the value of the surface shape restored in, or the quantum corresponding to the value obtained by dividing the predetermined design distance by the quantization distance interval and rounding off the value before the predetermined quantization recovery. Calculations can be performed based on the surface shape values restored at the timing of quantization.
- the surface shape restoration processing unit performs an operation based on the value of the surface shape restored at the quantization timing corresponding to the predetermined number of times of quantization, and the predetermined number of times of quantization quantizes a predetermined design distance. It corresponds to the value obtained by dividing the value divided by the distance interval rounded in the positive infinity direction, or the value obtained by dividing the predetermined design distance by the quantization distance interval and rounded off.
- the complementary process is not always performed, and the rotation speed of the wafer 215 may be determined and controlled by the rotation speed control circuit 223 so that the shear amount ⁇ is always an integral multiple of the sampling pitch. That is, the optical spot scanning unit may control the scanning speed of the optical spot so that the remainder of the value obtained by dividing a predetermined design distance by the quantization distance interval becomes zero.
- the wafer surface shape restoration unit 230 and the rotation speed control circuit 223 are realized by a program executed by the central processing unit (CPU), the above scanning speed control can be realized by software processing.
- FIG. 7 is a graph calculated by simulation of the surface shape (Original Defect Shape) of the wafer 215 and the state when the surface shape is restored by the conventional differential interference contrast optical system (Conventional) represented by the equation 3.
- the upper figure of FIG. 7 shows the case of shear amount ⁇ ⁇ sampling pitch ps
- the lower figure of FIG. 7 shows the case of shear amount ⁇ > sampling pitch ps.
- the solid line in FIG. 7 represents the surface shape of the wafer 215, and the black dots represent the surface shape restored by the conventional digitally sampled differential negotiation optical system.
- ⁇ ⁇ ps when ⁇ ⁇ ps, the solid line and the black dot overlap and can be restored accurately, but when ⁇ > ps as shown in the lower part of FIG. 7, the solid line and the black dot are It does not overlap, and the conventional differential interference contrast optical system cannot restore the accurate surface shape.
- FIG. 8 is a graph calculated by simulation of the surface shape (Original Defect Shape) of the wafer 215 and the state when the surface shape is restored by the differential interference contrast optical system of the present embodiment represented by the formulas 8 and 11. ..
- the upper part of FIG. 8 shows the case where the shear amount ⁇ ⁇ sampling pitch ps, and the lower part of FIG. 8 shows the case where the shear amount ⁇ > sampling pitch ps.
- the solid line in FIG. 8 represents the surface shape of the wafer 215, and the black dots represent the surface shape restored by the differential negotiation optical system of this embodiment digitally sampled.
- the shear amount is ⁇ . It is shown that accurate surface shape can be restored regardless of the relationship of ps.
- FIG. 9 shows the restoration error using this embodiment as a two-dimensional map with respect to the shear amount ⁇ (Shear Amount) and the width of the surface shape to be detected (Defect Wide) when there is random noise due to circuit noise or the like. It is a simulated figure.
- the width of the surface shape at the time of simulation is the width of the Gaussian shape
- the restoration error is the difference value between the maximum value of the original surface shape (the apex of Gaussian) and the maximum value at the time of restoration.
- random noise is also integrated as the width of the surface shape increases, that is, as the number of integrations increases, regardless of the value of shear amount ⁇ , and the restoration error Will increase.
- this embodiment having a relationship of shear amount ⁇ ⁇ sampling pitch ps it can be confirmed that the restoration error decreases as the shear amount ⁇ increases. This is because the number of integrations required to restore the surface shape of the same width can be reduced by increasing the shear amount ⁇ , and the number of additions of random noise can be reduced.
- the present invention is not limited to the above-mentioned examples, but includes various modifications.
- the above-described embodiment has been described in detail for a better understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one including all the configurations of the description.
- each of the above-mentioned configurations, functions, control circuits, etc. has been described mainly with an example of creating a program that realizes a part or all of them, but by designing a part or all of them with an integrated circuit, for example. It goes without saying that it may be realized by hardware. That is, all or part of the functions of the control circuit may be realized by an integrated circuit such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or an FPGA (Field Programmable Gate Array) instead of the program.
- ASIC Application Specific Integrated Circuit
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Abstract
微分干渉光学系を用いた表面形状検出装置において、分解能を維持したまま、表面形状の復元誤差の低減を実現する。ウェハ215の表面を光スポットで走査するウェハ回転方向駆動部219などの光スポット走査部と、所定の設計距離分離した複数の光スポットが検査対象の表面を走査することで得られる光の干渉光を検出する微分干渉光学系221などの干渉光検出機構と、干渉光の情報を所定の量子化時間間隔でサンプリングして演算し、ウェハの表面形状を復元処理するウェハ面形状復元部230などの表面形状復元処理部とを備え、所定の設計距離は、所定の量子化時間間隔に相当する量子化距離間隔よりも大きい構成とする。
Description
本発明は、微分干渉型検査装置を用いた表面形状検出技術に関する。
半導体デバイスの微細化が進むにつれて半導体ウェハの表面状態を正確に測定することがデバイスの性能や歩留まりに大きな影響を与えるようになっている。
従来、半導体ウェハの表面状態を測定する装置の光学方式として、例えば特許文献1や特許文献2のように微分干渉光学方式を用いるものが知られている。
従来、半導体ウェハの表面状態を測定する装置の光学方式として、例えば特許文献1や特許文献2のように微分干渉光学方式を用いるものが知られている。
特許文献1では,散乱光を用いた信号と微分干渉コントラストを用いた信号の信号比較結果を使用することで,ウェハ表面の欠陥をルールベースで欠陥分類する。
また,半導体ウェハの表面状態を測定する装置として、特許文献2のように落射型の微分干渉像を取得する微分干渉顕微鏡が知られている。特許文献2ではシャー量と呼ばれる2光線のずらし量を可変とすることで高精度な微分干渉観察を実現している。シャー量を変化させる手段として、特許文献2にも記載があるように、一般的に、微分干渉顕微鏡では複屈折結晶から加工したノマルスキープリズムを用いて光線を分離する。
また,半導体ウェハの表面状態を測定する装置として、特許文献2のように落射型の微分干渉像を取得する微分干渉顕微鏡が知られている。特許文献2ではシャー量と呼ばれる2光線のずらし量を可変とすることで高精度な微分干渉観察を実現している。シャー量を変化させる手段として、特許文献2にも記載があるように、一般的に、微分干渉顕微鏡では複屈折結晶から加工したノマルスキープリズムを用いて光線を分離する。
一般的に、干渉光学系ではシャー量のずらし方向への波面のずれを示す位相面のずれ量を測定する。微分干渉光学系ではシャー量のずらし方向に対する相対的な位相面のずれ量しか観測できないため、位相面のずれ量を積分演算し続けないとウェハの面形状の復元は出来ない。そのため、ウェハ面の復元形状は、ランダムノイズの積分回数、すなわち、復元までの量子化(サンプリング)回数が多いほど誤差が大きくなる。これに対して、例えば積分の間隔であるサンプリングピッチを大きくすれば、面形状の復元に必要な積分回数が減る為、誤差も低減するが、その場合、面形状の測定における分解能とトレードオフとなる。
本発明の目的は、上記の課題を解決し、分解能を維持したまま、ウェハ面形状の復元誤差の低減を実現する表面形状検出装置および検出方法を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明においては、表面形状検出装置であって、検査対象の表面を光スポットで走査する光スポット走査部と、所定の設計距離分離した複数の光スポットが検査対象の表面を走査することで得られる光の干渉光を検出する干渉光検出機構と、干渉光の情報を所定の量子化時間間隔でサンプリングして演算し、検査対象の表面形状を復元処理する表面形状復元処理部と、を備え、所定の設計距離は、所定の量子化時間間隔に相当する量子化距離間隔よりも大きい表面形状検出装置を提供する。
また、上記の目的を達成するため、本発明においては、表面形状検出方法であって、所定の設計距離分離した複数の光スポットで検査対象の表面を走査して得られる光の干渉光を検出し、検出した干渉光の情報を所定の量子化時間間隔でサンプリングして演算し、検査対象の表面形状を復元処理する際に、所定の設計距離を、所定の量子化時間間隔に相当する量子化距離間隔よりも大きくする表面形状検出方法を提供する。
本発明によれば、分解能を維持したまま、ウェハ面形状の復元誤差の低減を実現することができる。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明するが、その内容の理解を容易にするため、数式を用いて、その課題を説明する。一般的に、干渉光学系ではシャー量のずらし方向への位相面のずれ量を測定する。簡単の為に、1次元で考えると、従来の微分干渉光学方式では、シャー量のずらし方向への位相面のずれ量Δh(x)は式1のような近似式で表される(特許文献3参照)。
ここで、δはシャー量を、W(x)はウェハ面からの位相面をそれぞれ表す。すなわち、ウェハからの波面のシャー量のずらし方向の微分にシャー量δをかけたものに近似できる。さらに、ウェハの面形状はシャー量のずらし方向の微分を、面形状を復元したい1次元方向に積分することで復元される。例えば、復元開始点からLだけ離れた点におけるウェハ面高さh(x)は式2のように表される。
これを有限の値をもち、実際の量子化、すなわちデジタルサンプリングを行う表面形状検出装置への実装を踏まえた場合の模式図を図1に示す。実線100は実際のウェハ面形状を、黒丸101は各サンプリングにおけるウェハ面高さをそれぞれ表す。ここで、Δh(i)はi番目のサンプリングにおけるシャー量のずらし方向への位相面のずれ量を、psはサンプリングピッチをそれぞれ表す。この場合、i番目のサンプリングにおけるウェハ面高さh(i)は式3で表される。式1のように微分干渉光学系ではシャー量のずらし方向に対する相対的な位相面のずれ量Δhしか観測できない。その為、位相面のずれ量を積分し続けないとウェハの面形状の復元は出来ない。
今、実際のウェハの面形状の復元時におけるランダムノイズに伴う復元誤差について考える。実際の復元処理を考えると、干渉信号の輝度はフォトダイオード等の受光部で受光され、電気信号に変換された後、電気回路による出力増幅あるいは減衰を経て、ADC(Analog To Digital Converter)によるサンプリングが行われる。その為、毎サンプリングにおいてショットノイズや回路ノイズといったランダムノイズが重畳されることで信号品質が損なわれる。式3のような従来のウェハ面形状の復元を想定すると、i番目のサンプリングにおいて、位相面のずれ量Δh(x)が中心値μiで標準偏差σiの正規分布で表されると仮定した場合、N番目の積分時までに加算された場合のウェハ面の復元形状h(N)は式4の範囲で表される。簡単の為、σiが毎サンプルにおいて同一のσであるとすると、ウェハ面の復元形状h(N)は式5の範囲で表される。
すなわち、ウェハ面の復元形状はランダムノイズの積分回数、式5における復元までの量子化回数が多いほど復元形状の誤差が大きくなる。これに対して、例えば積分の間隔、この場合、サンプリングピッチpsを大きくすれば、面形状の復元に必要な積分回数が減る為、誤差も低減するが、上述したように、面形状の測定における分解能とトレードオフとなるという課題がある。
実施例1は、上記の課題を解決可能な表面形状検出装置であって、検査対象の表面を光スポットで走査する光スポット走査部と、所定の設計距離分離した複数の光スポットが検査対象の表面を走査することで得られる光の干渉光を検出する干渉光検出機構と、干渉光の情報を所定の量子化時間間隔でサンプリングして演算し、検査対象の表面形状を復元処理する表面形状復元処理部と、を備え、所定の設計距離は、所定の量子化時間間隔に相当する量子化距離間隔よりも大きい表面形状検出装置の実施例である。また、表面形状検出方法であって、所定の設計距離分離した複数の光スポットで検査対象の表面を走査して得られる光の干渉光を検出し、検出した干渉光の情報を所定の量子化時間間隔でサンプリングして演算することにより、検査対象の表面形状を復元処理する際に、所定の設計距離を、所定の量子化時間間隔に相当する量子化距離間隔よりも大きくする表面形状検出方法の実施例である。
実施例1の表面形状検出装置を、図2~図5を用いて説明する。図2は微分干渉光学系を利用してウェハ表面の形状を検出する表面形状検出装置の一構成例を示す図である。同図において、表面形状検出装置200は、入出力制御回路201を介して外部制御装置202と接続されている。入出力制御回路201は例えばネットワークアダプタやUSBポート等の単体あるいは複数の通信インターフェースにて実現される。ウェハ215のウェハ面の形状を検出する場合には、表面形状検出装置200は外部制御装置202から検出する情報信号を入出力制御回路201により受信する。
表面形状検出装置200は、光源205、干渉光検出機構を構成する微分干渉光学系221、回転速度検出センサ218、ウェハ回転方向駆動部219、ウェハ並進方向駆動部220を備えている。回転速度検出センサ218、ウェハ回転方向駆動部219、ウェハ並進方向駆動部220は、光スポット走査部を構成する。表面形状復元処理部は、微分干渉光学系221の受光素子217からの信号が入力され、電流/電圧(I/V)変換等を行う干渉光信号処理回路227と、アナログディジタル変換器(ADC)228と、バッファ部229と、及びウェハ面形状復元部230とで構成される。
ウェハ回転方向駆動部219は、その回転軸に対してウェハ215を着脱可能な着脱部(図示しない)を有しており、ウェハはウェハ回転方向駆動部219により回転可能な構成となっている。微分干渉用の光線が照射される位置は微分干渉光学系221とウェハ215との幾何的な位置関係により決まり、微分干渉光学系221を変更しない限り、装置に固定の位置である。一方で、ウェハ215はウェハ並進方向駆動部220によって半径方向に移動可能な構成となっており、これらウェハ回転方向駆動部219とウェハ並進方向駆動部220の組み合わせにより、ウェハ215における微分干渉用の光線の照射される位置を走査可能な構成となっている。なお、受光素子217の構成は単一に限定されず、同時に複数箇所を検出することが出来るように、例えば走査方向と略垂直な方向に対して複数配置される複数の受光部をもつ構構成であってもよい。
ウェハ回転速度検出機構を構成する回転速度検出センサ218は、ウェハ215に設けられた所定の速度検出用パターンを用いて、ウェハ回転方向駆動部219、ひいてはその上部に設置されたウェハ215自体の回転速度を検出する為の回転速度検出信号を生成するための輝度信号を受光する。回転速度検出センサ218で受光した輝度信号は回転速度検出信号生成回路222に入力される。回転速度検出信号生成回路222では入力された輝度信号を基にウェハ回転方向駆動部219の回転速度を制御する回転速度検出信号が生成され、回転速度制御回路223へと出力される。なお、回転速度検出センサ218は例えば光学式ロータリエンコーダで実現されるが、必ずしも光学式センサでなくてもよく、回転速度検出信号生成回路222への入力も必ずしも輝度信号でなくてもよく、その他の実現手段であっても構わない。
ウェハ回転方向駆動部219の回転速度を変更する場合には、コントローラ203から回転速度制御回路223へとの目標とする回転速度が入力される。回転速度制御回路223ではウェハ回転方向駆動部219の回転速度がコントローラ203より入力された目標とする回転速度となるような回転速度制御信号が生成され、回転方向駆動回路224へと出力される。回転速度制御回路223は、例えば速度フィードバック制御系によって実現される。回転方向駆動回路224では入力された回転速度制御信号を基にウェハ回転方向駆動部219を駆動させる駆動信号が生成され、ウェハ回転方向駆動部219へと出力される。これにより、ウェハ回転方向駆動部219は目標とする回転速度の制御が実現できる。
ウェハ並進方向駆動部220は、その内部にウェハ並進方向駆動部220の可動部の位置を検出する並進方向位置検出センサ(図示しない)を有している。並進方向位置検出センサは、例えばウェハ並進方向駆動部220に設けられた所定の位置検出パターンを有するスケール部分において、光学的にパターン検出をすることでウェハ並進方向駆動部220の可動部の位置を検出する。さらに、並進方向位置検出センサからの入力を基に、ウェハ並進方向駆動部220内部に有する並進位置検出信号生成回路はウェハ並進方向駆動部220の可動部の位置信号を出力する。出力された並進方向駆動部220の可動部の位置信号は並進位置制御回路225に入力される。なお、並進方向位置検出センサは、必ずしも光学式検出方法でなくてもよく、その他の実現手段であっても構わない。
ウェハ並進方向駆動部220の可動部の位置を変更する場合には、コントローラ203から並進方向位置制御回路225へと目標とする並進方向の位置が入力される。並進方向位置制御回路225ではウェハ並進方向駆動部220の可動部の位置がコントローラ203より入力された目標とする位置となるよう位置制御信号が生成され、並進方向駆動回路226へと出力される。並進方向位置制御回路225は、例えば位置フィードバック制御系によって実現される。並進方向駆動回路226では入力された位置制御信号を基にウェハ並進方向駆動部220を駆動させる駆動信号が生成され、ウェハ並進方向駆動部220へと出力される。これにより、ウェハ並進方向駆動部220は目標とする並進位置の制御が実現できる。
図2および図3を用いて、本実施例の表面形状検出装置おけるウェハ215の表面形状の検出処理を説明する。図3はウェハ215の表面形状の検出処理のフローチャートを示したものである。
ウェハ215の表面形状の検出処理が開始されると(ステップS301)、外部制御装置202から入出力制御回路201を介して、コントローラ203により並進方向位置制御回路225に目標の並進方向の位置が設定される(ステップS302)。ここで、目標の並進方向の位置は回転速度制御回路223により生成される回転同期信号の入力に基づいて決定される。目標の並進方向の位置が設定された後、ステップS303に移行する。
ステップS303では並進方向駆動部220の可動部の位置が目標の位置となったか否かを判定する。例えば、ウェハ並進方向駆動部220の可動部の現在の位置Pnowと目標の並進方向の位置Ptargetとの差分が所定の範囲内に収束したか否かを判定する。ステップS303において並進方向駆動部220の可動部の位置が目標の位置となっていないと判定された場合(ステップS303におけるNoの場合)、再びステップS303へと移行する。すなわち、並進方向位置制御回路225におけるPnowのフィードバック制御がPtargetへと収束するまでステップS303が繰り返される。ステップS303において並進方向駆動部220の可動部の位置が目標の位置となったと判定された場合(ステップS303におけるYesの場合)、ステップS304へと移行する。
ステップS304では、外部制御装置202から入出力制御回路201を介してコントローラ203から回転速度制御回路223に目標の回転速度が設定され、その後、ステップS305に移行する。ステップS305ではウェハ回転方向駆動部219の回転速度が目標の回転速度となったか否かを判定する。例えば、ウェハ回転方向駆動部219の現在の回転速度Rnowと目標の回転速度Rtargetとの差分が所定の範囲内に収束したか否かを判定する。ステップS305において、ウェハ回転方向駆動部219の回転速度が目標の回転速度となっていないと判定された場合(ステップS305におけるNoの場合)、再びステップS305へと移行する。すなわち、回転速度制御回路223におけるRnowのフィードバック制御がRtargetへと収束するまでステップS305が繰り返される。ステップS305においてウェハ回転方向駆動部219の回転速度が目標の回転速度となったと判定された場合(ステップS305におけるYesの場合)、ステップS306へと移行する。
ステップS306では、コントローラ203から光源駆動回路204に対して光源ONとする信号が入力される。その結果、光源駆動回路204から光源205を点灯する駆動信号が入力される。光源205の例として、例えばレーザーダイオードが用いられる。ステップS306により光源ONとなった後、ステップS307に移行する。ステップS306からステップS307の間において、表面形状検出装置200の光学系および信号処理系で行われる処理について以下、説明する。
光源駆動回路204による点灯する為の駆動信号が入力されることで光源205から光線が射出される。このとき光線は光源205に内蔵される偏光子(図示しない)により特定の直線偏光へと偏光状態を変えて射出される。例えば、光源205から射出される光線はP偏光とする。射出された光線の光束はコリメートレンズ206により光軸に対して略平行とされる。コリメートレンズ206を通過した光線は、S偏光を反射しP偏光を透過するように光学設計された偏光ビームスプリッタ207を透過する。偏光ビームスプリッタ207を透過した光線はλ/4波長板208およびλ/8波長板209を透過して、その偏光状態を変える。λ/8波長板209を透過した光線は偏光プリズム210により表面形状を検出したい方向に対して、所定のずらし量δ(シャー量)となるように、2光線へと分割される。例えば、偏光プリズムによる2光線のずらし方向は、ウェハ215の半径方向に対して略垂直な方向に設定される。偏光プリズム210は、例えばウォラストンプリズムにより実現される。
2光線に分割された光線は対物レンズ211により互いに略平行な光線となり、2光線共に第一のリレーレンズ212及び第二のリレーレンズ213を経て、立ち下げミラー214によりウェハ215のウェハ面に対して略垂直に入射される。ウェハ215の表面において反射された2光線は入射時と略同一のパスを逆方向に通り、偏光プリズム210において、再び1つの光線となることで干渉する。干渉光はλ/8波長板209およびλ/4波長板208を透過することで、その偏光状態を変える。λ/4波長板208を透過した干渉光は偏光ビームスプリッタ207において受光素子217側に反射される。偏光ビームスプリッタ207において反射された干渉光は結像レンズ216によって受光素子217上に結像され、受光される。
受光素子217で受光された干渉光の輝度信号は、上述した表面形状復元処理部の干渉光信号処理回路227において電圧信号に変換された後、ADC228により所定のサンプリング時間間隔Tsごとにデジタル信号に変換される。
上記の一連の処理を経た後、ステップS307において、ADC228によりデジタル信号となった干渉光の輝度信号(Differential Interference Contrast、以下、DIC信号)はバッファ部229により所定の記憶容量だけ記憶される。ステップS307の後、ステップS308に移行する。ステップS308ではバッファ部229に記憶された所定の記憶容量のDIC信号ごとにウェハ215の表面形状の復元処理がウェハ面形状復元部230により実施される。表面形状復元処理部のウェハ面形状復元部230による表面形状復元処理の詳細については後述する。
ステップS308における表面形状復元処理が終了した後は、ステップS309に移行する。ステップS309では全検出対象領域の復元処理が終了したか否かを判定する。ステップS309において、全検出対象領域の復元処理が終了していない(ステップS309におけるNo)と判定された場合、ステップS302に移行し、再びステップS302からステップS308までの処理が実施される。ステップS309において、全検出対象領域の復元処理が終了した(ステップS309におけるYes)と判定された場合、ステップS310に移行する。
ステップS310ではコントローラ203から光源駆動回路204に対して光源OFFとする信号が入力される。その結果、光源駆動回路204から光源205を消灯する駆動信号が入力される。ステップS310が実施されることで、ウェハ表面形状検出処理は終了する(ステップS311)。なお、一連のウェハ表面形状検出処理ではウェハ並進方向駆動部220の可動部が目標の並進方向の位置へ移動出来なかった、あるいはウェハ回転方向駆動部219の回転速度が目標の回転速度とならなかった等の図示を省略したエラー時は、エラーコードを残してウェハ表面形状検出処理を終了するものとする。
また、図2では一例として、表面形状復元部は表面形状復元装置200に含まれる同一筐体として記載したが、装置構成としてはこの構成に限定されるものでなく、例えば表面形状復元部を構成するバッファ部229およびウェハ面形状復元部230は、どちらか一方あるいはその両方が表面形状復元装置と通信可能なネットワーク上に接続された、サーバPC等の別筐体であっても構わない。当該別筐体の構成についても、外部制御装置202内で、該当機能を実現する、あるいは外部制御装置202とは異なる別筐体で実現する、どちらの構成であっても構わない。
また、図2では一例として、表面形状復元部は表面形状復元装置200に含まれる同一筐体として記載したが、装置構成としてはこの構成に限定されるものでなく、例えば表面形状復元部を構成するバッファ部229およびウェハ面形状復元部230は、どちらか一方あるいはその両方が表面形状復元装置と通信可能なネットワーク上に接続された、サーバPC等の別筐体であっても構わない。当該別筐体の構成についても、外部制御装置202内で、該当機能を実現する、あるいは外部制御装置202とは異なる別筐体で実現する、どちらの構成であっても構わない。
次に、本実施例の表面形状検出装置200の特徴となる微分干渉光学系221の一構成例について説明する。図1に示したように従来の微分干渉光学系では、シャー量δはサンプリングピッチpsよりも小さく設計される。これは出来る限りシャー量δを小さくすることで、シャー量δ間の2光線の間の位相差Δhが式1のような理想的な微分値に近似して扱うことが出来るためである。
一方、図4に示す模式図のように、本実施例における干渉光学系では、シャー量δがサンプリングピッチpsよりも大きいことを特徴とする。図4では、例としてシャー量δがサンプリングピッチpsのちょうど3倍となる場合を示している。前述のように、表面形状検出装置200におけるウェハ面形状復元部230ではバッファ部229に記憶された所定容量のDIC信号ごとに表面形状復元処理が実施される。
従来の微分干渉光学系における表面形状復元処理は式2のような微分値の積分、あるいは式3のような積分でウェハ215の表面形状を復元するが、本実施例のように、δ>psの関係が成立する場合、すなわち、所定の設計距離が所定の量子化時間間隔に相当する量子化距離間隔よりも大きい場合、シャー量δ間の2光線の間の位相差Δhは、シャー量δが大きい為、式1のような微分値として近似が出来なくなり、ウェハ215の表面形状を正確に復元出来ない。そこで、本実施例におけるウェハ面形状復元部230では積分を従来のサンプリングピッチpsごとではなく、シャー量δごとに実施する。
図5に本実施例における表面形状復元の概念を説明した模式図を示す。図5では図4と同じくシャー量δがサンプリングピッチpsのちょうど3倍となる場合を示している。図5における白色の丸、三角、四角の記号の位置に相当する高さはそれぞれサンプリングのタイミングにおけるウェハ215の表面形状を表す。同じ記号はサンプリングピッチpsのちょうど3倍ごとに配置されている。図5では簡単の為に1から9まで全9回のサンプリングのタイミングのみを示す。4回目のサンプリング(丸)において,積分の対象はちょうどシャー量δ(サンプリングピッチpsの3倍相当)だけ離れた1回目のサンプリング(丸)であり,表面形状の差分値Δh1が積分演算される。また7回目のサンプリング(丸)において,積分の対象はちょうどシャー量δ、すなわちサンプリングピッチpsの3倍相当だけ離れた4回目のサンプリング(丸)であり,表面形状の差分値Δh4が積分される。同じく三角はシャー量δだけ離れた三角同士で、四角はシャー量δだけ離れた四角同士で積分される。
言いかえるなら、本実施例の表面形状復元によれば、所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値に対して、現在の量子化タイミングにおいて検出された干渉光の情報から演算した複数の光スポットの分離方向への位相面のずれ量を加算することにより積分を行う。
このように,積分はシャー量δだけ離れたサンプルごとで実施されるが、サンプリングピッチpsは変わっていないため、図1で示した従来の表面形状復元時と分解能は変わっていないことが分かる。このとき、ウェハ面形状復元部230でのi番目のサンプルにおけるウェハ215の表面形状h(i)の演算は式6で表される。ここでIntは式7で表される整数値であり、演算記号rounddownはゼロ方向への整数丸め演算子を表す。
また、Δh(i)は式3と同じくi番目のサンプリングにおけるシャー量のずらし方向への位相面のずれ量を表す。積分時の加算値においてΔh(i)を微分値や変化率としてではなく、純粋なシャー量のずらし方向への位相面のずれとして扱うことでδ>psの場合でもウェハ215の面形状を正確に復元することができる。
なお、図4および図5ではシャー量δが、サンプリングピッチpsのちょうど整数倍、すなわち所定の設計距離であるシャー量を量子化距離間隔であるサンプリングピッチpsで除算した商である整数倍となる理想的な状態を示した。すなわち、表面形状復元処理部は、所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値をもとに演算を行い、所定の量子化回数は、所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した商に相当する。
しかしながら、実際の表面形状検出装置200における微分干渉光学系では必ずしもシャー量δがサンプリングピッチpsの整数倍とは限らない。言いかえるなら、所定の量子化(サンプリング)回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値をもとに演算を行うが、この所定の量子化回数は、所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した商に相当するとは限らない。
図6にシャー量δがサンプリングピッチの整数倍でない場合、すなわち所定の量子化回数が、所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した商に相当しない場合の模式図を示す。i番目のサンプルにおけるウェハ215の表面形状h(i)における積分の対象はシャー量δだけ離れた図6における中抜きの丸の位置で示した点Aにおける値だが、当該箇所はサンプリングピッチの間にあり、その値を得ることが出来ない。
サンプリングで得ることが出来る値はh(i-Int)の値である為、実際のウェハ215の表面である点Aと比較するとΔh’だけ高さ方向に差分を持つことが分かる。そのため、ウェハ面形状復元部230ではウェハ215の面形状復元処理において、Δh’に相当する高さ分だけデジタルサンプリングした値に補正処理を行う。ウェハ面形状復元部230における、シャー量δがサンプリングピッチの整数倍でない場合の表面形状h(i)の演算は式8で表される。式8におけるΔh’に相当する高さを導出する方法としては、例えば線形補間処理が挙げられる。
線形補間処理を用いる場合、例えばΔh’は式9で表される。ここで式9におけるΔpsは式10で表される。
以上を纏めると、線形補間処理における表面形状h(i)の演算は式11で表すことが出来る。
以上説明したように、ウェハ面形状復元部230は、所定の量子化回数分だけ前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値と、所定の量子化回数のさらに1つ前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値との線形補間処理により演算を行う。そして、線形補間処理は、所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した値の剰余をもとに行う。すなわち、表面形状復元処理部は、所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値と、所定の量子化回数のさらに1つ前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値との線形補間処理により演算を行い、この線形補間処理は、所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した値の剰余をもとに行う。
なお、Δh’に相当する高さを導出する方法は必ずしも線形補間処理に限定されず、例えば、その他の高次関数等による補完処理であってもよい。また、デジタルサンプリングする点は、必ずしもIntをrounddownによりゼロ方向への丸め処理を行う場合だけでなく、正の無限大方向へ丸め処理を行う場合の点としてもよい。すなわち、ウェハ面形状復元部230における復元処理は、所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した値を正の無限大方向に丸めた値に相当する所定の量子化回数分前の量子化タイミングで復元された表面形状の値をもとに演算を行うことができるし、あるいは所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した値を四捨五入した値に相当する所定の量子化回収分前の量子化タイミングで復元された表面形状の値をもとに演算を行うことができる。
すなわち、表面形状復元処理部は、所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値をもとに演算を行い、所定の量子化回数は、所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した値を正の無限大方向に丸めた値、あるいは、所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した値を四捨五入した値に相当する。
なお、必ずしも補完処理を実施せず、回転速度制御回路223により常にシャー量δがサンプリングピッチの整数倍となるようにウェハ215の回転速度を決定して制御してもよい。すなわち、光スポット走査部が、所定の設計距離を量子化距離間隔で除算した値の剰余がゼロとなるように光スポットの走査速度を制御しても良い。例えば、ウェハ面形状復元部230や回転速度制御回路223を中央処理部(CPU)が実行するプログラムで実現する場合、ソフトウエア処理で上記の走査速度の制御を実現できる。
図7および図8を用いて、本実施例の表面形状検出方法を用いることによる、ウェハの面形状の復元時における効果を説明する。なお、図7および図8ではランダムノイズによる影響がない理想的な状態を示す。図7はウェハ215の表面形状(Original Defect Shape)と、その表面形状を式3で表される従来の微分干渉光学系(Conventional)で復元した場合の様子をシミュレーションにより計算したグラフである。
図7の上図はシャー量δ<サンプリングピッチpsの場合を、図7の下図はシャー量δ>サンプリングピッチpsの場合をそれぞれ示す。図7中の実線がウェハ215の表面形状を、黒点がデジタルサンプリングされた従来の微分交渉光学系で復元した表面形状をそれぞれ表す。図7の上段で示すようにδ<psの場合は、実線と黒点が重なっており、精度よく復元できているが、図7の下段で示すようにδ>psの場合は、実線と黒点が重ならず従来の微分干渉光学系では正確な表面形状の復元が出来ていない。
図8はウェハ215の表面形状(Original Defect Shape)と、その表面形状を式8、式11で表される本実施例の微分干渉光学系で復元した場合の様子をシミュレーションにより計算したグラフである。図8の上段はシャー量δ<サンプリングピッチpsの場合を、図8の下段はシャー量δ>サンプリングピッチpsの場合をそれぞれ示す。図8中の実線がウェハ215の表面形状を、黒点がデジタルサンプリングされた本実施例の微分交渉光学系で復元した表面形状をそれぞれ表す。図8の上段で示すδ<psの場合も、図8の下段で示すδ>psの場合も、ともに実線と黒点が重なっており、本実施例を用いた微分干渉光学系ではシャー量δとpsの関係に依らず、正確な表面形状の復元が可能であることを示している。
図9を用いて、本実施例を用いることによる、ウェハ215の面形状の復元時におけるランダムノイズに伴う復元誤差の低減効果について説明する。図9は回路ノイズ等に起因するランダムノイズを持つ場合において、本実施例を用いた復元誤差をシャー量δ(Shear Amount)と検出対象とする表面形状の幅(Defect Width)に対する二次元マップとしてシミュレーションした図である。
ここでシミュレーション時の表面形状の幅はガウシアン形状の幅とし、復元誤差とはオリジナルの表面形状の最高値(ガウシアンの頂点)と復元時の最高値との差分値とする。従来のシャー量δ<サンプリングピッチpsの関係の微分干渉光学系ではシャー量σの値に依らず、表面形状の幅が大きくなる程、すなわち積分回数が増えるほど、ランダムノイズも積分され、復元誤差が増加する。一方で、シャー量δ<サンプリングピッチpsの関係をもつ本実施例を用いた場合、シャー量δが増加するほど復元誤差が低減する様子が確認できる。これは、シャー量δが増加することで同一幅の表面形状の復元に必要な積分回数を減らし、ひいてはランダムノイズの加算回数を低減することが出来る為である。
以上詳述したように、本実施例の表面形状検出装置の構成および動作によれば、従来のように表面形状の測定における分解能のトレードオフなく、分解能を維持しつつ復元誤差の少ない表面形状の復元が可能となる。
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。更に、上述した各構成、機能、制御回路等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成する例を中心に説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。すなわち、制御回路の全部または一部の機能は、プログラムに代え、例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)などの集積回路などにより実現してもよい。
200 表面形状検出装置、201 入出力制御回路、202 外部制御装置、203 コントローラ、204 光源駆動回路、205 光源、206 コリメートレンズ、207 偏光ビームスプリッタ、208 λ/4波長板、209 λ/8波長板、210 偏光プリズム、211 対物レンズ、212 第一のリレーレンズ、213 第二のリレーレンズ、214 立ち下げミラー、215 ウェハ、216 結像レンズ、217 受光素子、218 ウェハ回転速度検出機構、219 ウェハ回転方向駆動部、220 ウェハ並進方向駆動部、221 微分干渉光学系、222 回転速度検出信号生成回路、223 回転速度制御回路、224 回転方向駆動回路、225 並進位置制御回路、226 並進方向駆動回路、227 干渉光信号処理回路、228 ADC、229 バッファ部、230 ウェハ面形状復元部
Claims (15)
- 表面形状検出装置であって、
検査対象の表面を光スポットで走査する光スポット走査部と、
所定の設計距離分離した複数の前記光スポットが検査対象の表面を走査することで得られる光の干渉光を検出する干渉光検出機構と、
前記干渉光の情報を所定の量子化時間間隔でサンプリングして演算し、検査対象の表面形状を復元処理する表面形状復元処理部と、を備え、
前記所定の設計距離は、前記所定の量子化時間間隔に相当する量子化距離間隔よりも大きい、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 請求項1に記載の表面形状検出装置であって、
前記表面形状復元処理部は、
所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値をもとに前記演算を行い、前記所定の量子化回数は、前記所定の設計距離を前記量子化距離間隔で除算した商に相当する、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 請求項1に記載の表面形状検出装置であって、
前記表面形状復元処理部は、
所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値をもとに前記演算を行い、前記所定の量子化回数は、前記所定の設計距離を前記量子化距離間隔で除算した値を正の無限大方向に丸めた値に相当する、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 請求項1に記載の表面形状検出装置であって、
前記表面形状復元処理部は、
所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値をもとに前記演算を行い、前記所定の量子化回数は、前記所定の設計距離を前記量子化距離間隔で除算した値を四捨五入した値に相当する、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 請求項2に記載の表面形状検出装置であって、
前記表面形状復元処理部は、
前記所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値と、前記所定の量子化回数のさらに1つ前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値との線形補間処理により前記演算を行う、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 請求項5に記載の表面形状検出装置であって、
前記線形補間処理は、前記所定の設計距離を前記量子化距離間隔で除算した値の剰余をもとに行う、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 請求項1に記載の表面形状検出装置であって、
前記光スポット走査部は、前記所定の設計距離を前記量子化距離間隔で除算した値の剰余がゼロとなるよう前記光スポットの走査速度を制御する、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 請求項1に記載の表面形状検出装置であって、
前記干渉光検出機構は、
入射する光の偏光状態に応じて、前記所定の設計距離だけ複数の前記光スポットを分離する、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 請求項1に記載の表面形状検出装置であって、
前記検査対象はウェハであり、
前記光スポット走査部は、前記ウェハを回転するウェハ回転方向駆動部、前記ウェハの回転速度を検出するウェハ回転速度検出機構を含み、
前記量子化時間間隔は、前記ウェハ回転速度検出機構が、前記ウェハに付加された同期用情報を読み取り、生成した同期信号をもとに決定される、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 請求項1に記載の表面形状検出装置であって、
前記干渉光検出機構は、
前記光スポット走査部の走査方向と略垂直な方向に複数の受光部を備える、
ことを特徴とする表面形状検出装置。 - 表面形状検出方法であって、
所定の設計距離分離した複数の光スポットで検査対象の表面を走査して得られる光の干渉光を検出し、検出した前記干渉光の情報を所定の量子化時間間隔でサンプリングして演算し、前記検査対象の表面形状を復元処理する際に、
前記所定の設計距離を、前記所定の量子化時間間隔に相当する量子化距離間隔よりも大きくする、
ことを特徴とする表面形状検出方法。 - 請求項11に記載の表面形状検出方法であって、
所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値に対して、現在の量子化タイミングにおいて検出された前記干渉光の情報から演算した複数の前記光スポットの分離方向への位相面のずれ量を加算する、
ことを特徴とする表面形状検出方法。 - 請求項11に記載の表面形状検出方法であって、
前記所定の設計距離を前記量子化距離間隔で除算した商に相当する所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値をもとに前記演算を行う、
ことを特徴とする表面形状検出方法。 - 請求項13に記載の表面形状検出方法であって、
前記所定の量子化回数分前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値と、前記所定の量子化回数のさらに1つ前の量子化タイミングにおいて復元された表面形状の値との線形補間処理により前記演算を行う、
ことを特徴とする表面形状検出方法。 - 請求項14に記載の表面形状検出方法であって、
前記線形補間処理は、前記所定の設計距離を前記量子化距離間隔で除算した値の剰余をもとに行う、
ことを特徴とする表面形状検出方法。
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