JP5201443B2 - 表面検査装置および表面検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検基板の繰り返しパターン（ライン・アンド・スペースパターン）に直線偏光を照射して生じる正反射光の偏光成分に基づいて、繰り返しパターンの欠陥を検出する表面検査装置および表面検査方法に関する。

ウェハの表面に形成された繰り返しパターン（ライン・アンド・スペースパターン）の欠陥を検査する検査装置として、従来から、回折光を利用したものが知られている。回折光を利用した装置では、パターンのピッチが短くなると、ブラッグの条件を満足するために短波長の光を使用する必要がある。しかしながら、短波長の光を用いると、装置が高価になるばかりでなく、レジストパターンの検査を行う場合にレジストを感光させてしまうという問題がある。

これに対し、繰り返しパターンの構造性複屈折を利用した検査装置が提案されている。この装置は、繰り返しパターンへ直線偏光を照射し、その偏光成分と直交する成分の光を検出して検査を行うものである（例えば、特許文献１を参照）。このような装置によれば、レジストの繰り返しパターンに崩れ（すなわち欠陥）がある場合、検出される正反射光（偏光成分）の光量（光の強度）はパターンに崩れが無い場合と比較して低下するため、正反射光（偏光成分）の光量から繰り返しパターンの欠陥を検出することが可能になる。これにより、回折光が出ないような微細な繰り返しパターンの検査を、短波長の光を用いることなく実施できる。
米国特許出願公開第２００５／０２８０８０６Ａ１号明細書

しかしながら、このような従来の検査装置では、繰り返しパターンの欠陥（崩れ）を検出することはできたが、検出した欠陥の種類を特定することができなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、欠陥の種類を特定可能な表面検査装置および表面検査方法を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明の第１形態では、所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に直線偏光を照射する照明部と、前記直線偏光が照射された前記被検基板の表面からの正反射光のうち前記直線偏光と振動方向が略直角な偏光成分を検出する検出部と、前記検出部で検出された前記偏光成分に基づいて、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部と、前記繰り返しパターンの繰り返し方向と前記被検基板の表面における前記直線偏光の振動方向とのなす角度を所定の設定角度に設定可能な角度設定部とを備え、前記角度設定部により設定された複数の前記設定角度において、前記照明部が前記被検基板の表面に前記直線偏光を照射するとともに、前記検出部が前記正反射光のうち前記直線偏光と振動方向が略直角な偏光成分を検出し、前記検出部により前記複数の前記設定角度毎に検出した前記偏光成分に基づいて前記検査部が前記欠陥の種類を特定するように構成されており、前記検査部は、前記検出部により検出した前記偏光成分の光量変化率を前記複数の前記設定角度毎に算出し、前記複数の前記設定角度毎に算出した前記光量変化率に基づいて前記欠陥の種類を特定することを特徴とする表面検査装置を提供する。

本発明の第２形態では、所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に直線偏光を照射する照明工程と、前記直線偏光が照射された前記被検基板の表面からの正反射光のうち前記直線偏光と振動方向が略直角な偏光成分を検出する検出工程と、前記検出工程で検出された前記偏光成分に基づいて、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査工程と、前記繰り返しパターンの繰り返し方向と前記被検基板の表面における前記直線偏光の振動方向とのなす角度を所定の設定角度に設定する角度設定工程と、前記角度設定工程により設定された複数の前記設定角度において、前記被検基板の表面に前記直線偏光を照射するとともに、前記正反射光のうち前記直線偏光と振動方向が略直角な偏光成分を検出し、前記複数の前記設定角度毎に検出した前記偏光成分に基づいて前記欠陥の種類を特定する特定工程とを有し、前記特定工程では、前記検出工程により検出した前記偏光成分の光量変化率を前記複数の前記設定角度毎に算出し、前記複数の前記設定角度毎に算出した前記光量変化率に基づいて前記欠陥の種類を特定することを特徴とする表面検査方法を提供する。

本発明によれば、欠陥の種類を特定することが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態の表面検査装置１は、図１に示すように、被検基板である半導体ウェハ１０（以下、ウェハ１０と称する）を支持するステージ２０と、照明系３０と、受光系４０とを備えて構成されている。また、表面検査装置１は、受光系４０で撮像された画像の画像処理を行う画像処理部５０と、受光系４０で撮像された画像や画像処理部５０による画像処理結果を表示するモニタ５５とを備えている。表面検査装置１は、半導体回路素子の製造工程において、ウェハ１０の表面の検査を自動的に行う装置である。ウェハ１０は、最上層のレジスト膜への露光・現像後、不図示の搬送系により、不図示のウェハカセットまたは現像装置から運ばれ、ステージ２０に吸着保持される。

ウェハ１０の表面には複数のチップ領域が配列され、各チップ領域の中には、図２に示すように、複数のライン部２Ａと、隣り合うライン部２Ａ同士の間に位置するスペース部２Ｂとからなる繰り返しパターン１２（ライン・アンド・スペースパターン）が形成されている。繰り返しパターン１２は、複数のライン部２Ａがその短手方向に沿って一定の繰り返しピッチＰで配列されたレジストパターン（例えば、配線パターン）である。なお、ライン部２Ａの配列方向を「繰り返しパターン１２の繰り返し方向」とする。

ここで、繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａの線幅の設計値をピッチＰの１／２とする。すなわち、繰り返しパターン１２は、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとを繰り返し方向に沿って交互に配列した凹凸形状を有しており、適正な露光フォーカスで設計値の通りに形成された場合、ライン部２Ａの線幅とスペース部２Ｂの線幅は等しくなり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比は略１：１になる。このような形状を理想的な形状とも呼称する。

また、本実施形態においては、繰り返しパターン１２に対する照明光（後述する直線偏光）の波長と比較して繰り返しパターン１２のピッチＰが十分小さいものとする。このため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはなく、繰り返しパターン１２の欠陥検査を回折光により行うことはできない。

表面検査装置１のステージ２０は、ウェハ１０を上面で支持して、例えば真空吸着により固定保持する。さらに、ステージ２０は、上面の中心における法線Ａ１を中心軸として回転可能である。この回転機構によって、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向を、ウェハ１０の表面内で回転させることができる。なお、ステージ２０は、上面が水平面であり、ウェハ１０を常に水平な状態に保つことができる。

本実施形態においては、繰り返しパターン１２の欠陥検査の感度を最も高くするため、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向を、図３に示すように、ウェハ１０の表面における照明光（直線偏光Ｌ）の振動方向に対して、４５度の角度に傾けて設定する。なお、角度は４５度に限らず、２２．５度や６７．５度など任意角度方向に設定可能である。

照明系３０は、図１に示すように、照明装置３１と、第１の偏光板３２と、第１の凹面反射鏡３３とを有して構成される。照明装置３１は、図示しない水銀ランプ等の光源および波長選択フィルタを有して構成され、特定の波長を有する光を射出することができるようになっている。第１の偏光板３２は、照明装置３１から射出された光を透過軸の向きに応じた直線偏光Ｌ（図３を参照）にする。第１の凹面反射鏡３３は、第１の凹面反射鏡３３で反射する第１の偏光板３２からの光を平行光束にして、被検基板であるウェハ１０へ照射する。すなわち照明系３０は、ウェハ１０側に対してテレセントリックな光学系である。

上記の照明系３０において、照明装置３１からの光は、第１の偏光板３２および第１の凹面反射鏡３３を介してｐ偏光の直線偏光Ｌとなり、ウェハ１０の表面全体に入射する。このとき、ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌの入射角度は、平行光束のため互いに同じであり、光軸と法線Ａ１とのなす角度θに相当する。

なお、本実施形態では、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌがｐ偏光であるため、図３に示すように、繰り返しパターン１２の繰り返し方向が直線偏光Ｌの入射面（ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの進行方向）に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向とのなす角度も、４５度に設定される。言い換えると、直線偏光Ｌは、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向が繰り返しパターン１２の繰り返し方向に対して４５度傾いた状態で、繰り返しパターン１２を斜めに横切るようにして繰り返しパターン１２に入射することになる。

受光系４０は、図１に示すように、第２の凹面反射鏡４１と、第２の偏光板４２と、撮像装置４３とを有して構成され、その光軸がステージ２０の中心を通る法線Ａ１に対して角度θだけ傾くように配設される。従って、繰り返しパターン１２からの正反射光は、受光系４０の光軸に沿って進行することになる。第２の凹面反射鏡４１は、第１の凹面反射鏡３３と同様の反射鏡であり、繰り返しパターン１２からの正反射光を反射させて撮像装置４３の撮像面上に集光する。

ただし、第２の凹面反射鏡４１と撮像装置４３との間には、第２の偏光板４２が配設されている。第２の偏光板４２の透過軸の方位は、上述した照明系３０の第１の偏光板３２の透過軸に対して直交するように設定されている（クロスニコルの状態）。したがって、第２の偏光板４２により、繰り返しパターン１２からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分（例えば、ｓ偏光の成分）を抽出して、撮像装置４３に導くことができる。その結果、撮像装置４３の撮像面には、繰り返しパターン１２からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の反射像が形成される。

撮像装置４３は、例えばＣＣＤ撮像素子等から構成され、撮像面に形成されたウェハ１０の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理部５０に出力する。ウェハ１０の反射像の明暗は、撮像装置４３で検出された偏光成分の光量（光強度）に略比例し、繰り返しパターン１２の形状に応じて変化する。ウェハ１０の反射像が最も明るくなるのは、繰り返しパターン１２が理想的な形状の場合（パターンに崩れがない場合）である。なお、ウェハ１０の反射像の明暗は、ショット領域ごとに現れる。

画像処理部５０は、撮像装置４３から出力される画像信号に基づいて、ウェハ１０の反射画像を取り込む。なお、画像処理装置５０は、比較のため、良品ウェハの反射画像を予め記憶している。良品ウェハとは、繰り返しパターン１２が理想的な形状で表面全体に形成されたものである。そのため、良品ウェハの反射画像での信号強度として現れる光量（光の強度）は、最も高い値を示すと考えられる。

したがって、画像処理部５０は、被検基板であるウェハ１０の反射画像を取り込むと、その光量（信号強度）を良品ウェハの反射画像の光量（信号強度）と比較する。そして、ウェハ１０の反射画像における暗い箇所の光量の低下量に基づいて、繰り返しパターン１２の欠陥を検出する。例えば、光量変化が予め定められた閾値（許容値）より大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断すればよい。そして、画像処理部５０による光量の比較結果およびそのときのウェハ１０の反射画像がモニタ５５で出力表示される。

なお、画像処理部５０においては、上述のように、良品ウェハの反射画像を予め記憶しておく構成の他、ウェハ１０のショット領域の配列データと光量の閾値を予め記憶しておく構成でもよい。この場合、ショット領域の配列データに基づいて、取り込まれたウェハ１０の反射画像中における各ショット領域の位置が分かるので、各ショット領域の光量を求める。そして、その光量と記憶されている閾値とを比較することにより、パターンの欠陥を検出する。閾値より光量が小さいショット領域を「欠陥」と判断すればよい。

このような構成の表面検査装置１を用いた表面検査方法について、図４に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、ステップＳ１０１において、被検基板であるウェハ１０の表面に直線偏光Ｌを照射する。このとき、照明装置３１から射出された光は、第１の偏光板３２でｐ偏光の直線偏光Ｌに変換されるとともに、第１の凹面反射鏡３３で平行光束となってウェハ１０の表面に照射される。

ウェハ１０の表面で反射した正反射光は、第２の凹面反射鏡４１により集光され、第２の偏光板４２で正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分（例えば、ｓ偏光の成分）が抽出されて撮像装置４３の撮像面上に導かれる。そこで、次のステップＳ１０２において、撮像装置４３の撮像面上に導かれた偏光成分を、撮像装置４３により検出する。このとき、撮像装置４３は、撮像面上に形成された、正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理部５０に出力する。

そして、次のステップＳ１０３において、先のステップで検出した偏光成分に基づいて、繰り返しパターン１２における欠陥の有無を検査する。このとき、画像処理部５０は、撮像装置４３から入力されたウェハ１０の画像の光量（信号強度）を、良品ウェハの画像の光量（信号強度）と比較し、光量変化が予め設定した閾値を超えたとき、欠陥があると判定する。

ところで、繰り返しパターン１２に欠陥があると画像処理部５０が判定すると、ステージ２０を回転させ、繰り返しパターン１２の繰り返し方向を、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向に対して、（４５度から）６７．５度の角度に傾ける設定を行う。次に、６７．５度の設定角度において、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２と同様に、ウェハ１０の表面に直線偏光Ｌを照射するとともに、ウェハ１０からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分を検出する。そして、４５度および６７．５度の設定角度で検出した偏光成分の光量に基づいて、或る欠陥の種類を特定する。

本願の発明者は、図５に示すような、ライン部の伸長方向に対してウェハ１０の表面内で一方に傾斜する傾斜依存性を有する欠陥を含んだ繰り返しパターン１２′において、前述のような複数の設定角度で偏光成分を検出し、偏光成分の光量変化率（コントラスト）を算出すると、複数の設定角度でコントラスト差が生じることを発見した。例えば、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、検出した偏光成分の光量分布（光の強度分布）をコントラスト分布に変換すると、設定角度で６７．５度の場合の方が４５度の場合よりもコントラストが相対的に高くなることを発見した。なお、本実施形態において、光量変化率（コントラスト）は、光量の最大値、すなわち良品ウェハの場合の光量と検出した光量との光量差から、光量の最大値を除した値と定義する。また、図５に示すような繰り返しパターン１２′の傾斜角度を非対称角αと定義する。

そこで、画像処理部５０は、４５度および６７．５度の設定角度で検出した偏光成分の光量から、前述した光量のコントラストを算出し、図６（ｂ）に示すコントラスト差を利用して（具体的には、６７．５度の設定角度におけるコントラストと、４５度の設定角度におけるコントラストとのコントラスト差を算出し、算出したコントラスト差から図６（ｂ）のグラフより非対称角αを逆算するようにして）傾斜依存性を有する欠陥を含んだ繰り返しパターン１２′の傾斜角度（非対称角α）を算出する。これにより、ウェハ１０の表面内で一方に傾斜する傾斜依存性を有する欠陥を含んだ繰り返しパターン１２′の傾斜角度（非対称角α）を求めることができる。なお、コントラストの差が生じない場合、繰り返しパターンは他の種類の欠陥を有することになる。このように、本実施形態の表面検査装置１によれば、繰り返しパターンで検出される欠陥の種類を特定することが可能になる。

またこのとき、前述したように、複数の設定角度毎に検出した光量変化率（コントラスト）に基づいて欠陥の種類を特定することで、比較的容易に欠陥の種類を特定することができる。

なお、特定する欠陥の種類は、前述したように、繰り返しパターン１２の少なくとも一部がウェハ１０の表面内で一方に傾斜する傾斜依存性を有する欠陥であり、本実施形態はこのような欠陥を特定するのに効果的である。

なお、図７（および図８）に示すように、繰り返しパターン１２″（１２′′′）が対称的に崩れている場合（すなわち、欠陥が傾斜依存性を有さない場合）、上述の実施形態で述べたコントラストの差は生じないことが知られている。

また、上述の実施形態において、４５度および６７．５度の設定角度で偏光成分を検出しているが、これに限られるものではなく、例えば、さらに２２.５度の設定角度で偏光成分を検出するようにしてもよく、複数の任意の設定角度について偏光成分を検出するようにすればよい。

また、上述の実施形態において、直線偏光Ｌがｐ偏光である例を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、ｐ偏光ではなくｓ偏光にしてもよい。なおこのとき、撮像装置４３で検出する偏光成分は、例えばｐ偏光の成分となる。

また、上述の実施形態では、照明装置３１からの照明光と第１の偏光板３２を利用して、直線偏光Ｌを作り出すように構成されているが、これに限られるものではなく、直線偏光を供給するレーザーを光源として使用すれば第１の偏光板３２は必要ない。

本発明に係る表面検査装置の全体構成を示す図である。 繰り返しパターンの概略図である。 直線偏光の入射面と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。 表面検査装置を用いた表面検査のフローチャートである。 傾斜依存性を有する欠陥を含んだ繰り返しパターンの概略図である。 （ａ）は偏光成分の光量と非対称角との関係を示すグラフであり、（ｂ）は光量のコントラストと非対称角との関係を示すグラフである。 傾斜依存性を有さない欠陥を含んだ繰り返しパターンの概略図である。 傾斜依存性を有さない欠陥を含んだ繰り返しパターンの別例を示す概略図である。

符号の説明

１ 表面検査装置
１０ ウェハ（被検基板） １２ 繰り返しパターン
２０ ステージ（角度設定部） ３０ 照明系（照明部）
４０ 受光系（検出部） ５０ 画像処理部（検査部）
Ｌ 直線偏光

Claims (4)

1. 所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に直線偏光を照射する照明部と、
   前記直線偏光が照射された前記被検基板の表面からの正反射光のうち前記直線偏光と振動方向が略直角な偏光成分を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された前記偏光成分に基づいて、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部と、
   前記繰り返しパターンの繰り返し方向と前記被検基板の表面における前記直線偏光の振動方向とのなす角度を所定の設定角度に設定可能な角度設定部とを備え、
   前記角度設定部により設定された複数の前記設定角度において、前記照明部が前記被検基板の表面に前記直線偏光を照射するとともに、前記検出部が前記正反射光のうち前記直線偏光と振動方向が略直角な偏光成分を検出し、前記検出部により前記複数の前記設定角度毎に検出した前記偏光成分に基づいて前記検査部が前記欠陥の種類を特定するように構成されており、
   前記検査部は、前記検出部により検出した前記偏光成分の光量変化率を前記複数の前記設定角度毎に算出し、前記複数の前記設定角度毎に算出した前記光量変化率に基づいて前記欠陥の種類を特定することを特徴とする表面検査装置。
2. 前記欠陥の種類は、前記繰り返しパターンの少なくとも一部が前記被検基板の表面内で一方に傾斜する傾斜依存性を有する欠陥であることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に直線偏光を照射する照明工程と、
   前記直線偏光が照射された前記被検基板の表面からの正反射光のうち前記直線偏光と振動方向が略直角な偏光成分を検出する検出工程と、
   前記検出工程で検出された前記偏光成分に基づいて、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査工程と、
   前記繰り返しパターンの繰り返し方向と前記被検基板の表面における前記直線偏光の振動方向とのなす角度を所定の設定角度に設定する角度設定工程と、
   前記角度設定工程により設定された複数の前記設定角度において、前記被検基板の表面に前記直線偏光を照射するとともに、前記正反射光のうち前記直線偏光と振動方向が略直角な偏光成分を検出し、前記複数の前記設定角度毎に検出した前記偏光成分に基づいて前記欠陥の種類を特定する特定工程とを有し、
   前記特定工程では、前記検出工程により検出した前記偏光成分の光量変化率を前記複数の前記設定角度毎に算出し、前記複数の前記設定角度毎に算出した前記光量変化率に基づいて前記欠陥の種類を特定することを特徴とする表面検査方法。
4. 前記欠陥の種類は、前記繰り返しパターンの少なくとも一部が前記被検基板の表面内で一方に傾斜する傾斜依存性を有する欠陥であることを特徴とする請求項３に記載の表面検査方法。

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