(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本来同一の形状となるべきパターンが繰り返して形成された試料上の異なる領域に異な
る光学条件で同時に複数の線状照明光を照射する照射手段と、
該照射手段により異なる光学条件で同時に照明光を照射した領域からの反射光を前記異
なる領域ごとに検出する検出手段と、
該検出手段により異なる領域ごとに検出した反射光の検出信号を処理して前記異なる領
域ごとに異なる光学条件の元での欠陥候補を抽出する欠陥候補抽出手段と、
該欠陥候補抽出手段で異なる領域ごとに異なる光学条件の元で抽出した欠陥候補を統合
して欠陥を抽出する欠陥抽出手段と、
該欠陥抽出手段で抽出した欠陥の特徴量を求めて該求めた特徴量に基づいて前記欠陥を
分類する欠陥分類手段とを備え、
前記検出手段に、前記照射手段で前記試料上の異なる領域に同時に照射する前記複数の線状照明光に対応して複数の開口を有する共焦点用の開口素子を設けたことを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項２】
前記照射手段は、前記試料上の異なる線状の領域に異なる光学条件で同時に線状に成形
された照明光を照射することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
【請求項３】
前記照射手段は、前記照明光の試料への入射角度が異なる光学条件で同時に前記試料を
照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の欠陥検査装置。
【請求項４】
本来同一の形状となるべきパターンが繰り返して形成された試料上に該試料の法線方向に対して傾斜して配置した対物レンズを介して第１の照明光を照射する第１の照射手段と、
前記試料上を前記対物レンズの外側から第２の照明光を照射する第２の照射手段と、
該第１の照射手段により照明光を照射した領域からの正反射光を前記対物レンズのＮＡ外に伝播させて前記正反射光が前記対物レンズに捕捉されないように設定されており前記反射光のうち前記正反射光を含まない反射光を前記対物レンズを介して検出して第１の検出信号を得、前記第２の照射手段により照明光を照射した領域からの反射光のうち正反射光を含まない反射光を前記対物レンズを介して検出して第２の検出信号を得る反射光検出手段と、
前記反射光検出手段で検出された第１の検出信号と前記第２の検出信号とを処理して前
記試料上の欠陥を検出する信号処理手段と
を備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項５】
前記第１の照射手段は、前記試料の表面の法線方向に対して傾斜した方向から前記対物
レンズを介して前記第１の照明光を照射することを特徴とする請求項４記載の欠陥検査装
置。
【請求項６】
本来同一の形状となるべきパターンが繰り返して形成された試料上の異なる領域に異な
る光学条件で同時に複数の線状照明光を照射し、
該異なる光学条件で同時に前記複数の線状照明光を照射した領域からの複数の反射光を該複数の反射光に対応する複数の開口を有した共焦点用の開口素子を介して前記異なる領域ごとに検出し、
該異なる領域ごとに検出した反射光の検出信号を処理して前記異なる領域ごとに異なる
光学条件の元での欠陥候補を抽出し、
前記異なる領域ごとに異なる光学条件の元で抽出した欠陥候補を統合して欠陥を抽出し、
該抽出した欠陥の特徴量を求めて該求めた特徴量に基づいて前記欠陥を分類する
ことを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項７】
前記試料上の異なる線状の領域に異なる光学条件で同時に線状に成形された照明光を照
射することを特徴とする請求項６記載の欠陥検査方法。
【請求項８】
前記異なる光学条件が、前記照明光の前記試料への入射角度が異なることを特徴とする
請求項６又は７に記載の欠陥検査方法。
【請求項９】
本来同一の形状となるべきパターンが繰り返して形成された試料上に該試料の法線方向に対して傾斜して配置した対物レンズを介して第１の照明光を照射し、
該第１の照明光を照射した領域からの反射光のうち正反射光を前記対物レンズのＮＡ外に伝播させて前記正反射光が前記対物レンズに捕捉されないように設定された前記正反射光を含まない反射光を前記対物レンズを介して検出して第１の検出信号を得、
前記試料上を前記対物レンズの外側から第２の照明光を照射し、
該第２の照明光を照射した領域からの反射光のうち正反射光を含まない反射光を前記
対物レンズを介して検出して第２の検出信号を得、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とを処理して前記試料上の欠陥を検出する
ことを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１０】
前記試料の表面の法線方向に対して傾斜した方向から前記対物レンズを介して前記第１
の照明光を照射することを特徴とする請求項９記載の欠陥検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造工程やフラットパネルデイスプレイの製造工程に代表される薄膜プロセスを経て試料上に形成された微細パターンの欠陥や異物などの欠陥検査方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体検査装置として、特表２００５−５１７９０６号公報に記載された構成がある。この検査装置は、ウェハ表面を斜方よりレーザ光照明してウェハ上での散乱光を検出する暗視野検出光学系を搭載している。この光学系は対物レンズの外側よりレーザ光を照明するオフアクシス照明が採用されている。このようにオフアクシス照明を行なう場合、ウェハの法線に対して平行な光軸を持つ垂直検出系を有していると、垂直検出系を配置する機械的な制約により、照明仰角を低くしなければならない。
【０００３】
一方、特開２０００−２６６４号公報ではウェハに対して垂直な光軸を有する対物レンズを通して照明するＴＴＬ(Through The Lens)照明が示されている。このＴＴＬ照明では、ウェハに対してほぼ垂直に照明することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５１７９０６号公報
【特許文献２】特開２０００−２６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体ウェハ上には様々なパターンが形成されており、欠陥の種類も発生原因に応じて多様である。DRAM(Dynamic Random Access Memory)等に代表されるパターンは、周期的なパターンが配線されており、半導体デバイスの歩留まりに影響が大きい重要欠陥としてパターンのショートやスクラッチがある。特に、エッチング完了後のパターンの底（溝底）に発生したショート欠陥は、照明仰角が低い場合や配線ピッチが細かい場合など、溝底に照明光が到達せず、溝底ショート欠陥からの散乱光が少なくなる。このため、欠陥を見逃す可能性が高い。
【０００６】
また、スクラッチのように凹んだ欠陥は照明仰角が低い場合に対して、高くすることにより散乱断面積が大きくなる。このため、高仰角照明の方がスクラッチからの散乱光量を大きくすることができる。このため、エッチング完了後の溝底ショート欠陥やスクラッチの検出には、高仰角照明が有利である。
【０００７】
しかし、特許文献１記載のオフアクシス照明では、照明仰角を低くせざるを得ない制約があるため、これらの欠陥の検出に有利な高仰角照明を実施できない課題がある。
【０００８】
また、特許文献２記載のＴＴＬ照明では高仰角照明を実現可能であるが、空間フィルタを用いた正反射光の遮光による暗視野検出では、レンズ反射光などの迷光が像面に到達して、検査感度を阻害するという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決して、エッチング完了後の溝底ショート欠陥やスクラッチの検出において、レンズ反射光などの迷光が像面に到達することによる検査感度を阻害することを防止した高仰角照明による暗視野欠陥検出方法及びその装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した課題を解決するために、本発明では、本来同一の形状となるべきパターンが繰
り返して形成された試料上の異なる領域に異なる光学条件で同時に複数の線状照明光を照射し、異なる光学条件で同時に複数の線状照明光を照射した領域からの複数の反射光を複数の反射光に対応する複数の開口を有した共焦点用の開口素子を介して異なる領域ごとに検出し、異なる領域ごとに検出した反射光の検出信号を処理して異なる領域ごとに異なる光学条件の元での欠陥候補を抽出し、異なる領域ごとに異なる光学条件の元で抽出した欠陥候補を統合して欠陥を抽出し、抽出した欠陥の特徴量を求めてこの求めた特徴量に基づいて欠陥を分類する欠陥検査方法及びその装置とした。
【００１１】
また、上記した課題を解決するために、本発明では、本来同一の形状となるべきパター
ンが繰り返して形成された試料上に試料の法線方向に対して傾斜して配置した対物レンズを介して第１の照明光を照射し、第１の照明光を照射した領域からの反射光のうち正反射光を対物レンズのＮＡ外に伝播させて正反射光が対物レンズに捕捉されないように設定された正反射光を含まない反射光を対物レンズを介して検出して第１の検出信号を得、試料上を対物レンズの外側から第２の照明光を照射し、第２の照明光を照射した領域からの反射光のうち正反射光を含まない反射光を対物レンズを介して検出して第２の検出信号を得、第１の検出信号と第２の検出信号とを処理して試料上の欠陥を検出する欠陥検査方法及びその装置とした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高仰角照明によりウェハ上に存在する溝底欠陥やスクラッチなどの多種多様な欠陥からの散乱光を効率的に検出することにより、欠陥を顕在化した高感度化に有利な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】オフアクシス照明による光学系の概略の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例１における画像処理部の構成を示すブロック図である。
【図３】実施例２におけるＴＴＬ照明による光学系の概略の構成を示すブロック図である。
【図４】実施例２におけるＴＴＬ照明による垂直照明光学系の概略の構成を示すブロック図である。
【図５】実施例２における画像処理部の構成を示すブロック図である。
【図６】実施例３におけるＴＴＬ照明による斜方照明光学系で正反射光が対物レンズに入射しないようにした構成の概略を示すブロック図である。
【図７】実施例３におけるＴＴＬ照明による斜方照明光学系で正反射光が対物レンズに入射する場合の構成の概略を示すブロック図である。
【図８】実施例３におけるＴＴＬ照明による斜方照明光学系で市松模様のパターンを照射して反射光を検出する場合の構成の概略を示すブロック図である。
【図９】実施例４におけるオフアクシス照明とＴＴＬ照明の同時照明の構成を示すブロック図である。
【図１０】実施例５におけるＴＴＬ照明による垂直照明光学系で検出条件の異なる複数の画像を検出する構成の概略を示すブロック図である。
【図１１】実施例５における偏光フィルタの平面図である。
【図１２】実施例５における画像処理部の構成を示すブロック図である。
【図１３】実施例５における４種類の偏光透過軸の方向を示す偏光の方位図である。
【図１４】縦軸に方位角、横軸に楕円率とした欠陥の散布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明による半導体ウェハ欠陥検査装置の構成を図１に示す。ウェハ１はステージ3上に搭載されており、ウェハ１上に形成されたパターンとステージ走査方向の平行だし（ウェハ１のθアライメント）を行い、ウェハ基準位置とステージ３のXY座標系との座標合せを行う。ステージ３は、ＸＹ平面内と、それに垂直なＺ方向に個別に移動可能で、更に及びＺ方向の軸周りに回転可能に構成されている。照明光学系４はウェハ１に対して斜方に配置されており、ウェハ１上を線状の照明光２９と３０とでそれぞれ線状照明する。
【００１７】
照明光学系４に用いられている光源５はレーザ又はランプである。レーザを光源５として用いる場合、発振波長はＹＡＧ第２高調波の５３２nmレーザや、第３高調波３５５nm或いは第４高調波２６６nmレーザ、１９９nm及び１９３nmレーザなどのＤＵＶ(Deep Ultraviolet)光が候補である。また、複数波長を発振する複数波長レーザも候補である。ランプを光源５として用いる場合は、d線(５８８nm)、e線(５４６nm)、g(４３６nm)、h(４０５nm)、i線(３６５nm)を発光する水銀ランプや水銀キセノンランプが候補である。図１では光源５にレーザを利用した実施例にて説明する。
【００１８】
レーザ光源５を発振したレーザ光は、電気的に偏光を所定の方向に制御することが可能な電気光学素子７(LiNbO3やPLZT［(Pb、La)(Zr、Ti)O3の略］など)に入射する。電気光学素子の代わりにガーネット膜などからなる磁気光学素子を用いてもよい。この偏光方向を制御することによりＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）８を透過する光は所定の光量に減光され、ビームスプリッタ９に入射して一部が反射し、残りは透過する。
【００１９】
ビームスプリッタ９で反射した光は、ビームエキスパンダ１１によりビーム径が拡大された後、シリンドリカルレンズ２３にて拡大されたビームの一方向が収束され、それに直角な方向が平行な光束として線状に整形される。この線状に整形された照明光２５はミラー２４で反射して、対物レンズ３１をウェハ１の法線方向に対して傾斜させて設置したことにより空いたウェハ１の上方の空間を利用してウェハ１の線状領域２９をウェハ１への入射角度が４５°〜９０°の範囲で高仰角照明をする。
【００２０】
一方、ビームスプリッタ９を透過した光はビームエキスパンダ１０に入射してビーム径が拡大される。このビーム径が拡大された光はミラー１２及び１３により光路をウェハ１側に向けられ、それぞれ回転可能な１／２波長板１５と１／４波長板１７にて所定の偏光状態に設定される。例えばウェハ１に対して、Ｓ偏光、Ｐ偏光やその中間的な角度で振動する直線偏光或いは、右または左回りの楕円偏光がある。１／２波長板１５と１／４波長板１７とを透過した照明光２２はシリンドリカルレンズ２０にて線状に整形され、ウェハ１上の線状領域３０（Ｘ方向に細くＹ方向に長い細線照明）をウェハ１への入射角度が２°〜４５°の範囲で低仰角照明をする。
【００２１】
照明光２２によりウェハ１の線状領域３０が低角度照明され、この照明された線状領域３０から散乱した光のうち、ウェハ１の法線に対して傾斜させた対物レンズ３１のＮＡ(Numerical Aperture)内に伝播した光は検出光学系５０に入射して結像レンズ４５を介してイメージセンサ９０ｂの検出面(図示せず)上に結像する。
【００２２】
一方、照明光２５によりウェハ１の線状領域２９が高仰角照明され、対物レンズ３１の傾斜がウェハ１に近接する側となるウェハ１の線状領域２９にて散乱した光は、対物レンズ３１のＮＡより低仰角となる成分をミラー３２にて対物レンズ３１のＮＡ内に反射させる。この線状領域２９からミラー３２を介して対物レンズ３１までの距離をＷＤ(Working Distance)と一致させることにより、ウェハ１の線状領域２９から散乱された光のうちミラー３２で反射されて対物レンズ３１に入射した光は結像レンズ４５を介してイメージセンサ９０ａの検出面(図示せず)上に結像する。
【００２３】
この構成により、ウェハ１上において空間的に離れた位置（照明光２５が照射されたウェハ１上の線状領域２９及び照明光２２が照射されたウェハ１上の線状領域３０）の照明仰角が異なる（高仰角照明と低仰角照明）２種類の暗視野像を同時に検出することが可能となる。イメージセンサ９０ａにて検出する低仰角照明の散乱光による画像と、イメージセンサ９０ｂにて検出する高仰角照明の散乱光による画像は、画像処理部１００に入力され、設計上同一パターンの画像（例えば、隣接ダイの画像）と比較処理されて欠陥が検出される。
【００２４】
また、イメージセンサ９０ａとイメージセンサ９０ｂにて検出したウェハ１上の同一座標の画像を位置合せして、検出仰角の違いによる画像の特徴を利用した欠陥判定や欠陥分類を行うことも可能となる。イメージセンサ９０ａとイメージセンサ９０ｂとは、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサがあり、これらのセンサによるＴＤＩ(Time Delay Integration)動作タイプも利用できる。
【００２５】
２つのイメージセンサ９０ａと９０ｂとで検出した画像を処理して欠陥を判定する画像処理部１００で実施する処理の流れを図２に示す。
【００２６】
イメージセンサ９０ａにて検出された画像は、階調変換部１０１ａにて例えばγ補正のような明るさの変換を行う。変換後の画像Ａの一方は位置合せ部１０５ａに送られ、他方はメモリ１０３ａに送られる。位置合せ分１０５ａでは、既にイメージセンサ９０ａで検出されてメモリ部１０３ａに格納されている設計上同じパターン（例えば、隣接ダイ）の画像Ａ’をメモリ部１０３ａから受けて、画像Ａと画像Ａ’との位置合わせをする。
【００２７】
比較部１０７ａでは位置合せされた２画像Ａ及びＡ’との差画像Ｂをしきい値（予め設定された値、又は検出した画像から求めた値）と比較処理を行い、比較の結果として差画像Ｂの特徴量を算出する。この差画像Ｂの特徴量（例えば、濃淡差の最大値や面積など）を用いて欠陥判定部１１５にて欠陥を判定する。
【００２８】
この一連の処理をイメージセンサ９０ｂで検出した画像についても同様に行う。即ち、イメージセンサ９０ｂにて検出された画像は、階調変換部１０１ｂにて例えばγ補正のような明るさの変換を行う。変換後の画像Ｃの一方は位置合せ部１０５ｂに送られ、他方はメモリ１０３ａに送られる。位置合せ分１０５ａでは、既にイメージセンサ９０ａで検出されてメモリ部１０３ｂに格納されている設計上同じ形状のパターン（例えば、隣接ダイ）の画像Ｃ’をメモリ部１０３ａから受けて、画像Ｃと画像Ｃ’との位置合わせをする。
【００２９】
比較部１０７ｂでは位置合せされた２画像Ｃ及びＣ’との差画像Ｄをしきい値（予め設定された値、又は検出した画像から求めた値）と比較処理を行い、比較の結果として差画像Ｄの特徴量を算出する。この差画像Ｄの特徴量（例えば、濃淡差の最大値や面積など）を用いて欠陥判定部１１５にて欠陥を判定する。
【００３０】
さらに、それぞれの画像で比較した結果は位置合せ部１１０に送られ、照明仰角の異なる２つの差画像ＢとＤとの位置合せを行い、これら異なる光学条件での差画像の特徴量を差画像比較部１１２比較し、この特徴量を欠陥判定部１１５に送って欠陥を判定する。以上、欠陥判定部１１５では３種類の特徴量を用いて判定を行う訳であるが、何れかの判定結果にて欠陥だと判定された場合は、残る２種類の特徴量の情報も併せて分類部１１７に送られる。この分類部１１７にて、欠陥の種類（例えば、異物やエッチング残り、スクラッチなど）や、擬似欠陥（デバイスにとって致命性のない酸化膜の明るさむらやパターンのラフネス及び、グレインなど）を分類し、欠陥の座標や分類結果及び特徴量などは操作部１１０に送られ、検査装置ユーザがウェハ上の欠陥マップなどの欠陥情報を表示・欠陥情報データを出力することが可能となる。
【００３１】
検出した欠陥の座標や大きさ、明るさ及び、検出仰角の違いによる特徴などの欠陥情報は操作部１１０に送られ、検査装置ユーザがウェハ上の欠陥マップなどの欠陥情報を表示・欠陥情報データを出力することが可能となる。
【００３２】
また、操作部１１０は検査装置の動作指示を行う機能も備えており、機構制御部１２０に動作の指示を行い、機構制御部１２０からステージ６や光学部品の動作をコントロールする。検出光学系に形成されるウェハ１のフーリエ変換面に空間変調器（図示せず）を配置しても良い。空間変調器としては、金属性の遮光棒の配置や複屈折素子(LiNbO3やPLZT［(Pb、La)(Zr、Ti)O3の略］など)の電気光学効果を利用したマイクロシャッタアレイや液晶フィルタ及びMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を用いた１次元及び２次元アレイ状のフィルタが実施形態としてある。
【００３３】
これらのデバイスでは、電気制御により高速に光の透過/遮光をスイッチングできるため、ウェハ１上のパターン２のピッチや形状に応じて検査中に適切なフィルタリングパターンに変更することが可能となる。また、ウェハ１の表層を対物レンズ４０の焦点位置と一致させるためにはウェハ高さを検出して、ステージ３のＺ方向の位置を制御することによりウェハ１の高さを制御する必要がある。
【００３４】
このウェハ高さ検出方式の例として、光てこ方式があり、スリット光をウェハ１に斜め方向から照明する高さ検出用照明系と、ウェハ１にて反射したスリット光を検出してウェハの高さを求める高さ検出系を配置する（図示せず）。ウェハ１の高さと対物レンズ４０３１の焦点位置の差を求め、許容外のデフォーカスをしている場合は、ウェハ１を焦点位置に位置決めするように機構制御部１２０がステージ３に指示を出す。以上の基本構成により、ステージ３をＸＹ平面内で１方向に定速走査させながら連続的に画像を検出し、この画像を用いて欠陥を検出する。
【００３５】
なお、本実施例ではウェハ１上の照明領域２９を高仰角照明、照明領域３０を低仰角照明の例として説明したが、低仰角と高仰角の照明領域を入れ替えても良く、或いは、同じ仰角であっても良い。また、照明領域２９と照明領域３０にて、偏光や照明方位（ウェハ１を上方より平面的に見たときに、Ｘ軸となす角度の方向）あるいは、照明波長などの条件を変えるように構成してもよい。
【００３６】
さらに、欠陥のサイズや種類（ショート欠陥、スクラッチ、異物など）によっては散乱方向に特性がある。このため、低仰角照明と高仰角照明を同時検出することにより、様々な欠陥の散乱光を検出する可能性が高くなり、欠陥の捕捉率向上にも有利となる。
【実施例２】
【００３７】
次に、図１で示した構成において、検出光学系５０をウェハ１に対して垂直な方向に配置し、照明光２５による高仰角照明を検出光学系５０の光軸と共通化させ、光路を切替えてウェハ上の同じ領域を順次照明する例を第２の実施例として、説明する。
【００３８】
図３に、対物レンズ３１を介して高仰角照明するＴＴＬ(Through The Lens)方式の光学系の構成を示す。５はレーザ光源、３１１はビームエキスパンダ、３１２は光路切替えミラー、３２７はビームスプリッタ、３３３は遮光板、３３１は対物レンズ、３７５はレンズ、３８０は遮光部３８１を備えた空間フィルタ、３８５は結像レンズである。また、３１３はミラー、３１５は回転可能な１／２波長板、３１７は回転可能な１／４波長板、３２０はシリンドリカルレンズである。
【００３９】
このような構成において、レーザ光源５を発振した光は、ビームエキスパンダ３１１に入射してビーム径が拡大された後、光路切替えミラー３１２が作用せずに光が直進した状態で、検出光学系の光軸上に配置されたビームスプリッタ３２７に入射する。ビームスプリッタ３２７で反射した光は、共焦点検出用のライン状開口或いはピンホールアレイからなる開口デバイス３３３に入射する。この開口デバイス３３３を透過した光が、対物レンズ３３１を介してウェハ１を高仰角照明する。ウェハ１にて散乱した光はのうち、対物レンズ３３１のＮＡ内に伝播する光は対物レンズ３３１に捕捉され、開口デバイス３３３を再び透過する。さらに、ビームスプリッタ３２７も透過した光がレンズ３７５にてウェハ１のフーリエ変換像を空間フィルタ３８０を配置した面に結像する。この空間フィルタ３８０は遮光したい正反射光（０次光）や所望の周波数成分を遮光する遮光部３８１を備えており、この遮光部３８１以外の領域を透過した光が結像レンズ３８５にてイメージセンサ３９０を配置した面に結像する。
【００４０】
この共焦点検出光学系では、照明光が対物レンズ３３１の表面にて反射して迷光となっても、開口デバイス３３３にてほぼ遮光されるため、イメージセンサ３９０にて検出される割合が非常に低くなる。このため、従来のＴＴＬ照明と空間フィルタにて正反射光を遮光する暗視野検出の課題であった迷光の抑制が可能となる。
【００４１】
なお、検査対象物が異物など凸状の欠陥の場合は、高仰角照明で対物レンズ３１のＮＡを大きくするよりも低仰角照明の方が検査感度に有利な画像が得られる場合がある。このような場合は、光路切替えミラー３１２を作用させてレーザ光源５を発射したレーザの光路を図３の下側に折り曲げてミラー３２２に入射させ、低仰角照明光３２２として１／２波長板３１５及び１／４波長板３１７を透過させて偏光の状態を調整し、シリンドリカルレンズ３２０でレーザの光軸に垂直な断面内で一方向に収束させそれと直角な方向には平行光となるように成形された状態で対物レンズの光軸外からウェハ１を斜方照明するオフアクシス照明を行う。このオフアクシス照明３２２によるウェハ１上の照明領域を、開口デバイス３３の開口部のウェハ上投影像とほぼ一致させることにより、オフアクシス照明においても共焦点検出が可能となる。オフアクシス照明２２によりウェハ１にて散乱した光は、対物レンズ３１に捕捉され、開口デバイス３３３の開口部を通過する。これに対して、ウェハ１の下層部にて散乱した光は、開口デバイス３３にて広がった光となり、多くは遮光される。開口デバイス３３を透過したウェハ１の表層散乱光はビームスプリッタ３２７を透過してレンズ３７５に入射する。検光子３７７とフーリエ変換面に配置された空間フィルタ３８０を透過した光はレンズ３８５を介してイメージセンサ３９０上にウェハ１の散乱像を形成する。
【００４２】
さらに、共焦点検出による別の効果を説明する。通常、ウェハ１の検査対象層は最表面の層であり、多層配線が形成されている場合の下層欠陥は一般には欠陥検出したくないケースが多い。これは、欠陥検出してもこれをレビューするＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)では下層欠陥が見えないことより、欠陥であるか否かが確認できないためである。共焦点検出では、対物レンズ３３１の焦点を検出したいウェハ１の表層に合せておけば、表層の欠陥やパターンにて散乱した光は開口デバイス３３３の開口部を通過してビームスプリッタ３２７に入射し、この入射した光量の半分がビームスプリッタ３２７を透過してレンズ３７５を通過し、空間フィルタ３８０を透過した光が結像レンズ３８５に入射してイメージセンサ３９０の検出面(図示せず)上にウェハ１上の欠陥の像を結像する。これに対して、ウェハ１の下層部にて散乱した光は、開口デバイス３３３の位置にてデフォーカスした広がった光となり、多くは遮光される。これにより、擬似欠陥となる下層での散乱光がほぼ遮光され、下層欠陥の検出を抑制する効果がある。
【００４３】
検査対象のウェハ構造や欠陥種は多様であり、それぞれの対象に応じて高感度検査に有利な画像を得る光学条件が異なる。多くの半導体製造ラインでは製造工程ごとに検査する光学条件が適正化されている。このため、欠陥によっては、垂直照明も含めた高仰角照明ではなく、低仰角照明が高感度化に有利なケースもある。
【００４４】
このように、多様なウェハ構造や欠陥種に対応するためには、設定可能な照明条件を幅広く備えておく必要がある。図３４にて照明光の仰角制御照明の構成を示す。図４に示した構成は、基本的には図３で説明した光学系の構成と同じであるが、ビームエキスパンダ４１０と開口デバイス４１１、レンズ４１４を備えた点において異なる。レーザ光源５から発射された光は、ビームエキスパンダ４１０によりビーム径が拡大され、開口デバイス４１１の開口部を透過し、レンズ４１４にて対物レンズ４３１の瞳位置４３２に開口デバイス４１１の像を結像する。この間、ビームスプリッタ４２７と、共焦点用開口デバイス４３３を配置する構成及び、その役割は図２を用いて説明したのと同様である。
【００４５】
対物レンズ４３１の瞳に結像した開口絞りの像位置に応じてウェハ１を照明する入射角が決定される。例えば、瞳の中心位置に開口デバイス４３３の像が形成された場合は、ウェハ１に対して垂直照明となる。一方、開口デバイス４３３の像が光軸に対してズレている場合は、対物レンズのＮＡ内にてウェハ１を斜方照明する。このため、開口デバイス４１１の開口部を変更（制御）可能な構成にすることにより、ウェハ１を照明する入射角を制御できる。
【００４６】
なお、検査対象物が異物など凸状の欠陥の場合は、高仰角照明で対物レンズ３１のＮＡを大きくするよりも低仰角照明の方が検査感度に有利な画像が得られる場合がある。このような場合は、光路切替えミラー４１２を作用させてレーザ光源５を発射したレーザの光路を図４の下側に折り曲げてミラー４１３に入射させ、低仰角照明光３２２として１／２波長板４１５及び１／４波長板４１７を透過させて偏光の状態を調整し、シリンドリカルレンズ４２０でレーザの光軸に垂直な断面内で一方向に収束させそれと直角な方向には平行光となるように成形された状態の照明光４２２で対物レンズ４３１のＮＡの外からウェハ１を照明するオフアクシス照明を行う。このオフアクシス照明４２２によるウェハ１上の照明領域を、開口デバイス４３３の開口部のウェハ１上の投影像とほぼ一致させることにより、オフアクシス照明においても共焦点検出が可能となる。
【００４７】
オフアクシス照明２２によりウェハ１にて散乱した光は、対物レンズ４３１に捕捉され、開口デバイス４３３の開口部を通過する。これに対して、ウェハ１の下層部にて散乱した光は、開口デバイス４３３にて広がった光となり、多くは遮光される。開口デバイス４３３を透過したウェハ１の表層散乱光はビームスプリッタ４２７を透過してレンズ４７５に入射する。検光子４７７とフーリエ変換面に配置された空間フィルタ４８０を透過した光はレンズ４８５を介してイメージセンサ４９０上にウェハ１の散乱像を形成する。
【００４８】
次に、イメージセンサ３９０（４９０）で検出した画像を処理して欠陥を判定する画像処理部３００で実施する処理の流れを図５に示す。
【００４９】
高仰角照明によりイメージセンサ３９０（４９０）にて検出された画像Ａ０は、階調変換部５０１にて例えばγ補正のような明るさの変換を行う。変換後の画像Ａの一方は位置合せ部５０３に送られ、他方はメモリ５０２に送られる。位置合せ分５０３では、既にイメージセンサ３９０（４９）で検出されてメモリ部５０２に格納されている設計上同じ形状のパターン（例えば、隣接ダイ）の画像Ａをメモリ部５０２から受けて、画像Ａと画像Ａ’との位置合わせをする。
【００５０】
比較部５０４では位置合せされた２画像Ｅ及びＥ’との差画像Ｆをしきい値（予め設定された値、又は検出した画像から求めた値）と比較処理を行い、差画像を作成する。比較の結果として差画像Ｂの特徴量を算出する。この差画像Ｆの特徴量（例えば、濃淡差の最大値や面積など）を用いて欠陥判定部１１５にて欠陥を判定する。一方、差画像Ｆは、位置合せ部５０５に入力される。
【００５１】
次に、低仰角照明によりイメージセンサ３９０（４９０）にて検出された画像Ｇ０は、階調変換部５０１にて例えばγ補正のような明るさの変換を行う。変換後の画像Ｇの一方は位置合せ部５０３に送られ、他方はメモリ５０２に送られる。位置合せ分５０３では、既にイメージセンサ３９０（４９０）で検出されてメモリ部５０２に格納されている設計上同じ形状のパターン（例えば、隣接ダイ）の画像Ｇ’をメモリ部５０２から受けて、画像Ｇと画像Ｈとの位置合わせをする。
【００５２】
比較部５０４では位置合せされた２画像Ｇ及びＧ’との差画像Ｈをしきい値（予め設定された値、又は検出した画像から求めた値）と比較処理を行い、比較の結果として差画像Ｄの特徴量を算出する。この差画像Ｄの特徴量（例えば、濃淡差の最大値や面積など）を用いて欠陥判定部５０７にて欠陥を判定する。一方、差画像Ｈは、位置合せ部５０５に入力される。
【００５３】
位置合せ部５０５においては、ウェハ１上の同じ箇所の画像であって照明仰角の異なる２つの差画像ＦとＨとの位置合せを行い、これら異なる光学条件での差画像の特徴量を差画像比較部５０６比較し、この特徴量を欠陥判定部５０７に送って欠陥を判定する。以上、欠陥判定部５０７では３種類の特徴量を用いて判定を行う訳であるが、何れかの判定結果にて欠陥だと判定された場合は、残る２種類の特徴量の情報も併せて分類部５０８に送られる。この分類部５０８にて、欠陥の種類（例えば、異物やエッチング残り、スクラッチなど）や、擬似欠陥（デバイスにとって致命性のない酸化膜の明るさむらやパターンのラフネス及び、グレインなど）を分類し、欠陥の座標や分類結果及び特徴量などは操作部３１０に送られ、検査装置ユーザがウェハ上の欠陥マップなどの欠陥情報を表示・欠陥情報データを出力することが可能となる。
【００５４】
検出した欠陥の座標や大きさ、明るさ及び、検出仰角の違いによる特徴などの欠陥情報は操作部３１０に送られ、検査装置ユーザがウェハ上の欠陥マップなどの欠陥情報を表示・欠陥情報データを出力することが可能となる。
【実施例３】
【００５５】
実施例２では、ＴＴＬ照明により検出されるウェハからの正反射光を空間フィルタにて遮光する構成を示した。この構成では、正反射光に近い前方散乱光（低周波成分）を検出することになるが、検査対象欠陥によっては後方散乱（高周波成分）に強く分布する場合がある。本実施例においては、このように後方散乱に強く分布する光をＴＴＬ照明にて捕捉する方式に関するもので、その構成を図６に示す。
【００５６】
本実施例においても高仰角照明と低仰角照明とを行う。低仰角照明の構成及び検出の動作は実施例１及び２と同じなので、説明を省略する。図６において、照明光６２６による高仰角照明の光学系においては、レーザ光源５から発射されたレーザ光をレーザ光軸制御機構６にて対物レンズ６３１の瞳６６２に入射する位置と角度範囲が制御され、ウェハ１の法線に対して傾斜して設置されている照明・検出光学系６００の対物レンズ６３１に入射する。対物レンズ６３１の傾斜側（図中、右側）の瞳６６２にレーザ光を入射させることにより、ウェハ１に対する入射角が大きくなり、ウェハ１の線状照明された領域（線状照明の方法は、実施例２で図３を用いて説明した方法と同じである。）から正反射した光６６０を対物レンズ６３１のＮＡ外に伝播させる。これにより、対物レンズ６３１にて捕捉する光は、後方散乱光となる。検出光路の共焦点用開口デバイス６３３〜イメージセンサ６９０までの構成は図３と同様である。
【００５７】
この構成において、前方散乱光を検出する手法を図５７に示す。基本構成は図６で説明したものと同じ構成であり、レーザ光軸制御機構６にて対物レンズ６３１の瞳６６２に到達する光をウェハ１の法線に近い方に制御する。これにより、ウェハ１上は図６で説明した実施例に対して高仰角照明（垂直に近い照明）となり、正反射光も含めた前方散乱光検出となる。正反射光は空間フィルタ６８０で遮光され、空間フィルタ６８０を透過した散乱光が結像レンズ６８５によりイメージセンサ６９０上に結像する。
【００５８】
さらに、共焦点検出の変形例を図８に示す。光学系の基本構成は図６で説明ようにウェハ１の法線方向に対して光軸を傾けて設置している。光源(図示せず)から発射された照明光８２６は、共焦点検出用の市松模様の開口部を有した開口デバイス８４０ａに入射する。この開口デバイス８４０ａは、開口部が８４１、遮光部が８４２となっている。この開口デバイスの像を結像レンズ８３４と対物レンズ８３１を介してウェハ１に投影する。照明光８２６が照明されたウェハ１にて散乱した光のうち対物レンズ８３１に入射した散乱光は結像レンズ８３４を介して、照明系と検出系の分岐ミラー８２７を透過して検出側に結像する。
【００５９】
この結像面に市松模様の開口デバイス８４０ｂを配置する。この開口デバイス８４０ｂの開口部は照明系に配置した開口部の像と共役な関係に配置する。開口デバイス８４０ｂを透過した光は、偏光ビームスプリッタ８４４にて分岐され、それぞれの光路に配置した空間フィルタ８８１ｃ、８８１ｄにてそれぞれ特定周波数の散乱光が遮光される。これらの空間フィルタ８８１ｃ、８８１ｄを透過した光は、共焦点検出用の開口デバイス８４３ｃ、８４３ｄに入射し、この開口デバイス８４３ｃ、８４３ｄの開口を透過した光のみがイメージセンサ８９０ｃ、８９０ｄに入射する。
【００６０】
本実施例では同一空間の画像を２種の検出条件（検光条件と空間フィルタ条件）にて検出した例を示した。これにより、同一ウェハ上に複数種の検出対象欠陥がある場合、それぞれの欠陥を顕在化する検出条件に設定でき、検出感度を向上できる。なお、本実施例では、検出条件を２系統の例にて説明したが、これ以上の検出器がある例についても容易に考えられる。
【実施例４】
【００６１】
本実施例では、実施例１で説明した光学系と実施例３で説明した光学系とを組合せた光学系の構成について、図９を用いて説明する。照明系はレーザ光源５を用いた高仰角用のＴＴＬ照明９２６と低仰角用のオフアクシス照明２２の２系統を備えている。高仰角用のＴＴＬ照明はウェハ１上の照明領域９３０を線状照明し（ウェハ１上の線状領域９３０を照明する方法は、図６で説明した方法と同じ）、オフアクシス照明２２は領域９２９を線状照明する（ウェハ１上の線状領域２９を照明する方法は、実施例１及び実施例２で説明した方法と同じであるので、説明を省略する）。検出系はウェハの法線に対して傾斜した軸となっており、それぞれの領域９２９，９３０で散乱した光のうち対物レンズ９３１の側に散乱した光を対物レンズ９３１にて捕捉する。
【００６２】
ここで、検出系が傾斜した方向の領域９２９で散乱した光は、対物レンズ９３１のＮＡよりも低仰角側に散乱した光をミラー９３２にて対物レンズ９３１のＮＡ内に伝播させる。この照明領域９２９から対物レンズ９３１までの距離と、照明領域９３０から対物レンズ９３１をＷＤと一致させることにより、対物レンズ３１の像面にそれぞれの照明領域の散乱像を平行に形成させることが可能となる。この像面にそれぞれの散乱像に対応した共焦点用の２つの線状開口９３３１と９３３２とを有した開口デバイス９３３を配置する。この開口デバイス３３の像をレンズ８０とレンズ８５にて拡大投影し、それぞれの線状開口９３３１と９３３２との像位置にイメージセンサ９９１、９９２を配置する。
【００６３】
なお、本実施例では照明領域９３０を高仰角ＴＴＬ照明、照明領域９２９を低仰角オフアクシス照明の例として説明したが、低仰角と高仰角照明の切り替えても良い。また、照明領域９２９と照明領域９３０にて、偏光や照明方位あるいは、照明波長などの条件が異なる実施形態も考えられる。
【実施例５】
【００６４】
実施例１の図１、実施例３の図８、実施例４の図９において説明した検出系においては、複数光路に分岐して検出条件の異なる複数画像を検出する実施例を示した。本実施例では、検出光路を分岐しないで複数条件の画像を検出する形態について説明する。図１０に高仰角ＴＴＬ照明による光学系の構成を示す。光学部品の構成は図２３で説明した構成と同じであるが、イメージセンサ１０９１〜１０９４とその直前に配置する光学フィルタリングデバイス１０９５〜１０９８が異なる（ウェハ１上を低仰角照明する方法及び構成は実施例１及び実施例２で説明したものと同じであるので、説明を省略する）。イメージセンサ１０９１〜１０９４の直前にフィルタ特性の異なる光学フィルタリングデバイス１０９５〜１０９８を配置して、イメージセンサ１０９１〜１０９４にてフィルタ特性に応じた４種類の画像を検出するように構成した。
【００６５】
光学フィルタリングデバイス１０９５〜１０９８の例として、偏光利用フィルタを図９１１に示す。偏光透過軸がＹ方向と平行な光学フィルタリングデバイス１０９５と、Ｙ方向から４５度の角度をなすデバイス１０９６、Ｙ方向から９０度の角度をなすデバイス１０９７、Ｙ方向から１３５度の角度をなすデバイス１０９８にて構成されている。この構成により、ウェハ１上の同一空間において、検光条件の異なる４種の画像を検出することが可能となり、正常なパターン散乱光と欠陥散乱光の偏光状態の違いを特徴量とした比較検査が可能となる。
【００６６】
なお、一般的なイメージセンサはシリコン基板上に形成されているが、1枚の基板上に４つのセンサを並べて、４画像を出力する形態も本発明の変形例として考えられる。光学フィルタリングデバイスは、微細パターンを積層したフォトニック結晶やワイヤグリッド及び誘電体多層膜などが候補である。
【００６７】
４つのイメージセンサ１０９１〜１０９４で検出した画像を処理して欠陥を判定する画像処理部１０１００における流れを図１２に示す。
イメージセンサ１０９１にて検出された画像は、階調変換部１２０１ａにて例えばγ補正のような明るさの変換を行う。変換後の画像の一方は位置合せ部１２０５ａに送られ、他方はメモリ１２０３ａに送られる。位置合せ分１２０５ａでは既に送られた画像と設計上同じパターン（例えば、隣接ダイ）がくるまでメモリ部１２０３ａに格納され、メモリ部１２０３ａから送られた画像と位置合わせする。比較部１２０７ａでは位置合せされた２画像の差画像などの比較処理を行い、比較の結果として画像の特徴量を算出する。この特徴量（例えば、濃淡差の最大値や面積など）を用いて欠陥判定部１２１５にて欠陥を判定する。
【００６８】
この一連の処理をイメージセンサ１０９２、１０９３、１０９４それぞれについても同様に行う。さらに、それぞれの画像で比較した結果は位置合せ部１２１０に送られ、照明仰角や検出仰角及び、検光条件の異なる４画像の位置合せを行い、これら異なる光学条件での画像の特徴量を比較して、この特徴量を欠陥判定部１２１５に送って欠陥を判定する。以上、欠陥判定部では５種類の特徴量を用いて判定を行う訳であるが、何れかの判定結果にて欠陥だと判定された場合は、残る４種類の特徴量も併せて分類部１２１７に特徴量が送られる。この分類部１２１７にて、欠陥の種類（例えば、異物やエッチング残り、スクラッチなど）や、擬似欠陥（デバイスにとって致命性のない酸化膜の明るさむらやパターンのラフネス及び、グレインなど）を分類し、欠陥の座標や分類結果及び特徴量などを出力する。
【００６９】
異なる光学条件で検出した４画像より算出する特徴量の例を図１３に示す。光学系の構成は図１０に示した構成であり、偏光透過軸がＹ方向と平行、Ｙ方向から４５度、９０度、１３５度の角度をなす４種の画像が検出される。これらの画像より、ウェハ上の同一空間の画素ごとに偏光状態４００を求める。偏光状態としては、楕円偏光の方位αと楕円の長軸ａと短軸ｂの比で求める楕円率（ｂ／ａ）が候補である。これらの特徴量を用いて、欠陥判定する手法を図１４に示す。横軸に方位α、縦軸に楕円率βとした散布図を示しており、設計パターンが同じ座標のデータをプロットした模式図である。正常なパターンは、方位α、楕円率β共に同じような領域に分布する。この分布から外れた点Ａ，Ｂ，Ｃを欠陥候補として判定する。
【００７０】
以上の実施例で示した構成や機能及び画像処理内容については、様々な組合せが考えられるが、それらの組合せについても本発明の範囲内であることは明らかである。
【符号の説明】
【００７１】
１…ウェハ、３…ＸＹＺθステージ、４…照明系、５…レーザ、６…XYZθステージ、７…電気光学素子、１０…ビームエキスパンダ、１５…回転機構付き１／２波長板、１７…回転機構付き１／４波長板、２２…オフアクシス照明光、２６…ＴＴＬ照明光、２７…ビームスプリッタ、２９…照明領域、３０…照明領域、３１…対物レンズ、３２…ミラー、３３…共焦点用開口デバイス、４０ａ…市松模様開口デバイス、６２…瞳、８０…空間変調素子、９０…イメージセンサ、１００…画像処理部、１１０…操作部、１２０…機構制御部、１３０…高さ検出部、４００…偏光状態。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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