(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源から発射したレーザを対物レンズを介して試料の表面に照射し、該レーザを照射された試料表面の欠陥を検出する方法であって、前記レーザを前記対物レンズの瞳面上で２次元的に走査し、該２次元的に走査したレーザを前記試料の表面に該表面の法線方向に対する入射角度を変化させながら前記試料の表面からの反射光の強度が均一化するように前記入射角に応じて前記レーザの透過率が変化するフィルタを透過させて照射し、前記レーザを入射角度を変化させながら照射した前記試料を撮像して得た画像を処理することにより前記試料表面の欠陥を検出することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
【請求項２】
前記試料を少なくとも１方向に移動可能なテーブル上に保持し、前記レーザを入射角度を変化させながら照射した前記試料を、前記テーブルの移動と同期させて時間遅延型積分センサで撮像することを特徴とする請求項１記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３】
レーザ光源から発射したレーザを対物レンズの瞳面上で走査し、該対物レンズの瞳面上で走査したレーザを少なくとも１軸方向に連続的に移動しているテーブルに保持された試料の表面に該表面への入射角度を変化させながら前記試料の表面からの反射光の強度が均一化するように前記入射角度に応じて前記レーザの照度を変化させて照射し、前記１軸方向に連続的に移動しているテーブルに保持されてレーザが照射された前記試料を時間遅延型積分センサで撮像し、該撮像して得た画像を処理することにより前記試料表面の欠陥を検出することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
【請求項４】
連続的に移動しているテーブルに保持された試料の表面にレーザ光源から発射したレーザを対物レンズの瞳上で２次元的に走査して前記試料の表面の法線方向に対する前記レーザの入射角度を変化させながら前記試料の表面からの反射光の強度が均一化するように前記入射角度に応じて前記レーザの照明を変化させて照射し、該レーザを前記表面の法線方向に対する入射角度を変化させながら照射した前記試料を前記レーザの前記瞳上での２次元的な走査に同期して時間遅延積分型センサで撮像し、該撮像して得た画像を処理することにより前記試料表面の欠陥を検出することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
【請求項５】
前記試料の表面に照射されるレーザは、多数の点光源で構成されていることを特徴とする請求項１または３または４の何れかに記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項６】
前記レーザは、紫外レーザ又は遠紫外レーザであることを特徴とする請求項１または３または４の何れかに記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項７】
前記試料の表面に照射されるレーザの照度を、該表面の法線方向に対する入射角度に応じて変化させることを特徴とする請求項１または３または４の何れかに記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項８】
レーザ光源と、試料を載置して少なくとも平面内で移動可能なテーブル手段と、前記レーザ光源から発射したレーザを前記テーブル手段に載置した試料に集光して照射する対物レンズ手段と、前記レーザを前記対物レンズの瞳面上で２次元的に走査するとともに該２次元的に走査したレーザを前記試料の表面に該表面の法線方向に対する入射角度を変化させながら照射する走査手段と、該走査手段で前記試料の表面に照射されるレーザの照明を該照射による前記試料表面からの反射光の強度が均一化するように前記試料の表面の法線方向に対する入射角度に応じて変化させる照度調整手段と、前記試料を撮像する撮像手段と、該撮像手段で撮像して得た前記走査手段で前記レーザを入射角度を変化させながら照射した前記試料の画像を処理して前記試料の欠陥を検出する欠陥検出手段とを供えたことを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【請求項９】
前記レーザ光源は、紫外レーザ又は遠紫外レーザを発射することを特徴とする請求項８記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１０】
前記レーザ源から発射したレーザを、多数のスポット状に成形する成形手段を更に備えたことを特徴とする請求項８記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１１】
前記試料の表面に照射されるレーザの照度を、該表面の法線方向に対する入射角度に応じて変化させる照度調整手段を更に備えたことを特徴とする請求項８記載のパターン欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス製造やフラットパネルディスプレィの製造に代表される微細パターン欠陥及び異物等の検査や観察に用いられるレーザ光を照明光として用いる欠陥検査装置およびその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体の高集積化に伴い、回路パターンは益々微細化の傾向にある。この中で、半導体素子をホトリソ工程で製造する際に用いられるマスクやレチクル、これらに形成された回路パターンが露光によって転写されるウェハ上のパターン欠陥は、益々高解像度での検出が要求されている。解像度を高める手法として、検出する照明光の波長を可視光から紫外光へ短波長化することが掲げられる。従来は、光源として例えば水銀ランプや、キセノンランプ等が用いられ、ランプの持つ種々の輝線の中から必要とする波長のみを光学的に選択して使っていた。
【０００３】
しかしながら、パターン検査装置では高解像に加えて高速化も要求されるため、高輝度照明が必要である。ランプによる照明では、紫外領域での輝線はわずかであり、高速化のための十分な光量を得るためには光源が大形化し、照明効率が低下する。また、広帯域化により高輝度照明を得たとしても、今度はパターン検出に用いる光学系の色収差補正が困難であるなどの課題がある。
【０００４】
そこで、半導体製造においてパターン検査装置と同様な高解像度が要求される露光装置においては、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光源を搭載した露光装置が主流となってきている。さらに、より波長の短い波長１９３ｎｍのＡｒＦレーザ光源を用いた露光装置も開発されている。
【０００５】
しかしながら、これらのレーザ光源は、装置が大形であるばかりでなく、有害であるフッ素ガス等を使用しているため、所定の安全対策が必要である等の課題がある。
【０００６】
最近、他の紫外レーザ光源として、固体レーザであるＹＡＧレーザ光を非線形光学結晶により波長変換し、ＹＡＧレーザ光の第３高調波（波長３５５ｎｍ）、あるいは第４高調波（波長２６６ｎｍ）を得ることができる、取り扱いの簡単な小型化を実現したレーザ光源も開発されてきた。検査装置においては、このような小型で取り扱いの容易な紫外光を発生するレーザ装置を用いることが有利である。
【０００７】
レーザ光は、可干渉性の良さから、試料に照明を行う際、光束に強弱を生じさせ、試料上で干渉縞を生じさせることになる。レーザを用いたパターン検査装置としては、特開平１１−２７１２１３に記載しているように、光源であるレーザ光をフライアイレンズに照射して、複数の光源を作成しこれを検査試料に照明して照明光を均一化する。この試料上からの光の強度を蓄積型のＣＣＤラインセンサで検出するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したレーザを用いた従来のパターン検査装置では、以下のような問題があった。
【０００９】
レーザ光源からの照射光をフライアイレンズによって多点光源とし、コンデンサレンズによって検査試料全面に照明しているが、このフライアイレンズとコンデンサレンズの焦点位置によって、おのずと検査する試料に対する照明光の照射角度は一定となる。試料表面には、半導体プロセスによって何層もの回路パターンが形成されている。パターン形成は、下層パターンの上に随時、上層のパターンが形成され、パターンの間には薄膜が形成されている。パターン検査は主に上層のパターンについて検査されるが、照明光で試料表面を照明すると、薄膜表面からの反射光と、薄膜内部からの反射光が混在する。薄膜内部からの反射光は薄膜の厚さによって反射光の強度が変化する。
【００１０】
試料１の表面に絶縁膜などの薄膜が形成されている状態での反射強度について説明する。図１１に干渉のモデルを示す。入射する照明光３７の波長をλ、垂線との角度をθ、空気層３４の屈折率をn0とし、薄膜３５の厚さをt1、屈折率をn1、基板３６の屈折率をn2とする。薄膜３５表面での反射光３８の反射強度をr01、薄膜３５を透過し、基板３６で反射した反射光３９の反射強度をr12とし、この合成された反射光をＲと定義する。これらは、フレネルの式として理論的にモデル化が可能であり、数式１から数式４に示すように表される。
【００１１】
【数１】
0003729154.tif 000002
【００１２】
【数２】
0003729154.tif 000003
【００１３】
【数３】
0003729154.tif 000004
【００１４】
【数４】
0003729154.tif 000005
【００１５】
その結果の一例を図１２に示す。横軸に薄膜３５の膜厚t1を、縦軸に合成された反射強度Ｒを示すと薄膜の膜厚変化による反射強度の変化は波形４０のような軌跡を辿る。
【００１６】
しかし、照明にレーザ光を用いる場合、レーザ光は点光源であるため、照明シグマ（σ）を確保するため、例えば対物レンズに走査して入射させる必要がある。走査して入射させることは、基板に対する入射角度が変化して基板に照射されるレーザ光の照度が変化するため、入射角度が大きい場合と小さい場合では、薄膜３５の膜厚の応じて図８に示すような反射強度分布になり、この状態で試料１の検査を行うと、薄膜３５の膜厚の分布による反射強度変化が明るさ変化となってしまい、検出感度が低下することになる。
【００１７】
本発明の目的は、上記問題を解消し、紫外レーザ光を光源として用いるパターン欠陥検査方法及びその装置において、微細パターンを高解像度でしかも安定して検査することを実現するとともに、高信頼性のパターン欠陥検査装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のようなパターン欠陥検出方法およびその装置が提供される。
【００１９】
すなわち、紫外光で半導体回路パターンを照明し、該回路パターンの欠陥を検出するパターン欠陥検査装置であって、レーザ光源と、該レーザ光源から射出されたレーザ光の光路中にあって、該レーザの可干渉性を低減するコヒーレンス低減手段と、該コヒーレンス低減手段を通過したレーザ光を対物レンズの瞳位置に集光させる集光手段とを備え、該集光手段により前記対物レンズの瞳上に集光されたレーザ光を、瞳内で任意の走査幅でもって前記コヒーレンス低減手段で走査し、前記基板に対する照明角度に応じて前記レーザ光の走査速度を可変することにより前記基板上からの反射光強度を均一にする手段、あるいは、前記基板表面からの反射光強度が均一になるように前記基板に対する照明角度に応じて異なる透過率を有する濃度調節手段を備えて、パターンからの反射光を、基板の上方位置より検出する手段により、前記基板を一定速度で移動しつつ、前記検出手段で回路パターンからの反射光を連続的に検出する構成にした。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係わるパターン欠陥検査装置の実施形態について図１〜図１３を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本発明によるパターン欠陥検査装置の第１の実施形態の構成図を示す。ステージ２の上に、試料１である被検査パターンが形成された半導体ウェハ（被検査対象物）が載置される。ステージ２は、Ｚ方向および回転方向に移動可能なＺステージ５２、Ｙステージ５１及びＸステージ５０および各ステージの位置を測定する図示していない位置測定器を備え、中央処理装置１９に接続されているステージ制御回路１００により制御されて、それぞれ任意の位置に移動可能である。
【００２２】
３は、遠紫外領域で高輝度の照明を行うために、遠紫外レーザ光を出射する紫外レーザ光源（紫外レーザ発生装置）で、この紫外レーザ光源３から発せられたレーザ照明光Ｌ１は、ミラー４で反射されて濃度調整装置２１０、ビームエキスパンダ５、マルチスポット成形器６５、レンズ６６、コヒーレンス低減光学系６、レンズ７、偏光ビームスプリッタ９、及び偏光素子群１０を介して対物レンズ１１に入射し、被検査パターンが形成された試料１上に照射される。ビームエキスパンダ５は、紫外レーザ光をある大きさに拡大するものであり、拡大されたレーザ照明光Ｌ１は、レンズ７によって対物レンズ１１の瞳１１ａ付近に集光された後、試料１上に照射される。
【００２３】
濃度調整装置２１０は、イメージセンサ１３に到達する試料１からの反射光がイメージセンサ１３の飽和感度以上にならないように、レーザ照明光Ｌ１の照度を調節するものであり、モータ２００で回転させて透過濃度を連続的に又は段階的に変化させるものである。また、図１で、光路中に配したミラー２１４は、レーザ照明光Ｌ１の一部を検査に支障のない範囲で分岐して、光電素子２１５でレーザ光源３の状態を監視するものであり、図示していない検出信号は、中央処理装置１９に送られモニタされる。２００はレーザ光源３の位置決め手段であって、レーザ光源３に異常が検知された場合、レーザ光源３は正常なものと交換されるが、交換時に、位置決め手段２００を用いることにより、正常なレーザ光原３を取り付け時の位置出しを容易に行うことができる。
【００２４】
試料１上に照射されたレーザ照明光Ｌ１による試料１からの反射光は、試料１の垂直上方より対物レンズ１１、偏光素子群１０、偏光ビームスプリッタ９、結像レンズ１２を介してイメージセンサ１３で検出される。偏光ビームスプリッタ９は、レーザ光の偏光方向が反射面と平行な場合は反射し、垂直な場合は透過する作用を有し、ここではレーザ照明光Ｌ１が全反射するように配置されている。また、偏光素子群１０は、レーザ照明光Ｌ１及び試料１からの反射光の条件を変える機能を有し、１／２波長板１０ａ、１／４波長板１０ｂから構成され、上方に配したミラー２８、レンズ２９、ＴＶカメラ３０によって、パターン反射光の対物レンズ１１の瞳位置での瞳像の明るさを基に、図示していない駆動機構により回転制御される。イメージセンサ１３は、例えば紫外光を検出できる蓄積形のセンサ（時間遅延積分型イメージセンサ：以下、ＴＤＩセンサという）で形成され、被検査対象物である試料１上に形成された被検査パターンからの反射光の明るさ（濃淡）に応じた濃淡画像信号１３ａを出力する。
【００２５】
ここで、ＴＤＩセンサ１３は、図２に示すように、１次元型のイメージセンサが多段に接続された構成をしており、中央処理装置１９からの制御信号により、連続的に移動するＹステージの移動と同期して試料１を最初の段の１次元イメージセンサ１３１で撮像する。この撮像して得た信号を第２段目の１次元イメージセンサ１３２に転送する。次に、Ｙステージが移動することにより、先ほど最初の段の１次元イメージセンサ１３１で撮像された試料１上の領域の像が次の段の１次元イメージセンサ１３２の位置に移動したときに、この領域の像をこの次の段の１次元イメージセンサ１３２で撮像して、その検出信号を最初の段の１次元イメージセンサ１３１で撮像して転送されてきた信号に加算する。これを多数の段の１次元イメージセンサ１３ｎに渡って順次繰り返すことにより、各段の１次元イメージセンサからの検出信号が蓄積されて出力される。
【００２６】
上記した構成により、中央処理装置１９からステージ制御回路１００に指令を出し、Ｙステージ５１を走査して試料１を等速度で移動させつつ、図示していない焦点検出系によって試料１のＺ方向の変位を検出し、試料１表面が常に対物レンズ１１の合焦点位置となるようにＺステージ５２を制御して、イメージセンサ（ＴＤＩセンサ）１３により被検査対象物１上に形成された被検査パターンの明るさ情報（濃淡画像信号）を、図示していないＹステージ５１の位置検出器からのＹステージ５１の位置情報に基づいて、連続的に移動するＹステージ５１の移動に同期して検出する。そして、イメージセンサ１３から得られる濃淡画像信号１３ａは、信号処理回路２３に入力されて試料１の欠陥検査が行われる。
【００２７】
信号処理回路２３はＡ／Ｄ変換器１４、階調変換器１５、遅延メモリ１６、比較器１７、及び中央処理装置１９等から構成される。なお、Ａ／Ｄ変換器１４は、イメージセンサ１３から得られる濃淡画像信号１３ａをディジタルに変換する。なお、ステージに設けられた校正板４００は、上記焦点検出系の合焦点位置を設定するものであり、オフセット調整により試料１表面の任意のＺ位置に,自動焦点位置を決めることができる。ここで、Ａ／Ｄ変換器１４は、信号処理回路２３にではなく、イメージセンサ（ＴＤＩセンサ）１３の直後に配置して、検出光学系１５０の中に入れてもよい。この場合、検出光学系１５０から信号処理回路２３へは、ディジタル画像信号が転送される。
【００２８】
階調変換器１５は、例えば８ビットの階調変換器で構成され、Ａ／Ｄ変換器１４から出力されるディジタル画像信号に対して特開平８−３２０２９４号公報に記載されたような階調変換を施すものである。階調変換器１５は対数、指数、多項式変換等を施し、プロセスで半導体ウェハ等の被検査対象物１上に形成された薄膜と、レーザ光が干渉して生じた画像の明るさむらを補正するものである。
遅延メモリ１６は、階調変換器１５からの出力画像信号をイメージセンサ１３の走査幅でもって、半導体ウェハ等の試料１上を構成する１セル又は１チップ又は１ショット分記憶して遅延させるものである。
【００２９】
比較器１７は、階調変換器１５から出力される画像信号と、遅延メモリ１６から得られる画像信号とを比較し、不一致部を欠陥として検出するものである。即ち、比較器１７は、遅延メモリ１６から出力されるセルピッチ等に相当する量だけ遅延した画像と、検出した画像とを比較するものである。中央処理装置１９は、キーボード、記録媒体、ネットワーク等から構成された入力手段１８を用いて設計情報から得られる半導体ウェハ等の被検査対象物１上における配列データ等の座標を入力しておくことにより、この入力された半導体ウェハ１上における配列データ等の座標に基づいて、比較器１７による比較検査結果を基に、欠陥検査データを作成して記憶装置２０に格納する。この欠陥検査データは、必要に応じてディスプレイ等の表示手段２１に表示することもでき、また出力手段２２に出力して、例えば他のレビュー装置等で欠陥箇所の観察も可能である。
【００３０】
なお、比較器１７の詳細は、例えば、特開昭６１−２１２７０８号公報に開示されているようなものでよく、例えば、図３に示すように、階調変換機１５から出力された比較画像Ｉiと遅延メモリ１６から出力された参照画像Ｉrとの位置を合わせる位置合せ回路１７１や、位置合せされた比較画像Ｉiと参照画像Ｉrとの差画像Ｉdを検出する差画像検出回路１７２、この差画像検出回路１７２で検出された差画像Ｉdをあるしきい値を用いて２値化する不一致検出回路１７３、この不一致検出回路１７３で２値化された出力より面積や長さ、座標等を抽出する特徴抽出回路１７４から構成されている。
【００３１】
パターン欠陥検査において、高解像を得るためには波長の短波長化が必要であり、かつ検査速度の向上には高輝度な照明が必要である。従来の照明光源として、水銀キセノン等の放電ランプが多く用いられ、ランプの持つ発光スペクトル（輝線）のうち、可視域を広範囲に使うことにより、照明の高輝度化を図っていた。これに対し、ランプからの紫外、深紫外領域での輝線は、可視光に比べて、数パーセント程度であり、必要輝度を確保するためには大形の光源が必要であると共に、光源からの発熱の影響が光学系に及ばないようにするために光学系を遠ざける必要があるが、スペース的にも限界が生じてしまう。このような観点から、本発明では、短波長を容易に確保できる紫外レーザ光または遠紫外（深紫外）レーザ光（Ｄｅｅｐ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Rａｙｓ：以下、ＤＵＶ光と記す）を光源として用いる。本発明で言う紫外レーザ光とは、波長が１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度のレーザ光を示し、ＤＵＶレーザ光とは、波長が１００ｎｍ〜３１４ｎｍ程度のレーザ光を示す。
【００３２】
一般的にレーザには、可干渉性（コヒーレンスを有する）があり、被検査対象物１上の回路パターンをレーザ照明した場合、スペックルノイズ（干渉縞）が発生してパターンの欠陥検出の障害となってしまう。このため、本発明では、空間的にレーザ照明光のコヒーレンスを低減するようにしたコヒーレンス低減光学系６を用いて、スペックルノイズを低減するようにしている。
【００３３】
図４はコヒーレンス低減光学系６についての一実施例を示す斜視図である。本発明では、光路中に設けた２枚の走査ミラー４１，４４により、レーザ照明光Ｌ１を対物レンズ１１の瞳上で二次元走査することによりコヒーレンスの低減を図っている。このコヒーレンス低減光学系６に入射するレーザ照明光Ｌ１は、ビームエキスパンダ５である大きさに拡大された後、マルチスポット成形器６５に入射して、このマルチスポット成形器６５の焦点位置に複数のレーザスポット（マルチスポット像）を形成するように構成されている。
【００３４】
マルチスポット成形器６５の一例としては、図５（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズアレイ７１を直交させて配置させるか、あるいは同図（ｂ）に示すように、ロッドレンズ７２を２次元的に配置したものを用いることが考えられる。
【００３５】
マルチスポット成形器６５から出射したレーザ照明光Ｌ１は、レンズ６６及びコヒーレンス低減光学系６内の６２、６３、およびレンズ７、偏光ビームスプリッタ９を介して対物レンズ１１の瞳１１ａ（図７参照）に集光する。マルチスポット成形器６５の焦点位置は、対物レンズ１１の瞳１１ａと共役であり、また、走査ミラー４１、４４の反射面と試料１の表面が共役となっている。走査ミラー４１、４４は、それぞれ往復回転するモータ６１、６４に取り付けられ、図示しない駆動信号（例えば正弦波、三角波信号等）を中央処理装置１９で発生させてモータ６１、６４に入力することにより、回転振動し、結果的に対物レンズ瞳１１ａ上でレーザスポットを二次元的に走査する。モータ６１、６４の駆動信号は、ステージの位置制御を行うための位置検出器(図示せず)のエンコーダパルス等を用いて、例えば正弦波、三角波などの信号波形を作成し、イメージセンサ１３の蓄積時間に同期して信号波形を１周期づつ変化させる。また、レーザスポットの走査幅は、信号波形の振幅を変えることにより変化させる。
【００３６】
本発明では、対物レンズ瞳１１ａ上でのレーザ走査の軌道を、照明光路中に配したミラー２４で光路を分岐し、対物レンズの瞳１１ａと共役位置に配したスクリーン２５上に投影して観察できるようにしている。スクリーン２５は、例えば紫外光照射によって蛍光を発する性質を持ち、不可視の紫外レーザ光を可視化するものである。図６はスクリーン２５上に形成されたレーザの走査軌道をレンズ２６とＴＶカメラ２７により検出した場合の一例である。
【００３７】
イメージセンサ１３に検出される画像の良否は照明条件に左右される。本発明では、走査ミラー４１、４４の走査幅を制御することにより、対物レンズ１１の瞳１１ａ上での照明σを可変にし、対物レンズ１１の瞳１１ａ上でのレーザ走査周期がイメージセンサ１３の蓄積時間と同期して行われるように、モータ６１、６４に入力される駆動信号を制御している。ここで照明σとは、対物レンズ瞳に対するマルチスポット照明の占める割合を指しており、σ＝１は対物レンズの瞳全体をある一定時間内にマルチスポットが走査して塗りつぶすことである。対物レンズの瞳上に形成されるマルチスポット像の倍率は、レンズ６６とレンズ７の焦点距離の関係より決定することができる。すなわち、同じ照明σを得る場合、同じ数のスポットを用いるならば、小さいマルチスポット像よりも、大きいマルチスポット像を用いて走査した方が、少ない走査回数にすることが可能である。
【００３８】
ところで、パターン検査の速度を向上するためには、試料１上でイメージセンサ１３が走査する幅を大きくすることが必要であるが、同時に照明幅も大きくする必要がある。本光学系では、図７（ａ）に示すように、対物レンズ１１の瞳１１ａに入射するレーザ光のＮＡ(開口数)を大きくし、集光するレーザスポット径を小さくする程、試料上で大きな照明幅を得ることができるが、このようにすると図６（ａ）に示すようなレーザスポットの間隔１１３ａ、１１３ｂが広くなってしまう。このような構成で対物レンズ１１の瞳をマルチスポット走査により塗りつぶすためには、例えば、瞳上でのレーザ走査を円形走査とするならば、図６（ｂ）の如く、１走査（１回転走査）毎に走査幅をマルチスポット像の形状（レーザスポット径）に合わせて小さく（円の半径を小さく）して螺旋軌道９０を辿らせるようにする。この場合、レーザ照明光Ｌ１は、試料１上で試料表面に立てた法線とレーザ照明光Ｌ１の入射方向との為す角度、即ち、入射角θを変化させながら、試料１表面の同位置に照射されることになるから、照明の入射角θが大きい程、瞳上での円形走査距離が長く、また、入射角θが小さい程、円形走査距離が短くなるため、試料１の表面の単位面積当りに照射される照明光の照射時間がレーザ照明光Ｌ１の入射角θにより異なる。このため、試料１の表面の薄膜３５の膜厚の変化に対する入射角θの違いによる反射強度分布は、結果的に、図８に示すようになる。このため、試料表面のパターン上に形成された薄膜の膜厚変化が、画像の明るさむらとなり、遅延メモリ１６から出力される参照画像と比較画像とを比較検査した際に、回路パターンの正常部を欠陥として誤検出する恐れがある。
【００３９】
このため本発明では、第１の実施例として、図９に示すように、レーザの入射角θによって透過率が変化する濃度フィルタ８を光路中に配して反射強度を均一にして検出するようにした。濃度フィルタ８は、例えば図１０に示すようにコヒーレンス低減光学系６のレンズ８１とレンズ８２との間で、例えば回転走査する走査ミラー４１、４４の後でもって対物レンズ１１の瞳１１ａと共役な位置に配置する。なお、濃度フィルタ８透過率の割合は、実験的に求めることができる。
【００４０】
また、このほかの第２の実施例として、対物レンズ１１の瞳１１ａ上でのレーザ照明光Ｌ１の走査軌道に合わせて、レーザ照明光Ｌ１の照度を可変して対物レンズに入射させることも考えられる。すなわち、レーザ照明光Ｌ１の走査軌道をスクリーン２５、レンズ２６、ＴＶカメラ２７で検出し、レーザ照明光Ｌ１を走査するモータ６１、６４に入力される駆動信号との位置関係を予め測定しておき、駆動信号を一定間隔でサンプリングしながら、レーザ照明光L1の照度を図１に示す濃度可変手段８８にて高速に制御するものである。濃度可変手段８８としては、例えばＡ／Ｏ変調器などの光学素子を用いればよい。
【００４１】
このように、本発明では、レーザ照明光Ｌ１の２次元走査の周期とイメージセンサ（ＴＤＩセンサ）１３の撮像の周期を同期させ、かつ、照明の入射角θを各周期ごとに順次変化させるので、試料１の表面の光学的に透明な膜の膜厚分布の影響が低減された画像を検出することが可能になる。
【００４２】
すなわち、本発明では、試料１のある個所の像が、ＴＤＩセンサ１３の第１段目の１次元型のイメージセンサ１３１（図３参照）で撮像されるときに、試料１を照明するレーザ照明光Ｌ１は、対物レンズ１１の入射瞳１１ａ上で２次元的に走査されて試料１へ入射角θ１で入射し、次に試料１が移動することにより試料１上の同じ個所がＴＤＩセンサ１３の第２段目の１次元型のイメージセンサ１３２で撮像されるときには、試料１を照明するレーザ照明光Ｌ１は、対物レンズ１１の入射瞳１１ａ上で２次元的に走査されて試料１へ入射角θ２で入射する。そして、第２段目の１次元型のイメージセンサ１３２からは、第１段目の１次元型イメージセンサ１３１で検出した試料１のある個所の像の検出信号と第２段目の１次元型イメージセンサ１３２で検出した試料１のある個所の像の検出信号とが加算された信号が第３段目の１次元型イメージセンサ１３３に転送され、第３段目の１次元型イメージセンサ１３３からは、この加算された信号に、第３段目の１次元型イメージセンサ１３３で撮像された入射角θ３で入射したレーザ照明光Ｌ１で照明された試料１の同じ個所の像の検出信号が更に加算されて、次の第４段目の１次元型のイメージセンサ１３４に転送される。
【００４３】
このように、ＴＤＩセンサ１３の各段の１次元型イメージセンサは、それぞれ試料１への入射角θが異なるレーザ照明光Ｌ１で照明された試料１の同じ個所の像を検出し、それらの検出信号を足し合わせた信号が出力される。すなわち、ＴＤＩセンサ１３からは、試料１上の同一の場所におけるレーザ照明光Ｌ１の入射角θが異なる複数の画像が足し合わされて平均化された画像信号が出力されることになる。これにより、試料１の表面の光学的に透明な膜の膜厚分布の影響を低減することができ、高い感度を維持しながら欠陥を検出することが可能になる。
【００４４】
次に、コヒーレンス低減光学系６の他の実施例を、図１３を用いて説明する。この実施例においては、図４に示した走査ミラー４１、４４の後に円形状の拡散板（回転する光学素子）５０を設けてモータ５１で高速に回転させるものである。すなわち、レンズ８２（およびレンズ７）の焦点位置付近に表面が適度な粗さに加工された拡散板５０を配置しモータ５１によって対物レンズ１１の瞳１１ａ上にある程度広がりをもって集光される紫外レーザスポットを走査するようにして空間的コヒーレンスを低減させ、可干渉性を低減するものである。また、マルチスポット成形器６５の焦点位置に図５（ｃ）に示すような、マルチスポット像に対応する位置に設けた透過部１１２と、マルチスポット像が投影されない部分を遮光する遮光部１１１からなるマスク１１０を設ければ、対物レンズ１１の瞳１１ａ上でより成形されたスポット光像を得ることができる。これにより、可干渉性の高いレーザ照明光Ｌ１を用いても、干渉の影響を低減して高感度に欠陥を検出することができるようになる。
【００４５】
以上の構成を備えた本発明による検査装置を用いて、半導体ウェハ上に形成された回路パターンの欠陥を検査する方法の概略について説明する。
【００４６】
まず、ステージ２のＺステージ５２上に試料１であるウェハを設置してウェハの位置を合わせる。次に、ウェハ１を載置したステージ２は、図示しないステージ位置センサからの信号を受けてステージの位置を制御するステージ制御回路１００でＹステージ５１が駆動制御されて、Ｙ軸方向に一定の速度で移動する。
【００４７】
一方、紫外レーザ光源３から遠紫外レーザを発射してビームエキスパンダ５でビーム径を拡大した後、マルチスポット成形器６５で複数のスポット形状に整形する。
【００４８】
この複数のスポット形状に成形されたレーザはコヒーレンス低減光学系６に入射し、走査ミラー４１と４４とで互いに直交する２軸方向に走査された状態で出射される。コヒーレンス低減光学系６から出射したレーザは、偏向ビームスプリッタ９で光路を変更した後、偏向素子群１０を通過して偏光の状態を調整され、対物レンズ１１に入射してウェハ１の表面に集光照射される。
【００４９】
ここで、コヒーレンス低減光学系６の走査ミラー４１と４４とで互いに直交する２軸方向に走査されたレーザは、対物レンズ１１の瞳面１１ａ上で円形に走査されると共に、円形の１走査ごとに、ウェハ１への入射角がウェハ１の表面の法線方向に対して順次変化しながらＹ軸方向に一定の速度で移動しているウェハ１を照明する。
【００５０】
レーザで照明されたウェハ１からの反射光は、対物レンズ１１で集光されて偏光素子群１０を通過してイメージセンサ１３に達し、イメージセンサ１３上にウェハ１の像が結像される。
【００５１】
ここで、前記したように、イメージセンサ１３は、時間遅延積分型のイメージセンサで、１次元イメージセンサを多段に接続した構造をしており、各段の１次元イメージセンサで検出した信号を順次後段の１次元イメージセンサに転送して信号を加算する構成となっており、この転送のタイミングは、ステージ位置センサで検出したＹステージ５１の移動に同期させる。
【００５２】
イメージセンサ１３でウェハ１の像を撮像して得た濃淡画像信号１３ａは、Ａ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換され、階調変換器１５で、プロセスで半導体ウェハ等の被検査対象物１上に形成された薄膜と、レーザ光が干渉して生じた画像の明るさむらを補正する。階調変換器１５で処理された信号は分岐されて、一方は遅延メモリ１６に記憶され、他方は、比較器１７に入力される。
【００５３】
比較器１７では、階調変換器１５から出力された信号である比較画像Ｉiと遅延メモリ１６に記憶された一つ前（隣接チップまたは隣接パターン）に検出した信号である参照画像Ｉrとが位置合せ回路１７１に入力され。位置合せ回路１７１では、比較画像Ｉiと参照画像Ｉrとの位置ずれ量が求められ、このずれが補正される。
【００５４】
位置合せ回路１７１からは、互いの位置ずれが補正された比較画像Ｉiと参照画像Ｉrとが出力され、差画像検出回路１７２に入力されて、両画像間の差画像Ｉdが求められる。この求められた差画像Ｉdは、不一致検出回路１７３に送られて予め設定されたしきい値と比較され、このしきい値よりも大きい部分が欠陥として検出され、この欠陥情報は、次の特徴抽出回路１７４に送られる。
【００５５】
特徴抽出回路１７４では、不一致検出回路１７３で検出された欠陥の面積や長さ、座標などの情報を抽出し、中央処理装置１９へ出力する。欠陥の情報を受けた中央処理装置１９は、この欠陥情報を記憶手段２０に記憶すると共に、欠陥情報として表示手段２１の画面上に表示する。ここで、図１及び図３には記載していないが、階調変換器１５から出力されて位置合せ回路１７１で位置ずれが補正された比較画像Ｉiも中央処理装置１９に入力されて記憶手段２０に記憶されると共に、必要に応じて表示手段２１の画面上に欠陥を含む画像として表示される。また、記憶手段２０に記憶された欠陥に関する情報は、出力手段２２から通信回線を介して他の装置、例えば欠陥を詳細に観察するレビュー装置に送信される。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、試料に照射される照明光量を、レーザ光の照射角によって変化させることにより、試料からの反射光強度を照射角に係わらず平均化できる。これにより試料表面の膜厚差による反射光強度の変動を小さくでき、検出画像の明るさむらが押さえられ微小欠陥の検出が可能である。試料の場所によって生じるチップ間での薄膜の膜厚むらによる検査時の光量変動を打ち消すことができるので、高感度な検査を実現することができる効果を奏する。
【００５７】
また、本発明によれば、検査によって突発的な強度変化を検出した場合、工程管理にも適用できる効果を奏する。
【００５８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる欠陥検査装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】（ａ）は、ＴＤＩイメージセンサの概略構成を示す正面図、（ｂ）は、その側面図である。
【図３】図１に示す比較器１７の概略の構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示す本発明によるコヒーレンス低減光学系の概略構成を示す斜視図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１に示すマルチスポット形成手段の概略の構成を示す斜視図である。
【図６】図４に示す本発明によるコヒーレンス低減光学系での瞳上でのレーザ走査状態を説明する図である。
【図７】本発明による対物レンズへのレーザ走査状態を説明する図である。
【図８】照明光の入射角による薄膜干渉を説明する模式図である。
【図９】本発明による照明光の透過率を制御する濃度調節手段の概略構成を示す説明図である。
【図１０】本発明による照明光の透過率を制御する光学系の概略構成を説明する斜視図である。
【図１１】照明光の入射角による薄膜干渉を説明する模式図である。
【図１２】照射角度の違いによる干渉強度を説明する曲線図である。
【図１３】本発明によるコヒーレンス低減光学系の他の一実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…試料、２…ステージ、３…レーザ光源、４…ミラー、５…ビームエキスパンダ、６…コヒーレンス低減光学系、７…レンズ、８…濃度フィルタ、９…偏光ビームスプリッタ、１０…偏光素子群、１１…対物レンズ、１１ａ…瞳、１２…結像レンズ、１３…イメージセンサ、１４…A/D変換器、１５…階調変換器、１６…遅延メモリ、１７…比較器、１９…中央処理装置(CPU)、１８…入力手段、２０…記憶装置、２１…表示手段、２２…出力手段、２３…画像処理回路、２５…スクリーン、２６…レンズ、２７…ＴＶカメラ、２９…レンズ、３０…ＴＶカメラ、４０…波形、４１、４４…走査ミラー、５０…拡散板、５１…モータ、６１、６４…モータ、６５…マルチスポット成形器、７１…シリンドリカルレンズアレイ、７２…ロッドレンズ、８８…濃度調節手段、９０…螺旋軌道、１００…ステージ制御回路、２００…位置決め手段、４００…校正板
【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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