(57)【要約】  表面計測、欠陥検査における従来技術では以下の点に配慮がなされていない。（１）空間周波数の刻みの粗さ（２）マイクロラフネスの異方性に起因する検出信号の変化（３）マイクロラフネスの異方性に起因する背景信号の変化。本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性に関する特徴量を得ることを特徴とする。さらに、本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性を考慮して表面の状態を得ることを特徴とする。さらに、本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性を考慮して表面の欠陥を検出することを特徴とする。
2013118543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を試料に照明する照明光学系と、
前記試料からの散乱光を検出する複数の検出光学系と、
前記複数の検出光学系の検出信号とライブラリとを用いて前記試料の連続的な２次元空間周波数スペクトルを得る信号処理系と、を有し、
前記２次元空間周波数スペクトルは交差する２つの空間周波数軸で定義されることを特徴とする表面計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面計測装置において、
前記ライブラリは、既知の表面粗さについて、２次元空間周波数スペクトルと検出信号との関係を記録したものであることを特徴とする表面計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の表面計測装置において、
前記信号処理系は、前記試料のマイクロラフネスに関する特徴量を得ることを特徴とする表面計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の表面計測装置において、
前記特徴量には、前記２次元空間周波数スペクトルの異方性に関する情報が含まれることを特徴とする表面計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の表面計測装置において、
前記２次元周波数スペクトルの異方性に関する情報には、２次元空間周波数スペクトルの異方性の主軸角度が含まれることを特徴とする表面計測装置。
【請求項６】
請求項４に記載の表面計測装置において、
前記２次元周波数スペクトルの異方性に関する情報には、異方性の扁平率が含まれることを特徴とする表面計測装置。
【請求項７】
請求項３に記載の表面計測装置において、
前記特徴量には、所定の２次元空間周波数領域におけるＲＭＳ粗さが含まれることを特徴とする表面計測装置。
【請求項８】
請求項３に記載の表面計測装置において、
前記特徴量には、前記２次元空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数が含まれることを特徴とする表面計測装置。
【請求項９】
請求項３に記載の表面計測装置において、
前記特徴量には、前記２次元空間周波数スペクトルのピーク空間周波数が含まれることを特徴とする表面計測装置。
【請求項１０】
請求項３に記載の表面計測装置において、
前記検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面計測装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の表面計測装置において、
前記信号処理系は、前記複数の検出光学系からの信号それぞれに係数を乗算するステップと、前記係数が乗算された信号を使用して前記試料上の欠陥を検出するステップと、を行い、
前記係数は前記試料の回転に伴う背景信号の変化を打ち消すよう設定されること特量とする表面計測装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の表面計測装置において、
前記信号処理系は、前記欠陥の寸法を得ることを特徴とする表面計測装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の表面計測装置において、
少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は前記試料の入射面に実質的に垂直な平面内にあり、かつ開口は入射面に関して対称であることを特徴とする表面計測装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の表面計測装置において、
少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は前記試料の入射面に実質的に垂直な平面内にあり、かつ開口は入射面に関して対称であり、
少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は入射面に実質的に平行な平面内にあることを特徴とする表面計測装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の表面計測装置において、
前記信号処理系は、前記複数の検出光学系それぞれの検出信号の総和と前記検出信号との比率を得て、前記検出信号総和と前記検出信号比率と前記ライブラリとを用いて前記２次元空間周波数スペクトルを得ることを特徴とする表面計測装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の表面計測装置において、
前記検出光学系は、フーリエ変換光学系を含むことを特徴とする表面計測装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の表面計測装置において、
前記信号処理系は、前記２次元空間周波数スペクトルの異方性の主軸角度、異方性の扁平率、所定の２次元空間周波数領域におけるＲＭＳ（二乗平均平方根）粗さ、前記２次元空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、ピーク空間周波数、及び記試料表面を形成する膜の厚さのうち少なくとも１つを得ることを特徴とする表面計測装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の表面計測装置において、
前記信号処理系は、前記２次元空間周波数スペクトルに対して２次元フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面計測装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の表面計測装置において、
前記信号処理系は、乱数を用いて前記２次元フーリエ逆変換を行うことを特徴とする表面計測装置。
【請求項２０】
請求項１に記載の表面計測装置において、
前記信号処理系は、
前記複数の検出光学系からの信号それぞれに係数を乗算するステップと、前記係数が乗算された信号を使用して前記試料上の欠陥を検出するステップと、を行い、
前記係数は前記試料の回転に伴う背景信号の変化を打ち消すよう設定されること特量とする表面計測装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の表面計測装置において、
前記信号処理系は、前記欠陥の寸法を得ることを特徴とする表面計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板表面の粗さを計測する表面計測装置、及び基板表面の欠陥を検査する検査装置に関する。例えば、本発明は光散乱法を用いる表面計測および検査装置に係り、特に、半導体デバイス製造工程におけるウェハ表面などのマイクロラフネス計測および欠陥検査に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化に伴い、ベアウェハや膜付ウェハの表面のマイクロラフネスが電気特性に大きな影響を与えるようになってきた。マイクロラフネスは、研磨、洗浄、成膜、熱処理、平坦化などのプロセスで発生するので、デバイスの高性能化・歩留まり向上のためには、それぞれのプロセスごとにマイクロラフネスを計測し、プロセス装置の状態やプロセス条件を適正に管理する必要がある。【０００３】
マイクロラフネスの振幅は、サブナノメータからナノメータと非常に小さいので、一般的にはＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて３次元形状を計測している。しかし、ＡＦＭによる計測は長時間を要するので、ウェハ全面のインライン計測は実質的に不可能である。【０００４】
一方、マイクロラフネスは光散乱と相関があることが、従来から知られている。光散乱法を用いるマイクロラフネス計測装置は、例えば米国特許７２８６２１８号公報（特許文献５）に開示されている。その他の先行技術としては、特許文献１乃至４、６及び７が挙げられる。【０００５】
また、半導体デバイスの微細化に伴い、ベアウェハや膜付ウェハの表面において、微小な異物、突起、凹みなどの欠陥に対する検出感度の向上が要求されている。【０００６】
光散乱法を用いる表面検査装置の高感度化のためには、欠陥からの散乱光の検出信号（欠陥信号）を増大させ、マイクロラフネスからの散乱光の検出信号（背景信号）を低減する必要がある。背景信号の低減については、例えば特表２００７−５０１９４４号公報（特許文献８）に、信号処理によるフィルタリングが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平９−５０３２９９号公報
【特許文献２】特開平７−３３３１６４号公報
【特許文献３】特開２０１０−２２３７７０号公報
【特許文献４】特表２００７−５００８８１号公報
【特許文献５】米国特許７２８６２１８号公報
【特許文献６】米国特許５４２８４４２号公報
【特許文献７】特開２００８−２７８５１５号公報
【特許文献８】特表２００７−５０１９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献５では、複数の検出光学系の開口をマイクロラフネスの空間周波数領域に対応付けて、空間周波数領域ごとにＲＭＳ（二乗平均平方根）粗さを評価できるとしている。しかし、空間周波数領域の分割数は検出光学系の数（実施例は６個）と同じなので、空間周波数の刻みが粗いという点には配慮がなされていない。【０００９】
また、散乱光の空間分布はマイクロラフネスの差異に応じて、前方／後方／側方と色々な方向に変化するが、検出光学系の開口に入らない散乱光の変化については、配慮がなされていない。【００１０】
また、エピタキシャル成長ウェハ（以下エピウェハと呼ぶ）の表面では、特定の方向かつ特定の空間周波数において、ステップ・テラス構造があることが、従来から知られている。本発明では、エピウェハのマイクロラフネスについて、ステップ・テラス構造の他に、広い空間周波数領域での異方性が存在することを見出した。そして、この異方性のために、同一のマイクロラフネスにおいても、散乱光の空間分布は照明光の方位に応じて変化してしまうことを見出した。このようなマイクロラフネスの異方性に起因する検出信号の変化ついては、従来技術では配慮がなされていない。【００１１】
また、特許文献８では、背景信号の低空間周波数成分を信号処理により低減できるとしている。しかし、エピウェハのようなマイクロラフネスの異方性に起因する背景信号の光学的な変化については、配慮がなされていない。【００１２】
従来技術では配慮がなされていない課題を整理するなら、例えば以下のように表現することができる。
（１）空間周波数の刻みの粗さ
（２）マイクロラフネスの異方性に起因する検出信号の変化
（３）マイクロラフネスの異方性に起因する背景信号の変化
本発明は、例えば上述した（１）乃至（３）の課題のうち少なくとも１つを解決するものである。そして、本発明の第一の目的は、異方性を有するマイクロラフネスにおいて、表面粗さの高精度計測が可能な表面計測装置とその方法を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、異方性を有するマイクロラフネスがある表面において、欠陥の高感度検出が可能な表面検査装置とその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性に関する特徴量を得ることを特徴とする。【００１４】
本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性を考慮して表面の状態を得ることを特徴とする。【００１５】
本発明は、基板表面のマイクロラフネスの異方性を考慮して表面の欠陥を検出することを特徴とする。【００１６】
より具体的に説明するなら、例えば以下のように表現することもできる。本発明は、表面粗さに関して、直交する空間周波数軸で定義する２次元空間周波数スペクトルを連続的に得ることを特徴とする。【００１７】
本発明は、試料表面に光を照明し、前記試料表面からの散乱光を複数の検出光学系により検出し、前記複数の検出信号から前記試料表面の粗さを計測する表面計測装置において、前記検出光学系の光軸の方向が互いに異なること、前記試料表面の２次元空間周波数スペクトルを算出する処理を含むことを特徴とする。【００１８】
本発明は、前記照明光はスポットビームであり、前記試料の回転移動と直線移動により、前記照明光が前記試料表面を走査することを特徴とする。【００１９】
本発明は、少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は前記試料の入射面に垂直な平面内にあり、かつ開口は入射面に関して対称であることを特徴とする。【００２０】
本発明は、少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は前記試料の入射面に垂直な平面内にあり、かつ開口は入射面に関して対称であり、少なくとも２つの前記検出光学系の光軸は入射面に平行な平面内にあることを特徴とする。【００２１】
本発明は、既知の表面粗さの２次元空間周波数スペクトルと検出信号との関係を予めライブラリに記録し、前記試料表面からの前記検出信号を前記ライブラリと比較し、前記試料表面の２次元空間周波数スペクトルを算出する処理を含むことを特徴とする。【００２２】
本発明は、前記複数の検出信号の総和を計算する処理と、それぞれの検出信号と前記検出信号総和との比率（検出信号比率）を計算する処理とを含むことを特徴とする。【００２３】
本発明は、前記２次元空間周波数スペクトルを用いて、前記試料表面の所定の特徴量を算出する処理を含み、前記試料表面の全体または所定の領域における前記特徴量のマップを出力することを特徴とする。【００２４】
本発明は、前記特徴量は少なくとも、前記２次元空間周波数スペクトルの異方性の主軸角度、または異方性の扁平率、または所定の２次元空間周波数領域におけるＲＭＳ粗さ、または前記２次元空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数、またはピーク空間周波数、または前記試料表面を形成する膜の厚さであることを特徴とする。【００２５】
本発明は、前記試料表面の所定の位置で、前記２次元空間周波数スペクトルを用いて前記試料表面の３次元形状を算出する処理を含み、前記３次元形状を出力することを特徴とする。【００２６】
本発明は、試料表面に光を照明し、前記試料表面からの散乱光を複数の検出光学系により検出し、前記複数の検出信号から前記試料表面の粗さを計測する表面計測方法において、前記検出光学系の光軸の方向が互いに異なること、前記試料表面の２次元空間周波数スペクトルを算出する処理を含むことを特徴とする。【００２７】
本発明は試料表面に光を照明し、前記試料表面からの散乱光を複数の検出光学系により検出し、前記複数の検出信号を処理して前記試料表面の欠陥を検出する表面検査装置において、前記複数の検出信号に重み係数を乗じるステップと、前記ステップの出力を加算して信号総和を得るステップとを含み、前記重み係数は前記試料表面の極座標系における偏角の関数であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は以下の効果のうち少なくとも１つを奏する。
（１）基板表面の詳細な状態を得ることができる。この効果をより分かりやすく表現するなら、例えば、散乱光の空間分布を検出し、２次元空間周波数スペクトルを算出することにより、異方性を有するマイクロラフネスの高精度計測が可能になると表現することもできる。
（２）欠陥の高感度検出が可能となる。この効果をより分かりやすく表現するなら、例えば、ウェハ上の検査位置の偏角に応じて検出信号に重みを乗じることにより、異方性を有するマイクロラフネスのある表面において、欠陥の高感度検出が可能になると表現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る表面計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係る表面計測のフローを示す図である。
【図３】本発明に係る表面計測装置の実施例１における、一組の検出光学系と光検出器を示す図である。
【図４】ウェハの回転と直線移動を示す図である。
【図５】マイクロラフネスのＡＦＭ計測値の一例を示す図である。
【図６】２次元空間周波数スペクトルの等高線を示す図である。
【図７】異方性の主軸方向と散乱光分布の関係を説明する図である。
【図８】異方性の扁平率と散乱光分布の関係を説明する図である。
【図９】空間周波数成分と散乱光分布の関係を説明する図である。
【図１０】本発明に係る表面検査装置の実施例１における、検出光学系の配置を示す図である。
【図１１】異方性ＡＢＣ型関数で表した２次元空間周波数スペクトルの一例を示す図である。
【図１２】異方性ＡＢＣ型関数で表した２次元空間周波数スペクトルの算出フローを示す図である。
【図１３】ウェハ全面におけるＲＭＳ粗さのマップの一例を示す図である。
【図１４】３次元形状の出力の一例を示す図である。
【図１５】実施例２における、検出光学系の配置を示す図である。
【図１６】実施例３における、一組の検出光学系と光検出器を示す図である。
【図１７】従来の表面検査装置の信号処理を示す図である。
【図１８】従来の表面検査装置における、検査位置の偏角と信号総和の関係を説明する図である。
【図１９】実施例４における信号処理を示す図である。
【図２０】実施例４における検出信号の重み係数の一例を示す図である。
【図２１】実施例４における検査位置の偏角と信号総和の関係を説明する図である。
【図２２】実施例４における粒径換算を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００３１】
本発明の一実施例として、半導体デバイス製造におけるウェハ表面のマイクロラフネスの計測装置について説明する。表面計測装置の概略構成を図１に示す。主な構成要素は、ウェハ１を搭載するステージ２、光源３、レンズ、ミラー等を有する照明光学系４、レンズ、ミラー等を有する検出光学系５１〜５９（５３〜５９は図示しない）、検出光学系５１〜５９によって集光された光を検出する光検出器６１〜６９（６３〜６９は図示しない）、信号処理系７、制御系８、および操作系９である。なお、検出光学系５１〜５９は、ウェハ１に対して仰角、及び方位角のうち少なくとも１つが異なるように配置される。それに伴い、光検出器６１〜６９もウェハ１に対して仰角、及び方位角のうち少なくとも１つが異なるように配置されている。【００３２】
次に図２を用いて、本実施例での表面計測のフローについて説明する。光源３から放射される所定の波長の光を、偏光フィルタ（図示しない）により所定の偏光とする。光源３からの光は、レンズ、ミラー等を含む照明光学系４を通過する。そして照明光学系４を通過した光は、所定の入射角と所定の方位（照明光の方向のウェハ表面への投影）でウェハ１を照明し、その結果ウェハ１上には所定のサイズのスポットビームが形成される。照明光の方位とウェハ上のスポットビーム位置は、空間に対して固定である。照明光の方位は、例えば、スポットビーム位置とウェハ中心とを結ぶ直線に平行である。ここまでの動作は図２のステップ２００として表現される。【００３３】
スポットビームの照明により、ウェハ１表面のマイクロラフネスによる散乱光が発散する。検出光学系５１〜５９により、散乱光を集光し、光検出器６１〜６９で検出する。この動作は図２のステップ２０１に含まれる。【００３４】
ここで、検出光学系５１〜５９が行う集光動作について説明する。図３は、一組の検出光学系と光検出器による散乱光検出を示すものである。本実施例では、ウェハ１表面からの正反射光は検出しないように、検出光学系５２、及び光検出器６２を配置している。つまり、ウェハ１上のスポットビームの暗視野像を結像することになる。前述したように検出光学系５１〜５９は、ウェハ１に対して仰角、及び方位角のうち少なくとも１つが異なるように配置されている、つまり、検出光学系５１〜５９の光軸の方向は互いに異なるので、検出信号の集合は散乱光の空間分布（以下散乱光分布と呼ぶ）を反映していることになる。このことは、本実施例の表面計測装置では、マイクロラフネスからの散乱光分布を得ることができることを示している（図２のステップ２０１）。【００３５】
検出された信号はＡＤ変換器（図示しない）によりデジタル信号に変換され、信号処理系７に伝送される。制御系８は、検出信号を取得しつつ、スポットビームがウェハ全面または所定の領域を走査するように、ステージ２を移動する。ステージ２は、直線移動ステージの上に、回転ステージを搭載したものである。【００３６】
ここで、スポットビームとウェハ１間で行われる走査動作について説明する。本実施例では、図４に示すように、ウェハ１はステージ２によって矢印４０１の方向（これは照明光の方位に対して実質的に平行な方向と表現することもできる）に直線移動し、矢印４０２の方向に回転する。したがって、ウェハ１上のスポットビームの軌跡は、らせん状になる。信号処理系７はウェハ１上の計測位置を、ウェハ１の中心を原点とする極座標系（半径と偏角とで表現される座標系）で記憶する。偏角は、ウェハ１の回転に応じて変化し、ウェハ上に仮想した基準線４０５（例えば、ノッチ４０４とウェハ中心とを通る半直線）を基準に表現できる。以上の走査動作により、ウェハ１上の位置座標と検出信号とは順次、信号処理系７に蓄積されることになる。この動作は図２のステップ２０２に含まれる。【００３７】
そして、ウェハ１の全面または所定の領域の走査終了後（ステップ２０２）、以降の処理を信号処理系７は行う。信号処理系７の内部にはライブラリを保存した記憶媒体があり、このライブラリには、例えば、多数の既知のマイクロラフネスについて、２次元空間周波数スペクトルと散乱光分布を得る際の光学条件における検出信号との関係が記録されている。信号処理系７は、検出した散乱光分布とこのライブラリ内のデータとを参照することで２次元空間周波数スペクトルを得る。より具体的には、信号処理系７は、検出した検出信号とライブラリ内の検出信号とを比較し、最も類似している検出信号について、２次元空間周波数スペクトルを得る（ステップ２０３）。【００３８】
ここで、２次元周波数スペクトルについて説明する。２次元空間周波数スペクトルとは、表面形状を３次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で表現したとき、高さＺを（Ｘ、Ｙ）に関して２次元フーリエ変換し、その振幅の絶対値を二乗して得られるパワーと表現することができる。つまり、２次元空間周波数スペクトルは、Ｘ方向とＹ方向という交差する２つの（より具体的には、直交する）空間周波数軸で定義される。なお、２次元空間周波数スペクトルの詳細については後述するが、本実施例で得られる２次元空間周波数スペクトルは図１１のように、２次元の空間周波数軸において連続的なものとなる。【００３９】
次に、２次元空間周波数スペクトルを得た後、信号処理系７は、２次元空間周波数スペクトルを用いてマイクロラフネスの特徴量を算出し（ステップ２０４）、制御系８に伝送する。なお、特徴量の詳細については後述する。そして、ウェハ全面または所定の領域の特徴量を算出後、特徴量のマップを操作系９に表示する（ステップ２０５）。【００４０】
本実施例の光源３については、可視光領域、紫外光領域、および遠紫外光領域のレーザや発光ダイオードなどの単一波長光源を使用できる。また、水銀ランプやキセノンランプなどの連続波長光源も使用できる。連続波長光源の場合、試料表面に応じて、波長フィルタにより単一波長光を選択できる。【００４１】
また、前記実施例の照明光の偏光については、ｓ偏光、ｐ偏光、円偏光、楕円偏光などを、試料表面に応じて選択できる。照明光のスポットビームサイズについては、計測位置の必要な空間分解能に応じて選択できる。照明光の入射角については、試料表面に応じて、斜入射から直入射まで選択できる。【００４２】
また、前記実施例の照明光学系４と検出光学系５１〜５９については、レンズから成る屈折型、ミラーから成る反射型、ミラーとレンズを組み合わせた反射・屈折型、およびフレネルゾーンプレートなどの回折型を使用できる。【００４３】
また、前記実施例の光検出器６１〜６９については、光電子増倍管、マルチピクセルフォトンカウンター、アバランシェフォトダイオードアレイなどを使用できる。【００４４】
また、前記実施例のライブラリについては、テストウェハを用いて作成できる。テストウェハとは、研磨、洗浄、成膜、熱処理、平坦化などのプロセスにおいて、プロセス条件を意図的に変えて作製したものである。テストウェハ表面のサンプリング位置で、ＡＦＭを用いてマイクロラフネスを計測し、２次元空間周波数スペクトルを算出する。そして、テストウェハを本実施例の表面計測装置に搭載し、前記サンプリング位置で検出信号を取得する。このように、既知のマイクロラフネスについて、２次元空間周波数スペクトルと検出信号との関係を記録できる。【００４５】
また、前記実施例のライブラリについては、数値シミュレーションを用いて作成することもできる。まず、任意のマイクロラフネスに対応する、２次元空間周波数スペクトルを定義する。次に、２次元空間周波数スペクトルと表面材料の複素屈折率や膜厚、および照明条件（例えば、照明光の波長、偏光、入射角、方位角等）を入力データとし、ＢＲＤＦ法（Bidirectional Reflectance Distribution Function）などを用いて、散乱光分布を計算する。そして、散乱光分布の計算値を用いて、検出光学系が集光する散乱光の強度（検出信号に比例）を計算する。このように、数値シミュレーションにより、テストウェハを用いなくても、多数の２次元空間周波数スペクトルと検出信号との関係を、ライブラリに記録できる。【００４６】
次に、本実施例の表面計測装置により、異方性を有するマイクロラフネスの計測精度が向上するメカニズムを説明する。【００４７】
図５は、異方性を有するマイクロラフネスのＡＦＭ計測値の一例を、粗さの振幅が大きい方向と小さい方向で示す。図５（ａ）は基板上のある方向（ここでは便宜的にＸ方向とする）でのマイクロラフネスを表現している。図５（ｂ）はＸ方向と交差（より具体的には直交）する方向でのマイクロラフネスを表現している。図５では、図５（ａ）の状態が、図５（ｂ）の状態よりも粗さが大きいことを表現している。このように、ある平面内の２つの方向について、マイクロラフネスが異なる度合いをマイクロラフネスの異方性と表現することができる。一般に、異方性を有するマイクロラフネスは、色々な方向の色々な空間周波数の粗さの集合と見ることができる。２次元空間周波数スペクトルは、２次元の空間周波数軸において、粗さの振幅に関係する量を表したものである。【００４８】
本実施例では、２次元空間周波数スペクトルが最大の方向を、以下の説明では、異方性の主軸と呼ぶ。多くの場合、主軸に直交する方向で、２次元空間周波数スペクトルは最小である。【００４９】
また、一定の空間周波数において、２次元空間周波数スペクトルの最大値をＰmax、最小値をＰminとするとき、以下の説明では、「１−（Ｐmin／Ｐmax）」を異方性の扁平率と呼ぶ。扁平率は０以上１以下であり、扁平率が大きいほど異方性は著しい。つまり、主軸の方向を得ることで２次元空間周波数スペクトルが最大の方向、最小の方向を知ることができる。また、異方性の扁平率を得ることで異方性の程度を知ることができる。【００５０】
図６は、異方性を有するマイクロラフネスについて、２次元空間周波数スペクトルを等高線表示したものである。以下、異方性を有するマイクロラフネスについて、２次元空間周波数スペクトルと散乱光分布との関係を説明する。本実施例では、前述したようにウェハ１を一方向から照明しながら、ステージ２によってウェハ１を回転させる。したがって、ウェハ１の回転に伴い、異方性の主軸方向は、照明光の方位に対して変化する。【００５１】
図７は、異方性の主軸方向と散乱光分布との関係を示したものである。散乱光分布の表示方法は、天球面上の強度分布をウェハ表面に平行な平面に投影したものであり、濃淡の階調が明るいほど強度は大きいことを示している。散乱光分布は、異方性の主軸方向に応じて変化することが分かる。例えば、照明光の方向とウェハ表面の法線とを含む平面を入射面と定義するなら、図７（ａ）の状態（入射面と主軸方向とが平行である状態）と図７（ｂ）（ｃ）（ｄ）の状態を比較すると、散乱光の強度分布は特に、入射面に垂直な方向で、大きく変化している。また、異方性の主軸が照明光の方位に対して平行または垂直のとき、散乱光分布は入射面に関して対称になる。【００５２】
図８は、異方性の扁平率と散乱光分布との関係を示す。ここで、異方性の主軸は照明光の方位に対して平行としている。扁平率が大きい場合（図８（ｂ）の状態）、扁平率が小さい場合（図８（ａ）の状態）に比べて、散乱光の強い領域は入射面に片寄ることが分かる。つまり、異方性の扁平率が変化すると、散乱光分布は入射面に垂直な方向で大きく変化するのである。【００５３】
図９は、マイクロラフネスの空間周波数成分と散乱光分布との関係を示す。ここで、異方性の主軸は照明光の方位に対して平行としている。高空間周波数成分が大きい場合（図９（ｂ）の状態）は、低空間周波数成分が大きい場合（図９（ａ）の状態）に比べて、散乱光の強い領域は照明光の進行方向に対して後方に片寄ることが分かる。つまり、マイクロラフネスの空間周波数特性が変化すると、散乱光分布は入射面に平行な方向で大きく変化するのである。【００５４】
図７乃至図９の説明をまとめると以下のように表現することができる。
（１）異方性の主軸方向が変化すると、散乱光分布は入射面に垂直な方向で大きく変化する。
（２）異方性の扁平率が変化すると、散乱光分布は入射面に垂直な方向で大きく変化する。
（３）マイクロラフネスの空間周波数特性が変化すると、散乱光分布は入射面に平行な方向で大きく変化する。【００５５】
つまり、散乱光分布の入射面に対する方向に着目すれば、異方性を有するマイクロラフネスに関する情報が得られるということである。【００５６】
このような異方性の差異と空間周波数特性の差異による散乱光分布の変化を検出するために、本実施例の検出光学系５１〜５９の各検出開口１０１〜１０９は、図１０のように配置される（天球面上の開口をウェハ表面に平行な平面に投影表示）。検出光学系５６〜５９の各検出開口１０６〜１０９の中心、すなわち検出光学系の光軸は、入射面に垂直な平面内にある。これは、他の表現としては、入射面に垂直な平面のウェハ表面への投影線は、ウェハ表面に投影される検出開口１０６〜１０９の投影像を、通過すると表現することもできる。さらに、検出開口１０６と１０９は入射面に関して対称とし、検出開口１０７と１０８は入射面に関して対称としている。異方性の主軸方向または扁平率が変化すると、散乱光分布は入射面に垂直な方向で大きく変化するので、上記の配置により散乱光分布の変化を敏感に検出できる。【００５７】
一方、検出光学系５１〜５５の各検出開口１０１〜１０５の中心、すなわち検出光学系の光軸は、入射面内にある。これは、他の表現としては、入射面のウェハ表面への投影線は、ウェハ表面に投影される検出開口１０１〜１０５の投影像を、通過すると表現することもできる。空間周波数特性が変化すると、散乱光分布は入射面に平行な方向で大きく変化するので、上記の配置により散乱光分布の変化を敏感に検出できる。【００５８】
以上のように検出光学系５１〜５９をマイクロラフネスの異方性に関する情報を考慮した形で配置することにより、２次元空間周波数スペクトルにおける異方性の変化と空間周波数特性の変化を、敏感に捉えることが可能である。したがって、異方性を有するマイクロラフネスの計測精度が向上する。【００５９】
次に、異方性を有するマイクロラフネスの２次元空間周波数スペクトルの算出（図２のステップ２０３）について詳細に説明する。一般に、２次元空間周波数スペクトルは、いくつかのパラメータを含む関数で近似的に表すことができる。典型的な例として、異方性ＡＢＣ型関数Ｐ（ｆ、θ）について説明する。この関数は、従来から知られているＡＢＣ型関数Ｐ0（ｆ）に、異方性を表す重み関数Ｗ（θ）を付加したものである。定義を式（１）〜（５）に示す。【００６０】
ｆ＝（ｆX2＋ｆY2）1/2                              …（１）
θ＝tan-1（ｆY／ｆX）                              …（２）
Ｐ0（ｆ）＝Ａ／（１＋（Ｂ×ｆ）2）C/2              …（３）
Ｗ（θ）＝ε／（２−ε）×cos（２（θ−α））＋１  …（４）
Ｐ（ｆ、θ）＝Ｐ0（ｆ）×Ｗ（θ）                  …（５）
ここで、ｆXとｆYはそれぞれＸ方向とＹ方向の空間周波数である。Ａは低空間周波数側のパワー、Ｂはカットオフ空間周波数の逆数、Ｃは高空間周波数側の傾きに関係する。また、αは異方性の主軸がＸ方向の空間周波数軸となす角、εは扁平率である。【００６１】
図１１は、異方性ＡＢＣ型関数で表した２次元空間周波数スペクトルの一例を示す。２次元空間周波数スペクトルの算出は、異方性に関するパラメータα、εと、空間周波数特性に関するパラメータＡ、Ｂ、Ｃを求めることに帰着する。【００６２】
図１２は、異方性ＡＢＣ型関数で表した２次元空間周波数スペクトルの算出フローを示す。ここでは、ウェハ上の各計測位置で、異方性の主軸方向はウェハの基準線に対して一定とする。また、直交座標系のＸ方向は、基準線（極座標系の偏角０°）に対応させる。まず、図２のステップ２０２の後、ウェハ１上の各計測位置において、検出器の全ての検出信号の総和を計算する（ステップ１２０１）。【００６３】
次に、それぞれの検出信号と検出信号総和との比率、すなわち検出信号比率を計算する（ステップ１２０２）。【００６４】
そして、入射面に関して対称な２つの検出器（図１０で説明するなら検出光学系５６の光検出器６６と検出光学系５９の光検出器６９との組み合わせ、検出光学系５７の光検出器６７と検出光学系５８の光検出器６８との組み合わせ）について、両者の検出信号比率が等しくなる偏角を抽出する。抽出された偏角（ウェハ３６０°回転当たり４通り）の方向に対して、異方性の主軸は平行または垂直である。そこで、ライブラリを参照し、異方性の主軸と平行な偏角を算出する。この偏角が、異方性の主軸がＸ方向となす角αである（ステップ１２０３）。【００６５】
次に、任意の偏角φにおいて、異方性の主軸と照明光の方位のなす角は、φ−αで与えられる。そこで、角度φ−αにおける検出信号比率を対応するライブラリと比較し、異方性の扁平率εを算出する（ステップ１２０４）。【００６６】
次に、角度φ−α、扁平率εにおける検出信号比率を対応するライブラリと比較し、空間周波数特性のパラメータＢ、Ｃを算出する（ステップ１２０５）。【００６７】
最後に、角度φ−α、扁平率ε、パラメータＢ、Ｃにおける検出信号総和を対応するライブラリと比較し、パラメータＡを算出する（ステップ１２０６）。【００６８】
上記のパラメータα、ε、Ａ、Ｂ、Ｃの算出は、最小二乗法などの数値計算により行うことができる。このように、２次元空間周波数スペクトルを関数で近似し、少数のパラメータで表現することにより、データ容量を圧縮できるので、全部の計測位置の２次元空間周波数スペクトルデータを保存できる。【００６９】
以上の実施例では、異方性ＡＢＣ型関数の全部のパラメータを算出したが、プロセスによっては、プロセス装置の状態やプロセス条件が変化しても、ほとんど変化しないパラメータがある。この場合、当該プロセスでは、変化が小さいパラメータは固定値とし（算出を省略）、変化が大きいパラメータだけを算出しても良い。例えば、テストウェハのＡＦＭ計測の結果、パラメータα、ε、Ｂ、Ｃはほとんど変化しないが、パラメータＡは変化が大きいとする。この場合、パラメータα、ε、Ｂ、Ｃは固定値とし、パラメータＡだけを算出しても良い。【００７０】
また、本実施例では、式（１）〜（５）で定義した異方性ＡＢＣ型関数について説明したが、計測対象のマイクロラフネスに応じて、他の適切な関数を使用しても良い。【００７１】
次に、マイクロラフネスの特徴量の算出と出力について説明する。オペレータは、操作系９の表示装置、入力装置を使ってプロセスに応じて注目する特徴量を選択する。信号処理系７は選択された特徴量を算出する。ここで特徴量とは例えば、２次元空間周波数スペクトルの異方性の主軸角度（主軸が図４のウェハの基準線４０５に対してなす角）、異方性の扁平率、所定の２次元空間周波数領域におけるＲＭＳ粗さ、２次元空間周波数スペクトルのカットオフ空間周波数やピーク空間周波数などである。ＲＭＳ粗さは、２次元空間周波数スペクトルを当該空間周波数領域で積分して得られる。本実施例では、空間周波数の連続関数として、２次元空間周波数スペクトルを算出しているので、当該空間周波数領域は任意に設定できる。【００７２】
図１３は、ウェハ全面におけるＲＭＳ粗さのマップの一例を示す。ＲＭＳ粗さのマップにより、プロセス装置の状態やプロセス条件が適正か否かが判明する。【００７３】
また、カットオフ空間周波数やピーク空間周波数は、２次元空間周波数スペクトルの解析により算出する。本実施例では、空間周波数の連続関数として、２次元空間周波数スペクトルを算出しているので、高い空間周波数分解能にて解析できる。カットオフ空間周波数のマップにより、どのくらい高い空間周波数の粗さが存在しているかが判明する。また、ピーク空間周波数のマップにより、ステップ・テラス構造のような特定方向かつ特定空間周波数の粗さが存在するかが判明する。【００７４】
次に、マイクロラフネスの３次元形状の算出と出力について説明する。オペレータは、前記の特徴量のマップを参照して、ウェハ上の注目する位置を指定する。また、オペレータは、注目する空間周波数領域を指定する。信号処理系７は、当該位置の２次元空間周波数スペクトルを用いて、当該空間周波数領域で２次元フーリエ逆変換を行い、３次元形状の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を算出する。本実施例では、空間周波数の連続関数として、２次元空間周波数スペクトルを算出しているので、当該空間周波数領域は任意に設定できる。座標データは操作系９に伝送され、指定位置の３次元形状が出力される。図１４は、マイクロラフネスの３次元形状の出力の一例を示す。このような表示により、オペレータはマイクロラフネスを視覚的に認識できる。【００７５】
ここで、２次元フーリエ逆変換を行うには、振幅と位相が必要であるが、２次元空間周波数スペクトルに位相情報は含まれていない。しかし、マイクロラフネスの位相はランダムなので、乱数を発生させて位相を与えることができる。つまり、信号処理系７が３次元形状を得るフローは、以下のとおりである。
（１）２次元空間周波数スペクトル（パワー）の平方根を、振幅Ｕとする。
（２）位相δ（０〜２πの範囲）を一様乱数で発生させる。
（３）複素振幅Ｕ×（cosδ＋ｉ×sinδ）を２次元フーリエ逆変換する。【００７６】
なお、ウェハ１はベアウェハでも膜付きウェハでも良い。膜付きウェハで膜が透明の場合、膜と基板との界面のマイクロラフネスや膜の厚さも計測できる。【００７７】
本実施例によれば、例えば、散乱光の空間分布を検出し、２次元空間周波数スペクトルを算出することにより、異方性を有するマイクロラフネスの高精度計測が可能になる。
【実施例２】
【００７８】
次に、実施例２について説明する。実施例２は、実施例１に対して、検出可能な空間周波数領域を拡大するものである。【００７９】
図１５は、検出光学系の配置を示す（天球面上の開口をウェハ表面に平行な平面に投影）。実施例２は、１３個の検出光学系と、それらに対応した１３個の光検出器を有する。すなわち、実施例１に対して、検出開口１１０〜１１３が追加されている。検出開口１１０と１１１は入射面に関して対称とし、検出開口１１２と１１３は入射面に関して対称としている。【００８０】
このような検出光学系の配置により、検出可能な空間周波数領域を拡大することができる。その結果、２次元空間周波数スペクトルの変化を敏感に捉えることが可能となり、異方性のマイクロラフネスの計測精度が向上する。
【実施例３】
【００８１】
次に、実施例３について説明する。実施例３は、実施例１及び実施例２に対して、検出可能な空間周波数の分解能を向上させるものである。【００８２】
図１６は、一組の検出光学系と光検出器による散乱光検出を示す。ウェハ１に対して照明光１６０１を照射する点は、実施例１及び実施例２と同様である。実施例３では、実施例１及び実施例２で言及した検出光学系を、フーリエ変換光学系１６０２に置換している。フーリエ変換光学系１６０２は、ウェハから発散する散乱光１６０３を集光し、平行光１６０４を射出する。そして、平行光を２次元センサ１６０５により検出する。２次元センサとしては、電荷結合素子（ＣＣＤ）、時間遅延積分センサ（ＴＤＩ）、マルチピクセルフォトンカウンター、アバランシェフォトダイオードアレイなどを使用できる。２次元センサにより散乱光を検出した後、実施例１及び２と同様の信号処理が施される。【００８３】
実施例３では、一組の検出光学系と光検出器においても、散乱光の空間分布を検出できるので、表面計測装置の空間周波数分解能をさらに向上させることができる。その結果、２次元空間周波数スペクトルの変化を敏感に捉えることが可能となり、異方性のマイクロラフネスの計測精度が向上する。【００８４】
以上の実施例１〜３に詳述したように、本発明の表面計測装置により、半導体製造プロセスにおけるウェハ表面のマイクロラフネスを高精度で計測し、プロセス装置の状態やプロセス条件を適正に管理できる。【００８５】
また、本発明の表面計測装置は、磁気記憶媒体などの表面のマイクロラフネスの計測にも広く適用可能である。
【実施例４】
【００８６】
本発明の他の実施例として、半導体デバイス製造におけるウェハ表面の欠陥検査装置について説明する。【００８７】
表面検査装置の構成は、図１に示した表面計測装置と基本的に同じである。以下、共通部分の説明は省略し、信号処理系７のみ説明する。【００８８】
図１７は、従来の表面検査装置における欠陥検出の信号処理を示す。複数の検出光学系により取得した検出信号Ｓ1、Ｓ2、…、Ｓnを加算し、信号総和を得る。一方、マイクロラフネスからの背景信号を参照し、適切な閾値を設定する。そして、信号総和と閾値を比較し、信号総和が閾値より大きい場合、検査位置に欠陥があると判定する。ところが、マイクロラフネスに異方性がある場合、図７に示したように、異方性の主軸方向と照明光の方位とのなす角に応じて、散乱光分布が変化する。このため、ウェハ面内でマイクロラフネスが同一でも、ウェハの回転に伴い、背景信号が変化してしまう。図１８は、ウェハ１回転における、検査位置の偏角と信号総和の関係を示す。この場合、閾値は背景信号の最大値より大きく設定する必要があるので、欠陥を検出できない。【００８９】
図１９は、本実施例の表面検査装置の信号処理系７が行う欠陥検出の信号処理を示す。信号処理系７内の重み乗算部１９０１では複数の検出光学系により取得した検出信号Ｓ1、Ｓ2、…、Ｓnに、それぞれ重み係数Ｗ1、Ｗ2、…、Ｗnを乗じる。重み係数は、検査位置の偏角の関数であり、ウェハ１の回転に伴う背景信号の変化を打ち消すように設定されている。加算部１９０２では、重み乗算部１９０１の結果を加算し、信号総和を得る。比較部１９０３では、信号総和と閾値とを比較する。信号総和が閾値より大きければ、その信号総和は欠陥であると認識される。比較部１９０３は、欠陥の位置をウェハ１内の極座標と対応付けて保存する。【００９０】
図２０は、入射面に関して対称な２つの検出光学系による検出信号Ｓi、Ｓjに対して、重み係数Ｗi、Ｗjの一例を示す。このように、重み係数は各検出信号ごとに異なる。そして、Ｓ1×Ｗ1、Ｓ2×Ｗ2、…、Ｓn×Ｗnを加算し、信号総和を得る。【００９１】
図２１は、本実施例の表面検査装置について、ウェハ１回転における、検査位置の偏角と信号総和の関係を示す。従来の表面検査装置に比べ、背景信号の最大値が小さいので、閾値を小さく設定できる。一方、欠陥信号は従来の表面検査装置と同じである。この結果、従来の表面検査装置で見逃した欠陥を検出することができる。【００９２】
さらに、本実施例の表面検査装置では、図２２に示す通り比較器１９０３の後段に粒径解析部１９０４を設けることも可能である。粒径解析部１９０４では、欠陥と判断された位置の信号総和と換算関数１９０５とを比較することで欠陥の粒径を得る。なお、この換算関数は、例えば大きさが既知のポリスチレンラテックスの球等の標準粒子を塗布した鏡面ウェハを本実施例の表面検査装置で検査することで得られるものである。なお、粒径を換算できるものであれば上述した換算関数でなくても良い。【００９３】
本実施例によれば、例えば、ウェハ上の検査位置の偏角に応じて検出信号に重みを乗じることにより、異方性を有するマイクロラフネスのある表面において、欠陥の高感度検出が可能になる。また、異方性を有するマイクロラフネスのある表面上の欠陥においても、その粒径をより正確に得ることができる。【００９４】
以上の実施例４に詳述したように、本発明の表面検査装置により、半導体製造プロセスにおけるウェハ表面の欠陥を高感度で検出し、プロセス装置の状態やプロセス条件を適正に管理できる。また、本発明の表面検査装置は、磁気記憶媒体などの表面の欠陥検査にも広く適用可能である。
【符号の説明】
【００９５】
１  ウェハ
２  ステージ
３  光源
４  照明光学系
７  信号処理系
８  制御系
９  操作系
５１、５２  検出光学系
６１、６２  光検出器
【図１】
2013118543.tif 000003
【図２】
2013118543.tif 000004
【図３】
2013118543.tif 000005
【図４】
2013118543.tif 000006
【図５】
2013118543.tif 000007
【図６】
2013118543.tif 000008
【図７】
2013118543.tif 000009
【図８】
2013118543.tif 000010
【図９】
2013118543.tif 000011
【図１０】
2013118543.tif 000012
【図１１】
2013118543.tif 000013
【図１２】
2013118543.tif 000014
【図１３】
2013118543.tif 000015
【図１４】
2013118543.tif 000016
【図１５】
2013118543.tif 000017
【図１６】
2013118543.tif 000018
【図１７】
2013118543.tif 000019
【図１８】
2013118543.tif 000020
【図１９】
2013118543.tif 000021
【図２０】
2013118543.tif 000022
【図２１】
2013118543.tif 000023
【図２２】
2013118543.tif 000024
【国際調査報告】
2013118543.tif 000025
2013118543.tif 000026
2013118543.tif 000027
2013118543.tif 000028