(57)【要約】【課題】表面に透明薄膜が形成された基板等の試料において、透明薄膜の上面の微小な異物、キズ等の欠陥を高感度且つ高速に検査することができる欠陥検査装置を提供する。【解決手段】本発明の欠陥検査装置によると、照明光学系は、試料の表面の法線に対して所定の入射角を有する検査用照明光を試料表面に照射し、試料表面にスリット状のビームスポットを生成する。試料の表面に対して所定の傾斜角にて傾斜した光軸を有する斜方検出系と試料の表面の法線に沿った光軸を有する上方検出系によって、ビームスポットからの光を検出する。斜方検出系と上方検出系の出力によって、試料の表面の透明薄膜上の欠陥を検出する。検査用照明光の入射角は、試料の表面の透明薄膜下面にて反射した反射光が透明薄膜上面にて全反射するときの入射角より僅かに小さい角度である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料をｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向及びｚ軸周りに移動させるステージと、試料の表面の法線に対して所定の入射角を有する検査用照明光を試料表面に照射し試料表面にスリット状のビームスポットを生成する照明光学系と、試料の表面に対して所定の傾斜角にて傾斜した光軸を有し上記ビームスポットからの光を検出する斜方検出系と、試料の表面の法線に沿った光軸を有し上記ビームスポットからの光を検出する上方検出系と、上記斜方検出系と上記上方検出系の出力を入力し試料の表面の透明薄膜上の欠陥を検出する信号処理系と、を有し、上記検査用照明光の入射角は、試料の表面の透明薄膜下面にて反射した反射光が透明薄膜上面にて全反射するときの入射角より僅かに小さい角度であることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の欠陥検査装置において、上記照明光学系は、上記斜方検出系と対向する方向から検査用照明光を試料表面に照射する第１の照明ビームスポット結像部と、該第１の照明ビームスポット結像部による検査用照明光の方向に対して所定の角度だけずれた方向から検査用照明光を照射する第２の照明ビームスポット結像部と、該第２の照明ビームスポット結像部による検査用照明光の方向に対して所定の角度だけずれた方向から検査用照明光を照射する第３の照明ビームスポット結像部とを有し、上記第１、第２および第３の照明ビームスポット結像部の少なくとも１つを用いて上記ビームスポットを生成することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項３】
請求項１記載の欠陥検査装置において、上記第２および第３の照明ビームスポット結像部による検査用照明光の方向は、上記第１の照明ビームスポット結像部による検査用照明光の方向に対して４５度の角度だけずれた方向であることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項４】
請求項１記載の欠陥検査装置において、上記照明光学系の光軸の傾斜角度と上記斜方検出系の光軸の傾斜角度は、試料の表面の透明薄膜上の欠陥の検出精度に基づいて調整可能であることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項５】
請求項１記載の欠陥検査装置において、上記上方検出系及び上記斜方検出系は、試料上に存在する回路パターンの繰り返しパターンからの回折光を遮光する空間フィルタを有し、該空間フィルタの繰り返し遮光パターンの寸法及び形状を自動的に設定できることを特徴とする欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の異物等の欠陥を検査する欠陥検査装置に関し、特に、半導体製造工程、液晶表示素子製造工程、プリント基板製造工程等、基板上にパターンを形成する工程にて用いて好適な欠陥検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程では、半導体基板（ウェハ）上に異物が存在すると配線の絶縁不良や短絡などの不良の原因になる。さらに半導体素子の微細化に伴い、微細な異物であってもキャパシタの絶縁不良やゲート酸化膜などの破壊の原因にもなる。これらの異物は、搬送装置の可動部から発生するものや、人体から発生するもの、プロセスガスにより処理装置内で反応生成されたもの、薬品や材料に混入していたものなど種々の状態で混入される。
【０００３】
液晶表示素子の製造工程でも、パターン上に異物が混入し、何らかの欠陥が生じると、表示素子として使えないものになってしまう。プリント基板の製造工程でも同様に、異物の混入はパターンの短絡、不良接続の原因になる。
【０００４】
従来、半導体基板上の異物を検出する技術の１つとして、特開昭６２−８９３３６号公報（特許文献１）に記載されているように、半導体基板上にレーザを照射し、半導体基板上に付着している異物からの散乱光を検出し、直前に検査した同一品種の半導体基板の検査結果と比較することにより、パターンによる虚報を無くし、高感度かつ高信頼度にて異物及び欠陥検査を可能にする技術がある。
【０００５】
また、特開昭６３−１３５８４８号公報（特許文献２）に記載されているように、半導体基板上にレーザを照射し、半導体基板上に付着している異物からの散乱光を検出し、この検出した異物をレーザフォトルミネッセンスあるいは２次元X線分析（XMR）などで分析する技術がある。異物を検査する技術として、ウェハにコヒーレント光を照射し、ウェハ上の繰り返しパターンから射出する光を空間フィルタで除去し、繰り返し性を持たない異物や欠陥を強調して検出する方法が開示されている。
【０００６】
また、特開平１−１１７０２４号公報（特許文献３）には、ウェハ上に形成された回路パターンの主要な直線群に対して４５度傾けた方向から照射し、主要な直線群からの０次回折光を対物レンズの開口内に入射させないように構成された異物検査装置が記載されている。特許文献３には、主要な直線群ではない他の直線群を空間フィルタで遮光することも記載されている。また、異物等の欠陥検査装置及びその方法に関する従来技術としては、特開平１−２５０８４７号公報（特許文献４）、特開平６−２５８２３９号公報（特許文献５）、特開平６−３２４００３号公報（特許文献６）、特開平８−２１０９８９号公報（特許文献７）、特開平８−２７１４３７号公報（特許文献８）が知られている。
【０００７】
特開平２０００−１０５２０３号公報（特許３５６６５８９号）（特許文献９）には、繰り返しパターンと非繰り返しパターンとパターンなしとが混在する基板に対して微小な異物等の欠陥を高速に且つ高精度にて検査する欠陥検査装置が記載されている。この特許文献９に記載された装置では、長手方向に略平行なスリット状ビームを、基板の法線方向に対して所定の角度傾斜させ、基板の回路パターンの直線群に対して所定の傾きの方向に、照射するように構成されている。更に、この特許文献９には、検出光学系を切り換えて検出画素サイズを変えることが記載されている。
【０００８】
異物サイズ測定用としては、特開２００１−６０６０７号公報（特許文献１０）、特開２００１−２６４２６４号公報（特許文献１１）が開示されている。特開２００４−１７７２８４号公報（特許文献１２）では、薄膜上の欠陥検出技術として、レーザ光を絞り込み、ステージ移動方向とは直角方向に細長いビームを形成し、照明方向とは直角の方向より検出を行っている。特表２００１−５１２２３７（特許文献１３）では、同様な方向から検出する方式を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６２−８９３３６号公報
【特許文献２】特開昭６３−１３５８４８号公報
【特許文献３】特開平１−１１７０２４号公報
【特許文献４】特開平１−２５０８４７号公報
【特許文献５】特開平６−２５８２３９号公報
【特許文献６】特開平６−３２４００３号公報
【特許文献７】特開平８−２１０９８９号公報
【特許文献８】特開平８−２７１４３７号公報
【特許文献９】特開２０００−１０５２０３号公報（特許３５６６５８９号）
【特許文献１０】特開２００１−６０６０７号公報
【特許文献１１】特開２００１−２６４２６４号公報
【特許文献１２】特開２００４−１７７２８４号公報
【特許文献１３】特表２００１−５１２２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年、半導体の集積化により多層ウェハが増加傾向にある。多層ウェハは、基板の上に透明薄膜（例えば酸化膜）を形成し、その上に回路パターンを形成する工程の繰り返しによりが作られる。そこで、ウェハ上の欠陥検査では、透明薄膜の表面の微小異物やスクラッチ等の欠陥を検出するニーズが高まっている。
【００１１】
従来の欠陥検査装置では、検出光学系は、その光軸が検査対象の基板に対して垂直になるように、配置されている。検査対象の基板に検査用照明光を照射すると、透明薄膜に透過した検査用照明光は透明薄膜下面を反射する。この反射光が、透明薄膜の上面に存在する異物等からの散乱光に重畳して検出されると、目的の異物等からの散乱光を正確に測定することができない。更に、透明薄膜の膜厚が変動すると、透明薄膜下面からの反射光の明るさが変動し、この明るさの変動が異物の信号の変化として捕らえることがあり、異物を誤検出することになる。
【００１２】
本発明の目的は、表面に透明薄膜が形成された基板等の試料において、透明薄膜の上面の微小な異物、キズ等の欠陥を高感度且つ高速に検査することができる欠陥検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の欠陥検査装置によると、照明光学系は、試料の表面の法線に対して所定の入射角を有する検査用照明光を試料表面に照射し、試料表面にスリット状のビームスポットを生成する。試料の表面に対して所定の傾斜角にて傾斜した光軸を有する斜方検出系と試料の表面の法線に沿った光軸を有する上方検出系によって、ビームスポットからの光を検出する。斜方検出系と上方検出系の出力によって、試料の表面の透明薄膜上の欠陥を検出する。検査用照明光の入射角は、試料の表面の透明薄膜下面にて反射した反射光が透明薄膜上面にて全反射するときの入射角より僅かに小さい角度である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、表面に透明薄膜が形成された基板等の試料において、透明薄膜の上面の微小な異物、キズ等の欠陥を高感度且つ高速に検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】検査対象の試料であるＬＳＩが配列された半導体ウェハを示す図である。
【図２】基板上の透明薄膜に対する入射光と出射光の強度を比較するための説明図である。
【図３】基板上の透明薄膜に入射した光による散乱光を説明するための説明図である。
【図４】透明薄膜表面の異物からの散乱光と透明薄膜内のパターン面からの回折光の挙動を示す図である。
【図５】本発明による欠陥検査装置の構造の例を示す図である。
【図６】本発明による欠陥検査装置の照明光学系によって生成される３つの検査用照明光を説明するための図である。
【図７】本発明による欠陥検査装置の照明光学系の照明レンズを含む光学系を示す図である。
【図８】本発明による欠陥検査装置の照明光学系の照明レンズの機能を示す図である。
【図９】本発明による欠陥検査装置の照明光学系の３つのビームスポット結像部の構造の例を説明するための説明図である。
【図１０】本発明による欠陥検査装置の上方検出光学系と斜方検出系によって異物等の欠陥を検出する方法を示す図である。
【図１１】本発明による欠陥検査装置の斜方検出系の１次元検出器（イメージセンサ）としてＴＤＩを用いた例を示す図である。
【図１２】本発明による欠陥検査装置の斜方検出系の対物レンズの開口における０次回折稿と空間フィルタの位置関係を示す平面図である。
【図１３】基板上の透明薄膜上の異物からの散乱光の干渉モデルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
先ず、図１を参照して、本発明による欠陥検査装置の検査の対象である試料について説明する。図１（ａ）に示す半導体ウェハ１ａは、所定の間隔で２次元に配列したメモリＬＳＩからなるチップ１ａａを有する。チップ１ａａは、主として、メモリセル領域１ａｂ、デコーダやコントロール回路等からなる周辺回路領域１ａｃ、及び、その他の領域１ａｄ、を有する。メモリセル領域１ａｂは、２次元に規則的に配列した、即ち、繰り返しのメモリセルパターンを有する。周辺回路領域１ａｃは、２次元的に規則的に配列されていない非繰り返しパターンを有する。
【００１７】
図１（ｂ）に示す半導体ウェハ１ｂ、所定の間隔で２次元に配列したマイコン等のＬＳＩからなるチップ１ｂａを有する。チップ１ｂａは、主として、レジスタ群領域１ｂｂ、メモリ部領域１ｂｃ、ＣＰＵコア部領域１ｂｄ、及び、入出力部領域１ｂｅを有する。なお、図１（ｂ）は、メモリ部領域１ｂｃとＣＰＵコア部領域１ｂｄと入出力部領域１ｂｅの配列を概念的に示したものである。レジスタ群領域１ｂｂおよびメモリ部領域１ｂｃは、２次元に規則的に配列した、即ち、繰り返しのパターンを有する。ＣＰＵコア部領域１ｂｄおよび入出力部領域１ｂｅは、非繰り返しパターンを有する。このように、本発明による欠陥検査装置の被検査対象物１は、図１に示した半導体ウェハのように、規則的に配列されたチップを有するが、チップ内においては、最小線幅が領域毎に異なり、しかも繰り返しパターン及び非繰り返しパターンを含み、様々な形態が考えられる。
【００１８】
本願の発明者は、透明薄膜に透過した検査用照明光の挙動を検討し、透明薄膜下面における反射光の低減策を考察した。
【００１９】
先ず、検査用照明光の入射角について検討した。図２（ａ）に示すように、試料は、ケイ素基板上に酸化ケイ素の透明薄膜が形成されたものである。透明薄膜の下面、即ち、ケイ素基板上に回路パターンが形成されている。入射光が透明薄膜上面の法線となす角を入射角θ１、透明薄膜を通って外部に出射する光が透明薄膜上面の法線となす角を、出射角（屈折角）θ２とする。透明薄膜に入射した光が透明薄膜下面で反射し、さらに透明薄膜上面を透過して外部へ出射する光の強度を入射角θ１毎に計算した。図２（ｂ）はP偏光とS偏光についての計算結果を示す。横軸は入射角θ１、縦軸は入射光強度Ｉinに対する出射光強度Ｉoutの比Ｉout／Ｉinである。透明薄膜に略垂直に光を入射した場合、即ち、入射角が０°に近い場合、入射光強度Ｉinに対する出射光強度Ｉoutの比は、Ｉout／Ｉin=０．３５であった。入射角が９０°に近い場合、即ち、透明薄膜に対して約５°で入射した場合、入射光Ｉinに対する出射光Ｉoutの比は、Ｉout／Ｉin=０．０５以下になる。
【００２０】
P偏光とS偏光を比較すると、入射角が８０°〜９０°付近では、P偏光の透過光強度はS偏光の透過光強度の約２倍である。
【００２１】
次に、透明薄膜下面で発生した散乱光が透明薄膜上面を透過して、空気中に出射する場合の出射角（屈折角）について検討した。図３（ａ）は入射角θ１と出射角（屈折角）θ２の関係を示す。入射角θ１が０°〜約４２°の場合、入射角の変化に対する出射角θ２の変化は比例の関係になっているが、入射角θ１が４０°を超えると、出射角θ２は急激に増加し、入射角θ１が４２．８°のとき、透明薄膜下面を反射した光は、透明薄膜上面にて全反射する。即ち、入射角θ１が４２．８°より大きいと、透明薄膜下面の反射光は透明薄膜を抜けて空気中に出射することはできない。
【００２２】
入射角θ１が４２°から全反射角４２．８°までの約１°の範囲において、出射角θ２は約８０°から約９０°までの約１０°の範囲を変化する。即ち、入射角の変化幅が約１°であっても、出射角は約１０°に渡って広がる。
【００２３】
図３（ｂ）は、入射角θ１が４２．８°のとき、透明薄膜下面を反射した光が透明薄膜上面にて全反射した場合を示す。透明薄膜下面にて反射した反射光が透明薄膜下面の法線となす角を全反射角θ３とする。透明薄膜下面に到達した光は、透明薄膜下面にて反射すると同時に散乱する。こうして生成された散乱光は検出器によって背景光として検出される。散乱光が透明薄膜下面の法線となす角を散乱角θｓ１、散乱角θｓ２とする。全反射角θ３より大きい散乱角θｓ２を有する散乱光は、透明薄膜上面にて全反射する。全反射角θ３より小さい散乱角θｓ１を有する散乱光は透明薄膜上面を抜けて空気中に出射し、背景光となる。従って、背景光は全散乱光の略半分となる。こうして、入射角θ１が略４２．８°に等しいとき、散乱光に起因する背景光を略半減することができる。
【００２４】
従って、透明薄膜下面にて反射した反射光が透明薄膜上面にて全反射するときの入射角θ１より僅かに小さい角度の入射角にて、検査用照明光を照射することによって、透明薄膜の下面からの散乱光に起因した背景光の光量を低減させることができる。
【００２５】
近年、半導体の集積化によりパターンが微細化され、それに伴い、欠陥検査装置の検出器が検出する検出信号が小さくなっている。従って、図４（ａ）に示すように、背景光が存在すると、表面の欠陥が正確に検出できない。図４（ｂ）に示すように、透明薄膜の下面に形成されたパターンからの散乱光は、入射照明光の入射平面にそった散乱分布が支配的であり、それ以外の方向への散乱強度は弱い。
【００２６】
本発明によると、試料表面に対して僅かに傾斜した光軸を有する照明光学系を設け、試料上の透明薄膜に対して僅かに傾斜した検出用照射光を照射する。更に、試料表面に対して僅かに傾斜した光軸を有する斜方検出系を設け、試料上の透明薄膜に対して僅かに傾斜した出射光を検出する。それにより、斜方検出系によって検出する透明薄膜下面からの散乱光の検出量を低減することができる。照明光学系の光軸及び斜方検出系の光軸の傾斜角は調整可能である。照明光学系の光軸及び斜方検出系の光軸の傾斜角度は、試料の表面の透明薄膜上の欠陥の検出精度に基づいて調整することができる。
【００２７】
更に、照明光学系からの検出用照射光は、Ｓ偏光、Ｐ偏光、円偏光、無偏光のいずれかが可能であり、検出精度に基づいて変化させることができる。
【００２８】
透明薄膜下面からの散乱光の検出量を低減することができるから、透明薄膜の膜厚変動に起因する背景光の明るさの変動の影響を防止することができる。そのため、検出系における検出感度が向上し、同時に虚報の検出率の低減が可能となる。
【００２９】
次に、図５を参照して、本発明による欠陥検査装置の構成を説明する。欠陥検査装置は、ウェハ等の試料をｘｙｚ方向及びｚ軸周りに移動させるステージ部３００と、試料上に検査用照明光を照射する照明光学系１００と、試料からの反射光を検出する上方検出光学系２００と、試料からの反射光を検出する傾斜検出光学系５００と、演算処理、信号処理等を行う制御系４００とを有する。
【００３０】
ステージ部３００は、ｘステージ３０１、ｙステージ３０２、ｚステージ３０３、回転ステージ３０４およびステージコントローラ３０５を有する。
【００３１】
照明光学系１００は、レーザ光源１０１、凹レンズ１０２および凸レンズ１０３より構成されるビームエキスパンダ、光学フィルタ群１０４およびミラー１０５で構成されるビーム整形部、３つのビームスポット結像部１１０、１２０、１３０を有する。ビームスポット結像部１１０は、光学分岐要素（またはミラー）１０６、円錐曲面を持つ照明レンズ１０７、およびミラー１０８、１０９を有する。光学フィルタ群１０４は、ＮＤフィルタおよび波長板を含む。
【００３２】
レーザ光源１０１として、高出力のＹＡＧレーザの第３高調波TＨＧ、波長３５５ｎｍを用いるのがよいが、必ずしも３５５ｎｍである必要はない。また、レーザ光源１０１として、ＹＡＧ／TＨＧである必要もない。すなわち、レーザ光源１０１として、Ａｒレーザ、窒素レーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、エキシマレーザ等他の光源であっても良い。
【００３３】
上方検出光学系２００は、検出レンズ２０１、空間フィルタ２０２、結像レンズ２０３、ズームレンズ群２０４、１次元検出器（イメージセンサ）２０５、空間フィルタ制御２０７、及び、ズームレンズ制御２０８を有する。傾斜検出光学系５００は、１次元検出器（イメージセンサ）５０１、対物レンズ５０２、空間フィルタ５０３、及び結像レンズ５０４を有する。１次元検出器２０５はＴＤＩ（Time Delay Integration：遅延積算）センサであってよい。
【００３４】
制御系４００は、演算処理部４０１、信号処理部４０２、出力部４０３、及び、入力部４０４を有する。演算処理部４０１はＣＰＵ等を有し、モータ等の駆動、座標、センサを制御する。信号処理部４０２は、Ａ／Ｄ変換部、遅延させることができるデータメモリ、チップ間の信号の差をとる差分処理回路、チップ間の差信号を一時記憶するメモリ、パターン閾値を設定する閾値算出処理部、比較回路等を有する。
【００３５】
出力部４０３は、異物等の欠陥検出結果を記憶すると共に欠陥検出結果を出力又は表示する。入力部４０４は、ユーザにより命令及びデータを入力する。
【００３６】
図５の左下に座標系を示す。平面上にｘｙ軸をとり、垂直上方にｚ軸をとる。上方検出光学系２００の光軸はｚ軸に沿って配置され、傾斜検出光学系５００の光軸は、ｘｚ平面上に配置されている。
【００３７】
図６を参照して、照明光学系１００の３つのビームスポット結像部１１０、１２０、１３０について説明する。図６は、試料１であるウェハを上から見た図である。第１のビームスポット結像部１１０を経由してｘ軸方向の検査用照明光１１が照射され、第２のビームスポット結像部１２０を経由してｙ軸に対して−４５度傾斜した方向の検査用照明光１２が照射され、第３のビームスポット結像部１３０を経由してｙ軸に対して４５度傾斜した方向の検査用照明光１３が照射される。第１のビームスポット結像部１１０の反対側に、斜方検出系５００が配置されている。
【００３８】
これらの検査用照明光１１、１２、１３は、試料１の表面に対して所定の角度αにて傾斜して照射される。特に、検査用照明光１２、１３の仰角αを小さくすることによって、透明薄膜下面からの散乱光の検出量を低減することができる。
【００３９】
これらの検査用照明光１１、１２、１３によって、試料１上に細長いビームスポット３が形成される。ビームスポット３は、ｙ軸方向に沿って延びている。ビームスポット３のｙ軸方向の長さは、上方検出光学系２００の１次元検出器２０５の受光エリア４より大きい。
【００４０】
照明光学系１００に、３つのビームスポット結像部１１０、１２０、１３０を設けた理由について説明する。検査用照明光１２、１３をｘｙ平面上に投影した像がｘ軸となす角をそれぞれφ１、φ２とすると、本例では、φ１＝φ２＝４５度である。それによって、基板１上の非繰り返しパターンからの０次の回折光が検出系２００の対物レンズ２０１に入射することが回避されるが、その理由については、特許３５６６５８９号に詳細に記載されており、ここではその説明は省略する。
【００４１】
基板１上の非繰り返しパターンは、主として、平行及び直角に形成された直線状パターンからなる。これらの直線状パターンは、ｘ軸又はｙ軸方向に延びている。基板１上のパターンは、突出して形成されているため、隣接する直線状パターンの間には凹部が形成される。従って、ｘ軸及びｙ軸に対して４５度傾斜した方向から照射した検査用照明光１２、１３は、突出した回路パターンによって遮られ、直線状パターンの間の凹部を照射することができない。
【００４２】
そこで、ｘ軸方向に沿った検査用照明光１１を生成するビームスポット結像部１１０を設けた。こうして検査用照明光１１によって、直線状パターンの間の凹部を照射することができるため、そこに存在する異物等の欠陥を検出することができる。直線状パターンの方向により、試料を９０度回転させて検査するか、検査用照明光１１を、ｙ軸方向に沿って照射してよい。
【００４３】
尚、検査用照明光１１のように、ｘ軸方向に沿って照射し、直線状パターンの間の凹部を照射する場合には、検出器が０次の回折光を検出しないように０次の回折光を遮光する必要がある。そのために、空間フィルタ２０２が設けられる。
【００４４】
図７及び図８を参照して、細長いビームスポット３を形成する方法を説明する。図７には、照明光学系１００のうち、レーザ光源１０１、凹レンズ１０２、凸レンズ１０３、及び、照明レンズ１０４のみを示し、他の構成要素１０５、１０６、１０７、１０８、１０９は省略している。
【００４５】
照明レンズ１０４は、円錐曲面を持つシリンドリカルレンズであり、図７（ａ）に示すように、長手方向に沿って、直線的に焦点距離が変化し、図７（ｂ）に示すように、平面凸レンズの断面を有する。図８に示すように、試料１に対して傾斜して入射する照明光に対しても、ｙ方向に絞り込み、ｘ方向にコリメートされたスリット状のビームスポット３を生成することができる。試料１の表面に対する照明光の角度をα１、試料１上に投射された検査用照明光１１の像がｘ軸となす角をφ１とする。
【００４６】
このような照明レンズ１０４を用いることにより、ｘ方向に平行光を有し、かつφ１＝４５度付近の照明を実現することができる。円錐曲面を有する照明レンズ１０４の製造方法等については、特許３５６６５８９にて記載されているので、ここではその説明を省略する。
【００４７】
図９を参照して照明光学系１００の３つのビームスポット結像部１１０、１２０、１３０の構造の例を説明する。レーザ光源１０１から出射したレーザビームは、ハーフミラー等の第１の分岐光学要素１４１によって２つの光路に分岐する。一方はミラー１４２、１４３を反射し第１のビームスポット結像部１１０を構成する凹レンズ１４４に入射する。こうして、第１のビームスポット結像部１１０からの照明光１１が生成される。他方はハーフミラー等の第２の分岐光学要素１４５によって２つの光路に分岐する。一方は、ミラー１４６を反射し、第２のビームスポット結像部１２０を構成する凹レンズ１４７に入射する。こうして、第２のビームスポット結像部１２０からの照明光１２が生成される。他方は第３のビームスポット結像部１３０を構成する凹レンズ１４８に入射する。こうして、第３のビームスポット結像部１３０からの照明光１３が生成される。
【００４８】
第１の分岐光学要素１４１を退出させるかまたは素通りの光学要素１４１ａに切り換えることによって第１のビームスポット結像部１１０からの照明光１１は生成されない。即ち、第２のビームスポット結像部１２０からの照明光１２と第３のビームスポット結像部１３０からの照明光１３のみが生成される。第１の分岐光学要素１４１を退出させるかまたは素通りの光学要素１４１ａに切り換え、更に、第２の分岐光学要素１４５をミラー１４５ａに切り換えることによって、第３のビームスポット結像部１３０からの照明光１３のみが生成される。第１の分岐光学要素１４１を退出させるかまたは素通りの光学要素１４１ａに切り換え、更に、第２の分岐光学要素１４５を退出させるかまたは素通りの光学要素に切り換えることによって、第２のビームスポット結像部１２０からの照明光１２のみが生成される。
【００４９】
第１の分岐光学要素１４１を配置し、第２の分岐光学要素１４５をミラー１４５ａに切り換ることによって、第１のビームスポット結像部１１０からの照明光１１と第３のビームスポット結像部１３０からの照明光１３のみが生成される。第１の分岐光学要素１４１を配置し、第２の分岐光学要素１４５を退出させるかまたは素通りの光学要素に切り換ることによって、第１のビームスポット結像部１１０からの照明光１１と第２のビームスポット結像部１２０からの照明光１２のみが生成される。
【００５０】
こうして、本例では、３つのビームスポット結像部１１０、１２０、１３０からの照明光１０、１１、１２のうち任意の照明光を生成することができる。
【００５１】
上方検出光学系２００について説明する。試料１上に検査用照明光が照射され、スリット状のビームスポット３が生成されると、散乱光を含む反射光が出射される。この出射光は、透明薄膜上面、下面、基板上の回路パターン、異物等の欠陥から出射される。この出射光は、上方検出光学系２００の検出レンズ２０１、空間フィルタ２０２、結像レンズ２０３を経由し、検出器２０５によって受光され、そこで光電変換される。レーザ光源１０１からのビーム光束の照度（パワー）は、ＮＤフィルタ１０４またはレーザパワーを制御することにより変化させることができるため、検出器２０５の出力のダイナミックレンジを変えることができる。
【００５２】
次に空間フィルタ２０２について説明する。検査用照明光を試料上の繰り返しパターンに照射すると回折光縞（回折干渉光縞）が生成される。回折光縞が検出器２０５によって受光されると誤差信号が生成され、異物等の欠陥を検出することができない。空間フィルタ２０２は、繰り返しパターンからの回折光によるフーリエ変換像を遮光するために、対物レンズ２０１の空間周波数領域、即ちフーリエ変換の結像位置（射出瞳に相当する。）に配置される。図１及び図２を参照して説明したように、一般に、ウェハに形成されたチップには、繰り返しパターンと非繰り返しパターンとパターンなしとが混在し、繰り返しパターンの線幅は回路パターン毎に異なる。
【００５３】
通常、頻度が多い繰り返しパターンからの回折光を消去するように空間フィルタ２０２の遮光パターンが設定される。空間フィルタ２０２として、特開平５−２１８１６３号公報および特開平６−２５８２３９号公報に記載されているように、遮光パターンを変更できる構造のものある。また、空間フィルタ２０２として、互いに異なる複数の遮光パターンを用意しておいてもよい。いずれの場合にも、回路パターンに応じて遮光パターンを変更又は切り換えることにより、回折光を遮断することができる。
【００５４】
上述のように、検査用照明光１１をｘ軸方向に沿って照射し、直線状パターンの間の凹部を照射する場合には、空間フィルタ２０２によって０次の回折光を遮光する必要がある。このような空間フィルタ２０２は、０次の回折光ばかりでなく、高次の回折光を遮断するように構成されてよい。
【００５５】
次に、検出しようとする異物等の欠陥サイズに応じて検出感度を調整する方法について説明する。ＴＤＩセンサ等の１次元検出器（イメージセンサ）２０５の試料１上の画素サイズを小さくすると、スループットは落ちるが、より微小な異物等の欠陥を検出することができる。１次元検出器（イメージセンサ）２０５の画素について試料１上での像のサイズが可変となるように、３種類の検出光学系２００を用意する。例えば、０．１μｍ以下程度の異物等の欠陥を検出する場合には、試料１上の画素サイズを小さくする検出光学系２００に切り換える。このような構成を実現する方法として、レンズ群２０４を切り換える。例えば、試料１から、ＴＤＩセンサ等の１次元検出器２０５までの光路長が変化しないように、レンズの構成を設計しておくと良い。もちろん、このような設計が難しい場合、レンズの切り換えに併せて、センサまでの距離を変えられるような機構を用いても良い。また、センサ自体の画素サイズを変えたものを切り換えても良い。
【００５６】
次に、図１０を参照して、斜方検出系５００について説明する。斜方検出系５００の光軸は、試料表面に対して所定の傾斜角βだけ傾斜している。図２及び図３を参照して説明したように、透明薄膜の下面からの散乱光の検出量を低減するためには、斜方検出系５００の光軸を、出射角が約８０°から約９０°までの範囲の出射光を検出するように配置する必要がある。
【００５７】
試料に形成されたスリット状ビームスポットからの光は、対物レンズ５０２、空間フィルタ５０３、及び結像レンズ５０４を経由して、１次元検出器（イメージセンサ）５０１によって検出される。本例では、スリット状ビームスポットの像を検出するため１次元検出器（イメージセンサ）が用いられる。空間フィルタ５０３は、上方検出光学系２００の空間フィルタ２０２と同様に、試料上の繰り返しパターンからの回折光縞（回折干渉光縞）を遮断する。
【００５８】
ここで、異物等の欠陥の検出方法の概要を説明する。ステップＳ１０１にて、制御系は上方検出光学系２００の１次元検出器（イメージセンサ）２０５からの信号を入力し、それを高速並列画像処理する。ステップＳ１０３にて、検査画像を取り出す。ステップＳ１０４にて、ステップＳ１０２の遅延処理を経由して、検査画像に対する隣接画像を取り出す。ステップＳ１０５にて、検査画像と隣接画像の位置合わせ画像処理を行い、ステップＳ１０６にて、検査画像と隣接画像を比較する。ステップＳ１０７にて、比較結果から欠陥を判定する。同様に、ステップＳ２０１にて、斜方検出系５００の１次元検出器（イメージセンサ）５０１からの信号を入力し、それを高速並列画像処理するステップＳ２０２からＳ２０７は、ステップＳ１０２からＳ１０７までと同様である。最後にステップＳ１０８にて、上方検出光学系２００によって検出された欠陥と斜方検出系５００によって検出された欠陥を合成して欠陥マップを作成する。
【００５９】
図１１は、１次元検出器（イメージセンサ）５０１としてＴＤＩを用いた例を示す。斜方検出系５００は焦点深度が浅いため（ＮＡ０．３以下）、ＴＤＩを用いることにより、自動焦点制御系のばらつきによる結像位置ずれを救済することができる。
【００６０】
次に、斜方検出系５００において、空間フィルタ５０３によって、繰り返しパターンから生じる回折光を遮断する方法を説明する。繰り返しパターンからの０次回折光の軌跡は、試料の法線方向から見ると、Ｘ軸及びｙ軸に平行は直線群となる。即ち、碁盤目状になり、直交する線の交点に０次回折光の極大値が現れる。図１２（ａ）は、対物レンズ５０２の開口５０２ａから見た０次回折光の軌跡を示す。０次回折光の軌跡は、互いに平行な直線群と曲線群からなり、交点５２２に０次回折光の極大値が現れる。図１２（ｂ）に示すように、空間フィルタ５０３の遮光部５０３ａは、直線群を遮断するように、設けられている。こうして、空間フィルタ５０３に設けた互いに平行は帯状の遮光部５０３ａによって、繰り返しパターンからの０次回折光が遮断される。
【００６１】
繰り返しパターンのピッチが変化すると、０次回折光の軌跡のピッチも変化する。このような場合には、空間フィルタ５０３における直線状遮光部のピッチａ、ｂと位相を変化させればよい。以上説明したように、繰り返しパターンについては、空間フィルタ５０２によって、０次回折光を遮断することができる。
【００６２】
次に、斜方検出系５００において、空間フィルタ５０３によって、非繰り返しパターンから生じる回折光を遮断する方法を説明する。非繰り返しパターンであっても、主としてｘおよびｙ方向を向いた直線パターンから形成されている。検査用照明光１２、１３は、ｘ軸及びｙ軸に対して４５度傾斜した方向から照射される。検査用照明光１２、１３によって生成された０次回折光はｘ軸方向に沿って配置された斜方検出系５００によって検出されない。
【００６３】
しかしながら、検査用照明光１１は、ｘ軸方向から照射される。従って、対物レンズ５０２の開口には、０次回折光が入射される。従って、この場合には、空間フィルタ５０３によって０次回折光を遮断する。
【００６４】
次に、図１３を参照して、パターンがない酸化膜等の絶縁膜上に存在する異物等の欠陥を検査する方法を説明する。図１３には、酸化膜等の透明膜での光の散乱の状況を示す。基板３３上の酸化膜３２の表面に十分小さい（照明波長の数分の１）の微粒子（異物）３４が存在する。微粒子（異物）３４からの光の波面が球面状に射出する。すなわち光の波面は、酸化膜側に伝播すると同時に検出器側に伝播する。光の波面は、酸化膜３２と下地３３との界面で反射する。この反射光と検出器側に射出した光が干渉し、射出方向に強弱が生じる。この結果、たとえば、３つの方向３６、３７、３８によって、検出出力が異なることになる。酸化膜の厚さ、屈折率に応じて、この強度分布が変化する。そのため、同一方向から反射光を検出しても、検出位置が異なると、検出光の強度が変化し、感度が変わることになる。
【００６５】
しかしながら、斜方検出系５００を用いると、下地散乱光の検出量がきわめて小さいため、散乱光の影響を消去することができる。本例の斜方検出系５００は、酸化膜等の絶縁膜３２上の異物等の欠陥を検出することができる。
【００６６】
次に、本発明による欠陥検査装置によって複数の条件にて検査を行う場合を説明する。この検査は、例えばダイナミックレンジを稼ぐために行う。照明光のパワーが大きいとき、標準であるとき、及び、小さいとき、の３つの条件を設定する。これらの３つの条件は、例えば、エリア優先、標準、感度優先に対応する。これらの３つの条件下にて、試料であるウェハの表面を検査し、それらの結果を統合して検査結果マップ（検査結果マップとは、被検査対象基板１内において異物等の欠陥が検出された位置座標に欠陥のマークをプロットとした図面。）を生成する。マップの代わりに、異物の座標リスト、あるいは異物の検出信号レベル等を示すリストやマップを生成してもよい。
【００６７】
また、ダイナミックレンジを稼ぐためだけではなく、より微細な傷や異物等の欠陥を検出することを目的としてもよい。条件としては、例えばステージ３０１，３０２の走行時間、照明光学系１００による照明方向α１、φ１（ゼロも含む）、φ２（ゼロも含む）、波長板１０４の有無等がある。
【００６８】
また、ｘ軸に、上方検出系２００による検出信号レベルを、ｙ軸に、斜方別の照明系による検出信号レベルをプロットする。これにより、予め設定した直線ｙ＝ａｘによって、これらのプロットの位置を２つの領域に分類することができる。そして、この分類結果は、異物の特徴を示すことになる。ここで、境界線が直線ｙ＝ａｘであるとして説明したが、必ずしも、直線である必要はなく、任意の曲線、あるいは複数の任意の直線もしくは曲線でもよい。また、これらの距離を求める空間は、複数の次元を持たせても良い。さらに、これらの複数の検査は、検出器２０５、５０１により、同時に検査されるものであっても良い。
【００６９】
次に、以上説明した本発明に係る欠陥検査装置を用いた半導体等の製造ラインおよびその製造方法について説明する。本発明に係る欠陥検査装置を用いた半導体等の製造ラインは、製造工程、検査装置、プローブ検査工程、データ解析システムにより構成される。製造工程、特に、歩留まりへの影響の大きい（歩留まりを左右する）工程は、本発明による欠陥検査装置等の検査装置により常時監視される。また、この監視により、工程間の異常が検出された際は、この間の工程が、検査装置により監視され、異常を作り込む工程、あるいは装置を同定する。
【００７０】
ところで、所望の工程だけの異物あるいは最表面に付着した異物等の欠陥を、高い識別精度で検査できるためには、この工程のプロセス処理を実施する前とプロセス処理を実施した後とにおいて、本発明に係る異物検査装置による異物等の欠陥検査を実施し、プロセス処理後の欠陥検査結果とプロセス処理前の欠陥検査結果との論理差を求めると良い。
【００７１】
ところが、この論理差によって、当プロセス処理工程で発生した異物等の欠陥のみを、必ずしも検出することができない。これは、以下のような理由による。
【００７２】
例えば、成膜等により異物等の欠陥の表面に膜が形成され、その結果異物等の欠陥サイズが大きくなり、検査感度が向上し、成膜前から存在していた欠陥が、成膜後には検査されることになるためである。即ち、実は、以前から付いていたはずの欠陥がその成膜工程前では検査されずに該成膜工程後に発見され、該成膜工程で発生したように間違えて判断されることになる。
【００７３】
しかしながら、本発明では下地欠陥の散乱光を低減できるため、間違った判断をなくすことができる。
【００７４】
以上説明したように、本発明によれば、照明の効率が向上でき、空間フィルタ、照明の照射角の最適化によりLSIパターン等表面の異物の検出感度を満足しつつ、基板内のパターンからの回折光を低減でき、さらに、透明薄膜の厚み変動に起因して発生する回折光の薄膜干渉による光量増減の影響も回避できるために、表面異物の検出と背景光との分離のために設けた検出しきい値を低く設定ができる。そのため、０．１μｍ程度の極微小の表面異物についても検出することができて、高感度な検出ができると共に虚報の検出を防止する効果を奏する。
【００７５】
また、本発明によれば、基板表面の異物からの散乱光と内部のパターンからの散乱光の分離が可能であることより、ウェハの生産工程毎に検査を実施することにより、どの工程で発生した異物であるかの区分ができるため、欠陥の発生源の特定を迅速にできる効果を奏する。
また、本発明によれば、従来の上方検出光学系の検出器に加えて、斜方検出光学系の検出器の出力が１回の検査によって同時に検出出力を得ることができるため、従来２倍の情報量を得ることができる。そのため、スループットを半分に向上させる効果を奏する。
【００７６】
また、本発明によれば、検出器の増加に伴い、異物からの散乱光検出する場合、従来とは異なる散乱方向からも検出ができるため、情報量が２倍に増加するだけでなく、情報の価値も２倍に増加するために従来よりも正確な異物のサイズ、形状が判定できる効果を奏する。
【００７７】
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。
【符号の説明】
【００７８】
１…基板（ウェハ）、１ａ、１ｂ…半導体ウェハ、１ａａ…メモリＬＳＩ、１ａｂ…メモリセル領域、１ａｃ…周辺回路領域、１ａｄ…その他の領域、１ｂａ…マイコン等のＬＳＩ、１ｂｂ…レジスタ群領域、１ｂｃ…メモリ部領域、１ｂｄ…ＣＰＵコア部領域、１ｂｅ…入出部領域、３…スリット状ビーム（照明領域）、４…受光領域、１００…照明光学系、１０１…レーザ光源、１０２…凹レンズ、１０３…凸レンズ、１０４…光学フィルタ群、１１０、１２０、１３０…照明ビームスポット結像部、２００…上方検出光学系、２０１…対物レンズ（検出レンズ）、２０２…空間フィルタ、２０３…結像レンズ、２０４…ズームレンズ群、２０５…１次元検出器、２０７…空間フィルタ制御、２０８…ズームレンズ制御、３００…ステージ系、３０１〜３０４…ステージ、３０５…ステージ制御、４００…演算処理回路（信号処理系）、４０１…演算処理部、４０２…信号処理部、４０３…出力部、４０４…入力部、５００…斜方検出系、５０１…１次元検出器、５０２…対物レンズ、５０３…空間フィルタ、５０４…結像レンズ
【図１】
2011180145.tif 000003
【図２】
2011180145.tif 000004
【図３】
2011180145.tif 000005
【図４】
2011180145.tif 000006
【図５】
2011180145.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011180145.tif 000009
【図８】
2011180145.tif 000010
【図９】
2011180145.tif 000011
【図１０】
2011180145.tif 000012
【図１１】
2011180145.tif 000013
【図１２】
2011180145.tif 000014
【図１３】
2011180145.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月26日(2011.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明膜が形成された試料の欠陥を検出する検査装置において、
前記試料に対して斜方から検査用照明光を照射する照明光学系と、
前記試料から発生した散乱光を前記試料に対して斜方から検出する斜方検出系と、
前記斜方検出系の検出結果から欠陥を検出する処理系と、を有し、
前記照明光学系の光軸の傾斜角度、及び、前記斜方検出系の光軸の傾斜角度の少なくとも１つは、前記透明膜上の欠陥の検出精度に応じて変更されることを特徴とする検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の検査装置において、
前記照明光学系の光軸の傾斜角度、及び、前記斜方検出系の光軸の傾斜角度は前記透明膜上の欠陥の検出精度に応じて変更されることを特徴とする検査装置。
【請求項３】
請求項１に記載の検査装置において、
前記検査用照明光の入射角は、前記透明膜の下面の入射角の変化と前記透明膜の上面での屈折角の変化との間の関係が１次関数よりも大きな関数となる角度であることを特徴とする検査装置。
【請求項４】
請求項１に記載の検査装置において、
前記照明光学系は、前記検査用照明光の偏光状態を変えることを特徴とする検査装置。
【請求項５】
請求項１に記載の検査装置において、
前記処理系は、前記透明膜が形成される前の基板の検査結果と、前記透明膜が形成された後の基板の検査結果の論理差を得ることを特徴とする検査装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明によると、透明膜が形成された試料の欠陥を検出する検査装置において、前記試料に対して斜方から検査用照明光を照射する照明光学系と、前記試料から発生した散乱光を前記試料に対して斜方から検出する斜方検出系と、前記斜方検出系の検出結果から欠陥を検出する処理系と、を有し、前記照明光学系の光軸の傾斜角度、及び、前記斜方検出系の光軸の傾斜角度の少なくとも１つは、前記透明膜上の欠陥の検出精度に応じて変更される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
次に、透明薄膜下面で発生した散乱光が透明薄膜上面を透過して、空気中に出射する場合の出射角（屈折角）について検討した。図３（ａ）は入射角θ３と出射角（屈折角）θ２の関係を示す。入射角θ３が０°〜約４２°の場合、入射角の変化に対する出射角θ２の変化は比例の関係になっているが、入射角θ３が４０°を超えると、出射角θ２は急激に増加し、入射角θ３が４２．８°のとき、透明薄膜下面を反射した光は、透明薄膜上面にて全反射する。即ち、入射角θ３が４２．８°より大きいと、透明薄膜下面の反射光は透明薄膜を抜けて空気中に出射することはできない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
入射角θ３が４２°から全反射角４２．８°までの約１°の範囲において、出射角θ２は約８０°から約９０°までの約１０°の範囲を変化する。即ち、入射角の変化幅が約１°であっても、出射角は約１０°に渡って広がる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
図３（ｂ）は、入射角θ３が４２．８°のとき、透明薄膜下面を反射した光が透明薄膜上面にて全反射した場合を示す。ここで透明薄膜下面にて反射した反射光が透明薄膜下面の法線となす角を全反射角とする。透明薄膜下面に到達した光は、透明薄膜下面にて反射すると同時に散乱する。こうして生成された散乱光は検出器によって背景光として検出される。散乱光が透明薄膜下面の法線となす角を散乱角θｓ１、散乱角θｓ２とする。全反射角θ３より大きい散乱角θｓ２を有する散乱光は、透明薄膜上面にて全反射する。全反射角θ３より小さい散乱角θｓ１を有する散乱光は透明薄膜上面を抜けて空気中に出射し、背景光となる。従って、背景光は全散乱光の略半分となる。こうして、入射角θ３が略４２．８°に等しいとき、散乱光に起因する背景光を略半減することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
従って、透明薄膜下面にて反射した反射光が透明薄膜上面にて全反射するときの入射角θ３より僅かに小さい角度の入射角となるように、検査用照明光を照射することによって、透明薄膜の下面からの散乱光に起因した背景光の光量を低減させることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2011180145.tif 000016