(57)【要約】      （修正有）【課題】照明波長の1/10程度の大きさの欠陥で発生する散乱光の分布は等方的となる。このため，多方向で検出した信号を加算することによりSN比が向上して微小欠陥検出が可能となる。一方で散乱光分布が異方性となる欠陥では，多方向で検出した信号を加算することでSN比が低下し，検出感度を低下させることとなる。半導体基板の欠陥検査においては，欠陥の種類に関係なく，高感度検査が必要である。【解決手段】多方向で検出した散乱光の検出信号を加算して微小欠陥の検出を行うとともに，各検出信号を個別に処理することによって，異方性欠陥の見逃しを回避することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査試料表面に集束したレーザビームを照射し，該被検査試料表面で発生する散乱光を多方向で集光し，集光された該散乱光を光電変換して該被検査試料表面に存在する欠陥を検査する装置において，多方向で検出した検出信号を加算処理して微小欠陥を検出するとともに，多方向で検出した検出信号を個別処理して異方性欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項２】
資料表面で発生する散乱光から欠陥検出しきい値を作成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】
前記個別処理は、多方向で検出した複数の検出信号のうち、１つでも予め設定したしきい値を超えるものがあれば、異方性欠陥であると判断することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項４】
前記光電変換は光電子増倍管によってなされることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
【請求項５】
前記光電子増倍管は個別に感度を設定できることを特徴とする請求項４に記載の欠陥検査装置。
【請求項６】
被検査試料表面に集束したレーザビームを照射し，該被検査試料表面で発生する散乱光を多方向で集光し，集光された該散乱光を光電変換して該被検査試料表面に存在する欠陥を検査する装置において，前記検査装置は多方向で検出する第１の複数の光電変換素子と多方向で検出する第２の複数の光電変換素子とを有し、前記第１の複数の光電変換素子は被検査試料表面に対して第1の仰角をもって配列し、前記第２の複数の光電変換素子は前記第１の仰角よりも大きい第２の仰角をもって配列していることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項７】
前記レーザビームは被検査試料表面に対して第３の仰角をもって入射し、前記第３の仰角は前記第１の仰角よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載の欠陥検査装置。
【請求項８】
前記第１の仰角は１５度乃至３５度であり、前記第２の仰角は４５度乃至７０度であることを特徴とする請求項６に記載の欠陥検査装置。
【請求項９】
前記第１の複数の光電変換素子は多方向で検出した検出信号を加算処理して微小欠陥を検出するとともに，多方向で検出した検出信号を個別処理して異方性欠陥を検出し、
前記第２の複数の光電変換素子は多方向で検出した検出信号を加算処理して微小欠陥を検出するとともに，多方向で検出した検出信号を個別処理して異方性欠陥を検出することを特徴とする請求項６に記載の欠陥検査装置。
【請求項１０】
前記欠陥検査装置は前記第１の複数の光電変化素子からの検出データと前記第２の光電変換素子からの検出データを比較演算し、欠陥の種類を判別することを特徴とする請求項６に記載の欠陥検査装置。
【請求項１１】
複数の欠陥に対して、前記第１の複数の光電変換素子からの出力を縦軸に、前記第２の複数の光電変換素子からの出力を横軸にしたプロットを出力することを特徴とする請求項６に記載の欠陥検査装置。
【請求項１２】
被検査試料表面に集束したレーザビームを照射し，該被検査試料表面で発生する散乱光を多方向で集光し，集光された該散乱光を光電変換して該被検査試料表面に存在する欠陥を検査する装置において，前記検査装置は多方向で検出する第１の複数の光電変換素子と多方向で検出する第２の複数の光電変換素子とを有し、前記第１の複数の光電変換素子は被検査試料表面に対して第1の仰角をもって配列し、前記第２の複数の光電変換素子は前記第１の仰角よりも大きい第２の仰角をもって配列しており、
前記第１および第２の複数の光電変換素子の感度は個別に調整できることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１３】
前記光電変換素子は光電子増倍管であることを特徴とする請求項１２に記載の欠陥検査装置。
【請求項１４】
被検査試料表面に集束したレーザビームを照射し，該被検査試料表面で発生する散乱光を多方向で集光し，集光された該散乱光を光電変換して該被検査試料表面に存在する欠陥を検査する装置において，前記検査装置は多方向で検出する第１の複数の光電変換素子と多方向で検出する第２の複数の光電変換素子とを有し、前記第１の複数の光電変換素子は被検査試料表面に対して第1の仰角をもって配列し、前記第２の複数の光電変換素子は前記第１の仰角よりも大きい第２の仰角をもって配列しており、
前記第１および第２の複数の光電変換素子は前記光電変換素子が発生するショットノイズのレベルによって検出信号がノイズか欠陥信号かを区別するしきい値を設定することが出来ることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１５】
前記光電変換素子は光電子増倍管であることを特徴とする請求項１４に記載の欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半導体基板等の表面に存在する微小な異物・欠陥を高感度かつ高速に検査する欠陥検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて，製品の歩留まりを維持・向上するために，半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥や異物の検査が行われている。例えば，回路パターン形成前の半導体基板等の試料では，表面の0.05μｍ以下の微小な欠陥や異物の検出が必要である。各工程における製造設備においてこのような微小欠陥や異物が発生していないか否かを定期的に検査することは製造歩留りを向上させるためには重要である。
【０００３】
従来の検査装置では，このような微小な欠陥や異物を検出するために，例えば「特許文献１」または「特許文献２」のように，試料表面上に数十μｍに集光したレーザビームを照射して，欠陥や異物からの散乱光を集光・検出している。また，欠陥の種類を弁別するための技術として，「特許文献３」または「特許文献４」のように，欠陥からの散乱光を多方向で検出して散乱光の方向性を判別しているものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平９-３０４２８９号公報
【特許文献２】米国特許第５９０３３４２号
【特許文献３】特開２００１-２５５２７８号公報
【特許文献４】米国特許第６８９４３０２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
照明波長の1/10程度の大きさの欠陥で発生する散乱光の分布は等方的となる。このため，多方向で検出した信号を加算することによりSN比が向上して微小欠陥検出が可能となる。一方で散乱光分布が異方性となる欠陥では，多方向で検出した信号を加算することでSN比が低下し，検出感度を低下させることとなる。半導体基板の欠陥検査においては，欠陥の種類に関係なく，高感度検査が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
多方向で検出した散乱光の検出信号を加算して微小欠陥の検出を行うとともに，各検出信号を個別に処理することによって，異方性欠陥の見逃しを回避することが可能となる。具体的な手段の主なものは次のとおりである。
【０００７】
第１の手段の構成は、被検査試料表面に集束したレーザビームを照射し，該被検査試料表面で発生する散乱光を多方向で集光し，集光された該散乱光を光電変換して該被検査試料表面に存在する欠陥を検査する装置において，多方向で検出した検出信号を加算処理して微小欠陥を検出するとともに，多方向で検出した検出信号を個別処理して異方性欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置である。
【０００８】
第２の手段の構成は、被検査試料表面に集束したレーザビームを照射し，該被検査試料表面で発生する散乱光を多方向で集光し，集光された該散乱光を光電変換して該被検査試料表面に存在する欠陥を検査する装置において，前記検査装置は多方向で検出する第１の複数の光電変換素子と多方向で検出する第２の複数の光電変換素子とを有し、前記第１の複数の光電変換素子は被検査試料表面に対して第1の仰角をもって配列し、前記第２の複数の光電変換素子は前記第１の仰角よりも大きい第２の仰角をもって配列していることを特徴とする欠陥検査装置。
【０００９】
第３の手段の構成は、被検査試料表面に集束したレーザビームを照射し，該被検査試料表面で発生する散乱光を多方向で集光し，集光された該散乱光を光電変換して該被検査試料表面に存在する欠陥を検査する装置において，前記検査装置は多方向で検出する第１の複数の光電変換素子と多方向で検出する第２の複数の光電変換素子とを有し、前記第１の複数の光電変換素子は被検査試料表面に対して第1の仰角をもって配列し、前記第２の複数の光電変換素子は前記第１の仰角よりも大きい第２の仰角をもって配列しており、前記第１および第２の複数の光電変換素子の感度は個別に調整できることを特徴とする欠陥検査装置である。
【００１０】
第４の手段の構成は、被検査試料表面に集束したレーザビームを照射し，該被検査試料表面で発生する散乱光を多方向で集光し，集光された該散乱光を光電変換して該被検査試料表面に存在する欠陥を検査する装置において，前記検査装置は多方向で検出する第１の複数の光電変換素子と多方向で検出する第２の複数の光電変換素子とを有し、前記第１の複数の光電変換素子は被検査試料表面に対して第1の仰角をもって配列し、前記第２の複数の光電変換素子は前記第１の仰角よりも大きい第２の仰角をもって配列しており、前記第１および第２の複数の光電変換素子は前記光電変換素子が発生するショットノイズのレベルによって検出信号がノイズか欠陥信号かを区別するしきい値を設定することが出来ることを特徴とする欠陥検査装置である。
【発明の効果】
【００１１】
多方向で検出した散乱光の検出信号を加算して微小欠陥の検出を行うとともに，各検出信号を個別に処理することによって，異方性欠陥の見逃しを回避することが可能となる。
【００１２】
また、得られた欠陥データを自動的に分析することにより、欠陥が装置の問題によって発生したものか、もともと基板に存在していたものかの判別を行なうことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の一実施例を以下に説明する。
【００１４】
図1，図２，図3に回路パターン形成前の半導体ウェハ上の欠陥・異物を検出する装置の一例を示す。図１は側面図，図２は低角度検出系の平面図，図３は高角度検出系の平面図である。図１は概略，照明光学系101，検出光学系102およびウェハステージ103よりなる。該照明光学系101はレーザ光源2，アッテネータ3，ビームエキスパンダ4，波長板5,6，集光レンズ8から構成される。
【００１５】
レーザ光源2から射出したレーザビームは，アッテネータ3で必要な光量に調整し，ビームエキスパンダ4でビーム径を拡大し，波長板5，6で照明の偏光方向を設定して集光レンズ8でウェハ1上の検出エリアを集光照明する。7a，7bはミラーで，照明光路を変えるためのものであり，必要に応じて使用する。波長板5と6は照明の偏光をＳ偏光，Ｐ偏光，円偏光に設定するものである。照明仰角θiは5度から25度が望ましい。
【００１６】
該アッテネータ3は1/2波長板と偏光ビームスプリッタにより構成する。レーザ光源の射出ビーム（直線偏光）を1/2波長板で偏光角度を傾け，PBS（Polarized Beam Splitter）を通過する光量を変更する。1/2波長板を回転することにより偏光軸が変化して光量を調整することができる。
【００１７】
該検出光学系102は，低角度検出系および高角度検出系からなり，おのおの散乱光検出レンズ9，12，検光子10，13および光電変換素子11，14から構成され，検出エリアに存在する異物・欠陥からの散乱光を散乱光検出レンズ9，12で光電変換素子11，14の受光面上にほぼ集光する。光電変換素子11，14は受光散乱光量に比例した大きさの電気信号を発生し信号処理回路（表示せず）で信号処理することにより異物・欠陥を検出し，その大きさや存在場所を検知する。
【００１８】
光電変換素子11，14は検出光学系102によって集光された該散乱光を受光し光電変換するために用いるものであり，例えば，TVカメラやCCDリニアセンサやTDIセンサや光電子増倍管である。検光子10，13は散乱光に含まれる特定方向の成分のみを検出するために使用する。低角度検出系の検出仰角（中心角）θ1は15度ないし35度，高角度検出系の検出仰角（中心角）θ2は45度ないし70度が望ましい。
【００１９】
該ウェハステージ103はウェハ1を保持するチャック15，ウェハ1を回転させるための回転機構17およびウェハ1を半径方向に直進送りさせるための直進送り機構16からなる。該ウェハステージ103でウェハ1を水平方向に回転走査及び直進移動させることによって，ウェハ1の全領域における異物・欠陥の検出および欠陥の分類が可能となる。
【００２０】
図２は低角度検出系の平面図であり，多方向検出とすることが可能であり，本実施例では６方向検出を示している。各々の光電変換素子11の出力は用途に応じて加算，減算，除算等が行われる。検出方位角（中心角）は照明方向に対してそれぞれ20〜50°（φ1），-20〜-50°（φ2），70〜110°（φ3），-70〜-110°（φ4），130〜160°（φ5），-130〜-160°（φ6）が望ましい。
【００２１】
図３は図２と同様に高角度検出系の平面図であり，多方向検出とすることが可能であり，本実施例では４方向検出を示している。各々の光電変換素子14の出力は用途に応じて加算，減算，除算等が行われる。検出方位角（中心角）は照明方向に対してそれぞれ±10度（φ7），80〜110°（φ8），-80〜-110°（φ9），180±10°（φ10）が望ましい。
【００２２】
図４は低角度検出系の信号処理方式の一例である。光電変換素子11として光電子増倍管を用いた例である。光電子増倍管11は高圧の印加電圧が必要であり，高圧直流電源19から供給する。光電子増倍管11の出力は増幅回路18により電流―電圧変換および必要な電圧増幅を行って加算回路20で加算する。このとき光電子増倍管11の感度差を補正するため，増幅回路18では増幅率を調整する。
【００２３】
加算回路20の出力はバンドパスフィルタ21によって直流成分および不要なノイズ成分を除去し，AD変換回路22によりデジタルに変換する。AD変換回路22の出力は比較回路23によってしきい値と比較し，しきい値を超えた場合，AD変換値とR・θ座標を欠陥メモリ26に取り込む。しきい値はラッチ24にインターフェース25を介してCPU（図示せず）から設定する。欠陥メモリ26の内容はCPU（図示せず）から読み出し，欠陥マップ表示や欠陥分類等に用いる。図５は高角度検出系の信号処理方式の一例であり，内容は図４と同一である。
【００２４】
図６はＰ偏光で照明したときの微小な欠陥で発生する散乱光強度分布35の一例である。欠陥の寸法が照明波長の約1/5以下のとき，図６のように発生する散乱光強度分布は等方的となる。この場合，各検出信号はほぼ同等の値（Ｓ）となる。光電子増倍管11において光電変換するときにショットノイズ（Ｎ）が発生する。
【００２５】
各光電子増倍管11から出力されるショトノイズ（Ｎ）はランダムであり，各光電子増倍管11の出力信号のSN比はＳ/Ｎとなる。図４，５のように全検出信号を加算平均すると，ショットノイズは平均化されて1/√6となり，検出信号のSN比は√6倍向上し，各光電子増倍管11個別に処理するより微小欠陥検出が可能となる。スクラッチのように散乱光強度分布が偏って1個の光電子増倍管11でのみ検出された場合に加算平均すると，検出信号は1/6になりショットノイズは1/√6となるため，各光電子増倍管11個別に処理するよりSN比は1/√6に低下する。
【００２６】
これを回避するための１実施例を図７に示す。図４に示した処理回路と同じ回路を各光電子増倍管11にも付加する。比較回路23の出力は論理和をとり，どれか１つでもしきい値を超えた場合に全AD変換回路22の出力とR・θ座標を欠陥メモリ26に取り込む。これにより散乱光強度分布に方向性を持つ異方性欠陥の見逃しを回避することが可能となる。
【００２７】
図８は光電子増倍管11の感度差を補正するための１実施例である。39は入力電圧によって高圧印加電圧を調整可能な電源ユニットである。この電源ユニットの１例としては浜松ホトニクス（株）製C4900が使用可能である。インターフェース40を介してラッチ37に電圧値を書き込み，その値をDA変換回路38で電圧値に変換して電源ユニット39に与えることにより，光電子増倍管11に高圧印加電圧が供給できる。ラッチ37に書き込む電圧値を変えることにより，光電子増倍管11の感度をCPUから調整できる。増幅回路18による増幅率調整との併用によって感度差の補正が容易となる。
【００２８】
ウェハ表面に存在するラフネスの空間周波数・粗さによってウェハ表面で発生する散乱光の強度と分布が異なる。光電子増倍管11で検出したウェハ表面での散乱光強度をSuとすると，光電子増倍管11で発生するショットノイズは√Suとなる。光電子増倍管11で検出したウェハ表面での散乱光強度が光電子増倍管11毎に異なる場合，発生するショットノイズも異なり，欠陥検出のためのしきい値を変える必要がある。これに対処するための１実施例を図９に，処理内容を図１０に示す。
【００２９】
増幅回路18の出力信号45をバンドパスフィルタ21とローパスフィルタ41でウェハ信号46とショットノイズを含む欠陥信号47に分離する。ローパスフィルタ41を通過したウェハ信号46からしきい値を作成する。ウェハ信号46からの信号はAD変換回路42でデジタルに変換し，演算回路43でしきい値Vthを作成しラッチ44に設定する。ショットノイズはウェハ信号Suの平方根に比例するので, しきい値Vthは式（１）で計算する。
Vth = k・√(Su・Δf)                                      （１）
ここで，kは定数，Δfは回路の周波数帯域である。
【００３０】
図１１は検査フローの1例である。検査レシピを取り込み，必要なパラメータを装置に設定する。ウェハをロード・検査を行い，欠陥データを欠陥メモリから入力する。検査が終了するとウェハ走査（回転と1軸送り）を停止し，ウェハをアンロードする。その後，必要に応じて欠陥マップをGUI画面に表示する。
【００３１】
図１２はGUIの一例である。GUI画面48は，検査終了後に表示する欠陥マップ49，欠陥マップ表示センサ選択画面50を少なくとも含んで構成される。
【００３２】
図１３は欠陥弁別の１例である。低角度検出系の検出信号VLと高角度検出系VHの比を処理回路51で演算し，結果を欠陥メモリに書き込む。処理内容を図１４で説明する。横軸にVL，縦軸にVHをとり，演算結果をプロットすると，しきいち曲線52より上のエリア53には凹欠陥（COP，スクラッチ等），下のエリア54には凸欠陥がプロットされるため，しきいち曲線52の設定により適切な欠陥の凹凸（欠陥種類）が弁別できる。
【００３３】
図１４において、点線５２より下は凸欠陥、点線５２より上は凹欠陥である。凹欠陥はもともとＳｉウェーハー等に存在していた欠陥であることが多い。凸欠陥は装置で発生した欠陥であることが多い。したがって、同じ欠陥密度でも凸欠陥が凹欠陥よりも多ければ製造装置に問題がある場合が多いと言える。
【００３４】
以上の説明は光電変換素子として光電子増倍管１１を用いた場合として説明した。しかし、ショットノイズと欠陥検出信号との関係は光電変換素子としてＣＣＤ等を用いた場合も同様である。したがって、以上の説明は光電変換素子として光電子増倍管１１以外の素子を用いた場合にも適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例（側面図）を示す図
【図２】本発明の一実施例（平面図）を示す図
【図３】本発明の一実施例（平面図）を示す図
【図４】信号処理回路を説明する図
【図５】信号処理回路を説明する図
【図６】微小欠陥散乱光強度分布を説明する図
【図７】信号処理回路を説明する図
【図８】光電子増倍管感度調整方法を説明する図
【図９】しきい値設定方法を説明する図
【図１０】図９の処理内容を説明する図
【図１１】検査フローを説明する図
【図１２】GUIの１例を説明する図
【図１３】欠陥分類処理回路を説明する図
【図１４】欠陥分類内容を説明する図
【符号の説明】
【００３６】
1：ウェハ，101：照明光学系，102：検出光学系，103：ウェハステージ，
2：レーザ光源，3：アッテネータ，4：ビームエキスパンダ，
5，6：波長板，7：ミラー，8：集光レンズ，9，12：散乱光検出レンズ，10，13：検光子，
11，14：光電変換素子。
【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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