(57)【要約】【課題】レーザ光を光源として用いた場合に、信頼性が高く、また安全な照明光学機構装置，欠陥検査装置を得る。【解決手段】レーザ源と、該レーザ源から出射したビームを折り返させてほぼ平行な方向に進行するビームを生じせしめる第一の平面鏡と第二の平面鏡を備えたビーム偏向機構と、該ビームをビーム断面面積がより大きい平行ビームに変換するビームエキスパンダと、該平行ビームを縮小して試料面上に照射する対物レンズとを格納した筐体と、ビーム偏向機構の２枚の平面鏡の方位を電気信号によって制御する第一の制御機構と、前記ビームエキスパンダの焦点位置を電気信号によって制御する第二の制御機構とを備える。【選択図】　図１
2004045111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ源と、該レーザ源から出射したビームを折り返させてほぼ平行な方向に進行するビームを生じせしめる第一の平面鏡と第二の平面鏡を備えたビーム偏向機構と、該ビームをビーム断面面積がより大きい平行ビームに変換するビームエキスパンダと、該平行ビームを縮小して試料面上に照射する対物レンズとを格納した筐体と、前記ビーム偏向機構の２枚の平面鏡の方位を電気信号によって制御する第一の制御機構と、前記ビームエキスパンダの焦点位置を電気信号によって制御する第二の制御機構とを備えたことを特徴とする照明光学機構装置。
【請求項２】
請求項１の記載において、前記ビームエキスパンダから前記対物レンズに至る光路上に前記平行ビームを振幅分割する第一のビームスプリッタと、該第一のビームスプリッタで反射された平行ビームを更に２分割する第二のビームスプリッタと、２分割された一方の平行ビームの断面内の光強度分布を観察するビームプロファイル観察カメラと、２分割された他方の平行ビームを収束させる収束レンズと、該収束レンズによって収束されたスポット像の位置を検出するビームスポット位置センサとを前記筐体に格納し、前記ビームプロファイル観察カメラおよび前記ビームスポット位置センサの一方または両方の出力信号を表示させる表示手段を前記筐体外に備えたことを特徴とする照明光学機構装置。
【請求項３】
レーザ源と、該レーザ源から出射したビームを折り返させてほぼ平行な方向に進行するビームを生じせしめる第一の平面鏡と第二の平面鏡を備えたビーム偏向機構と、該ビームをビーム断面面積がより大きい平行ビームに変換するビームエキスパンダと、該平行ビームを縮小して試料面上に照射する対物レンズと、前記ビームエキスパンダから前記対物レンズに至る光路上に前記平行ビームを振幅分割する第一のビームスプリッタと、該第一のビームスプリッタで反射された平行ビームを更に２分割する第二のビームスプリッタと、２分割された一方の第一の平行ビームの断面内の光強度分布を観察するビームプロファイル観察カメラと、２分割された他方の第二の平行ビームを収束させる収束レンズと、該収束レンズによって収束されたスポット像の位置を検出するビームスポット位置センサとを格納した筐体と、前記ビームプロファイル観察カメラおよび前記ビームスポット位置センサの一方または両方の出力信号を表示させる表示手段と、前記ビーム偏向機構の２枚の平面鏡の方位を電気信号によって制御する第一の制御機構と、前記ビームエキスパンダの焦点位置を電気信号によって制御する第二の制御機構と、前記第二の平行ビームで照射された試料の像を拡大結像させる光学像観察機構と、該光学像観察機構により得られた試料上の２つの領域の画像を比較し欠陥を検出する画像比較機構とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項４】
レーザ源と、該レーザ源から出射したビームを該ビームの進行方向に対して約９０度の方向に折り返す第一の平面鏡と、該第一の平面鏡で折り返されたビームを再度約９０度の方向に折り返して前記レーザ源から出射されたビームとほぼ平行な方向に進行するビームを生じせしめる第二の平面鏡と、該ビームをビーム断面面積がより大きな平行ビームに変換するためのビームエキスパンダと、該平行ビームを縮小して試料面上に照射する対物レンズとを格納した筐体と、前記第一の平面鏡と前記第二の平面鏡の方位を電気信号によって制御する第一の制御機構と、前記ビームエキスパンダの焦点位置を電気信号によって制御する第二の制御機構とを備えたことを特徴とする照明光学機構装置。
【請求項５】
請求項４の記載において、前記ビームエキスパンダから前記対物レンズに至る光路上に前記平行ビームを振幅分割する第一のビームスプリッタと、該第一のビームスプリッタで反射された平行ビームを更に２分割する第二のビームスプリッタと、２分割された一方の平行ビームの断面内の光強度分布を観察するビームプロファイル観察カメラと、２分割された他方の平行ビームを収束させるレンズと、該レンズによって収束されたスポット像の位置を検出するビームスポット位置センサとを前記筐体に格納し、前記ビームプロファイル観察カメラおよび前記ビームスポット位置センサの一方または両方の出力信号を表示させる表示手段を備えたことを特徴とする照明光学機構装置。
【請求項６】
レーザ源と、該レーザ源から出射したビームを該ビームの進行方向に対して約９０度の方向に折り返す第一の平面鏡と、該第一の平面鏡で折り返されたビームを再度約９０度の方向に折り返して前記レーザ源から出射されたビームとほぼ平行な方向に進行するビームを生じせしめる第二の平面鏡と、該ビームをビーム断面面積がより大きい平行ビームに変換するビームエキスパンダと、該平行ビームを縮小して試料面上に照射する対物レンズと、前記ビームエキスパンダから前記対物レンズに至る光路上に前記平行ビームを振幅分割する第一のビームスプリッタと、該第一のビームスプリッタで反射された平行ビームを更に２分割する第二のビームスプリッタと、２分割された一方の第一の平行ビームの断面内の光強度分布を観察するビームプロファイル観察カメラと、２分割された他方の第二の平行ビームを収束させる収束レンズと、該収束レンズによって収束されたスポット像の位置を検出するビームスポット位置センサとを格納する筐体と、前記ビームプロファイル観察カメラおよび前記ビームスポット位置センサの一方または両方の出力信号を表示させる表示手段と、前記ビーム偏向機構の２枚の平面鏡の方位を電気信号によって制御する第一の制御機構と、前記ビームエキスパンダの焦点位置を電気信号によって制御する第二の制御機構と、前記第二の平行ビームで照射された試料の像を拡大結像させる光学像観察機構と、該光学像観察機構により得られた試料上の２つの領域の画像を比較し欠陥を検出する画像比較機構とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
【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工程やフラットパネルディスプレイの製造工程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る照明光学機構装置、および、欠陥検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、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挙げられる。従来、光源としては水銀ランプが用いられ、水銀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。しかしながら、水銀ランプの輝線では発光スペクトル幅が広く光学系の色収差を補正するのが困難であること。十分な照度を得るためには光源が大形になり、効率が悪いなどの問題がある。
【０００３】
近年、半導体製造における露光装置用光源として、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ装置を搭載した露光装置が開発されているが、エキシマレーザ光源は大形であり、またフッ素ガスを使用しているため所定の安全対策が必要などの問題がある。
【０００４】
紫外レーザ光源としては、例えば、固体のＹＡＧレーザ光を非線形光学結晶により波長変換したレーザ装置や、Ａｒ−Ｋｒレーザ装置等があり、波長２６６
ｎｍないし３５５ｎｍのレーザ光を得ることができる。これらのレーザ装置は、従来、光源としていたランプに比べ、出力が大きく、また、平行光束であるので光路の引き回しが自在に行える等の利点がある反面、レーザは可干渉性を有しているため、レーザスペックル（干渉縞）が発生して試料上に形成された回路パターンの検出に明るさむら発生等の悪影響を及ぼす。なお、この解決策に関する従来技術として、特開２００１−１４１４２８号公報に記載されたものがある。しかしながら、レーザ使用時の光軸調整や光量調整という検出精度に係る信頼性の点や、レーザ使用時の安全面の点については考慮されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、レーザ光を光源として用いた場合に、信頼性が高く、また安全な照明光学機構装置，欠陥検査装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施形態においては、レーザ源と、該レーザ源から出射したビームを折り返させてほぼ平行な方向に進行するビームを生じせしめる第一の平面鏡と第二の平面鏡を備えたビーム偏向機構と、該ビームをビーム断面面積がより大きい平行ビームに変換するビームエキスパンダと、該平行ビームを縮小して試料面上に照射する対物レンズとを格納した筐体と、ビーム偏向機構の２枚の平面鏡の方位を電気信号によって制御する第一の制御機構と、前記ビームエキスパンダの焦点位置を電気信号によって制御する第二の制御機構とを備えたものである。
【０００７】
また、上記照明光学機構を備えたパターンの欠陥検査装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図１ないし図３により説明する。図１は、本発明に係わる照明光学系の構成を示す一例である。本発明では短波長領域での高輝度照明を実現するために、遠紫外レーザ光をレーザ光源３としている。レーザ光源３から発振するレーザ光Ｌ１は、第一の平面鏡４ａで角度を変え、第二の平面鏡４ｂで再度角度を変えてレーザ光源３からの出射光とほぼ平行となる。
【０００９】
次にレーザ光Ｌ１はビームエキスパンダ５により断面径の大きな平行光束となり、コヒーレンス低減光学系，偏光ビームスプリッタ，偏光素子群等を介して対物レンズ１１に入射し、被測定物に照射される。ビームエキスパンダ５により拡大されたレーザ光Ｌ１は、途中にあるレンズによって対物レンズ１１の瞳付近に集光された後、試料上にケーラー照明される。
【００１０】
また、第一の平面鏡４ａと第二の平面鏡４ｂは、モータ等により駆動されるビーム偏向機構４０ａ，４０ｂに連結され、平面鏡の角度を変更できる。さらにその角度を制御するビーム偏向機構制御部４１に繋がっている。またビーム偏向機構制御部４１には、偏向角度を手動で操作できる手動操作入力部４２が連結する。
【００１１】
また、ビームエキスパンダ５は、モータ等により駆動されるビームエキスパンダ調節機構５０に連結され、その焦点位置を変更することによりビームの断面径の大きさを拡大した平行光束に変更できる。さらにその断面径の大きさを制御するビームエキスパンダ調節機構制御部５１に繋がっている。またビームエキスパンダ調節機構制御部５１には、ビーム断面径の大きさを手動で操作できる手動操作入力部５２が繋がる。
【００１２】
また、ビームエキスパンダ５の先に第一のビームスプリッタ３０ａを設けて平行光束を振幅分割し、さらに第二のビームスプリッタ３０ｂにより２分割する。分割された片方のビームはビームプロファイル観察カメラ３１に入光し、そのビーム形状を獲得する。それによりビーム断面径を測定できるので、所定の断面径でない場合、断面径を調節するようビームエキスパンダ調節機構制御部５１に指令を送る。その指令に基づきビーム断面径が所定の値となるよう自動的に調節される。
【００１３】
分割されたもう一方のビームは、集束レンズ３３を通りビームスポット位置センサ３２に集光し、ビーム位置ずれ量が検出される。位置ずれがある場合、位置を中心に調節するようビーム偏向機構制御部４１に指令を送る。それによりビームスポット位置が自動的に中心へ調節される。以上により、常に安定した光ビームを維持することができる。
【００１４】
また、ビームプロファイル観察カメラ３１からの情報、及びビームスポット位置センサ３２からの情報をモニタする表示モニタ６０や通信手段６１を設けてもよい。
【００１５】
手動操作入力部４２，５２以外を筐体６２の内部に納めることにより、レーザ光が外に漏れる心配がなく、レーザ光を調節するとき、筐体６２の外にある手動操作入力部４２，５２でビームの位置や角度，断面径を調節することができるので、作業者がレーザ光の危険にさらされる恐れもなく、遠隔で調節できる。筐体６２の構造は、手動入力部４２，５２以外をカバーで覆う形や、光路を筒状のもので覆い、レンズ等は少し大きめのカバーで覆う形とする、等が考えられる。しかも限られた狭いスペースで作業する必要がなくなり、作業者は離れた位置から操作できるので、作業者への負担も低減される。また、表示モニタ６０や通信手段６１も、筐体６２の外に設けたほうがよい。
【００１６】
次に、上記の照明光学機構を設けた装置として、光学式ウェハ欠陥検査装置の照明光学機構の構成の一例を図２に示す。ただし、一部、画像処理機構については、そのフローを示してある。本発明では短波長領域での高輝度照明を実現するために、紫外レーザ光を光源としている。
【００１７】
２はＸ，Ｙ，Ｚ，θ方向の自由度を有したステージであり、試料として被検査パターンの一例である半導体ウェハ１が載置される。レーザ光源３から発振するレーザ光Ｌ１は第一の平面鏡４ａと第二の平面鏡４ｂとからなるミラー４，ビームエキスパンダ５，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，偏光素子群１０を介して対物レンズ１１に入射し、被検査パターンの一例である半導体ウェハ１上に照射される。
【００１８】
ビームエキスパンダ５はレーザ光をある大きさに拡大するものであり、拡大されたレーザ光Ｌ１はレンズ７によって対物レンズ１１の瞳付近１１ａに集光された後、試料上にケーラー照明される。
【００１９】
また第一の平面鏡４ａと第二の平面鏡４ｂそれぞれには、その角度を変更できるビーム偏向機構４０ａ，４０ｂが連結されている。またビームエキスパンダ５にはその焦点位置を変更できるビームエキスパンダ調節機構５０が連結されている。さらに、ビームエキスパンダ５の後に第一のビームスプリッタ３０ａを設けて平行光束を振幅分割し、さらに第二のビームスプリッタ３０ｂにより２分割する。分割された片方のビームはビームプロファイル観察カメラ３１に入光し、そのビーム形状を獲得する。分割されたもう一方のビームは、集束レンズ３３を通りビームスポット位置センサ３２に集光し、ビーム位置ずれ量が検出される。
【００２０】
試料からの反射光は、試料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もつ。光源としているレーザ光は、元々、偏光レーザであり、偏光ビームスプリッタ９は、このレーザ光が全反射するように設置されている。
【００２１】
一方、半導体プロセスによりウェハ１上に形成された被検査パターンは、様々な形状を呈している。このため、パターンからの反射光は、様々な偏光成分を持っている。偏光素子群１０は、レーザ照明光及び反射光の偏光方向を制御して、パターンの形状，密度差により、反射光がイメージセンサ１３へ明るさむらとなって到達しないように、照明光の偏光比率を任意に調整する機能を有するもので、例えば、１／２波長板，１／４波長板で構成されている。
【００２２】
イメージセンサ１３は、例えば時間蓄積形のセンサ（ＴＤＩセンサ）であり、被検査パターンの一例である半導体ウェハ１からの反射光の明るさ（濃淡）に応じた濃淡画像信号を出力するものである。１４はＡ／Ｄ変換器であり、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ものである。すなわち、ステージ２を走査して被検査パターンの一例である半導体ウェハ１を等速度で移動させつつ、図示していない焦点検出系で、半導体ウェハ１の被検査面のＺ方向の位置を常に検出し、対物レンズ１１との間隔が一定になるようにステージ２をＺ方向に制御して、イメージセンサ１３により半導体ウェハ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）を高精度で検出する。
【００２３】
１５は、例えば８ビットの階調変換器であり、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、対数，指数，多項式変換等を施し、プロセスで半導体ウェハ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。１６は遅延メモリであって、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１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。１７は比較器であり、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。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り、設計情報に基づいて得られる半導体ウェハ１上における配列データ等の座標をキーボード，ディスク等から構成された入力手段１８で入力しておくことにより、ＣＰＵ１９が比較器１７による比較の結果を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、欠陥検査データを作成して記憶装置２０に格納する。
【００２４】
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。なお、比較器１７は、例えば画像の位置合わせ回路や、位置合わせされた画像の差画像検出回路，差画像を２値化する不一致検出回路、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から構成されている。
【００２５】
また上記の照明光学機構の中のコヒーレンス低減光学系６の構成について説明すると、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、ウェハ１をレーザで照明した場合、回路パターンからスペックルノイズが発生する原因となる。このためレーザ照明では、コヒーレンスを低減する必要がある。
【００２６】
コヒーレンスを低減するには、時間的あるいは空間的コヒーレンスのいずれかを低減させればよく、本発明では、図３に示す如くほぼ直交し反射面が図の矢印で示された方向に回転する２個の走査ミラー機構７１，７４により、レーザ光を２次元的に走査して、空間的にコヒーレンスを低減するようにしている。
【００２７】
図２も参照することにより詳細に説明すると、レーザ光源３から出射され、ビームエキスパンダ５によりある大きさに拡大されたレーザ光Ｌ１は、平行光束となって走査ミラー機構７１で反射し、レンズ７２で集光後、レンズ７３で再度平行光束となり、走査ミラー機構７４で反射した後、レンズ７によって対物レンズの瞳１１ａ上に集光される。走査ミラー機構７１，７４のミラー位置は、ウェハ１の表面と共役な位置関係になっている。走査ミラー機構７１，７４は、電気信号によって回転または揺動する振動ミラーであり、これにより、レーザ光Ｌ１は対物レンズ１１の瞳面１１ａ上で、２次元的に走査されることになる。走査ミラー機構７１，７４へ入力する電気信号としては、例えば三角波や正弦波等であり、入力する電気信号の周波数や振幅を変えることで、対物レンズ１１の瞳面１１ａでの様々な形状の走査が可能となる。
【００２８】
以上のように、レーザによる照明光学系に対し、ビーム偏向機構とビームエキスパンダ調節機構を設け、照明光学機構は筐体に格納しているので、作業者が直接光学系に触ることなく、ビームの調節ができる。しかも照明光学機構を筐体内に納めることにより、ビームは外に漏れる心配もなく、安全である。これは作業者から狭い空間における作業を開放するので、より安全な作業が確保できる。
【００２９】
またビームスポット位置センサやビームプロファイル観察カメラを設け、上記のビーム偏向機構とビームエキスパンダ調節機構を自動的に制御すれば、常に安定したビームを被測定物に照射できるという効果を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ光を光源として用いた場合に、信頼性が高く、また安全な照明光学機構，欠陥検査装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる照明光学機構の構成を示す図。
【図２】光学式ウェハ欠陥検査装置の機構部分の構成を示す斜視図。
【図３】コヒーレンス低減光学系６の構成を示す斜視図。
【符号の説明】
３…レーザ光源、４ａ…第一の平面鏡、４ｂ…第二の平面鏡、５…エキスパンダ、１１…対物レンズ、３０ａ，３０ｂ…ビームスプリッタ、３１…ビームプロファイル観察カメラ、３２…ビームスポット位置センサ、４０ａ，４０ｂ…ビーム偏向機構、４１…ビーム偏向機構制御部、５０…ビームエキスパンダ調節機構、５１…ビームエキスパンダ調節機構制御部。
【図１】
2004045111.tif 000003
【図２】
2004045111.tif 000004
【図３】
2004045111.tif 000005