(57)【要約】【課題】  異なる波長において、または異なる入射角度において、またはそれらの組み合わせによって光ビームを導く照射要素を含む検査ツールを提供する。【解決手段】  ビームは、反射光および散乱光光学信号を作る。スキャン要素および光学検出器要素が提供される。光学検出器要素は、反射された光の信号および散乱された光の信号を受け取る。反射された光の信号および散乱された光の信号を受け取る回路が用いられて、ワークピース上に形成された一部透明レイヤについての厚さの値を決定し、一部透明レイヤの厚さの効果を補正することによって、信号がワークピースの欠陥を特定し特徴付けるようにする。さらに本発明は、このような検査を実現する方法の記載も含む。【選択図】  図８（ａ）
2005043371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの光ビームを表面上に導くことによって、前記少なくとも２つの光ビームのそれぞれについて反射された光の信号および散乱された光の信号を生成する照射要素であって、前記少なくとも２つの光ビームは、少なくとも２つの異なる波長群、または少なくとも２つの異なる、表面に対しての入射角群のうちのいずれかを有する、照射要素、
前記反射された光の信号を受け取るよう構成される光学検出器、および
前記反射された光の信号を分析することによって一部透明レイヤについての厚さの値を決定する回路
を備える表面検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面検査装置であって、前記光学検出器は、異なる波長における反射された光信号を検出するよう構成される表面検査装置。
【請求項３】
請求項１に記載の表面検査装置であって、前記光学検出器は、異なる偏波における反射された光信号を検出するよう構成される表面検査装置。
【請求項４】
請求項１に記載の表面検査装置であって、前記光学検出器は、異なる集光角度における反射された光信号を検出するよう構成される表面検査装置。
【請求項５】
請求項１に記載の表面検査装置であって、前記光学検出器は、前記散乱された光の信号および前記反射された光の信号を検出するよう構成され、
前記回路は、前記反射された光の信号を分析することによって前記一部透明レイヤについての厚さの値を決定し、前記厚さの値を組み合わせて利用して前記散乱された光の信号を分析することによって前記表面内の欠陥を検出する
表面検査装置。
【請求項６】
請求項５に記載の表面検査装置であって、前記表面にわたって前記少なくとも２つの光ビームの相対的動きを提供することによって、前記表面全体が前記装置によって検査されえるスキャン要素をさらに含む表面検査装置。
【請求項７】
第１ビームおよび第２ビームを含む少なくとも２つの光ビームを、その上に形成された一部透明レイヤを有する前記ワークピースの一部上に導くことによって、前記少なくとも２つの光ビームのそれぞれについて反射された光の信号および散乱された光の信号を生成する照射要素、
前記ワークピースの表面にわたって前記少なくとも２つの光ビームの相対的動きを提供するよう構成されるスキャン要素、
前記第１ビームによってそれが前記ワークピース上をスキャンするときに作られる第１の反射された光の信号を受け取り、前記第１の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を測定し、前記光学パラメータ値を関連付けられた第１電気信号に変換するよう構成された第１光学検出器要素、
前記第２ビームによってそれが前記ワークピース上をスキャンするときに作られる第２の反射された光の信号を受け取り、前記第２の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を測定し、前記光学パラメータ値を関連付けられた第２電気信号に変換するよう構成された第２光学検出器要素、
前記関連付けられた第１および第２電気信号を受け取り、前記信号を用いて前記一部透明レイヤについての厚さの値を決定する回路、
前記少なくとも２つのビームが前記ワークピース上をスキャンするときに前記散乱された光の信号を受け取り、前記散乱された光の信号を関連付けられた第３電気信号に変換するよう構成された第３光学検出器要素、および
前記第３電気信号および前記一部透明レイヤについての厚さの値を受け取り、前記一部透明レイヤの前記厚さの効果を補正することによって、前記第３電気信号が前記ワークピースの欠陥を特定し特徴付けるのに用いられえる回路
を備える表面検査装置。
【請求項８】
請求項７に記載の表面検査装置であって、前記スキャン要素は、前記ワークピースの前記表面にわたって前記少なくとも２つの光ビームの連続的な相対動きを可能にすることによって、前記ウェーハの表面全体のスキャンを促進する表面検査装置。
【請求項９】
請求項８に記載の表面検査装置であって、前記第１ビームは、前記第２ビームとは異なる角度において前記ワークピースの前記表面上に導かれる表面検査装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の表面検査装置であって、前記第１ビームおよび前記第２ビームはそれぞれ異なる波長を有する光を含む表面検査装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の表面検査装置であって、前記第１ビームは、前記第２ビームとは異なる角度において前記ワークピースの前記表面上に導かれる表面検査装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の表面検査装置であって、前記第１光学検出器要素は、光強度値、光偏波値、前記反射された光の信号の角度、および前記第１の反射された光の信号に関連付けられた位相値の中から選択された前記第１の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を測定し、
前記第２光学検出器要素は、光強度値、光偏波値、前記反射された光の信号の角度、および前記第２の反射された光の信号に関連付けられた位相値の中から選択された前記第２の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を測定する
表面検査装置。
【請求項１３】
請求項７に記載の表面検査装置であって、前記照射要素は、前記ワークピースの前記一部上に導かれる第３光ビームを含む少なくとも３つの光ビームを備えることによって、第３の反射された光の信号および他の散乱された光の信号を生成し、
前記ワークピース上がスキャンされるとき前記第３ビームによって作られた前記第３の反射された光の信号を受け取り、前記第３の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を測定し、前記光学パラメータを関連付けられた第４電気信号に変換するよう構成された第４光学検出器をさらに含み、
前記回路は、前記第４電気信号をさらに受け取り、前記第４電気信号を用いて前記一部透明レイヤの前記厚さをさらに決定する
表面検査装置。
【請求項１４】
請求項７に記載の表面検査装置であって、
第３光学検出器要素は、前記少なくとも２つのビームが前記ワークピース上をスキャンするときに前記散乱された光の信号を前記第１ビームから受け取るよう構成された第１光学検出器サブ要素、および前記散乱された光の信号を前記第２ビームから受け取るよう構成された第２光学検出器サブ要素を含み、前記第１および第２散乱された光の信号を関連付けられた電気信号に変換し、
前記回路は、前記第１および前記第２の散乱された光の信号および前記一部透明レイヤについての厚さの値に関連付けられた前記電気信号をさらに受け取り、前記一部透明レイヤの前記厚さの効果を補正することによって、前記第１および前記第２散乱された光の信号に関連付けられた電気信号が前記ワークピースの欠陥を特定し特徴付けるよう用いられえる
表面検査装置。
【請求項１５】
表面検査を行う方法であって、
表面を有するワークピースを提供すること、
少なくとも２つの光ビームで前記ワークピースの前記表面を連続的にスキャンすることによって、少なくとも２つの反射された光の信号を生成すること、
前記反射された光の信号を検出すること、および
前記反射された光の信号を処理することによって前記ワークピースの前記表面を特徴付けること
を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記ワークピースを提供することは、その表面上に形成された少なくとも１つの一部透明レイヤを有するワークピースを提供することを含み、
前記反射された光の信号を処理することによって前記ワークピースの前記表面を特徴付けることは、前記反射された光の信号を処理することによって前記ワークピース上に形成された前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さを決定する方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、前記反射された光の信号を処理することによって前記ワークピースの前記表面を特徴付けることは、前記反射された光の信号を処理することによって、前記ワークピースの前記表面上にわたって分布する反射された光の信号値の空間分布を含む前記ワークピースのマップを生成する方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記反射された光の信号を検出することは、前記反射された光の信号の光学パラメータ値を測定することを含み、ここで前記反射された光の信号についての前記光学パラメータ値は、光強度値、光偏波値、角度値、および前記反射された光の信号に関連付けられた位相値の中から選択され、
前記反射された光の信号を処理することによって前記ワークピースの前記表面を特徴付けることは、前記反射された光の信号の前記測定された光学パラメータ値を処理することによって、前記ワークピースの前記表面上にわたって分布する反射された光の信号についての測定された光学パラメータ値の空間分布を含む前記ワークピースのマップを生成する方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法であって、
前記ワークピースを連続的にスキャンすることは、第１波長における第１ビームおよび第２波長における第２ビームを含む少なくとも２つの異なる波長を有する少なくとも２つの単色光ビームでスキャンすることによって、前記第１波長における第１の反射された光の信号および前記第２波長における第２の反射された光の信号を含む反射された信号を作ることを含み、
前記反射された光の信号を前記検出することは、前記第１の反射された光の信号および前記第２の反射された光の信号を検出することを含み、
前記処理することは、前記第２の反射された光の信号と共に前記第１の反射された光の信号を分析することによって前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さを決定することを含む方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、処理することは、前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さを用いて、前記ワークピースの前記表面上にわたる前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さの空間分布を含む前記ワークピースのマップを生成することを含む方法。
【請求項２１】
請求項１９に記載の方法であって、処理することは、前記第１の反射された光の信号の光学パラメータを前記第２の反射された光の信号の光学パラメータと共に分析することによって、前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さを決定することを含み、前記光学パラメータは、光強度、光偏波、角度、および光変化のうちから選択される方法。
【請求項２２】
請求項１５に記載の方法であって、
前記ワークピースを連続的にスキャンすることは、それぞれのビームが前記ワークピースの前記表面に異なる角度で入射することによって、第１角度における第１の反射された光の信号および第２角度における第２の反射された光の信号を含む反射された信号を作るよう構成される第１ビームおよび第２ビームを含む少なくとも２つの光ビームでスキャンすることを含み、
前記反射された光の信号を前記検出することは、前記第１の反射された光の信号および前記第２の反射された光の信号を検出することを含む方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって、前記ワークピースを連続的にスキャンすることは、前記第１ビームおよび前記第２ビームのそれぞれが光の異なる波長を有するように少なくとも２つの光ビームでスキャンすることを含む方法。
【請求項２４】
請求項１６に記載の方法であって、
前記ワークピースを少なくとも２つの光ビームでスキャンすることは、散乱された光の信号および反射された光の信号の両方を生成し、
検出することは、前記散乱された光の信号および前記反射された光の信号を検出することを含み、
前記処理することは、前記反射された光の信号を処理することによって前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さを決定することを含み、そのような厚さ情報を前記散乱された光の信号と共に用いることによって前記ワークピース内の欠陥を検出し特徴付けることを含む方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、
前記ワークピースを少なくとも２つの光ビームでスキャンすることは、第１波長における第１ビームおよび第２波長における第２ビームを含む少なくとも２つの異なる波長における少なくとも２つの単色光ビームでスキャンすることによって、前記第１波長における第１の反射された光の信号および前記第２波長における第２の反射された光の信号を含む反射された信号を作ることを含み、
前記反射された光の信号を前記検出することは、前記第１の反射された光の信号および前記第２の反射された光の信号を検出することを含み、
前記処理することは、前記第１の反射された光の信号を前記第２の反射された光の信号と共に分析することによって、前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さを決定することを含む方法。
【請求項２６】
請求項２２に記載の方法であって、
検出することは、前記第１の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値および前記第２の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を検出することを含み、
前記処理することは、前記第１の反射された光の信号についての前記光学パラメータ値を前記第２の反射された光の信号についての前記光学パラメータ値と共に分析することによって、前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さを決定することを含む方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法であって、
前記第１および第２の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を検出することは、前記反射された光の信号に関連付けられた光強度値、光偏波値、角度、および位相値のうちから選択される光学パラメータ値を検出することを含む方法。
【請求項２８】
請求項２５に記載の方法であって、前記スキャンすることは、前記第１ビームおよび前記第２ビームが異なる角度において前記ワークピースの表面上に入射するように、前記ワークピースを前記第１ビームおよび前記第２ビームでスキャンすることをさらに含み、
前記検出することは、前記第１の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータおよび前記第２の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータを検出することを含み、
前記処理することは、前記第１の反射された光の信号についての前記光学パラメータ値を前記第２の反射された光の信号についての前記光学パラメータと共に分析することによって、前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さ決定することを含む方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法であって、前記第１および第２の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を検出することは、前記反射された光の信号に関連付けられた光強度値、光偏波値、角度、および位相値のうちから選択される光学パラメータ値を検出することを含む方法。
【請求項３０】
請求項２４に記載の方法であって、前記ワークピースをスキャンすることは、前記ワークピースの表面上に少なくとも２つの異なる角度において入射し、それによりそれぞれ互いに異なる角度における第１の反射された光の信号および第２の反射された光の信号を発生する少なくとも２つの単色光ビームでスキャンすることを含み、
検出することは、前記散乱された光の信号および前記２つの反射された光の信号を検出することを含み、
前記反射された光の信号の前記処理は、前記２つの反射された光の信号を処理することによって前記少なくとも１つの一部透明レイヤの前記厚さを決定することを含む方法。
【請求項３１】
請求項１６に記載の方法であって、
連続的に前記ワークピースをスキャンすることは、前記ワークピースの前記全体の表面を少なくとも２つの光ビームでスキャンすることによって、それぞれの光ビームに関連付けられた少なくとも２つの反射された光の信号を生成することを含む反射された光の信号を生成することを含み、
前記反射された光の信号を検出することは、前記少なくとも２つの反射された光の信号のそれぞれについての光学パラメータ値を測定することを含み、
前記反射された光の信号を処理することによって前記ワークピースの前記表面を特徴付けることは、前記少なくとも１つの一部透明レイヤの厚さを、
前記少なくとも１つの一部透明レイヤについての厚さを、前記少なくとも２つの光ビームによって生成された前記反射された光の信号についての前記測定された光学パラメータ値に関連付けるパラメトリックカーブにアクセスすること、および
前記反射された光の信号についての前記測定された光学パラメータ値にユニークに関連付けられた厚さの値を特定し、それにより前記ワークピースの前記全体表面についての前記少なくとも１つの一部透明レイヤについての厚さを決定すること
によって決定することを含む方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の方法であって、パラメトリックカーブにアクセスすることは、少なくとも２つの軸を有するパラメトリックカーブにアクセスすることを含む方法。
【請求項３３】
請求項３１に記載の方法であって、前記ワークピースの前記全体表面を連続的にスキャンすることは、それぞれの光ビームが光の異なる波長を有する少なくとも２つの光ビームで達成される方法。
【請求項３４】
請求項３１に記載の方法であって、前記ワークピースの前記全体表面を連続的にスキャンすることは、それぞれの光ビームが前記ワークピース上に異なる角度において導かれる少なくとも２つの光ビームで達成される方法。
【請求項３５】
請求項３３に記載の方法であって、それぞれ光の異なる波長を有する前記少なくとも２つのビームは、それぞれ異なる角度で前記ワークピース上に導かれる方法。
【請求項３６】
請求項３１に記載の方法であって、前記少なくとも２つの反射された光の信号のそれぞれについての光学パラメータ値を測定することは、前記反射された光の信号に関連付けられた光強度値、光偏波値、角度、および位相値のうちから選択される光学パラメータ値を測定することを含む方法。
【請求項３７】
表面検査を行う方法であって、
その表面上に形成された複数のテストパターンを有するワークピースを提供すること、
前記ワークピースの前記表面を多色光でスキャンすることによって前記ワークピースの前記テストパターンを照射し反射された光のスペクトラムを生成すること、
前記反射された光のスペクトラムを検出すること、および
前記多色光ビームを前記反射された光のスペクトラムと比較することによって前記ワークピース表面の属性を特徴付けること
を含む方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法であって、前記多色光ビームを前記反射された光のスペクトラムと比較することによって前記ワークピース表面の属性を特徴付けることは、前記ワークピースの前記表面上に形成された２つのレイヤ間のアライメントを決定することを含む方法。
【請求項３９】
請求項３７に記載の方法であって、前記多色光ビームを前記反射された光のスペクトラムと比較することによって前記ワークピース表面の属性を特徴付けることは、前記ワークピースの前記表面上に形成されたフィーチャが微小寸法についての所望の仕様に適合するかを決定することを含む方法。
【請求項４０】
請求項３７に記載の方法であって、
ワークピースを提供することは、パターン付きワークピースを提供することを含み、前記テストパターンは、所定の規則的間隔を有する回折格子を備え、
前記多色光ビームを前記反射された光のスペクトラムと比較することによって前記ワークピース表面の属性を特徴付けることは、前記多色光ビームを、前記テストパターンによって反射された前記反射された光のスペクトラムと比較することによって、前記ワークピース表面の属性を特徴付けることを含む方法。
【請求項４１】
請求項４０に記載の方法であって、前記ワークピースは、パターン付きウェーハを備える方法。
【請求項４２】
請求項３７に記載の方法であって、
前記提供されたワークピースは、パターン付きでないウェーハを備え、前記テストパターンは、所定の規則的間隔を有する回折格子を備え、
前記多色光ビームを前記反射された光のスペクトラムと比較することによって前記ワークピース表面の属性を特徴付けることは、前記多色光ビームを、前記テストパターンによって反射された前記反射された光のスペクトラムと比較することによって、前記ワークピース表面の属性を特徴付けることを含む方法。
【請求項４３】
請求項３７に記載の方法であって、前記ワークピースの前記表面を多色光でスキャンすることは、前記ワークピースの前記テストパターンを照射して前記表面の大部分をスキャンすることによって、それぞれのテストパターンに関連付けられた反射された光のスペクトラムを生成することを含み、
前記反射された光のスペクトラムを検出することは、前記テストパターンに関連付けられた前記反射された光のスペクトラムだけを選択的に検出することを含み、
前記多色光ビームを前記反射された光のスペクトラムと比較することは、前記多色光ビームを、前記テストパターンに関連付けられた前記反射された光のスペクトラムと比較することによって前記ワークピース表面の属性を特徴付けることを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、米国特許仮出願第６０／４８９，６１６号（弁護士整理番号ＫＬＡ１Ｐ１２４Ｐ／Ｐ１２１１）「Method And Apparatus For Determining Surface Layer Thickness Using Continuous Multi-Wavelength Surface Scanning」、２００３年７月２３日出願の優先権を主張する。上記出願は、その全体が全ての目的のためにここで参照によって援用される。
【０００２】
ここで記載される本発明は、一般には表面検査および試験に関する。より具体的には、本発明は、膜厚および半導体ウェーハ表面内の欠陥の決定のための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
集積回路の質を制御するために、半導体ウェーハまたは他の基板は、さまざまな検査装置でその表面を光学的にスキャンすることによって欠陥について検査される。ふつう、ウェーハは、光を反射する鏡のような表面を持つが、多くのふつうの光学検査ツールは、検査目的ではパーティクルおよび欠陥からの光の暗視野散乱に頼る。これら光学的検査ツールにおいて、検査される表面の照射は、２つのタイプの光信号、つまり所望の散乱光信号および通常、抑制される不要なスペキュラー（反射された）光信号を作る。散乱光信号は、欠陥散乱および「ヘイズ」として知られる拡散表面散乱の両方から導かれる。スペキュラーで反射された（specularly reflected）信号は、散乱および吸収によって表面で失われた要素を引かれた入射ビームである。従来のツールにおいては、散乱された光の集光システムから不要な反射されたビーム信号を取り除くため、集光光学系またはビームダンプ内の出口開口が用いられてきた。
【０００４】
ウェーハ処理のさまざまなステージにおいて、酸化物または窒化物レイヤのような薄い金属および／または誘電体膜が表面上に堆積される。典型的には、このような膜は、ある程度の「透明度」を表面を検査するのに用いられる光（検査ビーム）の波長に対して示す。よって検査ビームは、ウェーハの上部レイヤを透過し、膜のうちの下にある（透過性の少ない）レイヤに到達する。このような薄膜は、１０オングストロームおよび数１０ミクロンの間の厚さを有する。例えば、表面上の酸化物の厚さを知るのはいくつかの理由により重要である。酸化物の均一性が望まれ、これにより酸化物レイヤを利用する半導体デバイスは均一な特性を有する。酸化物レイヤは絶縁性であり、トランジスタのような半導体デバイスの電気的パフォーマンスは、特定の厚さの絶縁性レイヤに依存する。さらに重要なことには、薄いレイヤの堆積は、散乱光の分析によって得られる欠陥（例えばパーティクル）測定情報を悪化させる。
【０００５】
図１は、ウェーハ１０３表面上に存在する欠陥１０２（この場合パーティクル）に向けられる照射ビーム１０１の簡略化された概略図である。欠陥は表面の電界を散乱させ、散乱光信号Ｓおよび鏡面反射方向の反射光信号Ｒを発生する。このような散乱はこの分野でよく知られており、ウェーハ表面上の欠陥を特定し定量化するのに用いられえる。示された図で複雑なファクタは、ウェーハ１０３の表面上の１つ以上の一部透過性を持つレイヤ１０４の存在である。このような一部透過性のレイヤは、レイヤを通してある波長の光を伝達する効果を有する。これはレイヤが照射ビーム１０１の波長の光に対して透過性を有するときに特に問題を起こす。このような一部透過性レイヤは、多くの異なる材料で構成されえるが、特によくある例としては、シリコン酸化物およびシリコン窒化物である。図１に見られるように、照射ビーム１０１の部分１０１ａは、少なくとも一部透過性レイヤ１０４内に透過し、少なくとも部分的に下層表面１０５によって反射される。この部分的に反射された部分１０１ｂはまた、欠陥１０２によって散乱され、それによって散乱光信号Ｓに寄与する。これは、期待される散乱光信号に大きなバラツキを生じる。よって、欠陥１０２を特徴付けるのに（例えば欠陥サイズを決定するために）典型的には用いられる散乱光は、それが部分的透過性レイヤを持たない表面から得られた光信号からの大きなバラツキを示すように今や変化される。
【０００６】
よって、酸化物または窒化物（または以下に限定されないが、ある種の低Ｋ誘電体材料を含む他の一部透過性の材料）の薄いレイヤは、大きく放射場（光ビーム群）を変え、欠陥についての期待される散乱プロファイルを変える。ある例示的なケースでは、照射光の１／４波長の光学的厚さを持つ、その上に一部透過性の膜が形成された基板を用いると、表面におけるまたはその近傍の放射場の強度は、かなり低下し、表面上に存在するミクロンサイズの欠陥についての低光散乱を生む。これはそのような欠陥が見逃されることにつながりえる。よって膜厚を知ることは、この条件を補償したり、このような厚さにおける測定を避けたりするのに重要である。
【０００７】
現在、フィルムレイヤ厚を測定できるツールが存在する。しかしこのようなツールは精密なツールであり、厚さを決定するためえにそれぞれのウェーハ上でいくつかの点について測定できるだけである（一般にはウェーハ当たりこのような測定点は２０〜２５を超えない）。さらに重要なことに、それぞれの測定は達成するのに長い時間がかかる。よってこのようなツールについては、それぞれのウェーハ上でいくつかの点より多く測定するのは非現実的である。その結果、このようなツールは正確ではあるが、限られた量の情報しか提供せず、表面全体を特徴付けるための実際の能力を持ち合わせていない。これらツールは、ウェーハ全体をスキャンする能力はなく、全体表面にわたって一部透過性のレイヤの厚さを決定することもできない。さらにこのようなツールは、これらツールが同じ表面上で同時に欠陥検査測定を行うときには、厚さ測定ができない。
【０００８】
さらに、このようなツールは、検査された表面の反射率の振る舞いの「ウェーハマップ」を提供できない。例えば、現在のツールは、高密度反射率測定をシリコンウェーハ全体にわたって提供できない。また現在のツールは、その上に形成された一部透過性を持つ材料の少なくとも１つのレイヤを有するウェーハ全体の反射率測定マップを提供できない。
【０００９】
さらにさまざまな不透明な膜について、ウェーハ表面全体の反射率マップを生成するのが望ましい。これは特に、アルミニウムまたはタングステンのような、表面散乱と共に、金属レイヤの反射率の知識が膜堆積の質および均一性についてのかなりの情報を生じえる金属膜について当てはまる。現在の手法は、表面をスキャンし、このようなマップを生成することができない。さらに表面のこのような反射率マップは、検出を高めるのに利用でき、より正確な欠陥サイズ分布カウントを提供できるが、これは欠陥散乱は、反射率のような表面光学パラメータによって大きく影響を受けるからである。
【００１０】
さらに現在のツールおよび手法は、ウェーハ全体を急速にスキャンし、ウェーハの反射率特性を用いてウェーハ表面上に形成される要素の微小寸法（ＣＤ）を決定することができない。また現在のツールおよび手法は、ウェーハ全体を急速にスキャンし、ウェーハの反射率特性を用いて、処理中の製造オーバレイのアライメント精度を決定することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
よって、表面を連続的にスキャンすることによって表面反射率特性を測定できるツールおよび方法の要求がある。さらに、薄膜の厚さを測定し、同じプロセスで欠陥を特徴付けられるツールおよび方法の要求がある。また、表面を連続的にスキャンすることによってＣＤを決定し、製造中に構築されたオーバレイの正しいアライメントを決定できるツールおよび方法の要求がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の原理にしたがえば、表面検査ツールおよび方法が開示される。一般に本発明の実施形態は、基板からの反射された光の信号を生成し、その反射された光の信号を用いて検査される表面を特徴付ける（または特徴付けを補助する）検査ツールに関する。
【００１３】
検査ツールの実施形態は、第１ビームおよび第２ビームを含む光ビームを、その上に形成された一部透明レイヤを有するワークピース上に導き、反射された光の信号および散乱された光の信号を光ビームのそれぞれについて生成する照射要素を含む。ワークピースの表面にわたって光ビームの相対的動きを提供するよう構成されるスキャン要素が提供される。このツールは、第１、第２および第３光学検出器要素を含む。第１光学検出器要素は、前記第１ビームによってそれが前記ワークピース上をスキャンするときに作られる第１の反射された光の信号を受け取り、前記第１の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を測定し、前記光学パラメータ値を関連付けられた第１電気信号に変換するよう構成される。第２光学検出器要素は、前記第２ビームによってそれが前記ワークピース上をスキャンするときに作られる第２の反射された光の信号を受け取り、前記第２の反射された光の信号に関連付けられた光学パラメータ値を測定し、前記光学パラメータ値を関連付けられた第２電気信号に変換するよう構成される。第３光学検出器要素は、前記散乱された光の信号を受け取り、前記散乱された光の信号を関連付けられた第３電気信号に変換するよう構成される。このツールは、前記関連付けられた第１および第２電気信号を受け取り、前記信号を用いて前記一部透明レイヤについての厚さの値を決定する回路を有する。さらにこのツールは、前記第３電気信号および前記一部透明レイヤについての厚さの値を受け取り、前記一部透明レイヤの前記厚さの効果を補正することによって、前記第３電気信号が前記ワークピースの欠陥を特定し特徴付けるのに用いられえる回路を有する。
【００１４】
本発明の他の実施形態は、表面検査を行う方法に関する。このような方法は、ワークピースを提供し、少なくとも２つの光ビームで連続的にワークピースの表面をスキャンすることによって、少なくとも２つの反射された光の信号を生成することを伴う。反射された光の信号は検出され処理されて、ワークピースの表面を特徴付ける。本発明の特定の実施形態は、少なくとも２つの光ビームが光の異なる波長を有するものを含む。さらにそのような実施形態は、光の異なる波長を有し、ワークピースの表面上に異なる角度で投射される光ビームを含む。さらに他の実施形態においては、光ビームは光の同じ波長を持ちえるが、ワークピースの表面上に異なる角度で投射される。追加の実施形態は、反射された光の信号の異なる局面を測定する。本発明の実施形態は、例えば、反射された光の信号の光の強度、反射された光の信号の位相、反射された光の信号の偏波、および反射された光の信号の角度を測定するよう用いられえる。
【００１５】
他の実施形態は、光透過性レイヤを有するワークピースを少なくとも２つの光ビームで連続的にスキャンすることによって、少なくとも２つの反射された光の信号を生成することを伴う。反射された光の信号は、検出され反射された光の信号のそれぞれについての光学パラメータが測定される。パラメトリックカーブがアクセスされ、このカーブは、一部透明レイヤについての厚さを、反射された光の信号についての光学パラメータに関連付ける。反射された光の信号はそれから、パラメトリックカーブと比較されることによって、反射された光の信号についての測定された光学パラメータ値にユニークに関連付けられた厚さの値を特定し、それによりワークピースの全体表面についての一部透明レイヤの厚さを決定する。さらなる実施形態は、この厚さ情報を、関連付けられた散乱された光の信号と共に用いて例えばワークピースの表面上の欠陥のサイズを決定する。
【００１６】
本発明の他の実施形態は、その上に形成された複数のテストパターンを有するワークピースを提供することを伴う表面検査を行う方法である。この表面は、多色光でスキャンされてワークピースのテストパターンを照射し、反射された光のスペクトラムを生成する。反射された光のスペクトラムは検出され、多色光ビームと比較されることによってワークピース表面の属性を特徴付ける。
【００１７】
本発明のこれらおよび他の局面は、以下の実施形態の詳細な説明においてより詳細に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて容易に理解されよう。図面において同様の参照番号は同様の構成要素を示すことが理解されよう。図中の描写は必ずしも正しい縮尺ではないことも理解されよう。
【００１９】
本発明は、その特定の実施形態および具体的な特徴について特に示され記載されている。ここで以下に記載された実施形態は、例示的であって限定的ではないと解釈されるべきである。形態および詳細へのさまざまな変更および改変が本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされえる当業者には容易に理解されよう。
【００２０】
以下の詳細な説明は、表面検査ツールおよびそれらの使用方法のさまざまな実施形態を記載する。特に本発明の実施形態は、ウェーハ表面全体をスキャンし、反射光信号を測定し、そのような測定を用いてウェーハの表面を特徴付ける。ある実施形態においては、散乱光信号および反射光信号の両方が測定され、表面上の部分的透過レイヤの厚さが決定され、表面上の欠陥のサイズが決定される。本発明の原理にしたがって表面のさらなる特徴付けも可能である。
【００２１】
従来の不透明表面上の欠陥検出において、欠陥のサイズは、その欠陥によって散乱される光の量に相関している。この概念は、図２（ａ）によって概略的に図示され、ここで垂直軸２０１は、検査された表面（欠陥を含む）によって散乱された光（強度Ｉ）に対応し、水平軸２０２は、散乱を発生する欠陥のサイズｄに対応する。データ点２０３は、欠陥サイズ／散乱強度のペアに対応する。不透明な表面上では、このようなデータ点２０３は、既知のサイズの欠陥を用いて較正カーブ２０４を生成するために容易に用いられえる。それからこの較正カーブ２０４は、未知のサイズの欠陥のサイズを測るために用いられえる。
【００２２】
前述のように、表面の上部が少なくとも一部透明な（partially transmissive）材料の薄いレイヤを含むとき（例えば図１に示されるように）図はかなり複雑になる。少なくとも一部透明なレイヤは、特定の波長（または波長の帯域）における光の少なくとも一部がその材料を透過することを許す材料から形成される。このようなレイヤは、散乱光を用いて表面内の欠陥のサイズを検査する既存の検査スキームをめちゃくちゃにしえる。よって、一部透明な材料のレイヤの効果は、正確に欠陥のサイズ（または場合によってはその存在）を決定するために補償されなければならない。
【００２３】
図２（ｂ）は、この問題のある局面を示すのに役立つ散乱された光の振る舞いの簡略図である。垂直軸２１１は、検査表面（欠陥を含む）によって散乱された光（強度Ｉ）に対応し、水平軸２１２は、一部透明なレイヤの厚さｔに対応する。ふつう厚さｔおよび散乱強度Ｉの間の「周期的な」関係が規定されえる。この関係は、カーブ２１５によって図示され、これは一部透明なレイヤの厚さの範囲にわたっての第１波長における光ビームの散乱の振る舞いを記述する。すぐにわかるのは、多くの異なる厚さが任意の散乱強度（例えば強度２１３）につながりえることである。よって図２（ａ）を参照して、一部透明なレイヤは測定された散乱強度Ｉ（したがって較正カーブ）に大きく影響を与えるので、任意の与えられた測定された散乱強度Ｉは、一部透明なレイヤの厚さが既知でない限り、多くの異なるパーティクルサイズに対応しえる。
【００２４】
前述のように、この分野には基板の一部透明なレイヤの厚さを決定する方法がある。しかしこのような方法は、表面上のいくつかの選択された点におけるこのような厚さを決定するだけであり、このような方法は非常に時間がかかる。一部透明なレイヤの厚さは表面全体にわたって大きく変わりえるので、このような個々の点での測定は、一部透明なレイヤが、光散乱の特定の測定がなされた点においてどのくらい厚いかを教示しない。よってこのような測定はあまり役に立たない。
【００２５】
これまで、連続的にウェーハ表面全体をスキャンし、ウェーハ全体の表面にわたっての反射光信号厚さを追跡するウェーハマップを生成できる方法または装置は構築されてきていない。同様に、ウェーハ表面全体をスキャンし、一部透明なレイヤの厚さをウェーハの表面全体にわたって追跡するウェーハマップを生成する方法または装置は構築されてきていない。さらに本発明によってなされたこのような厚さ測定は、ウェーハの同じ部分の欠陥スキャンと同時になされえる。よって厚さ情報および欠陥情報が同時に得られ、検査された表面（典型的には半導体ウェーハ）についての高速な欠陥および厚さの特徴付けが可能である。そのようにウェーハを検査するいくつかの実施形態は、１５〜２０秒で３００ｍｍウェーハ全体を検査することができる。これらは、本発明の多くの優位な特徴である。これらおよび他の効果は以下に詳細に記載される。
【００２６】
本発明の実施形態は、それぞれの一部透明なレイヤ（既知の材料で構成される）の光の反射の振る舞いは、照射光の波長に依存して変化するという事実を利用する。前述のように、一部透明なレイヤが特定の波長における光で照射されるとき、一部透明なレイヤの厚さｔに関連する光強度のパターンが確立されえる。さらに照射光の波長が変化するとき、厚さｔに関連する光強度の異なるパターンが確立されえる。
【００２７】
図３は、異なる波長を有する２つの光ビームの反射光の信号パターンの簡略化された図を示す。垂直軸３０１は、反射された光の信号Ｒ（例えば反射光信号の強度）の光学パラメータを表し、水平軸３０２は、一部透明なレイヤの厚さｔを表す。その上に形成された既知の材料でできた一部透明なレイヤを有するウェーハが用いられる。それぞれのビームは、ウェーハの同じ点上に投射され、反射された光信号を作る。それぞれの波長について、それぞれの材料は、反射光信号値対材料の厚さの特定の特性「周期」パターンに対応する。材料の種類が与えられるとき、本発明の装置および方法は、データベースから適切なパターンを呼び出すことができる。あるいは、そのようなパターンは、特定のアルゴリズムにしたがって生成されえる。
【００２８】
第１波長（例えば４８８ｎｍ）における光は、一部透明なレイヤを含む材料の厚さｔに関連付けられた反射された光強度の第１パターン３０３を生成する。もし、例えば、第１反射強度ｒ1が測定され、第１パターン３０３と関連付けられるなら、一部透明なレイヤの厚さｔは決定されえない。むしろ、ありえる複数の厚さＰは、識別されえる全てのものになる。しかし、もし第２波長の光（例えば６３３ｎｍ）も同じ点に投射されるなら、反射光強度の異なるパターン３０４対材料の厚さｔが生成される。第２反射強度ｒ2を測定し、その値をパターン３０４と比較することによって、一部透明なレイヤの厚さｔは、こんどは決定されえる。しばしば、第１波長において測定された反射強度ｒ1（例えば４８８ｎｍ）および第２波長（例えば６３３ｎｍ）における測定された反射強度値ｒ2の両方に対応する厚さｔは一つだけしか存在しない。それぞれの一部透明な材料（例えばＳｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2、および以下に限定されないが、多くの低Ｋ誘電体材料を含む、半導体製造において用いられる他の材料）についてこのような波長依存の振る舞いは既知であるので、反射光強度Ｒの波長依存パターン対厚さｔが決定されえる。典型的なそのようなパターンは、本発明の原理によって構成された装置の実施形態のメモリ内に記憶されるか、またはそのようなパターンは、当業者に知られたアルゴリズムおよび手法を用いてこれら実施形態によって生成されえる。
【００２９】
図４は、一部透明レイヤの厚さを決定する他のアプローチを図示を表す。このようなアプローチにおいては、反射されたビームの測定された光学パラメータを、基板上の一部透明レイヤの厚さｔに相関付けるためにパラメトリックプロット４００が用いられる。示されるように、測定された光学パラメータは、与えられた波長において反射された光の信号の強度に対応する。それぞれのデータ点４０１は、基板上の一部透明レイヤの厚さｔに対応する。また示された実施形態において、垂直軸４０２は、第１波長（例えば６３３ｎｍ）における反射光信号の強度に関連付けられる。同様に、水平軸４０３は、第２波長（例えば４８８ｎｍ）における反射光信号の強度に関連付けられる。よって、パラメトリックカーブ４１０は、一部透明レイヤの厚さに関連付けられた２つの異なる波長における反射光信号強度のプロットである。示されるように、データ点４０１は、増加する一部透明レイヤの厚さに対応し、データ点４０１””はデータ点４０１’”より厚く、データ点４０１’”はデータ点４０１”より厚くなどとなっている。パラメトリックカーブ４１０の強調された部分４１５において、第１波長における反射光信号の強度は、一部透明レイヤの厚さが増すにつれ、増す。また、第２波長における反射光信号の強度は、一部透明レイヤの厚さが増すにつれ、増す。パラメトリックカーブ４１０上のそれぞれの点は、一部透明レイヤの厚さに対応するので、パラメトリック値の組み合わせの大部分が、一部透明レイヤの単一の厚さに対応することは容易に見てとれるだろう。しかし、いくつかの例外も指摘される。例えばパラメトリックカーブ４１０は、円で囲まれた領域４１１内の点で「交差」する。
【００３０】
図５は、円で囲まれた領域４１１の拡大図である。交差点４２１は、同じパラメトリック値（ここでは２つの異なる波長における測定された反射光強度値）を有する２つの厚さに対応する。正しい厚さを決定する一つの方法は、検査者が一部透明レイヤのだいたいの厚さのレンジを知っておくことである。よってもし交差点４２１が８ミクロン（μｍ）厚さおよび２μｍ厚さのレイヤに対応し、ウェーハ上のレイヤは１〜３μｍ厚さの範囲にあり、実際のレイヤの厚さも対応する１μｍ厚さに対応する可能性が高い。しかし、検査者は、そのような厚さ情報に常にアクセスを持つとは限らない。そうではなく（またこちらのほうがふつうだが）、実際の厚さの差異はずっと互いに近く、したがってそのような方法によっては簡単には解決しにくい。例えば、もし交差点４２１がレイヤの１．８ミクロン（μｍ）の厚さに、そしてレイヤの２．５μｍの厚さに対応し、レイヤが１〜３μｍの厚さの範囲にあることが知られているなら、このような方法は必要とされる明瞭さを提供しない。しかし、正しい厚さを特定するために用いられえる方法の一つは、レイヤの厚さを決定するために既知の厚さ方向に移動することである。この方法は以下のように機能する。ライン４３４によって規定されるカーブの一部を参照すれば、１．６μｍの厚さは点４３３に対応し、また点４３４は厚さ２．０μｍに対応することがわかる。よって、ライン４２２に沿って移動することは、厚さが増すにつれ上に上がり、右に行く矢印によって規定される。またライン４２３によって規定されるカーブの一部を参照すれば、２．６μｍの厚さは点４３１に対応し、また点４３２は厚さ２．５μｍに対応することがわかる。よって、ライン４２３に沿って移動することは、厚さが減るにつれ下に下がり、右に行く矢印によって規定される。よって、検査者は、１．８μｍより厚い（例えば２．０μｍ）ある点についての光学パラメータを測定し、カーブ上でデータがどちらに移動するかを観察できる。もし例えば、データが点４２１からライン４２２に沿って点４３４に向かって移動するなら、検査者は点４２１についての厚さは約１．８μｍであることがわかる。さらに光の２つの波長を用いることに基づく厚さ決定の、当業者に知られる他の方法も用いられえる。
【００３１】
他の関連するアプローチにおいて、他のビーム（例えば、第３の波長における）が導入されえる。よってそれぞれのデータ点は、３次元でパラメータ化されえる。これは、複雑な３次元パラメータカーブになる。このようなパラメータ化されたカーブが３−Ｄの交差点を持つことは非常に起こりにくいことである。したがってこのような３つのビーム（３軸）アプローチにおいては、厚さがより簡単に決定されえる。例えば図４を参照すれば、第３軸（ビーム）は、紙面の中へ（または紙面から外へ）延びえる。
【００３２】
図６（ａ）および６（ｂ）を参照して、さらなる光学パラメータが用いられて、ウェーハの表面を特徴付けられる。図示された例においては、反射光信号は、反射されたビームの位相および偏波（polarization）についての光学パラメータについて測定される。このような位相および偏波測定は、反射された光からなされ、ウェーハ表面を特徴付けるために用いられえる。図６（ａ）に示されるように、照射ビームおよび反射ビーム間の位相変化が決定され、これを用いてウェーハ表面が特徴付けられる。特に、このような情報は、ウェーハの表面上の一部反射レイヤの厚さを決定するために用いられえる。前述の反射光強度測定のように、位相変化の測定（ここでは位相測定とも呼ばれる）もまた、一部反射レイヤの厚さに依存する。よって位相変化の測定は垂直軸６０１についてプロットされえ、一部透明材料の厚さｔの測定は垂直軸６０２についてプロットされえる。図示された実施形態において、ウェーハは、２つの異なる波長において照射される。簡略化された概略プロットからわかるように、第１波長λ1における厚さｔに対する位相変化の第１パターン６０３は、第２波長λ2における厚さｔに対する位相変化の第２パターン６０４とは異なる。よって、表面上の同じ点は、表面を照射するのに用いられる光の波長に依存して位相変化の２つの異なる値を提供する。よって図３で示されたのと同じプロセスが用いられて、一部透明レイヤについての厚さを決定できる。唯一、異なる点は、光学パラメータが反射されたビームの強度ではなく、反射されたビームについて位相変化である点である。さらに位相変化情報は、図４に示されたのと同じような方法でパラメータ化されえる。やはり唯一、異なるのは、用いられる光学パラメータが反射されたビームについての位相変化であって、反射されたビームの強度ではないことである。
【００３３】
図６（ｂ）に示されるように、照射ビームおよび反射ビーム間の偏波の変化が決定され、ウェーハ表面を特徴付けるのに用いられえる。特にこのような情報は、ウェーハの表面上の一部反射レイヤの厚さを決定するために用いられえる。前述の反射光強度の測定のように、偏波の変化（change in polarity）の測定（ここでは偏光解析（ellipsometry）とも呼ばれる）は、一部反射レイヤの厚さに依存する。よって偏波（または偏波の変化）の測定は、垂直軸６１１についてプロットされ、一部透明材料の厚さｔの測定は、垂直軸６１２についてプロットされえる。図示された実施形態において、ウェーハは、２つの異なる波長（例えばλ3、λ4）で照射される。簡略化された概略プロットからわかるように、第１波長λ3において決定された厚さｔに対する偏波のあるパターン６０６は、第２波長λ4において決定された厚さｔに対する偏波の他のパターンとは異なる。よって表面上の同じ点が、表面を照射するのに用いられる光の波長に依存して偏波についての２つの異なる値を提供する。よって図３について図示されたのと同じプロセスが、一部透明レイヤについての厚さを決定するために用いられえる。唯一、異なる点は、光学パラメータが反射されたビームの強度ではなく、反射されたビームの偏波である点である。さらに偏波情報は、図４に示されたのと同じような方法でパラメータ化されえる。やはり唯一、異なるのは、用いられる光学パラメータが反射されたビームについての偏波であって、反射されたビームの強度ではないことである。ある実施形態においては、３つの異なる入力偏波が提供されえ、これらは、入射平面に平行にアラインされたＰ偏波、入射平面に垂直にアラインされたＳ偏波、および光波の周波数においてＳ偏波およびＰ偏波の間で交番する連続的に変化する入射偏波として特徴付けられる円偏波である。ＰおよびＳ偏波およびそれらの同相成分における差についての反射係数の相対振幅を特徴付けるこれら偏光分析パラメータは、よく知られており、文献にも多く記載されている。強度、偏波、および位相について上述したのと同様に反射光信号の角度が測定され、表面特徴付け情報を提供するために用いられえることに注意されたい。
【００３４】
２つ（またはそれ以上）の異なる波長における光ビームを用いることに加えて、照射光ビームは、表面上の２つ（またはビームの数に依存してそれ以上）の異なる入射角で導かれえる。あるいは本発明の実施形態は、２つ（またはそれ以上）の同じ波長の光ビームだが、異なる入射角で用いられえる。図７（ａ）は、ある典型的な実施形態を示す。第１ビームＩ1は、表面に第１角θで導かれ、第２ビームＩ2は、表面に第１角Ψで導かれ、入射ビームＩ1、Ｉ2のそれぞれに対応する反射されたビームＲ1、Ｒ2が形成される。反射されたビームのそれぞれは、適切な集光角で検出され、所望の光学パラメータが測定され、ウェーハ表面を特徴付けるのに用いられる（例えば一部透明な表面レイヤの厚さを決定するために）。図示された実施形態において、それぞれの照射ビームＩ1、Ｉ2について同じ波長の光が用いられる。図７（ｂ）で示される実施形態においては、反射されたビームＲ1、Ｒ2の強度ＩRを、一部透明レイヤの厚さに相関付けるカーブがシステムメモリから呼び出され、ウェーハの表面を特徴付けるのに用いられえる。見られるように、異なる角における２つのビームは異なるパターンを有する。一般に、入射角が急であればあるほど、パターンの反復間隔は短くなる。これは図７（ｂ）によってはっきり図示され、ここで第１反射ビームＲ1に対応する光信号Ｓ1は、第２反射ビームＲ2に対応する光信号Ｓ2よりも短い間隔を有する。例えば図３、４、および５について上述のように、一部透明な表面レイヤの厚さを決定するために２つ（またはそれ以上）の光信号も用いられえる。
【００３５】
図８（ａ）および８（ｂ）は、本発明の原理にしたがって構成された２つの例示的装置の実施形態の簡略化されたブロック図である。図８（ａ）を参照し、第１実施形態８０１が示される。図示された実施形態は、ウェーハ８０３のためのサポート８０２を含む。パターン付きでない（un-patterned）ウェーハがターゲット物体として言及されるが、他の基板、特に一部透明レイヤを有するパターン付きでないウェーハも検査されえる。また発明者は、反射性ガラス、反射性メタライゼーションレイヤ、または複合材料、または他の表面のような他のコーティングされた表面を持つターゲット物体も検査され、本発明によって測定されえると想定する。またパターン付きの（patterned）表面（例えばパターン付きウェーハ）も後述のように本発明の原理にしたがって検査されえる。
【００３６】
サポート８０２は、ふつう、真空を用いてウェーハ８０３をサポート８０２上に固定して置くウェーハチャックを含む。もちろんウェーハ８０３は、多くの他のアプローチを利用してサポート８０２に固定されてもよい。ウェーハ８０３および入射ビームＩ1、Ｉ2の間の相対的動きが提供される。典型的には、図示された実施形態のサポート８０２は、ウェーハ８０３を回転すること８０４によって、入射ビームＩ1、Ｉ2に対して相対的動きを提供する。ウェーハ８０３の回転速度は、モータ８０５によって制御され、これは典型的にはコンピュータ化された制御システム８１０によって制御される。追加の動きの半径方向の次元８０６が提供され、これによりウェーハが回転されるとき、入射ビームＩ1、Ｉ2はウェーハ表面にわたって半径方向に移動し、所望であればウェーハ８０３表面の全体をスキャンできる螺旋スキャンパターンを発生する。このような半径方向の動きは、例えば、同じくコンピュータ化された制御システム８１０によって制御されるステージモータ（概略的に８０７によって図示される）を用いて導かれえる。サポート８０２（つまりウェーハ８０３）の位置は既知であり、コンピュータ化された制御システム８１０によって注意深く制御される。スキャニングおよびウェーハ搬送メカニズムの具体的な形態は、ウェーハ位置が既知であり、入射ビームＩ1、Ｉ2に相対的に移動されえる限り、重要ではない。
【００３７】
照射要素８１１は典型的には、第１ビームＩ1を作る第１光源８１２、および第２ビームＩ2を作る第１光源８１３を含む。光源８１２および８１３は通常、単一の波長を有するビームを作る（例えば単一波長レーザまたはフィルタリングされた多色ランプを用いて）。あるいは多波長レーザが用いられて２つのビームが作られえる。実施形態（後述）によっては、１つ以上のフィルタリングされない多色光源が用いられえる。図示された実施形態において、第１ビームＩ1および第２ビームＩ2はそれぞれ同じ波長を有し、異なる入射角（それぞれεおよびφ）でウェーハ８０３上に導かれる。これらビームＩ1、Ｉ2はウェーハ上に入射し、散乱された光の信号Ｓおよび反射された光の信号Ｒ1、Ｒ2を作る。
【００３８】
散乱された光Ｓは、集光され、そのような目的のために構築され構成されたフォトセンサ要素（不図示）によって測定される。この散乱された光は、典型的には欠陥検出および分析に用いられるものである。多くの従来技術によるシステムにおいては、反射された光信号（例えばＲ1、Ｒ2）は検出されず、または測定されない。しかし本発明の実施形態においては、反射された光の信号は、さらにウェーハ表面を特徴付けるために検出され利用される。検出器要素８１４および８１５は、反射された光の信号Ｒ1、Ｒ2を検出するよう構成される。多くの異なる個別またはアレイタイプの検出器が検出器要素８１４および８１５として用いられえる。ある実現例においては、光倍増管（ＰＭＴ）が用いられえる。さらに電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器アレイも用いられえる。またデバイスおよび検出器構成の多くの他のタイプも用いられえ、以下に限定されないが、個別光検出器デバイス、ＣＭＯＳアレイ、多陰極ＰＭＴ、フォトダイオードアレイ、および当業者に知られた他のアレイ光検出器が用いられえる。さらに偏波検出器および位相検出器が本発明の実施形態を実現するために用いられえる。検出器要素８１４および８１５は、反射された光の信号Ｒ1、Ｒ2を、分析のためにシステムの他の処理回路８１６に伝送される電気信号に変換する。典型的には処理回路８１６は、記憶された値または計算された値を用いて生成された、ルックアップテーブルまたは膜厚計算機８１７を含む。膜厚計算機８１７は、一部反射材料についての材料特性および反射光信号パラメータに基づいた標準の膜厚式でプログラムされる。例えばそのような式は、反射光信号の強度および入射ビームの角度に基づきえる。そのような計算機８１７は、処理回路８１６の一部でありえるが、異なる機能が実行されるので別個のブロックとして図示されている。離散波長を用いて薄膜の膜厚を計算する式は、従来技術のこの分野、例えば反射偏光分析でよく知られる。いったん薄膜決定がなされると、薄膜の膜厚を表す信号が処理回路８１６に伝送される。それから処理回路８１６は、散乱検出器（不図示）からの散乱光の強度に基づいてパーティクル／欠陥サイズ測定を調整しえる。
【００３９】
KLA-Tencor Model DLSという検査ツール（カリフォルニア州、サンノゼのKLA-Tencor Corporation）は、本発明の原理を組み込むよう変更されえることに注意されたい。代替の実施形態においては、ビーム（例えばＩ1、Ｉ2）は、異なる角度で投射されるのに加えて異なる波長を有するビームを含みえる。さらに３つ以上のビームを有する実施形態も利用されえる。本発明の原理にしたがって、このようなビームは、異なる角度および異なる波長でウェーハ上に導かれえる。これら実施形態は、追加のビームを検出するための追加の検出器を利用しえる。さらに検出器の異なるタイプ（例えば位相および波長に敏感な検出器）も用いられえる。さらに検出器は、異なる集光角度において光を検出するよう配置されえる。
【００４０】
図８（ｂ）は、代替の実施形態のブロック図を示す。前述のように、装置はウェーハ８０３のためのサポート８０２を含む。やはりさまざまな基板が検査されえる。前と同様、ウェーハ８０３は、サポート８０２に固定され、サポート８０２は、ウェーハ８０３を回転させること８０４によって入射ビーム８２１、８２２に対して相対的な動きを提供する。ウェーハ８０３の回転速度は、典型的にはモータ８０５によって制御され、これは典型的にはコンピュータ化された制御システム８１０によって制御される。上述のように、動きの半径方向の次元８０６が提供され、これにより所望であれば、ウェーハ８０３表面の全体をスキャンできる螺旋スキャンパターンを発生できる。やはり、このような半径方向の動きは、例えば、同じくコンピュータ化された制御システム８１０によって制御されるステージモータ（概略的に８０７によって図示される）を用いて導かれえる。前と同様に、サポート８０２の位置は既知であり、コンピュータ化された制御システム８１０によって注意深く制御される。
【００４１】
照射要素８２５は典型的には、第１波長における第１ビーム８２１を作り、第２波長における第２ビームを作る光源を含む。このような光源は、それぞれが異なる波長のビームを作る２つ以上のレーザを含みえる。あるいは光源は、実質的に単一色光の２つ（またはそれ以上）の帯域幅群を作る多色光源を含みえる。さらに代替として、複数の波長の光を発生するために多波長レーザ（２つ以上の波長の光を作ることができるレーザ）も用いられえる。図示された実施形態において、第１波長を有する第１ビーム８２１、および第２波長を有する第２ビーム８２２それぞれは、同じ入射角においてウェーハ８０３に導かれる。ビーム８２１、８２２はウェーハ上に入射し、散乱された光Ｓおよび反射された光ビームＲ1、Ｒ2を作る。
【００４２】
散乱された光の信号Ｓは集められ、概略的に図示されたフォトセンサ要素８２６によって測定されえる。以前と同様に、この散乱された光は、典型的には欠陥検出および分析のために用いられる。追加の検出器要素８３１および８３２は、反射された光信号Ｒ1、Ｒ2をそれぞれ検出するよう構成される。ここで図示されたように、ダイクロイックビームスプリッタが用いられることによって、反射された信号Ｒ1、Ｒ2は適切な検出器上に導かれる。前と同様に、検出器要素８２１、８２３としては多くの異なる個別の、またはアレイタイプの検出器が用いられえる。ある実施形態においては、ＰＭＴ検出器およびＣＣＤアレイが用いられえる。やはり前述のように、デバイスおよび検出器の多くの他のタイプが用いられえ、以下に限定されないが、個別光検出器デバイス、ＣＭＯＳアレイ、多陰極ＰＭＴ、フォトダイオードアレイ、および当業者に知られた他のアレイ光検出器が用いられえる。さらに本発明の実施形態を実現するためには偏波検出器および位相検出器も用いられえる。偏波検出器および位相検出器は、反射された光の信号Ｒ1、Ｒ2を検出し、その信号を、分析のためにシステムの他の処理回路８３６に伝送される電気信号に変換する。
【００４３】
前と同様に、典型的には処理回路８３６は、記憶された値または計算された値を用いて生成された、ルックアップテーブルまたは膜厚計算機８１７を含む。いったん薄膜決定がなされると、薄膜の膜厚を表す信号が処理回路８３６に伝送される。それから処理回路８３６は、散乱検出器（不図示）からの散乱光の強度に基づいてパーティクル／欠陥サイズ測定を調整しえる。加えて、ビームからの散乱された光は、システムの光検出器要素を用いて検出されえる。特に、フォトセンサ要素８２６は、複数の異なる検出器デバイスを含みえる。加えて、このようなデバイスは、異なる光学的状態（偏波、波長など）を検出するように構成されえ、また異なる集光角において光を検出するよう配置されえる。
【００４４】
再び、代替の実施形態においては、ビーム（例えば８２１、８２２）は、異なる波長を有する追加のビームをさらに含みえる。さらなる検出器が、追加のビームを検出するように含まれえる。
【００４５】
従来のツールは、欠陥を検出するためにパターン付きではないベア基板を連続的にスキャンし、入射ビームから散乱された光を測定できる。従来のツールは、前述した理由のために、もし一部透明レイヤが基板上に存在するなら、この連続的なスキャンを達成できない。従来のツールは、その上に形成された一部透明なレイヤの厚さを決定するよう連続的にはスキャンできない。よって従来のツールにおいては、一部透明レイヤが存在するときは、欠陥のサイズを検出し決定するためには連続的なスキャンは用いられえない。本発明の実施形態のある効果は、実施形態がウェーハ表面の全体を連続的にスキャンし、同時に反射光信号および散乱光信号を表面上の同じ点から検出し、同時に一部透明レイヤの厚さを決定でき、この情報を同じ点についての散乱された光信号と共に用いることによって、基板上の欠陥の位置およびサイズを決定できることである。
【００４６】
図９は、回転されつつ（９０２）、検査ツール（概略的にボックス９０３によって図示される）によってスキャンされるウェーハの簡略化された概略的な上から下を見た図である。全体のウェーハ９０１が１つの連続的なスキャンパターンでスキャンされえる。このようなパターンは、螺旋パターン９０４によって図示される。螺旋パターン９０４は、ウェーハがスキャンされるとき、光９０８のドットがウェーハ表面にわたってマッピングするパスを記述する。
【００４７】
発明者は、本発明の実施形態の反射光の光信号は、ウェーハ表面のマップを作るように用いられえると想定する。このようなマップは、ウェーハ表面にわたっての一部透明レイヤの厚さの空間分布のマップでありえる。適用可能な場合における定量的膜厚測定は、フィルムレイヤコントローラの堆積パラメータを特徴付け、補正するために用いられえる。また反射率測定および／または定量的または相対的膜厚決定は、パーティクル／欠陥カウントおよびサイズ測定を補正するのにもかなり有用であり、また透明または不透明にかかわらず、任意の表面または薄膜の質または不均一性についての情報を提供するのにもかなり有用である。
【００４８】
さらに、反射された光の信号は、反射された光の強度以上のものについて（例えば偏波、位相、およびさらには角度も）測定されえるので、反射光光学信号についての任意の測定された光学パラメータ値のマップが作られえる。このようなマップは、単にウェーハの表面にわたって反射されたビームについての測定された光学パラメータ値の空間分布のプロットである。このようなマップは、ウェーハの多くの他の表面特性と共に、ウェーハの地形図であるウェーハのバックグラウンド「ヘイズ」を決定するのに用いられえる。加えて、反射された光についての測定された光学パラメータのこのようなマップは、そのように測定されたパラメータ値における顕著な変化に関連付けられたプロセス欠陥を確認するのに用いられえる。例えばそのようなウェーハマップは、ウェーハ表面にわたって反射された信号強度のプロットからなる。あるいはそのようなプロットは、以下に限定されないが、反射光の偏波、反射光の位相、反射光の反射角などを含む他の反射光の光学パラメータについてウェーハの表面を記述する。このような実現例は、その上に一部透明レイヤが形成された表面を特徴付けるのに非常に有用であるだけでなく、表面を照射するのに用いられる光の波長に不透明である材料から形成される表面を特徴付けるのにも非常に有用である。そのような表面の例には、以下に限定されないが、未処理シリコンウェーハおよびウェーハ上に形成された金属コーティングが含まれる。
【００４９】
他の実施形態においては、本発明の原理は、パターン付きウェーハに適用可能である。パターン付きウェーハは、表面の特徴付けを促進するためにその上に形成された専用のテストサイトと共に構成されえる。反射光信号の測定は、製造ステップ（群）が所望の微小寸法（ＣＤ）公差内に入るか、または２つの製造レイヤ間のオーバレイアライメントが所望の仕様に収まるかを評価するのに用いられえる。ウェーハのこのような特性付けは、ウェーハ上に製造された複数のテストサイトを用いて達成できる。ウェーハは、多色光ビームで照射されスキャンされる。多色光ビームからの反射された光の信号は、反射光強度スペクトラムを作る。多色光ビームは、テストサイト上に導かれ、対応する反射光強度スペクトラムが測定されるとき、スペクトラムの変化は、ウェーハＣＤの幅および深さを決定するために分析されえる。テストサイトのある適切なタイプは、その格子についての規則的な間隔を規定する、所定の均等に間隔が設けられたパターンを有する回折格子である。
【００５０】
図１０は、そのようなＣＤ測定の実現例を概略的に示す。その上に形成された複数のテストサイト１００２を有するウェーハ１００１は、多色光ビームでスキャンされる。螺旋スキャンパターン１００３が図示される。反射された光ビームについての光学信号は、連続的に検出され、メモリに保存される。メモリはそれからアクセスされ、テストサイト１００２に対応する光学信号はそれからアクセスされる。それぞれのそのような信号は、対応する光学スペクトラム１００４を生成する。スペクトラムは、そのような格子について期待されるスペクトラムに対してそれから分析される。期待されるスペクトラムからの偏位は、所望のＣＤまたは所望のオーバレイからのバラツキの範囲および大きさを特定するのに用いられえる。このような方法は当業者に知られる。
【００５１】
本発明は、ある好ましい実施形態およびそれらの特定の特徴について特に示され記載されてきた。しかし上述の実施形態は、本発明の原理を記載するよう意図されており、その範囲を限定するよう意図されないことに注意されたい。したがって当業者には容易にわかるように、形態および詳細におけるさまざまな変更および改変が、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされえる。示された実施形態に対する他の実施形態および変化形は、当業者には明らかであり、添付の特許請求の範囲で規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされえる。特に、発明者は、実施形態が２つ、３つ、４つ、およびそれより多い光ビームが有利であることを想定する。さらに照射ビームについて異なる入射角度および異なる波長を用いる実施形態は、発明者によって優位性があると特に想定されている。さらに、複数の多数の検出器デバイスを組み込んだ実施形態も本発明の原理によって想定される。そのような実施形態は、多くの異なる集光角から受け取られた光を検出するよう構成される検出器を組み込みえる。さらにそのような検出器は、当業者に知られるように、光の特定の波長、光の偏波、または他の光の特性を検出しえる。さらに特許請求の範囲において単数の要素への参照は、明示的に規定されない限り、「１つであって唯一」であることを意味するよう意図されず、そうではなく「１つまたはそれより多い」ことを意味するよう意図される。さらにここで図示されて開示された実施形態は、ここで具体的に開示されていない任意の要素なしで実施しえる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】半導体ウェーハ表面上のパーティクルから散乱される入射光ビームを示す簡略化された概略断面図である。
【図２（ａ）】パーティクルサイズを、反射された光の信号の強度に関連付ける較正カーブを示す図である。
【図２（ｂ）】検査表面上に形成された一部透明レイヤの厚さと比較された散乱された光の強度の図である。
【図３】異なる波長の２つの光ビームについて、一部透明レイヤの厚さと比較された反射された光の強度の図である。
【図４】本発明の原理により一部透明レイヤについて異なる厚さの範囲にわたり２つの異なる波長における反射光強度をパラメータ化する図である。
【図５】図４のパラメータ化された図の拡大図である。
【図６（ａ）】本発明の原理によって２つの異なる光ビームについて一部透明レイヤの厚さに比較された反射光ビームの光学パラメータ（例えば位相、偏波、集光角度、入射角度）の簡略化された図である。
【図６（ｂ）】本発明の原理によって２つの異なる光ビームについて一部透明レイヤの厚さに比較された反射光ビームの光学パラメータ（例えば位相、偏波、集光角度、入射角度）の簡略化された図である。
【図７（ａ）】表面上に形成された一部透明レイヤについての異なる厚さの範囲にわたっての検査表面上に導かれた光ビームおよびそれから生じる反射された光の信号および反射された光の信号の強度の図である。
【図７（ｂ）】表面上に形成された一部透明レイヤについての異なる厚さの範囲にわたっての検査表面上に導かれた光ビームおよびそれから生じる反射された光の信号および反射された光の信号の強度の図である。
【図８（ａ）】本発明の原理にしたがって構成された装置の実施形態の簡略化されたブロック図である。
【図８（ｂ）】本発明の原理にしたがって構成された装置の実施形態の簡略化されたブロック図である。
【図９】本発明の原理による連続的スキャンにおいてスキャンされている螺旋検査パターンにおいて回転されているウェーハの簡略化された概略上面図である。
【図１０】本発明の原理による関連付ける反射された光のスペクトラムを作るためのテストパターンを照射する螺旋検査パターンにおいて回転されているウェーハの簡略化された概略上面図である。
【図１】
2005043371.tif 000003
【図２（ａ）】
2005043371.tif 000004
【図２（ｂ）】
2005043371.tif 000005
【図３】
2005043371.tif 000006
【図４】
2005043371.tif 000007
【図５】
2005043371.tif 000008
【図６（ａ）】
2005043371.tif 000009
【図６（ｂ）】
2005043371.tif 000010
【図７（ａ）】
2005043371.tif 000011
【図７（ｂ）】
2005043371.tif 000012
【図８（ａ）】
2005043371.tif 000013
【図８（ｂ）】
2005043371.tif 000014
【図９】
2005043371.tif 000015
【図１０】
2005043371.tif 000016
【外国語明細書】
1. TITLE OF THE INVENTION
METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING SURFACE LAYER THICKNESS USING CONTINUOUS MULTI-WAVELENGTH SURFACE SCANNING
2. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
RELATED APPLICATION
[0001]       This application claims priority to the U.S. Provisional Patent Application Serial No. 60/489,616 (Attorney Docket No. KLA1P124P/P1211), entitled ''Method And Apparatus For Determining Surface Layer Thickness Using Continuous Multi-Wavelength Surface Scanning'', filed on July 23, 2003.   The above-referenced application is hereby incorporated by reference in its entirety for all purposes.
TECHNICAL FIELD
[0002]       The invention described herein relates generally to surface inspection and testing.  In particular, the invention relates to devices and methods for the determination of film thickness and defect detection in semiconductor wafer surfaces.
BACKGROUND
[0003]  To control the quality of integrated circuits, semiconductor wafers or other substrates are inspected for defects by optically scanning the surface with a variety of inspection apparatus.  Commonly, wafers have a mirror-like surface which is reflective of light, but many common optical inspection tools rely upon dark field scattering of light from particles and defects for inspection purposes.  In these optical inspection tools illumination of the surface inspected produces two types of optical signals, the desired scattered light signals and an undesired specular (reflected) light signal which is commonly suppressed.  The scattered light signals are derived from both defect scattering and from diffuse surface scattering known as ''haze''.  The specularly reflected signal is the incident beam minus the components that are lost by scattering and absorption at the surface.  In conventional tools, an exit aperture in the light collection optics or a beam dump has been used to rid the scattered light collection system of the undesired reflected beam signal. 
[0004]  At various stages of wafer processing, thin metallic and/or dielectric films, such as oxide or nitride layers, are deposited over the surface.  Typically, such films demonstrate a certain amount of ''transparency'' to the wavelengths of light used to inspect the surface (an inspection beam).  Thus, the inspection beam can penetrate the top layer(s) of the wafer to reach underlying (less transmissive) layers of the film.  Such thin films have a thickness of between 10 angstroms and several tens of microns.  It is important to know, for example, oxide thickness over the surface for several reasons.  Uniformity of an oxide layer may be desired so that semiconductor devices employing the oxide layers will have uniform properties.  The oxide layers are insulative and the electrical performance of semiconductor devices, such as transistors, rely upon an insulative layer of a particular thickness.  Additionally and importantly, the deposition of thin layers can degrade defect (e.g., particle) measurement information obtained by analysis of the scattered light.  
[0005]  Fig. 1 is a simplified schematic illustration of an illumination beam 101 being directed onto a defect 102 (in this case a particle) present on a wafer 103 surface.   The defect scatters the electric field at the surface creating scattered light signal S as well as a reflected light signal R in the specular direction.   Such scattering is well known in the art and can be used to identify and quantify defects on a wafer surface.  A complicating factor in the depicted illustration is the presence of one or more partially transmissive layers 104 on the surface of the wafer 103.  Such partially transmissive layers have the effect of transmitting certain wavelengths of light through the layer.  This is particularly troublesome when the layer is transmissive to  the wavelength(s) of light of the illumination beam 101.    Such partially transmissive layers can be comprised of many different materials, but particularly common examples include silicon oxides and silicon nitrides.  As can be seen in Fig. 1, a portion 101a of the illumination beam 101 can penetrate into the at least partially transmissive layer 104 and be at least partly reflected by an underlying surface 105.  This partly reflected portion 101b is also scattered by the defect 102 thereby contributing to the scattered light signal S.  This can cause a significant variance to the expected scattered light signal.  Thus, the scattered light that is typically used to characterize the defect 102 (for example to determine defect size) is now so altered that it exhibits significant deviations from an optical signal obtained from a surface having no partially transmissive layers.  
[0006]  Thus, thin layers of oxide or nitride (or other partially transmissive materials, including but not limited, to certain low-K dielectric materials) can significantly alter the radiation fields (light beams) and alter the expected scattering profile for a defect.   In one example case, using a substrate having formed thereon a partially transmissive film that has an optical thickness of one-quarter of the wavelength of illuminating light, the strength of the radiation field at or near the surface is substantially reduced resulting in little light scattering for micron-sized defects lying on the surface.  This can result in such defects being missed.   Thus, knowledge of film thickness would be critical to compensating for this condition or avoiding measurements at such thicknesses. 
[0007]  Currently, tools exist that can measure film layer thickness.  However, such tools are high precision tools that can only measure a few points on each wafer to determine thickness (commonly no more than 20-25 such measurements are made per wafer).  Additionally and importantly, each measurement takes a long time to achieve.  Thus, for such tools it is unrealistic to measure more than a few points on each wafer.  As a result such tools provide accurate, but limited amounts of information and have no real capacity to characterize an entire surface.  These tools are not capable of scanning an entire wafer and determining the thickness of a partially transmissive layer across the entire surface.  Moreover, such tools cannot make thickness measurements while these tools are simultaneously making defect inspection measurements of the same surface.   
[0008]  Additionally, such tools cannot provide ''wafer maps'' of reflectivity behavior of an inspected surface.  For example, current tools cannot provide high-density reflectivity measurements across an entire silicon wafer.   Also, current tools cannot provide a reflectivity measurement map of an entire wafer having at least one layer of partially transmissive material formed thereon.  
[0009]  Additionally, for a variety of opaque films, it can be desirable to generate reflectivity maps of an entire wafer surface.  This is particularly true for metal films, such as aluminum or tungsten, where knowledge of the reflectivity of the metallic layer, as well as surface scattering, can yield substantial information about the quality and uniformity of the film deposition.  Current methodologies are not capable of scanning a surface and generating such maps.  Additionally, such reflectivity maps of a surface can be used to enhance detection and yield a more accurate defect size distribution count, since defect scattering is strongly influenced by the surface optical parameters, such as reflectivity. 
[0010]  Additionally, current tools and methodologies do not have a way of rapidly scanning an entire wafer and using the wafer's reflectivity characteristics to determine critical dimension (CD) for the elements formed on the wafer's surface.  Nor do current tools and methodologies have a way of rapidly scanning an entire wafer and using the wafer reflectivity characteristics to determine the alignment accuracy of a fabrication overlay during processing.  Thus, there is a need for tools and methodologies capable of measuring surface reflectivity characteristics by continuously scanning a surface.  Additionally, there is a need for tools and methodologies for measuring thin film thickness and characterizing defects in the same process.  Also, there is a need for tools and methodologies capable of continuously scanning a surface to determine CD and determine the correct alignment of overlays constructed during fabrication.
SUMMARY OF THE INVENTION
[0011]       In accordance with the principles of the present invention, surface inspection tools and methodologies are disclosed.  In general, the embodiments of the invention concern inspection tools that generate a reflected optical signal from a substrate and then use the reflected optical signal to characterize (or assist in the characterization of) the inspected surface.  
[0012]  An inspection tool embodiment includes an illumination element for directing light beams, including a first beam and a second beam, onto a workpiece having a partially transmissive layer formed thereon to generate a reflected light signal and a scattered light signal for each of the light beams.  A scanning element configured to provide relative motion of the light beams across the surface of the workpiece is provided.  The tool includes a first, second and third optical detector element.  The first optical detector element is arranged to receive first reflected light signals produced by the first beam and measure optical parameter values associated with the first reflected light signal translating the optical parameter values into an associated first electrical signal.  The second optical detector element is arranged to receive second reflected light signals produced by the second beam and measure optical parameter values associated with the second reflected light signals and translate the optical parameter values into an associated second electrical signal.  The third optical detector element is arranged to receive the scattered light signal from the workpiece and translate the scattered light signal into an associated third electrical signal.  The tool has circuitry for receiving the first and second electrical signals and using said signals to determine thickness values for the partially transmissive layer.   Additionally, the tool has circuitry for receiving the third electrical signals and thickness values for the partially transmissive layer and correcting for the effects of the thickness of the partially transmissive layer so that said third electrical signals can be used to identify and characterize defects of the workpiece. 
[0013]  Another embodiment of the invention addresses methods for conducting surface inspections.  Such methods involve providing a workpiece and continuously scanning the surface of the workpiece with at least two light beams to generate at least two reflected light signals.  The reflected light signals are detected and processed to characterize the surface of the workpiece.  Particular embodiments of the invention include those where the at least two light beams have different wavelengths of light.  Additionally, such embodiments include light beams having different wavelengths of light and being projected onto the surface of the workpiece at different angles.   In still another embodiment, the light beams can have the same wavelengths of light but be projected onto the surface of the workpiece at different angles.  Additional embodiments measure different aspects of the reflected light signal.  Embodiments of the invention can be used to measure, for example, light intensity of the reflected optical signal, phase of the reflected optical signal, polarity of the reflected optical signal, and angle of the reflected optical signal. 
[0014]  Another embodiment involves continuously scanning the workpiece having a light transmissive layer with at least two light beams to generate at least two reflected light signals.  The reflected light signals are detected and optical parameter values for each of the reflected light signals are measured.  A parametric curve is accessed, the curve associating thickness for the partially transmissive layer with optical parameter values for the reflected light signals.   The reflected light signals are then compared with the parametric curve to identify a thickness values uniquely associated with the measured optical parameter values for the reflected light signals and thereby determining a thickness for the partially transmissive layer for the entire surface of the workpiece.  Additional embodiments can use this thickness information in conjunction with associated scattered light signals to determine, for example, the size of defects on the surface of the work piece. 
[0015]  Another embodiment of the invention is a method for conducting surface inspection that involves providing a workpiece having a plurality of test patterns formed thereon.  The surface is scanned with polychromatic light to illuminate the test patterns of the workpiece to generate a reflected light spectrum.  The reflected light spectrum is detected and compared with the polychromatic light beam to characterize attributes of the workpiece surface.  
[0016]  These and other aspects of the present invention are described in greater detail in the detailed description of the drawings set forth hereinbelow.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
[0017]  The present invention has been particularly shown and described with respect to certain embodiments and specific features thereof.  The embodiments set forth herein below are to be taken as illustrative rather than limiting.  It should be readily apparent to those of ordinary skill in the art that various changes and modifications in form and detail may be made without departing from the spirit and scope of the invention. 
[0018]   The following detailed description describes various embodiments of surface inspection tools and methods for their use.  In particular, embodiments of the present invention scan an entire wafer surface and measure a reflected optical signal and use such measurements to characterize the surface of the wafer.  In some embodiments, both a scattered light signal and the reflected light signal are measured to determine the thickness of partially transmissive layers on the surface and determine the size of defects on the surface.  Further characterizations of the surface are also possible in accordance with the principles of the invention.    
[0019]  In conventional defect detection on an opaque surface the size of a defect is related to the amount of light scattered by the defect.  This concept is schematically illustrated by Fig. 2(a) where the vertical axis 201 corresponds to light scattered (intensity I) by the inspected surface (including defects) and the horizontal axis 202 corresponds to the size d of a defect generating the scattering.  The data points 203 correspond to defect size/ scattering intensity pairs.  On an opaque surface such data points 203 can easily be used to generate calibration curve 204 using defects of known sizes.  This calibration curve 204 can then be used to size defects of unknown size.   
[0020]  As previously indicated, the picture gets considerably more complicated when the top portions of the substrate include a thin layer of at least partially transmissive material (e.g., as depicted in Fig. 1).   An at least partially transmissive layer is formed of material that allows at least some portion of light at a specific wavelength (or bands of wavelengths) to be transmitted through the material.  Such layers can play havoc with existing inspection schemes that use scattered light to inspect for and size defects in the surface.  Thus, the effects of the layer of partially transmissive material must be compensated for in order to accurately determine the size of (or in some cases the presence of) defects. 
[0021]  Fig. 2(b) is a simplified graphic depiction of scattered light behavior that will be helpful in illustrating some aspects of the problem.  The verticle axis 211 corresponds to light scattered (intensity I) by the inspected surface (including defects) and the horizontal axis 212 corresponds to a thickness t for the partially transmissive layer.  Commonly, a ''periodic'' relationship between thickness t and scattering intensity I can be defined.  This relationship is depicted by curve 215 which describes the scattering behavior of a light beam at a first wavelength over a range of thicknesses for the partially transmissive layer.  What is immediately apparent is that many different thicknesses can result in any given scattering intensity (e.g., intensity 213).   Thus, referring to Fig. 2(a), because the partially transmissive layer radically affects the measured scattering intensity I (and therefore, calibration curve), any given measured scattering intensity I can correspond to many different particle sizes, unless the thickness of the partially transmissive layer is known.
[0022]  As previously explained, there are in the art, methods for determining the thickness of partially transmissive layers of substrates.  However, such methods can only determine such thicknesses at a few selected points on the surface and such methods are extremely time consuming.  Since the thickness of the partially transmissive layer can vary significantly over the entire surface, such individual point measurements do not tell how thick the partially transmissive layer at the point where a specific measurement of light scattering is made.  Thus, such measurements are rather less than useful.   
[0023]  Heretofore, no method or device has been constructed that can continuously scan an entire wafer surface and generate a wafer map that tracks the reflected optical signal thickness over the entire surface of the wafer.   Analogously, no method or device has been constructed that can continuously scan an entire wafer surface and generate a wafer map that tracks the thickness for a partially transmissive layer over the entire surface of the wafer.  Moreover, such thickness measurements made by the present invention can by conducted simultaneously with defect scanning of the same portions of the wafer.  Thus, thickness information and defect information can be obtained at the same time allowing rapid defect and thickness characterization for an inspected surface (typically, a semiconductor wafer).  Some embodiments for so inspecting a wafer are capable of inspecting an entire 300 mm wafer in 15-20 seconds.  These are some of the many advantageous features of the present invention.  These, and other advantageous features will be described in detail hereinbelow.
[0024]  Some embodiments of the present invention make use of the fact that the light reflectance behavior of each partially transmissive layer (constructed of a known material) varies depending of the wavelength of illumination light.   As discussed before, when a partially transmissive layer is illuminated with light at a particular wavelength a pattern of light intensity as related to thickness t of the partially transmissive layer can be established.  Additionally, when the wavelength of illuminating light is changed, a different pattern of light intensity as related to thickness t can be established.   
[0025]  Fig. 3 depicts a simplified graphic representation of the reflected optical signal patterns of two light beams having different wavelengths.  The verticle axis 301 represents an optical parameter for the reflected optical signal R (for example, intensity of the reflected optical signal) and the horizontal axis 302 represents thickness t of the partially transmissive layer.  A wafer having a partially transmissive layer constructed of a known material formed thereon is provided.  Each beam is projected onto the same point of a wafer to produce a reflected optical signal.  For each wavelength, each material corresponds to a specific characteristic  ''periodic'' pattern of reflected optical signal values versus thickness of the material.  Apparatus and methods of the present invention when provided with the material type can call up from a database the appropriate pattern.  Alternatively, such patterns can be generated in accordance with specified algorithms.  
[0026]  It can be seen that light at a first wavelength (e.g., 488 nm) generates a first pattern 303 of reflected light intensity as related to thickness t of the material comprising the partially transmissive layer.   If, for example, a first reflected intensity r1 is measured and correlated with the first pattern 303, the thickness t of the partially transmissive layer cannot be determined.  Rather a multiplicity of possible thicknesses P is all that can be discerned.  However, if a second wavelength of light (e.g., 633 nm) is also projected onto the same point, a different pattern 304 of reflected light intensity versus thickness t of the material is generated.  By measuring a second reflected intensity r2 and comparing the value to the pattern 304, the thickness t of the partially transmissive layer can now be determined.  Frequently, there is only one thickness t that corresponds to both the measure reflected intensity value r1 at the first wavelength (e.g., 488 nm) and to the measured reflected intensity value r2 at the second wavelength (e.g., 633 nm).   Because, such wavelength dependent behavior is known, for each partially transmissive material (e.g., Si3N4, SiO2, and many other materials used in semiconductor fabrication, including without limitation, many low-K dielectric materials) a wavelength dependent pattern of reflected light intensity R versus thickness t can be determined.   Typically, such patterns are saved in the memory of apparatus embodiments constructed in accordance with the principles of the invention or such patterns can be generated by such embodiments using algorithms and techniques known to those having ordinary skill in the art.
[0027]  Fig. 4 presents a graphic depiction of another approach to determining a thickness for partially transmissive layers.  In such an approach a parametric plot 400 is used to correlate measured optical parameters of a reflected beam to thickness t for a partially transmissive layer on a substrate.   As depicted, the measured optical parameter corresponds to the intensity of the reflected light signal at a given wavelength.  Each data point 401 corresponds to a thickness t for the partially transmissive layer on a substrate.  Also, in the depicted embodiment, the vertical axis 402 is related to the intensity of the reflected light signal at a first wavelength (e.g., 633 nm).  Similarly, the horizontal axis 403 is related to the intensity of the reflected light signal at a second wavelength (e.g., 488 nm).   Thus, the parametric curve 410 is a plot of reflected light signal intensity at two different wavelengths as related to thickness for the partially transmissive layer.  As depicted, the data points 401 correspond to increasing thickness of a partially transmissive layer, with data point 401'''' being thicker than data point 401''' and data point 401''' being thicker than data point 401'', and so on.  In the highlighted portion 415 of the parametric curve 410 the intensity of the reflected light signal at the first wavelength increases as the thickness of the partially transmissive layer increases.  Also, the intensity of the reflected light signal at the second wavelength decreases as the thickness of the partially transmissive layer increases.  Because each point on the parametric curve 410 corresponds to a thickness of the partially transmissive layer, it can readily be seen that the vast majority of parametric value combinations correspond to a single thickness for the partially transmissive layer.   However, a few exceptions are noted.  For example, the parametric curve 410 ''crosses'' at the point in the circled region 411.  
[0028]  Fig. 5 is an expanded view of the circled region 411.   The crossing point 421 corresponds to two thicknesses having the same parametric values (here, measured reflected light intensity values at two different wavelengths).  One way to determine the correct thickness is for the inspector to be aware of the approximate thickness range of the partially transmissive layer.  Thus, if the crossing point 421 corresponds to a layer 8 microns (μm) thick and also to a layer 2 μm thick and it is known that the layer on the wafer is in the range of 1-3 μm thick it is very likely that the actual layer thickness corresponds to 1 μm thick.  However, the inspector may not always have access to such thickness information.  Alternatively (and more commonly), the actual thickness differences are much closer together and therefore less easily resolved by such methods.    For example, if the crossing point 421 corresponds to a layer 1.8 microns (μm) thick and also to a layer 2.5 μm thick and it is known that the layer is in the range of 1-3 μm thick such a method does not provide the needed clarity.  However, one method that can be used to identify the correct thickness is to move in a known thickness direction to determine the thickness of the layer.  Such a method can work as follows.  Referring to the portion of the curve defined by line 434 it is known that a thickness of 1.6 μm corresponds to point 433 and also that point 434 corresponds to a thickness of 2.0 μm.  Thus, moving along line 422 is defined by an arrow moving up and to the right as the thickness increases.   Also, referring to the portion of the curve defined by line 423 it is known that a thickness of 2.6 μm corresponds to point 431 and also that point 432 corresponds to a thickness of 2.5 μm.  Thus, moving along line 423 is defined by an arrow moving down and to the right as the thickness decreases.  Thus, the inspector can measure the optical parameters for a point known to be thicker than 1.8 μm (e.g., 2.0 μm) and observe which way the readings move on the curve.  If for example, the readings move from point 421 up along line 422 toward point 434 the inspector knows that the thickness for point 421 is about 1.8 μm.  Moreover, other techniques of thickness determination based on using two wavelengths of light known to persons having ordinary skill in the art can be used.  
[0029]  In another related approach, another beam (for example, at a third wavelength) can be introduced.  Thus, each data point can be parameterized in three dimensions. This will result in a complicated three-dimensional parameterization curve.  It is very unlikely that such parameterized curves will have 3-D crossing points.   Therefore, in such a three beam (three axis) approach the thickness can be more easily determined.  Referring, for example, to Fig. 4, the third axis (beam) can simply extend into (or out of) the page.  
[0030]  Referring to Figs. 6(a) and 6(b), further optical parameters can be used to characterize the surface of a wafer.  In the depicted examples, the reflected optical signal can be measured in terms of optical parameters for reflected beam phase and polarization.  Such phase and polarization measurements can be made of the reflected light and used to characterize the surface of a wafer.  As depicted in Fig. 6(a), the phase change between the illuminating beam and the reflected beam can be determined and used to characterize the surface of a wafer.  In particular, such information can be used to determine the thickness of a partially reflective layer on the surface of a wafer.  As with the previously discussed measurements of reflected light intensity, measurements of phase change (also referred to herein as phase measurements) are also dependent on the thickness of the partially reflective layer.  Thus, the measurements of phase change can be plotted with respect to the vertical axis 601 and the measurements of thickness t for the partially transmissive material can be plotted with respect to the vertical axis 602.  In the depicted embodiment, the wafer is illuminated at two different wavelengths.  As can be seen from the simplified schematic plot, first pattern 603 of phase change relative to thickness t at a first wavelength λ1 is different from a second pattern 604 of phase change relative to thickness t at a second wavelength λ2.  Thus, the same point on the surface will provide two different values for phase change depending on the wavelength of light used to illuminate the surface.   Thus, same process as schematically depicted with respect to Fig. 3 can be used to determine thickness for the partially transparent layer.  The only difference being that the optical parameter is phase change for the reflected beams rather than intensity of the reflected beams.  Additionally, the phase change information can be parameterized in a fashion analogous to that depicted in Fig. 4.  Again, the only difference being that the optical parameter used is phase change for the reflected beams rather than intensity of the reflected beams.  
[0031]  As depicted in Fig. 6(b), the change in polarity between the illuminating beam and the reflected beam can be determined and used to characterize the surface of a wafer.  In particular, such information can be used to determine the thickness of a partially reflective layer on the surface of a wafer.  As with the previously discussed measurements of reflected light intensity, measurements of change in polarity (also referred to herein as ellipsometry) are also dependent on the thickness of the partially reflective layer.  Thus, the measurements of polarity (or change in polarity) can be plotted with respect to the vertical axis 611 and the measurements of thickness t for the partially transmissive material can be plotted with respect to the vertical axis 612.  In the depicted embodiment, the wafer is illuminated at two different wavelengths (e.g., λ3, λ4).  As can be seen from the simplified schematic plot, one pattern 606 of polarity relative to thickness t determined at a first wavelength λ3 is different from a another pattern of polarity relative to thickness t determined at a second wavelength λ4.  Thus, the same point on the surface will provide two different values for polarity depending on the wavelength of light used to illuminate the surface.   Thus, same process as schematically depicted with respect to Fig. 3 can be used to determine thickness for the partially transparent layer.  The only difference being that the optical parameter is the polarity of the reflected beams rather than intensity of the reflected beams.  Additionally, the polarity information can be parameterized in a fashion analogous to that depicted in Fig. 4.  Again, the only difference being that the optical parameter used is polarity for the reflected beams rather than intensity of the reflected beams.  In some embodiments, three different input polarizations can be provided, P-polarization aligned parallel to the plane of incidence; S-polarization aligned perpendicular to the plane of incidence; and circular polarization which is characterized by continuously varying incident polarization, alternating between s-polarization and p-polarization, at the frequency of the light wave.  These ellipsometric parameters, which characterize the relative amplitudes of the reflection coefficients for the P- and S- polarizations and their differences in phase are well known and widespread in the literature.  It should also be noted that the angle of the reflected optical signal can be measured and used to provide surface characterization information in a manner analogous to that described above with respect to intensity, polarity, and phase.    
[0032]  In addition to using two (or more) light beams at different wavelengths, the illuminating light beams can be directed onto the surface at two (or more depending on the number of beams) different angles of incidence.  Alternatively, embodiments of the invention can use two (or more) light beams at the same wavelength but at different angles of incidence.  Fig. 7(a) illustrates one typical embodiment.  A first beam I1 is directed onto the surface at a first angle θ and a second beam I2 is directed onto the surface at a second angle ψ such that reflected beams R1, R2 corresponding to each of the incident beams I1, I2 are formed.   Each of these reflected beams are detected at appropriate light collection angle and the desired optical parameters are measured and used to characterize the wafer surface (e.g., to determine the thickness of a partially transmissive surface layer).   In the depicted embodiment, the same wavelength light is used for each illuminating beam I1, I2.  In the embodiment depicted in Fig. 7(b), curves correlating the intensity IR of the reflected beams R1, R2 to the thickness of a partially transparent layer can be called up from system memory and used to characterize the surface of the wafer.  As can be seen, the two beams at different angles have different patterns.  In general, the steeper the angle of incidence, the shorter the period of repetition in the pattern.  This is clearly depicted by Fig. 7(b) wherein the optical signal S1 corresponding to the first reflected beam R1 has a shorter periodicity than the optical signal S2 corresponding to the second reflected beam R2.  As described hereinabove with respect to, for example, Figs. 3, 4, and 5 two (or more) optical signals can be used to determine the thickness of a partially transmissive surface layer.  
[0033]  Figs 8(a) and 8(b) are simplified block depictions of two example apparatus embodiments constructed in accordance with the principles of the invention.  Referring to Fig. 8(a), a first embodiment 801 is depicted.  The depicted embodiment includes a support 802 for a wafer 803.  Although an un-patterned wafer is mentioned as the target object, other substrates, particularly, un-patterned wafers having partially transmissive layers can be inspected.  Also, the inventor contemplates target objects with other coated surfaces, such as reflective glass, reflective metallization layers, or composite materials, or other surfaces may be tested and measured by the present invention.  Also, patterned surfaces (e.g., patterned wafers) can be inspected in accordance with the principles of the invention as will be described later.  
[0034]  The support 802 commonly includes a wafer chuck using a vacuum to keep the wafer 802 in place on the support 802.  Of course, the wafer 803 can be secured to the support 802 using numerous other approaches.   Relative motion between the wafer 803 and the incident beams I1, I2 is provided.   Typically, the support 802 of the depicted embodiment provides a relative motion relative to incident beams I1, I2 by rotating 804 the wafer 803.   The rate of rotation for the wafer 803 is controlled by a motor 805 which is typically controlled by a computerized control system 810.  An additional radial dimension 806 of motion is provided such that as the wafer is rotated the incident beams I1, I2 radially move across the wafer surface generating a spiral scanning pattern that can scan the entire wafer 803 surface, if desired.  Such radial motion can be directed using, for example, a stage motor (schematically depicted by 807) that is also controlled by the computerized control system 810.  The position of the support 802 (and hence the wafer 803) is known and carefully controlled by the computerized control system 810.  The particular form of scanning and wafer transport mechanisms is not important so long as the wafer position is known and can be moved relative to the incident beams I1, I2. 
[0035]  An illumination element 811 typically includes a first light source 812 for producing first beam I1 and second light source 813 for producing second beam I2.  The light sources 812 and 813 commonly produce beams having a single wavelength (e.g., using single wavelength lasers or filtered polychromatic lamps).   Alternatively, multi-wavelength lasers can be used to produce both beams.  In some embodiments (discussed later) one or more unfiltered polychromatic sources can be used.  In the depicted embodiment, the first beam I1 and the second beam I2 each have the same wavelength and are directed onto the wafer 803 at different angles of incidence (ε and φ, respectively).  These beams I1, I2 impinge on the wafer producing a scattered light signal S and reflected light signals R1, R2 .  
[0036]  The scattered light S is collected and measured by photosensor elements (not shown) constructed and arranged for such purposes.  This scattered light is typically used for defect detection and analysis.  In most prior art systems, the reflected light signals (e.g., R1, R2) are not detected or measured.  But, in embodiments of the present invention, the reflected light signals are detected and used to further characterize the wafer surface.  Detector elements 814 and 815 are arranged to detect the reflected light signals R1, R2.   Many different discrete and array type detectors can be used as detector elements 814 and 815.   In some implementations, photo-multiplier tubes (PMT's) can be used.  Additionally, charge-coupled device (CCD) detector arrays can used.  Also, many other types of devices and detector arrangements can also be used, including, but not limited to, discrete photodetector devices, CMOS arrays, multi-cathode PMT's, photodiode arrays, and other array photodetectors known to persons having ordinary skill in the art.  Additionally, polarization detectors and phase detectors can be used to implement the embodiments of the invention.  The detector elements 814 and 815 convert the reflected light signal R1, R2 to an electrical signal that is transmitted to other processing circuitry 816 of the system for analysis.  Typically, the processing circuitry 816 includes a look-up table or a film thickness calculator 817 generated using stored values or calculated values.  A film thickness calculator 817 is programmed with standard film thickness formulas based on material properties for the partially reflective material and reflected optical signal parameters.  For example, such formula can be base on the intensity of the reflected optical signal and the angle of the incident beam.  Such a calculator 817 may be part of processing circuitry 816 but is shown as a separate block because a different function is performed.  Formulas for computing thin film thickness using discrete wavelengths are well known in the prior art pertaining to for example, the field of reflection ellipsometry.  Once the thin film determination is made, a signal representing the thin film thickness is transmitted to processing circuitry 816.  The processing circuitry 816 then can adjust particle/defect size measurements based upon the intensity of scattered light from a scattering detector (not shown). 
[0037]  It should be noted that a KLA-Tencor Model DLS inspection tool (produced by KLA-Tencor Corporation of San Jose, California) can be modified to incorporate the principles of the present invention.  In alternative embodiments, the beams (e.g., I1, I2) can include beams having different wavelengths in addition to being projected at different angles.   Additionally, embodiments having three or more beams can also be used.  Such beams can be directed onto the wafer at different angles and at different wavelengths in accordance with the principles of the invention.  Such implementations can employ additional detectors to detect the additional beams.   Moreover, different types of detectors can be used (e.g., phase and wavelength sensitive detectors).  Moreover, the detectors can be positioned to detect light at different light collection angles. 
[0038]  Fig. 8(b) depicts a block diagram of an alternative embodiment.   As with the foregoing embodiment, the apparatus includes a support 802 for a wafer 803.  Again, a variety of substrates can be inspected.  As before, the wafer 803 is secured to the support 802 and the support 802 provides a relative motion relative to incident beams 821, 822 by rotating 804 the wafer 803.   The rate of rotation for the wafer 803 is typically controlled by a motor 805 which is typically controlled by a computerized control system 810.  Also as above, a radial dimension 806 of motion can be provided to generate a spiral scanning pattern that can scan the entire wafer 803 surface, if desired.  Again such radial motion can be directed using, for example, a stage motor (schematically depicted by 807) that is also controlled by the computerized control system 810.  As before, the position of the support 802 is known and carefully controlled by the computerized control system 810.  
[0039]  An illumination element 825 typically includes a light source for producing a first beam 821 at a first wavelength and for producing a second beam 822 at a second wavelength.  Such a source can comprise two or more lasers, each producing a beam of a different wavelength.  Alternatively, the source can comprise a polychromatic source filtered to produce two (or more) bandwidths of substantially monochromatic light.  Still alternatively, multiple wavelength lasers (lasers capable of producing more than one wavelength of light) can be used to generate light at a multiplicity of wavelengths.  In the depicted embodiment, the first beam 821 having a first wavelength and a second beam 822 having a second wavelength are each directed onto the wafer 803 at the same angle of incidence.  The beams 821, 822 impinge on the wafer producing scattered light S and reflected light beams R1, R2.  
[0040]  The scattered light signal S can be collected and measured by the schematically depicted photosensor element 826.   As before, this scattered light is typically used for defect detection and analysis.  Additional detector elements 831 and 832 are arranged to detect the reflected light signals R1, R2 respectively.  As depicted here, a dichroic beamsplitter is used to direct the reflected signals R1, R2 onto the appropriate detectors.  As before, many different discrete and array type detectors can be used as detector elements 821, 823.   In some implementations PMT detectors and CCD detector arrays can be used.  Again, as before, many other types of devices and detector arrangements can also be used, including, but not limited to, discrete photodetector devices, CMOS arrays, multi-cathode PMT's, photodiode arrays, and other array photodetector devices known to persons having ordinary skill in the art.  Additionally, polarization detectors and phase detectors can be used to implement the embodiments of the invention.  Polarization detectors and phase detectors can be used to detect the reflected light signals R1, R2 and convert the signal to an electrical signal that is transmitted to other processing circuitry 836 of the system for analysis.
[0041]  As before typical processing circuitry 836 includes a look-up table or a film thickness calculator 817 generated using stored values or calculated values.  Once the thin film determination is made, a signal representing the thin film thickness is transmitted to processing circuitry 836.  The processing circuitry 836 then can adjust particle/defect size measurements based upon the intensity of scattered light from a scattering detector (not shown).   Additionally, the scattered light from beams can be detected using photo detector elements of the system.  In particular, the photosensor element 826 can comprised a plurality of different detector devices.  Additionally, such devices can be configured to detect different optical conditions (polarization, wavelength, etc.) and can also be sited to detect light at differing light collection angles.  
[0042]  Again, in alternative embodiments, the beams (e.g., 821, 822) can further include additional beams having different wavelengths.  Further detectors can also be included to detect the additional beams.
[0043]  Conventional tools can continuously scan an un-patterned bare substrate and measure the scattered light from an incident beam to detect defects.  Conventional tools cannot accomplish this continuous scanning if a partially transmissive layer is present on the substrate for reasons discussed previously.  Conventional tools cannot continuously scan a substrate to determine the thickness of a partially transmissive layer formed thereon.  Thus, in conventional tools continuous scanning cannot be used to detect and determine the size of defects in the presence of a partially transmissive layer.  One advantageous feature of embodiments of the invention is that they can continuously scan the entire wafer surface simultaneously detecting a reflected optical signal and a scattered light signal from the same point on the surface to simultaneously determine the thickness of the partially transmissive layer and using that information together with the scattered optical signal for the same point to determine the location and size of defects on a substrate.   
[0044]  Fig. 9 is a simplified schematic top down view of a wafer being rotated 902 while being scanned by an inspection tool (schematically depicted by the box 903).  The entire wafer 901 can be scanned in one continuous scanning pattern.  Such a pattern is depicted by the spiral pattern 904.  Spiral pattern 904 describes a path that a dot of light 908 maps across the wafer surface as the wafer is scanned.
[0045]  The inventor contemplates that the reflected light optical signal of the embodiments of the invention can be used to create a map of the wafer surface.  Such a map can be a map of a spatial distribution of the thickness of the partially transmissive layer across the surface of the wafer.  Quantitative film thickness measurements where applicable, can be used to characterize and correct the deposition parameters of a film layer controller.  It may also be recognized that reflectivity measurements and/or a qualitative or relative film thickness determination, is also quite useful for correcting particle/defect count and size measurements as well, and for providing information on the quality or uniformity of any surface or thin film, transparent or opaque.
[0046]  Moreover, because the reflected light signal can be measured in terms of more than just reflected light intensity (e.g., also in terms of polarity, phase, and even angle) a map of any of the measured optical parameter values for the reflected light optical signal can be made.  Such a map is merely a plot of the spatial distribution of measured optical parameter values for the reflected beam across the surface of the wafer.   Such maps can be used to determine the background ''haze'' of a wafer, the topography of a wafer, as well as many other surface characteristics of the wafer.  Additionally, such maps of measured optical parameters for reflected light can be used to ascertain process defects associated with marked changes in such measured parameter values.  For example, such a wafer map can consist of a plot of  reflected signal intensity over the wafer surface.  Alternatively, such plots can describe the surface of a wafer in terms of other reflected light optical parameters including, but not limited to, reflected light polarity, reflected light phase, the angle of reflectance for the reflected light, and so on.  Such implementations are very useful, not only in characterizing surfaces with partially transmissive layers formed thereon, but also, in characterizing surfaces formed of materials that are opaque to the wavelengths of light used to illuminate the surface.  Examples of such surfaces include, but are not limited to untreated silicon wafers and metal coatings formed on wafers.  
[0047]  In another implementation, the principles of the present invention can be applied to patterned wafers.  Patterned wafers can be constructed with specialized test sites formed thereon to facilitate surface characterization.  Measurements of the reflected light signal can be used to assess whether a fabrication step(s) fall within a desired critical dimension (CD) tolerance or whether the overlay alignment between two fabrication layers is within a desired specification.  Such characterization of a wafer can be accomplished using a plurality of test sites fabricated on the wafer.  The wafer is illuminated with a polychromatic light beam and scanned.  The reflected light signal from the polychromatic light beam produces a reflected light intensity spectrum.  As the polychromatic light beam is directed onto the test sites and the corresponding reflected light intensity spectrum is measured, changes to the spectrum can be analyzed to determine the width and depth of wafer CD's.   One suitable type of test site is a diffraction grating having a pre-determined evenly spaced pattern defining a regular pitch for the grating.  
[0048]  Fig. 10 schematically illustrates an implementation for such a CD measurements.  A wafer 1001 having a plurality of test sites 1002 formed thereon is scanned with a polychromatic light beam.   A spiral scanning pattern 1003 is depicted.  The optical signal for the reflected light beam is detected continuously and saved to a memory.  The memory is then accessed and the optical signals corresponding to the test sites 1002 are then accessed.  Each such signal generates a corresponding optical spectrum 1004.   The spectrum can then be analyzed versus the expected spectrum for such a grating.  Deviations from the expected spectrum can be used to identify the scope and magnitude of variations from the desired CD or desired overlay.  Such methodologies are known to those having ordinary skill in the art.  
[0049]  The present invention has been particularly shown and described with respect to certain preferred embodiments and specific features thereof.  However, it should be noted that the above-described embodiments are intended to describe the principles of the invention, not limit its scope.  Therefore, as is readily apparent to those of ordinary skill in the art, various changes and modifications in form and detail may be made without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the appended claims.  Other embodiments and variations to the depicted embodiments will be apparent to those skilled in the art and may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the following claims.  In particular, the inventor contemplates that embodiments using two, three, four, and more light beams are advantageous.  Moreover, embodiments using different angles of incidence and different wavelengths for the illuminating beams are specifically contemplated as advantageous by the inventor.   Further, embodiments incorporating a large plurality of detector devices are also contemplated by the principles of the invention.   Such embodiments can incorporate detectors configured to detect light receiver from many different collection angles.   Further, such detectors can detect specific wavelengths of light, polarities of light, or other light qualities as known to those having ordinary skill in the art.   Further, reference in the claims to an element in the singular is not intended to mean ''one and only one'' unless explicitly stated, but rather, ''one or more''.  Furthermore, the embodiments illustratively disclosed herein can be practiced without any element, which is not specifically disclosed herein. 
[0050]  The following detailed description will be more readily understood in conjunction with the accompanying drawings, in which:
[0051]  It is to be understood that, in the drawings, like reference numerals designate like structural elements.  Also, it is understood that the depictions in the Figures are not necessarily to scale.
3. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0052]   Fig. 1 is a simplified schematic cross-sectional view showing an incident light beam being scattered from a particle on a semiconductor wafer surface.
[0053]   Fig. 2(a) depicts a calibration curve associating particle size with intensity for a reflected light signal.  
[0054]  Fig. 2(b) is a graphical depiction of scattered light intensity compared to thickness of a partially transmissive layer formed on an inspected surface.   
[0055]  Fig. 3 is a graphical depiction of reflected light intensity compared to thickness of a partially transmissive layer for two light beams of different wavelengths.  
[0056]  Fig. 4 is a graphical depiction parameterizing reflected light intensity at two different wavelengths over a range of different thicknesses for a partially transmissive layer in accordance with the principles of the invention. 
[0057]  Fig. 5 is a close-up view of the parameterized graphical depiction of Fig. 4.
[0058]  Figs. 6(a) and 6(b) are simplified graphical depictions of some optical parameters (e.g., phase, polarity, light collection angle, angle of incidence) of a reflected light beam compared to thickness of a partially transmissive layer for two different light beams in accordance with the principles of the invention.        
[0059]  Figs. 7(a) and 7(b) depict light beams directed onto a surface being inspected and the resultant reflected optical signal and a graphical depiction of the intensity of the reflected optical signal over a range of different thicknesses for a partially transmissive layer formed on the surface.  
[0060]  Figs. 8(a) and 8(b) are simplified block diagrams of two embodiments of apparatus constructed in accordance with the principles of the invention.
[0061]  Fig. 9 is a simplified schematic top down view of a wafer being rotated in a spiral inspection pattern while being scanned in a continuous scanning pattern in accordance with the principles of the invention.  
[0062]  Fig. 10 is a simplified schematic top down view of a wafer being rotated in a spiral inspection pattern to illuminate test patterns to produce the associated reflected light spectra in accordance with the principles of the invention.     
1.  A surface inspection apparatus comprising:
an illumination element for directing at least two light beams onto a surface to generate a reflected light signal and a scattered light signal for each of the at least two light beams, the at least two light beams having one of: at least two different wavelengths or at least two different angles of incidence from the surface;
optical detectors configured to receive the reflected light signals;  and
circuitry for analyzing the reflected light signals to determine thickness values for the partially transmissive layer.
2.  A surface inspection apparatus as in Claim 1 wherein the optical detectors are configured to detect reflected light signals at different wavelengths.
3.  A surface inspection apparatus as in Claim 1 wherein the optical detectors are configured to detect reflected light signals at different polarities.
4.  A surface inspection apparatus as in Claim 1 wherein the optical detectors are configured to detect reflected light signals at different light collection angles.
5.  A surface inspection apparatus as in Claim 1 wherein the optical detectors are configured to detect the scattered light signals and the reflected light signals; and
wherein the circuitry analyzes the reflected light signals to determine thickness values for the partially transmissive layer and analyzes the scattered light signal incorporating the thickness values to detect defects in the surface.
6.  A surface inspection apparatus as in Claim 5 further including a scanning element for providing relative motion of the at least two light beams across the surface so that the entire surface can be inspected by the apparatus. 
7.  A surface inspection apparatus comprising:
an illumination element for directing at least two light beams, including a first beam and a second beam, onto a portion of the workpiece having a partially transmissive layer formed thereon to generate a reflected light signal and a scattered light signal for each of the at least two light beams;
a scanning element configured to provide relative motion of the at least two light beams across the surface of the workpiece;
a first optical detector element arranged to receive first reflected light signals produced by the first beam as it is scanned over the workpiece and measuring optical parameter values associated with the first reflected light signals and translating the optical parameter values into an associated first electrical signal;
a second optical detector element arranged to receive second reflected light signals produced by the second beam as it is scanned over the workpiece and measuring optical parameter values associated with the second reflected light signals and translating the optical parameter values into an associated second electrical signal;
circuitry for receiving the associated first and second electrical signals and using said signals to determine thickness values for  the partially transmissive layer; 
a third optical detector element arranged to receive the scattered light signal as the at least two beams are scanned over the workpiece and translating the scattered light signal into an associated third electrical signal;  and
circuitry for receiving third electrical signals and thickness values for the partially transmissive layer and correcting for the effects of the thickness of the partially transmissive layer so that said third electrical signals can be used to identify and characterize defects of the workpiece.
8.  The apparatus of claim 7 wherein the scanning element enables continuous relative motion of the at least two light beams across the surface of the workpiece to facilitate scans of the entire surface of the wafer.
9.  The apparatus of claim 8 wherein the first beam is directed onto the surface of the workpiece at a different angle than the second beam.
10.  The apparatus of claim 8 wherein the first beam and the second beam each comprise light having a different wavelength.
11.  The apparatus of claim 10 wherein the first beam is directed onto the surface of the workpiece at a different angle than the second beam.
12.  The apparatus of claim 8 wherein the first optical detector element measures an optical parameter value associated with the first reflected light signal selected from among light intensity values, light polarization values, angle of the reflected light signal, and phase values associated with said first reflected light signals; and
wherein the second optical detector element measures an optical parameter value associated with the second reflected light signals selected from among light intensity values, light polarization values, angle of the reflected light signal, and phase values associated with said second reflected light signals.
13.  The apparatus of claim 7 wherein the illumination element comprises at least three light beams including a third light beam that is directed onto said portion of the workpiece to generate a third reflected light signal and another scattered light signal;
further including a fourth optical detector element arranged to receive the third reflected light signal produced by the third beam as it is scanned over the workpiece and measuring optical parameter values associated with the third reflected light signal and translating the optical parameter values into an associated fourth electrical signal;  and
wherein the circuitry further receives the fourth electrical signal and uses said fourth signal to further determine the thickness of the partially transmissive layer.
14.  A surface inspection apparatus as in Claim 7,
wherein a third optical detector element includes a first optical detector sub-element arranged to receive the scattered light signal from the first beam and a second optical detector sub-element arranged to receive the scattered light signal from the second beam as the at least two beams are scanned over the workpiece and translating the first and second scattered light signals into a associated electrical signals;  and
wherein the circuitry further receives the electrical signals associated with the first and the second scattered light signals and thickness values for the partially transmissive layer and correcting for the effects of the thickness of the partially transmissive layer so that the electrical signals associated with the first and the second scattered light signals can be used to identify and characterize defects of the workpiece.
15.  A method for conducting surface inspections comprising:
providing a workpiece having a surface;
continuously scanning the surface of the workpiece with at least two light beams to generate at least two reflected light signals;
detecting the reflected light signals; and
processing the reflected light signals to characterize the surface of the workpiece.
16.  The method of Claim 15 wherein providing the workpiece includes providing a workpiece having at least one partially transmissive layer formed on a surface thereof; and
wherein processing the reflected light signals to characterize the surface of the workpiece includes processing the reflected light signals to determine the thickness of the at least one partially transmissive layer formed on the workpiece.
17.  The method of Claim 15 wherein processing the reflected light signals to characterize the surface of the workpiece includes processing the reflected light signals to generate a map of the workpiece that includes a spatial distribution of reflected light signal values as distributed over the surface of the workpiece.
18.  The method of Claim 17 wherein detecting the reflected light signals includes measuring optical parameter values of the reflected light signals wherein the optical parameter values for the reflected light signals are selected from among light intensity values, light polarization values, angle values, and phase values associated with said reflected light signals;
and wherein processing the reflected light signals to characterize the surface of the workpiece includes processing the measured optical parameter values of the reflected light signals to generate a map of the workpiece that includes a spatial distribution of the measured optical parameter values for the reflected light signal as distributed over the surface of the workpiece.
19.  The method of Claim 16 wherein
continuously scanning the workpiece includes scanning with at least two monochromatic light beams having at least two different wavelengths including a first beam at a first wavelength and a second beam at a second wavelength to produce a reflected signal that includes a first reflected light signal at the first wavelength and a second reflected light signal at the second wavelength;
wherein said detecting the reflected light signals includes detecting the first reflected light signal and the second reflected light signal;  and
wherein said processing includes analyzing the first reflected light signal together with the second reflected light signal determine the thickness of the at least one partially transmissive layer.
20.  The method of Claim 19 wherein processing includes using the thicknesses of the at least one partially transmissive layer to generate a map of the workpiece that includes a spatial distribution of the thickness of the at least one partially transmissive layer over the surface of the workpiece.
21.  The method of Claim 19 wherein processing includes analyzing an optical parameter of the first reflected light signal together with an optical parameter of the second reflected light signal to determine the thickness of the at least one partially transmissive layer wherein the optical parameter is selected from among light intensity, light polarity, angle, and light change.
22.  The method of Claim 15 wherein
continuously scanning the workpiece includes scanning with at least two light beams including a first beam and a second beam configured such that each beam impinges the surface of the workpiece at a different angle to produce reflected signals that include a first reflected light signal at a first angle and a second reflected light signal at a second angle; and
wherein said detecting the reflected light signals includes detecting the first reflected light signal and the second reflected light signal.
23.  The method of Claim 22 wherein continuously scanning the workpiece includes scanning with at least two light beams such that the first beam and the second beam each have different wavelengths of light.
24.  The method of Claim 16 wherein
scanning the workpiece with at least two light beams generates both a scattered light signal and the reflected light signal;
wherein detecting includes detecting the scattered light signal and the reflected light signal;   and
wherein said processing includes processing the reflected light signal to determine the thickness of the at least one partially transmissive layer and includes using such thickness information together with the scattered light signal to detect and characterize defects in the workpiece.
25.  The method of Claim 24 wherein
scanning the workpiece with at least two light beams includes scanning with at least two monochromatic light beams at least two different wavelengths including a first beam at a first wavelength and a second beam at a second wavelength to produce a reflected signal that includes a first reflected light signal at the first wavelength and a second reflected light signal at the second wavelength;
wherein said detecting the reflected light signal includes detecting the first reflected light signal and the second reflected light signal;  and
wherein said processing includes analyzing the first reflected light signal together with the second reflected light signal determine the thickness of the at least one partially transmissive layer.
26.  The method of Claim 25:
wherein detecting includes detecting optical parameter values associated with the first reflected light signal and optical parameter values associated with the second reflected light signal;  and
wherein said processing includes analyzing the optical parameter values for the first reflected light signal together with the optical parameter values for the second reflected light signal determine the thickness of the at least one partially transmissive layer.
27.  The method of Claim 26:
wherein detecting optical parameter values associated with the first and second reflected light signals includes detecting optical parameter values selected from among light intensity values, light polarization values, angle, and phase values associated with said reflected light signals.
28.  The method of Claim 25 wherein the scanning further includes scanning the workpiece with the first beam and the second beam such that the first beam and the second beam are incident on a surface of the workpiece at different angles;
wherein detecting includes detecting optical parameter values associated with the first reflected light signal and optical parameter values associated with the second reflected light signal;  and
wherein said processing includes analyzing the optical parameter values for the first reflected light signal together with the optical parameter values for the second reflected light signal determine the thickness of the at least one partially transmissive layer.
29.  The method of Claim 28 wherein detecting optical parameter values associated with the first and second reflected light signals includes detecting optical parameter values selected from among light intensity, light polarization, angle, and phase values associated with said reflected light signals.
30.  The method of Claim 24 wherein scanning the workpiece comprises scanning with at least two monochromatic light beams that impinge on a surface of the workpiece at least two different angles thereby generating a first reflected light signal and a second reflected light signal each at different angles from each other;
wherein detecting includes detecting the scattered light signal and the two reflected light signals;  and
wherein said processing of the reflected light signal includes processing the two reflected light signals to determine the thickness of the at least one partially transmissive layer.
31.  The method of Claim 16 wherein
continuously scanning the workpiece includes scanning the entire surface of the workpiece with at least two light beams to generate a reflected light signal includes generating at least two reflected light signals, one associated with each light beam;
wherein detecting the reflected light signal includes measuring optical parameter values for each of the at least two reflected light signals;
wherein processing the reflected light signal to characterize the surface of the workpiece includes determining a thickness for the at least one partially transmissive layer by:
accessing a parametric curve associating thickness for the at least one partially transmissive layer with the measured optical parameter values for the reflected light signals generated by the at least two light beams;  and
identifying a thickness value uniquely associated with the measured optical parameter values for the reflected light signals and thereby determining a thickness for the at least one partially transmissive layer for the entire surface of the workpiece.
32.  The method of Claim 31 wherein accessing a parametric curve includes accessing a parametric curve having at least two axes.
33.  The method of Claim 31 wherein continuously scanning the entire surface of the workpiece is accomplished with at least two light beams with each light beam having a different wavelength of light.
34.  The method of Claim 31 wherein continuously scanning the entire surface of the workpiece is accomplished with at least two light beams with each light beam being directed onto the workpiece at a different angle.
35.  The method of Claim 33 wherein the at least two light beams, each having different wavelengths of light, are also each being directed onto the workpiece at a different angle.
36.  The method of Claim 31 wherein measuring optical parameter values for each of the at least two reflected light signals includes measuring optical parameter values selected from among light intensity values, light polarization values, angle, and phase values associated with said reflected light signals.
37.  A method for conducting surface inspection comprising:
providing a workpiece having a plurality of test patterns formed on a surface thereof;
scanning the surface of the workpiece with polychromatic light to illuminate the test patterns of the workpiece to generate a reflected light spectrum;
detecting the reflected light spectrum;  and
comparing the polychromatic light beam with the reflected light spectrum to characterize attributes of the workpiece surface.
38.  A method as in Claim 37 wherein comparing the polychromatic light beam with the reflected light spectrum to characterize attributes of the workpiece surface includes determining the alignment between two layers formed on the surface of the work piece.
39.  A method as in Claim 37 wherein comparing the polychromatic light beam with the reflected light spectrum to characterize attributes of the workpiece surface includes determining whether features formed on the surface of the work piece are in compliance with a desired specification for critical dimension.
40.  A method as in Claim 37
wherein providing a workpiece includes providing a patterned workpiece and wherein the test patterns comprise diffraction gratings having a pre-specified regular pitch;  and
wherein comparing the polychromatic light beam with the reflected light spectrum to characterize attributes of the workpiece surface comprises comparing the polychromatic light beam with the reflected light spectrum reflected by the test pattern to characterize attributes of the workpiece surface.
41.  A method as in Claim 40 wherein the workpiece comprises a patterned wafer.
42.  A method as in Claim 37
wherein the provided workpiece comprises an un-patterned wafer and wherein the test patterns comprise diffraction gratings having a pre-specified regular pitch;  and
wherein comparing the polychromatic light beam with the reflected light spectrum to characterize attributes of the workpiece surface comprises comparing the polychromatic light beam with the reflected light spectrum reflected by the test pattern to characterize attributes of the workpiece surface.
43.  A method as in Claim 37 wherein scanning the surface of the workpiece with polychromatic light beam comprises scanning the majority of the surface illuminating the test patterns of the workpiece to generate reflected light spectra associated with each test pattern;
wherein detecting the reflected light spectrum includes selectively detecting only the reflected light spectra associated with the test patterns;  and
wherein comparing the polychromatic light beam with the reflected light spectrum comprises comparing the polychromatic light beam with the reflected light spectra associated with the test patterns to characterize attributes of the workpiece surface.
1. ABSTRACT
An inspection tool includes an illumination element for directing light beams onto a workpiece at differing wavelengths or at differing angles of incidence or combinations thereof.  Such beams producing reflected light and scattered light optical signals.  A scanning element and optical detector elements are provided.  The optical detector elements receive reflected light signals and scattered light signals.  Circuitry for receiving the reflected light signals and scattered light signals are used to determine thickness values for partially transmissive layers formed on the workpiece and correct for the effects of the thickness of the partially transmissive layer so that said signals can be used to identify and characterize defects of the workpiece.   Moreover, the invention includes descriptions of methods for accomplishing such inspections.
2. REPRESENTATIVE DRAWING
Fig. 8(a)
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