(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査物を支持する支持手段と、
上記支持手段に支持された被検査物の検査箇所に、光源から出射された所定の波長域の単色光を照明光として対物レンズを介して照射する照明手段と、
上記光源から出射されて偏光ビームスプリッタに入射された照明光のうちの該偏光ビームスプリッタによって反射された照明光により照明された検査箇所からの反射光、散乱光、回折光を検出する検出手段と、
上記検出手段からの出力に基づいて、上記検査箇所の状態を検査する検査手段と、
上記検出手段と上記支持手段に支持された被検査物の検査箇所とのフォーカス状態を、上記対物レンズの近傍に配設された距離センサからの出力に基づいて制御するフォーカス制御手段とを備え、
上記照明手段は、開口絞り面内における照明光の強度分布を上記検査箇所の構造や検査目的に応じて切り替える切り替え手段と、ケーラー照明により上記検査箇所を照明する第１の照明系と臨界照明により上記検査箇所を照明する第２の照明系との切り替えを行う照明系切り替え手段と、上記光源から出射されて該切り替え手段及び該照明系切り替え手段を順次透過して上記偏光ビームスプリッタに入射された照明光のうちの該偏光ビームスプリッタを透過した照明光の光量をモニタする光量モニタ手段と、該光量モニタ手段によって検出された照明光の光量に応じて照明光の透過又は遮断を切り替えるシャッタ手段とを有し、
上記フォーカス制御手段は、上記照明手段を上記第２の照明系に切り替えて、上記臨界照明によって上記検査箇所を照明することにより得られる情報に基づいて、上記支持手段の支持面精度に起因するフォーカス誤差量を検出し、このフォーカス誤差量に応じて上記距離センサからの出力を補正して、フォーカス制御を行い、
上記距離センサは、上記対物レンズの光軸に対して対称となる位置に複数配置されている検査装置。
【請求項２】
上記開口絞りは、任意のσ値（開口絞りの直径／対物レンズの瞳径）を有するσ絞りと、任意のσ値の輪帯を組み合わせた形状のドーナツ絞りとを有し、リボルバ、スライド又はカムのうちのいずれかに取り付けられ、該σ絞りと該ドーナツ絞りのうちで上記検査箇所の構造や検査目的に応じて選択的に切り替えられる請求項１記載の検査装置。
【請求項３】
上記距離センサは、静電容量型センサ、作動トランス型変位計、渦電流型変位計、原子間力プローブを用いた変位計又は空気式変位計のうちのいずれかである請求項１又は請求項２記載の検査装置。
【請求項４】
上記照明手段は、紫外波長域のレーザ光を出射する紫外レーザ光源を有する請求項１乃至３のうちのいずれか１記載の検査装置。
【請求項５】
上記照明手段は、上記照明光の可干渉性を低減するための可干渉性低減手段を有する請求項１乃至４のうちのいずれか１記載の検査装置。
【請求項６】
上記照明手段は、上記可干渉性低減手段として、回転拡散板を有する請求項５記載の検査装置。
【請求項７】
上記照明手段は、上記可干渉性低減手段として、入射された光をシングルモードからマルチモードに変換して出射する光ファイバを有する請求項５記載の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検査物の検査箇所に照明光を照射し、この照明光により照明された検査箇所からの反射光や散乱光、回折光を検出することで、検査箇所の状態を検査する検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気産業分野におけるデジタル化が進む中で、半導体チップの集積度の向上が盛んに行われている。そして、このように高度に集積された半導体チップを如何に効率良く低コストで提供できるかが、今後のデジタル電気産業の発展を左右する重要な課題となっている。
【０００３】
半導体チップを低コストで効率良く生産するためには、製造プロセス中に発生する問題を迅速に且つ正確に検出することが重要である。このため、半導体チップに形成された微細な回路パターンを精度良く検査できる検査装置に対する需要が高まっている。
【０００４】
一般に、半導体チップの回路パターンに代表される微細なパターンを検査するための検査装置としては、光学顕微鏡を用いたものが多用されている。光学顕微鏡を用いた検査装置では、被検査物の検査箇所に照明光を照射し、その反射光、散乱光、回折光、屈折光等を光学的に検出することで、検査箇所の状態を検査するようにしている。
【０００５】
ところで、半導体チップの回路パターンは益々微細化される傾向にあり、近年では線幅０．１８μｍ以下のデザインルールが適用されるようになってきている。このように非常に微細なパターンを精度良く検査するために、検査装置の分野においては、既存の光学顕微鏡の分解能を大きく超える高い分解能を求められるようになってきている。
【０００６】
高い分解能が得られる顕微鏡としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）、近接場光学顕微鏡（Near-field scanning optical Microscope）等が開発されている。このような顕微鏡を用いて検査を行うようにすれば、高い分解能での検査が可能であるが、検査環境を真空にする必要があること、視野の狭さから検査に長時間を要すること等の問題があり、検査原理自体が高スループット化の障害要因となる。
【０００７】
ところで、近年、単一波長を持つレーザ光を照明光として用いるレーザ顕微鏡の開発が盛んに進められている。そして、短波長の深紫外レーザ光を連続発振可能な光源装置が実用化され、この光源装置を照明光源として用いることで、半導体チップにおける微細な回路パターンを検査するための検査装置として満足しうる水準の分解能が得られるようになってきている。
【０００８】
このようなレーザ顕微鏡を用いて検査装置を構成すれば、高い分解能で微細なパターンを精度良く検査できると共に、高スループット化を実現して迅速な検査が可能となるので、特に、半導体チップの回路パターンのように、微細なパターンの寸法測定や微小な欠陥を検出するための装置として、強い期待が寄せられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような検査装置を実用化するにあたっては、微細パターンの検査をより適切に行うために、検査箇所となる微細パターンに応じて最適な光学的特性が得られることが望まれる。これまで、検査装置の光学的特性の向上は、照明光の短波長化と対物レンズの開口数（ＮＡ：numerical aperture）を高めることによって、解像力の向上を図ることで実現されてきた。しかしながら、照明光の短波長化や対物レンズの高ＮＡ化を図るには、非常に高価な開発費や材料費、加工費等が必要とされるので、更なる光学的特性の向上を、照明光の短波長化と対物レンズの高ＮＡ化のみによって実現することは、コストの点からも困難である。
【００１０】
そこで、本発明は、照明光の短波長化と対物レンズの高ＮＡ化のみに頼ることなく、光学的な周波数応答を被検査物の検査箇所に応じて最適なものとし、微細形状を有する被検査物の検査を極めて高精度に行うことが可能な検査装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
実際の顕微鏡における光学的特性は、照明系の開口絞り面における照明光の強度分布に大きく依存することが知られている。すなわち、パーシャルコヒーレントである照明系において、照明系の開口絞りの直径を変えることで、解像限界、コントラスト、可干渉性といった光学的特性は大きく変わることになる。したがって、照明系の開口絞り面における照明光の強度分布を検査箇所となる微細パターンに応じた最適なものとすれば、この微細パターンに応じた最適な光学特性が得られることになる。
【００１２】
本発明に係る検査装置は、以上のような知見に基づいて創案されたものであって、被検査物を支持する支持手段と、この支持手段に支持された被検査物の検査箇所に、所定の波長域の単色光を照明光として照射する照明手段と、照明光により照明された検査箇所からの反射光、散乱光、回折光を検出する検出手段と、この検出手段からの出力に基づいて、上記検査箇所の状態を検査する検査手段とを備えている。そして、この検査装置は、照明手段が、開口絞り面内における照明光の強度分布を上記検査箇所の構造や検査目的に応じて切り替える切り替え手段を有することを特徴としている。
【００１３】
この検査装置において、被検査物は支持手段により支持される。そして、支持手段に支持された被検査物の検査箇所に対して、照明手段により所定の波長域の単色光が照明光として照射される。このとき、照明手段の切り替え手段が、開口絞り面内における照明光の強度分布を、検査箇所の構造や検査目的に応じた最適なものとなるように切り替える。これにより、検査箇所の構造や検査目的に応じた最適な照明光が、検査箇所に照射されることになる。
【００１４】
検査箇所に照射された照明光は、この検査箇所の状態に応じて反射、散乱、回折することになる。これら検査箇所からの反射光、散乱光、回折光が検出手段により検出される。そして、これら反射光、散乱光、回折光に応じた検出手段からの出力に基づいて、検査手段により被検査物の状態が検査されることになる。
【００１５】
この検査装置では、以上のように、検査箇所の構造や検査目的に応じた最適な照明光が検査箇所に照射され、その反射光、散乱光、回折光に応じた検出手段からの出力に基づいて検査箇所の状態が検査されるので、精度の良い検査が可能である。
【００１６】
なお、この検査装置において、照明手段は、紫外波長域のレーザ光を出射する紫外レーザ光源を有することが望ましい。この紫外レーザ光源から出射された紫外波長域のレーザ光を照明光として用いるようにすれば、検査箇所の状態をより精度良く検査することができる。
【００１７】
また、この検査装置において、照明手段は、ケーラー照明により検査箇所を照明する第１の照明系と、臨界照明により検査箇所を照明する第２の照明系との切り替えを行う照明系切り替え手段を有することが望ましい。この切り替え手段によって、ケーラー照明により検査箇所を照明する第１の照明系と、臨界照明により検査箇所を照明する第２の照明系との切り替えを可能にしておけば、例えば、被検査物の検査箇所の検査をする際は第１の照明系を選択し、開口絞り面内における照明光の強度分布の調整等を行う際は第２の照明系を選択すると行ったように、目的に応じて最適な照明系を選択することができる。
【００１８】
また、この検査装置において、照明手段は、照明光の可干渉性を低減するための可干渉性低減手段を有することが望ましい。この可干渉性低減手段によって照明光の可干渉性を低減させるようにしておけば、照明光の均一性を高めることができる。
【００１９】
また、この検査装置において、照明手段は、照明光の光量をモニタする光量モニタ手段と、この光量モニタ手段によって検出された照明光の光量に応じて照明光の透過又は遮断を切り替えるシャッタ手段とを有することが望ましい。このように、モニタ手段によって照明光の光量をモニタし、それに応じてシャッタ手段が照明光の透過又は遮断を切り替えるようにしておけば、照明光の照射光量を検査箇所に応じて調整することができるので、検査箇所にダメージを与えることなく、この検査箇所の検査を適切に行うことができる。
【００２０】
また、この検査装置においては、検出手段と支持手段に支持された被検査物の検査箇所とのフォーカス状態を、距離センサからの出力に基づいて制御するフォーカス制御手段を備え、このフォーカス制御手段が、照明手段を第２の照明系に切り替えて、臨界照明によって検査箇所を照明することにより得られる情報に基づいて、支持手段の支持面精度に起因するフォーカス誤差量を検出し、このフォーカス誤差量に応じて距離センサからの出力を補正して、フォーカス制御を行うことが望ましい。このように、フォーカス手段が、臨界照明によって検査箇所を照明することにより得られる情報に基づいて、支持手段の支持面精度に起因するフォーカス誤差量を検出し、このフォーカス誤差量に応じて距離センサからの出力を補正して、フォーカス制御を行うようにしておけば、非常に高い精度のフォーカス制御を実現することができ、検査箇所の状態をより精度良く検査することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。ここでは、本発明を半導体チップにおける回路パターンの検査を行う検査装置に適用した例について説明するが、本発明はここで挙げる例に限定されるものではなく、微細形状を有する検査対象の検査を行う検査装置に対して広く適用可能である。
【００２２】
半導体チップは、多数の回路パターンが半導体ウェハに一括形成され、この半導体ウェハが個々のチップ毎に切り出されることで製造される。本発明を適用した検査装置は、レーザ光を用いて半導体ウェハを顕微鏡観察して、半導体ウェハに存在する各種の欠陥を検出し、また、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ上に形成されたレジストパターンや、このレジストパターンを用いたエッチング加工により形成される回路パターンの微細寸法、重ね合わせ精度等を検査或いは計測するものである。
【００２３】
本発明を適用した検査装置の概略構成を図１に示す。この図１に示す検査装置１は、半導体ウェハ１００を任意の位置に移動可能に支持する可動ステージ２を備えている。
【００２４】
この可動ステージ２は、例えば、当該可動ステージ２上に設置された半導体ウェハ１００を水平方向に移動させるためのＸ，Ｙステージと、半導体ウェハ１００を垂直方向に移動させるためのＺステージと、半導体ウェハ１００を回転させるためのθステージと、半導体ウェハ１００を吸着して固定するための吸着プレートとを備える。この可動ステージ２では、上記各ステージが制御部３の制御のもとで動作されるようになされており、上記各ステージが駆動されることで、吸着プレートにより吸着された半導体ウェハ１００上の任意の検査箇所を検査装置１の所定の検査位置へと移動させると共に、半導体ウェハ１００の高さ方向の調整を適切に行って、フォーカス状態を最適な状態に調整できるようになされている。
【００２５】
また、この検査装置１は、所定の検査箇所に位置決めされた半導体ウェハ１００上の任意の検査箇所を照明するための照明光を出射する照明光源４を備えている。
【００２６】
この照明光源４としては、例えば、紫外線固体レーザが用いられる。この紫外線固体レーザは、例えばＹＡＧレーザ等の固体レーザから出射されるレーザ光を非線形光学素子を用いて波長変換し、例えば、波長が２６６ｎｍや１９３ｎｍ程度の深紫外（ＤＵＶ：Deep Ultra Violet）レーザ光を出射するようになされている。
【００２７】
光学顕微鏡の分解能は、検査対象に照射する照明光の波長と対物レンズのＮＡとに依存し、照明光の波長が短波長であり、対物レンズのＮＡが高い方が光学的分解能は向上する。本発明を適用した検査装置１では、照明光源４として紫外線固体レーザが用いられ、短波長のＤＵＶレーザ光で半導体ウェハ１００上の検査箇所を照明するようになされているとともに、高ＮＡの対物レンズが用いられるので、高い分解能を得ることができ、微細なパターンを精度良く検査することが可能である。また、紫外線固体レーザは、装置自体が小型であり、更に、例えば、リソグラフィ工程において用いられているエキシマレーザに比べて、波長安定性、単色性、ビームプロファイル、冷却対策、ガス補充対策、レーザ安全対策、取り扱いの利便性等の点においても優れており、検査装置１における照明光源４として最適である。
【００２８】
また、この検査装置１は、照明光源４から出射されたＤＵＶレーザ光を半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射させてこの検査箇所を照明するための照明光学系と、ＤＵＶレーザ光により照明された検査箇所からの反射光、散乱光、回折光等を画像撮像素子５に導き、検査箇所の像を画像撮像素子５上に結像させる結像光学系とを備えている。
【００２９】
ここで、これら照明光学系及び結像光学系を構成する各光学素子について説明する。照明光源４から出射されたＤＵＶレーザ光は、先ず、可変式ＮＤフィルタ（減光フィルタ）６を透過して、コンデンサレンズ７に入射する。ここで、可変式ＮＤフィルタ６は、照明光源４から出射されたＤＵＶレーザ光を分光組成を変えないで減光するものである。
【００３０】
コンデンサレンズ７に入射したＤＵＶレーザ光は、このコンデンサレンズ７により集光され、シャッタ８の内部に結像する。シャッタ８は、例えば、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acoustic Optics Modulator）等よりなり、制御部３の制御のもとで、ＤＵＶレーザ光の透過又は遮断の切り替えを行う。音響光学変調器は、音響光学効果を利用した光変調器であり、回折光を回折効率の範囲内で自由に変調することが可能となっている。この音響光学変調器からの０次回折光を遮断し、１次回折光のみを空間フィルタを用いて取り出すようにすれば、極めて応答性の良いシャッタを構成できる。このシャッタ８によりＤＵＶレーザ光の透過又は遮断を切り替えることで、シャッタ８を透過するＤＵＶレーザ光の光量が調整され、半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射されるＤＵＶレーザ光の照射光量が調節されることになる。
【００３１】
この検査装置１を用いて、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンの微細寸法測定を行う場合、検査対象となるレジストパターンには、その露光波長に近いＤＵＶレーザ光が照射されることになるので、レジストパターンに収縮を生じさせないためには、ＤＵＶレーザ光の照射光量を制御することが重要である。そこで、検査装置１においては、ＤＵＶレーザ光の光路中にシャッタ８を設け、このシャッタ８が、制御部３の制御に応じてＤＵＶレーザ光の透過又は遮断を切り替えることで、ＤＵＶレーザ光の照射光量を調整するようにしている。
【００３２】
なお、シャッタ８としては、照明光源４から出射されたＤＵＶレーザ光の透過又は遮断を切り替えられるものであれば、どのようなものを用いてもよい。例えば、液晶材料を用いた液晶パネル等の空間光変調器や、回折格子を用いた光回折式のシャッタ、光弾性効果を利用した導波路式のシャッタ等を用いるようにしてもよい。
【００３３】
シャッタ８を透過したＤＵＶレーザ光は、光ファイバ９を介して回転拡散板１０の拡散面に照射される。ここで、光ファイバ８は、照明光源４より出射されたＤＵＶレーザ光を後段の各光学素子にフレキシブルに導くと共に、照明光源４から直線偏光の状態で出射されるＤＵＶレーザ光の偏光方向をランダムにして、シングルモードにて入射されたＤＵＶレーザ光をマルチモードに変換するためのものである。また、回転拡散板１０は、可干渉性の良いＤＵＶレーザ光を照明光として用いた場合に問題とされるスペックルノイズを低減させるためのものである。いずれも、照明光学系の可干渉性を落とし、均一な照明を得るための可干渉性低減手段として機能するものである。
【００３４】
回転拡散板１０に照射されたＤＵＶレーザ光は、この回転拡散板１０を光源とするケーラー照明系を構成するコンデンサレンズ１１、開口絞り１２、視野絞り１３、コンデンサレンズ１４を順次透過して、偏光ビームスプリッタ１５に入射する。
【００３５】
偏光ビームスプリッタ１５に入射したＤＵＶレーザ光は、この偏光ビームスプリッタ１５により互いに直交する２方向の直線偏光成分に分離され、その一方が、偏光ビームスプリッタ１５により反射され、他方が偏光ビームスプリッタ１５を透過する。
【００３６】
偏光ビームスプリッタ１５により反射された一方の直線偏光成分の光は、１／４波長板１６を透過することにより円偏光に変換され、対物レンズ１７を介して、半導体ウェハ１００上の所定の検査箇所に照射される。これにより、半導体ウェハ１００上の所定の検査箇所がＤＵＶレーザ光により照明されることになる。
この検査装置１においては、上述した可変式ＮＤフィルタ６から対物レンズ１７までの各光学素子により、照明光学系が構成されている。
【００３７】
また、偏光ビームスプリッタ１５を透過した他方の直線偏光成分の光は、結像レンズ１８を介して光量モニタ１９に入射し、この光量モニタ１９により受光される。ここで、偏光ビームスプリッタ１５を透過して光量モニタ１９により受光される他方の直線偏光成分の光は、照明光源４の偏光依存性が一定である条件において、偏光ビームスプリッタ１５により反射されて半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射される一方の直線偏光成分の光と比例関係が成り立つ。したがって、これらの光の間の相関関係を予め求めておけば、光量モニタ１９により受光される他方の直線偏光成分の光の光量から、半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射されるＤＵＶレーザ光の照射光量を求めることができる。
【００３８】
ＤＵＶレーザ光の照射光量をモニタリングする光量モニタ１９としては、例えば、深紫外レーザ光に対して高い感度が得られるように構成された紫外光用のＣＣＤ（charge-coupled device)カメラが用いられる。この光量モニタ１９は、積算回路２０に接続されており、受光した光を電気信号に変換して、積算回路２０に供給するようになされている。積算回路２０は、光量モニタ１９から供給された電気信号から、ＤＵＶレーザ光の積算照射光量を算出して、制御部３に供給する。
【００３９】
なお、光量モニタ１９としては、受光した光を電気信号に変換できるものであれば、どのようなものを用いてもよい。例えば、フォトトランジスタやカロリーメータ等を光量モニタ１９として用いるようにしてもよい。
【００４０】
この検査装置１では、制御部３が、積算回路２０により算出されたＤＵＶレーザ光の積算照射光量に応じてシャッタ８を制御して、半導体ウェハ１００上の検査箇所に照射されるＤＵＶレーザ光の照射光量を調整するようにしている。例えば、上述したように、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンの微細寸法測定を行う場合には、積算回路２０により算出されたＤＵＶレーザ光の積算照射光量がレジストパターンに収縮を生じさせる照射閾値に近づくと、制御部３は、シャッタ８を閉じてＤＵＶレーザ光を遮断させ、ＤＵＶレーザ光がレジストパターンに照射されないようにする。また、制御部３は、可変式ＮＤフィルタ６を制御することでも、レジストパターンに照射されるＤＵＶレーザ光の照射光量を調整することができる。
【００４１】
また、この検査装置１では、制御部３が、紫外光用ＣＣＤカメラ等よりなる画像撮像素子５のシャッタと同期させて、照明光学系中のシャッタ８の開閉動作を制御することも可能である。このように、画像撮像素子５のシャッタと同期させて照明光学系中のシャッタ８の開閉動作を制御するようにすれば、半導体ウェハ１００上の検査箇所に効率よくＤＵＶレーザ光を照射させることができる。
【００４２】
この検査装置１では、上述した照明光源３から、照明光学系、結像レンズ１８及び光量モニタ１９、積算回路２０、制御部３を含めた各部が、照明手段として機能するようになっている。
【００４３】
半導体ウェハ１００上の所定の検査箇所に照射されＤＵＶレーザ光は、この検査箇所の状態に応じて反射、散乱、回折することになる。これら検査箇所からの反射光、散乱光、回折光は、対物レンズ１７を透過して、１／４波長板１６に入射する。そして、１／４波長板１６により直線偏光の光に変換された後、偏光ビームスプリッタ１５に再度入射する。ここで、偏光ビームスプリッタ１５に再度入射した検査箇所からの反射光、散乱光、回折光は、先に偏光ビームスプリッタ１５により反射された直線偏光成分の光とは直交する直線偏光成分の光であるので、偏光ビームスプリッタ１５を透過することになる。
【００４４】
偏光ビームスプリッタ１５を透過した検査箇所からの反射光、散乱光、回折光は、結像レンズ２１を介して画像撮像素子５に入射する。これにより、対物レンズ１７により拡大された検査箇所の画像が、画像撮像素子５により撮像されることになる。
【００４５】
この検査装置１においては、対物レンズ１７から結像レンズ２１までの各光学素子により、結像光学系が構成されている。そして、これら結像光学系及び画像撮像素子５が、検出手段として機能するようになっている。
【００４６】
ここで、対物レンズ１７としては、例えば、開口数ＮＡが０．９程度の高開口数のレンズが用いられている。この検査装置１では、照明光として短波長のＤＵＶレーザ光を用いると共に、対物レンズ１７として高開口数のレンズを用いることで、微細なパターンの検査を精度良く行えるようになされている。また、対物レンズ１７は、例えば、波長が２６６ｎｍのＤＵＶレーザ光に対して収差が低減されるような対策が施されている。
【００４７】
また、画像撮像素子５としては、例えば、ＤＵＶレーザ光に対して約３６％の量子効率が得られる高感度の紫外光用ＣＣＤカメラが用いられる。このように、画像撮像素子５として、ＤＵＶレーザ光に対する感度が高いＣＣＤカメラを用いれば、微細なパターンの画像を高解像度で撮像することが可能である。この画像撮像素子５は、画像処理用コンピュータ２２に接続されている。そして、この検査装置１においては、画像撮像素子５により撮像された半導体ウェハ１００上の検査箇所の画像が、画像処理用コンピュータ２２に取り込まれるようになされている。
【００４８】
なお、この画像撮像素子５は、冷却機構を備えたものであることが望ましい。
例えば、紫外光用ＣＣＤカメラを画像撮像素子５として用いる場合には、ＣＣＤチップがペルチェ素子により５℃程度まで冷却される構成となっていることが望ましい。以上のように画像撮像素子５を冷却するようにすれば、この画像撮像素子５により撮像された半導体ウェハ１００上の検査箇所の画像を画像処理用コンピュータ２２に転送する際に発生する読み出し雑音や熱雑音を大幅に低減することが可能となる。
【００４９】
この検査装置１においては、上述したように、結像光学系によって画像撮像素子５に結像され、この画像撮像素子５により撮像された半導体ウェハ１００上の検査箇所の画像が画像処理用コンピュータ２２に供給される。そして、この検査箇所の画像を画像処理用コンピュータ２２により画像処理し、解析することによって、検査箇所の状態の検査が行われることになる。すなわち、この検査装置１では、画像処理用コンピュータ２２が検査手段として機能し、この画像処理用コンピュータ２２により、半導体ウェハ１００上の検査箇所の状態が検査されるようになされている。
【００５０】
具体的には、例えば、半導体ウェハ１００に存在する欠陥を検出する場合には、欠陥のある箇所の画像（欠陥画像）と、同じパターンを有する欠陥のない箇所の画像（参照画像）とがそれぞれ撮像され、画像処理用コンピュータ２２によりこれら欠陥画像と参照画像との差分が算出されることによって、その差分が半導体ウェハ１００に存在する欠陥として検出される。また、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンや、このレジストパターンを用いたエッチング加工により形成される回路パターンの微細寸法、重ね合わせ精度等を検査或いは計測する場合には、画像処理用コンピュータ２２によって検査箇所の画像が画像処理され、光の強度プロファイルが作成される。そして、この光の強度プロファイルをもとにして、パターン寸法の計測や重ね合わせ精度の検査等が行われる。
【００５１】
ところで、この検査装置１においては、上述したコンデンサレンズ１４の焦点距離が、対物レンズ１７の焦点距離よりも十分に長くなるように、照明光学系が構成されている。したがって、コンデンサレンズ１４を取り外すことで、回転拡散板１０、コンデンサレンズ１１、開口絞り１２、対物レンズ２０により臨界照明系が成立し、開口絞り１２面内における空間像が半導体ウェハ１００上に結像することになる。すなわち、この検査装置１では、コンデンサレンズ１４を切り替え式に出し入れすることで、ケーラー照明系による照明と、臨界照明系による照明とを切り替えることができるようになされている。なお、臨界照明系による照明時は、結像位置がケーラー照明系による照明時とは異なることになるので、可動ステージ２は、ケーラー照明系による照明時と、臨界照明系による照明時との焦点位置差を調整し得るステージストロークが必要となる。この検査装置１においては、回転拡散板１０から対物レンズ１７に至る照明光学系と、対物レンズ１７から結像レンズ２１に至る結像光学系は無限光学系を構成しており、対物レンズ１７の焦点距離に比べ、コンデンサレンズ１４の焦点距離が十分長いので、上記焦点位置差は微小である。
【００５２】
コンデンサレンズ１４の出し入れの切り替えは、例えば、コンデンサレンズ１４をリボルバに取り付け、このリボルバを回転操作して、コンデンサレンズ１４をＤＵＶレーザ光の光路上と、ＤＵＶレーザ光の光路から外れた位置とに亘って移動させることで行う。この場合、コンデンサレンズ１４が取り付けられたリボルバが、照明系切り替え手段として機能する。なお、コンデンサレンズ１４の出し入れの切り替えは、以上のようなリボルバ式に限らず、スライド式、カム式等、コンデンサレンズ１４の出し入れが任意に行える方式であれば、どのような方式であっても構わない。また、コンデンサレンズ１４を取り外す代わりに、相当のレンズを挿入する方法で、ケーラー照明系を臨界照明系に切り替えるようにしてもよい。但し、この場合には、コサイン４乗則によって周辺光量が減少するという問題があるので、ケーラー照明系を臨界照明系に切り替える方法としては、コンデンサレンズ１４を取り外す方法が最適である。
【００５３】
一般的に、光学顕微鏡の照明調整は検査対象面において均一な照明になるように調整するのが一般的である。この検査装置１においても、実際に半導体ウェハ１００上の検査箇所の検査を行う場合には、照明光学系をケーラー照明系にして、半導体ウェハ１００上の検査箇所に均一にＤＵＶレーザ光が照射されることが望ましい。一方、光学系の解像力は、対物レンズのＮＡ、照明光の波長の他に、照明系開口絞り面内における照明光の強度分布に大きく依存することが知られている。そこで、検査装置１においては、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布が、半導体ウェハ１００上の検査箇所のパターン形状や検査目的に応じて最適な分布となるようにしている。
【００５４】
ここで、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布を最適化するには、光学系の調整を行う必要があるが、ケーラー照明系では、このような光学系の調整が困難である。すなわち、ＤＵＶレーザ光の照射状態を観察しながら光学系の調整を行うようにすれば、光学系の調整を簡便に行うことができるが、ケーラー照明系では、コンデンサレンズ１４の像が検査箇所（ＤＵＶレーザ光が照射される箇所）に結像することになり、ＤＵＶレーザ光の照射状態を観察しながら光学系の調整を行うことができない。したがって、この場合には、検査装置１とは別の特別な調整治具を用いて光学系の調整を行う必要がある。
【００５５】
これに対して、臨界照明系では、開口絞り１２面内の像が検査箇所（ＤＵＶレーザ光が照射される箇所）に結像することになるので、ＤＵＶレーザ光の照射状態を観察しながら光学系の調整を行うことができる。したがって、光学系の調整を臨界照明系で行うようにすれば、例えば、半導体ウェハ１００上の検査箇所の検査を行っている途中であっても、特別な段取り替えを行ったり、検査装置１とは別の調整治具を用いたりすることなく、適切且つ簡便に光学系の調整を行うことができる。そこで、検査装置１においては、光学系の調整を行う場合には、コンデンサレンズ１４を取り外して照明光学系を臨界照明系にし、光学系の調整を適切且つ簡便に行えるようにしている。
【００５６】
また、検査装置１においては、開口絞り１２が、任意のσ値（開口絞りの直径／対物レンズの瞳径）を有する空間フィルタ絞り（以下、σ絞りという。）と、例えば図２に示すような、照明光学系光軸を中心とする任意のσ値の輪帯を組み合わせた形状の空間フィルタ絞り（以下、ドーナツ絞りという。）とを有し、これらの空間フィルタ絞りのうちで検査箇所のパターン形状や検査目的に応じて最適なものを選択できるようになされている。
【００５７】
具体的には、例えば、半導体ウェハ１００に存在する欠陥を検出する場合には、検査箇所のパターンの空間周波数に対して平均的な周波数応答を示すσ絞りを選択し、このσ絞りを用いた照明系（以下、σ照明という。）によって検査箇所を照明するようにしている。また、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンや、このレジストパターンを用いたエッチング加工により形成される回路パターンの微細寸法計測を行う場合には、検査箇所のパターンの特定空間周波数に対して特に敏感に周波数応答を示すドーナツ絞りを選択し、このドーナツ絞りを用いた照明系（以下、ドーナツ照明という。）によって検査対象を照明し、又は、検査箇所のパターンの特定空間周波数に対して特に敏感に周波数応答を示すσ絞りを選択し、このσ絞りを用いたσ照明によって検査対象を照明するようにしている。
【００５８】
空間フィルタ絞りの切り替えは、例えば、上述したσ絞りやドーナツ絞り等の各空間フィルタ絞りをリボルバに取り付け、このリボルバを回転操作して、選択された空間フィルタ絞りをＤＵＶレーザ光の光路上に配置させることで行う。この場合、各空間フィルタ絞りが取り付けられたリボルバが、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布を切り替える切り替え手段として機能する。なお、空間フィルタ絞りの切り替えは、以上のようなリボルバ式に限らず、スライド式、カム式等、空間絞りフィルタの切り替えが任意に行える方式であれば、どのような方式であっても構わない。
【００５９】
また、上述したσ絞り及びドーナツ絞りのσ値は、この検査装置１により検査を行うことが想定される被検査物の検査箇所の形状や検査目的等に応じて、０．０１〜１．０までの間で任意に決定される。また、開口絞り１２として検査装置１に組み込むσ絞りやドーナツ絞りの個数も、この検査装置１により検査を行うことが想定される被検査物の検査箇所の形状や検査目的等に応じて任意に決定される。
【００６０】
この検査装置１では、以上のように、開口絞り１２の空間フィルタ絞りを検査箇所のパターンや検査目的に応じて切り替えて、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布が検査箇所のパターンや検査目的に応じた最適な分布となるようにしているので、検査箇所の状態を高解像力で極めて精度良く検査することができる。実際に、図２に示すようなドーナツ絞りを用いたドーナツ照明により半導体ウェハ１００上に形成された特定のレジストパターンを照明し、その画像から得られる光の強度プロファイルをもとにそのレジストパターンの微細寸法計測を行ったところ、極めて精度良く計測できることが確認された。
【００６１】
また、検査装置１は、対物レンズ１７と被検査物である半導体ウェハ１００との間の距離、すなわち、結像光学系のフォーカス状態を調整するフォーカス制御手段を備えている。
【００６２】
通常の光学顕微鏡を用いた検査装置では、照明光を被検査物に照射させてその反射光を検出することで対物レンズと被検査物との間の距離を測定し、フォーカス状態の調整を行うようにしているが、照明光を被検査物に照射させながらフォーカス状態の調整を行うと、このときの照明光も被検査物に対する照射光量として積算されてしまうことになる。このように、フォーカス状態の調整で照明光の照射光量が積算されてしまうと、実際の検査を行う際の照明光量が制限されることになり、非常に効率が悪い。
【００６３】
そこで、この検査装置１では、静電容量型センサ２３を対物レンズ１７の近傍に配設して、この静電容量型センサ２３により対物レンズ１７と被検査物である半導体ウェハ１００との間の距離を検出し、これに基づいて、対物レンズ１７と半導体ウェハ１００との間の距離が最適となるように、制御部２が可動ステージ２のＺステージを駆動することで、結像光学系のフォーカス状態を調整するようにしている。すなわち、この検査装置１では、静電容量型センサ２３と、制御部３と、可動ステージ２のＺステージとが、結像光学系のフォーカス状態を調整するフォーカス制御手段として機能する。
【００６４】
ここで、被検査物である半導体ウェハ１００が高さ方向に傾斜している場合や、半導体ウェハ１００を支持する可動ステージ２の姿勢が高精度に維持されない場合には、対物レンズ１７の光軸の軸外にて対物レンズ１７と半導体ウェハ１００との間の距離を測定している静電容量型センサ２３が１つであった場合、アッベ誤差が発生して、対物レンズ１７と半導体ウェハ１００との間の距離を正確に測定できない。特に、短波長のＤＵＶレーザ光を照明光として用い、高開口数のレンズを対物レンズ１７として用いる検査装置１では、光学系の焦点深度が非常に狭く、僅かな位置ずれも検査精度に大きく影響する。
【００６５】
特に、この検査装置１により、半導体プロセスのリソグラフィ工程において半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンや、このレジストパターンを用いたエッチング加工により形成される回路パターンの微細寸法計測を行う場合には、光学系の焦点深度内のフォーカスずれであっても、フォーカス誤差は測定結果に大きな影響を与える。このため、以上のようなフォーカス制御を行うのみで微細寸法計測を高精度に行うには限界がある。そこで、検査装置１においては、微細寸法計測時には、半導体ウェハ１００を垂直方向に逐次走査させて微細寸法計測を行い、検査箇所における微細パターンのコントラストが最大となる点を関数フィッティングにより、半導体ウェハ１００を垂直方向に逐次走査した際のステップ幅の１０分の１程度の精度まで求め、微細寸法計測を行うようにしている。
【００６６】
ここで、フォーカス精度は、この際の逐次操作ステップ数とステップ幅とにより定まるが、半導体ウェハ１００上に形成されたレジストパターンの微細寸法測定を行う場合には、その露光波長に近いＤＵＶレーザ光の照射光量は極力減らす必要がある。このため、逐次走査ステップ数は、コントラストの関数フィッティング精度を満足しうる最小にしたい。さらに、検査箇所における微細パターンのコントラスト最大点を求めるための関数フィッティング精度を上げるためには、ステップ幅は小さい方が望ましい。このような制約条件があるため、検査装置１では、フォーカス精度として５０ｎｍ程度が必要である。
【００６７】
このため、検査装置１では、図３に示すように、対物レンズ１７の光軸に対して対象となる位置に複数の静電容量型センサ２３を配置し、アッベ誤差の低減を図るようにしている。なお、静電容量型センサ２３の個数は、図３に示すような２個に限らず、静電容量型センサ２３の重心位置が対物レンズ１７の光軸中心と一致するようになされていれば、いくつ配置しても構わない。また、図４に示すように、対物レンズ１７の光軸に対して対象に配設した静電容量型センサ２３を複数組み合わせるようにしてもよい。この場合には、半導体ウェハ１００の外周を測定する際に、静電容量型センサ２３が半導体ウェハ１００からはみ出す領域においても、複数の静電容量型センサ２３間で出力を相互に補完し合うことで、半導体ウェハ１００の全面における測定が可能である。
【００６８】
静電容量型センサ２３は、測定プローブと被検査物である半導体ウェハ１００との間の静電容量を電圧値に変換して出力するものであり、静電容量型センサ２３からの出力電圧は、測定プローブと半導体ウェハ１００との間の距離に比例している。更に、測定プローブと半導体ウェハ１００との間の静電容量は、測定プローブと半導体ウェハ１００との間の媒体の誘電率によっても変化する。
【００６９】
この検査装置１では、静電容量型センサ２３の測定プローブと半導体ウェハ１００は共に大気雰囲気中にあり、大気の誘電率は、温度、湿度等の環境パラメータによって変化することが知られている。更に、静電容量型センサ２３の測定プローブとアンプとの間にいおけるケーブルの熱膨張によっても変化する。このため、検査装置１では、これらの環境パラメータのうち、温度、湿度等をモニタし、静電容量型センサ２３の出力値にフィードバックすることで、フォーカス精度を向上させている。
【００７０】
ところで、アッベ誤差及び半導体ウェハ１００の傾斜による誤差の低減、静電容量型センサ２３の温度、湿度依存性の補償に関しては、以上の方法で適切に行うことができるが、可動ステージ２の吸着プレート上に保持された状態での半導体ウェハ１００表面の平坦性が悪く、静電容量型センサ２３の設置間隔内においてフォーカス精度以上の面うねりがある場合には、検査装置１では、上記平坦性情報をモニタしていないため、何らかの誤差フィードバックを行わないとフォーカス精度が悪化することになる。ここで、半導体ウェハ１００の平坦性に関しては別に規格により定められており、フォーカス精度に影響を与えるのは主に可動ステージ２上に設置した状態での吸着プレートの平坦性である。
【００７１】
そこで、検査装置１では、必要とされるフォーカス精度を確保するために、吸着プレートの平坦性の補間を行うようにしている。詳述すると、検査装置１では、上述した照明光学系をコンデンサレンズ１４を取り外すことで臨界照明系にし、この臨界照明系によって半導体ウェハ１００上に結像した光源像を用い、上記微細寸法測定時の処理アルゴリズムを応用して、吸着プレートの平坦性補間データの取得を行う。
【００７２】
半導体ウェハ１００上に結像した光源像は、例えば図５に示すように、回転拡散板１０上におけるＤＵＶレーザ光のスペックルノイズを多数含んでいる。なお、この図５は、上述したドーナツ照明によって半導体ウェハ１００上に結像した光現像を示している。ここで、上記微細寸法測定時の処理アルゴリズムに含まれる可動ステージ２の垂直方向への逐次操作を行うと、フォーカス状態の変化に伴って、図６に示すように、例えば、画像撮像素子５の各画素の強度分散等のパラメータが、ある地点で極値を持つようになる。なお、この図６は、可動ステージ２の垂直方向への逐次操作を行いながら、図５におけるＡ部を観察したときに得られる画素強度の分散を示したものであり、縦軸が画素強度の分散値、横軸が可動ステージ２の垂直方向における位置を示している。
【００７３】
以上のように計測されたパラメータにフィッティングをかけることにより、サブステップ幅でパラメータの極値を求めることができる。この際の可動ステージ２と対物レンズ１７との間隔、すなわち、静電容量型センサ２３の出力とフォーカス目標値における静電容量型センサ２３の出力との差を求めれば、その値を観察位置における吸着プレートの平坦性補間データとすることができる。この作業を、半導体ウェハ１００面内で適宜なステップ間隔にて行い、得られた各観察位置における吸着プレートの平坦生保間データをもとに、例えばスプライン補間等を行うことで、半導体ウェハ１００の任意の測定点における吸着プレートの平坦性補間データとすることができる。
【００７４】
半導体ウェハ１００は、反射率が一様で平坦性が良好なベアウェハであることが望ましく、反射率が一様な平面であれば、ベアウェハに限らず、平面ミラー等でも構わない。上記の測定を、半導体ウェハ１００を回転し複数回測定することにより、半導体ウェハ１００に起因する誤差成分を除去することができる。例えば、半導体ウェハ１００を９０度回転し、上記吸着プレートの平坦性補間データを取得する。これを１８０度、２７０度の回転位置に置いても吸着プレートの平坦性補間データを取得し、０度、９０度、１８０度、２７０度の回転位置にて取得した吸着プレートの平坦性補間データを、回転成分、非回転成分に成分毎に抽出する。このうちの回転成分が半導体ウェハ１００に起因する誤差成分であり、回転成分を除去した非回転成分を最終的な検査装置１における吸着プレートの平坦性補間データとする。
【００７５】
ところで、以上のような吸着プレートの平坦性補間データの取得を行う際は、上述したように、照明光学系を臨界照明系に切り替えて、光源像を半導体ウェハ１００上に結像させ、その像を観察することにより行う。所定のパターンが形成された半導体ウェハ１００を観察する際に、上述した手法による吸着プレート平坦性補間データ取得を行うと、データを取得する位置にパターンが描画されていなくてはならない。このため、吸着プレート平坦性補間データ取得に制約が加わることになる。さらに、ケーラー照明系により、同様の手法で吸着プレートの平坦性補間データの取得を行うと、ケーラー照明系では、デフォーカスした状態でも、ＤＵＶレーザ光が半導体ウェハ１００に平行に照明されることになるため、光量の差が出にくく、また、パターンの空間周波数によりデフォーカス特性が異なり、極値が求めがたい。このため、精度良く吸着プレートの平坦性補間データ取得を行うのが困難である。
【００７６】
以上のような理由から、吸着プレートの平坦性補間データを取得する際には、照明光学系を臨界照明系に切り替えて、光源像を半導体ウェハ１００上に結像させ、その像を観察することにより行うことが望ましい。
【００７７】
なお、以上は、対物レンズ１７と被検査物である半導体ウェハ１００との間の距離を検出する距離センサとして静電容量型センサ２３を用いる例について説明したが、距離センサとしては、対物レンズ１７と半導体ウェハ１００との間の距離を高精度に測定できるものであればどのようなものを用いてもよい。例えば、作動トランス型変位計や、渦電流型変位計、原子間力プローブを用いた変位計、空気式変位計等を距離センサとして用いるようにしてもよい。
【００７８】
以上説明したように、本発明を適用した検査装置１では、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布を任意に操作して、検査箇所のパターンや検査目的に応じた最適な分布となるようにすることで、検査箇所の状態を高解像力で極めて精度良く検査することができ、例えば、従来計測できなかったような非常に微細なパターン寸法等も精度良く計測することが可能となる。すなわち、開口絞り１２面内におけるＤＵＶレーザ光の強度分布を、検査箇所のパターンや検査目的に応じた最適な分布とすることで、結像限界を決定するＫファクタ（結像限界＝Ｋ×λ／ＮＡ）を小さくすることができる。Ｋファクタを小さくすることは、照明波長λを短波長化することや、対物レンズの開口数ＮＡを高めることと等価であり、照明波長λの短波長化や対物レンズの高ＮＡ化に比べると、遙かに低コストで実現できる。
【００７９】
また、この検査装置１では、照明光学系を臨界照明系に切り替えて光学系の調整を行うことで、例えば、検査途中であっても、特別な調整治具を用いることなく、適切且つ簡便に光学系の調整を行うことができる。したがって、従来、高度な調整技術と時間を要していた照明光源３や光ファイバ９の交換作業等、光学系のメンテナンス作業時間を大幅に短縮することができる。
【００８０】
更に、この検査装置１では、光学系の焦点深度よりも遙かに高精度にフォーカス制御が可能になり、特に、微細パターンの寸法計測を極めて高精度に行うことができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明に係る検査装置によれば、照明手段の開口絞り面内における照明光の強度分布を、被検査物の検査箇所の構造や検査目的に応じて最適な分布に切り替えることができるので、検査箇所の状態を高解像力で極めて精度良く検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した検査装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】上記検査装置の照明光学系が備えるドーナツ絞りの一例を示す平面図である。
【図３】上記検査装置が備える静電容量型センサの配置の一例を示す平面図である。
【図４】上記検査装置が備える静電容量型センサの配置の他の例を示す平面図である。
【図５】上記ドーナツ絞りを用いたドーナツ照明によって半導体ウェハ上に結像した光現像を示す図である。
【図６】上記検査装置が備える可動ステージの垂直方向への逐次操作を行いながら、図５におけるＡ部を観察したときに得られる画像撮像素子の画素強度の分散を示す図である。
【符号の説明】
１  検査装置、  ２  可動ステージ、  ３  制御部、  ４  照明光源、  ５  画像撮像素子、  ６  可変式ＮＤフィルタ、  ７  コンデンサレンズ、  ８  シャッタ、  ９  光ファイバ、  １０  回転拡散板、  １１  コンデンサレンズ、１２  開口絞り、  １３  視野絞り、  １４  コンデンサレンズ、  １５  偏光ビームスプリッタ、  １６  １／４波長板、  １７  対物レンズ、  １８  結像レンズ、  １９  光量モニタ、  ２０  積算回路、  ２１  結像レンズ、  ２２  画像処理用コンピュータ、  ２３  静電容量型センサ
【図１】
0004560900.tif 000002
【図２】
0004560900.tif 000003
【図３】
0004560900.tif 000004
【図４】
0004560900.tif 000005
【図５】
0004560900.tif 000006
【図６】
0004560900.tif 000007