(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物体を照明する照明手段と、
前記被検物体からの回折光に基づく物体像を撮像する撮像手段と、
前記照明の方向と前記被検物からの回折光の方向との少なくとも一方に対して、前記被検物を相対的に傾動させるチルト手段と、
前記撮像手段により前記物体像を撮像する際の前記傾動による傾斜の状態を設定または変更する条件制御手段と、
前記条件制御手段により前記傾斜の状態を微少量ずつ変更し、前記撮像手段によりそれぞれ撮像された画像を取り込み、該画像の画素の濃度値の度数分布を求め、該度数分布で所定範囲内に含まれる前記濃度の度数が最大となる前記傾斜の状態を最適条件として決定する決定手段と、
前記最適条件に設定された状態で前記撮像手段により撮像される前記物体像の画像を取り込み、該画像に基づいて前記被検物体の欠陥を検出する検出手段とを備えた
ことを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面検査装置において、
前記決定手段は、前記度数分布に現れる少なくとも２つのピークの濃度差に基づいて、前記最適条件を決定する
ことを特徴とする表面検査装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の表面検査装置において、
前記照明手段および前記撮像手段に含まれる光学系は、当該装置に固定され、
前記チルト手段は、前記被検物体を前記光学系の光軸に垂直な軸まわりに傾斜させるものであり、
前記条件制御手段は、前記被検物体の傾斜角により、前記傾斜の状態を設定または変更する
ことを特徴とする表面検査装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の表面検査装置において、
前記照明手段から前記被検物体に照射される照明光の波長を調整する波長調整手段を備え、
前記条件制御手段は、前記波長調整手段により波長条件を調整して、装置条件の設定または変更を行う
ことを特徴とする表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程において基板表面の欠陥を検査する表面検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程では、基板上のフォトレジスト膜に回路パターンを焼き付ける露光工程と感光したフォトレジスト膜の現像工程とを経て、レジストによる回路パターンが形成され、その後、エッチングや蒸着などの加工工程を経ることで、基板上に回路が形成される。
【０００３】
この製造工程においてレジストによる回路パターンに欠陥が存在すると、その欠陥にしたがって加工が行われ、不良品となってしまうため、従来より、レジストによる回路パターンの欠陥検査が行われている。欠陥箇所は、例えば、露光機のディフォーカスによって回路パターンの断面形状が変化した箇所や、レジストの膜厚が変化した箇所、異物や傷の付いた箇所である。
【０００４】
実際の製造工程における欠陥検査は、目視観察により行われているのが現状である。しかし、目視観察では、検査員の技能や体調により検査基準が変化してしまうため、充分な検査結果が得られない。
そこで、この欠陥検査を自動化することが検討されている。既に提案された各種の自動検査装置は、何れも、基板に形成された繰り返しパターンからの回折光に基づく画像（回折画像）を取り込み、回折画像の明暗により欠陥箇所を特定する。基板表面の欠陥箇所と正常箇所とでは回折効率が異なるため、回折画像にはパターン異常（欠陥）に起因する明暗が現れるからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の表面検査装置では、基板上の繰り返しパターンからの回折光に基づいて基板像を撮像する際の装置条件（例えば基板のチルト角）を最適条件に自動設定することができなかった。最適条件とは、繰り返しパターンから発生する回折光の進行方向と、回折光を受光する受光光学系の光軸方向とが、ほぼ一致する条件である。
【０００６】
周知のように、装置条件の最適条件は繰り返しパターンのピッチによって異なる。このため、検査対象の基板に形成された繰り返しパターンのピッチに応じて装置条件を変更しなければならない。しかし、多くの場合、繰り返しパターンのピッチの設計値が検査員に知らされることはなかった。
そこで、従来の表面検査装置では、基板の回折画像をモニタに表示し、検査員がモニタ上の回折画像を見ながら装置条件を最適条件に設定することが行われているが、最適な装置条件を検査員が判断することは難しく、検査員の能力や熟練を要するという問題があった。
【０００７】
ちなみに、装置条件が最適条件に設定されないと、回折光の進行方向と受光光学系の光軸方向との間に角度ずれが生じるため、回折画像のコントラストが全体的または部分的に低下し、信頼性の高い検査を行うことができない。
本発明の目的は、基板（被検物体）に形成された繰り返しパターンのピッチを検査員が知らなくても、簡易かつ迅速に装置条件を最適条件に自動設定することができ、検査結果の信頼性向上が図られる表面検査装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の表面検査装置は、被検物体を照明する照明手段と、被検物体からの回折光に基づく物体像を撮像する撮像手段と、照明の方向と被検物からの回折光の方向との少なくとも一方に対して、被検物を相対的に傾動させるチルト手段と、撮像手段により物体像を撮像する際の傾動による傾斜の状態を設定または変更する条件制御手段と、条件制御手段により傾斜の状態を微少量ずつ変更し、撮像手段によりそれぞれ撮像された画像を取り込み、該画像の画素の濃度値の度数分布を求め、該度数分布で所定範囲内に含まれる濃度の度数が最大となる傾斜の状態を最適条件として決定する決定手段と、最適条件に設定された状態で撮像手段により撮像される物体像の画像を取り込み、該画像に基づいて被検物体の欠陥を検出する検出手段とを備えたものである。
【０００９】
このように、決定手段により傾動による傾斜の状態の最適条件を決定し、条件制御手段により傾斜の状態を最適条件に自動設定して物体像を撮像し、このとき撮像手段から得られる画像に基づいて検出手段が被検物体の欠陥を検出するので、検査員の能力や熟練によらない安定した検査結果を得ることができる。また、最適条件の決定は、撮像手段から得られる画像の画素値の度数分布に基づいて行われるので、傾斜の状態の簡易かつ迅速な自動設定が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１１】
本実施形態の表面検査装置１０は、図１に示すように、被検物体であるウエハ１１を載置する検査ステージ１２と、検査ステージ１２上のウエハ１１を照明する照明光学系１３と、照明光学系１３によって照明されたウエハ１１からの回折光を受光する受光光学系１４と、画像処理装置１５とで構成されている。
このうち検査ステージ１２は、Ｘ方向（紙面に垂直な方向）に沿った軸まわりに所定の角度範囲内でチルト可能である（角度調整手段）。ここで、検査ステージ１２（ウエハ１１）の基準法線（水平状態での法線１１ａ）に平行な方向をＺ方向とする。また、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
【００１２】
照明光学系１３（照明手段）は、光源２１と凹面反射鏡２２とで構成された偏心光学系である。光源２１は、可視域（０.４μｍ〜０.７μｍ）の光束Ｌ１（波長λは一定）を射出する。光源２１の射出面は、凹面反射鏡２２の焦点面に位置する。凹面反射鏡２２は、球面の内側を反射面とした反射鏡であり、検査ステージ１２の斜め上方に配置される。つまり、凹面反射鏡２２の中心と検査ステージ１２の中心とを通る軸（光軸Ｏ１）が法線１１ａに対して所定の角度（入射角θi）だけ傾くように配置されている。ここで、光軸Ｏ１と検査ステージ１２（ウエハ１１）の法線１１ａとを含む面（入射面）はＹＺ面に平行とする。
【００１３】
上記の照明光学系１３において、光源２１から射出された光束Ｌ１は、凹面反射鏡２２で反射したのち略平行な光束（照明光Ｌ２）となって検査ステージ１２上のウエハ１１に照射される。照明光Ｌ２は、ウエハ１１上の任意の点に到達する光束の中心線が光軸Ｏ１に略平行な光束である。この照明光Ｌ２によって、ウエハ１１の全面が所定の角度（入射角θｉ）で照明される。
【００１４】
ここで、ウエハ１１は、不図示の位置合わせ機構や搬送機構によって、オリエンテーションフラットやノッチを基準にＸＹ面内での方位が決定され、表面に形成された繰り返しパターンの直線方向が光軸Ｏ１に対し略直交するように載置されている。
【００１５】
このため、照明光Ｌ２は、ウエハ１１の繰り返しパターンに対して９０度方向から入射する。そして、ウエハ１１の繰り返しパターンからは、入射面（ＹＺ面）内で様々な方向に回折光Ｌ３が発生する。
ここで、回折の条件は、照明光Ｌ２の波長λおよび入射角θi、回折光Ｌ３の回折角φkおよび回折次数ｋ、繰り返しパターンのピッチｐを用いると、次式(１)で表すことができる。
【００１６】
ｐ( sinθi − sinφk ）＝ ｋλ    ……(１)
式(１)において、入射角θiは、ウエハ１１の法線１１ａを基準として入射側に見込む角度方向をプラス、反射側に見込む角度方向をマイナスとする。回折角φkは、ウエハ１１の法線１１ａを基準として入射側に見込む角度方向をマイナス、反射側に見込む角度方向をプラスとする。回折次数ｋは、ｋ＝０の０次回折光（正反射光）を基準として入射側に見込む角度方向をプラス、反射側に見込む角度方向をマイナスとする。
【００１７】
回折光Ｌ３は、照明光Ｌ２の波長λに対して上記式(１)を満足する様々な回折角φkの方向に発生する。ただし、何れの回折光Ｌ３も入射面（ＹＺ面）内に含まれる。
一方、受光光学系１４は、凹面反射鏡２３と、絞り２４と、結像レンズ２５と、ＣＣＤ撮像素子２６とで構成された偏心光学系である。
【００１８】
凹面反射鏡２３は、上記の凹面反射鏡２２と同様の反射鏡であり、検査ステージ１２の斜め上方に配置される。つまり、凹面反射鏡２３の中心と検査ステージ１２の中心とを通る軸（光軸Ｏ２）が法線１１ａに対して所定の角度（受光角θｄ）だけ傾くように配置されている。ここで、光軸Ｏ２も、常に入射面（ＹＺ面）内に含まれる。
【００１９】
絞り２４は、検査ステージ１２の側方に位置する凹面反射鏡２３の焦点面に配置される。絞り２４の位置は、受光光学系１４の瞳近傍であり、上記した光源２１の射出面と共役である。絞り２４の大きさは、受光光学系１４の瞳面に形成される光源２１の像（光源像）の径より僅かに大きい程度である。
結像レンズ２５は、絞り２４の中心と凹面反射鏡２３の中心とを通る軸（光軸Ｏ３）上に配置される。そして、結像レンズ２５の焦点面には、ＣＣＤ撮像素子２６（撮像手段）の撮像面が位置する。
【００２０】
上記の受光光学系１４において、ウエハ１１から発生した回折光Ｌ３は、凹面反射鏡２３で反射したのち収束光となって絞り２４（受光光学系１４の瞳）に到達する。そして、絞り２４を通過した回折光Ｌ３が、結像レンズ２５によってＣＣＤ撮像素子２６の撮像面上に集光される。ＣＣＤ撮像素子２６の撮像面上には、回折光Ｌ３によるウエハ１１の像（図２に示すウエハ像１１Ａ）が形成される。
【００２１】
ここで、ウエハ像１１Ａには、ウエハ１１上の繰り返しパターンが形成された領域に対応する多数の明るい像部分１１Ｂと、ウエハ１１上のストリートラインに対応する暗い像部分１１Ｃとが現れる。ＣＣＤ撮像素子２６は、ウエハ像１１Ａ（物体像）を撮像し、画像信号を画像処理装置１５に出力する。
ところで、本実施形態の表面検査装置１０では、上記の照明光学系１３と受光光学系１４とが固定されている。このため、検査ステージ１２（ウエハ１１）をＸ方向に沿った軸まわりに所定の角度（チルト角φ）だけチルトさせることで、入射角θｉおよび受光角θｄを調整することができる。ただし、入射角θｉと受光角θｄとの和は常に一定（例えば４０度）である。
【００２２】
この表面検査装置１０において、ウエハ１１から発生した回折光Ｌ３を受光光学系１４の光軸Ｏ２に沿って導く（式(１)の回折角φｋを受光角θｄに一致させる）ことができれば、ＣＣＤ撮像素子２６により良好なウエハ像１１Ａを撮像することができる。
ＣＣＤ撮像素子２６により撮像されるウエハ像１１Ａが良好か否かは、ウエハ像１１Ａを撮像する際の装置条件（ウエハ１１のチルト角φ）に左右される。つまり、チルト角φが最適条件（最適チルト角φｓ）に設定されていれば、良好なウエハ像１１Ａが得られる。ちなみに、最適チルト角φｓは、ウエハ１１に形成された繰り返しパターンのピッチｐによって異なる。
【００２３】
次に、画像処理装置１５について説明する。画像処理装置１５の内部には、制御部１６と、ウエハ１１の最適チルト角φｓを決定する条件決定部１７と、ウエハ１１の欠陥を検出する欠陥検出部１８とが設けられる。
このうち制御部１６は、検査ステージ１２（ウエハ１１）をＸ方向に沿った軸まわりにチルトさせることで、ＣＣＤ撮像素子２６によりウエハ像１１Ａを撮像する際の装置条件（チルト角φ）を設定または変更する（条件制御手段）。具体的には、ウエハ１１の最適チルト角φｓの決定時、ウエハ１１のチルト角φを所定角度（例えば０．１度）おきに変更する。また、ウエハ１１の欠陥検出時、ウエハ１１のチルト角φを最適チルト角φｓに設定する。
【００２４】
さらに、制御部１６は、ＣＣＤ撮像素子２６から得られるウエハ１１の画像を所定ビット（例えば８ビット）のディジタル画像に変換する。このディジタル画像は、ウエハ１１の最適チルト角φｓの決定時には条件決定部１７に、ウエハ１１の欠陥検出時には欠陥検出部１８に出力される。
このように構成された制御部１６は、ウエハ１１の最適チルト角φｓの決定時、チルト角φを変更させながらウエハ１１の画像を取り込み、チルト角φが異なるときのディジタル画像を順次に条件決定部１７に出力する。
【００２５】
条件決定部１７（決定手段）は、ウエハ１１の最適チルト角φｓを決定するに当たって、制御部１６からウエハ１１のディジタル画像を順次に取り込み、各ディジタル画像ごとに、全画素（５１２×５１２画素）の濃度値を調べ、各濃度値ごとに画素数を計数して、画素の濃度値の度数分布を作成する。
濃度値の度数分布とは、１つのディジタル画像の中に各濃度値の画素が現れる頻度（画素数）を求めたものである。ちなみに、濃度値の度数分布をグラフ化したものは、濃度ヒストグラムと呼ばれる。なお、ディジタル画像が８ビットの場合、画素の濃度値は２５６段階（０〜２５５）となる。
【００２６】
さらに、条件決定部１７は、各ディジタル画像に対応する濃度値の度数分布において、濃度値が所定の濃度以上の分布がなく、かつ所定の良好な範囲内に含まれる画素の合計数（注目画素数）を計数する。
このような度数分布の作成と注目画素数の計数とは、ウエハ１１のチルト角φが異なる複数のディジタル画像に対して行われる。そして、条件決定部１７は、チルト角φが異なるディジタル画像の注目画素数を比較し（図３参照）、注目画素数が極値Ｎｐ（最大値）となるディジタル画像のチルト角φを最適チルト角φｓに決定する。
【００２７】
なお、決定された最適チルト角φｓに関する情報は、条件決定部１７から制御部１６に出力される。制御部１６では、ウエハ１１の欠陥検査時に、ウエハ１１のチルト角φを、条件決定部１７で決定された最適チルト角φｓに自動設定する。
欠陥検出部１８（検出手段）は、ウエハ１１の欠陥検出に当たって、制御部１６からウエハ１１のディジタル画像を取り込み、画像処理を行う他に、画像の光量をモニタし、画像の明暗に基づいてウエハ１１の欠陥箇所を特定する。
【００２８】
欠陥検出部１８によるウエハ１１の欠陥検出時には、ウエハ１１のチルト角φが最適チルト角φｓに設定された状態で良好なウエハ像１１Ａが撮像されるため、信頼性の高い検査結果が得られる。また、条件決定部１７により最適チルト角φｓが決定され、制御部１６によりチルト角φが最適チルト角φｓに自動設定されるので、検査員の能力や熟練によらない安定した検査結果を得ることもできる。さらに、ディジタル画像を構成する各画素の濃度値の度数分布を作成して最適チルト角φｓを決定するので、装置条件の簡易かつ迅速な自動設定が可能となる。
【００２９】
なお、上記した実施形態では、条件決定部１７において、各ディジタル画像の全画素の濃度値を調べて度数分布を作成する例を説明したが、画像の中の適当な部分領域に含まれる一部の画素の濃度値を調べて度数分布を作成しても良い。度数分布の作成に用いる画像の部分領域としては、例えば、ウエハ１１上の繰り返しパターンが形成された領域に対応する明るい像部分１１Ｂ（図２）が考えられる。さらに、各々の明るい像部分１１Ｂは互いに対応しているため、対応する画素どうしで濃度値を積算し、積算値に基づいて度数分布を作成しても良い。
【００３０】
また、上記した実施形態では、条件決定部１７において、度数分布における注目画素数が極値Ｎｐとなるディジタル画像のチルト角φを最適チルト角φｓに決定した（図３）が、注目画素数が極値以外の所定数となるディジタル画像のチルト角φを最適チルト角φｓに決定しても良い。
さらに、上記した実施形態では、条件決定部１７において、各ディジタル画像に対応する濃度値の度数分布から注目画素数を計数し、この注目画素数の比較により最適チルト角φｓを決定したが、これに限らない。ウエハ像１１Ａ（図２）には、明るい像部分１１Ｂと暗い像部分１１Ｃとが現れるため、各ディジタル画像に対応する濃度値の度数分布は、各像部分１１Ｂ，１１Ｃに対応する２つのピークを含む形状となる。このため、例えば濃度値の度数分布の２つのピークから濃度値の差に相当するコントラストを求め、このコントラストの比較により最適条件を決定することもできる。この場合、コントラストが最大となるディジタル画像のチルト角φを最適チルト角φｓに決定することが好ましい。
【００３１】
また、上記した実施形態では、条件決定部１７において、画素の濃度値の度数分布に基づいて最適条件を決定したが、濃度値以外の画素値（例えば色相値や彩度値）の度数分布に基づいて最適条件を決定することもできる。
さらに、上記した実施形態では、照明光学系１３および受光光学系１４が固定された装置を例に説明したが、照明光学系１３および受光光学系１４をＸ方向に沿った軸まわりに回転可能に構成することもできる。この場合、ウエハ１１（検査ステージ１２）が固定されていても、照明光学系１３と受光光学系１４との少なくとも一方を回転させることで、装置条件（入射角θｉと受光角θｄとの少なくとも一方）を調整することができる。
【００３２】
また、上記した実施形態では、照明光Ｌ２の波長λが一定の装置構成を例に説明したが、例えば、図４に示す表面検査装置４０のように照明光Ｌ２の波長λが可変の構成にも本発明は適用できる。図４において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
表面検査装置４０では、白色光源４１からの光束が分光素子４２，ピンホール４３，照明レンズ４４を介してウエハ１１に照射される（照明光Ｌ２）。分光素子４２は、例えばプリズムにて構成され、Ｘ方向（紙面に垂直な方向）に沿った軸まわりに回転である。白色光源４１からの光束は、分光素子４２を通過することにより分光され、分光素子４２の回転角に応じた所定の波長λを有する光束のみがピンホール４３に導かれる。ピンホール４３は照明レンズ４４の焦点面に配置されているため、略平行な照明光Ｌ２がウエハ１１に所定の角度で照射される。
【００３３】
そして、ウエハ１１からの回折光Ｌ３は、受光レンズ４５，開口絞り４６を介してＣＣＤ撮像素子２６の撮像面上に集光される。開口絞り４６は受光レンズ４５の瞳位置近傍に配置されている。
このように構成された表面検査装置４０では、制御部１６が、分光素子４２をＸ方向（紙面に垂直な方向）に沿った軸まわりに回転させることで、照明光Ｌ２の波長を調整し、ＣＣＤ撮像素子２６でウエハ１１の像を撮像する際の装置条件を設定または変更する。
【００３４】
つまり、制御部１６は、装置条件の最適条件を決定する際、照明光Ｌ２の波長λを変更させながらウエハ１１の画像を取り込み、装置条件（波長λ）が異なるときのディジタル画像を条件決定部１７に出力する。
したがって、条件決定部１７では、上述した表面検査装置１０の場合と同様に、装置条件（波長λ）の最適条件（最適波長λｓ）を決定することができる。決定された最適波長λｓに関する情報は、条件決定部１７から制御部１６に出力され、欠陥検出部１８によるウエハ１１の欠陥検査時に、照明光Ｌ２の波長λが最適波長λｓに自動設定される。
【００３５】
このように、欠陥検出部１８によるウエハ１１の欠陥検出時には、照明光Ｌ２の波長λが最適波長λｓに設定された状態で良好なウエハ像１１Ａが撮像されるため、信頼性の高い検査結果が得られる。また、条件決定部１７により最適波長λφｓが決定され、制御部１６により波長λが最適波長λφｓに自動設定されるので、検査員の能力や熟練によらない安定した検査結果を得ることもできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の表面検査装置によれば、決定手段により傾動による傾斜の状態の最適条件を決定し、条件制御手段により傾斜の状態を最適条件に設定するので、被検物体に形成された繰り返しパターンのピッチを検査員が知らなくても、簡易かつ迅速な最適条件の自動設定が可能となる。また、最適条件に自動設定された状態で物体像を撮像し、このとき撮像手段から得られる画像に基づいて検出手段が被検物体の欠陥を検出するので、検査員の能力や熟練によらない安定した検査結果を得ることができ、検査結果の信頼性向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面検査装置１０の構成を示す図である。
【図２】回折光によるウエハ像１１Ａの一例を示す図である。
【図３】チルト角φに対する度数分布の注目画素数の関係を示すグラフである。
【図４】表面検査装置４０の構成を示す図である。
【発明の効果】
１０，４０  表面検査装置
１１  ウエハ
１２  検査ステージ
１３  照明光学系
１４  受光光学系
１５  画像処理装置
１６  制御部
１７  条件決定部
１８  欠陥検出部
２１，４１  光源
２２，２３  凹面反射鏡
２４  絞り
２５  結像レンズ
２６  ＣＣＤ撮像素子
４２  分光素子
４３  ピンホール
４４  照明レンズ
４５  受光レンズ
４６  開口絞り
【図１】
0004411738.tif 000002
【図２】
0004411738.tif 000003
【図３】
0004411738.tif 000004
【図４】
0004411738.tif 000005