(57)【要約】【課題】高いパターン欠陥検出精度を有する表面検査装置を提供すること。【解決手段】被検査基板１４に所定の方向に偏光された光を照射する照明光源装置１１と、前記被検査基板で反射された光により、前記被検査基板の表面像を検出する撮像素子１９と、前記撮像素子の光入射側に配置され前記所定の方向と略直交する方向の偏光を透過する検光子１７と、前記照明光源装置と前記検光子との間に配置された反射鏡１３、１５とを有し、前記反射鏡の有効光束に対するＦナンバーが４．５以上である表面検査装置１００。【選択図】図１
2009150776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査基板に所定の方向に偏光された光を照射するための照明光源装置と、
前記被検査基板で反射された光により、前記被検査基板の表面像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の光入射側に配置され前記所定の方向と略直交する方向の偏光を透過する検光子と、
前記照明光源装置と前記検光子との間に配置された少なくとも１枚の反射鏡とを有し、
前記反射鏡の有効光束に対するＦナンバーが４．５以上であることを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記被検査基板に照射する光は直線偏光であることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記反射鏡によって生じる偏光方向の乱れを補償する偏光補償光学素子を有することを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記被検査基板の直径をＤ、
前記反射鏡の焦点距離をｆ、
前記反射鏡と光軸との成す角度をθとするとき、
ｔａｎ−１（Ｄ／４／ｆ）  ＜  θ  ＜  ｔａｎ−１（Ｄ／ｆ）
を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の表面検査装置。
但し、光軸とは照明光学系の光源、前記反射鏡などの中心を連ねる直線を言う。
【請求項５】
当該被検査基板の表面の法線に平行な軸を中心に前記被検査基板を回転する回転手段を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の表面検査装置。
【請求項６】
前記照明光源装置は、射出する光束の波長を可変とする波長可変手段を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の表面検査装置。
【請求項７】
前記照明光源装置は、射出する光束の波長が前記被検査基板に形成された周期パターン長の２倍以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面にパターンが形成された被検査基板の表面欠陥を検査する表面検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置を製造する工程中において、微細なパターンが形成された基板の表面を検査する表面検査装置であって、構造性複屈折による偏光状態の変化をクロスニコル光学系からの漏れ光量に基づいて欠陥を検出する表面検査装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この表面検査装置は、パターンが照明波長に対して回折光が発生しないような微細周期のパターンであっても正反射光(０次回折光)の偏光状態変化を捕らえることによりパターンの欠陥を検出することができるため、検査に使用する光を短波長化することなく欠陥の検出を可能にしている。
【特許文献１】特開２００６−３４３１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の表面検査装置では、光学系に軸はずしのミラーを用いているために直線偏光がミラーを反射する際にミラー上の反射膜の偏光特性や光線の幾何学的ねじれなどに起因して直線偏光が乱れて楕円偏光化してしまい、高いパターン欠陥検出精度を達成することが難しいという問題があった。
【０００４】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであって、高いパターン欠陥検出精度を有する表面検査装置を提供することを目的とする。具体的には、後述するクロスニコル系からの漏れ光量を、検光子を取り除いたときの光量に対する比で０．０１％以下にすることが目標である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明は、被検査基板に所定の方向に偏光された光を照射するための照明光源装置と、前記被検査基板で反射された光により、前記被検査基板の表面像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子の光入射側に配置され前記所定の方向と略直交する方向の偏光を透過する検光子と、前記照明光源装置と前記検光子との間に配置された少なくとも１枚の反射鏡とを有し、前記反射鏡の有効光束（被検査基板を正反射とする光であって撮像素子上に結像される光）に対するＦナンバーが４．５以上であることを特徴とする表面検査装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高いパターン欠陥検出精度を有する表面検査装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明にかかる実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、発明の理解の容易化のためのものに過ぎず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加・置換等を施すことを排除することは意図していない。この点に関しては補正・訂正後においても同様である。
【０００８】
図１は、実施の形態にかかる表面検査装置を模式的に示す図であり、（ａ）は光学系を図中に示すＹ方向から見た図であり、（ｂ）は光学系を図中に示すＺ軸方向から見た図をそれぞれ示す。図２は偏光照明光源装置の概略構成図を示す。図３はパターンが形成されたウェハの一例を示す。図４は直線偏光方向とパターンとの配置関係を示す図であり、（ａ）は直線偏光の照明光が照射された状態を、（ｂ）はパターンの構造性複屈折により反射光が楕円偏光に変化した状態をそれぞれ示す。図７は実施の形態にかかる表面検査装置の変形例を示す。
【０００９】
図１において、偏光照明光源装置１１から射出した紙面に垂直方向の振動成分を有する直線偏光の光束は、偏光補償板１２を通過した後、凹面鏡１３によってほぼ平行な光束となり被検査基板であるウェハ１４を照明する。ここで偏光補償板１２は凹面鏡１３によって発生する偏光状態の変化をキャンセルするように配置されている。
【００１０】
ウェハ１４によって正反射された光束は凹面鏡１５によって収束光となり偏光補償板１６を通過した後、検光子としての直線偏光子１７を通過し、レンズ１８で２次元撮像素子１９上に結像され、信号処理ユニット２０にて画像化されモニタ２１上に表示される。ここで偏光補償板１６は凹面鏡１５によって発生する偏光状態の変化をキャンセルするように配置されている。また検光子１７は偏光照明光源装置１１からの直線偏光を通過させない角度に配置され、偏光照明光源装置１１内の後述する直線偏光子８と検光子１７とはクロスニコル状態を構成している。
【００１１】
実施の形態にかかる表面検査装置１００は、偏光照明光源装置１１から凹面鏡１５までの光軸は同一面内にあり、凹面鏡１５から二次元撮像装置１９はＺ方向にずらして配置された構造を有している。この様に構成することで、表面検査装置１００の小型化が達成できる。なお、ここでの光軸とは、偏光照明光源装置１１の後述する光源の中心、凹面鏡１３、１５、及び光学系を構成する光学部材の中心を連ねた直線を言う。また以下の説明でも同様である。
【００１２】
図７は、上記実施の形態の変形例にかかる表面検査装置１１０を模式的に示す。本変形例と上記実施の形態との相違点は、凹面鏡１５の折り曲げ方向が凹面鏡１３の折り曲げ方向と同一面内となっている点にある。この様に構成することで、表面検査装置１１０の組み立て調整が簡単になる。その他の構成は実施の形態と同様であり、実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。また、以下の説明は、実施の形態及び変形例にかかる表面検査装置１００、１１０に共通である。
【００１３】
図２に示すように偏光照明光源装置１１は、水銀ランプ１から発せられた光束が楕円鏡２で集光された後、レンズ３でコリメートされ、波長選択フィルタ４と減光フィルタ５を通過し、レンズ６で集光されランダムファイバー７に入射する。このランダムファイバー７から射出された光束は直線偏光子８により直線偏光となる。ここで波長選択フィルタ４は水銀ランプ１の輝線を選択できるよう切り替え式となっており、ｅ線（波長５４６ｎｍ）、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｈ線（波長４０５ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、波長３１３ｎｍ、および波長２４８ｎｍのフィルタを選択可能となっている。
【００１４】
構造性複屈折は波長が短いほど偏光状態の変化が大きいことからなるべく短い波長を用いることが好ましいが、短波長側はランプのスペクトル分布や光学素子の透過率などの影響で光量が落ちる点で好ましくない要素もあり、パターンの状況により各種波長を使い分けることが出来るように構成している。減光フィルタ５も状況に応じて各種透過率を切り替えられるようになっている。なお水銀ランプ１には、水銀とＸｅが混合されたＤＥＥＰＵＶランプを用いている。
【００１５】
図３に示すようにウェハ１４上には露光、現像により形成されたレジストパターン１４ａ(以後単にパターンと記す)が複数ショット並んでいる。また図４に示すように、これらのパターン１４ａは周期が偏光照明光源装置１１から照射される照明光の波長の２分の１以下の微細なパターンを有している。よって照明光の波長は検査しようとする周期パターンの周期の２倍より長いことになる。これは回折光が発生し得ない条件であり、回折光を利用した検査が出来ない微細パターンであることを意味する。
【００１６】
ウェハ１４は入射する直線偏光の方位（図中の実線矢印）に対してパターン１４ａが図４（ａ）に示すごとく略４５度の角度になるよう配置されている。ウェハ１４によって正反射された光はパターン１４ａが有する構造性複屈折によって偏光状態の変化を受けて図４（ｂ）に示すごとく楕円偏光へと偏光状態が変化し、凹面鏡１５によって収束光となり偏光補償板１６を通過した後、検光子１７を一部の成分が通過し、レンズ１８を介して二次元撮像素子１９上に達し、ウェハ１４の像を形成する。
【００１７】
なお、多くのパターン１４ａは図４に示すごとくパターン１４ａと偏光方向が略４５度の角度をなすときに最も偏光状態の変化が大きく、従ってパターン欠陥検出精度が高くなるが、経験上パターン１４ａの種類によっては４５度からずれた角度の方がパターン欠陥検出精度が高い場合もある。このためウェハ１４は偏光方向に対して自由な角度に配置できるよう回転可能としている。ウェハ１４の回転機構はウェハ１４がその場で回転する機構でも良く、または一旦ウェハ１４を取り外して外部にある回転機構で回転させて置き直すと言う機構でも良い。
【００１８】
図１に示す二次元撮像素子１９上に結像された像は信号処理ユニット２０にて画像化されモニター２１上に表示される。このときウェハ１４上にパターン１４ａがなければ直線偏光子８と検光子１７とはクロスニコル配置になっているがゆえに真っ暗な画像となるが、パターン１４ａがある場合には前述のごとくパターンの構造性複屈折によって偏光状態が変化するためにクロスニコル系を通過する成分が発生し明るさを持った画像となる。
【００１９】
このときパターン１４ａの露光時の露光量誤差やフォーカス誤差などに起因してパターン１４ａの線幅変化を起こした不良ショットがあればその不良ショットだけが明るさが違って表示されることになる。
【００２０】
そして、あらかじめ走査型電子顕微鏡などで良品であると判定されたパターン１４ａを有するショットの画像を保存しておき、それと比較することにより、各ショットが良品であるか不良品であるかの判定を行うことが出来る。
【００２１】
以上に述べたように、表面検査装置１００、１１０は、ウェハ１４上のパターン１４ａの欠陥を検出することが出来るわけであるが、凹面鏡１３や凹面鏡１５によって発生する偏光状態の変化が大きく、偏光補償板１２、１６による補正が不十分である場合にはパターン１４ａのパターン欠陥検出精度が低下してしまうことになる。
【００２２】
例えばウェハ１４上にパターン１４ａがなく偏光状態変化が起きない状態において、クロスニコル配置で基板１４を２次元撮像素子１９で撮像すると本来全体として光量ゼロになるはずであるが、実際は凹面鏡１３、１５、或いはその他の光学部材による偏光状態の乱れによりクロスニコル系を通過する光があるため、全体が光量ゼロにはならず基板１４の場所によって異なる光量が検出される。パターン欠陥検出のとき、この光量がゼロにならない場所では、パターン１４ａの構造性複屈折による偏光状態の変化と光学系自体による偏光状態の乱れが混在するため、パターン１４ａの構造性複屈折による偏光状態の変化が小さいときには画像の明るさの変化がパターン１４ａに起因するものか光学系に起因するものか判別が困難となってしまう。したがってパターン１４ａがないときに撮像された基板全体が十分に暗いこと(漏れ光が少ないこと)が重要である。
【００２３】
実施の形態にかかる表面検査装置１００、１１０は、有効光束（被検査基板を正反射とする光であって撮像素子上に結像される光）に対する凹面鏡１３と、凹面鏡１５のＦナンバーが４．５以上になるように構成されている。これにより、凹面鏡１３、１５による偏光状態の変化を微小に抑えている。また、偏光補償板１２、１６を配置することで凹面鏡１３、１５による偏光状態の変化を更に微小にすることを可能にしている。
【００２４】
また、表面検査装置１００、１１０は、被検査基板（ウェハ１４）の直径をＤ、凹面鏡１３、１５の焦点距離をｆ、光軸と凹面鏡１３、１５の成す角をθとしたとき、
ｔａｎ−１（Ｄ／４／ｆ）  ＜  θ  ＜  ｔａｎ−１（Ｄ／ｆ）
を満たすように構成されている。
【００２５】
θの値が上限を超えると凹面鏡１３、凹面鏡１５に対する入射角が大きくなり凹面鏡１３、１５による偏光状態の変化が大きくなり好ましくない。またθの値が下限を超えるとと有効光束に対するケラレが発生し、検出可能なウェハ１４の直径が小さくなり好ましくない。
【００２６】
（第１実施例）
以下、実施の形態にかかる表面欠陥装置１００の実施例について数値を示し説明する。図１（ａ）、（ｂ）に示す表面検査装置１００において、ウェハ１４上にパターン１４ａが存在しないときのクロスニコル系からの漏れ光量を以下の条件のもとで計算した結果を示す。
Ｆナンバー：  ６
計算波長  ：  ４０４．７ｎｍ（ｈ線）
偏光照明装置１１と凹面鏡１３との距離  ：  １８００ｍｍ
凹面鏡１３の曲率半径  ：  ３６００ｍｍ（焦点距離１８００ｍｍ）
光軸と凹面鏡１３の成す角θ１１（図１（ｂ）参照）  ：  ５度（Ｙ方向）
凹面鏡１３とウェハ１４との距離  :  １８００ｍｍ
ウェハ１４の直径  ：３００ｍｍ
光軸とウェハ１４の成す角θ１３（図１（ｂ）参照）  ：  ８度(Ｙ方向)
ウェハ１４と凹面鏡１５との距離  ：  １８００ｍｍ
凹面鏡１５の曲率半径  ：  ３６００ｍｍ（焦点距離１８００ｍｍ）
光軸と凹面鏡１５の成す角θ１２（図１（ａ）参照）  ：  ５度(Ｚ方向)
偏光補償板１２、１６屈折率  ：  １．９４７８
凹面鏡１３、１５の膜構成  ：  Ａｌ  １５００ｎｍ＋ＳｉＯ２  １０ｎｍ
Ａｌの複素屈折率  ：  ０．４０９−４．４９２ｉ
ＳｉＯ２の屈折率  ：  １．４５３５
【００２７】
上記条件において偏光補償板１２、１６が無いときのクロスニコル系からの漏れ光量の分布を図５に示す。縦横軸は照明光のＮＡでありウェハ１４上の位置に対応する値である。また示されている光量（○の大きさが光量に比例）は検光子１７がないときの光量を１として規格化している。図５によればクロスニコル系からの漏れ光量の最大値は０．０１６％である。また、この値はＦナンバーが３程度と小さい従来の表面検査装置の値に比べおよそ一桁小さい値が得られている。
【００２８】
また、偏光補償版１２、１６を光軸に対して２０度傾けて配置したときの同様の計算結果を図６に示す。この状態では、クロスニコル系からの漏れ光量の最大値は０．００２％であり、これは計算精度のレベルにありほぼゼロと言って良い量である。
【００２９】
この結果、表面検査装置１００は、高いパターン欠陥検出精度を有していることが分かる。
【００３０】
（第２実施例）
以下、実施の形態の変形例にかかる表面欠陥装置１１０の実施例について数値を示し説明する。図７に示す表面検査装置１１０において、ウェハ１４上にパターン１４ａが存在しないときのクロスニコル系からの漏れ光量を以下の条件のもとで計算した結果を示す。
Ｆナンバー：６
計算波長  ：  ４０４．７ｎｍ（ｈ線）
偏光照明装置１１と凹面鏡１３との距離  ：  １８００ｍｍ
凹面鏡１３の曲率半径  ：  ３６００ｍｍ（焦点距離１８００ｍｍ）
光軸と凹面鏡１３の成す角θ４１（図７参照）  ：  ５度（Ｙ方向）
凹面鏡１３とウェハ１４との距離  :  １８００ｍｍ
ウェハ１４の直径  ：３００ｍｍ
光軸とウェハ１４の成す角θ４３（図７参照）  ：  ８度(Ｙ方向)
ウェハ１４と凹面鏡１５との距離  ：  １８００ｍｍ
凹面鏡１５の曲率半径  ：  ３６００ｍｍ（焦点距離１８００ｍｍ）
光軸と凹面鏡１５の成す角θ４２（図７参照）  ：  ５度(Ｚ方向)
偏光補償板１２、１６屈折率  ：  １．９４７８
凹面鏡１３、１５の膜構成  ：  Ａｌ  １５００ｎｍ＋ＳｉＯ２  １０ｎｍ
Ａｌの複素屈折率  ：  ０．４０９−４．４９２ｉ
ＳｉＯ２の屈折率  ：  １．４５３５
【００３１】
上記条件において偏光補償板１２、１６が無いときのクロスニコル系からの漏れ光量の分布を図８に示す。縦横軸は照明光のＮＡでありウェハ１４上の位置に対応する値である。また示されている光量（○の大きさが光量に比例）は検光子１７がないときの光量を１として規格化している。図８によればクロスニコル系からの漏れ光量の最大値は０．０２３％と第１実施例に比べて大きい値である。また、この値はＦナンバーが３程度と小さい従来の表面検査装置の値に比べおよそ一桁小さい値が得られている。
【００３２】
また、偏光補償版１２、１６を光軸に対して２０度傾けて配置したときの同様の計算結果を図９に示す。この状態では、クロスニコル系からの漏れ光量の最大値は０．００２％であり、これは計算精度のレベルにありほぼゼロと言って良い量である。
【００３３】
この結果、実施例の表面検査装置１１０は、高いパターン欠陥検出精度を有していることが分かる。
【００３４】
（第３実施例）
次に、第３実施例について説明する。第３実施例は第１実施例と同様の構成であるが、以下に示すようにその数値のみが異なっている。
Ｆナンバー：４．５
計算波長  ：  ４０４．７ｎｍ（ｈ線）
偏光照明装置１１と凹面鏡１３との距離  ：  １３５０ｍｍ
凹面鏡１３の曲率半径  ：  ２７００ｍｍ（焦点距離１３５０ｍｍ）
光軸と凹面鏡１３の成す角θ１１（図１（ｂ）参照）  ：  ７度（Ｙ方向）
凹面鏡１３とウェハ１４との距離  :  １８００ｍｍ
ウェハ１４の直径  ：３００ｍｍ
光軸とウェハ１４の成す角θ１３（図１（ｂ）参照）  ：  １０度(Ｙ方向)
ウェハ１４と凹面鏡１５との距離  ：  １３５０ｍｍ
凹面鏡１５の曲率半径  ：  ２７００ｍｍ（焦点距離１３５０ｍｍ）
光軸と凹面鏡１５の成す角θ１２（図１（ａ）参照）  ：  ７度(Ｚ方向)
偏光補償板１２、１６屈折率  ：  １．９４７８
凹面鏡１３、１５の膜構成  ：  Ａｌ  １５００ｎｍ＋ＳｉＯ２  １０ｎｍ
Ａｌの複素屈折率  ：  ０．４０９−４．４９２ｉ
ＳｉＯ２の屈折率  ：  １．４５３５  
【００３５】
上記条件において偏光補償板１２、１６が無いときのクロスニコル系からの漏れ光量の分布を図１０に示す。グラフの見方は図５と同様である。図１０によればクロスニコル系からの漏れ光量の最大値は０．０５２％である。
【００３６】
また、偏光補償版１２、１６を光軸に対して３０度傾けて配置したときの同様の計算結果を図１１に示す。この状態においてはクロスニコル系からの漏れ光量の最大値は０．００８％であり、十分に小さい値となっている。
【００３７】
この結果、第３実施例の表面検査装置１００は、高いパターン欠陥検出精度を有していることが分かる。
【００３８】
以上述べたように、実施の形態にかかる表面検査装置によれば、軸ずらし光学系を用いていながら、偏光状態の変化を小さくすることができ、クロスニコル系からの漏れ光量をほぼ一桁小さくすることができ、高いパターン欠陥検出精度を達成することができる。
【００３９】
また、実施の形態にかかる表面検査装置では、従来技術において偏光補償板を用いたときよりも漏れ光量が小さくなるため、偏光補償板がなくても従来技術において偏光補償板を用いたときと同程度のクロスニコル性能を発揮できる。
【００４０】
また、偏光補償板を配置することによりさらに高いクロスニコル性能となるため、被検査基板上のパターンの構造性複屈折による偏光状態の変化を捉えることで欠陥を検出する検査装置においてより高精度な検出が可能となる。
【００４１】
以上では、被検査基板より光源側の照明光学系及び撮像素子側の撮像光学系それぞれに凹面反射鏡を配置した例で説明したが、どちらか一方の光学系を凹面反射鏡を用いずに構成した場合でも本発明を適用することができることは言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施の形態にかかる表面検査装置を模式的に示す図であり、（ａ）は光学系を図中に示すＹ方向から見た図であり、（ｂ）は光学系を図中に示すＺ軸方向から見た図をそれぞれ示す。
【図２】偏光照明光源装置の概略構成図を示す。
【図３】パターンが形成されたウェハの一例を示す。
【図４】は直線偏光方向とパターンとの配置関係を示す図であり、（ａ）は直線偏光の照明光が照射された状態を、（ｂ）はパターンの構造性複屈折により反射光が楕円偏光に変化した状態をそれぞれ示す。
【図５】偏光補償板が無いときのクロスニコル系からの漏れ光量の計算結果を示す。
【図６】偏光補償版を光軸に対して２０度傾けて配置したときの漏れ光量の計算結果を示す。
【図７】実施の形態にかかる表面検査装置の変形例を示す。
【図８】偏光補償板が無いときのクロスニコル系からの漏れ光量の計算結果を示す。
【図９】偏光補償版を光軸に対して２０度傾けて配置したときの漏れ光量の計算結果を示す。
【図１０】偏光補償板が無いときのクロスニコル系からの漏れ光量の計算結果を示す。
【図１１】偏光補償版を光軸に対して３０度傾けて配置したときの漏れ光量の計算結果を示す。
【符号の説明】
【００４３】
１    水銀ランプ（ＤＥＥＰ  ＵＶランプ）
２    楕円鏡
３、６  レンズ
４    波長選択フィルタ
５    減光フィルタ
７    ランダムファイバー
８    直線偏光子
１１  偏光照明光源装置
１２、１６  偏光補償板
１３、１５  凹面鏡
１４  ウェハ
１７  検光子（直線偏光子）
１８  レンズ
１９  ２次元撮像素子
２０  信号処理ユニット
２１  モニタ
１００、１１０  表面検査装置
【図１】
2009150776.tif 000003
【図２】
2009150776.tif 000004
【図３】
2009150776.tif 000005
【図４】
2009150776.tif 000006
【図５】
2009150776.tif 000007
【図６】
2009150776.tif 000008
【図７】
2009150776.tif 000009
【図８】
2009150776.tif 000010
【図９】
2009150776.tif 000011
【図１０】
2009150776.tif 000012
【図１１】
2009150776.tif 000013