欠陥検査装置および検査方法
【課題】
従来技術によれば、試料に熱ダメージを与えることなく、短時間で高精度に欠陥検出・寸法算出することが困難であった。
【解決手段】
試料の表面におけるある一方向について照明強度分布が実質的に均一な照明光を、前記試料の表面に照射し、前記試料の表面からの散乱光のうち互いに異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を得、前記複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の存在を判定し、前記処理により欠陥と判定された箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の寸法を判定し、前記欠陥と判定された箇所各々について前記試料表面上における位置及び欠陥寸法を表示する欠陥検査方法を提案する。
従来技術によれば、試料に熱ダメージを与えることなく、短時間で高精度に欠陥検出・寸法算出することが困難であった。
【解決手段】
試料の表面におけるある一方向について照明強度分布が実質的に均一な照明光を、前記試料の表面に照射し、前記試料の表面からの散乱光のうち互いに異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を得、前記複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の存在を判定し、前記処理により欠陥と判定された箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の寸法を判定し、前記欠陥と判定された箇所各々について前記試料表面上における位置及び欠陥寸法を表示する欠陥検査方法を提案する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は試料表面に存在する微小な欠陥を検査し,欠陥の種類および欠陥寸法を判定して出力する欠陥検査方法および検査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて,製品の歩留まりを維持・向上するために,半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥の検査が行われている。欠陥検査の従来技術としては特開平9−304289号公報(特許文献1),特開2006−201179号公報(特許文献2),米国特許出願公開第2006/0256325号公報(特許文献3)などが知られている。これらは,微小な欠陥を検出するために試料表面上に数十μmの寸法に照明光を集光して照射し,欠陥からの散乱光を集光・検出し,数十nmから数μm以上の寸法の欠陥を検査する技術である。試料(検査対象物)を保持するステージを回転移動および並進移動させることにより,照明スポットが試料表面上をらせん状に走査し,試料全面が検査される。
【0003】
また,特許文献1および特許文献2では,欠陥からの散乱光の高角度に出射する成分と低角度に出射する成分を検出しその比によって欠陥の種類を分類する技術が述べられている。
【0004】
また,特許文献2では,欠陥からの散乱光の強度に基づいて,検出した欠陥の寸法を算出する技術が述べられている。
【0005】
また,特許文献3では,試料に与える熱ダメージを低減するため,検査対象面を検査中に照明光のパワー,あるいは照明スポットの走査速度,あるいは照明スポットの寸法を制御することが述べられている。より具体的には,試料に与える熱ダメージは照射する照明パワー密度と照射時間との積によって決まると仮定し,これが一定値を越えないように,走査中の試料上の半径位置に応じて照明光のパワー,あるいは照明スポットの走査速度,あるいは照明スポットの寸法を変化させることが述べられている。
【0006】
また,一方向に長いガウスビームで試料上の広い範囲を照明し,CCDなどの複数画素の検出器を用いて照明領域を一括に検出することで,短い時間で試料全面を検査する技術として,米国特許第6608676号公報(特許文献4)が知られている。
【0007】
また,斜入射照明において非球面レンズや回折光学素子を用いて検査対象表面上で複数の照明スポットが並んだ形に照明光を整形する技術として,米国特許第7385688号公報(特許文献5)が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平9−304289号公報
【特許文献2】特開2006−201179号公報
【特許文献3】米国特許出願公開第2006/0256325号公報
【特許文献4】米国特許第6608676号公報
【特許文献5】米国特許第7385688号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
半導体等の製造工程で用いられる欠陥検査には,微小な欠陥を検出すること,検出した欠陥の寸法を高精度に計測すること,試料を非破壊で(あるいは試料を変質させること無く)検査すること,同一の試料を検査した場合に常に一定の検査結果(検出欠陥の個数,位置,寸法,欠陥種)が得られること,一定時間内に多数の試料を検査することなどが求められる。
【0010】
前記特許文献1,特許文献2,特許文献4,および特許文献5に述べられた技術では,特に寸法20nm以下の微小な欠陥については,欠陥から発生する散乱光が極微弱となり,試料表面で発生する散乱光によるノイズ,検出器のノイズ,あるいは検出回路のノイズに欠陥信号が埋もれるため検出不可能となる。あるいは,これを避けるために照明パワーをあげた場合,照明光による試料の温度上昇が大きくなり,試料への熱ダメージが発生する。あるいは,これを避けるために試料の走査速度を低下させた場合,一定時間内に検査できる試料の面積あるいは試料の数が減少する。以上より,熱ダメージを避けつつ微小な欠陥を高速に検出することが困難であった。
【0011】
また,試料の回転速度を一定としてらせん状走査を行う場合,試料の中心において照明スポットの移動速度が最小となるため,試料の中心での熱ダメージが大きくなる。これを回避するためには,試料上の位置によって照射時間が変わらないよう,走査位置における線速度を一定に保ち走査する,あるいはXY走査を行うなどの手段がある。前者は試料の中心部の検査に無限大の回転速度が必要となるため中心部の検査が実質的に不可能である。後者は主走査あるいは副走査の方向切替の際のステージの加減速に時間を要するため,全面検査に長い時間を要するという問題があった。
【0012】
また,照明スポットにおける照明光強度分布をガウス分布としているため,照明スポットに対する欠陥の相対位置に応じて検出される欠陥の散乱光信号強度が変化し,欠陥検出感度のばらつき,および欠陥寸法算出精度の低下が起きる問題があった。
【0013】
一方,特許文献3に述べられた技術は,試料上の半径位置に比例して照明パワーを変えることにより,前記従来技術と比較して試料中心付近での熱ダメージを低減すること,あるいは試料中心付近での熱ダメージを従来技術と同等に抑えつつ試料外周部での欠陥検出感度を向上すること,を狙うものであった。しかし,熱ダメージが照射パワー密度と照射時間との積に比例すると仮定したため,以下の問題があった。
【0014】
第一に,熱ダメージの見積りにおいて照明スポットからの熱拡散の影響を考慮していないため,特に照射時間の長い試料中心部における熱ダメージが現実より過大に見積られる。このため,試料中心部において必要以上に照明パワーを低下させることになり,欠陥検出感度が低下した。
【0015】
第二に,試料全面において熱ダメージを生じさせないためには,熱ダメージが最大となる試料中心部においてダメージが生じないことを基準として投入する照明パワーを規定する必要がある。しかし,回転走査では試料中心部において走査速度(線速度)が0であるため,計算上の照射時間が無限大に発散し,前記仮定では熱ダメージを定量的に見積ることができず,照明パワーを規定することが出来なかった。逆に,中心部で熱ダメージが起きないことを保証するためには,照明パワーを0にする必要があり,中心部の検査が不可能であった。
【0016】
また,特許文献3にあるように,試料上の半径位置によって照明パワーを変える場合,試料上の位置によって同一寸法の欠陥でも散乱光信号の波高値が変化するため,試料上の外周部にある欠陥は信号が飽和する,中心部にある欠陥は波高値が低くて検出できないなどにより,欠陥検出感度ばらつき,欠陥寸法算出精度低下などが起こる問題があった。
【0017】
また,特許文献3にあるように,試料上の半径位置によって検査中に動的に照明スポット形状を変える場合,得られる照明スポット形状は上流の照明光学系の光学素子の個体差,あるいは制御の精度などに依存するため,正確に照明スポット形状を制御すること,あるいは複数の装置間で同等の照明スポット形状制御を行うことが困難であった。
【0018】
また,特許文献5にあるように,複数の照明スポットを並べて走査する技術を高速検査に適したらせん状走査に適用した場合,試料上の半径位置によって,走査軌跡の曲率の違いにより,照明スポット間の走査軌跡の重なりや逆転が起こる。結果として検査の効率(単位時間当たりに検査される面積)が低下する問題があった。
【0019】
また,特許文献5にあるように,非球面レンズや回折光学素子を用いて照明スポット形状を整形する場合,非球面レンズや回折光学素子の入射される光のわずかな位置ずれ,角度ずれ,強度分布の乱れ,波面の乱れにより,それらから出力される照明スポット形状がばらつくため,安定した検査結果を得ることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【0020】
上記課題を解決するために本願で開示される発明の概要を例示すると以下の通りである。
【0021】
すなわち、本発明の一例は、試料の表面におけるある一方向について照明強度分布が実質的に均一な照明光を、前記試料の表面に照射し、前記試料の表面からの散乱光のうち互いに異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を得、前記複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の存在を判定し、前記処理により欠陥と判定された箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の寸法を判定し、前記欠陥と判定された箇所各々について前記試料表面上における位置及び欠陥寸法を表示することを特徴とするものである。
【0022】
また、本発明の一例は,光源から出射した光を,所望の光量,位置,ビーム径,および偏光状態を持った光束に調整する照明光調整工程と,前記照明光調整工程により得られる光束を所望の入射角をもって試料表面に導き,前記試料表面におけるある一方向について前記試料表面に与えられる照明強度分布が実質的に均一になるよう照明強度分布を制御する照明強度分布制御工程と,前記照明強度分布制御工程による前記試料面上の照明光照射位置において,前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に試料を変位させる試料走査工程と,前記試料走査工程において試料上にて発生する散乱光のうち互い異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を出力する散乱光検出工程と,前記散乱光検出工程において得られる複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の存在を判定する欠陥判定工程と,前記欠陥判定工程において欠陥と判定される箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定工程と,前記欠陥判定工程において欠陥と判定される箇所各々について,前記試料表面上における位置および前記欠陥寸法判定工程において得られる欠陥寸法を表示する表示工程と、を有することを特徴とするものである。
【0023】
また、本発明の一例は、光源から出射した光を,所望の光量,位置,ビーム径,および偏光状態を持った光束に調整する照明光調整手段と,前記照明光調整手段により得られる光束を所望の入射角をもって試料表面に導き,前記試料表面におけるある一方向について前記試料表面に与えられる照明強度分布が実質的に均一になるよう照明強度分布を制御する照明強度分布制御手段と,前記照明強度分布制御手段による前記試料面上の照明光照射位置において,前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に試料を変位させる試料走査手段と,前記照明強度分布が制御された照明光により前記試料上にて発生する散乱光のうち互い異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を出力する散乱光検出手段と,前記散乱光検出手段において得られる複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の存在を判定する欠陥判定手段と,前記欠陥判定手段において欠陥と判定される箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定手段と,前記欠陥判定手段において欠陥と判定される箇所各々について,前記試料表面上における位置および前記欠陥寸法判定手段において得られる欠陥寸法を表示する表示手段と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば,試料全面を短時間で走査し,試料に熱ダメージを低減しつつ微小な欠陥を検出すること,検出欠陥の寸法を高精度に算出すること,および安定した検査結果を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明に係る欠陥検査装置の一実施形態を示す全体概略構成図である。
【図2】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第一例を示す図である。
【図3】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第二例を示す図である。
【図4】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第三例を示す図である。
【図5】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第四例を示す図である。
【図6】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第五例を示す図である。
【図7】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第一例を示す図である。
【図8】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第二例を示す図である。
【図9】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第三例を示す図である。
【図10】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第四例を示す図である。
【図11】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第五例を示す図である。
【図12】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第六例を示す図である。
【図13】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第七例を示す図である。
【図14】本発明に係る照明部における照明光の状態を計測手段および調整手段の第一例を示す図である。
【図15】本発明に係る照明部における照明光の状態を計測手段および調整手段の第二例を示す図である。
【図16】本発明に係る照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の第一例を示す図である。
【図17】光路分岐と光路合成による単一パルスあたりのエネルギー低減結果を示す図である。
【図18】本発明に係る照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の第二例を示す図である。
【図19】本発明に係る試料表面上の照明分布形状と走査方向を示す図である。
【図20】走査による照明スポットの軌跡を示す図
【図21】本発明に係る検出部の配置および検出方向を側面から見た図である。
【図22】本発明に係る低角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図である。
【図23】本発明に係る高角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図である。
【図24】本発明に係る検出部の構成の第一例を示す図である。
【図25】本発明に係る検出部の構成の第二例を示す図である。
【図26】本発明に係るアナログ処理部の構成を示す図である。
【図27】本発明に係るデジタル処理部の構成を示す図である。
【図28】本発明に係る照明スポットの長さと試料表面温度上昇との関係を示す図である。
【図29】本発明に係る照明スポットの長さと許容照明パワーとの関係を示す図である。
【図30】本発明に係る照明照射時間と試料表面温度上昇との関係を示す図である。
【図31】本発明に係る照明照射時間と許容照明パワーとの関係を示す図である。
【図32】本発明に係る照明部での照明状態の調整手順を示す図である。
【図33】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第八例を示す図である。
【図34】本発明に係る第八例の照明強度分布制御部による照明強度分布中間像及び試料表面での照明強度分布を示す図である。
【図35】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第九例を示す図である。
【図36】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第十例を示す図である。
【図37】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第十一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
本発明の実施形態の概略構成例を図1で説明する。照明部101,検出部102,試料Wを載置可能なステージ103,信号処理部105,制御部53,表示部54,入力部55を適宜備える。照明部101はレーザ光源2,アッテネータ3,出射光調整部4,ビームエキスパンダ5,偏光制御部6,照明強度分布制御部7を適宜備える。レーザ光源2から射出されたレーザ光ビームは,アッテネータ3で所望のビーム強度に調整され,出射光調整部4で所望のビーム位置,ビーム進行方向に調整され,ビームエキスパンダ5で所望のビーム径に調整され,偏光制御部6で所望の偏光状態に調整され,照明強度分布制御部7で所望の強度分布に調整され,試料Wの検査対象領域に照明される。
【0027】
照明部101の光路中に配置された出射光調整部4の反射ミラーの位置と角度により試料表面に対する照明光の入射角が決められる。照明光の入射角は微小な欠陥の検出に適した角度に設定される。照明入射角が大きいほど,すなわち照明仰角(試料表面と照明光軸との成す角)が小さいほど,試料表面上の微小異物からの散乱光に対してノイズとなる試料表面の微小凹凸からの散乱光(ヘイズと呼ばれる)が弱まるため,微小な欠陥の検出に適する。このため,試料表面の微小凹凸からの散乱光が微小欠陥検出の妨げとなる場合には,照明光の入射角は好ましくは75度以上(仰角15度以下)に設定するのがよい。一方,斜入射照明において照明入射角が小さいほど微小異物からの散乱光の絶対量が大きくなるため,欠陥からの散乱光量の不足が微小欠陥検出の妨げとなる場合には,照明光の入射角は好ましくは60度以上75度以下(仰角15度以上30度以下)に設定するのがよい。また,斜入射照明を行う場合,照明部101の偏光制御部6における偏光制御により,照明の偏光をP偏光とすることで,その他の偏光と比べて試料表面上の欠陥からの散乱光が増加する。
【0028】
また、必要に応じて、図1に示すように、照明部101の光路中にミラー21を挿入し、適宜他のミラーを配置することにより,照明光路が変更され,試料面に対して実質的に垂直な方向から照明光が照射される(垂直照明)。このとき,試料面上の照明強度分布は照明強度分布制御部7vにより,斜入射照明と同様に制御される。ミラー21と同じ位置にビームスプリッタを挿入することで,斜入射照明と試料面の凹み状の欠陥(研磨キズや結晶材料における結晶欠陥)からの散乱光を得るには,試料表面に実質的に垂直に入射する垂直照明が適する。なお、図1に示す照明強度分布モニタ24については後に詳説する。
【0029】
レーザ光源2としては,試料表面近傍の微小な欠陥を検出するには,試料内部に浸透しづらい波長として,短波長(波長355nm以下)の紫外または真空紫外のレーザビームを発振し,かつ出力2W以上の高出力のものが用いられる。出射ビーム径は1mm程度である。試料内部の欠陥を検出するには,試料内部に浸透しやすい波長として,可視あるいは赤外のレーザビームを発振するものが用いられる。
【0030】
アッテネータ3は,第一の偏光板と,照明光の光軸周りに回転可能な1/2波長板と,第二の偏光板を適宜備える。アッテネータ3に入射した光は,第一の偏光板により直線偏光に変換され,1/2波長板の遅相軸方位角に応じて偏光方向が任意の方向に回転され,第二の偏光板を通過する。1/2波長板の方位角を制御することで,光強度が任意の比率で減光される。アッテネータ3に入射する光の直線偏光度が十分高い場合は第一の偏光板は必ずしも必要ない。アッテネータ3は入力信号と減光率との関係が事前に較正されたものを用いる。アッテネータ3として,グラデーション濃度分布を持つNDフィルタを用いることも可能である。
【0031】
出射光調整部4は複数枚の反射ミラーを備える。ここでは二枚の反射ミラーで構成した場合の実施例を説明するが、これに限られるものではなく、三枚以上の反射ミラーを適宜用いても構わない。ここで,三次元の直交座標系(XYZ座標)を仮に定義し,反射ミラーへの入射光が+X方向に進行しているものと仮定する。第一の反射ミラーは入射光を+Y方向に偏向するよう設置され(XY面内での入射・反射),第二の反射ミラーは第一の反射ミラーで反射した光を+Z方向に偏向するよう設置される(YZ面内での入射・反射)。各々の反射ミラーは平行移動とあおり角調整により,出射調整部4から出射する光の位置,進行方向(角度)が調整される。前記のように,第一の反射ミラーの入射・反射面(XY面)と第二の反射ミラー入射・反射面(YZ面)が直交するような配置とすることで,出射調整部4から出射する光(+Z方向に進行)のXZ面内の位置,角度調整と,YZ面内の位置,角度調整とを独立に行うことができる。
【0032】
ビームエキスパンダ5は二群以上のレンズ群を有し,入射する平行光束の直径を拡大する機能を持つ。例えば、凹レンズと凸レンズの組合せを備えるガリレオ型のビームエキスパンダが用いられる。ビームエキスパンダ5は二軸以上の並進ステージに設置され,所定のビーム位置と中心が一致するように位置調整が可能である。また,ビームエキスパンダ5の光軸と所定のビーム光軸が一致するようにビームエキスパンダ5全体のあおり角調整機能が備えられる。レンズの間隔を調整することにより,光束直径の拡大率を制御することが可能である(ズーム機構)。ビームエキスパンダ5に入射する光が平行でない場合には,レンズの間隔の調整により,光束の直径の拡大とコリメート(光束の準平行光化)が同時に行われる。光束のコリメートはビームエキスパンダ5の上流にビームエキスパンダ5と独立にコリメートレンズを設置して行ってもよい。ビームエキスパンダ5によるビーム径の拡大倍率は5倍から10倍程度であり,光源から出射したビーム径1mmのビームが5mmから10mm程度に拡大される。
【0033】
偏光制御部6は,1/2波長板,1/4波長板によって構成され,照明光の偏光状態を任意の偏光状態に制御する。照明部101の光路の途中において,ビームモニタ22,23によって,ビームエキスパンダ5に入射する光,および照明強度分布制御部7に入射する光の状態が計測される。
【0034】
図2乃至図6に,照明部101より試料面に導かれる照明光軸120と照明強度分布形状との位置関係の模式図を示す。なお,図2乃至図6における照明部101の構成は照明部101の構成の一部を示したものであり,出射光調整部4,ミラー21,ビームモニタ22,23等は省略されている。図2に,斜入射照明の入射面(照明光軸と試料表面法線とを含む面)の断面の模式図を示す。斜入射照明は入射面内にて試料表面に対して傾斜している。照明部101により入射面内において実質的に均一の照明強度分布が作られる。照明強度が均一である部分の長さは,単位時間当たりに広い面積を検査するため,100μmから1mm程度である。図3に,試料表面法線を含みかつ斜入射照明の入射面に垂直な面の断面の模式図を示す。この面内で,試料面上の照明強度分布は中心に対して周辺の強度が弱い照明強度分布を成す。より具体的には,照明強度分布制御部7に入射する光の強度分布を反映したガウス分布,あるいは照明強度分布制御部7の開口形状を反映した第一種第一次のベッセル関数あるいはsinc関数に類似した強度分布となる。この面内での照明強度分布の長さ(最大照明強度の13.5%以上の照明強度を持つ領域の長さ)は,試料表面から発生するヘイズを低減するため,前記入射面内における照明強度が均一である部分の長さより短く,5μmから20μm程度である。照明強度分布制御部7は,後述する非球面レンズ,回折光学素子,シリンドリカルレンズアレイ,ライトパイプなどの光学素子を備える。照明強度分布制御部7を構成する光学素子は図2、図3に示されるように,照明光軸に垂直に設置される。
【0035】
照明強度分布制御部7は入射する光の位相分布および強度分布に作用する光学素子を備える。照明強度分布制御部7を構成する光学素子として,回折光学素子71(DOE:Diffractive Optical Element)が用いられる(図7)。回折光学素子71は,入射光を透過する材質からなる基板の表面に,光の波長と同等以下の寸法の微細な起伏形状を形成したものである。入射光を透過する材質として,紫外光用には溶融石英が用いられる。回折光学素子71を通過することによる光の減衰を抑えるため,反射防止膜によるコーティングが施されたものを用いるとよい。前記の微細な起伏形状の形成にはリソグラフィ法が用いられる。前記ビームエキスパンダ5を通過後に準平行光となった光を,回折光学素子71を通過させることにより,回折光学素子71の起伏形状に応じた試料面上照明強度分布が形成される。回折光学素子の71起伏形状は,試料表面上で形成される照明強度分布が前記入射面内に長く均一な分布となるよう,フーリエ光学理論を用いた計算に基づいて求められた形状に設計され,製作される。照明強度分布制御部7に備えられる光学素子は,入射光の光軸との相対位置,角度が調整可能となるよう,二軸以上の並進調整機構,および二軸以上の回転調整機構が備えられる。さらに,光軸方向の移動によるフォーカス調整機構が設けられる。
【0036】
照明部101における照明光状態計測手段について図14を用いて説明する。ビームモニタ22は,出射光調整部4を通過した照明光の位置および角度(進行方向)を計測して出力する。ビームモニタ23は,照明強度分布制御部7に入射する照明光の位置および波面を計測して出力する。
【0037】
ビームモニタ22における照明光の位置計測は,照明光の光強度の重心位置を計測することによって行われる。具体的な位置計測手段としては,光位置センサ(PSD:Position Sensitive Detector),あるいはCCDセンサやCMOSセンサなどのイメージセンサが用いられる。ビームモニタ22における照明光の角度計測は前記位置計測手段より光源から遠く離れた位置に設置された光位置センサあるいはイメージセンサによって行われる。ビームモニタ22において計測された照明光位置,照明光角度は制御部53に入力され,表示部54に表示される。照明光位置あるいは角度が所定の位置あるいは角度からずれていた場合は,前記出射光調整部4において所定の位置に戻るよう調整される。
【0038】
ビームモニタ23における照明光の位置計測は,ビームモニタ22における位置計測手段と同様の手段によって行われる。ただし,ビームモニタ23の計測対象位置において,ビーム径が数mm以上に拡大されているため,必要に応じて計測対象位置を光位置センサ等の位置計測手段の検出器受光面に縮小投影して位置計測を行う。ビームモニタ23における照明光の波面計測は,照明強度制御部7に入射する光の平行度を測定するために行われる。照明光がシアリング干渉計による計測,あるいはシャックハルトマン波面センサによる計測が行われる。シアリング干渉計は,両面を平坦に研磨した厚さ数mm程度の光学ガラスを照明光路中に斜めに傾斜させて挿入し,表面による反射光と裏面による反射光とをスクリーンに投影した際に観測される干渉縞の模様によって,照明光の発散・収束状態を計測するものであり,シグマ光機社製SPUV−25などがある。スクリーン位置にCCDセンサやCMOSセンサなどのイメージセンサを設置すれば照明光の発散・収束状態の自動計測が可能である。シャックハルトマン波面センサは,細かなレンズアレイによって波面を分割してCCDセンサなどのイメージセンサに投影し,投影位置の変位から個々の波面の傾斜を計測するものである。シアリング干渉計と比較して,部分的な波面の乱れなど詳細な波面計測を行うことができる。波面計測により照明強度制御部7に入射する光が準平行光でなく,発散あるいは収束していることが判明した場合,前段のビームエキスパンダ5のレンズ群を光軸方向に変位させることで,準平行光に近づけることができる。また,波面計測により照明強度制御部7に入射する光の波面が部分的に傾斜していることが判明した場合,図15のようにSLMの一種である空間光位相変調素子26を照明強度制御部7の前段に挿入し,波面が平坦になるよう光束断面の位置ごとに適当な位相差を与えることで,波面を平坦に近づける,すなわち照明光を準平行光に近づけることができる。以上の波面精度計測・調整手段により,照明強度分布制御部7に入射する光の波面精度(所定の波面(設計値)からのずれ)がλ/10rms以下に抑えられる。
【0039】
照明強度分布制御部7において調整された試料面上の照明強度分布は,照明強度分布モニタ24によって計測される。なお、図1で示したように、垂直照明を用いる場合でも、同様に、照明強度分布制御部7vにおいて調整された試料面上の照明強度分布が照明強度分布モニタ24によって計測される。照明強度分布モニタ24は試料面をレンズを介してCCDセンサやCMOSセンサなどのイメージセンサ上に結像して画像として検出するものである。照明強度分布モニタ24で検出された照明強度分布の画像は制御部53において処理され,強度の重心位置,最大強度,最大強度位置,照明強度分布の幅,長さ(所定の強度以上あるいは最大強度値に対して所定の比率以上となる照明強度分布領域の幅,長さ)などが算出され,表示部54において照明強度分布の輪郭形状,断面波形などと共に表示される。
【0040】
斜入射照明を行う場合,試料面の高さ変位によって,照明強度分布の位置の変位およびデフォーカスによる照明強度分布の乱れが起こる。これを抑制するため,試料面の高さを計測し,高さがずれた場合は照明強度分布制御部7,あるいはステージ103のZ軸による高さ調整によりずれを補正する。試料面の高さ計測は,光線射出部31と,光線射出部31から射出し試料面で拡散反射した光線を受光する受光部32からなる。光線射出部31は半導体レーザなどの光源と投光レンズを備える。受光部32は受光レンズと光位置センサを備える。半導体シリコン表面や磁気ディスク基板表面など光沢の強い試料面の計測を行うため,光線射出部31から射出し試料面で正反射した光を受光部32で検出するよう,光線射出部31と受光部32が配置される。試料面の高さ変位は,三角測量の原理により,受光部32の光位置センサにて検出される光スポットの位置ずれとして検出される。
【0041】
試料面の高さ変位による,照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれの補正は,照明強度分布制御部7の下流に設置され照明光を試料面に向ける偏向手段33の偏向角度調整により行われる。偏向手段33は,照明光を偏向する反射ミラーおよび反射ミラーの照明光軸に対するあおり角を制御するピエゾ素子を備え,あおり角を±1mrad程度の範囲で400Hz以上の周波数で制御するものである。高さ変位計測値と照明光入射角から照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれ量が求められ,このずれを補正するよう,偏向手段33において制御部53から出力された制御信号をうけ反射ミラーが制御される。なお,照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれは,照明強度分布モニタ24を用いて照明強度分布の重心位置等を直接計測することによっても可能である。試料面の高さ変位による,照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれを上記偏向手段33により補正した場合,照明強度分布制御部7と試料表面との光路長が補正前とずれるため,ずれ量によっては照明スポットのデフォーカスが起こる。光路長の変化量は高さ変位計測値と高さ変位計測値と照明光入射角から求められ,これに基づいて,照明強度分布制御部7に備えられる光学素子の光軸方向の位置調整あるいはビームエキスパンダ5の発散角調整などによりデフォーカスが低減される。
【0042】
照明部101の各構成要素において,照明状態の調整をどの時間間隔,タイミングで行うかを図32を用いて説明する。光源据付時の照明状態計測・調整701は,照明部101の光路の上流から,アッテネータ3,出射光調整部4,ビームエキスパンダ5,偏向制御部6,照明強度分布制御部7,偏向手段33の調整を段階的に行い,照明光が設計された所定の光路を所定の光量,ビーム径,発散角,波面精度,偏光状態で照明強度分布7の制御部を通過するよう調整される。光源据付時の照明状態計測・調整701とは,長時間の稼動による光源2の出力低下など光源の寿命に関わる状態変化に対応するため,光源2を同等の機能,性能の新品に置き換える時も含む。
【0043】
また,光源2として用いられる高出力レーザ光源は,光源内部の非線形光学結晶に対する光照射位置が長時間の使用により劣化するため,一定期間ごとに非線形光学結晶に対する光照射位置をずらす(光路に対する結晶の位置をシフトする)ことが,光源の長寿命化のために行われる。これを行う前後でレーザ光源から出射する光の光路が再現せず,光の通過位置あるいは進行方向がずれる場合がある。このずれを計測・補正して照明を元の状態に戻すため,光源メンテナンス時の照明状態計測・調整702が行われる。光源メンテナンス時の照明状態計測・調整702は,照明部101の最も上流の光源2において出射する光の位置,出射方向,発散角,偏光状態の全てが変動しうるため,照明状態計測手段であるビームモニタ22,23,照明強度分布モニタ24の全てにおいて状態を計測し,必要に応じてアッテネータ3,出射光調整部4,ビームエキスパンダ5,偏向制御部6,照明強度分布制御部7,偏向手段33のいずれかを調整する。光源メンテナンス時の照明状態計測・調整702は,前記光源内部の非線形光学結晶に対し光照射位置をシフトした後,あるいは光源のメンテナンスのため光源内部の光学素子のクリーニングを行った後,あるいは光源として高出力ランプ光源やランプ励起レーザ光源を用いる場合はランプの交換の後などのタイミングで行われる。時間間隔としては,数ヶ月あるいは数百時間ごとに行われる。
【0044】
時間の経過による光源2の出力変化,照明部101を構成する光学素子設置位置あるいは設置角度のドリフトによる変化などによる照明状態の変化を抑制するため,月次,週次,あるいは日次で定期的な照明状態の計測・調整703が行われる。照明状態計測手段であるビームモニタ22,23,照明強度分布モニタ24の全てにおいて状態を計測し,必要に応じてアッテネータ3,出射光調整部4,ビームエキスパンダ5,偏向制御部6,照明強度分布制御部7,偏向手段33のうちいずれかを調整する。
【0045】
検査前の照明状態計測・調整704は,前記定期的な照明状態の計測・調整703で調整された後,照明部101の環境変化(気圧,温度変化等)や,ドリフトによる光学素子の位置ずれ角度ずれを補正するために行われる。検査前の照明状態計測・調整704は,前記定期的な照明状態の計測・調整703より頻度が多く,長時間を要すると検査の時間効率が落ち,検査装置の実質稼働時間が減るため,短時間で実施可能な照明状態計測・調整が行われる。具体的には,照明部101による最終的な出力である試料面上の照明強度分布の計測が照明強度分布モニタ24によって行われ,ステージ103による試料面高さの調整,偏向部33による照明光照射位置の調整あるいは照明強度分布制御部7に備えられた光学素子の位置調整が行われる。
【0046】
検査中の照明状態計測・調整705は,試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を照明部101あるいはステージ103において光学的,メカ的な手段により抑制する,あるいは後段の検出部102,信号処理部105においてその影響を補正するために行われる。試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を光学的,メカ的な手段による抑制は,前述の照明強度分布モニタ24の説明で述べたとおり,照明強度分布モニタ24あるいは前記試料面高さ計測手段による計測値に基づき,偏向部33,照度分布制御部7,空間光位相変調素子26,あるいはステージ103の調整,により,照明強度分布の重心位置変位あるいは照明強度分布のデフォーカス等による形状変化を補正するものである。この補正が試料面の検査中にリアルタイムに行われる。試料面の高さ変動による照明強度分布の変化が検査結果に与える影響とは,照明強度分布が完全に平坦にならない場合,欠陥が通過する位置によって照明強度が異なることで散乱光量がばらつき,後述の信号処理部105において散乱光量から算出される欠陥寸法,あるいは欠陥の検出感度がばらつくことを指す。検査中の走査位置ごとに照明強度分布24で計測される信号強度分布の計測値を記録し,これを用いて信号処理部105で欠陥検出に用いられるしきい値あるいは欠陥信号の振幅を補正すること,あるいは欠陥寸法算出に用いられる欠陥信号値を補正することで,上記ばらつきが抑制される。
【0047】
検査中の照明状態計測・調整705は,試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を照明部101あるいはステージ103において光学的,メカ的な手段により抑制する,後段の検出部102,信号処理部105においてその影響を補正するために行われる。試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を照明部101における抑制は,前述の照明強度分布モニタ24の説明で述べたとおり,照明強度分布モニタ24あるいは前記試料面高さ計測手段による計測値に基づき,偏向部33,照度分布制御部7,空間光位相変調素子26,あるいはステージ103の調整,により,照明強度分布の重心位置変位あるいは照明強度分布のデフォーカス等による形状変化が補正される。この補正が試料面の検査中にリアルタイムに行われる。
【0048】
光源2として,高出力が得やすいパルスレーザを用いる場合は,試料に与えられる照明のエネルギーがパルスの入射する瞬間に集中するため,パルスの入射による瞬間的な温度上昇に起因して試料に熱ダメージが生じる場合がある。これを回避するためには,パルスレーザの光路を分岐し,分岐した光路間に光路差を付けた後で光路を合成することで,図17に示すように総エネルギーを保ちつつ一パルスあたりのエネルギーを減少させることが有効である。
【0049】
図16に上記を実施するための光学系の一例を示す。ビームエキスパンダ5を通過した後の照明光が,偏光ビームスプリッタ151により,偏光ビームスプリッタ151にて反射した第一の光路と偏光ビームスプリッタ151を透過した第二の光路とに分岐される。第一の光路はレトロリフレクタ152により反射して戻り,偏光ビームスプリッタ153で反射され,第二の光路と合成される。レトロリフレクタ152は互いに直交する二枚以上の反射ミラーを備え,入力光を180度反対の方向に折り返すものである。偏光ビームスプリッタ151にて反射する光強度と透過する光強度を等しくするため,波長板150により,照明光の偏光が円偏光あるいは斜め45度の直線偏光などに調整される。第一の光路と第二の光路との間の光路差をLとすると,第一の光路を通過した光のパルスと第二の光路を通過した光のパルスの時間間隔Δtp=L/cとなる。Δtpを,単一のパルスが入射した際の温度上昇が緩和するのに要する時間と同等以上にすることで,単一パルスによる試料の瞬間的な温度上昇および複数パルスによる熱の蓄積による温度上昇が抑制される。
【0050】
上記光路合成において,合成の精度が低く,合成後の二つの光路の位置あるいは進行方向にずれがある場合,照明強度分布制御部7に入力される照明光が理想的な状態(本実施例では準平行なガウスビーム)からずれるため,最終的に試料表面上に形成される照明強度分布の状態が所望の状態からずれるという問題が起きる。前記パルスの時間間隔Δtpを確保するため二光路間の光路差を長くするほどこの問題が起こりやすくなる。二光路の光束間の位置ずれは,光束のビーム径が小さいほど,その影響(合成後の強度分布のガウスビームからのずれ)が大きくなるため,本実施例ではビームエキスパンダ5の後段において光路分割と合成を行うことにより,ビーム径拡大後に光路を分岐,合成することで,光路位置ずれの影響を低減している。また,第一の光路の折り返しは互いに独立した二枚のミラーを用いても可能であるが,その場合,二枚のミラー間の相対的な角度のずれが生じた場合に合成する二光束間の角度ずれが生じるため,そのような問題の起きないレトロリフレクタ152を用いる構成とした。また,図16に示す光学系を含む照明部101はアルミニウムなどでできた光学定盤上に設置されるが,温度変化等の環境変化による光学定盤の歪みなどの原因で,レトロリフレクタ152に入力される光束に対し,レトロリフレクタ152の位置が図16のX方向に変位した場合,レトロリフレクタ152にて反射して偏光ビームスプリッタ153に戻ってくる光束の位置がX方向に変位して位置ずれが起こる問題がある。そこで,偏光ビームスプリッタ151,153,およびレトロリフレクタ152を照明部101を支持する光学定盤上に載置した定盤154上に設置することで,照明部101を支持する光学定盤全体の配置や形状に起因する歪み等の影響を受けることなく相対的な位置関係を保つことができる。さらに定盤154としてガラスセラミックスなど低膨張の素材からなるものを用いることも,温度変化による歪みを抑制するために有効である。定盤154のみに前記の低膨張の素材を用いることは,照明部101を支持する光学定盤全体をそうすることと比較して,安価に実現可能であるという利点がある。
【0051】
照明部101によって試料面上に形成される照度分布形状(照明スポット20)と試料走査方法について図19及び図20を用いて説明する。試料Wとして円形の半導体シリコンウェハを想定する。ステージ103は,並進ステージ,回転ステージ,試料面高さ調整のためのZステージ(いずれも図示せず)を備える。照明スポット20は前述の通り一方向に長い照明強度分布を持ち,その方向をS2とし,S2に実質的に直行する方向をS1とする。回転ステージの回転運動によって,回転ステージの回転軸を中心とした円の円周方向S1に,並進ステージの並進運動によって,並進ステージの並進方向S2に走査される。走査方向S1の走査により試料を1回転する間に,走査方向S2へ照明スポット20の長手方向の長さ以下の距離だけ走査することにより,照明スポットが試料W上にてらせん状の軌跡Tを描き,試料1の全面が走査される。
【0052】
ここで,試料に熱ダメージを与えることなく照射できる照明パワーの見積もりについて説明する。「レーザプロセス技術ハンドブック」(朝倉書店,1992年)によれば,矩形一様の照明強度分布を半無限大表面に照射したときの,位置(x,y,z)における温度上昇は,
【0053】
【数1】
【0054】
と表される。ここで,εは表面での照明吸収率,Pはレーザパワー,κは熱拡散率,Kは熱伝導率,a,bは照明の幅,長さの半分,erfは誤差関数を示す。x,y,zは矩形照明分布の中心を原点とする座標であり,zが半無限体の深さ方向に対応する。熱拡散率κは熱伝導率K,密度ρ,比熱cから,κ=K/(ρc)の関係により求められる。(数1)より,矩形照明分布の中心における温度上昇は,
【0055】
【数2】
【0056】
と表される。また,長い時間照射された場合の温度上昇の定常値は,
【0057】
【数3】
【0058】
と表される。
【0059】
図20に示したようにらせん状に走査する場合,試料面中心部では,実効的な走査速度が0に近づくため,照明光が長時間照射される。よって,試料面全体の中で中心部の温度上昇が最大となり,その温度上昇値は(数3)を用いて求められる。
【0060】
試料Wが半導体シリコンウェハの場合を例にとり,試料中心部での温度上昇を求めた結果を図28及び図29に示す。結晶シリコンの物性値,反射率を元に,ε=0.912,κ=0.000100[m^2/s],K=168[W/mK]とした。照明条件として,P=1[W],照明スポット短辺幅2a=10[μm]とし,照明スポット長辺の長さを2b=10〜1000[μm]の範囲での温度上昇計算値を図28に示す。ここで,仮に温度上昇許容値Tcを設定し,温度上昇がTcを越えない照明パワーPc(許容レーザパワー)を求めた結果を図29に示す。ここでは,半導体シリコンウェハの異物検査において一般に標準サンプルとして用いられているポリスチレン粒子の材料であるポリスチレンの変形が起こるガラス転移温度100℃を越えないことを目安に,Tc=50[K](室温25℃とするとシリコン表面温度が75℃まで上昇する値)と設定した。図29より,許容照明パワーは照明スポット長さの概略0.8に比例するという関係があると言える。温度上昇値とレーザパワーは比例するため,この関係はTcに設定した定数値によらない。
【0061】
上記許容照明パワーと照明スポット長さとの関係より,ある照明スポット長さL1で,照明パワーP1が試料中心部においても試料にダメージが生じない照明パワーの上限であることが確認できた場合,別の検査条件,例えば検査速度を二倍にするために照明スポット長さを2×L1とした条件では,(2^0.8)×P1=1.74×P1が照明パワーの上限値と求められる。このように,照明スポット長さと許容照明パワーの関係を用いることにより,試料にダメージを与えることなく最大限の散乱光量を得るための最適な照明条件を容易に算出し,設定することができる。
【0062】
図30及び図31に,(数1)を用いて求めた照明光照射時間と半導体シリコンウェハの上昇温度との関係を,照明光の照明スポット長さごとに示す。照明スポット短辺の長さは10μmと仮定して計算したものである。図31に,図30の結果から求めた照射時間に対する許容照明パワーを示す。照射時間は照明スポット短辺長さと照明スポット走査速度とで決まり,回転速度一定でらせん状走査を行った場合は,照明スポット位置の回転中心からの距離に反比例して変化する。図31に示した計算値を用いることで,任意の照明条件において,半径位置ごとに許容照明パワーの上限を求めることができる。そして,これに基づいて照明スポット走査速度に応じて照明部101におけるアッテネータ3を用いて照明パワーを制御することで,試料にダメージを与えることなく最大限の散乱光量を得ることが可能となる。
【0063】
検出部102は,照明スポット20から発する複数の方向の散乱光を検出するよう,複数配置される。検出部102の試料Wおよび照明スポット20に対する配置例について図21乃至図23を用いて説明する。図21に検出部102の配置の側面図を示す。試料Wの法線に対して,検出部102による検出方向(検出開口の中心方向)のなす角を,検出天頂角と定義する。検出部102は,検出天頂角が45度以下の高角検出部102hと,検出天頂角が45度以上の低角検出部102lを適宜用いて構成される。高角検出部102h,低角検出部102l各々は,各々の検出天頂角において多方位に散乱する散乱光をカバーするよう,複数の検出部からなる。図22に,低角検出部102lの配置の平面図を示す。試料Wの表面と平行な平面内において,斜入射照明の進行方向と検出方向とのなす角を検出方位角と定義する。低角検出部102は,低角前方検出部102lf,低角側方検出部102ls,低角後方検出部102lb,およびそれらと照明入射面に関して対称な位置にある低角前方検出部102lf’,低角側方検出部102ls’,低角後方検出部102lb’を適宜備える。例えば、低角前方検出部102lfは検出方位角が0度以上60度以下,低角側方検出部102lsは検出方位角が60度以上120度以下,低角後方検出部102lbは検出方位角が120度以上180度以下に設置される。図23に,高角検出部102hの配置の平面図を示す。高角検出部102は,高角前方検出部102hf,高角側方検出部102hs,高角後方検出部102hb,および高角側方検出部102hsと照明入射面に関して対称な位置にある高角側方検出部102hs’を適宜備える。例えば、高角前方検出部102hfは検出方位角が0度以上45度以下,高角側方検出部102sは検出方位角が45度以上135度以下,高角後方検出部102bは検出方位角が135度以上180度以下に設置される。なお、ここでは高角検出部102hが4つ、低角検出部102lが6つある場合を示したがこれに限られず、検出部の数・位置を適宜変更してもよい。
【0064】
検出部102の具体的な構成を図24及び図25に示す。検出方位角90度の低角および高角の側方検出部102ls,102hsの構成を図24に示す。照明スポット20から発生する散乱光を対物レンズ201によって集光し,偏光フィルタ202通過させた後,結像レンズ203によって複数画素センサ204の受光面に導かれ,検出される。散乱光を効率良く検出するため,対物レンズ201の検出NAは0.3以上にするのが好ましい。低角度検出部の場合,対物レンズ201の下端が試料面Wに干渉しないよう,必要に応じて対物レンズの下端を切り欠く。偏光フィルタ202は偏光板あるいは偏光ビームスプリッタからなり,任意の方向の直線偏光成分をカットするよう設置される。偏光板として,透過率80%以上のワイヤグリッド偏光板などが用いられる。楕円偏光を含む任意の偏光成分をカットする場合は,波長板と偏光板からなる偏光フィルタ202を設置する。
【0065】
複数画素センサ204は,複数の光検出画素が線状に並んだものである。高感度検出を行うため,量子効率が高く(30%以上の),光電変換後の電子を電気的に増幅可能なもの,また,高速化のため,複数がその信号を並列して読み出し可能なもの,また,検出ダイナミックレンジ確保のため,検出感度(電気的な増幅のゲイン)が電気的手段などにより短時間で容易に変更可能であるもの,などが望ましい。これらを満たす光検出器として,マルチアノード光電子増倍管,アバランシェフォトダイオードアレイ,信号の並列読み出しが可能なリニアEMCCD(Electron Multiplying CCD),信号の並列読み出しが可能なリニアEBCCD(Electron Bombardment CCD),が用いられる。本実施例ではマルチアノード光電子増倍管を用いた構成を説明する。対物レンズ201および結像レンズ203によって,試料面の像が試料面共役面205に結像される。試料面に対して傾斜した結像するため,走査方向S1に関して,像高の大きい位置にある物体はデフォーカスにより複数画素センサ204の受光面に像を結ばずにボケるが,走査方向S1は照明スポット20の寸法が短いため,像高の大きい位置にある物体は検出に影響を与えない。
【0066】
図25に,低角および高角の前方および後方検出部102lf,102hf,102lb,102hbの構成例を示す。照明スポット20から発生する散乱光を対物レンズ201によって集光し,偏光フィルタ202通過させた後,結像レンズ203によって,試料面と共役な面に設置された回折格子206上に試料面の像(中間像)が結像される。回折格子206上に形成された試料面の像は,結像系207によって複数画素センサ204の受光面上に投影され,検出される。複数画素センサ204は,一方向に長い照明スポット20の形状に合せ,画素の配列方向が照明スポット20の像の長手方向に一致するよう,試料面に共役な面内に設置される。回折格子206は,結像レンズ203によって導かれ中間像を形成する光を回折格子206の表面の法線方向に回折させるため,結像レンズ203によって導かれ中間像を形成する光の光軸に沿った入射光のN次回折光が回折格子206の表面の法線方向に向かうよう,回折格子形状が形成されたものを用いる。回折効率を高めるため,ブレーズ回折格子が用いられる。以上の構成をとり試料面に共役な面に複数画素センサ204を設置することで,試料面上のS1方向についてもピントのずれを抑えて広い範囲で有効視野を確保することができ,かつ光量ロスを少なく散乱光を検出することができる。
【0067】
なお,前記図31に示した計算値に基づいて照明スポット走査速度に応じて照明パワーを制御する場合,同一寸法の欠陥でも散乱光信号の波高値が変化する。照明パワー制御に平行して検出部102の複数画素センサ204の電子増倍ゲインを決める印加電圧を制御することにより,照明パワー制御に対応して複数画素センサ204のダイナミックレンジが動的に合せこまれる。印加電圧の制御は,複数画素センサ204の電子増倍ゲインが照明スポット走査速度ごとに与えられる照明パワーに反比例するように行われる。
【0068】
ここで,照明スポット20の長さと検出部102の光学倍率,複数画素センサ204の寸法との関係を説明する。高感度,高速検査を行う場合,照明スポット20の長さは概略400μmに設定される。複数画素センサ204として32画素が1mmピッチで並んだものを設置する場合,検出部の光学倍率は80倍となり,試料面上に投影される画素のピッチは12.5μmとなる。この条件で試料を回転速度2000rpmで回転させた場合,直径300mmの円形試料は11秒で,直径450mmの円形試料は17秒で全面が走査される。さらに高速に検査を行う場合,照明スポット20の長さは概略1000μmに設定される。複数画素センサ204として32画素が1mmピッチで並んだものを設置する場合,検出部の光学倍率は32倍となり,試料面上に投影される画素のピッチは31.3μmとなる。この条件で試料を回転速度2000rpmで回転させた場合,直径300mmの円形試料は5秒で,直径450mmの円形試料は7秒で全面が走査される。
【0069】
次に,図26及び図27を用いて、広い角度範囲をカバーする複数の検出光学系によって同時に検出される様々な方向の散乱光強度検出信号に基づいて様々な欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度に行う信号処理部105について説明する。信号処理部105は,アナログ処理部51,デジタル処理部52を有して構成される。
【0070】
まず,信号処理部105を構成するアナログ処理部51について図26を用いて説明する。ここでは簡単のため複数の検出部102のうち検出部102a,102b(図示しない)の二系統備えた場合のアナログ処理部51の構成について説明する。検出部102a,102b各々に備えられた検出器から出力された信号電流500a,500bは,プリアンプ部501a,501bにより各々電圧に変換されて増幅される。該増幅されたアナログ信号は,さらにローパスフィルタ511a,511bにより高周波数のノイズ成分がカットされ,その後,ローパスフィルタ511a,511bのカットオフ周波数より高いサンプリングレートを備えたアナログ−デジタル変換部(A/D変換部)502a,502bで,デジタル信号に変換されて出力される。
【0071】
次に,信号処理部105を構成するデジタル処理部52について図27を用いて説明する。アナログ処理部51からの各々の出力信号は,デジタル処理部52において,ハイパスフィルタ604a,604bの各々により欠陥信号603a,603bの各々が抽出され,欠陥判定部605に入力される。欠陥は照野20によりS1方向に走査されるため,欠陥信号の波形は照野20のS1方向の照度分布プロファイルを拡大縮小したものとなる。従って,ハイパスフィルタ604a,604bの各々により,欠陥信号波形の含まれる周波数帯域を通し,ノイズが相対的に多く含まれる周波数帯域および直流成分をカットすることで,欠陥信号603a,603bのS/Nが向上する。各ハイパスフィルタ604a,604bとしては,特定のカットオフ周波数を持ちその周波数以上の成分を遮断するよう設計されたハイパスフィルタ,あるいはバンドパスフィルタ,あるいは照明スポット20の形状が反映された欠陥信号の波形と相似形を成すFIRフィルタを用いる。欠陥判定部605は,ハイパスフィルタ604a,604bの各々から出力された欠陥波形を含む信号の入力に対してしきい値処理を行い,欠陥の有無を判定する。即ち,欠陥判定部605には,複数の検出光学系からの検出信号にもとづく欠陥信号が入力されるので,欠陥判定部605は,複数の欠陥信号の和や加重平均に対してしきい値処理を行うか,または複数の欠陥信号に対してしきい値処理により抽出された欠陥群についてウェハの表面に設定された同一座標系でORやANDを取ることなどにより,単一の欠陥信号に基づく欠陥検出と比較して高感度の欠陥検査を行うことが可能となる。
【0072】
更に,欠陥判定部605は,欠陥が存在すると判定された箇所について,その欠陥波形と感度情報信号に基づいて算出されるウェハ内の欠陥位置を示す欠陥座標および欠陥寸法の推定値を,欠陥情報として制御部53に提供して表示部54などに出力する。欠陥座標は欠陥波形の重心を基準として算出される。欠陥寸法は欠陥波形の積分値あるいは最大値を元に算出される。
【0073】
さらに,アナログ処理部51からの各々の出力信号は,デジタル処理部52を構成するハイパスフィルタ604a,604bに加えて,ローパスフィルタ601a,601bの各々に入力され,ローパスフィルタ601a,601bの各々において,ウェハ上の照明スポット20における微小ラフネスからの散乱光量(ヘイズ)に対応する周波数の低い成分および直流成分が出力される。このようにローパスフィルタ601a,601bの各々からの出力はヘイズ処理部606に入力されてヘイズ情報の処理が行われる。即ち,ヘイズ処理部605は,ローパスフィルタ601a,601bの各々から得られる入力信号の大きさからウェハ上の場所ごとのヘイズの大小に対応する信号をヘイズ信号として出力する。また,微小ラフネスの空間周波数分布に応じてラフネスからの散乱光量の角度分布が変わるため,図21乃至23に示したように,互いに異なる方位,角度に設置された複数の検出部102の各検出器からのヘイズ信号をヘイズ処理部606への入力とすることで,ヘイズ処理部606からはそれらの強度比などから微小ラフネスの空間周波数分布に関する情報を得ることができる。
【0074】
ここで,照明強度分布制御部7において用いられる光学素子の変形例を説明する。前記回折光学素子71と同様の機能を持つ代替の光学素子として,非球面レンズ72(図8),シリンドリカルレンズアレイ74とシリンドリカルレンズ75との組合せ(図9、図10)),ライトパイプ76と結像レンズ77との組合せ(図11、図12),あるいは空間光変調素子(SLM:Spatial Light Modulator)78(図13)が用いられる。シリンドリカルレンズアレイ74は,図9に示すように,試料面に対する照明の入射面内において,入射した平行光束を複数の平行光束に分離して各々を屈曲し,試料面上でそれらの位置をずらしながら重ね合わせる役割を持つ。光源2としてレーザ光源を用いると試料面上で複数の照明光束を重ね合わせた際にスペックルが発生して照明強度分布の均一性が低下する。これを避けるため,階段状の石英ガラスブロックなどによる光路差付与手段73により複数の照明光束間に光源の可干渉距離以上の光路差をつける。図10に示すように,試料面に対する照明の入射面内では,入射光束は平行光のままシリンドリカルレンズアレイ74を透過し,シリンドリカルレンズ75によって試料面上に集光される。ライトパイプ76は,円柱状あるいは角柱状の筒であり,内壁が照明光を高反射率で反射する金属等の材質からなり,その内部が中空あるいは照明光を高透過率で透過する材質で満たされたものである。ライトパイプ76の前段の集光レンズ80でライトパイプ76の入り口近くに集光された光は,ライトパイプ76の内部を通過する間に多数回の反射を繰り返し,ライトパイプ76の出口において空間的に均一な強度分布となる。結像レンズ77によってライトパイプ76の出口と試料表面が共役な関係に結ばれており,ライトパイプ76の出口における均一な光強度分布と相似な光強度分布が試料面上に形成される。図11のように結像レンズ77をライトパイプ76の出口面および光軸に対して傾斜させることで、試料面Wに均一照明強度分布の像を結ぶことができる。あるいは、図12のように出口面を試料面Wと平行になるよう加工したライトパイプ76’を用いることで、ライトパイプ出口面と試料面との間の光路距離が像高によらず等しくなるため、結像レンズ77’の設計が容易になる。図13の空間光変調素子78は,入射した光束の断面内の微小領域ごとに強度あるいは位相を変調することで,試料面上の照明強度分布を制御するものであり,制御部53から発した制御信号を受けて,試料面上の照明強度分布を動的に制御することが可能である。空間光変調素子78として,液晶素子,磁気光学空間光変調素子,デジタルマイクロミラーデバイス(反射型)などが用いられる。空間光変調素子78単独,あるいは空間光変調素子78と集光レンズ79との組合せにより所望の照明強度分布が形成される。
【0075】
図33に、回折光学素子等の照明強度分布形成素子82によって中間像面に所定の照明強度分布を形成し、それを中間像面と共役な関係にある試料表面上に結像系83を介して転写する、照明強度分布制御部7の変形例の構成を示す。照明強度分布形成素子82は回折光学素子や非球面レンズからなり、一方向に均一な強度の照明強度分布を形成する。中間像は結像系83によって試料表面にリレーされて結像される。中間像面、結像系83のレンズ面および試料表面の関係はシャインプルーフの関係に従う。すなわち空間上の一つの軸上で(図33では一点で)交わる。結像系83は軸外光による収差および試料面傾斜による収差を抑えるために複数枚のレンズあるいは非球面レンズにより構成される。
【0076】
図33の構成で照明強度分布中間像を中間像面に対して傾斜した試料表面に結像する場合、像高(試料表面上の位置)によって結像倍率が異なるため、図34(b−2)に示すように、矩形だった中間像が台形状に変形する。この影響を低減するため、図34(b−3)に示すように、予め中間像面における照明強度分布が図34(b−2)の台形と逆方向の台形になるよう照明強度分布形成素子82を設計しておき、これを試料表面に結像することで、試料表面において矩形の照明強度分布を形成することができる。ここでさらに中間像面において像高ごとの結像倍率に比例するような照明強度分布を形成しておくことで、試料表面上での照明強度分布を均一にすることができる。また、以上述べた矩形の中間像が台形に変形する現象は、結像系83の画角が比較的大きい場合に起こるため、画角が小さくなるような構成にすることで影響を低減することができる(図34(b−1))。具体的には、結像系83のワークディスタンスあるいは焦点距離に対する視野の大きさが小さければよく、ワークディスタンスあるいは焦点距離と視野の比が100:1以下、あるいは画角10mrad以下であればよい。例えば、照明強度分布の長手方向の長さが1mmの場合は結像系83のワークディスタンスを100mm以上とすればよい。
【0077】
図33に類する構成で中間像の変形を避ける別の実施例として、テレセントリック結像系85を結像系83として用いる構成を図35に示す。照明強度分布形成素子82によって形成された照明強度分布の中間像はテレセントリック結像系85によって試料表面に結像される。テレセントリック結像系85は複数枚のレンズと開口絞り86とを用いて構成される。テレセントリック結像系85を両側テレセントリックの構成にすることで、像高による倍率の変化が無くなり、試料面における照明強度分布の変形が抑えられる。両側テレセントリックの構成にする場合、図35に示すようにテレセントリック結像系85の光軸が中間像面に入射する光線の主光軸に対して傾斜する。そこで、テレセントリック結像系85の集光NAを中間像面に入射する光線の主光軸を含むよう大きくとるか、あるいは図35に示すように回折格子84を中間像面に設置して中間像面通過後の光線を曲げてテレセントリック結像系85の光軸に合せることで、中間像面に入射する光が試料面に効率よく導かれる。回折格子84としては反射型あるいは透過型のブレーズ回折格子が適しており、所望の方向への回折効率が50%以上のものが用いられる。
【0078】
照明強度分布制御部7の他の変形例として,照度分布制御素子82と回折格子87を用いた構成を図36に示す。照度分布制御素子82は光軸に対して垂直な面内に所望の照明強度分布を形成する機能を持つ。ここで照度分布制御素子82の下流(あるいは直前)に回折格子87を設置することで、波面に対して光軸を屈曲し、光軸に対して傾斜した試料面に所望の照明強度分布が形成される。照度分布制御素子82としては、回折光学素子あるいは非球面レンズが用いられる。回折格子87としては反射型あるいは透過型のブレーズ回折格子が適しており、所望の方向への回折効率が50%以上のものが用いられる。
【0079】
照明強度分布制御部7の他の変形例として,照度分布制御素子82と円錐レンズ88を用いた構成を図37に示す。円錐レンズ88は、円錐形状あるいは円錐の側面の一部を切り出した形状をしたレンズであり、光の通過する位置によって曲率が異なる性質を持つ。円錐レンズ88の曲率が変化する方向と光軸の試料面に対する入射面とを一致させることにより、光軸に対して傾斜した試料面上に照明強度分布像が焦点を結ぶようにすることができる。
【0080】
照明強度分布制御部7の他の変形例として,図4に,照明強度分布制御部7を構成する光学素子を試料面と平行に設置する例を示す。このように設置する光学素子には,光学素子表面の法線に対して大きく傾斜した軸外光に対する集光性能が要求されるが,光学素子表面と試料面との距離が一定となる点では集光が容易になる。
【0081】
照明強度分布制御部7の他の変形例として,図5、図6に,試料表面法線を含みかつ斜入射照明の入射面内と垂直な面内において均一な照明強度分布を生成する変形例を示す。図6に示すように,照明光軸に垂直な面内において照明強度分布を均一化するため,図2、図3に示した構成より均一照明強度分布の形成が容易である利点がある。ただし,照明スポットの短径方向と,試料表面高さ変位による照明スポットの位置ずれ方向とが一致するため,検出される欠陥の座標精度が低下する。これを抑えるため,試料表面高さ変位を低減するよう,試料裏面の全面吸着による試料保持あるいは低速走査がステージ部103においてなされる。
【0082】
図16に示した光路分岐,合成の変形例を図18を用いて説明する。図16に示した光路分岐,合成を行った場合,二光路の合成後,互いに干渉しない二方向の偏光成分が重ね合わされることで無偏光状態となり,後段の偏光制御部6において直線偏光を生成する場合に照明エネルギーのロスが起こる。そこで,変形例として,図18に示すように,透過する光の偏光状態を時間的に切替可能な偏光変調素子155を用いることで,全てのパルスの偏光状態を揃え,照明エネルギーのロス無く直線偏光を生成することができる。偏光変調素子155として,光弾性変調器(PEM:Photoelastic Modulator),液晶素子,電気光学変調器,音響光学変調器などが用いられる。
【符号の説明】
【0083】
2…光源
3…アッテネータ
4…出射光調整部
5…ビームエキスパンダ
6…偏光制御部
7…照明強度分布制御部
7v…照明強度分布制御部
22…ビームモニタ
23…ビームモニタ
24…照明強度分布モニタ
53…制御部
54…表示部
55…入力部
101…照明部
102…検出部
103…ステージ部
105…信号処理部
120…照明光軸
201…対物レンズ
202…偏光フィルタ
203…結像レンズ
204…複数画素センサ
205…試料面共役面
【技術分野】
【0001】
本発明は試料表面に存在する微小な欠陥を検査し,欠陥の種類および欠陥寸法を判定して出力する欠陥検査方法および検査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて,製品の歩留まりを維持・向上するために,半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥の検査が行われている。欠陥検査の従来技術としては特開平9−304289号公報(特許文献1),特開2006−201179号公報(特許文献2),米国特許出願公開第2006/0256325号公報(特許文献3)などが知られている。これらは,微小な欠陥を検出するために試料表面上に数十μmの寸法に照明光を集光して照射し,欠陥からの散乱光を集光・検出し,数十nmから数μm以上の寸法の欠陥を検査する技術である。試料(検査対象物)を保持するステージを回転移動および並進移動させることにより,照明スポットが試料表面上をらせん状に走査し,試料全面が検査される。
【0003】
また,特許文献1および特許文献2では,欠陥からの散乱光の高角度に出射する成分と低角度に出射する成分を検出しその比によって欠陥の種類を分類する技術が述べられている。
【0004】
また,特許文献2では,欠陥からの散乱光の強度に基づいて,検出した欠陥の寸法を算出する技術が述べられている。
【0005】
また,特許文献3では,試料に与える熱ダメージを低減するため,検査対象面を検査中に照明光のパワー,あるいは照明スポットの走査速度,あるいは照明スポットの寸法を制御することが述べられている。より具体的には,試料に与える熱ダメージは照射する照明パワー密度と照射時間との積によって決まると仮定し,これが一定値を越えないように,走査中の試料上の半径位置に応じて照明光のパワー,あるいは照明スポットの走査速度,あるいは照明スポットの寸法を変化させることが述べられている。
【0006】
また,一方向に長いガウスビームで試料上の広い範囲を照明し,CCDなどの複数画素の検出器を用いて照明領域を一括に検出することで,短い時間で試料全面を検査する技術として,米国特許第6608676号公報(特許文献4)が知られている。
【0007】
また,斜入射照明において非球面レンズや回折光学素子を用いて検査対象表面上で複数の照明スポットが並んだ形に照明光を整形する技術として,米国特許第7385688号公報(特許文献5)が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平9−304289号公報
【特許文献2】特開2006−201179号公報
【特許文献3】米国特許出願公開第2006/0256325号公報
【特許文献4】米国特許第6608676号公報
【特許文献5】米国特許第7385688号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
半導体等の製造工程で用いられる欠陥検査には,微小な欠陥を検出すること,検出した欠陥の寸法を高精度に計測すること,試料を非破壊で(あるいは試料を変質させること無く)検査すること,同一の試料を検査した場合に常に一定の検査結果(検出欠陥の個数,位置,寸法,欠陥種)が得られること,一定時間内に多数の試料を検査することなどが求められる。
【0010】
前記特許文献1,特許文献2,特許文献4,および特許文献5に述べられた技術では,特に寸法20nm以下の微小な欠陥については,欠陥から発生する散乱光が極微弱となり,試料表面で発生する散乱光によるノイズ,検出器のノイズ,あるいは検出回路のノイズに欠陥信号が埋もれるため検出不可能となる。あるいは,これを避けるために照明パワーをあげた場合,照明光による試料の温度上昇が大きくなり,試料への熱ダメージが発生する。あるいは,これを避けるために試料の走査速度を低下させた場合,一定時間内に検査できる試料の面積あるいは試料の数が減少する。以上より,熱ダメージを避けつつ微小な欠陥を高速に検出することが困難であった。
【0011】
また,試料の回転速度を一定としてらせん状走査を行う場合,試料の中心において照明スポットの移動速度が最小となるため,試料の中心での熱ダメージが大きくなる。これを回避するためには,試料上の位置によって照射時間が変わらないよう,走査位置における線速度を一定に保ち走査する,あるいはXY走査を行うなどの手段がある。前者は試料の中心部の検査に無限大の回転速度が必要となるため中心部の検査が実質的に不可能である。後者は主走査あるいは副走査の方向切替の際のステージの加減速に時間を要するため,全面検査に長い時間を要するという問題があった。
【0012】
また,照明スポットにおける照明光強度分布をガウス分布としているため,照明スポットに対する欠陥の相対位置に応じて検出される欠陥の散乱光信号強度が変化し,欠陥検出感度のばらつき,および欠陥寸法算出精度の低下が起きる問題があった。
【0013】
一方,特許文献3に述べられた技術は,試料上の半径位置に比例して照明パワーを変えることにより,前記従来技術と比較して試料中心付近での熱ダメージを低減すること,あるいは試料中心付近での熱ダメージを従来技術と同等に抑えつつ試料外周部での欠陥検出感度を向上すること,を狙うものであった。しかし,熱ダメージが照射パワー密度と照射時間との積に比例すると仮定したため,以下の問題があった。
【0014】
第一に,熱ダメージの見積りにおいて照明スポットからの熱拡散の影響を考慮していないため,特に照射時間の長い試料中心部における熱ダメージが現実より過大に見積られる。このため,試料中心部において必要以上に照明パワーを低下させることになり,欠陥検出感度が低下した。
【0015】
第二に,試料全面において熱ダメージを生じさせないためには,熱ダメージが最大となる試料中心部においてダメージが生じないことを基準として投入する照明パワーを規定する必要がある。しかし,回転走査では試料中心部において走査速度(線速度)が0であるため,計算上の照射時間が無限大に発散し,前記仮定では熱ダメージを定量的に見積ることができず,照明パワーを規定することが出来なかった。逆に,中心部で熱ダメージが起きないことを保証するためには,照明パワーを0にする必要があり,中心部の検査が不可能であった。
【0016】
また,特許文献3にあるように,試料上の半径位置によって照明パワーを変える場合,試料上の位置によって同一寸法の欠陥でも散乱光信号の波高値が変化するため,試料上の外周部にある欠陥は信号が飽和する,中心部にある欠陥は波高値が低くて検出できないなどにより,欠陥検出感度ばらつき,欠陥寸法算出精度低下などが起こる問題があった。
【0017】
また,特許文献3にあるように,試料上の半径位置によって検査中に動的に照明スポット形状を変える場合,得られる照明スポット形状は上流の照明光学系の光学素子の個体差,あるいは制御の精度などに依存するため,正確に照明スポット形状を制御すること,あるいは複数の装置間で同等の照明スポット形状制御を行うことが困難であった。
【0018】
また,特許文献5にあるように,複数の照明スポットを並べて走査する技術を高速検査に適したらせん状走査に適用した場合,試料上の半径位置によって,走査軌跡の曲率の違いにより,照明スポット間の走査軌跡の重なりや逆転が起こる。結果として検査の効率(単位時間当たりに検査される面積)が低下する問題があった。
【0019】
また,特許文献5にあるように,非球面レンズや回折光学素子を用いて照明スポット形状を整形する場合,非球面レンズや回折光学素子の入射される光のわずかな位置ずれ,角度ずれ,強度分布の乱れ,波面の乱れにより,それらから出力される照明スポット形状がばらつくため,安定した検査結果を得ることが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【0020】
上記課題を解決するために本願で開示される発明の概要を例示すると以下の通りである。
【0021】
すなわち、本発明の一例は、試料の表面におけるある一方向について照明強度分布が実質的に均一な照明光を、前記試料の表面に照射し、前記試料の表面からの散乱光のうち互いに異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を得、前記複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の存在を判定し、前記処理により欠陥と判定された箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の寸法を判定し、前記欠陥と判定された箇所各々について前記試料表面上における位置及び欠陥寸法を表示することを特徴とするものである。
【0022】
また、本発明の一例は,光源から出射した光を,所望の光量,位置,ビーム径,および偏光状態を持った光束に調整する照明光調整工程と,前記照明光調整工程により得られる光束を所望の入射角をもって試料表面に導き,前記試料表面におけるある一方向について前記試料表面に与えられる照明強度分布が実質的に均一になるよう照明強度分布を制御する照明強度分布制御工程と,前記照明強度分布制御工程による前記試料面上の照明光照射位置において,前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に試料を変位させる試料走査工程と,前記試料走査工程において試料上にて発生する散乱光のうち互い異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を出力する散乱光検出工程と,前記散乱光検出工程において得られる複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の存在を判定する欠陥判定工程と,前記欠陥判定工程において欠陥と判定される箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定工程と,前記欠陥判定工程において欠陥と判定される箇所各々について,前記試料表面上における位置および前記欠陥寸法判定工程において得られる欠陥寸法を表示する表示工程と、を有することを特徴とするものである。
【0023】
また、本発明の一例は、光源から出射した光を,所望の光量,位置,ビーム径,および偏光状態を持った光束に調整する照明光調整手段と,前記照明光調整手段により得られる光束を所望の入射角をもって試料表面に導き,前記試料表面におけるある一方向について前記試料表面に与えられる照明強度分布が実質的に均一になるよう照明強度分布を制御する照明強度分布制御手段と,前記照明強度分布制御手段による前記試料面上の照明光照射位置において,前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に試料を変位させる試料走査手段と,前記照明強度分布が制御された照明光により前記試料上にて発生する散乱光のうち互い異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を出力する散乱光検出手段と,前記散乱光検出手段において得られる複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の存在を判定する欠陥判定手段と,前記欠陥判定手段において欠陥と判定される箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定手段と,前記欠陥判定手段において欠陥と判定される箇所各々について,前記試料表面上における位置および前記欠陥寸法判定手段において得られる欠陥寸法を表示する表示手段と、を有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば,試料全面を短時間で走査し,試料に熱ダメージを低減しつつ微小な欠陥を検出すること,検出欠陥の寸法を高精度に算出すること,および安定した検査結果を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明に係る欠陥検査装置の一実施形態を示す全体概略構成図である。
【図2】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第一例を示す図である。
【図3】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第二例を示す図である。
【図4】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第三例を示す図である。
【図5】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第四例を示す図である。
【図6】本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第五例を示す図である。
【図7】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第一例を示す図である。
【図8】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第二例を示す図である。
【図9】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第三例を示す図である。
【図10】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第四例を示す図である。
【図11】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第五例を示す図である。
【図12】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第六例を示す図である。
【図13】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第七例を示す図である。
【図14】本発明に係る照明部における照明光の状態を計測手段および調整手段の第一例を示す図である。
【図15】本発明に係る照明部における照明光の状態を計測手段および調整手段の第二例を示す図である。
【図16】本発明に係る照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の第一例を示す図である。
【図17】光路分岐と光路合成による単一パルスあたりのエネルギー低減結果を示す図である。
【図18】本発明に係る照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の第二例を示す図である。
【図19】本発明に係る試料表面上の照明分布形状と走査方向を示す図である。
【図20】走査による照明スポットの軌跡を示す図
【図21】本発明に係る検出部の配置および検出方向を側面から見た図である。
【図22】本発明に係る低角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図である。
【図23】本発明に係る高角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図である。
【図24】本発明に係る検出部の構成の第一例を示す図である。
【図25】本発明に係る検出部の構成の第二例を示す図である。
【図26】本発明に係るアナログ処理部の構成を示す図である。
【図27】本発明に係るデジタル処理部の構成を示す図である。
【図28】本発明に係る照明スポットの長さと試料表面温度上昇との関係を示す図である。
【図29】本発明に係る照明スポットの長さと許容照明パワーとの関係を示す図である。
【図30】本発明に係る照明照射時間と試料表面温度上昇との関係を示す図である。
【図31】本発明に係る照明照射時間と許容照明パワーとの関係を示す図である。
【図32】本発明に係る照明部での照明状態の調整手順を示す図である。
【図33】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第八例を示す図である。
【図34】本発明に係る第八例の照明強度分布制御部による照明強度分布中間像及び試料表面での照明強度分布を示す図である。
【図35】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第九例を示す図である。
【図36】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第十例を示す図である。
【図37】本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第十一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
本発明の実施形態の概略構成例を図1で説明する。照明部101,検出部102,試料Wを載置可能なステージ103,信号処理部105,制御部53,表示部54,入力部55を適宜備える。照明部101はレーザ光源2,アッテネータ3,出射光調整部4,ビームエキスパンダ5,偏光制御部6,照明強度分布制御部7を適宜備える。レーザ光源2から射出されたレーザ光ビームは,アッテネータ3で所望のビーム強度に調整され,出射光調整部4で所望のビーム位置,ビーム進行方向に調整され,ビームエキスパンダ5で所望のビーム径に調整され,偏光制御部6で所望の偏光状態に調整され,照明強度分布制御部7で所望の強度分布に調整され,試料Wの検査対象領域に照明される。
【0027】
照明部101の光路中に配置された出射光調整部4の反射ミラーの位置と角度により試料表面に対する照明光の入射角が決められる。照明光の入射角は微小な欠陥の検出に適した角度に設定される。照明入射角が大きいほど,すなわち照明仰角(試料表面と照明光軸との成す角)が小さいほど,試料表面上の微小異物からの散乱光に対してノイズとなる試料表面の微小凹凸からの散乱光(ヘイズと呼ばれる)が弱まるため,微小な欠陥の検出に適する。このため,試料表面の微小凹凸からの散乱光が微小欠陥検出の妨げとなる場合には,照明光の入射角は好ましくは75度以上(仰角15度以下)に設定するのがよい。一方,斜入射照明において照明入射角が小さいほど微小異物からの散乱光の絶対量が大きくなるため,欠陥からの散乱光量の不足が微小欠陥検出の妨げとなる場合には,照明光の入射角は好ましくは60度以上75度以下(仰角15度以上30度以下)に設定するのがよい。また,斜入射照明を行う場合,照明部101の偏光制御部6における偏光制御により,照明の偏光をP偏光とすることで,その他の偏光と比べて試料表面上の欠陥からの散乱光が増加する。
【0028】
また、必要に応じて、図1に示すように、照明部101の光路中にミラー21を挿入し、適宜他のミラーを配置することにより,照明光路が変更され,試料面に対して実質的に垂直な方向から照明光が照射される(垂直照明)。このとき,試料面上の照明強度分布は照明強度分布制御部7vにより,斜入射照明と同様に制御される。ミラー21と同じ位置にビームスプリッタを挿入することで,斜入射照明と試料面の凹み状の欠陥(研磨キズや結晶材料における結晶欠陥)からの散乱光を得るには,試料表面に実質的に垂直に入射する垂直照明が適する。なお、図1に示す照明強度分布モニタ24については後に詳説する。
【0029】
レーザ光源2としては,試料表面近傍の微小な欠陥を検出するには,試料内部に浸透しづらい波長として,短波長(波長355nm以下)の紫外または真空紫外のレーザビームを発振し,かつ出力2W以上の高出力のものが用いられる。出射ビーム径は1mm程度である。試料内部の欠陥を検出するには,試料内部に浸透しやすい波長として,可視あるいは赤外のレーザビームを発振するものが用いられる。
【0030】
アッテネータ3は,第一の偏光板と,照明光の光軸周りに回転可能な1/2波長板と,第二の偏光板を適宜備える。アッテネータ3に入射した光は,第一の偏光板により直線偏光に変換され,1/2波長板の遅相軸方位角に応じて偏光方向が任意の方向に回転され,第二の偏光板を通過する。1/2波長板の方位角を制御することで,光強度が任意の比率で減光される。アッテネータ3に入射する光の直線偏光度が十分高い場合は第一の偏光板は必ずしも必要ない。アッテネータ3は入力信号と減光率との関係が事前に較正されたものを用いる。アッテネータ3として,グラデーション濃度分布を持つNDフィルタを用いることも可能である。
【0031】
出射光調整部4は複数枚の反射ミラーを備える。ここでは二枚の反射ミラーで構成した場合の実施例を説明するが、これに限られるものではなく、三枚以上の反射ミラーを適宜用いても構わない。ここで,三次元の直交座標系(XYZ座標)を仮に定義し,反射ミラーへの入射光が+X方向に進行しているものと仮定する。第一の反射ミラーは入射光を+Y方向に偏向するよう設置され(XY面内での入射・反射),第二の反射ミラーは第一の反射ミラーで反射した光を+Z方向に偏向するよう設置される(YZ面内での入射・反射)。各々の反射ミラーは平行移動とあおり角調整により,出射調整部4から出射する光の位置,進行方向(角度)が調整される。前記のように,第一の反射ミラーの入射・反射面(XY面)と第二の反射ミラー入射・反射面(YZ面)が直交するような配置とすることで,出射調整部4から出射する光(+Z方向に進行)のXZ面内の位置,角度調整と,YZ面内の位置,角度調整とを独立に行うことができる。
【0032】
ビームエキスパンダ5は二群以上のレンズ群を有し,入射する平行光束の直径を拡大する機能を持つ。例えば、凹レンズと凸レンズの組合せを備えるガリレオ型のビームエキスパンダが用いられる。ビームエキスパンダ5は二軸以上の並進ステージに設置され,所定のビーム位置と中心が一致するように位置調整が可能である。また,ビームエキスパンダ5の光軸と所定のビーム光軸が一致するようにビームエキスパンダ5全体のあおり角調整機能が備えられる。レンズの間隔を調整することにより,光束直径の拡大率を制御することが可能である(ズーム機構)。ビームエキスパンダ5に入射する光が平行でない場合には,レンズの間隔の調整により,光束の直径の拡大とコリメート(光束の準平行光化)が同時に行われる。光束のコリメートはビームエキスパンダ5の上流にビームエキスパンダ5と独立にコリメートレンズを設置して行ってもよい。ビームエキスパンダ5によるビーム径の拡大倍率は5倍から10倍程度であり,光源から出射したビーム径1mmのビームが5mmから10mm程度に拡大される。
【0033】
偏光制御部6は,1/2波長板,1/4波長板によって構成され,照明光の偏光状態を任意の偏光状態に制御する。照明部101の光路の途中において,ビームモニタ22,23によって,ビームエキスパンダ5に入射する光,および照明強度分布制御部7に入射する光の状態が計測される。
【0034】
図2乃至図6に,照明部101より試料面に導かれる照明光軸120と照明強度分布形状との位置関係の模式図を示す。なお,図2乃至図6における照明部101の構成は照明部101の構成の一部を示したものであり,出射光調整部4,ミラー21,ビームモニタ22,23等は省略されている。図2に,斜入射照明の入射面(照明光軸と試料表面法線とを含む面)の断面の模式図を示す。斜入射照明は入射面内にて試料表面に対して傾斜している。照明部101により入射面内において実質的に均一の照明強度分布が作られる。照明強度が均一である部分の長さは,単位時間当たりに広い面積を検査するため,100μmから1mm程度である。図3に,試料表面法線を含みかつ斜入射照明の入射面に垂直な面の断面の模式図を示す。この面内で,試料面上の照明強度分布は中心に対して周辺の強度が弱い照明強度分布を成す。より具体的には,照明強度分布制御部7に入射する光の強度分布を反映したガウス分布,あるいは照明強度分布制御部7の開口形状を反映した第一種第一次のベッセル関数あるいはsinc関数に類似した強度分布となる。この面内での照明強度分布の長さ(最大照明強度の13.5%以上の照明強度を持つ領域の長さ)は,試料表面から発生するヘイズを低減するため,前記入射面内における照明強度が均一である部分の長さより短く,5μmから20μm程度である。照明強度分布制御部7は,後述する非球面レンズ,回折光学素子,シリンドリカルレンズアレイ,ライトパイプなどの光学素子を備える。照明強度分布制御部7を構成する光学素子は図2、図3に示されるように,照明光軸に垂直に設置される。
【0035】
照明強度分布制御部7は入射する光の位相分布および強度分布に作用する光学素子を備える。照明強度分布制御部7を構成する光学素子として,回折光学素子71(DOE:Diffractive Optical Element)が用いられる(図7)。回折光学素子71は,入射光を透過する材質からなる基板の表面に,光の波長と同等以下の寸法の微細な起伏形状を形成したものである。入射光を透過する材質として,紫外光用には溶融石英が用いられる。回折光学素子71を通過することによる光の減衰を抑えるため,反射防止膜によるコーティングが施されたものを用いるとよい。前記の微細な起伏形状の形成にはリソグラフィ法が用いられる。前記ビームエキスパンダ5を通過後に準平行光となった光を,回折光学素子71を通過させることにより,回折光学素子71の起伏形状に応じた試料面上照明強度分布が形成される。回折光学素子の71起伏形状は,試料表面上で形成される照明強度分布が前記入射面内に長く均一な分布となるよう,フーリエ光学理論を用いた計算に基づいて求められた形状に設計され,製作される。照明強度分布制御部7に備えられる光学素子は,入射光の光軸との相対位置,角度が調整可能となるよう,二軸以上の並進調整機構,および二軸以上の回転調整機構が備えられる。さらに,光軸方向の移動によるフォーカス調整機構が設けられる。
【0036】
照明部101における照明光状態計測手段について図14を用いて説明する。ビームモニタ22は,出射光調整部4を通過した照明光の位置および角度(進行方向)を計測して出力する。ビームモニタ23は,照明強度分布制御部7に入射する照明光の位置および波面を計測して出力する。
【0037】
ビームモニタ22における照明光の位置計測は,照明光の光強度の重心位置を計測することによって行われる。具体的な位置計測手段としては,光位置センサ(PSD:Position Sensitive Detector),あるいはCCDセンサやCMOSセンサなどのイメージセンサが用いられる。ビームモニタ22における照明光の角度計測は前記位置計測手段より光源から遠く離れた位置に設置された光位置センサあるいはイメージセンサによって行われる。ビームモニタ22において計測された照明光位置,照明光角度は制御部53に入力され,表示部54に表示される。照明光位置あるいは角度が所定の位置あるいは角度からずれていた場合は,前記出射光調整部4において所定の位置に戻るよう調整される。
【0038】
ビームモニタ23における照明光の位置計測は,ビームモニタ22における位置計測手段と同様の手段によって行われる。ただし,ビームモニタ23の計測対象位置において,ビーム径が数mm以上に拡大されているため,必要に応じて計測対象位置を光位置センサ等の位置計測手段の検出器受光面に縮小投影して位置計測を行う。ビームモニタ23における照明光の波面計測は,照明強度制御部7に入射する光の平行度を測定するために行われる。照明光がシアリング干渉計による計測,あるいはシャックハルトマン波面センサによる計測が行われる。シアリング干渉計は,両面を平坦に研磨した厚さ数mm程度の光学ガラスを照明光路中に斜めに傾斜させて挿入し,表面による反射光と裏面による反射光とをスクリーンに投影した際に観測される干渉縞の模様によって,照明光の発散・収束状態を計測するものであり,シグマ光機社製SPUV−25などがある。スクリーン位置にCCDセンサやCMOSセンサなどのイメージセンサを設置すれば照明光の発散・収束状態の自動計測が可能である。シャックハルトマン波面センサは,細かなレンズアレイによって波面を分割してCCDセンサなどのイメージセンサに投影し,投影位置の変位から個々の波面の傾斜を計測するものである。シアリング干渉計と比較して,部分的な波面の乱れなど詳細な波面計測を行うことができる。波面計測により照明強度制御部7に入射する光が準平行光でなく,発散あるいは収束していることが判明した場合,前段のビームエキスパンダ5のレンズ群を光軸方向に変位させることで,準平行光に近づけることができる。また,波面計測により照明強度制御部7に入射する光の波面が部分的に傾斜していることが判明した場合,図15のようにSLMの一種である空間光位相変調素子26を照明強度制御部7の前段に挿入し,波面が平坦になるよう光束断面の位置ごとに適当な位相差を与えることで,波面を平坦に近づける,すなわち照明光を準平行光に近づけることができる。以上の波面精度計測・調整手段により,照明強度分布制御部7に入射する光の波面精度(所定の波面(設計値)からのずれ)がλ/10rms以下に抑えられる。
【0039】
照明強度分布制御部7において調整された試料面上の照明強度分布は,照明強度分布モニタ24によって計測される。なお、図1で示したように、垂直照明を用いる場合でも、同様に、照明強度分布制御部7vにおいて調整された試料面上の照明強度分布が照明強度分布モニタ24によって計測される。照明強度分布モニタ24は試料面をレンズを介してCCDセンサやCMOSセンサなどのイメージセンサ上に結像して画像として検出するものである。照明強度分布モニタ24で検出された照明強度分布の画像は制御部53において処理され,強度の重心位置,最大強度,最大強度位置,照明強度分布の幅,長さ(所定の強度以上あるいは最大強度値に対して所定の比率以上となる照明強度分布領域の幅,長さ)などが算出され,表示部54において照明強度分布の輪郭形状,断面波形などと共に表示される。
【0040】
斜入射照明を行う場合,試料面の高さ変位によって,照明強度分布の位置の変位およびデフォーカスによる照明強度分布の乱れが起こる。これを抑制するため,試料面の高さを計測し,高さがずれた場合は照明強度分布制御部7,あるいはステージ103のZ軸による高さ調整によりずれを補正する。試料面の高さ計測は,光線射出部31と,光線射出部31から射出し試料面で拡散反射した光線を受光する受光部32からなる。光線射出部31は半導体レーザなどの光源と投光レンズを備える。受光部32は受光レンズと光位置センサを備える。半導体シリコン表面や磁気ディスク基板表面など光沢の強い試料面の計測を行うため,光線射出部31から射出し試料面で正反射した光を受光部32で検出するよう,光線射出部31と受光部32が配置される。試料面の高さ変位は,三角測量の原理により,受光部32の光位置センサにて検出される光スポットの位置ずれとして検出される。
【0041】
試料面の高さ変位による,照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれの補正は,照明強度分布制御部7の下流に設置され照明光を試料面に向ける偏向手段33の偏向角度調整により行われる。偏向手段33は,照明光を偏向する反射ミラーおよび反射ミラーの照明光軸に対するあおり角を制御するピエゾ素子を備え,あおり角を±1mrad程度の範囲で400Hz以上の周波数で制御するものである。高さ変位計測値と照明光入射角から照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれ量が求められ,このずれを補正するよう,偏向手段33において制御部53から出力された制御信号をうけ反射ミラーが制御される。なお,照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれは,照明強度分布モニタ24を用いて照明強度分布の重心位置等を直接計測することによっても可能である。試料面の高さ変位による,照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれを上記偏向手段33により補正した場合,照明強度分布制御部7と試料表面との光路長が補正前とずれるため,ずれ量によっては照明スポットのデフォーカスが起こる。光路長の変化量は高さ変位計測値と高さ変位計測値と照明光入射角から求められ,これに基づいて,照明強度分布制御部7に備えられる光学素子の光軸方向の位置調整あるいはビームエキスパンダ5の発散角調整などによりデフォーカスが低減される。
【0042】
照明部101の各構成要素において,照明状態の調整をどの時間間隔,タイミングで行うかを図32を用いて説明する。光源据付時の照明状態計測・調整701は,照明部101の光路の上流から,アッテネータ3,出射光調整部4,ビームエキスパンダ5,偏向制御部6,照明強度分布制御部7,偏向手段33の調整を段階的に行い,照明光が設計された所定の光路を所定の光量,ビーム径,発散角,波面精度,偏光状態で照明強度分布7の制御部を通過するよう調整される。光源据付時の照明状態計測・調整701とは,長時間の稼動による光源2の出力低下など光源の寿命に関わる状態変化に対応するため,光源2を同等の機能,性能の新品に置き換える時も含む。
【0043】
また,光源2として用いられる高出力レーザ光源は,光源内部の非線形光学結晶に対する光照射位置が長時間の使用により劣化するため,一定期間ごとに非線形光学結晶に対する光照射位置をずらす(光路に対する結晶の位置をシフトする)ことが,光源の長寿命化のために行われる。これを行う前後でレーザ光源から出射する光の光路が再現せず,光の通過位置あるいは進行方向がずれる場合がある。このずれを計測・補正して照明を元の状態に戻すため,光源メンテナンス時の照明状態計測・調整702が行われる。光源メンテナンス時の照明状態計測・調整702は,照明部101の最も上流の光源2において出射する光の位置,出射方向,発散角,偏光状態の全てが変動しうるため,照明状態計測手段であるビームモニタ22,23,照明強度分布モニタ24の全てにおいて状態を計測し,必要に応じてアッテネータ3,出射光調整部4,ビームエキスパンダ5,偏向制御部6,照明強度分布制御部7,偏向手段33のいずれかを調整する。光源メンテナンス時の照明状態計測・調整702は,前記光源内部の非線形光学結晶に対し光照射位置をシフトした後,あるいは光源のメンテナンスのため光源内部の光学素子のクリーニングを行った後,あるいは光源として高出力ランプ光源やランプ励起レーザ光源を用いる場合はランプの交換の後などのタイミングで行われる。時間間隔としては,数ヶ月あるいは数百時間ごとに行われる。
【0044】
時間の経過による光源2の出力変化,照明部101を構成する光学素子設置位置あるいは設置角度のドリフトによる変化などによる照明状態の変化を抑制するため,月次,週次,あるいは日次で定期的な照明状態の計測・調整703が行われる。照明状態計測手段であるビームモニタ22,23,照明強度分布モニタ24の全てにおいて状態を計測し,必要に応じてアッテネータ3,出射光調整部4,ビームエキスパンダ5,偏向制御部6,照明強度分布制御部7,偏向手段33のうちいずれかを調整する。
【0045】
検査前の照明状態計測・調整704は,前記定期的な照明状態の計測・調整703で調整された後,照明部101の環境変化(気圧,温度変化等)や,ドリフトによる光学素子の位置ずれ角度ずれを補正するために行われる。検査前の照明状態計測・調整704は,前記定期的な照明状態の計測・調整703より頻度が多く,長時間を要すると検査の時間効率が落ち,検査装置の実質稼働時間が減るため,短時間で実施可能な照明状態計測・調整が行われる。具体的には,照明部101による最終的な出力である試料面上の照明強度分布の計測が照明強度分布モニタ24によって行われ,ステージ103による試料面高さの調整,偏向部33による照明光照射位置の調整あるいは照明強度分布制御部7に備えられた光学素子の位置調整が行われる。
【0046】
検査中の照明状態計測・調整705は,試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を照明部101あるいはステージ103において光学的,メカ的な手段により抑制する,あるいは後段の検出部102,信号処理部105においてその影響を補正するために行われる。試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を光学的,メカ的な手段による抑制は,前述の照明強度分布モニタ24の説明で述べたとおり,照明強度分布モニタ24あるいは前記試料面高さ計測手段による計測値に基づき,偏向部33,照度分布制御部7,空間光位相変調素子26,あるいはステージ103の調整,により,照明強度分布の重心位置変位あるいは照明強度分布のデフォーカス等による形状変化を補正するものである。この補正が試料面の検査中にリアルタイムに行われる。試料面の高さ変動による照明強度分布の変化が検査結果に与える影響とは,照明強度分布が完全に平坦にならない場合,欠陥が通過する位置によって照明強度が異なることで散乱光量がばらつき,後述の信号処理部105において散乱光量から算出される欠陥寸法,あるいは欠陥の検出感度がばらつくことを指す。検査中の走査位置ごとに照明強度分布24で計測される信号強度分布の計測値を記録し,これを用いて信号処理部105で欠陥検出に用いられるしきい値あるいは欠陥信号の振幅を補正すること,あるいは欠陥寸法算出に用いられる欠陥信号値を補正することで,上記ばらつきが抑制される。
【0047】
検査中の照明状態計測・調整705は,試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を照明部101あるいはステージ103において光学的,メカ的な手段により抑制する,後段の検出部102,信号処理部105においてその影響を補正するために行われる。試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を照明部101における抑制は,前述の照明強度分布モニタ24の説明で述べたとおり,照明強度分布モニタ24あるいは前記試料面高さ計測手段による計測値に基づき,偏向部33,照度分布制御部7,空間光位相変調素子26,あるいはステージ103の調整,により,照明強度分布の重心位置変位あるいは照明強度分布のデフォーカス等による形状変化が補正される。この補正が試料面の検査中にリアルタイムに行われる。
【0048】
光源2として,高出力が得やすいパルスレーザを用いる場合は,試料に与えられる照明のエネルギーがパルスの入射する瞬間に集中するため,パルスの入射による瞬間的な温度上昇に起因して試料に熱ダメージが生じる場合がある。これを回避するためには,パルスレーザの光路を分岐し,分岐した光路間に光路差を付けた後で光路を合成することで,図17に示すように総エネルギーを保ちつつ一パルスあたりのエネルギーを減少させることが有効である。
【0049】
図16に上記を実施するための光学系の一例を示す。ビームエキスパンダ5を通過した後の照明光が,偏光ビームスプリッタ151により,偏光ビームスプリッタ151にて反射した第一の光路と偏光ビームスプリッタ151を透過した第二の光路とに分岐される。第一の光路はレトロリフレクタ152により反射して戻り,偏光ビームスプリッタ153で反射され,第二の光路と合成される。レトロリフレクタ152は互いに直交する二枚以上の反射ミラーを備え,入力光を180度反対の方向に折り返すものである。偏光ビームスプリッタ151にて反射する光強度と透過する光強度を等しくするため,波長板150により,照明光の偏光が円偏光あるいは斜め45度の直線偏光などに調整される。第一の光路と第二の光路との間の光路差をLとすると,第一の光路を通過した光のパルスと第二の光路を通過した光のパルスの時間間隔Δtp=L/cとなる。Δtpを,単一のパルスが入射した際の温度上昇が緩和するのに要する時間と同等以上にすることで,単一パルスによる試料の瞬間的な温度上昇および複数パルスによる熱の蓄積による温度上昇が抑制される。
【0050】
上記光路合成において,合成の精度が低く,合成後の二つの光路の位置あるいは進行方向にずれがある場合,照明強度分布制御部7に入力される照明光が理想的な状態(本実施例では準平行なガウスビーム)からずれるため,最終的に試料表面上に形成される照明強度分布の状態が所望の状態からずれるという問題が起きる。前記パルスの時間間隔Δtpを確保するため二光路間の光路差を長くするほどこの問題が起こりやすくなる。二光路の光束間の位置ずれは,光束のビーム径が小さいほど,その影響(合成後の強度分布のガウスビームからのずれ)が大きくなるため,本実施例ではビームエキスパンダ5の後段において光路分割と合成を行うことにより,ビーム径拡大後に光路を分岐,合成することで,光路位置ずれの影響を低減している。また,第一の光路の折り返しは互いに独立した二枚のミラーを用いても可能であるが,その場合,二枚のミラー間の相対的な角度のずれが生じた場合に合成する二光束間の角度ずれが生じるため,そのような問題の起きないレトロリフレクタ152を用いる構成とした。また,図16に示す光学系を含む照明部101はアルミニウムなどでできた光学定盤上に設置されるが,温度変化等の環境変化による光学定盤の歪みなどの原因で,レトロリフレクタ152に入力される光束に対し,レトロリフレクタ152の位置が図16のX方向に変位した場合,レトロリフレクタ152にて反射して偏光ビームスプリッタ153に戻ってくる光束の位置がX方向に変位して位置ずれが起こる問題がある。そこで,偏光ビームスプリッタ151,153,およびレトロリフレクタ152を照明部101を支持する光学定盤上に載置した定盤154上に設置することで,照明部101を支持する光学定盤全体の配置や形状に起因する歪み等の影響を受けることなく相対的な位置関係を保つことができる。さらに定盤154としてガラスセラミックスなど低膨張の素材からなるものを用いることも,温度変化による歪みを抑制するために有効である。定盤154のみに前記の低膨張の素材を用いることは,照明部101を支持する光学定盤全体をそうすることと比較して,安価に実現可能であるという利点がある。
【0051】
照明部101によって試料面上に形成される照度分布形状(照明スポット20)と試料走査方法について図19及び図20を用いて説明する。試料Wとして円形の半導体シリコンウェハを想定する。ステージ103は,並進ステージ,回転ステージ,試料面高さ調整のためのZステージ(いずれも図示せず)を備える。照明スポット20は前述の通り一方向に長い照明強度分布を持ち,その方向をS2とし,S2に実質的に直行する方向をS1とする。回転ステージの回転運動によって,回転ステージの回転軸を中心とした円の円周方向S1に,並進ステージの並進運動によって,並進ステージの並進方向S2に走査される。走査方向S1の走査により試料を1回転する間に,走査方向S2へ照明スポット20の長手方向の長さ以下の距離だけ走査することにより,照明スポットが試料W上にてらせん状の軌跡Tを描き,試料1の全面が走査される。
【0052】
ここで,試料に熱ダメージを与えることなく照射できる照明パワーの見積もりについて説明する。「レーザプロセス技術ハンドブック」(朝倉書店,1992年)によれば,矩形一様の照明強度分布を半無限大表面に照射したときの,位置(x,y,z)における温度上昇は,
【0053】
【数1】
【0054】
と表される。ここで,εは表面での照明吸収率,Pはレーザパワー,κは熱拡散率,Kは熱伝導率,a,bは照明の幅,長さの半分,erfは誤差関数を示す。x,y,zは矩形照明分布の中心を原点とする座標であり,zが半無限体の深さ方向に対応する。熱拡散率κは熱伝導率K,密度ρ,比熱cから,κ=K/(ρc)の関係により求められる。(数1)より,矩形照明分布の中心における温度上昇は,
【0055】
【数2】
【0056】
と表される。また,長い時間照射された場合の温度上昇の定常値は,
【0057】
【数3】
【0058】
と表される。
【0059】
図20に示したようにらせん状に走査する場合,試料面中心部では,実効的な走査速度が0に近づくため,照明光が長時間照射される。よって,試料面全体の中で中心部の温度上昇が最大となり,その温度上昇値は(数3)を用いて求められる。
【0060】
試料Wが半導体シリコンウェハの場合を例にとり,試料中心部での温度上昇を求めた結果を図28及び図29に示す。結晶シリコンの物性値,反射率を元に,ε=0.912,κ=0.000100[m^2/s],K=168[W/mK]とした。照明条件として,P=1[W],照明スポット短辺幅2a=10[μm]とし,照明スポット長辺の長さを2b=10〜1000[μm]の範囲での温度上昇計算値を図28に示す。ここで,仮に温度上昇許容値Tcを設定し,温度上昇がTcを越えない照明パワーPc(許容レーザパワー)を求めた結果を図29に示す。ここでは,半導体シリコンウェハの異物検査において一般に標準サンプルとして用いられているポリスチレン粒子の材料であるポリスチレンの変形が起こるガラス転移温度100℃を越えないことを目安に,Tc=50[K](室温25℃とするとシリコン表面温度が75℃まで上昇する値)と設定した。図29より,許容照明パワーは照明スポット長さの概略0.8に比例するという関係があると言える。温度上昇値とレーザパワーは比例するため,この関係はTcに設定した定数値によらない。
【0061】
上記許容照明パワーと照明スポット長さとの関係より,ある照明スポット長さL1で,照明パワーP1が試料中心部においても試料にダメージが生じない照明パワーの上限であることが確認できた場合,別の検査条件,例えば検査速度を二倍にするために照明スポット長さを2×L1とした条件では,(2^0.8)×P1=1.74×P1が照明パワーの上限値と求められる。このように,照明スポット長さと許容照明パワーの関係を用いることにより,試料にダメージを与えることなく最大限の散乱光量を得るための最適な照明条件を容易に算出し,設定することができる。
【0062】
図30及び図31に,(数1)を用いて求めた照明光照射時間と半導体シリコンウェハの上昇温度との関係を,照明光の照明スポット長さごとに示す。照明スポット短辺の長さは10μmと仮定して計算したものである。図31に,図30の結果から求めた照射時間に対する許容照明パワーを示す。照射時間は照明スポット短辺長さと照明スポット走査速度とで決まり,回転速度一定でらせん状走査を行った場合は,照明スポット位置の回転中心からの距離に反比例して変化する。図31に示した計算値を用いることで,任意の照明条件において,半径位置ごとに許容照明パワーの上限を求めることができる。そして,これに基づいて照明スポット走査速度に応じて照明部101におけるアッテネータ3を用いて照明パワーを制御することで,試料にダメージを与えることなく最大限の散乱光量を得ることが可能となる。
【0063】
検出部102は,照明スポット20から発する複数の方向の散乱光を検出するよう,複数配置される。検出部102の試料Wおよび照明スポット20に対する配置例について図21乃至図23を用いて説明する。図21に検出部102の配置の側面図を示す。試料Wの法線に対して,検出部102による検出方向(検出開口の中心方向)のなす角を,検出天頂角と定義する。検出部102は,検出天頂角が45度以下の高角検出部102hと,検出天頂角が45度以上の低角検出部102lを適宜用いて構成される。高角検出部102h,低角検出部102l各々は,各々の検出天頂角において多方位に散乱する散乱光をカバーするよう,複数の検出部からなる。図22に,低角検出部102lの配置の平面図を示す。試料Wの表面と平行な平面内において,斜入射照明の進行方向と検出方向とのなす角を検出方位角と定義する。低角検出部102は,低角前方検出部102lf,低角側方検出部102ls,低角後方検出部102lb,およびそれらと照明入射面に関して対称な位置にある低角前方検出部102lf’,低角側方検出部102ls’,低角後方検出部102lb’を適宜備える。例えば、低角前方検出部102lfは検出方位角が0度以上60度以下,低角側方検出部102lsは検出方位角が60度以上120度以下,低角後方検出部102lbは検出方位角が120度以上180度以下に設置される。図23に,高角検出部102hの配置の平面図を示す。高角検出部102は,高角前方検出部102hf,高角側方検出部102hs,高角後方検出部102hb,および高角側方検出部102hsと照明入射面に関して対称な位置にある高角側方検出部102hs’を適宜備える。例えば、高角前方検出部102hfは検出方位角が0度以上45度以下,高角側方検出部102sは検出方位角が45度以上135度以下,高角後方検出部102bは検出方位角が135度以上180度以下に設置される。なお、ここでは高角検出部102hが4つ、低角検出部102lが6つある場合を示したがこれに限られず、検出部の数・位置を適宜変更してもよい。
【0064】
検出部102の具体的な構成を図24及び図25に示す。検出方位角90度の低角および高角の側方検出部102ls,102hsの構成を図24に示す。照明スポット20から発生する散乱光を対物レンズ201によって集光し,偏光フィルタ202通過させた後,結像レンズ203によって複数画素センサ204の受光面に導かれ,検出される。散乱光を効率良く検出するため,対物レンズ201の検出NAは0.3以上にするのが好ましい。低角度検出部の場合,対物レンズ201の下端が試料面Wに干渉しないよう,必要に応じて対物レンズの下端を切り欠く。偏光フィルタ202は偏光板あるいは偏光ビームスプリッタからなり,任意の方向の直線偏光成分をカットするよう設置される。偏光板として,透過率80%以上のワイヤグリッド偏光板などが用いられる。楕円偏光を含む任意の偏光成分をカットする場合は,波長板と偏光板からなる偏光フィルタ202を設置する。
【0065】
複数画素センサ204は,複数の光検出画素が線状に並んだものである。高感度検出を行うため,量子効率が高く(30%以上の),光電変換後の電子を電気的に増幅可能なもの,また,高速化のため,複数がその信号を並列して読み出し可能なもの,また,検出ダイナミックレンジ確保のため,検出感度(電気的な増幅のゲイン)が電気的手段などにより短時間で容易に変更可能であるもの,などが望ましい。これらを満たす光検出器として,マルチアノード光電子増倍管,アバランシェフォトダイオードアレイ,信号の並列読み出しが可能なリニアEMCCD(Electron Multiplying CCD),信号の並列読み出しが可能なリニアEBCCD(Electron Bombardment CCD),が用いられる。本実施例ではマルチアノード光電子増倍管を用いた構成を説明する。対物レンズ201および結像レンズ203によって,試料面の像が試料面共役面205に結像される。試料面に対して傾斜した結像するため,走査方向S1に関して,像高の大きい位置にある物体はデフォーカスにより複数画素センサ204の受光面に像を結ばずにボケるが,走査方向S1は照明スポット20の寸法が短いため,像高の大きい位置にある物体は検出に影響を与えない。
【0066】
図25に,低角および高角の前方および後方検出部102lf,102hf,102lb,102hbの構成例を示す。照明スポット20から発生する散乱光を対物レンズ201によって集光し,偏光フィルタ202通過させた後,結像レンズ203によって,試料面と共役な面に設置された回折格子206上に試料面の像(中間像)が結像される。回折格子206上に形成された試料面の像は,結像系207によって複数画素センサ204の受光面上に投影され,検出される。複数画素センサ204は,一方向に長い照明スポット20の形状に合せ,画素の配列方向が照明スポット20の像の長手方向に一致するよう,試料面に共役な面内に設置される。回折格子206は,結像レンズ203によって導かれ中間像を形成する光を回折格子206の表面の法線方向に回折させるため,結像レンズ203によって導かれ中間像を形成する光の光軸に沿った入射光のN次回折光が回折格子206の表面の法線方向に向かうよう,回折格子形状が形成されたものを用いる。回折効率を高めるため,ブレーズ回折格子が用いられる。以上の構成をとり試料面に共役な面に複数画素センサ204を設置することで,試料面上のS1方向についてもピントのずれを抑えて広い範囲で有効視野を確保することができ,かつ光量ロスを少なく散乱光を検出することができる。
【0067】
なお,前記図31に示した計算値に基づいて照明スポット走査速度に応じて照明パワーを制御する場合,同一寸法の欠陥でも散乱光信号の波高値が変化する。照明パワー制御に平行して検出部102の複数画素センサ204の電子増倍ゲインを決める印加電圧を制御することにより,照明パワー制御に対応して複数画素センサ204のダイナミックレンジが動的に合せこまれる。印加電圧の制御は,複数画素センサ204の電子増倍ゲインが照明スポット走査速度ごとに与えられる照明パワーに反比例するように行われる。
【0068】
ここで,照明スポット20の長さと検出部102の光学倍率,複数画素センサ204の寸法との関係を説明する。高感度,高速検査を行う場合,照明スポット20の長さは概略400μmに設定される。複数画素センサ204として32画素が1mmピッチで並んだものを設置する場合,検出部の光学倍率は80倍となり,試料面上に投影される画素のピッチは12.5μmとなる。この条件で試料を回転速度2000rpmで回転させた場合,直径300mmの円形試料は11秒で,直径450mmの円形試料は17秒で全面が走査される。さらに高速に検査を行う場合,照明スポット20の長さは概略1000μmに設定される。複数画素センサ204として32画素が1mmピッチで並んだものを設置する場合,検出部の光学倍率は32倍となり,試料面上に投影される画素のピッチは31.3μmとなる。この条件で試料を回転速度2000rpmで回転させた場合,直径300mmの円形試料は5秒で,直径450mmの円形試料は7秒で全面が走査される。
【0069】
次に,図26及び図27を用いて、広い角度範囲をカバーする複数の検出光学系によって同時に検出される様々な方向の散乱光強度検出信号に基づいて様々な欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度に行う信号処理部105について説明する。信号処理部105は,アナログ処理部51,デジタル処理部52を有して構成される。
【0070】
まず,信号処理部105を構成するアナログ処理部51について図26を用いて説明する。ここでは簡単のため複数の検出部102のうち検出部102a,102b(図示しない)の二系統備えた場合のアナログ処理部51の構成について説明する。検出部102a,102b各々に備えられた検出器から出力された信号電流500a,500bは,プリアンプ部501a,501bにより各々電圧に変換されて増幅される。該増幅されたアナログ信号は,さらにローパスフィルタ511a,511bにより高周波数のノイズ成分がカットされ,その後,ローパスフィルタ511a,511bのカットオフ周波数より高いサンプリングレートを備えたアナログ−デジタル変換部(A/D変換部)502a,502bで,デジタル信号に変換されて出力される。
【0071】
次に,信号処理部105を構成するデジタル処理部52について図27を用いて説明する。アナログ処理部51からの各々の出力信号は,デジタル処理部52において,ハイパスフィルタ604a,604bの各々により欠陥信号603a,603bの各々が抽出され,欠陥判定部605に入力される。欠陥は照野20によりS1方向に走査されるため,欠陥信号の波形は照野20のS1方向の照度分布プロファイルを拡大縮小したものとなる。従って,ハイパスフィルタ604a,604bの各々により,欠陥信号波形の含まれる周波数帯域を通し,ノイズが相対的に多く含まれる周波数帯域および直流成分をカットすることで,欠陥信号603a,603bのS/Nが向上する。各ハイパスフィルタ604a,604bとしては,特定のカットオフ周波数を持ちその周波数以上の成分を遮断するよう設計されたハイパスフィルタ,あるいはバンドパスフィルタ,あるいは照明スポット20の形状が反映された欠陥信号の波形と相似形を成すFIRフィルタを用いる。欠陥判定部605は,ハイパスフィルタ604a,604bの各々から出力された欠陥波形を含む信号の入力に対してしきい値処理を行い,欠陥の有無を判定する。即ち,欠陥判定部605には,複数の検出光学系からの検出信号にもとづく欠陥信号が入力されるので,欠陥判定部605は,複数の欠陥信号の和や加重平均に対してしきい値処理を行うか,または複数の欠陥信号に対してしきい値処理により抽出された欠陥群についてウェハの表面に設定された同一座標系でORやANDを取ることなどにより,単一の欠陥信号に基づく欠陥検出と比較して高感度の欠陥検査を行うことが可能となる。
【0072】
更に,欠陥判定部605は,欠陥が存在すると判定された箇所について,その欠陥波形と感度情報信号に基づいて算出されるウェハ内の欠陥位置を示す欠陥座標および欠陥寸法の推定値を,欠陥情報として制御部53に提供して表示部54などに出力する。欠陥座標は欠陥波形の重心を基準として算出される。欠陥寸法は欠陥波形の積分値あるいは最大値を元に算出される。
【0073】
さらに,アナログ処理部51からの各々の出力信号は,デジタル処理部52を構成するハイパスフィルタ604a,604bに加えて,ローパスフィルタ601a,601bの各々に入力され,ローパスフィルタ601a,601bの各々において,ウェハ上の照明スポット20における微小ラフネスからの散乱光量(ヘイズ)に対応する周波数の低い成分および直流成分が出力される。このようにローパスフィルタ601a,601bの各々からの出力はヘイズ処理部606に入力されてヘイズ情報の処理が行われる。即ち,ヘイズ処理部605は,ローパスフィルタ601a,601bの各々から得られる入力信号の大きさからウェハ上の場所ごとのヘイズの大小に対応する信号をヘイズ信号として出力する。また,微小ラフネスの空間周波数分布に応じてラフネスからの散乱光量の角度分布が変わるため,図21乃至23に示したように,互いに異なる方位,角度に設置された複数の検出部102の各検出器からのヘイズ信号をヘイズ処理部606への入力とすることで,ヘイズ処理部606からはそれらの強度比などから微小ラフネスの空間周波数分布に関する情報を得ることができる。
【0074】
ここで,照明強度分布制御部7において用いられる光学素子の変形例を説明する。前記回折光学素子71と同様の機能を持つ代替の光学素子として,非球面レンズ72(図8),シリンドリカルレンズアレイ74とシリンドリカルレンズ75との組合せ(図9、図10)),ライトパイプ76と結像レンズ77との組合せ(図11、図12),あるいは空間光変調素子(SLM:Spatial Light Modulator)78(図13)が用いられる。シリンドリカルレンズアレイ74は,図9に示すように,試料面に対する照明の入射面内において,入射した平行光束を複数の平行光束に分離して各々を屈曲し,試料面上でそれらの位置をずらしながら重ね合わせる役割を持つ。光源2としてレーザ光源を用いると試料面上で複数の照明光束を重ね合わせた際にスペックルが発生して照明強度分布の均一性が低下する。これを避けるため,階段状の石英ガラスブロックなどによる光路差付与手段73により複数の照明光束間に光源の可干渉距離以上の光路差をつける。図10に示すように,試料面に対する照明の入射面内では,入射光束は平行光のままシリンドリカルレンズアレイ74を透過し,シリンドリカルレンズ75によって試料面上に集光される。ライトパイプ76は,円柱状あるいは角柱状の筒であり,内壁が照明光を高反射率で反射する金属等の材質からなり,その内部が中空あるいは照明光を高透過率で透過する材質で満たされたものである。ライトパイプ76の前段の集光レンズ80でライトパイプ76の入り口近くに集光された光は,ライトパイプ76の内部を通過する間に多数回の反射を繰り返し,ライトパイプ76の出口において空間的に均一な強度分布となる。結像レンズ77によってライトパイプ76の出口と試料表面が共役な関係に結ばれており,ライトパイプ76の出口における均一な光強度分布と相似な光強度分布が試料面上に形成される。図11のように結像レンズ77をライトパイプ76の出口面および光軸に対して傾斜させることで、試料面Wに均一照明強度分布の像を結ぶことができる。あるいは、図12のように出口面を試料面Wと平行になるよう加工したライトパイプ76’を用いることで、ライトパイプ出口面と試料面との間の光路距離が像高によらず等しくなるため、結像レンズ77’の設計が容易になる。図13の空間光変調素子78は,入射した光束の断面内の微小領域ごとに強度あるいは位相を変調することで,試料面上の照明強度分布を制御するものであり,制御部53から発した制御信号を受けて,試料面上の照明強度分布を動的に制御することが可能である。空間光変調素子78として,液晶素子,磁気光学空間光変調素子,デジタルマイクロミラーデバイス(反射型)などが用いられる。空間光変調素子78単独,あるいは空間光変調素子78と集光レンズ79との組合せにより所望の照明強度分布が形成される。
【0075】
図33に、回折光学素子等の照明強度分布形成素子82によって中間像面に所定の照明強度分布を形成し、それを中間像面と共役な関係にある試料表面上に結像系83を介して転写する、照明強度分布制御部7の変形例の構成を示す。照明強度分布形成素子82は回折光学素子や非球面レンズからなり、一方向に均一な強度の照明強度分布を形成する。中間像は結像系83によって試料表面にリレーされて結像される。中間像面、結像系83のレンズ面および試料表面の関係はシャインプルーフの関係に従う。すなわち空間上の一つの軸上で(図33では一点で)交わる。結像系83は軸外光による収差および試料面傾斜による収差を抑えるために複数枚のレンズあるいは非球面レンズにより構成される。
【0076】
図33の構成で照明強度分布中間像を中間像面に対して傾斜した試料表面に結像する場合、像高(試料表面上の位置)によって結像倍率が異なるため、図34(b−2)に示すように、矩形だった中間像が台形状に変形する。この影響を低減するため、図34(b−3)に示すように、予め中間像面における照明強度分布が図34(b−2)の台形と逆方向の台形になるよう照明強度分布形成素子82を設計しておき、これを試料表面に結像することで、試料表面において矩形の照明強度分布を形成することができる。ここでさらに中間像面において像高ごとの結像倍率に比例するような照明強度分布を形成しておくことで、試料表面上での照明強度分布を均一にすることができる。また、以上述べた矩形の中間像が台形に変形する現象は、結像系83の画角が比較的大きい場合に起こるため、画角が小さくなるような構成にすることで影響を低減することができる(図34(b−1))。具体的には、結像系83のワークディスタンスあるいは焦点距離に対する視野の大きさが小さければよく、ワークディスタンスあるいは焦点距離と視野の比が100:1以下、あるいは画角10mrad以下であればよい。例えば、照明強度分布の長手方向の長さが1mmの場合は結像系83のワークディスタンスを100mm以上とすればよい。
【0077】
図33に類する構成で中間像の変形を避ける別の実施例として、テレセントリック結像系85を結像系83として用いる構成を図35に示す。照明強度分布形成素子82によって形成された照明強度分布の中間像はテレセントリック結像系85によって試料表面に結像される。テレセントリック結像系85は複数枚のレンズと開口絞り86とを用いて構成される。テレセントリック結像系85を両側テレセントリックの構成にすることで、像高による倍率の変化が無くなり、試料面における照明強度分布の変形が抑えられる。両側テレセントリックの構成にする場合、図35に示すようにテレセントリック結像系85の光軸が中間像面に入射する光線の主光軸に対して傾斜する。そこで、テレセントリック結像系85の集光NAを中間像面に入射する光線の主光軸を含むよう大きくとるか、あるいは図35に示すように回折格子84を中間像面に設置して中間像面通過後の光線を曲げてテレセントリック結像系85の光軸に合せることで、中間像面に入射する光が試料面に効率よく導かれる。回折格子84としては反射型あるいは透過型のブレーズ回折格子が適しており、所望の方向への回折効率が50%以上のものが用いられる。
【0078】
照明強度分布制御部7の他の変形例として,照度分布制御素子82と回折格子87を用いた構成を図36に示す。照度分布制御素子82は光軸に対して垂直な面内に所望の照明強度分布を形成する機能を持つ。ここで照度分布制御素子82の下流(あるいは直前)に回折格子87を設置することで、波面に対して光軸を屈曲し、光軸に対して傾斜した試料面に所望の照明強度分布が形成される。照度分布制御素子82としては、回折光学素子あるいは非球面レンズが用いられる。回折格子87としては反射型あるいは透過型のブレーズ回折格子が適しており、所望の方向への回折効率が50%以上のものが用いられる。
【0079】
照明強度分布制御部7の他の変形例として,照度分布制御素子82と円錐レンズ88を用いた構成を図37に示す。円錐レンズ88は、円錐形状あるいは円錐の側面の一部を切り出した形状をしたレンズであり、光の通過する位置によって曲率が異なる性質を持つ。円錐レンズ88の曲率が変化する方向と光軸の試料面に対する入射面とを一致させることにより、光軸に対して傾斜した試料面上に照明強度分布像が焦点を結ぶようにすることができる。
【0080】
照明強度分布制御部7の他の変形例として,図4に,照明強度分布制御部7を構成する光学素子を試料面と平行に設置する例を示す。このように設置する光学素子には,光学素子表面の法線に対して大きく傾斜した軸外光に対する集光性能が要求されるが,光学素子表面と試料面との距離が一定となる点では集光が容易になる。
【0081】
照明強度分布制御部7の他の変形例として,図5、図6に,試料表面法線を含みかつ斜入射照明の入射面内と垂直な面内において均一な照明強度分布を生成する変形例を示す。図6に示すように,照明光軸に垂直な面内において照明強度分布を均一化するため,図2、図3に示した構成より均一照明強度分布の形成が容易である利点がある。ただし,照明スポットの短径方向と,試料表面高さ変位による照明スポットの位置ずれ方向とが一致するため,検出される欠陥の座標精度が低下する。これを抑えるため,試料表面高さ変位を低減するよう,試料裏面の全面吸着による試料保持あるいは低速走査がステージ部103においてなされる。
【0082】
図16に示した光路分岐,合成の変形例を図18を用いて説明する。図16に示した光路分岐,合成を行った場合,二光路の合成後,互いに干渉しない二方向の偏光成分が重ね合わされることで無偏光状態となり,後段の偏光制御部6において直線偏光を生成する場合に照明エネルギーのロスが起こる。そこで,変形例として,図18に示すように,透過する光の偏光状態を時間的に切替可能な偏光変調素子155を用いることで,全てのパルスの偏光状態を揃え,照明エネルギーのロス無く直線偏光を生成することができる。偏光変調素子155として,光弾性変調器(PEM:Photoelastic Modulator),液晶素子,電気光学変調器,音響光学変調器などが用いられる。
【符号の説明】
【0083】
2…光源
3…アッテネータ
4…出射光調整部
5…ビームエキスパンダ
6…偏光制御部
7…照明強度分布制御部
7v…照明強度分布制御部
22…ビームモニタ
23…ビームモニタ
24…照明強度分布モニタ
53…制御部
54…表示部
55…入力部
101…照明部
102…検出部
103…ステージ部
105…信号処理部
120…照明光軸
201…対物レンズ
202…偏光フィルタ
203…結像レンズ
204…複数画素センサ
205…試料面共役面
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源から出射した光を,所望の光量,位置,ビーム径,および偏光状態を持った光束に調整する照明光調整工程と,
前記照明光調整工程により得られる光束を所望の入射角をもって試料表面に導き,前記試料表面におけるある一方向について前記試料表面に与えられる照明強度分布が実質的に均一になるよう照明強度分布を制御する照明強度分布制御工程と,
前記照明強度分布制御工程による前記試料面上の照明光照射位置において,前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に試料を変位させる試料走査工程と,
前記試料走査工程において試料上にて発生する散乱光のうち互い異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を出力する散乱光検出工程と,
前記散乱光検出工程において得られる複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の存在を判定する欠陥判定工程と,
前記欠陥判定工程において欠陥と判定される箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定工程と,
前記欠陥判定工程において欠陥と判定される箇所各々について,前記試料表面上における位置および前記欠陥寸法判定工程において得られる欠陥寸法を表示する表示工程と、
を有することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項2】
前記散乱光検出工程において,前記照明強度分布制御工程によって照明光が照射される領域内の複数の小領域から出射される散乱光を対応する複数の光検出画素に各々導いて検出することを特徴とする請求項1に記載の欠陥検査方法。
【請求項3】
前記照明光調整工程において,前記光束の光量および位置を計測する照明光計測工程を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の欠陥検査方法。
【請求項4】
前記照明強度分布制御工程において得られる前記試料表面上の照明強度分布を計測する照明強度分布計測工程を有することを特徴とする請求項3に記載の欠陥検査方法。
【請求項5】
前記照明光計測工程において,前記光束の光量,位置,あるいは進行方向の計測値に基づき,前記光束が所望の状態に近づくよう光束の状態を変化させる工程を有することを特徴とする請求項3又は4に記載の欠陥検査方法。
【請求項6】
前記照明光調整工程において,前記光束の光量を,前記試料表面上での照明スポットの寸法,試料表面の材質の熱伝導率,熱拡散率とを用いて計算によって求められる試料表面の温度上昇の最大値に基づいて設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の欠陥検査方法。
【請求項7】
前記照明光調整工程において,互いに異なる複数の検査条件において試料表面上に導かれる光束の光量を、各々の検査条件における試料表面上での照明スポットの長手方向の長さの概略0.8乗に比例する光量に設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の欠陥検査方法。
【請求項8】
前記照明光調整工程において,前記光束の光量を,試料表面上での照明スポットの寸法,試料表面の材質の熱伝導率,熱拡散率,前記試料走査工程における試料の変位速度とに基づいて設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の欠陥検査方法。
【請求項9】
前記照明光調整工程において,前記光束の光量を,前記試料走査工程による試料変位中に動的に変化させることを特徴とする請求項8に記載の欠陥検査方法。
【請求項10】
試料の表面におけるある一方向について照明強度分布が実質的に均一な照明光を、前記試料の表面に照射し、前記試料の表面からの散乱光のうち互いに異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を得、前記複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の存在を判定し、前記処理により欠陥と判定された箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の寸法を判定し、前記欠陥と判定された箇所各々について前記試料表面上における位置及び欠陥寸法を表示する欠陥検査方法。
【請求項11】
請求項10記載の欠陥検査方法であって、
前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に前記試料を移動させながら、前記試料の表面に前記照明光を照射することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項12】
光源から出射した光を,所望の光量,位置,ビーム径,および偏光状態を持った光束に調整する照明光調整手段と,
前記照明光調整手段により得られる光束を所望の入射角をもって試料表面に導き,前記試料表面におけるある一方向について前記試料表面に与えられる照明強度分布が実質的に均一になるよう照明強度分布を制御する照明強度分布制御手段と,
前記照明強度分布制御手段による前記試料面上の照明光照射位置において,前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に試料を変位させる試料走査手段と,
前記照明強度分布が制御された照明光により前記試料上にて発生する散乱光のうち互い異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を出力する散乱光検出手段と,
前記散乱光検出手段において得られる複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の存在を判定する欠陥判定手段と,
前記欠陥判定手段において欠陥と判定される箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定手段と,
前記欠陥判定手段において欠陥と判定される箇所各々について,前記試料表面上における位置および前記欠陥寸法判定手段において得られる欠陥寸法を表示する表示手段と、
を有することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項13】
前記散乱光検出手段において,前記照明強度分布制御手段によって照明光が照射される領域内の複数の小領域から出射される散乱光を対応する複数の光検出画素に各々導いて検出することを特徴とする請求項1に記載の欠陥検査装置。
【請求項14】
前記照明光調整手段は,さらに、前記光束の光量および位置を計測する照明光計測手段を有することを特徴とする請求項12又は13に記載の欠陥検査装置。
【請求項15】
前記照明強度分布制御手段は、さらに、前記試料表面上の照明強度分布を計測する照明強度分布計測手段を有することを特徴とする請求項14に記載の欠陥検査装置。
【請求項16】
前記照明光調整手段は,前記光束の光量を,前記試料表面上での照明スポットの寸法,試料表面の材質の熱伝導率,熱拡散率とを用いて計算によって求められる試料表面の温度上昇の最大値に基づいて設定することを特徴とする請求項12又は13に記載の欠陥検査装置。
【請求項17】
前記照明光調整手段は,互いに異なる複数の検査条件において試料表面上に導かれる光束の光量を、各々の検査条件における試料表面上での照明スポットの長手方向の長さの概略0.8乗に比例する光量に設定することを特徴とする請求項12又は13に記載の欠陥検査装置。
【請求項18】
前記照明光調整手段は,前記光束の光量を,試料表面上での照明スポットの寸法,試料表面の材質の熱伝導率,熱拡散率,試料の変位速度とに基づいて設定することを特徴とする請求項12又は13に記載の欠陥検査装置。
【請求項19】
前記照明光調整手段において,前記光束の光量を,試料変位中に動的に変化させることを特徴とする請求項18に記載の欠陥検査装置。
【請求項1】
光源から出射した光を,所望の光量,位置,ビーム径,および偏光状態を持った光束に調整する照明光調整工程と,
前記照明光調整工程により得られる光束を所望の入射角をもって試料表面に導き,前記試料表面におけるある一方向について前記試料表面に与えられる照明強度分布が実質的に均一になるよう照明強度分布を制御する照明強度分布制御工程と,
前記照明強度分布制御工程による前記試料面上の照明光照射位置において,前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に試料を変位させる試料走査工程と,
前記試料走査工程において試料上にて発生する散乱光のうち互い異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を出力する散乱光検出工程と,
前記散乱光検出工程において得られる複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の存在を判定する欠陥判定工程と,
前記欠陥判定工程において欠陥と判定される箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定工程と,
前記欠陥判定工程において欠陥と判定される箇所各々について,前記試料表面上における位置および前記欠陥寸法判定工程において得られる欠陥寸法を表示する表示工程と、
を有することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項2】
前記散乱光検出工程において,前記照明強度分布制御工程によって照明光が照射される領域内の複数の小領域から出射される散乱光を対応する複数の光検出画素に各々導いて検出することを特徴とする請求項1に記載の欠陥検査方法。
【請求項3】
前記照明光調整工程において,前記光束の光量および位置を計測する照明光計測工程を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の欠陥検査方法。
【請求項4】
前記照明強度分布制御工程において得られる前記試料表面上の照明強度分布を計測する照明強度分布計測工程を有することを特徴とする請求項3に記載の欠陥検査方法。
【請求項5】
前記照明光計測工程において,前記光束の光量,位置,あるいは進行方向の計測値に基づき,前記光束が所望の状態に近づくよう光束の状態を変化させる工程を有することを特徴とする請求項3又は4に記載の欠陥検査方法。
【請求項6】
前記照明光調整工程において,前記光束の光量を,前記試料表面上での照明スポットの寸法,試料表面の材質の熱伝導率,熱拡散率とを用いて計算によって求められる試料表面の温度上昇の最大値に基づいて設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の欠陥検査方法。
【請求項7】
前記照明光調整工程において,互いに異なる複数の検査条件において試料表面上に導かれる光束の光量を、各々の検査条件における試料表面上での照明スポットの長手方向の長さの概略0.8乗に比例する光量に設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の欠陥検査方法。
【請求項8】
前記照明光調整工程において,前記光束の光量を,試料表面上での照明スポットの寸法,試料表面の材質の熱伝導率,熱拡散率,前記試料走査工程における試料の変位速度とに基づいて設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の欠陥検査方法。
【請求項9】
前記照明光調整工程において,前記光束の光量を,前記試料走査工程による試料変位中に動的に変化させることを特徴とする請求項8に記載の欠陥検査方法。
【請求項10】
試料の表面におけるある一方向について照明強度分布が実質的に均一な照明光を、前記試料の表面に照射し、前記試料の表面からの散乱光のうち互いに異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を得、前記複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の存在を判定し、前記処理により欠陥と判定された箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の寸法を判定し、前記欠陥と判定された箇所各々について前記試料表面上における位置及び欠陥寸法を表示する欠陥検査方法。
【請求項11】
請求項10記載の欠陥検査方法であって、
前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に前記試料を移動させながら、前記試料の表面に前記照明光を照射することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項12】
光源から出射した光を,所望の光量,位置,ビーム径,および偏光状態を持った光束に調整する照明光調整手段と,
前記照明光調整手段により得られる光束を所望の入射角をもって試料表面に導き,前記試料表面におけるある一方向について前記試料表面に与えられる照明強度分布が実質的に均一になるよう照明強度分布を制御する照明強度分布制御手段と,
前記照明強度分布制御手段による前記試料面上の照明光照射位置において,前記照明強度分布が実質的に均一な方向に対して実質的に垂直な方向に試料を変位させる試料走査手段と,
前記照明強度分布が制御された照明光により前記試料上にて発生する散乱光のうち互い異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を出力する散乱光検出手段と,
前記散乱光検出手段において得られる複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の存在を判定する欠陥判定手段と,
前記欠陥判定手段において欠陥と判定される箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つの信号を処理して欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定手段と,
前記欠陥判定手段において欠陥と判定される箇所各々について,前記試料表面上における位置および前記欠陥寸法判定手段において得られる欠陥寸法を表示する表示手段と、
を有することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項13】
前記散乱光検出手段において,前記照明強度分布制御手段によって照明光が照射される領域内の複数の小領域から出射される散乱光を対応する複数の光検出画素に各々導いて検出することを特徴とする請求項1に記載の欠陥検査装置。
【請求項14】
前記照明光調整手段は,さらに、前記光束の光量および位置を計測する照明光計測手段を有することを特徴とする請求項12又は13に記載の欠陥検査装置。
【請求項15】
前記照明強度分布制御手段は、さらに、前記試料表面上の照明強度分布を計測する照明強度分布計測手段を有することを特徴とする請求項14に記載の欠陥検査装置。
【請求項16】
前記照明光調整手段は,前記光束の光量を,前記試料表面上での照明スポットの寸法,試料表面の材質の熱伝導率,熱拡散率とを用いて計算によって求められる試料表面の温度上昇の最大値に基づいて設定することを特徴とする請求項12又は13に記載の欠陥検査装置。
【請求項17】
前記照明光調整手段は,互いに異なる複数の検査条件において試料表面上に導かれる光束の光量を、各々の検査条件における試料表面上での照明スポットの長手方向の長さの概略0.8乗に比例する光量に設定することを特徴とする請求項12又は13に記載の欠陥検査装置。
【請求項18】
前記照明光調整手段は,前記光束の光量を,試料表面上での照明スポットの寸法,試料表面の材質の熱伝導率,熱拡散率,試料の変位速度とに基づいて設定することを特徴とする請求項12又は13に記載の欠陥検査装置。
【請求項19】
前記照明光調整手段において,前記光束の光量を,試料変位中に動的に変化させることを特徴とする請求項18に記載の欠陥検査装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【公開番号】特開2011−2314(P2011−2314A)
【公開日】平成23年1月6日(2011.1.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−144881(P2009−144881)
【出願日】平成21年6月18日(2009.6.18)
【出願人】(501387839)株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年1月6日(2011.1.6)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年6月18日(2009.6.18)
【出願人】(501387839)株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Fターム(参考)】
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