欠陥検査装置および欠陥検査方法
【課題】検査対象物（例えば半導体パターン）の微細化により、検査すべき欠陥の大きさも微小化し、欠陥からの散乱光の強度が大幅に減少するが、このような欠陥からの微小な散乱光を検出するのに適した欠陥検査装置および方法を提供する。
【解決手段】表面にパターンが形成された試料１００に光を照射するレーザ光源１１１を備える照明光学系１１０ａと、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光を検出するセンサ１２６を備える検出光学系１２０と、前記検出光学系により検出された光に基づく画像から欠陥を抽出する信号処理手段２５０と、を備え、前記検出光学系にて光を検出する間に前記センサの増幅率を動的に変化させることを特徴とする欠陥検査装置である。
【解決手段】表面にパターンが形成された試料１００に光を照射するレーザ光源１１１を備える照明光学系１１０ａと、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光を検出するセンサ１２６を備える検出光学系１２０と、前記検出光学系により検出された光に基づく画像から欠陥を抽出する信号処理手段２５０と、を備え、前記検出光学系にて光を検出する間に前記センサの増幅率を動的に変化させることを特徴とする欠陥検査装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウエハや液晶基板を検査する欠陥検査装置および欠陥検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩや液晶基板を製造する際に、被加工対象物（例えば半導体ウエハ）上に形成される繰り返しパターンがある。このようなＬＳＩや液晶基板の製造において、被加工対象物の表面に異物が付着したり、または欠陥が発生すると、例えば、配線の絶縁不良や短絡などの不良原因となる。ここで、回路パターンの微細化に伴い、被加工対象物上に形成されるパターン（非欠陥部）と、微細な異物や欠陥を弁別することが困難になってきている。
ここで欠陥とは、被検査対象物である試料上に付着するパーティクルや結晶欠陥ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）、研磨により生じるスクラッチなどである。
【０００３】
本技術の背景技術として、ＵＳ６６１７６０３（特許文献１）がある。この公報には、ｎ個の増幅型受光素子である（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）により形成される受光領域の配列方向での中央をピーク値としてその両側に向かって受光量が実質的に対照的に漸次減少する特性での面板の走査位置の映像を受光領域に結像し、欠陥の有無によって受光量のプロファイルが変化することを利用し欠陥検出する方法（Ａｂｓｔｒａｃｔ）が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＵＳ６６１７６０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
検査対象物（例えば半導体パターン）の微細化により、検査すべき欠陥の大きさも微小化し、欠陥からの散乱光の強度が大幅に減少する。この欠陥からの微小な散乱光を検出には、既存のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）アレイセンサ、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）アレイセンサでは、感度が不足する。特許文献１では、感度向上のために増幅型センサをアレイ状に配置した素子を用いているが、以下の課題がある。
検査対象物の部位により散乱光の光量が大きく異なる場合、センサが飽和しないように明部に感度を合わせると、ますます暗部の感度が低下する。
【０００６】
また、レンズ等の反射があり、微弱な欠陥散乱光がこれらの反射光に埋もれてしまい感度が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
（１）表面にパターンが形成された試料に光を照射するレーザ光源を備える照明光学系と、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光を検出するセンサを備える検出光学系と、前記検出光学系により検出された光に基づく画像から欠陥を抽出する信号処理手段と、を備え、前記検出光学系にて光を検出する間に前記センサの増幅率を動的に変化させることを特徴とする欠陥検査装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高感度欠陥検出精度を実現する欠陥検査装置および欠陥検査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る光学式検査装置の第１の実施例概略の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係る光学式検査装置の照明光学系の平面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る光学式検査装置の照明光学系の側面図である。
【図４】本発明の実施例１に係る照明の細線幅調整機構を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る照明のサイドローブ抑制機構を示す図である。
【図６】本発明の実施例１に係るセンサアレイの増幅率による画像の違いを示す図である。
【図７】本発明の実施例１に係るセンサアレイの増幅率調整結果を示す図である。
【図８】本発明の実施例１に係る増幅率決定のフロー図である。
【図９】本発明の実施例１に係る斜方照明系によるゲートモードサンプリングを示す図である。
【図１０】本発明の実施例１に係る落射照明系によるゲートモードサンプリングを示す図である。
【図１１】本発明の実施例１に係る膜厚解析部を示す図である。
【図１２】本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の実施例２に係る光学式検査装置の検出器構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の実施例２に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明に係る光学式検査装置の第1の実施例を、図１乃至図１５を用いて説明する。以下では、半導体ウエハの暗視野検査装置による検査を例にとって説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る光学式検査装置の第１の実施例を示す図である。
実施例１に係る光学式検査装置は、斜方照明光学系１１０ａ及び落射照明光学系１１０ｂ（分岐ミラー１１６、ミラー１１７、線状照明系１１８、ウエハ上への照明ミラー１１９、対物レンズ１２１を備えて構成される）、ステージ部１７０、撮像光学系（検出光学系）１２０及び信号処理・制御系２５０とを備えて構成されている。照明光学系１１０は、ステージ部１７０に載置された被検査対象物である試料（半導体ウエハ）１００に照明光を半導体ウエハ１００の表面の法線方向に対して傾いた方向から照明（斜方照明）、もしくは法線方向から（落射照明）線状ビームを照明し、照射された半導体ウエハ１００から散乱する散乱光を検出光学系１２０により検出する。検出光学系のセンサには増幅率が高く、増幅率を高速に制御できるＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）アレイなどを用いて、高感度にウエハからの散乱光のみを検出する。その際、ステージ部１７０を平面内で駆動することによりステージ部１７０に載置された半導体ウエハ１００上を照明光学系１１０ａ又は１１０ｂからの照明光で走査する。信号処理・制御系２５０は、検出光学系１２０により検出された半導体ウエハ１００からの散乱光を処理して半導体ウエハ１００上に存在する欠陥を検出する。
【００１３】
〔斜方照明光学系１１０ａ〕
照明光学系１１０ａは、レーザ光源１１１、光量調節手段（アッテネータ、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ）１１２、ビームエキスパンダ１１３、偏光板や波長板を備えてなる偏光生成部１１４、検査対象（半導体ウエハ）１００に線状のビームを照射するための線状ビーム生成部（線状照明系）１１５を備えて構成される。
レーザ光源１１１は、レーザビームを出射する。このとき、光源１１１には、気体レーザ、半導体レーザ、固体レーザや、面発光レーザなどが利用可能である。波長は赤外、可視域、紫外を用いることができるが、波長が短くなるほど光学的な分解能が向上するため、微細欠陥を見る際にはＵＶ（Ultra Violet:紫外線)、ＤＵＶ（Deep Ultra Violet:深紫外線）、ＶＵＶ（Vacuum Ultra Violet:真空紫外線）、ＥＵＶ（Extreme Ultra Violet:極端紫外線）などの紫外域の光を用いるとよい。
ビーム整形手段１１３は、レーザ光源１１１から出射されたレーザビームを整形する。
図２は照明光学系１１０の平面図、図３はその側面図であり、本実施例では、ビーム成形手段１１３を、図２及び図３に示すようにレーザ光源１１１から出射されたレーザビームの径を拡大するビームエキスパンダ１１３１と拡大されたレーザを平行光に成形するコリメートレンズ１１３２で構成する。
偏光生成部１１４は、偏光板１１４１や波長板１１４２を備えて構成され、ビーム成形手段１１３のビームエキスパンダ１１３１でビーム径を拡大された光の偏光特性を調整する。線状ビーム生成部１１５はシリンドリカルレンズ等より構成される。
【００１４】
上記した構成において、レーザ光源１１１から出射されたレーザビームは、光量調整手段（アッテネータ、ＮＤフィルタ）１１２で光量が調整され、ビーム成形手段１１３でビームエキスパンダ１１３１によりビーム径が拡大されてコリメ−トレンズ１１３２で平行光に成形され、偏光制御部１１４で偏光の状態が制御され、線状ビーム生成部１１５により一方向に集光され、y軸と平行な線状ビーム１０１となって半導体ウエハ１００の表面の線状の領域に照射される。このとき、図２に示す照明光学系のｙ軸からの照明方位βは、ｙ軸方向を含む任意の方向から照射することができる。また、図３に示す照明光学系のｚ軸からの角度である極角γについては、０から９０度の範囲内にて選択する。なお、照明方位β、極角γは、検出光学系１２０と干渉しないように設定する。
このとき、偏光生成部１１４は線状ビーム生成部１１５の後におかれていても良い。
このようにして形成された線状ビーム１０１は、ステージｙ方向が線状ビーム１０１の長手方向となるように半導体ウエハ１００の表面に照射される。
【００１５】
〔落射照明光学系１１０ｂ〕
落射照明光学系１１０ｂは、斜方照明光学系１１０ａより光路分岐する分岐ミラー１１６、光路を曲げるミラー１１７、線状照明系（線状ビーム生成部）１１８、ウエハ上への照明ミラー１１９、検出光学系１２０の対物レンズ１２１を備えてなり、ウエハ上に線状ビーム１０１を形成する。斜方照明系１１０ａを用いる場合は、分岐ミラー１１６及び照明ミラー１１９は、光学系より退避させる。分岐ミラー１１６の配置箇所は、偏光生成部１１４やビーム成形手段１１３より前でもよいが、その場合には、落射照明光学系用に偏光生成部およびビーム成形手段が必要となる。
【００１６】
なお、線状照明を用いた光学系では、線状ビームの線幅とサイドローブの違いが、試料散乱光の違いとなり、検出感度の違いが生じる。線幅とサイドローブは線状照明光学系１１５及び１１８の瞳面とフーリエ変換の関係にあることから、瞳面形状にて制御できる。
図４は、本発明の実施例１に係る照明の細線幅調整機構を示す図であり、図５は、本発明の実施例１に係る照明のサイドローブ抑制機構を示す図である。
図４のように、線幅は照明ＮＡに依存するため、瞳を瞳径１１５１よりも小さい径のアパーチャ１１５２で制限することで、線幅が太くなる方向に制御できる。図５のようにサイドローブ１１５３は、瞳の境界から中心に向けての透過率を連続的に変化させることにより、低減することができる。また、同様の効果を得るため、瞳に瞳径や波長で決まる微小構造を設ける手法もある。
【００１７】
〔検出光学系１２０〕
図１を用いて検出光学系１２０について詳細に説明する。
検出光学系１２０は、対物レンズ１２１、空間フィルタ１２３、偏光解析器１２４、結像レンズ１２５、増幅型センサアレイ１２６、ビームサンプラー１２７、瞳観察光学系１２８とを備えて構成される。瞳観察光学系１２８は、対物レンズ１２１の出射側の瞳を観察する。瞳観察光学系１２８へは検出光学系１２０の光路中に出し入れ可能なビームサンプラー１２７を用いて検出光学系１２０から瞳観察光学系１２８へ光を導く。なお、瞳観察光学系１２８の代わりに空間フィルタ１２３の位置および形状と、ラインセンサにて取得される画像の強度の関係をあらかじめ求めておいて、その関係から瞳位置での強度分布を把握することが出来れば、瞳面を直接観察する瞳観察光学系１２８を省略することができる。
対物レンズ１２１は、半導体ウエハ１００の表面から散乱した反射、散乱、回折光を集光する。
空間フィルタ１２３は、対物レンズ１２１にて集光された半導体ウエハ１００の表面からの反射、散乱、回折光の一部を遮光する。ここで、空間フィルタ１２３は、対物レンズ１２１の出射側の瞳位置又は瞳位置と等価（共役）な位置に配置される。空間フィルタ１２３は縦横の方向に複数の本数、太さにて配置できる棒状の遮光フィルタ、瞳面にて２次元に所望の箇所を透過、遮光させることができるフィルタなどを用いる。特に２次元フィルタには、液晶などの電気光学効果を利用したものや、磁気光学効果を利用したもの、及びＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systemｓ）シャッタなどを用いる。なお、本実施例では、照明光をｙ方向が長手となる線状にするため、線状ビーム生成部１１５にてｙ方向に集光している。したがって、瞳面の回折パターンは集光ＮＡに依存したｙ方向に広がりを持つ回折パターンとなる。この場合には、一方向に配置した棒状のフィルタにより適切に回折光を除去することができる。
【００１８】
偏光解析器１２４は、偏光板や波長板を備えて構成され、空間フィルタ１２３で遮光されなかった散乱光の偏光特性を調整する。偏光生成部１２４は、例えば１／４波長板や１／２波長板、偏光板を備えて構成され、これらはそれぞれが個別に回転制御し、任意の偏光を透過させることが可能となる。
【００１９】
結像レンズ１２５は、空間フィルタ１２４で遮光されなかった散乱光を透過させてその光学像を結像させる。ここで、偏光解析部空間フィルタ１２４と結像レンズ１２５との位置は逆であっても良い。
【００２０】
増幅型センサアレイ１２６は、結像レンズ１２５により集光された結像された散乱光の像が増幅型センサアレイ１２６の検出面上に結像されるような位置に配置されており、散乱光の光学像を検出する。増幅型センサアレイ１２６としては、電圧により増幅率が画素ごとに高速に可変可能、かつセンサｏｎ／ｏｆｆを電気信号にて高速に制御可能なＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）アレイなどを用いる。ＡＰＤアレイの増幅率は、温度に依存して変化するため増幅回路１９１には温度モニタ部１９３の温度補正も加味された電圧が電圧制御器１９２より印加される。
【００２１】
センサアレイ１２６の電圧による増幅率制御機能を用いることにより、センサのダイナミックレンジを拡大することができる。
図６は、本発明の実施例１に係るセンサアレイの増幅率による画像の違いを示す図であり、図７は、本発明の実施例１に係るセンサアレイの増幅率調整結果を示す図である。る。図６では、検査にて取得した画像プロファイルとセンサ増幅率の関係を示す。取得画像中には、空間フィルタ挿入の効果もあり、センサアレイ１２６まで到達する散乱光強度が強い領域（明部）３０と弱い領域（暗部）３１がある。増幅率を低くして散乱光強度が強い領域３０を取得すると、散乱光強度が弱い領域３１にて強度が弱く、欠陥を見逃す恐れがある。一方、増幅率を高くして散乱光強度が低い領域３１の感度を上げると、散乱光強度が強い領域３０では信号が飽和してしまい、欠陥検査をすることができない。そこで、散乱光強度が強い領域３０では増幅率を低く、散乱光強度が弱い領域３１では増幅率を高く設定することで、ダイナミックレンジの広い検査を可能とする。つまり、散乱光強度とセンサ増幅率の関係を、図７のようにセンサ飽和強度に達しないようセンサ増幅率をスキャンしながら動的に変化させて画像取得する。
【００２２】
センサ増幅率の設定方法を詳細に説明する。各画素のみの検出強度に従って増幅率を可変すると、強度の高い欠陥信号を低い増幅率で検出してしまい感度が低下する可能性がある。そこで、増幅率は図６の明部３０、暗部３１散乱光強度が同様な領域ごとに設定し、検査を行う。
図８は、本発明の実施例１に係る増幅率決定のフロー図である。検査前には、偏光生成部１１４、空間フィルタ１２３、偏光解析部１２４の条件を決めるため、被検査物をテストスキャンする（Ｓ１０１）。このとき得られた検査条件でのスキャン画像中の明暗部の境界を求め、増幅率の設定領域を決める。ここで、明暗部の境界は、画像中の明暗情報を統計処理することにより求める（Ｓ１０２）。例えば、画像の明暗差が少ない箇所では分散が小さく、境界付近では明暗差が大きく分散が大きくなることを利用して、一定面積の分散値を画像全体で算出し、分散の大小により明暗部の境界値を判定し、領域を設定する。次に、検査スキャンを実施し、Ｓ１０２にて設定した各領域の中で、最初に取得した特定画素数の強度を元に、その領域を検出する際の増幅率を決定する（Ｓ１０３）。検出強度と増幅率の関係を最初に決めておき、ある領域の最初のｎ画素スキャン分の平均強度を求め、飽和していたら増幅率を減らし、一定以下の強度なら増幅率を増やし、検出強度が適切となるように増幅率を決める。これを走査中に繰り返し行う（Ｓ１０４）。リアルタイムに増減率を設定しつづけることで、境界付近を除く被検査体のほとんどの面積で適切な増減率を設定できる。半導体パターンのように複数個所に同様のパターンが存在するときは、最初のパターンにおいて決定した増幅率を同様パターンに適用してもよい。また、領域を設定する際には、設計データを用いてあらかじめ設定しておいてもよい。
【００２３】
欠陥からの微弱な散乱光を検出する際には、各光学素子にて発生する反射光などが迷光となり、欠陥からの散乱光が埋もれてしまう。この迷光を、レーザ光源１１１にパルス光源を用いて、センサアレイ１２６にてパルス光源１１１のパルス間隔よりも短い時間内に検出のｏｎ／ｏｆｆを切り替える高速応答を行うことで低減できる。パルス照明光による欠陥からの散乱光がセンサアレイ１２６に届くタイミング付近だけを検出するゲートモードを用いればよい。
図９および図１０は、本発明の実施例１に係る斜方照明系によるゲートモードサンプリングを示す図である。図９を用いて斜方照明光学系１１０ａとアレイセンサ１２６のゲートモードを組み合わせることによる迷光除去について説明する。レーザ光源１１１よりパルスが発生してから被検査体を経てセンサアレイ１２６に到達する時間（光路差）は、光学素子の厚さと屈折率、空気中の伝播距離より容易に計算できる。斜方照明光学系１１０ａでは、各光学素子にて発生する微弱な反射光も被検査体を照射する。また、被検査体からの散乱光が検出光学系１２０内を伝播する際にも各光学素子にて反射光が発生し、被検査体からの直接の散乱光５０以外もセンサアレイ１２６まで到達し迷光５１となる。そこで、検出すべき被検査体からの散乱光がセンサアレイ１２６に到達する時間が既知なので、到達するタイミング前後（理想的には被検査体からの直接の散乱光５０のみ）でサンプリングを行うことで迷光５１を除去できる。この各光学素子に起因する迷光は、落射照明光学系１１０ｂでより感度低下原因となる。落射照明光学系１１０ｂでは、検出系の検出レンズを照明時にも利用することで落射照明系と上方検出系を両立させるＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式を用いているが、図１０に示すように被検査体の散乱光に比べて光量の大きい入射光が検出レンズを透過する際に生じる反射光５３がセンサアレイ１２６に到達することで大きな感度低下要因となる。
このようにして検出された散乱光に基づく信号は、Ａ／Ｄ変換部１２９でセンサアレイ１２６から出力されたアナログ信号が増幅された後にデジタル信号に変換されて信号処理・制御部２５０に送られて処理される。
【００２４】
〔ステージ部１７０〕
ステージ部１７０は、ｘステージ１７０ａ、ｙステージ１７０ｂ、ｚステージ１７０ｃ、θステージ１７０ｄを備えて構成される。
ｘステージ１７０ａは、検査対象試料である表面に微細なパターンが形成された半導体ウエハ１００を載置してｘ方向に移動可能なステージである。
ｙステージ１７０ｂ、ｚステージ１７０ｃ、θステージ１７０ｄもそれぞれ同様に、検査対象試料である表面に微細なパターンが形成された半導体ウエハ１００を載置してｙ方向、ｚ方向、θ方向に移動可能なステージである。
【００２５】
〔反射光解析部３００〕
検出光学系１２０にて得られる画像は、被検査体表面の薄膜の干渉によりその強度が決まる。そのため、膜厚ムラがあると、得られる画像の明るさにムラが生じる。後述するが被検査体のダイ比較により正常部と欠陥部の明るさの違いから欠陥検出を行うが、画像全体に明るさムラがあると欠陥検出性能が低下することがある。そこで、斜方照明光学系１１０ａによる照明光の被検査体からの直接反射光を反射光解析部３００にて膜厚を推定し、検出光学系１２０にて検出される画像の膜厚ムラに起因する明るさムラを補正する。
【００２６】
図１１は、本発明の実施例１に係る膜厚解析部を示す図である。明るさムラの補正の詳細について図１１にて説明する。斜方照明光学系１１０ａからの直接反射光をレンズ３１０にてセンサ３２０上に結像する。センサ３２０の各画素前面にはマイクロ直線偏光子、マイクロ円偏光子のいずれかが配置されている。透過軸方位の異なるマイクロ直線偏光子３２１〜３２３、およびマイクロ円偏光子３２４の４つの組み合わせを１組とし、これら４画素で決まる範囲を空間分解能とし複数状態の偏光検出を行うことから、膜厚分析の一般的な方法であるエリプソメトリーの手法を用いて膜厚推定部３３０により膜厚を推定する。膜厚変化による散乱光量の違いは、被検査体の構造が既知であれば、光学シミュレーションにて想定でき、これは画像の明るさムラに対応する。ここで求めた画像の明るさムラを画像処理を行う前に補正しておく。もしくは、センサアレイ１２６の増幅率にフィードバックし明るさムラを補正した画像を直接取得してもよい。
【００２７】
落射照明光学系１１０ｂを用いる際は、分岐ミラー１１６を正反射光が検出できる光量透過するビームスプリッターとし、斜方照明光学系１１０ａと同様に明るさムラを低減する。この際、斜方照明光学系１１０ａの散乱光もセンサアレイ１２６に到達するが、前記センサアレイ１２６のゲートモードサンプリングにより検出を回避する。
【００２８】
〔信号処理・制御部２５０〕
信号処理・制御部２５０は、画像処理部２００、操作部２１０、制御部２２０、表示部２３０、高さ検出部１６０とを備えて構成される。図１２から図１５に、信号処理部の具体的な例を示す。
【００２９】
図１２乃至１５は、本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
図１２に示す信号処理部２００ａは、一般的にはダイ比較処理として知られている。即ち、あるダイの画像を遅延メモリ３２に記憶し、隣接ダイの画像が取得されたら、振動などに起因した位置ずれを補正するために、位置合せ回路３３にて位置合せを行い、得られた画像を減算回路３４にて減算処理する。並行して位置合わせされた画像をメモリ３５に記憶し、しきい値処理回路３６にてしきい値を算出する。上記減算処理された信号と前記しきい値は、比較回路３７にて比較処理され、欠陥判定部３８により、異物信号や欠陥信号が抽出される。該抽出された異物・欠陥信号は、そのまま欠陥マップとして出力されたり、分類・サイジング処理部３９にて、異物種、欠陥種ごとに分類されたり、異物や欠陥の大きさが求められる。
【００３０】
図１３に示す信号処理部２００ｂは、一般的にはセル比較処理として知られている。即ち、得られた画像に本来同一形状であるパターンからの信号が含まれていた場合、画像シフト回路４０によりが画像をシフトし、シフト前の画像とシフト後の画像の対応点を取るために、位置合せ回路３３により位置合せを行い、得られた画像を減算回路３４にて減算処理する。並行して位置合わせされた画像をメモリ３５に記憶し、しきい値処理回路３６にてしきい値を算出する。上記減算処理された信号と前記しきい値は、比較回路３７にて比較処理され、欠陥判定部３８により、異物信号や欠陥信号が抽出される。該抽出された異物・欠陥信号は、そのまま欠陥マップとして出力されたり、分類・サイジング処理部３９にて、異物種、欠陥種ごとに分類されたり、異物や欠陥の大きさが求められる。
【００３１】
図１４に示す信号処理部２００ｃは、一般的には設計データ比較処理として知られている。即ち、設計データ４１からの設計データを、参照画像生成部４２に送り参照画像を生成する。該参照画像は実画像との対応点を取るために位置合せを行い、得られた画像を減算回路３４にて減算処理する。並行して位置合わせされた画像をメモリ３５に記憶し、しきい値処理回路３６にてしきい値を算出する。上記減算処理された信号と前記しきい値は、比較回路３７にて比較処理され、欠陥判定部３８により、異物信号や欠陥信号が抽出される。該抽出された異物・欠陥信号は、そのまま欠陥マップとして出力されたり、分類・サイジング処理部３９にて、異物種、欠陥種ごとに分類されたり、異物や欠陥の大きさが求められる。
【００３２】
図１５に示す信号処理部２００ｄは、一般的には自己参照方式として知られている。即ち、得られた画像の中で類似パターンを探索し、該類似パターン同士を比較処理することで欠陥判定をしたり、パターンと欠陥の特徴量に基づき欠陥を判定したりするものである。
この他に、図示はしていないが、複数の類似パターンの平均値より作成し画像を参照画像として比較処理を行う処理方式も知られている。
【実施例２】
【００３３】
本発明に係る光学式検査装置の第２の実施例を、図１６乃至図１７を用いて説明する。
図１６は、本発明の実施例２に係る光学式検査装置の検出器構成を示すブロック図であり、図１７は、本発明の実施例２に係る画像処理構成を示すブロック図である。以下では、半導体ウエハの暗視野検査装置による検査を例にとって説明する。
【００３４】
実施例１では検出光学系が１つであったが、実施例２の光学系では複数の検出系を持つ。図１６に検出系のみを示す。実施例と同様の上方検出系１２０の他に斜方検出系１２０ｘ、１２０ｙを持つ、斜方検出系１２０ｘ、１２０ｙの構成は上方検出系１２０と同様である。ただし、斜方検出レンズの焦点面と被検査物の共通部分は線状となるため、照明光の細線の幅は検出系の焦点深度と同レベルまで細くしないと、焦点ずれした光もアレイセンサにて検出され、コントラストの高い画像が得られない。
【００３５】
欠陥の散乱光は、その形状や媒質により散乱する方向が異なる。そのため、複数検出器にて複数の方位の散乱光を検出することで、捕捉率の向上が見込まれる。また、各検出器で得られた欠陥信号の比を用いることで欠陥分類、サイジング等の精度が向上する。以下、２画像を取得した際の画像処理部２００の説明を詳細に行う。検出光学系１２０において取得した散乱光に基づく画像１２６１と、隣接するダイやセルなどにおいて画像１２６１の取得箇所と同形状の部位にて取得した参照画像１２６１ｒとを生成し、画像位置合せ処理部２０１１ａで、この生成した画像１２６１と参照画像１２６１ｒとをセンサの画素単位以下の精度で位置合わせし、明るさ補正部２０１２ａで試料表面及び表層の薄膜の厚さなどの試料起因もしくは検査時のレンズとウエハとの高さの違いなどの光学系起因による検査画像１２６１と参照画像１２６１ｒの明るさを補正し、差分処理部２０１３ａで検査画像１２６１と参照画像１２６１ｒの対応する画素同士を引き算する差分処理を施して差分画像１２６１ｄを得る。この場合、隣接するダイやセルなどにおいて画像１２６１の取得箇所と同形状の部位にて検出光学系１２０において取得した散乱光に基づいて生成した参照画像１２６１ｒは、図示していない画像メモリに一旦記憶され、画像メモリから画像位置合わせ処理部２０１１ａに呼び出されて画像１２６１との画素単位以下の精度で位置合わせ処理が行われる。また、検出光学系１２０ｘより取得した信号から欠陥を含む画像１２６３と参照画像１２６３ｒを生成し、この画像１２６３と参照画像１２６３ｒについても同様の構成により処理が施されて差分画像１２６３ｄが得られる。
【００３６】
次に、欠陥判定部２０１４において、差分画像１２６１ｄの輝度値を横軸ｘ１とし、差分画像１２６３ｄの輝度値を縦軸ｘ２とする直交座標系を構成して２つの差分画像１２６１ｄ及び１２６３ｄの対応する画素の輝度をこの直交座標系ｘ１、ｘ２とするにプロットする。直交座標系のｘ１、ｘ２空間にて、ノイズは欠陥画像と参照画像の引き残しであるためｘ１、ｘ２成分共に小さく、原点付近に分布する。一方、欠陥画像は輝度が強度はノイズと比較し大きく、ｘ１、ｘ２空間において原点より離れた位置となるにプロットされる。そこで、直交座標系の原点付近に境界３５０を設けることでノイズ３２２と欠陥３２１を分離し、欠陥判定する（２０１４）。境界３５０には円や直線の組み合わせ等を使用することができる。例えば、円を用いる場合には、半径をＡとし、境界線は次式（数１）を満たす領域に引けばよい。
【００３７】
【数１】
【００３８】
とする。
【００３９】
ここでは２枚の画像についての例を示したが、３枚以上の画像を用いても同様の処理を用いることができる。この抽出した欠陥候補の散乱光分布や強度などの特徴から、分類・サイジング処理部２０１５において欠陥判定、分類・サイジングが行われる。
【符号の説明】
【００４０】
１００・・・半導体ウエハ １０１・・・線状ビーム １１０・・・照明光学系 １１１・・・レーザ光源 １１２・・・ＮＤフィルタ １１３・・・ビームエキスパンダ １１４・・・偏光生成部（偏光発生器） １１５・・・線状ビーム生成部 １２０ａ、１２０x、１２０y・・・撮像検出光学系 １２１・・・対物レンズ １２３、１２３ａ、１２３ｘ、１２３ｙ・・・空間フィルタ １２４ｄ・・・偏光解析器 １２５、１２５ａ、１２５ｘ、１２５ｙ・・・ラインセンサ １２７・・・ビームサンプラー １２８・・・瞳面観察光学系 １２６１、１２６３・・・撮像画像 １６０・・・高さ検出部 １６１・・・光発信機 １７０・・・ステージ部 １７０ａ・・・ｘステージ １７０ｂ・・・yステージ １７０ｃ・・・zステージ １７０ｄ・・・θステージ ２００・・・画像処理部 ２１０、１２１０・・・操作部 ２２０・・・制御部 ２３０・・・表示部 ２５０・・・信号処理・制御系 ２０１１ａ、２０１１ｂ、・・・位置合わせ部 ２０１２ａ、２０１２ｂ・・・明るさ補正部 ２０１３ａ、２０１３ｂ・・・差分処理部 ２０１４・・・欠陥判定部
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ウエハや液晶基板を検査する欠陥検査装置および欠陥検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩや液晶基板を製造する際に、被加工対象物（例えば半導体ウエハ）上に形成される繰り返しパターンがある。このようなＬＳＩや液晶基板の製造において、被加工対象物の表面に異物が付着したり、または欠陥が発生すると、例えば、配線の絶縁不良や短絡などの不良原因となる。ここで、回路パターンの微細化に伴い、被加工対象物上に形成されるパターン（非欠陥部）と、微細な異物や欠陥を弁別することが困難になってきている。
ここで欠陥とは、被検査対象物である試料上に付着するパーティクルや結晶欠陥ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）、研磨により生じるスクラッチなどである。
【０００３】
本技術の背景技術として、ＵＳ６６１７６０３（特許文献１）がある。この公報には、ｎ個の増幅型受光素子である（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）により形成される受光領域の配列方向での中央をピーク値としてその両側に向かって受光量が実質的に対照的に漸次減少する特性での面板の走査位置の映像を受光領域に結像し、欠陥の有無によって受光量のプロファイルが変化することを利用し欠陥検出する方法（Ａｂｓｔｒａｃｔ）が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＵＳ６６１７６０３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
検査対象物（例えば半導体パターン）の微細化により、検査すべき欠陥の大きさも微小化し、欠陥からの散乱光の強度が大幅に減少する。この欠陥からの微小な散乱光を検出には、既存のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）アレイセンサ、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）アレイセンサでは、感度が不足する。特許文献１では、感度向上のために増幅型センサをアレイ状に配置した素子を用いているが、以下の課題がある。
検査対象物の部位により散乱光の光量が大きく異なる場合、センサが飽和しないように明部に感度を合わせると、ますます暗部の感度が低下する。
【０００６】
また、レンズ等の反射があり、微弱な欠陥散乱光がこれらの反射光に埋もれてしまい感度が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次の通りである。
（１）表面にパターンが形成された試料に光を照射するレーザ光源を備える照明光学系と、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光を検出するセンサを備える検出光学系と、前記検出光学系により検出された光に基づく画像から欠陥を抽出する信号処理手段と、を備え、前記検出光学系にて光を検出する間に前記センサの増幅率を動的に変化させることを特徴とする欠陥検査装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高感度欠陥検出精度を実現する欠陥検査装置および欠陥検査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１に係る光学式検査装置の第１の実施例概略の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係る光学式検査装置の照明光学系の平面図である。
【図３】本発明の実施例１に係る光学式検査装置の照明光学系の側面図である。
【図４】本発明の実施例１に係る照明の細線幅調整機構を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る照明のサイドローブ抑制機構を示す図である。
【図６】本発明の実施例１に係るセンサアレイの増幅率による画像の違いを示す図である。
【図７】本発明の実施例１に係るセンサアレイの増幅率調整結果を示す図である。
【図８】本発明の実施例１に係る増幅率決定のフロー図である。
【図９】本発明の実施例１に係る斜方照明系によるゲートモードサンプリングを示す図である。
【図１０】本発明の実施例１に係る落射照明系によるゲートモードサンプリングを示す図である。
【図１１】本発明の実施例１に係る膜厚解析部を示す図である。
【図１２】本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の実施例２に係る光学式検査装置の検出器構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の実施例２に係る画像処理構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明に係る光学式検査装置の第1の実施例を、図１乃至図１５を用いて説明する。以下では、半導体ウエハの暗視野検査装置による検査を例にとって説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る光学式検査装置の第１の実施例を示す図である。
実施例１に係る光学式検査装置は、斜方照明光学系１１０ａ及び落射照明光学系１１０ｂ（分岐ミラー１１６、ミラー１１７、線状照明系１１８、ウエハ上への照明ミラー１１９、対物レンズ１２１を備えて構成される）、ステージ部１７０、撮像光学系（検出光学系）１２０及び信号処理・制御系２５０とを備えて構成されている。照明光学系１１０は、ステージ部１７０に載置された被検査対象物である試料（半導体ウエハ）１００に照明光を半導体ウエハ１００の表面の法線方向に対して傾いた方向から照明（斜方照明）、もしくは法線方向から（落射照明）線状ビームを照明し、照射された半導体ウエハ１００から散乱する散乱光を検出光学系１２０により検出する。検出光学系のセンサには増幅率が高く、増幅率を高速に制御できるＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）アレイなどを用いて、高感度にウエハからの散乱光のみを検出する。その際、ステージ部１７０を平面内で駆動することによりステージ部１７０に載置された半導体ウエハ１００上を照明光学系１１０ａ又は１１０ｂからの照明光で走査する。信号処理・制御系２５０は、検出光学系１２０により検出された半導体ウエハ１００からの散乱光を処理して半導体ウエハ１００上に存在する欠陥を検出する。
【００１３】
〔斜方照明光学系１１０ａ〕
照明光学系１１０ａは、レーザ光源１１１、光量調節手段（アッテネータ、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ）１１２、ビームエキスパンダ１１３、偏光板や波長板を備えてなる偏光生成部１１４、検査対象（半導体ウエハ）１００に線状のビームを照射するための線状ビーム生成部（線状照明系）１１５を備えて構成される。
レーザ光源１１１は、レーザビームを出射する。このとき、光源１１１には、気体レーザ、半導体レーザ、固体レーザや、面発光レーザなどが利用可能である。波長は赤外、可視域、紫外を用いることができるが、波長が短くなるほど光学的な分解能が向上するため、微細欠陥を見る際にはＵＶ（Ultra Violet:紫外線)、ＤＵＶ（Deep Ultra Violet:深紫外線）、ＶＵＶ（Vacuum Ultra Violet:真空紫外線）、ＥＵＶ（Extreme Ultra Violet:極端紫外線）などの紫外域の光を用いるとよい。
ビーム整形手段１１３は、レーザ光源１１１から出射されたレーザビームを整形する。
図２は照明光学系１１０の平面図、図３はその側面図であり、本実施例では、ビーム成形手段１１３を、図２及び図３に示すようにレーザ光源１１１から出射されたレーザビームの径を拡大するビームエキスパンダ１１３１と拡大されたレーザを平行光に成形するコリメートレンズ１１３２で構成する。
偏光生成部１１４は、偏光板１１４１や波長板１１４２を備えて構成され、ビーム成形手段１１３のビームエキスパンダ１１３１でビーム径を拡大された光の偏光特性を調整する。線状ビーム生成部１１５はシリンドリカルレンズ等より構成される。
【００１４】
上記した構成において、レーザ光源１１１から出射されたレーザビームは、光量調整手段（アッテネータ、ＮＤフィルタ）１１２で光量が調整され、ビーム成形手段１１３でビームエキスパンダ１１３１によりビーム径が拡大されてコリメ−トレンズ１１３２で平行光に成形され、偏光制御部１１４で偏光の状態が制御され、線状ビーム生成部１１５により一方向に集光され、y軸と平行な線状ビーム１０１となって半導体ウエハ１００の表面の線状の領域に照射される。このとき、図２に示す照明光学系のｙ軸からの照明方位βは、ｙ軸方向を含む任意の方向から照射することができる。また、図３に示す照明光学系のｚ軸からの角度である極角γについては、０から９０度の範囲内にて選択する。なお、照明方位β、極角γは、検出光学系１２０と干渉しないように設定する。
このとき、偏光生成部１１４は線状ビーム生成部１１５の後におかれていても良い。
このようにして形成された線状ビーム１０１は、ステージｙ方向が線状ビーム１０１の長手方向となるように半導体ウエハ１００の表面に照射される。
【００１５】
〔落射照明光学系１１０ｂ〕
落射照明光学系１１０ｂは、斜方照明光学系１１０ａより光路分岐する分岐ミラー１１６、光路を曲げるミラー１１７、線状照明系（線状ビーム生成部）１１８、ウエハ上への照明ミラー１１９、検出光学系１２０の対物レンズ１２１を備えてなり、ウエハ上に線状ビーム１０１を形成する。斜方照明系１１０ａを用いる場合は、分岐ミラー１１６及び照明ミラー１１９は、光学系より退避させる。分岐ミラー１１６の配置箇所は、偏光生成部１１４やビーム成形手段１１３より前でもよいが、その場合には、落射照明光学系用に偏光生成部およびビーム成形手段が必要となる。
【００１６】
なお、線状照明を用いた光学系では、線状ビームの線幅とサイドローブの違いが、試料散乱光の違いとなり、検出感度の違いが生じる。線幅とサイドローブは線状照明光学系１１５及び１１８の瞳面とフーリエ変換の関係にあることから、瞳面形状にて制御できる。
図４は、本発明の実施例１に係る照明の細線幅調整機構を示す図であり、図５は、本発明の実施例１に係る照明のサイドローブ抑制機構を示す図である。
図４のように、線幅は照明ＮＡに依存するため、瞳を瞳径１１５１よりも小さい径のアパーチャ１１５２で制限することで、線幅が太くなる方向に制御できる。図５のようにサイドローブ１１５３は、瞳の境界から中心に向けての透過率を連続的に変化させることにより、低減することができる。また、同様の効果を得るため、瞳に瞳径や波長で決まる微小構造を設ける手法もある。
【００１７】
〔検出光学系１２０〕
図１を用いて検出光学系１２０について詳細に説明する。
検出光学系１２０は、対物レンズ１２１、空間フィルタ１２３、偏光解析器１２４、結像レンズ１２５、増幅型センサアレイ１２６、ビームサンプラー１２７、瞳観察光学系１２８とを備えて構成される。瞳観察光学系１２８は、対物レンズ１２１の出射側の瞳を観察する。瞳観察光学系１２８へは検出光学系１２０の光路中に出し入れ可能なビームサンプラー１２７を用いて検出光学系１２０から瞳観察光学系１２８へ光を導く。なお、瞳観察光学系１２８の代わりに空間フィルタ１２３の位置および形状と、ラインセンサにて取得される画像の強度の関係をあらかじめ求めておいて、その関係から瞳位置での強度分布を把握することが出来れば、瞳面を直接観察する瞳観察光学系１２８を省略することができる。
対物レンズ１２１は、半導体ウエハ１００の表面から散乱した反射、散乱、回折光を集光する。
空間フィルタ１２３は、対物レンズ１２１にて集光された半導体ウエハ１００の表面からの反射、散乱、回折光の一部を遮光する。ここで、空間フィルタ１２３は、対物レンズ１２１の出射側の瞳位置又は瞳位置と等価（共役）な位置に配置される。空間フィルタ１２３は縦横の方向に複数の本数、太さにて配置できる棒状の遮光フィルタ、瞳面にて２次元に所望の箇所を透過、遮光させることができるフィルタなどを用いる。特に２次元フィルタには、液晶などの電気光学効果を利用したものや、磁気光学効果を利用したもの、及びＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systemｓ）シャッタなどを用いる。なお、本実施例では、照明光をｙ方向が長手となる線状にするため、線状ビーム生成部１１５にてｙ方向に集光している。したがって、瞳面の回折パターンは集光ＮＡに依存したｙ方向に広がりを持つ回折パターンとなる。この場合には、一方向に配置した棒状のフィルタにより適切に回折光を除去することができる。
【００１８】
偏光解析器１２４は、偏光板や波長板を備えて構成され、空間フィルタ１２３で遮光されなかった散乱光の偏光特性を調整する。偏光生成部１２４は、例えば１／４波長板や１／２波長板、偏光板を備えて構成され、これらはそれぞれが個別に回転制御し、任意の偏光を透過させることが可能となる。
【００１９】
結像レンズ１２５は、空間フィルタ１２４で遮光されなかった散乱光を透過させてその光学像を結像させる。ここで、偏光解析部空間フィルタ１２４と結像レンズ１２５との位置は逆であっても良い。
【００２０】
増幅型センサアレイ１２６は、結像レンズ１２５により集光された結像された散乱光の像が増幅型センサアレイ１２６の検出面上に結像されるような位置に配置されており、散乱光の光学像を検出する。増幅型センサアレイ１２６としては、電圧により増幅率が画素ごとに高速に可変可能、かつセンサｏｎ／ｏｆｆを電気信号にて高速に制御可能なＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）アレイなどを用いる。ＡＰＤアレイの増幅率は、温度に依存して変化するため増幅回路１９１には温度モニタ部１９３の温度補正も加味された電圧が電圧制御器１９２より印加される。
【００２１】
センサアレイ１２６の電圧による増幅率制御機能を用いることにより、センサのダイナミックレンジを拡大することができる。
図６は、本発明の実施例１に係るセンサアレイの増幅率による画像の違いを示す図であり、図７は、本発明の実施例１に係るセンサアレイの増幅率調整結果を示す図である。る。図６では、検査にて取得した画像プロファイルとセンサ増幅率の関係を示す。取得画像中には、空間フィルタ挿入の効果もあり、センサアレイ１２６まで到達する散乱光強度が強い領域（明部）３０と弱い領域（暗部）３１がある。増幅率を低くして散乱光強度が強い領域３０を取得すると、散乱光強度が弱い領域３１にて強度が弱く、欠陥を見逃す恐れがある。一方、増幅率を高くして散乱光強度が低い領域３１の感度を上げると、散乱光強度が強い領域３０では信号が飽和してしまい、欠陥検査をすることができない。そこで、散乱光強度が強い領域３０では増幅率を低く、散乱光強度が弱い領域３１では増幅率を高く設定することで、ダイナミックレンジの広い検査を可能とする。つまり、散乱光強度とセンサ増幅率の関係を、図７のようにセンサ飽和強度に達しないようセンサ増幅率をスキャンしながら動的に変化させて画像取得する。
【００２２】
センサ増幅率の設定方法を詳細に説明する。各画素のみの検出強度に従って増幅率を可変すると、強度の高い欠陥信号を低い増幅率で検出してしまい感度が低下する可能性がある。そこで、増幅率は図６の明部３０、暗部３１散乱光強度が同様な領域ごとに設定し、検査を行う。
図８は、本発明の実施例１に係る増幅率決定のフロー図である。検査前には、偏光生成部１１４、空間フィルタ１２３、偏光解析部１２４の条件を決めるため、被検査物をテストスキャンする（Ｓ１０１）。このとき得られた検査条件でのスキャン画像中の明暗部の境界を求め、増幅率の設定領域を決める。ここで、明暗部の境界は、画像中の明暗情報を統計処理することにより求める（Ｓ１０２）。例えば、画像の明暗差が少ない箇所では分散が小さく、境界付近では明暗差が大きく分散が大きくなることを利用して、一定面積の分散値を画像全体で算出し、分散の大小により明暗部の境界値を判定し、領域を設定する。次に、検査スキャンを実施し、Ｓ１０２にて設定した各領域の中で、最初に取得した特定画素数の強度を元に、その領域を検出する際の増幅率を決定する（Ｓ１０３）。検出強度と増幅率の関係を最初に決めておき、ある領域の最初のｎ画素スキャン分の平均強度を求め、飽和していたら増幅率を減らし、一定以下の強度なら増幅率を増やし、検出強度が適切となるように増幅率を決める。これを走査中に繰り返し行う（Ｓ１０４）。リアルタイムに増減率を設定しつづけることで、境界付近を除く被検査体のほとんどの面積で適切な増減率を設定できる。半導体パターンのように複数個所に同様のパターンが存在するときは、最初のパターンにおいて決定した増幅率を同様パターンに適用してもよい。また、領域を設定する際には、設計データを用いてあらかじめ設定しておいてもよい。
【００２３】
欠陥からの微弱な散乱光を検出する際には、各光学素子にて発生する反射光などが迷光となり、欠陥からの散乱光が埋もれてしまう。この迷光を、レーザ光源１１１にパルス光源を用いて、センサアレイ１２６にてパルス光源１１１のパルス間隔よりも短い時間内に検出のｏｎ／ｏｆｆを切り替える高速応答を行うことで低減できる。パルス照明光による欠陥からの散乱光がセンサアレイ１２６に届くタイミング付近だけを検出するゲートモードを用いればよい。
図９および図１０は、本発明の実施例１に係る斜方照明系によるゲートモードサンプリングを示す図である。図９を用いて斜方照明光学系１１０ａとアレイセンサ１２６のゲートモードを組み合わせることによる迷光除去について説明する。レーザ光源１１１よりパルスが発生してから被検査体を経てセンサアレイ１２６に到達する時間（光路差）は、光学素子の厚さと屈折率、空気中の伝播距離より容易に計算できる。斜方照明光学系１１０ａでは、各光学素子にて発生する微弱な反射光も被検査体を照射する。また、被検査体からの散乱光が検出光学系１２０内を伝播する際にも各光学素子にて反射光が発生し、被検査体からの直接の散乱光５０以外もセンサアレイ１２６まで到達し迷光５１となる。そこで、検出すべき被検査体からの散乱光がセンサアレイ１２６に到達する時間が既知なので、到達するタイミング前後（理想的には被検査体からの直接の散乱光５０のみ）でサンプリングを行うことで迷光５１を除去できる。この各光学素子に起因する迷光は、落射照明光学系１１０ｂでより感度低下原因となる。落射照明光学系１１０ｂでは、検出系の検出レンズを照明時にも利用することで落射照明系と上方検出系を両立させるＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式を用いているが、図１０に示すように被検査体の散乱光に比べて光量の大きい入射光が検出レンズを透過する際に生じる反射光５３がセンサアレイ１２６に到達することで大きな感度低下要因となる。
このようにして検出された散乱光に基づく信号は、Ａ／Ｄ変換部１２９でセンサアレイ１２６から出力されたアナログ信号が増幅された後にデジタル信号に変換されて信号処理・制御部２５０に送られて処理される。
【００２４】
〔ステージ部１７０〕
ステージ部１７０は、ｘステージ１７０ａ、ｙステージ１７０ｂ、ｚステージ１７０ｃ、θステージ１７０ｄを備えて構成される。
ｘステージ１７０ａは、検査対象試料である表面に微細なパターンが形成された半導体ウエハ１００を載置してｘ方向に移動可能なステージである。
ｙステージ１７０ｂ、ｚステージ１７０ｃ、θステージ１７０ｄもそれぞれ同様に、検査対象試料である表面に微細なパターンが形成された半導体ウエハ１００を載置してｙ方向、ｚ方向、θ方向に移動可能なステージである。
【００２５】
〔反射光解析部３００〕
検出光学系１２０にて得られる画像は、被検査体表面の薄膜の干渉によりその強度が決まる。そのため、膜厚ムラがあると、得られる画像の明るさにムラが生じる。後述するが被検査体のダイ比較により正常部と欠陥部の明るさの違いから欠陥検出を行うが、画像全体に明るさムラがあると欠陥検出性能が低下することがある。そこで、斜方照明光学系１１０ａによる照明光の被検査体からの直接反射光を反射光解析部３００にて膜厚を推定し、検出光学系１２０にて検出される画像の膜厚ムラに起因する明るさムラを補正する。
【００２６】
図１１は、本発明の実施例１に係る膜厚解析部を示す図である。明るさムラの補正の詳細について図１１にて説明する。斜方照明光学系１１０ａからの直接反射光をレンズ３１０にてセンサ３２０上に結像する。センサ３２０の各画素前面にはマイクロ直線偏光子、マイクロ円偏光子のいずれかが配置されている。透過軸方位の異なるマイクロ直線偏光子３２１〜３２３、およびマイクロ円偏光子３２４の４つの組み合わせを１組とし、これら４画素で決まる範囲を空間分解能とし複数状態の偏光検出を行うことから、膜厚分析の一般的な方法であるエリプソメトリーの手法を用いて膜厚推定部３３０により膜厚を推定する。膜厚変化による散乱光量の違いは、被検査体の構造が既知であれば、光学シミュレーションにて想定でき、これは画像の明るさムラに対応する。ここで求めた画像の明るさムラを画像処理を行う前に補正しておく。もしくは、センサアレイ１２６の増幅率にフィードバックし明るさムラを補正した画像を直接取得してもよい。
【００２７】
落射照明光学系１１０ｂを用いる際は、分岐ミラー１１６を正反射光が検出できる光量透過するビームスプリッターとし、斜方照明光学系１１０ａと同様に明るさムラを低減する。この際、斜方照明光学系１１０ａの散乱光もセンサアレイ１２６に到達するが、前記センサアレイ１２６のゲートモードサンプリングにより検出を回避する。
【００２８】
〔信号処理・制御部２５０〕
信号処理・制御部２５０は、画像処理部２００、操作部２１０、制御部２２０、表示部２３０、高さ検出部１６０とを備えて構成される。図１２から図１５に、信号処理部の具体的な例を示す。
【００２９】
図１２乃至１５は、本発明の実施例１に係る画像処理構成を示すブロック図である。
図１２に示す信号処理部２００ａは、一般的にはダイ比較処理として知られている。即ち、あるダイの画像を遅延メモリ３２に記憶し、隣接ダイの画像が取得されたら、振動などに起因した位置ずれを補正するために、位置合せ回路３３にて位置合せを行い、得られた画像を減算回路３４にて減算処理する。並行して位置合わせされた画像をメモリ３５に記憶し、しきい値処理回路３６にてしきい値を算出する。上記減算処理された信号と前記しきい値は、比較回路３７にて比較処理され、欠陥判定部３８により、異物信号や欠陥信号が抽出される。該抽出された異物・欠陥信号は、そのまま欠陥マップとして出力されたり、分類・サイジング処理部３９にて、異物種、欠陥種ごとに分類されたり、異物や欠陥の大きさが求められる。
【００３０】
図１３に示す信号処理部２００ｂは、一般的にはセル比較処理として知られている。即ち、得られた画像に本来同一形状であるパターンからの信号が含まれていた場合、画像シフト回路４０によりが画像をシフトし、シフト前の画像とシフト後の画像の対応点を取るために、位置合せ回路３３により位置合せを行い、得られた画像を減算回路３４にて減算処理する。並行して位置合わせされた画像をメモリ３５に記憶し、しきい値処理回路３６にてしきい値を算出する。上記減算処理された信号と前記しきい値は、比較回路３７にて比較処理され、欠陥判定部３８により、異物信号や欠陥信号が抽出される。該抽出された異物・欠陥信号は、そのまま欠陥マップとして出力されたり、分類・サイジング処理部３９にて、異物種、欠陥種ごとに分類されたり、異物や欠陥の大きさが求められる。
【００３１】
図１４に示す信号処理部２００ｃは、一般的には設計データ比較処理として知られている。即ち、設計データ４１からの設計データを、参照画像生成部４２に送り参照画像を生成する。該参照画像は実画像との対応点を取るために位置合せを行い、得られた画像を減算回路３４にて減算処理する。並行して位置合わせされた画像をメモリ３５に記憶し、しきい値処理回路３６にてしきい値を算出する。上記減算処理された信号と前記しきい値は、比較回路３７にて比較処理され、欠陥判定部３８により、異物信号や欠陥信号が抽出される。該抽出された異物・欠陥信号は、そのまま欠陥マップとして出力されたり、分類・サイジング処理部３９にて、異物種、欠陥種ごとに分類されたり、異物や欠陥の大きさが求められる。
【００３２】
図１５に示す信号処理部２００ｄは、一般的には自己参照方式として知られている。即ち、得られた画像の中で類似パターンを探索し、該類似パターン同士を比較処理することで欠陥判定をしたり、パターンと欠陥の特徴量に基づき欠陥を判定したりするものである。
この他に、図示はしていないが、複数の類似パターンの平均値より作成し画像を参照画像として比較処理を行う処理方式も知られている。
【実施例２】
【００３３】
本発明に係る光学式検査装置の第２の実施例を、図１６乃至図１７を用いて説明する。
図１６は、本発明の実施例２に係る光学式検査装置の検出器構成を示すブロック図であり、図１７は、本発明の実施例２に係る画像処理構成を示すブロック図である。以下では、半導体ウエハの暗視野検査装置による検査を例にとって説明する。
【００３４】
実施例１では検出光学系が１つであったが、実施例２の光学系では複数の検出系を持つ。図１６に検出系のみを示す。実施例と同様の上方検出系１２０の他に斜方検出系１２０ｘ、１２０ｙを持つ、斜方検出系１２０ｘ、１２０ｙの構成は上方検出系１２０と同様である。ただし、斜方検出レンズの焦点面と被検査物の共通部分は線状となるため、照明光の細線の幅は検出系の焦点深度と同レベルまで細くしないと、焦点ずれした光もアレイセンサにて検出され、コントラストの高い画像が得られない。
【００３５】
欠陥の散乱光は、その形状や媒質により散乱する方向が異なる。そのため、複数検出器にて複数の方位の散乱光を検出することで、捕捉率の向上が見込まれる。また、各検出器で得られた欠陥信号の比を用いることで欠陥分類、サイジング等の精度が向上する。以下、２画像を取得した際の画像処理部２００の説明を詳細に行う。検出光学系１２０において取得した散乱光に基づく画像１２６１と、隣接するダイやセルなどにおいて画像１２６１の取得箇所と同形状の部位にて取得した参照画像１２６１ｒとを生成し、画像位置合せ処理部２０１１ａで、この生成した画像１２６１と参照画像１２６１ｒとをセンサの画素単位以下の精度で位置合わせし、明るさ補正部２０１２ａで試料表面及び表層の薄膜の厚さなどの試料起因もしくは検査時のレンズとウエハとの高さの違いなどの光学系起因による検査画像１２６１と参照画像１２６１ｒの明るさを補正し、差分処理部２０１３ａで検査画像１２６１と参照画像１２６１ｒの対応する画素同士を引き算する差分処理を施して差分画像１２６１ｄを得る。この場合、隣接するダイやセルなどにおいて画像１２６１の取得箇所と同形状の部位にて検出光学系１２０において取得した散乱光に基づいて生成した参照画像１２６１ｒは、図示していない画像メモリに一旦記憶され、画像メモリから画像位置合わせ処理部２０１１ａに呼び出されて画像１２６１との画素単位以下の精度で位置合わせ処理が行われる。また、検出光学系１２０ｘより取得した信号から欠陥を含む画像１２６３と参照画像１２６３ｒを生成し、この画像１２６３と参照画像１２６３ｒについても同様の構成により処理が施されて差分画像１２６３ｄが得られる。
【００３６】
次に、欠陥判定部２０１４において、差分画像１２６１ｄの輝度値を横軸ｘ１とし、差分画像１２６３ｄの輝度値を縦軸ｘ２とする直交座標系を構成して２つの差分画像１２６１ｄ及び１２６３ｄの対応する画素の輝度をこの直交座標系ｘ１、ｘ２とするにプロットする。直交座標系のｘ１、ｘ２空間にて、ノイズは欠陥画像と参照画像の引き残しであるためｘ１、ｘ２成分共に小さく、原点付近に分布する。一方、欠陥画像は輝度が強度はノイズと比較し大きく、ｘ１、ｘ２空間において原点より離れた位置となるにプロットされる。そこで、直交座標系の原点付近に境界３５０を設けることでノイズ３２２と欠陥３２１を分離し、欠陥判定する（２０１４）。境界３５０には円や直線の組み合わせ等を使用することができる。例えば、円を用いる場合には、半径をＡとし、境界線は次式（数１）を満たす領域に引けばよい。
【００３７】
【数１】
【００３８】
とする。
【００３９】
ここでは２枚の画像についての例を示したが、３枚以上の画像を用いても同様の処理を用いることができる。この抽出した欠陥候補の散乱光分布や強度などの特徴から、分類・サイジング処理部２０１５において欠陥判定、分類・サイジングが行われる。
【符号の説明】
【００４０】
１００・・・半導体ウエハ １０１・・・線状ビーム １１０・・・照明光学系 １１１・・・レーザ光源 １１２・・・ＮＤフィルタ １１３・・・ビームエキスパンダ １１４・・・偏光生成部（偏光発生器） １１５・・・線状ビーム生成部 １２０ａ、１２０x、１２０y・・・撮像検出光学系 １２１・・・対物レンズ １２３、１２３ａ、１２３ｘ、１２３ｙ・・・空間フィルタ １２４ｄ・・・偏光解析器 １２５、１２５ａ、１２５ｘ、１２５ｙ・・・ラインセンサ １２７・・・ビームサンプラー １２８・・・瞳面観察光学系 １２６１、１２６３・・・撮像画像 １６０・・・高さ検出部 １６１・・・光発信機 １７０・・・ステージ部 １７０ａ・・・ｘステージ １７０ｂ・・・yステージ １７０ｃ・・・zステージ １７０ｄ・・・θステージ ２００・・・画像処理部 ２１０、１２１０・・・操作部 ２２０・・・制御部 ２３０・・・表示部 ２５０・・・信号処理・制御系 ２０１１ａ、２０１１ｂ、・・・位置合わせ部 ２０１２ａ、２０１２ｂ・・・明るさ補正部 ２０１３ａ、２０１３ｂ・・・差分処理部 ２０１４・・・欠陥判定部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にパターンが形成された試料に光を照射するレーザ光源を備える照明光学系と、
前記照明光学系により照明された該試料から発生する光を検出するセンサを備える検出光学系と、
前記検出光学系により検出された光に基づく画像から欠陥を抽出する信号処理手段と、を備え、
前記検出光学系にて光を検出する間に前記センサの増幅率を動的に変化させることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の欠陥検査装置であって、
前記センサの増幅率を、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光に基づき変えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の欠陥検査装置であって、
前記センサの増幅率を、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光の大きさに基づき変えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項４】
請求項１記載の欠陥検査装置であって、
前記センサの増幅率を、予め定めた該試料の複数の領域ごとに変えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項５】
請求項１記載の欠陥検査装置であって、
前記センサの増幅率を、該試料の所定の画素数から発生する光の強度に基づき動的に変更することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記センサはＡＰＤであることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記レーザ光源はパルス光源であり、
前記センサは前記パルス光源のパルス間隔よりも短い時間内にＯＮ／ＯＦＦを切り替えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記レーザ光源はパルス光源であり、
前記センサは前記パルス光源のパルスが到達するタイミングでサンプリングを行うことを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記検出光学系は、該試料の表面に対して異なる仰角方向に散乱する光をそれぞれ検出する複数のセンサを備え、
前記信号処理手段は、前記複数のセンサでそれぞれ検出した光を統合処理することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１０】
表面にパターンが形成された試料に光を照射する照明工程と、
前記照明工程により照明された該試料から発生する光を検出する検出工程と、
前記検出工程により検出された光に基づく画像から欠陥を抽出する信号処理工程と、を備え、
前記検出工程にて光を検出する間に前記センサの増幅率を動的に変化させることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の欠陥検査方法であって、
前記センサの増幅率を、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光に基づき変えることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の欠陥検査方法であって、
前記センサの増幅率を、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光の大きさに基づき変えることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１３】
請求項１０記載の欠陥検査方法であって、
前記センサの増幅率を、予め定めた該試料の複数の領域ごとに変えることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１４】
請求項１０記載の欠陥検査方法であって、
前記センサの増幅率を、該試料の所定の画素数から発生する光の強度に基づき動的に変更することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１５】
請求項１０乃至１４のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記センサはＡＰＤであることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１６】
請求項１０乃至１５のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記レーザ光源はパルス光源であり、
前記センサは前記パルス光源のパルス間隔よりも短い時間内にＯＮ／ＯＦＦを切り替えることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１７】
請求項１０乃至１６のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記レーザ光源はパルス光源であり、
前記センサは前記パルス光源のパルスが到達するタイミングでサンプリングを行うことを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１８】
請求項１０乃至１７のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記検出工程では、該試料の表面に対して異なる仰角方向に散乱する光をそれぞれ検出し、
前記信号処理工程では、前記検出工程で検出した異なる仰角方向に散乱する光を統合処理することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１】
表面にパターンが形成された試料に光を照射するレーザ光源を備える照明光学系と、
前記照明光学系により照明された該試料から発生する光を検出するセンサを備える検出光学系と、
前記検出光学系により検出された光に基づく画像から欠陥を抽出する信号処理手段と、を備え、
前記検出光学系にて光を検出する間に前記センサの増幅率を動的に変化させることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の欠陥検査装置であって、
前記センサの増幅率を、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光に基づき変えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の欠陥検査装置であって、
前記センサの増幅率を、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光の大きさに基づき変えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項４】
請求項１記載の欠陥検査装置であって、
前記センサの増幅率を、予め定めた該試料の複数の領域ごとに変えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項５】
請求項１記載の欠陥検査装置であって、
前記センサの増幅率を、該試料の所定の画素数から発生する光の強度に基づき動的に変更することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記センサはＡＰＤであることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記レーザ光源はパルス光源であり、
前記センサは前記パルス光源のパルス間隔よりも短い時間内にＯＮ／ＯＦＦを切り替えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記レーザ光源はパルス光源であり、
前記センサは前記パルス光源のパルスが到達するタイミングでサンプリングを行うことを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記検出光学系は、該試料の表面に対して異なる仰角方向に散乱する光をそれぞれ検出する複数のセンサを備え、
前記信号処理手段は、前記複数のセンサでそれぞれ検出した光を統合処理することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１０】
表面にパターンが形成された試料に光を照射する照明工程と、
前記照明工程により照明された該試料から発生する光を検出する検出工程と、
前記検出工程により検出された光に基づく画像から欠陥を抽出する信号処理工程と、を備え、
前記検出工程にて光を検出する間に前記センサの増幅率を動的に変化させることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の欠陥検査方法であって、
前記センサの増幅率を、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光に基づき変えることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の欠陥検査方法であって、
前記センサの増幅率を、前記照明光学系により照明された該試料から発生する光の大きさに基づき変えることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１３】
請求項１０記載の欠陥検査方法であって、
前記センサの増幅率を、予め定めた該試料の複数の領域ごとに変えることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１４】
請求項１０記載の欠陥検査方法であって、
前記センサの増幅率を、該試料の所定の画素数から発生する光の強度に基づき動的に変更することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１５】
請求項１０乃至１４のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記センサはＡＰＤであることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１６】
請求項１０乃至１５のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記レーザ光源はパルス光源であり、
前記センサは前記パルス光源のパルス間隔よりも短い時間内にＯＮ／ＯＦＦを切り替えることを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１７】
請求項１０乃至１６のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記レーザ光源はパルス光源であり、
前記センサは前記パルス光源のパルスが到達するタイミングでサンプリングを行うことを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１８】
請求項１０乃至１７のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記検出工程では、該試料の表面に対して異なる仰角方向に散乱する光をそれぞれ検出し、
前記信号処理工程では、前記検出工程で検出した異なる仰角方向に散乱する光を統合処理することを特徴とする欠陥検査方法。
【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】
【公開番号】特開２０１３−２９４３８（Ｐ２０１３−２９４３８Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６６２００（Ｐ２０１１−１６６２００）
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【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２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【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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