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CN101490538B - 缺陷检测装置和缺陷检测方法 - Google Patents

缺陷检测装置和缺陷检测方法 Download PDF

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CN101490538B
CN101490538B CN2007800268598A CN200780026859A CN101490538B CN 101490538 B CN101490538 B CN 101490538B CN 2007800268598 A CN2007800268598 A CN 2007800268598A CN 200780026859 A CN200780026859 A CN 200780026859A CN 101490538 B CN101490538 B CN 101490538B
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Abstract

一种缺陷检查装置检查具有形成在表面上的图案的样品的缺陷。该缺陷检查装置设有：平台(11)，样品(10)放置在该平台上，并且该平台可线性移动和旋转；光源(1)；照明光学系统，其选择来自光源的任意的波长带并通过偏振器(7)和物镜(9)来落射照明样品表面；检测光学系统，其通过使由照明光学系统所应用的来自样品的表面的反射光通过物镜(9)和检偏器(12)来得到光瞳像，所述检偏器(12)与所述偏振器满足正交尼科尔条件；以及检测单元，其通过将所得到的光瞳像与预先存储的光瞳像相比较来检测样品的缺陷。在短时间内能判断被检查衬底上的图案的一致性。

Description

缺陷检测装置和缺陷检测方法
技术领域
本发明涉及一种缺陷检测装置和缺陷检测方法。
背景技术
为了确定形成在半导体晶片的表面上的图案的质量，提出了通过利用扫描电子显微镜(SEM)的观测来测量截面形状的各种方法。在利用SEM对截面形状的观测中，利用电子束沿图案的截面方向扫描被检查衬底上的图案，对来自图案的反射电子或二次电子进行检测和分析以得到扫描部分的截面形状。对图案上的几个点执行该操作以总体上确定图案形状的质量。
作为用于确定图案质量的另一方法，还能举出利用散射仪来测量CD或套刻精度(overlay)的在线测量技术。
在光谱散射仪中，作为波长的函数以固定角度来测量散射光的特性，并且通常使用诸如氙气灯、氘灯的宽带光源以及诸如氙弧灯的卤素系光源。可将或者垂直入射或者倾斜入射作为该固定角度。
在角分辨散射仪中，作为入射角度的函数以固定波长来测量散射光的特性，并且通常使用激光束作为单一波长的光源。
专利文献1：日本专利特开2005-188944号公报
发明内容
本发明要解决的问题
在利用SEM的测量方法中，因为多次反复执行利用电子束照射和扫描图案的操作，所以需要大量的时间来得到图案的形状。由于高观测倍率难以得到晶片上的所有图案形状，所以只有对某些点进行取样以判断整个晶片的质量。由此，如果缺陷位于除取样图案外的部分中，则会漏看该缺陷。当利用电子束照射抗蚀剂图案时，抗蚀剂通过加速电压吸收电子束，并且抗蚀剂被充电直到造成图案的劣化。在一些情形中，产生放电而破坏图案，并给后续工艺带来不便。因此，最佳观测条件在加速电压或观测倍率以各种方式变化时得到。因而，测量需要额外的时间。
角分辨散射仪技术的问题中的一个在于每次仅检测一个波长。因此，当光谱具有多个波长时，必须执行波长的时分复用，这增加了检测和处理光谱所需要的总时间。在光谱散射仪中，必须用具有小的入射角度范围的光来照明小栅格，这浪费了大量来自扩散光源的光。因此检测器上的光级降低，从而延长了取得时间，这不利地影响吞吐量。当选择短的取得时间时，有时测量结果变得不稳定。
基于上文所述，本发明的课题是提供一种表面检查装置和表面检查方法，所述表面检查装置和表面检查方法能在短时间内对被检查衬底上的良品图案与缺陷图案加以区分，而与抗蚀剂图案和蚀刻后图案无关。
用于解决问题的方法
根据本发明的第一方面，提出一种检查样品中的缺陷的缺陷检查装置，图案形成在样品表面中。该缺陷检查装置包括：平台，样品放置在该平台上；光源；照明光学系统，用于利用从光源发射并透过偏振器和物镜的光来落射照明样品表面；检测光学系统，其检测利用从样品表面反射并透过物镜和检偏器的照明光而形成的物镜的光瞳像，所述检偏器与所述偏振器一起满足正交尼科尔条件；以及检测单元，其将所得到的光瞳像与预先存储的光瞳像相比较以检测样品中的缺陷。
根据本发明的第二方面，提出一种检查样品中的缺陷的缺陷检查装置，图案形成在样品表面中。该缺陷检查装置包括：平台，样品放置在该平台上；光源；照明光学系统，用于利用从光源发射并透过偏振器和物镜的光来落射照明样品表面；检测光学系统，其检测利用从样品表面反射并透过物镜和检偏器的照明光而形成的物镜的光瞳像，所述检偏器与所述偏振器一起满足正交尼科尔条件；以及检测单元，其将光瞳像的部分彼此进行比较以检测样品中的缺陷，所述部分关于光轴对称。
根据本发明的第三方面，在如第一和第二方面中的一个方面所述的缺陷检查装置中，照明光学系统包括：照度均一化单元；多个干涉滤光器，其能选择任意的波长带；和孔径光阑，并且物镜的照明σ是可变的。
根据本发明的第四方面，在如第一到第三方面中的一个方面所述的缺陷检查装置中，基于物镜的偏振主轴的旋转量的范围从1°到25°。
根据本发明的第五方面，在如第一到第四方面中的一个方面所述的缺陷检查装置中，偏振器和检偏器中的一个包括旋转机构，并且代替偏振器与检偏器之间的正交尼科尔关系，而通过绕其光轴旋转偏振器和检偏器中的一个，将偏振器的透射轴与检偏器的透射轴之间形成的角度设置在65°到89°的范围内。
根据本发明的第六方面，在如第一到第五方面中的一个方面所述的缺陷检查装置中，当检测单元检测样品中的缺陷时，在光瞳像中采用高灵敏度的点。
根据本发明的第七方面，在如第一到第六方面中的一个方面所述的缺陷检查装置中，在照明光学系统中设置多种孔径光阑，从而能选择使用该多种孔径光阑中的一个。
根据本发明的第八方面，提出一种用于检查样品中的缺陷的缺陷检查方法，图案形成在样品表面中。该缺陷检查方法包括：利用从光源发射并透过偏振器和物镜的光来落射照明样品表面；利用从样品表面反射并透过物镜和检偏器的照明光来得到物镜的光瞳像，所述检偏器与所述偏振器一起满足正交尼科尔条件；以及将所得到的光瞳像与预先存储的光瞳像相比较以检测样品中的缺陷。
根据本发明的第九方面，在如第八方面所述的缺陷检查方法中，将图案的重复方向设置为与偏振器的方向偏移45°的方向。
根据本发明的第十方面，在如第八方面所述的缺陷检查方法中，将图案的重复方向设置为与偏振器的方向偏移22.5°或67.5°的方向。
根据本发明的第十一方面，在如第八到第十方面中的一个方面所述的缺陷检查方法中，光瞳像的比较是所得到的光瞳像的半径方向中的亮度分布与预先存储的光瞳像的半径方向中的亮度分布的比较。
根据本发明的第十二方面，在如第八到第十一方面中的一个方面所述的缺陷检查方法中，基于阈值和所得到的光瞳像的亮度分布与预先存储的光瞳像的亮度分布之间的差别来执行缺陷的检测。
根据本发明的第十三方面，提出一种用于检查样品中的缺陷的缺陷检查方法，图案形成在样品表面中。该缺陷检查方法包括：利用从光源发射并透过偏振器和物镜的光来落射照明样品表面；利用从样品表面反射并透过物镜和检偏器的照明光来得到物镜的光瞳像，所述检偏器与所述偏振器一起满足正交尼科尔条件；以及将部分彼此进行比较以检测样品中的缺陷，所述部分关于光瞳像的光轴对称。
根据本发明的第十四方面，在如第八到第十三方面中的一个方面所述的缺陷检查方法中，代替偏振器与检偏器之间的正交尼科尔关系，而通过绕其光轴旋转偏振器和检偏器中的一个，将偏振器的透射轴与检偏器的透射轴之间形成的角度设置在65°到89°的范围内。
根据本发明的第十五方面，在如第八到第十四方面中的一个方面所述的缺陷检查方法中，当检测样品中的缺陷时，在光瞳像中采用高灵敏度的点。
发明效果
因此，本发明能提供一种表面检查装置和表面检查方法，所述表面检查装置和所述表面检查方法能在短时间内对被检查衬底上的良品图案与缺陷图案加以区分，而与被检查衬底是具有抗蚀剂图案还是具有蚀刻后图案无关。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的示例的缺陷检查装置的概要的视图。
图2是示出用于观测而分割的光瞳像示例的视图。
图3是示出根据本发明实施例的另一示例的缺陷检查装置的概要的视图。
图4是示出包括多个单位孔径光阑的孔径光阑的示例的视图。
图5是示出检偏器和偏振器的方向与包括L/S图案的晶片之间的位置关系的视图。
图6是说明照明光到晶片的入射角度与光瞳中的位置之间的关系的视图。
图7是示出L/S抗蚀剂图案的理想形状的示意图。
图8是示出L/S抗蚀剂图案的梯形形状的示意图。
图9A是示出由从L/S抗蚀剂图案镜面反射并透过检偏器的光在光瞳中形成的光量分布的视图。
图9B是示出由从L/S抗蚀剂图案镜面反射并透过检偏器的光在光瞳中形成的光量分布的视图。
图9C是示出由从L/S抗蚀剂图案镜面反射并透过检偏器的光在光瞳中形成的光量分布的视图。
图10是示出光瞳的每个位置处的反射光的偏振光轴方向的视图。
图11A是示出入射到晶片的光的角度与镜面反射的光量之间的关系的视图。
图11B是示出入射到晶片的光的角度与镜面反射的光量之间的关系的视图。
图11C是示出入射到晶片的光的角度与镜面反射的光量之间的关系的视图。
图12是示出由从L/S抗蚀剂图案镜面反射并透过检偏器的光在光瞳中形成的光量分布的视图，其中在L/S抗蚀剂图案的方位角α设置在45°时，在546nm的波长λ和60°的入射角度下计算光量。
图13是示出由从L/S抗蚀剂图案镜面反射并透过检偏器的光在光瞳中形成的光量分布的视图，其中在L/S抗蚀剂图案的方位角α设置在45°时，在436nm的波长λ和60°的入射角度下计算光量。
图14是示出当在晶片图案的旋转角度α设置在22.5°的情况下在晶片的不同点处执行测量时，光瞳半径方向中的反射光量分布的视图。
图15是示出当在晶片图案的旋转角度α设置在45°的情况下在晶片的不同点处执行测量时，光瞳半径方向中的反射光量分布的视图。
图16是示出当在晶片图案的旋转角度α设置在67.5°的情况下在晶片的不同点处执行测量时，光瞳半径方向中的反射光量分布的视图。
图17是示出当利用图1的装置观测裸晶片时获得的观测像的视图。
附图标记说明
1                光源
2                透镜
3                照度均一化单元
4        孔径光阑
4a到4e   单位孔径光阑
5        视场光阑
6        透镜
7        偏振器
8        半透明反射镜
9        物镜
10       晶片
11       晶片台
12       检偏器
13       透镜
14       半棱镜
15       透镜
16       视场光阑
17       成像器件
18       成像器件
19       半透明反射镜
20       光源
具体实施方式
下文将参照附图来描述本发明实施例的示例。图1是示出根据本发明实施例的示例的缺陷检查装置的概要的视图。从光源1(诸如白光LED和卤素灯)发射的光穿过透镜2、包括干涉滤光器的照度均一化单元3、孔径光阑4和视场光阑5，并通过透镜6校直。孔径光阑4和视场光阑5具有这样的结构，即孔的形状和孔的位置可相对于光轴改变。因此，照明区域的大小和位置能改变，同时照明的孔径角能改变。
已穿过可分离偏振器7的平行光被半透明反射镜8反射并导向到物镜9，用于放置在晶片台11上的晶片10的同轴落射照明。晶片台11能沿正交的三个方向，即x轴、y轴和z轴方向移动，并且晶片台11能绕z轴θ旋转。晶片10利用同轴入射光照明(将同轴落射照明的光轴设置在z轴)。
用于晶片10的同轴落射照明的光被晶片10反射并返回到物镜9。光透过半透明反射镜8，穿过可分离检偏器12和透镜13并入射到半棱镜14。由半棱镜14反射的光在成像器件18上形成晶片10的像。透过半棱镜14的光进一步透过透镜15。然后，该光在视场光阑16上形成晶片10的像，并在成像器件17上形成物镜9的光瞳像。视场光阑16能沿x轴和y轴方向相对于光轴(z轴)移动，并且视场光阑16具有孔的形状可变功能。
将先前由成像器件17摄取的完好图案的光瞳像(基准像)存储在控制装置中(未示出)。将该光瞳像(基准像)与被检查对象的光瞳像(检测像)相比较，通过检测光瞳像之间的差别来检测缺陷。
可选地，例如，将每个像素中的基准像的亮度和检测像的亮度彼此进行比较，并且当在某个像素中亮度差超过预定阈值时，可作出存在缺陷的判定。不必对所有像素执行比较，而是如下文所述仅对经过光轴的预定线(放射方向)上的像素执行比较。
当缺陷存在时，反射光丧失对称性，从而在关于光瞳像的光轴对称的部分之间产生亮度或色调差。因此，通过检测该差别能检测出缺陷。
可选地，光瞳像被分成与入射到晶片的光的45°角度相对应的圆的内侧和外侧，并且在圆的内侧和外侧中检测基准像和检测像之间的差别，而缺陷可基于该差别的结果而检出。另外，如图2(a)中所示，光瞳像21被分成A、B、C、D和D部分，在每个部分中检测基准像与检测像之间的差别，而缺陷可基于该差别的结果而检出。如图2(b)中所示，在光瞳像21中的由圆所示的九个部分中检测基准像与检测像之间的差别，而缺陷可基于该差别的结果而检出。从图2开始的附图中，前面附图中所示的部件用相同的附图标记指示，并且有时省略描述。
将光瞳像(物镜的光瞳平面的像)的比较用作缺陷检测方法的原因在于：在仅晶片表面的图像中，图案间距在检查装置的分辨率以下，不能光学地检测缺陷。
孔的位置和孔的形状能在视场光阑16中改变。因此关于具有期望大小的区域的信息能在晶片10的期望位置处检出。因为偏振器7和检偏器12设置为满足正交尼科尔条件，所以除存在如下文所述的基于物镜的偏振主轴的旋转影响的情形外，只要偏振主轴不通过晶片10的图案旋转，所观测的光量就基本为零。
在该实施例中，照明σ(照明光源的NA/物镜的NA)可通过孔径光阑4改变，从而能以适当的亮度来照明晶片10。
图3是示出根据本发明实施例的另一示例的缺陷检查装置的概要的视图。图3的缺陷检查装置与图1的缺陷检查装置的不同之处在于：透过半棱镜14的光到达成像器件18；设置半透明反射镜19和光源20并且半棱镜14所反射的光通过半透明反射镜19反射以到达成像器件17；以及视场光阑16和透镜15的位置互换。另外，图3的缺陷检查装置与图1的缺陷检查装置的不同之处在于：设置具有多种不同形状的孔径光阑，并且选择一个孔径光阑4并将其插入光路中，如下所述。因为图3的缺陷检查装置与图1的缺陷检查装置在其他方面相同，所以将仅描述彼此不同的部分，而省略相同部分的描述。
例如，孔径光阑4包括图4中所示的单位孔径光阑4a、4b、4c、4d和4e，并能通过旋转孔径光阑4来选择使用单位孔径光阑4a、4b、4c、4d和4e中的一个。
单位孔径光阑4a包括四个孔，如图4中所示；单位孔径光阑4b包括八个孔，如图4中所示；单位孔径光阑4c包括九个孔，如图4中所示；单位孔径光阑4d包括在中央部分中执行遮光的孔，如图4中所示，而单位孔径光阑4e仅包括一个孔，如图4中所示。每个孔的直径可改变。光源(诸如白光LED和卤素灯)可布置在每个孔处。
照明光的入射角根据晶片10的类型进行选择。当仅利用具有特定入射角的照明光照明晶片10时，缺陷检测性能有时得以增强。因此，在通过顺次选择单位孔径光阑4a、4b、4c、4d和4e来改变照明光的入射角的同时执行检查，并且可采用具有最佳检测性能的检查结果。在已通过预先执行的检查发现对应于晶片类型的最佳单位孔径光阑的情形中，能从一开始就利用最佳单位孔径光阑来执行检查。
当利用照明光对晶片10进行过度地照明时，取决于晶片10的类型而导致对晶片的不利损坏。在这些情形中，通过选择单位孔径光阑4a、4b、4c和4d能减少照明光的光量，从而消除对晶片10的损坏。
在执行检查时，有时在通过成像器件18观测的晶片10的像中摄取宽广范围，而将通过成像器件17观测的晶片10的光瞳像限制到晶片10的特定狭窄范围。在这些情形中，增大视场光阑5的孔以照明晶片10的宽广范围，将视场光阑16的孔减小到特定的孔位置，并将视场缩小到特定范围。
此时，没有找出晶片10的哪个范围对应于要通过成像器件17观测的光瞳像。因此，该实施例包括光源20。从光源20发射的照明光透过半透明反射镜19和视场光阑16并通过半透明反射镜14反射，并且通过包括透镜13、检偏器12、半透明反射镜8和物镜9的落射照明光学系统，该光在晶片10的表面上形成视场光阑16的像。通过利用成像器件18观测该像来找出晶片10的哪个范围对应于要利用成像器件17观测的光瞳像。在从光源20发射的光阻碍检查的情况下，例如可通过将光源20切换到光源1来使用光源1。仅当确定了与要利用成像器件17观测的光瞳像相对应的晶片10的区域时才点亮光源20，并且可在实际检查中关掉光源20。
示例
图5是示出检偏器和偏振器的方向与包括L/S图案的晶片之间的位置关系的视图。参照图5，检偏器的方向设置在X轴方向，偏振器的方向设置在Y轴方向，而L/S图案的重复方向从Y轴方向向X轴方向旋转α。
将参照图6来描述入射到晶片的照明光的角度与光瞳中的位置之间的关系。晶片的入射角度0°位于如由图6的虚线箭头所示的光瞳上的光瞳中心。另一方面，入射角度64°(对应于NA＝0.9)位于如实线箭头所示的光瞳的最外周。因此，入射角度对应于光瞳中沿半径方向的位置。也就是说，在绕光瞳中的光轴具有相同半径的位置处形成像的光是以相同的角度入射到晶片的光。
下文将对如下示例进行描述，在该示例中，通过矢量分析技术，使用具有0.9的NA的物镜来确定通过从45nm的L/S抗蚀剂图案镜面反射并透过检偏器的光在光瞳中形成的光量分布。
图7是示出当执行矢量分析时45nm L/S抗蚀剂图案的理想形状的示意图。在图7中，抗蚀剂宽度L1和间隔宽度L2设置为45nm，抗蚀剂厚度h1设置为110nm，而SiO2厚度h2设置为100nm。
图8是示出45nm L/S抗蚀剂图案的梯形形状的示意图。例如，在曝光装置中，假定在最佳聚焦范围之外执行曝光从而在抗蚀剂图案中产生梯形形状变化。该梯形形状变化通过(t1+t2)/L1(t1和t2是梯形的斜边的宽度)来数值表示。在理想状态即矩形形状的情形中，形状变化为0％。在三角形形状的情形中，形状变化为100％。
图5的晶片图案的旋转角α设置为45°，并且在546nm的波长λ下确定通过从45nm L/S抗蚀剂图案镜面反射并透过检偏器的光在光瞳中形成的光量分布。得到的结果如图9A到9C中所示。
图9A到图9C是示出在观测其形状变化为0％、40％和80％的L/S图案时入射角度与镜面反射光量之间的关系的线图。横轴为入射角度，纵轴为镜面反射光量。图9A示出图10中所示的光瞳中的O-U截面中的反射光量，图9B示出图10中所示的光瞳中的O-UL截面中的反射光量，而图9C示出图10中所示的光瞳中的O-UR截面中的反射光量。将图9A到图9C中所示的图表的每个纵轴的比例归一化，使得在形状变化0％时O-UL截面的镜面反射光的最大值设置为1。因为如上所述入射角度对应于光瞳中的半径，所以图9A到图9C中所示的多个数据对应于其中横轴为每个截面的半径的镜面反射分布。
图10通过箭头示出了在光瞳的每个位置处的反射光的偏振主轴方向。在X轴方向和Y轴方向(R、L、U、D和O)上，偏振主轴不旋转而是朝向Y轴方向(偏振器的方向)。然而，偏振轴在光瞳中的周边部中沿相对于X轴和Y轴倾斜45°的方向(UR、LR、LL和UL)旋转大约4.5°。
从图9A到图9C能看到，反射光量随着入射角的扩大而增加，并且当形状变化增加时，反射光量降低。因此，通过将具有正常L/S图案的晶片的反射光量和作为被检查对象的晶片的反射光量相比较能检测出形状变化的范围，即缺陷的程度。
从图9中能看到，反射光量取决于光瞳中的位置，并且O-UL截面具有最大的反射光量。另外，还发现在60°的入射角度处，O-UL截面具有最大的与形状变化相关联的反射光量变化。因此，在利用设置在正交尼科尔状态中的偏振器和检偏器来检测光瞳中具有图7和图8的结构的45nm L/S图案的形状变化的方法中，通过测量546nm的波长λ下O-UL截面的60°的入射角度附近的光量变化能执行高灵敏度的图案缺陷检查。
图11A到图11C是示出在观测其形状变化为0％、40％和80％的L/S图案中入射到晶片的角度与镜面反射光量比之间的关系的线图。横轴为入射角度，纵轴为镜面反射光量比。图11A示出了图10中所示的光瞳中的O-U截面中的反射光量比，图11B示出了图10中所示的光瞳中的O-UL截面中的反射光量比，而图11C示出了图10中所示的光瞳中的O-UR截面中的反射光量比。图11的纵轴的比例通过形状变化0％处的镜面反射光量来进行归一化。
从图11A到图11C中能看到，与形状变化相关联的反射光量比取决于入射角度和光瞳中的位置。发现当O-UL截面中的入射角度增大时，与形状变化相关联的镜面反射光量比的变化减小，而当O-UR截面中的入射角度增大时，与形状变化相关联的镜面反射光量比的变化增加。
因此，在利用设置在正交尼科尔状态中的偏振器和检偏器来检测光瞳中具有图7和图8的结构的45nm L/S图案的形状变化的方法中，通过测量546nm的波长λ下O-UR截面的60°的入射角度附近的光量变化比率能执行高灵敏度的图案缺陷检查。
因此，基于有关图案结构的信息，当将形状变化和入射角度用作参数时，通过矢量分析预先获得光瞳中的光量分布。然后优先选择光瞳中光量相对于形状变化的变化大的位置以及光瞳中光量相对于形状变化的变化比率大的位置以检测光量的变化或光量的变化比率。由此，能以较高的灵敏度来检查形状缺陷。
在该示例中，使用图7和图8的示意图来执行计算。可选地，光瞳中相对于线宽变化的光量分布通过改变抗蚀剂宽度L1和间隔宽度L2的比率来获得。然后优先选择光瞳中光量相对于线宽变化的变化大的位置以及光瞳中光量相对于线宽变化的变化比率大的位置以检测光量的变化或光量的变化比率。由此，能以较高的灵敏度来检查线宽缺陷。
可选地，光瞳中相对于膜厚变化的光量分布通过改变抗蚀剂厚度h1或SiO2厚度来获得。然后优先选择光瞳中光量相对于膜厚变化的变化大的位置以及光瞳中光量相对于膜厚变化的变化比率大的位置以检测光量的变化或光量的变化比率。由此，能以较高的灵敏度来检查膜厚缺陷。
另外，改变波长λ进行计算，选择最佳波长λ以提高对各种缺陷的灵敏度，并且选择光瞳中的位置。由此，能以较高的灵敏度来检查形状缺陷。
例如，将白光LED用作光源，通过彩色CCD来摄取光瞳中的光量分布，并将该光量分布分成RGB，这允许选择波长。通过基于图案结构的计算来预先选择最佳的光瞳位置。因此，能检出RGB比率，或者存储良品图案的光瞳像和缺陷图案的光瞳像，并且通过光瞳像的比较能检查缺陷。
假定偏振器的线性偏振光的透射轴设置在y轴，而检偏器的透射轴设置在x轴，则在图10的光瞳的U、R、D和L中，所观测的透过检偏器的光瞳像的光强通过下面的等式表示：
[等式1]
I＝Ax2
这里，Ax是x方向的振动分量的振幅。
另一方面，在图10的光瞳的对角方向UR、UL、LR和LL中，物镜9的偏振主轴旋转±4.5°。假定θ是±4.5°的旋转量，则透过检偏器所观测的光瞳像的光强通过下面的等式表示：
[等式2]
Iθ＝|cosθ·Ax·exp(iδx)+sinθ·Ay·exp(iδy)|2
这里，Ax和Ay是x方向和y方向的振动分量的振幅，而δx和δy是x方向和y方向的振动分量的相位。
假定将顺时针旋转的偏振主轴设置为正(+)，而将逆时针旋转的偏振主轴设置为负(-)，则在UR和LL中将偏振主轴旋转θ＝+4.5°，而在UL和LR中将偏振主轴旋转θ＝-4.5°。因此，UR中的光强、LL中的光强、UL中的光强以及LR中的光强与U、R、D和L中的光强不同。另外，UR和LL中的光强与UL和LR中的光强不同。因此，根据图案形状来识别出光瞳中亮度和色调的变化，并且能通过与良品图案的差别来执行缺陷检查。
因此，对物镜9中偏振主轴的θ＝±4.5°的旋转量的效果进行了描述。图12和图13示出对于旋转量θ的最佳范围的研究结果。在图12的线图中，波长λ设置为546nm，L/S图案的周期方向中的旋转角度α设置为45°，入射角度限制到60°，横轴为偏振主轴的旋转角度，纵轴为镜面反射光量，并且示出了当利用-25°与+25°之间的偏振主轴的旋转角度范围来观测具有0％、40％和80％的形状变化的45nm L/S图案时的关系。在图12中，反射光量通过0％的形状变化处的镜面反射光量来进行归一化。
由图12中的箭头所示的UL和UR对应于具有大约0.9的NA的物镜9的偏振主轴的±4.5°的旋转量。从图12中能看到，与形状变化相关联的反射光量比的变化量在UR处比UL处大，而当偏振主轴变为-7.5°时，与形状变化相关联的反射光量比的变化量变得比UR处大。
在图13的线图中，波长λ设置为436nm，L/S图案的周期方向中的旋转角度α设置为45°，入射角度限制到60°，横轴为偏振主轴的旋转角度，纵轴为镜面反射光量，并且示出了当利用-25°与+25°之间的偏振主轴的旋转角度范围来观测具有0％、40％和80％的形状变化的45nm L/S图案时的关系。在图13中，反射光量通过0％的形状变化处的镜面反射光量来进行归一化。
由图13中的箭头所示的UL和UR对应于具有大约0.9的NA的物镜9的偏振主轴的±4.5°的旋转量。从图13中能看到，与形状变化相关联的反射光量比的变化量在UR处比UL处大，而当偏振主轴变为-1.5°时，与形状变化相关联的反射光量比的变化量变得比UR处大。
因此，选择波长、入射角度和偏振主轴的旋转量来测量光量的变化比率，从而能高灵敏度地对图案缺陷进行检查。可以发现偏振主轴的最佳旋转量的范围从1°到25°。
为了改变偏振主轴的旋转量，准备多个物镜，这些物镜的沉积在其透镜表面上的抗反射涂层具有不同相位特性，并且可选择使用这些物镜中的一个。通过使偏振器与检偏器之间失去正交尼科尔关系能改变偏振旋转轴的旋转量。将能绕光轴旋转的机构设置在偏振器或检偏器中，并且理想地，偏振器或检偏器绕光轴旋转使得在偏振器的透射轴与检偏器的透射轴之间形成的角度处于65°到89°的范围中(由此，偏振主轴的旋转量能设置在1°到25°的范围内)。
利用作为光源的白光LED和彩色CCD成像器件能实现用于识别光瞳中亮度和色调变化的方法。因为在光瞳中的特定位置中亮度和色调的变化大，所以可对光瞳进行分割，从而通过光谱测量来测量光瞳中分割区域中的亮度和色调变化，以将结果与良品图案相比较，用于缺陷检查。为了识别图案形状的非对称性，相对于光轴有效地选择光瞳中的对称位置以测量亮度和色调的变化。理想地，基于入射到晶片的光的45度角度而将光瞳分成内圆和外圆，并测量亮度和色调的变化。
在上述示例中，在晶片图案的旋转角度α设置为45°时执行测量。在旋转角度α设置为0°或90°的情况下，即使晶片图案存在缺陷，偏振轴也不会出现太多旋转，并且缺陷检测性能降低。因此，可以相信当旋转角度α设置为介于0°与90°中间的45°时，由晶片图案的缺陷而导致的偏振轴的旋转增加，从而改进了缺陷检测性能。
图14到图16示出了当旋转角度α变为22.5°、45°和67.5°时对晶片中的特定曝光范围内的两个点(中央部分和最下外周部)进行测量的结果。图14示出了旋转角度α为22.5°的结果，图15示出了旋转角度α为45°的结果，而图16示出了旋转角度α为67.5°的结果。每个结果示出图10的UL-LR方向的截面中的反射光量分布。横轴指示在光瞳中的半径方向的位置(光入射到晶片的角度)，而纵轴指示反射光量。采用曝光装置的投影透镜的曝光范围(矩形区域)内的中央部分和最下外周部作为晶片中的特定曝光范围内的两个点。
从图14到图16中能看到，在旋转角度α为45°时没有明显地观测到曝光范围内的两个点之间的光量分布的差别，而在旋转角度α为22.5°和67.5°时，在光瞳中的周边部(光入射到晶片的角度大的部分)中出现大的差别。因为差别归因于晶片的每个部分中的L/S图案的微小差别，所以发现在旋转角度α为45°时可能不能检出的缺陷能通过设置22.5°和67.5°的旋转角度α而检出。
在从具有结构双折射的图案反射的光中，根据晶片的厚度h和形状，相位差、振幅Ax和振幅Ay在平行于入射光的振动面的分量(Y轴方向的分量)与垂直于振动面的分量(X轴方向的分量)之间变化。因此，从具有结构双折射的图案反射的光变为椭圆偏振光。根据光入射到晶片表面的角度以及波长，相位差、振幅Ax和振幅Ay也在平行于入射光的振动面的分量与垂直于振动面的分量之间变化。
将裸晶片放置在平台上，使用具有大约0.9的NA的物镜9将偏振器的透射轴纵向设置在光瞳中，而将检偏器的透射轴横向设置在光瞳中，使得偏振器和检偏器彼此正交以建立正交尼科尔条件。此时通过成像器件17观测到的光瞳像变为中央部分黑暗的四叶形状，如图17中所示。
这是如下现象：当物镜9的NA增加并且偏振主轴旋转时，光入射到物镜表面的角度增加。在该示例中，在具有0.9的NA的物镜中，偏振主轴在光瞳的对角方向旋转达到大约4.5度(在光透过物镜、被晶片表面反射并再次透过物镜的往复光路中)。因此，来自检偏器的漏光根据该旋转量而透射，并且通过成像器件17观测到的光瞳像在对角方向变亮。
然后，设置具有带有结构双折射的图案的晶片，适当设置视场光阑5或视场光阑16的孔的形状和孔的位置，并且当晶片表面的图案的周期方向相对于偏振器的透射轴旋转时，在光瞳上观测从晶片表面镜面反射的光。此时，在裸晶片的黑暗部分中识别亮度和色调的变化。
这是因为在光瞳上观测到从晶片图案衍射的光以及从晶片图案镜面反射的光。特别地，当视场光阑5或视场光阑16的孔的形状和孔的位置设置在形成待检查图案的区域中时，不会观测到衍射光，而亮度和色调的变化出现在形成于成像器件17的成像表面中的光瞳中。这是因为利用其为晶片照明的线性偏振光通过结构双折射而以椭圆偏振光的形式反射，并且该椭圆偏振光透过检偏器而在成像器件17的成像表面中形成光瞳。
例如，当晶片图案周期方向相对于偏振器的透射轴设置在45°和135度的方向时，整个光瞳像中的亮度增强。
当晶片图案周期方向相对于偏振器的透射轴设置在22.5度和67.5度的方向时，发现如上所述，随图案轮廓的变化，光瞳中亮度分布的变化达到最大。
在光瞳中的亮度分布中，根据图案轮廓的变化，依据光瞳中的位置来识别亮度和色调的变化。

Claims (15)

1.一种缺陷检查装置，所述缺陷检查装置检查样品中的缺陷，在样品表面中形成有图案，所述缺陷检查装置包括：
平台，所述样品放置在所述平台上；
光源；
照明光学系统，用于利用从所述光源发射并透过偏振器和物镜的光来落射照明所述样品表面；
成像器件，利用从所述样品表面反射并透过所述物镜和检偏器的照明光而在所述成像器件上形成所述物镜的光瞳像，所述光瞳像是所述物镜的光瞳平面的像，所述检偏器与所述偏振器一起满足正交尼科尔条件；和
检测单元，所述检测单元将所述成像器件得到的所述光瞳像与预先存储的利用从形成有完好的图案的衬底表面反射的光形成的物镜的光瞳像相比较以检测所述样品中的缺陷。
2.一种缺陷检查装置，所述缺陷检查装置检查样品中的缺陷，在样品表面中形成有图案，所述缺陷检查装置包括：
平台，所述样品放置在所述平台上；
光源；
照明光学系统，用于利用从所述光源发射并透过偏振器和物镜的光来落射照明所述样品表面；
检测光学系统，所述检测光学系统对利用从所述样品表面反射并透过所述物镜和检偏器的照明光而形成的所述物镜的光瞳像进行检测，所述检偏器与所述偏振器一起满足正交尼科尔条件；和
检测单元，所述检测单元将所述光瞳像的关于光轴对称的部分彼此进行比较以检测所述样品中的缺陷。
3.根据权利要求1或2所述的缺陷检查装置，其中所述照明光学系统包括：
照度均一化单元；
多个干涉滤光器，所述多个干涉滤光器能选择任意的波长带；和
孔径光阑，并且
照射到所述物镜上的光的照明σ是可变的。
4.根据权利要求1或2所述的缺陷检查装置，其中从所述样品反射的光在所述物镜的光瞳中的偏振主轴的旋转量的范围从1°到25°。
5.根据权利要求1或2所述的缺陷检查装置，其中所述偏振器和所述检偏器中的一个包括旋转机构，并且
代替所述偏振器与所述检偏器之间的正交尼科尔关系，通过使所述偏振器和所述检偏器中的一个绕其光轴旋转，将所述偏振器的透射轴与所述检偏器的透射轴之间形成的角度设定在65°到89°的范围内。
6.根据权利要求1或2所述的缺陷检查装置，其中当所述检测单元检测所述样品中的缺陷时，使用相对于所述样品表面的所述图案的形状变化而言所述光瞳中来自所述样品的反射光的光量的变化较大的位置，或使用相对于所述样品表面的所述图案的形状变化而言相对于来自形成正常的图案的样品的反射光的所述光瞳中的光量的变化比率较大的位置。
7.根据权利要求1或2所述的缺陷检查装置，其中在所述照明光学系统中设置多种孔径光阑，从而能选择所述多种孔径光阑中的一种来使用。
8.一种缺陷检查方法，所述缺陷检查方法用于检查样品中的缺陷，在样品表面中形成有图案，所述缺陷检查方法包括：
利用从光源发射并透过偏振器和物镜的光来落射照明所述样品表面；
通过成像器件来得到所述物镜的光瞳像，利用从所述样品表面反射并透过所述物镜和检偏器的照明光而在所述成像器件上形成所述光瞳像，所述光瞳像是所述物镜的光瞳平面的像，所述检偏器与所述偏振器一起满足正交尼科尔条件；以及
将所述成像器件得到的所述光瞳像与预先存储的利用从形成有完好的图案的衬底表面反射的光形成的物镜的光瞳像相比较以检测所述样品中的缺陷。
9.根据权利要求8所述的缺陷检查方法，其中将所述图案的重复方向设定为与所述偏振器的偏振方向偏移45°的方向。
10.根据权利要求8所述的缺陷检查方法，其中将所述图案的重复方向设定为与所述偏振器的偏振方向偏移22.5°或67.5°的方向。
11.根据权利要求8所述的缺陷检查方法，其中所述光瞳像的比较是所得到的光瞳像的半径方向上的亮度分布与所述预先存储的光瞳像的半径方向上的亮度分布的比较。
12.根据权利要求8所述的缺陷检查方法，其中基于阈值以及在所得到的光瞳像的亮度分布与所述预先存储的光瞳像的亮度分布之间的差别来执行所述缺陷的检测。
13.一种缺陷检查方法，所述缺陷检查方法用于检查样品中的缺陷，在样品表面中形成有图案，所述缺陷检查方法包括：
利用从光源发射并透过偏振器和物镜的光来落射照明所述样品表面；
利用从所述样品表面反射并透过所述物镜和检偏器的照明光来得到所述物镜的光瞳像，所述检偏器与所述偏振器一起满足正交尼科尔条件；以及
将所述光瞳像的关于光轴对称的部分彼此进行比较以检测所述样品中的缺陷。
14.根据权利要求8或13所述的缺陷检查方法，其中代替所述偏振器与所述检偏器之间的正交尼科尔关系，通过使所述偏振器和所述检偏器中的一个绕其光轴旋转，将所述偏振器的透射轴与所述检偏器的透射轴之间形成的角度设定在65°到89°的范围内。
15.根据权利要求8或13所述的缺陷检查方法，其中当检测所述样品中的缺陷时，使用相对于所述样品表面的所述图案的形状变化而言所述光瞳中来自所述样品的反射光的光量的变化较大的位置，或使用相对于所述样品表面的所述图案的形状变化而言相对于来自形成正常的图案的样品的反射光的所述光瞳中的光量的变化比率较大的位置。
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