JP5331673B2

JP5331673B2 - 検査方法及び検査装置

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Publication number: JP5331673B2
Application number: JP2009296658A
Authority: JP
Inventors: 瑞希奥; 央波多野; 稔野口
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-12-28
Also published as: JP2011137678A

Description

本発明は、検査装置，検査方法及びそれらに用いるプログラムに関し、例えば、半導体ウェハ上の微小な異物や欠陥を検出する表面検査装置に関する。

半導体基板や薄膜基板など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などの表面に存在する欠陥の検査が行われている。このような表面検査装置においては、試料表面に照明光を集光して照射し、表面ラフネスや欠陥によって散乱する光を検出する技術がある。検出範囲を空間的に分割するために、複数画素センサを用いる特開２００５−３４４７号公報などの技術がある。

特開２００５−３４４７号公報

表面検査装置において複数画素センサを用いると、検出範囲の範囲を分割することができるので、高感度化に有効である。しかし、複数画素センサを用いた場合、被検査表面の高さが変動すると、照明スポットの位置ズレと検出光学系の焦点ズレによって本来検出すべき範囲ではない箇所を検出するという課題や、欠陥位置精度が低下するという課題がある。

本発明の第１の特徴は、試料の高さを検出できる光学系を有し、その結果に基づいて、試料表面位置を調節しながら検査し、欠陥の位置精度の悪化や、照明・検出光学系のピントのずれを防ぐという機能を有する。

本発明の第２の特徴は、試料を全面吸着できるだけの広さをもつステージにおいて、試料高さを安定化させ、そのための試料の受入れ機構を有することにある。

本発明の第３の特徴は、試料を移動する搬送系と、試料へ線状照明光を照射する照射光学系と、前記試料の高さを測定する高さ検出系と、複数の画素を有する検出器を備える検出光学系と、前記検出光学系の検出結果を用いて前記試料の異物又は欠陥を検査する処理部と、前記試料の高さを制御する制御部と、を有し前記制御部は、前記高さ検出系の測定結果を用いて、前記線状照明光の変動量が前記画素の大きさよりも小さくなるように、前記試料の高さを制御することにある。

本発明の第４の特徴は、前記搬送系は回転し、前記高さ検出系は、前記照射光学系が前記線状照明光を照射した位置の前周の位置の高さを検出することにある。

本発明の第５の特徴は、前記制御部は、前記変動量が前記画素の大きさよりも小さくなる時間間隔で、前記変動量を補正することにある。

本発明の第６の特徴は、前記搬送系は、前記試料の高さを変えるボールネジ機構を有することにある。

本発明の第７の特徴は、前記搬送系は、裏面非接触型ステージを有することにある。

本発明の第８の特徴は、前記搬送系は、裏面吸着型ステージを有し、前記裏面吸着型ステージは、前記裏面吸着型ステージの外周部に配置された前記試料受入機構を有することにある。

本発明の第９の特徴は、前記試料受入機構は上下に動くことにある。

本発明の一つの態様によれば、複数画素センサを有する表面検査装置において、常に試料表面位置を照明・検出光学系のピントの位置に補正することができ、高感度の検査が行え、かつ、欠陥位置精度を保つことができる。

本発明の一実施例に係る表面検査装置の概略図である。本発明の一実施例に係る検出器位置の一例である。本発明の一実施例に係る検出光学系の第二例の概略図である。本発明の一実施例に係る検出部回路概略図である。本発明の一実施例に係る検査範囲と試料表面位置の第一例を示す図である。本発明の一実施例に係る検査範囲と試料表面位置の第二例を示す図である。本発明の一実施例に係る試料表面上の検査範囲と高さ測定位置を示す図である。本発明の一実施例に係る検査工程のフローチャート図である。本発明の一実施例に係る高さ制御用の機構部を示す図である。本発明の第二例に係る表面検査装置の概略図である。従来技術の試料受け渡し方法を示す図である。本発明の第二例に係るウェハ受け渡し方法を示す図である。本発明の第三例に係る表面検査装置の概略図である。本発明の第三例に係る検出光学系の概略図である。本発明の第三例に係るマルチアノード光電子増倍管の感度調整方法の一例を示す図である。本発明の第三例に係るマルチアノード光電子増倍管の感度調整方法の第二例を示す図である。本発明の第三例に係るマルチアノード光電子増倍管のチャンネルごとの印加電圧依存性を示す図である。本発明の第三例に係るマルチアノード光電子増倍管の印加電圧依存性を示す図である。本発明の第三例に係るマルチアノード光電子増倍管の感度の経時変化を示す図である。

以下、図面を用いて発明の実施例を説明する。

図１は本発明の一実施例の形態に関わる表面検査装置の概略図である。図１に示すように、裏面非接触型試料ステージ１０１，ステージ駆動部１０２，照明光源１０３，散乱光を検出する複数画素センサ１０４，信号処理部１０５，全体制御部１０６，制御部１０７，情報表示部１０８，入力操作部１０９，記憶部１１０等を備えている。ステージ駆動部１０２は、回転軸を中心に裏面非接触型試料ステージ１０１を回転させる回転駆動部１１１，垂直方向に移動する垂直駆動部１１２，試料の径方向に移動させるスライド駆動部１１３を備えている。試料高さを計測するために、検査用の照明光源１０３とは別に、高さ測定用光源１１４と高さ測定用検出器１１５を有する。

照明光源１０３から照明光を試料１００に照射し、試料表面上または表面近傍内部に存在する異物や欠陥、及び試料表面で、散乱，回折、又は反射された光を検出光学系１１６により捕集し、複数画素センサ１０４上に結像して検出する。照明光源１０３とは、レーザ，ＬＥＤ，ランプである。ＬＥＤを用いる場合は、試料表面に集光したとき、色むらが課題となるため、途中にレンズを通し、焦点位置にピンホールを設置して色むらの影響が少ない箇所だけを取り出すのが望ましい。裏面非接触型試料ステージ１０１は、ウェハ等の試料１００を支持しており、裏面非接触型試料ステージ１０１を回転駆動部１１１により回転させつつスライド駆動部１１３によって水平に移動させることで、相対的に照明光が試料１００上を渦巻状に走査する。したがって、試料表面の凹凸によって散乱される光は連続的，欠陥による散乱光はパルス的に発生し、連続的に発生する光のショットノイズが、表面検査装置のノイズ成分となる。また、本発明では回転及び並進ステージを用いて説明しているが、２軸の並進ステージでもよい。

図２は本発明の一実施例に係る照明スポットと検出光学系の位置関係を示した図である。図１ではひとつの複数画素センサを図示したが、図２のように検出器の数に限定はなく、それぞれ照明スポット２０２からの方位角Φ及び、仰角χの少なくとも一方が異なるように二つ以上の検出器が配置されていれば良い。また、検出光学系は、図１のような直線系の結像系や、図３に示すように、散乱光の第一の実像を第一結像光学系３０１により回折格子３０３上に結像させ、第二の結像光学系３０２によって複数画素センサ１０４ｃ上に拡大して結像させてもよい。

図４は、本発明の一実施例に係る検出部回路概略図である。発生した散乱光を複数画素センサ１０４で検出し、信号処理部１０５において、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ４０２），ＬＰＦ（ローパスフィルタ４０５）を通過し、それぞれ高周波成分と低周波成分とに分離する。各信号を増幅器４０３，４０６によって他のチャンネルと感度をそろえるように補正し、アナログ／デジタル変換器４０４ａ，４０４ｂでデジタル変換してコンピュータの記憶部４０７に記憶する。センサの感度バラツキが存在する時は、増幅器４０１を使って、信号強度を補正してもよい。

表面検査装置において、微小な異物を検出するための主な手法は、入射光量を増大させて、異物から発生する散乱光量を増大させるか、検査時間を増大させて散乱光を積算するか、本発明のように複数画素センサを用いて、ノイズ成分を減少させるかである。入射光量を増大させると試料表面を温度上昇させダメージを負わせるという問題がある。そこで、本発明では、検査時間を保持したままで微小異物を検出するために、複数画素センサを用いる。複数画素センサを用いると、検出範囲を空間的に分割して測定できるため、試料表面の凹凸によって散乱される光を減少させ、より微小な欠陥を検出することができる。本発明において複数画素センサ１０４とは、マルチアノードの光電子増倍管，アバランシェフォトダイオードアレイ，ＣＣＤリニアセンサ，ＥＭ−ＣＣＤ（Electron Multiplying CCD），ＥＢ−ＣＣＤ（Electron Bombardment CCD），ＭＣＰと光ファイバをカップリングしたイメージインテンシファイヤ（Image intensified）とＣＣＤやＴＤＩカメラを組み合わせた撮像系などである。

図５は本発明の一実施例に係る検出範囲と試料表面位置を示す図であり、複数画素センサの各チャンネルの位置を試料表面上に対応させた図である。照明光５０１を試料表面５０３に照射する。このとき、検査中に試料の支持方式による変動や試料自身のうねりによって、試料表面５０３よりΔｚだけずれた理想位置５０４に変動にすることがある。その場合、図５（ａ）に示すように、検査すべき位置に照明光が照射されず、Δｒだけずれた位置からの散乱光を検出する。従来技術のように、複数画素センサではなく、光電子増倍管のようなシングルチャンネルの検出器を用いる場合は、検出領域に対しての変動量Δｒが十分小さいため問題にはならない。一方、本発明のように複数画素センサを用いて画素サイズを小さくした場合は、検出領域が１チャンネル以上ずれてしまい、検出すべき位置を検出できないという課題がある。

図５（ｂ）を用いて、検出器光学系の光軸が紙面に対して垂直方向にあるとき、つまり、図２における第一検出光学系２０３の位置にあるときの補正方法を説明する。図５（ａ）と図５（ｂ）は、照明スポットにおけるｙ軸方向の断面図である。常に試料表面５０３近傍に試料表面が位置するように、試料高さを調整する。そこで、検査範囲の変動量Δｒが１画素以内に収まるためには、試料ステージに対して垂直方向のステージの位置精度は、

が必要である。φは照明光の入射角、ｐは試料表面上における複数画素センサ１チャンネルの大きさである。また、試料表面の異物位置精度を向上させるために、ｐ以下の量で径方向に試料を移動させて加算することがある。その場合には、垂直方向のステージの位置精度は径方向の移動量をｐ／ｎ，（ｎ＝１，２，３，４・・・・）とすると

を満たす必要がある。

次に、検出光学系のピントのずれに関して説明する。図５（ｃ）は図５（ｂ）におけるｘ軸方向の断面図であり、照明光は紙面に垂直の方向から照明している。試料高さがΔｚ変動すると、検出範囲がΔｗずれる。したがって、垂直方向のステージの位置精度は検出光学系の焦点深度をｄとすると、

かつ

を同時に満たさなければならない。

一方、図６（ａ）を用いて検出器光学系の光軸が紙面に対して斜め上方にあるとき、つまり図２における第二検出光学系２０４の位置にあるときの補正方法を説明する。図６に示すように、試料表面の位置がｚ軸の負の方向にずれると、照明光学系の焦点位置は、前述の第一検出光学系２０３と同様に考える事ができるので

または

を満たす必要がある。一方、検出光学系のピントでずれに関しては、検出領域は、ｙ軸の負の方向及びｘ軸の負の方向にずれる。したがって

かつ

を満たす必要がある。また、この場合も焦点深度をｄ′（＝ｄcosψ）とすると

を満たさなければならない。また、散乱光の検出効率を増加させるために、検出光学系のＮＡを大きくかつ短波長化をすると、焦点深度ｄが短くなるため、より試料表面の位置精度が必要となる。

図７は試料表面上の検査範囲と高さ測定位置を示す図である。本実施例では、光学式のレーザ変位センサを用いている。図７（ａ）において、試料表面を検査するための検査用照明スポット７０２の近傍に、高さ測定用光源１１４の光を照射し（高さ測定用照明スポット７０１）、その反射光を高さ測定用検出器１１５で検出する。高さ測定用検出器１１５は、受光レンズと複数画素センサや位置検出素子（ＰＳＤ：Position Sensitive Device）などを用いる。試料表面の高さが変動すると、高さ検出器に入射する光の位置がずれる。複数画素センサを用いる場合は、各チャンネルの信号量のバランスから変動量を換算し、位置検出素子では、光電変換された電荷が抵抗層（Ｐ層）を通り、両端にある電極から電流として取り出し、その電流量の比率から試料表面の変動量を換算する。高さ測定用照明スポット７０１の位置は、照明スポット位置における試料表面の高さが変わらない範囲であればよく、例えば、図７に示すように、検査用照明スポット７０２の前周位置でも良い。

図７（ｂ）は回転角に対する試料表面高さの変動を示している。黒丸は試料表面高さの補正を行うポイントである。図７（ｂ）にあるように、測定ポイント間内では、数式１〜９を満たすような時間間隔で高さ補正をしなければならない。

図８は試料表面の高さを補正しながら検査する方式のフローチャートである。まず、ウェハをセットし、高さ測定用光源１１４による試料表面の高さ測定を行う。所望の位置に試料表面の位置を試料ステージの垂直駆動部１１２を使って移動させる。試料を回転駆動部によって回転させ、スライド駆動部によってスライドさせながら、照明光を試料に照射して散乱光を発生させ、散乱光を検出する。一方、検査中に高さセンサによって照明スポット近傍の高さを測定し、逐次、Δｚ分を垂直駆動制御部に送り、垂直駆動部により試料表面を数式１〜４または数式５〜９を満たす位置に制御する。

図９は垂直駆動方法の一例として、ボールネジを使用した方式を示した図である。ボールネジ方式は安価で扱いやすいという特徴を持つ。スライド駆動部９０７上のスライドステージ９０８にボールネジ９０４を回転させるモータ部９０５を固定し、回転駆動部にボールネジ９０４のナット９０６を固定する。試料表面検査用の照明光９０１の焦点スポット近傍に高さ計測用レーザ光９０２を照射する。検出器により、試料表面高さの変動値Δｚを算出し、高さ制御部９０９へデータを送る。高さ制御部９０９は、試料表面位置の補正に必要なモータのステッピング数を換算し、モータ制御部９１０に転送し、試料表面の高さを補正する。

図１０は本発明の第二例に係る表面検査装置の概略図である。図１０では試料ステージが、図１の裏面非接触型試料ステージ１０１ではなく、全面裏吸着型試料ステージ１２１ａになっている。従来技術においては、裏面吸着領域は試料裏面の一部を固定しているが、試料１００の非吸着領域では、試料表面高さの変動量が大きい。そこで、試料の裏面全体を全面裏吸着型試料ステージ１２１ａで吸着して、試料を固定している。この場合も上記と同様に垂直駆動部１１２と制御部１０７によって試料表面高さを調節する事ができる。裏面非接触型ステージと比較すると、高さ変動量が少ないため、高さ補正回数が少ないという効果もある。

図１１は、従来技術の裏面吸着方式における試料の受入れ方法を示している。Ｕ字型搬送用アーム１２２ｂ使って試料１００を検査装置内の従来方式裏面吸着型試料ステージ１２１ｂの上方に搬送する（図１１（ａ））。Ｕ字型搬送用アーム１２２ｂを降下させ試料１００をステージ上に置く（図１１（ｂ））。このとき、Ｕ字型搬送用アーム１２２ｂは、従来方式裏面吸着型試料ステージ１２１ｂに接触はしていない。そのままＵ字型搬送用アーム１２２ｂのみを降下させて引き抜く（図１１（ｃ））。図１１のような従来技術では、従来方式裏面吸着型試料ステージ１２１ｂを全面裏吸着型試料ステージ１２１ａに変更すると試料の従来の受け渡し方法ではＵ字型搬送用アーム１２２ｂと従来方式裏面吸着型試料ステージ１２１ａが接触するという課題がある。

図１２は、本発明の裏面全面吸着方式における試料の受入れ方法を示している。図１２（ａ），（ｂ）に示すように、Ｕ字型搬送用アーム１２２ａを使って試料１００を検査装置内の全面裏吸着型試料ステージ１２１ａの上方に搬送する。Ｕ字型搬送用アーム１２２ａを降下させ試料１００をステージ上の試料支え１２３に置き、Ｕ字型搬送用アーム１２２ａのみを引き抜く。試料支え１２３は、全面裏吸着型試料ステージ１２１ａの貫通穴を通って突き出しており、回転駆動部１１１に固定されており、モータ１２４によって上下させる事ができる。その後、試料支え１２３を降下させて、試料を全面裏吸着型試料ステージ１２１ａ上に置く。このとき、試料の位置ズレが起こらないように真空ライン１２６から空気を引きながら試料を降下させる。

図１３は本発明の第三例に係る表面検査装置の概略図である。複数画素センサとして、特にマルチアノード光電子増倍管１３１を用いる場合について説明する。図１４は、検査装置の検出光学系の概略図である。照明スポット１４１から発生した散乱光は検出レンズ系１４３により集光され光電子増倍管の光電変換面上に結像される。図１４に示すようにマルチアノード光電子増倍管１３１には各チャンネル間に光を検出できない領域（以下、不感体と記す）１４６が存在する。この課題を解決するために、検出器前方にマイクロアレイレンズ１４４を配置し、全ての散乱光がマルチアノード光電子増倍管１３１によって検出できる。

マルチアノードの光電子増倍管を用いる際、チャンネル間の感度差や複数のマルチアノードの光電子増倍管を用いたときの感度の個体差が存在しており、補正しなければならない。本発明では、予め各マルチアノード光電子増倍管における各チャンネルの増幅率の平均値比から、各光電子増倍管に印加する電圧を決め、複数のマルチアノード光電子増倍管の感度個体差を補正する。さらに、各チャンネル間の感度差を補正するために、各チャンネルの出力電流を電気回路において増幅器により補正する。

図１５は複数のマルチアノード光電子増倍管の印加電圧特性を調査するための感度調整ユニットである。図１５に示すように、検査用の照明光とは別に感度調整用光源１５２により、一定の光量をマルチアノード光電子増倍管１３１に照射する。このとき感度調整光源はレーザ光源やＬＤ，ＬＥＤである。光源の波長は検査装置における照明光源１０３の波長に近い方が望ましい。マルチアノード光電子増倍管１３１で光電変換された信号は、それぞれ増幅器１５４で増幅され、アナログ／デジタル変換器１５５を通り、信号記憶部１５６に各チャンネルの信号量をそれぞれ記録する。マルチアノード光電子増倍管１３１は印加電圧用電源１５７により高電圧を印加する。この印加電圧の大きさにより光電子増倍管の増幅率が決まる。

図１６に示すように、前述の感度調整ユニットを表面検査装置に設置してもよい。照明系の光をシャッター１６６で閉じ、別の感度調整用光源１６２から光を光ファイバ１６４を用いてマルチアノード光電子増倍管１３１まで導く。このとき光は一つのチャンネルに照射できるようにしておく。さらに、光ファイバ１３４の終端はリニアステージ１６５に設置し、移動させる事で全てのチャンネルに光を導入する事ができる。また、一定期間ごとに、この感度調整ユニットを使って感度の経時変化を補正する。

感度補正の具体的な方法を説明する。図１７はマルチアノード光電子増倍管の各チャンネルにおける、信号の印加電圧特性を示している。各チャンネルにおける増幅率は異なる。これら各チャンネルの印加電圧に対する信号の平均値を算出し、図１７に示すように、平均曲線を決定する。複数のマルチアノード光電子増倍管を検査装置に用いる場合は、各光電子増倍管における平均曲線を図１８のように求める。ある一定の光量を入射した時に、理想値として出力信号Ｉを得るためには印加電圧Ｖが必要であるとすると、各光電子増倍管ではそれぞれ

になるようなＶ₁，Ｖ₂を求める。一般に光電子増倍管のゲインは印加電圧Ｖのｋｎ乗に比例し、ｋは０.７〜０.８の値をとり、ｎは光電子増倍管のダイノードの段数、ａは比例係数である。ダイノードとは光電子増倍管内の増幅用の電極である。また、ｋはダイノードの材質や形状に起因する値である。さらに、Ｖ₁，Ｖ₂は数式１１のように

補正値Ｐによって高電圧を印加して、感度補正を行う。また、チャンネル間の信号の調整には、電気回路の増幅器１５４でそれぞれ調整する。

マルチアノード光電子増倍管を長期間にわたって使用する場合、各チャンネルのダイノードの劣化により、図１９に示すように増幅率が落ちる。そこで、定期的に既知の粒径の粒子が塗布されている試料の検査や、前述した感度補正ユニットを使用して信号を取得して、パラメータＰの値を変動させて所望の信号量を得られるようにする。また、このパラメータＰがある閾値を超えたところで警告表示処理を行い、光電子増倍管の交換時期を知らせる。

本実施例は試料として半導体ウェハを用いて説明したが、この検査方法及び検査装置は、試料としてウェハには限定はせず、ハードディスクなどの基板の検査にも適用できる。

１００試料
１０１裏面非接触型試料ステージ
１０２ステージ駆動部
１０３照明光源
１０４，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ複数画素センサ
１０５信号処理部
１０６全体制御部
１０７制御部
１０８情報表示部
１０９入力操作部
１１０，４０７記憶部
１１１回転駆動部
１１２垂直駆動部
１１３，９０７スライド駆動部
１１４高さ測定用光源
１１５高さ測定用検出器
１１６検出光学系
１２１ａ全面裏吸着型試料ステージ
１２１ｂ従来方式裏面吸着型試料ステージ
１２２ａ，１２２ｂＵ字型搬送用アーム
１２３試料支え
１２４モータ
１２５試料保持用支えスライド用ボールネジ
１２６真空ライン
１３１マルチアノード光電子増倍管
１４１，２０２照明スポット
１４２試料表面上におけるマルチアノード光電子増倍管の各チャンネル
１４３検出レンズ系
１４４マイクロアレイレンズ
１４６不感体
１５１感度調整光源用電源
１５２感度調整用光源
１５３集光用レンズ
１５４，４０１，４０３，４０６増幅器
１５５，４０４ａ，４０４ｂアナログ／デジタル変換器
１５６信号記憶部
１５７印加電圧用電源
１６１感度調整光源用電源
１６２感度調整用光源
１６３集光レンズ
１６４光ファイバ
１６５リニアステージ
１６６シャッター
２０１，５０１照明光
２０３第一検出光学系
２０４第二検出光学系
３０１第一結像光学系
３０２第二結像光学系
３０３回折格子
４０２バンドパスフィルタ
４０５ローパスフィルタ
５０２試料表面上における複数画素センサの各チャンネル
５０３試料表面
５０４理想位置
５０５検出光学系光軸
６０１照明スポット理想位置
６０２試料表面位置が変動したときの照明スポット位置
６０３検出領域理想位置
６０４試料表面位置が変動したときの検出領域理想位置
７０１高さ測定用照明スポット
７０２検査用照明スポット
９０１試料表面検査用の照明光
９０２高さ計測用レーザ光
９０３高さ計測用検出器
９０４ボールネジ
９０５モータ部
９０６ナット
９０８スライドステージ
９０９高さ制御部
９１０モータ制御部

Claims

試料を移動する搬送系と、
試料に線状照明領域を形成する照射光学系と、
前記試料の高さを測定する高さ検出系と、
複数の画素を有する検出器を備える検出光学系と、
前記検出光学系の検出結果を用いて前記試料の異物又は欠陥を検出する処理部と、
前記試料の高さを制御する制御部と、を有し
前記制御部は、前記高さ検出系の測定結果を用いて、前記線状照明光の変動量が前記画素の大きさよりも小さくなるように、前記試料の高さを制御し、
前記搬送系は回転し、
前記高さ検出系は、前記照射光学系が前記線状照明光を形成した位置の前周の位置の高さを検出することを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置において、
前記制御部は、前記変動量が前記画素の大きさよりも小さくなる時間間隔で、前記変動量を補正することを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置において、
前記搬送系は、前記試料の高さを変えるボールネジ機構を有することを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置において、
前記搬送系は、裏面非接触型ステージを有することを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置において、
前記搬送系は、裏面吸着型ステージを有し、
前記裏面吸着型ステージは、
前記裏面吸着型ステージの外周部に配置された前記試料受入機構を有することを特徴とする検査装置。
請求項６に記載の検査装置において、
前記試料受入機構は上下に動くことを特徴とする検査装置。