JP2007114087A - 表面検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料表面の凹凸を高速かつ高精度に検出することを可能とする表面検査方法を提供する。
【解決手段】ウェーハの表面状態を検査する表面検査方法に、ＤＭＤ４における所定位置から光を投射して所定の照射開口角によりウェーハＷの表面上を照射する照射工程と、ウェーハＷの表面の法線方向に延びる光軸を有するテレセントリック光学系でウェーハＷの表面の反射光を結像する結像工程と、この結像された像を撮像してウェーハＷの表面における各点の輝度データを収集する輝度データ収集工程と、この輝度データに基づいてＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を切り替えることによりウェーハＷの表面における各点への光の入射角度及び前記各点からの光の反射角度を変化させて、テレセントリック光学系の絞り１２に取り込まれる反射光を制御することにより撮影画像の感度を調整する調整工程と、を設ける。
【選択図】図５

Description

本発明は表面検査方法に関し、特に試料表面の状態を検査する表面検査方法に関する。

従来から、試料表面の状態の検査は、試料の性質の計測や試料の製品としての良否の判定などに用いられている。試料表面の状態の検査は、特に、半導体デバイスの製造などに用いられる試料表面の凹凸の検査に多用されている。

このような表面検査方法に用いる表面検査装置として、例えば、特許文献１には、平行光束とした照明光でウェーハ表面を照射する光照射手段と、ウェーハ表面の斜方からウェーハ表面を照明光で照射するようにウェーハ表面を傾斜させることができる角度設定手段と、ウェーハ表面への照明光の入射方向と光軸が合致しウェーハ表面の一点に対して所定の物側開口角を有しウェーハ表面での反射光を結像する物側テレセントリック光学系と、この結像された像を撮像して輝度データを収集する撮像部と、この輝度データを所定方向についてフーリエ変換して周波数分解し、これにより得られた周波数データから所定の周波数成分を抽出して逆フーリエ変換するデータ変換部と、輝度データの積分データなどを求めるとともに測定対象領域の表面性状を求める処理部とを備えた表面検査装置が開示されている。

特許文献１に記載の表面検査装置によれば、ウェーハ表面からの反射光が、光源からの光のウェーハ表面の各点における入射角度に応じた輝度で結像されることから、角度設定手段でウェーハ表面の傾斜を調整することにより、ウェーハ表面の輝度を変化させてウェーハ表面の凹凸の検出感度を調整することが可能となっている。
特開平１０−２６７６３６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の表面検査装置では、ウェーハ表面の凹凸部の感度を調整するにあたり、角度設定手段によりウェーハ表面の傾きを変化させていたことから、感度の調整に時間を要し、また、ウェーハ表面の傾きの制御に高度な技術を要するという問題があった。

また、特許文献１の表面検査装置が備える角度設定手段では、ウェーハ表面の傾きはＸＹ軸方向に変化するのみであることから、２軸方向の輝度データでは３次元形状のウェーハ表面の凹凸を正確に把握することができないという問題があった。

本発明の課題は、半導体デバイスの製造に用いられる試料表面検査において試料表面の凹凸を高速かつ高精度に検出することを可能とする表面検査方法を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、ウェーハの表面状態を検査する表面検査方法であって、光源の出力光をパターン情報に応じて変調する空間光変調手段を使用し、前記空間光変調手段における所定位置から光を投射して所定の照射開口角により前記ウェーハの表面を照射する照射工程と、前記ウェーハの表面の法線方向に延びる光軸を有するテレセントリック光学系で前記ウェーハの表面の反射光を結像する結像工程と、この結像された像を撮像して前記ウェーハの表面における各点の輝度データを収集する輝度データ収集工程と、この輝度データに基づいて前記空間光変調手段における光の投射位置を切り替えることにより前記ウェーハの表面における各点への光の入射角度及び前記各点からの光の反射角度を変化させて、前記テレセントリック光学系の絞りに取り込まれる前記反射光を制御することにより撮影画像の感度を調整する調整工程と、を備えることを特徴とする。

ここで、空間光変調手段とは、光源の出力光をパターン情報に応じて変調する手段であればよく、例えばＤＭＤや反射型液晶表示素子などを挙げることができる。このうち、空間光変調手段としてＤＭＤを用いたのが請求項２である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の表面検査方法であって、前記空間光変調手段は角度可変なミラーが縦横に並設され該ミラーの各々の角度を独立制御可能なＤＭＤであり、前記調整工程では前記輝度データに基づき前記ＤＭＤにおいて光を投射するミラーの位置を切り替えることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、前記空間光変調手段において光の投射位置を切り替えることにより、ウェーハの表面における光の入射角度及び反射角度を変化させて、テレセントリック光学系の絞りに取り込まれる反射光を制御し、ＣＣＤなどの撮像手段の撮像面に到達する反射光を調整することができる。この場合のテレセントリック光学系の絞りに取り込まれる反射光の量はウェーハの凹凸状態を反映している。これにより、面光源における光源を切り替えるのみで、ウェーハの表面の傾きを変えることなく、撮影画像の感度を簡易に調整することが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、空間光変調手段としてＤＭＤを使用することにより、ＤＭＤにおいて光を投射するミラーを高速に切り替えることが可能となる。また、ＸＹ軸の２軸方向のみならず斜め方向に高速に切り替えることにより、ウェーハの表面の凹凸を高速かつ高精度に検査することが可能となる。

［実施の形態］
（全体構成）
本実施形態に係る表面検査方法に用いる表面検査装置１は、照明光学系２（図１）及び結像光学系３（図２）を備えている。

（細部構成）
照明光学系２はウェーハＷの表面を照射するものである。照明光学系２は、空間光変調手段としてのＤＭＤ４、ハーフミラー５及び対物レンズ６を含んで構成されており、ＤＭＤ４からの投射光がハーフミラー５で反射され、対物レンズ６を透過して所定の照射開口角により前記ウェーハ上を照射するようになっている。この対物レンズ６は複数のレンズから構成されていてもよい。また、本実施形態では対象物はウェーハＷであり、このウェーハＷはテーブル（図示略）上に載置されている。

ここで照明光学系２のＤＭＤ４について詳述すると、ＤＭＤ４は半導体素子上に微細なミラーエレメントを格子状に敷き詰めて１枚のパネルとして形成したものであり、それぞれのミラーが独立して傾斜角度を変えることにより、図示しない光源の出力光の投射をＯＮ／ＯＦＦできるようになっている。このＤＭＤ４にはネットワークなどを介してコントローラ７（図４参照）が電気的に接続されており、ＤＭＤにおいて光を投射するミラーの位置を高速に切り替えることが可能となっている。

また、ＤＭＤ４によれば、図３に示すように、光を投射するミラーの位置をＸＹ軸の２軸方向のみならず斜め方向に切り替えることが容易となることから、ウェーハＷの表面における凹凸をより精度よく検査することが可能となる。

なお、ＤＭＤ４が備える光源としては、一般にＤＭＤに使用される公知の光源を使用することが可能であり、例えば、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどを使用することができる。

また、本実施形態では空間光変調手段としてＤＭＤ４を用いているが、空間光変調手段として反射型液晶表示素子などを用いてもよい。

一方、結像光学系３は、図２に示すように、ウェーハＷの表面での反射光をＣＣＤ１０に結像させるものである。結像光学系３は、レンズ８、マスターレンズ９及びＣＣＤ１０を備えており、レンズ８は上述の対物レンズ６と兼用となっている。なお、ＣＣＤ１０にはデータ処理部１１（図４参照）が電気的に接続されている。

マスターレンズ９は複数のレンズから構成されている。このうちレンズ８とマスターレンズ９の一部のレンズとにより、テレセントリックレンズが構成されている。そして、このテレセントリックレンズの後側焦平面に絞り１２が設けられ、このテレセントリックレンズと絞り１２とによってウェーハＷの表面の法線方向に延びる光軸を有するテレセントリック光学系が構成されている。このテレセントリック光学系により、ウェーハＷの表面における反射光は、ウェーハＷの表面の各点における入射角度（平均入射角度）に応じた輝度で結像されるようになっている。

ＣＣＤ１０は、テレセントリック光学系からの光を受光して電気信号に変換する光電変換素子であり、レンズ８及びマスターレンズ９の光軸上に結像面が設けられている。このＣＣＤ１０は、光電変換により得られた電気信号をデータ処理部１１（図４参照）に出力するようになっている。

なお、表面検査装置１には互いに通信可能なネットワークなどを介してパーソナルコンピュータなどの制御装置１３が接続されており、表面検査装置１の各構成部分に種々の指示信号を送信することが可能となっている。

（制御構成）
次に、図４に本実施形態に係る表面検査方法に用いる表面検査装置１の制御ブロック図を示す。

図４に示すように、表面検査装置１は制御装置１３を備えている。制御装置１３が備える制御部１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、書き換え可能な半導体素子で構成されるＲＡＭ（Random Access Memory）及び不揮発性の半導体メモリで構成されるＲＯＭ（Read Only Memory）から構成されており、ＲＯＭに記録された処理プログラムをＲＡＭに展開して、ＣＰＵによりこの処理プログラムを実行するようになっている。

図４に示すように、制御部１４には、入力部１５、記憶部１６、表示部１７、ＤＭＤ４を制御するコントローラ７、ＣＣＤ１０が接続されている。また、ＣＣＤ１０にはデータ処理部１１が接続されている。

制御部１４は、ＣＣＤ１０による撮影時にＣＣＤ１０の感度を調整するため、ウェーハＷの表面の性状に応じ、コントローラ７によりＤＭＤ４の制御を随時行うようになっている。すなわち、制御部１４は、データ処理部１１から送信された輝度データに基づき、撮影画像の輝度に応じて、コントローラ７の制御により、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を随時切り替えるようになっている。

例えば、撮影画像のうち検査対象である凹凸部の輝度が所定の基準値より高く、凹凸部の撮影画像が白くなる場合は、図５及び図６に示すように、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を所定方向に所定距離だけ移動させて、光源からの光の一部が絞り１２に取り込まれないよう調整することにより、ＣＣＤ１０に到達する光の割合を減らして、撮影画像の輝度を低くすることができる。また、反対に撮影画像のうち検査対象である凹凸部の輝度が所定の基準値より低く、凹凸部の撮影画像が黒くなる場合は、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を別の方向に所定距離だけ移動させて、光源からの光がすべて絞り１２に取り込まれるよう調整することにより、ＣＣＤ１０に到達する光の割合を増やして、撮影画像の輝度を高くすることができる。

入力部１５は、キーボード、マウス、タッチパネルなどから構成され、ユーザによりウェーハＷの表面検査に関する指示入力ができるようになっている。

記憶部１６は、半導体メモリなどからなる記録用のメモリであり、入力部１５から入力された情報などを記録する記録領域を有している。記憶部１６は、例えばフラッシュメモリなどの内蔵型メモリや、着脱可能なメモリカードやメモリスティックであってもよく、また、ハードディスク又はフロッピー（登録商標）ディスクなどの磁気記録媒体などであってもよい。

表示部１７は、ディスプレイなどによって構成され、表面検査装置１による検査結果などを表示することができるようになっている。すなわち、検査結果であるウェーハＷの表面の撮影画像を表示することにより、表示部１７に表示されたウェーハＷの表面の撮影画像を観察してウェーハＷの表面における凹凸部の有無や凹凸部の位置を測定することが可能となっている。

コントローラ７は、ＤＭＤ４が備える図示しない光源をＯＮにすると共に、制御部１４の指示信号に基づきＤＭＤ４が備えるミラーの傾斜角度を制御するようになっている。これにより、コントローラ７はＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を随時切り替えるようになっている。

ＣＣＤ１０は、制御部１４の制御により所定のタイミングでウェーハＷの表面の反射光を受光して電気信号に変換し、その電気信号を画像データとして制御部１４に送信するようになっている。

データ処理部１１は、ＣＣＤ１０から送信される画像データに基づき、ウェーハＷの表面性状を求めるようになっている。また、本実施形態のデータ処理部１１は、画像データに基づき撮影画像の輝度データを取得して制御部１４に送信するようになっている。

（原理）
続いて、本発明の原理について説明する。

本発明は、表面検査装置１のＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を移動させると、ウェーハ表面を傾けたのと同様の効果が得られることを利用して、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を切り替えてウェーハＷの表面における凹凸部の感度を調整しながらウェーハＷの表面の検査を行うものである。

すなわち、まず、本実施形態の表面検査装置１でウェーハＷを傾けない状態では、図７に示すように、光源からの光はすべて絞り１２に取り込まれ、ＤＭＤ４からＣＣＤ１０に到達する光は１００％である。

次に、ウェーハＷの傾きをＵ／２度傾けたとすると、図８に示すように、光源からの光の一部は絞り１２に取り込まれず、ＤＭＤ４からＣＣＤ１０に到達する光は３９．１％となる。ここで「Ｕ度」とはウェーハＷの表面の１点における反射光の物側開口角である。

更に、ウェーハＷの傾きをＵ度傾けたとすると、図９に示すように、光源からの光は絞り１２に取り込まれず、ＤＭＤ４からＣＣＤ１０に到達する光は０％となる。

次に、本実施形態の表面検査装置１でＤＭＤ４の中心に位置するミラーから光を投射した場合は、図１及び図２に示すように、ＤＭＤ４からの投射光はすべて絞り１２に取り込まれ、ＣＣＤ１０に到達する光は１００％となる。

また、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置をＤＭＤ４の中心からＸ軸方向にＤ／２移動させた位置に切り替えた場合は、図５の照明光学系に示す入射角度でウェーハＷの表面上の１点に光が照射され、図６の結像光学系に示す反射角度でウェーハＷの表面上の１点から光が反射されて、反射光がＣＣＤ１０に結像される。ここで「Ｄ」とは、ＤＭＤ４が備えるミラーの径である。このとき、ＤＭＤ４からの投射光の一部は絞り１２に取り込まれず、ＣＣＤ１０に到達する光は３９．１％となる。すなわち、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置をＸ軸方向にＤ／２移動させると、ウェーハの傾きをＵ／２度傾けたのと同様の効果が得られる。

このように、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を移動させてウェーハＷの表面における光の入射角度及び反射角度を変化させると、ウェーハ表面を傾けたのと同様の効果を得ることができる。

以上のような原理を以って本発明では、ウェーハＷの表面検査を行う。

すなわち、本実施形態の表面検査装置１では、ウェーハＷの表面における反射光が、テレセントリック光学系により、ウェーハＷの表面の各点における入射角度（平均入射角度）に応じた輝度で結像される。そこで、検査結果であるウェーハＷの表面の撮影画像が輝度の低い暗い画像となる場合は、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を移動させることにより、ウェーハＷの表面の１点における入射角度及び反射角度を変化させて、ウェーハＷの表面の輝度が高くなるように調整するようになっている。このように、ウェーハＷの表面の性状に応じてＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を移動させることにより、輝度１００％の明るい像を得ることが可能となる。

（検査方法）
次に、表面検査装置１を使用した本発明の表面検査方法について説明する。

コントローラ７がＤＭＤ４の光源をＯＮとしてＤＭＤ４から光が投射されると、図１に示すように、出力光はハーフミラー５で反射され、対物レンズ６を透過して所定の照射開口角により前記ウェーハ上を照射する。

次に、ウェーハＷの表面で反射された光は、図２に示すように、レンズ８及びマスターレンズ９の一部のレンズで構成されたテレセントリックレンズと、絞り１２とによって構成されたテレセントリック光学系を透過して、ＣＣＤ１０に結像される。このとき、ウェーハＷの表面における反射光は、テレセントリック光学系によりウェーハＷの表面の各点における入射角度に応じた輝度で結像する。

続いて、ＣＣＤ１０がウェーハＷの表面の反射光を光電変換して画像データを制御部１４に送信すると、制御部１４の制御により、表示部１７は検査結果であるウェーハＷの表面の撮影画像を表示する。これにより、表示部１７に表示されたウェーハＷの表面の撮影画像を観察してウェーハＷの表面における凹凸部の有無や凹凸部の位置を測定することができる。

一方、データ処理部１１は画像データに基づきウェーハＷの表面性状を求める。また、本実施形態のデータ処理部１１は、画像データに基づき撮影画像の輝度データを取得して制御部１４に送信する。

続いて、制御部１４は、データ処理部１１から送信された輝度データに基づき、撮影画像の輝度に応じてコントローラ７の制御によりＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を切り替える。例えば、撮影画像のうち検査対象である凹凸部の輝度が所定の基準値より高く、凹凸部の撮影画像が白くなる場合は、図５及び図６に示すように、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を所定方向に所定距離だけ移動させて、光源からの光の一部が絞り１２に取り込まれないよう調整することにより、ＣＣＤ１０に到達する光の割合を減らして、撮影画像の輝度を低くすることができる。また、反対に撮影画像のうち検査対象である凹凸部の輝度が所定の基準値より低く、凹凸部の撮影画像が黒くなる場合は、ＤＭＤ４において光を投射するミラーの位置を別の方向に所定距離だけ移動させて、光源からの光がすべて絞り１２に取り込まれるよう調整することにより、ＣＣＤ１０に到達する光の割合を増やして、撮影画像の輝度を高くすることができる。

このように制御部１４は、ウェーハＷの表面の性状に応じてＤＭＤ４の制御を随時行うことにより、ウェーハＷの表面を最適な輝度としてＣＣＤ１０の感度を調整する。また、表示部１７は、制御部１４の制御により、ＣＣＤ１０の感度を調整した後の撮影画像を表示する。

以上のように本実施形態の表面検査方法によれば、ＤＭＤ４において光の投射位置を切り替えることにより、ウェーハＷの表面における光の入射角度及び反射角度を変化させて、テレセントリック光学系の絞り１２に取り込まれる反射光を制御し、ＣＣＤ１０の撮像面に到達する反射光を調整することができる。これにより、ＤＭＤ４における光源を切り替えるのみで、ウェーハの表面の傾きを変えることなく、撮影画像の感度を簡易に調整することが可能となる。

また、ＤＭＤ４における光の投射位置をＸＹ軸の２軸方向のみならず斜め方向に高速に切り替えることにより、ウェーハＷの表面の凹凸を高速かつ高精度に検査することが可能となる。

なお、本実施形態では結像光学系３を両側テレセントリック光学系により構成しているが、片側テレセントリック光学系により構成することも可能である。また、本実施形態の照明光学系２は、結像光学系３においてマスターレンズ９と共にテレセントリック光学系を構成するレンズ８を介して光を照射する構成となっているが、ＤＭＤ４の投射光をレンズ８よりウェーハに近い位置からハーフミラーなどを介して投射することにより、レンズ８を介することなく光を照射する構成とすることも可能である。

また、本実施形態では空間光変調手段により光の投射位置を切り替える構成としたが、ＬＥＤアレイなどを用いて光源（ＬＥＤ）自体のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、光の投射位置を切り替える構成としてもよい。

以上詳細に説明したように、本発明の表面検査方法によれば、半導体デバイスの製造に用いられる試料表面検査において、試料表面の凹凸を簡易かつ高精度に検出することが可能となる。

本発明の実施形態に係る照明光学系を示す図である。 本発明の実施形態に係る結像光学系を示す図である。 本発明の実施形態に係るＤＭＤを示す平面図である。 本発明の実施形態に係る表面検査装置の制御構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る面光源における光源を移動させた場合の照明光学系を示す図である。 本発明の実施形態に係る面光源における光源を移動させた場合の結像光学系を示す図である。 ウェーハの傾きを０度とした場合の概念図である。 ウェーハの傾きをＵ／２度とした場合の概念図である。 ウェーハの傾きをＵ度とした場合の概念図である。

符号の説明

１ 表面検査装置
２ 照明光学系
３ 結像光学系
４ ＤＭＤ
５ ハーフミラー
６ 対物レンズ
７ コントローラ
８ レンズ
９ マスターレンズ
１０ ＣＣＤ
１１ データ処理部
１２ 絞り
１３ 制御装置
１４ 制御部
１５ 入力部
１６ 記憶部
１７ 表示部
Ｗ ウェーハ

Claims (2)

1. ウェーハの表面状態を検査する表面検査方法であって、
   光源の出力光をパターン情報に応じて変調する空間光変調手段を使用し、前記空間光変調手段における所定位置から光を投射して所定の照射開口角により前記ウェーハの表面を照射する照射工程と、前記ウェーハの表面の法線方向に延びる光軸を有するテレセントリック光学系で前記ウェーハの表面の反射光を結像する結像工程と、この結像された像を撮像して前記ウェーハの表面における各点の輝度データを収集する輝度データ収集工程と、この輝度データに基づいて前記空間光変調手段における光の投射位置を切り替えることにより前記ウェーハの表面における各点への光の入射角度及び前記各点からの光の反射角度を変化させて、前記テレセントリック光学系の絞りに取り込まれる前記反射光を制御することにより撮影画像の感度を調整する調整工程と、
   を備えることを特徴とする表面検査方法。
2. 前記空間光変調手段は角度可変なミラーが縦横に並設され該ミラーの各々の角度を独立制御可能なＤＭＤであり、前記調整工程では前記輝度データに基づき前記ＤＭＤにおいて光を投射するミラーの位置を切り替えることを特徴とする請求項１記載の表面検査方法。

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