TWI473990B - Surface inspection device - Google Patents
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Description
本發明係關於一種表面檢查裝置。
在製造例如半導體裝置之製程中，作為檢查形成有微細圖案之基板表面的表面檢查裝置，如日本特開2006-343102號公報(專利文獻1)所揭示，以往已提出有一種方法，其係將結構雙折射之偏光狀態的變化根據來自正交尼可耳稜鏡光學系統之洩漏光量來檢測出缺陷。根據該方法，即使圖案是相對於照明波長不會產生繞射光之微細週期的圖案，由於可藉由捕捉正反射光(0次繞射光)之偏光狀態變化以檢測出圖案之缺陷，因此無須將檢查所使用之光予以短波長化即可檢測出缺陷。
專利文獻1：日本特開2006-343102號公報
專利文獻2：日本特開2006-179660號公報
非專利文獻1：鶴田匡夫著「應用光學Ⅱ-培風館」
非專利文獻2：Edmund Optics Japan股份公司2007年度版光學零件/產品綜合型錄(型錄編碼No.J074A)
非專利文獻3：O plus E Vol.29,No.9(2007年9月)
然而，日本特開2006-343102號公報所揭示之手段中，由於係以來自正交尼可耳稜鏡光學系統之洩漏光量的純量(指在例如以斯托克斯參數來表現偏光狀態時，僅著眼於S1成分時該成分之變化量)來算出偏光狀態之變化，因此無法得知偏光狀態過去係如何變化，而有缺陷判定之資訊量較少而無法作高精度缺陷檢測等問題。
因此，本發明係有鑑於上述情形而構成，課題在於提供一種表面檢查裝置，其係檢測來自基板之正反射光之偏光狀態本身，以增加圖案之缺陷判定所使用的資訊量，藉此可提升缺陷檢測精度。
用以達成上述課題之第1手段，其特徵在於，具有：偏光照明手段，對形成有圖案之被檢查基板進行偏光照明；受光手段，接收受形成在該被檢查基板之該圖案而使該偏光照明之偏光狀態變化的正反射光，以將該被檢查基板之表面像成像於2維攝影元件上；偏光狀態調變手段，用以調變配置於該偏光照明手段及該受光手段中至少一者之該正反射光的偏光狀態；以及檢測手段，從使用該偏光狀態調變手段一邊調變該正反射光之偏光狀態一邊取得之該表面像來自該2維攝影元件的輸出訊號，算出從該偏光照明之偏光狀態至該正反射光之偏光狀態的變化量，並與預先儲存之值作比較，以檢測出該被檢查基板之缺陷。
用以解決上述課題之第2手段，該第1手段中，其具備：記憶手段，係儲存取代該被檢查基板使用未形成圖案之基準基板所測量之該偏光照明之偏光狀態，變化至因該基準基板產生之正反射光之偏光狀態的變化量(修正值)；以及修正手段，使用儲存於該記憶手段之該修正值，以修正該偏光狀態之變化量。
用以解決上述課題之第3手段，係該第1或第2手段中，進一步具有用以使該被檢查基板以平行於其面之法線的軸為中心旋轉的旋轉手段。
用以解決上述課題之第4手段，係該第1至第3手段中之任一手段中，該偏光狀態調變手段係配置於該受光光學系統內且可以光軸為中心旋轉之4分之1波長板與測光件，並使用一邊使該4分之1波長板旋轉一邊取得之該表面像之來自該2維攝影元件的輸出訊號，以檢測該正反射光之偏光狀態。
用以解決上述課題之第5手段，係該第1至第4手段中之任一手段中，該偏光照明手段所照射之照明光的波長，較形成在該被檢查基板之週期圖案之週期的2倍長。
用以解決上述課題之第6手段，係該第1至第5手段中之任一手段中，該偏光照明手段所照射之照明光的波長可變。
用以解決上述課題之第7手段，係該第1至第6手段中之任一手段中，該偏光狀態係使用以直線偏光成分、圓偏光成分為參數之斯托克斯參數來表現，該檢測手段係將該偏光狀態之變化量分離成該直線偏光成分之變化量與該圓偏光成分之變化量，並使用所得到之該直線偏光成分之變化量及該圓偏光成分之變化量之至少一者，與該預先儲存之值作比較，以檢測出該被檢查基板之缺陷。
用以解決上述課題之第8手段，係該第1至第6手段中之任一手段中，該偏光狀態係使用以直線偏光成分、圓偏光成分為參數之斯托克斯參數來表現，該檢測手段係將該偏光狀態之變化量轉換成亮度之純量，以顯示於影像顯示手段。
用以解決上述課題之第9手段，係該第1至第6手段中之任一手段中，該偏光狀態係使用橢圓來表現，該檢測手段係將該偏光狀態之變化量分離成長軸方位角之成分與橢圓率之成分，或分離成長軸方位角之成分與橢圓率角之成分，並與該預先儲存之值作比較，以檢測出該被檢查基板之缺陷。
用以解決上述課題之第10手段，係該第1至第6手段中之任一手段中，該偏光狀態係使用瓊斯向量來表現，該檢測手段係將該偏光狀態之變化量分離成複數振幅之振幅項與相位項，或分離成複數振幅之實數項與虛數項，並與該預先所儲存之值作比較，以檢測出該被檢查基板之缺陷。
根據本發明，可提供一種表面檢查裝置，其係藉由檢測來自基板之正反射光之偏光狀態本身，以增加用於圖案之缺陷判定的資訊量，以提升缺陷檢測精度，此外即使有因光學系統產生之偏光狀態的變化，亦可正確地測量因圖案產生之偏光狀態變化。又，由於藉由將調變施加於偏光以增加通過測光件之光的光量，因此能在對被檢基板之照明光量少於習知技術之狀態下進行測量，而無須如習知技術程度之明亮光源。
以下，使用圖式說明本發明之實施形態之例。圖1係表示本發明之實施形態之一例之表面檢查裝置的概要圖。從光源1所射出之發散光係藉由偏光件2轉換成直線偏光，並藉由凹面鏡3成為大致平行光，以照明屬被檢查基板之晶圓4整體。如圖2所示，於晶圓4上排列有複數個照射區域12，於照射區域12內形成有經曝光/顯影之光阻圖案13(以下，僅記述為圖案)。又，1個照射區域12內之圖案並非一定限於排列有相同之微細圖案，有時亦會由依部位而不同之微細圖案所構成。該等圖案13具有週期為照明光之波長之2分之1以下的微細圖案。亦即，係屬不產生繞射光且以使用繞射光之檢查裝置無法檢查之微細圖案。
藉由晶圓4而正反射之光係藉由具有圖案13之結構性雙折射而受到偏光狀態之變化。此處，由於圖案13之結構雙折射所產生之偏光狀態變化係依該圖案13之狀態，例如線寬或截面之梯形度或邊緣粗糙度等而異，因此可使用於圖案之缺陷檢查。由於照明光之斯托克斯參數(stokes parameters)為已知，因此若測量被反射之光之斯托克斯參數，即可得知而該圖案13產生之偏光狀態的變化量。此處，斯托克斯參數(S0、S1、S2、S3)係指用以表示偏光狀態之參數之一。如廣為所知般，由於S0係光強度(規格化成1)，S1、S2成分係對應直線偏光成分之量與方位角，而S3成分則為對應圓偏光成分之量，因此可分離成直線偏光成分之變化與圓偏光成分之變化來檢測。
圖3係使用龐加萊球(Poincare Sphere)而以視覺表現斯托克斯參數的圖。
若將S1、S2、S3取為龐加萊球之三維座標xyz的各軸，則在完全偏光之情況下，偏光狀態必可以龐加萊球上之一點來表示。
若將龐加萊球看作是地球時，赤道上係表示直線偏光，北極係表示順時針之圓偏光，而南極則表示逆時針之圓偏光。赤道與S1之交點上的直線偏光係在繞赤道上一周之期間旋轉180度(參照非專利文獻1第202頁、203頁)。
在晶圓4，被正反射之光係一邊藉由圖案13受到偏光狀態之變化，一邊藉由凹面鏡5成為收斂光，並通過作為旋轉移相器之4分之1波長板6與測光件7，透過透鏡8將晶圓4之整體像形成在2維攝影元件9上。
此外，一般常使用作為4分之1波長板者係將2片雙折射性結晶板貼合成結晶軸彼此正交，並藉由其厚度差製作出4分之1波長的光路差，例如非專利文獻1之第184頁所示者。然而，此類型之波長板雖在入射光束垂直射入時具有4分之1波長板的作用，但當光斜向射入時光路差會大幅變化，而有不具4分之1波長板之作用的問題。本發明中，為了避免該問題，係為了以單片板來產生4分之1波長之光路差而使用非常薄的雙折射物質。例如，在以單片板之水晶來製作波長為546nm用之4分之1波長板時，其厚度約為15μm。此種情況下，由於因波長板非常薄而在強度上會變弱，因此較佳為將該波長板接著或光學接觸於無雙折射性之基板。又，作為具有相同效果者亦可使用將具有雙折射性之較薄聚合物形成在非雙折射性基板上者。使用聚合物之此種波長板，已知有刊載於非專利文獻2之第79頁之「聚合物波長板TRUE ZERO ORDER TYPE」等。又，如非專利文獻3之第927～928頁所示，使用正結晶與負結晶之組合以降低入射角依存性之波長板亦有效。在非專利文獻3具體揭示有將結晶石英(水晶)與藍寶石予以組合之例。
若使4分之1波長板6旋轉360度時，正反射光之偏光狀態即受到調變而使2維攝影元件9之各像素的輸出訊號產生變化，可藉由訊號處理單元10並使用公知之旋轉移相器法，從該訊號變化來計算各像素之斯托克斯參數。此外，針對旋轉移相器法之斯托克斯參數的測量，在各種書籍、雜誌類已有作介紹，例如在非專利文獻1之第233頁「旋轉λ/4板之方法」已有作介紹。針對旋轉移相器法簡單敘述之，即若以移相器之旋轉角為θ而將旋轉360度時所得到之訊號成分以傅立葉級數展開，S0係對應偏差成分與cos4 θ成分，S1係對應cos4 θ成分，S2係對應sin4 θ成分，S3係對應sin2 θ成分，從此等之傅立葉係數即可求出斯托克斯參數。該計算之更詳細之說明亦記載於與本申請案相同申請人之日本特開2006-179660號公報。
此處，由於係使用斯托克斯參數來表現反射光之偏光狀態，因此若預先針對無圖案13之晶圓測量來自晶圓之反射光的斯托克斯參數，即可得知僅因光學系統而變化之偏光狀態，故將此作為修正參數。亦即，藉由從測量有圖案13之基板時之各像素的斯托克斯參數，減去測量無圖案之基板時之各像素的斯托克斯參數，即可排除因光學系統所造成之偏光狀態的變化(量)。亦即，可僅檢測出圖案13所產生之偏光狀態變化。此外，在以此方式減去斯托克斯參數時，較佳為使用S0經規格化為1之斯托克斯參數。
此外，日本特開2006-343102號公報所揭示之手段中，會有因光學系統本身所產生之偏光狀態之變化而導致洩漏光量亦變化的問題。換言之，在基板上無圖案而不產生偏光狀態變化之狀態下，若以正交尼可耳配置對基板進行2維攝影時，本來整體雖應為零光量，不過實際上由於光學系統之偏光散亂導致正交尼可耳稜鏡光學系統並非完美，因此若對基板進行2維攝影時整體光量並不為零，即會依部位檢測出不同之光量。在因圖案產生之偏光狀態變化較小時，有以來自正交尼可耳稜鏡光學系統之洩漏光量的檢測無法達成充分之缺陷檢測精度的問題點。
其次，以下說明從所檢測出之偏光狀態變化來判定圖案有無缺陷之方法。
預先儲存分別依以掃描型電子顯微鏡等判定屬良品之照射區域之各像素中斯托克斯參數之各成分變化量分布，並藉由與其作比較來進行各照射區域為良品或不良品之判定。
此處，在將偏光狀態(斯托克斯參數)變化(量)予以影像化時，係轉換成亮度之一個純量，並將晶圓影像可視化而顯示於監測器11上。此係可例如藉由使沿圖3所示之斯托克斯參數之龐加萊球上某2點間之直線距離、或沿龐加萊球上某2點間之球面距離對應亮度而實現。又，所顯示之影像亦可分別獨立表示斯托克斯參數之各成分的變化量，亦即S1、S2、S3之變化量。
其結果，若有因圖案13曝光時曝光量誤差或聚焦誤差等所造成之圖案之線寬變化的不良照射區域時，則僅該不良照射區域以不同亮度來表示。又，在1個照射區域內之一部分局部有缺陷時，則僅該缺陷部分係局部以不同亮度來表示。
又，由於結構雙折射所產生之偏光變化係顯現於S3成分(圓偏光成分)，因此僅觀看S3成分之變化量之方法亦有效。此時，係使S3成分之變化量對應亮度來表示。又，依圖案之形狀而不將斯托克斯參數換算成一個純量，如以上所述，分別算出各參數S1、S2、S3之變化量以進行良品、不良品之判斷亦有效。
此外，上述說明雖依2維攝影元件之各像素分別求出斯托克斯參數，不過為了降低例如各像素之感度誤差或電氣雜訊亦可求取複數個像素訊號之平均。亦可求取例如2×2之4個訊號之平均，此種情況下最後所得到之像素的像素數目則為原像素數目的4分之1。
圖4係表示為了使圖案13之結構性雙折射為最大之條件的圖。如圖式所示，排列有線14與間隔之圖案13中，圖式所示之x方向與y方向之實效折射率係不同。因此，如圖3所示，使具有相對於線14呈45度之角度之振動方向的直線偏光射入時，偏光狀態之變化會呈最大，如圖5所示，產生S3成分且射出光會成為橢圓偏光。此外，此處為了簡單起見，雖以垂直入射作說明，但由於斜向入射時在光之x方向之振動成分與y方向之振動成分之反射率會產生差，因此同時亦產生S2成分，而成為較45度更傾斜之橢圓偏光。因此，斜向入射時偏光狀態變化最大之直線偏光之振動方向的角度有時亦會偏離45度，該角度係取決於圖案13之構造。
為了使入射偏光之振動方向與圖案13具有所欲之角度，雖有使偏光件2旋轉之方法與使晶圓4旋轉之方法2種，本實施形態中，偏光件2係設置成振動方向為朝紙面內，並藉由晶圓旋轉裝置(未圖示)使晶圓4旋轉而呈所欲之角度。然而，本質上任一者皆可。此外，晶圓4之旋轉，係可將晶圓旋轉裝置設置於裝載晶圓之載台，而在載台上使晶圓旋轉，亦可以暫時使晶圓從載台脫離並搬送至晶圓旋轉裝置，而以晶圓旋轉裝置旋轉後，再次裝載於載台之方法。
圖6係詳細描繪光源1之圖。從水銀燈101所發出之光係以橢圓鏡102聚光後，以透鏡103加以準直調整，通過波長選擇濾光器104與減光濾光器105後，以透鏡106聚光並射入隨機光纖107(Random Fiber)。
屬該隨機光纖107之射出端的107a係相當於圖1之光源1的射出端。此處，波長選擇濾光器104係一種可選擇水銀燈之發射譜線之切換式，而可選擇e線、g線、h線、i線、j線(313nm)、248nm之濾光器。由於結構性雙折射係波長愈短則偏光狀態之變化愈大，因此雖以盡可能使用較短波長較佳，不過短波長側亦具有會因燈管之光譜分布或光學元件之透射率等之影響導致光量降低等不佳之因素，故設置成可依圖案之狀況來區隔使用各種波長。減光濾光器105亦可依狀況來切換各種透射率。
又，當變更波長時，由於移相器會偏離4分之1波長，因此亦可根據波長來更換移相器。又，亦可採用將例如水晶波長板與MgF2
波長板加以組合之寬頻波長板以形成無須更換之系統。此時，雖會因波長而稍為偏離4分之1波長，不過旋轉移相器法中移相器之移相角即使並非嚴格之90度(4分之1波長)，由於只要知道偏移量即可加以修正因此並無問題。又，即使在測光件之消光比不高之情況下，只要消光比本身為已知時，同樣地亦可加以修正。
此外，以上說明中，雖例示使用斯托克斯參數作為表示偏光狀態之指標，不過表示偏光狀態之指標並不限於斯托克斯參數。表示偏光狀態之指標而言係有諸多種方式，可列舉例如以下等方法：
(1)以橢圓表示偏光狀態時之長軸方位角與橢圓率、或長軸方位角與橢圓率角；
(2)以瓊斯向量(Jones vector)表示偏光狀態時之複數振幅的振幅項與相位項；以及
(3)以瓊斯向量表示偏光狀態時之複數振幅的實數項與虛數項。
本質上可使用此等作為表示偏光狀態之指標，不過以使用最容易理解之斯托克斯參數作為指標較佳。
1．．．光源
2．．．偏光件
3．．．凹面鏡
4．．．晶圓
5．．．凹面鏡
6．．．4分之1波長板
7．．．測光件
8．．．透鏡
9．．．2維攝影元件
10．．．訊號處理單元
11．．．監測器
12．．．照射區域
13．．．光阻圖案(圖案)
14．．．線
101．．．水銀燈
102．．．橢圓鏡
103．．．透鏡
104．．．波長選擇濾光器
105．．．減光濾光器
106．．．透鏡
107．．．隨機光纖
107a．．．射出端
圖1係表示本發明之實施形態之一例之表面檢查裝置的概要圖。
圖2係表示形成在晶圓上之圖案之排列之例的圖。
圖3係使用龐加萊球(Poincare Sphere)以視覺表現斯托克斯參數的圖。
圖4係表示為了使圖案之結構性雙折射為最大之條件的圖。
圖5係表示在排列有線與間隔之圖案之偏光狀態之變化的圖。
圖6係表示光源之詳細的圖。
1．．．光源
2．．．偏光件
3．．．凹面鏡
4．．．晶圓
5．．．凹面鏡
6．．．4分之1波長板
7．．．測光件
8．．．透鏡
9．．．2維攝影元件
10．．．訊號處理單元
11．．．監測器
Claims (12)
- 一種表面檢查裝置，其特徵在於，具有：偏光照明手段，對形成有圖案之被檢查基板進行偏光照明；受光手段，接收在該被檢查基板正反射之正反射光，以將該被檢查基板之表面像成像於2維攝影元件上；偏光狀態調變手段，用以調變配置於該偏光照明手段及該受光手段中至少一者之該正反射光的偏光狀態；以及檢測手段，從使用該偏光狀態調變手段一邊調變該正反射光之偏光狀態一邊取得之該表面像之來自該2維攝影元件的輸出訊號，算出從該偏光照明之偏光狀態至該正反射光之偏光狀態的變化量，並與預先儲存之值作比較，以檢測出該被檢查基板之缺陷。
- 如申請專利範圍第1項之表面檢查裝置，其具備：記憶手段，係儲存取代該被檢查基板使用未形成圖案之基準基板所測量之該偏光照明之偏光狀態，變化至因該基準基板產生之正反射光之偏光狀態的變化量(修正值)；以及修正手段，使用儲存於該記憶手段之該修正值，以修正該偏光狀態之變化量。
- 如申請專利範圍第1或2項之表面檢查裝置，其進一步具有用以使該被檢查基板以平行於其面之法線的軸為中心旋轉的旋轉手段。
- 如申請專利範圍第1或2項之表面檢查裝置，其中， 該偏光狀態調變手段係配置於該受光光學系統內、且可以光軸為中心旋轉之4分之1波長板與測光件，並使用一邊使該4分之1波長板旋轉一邊取得之該表面像之來自該2維攝影元件的輸出訊號，以檢測該正反射光之偏光狀態。
- 如申請專利範圍第1或2項之表面檢查裝置，其中，該偏光照明手段所照射之照明光的波長，較形成在該被檢查基板之週期圖案之週期的2倍長。
- 如申請專利範圍第1或2項之表面檢查裝置，其中，該偏光照明手段所照射之照明光的波長可變。
- 如申請專利範圍第1或2項之表面檢查裝置，其中，該偏光狀態係使用以直線偏光成分、圓偏光成分為參數之斯托克斯參數來表現，該檢測手段係將該偏光狀態之變化量分離成該直線偏光成分之變化量與該圓偏光成分之變化量，並使用所得到之該直線偏光成分之變化量及該圓偏光成分之變化量之至少一者，與該預先儲存之值作比較，以檢測出該被檢查基板之缺陷。
- 如申請專利範圍第1或2項之表面檢查裝置，其中，該偏光狀態係使用以直線偏光成分、圓偏光成分為參數之斯托克斯參數來表現，該檢測手段係將該偏光狀態之變化量轉換成亮度之純量，以顯示於影像顯示手段。
- 如申請專利範圍第1或2項之表面檢查裝置，其中，該偏光狀態係使用橢圓來表現，該檢測手段係將該偏光狀態之變化量分離成長軸方位角之成分與橢圓率之成分，或分離成長軸方位角之成分與橢圓率角之成分，並與該預先 儲存之值作比較，以檢測出該被檢查基板之缺陷。
- 如申請專利範圍第1或2項之表面檢查裝置，其中，該偏光狀態係使用瓊斯向量來表現，該檢測手段係將該偏光狀態之變化量分離成複數振幅之振幅項與相位項，或分離成複數振幅之實數項與虛數項，並與該預先所儲存之值作比較，以檢測出該被檢查基板之缺陷。
- 一種表面檢查方法，其特徵在於：對形成有圖案之被檢查基板進行偏光照明；接收在該被檢查基板正反射之正反射光，以藉由該正反射光將該被檢查基板之表面像成像於2維攝影元件上；調變該正反射光之偏光狀態；以及根據該調變算出從該偏光照明之偏光狀態至該正反射光之偏光狀態的變化量，並與預先儲存之值作比較，以檢測出該被檢查基板之缺陷。
- 如申請專利範圍第11項之表面檢查方法，其中，係取代該被檢查基板使用未形成圖案之基準基板來測量；根據使用該基準基板之測量結果修正該偏光狀態之變化量。
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