JP5405956B2 - 欠陥検査装置 - Google Patents

Description

本発明は試料表面に存在する微小な欠陥を高感度かつ高速に検査する欠陥検査方法および検査装置に関する。

半導体デバイスの製造ラインでは、製品の製造歩留まりの維持向上を目的として、その製造工程中に基板（ウェハ）上に付着する異物や、その表面に生じる疵或いは結晶欠陥等の検査が行われている。例えば、エッチング装置やスパッタ装置の発塵管理を行う場合には、表面の清浄度（異物の数や表面における分布等）が既知のダミーウェハをプロセス装置に投入し、装置内でウェハを搬送、ダミー動作後にウェハを搬出しその表面を検査する。処理前後のウェハ表面の清浄度を比較し、装置での処理によって異物数が増大する傾向が把握されれば、対象装置の稼動を即座に停止して装置の清掃やメンテナンスを行う。

現在の半導体製造工程では、直径数十ｎｍ程度の異物の存在が製造歩留まりの低下に影響を与える場合がある。半導体基板の製造歩留まりを高水準に維持するためには、製造装置での異常発生（装置発塵等）をいち早く検知対策し、製造工程中での不良の造り込みを抑制することが重要である。また同時に、ウェハの表面検査装置においては、高感度化（微小な異物の検出）の要求が高い。

このような用途に用いられる検査装置の一例は、特許文献１に開示されている。特許文献１では、回転併進するウェハ表面にレーザ光を照射し、ウェハ表面に付着した異物から発生するレーザ散乱光を検出する装置構成と、高感度化を目的とした検出信号の処理方式が示されている。本従来例では、ウェハ上のレーザ照射点を中心として散乱光検出光学系を複数配置（多方位・多仰角）しており、ウェハの表面粗さに起因する散乱光成分（背景ノイズ成分）に指向性が存在することを利用し、複数の検出信号を重み付き加算処理することで高感度化を図っている。

また特許文献２では、回転併進するウェハ表面にレーザ光を照射し、ウェハ表面に付着した異物から発生するレーザ散乱光を検出する装置構成において、レーザ照射領域をラインセンサで分割検出する方式が示されている。本従来例においても、ウェハ上のレーザ照射点を中心に散乱光検出光学系を複数配置（多方位・多仰角）している。ただし、受光器として多画素のラインセンサを使用し、ウェハ上のレーザ照射位置とラインセンサの受光面を共役関係に維持することによって、ウェハ上のレーザ照射位置を結像観察し、ウェハの表面粗さに起因する散乱光成分（背景ノイズ成分）をラインセンサの各画素に振り分けで検出する。これにより、ラインセンサ1画素当りで検出される背景ノイズが減少する。また同一の欠陥（異物）を複数回繰り返して検出し、それぞれの検出信号成分を加算することによって、高感度化を図っている。

また、特許文献３には、シリンドリカルレンズで線状に成形した光を回転しているウェハの表面に斜め方向から照射し、ウェハの表面の線状に照射された領域から線状の方向に直角な方向、即ち側方に散乱した光をＣＣＤで検出して欠陥を検出する検査装置の構成について記載されている。

また特許文献４には、被検査体表面を斜方観察するための光学系構成が示されている。本従来例では、被検査体表面に対して３０度の仰角方向にリレーレンズを配置し、回折格子上に被検査体表面の中間像を形成する。この中間像を回折格子と対向して配置した対物レンズで拡大し、イメージセンサで観察する。以上の構成により、試料面を異なる方位角から斜方観察する場合であっても、全ての観察光学系の観察視野を一致させることが可能である。なお、回折格子の周期構造（溝本数とブレーズ角）を最適化することによって、回折格子に入射した光線は回折格子の法線方向に１次回折光として回折し、対物レンズに効率良く入射する。

特開２００８−５８２３９号公報 特開２００８−２６８１４０号公報 米国特許第６，６０８，６７６号 米国特許第６，７７８，２６７号

特許文献１に開示されている検査方式では、欠陥検出感度がレーザ照射寸法に大きく影響を受ける。即ち、レーザ照射領域を大きくする程、ウェハ上に付着した異物から発生する散乱光成分（信号成分）に対して、ウェハの表面粗さに起因する散乱光成分（背景ノイズ成分）の比率が大きくなり、欠陥検出感度が低下する。欠陥検出感度を向上させるためには、レーザ照射領域を縮小し背景ノイズ成分に対する信号成分の割合を高めることが効果的である。しかしレーザ照射領域を縮小した場合、ウェハ表面を全面検査するのに必要な検査時間が長くなる。即ち、特許文献１の従来例では、検査スループットを維持したまま欠陥検出感度の向上を図ることが困難である。

また特許文献２に記載されている構成では、ウェハ上のレーザ照射領域を複数の画素（ラインセンサ）で分割検出しているため、欠陥検出感度はレーザ照射寸法の大小に影響されることはなく、検査スループットを維持したまま高感度化を図る目的に適した検出方式である。しかしながら、特許文献２で開示された検出光学系構成では、検出方位の異なる複数の検出光学系（６式）の視野全てをウェハ上で一致させることができない。よって同一の欠陥から発生するレーザ散乱光を全ての検出方位で同時に検出することができず、６方位の信号加算による欠陥検出感度向上効果は得られない。

また、特許文献３に記載されている装置の構成では、ウェハ上の線状に照明された領域に対して直角方向に散乱した光しか検出されず、前方散乱光及び後方散乱光、並びに上方への散乱光など、より多くの散乱光を検出することについては配慮されていない。

また特許文献４に記載されている構成では、試料表面からの検出光に偏光特性が存在する場合、回折格子での回折効率（光利用効率）が検出光の偏光状態によって変化し、結果として検出光学系全体の光利用効率が変動する問題がある。回折格子の回折効率は、一般的に入射光の偏光方向（電場ベクトルの振動方向）によって異なる特性を示す。試料表面に対して偏光照明を行う場合や、試料表面の形状、或いはその表面に存在する異物や欠陥等によって、試料表面からの反射光や散乱光に偏光特性が存在する場合、観察像の明度が変化したり、観察のために十分な光量が得られなくなる可能性があり、欠陥検出感度向上の効果は得られない。また本従来例ではリレーレンズの観察倍率が1倍であるから、試料表面を基準とした検出仰角と、回折格子表面への入射光（主光軸）の入射仰角は等しい。よって試料側の検出仰角を更に小さくすると、回折格子側の入射仰角もそれに伴って小さくなる。回折格子への入射光の入射仰角が小さくなった場合、回折効率が低下する問題もある。

本発明の目的は、検査スループットを低下させることなく欠陥検出感度の向上を図ることができる表面検査方法及び装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明では、試料を載置するテーブル手段と、テーブル手
段に載置された試料上の線状の領域を照明する照明手段と、照明手段で照明された試料上
の線状の領域からの散乱光のうち高角度方向に散乱した光を複数の方位角方向から検出す
る高角度検出光学系手段と、照明手段で照明された試料上の線状の領域からの散乱光のう
ち低角度方向に散乱した光を複数の方位角方向から検出する複数の光学像検出部を備えた
低角度検出光学系手段と、高角度検出光学系手段で試料からの散乱光を検出して得た信号
と低角度検出光学系手段で前記試料からの散乱光を検出して得た信号とを処理して試料上
の欠陥を検出する信号処理部とを備えた欠陥検査装置において、低角度検出光学系手段の光学像検出部を第１の結像レンズ群と、回折格子、第２の結像レンズ群と複数の受光面を持つ光学像検出器とを組合わせて構成し、低角度検出光学系手段の複数の光学像検出部は、それぞれ検出方位角と並行となるように回折格子の法線と直交する面内で回転配置されており、信号処理部を、低角度検出光学系の複数の光学像検出部のそれぞれの光学像検出器からの信号を、それぞれの光学像検出器間で対応する受光面からの信号を加算して処理するように構成した。

また、上記目的を達成するために、本発明では、試料を載置するテーブル手段と、テーブル手段に載置された試料上の線状の領域を照明する照明手段と、照明手段で照明された試料上の線状の領域からの散乱光のうち高角度方向に散乱した光を複数の方位角方向から検出する高角度検出光学系手段と、照明手段で照明された試料上の線状の領域からの散乱光のうち低角度方向に散乱した光を複数の方位角方向から検出する複数の光学像検出部を備えた低角度検出光学系手段と、高角度検出光学系手段で試料からの散乱光を検出して得た信号と低角度検出光学系手段で試料からの散乱光を検出して得た信号とを処理して試料上の欠陥を検出する信号処理部とを備えた欠陥検査装置において、低角度検出光学系手段の光学像検出部は第１の結像レンズ群と、検光子と、１/２波長板と、回折格子と、第２の結像レンズ群と複数の受光面を持つ光学像検出器とを組合わせて構成され、低角度検出光学系手段の複数の光学像検出部で、検光子の回転角度に応じて１/２波長板の回転を調節し、回折格子に入射する光の偏光方向を常に一定に保とものであり、信号処理部は、低角度検出光学系の複数の光学像検出部のそれぞれの光学像検出器からの信号を、それぞれの光学像検出器間で対応する受光面からの信号を加算して処理するように構成した。

本発明によれば，複数の方向に結像光学系を配置しても，ウエハ高さ変動による画素ずれを発生させない，または画素ずれの影響を抑制可能となり，概略同一の領域から発生する散乱光信号同士を加算可能となり，検出感度を向上させることのできる欠陥検査方法及び装置を提供することができる。

第１の実施例における欠陥検査装置の概略構成を示すブロック図である。 第１の実施例における欠陥検査装置の照明光学系と高角度検出光学系及び低角度検出光学系の配置を示す平面図である。 斜方照明光学系とウェハ及び低角度検出光学系の位置関係を示す斜視図である。 斜方検出光学系の概略の構成を示す側面図である。 ラインセンサの斜視図である。 回折格子板と回折格子板の上に投影されるウェハ上の線状の照明領域の像と、回折格子板の側から見たラインセンサの受光素子の位置関係を示す回折格子板の平面図である。 回折格子板の側面の断面図である。 照明光の入射角に対してθ１傾いた方向に設置した低角度検出光学系における回折格子板と回折格子板の上に投影されるウェハ上の線状の照明領域の像と、回折格子板の側から見たラインセンサの受光素子の位置関係を示す回折格子板の平面図である。 照明光の入射角に対してθ２傾いた方向に設置した低角度検出光学系における回折格子板と回折格子板の上に投影されるウェハ上の線状の照明領域の像と、回折格子板の側から見たラインセンサの受光素子の位置関係を示す回折格子板の平面図である。 照明光の入射角に対してθ３傾いた方向に設置した低角度検出光学系における回折格子板と回折格子板の上に投影されるウェハ上の線状の照明領域の像と、回折格子板の側から見たラインセンサの受光素子の位置関係を示す回折格子板の平面図である。 照明光の入射角に対してθ４傾いた方向に設置した低角度検出光学系における回折格子板と回折格子板の上に投影されるウェハ上の線状の照明領域の像と、回折格子板の側から見たラインセンサの受光素子の位置関係を示す回折格子板の平面図である。 照明光の入射角に対してθ５傾いた方向に設置した低角度検出光学系における回折格子板と回折格子板の上に投影されるウェハ上の線状の照明領域の像と、回折格子板の側から見たラインセンサの受光素子の位置関係を示す回折格子板の平面図である。 照明光の入射角に対してθ６傾いた方向に設置した低角度検出光学系における回折格子板と回折格子板の上に投影されるウェハ上の線状の照明領域の像と、回折格子板の側から見たラインセンサの受光素子の位置関係を示す回折格子板の平面図である。 ラインセンサ面に投影されたときのウェハの併進ピッチをセンサの２画素分とし、４回スキャンさせたときに異物の画像がラインセンサ面上を通過する状態を示したラインセンサの受光面の平面図である。 ４回スキャンさせたときの異物検出信号を重ね合わせた結果を示すグラフである。 第１の実施例における光電子増倍管からの出力を処理する信号処理部の概略の構成を示すブロック図である。 ウェハの線状照明領域に対して直角な方向に配置した低角度検出光学系を集束レンズと結像レンズの組み合わせで構成した例を示す低角度検出光学系の変形例の概略の構成を示す側面の断面図である。 第２の実施例における高角度検出光学系をシングルアノードタイプの光電子増倍管とスリット板集光レンズで構成した状態を示す側面の断面図である。 第２の実施例における光電子増倍管からの出力を処理する信号処理部の概略の構成を示すブロック図である。

本発明の実施例を、図を用いて説明する。

本発明による表面検査装置の第１の実施例に係る構成を図１を用いて説明する。
表面検査装置は、ステージ部１００、照明光学系１１０、検出光学系１２０及び処理制御部１３０を備えて構成されている。

ステージ部１００は、検査対象の基板（ウェハ）１を載置して回転可能な回転テーブル２と平面内で少なくとも１方向に移動可能なステージ３を備えている。

照明光学系１１０は、波長域が紫外（ＵＶ)又は深紫外（ＤＵＶ）のレーザ２０を発射するレーザ光源４、このレーザ光源４から発射されたレーザ２０のビーム径を拡大して成形するビーム光学系５、ビーム光学系５を出射したレーザ２０の光路中に図していない駆動機構により出し入れされるレーザ２０の光路を切替える光路切替えミラー６、光路切替えミラー６がレーザ２０の光路から退避した状態で直進したレーザ２０を成形するレーザ成形部（１）７、レーザ成形部（１）７を透過したレーザ２０を反射させてウェハ１上の線状の領域２１をほぼ垂直方向から照明するミラー８、、光路切替えミラー６がレーザ２０の光路中に入って光路切替えミラー６により反射されたレーザ２０を成形するレーザ成形部（２）９、レーザ成形部（２）９を透過したレーザ２０を反射してウェハ１に斜め方向から入射させて線状の領域２１を斜方から照明するミラー１０を備えている。

検出光学系１２０は照明光学系１１０で線状の領域２１が照明された基板１からの反射散乱光のうち比較的低角度の方向に反射散乱した光を検出する低角度検出光学系１２１と比較的高角度の方向に反射散乱した光を検出する高角度検出光学系１２２を備えている。

低角度検出光学系１２１は、基板１から比較的低角度方向に反射散乱した光を集光して結像する第１の結像光学系３３０、第１の結像光学系３３０の結像位置に配置された回折格子板３４０、回折格子板３４０で回折された光を結像させる第２の結像光学系３３３、この第２の結像光学系３３３で形成した光学像を検出する光検出器３５０、および光検出器３５０からの出力をＡ/Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３７１を備えている。

一方、高角度検出光学系１２２は、基板１から比較的高角度方向に反射散乱した光を集光する光学系３６０、光学系３６０で集光されたウェハ１からの反射散乱光を検出する光検出器３６１、および光検出器３６１からの出力をＡ/Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３７２を備えている。

ここで、低角度検出光学系１２１と高角度検出光学系１２２は、図２に示すように、照明光学系１１０によって照明されるウェハ１の線状の領域２１を中心としてそれぞれ複数の組が配置されている。即ち、低角度検出光学系１２１は基板１の線状の領域２１を中心として１２１−１から１２１−６の６のユニットが配置されており、高角度検出光学系１２２は基板１の線状の領域２１を中心として１２２−１から１２２−４の４のユニットが配置されている。

処理制御部１３０は、検出光学系１２０から出力されたウェハ１からの散乱光の検出信号を処理する信号処理部３８１と、信号処理部３８１で処理した結果を受けるとともにステージ部１００を制御するステージ制御部３８３、光源部１１０、検出光学系１２０及び信号処理部３８１を制御する制御部３８２を備えている。
次に、低角度検出光学系１２１の詳しい構成について説明する。
図２に示したように光角度及び低角度の検出光学系を配置した場合、レーザ２０により照明されるウェハ１上の線状の領域２１を撮像するときに、ウェハ１上の線状の領域２１に対して直角な方向から撮像する場合（図２の１２１−２と１２１−５の方向）には、通常の集光レンズと結像レンズとの組み合わせでセンサ面上にウェハ１上の線状の領域２１に焦点を合わせて光学像を結像させて検出することができるが、ウェハ１上の線状の領域２１に対して直角でない方向から撮像する場合（図２の１２１−１，３，４及び６の方向）には、通常の集光レンズと結像レンズとを単に組み合わせただけではセンサ面上にウェハ１上の線状の領域２１の撮像範囲に亘って焦点を合わせることが難しく、センサ面上に焦点が合った状態の光学像を結像させて検出することが難しい。

そこで、本実施例では、ウェハ１上の線状の領域２１に対して何れの方向から撮像してもウェハ１上のレーザ２０で照明された線状の領域２１の撮像範囲に亘って焦点を合わせることが可能な光学系を採用することにした。

図３は本発明に係る低角度検出光学系１２１の基本構成を示す斜視図である。図３に示す構成は、検出光学系１２０の平面的な配置を示した図２における低角度検出光学系１２１−１と照明光学系１１０のレーザ光源４及びビーム光学系５との関係を示す。図３に示した照明光学系１１０は、図１に示した構成において、レーザ光源４から発射されたレーザ２０は光路切替えミラー６により反射されて更にミラー１０で反射されてウェハ１に斜め方向から入射させて線状の領域２１を斜方から照明している状態を示している。

ステージ部１００の回転ステージ２上に図示していない手段により真空吸着されたウェハ１の表面に対し、レーザ光源４から発射されたレーザ２０を仰角φｉの入射角度方向から線状の領域２１に照射する。レーザ２０として、本実施例ではレーザ光源４の内部に装着されたレーザ発振器から出射したＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）を使用している。レーザ２０は、前記レーザ光源４から出射後、ビーム成型光学系５によってビーム径が拡大されて成型され、Ｙ軸と平行な方位からウェハ１の表面の線状領域２１に照射されている。レーザ２０がウェハ１表面に照射される領域２１の寸法は３０μｍ×４００μｍ（Ｘ軸方向×Ｙ軸方向）、レーザ２０のウェハ１表面への入射角（仰角）φｉは２０°である。

回転ステージ２は一定の角速度で矢印１１方向に回転し、それと同時にステージ４がＹ軸方向（矢印１２）に沿って平行移動することで、レーザ２０により照明されるウェハ１上の線状の領域２１がウェハ１表面を螺旋状に移動し、その全面が走査される。

レーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１から発生した散乱光のうち、レーザ２０の入斜方位を基準として、検出方位θ３の方向に散乱した光は検出方位θ３の位置に配置した低角度検出光学系１２１−１で検出される。３３０は第１群の結像光学系であり、対物レンズ３３１と結像レンズ３３２を備えている。３６０は特定の偏光方向の散乱光成分のみを透過する検光子（偏光フィルタ）、３６１は１／２波長板である。以降、図４も使用して低角度検出光学系１２１−１の構成を説明する。図４は図３の面３００（ウェハ１の表面と直交した検出方位θ３方向の面）上の低角度検出光学系１２１−１の光路を示している。対物レンズ３３１の開口数（ＮＡ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）は０．３である。対物レンズ３３１の検出視野はウェハ１上で線状の領域２１をカバーするφ０．５ｍｍであり、結像レンズ３３２によってウェハ１上のレーザ２０が照射された線状の領域２１からの反射散乱光による中間像３２１を回折格子板３４０上に結像する。この時の結像倍率ｍ１は１倍である。

ここで、対物レンズ３３１による線状の領域２１の検出仰角φ１と、回折格子板３４０への主光軸の入射仰角φ２と、第1群の結像光学系３３０による結像倍率ｍ１との間には、数１に示す相関がある。

ｔａｎφ１／ｔａｎφ２＝ｍ１ （数１）
数１に示すように、第1群の結像光学系３３０による結像倍率ｍ１が１倍の時、φ１とφ２は同一の角度となる。本実施例ではφ１、φ２共に３０°である。

また、結像光学系３３０の角倍率（物体側と像側の開口数の比率）と結像倍率ｍ１は数１と同じ相関となるため、回折格子板３４０への入射光は対物レンズ３３１の検出ＮＡと同一のＮＡ（０．３）で入射する。

なお、結像光学系３３０でウェハ１表面を拡大観察した場合、回折格子板３４０への主光軸の入射仰角φ２は小さくなる傾向にある。例えば、φ１＝３０°、結像倍率ｍ１＝２倍の際は、φ２＝１６．１となる。回折格子板３４０はブレーズド回折格子であり、その表面には微小周期の溝パターンが形成され、入射光の＋１次回折光の回折効率が最大となるようにデザインされたものを用いる。回折格子板３４０の構造については後述する。

第1群の結像光学系３３０により回折格子板３４０上に形成された中間像３２１は、回折格子板３４０の法線方向に配置した第２群の結像光学系３３３により拡大され、光検出器３５０の受光面上に結像される。ここで第２群の結像光学系３３３による結像倍率をｍ２とする。

図５に光検出器３５０の概略の構成を示す。光検出器３５０は複数の受光面を持つ光電子増倍管（マルチアノードタイプ）である。本実施例では、７ｍｍ×１．５ｍｍ（Ｗ寸法×Ｌ寸法）の画素を８ｃｈ（１５１〜１５８）配列した構造の検出器を用いている。８ｃｈの信号は、後段の信号検出回路で並列検出され、それぞれを独立して信号処理に用いることができる。

図６Ａと図６Ｂとに回折格子板３４０上におけるレーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１の中間像３２１と、光検出器３５０の各受光面（３５１〜３５８）との対応を示す。図６Ａに示すように、回折格子板３４０上において、ウェハ面上のＹ軸（中間像３２１の長手方向）は、回折格子板３４０面内の軸ａ−ｂとθ3の角度をなす。このθ3は、低角度検出光学系１２１−１の検出方位角θ3と等しい。なお軸ａ−ｂは、回折格子板３４０の表面と面３００とが交わる直線である。これに対して光検出器３５０を、各受光面（３５１’〜３５８’）の配列方向がＹ軸と平行となるように回転させた角度に調節する。光検出器３５０の回転は、回折格子板３４０の法線と直交する面内で行う。

図６Ａでは、第２群の結像光学系３３３の結像倍率ｍ２が５０倍の状態を示している。即ち、回折格子板３４０面を基準に考えると、光検出器３５０の各受光面（３５１〜３５８）が１／５０に縮小されて回折格子板３４０上に結像している（３５１’〜３５８’）ことになるから、各受光面の寸法は１４０μｍ×３０μｍ（Ｗ’×Ｌ’）となる。一方、レーザスポット２１の中間像３２１の寸法は、３０μｍ×４００μｍ（Ｘ軸方向×Ｙ軸方向）である。

前述の通り、回折格子板３４０の表面には微小周期の鋸歯状の溝パターンが形成されている。図６Bは回折格子板３４０の表面に入射角α（９０°−φ２に相当）で光が入射した場合に発生する回折光を模式的に示した。ここで、ブレーズド回折格子において特定の回折次数の回折効率を最大化するとき、回折光の出射角β、回折次数ｍ、波長λとの間で、数２及び数３に示す相関を満たす必要がある。

sinα＋sinβ＝Ｎｍλ （数２）
数２において、Ｎは１ｍｍ当りの溝本数である。

本実施例ではφ２＝３０°であるためα＝６０°、回折光を回折格子板３４０の法線方向に出射させるためβ＝０°、＋1次回折光を利用するためｍ＝１、照明波長λ＝３５５×１０^−３ｍｍをそれぞれ代入した場合、Ｎ＝２４４０本／ｍｍ（溝ピッチＰ＝０．４１μｍ）が得られる。

θＢ＝（α＋β）／２ （数３）
数３において、θＢは回折格子板３４０表面に形成された個々の溝の斜面の角度である。

本実施例ではα＝６０°、β＝０°をそれぞれ代入した場合、θＢ＝３０°が得られる。以上のように、数２及び数３から、1次回折光の回折効率を最大化するための回折格子の構造を求めることができる。なお図４で説明した通り、回折格子板３４０への入射光は対物レンズ３３１の検出ＮＡと同一のＮＡ（０．３）をもって入射する。このため、回折格子板３４０表面から発生する回折光についても同等の広がりが生じる。第２群の結像光学系３３３では、回折格子板３４０への入射光の入射ＮＡと同等もしくはそれ以上の検出ＮＡが必要である。本実施例では、第２群の結像光学系３３３の検出ＮＡを０．４として構成している。
図７A〜図７Fに低角度検出光学系１２１−１〜１２１−６の回折格子上に結像したレーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１の中間像と光検出器の画素の対応関係を示した。

図７Aは図２の低角度検出光学系１２１−１の回折格子３４０−１上に結像したレーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１の中間像３２１−１と、光検出器３５０−１の画素（３５１’−１〜３５８’−１）の対応を示す図である。軸ａ−ｂは低角度検出光学系１２１−１の検出方位と一致しており、ウェハ１の面上のＹ軸（レーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１の長手方向であって、レーザ２０の中間像３２１−１の長手方向）は、軸ａ−ｂとθ１の角度をなす。

図７Bは図２の低角度検出光学系１２１−２の回折格子３４０−２上に結像したレーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１の中間像３２１−２と、光検出器３５０−１の画素（３５１’−１〜３５８’−１）の対応を示す図である。軸ａ−ｂは低角度検出光学系２１２１−２の検出方位と一致しており、ウェハ１の面上のＹ軸（レーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１の長手方向であって、レーザ２０の中間像３２１−１の長手方向）は、軸ａ−ｂとθ２の角度をなす。

以下同様に、図７C〜図７Fに図２の低角度検出光学系１２１−３〜６のそれぞれの回折格子板３４０−３〜６上に結像したレーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１の中間像３２１−２と、光検出器３５０−１の画素（３５１’−１〜３５８’−１）の対応を示す。軸ａ−ｂは低角度検出光学系１２１−３〜６の検出方位と一致しており、ウェハ１の面上のＹ軸（レーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１の長手方向であって、レーザ２０の中間像３２１−３〜６の長手方向）は、軸ａ−ｂとθ３〜θ６の角度をなす。

図７A〜図７Fに示したように、本実施例で説明した照明及び検出光学系を用いることで、レーザ２０により照明されたウェハ１表面の線状の領域２１の長手方向（Y方向）に対して直角とは異なる方位角方向に検出光学系を配置した場合であっても全ての検出光学系の視野（各光検出器の画素）をウェハ１表面で一致させることができ、より高い検出感度でウェハ上の欠陥を検出することができる。

上記に低角度検出光学系１２１の構成について詳しく説明したが、図２で説明したように配置した高角度検出光学系１２２についても図３で説明した低角度検出光学系と同様の構成とすることによりレーザ２０で照明されたウェハ１表面の線状の領域２１を撮像することができる。即ち、図１の高角度検出光学系１２２における光学系３６０を、図３で説明した第１の結像光学系３３０と回折格子板３４０及び第２の結像光学系３３３とを備えて構成し、図１の高角度検出光学系１２２における光検出器３６１を図５で説明したマルチアノードタイプの複数の受光面を持つ光電子増倍管で構成することにより、低角度検出光学系１２１と同様の構成とすることができる。

本実施例に拠れば、レーザ２０で照明されたウェハ１表面の線状の領域２１を複数の方位角方向及び複数の仰角方向からそれぞれの検出光学系の視野を合わせて撮像して線状の領域２１の画像を得ることができるので、それぞれの検出光学系で撮像して得た画像を組合わせて処理することが可能になり、より詳細に欠陥を検出し、分類することが可能になった。

また、低角度検出光学系１２１からの欠陥検出信号と高角度検出光学系１２２からの欠陥検出信号とを組合わせて欠陥検出を行うことにより、それぞれの検出光学系を単独で用いる場合に比べて欠陥の検出感度及び欠陥分類性能を向上させることができる。

更にまた、図２に示したように、低角度検出光学系１２１及び高角度検出光学系１２２をそれぞれ複数の方位角方向に配置してレーザ２０で照明されたウェハ１表面の線状の領域２１からの反射散乱光による像を複数の方位角方向及び複数の仰角方向から撮像することにより、欠陥の種類や大きさ、形状などの違いにより異なる欠陥からの散乱光をより多く検出できる検出系を選択して欠陥検出を行うことにより、欠陥検出感度を向上させることができるとともに、検出した欠陥の分類精度も向上させることができる。また、欠陥からの反射散乱光が弱い方向の検出器からは、ウェハ表面粗さによるノイズ信号成分を抽出することも可能で、これを用いて欠陥検出信号を処理することにより、ノイズ信号に埋もれてしまうような小さな欠陥を検出することを可能にし、欠陥検出感度を向上させることができる。

なお、図３及び図４に示した構成において、検出光軸を中心として、検光子３６０を任意の角度に回転・固定することで、特定の偏光成分のみを選択的に検出しても良い。検光検出によって、ウェハ１表面から生じる散乱光成分（ノイズ成分）に対する、欠陥（異物や表面傷など）からの散乱光成分（信号成分）の割合が高まるケースがあり、欠陥検出感度を向上させることができる。

しかしながら、例えば照明領域２１から生じる散乱光のＰ偏光成分（ウェハ１に対して鉛直方向；面３００と平行方向）を検出する場合と、これと直交するＳ偏光成分を検出する場合で、回折格子３４０に入射する検出光の偏光方向が９０度異なる。回折格子は入射光の偏光状態によって回折効率が変化するため、検光検出条件（検光子３６０の回転角度）に応じて、１／２波長板３６１の回転方向を調節し、回折格子３４０に入射する検出光の偏光方向を常に一定に保つことで、回折格子３４１での回折効率（光利用効率）を一定に制御できる。

例えば図６Ａにおいて、回折格子３４０への入射光が、その軸ａ−ｂと常に直行する方向となるよう、１／２波長板の回転を調節すれば最大の回折効率を得ることができる。

照明光学系１１０においては、図１に示したように、光路切替えミラー６によりレーザ光源４から発射されたレーザ２０の光路を垂直照明と斜方照明とに切替える構成としているが、斜方照明光学系を用いた場合には比較的小さな欠陥を検出するのに有利であり、垂直照明光学系を用いた場合には斜方照明の検出結果と組合わせることにより欠陥分類の精度を向上させることができる。

次に、本実施例で説明した照明及び検出光学系を用いてウェハ上の欠陥を検出する方法について説明する。本実施例においては、欠陥検査時に、ウェハ１を回転テーブル２に載置した状態で回転テーブル２の回転と同期させてステージ３を駆動して１方向即ち照明光学系によるウェハ上の線状の照明領域の長手方向に連続的に移動させる構成になっているが、回転テーブル２が１回転する間にウェハをこのステージ３を駆動して線状の照明領域の長手方向に移動させる量を線状の照明領域の長手方向の長さの半分以下に設定することによりウェハ上に存在する欠陥は、検査中に複数回線状の照明領域を通過することになり、同じ検出光学系からの信号を複数回分足し合わせて処理することができる。これにより欠陥の検出感度を上げることができるとともに、欠陥位置の検出精度も高くすることができる。
図８を用いて信号検出原理を説明する。ウェハ１を一定の角速度で矢印１１方向に回転させると、ウェハ表面に付着した異物はビームスポット２１をＸ軸方向に横切る（スキャン）。ウェハ１は回転と同時に併進（矢印１２方向：線状の照明領域２１の長手方向）しているので、ウェハ１の回転周期とＹ軸方向の併進ピッチを一定の関係にすることで、周期的に検出可能である。

図８Aには、レーザ２０で照明されたウェハ１表面の線状の領域２１と、ウェハ上に投影した光検出器３５０の受光面の画素アレイと、ウェハ上の異物欠陥との位置関係を、ウェハ１回転時の線状の照明領域２１の長手方向の送り量を光検出器３５０のとしたときに、ウェハを４回転させたときの状態を示している。

図８Bには、図８Aで４回転させて検出した信号を足し合わせた結果を示す。図８Aで４回転させて検出した信号は、各階の信号をウェハ１回転時の送り量の２画素分ずつずらして足し合わせることにより、ウェハ上の同じ場所を検出した信号として得ることができる。このように同じ場所を検出して信号を足し合わせることにより、ランダムに発生するノイズ信号を互いに打ち消して欠陥の信号を強調させることにより、欠陥検出のS／N比を改善することができ、比較的低いしきい値Thを用いて欠陥を検出することが可能になり、欠陥の検出感度を向上させることができる。

以上のようにして各検出光学系で検出した信号をHaze信号を利用したパターンマッチングを行うことで，画素ずれの大きさと画素ずれの方向を検出し，画素ずれの大きさと方向に基づき検出信号の座標を補正することにより，概略同一の領域から発生した散乱光信号を精度良く加算可能とする。

また，照明領域の位置ずれをモニタリングすることや，ウエハに照射されたレーザビームの正反射光をモニタリングすることでウエハ高さ変動の大きさと方向を検出し，その信号に基づき検出信号の座標を補正することにより，概略同一の領域から発生した散乱光信号を精度良く加算可能とする。

また，検出光学系の配置されている方位角θ１〜６に応じて，光軸を中心としてラインセンサを回転させて配置し，かつ検出光学系の光学倍率を方位角θ１〜６に応じて調整することにより，ウエハ高さ変動による画素ずれの発生を回避可能とする。

図９を用いて信号処理回路３８１について説明する。信号処理回路３８１は、低角度検出光学系１２１の光学像を検出した光検出器３５０の複数の受光面それぞれから出力された信号を処理する。即ち、図２で示した低角度検出光学系１２１のユニット１２１−１に対応する光検出器３５０−１の８の受光面３５０−１１〜３５０−１８からの出力はA／D変換器３７１−１でA/D変換された後、信号処理部３８０に入力されてスイッチング部３９０−１で信号をオン／オフされ、スイッチング部３９０−１がオンの場合には受光面３５０−１１からの信号は加算器３９２−１に入力され、低角度検出光学系１２１のユニット１２１−２に対応する光検出器３５０−２の受光面３５０−２１からの出力、ユニット１２１−３に対応する光検出器３５０−３の受光面３５０−３１からの出力などの各光検出器の対応する受光面からの出力と足し合わされる。
更に、光検出器３５０−１の受光面３５０−１２からの出力は、A/D変換器３７１−２でA/D変換された後、信号処理部３８０に入力されてスイッチング部３９０−１で信号をオン／オフされ、スイッチング部３９０−１がオンの場合には加算器３９２−２に入力され、低角度検出光学系１２１のユニット１２１−２に対応する光検出器３５０−２の受光面３５０−２２からの出力、ユニット１２１−３に対応する光検出器３５０−３の受光面３５０−３２からの出力などの各光検出器の対応する受光面からの出力と足し合わされる。更に、光検出器３５０−１の受光面３５０−１３からの出力は、A/D変換器３７１−２でA/D変換された後信号処理部３８０に入力されてスイッチング部３９０−１を通って加算器３９２−３に入力され、光検出器３５０−２の受光面３５０−２３からの出力、ユニット１２１−３に対応する光検出器３５０−３の受光面３５０−３３からの出力などの各光検出器の対応する受光面からの出力と足し合わされる。

同様にして各光検出器３５０−１〜６の対応する各受光面からの出力は加算記３９２−１〜６で足し合わされる。このとき、スイッチング部３９０−１〜６で各光検出器３５０−１〜６からの出力信号をオン／オフさせることにより、各光検出器３５０−１〜６からの出力を選択して加算することができる。たとえば、図２で示した各検出器の配置のうち、レーザ２０の照明により前方散乱光に強いノイズ成分が乗っている場合には、前方散乱光を検出する低角度検出光学系１２１の各受光器のうちユニット１２１−３および１２１−４に対応する光検出器３５０−３及び３５０−４からの出力信号をオフにして、他の光学検出器からの出力を各加算器３９２−１〜６で加算するようにしても良い。

各加算器３９２−１〜６で加算された信号は、信号合成部３９４に入力されて合成信号が形成され、この合成信号は信号処理回路部３９５に送られて処理され、欠陥の種類や大きさ、位置情報が抽出される。信号処理回路部３９５で処理された情報は表示部８２に送られて検出した欠陥に関する情報が画面上に表示される。また、信号処理回路部３９５で処理された情報は制御部３８２にも送られて他の情報、例えばウェハのロット番号や検査日時の情報、検査装置、検査条件の情報等と関連付けて記憶手段３８４に記憶される。

なお、上記した実施例１においては図７に示したように全方位の検出系について回折格子板３４０を用いた結像光学系を採用した例で説明したが、図２に示す１２１−２と１２１−５の位置に配置する検出光学系については、回折格子板３４０を用いずに図１０に示すような通常の集光レンズ３３１’と結像レンズ３３２’とを組合わせた結像光学系３３０’とを用いても良い。

本発明による表面検査装置の第２の実施例について説明する。
第２の実施例に係る表面検査装置の構成は、基本的には図１に記載したものと同じであるが、高角度検出光学系１２２の集光光学系３６０の構成が異なる。

第１の実施例においては、低角度検出光学系１２１と高角度検出光学系１２２とは何れも図４に示したような光学系を採用していたが、斜方照明時に微小な異物からの反射散乱光は低角度方向により多く散乱し、高角度方向にはあまり散乱光が届かない場合がある。したがって、より微細な欠陥を検出することを目的とする場合、高角度検出光学系１２２を低角度検出光学系１２１と同じ高感度化を狙った構成にしてもあまりメリットが無い。

そこで、本実施例においては高角度検出光学系１２２の構成を単なる集光光学系で構成し、第１の実施例よりも比較的簡素な構成とした。
すなわち、第１の実施例において、高角度検出光学系１２２の集光光学系３６０の構成は図４に記載した低角度検出光学系１２１と基本的に同じであったが、本実施例においては、回折格子板３４０を用いず、第１の結像光学系３３０及び第２の結像光学系３３３の代わりに集光光学系を採用するようにした。図１０にその構成を記載する。即ち、第２の実施例においては、高角度検出光学系を、図１０に示したように、結像光学系３６０の代わりに集光レンズ３６２とピンホール３６３を備えた集光光学系３６０’を用い、マルチアノードタイプの複数の受光面を持つ光電子増倍管３６１の代わりに、シングルアノードタイプの光電子増倍管３６１’を使用する。そして、光電子増倍管３６１’の前に設置したピンホール３６３によりレーザ２０で照明されたウェハ１表面の線状の領域２１のうちの一部の領域に視野を絞り、ノイズを低減させて散乱光を検出するようにした。

本実施例においては、低角度検出光学系１２１にはマルチアノードタイプの複数の受光面を持つ光電子増倍管３５０を用いて光学像を検出し、高角度検出光学系１２２にはシングルアノードタイプの光電子増倍管３６１’を使用する。これらの検出器からの出力信号は、図１１に示すように構成された信号処理部３８０’で処理される。

すなわち、図２に示すような配置に設定された低角度検出光学系１２１の各ユニット１２１−１〜６を構成する光電子増倍管３５０−１〜６のそれぞれの受光面３５０−１１〜１８、３５０−２１〜２８・・・で検出した散乱光の検出信号はA／D変換器３７１−１〜６でデジタル信号に変換される。一方、高角度検出光学系１２２を構成する光電子増倍管３６１’からのアナログ出力信号もA／D変換器３７２’でデジタル信号に変換される。このA／D変換器３７２’でデジタル信号に変換された光電子増倍管３７２’からの出力信号は、低角度検出光学系１２１の光電子増倍管３５０のそれぞれの受光面３５０−１１〜１８、３５０−２１〜２８・・・で検出した散乱光のうちピンホール３６３の視野に近い部分からの散乱光を検出した受光面からの出力（図１１の場合は受光面３５０−１３，３５０−２３・・・からの出力）と加算器３９２’−３で加算される。他の加算器３９２’−１，２，４〜６は低角度検出光学系１２１の光電子増倍管３５０−１〜６のそれぞれに対応する受光面３５０−１１〜１８、３５０−２１〜２８・・・からの出力を加算する。

このとき、スイッチング部３９０−１〜６および３９１’で各光検出器３５０−１〜６及び３６１’からの出力信号をオン／オフさせることにより、各光検出器３５０−１〜６及びからの出力を選択して加算することができる。たとえば、図２で示した各検出器の配置のうち、レーザ２０の照明により前方散乱光に強いノイズ成分が乗っている場合には、前方散乱光を検出する低角度検出光学系１２１の各受光器のうちユニット１２１−３および１２１−４に対応する光検出器３５０−３及び３５０−４からの出力信号をオフにして、他の光学検出器からの出力を各加算器３９２−１〜６で加算するようにしても良い。

各加算器３９２−１〜６で加算された信号は、信号合成部３９４に入力されて合成信号が形成され、この合成信号は信号処理回路部３９５に送られて処理され、欠陥の種類や大きさ、位置情報が抽出される。信号処理回路部３９５で処理された情報は表示部８２に送られて検出した欠陥に関する情報が画面上に表示される。また、信号処理回路部３９５で処理された情報は制御部３８２にも送られて他の情報、例えばウェハのロット番号や検査日時の情報、検査装置、検査条件の情報等と関連付けて記憶手段３８４に記憶される。

本実施例によれば、レーザ２０で照明されたウェハ１表面の線状の領域２１を複数の方位角方向及び複数の仰角方向からそれぞれの検出光学系の視野を合わせて撮像して線状の領域２１の画像を得ることができるので、それぞれの検出光学系で撮像して得た画像を組合わせて処理することが可能になり、より詳細に欠陥を検出し、分類す路ことが可能になった。

また、低角度検出光学系１２１からの欠陥検出信号と高角度検出光学系１２２からの欠陥検出信号とを組合わせて欠陥検出を行うことにより、それぞれの検出光学系を単独で用いる場合に比べて欠陥の検出感度及び欠陥分類性能を向上させることができる。

更にまた、図２に示したように、低角度検出光学系１２１及び高角度検出光学系１２２をそれぞれ複数の方位角方向に配置してレーザ２０で照明されたウェハ１表面の線状の領域２１からの反射散乱光による像を複数の方位角方向及び複数の仰角方向から撮像することにより、欠陥の種類や大きさ、形状などの違いにより異なる欠陥からの散乱光をより多く検出できる検出系を選択して欠陥検出を行うことにより、欠陥検出感度を向上させることができるとともに、検出した欠陥の分類精度も向上させることができる。また、欠陥からの反射散乱光が弱い方向の検出器からは、ウェハ表面粗さによるノイズ信号成分を抽出することも可能で、これを用いて欠陥検出信号を処理することにより、ノイズ信号に埋もれてしまうような小さな欠陥を検出することを可能にし、欠陥検出感度を向上させることができる。

照明光学系１１０においては、図１に示したように、光路切替えミラー６によりレーザ光源４から発射されたレーザ２０の光路を垂直照明と斜方照明とに切替える構成としているが、斜方照明光学系を用いた場合には比較的小さな欠陥を検出するのに有利であり、垂直照明光学系を用いた場合には斜方照明の検出結果と組合わせることにより欠陥分類の精度を向上させることができる。

更に、高角度検出光学系をシングルアノードタイプの光電子増倍管３６１’で構成したために第１の実施例に比べて構成が比較的シンプルになり、第１の実施例に比べて比較的安価な構成でも小さな欠陥を検出することを可能にし、欠陥検出感度を向上させることができる。

なお、本実施例２においても、実施例１に最後の部分で説明したのと同様に、図２に示す１２１−２と１２１−５の位置に配置する検出光学系については、回折格子板３４０を用いずに図１０に示すような通常の集光レンズ３３１’と結像レンズ３３２’とを組合わせた結像光学系３３０’とを用いても良い。

また、上記した実施例１及び２は、回転テーブル２でウェハを回転させながら欠陥を検出する方法について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、回転テーブル２とステージ３との組み合わせの変わりにX方向に移動可能なステージとY方向に移動可能なステージとを組合わせて用いても良い。この場合、ステージをウェハ１上の線状の照明領域２１に対して直角な方向に連続的に移動させながら高角度検出光学系と低角度検出光学系とで線状の照明領域２１を撮像してウェハ上の欠陥を検出する。

1・・・ウエハ ２・・・回転テーブル ３・・・ステージ ４・・・レーザ光源 １００・・・ステージ部 １１０・・・照明光学系 １２０・・・検出光学系 １２１・・・低角度照明光学系 １２２・・・高角度照明光学系 １３０・・・処理制御部 ３３０・・・第１傑増光学系 ３３３・・・第２結像光学系 ３４０・・・回折格子 ３５０，３６１・・・光電子増倍管 ３６０・・・光学系 ３６１’・・・光電子増倍管３６２・・・集光レンズ ３６３・・・ピンホール ３８０，３８０’・・・信号処理部 ３８１・・・出力部 ３８２・・・全体制御部 ３８３・・・ステージ制御部 ３８４・・・記憶部。

Claims (4)

1. 試料を載置するテーブル手段と、
   該テーブル手段に載置された試料上の線状の領域を照明する照明手段と、
   該照明手段で照明された試料上の線状の領域からの散乱光のうち高角度方向に散乱した光
   を複数の方位角方向から検出する高角度検出光学系手段と、
   該照明手段で照明された試料上の線状の領域からの散乱光のうち低角度方向に散乱した光
   を複数の方位角方向から検出する複数の光学像検出部を備えた低角度検出光学系手段と、
   前記高角度検出光学系手段で前記試料からの散乱光を検出して得た信号と前記低角度検出
   光学系手段で前記試料からの散乱光を検出して得た信号とを処理して前記試料上の欠陥を
   検出する信号処理部と
   を備えた欠陥検査装置であって、
   前記低角度検出光学系手段の前記複数の光学像検出部は、それぞれ第１の結像レンズ群と、回折格子、第２の結像レンズ群と複数の受光面を持つ光学像検出器とを組合わせて構成され、
   前記低角度検出光学系手段の前記複数の光学像検出部は、前記複数の光学像検出器のそれぞれの複数の受光面がそれぞれの検出方位角と平行となるように前記回折格子の法線と直交する面内で回転配置されており、
   前記信号処理部は、前記低角度検出光学系の複数の光学像検出部のそれぞれの光学像検出器からの信号を、それぞれの光学像検出器間で対応する受光面からの信号を加算して処理することを特徴とする欠陥検査装置。
2. 試料を載置するテーブル手段と、
   該テーブル手段に載置された試料上の線状の領域を照明する照明手段と、
   該照明手段で照明された試料上の線状の領域からの散乱光のうち高角度方向に散乱した光
   を複数の方位角方向から検出する高角度検出光学系手段と、
   該照明手段で照明された試料上の線状の領域からの散乱光のうち低角度方向に散乱した光
   を複数の方位角方向から検出する複数の光学像検出部を備えた低角度検出光学系手段と、
   前記高角度検出光学系手段で前記試料からの散乱光を検出して得た信号と前記低角度検出
   光学系手段で前記試料からの散乱光を検出して得た信号とを処理して前記試料上の欠陥を
   検出する信号処理部と
   を備えた欠陥検査装置であって、
   前記低角度検出光学系手段の前記複数の光学像検出部は、それぞれ第１の結像レンズ群と、検光子と、１/２波長板と、回折格子と、第２の結像レンズ群と複数の受光面を持つ光学像検出器とを組合わせて構成され、
   前記低角度検出光学系手段の前記複数の光学像検出部で、前記検光子の回転角度に応じて前記１/２波長板の回転を調節し、前記回折格子に入射する光の偏光方向を常に一定に保つものであり、
   前記信号処理部は、前記低角度検出光学系の複数の光学像検出部のそれぞれの光学像検出器からの信号を、それぞれの光学像検出器間で対応する受光面からの信号を加算して処理することを特徴とする欠陥検査装置。
3. 前記試料を載置するテーブル手段は、前記試料を回転させる回転テーブル部と、前記試料
   を一方向に移動させるステージ部とを備えていることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の欠陥検査装置。
4. 前記高角度検出光学系は、前記照明手段で照明された試料上の線状の領域に対して複数の
   方位角方向に配置した光電子増倍管で前記試料上の線状の領域からの散乱光を集光して検
   出することを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の欠陥検査装置。

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