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KR101151077B1 - 표면검사장치 - Google Patents

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KR101151077B1
KR101151077B1 KR1020067010222A KR20067010222A KR101151077B1 KR 101151077 B1 KR101151077 B1 KR 101151077B1 KR 1020067010222 A KR1020067010222 A KR 1020067010222A KR 20067010222 A KR20067010222 A KR 20067010222A KR 101151077 B1 KR101151077 B1 KR 101151077B1
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repeating
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가즈히코 후카자와
고이치로 고마쓰
다케오 오오모리
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가부시키가이샤 니콘
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Abstract

본 발명은, 조명광을 단파장화하지 않아도, 확실히 반복하여 피치의 미세화에 대응할 수 있는 표면검사장치 및 표면검사장치의 제공을 목적으로 한다. 그 때문에, 피검기판(20)의 표면에 형성된 반복 패턴을 직선편광(L1)에 의해 조명하는 수단(13)과, 표면에 있어서의 직선편광(L1)의 진동면의 방향과 반복패턴의 반복방향과의 이루는 각도를 비스듬하게 설정하는 수단(11,12)과, 반복패턴으로부터 정반사방향에 발생한 빛(L2) 중, 직선편광(L1)의 진동면에 수직인 편광성분(L4)을 추출하는 수단(38)과, 편광성분(L4)의 광강도에 기초하여, 반복패턴의 결함을 검출하는 수단(39,15)을 구비한다.
반도체, 기판, 표면검사, 편광, 패턴

Description

표면검사장치{SURFACE INSPECTION DEVICE}
본 발명은, 반도체 웨이퍼나 액정기판 등의 표면을 검사하는 표면검사장치 및 표면검사방법에 관한 것이다.
반도체 회로소자나 액정표시소자의 제조공정에서는, 반도체 웨이퍼나 액정기판(대체로 '기판'이라고 한다)의 표면에 형성된 반복패턴(repeated pattern, 배선패턴 등의 라인?앤드?스페이스의 패턴)의 결함검사를 한다. 자동화된 표면검사장치에서는, 틸트(tilt) 가능한 스테이지 위에 기판을 얹어 놓고, 기판의 표면에 검사용의 조명광(비편광)을 조사하여, 기판상의 반복패턴으로부터 발생하는 회절광(예를 들면, 1차 회절광)에 기초하여 기판의 화상을 집어넣고, 이 화상의 명암차이(콘트라스트)에 기초하여 반복패턴의 결함 개소를 특정한다. 또한, 종래의 표면검사장치는, 스테이지를 틸트 조정하는 것에 의해, 기판상의 반복차가 다른 반복패턴의 결함검사를 실시할 수도 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허공개공보 평성 10-232122호
그러나, 상기한 종래의 표면검사장치에서는, 원리적으로, 반복패턴의 반복피치가 소정치{=(회절 차수)×(조명광의 파장)÷2)보다 작아지면, 반복패턴으로부터 회절광이 발생하지 않아, 결함검사를 실시할 수 없다. 또한, 반복피치가 소정치 근방의 경우에는, 장치내에서의 조명계나 수광계의 기계적인 배치의 제약으로부터, 회절광에 의한 결함검사를 실현하는 것은 어렵다.
한편, 반복피치의 미세화(즉 배선패턴 등의 라인?앤드?스페이스의 미세화)에 대응하기 위해서는, 조명광의 파장을 짧게 하고 상기의 소정치를 작게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 광원의 종류가 한정되어 고가이고, 대규모인 광원이 되어버리고, 또한, 조명계나 수광계를 구성하는 광학소자의 재료도 고가의 것에 한정되어 바람직하지 않다.
본 발명의 목적은, 조명광을 단파장화하지 않아도, 확실히 반복피치의 미세화에 대응할 수 있는 표면검사장치 및 표면검사방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 표면검사장치는, 피검기판의 표면에 형성된 반복패턴을 직선편광에 의해 조명하는 조명수단과, 상기 직선편광의 진동면의 상기 표면에 있어서의 방향과 상기 반복패턴의 반복방향과의 이루는 각도를 비스듬하게 설정하는 설정수단과, 상기 반복패턴으로부터 정반사방향에 발생한 빛 중, 상기 직선편광의 진동면에 수직인 편광성분을 추출하는 추출수단을 구비한 것이다.
바람직하게는, 상기 추출수단에 의해서 추출된 상기 편광성분의 광강도에 기초하여, 상기 반복패턴의 결함을 검출하는 검출수단을 구비한 것이다.
또한, 바람직하게는, 상기 추출수단에 의해서 추출된 빛에 의해 상기 피검기판의 상을 결상하는 결상수단과, 결상된 상기 상에 기초하여, 상기 반복패턴의 결함을 검출하는 검출수단을 구비한 것이다.
또한, 바람직하게는, 상기 설정수단은, 상기 각도를 30도～60도의 사이의 임의의 값으로 설정하는 것이다.
또한, 바람직하게는, 상기 설정수단은, 상기 각도를 45도로 설정하는 것이다.
또한, 바람직하게는, 상기 피검기판을 지지하고, 상기 피검기판의 상기 반복패턴의 반복방향을 상기 표면내에서 회전시키는 기판지지수단을 구비하고, 상기 검출수단은, 상기 기판지지수단이 상기 반복방향을 180도 회전시키는 앞뒤의 상태에 기초하여 상기 반복패턴의 결함을 검출하는 것이다.
또한, 본 발명의 표면검사방법은, 직선편광을 이용하여 피검기판의 표면에 있어서의 상기 직선편광의 진동면의 방향이, 상기 표면에 형성된 반복패턴의 반복방향에 대해서 기울어진 상태로, 상기 반복패턴을 조명하고, 상기 반복패턴으로부터 정반사방향에 발생한 빛 중, 상기 직선편광의 진동면에 수직인 편광성분의 광강도에 기초하여, 상기 반복패턴의 결함을 검출하는 것이다.
바람직하게는, 직선편광을 이용하여 피검기판의 표면에 있어서의 상기 직선편광의 진동면의 방향이, 상기 표면에 형성된 반복패턴의 반복방향에 대해서 기울어진 상태로, 상기 반복패턴을 조명하고, 상기 반복패턴으로부터 정반사방향에 발생한 빛 중, 상기 직선편광의 진동면에 수직인 편광성분을 추출하여, 추출된 빛에 의해 상기 피검기판의 상을 형성하여, 그 상에 기초하여 상기 반복패턴의 결함을 검출하는 것이다.
또한, 바람직하게는, 상기 직선편광은, 상기 표면에 있어서의 상기 진동면의 방향이, 상기 반복패턴의 반복방향에 대해서 30도～60도의 사이의 임의의 각도로 기울어져 있는 것이다.
또한, 바람직하게는, 상기 직선편광은, 상기 표면에 있어서의 상기 진동면의 방향이, 상기 반복패턴의 반복방향에 대해서 45도의 각도로 기울어져 있는 것이다.
또한, 바람직하게는, 상기 반복패턴의 결함의 검출은, 상기 반복패턴의 반복방향을 상기 표면내에서 180도 회전시키는 앞뒤의 상태에서 행해지는 것이다.
본 발명에 의하면, 조명광을 단파장화하지 않아도, 확실히 반복피치의 미세화에 대응할 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)의 전체구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 반도체 웨이퍼(20)의 표면의 외관도이다.
도 3은 반복패턴(22)의 요철 구조를 설명하는 사시도이다.
도 4는 직선편광(L1)의 입사면(3A)과, 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)과의 기울기 상태를 설명하는 도면이다.
도 5는 직선편광(L1)과 타원편광(L2)의 진동방향을 설명하는 도면이다.
도 6은 직선편광(L1)의 진동면의 방향(V방향)과 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)과의 기울기 상태를 설명하는 도면이다.
도 7은 반복방향(X방향)에 평행한 편광성분 VX와 수직인 편광성분 VY로 나뉘 어지는 모습을 설명하는 도면이다.
도 8은 편광성분(L3)의 크기와 반복패턴(22)의 라인부(2A)의 선폭 DA와의 관계를 설명하는 도면이다.
도 9는 피치(P)가 다르면서, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비가 같은 반복패턴(22)의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 반복방향이 다른 반복패턴(25,26)을 설명하는 도면이다.
도 11은 에지형상이 비대칭인 반복패턴(22)과 직선편광(L1)의 입사방향과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 제 2 실시형태의 표면검사장치(40)의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 수직 입사의 구조성 복굴절을 설명할 때의 직선편광(L5)의 진동면과 층의 반복방향을 설명하는 도면이다.
도 14는 수직 입사의 구조성 복굴절을 설명할 때의 직선편광(L6)의 진동면과 층의 반복방향을 설명하는 도면이다.
도 15는 수직 입사의 구조성 복굴절을 설명할 때의 굴절률(a), 진폭 반사율(b), 진폭 반사율의 차이(c)와 물질 1의 두께(t1)와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 16은 편광성분(L4)의 광강도 IL4(∝반사화상의 휘도치)와, 직선편광의 진동면의 기울기 각도 φ(도 14)(와)과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 17은 제 3 실시형태의 표면검사장치(10a)의 전체구성을 나타내는 도면이 다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다.
(제 1 실시형태)
제 1 실시형태의 표면검사장치(10)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 피검기판인 반도체 웨이퍼(20)를 지지하는 스테이지(stage, 11)와, 얼라이먼트계(alignment, 12)와, 조명계(13)와, 수광계(14)와, 화상처리장치(15)로 구성되어 있다. 표면검사장치(10)는, 반도체 회로소자의 제조공정에 있어서, 반도체 웨이퍼(20)의 표면 검사를 자동적으로 실시하는 장치이다. 반도체 웨이퍼(20)는, 최상층의 레지스트막에의 노광?현상 후, 도시하지 않은 반송계에 의해, 도시하지 않는 웨이퍼 카세트 또는 현상장치로부터 옮겨져 스테이지(11)에 흡착된다.
반도체 웨이퍼(20)의 표면에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 복수의 칩영역(21)이 XY방향으로 배열되어, 각 칩영역(21)안에 반복패턴(22)이 형성되고 있다. 반복패턴(22)은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 복수의 라인부(2A)가 그 길이가 짧은 방향(X방향)을 따라 일정한 피치(P)로 배열된 레지스트 패턴(예를 들면, 배선패턴)이다. 서로 이웃하는 라인부(2A)끼리의 사이는, 스페이스부(2B)이다. 라인부(2A)의 배열방향(X방향)을 '반복패턴(22)의 반복방향'이라고 한다.
여기서, 반복패턴(22)의 라인부(2A)의 선폭 DA의 설계치를 피치(P)의 1/2로 한다. 설계치대로 반복패턴(22)이 형성되었을 경우, 라인부(2A)의 선폭 DA와 스페 이스부(2B)의 선폭 DB는 동일해져서, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비는 대략 1:1이 된다. 이것에 대해서, 반복패턴(22)을 형성할 때의 노광 포커스가 적정치로부터 벗어나면, 피치(P)는 변하지 않지만, 라인부(2A)의 선폭 DA가 달라져버리고, 스페이스부(2B)의 선폭 DB도 달라져버려, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비가 대략 1:1로부터 벗어난다.
제 1 실시형태의 표면검사장치(10)는, 상기와 같이 반복패턴(22)에 있어서의 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비의 변화를 이용하여, 반복패턴(22)의 결함검사를 실시하는 것이다. 설명을 간단하게 하기 위해, 이상적인 부피비(설계치)를 1:1로 한다. 부피비의 변화는, 노광 포커스의 적정치로부터의 벗어남에 기인하여, 반도체 웨이퍼(20)의 쇼트영역마다 나타난다. 한편 부피비를 단면형상의 면적비와 바꿔 말할 수도 있다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 반복패턴(22)에 대한 조명광(후술)의 파장과 비교하여 반복패턴(22)의 피치(P)가 충분히 작게 된다. 이 때문에, 반복패턴(22)으로부터 회절광이 발생할 일은 없고, 반복패턴(22)의 결함검사를 회절광에 의해 실시할 수 없다. 제 1 실시형태에 있어서의 결함검사의 원리는, 이후, 표면검사장치(10)의 구성(도 1)과 함께 순서대로 설명한다.
표면검사장치(10)의 스테이지(11)는, 반도체 웨이퍼(20)를 표면에 얹어 놓고, 예를 들면 진공 흡착에 의해 고정 유지한다. 또한, 스테이지(11)는, 표면의 중심에 있어서의 법선(1A)을 축으로 회전 가능하다. 이 회전기구에 의해서, 반도 체 웨이퍼(20)의 반복패턴(22)의 반복방향(도 2, 도 3의 X방향)을, 반도체 웨이퍼(20)의 표면내에서 회전시킬 수 있다. 한편 스테이지(11)는, 표면이 수평면이고, 틸트기구를 갖지 않는다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼(20)를 항상 수평인 상태로 유지할 수 있다.
얼라이먼트계(12)는, 스테이지(11)가 회전하고 있을 때, 반도체 웨이퍼(20)의 바깥 가장자리부를 조명하여, 바깥 가장자리부에 설치된 외형기준(예를 들면 노치)의 회전방향의 위치를 검출하고, 소정 위치에서 스테이지(11)를 정지시킨다. 그 결과, 반도체 웨이퍼(20)의 반복패턴(22)의 반복방향(도 2, 도 3의 X방향)을, 후술의 조명광의 입사면(3A)(도 4 참조)에 대해서, 45도의 각도로 기울여 설정할 수 있다.
조명계(13)는, 광원(31)과 파장선택 필터(32)와 라이트가이드 화이버(33)와 편광필터(34)와 오목면 반사경(35)으로 구성된 편심 광학계이고, 스테이지(11)상의 반도체 웨이퍼(20)의 반복패턴(22)을 직선편광(L1)에 의해 조명한다. 이 직선편광(L1)이, 반복패턴(22)에 대한 조명광이다. 직선편광(L1)은, 반도체 웨이퍼(20)의 표면 전체에 조사된다.
직선편광(L1)의 진행방향{반도체 웨이퍼(20)의 표면상의 임의의 점에 도달하는 직선편광(L1)의 주광선의 방향}은, 오목면 반사경(35)의 광축(OI)에 대략 평행하다. 광축(OI)은, 스테이지(11)의 중심을 지나, 스테이지(11)의 법선(1A)에 대해서 소정의 각도 θ만큼 기울어져 있다. 덧붙여, 직선편광(L1)의 진행방향을 포함하여, 스테이지(11)의 법선(1A)에 평행한 평면이, 직선편광(L1)의 입사면이다. 도 4의 입사면(3A)은, 반도체 웨이퍼(20)의 중심에 있어서의 입사면이다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 직선편광(L1)이 p편광이다. 즉, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 직선편광(L1)의 진행방향과 전기(또는 자기) 벡터의 진동방향을 포함하는 평면{직선편광(L1)의 진동면}이, 직선편광(L1)의 입사면(3A)내에 포함된다. 직선편광(L1)의 진동면은, 오목면 반사경(35)의 전단에 배치된 편광필터(34)의 투과축에 의해 규정된다.
한편, 조명계(13)의 광원(31)은, 메탈하라이드램프나 수은램프 등의 저렴한 방전광원이다. 파장선택 필터(32)는, 광원(31)으로부터의 빛 중 소정파장의 휘선 스펙트럼을 선택적으로 투과한다. 라이트가이드 화이버(33)는, 파장선택 필터(32)로부터의 빛을 전송한다. 편광필터(34)는, 라이트가이드 화이버(33)의 출사단 근방에 배치되어, 그 투과축이 소정의 방위에 설정되어 투과축을 따라 라이트가이드 화이버(33)로부터의 빛을 직선편광으로 한다. 오목면 반사경(35)은, 구면의 안쪽을 반사면으로 한 반사경이고, 앞쪽 초점이 라이트가이드 화이버(33)의 출사단과 대략 일치하고, 뒤쪽 초점이 반도체 웨이퍼(20)의 표면과 대략 일치하도록 배치되어, 편광필터(34)로부터의 빛을 반도체 웨이퍼(20)의 표면으로 이끈다. 조명계(13)는, 반도체 웨이퍼(20)측에 대해서 텔레센트릭한(telecentric) 광학계이다.
상기의 조명계(13)에 있어서, 광원(31)으로부터의 빛은, 파장선택 필터(32)와 라이트가이드 화이버(33)와 편광필터(34)와 오목면 반사경(35)을 통하여, p편광의 직선편광(L1){도 5(a)}이 되어, 반도체 웨이퍼(20)의 표면 전체에 입사 한다. 반도체 웨이퍼(20)의 각 점에 있어서의 직선편광(L1)의 입사각도는, 서로 같고, 광 축(O1)과 법선(1A)과의 이루는 각도에 상당한다.
제 1 실시형태에서는, 반도체 웨이퍼(20)에 입사하는 직선편광(L1)이 p편광{도 5(a)}이기 때문에, 도 4에 나타내는 바와 같이, 반도체 웨이퍼(20)의 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)이 직선편광(L1)의 입사면(3A)에 대해서 45도의 각도로 설정되었을 경우, 반도체 웨이퍼(20)의 표면에 있어서의 직선편광(L1)의 진동면의 방향(도 6의 V방향)과, 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)과의 이루는 각도도 45도로 설정된다.
다시 말하면, 직선편광(L1)은, 반도체 웨이퍼(20)의 표면에 있어서의 진동면의 방향(도 6의 V방향)이 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)에 대해서 45도로 기울어진 상태에서, 반복패턴(22)을 비스듬하게 횡단하는 상태로, 반복패턴(22)에 입사한다.
이러한 직선편광(L1)과 반복패턴(22)과의 각도상태는, 반도체 웨이퍼(20)의 표면 전체에 대해 균일하다. 한편, 45도를 135도, 225도, 315도 중 어느 하나로 바꿔 말해도, 직선편광(L1)과 반복패턴(22)과의 각도 상태는 같다. 또한, 도 6의 진동면의 방향(V방향)과 반복방향(X방향)과의 이루는 각도를 45도로 설정하는 것은, 반복패턴(22)의 결함검사의 감도를 가장 높게 하기 위해서이다.
그리고, 상기의 직선편광(L1)을 이용하여 반복패턴(22)을 조명하면, 반복패턴(22)으로부터 정반사방향에 타원편광(L2)이 발생한다{도 1, 도 5(b)}. 이 경우, 타원편광(L2)의 진행방향이 정반사방향에 일치한다. 정반사방향이란, 직선편광(L1)의 입사면(3A)내에 포함되고, 스테이지(11)의 법선(1A)에 대해서 각도 θ{직 선편광(L1)의 입사각도 θ와 동일한 각도}만큼 기울어진 방향이다. 한편 상기와 같이, 반복패턴(22)의 피치(P)가 조명파장과 비교하여 충분히 작기 때문에, 반복패턴(22)으로부터 회절광이 발생하는 일은 없다.
여기서, 직선편광(L1)이 반복패턴(22)에 의해 타원화하여, 반복패턴(22)으로부터 타원편광(L2)이 발생하는 이유에 대해 간단하게 설명한다. 직선편광(L1)은, 반복패턴(22)에 입사 하면, 진동면의 방향(도 6의 V방향)이, 도 7에 나타내는 2개의 편광성분 VX, VY로 나누어진다. 한 쪽의 편광성분 VX는, 반복방향(X방향)에 평행한 성분이다. 한 쪽의 편광성분 VY는, 반복방향(X방향)에 수직인 성분이다. 그리고, 2개의 편광성분 VX, VY는, 각각 독립적으로 다른 진폭변화와 위상변화를 받는다. 진폭변화와 위상변화가 다른 것은, 반복패턴(22)의 이방성에 기인하여 복소반사율(즉 복소수의 진폭반사율)이 다르기 때문으로, 구조성 복굴절(form birefringence)로 불린다. 그 결과, 2개의 편광성분 VX, VY의 반사광은 서로 진폭과 위상이 다르며, 이러한 합성에 의한 반사광은 타원편광(L2)이 된다{도 5(b)}.
또한, 반복패턴(22)의 이방성에 기인하는 타원화의 정도는, 도 5(b)의 타원편광(L2) 중, 도 5(a)의 직선편광(L1)의 진동면{제 1 실시형태에서는 입사면(3A)과 일치}에 수직인 편광성분(L3){도 5(c)}이라 생각할 수 있다. 그리고, 이 편광성분(L3)의 크기는, 반복패턴(22)의 재질 및 형상과, 도 6의 진동면의 방향(V방향)과 반복방향(X방향)과의 이루는 각도에 의존한다. 이 때문에, V방향과 X방향과의 이루는 각도를 일정한 값(제 1 실시형태에서는 45도)으로 유지하는 경우, 반복패 턴(22)의 재질이 일정해도, 반복패턴(22)의 형상이 변화하면, 타원화의 정도{편광성분(L3)의 크기}가 변화하게 된다.
반복패턴(22)의 형상과 편광성분(L3)의 크기와의 관계에 대해 설명한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 반복패턴(22)은, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)를 X방향을 따라 교대로 배열한 요철형상을 갖고, 적정한 노광 포커스로, 설계치대로 형성되면, 라인부(2A)의 선폭 DA와 스페이스부(2B)의 선폭 DB가 동일하고, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비가 대략 1:1이 된다. 이러한 이상적인 형상의 경우, 편광성분(L3)의 크기는 가장 커진다. 이에 대해, 노광 포커스가 적정치로부터 빗나가면, 라인부(2A)의 선폭 DA와 스페이스부(2B)의 선폭 DB가 달라져 버리고, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비가 대략 1:1로부터 벗어난다. 이때, 편광성분(L3)의 크기는 이상적인 경우와 비교하여 작아진다. 편광성분(L3)의 크기의 변화를 도시하면, 도 8과 같이 된다. 도 8의 횡축은, 라인부(2A)의 선폭 DA이다.
이와 같이, 직선편광(L1)을 이용하여 도 6의 진동면의 방향(V방향)이 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)에 대해서 45도로 기울어진 상태로, 반복패턴(22)을 조명하면, 정반사방향에 발생한 타원편광(L2){도 1,도 5(b)}은, 그 타원화의 정도{도 5(c)의 편광성분(L3)의 크기}가, 반복패턴(22)의 형상{라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비}에 대응하게 된다(도 8). 타원편광(L2)의 진행방향은, 직선편광(L1)의 입사면(3A) 내에 포함되어 스테이지(11)의 법선(1A)에 대해서 각도 θ{직선편광(L1)의 입사각도 θ에 동일한 각도}만큼 기울어져 있다.
다음에, 수광계(14)에 대한 설명을 한다. 수광계(14)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 오목면 반사경(36)과 결상렌즈(37)와 편광필터(38) 및 촬상소자(39)로 구성된 편심 광학계이다.
오목면 반사경(36)은, 상기한 조명계(13)의 오목면 반사경(35)과 같은 반사경이고, 그 광축(O2)이, 스테이지(11)의 중심을 지나고, 또한, 스테이지(11)의 법선(1A)에 대해서 각도 θ만큼 기울어지도록 배치되어 있다. 따라서, 반복패턴(22)으로부터의 타원편광(L2)은, 오목면 반사경(36)의 광축(O2)을 따라 진행하게 된다. 오목면 반사경(36)은, 타원편광(L2)을 반사하여 결상렌즈(37)쪽으로 도입되어, 결상렌즈(37)와 협동하여 촬상소자(39)의 촬상면에 집광한다.
다만, 결상렌즈(37)와 오목면 반사경(36)과의 사이에는, 편광필터(38)가 배치되어 있다. 편광필터(38)의 투과축의 방위는, 상기한 조명계(13)의 편광필터(34)의 투과축에 대해서 직교하도록 설정되어 있다{크로스 니콜(직교 니콜)상태}. 따라서, 편광필터(38)에 의해, 타원편광(L2)의 도 5(c)의 편광성분(L3)에 상당하는 편광성분(L4)(도 1)만을 추출하여, 촬상소자(39)에 도입할 수 있다. 그 결과, 촬상소자(39)의 촬상면에는, 편광성분(L4)에 의한 반도체 웨이퍼(20)의 반사상이 형성된다.
촬상소자(39)는, 예를 들면 CCD 촬상소자 등이고, 촬상면에 형성된 반도체 웨이퍼(20)의 반사상을 광전 변환하여, 화상신호를 화상처리장치(15)에 출력한다. 반도체 웨이퍼(20)의 반사상의 명암은, 편광성분(L4)의 광강도{도 5(c)의 편광성분(L3)의 크기}에 대략 비례하여, 반복패턴(22)의 형상{라인부(2A)와 스페이스 부(2B)와의 부피비}에 따라 변화한다(도 8 참조). 반도체 웨이퍼(20)의 반사상이 가장 밝아지는 것은, 반복패턴(22)이 이상적인 형상(부피비가 1:1)인 경우이다. 한편 반도체 웨이퍼(20)의 반사상의 명암은, 쇼트영역마다 나타난다.
화상처리장치(15)는, 촬상소자(39)로부터 출력되는 화상신호에 기초하여, 반도체 웨이퍼(20)의 반사 화상을 집어넣는다. 한편 화상처리장치(15)는, 비교 때문에, 양품(良品) 웨이퍼의 반사화상을 미리 기억하고 있다. 양품 웨이퍼란, 반복패턴(22)이 이상적인 형상(부피비가 1:1)에서 표면 전체에 형성된 것이다. 양품 웨이퍼의 반사화상의 휘도정보는, 가장 높은 휘도치를 나타낸다고 생각할 수 있다.
따라서, 화상처리장치(15)는, 피검기판인 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상을 집어 넣으면, 그 휘도 정보를 양품 웨이퍼의 반사화상의 휘도정보와 비교한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상의 어두운 개소의 휘도치의 저하량(∝ 도 8의 저하량(Δ))에 기초하여, 반복패턴(22)의 결함{라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비의 변화}을 검출한다. 예를 들면, 휘도치의 저하량이 미리 정한 역치(허용치)보다 크면 '결함'이라고 판정하고, 역치보다 작으면 '정상'이라고 판단하면 좋다.
한편, 화상처리장치(15)에 대해서는, 상기와 같이, 양품 웨이퍼의 반사 화상을 미리 기억해 두는 구성 이외에, 웨이퍼의 쇼트영역의 배열데이터와 휘도치의 역치를 미리 기억해 두는 구성이라도 좋다.
이 경우, 쇼트영역의 배열데이터에 기초하여, 받아들여진 웨이퍼의 반사 화상 중에서의 각 쇼트영역의 위치를 알 수 있으므로, 각 쇼트영역의 휘도치를 구한 다. 그리고, 그 휘도치와 기억되어 있는 역치를 비교함으로써, 패턴의 결함을 검출한다. 역치보다 휘도치가 작은 쇼트영역을 결함이라고 판단하면 좋다.
상기한 바와 같이, 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)에 의하면, 직선편광(L1)을 이용하여 도 6의 진동면의 방향(V방향)이 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)에 대해서 기울어진 상태로, 반복패턴(22)을 조명함과 동시에, 정반사방향에 발생한 타원편광(L2) 중, 편광성분(L4)의 광강도{도 5(c)의 편광성분(L3)의 크기}에 기초하여, 반복패턴(22)의 결함을 검출하기 때문에, 조명파장과 비교하여 반복패턴(22)의 피치(P)가 충분히 작아도, 확실히 결함검사를 실시할 수 있다. 즉, 조명광인 직선편광(L1)을 단파장화하지 않아도, 확실히 반복피치의 미세화에 대응할 수 있다.
또한, 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)에서는, 도 6의 진동면의 방향(V방향)과 반복방향(X방향)과의 이루는 각도를 45도로 설정함으로써, 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상의 휘도치의 저하량(∝ 도 8의 저하량(Δ))을 크게 파악할 수 있고, 반복패턴(22)의 결함검사를 고감도로 실시할 수 있다.
또한, 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)에서는, 조명파장과 비교하여 반복패턴(22)의 피치(P)가 충분히 작은 경우에 한정하지 않고, 반복패턴(22)의 피치(P)가 조명파장과 동일한 정도에서도, 조명파장보다 큰 경우에서도, 마찬가지로 반복패턴(22)의 결함검사를 실시할 수 있다. 즉, 반복패턴(22)의 피치(P)에 관계없이, 확실히 결함검사를 실시할 수 있다. 반복패턴(22)에 의한 직선편광(L1)의 타원화는, 반복패턴(22)의 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비에 의존하여 일어나는 것으로, 반복패턴(22)의 피치(P)에 의존하지 않기 때문이다.
또한, 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)에서는, 반복패턴(22)의 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비가 같으면, 반사화상의 휘도치의 저하량(∝ 도 8의 저하량(Δ))이 같아진다. 이 때문에, 반복패턴(22)의 피치(P)에 관계없이, 부피비의 변화량이 같으면, 같은 감도로 그 검출을 실시할 수 있다. 예를 들면, 도 9(a), (b)에 나타내는 반복패턴(22)과 같이, 피치(P)가 다르고 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비가 같은 경우, 같은 감도로 결함검사를 실시할 수 있다. 또한, 도 9(a), (b)의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 피치(P)가 작을수록, 미세한 형상 변화{라인부(2A)의 선폭(DA)의 설계치로부터의 편차량(δ)}를 확실히 검출할 수 있다.
또한, 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)에서는, 반복패턴(22)의 피치(P)가 다른 경우에서도, 반도체 웨이퍼(20)를 수평인 상태로 유지한 채로(종래와 같은 스테이지의 틸트조정을 실시하지 않고) 검사를 실시할 수 있기 때문에, 실제로 결함검사를 개시하기{즉 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상을 집어넣기}까지의 준비시간을 확실히 단축할 수 있어 작업효율이 향상한다.
또한, 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)에서는, 스테이지(11)가 틸트기구를 갖지 않기 때문에, 장치구성이 간소화된다. 또한, 조명계(13)의 광원(31)으로서 저렴한 방전광원을 이용할 수 있어, 표면검사장치(10)의 전체 구성이 저렴하게 간소한 것이 된다.
또한, 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)에서는, 반도체 웨이퍼(20)의 표면에 복수 종류의 반복패턴이 형성되어, 피치(P)나 반복방향(X방향)이 다른 반복패턴이 혼재하고 있는 경우에서도, 반도체 웨이퍼(20)의 표면 전체의 반사화상을 일괄적으로 집어넣고, 각각의 개소에 있어서의 휘도치의 저하량을 조사하는 것만으로, 모든 반복패턴의 결함검사를 간단하게 실시할 수 있다. 덧붙여, 반복방향이 다른 반복패턴은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 0도방향의 반복패턴(25)과 90도 방향의 반복패턴(26)이다. 이러한 반복패턴(25,26)은, 서로 반복방향(X방향)이 90도 차이가 난다. 그러나, 각각의 반복방향(X방향)과 직선편광(L1)의 진동면의 방향(V방향)과의 이루는 각도는 모두 45도이다.
또한, 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)에서는, 반도체 웨이퍼(20)의 표면에 대해서 직선편광(L1)을 비스듬하게 입사시키기 위해(도 1 참조), 반복패턴(22)의 라인부(2A)의 에지형상의 비대칭성(예를 들면, 에지형상의 붕괴의 방향성)에 관한 결함정보도 얻을 수 있다. 이를 위해서는, 스테이지(11)에 의해 반도체 웨이퍼(20)의 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)을 180도 회전시켜, 그 전후 상태에서 반도체 웨이퍼(20)의 반사 화상을 집어넣고, 같은 개소의 휘도차를 조사하게 된다.
도 11에는, 에지형상이 비대칭인 반복패턴(22)과 직선편광(L1)의 입사방향과의 관계를 도시하였다. 예를 들면, 도 11(a)은 180도 회전전의 상태이고, 라인부(2A)의 에지(E1,E2) 중의 무너진 에지(E1)측으로부터 조명광이 입사된다. 도 11(b)은 180도 회전 후의 상태이고, 2개의 에지(E1,E2) 중의 무너지지 않은 에 지(E2)측으로부터 조명광이 입사된다. 그리고, 각각 상태로 접어넣은 반사화상의 휘도치는, 입사방향에 있는 에지(E1,E2)의 에지 형상을 반영한 것이 되어, 이 예에서는 도 11(a)의 경우 쪽이 반사화상의 휘도치가 커진다. 따라서, 180도 회전시키는 전후의 반사화상의 휘도차를 조사하는 것에 의해, 라인부(2A)의 에지형상의 비대칭성을 알 수 있다. 180도 회전시키는 전후의 반사화상을 합성하여 결함검사를 실시해도 좋다.
한편, 제 1 실시형태와 같이, 반도체 웨이퍼(20)의 표면에 대해서 직선편광(L1)을 비스듬하게 입사시키는 경우(도 1 참조, 입사각도 θ), 반복패턴(22)으로부터 발생하는 타원편광(L2){도 5(b)}은, 엄밀하게 말하면, 그 진행방향을 축으로 하여 조금 회전하고 있다. 이 때문에, 그 회전각도를 고려하여, 수광계(14)의 편광필터(38)의 투과축의 방위를 미조정하는 것이 바람직하다. 미조정 후의 상태에서는, 2개의 편광필터(34,38)의 투과축의 방위가 정확한 90도는 아니게 되지만, 이러한 각도도 "수직(또는 직교)"의 범주로서, 크로스 니콜상태라고 말할 수 있다. 편광필터(38)의 투과축의 방위를 미조정하는 것에 의해, 검사 정밀도를 향상시킬 수 있다. 미조정의 방법으로서는, 예를 들면, 반복패턴이 없는 표면에서, 직선편광(L1)을 반사시켜 화상을 집어넣고, 화상의 휘도치가 가장 작아지도록, 편광필터(38)의 투과축의 방위를 회전시키는 것을 생각할 수 있다.
또한, 상기한 제 1 실시형태에서는, 직선편광(L1)이 p편광인 예를 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. p편광은 아니라 s편광이라 해도 좋다. s 편광이란, 진동면이 입사면에 수직인 직선편광이다. 이 때문에, 도 4에 나타내는 바와 같이, 반도체 웨이퍼(20)의 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)이 직선편광(L1)인 s편광의 입사면(3A)에 대해서 45도의 각도로 설정되었을 경우, 반도체 웨이퍼(20)의 표면에 있어서의 s편광의 진동면의 방향과 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)과의 이루는 각도도 45도로 설정된다. 한편, p편광은 반복패턴(22)의 라인부(2A)의 에지형상에 관한 결함정보를 취득하는데 유리하다. s편광은, 반도체 웨이퍼(20)의 표면의 결함정보를 효율적으로 파악하여, SN비를 향상시키는데 유리하다.
또한, p편광이나 s편광에 한정하지 않고, 진동면이 입사면에 대해서 임의의 기울기를 갖는 직선편광이라도 상관없다. 이 경우, 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)을 직선편광(L1)의 입사면에 대해서 45도 이외의 각도로 설정하고, 반도체 웨이퍼(20)의 표면에 있어서의 직선편광(L1)의 진동면 방향과 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)과의 이루는 각도를 45도로 설정하는 것이 바람직하다.
(제 2 실시형태)
여기에서는, 제 1 실시형태의 표면검사장치(10)(도 1)의 조명계(13)와 수광계(14)를 대신하여, 도 12(a)에 나타내는 조명계(41～46)와 수광계(45～49)를 구비한 표면검사장치(40)에 대해 설명한다. 도 12(a)에서는, 제1 실시형태와 같은 스테이지(11)와 얼라이먼트계(12)와 화상처리장치(15)의 도시를 생략하였다. 표면검사장치(40)도, 반도체 회로소자의 제조공정에 있어서, 반도체 웨이퍼(20)의 표면의 검사를 자동적으로 실시하는 장치이다.
제 2 실시형태의 표면검사장치(40)의 조명계(41～46)와 수광계(45～49)에 대해 설명한다. 조명계(41～46)는, 광원(41)과 파장선택필터(42)와 릴레이렌즈(43)와 개구조리개(44)와 편광빔 스플리터(45)와 렌즈(46)로 구성되어 있다. 이 가운데, 편광빔 스플리터(45)와 렌즈(46)는 수광계(45～49)의 일부로서도 기능한다. 수광계(45～49)는 편광빔 스플리터(45)와 렌즈(46) 이외에, 개구조리개(47)와 결상렌즈(48) 및 촬상소자(49)로 구성되어 있다. 렌즈(46)의 광축(O3)은, 스테이지(11)의 법선(1A)(도 1 참조)에 일치한다.
표면검사장치(40)는, 도 1의 표면검사장치(10)의 오목면 반사경(35,36)을 대신하여, 이러한 기능을 겸비한 렌즈(46)를 설치하고, 또한, 표면검사장치(10)의 편광필터(34,38)를 대신하여, 이러한 기능을 겸비한 편광빔 스플리터(45)를 설치한 것이다. 이와 같이 조명계(41～46)와 수광계(45～49)의 광학소자(45,46)를 공통화하기 위해, 부품 점수를 줄일 수 있어 구성이 간소화된다.
한편 광원(41), 파장선택필터(42), 결상렌즈(48), 촬상소자(49)는, 상기의 광원(31), 파장선택필터(32), 결상렌즈(37), 촬상소자(39)와 같다. 개구조리개(44,47)는, 렌즈(46)의 초점위치 근방에 배치된다. 개구조리개(47)는 미광을 차단하기 위한 광학소자이다. 편광빔 스플리터(45)는, 지면에 수직인 진동면의 직선편광만을 반사함과 동시에, 지면에 평행한 진동면의 직선편광만을 투과한다. 즉, 편광빔 스플리터(45)의 반사축과 투과축은 방위가 서로 직교하고 있다(크로스 니콜 상태).
조명계(41～46)에 있어서, 광원(41)으로부터의 빛은, 파장선택필터(42)로 릴 레이 렌즈(43)와 개구조리개(44)를 통하여 편광빔 스플리터(45)에 입사하여, 거기서 반사한 빛{즉 지면에 수직인 진동면의 직선편광(L1)}이 렌즈(46)에 이끌어진다. 그리고, 편광빔 스플리터(45)로부터의 직선편광(L1)은, 렌즈(46)를 통한 후, 반도체 웨이퍼(20)의 표면 전체에 수직 입사한다. 한편 수직 입사의 경우에는, 직선편광(L1)의 "입사면"을 정의할 수 없다. 반도체 웨이퍼(20)의 표면에 있어서의 직선편광(L1)의 진동면의 방향을 도 12(b)에 "V방향"으로 나타내었다.
반도체 웨이퍼(20)는, 도 1과 같은 스테이지(11) 및 얼라이먼트계(12)에 의해서, 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)이, 직선편광(L1)의 진동면의 방향(V방향)에 대해서 45도의 각도로 기울어지도록 설정되어 있다. V방향과 X방향과의 이루는 각도를 45도로 설정하는 것은, 반복패턴(22)의 결함검사의 감도를 가장 높게하기 위해서 있다. 이러한 직선편광(L1)과 반복패턴(22)과의 각도상태는, 반도체 웨이퍼(20)의 표면 전체에 대해 균일하다.
그리고, 상기 직선편광(L1)을 이용하여 반복패턴(22)을 조명하면, 반도체 웨이퍼(20)의 반복패턴(22)으로부터 정반사방향{광축(O3)의 방향}에 타원편광(L2)이 발생한다. 타원화의 이유는 제 1 실시형태와 같지만, 수직입사의 경우에는, 반복방향(X방향)에 평행한 편광성분 VX와 수직인 편광성분 VY(도 7)에서, 위상변화가 같아진다. 즉, 편광성분 VX, VY는, 각각 독립적으로, 다른 진폭변화를 받는다. 이 때문에, 편광성분 VX, VY의 반사광은 서로 진폭이 다르며, 이들 합성에 의한 반사광이 타원편광(L2)이 된다. 한편, 수직입사의 경우의 구조성 복굴절은, 반복패 턴(22)의 이방성에 기인하여 진폭 반사율이 다른 것에 대응한다.
반복패턴(22)으로부터의 타원편광(L2)은, 다시 렌즈(46)에서 집광되어, 편광빔 스플리터(45)와 개구조리개(47)와 결상렌즈(48)를 통한 후, 촬상소자(49)의 촬상면에 집광된다. 편광빔 스플리터(45)에서는, 타원편광(L2) 중, 직선편광(L1)의 진동면에 수직인(지면에 평행한) 편광성분(L4)만을 추출하여, 촬상소자(49)로 도입된다. 촬상소자(49)의 촬상면에는, 편광성분(L4)에 의한 반도체 웨이퍼(20)의 반사상이 형성된다. 이 반사상의 명암은, 편광성분(L4)의 광강도에 대략 비례한다.
편광성분(L4)의 광강도는, 반복패턴(22)의 형상{라인부(2A)와 스페이스부 (2B)와의 부피비}에 따라 변화한다(도 8 참조). 다만, 직선편광(L1)의 진동면의 방향(V방향)과 반복방향(X방향)이 이루는 각도가 일정한 값(제 2 실시형태에서는 45도)으로 유지되어, 반복패턴(22)의 재질이 일정하게 한다. 편광성분(L4)의 광강도가 최대가 되는 것은, 반복패턴(22)이 이상적인 형상(부피비가 1 : 1)의 경우이다.
여기서, 수직입사의 경우의 구조성 복굴절{반복패턴(22)의 이방성에 기인하는 진폭반사율의 차이}에 대해 설명하고, 반복패턴(22)의 형상과 편광성분(L4)의 광강도와의 관계에 대해 설명한다. 이 설명을 위해, 반복패턴(22)을 모델화한다. 즉, 두께(t1), 유전율 ε1의 물질 1과 두께(t2), 유전율 ε2의 물질 2로 이루어지는 층이, 조명파장에 비해 충분히 짧은 반복주기로, 평면상에 복수개 배열된 것으로 한다.
도 13(a)에 나타내는 바와 같이, 층의 반복방향으로 평행한 진동면의 직선편광(L5)이 조사되면, 층을 횡단하도록 전장(電場)이 인가되어, 전장에 따라 작은 분극이 생긴다. 즉, 전장에 대해서 각 층이 직렬로 분극을 일으킨다. 이 때의 겉보기 유전율 εX은, 다음 식(1)에 의해 표시할 수 있다. 그리고, 수직입사의 경우, 유전율 εX의 물질에 있어서의 진폭반사율 rX은, 다음 식(2)에 의해 표시할 수 있다.
Figure 112006036760192-pct00001
또한, 도 13(b)에 나타내는 바와 같이, 층의 반복방향에 수직인 진동면의 직선편광(L6)이 조사되면, 층의 길이방향을 따라 전장이 인가되어, 이 전장을 따라 분극이 생긴다. 전장에서 보면, 각층의 분극은 병렬로 나열되어 있다. 이 때의 겉보기 유전율 εY은, 층의 두께(t1+t2)의 가중평균이 되어, 다음 식(3)에 의해 표시할 수 있다. 그리고, 수직입사의 경우, 유전율 εY의 물질에 있어서의 진폭 반사율 rY은, 다음 식(4)에 의해 표시할 수 있다.
Figure 112006036760192-pct00002
이와 같이, 수직 입사의 직선편광(L5,L6)의 진동면의 방향이 다르면(도 13), 겉보기 유전율 εX, εY이 다르기 때문에{식(1), (3)}, 결과적으로, 진폭 반사율 rX, rY도 다르게 된다{식(2), (4)}. 이들 진폭 반사율(rX, rY)의 차(rX-rY)가 수직입사의 경우의 구조성 복굴절이라고 생각할 수 있다.
다음에, 도 14에 나타내는 바와 같이, 층의 반복방향에 대해서 직선편광의 진동면이 각도 φ만큼 기울어져 있는 경우를 생각한다. 층에 입사했을 때의 직선편광의 진폭을 E로 한다. 층에 입사한 직선편광은, 층의 반복방향에 평행한 성분(진폭은 Ecosφ)과, 반복방향에 수직인 성분(진폭은 Esinφ)으로 나뉘어져, 각각 독립적으로, 상기의 진폭 반사율 rX, rY에 따른 진폭 변화를 받는다. 이 때문에, 반복방향에 평행한 성분의 반사광의 진폭 EX와 반복방향에 수직인 성분의 반사광의 진폭 EY는, 다음의 식(5), (6)에 의해 표시된다. 그리고, 진폭 EX, EY가 된 각 성분의 합성에 의한 반사광이 타원편광이 된다.
EX = rX Ecosφ …(5)
EY = rY Esinφ …(6)
그리고, 이 타원편광 중, 입사광의 진동면에 수직인 성분이, 도 12(a)에 나타내는 편광빔 스플리터(45)를 투과하여 촬상소자(49)를 향하는 편광성분(L4)이 된다. 편광성분(L4)의 진폭 EL4는, 식(5), (6)의 진폭 EX, EY를 이용하여, 다음 식(7)과 같이 표시된다. 한편, 입사광의 진동면에 평행한 성분{편광빔 스플리터(45)로 차단되는 성분}의 진폭 EC는, 다음 식(8)과 같이 표시된다.
EL4 = EX sinφ + EY cosφ = 0.5E(rX-rY) sin2φ …(7)
EC = EX cosφ + EY sinφ = E(rXcos2φ+rYsin2φ) …(8)
또한, 식(7)의 진폭 EL4를 갖는 편광성분(L4)의 광강도 IL4는, 다음의 식(9)에 의해 표시할 수 있다. 이 식(9)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 편광성분(L4)의 광강도 IL4는, 수직입사의 경우의 구조성 복굴절{진폭 반사율의 차이(rX-rY)}에 관한 성분과, 직선편광의 진동면의 반복방향에 대한 기울기 각도 φ(도 14)에 관한 성분과의 곱이 되어 있다. 또한, 진동면의 기울기 각도 φ가 일정한 경우, 편광성분(L4)의 광강도 IL4는, 구조성 복굴절{진폭 반사율의 차이(rX-rY)}에 관한 성분에만 의존한다.
IL4 = (EL4)2 = 0.25E2(rX-rY)2 sin2 2φ …(9)
다음에, 식(9)에 있어서의 구조성 복굴절{진폭 반사율의 차이(rX-rY)}을 검 토한다. 이 검토를 위해, 물질 1이 레지스트(유전율 ε1= 2.43)로 이루어지고, 물질 2가 공기(유전율 ε2= 1)로 이루어지고, 층의 두께(t1+t2)가 100nm인 것으로 한다.
이 경우, 물질 1은 반복패턴(22)의 라인부(2A)에 대응하여, 물질 1의 두께 (t1)는 라인부(2A)의 선폭 DA에 대응한다(도 3). 물질 2는 스페이스부(2B)에 대응하고, 물질 2의 두께(t2)는 스페이스부(2B)의 선폭 DB에 대응한다. 또한, 층의 두께(t1+t2)는, 반복패턴(22)의 피치(P)에 대응한다.
층의 반복방향에 평행한 편광성분의 겉보기 굴절률 nX = √εX, 반복방향에 수직인 편광성분의 겉보기 굴절률 nY = √εY와, 물질 1의 두께 t1(선폭 DA)과의 관계를 도 15(a)에 나타낸다. 또한, 평행한 편광성분의 진폭 반사율 rX, 수직인 편광성분의 진폭 반사율 rY와, 물질 1의 두께 t1(선폭 DA)과의 관계를, 도 15(b)에 나타낸다. 또한, 구조성 복굴절{진폭 반사율의 차이(rX-rY)}과 물질 1의 두께 t1(선폭 DA)과의 관계를, 도 15(c)에 나타낸다.
도 15(c)로부터 알 수 있는 바와 같이, 물질 1의 두께 t1이 50nm일 때, 즉, 물질 1의 두께 t1과 물질 2의 두께 t2 등이 동일할 때에, 구조성 복굴절{진폭반사율의 차이(rX-rY)}의 절대치가 최대가 된다. 그리고, 식(9)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 진동면의 기울기 각도 φ가 일정한 경우(제 2 실시형태에서는 45도), 편광성분(L4)의 광강도 IL4는, 구조성 복굴절이 최대일 때, 즉, 물질 1의 두께 t1과 물질 2의 두께 t2가 동일할 때에 최대치가 된다. 또한, 물질 1의 두께 t1이 변화하여, 도 15(c)의 구조성 복굴절의 크기가 변화하면, 편광성분(L4)의 광강도 IL4도, 그에 따라서 변화한다(도 8 참조).
따라서, 제 2 실시형태의 표면검사장치(40)에서는, 도시하지 않은 화상처리장치(15)에 의해, 촬상소자(49)로부터의 화상신호에 기초하여 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상을 집어넣으면, 그 휘도정보{∝ 편광성분(L4)의 광강도 IL4}를 양품 웨이퍼의 반사화상의 휘도정보와 비교한다. 그리고, 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상의 어두운 개소의 휘도치의 저하량(∝도 8의 저하량(Δ))에 기초하여, 반복패턴(22)의 결함{라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비의 변화}을 검출한다. 예를 들면, 휘도치의 저하량이 미리 정한 역치보다 크면 '결함'이라고 판정하고, 역치보다 작으면 '정상'이라고 판단하면 좋다.
상기한 바와 같이, 제 2 실시형태의 표면검사장치(40)에 의하면, 직선편광(L1)을 이용하여 도 12의 진동면의 방향(V방향)이 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)에 대해서 기울어진 상태로, 반복패턴(22)을 조명함과 동시에, 정반사방향에 발생한 타원편광(L2) 중, 편광성분(L4)의 광강도 IL4에 기초하여, 반복패턴(22)의 결함을 검출하기 때문에, 조명파장과 비교하여 반복패턴(22)의 피치(P)가 충분히 작 아도, 확실히 결함검사를 실시할 수 있다. 즉, 조명광인 직선편광(L1)을 단파장화하지 않아도, 확실히 반복피치의 미세화에 대응할 수 있다.
또한, 제 2 실시형태의 표면검사장치(40)에서는, 도 12의 진동면의 방향(V방향)과 반복방향(X방향)과의 이루는 각도를 45도로 설정함으로써, 반복패턴(22)의 결함검사를 고감도로 실시할 수 있다. 이 점에 대해서는, 상기의 식(9)으로부터도 분명하다. 여기서, 식(9)에 있어서의 광강도 IL4(∝반사화상의 휘도치)과 직선편광의 진동면의 기울기 각도 φ(도 14)와의 관계를 도 16에 나타낸다. 구조성 복굴절(rX-rY)은 양품 패턴의 경우의 일정치로 한다. 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 편광성분(L4)의 광강도 IL4는, 기울기 각도 φ가 45도일 때에 최대치{=0.25E2(rX-rY)2}가 된다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상의 휘도치의 저하량(∝도 8의 저하량(Δ))을 크게 파악할 수 있어, 고감도인 결함검사가 가능해진다. 한편, 도 16의 세로축은, 기울기 각도 φ가 45도일 때의 광강도 IL4(최대치)를 100%로 하고 있다.
여기서, 기울기 각도 φ의 허용오차에 대해 고찰해 둔다. 반복패턴(22)의 라인부(2A)의 선폭 변화 10%를 확실히 검출하기 위해서는, 기울기 각도 φ의 오차 Δφ가 다음 식(10)을 충족시킬 필요가 있다. 식(10)은, 선폭 변화 10%에 기인하는 광강도 IL4의 변화량 {Δ(rX-rY)2, 반사화상의 휘도치의 저하량}이, 기울기 각도 φ의 오차 Δφ에 기인하는 광강도 IL4의 변화량(sin2 2Δφ)을 상회하기 위한 조건이다. 예를 들면, 반복패턴(22)의 레지스트의 유전율을 2.43으로 하고, 피치(P)를 100nm로 했을 경우, 라인부(2A)의 선폭변화 10%(즉 5nm)를 검출하기 위해서는, 기울기 각도 φ의 오차 Δφ를 3.37도 이하로 억제하면 좋다.
Figure 112006036760192-pct00003
또한, 제 2 실시형태의 표면검사장치(40)에서는, 상기한 제 1 실시형태와 같이, 다음의 효과 [1][2][3]을 이룬다. [1] 반복패턴(22)의 피치(P)에 관계없이, 확실히 결함검사를 실시할 수 있다. [2] 예를 들면, 도 9(a), (b)에 나타내는 반복패턴(22)과 같이, 피치(P)가 다르고, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 부피비가 같은 경우, 같은 감도로 결함검사를 실시할 수 있다. [3] 피치(P)가 작을수록, 미세한 형상변화{라인부(2A)의 선폭 DA의 설계치로부터의 편차량 δ}를 확실히 검출할 수 있다. 이러한 점에 대해서는, 상기의 식(9)에 식(2), (4)를 대입하여 얻을 수 있는 식으로부터도 분명하다.
또한, 제 2 실시형태의 표면검사장치(40)에서는, 상기한 제 1 실시형태와 같이, 다음의 효과 [4]～[6]을 이룬다. [4] 실제로 결함검사를 개시하기{즉 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상을 집어넣기}까지의 준비시간을 확실히 단축할 수 있어 작업 효율이 향상한다. [5] 스테이지(11)가 틸트기구를 갖지 않고, 광원(41)이 저렴한 방전광원이기 때문에, 장치구성이 간소화된다. [6] 피치(P)나 반복방향(X방향)이 다른 반복패턴이 혼재하고 있는 경우에서도, 모든 반복패턴의 결함검사를 일괄적으로 간단하게 실시할 수 있다.
(제 3 실시형태)
제 1 실시형태에서는, 수광계(14)에 의해, 웨이퍼(20)로부터의 반사광을 촬상소자(39)의 촬상면에 결상하는 것에 의해 화상신호를 얻고, 결함검사를 하는 구성이었지만, 본 실시형태에서는, 웨이퍼(20)로부터의 반사광을 관찰자가 눈으로 보는 것에 의해 눈으로 보아 검사를 실시한다.
도 17은, 제 3 실시형태에 의한 표면검사장치(10a)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 17에 있어서, 도 1과 동일부호의 부재는 도 1과 같은 부재이다. 즉, 스테이지(11)와 조명계(13)의 구성은 도 1(제 1 실시형태)과 같다. 그리고, 제 1 실시형태와 같이, 반도체 웨이퍼(20)의 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)이 직선편광(L1)의 입사면(3A)에 대해서 45도의 각도로 설정되어 있다.
반도체 웨이퍼(20)상의 반복패턴(22)으로부터의 타원편광(L2)의 광로상에 편광필터(50)가 배치된다. 편광필터(50)의 투과축의 방위는, 제 1 실시형태에 있어서의 편광필터(38)와 같이, 조명계(13)의 편광필터(34)의 투과축에 대해 직교 하도록 설정된다(크로스 니콜상태). 따라서, 타원편광(L2)의 도 5(c)의 편광성분 (L3)에 상당하는 편광성분(L4)만을 추출할 수 있다. 이와 같이 하여 추출된 편광성분(L4)은 관찰자의 눈(51)에 입사하여, 관찰자에 의해서 관찰된다.
한편 편광필터(50)는, 관찰자가 편광필터(50)를 통해 반도체 웨이퍼(20)의 전체상이 보이는 정도의 크기인 것이 바람직하다.
관찰자는, 편광필터(50)를 통과한 반도체 웨이퍼(20)의 상의 각 개소의 휘도를 확인하여, 휘도의 저하량에 기초하여 반복패턴(22)의 결함을 검출한다.
이상과 같은 제 3 실시형태에 의하면, 제 1 실시형태에서 기재한 효과와 같은 효과를 얻을 수 있다.
(변형예)
한편 상기한 실시형태에서는, 반도체 웨이퍼(20)의 표면에 있어서의 직선편광(L1)의 진동면의 방향(V방향)과 반복패턴(22)의 반복방향(X방향)과의 이루는 각도(도 14의 기울기 각도 φ)를 45도로 설정했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 이미 설명한 도 16으로부터 알 수 있는 바와 같이, 기울기 각도 φ를 45도±15도로 설정하면 약 70%의 휘도저하가 되고, 45±20도의 경우에는 약 55%의 휘도저하가 된다. 즉, 기울기 각도 φ가 30도～60도의 범위이면, 45도로 설정했을 때의 70% 이상의 휘도치를 확보할 수 있기 때문에, 상기와 같은 결함검사를 충분히 실시할 수 있다. 또한, 디포커스시의 형상변화에 의한 휘도치의 저하율(예를 들면, 50% 등)은, 기울기 각도 φ에 의하지 않고 일정하다고 생각할 수 있다. 따라서, 디포커스시의 휘도치의 저하량(포커스시와의 휘도차)은, 기울기 각도 φ가 45도로부터 벗어날수록 작아진다고 생각할 수 있다. 그러나, 기울기 각도 φ가 30도～60도의 범위이면, 충분히 검사를 실시할 수 있다. 실제의 운용에서는, 기울기 각도 φ를 35도～55도의 범위로 하는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기한 실시형태에서는, 양품 웨이퍼의 반사화상의 휘도치를 기준으로 하여, 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상의 휘도치의 저하량을 구하여, 반복패턴(22)의 결함을 검출했지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 반도체 웨이퍼(20)의 각각의 칩영역(21)(도 2)에 있어서의 반복패턴의 배치는 같기 때문에, 양품의 칩영역이나 양품의 쇼트영역을 특정하여, 그 휘도치를 기준으로 결함검출을 실시해도 좋다. 이 경우, 전면 양품의 전용 웨이퍼를 만들 필요가 없어진다. 또한, 한계 샘플의 휘도치와 비교해도 좋다. 또한, 시뮬레이션으로, 휘도치의 기준을 결정하여, 그 기준치와의 비교에 의해, 반복패턴(22)의 결함검출을 실시해도 좋다.
또한, 상기한 실시형태에서는, 반복패턴(22)의 라인부(2A)의 선폭 DA의 설계치를 피치(P)의 1/2로 하였지만{라인부(2A)와 스페이스부(2B)와의 이상적인 부피비를 1:1로 하였다}, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 이상적인 부피비가1:1 이외의 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 이 경우, 반복패턴(22)의 형상 변화에 따라서는, 반도체 웨이퍼(20)의 반사화상의 휘도치가 커질 수도 있다.
또한, 상기한 실시형태에서는, 반도체 웨이퍼(20)를 피검기판으로 하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 액정표시소자의 제조공정에 있어서, 액정기판(피검기판)의 결함검사를 실시하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 표면검사장치의 화상처리장치(15)에 의해 결함검출처리를 실시하는 경우에 한정하지 않고, 표면검사장치에 접속된 외부의 컴퓨터를 이용했을 경우에서도, 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기한 실시형태에서는, 촬상소자(39)로서 CCD 등의 2차원 센서를 이용하였지만, 1차원 센서를 이용해도 좋다. 이 경우, 촬상소자인 1차원 센서와 피 검기판인 반도체 웨이퍼(또는 액정기판)를 얹은 스테이지를 상대이동시켜, 1차원 센서가 반도체 웨이퍼(또는 액정기판)의 표면 전체를 주사하도록 하여, 반도체 웨이퍼(또는 액정기판) 전면의 화상을 집어넣도록 하면 좋다.

Claims (17)

  1. 피검기판의 표면에 형성된 반복패턴을 직선편광에 의해 조명하는 조명수단과,
    상기 직선편광의 진동면의 상기 표면에 있어서의 방향과 상기 반복패턴의 반복방향과의 이루는 각도를 비스듬하게 설정하는 설정수단과,
    상기 반복패턴으로부터 정반사방향에 발생한 빛 중, 상기 직선편광의 진동면에 수직인 편광성분을 추출하는 추출수단과,
    상기 추출수단에 의해서 추출된 빛에 의해 상기 피검기판의 상을 결상하는 결상수단과,
    결상된 상기 상에 기초하여, 상기 반복패턴의 결함을 검출하는 검출수단을 구비한 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출수단에 의해서 추출된 상기 편광성분의 광강도에 기초하여, 상기 반복패턴의 결함을 검출하는 검출수단을 구비한 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 설정수단은, 상기 각도를 30도～60도의 사이의 임의의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 설정수단은, 상기 각도를 30도～60도의 사이의 임의의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 설정수단은, 상기 각도를 45도로 설정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 설정수단은, 상기 각도를 45도로 설정하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 피검기판을 지지하고, 상기 피검기판의 상기 반복패턴의 반복방향을 상기 표면내에서 회전시키는 기판지지수단을 구비하고,
    상기 검출수단은, 상기 기판지지수단이 상기 반복방향을 180도 회전시키는 전후상태에 기초하여 상기 반복패턴의 결함을 검출하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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  17. 삭제
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