JP5414743B2 - マクロ検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検査物の表面の凹凸パターンのサイズ変動を検査するマクロ検査装置に関する。

半導体、液晶等の製造工程で行われる検査の一つにマクロ検査がある。マクロ検査は、基板上に設けられた膜等の表面状態（平坦度、パターンの形状、欠陥の有無など）を広い範囲で一度に視覚的に把握することができる点で有効な検査である。

公開特許公報2009-139333は、被検査物の表面の平坦度を検査するマクロ検査装置を開示する。このマクロ検査装置は、被検査物の表面の光照射領域のエッジからの反射光をラインセンサで受光することにより、被検査物の表面の平坦度を検査する。

公表特許公報2010-537219は、暗視野検査装置を開示する。この暗視野検査装置は、被検査対象からの散乱光を利用して被検査対象の表面状態（欠陥、パターン形状）を検査する。

特開２００９−１３９３３３号公報 特表２０１０−５３７２１９号公報

特許文献１のマクロ検査装置は、明視野光学系において、指向性の高い光照射領域のエッジからの反射光を利用することにより、検出感度を向上させる点で、有効な装置である。しかし、被検査物の表面の凹凸パターン、特に微細なパターンのサイズ変動を検出するには、さらなる検出感度の向上が必要とされる。

特許文献２の暗視野検査装置は、暗視野光学系において、撮像部での散乱光の捕集効率を向上させる点に特徴がある。しかし、被検査対象からの散乱光を利用しているので、被検査物の表面の凹凸パターン、特に微細なパターンのサイズ変動を検出するには有効な装置ではない。

したがって、本発明の目的は、被検査物の表面の凹凸パターン、特に微細なパターンのサイズ変動およびその分布を高感度で検出することができるマクロ検査装置を提供することである。

本発明は、被検査物の表面の凹凸パターンのサイズ変動を検査するマクロ検査装置である。そのマクロ検査装置は、被検査物を乗せるためのステージと、被検査物の表面に対して所定の角度方向から被検査物側に光を照射する拡散光源と、被検査物の表面からの反射光を受光可能なラインセンサと、被検査物とラインセンサとの間に設けられ、反射光のうち拡散光源のエッジ部からの光束に起因する反射光束が、ラインセンサの両端の少なくとも一方に設けられた所定領域でのみ受光されるように、反射光をラインセンサに導くための光学系と、を備える。

本発明によれば、被検査物の表面の凹凸パターンのサイズ変動を反映した反射光束をラインセンサの端に設定した所定領域で受光することにより、微細なパターンのサイズ変動およびその分布を高感度で検出することができる。

本発明の一態様では、光学系はレンズを含み、所定領域の幅（ｗｔ）は、当該レンズの分解能（ａ）と光学倍率（ｂ）との積（ｗｔ＝ａ×ｂ）により定められる。また、光学系は、反射光束を所定領域に導くためのナイフエッジを含むことができる。

本発明の一態様によれば、光学系のレンズあるいはナイフエッジの設定により、所定領域の最適化を図ることにより、微細なパターンのサイズ変動の検出感度をより向上させることが可能となる。

本発明の一態様では、ラインセンサの出力は、所定領域で受光される反射光束に応じたラインセンサの出力は、凹凸パターンのサイズ変動に対して線形に変化する。

本発明の一態様によれば、微細なパターンのサイズ変動をラインセンサの出力から直接、あるいはその画像処理結果から精度良く検出することができる。

本発明の一実施形態のマクロ検査装置を示す図である。 凹凸パターンのサイズ変動を検出する方法を説明するための図である。 遷移領域を説明するための図である。 周期井戸構造における反射角度の変移を説明するための図である。 本発明の一実施例による検査結果を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態のマクロ検査装置１００である。図１において、円形のステージ１上に被検査物２が載る。ステージ１は、ステージ・コントローラ４の制御下で、リニアモータ３によって、回転（θ）、水平（X）あるいは垂直（Y）の方向に移動する。拡散光源５は、コントローラ８の制御下で、ステッピング・モータ７によって、円弧状のレール６に沿って移動する。拡散光源５は、ステージ１上の被検査物２の上面に対して所定の角度に設定される。所定の角度は、測定状態に応じて任意に設定可能である。拡散光源５の明るさは、光源用の電源１０によって調整される。

ラインセンサカメラ９は、光源５と同様に、コントローラ８の制御下で、ステッピング・モータ７により、円弧状のレール６に沿って移動する。ラインセンサカメラ９の前部には、被検査物の表面からの反射光をラインセンサ９に導くための所定の光学系１２が設けられる。なお、光学系１２は、被検査物とラインセンサとの間にあればよく、ラインセンサ９と一体型であってもよい。ラインセンサカメラ９の出力は画像処理手段１１に入る。画像処理手段１１は、ステージ・コントローラ４、コントローラ８、ラインセンサカメラ９および拡散光源５用の電源１０を制御する。なお、図１では、拡散光源５とラインセンサカメラ９はそれぞれ１つしか記載されていないが、被検査物のサイズや形状に応じてそれぞれ２以上配置してもよい。以上が図１の概要である。次に、図１の各構成についてさらに説明する。

ステージ１は、円形以外の任意の形状を有することができる。ステージ１は、被検査物２の表面以外からの反射光ができるだけ発生しにくい構造を有することが望ましい。具体的には、被検査物２が透明で、かつその表面での散乱光が十分に発生する場合、ステージ１は、拡散光源５の光（波長）に対して鏡面となる材料からなることが望ましい。被検査物２の表面が鏡面で、かつその表面での散乱光が発生しない場合、ステージ１は、拡散光源５の光（波長）を吸収 し、つや消しの材料からなることが望ましい。

被検査物２としては、例えば、半導体基板（半導体ウエハ）上の薄膜、ガラス基板上の液晶層、ハードディスク、パターンド・メディアなどであって、その表面の少なくとも一定の領域に凹凸パターンを有するものが該当する。ただし、被検査物２はこれらに限られず、基本的に所定の面積の表面を有し、凹凸パターンを有するものであれば基本的に何でもよい。ここで言う凹凸パターンとは、凹凸が繰り返される周期構造を意味する。また、凹凸パターンのサイズとは、凹凸パターンを構成する凸部の幅、凹部の幅、あるいはピッチ（１つの凹凸の幅）のいずれか１つあるいは複数の意味で用いている。そのサイズは、例えばナノメートル（ｎｍ）レンジからマイクロメートル（μｍ）レンジまでの任意のサイズを含む。

拡散光源５は、所定の面積に渡って指向性の無いほぼ均一な光を発するものであればよく、均一な光を発することができる面光源と呼ばれるものでもよい。拡散光源５としては、発光源としては白熱電球やハロゲン電球などの電球型、蛍光灯型、あるいはＬＥＤやレーザダイオードなどの発光素子をアレイ上に配置したものを含めて任意に選択することができる。また、拡散効果を得るための光学系（レンズ、拡散板など）は、発光源との一体型として、あるいは発光源の出力部の外側に設置することができる。発光源の波長は、広域波長あるいは所定の波長帯を選択することができる。その選択は、被検査物の状態（材質、光特性など）、ラインセンサカメラ９および光学系１２の光学特性（波長特性など）に応じておこなわれる。

ラインセンサカメラ９は、受光素子（画素）を一列に並べることによって、１次元毎に画像を取得できるものであれば良い。ラインセンサカメラ９には、例えば１次元のＣＣＤが含まれる。その画素数は、被検査物２のサイズに応じて選択される。被検査物２のサイズが大きくて１つのラインセンサカメラ９ではカバーできない場合は、２以上のラインセンサカメラを用いる。

拡散光源５とラインセンサカメラ９は、ステッピング・モータ７によって、所定の最小制御角度Δθ単位で、被検査物２の表面に対する角度を可変することができる。ステッピング・モータ７による最小制御角度Δθは、例えば１／１０００度以下である。その最小制御角度はできるだけ小さいほうが望ましい。

光学系１２は、被検査物２の表面からの反射光のうち拡散光源５のエッジ部からの光束に起因する反射光束が、ラインセンサ９の両端の少なくとも一方に設けられた所定領域でのみ受光されるように構成される。光学系１２は、レンズあるいはナイフエッジなどの反射光束の軌道を調整するための光学備品を含む。光学系１２の機能についてはさらに後述する。

画像処理手段１１は、所定の測定プログラムに基づき、ラインセンサカメラ９からの画像情報を処理する。画像処理手段１１は、コントローラ４、８および照明用電源１０を制御する。画像処理手段１１は、ラインセンサカメラ９の制御用のカード（回路基板）、コントローラ４、８あるいは照明用電源１０を制御するための回路基板、画像データを格納するためのメモリ等を有する。画像処理手段１１としては、例えば、画像処理結果などを表示する表示部、測定条件などを入力する入力部などを有するパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）が該当する。

図２は、図１のマクロ検査装置１００における凹凸パターンのサイズ変動を検出する方法を説明するための図である。図２では、図１の場合と同じ構成については同一の符号を付している。なお、図２では、光束の流れをわかりやすくするために、被検査物２が光を透過する物質である場合について記載している。被検査物２が光を反射する物質からなる場合は、拡散光源５は、被検査物２の右側、すなわちラインセンサカメラ側に、より具体的には被検査物２に対して線対称な位置に置かれる。

図２では、図１の光学系１２として、レンズ１２１とナイフエッジ１２２を用いて、ラインセンサ内のＣＣＤ９１へ向かう光束を制御している。ナイフエッジ１２２は上側または下側の一方だけに設けてもよい。図２の光学配置は、一種の暗視野光学系を構成している。すなわち、被検査物２に対する拡散光源５側
のＣＣＤ９１の視野範囲Ｗ１の外側に拡散光源５は配置され、拡散光源５からの拡散光、例えば光束Ｌ６、Ｌ７はＣＣＤ９１の視野範囲外となっている。言い換えれば、ＣＣＤ９１の視野範囲Ｗ１を構成する光束Ｌ１とＬ４の範囲内の光束のみがＣＣＤ９１に入射可能となっている。光束Ｌ１とＬ４は、被検査物２に対してのいわば暗視野光学系と明視野光学系の境界を示す光束である。

この状態において、本発明は一般的な暗視野光学系と異なり、正反射光の一部 、すなわち遷移領域における光束をＣＣＤ９１にて受光させることを特徴とする。ここで、遷移領域とは暗視野光学系から明視野光学系へ遷移する所定領域、言い換えれば両者の境界領域を意味する。遷移領域は、ＣＣＤ９１の画素範囲の上端部または下端部に予め設定される。

図３は、遷移領域を説明するための図である。図３において、ＣＣＤ９１の画素範囲Ｗ３の下端の所定領域が遷移領域Ｗ４である。遷移領域Ｗ４はＣＣＤ９１の画素範囲Ｗ３の上端に設けてもよい。図３では、図２にも示されている、被検査物２に対してのいわば暗視野光学系と明視野光学系の境界を示す光束Ｌ４がちょうどＣＣＤ９１の画素範囲Ｗ３の下端に入射する様子が示されている。光束Ｌ４は、図２に例示されるように、拡散光源５のエッジ部（下端）からの光束が被検査物２の表面で反射した反射光束Ｌ４に相当している。したがって、反射光束Ｌ４は被検査物２の表面の凹凸パターンのサイズ変動の状態を反映しており、この反射光束Ｌ４を検出することによりそのサイズ変動の状態を検出することが可能となる。

本発明では、この反射光束Ｌ４、より具体的には、拡散光源５のエッジ部（下端）からの光束が被検査物２の表面で反射した反射光束Ｌ４を遷移領域Ｗ４に導くことにより、被検査物２の表面の凹凸パターンのサイズ変動の状態を検出する。すなわち、反射光束Ｌ４が遷移領域Ｗ４に入射するか否か、あるいはその入射量が多いか少ないかにより、光強度（光感度）１５が大きく変化することを利用して、検査物２の表面の凹凸パターンのサイズ変動の状態を高感度で検出することが可能となる。なお、図３において符号５で指示される破線部は、拡散光源５が写り込んでいる様子をイメージしたものであり、遷移領域Ｗ４は、いわば拡散光源５のエッジ部が写り込むか否かで光強度（光感度）１５が大きく変化することになる。検出感度は、遷移領域Ｗ４における光強度（光感度）１５の傾斜角度が急峻であるほど高感度になる。

遷移領域Ｗ４の範囲はレンズ１２１の解像度等に依存し、例えば、レンズ１２１の分解能を５μｍとすると、光学倍率Ｍが１〜０．１倍において、ＣＣＤ９１面上の遷移領域Ｗ４は、５〜０．５μｍの範囲となる。

次に、本発明の一実施形態のマクロ検査装置１００による被検査物の表面の凹凸パターンのサイズ変動の検出について説明する。表面に凹凸パターンのような周期構造を持つ被検査物で反射した光束は、僅かではあるがその周期構造への入射角度に対して反射角度がずれる事がある。本発明は、この僅かな反射角度のずれによってＣＣＤ９の遷移領域Ｗ４への反射光束の入射位置（入射光量）が変化することを利用する。すなわち、反射角度のずれに起因する遷移領域Ｗ４への入射光量の変化（＝ＣＣＤ出力の変化）から凹凸パターンのサイズ変動の状態を検出する。

図４は、凹凸パターンのような周期構造における反射角度の変移を説明するための図である。図４では、例として、光波長以下の深さhとピッチpを持つ微細な周期井戸（凹凸）構造１６へ点光源Sから光（La、Lb）が入射している場合を想定している。このような微細な周期井戸構造においては、井戸の底面を基準とした等価な反射面１８の高さyは、下記の式（１）に示すように、上面からの反射光強度と底面からの反射光強度の加重平均により決定することができる。

すなわち、上面反射率をr1、底面反射率をr2、入射角をa、上面幅をw、周期構造のピッチを p とするとき、

y=h*r1*w/(r1*w+r2*z) ------------(1)
ここに、
z=max(0,p−w−2h*tan(a)) ------(2)

点光源からの入射光の場合は、入射位置 x により下記の式（３）に示すように入射角 a が変化する。したがって、上の式（１）、（２）から反射面１８の高さ y も位置 x の関数となり、等価的に反射面１８が傾きdy/dxを持つことがわかる。この反射面１８の傾きdy/dxが微小な反射角度のずれを表す。

x=R*tan(a) ----------(3)
＜＝＞
a=arctan(x/R) -------(4)

以下、式（１）から（４）を用いて等価的な反射面１８の傾きdy/dxを求める。

dz/da=0 (z=0) ---------------------------------(5)
dz/da=−2h/cos²(a) (z>0)------------------ (5b)
dy/dz=−h*r1*w/(r1*w + r2*z)²*r2----------- (6)
da/dx=1/(dx/da)=1/(R/cos²(a))=cos²(a)/R----- (7)
dy/dx=0 (z=0)---------------------------------(8a)
dy/dx
= dy/dz*dz/da*da/dx
=−h*r1*w/(r1*w+r2*z)²*r2 *{−h/cos²(a)}*cos²(a)/R
= 2h²*r1*r2*w/(r1*w+r2*z)²/R (z>0)------(8b)

周期井戸（凹凸）構造１６からレンズ１２１までの距離をL とするとき、反射光変移によるレンズ１２１の入射位置の変移 b は下記の式ように計算することができる。このレンズ入射位置の変移bが、ＣＣＤ９の遷移領域Ｗ４への反射光束の入射位置（入射光量）の変化を引き起こす。

b=0 (z=0)--------- (9a)
b=L*dy/dx
=L*2h²*r1*r2*/R*w/(r1*w+r2*z)²
(z>0) --------- (9b)

図４の周期井戸（凹凸）構造１６のモデルを用いて計算した結果、例えば周期構造における線幅（図４の上面幅w） の差が数ナノメートルの場合、約0.1ラジアン前後の反射角度差が生じる。この場合、周期井戸（凹凸）構造１６からレンズ１２１までの距離をLを約800ｍｍとしたラインセンサ９では、約100ｎｍ前後の入射距離差を生ずる。本発明では、この約100ｎｍ前後の入射距離差を上述した遷移領域Ｗ４の範囲で受光することにより、数ｎｍという微小な周期井戸（凹凸）構造のサイズ変動を検出することが可能となる。すなわち、遷移領域Ｗ４の範囲においては、反射光束の微小な反射角度の違いが、大きな感度の違いとして検出可能となる。

例えば、ＣＣＤ９のピクセルサイズ50μｍ、画素サイズ14μｍの場合、光学倍率は0.28倍となる。このとき、レンズの分解能が5μｍだとすると、ＣＣＤ９の面上においての遷移領域Ｗ４の範囲は、5×0.28で1.4μｍとなる。100ｎｍ（0.1μｍ）前後の入射距離差は、（0.1／1.4）で約7%の重みをもつことが分かる。従って、線幅（図４の上面幅w） の差が数ｎｍの場合、コントラストとして、約255×0.07＝18輝度として検出することが可能となる。

本発明の一実施例として、１つの基板を６つの領域に分けて、領域毎に線幅（凸部幅）の異なる凹凸パターンを形成し、各領域での凹凸パターンを検査した。凹凸パターンはフォトレジストからなり、線幅は６０〜９０ｎｍの範囲６段階で変化させた。このときの検査条件を以下に示す。

・基板からレンズまでの距離Ｌ：1ｍ
・ＣＣＤのピクセルサイズ：150μｍ
・画素サイズ：14μｍ
・光学倍率：0.0933
・レンズの分解能：5μｍ
・遷移領域Ｗ４の幅：0.465μｍ

図５は、本発明の一実施例による検査結果を示す図である。図５の縦軸は凹凸パターンのパターン線幅（凸部幅）であり、横軸は反射光強度（相対輝度）である。反射光強度（相対輝度）は、所定領域Ｗ４で受光される反射光束に応じたラインセンサ９の出力に基づき算出した相対値である。図５の６つの黒丸１９は６つの線幅の凹凸パターンの測定結果である。測定結果を外挿（フィッテイング）して得られたグラフ２０から明らかなように、本発明の一実施例によれば、パターン線幅と反射光強度とはほぼ線形な関係にあることがわかる。したがって、本発明の一実施例によれば、凹凸パターンの線幅の変動を反射光強度、言い換えれば輝度値、あるいは画像処理後のグレースケールとして検出することができる。

本発明の実施形態について、図１から図５を例にとり説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

１ ステージ
２ 被検査物
３ リニアモータ
４、８ コントローラ
５ 光源
６ レール
７ ステッピング・モータ
９ ラインセンサカメラ
１０ 光源用電源
１１ 画像処理装置
１５ 光強度（光感度）
１６ 期井戸構造
１８ 想反射面
１００ クロ検査装置

Claims (5)

1. 被検査物の表面の凹凸パターンのサイズ変動を検査するマクロ検査装置であって、
   前記被検査物を乗せるためのステージと、
   前記被検査物の表面に対して所定の角度方向から前記被検査物側に光を照射する拡散光源と、
   前記被検査物の表面からの反射光を受光可能なラインセンサと、
   前記被検査物と前記ラインセンサとの間に設けられ、前記反射光のうち前記拡散光源のエッジ部からの光束に起因する反射光束が、前記ラインセンサの両端の少なくとも一方に設けられた所定領域でのみ受光されるように、前記反射光を前記ラインセンサに導くための光学系と、を備え、
   前記被検査物に対する暗視野光学系と明視野光学系の境界領域に前記拡散光源のエッジ部が位置するように前記拡散光源が配置される、マクロ検査装置。
2. 前記光学系はレンズを含み、
   前記所定領域の幅（ｗｔ）は、当該レンズの分解能（ａ）と、光学倍率（ｂ）との積（ｗｔ＝ａ×ｂ）により定められる、請求項１のマクロ検査装置。
3. 前記光学系は、前記反射光束を前記所定領域に導くためのナイフエッジを含む、請求項１または２のマクロ検査装置。
4. 前記所定領域で受光される前記反射光束に応じた前記ラインセンサの出力は、前記凹凸パターンのサイズ変動に対して線形に変化する、請求項１〜３のいずれか１項のマクロ検査装置。
5. 前記ラインセンサの出力信号を受け取り、前記ラインセンサの前記所定領域での受光量の変化に対応した輝度分布の画像を生成する画像処理手段と、
   前記拡散光源の角度を変えるための光源駆動手段と、
   前記ラインセンサの角度を変えるためのラインセンサ駆動手段と、
   前記被検査物の表面の所定領域での前記凹凸パターンのサイズ変動を検査するために、前記ステージを所定の間隔で移動させることができる移動手段と、
   をさらに含む、請求項１ないし４のいずれか１項のマクロ検査装置。

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