表面检测设备及表面检测方法

专利名称：表面检测设备及表面检测方法
技术领域：
本发明涉及表面-检测装置及表面-检测方法，用来执行形成在样 品表面上的重复图案的缺陷检测。
背景技术：
己知一种装置，其利用用于检测的照明灯照射形成在样品(例如， 半导体晶片，液晶衬底等)表面上的重复图案，并且根据从重复图案 发射的衍射光，执行对重复图案的缺陷检测(例如，参考专利文件1)。
专利文件l:日本未审查专利申请公开No. Hei-10-232122

发明内容
本发明要解决的问题
然而，可以存在一种情况，其中也在例如半导体晶片的样品的基 底层内形成重复图案，该重复图案的节距与在其表面上的重复图案的 节距相同。由此，在利用衍射光的上述缺陷检测中，存在一种情况， 其中由于从表面上的重复图案发射的衍射光(信号光)与从基底层内 的重复图案发射的衍射光(噪声光)混合，所以不能成功对将要被检 测的表面上的重复图案执行缺陷检测。
本发明的目的是提供一种表面-检测装置及表面-检测方法，通过 降低基底层的影响，能够成功地执行表面上的重复图案的缺陷检测。
解决问题的方法
技术领域：
本发明的表面检测装置包括照射单元，其利用照明光照射形成 在样品表面上的重复图案；设置单元，其将由入射平面在所述表面上 的方向和重复图案的重复方向形成的角设置为零以外的预定值，入射 平面包括照明光的照明方向和表面的法线；光探测单元，当照射照明 光时其探测从重复图案生成的规则的反射光，并输出与规则的反射光 的光强度有关的信息；以及探测单元，基于从光探测单元输出的关于 规则的反射光的光强度的信息，探测重复图案的缺陷，其中由入射表 面在所述表面上的方向和重复方向形成的角^，由照明光的照射方向 和表面的法线形成的角^，照明光的波长A，以及重复图案的节距p 满足下列条件式
义/[2cos(仏sin州〉/
此外，优选照明光包括具有多个不同波长的光。 还优选包括调节单元，其基于光探测单元的灵敏度的波长特性来
调节照明光的每个波长的光强度。
还优选包括提取单元，其设置在照明单元和光检测单元的光路径
中的至少一个上，以提取预定的偏振成分。
此外，优选包括第一旋转单元，其绕垂直于表面的轴旋转样品。 还优选包括第二旋转单元，其绕垂直于入射平面且包含在所述表
面内的轴，旋转光照射单元、光探测单元和样品中的至少两个。 本发明的表面检测方法利用照明光照射形成在样品表面上的重
复图案，当照射照明光时，探测从重复图案发射的规则的反射光，并
且基于关于规则的反射光的光强度的信息，探测重复图案的缺陷，其
中将由入射平面在表面上的方向和重复图案的重复方向形成的角设 置为零以外的预定值，所述入射平面包括照明光的照射方向和表面的 法线；由入射平面在表面上的方向和重复方向形成的角^、由照明光
的照射方向和表面的法线形成的角^、照明光的波长;i以及重复图案
的节距p满足下列表达式。 义/[2cos(^sin州〉
根据本发明的表面检测装置和表面检测方法，通过减弱基底层的 影响，能够成功地执行重复图案的缺陷检测。


图1是示出第一实施例中的表面检测装置10的一般配置的示图； 图2是半导体晶片20的表面的外观；
图3是说明重复图案22的凹凸结构的透视图4是说明照明光Ll的入射平面(3A)和重复图案22的重复方 向(X方向)的倾斜状态的示图5是说明在解释垂直入射的机械双折射时、线偏振成分L5、 L6的振动平面和层的重复方向的示图6是示出在解释垂直入射的机械双折射时、折射率和物质1的
厚度t之间的关系的曲线图7是示出反射率和物质1的厚度t,之间的关系的曲线图8是说明波长选择滤波器的改变机构的示图9是示出包括在来自光源31的光中的明线光谱的实例的曲线
图10是示出图像传感器37的灵敏度的波长特性的曲线图； 图11是说明照明光L1的每个波长的光谱强度(校正之前)的曲 线图12是说明图像传感器37己经探测光之后的有效强度(校正之 前)的曲线图13是示出波长选择滤波器32的光谱透过率的实例的曲线以及
图14是说明在图像传感器37已经接收光之后的有效强度(校正 之后)的曲线图。
具体实施例方式
利用附图，下面将详细地描述本发明的实施例。 (第一实施例)
如图1所示，第一实施例中的表面检测装置IO包括支撑样品
20的平台11、对准系统12、照明系统13、光探测系统14以及图像 处理单元15。照明系统13具有光源31、波长选择滤波器32、光导 纤维33以及凹面反射镜34。光探测系统14具有与凹面反射镜34类 似的凹面反射镜35、成像透镜36以及图像传感器37。
例如，样品20是半导体晶片、液晶玻璃衬底等等。在样品20的
表面(抗蚀剂层)上，如图2中所示排列多个拍摄区(shot area) 21，且在每个拍摄区21中，形成待检测的重复图案22。重复图案22 是线和间隔的图案，例如布线图案，并且如图3中所示，多个线部分 2A沿着其短长度方向(X方向)以固定节距p设置。在邻近的线部分 2A之间，形成间隔部分2B。线部分2A的排列方向(X方向)被称之 为"重复图案22的重复方向"。
第一实施例的表面检测装置10是在半导体电路元件和液晶显示 元件的制造过程中，自动地执行形成在样品20的表面上的重复图案 22的缺陷检测的装置。在表面检测装置10中，利用传送系统(未示 出)将表面(抗蚀剂层)已被曝光和显影的样品20从暗盒或显影设 备中取出，并将其吸附到平台ll。
重复图案22中的缺陷是与如图3中所示的线部分2A的线宽DA (或间隔部分2B的线宽DB)中的变化相对应的重复图案22的结构 (即，占空比或截面形状)中的变化。即使线宽D八、Db変化，节距p 也保持不变。这种缺陷是由形成重复图案22时的曝光焦距的漂移所 引起的，且出现在样品20的每个拍摄区21中。
将样品20放置在平台11的顶部表面上，并通过真空吸附固定和 支撑样品20。而且，平台11的顶部表面是水平表面且不具有倾斜机 构。因此，样品20被保持在水平状态。而且，平台ll配有绕着垂直 于样品20的表面的轴(例如，表面中心处的法线)旋转样品20的机 构。利用旋转机构，能够在样品20的表面旋转样品20的重复图案 22的重复方向(图2、图3中的X方向)。
照明系统13 (图1)利用非偏振的照明光Ll照射形成在样品 20的表面上的重复图案22 (图2、图3)。光源31是廉价的辐射光源， 诸如金属卤化灯、汞灯等等。波长选择滤波器32在来自光源31的光 中选择性地透过预定波长的明线光谱。光导纤维33传输来自波长选 择滤波器32的光。凹面反射镜34是利用其球面的内侧作为反射平面 的反射镜，并且设置凹面反射镜34，使得前焦点基本上与光导纤维 33的发射端相重合，而后焦点基本上与样品的表面相重合。照明系 统13是对样品20侧远心的光学系统。
在照明系统13中，来自光源31的光通过波长选择滤波器32、 光导纤维33以及凹面反射镜34，从而变成非偏振光L1，然后在倾斜 方向进入样品20的整个表面。在样品20的表面上的每个点处照明光 Ll的入射角基本上相同，对应于角P，该角P由表面上的每个点处的 法线(在图1中，示出表面的中心处的法线1A)和照明光L1的照射 方向形成。
当利用非偏振照明光Ll (入射角P)照射样品20的表面上的重 复图案22时，对包括照明光Ll的照射方向和表面的法线1A的入射 面(图4)如下设置重复图案22的重复方向(X方向)。换句话说， 倾斜地(0度<- <90度)设置由入射面3A的表面上的方向和重复方 向(X方向)形成的角-。例如，角^是45度。
利用平台1 1的旋转机构和对准系统12，执行这样的角-的设 置。当利用平台11绕作为其转轴的法线1A旋转样品20时，禾拥对 准系统12照射样品20的外边缘部分，探测设置在外边缘处的轮廓基 准(例如，槽口)的旋转方向的位置，并且在预定位置处使平台11 停止。由于这样的对准，能够倾斜地设置角- (以下，称为"旋转角 ,，)。
此外，当倾斜地设置旋转角-且如上所述那样利用非偏振照明光 Ll (入射角0)照射样品20的表面上的重复图案22时，设置旋转角 0、照明光L1的入射角0以及照明光L1的波长A，以便根据重复图 案22的节距p满足下列条件式(1):
;L/[2cos(^sin^)]>;7 (1)
条件式(1)是当照射照明光时，防止从重复图案22发射衍射光
的条件式。当旋转角-、入射角^、波长A和节距p满足条件式a)时，
衍射光不包括在从重复图案22发射的光中，因此不可能利用衍射光， 执行重复图案22的缺陷检测。本实施例中的表面检测装置10利用 从重复图案22发射的规则的反射光L2，执行重复图案22的缺陷检
这里，简短地解释条件式(1)的推导。
当旋转角-是O度时，利用照明光的入射角9、照明光的衍射角
d、照明光的衍射级m、重复图案22的节距p以及波长义通过下列表 达式(2)来表达衍射的通式
sin rf — sin P = mA / (2)
接着，当角度-不是零度时，照明光和衍射光被投影到平面(主
截面)上，该平面包括重复图案22的重复方向和样品20的法线1A， 并且下列表达式(3)仍然使用投影到主截面上的照明光的入射角A和 衍射角"'。表达式右手侧的(^sii^)对应于主截面的照明光的倾斜角。 sind'-sin6'= m/l// cos(0*sin#) (3)
在表达式(3)中，衍射角d'的范围假设为-90°《d、90° 。入射角A的 范围假设为0。W、90。。因此，表达式(3)左手侧(=SiW-siW)的 最小值是-2，并且在左手侧是-2或以上的条件下，将从重复图案22 发射衍射光。
另一方面，在左手侧。sii^'-sir^')是小于-2的条件下，将不 从重复图案22发射衍射光。在左手侧是-2时发射的衍射光的衍射级 是负的极m，并因此能够认为将不从重复图案22发射衍射光的条件 是将不发射衍射级是-1的衍射光。则通过用-1替换表达式(3)的右 手侧的衍射级，并且考虑到左手侧(二sh^'-sii^')小于-2的条件， 能够获得上述的条件式(1)。
下面举例说明满足条件式(1)的参量(入射角^、旋转角-、波 长义和节距P)的组合。例如，当入射角6=15°、旋转角^=45°时，且 如果重复图案22的节距p二180nm (线部分2A的线宽D,二90nm而占空 比二l: 1)，则在波长/L〉350"附时满足条件式(1)。当入射角P和旋转 角-与上述实例中的那些相同时，而如果重复图案22的节距p等于 110nm (线宽DA二55nm)，则在波长;i > 220鹏时满足条件式(1)。
当入射角^=45°、旋转角^=45°时，并且如果重复图案22的节距 p=180nm (线宽DA=90nm)，则在波长义>306鹏时满足条件式(1)。当 重复图案22的节距p二110nm (线宽DA=55nm)，在波长A〉187鹏时满 足条件式(1)。此外，不受限于上述特定实施例，也能够通过选择满 足条件式(1)的参量(入射角e、旋转角^、波长义和节距p)组合 来防止从重复图案22发射衍射光。
在第一实施例中的表面检测装置10，通过利用非偏振光22照射 样品20的表面上的重复图案22、通过由光探测系统(图1)探测从 重复图案22发射的规则反射光L2，并根据规则反射光L2的光强度， 执行重复图案22的缺陷检测。
从重复图案22发射的规则反射光L2的探测方向在照明光Ll的 入射面3A内，且倾斜角《，该角^等于照明光L1在样品20的表面上 的每个点处相对于法线的入射角0 (在图1中，示例性示出表面的中 心处的法线1A)。
为了探测规则反射光L2，在光探测系统14中，凹面反射镜35 的光轴035被设置在相对于入射面3A中的样品20的表面的法线1A 倾斜角0的状态下。结果，来自重复图案22的规则反射光L2沿着光 轴035传播，且被导向光探测系统14。
通过凹面反射镜35和图像形成透镜36，使沿着光轴035导向光 探测系统14的规则反射光L2被聚集，并进入图像传感器37。这时， 在图像传感器37的成像平面上，根据来自样品20的表面上的每个点 (重复图案22)的规则反射光L2的光强度，形成样品20的表面的 反射图像。例如，图像传感器37是CCD图像传感器，并且其对形成 在成像平面上的样品的反射图像进行光电转换，并向图像处理单元 15输出图像信号(关于规则反射光L2的光强度的信息)。
这里，样品20的反射图像的每个点处的亮度基本上与从样品20 的表面上的每个点(重复图案22)发射的规则反射光L2的强度成比 例。此外，规则反射光L2的强度基本上与样品20的表面上的每个点 处的反射率的大小成比例。而且，每个点处的反射率的大小根据每个 点处的折射率变化。
通常能够如下解释每个点处的反射率和折射率之间的关系。当光 从透明介质A倾斜地进入透明介质B时，透明介质B的表面上的反射 率是光的P偏振光成分的反射率Rp和s偏振光成分的反射率R,的平 均值。反射率Rp和H由下列表达式(4)、 (5)来表达，其中从透明介 质A到透明介质B的光的入射角是《，且透明介质B中的光的折射角 是《。
& = (tan(別—92) / tan(Pl + P2))2 ( 4 )
= (si孝-62) / si, +吗2 ( 5 )
如从表达式(4)、 (5)中所见，各自的偏振光成分的反射率Rp、 Rs依赖于入射角m、介质的边界处的折射角^2而变化，因此，反射率 Rp、 Rs (透明介质B的表面上的反射率)的平均值也依赖于入射角W、 折射角W而变化。
此外，如果假设透明介质A、 B的折射率为nl、 n2，那么根据 折射定律下列入射角ei和折射角M之间的表达式(6)成立。结果， 入射角W和折射角M依赖于透明介质A、 B的折射率nl、 n2:
wl.sin^l = "2.sin^2 (6)
由此可知，透明介质B的表面上的反射率(反射率Rp、 Rs的平 均值)依赖于透明介质A、 B的折射率nl、 n2而变化。
样品20的表面上的每个点处的反射率和折射率之间的关系相 同，且每个点处的反射率根据每个点处的折射率来变化。那么，每个 点处的折射率依赖于每个点处的重复图案22 (占空比和截面形状) 的结构而变化，具体地，例如图3中所示的线部分2A的线宽DA (间 隔部分2B的线宽DJ。
通过被称为机械双折射的现象，能够解释在重复图案22的线部 分2A的线宽DA改变时的折射率的改变。为简明起见，解释照明光的 垂直入射的情况。此外，为了解释起见，对重复图案22进行建模， 且假设以与照明光波长相比充分短的重复频率将多个层设置在平面 上，该多个层包括具有厚度t,和介电常数s,的物质1以及具有厚度 t2和介电常数^的物质2。
当利用非偏振照明光照射重复图案(包括物质1、 2的层的重复 阵列)，每个包括在照明光中的偏振光分离成线偏振成分L5 (图5 (a))，其在平行于重复图案的层(物质l、 2)的重复方向的振动平 面内；以及线偏振成分L6 (图5 (b))，其在垂直于重复方向的振动 平面内，并且每一偏振光成分L5、 L6根据机械双折射以彼此不同的 反射率反射(由重复图案的各向异性而导致的折射率之间的不同)。
在电场跨越层(物质1、 2)的方向上，将电场施加到图5 (a)
中示出的线偏振成分L5上，并且小的偏振依赖于电场而发生。当从 电场观察，每个层中的每个偏振连续地排列。这时，由下列表达式(7) 能够表达表观介电常数^。则在垂直入射的条件下，由下列表达式(8) 来表达具有介电常数^的物质的折射率 。表达式(8)中的折射率 是线偏振成分L5的折射率。 [数学表达式1]<formula>formula see original document page 12</formula> (7 )
此外，在层(物质l、 2)的纵向方向上，将电场施加到图5 (b) 中示出的线偏振成分L6，并且偏振依赖于电场而发生。当从电场观 察，每个层中的每个偏振平行地排列。这时，表观介电常数^是层的 厚度(L+t2)的加权平均值，且可由下列表达式(9)来表达。则在 垂直入射的条件下，由下列表达式(10)来表达具有介电常数。,的物 质的折射率 。表达式(10)中的折射率 是线偏振成分L6的折射 率。
<formula>formula see original document page 12</formula>) (9)
<formula>formula see original document page 12</formula>(io)
那么，包括图5 (a)中的线偏振成分L5和图5 (b)中的线偏振 成分L6的非偏振照明光的折射率w皿大致是线偏振成分L5的折射率 (表达式(8))和线偏振成分L6的折射率 (表达式(10))的平均值， 且由下列表达式(11)来表达该折射率n皿。<formula>formula see original document page 12</formula> (11)
进一步地，图6示意性地示出样品20的表面上的每个点处的折 射率(上述非偏振照明光的折射率"皿)和构成层(物质l、 2)的物 质1的厚度t之间的关系。在图6中，也示出了与层的重复方向平行 的线偏振成分L5的表观折射率 和与层的重复方向垂直的线偏振成 分L6的表观折射率 。
在图6中的计算中，假设物质l是抗蚀剂(介电常数s,二2.43)， 物质2是空气(介电常数s,l)，而层的厚度G1+f2)是100nm。层
的厚度G,+/2)对应于重复图案22的节距p。此外，物质1对应于 重复图案22的线部分2A，而物质1的厚度/,对应于线部分2A的线宽 Da(圈3)。物质2对应于间隔部分2B，而物质2的厚度^对应于间隔 部分2B的线宽DB。
如在图6中所见，样品20的表面上的每个点处的折射率(上述 非偏振照明光的折射率w皿)依赖于构成层的物质1(重复 图案22的线部分2A的线宽DA)而变化。
进一步地，图7中示出从图6中示出的样品20的表面上的每个 点处的物质1的厚度,，(线宽DA)和折射率(",,,￡)之间的关系中， 计算出的表面上的每个点处的反射率和物质l的厚度/,(线宽DJ之 间的关系的结果。在图7中，由于示出表面的反射率，所以当厚度f0 时反射率为0%。
从图7中，获知样品20的表面上的每个点处的反射率也依赖于 物质1(线宽D》而变化。在图7中的计算假设上述旋转角-(图4)不是0度的情况，并且从与重复方向平行的偏振成分L5的 表观折射率A和与重复方向垂直的偏振成分L6的表观折射率 计算 出每一入射光的P偏振光成分和s偏振光成分的反射率，并且将两者 相加。
如上所述，如果在样品20的表面上每个点处、重复图案22的结 构中出现不规则，并且线部分2A的线宽DA (或间隔部分2B的线宽 D。改变，那么在那个部分的折射率("m)改变，结果，反射率也 改变。
如图7中所示，样品20的表面上的每个点处的反射率的改变， 倾向于随着线部分2A的线宽DA变厚而增加反射率，而随着线宽Da変 薄而降低反射率。
因此，从样品20的表面上的每个点发射的规则反射光L2的光强 度，随着线宽DA变厚而增加，而随着线宽D八变薄而降低，并且光强 度的大小表现为样品20的反射图像的亮度。换句话说，在线部分2A 的线宽DA较厚的部分处反射图像较亮，而在线宽DA较薄的部分处反 射图像较暗。反射图像的亮度呈现在样品20的每个拍摄区21中(图2)。
在本实施例中的表面检测装置10 (图1)中，在图像传感器37 的成像平面上形成反映线部分2A的线宽"中的变化(重复图案22 的结构中的变化)的样品20的反射图像，并且将关于样品20的反射 图像的亮度的信息(图像信号)从图像传感器37输出到图像处理单 元15。因此，在图像处理单元15中，能够基于来自图像传感器37 的图像信号探测重复图案22的缺陷(例如，结构中的变化，例如线 竟Da中的変化)。
例如，基于来自图像传感器37的图像信号取得样品20的图像， 并且将其亮度信息与无缺陷晶片的图像的亮度信息比较。无缺陷晶片 是其上重复图案22以理想形式(例如，占空比为l: 1)形成在整个 表面上的一个晶片。无缺陷晶片的图像的亮度在形成理想重复图案 22的部分基本上是恒定值。与此形成对比，对于每个拍摄区21 (图 2)，依赖于重复图案22是规则的或是不规则的，样品20的图像的亮 度具有与另一个不同的值。样品20的图像是样品20的相对较宽区域 (整个区域或部分区域)的图像，也被称为宏观图像。
在图像处理单元15中，将样品20的图像与无缺陷晶片的图像比 较，基于图像的亮度不同确定重复图案22是规则的或是不规则的， 并由此探测到重复图案22的缺陷。例如，当图像之间的亮度不同小 于预定阈值(容许值)时，判定重复图案22是规则的，而当不同大 于预定阈值时，判定重复图案22是不规则的，并且不规则部分被探 测为一个缺陷。例如，不规则部分(缺陷)是其中重复图案22的线 部分2A的线宽DA变厚或变薄而超出设计余量的部分。
对于通过图像处理单元15探测重复图案22的缺陷，除了其中作 出与无缺陷晶片的图像的比较的方法外，也能够利用下列方法。换句 话说，提前存储阵列数据和样品20的拍摄区21的亮度值的阈值，基 于上述阵列数据获得已经取得的样品20的图像中的每个拍摄区21的 位置，并获得每个拍摄区21的亮度值。然后，通过将每个拍摄区21 的亮度值与预存的阈值相比较，探测到重复图案22的缺陷。其中亮 度值小于阈值的拍摄区21被判定为缺陷。
进一步地，由于样品20的每个拍摄区21中的重复图案22的排 列相同，也能够通过指定无缺陷拍摄区21并且利用其亮度值作为参 考来探测缺陷。也能够将样品20的图像的亮度值与受限样品的图像 的亮度值相比较。也能够通过利用仿真以及将亮度值和参考值相比较 来确定亮度值的参考，而检测重复图案22的缺陷。当不利用无缺陷 晶片时，存在如下优势不需要制造整个表面都是无缺陷的专用晶片。
如上所述，在本实施例中的表面检测装置10中，当基于在照射 样品20的表面上的重复图案时从重复图案22发射的规则反射光L2 的光强度执行重复图案22的缺陷检测时，倾斜地设置上旋转角- (图 4)，同吋设置每个部分，使得照明光L1的旋转角(K入射角e、波长 A以及重复图案22的节距p能够满足条件式(1)。
如果完成这样的设置，则不可能从样品20的表面上的重复图案 22发射衍射光，并且当基底层中形成具有与重复图案22的节距大致 相同的节距的重复图案时，也不可能从基底层中的重复图案22发射 类似的衍射光。因此，来自表面上的重复图案22的衍射光(噪声光) 和来自基底层中的重复图案的衍射光(噪声光)不可能与从表面上的 重复图案22发射的规则反射光L2 (信号光)混合。
来自基底层的衍射光的对比度高，并且如果来自基底层的衍射光 作为噪声光混合，则来自待检测的表面的规则反射光L2中的变化变 得难以探测到，这是因为其变化被由于衍射光成分而导致的对比度的 变化所掩盖。
然而，在本实施例中的表面检测装置10中，由于上述设置，来 自基底层的衍射光(以及来自表面的衍射光)不可能作为噪声光与规 则反射光L2 (信号光)混合，从而，获取规则反射光L2 (信号光) 中的变化变得相对较容易。
来自表面的规则反射光L2 (信号光)与来自基底层的作为噪声 光的规则反射光混合。然而，其比率(信号光比噪声光的比率)比在 利用衍射光的传统缺陷检测情况中的比率要小得多。换句话说，在根 据本发明的利用规则反射光的缺陷检测的情况下，与利用衍射光的传 统缺陷检测的情况相比，能够显著地降低噪声光与信号光之比。
结果，根据本实施例中的表面检测装置10，在通过利用从样品
20发射的规则反射光(规则反射光的大部分是从将要被检测的样品 上的重复图案22发射的规则反射光L2)而减弱基底层的影响的情况 下，能够成功地执行表面上的重复图案22的缺陷检测。
此外，在利用衍射光的传统缺陷检测中，如果重复图案的节距小 于预定值(=(衍射级)x (照明光的波长)/2)，则由于不发射衍射 光，原则上不可能进行缺陷检测。进一步地，即使当重复节距在预定 值的附近，也由于装置中的照明系统和光探测系统的设置受限，难以 利用衍射光来执行缺陷检测。为了处理向更小重复节距的转移，需要 使照明光的波长和上述预定值变短，然而，这不是优选的，因为这种 光源受限于那些昂贵的和大尺寸的光源，并且构成照明系统和光探测 系统的光学元件的材料也受限于昂贵的材料。
与此形成对比，在本实施例中的表面检测装置10中，由于利用 来自样品20的规则反射光(规则反射光L2主要来自表面)来执行重 复图案22的缺陷检测，所以不存在上述这样的限制，并且它也能够 处理向更小的重复节距的转移。换句话说，即使当重复图案22的节 距P与波长义相比相当地小，也能够成功地执行缺陷检测。然而，明 显的是，即使节距P与波长义大致相同，或节距p大于波长A时，也 能够执行重复图案22的缺陷检测，而不受限于节距p与波长A相比 相当地小的情况。换句话说，不考虑重复图案22的节距p，也能够 执行缺陷检测而不失败。
在本实施例中的表面检测装置10中，即使当样品20的重复图案 22的节距p不同时，也能够执行缺陷检测，同时将样品20保持在水 平状态(无需对平台ll进行倾斜调整)。因此，能够在实际缺陷检测 开始(即，取得样品20的图像)前安全地縮短准备时间，并因此提 高工作效率。
进一步地，在本实施例中的表面检测装置10中，由于平台11未 配有倾斜机构，所以可以简化装置的配置。此外，能够利用廉价的 辐射光源作为照明系统13中的光源31，并因此能够将表面检测装置 10的整个配置简化并以低成本实现。
此外，在本实施例中的表面检测装置10中，即使当在样品20的 表面上形成多种重复图案以及重复图案的节距p和重复方向(X方向) 不同混合地存在，也能够通过完全地取得样品20的表面的反射图像， 轻而易举地执行所有重复图案的缺陷检测。
例如，重复方向不同的两种重复图案是零度方向的重复图案和 90度方向的重复图案。这些重复图案的重复方向彼此垂直。在这种 情况下，如果将上述旋转角- (图4)设置为45度，则能够使得每个 重复图案的缺陷检测的条件相同，且能够同时地且成功地执行每个缺 陷检测。
在本实施例中的表面检测装置10中，即使当理想占空比不是1: 1，不受限于重复图案22的线部分2A的线宽DA的设计值是节距p的 一半(线部分2A和间隔部分2B之间的理想占空比是1: 1)的情况， 也同样能够成功地执行缺陷检测。在这种情况下，可以存在下述情况， 即样品20的反射图像的亮度值依赖于重复图案22的形状中的变化而 增加。
至于照明光L1的波长义，只需要通过改变波长选择滤波器32来 适当地选择波长;i，从而与旋转角-、入射角^以及节距p —起满足 上述条件式(1)，然而，进一步优选地选择包括在样品20的抗反射 涂层(ARC)的吸收带中的波长。在这种情况下，因为由于抗反射涂 层的吸收而导致到达基底层的光的量减少，所以有利于将表面与基底 层分离。能够通过从检测调制器读取关于波长A的信息和改变波长选 择滤波器32来选择这样的波长义。
(第二实施例)
这里描述一个实例，其中照明光L1包括多个不同的波长。多个 波长可以包括不连续的波长，诸如多个明线光谱，或包括连续波长， 诸如宽的波长带中的那些波长。在下列描述中，假设照明光L1包括 不同波长的多个明线光谱。
通过改变波长选择滤波器32可以适当地选择多个明线光谱的每 个波长，从而与旋转角-、入射角^以及节距p—起满足条件式(1)，
类似于以上所述，并且进一步优选地选择包括在样品20的抗反射涂
层的吸收带中的波长。
作为波长选择滤波器32的改变机构，如图8中所示的这样的配 置可以是候选机构之一，其中将多个具有不同通带的波长选择滤波器 32附着到盘状透镜旋转盘38，并且通过例如电动机等(未示出)驱 动机构来旋转该透镜旋转盘38。
例如，当来自光源31的光包括如图9中所示的许多明线光谱时， 如果将具有通带a的波长选择滤波器32设置在光路上，则选择性地 透过三种明线光谱，即e光(546nm)、 g光(436nm)以及h光(405nm)， 并且利用它们作为照明光Ll照射样品20。如果由具有通带-的波长 选择滤波器32来替换具有通带"的波长选择滤波器32 ，则选择性地 透过三种明线光谱，即g光、h光以及i光(365nm)，而如果由具有 通带/的波长选择滤波器32来替换具有通带a的波长选择滤波器32， 则选择性地透过三种明线光谱，即h光、i光以及j光(313nm)，并 且利用它们照明样品20。
然后，当照明光Ll照射多个明线光谱时，由于每个波长义的明 线光谱，从样品20发射规则反射光L2，并且每个波长义的规则反射 光L2的光强度耦合在图像传感器37的成像平面。此外，从图像传感 器37输出到图像处理单元15的图像信号，在每个波长A的规则反射 光L2耦合之后，用作关于光强度的信息。在这种情况下，图像处理 单元15基于在耦合后作为结果的光强度执行重复图案22的缺陷检
当样品20的基底层中的膜厚度存在不均匀度时，如果反映膜厚 度不均匀度的干涉条纹与来自要被检测的表面的规则反射光L2 (信 号光)的反射图像重叠，则探测表面上的重复图案22的缺陷变得困 难。当照明光Ll具有单一波长时，如果出现反映基底层中的膜厚度 不均匀度的干涉条纹，则干涉条纹与表面的反射图像重叠，并且不再 可能成功地执行缺陷检测。
然而，在本实施例中的表面检测装置中，由于照明光L1包括多 个明线光谱，即使出现反映基底层中的膜厚度不均匀度的干涉条纹，对于每个波长;i干涉条纹的状态(形状)也不相同，每个波长;i的干 涉条纹的光强度也被耦合且该亮度图案也被消除。因此，能够降低与 表面的反射图案重叠的最终的干涉条纹的对比度。换句话说，能够减 弱反映基底层中的膜厚度不均匀度的干涉条纹的影响。
如上所述，即使基底层中存在膜厚度不均匀度，也能够减弱膜厚 度不均匀度的影响，并且也能够通过利用包括多个明线光谱的照明光
Ll照射样品20，而成功地执行表面上的重复图案22的缺陷检测。当 包括在照明光L1中的多个波长是连续时能够获得同样的效果，在不
连续时也不受限制。
由于能够减弱基底层中的膜厚度不均匀度的影响，因此这对于工
艺种的缺陷检测也是有用的，在工艺中形成重复图案22的部分在样 品20的每个拍摄区(图2)中面积较小(基底层暴露的部分的面积 较大)。
此外，图像传感器37的灵敏度通常对于每个波长A不同，例如， 如图10中所示，对于接近500rim的波长，灵敏度最高，而灵敏度朝 向较短的波长或较长的波长降低。图10示出400 550nm范围内的灵 敏度，作为一个实例。通过根据例如上述的图像传感器37的灵敏度 的波长特性，调节照明光L1的每个波长的光强度，能够有效地减弱 基底层中的膜厚度不均匀度的影响。
利用包括在来自光源31的光中、图10中的波长范围内的明线光 谱(图9中的e光、g光、h光)作为一个实例，在此解释照明光L1 的每个波长的光强度的调节。当波长选择滤波器32选择性地透过e 光、g光以及h光时，如果波长选择滤波器32的通带"中的光谱透过 率是恒定的，则包括在照明光Ll中的e光、g光以及h光的光谱强 度是例如如图11中所示的光强度。
在这种情况下，当利用照明光L1照射时，从样品20发射的规则 的反射光L2的每个波长A (e光、g光、h光)的光谱强度与图11中 所示的光谱强度相同，然而，如果利用具有图10中所示的灵敏度特 性的图像传感器37探测这个，则如图12中所示，探测光之后的e光、 g光以及h光的光谱强度(以下，称为"有效强度")在较短波长侧
上降低。因此，反映基底层中的膜厚度不均匀度的每个波长;t的干涉 条纹，在较短波长侧上彼此未有效地消除。
因此，考虑到图像传感器37 (图10)的灵敏度的波长特性，设 置波长选择滤波器32的通带《中的光谱透过率，使得其在500nm附 近较低，而在较短波长侧和较长波长侧上较高。在这种情况下，根据 波长选择滤波器32的光谱透过率(图13)，调节照明光L1的每个波 长;i (e光、g光、h光)的光强度，并且在利用图像传感器37探测 光之后，对图14中所示的每个波长;i (e光、g光、h光)，能够保持 有效强度恒定。
因此，能够有效地消除反映基底层中的膜厚度不均匀度的每个波 长A的干涉条纹，并且有效地减弱基底层中的膜厚度不均匀度的影 响。如果在利用图像传感器37探测光之后，对于每个波长/l设置为 有效强度恒定，则能够最有效地减弱基底层中的膜厚度不均匀度的影 响，然而，本发明不受限于此。即使在探测光之后，对于每个波长义 有效强度不是恒定的，通过调节照明光Ll的每个波长义的光强度， 从而校正图像传感器37的灵敏度的波长特性，也能够加强对基底层 中的膜厚度不均匀度的影响的减弱的效果。
顺便提及，利用波长选择滤波器32选择的波段(图9)不受限 于上述波段"、-以及p只要其波长不从样品20的表面或基底层发 射衍射光(波长满足条件式(l))，就可以利用比j光(例如，240nm 到313nm)更短的波段中的光，或比e光更长的波段中的光。此外， 包括在照明光L1中的波长的数目不受限于三个，而可以是两个或四 个或更多。
(变化)
在上述实施例中，利用非偏振照明光L1照射样品20，然而，本 发明不受限于那些。利用偏振光(例如，线偏振光)照明是可以接受 的，只要其波长不从样品20的表面或基底层发射衍射光(波长满足 条件式(l))。在这种情况下，只需在照明系统13禾口/或光探测系统 15中的光路上设置偏振片，使得能够取出和再插入偏振片，并且提 取预定的偏振成分。当在照明系统13和光探测系统15中都插入偏振 片时，优选地设置它们，使得每个偏振片的传输轴彼此垂直(所谓的
正交尼科尔设置(crossed Nicols arrangement))
当利用规则的反射光L2检测缺陷时，如果利用偏振光(例如， 线偏振光)照明样品20，则能够增加表面上的反射率，并且进一步 减弱基底层的影响。当利用线偏振光照明样品20时，优选地将上述 旋转角0 (图4)设置为45度，因此能够增加缺陷检测的灵敏度。虽 然可以接受线性偏振光、P偏振光、或s偏振光，然而，为了仅获得 表面中的改变，优选地利用s偏振光照明。此外，为了获得包括图案 的内部结构中的改变，优选地利用P偏振光照明。因为相对于样品 20的表面的p偏振光的反射率和透过率与s偏振光的反射率和透过 率不同，所以能够仅获得表面中的改变或包括图案的内部结构中的改 变。
在上述实施例中，解释中利用一个实例，其中平台不配有倾斜机 构，然而，本发明不受限于那些。也能够设置，使得平台11 (样品 20)能够绕垂直于入射平面3A (图4)并且包括在样品20的表面中 的轴(倾斜轴)旋转。
此外，可以分别地绕上述的倾斜轴旋转照明系统13、光探测系 统14和样品20中的至少两个。利用这样的配置，可以相对于样品 20变化照明光Ll的入射角P，并且由于反射率依赖于入射角^的改 变而改变，也能够较容易地获得样品20的表面中的改变。
在上述实施例中，例如CCD等二维传感器用作图像传感器37， 然而，可以利用一维传感器。在这种情况下，只需相对地移动为图像 传感器的一维传感器和平台，并且通过使得一维传感器扫描半导体晶 片(或液晶衬底)的整个表面来获得其整个表面的图像，其中所述半 导体晶片是样品，一维传感器和作为样品的半导体晶片(或液晶衬底) 安装在平台上。
权利要求
1、一种表面检测装置，包括照射单元，其利用照明光照射形成在样品表面上的重复图案；设置单元，其将由入射平面在所述表面上的方向和所述重复图案的重复方向形成的角设置为零以外的预定值，所述入射平面包括所述照明光的照射方向和所述表面的法线；光探测单元，当照射所述照明光时所述光探测单元探测从所述重复图案生成的规则的反射光，并输出与所述规则的反射光的光强度有关的信息；以及探测单元，基于从所述光探测单元输出的关于所述规则的反射光的光强度的信息，所述探测单元探测所述重复图案的缺陷，其中由所述入射表面在所述表面上的方向和所述重复方向形成的角φ，由所述照明光的照射方向和所述表面的法线形成的角θ，所述照明光的波长λ，以及所述重复图案的节距p满足下列条件式λ/[2cos(θ·sinφ)]＞p。
2、 根据权利要求1所述的表面检测装置，其中 所述照明光包括具有多个不同波长的光。
3、 根据权利要求2所述的表面检测装置，进一步包括调节单元，其根据所述光探测单元的灵敏度的波长特性，调节所 述照明光的每个波长的光强度。
4、 根据权利要求1一3中任一项所述的表面检测装置，进一步包括提取单元，其设置在所述照明单元和所述光探测单元的光路径中 的至少一个上，以便提取预定的偏振成分。
5、 根据权利要求1一4中任一项所述的表面检测装置，进一步包括第一旋转单元，其使所述样品绕垂直于所述表面的轴旋转。
6、 根据权利要求l一5中任一项所述的表面检测装置，进一步包括第二旋转单元，其使所述光照射单元、所述光探测单元和所述样 品中的至少两个绕垂直于所述入射平面且包含在所述表面内的轴旋 转。
7、 一种表面检测方法，利用照明光照射形成在样品的表面上的 重复图案，当照射照明光时，探测从所述重复图案生成的规则的反射 光，并且基于关于规则的反射光的光强度的信息，探测所述重复图案 的缺陷，其中将由入射平面在所述表面上的方向和所述重复图案的重复 方向形成的角设置为零以外的预定值，所述入射平面包括所述照明光 的照射方向和所述表面的法线；并且由所述入射平面在所述表面上的方向和所述重复方向形成的角 (K由所述照明光的照射方向和所述表面的法线形成的角^、所述照 明光的波长义以及所述重复图案的节距P满足下列表达式<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
在本发明中，通过减弱基底层的影响，成功地执行表面上的重复图案的缺陷检测。为了获得上述目标，本发明包括单元13，其利用照明光L1照射样品20的表面上的重复图案的；单元11、12，其将由入射平面在表面上的方向和重复图案的重复方向所形成的角设置为零以外的预定值，所述入射平面包括照明光的照射方向、表面的法线1A；光探测单元14，其在照射照明光时探测从重复图案生成的规则的反射光，并输出关于规则的反射光的光强度的信息；以及探测单元15，其基于从光探测单元输出的信息，探测重复图案的缺陷。此外，由入射平面在表面上的方向和重复方向所形成的角φ、由照明光的照射方向和表面的法线所形成的角θ、照明光的波长λ以及重复图案的节距p满足条件式(λ/[2cos(θ·sinφ)]＞p)。
文档编号G01N21/956GK101184988SQ20068001878
公开日2008年5月21日 申请日期2006年11月29日 优先权日2005年12月14日
发明者大森健雄, 广濑秀男, 深泽和彦 申请人:株式会社尼康