JP2007303904A - 表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 繰り返しパターンの複数種類の欠陥に対して十分な検出感度を確保できる表面検査装置を提供する。
【解決手段】 被検物体２０の表面に形成された繰り返しパターンを照明し、繰り返しパターンの形状変化による正反射光Ｌ２の強度の変化を測定する第１測定手段(１３〜１５)と、繰り返しパターンを直線偏光により照明し、繰り返しパターンの繰り返し方向と直線偏光の振動面の方向との成す角度を斜めの角度に設定し、繰り返しパターンの形状変化による正反射光Ｌ２の偏光状態の変化を測定する第２測定手段(１３〜１５)と、第１測定手段と第２測定手段との各々が繰り返しパターンを照明する際に用いる光Ｌ１の波長を異なる波長に設定する設定手段(４４〜４６)とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検物体の表面に形成された繰り返しパターンの欠陥検査を行う表面検査装置に関する。

被検物体（例えば半導体ウエハや液晶基板など）の表面に形成された繰り返しパターンに検査用の照明光を照射し、このとき繰り返しパターンから発生する光に基づいて、繰り返しパターンの欠陥検査を行う装置が知られている。この検査装置には、繰り返しパターンから発生する光の種類（例えば回折光や散乱光や正反射光など）に応じて、種々の方式がある。さらに、検査用の照明光についても、非偏光を用いる装置や、直線偏光を用いる装置（例えば特許文献１を参照）などが知られている。これらの検査装置は、何れも、被検物体の表面の比較的広い領域（例えば全域など）で、一括して繰り返しパターンの欠陥を検出可能であり、高スループットでの欠陥検査を可能とするものである。
国際公開２００５／０４０７７６号パンフレット

しかし、繰り返しパターンの欠陥には様々な種類がある。例えば被検物体に対する露光時の欠陥としてはデフォーカス欠陥とドーズ欠陥が代表的である。上記の装置では、これら各種の欠陥を区別して検出することが難しく、複数種類の欠陥を一括して検出しているのが現状であった。ところが、本発明者らが研究を重ねた結果、欠陥の検出感度は欠陥の種類と検出方式との組み合わせに大きく依存し、ある特定の検出方式では欠陥の種類によって十分な検出感度を得られないことが分かってきた。また、ある検出方式では十分な検出感度が得られない欠陥でも、別の検出方式を用いれば高感度に検出可能なことも分かってきた。

本発明の目的は、繰り返しパターンの複数種類の欠陥に対して十分な検出感度を確保できる表面検査装置を提供することにある。

本発明の表面検査装置は、被検物体の表面に形成された繰り返しパターンを照明し、該繰り返しパターンから発生した正反射光の強度に基づいて、前記繰り返しパターンの形状変化による前記強度の変化を測定する第１測定手段と、前記繰り返しパターンを直線偏光により照明し、該繰り返しパターンの繰り返し方向と前記直線偏光の振動面の前記表面における方向との成す角度を斜めの角度に設定し、前記繰り返しパターンから発生した正反射光の偏光状態に基づいて、前記繰り返しパターンの形状変化による前記偏光状態の変化を測定する第２測定手段と、前記第１測定手段と前記第２測定手段との各々が前記繰り返しパターンを照明する際に用いる光の波長を異なる波長に設定する設定手段とを備えたものである。

また、前記設定手段は、前記第２測定手段が前記繰り返しパターンを照明する際の波長よりも前記第１測定手段が前記繰り返しパターンを照明する際の波長を短波長に設定することが好ましい。
また、前記設定手段は、前記第１測定手段が前記繰り返しパターンを照明する際の波長を前記繰り返しパターンでの反射率が該繰り返しパターンの下方の層での反射率よりも高くなる波長に設定することが好ましい。

また、前記第１測定手段が測定した前記強度の変化と、前記第２測定手段が測定した前記偏光状態の変化とに基づいて、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する検出手段を備えることが好ましい。
また、前記検出手段は、前記強度の変化に基づいて前記繰り返しパターンの第１種類の欠陥を検出し、前記偏光状態の変化に基づいて前記繰り返しパターンの第２種類の欠陥を検出し、前記表面のうち前記第１種類の欠陥と前記第２種類の欠陥との少なくとも一方が検出された箇所を前記繰り返しパターンの最終的な欠陥とすることが好ましい。

また、前記第１種類の欠陥は、前記被検物体に対する露光時のドーズ欠陥であり、前記第２種類の欠陥は、前記被検物体に対する露光時のデフォーカス欠陥であることが好ましい。

本発明の表面検査装置によれば、繰り返しパターンの複数種類の欠陥に対して十分な検出感度を確保することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の表面検査装置１０は、図１に示す通り、被検物体２０を支持するステージ１１と、アライメント系１２と、照明系１３と、受光系１４と、画像処理部１５と、制御部１６とで構成される。
被検物体２０は、例えば半導体ウエハや液晶ガラス基板などである。被検物体２０の表面（レジスト層）には、図２に示すように、複数のチップ領域２１が配列され、各チップ領域２１の中に検査すべき繰り返しパターン２２が形成されている。繰り返しパターン２２は、配線パターンなどのライン・アンド・スペースのパターンである。繰り返しパターン２２のライン部の配列方向(Ｘ方向)を「繰り返しパターン２２の繰り返し方向」という。

本実施形態の表面検査装置１０は、半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程において、被検物体２０の表面に形成された繰り返しパターン２２の欠陥検査を自動で行う装置である。この表面検査装置１０には、表面（レジスト層）への露光・現像が終わった後の被検物体２０が、不図示の搬送系によってカセットまたは現像装置から運ばれ、ステージ１１に吸着される。

ステージ１１は、被検物体２０を上面に載置して例えば真空吸着により固定保持する。また、ステージ１１には回転機構１Ａが設けられる。ステージ１１の回転軸は、被検物体２０を載置する上面に垂直である。回転機構１Ａは、制御部１６からの指示にしたがってステージ１１を回転させ、その上面に載置された被検物体２０を回転させる。このため、被検物体２０の繰り返しパターン２２の繰り返し方向（図２のＸ方向）を、被検物体２０の表面内で回転させることができる。

アライメント系１２は、ステージ１１が回転しているときに、被検物体２０の外縁部を照明し、外縁部に設けられた外形基準（例えばノッチ）の回転方向の位置に基づいて、被検物体２０上の繰り返しパターン２２の向きを検出する。アライメント系１２による検出結果は制御部１６に入力され、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）が所望の方向になると、ステージ１１の回転が停止される。

繰り返しパターン２２の所望の方向は、例えば、照明系１３から繰り返しパターン２２に照射される照明光Ｌ１の入射面３Ａ（図３）を基準とし、この入射面３Ａの方向と繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度φによって定められる。本実施形態では、角度φを斜めの角度に設定する（０度＜φ＜９０度）。角度φは例えば４５度である。なお、入射面３Ａとは、照明光Ｌ１の照射方向と被検物体２０の表面の法線とを含む平面である。

照明系１３は、被検物体２０の表面に形成された繰り返しパターン２２（図２,図３）に対して検査用の照明光Ｌ１を照射する手段であって、ランプハウス３１と、ライトガイドファイバ３３と、偏光板３４と、凹面反射鏡３５とで構成される。この照明系１３は、被検物体２０側に対してテレセントリックな光学系である。
ランプハウス３１には、光源４１と、レンズ４２,４３と、波長選択部(４４〜４６)と、不図示の光量調整部などが内蔵される。

光源４１は、ハロゲンランプやメタルハライドランプや水銀ランプなどの安価な放電光源であり、例えば１８０ｎｍ〜５００ｎｍ程度の波長域の光を射出する。光源４１からの光は、一方のレンズ４２を介して平行光束に変換され、波長選択部(４４〜４６)と光量調整部(不図示)とを介した後、他方のレンズ４３に入射する。
波長選択部(４４〜４６)は、透過波長域が異なる４種類のフィルタ４４と、これらのフィルタ４４を切り換える機構（ターレット４５およびモータ４６）とで構成され、レンズ４２,４３の間に挿入された１つのフィルタ４４の透過波長域に応じて、レンズ４２からの光の波長選択（つまり照明光Ｌ１の波長選択）を行う。

本実施形態では、４種類のフィルタ４４の透過波長域を、光源４１の輝線スペクトルの波長域、例えば４３６ｎｍ(ｇ線),３６５ｎｍ(ｉ線),２４８ｎｍ(ＫｒＦレーザの発振波長に相当),１９３ｎｍ(ＡｒＦレーザの発振波長に相当)とする。
波長選択部(４４〜４６)におけるフィルタ４４の切り換え（つまり照明光Ｌ１の波長の設定）は、制御部１６からの指示にしたがってモータ４６が行う。

この波長選択部(４４〜４６)を介して波長選択が成され、光量調整部(不図示)を介して光量調整が成された後の光は、レンズ４３を介して、ライトガイドファイバ３３の入射端に集光される。
ライトガイドファイバ３３は、ランプハウス３１のレンズ４３から出射された光を伝送し、発散光束の照明光（非偏光）を射出する。

偏光板３４は、ライトガイドファイバ３３の射出端近傍に配置され、その透過軸が所定の方位に設定される。そして、ライトガイドファイバ３３からの発散光束の照明光（非偏光）を、透過軸の方位に応じた偏光状態（つまり直線偏光）に変換する。偏光板３４の透過軸の方位は、繰り返しパターン２２（図３）に対する照明光Ｌ１の入射面３Ａと平行である。

凹面反射鏡３５は、球面の内側を反射面とした反射鏡であり、前側焦点がライトガイドファイバ３３の射出端と略一致、後側焦点が被検物体２０の表面と略一致するように配置される。このため、偏光板３４からの発散光束の照明光（直線偏光）は、凹面反射鏡３５によってコリメートされ、検査用の照明光Ｌ１として被検物体２０上の繰り返しパターン２２に照射される。

また、上記の偏光板３４は、ライトガイドファイバ３３と凹面反射鏡３５との間の光路中（つまり発散光束の照明光の光路中）に出し入れ可能に構成され、図１に実線で示した光路中の位置から点線の位置へ退避可能となっている。これを実現するため、偏光板３４には、駆動モータ４Ａの回転軸が連結される。偏光板３４は、駆動モータ４Ａの回転軸を中心として回転可能である。偏光板３４の回転（出し入れ）は、制御部１６からの指示にしたがって駆動モータ４Ａが行う。

偏光板３４を光路中から退避させたときには、ライトガイドファイバ３３からの発散光束の照明光（非偏光）がそのまま凹面反射鏡３５に入射する。そして、凹面反射鏡３５によってコリメートされ、検査用の照明光Ｌ１として被検物体２０上の繰り返しパターン２２に照射される。
このように、上記の照明系１３では、ライトガイドファイバ３３と凹面反射鏡３５との間の光路中に偏光板３４を配置したときに、直線偏光の照明光Ｌ１によって繰り返しパターン２２を照明することができ、また、その光路中から偏光板３４を退避させたときに、非偏光の照明光Ｌ１によって繰り返しパターン２２を照明することができる。

さらに、上記の照明系１３では、ランプハウス３１の波長選択部(４４〜４６)のフィルタ４４を切り換えることで、直線偏光の照明光Ｌ１の波長と、非偏光の照明光Ｌ１の波長とを、異なる波長に設定することもできる。例えば、本実施形態では、直線偏光の照明光Ｌ１の波長を３６５ｎｍとし、非偏光の照明光Ｌ１の波長を２４８ｎｍとして、直線偏光の照明光Ｌ１の波長よりも非偏光の照明光Ｌ１の波長を短波長に設定する。

また、何れの場合でも、照明光Ｌ１は、被検物体２０の表面の比較的広い領域（例えば全域など）の各点に対して、斜め上方から略一定の角度条件で入射する。これは、ランプハウス３１からの光束を発散させた後、凹面反射鏡３５でコリメートすることにより実現する。被検物体２０の表面の全域を照明すれば、表面の全域で一括して繰り返しパターン２２の欠陥を検出可能となり、高スループットでの欠陥検査が可能となる。

上記の直線偏光または非偏光の照明光Ｌ１を用いて繰り返しパターン２２を照明すると、繰り返しパターン２２からは正反射光Ｌ２が発生する。なお、本実施形態では、繰り返しパターン２２のピッチ（例えば１１０ｎｍ）が照明光Ｌ１の波長（例えば３６５ｎｍ）と比較して十分小さいため、照明光Ｌ１が照射されたときに、繰り返しパターン２２から回折光が発生することはない。

本実施形態の表面検査装置１０は、直線偏光または非偏光の照明光Ｌ１によって被検物体２０の表面の繰り返しパターン２２を照明し、このとき繰り返しパターン２２から発生する正反射光Ｌ２を受光系１４に導き、正反射光Ｌ２の強度または偏光状態に基づいて、繰り返しパターン２２の欠陥検査を行うものである。照明光Ｌ１の波長は、照明光Ｌ１が直線偏光の場合と非偏光の場合とで異なり、例えば、直線偏光では３６５ｎｍ、非偏光では２４８ｎｍとする。

受光系１４は、繰り返しパターン２２から発生した正反射光Ｌ２に基づいて受光信号を出力する手段であって、凹面反射鏡３６と、偏光板３７と、集光レンズ３８と、撮像素子３９とで構成される。受光系１４は、被検物体２０側に対してテレセントリックな光学系である。
凹面反射鏡３６は、照明系１３の凹面反射鏡３５と同様の構成であり、被検物体２０の表面の繰り返しパターン２２から発生した正反射光Ｌ２を反射して集光光束に変換し、偏光板３７の方に導く。そして、凹面反射鏡３６からの光（正反射光Ｌ２）は、偏光板３７を透過した後、集光レンズ３８を介して、撮像素子３９に入射する。

ただし、偏光板３７は、凹面反射鏡３６と集光レンズ３８との間の光路中（つまり集光光束の正反射光Ｌ２の光路中）に出し入れ可能に構成され、図１に実線で示した光路中の位置から点線の位置へ退避可能である。これを実現するため、偏光板３７には、駆動モータ７Ａの回転軸が連結される。偏光板３７は、駆動モータ７Ａの回転軸を中心として回転可能である。偏光板３７の回転（出し入れ）は、制御部１６からの指示にしたがって駆動モータ７Ａが行う。

偏光板３７を光路中から退避させたときには、繰り返しパターン２２からの正反射光Ｌ２が、そのまま（偏光板３７を介さずに）撮像素子３９に入射する。また、偏光板３７を光路中に配置したときには、繰り返しパターン２２からの正反射光Ｌ２が、偏光板３７を介して撮像素子３９に入射する。
偏光板３７は、光路中に配置されたとき、集光レンズ３８の近傍に配置され、その透過軸が次のような所定の方位に設定される。つまり、偏光板３７の透過軸の方位は、照明光Ｌ１の入射面３Ａ（図３）に対して直交するように設定される。

そして、偏光板３７の出し入れの状態に拘わらず、撮像素子３９の撮像面には、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）からの正反射光Ｌ２に応じて、被検物体２０の表面の反射像が形成される。
撮像素子３９は、被検物体２０の表面と共役な位置に配置される。撮像素子３９は、例えばＣＣＤ撮像素子などであり、撮像面に形成された被検物体２０の反射像を光電変換して、画像信号（正反射光Ｌ２に関わる情報）を画像処理部１５に出力する。

画像処理部１５は、撮像素子３９から出力される画像信号に基づいて、被検物体２０の反射画像を取り込む。そして、繰り返しパターン２２の欠陥を検出する処理を行う。
次に、本実施形態の表面検査装置１０における繰り返しパターン２２の欠陥検査の手順を説明する。ここでは、繰り返しパターン２２の欠陥のうち、被検物体２０に対する露光時の欠陥（つまりデフォーカス欠陥とドーズ欠陥）の検出について説明する。ちなみに、露光時の欠陥は、被検物体２０のショット領域ごとに現れる。

デフォーカス欠陥とは、被検物体２０に対する露光時のデフォーカス量（露光機による露光時のフォーカス位置のずれ量）が許容レベルを超えて大きくなったときに発生する欠陥であり、図４に示すような繰り返しパターン２２の形状変化（つまりライン部のエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θの変化）として現れる。露光時のフォーカスが適正値の場合（図４(ａ)）、繰り返しパターン２２のエッジＥ₁,Ｅ₂は垂直になる。そして、露光時のフォーカスが適正値から外れると（図４(ｂ),(ｃ)）、エッジＥ₁,Ｅ₂が傾くことになる（θ≠９０度）。ただし、デフォーカス量によって繰り返しパターン２２のピッチＰやライン部の線幅Ｄが変化することはない。

ドーズ欠陥とは、被検物体２０に対する露光時のドーズ量（露光機による露光時の露光量）が許容レベルを超えて大きくなったり小さくなったりしたときに発生する欠陥であり、図５に示すような繰り返しパターン２２の形状変化（つまりライン部の線幅Ｄの変化）として現れる。露光時のドーズ量が適正値の場合（図５(ａ)）、繰り返しパターン２２の線幅Ｄは設計値の通りになる。そして、露光時のドーズ量が適正値から外れると（図５(ｂ),(ｃ)）、その線幅Ｄが設計値とは異なってくる。ただし、ドーズ量によって繰り返しパターン２２のピッチＰやライン部のエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θが変化することはない。

このような２種類の欠陥（デフォーカス欠陥とドーズ欠陥）の検出に関し、本発明者らが研究を重ねた結果、次のような２つの検出方式を用いれば、デフォーカス欠陥とドーズ欠陥とを区別して検出可能なことが分かってきた。
第１の検出方式は、デフォーカス欠陥に対して十分な検出感度を確保できるが、ドーズ欠陥には十分な検出感度を得られない。このため、第１の検出方式を用いれば、繰り返しパターン２２のデフォーカス欠陥を選択的に検出することができる。

逆に、第２の検出方式は、ドーズ欠陥に対して十分な検出感度を確保できるが、デフォーカス欠陥には十分な検出感度を得られない。このため、第２の検出方式を用いれば、繰り返しパターン２２のドーズ欠陥を選択的に検出することができる。
本実施形態の表面検査装置１０は、照明系１３の偏光板３４を光路中に出し入れ可能とし、受光系１４の偏光板３７を光路中に出し入れ可能としたことにより、第１の検出方式と第２の検出方式との双方を実現できるようになっている。また、偏光板３４,３７の出し入れに合わせて波長選択部(４４〜４６)のフィルタ４４の切り換えを行い、照明光Ｌ１の波長を変更可能になっている。

繰り返しパターン２２の欠陥検査の際、制御部１６は、照明系１３の駆動モータ４Ａと受光系１４の駆動モータ７Ａとを制御して、２枚の偏光板３４,３７の回転（出し入れ）を連動して行うように指示を出す。つまり、偏光板３４,３７のうち一方を光路中に配置するときは他方も光路中に配置し、一方を光路中から退避させるときは他方も光路中から退避させる。そして、偏光板３４,３７の双方を配置または退避させた各状態で、次のような 処理を行う。

まず、第１の検出方式を用いて、繰り返しパターン２２のデフォーカス欠陥を選択的に検出するため、偏光板３４,３７の双方を光路中に配置する。また、照明光Ｌ１の波長は、偏光板３４,３７の光学特性に応じて設定され、偏光板３４,３７として繰り返しパターン２２のデフォーカス欠陥の検出に適した光学特性のものを使用するために、例えば３６５ｎｍに設定される。

このとき、照明系１３の偏光板３４の透過軸の方位は、上記の通り、照明光Ｌ１の入射面３Ａ（図３）と平行である。また、受光系１４の偏光板３７の透過軸の方位は、照明光Ｌ１の入射面３Ａに対して垂直である。すなわち、２枚の偏光板３４,３７は、それぞれの透過軸が互いに直交するように配置される（クロスニコルの配置）。
そして、照明系１３の偏光板３４を介して得られる直線偏光の照明光Ｌ１によって繰り返しパターン２２が照明され（波長：３６５ｎｍ）、このとき繰り返しパターン２２から発生する正反射光Ｌ２が受光系１４の偏光板３７を介して撮像素子３９に入射する。

ここで、本実施形態において、直線偏光の照明Ｌ１はｐ偏光である。つまり、図６(ａ)に示す通り、照明光Ｌ１の進行方向と電気(または磁気)ベクトルの振動方向とを含む平面（照明光Ｌ１の振動面）は、照明光Ｌ１の入射面(３Ａ)内に含まれる。
したがって、照明光Ｌ１の入射面３Ａ（図３）の方向と、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度φを、斜めの角度（０度＜φ＜９０度）に設定する場合には、図７に示す通り、被検物体２０の表面における照明光Ｌ１の振動面の方向(Ｖ方向)と、繰り返しパターン２２の繰り返し方向(Ｘ方向)との成す角度φも、斜めの角度（０度＜φ＜９０度）に設定することができる。角度φは例えば４５度である。

換言すると、直線偏光の照明光Ｌ１は、被検物体２０の表面における振動面の方向（図７のＶ方向）が、繰り返しパターン２２の繰り返し方向(Ｘ方向)に対して角度φ（例えば４５度）だけ傾いた状態で、つまり繰り返しパターン２２を斜めに横切るような状態で、繰り返しパターン２２に入射する。
このような照明光Ｌ１と繰り返しパターン２２との角度状態は、被検物体２０の表面の全域において均一である。なお、４５度を１３５度,２２５度,３１５度の何れかに言い換えても、照明光Ｌ１と繰り返しパターン２２との角度状態は同じである。

そして、上記の照明光Ｌ１（直線偏光）を用いて繰り返しパターン２２を照明すると、繰り返しパターン２２の異方性に起因する構造性複屈折（form birefringence）によって直線偏光（照明光Ｌ１）が楕円化し、繰り返しパターン２２から楕円偏光の正反射光Ｌ２（図６(ｂ)）が発生する。
繰り返しパターン２２による直線偏光の楕円化とは、繰り返しパターン２２に入射する直線偏光の振動面（ここでは照明光Ｌ１の入射面と一致）に対し、この振動面に直交する新たな偏光成分Ｌ３（図６(ｃ)）が生じることを意味する。

また、直線偏光の楕円化の程度は、新たな偏光成分Ｌ３（図６(ｃ)）の大きさによって表すことができ、図４に示す繰り返しパターン２２のライン部のエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θの変化（デフォーカス欠陥）に依存して大きく変化することが、本発明者らの研究により分かった。さらに、図５に示すライン部の線幅Ｄの変化（ドーズ欠陥）に対する依存性は非常に小さいことも分かった。

つまり、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）において、被検物体２０に対する露光時のデフォーカス量やドーズ量の変化によって繰り返しパターン２２の形状変化（図４,図５）が発生しても、直線偏光の楕円化の程度（図６(ｃ)の偏光成分Ｌ３の 大きさ）を変化させ得るのは、図４に示すエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θの変化（デフォーカス欠陥）のみであることが分かった。

さらに、傾向として、直線偏光の楕円化の程度（図６(ｃ)の偏光成分Ｌ３の 大きさ）は、図４(ａ)に示すようにライン部のエッジＥ₁,Ｅ₂が垂直な場合（露光時のフォーカスが適正値の場合）に最も大きくなり、図４(ｂ),(ｃ)のようにエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θが９０度から外れる（露光時のフォーカスが適正値から外れる）ほど小さくなることも分かった。

このような直線偏光の楕円化の結果、繰り返しパターン２２からは楕円偏光の正反射光Ｌ２（図６(ｂ)）が発生する。なお、楕円化の詳細な説明は、本出願人が既に出願した国際公開２００５／０４０７７６号パンフレットに記載されているので、ここでは詳しい説明を省略する。また、上記の通り、繰り返しパターン２２のピッチ（１１０ｎｍ）が照明光Ｌ１の波長（３６５ｎｍ）と比較して十分小さいため、繰り返しパターン２２から回折光が発生することはない。

直線偏光の照明光Ｌ１を照射したときに繰り返しパターン２２から発生する楕円偏光の正反射光Ｌ２（図６(ｂ)）は、上記の直線偏光の楕円化により生じた新たな偏光成分Ｌ３（図６(ｃ)）を含み、この偏光成分Ｌ３の大きさが、正反射光Ｌ２の偏光状態を表している。なお、上記の説明から分かるように、正反射光Ｌ２の偏光状態（図６(ｃ)の偏光成分Ｌ３の大きさ）は、図４に示す繰り返しパターン２２のエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θの変化（デフォーカス欠陥）に依存して大きく変化する。

したがって、第１の検出方式では、繰り返しパターン２２から発生した正反射光Ｌ２を受光系１４（図１）に導いて、受光系１４の光路中の偏光板３７を透過する際に、正反射光Ｌ２の偏光成分Ｌ３（図６(ｃ)）を抽出する。そして、この偏光成分Ｌ３のみを撮像素子３９に入射させ、撮像素子３９からの出力に基づいて、被検物体２０の反射画像を画像処理部１５に取り込む。

被検物体２０の反射画像には、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）から発生した正反射光Ｌ２の偏光成分Ｌ３（図６(ｃ)）の大きさに応じた明暗、つまり、正反射光Ｌ２の偏光状態に応じた明暗が現れる。なお、反射画像の明暗は、被検物体２０の表面のショット領域ごとに変化し、偏光成分Ｌ３の大きさに略比例する。
さらに、上記の説明から分かるように、被検物体２０の反射画像の明暗は、図４に示す繰り返しパターン２２のエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θの変化（デフォーカス欠陥）に依存して大きく変化する。傾向としては、エッジＥ₁,Ｅ₂が垂直に近い理想的な形状（図４(ａ)）ほど明るく、垂直から外れるほど暗くなる（図４(ｂ),(ｃ)参照）。

したがって、画像処理部１５は、被検物体２０の反射画像を取り込むと、その輝度情報と例えば良品サンプルの反射画像の輝度情報とを比較する。良品サンプルとは、露光時のフォーカスを適正値に保って、理想的な形状（図４(ａ)）の繰り返しパターン２２を表面全域に形成したものである。また、良品サンプルの反射画像の輝度情報は、最も高い輝度値を示すと考えられる。

画像処理部１５は、良品サンプルの反射画像の輝度値を基準とし、被検物体２０の反射画像の輝度値の変化量（つまり低下量）を測定する。得られた輝度値の変化量（低下量）は、繰り返しパターン２２のエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θの変化（図４）による正反射光Ｌ２の偏光状態の変化を表している。
そして、画像処理部１５は、被検物体２０の反射画像における輝度値の変化量（つまり正反射光Ｌ２の偏光状態の変化）に基づいて、繰り返しパターン２２のデフォーカス欠陥を検出する。例えば、輝度値の変化量が予め定めた閾値（許容値）より大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判定すればよい。また、良品サンプルを使わずに、被検物体２０の反射画像の中での輝度値の変化量を所定の閾値と比較してもよい。

このように、第１の検出方式では、直線偏光の照明光Ｌ１により繰り返しパターン２２を照明し（波長：３６５ｎｍ）、繰り返しパターン２２から発生した正反射光Ｌ２の偏光状態（図６(ｃ)の偏光成分Ｌ３の大きさ）に応じて被検物体２０の反射画像を取り込み、この反射画像の明暗に基づいて、繰り返しパターン２２のエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θの変化（図４）による正反射光Ｌ２の偏光状態の変化を測定する。

したがって、第１の検出方式によれば、繰り返しパターン２２のドーズ欠陥（図５）には十分な検出感度を得られないが、デフォーカス欠陥（図４）に対して十分な検出感度を確保でき、このデフォーカス欠陥を選択的に検出することができる。なお、図７の振動面の方向(Ｖ方向)と繰り返し方向(Ｘ方向)との成す角度φを４５度に設定すれば、繰り返しパターン２２のデフォーカス欠陥の検出感度を最も高くすることができる。

次に、第２の検出方式を用いて、繰り返しパターン２２のドーズ欠陥（図５）を選択的に検出するため、偏光板３４,３７の双方を光路中から退避させる。また、照明光Ｌ１の波長は、偏光板３４,３７の光学特性ではなく、被検物体２０の光学特性に応じて設定され、繰り返しパターン２２のドーズ欠陥の検出を良好に行える波長（例えば２４８ｎｍ）に設定される。

このとき、繰り返しパターン２２は非偏光の照明光Ｌ１によって照明され（波長：２４８ｎｍ）、繰り返しパターン２２から発生する非偏光の正反射光Ｌ２が、そのまま（偏光板３７を介さずに）撮像素子３９に入射する。そして、撮像素子３９からの出力に基づいて、被検物体２０の反射画像が画像処理部１５に取り込まれる。
なお、非偏光の照明光Ｌ１を用いる場合でも、その入射面３Ａ（図３）の方向と、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度φは、第１の検出方式の場合と同様に、斜めの角度（０度＜φ＜９０度）に設定すればよい。つまり、第１の検出方式から第２の検出方式に移行する際、繰り返しパターン２２の向きを変える必要はない。第２の検出方式では、角度φを斜めの角度に設定することで、繰り返しパターン２２からのノイズ光（例えば回折光など）を受光系１４に導かれないようにすることができる。ただし、第２の検出方式では、角度φを０度に設定しても構わない。

画像処理部１５に取り込まれた被検物体２０の反射画像には、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）から発生した正反射光Ｌ２（非偏光）の強度に応じた明暗が現れる。なお、反射画像の明暗は、被検物体２０の表面のショット領域ごとに変化し、正反射光Ｌ２の強度に略比例する。
さらに、被検物体２０の反射画像の明暗（∝正反射光Ｌ２の強度）は、図５に示す繰り返しパターン２２のライン部の線幅Ｄの変化（ドーズ欠陥）に依存して大きく変化することが、本発明者らの研究によって分かった。また、図４に示すライン部のエッジＥ₁,Ｅ₂の傾き角θの変化（デフォーカス欠陥）に対する依存性は非常に小さいことも分かった。

つまり、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）において、被検物体２０に対する露光時のデフォーカス量やドーズ量の変化によって繰り返しパターン２２の形状変化（図４,図５）が発生しても、被検物体２０の反射画像の明暗（∝正反射光Ｌ２の強度）を変化させ得るのは、図５に示すライン部の線幅Ｄの変化（ドーズ欠陥）のみであることが分かった。

ただし、これは、繰り返しパターン２２のライン部の線幅Ｄ（例えば５５ｎｍ）が使用波長（例えば２４８ｎｍ）よりも短い場合に有効である。この場合、上記の正反射光Ｌ２は、繰り返しパターン２２のライン部（レジスト）での光の干渉により発生する。そして、露光時のドーズ量の変化によって繰り返しパターン２２のライン部の線幅Ｄが変化すると、単位面積あたりのライン部の量（つまり上記した光の干渉が起こる部分の量）が変化し、ライン部での反射率が変化するため、正反射光Ｌ２の強度が変化すると考えられる。

したがって、画像処理部１５は、被検物体２０の反射画像を取り込むと、その輝度情報と例えば良品サンプルの反射画像の輝度情報とを比較する。良品サンプルとは、露光時のドーズ量を適正値に保って、理想的な形状（例えば図５(ａ)）の繰り返しパターン２２を表面全域に形成したものである。
画像処理部１５は、良品サンプルの反射画像の輝度値を基準とし、被検物体２０の反射画像の輝度値の変化量を測定する。得られた輝度値の変化量は、繰り返しパターン２２のライン部の線幅Ｄの変化（図５）による正反射光Ｌ２の強度の変化を表している。

そして、画像処理部１５は、被検物体２０の反射画像における輝度値の変化量（つまり正反射光Ｌ２の強度の変化）に基づいて、繰り返しパターン２２のドーズ欠陥を検出する。例えば、輝度値の変化量が予め定めた閾値（許容値）より大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判定すればよい。また、良品サンプルを使わずに、被検物体２０の反射画像の中での輝度値の変化量を所定の閾値と比較してもよい。

このように、第２の検出方式では、非偏光の照明光Ｌ１により繰り返しパターン２２を照明し（波長：２４８ｎｍ）、繰り返しパターン２２から発生した非偏光の正反射光Ｌ２の強度に応じて被検物体２０の反射画像を取り込み、この反射画像の明暗に基づいて、繰り返しパターン２２のライン部の線幅Ｄの変化（図５）による正反射光Ｌ２の強度の変化を測定する。

したがって、第２の検出方式によれば、繰り返しパターン２２のデフォーカス欠陥（図４）には十分な検出感度を得られないが、ドーズ欠陥（図５）に対して十分な検出感度を確保でき、このドーズ欠陥を選択的に検出することができる。
このようにして、第１の検出方式によるデフォーカス欠陥（図４）の検出と、第２の検出方式によるドーズ欠陥（図５）の検出とが終了すると、本実施形態の表面検査装置１０では、次に、これら２つの結果に基づいて、繰り返しパターン２２の最終的な欠陥の検出を行う。

例えば、被検物体２０の表面のうちデフォーカス欠陥（図４）とドーズ欠陥（図５）との少なくとも一方が検出された箇所を、繰り返しパターン２２の最終的な欠陥として検出する。つまり、第１の検出方式による結果と第２の検出方式による結果との論理和を求め、これを最終的な検出結果とする。
上記のように、本実施形態の表面検査装置１０では、繰り返しパターン２２の形状変化（図４,図５）による正反射光Ｌ２の強度または偏光状態の変化を測定すると共に、正反射光Ｌ２の強度の変化を測定する際の照明光Ｌ１の波長λａと、正反射光Ｌ２の偏光状態の変化を測定する際の照明光Ｌ１の波長λｂとを、異なる波長に設定する。

すなわち、前者（強度測定時）の波長λａは、被検物体２０の光学特性に応じてドーズ欠陥の検出を良好に行える波長（例えば２４８ｎｍ）に設定され、後者（偏光測定時）の波長λｂは、偏光板３４,３７としてデフォーカス欠陥の検出に適した光学特性のものを使用可能な波長（例えば３６５ｎｍ）に設定される。そして、このような波長選択の基準の相違に応じて、各測定時の波長λａ,λｂは互いに異なる波長に設定される。

その結果、正反射光Ｌ２の強度の変化の測定により検出可能なドーズ欠陥に対し、十分な検出感度を確保することができ、正反射光Ｌ２の偏光状態の変化の測定により検出可能なデフォーカス欠陥に対しても、十分な検出感度を確保することができる。
したがって、本実施形態の表面検査装置１０のように、正反射光Ｌ２の強度の変化を測定する際の波長λａと、正反射光Ｌ２の偏光状態の変化を測定する際の波長λｂとを、異なる波長に設定することで、繰り返しパターン２２の複数種類の欠陥（デフォーカス欠陥とドーズ欠陥）に対して、十分な検出感度を確保することができる。

また、本実施形態の表面検査装置１０では、偏光測定時の波長λｂを例えば３６５ｎｍとし、強度測定時の波長λａを例えば２４８ｎｍとして、前者の波長λｂよりも後者の波長λａを短波長に設定する。このため、繰り返しパターン２２の下方の層による影響を低減して、ドーズ欠陥の検出感度を高めることができる。なお、ドーズ欠陥と比較して、デフォーカス欠陥の検出では、繰り返しパターン２２の下方の層による影響を受けにくいことが分かっている。

また、本実施形態の表面検査装置１０では、強度測定時の波長λａを設定するに当たり、繰り返しパターン２２での反射率が繰り返しパターン２２の下方の層での反射率より高くなる波長（例えば２４８ｎｍ）に設定することが好ましい。例えば、繰り返しパターン２２のライン部での干渉によって光が強め合うような条件の波長（繰り返しパターン２２の反射率向上）や、下方の層（反射防止膜など）の吸収帯域に含まれる波長（下方の層での反射率低下）などが考えられる。このような設定を行うことで、繰り返しパターン２２の下方の層からのノイズ光に対して、繰り返しパターン２２からの信号光を効率良く捉えることができ、Ｓ/Ｎ比が向上するため、ドーズ欠陥の検出感度を高めることができる。

ランプハウス３１に内蔵された波長選択部(４４〜４６)のフィルタ４４の透過波長域が４３６ｎｍ,３６５ｎｍ,２４８ｎｍ,１９３ｎｍの場合、強度測定時の波長λａとしては、上記した２４８ｎｍの他に、１９３ｎｍを用いても構わない。さらに、偏光測定時の波長λｂとしては、上記した３６５ｎｍの他に、４３６ｎｍを用いても構わない。また、その他の波長を用いても構わない。また、強度測定時の波長λａを偏光測定時の波長λｂより長くしてもよい。何れにしても、各波長λａ,λｂは、繰り返しパターン２２のピッチＰ（例えば５５ｎｍ）よりも長い波長に設定することが必要になる。

さらに、本実施形態の表面検査装置１０では、繰り返しパターン２２の形状変化（図４,図５）による正反射光Ｌ２の強度または偏光状態の変化を測定して、これら両方の結果に基づいて繰り返しパターン２２の最終的な欠陥の検出を行う。このため、繰り返しパターン２２の複数種類の欠陥（デフォーカス欠陥とドーズ欠陥）に対して十分な感度を確保しつつ、その検出を行うことができる。

さらに、２つの検出方式のどちらで検出された欠陥かによって、欠陥の原因を判定することもできる。このため、繰り返しパターン２２の最終的な欠陥の情報に、欠陥の種類の情報を付加して出力することもできる。最終的な欠陥の種類とは、第１の検出方式のみで検出された欠陥（デフォーカス）、第２の検出方式のみで検出された欠陥（ドーズ）、および、第１の検出方式と第２の検出方式との双方で検出された欠陥（デフォーカス／ドーズ）の３種類である。

本実施形態の表面検査装置１０では、繰り返しパターン２２の複数種類の欠陥を区別して検出可能なため、最終的な欠陥の情報を欠陥の種類の情報と共に出力して、露光装置へフィードバックすることが有効である。このようなフィードバックを行うことによって、露光装置のリアルタイムの修正が可能となる。
また、本実施形態の表面検査装置１０において、繰り返しパターン２２の最終的な欠陥の情報（被検物体２０の表面における位置）を１つの画像上に表示出力可能とすることが好ましい。このとき、欠陥の種類ごとに例えばマークの色や形状などを変えて容易に区別できるようにすることが好ましい。

（変形例）
なお、上記した実施形態では、第１の検出方式を用いてデフォーカス欠陥を検出する際に２枚の偏光板３４,３７をクロスニコルの配置としたが、本発明はこれに限定されない。偏光板３４,３７の各透過軸を直交以外の角度に設定しても構わない。つまり、偏光板３４,３７の各透過軸を交差させれば、第１の検出方式によるデフォーカス欠陥の検出が可能となる。ただし、デフォーカス欠陥の検出感度が最も高くなるのは、偏光板３４,３７をクロスニコルの配置にした場合である。

また、上記した実施形態では、第１の検出方式を用いてデフォーカス欠陥を検出する際に、照明系１３の偏光板３４の透過軸を照明光Ｌ１の入射面３Ａと平行に配置した（すなわち照明光Ｌ１をｐ偏光にした）が、本発明はこれに限定されない。照明系１３の偏光板３４の透過軸を照明光Ｌ１の入射面３Ａと垂直に配置して、照明光Ｌ１をｓ偏光にしてもよい。入射面３Ａを斜めに横切るように偏光板３４の透過軸を設定しても構わない。

さらに、上記した実施形態では、第１の検出方式を用いてデフォーカス欠陥を検出する際に、受光系１４の偏光板３７の透過軸を照明光Ｌ１の入射面３Ａと垂直に配置したが、本発明はこれに限定されない。受光系１４の偏光板３７の透過軸を照明光Ｌ１の入射面３Ａと平行に配置しても構わない。入射面３Ａを斜めに横切るように偏光板３７の透過軸を設定しても構わない。

また、上記した実施形態では、第２の検出方式を用いてドーズ欠陥を検出する際に、２枚の偏光板３４,３７を共に光路中から退避させたが、本発明はこれに限定されない。偏光板３４,３７の何れか一方を光路中に配置する場合でも、繰り返しパターン２２からの正反射光Ｌ２の強度の変化に基づいてドーズ欠陥を検出することができる。
この場合、偏光板３４,３７のうち、照明光Ｌ１の入射面３Ａに対して透過軸が直交する偏光板（図１の例では偏光板３７）を光路中に配置することが好ましい。このような配置とすることで、被検物体２０の下地層からのノイズ光を低減することができ、ドーズ欠陥の検出感度をさらに高めることができる。

さらに、第２の検出方式を用いてドーズ欠陥を検出する際には、２枚の偏光板３４,３７を光路中に配置した状態で、偏光板３４,３７の各透過軸を平行に揃えても構わない。第１の検出方式から第２の検出方式に移行する際には、偏光板３４,３７の少なくとも一方を光軸中心で回転させればよい。この場合、偏光板３４,３７の挿脱機構（駆動モータ４Ａ,７Ａ）は不要となる。

また、上記した実施形態では、第１の検出方式から第２の検出方式に移行したが、第２の検出方式から第１の検出方式に移行してもよい。
また、上記した実施形態では、撮像素子３９としてＣＣＤなどの２次元センサを用いたが、１次元センサを用いても良い。この場合、撮像素子である１次元センサと被検物体である半導体ウエハ(または液晶基板)を載せたステージとを相対移動させ、１次元センサが半導体ウエハ(または液晶基板)の表面の全域を走査するようにして、半導体ウエハ(または液晶基板)全面の画像を取り込むようにすればよい。

表面検査装置１０の全体構成を示す図である。 被検物体２０の表面の概略図である。 照明光Ｌ１の入射面(３Ａ)と繰り返しパターン２２の繰り返し方向(Ｘ方向)との傾き状態を説明する図である。 露光時のデフォーカス欠陥を説明する図である。 露光時のドーズ欠陥を説明する図である。 照明光Ｌ１と正反射光Ｌ２の偏光状態を説明する図である。 照明光Ｌ１の振動面の方向(Ｖ方向)と繰り返しパターン２２の繰り返し方向(Ｘ方向)との傾き状態を説明する図である。

符号の説明

１０ 表面検査装置 ; １１ ステージ ; １２ アライメント系 ; １３ 照明系 ;
１４ 受光系 ; １５ 画像処理部 ; ２０ 被検物体 ; ２２ 繰り返しパターン ;
３１ ランプハウス ; ３３ ライトガイドファイバ ; ３４,３７ 偏光板 ;
３５,３６ 凹面反射鏡 ; ３８ 集光レンズ ; ３９ 撮像素子 ; １６ 制御部
１Ａ 回転機構 ; ４Ａ,７Ａ 駆動モータ ; ４１ 光源 ; ４３〜４６ 波長選択部

Claims (6)

1. 被検物体の表面に形成された繰り返しパターンを照明し、該繰り返しパターンから発生した正反射光の強度に基づいて、前記繰り返しパターンの形状変化による前記強度の変化を測定する第１測定手段と、
   前記繰り返しパターンを直線偏光により照明し、該繰り返しパターンの繰り返し方向と前記直線偏光の振動面の前記表面における方向との成す角度を斜めの角度に設定し、前記繰り返しパターンから発生した正反射光の偏光状態に基づいて、前記繰り返しパターンの形状変化による前記偏光状態の変化を測定する第２測定手段と、
   前記第１測定手段と前記第２測定手段との各々が前記繰り返しパターンを照明する際に用いる光の波長を異なる波長に設定する設定手段とを備えた
   ことを特徴とする表面検査装置。
2. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記設定手段は、前記第２測定手段が前記繰り返しパターンを照明する際の波長よりも前記第１測定手段が前記繰り返しパターンを照明する際の波長を短波長に設定する
   ことを特徴とする表面検査装置。
3. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記設定手段は、前記第１測定手段が前記繰り返しパターンを照明する際の波長を前記繰り返しパターンでの反射率が該繰り返しパターンの下方の層での反射率よりも高くなる波長に設定する
   ことを特徴とする表面検査装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の表面検査装置において、
   前記第１測定手段が測定した前記強度の変化と、前記第２測定手段が測定した前記偏光状態の変化とに基づいて、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する検出手段を備えた
   ことを特徴とする表面検査装置。
5. 請求項４に記載の表面検査装置において、
   前記検出手段は、前記強度の変化に基づいて前記繰り返しパターンの第１種類の欠陥を検出し、前記偏光状態の変化に基づいて前記繰り返しパターンの第２種類の欠陥を検出し、前記表面のうち前記第１種類の欠陥と前記第２種類の欠陥との少なくとも一方が検出された箇所を前記繰り返しパターンの最終的な欠陥とする
   ことを特徴とする表面検査装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の表面検査装置において、
   前記第１種類の欠陥は、前記被検物体に対する露光時のドーズ欠陥であり、
   前記第２種類の欠陥は、前記被検物体に対する露光時のデフォーカス欠陥である
   ことを特徴とする表面検査装置。
   

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