JP2015022192A - 検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細なパターンを精度よく、スループットの低下を引き起こさずに検査することができ、さらには、光学解像限界以上のパターンと、光学解像限界以下のパターンとを、１回で検査することのできる検査装置を提供する。【解決手段】マスク１００５から結像光学系Ｂに入射する光のうち、エッジラフネスで散乱した光がセンサ１０１０に入射するのが防がれるように、２分の１波長板１００７の角度を変えると、ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光が、エッジラフネスで散乱した光と分離されて２分の１波長板１００７を透過し、センサ１０１０に入射する。マスク１００５で反射したｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ１００９でさらに反射されてセンサ１０１１に入射する。センサ１０１１で撮像される光学画像は、白部と黒部のコントラストが大きく、光学解像限界以上のパターンの検査に適したものとなる。【選択図】図１

Description

本発明は、検査装置に関する。

近年、半導体装置の集積度の増加に伴い、個々の素子の寸法は微小化が進み、各素子を構成する配線やゲートなどの幅も微細化されている。

半導体集積回路の製造においては、回路原版（マスクまたはレチクルを指す。以下では、マスクと総称する。）を感光性樹脂に転写してウェハを加工する工程が基本となる。そして、この基本工程を繰り返すことによって、半導体集積回路が製造される。

転写工程では、ステッパまたはスキャナと呼ばれる露光装置が用いられる。露光装置は、転写光源として光を使用し、レチクル上の回路パターンを４分の１から５分の１程度に縮小してウェハ上に投影する。半導体集積回路の微細化のためには、この転写工程での解像性能を向上させることが重要となる。ここで、結像光学系の開口係数をＮＡ、光源の波長をλとすると、解像寸法は（λ／ＮＡ）に比例する。したがって、開口係数ＮＡの向上または波長λの短波長化を図ることで、露光解像度を小さくすることができる。

また、微細パターンを形成する技術として、ナノインプリントリソグラフィ（Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ；ＮＩＬ）が注目されている。この技術は、ウェハのレジストに、ナノスケールの微細構造を有するモールド（型）を圧力印加することで、レジストに微細なパターンを形成するものである。この技術では、生産性を上げるため、原版となるマスターテンプレートを用いて、複製となるテンプレート（レプリカテンプレート）を複数作成し、各レプリカテンプレートを異なるナノインプリント装置に装着して使用する。

こうした半導体集積回路の製造工程では多大なコストがかかるため、歩留まりの向上が欠かせない。ここで、歩留まりを低下させる大きな要因として、マスクやテンプレートのパターン欠陥が挙げられる。それ故、検査においては、極めて小さなパターン欠陥を検出することが求められている。特許文献１には、マスク上における微細な欠陥を検出することのできる検査装置が開示されている。

特許第４２３６８２５号公報

マスクの検査では、マスクを移動させながらマスクに光を照射し、撮像素子でマスク上に形成されたパターンを撮像する。次いで、得られた光学画像を基準画像と比較し、差異が閾値を超えた場合に、その箇所を欠陥として検出している。

しかし、回路パターンの微細化が進む昨今にあっては、検査装置における光学系の解像度よりもパターン寸法の方が微細となっている。例えば、テンプレートに形成されるパターンの線幅が５０ｎｍより小さくなると、光学系の実現が比較的容易な１９０〜２００ｎｍ程度の波長をもつＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｒａｊｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を用いた光源では解像できない。そこで、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：電子ビーム）を用いた光源が使用されているが、スループットが低く、量産に適さないという問題がある。

こうしたことから、微細なパターンを精度よく、また、スループットの低下を引き起こさずに検査することのできる検査装置が求められている。

さらに、マスク上に形成されたパターンの密度は一定でない。例えば、半導体チップ内には、メモリマット部などのパターン密度の高い領域と、周辺回路部などのパターン密度の低い領域とが混在する。前者は、光学解像限界以下のパターンであるのに対し、後者は、光学解像限界以上のパターンである。このため、検査に必要な光学条件はマスク上の領域によって異なる。

こうした場合、２通りの光学条件、すなわち、光学解像限界以下のパターンを検査するための光学条件と、光学解像限界以上のパターンを検査するための光学条件とを用意し、一方の光学条件でマスク全体を検査した後、他方の光学条件で再びマスク全体を検査することが考えられる。しかしながら、これでは、１つのマスクに対して２回の検査を行うことになり、検査時間が長くなるという問題が生じる。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、微細なパターンを精度よく、スループットの低下を引き起こさずに検査することができ、さらには、光学解像限界以上のパターンと、光学解像限界以下のパターンとを、１回で検査することのできる検査装置を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、検査対象となる試料を照明する光を出射する光源と、
試料を透過または反射した光が透過する２分の１波長板と、
２分の１波長板を透過した光が入射する偏光ビームスプリッタと、
偏光ビームスプリッタを透過した光が入射する第１のセンサと、
偏光ビームスプリッタで反射した光が入射する第２のセンサと、
第１のセンサで撮像した光学画像について画素毎の階調値を求める画像処理部と、
階調値を用いて第１のセンサで撮像した光学画像の欠陥を検出する欠陥検出部と、
第２のセンサで撮像した光学画像を基準画像と比較して、これらの差分値が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する比較部とを有し、
２分の１波長板の角度を調整して第１のセンサに入射する光の偏光方向を制御することを特徴とする検査装置に関する。

本発明の第１の態様において、光源から出射される光は直線偏光であって、
光源から試料へ向かう光路上と、試料から２分の１波長板へ向かう光路上とに、それぞれ４分の１波長板が配置されていることが好ましい。

本発明の第１の態様において、光源から出射される光は直線偏光であって、
光源から試料へ向かう光路と、試料から２分の１波長板へ向かう光路とに共通する光路に４分の１波長板が配置されていることが好ましい。

本発明の第１の態様において、光源から出射される光は直線偏光であって、
光源から試料へ向かう光路上に２分の１波長板が配置されていることが好ましい。

本発明の第１の態様において、偏光ビームスプリッタから第２のセンサへ向かう光路上に光量調整手段が配置されていることが好ましい。

本発明の第１の態様において、２分の１波長板の角度は、画像処理部で求めた階調値の標準偏差が最小になるときの角度、または、２分の１波長板の角度を変えて取得した光学画像における階調値の標準偏差を、階調値から求められる平均階調値の平方根で割った値が最小になるときの角度とすることが好ましい。

本発明の第２の態様は、検査対象となる試料を照明する光を出射する光源と、
光源から出射した光を分岐する分岐素子と、
分岐素子で分岐された一方の光であって、試料を透過または反射した第１の光が入射する偏光ビームスプリッタと、
偏光ビームスプリッタを透過した第１の光が入射する第１のセンサと、
分岐素子で分岐された他方の光であって、試料を透過または反射した第２の光が入射する第２のセンサと、
第１のセンサで撮像した光学画像について画素毎の階調値を求める画像処理部と、
階調値を用いて第１のセンサで撮像した光学画像の欠陥を検出する欠陥検出部と、
第２のセンサで撮像した光学画像を基準画像と比較して、これらの差分値が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する比較部とを有し、
偏光ビームスプリッタの角度を調整して第１のセンサに入射する光の偏光方向を制御することを特徴とする検査装置に関する。

本発明の第２の態様において、光源から出射される光は直線偏光であって、
分岐素子から試料へ向かう光路上と、試料から偏光ビームスプリッタへ向かう光路上とに、それぞれ４分の１波長板が配置されていることが好ましい。

本発明の第２の態様において、光源から出射される光は直線偏光であって、
分岐素子から試料へ向かう光路と、試料から偏光ビームスプリッタへ向かう光路とに共通する光路に４分の１波長板が配置されていることが好ましい。

本発明の第２の態様において、光源から分岐素子へ向かう光路上に２分の１波長板が配置されており、
２分の１波長板の角度によって、分岐素子で分岐される光の光量比を調整することが好ましい。

本発明の第２の態様において、偏光ビームスプリッタの角度は、画像処理部で求めた階調値の標準偏差が最小になるときの角度、または、偏光ビームスプリッタの角度を変えて取得した光学画像における階調値の標準偏差を、階調値から求められる平均階調値の平方根で割った値が最小になるときの角度とすることが好ましい。

本発明の第２の態様において、欠陥検出部は、画像処理部から出力された階調値を所定の閾値と比較し、該階調値が閾値を超えたときに欠陥として検出することが好ましい。

本発明によれば、微細なパターンを精度よく、スループットの低下を引き起こさずに検査することができ、さらには、光学解像限界以上のパターンと、光学解像限界以下のパターンとを、１回で検査することのできる検査装置が提供される。

実施の形態１の光学系を示す図である。 ショート欠陥の一例を模式的に示す図である。 オープン欠陥の一例を模式的に示す図である。 エッジラフネスによる欠陥を模式的に示す図である。 ライン・アンド・スペースパターンを模式的に示す図である。 図５のパターンに空間周波数フィルタをかけた例の模式図である。 実施の形態２の光学系を示す図である。 実施の形態３の光学系を示す図である。 実施の形態４における検査装置の構成図である。 試料の光学画像の取得手順を説明する図である。

実施の形態１．
光学解像限界以下のパターンでは、ライン同士が短絡するショート欠陥や、ラインが断線するオープン欠陥の検出が目的となる。後述するように、このような欠陥は、照明光の偏光状態に与える影響が大きいため、照明光の偏光状態と、検査対象となる基板から反射した光を結像する光学系の偏光制御素子の条件とを制御することで、エッジラフネスによる明暗のムラを偏光制御素子で除去し、ショート欠陥やオープン欠陥による振幅変化のみを抽出することが可能である。しかし、こうした光学条件では、白部および黒部の階調値がともに低くなるため、高いコントラストが要求される領域の検査には適さない。

一方、光学解像限界以上のパターンの検査では、パターンの寸法（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；以下、ＣＤと称す。）などが測定される。この場合、白部と黒部のコントラストが大きいほど、検査が容易となる。しかしながら、かかる光学条件では、解像限界以下のショート欠陥やオープン欠陥と、エッジラフネスとが区別され難くなり、解像限界以下のパターンの検査に適さなくなる。

このように、光学解像限界以下のパターンを検査するための光学条件は、光学解像限界以上のパターンを検査するための光学条件と異なる。本発明者は、鋭意研究した結果、図１に示す光学系を用いることによって、これらのパターンを１回で検査できることを見出した。

図１には、検査対象となるマスク１００５を照明する照明光学系Ａ１と、マスク１００５で反射した光を２つのセンサ１０１０，１０１１に結像させる結像光学系Ｂ１とが示されている。センサ１０１０は、本発明における第１のセンサであり、センサ１０１１は、本発明における第２のセンサである。

照明光学系Ａ１は、光源１００１と、４分の１波長板１００２と、ハーフミラー１００３と、対物レンズ１００４とを有する。一方、結像光学系Ｂ１は、対物レンズ１００４と、ハーフミラー１００３と、４分の１波長板１００６と、２分の１波長板１００７と、回転機構１００８と、偏光ビームスプリッタ１００９とを有する。ハーフミラー１００３と対物レンズ１００４は、照明光学系Ａ１と結像光学系Ｂ１に共通している。

図１の光源１００１としては、レーザ光源を用いることができる。レーザ光源から出射された光は一般に直線偏光である。本実施の形態では、直線偏光を円偏光に変え、円偏光によってマスク１００５を照明する。これにより、解像特性に方向性のない光学画像が得られる。

図１の照明光学系Ａ１において、光源１００１から出射された直線偏光は、４分の１波長板１００２を透過して円偏光になる。その後、この光は、ハーフミラー１００３で反射され、対物レンズ１００４を透過してマスク１００５を照明する。このようにして、マスク１００５は円偏光によって照明される。

次に、マスク１００５で反射した光は、結像光学系Ｂ１によって、センサ１０１０とセンサ１０１１に結像される。具体的には、対物レンズ１００４、ハーフミラー１００３を順に透過した後、４分の１波長板１００６によって再び直線偏光になる。その後、２分の１波長板１００７によって偏光方位を変えられた後、偏光ビームスプリッタ１００９に入射する。このとき、偏光ビームスプリッタ１００９に入射するｐ偏光の量とｓ偏光の量は、２分の１波長板１００７の角度を変えることによって調節される。２分の１波長板１００７には、回転機構１００８が設けられており、この回転機構１００８によって２分の１波長板１００７の角度が制御可能である。尚、２分の１波長板の角度は、２分の１波長板を透過する偏光の回転角度と換言できる（以下、本願明細書において同じ。）。

偏光ビームスプリッタ１００９に入射したｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ１００９を透過してセンサ１０１０に入射する。一方、偏光ビームスプリッタ１００９に入射したｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ１００９で反射してセンサ１０１１に入射する。

センサ１０１０とセンサ１０１１とは、マスク１００５の同じ画像を撮像する。マスク１００５には、メモリマット部などのパターン密度の高い領域と、周辺回路部などのパターン密度の低い領域とが混在する。前者は、光学解像限界以下のパターンであるのに対し、後者は、光学解像限界以上のパターンである。本実施の形態において、センサ１０１０で撮像された画像は、光学解像限界以下のパターンを検査するのに使用される。一方、センサ１０１１で撮像された画像は、光学解像限界以上のパターンを検査するのに使用される。これらのパターンの多くは、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンである。尚、マスク１００５に代えて、例えば、ナノインプリントリソグラフィにおけるテンプレートを検査対象とすることもできる。その場合、テンプレートにもかかる繰り返しパターンが用いられることが多い。

まず、センサ１０１０で撮像される画像について述べる。

上記したように、光学解像限界以下のパターンでは、ライン同士が短絡するショート欠陥や、ラインが断線するオープン欠陥の検出が目的となる。図２にショート欠陥の例を示す。領域ａ１では、隣接する２つのライン同士が繋がっており、ショート欠陥となっている。また、図３は、オープン欠陥の例である。領域ａ２では、ラインの一部が断線している。これらの欠陥は、マスクの性能に深刻な影響を及ぼす。

一方、パターン欠陥の他の形態として、図４の領域ａ３に見られるように、エッジラフネスが大きくなるものがある。こうした欠陥がマスクとしての性能に与える影響は、ショート欠陥やオープン欠陥とは異なり限定的とされる。

このように、欠陥の中には、実質的に問題になる欠陥とそうではない欠陥とがあり、検査においては、問題となる欠陥のみが検出されればよい。具体的には、ショート欠陥やオープン欠陥は検出される必要があるが、エッジラフネスは検出されなくてもよい。しかしながら、ショート欠陥、オープン欠陥、エッジラフネスのいずれもが解像限界以下の大きさであって、さらにこれらが解像限界以下のパターン、より詳しくは、検査装置の光学系の解像限界以下の周期の繰り返しパターンに混在する場合、この光学系による観察では、ショート欠陥やオープン欠陥による明暗と、エッジラフネスによる明暗との区別がつかない。その理由として、パターンの光学画像においては、ショート欠陥、オープン欠陥、エッジラフネスのいずれもが、同じサイズ、つまり、解像限界程度のサイズに広がってしまうことが挙げられる。

図５は、マスク１００５に設けられたライン・アンド・スペースパターンを模式的に示したものである。尚、図５において、パターンの寸法は、光学系の解像限界より小さいものとする。この図の領域ｂ１では、ラインパターンの一部が欠けており、オープン欠陥となっている。また、領域ｂ２では、パターンのエッジラフネスが大きくなっている。こうした欠陥の違いは、実際の基板上では明確に区別されるが、光学系を介しての観察では区別できなくなる。これは、光学系が、光源の光の波長λと、開口数ＮＡとで決まる空間周波数フィルタとしてふるまうためである。

図６は、図５のパターンに空間周波数フィルタをかけたものである。この図からは、領域ｂ１における欠陥と、領域ｂ２における欠陥とが、同程度のサイズに広がっており、形状の違いが判別し難くなっていることが分かる。このように、解像限界以下のオープン欠陥とエッジラフネスを光学系によって区別するのは原理的に困難であり、ショート欠陥とエッジラフネスについても同様である。

ところで、ショート欠陥やオープン欠陥のような大きな欠陥は、エッジラフネスによる欠陥のような小さな欠陥に比べて、照明光の偏光状態に与える影響が大きい。

例えば、図２に示すようなショート欠陥の場合、隣り合うライン同士が接続することにより、照明光の電場成分に対する感受性が縦方向と横方向で異なるようになる。

理解を容易にするため、マスクに直線偏光を垂直に入射させる場合を考える。直線偏光の偏光方向が、ライン・アンド・スペースパターンのエッジに沿った方向に対して４５度であるとき、入射光の電場は、縦成分と横成分とで等しいのに対し、ショート欠陥による反射光の電場は、縦成分より横成分の方が大きくなる。その結果、ショート欠陥を反射した光の偏光方向は、ライン・アンド・スペースパターンのエッジに沿った方向と直交する方向に傾くようになる。尚、同じ例で、図３に示すようなオープン欠陥の場合は、ライン・アンド・スペースパターンのエッジに沿った方向に傾くようになる。

これに対して、図４に示すようなエッジラフネスによる欠陥の場合は、ライン同士が接続したり、ライン同士が断線したりすることはなく、また、欠陥とは言っても、エッジラフネスにおける凹凸のサイズは、ショート欠陥やオープン欠陥よりも微細であるため、照明光の電場成分の縦方向と横方向に対する感受性の差はそれほど大きくない。

このため、マスクに直線偏光を垂直に入射させる場合において、直線偏光の偏光方向がライン・アンド・スペースパターンのエッジに沿った方向に対して４５度であるとき、エッジラフネスにより散乱した光の偏光方向は、入射光の偏光方向である４５度に近い値となる。但し、周期的な繰り返しを有するベースパターンの影響を受けることにより、偏光方向は完全には４５度とならず、４５度から僅かにずれた値をとる。

このように、ショート欠陥やオープン欠陥と、エッジラフネスとでは、照明光の偏光状態に与える影響が異なる。したがって、この差を利用することにより、光学系の解像限界以下のパターンであっても、欠陥を分類することが可能である。具体的には、照明光の偏光状態と、マスクで反射した光を結像する光学系における偏光制御素子の条件とを制御することで、エッジラフネスによる明暗のムラを偏光制御素子で除去し、ショート欠陥やオープン欠陥による振幅変化のみを抽出することができる。

すなわち、図１において、マスク１００５から結像光学系Ｂ１に入射する光のうち、エッジラフネスで散乱した光がセンサ１０１０に入射するのが防がれるように、２分の１波長板１００７の角度を変える。すると、ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光が、エッジラフネスで散乱した光と分離されて２分の１波長板１００７を透過し、センサ１０１０に入射する。これにより、センサ１０１０で撮像される光学画像は、エッジラフネスによる明暗のムラが除かれる一方、ショート欠陥やオープン欠陥は残された状態のものとなるので、この光学画像によれば、ショート欠陥やオープン欠陥の検査が容易となる。つまり、センサ１０１０で撮像された光学画像は、光学解像限界以下のパターンの検査に利用できる。

ところで、センサ１０１０に入射する光は、偏光ビームスプリッタ１００９を透過することで明るさが低下する。このため、センサ１０１０で撮像される光学画像では、白部および黒部の階調値がともに低くなり、高いコントラストが要求される領域の検査、すなわち、光学解像限界以上のパターンの検査には不向きである。ここで、偏光ビームスプリッタ１００９に入射する光には、マスク１００５で反射したｐ偏光だけでなくｓ偏光もあり、ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ１００９でさらに反射されてセンサ１０１１に入射する。つまり、ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ１００９を透過することによる明るさの損失なしにセンサ１０１１に入射して、マスク１００５のパターンの画像を結像する。したがって、センサ１０１１で撮像される光学画像は、白部と黒部のコントラストが大きく、光学解像限界以上のパターンの検査に適したものとなる。ここで、センサ１０１１には、エッジラフネスで散乱した光も入射するが、光学解像限界以上のパターンの検査では、パターンの寸法（ＣＤ）などが測定されるので、ショート欠陥やオープン欠陥と、エッジラフネスとが区別されるか否かは問題でない。

尚、図１の構成では、偏光ビームスプリッタ１００９とセンサ１０１１の間に、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタなどの光量調整手段を設けることが好ましい。これにより、偏光ビームスプリッタ１００９からの反射光の光量を調整して、センサ１０１１に入射する光が明るくなりすぎるのを防ぐことができる。

尚、本実施の形態では、光源からマスクへ向かう光路と、マスクから２分の１波長板へ向かう光路とに共通する光路に、４分の１波長板が配置されていてもよい。例えば、図１の構成で、４分の１波長板１００２，１００６に代えて、ハーフミラー１００３と対物レンズ１００４の間に４分の１波長板を配置することができる。このような構成であっても、図１の構成と同様の効果を得ることが可能である。

以上述べたように、図１に示す光学系によれば、センサ１０１０で撮像された光学画像によって、光学解像限界以下のパターンの検査を行うことができる。すなわち、この光学画像を用いて、微細なパターンを精度よく、スループットの低下を引き起こさずに検査することができる。

また、図１に示す光学系によれば、センサ１０１１で撮像された光学画像によって、光学解像限界以上のパターンの検査も行うことができる。つまり、この光学系によれば、光学解像限界以上のパターンと、光学解像限界以下のパターンとを２回に分けて検査する必要がなく、１回で検査することが可能となる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態１の光学系の変形例である。この光学系も、検査対象となるマスク２００５を照明する照明光学系Ａ２と、マスク２００５で反射した光を２つのセンサ２０１０，２０１１に結像させる結像光学系Ｂ２とを有する。照明光学系Ａ２は、光源２００１と、２分の１波長板２００２と、ハーフミラー２００３と、対物レンズ２００４とを有する。一方、結像光学系Ｂ２は、対物レンズ２００４と、ハーフミラー２００３と、２分の１波長板２００７と、回転機構２００８と、偏光ビームスプリッタ２００９とを有する。ハーフミラー２００３と対物レンズ２００４は、照明光学系Ａ２と結像光学系Ｂ２に共通している。

マスク２００５に設けられたパターンの多くは、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンである。尚、マスク２００５に代えて、例えば、ナノインプリントリソグラフィにおけるテンプレートを検査対象とすることもできる。その場合、テンプレートにもかかる繰り返しパターンが用いられることが多い。

光源２００１としては、レーザ光源を用いることができる。レーザ光源から出射された光は一般に直線偏光である。本実施の形態では、この直線偏光を用いて、検査対象であるマスク２００５を照明し検査を行う。これにより、高い解像度の光学画像が得られる。

図７の照明光学系Ａ２において、光源２００１から出射された直線偏光は、２分の１波長板２００２を透過した後、ハーフミラー２００３で反射され、対物レンズ２００４を透過してマスク２００５を照明する。このとき、マスク２００５に形成された、周期的に繰り返されるパターンの繰り返しの方向に対して、４５度の偏光面を有する直線偏光が照射されるように、２分の１波長板２００２の角度を調整する。このようにすることにより、ショート欠陥やオープン欠陥のような大きな欠陥と、エッジラフネスによる欠陥のような小さな欠陥との間に、照明光の電場成分に対する感受性、すなわち、照明光の電場成分の縦方向と横方向に対する感受性に違いが現れるようにすることができる。

尚、照明光の偏光面が、マスク２００５に形成された繰り返しパターンの繰り返しの方向に対して０度や９０度であると、照明光の感受性は欠陥間で同じとなるため区別できない。したがって、偏光面は、繰り返しパターンの繰り返しの方向に対して０度や９０度でないことが重要であり、必ずしも４５度である必要はない。具体的には、偏光面が、−５度〜５度と８５度〜９５度の各範囲にある角度以外の角度とすることが好ましい。

マスク２００５で反射した光は、結像光学系Ｂ２によって、センサ２０１０とセンサ２０１１に結像される。ここで、センサ２０１０は、本発明における第１のセンサであり、センサ２０１１は、本発明における第２のセンサである。

具体的には、対物レンズ２００４、ハーフミラー２００３を順に透過した後、２分の１波長板２００７によって位相を回転させた後、偏光ビームスプリッタ２００９に入射する。このとき、偏光ビームスプリッタ２００９に入射するｐ偏光の光量とｓ偏光の光量は、２分の１波長板２００７の角度を変えることによって調節される。２分の１波長板２００７には、回転機構２００８が設けられており、この回転機構２００８によって２分の１波長板２００７の角度が制御可能である。

偏光ビームスプリッタ２００９に入射したｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ２００９を透過してセンサ２０１０に入射する。一方、偏光ビームスプリッタ２００９に入射したｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ２００９で反射してセンサ２０１１に入射する。

センサ２０１０とセンサ２０１１とは、マスク２００５の同じ画像を撮像する。センサ２０１０で撮像された画像は、光学解像限界以下のパターンを検査するのに使用される。一方、センサ２０１１で撮像された画像は、光学解像限界以上のパターンを検査するのに使用される。

まず、センサ２０１０で撮像される画像について述べる。

図７に示すように、結像光学系Ｂ２に２分の１波長板２００７を配置することによって、特定の偏光方向の光のみを抽出することが可能となる。具体的には、マスク２００５から結像光学系Ｂ２に入射する光のうち、エッジラフネスで散乱した光がセンサ２０１０に入射するのが防がれるように、２分の１波長板２００７の角度を変える。すると、ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光が、エッジラフネスで散乱した光と分離されて２分の１波長板２００７を透過し、センサ２０１０に入射する。これにより、センサ２０１０で撮像される光学画像は、エッジラフネスによる明暗のムラが除かれる一方、ショート欠陥やオープン欠陥は残された状態のものとなるので、この光学画像によれば、ショート欠陥やオープン欠陥の検査が容易となる。つまり、センサ２０１０で撮像された光学画像を用いて、光学画像限界以下のパターンを検査することができる。

上記した通り、偏光ビームスプリッタ２００９を透過してセンサ２０１０に入射する光は、マスク２００５で反射したｐ偏光であり、マスク２００５で反射したｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ２００９でさらに反射されてセンサ２０１１に入射する。ここで、ｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ２００９を透過することで明るさが低下する。一方、ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ２００９を透過することによる明るさの損失なしにセンサ２０１１に入射して、マスク２００５のパターンの画像を結像する。したがって、センサ２０１１で撮像される光学画像は、白部と黒部のコントラストが大きく、光学解像限界以上のパターンの検査に適したものとなる。

尚、センサ２０１１には、エッジラフネスで散乱した光も入射するが、光学解像限界以上のパターンの検査では、パターンの寸法（ＣＤ）などが測定されるので、ショート欠陥やオープン欠陥とエッジラフネスとが区別されるか否かは問題でない。

図７の構成では、偏光ビームスプリッタ２００９とセンサ２０１１の間に、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタなどの光量調整手段を設けることが好ましい。これにより、偏光ビームスプリッタ２００９からの反射光の光量を調整して、センサ２０１１に入射する光が明るくなりすぎるのを防ぐことができる。

このように、図７に示す光学系によっても、センサ２０１０で撮像された光学画像によって、光学解像限界以下のパターンの検査を行うことができる。すなわち、この光学画像を用いて、微細なパターンを精度よく、スループットの低下を引き起こさずに検査することができる。

また、センサ２０１１で撮像された光学画像によって、光学解像限界以上のパターンの検査も行うことができる。つまり、この光学系によれば、光学解像限界以上のパターンと、光学解像限界以下のパターンとを２回に分けて検査する必要がなく、１回で検査することが可能となる。

さらに、図７の光学系では、直線偏光をマスク２００５に照射し、マスク２００５で反射した光も直線偏光であるので、結像光学系Ｂ２に４分の１波長板を設ける必要がない。

実施の形態３．
図８は、本実施の形態における光学系の例である。この光学系も、検査対象となるマスク３００５を照明する照明光学系Ａ３と、マスク３００５で反射した光を２つのセンサ３０１０，３０１１に結像させる結像光学系Ｂ３とを有する。

照明光学系Ａ３は、光源３００１と、２分の１波長板３０１５と、分岐素子としてのロションプリズム３０１２と、４分の１波長板３００２と、ハーフミラー３００３と、対物レンズ３００４とを有する。一方、結像光学系Ｂ３は、対物レンズ３００４と、ハーフミラー３００３と、４分の１波長板３００７と、回転機構３０１３を備えた偏光ビームスプリッタ３００９と、ミラー３０１４とを有する。ハーフミラー３００３と対物レンズ３００４は、照明光学系Ａ３と結像光学系Ｂ３に共通している。

マスク３００５に設けられたパターンの多くは、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンである。尚、マスク３００５に代えて、例えば、ナノインプリントリソグラフィにおけるテンプレートを検査対象とすることもできる。その場合、テンプレートにもかかる繰り返しパターンが用いられることが多い。

照明光学系Ａ３において、光源３００１としては、レーザ光源を用いることができる。レーザ光源から出射された光は一般に直線偏光である。光源３００１から出射された直線偏光は、２分の１波長板３０１５によって位相を９０度回転させた後、分岐素子としてのロションプリズム３０１２に入射する。このとき、ロションプリズム３０１２に入射するｐ偏光（Ｌｐ）の光量とｓ偏光（Ｌｓ）の光量は、２分の１波長板３０１５の角度によって調整可能である。

ロションプリズム３０１２は、ｐ偏光（Ｌｐ）成分についてはまっすぐに透過させるが、ｓ偏光（Ｌｓ）成分については、元の光軸から変位させて透過させる。尚、本実施の形態の分岐素子は、互いに直交する偏光成分を２つに分岐するものであればよく、ロションプリズム以外の偏光プリズムを用いてもよい。

ロションプリズム３０１２を透過した光は、続いて４分の１波長板３００２に入射する。４分の１波長板３００２は、直線偏光を円偏光に変える。その後、ｐ偏光（Ｌｐ）とｓ偏光（Ｌｓ）は、ハーフミラー３００３で反射した後、対物レンズ３００４を介してマスク３００５を照明する。この場合、マスク３００５は円偏光によって照明されるので、解像特性に方向性のない光学画像が得られる。

マスク３００５で反射した光は、結像光学系Ｂ３によって、センサ３０１０とセンサ３０１１に結像される。ここで、センサ３０１０にはｐ偏光（Ｌｐ）が入射し、センサ３０１１にはｓ偏光（Ｌｓ）が入射する。尚、センサ３０１０は、本発明における第１のセンサであり、センサ３０１１は、本発明における第２のセンサである。

ｐ偏光（Ｌｐ）とｓ偏光（Ｌｓ）は光軸が異なるので、センサ３０１０とセンサ３０１１とは、マスク３００５の異なる画像を撮像することができる。そして、以下に述べるように、センサ３０１０で撮像された画像は、光学解像限界以下のパターンを検査するのに使用され、センサ３０１１で撮像された画像は、光学解像限界以上のパターンを検査するのに使用される。

マスク３００５で反射したｐ偏光（Ｌｐ）は、対物レンズ３００４、ハーフミラー３００３を順に透過した後、４分の１波長板３００７を透過して直線偏光になる。その後、ｐ偏光（Ｌｐ）は、偏光ビームスプリッタ３００９に入射する。偏光ビームスプリッタ３００９には、回転機構３０１３が設けられており、この回転機構３０１３によって偏光ビームスプリッタ３００９の角度が制御可能である。

偏光ビームスプリッタ３００９を回転可能とすることによって、特定の偏光方向の光のみが偏光ビームスプリッタ３００９を透過するようにすることができる。本実施の形態では、マスク３００５から結像光学系Ｂ３に入射する光のうち、エッジラフネスで散乱した光がセンサ３０１０に入射するのが防がれるように、偏光ビームスプリッタ３００９の角度を変える。すると、ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光が、エッジラフネスで散乱した光と分離されて偏光ビームスプリッタ３００９を透過し、センサ３０１０に入射する。これにより、センサ３０１０で撮像される光学画像は、エッジラフネスによる明暗のムラが除かれる一方、ショート欠陥やオープン欠陥は残された状態のものとなる。したがって、この光学画像によれば、ショート欠陥やオープン欠陥の検査が容易となる。つまり、センサ３０１０で撮像された光学画像を用いて、光学画像限界以下のパターンを検査することができる。

一方、マスク３００５で反射したｓ偏光（Ｌｓ）は、ロションプリズム３０１２によって、ｐ偏光（Ｌｐ）とは異なる光軸に変位されており、ｓ偏光（Ｌｓ）の光軸上に配置されたミラー３０１４で反射され光路を変えてセンサ３０１１に入射する。

上記した通り、センサ３０１０に入射する光は、マスク３００５で反射したｐ偏光であり、この光は、偏光ビームスプリッタ３００９を透過することで明るさが低下する。一方、ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ３００９を透過することによる明るさの損失なしにセンサ３０１１に入射して、マスク３００５のパターンの画像を結像する。したがって、センサ３０１１で撮像される光学画像は、白部と黒部のコントラストが大きく、光学解像限界以上のパターンの検査に適したものとなる。

尚、センサ３０１１には、エッジラフネスで散乱した光も入射するが、光学解像限界以上のパターンの検査では、パターンの寸法（ＣＤ）などが測定されるので、ショート欠陥やオープン欠陥とエッジラフネスとが区別されるか否かは問題でない。

このように、図８の構成によれば、光源３００１から出射された光をロションプリズム３０１２によって分岐する。そして、分岐されるｐ偏光（Ｌｐ）とｓ偏光（Ｌｓ）の各光量は、ロションプリズム３０１２で調整できるので、ｓ偏光（Ｌｓ）の光路にＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタなどの光量調整手段を設ける必要がない。

センサ３０１０で撮像された光学画像は、光学解像限界以下のパターンの検査に用いられ、この光学画像によれば、微細なパターンを精度よく、スループットの低下を引き起こさずに検査することができる。

また、センサ３０１１で撮像された光学画像を用いて、光学解像限界以上のパターンを検査することができる。つまり、この光学系によれば、光学解像限界以上のパターンと、光学解像限界以下のパターンとを２回に分けて検査する必要がなく、１回で検査することが可能となる。

尚、図８において、偏光ビームスプリッタ３００９を回転可能な構成としないことも可能である。この場合は、４分の１波長板３００７と偏光ビームスプリッタ３００９との間に２分の１波長板を配置する。そして、マスク３００５から結像光学系Ｂ３に入射する光のうち、エッジラフネスで散乱した光がセンサ３０１０に入射するのが防がれるように、２分の１波長板の角度を変える。

尚、本実施の形態では、分岐素子からマスクへ向かう光路と、マスクから偏光ビームスプリッタへ向かう光路とに共通する光路に４分の１波長板が配置されていてもよい。例えば、図８の構成で、４分の１波長板３００２，３００７に代えて、ハーフミラー３００３と対物レンズ３００４の間に４分の１波長板を配置することができる。このような構成であっても、図８の構成と同様の効果を得ることが可能である。

実施の形態４．
本実施の形態の検査装置において、光学解像限界以上のパターンの検査には、ダイ−トゥ−データベース（Ｄｉｅ ｔｏ Ｄａｔａｂａｓｅ）比較方式、ダイ−トゥ−ダイ（Ｄｉｅ ｔｏ Ｄｉｅ）比較方式のいずれを用いてもよい。以下では、ダイ−トゥ−データベース比較方式を例にとり説明する。この方式では、検査対象のパターンの設計データから作成された参照画像が基準画像、すなわち、欠陥検出を目的として上記パターンの光学画像と比較される画像となる。一方、光学解像限界以下のパターンの検査には、１つの画像内で注目する画素とその周辺の画素とを比較する方式が用いられる。

図９は、本実施の形態における検査装置１００の構成図である。検査装置１００は、図１に示す光学系を備えており、角度制御回路１４によって、２分の１波長板１００７の角度が制御される構成となっている。尚、図９において、図１と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。

図９に示すように、検査装置１００は、光学画像取得部Ａと制御部Ｂを有する。

光学画像取得部Ａは、図１で説明した光学系の他に、水平方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動可能なＸＹテーブル３と、センサ回路１０６と、レーザ測長システム１２２と、オートローダ１３０とを有する。尚、ＸＹテーブル３は、回転方向にも移動可能な構造とすることができる。

検査対象となる試料１は、Ｚテーブル２の上に載置される。Ｚテーブル２は、ＸＹテーブル３の上に設けられており、ＸＹテーブル３とともに水平方向にも移動可能である。試料１としては、例えば、フォトリソグラフィ技術で用いられるマスクや、ナノインプリント技術で用いられるテンプレートなどが挙げられる。

試料１には、ライン・アンド・スペースパターンなどの繰り返しパターン、すなわち、周期性を持って繰り返される規則的なパターンが形成されている。また、試料１に形成されたパターンの密度は一定でなく、光学解像限界以下のパターンと、光学解像限界以上のパターンとがある。光学解像限界以下のパターンとしては、例えば、半導体チップのメモリマット部に形成されるパターンが挙げられる。一方、光学解像限界以上のパターンとしては、例えば、周辺回路部に形成されるパターンが挙げられる。ここで、解像限界とは、検査装置１００における光学系の解像限界、すなわち、光源１００１からの光の波長（λ）と、対物レンズ１００４の開口数（ＮＡ）とによって定まる解像限界（Ｒ＝λ／２ＮＡ）を言う。

試料１は、Ｚテーブル２に設けられた支持部材により、３点で支持されることが好ましい。試料１を４点で支持する場合には、支持部材に対して高精度の高さ調整が必要となる。また、高さ調整が不十分であると、試料１が変形するおそれがある。これに対して、３点支持によれば、試料１の変形を最小限に抑えながら、試料１を支持することができる。支持部材は、例えば、頭面が球状のボールポイントを用いて構成される。また、例えば、３つの支持部材のうちの２つの支持部材は、試料１の四隅のうちの対角でない、隣接する二隅で試料１に接する。３つの支持部材のうちの残る１つの支持部材は、他の２つの支持部材が配置されていない二隅の間の領域に配置される。

光源１００１は、試料１に対して、その光学画像を取得するための光を照射する。光源１００１としては、ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ：遠紫外）光を照射するものを用いることが好ましい。ＤＵＶ光によれば、光学系を比較的簡単に構成することができ、また、微細なパターンを、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ：電子ビーム）を用いる場合よりも高いスループットで検査することができる。

光源１００１から出射された直線偏光は、４分の１波長板１００２を透過して円偏光になる。その後、この光は、ハーフミラー１００３で反射され、対物レンズ１００４を透過して試料１を照明する。

次に、試料１で反射した光は、対物レンズ１００４、ハーフミラー１００３を順に透過した後、４分の１波長板１００６によって再び直線偏光になる。その後、２分の１波長板１００７によって偏光方位を変えられた後、偏光ビームスプリッタ１００９に入射する。２分の１波長板１００７には、回転機構１００８が設けられており、この回転機構１００８によって２分の１波長板１００７の角度が制御可能である。

偏光ビームスプリッタ１００９に入射したｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ１００９を透過してセンサ１０１０に入射する。一方、偏光ビームスプリッタ１００９に入射したｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ１００９で反射してセンサ１０１１に入射する。

ここで、試料１からの光のうち、エッジラフネスで散乱した光がセンサ１０１０に入射するのが防がれるように、２分の１波長板１００７の角度が設定される。すると、ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光が、エッジラフネスで散乱した光と分離されて２分の１波長板１００７を透過し、センサ１０１０に入射する。

偏光ビームスプリッタ１００９に入射する光には、試料１で反射したｐ偏光だけでなくｓ偏光もあり、ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ１００９でさらに反射されてセンサ１０１１に入射する。

尚、検査装置１００は、偏光ビームスプリッタ１００９とセンサ１０１１の間に、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタなどの光量調整手段を有することが好ましい。これにより、偏光ビームスプリッタ１００９からの反射光の光量を調整して、センサ１０１１に入射する光が明るくなりすぎるのを防ぐことができる。

次に、図９の制御部Ｂについて説明する。

制御部Ｂでは、検査装置１００全体の制御を司る制御計算機１１０が、データ伝送路となるバス１２０を介して、位置回路１０７、画像処理回路１０８、角度制御回路１４、展開回路１３１、参照回路１３２、比較回路１３３、欠陥検出回路１３４、オートローダ制御回路１１３、ＸＹテーブル制御回路１１４ａ、Ｚテーブル制御回路１１４ｂ、記憶装置の一例となる磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレキシブルディスク装置１１６、ディスプレイ１１７、パターンモニタ１１８およびプリンタ１１９に接続されている。

尚、図９において、「〜回路」と記載したものは、「〜部」とも表現され、電気的回路により構成することができるが、コンピュータで動作可能なプログラムによって構成されていてもよい。さらに、ソフトウェアとなるプログラムだけではなく、ハードウェアとソフトウェアとの組合せやファームウェアとの組合せによって実施されるものであってもよい。プログラムにより構成される場合、プログラムは、磁気ディスク装置１０９に記録されることができる。例えば、図９の各回路は、電気的回路で構成されてもよく、制御計算機１１０によって処理することのできるソフトウェアとして実現されてもよい。また、電気的回路とソフトウェアの組合せによって実現されてもよい。

Ｚテーブル２は、Ｚテーブル制御回路１１４ｂによって制御されたモータ１７ｂによって駆動される。また、ＸＹテーブル３は、ＸＹテーブル制御回路１１４ａによって制御されたモータ１７ａによって駆動される。尚、上記の各モータには、例えば、ステップモータを用いることができる。

図９の光学画像取得部Ａでは、センサ１０１０とセンサ１０１１によって試料１の光学画像が撮像される。光学画像の具体的な取得方法の一例は、次の通りである。

試料１は、垂直方向に移動可能なＺテーブル２の上に載置される。Ｚテーブル２は、ＸＹテーブル３によって水平方向にも移動可能である。ＸＹテーブル３の移動位置は、レーザ測長システム１２２により測定されて位置回路１０７に送られる。また、ＸＹテーブル３上の試料１は、オートローダ制御回路１１３により駆動されるオートローダ１３０から自動的に搬送され、検査終了後には自動的に排出される。

光源１００１は、試料１を照明する光を出射する。光源１００１から出射された直線偏光は、４分の１波長板１００２を透過して円偏光になった後、ハーフミラー１００３で反射し、対物レンズ１００４によって試料１の上に集光される。対物レンズ１００４と試料１との距離は、Ｚテーブル２を垂直方向に移動させることによって調整される。

試料１で反射した光は、対物レンズ１００４とハーフミラー１００３を透過した後、４分の１波長板１００６を透過して直線偏光になる。次いで、２分の１波長板１００７を透過する。このとき、光の偏光方向が回転する。

その後、偏光ビームスプリッタ１００９を透過した光は、センサ１０１０に入射する。一方、偏光ビームスプリッタ１００９で反射した光は、センサ１０１１に入射する。

図１０は、試料１に形成されたパターンの光学画像を取得する手順を説明する図である。

図１０に示すように、試料１上の検査領域は、短冊状の複数のフレーム２０_１，２０_２，２０_３，２０_４，・・・に仮想的に分割されている。そして、各フレーム２０_１，２０_２，２０_３，２０_４，・・・が連続的に走査されるように、図９のＸＹテーブル３の動作が、ＸＹテーブル制御回路１１４ａによって制御される。具体的には、ＸＹテーブル３が−Ｘ方向に移動しながら、センサ１０１０とセンサ１０１１のそれぞれに、図１０に示されるような走査幅Ｗの画像が連続的に入力される。

すなわち、第１のフレーム２０_１における画像を取得した後、第２のフレーム２０_２における画像を取得する。この場合、ＸＹテーブル３が第１のフレーム２０_１における画像の取得時とは逆方向（Ｘ方向）に移動しながら光学画像を取得し、走査幅Ｗの画像が各センサ（１０１０，１０１１）に連続的に入力される。第３のフレーム２０_３における画像を取得する場合には、第２のフレーム２０_２における画像を取得する方向とは逆方向（−Ｘ方向）、すなわち、第１のフレーム２０_１における画像を取得した方向に、ＸＹテーブル３が移動する。尚、図１０の斜線部分は、上記のようにして光学画像の取得が済んだ領域を模式的に表したものである。

センサ１０１０、センサ１０１１のそれぞれに結像したパターンの像は、光電変換された後、さらにセンサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。尚、各センサ（１０１０，１０１１）には、例えば、撮像素子としてのＣＣＤカメラを一列に並べたラインセンサが用いられる。ラインセンサの例としては、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサが挙げられる。この場合、ＸＹテーブル３がＸ軸方向に連続的に移動しながら、ＴＤＩセンサによって試料１のパターンが撮像される。

センサ１０１０で撮像された後、センサ回路１０６でＡ／Ｄ変換された光学画像データは、画像処理回路１０８へ送られる。画像処理回路１０８では、光学画像データが画素毎の階調値で表される。例えば、２５６段階の階調値を有するグレースケールより、０階調から２５５階調のいずれかの値が、各画素に与えられる。

センサ１０１０からセンサ回路１０６を介して画像処理回路１０８へ送られた光学画像データは、試料１の光学解像限界以下のパターンの検査に利用される。詳細には、試料１からの光のうち、エッジラフネスで散乱した光がセンサ１０１０に入射するのが防がれるように、２分の１波長板１００７の角度θが設定されることにより、ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光が、エッジラフネスで散乱した光と分離されて２分の１波長板１００７を透過し、センサ１０１０に入射する。これにより、センサ１０１０で撮像される光学画像は、エッジラフネスによる明暗のムラが除かれる一方、ショート欠陥やオープン欠陥は残された状態のものとなる。したがって、この光学画像を用いることにより、ショート欠陥やオープン欠陥の検査、すなわち、光学解像限界以下のパターンの検査ができる。

ここで、エッジラフネスによる明暗のムラを除去する条件を見出す具体的方法について述べる。

一般に、検査対象となるマスクやテンプレートにおいて、ショート欠陥やオープン欠陥は極僅かしか存在しないのに対し、エッジラフネスは全面に渡って多く存在する。例えば、１００μｍ×１００μｍの領域の光学画像を取得したとき、この領域にショート欠陥やオープン欠陥が含まれる可能性は低く、また、含まれたとしても領域内での欠陥の数は僅かである。つまり、この領域内における光学画像の殆どは、エッジラフネスに起因するものである。このことは、エッジラフネスによる欠陥を排除する条件は、１００μｍ×１００μｍ程度の大きさの光学画像１つから求められることを意味する。

光学画像におけるエッジラフネスによる階調値の変化は、結像光学系の側でセンサ１０１０に入射する光の偏光方向を制御することで除くことができる。具体的には、２分の１波長板１００７の角度を制御することで、センサ１０１０に入射するエッジラフネスによる散乱光の光量を変化させて、光学画像における明暗の振幅を変えることができる。

光学画像における明暗の振幅は、画素毎の階調値の標準偏差で表すことができる。例えば、図９の検査装置１００において、（図１で説明した）光学系の画素分解能が５０ｎｍであるとき、１００μｍ×１００μｍの領域の光学画像は４００万画素で表現される。つまり、この光学画像１つから４００万個の階調値の標本が得られる。

暗視野照明系では、上記標本について標準偏差を求め、得られた値をエッジラフネスに起因する散乱光の程度と定義し、この値が最小になるように結像光学系側の偏光状態、すなわち、２分の１波長板１００７の角度を調整する。このようにすることで、センサ１０１０に入射する、エッジラフネスに起因する散乱光の光量を最小限にすることができる。

一方、明視野照明系における光学画像の場合、エッジラフネスによる明暗の程度は、０次光の影響を受ける。この理由は、次の通りである。検査対象には、解像限界以下の微細な周期パターンがあるため、構造性複屈折による位相差の効果によって、０次光の偏光状態が変化する。それ故、エッジラフネスに起因する反射光を除去する目的で２分の１波長板を回転させると、ベースとなる光量も変化する。明視野像は、ショート欠陥やオープン欠陥、エッジラフネスからの散乱光の電場振幅と、０次光の電場振幅との積であるので、エッジラフネスによる明暗の程度が０次光の強度の影響を受ける結果となる。

エッジラフネスに起因する散乱光の影響を除いて、ショート欠陥やオープン欠陥を検出する感度を向上させるには、０次光に起因する関数（具体的には、０次光の電場振幅を表す関数）が極小になる条件ではなく、エッジラフネスに起因する関数（具体的には、エッジラフネスによる散乱光の電場振幅を表す関数）が極小になる条件を見出す必要がある。０次光に起因する関数が極小になるのは、単にベース光量が最小になる条件に過ぎず、エッジラフネスによる影響を排除しきれないためである。

エッジラフネスに起因する関数が極小になる条件は、光学画像の階調値の標準偏差σと、平均階調値Ａとを用いた演算により求められる。ここで、標準偏差σは、様々なノイズ要因からなるが、特にエッジラフネスによる明暗の影響を大きく受ける。また、光学画像の平均階調値Ａは、ベース光量、つまり、０次光の強度である。そして、エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅は、光学画像の標準偏差σを平均階調値Ａの平方根で割った値に比例する。エッジラフネスに起因する明暗の振幅を最小にする条件を見出すには、２分の１波長板１００７の角度θを変えて光学画像を取得し、得られた光学画像における階調値の標準偏差を平均階調値の平方根で割った値を算出する。そして、この値が最小になる角度θを求めればよい。

実施の形態１で述べたように、ショート欠陥やオープン欠陥のように大きな欠陥は、照明光の電場成分に対する感受性が縦方向と横方向で異なる。したがって、こうした欠陥に起因する散乱光の電場振幅が極小になるときの２分の１波長板１００７の角度θの値は、エッジラフネスに起因する散乱光の場合とは異なる。すなわち、エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅が極小になるときの角度θを適用しても、ショート欠陥やオープン欠陥に起因する散乱光の電場振幅が極小になることはない。したがって、エッジラフネスに起因する明暗の振幅に埋もれることなく、ショート欠陥やオープン欠陥を検出することが可能となる。

尚、エッジラフネスに起因する散乱光の電場振幅が極小になるときの角度θの値は、検査対象に形成されたパターンの構造によって異なる。例えば、パターンのピッチ、掘り込みの深さ、ラインとスペースの比率などが変化すると、電場振幅が極小になる角度θの値も変化する。したがって、検査対象のパターンの構造に応じて角度θを求める必要がある。つまり、検査対象に同じパターンが設けられている場合には、予め求めた角度θを検査工程で使い続けることができるが、検査対象に構造の異なる複数のパターンが設けられている場合には、パターンに応じて角度θを変える必要がある。また、設計上は同じパターンであっても、様々な誤差要因によって、掘り込みの深さや、ラインとスペースの比率が微少に変化し、散乱光の電場振幅を最小にする２分の１波長板１００７の角度θが試料１上でばらつくことがある。このため、こうしたばらつきにも追従させて、２分の１波長板１００７の角度θを変化させる必要がある。

以上のようにして、エッジラフネスによる明暗のムラを排除する条件、すなわち、２分の１波長板１００７の角度を求めることができる。この処理は、試料１の検査の前段階で行われる。すなわち、エッジラフネスによる欠陥を排除する条件を見出すために、２分の１波長板１００７の角度を変えながら、試料１の光学画像をセンサ１０１０で撮像する。前述の通り、例えば、２分の１波長板１００７の所定の角度毎に、１００μｍ×１００μｍ程度の大きさの光学画像が１つずつ得られればよい。取得された光学画像のデータは、センサ回路１０６を通じて画像処理回路１０８に送られる。

既に述べたように、画像処理回路１０８では、光学画像データが画素毎の階調値で表されるので、暗視野照明系では、例えば、１つの光学画像について標準偏差を求め、得られた値をエッジラフネスに起因する散乱光の程度と定義し、この値が最小になるときの２分の１波長板１００７の角度を求める。一方、明視野照明系では、階調値の標準偏差σと平均階調値Ａとが画像処理回路１０８で求められる。そして、２分の１波長板１００７の角度θを変えて光学画像を取得し、得られた光学画像における階調値の標準偏差σを平均階調値Ａの平方根で割った値を算出し、この値が最小になるときの２分の１波長板１００７の角度を求める。

画像処理回路１０８で求められた２分の１波長板１００７の角度に関する情報は、角度制御回路１４へ送られる。角度制御回路１４は、画像処理回路１０８からの情報にしたがって、２分の１波長板１００７の回転機構１００８を制御する。これにより、エッジラフネスで散乱した光がセンサ１０１０に入射するのが防がれるので、ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光は、エッジラフネスで散乱した光と分離されて２分の１波長板１００７を透過し、センサ１０１０に入射する。センサ１０１０で撮像される光学画像は、エッジラフネスによる明暗のムラが除かれる一方、ショート欠陥やオープン欠陥は残された状態のものとなる。したがって、この光学画像を用いることにより、ショート欠陥やオープン欠陥の検査、すなわち、光学解像限界以下のパターンの検査ができる。

画像処理回路１０８では、（エッジラフネスによる欠陥が除かれた）光学画像における画素データが画素毎の階調値で表される。また、試料１の検査領域は、所定の単位領域に分割され、各単位領域の平均階調値が求められる。所定の単位領域は、例えば、１ｍｍ×１ｍｍの領域とすることができる。

画像処理回路１０８で得られた階調値に関する情報は、欠陥検出回路１３４へ送られる。光学系の解像限界以下の繰り返しパターンに、ショート欠陥やオープン欠陥があると、パターンの規則性に乱れが生じて、欠陥がある個所の階調値が周囲の階調値とは異なるようになる。これにより、ショート欠陥やオープン欠陥を検出することができる。具体的には、欠陥検出回路１３４は、例えば、平均階調値を中心として上下に閾値を持ち、画像処理回路１０８から送られた階調値がこの閾値を超えたときにその個所を欠陥として認識する。尚、上記の閾値レベルは検査の前に予め設定される。

一方、センサ１０１１に結像したパターンの像は、光電変換された後、さらにセンサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログデジタル）変換される。その後、このデータは比較回路１３３へ送られる。また、位置回路１０７から出力されたＸＹテーブル３上での試料１の位置を示すデータも、比較回路１３３へ送られる。さらに、参照回路１３２からは、センサ１０１１で取得された光学画像の欠陥判定の基準となる画像、すなわち、参照画像が比較回路１３３へ送られる。

ここで、参照画像の生成方法について述べる。

データベース方式の基準データとなる設計パターンデータは、磁気ディスク装置１０９に格納されており、検査の進行に合わせて読み出されて展開回路１３１に送られる。

一般に、設計者（ユーザ）が作成したＣＡＤデータは、ＯＡＳＩＳなどの階層化されたフォーマットの設計中間データに変換される。設計中間データには、レイヤ（層）毎に作成されて各マスクに形成される設計パターンデータが格納される。ここで、一般に、検査装置は、ＯＡＳＩＳデータを直接読み込めるようには構成されていない。すなわち、検査装置の製造メーカー毎に、独自のフォーマットデータが用いられている。このため、ＯＡＳＩＳデータは、レイヤ毎に各検査装置に固有のフォーマットデータに変換される。ここで、フォーマットデータは、検査装置１００に固有のデータとすることができるが、試料１のパターンを描画する描画装置などと互換性のあるデータとすることもできる。

フォーマットデータは、図９の磁気ディスク装置１０９に入力される。すなわち、試料１のパターン形成時に用いた設計パターンデータは、磁気ディスク装置１０９に記憶される。

設計パターンに含まれる図形は、長方形や三角形を基本図形としたものである。磁気ディスク装置１０９には、例えば、図形の基準位置における座標（ｘ、ｙ）、辺の長さ、長方形や三角形等の図形種を区別する識別子となる図形コードといった情報であって、各パターン図形の形、大きさ、位置等を定義した図形データが格納される。

さらに、数十μｍ程度の範囲に存在する図形の集合を一般にクラスタまたはセルと称するが、これを用いてデータを階層化することが行われている。クラスタまたはセルには、各種図形を単独で配置したり、ある間隔で繰り返し配置したりする場合の配置座標や繰り返し記述も定義される。クラスタまたはセルデータは、さらにストライプと称される、幅が数百μｍであって、長さが試料１のＸ方向またはＹ方向の全長に対応する１００ｍｍ程度の短冊状領域に配置される。

入力された設計パターンデータは、磁気ディスク装置１０９から制御計算機１１０を通して展開回路１３１によって読み出される。

展開回路１３１では、設計パターンデータが２値ないしは多値のイメージデータに変換される。すなわち、展開回路１３１は、設計パターンデータを図形毎のデータにまで展開し、その図形データの図形形状を示す図形コード、図形寸法などを解釈する。そして、所定の量子化寸法のグリッドを単位とするマス目内に配置されるパターンとして、２値ないしは多値のイメージデータに展開される。さらに、センサ画素に相当する領域（マス目）毎に設計パターンにおける図形が占める占有率が演算され、各画素内の図形占有率が画素値となる。

展開回路１３１で変換されたイメージデータは、参照回路１３２に送られて、参照画像の生成に用いられる。

参照回路１３２では、図形のイメージデータである設計パターンデータに適切なフィルタ処理が施される。その理由は、次の通りである。

試料１のパターンは、その製造工程でコーナーの丸まりや線幅の仕上がり寸法などが加減されており、設計パターンと厳密には一致しない。また、図９のセンサ回路１０６から送られた光学画像データは、光学系の解像特性やセンサのアパーチャ効果などによってぼやけた状態、言い換えれば、空間的なローパスフィルタが作用した状態にある。そこで、検査に先だって検査対象となる試料１を観察し、その製造プロセスや検査装置１００の光学系による変化を模擬したフィルタ係数を学習して、設計パターンデータに２次元のデジタルフィルタをかける。このようにして、２値ないしは多値のイメージデータに対し光学画像に似せる処理を行って参照画像を生成する。

フィルタ係数の学習は、製造工程で決められた基準となるマスクやテンプレートのパターンを用いて行ってもよく、また、検査対象となる試料１のパターンの一部を用いて行ってもよい。後者であれば、学習に用いられた領域のパターン線幅やコーナーの丸まりの仕上がり具合を踏まえたフィルタ係数が取得され、試料１の全体の欠陥判定基準に反映されることになる。

尚、検査対象となる試料１を使用する場合、製造ロットのばらつきや、検査装置１００のコンディション変動といった影響を排除したフィルタ係数の学習ができるという利点がある。しかし、試料１の面内で寸法変動があると、学習に用いた箇所に対しては最適なフィルタ係数になるが、他の領域に対しては必ずしも最適な係数とはならないため、疑似欠陥を生じる原因になり得る。そこで、面内での寸法変動の影響を受け難い試料１の中央付近で学習することが好ましい。あるいは、試料１の面内の複数の箇所で学習を行い、得られた複数のフィルタ係数の平均値を用いてもよい。

参照回路１３２で生成した参照画像は、比較回路１３３へ送られる。比較回路１３３では、この参照画像と、センサ１０１１で撮像された光学画像とダイ−トゥ−データベース方式によって比較される。具体的には、撮像されたストライプデータが検査フレーム単位に切り出され、検査フレーム毎に、欠陥判定の基準となるデータと適切な比較判定アルゴリズムを用いて比較される。

比較の結果、光学画像データと参照データとの差が所定の閾値を超える場合、その箇所は欠陥と判定される。欠陥に関する情報は、マスク検査結果として保存される。例えば、制御計算機１１０によって、欠陥の座標、欠陥判定の根拠となった光学画像などが、マスク検査結果として磁気ディスク装置１０９に保存される。

欠陥判定は、より具体的には、次の２種類の方法により行うことができる。１つは、参照画像における輪郭線の位置と、光学画像における輪郭線の位置との間に、所定の閾値寸法を超える差が認められる場合に欠陥と判定する方法である。他の１つは、参照画像におけるパターンの線幅と、光学画像におけるパターンの線幅との比率が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する方法である。この方法では、参照画像におけるパターン間の距離と、光学画像におけるパターン間の距離との比率を対象としてもよい。ここで、センサ１０１１で撮像される光学画像は、白部と黒部のコントラストが大きいので、このようなパターンの寸法を測定する検査に適している。

本実施の形態の検査装置によれば、センサ１０１０で撮像された光学画像によって、光学解像限界以下のパターンの検査を行うことができる。すなわち、この光学画像を用いて、微細なパターンを精度よく、スループットの低下を引き起こさずに検査することができる。また、光学解像限界以下のパターンの検査と並行して、センサ１０１１で撮像された光学画像によって、光学解像限界以上のパターンの検査を行うこともできる。つまり、この検査装置によれば、光学解像限界以上のパターンと、光学解像限界以下のパターンとを２回に分けて検査する必要がなく、１回で検査することが可能となる。

本実施の形態では、検査装置１００が図１に示す光学系を備えているが、この光学系に代えて、図７または図８に示す光学系を備えていてもよい。これらの場合にも、本実施の形態の効果が得られる。尚、図８に示す光学系を備える場合には、偏光ビームスプリッタの角度を調整して、光学解像限界以下のパターンの検査用の光学画像を撮像するセンサに入射する光の偏光方向を制御する。このとき、偏光ビームスプリッタの角度は、暗視野照明系では、画像処理回路１０８で求めた階調値の標準偏差が最小になるときの角度とする。また、明視野照明系では、偏光ビームスプリッタの角度を変えて取得した光学画像における階調値の標準偏差を、階調値から求められる平均階調値の平方根で割った値が最小になるときの角度とする。

尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

例えば、上記各実施の形態では、光源からの光を試料に照明し、試料で反射した光をセンサに入射させて光学画像を撮像したが、試料を透過した光をセンサに入射させて光学画像を撮像してもよい。

また、上記各実施の形態では、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要としない部分についての記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができることは言うまでもない。その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更し得る全ての検査装置は、本発明の範囲に包含される。

１ 試料
２ Ｚテーブル
３ ＸＹテーブル
１４ 角度制御回路
１７ａ，１７ｂ モータ
２０_１，２０_２，２０_３，２０_４ フレーム
１００ 検査装置
１０６ センサ回路
１０７ 位置回路
１０８ 画像処理回路
１０９ 磁気ディスク装置
１１０ 制御計算機
１１３ オートローダ制御回路
１１４ａ ＸＹテーブル制御回路
１１４ｂ Ｚテーブル制御回路
１１５ 磁気テープ装置
１１６ フレキシブルディスク装置
１１７ ディスプレイ
１１８ パターンモニタ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２２ レーザ測長システム
１３０ オートローダ
１３１ 展開回路
１３２ 参照回路
１３３ 比較回路
１３４ 欠陥検出回路
１００１，２００１，３００１ 光源
１００２，１００６，３００２，３００７ ４分の１波長板
１００３，２００３，３００３ ハーフミラー
１００４，２００４，３００４ 対物レンズ
１００５，２００５，３００５ マスク
１００７，２００２，２００７，３０１５ ２分の１波長板
１００８，２００８，３０１３ 回転機構
１００９，２００９，３００９ 偏光ビームスプリッタ
１０１０，１０１１，２０１０，２０１１，３０１０，３０１１ センサ
３０１２ ロションプリズム
３０１４ ミラー

Claims (12)

1. 検査対象となる試料を照明する光を出射する光源と、
   前記試料を透過または反射した光が透過する２分の１波長板と、
   前記２分の１波長板を透過した光が入射する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタを透過した光が入射する第１のセンサと、
   前記偏光ビームスプリッタで反射した光が入射する第２のセンサと、
   前記第１のセンサで撮像した光学画像について画素毎の階調値を求める画像処理部と、
   前記階調値を用いて前記第１のセンサで撮像した光学画像の欠陥を検出する欠陥検出部と、
   前記第２のセンサで撮像した光学画像を基準画像と比較して、これらの差分値が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する比較部とを有し、
   前記２分の１波長板の角度を調整して前記第１のセンサに入射する光の偏光方向を制御することを特徴とする検査装置。
2. 前記光源から出射される光は直線偏光であって、
   前記光源から前記試料へ向かう光路上と、前記試料から前記２分の１波長板へ向かう光路上とに、それぞれ４分の１波長板が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
3. 前記光源から出射される光は直線偏光であって、
   前記光源から前記試料へ向かう光路と、前記試料から前記２分の１波長板へ向かう光路とに共通する光路に４分の１波長板が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
4. 前記光源から出射される光は直線偏光であって、
   前記光源から前記試料へ向かう光路上に２分の１波長板が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
5. 前記偏光ビームスプリッタから前記第２のセンサへ向かう光路上に光量調整手段が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の検査装置。
6. 前記２分の１波長板の角度は、前記画像処理部で求めた前記階調値の標準偏差が最小になるときの角度、または、前記２分の１波長板の角度を変えて取得した光学画像における前記階調値の標準偏差を、前記階調値から求められる平均階調値の平方根で割った値が最小になるときの角度とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の検査装置。
7. 検査対象となる試料を照明する光を出射する光源と、
   前記光源から出射した光を分岐する分岐素子と、
   前記分岐素子で分岐された一方の光であって、前記試料を透過または反射した第１の光が入射する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタを透過した前記第１の光が入射する第１のセンサと、
   前記分岐素子で分岐された他方の光であって、前記試料を透過または反射した第２の光が入射する第２のセンサと、
   前記第１のセンサで撮像した光学画像について画素毎の階調値を求める画像処理部と、
   前記階調値を用いて前記第１のセンサで撮像した光学画像の欠陥を検出する欠陥検出部と、
   前記第２のセンサで撮像した光学画像を基準画像と比較して、これらの差分値が所定の閾値を超える場合に欠陥と判定する比較部とを有し、
   前記偏光ビームスプリッタの角度を調整して前記第１のセンサに入射する光の偏光方向を制御することを特徴とする検査装置。
8. 前記光源から出射される光は直線偏光であって、
   前記分岐素子から前記試料へ向かう光路上と、前記試料から前記偏光ビームスプリッタへ向かう光路上とに、それぞれ４分の１波長板が配置されていることを特徴とする請求項７に記載の検査装置。
9. 前記光源から出射される光は直線偏光であって、
   前記分岐素子から前記試料へ向かう光路と、前記試料から前記偏光ビームスプリッタへ向かう光路とに共通する光路に４分の１波長板が配置されていることを特徴とする請求項８に記載の検査装置。
10. 前記光源から前記分岐素子へ向かう光路上に２分の１波長板が配置されており、
    前記２分の１波長板の角度によって、前記分岐素子で分岐される光の光量比を調整することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の検査装置。
11. 前記偏光ビームスプリッタの角度は、前記画像処理部で求めた前記階調値の標準偏差が最小になるときの角度、または、前記偏光ビームスプリッタの角度を変えて取得した光学画像における前記階調値の標準偏差を、前記階調値から求められる平均階調値の平方根で割った値が最小になるときの角度とすることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の検査装置。
12. 前記欠陥検出部は、前記画像処理部から出力された前記階調値を所定の閾値と比較し、該階調値が前記閾値を超えたときに欠陥として検出することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の検査装置。