JP5434352B2 - 表面検査装置および表面検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置により投影露光された半導体基板の表面を検査する表面検査装置に関する。

ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置は、マスクパターンおよび投影レンズを介してスリット状の光を照射しながら、レチクルステージ（すなわち、マスクパターンが形成されたマスク基板）とウェハステージ（すなわち、半導体パターンを形成するウェハ）とを相対移動させて１ショット分だけ走査（＝スキャン）することにより、半導体ウェハに対して１ショット分の露光を行うようになっている。このようにすれば、スリット（光）の長辺とレチクルステージのスキャン距離で露光ショットの大きさが決まるため、露光ショットを大きくすることができる。

このような露光装置においては、投影レンズのフォーカスを合わせる（合焦させる）ために、ウェハステージの高さに応じてマスク基板の高さを調整している。ところが、投影レンズ等によって（マスクパターンの）像面が傾く場合、マスク基板の高さの１次元的調整だけではフォーカスを合わせることができない。そこで、このような露光装置は、ウェハに対する露光を行う前に、最適なフォーカス条件の計測を行っている。最適なフォーカス条件を求めるには、例えば、１スリットよりも小さなエリアごとにフォーカスを変化させながら計測用のパターンを露光・現像し、得られたパターンの正反射像に基づいてベストフォーカスとなる条件を求める方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このとき、顕微鏡および撮像素子を利用してパターンの正反射像を拡大観察し、レジストパターン（ライン）とスペースとのコントラストが最大となる条件をベストフォーカスとなる条件と判定する。

国際公開第２００７／０４３５３５号パンフレット

しかしながら、このような方法で最適なフォーカス条件を求める場合には、露光エネルギーの変化によるレジストの膜厚変化（レジスト膜べり）や、過大なデフォーカスによるパターン消失等の影響を受けやすく、要求精度を満足できない場合があった。また、１ショットよりも小さなエリアごとにフォーカスを変化させて露光するため、ショット内の像面計測時の制御誤差が含まれてしまい精度を低下させる要因となっていた。また、レチクルステージもしくはウェハステージがスキャンするときの誤差によっても、ウェハ上のフォトレジストに形成される半導体パターン像が相対的に傾いてしまうことがあり、対応できなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、露光装置の相対的な光学的像面を精度よく計測可能な装置および方法を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る表面検査装置は、露光により形成された半導体パターンを有する基板に照明光を照射する照明部と、前記半導体パターンで反射した照明光の回折強度または偏光変化を検出して検出信号を出力する検出部と、前記半導体パターンを形成する時のフォーカスオフセットと該パターンからの前記検出信号の検出強度との相関関係において前記検出強度が最大となるフォーカスオフセットに基づいて、前記露光時の像面の状態を判定する判定部とを備え、前記判定部は、１回の露光により形成される前記半導体パターンの複数の部分のそれぞれにおける前記検出強度が最大となるフォーカスオフセットに基づいて、前記露光時の像面の状態を判定するようになっている。
なお、前記照明部は、前記基板の前記半導体パターンで回折光が発生するように、前記照明光を前記基板の表面に照射し、前記検出部は、前記半導体パターンで反射した前記照明光の回折強度を検出して前記検出信号を出力してもよい。
また、前記照明部は、前記照明光として略直線偏光を前記基板の表面に照射し、前記検出部は、前記半導体パターンで反射した前記照明光の偏光変化を検出して前記検出信号を出力してもよい。

また、前記照明光として紫外光を用いてもよい。
また、前記基板は、異なる箇所に同じ露光条件で形成された前記半導体パターンを有し、前記判定部は、前記同じ露光条件で形成された前記半導体パターンの互いに対応する前記部分のそれぞれにおける前記検出強度の平均強度を用いて、前記判定を行ってもよい。
また、前記相関関係が関数近似を用いて求められていてもよい。

また、前記判定部は、前記露光時の像面の状態として前記露光時の像面傾斜を判定してもよい。

また、前記判定部により判定された前記露光時の像面の状態を、該露光を行った露光装置に入力可能な信号に変換して出力する信号出力部をさらに備えてもよい。
また、前記照明部は、前記照明光として略平行な光束を用いて、前記基板の前記半導体パターンが形成された面の全面を一括照明し、前記検出部は、前記全面からの光を一括して検出してもよい。

また、本発明に係る表面検査方法は、露光により形成された半導体パターンを有する基板に照明光を照射し、前記半導体パターンで反射した照明光の回折強度または偏光変化を検出して検出信号を出力し、前記半導体パターンを形成する時のフォーカスオフセットと該パターンからの前記検出信号の検出強度との相関関係において前記検出強度が最大となるフォーカスオフセットに基づいて、前記露光時の像面の状態を判定し、前記判定の際、１回の露光により形成される前記半導体パターンの複数の部分のそれぞれにおける前記検出強度が最大となるフォーカスオフセットに基づいて、前記露光時の像面の状態を判定する。
なお、前記基板の前記半導体パターンで回折光が発生するように、前記照明光を前記基板の表面に照射し、前記半導体パターンで反射した前記照明光の回折強度を検出して前記検出信号を出力してもよい。
また、前記照明光として略直線偏光を前記基板の表面に照射し、前記半導体パターンで反射した前記照明光の偏光変化を検出して前記検出信号を出力してもよい。

また、前記照明光として紫外光を用いてもよい。
また、前記基板は、異なる箇所に同じ露光条件で形成された前記半導体パターンを有し、前記同じ露光条件で形成された前記半導体パターンの互いに対応する前記部分のそれぞれにおける前記検出強度の平均強度を用いて、前記判定を行ってもよい。
また、関数近似を用いて前記相関関係を求めてもよい。

また、前記露光時の像面の状態として前記露光時の像面傾斜を判定してもよい。

また、前記判定した前記露光時の像面の状態を、該露光を行った露光装置に入力可能な信号に変換して出力してもよい。
また、前記照明光として略平行な光束を用いて、前記基板の前記半導体パターンが形成された面の全面を一括照明し、前記全面からの光を一括して検出してもよい。

本発明によれば、露光装置の相対的な光学的像面を精度よく求めることができる。

表面検査装置の全体構成を示す図である。 表面検査装置の光路上に偏光フィルタが挿入された状態を示す図である。 半導体ウェハの表面の外観図である。 繰り返しパターンの凹凸構造を説明する斜視図である。 直線偏光の入射面と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。 露光装置の像面の傾きを求める方法を示すフローチャートである。 条件振りウェハで設定したフォーカスオフセット量を示す表である。 条件振りウェハの一例を示す図である。 フォーカスカーブの一例を示す図である。 ショット内におけるフォーカスオフセット量の分布を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態の表面検査装置を図１に示しており、この装置により半導体基板である半導体ウェハ１０（以下、ウェハ１０と称する）の表面を検査する。本実施形態の表面検査装置１は、図１に示すように、略円盤形のウェハ１０を支持するステージ５を備え、不図示の搬送装置によって搬送されてくるウェハ１０は、ステージ５の上に載置されるとともに真空吸着によって固定保持される。ステージ５は、ウェハ１０の回転対称軸（ステージ５の中心軸）を回転軸として、ウェハ１０を回転（ウェハ１０の表面内での回転）可能に支持する。また、ステージ５は、ウェハ１０の表面を通る軸を中心に、ウェハ１０をチルト（傾動）させることが可能であり、照明光の入射角を調整できるようになっている。

表面検査装置１はさらに、ステージ５に支持されたウェハ１０の表面に照明光を平行光として照射する照明系２０と、照明光の照射を受けたときのウェハ１０からの反射光や回折光等を集光する受光系３０と、受光系３０により集光された光を受けてウェハ１０の表面の像を検出する撮像装置３５と、画像処理部４０とを備えて構成される。照明系２０は、照明光を射出する照明ユニット２１と、照明ユニット２１から射出された照明光をウェハ１０の表面に向けて反射させる照明側凹面鏡２５とを有して構成される。照明ユニット２１は、メタルハライドランプや水銀ランプ等の光源部２２と、光源部２２からの光のうち所定の波長を有する光を抽出し強度を調節する調光部２３と、調光部２３からの光を照明光として照明側凹面鏡２５へ導く導光ファイバ２４とを有して構成される。

そして、光源部２２からの光は調光部２３を通過し、所定の波長（例えば、２４８ｎｍの波長）を有する照明光が導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出され、導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出された照明光は、導光ファイバ２４の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点面に配置されているため、照明側凹面鏡２５により平行光束となってステージ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。なお、ウェハ１０に対する照明光の入射角と出射角との関係は、ステージ５をチルト（傾動）させてウェハ１０の載置角度を変化させることにより調整可能である。

また、導光ファイバ２４と照明側凹面鏡２５との間には、照明側偏光フィルタ２６が光路上へ挿抜可能に設けられており、図１に示すように、照明側偏光フィルタ２６を光路上から抜去した状態で回折光を利用した検査（以下、便宜的に回折検査と称する）が行われ、図２に示すように、照明側偏光フィルタ２６を光路上に挿入した状態で偏光（構造性複屈折による偏光状態の変化）を利用した検査（以下、便宜的にＰＥＲ検査と称する）が行われるようになっている（照明側偏光フィルタ２６の詳細については後述する）。

ウェハ１０の表面からの出射光（回折光もしくは反射光）は受光系３０により集光される。受光系３０は、ステージ５に対向して配設された受光側凹面鏡３１を主体に構成され、受光側凹面鏡３１により集光された出射光（回折光もしくは反射光）は、撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像が結像される。

また、受光側凹面鏡３１と撮像装置３５との間には、受光側偏光フィルタ３２が光路上へ挿抜可能に設けられており、図１に示すように、受光側偏光フィルタ３２を光路上から抜去した状態で回折検査が行われ、図２に示すように、受光側偏光フィルタ３２を光路上に挿入した状態でＰＥＲ検査が行われるようになっている（受光側偏光フィルタ３２の詳細については後述する）。

撮像装置３５は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。画像処理部４０の内部メモリ（図示せず）には、良品ウェハの画像データが予め記憶されており、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥（異常）の有無を検査する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。また、画像処理部４０は、ウェハの画像を利用して露光装置５０により投影露光されるマスクパターンの像面の傾きを計測できるようになっている（詳細は後述する）。

ところで、ウェハ１０は、露光装置５０により最上層のレジスト膜に対して所定のマスクパターンが投影露光され、現像装置（図示せず）による現像後、不図示の搬送装置により、不図示のウェハカセットまたは現像装置からステージ５上に搬送される。なおこのとき、ウェハ１０は、ウェハ１０のパターンもしくは外縁部（ノッチやオリエンテーションフラット等）を基準としてアライメントが行われた状態で、ステージ５上に搬送される。なお、ウェハ１０の表面には、図３に示すように、複数のチップ領域１１（ショット）が縦横に（図３におけるＸＹ方向に）配列され、各チップ領域１１の中には、半導体パターンとしてラインパターンまたはホールパターン等の繰り返しパターン１２が形成されている。また、露光装置５０は、詳細な図示を省略するが、前述のステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であり、ケーブル等を介して本実施形態の表面検査装置１の信号出力部（図示せず）と電気的に接続され、表面検査装置１からのデータ（信号）に基づいて露光制御の調整を可能に構成されている。

以上のように構成される表面検査装置１を用いて、ウェハ１０表面の回折検査を行うには、まず、図１に示すように照明側偏光フィルタ２６および受光側偏光フィルタ３２を光路上から抜去し、不図示の搬送装置により、ウェハ１０をステージ５上に搬送する。なお、搬送の途中で不図示のアライメント機構によりウェハ１０の表面に形成されているパターンの位置情報を取得しており、ウェハ１０をステージ５上の所定の位置に所定の方向で載置することができる。

次に、ウェハ１０の表面上における照明方向とパターンの繰り返し方向とが一致（ラインパターンの場合、ラインに対して直交）するようにステージ５を回転させるとともに、パターンのピッチをＰとし、ウェハ１０の表面に照射する照明光の波長をλとし、照明光の入射角をθ１とし、ｎ次回折光の出射角をθ２としたとき、ホイヘンスの原理より、次の（１）式を満足するように設定を行う（ステージ５をチルトさせる）。

Ｐ＝ｎ×λ／｛ｓｉｎ（θ１）−ｓｉｎ（θ２）｝ …（１）

次に、照明光をウェハ１０の表面に照射する。このような条件で照明光をウェハ１０の表面に照射する際、照明ユニット２１における光源部２２からの光は調光部２３を通過し、所定の波長（例えば、２４８ｎｍの波長）を有する照明光が導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５で反射した照明光が平行光束となってウェハ１０の表面に照射される。ウェハ１０の表面で回折した回折光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像（回折像）が結像される。

そこで、撮像装置３５は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。また、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥（異常）の有無を検査する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。

また、画像処理部４０は、露光装置５０のフォーカスオフセット量をショット毎に変化させた条件で露光して現像したウェハの画像を利用して、露光装置５０の回折光によるフォーカスカーブ（フォーカスオフセット量と回折光の強度の関係を示すカーブ）を求めることができる。このフォーカスカーブを利用して、１つのショット内の微小領域毎に回折光の輝度が最大となるフォーカスオフセット量を求めるようにすれば、露光装置５０により投影露光されるマスクパターンの像面の傾きを求めることができる。なお、回折光の場合、ラインアンドスペースのデューティー比をラインが１に対してスペースが１０以上とすれば、最大輝度となるフォーカスオフセット量がベストフォーカスとなる。

そこで、露光装置５０により投影露光されるマスクパターンの像面の傾きを求める方法について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、露光装置５０のフォーカスオフセット量を変化させて繰り返しパターンを形成したウェハを作成する（ステップＳ１０１）。このとき、露光ショット毎にフォーカスオフセット量をマトリックス状に変化させて露光し現像する。以下、このようなウェハを条件振りウェハ１０ａ（図７および図８を参照）と称することにする。

ここで、フォーカスオフセット量をマトリックス状に変化させるのは、例えば、ウェハの中央側と外周側の間に発生するレジスト条件の相違や、スキャン露光時のいわゆる左右差などの影響を相殺する目的で行う。なお、ウェハ上に形成されるレジスト膜（フォトレジスト）はスピンコートで塗布形成される場合が多く、レジスト原液がスピンにより広がるに連れ溶剤成分が揮発し粘度が上がり膜が厚くなる傾向があり、ウェハの中央側と外周側の間にレジスト条件の相違が発生する。また、いわゆる左右差とは、例えば、スキャン方向をＸ方向とした場合に、レチクルがＸ＋方向に移動（ウェハはＸ−方向に移動）しながら露光するときと、レチクルがＸ−方向に移動（ウェハはＸ＋方向に移動）しながら露光するときの差である。

本実施形態の条件振りウェハ１０ａは、図７に示すように、フォーカスオフセット量を２５ｎｍ刻みで−１７５ｎｍ〜＋２００ｎｍの１６段階に振っている。なお、図７の各ショットには、２５ｎｍ刻みで振ったフォーカスオフセット量の段階を示しており、段階が同じでスキャン方向が逆方向の場合には「´」を付している。例えば、同じフォーカスオフセット量で行う露光を、レチクル移動Ｘ＋方向／中央側で１ショット・レチクル移動Ｘ＋方向／外周側で１ショット・レチクル移動Ｘ−方向／中央側で１ショット・レチクル移動Ｘ−方向／外周側で１ショットのように４箇所設定することができる。また例えば、同じフォーカスオフセット量で行う露光を、条件振りウェハ１０ａの中心を対称軸として、レチクル移動Ｘ＋方向／外周側で２ショット・レチクル移動Ｘ−方向／外周側で２ショットのように４箇所設定することができる。本実施形態では、このようにフォーカスオフセット量を１６段階、各フォーカスオフセット量で４ショットの合計６４ショットで条件振りウェハ１０ａを作っている。

なお、条件振りウェハを複数枚作り、フォーカスカーブを求めてもよい。その場合、各条件振りウェハのマトリックスは、フォーカスオフセット以外の条件による影響を相殺するように設定することが好ましい。

条件振りウェハ１０ａを作成すると、回折検査の場合と同様にして、条件振りウェハ１０ａをステージ５上に搬送する（ステップＳ１０２）。次に、回折検査の場合と同様に、照明光を条件振りウェハ１０ａの表面に照射し、撮像装置３５が条件振りウェハ１０ａの回折像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する（ステップＳ１０３）。このとき、条件振りウェハ１０ａについて、露光したマスクパターンの情報または回折条件サーチ（正反射条件以外の角度範囲でステージ５をチルトさせ、回折光の強度を測る）を利用して回折条件を求め、回折光が得られるように回折検査の場合と同様の設定を行う。

次に、画像処理部４０は、撮像装置３５から入力された条件振りウェハ１０ａの画像信号に基づいて、条件振りウェハ１０ａのデジタル画像を生成し、フォーカスオフセット量が同じショット毎に画素単位（それぞれのショットの対応する部分の画素同士）で輝度（信号強度）の平均化を行う（ステップＳ１０４）。なお、回折検査で欠陥と判断された部分については、前述の平均化の対象から除外する。次に、画像処理部４０は、平均化を行った（すなわち、互いにフォーカスオフセット量の異なる）全てのショットについて、図８に示すようにショット内に設定した複数の設定領域（小さな長方形で囲んだ領域）Ａでの平均輝度（信号強度）をそれぞれ求める（ステップＳ１０５）。なお、条件振りウェハ１０ａは、露光装置５０のフォーカスオフセット量をショット毎に変化させているため、ショットの位置からフォーカスオフセット量を求めることができ、異なるフォーカスオフセット量で露光されたそれぞれのショット内の同位置の設定領域Ａにおいて、フォーカスオフセット量に応じて平均輝度が変化することになる。

そこで、画像処理部４０は、平均輝度を求めた各設定領域Ａごとに、（互いにフォーカスオフセット量の異なる）各ショットにおける同位置の設定領域Ａでの平均輝度と、これに対応するフォーカスオフセット量との関係を示すグラフ、すなわちフォーカスカーブを求める（ステップＳ１０６）。なお、フォーカスカーブの一例を図９に示す。フォーカスカーブを求めると、画像処理部４０は、フォーカスカーブの近似曲線をそれぞれ求める（ステップＳ１０７）。なお、近似曲線の式には、４次式を用いるのが好ましい。

次に、画像処理部４０は、フォーカスカーブの近似曲線において最大輝度となるフォーカスオフセット量を求める（ステップＳ１０８）。このとき、最大輝度となるフォーカスオフセット量を各設定領域Ａごとに求める（ステップＳ１０９）。このようにすれば、図１０に示すように、ショット内における、回折光の輝度が最大輝度となるフォーカスオフセット量の分布を求めることができる。

そして、ショット内における、回折光の輝度が最大輝度となるフォーカスオフセット量の分布に基づいて、露光装置５０により露光されるスリット（光）の長辺方向におけるフォーカスオフセット量の傾き（すなわち、像面の傾斜量）および、露光装置５０のレチクルステージ（図示せず）とウェハステージとのスキャン方向におけるフォーカスオフセット量の傾きをそれぞれ（近似的に）求める。なお、回折光の輝度が最大輝度となるフォーカスオフセット量がベストフォーカスでなくても、ショット内のパターンはそれぞれ近似しているためフォーカスオフセット量と回折光の輝度との関係は同様であり、像面の傾きは各結像点の相対位置関係であるので、回折光の最大輝度を求めることで像面の傾きが求まる。このようにして求めた像面の傾きは、例えば、像面湾曲率や最大最小値・対角方向の傾斜など露光装置５０が受け入れ可能なパラメータに変換された後に、画像処理部４０から信号出力部（図示せず）を介して露光装置５０に出力されて、露光装置５０による露光に反映される。なお、本実施形態における像面の傾きとは、露光装置５０における投影レンズによる投影像の像面傾斜とレチクルステージおよびウェハステージの走り誤差とによるウェハ上のフォトレジスト層に対する総合的な像面の傾きである。

このように、本実施形態によれば、画像処理部４０が、露光装置５０により露光された条件振りウェハ１０ａの画像に基づいて、露光装置５０により投影露光されるマスクパターンの像面の傾き（すなわち、ウェハ１０に形成される繰り返しパターン１２内の合焦ズレの傾向）を求めるため、実際の露光に用いるマスクパターンおよび照明条件で露光したショットの画像に基づいて計測を行うことができる。このとき、露光装置５０のフォーカスオフセット量をショット毎に変化させながら露光したパターンをそれぞれ、条件振りウェハ１０ａの表面において一括で撮像することが可能である。そのため、ショット内の各設定領域Ａごとに回折光の最大輝度を求める際、条件振りウェハ１０ａ上のフォーカスオフセット量の異なるショット毎に各設定領域Ａの平均輝度を求めるため、レジスト膜等の膜厚変動による影響を平均化して低減することができる。このように、実際の露光に用いるマスクパターンで露光したショットの画像に基づいて計測を行うことができ、さらに、レジスト膜等の膜厚変動による影響を平均化して低減できることから、露光装置５０の相対的な光学的像面を精度よく計測することが可能になる。

また、ウェハの表面から生じた回折光による像を撮像するようにすれば、レジスト膜等の膜厚変動による影響を受けにくいため、露光装置５０の相対的な光学的像面をより精度よく計測することが可能である。

このとき、対象となる様々なパターン毎に最適な回折条件を選択することで、高精度な計測が可能になる。特に、微少量のフォーカス変化に対する感度が高く高分解能が得られる。

また、露光装置の露光条件に関して、ショット内の照明系不均一、レンズ曇り等による不均一性に関しても、適切な回折条件を選択することで、影響の少ない像面計測が可能となる。なお、従来では、ショット内の照明系不均一等によるコントラスト不均一性も精度を低下させる原因であった。

また、対象となるパターンによっては回折条件を複数選択し、それぞれの条件を平均化することで、さらなる精度向上が得られる。なおこのとき、多次数の回折条件や波長を選択するようにする。また、複数のパターンピッチが存在する条件に対しては、異なるピッチ条件による計測を行い、フォーカスカーブの曲がり方が急な条件を用いると精度が安定して良くなる。

また、回折条件を選択する際、ＤＯＳＥ量に拘わらずベストフォーカス位置がほとんど変わらない回折条件を選ぶことで、ショット内のＤＯＳＥ（エネルギー）不均一性があっても、像面計測には影響の無い精度を求めることが可能となる。従来のように、１ショットよりも小さなエリア内でフォーカスオフセットを変えて露光し、計測すると、異なるショット内のエネルギー分布を計測してしまうため、従来では誤差が生じていた。

なお、上述の実施形態において、条件振りウェハ１０ａの画像に基づいて、露光装置５０の像面を計測しているが、これに限られるものではなく、露光装置５０のフォーカスオフセット量をウェハごとに変化させて（同一のウェハにおいては、同一の条件で）露光し現像した複数のウェハの画像を利用して、露光装置５０の像面を計測するようにしてもよい。このようにすれば、ショット位置を変えるごとに生じるダイナミックな制御誤差（ウェハステージの走り誤差やレベリング誤差、レチクルステージの走り誤差やレベリング誤差、レチクルステージとウェハステージとの同期誤差等）を低減することができるため、より高精度な計測が可能になる。

また、回折が起こるためにはパターンの繰り返し間隔が照明波長の１／２以上でなければならない。そのため、照明光として波長が２４８ｎｍの光を用いた場合、繰り返し間隔が１２４ｎｍ以下の繰り返しパターンでは回折光が発生しなくなる。しかしそのような場合でも、ショット内の各位置に１２４ｎｍよりも長い繰り返し間隔を有するパターン（例えばガードパターン等）があれば、そこで回折光が発生するので測定が可能となる。なお、パターンを露光する際の照明条件は、微細なパターンに合わせてあるため、前述の繰り返し間隔の長いパターンの方が微細なパターンよりも合焦ズレ（デフォーカス）によって形状が崩れやすく、測定精度が上がる場合がある。

また、上述の実施形態において、露光装置５０はステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であったが、露光装置５０のステージスキャンやレチクルスキャンを行わない、ステップ・アンド・リピート露光を行うときも同様の計測が有効な手段となる。

また、上述の実施形態において、ウェハの表面で生じた回折光を利用して露光装置５０の像面を計測しているが、これに限られるものではなく、ウェハの表面で生じた正反射光や偏光の状態変化等を利用して露光装置５０の像面を計測するようにしてもよい。

そこで、表面検査装置１によりウェハ１０表面のＰＥＲ検査を行う場合について説明する。なお、繰り返しパターン１２は、図４に示すように、複数のライン部２Ａがその短手方向（Ｘ方向）に沿って一定のピッチＰで配列されたレジストパターン（ラインパターン）であるものとする。また、隣り合うライン部２Ａ同士の間は、スペース部２Ｂである。また、ライン部２Ａの配列方向（Ｘ方向）を「繰り返しパターン１２の繰り返し方向」と称することにする。

ここで、繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａの線幅Ｄ_Aの設計値をピッチＰの１／２とする。設計値の通りに繰り返しパターン１２が形成された場合、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aとスペース部２Ｂの線幅Ｄ_Bは等しくなり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比は略１：１になる。これに対して、繰り返しパターン１２を形成する際の露光フォーカスが適正値から外れると、ピッチＰは変わらないが、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aが設計値と異なってしまうとともに、スペース部２Ｂの線幅Ｄ_Bとも異なってしまい、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。

ＰＥＲ検査は、上記のような繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比の変化を利用して、繰り返しパターン１２の異常検査を行うものである。なお、説明を簡単にするため、理想的な体積比（設計値）を１：１とする。体積比の変化は、露光フォーカスの適正値からの外れに起因し、ウェハ１０のショット領域ごとに現れる。なお、体積比を断面形状の面積比と言い換えることもできる。

ＰＥＲ検査では、図２に示すように、照明側偏光フィルタ２６および受光側偏光フィルタ３２が光路上に挿入される。また、ＰＥＲ検査を行うとき、ステージ５は、照明光が照射されたウェハ１０からの正反射光を受光系３０で受光できる傾斜角度にウェハ１０をチルトさせるとともに、所定の回転位置で停止し、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向を、図５に示すように、ウェハ１０の表面における照明光（直線偏光Ｌ）の振動方向に対して、４５度だけ斜めになるように保持する。繰り返しパターン１２の検査の光量を最も高くするためである。また、２２．５度や６７．５度とすれば検査の感度が高くなる。なお、角度はこれらに限らず、任意角度方向に設定可能である。

照明側偏光フィルタ２６は、導光ファイバ２４と照明側凹面鏡２５との間に配設されるとともに、その透過軸が所定の方位に設定され、透過軸に応じて照明ユニット２１からの光から直線偏光を抽出する。このとき、導光ファイバ２４の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点位置に配置されているため、照明側凹面鏡２５は、照明側偏光フィルタ２６を透過した光を平行光束にして、半導体基板であるウェハ１０を照明する。このように、導光ファイバ２４から射出された光は、照明側偏光フィルタ２６および照明側凹面鏡２５を介しｐ偏光の直線偏光Ｌ（図５を参照）となり、照明光としてウェハ１０の表面全体に照射される。

このとき、直線偏光Ｌの進行方向（ウェハ１０表面上の任意の点に到達する直線偏光Ｌの主光線の方向）は光軸に略平行であることから、ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌの入射角度は、平行光束のため互いに同じとなる。また、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌがｐ偏光であるため、図５に示すように、繰り返しパターン１２の繰り返し方向が直線偏光Ｌの入射面（ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの進行方向）に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向とのなす角度も、４５度に設定される。言い換えると、直線偏光Ｌは、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向が繰り返しパターン１２の繰り返し方向に対して４５度傾いた状態で、繰り返しパターン１２を斜めに横切るようにして繰り返しパターン１２に入射することになる。

ウェハ１０の表面で反射した正反射光は、受光系３０の受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達するが、このとき、繰り返しパターン１２での構造性複屈折により直線偏光Ｌの偏光状態が変化する。受光側偏光フィルタ３２は、受光側凹面鏡３１と撮像装置３５との間に配設され、受光側偏光フィルタ３２の透過軸の方位は、上述した照明側偏光フィルタ２６の透過軸に対して直交するように設定されている（クロスニコルの状態）。したがって、受光側偏光フィルタ３２により、ウェハ１０（繰り返しパターン１２）からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分（例えば、ｓ偏光の成分）を抽出して、撮像装置３５に導くことができる。その結果、撮像装置３５の撮像面には、ウェハ１０からの正反射光のうち直線偏光Ｌに対して振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の反射像が形成される。

表面検査装置１によりウェハ１０表面のＰＥＲ検査を行うには、まず、図２に示すように照明側偏光フィルタ２６および受光側偏光フィルタ３２を光路上に挿入し、不図示の搬送装置により、ウェハ１０をステージ５上に搬送する。なお、搬送の途中で不図示のアライメント機構によりウェハ１０の表面に形成されているパターンの位置情報を取得しており、ウェハ１０をステージ５上の所定の位置に所定の方向で載置することができる。またこのとき、ステージ５は、照明光が照射されたウェハ１０からの正反射光を受光系３０で受光できる傾斜角度にウェハ１０をチルトさせるとともに、所定の回転位置で停止し、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向を、ウェハ１０の表面における照明光（直線偏光Ｌ）の振動方向に対して、４５度だけ斜めになるように保持する。

次に、照明光をウェハ１０の表面に照射する。このような条件で照明光をウェハ１０の表面に照射する際、照明ユニット２１の導光ファイバ２４から射出された光は、照明側偏光フィルタ２６および照明側凹面鏡２５を介しｐ偏光の直線偏光Ｌとなり、照明光としてウェハ１０の表面全体に照射される。ウェハ１０の表面で反射した正反射光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像（反射像）が結像される。

このとき、繰り返しパターン１２での構造性複屈折により直線偏光Ｌの偏光状態が変化し、受光側偏光フィルタ３２は、ウェハ１０（繰り返しパターン１２）からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分（すなわち、直線偏光Ｌの偏光状態の変化）を抽出して、撮像装置３５に導くことができる。その結果、撮像装置３５の撮像面には、ウェハ１０からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の反射像が形成される。

そこで、撮像装置３５は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像（反射像）を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。また、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥（異常）の有無を検査する。なお、良品ウェハの反射画像の輝度情報（信号強度）は、最も高い輝度値を示すものと考えられるため、例えば、良品ウェハと比較した輝度変化が予め定められた閾値（許容値）より大きければ「異常」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。

ところで、画像処理部４０は、露光装置５０のフォーカスオフセット量をショット毎に変化させた条件で露光して現像したウェハの画像を利用して、露光装置５０の偏光によるフォーカスカーブを求めることができる。このフォーカスカーブを利用して、検出される偏光の輝度が最大となるフォーカスオフセット量を求めるようにすれば、回折光の場合と同様に、露光装置５０により投影露光されるマスクパターンの像面の傾きを求めることができる。具体的には、図６に示すフローチャートのステップＳ１０３において、照明光として直線偏光Ｌを条件振りウェハ１０ａの表面に照射し、撮像装置３５が条件振りウェハ１０ａの反射像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力すればよい。なお、偏光の場合、最大輝度となるフォーカスオフセット量がベストフォーカスと考えられるため、ベストフォーカスとなるフォーカスオフセット量を容易に知ることができる。

なお、受光側偏光フィルタ３２の透過軸の方位は、上述した照明側偏光フィルタ２６の透過軸に対して直交状態から僅かにずらして、照明光である偏光の構造性複屈折による回転に合わせてもよい。

１ 表面検査装置 ５ ステージ
１０ ウェハ（１０ａ 条件振りウェハ） ２０ 照明系（照明部）
３０ 受光系 ３５ 撮像装置（検出部）
４０ 画像処理部（演算部） ５０ 露光装置

Claims (18)

1. 露光により形成された半導体パターンを有する基板に照明光を照射する照明部と、
   前記半導体パターンで反射した照明光の回折強度または偏光変化を検出して検出信号を出力する検出部と、
   前記半導体パターンを形成する時のフォーカスオフセットと該パターンからの前記検出信号の検出強度との相関関係において前記検出強度が最大となるフォーカスオフセットに基づいて、前記露光時の像面の状態を判定する判定部とを備え、
   前記判定部は、１回の露光により形成される前記半導体パターンの複数の部分のそれぞれにおける前記検出強度が最大となるフォーカスオフセットに基づいて、前記露光時の像面の状態を判定することを特徴とする表面検査装置。
2. 前記照明部は、前記基板の前記半導体パターンで回折光が発生するように、前記照明光を前記基板の表面に照射し、
   前記検出部は、前記半導体パターンで反射した前記照明光の回折強度を検出して前記検出信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記照明部は、前記照明光として略直線偏光を前記基板の表面に照射し、
   前記検出部は、前記半導体パターンで反射した前記照明光の偏光変化を検出して前記検出信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査装置。
4. 前記照明光として紫外光を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の表面検査装置。
5. 前記基板は、異なる箇所に同じ露光条件で形成された前記半導体パターンを有し、
   前記判定部は、前記同じ露光条件で形成された前記半導体パターンの互いに対応する前記部分のそれぞれにおける前記検出強度の平均強度を用いて、前記判定を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の表面検査装置。
6. 前記相関関係が関数近似を用いて求められていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の表面検査装置。
7. 前記判定部は、前記露光時の像面の状態として前記露光時の像面傾斜を判定することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の表面検査装置。
8. 前記判定部により判定された前記露光時の像面の状態を、該露光を行った露光装置に入力可能な信号に変換して出力する信号出力部をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の表面検査装置。
9. 前記照明部は、前記照明光として略平行な光束を用いて、前記基板の前記半導体パターンが形成された面の全面を一括照明し、
   前記検出部は、前記全面からの光を一括して検出することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の表面検査装置。
10. 露光により形成された半導体パターンを有する基板に照明光を照射し、
    前記半導体パターンで反射した照明光の回折強度または偏光変化を検出して検出信号を出力し、
    前記半導体パターンを形成する時のフォーカスオフセットと該パターンからの前記検出信号の検出強度との相関関係において前記検出強度が最大となるフォーカスオフセットに基づいて、前記露光時の像面の状態を判定し、
    前記判定の際、１回の露光により形成される前記半導体パターンの複数の部分のそれぞれにおける前記検出強度が最大となるフォーカスオフセットに基づいて、前記露光時の像面の状態を判定することを特徴とする表面検査方法。
11. 前記基板の前記半導体パターンで回折光が発生するように、前記照明光を前記基板の表面に照射し、
    前記半導体パターンで反射した前記照明光の回折強度を検出して前記検出信号を出力することを特徴とする請求項１０に記載の表面検査方法。
12. 前記照明光として略直線偏光を前記基板の表面に照射し、
    前記半導体パターンで反射した前記照明光の偏光変化を検出して前記検出信号を出力することを特徴とする請求項１０または１１に記載の表面検査方法。
13. 前記照明光として紫外光を用いることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の表面検査方法。
14. 前記基板は、異なる箇所に同じ露光条件で形成された前記半導体パターンを有し、
    前記同じ露光条件で形成された前記半導体パターンの互いに対応する前記部分のそれぞれにおける前記検出強度の平均強度を用いて、前記判定を行うことを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の表面検査方法。
15. 関数近似を用いて前記相関関係を求めることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の表面検査方法。
16. 前記露光時の像面の状態として前記露光時の像面傾斜を判定することを特徴とする請求項１０から１５に記載の表面検査方法。
17. 前記判定した前記露光時の像面の状態を、該露光を行った露光装置に入力可能な信号に変換して出力することを特徴とする請求項１０から１６のいずれか一項に記載の表面検査方法。
18. 前記照明光として略平行な光束を用いて、前記基板の前記半導体パターンが形成された面の全面を一括照明し、
    前記全面からの光を一括して検出することを特徴とする請求項１０から１７のいずれか一項に記載の表面検査方法。