JP6578118B2 - 撮像装置、検査装置および検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置、検査装置および検査方法に関する。

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、マスクの回路パターンを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、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ（Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ；ＮＩＬ）が注目されている。ＥＵＶリソグラフィは、光源として極端紫外光を使用することにより、従来のＡｒＦ光を使用した露光装置より微細なパターンを形成することが可能である。ナノインプリントリソグラフィは、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。いずれの技術も、原版となるマスクおよびテンプレートに形成されるパターンは、これまでのＡｒＦリソグラフィと比較して微細となり、その検査には高い検査精度が要求される。

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、センサ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。

検査を行ううえでは、センサに入射する光の光量を十分に確保することが必要であり、光量が不足すると、検査精度の低下や、検査時間の長時間化を招く。ここで、反射光学系では、光源からの光をハーフミラーで反射させてマスクに照射した後、マスクで反射した光をこのハーフミラーに透過させ、次いでこの光をセンサに入射させて光学画像を撮像している。このとき、まず、ハーフミラーで反射した光のみをマスクへの照明光として利用することで、光源からの光の光量は２分の１になる。次に、マスクからの反射光のうち、ハーフミラーを透過した光のみをセンサへの入射光として利用することで、光の光量はさらに２分の１になる。つまり、この光学系では、センサに入射する光は、光源からの光の光量の４分の１になってしまう。

反射光学系における光源からの光の光量減少については、ファラデー回転子を用いることで改善可能である。しかし、ファラデー回転子は、その周囲に強力な磁界を発生させるため、ファラデー回転子に隣接する素子にファラデー回転を生じさせるおそれがある。

本発明は、かかる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、ファラデー回転子を備えた撮像装置において、ファラデー回転子の周囲に配置された素子への影響を最小限に抑制することのできる撮像装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、かかる撮像装置を用いて、反射光学系における光量の低下を最小限に抑制しながら検査を行うことのできる検査装置および検査方法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、光源と、
前記光源からの光を対象物に照明する偏光ビームスプリッタと、
前記対象物で反射した光が前記偏光ビームスプリッタを介して入射することによって前記対象物を撮像するセンサと、
前記偏光ビームスプリッタと前記対象物の間であって、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されたファラデー回転子とを有することを特徴とするものである。

本発明の第１の態様において、ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．２度以上で０．２度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されることが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記ファラデー回転子には、前記ファラデー回転子を透過する前の光の偏光面が、前記ファラデー回転子を往復して透過することで９０度回転するように磁界が印加されることが好ましい。

本発明の第１の態様において、ファラデー回転子は、光を透過する光学材料を有し、電磁石、永久磁石および電磁石と永久磁石を組み合わせたものよりなる群から選ばれるいずれか１つによって、前記光学材料に前記磁界が印加されることが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記偏光ビームスプリッタと前記対象物の間に２分の１波長板が配置されており、前記２分の１波長板によって前記対象物を照明する光の偏光方向を変化させることが好ましい。

本発明の第１の態様において、前記２分の１波長板は回転機構を有し、前記回転機構によって前記２分の１波長板の角度を変えて前記光の偏光方向を変化させることが好ましい。

本発明の第２の態様は、所定の波長の光を出射する光源を備え、前記光源から出射した光を、偏光ビームスプリッタで反射させ、２分の１波長板とファラデー回転子を透過させて、検査対象となる試料に形成された繰り返しパターンの繰り返し方向に対し−５度以上５度以下と８５度以上９５度以下の各範囲にある角度以外の角度の偏光面を有する光にして、前記試料を照明する照明光学系と、
前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る撮像センサと、
前記試料で反射した光を、前記２分の１波長板と前記ファラデー回転子と前記偏光ビームスプリッタを透過させて、前記撮像センサに結像する結像光学系と、
前記光学画像について画素毎の階調値を求め、
（１）前記階調値の標準偏差を最小にする前記ファラデー回転子による光の偏光面の回転角度、または、
（２）前記回転角度を変えて取得した複数の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回転角度を取得する画像処理部と、
前記画像処理部で取得した前記回転角度となるように、前記ファラデー回転子に磁界を印加する角度制御部と、
前記ファラデー回転子に前記磁界が印加された状態で撮像された光学画像に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う欠陥検出部とを有し、
前記光源の波長と前記ファラデー回転子を透過した光を前記試料に照明する対物レンズの開口数によって定まる解像限界は、前記パターンを解像しない値であり、
前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置され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、前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．２度以上で０．２度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されることが好ましい。

本発明の第２の態様において、前記ファラデー回転子は、光を透過する光学材料を有し、電磁石、永久磁石および電磁石と永久磁石を組み合わせたものよりなる群から選ばれるいずれか１つによって、前記光学材料に前記磁界が印加されることが好ましい。

本発明の第３の態様は、所定の波長の光を出射する光源から出射した光を、偏光ビームスプリッタで反射させ、２分の１波長板とファラデー回転子を透過させて、検査対象となる試料に形成された繰り返しパターンの繰り返し方向に対し−５度以上５度以下と８５度以上９５度以下の各範囲にある角度以外の角度の偏光面を有する光にし、前記ファラデー回転子を透過した光を対物レンズで集光して前記試料を照明し、前記試料で反射した光を、前記ファラデー回転子と前記２分の１波長板と前記偏光ビームスプリッタを透過させて撮像センサに結像し、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る工程と、
前記光学画像について画素毎の階調値を求め、
（１）前記階調値の標準偏差を最小にする前記ファラデー回転子による光の偏光面の回転角度、または、
（２）前記回転角度を変えて取得した複数の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回転角度を取得する工程と、
前記取得した回転角度となるように、前記ファラデー回転子に磁界を印加する工程と、
前記ファラデー回転子に前記磁界が印加された状態で撮像された光学画像に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う工程とを有し、
前記光源の波長と前記対物レンズの開口数によって定まる解像限界は、前記パターンを解像しない値であり、
前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されることを特徴とする検査方法に関する。

本発明の第３の態様において、前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．２度以上で０．２度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されることが好ましい。

本発明の第３の態様において、前記ファラデー回転子は、光を透過する光学材料を有し、前記ファラデー回転子に磁界を印加する工程は、電磁石、永久磁石および電磁石と永久磁石を組み合わせたものよりなる群から選ばれるいずれか１つによって、前記光学材料に前記磁界を印加する工程であることが好ましい。

本発明の第３の態様において、前記ファラデー回転子に磁界を印加する工程は、磁界の強さの異なる複数の永久磁石から１つの磁石を選択して、前記光学材料に前記磁界を印加する工程であることが好ましい。

本発明の第３の態様において、前記ファラデー回転子に磁界を印加する工程は、前記ファラデー回転子の構成要素となる厚みの異なる複数の光学材料から、前記取得した回転角度を実現する光学材料を選択した後、該光学材料に磁界を印加する工程であることが好ましい。

本発明の第１の態様によれば、ファラデー回転子の周囲に配置された素子への影響を最小限に抑制することのできる撮像装置が提供される。

本発明の第２の態様によれば、本発明の第１の態様による撮像装置を用いて、ファラデー回転子の周囲に配置された光学素子への影響を最小限にしつつ、反射光学系における光量の低下を最小限にして検査を行うことのできる検査装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、本発明の第１の態様による撮像装置を用いて、ファラデー回転子の周囲に配置された光学素子への影響を最小限にしつつ、反射光学系における光量の低下を最小限にして検査対象物を撮像し、それによって、検査に不要な光を偏光ビームスプリッタによって排除して高精度の検査を行うことのできる検査方法が提供される。

本実施の形態の撮像装置の一例を示す図である。 光の偏光面が回転する様子を説明する図である。 光の偏光面が回転する様子を説明する図である。 本実施の形態の比較例となる撮像装置の一例である。 本実施の形態における検査装置の構成図である。 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９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。 試料の光学画像の取得手順を説明する図である。 ファラデー回転子と偏光ビームスプリッタの距離と、偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角との関係を示す一例である。 ファラデー回転子が発生する磁場が周囲の光学素子に及ぼす影響を模式的に示す一例である。 ファラデー回転子が発生する磁場が周囲の光学素子に及ぼす影響を模式的に示す他の例である。 支持部材が３点で試料を支持する状態を示す図である。

図１は、本実施の形態の撮像装置の一例であり、その構成を示したものである。この撮像装置は、マスク１００６を照明する照明光学系ＯＰ１と、マスク１００６で反射した光をセンサ１００７に結像させる結像光学系ＯＰ２と、マスク１００６のパターンを撮像するセンサ１００７とを有する。

照明光学系ＯＰ１は、光源１００１と、偏光ビームスプリッタ１００２と、２分の１波長板１００３と、ファラデー回転子１００４と、対物レンズ１００５とを有する。一方、結像光学系ＯＰ２は、対物レンズ１００５と、ファラデー回転子１００４と、２分の１波長板１００３と、偏光ビームスプリッタ１００２とを有する。偏光ビームスプリッタ１００２、２分の１波長板１００３、ファラデー回転子１００４および対物レンズ１００５は、照明光学系ＯＰ１と結像光学系ＯＰ２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。本実施の形態では、ＤＵＶ（Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒａｄｉａｔｉｏｎ；遠紫外）光を出射する光源を用いることが好ましい。これにより、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ；電子ビーム）を光源に用いた場合に問題となるスループットの低下を引き起こさずに検査をすることができる。

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１００６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。但し、本実施の形態はこれに限られるものではなく、検査対象を円偏光によって照明してもよい。円偏光によれば、解像特性に方向性のない光学画像が得られる。尚、検査対象を円偏光で照明するには、光源から出射された光を４分の１波長板に透過させ、この透過光を検査対象に照明すればよい。

図１の照明光学系ＯＰ１において、光源１００１から出射された直線偏光は、偏光ビームスプリッタ１００２で反射し、２分の１波長板１００３を透過した後、ファラデー回転子１００４に入射する。

偏光ビームスプリッタ１００２は、例えば、４５度直角プリズムの斜面に偏光膜をコーティングして接着したキューブ状のビームスプリッタとすることができる。

ファラデー回転子１００４は、光を透過する光学材料１００４ａと、その周りに巻装したコイル１００４ｂとを有する。光学材料１００４ａには、光源１００１からの光に対して高い透過率を有する材料を用いる。例えば、光源１００１としてＤＵＶ光を出射するものを用いた場合、ＳｉＯ_２、ＣａＦ_２またはＭｇＦ_２などの磁気光学結晶が光学材料１００４ａとして用いられる。コイル１００４ｂは、電流を流すことによって、光学材料１００４ａに、光の進行方向に沿って平行な方向に磁場が加えられるよう巻装されている。

ファラデー回転子１００４は、ファラデー効果によって光の偏光面を回転させる。ここで、ファラデー効果とは、光学材料に直線偏光を入射させ、光の進行方向と同一の方向に磁場を加えると、直線偏光の２つの成分（右回りの円偏光と左回りの円偏光）の位相速度にずれが生じ、その結果、出口での位相差によって、光学材料から出てくる光（直線偏光）の偏光面が回転する現象を言う。

本実施の形態では、光がファラデー回転子１００４を２回透過することで、その偏光面が往復で９０度回転することが好ましい。つまり、光学材料へは、光が往復で９０度回転するように磁界が印加されることが好ましい。図２および図３は、光の偏光面が回転する様子を説明する図である。尚、これらの図において、図１と同じ符号を付したものは同じものであることを示している。

図２の例では、２分の１波長板１００３を透過することによって、直線偏光Ｌの偏光面は４５度回転する。続いて、ファラデー回転子１００４を透過することによって、この直線偏光Ｌは、偏光面をさらに４５度回転させる。その後、この直線偏光Ｌは、対物レンズ１００５によってマスク（図２では図示されない）上に結像される。

次に、図３において、マスク（図３では図示されない）で反射した直線偏光Ｌは、対物レンズ１００５を透過し、続いて、ファラデー回転子１００４に入射する。ファラデー回転子１００４を透過することによって、直線偏光Ｌの偏光面は４５度回転する。次いで、２分の１波長板１００３を透過することによって、直線偏光Ｌの偏光面は−４５度回転する。

このように、図２および図３の例では、光源１００１から出射された光は、ファラデー回転子１００４を２回透過することで、偏光方向が９０度回転する。これにより、図１において、光源１００１から出射された光は、偏光ビームスプリッタ１００２で反射されて、マスク１００６へ向かうが、マスク１００６で反射された光は、偏光方向が９０度回転することで、偏光ビームスプリッタ１００２を透過するようになり、光源１００１ではなく、センサ１００７へ向かう。センサ１００７に光が入射することで、センサ１００７は、マスク１００６の光学画像を撮像する。

また、マスク１００６を照明する光の偏光方向は、ファラデー回転子１００４と２分の１波長板１００３の双方によって変化する。ここで、ファラデー回転子１００４については、光学材料に印加する磁場の大きさを変えることで、光の偏光方向を変化させることができる。一方、２分の１波長板１００３については、これに回転機構を設けることで、回転角を任意に変化させることが可能である。つまり、回転機構によって、２分の１波長板１００３に入射する光の偏光方向に対する光学軸（遅相軸）の角度を変え、それによって、２分の１波長板１００３から出射する光の偏光方向を変化させる。

尚、上記では、ファラデー回転子の例として、コイルに電流を流すことによって、光学材料に磁場が加えられるものを述べたが、ファラデー回転子は、こうした電磁石を用いたものには限られず、永久磁石を用いたものや、電磁石と永久磁石を組み合わせたものであってもよい。光の屈折率は、温度に応じてほぼ直線的に変化する。そのため、電磁石では、コイルに温度分布が生じて収差が発生するおそれがある。一方、永久磁石を用いた場合にはこうした問題を回避可能である。この場合、必要とする回転角に応じた磁場が発生するよう、永久磁石の種類や個数を変更可能なようにしておくことが好ましい。また、永久磁石と電磁石を組み合わせたものであれば、基本となる磁場を発生させる永久磁石を設けたうえで、必要とする回転角を生じさせるのに要する磁場との差分のみを電磁石で発生させるようにすることが可能である。この構成であれば、永久磁石の交換等が不要となり、また、温度上昇を最小限に抑えることができる。

ところで、ファラデー回転子は磁場を発生させるので、ファラデー回転子からの漏洩磁場によって、周囲の素子にもファラデー効果が生じるおそれがある。特に、偏光ビームスプリッタ１００２にファラデー効果が生じるのは問題である。これについて、以下に詳述する。

前述の通り、図１で光源１００１から出射された光は、ファラデー回転子１００４を２回透過することで、偏向方向が９０度回転する。これにより、光源１００１から出射された光は、偏光ビームスプリッタ１００２で反射されて、マスク１００６へ向かうが、マスク１００６で反射された光は、偏向方向が９０度回転することで、偏光ビームスプリッタ１００２を透過して、光源１００１ではなく、センサ１００７へ向かうようになる。このとき、光は、ファラデー回転子１００４によって回転した偏向方向を保った状態で偏光ビームスプリッタ１００２を透過することが必要となる。これにより、後述するように、マスク１００６の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センサ１００７に入射するようになるためである。

しかしながら、偏光ビームスプリッタ１００２にファラデー効果が生じると、偏光ビームスプリッタ１００２でも光の偏向方向が変化するので、エッジラフネスで散乱した光が透過してしまうおそれがある。すると、センサ１００７で撮像された光学画像において、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くなり、光学解像限界以下のパターンの検査に支障をきたす結果となる。

図１２は、ファラデー回転子と偏光ビームスプリッタの間の距離と、偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角との関係を示す一例である。尚、上記距離は、ファラデー回転子の磁気光学結晶または磁石の端面から、偏光ビームスプリッタを構成するプリズムの端面までの長さとすることができる。図１２に示すように、ファラデー回転子と偏光ビームスプリッタの距離が大きくなると、偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角は小さくなる。ここで、ファラデー回転角の変化の割合は一様ではない。例えば、図１２に示すような特性を持つ場合、ファラデー回転角が−１．０度より小さいとき、ファラデー回転角は距離に対して略一次関数的に変化する。ファラデー回転角が−１．０度よりも大きくなると変化の割合は減少し、−０．５度以下でさらに減少する。そして、ファラデー回転角が−０．２度以下では、ファラデー回転子と偏光ビームスプリッタの距離に対して殆ど変化しなくなる。

図１３および図１４は、ファラデー回転子１００４が発生させる磁場が周囲の光学素子に及ぼす影響を模式的に示したものである。図１３では、ファラデー回転子１００４の磁場が、偏光ビームスプリッタ１００２、２分の１波長板１００３および対物レンズ１００５に及んでいる。これに対して、図１４のように、ファラデー回転子１００４から周囲の光学素子までの距離を大きくすると、ファラデー回転子の磁場の影響は偏光ビームスプリッタ１００２や対物レンズ１００５に及ばなくなる。

そこで、本実施の形態においては、ファラデー回転子１００４が周囲の光学素子に及ぼす影響が最小限となるよう、ファラデー回転子１００４と周囲の光学素子との間に所定の距離を設ける。このとき、距離が大きくなるほど偏光ビームスプリッタ１００２への影響は小さくなるが、一方で撮像装置全体の大きさが大きくなる。したがって、両者を比較考量して適当な距離とするのがよい。つまり、偏光ビームスプリッタ１００２におけるファラデー回転角は０度であることが望ましいが、図１２から分かるように、０度にするにはファラデー回転子１００４との距離を相当大きくする必要があり現実的でない。したがって、撮像装置全体の大きさも考慮し、偏光ビームスプリッタ１００２におけるファラデー回転角の絶対値が０．５度以下、好ましくは、０．２度以下となるように、ファラデー回転子１００４を偏光ビームスプリッタ１００２から離して配置する。本構成では、ファラデー回転子の中を光が往復するため、ファラデー回転角が０度のときは、対象物から反射された光が偏光ビームスプリッタを透過する割合は０％になる。また、ファラデー回転角が４５度のときは、対象物から反射された光が偏光ビームスプリッタを透過する割合は１００％になる。したがって、ファラデー回転角の設定範囲は０度から４５度となる。一方、光学素子におけるファラデー回転は誤差要因となるが、これを０．５度以下に抑えることにより、ファラデー回転角の設定誤差を１％程度に抑えることが可能になる。

ところで、ファラデー回転子１００４の磁場の影響は、２分の１波長板１００３や対物レンズ１００５にも及ばないようにすることが好ましいが、及んだとしても、それによって生じるファラデー回転角を見込んで、ファラデー回転子１００４によるファラデー回転角を調整することが可能である。

一方、偏光ビームスプリッタ１００２は、入射光の光軸に対して斜め４５度となるように配置される。このため、ファラデー回転子１００４の磁場の影響が偏光ビームスプリッタ１００２に及ぶと、偏光ビームスプリッタ１００２内でファラデー回転角の分布ができる。例えば、偏光ビームスプリッタ１００２は、４５度直角プリズムの斜面に偏光膜をコーティングして接着したキューブ状のビームスプリッタとすることができるが、この場合、図１３でファラデー回転子１００４に近い斜面にはファラデー回転子１００４の磁場の影響が及んでいるが、ファラデー回転子から離れた斜面には磁場の影響が及んでいない。こうしたファラデー回転角の分布を、予め設定されるファラデー回転子１００４のファラデー回転角によって調整することは困難である。したがって、偏光ビームスプリッタ１００２とファラデー回転子１００４との間に所定の距離を設け、ファラデー回転子１００４の磁場の影響が偏光ビームスプリッタ１００２に及ばないようにするのがよい。

図４は、本実施の形態の比較例となる撮像装置の一例である。この撮像装置では、光源２００１から出射され、ハーフミラー２００２で反射した光は、２分の１波長板２００３を透過した後、対物レンズ２００５を介してマスク２００６を照明する。そして、マスク２００６で反射した光は、対物レンズ２００５、２分の１波長板２００３、ハーフミラー２００２を透過した後、センサ２００７に入射する。

図４の構成の撮像装置によっても、図１と同様の偏光特性を持った光をマスク２００６に照明し、また、センサ２００７に入射させることが可能である。しかしながら、この構成では、ハーフミラー２００２の特性によって、光源２００１からの光の光量が大幅に低下する。つまり、ハーフミラー２００２で反射した光のみをマスク２００６への照明光として利用することで、光源２００１からの光の光量は２分の１に低下する。また、マスク２００６からの反射光のうち、ハーフミラー２００２を透過した光のみをセンサへの入射光として利用することで、光の光量はさらに２分の１に低下する。したがって、図４の撮像装置の場合、センサ２００７に入射する光は、光源２００１からの光の光量の４分の１になってしまう。

これに対して、図１に示す、本実施の形態の撮像装置によれば、ハーフミラーを使用しないので、光源１００１から出射された光の光量低下を最小限に抑えることができる。これにより、検査を行ううえで十分な光量の光をセンサ１００７に入射させることができるので、検査装置に適用した場合、検査精度の向上を図り、また、検査時間の短縮を実現することが可能である。尚、この撮像装置は、検査装置以外の他の用途にも適用可能である。

ところで、回路パターンの微細化が進むことにより、パターンの寸法は、検査装置の光学系の解像度よりも微細となっている。例えば、パターンの線幅が５０ｎｍよりも小さくなると、ＤＵＶ光を用いた光源では解像できなくなる。しかしながら、図１の撮像装置を用いた本実施の形態の検査装置によれば、こうした微細なパターンについても精度よく検査することが可能である。そこで、次に、本実施の形態の検査装置について説明する。

図５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いる。また、検査装置１００は、光学画像取得部Ａと制御部Ｂを有する。

まず、光学画像取得部Ａについて説明する。

光学画像取得部Ａは、図１で説明した光学系の他に、垂直方向（Ｚ方向）に移動可能なＺテーブル２と、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の上に設けられている。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。このパターンの少なくとも一部は、光学解像限界以下のパターンである。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などが挙げられる。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１００５の開口数（ＮＡ）とによって定まる解像限界（Ｒ＝λ／２ＮＡ）を言う。本実施の形態における解像限界は、試料１に形成されたパターンの少なくとも一部を解像しない値である。

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、図１５に示すように、３つの支持部材（ＳＭ１，ＳＭ２，ＳＭ３）のうちの２つの支持部材（ＳＭ１，ＳＭ２）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（ＳＭ１，ＳＭ２，ＳＭ３）のうちの残る１つの支持部材（ＳＭ３）は、他の２つの支持部材（ＳＭ１，ＳＭ２）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から出射された光は、偏光ビームスプリッタ１００２で反射し、２分の１波長板１００３を透過した後、ファラデー回転子１００４に入射する。ファラデー回転子１００４を透過した光は、対物レンズ１００５によって試料１上に結像される。

試料１で反射した光は、対物レンズ１００５を透過した後、ファラデー回転子１００４、２分の１波長板１００３、偏光ビームスプリッタ１００２を透過した後、センサ１００７に入射する。センサ１００７は、マスク１００６の光学画像を撮像する。

ファラデー回転子１００４は、偏光ビームスプリッタ１００２におけるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下、好ましくは、−０．２度以上で０．２度以下となるように、偏光ビームスプリッタ１００２から離間して配置される。これにより、ファラデー回転子１００４が偏光ビームスプリッタ１００２に及ぼす磁場の影響を最小限にすることができる。

ところで、光学解像限界以下のパターンの検査では、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６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７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。こうしたショート欠陥やオープン欠陥は、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８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９は、検査対象となる試料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９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、実際の試料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１０は、図９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る。これは、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。具体的には、図６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。

例えば、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う方向に対して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、ショート欠陥で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う方向と直交する方向に傾くようになる。また、同じ例で、図７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う方向に傾くようになる。

これに対して、図８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横方向と縦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う方向に対して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。

具体的には、図５において、試料１のエッジラフネスで散乱した光がセンサ１００７に入射するのが防がれるように、ファラデー回転子１００４による光の偏光面の回転角度（ファラデー回転角θ）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１００３と偏光ビームスプリッタ１００２を透過し、センサ１００７に入射する。これにより、センサ１００７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１００７で撮像された光学画像を用いて、光学解像限界以下のパターンを検査することができる。

ファラデー回転角θは、次のようにして変えられる。

図２や図３に示すように、ファラデー回転子１００４は、光学材料１００４ａと、その周りに巻装したコイル１００４ｂとを有する。コイル１００４ｂに流す電流を変えることにより、光学材料１００４ａに印加される磁場の強さを制御して、ファラデー回転角θを変えることができる。ここで、ファラデー回転角θは、次式で表される。尚、Ｈは磁場の強さ、ｌは、偏光が通過する物質の長さを表す。また、Ｖは、物質の種類、偏光の波長および温度に依存する定数であり、ベルデ定数と称される。

例えば、光学材料１００４ａとして、ＤＵＶ光に対して高い透過率を有するＳｉＯ_２、ＣａＦ_２またはＭｇＦ_２などを用いた場合、これらはいずれも自発磁化を持たないため、所望とするファラデー回転角θを得るには、光学材料１００４ａに大きな磁界を印加する必要がある。

ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光を、エッジラフネスで散乱した光と分離するのに適当なファラデー回転角θは、パターンの構造によって異なる。このため、検査装置１００では、試料１のパターンに応じて、ファラデー回転角θが変えられるようになっている。具体的には、角度制御回路１４でファラデー回転子１００４のコイルに流れる電流の大きさを変え、それによって、光学材料に印加される磁場の強さを変化させて、パターンの種類に応じたファラデー回転角θとなるようにしている。

尚、ファラデー回転子に永久磁石を使用する場合には、磁界の強さの異なる複数の永久磁石を用意しておく。そして、パターンの種類に応じたファラデー回転角θとなるような永久磁石を選択して、光学材料に必要な磁界が印加されるようにする。

また、ファラデー回転角θは、光学材料の厚みを変えることによっても変化する。したがって、厚みの異なる光学材料を複数用意しておき、パターンの種類に応じたファラデー回転角θを実現可能な光学材料を選択してもよい。この場合、光学材料に印加する磁界の大きさは、光学材料によらず同一にできる。

例えば、試料１上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４５度の偏光面を有する光が照射されると、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ような小さな欠陥との間で、光の電場成分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。一方、光の偏光面が試料１上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、光の感受性は欠陥間で同じとなるため区別できない。つまり、パターンに照射される光の偏光面は、パターンの繰り返しの方向に対して必ずしも４５度である必要はないが、０度や９０度でないことが重要である。換言すると、光の偏光面は、−５度以上５度以下と、８５度以上９５度以下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１００６を照明する光の偏光方向は、ファラデー回転子１００４だけではなく、２分の１波長板１００３によっても変化する。本実施の形態では、２分の１波長板１００３に回転機構を設け、光の偏光面を任意の角度で回転させられるようにすることが好ましい。尚、２分の１波長板１００３は、ファラデー回転子１００４と対物レンズ１００５の間に配置されていてもよい。

本実施の形態においては、ファラデー回転子１００４が周囲の光学素子に及ぼす影響が最小限となるよう、ファラデー回転子１００４と周囲の光学素子との間に所定の距離を設ける。具体的には、偏光ビームスプリッタ１００２におけるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下、好ましくは、−０．２度以上で０．２度以下となるように、ファラデー回転子１００４を偏光ビームスプリッタ１００２から離して配置する。

上記構成とすることで、偏光ビームスプリッタ１００２にファラデー効果が生じて、偏光ビームスプリッタ１００２で光の偏向方向が変化するのを防ぐことができる。したがって、エッジラフネスで散乱した光が偏光ビームスプリッタ１００２を透過するのが防がれ、センサ１００７で撮像された光学画像の検査が可能となる。

次に、図５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、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５において、「〜回路」と記載したものは、「〜部」とも表現される。例えば、画像処理回路１０８は本発明の画像処理部に、角度制御回路１４は本発明の角度制御部に、欠陥検出回路１３４は本発明の欠陥検出部に、それぞれ対応する。これらは、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５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み合わ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。

次に、検査装置１００を用いた検査方法の一例を述べる。

試料１の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の上に配置されており、ＸＹテーブル３が移動することによって、試料１は、水平方向および垂直方向のいずれ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、偏光ビームスプリッタ１００２で反射し、２分の１波長板１００３を透過した後、ファラデー回転子１００４に入射する。ファラデー回転子１００４を透過した光は、対物レンズ１００５によって試料１上に結像される。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で調整可能である。

次いで、試料１で反射した光は、対物レンズ１００５を透過した後、ファラデー回転子１００４、２分の１波長板１００３、偏光ビームスプリッタ１００２を透過した後、センサ１００７に入射する。センサ１００７は、マスク１００６の光学画像を撮像する。

図１１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１１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５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１００７に図１１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の画像がセンサ１００７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１１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１００７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、センサ１００７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１００７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。そして、このデータは、後述するように、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。

また、画像処理回路１０８では、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１００７に入射するのが防がれるように、ファラデー回転子１００４によるファラデー回転角θが設定される。次いで、この結果を角度制御回路１４へ送り、角度制御回路１４でファラデー回転子１００４のコイルに流れる電流の大きさを変え、それによって、光学材料に印加される磁場の強さを変化させて、画像処理回路１０８で設定されたファラデー回転角θとなるようにする。そして、この状態で改めて試料１に光源１００１の光を照明すると、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１００３と偏光ビームスプリッタ１００２を透過し、センサ１００７に入射する。その結果、センサ１００７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。

既に述べたように、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、センサ１００７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、ファラデー回転子１００４によるファラデー回転角θを制御することで、センサ１００７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される。例えば、図５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、ファラデー回転角θを調整する。このようにすることで、センサ１００７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ファラデー回転角θを変えると、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、ファラデー回転角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
が最小になるファラデー回転角θを求めればよい。

上述したように、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ファラデー回転角θ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ファラデー回転角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、ショート欠陥やオープン欠陥で散乱した光を、エッジラフネスで散乱した光と分離するのに適当なファラデー回転角θがパターンの構造によって異なることについては、既に述べたが、これはさらに次のように詳述される。

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ファラデー回転角θ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ファラデー回転角θ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ファラデー回転角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、予め求めたファラデー回転角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、パターンに応じてファラデー回転角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ファラデー回転角θが検査対象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、ファラデー回転角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、ファラデー回転角θ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、ファラデー回転角θを変えながら、試料１の光学画像をセンサ１００７で撮像する。具体的には、角度制御回路１４でファラデー回転子１００４のコイル１００４ｂに流れる電流の大きさを変え、それによって、光学材料に印加される磁場の強さを変化させて、所定のファラデー回転角θとなるようにする。例えば、所定のファラデー回転角θの値毎に、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、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１００７に入射するのが防がれるように、ファラデー回転子１００４によるファラデー回転角θが設定される。

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、暗視野照明系の場合には、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ファラデー回転角θを求める。一方、明視野照明系の場合には、画像処理回路１０８が階調値の標準偏差σと平均階調値Ａを取得する。具体的には、ファラデー回転角θを変えて光学画像を取得し、得られた各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する。そして、この値が最小になるときのファラデー回転角θを求める。

画像処理回路１０８で求められたファラデー回転角θ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、ファラデー回転子１００４のコイルに流れる電流の大きさを制御する。これにより、ファラデー回転子１００４の光学材料に印加される磁場の強さが変化し、ファラデー回転角θを画像処理回路１０８で求められた値とすることができる。

ファラデー回転角θを上記値とすることによって、エッジラフネスで散乱した光がセンサ１００７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１００３と偏光ビームスプリッタ１００２を透過し、センサ１００７に入射する。センサ１００７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。

（エッジラフネスによる欠陥が除かれた）光学画像データが画像処理回路１０８に送られると、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。欠陥検出回路１３４で得られた欠陥情報は、例えば、磁気ディスク装置１０９に保存される。

尚、検査装置１００は、検査機能に加えてレビュー機能を有することも可能である。ここで、レビューとは、オペレータによって、検出された欠陥が実用上問題となるものであるかどうかを判断する動作である。

例えば、欠陥処理回路１３４で欠陥と判定された箇所の座標と、その光学画像がレビュー装置（図示せず）に送られる。オペレータは、この光学画像を手本となる基準画像と見比べてレビューする。レビューによって判別された欠陥情報は、欠陥情報リストとして、磁気ディスク装置１０９に保存することができる。尚、基準画像としては、例えば、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用いられる。

本実施の形態によれば、ハーフミラーに変えてファラデー回転子を用いることにより、反射光学系における光量の低下を最小限に抑制して対象物を撮像することのできる撮像装置が提供される。さらに、この撮像装置を用いることにより、反射光学系における光量の低下を最小限に抑制して検査対象物を撮像し、それによって、高精度の検査を行うことのできる検査装置および検査方法が提供される。

また、本実施の形態によれば、ファラデー回転角θを変えることによって、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。そして、ファラデー回転子が周囲の光学素子に及ぼす影響が最小限となるよう、ファラデー回転子と周囲の光学素子との間に所定の距離を設けることにより、周囲の光学素子にファラデー効果が生じ、周囲の光学素子によって光の偏向方向が変化するのを防ぐことができる。したがって、エッジラフネスで散乱した光がセンサに入射するのが防がれるので、センサで撮像された光学画像の検査が可能となる。すなわち、本実施の形態の検査装置および検査方法によれば、光学解像限界以下の微細なパターンを検査することができる。

尚、本発明は上記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。

また、上記実施の形態では、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撮像装置、検査装置および検査方法は、本発明の範囲に包含される。
以下に、本願補正前の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
光源と、
前記光源からの光を対象物に照明する偏光ビームスプリッタと、
前記対象物で反射した光が前記偏光ビームスプリッタを介して入射することによって前記対象物を撮像するセンサと、
前記偏光ビームスプリッタと前記対象物の間であって、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されたファラデー回転子とを有することを特徴とする撮像装置。
［Ｃ２］
前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．２度以上で０．２度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されることを特徴とする［Ｃ１］に記載の撮像装置。
［Ｃ３］
前記ファラデー回転子には、前記ファラデー回転子を透過する前の光の偏光面が、前記ファラデー回転子を往復して透過することで９０度回転するように磁界が印加されることを特徴とする［Ｃ１］または［Ｃ２］に記載の撮像装置。
［Ｃ４］
前記偏光ビームスプリッタと前記対象物の間に２分の１波長板が配置されており、
前記２分の１波長板によって前記対象物を照明する光の偏光方向を変化させることを特徴とする［Ｃ１］〜［Ｃ３］のいずれか１項に記載の撮像装置。
［Ｃ５］
前記２分の１波長板は回転機構を有し、
前記回転機構によって前記２分の１波長板の角度を変えて前記光の偏光方向を変化させることを特徴とする［Ｃ４］に記載の撮像装置。
［Ｃ６］
所定の波長の光を出射する光源を備え、前記光源から出射した光を、偏光ビームスプリッタで反射させ、２分の１波長板とファラデー回転子を透過させて、検査対象となる試料に形成された繰り返しパターンの繰り返し方向に対し−５度以上５度以下と８５度以上９５度以下の各範囲にある角度以外の角度の偏光面を有する光にして、前記試料を照明する照明光学系と、
前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る撮像センサと、
前記試料で反射した光を、前記２分の１波長板と前記ファラデー回転子と前記偏光ビームスプリッタを透過させて、前記撮像センサに結像する結像光学系と、
前記光学画像について画素毎の階調値を求め、（１）前記階調値の標準偏差を最小にする前記ファラデー回転子による光の偏光面の回転角度、または、（２）前記回転角度を変えて取得した複数の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回転角度を取得する画像処理部と、
前記画像処理部で取得した前記回転角度となるように、前記ファラデー回転子に磁界を印加する角度制御部と、
前記ファラデー回転子に前記磁界が印加された状態で撮像された光学画像に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う欠陥検出部とを有し、
前記光源の波長と前記ファラデー回転子を透過した光を前記試料に照明する対物レンズの開口数によって定まる解像限界は、前記パターンを解像しない値であり、
前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されることを特徴とする検査装置。
［Ｃ７］
所定の波長の光を出射する光源から出射した光を、偏光ビームスプリッタで反射させ、２分の１波長板とファラデー回転子を透過させて、検査対象となる試料に形成された繰り返しパターンの繰り返し方向に対し−５度以上５度以下と８５度以上９５度以下の各範囲にある角度以外の角度の偏光面を有する光にし、前記ファラデー回転子を透過した光を対物レンズで集光して前記試料を照明し、前記試料で反射した光を、前記ファラデー回転子と前記２分の１波長板と前記偏光ビームスプリッタを透過させて撮像センサに結像し、前記試料に形成されたパターンの光学画像を得る工程と、
前記光学画像について画素毎の階調値を求め、（１）前記階調値の標準偏差を最小にする前記ファラデー回転子による光の偏光面の回転角度、または、（２）前記回転角度を変えて取得した複数の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回転角度を取得する工程と、
前記取得した回転角度となるように、前記ファラデー回転子に磁界を印加する工程と、
前記ファラデー回転子に前記磁界が印加された状態で撮像された光学画像に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う工程とを有し、
前記光源の波長と前記対物レンズの開口数によって定まる解像限界は、前記パターンを解像しない値であり、
前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおけるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されることを特徴とする検査方法。

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 検査フレーム
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
１３４ 欠陥検出回路
１００１，２００１ 光源
１００２ 偏光ビームスプリッタ
１００３，２００３ ２分の１波長板
１００４ ファラデー回転子
１００５，２００５ 対物レンズ
１００６，２００６ マスク
１００７，２００７ センサ
２００２ ハーフミラー

Claims (19)

1. 所定の波長の光を出射する光源と、
   前記光源から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からの光が入射し、入射した光の偏光面をある角度で回転させて出射するファラデー回転子と、
   前記ファラデー回転子を透過した光を対象物に照明する対物レンズと、
   前記対象物で反射した光を、前記対物レンズ、前記ファラデー回転子、および、前記偏光ビームスプリッタを介して入射させて、前記対象物の光学画像を撮像する撮像センサと、
   を有し、
   前記ファラデー回転子の偏光回転角度が、前記対象物に形成されたパターンに応じた所定の角度に調節され、
   前記撮像センサは、前記ファラデー回転子の偏光回転角度が前記所定の角度に調節された状態で前記光学画像を撮像し、
   前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタと前記対象物の間であって、前記偏光ビームスプリッタにおいて生じたファラデー効果によるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下となるように、前記偏光ビームスプリッタから離間して配置されることを特徴とする撮像装置。
2. 前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおいて生じたファラデー効果によるファラデー回転角が−０．２度以上で０．２度以下となるように、前記偏光ビームスプリッタから離間して配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記ファラデー回転子は、光を透過する光学材料を有し、
   電磁石、永久磁石、および、電磁石と永久磁石を組み合わせたもの、よりなる群から選ばれるいずれか１つによって、前記光学材料に磁界が印加される
   ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記ファラデー回転子の前記光学材料に所定の磁界を印加することによって、または、前記ファラデー回転子の前記光学材料として所望の厚さのものを選択することによって、前記ファラデー回転子の偏光回転角度が前記所定の角度に調節された状態で、前記光学画像が撮像される、請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記ファラデー回転子のために、磁界の強さの異なる複数の永久磁石が用意され、
   前記ファラデー回転子の偏光回転角度が前記所定の角度になるように、前記複数の永久磁石の内の好適なものを選択することによって調節される、
   請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記ファラデー回転子は、光を透過する光学材料と、前記光学材料に異なる強さの磁界を印加する電磁石とを有し、
   前記撮像装置は、前記ファラデー回転子の偏光回転角度が前記所定の角度となるように、前記ファラデー回転子に好適な磁界を印加するよう前記電磁石を制御する角度制御部をさらに有する、
   請求項３に記載の撮像装置。
7. 前記偏光ビームスプリッタと前記対象物の間に２分の１波長板が配置されており、
   前記２分の１波長板によって前記対象物を照明する光の偏光方向を変化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記２分の１波長板は回転機構を有し、
   前記回転機構によって前記２分の１波長板の角度を変えて、前記対象物を照明する
   前記光の偏光方向を変化させることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記撮像センサは、前記光源の波長と前記対物レンズの開口数によって定まる解像限界以下の大きさの前記対象物に形成されたパターンの欠陥を検出するための光学画像を撮像することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 前記欠陥は、前記パターンのショート欠陥とオープン欠陥とを含む、請求項９に記載の撮像装置。
11. 所定の波長の光を出射する光源と、
    前記光源からの光によって検査対象となる試料を照明する照明光学系であって、
    前記光源から出射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からの光が入射し、入射した光の偏光面をある角度で回転させて出射するファラデー回転子と、
    前記ファラデー回転子を透過した光を対象物に照明する対物レンズと
    を備える照明光学系と、
    前記試料の光学画像を得る撮像センサと、
    前記試料で反射した光を、前記対物レンズと前記ファラデー回転子と前記偏光ビームスプリッタを透過させて、前記撮像センサに結像する結像光学系と、
    撮像された前記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、
    前記ファラデー回転子の偏光回転角度が所定の角度に調節されに調節された状態で撮像された前記光学画像に基づいて、前記試料の欠陥検出を行う欠陥検出部と
    を有し、
    前記画像処理部は、前記ファラデー回転子の偏光回転角度を調節するための前記所定の角度を、
    （１）前記階調値の標準偏差を最小にする前記ファラデー回転子による光の偏光面の回転角度、または、
    （２）前記偏光回転角度を変えて取得した複数の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回転角度
    として取得し、
    前記ファラデー回転子は、前記偏光回転角度が、前記画像処理部で取得した前記所定の角度となるように調節され、
    前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおいて生じたファラデー効果によるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下となるように、前記偏光ビームスプリッタから離間して配置される
    ことを特徴とする検査装置。
12. 前記欠陥検出部は、撮像された前記光学画像に基づき、前記光源の波長と前記ファラデー回転子を透過した光を前記試料に照明する対物レンズの開口数によって定まる解像限界以下の大きさの欠陥を検出することを特徴とする、請求項１１に記載の検査装置。
13. 前記欠陥は、前記試料に形成されたパターンのショート欠陥とオープン欠陥とを含む、請求項１２に記載の検査装置。
14. 前記照明光学系は、前記偏光ビームスプリッタと前記試料の間に配置された２分の１波長板をさらに有しており、
    前記２分の１波長板によって前記試料を照明する光の偏光方向を変化させることを特徴とする
    請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の検査装置。
15. 前記試料には繰り返しパターンが形成され、
    前記照明光学系は、前記繰り返しパターンの繰り返し方向に対し−５度以上５度以下と８５度以上９５度以下の各範囲にある角度以外の角度の偏光面を有する光にして、前記試料を照明する
    請求項１４に記載の検査装置。
16. 所定の波長の光を出射する光源から出射した光を、偏光ビームスプリッタを介し、ファラデー回転子を透過させ、前記ファラデー回転子を透過した光を対物レンズで集光して検査対象となる試料を照明し、前記試料で反射した光を、前記ファラデー回転子を透過させて、前記偏光ビームスプリッタを介して撮像センサに結像し、前記試料に形成されたパターンの光学画像を撮像する工程と、
    撮像された前記光学画像について画素毎の階調値を求め、
    （１）前記階調値の標準偏差を最小にする前記ファラデー回転子による光の偏光面の回転角度、または、
    （２）前記偏光面の回転角度を変えて取得した複数の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回転角度
    を前記ファラデー回転子の偏光回転角度を調節するための前記所定の角度として取得する工程と、
    前記偏光面の回転角度が取得した前記所定の角度となるように、前記ファラデー回転子を調節する工程と、
    前記ファラデー回転子の偏光面の回転角度が前記所定の角度に調節された状態で撮像された光学画像に基づいて、前記試料に形成されたパターンの欠陥検出を行う工程と
    を有し、
    前記ファラデー回転子は、前記偏光ビームスプリッタにおいて生じたファラデー効果によるファラデー回転角が−０．５度以上で０．５度以下となるように前記偏光ビームスプリッタから離間して配置される
    ことを特徴とする検査方法。
17. 前記欠陥検出を行う工程は、撮像された前記光学画像に基づき、前記光源の波長と前記ファラデー回転子を透過した光を前記試料に照明する対物レンズの開口数によって定まる解像限界以下の大きさの欠陥を検出する工程を含む、請求項１６に記載の検査方法。
18. 前記偏光ビームスプリッタと前記試料の間にさらに２分の１波長板が設けられ、
    前記２分の１波長板によって前記試料を照明する光の偏光方向を変化させる工程をさらに備える、
    請求項１６または請求項１７に記載の検査方法。
19. 検査対象となる前記試料には繰り返しパターンが形成され、
    前記撮像する工程は、前記繰り返しパターンの繰り返し方向に対し−５度以上５度以下と８５度以上９５度以下の各範囲にある角度以外の角度の偏光面を有する光にして前記試料を照明する工程を含む、
    請求項１８に記載の検査方法。