JP5585615B2 - 検査装置および検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハや液晶基板等の表面を検査する検査装置および方法に関する。

半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程では、半導体ウェハや液晶基板（以降、総じて「基板」と称する）の表面に形成された繰り返しパターン（配線パターン等のライン・アンド・スペースのパターン）の異常検査が行われる。自動化された表面検査装置では、チルト可能なステージの上に基板を載置し、基板の表面に検査用の照明光（非偏光）を照射し、基板上の繰り返しパターンから発生する回折光（例えば、１次回折光）に基づいて基板の画像を取り込み、この画像の明暗差（コントラスト）に基づいて繰り返しパターンの異常箇所を特定する（例えば、特許文献１を参照）。さらに、このような表面検査装置は、ステージをチルト調整することにより、基板上の繰り返しピッチが異なる繰り返しパターンの異常検査を行うことができる。

基板の表面に形成された繰り返しパターンを検査する技術として、上述のような回折光を用いた検査（以降、このような検査を回折検査と称する）の他、正反射光を用いた検査（以降、このような検査を正反射検査と称する）や、パターンの構造性複屈折による偏光状態の変化を利用した検査（以降、このような検査をＰＥＲ検査と称する）等がある。これらの検査方法によれば、露光装置のデフォーカスやドーズシフトに基づく線幅不良、レジスト塗布不良等を、高速かつ高精度で検出することができる。

なお、正反射検査は膜厚の変化に敏感で、レジスト塗布不良やドーズシフトについて検出感度は高いが、これは薄膜の干渉による輝度変化によるものである。この変化はパターンが形成されない程度までデフォーカスやドーズシフトが発生しても、薄膜の干渉の影響から輝度を得ることができる。また、回折検査では、デフォーカスおよびドーズシフトに対しパターンが形成されない箇所で回折光の輝度が最低（零）となり、パターンが形成されると輝度が得られるが、回折光の輝度はデフォーカスおよびドーズシフトに対してリニアに変化しない。また、ＰＥＲ検査では、フォーカスのベスト位置において輝度が最大となり、パターン崩れに対して輝度が低下する。また、ドーズに関しても、パターンのエッジ部分がシャープである場合は輝度が高く、フォーカスの場合と同様にパターン崩れに対して輝度が低下する。

特開平１０−２３２１２２号公報

しかしながら、上述のような正反射検査、回折検査、およびＰＥＲ検査においては、基板上の何らかの異常を検出することは可能であるが、異常の原因を特定することができなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、異常の原因を特定することが可能な検査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、本発明に係る検査装置は、加工により設けられた構造体を照明する照明部と、前記構造体で反射した照明光を検出する検出部と、それぞれ異なる加工条件で設けられた構造体を対象として、複数の照明条件若しくは反射条件で検出される検出値を前記加工条件ごとに記憶する記憶部と、前記複数の照明条件若しくは反射条件に含まれる少なくとも２条件で被検物とする構造体から検出される検出値と、前記記憶部に記憶された検出値とが前記少なくとも２条件においてともに高い関連性を示す１つの加工条件を、前記被検物とする構造体が加工された条件として求める処理部とを有する。

また、本発明に係る検査方法は、加工により設けられた構造体を照明し、前記構造体で反射した照明光を検出し、それぞれ異なる加工条件で設けられた構造体を対象として、複数の照明条件若しくは反射条件で検出される検出値を前記加工条件ごとに記憶し、前記複数の照明条件若しくは反射条件に含まれる少なくとも２条件で被検物とする構造体から検出される検出値と、前記記憶された検出値とが前記少なくとも２条件においてともに高い関連性を示す１つの加工条件を、前記被検物とする構造体が加工された条件として求める。

本発明によれば、異常の原因を特定することができる。

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。 直線偏光と楕円偏光の振動方向を説明する図である。 直線偏光の振動面の方向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。 直線偏光の振動面の方向が繰り返し方向に平行な偏光成分と垂直な偏光成分とに分かれる様子を説明する図である。 偏光成分の大きさと繰り返しパターンのライン部の線幅との関係を説明する図である。 表面検査方法を示す第１のフローチャートである。 表面検査方法を示す第２のフローチャートである。 回折検査によるＦＥＭウェハの画像を示す模式図である。 ＰＥＲ検査によるＦＥＭウェハの画像を示す模式図である。 フォーカスおよびドーズのズレ量に対する平均輝度を示す模式図である。 回折検査およびＰＥＲ検査におけるフォーカスのズレ量と平均輝度との相関の一例を示すグラフである。

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。図１に本実施形態に係る表面検査装置の一例を示しており、この装置により被検基板である半導体ウェハ１０の表面欠陥（異常）を検査する。この表面検査装置１は、ウェハ１０を載置保持するホルダ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を、ホルダ５の上に載置させるとともに真空吸着によって固定保持する。ホルダ５は、このように固定保持したウェハ１０の中心（ホルダ５の中心）を通りウェハ１０の表面に垂直な軸ＡＸ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）可能に保持する。また、ホルダ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、検査用照明光（後述する検査光もしくは直線偏光）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、ホルダ５に固定保持されたウェハ１０の表面に検査用照明光を平行光として照射する照明光学系２０と、検査用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集光光学系３０と、集光光学系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ＣＣＤカメラ４０とを備えて構成される。照明光学系２０は、メタルハライドランプや水銀ランプ等の光源２１と、特定の波長を有する光を選択的に透過させる波長選択部２２と、波長選択部２２を透過した光を案内する光ファイバ２３と、光ファイバ２３から射出された照明光を反射させる照明側凹面鏡２５とを主体に構成される。

そして、光源２１からの光は波長選択部２２を透過し、特定の波長を有する照明光が光ファイバ２３から照明側凹面鏡２５へ射出され、光ファイバ２３から照明側凹面鏡２５へ射出された照明光は、光ファイバ２３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により平行光束となってホルダ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、ホルダ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、光ファイバ２３と照明側凹面鏡２５との間には、照明側偏光フィルタ２４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２４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、照明側偏光フィルタ２４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（照明側偏光フィルタ２４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（反射光もしくは回折光）は集光光学系３０により集光される。集光光学系３０は、ホルダ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（反射光もしくは回折光）は、ＣＣＤカメラ４０の撮像レンズ４１を経て撮像素子４２上に達し、ウェハ１０の像が結像される。この結果、ウェハ１０の表面の像がＣＣＤカメラ４０の撮像素子４２上に形成される。

また、受光側凹面鏡３１とＣＣＤカメラ４０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）。

ＣＣＤカメラ４０は、撮像素子４２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検査部４５に出力する。画像処理検査部４５には、データベース部４６と、画像表示装置４７とが電気的に接続されている。画像処理検査部４５は、ＣＣＤカメラ４０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の画像を所定のビット（例えば８ビット）のデジタル画像に変換する。データベース部４６には、良品ウェハ（ショット）の画像データや、デフォーカスやドーズシフトが生じたときのウェハ（ショット）の画像データが予め記憶されており、画像処理検査部４５は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データとデータベース部４６の画像データとを比較して、ウェハ１０表面における異常（欠陥等）の有無を検査する。そして、画像処理検査部４５による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が画像表示装置４７で出力表示される。

ところで、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がＸＹ方向に配列され、各チップ領域の中に所定の繰り返しパターン１２が形成されている。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（例えば、配線パターン）である。隣り合うライン部２Ａ同士の間は、スペース部２Ｂである。なお、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。なお、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。

本実施形態の表面検査装置１を用いた表面検査方法について、図１０および図１１に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。なお予め、ウェハ１０の表面検査に先立って、露光装置のフォーカス量とドーズ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。このとき、露光ショット毎にフォーカス量とドーズ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ＦＥＭウェハと称することにする。

初めに、レシピ作成工程について説明すると、図１０に示すように、まず、ＦＥＭウェハをホルダ５上に搬送し（ステップＳ１０１）、アライメントを実施する（ステップＳ１０２）。

アライメントを行った後、ＦＥＭウェハで生じる回折光の画像を撮像する（ステップＳ１０３）。回折光の画像を撮像する際、ウェハの表面上における照明方向と繰り返しパターン２の繰り返し方向とが一致するようにホルダ５を回転させるともに、パターンのピッチをＰとし、ウェハの表面に照射する検査光の波長をλとし、検査光の入射角をθiとし、ｎ次回折光の出射角をθrとしたとき、次の（１）式を満足するように設定を行う。

Ｐ×｛ｓｉｎ（θr）−ｓｉｎ（θi）｝＝±ｎ×λ …（１）

すなわち、繰り返しパターン１２のピッチＰに対応したｎ次回折光が発生するように、入射角θiおよび出射角θr（すなわち、ホルダ５のチルト角）を設定する。このように、回折光が発生するチルト角において、照明光量を最適化し、回折光の画像を撮像する。なおこのとき、ベストフォーカスかつベストドーズのショットを基準ショットとし、撮像する画像の輝度が最適な輝度になるように照明光量を設定する。またこのとき、他のチルト角においても回折光が発生しないか確認し、回折光が発生する他の条件がある場合は同様に設定を行う。さらに、照明波長λも変化させながら同様に回折光が発生する条件を求め、撮像を行う。

なお、回折光の画像を撮像するには、まず、照明側偏光フィルタ２４および受光側偏光フィルタ３２を光路上から抜去した状態（図１を参照）で、ＦＥＭウェハ（１０）の表面に検査光を照射し、ＦＥＭウェハ（１０）の表面から出射される回折光（例えば１次回折光）をＣＣＤカメラ４０で検出する。このとき、光源２１からの光が波長選択部２２を透過して光ファイバ２３から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５により平行光束となってホルダ５に保持されたＦＥＭウェハ（１０）の表面に照射される。そして、ＦＥＭウェハ（１０）の表面から出射された回折光が受光側凹面鏡３１により集光されてＣＣＤカメラ４０の撮像素子４２上に結像され、ＣＣＤカメラ４０は、撮像素子４２上に形成されたＦＥＭウェハ（１０）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検査部４５に出力する。

このように複数の回折条件で回折光の画像を撮像すると、画像処理検査部４５は、複数の回折条件で撮像した画像についてそれぞれ、撮像した画像をショット単位で切り出し、各ショットにおける平均輝度、標準偏差等を求める（ステップＳ１０４）。そして、複数の回折条件で撮像した画像の中から、フォーカス量の変化に応じた輝度変化およびドーズ量の変化に応じた輝度変化について、輝度変化が最大となる画像すなわち回折条件を選択する（ただし、下地の膜厚の状態によりムラと判断した回折条件は除く）。ここで、ＦＥ
Ｍウェハで生じる回折光の画像の一例を図１２に示す。図１２から、フォーカス量およびドーズ量の変化に応じて、ＦＥＭウェハ１０ｆにおいてショット毎に検出される平均輝度が変化することがわかる。なお、図１２における中央の太枠が基準ショットであり、ショット毎に検出される平均輝度の大小をハッチングの濃淡で表わしている。

なお、繰り返しパターン１２の繰り返し方向が他と異なる部分がある場合には、できる限り方向を変えて同様に撮像し、このような条件を加えた全ての画像から、輝度変化が最大となる画像を選択する。また、回折光は０次の回折光（すなわち、正反射光）であっても構わない。

輝度変化が最大となる回折条件を選択すると、画像処理検査部４５は、そのときの回折条件（チルト角や照明波長λ等）をレシピとしてデータベース部４６に登録するとともに、当該回折条件におけるフォーカス量およびドーズ量の変化に対するショット毎の平均輝度（および標準偏差等）をデータベース部４６に登録する（ステップＳ１０５）。

次に、ＰＥＲ検査によるＦＥＭウェハの画像を撮像する（ステップＳ１０６）。

ところで、前述したように、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としている。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、照明側偏光フィルタ２４および受光側偏光フィルタ３２が光路上に挿入されるが（図２を参照）、このようなＰＥＲ検査の原理について、以降、ＰＥＲ検査を行う際の装置の構成とともに順に説明する。

前述したように、ホルダ５は、軸ＡＸを回転軸としてウェハ１０を回転可能に保持しており、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（図３および図４におけるＸ方向）を、ウェハ１０の表面内で回転させることが可能である。ＰＥＲ検査を行うとき、ホルダ５は、ウェハ１０を水平な状態に保つとともに、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、後述の照明光の入射面（照明光の進行方向）に対して、４５度だけ斜めになるように保持する。

照明側偏光フィルタ２４は、光ファイバ２３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部２１からの光を直線偏光に変換する。このとき、光ファイバ２３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２４を透過した光を平行光束にして、被検基板であるウェハ１０を照明する。このように、光ファイバ２３から射出された光は、照明側偏光フィルタ２４および照明側凹面鏡２５を介し第１の直線偏光Ｌ１（図６（ａ）を参照）となって、ウェハ１０の表面全体に照射される。

第１の直線偏光Ｌ１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Ｌ１の主光線の方向）は、光ファイバ２３からの光軸Ｏ１に略平行である。光軸Ｏ１は、ホルダ５の中心を通る法線（軸ＡＸ）に対して所定の角度だけ傾けられている。

また、第１の直線偏光Ｌ１はウェハ１０に対してｐ偏光で入射する。つまり、図６（ａ）に示すように、直線偏光Ｌ１の進行方向と電気ベクトルの振動方向とを含む平面（直線偏光Ｌ１の振動面）が、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれる。直線偏光Ｌ１の振動面は、照明側偏光フィルタ２４の透過軸により規定される。なお、ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌ１の入射角は、平行光のため互いに同じであり、光軸Ｏ１と法線（軸ＡＸ）とのなす角度に相当する。

また、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌ１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（Ｘ方向）が直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２（ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１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Ｌ１の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度も、４５度に設定される。

言い換えると、第１の直線偏光Ｌ１は、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向（図７におけるＶの方向）が繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ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。

このような第１の直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン１２との角度状態は、ウェハ１０の表面全体において均一である。なお、４５度を１３５度，２２５度，３１５度のいずれかに言い換えても、第１の直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン１２との角度状態は同じである。また、図７の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度を４５度に設定するのは、繰り返しパターン１２の異常検査の感度を最も高くするためである。

そして、第１の直線偏光Ｌ１を用いて繰り返しパターン１２を照明すると、繰り返しパターン１２から正反射方向に楕円偏光Ｌ２が発生する（図６（ｂ）を参照）。この場合、楕円偏光Ｌ２の進行方向が正反射方向に一致する。正反射方向とは、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれ、直線偏光Ｌ１の入射角に等しい角度だけ傾いた方向である。

ここで、第１の直線偏光Ｌ１が繰り返しパターン１２での反射により楕円化し、繰り返しパターン１２から楕円偏光Ｌ２が発生する理由について簡単に説明する。第１の直線偏光Ｌ１は、繰り返しパターン１２に入射すると、振動面の方向（図７のＶ方向）が、図８に示す２つの偏光成分Ｖ_X，Ｖ_Yに分かれる。一方の偏光成分Ｖ_Xは、繰り返し方向（Ｘ方向）に平行な成分である。他方の偏光成分Ｖ_Yは、繰り返し方向（Ｘ方向）に垂直な成分である。そして、２つの偏光成分Ｖ_X，Ｖ_Yは、それぞれ独立に、異なる振幅変化と位相変化とを受ける。振幅変化と位相変化が異なるのは、繰り返しパターン１２の異方性に起因して複素反射率（すなわち複素数の振幅反射率）が異なるからであり、構造性複屈折（form birefringence）と呼ばれる。その結果、２つの偏光成分Ｖ_X，Ｖ_Yの反射光は互いに振幅と位相が異なり、これらの合成による反射光は楕円偏光Ｌ２となる（図６（ｂ）を参照）。ここで、構造性複屈折を発生させるためには、照射する光の波長がパターンに対して十分に長い必要がある。また、照射する光の波長がパターンに対して長くなると回折光は観察しにくくなるため、ＰＥＲ検査をする際に用いる光は回折検査をする際に用いる光とは異なり長い波長の光を用いる。

また、繰り返しパターン１２の異方性に起因する楕円化の程度は、図６（ｂ）で示す楕円偏光Ｌ２のうち、図６（ａ）で示す直線偏光Ｌ１の振動面に垂直な偏光成分Ｌ３（図６
（ｃ）を参照）と考えることができる。そして、この偏光成分Ｌ３の大きさは、繰り返しパターン１２の材質および形状と、図７の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度に依存する。このため、Ｖ方向とＸ方向とのなす角度を一定の値（本実施形態では４５度）に保つ場合、繰り返しパターン１２の材質が一定であっても、繰り返しパターン１２の形状が変化すると、楕円化の程度（偏光成分Ｌ３の大きさ）が変化することになる。

繰り返しパターン１２の形状と偏光成分Ｌ３の大きさとの関係について説明する。図４に示すように、繰り返しパターン１２は、ライン部２Ａとスペース部２ＢとをＸ方向に沿って交互に配列した凹凸形状を有し、適正な露光フォーカスで設計値通りに形成されると、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aとスペース部２Ｂの線幅Ｄ_Bが等しく、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１となる。このような理想的な形状の場合、偏光成分Ｌ３の大きさは最も大きくなる。これに対し、露光フォーカスが適正値から外れると、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。このとき、偏光成分Ｌ３の大きさは理想的な場合と比較して小さくなる。偏光成分Ｌ３の大きさの変化を図示すると、図９のようになる。図９の横軸は、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aである。

このように、第１の直線偏光Ｌ１を用いて、図７の振動面の方向（Ｖ方向）が繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して４５度だけ傾いた状態で、繰り返しパターン１２を照明すると、正反射方向に反射して生じた楕円偏光Ｌ２は、その楕円化の程度（図６（ｃ）における偏光成分Ｌ３の大きさ）が、繰り返しパターン１２の形状（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比）に応じたものとなる。楕円偏光Ｌ２の進行方向は、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれ、ホルダ５の中心を通る法線（軸ＡＸ）に対して直線偏光Ｌ１の進行方向と対称に傾いている。

なお、集光光学系３０の光軸Ｏ２は、ホルダ５の中心を通る法線（軸ＡＸ）に対して正反射方向に傾くように設定される。したがって、繰り返しパターン１２からの反射光である楕円偏光Ｌ２は、この光軸Ｏ２に沿って進むことになる。

受光側偏光フィルタ３２は、集光光学系３０の受光側凹面鏡３１とＣＣＤカメラ４０との間に配設され、ウェハ１０表面からの正反射光を透過させて第２の直線偏光Ｌ４（図６（ｃ）を参照）に変換する。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３２の透過軸に対して垂直になるように設定される。すなわち、第２の直線偏光Ｌ４の進行方向と垂直な面内における第２の直線偏光Ｌ４の振動方向が、第１の直線偏光Ｌ１の進行方向と垂直な面内における第１の直線偏光Ｌ１の振動方向に対して略垂直になるように設定される。

したがって、楕円偏光Ｌ２が受光側偏光フィルタ３２を透過すると、楕円偏光Ｌ２の図６（ｃ）における偏光成分Ｌ３に相当する直線偏光Ｌ４のみが抽出されて、ＣＣＤカメラ４０に導かれる。その結果、ＣＣＤカメラ４０の撮像素子４２上には、第２の直線偏光Ｌ４によるウェハ１０の反射像がそれぞれ形成される。なお、ウェハ１０の反射像の明暗は、直線偏光Ｌ４の光強度に略比例し、繰り返しパターン１２の形状に応じて変化する。また、ウェハ１０の反射像が最も明るくなるのは、繰り返しパターン１２が理想的な形状の場合である。

ＰＥＲ検査によるＦＥＭウェハの画像を撮像するには、まず、照明側偏光フィルタ２４および受光側偏光フィルタ３２を光路上に挿入した状態（図２を参照）で、ＦＥＭウェハ（１０）の表面に第１の直線偏光Ｌ１を照射し、ＦＥＭウェハ（１０）の表面で反射した正反射光（楕円偏光Ｌ２）を受光側偏光フィルタ３２を介してＣＣＤカメラ４０で検出する。このとき、光源２１からの光が波長選択部２２を透過して光ファイバ２３から射出さ
れ、照明側偏光フィルタ２４で第１の直線偏光Ｌ１に変換されるとともに、照明側凹面鏡２５により平行光束となってホルダ５に保持されたＦＥＭウェハ（１０）の表面に照射される。そして、ＦＥＭウェハ（１０）の表面で反射した正反射光（楕円偏光Ｌ２）が受光側凹面鏡３１により集光され、受光側偏光フィルタ３２で第２の直線偏光Ｌ４に変換されてＣＣＤカメラ４０の撮像素子４２上に結像され、ＣＣＤカメラ４０は、撮像素子４２上に形成された第２の直線偏光Ｌ４によるＦＥＭウェハ（１０）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検査部４５に出力する。

なお、ＰＥＲ検査によるＦＥＭウェハの画像を撮像する際、ウェハの表面上における照明方向（直線偏光Ｌ１の振動面の方向）と繰り返しパターン１２の繰り返し方向とのなす角度が４５度になるようにホルダ５を回転させるともに、直線偏光Ｌ１の入射角と楕円偏光Ｌ２の出射角とが等しく（正反射方向に）なるようにホルダ５をチルトさせる。そして、波長選択部２２により照明波長を変化させた複数のＰＥＲ条件で撮像を行う。またこのとき、ベストフォーカスかつベストドーズのショットを基準ショットとし、撮像する画像の輝度が最適な輝度になるように照明光量を設定する。なお、照明光量を変えずに、ＣＣＤカメラ４０の露光時間を変えて設定するようにしてもよい。

このように複数のＰＥＲ条件で撮像すると、画像処理検査部４５は、複数のＰＥＲ条件で撮像した画像についてそれぞれ、撮像した画像をショット単位で切り出し、各ショットにおける平均輝度、標準偏差等を求める（ステップＳ１０７）。そして、複数のＰＥＲ条件で撮像した画像の中から、フォーカス量の変化に応じた輝度変化およびドーズ量の変化に応じた輝度変化について、輝度変化が最大となる画像すなわちＰＥＲ条件を選択する（ただし、下地の膜厚の状態によりムラと判断したＰＥＲ条件は除く）。ここで、ＰＥＲ検査によるＦＥＭウェハの画像の一例を図１３に示す。図１３から、フォーカス量およびドーズ量の変化に応じて、ＦＥＭウェハ１０ｆにおいてショット毎に検出される平均輝度が変化することがわかる。なお、図１３における中央の太枠が基準ショットであり、ショット毎に検出される平均輝度の大小をハッチングの濃淡で表わしている。

なお、ウェハの表面上における照明方向（直線偏光Ｌ１の振動面の方向）と繰り返しパターン１２の繰り返し方向とのなす角度については、４５度以外に、６７.５度または２２.５度、さらには、１３５度、１１２.５度または１５７.５度の場合についても同様に画像を撮像し、４５度の場合と合わせて輝度変化が最大となる画像（すなわちＰＥＲ条件）を選択するようにしてもよい。

輝度変化が最大となるＰＥＲ条件を選択すると、画像処理検査部４５は、そのときのＰＥＲ条件（照明波長やチルト角等）をレシピとしてデータベース部４６に登録するとともに、当該ＰＥＲ条件におけるフォーカス量およびドーズ量の変化に対するショット毎の平均輝度（および標準偏差等）をデータベース部４６に登録する（ステップＳ１０８）。

以上のようにしてレシピ作成工程が行われるが、フォーカス量およびドーズ量の変化に対するショット毎の平均輝度は、回折検査およびＰＥＲ検査についてそれぞれ２種類ずつ存在し、回折検査におけるフォーカスおよびドーズの変化量と平均輝度との相関、並びに、ＰＥＲ検査におけるフォーカスおよびドーズの変化量と平均輝度との相関がそれぞれ求められ、これらのデータベースがデータベース部４６で作成されることになる。例えば、図１４に示すように、ＦＥＭウェハ１０ｆを用いることにより、回折検査において、ベストフォーカスかつベストドーズである基準ショットのときの平均輝度ｃ０が求められ、さらに、ベストフォーカスに対するフォーカスのズレ量（変化量）を±ａ１，±ａ２，±ａ３とし、ベストドーズに対するドーズのズレ量（変化量）を±ｂ１，±ｂ２，±ｂ３としたときに、図１２に示す輝度分布からそれぞれの場合の平均輝度ｃ１〜ｃ１１が求められる。また、ＰＥＲ検査において、ベストフォーカスかつベストドーズである基準ショット
のときの平均輝度ｄ０が求められ、さらに、図１３に示す輝度分布から、フォーカスのズレ量が±ａ１，±ａ２，±ａ３、ドーズのズレ量が±ｂ１，±ｂ２，±ｂ３である場合の平均輝度ｄ１〜ｄ５が求められる。なお、説明容易化のため、図１２〜図１４においてショット毎の輝度分布を粗い精度で示しているが、実際はもっと多様な輝度分布となる。

図１５に、フォーカスのズレ量を一定とした場合の、回折検査およびＰＥＲ検査におけるフォーカスのズレ量とベストフォーカスショットを基準とするショット平均低下輝度との相関の一例を示す。図１５からわかるように、回折検査だけ、もしくはＰＥＲ検査だけの相関を用いても、平均輝度からフォーカスのズレ量をある程度予想することは可能であるが、図１５における丸印で示すように、ショット平均低下輝度が同じでもズレの極性が異なる場合があり、ＰＥＲ検査（もしくは回折検査）だけではズレの極性が判らず、極性を含めたフォーカスのズレ量を特定することができない。

これに対し、本実施形態の表面検査装置１および方法によれば、回折検査におけるフォーカスおよびドーズのズレ量（変化量）と平均輝度との相関、並びに、ＰＥＲ検査におけるフォーカスおよびドーズのズレ量と平均輝度との相関を組み合わせて、フォーカスおよびドーズのズレ量を特定するため、極性を含めたフォーカスおよびドーズのズレ量をそれぞれ精度よく特定することができる。またこれにより、露光時の不具合箇所を早く特定することができるため、露光装置等を短時間で調整することが可能になり、ウェハの歩留まりを改善することが期待でき、スループットの向上も期待できる。さらに、フォーカスおよびドーズのズレ量を把握することで、露光装置の状態管理やコータの状態管理が可能になる。

このようにレシピを作成した後、作成したレシピに基づいて検査工程を行う。この検査工程においては、図１１に示すように、まず、被検基板であるウェハ１０をホルダ５上に搬送し（ステップＳ２０１）、アライメントを実施する（ステップＳ２０２）。

アライメントを行った後、先のステップＳ１０５で登録したレシピ（回折条件）にてウェハ１０の画像を撮像する（ステップＳ２０３）。このとき、照明側偏光フィルタ２４および受光側偏光フィルタ３２が光路上から抜去された状態（図１を参照）で、光源２１からの光が波長選択部２２を透過して光ファイバ２３から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５により平行光束となってホルダ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。そして、ウェハ１０の表面から出射された回折光が受光側凹面鏡３１により集光されてＣＣＤカメラ４０の撮像素子４２上に結像され、ＣＣＤカメラ４０は、撮像素子４２上に形成されたウェハ１０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検査部４５に出力する。

次に、先のステップＳ１０８で登録したレシピ（ＰＥＲ条件）にてウェハ１０の画像を撮像する（ステップＳ２０４）。このとき、照明側偏光フィルタ２４および受光側偏光フィルタ３２が光路上に挿入された状態（図２を参照）で、光源２１からの光が波長選択部２２を透過して光ファイバ２３から射出され、照明側偏光フィルタ２４で第１の直線偏光Ｌ１に変換されるとともに、照明側凹面鏡２５により平行光束となってホルダ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。そして、ウェハ１０の表面で反射した正反射光（楕円偏光Ｌ２）が受光側凹面鏡３１により集光され、受光側偏光フィルタ３２で第２の直線偏光Ｌ４に変換されてＣＣＤカメラ４０の撮像素子４２上に結像され、ＣＣＤカメラ４０は、撮像素子４２上に形成された第２の直線偏光Ｌ４によるウェハ１０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検査部４５に出力する。

次に、画像処理検査部４５は、ステップＳ２０３およびＳ２０４で撮像した画像についてそれぞれ、撮像した画像をショット単位で切り出し、各ショットにおける平均輝度、標
準偏差等を求める（ステップＳ２０５）。これにより、回折検査におけるショット毎の平均輝度およびＰＥＲ検査におけるショット毎の平均輝度が求められる。

そして、ショット毎に、回折検査における平均輝度を（データベース部４６に登録された）データベース上の（回折検査における）平均輝度と照合するとともに、ＰＥＲ検査における平均輝度をデータベース上の（ＰＥＲ検査における）平均輝度と照合することにより、フォーカスのズレ量またはドーズのズレ量を求め、繰り返しパターン１２における異常の有無を検査する。例えば、図１４に示す場合、回折検査における平均輝度がｃ６であり、ＰＥＲ検査における平均輝度がｄ５であるとき、フォーカスのズレ量が−ａ２となり、ドーズのズレ量が−ｂ３となる。なお、平均輝度に加え、標準偏差等を照合するようにしてもよい。このようにすれば、データベース上の輝度データと照合するため短時間で検査を行うことが可能になる。

なお、上述の実施形態において、回折検査における平均輝度とＰＥＲ検査における平均輝度だけで、フォーカスのズレ量またはドーズのズレ量を完全に判別することができない場合、データベース部４６に登録する（すなわち、回折検査を行う）回折条件の数を複数に増やしても構わない。例えば図１４に示す場合、フォーカスのズレ量が±ａ１，±ａ２，±ａ３、ドーズのズレ量が±ｂ１，±ｂ２，±ｂ３である場合の平均輝度を、複数の回折条件について（ｃ０〜ｃ１１となる条件に加えて別条件のものを）それぞれ登録する。このようにすれば、データベース上で照合する平均輝度の条件数が増えるため、フォーカスおよびドーズのズレ量をより精度よく特定することができる。一方、データベース部４６に登録する（すなわち、ＰＥＲ検査を行う）ＰＥＲ条件の数を複数に増やすようにしてもよく、回折条件の数を増やす場合と同様の効果を得ることができる。

また、上述の実施形態において、直線偏光Ｌ１がｐ偏光である例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ｐ偏光ではなくｓ偏光にしてもよい。ｓ偏光とは、振動面が入射面に垂直な直線偏光である。このため、図５に示すように、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）が、ｓ偏光である直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２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ｓ偏光の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度も、４５度に設定される。なお、ｐ偏光は、繰り返しパターン１２のライン部２Ａのエッジ形状に拘わる異常情報を取得するのに有利である。また、ｓ偏光は、ウェハ１０の表面の異常情報を効率よく捉えて、ＳＮ比を向上させるのに有利である。

さらに、ｐ偏光やｓ偏光に限らず、振動面が入射面に対して任意の傾きを持つような直線偏光でも構わない。この場合、繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）を直線偏光Ｌ１の入射面に対して４５度以外の角度に設定し、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度を、４５度に設定することが好ましい。

また、上述の実施形態では、光源２１からの照明光と照明側偏光フィルタ２４を利用して、直線偏光Ｌ１を作り出すように構成されているが、これに限られるものではなく、レーザを光源として使用すれば照明側偏光フィルタ２４は必要ない。また、ＣＣＤカメラ４０に替えて、ＣＭＯＳ等の増幅型固体撮像素子を用いることも可能である。

また、上述の実施形態において、ＣＣＤカメラ４０で撮像した画像について、ショット毎の平均輝度を求めているが、これはメモリ回路のように各ショットにおいて均一な繰り返しパターンが存在する場合に有効であり、例えばロジック回路等のように、各ショットにおいて繰り返しパターンの存在しない領域が存在する場合には、各ショットにおけるパターンの存在する領域を部分的に切り出して平均輝度を求めるようにしてもよい。

１ 表面検査装置
１０ ウェハ（基板）
１２ 繰り返しパターン
２０ 照明光学系（照明部）
３０ 集光光学系
３２ 受光側偏光フィルタ
４０ ＣＣＤカメラ（検出部）
４５ 画像処理検査部
４６ データベース部
Ｌ１ 直線偏光
Ｌ２ 楕円偏光
Ｌ３ 偏光成分
Ｌ４ 直線偏光

Claims (8)

1. 加工により設けられた構造体を照明する照明部と、
   前記構造体で反射した照明光を検出する検出部と、
   それぞれ異なる加工条件で設けられた構造体を対象として、複数の照明条件若しくは反射条件で検出される検出値を前記加工条件ごとに記憶する記憶部と、
   前記複数の照明条件若しくは反射条件に含まれる少なくとも２条件で被検物とする構造体から検出される検出値と、前記記憶部に記憶された検出値とが前記少なくとも２条件においてともに高い関連性を示す１つの加工条件を、前記被検物とする構造体が加工された条件として求める処理部とを有する検査装置。
2. 前記構造体を表面に有する基板を支持する支持部と、
   前記照明の方向と前記検出の方向との少なくとも一方と前記基板との相対角度を可変する角度可変部を有する請求項１に記載の検査装置。
3. 前記少なくとも２条件には、複数の回折条件が含まれる請求項１または２に記載の検査装置。
4. 前記照明の波長を可変する波長可変部を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の検査装置。
5. 前記加工は構造体に対応するパターンの露光であり、前記加工条件は露光量と露光時の合焦条件である請求項１から４のいずれか一項に記載の検査装置。
6. 加工により設けられた構造体を照明し、
   前記構造体で反射した照明光を検出し、
   それぞれ異なる加工条件で設けられた構造体を対象として、複数の照明条件若しくは反射条件で検出される検出値を前記加工条件ごとに記憶し、
   前記複数の照明条件若しくは反射条件に含まれる少なくとも２条件で被検物とする構造体から検出される検出値と、前記記憶された検出値とが前記少なくとも２条件においてともに高い関連性を示す１つの加工条件を、前記被検物とする構造体が加工された条件として求める検査方法。
7. 前記加工は構造体に対応するパターンの露光であり、前記加工条件は露光量と露光時の合焦条件である請求項６に記載の検査方法。
8. 前記構造体は繰り返し構造を有し、前記検出は前記構造体で発生する複数の次数の回折光を検出する請求項６または７に記載の検査方法。

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