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WO2012073422A1 - 検査装置、及び検査システム - Google Patents

検査装置、及び検査システム Download PDF

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WO2012073422A1
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inspection apparatus
image
inspection
light
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昌昭 伊東
野口　稔
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Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
Hitachi High Tech Corp
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/956—Inspecting patterns on the surface of objects
    • G01N21/95607—Inspecting patterns on the surface of objects using a comparative method

Definitions

  • the present invention relates to an inspection apparatus and an inspection method for a sample on which a pattern is formed, such as a wafer in the manufacture of semiconductor devices.
  • the present invention relates to a so-called macro inspection apparatus and a macro inspection method.
  • Lithography is a technology in which a resist is applied to a wafer, an image of a photomask is transferred to the resist by an exposure apparatus, and the resist is developed to form a pattern.
  • Etching is a technology for selectively removing a base film such as a metal film or an oxide film by using a resist pattern as a mask.
  • the main cause of the occurrence of the abnormality in the pattern is the focal position shift and the variation in the exposure amount, and in the etching apparatus, the density unevenness of the reaction gas and the like.
  • Pattern abnormalities due to these causes often occur in the entire region of several tens of ⁇ m to several hundreds of ⁇ m.
  • a so-called macro inspection apparatus which inspects the pattern abnormality over the entire area of several tens ⁇ m to several hundreds ⁇ m.
  • Patent Document 1 JP-A-11-72443
  • Patent Document 1 parallel light is illuminated on the entire surface of the wafer.
  • the diffracted light or scattered light from the pattern is received, and an image of the wafer is imaged on an imaging plane.
  • the captured image is compared with the image of a normal wafer to detect a pattern abnormality.
  • the wavelength of the illumination light variable it is possible to receive diffracted light corresponding to various pattern periods.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-94630
  • a spot beam is illuminated to a to-be-tested surface, and the image of the pupil plane of a light reception lens is imaged.
  • the diffracted light from the pattern and the scattered light from the foreign matter are identified to detect the presence or absence of the foreign matter.
  • Patent Document 3 Patent Document 4
  • the wavelength needs to be about 150 nm.
  • a vacuum ultraviolet region it is difficult to design and manufacture an optical system because a refractive lens can not be used.
  • the apparatus configuration becomes complicated.
  • Patent Document 2 takes into consideration the intensity distribution of diffracted light from a pattern and scattered light from foreign matter.
  • the object to be detected is a foreign object, and no consideration is given to the point of detecting an abnormality in the pattern.
  • An object of the present invention is to provide a macro inspection apparatus capable of detecting a pattern abnormality with high sensitivity in response to the miniaturization of semiconductor devices.
  • the present invention has, for example, the following features.
  • an illumination optical system for illuminating light to the sample on which a pattern is formed
  • a detection optical system for receiving scattered light of the pattern
  • a pupil image of the pattern disposed on the pupil plane of the detection optical system.
  • a processing unit that compares the Fourier image with a Fourier image of a normal pattern and detects an abnormality of the pattern.
  • the present invention is characterized in that the illumination optical system illuminates the sample with light of a predetermined polarization, and the imaging device captures a Fourier image by a predetermined polarization component of the scattered light of the pattern.
  • the present invention is characterized in that a polarizing filter is disposed in front of the imaging device.
  • the present invention is characterized in that the imaging device has a photonic crystal element for each pixel, and the directions of polarization axes of adjacent pixels are different from each other.
  • the present invention is characterized in that the imaging device simultaneously captures Fourier images of different polarization components of the scattered light of the pattern, and the processing section compares the Fourier image with a Fourier image of a normal pattern. .
  • the present invention is characterized in that the processing unit divides the Fourier image of the pattern and the Fourier image of the normal pattern into partial regions and compares the partial regions.
  • the present invention is characterized by storing a Fourier image of a normal pattern.
  • the present invention is characterized in that the processing unit separates an orthogonal Nicol image and a parallel Nicol image from the Fourier image.
  • the processing section performs at least one of comparison between the parallel Nicol image and a parallel Nicol image of a normal pattern, and comparison of the orthogonal Nicol image and an orthogonal Nicol image of a normal pattern. It features.
  • the processing section takes the logical sum of the comparison result of the parallel Nicol image and the parallel Nicol image of a normal pattern, and the comparison result of the orthogonal Nicol image and an orthogonal Nicol image of a normal pattern. It features.
  • the present invention comprises an illumination optical system for illuminating a sample with a pattern formed thereon, a plurality of light receiving systems for receiving scattered light of the pattern in a plurality of directions, and scattering of a normal pattern of the intensity distribution of the scattered light. And a processing unit that detects an abnormality of the pattern in comparison with the light intensity distribution.
  • the present invention is characterized in that the illumination optical system illuminates the sample with light of a predetermined polarization, and the light receiving system receives a predetermined polarization component of the scattered light of the pattern.
  • the present invention is characterized in that the intensity distribution of scattered light of a normal pattern is stored.
  • an illumination optical system for illuminating light to the sample on which a pattern is formed, a detection optical system for receiving scattered light of the pattern, and a pupil image of the pattern disposed on the pupil plane of the detection optical system.
  • a first inspection apparatus comprising: an imaging element for imaging the image; and a processing unit for comparing the Fourier image with a Fourier image of a normal pattern and detecting the position of the abnormality of the pattern; And a second inspection device capable of receiving position coordinates and observing the position and having higher resolution than the inspection device.
  • the present invention comprises an illumination optical system for illuminating a sample with a pattern formed thereon, a plurality of light receiving systems for receiving scattered light of the pattern in a plurality of directions, and scattering of a normal pattern of the intensity distribution of the scattered light. It is possible to receive the position of the abnormality from the inspection device and to observe the position, and a first inspection device having a processing unit that detects the position of the abnormality of the pattern in comparison with the intensity distribution of light. And a second inspection device having a higher resolution than the inspection device.
  • pattern abnormalities can be detected with high sensitivity.
  • FIG. 5 shows the formation of a Fourier image. It is a figure which shows the cross section of the wafer in test
  • Example 1 In a first embodiment of the present invention (hereinafter referred to as Example 1), an inspection apparatus for a wafer in the manufacture of a semiconductor device will be described.
  • the inspection apparatus of the present embodiment includes a stage 2 on which a wafer 1 is mounted, a discharge light source 3, a wavelength filter 4, a first polarization filter 5, an illumination optical system 6, a detection optical system 7, a second polarization filter 8, an imaging device 9, an image processing system 10, a control system 11, and an operation system 12.
  • the discharge light source 3 emits multi-wavelength or broadband light.
  • the light of a predetermined wavelength is transmitted by the wavelength filter 4, and is made into a predetermined linearly polarized light by the first polarizing filter 5.
  • the light is converted into parallel light by the illumination optical system 6, and the wafer 1 is illuminated at a predetermined incident angle and azimuth angle.
  • the size of the illumination area is set according to the required spatial resolution.
  • the scattered light diverges from the pattern of the illumination area (hereinafter referred to as an inspection pattern).
  • the detection optical system 7 is a Fourier transform optical system, and as shown in FIG. 2, receives scattered light and forms a Fourier image on the pupil plane.
  • the specularly reflected light emits out of the pupil plane, and thus does not contribute to the Fourier image. Although diffracted light may enter the pupil plane depending on the period of the inspection pattern, there is no particular problem.
  • a predetermined linear polarized light component of the scattered light is transmitted by the second polarizing filter 8, and a Fourier image is picked up by the image pickup device 9 disposed on the pupil plane.
  • the imaging device 9 a CCD (charge coupled device) image sensor, a CMOS image sensor or the like is used.
  • the inspection apparatus of the first embodiment has a configuration in which the relative angle between the transmission axis of the first polarizing filter 5 and the transmission axis of the second polarizing filter 8 is changed.
  • the second polarizing filter 8 can be removed from the light path, and a Fourier image can be captured regardless of polarization. That is, in the inspection apparatus of the first embodiment, the second polarization filter is controlled so as to be able to enter and leave the light path.
  • the Fourier image of the detected inspection pattern is converted into a digital signal and transmitted to the image processing system 10.
  • the image processing system 10 stores a Fourier image of a normal pattern under the above optical conditions.
  • the normal pattern is a set of patterns in which the deviation of the dimension and shape from the pattern of the design specification is within an allowable range.
  • the Fourier image of the test pattern is compared to the Fourier image of the normal pattern to detect anomalies in the test pattern. More specifically, the abnormality of the pattern is detected based on whether the deviation of the inspection pattern with respect to the reference pattern exceeds a certain value. If there is an abnormality in the inspection pattern, position coordinates are transmitted to the control system 11.
  • the stage is scanned to inspect the entire surface of the wafer, and finally, the position of the abnormal pattern is displayed on the operation system 12.
  • the discharge light source 3 of the above embodiment is a mercury lamp, a xenon lamp or the like. If the wavelength of the illumination light can be fixed, a solid light source such as a laser or a light emitting diode can be used in the visible light region, the ultraviolet light region, and the far ultraviolet light region. In this case, the wavelength filter is unnecessary.
  • the detection optical system 7 of the above embodiment it is possible to use a refraction type comprising a lens, a reflection type comprising a mirror, a reflection / refraction type combining a mirror and a lens, and a diffraction type such as a Fresnel zone plate.
  • the Fourier image of the normal pattern can be acquired using a test wafer.
  • the test wafer is, for example, one in which various sizes and shapes are formed by changing the focus position and the exposure amount for each exposure region when transferring the pattern of the photomask to the wafer by the exposure device.
  • a Fourier image of a normal pattern can be obtained by numerical simulation. High precision prediction using the shape and size of the pattern, the refractive index, and the optical conditions of the inspection device as input data, using the Finite Difference Time Domain (R) and Rigorous Coupled Wave Analysis. Is possible.
  • the cross section of the wafer in inspection after resist development in the lithography process is shown in FIG.
  • the resist pattern to be inspected is 7% smaller in size than the design specification.
  • FIG. 4 shows the result of averaging the intensities of the Fourier image of the inspection pattern and the intensities of the Fourier image of the design specification pattern in a partial region obtained by dividing the pupil plane into 21 and taking the ratio of the two.
  • the averaging in the partial area is to obtain a stable output.
  • the number of divisions of the partial area can be appropriately set in the image processing system 10. That is, the image processing system 10 can change the number of divisions of the partial region of the pupil plane.
  • the signal is equivalent to the average of the intensity of the entire Fourier image, so the rate of change of the signal with respect to dimensional variation is 7%.
  • the signal is the intensity of the Fourier image for each partial area
  • the rate of change of the signal with respect to dimensional variation is 39% at maximum (area shown by hatching).
  • Example 2 A second embodiment of the present invention (hereinafter referred to as Example 2) is shown in FIG. The description of the same configuration as that of the first embodiment is omitted.
  • the polarization imaging device 13 is used.
  • the polarization imaging device 13 is, as shown in FIG. 6, one in which the photonic crystal element 15 is disposed for each pixel of the imaging device. In the polarization imaging device 13, adjacent four pixels form one set, and the directions of the respective transmission axes are different by 45 degrees.
  • FIG. 7 shows the relationship between the azimuth angle of the illumination light (the angle in the wafer plane) with respect to the pattern and the transmission axis of the polarization imaging device.
  • one for s-polarized light or p-polarized illumination light regardless of the azimuth angle with respect to the pattern of illumination light is any of 0 °, 45 °, and 90 °.
  • the pixels of X can detect vertical polarization components (orthogonal nicols), and one pixel can detect parallel components (parallel nicols).
  • the remaining two pixels can also detect polarization components in the 45-degree direction with respect to the polarization direction of the illumination light.
  • the second embodiment it is possible to simultaneously capture images of different polarization components by the polarization imaging device 13.
  • FIG. 9 shows a method of processing a Fourier image taken by the polarization imaging device 13.
  • a pixel of a predetermined polarization axis is selected, and an orthogonal Nicol image and a parallel Nicol image are separated. Although the resolution of the separated image is half that of the captured image, there is no problem in comparing the Fourier images.
  • the orthogonal Nicol image of the inspection pattern is compared to the orthogonal Nicol image of the normal pattern to detect anomalies.
  • the parallel Nicol image of the inspection pattern is compared with the parallel Nicol image of the normal pattern to detect an abnormality. Both results are ORed, and if there is an error in the inspection pattern, position coordinates are transmitted to the control system.
  • the inspection pattern and the normal pattern are compared under a plurality of optical conditions, so the probability of missing an abnormality is reduced.
  • Example 3 A third embodiment of the present invention (hereinafter referred to as Example 3) is shown in FIG.
  • the upstream of the illumination optical system is the same as that of the first embodiment, and thus is omitted in the figure.
  • a plurality of light receiving systems 18 consisting of the condensing optical system 16, the second polarizing filter 8 and the light detecting element 17 are disposed at a predetermined elevation angle and azimuth angle.
  • the wafer is illuminated at a predetermined incident angle and azimuth angle by light of a predetermined linear polarization. Scattered light diverges from the inspection pattern. A predetermined polarization component of the scattered light is detected by each light receiving system and transmitted to the signal processing system 19.
  • the signal processing system 19 creates the intensity distribution of the scattered light of the inspection pattern based on the light reception signals from the plurality of light reception systems.
  • the signal processing system 19 stores the intensity distribution of the scattered light of the normal pattern under the above optical conditions.
  • the intensity distribution of the scattered light of the inspection pattern is compared with the intensity distribution of the scattered light of the normal pattern to detect an abnormality of the inspection pattern. If there is an abnormality in the inspection pattern, position coordinates are transmitted to the control system.
  • the present embodiment 3 is advantageous for detecting very weak scattered light because it is possible to use a photomultiplier tube having higher sensitivity than an imaging device such as a CCD image sensor as compared with the embodiment 1.
  • an imaging device such as a CCD image sensor
  • the inspection apparatus of the present invention can detect pattern abnormalities in the macro area with high sensitivity on the entire surface of all the wafers flowing in the manufacturing line.
  • a wafer having an abnormality detected by the inspection apparatus of the first to third embodiments is subjected to electron beam inspection having an electron optical system having a higher resolution than the optical system of the inspection apparatus of the first to third embodiments. It can also be transported to the device (which may be an optical inspection device if the resolution is high). In the observation by the electron beam inspection apparatus, since the abnormal position has already been identified, the abnormal pattern can be observed in detail.
  • the method of detecting the position of abnormality with such macro inspection system receiving the information on the position (coordinates in the wafer, coordinates in the chip), and observing the position with the electron beam inspection system, while suppressing the inspection cost It is effective to improve the manufacturing yield.
  • the inspection apparatus of this invention is widely applicable to the sample in which the pattern was formed, such as a magnetic storage medium and a liquid crystal device.

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Abstract

　半導体ウェハなどのパターンが形成された試料のマクロ検査装置において、寸法・形状の異常を高感度で検出可能にする。　パターンが形成された試料の検査装置において、パターンが形成された該試料に光を照明する照明光学系と、該パターンの散乱光を受光する検出光学系と、該検出光学系の瞳面に配置され、該パターンのフーリエ像を撮像する撮像素子と、該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較し、該パターンの異常を検出する処理部と、を有することを特徴とする。

Description

検査装置、及び検査システム
　本発明は、半導体デバイスの製造におけるウェハなどの、パターンが形成された試料の検査装置、及び検査方法に関する。
　例えば、いわゆるマクロ検査装置、及びマクロ検査方法に関する。
　半導体デバイスの製造では、リソグラフィとエッチングによるパターンの形成を多数繰り返す。リソグラフィは、ウェハにレジストを塗布し、露光装置によりフォトマスクの像をレジストに転写し、レジストを現像してパターンを形成する技術である。
　エッチングは、レジストのパターンをマスクにして、金属膜や酸化膜などの下地膜を選択的に除去する技術である。
　パターンの形成においては、寸法（いわゆるCritical Dimension）と形状（側壁の角度や高さ）を正確に管理する必要がある。
　パターンに異常が発生する主な原因は、露光装置では焦点位置ずれと露光量ばらつき、エッチング装置では反応ガスの密度むらなどである。
　これらの原因によるパターンの異常は、多くの場合、数十μｍから数百μｍの領域全体で発生する。
　そこで、露光装置とエッチング装置が正常に稼動しているか否かをモニタするには、数十μｍから数百μｍの領域全体でパターンの異常を検査する、いわゆるマクロ検査装置が使用されている。
　マクロ検査装置は空間分解能が低いので、個々のパターンを観察することはできない。
　しかし、スループットが高いので、製造ラインに流れる全数のウェハの、全面を検査できる利点がある。
　従来のマクロ検査装置に関して、例えば特開平１１－７２４４３号公報（特許文献１）が知られている。特許文献１では、ウェハ全面に平行光を照明する。パターンからの回折光あるいは散乱光を受光し、結像面でウェハの像を撮像する。撮像した像と正常なウェハの像とを比較し、パターンの異常を検出する。照明光の波長を可変にすることにより、種々のパターン周期に対応して回折光を受光できるようにしている。
　また、フォトマスク等の異物検査装置に関して、例えば特開平６－９４６３０号公報（特許文献２）が知られている。特許文献２では、被検面にスポットビームを照明し、受光レンズの瞳面の像を撮像する。パターンからの回折光と異物からの散乱光とを識別し、異物の有無を検出する。
　その他の先行技術としては、特許文献３、及び特許文献４が挙げられる。
特開平１１－７２４４３号公報 特開平６－９４６３０号公報 特開２００８－１１６４０５号公報 特開平６－０９４６３３号公報
　半導体デバイスの微細化に伴い、マクロ検査装置には、パターンの異常に対する検出感度の向上が要求されている。
　しかし、繰り返しパターンの周期が波長の１／２以下になると、原理的に回折光は発生しない。よって、パターン周期の減少に対応して、従来技術で回折光を受光するには短波長化が不可欠である。
　例えば、パターン周期８０ｎｍでは、波長を１５０ｎｍ程度とする必要がある。しかし、このような真空紫外領域では、屈折レンズを使用できないので、光学系の設計製作が難しくなる。また、光路を真空にする必要があるので、装置構成が複雑になる。
　一方、回折光が発生しない波長でも、パターンのエッジラフネスなどにより散乱光が発生する。散乱光は回折光と異なり、広い角度範囲に発散するのが特徴である。しかし、特許文献１は散乱光の強度分布を十分には考慮していないので、検出感度をさらに向上するのは難しい。
　一方、特許文献２はパターンからの回折光と異物からの散乱光の強度分布を考慮している。しかし、検出対象は異物であり、パターンの異常を検出する点については配慮がなされていない。
　本発明の目的は、半導体デバイスの微細化に対応して、パターンの異常を高感度で検出可能な、マクロ検査装置を提供することにある。
　本発明は例えば以下の特徴を有する。
　本発明は、パターンが形成された該試料に光を照明する照明光学系と、該パターンの散乱光を受光する検出光学系と、該検出光学系の瞳面に配置され、該パターンのフーリエ像を撮像する撮像素子と該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較し、該パターンの異常を検出する処理部と、を有することを特徴とする。
　本発明は、該照明光学系は、該試料に所定の偏光の光を照明し、該撮像素子は、該パターンの散乱光の所定の偏光成分によるフーリエ像を撮像することを特徴とする。
　本発明は、該撮像素子の前に偏光フィルタが配置されていることを特徴とする。
　本発明は、該撮像素子は画素ごとにフォトニック結晶素子を有し、隣接する画素の偏光軸の方向が互いに異なることを特徴とする。
　本発明は、該撮像素子は、該パターンの散乱光の互いに異なる偏光成分によるフーリエ像を同時に撮像し、該処理部は、該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較することを特徴とする。
　本発明は、該処理部は、該パターンのフーリエ像と正常なパターンのフーリエ像を部分領域に分割し、該部分領域ごとに比較することを特徴とする。
　本発明は、正常なパターンのフーリエ像を格納していることを特徴とする。
　本発明は、該処理部は、該フーリエ像から、直交ニコル像と平行ニコル像とを分離することを特徴とする。
　本発明は、該処理部は、該平行ニコル像と正常なパターンの平行ニコル像との比較、および該直交ニコル像と正常なパターンの直交ニコル像との比較のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする。
　本発明は、該処理部は、該平行ニコル像と正常なパターンの平行ニコル像との比較結果、および該直交ニコル像と正常なパターンの直交ニコル像との比較結果の論理和をとることを特徴とする。
　本発明は、パターンが形成された試料に光を照明する照明光学系と、該パターンの散乱光を複数の方向で受光する複数の受光系と、該散乱光の強度分布を正常なパターンの散乱光の強度分布と比較し、該パターンの異常を検出する処理部と、を有することを特徴とする。
　本発明は、該照明光学系は、該試料に所定の偏光の光を照明し、該受光系は、該パターンの散乱光の所定の偏光成分を受光することを特徴とする。
　本発明は、正常なパターンの散乱光の強度分布を格納していることを特徴とする。
　本発明は、パターンが形成された該試料に光を照明する照明光学系と、該パターンの散乱光を受光する検出光学系と、該検出光学系の瞳面に配置され、該パターンのフーリエ像を撮像する撮像素子と、該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較し、該パターンの異常の位置を検出する処理部と、を有する第１の検査装置と、前記検査装置から該異常の位置座標を受け取り、該位置の観察を行うことが可能であり、該検査装置よりも高い分解能を有する第２の検査装置と、を有することを特徴とする。
　本発明は、パターンが形成された試料に光を照明する照明光学系と、該パターンの散乱光を複数の方向で受光する複数の受光系と、該散乱光の強度分布を正常なパターンの散乱光の強度分布と比較し、該パターンの異常の位置を検出する処理部と、を有する第１の検査装置と、前記検査装置から該異常の位置を受け取り、該位置の観察を行うことが可能であり、該検査装置よりも高い分解能を有する第２の検査装置と、を有することを特徴とする。
　本発明によれば、パターンの異常を高感度で検出可能になる。
本発明に係る検査装置の第１の実施形態を示す図である。 フーリエ像の形成を示す図である。 リソグラフィ工程の検査におけるウェハの断面を示す図である。 パターン寸法の変化によるフーリエ像の部分領域ごとの強度変化を示す図である。 本発明に係る検査装置の第２の実施形態を示す図である。 偏光撮像素子の構成を示す図である。 照明光の方位角と偏光撮像素子の透過軸との関係を示す図である。 偏光検出における偏光撮像素子の画素の選択を示す図である。 偏光撮像素子で撮像したフーリエ像の処理方法を示す図である。 本発明に係る検査装置の第３の実施形態を示す図である。
　以下、図面を用いて実施例を説明する。
　本発明の第１の実施形態（以降、実施例１と称す。）では、半導体デバイスの製造におけるウェハを対象とする検査装置について説明する。
　本実施例の検査装置の概略構成を図１に示す。本実施例の検査装置は、ウェハ１を搭載するステージ２，放電光源３，波長フィルタ４，第１の偏光フィルタ５，照明光学系６，検出光学系７，第２の偏光フィルタ８，撮像素子９，画像処理系１０，制御系１１、および操作系１２を有する。
　放電光源３から、多波長あるいは広帯域の光が放射される。波長フィルタ４により所定の波長の光を透過させ、第１の偏光フィルタ５により所定の直線偏光とする。照明光学系６により平行光に変換し、ウェハ１を所定の入射角・方位角で照明する。照明領域のサイズは、必要な空間分解能に応じて、設定される。
　照明光学系６からの照明によって、照明領域のパターン（以下、検査パターンと呼ぶ）から、散乱光が発散する。
　検出光学系７はフーリエ変換光学系であり、図２に示すように、散乱光を受光し、瞳面でフーリエ像を形成する。正反射光は、瞳面の外に射出するので、フーリエ像に寄与しない。検査パターンの周期によっては、回折光が瞳面に入る場合があるが、特に問題は無い。第２の偏光フィルタ８により散乱光の所定の直線偏光成分を透過させ、瞳面に配置した撮像素子９によりフーリエ像を撮像する。撮像素子９としては、ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等を使用する。
　本実施例１では、第１の偏光フィルタ５の透過軸と第２の偏光フィルタ８の透過軸との相対角度を変えることにより、照明光の偏光方向に対して、垂直な偏光成分（直交ニコル）を撮像したり、平行な偏光成分（平行ニコル）を撮像できる。つまり、本実施例１の検査装置は第１の偏光フィルタ５の透過軸と第２の偏光フィルタ８の透過軸との相対的な角度を変える構成を有する。
　また、第２の偏光フィルタ８を光路から外し、偏光と関係無くフーリエ像を撮像することもできる。つまり、本実施例１の検査装置では、第２の偏光フィルタは光路に対し出し入れ可能に制御される。
　次に、検出された検査パターンのフーリエ像はデジタル信号に変換され、画像処理系１０に伝送される。画像処理系１０には、上記の光学条件における、正常なパターンのフーリエ像が格納されている。ここで、正常なパターンとは、設計仕様のパターンからの寸法・形状の偏差が許容範囲にあるパターンの集合である。
　検査パターンのフーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較し、検査パターンの異常を検出する。より具体的には、基準パターンに対する検査パターンの偏差がある一定の値を超えるか否かによりパターンの異常を検出する。検査パターンに異常があれば、位置座標を制御系１１に伝送する。
　そして、ステージを走査してウェハ全面を検査し、最後に、異常パターンの位置を操作系１２に表示する。
　上記実施例の放電光源３は、水銀ランプやキセノンランプなどである。照明光の波長が固定で良ければ、可視光領域，紫外光領域、および遠紫外光領域で、レーザや発光ダイオードなどの固体光源を使用できる。この場合、波長フィルタは不要である。
　また、上記実施例の検出光学系７は、レンズから成る屈折型、ミラーから成る反射型、ミラーとレンズを組み合わせた反射・屈折型、およびフレネルゾーンプレートなどの回折型を使用できる。
　正常なパターンのフーリエ像は、テストウェハを用いて取得することができる。テストウェハとは、例えば露光装置によりフォトマスクのパターンをウェハに転写する際、露光領域ごとに焦点位置と露光量を変えて、種々の寸法・形状を作り込んだものである。また、正常なパターンのフーリエ像は、数値シミュレーションにより取得することもできる。パターンの形状・寸法と屈折率、および検査装置の光学条件を入力データとし、時間領域差分法（Finite Difference Time Domain）や厳密結合波解析法（Rigorous Coupled Wave Analysis）を用いて、高精度の予測が可能である。
　次に、本実施例１の検査装置において、パターンの異常に対する検出感度が向上することを説明する。
　リソグラフィ工程のレジスト現像後の検査における、ウェハの断面を図３に示す。検査対象のレジストパターンは、設計仕様に比べて寸法が７％細っている。
　図４は、瞳面を２１個に分割した部分領域で、検査パターンのフーリエ像の強度と設計仕様のパターンのフーリエ像の強度を平均化し、両者の比を取った結果である。部分領域で平均化するのは、安定した出力を得るためである。
　なお、部分領域の分割数は、画像処理系１０において適宜設定することができる。すなわち、画像処理系１０は瞳面の部分領域の分割数を変更することができる。
　パターンを結像面で撮像する従来技術では、信号はフーリエ像全体の強度の平均に等価なので、寸法変動に対する信号の変化率は７％になる。
　一方、本実施例１では、信号は部分領域ごとのフーリエ像の強度なので、寸法変動に対する信号の変化率は最大で３９％（網掛けで示す領域）になる。このように、フーリエ像を比較することにより、従来技術より検出感度が向上することが分かる。
　本発明の第２の実施形態（以降、実施例２と称す）を、図５に示す。実施例１と同じ構成の説明は省略する。
　本実施例２では、第１の実施形態における偏光フィルタと撮像素子の替わりに、偏光撮像素子１３を使用する。
　偏光撮像素子１３とは、図６に示すように、撮像素子の画素ごとにフォトニック結晶素子１５を配置したものである。偏光撮像素子１３は、隣接する４個の画素が１組になっており、それぞれの透過軸の方向は４５度ずつ異なっている。
　図７に、パターンに対する照明光の方位角（ウェハ面内の角度）と偏光撮像素子の透過軸との関係を示す。
　図８に示すように、本実施例２では、照明光のパターンに対する方位角が０度，４５度，９０度のいずれであっても、ｓ偏光またはｐ偏光の照明光に対して、１個の画素は垂直な偏光成分（直交ニコル）を検出し、１個の画素は平行な成分（平行ニコル）を検出することができる。また、本実施例２では、照明光の偏光方向に対して、残りの２個の画素は４５度方向の偏光成分を検出することもできる。
　このように、本実施例２では、偏光撮像素子１３により、互いに異なる偏光成分の像を同時に撮像することができる。
　次に、偏光撮像素子１３で撮像したフーリエ像の処理方法を図９に示す。
　撮像した像から、所定の偏光軸の画素を選択し、直交ニコル像と平行ニコル像とを分離する。分離した画像の分解能は、撮像した画像の分解能の半倍になるが、フーリエ像を比較するには問題ない。検査パターンの直交ニコル像を、正常なパターンの直交ニコル像と比較し、異常を検出する。
　また、検査パターンの平行ニコル像を、正常なパターンの平行ニコル像と比較し、異常を検出する。両方の結果の論理和をとり、検査パターンに異常があれば、位置座標を制御系に伝送する。
　本実施例２は、実施例１に比べて、複数の光学条件で検査パターンと正常なパターンとを比較するので、異常を見逃す確率が減少する。また、複数の光学条件による比較結果を解析することにより、寸法の異常と形状の異常とを識別することも容易になる。
　本発明の第３の実施形態（以降、実施例３と称す。）を、図１０に示す。照明光学系より上流は第１の実施形態と同じなので、図では省略している。
　本実施例３では、集光光学系１６と第２の偏光フィルタ８および光検出素子１７からなる受光系１８を、所定の仰角・方位角で複数配置する。
　本実施例３では、所定の直線偏光の光により、ウェハを所定の入射角・方位角で照明する。検査パターンからは、散乱光が発散する。散乱光の所定の偏光成分をそれぞれの受光系で検出し、信号処理系１９に伝送する。
　信号処理系１９で、複数の受光系からの受光信号に基づいて検査パターンの散乱光の強度分布を作成する。信号処理系１９には、上記の光学条件における、正常なパターンの散乱光の強度分布が格納されている。検査パターンの散乱光の強度分布を正常なパターンの散乱光の強度分布と比較し、検査パターンの異常を検出する。検査パターンに異常があれば、位置座標を制御系に伝送する。
　本実施例３は実施例１に比べて、ＣＣＤイメージセンサのような撮像素子よりも感度が高い光電子増倍管を使用できるので、非常に微弱な散乱光を検出するのに有利である。また、受光系の空間配置の自由度が大きいので、低仰角の散乱光を受光できる利点もある。
　以上説明したように、本発明の検査装置により、製造ラインに流れる全数のウェハの全面について、マクロ領域でのパターン異常を高感度で検出できる。
　また、実施例１～３の検査装置（第１の検査装置）で検出した異常を有するウェハを、実施例１～３の検査装置の光学系よりも高い分解能の電子光学系を有する電子線検査装置（分解能が高ければ光学式検査装置でも良い）に搬送することもできる。電子線検査装置による観察では、すでに異常位置が特定されているので、異常パターンを詳細に観察可能である。
　このようなマクロ検査装置で異常の位置を検出し、その位置に関する情報（ウェハ内における座標、チップ内における座標）を受け取り、その位置を電子線検査装置で観察する方法は、検査コストを抑えつつ製造歩留まりを向上するのに有効である。
　以上、半導体デバイスの製造におけるウェハを対象に説明したが、本発明の検査装置は、磁気記憶媒体や液晶デバイスなどの、パターンが形成された試料に広く適用可能である。
１　ウェハ
２　ステージ
３　放電光源
４　波長フィルタ
５　第１の偏光フィルタ
６　照明光学系
７　検出光学系
８　第２の偏光フィルタ
９　撮像素子
１０　画像処理系
１１　制御系
１２　操作系
１３　偏光撮像素子
１４　画素
１５　フォトニック結晶素子
１６　集光光学系
１７　光検出素子
１８　受光系
１９　信号処理系

Claims (15)

  1. 　パターンが形成された試料の検査装置において、
    　パターンが形成された該試料に光を照明する照明光学系と、
    　該パターンの散乱光を受光する検出光学系と、
    　該検出光学系の瞳面に配置され、該パターンのフーリエ像を撮像する撮像素子と、
    　該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較し、該パターンの異常を検出する処理部と、を有することを特徴とする検査装置。
  2. 　請求項１記載の検査装置において、
    　該照明光学系は、該試料に所定の偏光の光を照明し、
    　該撮像素子は、該パターンの散乱光の所定の偏光成分によるフーリエ像を撮像することを特徴とする検査装置。
  3. 　請求項２記載の検査装置において、
    　該撮像素子の前に偏光フィルタが配置されていることを特徴とする検査装置。
  4. 　請求項２記載の検査装置において、
    　該撮像素子は画素ごとにフォトニック結晶素子を有し、隣接する画素の偏光軸の方向が互いに異なることを特徴とする検査装置。
  5. 　請求項４記載の検査装置において、
    　該撮像素子は、該パターンの散乱光の互いに異なる偏光成分によるフーリエ像を同時に撮像し、
    　該処理部は、該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較することを特徴とする検査装置。
  6. 　請求項１に記載の検査装置において、
    　該処理部は、該パターンのフーリエ像と正常なパターンのフーリエ像を部分領域に分割し、該部分領域ごとに比較することを特徴とする検査装置。
  7. 　請求項１に記載の検査装置において、
    　正常なパターンのフーリエ像を格納していることを特徴とする検査装置。
  8. 　請求項５に記載の検査装置において、
    　該処理部は、該フーリエ像から、直交ニコル像と平行ニコル像とを分離することを特徴とする検査装置。
  9. 　請求項８に記載の検査装置において、
    　該処理部は、
    　該平行ニコル像と正常なパターンの平行ニコル像との比較、および該直交ニコル像と正常なパターンの直交ニコル像との比較のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする検査装置。
  10. 　請求項９に記載の検査装置において、
    　該処理部は、
    　該平行ニコル像と正常なパターンの平行ニコル像との比較結果、および該直交ニコル像と正常なパターンの直交ニコル像との比較結果の論理和をとることを特徴とする検査装置。
  11. 　パターンが形成された試料の検査装置において、
    　パターンが形成された試料に光を照明する照明光学系と、
    　該パターンの散乱光を複数の方向で受光する複数の受光系と、
    　該散乱光の強度分布を正常なパターンの散乱光の強度分布と比較し、該パターンの異常を検出する処理部と、を有することを特徴とする検査装置。
  12. 　請求項１１記載の検査装置において、
    　該照明光学系は、該試料に所定の偏光の光を照明し、
    　該受光系は、該パターンの散乱光の所定の偏光成分を受光することを特徴とする検査装置。
  13. 　請求項１１に記載の検査装置において、
    　正常なパターンの散乱光の強度分布を格納していることを特徴とする検査装置。
  14. 　パターンが形成された試料の検査システムにおいて、
    　パターンが形成された該試料に光を照明する照明光学系と、
    　該パターンの散乱光を受光する検出光学系と、
    　該検出光学系の瞳面に配置され、該パターンのフーリエ像を撮像する撮像素子と、
    　該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較し、該パターンの異常の位置を検出する処理部と、を有する第１の検査装置と、
    　前記第１の検査装置から該異常の位置座標を受け取り、該位置の観察を行うことが可能であり、該検査装置よりも高い分解能を有する第２の検査装置と、を有することを特徴とする検査システム。
  15. 　パターンが形成された試料の検査システムにおいて、
    　パターンが形成された試料に光を照明する照明光学系と、
    　該パターンの散乱光を複数の方向で受光する複数の受光系と、
    　該散乱光の強度分布を正常なパターンの散乱光の強度分布と比較し、該パターンの異常の位置を検出する処理部と、を有する第１の検査装置と、
    　前記第１の検査装置から該異常の位置座標を受け取り、該位置の観察を行うことが可能であり、該検査装置よりも高い分解能を有する第２の検査装置と、を有することを特徴とする検査システム。
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