JP5212779B2 - 表面検査装置および表面検査方法 - 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表面検査装置および方法に関する。

半導体ウェハの表面に形成されたパターンの良否を判断する方法として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察により、断面形状を計測する方法が種々提案されている。ＳＥＭによる断面形状の計測は、被検基板上のパターンに照射した電子線をパターンの断面方向に走査し、パターンからの反射電子や二次電子を検出、解析して、走査した部分の断面形状を求める方法で行われる。上記の操作をパターン上の何点かで行い、パターン全体の形状の良否を判断する。

また、パターンの断面形状からパターンを形成した露光プロセスやエッチングのプロセスに不具合がないかどうかや、適切なプロセス条件が選択されているかの判断もなされる。例えば露光プロセスについては露光条件とパターンの断面形状との相関関係をあらかじめ求めておき、検査したパターンの断面形状から露光装置の露光条件の修正の可否を判断し、修正が必要な場合には前述の相関関係に基づいて適切な露光条件を求めている。また、エッチングのプロセスにおいては、ガス種、ガス圧、加速電圧等の条件と、パターンの断面形状との相関関係を予め求めておいて、同様の条件出しが行われる。

上記の様にＳＥＭによる計測方法は、パターン上に電子線を照射して走査する作業を何回も繰り返し行う為、パターンの形状を求めるのに膨大な時間を要してしまう。また観察倍率が高いため、ウェハ上の全てのパターン形状を求めるのは困難であり、何点かをサンプリングしてウェハ全体の良否を判断する。その結果、サンプリングされたパターン以外の部分に欠陥があっても見逃されてしまう。また、レジストパターンでは、電子線を照射すると加速電圧によって電子線がレジストに吸収、チャージされてパターンの目減りが起こる。場合によっては放電が発生してパターンが倒れてしまい、その後の工程で不都合が生じる為、加速電圧や観察倍率を色々と変えながら最適な観察条件をも求める。それ故、さらに計測に時間を要する。

ＳＥＭによる断面形状の計測では、こうした見逃しによって露光装置やエッチャーの不具合を十分に把握出来ないという問題が生じる。また、計測に膨大な時間を要するため、計測結果によって得られた露光装置やエッチャーの不具合を迅速にそれらの装置に反映できない問題も生じる。

このような問題を解決するため、レジストパターン、エッチング後のパターンに関わらず、被検基板上のパターン形状の良否を短時間で判別することができる表面検査装置および表面検査方法が考案されている（例えば、特許文献１を参照）。この表面検査装置は、被検基板に形成された周期性を有するレジストパターンの繰り返し方向に対して直線偏光の振動方向を斜めに設定して照明し、被検基板からの正反射光のうち、照明する直線偏光の振動面に垂直な振動面を有する偏光成分を抽出するために検像形成手段を用いて撮像することにより、被検基板上のパターン形状の良否を短時間に処理可能としている。
特開２００６−１３５２１１号公報

しかしながら、線幅が５０ｎｍ以下になると、レジスト厚も薄くなり、被検基板に形成された周期性を有するレジストパターンが有する構造性複屈折によって発生する偏光状態の変化が少なくなる。このため、レジストパターンの繰り返し方向に対して直線偏光の振動方向を斜めに設定して照明したときの被検基板からの正反射光のうち、照明する直線偏光の振動面に垂直な振動面を有する偏光成分も減衰するため、パターン形状変化に対する検出感度が低下する問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、感度の高い表面検査が可能な表面検査装置および表面検査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、所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、前記被検基板の表面に照射された前記第１の直線偏光が前記繰り返しパターンで反射する際に前記パターンによって生じる楕円偏光から前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分を透過させる偏光素子と、前記第２の直線偏光成分を検出する検出部と、前記検出部で検出された前記第２の直線偏光成分に基づいて、前記繰り返しパターンの形状変化を検出する処理部と、前記偏光素子を透過する前記第２の直線偏光成分の振動方向を設定可能な設定部とを備え、前記形状変化を求める基準となる繰り返しパターンからの前記第２の直線偏光成分の検出の結果に基づいて、前記偏光素子を透過する前記第２の直線偏光成分の振動方向を、前記形状変化による前記第２の直線偏光成分の検出の結果の変化が前記第１の直線偏光の振動方向と前記第２の直線偏光成分の振動方向とを直交させた場合よりも大きくなるように設定するようになっている。

なお、前記形状変化を求める基準となる繰り返しパターンを含む、成形条件の異なる複数の繰り返しパターンからの前記第２の直線偏光成分の検出の結果に基づいて、前記第２の直線偏光成分の振動方向を設定するようにしてもよい。
また、上述の表面検査装置において、前記設定部は、前記第２の直線偏光成分の振動方向と前記第１の直線偏光の振動方向とのなす角度を所定角度ずつ変化させることができ、前記角度を前記所定角度ずつ変化させる毎に前記検出部で検出した前記第２の直線偏光成分の輝度に基づいて、前記楕円偏光の進行方向と垂直な面内における楕円短軸の向きと前記第２の直線偏光成分の振動方向とが略一致する前記角度を選択設定することが好ましい。

また、上述の表面検査装置において、前記検出部で検出された前記第２の直線偏光成分の輝度と予め設定された閾値とを比較して、前記繰り返しパターンの異常を検出する異常検出部をさらに備えることが好ましい。

また、上述の表面検査装置において、前記設定部は、前記楕円偏光の短軸方向成分を最も検出しやすくするように前記偏光素子を設定することが好ましい。

また、上述の表面検査装置において、前記設定部は、前記角度が９０度以外であって９０度近傍の角度となるように前記選択設定を行うことが好ましい。

また、本発明に係る表面検査方法は、所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照射ステップと、前記被検基板の表面に照射された前記第１の直線偏光が前記繰り返しパターンで反射する際に前記パターンによって生じる楕円偏光から前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分を透過させる透過ステップと、前記第２の直線偏光成分を検出する検出ステップと、前記検出ステップで検出された前記第２の直線偏光成分に基づいて、前記繰り返しパターンの形状変化を検出する処理ステップと、前記形状変化を求める基準となる繰り返しパターンからの前記第２の直線偏光成分の検出の結果に基づいて、前記透過させる前記第２の直線偏光成分の振動方向を、前記形状変化による前記第２の直線偏光成分の検出の結果の変化が前記第１の直線偏光の振動方向と前記第２の直線偏光成分の振動方向とを直交させた場合よりも大きくなるように設定する設定ステップとを有している。

なお、前記設定ステップにおいて、前記形状変化を求める基準となる繰り返しパターンを含む、成形条件の異なる複数の繰り返しパターンからの前記第２の直線偏光成分の検出の結果に基づいて、前記第２の直線偏光成分の振動方向を設定するようにしてもよい。
また、前記設定ステップにおいて、前記第２の直線偏光成分の振動方向と前記第１の直線偏光の振動方向とのなす角度を所定角度ずつ変化させ、前記角度を前記所定角度ずつ変化させる毎に検出した前記第２の直線偏光成分の輝度に基づいて、前記楕円偏光の進行方向と垂直な面内における楕円短軸の向きと前記第２の直線偏光成分の振動方向とが略一致する前記角度を選択設定することが好ましい。

また、前記検出ステップで検出された前記第２の直線偏光成分の輝度と予め設定された閾値とを比較して、前記繰り返しパターンの異常を検出する異常検出ステップをさらに有することが好ましい。
また、前記設定ステップにおいて、前記楕円偏光の短軸方向成分を最も検出しやすくするように前記設定を行うことが好ましい。
また、前記設定ステップにおいて、前記第１の直線偏光の振動方向と前記第２の直線偏光成分の振動方向とのなす角度が９０度以外であって９０度近傍の角度となるように前記設定を行うことが好ましい。

本発明によれば、感度の高い表面検査を行うことができる。

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１は、図１に示すように、被検基板である半導体ウェハ１０（以下、ウェハ１０と称する）を支持するステージ２０と、アライメント系２５と、照明系３０と、受光系４０とを備えて構成されている。また、表面検査装置１は、受光系４０で撮像された画像の画像処理を行う画像処理部５０と、受光系４０で撮像された画像や画像処理部５０による画像処理結果を表示するモニタ５５とを備えている。表面検査装置１は、半導体回路素子の製造工程において、ウェハ１０の表面の検査を自動的に行う装置である。ウェハ１０は、最上層のレジスト膜への露光・現像後、不図示の搬送系により、不図示のウェハカセットまたは現像装置から運ばれ、ステージ２０に吸着保持される。

ウェハ１０の表面には、図２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３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。

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。

本実施形態の表面検査装置１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の欠陥検査を行うものである。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状態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。

また、本実施形態においては、繰り返しパターン１２に対する照明光（後述）の波長と比較して繰り返しパターン１２のピッチＰが十分小さいものとする。このため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはなく、繰り返しパターン１２の欠陥検査を回折光により行うことはできない。本実施形態における欠陥検査の原理は、以降、表面検査装置の構成（図１）とともに順に説明する。

表面検査装置１のステージ２０は、ウェハ１０を上面で支持して、例えば真空吸着により固定保持する。さらに、ステージ２０は、上面の中心における法線Ａ１を中心軸として回転可能である。この回転機構によって、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２および図３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できる。なお、ステージ２０は、上面が水平面であり、ウェハ１０を常に水平な状態に保つことができる。

アライメント系２５は、ステージ２０が回転しているときに、ウェハ１０の外縁部を照明し、外縁部に設けられた外形基準（例えばノッチ）の回転方向の位置を検出し、所定位置でステージ２０を停止させる。その結果、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２および図３におけるＸ方向）を、後述の照明光の入射面Ａ２（図４を参照）に対して、４５度の角度に傾けて設定することができる。なお、角度は４５度に限らず、２２．５度や６７．５度など任意角度方向に設定可能である。

照明系３０は、光源３１と、偏光子３２と、照明レンズ３３とを有して構成された偏心光学系であり、ステージ２０上のウェハ１０の繰り返しパターン１２を直線偏光Ｌ１（第１の直線偏光）により照明する。この直線偏光Ｌ１が、繰り返しパターン１２に対する照明光である。直線偏光Ｌ１は、ウェハ１０の表面全体に照射される。

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、ステージ２０の中心を通り、ステージ２０の法線Ａ１に対して所定の角度θだけ傾けられている。ちなみに、直線偏光Ｌ１の進行方向を含み、ステージ２０の法線Ａ１に平行な平面が、直線偏光Ｌ１の入射面である。図４の入射面Ａ２は、ウェハ１０の中心における入射面である。

また、本実施形態では、直線偏光Ｌ１がｐ偏光である。直線偏光Ｌ１の振動面は、偏光子３２の透過軸により規定される。

なお、照明系３０の光源３１は、安価な放電光源又はＬＥＤである。偏光子３２は、光源３１の射出端近傍に配置され、その透過軸が所定の方位に設定され、透過軸に応じて光源３１からの光を直線偏光Ｌ１にする。照明レンズ３３は、光源３１の射出端と略一致し、後側焦点がウェハ１０の表面と略一致するように配置され、偏光子３２からの光をウェハ１０の表面に導く。すなわち照明系３０は、ウェハ１０側に対してテレセントリックな光学系である。

上記の照明系３０において、光源３１からの光は、偏光子３２および照明レンズ３３を介しｐ偏光の直線偏光Ｌ１となって、ウェハ１０の表面全体に入射する。ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌ１の入射角度は、平行光束のため互いに同じであり、光軸と法線Ａ１とのなす角度θに相当する。

本実施形態では、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌ１がｐ偏光であるため、図４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（図５におけるＶ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、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５における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、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５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による偏光状態の変化を最大とするためである。

そして、上記の直線偏光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。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、ステージ２０の法線Ａ１に対して角度θ（直線偏光Ｌ１の入射角度θに等しい角度）だけ傾いた方向である。なお、上述の通り、繰り返しパターン１２のピッチＰが照明波長と比較して十分短いため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはない。

さて、受光系４０は、図１に示すように、受光レンズ４１と、検光子４２と、回転駆動装置４３と、撮像カメラ４４とを有して構成され、その光軸が、ステージ２０の中心を通り、かつ、ステージ２０の法線Ａ１に対して角度θだけ傾くように配設される。受光レンズ４１は、楕円偏光Ｌ２を撮像カメラ４４の撮像面に集光する。

検光子４２は、回転駆動装置４３を用いて受光系４０の光軸を中心に透過軸の方位（偏光方向）を回転可能に構成されており、検光子４２の透過軸の方位は、上述した偏光子３２の透過軸に対して９０度前後の傾斜角度で傾くように設定される。すなわち、クロスニコル状態を意図的にくずすことを可能にしている。したがって、楕円偏光Ｌ２が検光子４２を透過するとその偏光成分、すなわち検光子４２からの直線偏光Ｌ３（第２の直線偏光）が撮像カメラ４４の撮像面に集光される。その結果、撮像カメラ４４の撮像面には、直線偏光Ｌ３によるウェハ１０の反射像が形成される。

撮像カメラ４４は、不図示のＣＣＤ撮像素子を有するＣＣＤカメラであり、撮像面に形成されたウェハ１０の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理部５０に出力する。ウェハ１０の反射像の明暗は、直線偏光Ｌ３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。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。なお、ウェハ１０の反射像の明暗は、ショット領域ごとに現れる。

画像処理部５０は、被検基板であるウェハ１０の反射画像が入力されると、その輝度情報を予め記憶された良品ウェハの反射画像の輝度情報と比較する。このとき、ウェハ１０の反射画像における暗い箇所の輝度値の低下量（輝度変化）に基づいて、繰り返しパターン１２の欠陥を検出する。例えば、輝度値の低下量が予め定められた閾値（許容値）より大きければ「欠陥（異常）」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断すればよい。そして、画像処理部５０による輝度情報の比較結果およびそのときのウェハ１０の反射画像がモニタ５５で出力表示される。また、ここで画像処理部５０を介さずに撮像カメラ４４に撮像されたウェハ１０の反射画像をモニタ５５で表示させ、目視によりウェハ１０における繰り返しパターンの形状変化を確認するようにしてもよい。また、モニタ５５の画面を分割して、欠陥（異常）の表示とウェハ１０の反射画像の両方を表示してもよい。

なお、画像処理部５０においては、上述のように、良品ウェハの反射画像を予め記憶しておく構成の他、ウェハ１０のショット領域の配列データと輝度値の閾値を予め記憶しておく構成でもよい。この場合、ショット領域の配列データに基づいて、取り込まれたウェハ１０の反射画像中における各ショット領域の位置が分かるので、各ショット領域の輝度値を求める。そして、その輝度値と記憶されている閾値とを比較することにより、パターンの欠陥を検出する。閾値より輝度値が小さいショット領域を「欠陥（異常）」と判断すればよい。

前述したように、検光子４２は、回転駆動装置４３を用いて受光系４０の光軸を中心に透過軸の方位（偏光方向）を回転可能に構成されており、検光子４２の透過軸が偏光子３２の透過軸に対して９０度から少しずれた傾斜角度だけ傾くように（すなわち、クロスニコル状態を少し崩すように）、検光子４２を回転させることで、繰り返しパターン１２の形状変化に対する検出感度を向上させることができる。

次にその理由について説明する。図６は、繰り返しパターン１２の構造性複屈折により入射直線偏光Ｌ１が楕円偏光Ｌ２へと変化した状態を表している。図６に示すように、楕円偏光Ｌ２は、必ずしも長軸の方位角が直線偏光Ｌ１（入射面Ａ２）の角度と一致するわけではなく、繰り返しパターン１２の形状や下地構造などに応じて傾いた楕円偏光となる。なお、この傾き量は、実際にはわずか数度程度であるが、図７では誇張して描いている。

図７は、パターンによる偏光状態の変化を良品ショットと不良ショットとで比較した図である。短軸の長い楕円偏光Ｌ２Ａは良品ショットによって変化した楕円偏光の状態を、短軸の短い楕円偏光Ｌ２Ｂは不良ショットによって変化した楕円偏光の状態を示している。短軸の短い楕円偏光Ｌ２Ｂは、パターンが不良であるために偏光状態の変化が小さく楕円偏光の太り具合(短軸の長さ)が小さくなっている。パターンの良、不良を判定するためには、この楕円の太り具合の差異を見ることが有効である。

このとき、完全なクロスニコル状態とするために、検光子４２の透過軸４２ａを縦に（直線偏光Ｌ１と直交する方向に）配置した時に透過する光について考えて見ると、短軸の長い楕円偏光Ｌ２Ａからは縦の振動成分Ｂ１の振幅の光が、短軸の短い楕円偏光Ｌ２Ｂからは縦の振動成分Ｂ２の振幅の光が透過してくることになる。光量は振幅の２乗であるから、このときの光量比は、（Ｂ１）²：（Ｂ２）²となる。ここで注目すべき点は、Ｂ１、Ｂ２ともに楕円の太り具合に応じて発生した短軸方向の振動成分だけでなく、楕円の傾きによって発生した長軸方向の振動成分も含んでいるため、Ｂ１とＢ２との差が小さく光量比が１：１に近くなってしまい、パターンの形状変化の検出感度が低くなる。

図８は、検光子４２の透過軸４２ａの向きを楕円偏光の短軸の向きと略一致（長軸の向きと略直交）させたときに検光子４２を透過する光を説明する図である。図８においては、検光子４２の透過軸４２ａの向きを楕円偏光の短軸の向きと略一致させているため、短軸の長い楕円偏光Ｌ２Ａからは振動成分Ｃ１の振幅の光が、短軸の短い楕円偏光Ｌ２Ｂからは振動成分Ｃ２の振幅の光が透過してくることになる。このようにして検光子４２を傾けることによって、楕円の傾きによって発生する長軸方向振動成分を透過させることなく、楕円の太り具合の変化に応じた振動成分のみを検出できる。

このときの光量比は、Ｃ１とＣ２は長さが２倍程度違うことから、（Ｂ１）²：（Ｂ２）²の値は４：１程度となり、２つの楕円偏光Ｌ２Ａ，Ｌ２Ｂにはその太り具合において大きな差があることがわかり、パターンの形状変化をより高感度に検出可能することができる。

以上に述べたように、パターンの形状変化をそのパターンによる偏光状態の変化から検出する光学系においては、必ずしも完全なクロスニコル系が最良の形態ではなく、楕円偏光の傾きに応じて検光子の角度をわずかに傾けることが有効である。

そこで、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９に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ウェハの表面検査の前に、レシピ作成作業を実施する。これは、ウェハの表面検査において、最適な検査を実施するため検査条件を決める必要があるからである。そこで、予め露光機のフォーカス量およびドーズ量をショット毎に振った（変化させた）条件で露光し、現像したウェハをステージ２０へ搬送する（ステップＳ１０１）。

このような条件振りウェハ１０ｆ（図１０を参照）は、基準となる最適なフォーカス量およびドーズ量によるベストショット（良品ショット）が存在するように作成する。この際、条件振りウェハ１０ｆに限らず、不作為による欠陥が存在するウェハでもよい。条件振りウェハ１０ｆの搬送後、繰り返しパターン１２の繰り返し方向が照明方向（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度だけ傾くようにアライメントを行う。なお、アライメントの角度は４５度に限らず、６７．５度あるいは２２．５度であってもよい。

条件振りウェハ１０ｆの搬送およびアライメントを行った後、条件振りウェハ１０ｆの表面に第１の直線偏光Ｌ１を照射し、条件振りウェハ１０ｆの表面で反射した正反射光（楕円偏光Ｌ２）を検光子４２を介して撮像カメラ４４で検出し撮像する（ステップＳ１０２）。このとき、光源３１からの光が偏光子３２および照明レンズ３３を介し直線偏光Ｌ１となって、条件振りウェハ１０ｆの表面に照射される。そして、条件振りウェハ１０ｆの表面で反射した正反射光（楕円偏光Ｌ２）が受光レンズ４１により集光され、検光子４２で第２の直線偏光Ｌ３に変換されて撮像カメラ４４の撮像面上に結像され、撮像カメラ４４は、撮像面上に形成された第２の直線偏光Ｌ３による条件振りウェハ１０ｆ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５０に出力する。

第２の直線偏光Ｌ３による条件振りウェハ１０ｆの画像信号が画像処理部５０に入力されると、画像処理部５０の内部メモリ（図示せず）に記憶される（ステップＳ１０３）。

前述したように、検光子４２は、回転駆動装置４３を用いて透過軸の方位（偏光方向）を回転可能に構成されており、検光子４２の透過軸の方位を偏光子３２の透過軸に対して９０度−３度（８７度）から９０度＋３度（９３度）の傾斜角度まで０．２度ずつ回転させながら（ステップＳ１０４〜Ｓ１０５）、ステップＳ１０２の撮像およびステップＳ１０３の画像記憶を繰り返し、このとき、撮像した画像から基準ショット（ベスト良品ショット）位置の輝度を計算し、一定の輝度になるように毎回照明光量を調整する。これにより、基準ショットが同一輝度値で検光子４２の透過軸の方位が異なる３０枚の画像が記憶される。

検光子４２の透過軸の方位が異なる３０枚の画像を撮像取得すると、条件振りウェハ１０ｆを回収する（ステップＳ１０４〜Ｓ１０６）。そして、画像処理部５０は、３０枚の画像を内部メモリから読み出し、基準ショットの輝度とフォーカス量およびドーズ量を振った（変化させた）ショットの輝度との差が最も大きい画像を画像処理により求める（ステップＳ１０７）。この処理により、露光機または膜厚の異常時に発生するフォーカスの不良（デフォーカス）を検出するための、不良ショットと良品ショットとの間の輝度変化が最も大きくなる（すなわち、透過軸の向きが楕円偏光Ｌ２の短軸の向きと略一致した）検光子４２の透過軸の方位を求めることができる。また、ドーズの不良についても、不良ショットと良品ショットとの間の輝度変化が最も大きくなる検光子４２の透過軸の方位を求めることができ、フォーカスの不良およびドーズの不良を検出する時の最適条件がそれぞれ決定される。なお、同一の条件の場合は１条件となる。この際、求めた検光子４２の透過軸の方位をそのときの照明光量と合わせてレシピに登録する。

レシピ作成後、被検基板であるウェハ１０の表面検査を行う（ステップＳ１０８）。このとき、先のステップで決定した検光子４２の透過軸の方位および照明光量により、ウェハ１０の表面に第１の直線偏光Ｌ１を照射し、ウェハ１０の表面で反射した正反射光（楕円偏光Ｌ２）を検光子４２を介して撮像カメラ４４で検出し撮像する。そのため、撮像カメラ４４で撮像された第２の直線偏光Ｌ３によるウェハ１０の反射像は、フォーカスの不良およびドーズの不良がある場合、不良ショットと良品ショットとの間の輝度変化が大きくなるため、画像処理部５０が当該輝度変化に基づいて繰り返しパターン１２の欠陥を検出することで、感度の高い繰り返しパターン１２の検査が可能となる。

この結果、本実施形態の表面検査装置１および方法によれば、第２の直線偏光Ｌ３の進行方向と垂直な面内における振動方向（検光子４２の透過軸の向き）が楕円偏光Ｌ２の進行方向と垂直な面内における楕円短軸の向きと略一致するように設定を行うため、感度の高い表面検査を行うことができる。

また、前述のように、検光子４２の透過軸の傾斜角度を所定角度（０．２度）ずつ変化させる毎に撮像カメラ４４で検出した第２の直線偏光Ｌ３の輝度に基づいて、第２の直線偏光Ｌ３の振動方向（検光子４２の透過軸の向き）が楕円偏光Ｌ２の楕円短軸の向きと略一致する検光子４２の傾斜角度を選択設定するようにすることで、簡便な構成で感度の高い表面検査を行うことができる。

このとき、検光子４２の傾斜角度が９０度近傍の角度となるように選択設定を行うことで、構造性複屈折の影響を受けずに正反射する光を低減させる条件で比較的短時間に検光子４２の設定を行うことができる。

続いて、本実施形態の表面検査装置１を用いた表面検査方法の変形例について、図１１に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ウェハの表面検査の前に、レシピ作成作業を実施する。これは、ウェハの表面検査において、最適な検査を実施するため検査条件を決める必要があるからである。そこで、基準となる最適なフォーカス量およびドーズ量によるベストショット（良品ショット）で露光し、現像した良品ウェハをステージ２０へ搬送する（ステップＳ２０１）。なお、良品ウェハはウェハの製造工程毎に用意する。そして、良品ウェハの搬送後、繰り返しパターン１２の繰り返し方向が照明方向（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度だけ傾くようにアライメントを行う。なお、アライメントの角度は４５度に限らず、６７．５度あるいは２２．５度であってもよい。

良品ウェハの搬送およびアライメントを行った後、良品ウェハの表面に第１の直線偏光Ｌ１を照射し、良品ウェハの表面で反射した正反射光（楕円偏光Ｌ２）を検光子４２を介して撮像カメラ４４で検出し撮像する（ステップＳ２０２）。このとき、光源３１からの光が偏光子３２および照明レンズ３３を介し直線偏光Ｌ１となって、良品ウェハの表面に照射される。そして、良品ウェハの表面で反射した正反射光（楕円偏光Ｌ２）が受光レンズ４１により集光され、検光子４２で第２の直線偏光Ｌ３に変換されて撮像カメラ４４の撮像面上に結像され、撮像カメラ４４は、撮像面上に形成された第２の直線偏光Ｌ３による良品ウェハ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５０に出力する。

第２の直線偏光Ｌ３による良品ウェハの画像信号が画像処理部５０に入力されると、画像処理部５０の内部メモリ（図示せず）に記憶される（ステップＳ２０３）。

また、上述の実施形態の場合と同様に、検光子４２の透過軸の方位を偏光子３２の透過軸に対して９０度−３度（８７度）から９０度＋３度（９３度）の傾斜角度まで０．２度ずつ回転させながら（ステップＳ２０４〜Ｓ２０５）、ステップＳ２０２の撮像およびステップＳ２０３の画像記憶を繰り返し、このとき、撮像した画像から基準ショット（ベスト良品ショット）位置の輝度を計算し、一定の輝度になるように毎回照明光量を調整する。これにより、基準ショットが同一輝度値で検光子４２の透過軸の方位が異なる３０枚の画像が記憶される。

検光子４２の透過軸の方位が異なる３０枚の画像を撮像取得すると、良品ウェハを回収する（ステップＳ２０４〜Ｓ２０６）。そして、画像処理部５０は、３０種類ある検光子４２の透過軸の方位とそのときの照明光量とをそれぞれレシピに登録する（ステップＳ２０７）。

レシピ作成後、被検基板であるウェハ１０の表面検査を行う（ステップＳ２０８）。このとき、先のステップで登録した３０種類の検光子４２の透過軸の方位および照明光量によりそれぞれ、ウェハ１０の表面に第１の直線偏光Ｌ１を照射し、ウェハ１０の表面で反射した正反射光（楕円偏光Ｌ２）を検光子４２を介して撮像カメラ４４で検出し撮像する。そして、画像処理部５０は、撮像カメラ４４で撮像した３０枚のウェハ１０の画像を、同じ条件で撮像した３０枚の良品ウェハの画像とそれぞれ比較し、輝度変化が所定の閾値より大きい場合に、繰り返しパターン１２に欠陥があると判定する。これにより、検光子４２を０．２度ずつ回転させて撮像した３０枚のウェハ１０の画像は、フォーカスの不良およびドーズの不良がある場合に不良ショットと良品ショットとの間の輝度変化が大きくなる条件の画像を含むことになるため、感度の高い繰り返しパターン１２の検査が可能となる。

この結果、変形例に係る表面検査方法（および装置）によっても、上述の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

なお、上述の実施形態において、検光子４２は、回転駆動装置４３を用いて受光系４０の光軸を中心に透過軸の方位を回転可能に構成されているが、これに限られるものではない。例えば、図１２に示すように、受光レンズ４１と検光子４２との間に１／２λ板４５を配置し、１／２λ板４５の遅相軸の方位を、回転駆動装置４９を用いて受光系４０の光軸を中心に回転させるようにしてもよい。例えば１／２λ板４５は、図１３において遅相軸４５ａが縦方向となるよう配置されている、このような１／２λ板４５に楕円偏光４６が入射すると、通過する光は遅相軸４５ａに対して対称な形の楕円偏光４７に変換される。この現象を利用して、検光子４２の前に１／２λ板４５を配置し、その遅相軸４５ａの角度を適切に設定すれば、楕円偏光の短軸の方位を検光子４２の透過軸の方位と略一致させることができるため、検光子４２を傾けたのと同様の効果を得ることができる。また、遅相軸４５ａの回転角の２倍の角度だけ楕円偏光を回転させることができるため、検光子４２を直接回転させるのと比較して高速な回転制御が可能になる。

なおこのとき、良品ショットの楕円偏光と不良ショットの楕円偏光の長軸方位角は一致しない場合もあるが、その場合はそれらの中間的な角度と検光子４２の透過軸の方位を略直交させる（短軸方位角の中間的な角度と略一致させる）のがよいと考えられるが、より現実的には、実際に検光子４２の角度を少しずつ変えて測定を行い、検光子４２を通過する良品ショットと不良ショットの輝度変化が最も大きくなる角度を探し出し、その角度に設定することが好ましい。

また、本実施形態の表面検査装置１では、照明波長と比較して繰り返しパターン１２のピッチＰが十分小さい場合に限らず、構造性複屈折が生じれば、繰り返しパターン１２のピッチＰが照明波長と同程度でも、照明波長より大きい場合でも、同様に繰り返しパターン１２の欠陥検査を行うことができる。すなわち、繰り返しパターン１２のピッチＰに拘わらず、確実に欠陥検査を行うことができる。繰り返しパターン１２による直線偏光Ｌ１の楕円化は、繰り返しパターン１２のライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比に依存して変化するからである。

また、上述の実施形態において、画像処理部５０を用いずに、撮像カメラ４４に撮像されたウェハ１０の反射画像をモニタ５５で表示して、目視によりウェハ１０における繰り返しパターン１２の欠陥を検出するようにしてもよい。このようにしても、上述の実施形態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、入射光と反射光の両方が含まれる仮想平面に対して垂直な成分を持つ直線偏光である。このため、図４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欠陥情報を取得するのに有利である。また、ｓ偏光は、ウェハ１０の表面の欠陥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３１と偏光子３２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、直線偏光レーザを光源として使用すれば偏光子３２は必要ない。

本発明に係る表面検査装置の全体構成を示す図である。 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。 パターンの構造性複屈折により入射直線偏光が楕円偏光へと変化した状態を示す図である。 パターンによる偏光状態の変化を良品ショットと不良ショットで比較した図である。 検光子の透過軸の向きを楕円偏光の短軸の向きと略一致させたときに検光子を透過する光を説明する図である。 本発明に係る表面検査方法を示すフローチャートである。 条件振りウェハを示す模式図である。 表面検査方法の変形例を示すフローチャートである。 表面検査装置の変形例を示す図である。 １／２λ板を示す模式図である。

符号の説明

１ 表面検査装置
１０ ウェハ（被検基板） １２ 繰り返しパターン
３０ 照明系（照明部）
４０ 受光系 ４２ 検光子（偏光素子）
４３ 回転駆動装置（設定部） ４４ 撮像カメラ（検出部）
４５ １／２λ板（設定部の変形例） ４９ 回転駆動装置（設定部の変形例）
５０ 画像処理部（異常検出部） ５５ モニタ（表示部）
Ｌ１ 第１の直線偏光 Ｌ２ 楕円偏光
Ｌ３ 第２の直線偏光

Claims (12)

1. 所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、
   前記被検基板の表面に照射された前記第１の直線偏光が前記繰り返しパターンで反射する際に前記パターンによって生じる楕円偏光から前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分を透過させる偏光素子と、
   前記第２の直線偏光成分を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された前記第２の直線偏光成分に基づいて、前記繰り返しパターンの形状変化を検出する処理部と、
   前記偏光素子を透過する前記第２の直線偏光成分の振動方向を設定可能な設定部とを備え、
   前記形状変化を求める基準となる繰り返しパターンからの前記第２の直線偏光成分の検出の結果に基づいて、前記偏光素子を透過する前記第２の直線偏光成分の振動方向を、前記形状変化による前記第２の直線偏光成分の検出の結果の変化が前記第１の直線偏光の振動方向と前記第２の直線偏光成分の振動方向とを直交させた場合よりも大きくなるように設定することを特徴とする表面検査装置。
2. 前記形状変化を求める基準となる繰り返しパターンを含む、成形条件の異なる複数の繰り返しパターンからの前記第２の直線偏光成分の検出の結果に基づいて、前記第２の直線偏光成分の振動方向を設定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. 前記設定部は、前記第２の直線偏光成分の振動方向と前記第１の直線偏光の振動方向とのなす角度を所定角度ずつ変化させることができ、
   前記角度を前記所定角度ずつ変化させる毎に前記検出部で検出した前記第２の直線偏光成分の輝度に基づいて、前記楕円偏光の進行方向と垂直な面内における楕円短軸の向きと前記第２の直線偏光成分の振動方向とが略一致する前記角度を選択設定することを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の表面検査装置。
4. 前記検出部で検出された前記第２の直線偏光成分の輝度と予め設定された閾値とを比較して、前記繰り返しパターンの異常を検出する異常検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の表面検査装置。
5. 前記設定部は、前記楕円偏光の短軸方向成分を最も検出しやすくするように前記偏光素子を設定することを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の表面検査装置。
6. 前記設定部は、前記角度が９０度以外であって９０度近傍の角度となるように前記選択設定を行うことを特徴とする請求項３に記載の表面検査装置。
7. 所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照射ステップと、
   前記被検基板の表面に照射された前記第１の直線偏光が前記繰り返しパターンで反射する際に前記パターンによって生じる楕円偏光から前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分を透過させる透過ステップと、
   前記第２の直線偏光成分を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップで検出された前記第２の直線偏光成分に基づいて、前記繰り返しパターンの形状変化を検出する処理ステップと、
   前記形状変化を求める基準となる繰り返しパターンからの前記第２の直線偏光成分の検出の結果に基づいて、前記透過させる前記第２の直線偏光成分の振動方向を、前記形状変化による前記第２の直線偏光成分の検出の結果の変化が前記第１の直線偏光の振動方向と前記第２の直線偏光成分の振動方向とを直交させた場合よりも大きくなるように設定する設定ステップとを有することを特徴とする表面検査方法。
8. 前記設定ステップにおいて、前記形状変化を求める基準となる繰り返しパターンを含む、成形条件の異なる複数の繰り返しパターンからの前記第２の直線偏光成分の検出の結果に基づいて、前記第２の直線偏光成分の振動方向を設定することを特徴とする請求項７に記載の表面検査方法。
9. 前記設定ステップにおいて、前記第２の直線偏光成分の振動方向と前記第１の直線偏光の振動方向とのなす角度を所定角度ずつ変化させ、
   前記角度を前記所定角度ずつ変化させる毎に検出した前記第２の直線偏光成分の輝度に基づいて、前記楕円偏光の進行方向と垂直な面内における楕円短軸の向きと前記第２の直線偏光成分の振動方向とが略一致する前記角度を選択設定することを特徴とする請求項７もしくは請求項８に記載の表面検査方法。
10. 前記検出ステップで検出された前記第２の直線偏光成分の輝度と予め設定された閾値とを比較して、前記繰り返しパターンの異常を検出する異常検出ステップをさらに有することを特徴とする請求項７から請求項９のうちいずれか一項に記載の表面検査方法。
11. 前記設定ステップにおいて、前記楕円偏光の短軸方向成分を最も検出しやすくするように前記設定を行うことを特徴とする請求項７から請求項１０のうちいずれか一項に記載の表面検査方法。
12. 前記設定ステップにおいて、前記第１の直線偏光の振動方向と前記第２の直線偏光成分の振動方向とのなす角度が９０度以外であって９０度近傍の角度となるように前記設定を行うことを特徴とする請求項７から請求項１１のうちいずれか一項に記載の表面検査方法。

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