JP6769766B2 - パターン検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、パターン検査装置に関する。例えば、ナノインプリント技術に用いるテンプレートに形成された検査光の解像限界未満のサイズのパターンの欠陥を検査する検査装置に関する。

近年、微細パターンを形成する技術として、ナノインプリントリソグラフィ（Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：ＮＩＬ）が注目されている。この技術は、半導体ウェハ上のレジストに、ナノスケールの微細構造を有するモールド（型）を押圧することで、レジストに微細なパターンを形成するものである。ナノインプリント技術では、原版となるマスターテンプレートを用いて、複製のテンプレート（レプリカテンプレート）を複数作成し、各レプリカテンプレートを異なるナノインプリント装置に装着して使用する。レプリカテンプレートは、マスターテンプレートに正確に対応するように製造される必要がある。このため、マスターテンプレートはもちろんのこと、レプリカテンプレートのパターンを評価する際にも高い精度が要求される。

一方、パターンをウェハ上のレジスト膜に露光転写するステッパ装置に代表される露光装置では、露光用マスク基板に形成されるパターンを例えば４分の１に縮小して転写する。これに対して、ナノインプリント技術では、テンプレートに形成されるパターンを等倍のまま転写するので、形成されるパターンのサイズ自体がそもそも小さく形成される。従来、検査装置では、紫外光を検査光としてパターン形成面に照射して、そのパターンの形状を特定していた。しかし、昨今の微細化に伴って、テンプレートに形成されるパターンのサイズは、検査装置に使用される光の波長よりも小さく、解像限界未満のサイズになっており、パターン形状をそのまま特定することが困難になっている。

ここで、テンプレートに形成されるパターンは、例えば、ライン・アンド・スペースパターンに代表される周期規則性のある繰り返しパターンである場合が多い。かかる周期規則性のある繰り返しパターンでは、パターン上に欠陥があると周期性に乱れが生じる。周期性の乱れが生じた欠陥個所を撮像すると、パターン像の光の偏光状態に乱れが生じる。よって、偏光状態に乱れが生じた撮像位置を検出することで、パターン欠陥を検査することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１５７１４２号公報

ここで、繰り返しパターンの例えばラインパターンの長手方向と同方向の偏光方向の光でかかる繰り返しパターンを照明しても、得られるパターン像の光の偏光状態に乱れは生じない或いは生じにくい。そのため、ラインパターンの長手方向と同方向にならないように照明光の偏光角度を調整する。一方、照明光学系の光路上には、ミラーが一般的に用いられる。かかるミラーで上述したような照明光を反射すると、反射後の照明光の偏光状態に乱れが生じてしまう場合が多い。かかる偏光状態に乱れが生じている照明光で解像限界未満の周期規則性のある繰り返しパターンを照明しても、得られたパターン像の光の偏光状態の乱れが、ミラーに起因するものなのか、パターン欠陥に起因するものなのかを判定することが困難になってしまう。

そこで、本発明は、光路上にミラーが配置された照明光学系を用いて解像限界未満の周期規則性のある繰り返しパターンを照明する場合でも、パターン欠陥を検出可能な検査装置を提供する。

本発明の一態様のパターン検査装置は、
第１の電界振動方向の直線偏光の紫外光を受光し、紫外光の第１の電界振動方向を９０°の整数倍回転した第２の電界振動方向の直線偏光光を出力する第１の２分の１波長板と、
第２の電界振動方向の直線偏光光を反射して、第２の電界振動方向と平行或いは直交する第３の電界振動方向の直線偏光光を出力するミラーと、
反射された直線偏光光の第３の電界振動方向を９０°の整数倍とは異なる角度だけ回転する第４の電界振動方向の直線偏光光に変換して出力する第２の２分の１波長板と、
当該紫外光の解像限界未満のサイズの繰り返しパターンが形成された基板を載置し、繰り返しパターンが第３の電界振動方向と平行或いは直交する方向に繰り返されるように載置するステージと、
第２の２分の１波長板によって第４の電界振動方向に回転された直線偏光光を基板に形成された繰り返しパターンに照明する対物レンズと、
第２の２分の１波長板によって第３の電界振動方向を９０°の整数倍とは異なる角度だけ回転された第４の電界振動方向の直線偏光光によって照明された解像限界未満の繰り返しパターンの透過光或いは解像限界未満の繰り返しパターンからの反射光を受光するセンサと、
を備え、
前記第２の電界振動方向は、前記ミラーへの前記直線偏光光の入射方向と直交すると共に、前記ミラーの反射方向と直交或いは平行し、
前記第２の電界振動方向が前記ミラーの反射方向と直交する場合、前記第３の電界振動方向は、前記第２の電界振動方向と平行し、
前記第２の電界振動方向が前記ミラーの反射方向と平行する場合、前記第３の電界振動方向は、前記第２の電界振動方向と直交することを特徴とする。

また、紫外光を発生する光源と、
光源と第１の２分の１波長板との間の光路上に配置された偏光ビームスプリッタと、
をさらに備えると好適である。

また、解像限界未満の繰り返しパターンからの反射光は、第２の２分の１波長板とミラーと第１の２分の１波長板と偏光ビームスプリッタとを順に経由して、センサに受光されると好適である。

また、偏光ビームスプリッタとセンサとの間の光路上に配置された検光子をさらに備えると好適である。

また、基板として、ナノインプリント用のテンプレートが用いられると好適である。

本発明によれば、光路上にミラーが配置された照明光学系を用いて解像限界未満の周期規則性のある繰り返しパターンを照明する場合でも、パターン欠陥を検出できる。

実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１における検査対象基板に形成される繰り返しパターンの一例を示す図である。 実施の形態１における繰り返しパターンと照明光の偏光状態との関係の一例を示す図である。 実施の形態１の比較例における光路上の偏光状態の一例を示す図である。 実施の形態１におけるミラーで反射した光の偏光状態の一例を示す図である。 実施の形態１における光路上の偏光状態の一例を示す図である。 実施の形態１における検査領域を説明するための概念図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図１において、基板１０１（検査対象基板の一例）に形成されたパターンの欠陥を検査する検査装置１００は、光学画像取得機構１５０、及び制御系回路１６０（制御部）を備えている。

光学画像取得機構１５０は、光源１０３、１つ或いは複数のレンズによって構成される反射照明光学系１７０、偏光ビームスプリッタ１７２、１／２波長板１７４、ミラー１７６、１／２波長板１７８、対物レンズ１０４、移動可能に配置されたＸＹθテーブル１０２、１つ或いは複数のレンズによって構成される結像光学系１７３、ミラー１８０、偏光ビームスプリッタ１８２、センサ１０５、センサ回路１０６、ストライプパターンメモリ１２３、及びレーザ測長システム１２２を有している。ＸＹθテーブル１０２上には、カセット３００から搬送された基板１０１（検査対象基板の一例）が載置される。基板１０１として、例えば、半導体基板となるウェハにパターンを転写するナノインプリント用のテンプレートが含まれる。また、このテンプレートには、光源１０３から発生する光の解像限界未満のサイズの繰り返しパターンが形成されている。繰り返しパターンとして、例えば、ライン・アンド・スペースパターンが形成される。或いは、例えば、ホールパターンが形成される。基板１０１は、例えば、パターン形成面を下側に向けてＸＹθテーブル１０２に配置される。センサ１０５として、例えば、フォトダイオードアレイが搭載されたラインセンサ或いは２次元センサが好適である。さらに望ましくは、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサが好適である。

制御系回路１６０では、コンピュータとなる制御計算機１１０が、バス１２０を介して、位置回路１０７、比較回路１０８、オートローダ制御回路１１３、テーブル制御回路１１４、磁気ディスク装置１０９、磁気テープ装置１１５、フレシキブルディスク装置（ＦＤ）１１６、ＣＲＴ１１７、パターンモニタ１１８、及びプリンタ１１９に接続されている。また、センサ回路１０６は、ストライプパターンメモリ１２３に接続され、ストライプパターンメモリ１２３は、比較回路１０８に接続されている。センサ回路１０６は、ストライプパターンメモリ２２３に接続され、ストライプパターンメモリ２２３は、比較回路１０８に接続されている。また、ＸＹθテーブル１０２は、Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータ、θ軸モータにより駆動される。

検査装置１００では、光源１０３、反射照明光学系１７０、偏光ビームスプリッタ１７２、１／２波長板１７４、ミラー１７６、１／２波長板１７８、対物レンズ１０４、結像光学系１７３、ミラー１８０、偏光ビームスプリッタ１８２、センサ１０５、及びセンサ回路１０６により高倍率の検査光学系が構成されている。例えば、２００〜３００倍の倍率の検査光学系が構成されている。

また、ＸＹθテーブル１０２は、制御計算機１１０の制御の下にテーブル制御回路１１４により駆動される。Ｘ方向、Ｙ方向、θ方向に駆動する３軸（Ｘ−Ｙ−θ）モータの様な駆動系によって移動可能となっている。これらの、Ｘモータ、Ｙモータ、θモータは、例えばリニアモータを用いることができる。ＸＹθテーブル１０２は、ＸＹθ各軸のモータによって水平方向及び回転方向に移動可能である。そして、ＸＹθテーブル１０２は、制御計算機１１０の制御の下に基板１０１のパターン形成面とセンサ１０５との焦点位置（光軸方向：Ｚ軸方向）に調整される。ＸＹθテーブル１０２上に配置された基板１０１の移動位置は、レーザ測長システム１２２により測定され、位置回路１０７に供給される。

ここで、図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成部分について記載している。検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成が含まれても構わないことは言うまでもない。

図２は、実施の形態１における検査対象基板に形成される繰り返しパターンの一例を示す図である。基板１０１には、図２に示すように、例えば、ラインパターン１２とスペースパターン１４とが周期性をもって交互に繰り返されるライン・アンド・スペースパターンが形成される。昨今のパターンの微細化に伴い、例えば、５０ｎｍ以下といった線幅サイズでかかるラインパターン１２とスペースパターン１４とが交互に繰り返される。基板１０１に形成されるパターンには、図２（ａ）に示すように、ラインパターン１２同士がつながって短絡してしまったショート欠陥（Ａ）や、図２（ｂ）に示すように、ラインパターン１２が途中で切れて断線してしまったオープン欠陥（Ｂ）が生じる。その他、図２（ｃ）に示すように、ラインパターン１２（スペースパターン１４）のエッジ部の寸法乱れ（エッジラフネス）（Ｃ）が生じる。これらのうち、ショート欠陥（Ａ）及びオープン欠陥（Ｂ）は、半導体回路の故障につながるので、検査装置１００で検出する必要がある。ここで、光源１０３からは、検査照明光として、例えば、１９０〜２００ｎｍ程度の波長のレーザ光（例えば、ＤＵＶ光）（紫外光の一例）が発生する。しかし、基板１０１には、かかる紫外光の解像限界未満のサイズで繰り返しパターンが形成される。このような解像限界未満のサイズの繰り返しパターンに検査用の照明光を照射して、その透過像或いは反射像をセンサ１０５で撮像しても、得られる画像は、いわゆるぼけた画像となり、ラインパターン１２とスペースパターン１４の形状を識別することは困難である。

そこで、実施の形態１では、かかる周期規則性のある繰り返しパターンでは、パターン上に欠陥があると周期性に乱れが生じること、及び周期性の乱れが生じた欠陥個所を撮像すると、パターン像の光の偏光状態に乱れが生じることを利用して、欠陥個所を特定する。さらに、ショート欠陥（Ａ）及びオープン欠陥（Ｂ）は、エッジラフネス（Ｃ）に比べて寸法誤差が大きいので、周期性の乱れがエッジラフネス（Ｃ）に比べて大きく表れる。よって、かかる差を利用することで、電子回路の故障原因となるショート欠陥（Ａ）及びオープン欠陥（Ｂ）と、電子回路の故障にはならないエッジラフネス（Ｃ）とを区別することができる。

図３は、実施の形態１における繰り返しパターンと照明光の偏光状態との関係の一例を示す図である。ここでは、直線偏光の照明光を照射する場合について説明する。繰り返しパターンの例えばラインパターン１２の長手方向と同方向の偏光方向の直線偏光光でかかる繰り返しパターンを照明しても、得られるパターン像の光の偏光状態に乱れは生じない或いは生じにくい。よって、繰り返しパターンの例えばラインパターン１２の長手方向と同方向（図３ではｙ方向）の偏光方向の直線偏光光は照明光として使用不可（ＮＧ）となる。逆に、繰り返しパターンの例えばラインパターン１２の長手方向と直交する偏光方向（図３ではｘ方向）の直線偏光光でかかる繰り返しパターンを照明すれば、偏光状態の乱れを測定できる。しかしながら、繰り返しパターンの例えばラインパターン１２の長手方向（繰り返し方向と直交する方向）が、検査対象となる基板１０１のどの向きに形成されるのか、検査装置１００で判別することは困難である。よって、例えば、図３に示すｘ方向の偏光方向の直線偏光光を照明光としても、もしも、基板１０１上に形成された繰り返しパターンの向きが図３に示す向きと９０度異なっていたら、偏光状態の乱れを測定することは困難になってしまう。よって、かかるｘ方向の偏光方向の直線偏光光を照明光として用いるにはリスクが伴う。しかし、テンプレート等の基板１０１上に形成される繰り返しパターンの向きは、通常、基板１０１に予め設定されるｘ，ｙ方向に対して平行或いは直交する方向に形成される。よって、かかる基板１０１に予め設定されるｘ，ｙ方向を外した角度、例えば、４５度の偏光方向（図３ではｘ軸から４５度方向）の直線偏光光でかかる繰り返しパターンを照明すれば、基板１０１に形成された繰り返しパターンの向きを気にせずに、偏光状態の乱れを測定できる。

図４は、実施の形態１の比較例における光路上の偏光状態の一例を示す図である。図４では、対物レンズ１０４以外のレンズについては図示を省略している。また、図４では、直交するｘ，ｙ，ｚ軸のうち、ｘ，ｙ軸で構成されるｘｙ面と平行に基板１０１を配置すると共に、繰り返しパターンがｙ方向（ｘｙ面においてｘ軸から９０度）に繰り返される場合（ラインパターン１２の長手方向がｘ方向（ｘｙ面においてｘ軸から０度）の場合）について説明する。光源１０３は、進行方向がｙ方向であってｚ方向（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）の偏光方向（電界振動方向）の直線偏光の紫外光（例えばＰ波）（１’−１）を発生する。かかる紫外光（１’−１）は偏光ビームスプリッタ１７２に入射する。偏光ビームスプリッタ１７２では、進行方向がｙ方向であってｚ方向（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）の偏光方向（電界振動方向）の光（例えばＰ波）を通過させる。よって、ここでは、直線偏光の紫外光（１’−１）が偏光状態を維持したまま偏光ビームスプリッタ１７２を通過する。偏光ビームスプリッタ１７２を通過した直線偏光の紫外光（１’−２）は、ｘｚ面においてｘ軸に対して例えば結晶角−２２．５度に設定された１／２波長板１７５に入射する。結晶角−２２．５度に設定された１／２波長板１７５では、進行方向がｙ方向であってｚ方向（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）の偏光方向（電界振動方向）の光（例えばＰ波）の偏光方向を−４５度回転させる。よって、ここでは、直線偏光の紫外光（１’−２）が偏光方向を−４５度回転した状態（ｘｚ面においてｘ軸から４５度）で１／２波長板１７５を通過する。これにより、１／２波長板１７５を通過した紫外光（１’−３）は、進行方向がｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して４５度の偏光方向を持った直線偏光光となる。かかる直線偏光の紫外光（１’−３）をミラー１７６でｚ方向に反射する。そして、ミラー１７６で反射された紫外光（１’−４）を対物レンズ１０４で焦点を合わせて基板１０１面に照明光として照明する。理想的には、紫外光（１’−４）は、進行方向がｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸から４５度の偏光方向（電界振動方向）の直線偏光の紫外光となって、繰り返しパターンを照明するはずである。これにより、基板１０１に形成された繰り返しパターンの向きを気にせずに、パターン欠陥に起因する偏光状態の乱れを反射像から測定できるはずである。しかしながら、かかるミラー１７６で上述したような直線偏光の紫外光（１’−３）を反射すると、反射後の紫外光（１’−４）の偏光状態に乱れが生じてしまう場合が多い。

図５は、実施の形態１におけるミラーで反射した光の偏光状態の一例を示す図である。図５（ａ）に示すように４５度の偏光方向の直線偏光光がミラー１７６で直交方向に反射されると、４５度の偏光方向の直線偏光の偏光状態が乱れる。例えば、図５（ｂ）に示すように４５度の偏光方向の直線偏光と楕円偏光等の偏光乱れ成分が組み合わされた偏光状態になってしまう。無偏光ミラーを製造することも技術上はあり得るが、膨大なコストがかかるため現実的ではない。よって、図４に示したミラー１７６によって反射された後の紫外光（１’−４）の偏光状態は、例えば、４５度の直線偏光と楕円偏光等の偏光乱れ成分とが組み合わされた偏光状態となる。かかる偏光状態が４５度の直線偏光から乱れた紫外光（１’−４）で解像限界未満の周期規則性のある繰り返しパターンを照明すると、基板１０１から反射された紫外光（２’−１）には、さらに、パターン欠陥に起因する偏光状態の乱れ（点線）が加算される。そして、基板１０１からの復路において、かかる紫外光（２’−１）がミラー１７６で反射されることによって、反射後の紫外光（２’−２）の偏光状態はさらに乱れることになる。

次に、復路において、紫外光（２’−２）は１／２波長板１７５に入射する。よって、ここでは、紫外光（２−２）が偏光方向を４５度回転した状態（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）で１／２波長板１７５を通過する。これにより、１／２波長板１７５を通過した紫外光（２−３）は、進行方向が−ｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の直線偏光成分と楕円偏光等の偏光乱れ成分とが組み合わされた偏光状態の紫外光となる。

次に、復路において、紫外光（２’−３）は偏光ビームスプリッタ１７２に入射する。紫外光（２’−３）のうち、ｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の直線偏光成分については、偏光ビームスプリッタ１７２を通過する。一方、偏光状態の乱れを生じた例えば楕円偏光成分については、偏光ビームスプリッタ１７２でその一部（ｘｚ面においてｘ軸に対して０度の直線偏光成分：Ｓ波成分）が反射される。偏光ビームスプリッタ１７２で反射されたｘｚ面においてｘ軸に対して０度の直線偏光成分の紫外光（２’−４）はセンサ１０５に入射する。これにより、センサ１０５は、偏光状態の乱れを生じた成分により形成される像について撮像することができる。

しかしながら、比較例の構成でセンサ１０５によって撮像された像には、往路のミラー１７６で生じた偏光状態の乱れと、基板１０１で生じた偏光状態の乱れと、復路のミラー１７６で生じた偏光状態の乱れと、が混合された偏光状態に起因する像しか得られない。よって、得られたパターン像が、ミラーによって生じた偏光状態の乱れに起因するものなのか、パターン欠陥によって生じた偏光状態の乱れに起因するものなのかが判定困難になってしまう。

これに対して、実施の形態１では、往路において、ミラー１７６で照明光の偏光状態に乱れを生じさせないように構成する。

図６は、実施の形態１における光路上の偏光状態の一例を示す図である。図６では、対物レンズ１０４以外のレンズについては図示を省略している。また、図６では、検査光となる当該紫外光の解像限界未満のサイズの繰り返しパターンが形成された基板１０１を、直交するｘ，ｙ，ｚ軸のうち、ｘｙ面と平行に配置すると共に、繰り返しパターンが、ｘ方向（ｘｙ面においてｘ軸から０度）（第３の電界振動方向）と平行或いは直交する方向に繰り返されるようにＸＹθテーブル１０２（ステージ）上に載置する。図６の例では、直交するｘ，ｙ，ｚ軸のうち、ｘ，ｙ軸で構成されるｘｙ面と平行に基板１０１を配置すると共に、繰り返しパターンがｙ方向（ｘｙ面においてｘ軸から９０度）に繰り返される場合（ラインパターン１２の長手方向がｘ方向（ｘｙ面においてｘ軸から０度）の場合）について説明する。

光源１０３は、進行方向がｙ方向であってｚ方向（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）の偏光方向（電界振動方向）の直線偏光の紫外光（例えばＰ波）（１−１）を発生する。かかる紫外光（１−１）の偏光状態は、光源１０３を射出した後に図示しない偏光素子を用いて調整されてもかまわない。

かかる紫外光（１−１）は、光源１０３と１／２波長板１７５（第１の２分の１波長板）との間の光路上に配置された偏光ビームスプリッタ１７２に入射する。偏光ビームスプリッタ１７２では、進行方向がｙ方向であってｚ方向（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）の偏光方向（電界振動方向）の光（例えばＰ波）を通過させる。よって、ここでは、直線偏光の紫外光（１−１）が偏光状態を維持したまま偏光ビームスプリッタ１７２を通過する。

往路において、偏光ビームスプリッタ１７２を通過した直線偏光の紫外光（１−２）は、ｘｚ面においてｘ軸に対して例えば結晶角０度或いは４５度に設定された１／２波長板１７５に入射する。１／２波長板１７５（第１の２分の１波長板）は、進行方向がｙ方向であってｚ方向（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）の偏光方向（第１の電界振動方向）の直線偏光の紫外光（１−２）を受光し、紫外光（１−２）の偏光方向（第１の電界振動方向）を９０°の整数倍回転した偏光方向（第２の電界振動方向）の直線偏光光を出力する。例えば、結晶角４５度に設定された１／２波長板１７５では、進行方向がｙ方向であってｚ方向（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）の偏光方向（電界振動方向）の光（例えばＰ波）の偏光方向を９０度回転させる。よって、ここでは、直線偏光の紫外光（１−２）が偏光方向を９０度回転した状態（ｘｚ面においてｘ軸から０度（或いは１８０度））で１／２波長板１７５を通過する。これにより、１／２波長板１７５を通過した紫外光（１−３）は、進行方向がｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して０度の偏光方向を持った直線偏光光となる。

例えば、結晶角０度に設定された１／２波長板１７５では、進行方向がｙ方向であってｚ方向（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）の偏光方向（電界振動方向）の光（例えばＰ波）の偏光方向を０度回転させる。言い換えれば、偏光方向を維持する。よって、ここでは、直線偏光の紫外光（１−２）が偏光方向を維持した状態（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）で１／２波長板１７５を通過する。これにより、１／２波長板１７５を通過した紫外光（１−３）は、進行方向がｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の偏光方向を持った直線偏光光となる。但し、以下、１／２波長板１７５で偏光方向を９０度回転させた場合を前提に説明を続ける。

かかる直線偏光の紫外光（１−３）をミラー１７６でｚ方向に反射する。ミラー１７６は、進行方向がｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して０度の偏光方向（第２の電界振動方向の一例）の直線偏光光を反射して、ｘｚ面においてｘ軸に対して０度の偏光方向（第２の電界振動方向の一例）と平行或いは直交する偏光方向（第３の電界振動方向）の直線偏光光を出力する。ここで、ｚ方向に反射するミラー１７６に、進行方向がｙ方向であってｘ方向（ｘｚ面においてｘ軸から０度）の偏光方向（第２の電界振動方向）の直線偏光の紫外光（１−３）を入射することで、反射された直線偏光の紫外光（１−４）に偏光状態の乱れを生じさせないようにできる。ｚ方向に反射する場合、軸対象に反射するので、入射前後で位相差は発生せず、反射された直線偏光の紫外光（１−４）に偏光状態の乱れを生じさせない。これにより、実施の形態１では、往路でのミラー１７６による偏光状態の乱れを抑制できる。かかる効果は、進行方向がｙ方向であってｚ方向（ｘｚ面においてｘ軸から９０度）の偏光方向（第２の電界振動方向の他の例）の直線偏光の紫外光（１−３）を入射する場合でも同様に得られる。

しかし、反射された直線偏光の紫外光（１−４）では、進行方向がｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸から０度の偏光方向（第３の電界振動方向）の直線偏光になる。そのため、このままでは、繰り返しパターンの繰り返し方向（ｙ方向）に対して直交する（或いはラインパターン１２の長手方向（ｘ方向））に対して平行する）状態になってしまう。そこで、実施の形態１では、１／２波長板１７８を用いて、偏光方向をずらす。

往路において、ミラー１７６で反射された直線偏光の紫外光（１−４）は、ｘｙ面においてｘ軸に対して例えば結晶角２２．５度に設定された１／２波長板１７８に入射する。１／２波長板１７８（第２の２分の１波長板）は、反射された直線偏光光の進行方向がｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸から０度の偏光方向（第３の電界振動方向）を９０°の整数倍とは異なる角度だけ回転する偏光方向（第４の電界振動方向）の直線偏光の紫外光（１−５）に変換して出力する。例えば結晶角２２．５度であれば、ｘｙ面においてｘ軸から０度の偏光方向をｘｙ面においてｘ軸から４５度の偏光方向に回転させることができる。

往路において、１／２波長板１７８を通過した紫外光（１−５）を対物レンズ１０４に入射する。対物レンズ１０４は、１／２波長板１７８によってｘｙ面においてｘ軸から４５度の偏光方向（第４の電界振動方向の一例）に回転された直線偏光の紫外光（１−５）を基板１０１に形成された繰り返しパターンに照明する。具体的には、対物レンズ１０４は、１／２波長板１７８を通過した紫外光（１−５）を対物レンズ１０４で焦点を合わせて基板１０１面に照明光として照明する。これにより、紫外光（１−５）は、進行方向がｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸から４５度の偏光方向（第４の電界振動方向）の直線偏光の紫外光となって、繰り返しパターンを照明できる。よって、基板１０１に形成された繰り返しパターンの向きを気にせずに、パターン欠陥に起因する偏光状態の乱れを反射像から測定できる。

以上のように、１／２波長板１７８で紫外光（１−４）の偏光方向を回転させることで、繰り返しパターンの繰り返し方向（ラインパターン１２の長手方向の直交方法）に対して、平行或いは直交する方向とは異なるずらした角度に偏光方向を向けることができる。

なお、１／２波長板１７８で紫外光（１−４）の偏光方向を回転させる角度は、４５度が望ましいがこれに限るものではない。ｘｙ面においてｘ軸から−５度〜５度の範囲と８５度〜９５度の範囲と１７５度〜１８５度の範囲と２６５度〜２７５度の範囲との各範囲から外れる角度に回転させればよい。これにより、電界振動方向の振幅の１０％を外すことができ、確実に繰り返しパターンに起因する偏光状態の乱れ成分を検出可能にできる。

以上のように構成することで、実施の形態１では、ミラー１７６に起因する偏光状態の乱れが含まれていない直線偏光の紫外光（１−５）を繰り返しパターンに照明できる。よって、得られた反射光に偏光状態の乱れが含まれていれば、かかる乱れはパターン欠陥に起因するものであると判断できる。さらに、繰り返しパターンに欠陥が無ければ、得られた反射光に偏光状態の乱れが含まれない。よって、得られた反射光に偏光状態の乱れが含まれていなければ、繰り返しパターンに欠陥が無いと判断できる。

そして、解像限界未満の繰り返しパターンからの反射光は、復路において、１／２波長板１７８とミラー１７６と１／２波長板１７４と偏光ビームスプリッタ１７２とを順に経由して、センサ１０５に受光される。以下、順に説明する。

基板１０１からの復路において、繰り返しパターンからの反射光となる紫外光（２−１）が対物レンズ１０４を介して、１／２波長板１７８に入射する。繰り返しパターンにパターン欠陥が無ければ、紫外光（２−１）は、進行方向が−ｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸から４５度の偏光方向（第４の電界振動方向）の直線偏光の偏光状態となる。繰り返しパターンにパターン欠陥（或いはエッジラフネス）があれば、紫外光（２−１）は、進行方向が−ｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸から４５度の偏光方向（第４の電界振動方向）の直線偏光成分と楕円偏光等の偏光乱れ成分とが混合された偏光状態となる。１／２波長板１７８は、繰り返しパターンにパターン欠陥（及びエッジラフネス）が無ければ、進行方向が−ｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸から４５度の偏光方向（第４の電界振動方向）の直線偏光の紫外光（２−１）の偏光方向を回転させて、ｘ軸から０度の偏光方向の直線偏光の紫外光（２−２）を出力する。１／２波長板１７８は、繰り返しパターンにパターン欠陥（或いはエッジラフネス）があれば、進行方向が−ｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸から４５度の偏光方向（第４の電界振動方向）の直線偏光成分と楕円偏光等の偏光乱れ成分とが混合された偏光状態の紫外光（２−１）の偏光方向を回転させて、ｘ軸から０度の偏光方向の直線偏光成分と楕円偏光等の偏光乱れ成分とが混合された偏光状態の紫外光（２−２）を出力する。

復路において、紫外光（２−２）は、ミラー１７６に入射する。ミラー１７６は、繰り返しパターンにパターン欠陥（及びエッジラフネス）が無ければ、進行方向が−ｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸に対して０度の偏光方向の直線偏光の紫外光（２−２）を反射して、進行方向が−ｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して０度の偏光方向の直線偏光の紫外光（２−３）を出力する。このようにパターン欠陥（及びエッジラフネス）が無ければ、偏光状態の乱れを生じさせないまま反射させることができる。これにより、実施の形態１では、復路でのミラー１７６による偏光状態の乱れを抑制できる。かかる効果は、進行方向が−ｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸に対して９０度の偏光方向の直線偏光の紫外光（２−２）を入射する場合でも同様に得られる。

ミラー１７６は、繰り返しパターンにパターン欠陥（或いはエッジラフネス）があれば、進行方向が−ｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸に対して０度の偏光方向の直線偏光成分と楕円偏光成分とが混合された偏光状態の紫外光（２−２）を反射して、進行方向が−ｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して０度の偏光方向の直線偏光成分とパターン欠陥に起因した楕円偏光等の偏光乱れ成分とミラー１７６に起因した楕円偏光等の偏光乱れ成分とが混合された偏光状態の紫外光（２−３）を出力する。

次に、復路において、紫外光（２−３）は１／２波長板１７４に入射する。１／２波長板１７４によって偏光方向が０度或いは９０度回転させられる。ここでは往路において９０度回転させたので復路においても９０度回転させられる。よって、パターン欠陥（及びエッジラフネス）が無ければ、ここでは、１／２波長板１７４を通過した紫外光（２−４）は、進行方向が−ｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の直線偏光の紫外光となる。

繰り返しパターンにパターン欠陥（或いはエッジラフネス）があれば、１／２波長板１７４を通過した紫外光（２−４）は、進行方向が−ｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の直線偏光成分とパターン欠陥に起因した楕円偏光等の偏光乱れ成分とミラー１７６に起因した楕円偏光等の偏光乱れ成分とが混合された偏光状態の紫外光（２−４）となる。

１／２波長板１７４が往路において０度回転させた場合（すなわち回転させない場合）、紫外光（２−３）は、パターン欠陥（及びエッジラフネス）が無ければ、進行方向が−ｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の直線偏光の紫外光になるので、１／２波長板１７４を通過した紫外光（２−４）は、進行方向が−ｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の直線偏光の紫外光となる。一方、紫外光（２−３）は、パターン欠陥（或いはエッジラフネス）があれば、進行方向が−ｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の直線偏光成分とパターン欠陥に起因した楕円偏光等の偏光乱れ成分とミラー１７６に起因した楕円偏光等の偏光乱れ成分とが混合された偏光状態の紫外光になるので、１／２波長板１７４を通過した紫外光（２−４）は、進行方向が−ｙ方向であってｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の直線偏光成分とパターン欠陥に起因した楕円偏光等の偏光乱れ成分とミラー１７６に起因した楕円偏光等の偏光乱れ成分とが混合された偏光状態の紫外光（２−４）となる。

次に、復路において、紫外光（２−４）は偏光ビームスプリッタ１７２に入射する。紫外光（２−４）のうち、ｘｚ面においてｘ軸に対して９０度の直線偏光成分については、偏光ビームスプリッタ１７２を通過する。よって、パターン欠陥（及びエッジラフネス）が無ければ、すべての紫外光（２−４）は偏光ビームスプリッタ１７２を通過する。よって、センサ１０５が像を受光しないことになる。

一方、偏光状態の乱れを生じた例えば楕円偏光成分については、偏光ビームスプリッタ１７２でその一部（ｘｚ面においてｘ軸に対して０度の直線偏光成分：Ｓ波成分）が反射される。偏光ビームスプリッタ１７２で反射されたｘｚ面においてｘ軸に対して０度の直線偏光成分の紫外光（２−５）は、まさに、パターン欠陥（或いはエッジラフネス）によって生じた偏光乱れに起因する。よって、かかる紫外光（２−５）をセンサ１０５で受光すれば、受光した光の強度が閾値以上であれば受光した位置がパターン欠陥の生じた位置であると判定できることになる。受光した光の強度が閾値未満であればエッジラフネスが生じた位置であると判定できることになる。但し、実施の形態１では、センサ１０５に到達する前にさらに光学素子を通過する。

次に、復路において、偏光ビームスプリッタ１７２で反射されたｘｚ面においてｘ軸に対して０度の直線偏光成分の紫外光（２−５）は、ミラー１８０に入射する。ミラー１８０は、進行方向が−ｚ方向であってｘｙ面においてｘ軸に対して０度の偏光方向の直線偏光の紫外光（２−５）を反射して、進行方向がｘ方向であってｙｚ面においてｙ軸に対して９０度の偏光方向の直線偏光の紫外光（２−６）を出力する。ｙ軸に対して９０度の偏光方向の直線偏光成分だけなので、ミラー１８０による偏光状態の乱れを抑制できる。

次に、復路において、ミラー１８０で反射された紫外光（２−６）は偏光ビームスプリッタ１８２（検光子の一例）に入射する。実施の形態１では、図１及び図６に示すように、偏光ビームスプリッタ１７２とセンサ１０５との間の光路上に偏光ビームスプリッタ１８２（検光子の一例）が配置される。紫外光（２−６）は進行方向がｘ方向であってｙｚ面においてｙ軸に対して９０度の偏光方向の直線偏光の光なので、偏光ビームスプリッタ１８２を通過する。なお、偏光ビームスプリッタ１７２で反射された後に結像光学系１７３等によって、もしも偏光乱れが生じた場合に、偏光ビームスプリッタ１８２を通過させることによって偏光乱れ成分を排除できる。偏光ビームスプリッタ１７２で反射された後に生じた偏光ずれは、基板１０１で生じた偏光ずれとは方向が異なるので、偏光ビームスプリッタ１８２で分離することができる。

次に、復路において、偏光ビームスプリッタ１８２を通過した進行方向がｘ方向であってｙｚ面においてｙ軸に対して９０度の偏光方向の直線偏光の紫外光（２−７）は、結像光学系１７３によって焦点を合わされ、センサ１０５面に結像する。このように、センサ１０５は、１／２波長板１７８（第２の２分の１波長板）によって進行方向がｚ軸であってｘｙ面におけるｘ軸に対して０度の偏光方向（第３の電界振動方向）を９０°の整数倍とは異なる角度だけ回転された偏光方向（第４の電界振動方向）の直線偏光光によって照明された解像限界未満の繰り返しパターンからの反射光を受光する。これにより、センサ１０５によって、パターン欠陥（或いはエッジラフネス）によって生じた偏光乱れに起因する紫外光（２−７）が受光される。

以上のように実施の形態１では、往路において、ミラー１７６で照明光の偏光状態に乱れを生じさせないように構成するので、復路で得られた反射光に偏光乱れ成分が含まれていれば、復路のミラー１７６に起因した偏光乱れにかかわらず、パターン欠陥（或いはエッジラフネス）が発生している位置を特定できる。

図７は、実施の形態１における検査領域を説明するための概念図である。基板１０１の検査領域１０（検査領域全体）は、図７に示すように、例えばｙ方向に向かって、スキャン幅Ｗの短冊状の複数の検査ストライプ２０に仮想的に分割される。

そして、検査装置１００では、検査ストライプ２０毎に画像（ストライプ領域画像）を取得していく。検査ストライプ２０の各々に対して、上述した紫外光（１−５）を用いて、当該ストライプ領域の長手方向（ｘ方向）に向かって当該ストライプ領域内に配置される繰り返しパターンの画像を撮像する。ＸＹθテーブル１０２がｘ方向に移動させられ、その結果、センサ１０５が相対的にｘ方向に連続移動しながら光学画像が取得される。センサ１０５では、図７に示されるようなスキャン幅Ｗの光学画像を連続的に撮像する。１つの検査ストライプ２０における光学画像を撮像した後、ｙ方向に次の検査ストライプ２０の位置まで移動して今度は逆方向に移動しながら同様にスキャン幅Ｗの光学画像を連続的に撮像する。すなわち、往路と復路で逆方向に向かうフォワード（ＦＷＤ）−バックフォワード（ＢＷＤ）の方向で撮像を繰り返す。

ここで、撮像の方向は、フォワード（ＦＷＤ）−バックフォワード（ＢＷＤ）の繰り返しに限るものではない。一方の方向から撮像してもよい。例えば、ＦＷＤ−ＦＷＤの繰り返しでもよい。或いは、ＢＷＤ−ＢＷＤの繰り返しでもよい。

センサ１０５上に結像されたパターンの像は、センサ１０５の各受光素子によって光電変換され、更にセンサ回路１０６によってＡ／Ｄ（アナログ・デジタル）変換される。そして、ストライプパターンメモリ１２３に、測定対象の検査ストライプ２０の画素データが格納される。また、検査ストライプ２０の光学画像を取得する際、レーザ測長システム１２２は、ＸＹθテーブル１０２の位置を測長する。測長された位置情報は、位置回路１０７に出力される。位置回路１０７は、測長された位置情報を用いて、基板１０１の位置を演算する。

その後、各ストライプ領域画像は、位置回路１０７から出力されたＸＹθテーブル１０２上における基板１０１の位置を示すデータと共に比較回路１０８に送られる。測定データ（画素データ）は例えば８ビットの符号なしデータ（２５６階調）であり、各画素の明るさの階調（光量）を表現している。

比較回路１０８内に出力されたストライプ領域画像は、図示しない記憶装置に記憶される。そして、検査ストライプ２０のストライプ領域画像（光学画像）の中から対象フレーム領域３０のフレーム画像を切り出すように、ｘ方向に所定のサイズ（例えば、スキャン幅Ｗと同じ幅）でストライプ領域画像を分割する。例えば、５１２×５１２画素のフレーム画像に分割される。かかる処理により、複数のフレーム領域３０に応じた複数のフレーム画像（光学画像）が取得される。フレーム領域３０のサイズは、スキャン幅Ｗと同じ幅でなくとも構わない。

そして、比較回路１０８は、画素毎に、階調値を閾値と比較し、欠陥の有無を判定する。対象画素の階調値が閾値以上であれば当該画素の位置がパターン欠陥の生じた位置であると判定できる。対象画素の階調値がゼロではないが、閾値未満であればエッジラフネスが生じた位置（或いは測定誤差）であると判定できる。対象画素の階調値がゼロであれば、パターン欠陥及びエッジラフネスが生じていない正常な位置であると判定できる。

なお、エッジラフネスに起因する偏光乱れは、パターン欠陥に起因する偏光乱れに比べて小さい。よって、センサ１０５で受光する光には復路のミラー１７６で生じた偏光乱れ成分も含まれるが、エッジラフネスに起因する偏光乱れ成分について復路のミラー１７６でさらに偏光乱れを生じさせたとしても小さいままである点で同様である。よって、センサ１０５で受光した光の強度が閾値以上であれば、復路のミラー１７６での偏光乱れにかかわらず、受光した位置がパターン欠陥の生じた位置であると判定できる。

そして、比較結果（判定結果）が出力される。比較結果は、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（ＦＤ）１１６、ＣＲＴ１１７、パターンモニタ１１８、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。

以上のように、実施の形態１によれば、光路上にミラーが配置された照明光学系を用いて解像限界未満の周期規則性のある繰り返しパターンを照明する場合でも、パターン欠陥を検出できる。

以上の説明において、「〜回路」と記載したものは、処理回路を有する。かかる処理回路は、例えば、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置を含む。各「〜回路」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いても良いし、或いは異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。また、プログラムを用いる場合、プログラムは、磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録される。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。上述した例では、解像限界未満の繰り返しパターンからの反射光を受光する場合を示したが、これに限るものではない。解像限界未満の繰り返しパターンの透過光を受光するようにしてもよい。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、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。例えば、検査装置１００を制御する制御部構成については、記載を省略したが、必要とされる制御部構成を適宜選択して用い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うる全てのパターン検査装置、及びパターン検査方法は、本発明の範囲に包含される。

１０ 検査領域
１２ ラインパターン
１４ スペースパターン
２０ 検査ストライプ
３０ フレーム領域
１００ 検査装置
１０１ マスク基板
１０２ ＸＹθテーブル
１０３ 光源
１０４ 対物レンズ
１０５ センサ
１０６ センサ回路
１０７ 位置回路
１０８ 比較回路
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
１１４ テーブル制御回路
１１５ 磁気テープ装置
１１６ ＦＤ
１１７ ＣＲＴ
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
１２３ ストライプパターンメモリ
１５０ 光学画像取得機構
１６０ 制御系回路
１７０ 反射照明光学系
１７２ 偏光ビームスプリッタ
１７３ 結像光学系
１７４ １／２波長板
１７５ １／２波長板
１７６ ミラー
１７８ １／２波長板
１８０ ミラー
１８２ 偏光ビームスプリッタ

Claims (5)

1. 第１の電界振動方向の直線偏光の紫外光を受光し、前記紫外光の第１の電界振動方向を９０°の整数倍回転した第２の電界振動方向の直線偏光光を出力する第１の２分の１波長板と、
   前記第２の電界振動方向の直線偏光光を反射して、前記第２の電界振動方向と平行或いは直交する第３の電界振動方向の直線偏光光を出力するミラーと、
   反射された前記直線偏光光の前記第３の電界振動方向を９０°の整数倍とは異なる角度だけ回転する第４の電界振動方向の直線偏光光に変換して出力する第２の２分の１波長板と、
   当該紫外光の解像限界未満のサイズの繰り返しパターンが形成された基板を前記繰り返しパターンが前記第３の電界振動方向と平行或いは直交する方向に繰り返されるように載置するステージと、
   前記第２の２分の１波長板によって前記第４の電界振動方向に回転された直線偏光光を前記基板に形成された前記繰り返しパターンに照明する対物レンズと、
   前記第２の２分の１波長板によって前記第３の電界振動方向を９０°の整数倍とは異なる角度だけ回転された前記第４の電界振動方向の直線偏光光によって照明された前記解像限界未満の繰り返しパターンの透過光或いは前記解像限界未満の繰り返しパターンからの反射光を受光するセンサと、
   を備え、
   前記第２の電界振動方向は、前記ミラーへの前記直線偏光光の入射方向と直交すると共に、前記ミラーの反射方向と直交或いは平行し、
   前記第２の電界振動方向が前記ミラーの反射方向と直交する場合、前記第３の電界振動方向は、前記第２の電界振動方向と平行し、
   前記第２の電界振動方向が前記ミラーの反射方向と平行する場合、前記第３の電界振動方向は、前記第２の電界振動方向と直交することを特徴とするパターン検査装置。
2. 前記紫外光を発生する光源と、
   前記光源と前記第１の２分の１波長板との間の光路上に配置された偏光ビームスプリッタと、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のパターン検査装置。
3. 前記解像限界未満の繰り返しパターンからの反射光は、前記第２の２分の１波長板と前記ミラーと前記第１の２分の１波長板と前記偏光ビームスプリッタとを順に経由して、前記センサに受光されることを特徴とする請求項２記載のパターン検査装置。
4. 前記偏光ビームスプリッタと前記センサとの間の光路上に配置された検光子をさらに備えたことを特徴とする請求項３記載のパターン検査装置。
5. 前記基板として、ナノインプリント用のテンプレートが用いられることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のパターン検査装置。

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