検査方法および装置
【課題】パターンの線幅情報の測定不良を抑制する。
【解決手段】表面検査方法は、基材と、その基材の表面を被覆し、かつ繰り返しパターンが形成された下地部とを含むウェハの表面に光を照射し、その光が照射されたウェハの表面からの反射光の光強度情報を、受光光学系の測定面で検出するステップ１２８と、その測定面において、第１位置での第１光強度の検出信号を求めるステップ１３０と、その下地部の情報とその第１光強度の検出信号とを用いて、その繰り返しパターンの線幅の情報を求めるステップ１４０とを含む。
【解決手段】表面検査方法は、基材と、その基材の表面を被覆し、かつ繰り返しパターンが形成された下地部とを含むウェハの表面に光を照射し、その光が照射されたウェハの表面からの反射光の光強度情報を、受光光学系の測定面で検出するステップ１２８と、その測定面において、第１位置での第１光強度の検出信号を求めるステップ１３０と、その下地部の情報とその第１光強度の検出信号とを用いて、その繰り返しパターンの線幅の情報を求めるステップ１４０とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体デバイスの製造工程においてウェハ等の基板に形成されたパターンの線幅の情報を検出可能な検査方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス、電子デバイス等のマイクロデバイスの製造工程においては、露光装置などの基板処理装置を用いて基板が処理される。
その製造工程において、例えば、露光し、現像した後の基板上のパターンの線幅を管理している。その製造工程で発生する欠陥の検出性能およびパターンの線幅であるＣＤ値（critical dimension）を管理している。
【０００３】
下記の特許文献１には、基板に形成されたパターンの線幅を測定する検査装置の一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１９２９５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、パターンの構造性複屈折効果による偏光の変化量を抽出して、基板に形成されたパターンの線幅を測定する場合、線幅以外の基板に関する状態により、偏光が変化する可能性がある。偏光の変化量に、線幅以外の基板に関する情報が含まれると、測定不良を起こす可能性がある。その結果、ＣＤ管理に不具合が生じる可能性がある。
【０００６】
本発明の態様は、パターンの線幅情報の測定不良を抑制する検査方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、基材と、その基材の表面を被覆し、かつパターンが形成された被覆材とを含む基板の表面に偏光成分を含む光を照射し、その光が照射されたその基板の表面からの反射光の光強度情報を、受光光学系の測定面で検出することと、その測定面において、第１位置での第１光強度を求めることと、その被覆材の情報とその第１光強度とを用いて、パターンの線幅の情報を求めることと、を含む検査方法が提供される。
【０００８】
また、第２の態様によれば、パターンが形成された基板の表面に偏光成分を含む光を照射する照射部と、その光が照射されたその基板の表面からの反射光を受光する受光光学系と、その受光光学系の測定面において、その反射光の光強度情報を検出する検出部と、その検出部で検出された光強度情報からそのパターンの線幅の情報を求める演算部とを備え、その基板は、基材と、その基材の表面を被覆し、かつそのパターンが形成された被覆材とを含み、その演算部は、その測定面において、第１位置での第１光強度を求め、その被覆材の情報とその第１光強度とを用いて、そのパターンの線幅の情報を求める検査装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、パターンの線幅の測定不良を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の一例の表面検査装置の全体構成を示す図である。
【図２】（ａ）は繰り返しパターンを示す拡大斜視図、（ｂ）は繰り返しパターンを示す拡大平面図である。
【図３】撮像素子で検出した瞳像を示す図である。
【図４】瞳像を領域分割した状態を示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ繰り返しパターンと入射光の偏光方向との関係を示す図、（ｃ）は瞳座標系内の測定点の一例を示す図である。
【図６】（ａ）は検量線の一例を示す図、（ｂ）は基準ウェハのＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との相関の一例を示す図、（ｃ）は量産ウェハの補正前のＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との相関の一例を示す図である。
【図７】繰り返しパターンに入射する光の偏光方向が入射面内にある状態を示す拡大斜視図である。
【図８】（ａ）は繰り返しパターンの方位角を示す図、（ｂ）は図８（ａ）の方位角に対応する瞳像内の測定点の一例を示す図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ繰り返しパターンの方位角が０度および９０度の場合に瞳像内で補正点がある領域を示す図である。
【図１０】（ａ）は補正点の階調値とＣＤ−ＳＥＭ値に対する乖離値との相関の一例を示す図、（ｂ）は乖離値を補正した後のＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との相関の一例を示す図である
【図１１】（ａ）はＣＤ−ＳＥＭ値に対する乖離値のばらつきの一例を示す図、（ｂ）は補正後のＣＤ−ＳＥＭ値に対する乖離値のばらつきの一例を示す図である。
【図１２】（ａ）はＣＤ換算値を計算する係数を決定する方法の一例を示すフローチャート、（ｂ）は乖離値を計算する係数を決定する方法の一例を示すフローチャートである。
【図１３】（ａ）は測定点を決定する場合の基準ウェハの方位角の一例を示す平面図、（ｂ）は補正点を決定する場合の基準ウェハの方位角の一例を示す平面図である。
【図１４】（ａ）は乖離値と階調値との相関係数の一例を示す図、（ｂ）は瞳像の座標を示す図である。
【図１５】表面検査方法の一例を示すフローチャートである。
【図１６】（ａ）は測定点データを取得するときのウェハの方位角の一例を示す平面図、（ｂ）は補正点データを取得する場合のウェハの方位角の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態の一例につき図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の表面検査装置１を示す。表面検査装置１は、被検査物としての半導体ウェハ５（以下、単にウェハ５と称する。）が載置されるステージ６と、対物レンズ７と、プリズム８と、照明光学系１０と、検出光学系１５と、演算処理部２０と、装置全体の動作を統括的に制御するコンピュータよりなる主制御系３と、その他の駆動部等とを備えている。ウェハ５は、例えば露光装置（不図示）による露光およびコータ・ディベロッパ（不図示）によるフォトレジストの現像後に、またはエッチング装置等（不図示）によりパターンが形成された後に、不図示の搬送系により、パターン（繰り返しパターン）の形成面を上にした状態でステージ６に載置される。
【００１２】
以下、対物レンズ７の光軸に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面と垂直な方向にＸ軸を、図１の紙面に平行な方向にＹ軸を取って説明する。また、ＸＹ平面内でＺ軸に平行な軸を中心とした回転角を方位角と称する。
ステージ６は、不図示のベース部材の表面に沿ってＸ方向、Ｙ方向に移動可能なＸＹステージ６Ａと、ＸＹステージ６Ａの上部に固定されて、Ｚ軸に平行な軸の回りに回転可能な回転ステージ６Ｂとを有する。ウェハ５は、真空吸着等により回転ステージ６Ｂの表面（ＸＹ平面）に保持される。主制御系３が、レーザ干渉計等の位置測定装置（不図示）の測定値に基づいて、駆動部４を介してＸＹステージ６Ａの位置および回転ステージ６Ｂの回転角を制御する。
【００１３】
照明光学系１０は、図１の右側から左側へ向けて配置順に、光源１１と、集光レンズ１２と、波長選択フィルター１３と、第１の偏光フィルター１４とを有する。光源１１には、一例として水銀ランプ等が用いられる。水銀ランプは、複数の波長λの光、例えば、ｅ線（λ＝５４６ｎｍ）、ｇ線（λ＝４３６ｎｍ）、ｈ線（λ＝４０５ｎｍ）、ｊ線（λ＝３１３ｎｍ）、さらにはλ＝２５０ｎｍ付近の光などを発生させる。これら複数の波長の光のうち、特定の波長の光のみを選択するために、波長選択フィルター１３を用いる。
【００１４】
なお、光源１１は、ハロゲンランプや青色励起型ＬＥＤ等の波長帯域の広い光源であってもよい。このように波長帯域の広い光源が使用される場合には、波長選択フィルター１３は、例えば青色（Ｂ：λ＝４３６ｎｍ）、緑色（Ｇ：λ＝５４６ｎｍ）、赤色（Ｒ：λ＝７００ｎｍ）の光を透過させるようなフィルターであってもよい。したがって、波長選択フィルター１３は、透過波長帯域の異なる複数のフィルターとして、光路中に挿脱することで選択的に波長や波長帯域を変更可能な構成とすることが好ましい。
【００１５】
光源１１から放出された光は、集光レンズ１２および波長選択フィルター１３を透過したのち、第１の偏光フィルター１４を透過する。第１の偏光フィルター１４は、透過光がＸ方向に偏光するように、すなわち、第１の偏光フィルター１４を透過して得られる直線偏光の光の偏光方向ＰがＸ方向となるよう配置する。
第１の偏光フィルター１４を透過した光は、プリズム８で下方へ反射される。プリズム８で反射される光は集光レンズ１２を通過しているので、ウェハ５に向かう入射光Ｉは平行光となる。入射光Ｉは対物レンズ７を通してウェハ５に照射される。
【００１６】
ウェハ５からの反射光は、対物レンズ７を通して平行な反射光Ｊとなり、プリズム８を透過して検出光学系１５に達する。検出光学系１５は、＋Ｚ方向に向けて配置順に、第２の偏光フィルター１６と、リレーレンズ１７と、２次元ＣＣＤ等の撮像素子１８とを有する。プリズム８を透過した反射光Ｊは、第２の偏光フィルター１６を透過し、リレーレンズ１７によって光路延長・拡大（ないし縮小）された後、撮像素子１８に入射する。撮像素子１８に入射した反射光は撮像素子１８の複数の画素によりそれぞれ光電変換されて検出信号（画素信号）となり、この検出信号がコンピュータよりなる演算処理部２０に出力される。演算処理部２０は、その検出信号を処理してウェハ５の表面に形成されている繰り返しパターンの線幅を求め、求めた線幅の情報を主制御系３に出力する。
【００１７】
第２の偏光フィルター１６は、透過光がＹ方向に偏光するように、すなわち、第２の偏光フィルター１６を透過して得られる直線偏光の光の偏光方向ＱがＹ方向となるよう配置する。このように、第１の偏光フィルター１４を透過した光の偏光方向と、第２の偏光フィルター１６を透過した光の偏光方向とが直交している状態は、クロスニコルと呼ばれている。対物レンズ７およびプリズム８を透過した反射光Ｊのうち、入射光Ｉ（直線偏光）の偏光方向と垂直な偏光成分を撮像素子１８（検出光学系１５）で検出することになる。なお、入射側の第１の偏光フィルター１４をポラライザ（偏光子）と称し、受光側の第２の偏光フィルター１６をアナライザ（検光子）と称することもある。
【００１８】
なお、上述の実施形態では第１の偏光フィルター１４と第２の偏光フィルター１６を用い、偏光成分を含む光を通過させたが、偏光成分を含む光を通過させる方法は、これに限られない。
例えば、直線偏光器を利用し、直線偏光の光をウェハ５に照射しても構わない。直線偏光器としては、例えば、異方性結晶を利用したもの、反射を利用するものがある。このような直線偏光器としては、例えば、米国特許公開第２００４−０２０１８８９号明細書に記載されているものを使用可能である。また、第１の偏光フィルター１４と第２の偏光フィルター１６との一方のみを、直線偏光器としても構わない。
【００１９】
また、第１の偏光フィルター１４の配置は、上述の実施形態に限られない。例えば、集光レンズ１２よりも光源１１側に設けても構わない。もちろん光源１１に偏光フィルター１４を設け、光源からの光を偏光成分を含む光としても構わない。
なお、偏光フィルター１４，１６をクロスニコル状態を維持して同じ角度だけ光軸の回りに回転する駆動部１４ｄ，１６ｄを設けてもよい。この場合には、駆動部１４ｄ，１６ｄを介して偏光フィルター１４，１６を回転することによって、入射光の偏光方向とウェハ５の方位角との関係を制御できる。
【００２０】
なお、本実施形態では、第１の、第２の偏光フィルター１４、１６は、それぞれ透過光がＸ方向、Ｙ方向に偏光するように配置されていたが、クロスニコル状態を維持していれば、方向はこれに限られない。例えば、第１の、第２の偏光フィルター１４，１６をそれぞれ透過する光の偏光方向が、Ｙ方向、Ｘ方向でも構わない。
なお、クロスニコル状態とは異なる条件で測定しても構わない。例えば、偏光フィルター１４を透過した光の偏光方向に対して、第２の偏光フィルター１６を透過する光の偏光方向が直交とは異なる角度でも構わない。また、一方の偏光フィルターのみを介した光を撮像素子１８で検出しても構わない。
【００２１】
検出光学系１５のリレーレンズ１７の＋Ｚ方向側に、対物レンズ７を通過した反射光の光強度分布を測定するための測定面ＤＰが設定されている。撮像素子１８の受光面は、測定面ＤＰに配置されている。
対物レンズ７の瞳面は、対物レンズ７の射出瞳である。本実施形態では、測定面ＤＰは、対物レンズ７の瞳面またはこの面と共役な位置に設けられている。測定面ＤＰは、対物レンズ７の瞳面またはこの面と共役な位置の近傍でも構わない。瞳面または共役な位置の近傍には、測定面ＤＰとリレーレンズ１７と接触するまでの光軸に沿った位置が含まれる。
【００２２】
また、瞳面または共役な位置の近傍には、測定面ＤＰとリレーレンズ１７と接触するまでの光軸に沿った距離と、同じ距離を光軸に沿ってリレーレンズ１７から離れる様に沿った位置も含む。また、本実施形態においては、対物レンズ７の瞳面は、対物レンズ７の後側焦点位置である。また、本実施形態においては、対物レンズ７の瞳面は、ウェハ５のパターンに対するフーリエ変換面になっている。したがって、ウェハ５からの反射光の角度成分が、測定面ＤＰで位置情報に変換される。
以下では、ウェハ５からの反射光によって測定面ＤＰに形成される光強度分布を瞳像とも呼ぶ。なお、撮像素子１８に赤色、緑色、青色のそれぞれの光の検出信号を出力するカラーＣＣＤを用いることにより、波長選択フィルター１３を不要とすることも可能である。
【００２３】
本実施形態においては、図１に示すように、入射光Ｉのうちの一部の入射光束Ｉ１は、入射角Ｋでウェハ５に入射し、反射光束Ｊ１として撮像素子１８に達する。撮像素子１８上の位置１９は、入射光束Ｉ１の入射面の方位角および入射角Ｋによって決定される。
ここで、繰り返しパターンにおける構造性複屈折効果について図２を用いて説明する。なお、構造性複屈折の詳細は、例えばMax Born and Emil Wolf: “Principles of Optics: Sixth Edition”（光学の原理：第６版）, (Pergamon Press, 1980)に記載されている。
【００２４】
図１のウェハ５は、図２（ａ）に示すように、シリコン等の平板状部材からなる基材３４と、この基材３４の表面を被覆するように設けられた酸化膜等の単層または複数層の下地部３２と、この下地部３２の表面に形成された線状パターン（ライン・アンド・スペースパターン。以下、Ｌ＆Ｓパターンという。）である繰り返しパターン３０とを有する。繰り返しパターン３０において、ライン部３１Ｌの線幅をｔ1、ライン部３１Ｌの屈折率をｎ1とし、スペース部３１Ｓの線幅をｔ2、スペース部３１Ｓの下地部３２の屈折率をｎ2とする。そうすると、パターンピッチはｔ1＋ｔ2である。繰り返しパターン３０は、互いに異なる第１の物質（ライン部３１Ｌ）と第２の物質（スペース部３１Ｓ内の下地部３２）を有する一軸性結晶とみなすことができる。図２（ｂ）に示すように、ライン部とスペース部との境界面に平行に振動する光に対する屈折率をｎo、境界面に垂直に振動する光に対する屈折率をｎeとして、繰り返しパターン３０における複屈折を扱うことができる。
【００２５】
図２（ａ）の繰り返しパターン３０に対して光３３が入射するとき、図１の構成に従い、光３３の偏光方向（電場の振動方向）が図２（ｂ）において方向Ｒ（Ｘ方向）である。また、繰り返しパターン３０の方位角とは、繰り返しパターン３０の周期方向（繰り返し方向）がＸ軸に対してなす角度であるとする。繰り返しパターン３０が方位角θでＸ軸に対して傾いているとき、方向Ｒは、境界面に平行な成分Ｒoと境界面に垂直な周期方向の成分Ｒeに分解することができる。そして、屈折率ｎo，ｎeはそれぞれ、光３３の入射する方向（繰り返しパターン３０の周期方向と光３３の入射面とがなす角度）、光３３の入射角、屈折率ｎ1，ｎ2および線幅ｔ1，ｔ2の関数になる。
【００２６】
また、構造性複屈折による反射光の境界面に平行な成分と、境界面に垂直な成分との位相差をδとし、ライン部３１Ｌの高さをｈとしたとき、位相差δは、高さｈおよび屈折率ｎo，ｎeを用いて次式で与えられる。
δ＝ｈ（ｎo−ｎe） …（１）
露光および現像後においては、繰り返しパターン３０のライン部３１Ｌはフォトレジストであり、スペース部３１Ｓの下地部３２は、例えば金属膜または酸化膜等である。フォトレジストの厚さは、露光波長にもよるが、最先端の露光装置に用いられるＡｒＦレーザ光源用のレジストでは、厚さが１００ｎｍ程度またはそれ以下である。繰り返しパターン３０の別の例としては、例えばエッチング後においては、ライン部３１Ｌは例えば金属膜である。
【００２７】
本実施形態において、図１の入射光束Ｉ１の入射面の方位角および入射角Ｋによって反射光束Ｊ１の撮像素子１８の受光面（測定面ＤＰ）上の位置１９（瞳像上の位置）が決定される。光３３が繰り返しパターン３０に入射する際に、繰り返しパターン３０に入射する光３３の偏光成分（方向Ｒ）が図２（ｂ）に示す２つの偏光成分ＲｅとＲ０に分かれる。一方の偏光成分Ｒｅは繰り返し方向に垂直な成分である。他方の偏光成分Ｒ０は繰り返し方向に垂直な成分である。２つの偏光成分Ｒ０とＲｅは、それぞれに独立に、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３０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ＲｅとＲｏ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となる。すなわち、ウェハ５（繰り返しパターン３０）の方位角、入射光の入射面の方向、入射光の偏光方向（入射面に対する偏光角度）、および入射角Ｋに応じて屈折率ｎo，ｎeが変化して、式（１）の位相差δが変化する。そのため、反射光束Ｊ１の偏光状態が変化して、第２の偏光フィルター１６を透過する光の強度が変化する。したがって、測定面ＤＰ（瞳像）上の位置によって、繰り返しパターン３０のライン部３１Ｌの線幅と検出信号との間の相関が高い部分、およびその相関が低い部分が生じるため、その検出信号から線幅を計算することが可能になる。
【００２８】
図３は、撮像素子１８の受光面（測定面ＤＰ）に形成される瞳像３６を示す。測定面ＤＰ上のＰｘ軸は、図１の偏光フィルター１４（ポラライザ）を透過した光の偏光方向に平行なＸ軸に対応しており、Ｐｙ軸は、偏光フィルター１６（アナライザ）を透過した光の偏光方向に平行なＹ軸に対応している。Ｐｘ軸とＰｙ軸は直交しており、Ｐｘ軸とＰｙ軸の原点（交点）Ｏは対物レンズ７の光軸である。以下、座標（Ｐｘ，Ｐｙ）を瞳座標とも称し、瞳座標で表される直交座標系を瞳座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）とも称する。瞳像３６の各部分３６ｃにおいては、階調凡例３８にしたがって、光強度の階調値の高い部分（その部分から得られる検出信号の大きい部分）を濃い色（黒色系）で表し、光強度の階調値の低い部分（その部分から得られる検出信号の小さい部分）を淡い色（白色系）で表している。
【００２９】
本実施形態の演算処理部２０は、撮像素子１８の画素ごとの信号を、図４に示すように、所定の画素単位でまとめて処理する。図４において、測定面ＤＰ上の瞳座標系内の領域（瞳像）は、Ｐｘ方向にＭ列でＰｙ方向にＮ行のＭ×Ｎ個の区画に分割され、そのうちの一つの区画４０内の画素信号を合算したものをその区画４０に入射する光を光電変換して得られる検出信号とする。検出信号は階調値で表される。ＭおよびＮは自然数で、一例として１０〜１００程度である。瞳像は円形であることから、一例として区画４０が正方形となるように自然数Ｍ，Ｎは決められる。瞳座標系内（瞳像）から任意の位置にある区画を選択することが可能である。また、光源１１が白色光源で、撮像素子１８がカラーＣＣＤである場合には、各区画において、赤色、緑色、青色（ＲＧＢ）の３色の光の検出信号を選択的に抽出することが可能である。
【００３０】
以下、本実施形態において、撮像素子１８からの各区画４０の光強度に対応する検出信号を用いて繰り返しパターンの線幅を検出するための原理につき説明する。この検出は演算処理部２０で行われる。本実施形態では、図５（ａ）に示すように、入射光の偏光方向がＸ軸に平行な方向Ｒである。この場合には、例えば米国特許出願公開第２００６／０１９２９５３号明細書に開示されているように、繰り返しパターン３０の方位角が４５度であるときに、瞳座標系内の所定の区画から得られる検出信号の繰り返しパターン３０の線幅に対する感度または相関が最大となり、繰り返しパターン３０の方位角が０度および９０度であるときに、瞳座標系内の所定の区画から得られる検出信号の線幅に対する感度または相関がほぼ無い。そこで、本実施形態では、繰り返しパターン３０の方位角が０度から９０度の範囲内の任意の角度であるときに線幅との相関が高い区画の検出信号を取得し、繰り返しパターン３０の方位角が０度または９０度であるときに線幅との相関がほとんど無い区画の検出信号を取得する。そして、線幅との相関がほとんど無い区画から得られる検出信号のうちで、繰り返しパターン３０の下地部３２の状態との相関が高い区画から得られる検出信号を用いて下地部３２の状態に起因する測定誤差を補正する。
【００３１】
この際に、瞳座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）内で、繰り返しパターン３０の線幅と相関のある２つの区画を第１および第２の区画とする。第２の区画は第１の区画と異なる位置であるか、あるいは、第１の区画と同じ位置であっても異なる波長の光を受光する部分である。
この場合、あらかじめ例えばＣＤ−ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で線幅が測定されている種々の線幅の繰り返しパターンが形成された線幅基準となるウェハ（以下、基準ウェハという。）を表面検査装置１のステージ６に載置する。そして、基準ウェハからの反射光による瞳像を撮像素子１８で撮像することによって、上記の第１および第２の区画での受光量に対応する検出信号（階調値）から繰り返しパターンの線幅を算出するための算出式（以下、検量線という）を決定する。なお、基準ウェハの代わりに、線幅が測定されている量産ウェハを用いてもよい。また、予め、基準ウェハからの反射光による瞳像を撮像素子１８で撮像することによって、上記の第１および第２の区画での受光量に対応する検出信号がある場合には、その検出信号を用い、検量線を決定し、繰り返しパターンの線幅を算出しても構わない。
なお、線幅を測定する手法は、ＣＤ−ＳＥＭに限られず、ＡＦＭなどの手法でも構わない。もちろん、ＣＤ−ＳＥＭのように測長機能に特化してないＳＥＭでも構わない。
【００３２】
その検量線を決定する際には、ＣＤ−ＳＥＭで実測した値（ＣＤ−ＳＥＭ値）とその２つの区画の検出信号から計算される線幅との乖離（差）が最小になるように、瞳座標系内の２つの区画の位置の組み合わせと検量線の係数とを決定する。その２つの区画からの検出信号をＳ１，Ｓ２として、ｋ１，ｋ２，ｋ３を係数とすると、検出信号を繰り返しパターンの線幅であるＣＤ（critical dimension）に換算した値（以下、ＣＤ換算値という）は、次のように表される。
【００３３】
ＣＤ換算値＝ｋ１×Ｓ１＋ｋ２×Ｓ２＋ｋ３ …（２）
この説明では、瞳像内の２つの区画の組合せを説明したが、検出信号を用いる区画は瞳座標系内で少なくとも１つあればよい。例えば、瞳座標系内の３つの区画からの検出信号を組み合わせる場合には、第３の区画は第１および第２の区画と異なるか、または第１もしくは第２の区画と同じで異なる波長の光を受光する部分である。さらに、瞳座標系内のｎ個（ｎは３以上の整数）の区画の組み合わせを用いてもよい。そのｎ個の区画の検出信号をＳｉ（ｉ＝１〜ｎ）として、ｋ１，ｋ２，…，ｋ（ｎ＋１）を係数とすると、ＣＤ換算値は次の検量線（以下、式αと称する。）で表される。
【００３４】
ＣＤ換算値＝ｋ１×Ｓ１＋ｋ２×Ｓ２＋…＋ｋｎ×Ｓｎ＋ｋ（ｎ＋１）
＝α …（３）
式αで使用した瞳座標系内の位置に対応する検出信号Ｓ１〜Ｓｎ（階調値）は、少なからず繰り返しパターンの下地部と相関のある成分（下地成分）を含んでいる。そこで、本実施形態では下地成分を抽出するために、繰り返しパターンの方位角を０度または９０度に設定した状態で、瞳座標系内の所定の区画の検出信号を用いて先ほど求めた検量線の式αを補正する。すなわち、式αから下地成分を除く。この段階の検量線を式βとする。式αとＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値をΔとすると、式αと式βの関係は下記の式で表すことができる。
【００３５】
β＝α−Δ …（４）
乖離値Δは、下地成分を抽出するために所定の方位角（０度または９０度）に設定された繰り返しパターンに関して、瞳座標系内の所定の位置の区画で所定の波長の光を受光して得られる検出信号Ｘ（階調値）と係数ｅ，ｆを用いて下記の算出式で表すことができる。
【００３６】
Δ＝ｅ×Ｘ＋ｆ …（５）
式（４）と式（５）より次の算出式（検量線）が得られる。
β＝α−（ｅ×Ｘ＋ｆ） …（６）
したがって、式（６）を用いることによって、下地成分の影響を除去して繰り返しパターンの線幅を高精度に求めることができる。なお、式（６）は線形の一次式で表したが、非線形の高次多項式でも良い。また、式（５）の乖離値Δを求める際にも、高次多項式を用いてもよく、さらに瞳座標系内の複数の区画の瞳像の検出信号の一次式または高次多項式を用いてもよい。
【００３７】
次に、具体的に式（６）に対応する算出式を求める方法につき説明する。以下の説明では、簡単のために、ＣＤ換算値（式α）を計算するための瞳座標系内の区画を一つであるとする。
図４において、瞳座標系には、Ｐｙ＝Ｐｘと、Ｐｙ＝−Ｐｘという２つの対角線があるが、線幅以外の他の要因の影響を受けずに、線幅変化と最も高い相関のある位置は、これら２つのうちのいずれかの対角線上に存在する。この場合、繰り返しパターン３０に入射する各光束の入射角、各光束の入射面の方位角、各光束の入射面に対する偏光方向（偏光角度）は、原点Ｏ（光軸）に関して対称であることは光学的に自明である。
【００３８】
さらに、入射光の偏光方向はＸ方向であり、各光束の偏光特性は、対角線Ｐｙ＝ＰｘおよびＰｙ＝−Ｐｘに関して対称であることも明らかである。したがって、偏光特性は、光軸Ｏに関して対称であり、その２つの対角線に関しても対称である。対角線Ｐｙ＝ＰｘおよびＰｙ＝−Ｐｘのいずれの対角線を使用するかは、入射光の偏光方向と繰り返しパターン３０の周期方向との関係によって決定される。
【００３９】
図５（ａ）のように、繰り返しパターン３０の方位角が時計回りに４５度である場合には、瞳座標系内でＰｙ＝−Ｐｘで示される対角線上に、線幅変化との相関が最も高い位置が存在する。図５（ｂ）のように、繰り返しパターン３０の方位角が反時計回りに４５度である場合には、瞳座標系内でＰｙ＝Ｐｘで示される対角線上に、線幅変化との相関が最も高い位置が存在する。ただし、瞳座標系の原点Ｏ（光軸）に近づくと、線幅以外の状態に影響を受けることが分かっており、線幅に対する相関は低下する傾向がある。
【００４０】
まず、式αのＣＤ換算値を算出するための検量線を作成する方法につき説明する。この作成にあたっては、上述のようにあらかじめ例えばＣＤ−ＳＥＭで線幅が測定されている基準ウェハを使用する。ＣＤ−ＳＥＭは、一つの測定点の視野が狭いため、本実施形態の表面検査装置１の広い視野のなかで複数点測定し平均値を求めておくことが好ましい。こうして、ＣＤ−ＳＥＭで実測した線幅の値（ＣＤ−ＳＥＭ値）と、表面検査装置１によって形成される瞳座標系内の所定位置の区画の検出信号（階調値）との相関関係を、多数の異なる線幅の繰り返しパターンに対して求める。
【００４１】
一例として、繰り返しパターンの方位角は図５（ａ）のように設定され、ＣＤ−ＳＥＭ値と、例えば図５（ｃ）に示す瞳座標系内の位置の区画４２の検出信号Ｓ（階調値）から計算される線幅（ＣＤ換算値）との乖離が最小になるように、検量線の係数ｋ１，ｋ２を決定する。ＣＤ−ＳＥＭ値と検出信号Ｓとの関係が図６（ａ）のようになっている場合、その検量線は、直線３９を表す下記の一次式である。下記の式が式（３）（式α）に対応している。
【００４２】
ＣＤ換算値＝ｋ１×Ｓ＋ｋ２＝α …（７）
また、図６（ｂ）は、基準ウェハに関して、図５（ｃ）の区画４２の検出信号Ｓから式（７）を用いて計算された線幅（ＣＤ換算値）（縦軸）と、実測値であるＣＤ−ＳＥＭ値（横軸）との関係を表している。なお、瞳座標系内の複数の区画の検出信号を用いる場合には式（７）の代わりに式（３）を用いればよい。
【００４３】
なお、構造性複屈折によるクロスニコル透過光量は、繰り返しパターンの線幅に対し、必ずしも１次式で階調変化するとは限らない。とくに、線幅変化範囲が広い場合は、直線からずれる傾向がある。その場合は、式（７）の代わりに２次式等の高次式で換算することが好ましい。
図６（ｂ）において、直線４４は、ＣＤ換算値がＣＤ−ＳＥＭ値と同じ値であることを示し、外側の点線の直線４５，４６は、ＣＤ−ＳＥＭ値に対するＣＤ換算値の許容範囲を示す。したがって、図６（ｂ）は、ＣＤ換算値が規格値に入っていることを示している。
【００４４】
一方、図６（ｃ）のＣＤ換算値（縦軸）は、検量線作成に用いた基準ウェハとは異なる量産ウェハ（ロット１〜６）に関して、瞳座標系内の区画４２の検出信号Ｓから式（７）を用いて計算された線幅である。図６（ｃ）のＣＤ換算値は、いくつかのロットで直線４５，４６の範囲（規格）から外れている。これはＣＤ−ＳＥＭ値との乖離誤差（ＣＤ換算値からＣＤ−ＳＥＭ値を引いた後の誤差）が大きくなっているためである。この理由は、線幅以外のウェハの表面状態がウェハ面内で変化しているなかで、その変化の影響の程度が、ＣＤ−ＳＥＭ値とＣＤ換算値とで異なるからである。
【００４５】
すなわち、ＣＤ−ＳＥＭは電子線を照射走査して、パターンエッジから生じる２次電子を収集し、２次電子の強弱信号から所定の閾値の部分を抽出してパターン線幅としている。ＣＤ−ＳＥＭでは、２次電子収集部の配置や、閾値の設定を最適化して、パターン断面の幅との相関のよい条件に設定しているものの、パターンの微妙な形状の影響は受ける。なお、基本的に電子線はウェハの繰り返しパターンの下地部（下層）にまでは達しないとしている。
【００４６】
一方、本実施形態のような偏光状態変化量をパターン線幅に置き換える方法の場合は、構造性複屈折による位相変化は、パターン線幅だけではなく、繰り返しパターンのライン部の形状や高さ等の影響を受けるとともに、入射光としての例えば可視光は下層まで達する場合がある。また、反射光の位相変化および反射光に対する下層の影響は波長によっても異なり、さらに、入射角、入射面と繰り返しパターンとの方位角、および偏光方向によっても異なる。このように、構造性複屈折を用いる検出方式は、ＣＤ−ＳＥＭとは異なる検出原理に基づく方式であるため、線幅以外の状態の影響を受けることはやむを得ない。
【００４７】
しかしながら、ＣＤ−ＳＥＭで半導体デバイスの製造プロセスの管理をしてきた製造ラインでは、ＣＤ−ＳＥＭ管理にあわせた線幅測定性能が求められるため、ＣＤ−ＳＥＭ値との乖離誤差は小さくする必要がある。そこで、本実施形態では、既述した、入射光の入射角、入射光の入射面と繰り返しパターンとの方位角、入射光の偏光方向、および検出される光の波長等の条件を組み合わせる。すなわち、これらの条件の中で、繰り返しパターンの線幅および／または線幅以外の要素の影響を受ける条件を適切に組み合わせることによって、線幅測定精度を向上させる。
【００４８】
まず、図７を参照して繰り返しパターンの線幅の影響を受けないための条件を説明する。図７において、入射光３３と繰り返しパターン３０との関係は以下の方位関係Ａである。
（方位関係Ａ）：入射光３３は、偏光方向４９が入射面４８と一致しているｐ偏光。さらに、入射面４８は、繰り返しパターン３０のライン部と平行。
【００４９】
したがって、入射光３３の偏光方向４９の電気ベクトルは、繰り返しパターン３０のライン部に平行な方向の成分のみを有し、繰り返しパターン３０の周期方向の成分は０である。構造性複屈折は、繰り返しパターン３０の周期方向とそれに垂直な方向との屈折率の差が位相差となり発生するが、入射光の偏光方向が、繰り返しパターンのライン部に平行な方向の成分しか有しない場合は、反射光に２方向間で位相差が生じることはない。すなわち、図７のような偏光方向４９と繰り返しパターン３０の方向との配置では、繰り返しパターン３０の線幅が変化しても、反射光に２方向間での位相差の変化は生じず、わずかに反射率変化が生じるだけである。したがって、反射光は、線幅変化よりむしろ線幅以外の状態、すなわち下地部３２の膜厚変動等の情報を多く検出することになるので、その反射光（第２の偏光フィルター１６の透過光量）の検出信号を下地情報として用いることが可能である。
【００５０】
また、以下の方位関係Ｂ，Ｃ，Ｄの場合にも、反射光は、線幅変化よりむしろ線幅以外の状態、すなわち下地部３２の膜厚変動等の情報を多く検出することになるので、その反射光の検出信号を下地情報として用いることが可能である。
（方位関係Ｂ）：入射光の偏光方向は入射面と垂直（ｓ偏光状態）。入射面は繰り返しパターンのライン部と平行。
【００５１】
（方位関係Ｃ）：入射光の偏光方向は入射面と一致（ｐ偏光状態）。入射面は繰り返しパターンのライン部に垂直（周期方向に平行）。
（方位関係Ｄ）：入射光の偏光方向は入射面と垂直（ｓ偏光状態）。入射面は繰り返しパターンのライン部に垂直。
そこで、下記の式により、下地の影響の補正を行うことができる。
【００５２】
補正ＣＤ換算値＝測定点のデータ（ＣＤ情報と下地情報）−補正点のデータ（下地情報） …（８）
式（８）において、測定点のデータとは、例えば図５（ｃ）の瞳座標系内の区画４２を測定点として、この測定点の瞳像から得られる検出信号を式（７）に代入して得られるＣＤ換算値である。また、補正点のデータとは、入射光と繰り返しパターンとの関係が上記の方位関係Ａ〜Ｄにあるときに、瞳座標系内の所定の区画を補正点として、この補正点の瞳像の検出信号を式（５）に対応する換算式に代入して得られる値である。
【００５３】
その補正点を用いる場合の入射光と繰り返しパターンとの関係は、入射面が繰り返しパターンのライン部に平行または垂直で、かつ入射光の偏光状態がｐ偏光またはｓ偏光であるということである。式（８）は式（６）と等価である。
具体的に式（８）を適用する場合には、図８（ａ）に示すように、繰り返しパターン３０の方位角θを０度〜９０度間の偏光状態変化量と線幅とが相関を持つ任意の方位角（例えば４５度）に設定し、図８（ｂ）に示す瞳座標系内の所定の区画である測定点５０から得られる検出信号および対応するＣＤ−ＳＥＭ値から式（７）の係数ｋ１，ｋ２を決定する。
【００５４】
次に、繰り返しパターン３０を図９（ａ）の０度または図９（ｂ）の９０度の方位角、すなわち下地情報のみを抽出することを目的とした方位角に設定する。そして、図９（ａ）の方位角では、入射光の入射面４８を繰り返しパターン３０のライン部に平行または垂直に設定し、入射光の偏光方向４９をｓ偏光（状態０ｓ）またはｐ偏光（状態０ｐ）に設定する。そして、状態０ｓでは、瞳像５２が形成されている瞳座標系のＰｙ軸に沿った区画領域５４内の所定の区画を補正点として、状態０ｐでは、瞳座標系のＰｘ軸に沿った区画領域５６内の所定の区画を補正点として、その補正点の検出信号から下地情報を求める。
【００５５】
また、図９（ｂ）の方位角では、入射光の入射面４８を繰り返しパターン３０のライン部に垂直または平行に設定し、入射光の偏光方向４９をｓ偏光（状態９０ｓ）またはｐ偏光（状態９０ｐ）に設定する。そして、状態９０ｓでは、瞳座標系の区画領域５４内の所定の区画を補正点として、状態９０ｐでは、瞳座標系の区画領域５６内の所定の区画を補正点として、その補正点の検出信号から下地情報を求める。ここでは分かりやすくするために、図８（ｂ）の測定点５０（ＣＤ情報および下地情報を持つ区画）を決定する際に使用する標本を基準ウェハＡ、図９（ａ）および（ｂ）の補正点（下地情報を持つ区画）を決定する際に使用する標本を基準ウェハＢとして説明する。
【００５６】
図１０（ａ）は、数枚の基準ウェハＢから瞳座標系内の補正点の検出信号Ｘ（階調値）（下地情報）を求めた結果を表す。図１０（ａ）の横軸は検出信号Ｘ、縦軸は上記の測定点での検出信号（階調値）を式（７）に代入して計算したＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値Δである。その補正点は、図９（ａ）または（ｂ）の区画領域５４，５６内の複数の区画のうちで、その検出信号Ｘと乖離値Δとの相関が最も高い位置の区画である。一例として、図９（ａ）の区画領域５４内の一つの区画が補正点５９であるとする。図１０（ａ）の検出信号Ｘと乖離値Δとの誤差が最小になる一次式（式（５））が直線５８で表されている。その直線５８の傾きおよびオフセットから式（５）の係数ｅ，ｆが求められる。これ以降は補正点５９の検出信号Ｘ（階調値）を式（５）に代入することによって乖離値Δが計算される。
【００５７】
したがって、演算処理部２０は、測定点５０の検出信号Ｓを用いて式（７）から得られるＣＤ換算値（ＣＤ情報および下地情報）から、補正点５９の検出信号Ｘを用いて式（５）から得られる乖離値Δ（下地情報）を差し引くことによって、次のように式（６）および式（８）に対応する補正ＣＤ換算値を求めることができる。この補正ＣＤ換算値からは下地成分に起因する誤差が除去されている。式（９）（式（６）または式（８））を補正ＣＤ換算値を求めるための検量線とも呼ぶ。
【００５８】
補正ＣＤ換算値＝ＣＤ換算値−乖離値Δ
＝（ｋ１×Ｓ＋ｋ２）−（ｅ×Ｘ＋ｆ） …（９）
図１０（ｂ）は、量産ウェハ（ロット１〜６）に関して、測定点の検出信号Ｓおよび補正点の検出信号Ｘを式（９）に代入して求めた補正ＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との関係を示す。測定点の検出信号（ＣＤ情報と下地情報）だけで求めた結果である図６（ｃ）と比較すると、図１０（ｂ）は明らかに改善しており、補正ＣＤ換算値が直線４５，４６間の規格内に入ることが分かる。
【００５９】
また、図１１（ａ）は、各ロット１〜６の量産ウェハに関して、測定点の検出信号（ＣＤ情報と下地情報）だけで求めたＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値Δを示す。図１１（ｂ）は、それらの量産ウェハに関して、測定点の検出信号および補正点の検出信号から求めた補正ＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値を示す。図１１（ａ）では全ロットに関する各測定点の乖離値Δの点線で示す平均値が０より大きい値を示しており、各ロット内の乖離値Δのばらつきも大きいことが分かる。一方、図１１（ｂ）は全ロットの乖離値の平均値がほぼ０の位置に重なっており、各ロット内の乖離値のばらつきも改善が見られるものが多い。したがって、式（９）によって、下地成分が補正され、より正確に繰り返しパターンの線幅を測定できることが分かる。
【００６０】
次に、本実施形態において瞳座標系内の測定点および式（９）（式（６）または式（８））の係数ｋ１，ｋ２を決定する方法の一例につき図１２（ａ）のフローチャートを参照して説明する。また、瞳座標系内の補正点および式（９）の係数ｅ，ｆを決定し、式（９）（検量線）を決定する方法の一例につき図１２（ｂ）のフローチャートを参照して説明する。なお、測定点および補正点が１点の場合につき説明するが、測定点および補正点は複数でもよい。
【００６１】
まず、図１２（ａ）のステップ１０２において、瞳座標系内の測定点（ＣＤ情報および下地情報を持つ区画）を決定するための標本である１枚または複数枚の基準ウェハＡを決定する。具体的に、表面検査装置１で測定対象となる繰り返しパターンの線幅の範囲を含む種々の線幅の繰り返しパターンが形成されるとともに、それら繰り返しパターンの線幅（ＣＤ−ＳＥＭ値）がＣＤ−ＳＥＭによって測定されている図１３（ａ）の基準ウェハ５Ａが基準ウェハＡである。図１３（ａ）において、基準ウェハ５Ａの多数のショット領域ＳＡｉ（ｉ＝１〜Ｎ：Ｎは例えば数１０から数１００の整数）のうちの複数のショット領域に、互いに異なる線幅のＬ＆Ｓパターンよりなる繰り返しパターンＬＳｉが形成されている。基準ウェハ５Ａは図１のステージ６に載置される。
【００６２】
次いで、ステップ１０４において、回転ステージ６Ｂを駆動して、図１３（ａ）の基準ウェハ５Ａの方位角θを０度〜９０度内の任意の値に設定し、光源１１からの光をＸ方向（方向Ｒ）に直線偏光した状態で基準ウェハ５Ａに照射し、基準ウェハ５Ａからの反射光の瞳像を撮像素子１８で撮像する。そして、測定面ＤＰ上の瞳座標系内の複数の区画（図４の区画４０）ごとに、異なる線幅の繰り返しパターンから得られる検出信号Ｓ（階調値）を用いて計算式（ＣＤ換算値＝ｋ１×Ｓ＋ｋ２）から得られるＣＤ換算値と、対応するＣＤ−ＳＥＭ値との誤差の二乗和（乖離誤差）が最小になるように、最小二乗法で係数ｋ１，ｋ２を決定する。さらに、その複数の区画のうちで、その乖離誤差が最小になる区画を測定点ＭＰ１（たとえば図８（ａ）の測定点５０）とする。
【００６３】
なお、その乖離誤差が最小になる位置は、波長によっても変わるため、複数の波長の光の検出信号を用いてＣＤ換算値および乖離誤差を計算し、乖離誤差が最小になる光の波長を測定点ＭＰ１の検出信号を得るときの光の波長とする。さらに、必要に応じて、基準ウェハ５Ａの方位角θを０度〜９０度の範囲内で変化させて、乖離誤差が最小となるときの方位角を決定してもよい。
【００６４】
次いでステップ１０６において、瞳座標系内で乖離値が最小であった測定点ＭＰ１の座標を決定し、その測定点ＭＰ１で使用された光の波長、および係数ｋ１，ｋ２を式（９）の計算に際して使用する光の波長および係数として決定する。これらの基準ウェハ５Ａの方位角、測定点ＭＰ１の座標、波長、および係数ｋ１，ｋ２は演算処理部２０内の記憶部に記憶される。さらに、基準ウェハ５Ａにおいて線幅情報が測定された繰り返しパターンごとに、ＣＤ−ＳＥＭ値と係数ｋ１，ｋ２を用いて計算されるＣＤ換算値との乖離値Δを計算し、計算結果を記憶部に記憶する。
【００６５】
次に、図１２（ｂ）のステップ１１２において、瞳座標系内の補正点（下地情報を持つ区画）を決定するための標本である１枚または複数枚の基準ウェハＢを決定する。基準ウェハ５Ｂは、例えば表面検査装置１で測定対象となる量産ウェハの下地と同じ下地の上に基準ウェハ５Ａと同じ種々の線幅の繰り返しパターンが形成されたものである。なお、基準ウェハ５Ｂは基準ウェハ５Ａと同じでもよい。図１３（ｂ）の基準ウェハ５Ｂが基準ウェハＢであるとする。基準ウェハ５Ｂも図１のステージ６に載置される。
【００６６】
次いで、ステップ１１４において、回転ステージ６Ｂを駆動して、図１３（ｂ）の基準ウェハ５Ｂの方位角θを０度または９０度に設定し、光源１１からの光をＸ方向（方向Ｒ）に直線偏光した状態で基準ウェハ５Ｂに照射し、基準ウェハ５Ｂからの反射光の瞳像を撮像素子１８で撮像する。そして、図９（ａ）または（ｂ）の測定面ＤＰ上の瞳座標系内の区画領域５４（ｓ偏光領域）および区画領域５６（ｐ偏光領域）内の複数の区画ごとに、繰り返しパターンの反射光から得られる検出信号Ｘ（階調値）を用いて計算式（ｅ×Ｘ＋ｆ）から計算される乖離値と、これに対応するステップ１０６で記憶された乖離値Δとの誤差の二乗和が最小になるように、最小二乗法で係数ｅ，ｆを決定する。さらに、その複数の区画のうちで、その誤差の二乗和が最小になる区画を補正点ＡＰ１（たとえば図９（ａ）の補正点５９）とする。なお、ステップ１１４で設定する基準ウェハ５Ｂの方位角θは略０度または略９０度でもよい。略０度または略９０度とは、その係数ｅ，ｆを決定できる範囲であれば、０度または９０度からずれてもよいことを意味している。
【００６７】
なお、その誤差の二乗和が最小になる位置は、波長によっても変わるため、複数の波長の光の検出信号を用いて乖離誤差を計算し、その誤差の二乗和が最小になる波長の光を補正点ＡＰ１の検出信号を得るときの光とする。さらに、基準ウェハ５Ｂの方位角を０度または９０度に設定し、その誤差の二乗和がより小さくなるときの方位角を下地情報を取得する際のウェハの方位角とする。
【００６８】
そして、瞳座標系内でその誤差の二乗和が最小であった補正点ＡＰ１の座標を決定し、その補正点ＡＰ１で使用された光の波長、および係数ｅ，ｆを式（９）の計算に際して使用する光の波長および係数として決定する。これらの基準ウェハ５Ｂの方位角、補正点ＡＰ１の座標、波長、および係数ｅ，ｆは演算処理部２０内の記憶部に記憶される。
次のステップ１１６において、ステップ１０６で求められた係数ｋ１，ｋ２を用いてＣＤ換算値を計算する式αから、ステップ１１４で求められた係数ｅ，ｆを用いて計算されるＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値Δを差し引く形の式β（式（６）または式（９））が、下地の影響を補正して繰り返しパターンの線幅を求めるための検量線として演算処理部２０内の記憶部に記憶される。
【００６９】
ここで、ステップ１１４において、瞳座標系内の補正点を決定する方法の別の例につき図１４（ａ），（ｂ）を参照して説明する。この例は、図４の第２象限の瞳座標に着目して、測定点と補正点の瞳座標を求めたものである。
図１４（ａ）の横軸は、図９（ａ）および（ｂ）で説明した入射光の偏光方向（ｐ偏光、ｓ偏光）と、基準ウェハの方位角（０度、９０度）と、検出する光の波長（赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂ）とを表している。図１４（ａ）の横軸の（ＰｘＰｙ）は、瞳座標系のＰｘ軸の値とＰｙ軸の値とを連続表記したものである。ここでは測定面ＤＰ上の瞳座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）を図１４（ｂ）に示すように設定している。
【００７０】
図１４（ｂ）において、瞳座標系はＰｘ方向に４５列で、Ｐｙ方向に４５行の４５×４５個の区画に分割され、測定点６４がある象限および光軸を通る区画領域６０，６２のみが使用される。入射光がｐ偏光時に使用される区画領域６０の（ＰｘＰｙ）は（１２３）〜（２３２３）であり、入射光がｓ偏光時に使用される区画領域６２の（ＰｘＰｙ）は（２３０１）〜（２３２３）であり、（２３２３）は光軸上にある。本実施形態では、補正点は区画領域６０，６２内にある。
【００７１】
また、図１４（ａ）の縦軸は、図１４（ｂ）の区画領域６０，６４内の各区画の検出信号Ｘと、図１２（ａ）のステップ１０６で決定された係数ｋ１，ｋ２と瞳座標系内の測定点６４の検出信号Ｓとを用いて計算されたＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値Δとの相関係数を示している。この例では、入射光がｐ偏光、基準ウェハ５Ｂの方位角が９０度、使用する光の波長が赤色（Ｒ）のときの領域６６で、相関が高くなっている。したがって、領域６６に対応する図１４（ｂ）の区画領域６０内の補正点６８が図１２（ｂ）のステップ１１４における補正点ＡＰ１として決定される。
【００７２】
この例では、測定点６４で使用する光の波長は緑色（Ｇ）および／または青色（Ｂ）が、線幅との相関が赤色よりも高い傾向があった。
したがって、補正点６８で使用する乖離値Δとの相関が高い光の波長（ここでは赤色）は、測定点６４で使用する光の波長よりも長い傾向がある。これは、測定点で使用する光は、繰り返しパターンの下地情報を含むため、下地をある程度透過する波長域、すなわち青色および緑色よりも長い赤色等の波長域の光の方が好ましいためであると考えられる。したがって、この場合には、測定点６４で使用する光の波長を緑色および／又は青色として、補正点６８で使用する光の波長を赤色とすることが好ましい。これによって、繰り返しパターンのピッチの測定精度を向上できる。
【００７３】
次に、本実施形態の表面検査装置１において、図１２（ｂ）のステップ１１６で決定した検量線を用いて、量産ウェハの繰り返しパターンの線幅を測定する方法の一例につき図１５のフローチャートを参照して説明する。この測定動作は主制御系３によって制御される。また、この測定方法は、たとえば露光および現像工程の後で、またはエッチング工程後に繰り返しパターンの線幅が許容範囲内に入っているかどうかを確認するために実行される。また、この測定方法は、たとえばウェハの下地部の状態がそれまでのロットとは変化した所定のロットの先頭の量産ウェハ等に対して実行される。
【００７４】
まず、図１５のステップ１２２において、被検物としての量産ウェハを表面検査装置１のステージ６に載置する。量産ウェハは図１６（ａ）のウェハ５であるとする。ウェハ５の表面の多数のショット領域ＳＢｊ（ｊ＝１〜Ｍ：Ｍは数１０〜数１００の整数）には互いに設計上では同じ線幅のＬ＆Ｓパターンよりなる繰り返しパターン３０が形成されている。なお、ショット領域ＳＢｊには、互いに異なる線幅の繰り返しパターンが形成されていてもよい。また、実際にはショット領域ＳＢｊには、種々の線幅のパターンが形成されており、繰り返しパターン３０はそのうちの測定対象のパターンを示している。
【００７５】
次のステップ１２４において、回転ステージ６Ｂを介してウェハ５の方位角θを図１２（ａ）のステップ１０４で決定された基準ウェハＡの方位角に設定する。次のステップ１２６において、光源１１からの光をＸ方向（方向Ｒ）に直線偏光した状態でウェハ５の測定対象のショット領域ＳＢｊの複数の測定領域ＭＡに順次照射する。次のステップ１２８で、ウェハ５からの反射光の瞳像を撮像素子１８で撮像する。瞳像は複数の測定領域ＭＡにつきそれぞれ撮像される。
【００７６】
次のステップ１３０において、演算処理部２０は、ステップ１０４で決定された瞳座標系内の測定点ＭＰ１において、各瞳像から決定された波長の光の検出信号Ｓ（階調値）を取得する。なお、この際に、検出信号Ｓを用いて式（９）のＣＤ換算値（測定点データ）を算出しておいてもよい。
次のステップ１３２において、回転ステージ６Ｂを介してウェハ５の方位角を図１２（ｂ）のステップ１１４で決定された基準ウェハＢの方位角（０度または９０度）に設定する。なお、ステップ１１４で、方位角が略０度または略９０度の角度に設定された場合には、このステップ１３２でも、基準ウェハＢの方位角はその略０度または略９０度の角度に設定される。一例として、ウェハ５の方位角は図１６（ｂ）に示すように設定される。次のステップ１３４において、光源１１からの光をＸ方向（方向Ｒ）に直線偏光した状態でウェハ５の測定対象のショット領域ＳＢｊの複数の測定領域ＭＢに順次照射する。次のステップ１３６で、ウェハ５からの反射光の瞳像を撮像素子１８で撮像する。瞳像は複数の測定領域ＭＢに対してそれぞれ撮像される。
【００７７】
次のステップ１３８において、演算処理部２０は、ステップ１１４で決定された瞳座標系内の補正点ＡＰ１において、各瞳像から決定された波長の光の検出信号Ｘ（階調値）を取得する。なお、この際に、検出信号Ｘを用いて式（９）の乖離値Δ（補正点データ）を算出しておいてもよい。
次のステップ１４０において、演算処理部２０は、測定点ＭＰ１の検出信号Ｓおよび補正点ＡＰ１の検出信号Ｘを用いて、ステップ１１６で決定した検量線（式（９））より、ウェハ５の繰り返しパターン３０の線幅である補正ＣＤ換算値を算出する。次のステップ１４２において、演算処理部２０は計算された補正ＣＤ換算値を主制御系３に出力する。主制御系３は、補正ＣＤ換算値（線幅の測定値）が許容範囲内かどうかを判定し、許容範囲内である場合には、ステップ１４６に移行して、次の被検物の検査を行う。一方、ステップ１４２で線幅の測定値が許容範囲外である場合には、ステップ１４４の対策工程に移行する。例えば量産ウェハで測定された線幅がレジストパターンの線幅である場合には、量産ウェハはリワーク工程に戻される。リワーク工程とは、例えば、レジストパターンを取り除き再度、レジストを塗布し、露光する工程である。また、線幅の測定値が許容範囲外であるならば、そのウェハを廃棄する場合もある。また、許容範囲外となった原因（例えば、露光装置の露光条件）を改善し、許容範囲内になるように、デバイスの製造工程におけるウェハ処理を補正しても構わない。
【００７８】
このようにして、表面検査装置１を用いて、測定対象の量産ウェハに対して測定対象の任意のショット領域の任意の測定領域内の繰り返しパターンの線幅を効率的に測定できる。
上記の測定点ＭＰ１と補正点ＡＰ１を取得する際に、ウェハ５のショット領域内の測定領域ＭＡの個数と測定領域ＭＢの個数とを同じ数に設定すれば測定精度は向上する。しかしながら、取得する瞳像（データ量）が多くなるため測定のスループットは低下する。そこで、補正点ＡＰ１に関しては、測定点ＭＰ１に１対１で対応した測定領域ＭＢで瞳像を取得することなく、たとえば図１６（ｂ）のショット領域ＳＢｊ内の中心の一つの測定領域ＭＢＣのみで瞳像を取得し、この瞳像の補正点ＡＰ１の検出信号から計算される乖離値Δを、図１６（ａ）の複数の測定領域ＭＡに関して取得されるＣＤ換算値に対して共通に使用してもよい。
【００７９】
さらに、ショット領域ＳＢｊ内の一部の複数の測定領域ＭＢに関して取得される乖離値Δの平均値を共通に使用するなどして、取得する瞳像の数を減少することで、測定のスループットを向上できる。
上述のように本実施形態の表面検査装置１は、繰り返しパターンＬＳＢが形成されたウェハ５（基板）の表面に直線偏光の光を照射する照明光学系１０と、ウェハ５の表面からの反射光を受光する対物レンズ７と、対物レンズ７を介した反射光の光強度分布を測定する測定面ＤＰにおいて、その直線偏光の方向と垂直な偏光成分（略垂直でもよい）の光強度情報を検出する検出光学系１５と、検出光学系１５内の撮像素子１８で検出された光強度情報の検出信号から繰り返しパターンＬＳＢの線幅の情報を求める演算処理部２０とを備えている。そして、演算処理部２０は、測定面ＤＰにおいて、その線幅との相関がある測定点ＭＰ１での光強度に対応する検出信号Ｓを求め、測定面ＤＰにおいて、その線幅との相関が測定点ＭＰ１よりも低い補正点ＡＰ１での光強度に対応する検出信号Ｘを求め、検出信号Ｓ，Ｘを用いて繰り返しパターンＬＳＢの線幅の情報（式（９）の補正ＣＤ換算値）を求めている（ステップ１３０，１３８，１４０）。
【００８０】
以上、本実施形態によれば、繰り返しパターンの線幅との相関が高い測定点の光強度と、その線幅との相関が測定点よりも低い補正点の光強度とを用いることによって、繰り返しパターンの線幅以外の要因（例えば下地の状態）に起因する誤差を低減できるため、線幅情報の測定精度を向上できる。したがって、線幅情報の測定の不良を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、ステップ１３０において、瞳座標系内の測定点の瞳像から検出信号Ｓ（ＣＤ情報及び下地情報）を求め、ステップ１３８において、補正点の瞳像から検出信号Ｘ（下地情報）を求めている。そして、ステップ１４０で、その検出信号Ｓから算出されるＣＤ換算値からその検出信号Ｘから算出される乖離値Δを差し引くことによって、下地情報が除かれたＣＤ情報を求めている。
【００８１】
この結果、ＣＤ−ＳＥＭ等の別の線幅測定装置（表面検査装置）で測定した繰り返しパターンの線幅値との乖離誤差を大幅に低減することができる。
また、本実施形態によれば、基準ウェハの面内の位置によって、換算式から計算した線幅値とあらかじめＣＤ−ＳＥＭ等によって測定してある線幅値との乖離が異なることに基づく誤差であるウェハ面内誤差を低減できる。
【００８２】
さらに、基準ウェハで決定した換算式を使って、例えば半導体デバイスの製造工程で使用される量産ウェハ等の別のウェハを測定したときに換算される線幅値と、ＣＤ−ＳＥＭ等で実測した線幅値との間に生じる乖離に基づく誤差であるウェハ間誤差を低減できる。
また、ＣＤ−ＳＥＭでは、測定精度を上げようと電子線の加速電圧を上げるほど、被検物としてのウェハのダメージは大きくなる。本実施形態の表面検査装置１では、電子線を用いず、例えば可視光（紫外光または赤外光でもよい）を使っているので、ウェハへのダメージが少ない。ウェハのダメージとは、例えば、ウェハ上のパターンが破壊され、所定の性能を有しないことをいう。
【００８３】
また、表面検査装置１の測定視野は、ＣＤ−ＳＥＭに比べて数万倍大きく設定することが可能であり、かつ一つの測定領域をほぼ１秒以内で測定可能である。したがって、ウェハの広範囲を高速に測定することができる。
また、上記の実施形態では、被検ウェハからの反射光の光強度分布を測定する測定面ＤＰは、対物レンズ７の瞳面またはこの共役面に設けられている。しかしながら、測定面ＤＰは、対物レンズ７の瞳面の近傍、またはその瞳面と共役な面の近傍に配置してもよい。その近傍の面とは、ウェハに入射する光の入射角Ｋが異なるときに、ウェハからの反射光が通過する位置が互いにほぼ異なる位置になるような面である。
【００８４】
また、ＣＤ情報および下地情報を求める測定点は複数点でもよく、下地情報を求める補正点も複数点でもよい。さらに、式（９）の代わりに高次多項式または指数関数等を用いてもよい。
また、上記の実施形態では、ステップ１３２，１３４，１３６で検出した瞳座標系内の補正点の検出信号から繰り返しパターンの下地情報を求めている。しかしながら、たとえばあらかじめウェハの種々の下地の状態（半導体デバイスの製造プロセスに応じた状態）と、式（５）の乖離値Δとの関係を求めて記憶しておいてもよい。この場合、ウェハの繰り返しパターンの線幅を測定する際に、ステップ１３２，１３４，１３６の代わりに、記憶してある種々の乖離値からその下地の状態に応じた乖離値Δを読み出してきてもよい。これによって、ウェハの方位角を変えて瞳座標系内の所定の補正点の検出信号を取得する工程を省略できる。
【００８５】
また、本実施形態では、ウェハ上の繰り返しパターンを測定したが、ウェハとは異なる物体でも構わない。例えば、プリント基板でも構わない。さらに、本実施形態では繰り返しパターンを測定対象としたが、測定対象はパターンが繰り返していない孤立線でも構わない。また、繰り返しパターンの間隔は単一でなく、繰り返しのそれぞれで異なっていても構わない。また、パターンの形状は、ライン形状以外の例えばＬ字形状、またコンタクトホールの形状でも構わない。
【００８６】
また、本実施形態では、直線偏光の光をウェハ５に照射したが、偏光成分を含む光であれば直線偏光に限られず、楕円偏光、円偏光でも構わない。また、ウェハ５に照射される光は、特定の偏光だけを含む完全偏光ではなく、特定以外の偏光を含む非偏光との混合状態である部分偏光でも構わない。
また、表面検査装置１によれば、偏光成分を含む光が、ウェハ上のパターンにより変化する場合に、下地状態に起因する誤差を低減することが可能である。この場合には、偏光成分を含む光を波長毎に分けて照射し、波長毎のパターンによる偏光の変化を検出しても構わない。また、複数の波長を含む光を、ウェハ上に照射し、パターンによる偏光の変化を波長毎に検出しても構わない。この場合においても、下地の状態に起因する誤差を低減することが可能である。これらの方法としては、スキャトロメトリ法、もしくはスキャトロメータがある。これらの方法を記載した文献としては、例えば、米国特許出願公開第２００８／００７４６６６号明細書、米国特許出願公開第２００８／２５９３４３号、米国特許出願公開第２００６／０２７４３１０号明細書が挙げられる。
【００８７】
また、表面検査装置１としては、例えば、ウェハ５に照射した光の回折された光を検出する方式の検査装置も使用できる。なお、表面検査装置１としては、例えば、米国特許出願公開第２００６／０１９２９５３号明細書に記載されているように、直線偏光の光をウェハに照射して、ウェハから正反射方向に発生した光を抽出し、ウェハの繰り返しパターンの欠陥を検出する方式の検査装置も使用できる。上述の検査装置においても、下地の状態に起因する誤差を低減することができる。
【００８８】
このように、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
なお、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した検査装置などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
【符号の説明】
【００８９】
１…表面検査装置、５…ウェハ、５Ａ，５Ｂ…基準ウェハ、７…対物レンズ、８…プリズム、１０…照明光学系、１４…第１の偏光フィルター、１５…検出光学系、１６…第２の偏光フィルター、１８…撮像素子、２０…演算処理部、５０…測定点、５９…補正点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体デバイスの製造工程においてウェハ等の基板に形成されたパターンの線幅の情報を検出可能な検査方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス、電子デバイス等のマイクロデバイスの製造工程においては、露光装置などの基板処理装置を用いて基板が処理される。
その製造工程において、例えば、露光し、現像した後の基板上のパターンの線幅を管理している。その製造工程で発生する欠陥の検出性能およびパターンの線幅であるＣＤ値（critical dimension）を管理している。
【０００３】
下記の特許文献１には、基板に形成されたパターンの線幅を測定する検査装置の一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１９２９５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、パターンの構造性複屈折効果による偏光の変化量を抽出して、基板に形成されたパターンの線幅を測定する場合、線幅以外の基板に関する状態により、偏光が変化する可能性がある。偏光の変化量に、線幅以外の基板に関する情報が含まれると、測定不良を起こす可能性がある。その結果、ＣＤ管理に不具合が生じる可能性がある。
【０００６】
本発明の態様は、パターンの線幅情報の測定不良を抑制する検査方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、基材と、その基材の表面を被覆し、かつパターンが形成された被覆材とを含む基板の表面に偏光成分を含む光を照射し、その光が照射されたその基板の表面からの反射光の光強度情報を、受光光学系の測定面で検出することと、その測定面において、第１位置での第１光強度を求めることと、その被覆材の情報とその第１光強度とを用いて、パターンの線幅の情報を求めることと、を含む検査方法が提供される。
【０００８】
また、第２の態様によれば、パターンが形成された基板の表面に偏光成分を含む光を照射する照射部と、その光が照射されたその基板の表面からの反射光を受光する受光光学系と、その受光光学系の測定面において、その反射光の光強度情報を検出する検出部と、その検出部で検出された光強度情報からそのパターンの線幅の情報を求める演算部とを備え、その基板は、基材と、その基材の表面を被覆し、かつそのパターンが形成された被覆材とを含み、その演算部は、その測定面において、第１位置での第１光強度を求め、その被覆材の情報とその第１光強度とを用いて、そのパターンの線幅の情報を求める検査装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、パターンの線幅の測定不良を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の一例の表面検査装置の全体構成を示す図である。
【図２】（ａ）は繰り返しパターンを示す拡大斜視図、（ｂ）は繰り返しパターンを示す拡大平面図である。
【図３】撮像素子で検出した瞳像を示す図である。
【図４】瞳像を領域分割した状態を示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ繰り返しパターンと入射光の偏光方向との関係を示す図、（ｃ）は瞳座標系内の測定点の一例を示す図である。
【図６】（ａ）は検量線の一例を示す図、（ｂ）は基準ウェハのＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との相関の一例を示す図、（ｃ）は量産ウェハの補正前のＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との相関の一例を示す図である。
【図７】繰り返しパターンに入射する光の偏光方向が入射面内にある状態を示す拡大斜視図である。
【図８】（ａ）は繰り返しパターンの方位角を示す図、（ｂ）は図８（ａ）の方位角に対応する瞳像内の測定点の一例を示す図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ繰り返しパターンの方位角が０度および９０度の場合に瞳像内で補正点がある領域を示す図である。
【図１０】（ａ）は補正点の階調値とＣＤ−ＳＥＭ値に対する乖離値との相関の一例を示す図、（ｂ）は乖離値を補正した後のＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との相関の一例を示す図である
【図１１】（ａ）はＣＤ−ＳＥＭ値に対する乖離値のばらつきの一例を示す図、（ｂ）は補正後のＣＤ−ＳＥＭ値に対する乖離値のばらつきの一例を示す図である。
【図１２】（ａ）はＣＤ換算値を計算する係数を決定する方法の一例を示すフローチャート、（ｂ）は乖離値を計算する係数を決定する方法の一例を示すフローチャートである。
【図１３】（ａ）は測定点を決定する場合の基準ウェハの方位角の一例を示す平面図、（ｂ）は補正点を決定する場合の基準ウェハの方位角の一例を示す平面図である。
【図１４】（ａ）は乖離値と階調値との相関係数の一例を示す図、（ｂ）は瞳像の座標を示す図である。
【図１５】表面検査方法の一例を示すフローチャートである。
【図１６】（ａ）は測定点データを取得するときのウェハの方位角の一例を示す平面図、（ｂ）は補正点データを取得する場合のウェハの方位角の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態の一例につき図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の表面検査装置１を示す。表面検査装置１は、被検査物としての半導体ウェハ５（以下、単にウェハ５と称する。）が載置されるステージ６と、対物レンズ７と、プリズム８と、照明光学系１０と、検出光学系１５と、演算処理部２０と、装置全体の動作を統括的に制御するコンピュータよりなる主制御系３と、その他の駆動部等とを備えている。ウェハ５は、例えば露光装置（不図示）による露光およびコータ・ディベロッパ（不図示）によるフォトレジストの現像後に、またはエッチング装置等（不図示）によりパターンが形成された後に、不図示の搬送系により、パターン（繰り返しパターン）の形成面を上にした状態でステージ６に載置される。
【００１２】
以下、対物レンズ７の光軸に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面と垂直な方向にＸ軸を、図１の紙面に平行な方向にＹ軸を取って説明する。また、ＸＹ平面内でＺ軸に平行な軸を中心とした回転角を方位角と称する。
ステージ６は、不図示のベース部材の表面に沿ってＸ方向、Ｙ方向に移動可能なＸＹステージ６Ａと、ＸＹステージ６Ａの上部に固定されて、Ｚ軸に平行な軸の回りに回転可能な回転ステージ６Ｂとを有する。ウェハ５は、真空吸着等により回転ステージ６Ｂの表面（ＸＹ平面）に保持される。主制御系３が、レーザ干渉計等の位置測定装置（不図示）の測定値に基づいて、駆動部４を介してＸＹステージ６Ａの位置および回転ステージ６Ｂの回転角を制御する。
【００１３】
照明光学系１０は、図１の右側から左側へ向けて配置順に、光源１１と、集光レンズ１２と、波長選択フィルター１３と、第１の偏光フィルター１４とを有する。光源１１には、一例として水銀ランプ等が用いられる。水銀ランプは、複数の波長λの光、例えば、ｅ線（λ＝５４６ｎｍ）、ｇ線（λ＝４３６ｎｍ）、ｈ線（λ＝４０５ｎｍ）、ｊ線（λ＝３１３ｎｍ）、さらにはλ＝２５０ｎｍ付近の光などを発生させる。これら複数の波長の光のうち、特定の波長の光のみを選択するために、波長選択フィルター１３を用いる。
【００１４】
なお、光源１１は、ハロゲンランプや青色励起型ＬＥＤ等の波長帯域の広い光源であってもよい。このように波長帯域の広い光源が使用される場合には、波長選択フィルター１３は、例えば青色（Ｂ：λ＝４３６ｎｍ）、緑色（Ｇ：λ＝５４６ｎｍ）、赤色（Ｒ：λ＝７００ｎｍ）の光を透過させるようなフィルターであってもよい。したがって、波長選択フィルター１３は、透過波長帯域の異なる複数のフィルターとして、光路中に挿脱することで選択的に波長や波長帯域を変更可能な構成とすることが好ましい。
【００１５】
光源１１から放出された光は、集光レンズ１２および波長選択フィルター１３を透過したのち、第１の偏光フィルター１４を透過する。第１の偏光フィルター１４は、透過光がＸ方向に偏光するように、すなわち、第１の偏光フィルター１４を透過して得られる直線偏光の光の偏光方向ＰがＸ方向となるよう配置する。
第１の偏光フィルター１４を透過した光は、プリズム８で下方へ反射される。プリズム８で反射される光は集光レンズ１２を通過しているので、ウェハ５に向かう入射光Ｉは平行光となる。入射光Ｉは対物レンズ７を通してウェハ５に照射される。
【００１６】
ウェハ５からの反射光は、対物レンズ７を通して平行な反射光Ｊとなり、プリズム８を透過して検出光学系１５に達する。検出光学系１５は、＋Ｚ方向に向けて配置順に、第２の偏光フィルター１６と、リレーレンズ１７と、２次元ＣＣＤ等の撮像素子１８とを有する。プリズム８を透過した反射光Ｊは、第２の偏光フィルター１６を透過し、リレーレンズ１７によって光路延長・拡大（ないし縮小）された後、撮像素子１８に入射する。撮像素子１８に入射した反射光は撮像素子１８の複数の画素によりそれぞれ光電変換されて検出信号（画素信号）となり、この検出信号がコンピュータよりなる演算処理部２０に出力される。演算処理部２０は、その検出信号を処理してウェハ５の表面に形成されている繰り返しパターンの線幅を求め、求めた線幅の情報を主制御系３に出力する。
【００１７】
第２の偏光フィルター１６は、透過光がＹ方向に偏光するように、すなわち、第２の偏光フィルター１６を透過して得られる直線偏光の光の偏光方向ＱがＹ方向となるよう配置する。このように、第１の偏光フィルター１４を透過した光の偏光方向と、第２の偏光フィルター１６を透過した光の偏光方向とが直交している状態は、クロスニコルと呼ばれている。対物レンズ７およびプリズム８を透過した反射光Ｊのうち、入射光Ｉ（直線偏光）の偏光方向と垂直な偏光成分を撮像素子１８（検出光学系１５）で検出することになる。なお、入射側の第１の偏光フィルター１４をポラライザ（偏光子）と称し、受光側の第２の偏光フィルター１６をアナライザ（検光子）と称することもある。
【００１８】
なお、上述の実施形態では第１の偏光フィルター１４と第２の偏光フィルター１６を用い、偏光成分を含む光を通過させたが、偏光成分を含む光を通過させる方法は、これに限られない。
例えば、直線偏光器を利用し、直線偏光の光をウェハ５に照射しても構わない。直線偏光器としては、例えば、異方性結晶を利用したもの、反射を利用するものがある。このような直線偏光器としては、例えば、米国特許公開第２００４−０２０１８８９号明細書に記載されているものを使用可能である。また、第１の偏光フィルター１４と第２の偏光フィルター１６との一方のみを、直線偏光器としても構わない。
【００１９】
また、第１の偏光フィルター１４の配置は、上述の実施形態に限られない。例えば、集光レンズ１２よりも光源１１側に設けても構わない。もちろん光源１１に偏光フィルター１４を設け、光源からの光を偏光成分を含む光としても構わない。
なお、偏光フィルター１４，１６をクロスニコル状態を維持して同じ角度だけ光軸の回りに回転する駆動部１４ｄ，１６ｄを設けてもよい。この場合には、駆動部１４ｄ，１６ｄを介して偏光フィルター１４，１６を回転することによって、入射光の偏光方向とウェハ５の方位角との関係を制御できる。
【００２０】
なお、本実施形態では、第１の、第２の偏光フィルター１４、１６は、それぞれ透過光がＸ方向、Ｙ方向に偏光するように配置されていたが、クロスニコル状態を維持していれば、方向はこれに限られない。例えば、第１の、第２の偏光フィルター１４，１６をそれぞれ透過する光の偏光方向が、Ｙ方向、Ｘ方向でも構わない。
なお、クロスニコル状態とは異なる条件で測定しても構わない。例えば、偏光フィルター１４を透過した光の偏光方向に対して、第２の偏光フィルター１６を透過する光の偏光方向が直交とは異なる角度でも構わない。また、一方の偏光フィルターのみを介した光を撮像素子１８で検出しても構わない。
【００２１】
検出光学系１５のリレーレンズ１７の＋Ｚ方向側に、対物レンズ７を通過した反射光の光強度分布を測定するための測定面ＤＰが設定されている。撮像素子１８の受光面は、測定面ＤＰに配置されている。
対物レンズ７の瞳面は、対物レンズ７の射出瞳である。本実施形態では、測定面ＤＰは、対物レンズ７の瞳面またはこの面と共役な位置に設けられている。測定面ＤＰは、対物レンズ７の瞳面またはこの面と共役な位置の近傍でも構わない。瞳面または共役な位置の近傍には、測定面ＤＰとリレーレンズ１７と接触するまでの光軸に沿った位置が含まれる。
【００２２】
また、瞳面または共役な位置の近傍には、測定面ＤＰとリレーレンズ１７と接触するまでの光軸に沿った距離と、同じ距離を光軸に沿ってリレーレンズ１７から離れる様に沿った位置も含む。また、本実施形態においては、対物レンズ７の瞳面は、対物レンズ７の後側焦点位置である。また、本実施形態においては、対物レンズ７の瞳面は、ウェハ５のパターンに対するフーリエ変換面になっている。したがって、ウェハ５からの反射光の角度成分が、測定面ＤＰで位置情報に変換される。
以下では、ウェハ５からの反射光によって測定面ＤＰに形成される光強度分布を瞳像とも呼ぶ。なお、撮像素子１８に赤色、緑色、青色のそれぞれの光の検出信号を出力するカラーＣＣＤを用いることにより、波長選択フィルター１３を不要とすることも可能である。
【００２３】
本実施形態においては、図１に示すように、入射光Ｉのうちの一部の入射光束Ｉ１は、入射角Ｋでウェハ５に入射し、反射光束Ｊ１として撮像素子１８に達する。撮像素子１８上の位置１９は、入射光束Ｉ１の入射面の方位角および入射角Ｋによって決定される。
ここで、繰り返しパターンにおける構造性複屈折効果について図２を用いて説明する。なお、構造性複屈折の詳細は、例えばMax Born and Emil Wolf: “Principles of Optics: Sixth Edition”（光学の原理：第６版）, (Pergamon Press, 1980)に記載されている。
【００２４】
図１のウェハ５は、図２（ａ）に示すように、シリコン等の平板状部材からなる基材３４と、この基材３４の表面を被覆するように設けられた酸化膜等の単層または複数層の下地部３２と、この下地部３２の表面に形成された線状パターン（ライン・アンド・スペースパターン。以下、Ｌ＆Ｓパターンという。）である繰り返しパターン３０とを有する。繰り返しパターン３０において、ライン部３１Ｌの線幅をｔ1、ライン部３１Ｌの屈折率をｎ1とし、スペース部３１Ｓの線幅をｔ2、スペース部３１Ｓの下地部３２の屈折率をｎ2とする。そうすると、パターンピッチはｔ1＋ｔ2である。繰り返しパターン３０は、互いに異なる第１の物質（ライン部３１Ｌ）と第２の物質（スペース部３１Ｓ内の下地部３２）を有する一軸性結晶とみなすことができる。図２（ｂ）に示すように、ライン部とスペース部との境界面に平行に振動する光に対する屈折率をｎo、境界面に垂直に振動する光に対する屈折率をｎeとして、繰り返しパターン３０における複屈折を扱うことができる。
【００２５】
図２（ａ）の繰り返しパターン３０に対して光３３が入射するとき、図１の構成に従い、光３３の偏光方向（電場の振動方向）が図２（ｂ）において方向Ｒ（Ｘ方向）である。また、繰り返しパターン３０の方位角とは、繰り返しパターン３０の周期方向（繰り返し方向）がＸ軸に対してなす角度であるとする。繰り返しパターン３０が方位角θでＸ軸に対して傾いているとき、方向Ｒは、境界面に平行な成分Ｒoと境界面に垂直な周期方向の成分Ｒeに分解することができる。そして、屈折率ｎo，ｎeはそれぞれ、光３３の入射する方向（繰り返しパターン３０の周期方向と光３３の入射面とがなす角度）、光３３の入射角、屈折率ｎ1，ｎ2および線幅ｔ1，ｔ2の関数になる。
【００２６】
また、構造性複屈折による反射光の境界面に平行な成分と、境界面に垂直な成分との位相差をδとし、ライン部３１Ｌの高さをｈとしたとき、位相差δは、高さｈおよび屈折率ｎo，ｎeを用いて次式で与えられる。
δ＝ｈ（ｎo−ｎe） …（１）
露光および現像後においては、繰り返しパターン３０のライン部３１Ｌはフォトレジストであり、スペース部３１Ｓの下地部３２は、例えば金属膜または酸化膜等である。フォトレジストの厚さは、露光波長にもよるが、最先端の露光装置に用いられるＡｒＦレーザ光源用のレジストでは、厚さが１００ｎｍ程度またはそれ以下である。繰り返しパターン３０の別の例としては、例えばエッチング後においては、ライン部３１Ｌは例えば金属膜である。
【００２７】
本実施形態において、図１の入射光束Ｉ１の入射面の方位角および入射角Ｋによって反射光束Ｊ１の撮像素子１８の受光面（測定面ＤＰ）上の位置１９（瞳像上の位置）が決定される。光３３が繰り返しパターン３０に入射する際に、繰り返しパターン３０に入射する光３３の偏光成分（方向Ｒ）が図２（ｂ）に示す２つの偏光成分ＲｅとＲ０に分かれる。一方の偏光成分Ｒｅは繰り返し方向に垂直な成分である。他方の偏光成分Ｒ０は繰り返し方向に垂直な成分である。２つの偏光成分Ｒ０とＲｅは、それぞれに独立に、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３０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ＲｅとＲｏ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となる。すなわち、ウェハ５（繰り返しパターン３０）の方位角、入射光の入射面の方向、入射光の偏光方向（入射面に対する偏光角度）、および入射角Ｋに応じて屈折率ｎo，ｎeが変化して、式（１）の位相差δが変化する。そのため、反射光束Ｊ１の偏光状態が変化して、第２の偏光フィルター１６を透過する光の強度が変化する。したがって、測定面ＤＰ（瞳像）上の位置によって、繰り返しパターン３０のライン部３１Ｌの線幅と検出信号との間の相関が高い部分、およびその相関が低い部分が生じるため、その検出信号から線幅を計算することが可能になる。
【００２８】
図３は、撮像素子１８の受光面（測定面ＤＰ）に形成される瞳像３６を示す。測定面ＤＰ上のＰｘ軸は、図１の偏光フィルター１４（ポラライザ）を透過した光の偏光方向に平行なＸ軸に対応しており、Ｐｙ軸は、偏光フィルター１６（アナライザ）を透過した光の偏光方向に平行なＹ軸に対応している。Ｐｘ軸とＰｙ軸は直交しており、Ｐｘ軸とＰｙ軸の原点（交点）Ｏは対物レンズ７の光軸である。以下、座標（Ｐｘ，Ｐｙ）を瞳座標とも称し、瞳座標で表される直交座標系を瞳座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）とも称する。瞳像３６の各部分３６ｃにおいては、階調凡例３８にしたがって、光強度の階調値の高い部分（その部分から得られる検出信号の大きい部分）を濃い色（黒色系）で表し、光強度の階調値の低い部分（その部分から得られる検出信号の小さい部分）を淡い色（白色系）で表している。
【００２９】
本実施形態の演算処理部２０は、撮像素子１８の画素ごとの信号を、図４に示すように、所定の画素単位でまとめて処理する。図４において、測定面ＤＰ上の瞳座標系内の領域（瞳像）は、Ｐｘ方向にＭ列でＰｙ方向にＮ行のＭ×Ｎ個の区画に分割され、そのうちの一つの区画４０内の画素信号を合算したものをその区画４０に入射する光を光電変換して得られる検出信号とする。検出信号は階調値で表される。ＭおよびＮは自然数で、一例として１０〜１００程度である。瞳像は円形であることから、一例として区画４０が正方形となるように自然数Ｍ，Ｎは決められる。瞳座標系内（瞳像）から任意の位置にある区画を選択することが可能である。また、光源１１が白色光源で、撮像素子１８がカラーＣＣＤである場合には、各区画において、赤色、緑色、青色（ＲＧＢ）の３色の光の検出信号を選択的に抽出することが可能である。
【００３０】
以下、本実施形態において、撮像素子１８からの各区画４０の光強度に対応する検出信号を用いて繰り返しパターンの線幅を検出するための原理につき説明する。この検出は演算処理部２０で行われる。本実施形態では、図５（ａ）に示すように、入射光の偏光方向がＸ軸に平行な方向Ｒである。この場合には、例えば米国特許出願公開第２００６／０１９２９５３号明細書に開示されているように、繰り返しパターン３０の方位角が４５度であるときに、瞳座標系内の所定の区画から得られる検出信号の繰り返しパターン３０の線幅に対する感度または相関が最大となり、繰り返しパターン３０の方位角が０度および９０度であるときに、瞳座標系内の所定の区画から得られる検出信号の線幅に対する感度または相関がほぼ無い。そこで、本実施形態では、繰り返しパターン３０の方位角が０度から９０度の範囲内の任意の角度であるときに線幅との相関が高い区画の検出信号を取得し、繰り返しパターン３０の方位角が０度または９０度であるときに線幅との相関がほとんど無い区画の検出信号を取得する。そして、線幅との相関がほとんど無い区画から得られる検出信号のうちで、繰り返しパターン３０の下地部３２の状態との相関が高い区画から得られる検出信号を用いて下地部３２の状態に起因する測定誤差を補正する。
【００３１】
この際に、瞳座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）内で、繰り返しパターン３０の線幅と相関のある２つの区画を第１および第２の区画とする。第２の区画は第１の区画と異なる位置であるか、あるいは、第１の区画と同じ位置であっても異なる波長の光を受光する部分である。
この場合、あらかじめ例えばＣＤ−ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で線幅が測定されている種々の線幅の繰り返しパターンが形成された線幅基準となるウェハ（以下、基準ウェハという。）を表面検査装置１のステージ６に載置する。そして、基準ウェハからの反射光による瞳像を撮像素子１８で撮像することによって、上記の第１および第２の区画での受光量に対応する検出信号（階調値）から繰り返しパターンの線幅を算出するための算出式（以下、検量線という）を決定する。なお、基準ウェハの代わりに、線幅が測定されている量産ウェハを用いてもよい。また、予め、基準ウェハからの反射光による瞳像を撮像素子１８で撮像することによって、上記の第１および第２の区画での受光量に対応する検出信号がある場合には、その検出信号を用い、検量線を決定し、繰り返しパターンの線幅を算出しても構わない。
なお、線幅を測定する手法は、ＣＤ−ＳＥＭに限られず、ＡＦＭなどの手法でも構わない。もちろん、ＣＤ−ＳＥＭのように測長機能に特化してないＳＥＭでも構わない。
【００３２】
その検量線を決定する際には、ＣＤ−ＳＥＭで実測した値（ＣＤ−ＳＥＭ値）とその２つの区画の検出信号から計算される線幅との乖離（差）が最小になるように、瞳座標系内の２つの区画の位置の組み合わせと検量線の係数とを決定する。その２つの区画からの検出信号をＳ１，Ｓ２として、ｋ１，ｋ２，ｋ３を係数とすると、検出信号を繰り返しパターンの線幅であるＣＤ（critical dimension）に換算した値（以下、ＣＤ換算値という）は、次のように表される。
【００３３】
ＣＤ換算値＝ｋ１×Ｓ１＋ｋ２×Ｓ２＋ｋ３ …（２）
この説明では、瞳像内の２つの区画の組合せを説明したが、検出信号を用いる区画は瞳座標系内で少なくとも１つあればよい。例えば、瞳座標系内の３つの区画からの検出信号を組み合わせる場合には、第３の区画は第１および第２の区画と異なるか、または第１もしくは第２の区画と同じで異なる波長の光を受光する部分である。さらに、瞳座標系内のｎ個（ｎは３以上の整数）の区画の組み合わせを用いてもよい。そのｎ個の区画の検出信号をＳｉ（ｉ＝１〜ｎ）として、ｋ１，ｋ２，…，ｋ（ｎ＋１）を係数とすると、ＣＤ換算値は次の検量線（以下、式αと称する。）で表される。
【００３４】
ＣＤ換算値＝ｋ１×Ｓ１＋ｋ２×Ｓ２＋…＋ｋｎ×Ｓｎ＋ｋ（ｎ＋１）
＝α …（３）
式αで使用した瞳座標系内の位置に対応する検出信号Ｓ１〜Ｓｎ（階調値）は、少なからず繰り返しパターンの下地部と相関のある成分（下地成分）を含んでいる。そこで、本実施形態では下地成分を抽出するために、繰り返しパターンの方位角を０度または９０度に設定した状態で、瞳座標系内の所定の区画の検出信号を用いて先ほど求めた検量線の式αを補正する。すなわち、式αから下地成分を除く。この段階の検量線を式βとする。式αとＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値をΔとすると、式αと式βの関係は下記の式で表すことができる。
【００３５】
β＝α−Δ …（４）
乖離値Δは、下地成分を抽出するために所定の方位角（０度または９０度）に設定された繰り返しパターンに関して、瞳座標系内の所定の位置の区画で所定の波長の光を受光して得られる検出信号Ｘ（階調値）と係数ｅ，ｆを用いて下記の算出式で表すことができる。
【００３６】
Δ＝ｅ×Ｘ＋ｆ …（５）
式（４）と式（５）より次の算出式（検量線）が得られる。
β＝α−（ｅ×Ｘ＋ｆ） …（６）
したがって、式（６）を用いることによって、下地成分の影響を除去して繰り返しパターンの線幅を高精度に求めることができる。なお、式（６）は線形の一次式で表したが、非線形の高次多項式でも良い。また、式（５）の乖離値Δを求める際にも、高次多項式を用いてもよく、さらに瞳座標系内の複数の区画の瞳像の検出信号の一次式または高次多項式を用いてもよい。
【００３７】
次に、具体的に式（６）に対応する算出式を求める方法につき説明する。以下の説明では、簡単のために、ＣＤ換算値（式α）を計算するための瞳座標系内の区画を一つであるとする。
図４において、瞳座標系には、Ｐｙ＝Ｐｘと、Ｐｙ＝−Ｐｘという２つの対角線があるが、線幅以外の他の要因の影響を受けずに、線幅変化と最も高い相関のある位置は、これら２つのうちのいずれかの対角線上に存在する。この場合、繰り返しパターン３０に入射する各光束の入射角、各光束の入射面の方位角、各光束の入射面に対する偏光方向（偏光角度）は、原点Ｏ（光軸）に関して対称であることは光学的に自明である。
【００３８】
さらに、入射光の偏光方向はＸ方向であり、各光束の偏光特性は、対角線Ｐｙ＝ＰｘおよびＰｙ＝−Ｐｘに関して対称であることも明らかである。したがって、偏光特性は、光軸Ｏに関して対称であり、その２つの対角線に関しても対称である。対角線Ｐｙ＝ＰｘおよびＰｙ＝−Ｐｘのいずれの対角線を使用するかは、入射光の偏光方向と繰り返しパターン３０の周期方向との関係によって決定される。
【００３９】
図５（ａ）のように、繰り返しパターン３０の方位角が時計回りに４５度である場合には、瞳座標系内でＰｙ＝−Ｐｘで示される対角線上に、線幅変化との相関が最も高い位置が存在する。図５（ｂ）のように、繰り返しパターン３０の方位角が反時計回りに４５度である場合には、瞳座標系内でＰｙ＝Ｐｘで示される対角線上に、線幅変化との相関が最も高い位置が存在する。ただし、瞳座標系の原点Ｏ（光軸）に近づくと、線幅以外の状態に影響を受けることが分かっており、線幅に対する相関は低下する傾向がある。
【００４０】
まず、式αのＣＤ換算値を算出するための検量線を作成する方法につき説明する。この作成にあたっては、上述のようにあらかじめ例えばＣＤ−ＳＥＭで線幅が測定されている基準ウェハを使用する。ＣＤ−ＳＥＭは、一つの測定点の視野が狭いため、本実施形態の表面検査装置１の広い視野のなかで複数点測定し平均値を求めておくことが好ましい。こうして、ＣＤ−ＳＥＭで実測した線幅の値（ＣＤ−ＳＥＭ値）と、表面検査装置１によって形成される瞳座標系内の所定位置の区画の検出信号（階調値）との相関関係を、多数の異なる線幅の繰り返しパターンに対して求める。
【００４１】
一例として、繰り返しパターンの方位角は図５（ａ）のように設定され、ＣＤ−ＳＥＭ値と、例えば図５（ｃ）に示す瞳座標系内の位置の区画４２の検出信号Ｓ（階調値）から計算される線幅（ＣＤ換算値）との乖離が最小になるように、検量線の係数ｋ１，ｋ２を決定する。ＣＤ−ＳＥＭ値と検出信号Ｓとの関係が図６（ａ）のようになっている場合、その検量線は、直線３９を表す下記の一次式である。下記の式が式（３）（式α）に対応している。
【００４２】
ＣＤ換算値＝ｋ１×Ｓ＋ｋ２＝α …（７）
また、図６（ｂ）は、基準ウェハに関して、図５（ｃ）の区画４２の検出信号Ｓから式（７）を用いて計算された線幅（ＣＤ換算値）（縦軸）と、実測値であるＣＤ−ＳＥＭ値（横軸）との関係を表している。なお、瞳座標系内の複数の区画の検出信号を用いる場合には式（７）の代わりに式（３）を用いればよい。
【００４３】
なお、構造性複屈折によるクロスニコル透過光量は、繰り返しパターンの線幅に対し、必ずしも１次式で階調変化するとは限らない。とくに、線幅変化範囲が広い場合は、直線からずれる傾向がある。その場合は、式（７）の代わりに２次式等の高次式で換算することが好ましい。
図６（ｂ）において、直線４４は、ＣＤ換算値がＣＤ−ＳＥＭ値と同じ値であることを示し、外側の点線の直線４５，４６は、ＣＤ−ＳＥＭ値に対するＣＤ換算値の許容範囲を示す。したがって、図６（ｂ）は、ＣＤ換算値が規格値に入っていることを示している。
【００４４】
一方、図６（ｃ）のＣＤ換算値（縦軸）は、検量線作成に用いた基準ウェハとは異なる量産ウェハ（ロット１〜６）に関して、瞳座標系内の区画４２の検出信号Ｓから式（７）を用いて計算された線幅である。図６（ｃ）のＣＤ換算値は、いくつかのロットで直線４５，４６の範囲（規格）から外れている。これはＣＤ−ＳＥＭ値との乖離誤差（ＣＤ換算値からＣＤ−ＳＥＭ値を引いた後の誤差）が大きくなっているためである。この理由は、線幅以外のウェハの表面状態がウェハ面内で変化しているなかで、その変化の影響の程度が、ＣＤ−ＳＥＭ値とＣＤ換算値とで異なるからである。
【００４５】
すなわち、ＣＤ−ＳＥＭは電子線を照射走査して、パターンエッジから生じる２次電子を収集し、２次電子の強弱信号から所定の閾値の部分を抽出してパターン線幅としている。ＣＤ−ＳＥＭでは、２次電子収集部の配置や、閾値の設定を最適化して、パターン断面の幅との相関のよい条件に設定しているものの、パターンの微妙な形状の影響は受ける。なお、基本的に電子線はウェハの繰り返しパターンの下地部（下層）にまでは達しないとしている。
【００４６】
一方、本実施形態のような偏光状態変化量をパターン線幅に置き換える方法の場合は、構造性複屈折による位相変化は、パターン線幅だけではなく、繰り返しパターンのライン部の形状や高さ等の影響を受けるとともに、入射光としての例えば可視光は下層まで達する場合がある。また、反射光の位相変化および反射光に対する下層の影響は波長によっても異なり、さらに、入射角、入射面と繰り返しパターンとの方位角、および偏光方向によっても異なる。このように、構造性複屈折を用いる検出方式は、ＣＤ−ＳＥＭとは異なる検出原理に基づく方式であるため、線幅以外の状態の影響を受けることはやむを得ない。
【００４７】
しかしながら、ＣＤ−ＳＥＭで半導体デバイスの製造プロセスの管理をしてきた製造ラインでは、ＣＤ−ＳＥＭ管理にあわせた線幅測定性能が求められるため、ＣＤ−ＳＥＭ値との乖離誤差は小さくする必要がある。そこで、本実施形態では、既述した、入射光の入射角、入射光の入射面と繰り返しパターンとの方位角、入射光の偏光方向、および検出される光の波長等の条件を組み合わせる。すなわち、これらの条件の中で、繰り返しパターンの線幅および／または線幅以外の要素の影響を受ける条件を適切に組み合わせることによって、線幅測定精度を向上させる。
【００４８】
まず、図７を参照して繰り返しパターンの線幅の影響を受けないための条件を説明する。図７において、入射光３３と繰り返しパターン３０との関係は以下の方位関係Ａである。
（方位関係Ａ）：入射光３３は、偏光方向４９が入射面４８と一致しているｐ偏光。さらに、入射面４８は、繰り返しパターン３０のライン部と平行。
【００４９】
したがって、入射光３３の偏光方向４９の電気ベクトルは、繰り返しパターン３０のライン部に平行な方向の成分のみを有し、繰り返しパターン３０の周期方向の成分は０である。構造性複屈折は、繰り返しパターン３０の周期方向とそれに垂直な方向との屈折率の差が位相差となり発生するが、入射光の偏光方向が、繰り返しパターンのライン部に平行な方向の成分しか有しない場合は、反射光に２方向間で位相差が生じることはない。すなわち、図７のような偏光方向４９と繰り返しパターン３０の方向との配置では、繰り返しパターン３０の線幅が変化しても、反射光に２方向間での位相差の変化は生じず、わずかに反射率変化が生じるだけである。したがって、反射光は、線幅変化よりむしろ線幅以外の状態、すなわち下地部３２の膜厚変動等の情報を多く検出することになるので、その反射光（第２の偏光フィルター１６の透過光量）の検出信号を下地情報として用いることが可能である。
【００５０】
また、以下の方位関係Ｂ，Ｃ，Ｄの場合にも、反射光は、線幅変化よりむしろ線幅以外の状態、すなわち下地部３２の膜厚変動等の情報を多く検出することになるので、その反射光の検出信号を下地情報として用いることが可能である。
（方位関係Ｂ）：入射光の偏光方向は入射面と垂直（ｓ偏光状態）。入射面は繰り返しパターンのライン部と平行。
【００５１】
（方位関係Ｃ）：入射光の偏光方向は入射面と一致（ｐ偏光状態）。入射面は繰り返しパターンのライン部に垂直（周期方向に平行）。
（方位関係Ｄ）：入射光の偏光方向は入射面と垂直（ｓ偏光状態）。入射面は繰り返しパターンのライン部に垂直。
そこで、下記の式により、下地の影響の補正を行うことができる。
【００５２】
補正ＣＤ換算値＝測定点のデータ（ＣＤ情報と下地情報）−補正点のデータ（下地情報） …（８）
式（８）において、測定点のデータとは、例えば図５（ｃ）の瞳座標系内の区画４２を測定点として、この測定点の瞳像から得られる検出信号を式（７）に代入して得られるＣＤ換算値である。また、補正点のデータとは、入射光と繰り返しパターンとの関係が上記の方位関係Ａ〜Ｄにあるときに、瞳座標系内の所定の区画を補正点として、この補正点の瞳像の検出信号を式（５）に対応する換算式に代入して得られる値である。
【００５３】
その補正点を用いる場合の入射光と繰り返しパターンとの関係は、入射面が繰り返しパターンのライン部に平行または垂直で、かつ入射光の偏光状態がｐ偏光またはｓ偏光であるということである。式（８）は式（６）と等価である。
具体的に式（８）を適用する場合には、図８（ａ）に示すように、繰り返しパターン３０の方位角θを０度〜９０度間の偏光状態変化量と線幅とが相関を持つ任意の方位角（例えば４５度）に設定し、図８（ｂ）に示す瞳座標系内の所定の区画である測定点５０から得られる検出信号および対応するＣＤ−ＳＥＭ値から式（７）の係数ｋ１，ｋ２を決定する。
【００５４】
次に、繰り返しパターン３０を図９（ａ）の０度または図９（ｂ）の９０度の方位角、すなわち下地情報のみを抽出することを目的とした方位角に設定する。そして、図９（ａ）の方位角では、入射光の入射面４８を繰り返しパターン３０のライン部に平行または垂直に設定し、入射光の偏光方向４９をｓ偏光（状態０ｓ）またはｐ偏光（状態０ｐ）に設定する。そして、状態０ｓでは、瞳像５２が形成されている瞳座標系のＰｙ軸に沿った区画領域５４内の所定の区画を補正点として、状態０ｐでは、瞳座標系のＰｘ軸に沿った区画領域５６内の所定の区画を補正点として、その補正点の検出信号から下地情報を求める。
【００５５】
また、図９（ｂ）の方位角では、入射光の入射面４８を繰り返しパターン３０のライン部に垂直または平行に設定し、入射光の偏光方向４９をｓ偏光（状態９０ｓ）またはｐ偏光（状態９０ｐ）に設定する。そして、状態９０ｓでは、瞳座標系の区画領域５４内の所定の区画を補正点として、状態９０ｐでは、瞳座標系の区画領域５６内の所定の区画を補正点として、その補正点の検出信号から下地情報を求める。ここでは分かりやすくするために、図８（ｂ）の測定点５０（ＣＤ情報および下地情報を持つ区画）を決定する際に使用する標本を基準ウェハＡ、図９（ａ）および（ｂ）の補正点（下地情報を持つ区画）を決定する際に使用する標本を基準ウェハＢとして説明する。
【００５６】
図１０（ａ）は、数枚の基準ウェハＢから瞳座標系内の補正点の検出信号Ｘ（階調値）（下地情報）を求めた結果を表す。図１０（ａ）の横軸は検出信号Ｘ、縦軸は上記の測定点での検出信号（階調値）を式（７）に代入して計算したＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値Δである。その補正点は、図９（ａ）または（ｂ）の区画領域５４，５６内の複数の区画のうちで、その検出信号Ｘと乖離値Δとの相関が最も高い位置の区画である。一例として、図９（ａ）の区画領域５４内の一つの区画が補正点５９であるとする。図１０（ａ）の検出信号Ｘと乖離値Δとの誤差が最小になる一次式（式（５））が直線５８で表されている。その直線５８の傾きおよびオフセットから式（５）の係数ｅ，ｆが求められる。これ以降は補正点５９の検出信号Ｘ（階調値）を式（５）に代入することによって乖離値Δが計算される。
【００５７】
したがって、演算処理部２０は、測定点５０の検出信号Ｓを用いて式（７）から得られるＣＤ換算値（ＣＤ情報および下地情報）から、補正点５９の検出信号Ｘを用いて式（５）から得られる乖離値Δ（下地情報）を差し引くことによって、次のように式（６）および式（８）に対応する補正ＣＤ換算値を求めることができる。この補正ＣＤ換算値からは下地成分に起因する誤差が除去されている。式（９）（式（６）または式（８））を補正ＣＤ換算値を求めるための検量線とも呼ぶ。
【００５８】
補正ＣＤ換算値＝ＣＤ換算値−乖離値Δ
＝（ｋ１×Ｓ＋ｋ２）−（ｅ×Ｘ＋ｆ） …（９）
図１０（ｂ）は、量産ウェハ（ロット１〜６）に関して、測定点の検出信号Ｓおよび補正点の検出信号Ｘを式（９）に代入して求めた補正ＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との関係を示す。測定点の検出信号（ＣＤ情報と下地情報）だけで求めた結果である図６（ｃ）と比較すると、図１０（ｂ）は明らかに改善しており、補正ＣＤ換算値が直線４５，４６間の規格内に入ることが分かる。
【００５９】
また、図１１（ａ）は、各ロット１〜６の量産ウェハに関して、測定点の検出信号（ＣＤ情報と下地情報）だけで求めたＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値Δを示す。図１１（ｂ）は、それらの量産ウェハに関して、測定点の検出信号および補正点の検出信号から求めた補正ＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値を示す。図１１（ａ）では全ロットに関する各測定点の乖離値Δの点線で示す平均値が０より大きい値を示しており、各ロット内の乖離値Δのばらつきも大きいことが分かる。一方、図１１（ｂ）は全ロットの乖離値の平均値がほぼ０の位置に重なっており、各ロット内の乖離値のばらつきも改善が見られるものが多い。したがって、式（９）によって、下地成分が補正され、より正確に繰り返しパターンの線幅を測定できることが分かる。
【００６０】
次に、本実施形態において瞳座標系内の測定点および式（９）（式（６）または式（８））の係数ｋ１，ｋ２を決定する方法の一例につき図１２（ａ）のフローチャートを参照して説明する。また、瞳座標系内の補正点および式（９）の係数ｅ，ｆを決定し、式（９）（検量線）を決定する方法の一例につき図１２（ｂ）のフローチャートを参照して説明する。なお、測定点および補正点が１点の場合につき説明するが、測定点および補正点は複数でもよい。
【００６１】
まず、図１２（ａ）のステップ１０２において、瞳座標系内の測定点（ＣＤ情報および下地情報を持つ区画）を決定するための標本である１枚または複数枚の基準ウェハＡを決定する。具体的に、表面検査装置１で測定対象となる繰り返しパターンの線幅の範囲を含む種々の線幅の繰り返しパターンが形成されるとともに、それら繰り返しパターンの線幅（ＣＤ−ＳＥＭ値）がＣＤ−ＳＥＭによって測定されている図１３（ａ）の基準ウェハ５Ａが基準ウェハＡである。図１３（ａ）において、基準ウェハ５Ａの多数のショット領域ＳＡｉ（ｉ＝１〜Ｎ：Ｎは例えば数１０から数１００の整数）のうちの複数のショット領域に、互いに異なる線幅のＬ＆Ｓパターンよりなる繰り返しパターンＬＳｉが形成されている。基準ウェハ５Ａは図１のステージ６に載置される。
【００６２】
次いで、ステップ１０４において、回転ステージ６Ｂを駆動して、図１３（ａ）の基準ウェハ５Ａの方位角θを０度〜９０度内の任意の値に設定し、光源１１からの光をＸ方向（方向Ｒ）に直線偏光した状態で基準ウェハ５Ａに照射し、基準ウェハ５Ａからの反射光の瞳像を撮像素子１８で撮像する。そして、測定面ＤＰ上の瞳座標系内の複数の区画（図４の区画４０）ごとに、異なる線幅の繰り返しパターンから得られる検出信号Ｓ（階調値）を用いて計算式（ＣＤ換算値＝ｋ１×Ｓ＋ｋ２）から得られるＣＤ換算値と、対応するＣＤ−ＳＥＭ値との誤差の二乗和（乖離誤差）が最小になるように、最小二乗法で係数ｋ１，ｋ２を決定する。さらに、その複数の区画のうちで、その乖離誤差が最小になる区画を測定点ＭＰ１（たとえば図８（ａ）の測定点５０）とする。
【００６３】
なお、その乖離誤差が最小になる位置は、波長によっても変わるため、複数の波長の光の検出信号を用いてＣＤ換算値および乖離誤差を計算し、乖離誤差が最小になる光の波長を測定点ＭＰ１の検出信号を得るときの光の波長とする。さらに、必要に応じて、基準ウェハ５Ａの方位角θを０度〜９０度の範囲内で変化させて、乖離誤差が最小となるときの方位角を決定してもよい。
【００６４】
次いでステップ１０６において、瞳座標系内で乖離値が最小であった測定点ＭＰ１の座標を決定し、その測定点ＭＰ１で使用された光の波長、および係数ｋ１，ｋ２を式（９）の計算に際して使用する光の波長および係数として決定する。これらの基準ウェハ５Ａの方位角、測定点ＭＰ１の座標、波長、および係数ｋ１，ｋ２は演算処理部２０内の記憶部に記憶される。さらに、基準ウェハ５Ａにおいて線幅情報が測定された繰り返しパターンごとに、ＣＤ−ＳＥＭ値と係数ｋ１，ｋ２を用いて計算されるＣＤ換算値との乖離値Δを計算し、計算結果を記憶部に記憶する。
【００６５】
次に、図１２（ｂ）のステップ１１２において、瞳座標系内の補正点（下地情報を持つ区画）を決定するための標本である１枚または複数枚の基準ウェハＢを決定する。基準ウェハ５Ｂは、例えば表面検査装置１で測定対象となる量産ウェハの下地と同じ下地の上に基準ウェハ５Ａと同じ種々の線幅の繰り返しパターンが形成されたものである。なお、基準ウェハ５Ｂは基準ウェハ５Ａと同じでもよい。図１３（ｂ）の基準ウェハ５Ｂが基準ウェハＢであるとする。基準ウェハ５Ｂも図１のステージ６に載置される。
【００６６】
次いで、ステップ１１４において、回転ステージ６Ｂを駆動して、図１３（ｂ）の基準ウェハ５Ｂの方位角θを０度または９０度に設定し、光源１１からの光をＸ方向（方向Ｒ）に直線偏光した状態で基準ウェハ５Ｂに照射し、基準ウェハ５Ｂからの反射光の瞳像を撮像素子１８で撮像する。そして、図９（ａ）または（ｂ）の測定面ＤＰ上の瞳座標系内の区画領域５４（ｓ偏光領域）および区画領域５６（ｐ偏光領域）内の複数の区画ごとに、繰り返しパターンの反射光から得られる検出信号Ｘ（階調値）を用いて計算式（ｅ×Ｘ＋ｆ）から計算される乖離値と、これに対応するステップ１０６で記憶された乖離値Δとの誤差の二乗和が最小になるように、最小二乗法で係数ｅ，ｆを決定する。さらに、その複数の区画のうちで、その誤差の二乗和が最小になる区画を補正点ＡＰ１（たとえば図９（ａ）の補正点５９）とする。なお、ステップ１１４で設定する基準ウェハ５Ｂの方位角θは略０度または略９０度でもよい。略０度または略９０度とは、その係数ｅ，ｆを決定できる範囲であれば、０度または９０度からずれてもよいことを意味している。
【００６７】
なお、その誤差の二乗和が最小になる位置は、波長によっても変わるため、複数の波長の光の検出信号を用いて乖離誤差を計算し、その誤差の二乗和が最小になる波長の光を補正点ＡＰ１の検出信号を得るときの光とする。さらに、基準ウェハ５Ｂの方位角を０度または９０度に設定し、その誤差の二乗和がより小さくなるときの方位角を下地情報を取得する際のウェハの方位角とする。
【００６８】
そして、瞳座標系内でその誤差の二乗和が最小であった補正点ＡＰ１の座標を決定し、その補正点ＡＰ１で使用された光の波長、および係数ｅ，ｆを式（９）の計算に際して使用する光の波長および係数として決定する。これらの基準ウェハ５Ｂの方位角、補正点ＡＰ１の座標、波長、および係数ｅ，ｆは演算処理部２０内の記憶部に記憶される。
次のステップ１１６において、ステップ１０６で求められた係数ｋ１，ｋ２を用いてＣＤ換算値を計算する式αから、ステップ１１４で求められた係数ｅ，ｆを用いて計算されるＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値Δを差し引く形の式β（式（６）または式（９））が、下地の影響を補正して繰り返しパターンの線幅を求めるための検量線として演算処理部２０内の記憶部に記憶される。
【００６９】
ここで、ステップ１１４において、瞳座標系内の補正点を決定する方法の別の例につき図１４（ａ），（ｂ）を参照して説明する。この例は、図４の第２象限の瞳座標に着目して、測定点と補正点の瞳座標を求めたものである。
図１４（ａ）の横軸は、図９（ａ）および（ｂ）で説明した入射光の偏光方向（ｐ偏光、ｓ偏光）と、基準ウェハの方位角（０度、９０度）と、検出する光の波長（赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂ）とを表している。図１４（ａ）の横軸の（ＰｘＰｙ）は、瞳座標系のＰｘ軸の値とＰｙ軸の値とを連続表記したものである。ここでは測定面ＤＰ上の瞳座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）を図１４（ｂ）に示すように設定している。
【００７０】
図１４（ｂ）において、瞳座標系はＰｘ方向に４５列で、Ｐｙ方向に４５行の４５×４５個の区画に分割され、測定点６４がある象限および光軸を通る区画領域６０，６２のみが使用される。入射光がｐ偏光時に使用される区画領域６０の（ＰｘＰｙ）は（１２３）〜（２３２３）であり、入射光がｓ偏光時に使用される区画領域６２の（ＰｘＰｙ）は（２３０１）〜（２３２３）であり、（２３２３）は光軸上にある。本実施形態では、補正点は区画領域６０，６２内にある。
【００７１】
また、図１４（ａ）の縦軸は、図１４（ｂ）の区画領域６０，６４内の各区画の検出信号Ｘと、図１２（ａ）のステップ１０６で決定された係数ｋ１，ｋ２と瞳座標系内の測定点６４の検出信号Ｓとを用いて計算されたＣＤ換算値とＣＤ−ＳＥＭ値との乖離値Δとの相関係数を示している。この例では、入射光がｐ偏光、基準ウェハ５Ｂの方位角が９０度、使用する光の波長が赤色（Ｒ）のときの領域６６で、相関が高くなっている。したがって、領域６６に対応する図１４（ｂ）の区画領域６０内の補正点６８が図１２（ｂ）のステップ１１４における補正点ＡＰ１として決定される。
【００７２】
この例では、測定点６４で使用する光の波長は緑色（Ｇ）および／または青色（Ｂ）が、線幅との相関が赤色よりも高い傾向があった。
したがって、補正点６８で使用する乖離値Δとの相関が高い光の波長（ここでは赤色）は、測定点６４で使用する光の波長よりも長い傾向がある。これは、測定点で使用する光は、繰り返しパターンの下地情報を含むため、下地をある程度透過する波長域、すなわち青色および緑色よりも長い赤色等の波長域の光の方が好ましいためであると考えられる。したがって、この場合には、測定点６４で使用する光の波長を緑色および／又は青色として、補正点６８で使用する光の波長を赤色とすることが好ましい。これによって、繰り返しパターンのピッチの測定精度を向上できる。
【００７３】
次に、本実施形態の表面検査装置１において、図１２（ｂ）のステップ１１６で決定した検量線を用いて、量産ウェハの繰り返しパターンの線幅を測定する方法の一例につき図１５のフローチャートを参照して説明する。この測定動作は主制御系３によって制御される。また、この測定方法は、たとえば露光および現像工程の後で、またはエッチング工程後に繰り返しパターンの線幅が許容範囲内に入っているかどうかを確認するために実行される。また、この測定方法は、たとえばウェハの下地部の状態がそれまでのロットとは変化した所定のロットの先頭の量産ウェハ等に対して実行される。
【００７４】
まず、図１５のステップ１２２において、被検物としての量産ウェハを表面検査装置１のステージ６に載置する。量産ウェハは図１６（ａ）のウェハ５であるとする。ウェハ５の表面の多数のショット領域ＳＢｊ（ｊ＝１〜Ｍ：Ｍは数１０〜数１００の整数）には互いに設計上では同じ線幅のＬ＆Ｓパターンよりなる繰り返しパターン３０が形成されている。なお、ショット領域ＳＢｊには、互いに異なる線幅の繰り返しパターンが形成されていてもよい。また、実際にはショット領域ＳＢｊには、種々の線幅のパターンが形成されており、繰り返しパターン３０はそのうちの測定対象のパターンを示している。
【００７５】
次のステップ１２４において、回転ステージ６Ｂを介してウェハ５の方位角θを図１２（ａ）のステップ１０４で決定された基準ウェハＡの方位角に設定する。次のステップ１２６において、光源１１からの光をＸ方向（方向Ｒ）に直線偏光した状態でウェハ５の測定対象のショット領域ＳＢｊの複数の測定領域ＭＡに順次照射する。次のステップ１２８で、ウェハ５からの反射光の瞳像を撮像素子１８で撮像する。瞳像は複数の測定領域ＭＡにつきそれぞれ撮像される。
【００７６】
次のステップ１３０において、演算処理部２０は、ステップ１０４で決定された瞳座標系内の測定点ＭＰ１において、各瞳像から決定された波長の光の検出信号Ｓ（階調値）を取得する。なお、この際に、検出信号Ｓを用いて式（９）のＣＤ換算値（測定点データ）を算出しておいてもよい。
次のステップ１３２において、回転ステージ６Ｂを介してウェハ５の方位角を図１２（ｂ）のステップ１１４で決定された基準ウェハＢの方位角（０度または９０度）に設定する。なお、ステップ１１４で、方位角が略０度または略９０度の角度に設定された場合には、このステップ１３２でも、基準ウェハＢの方位角はその略０度または略９０度の角度に設定される。一例として、ウェハ５の方位角は図１６（ｂ）に示すように設定される。次のステップ１３４において、光源１１からの光をＸ方向（方向Ｒ）に直線偏光した状態でウェハ５の測定対象のショット領域ＳＢｊの複数の測定領域ＭＢに順次照射する。次のステップ１３６で、ウェハ５からの反射光の瞳像を撮像素子１８で撮像する。瞳像は複数の測定領域ＭＢに対してそれぞれ撮像される。
【００７７】
次のステップ１３８において、演算処理部２０は、ステップ１１４で決定された瞳座標系内の補正点ＡＰ１において、各瞳像から決定された波長の光の検出信号Ｘ（階調値）を取得する。なお、この際に、検出信号Ｘを用いて式（９）の乖離値Δ（補正点データ）を算出しておいてもよい。
次のステップ１４０において、演算処理部２０は、測定点ＭＰ１の検出信号Ｓおよび補正点ＡＰ１の検出信号Ｘを用いて、ステップ１１６で決定した検量線（式（９））より、ウェハ５の繰り返しパターン３０の線幅である補正ＣＤ換算値を算出する。次のステップ１４２において、演算処理部２０は計算された補正ＣＤ換算値を主制御系３に出力する。主制御系３は、補正ＣＤ換算値（線幅の測定値）が許容範囲内かどうかを判定し、許容範囲内である場合には、ステップ１４６に移行して、次の被検物の検査を行う。一方、ステップ１４２で線幅の測定値が許容範囲外である場合には、ステップ１４４の対策工程に移行する。例えば量産ウェハで測定された線幅がレジストパターンの線幅である場合には、量産ウェハはリワーク工程に戻される。リワーク工程とは、例えば、レジストパターンを取り除き再度、レジストを塗布し、露光する工程である。また、線幅の測定値が許容範囲外であるならば、そのウェハを廃棄する場合もある。また、許容範囲外となった原因（例えば、露光装置の露光条件）を改善し、許容範囲内になるように、デバイスの製造工程におけるウェハ処理を補正しても構わない。
【００７８】
このようにして、表面検査装置１を用いて、測定対象の量産ウェハに対して測定対象の任意のショット領域の任意の測定領域内の繰り返しパターンの線幅を効率的に測定できる。
上記の測定点ＭＰ１と補正点ＡＰ１を取得する際に、ウェハ５のショット領域内の測定領域ＭＡの個数と測定領域ＭＢの個数とを同じ数に設定すれば測定精度は向上する。しかしながら、取得する瞳像（データ量）が多くなるため測定のスループットは低下する。そこで、補正点ＡＰ１に関しては、測定点ＭＰ１に１対１で対応した測定領域ＭＢで瞳像を取得することなく、たとえば図１６（ｂ）のショット領域ＳＢｊ内の中心の一つの測定領域ＭＢＣのみで瞳像を取得し、この瞳像の補正点ＡＰ１の検出信号から計算される乖離値Δを、図１６（ａ）の複数の測定領域ＭＡに関して取得されるＣＤ換算値に対して共通に使用してもよい。
【００７９】
さらに、ショット領域ＳＢｊ内の一部の複数の測定領域ＭＢに関して取得される乖離値Δの平均値を共通に使用するなどして、取得する瞳像の数を減少することで、測定のスループットを向上できる。
上述のように本実施形態の表面検査装置１は、繰り返しパターンＬＳＢが形成されたウェハ５（基板）の表面に直線偏光の光を照射する照明光学系１０と、ウェハ５の表面からの反射光を受光する対物レンズ７と、対物レンズ７を介した反射光の光強度分布を測定する測定面ＤＰにおいて、その直線偏光の方向と垂直な偏光成分（略垂直でもよい）の光強度情報を検出する検出光学系１５と、検出光学系１５内の撮像素子１８で検出された光強度情報の検出信号から繰り返しパターンＬＳＢの線幅の情報を求める演算処理部２０とを備えている。そして、演算処理部２０は、測定面ＤＰにおいて、その線幅との相関がある測定点ＭＰ１での光強度に対応する検出信号Ｓを求め、測定面ＤＰにおいて、その線幅との相関が測定点ＭＰ１よりも低い補正点ＡＰ１での光強度に対応する検出信号Ｘを求め、検出信号Ｓ，Ｘを用いて繰り返しパターンＬＳＢの線幅の情報（式（９）の補正ＣＤ換算値）を求めている（ステップ１３０，１３８，１４０）。
【００８０】
以上、本実施形態によれば、繰り返しパターンの線幅との相関が高い測定点の光強度と、その線幅との相関が測定点よりも低い補正点の光強度とを用いることによって、繰り返しパターンの線幅以外の要因（例えば下地の状態）に起因する誤差を低減できるため、線幅情報の測定精度を向上できる。したがって、線幅情報の測定の不良を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、ステップ１３０において、瞳座標系内の測定点の瞳像から検出信号Ｓ（ＣＤ情報及び下地情報）を求め、ステップ１３８において、補正点の瞳像から検出信号Ｘ（下地情報）を求めている。そして、ステップ１４０で、その検出信号Ｓから算出されるＣＤ換算値からその検出信号Ｘから算出される乖離値Δを差し引くことによって、下地情報が除かれたＣＤ情報を求めている。
【００８１】
この結果、ＣＤ−ＳＥＭ等の別の線幅測定装置（表面検査装置）で測定した繰り返しパターンの線幅値との乖離誤差を大幅に低減することができる。
また、本実施形態によれば、基準ウェハの面内の位置によって、換算式から計算した線幅値とあらかじめＣＤ−ＳＥＭ等によって測定してある線幅値との乖離が異なることに基づく誤差であるウェハ面内誤差を低減できる。
【００８２】
さらに、基準ウェハで決定した換算式を使って、例えば半導体デバイスの製造工程で使用される量産ウェハ等の別のウェハを測定したときに換算される線幅値と、ＣＤ−ＳＥＭ等で実測した線幅値との間に生じる乖離に基づく誤差であるウェハ間誤差を低減できる。
また、ＣＤ−ＳＥＭでは、測定精度を上げようと電子線の加速電圧を上げるほど、被検物としてのウェハのダメージは大きくなる。本実施形態の表面検査装置１では、電子線を用いず、例えば可視光（紫外光または赤外光でもよい）を使っているので、ウェハへのダメージが少ない。ウェハのダメージとは、例えば、ウェハ上のパターンが破壊され、所定の性能を有しないことをいう。
【００８３】
また、表面検査装置１の測定視野は、ＣＤ−ＳＥＭに比べて数万倍大きく設定することが可能であり、かつ一つの測定領域をほぼ１秒以内で測定可能である。したがって、ウェハの広範囲を高速に測定することができる。
また、上記の実施形態では、被検ウェハからの反射光の光強度分布を測定する測定面ＤＰは、対物レンズ７の瞳面またはこの共役面に設けられている。しかしながら、測定面ＤＰは、対物レンズ７の瞳面の近傍、またはその瞳面と共役な面の近傍に配置してもよい。その近傍の面とは、ウェハに入射する光の入射角Ｋが異なるときに、ウェハからの反射光が通過する位置が互いにほぼ異なる位置になるような面である。
【００８４】
また、ＣＤ情報および下地情報を求める測定点は複数点でもよく、下地情報を求める補正点も複数点でもよい。さらに、式（９）の代わりに高次多項式または指数関数等を用いてもよい。
また、上記の実施形態では、ステップ１３２，１３４，１３６で検出した瞳座標系内の補正点の検出信号から繰り返しパターンの下地情報を求めている。しかしながら、たとえばあらかじめウェハの種々の下地の状態（半導体デバイスの製造プロセスに応じた状態）と、式（５）の乖離値Δとの関係を求めて記憶しておいてもよい。この場合、ウェハの繰り返しパターンの線幅を測定する際に、ステップ１３２，１３４，１３６の代わりに、記憶してある種々の乖離値からその下地の状態に応じた乖離値Δを読み出してきてもよい。これによって、ウェハの方位角を変えて瞳座標系内の所定の補正点の検出信号を取得する工程を省略できる。
【００８５】
また、本実施形態では、ウェハ上の繰り返しパターンを測定したが、ウェハとは異なる物体でも構わない。例えば、プリント基板でも構わない。さらに、本実施形態では繰り返しパターンを測定対象としたが、測定対象はパターンが繰り返していない孤立線でも構わない。また、繰り返しパターンの間隔は単一でなく、繰り返しのそれぞれで異なっていても構わない。また、パターンの形状は、ライン形状以外の例えばＬ字形状、またコンタクトホールの形状でも構わない。
【００８６】
また、本実施形態では、直線偏光の光をウェハ５に照射したが、偏光成分を含む光であれば直線偏光に限られず、楕円偏光、円偏光でも構わない。また、ウェハ５に照射される光は、特定の偏光だけを含む完全偏光ではなく、特定以外の偏光を含む非偏光との混合状態である部分偏光でも構わない。
また、表面検査装置１によれば、偏光成分を含む光が、ウェハ上のパターンにより変化する場合に、下地状態に起因する誤差を低減することが可能である。この場合には、偏光成分を含む光を波長毎に分けて照射し、波長毎のパターンによる偏光の変化を検出しても構わない。また、複数の波長を含む光を、ウェハ上に照射し、パターンによる偏光の変化を波長毎に検出しても構わない。この場合においても、下地の状態に起因する誤差を低減することが可能である。これらの方法としては、スキャトロメトリ法、もしくはスキャトロメータがある。これらの方法を記載した文献としては、例えば、米国特許出願公開第２００８／００７４６６６号明細書、米国特許出願公開第２００８／２５９３４３号、米国特許出願公開第２００６／０２７４３１０号明細書が挙げられる。
【００８７】
また、表面検査装置１としては、例えば、ウェハ５に照射した光の回折された光を検出する方式の検査装置も使用できる。なお、表面検査装置１としては、例えば、米国特許出願公開第２００６／０１９２９５３号明細書に記載されているように、直線偏光の光をウェハに照射して、ウェハから正反射方向に発生した光を抽出し、ウェハの繰り返しパターンの欠陥を検出する方式の検査装置も使用できる。上述の検査装置においても、下地の状態に起因する誤差を低減することができる。
【００８８】
このように、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
なお、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した検査装置などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
【符号の説明】
【００８９】
１…表面検査装置、５…ウェハ、５Ａ，５Ｂ…基準ウェハ、７…対物レンズ、８…プリズム、１０…照明光学系、１４…第１の偏光フィルター、１５…検出光学系、１６…第２の偏光フィルター、１８…撮像素子、２０…演算処理部、５０…測定点、５９…補正点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材の表面を被覆し、かつパターンが形成された被覆材とを含む基板の表面に偏光成分を含む光を照射し、前記光が照射された前記基板の表面からの反射光の光強度情報を、受光光学系の測定面で検出することと、
前記測定面において、第１位置での第１光強度を求めることと、
前記被覆材の情報と前記第１光強度とを用いて、前記パターンの線幅の情報を求めることと、
を含む検査方法。
【請求項２】
前記反射光の光強度情報を前記受光光学系の前記測定面で検出することは、
前記基板の表面に直線偏光の光を照射し、前記光が照射された前記基板の表面からの反射光のうち、前記直線偏光の方向と略垂直な偏光成分の光強度情報を、前記受光光学系の前記測定面で検出することを含む請求項１に記載の検査方法。
【請求項３】
前記測定面において、第２位置での第２光強度を求めることを、さらに含み、
前記第２光強度を用いて、前記被覆材の情報を求める請求項２に記載の検査方法。
【請求項４】
前記被覆材の状態の変化に基づいて、前記第２位置での測定を行う請求項３に記載の検査方法。
【請求項５】
前記測定面において、前記第２位置での光強度と前記被覆材の状態との相関が、前記第１位置での光強度と前記線幅との相関よりも高い請求項３または４に記載の検査方法。
【請求項６】
前記測定面において、前記第１位置は、前記直線偏光の光の偏光方向に対して０度〜９０度の範囲内の任意の角度で交差する方向に対応する位置にあり、前記第２位置は、前記直線偏光の光の偏光方向に対して０度または９０度の近傍に対応する位置にある請求項３から５のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項７】
前記基板の表面に照射される光は、青色光、緑色光および赤色光を含み、
前記第１位置で求められる前記第１光強度は、青色光および緑色光の少なくとも一方の光強度であり、
前記第２位置で求められる前記第２光強度は、赤色光の光強度である請求項３から６のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項８】
前記測定面において、前記第１位置および前記第２位置の少なくとも一方は複数箇所に設定される請求項３から７のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項９】
前記測定面は、設定された複数の位置を含み、
前記複数の位置の中から、
前記第１位置を特定するために、
既知の線幅を持つパターンが形成された第１基準基板を用いて、前記複数の位置での、前記偏光成分の光強度と前記既知の線幅との相関情報をそれぞれ求めることと、
前記複数の位置において前記光強度から求められる線幅と前記既知の線幅との乖離情報を求めることと、
前記複数の位置の中から前記第２位置を特定するために、
既知の線幅を持つパターンが形成された第２基準基板を用いて、前記複数の位置での、前記偏光成分の光強度と前記乖離情報との相関情報をそれぞれ求めることと、
前記複数の位置から、前記偏光成分の光強度と前記乖離情報との相関が高い位置を特定することと、を含む請求項３から８のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項１０】
前記受光光学系の前記測定面は、前記受光光学系の瞳面もしくはこの共役面、またはこれらの面の近傍の面である請求項１から９のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項１１】
パターンが形成された基板の表面に偏光成分を含む光を照射する照射部と、
前記光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光する受光光学系と、
前記受光光学系の測定面において、前記反射光の光強度情報を検出する検出部と、
前記検出部で検出された光強度情報から前記パターンの線幅の情報を求める演算部とを備え、
前記基板は、基材と、前記基材の表面を被覆し、かつ前記パターンが形成された被覆材とを含み、
前記演算部は、前記測定面において、第１位置での第１光強度を求め、前記被覆材の情報と前記第１光強度とを用いて、前記パターンの線幅の情報を求める検査装置。
【請求項１２】
前記照射部は、前記基板の表面に直線偏光の光を照射し、前記検出部は、前記直線偏光の方向と略垂直な偏光成分の光強度情報を検出する請求項１１に記載の検査装置。
【請求項１３】
前記基板に照射される前記直線偏光の光の偏光方向と前記基板の前記パターンの周期方向との相対角度を制御する相対回転機構を備える請求項１２に記載の検査装置。
【請求項１４】
前記演算部は、前記測定面において、第２位置での第２光強度を求め、前記第２光強度を用いて、前記被覆材の情報を求める請求項１１から１３のいずれか一項に記載の検査装置。
【請求項１５】
前記検出部は、前記測定面に受光面が配置された撮像素子を備える請求項１１から１４のいずれか一項に記載の検査装置。
【請求項１６】
前記照射部は、前記基板の表面に青色光、緑色光および赤色光を含む光を照射し、
前記第１位置で求められる前記第１光強度は、青色光および緑色光の少なくとも一方の光強度であり、
前記第２位置で求められる前記第２光強度は、赤色光の光強度である請求項１４に記載の検査装置。
【請求項１７】
前記受光光学系の前記測定面は、前記受光光学系の瞳面もしくはこの共役面、またはこれらの面の近傍の面である請求項１１から１６のいずれか一項に記載の検査装置。
【請求項１】
基材と、前記基材の表面を被覆し、かつパターンが形成された被覆材とを含む基板の表面に偏光成分を含む光を照射し、前記光が照射された前記基板の表面からの反射光の光強度情報を、受光光学系の測定面で検出することと、
前記測定面において、第１位置での第１光強度を求めることと、
前記被覆材の情報と前記第１光強度とを用いて、前記パターンの線幅の情報を求めることと、
を含む検査方法。
【請求項２】
前記反射光の光強度情報を前記受光光学系の前記測定面で検出することは、
前記基板の表面に直線偏光の光を照射し、前記光が照射された前記基板の表面からの反射光のうち、前記直線偏光の方向と略垂直な偏光成分の光強度情報を、前記受光光学系の前記測定面で検出することを含む請求項１に記載の検査方法。
【請求項３】
前記測定面において、第２位置での第２光強度を求めることを、さらに含み、
前記第２光強度を用いて、前記被覆材の情報を求める請求項２に記載の検査方法。
【請求項４】
前記被覆材の状態の変化に基づいて、前記第２位置での測定を行う請求項３に記載の検査方法。
【請求項５】
前記測定面において、前記第２位置での光強度と前記被覆材の状態との相関が、前記第１位置での光強度と前記線幅との相関よりも高い請求項３または４に記載の検査方法。
【請求項６】
前記測定面において、前記第１位置は、前記直線偏光の光の偏光方向に対して０度〜９０度の範囲内の任意の角度で交差する方向に対応する位置にあり、前記第２位置は、前記直線偏光の光の偏光方向に対して０度または９０度の近傍に対応する位置にある請求項３から５のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項７】
前記基板の表面に照射される光は、青色光、緑色光および赤色光を含み、
前記第１位置で求められる前記第１光強度は、青色光および緑色光の少なくとも一方の光強度であり、
前記第２位置で求められる前記第２光強度は、赤色光の光強度である請求項３から６のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項８】
前記測定面において、前記第１位置および前記第２位置の少なくとも一方は複数箇所に設定される請求項３から７のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項９】
前記測定面は、設定された複数の位置を含み、
前記複数の位置の中から、
前記第１位置を特定するために、
既知の線幅を持つパターンが形成された第１基準基板を用いて、前記複数の位置での、前記偏光成分の光強度と前記既知の線幅との相関情報をそれぞれ求めることと、
前記複数の位置において前記光強度から求められる線幅と前記既知の線幅との乖離情報を求めることと、
前記複数の位置の中から前記第２位置を特定するために、
既知の線幅を持つパターンが形成された第２基準基板を用いて、前記複数の位置での、前記偏光成分の光強度と前記乖離情報との相関情報をそれぞれ求めることと、
前記複数の位置から、前記偏光成分の光強度と前記乖離情報との相関が高い位置を特定することと、を含む請求項３から８のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項１０】
前記受光光学系の前記測定面は、前記受光光学系の瞳面もしくはこの共役面、またはこれらの面の近傍の面である請求項１から９のいずれか一項に記載の検査方法。
【請求項１１】
パターンが形成された基板の表面に偏光成分を含む光を照射する照射部と、
前記光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光する受光光学系と、
前記受光光学系の測定面において、前記反射光の光強度情報を検出する検出部と、
前記検出部で検出された光強度情報から前記パターンの線幅の情報を求める演算部とを備え、
前記基板は、基材と、前記基材の表面を被覆し、かつ前記パターンが形成された被覆材とを含み、
前記演算部は、前記測定面において、第１位置での第１光強度を求め、前記被覆材の情報と前記第１光強度とを用いて、前記パターンの線幅の情報を求める検査装置。
【請求項１２】
前記照射部は、前記基板の表面に直線偏光の光を照射し、前記検出部は、前記直線偏光の方向と略垂直な偏光成分の光強度情報を検出する請求項１１に記載の検査装置。
【請求項１３】
前記基板に照射される前記直線偏光の光の偏光方向と前記基板の前記パターンの周期方向との相対角度を制御する相対回転機構を備える請求項１２に記載の検査装置。
【請求項１４】
前記演算部は、前記測定面において、第２位置での第２光強度を求め、前記第２光強度を用いて、前記被覆材の情報を求める請求項１１から１３のいずれか一項に記載の検査装置。
【請求項１５】
前記検出部は、前記測定面に受光面が配置された撮像素子を備える請求項１１から１４のいずれか一項に記載の検査装置。
【請求項１６】
前記照射部は、前記基板の表面に青色光、緑色光および赤色光を含む光を照射し、
前記第１位置で求められる前記第１光強度は、青色光および緑色光の少なくとも一方の光強度であり、
前記第２位置で求められる前記第２光強度は、赤色光の光強度である請求項１４に記載の検査装置。
【請求項１７】
前記受光光学系の前記測定面は、前記受光光学系の瞳面もしくはこの共役面、またはこれらの面の近傍の面である請求項１１から１６のいずれか一項に記載の検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−２０２９８０（Ｐ２０１２−２０２９８０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７１２０１（Ｐ２０１１−７１２０１）
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２８日（２０１１．３．２８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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