表面検査方法および表面検査装置
【課題】フォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することが可能な表面検査方法を提供する。
【解決手段】所定の繰り返しパターンを有するウェハの表面に直線偏光を照射する照射ステップ（Ｓ１０４）と、直線偏光が照射されたウェハの表面からの反射光を受光する受光ステップ（Ｓ１０５）と、対物レンズの瞳面と共役な面において、反射光のうち直線偏光の偏光方向と垂直な偏光成分を検出する検出ステップ（Ｓ１０６）と、検出した偏光成分の階調値から繰り返しパターンの線幅および露光時のフォーカス状態を求める演算ステップ（Ｓ１０７）とを有し、演算ステップでは、瞳面において線幅との相関が高い瞳内位置での階調値から線幅を求めるとともに、フォーカス状態との相関が高い瞳内位置での階調値からフォーカス状態を求める。
【解決手段】所定の繰り返しパターンを有するウェハの表面に直線偏光を照射する照射ステップ（Ｓ１０４）と、直線偏光が照射されたウェハの表面からの反射光を受光する受光ステップ（Ｓ１０５）と、対物レンズの瞳面と共役な面において、反射光のうち直線偏光の偏光方向と垂直な偏光成分を検出する検出ステップ（Ｓ１０６）と、検出した偏光成分の階調値から繰り返しパターンの線幅および露光時のフォーカス状態を求める演算ステップ（Ｓ１０７）とを有し、演算ステップでは、瞳面において線幅との相関が高い瞳内位置での階調値から線幅を求めるとともに、フォーカス状態との相関が高い瞳内位置での階調値からフォーカス状態を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造工程においてウェハの繰り返しパターンにおける線幅の変動や断面形状の変動を検出可能な表面検査方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置は、処理の高速化や低消費電力化、記憶容量増加を図るために、パターンが微細化する傾向にある。また同時に、半導体装置の製造工程で発生する欠陥の検出性能や、線幅(以下、ＣＤ（クリティカル・ディメンジョンの略）と称する)の管理要求も厳しくなってきている。露光工程で発生したウェハの欠陥やＣＤ値変動が許容値を超えるものであった場合、該当するウェハまたはロットをリワーク工程に回し、且つ、問題の発生箇所を修正することで、良品の半導体ウェハを生産できるようにする。
【０００３】
露光工程で発生する問題は大別すると、露光時のフォーカスに起因するものと、照明光量（とくにウェハ上の照射光量をドーズ量と言う）に起因するものがある。露光装置のフォーカス精度に問題があったときは、ウェハ表面に形成されるフォトレジストパターンの断面形状が変化する。例えば、ベストフォーカス時には矩形断面であったものが、デフォーカス時には断面の裾が広がる。すなわち、パターン断面の側壁角度（サイドウォール・アングルと言う）が大きくなる。その結果、エッチング後のＣＤ値に影響して、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）の場合にはエッチング後に隣接したパターンと接合（ブリッジと称し、電気回路的なショートとなる）し、コンタクト・ホールの場合にはエッチング後に穴が下層まで達しない等といった、重大な不具合が発生する。
【０００４】
一方、ドーズ量の変動を引き起こす原因としては、スキャン方式の露光装置におけるスキャン速度のブレがある。ウェハとレチクルの双方の移動速度の同期ずれ等により、スキャン速度が相対的に速い場合にドーズ量は小さくなり、スキャン速度が相対的に遅い場合にドーズ量は大きくなる。その結果、ドーズ量が小さければフォトレジストパターンは太くなり、ドーズ量が大きければフォトレジストパターンは細くなり、フォトレジストパターンのＣＤ値に直接影響を与える。また、スキャン方式の露光装置に限らず、露光装置の投影レンズの曇り等によりドーズ量の変動が発生すれば、同様のＣＤ値変動が発生することは言うまでもない。これらの結果、エッチング後、ＣＤ値が規格外になったり、断線の原因となったりする。これらの問題を早期に発見し、問題解消できなければ、多数のロットが不良となり、大きな損失を被ることになる。
【０００５】
したがって、ＣＤ値管理は重要であり、特に、露光工程後のフォトレジストパターンのＣＤ値管理は、ＣＤ値が規格外であった場合にリワーク工程に回して、レジスト除去後、再度レジスト塗布と露光を行うので、非常に重要である。
【０００６】
ＣＤ値管理には、ＣＤ−ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）が広く使われ、ＣＤ値を定量的に計測し出力することができる。しかし、ＣＤ−ＳＥＭは、ウェハに電子線を照射するため、電子線によりフォトレジストが縮小化（シュリンク）する等のダメージを受ける。測定精度を上げようと電子線の加速電圧を上げるほど、そのダメージを大きくなる。また、計測時間は１視野あたり数秒を要するため、１ロット内で数枚の抜き取り測定となる。しかも、抜き取ったウェハの全面ではなく、抜き取った各ウェハの数ショット分について、露光ショット内の数点を計測しているにすぎない。
【０００７】
また、欠陥検査装置として、半導体ウェハに照明光を照射してウェハ上の繰り返しパターンからの回折光を受光する装置がある。この装置では、ウェハに照明光を照射してウェハ上の繰り返しパターンからの回折光を受光し、欠陥からの回折光はＣＤ値が異なるため回折光量が変化することを利用して、欠陥検出を行う。マクロ検査装置と呼ばれるこのような欠陥検査装置は、ウェハ全面一括撮像による高いスループットを有するので、生産ラインで大いに活躍している。ただし、繰り返しパターンからの回折光は、繰り返し周期が小さくなるほど回折角が大きくなるので、照明波長や光学系配置等といった装置構成上の制限を受け、１４０ｎｍ程度の繰り返しピッチより小さい繰り返しパターンからの回折光を受光するのは事実上不可能である。
【０００８】
そのため、新たな手法として、繰り返しパターンの構造性複屈折効果を利用した欠陥検査装置が実用化されている（例えば、特許文献１を参照）。これらのマクロ検査装置では、装置の性質上、微小領域の高分解の検査やＣＤ値変動量の定量的出力には限界がある。例えば、回折光を受光する場合、回折光強度の大小はパターンのＣＤ値と一義的関係にないため、回折光強度からＣＤ値を換算するには無理がある。また、構造性複屈折効果を利用する場合、パターンの形状・線幅等の状態によっては、欠陥検出感度が劣る場合がある等の制約がある。
【０００９】
ＣＤ−ＳＥＭにしろ、自動マクロ検査装置にしろ、最大の問題は、異常を検出したときの原因遡及力である。ＣＤ−ＳＥＭにおいてＣＤ値が規格外の数値として計測されたときは、そのロットをホールドし、露光した露光装置がどれであったかを特定し、露光装置の何が問題であったのか、フォーカス異常かドーズ量異常かを切り分ける必要がある。しかし、計測されたＣＤ値だけで判断することは極めて難しい。ＣＤ−ＳＥＭは、パターン上方から電子線を照射して計測しているので、デフォーカス時にはＣＤ値は殆ど変化しないからである。なお、ＣＤ−ＳＥＭの計測時に得たＣＤ−ＳＥＭ画像を目視して、パターンの形状から間接的に判断するのは可能である。デフォーカス異常の場合、コンタクト・ホールではフォトレジストの最上面と底面が二重の円形として見えたり、円がひしゃげていたりといった形になる。線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）では上面からは直線性が乱れて見えるので、この乱れ具合から判断する。
【００１０】
近年、直線性の乱れをＬＷＲ（Line Width Roughness：線幅の荒れ・乱れ）やＬＥＲ（Line Edge Roughness：線の片側の荒れであり、通常パターンの右側と左側で分けて扱う）として定量化されるようになった。ＬＷＥやＬＥＲは、１０ｎｍ程度の間隔をあけて多数点のＣＤ値を計測し、その計測値の標準偏差として定義するが、ＣＤ計測と同時にＬＷＲやＬＥＲを計測する場合には多大な時間が掛かり、前述したようにフォトレジストパターンへダメージを与える。
【００１１】
そのため、ＣＤ−ＳＥＭでは、フォレジスト段階でのフォーカス異常の発見は諦め、ＣＤ計測とＣＤ管理だけに徹する運用が行われる。フォーカス異常は、エッチング後に顕微鏡型ミクロ検査装置を使って、コンタクト・ホールの場合は穴が開いていなければエラーとし、線状パターンの場合はショートしていればエラーとして欠陥検出する。ただし、フォトレジストではないため、リワークすることはできない。しかし、フォトレジストにダメージを与えてまで異常検出するよりも、また、決して高くない信頼性でＬＷＥやＬＥＲなどから間接的にフォーカス異常を発見するよりも、得策だからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−３４３１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、露光後のフォトレジストの段階で、複合的に発生するフォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することが重要となってきている。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、フォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することが可能な表面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】
【００１５】
このような目的達成のため、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基板の表面に直線偏光を照射する照射ステップと、前記直線偏光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光光学系により受光する受光ステップと、前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光ステップで受光した前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な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した前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算ステップとを有し、前記演算ステップにおいて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第１特定位置とは異なる第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求める。
【００１６】
なお、上述の表面検査方法では、前記線幅が既知である第１の基準基板を用いて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面内に設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関をそれぞれ求める線幅相関算出ステップと、前記フォーカス状態が既知である第２の基準基板を用いて、前記設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記フォーカス状態との相関をそれぞれ求めるフォーカス相関算出ステップと、前記複数の瞳内位置のうち、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が高くて前記フォーカス状態との相関が低い瞳内位置を前記第１特定位置として特定するとともに、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が低くて前記フォーカス状態との相関が高い瞳内位置を前記第２特定位置として特定する特定ステップとを有し、前記演算ステップにおいて、前記特定ステップで特定した前記第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記特定ステップで特定した前記第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることが好ましい。
【００１７】
また、上述の表面検査方法では、前記線幅相関算出ステップおよび前記フォーカス相関算出ステップの少なくとも一方において、前記瞳面もしくは瞳面と共役な面内全体を複数の区画に分割して前記複数の瞳内位置を設定し、前記区画毎にそれぞれ前記相関を求めることが好ましい。
【００１８】
また、上述の表面検査方法では、前記特定ステップにおける前記第１特定位置および前記第２特定位置の少なくとも一方は、線形性を有する相関を示す瞳内位置であることが好ましい。
【００１９】
また、上述の表面検査方法では、前記特定ステップにおける前記第１特定位置は、前記直線偏光の照射方向が前記直線偏光の偏光方向に対して４５度近傍に傾いた照射条件に対応する瞳内位置であることが好ましい。
【００２０】
また、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基板の表面に直線偏光を照射する照射部と、前記直線偏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、前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光光学系に受光された前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出部と、前記検出部に検出された前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算部とを備え、前記演算部は、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第１特定位置とは異なる第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求める。
【００２１】
なお、上述の表面検査装置において、前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面に配設された撮像素子を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、線幅を定量的に計測することができるとともに、フォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】表面検査方法を示すフローチャートである。
【図２】表面検査装置の全体構成を示す図である。
【図３】（ａ）は繰り返しパターンの斜視図であり、（ｂ）は繰り返しパターンの平面図である。
【図４】露光条件を変化させた線状パターンの断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）ともに偏光状態の一例を示す図である。
【図６】対物レンズの瞳像を示す図である。
【図７】図６中の点Ａに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図８】図６中の点Ｂに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図９】図６中の点Ｃに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図１０】図６中の点Ｄに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図１１】図６中の点Ｅに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図１２】図６中の点Ｆに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図１３】図９においてフォーカス異常が発生した場合を示す図である。
【図１４】図１３においてパターンが荒れた場合を示す図である。
【図１５】撮像素子で検出した実際の瞳像を示す図である。
【図１６】瞳像を領域分割した状態を示す図である。
【図１７】瞳ＣＤマップを示す図である。
【図１８】ＣＤ基準ウェハを示す図である。
【図１９】表面検査装置で計測したＣＤ基準ウェハの階調値の一例を示す図である。
【図２０】換算ＣＤ値とＣＤ計測値との相関を示す図である。
【図２１】表面検査装置で計測したＣＤ基準ウェハの階調値の一例を示す図である。
【図２２】フォーカス基準ウェハを示す図である。
【図２３】瞳フォーカスマップを示す図である。
【図２４】瞳内位置における感応の有無をまとめた表である。
【図２５】表面検査装置で計測したフォーカス基準ウェハの階調値の一例を示す図である。
【図２６】表面検査装置で計測したフォーカス基準ウェハの階調値の一例を示す図である。
【図２７】サイド・ウォール・アングルの測定値と表面検査装置で計測した階調値との相関を示す図である。
【図２８】表面検査装置から得られた階調値のヒストグラムおよび電子顕微鏡から得られた荒れ程度のヒストグラムを示す図である。
【図２９】（ａ）は照明波長を変えた場合の瞳ＣＤマップを示す図であり、（ｂ）は照明波長を変えた場合の瞳フォーカスマップを示す図である。
【図３０】照明波長を変えた場合の瞳内位置における感応の有無をまとめた表である。
【図３１】（ａ）はパターン方位角を変えた場合の瞳ＣＤマップを示す図であり、（ｂ）はパターン方位角を変えた場合の瞳フォーカスマップを示す図であり、（ｃ）は図１７の瞳ＣＤマップの一部を切り取った図であり、（ｄ）は図２３の瞳フォーカスマップの一部を切り取った図である。
【図３２】表面検査装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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を図２に示しており、この表面検査装置１は、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とを主体に構成される。半導体ウェハ５（以下適宜、単にウェハ５と称する）は、露光装置（図示せず）によるフォトレジストへの露光・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、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。
【００２５】
ステージ６は、真空吸着等によりステージ６上に載置されたウェハ５を確実に保持する。また、ステージ６は、ウェハ５の表面に沿ってＸＹ方向に移動可能に構成されるとともに、Ｚ軸を中心軸として回転可能に構成されている。なお、図２の紙面と垂直な方向をＸ軸とし、図２における左右方向をＹ軸とし、図２における上下方向をＺ軸とする。また、ＸＹ平面内でＺ軸を中心とした回転角を方位角と称する。
【００２６】
照明光学系１０は、図２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とを有して構成される。光源１１には、水銀ランプ等が用いられる。水銀ランプは、複数の波長（以下、λと略す場合がある）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。
【００２７】
なお、光源１１は、ハロゲンランプや青色励起型ＬＥＤ等の波長帯域に広い光源であってもよい。また、ハロゲンランプや青色励起型ＬＥＤからの光は広い波長域にわたっているため、波長選択フィルター１３は、例えば、青色、緑色、赤色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。
【００２８】
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偏光方向ＰがＸ方向となるよう配置する。
【００２９】
第１の偏光フィルター１４を透過した光は、プリズム８で下方へ反射して、ウェハ５の方向へ向かう平行な入射光Ｉとなり、対物レンズ７を通してウェハ５に照射される。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、図２の下側から上側へ向けて配置順に、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とを有して構成される。プリズム８を透過した反射光は、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により電気信号に光電変換され、反射光の検出信号が演算処理部２０に出力される。
【００３０】
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偏光方向ＱがＹ方向となるよう配置する。このように偏光方向が直交している状態は、クロスニコルと呼ばれ、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をポラライザと称し、受光側の第２の偏光フィルター１６をアナライザと称することもある。
【００３１】
撮像素子１８は、対物レンズ７の瞳面（不図示）と共役な位置に設けられる。なお、撮像素子１８にカラーＣＣＤを用いて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの出力を使うことにより、波長選択フィルター１３を不要とすることも可能である。
【００３２】
また、入射光Ｉと反射光Ｊは同一光軸上であるが、入射光Ｉのうちの一部の入射光束Ｉ１に着目すれば、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。換言すれば、撮像素子１８上の位置１９は、入射光束Ｉ１による反射光情報だけを受光していることになる。
【００３３】
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３を用いて説明する。構造性複屈折の詳細は、M, Boron & E. Wolf 著の『光学の原理』の詳しいが、ここでは、特開平９−１４５９２１号公報から引用する。ウェハ５の表面には、図３（ａ）に示すように、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）である繰り返しパターン３０が形成されている。
【００３４】
図３（ａ）に示すような繰り返しパターン３０において、ライン部分３１の線幅をｔ1とし、ライン部分３１の屈折率をｎ1とし、スペース部分３２の線幅をｔ2とし、スペース部分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。この繰り返しパターン３０は、互いに異なる第１の物質（ライン部分）３１と第２の物質（スペース部分）３２を有する一軸性結晶とみなすことができ、図３（ｂ）に示すように、境界面に平行に振動する光に対する屈折率をｎ0とし、境界面に垂直に振動する光に対する屈折率をｎeとして、複屈折を扱うことができる。図３（ａ）の繰り返しパターン３０に対して垂直に光３３が入射し、図２の構成に従い、光３３の偏光方向（振動方向）が図３（ｂ）において方向Ｒ（Ｘ軸と平行）であり、繰り返しパターン３０がＸ軸に対してパターン方位角θ（方位角θはＸ軸とライン部分３１とのなす角度）で傾いているとき、方向Ｒは、境界面平行方向成分Ｒ0と境界面垂直方向成分Ｒeに分解することができるので、屈折率ｎ0および屈折率ｎeはそれぞれ、次の（１）式および（２）式で与えられる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
【数２】
【００３７】
ただし、（１）式および（２）式におけるｆ1およびｆ2はそれぞれ、次の（３）式および（４）式で与えられる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
【数４】
【００４０】
また、構造性複屈折による入射光に対する反射光の位相差をδとし、ライン部分３１の高さをｈとしたとき、位相差δは、屈折率ｎ0および屈折率ｎeを用いて次の（５）式で与えられる。
【００４１】
【数５】
【００４２】
露光後のウェハ５においては、ライン部分３１がフォトレジストであり、スペース部分３２が下地（たとえば、酸化膜）である。フォトレジストの厚さは、露光装置の光源波長にもよるが、最先端の露光装置に用いられるＡｒＦ光源用のレジストでは、厚さが１００ｎｍないしそれ以下である。
【００４３】
直線偏光を入射したとき、位相差δが（ｍ＋１／４）λの条件を満たす場合（ｍ＝０，１，２…）には、１／４波長板のように作用するので反射光は円偏光となり、位相差δが（ｍ＋１／２）λの条件を満たす場合（ｍ＝０，１，２…）には、１／２波長板のように作用するので反射光は偏光方向が９０度回転した直線偏光となる。また、この２つの場合の中間の条件では、反射光は楕円偏光となる。
【００４４】
正常な条件で露光された繰り返しパターン４０の断面を図４（ａ）に示す。図４（ｂ）に示すように、ドーズ量が多い場合のライン部分４３の線幅は、正常のライン部分４１よりも細くなる。一方、図４（ｃ）に示すように、ドーズ量が少ない場合のライン部分４５の線幅は、正常のライン部分４１よりも太くなる。図４（ｄ）に示すように、デフォーカス状態で露光された場合のライン部分４７の形状は、裾を引いた（台形の）断面形状となって、ライン部分４７の側壁の傾斜角度であるサイド・ウォール・アングルαが増加する。
【００４５】
前述の（５）式によれば、反射光の偏光状態を決定するのは、繰り返しパターンの線幅であり、高さである。半導体ウェハの露光工程においては、繰り返しパターンの周期（ピッチ）は厳密に一定である。図４（ｂ）に示すようにドーズ量が過多の場合、パターンの高さは変わらず、ライン部分４３の線幅ｔ1が大きくなり、スペース部分４４の線幅ｔ2が小さくなる。その結果、屈折率ｎ0および屈折率ｎeがそれぞれ変化し、反射光には位相差が発生する。一方、図４（ｄ）に示すようなデフォーカス露光時のパターン断面状態では、線幅が高さ方向に対し一定ではなく、ライン部分４７の高さに比例してその線幅が小さくなるので、（５）式においては、ライン部分４３の線幅ｔ1およびスペース部分４４の線幅ｔ2が高さｈの関数となっていると考えればよい。
【００４６】
図４（ａ）の正常なパターンに対するパターン断面状態の変化が、図４（ｂ）もしくは図４（ｃ）、または図４（ｄ）のようなものであったとき、パターン断面状態変化に伴う反射光の偏光状態変化は、Ｙ方向の偏光方向Ｑのみ透過するようなクロスニコルに配置された第２の偏光フィルター１６（図２を参照）によって、Ｙ方向の偏光成分のみの変化として抽出される。例えば、図５（ａ）に示すように、パターン断面状態変化に伴う反射光の偏光状態が、第１の偏光状態５０、第２の偏光状態５１、および第３の偏光状態５２であったとする。各偏光状態５０，５１，５２は、いずれも楕円偏光であり、長軸の方向と楕円率が変化しているが、第２の偏光フィルター１６を透過して得られる透過光はそれぞれ、Ｙ方向成分の第１の光量５０ａ、第２の光量５１ｂ、および第３の光量５２ｃだけ撮像素子１８で受光される（正確には、図５（ａ）のＹ方向成分は振幅であるから、光量は振幅の二乗に対応するが、ここでは簡略化した図で示した）。
【００４７】
また例えば、図５（ｂ）に示すように、パターン断面状態変化に伴う反射光の偏光状態が、第４の偏光状態５３、第５の偏光状態５４、および第６の偏光状態５５のようなものであったとする。各偏光状態５３，５４，５５は、いずれも円偏光に近い楕円偏光である。入射した直線偏光に対して繰り返しパターン３０（図３を参照）が１／４波長板のように位相差δを与えたことにより、円偏光に近くなった結果であるが、それぞれの楕円の長軸方向は大きく異なっているものの、第２の偏光フィルター１６を透過して得られる透過光は、各偏光状態５３，５４，５５のいずれであっても、Ｙ方向成分の第４の光量５３ａとなって大きな変化はなく、偏光状態が変化しているようにはとらえられない。
【００４８】
なお、図５（ａ）および図５（ｂ）は一例に過ぎず、線幅、高さ、形状等といったパターン断面状態が変化したときの繰り返しパターン３０からの反射光の偏光状態は、楕円偏光の楕円率、長軸方向、大きさが変わり、しかも照射条件によって偏光状態の変化の仕方が変わる。図３〜図５を用いて行った説明は、繰り返しパターン３０に対して垂直に光が入射した場合であるが、斜めに入射した場合も含めて、一般的な説明を次に行う。
【００４９】
図２に示すように、対物レンズ７を通して照射される入射光Ｉは、色々な入射角および方向から入射する光の束であるので、対物レンズ７の瞳面と共役な位置に設けられている撮像素子１８は、これら色々な入射条件に基づいた反射光の集まりを検出していることになる。図６に、撮像素子１８で検出した対物レンズ７の瞳像６０を示す。瞳面上の座標ＰｘおよびＰｙは、図２〜図３のＸＹＺ座標系と同じである。また、Ｐｘ軸とＰｙ軸の交点Ｏは、対物レンズ７の光軸である。
【００５０】
ここで、本実施形態における照射条件について説明する。照射条件とは、入射光の入射角、入射面に対する偏光方向、入射面の方位角、入射面と繰り返しパターン方向とのなす方位角等のことである。図６に示す瞳面座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）において、光軸Ｏを中心とした半径ｒの円６１の円周上の点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、および点Ｆは、全て同一の入射角（これを入射角ｉとする）で入射した光による反射光を示す。
【００５１】
図７は、図６の瞳像６０における光軸上の点Ａに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、図７〜図１４では、図３に示す部材と同一部材に同一番号を付しており、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）である繰り返しパターン３０は、フォトレジストであるライン部分３１と、酸化膜等の下地層であるスペース部分３２とからなる。また、ライン部分３１（およびスペース部分３２）は、図３（ｂ）と同様に、Ｘ軸に対して方位角θだけ傾いている。図７において、直線偏光である入射光７０ａは、繰り返しパターン３０に対して垂直（Ｚ軸方向）に、偏光方向７１ａをもって入射している。一方、反射光７２ａは、繰り返しパターン３０に対して垂直に、例えば偏光状態７３ａをもって反射している。
【００５２】
図８は、図６の瞳像６０における点Ｂに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図８における入射光７０ｂは、入射角ｉで入射している。入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｂとがはる平面）７４ｂは、ＹＺ平面と一致する。入射光７０ｂの偏光方向７１ｂは、入射面７４ｂに含まれ入射光７０ｂと垂直な直線７５ｂに対して角度φB（以下、本実施形態において偏光角φと呼ぶ）だけ傾いており、この偏光角φBの大きさは９０度である。すなわち、Ｓ偏光状態で入射している。これは、偏光方向７１ｂがＸ軸と平行であることから容易に理解できる。なお、反射光７２ｂも入射面７４ｂに含まれることは言うまでもない。
【００５３】
図９は、図６の瞳像６０における点Ｃに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図９における入射光７０ｃは、入射角ｉで入射しており、入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｃとがはる平面）７４ｃを形成する。入射光７０ｃの偏光方向７１ｃは、入射面７４ｃに含まれ入射光７０ｃと垂直な直線７５ｃに対して角度φCだけ傾いており、この偏光角φCの大きさは０度と９０度の間である。
【００５４】
図１０は、図６の瞳像６０における点Ｄに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図１０における入射光７０ｄは、入射角ｉで入射しており、入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｄとがはる平面）７４ｄを形成する。入射光７０ｄの偏光方向７１ｄは、入射面７４ｄに含まれ入射光７０ｄと垂直な直線７５ｄに対して角度φDだけ傾いており、この偏光角φDの大きさは０度と９０度の間である。なお、図１０の偏光角φDは、図９の偏光角φCに比べ、より０度に近く、０度＜φD＜φC＜９０度である。
【００５５】
図１１は、図６の瞳像６０における点Ｅに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図１１における入射光７０ｅは、入射角ｉで入射している。入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｅとがはる平面）７４ｅは、ＸＺ平面と一致する。入射光７０ｅの偏光方向７１ｅは、入射面７４ｅに含まれ入射光７０ｅと垂直な直線７５ｅに対する偏光角φEが０度となる方向である。すなわち、Ｐ偏光状態で入射している。これは、偏光方向７１ｅがＸ軸と平行であることから容易に理解できる。
【００５６】
図１２は、図６の瞳像６０における点Ｆに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図１１における入射光７０ｆは、入射角ｉで入射しており、入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｆとがはる平面）７４ｆを形成する。入射光７０ｆの偏光方向７１ｆは、入射面７４ｆに含まれ入射光７０ｆと垂直な直線７５ｆに対して角度φFだけ傾いており、この偏光角φFの大きさは９０度と１８０度の間である。
【００５７】
図６の瞳像６０における各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆはそれぞれ、図７〜図１２に示す照射条件でそれぞれ得られた反射光７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ，７２ｅ，７２ｆである。そこで、図９に示す照射条件を例としてさらに詳細に説明する。同じ入射角ｉであっても、入射面７４ｃとＸＺ平面とのなす方位角（これを入射面方位角ωと称する）が異なれば、直線偏光で入射する入射光７０ｃの偏光角φCは異なる。また、同じ偏向角φCであっても、繰り返しパターン３０のライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θ（これをパターン方位角θと称する）が異なれば、ライン部分３１（およびスペース部分３２）に対する偏光方向７１ｃの角度は異なる。
【００５８】
（５）式における高さｈは、光の進行方向でのライン部分３１の高さである。垂直入射では、図７で示す高さｈがそのまま、（５）式の高さｈと同一である。ところが、図８〜図１２に示す斜入射条件では、斜入射による各入射光７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ，７０ｅ，７０ｆの向きが光の進行方向であるので、（５）式における高さｈは、例えば図９では、入射光７０ｃをベクトルとしたときのベクトル７９ｃに対応した高さとなる。このベクトル７９ｃに対応した高さを、本実施形態では、パターン実効高さｈｉと称することにする。すなわち、パターン実効高さｈｉが（５）式における高さｈに相当する。したがって、同じＺ軸方向の高さｈであっても、入射角ｉと入射面方位角ωとパターン方位角θが異なれば、（５）式で表される位相差δは異なる。
【００５９】
一般に、屈折率は波長に依存するので、入射光の波長λによって、（１）式および（２）式におけるライン部分３１の屈折率ｎ1およびスペース部分３２の屈折率ｎ2は異なる。すなわち、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）に光を照射したとき、構造性複屈折により、（１）式〜（５）式で与えられる位相差δは、入射角ｉ、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定される。すなわち、位相差δは、偏光角φで代表される偏光方向と、入射角ｉ、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定されるパターン実効高さｈｉと、波長λで決定されるライン部分３１の屈折率ｎ1およびスペース部分３２の屈折率ｎ2によって変わる。これらのパラメータが、（５）式に関わることになる。
【００６０】
次に、図４（ｄ）のようにサイド・ウォール・アングルαが増加したパターン断面状態における位相状態を、図１３を用いて考察する。なお、図１３において、入射角ｉ等のパラメータは図９と同一であり、図９と同一部材には同じ符号を付した。図１３に示すように、ライン部分３１が台形断面である場合には、垂直入射のときに、ライン部分３１の線幅ｔ1およびスペース部分３２の線幅ｔ2が高さｈの関数であると考えたのと同じように、パターン実効高さｈｉの関数としてライン部分３１の線幅ｔ1およびスペース部分３２の線幅ｔ2を扱えばよい。
【００６１】
露光工程でフォーカス異常が発生した場合には、既述したように裾を引いた（台形の）断面形状となって、サイド・ウォール・アングルαが増加すると同時に、パターン形状が図１４のように荒れることがある。荒れたライン部分３１からの反射光７２ｃの偏光状態は、デフォーカス量に応じて少なからず変化する。なお、図１４において、入射角ｉ等のパラメータは図９と同一であり、図９と同一部材には同じ符号を付した。
【００６２】
以上説明してきたように、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）に光を照射したときの反射光の偏光状態は、１）入射角ｉ、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定され、偏光角φで代表される入射光の偏光方向、２）入射角ｉ、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定されるパターン実効高さｈｉ、３）波長λ等といった、照射条件によって変わる。さらに、４）波長λで決定されるライン部分３１の屈折率ｎ1およびスペース部分３２の屈折率ｎ2、５）ライン部分３１の線幅ｔ1およびスペース部分３２の線幅ｔ2、６）サイド・ウォール・アングルα等といった、パターン状態条件や物質条件によって変わる。
【００６３】
したがって、上記照射条件を選択することにより、ライン部分３１の線幅ｔ1の変動とサイド・ウォール・アングルαの変動を検出することができ、さらに、最適に照射条件と決定すれば、ライン部分３１の線幅ｔ1の変動とサイド・ウォール・アングルαの変動を区別して検出することができる。ライン部分３１の線幅ｔ1とサイド・ウォール・アングルαはそれぞれ、ウェハ露光時のドーズ量変化とフォーカス変化に直結するものであるから、本実施形態によれば、ドーズ量変化とフォーカス変化を切り分けて検出することが可能になる。
【００６４】
最適な照射条件の選択と決定は、瞳内の解析によって行われる。図１５は、撮像素子１８で検出した実際の瞳像１５０を、瞳座標系で示している。この図１５は、瞳面における光の強度分布を示し、第２の偏光フィルター１６を透過してきた光の光量を示している。図１５において、撮像素子１８で検出した光信号の強い部分（階調値の高い部分）を濃い色（黒系）に設定し、光信号の弱い部分（階調値の低い部分）を淡い色（白系）に設定して、階調凡例１５１として表示した。図１５の瞳座標系は、図６と同じ瞳座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）であり、座標軸Ｐｘと座標軸Ｐｙとの交点Ｏが光軸である。図６の瞳像６０における点Ｃ、すなわち、図９、図１３、および図１４で示した照射状態およびパターン状態を与える瞳位置で反射光を得る場所は、図１５の瞳像１５０（瞳面内）における瞳内位置１５０ｃである。
【００６５】
図１６の瞳像１６０は、図１５の瞳像１５０と同じである。図１６において、瞳像１６０をＭ列×Ｎ行に分割したときの一つの区画を瞳内位置と称し、図１６では例として瞳内位置１６１を示す。ＭおよびＮは自然数で、１０程度〜１００が好ましい。通常は、Ｍ＝Ｎとする。瞳内位置における階調値は、撮像素子１８の画素を選択することによって抽出して得ることができる。
【００６６】
図１７（ｆ）は、瞳ＣＤマップと称するマップである。図１６の瞳像１６０に対応する瞳像を円１７０として示す。瞳ＣＤマップの横方向と縦方向は、それぞれ瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）に対応し、円１７０の中心は、瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）＝（０，０）に対応する。瞳ＣＤマップは、瞳内の階調を示すものではなく、図１６においてＭ列×Ｎ行に分割したそれぞれの瞳内位置において、その瞳内位置での階調値を縦軸に、別計測したＣＤ値を横軸に表した二変量相関図の集合体である。例えば、瞳ＣＤマップの５個の瞳内位置１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃ，１７１ｄ，１７１ｅにおける二変量相関図をそれぞれ拡大表示したものが、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）、図１７（ｅ）である。図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）、図１７（ｅ）の縦軸はそれぞれ、図１６の瞳内位置１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄ，１６１ｅにおける撮像素子１８の階調値である。図１７（ｆ）に示す瞳ＣＤマップは、ＣＤ値が既知のＣＤ基準ウェハを計測することによって得られるが、その方法について次に述べる。
【００６７】
まず、ＣＤ値計測について説明する。図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）、図１７（ｅ）の横軸（すなわちＣＤ値計測値）は、ウェハ面内で異なるＣＤ値（ＣＤ値は既知）を有するウェハ（ＣＤ基準ウェハ）を計測することによって得ることができる。
【００６８】
図１８は、瞳ＣＤマップを得るためのＣＤ基準ウェハ１８０を示している。ＣＤ基準ウェハ１８０の表面に形成された５行８列の計４０ショットは、それぞれドーズ量を変えて線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）を露光したものである。図１８においてそれぞれのショットに示した数字は、ドーズ量の大小を表し、数字「０」は標準ドーズ量で露光したショットであり、数字「＋１」は１段階多く、数字「−１」は１段階少ないドーズ量で露光したショットである。例えば、右端の数字「＋３」ショット１８１は、３段階多いドーズ量で露光したショットであるので、ネガタイプのレジストを用いた場合パターンのライン部分の線幅は最も細くなっているはずである。このように、ＣＤ基準ウェハ１８０は、多種のＣＤ値を含んだウェハである。
【００６９】
ＣＤ値計測においては、本実施形態の表面検査装置１とは別に、図示しないＣＤ−ＳＥＭ等のＣＤ測定機によって、ＣＤ基準ウェハ１８０における線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）のＣＤ値を計測する。なお、統計的処理に好ましいデータ数とするため、ＣＤ−ＳＥＭ等ではショット内を多数点計測することが好ましく、例えば、ショット内の２５点を計測することにより、２５点×４０ショット＝１０００個の計測データを得る。
【００７０】
続いて、階調値計測について説明する。ＣＤ−ＳＥＭ等で計測したＣＤ基準ウェハ１８０の計測点と同一箇所を、本実施形態の表面検査装置１を用いて計測する。上記の例で言えば、ショット内２５点×４０ショット＝１０００点に対し、１０００個の瞳像を撮像素子１８によって撮像取得する。このようにして得られた１０００個の瞳像から、演算処理部２０を用いて、Ｍ列×Ｎ行に分割した瞳内位置ごとに階調値を得る。
【００７１】
そして、ＣＤ基準ウェハ１８０の全ての計測点（上記例では、１０００点）に対し、Ｍ列×Ｎ行（本実施形態においては、４７列×４７列）の瞳内位置（区画）ごとに、二変量相関図（横軸＝ＣＤ値計測値、縦軸＝その瞳内位置における階調値）を瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）に従った配列で並べる。これにより、図１７に示すような瞳ＣＤマップ（瞳像の位置毎のＣＤ変化と輝度変化の関係を示すマップ）を得ることができる。
【００７２】
図１７（ａ）〜（ｅ）の横軸のスケールは共通目盛である。一方、図１７（ａ）〜（ｅ）の縦軸は、階調値が瞳内位置によって異なるので、オート・スケール（最小から最大の値範囲で自動的に目盛を振ること）で表示している。そのため、図１７（ｃ）では、ＣＤ値に対して階調値が山型傾向を示しているが、ＣＤ変動に対する階調値の変化量は小さく、ＣＤ値に対しほとんど感応していないと言える。図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップでは、瞳内位置ごとの二変量相関図はすべてオート・スケールで表示している。ＣＤ変化に対する階調変化の少ない瞳内位置では、図１７（ｃ）に示すように、縦軸方向に二変量相関図のプロットが拡大したもの（縦軸方向に幅をもったグラフ）となる。そのような場所は、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップから、瞳内のＰｘ軸付近およびＰｙ軸付近、並びに瞳中心付近に分布していることがわかる。一方、左上側の瞳内位置１７１ａ，１７１ｂでは、ＣＤ値が大きくなると階調値が増加する傾向を示し、逆に、左下側の瞳内位置１７１ｄ，１７１ｅでは、ＣＤ値が大きくなると階調値が減少する傾向を示す。
【００７３】
図７〜図１２を用いて説明したように、瞳内位置に応じて照射条件が異なる。そのため、図５（ａ）および図５（ｂ）で説明したように、瞳内位置に応じて反射光の偏光状態も異なる。例えば、ＣＤ値が大きくなったときに、撮像素子１８が検出する階調値（楕円偏光のＹ方向成分（第２の偏光フィルター１６を透過する成分）に対応するもの）が大きくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置（瞳内位置は、照射条件の一部である）があれば、逆に、階調値が小さくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置も存在する。また、ＣＤ値が大きくなったときに階調値が大きくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置（これをプラス変化位置と称する）と、階調値が小さくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置（これをマイナス変化位置と称する）との間には、ＣＤ値が変化しても階調値が変わらないような領域が存在する。
【００７４】
このように、図１５の瞳像１５０、すなわち図１６の瞳像１６０のなかには、左側上下の瞳内位置１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｄ，１７１ｅのようなＣＤ値変化に感応する場所と、左側中央付近（Ｐｘ軸付近）の瞳内位置１７１ｃのようなＣＤ値変化に対する感応が弱い場所が存在することが、図１７の（ｆ）の瞳ＣＤマップで明らかにされる。理論的にも、高ＮＡの対物レンズを使用した場合に、対物レンズの瞳内位置には、プラス変化位置（正の相関）とマイナス変化位置（負の相関）が存在することがわかっており、その間は、ＣＤ値変化に対する感応が弱い瞳内位置となる。本実施形態において、対物レンズ７のＮＡ（開口数）は、ＮＡ＝０．９もしくは、それに近い高ＮＡである。なお、Ｍ列×Ｎ行に分割された一つの瞳内位置では、ＮＡ＝０．０１〜０．１程度で受光していることになる。
【００７５】
ＣＤ値変化に対して、階調値（楕円偏光のＹ方向成分（第２の偏光フィルター１６を透過する成分）に対応するもの）は常に線形で変化するというものではない（これは、図５（ａ）で説明したことから明らかである）。図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップにおける瞳内位置１７１ａ，１７１ｅでは、図１７（ａ）および図１７（ｅ）に示すように、ＣＤ値変化に対して階調値は非線形で変化している。プラス変化位置とマイナス変化位置を得る瞳内の場所の多くは非線形変化を示し、線形変化を示す方が少ない。図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップにおける瞳内位置１７１ｂ，１７１ｄでは、図１７（ｂ）および図１７（ｄ）に示すように、ＣＤ値変化（横軸）に対して階調値（縦軸）が、ほぼ線形に変化している。
【００７６】
図１９は、図１８のＣＤ基準ウェハ１８０を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの、図１７（ｆ）の瞳内位置１７１ｂにおける階調値を示したもので、図１８と同じウェハ表面上の座標で示している。図１９において、階調値の高い部分を濃い色（黒系）に設定し、階調値の低い部分を淡い色（白系）に設定して、階調凡例１９１として表示した。図１９からわかるように、ＣＤ基準ウェハ１８０においてドーズ量を変化させて露光したショット、すなわち線幅の異なるショットを、階調差のあるショットとして明瞭に検出している。
【００７７】
図１７（ｂ）からわかるように、左上側の瞳内位置１７１ｂにおけるＣＤ計測値と階調値は高い相関がある。この瞳内位置１７１ｂの階調値をＧＬBとし、階調値ＧＬBから換算した換算ＣＤ値をＣＤGLBとしたとき、換算ＣＤ値ＣＤGLBは次の（６）式で表される。
【００７８】
【数６】
【００７９】
上述したように、ＣＤ計測値と階調値の関係は基本的に非線形であるので、（６）式を３次式の多項式とした。図２０は、（６）式を用いて得られた換算ＣＤ値ＣＤGLBと、ＣＤ−ＳＥＭ等のＣＤ測定機で計測したＣＤ計測値（図２０においてＣＤSと表す）との相関を示したものである。図２０における換算ＣＤ値ＣＤGLBの誤差は０．０１であり、ライン部分のＣＤ値の標準値を１に規格化しているので、０．０１の誤差は１％の誤差であることを示す。
【００８０】
図２１は、図１８のＣＤ基準ウェハ１８０を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの、図１７（ｆ）の瞳内位置１７１ｃにおける階調値を示したもので、図１８と同じウェハ表面上の座標で示している。図２１において、階調値の高い部分を濃い色（黒系）に設定し、階調値の低い部分を淡い色（白系）に設定して、階調凡例２１１として表示した。図２１からわかるように、ＣＤ基準ウェハ１８０においてドーズ量を変化させて露光したショット、すなわち線幅の異なるショットを、階調差のあるショットとして検出できていない。すなわち、ＣＤ値に対しほとんど感応していない。
【００８１】
次に、ショット毎にフォーカス条件を変えて露光したフォーカス基準ウェハを用いて、サイド・ウォール・アングルαに代表されるパターン断面状態に対する瞳内位置の傾向を見てみる。
【００８２】
図２２は、フォーカス基準ウェハ２２０を示している。フォーカス基準ウェハ２２０の表面に形成された５行８列の計４０ショットは、それぞれフォーカス量を変えて線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）を露光したものである。図２２においてそれぞれのショットに示した数字は、フォーカス量の大小を表し、数字「０」はベストフォーカス付近の中央のフォーカス値で露光したショットであり、数字「＋１」は１段階プラス側にデフォーカス（わざとフォーカスをずらすこと）させて露光したショットであり、数字「−１」は１段階マイナス側にデフォーカスさせて露光したショットである。例えば、右端の数字「＋３」ショット２２１は、３段階プラス側にデフォーカスさせて露光したショットであるので、パターンのライン部分の断面形状は、最も裾を引いた状態（図４（ｄ）のサイド・ウォール・アングルαが大きい状態）になっているはずである。また同時に、パターン形状も、図１４に示すように荒れていることが多い。このように、フォーカス基準ウェハ２２０は、多種のライン部分の断面形状・パターン状態を含んだウェハである。なお、フォーカス基準ウェハ２２０は、図１８に示したＣＤ基準ウェハ１８０と同一のショット配列としているが、同一配列である理由は特になく、同一工程（例えば、ゲート線の露光工程や配線の露光工程等）であればよい。
【００８３】
図２３（ｆ）は、瞳フォーカスマップと称するマップである。図１６の瞳像１６０に対応する瞳像を円２３０として示す。瞳フォーカスマップの横方向と縦方向は、それぞれ瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）に対応し、円２３０の中心は、瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）＝（０，０）に対応する。瞳フォーカスマップは、瞳内の階調を示すものではなく、図１６においてＭ列×Ｎ行に分割したそれぞれの瞳内位置において、その瞳内位置での階調値を縦軸に、露光時のフォーカス量を横軸に表した二変量相関図の集合体である。例えば、瞳フォーカスマップの５個の瞳内位置２３１ａ，２３１ｂ，２３１ｃ，２３１ｄ，２３１ｅにおける二変量相関図をそれぞれ拡大表示したものが、図２３（ａ）、図２３（ｂ）、図２３（ｃ）、図２３（ｄ）、図２３（ｅ）である。図２３（ａ）、図２３（ｂ）、図２３（ｃ）、図２３（ｄ）、図２３（ｅ）の縦軸はそれぞれ、図１６の瞳内位置１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄ，１６１ｅにおける撮像素子１８の階調値である。図２３（ｆ）に示す瞳フォーカスマップは、露光時にフォーカス量を振ったフォーカス基準ウェハ２２０を計測することによって得られる。なお、パターン方位角θは、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップを得たときと同一の方位角である。
【００８４】
図２３（ａ）〜（ｅ）の横軸のスケールは共通目盛である。一方、図２３（ａ）〜（ｅ）の縦軸は、階調値が瞳内位置によって異なるので、オート・スケール（最小から最大の値範囲で自動的に目盛を振ること）で表示している。そのため、図２３（ｂ）および図２３（ｄ）では、フォーカス量変化に対する階調値の変化量は小さく、フォーカス量に対しほとんど感応していないと言える。図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップでは、瞳内位置ごとの二変量相関図はすべてオート・スケールで表示している。フォーカス量変化に対する階調変化の少ない瞳内位置２３１ｂ，２３１ｄでは、図２３（ｂ）および図２３（ｄ）に示すように、縦軸方向に二変量相関図のプロットが拡大したもの（縦軸方向に幅をもったグラフ）となる。そのような場所は、図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップから、瞳内の外周部にカテナリー状に分布していることがわかる。カテナリー状分布の内側の瞳内位置２３１ｃでは、フォーカス量＝０で最大階調値となり、フォーカス量がプラスであってもマイナスであっても、デフォーカスするほど階調値が下がる傾向（フォーカス量変化に対し山型の階調値変化のグラフとなる傾向）となる。一方、カテナリー状分布の外側の瞳内位置２３１ａ，２３１ｅでは、フォーカス量＝０で最小階調値となり、フォーカス量がプラスであってもマイナスであっても、デフォーカスするほど階調値が上がる傾向（フォーカス量変化に対し谷型の階調値変化のグラフとなる傾向）となる。
【００８５】
図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップにおける瞳内位置２３１ａ，２３１ｂ，２３１ｃ，２３１ｄ，２３１ｅと、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップにおける瞳内位置１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃ，１７１ｄ，１７１ｅは、いずれも、図１６の瞳像１６０の瞳内位置１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄ，１６１ｅにおける撮像素子１８の階調値である。同じ瞳内位置でありながら、ＣＤ基準ウェハに対する感応とフォーカス基準ウェハに対する感応とは、それぞれ図１７（ｆ）と図２３（ｆ）のように異なる。この傾向を図２４にまとめる。図２４によれば、図１６の瞳像１６０における瞳内位置１６１ｂ，１６１ｄは、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応するが、フォーカス基準ウェハ２２０には感応しない（ほとんど感応しない）照射条件である。また、瞳内位置１６１ｃは、フォーカス基準ウェハ２２０には感応するが、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応しない（ほとんど感応しない）照射条件である。なお、図２４中の「＋」はＣＤ値が大きくなるときに階調値も大きくなることを表し、図２４中の「−」はＣＤ値が大きくなるときに階調値が小さくなることを表す。
【００８６】
図２５は、図２２のフォーカス基準ウェハ２２０を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの、図１６の瞳内位置１６１ｂにおける階調値を示したもので、図２２と同じウェハ表面上の座標で示している。図２５において、階調値の高い部分を濃い色（黒系）に設定し、階調値の低い部分を淡い色（白系）に設定して、階調凡例２５１として表示した。図２５からわかるように、フォーカス基準ウェハ２２０においてフォーカス量を変化させて露光したショットを、階調差のあるショットとして明瞭に検出できていない。すなわち、フォーカス変化に伴うパターンのライン部分の断面形状変化に対しほとんど感応していない。なお、図２５は、ＣＤ基準ウェハ１８０の階調値が図１９のように計測されたときの瞳内位置１６１ｂと同一の照射条件であるので、図２５の階調凡例２５１を図１９の階調凡例１９１と同一とした。そのため、図２４にまとめた瞳内位置１６１ｂにおける傾向差は容易に見てとれる。
【００８７】
図２６は、図２２のフォーカス基準ウェハ２２０を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの、図１６の瞳内位置１６１ｃにおける階調値を示したもので、図２２と同じウェハ表面上の座標で示している。図２５において、階調値の高い部分を濃い色（黒系）に設定し、階調値の低い部分を淡い色（白系）に設定して、階調凡例２６１として表示した。図２５からわかるように、フォーカス基準ウェハ２２０においてフォーカス量を変化させて露光したショット、すなわち、パターンのライン部分の断面形状が異なり、裾を引いた状態（図４（ｄ）のサイド・ウォール・アングルαが大きい状態）になっているショットを、階調差のあるショットとして明瞭に検出している。なお、図２６は、ＣＤ基準ウェハ１８０の階調値が図２１のように計測されたときの瞳内位置１６１ｃと同一の照射条件であるので、図２６の階調凡例２６１を図２１の階調凡例２１１と同一とした。そのため、図２４にまとめた瞳内位置１６１ｃにおける傾向差は容易に見てとれる。
【００８８】
フォーカス量を変化させたときの物理量の変化を定量化するのは容易ではないが、いくつかの例により、本発明の効果を実際に検証した結果を示す。
【００８９】
サイド・ウォール・アングルの計測は極めて難しく、ＣＤ値計測を目的としたＣＤ−ＳＥＭでは不可能である。実際には、フォーカス・イオン・ビーム等で断面を削り取って、断面をＳＥＭでレビューして計測する方法がとられる。これは、破壊測定であり多数点の測定には不向きであるが、この方法により、フォーカス基準ウェハ２２０のフォーカス量を変化させたショットを選び、数箇所のサイド・ウォール・アングルを測定した。この方法によるサイド・ウォール・アングルの測定値を縦軸（所定角度からの任意目盛として表示し、数字の大きいほど、裾が広がっていることを示す）に、同じ箇所を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの瞳内位置１６１ｃにおける階調値を横軸にして示したものが、図２７である。図２７より、瞳内位置１６１ｃにおいては、サイド・ウォール・アングルの変化を階調値の変化として相関良く捉えていることがわかる。すなわち、本実施形態によれば、破壊測定により多大なる時間をかけて測定していたサイド・ウォール・アングルを、容易に知ることができる。
【００９０】
デフォーカスして露光したときには、サイド・ウォール・アングルが大きくなるのと同時に、パターン形状も図１４のように荒れていることが多い。フォーカス基準ウェハ２２０を対象として、ＳＥＭ等の電子顕微鏡で得られたデータからパターンの荒れ具合を数値化した荒れ程度を、図２８の縦軸に示している。なお、荒れ程度は、上方から観察したライン部分の微小点ごとの、ライン部分を直線としたときの偏差を数値化したもので、数字が大きいほど、パターンの直線性が乱れ、荒れているとみなす。一方、荒れ程度を測定した箇所を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの瞳内位置１６１ｃにおける階調値を、図２８の横軸に示している。図２８において、異なるマーカ（例えば、・，×，＋，Ｙ，□，Ｚなど）は、図２２に示す異なるフォーカス量を表す。図２８の中に示した横向きのヒストグラム２８０は瞳内位置１６１ｃにおける階調値の分布を示し、縦向きのヒストグラム２８１は荒れ程度の分布を示す。フォーカス量を段階的に変化させて露光したフォーカス基準ウェハ２２０では、フォーカス量＝０から段階的に荒れ程度も変化するはずであるが、荒れ程度の分布を示すヒストグラム２８１では、段階的変化は示していない。一方、階調値の分布を示すヒストグラム２８０では、階調値が、第１の分布２８０ａ、第２の分布２８０ｂ、第３の分布２８０ｃ、および第４の分布２８０ｄのように段階的分布を示している。すなわち、本実施形態によれば、パターンの荒れ具合の差をこれまで以上に高い弁別能力によって検出することができる。
【００９１】
露光時にデフォーカスエラーが発生した場合は、「膜べり」と言われる現象も誘発する。膜べりとは、フォトレジスト厚が減ることである。既述したように、構造性複屈折では、パターン高さが偏光状態を決定する式に含まれるので、高さの変動は無視することができない。フォーカス基準ウェハ２２０のデフォーカスショットでは、裾だれ、荒れ、膜べり等が複合的に含まれているので、図２７に示す関係からサイド・ウォール・アングルを計算する場合、計算精度には限界がある。本実施形態の効果を最大限に発揮するのは、既存の物理量（サイド・ウォール・アングルや、ＬＥＲ・ＬＷＲ等に代表される荒れ具合といったもの）との関係式を得ることではなく、デフォーカス時に発生するトータルな物理量変化を、瞳内位置１６１ｃの階調値変化として検出し、その変化量を露光装置のフォーカス量と対応させることである。これにより、露光時のフォーカスエラーを早期に発見することができる。
【００９２】
なお、図２４にまとめた結果と、図１９、図２１、図２５、および図２６に示した結果は、最適な照射条件での結果である。最適な照射条件とは、その瞳内位置では、パターンの線幅とパターンの断面状態の２つの変数のうち、一方には感度良く感応し、他方には感応しない照射条件のことである。すなわち、特定の波長λとパターン方位角θによって、瞳内位置１６１ｂのように断面状態の影響を受けずに線幅を計測できる瞳内位置が存在し、かつ、瞳内位置１６１ｃのように線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできる瞳内位置が存在することである。換言すれば、波長λとパターン方位角θを変えると、最適な照射条件が瞳内位置の存在しなくなるか、あるいは、瞳内位置にごく限られた領域にしか存在しなくなる。
【００９３】
図２９（ａ）は、波長λ２（例えば、６００〜７００ｎｍ程度）の光をＣＤ基準ウェハ１８０に照射したときの瞳ＣＤマップを示す。図２９（ｂ）は、波長λ２の光をフォーカス基準ウェハ２２０に照射したときの瞳フォーカスマップを示す。なお、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップと図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップを得たときの波長（すなわち、最適な照射条件での波長）を波長λ１としたとき、波長λ１は波長λ２とは異なる波長（例えば、４００〜５００ｎｍ程度）である。パターン方位角θは、図１７（ｆ）、図２３（ｆ）、図２９（ａ）、および図２９（ｂ）において、全て同一条件でパターン方位角θ１である。
【００９４】
図２９（ａ）および図２９（ｂ）に示した瞳内位置２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄ，２９０ｅ，２９０ｆにおける、ＣＤ基準ウェハ１８０およびフォーカス基準ウェハ２２０に対する感応を、相関誤差を含めてまとめたのが、図３０である。断面状態の影響を受けずに線幅を計測できる瞳内位置や、線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできる瞳内位置は、いずれも、かなり狭い範囲となる。瞳内位置２９０ｅが断面状態の影響を受けずに線幅を計測できる瞳内位置となり、瞳内位置２９０ｄが線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできる瞳内位置となりうる。瞳内位置２９０ｂは、断面状態の感応力がないだけはなく、線幅に対する感応力も弱く、いわゆる不感帯位置である。なお、図２９（ａ）では、瞳内位置２９０ａのように、外乱の下地やパターン断面状態等の線幅以外の条件や、サイド・ウォール・アングル以外の条件の影響を受けることにより、線幅に対する感応はあっても、誤差の大きい位置が瞳内にはある。
【００９５】
このように、波長によって、断面状態の影響を受けずに線幅を計測できるような良好な瞳内位置がなくなったり、狭くなったり、また、線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできるような良好な瞳内位置がなくなったり、狭くなったりすることがあるので、波長の選択は重要である。なぜなら、波長は、構造性複屈折による偏光状態変化を決定する式に含まれるからである。すなわち、波長を含めて前記最適照射条件は決定されるべきである。
【００９６】
図３１（ａ）は、波長λ１の光をパターン方位角θ２（例えば、２０度程度）でＣＤ基準ウェハ１８０に照射したときの瞳ＣＤマップを示す。図３１（ｂ）は、波長λ１の光をパターン方位角θ２でフォーカス基準ウェハ２２０に照射したときの瞳フォーカスマップを示す。なお、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップと図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップを得たときのパターン方位角θ１（すなわち、最適な照射条件でのパターン方位角）は、パターン方位角θ２とは異なるパターン方位角（例えば、４５度程度）である。波長λ１は、図１７（ｆ）、図２３（ｆ）、図２９（ａ）、および図２９（ｂ）において、全て同一条件である。
【００９７】
比較のため、波長λ１の光をパターン方位角θ１で照射したときの瞳ＣＤマップおよび瞳フォーカスマップをそれぞれ、図３１（ｃ）と図３１（ｄ）に示す。図３１（ｃ）および図３１（ｄ）は、図１７（ｆ）および図２３（ｆ）の瞳内同一領域をそれぞれ切り出して示したものである。なお、図３１（ｃ）の瞳内位置１７１ｂと図３１（ｄ）の瞳内位置２３１ｂは、図３１（ａ）および図３１（ｂ）の瞳内位置３１０ｂと同一瞳座標である。また、図３１（ｃ）の瞳内位置１７１ｃと図３１（ｄ）の瞳内位置２３１ｃは、図３１（ａ）および図３１（ｂ）の瞳内位置３１０ｃと同一瞳座標である。パターン方位角θ２の図３１（ａ）とパターン方位角θ１の図３１（ｃ）とを比較すると、瞳ＣＤマップでは、パターン方位角が変わっても、線幅に感応しない瞳内位置はほぼ同一場所であることがわかる。
【００９８】
一方、パターン方位角θ２の図３１（ｂ）とパターン方位角θ１の図３１（ｄ）とを比較すると、瞳フォーカスマップでは、パターン方位角が変わると、フォーカスに感応しない瞳内位置は変化することがわかる。図３１（ｂ）においてフォーカスに感応しない瞳内位置を線３１１，３１２で示し、図３１（ｄ）においてフォーカスに感応しない瞳内位置を線３１３，３１４で示す。そうすると、フォーカスに感応しない瞳内位置の変化がわかりやすくなり、パターン方位角θ２の図３１（ｂ）の方が、パターン方位角θ１の図３１（ｄ）よりも、フォーカスに感応しない領域が瞳の外側に移動していることがわかる（すなわち、図３１（ｂ）の線３１１，３１２が図３１（ｄ）の線３１３，３１４よりも瞳の外側に移動している）。その結果、パターン方位角θ２の図３１（ｂ）で明らかなように、瞳内位置３１０ｂは、もはやフォーカスに感応しない照射条件ではなくなる。この場合には、最適照射条件とするために、瞳内位置３１０ｂをずらせば最適となる場合があるが、瞳ＣＤマップでのＣＤとの誤差等から最適かどうかを判断する必要がある。
【００９９】
このように、パターン方位角によって、断面状態の影響を受けずに線幅を計測できるような良好な瞳内位置が移動したりすることがあるので、パターン方位角の選択は重要である。これらのことから、波長のみならず、パターン方位角を含めて前記最適照射条件は決定されるべきである。以上のように、パターン方位角、波長、瞳内位置を最適選択することにより、高精度でのＣＤ計測と同時に、パターン状態検査を行うことができる。
【０１００】
ここで、本実施形態による表面検査方法の一例について、図１に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ＣＤ基準ウェハ１８０を用いて、前述した方法で図１７（ｆ）に示す瞳ＣＤマップを求める（ステップＳ１０１）。また、フォーカス基準ウェハ２２０を用いて、前述した方法で図２３（ｆ）に示す瞳フォーカスマップを求める（ステップＳ１０２）。
【０１０１】
図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップおよび図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップを求めると、これらを用いて、例えば、図１６の瞳像１６０に対して設定した複数の瞳内位置の中から、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応するが、フォーカス基準ウェハ２２０には感応しない瞳内位置１６１ｂ（第１特定位置）を特定するとともに、フォーカス基準ウェハ２２０には感応するが、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応しない瞳内位置１６１ｃ（第２特定位置）を特定する（ステップＳ１０３）。なおこのとき、他の適切な照射条件（波長λ１やパターン方位角θ１）も決定される。なお、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応するが、フォーカス基準ウェハ２２０には感応しない瞳内位置は、上述の瞳内位置１６１ｂのように、図１６の瞳像１６０において左上から右下へ４５度方向に延びる直線上に並ぶ瞳内位置、すなわち、Ｐｘ軸方向である直線偏光（入射光Ｉ）の偏光方向に対して直線偏光の照射方向が（図１６における反時計回りに）４５度近傍に傾いた照射条件に対応する瞳内位置であることが好ましい。この瞳内位置は、繰り返しパターン３０の下地の影響を受けない位置であるため、瞳内位置での階調値からＣＤ値を精度よく求めることができる。
【０１０２】
このようにして照射条件を求めると、当該照射条件により、表面検査装置１を用いてウェハ５の表面検査を精度よく行うことができる。そこで、求めた照射条件により、照明光学系１０を用いてウェハ５の表面に直線偏光を照射する（ステップＳ１０４）。このとき、図２に示すように、光源１１から放出された光は、集光レンズ１２、波長選択フィルター１３、および第１の偏光フィルター１４を透過したのち、プリズム８で下方へ反射して平行な入射光Ｉ（直線偏光）となり、対物レンズ７を通してウェハ５に照射される。
【０１０３】
ウェハ５からの反射光は、対物レンズ７で受光される（ステップＳ１０５）。このとき、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、第２の偏光フィルター１６、およびリレーレンズ１７を透過して、撮像素子１８に入射する。そこで、対物レンズ７の瞳面（不図示）と共役な位置に設けられた撮像素子１８を用いて、入射光Ｉ（直線偏光）の偏光方向と垂直な偏光成分を検出する（ステップＳ１０６）。このとき、撮像素子１８に入射した反射光は撮像素子１８により電気信号に光電変換され、第２の偏光フィルター１６を透過した反射光の検出信号が演算処理部２０に出力される。
【０１０４】
そして、演算処理部２０は、撮像素子１８から入力された検出信号に基づいて、繰り返しパターン３０のライン部分３１のＣＤ値および露光時のフォーカス量を求める（ステップＳ１０７）。このとき、演算処理部２０は、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップおよび図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップを用いて、ステップＳ１０３で特定した瞳内位置１６１ｂ（第１特定位置）での階調値からＣＤ値を求めるとともに、瞳内位置１６１ｃ（第２特定位置）での階調値からフォーカス量を求める。なお、求めたＣＤ値が所定の閾値から外れた場合、ドーズ量異常と判定してその旨を画像表示装置（図示せず）等に表示することができる。また、求めたフォーカス量が所定の閾値から外れた場合、フォーカス異常と判定してその旨を画像表示装置等に表示することができる。
【０１０５】
以上のようにして、本実施形態によれば、ウェハ５のＣＤ値（線幅）を精度良く計測できるだけではなく、ＣＤ計測と同時にパターンの断面状態変化を検出可能である。そのため、露光後のウェハ５に適用すれば、露光工程で発生するフォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することができるので、露光装置の問題を解決し、不良ウェハをリワーク工程に回して再生することができる。従来はエッチング後に多大な時間をかけて検査していたフォーカス異常をフォトレジスト段階で検査することができれば、問題の早期発見・解決に絶大な効果があり、チップあたりの製造単価が高くなりつつある最先端半導体デバイスに対しては、チップあたりの製造単価を低減させることも期待できる。
【０１０６】
なお、上述の実施形態においては、ＮＡの高い対物レンズ７を用いて照明光を照射・反射光を受光し、対物レンズ７の瞳面内の位置を選択受光することにより、特定の照射条件を選んでいるが、その特定の照射条件は、既述したようにＮＡ＝０．０１〜０．１程度と小さい。そのため、特定の照射条件を決定した後、ＮＡの高い対物レンズを用いずに、特定の照射条件に設定したＮＡの低い光学系を用いて照射・受光するようにしてもよい。例えば、図３２に示すように、断面状態の影響を受けずに線幅を計測できるような、入射角ｉ１、入射面方位角ω１、パターン方位角θ１で決定されるとともに、偏光角φ１に代表される入射光の偏光方向、波長λ１で決定される第１の照射条件を構成する第１の光学系３２１と、線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできるような、入射角ｉ２、入射面方位角ω２、パターン方位角θ２で決定されるとともに、偏光角φ２に代表される入射光の偏光方向、波長λ２で決定される第２の照射条件を構成する第２の光学系３２２とを有するものであってもよい。したがって、同一対物レンズの同一瞳を使う構成に限られるものではない。
【０１０７】
また、上述の実施形態において、最適照射条件を決定するために用いたＣＤ基準ウェハ１８０およびフォーカス基準ウェハ２２０は別のウェハである必要はなく、ＣＤ基準ウェハ１８０の構成とフォーカス基準ウェハ２２０の構成とを併せ持った構成の１枚のウェハとしてもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１ 表面検査装置
５ ウェハ（基板） ７ 対物レンズ（受光光学系）
１０ 照明光学系（照射部） １５ 検出光学系（検出部）
２０ 演算処理部（演算部）
３０ 繰り返しパターン（線状パターン）
１６１ｂ 瞳内位置（第１の特定位置）
１６１ｃ 瞳内位置（第２の特定位置）
１８０ ＣＤ基準ウェハ（第１の基準基板）
２２０ フォーカス基準ウェハ（第２の基準基板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造工程においてウェハの繰り返しパターンにおける線幅の変動や断面形状の変動を検出可能な表面検査方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置は、処理の高速化や低消費電力化、記憶容量増加を図るために、パターンが微細化する傾向にある。また同時に、半導体装置の製造工程で発生する欠陥の検出性能や、線幅(以下、ＣＤ（クリティカル・ディメンジョンの略）と称する)の管理要求も厳しくなってきている。露光工程で発生したウェハの欠陥やＣＤ値変動が許容値を超えるものであった場合、該当するウェハまたはロットをリワーク工程に回し、且つ、問題の発生箇所を修正することで、良品の半導体ウェハを生産できるようにする。
【０００３】
露光工程で発生する問題は大別すると、露光時のフォーカスに起因するものと、照明光量（とくにウェハ上の照射光量をドーズ量と言う）に起因するものがある。露光装置のフォーカス精度に問題があったときは、ウェハ表面に形成されるフォトレジストパターンの断面形状が変化する。例えば、ベストフォーカス時には矩形断面であったものが、デフォーカス時には断面の裾が広がる。すなわち、パターン断面の側壁角度（サイドウォール・アングルと言う）が大きくなる。その結果、エッチング後のＣＤ値に影響して、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）の場合にはエッチング後に隣接したパターンと接合（ブリッジと称し、電気回路的なショートとなる）し、コンタクト・ホールの場合にはエッチング後に穴が下層まで達しない等といった、重大な不具合が発生する。
【０００４】
一方、ドーズ量の変動を引き起こす原因としては、スキャン方式の露光装置におけるスキャン速度のブレがある。ウェハとレチクルの双方の移動速度の同期ずれ等により、スキャン速度が相対的に速い場合にドーズ量は小さくなり、スキャン速度が相対的に遅い場合にドーズ量は大きくなる。その結果、ドーズ量が小さければフォトレジストパターンは太くなり、ドーズ量が大きければフォトレジストパターンは細くなり、フォトレジストパターンのＣＤ値に直接影響を与える。また、スキャン方式の露光装置に限らず、露光装置の投影レンズの曇り等によりドーズ量の変動が発生すれば、同様のＣＤ値変動が発生することは言うまでもない。これらの結果、エッチング後、ＣＤ値が規格外になったり、断線の原因となったりする。これらの問題を早期に発見し、問題解消できなければ、多数のロットが不良となり、大きな損失を被ることになる。
【０００５】
したがって、ＣＤ値管理は重要であり、特に、露光工程後のフォトレジストパターンのＣＤ値管理は、ＣＤ値が規格外であった場合にリワーク工程に回して、レジスト除去後、再度レジスト塗布と露光を行うので、非常に重要である。
【０００６】
ＣＤ値管理には、ＣＤ−ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）が広く使われ、ＣＤ値を定量的に計測し出力することができる。しかし、ＣＤ−ＳＥＭは、ウェハに電子線を照射するため、電子線によりフォトレジストが縮小化（シュリンク）する等のダメージを受ける。測定精度を上げようと電子線の加速電圧を上げるほど、そのダメージを大きくなる。また、計測時間は１視野あたり数秒を要するため、１ロット内で数枚の抜き取り測定となる。しかも、抜き取ったウェハの全面ではなく、抜き取った各ウェハの数ショット分について、露光ショット内の数点を計測しているにすぎない。
【０００７】
また、欠陥検査装置として、半導体ウェハに照明光を照射してウェハ上の繰り返しパターンからの回折光を受光する装置がある。この装置では、ウェハに照明光を照射してウェハ上の繰り返しパターンからの回折光を受光し、欠陥からの回折光はＣＤ値が異なるため回折光量が変化することを利用して、欠陥検出を行う。マクロ検査装置と呼ばれるこのような欠陥検査装置は、ウェハ全面一括撮像による高いスループットを有するので、生産ラインで大いに活躍している。ただし、繰り返しパターンからの回折光は、繰り返し周期が小さくなるほど回折角が大きくなるので、照明波長や光学系配置等といった装置構成上の制限を受け、１４０ｎｍ程度の繰り返しピッチより小さい繰り返しパターンからの回折光を受光するのは事実上不可能である。
【０００８】
そのため、新たな手法として、繰り返しパターンの構造性複屈折効果を利用した欠陥検査装置が実用化されている（例えば、特許文献１を参照）。これらのマクロ検査装置では、装置の性質上、微小領域の高分解の検査やＣＤ値変動量の定量的出力には限界がある。例えば、回折光を受光する場合、回折光強度の大小はパターンのＣＤ値と一義的関係にないため、回折光強度からＣＤ値を換算するには無理がある。また、構造性複屈折効果を利用する場合、パターンの形状・線幅等の状態によっては、欠陥検出感度が劣る場合がある等の制約がある。
【０００９】
ＣＤ−ＳＥＭにしろ、自動マクロ検査装置にしろ、最大の問題は、異常を検出したときの原因遡及力である。ＣＤ−ＳＥＭにおいてＣＤ値が規格外の数値として計測されたときは、そのロットをホールドし、露光した露光装置がどれであったかを特定し、露光装置の何が問題であったのか、フォーカス異常かドーズ量異常かを切り分ける必要がある。しかし、計測されたＣＤ値だけで判断することは極めて難しい。ＣＤ−ＳＥＭは、パターン上方から電子線を照射して計測しているので、デフォーカス時にはＣＤ値は殆ど変化しないからである。なお、ＣＤ−ＳＥＭの計測時に得たＣＤ−ＳＥＭ画像を目視して、パターンの形状から間接的に判断するのは可能である。デフォーカス異常の場合、コンタクト・ホールではフォトレジストの最上面と底面が二重の円形として見えたり、円がひしゃげていたりといった形になる。線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）では上面からは直線性が乱れて見えるので、この乱れ具合から判断する。
【００１０】
近年、直線性の乱れをＬＷＲ（Line Width Roughness：線幅の荒れ・乱れ）やＬＥＲ（Line Edge Roughness：線の片側の荒れであり、通常パターンの右側と左側で分けて扱う）として定量化されるようになった。ＬＷＥやＬＥＲは、１０ｎｍ程度の間隔をあけて多数点のＣＤ値を計測し、その計測値の標準偏差として定義するが、ＣＤ計測と同時にＬＷＲやＬＥＲを計測する場合には多大な時間が掛かり、前述したようにフォトレジストパターンへダメージを与える。
【００１１】
そのため、ＣＤ−ＳＥＭでは、フォレジスト段階でのフォーカス異常の発見は諦め、ＣＤ計測とＣＤ管理だけに徹する運用が行われる。フォーカス異常は、エッチング後に顕微鏡型ミクロ検査装置を使って、コンタクト・ホールの場合は穴が開いていなければエラーとし、線状パターンの場合はショートしていればエラーとして欠陥検出する。ただし、フォトレジストではないため、リワークすることはできない。しかし、フォトレジストにダメージを与えてまで異常検出するよりも、また、決して高くない信頼性でＬＷＥやＬＥＲなどから間接的にフォーカス異常を発見するよりも、得策だからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−３４３１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、露光後のフォトレジストの段階で、複合的に発生するフォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することが重要となってきている。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、フォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することが可能な表面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】
【００１５】
このような目的達成のため、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基板の表面に直線偏光を照射する照射ステップと、前記直線偏光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光光学系により受光する受光ステップと、前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光ステップで受光した前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な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した前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算ステップとを有し、前記演算ステップにおいて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第１特定位置とは異なる第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求める。
【００１６】
なお、上述の表面検査方法では、前記線幅が既知である第１の基準基板を用いて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面内に設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関をそれぞれ求める線幅相関算出ステップと、前記フォーカス状態が既知である第２の基準基板を用いて、前記設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記フォーカス状態との相関をそれぞれ求めるフォーカス相関算出ステップと、前記複数の瞳内位置のうち、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が高くて前記フォーカス状態との相関が低い瞳内位置を前記第１特定位置として特定するとともに、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が低くて前記フォーカス状態との相関が高い瞳内位置を前記第２特定位置として特定する特定ステップとを有し、前記演算ステップにおいて、前記特定ステップで特定した前記第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記特定ステップで特定した前記第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることが好ましい。
【００１７】
また、上述の表面検査方法では、前記線幅相関算出ステップおよび前記フォーカス相関算出ステップの少なくとも一方において、前記瞳面もしくは瞳面と共役な面内全体を複数の区画に分割して前記複数の瞳内位置を設定し、前記区画毎にそれぞれ前記相関を求めることが好ましい。
【００１８】
また、上述の表面検査方法では、前記特定ステップにおける前記第１特定位置および前記第２特定位置の少なくとも一方は、線形性を有する相関を示す瞳内位置であることが好ましい。
【００１９】
また、上述の表面検査方法では、前記特定ステップにおける前記第１特定位置は、前記直線偏光の照射方向が前記直線偏光の偏光方向に対して４５度近傍に傾いた照射条件に対応する瞳内位置であることが好ましい。
【００２０】
また、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基板の表面に直線偏光を照射する照射部と、前記直線偏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、前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光光学系に受光された前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出部と、前記検出部に検出された前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算部とを備え、前記演算部は、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第１特定位置とは異なる第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求める。
【００２１】
なお、上述の表面検査装置において、前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面に配設された撮像素子を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、線幅を定量的に計測することができるとともに、フォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】表面検査方法を示すフローチャートである。
【図２】表面検査装置の全体構成を示す図である。
【図３】（ａ）は繰り返しパターンの斜視図であり、（ｂ）は繰り返しパターンの平面図である。
【図４】露光条件を変化させた線状パターンの断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）ともに偏光状態の一例を示す図である。
【図６】対物レンズの瞳像を示す図である。
【図７】図６中の点Ａに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図８】図６中の点Ｂに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図９】図６中の点Ｃに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図１０】図６中の点Ｄに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図１１】図６中の点Ｅに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図１２】図６中の点Ｆに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。
【図１３】図９においてフォーカス異常が発生した場合を示す図である。
【図１４】図１３においてパターンが荒れた場合を示す図である。
【図１５】撮像素子で検出した実際の瞳像を示す図である。
【図１６】瞳像を領域分割した状態を示す図である。
【図１７】瞳ＣＤマップを示す図である。
【図１８】ＣＤ基準ウェハを示す図である。
【図１９】表面検査装置で計測したＣＤ基準ウェハの階調値の一例を示す図である。
【図２０】換算ＣＤ値とＣＤ計測値との相関を示す図である。
【図２１】表面検査装置で計測したＣＤ基準ウェハの階調値の一例を示す図である。
【図２２】フォーカス基準ウェハを示す図である。
【図２３】瞳フォーカスマップを示す図である。
【図２４】瞳内位置における感応の有無をまとめた表である。
【図２５】表面検査装置で計測したフォーカス基準ウェハの階調値の一例を示す図である。
【図２６】表面検査装置で計測したフォーカス基準ウェハの階調値の一例を示す図である。
【図２７】サイド・ウォール・アングルの測定値と表面検査装置で計測した階調値との相関を示す図である。
【図２８】表面検査装置から得られた階調値のヒストグラムおよび電子顕微鏡から得られた荒れ程度のヒストグラムを示す図である。
【図２９】（ａ）は照明波長を変えた場合の瞳ＣＤマップを示す図であり、（ｂ）は照明波長を変えた場合の瞳フォーカスマップを示す図である。
【図３０】照明波長を変えた場合の瞳内位置における感応の有無をまとめた表である。
【図３１】（ａ）はパターン方位角を変えた場合の瞳ＣＤマップを示す図であり、（ｂ）はパターン方位角を変えた場合の瞳フォーカスマップを示す図であり、（ｃ）は図１７の瞳ＣＤマップの一部を切り取った図であり、（ｄ）は図２３の瞳フォーカスマップの一部を切り取った図である。
【図３２】表面検査装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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を図２に示しており、この表面検査装置１は、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とを主体に構成される。半導体ウェハ５（以下適宜、単にウェハ５と称する）は、露光装置（図示せず）によるフォトレジストへの露光・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、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。
【００２５】
ステージ６は、真空吸着等によりステージ６上に載置されたウェハ５を確実に保持する。また、ステージ６は、ウェハ５の表面に沿ってＸＹ方向に移動可能に構成されるとともに、Ｚ軸を中心軸として回転可能に構成されている。なお、図２の紙面と垂直な方向をＸ軸とし、図２における左右方向をＹ軸とし、図２における上下方向をＺ軸とする。また、ＸＹ平面内でＺ軸を中心とした回転角を方位角と称する。
【００２６】
照明光学系１０は、図２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とを有して構成される。光源１１には、水銀ランプ等が用いられる。水銀ランプは、複数の波長（以下、λと略す場合がある）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。
【００２７】
なお、光源１１は、ハロゲンランプや青色励起型ＬＥＤ等の波長帯域に広い光源であってもよい。また、ハロゲンランプや青色励起型ＬＥＤからの光は広い波長域にわたっているため、波長選択フィルター１３は、例えば、青色、緑色、赤色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。
【００２８】
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偏光方向ＰがＸ方向となるよう配置する。
【００２９】
第１の偏光フィルター１４を透過した光は、プリズム８で下方へ反射して、ウェハ５の方向へ向かう平行な入射光Ｉとなり、対物レンズ７を通してウェハ５に照射される。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、図２の下側から上側へ向けて配置順に、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とを有して構成される。プリズム８を透過した反射光は、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により電気信号に光電変換され、反射光の検出信号が演算処理部２０に出力される。
【００３０】
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偏光方向ＱがＹ方向となるよう配置する。このように偏光方向が直交している状態は、クロスニコルと呼ばれ、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をポラライザと称し、受光側の第２の偏光フィルター１６をアナライザと称することもある。
【００３１】
撮像素子１８は、対物レンズ７の瞳面（不図示）と共役な位置に設けられる。なお、撮像素子１８にカラーＣＣＤを用いて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの出力を使うことにより、波長選択フィルター１３を不要とすることも可能である。
【００３２】
また、入射光Ｉと反射光Ｊは同一光軸上であるが、入射光Ｉのうちの一部の入射光束Ｉ１に着目すれば、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。換言すれば、撮像素子１８上の位置１９は、入射光束Ｉ１による反射光情報だけを受光していることになる。
【００３３】
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３を用いて説明する。構造性複屈折の詳細は、M, Boron & E. Wolf 著の『光学の原理』の詳しいが、ここでは、特開平９−１４５９２１号公報から引用する。ウェハ５の表面には、図３（ａ）に示すように、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）である繰り返しパターン３０が形成されている。
【００３４】
図３（ａ）に示すような繰り返しパターン３０において、ライン部分３１の線幅をｔ1とし、ライン部分３１の屈折率をｎ1とし、スペース部分３２の線幅をｔ2とし、スペース部分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。この繰り返しパターン３０は、互いに異なる第１の物質（ライン部分）３１と第２の物質（スペース部分）３２を有する一軸性結晶とみなすことができ、図３（ｂ）に示すように、境界面に平行に振動する光に対する屈折率をｎ0とし、境界面に垂直に振動する光に対する屈折率をｎeとして、複屈折を扱うことができる。図３（ａ）の繰り返しパターン３０に対して垂直に光３３が入射し、図２の構成に従い、光３３の偏光方向（振動方向）が図３（ｂ）において方向Ｒ（Ｘ軸と平行）であり、繰り返しパターン３０がＸ軸に対してパターン方位角θ（方位角θはＸ軸とライン部分３１とのなす角度）で傾いているとき、方向Ｒは、境界面平行方向成分Ｒ0と境界面垂直方向成分Ｒeに分解することができるので、屈折率ｎ0および屈折率ｎeはそれぞれ、次の（１）式および（２）式で与えられる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
【数２】
【００３７】
ただし、（１）式および（２）式におけるｆ1およびｆ2はそれぞれ、次の（３）式および（４）式で与えられる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
【数４】
【００４０】
また、構造性複屈折による入射光に対する反射光の位相差をδとし、ライン部分３１の高さをｈとしたとき、位相差δは、屈折率ｎ0および屈折率ｎeを用いて次の（５）式で与えられる。
【００４１】
【数５】
【００４２】
露光後のウェハ５においては、ライン部分３１がフォトレジストであり、スペース部分３２が下地（たとえば、酸化膜）である。フォトレジストの厚さは、露光装置の光源波長にもよるが、最先端の露光装置に用いられるＡｒＦ光源用のレジストでは、厚さが１００ｎｍないしそれ以下である。
【００４３】
直線偏光を入射したとき、位相差δが（ｍ＋１／４）λの条件を満たす場合（ｍ＝０，１，２…）には、１／４波長板のように作用するので反射光は円偏光となり、位相差δが（ｍ＋１／２）λの条件を満たす場合（ｍ＝０，１，２…）には、１／２波長板のように作用するので反射光は偏光方向が９０度回転した直線偏光となる。また、この２つの場合の中間の条件では、反射光は楕円偏光となる。
【００４４】
正常な条件で露光された繰り返しパターン４０の断面を図４（ａ）に示す。図４（ｂ）に示すように、ドーズ量が多い場合のライン部分４３の線幅は、正常のライン部分４１よりも細くなる。一方、図４（ｃ）に示すように、ドーズ量が少ない場合のライン部分４５の線幅は、正常のライン部分４１よりも太くなる。図４（ｄ）に示すように、デフォーカス状態で露光された場合のライン部分４７の形状は、裾を引いた（台形の）断面形状となって、ライン部分４７の側壁の傾斜角度であるサイド・ウォール・アングルαが増加する。
【００４５】
前述の（５）式によれば、反射光の偏光状態を決定するのは、繰り返しパターンの線幅であり、高さである。半導体ウェハの露光工程においては、繰り返しパターンの周期（ピッチ）は厳密に一定である。図４（ｂ）に示すようにドーズ量が過多の場合、パターンの高さは変わらず、ライン部分４３の線幅ｔ1が大きくなり、スペース部分４４の線幅ｔ2が小さくなる。その結果、屈折率ｎ0および屈折率ｎeがそれぞれ変化し、反射光には位相差が発生する。一方、図４（ｄ）に示すようなデフォーカス露光時のパターン断面状態では、線幅が高さ方向に対し一定ではなく、ライン部分４７の高さに比例してその線幅が小さくなるので、（５）式においては、ライン部分４３の線幅ｔ1およびスペース部分４４の線幅ｔ2が高さｈの関数となっていると考えればよい。
【００４６】
図４（ａ）の正常なパターンに対するパターン断面状態の変化が、図４（ｂ）もしくは図４（ｃ）、または図４（ｄ）のようなものであったとき、パターン断面状態変化に伴う反射光の偏光状態変化は、Ｙ方向の偏光方向Ｑのみ透過するようなクロスニコルに配置された第２の偏光フィルター１６（図２を参照）によって、Ｙ方向の偏光成分のみの変化として抽出される。例えば、図５（ａ）に示すように、パターン断面状態変化に伴う反射光の偏光状態が、第１の偏光状態５０、第２の偏光状態５１、および第３の偏光状態５２であったとする。各偏光状態５０，５１，５２は、いずれも楕円偏光であり、長軸の方向と楕円率が変化しているが、第２の偏光フィルター１６を透過して得られる透過光はそれぞれ、Ｙ方向成分の第１の光量５０ａ、第２の光量５１ｂ、および第３の光量５２ｃだけ撮像素子１８で受光される（正確には、図５（ａ）のＹ方向成分は振幅であるから、光量は振幅の二乗に対応するが、ここでは簡略化した図で示した）。
【００４７】
また例えば、図５（ｂ）に示すように、パターン断面状態変化に伴う反射光の偏光状態が、第４の偏光状態５３、第５の偏光状態５４、および第６の偏光状態５５のようなものであったとする。各偏光状態５３，５４，５５は、いずれも円偏光に近い楕円偏光である。入射した直線偏光に対して繰り返しパターン３０（図３を参照）が１／４波長板のように位相差δを与えたことにより、円偏光に近くなった結果であるが、それぞれの楕円の長軸方向は大きく異なっているものの、第２の偏光フィルター１６を透過して得られる透過光は、各偏光状態５３，５４，５５のいずれであっても、Ｙ方向成分の第４の光量５３ａとなって大きな変化はなく、偏光状態が変化しているようにはとらえられない。
【００４８】
なお、図５（ａ）および図５（ｂ）は一例に過ぎず、線幅、高さ、形状等といったパターン断面状態が変化したときの繰り返しパターン３０からの反射光の偏光状態は、楕円偏光の楕円率、長軸方向、大きさが変わり、しかも照射条件によって偏光状態の変化の仕方が変わる。図３〜図５を用いて行った説明は、繰り返しパターン３０に対して垂直に光が入射した場合であるが、斜めに入射した場合も含めて、一般的な説明を次に行う。
【００４９】
図２に示すように、対物レンズ７を通して照射される入射光Ｉは、色々な入射角および方向から入射する光の束であるので、対物レンズ７の瞳面と共役な位置に設けられている撮像素子１８は、これら色々な入射条件に基づいた反射光の集まりを検出していることになる。図６に、撮像素子１８で検出した対物レンズ７の瞳像６０を示す。瞳面上の座標ＰｘおよびＰｙは、図２〜図３のＸＹＺ座標系と同じである。また、Ｐｘ軸とＰｙ軸の交点Ｏは、対物レンズ７の光軸である。
【００５０】
ここで、本実施形態における照射条件について説明する。照射条件とは、入射光の入射角、入射面に対する偏光方向、入射面の方位角、入射面と繰り返しパターン方向とのなす方位角等のことである。図６に示す瞳面座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）において、光軸Ｏを中心とした半径ｒの円６１の円周上の点Ｂ、点Ｃ、点Ｄ、点Ｅ、および点Ｆは、全て同一の入射角（これを入射角ｉとする）で入射した光による反射光を示す。
【００５１】
図７は、図６の瞳像６０における光軸上の点Ａに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、図７〜図１４では、図３に示す部材と同一部材に同一番号を付しており、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）である繰り返しパターン３０は、フォトレジストであるライン部分３１と、酸化膜等の下地層であるスペース部分３２とからなる。また、ライン部分３１（およびスペース部分３２）は、図３（ｂ）と同様に、Ｘ軸に対して方位角θだけ傾いている。図７において、直線偏光である入射光７０ａは、繰り返しパターン３０に対して垂直（Ｚ軸方向）に、偏光方向７１ａをもって入射している。一方、反射光７２ａは、繰り返しパターン３０に対して垂直に、例えば偏光状態７３ａをもって反射している。
【００５２】
図８は、図６の瞳像６０における点Ｂに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図８における入射光７０ｂは、入射角ｉで入射している。入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｂとがはる平面）７４ｂは、ＹＺ平面と一致する。入射光７０ｂの偏光方向７１ｂは、入射面７４ｂに含まれ入射光７０ｂと垂直な直線７５ｂに対して角度φB（以下、本実施形態において偏光角φと呼ぶ）だけ傾いており、この偏光角φBの大きさは９０度である。すなわち、Ｓ偏光状態で入射している。これは、偏光方向７１ｂがＸ軸と平行であることから容易に理解できる。なお、反射光７２ｂも入射面７４ｂに含まれることは言うまでもない。
【００５３】
図９は、図６の瞳像６０における点Ｃに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図９における入射光７０ｃは、入射角ｉで入射しており、入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｃとがはる平面）７４ｃを形成する。入射光７０ｃの偏光方向７１ｃは、入射面７４ｃに含まれ入射光７０ｃと垂直な直線７５ｃに対して角度φCだけ傾いており、この偏光角φCの大きさは０度と９０度の間である。
【００５４】
図１０は、図６の瞳像６０における点Ｄに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図１０における入射光７０ｄは、入射角ｉで入射しており、入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｄとがはる平面）７４ｄを形成する。入射光７０ｄの偏光方向７１ｄは、入射面７４ｄに含まれ入射光７０ｄと垂直な直線７５ｄに対して角度φDだけ傾いており、この偏光角φDの大きさは０度と９０度の間である。なお、図１０の偏光角φDは、図９の偏光角φCに比べ、より０度に近く、０度＜φD＜φC＜９０度である。
【００５５】
図１１は、図６の瞳像６０における点Ｅに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図１１における入射光７０ｅは、入射角ｉで入射している。入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｅとがはる平面）７４ｅは、ＸＺ平面と一致する。入射光７０ｅの偏光方向７１ｅは、入射面７４ｅに含まれ入射光７０ｅと垂直な直線７５ｅに対する偏光角φEが０度となる方向である。すなわち、Ｐ偏光状態で入射している。これは、偏光方向７１ｅがＸ軸と平行であることから容易に理解できる。
【００５６】
図１２は、図６の瞳像６０における点Ｆに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θは、図７と同一である。図１１における入射光７０ｆは、入射角ｉで入射しており、入射面（繰り返しパターン３０の法線Ｚと入射光７０ｆとがはる平面）７４ｆを形成する。入射光７０ｆの偏光方向７１ｆは、入射面７４ｆに含まれ入射光７０ｆと垂直な直線７５ｆに対して角度φFだけ傾いており、この偏光角φFの大きさは９０度と１８０度の間である。
【００５７】
図６の瞳像６０における各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆはそれぞれ、図７〜図１２に示す照射条件でそれぞれ得られた反射光７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ，７２ｅ，７２ｆである。そこで、図９に示す照射条件を例としてさらに詳細に説明する。同じ入射角ｉであっても、入射面７４ｃとＸＺ平面とのなす方位角（これを入射面方位角ωと称する）が異なれば、直線偏光で入射する入射光７０ｃの偏光角φCは異なる。また、同じ偏向角φCであっても、繰り返しパターン３０のライン部分３１（およびスペース部分３２）のＸ軸に対する方位角θ（これをパターン方位角θと称する）が異なれば、ライン部分３１（およびスペース部分３２）に対する偏光方向７１ｃの角度は異なる。
【００５８】
（５）式における高さｈは、光の進行方向でのライン部分３１の高さである。垂直入射では、図７で示す高さｈがそのまま、（５）式の高さｈと同一である。ところが、図８〜図１２に示す斜入射条件では、斜入射による各入射光７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ，７０ｅ，７０ｆの向きが光の進行方向であるので、（５）式における高さｈは、例えば図９では、入射光７０ｃをベクトルとしたときのベクトル７９ｃに対応した高さとなる。このベクトル７９ｃに対応した高さを、本実施形態では、パターン実効高さｈｉと称することにする。すなわち、パターン実効高さｈｉが（５）式における高さｈに相当する。したがって、同じＺ軸方向の高さｈであっても、入射角ｉと入射面方位角ωとパターン方位角θが異なれば、（５）式で表される位相差δは異なる。
【００５９】
一般に、屈折率は波長に依存するので、入射光の波長λによって、（１）式および（２）式におけるライン部分３１の屈折率ｎ1およびスペース部分３２の屈折率ｎ2は異なる。すなわち、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）に光を照射したとき、構造性複屈折により、（１）式〜（５）式で与えられる位相差δは、入射角ｉ、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定される。すなわち、位相差δは、偏光角φで代表される偏光方向と、入射角ｉ、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定されるパターン実効高さｈｉと、波長λで決定されるライン部分３１の屈折率ｎ1およびスペース部分３２の屈折率ｎ2によって変わる。これらのパラメータが、（５）式に関わることになる。
【００６０】
次に、図４（ｄ）のようにサイド・ウォール・アングルαが増加したパターン断面状態における位相状態を、図１３を用いて考察する。なお、図１３において、入射角ｉ等のパラメータは図９と同一であり、図９と同一部材には同じ符号を付した。図１３に示すように、ライン部分３１が台形断面である場合には、垂直入射のときに、ライン部分３１の線幅ｔ1およびスペース部分３２の線幅ｔ2が高さｈの関数であると考えたのと同じように、パターン実効高さｈｉの関数としてライン部分３１の線幅ｔ1およびスペース部分３２の線幅ｔ2を扱えばよい。
【００６１】
露光工程でフォーカス異常が発生した場合には、既述したように裾を引いた（台形の）断面形状となって、サイド・ウォール・アングルαが増加すると同時に、パターン形状が図１４のように荒れることがある。荒れたライン部分３１からの反射光７２ｃの偏光状態は、デフォーカス量に応じて少なからず変化する。なお、図１４において、入射角ｉ等のパラメータは図９と同一であり、図９と同一部材には同じ符号を付した。
【００６２】
以上説明してきたように、線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）に光を照射したときの反射光の偏光状態は、１）入射角ｉ、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定され、偏光角φで代表される入射光の偏光方向、２）入射角ｉ、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定されるパターン実効高さｈｉ、３）波長λ等といった、照射条件によって変わる。さらに、４）波長λで決定されるライン部分３１の屈折率ｎ1およびスペース部分３２の屈折率ｎ2、５）ライン部分３１の線幅ｔ1およびスペース部分３２の線幅ｔ2、６）サイド・ウォール・アングルα等といった、パターン状態条件や物質条件によって変わる。
【００６３】
したがって、上記照射条件を選択することにより、ライン部分３１の線幅ｔ1の変動とサイド・ウォール・アングルαの変動を検出することができ、さらに、最適に照射条件と決定すれば、ライン部分３１の線幅ｔ1の変動とサイド・ウォール・アングルαの変動を区別して検出することができる。ライン部分３１の線幅ｔ1とサイド・ウォール・アングルαはそれぞれ、ウェハ露光時のドーズ量変化とフォーカス変化に直結するものであるから、本実施形態によれば、ドーズ量変化とフォーカス変化を切り分けて検出することが可能になる。
【００６４】
最適な照射条件の選択と決定は、瞳内の解析によって行われる。図１５は、撮像素子１８で検出した実際の瞳像１５０を、瞳座標系で示している。この図１５は、瞳面における光の強度分布を示し、第２の偏光フィルター１６を透過してきた光の光量を示している。図１５において、撮像素子１８で検出した光信号の強い部分（階調値の高い部分）を濃い色（黒系）に設定し、光信号の弱い部分（階調値の低い部分）を淡い色（白系）に設定して、階調凡例１５１として表示した。図１５の瞳座標系は、図６と同じ瞳座標系（Ｐｘ，Ｐｙ）であり、座標軸Ｐｘと座標軸Ｐｙとの交点Ｏが光軸である。図６の瞳像６０における点Ｃ、すなわち、図９、図１３、および図１４で示した照射状態およびパターン状態を与える瞳位置で反射光を得る場所は、図１５の瞳像１５０（瞳面内）における瞳内位置１５０ｃである。
【００６５】
図１６の瞳像１６０は、図１５の瞳像１５０と同じである。図１６において、瞳像１６０をＭ列×Ｎ行に分割したときの一つの区画を瞳内位置と称し、図１６では例として瞳内位置１６１を示す。ＭおよびＮは自然数で、１０程度〜１００が好ましい。通常は、Ｍ＝Ｎとする。瞳内位置における階調値は、撮像素子１８の画素を選択することによって抽出して得ることができる。
【００６６】
図１７（ｆ）は、瞳ＣＤマップと称するマップである。図１６の瞳像１６０に対応する瞳像を円１７０として示す。瞳ＣＤマップの横方向と縦方向は、それぞれ瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）に対応し、円１７０の中心は、瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）＝（０，０）に対応する。瞳ＣＤマップは、瞳内の階調を示すものではなく、図１６においてＭ列×Ｎ行に分割したそれぞれの瞳内位置において、その瞳内位置での階調値を縦軸に、別計測したＣＤ値を横軸に表した二変量相関図の集合体である。例えば、瞳ＣＤマップの５個の瞳内位置１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃ，１７１ｄ，１７１ｅにおける二変量相関図をそれぞれ拡大表示したものが、図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）、図１７（ｅ）である。図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）、図１７（ｅ）の縦軸はそれぞれ、図１６の瞳内位置１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄ，１６１ｅにおける撮像素子１８の階調値である。図１７（ｆ）に示す瞳ＣＤマップは、ＣＤ値が既知のＣＤ基準ウェハを計測することによって得られるが、その方法について次に述べる。
【００６７】
まず、ＣＤ値計測について説明する。図１７（ａ）、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）、図１７（ｄ）、図１７（ｅ）の横軸（すなわちＣＤ値計測値）は、ウェハ面内で異なるＣＤ値（ＣＤ値は既知）を有するウェハ（ＣＤ基準ウェハ）を計測することによって得ることができる。
【００６８】
図１８は、瞳ＣＤマップを得るためのＣＤ基準ウェハ１８０を示している。ＣＤ基準ウェハ１８０の表面に形成された５行８列の計４０ショットは、それぞれドーズ量を変えて線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）を露光したものである。図１８においてそれぞれのショットに示した数字は、ドーズ量の大小を表し、数字「０」は標準ドーズ量で露光したショットであり、数字「＋１」は１段階多く、数字「−１」は１段階少ないドーズ量で露光したショットである。例えば、右端の数字「＋３」ショット１８１は、３段階多いドーズ量で露光したショットであるので、ネガタイプのレジストを用いた場合パターンのライン部分の線幅は最も細くなっているはずである。このように、ＣＤ基準ウェハ１８０は、多種のＣＤ値を含んだウェハである。
【００６９】
ＣＤ値計測においては、本実施形態の表面検査装置１とは別に、図示しないＣＤ−ＳＥＭ等のＣＤ測定機によって、ＣＤ基準ウェハ１８０における線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）のＣＤ値を計測する。なお、統計的処理に好ましいデータ数とするため、ＣＤ−ＳＥＭ等ではショット内を多数点計測することが好ましく、例えば、ショット内の２５点を計測することにより、２５点×４０ショット＝１０００個の計測データを得る。
【００７０】
続いて、階調値計測について説明する。ＣＤ−ＳＥＭ等で計測したＣＤ基準ウェハ１８０の計測点と同一箇所を、本実施形態の表面検査装置１を用いて計測する。上記の例で言えば、ショット内２５点×４０ショット＝１０００点に対し、１０００個の瞳像を撮像素子１８によって撮像取得する。このようにして得られた１０００個の瞳像から、演算処理部２０を用いて、Ｍ列×Ｎ行に分割した瞳内位置ごとに階調値を得る。
【００７１】
そして、ＣＤ基準ウェハ１８０の全ての計測点（上記例では、１０００点）に対し、Ｍ列×Ｎ行（本実施形態においては、４７列×４７列）の瞳内位置（区画）ごとに、二変量相関図（横軸＝ＣＤ値計測値、縦軸＝その瞳内位置における階調値）を瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）に従った配列で並べる。これにより、図１７に示すような瞳ＣＤマップ（瞳像の位置毎のＣＤ変化と輝度変化の関係を示すマップ）を得ることができる。
【００７２】
図１７（ａ）〜（ｅ）の横軸のスケールは共通目盛である。一方、図１７（ａ）〜（ｅ）の縦軸は、階調値が瞳内位置によって異なるので、オート・スケール（最小から最大の値範囲で自動的に目盛を振ること）で表示している。そのため、図１７（ｃ）では、ＣＤ値に対して階調値が山型傾向を示しているが、ＣＤ変動に対する階調値の変化量は小さく、ＣＤ値に対しほとんど感応していないと言える。図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップでは、瞳内位置ごとの二変量相関図はすべてオート・スケールで表示している。ＣＤ変化に対する階調変化の少ない瞳内位置では、図１７（ｃ）に示すように、縦軸方向に二変量相関図のプロットが拡大したもの（縦軸方向に幅をもったグラフ）となる。そのような場所は、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップから、瞳内のＰｘ軸付近およびＰｙ軸付近、並びに瞳中心付近に分布していることがわかる。一方、左上側の瞳内位置１７１ａ，１７１ｂでは、ＣＤ値が大きくなると階調値が増加する傾向を示し、逆に、左下側の瞳内位置１７１ｄ，１７１ｅでは、ＣＤ値が大きくなると階調値が減少する傾向を示す。
【００７３】
図７〜図１２を用いて説明したように、瞳内位置に応じて照射条件が異なる。そのため、図５（ａ）および図５（ｂ）で説明したように、瞳内位置に応じて反射光の偏光状態も異なる。例えば、ＣＤ値が大きくなったときに、撮像素子１８が検出する階調値（楕円偏光のＹ方向成分（第２の偏光フィルター１６を透過する成分）に対応するもの）が大きくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置（瞳内位置は、照射条件の一部である）があれば、逆に、階調値が小さくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置も存在する。また、ＣＤ値が大きくなったときに階調値が大きくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置（これをプラス変化位置と称する）と、階調値が小さくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置（これをマイナス変化位置と称する）との間には、ＣＤ値が変化しても階調値が変わらないような領域が存在する。
【００７４】
このように、図１５の瞳像１５０、すなわち図１６の瞳像１６０のなかには、左側上下の瞳内位置１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｄ，１７１ｅのようなＣＤ値変化に感応する場所と、左側中央付近（Ｐｘ軸付近）の瞳内位置１７１ｃのようなＣＤ値変化に対する感応が弱い場所が存在することが、図１７の（ｆ）の瞳ＣＤマップで明らかにされる。理論的にも、高ＮＡの対物レンズを使用した場合に、対物レンズの瞳内位置には、プラス変化位置（正の相関）とマイナス変化位置（負の相関）が存在することがわかっており、その間は、ＣＤ値変化に対する感応が弱い瞳内位置となる。本実施形態において、対物レンズ７のＮＡ（開口数）は、ＮＡ＝０．９もしくは、それに近い高ＮＡである。なお、Ｍ列×Ｎ行に分割された一つの瞳内位置では、ＮＡ＝０．０１〜０．１程度で受光していることになる。
【００７５】
ＣＤ値変化に対して、階調値（楕円偏光のＹ方向成分（第２の偏光フィルター１６を透過する成分）に対応するもの）は常に線形で変化するというものではない（これは、図５（ａ）で説明したことから明らかである）。図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップにおける瞳内位置１７１ａ，１７１ｅでは、図１７（ａ）および図１７（ｅ）に示すように、ＣＤ値変化に対して階調値は非線形で変化している。プラス変化位置とマイナス変化位置を得る瞳内の場所の多くは非線形変化を示し、線形変化を示す方が少ない。図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップにおける瞳内位置１７１ｂ，１７１ｄでは、図１７（ｂ）および図１７（ｄ）に示すように、ＣＤ値変化（横軸）に対して階調値（縦軸）が、ほぼ線形に変化している。
【００７６】
図１９は、図１８のＣＤ基準ウェハ１８０を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの、図１７（ｆ）の瞳内位置１７１ｂにおける階調値を示したもので、図１８と同じウェハ表面上の座標で示している。図１９において、階調値の高い部分を濃い色（黒系）に設定し、階調値の低い部分を淡い色（白系）に設定して、階調凡例１９１として表示した。図１９からわかるように、ＣＤ基準ウェハ１８０においてドーズ量を変化させて露光したショット、すなわち線幅の異なるショットを、階調差のあるショットとして明瞭に検出している。
【００７７】
図１７（ｂ）からわかるように、左上側の瞳内位置１７１ｂにおけるＣＤ計測値と階調値は高い相関がある。この瞳内位置１７１ｂの階調値をＧＬBとし、階調値ＧＬBから換算した換算ＣＤ値をＣＤGLBとしたとき、換算ＣＤ値ＣＤGLBは次の（６）式で表される。
【００７８】
【数６】
【００７９】
上述したように、ＣＤ計測値と階調値の関係は基本的に非線形であるので、（６）式を３次式の多項式とした。図２０は、（６）式を用いて得られた換算ＣＤ値ＣＤGLBと、ＣＤ−ＳＥＭ等のＣＤ測定機で計測したＣＤ計測値（図２０においてＣＤSと表す）との相関を示したものである。図２０における換算ＣＤ値ＣＤGLBの誤差は０．０１であり、ライン部分のＣＤ値の標準値を１に規格化しているので、０．０１の誤差は１％の誤差であることを示す。
【００８０】
図２１は、図１８のＣＤ基準ウェハ１８０を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの、図１７（ｆ）の瞳内位置１７１ｃにおける階調値を示したもので、図１８と同じウェハ表面上の座標で示している。図２１において、階調値の高い部分を濃い色（黒系）に設定し、階調値の低い部分を淡い色（白系）に設定して、階調凡例２１１として表示した。図２１からわかるように、ＣＤ基準ウェハ１８０においてドーズ量を変化させて露光したショット、すなわち線幅の異なるショットを、階調差のあるショットとして検出できていない。すなわち、ＣＤ値に対しほとんど感応していない。
【００８１】
次に、ショット毎にフォーカス条件を変えて露光したフォーカス基準ウェハを用いて、サイド・ウォール・アングルαに代表されるパターン断面状態に対する瞳内位置の傾向を見てみる。
【００８２】
図２２は、フォーカス基準ウェハ２２０を示している。フォーカス基準ウェハ２２０の表面に形成された５行８列の計４０ショットは、それぞれフォーカス量を変えて線状パターン（ライン・アンド・スペース・パターン）を露光したものである。図２２においてそれぞれのショットに示した数字は、フォーカス量の大小を表し、数字「０」はベストフォーカス付近の中央のフォーカス値で露光したショットであり、数字「＋１」は１段階プラス側にデフォーカス（わざとフォーカスをずらすこと）させて露光したショットであり、数字「−１」は１段階マイナス側にデフォーカスさせて露光したショットである。例えば、右端の数字「＋３」ショット２２１は、３段階プラス側にデフォーカスさせて露光したショットであるので、パターンのライン部分の断面形状は、最も裾を引いた状態（図４（ｄ）のサイド・ウォール・アングルαが大きい状態）になっているはずである。また同時に、パターン形状も、図１４に示すように荒れていることが多い。このように、フォーカス基準ウェハ２２０は、多種のライン部分の断面形状・パターン状態を含んだウェハである。なお、フォーカス基準ウェハ２２０は、図１８に示したＣＤ基準ウェハ１８０と同一のショット配列としているが、同一配列である理由は特になく、同一工程（例えば、ゲート線の露光工程や配線の露光工程等）であればよい。
【００８３】
図２３（ｆ）は、瞳フォーカスマップと称するマップである。図１６の瞳像１６０に対応する瞳像を円２３０として示す。瞳フォーカスマップの横方向と縦方向は、それぞれ瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）に対応し、円２３０の中心は、瞳座標（Ｐｘ，Ｐｙ）＝（０，０）に対応する。瞳フォーカスマップは、瞳内の階調を示すものではなく、図１６においてＭ列×Ｎ行に分割したそれぞれの瞳内位置において、その瞳内位置での階調値を縦軸に、露光時のフォーカス量を横軸に表した二変量相関図の集合体である。例えば、瞳フォーカスマップの５個の瞳内位置２３１ａ，２３１ｂ，２３１ｃ，２３１ｄ，２３１ｅにおける二変量相関図をそれぞれ拡大表示したものが、図２３（ａ）、図２３（ｂ）、図２３（ｃ）、図２３（ｄ）、図２３（ｅ）である。図２３（ａ）、図２３（ｂ）、図２３（ｃ）、図２３（ｄ）、図２３（ｅ）の縦軸はそれぞれ、図１６の瞳内位置１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄ，１６１ｅにおける撮像素子１８の階調値である。図２３（ｆ）に示す瞳フォーカスマップは、露光時にフォーカス量を振ったフォーカス基準ウェハ２２０を計測することによって得られる。なお、パターン方位角θは、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップを得たときと同一の方位角である。
【００８４】
図２３（ａ）〜（ｅ）の横軸のスケールは共通目盛である。一方、図２３（ａ）〜（ｅ）の縦軸は、階調値が瞳内位置によって異なるので、オート・スケール（最小から最大の値範囲で自動的に目盛を振ること）で表示している。そのため、図２３（ｂ）および図２３（ｄ）では、フォーカス量変化に対する階調値の変化量は小さく、フォーカス量に対しほとんど感応していないと言える。図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップでは、瞳内位置ごとの二変量相関図はすべてオート・スケールで表示している。フォーカス量変化に対する階調変化の少ない瞳内位置２３１ｂ，２３１ｄでは、図２３（ｂ）および図２３（ｄ）に示すように、縦軸方向に二変量相関図のプロットが拡大したもの（縦軸方向に幅をもったグラフ）となる。そのような場所は、図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップから、瞳内の外周部にカテナリー状に分布していることがわかる。カテナリー状分布の内側の瞳内位置２３１ｃでは、フォーカス量＝０で最大階調値となり、フォーカス量がプラスであってもマイナスであっても、デフォーカスするほど階調値が下がる傾向（フォーカス量変化に対し山型の階調値変化のグラフとなる傾向）となる。一方、カテナリー状分布の外側の瞳内位置２３１ａ，２３１ｅでは、フォーカス量＝０で最小階調値となり、フォーカス量がプラスであってもマイナスであっても、デフォーカスするほど階調値が上がる傾向（フォーカス量変化に対し谷型の階調値変化のグラフとなる傾向）となる。
【００８５】
図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップにおける瞳内位置２３１ａ，２３１ｂ，２３１ｃ，２３１ｄ，２３１ｅと、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップにおける瞳内位置１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃ，１７１ｄ，１７１ｅは、いずれも、図１６の瞳像１６０の瞳内位置１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃ，１６１ｄ，１６１ｅにおける撮像素子１８の階調値である。同じ瞳内位置でありながら、ＣＤ基準ウェハに対する感応とフォーカス基準ウェハに対する感応とは、それぞれ図１７（ｆ）と図２３（ｆ）のように異なる。この傾向を図２４にまとめる。図２４によれば、図１６の瞳像１６０における瞳内位置１６１ｂ，１６１ｄは、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応するが、フォーカス基準ウェハ２２０には感応しない（ほとんど感応しない）照射条件である。また、瞳内位置１６１ｃは、フォーカス基準ウェハ２２０には感応するが、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応しない（ほとんど感応しない）照射条件である。なお、図２４中の「＋」はＣＤ値が大きくなるときに階調値も大きくなることを表し、図２４中の「−」はＣＤ値が大きくなるときに階調値が小さくなることを表す。
【００８６】
図２５は、図２２のフォーカス基準ウェハ２２０を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの、図１６の瞳内位置１６１ｂにおける階調値を示したもので、図２２と同じウェハ表面上の座標で示している。図２５において、階調値の高い部分を濃い色（黒系）に設定し、階調値の低い部分を淡い色（白系）に設定して、階調凡例２５１として表示した。図２５からわかるように、フォーカス基準ウェハ２２０においてフォーカス量を変化させて露光したショットを、階調差のあるショットとして明瞭に検出できていない。すなわち、フォーカス変化に伴うパターンのライン部分の断面形状変化に対しほとんど感応していない。なお、図２５は、ＣＤ基準ウェハ１８０の階調値が図１９のように計測されたときの瞳内位置１６１ｂと同一の照射条件であるので、図２５の階調凡例２５１を図１９の階調凡例１９１と同一とした。そのため、図２４にまとめた瞳内位置１６１ｂにおける傾向差は容易に見てとれる。
【００８７】
図２６は、図２２のフォーカス基準ウェハ２２０を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの、図１６の瞳内位置１６１ｃにおける階調値を示したもので、図２２と同じウェハ表面上の座標で示している。図２５において、階調値の高い部分を濃い色（黒系）に設定し、階調値の低い部分を淡い色（白系）に設定して、階調凡例２６１として表示した。図２５からわかるように、フォーカス基準ウェハ２２０においてフォーカス量を変化させて露光したショット、すなわち、パターンのライン部分の断面形状が異なり、裾を引いた状態（図４（ｄ）のサイド・ウォール・アングルαが大きい状態）になっているショットを、階調差のあるショットとして明瞭に検出している。なお、図２６は、ＣＤ基準ウェハ１８０の階調値が図２１のように計測されたときの瞳内位置１６１ｃと同一の照射条件であるので、図２６の階調凡例２６１を図２１の階調凡例２１１と同一とした。そのため、図２４にまとめた瞳内位置１６１ｃにおける傾向差は容易に見てとれる。
【００８８】
フォーカス量を変化させたときの物理量の変化を定量化するのは容易ではないが、いくつかの例により、本発明の効果を実際に検証した結果を示す。
【００８９】
サイド・ウォール・アングルの計測は極めて難しく、ＣＤ値計測を目的としたＣＤ−ＳＥＭでは不可能である。実際には、フォーカス・イオン・ビーム等で断面を削り取って、断面をＳＥＭでレビューして計測する方法がとられる。これは、破壊測定であり多数点の測定には不向きであるが、この方法により、フォーカス基準ウェハ２２０のフォーカス量を変化させたショットを選び、数箇所のサイド・ウォール・アングルを測定した。この方法によるサイド・ウォール・アングルの測定値を縦軸（所定角度からの任意目盛として表示し、数字の大きいほど、裾が広がっていることを示す）に、同じ箇所を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの瞳内位置１６１ｃにおける階調値を横軸にして示したものが、図２７である。図２７より、瞳内位置１６１ｃにおいては、サイド・ウォール・アングルの変化を階調値の変化として相関良く捉えていることがわかる。すなわち、本実施形態によれば、破壊測定により多大なる時間をかけて測定していたサイド・ウォール・アングルを、容易に知ることができる。
【００９０】
デフォーカスして露光したときには、サイド・ウォール・アングルが大きくなるのと同時に、パターン形状も図１４のように荒れていることが多い。フォーカス基準ウェハ２２０を対象として、ＳＥＭ等の電子顕微鏡で得られたデータからパターンの荒れ具合を数値化した荒れ程度を、図２８の縦軸に示している。なお、荒れ程度は、上方から観察したライン部分の微小点ごとの、ライン部分を直線としたときの偏差を数値化したもので、数字が大きいほど、パターンの直線性が乱れ、荒れているとみなす。一方、荒れ程度を測定した箇所を本実施形態の表面検査装置１で計測したときの瞳内位置１６１ｃにおける階調値を、図２８の横軸に示している。図２８において、異なるマーカ（例えば、・，×，＋，Ｙ，□，Ｚなど）は、図２２に示す異なるフォーカス量を表す。図２８の中に示した横向きのヒストグラム２８０は瞳内位置１６１ｃにおける階調値の分布を示し、縦向きのヒストグラム２８１は荒れ程度の分布を示す。フォーカス量を段階的に変化させて露光したフォーカス基準ウェハ２２０では、フォーカス量＝０から段階的に荒れ程度も変化するはずであるが、荒れ程度の分布を示すヒストグラム２８１では、段階的変化は示していない。一方、階調値の分布を示すヒストグラム２８０では、階調値が、第１の分布２８０ａ、第２の分布２８０ｂ、第３の分布２８０ｃ、および第４の分布２８０ｄのように段階的分布を示している。すなわち、本実施形態によれば、パターンの荒れ具合の差をこれまで以上に高い弁別能力によって検出することができる。
【００９１】
露光時にデフォーカスエラーが発生した場合は、「膜べり」と言われる現象も誘発する。膜べりとは、フォトレジスト厚が減ることである。既述したように、構造性複屈折では、パターン高さが偏光状態を決定する式に含まれるので、高さの変動は無視することができない。フォーカス基準ウェハ２２０のデフォーカスショットでは、裾だれ、荒れ、膜べり等が複合的に含まれているので、図２７に示す関係からサイド・ウォール・アングルを計算する場合、計算精度には限界がある。本実施形態の効果を最大限に発揮するのは、既存の物理量（サイド・ウォール・アングルや、ＬＥＲ・ＬＷＲ等に代表される荒れ具合といったもの）との関係式を得ることではなく、デフォーカス時に発生するトータルな物理量変化を、瞳内位置１６１ｃの階調値変化として検出し、その変化量を露光装置のフォーカス量と対応させることである。これにより、露光時のフォーカスエラーを早期に発見することができる。
【００９２】
なお、図２４にまとめた結果と、図１９、図２１、図２５、および図２６に示した結果は、最適な照射条件での結果である。最適な照射条件とは、その瞳内位置では、パターンの線幅とパターンの断面状態の２つの変数のうち、一方には感度良く感応し、他方には感応しない照射条件のことである。すなわち、特定の波長λとパターン方位角θによって、瞳内位置１６１ｂのように断面状態の影響を受けずに線幅を計測できる瞳内位置が存在し、かつ、瞳内位置１６１ｃのように線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできる瞳内位置が存在することである。換言すれば、波長λとパターン方位角θを変えると、最適な照射条件が瞳内位置の存在しなくなるか、あるいは、瞳内位置にごく限られた領域にしか存在しなくなる。
【００９３】
図２９（ａ）は、波長λ２（例えば、６００〜７００ｎｍ程度）の光をＣＤ基準ウェハ１８０に照射したときの瞳ＣＤマップを示す。図２９（ｂ）は、波長λ２の光をフォーカス基準ウェハ２２０に照射したときの瞳フォーカスマップを示す。なお、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップと図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップを得たときの波長（すなわち、最適な照射条件での波長）を波長λ１としたとき、波長λ１は波長λ２とは異なる波長（例えば、４００〜５００ｎｍ程度）である。パターン方位角θは、図１７（ｆ）、図２３（ｆ）、図２９（ａ）、および図２９（ｂ）において、全て同一条件でパターン方位角θ１である。
【００９４】
図２９（ａ）および図２９（ｂ）に示した瞳内位置２９０ａ，２９０ｂ，２９０ｃ，２９０ｄ，２９０ｅ，２９０ｆにおける、ＣＤ基準ウェハ１８０およびフォーカス基準ウェハ２２０に対する感応を、相関誤差を含めてまとめたのが、図３０である。断面状態の影響を受けずに線幅を計測できる瞳内位置や、線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできる瞳内位置は、いずれも、かなり狭い範囲となる。瞳内位置２９０ｅが断面状態の影響を受けずに線幅を計測できる瞳内位置となり、瞳内位置２９０ｄが線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできる瞳内位置となりうる。瞳内位置２９０ｂは、断面状態の感応力がないだけはなく、線幅に対する感応力も弱く、いわゆる不感帯位置である。なお、図２９（ａ）では、瞳内位置２９０ａのように、外乱の下地やパターン断面状態等の線幅以外の条件や、サイド・ウォール・アングル以外の条件の影響を受けることにより、線幅に対する感応はあっても、誤差の大きい位置が瞳内にはある。
【００９５】
このように、波長によって、断面状態の影響を受けずに線幅を計測できるような良好な瞳内位置がなくなったり、狭くなったり、また、線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできるような良好な瞳内位置がなくなったり、狭くなったりすることがあるので、波長の選択は重要である。なぜなら、波長は、構造性複屈折による偏光状態変化を決定する式に含まれるからである。すなわち、波長を含めて前記最適照射条件は決定されるべきである。
【００９６】
図３１（ａ）は、波長λ１の光をパターン方位角θ２（例えば、２０度程度）でＣＤ基準ウェハ１８０に照射したときの瞳ＣＤマップを示す。図３１（ｂ）は、波長λ１の光をパターン方位角θ２でフォーカス基準ウェハ２２０に照射したときの瞳フォーカスマップを示す。なお、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップと図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップを得たときのパターン方位角θ１（すなわち、最適な照射条件でのパターン方位角）は、パターン方位角θ２とは異なるパターン方位角（例えば、４５度程度）である。波長λ１は、図１７（ｆ）、図２３（ｆ）、図２９（ａ）、および図２９（ｂ）において、全て同一条件である。
【００９７】
比較のため、波長λ１の光をパターン方位角θ１で照射したときの瞳ＣＤマップおよび瞳フォーカスマップをそれぞれ、図３１（ｃ）と図３１（ｄ）に示す。図３１（ｃ）および図３１（ｄ）は、図１７（ｆ）および図２３（ｆ）の瞳内同一領域をそれぞれ切り出して示したものである。なお、図３１（ｃ）の瞳内位置１７１ｂと図３１（ｄ）の瞳内位置２３１ｂは、図３１（ａ）および図３１（ｂ）の瞳内位置３１０ｂと同一瞳座標である。また、図３１（ｃ）の瞳内位置１７１ｃと図３１（ｄ）の瞳内位置２３１ｃは、図３１（ａ）および図３１（ｂ）の瞳内位置３１０ｃと同一瞳座標である。パターン方位角θ２の図３１（ａ）とパターン方位角θ１の図３１（ｃ）とを比較すると、瞳ＣＤマップでは、パターン方位角が変わっても、線幅に感応しない瞳内位置はほぼ同一場所であることがわかる。
【００９８】
一方、パターン方位角θ２の図３１（ｂ）とパターン方位角θ１の図３１（ｄ）とを比較すると、瞳フォーカスマップでは、パターン方位角が変わると、フォーカスに感応しない瞳内位置は変化することがわかる。図３１（ｂ）においてフォーカスに感応しない瞳内位置を線３１１，３１２で示し、図３１（ｄ）においてフォーカスに感応しない瞳内位置を線３１３，３１４で示す。そうすると、フォーカスに感応しない瞳内位置の変化がわかりやすくなり、パターン方位角θ２の図３１（ｂ）の方が、パターン方位角θ１の図３１（ｄ）よりも、フォーカスに感応しない領域が瞳の外側に移動していることがわかる（すなわち、図３１（ｂ）の線３１１，３１２が図３１（ｄ）の線３１３，３１４よりも瞳の外側に移動している）。その結果、パターン方位角θ２の図３１（ｂ）で明らかなように、瞳内位置３１０ｂは、もはやフォーカスに感応しない照射条件ではなくなる。この場合には、最適照射条件とするために、瞳内位置３１０ｂをずらせば最適となる場合があるが、瞳ＣＤマップでのＣＤとの誤差等から最適かどうかを判断する必要がある。
【００９９】
このように、パターン方位角によって、断面状態の影響を受けずに線幅を計測できるような良好な瞳内位置が移動したりすることがあるので、パターン方位角の選択は重要である。これらのことから、波長のみならず、パターン方位角を含めて前記最適照射条件は決定されるべきである。以上のように、パターン方位角、波長、瞳内位置を最適選択することにより、高精度でのＣＤ計測と同時に、パターン状態検査を行うことができる。
【０１００】
ここで、本実施形態による表面検査方法の一例について、図１に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ＣＤ基準ウェハ１８０を用いて、前述した方法で図１７（ｆ）に示す瞳ＣＤマップを求める（ステップＳ１０１）。また、フォーカス基準ウェハ２２０を用いて、前述した方法で図２３（ｆ）に示す瞳フォーカスマップを求める（ステップＳ１０２）。
【０１０１】
図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップおよび図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップを求めると、これらを用いて、例えば、図１６の瞳像１６０に対して設定した複数の瞳内位置の中から、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応するが、フォーカス基準ウェハ２２０には感応しない瞳内位置１６１ｂ（第１特定位置）を特定するとともに、フォーカス基準ウェハ２２０には感応するが、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応しない瞳内位置１６１ｃ（第２特定位置）を特定する（ステップＳ１０３）。なおこのとき、他の適切な照射条件（波長λ１やパターン方位角θ１）も決定される。なお、ＣＤ基準ウェハ１８０には感応するが、フォーカス基準ウェハ２２０には感応しない瞳内位置は、上述の瞳内位置１６１ｂのように、図１６の瞳像１６０において左上から右下へ４５度方向に延びる直線上に並ぶ瞳内位置、すなわち、Ｐｘ軸方向である直線偏光（入射光Ｉ）の偏光方向に対して直線偏光の照射方向が（図１６における反時計回りに）４５度近傍に傾いた照射条件に対応する瞳内位置であることが好ましい。この瞳内位置は、繰り返しパターン３０の下地の影響を受けない位置であるため、瞳内位置での階調値からＣＤ値を精度よく求めることができる。
【０１０２】
このようにして照射条件を求めると、当該照射条件により、表面検査装置１を用いてウェハ５の表面検査を精度よく行うことができる。そこで、求めた照射条件により、照明光学系１０を用いてウェハ５の表面に直線偏光を照射する（ステップＳ１０４）。このとき、図２に示すように、光源１１から放出された光は、集光レンズ１２、波長選択フィルター１３、および第１の偏光フィルター１４を透過したのち、プリズム８で下方へ反射して平行な入射光Ｉ（直線偏光）となり、対物レンズ７を通してウェハ５に照射される。
【０１０３】
ウェハ５からの反射光は、対物レンズ７で受光される（ステップＳ１０５）。このとき、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、第２の偏光フィルター１６、およびリレーレンズ１７を透過して、撮像素子１８に入射する。そこで、対物レンズ７の瞳面（不図示）と共役な位置に設けられた撮像素子１８を用いて、入射光Ｉ（直線偏光）の偏光方向と垂直な偏光成分を検出する（ステップＳ１０６）。このとき、撮像素子１８に入射した反射光は撮像素子１８により電気信号に光電変換され、第２の偏光フィルター１６を透過した反射光の検出信号が演算処理部２０に出力される。
【０１０４】
そして、演算処理部２０は、撮像素子１８から入力された検出信号に基づいて、繰り返しパターン３０のライン部分３１のＣＤ値および露光時のフォーカス量を求める（ステップＳ１０７）。このとき、演算処理部２０は、図１７（ｆ）の瞳ＣＤマップおよび図２３（ｆ）の瞳フォーカスマップを用いて、ステップＳ１０３で特定した瞳内位置１６１ｂ（第１特定位置）での階調値からＣＤ値を求めるとともに、瞳内位置１６１ｃ（第２特定位置）での階調値からフォーカス量を求める。なお、求めたＣＤ値が所定の閾値から外れた場合、ドーズ量異常と判定してその旨を画像表示装置（図示せず）等に表示することができる。また、求めたフォーカス量が所定の閾値から外れた場合、フォーカス異常と判定してその旨を画像表示装置等に表示することができる。
【０１０５】
以上のようにして、本実施形態によれば、ウェハ５のＣＤ値（線幅）を精度良く計測できるだけではなく、ＣＤ計測と同時にパターンの断面状態変化を検出可能である。そのため、露光後のウェハ５に適用すれば、露光工程で発生するフォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することができるので、露光装置の問題を解決し、不良ウェハをリワーク工程に回して再生することができる。従来はエッチング後に多大な時間をかけて検査していたフォーカス異常をフォトレジスト段階で検査することができれば、問題の早期発見・解決に絶大な効果があり、チップあたりの製造単価が高くなりつつある最先端半導体デバイスに対しては、チップあたりの製造単価を低減させることも期待できる。
【０１０６】
なお、上述の実施形態においては、ＮＡの高い対物レンズ７を用いて照明光を照射・反射光を受光し、対物レンズ７の瞳面内の位置を選択受光することにより、特定の照射条件を選んでいるが、その特定の照射条件は、既述したようにＮＡ＝０．０１〜０．１程度と小さい。そのため、特定の照射条件を決定した後、ＮＡの高い対物レンズを用いずに、特定の照射条件に設定したＮＡの低い光学系を用いて照射・受光するようにしてもよい。例えば、図３２に示すように、断面状態の影響を受けずに線幅を計測できるような、入射角ｉ１、入射面方位角ω１、パターン方位角θ１で決定されるとともに、偏光角φ１に代表される入射光の偏光方向、波長λ１で決定される第１の照射条件を構成する第１の光学系３２１と、線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできるような、入射角ｉ２、入射面方位角ω２、パターン方位角θ２で決定されるとともに、偏光角φ２に代表される入射光の偏光方向、波長λ２で決定される第２の照射条件を構成する第２の光学系３２２とを有するものであってもよい。したがって、同一対物レンズの同一瞳を使う構成に限られるものではない。
【０１０７】
また、上述の実施形態において、最適照射条件を決定するために用いたＣＤ基準ウェハ１８０およびフォーカス基準ウェハ２２０は別のウェハである必要はなく、ＣＤ基準ウェハ１８０の構成とフォーカス基準ウェハ２２０の構成とを併せ持った構成の１枚のウェハとしてもよい。
【符号の説明】
【０１０８】
１ 表面検査装置
５ ウェハ（基板） ７ 対物レンズ（受光光学系）
１０ 照明光学系（照射部） １５ 検出光学系（検出部）
２０ 演算処理部（演算部）
３０ 繰り返しパターン（線状パターン）
１６１ｂ 瞳内位置（第１の特定位置）
１６１ｃ 瞳内位置（第２の特定位置）
１８０ ＣＤ基準ウェハ（第１の基準基板）
２２０ フォーカス基準ウェハ（第２の基準基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の繰り返しパターンを有する基板の表面に直線偏光を照射する照射ステップと、
前記直線偏光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光光学系により受光する受光ステップと、
前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光ステップで受光した前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な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した前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算ステップとを有し、
前記演算ステップにおいて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第１特定位置とは異なる第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることを特徴とする表面検査方法。
【請求項２】
前記線幅が既知である第１の基準基板を用いて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面内に設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関をそれぞれ求める線幅相関算出ステップと、
前記フォーカス状態が既知である第２の基準基板を用いて、前記設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記フォーカス状態との相関をそれぞれ求めるフォーカス相関算出ステップと、
前記複数の瞳内位置のうち、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が高くて前記フォーカス状態との相関が低い瞳内位置を前記第１特定位置として特定するとともに、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が低くて前記フォーカス状態との相関が高い瞳内位置を前記第２特定位置として特定する特定ステップとを有し、
前記演算ステップにおいて、前記特定ステップで特定した前記第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記特定ステップで特定した前記第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
【請求項３】
前記線幅相関算出ステップおよび前記フォーカス相関算出ステップの少なくとも一方において、前記瞳面もしくは瞳面と共役な面内全体を複数の区画に分割して前記複数の瞳内位置を設定し、前記区画毎にそれぞれ前記相関を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査方法。
【請求項４】
前記特定ステップにおける前記第１特定位置および前記第２特定位置の少なくとも一方は、線形性を有する相関を示す瞳内位置であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項５】
前記特定ステップにおける前記第１特定位置は、前記直線偏光の照射方向が前記直線偏光の偏光方向に対して４５度近傍に傾いた照射条件に対応する瞳内位置であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項６】
所定の繰り返しパターンを有する基板の表面に直線偏光を照射する照射部と、
前記直線偏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、
前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光光学系に受光された前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出部と、
前記検出部に検出された前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算部とを備え、
前記演算部は、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第１特定位置とは異なる第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることを特徴とする表面検査装置。
【請求項７】
前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面に配設された撮像素子を備えることを特徴とする請求項６に記載の表面検査装置。
【請求項１】
所定の繰り返しパターンを有する基板の表面に直線偏光を照射する照射ステップと、
前記直線偏光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光光学系により受光する受光ステップと、
前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光ステップで受光した前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な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した前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算ステップとを有し、
前記演算ステップにおいて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第１特定位置とは異なる第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることを特徴とする表面検査方法。
【請求項２】
前記線幅が既知である第１の基準基板を用いて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面内に設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関をそれぞれ求める線幅相関算出ステップと、
前記フォーカス状態が既知である第２の基準基板を用いて、前記設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記フォーカス状態との相関をそれぞれ求めるフォーカス相関算出ステップと、
前記複数の瞳内位置のうち、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が高くて前記フォーカス状態との相関が低い瞳内位置を前記第１特定位置として特定するとともに、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が低くて前記フォーカス状態との相関が高い瞳内位置を前記第２特定位置として特定する特定ステップとを有し、
前記演算ステップにおいて、前記特定ステップで特定した前記第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記特定ステップで特定した前記第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
【請求項３】
前記線幅相関算出ステップおよび前記フォーカス相関算出ステップの少なくとも一方において、前記瞳面もしくは瞳面と共役な面内全体を複数の区画に分割して前記複数の瞳内位置を設定し、前記区画毎にそれぞれ前記相関を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査方法。
【請求項４】
前記特定ステップにおける前記第１特定位置および前記第２特定位置の少なくとも一方は、線形性を有する相関を示す瞳内位置であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項５】
前記特定ステップにおける前記第１特定位置は、前記直線偏光の照射方向が前記直線偏光の偏光方向に対して４５度近傍に傾いた照射条件に対応する瞳内位置であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項６】
所定の繰り返しパターンを有する基板の表面に直線偏光を照射する照射部と、
前記直線偏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、
前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光光学系に受光された前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出部と、
前記検出部に検出された前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算部とを備え、
前記演算部は、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第１特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第１特定位置とは異なる第２特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることを特徴とする表面検査装置。
【請求項７】
前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面に配設された撮像素子を備えることを特徴とする請求項６に記載の表面検査装置。
【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２４】
【図２７】
【図２８】
【図３０】
【図３２】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２５】
【図２６】
【図２９】
【図３１】
【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２４】
【図２７】
【図２８】
【図３０】
【図３２】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２５】
【図２６】
【図２９】
【図３１】
【公開番号】特開２０１１−９９８２２（Ｐ２０１１−９９８２２Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５６２８５（Ｐ２００９−２５６２８５）
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月９日（２００９．１１．９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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