表面検査装置
【課題】安価でスループットの高い検査が可能な表面検査装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る表面検査装置１は、繰り返しパターンが形成されたウェハ１０の表面に直線偏光Ｌ１を照射する照明光学系３０と、ウェハ１０を保持するアライメントステージ２０と、ウェハ１０の表面からの反射光の像を撮像する撮像光学系４０と、撮像光学系４０により撮像された画像を記憶する画像記憶部５１と、画像記憶部５１に記憶された画像に所定の画像処理を行って繰り返しパターンの欠陥を検出する画像処理部５２と、画像処理部５２による画像処理の結果を出力する処理結果出力部５３とを備え、第２偏光板４３の透過軸の方位が第１偏光板３２の透過軸に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の傾斜角度で傾斜するように設定される。
【解決手段】本発明に係る表面検査装置１は、繰り返しパターンが形成されたウェハ１０の表面に直線偏光Ｌ１を照射する照明光学系３０と、ウェハ１０を保持するアライメントステージ２０と、ウェハ１０の表面からの反射光の像を撮像する撮像光学系４０と、撮像光学系４０により撮像された画像を記憶する画像記憶部５１と、画像記憶部５１に記憶された画像に所定の画像処理を行って繰り返しパターンの欠陥を検出する画像処理部５２と、画像処理部５２による画像処理の結果を出力する処理結果出力部５３とを備え、第２偏光板４３の透過軸の方位が第１偏光板３２の透過軸に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の傾斜角度で傾斜するように設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハや液晶基板等の表面を検査する表面検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の微細化が進むにつれて、露光装置のＮＡ（開口数）が高くなり、これに伴ってフォーカスやドーズ等の露光条件を厳しく管理する必要が増大している。従来においては、露光後のレジストパターンにおけるフォーカスまたはドーズエラーによる欠陥をパターンエッジラフネス検査技術で検査している（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】国際公開第０５／０４０７７６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の検査技術で検査を行うと、被検基板上の繰り返しパターンが変化したときの、撮像素子等により検出される光の光量変化、すなわち、パターン欠陥に対する感度の大きくなる条件が撮像素子の暗電流ノイズに応じて変化することがわかった。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、表面検査の精度を向上させた表面検査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】
【０００５】
このような目的達成のため、本発明に係る表面検査装置は、繰り返しパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、前記被検基板の表面からの反射光の像を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された画像を表示する画像表示部とを備え、前記被検基板と前記撮像部との間に、前記被検基板の表面からの反射光を第２の直線偏光にする偏光素子が配設され、前記第２の直線偏光の像を前記撮像部が撮像するように構成されており、前記第２の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向が前記第１の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の角度となるように前記偏光素子が設定される。
【０００６】
また、第２の本発明に係る表面検査装置は、繰り返しパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、前記被検基板の表面からの反射光の像を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された画像に所定の画像処理を行って前記繰り返しパターンの欠陥を検出する画像処理部と、前記画像処理部による前記画像処理の結果を出力する処理結果出力部とを備え、前記被検基板と前記撮像部との間に、前記被検基板の表面からの反射光を第２の直線偏光にする偏光素子が配設され、前記第２の直線偏光の像を前記撮像部が撮像するように構成されており、前記第２の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向が前記第１の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の角度となるように前記偏光素子が設定される。
【０００７】
なお、上述の発明において、前記被検基板の表面における前記第１の直線偏光の進行方向と前記繰り返しパターンの繰り返し方向とのなす角度が所定角度となるように前記被検基板を保持する保持部を備え、前記保持部により前記所定角度が約４５度に設定されることが好ましい。
【０００８】
また、上述の発明において、前記撮像部の暗電流ノイズレベルの大きさに応じて、前記撮像部における前記被検基板の繰り返しパターンの欠陥に対する光の光量変化の感度が最大となるように前記角度が設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、表面検査の精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態の表面検査装置１は、図１に示すように、被検基板である半導体ウェハ１０を支持するアライメントステージ２０と、照明光学系３０と、撮像光学系４０と、画像処理装置５０とを主体に構成される。表面検査装置１は、半導体回路素子の製造工程において、ウェハ１０の表面の検査を自動的に行う装置である。ウェハ１０は、最上層のレジスト膜への露光・現像後、不図示の搬送系により、不図示のウェハカセットまたは現像装置から運ばれ、アライメントステージ２０に吸着保持される。
【００１１】
ウェハ１０の表面には、図２に示すように、複数のチップ領域１１がＸＹ方向に配列され、各チップ領域の中に所定の繰り返しパターン１２が形成されている。繰り返しパターン１２は、図３に示すように、複数のライン部２Ａがその短手方向（Ｘ方向）に沿って一定のピッチＰで配列されたレジストパターン（例えば、配線パターン）である。隣り合うライン部２Ａ同士の間は、スペース部２Ｂである。なお、ライン部２Ａの配列方向（Ｘ方向）を「繰り返しパターン１２の繰り返し方向」と称する。
【００１２】
ここで、繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａの線幅ＤAの設計値をピッチＰの１／２とする。設計値の通りに繰り返しパターン１２が形成された場合、ライン部２Ａの線幅ＤAとスペース部２Ｂの線幅ＤBは等しくなり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比は略１：１になる。これに対して、繰り返しパターン１２を形成する際の露光フォーカスが適正値から外れると、ピッチＰは変わらないが、ライン部２Ａの線幅ＤAが設計値と異なってしまうとともに、スペース部２Ｂの線幅ＤBとも異なってしまい、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。
【００１３】
本実施形態の表面検査装置１は、上記のような繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比の変化を利用して、繰り返しパターン１２の欠陥検査を行うものである。説明を簡単にするため、理想的な体積比（設計値）を１：１とする。体積比の変化は、露光フォーカスの適正状態からの外れに起因し、ウェハ１０のショット領域ごとに現れる。なお、体積比を断面形状の面積比と言い換えることもできる。
【００１４】
また、本実施形態においては、繰り返しパターン１２に対する照明光（後述）の波長と比較して繰り返しパターン１２のピッチＰが十分小さいものとする。このため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはなく、繰り返しパターン１２の欠陥検査を回折光により行うことはできない。本実施形態における欠陥検査の原理は、以降、表面検査装置の構成（図１）とともに順に説明する。
【００１５】
アライメントステージ２０は、ウェハ１０を上面で支持して、例えば真空吸着により固定保持する。さらに、アライメントステージ２０は、上面の中心における法線Ａ１を中心軸として回転可能である。この回転機構によって、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（図２および図３におけるＸ方向）を、ウェハ１０の表面内で回転させることができる。なお、アライメントステージ２０は、上面が水平面であり、ウェハ１０を常に水平な状態に保つ。
【００１６】
また、上述のように回転するアライメントステージ２０は、所定の位置で停止し、その結果、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（図２および図３におけるＸ方向）を、後述の照明光の入射面（照明光の進行方向）に対して、４５度の角度に傾けて設定することができるようになっている。
【００１７】
照明光学系３０は、ランプハウス３１と、第１偏光板３２と、第１位相板３３と、第１楕円鏡３４とを有して構成され、アライメントステージ２０上のウェハ１０の繰り返しパターン１２を直線偏光Ｌ１（第１の直線偏光）により照明するようになっている。この直線偏光Ｌ１が、繰り返しパターン１２に対する照明光である。直線偏光Ｌ１は、ウェハ１０の表面全体に照射される。
【００１８】
直線偏光Ｌ１の進行方向（ウェハ１０表面上の任意の点に到達する直線偏光Ｌ１の主光線の方向）は、第１楕円鏡３４からの光軸Ｏ１に略平行である。光軸Ｏ１は、アライメントステージ２０の中心を通り、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して所定の角度αだけ傾けられている。ちなみに、直線偏光Ｌ１の進行方向を含み、アライメントステージ２０の法線Ａ１に平行な平面が、直線偏光Ｌ１の入射面である。図４の入射面Ａ２は、ウェハ１０の中心における入射面である。
【００１９】
また、本実施形態では、直線偏光Ｌ１がｐ偏光である。つまり、図５（ａ）に示すように、直線偏光Ｌ１の進行方向と電気（または磁気）ベクトルの振動方向とを含む平面（直線偏光Ｌ１の振動面）が、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれる。直線偏光Ｌ１の振動面は、ランプハウス３１と第１楕円鏡３４との間に配設された第１偏光板３２の透過軸により規定される。
【００２０】
ところで、ランプハウス３１は、不図示の超高圧水銀灯光源と波長選択フィルタを内蔵し、所定波長の光を出射する。なお、光源として、水銀灯に限らずメタルハライドランプを用いるようにしてもよい。また、波長選択フィルタは、水銀灯光源からの光のうち所定波長の輝線スペクトルを選択的に透過させる。
【００２１】
第１偏光板３２は、ランプハウス３１と第１楕円鏡３４との間に配設されるとともに、その透過軸が所定の方位に設定され、透過軸に応じてランプハウス３１からの光を直線偏光にする。第１位相板３３は、第１偏光板３２と第１楕円鏡３４との間の空間に挿抜可能に配設されており、第１楕円鏡３４で反射する光が乱れるのを補正するために用いられる。第１楕円鏡３４は、第１楕円鏡３４で反射するランプハウス３１からの光を平行光束にして、被検基板であるウェハ１０を照明する。
【００２２】
上記の照明光学系３０において、ランプハウス３１からの光は、第１偏光板３２および第１楕円鏡３４を介しｐ偏光の直線偏光Ｌ１となって、ウェハ１０の表面全体に入射する。ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌ１の入射角度は、平行光束のため互いに同じであり、光軸Ｏ１と法線Ａ１とのなす角度αに相当する。
【００２３】
本実施形態では、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌ１がｐ偏光であるため、図４に示すように、繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）が直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２（ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の進行方向）に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度も、４５度に設定される。
【００２４】
言い換えると、直線偏光Ｌ１は、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向（図６におけるＶの方向）が繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して４５度傾いた状態で、繰り返しパターン１２を斜めに横切るようにして繰り返しパターン１２に入射する。
【００２５】
このような直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン１２との角度状態は、ウェハ１０の表面全体において均一である。なお、４５度を１３５度，２２５度，３１５度のいずれかに言い換えても、直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン１２との角度状態は同じである。また、図６の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度を４５度に設定するのは、繰り返しパターン１２の欠陥検査の感度を最も高くするためである。
【００２６】
そして、上記の直線偏光Ｌ１を用いて繰り返しパターン１２を照明すると、繰り返しパターン１２から正反射方向に楕円偏光Ｌ２が発生する（図１および図５（ｂ）を参照）。この場合、楕円偏光Ｌ２の進行方向が正反射方向に一致する。正反射方向とは、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれ、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して角度α（直線偏光Ｌ１の入射角度αに等しい角度）だけ傾いた方向である。なお、上述の通り、繰り返しパターン１２のピッチＰが照明波長と比較して十分短いため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはない。
【００２７】
ここで、直線偏光Ｌ１が繰り返しパターン１２での反射により楕円化し、繰り返しパターン１２から楕円偏光Ｌ２が発生する理由について簡単に説明する。直線偏光Ｌ１は、繰り返しパターン１２に入射すると、振動面の方向（図６のＶ方向）が、図７に示す２つの偏光成分ＶX，ＶYに分かれる。一方の偏光成分ＶXは、繰り返し方向（Ｘ方向）に平行な成分である。他方の偏光成分ＶYは、繰り返し方向（Ｘ方向）に垂直な成分である。そして、２つの偏光成分ＶX，ＶYは、それぞれ独立に、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１２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ＶX，ＶY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Ｌ２となる（図５（ｂ）を参照）。
【００２８】
また、繰り返しパターン１２の異方性に起因する楕円化の程度は、図５（ｂ）で示す楕円偏光Ｌ２のうち、図５（ａ）で示す直線偏光Ｌ１の振動面に垂直な偏光成分Ｌ３（図５（ｃ）を参照）と考えることができる。そして、この偏光成分Ｌ３の大きさは、繰り返しパターン１２の材質および形状と、図６の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度に依存する。このため、Ｖ方向とＸ方向とのなす角度を一定の値（本実施形態では４５度）に保つ場合、繰り返しパターン１２の材質が一定であっても、繰り返しパターン１２の形状が変化すると、楕円化の程度（偏光成分Ｌ３の大きさ）が変化することになる。
【００２９】
繰り返しパターン１２の形状と偏光成分Ｌ３の大きさとの関係について説明する。図３に示すように、繰り返しパターン１２は、ライン部２Ａとスペース部２ＢとをＸ方向に沿って交互に配列した凹凸形状を有し、適正な露光フォーカスで設計値通りに形成されると、ライン部２Ａの線幅ＤAとスペース部２Ｂの線幅ＤBが等しくなるが、露光フォーカスが適正から外れると、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。このとき、偏光成分Ｌ３の大きさは理想的な場合と比較して小さくなる。偏光成分Ｌ３の大きさの変化を図示すると、図８のようになる。図８の横軸は、ライン部２Ａの線幅ＤAである。
【００３０】
このように、直線偏光Ｌ１を用いて、図６の振動面の方向（Ｖ方向）が繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して４５度だけ傾いた状態で、繰り返しパターン１２を照明すると、正反射方向に反射して生じた楕円偏光Ｌ２は、その楕円化の程度（図５（ｃ）における偏光成分Ｌ３の大きさ）が、繰り返しパターン１２の形状（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比）に応じたものとなる。楕円偏光Ｌ２の進行方向は、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれ、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して角度αだけ傾いている。
【００３１】
さて、撮像光学系４０は、図１に示すように、第２楕円鏡４１と、第２位相板４２と、第２偏光板４３と、回転駆動装置４４と、撮像カメラ４５とを有して構成される。第２楕円鏡４１は、照明光学系３０の第１楕円鏡３４と同様の反射鏡であり、その光軸Ｏ２が、アライメントステージ２０の中心を通り、かつ、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して角度αだけ傾くように配設されている。したがって、繰り返しパターン１２からの反射光である楕円偏光Ｌ２は、第２楕円鏡４１の光軸Ｏ２に沿って進むことになる。第２楕円鏡４１は、楕円偏光Ｌ２を反射させて撮像カメラ４５の撮像面に集光する。
【００３２】
第２楕円鏡４１と撮像カメラ４５との間には、第２偏光板４３が配設される。第２偏光板４３は、回転駆動装置４４を用いて光軸Ｏ２を中心に透過軸の方位（偏光方向）を回転可能に構成されており、第２偏光板４３の透過軸の方位は、上述した照明光学系３０の第１偏光板３２の透過軸に対して、４５度以上１３５度以下の傾斜角度で傾けることができるように設定されている。したがって、楕円偏光Ｌ２が第２偏光板４３を透過するとその偏光成分、すなわち第２偏光板４３からの直線偏光Ｌ４（第２の直線偏光）が撮像カメラ４５の撮像面に集光される。その結果、撮像カメラ４５の撮像面には、直線偏光Ｌ４によるウェハ１０の反射像が形成される。また、第２位相板４２は、第２楕円鏡４１と第２偏光板４３との間の空間に挿抜可能に配設されており、第２楕円鏡４１で反射する光が乱れるのを補正するために用いられる。
【００３３】
撮像カメラ４５は、不図示のＣＣＤ撮像素子を有するＣＣＤカメラであり、撮像面に形成されたウェハ１０の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理装置５０の画像記憶部５１に出力する。ウェハ１０の反射像の明暗は、直線偏光Ｌ４の光強度に略比例し、繰り返しパターン１２の形状に応じて変化する。ウェハ１０の反射像が最も明るくなるのは、繰り返しパターン１２が理想的な形状の場合である。なお、ウェハ１０の反射像の明暗は、ショット領域ごとに現れる。
【００３４】
画像処理装置５０は、画像記憶部５１と、画像記憶部５１と電気的に接続された画像処理部５２と、画像処理部５２と電気的に接続された処理結果出力部５３と、撮像カメラ４５における暗電流のノイズを検出するノイズ検出部５４と、これらの作動を統括的に制御するシステム制御部５５とを有して構成され、撮像カメラ４５から出力される画像信号に基づいて、ウェハ１０の反射画像を画像記憶部５１に取り込む。なお、画像記憶部５１には、比較のため、良品ウェハ（不図示）の反射画像も予め記憶されている。この良品ウェハの反射画像の輝度情報は、最も高い輝度値を示すものと考えられる。
【００３５】
画像処理部５２は、画像記憶部５１に被検基板であるウェハ１０の反射画像が取り込まれると、その輝度情報を良品ウェハの反射画像の輝度情報と比較する。このとき、ウェハ１０の反射画像における暗い箇所の輝度値の低下量（光量変化）に基づいて、繰り返しパターン１２の欠陥を検出する。たとえば、輝度値の低下量が予め定められた閾値（許容値）より大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断すればよい。そして、画像処理部５２による輝度情報の比較結果およびそのときのウェハ１０の反射画像が処理結果出力部５３で出力表示される。
【００３６】
なお、画像処理装置５０においては、上述のように、画像記憶部５１に良品ウェハの反射画像を予め記憶しておく構成の他、ウェハ１０のショット領域の配列データと輝度値の閾値を予め記憶しておく構成でもよい。この場合、ショット領域の配列データに基づいて、取り込まれたウェハ１０の反射画像中における各ショット領域の位置が分かるので、各ショット領域の輝度値を求める。そして、その輝度値と記憶されている閾値とを比較することにより、パターンの欠陥を検出する。閾値より輝度値が小さいショット領域を「欠陥」と判断すればよい。
【００３７】
なお、本実施形態のように、ウェハ１０の表面に対して直線偏光Ｌ１を斜めに入射させる場合、繰り返しパターン１２から発生する楕円偏光Ｌ２は、厳密に言えば、この進行方向を軸として僅かに回転している。以下、図５（ｂ）に示すように、このような楕円偏光Ｌ２の回転角をφとする。
【００３８】
ところで、従来の表面検査装置では、第２偏光板４３の透過軸の方位が第１偏光板３２の透過軸に対して９０度だけ傾くように、すなわち、直線偏光Ｌ４の進行方向と垂直な面内における振動方向が、直線偏光Ｌ１の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して９０度だけ傾くように設定されていた。従来の表面検査装置を用いてウェハ１０の表面検査を行った場合、ウェハ１０での反射による楕円偏光Ｌ２の回転角をφ（図５（ｂ）を参照）とすると、撮像カメラ４５に到達する光の光量変化は、sin2φに比例する。このような回転は繰り返しパターン１２によって生じるものであり、露光時のフォーカスまたはドーズにより敏感に変化する。しかしながら、本願発明の発明者は、撮像カメラ４５におけるウェハ１０のパターン欠陥に対する光強度変化の感度が最も大きくなる条件（第２偏光板４３の角度）が撮像カメラ４５（撮像素子）の暗電流のノイズに応じて変化することを発見した。
【００３９】
そこで、本実施形態の表面検査装置１では、第２偏光板４３の透過軸の方位が第１偏光板３２の透過軸に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の傾斜角度でも傾斜できるように、すなわち、直線偏光Ｌ４の進行方向と垂直な面内における振動方向が、直線偏光Ｌ１の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の傾斜角度でも傾斜できるようになっている（４５度の例について、図５（ａ）および（ｃ）を参照）。このようにすれば、ノイズ検出部５４により検出した（撮像カメラ４５の）暗電流のノイズの大きさに応じて、撮像カメラ４５におけるウェハ１０のパターン欠陥に対する光強度変化の感度が最大となるように第２偏光板４３の傾斜角度を上記範囲で設定することにより、常に感度が最も大きくなる条件でウェハ１０の表面検査を行うことが可能になり、ウェハ１０の表面検査の精度を向上させることができる。
【００４０】
ここで、本実施形態の光学原理について説明する。第１偏光板３２の透過軸に対する第２偏光板４３の透過軸の傾斜角度をθとし、照明偏光（直線偏光Ｌ１）に対する反射偏光（楕円偏光Ｌ２）の回転方位（すなわち、ウェハ１０での反射による楕円偏光Ｌ２の回転角）をφとし、撮像カメラ４５における暗電流のノイズの大きさをｎとすると、ウェハ１０での反射において回転を受けた光の光量を（１）式、回転を受けない光の光量を（２）式のように表すことができる。
【００４１】
回転を受けた光の光量＝cos2（θ＋φ）＋ｎ …（１）
回転を受けない光の光量＝cos2（θ）＋ｎ …（２）
【００４２】
従って、回転を受けたときの光量変化は、（３）式のように表すことができる。
【００４３】
光量変化＝cos2（θ＋φ）−cos2（θ） …（３）
【００４４】
また、このときの（回転を受けない光に対する）光量変化率は、（４）式のように表すことができる。
【００４５】
光量変化率＝｛cos2（θ＋φ）−cos2（θ）｝／｛cos2（θ）＋ｎ｝ …（４）
【００４６】
φの変化に対する光量変化の大きさとして感度を求めると、（５）式のように表すことができる。
【００４７】
感度＝ｄ（光量変化率）／ｄφ
＝｛２×cos（θ＋φ）×sin（θ＋φ）｝／｛cos2（θ）＋ｎ｝ …（５）
【００４８】
ここで、回転角φは微小量であるので、（５）式を（６）式のように表すことができる。
【００４９】
感度≒｛−２×cos（θ）×sin（θ）｝／｛cos2（θ）＋ｎ｝ …（６）
【００５０】
従って、回転角φが小さい場合には、感度が最大となる傾斜角度θの条件が、暗電流のノイズの大きさｎに応じて変化することがわかる。
【００５１】
感度を表す（６）式についてグラフ化すると、図９のようになる。図９から分かるように、例えば、ｎ＝０．０１のとき、θ≒８４度で感度が最大となり、ｎ＝０．０５のとき、θ≒７８度で感度が最大となることがわかる。なおこのとき、感度については、絶対値が最大のとき、感度が最大となる。また、ｎ＝０のとき、θ＝９０度で感度が最大（無限大）となることが分かる。
【００５２】
この結果、本実施形態の表面検査装置１によれば、第２偏光板４３の透過軸の方位（直線偏光Ｌ４の振動方向）が第１偏光板３２の透過軸（直線偏光Ｌ１の振動方向）に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の傾斜角度で傾斜するように設定されるため、感度の大きい条件でウェハ１０の表面検査を行うことが可能になり、表面検査の精度を向上させることができる。
【００５３】
具体的には、ノイズ検出部５４により検出した（撮像カメラ４５の）暗電流のノイズの大きさに応じて、撮像カメラ４５におけるウェハ１０のパターンの欠陥に対する光の光量変化の感度が最大となるように傾斜角度を設定することにより、常に感度が最も大きくなる条件でウェハ１０の表面検査を行うことが可能になり、表面検査の精度をより向上させることができる。
【００５４】
また、図６における振動面の方向（直線偏光Ｌ１の進行方向）と繰り返しパターン１２の繰り返し方向とのなす角度を４５度に設定したことにより、ウェハ１０の反射画像の光量変化（輝度値の低下量）を大きく捉えることができ、繰り返しパターン１２の欠陥検査をより高感度で行うことができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、理解しやすさのために、撮像カメラ４５の暗電流ノイズを測定するノイズ検出部５４を設けたが、暗電流ノイズは、一般的にカメラの種類によりほぼ一定値となるので、カメラの性能データシートから求めてもよいし、サンプルとして何台かを測定して標準の値を決定してもよい。また、厳密を期して、カメラの一台ごとに測定を行う場合でも、装置への組み込み時に一度測定すればよい。ノイズレベルは、一般的な画像処理により求めることができるので、特別なノイズ検出部を設けなくとも、画像処理部５２において計測可能である。
【００５６】
なお、本実施形態の表面検査装置１では、照明波長と比較して繰り返しパターン１２のピッチＰが十分小さい場合に限らず、構造性複屈折が生じれば、繰り返しパターン１２のピッチＰが照明波長と同程度でも、照明波長より大きい場合でも、同様に繰り返しパターン１２の欠陥検査を行うことができる。すなわち、繰り返しパターン１２のピッチＰに拘わらず、確実に欠陥検査を行うことができる。繰り返しパターン１２による直線偏光Ｌ１の楕円化は、繰り返しパターン１２のライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比に依存して起こるものであり、繰り返しパターン１２のピッチＰに依存しないからである。
【００５７】
なお、上述の実施形態において、撮像カメラ４５がウェハ１０の表面全体の像を一括撮像するように構成されているが、これに限られるものではない。例えば、図１０に示すように、偏光顕微鏡７２によるウェハ１０表面の一部の拡大像を顕微鏡用撮像カメラ７３により撮像し、撮像した顕微鏡画像１０Ａまたはそれらを合成したウェハ表面全体の合成画像７４を表示するようにしてもよい。このようにすれば、上述の実施形態と同様の効果を得ることができるのに加え、時間がかかるが、より細かい場所毎の欠陥検査を行うことが可能になる。
【００５８】
なお、図１０に示す第１の変形例に係る表面検査装置７０では、ウェハ１０が顕微鏡用アライメントステージ７１に保持される。また、顕微鏡用撮像カメラ７３による顕微鏡画像１０Ａは、顕微鏡用撮像カメラ７３から画像処理装置５０の画像記憶部５１に取り込まれる。そして、上述の実施形態と同様にして、画像処理部５２がウェハ１０における繰り返しパターン１２の欠陥を検出し、検出結果およびウェハ表面全体の合成画像７４が処理結果出力部５３で出力表示される。また、図１０に示す表面検査装置７０において、照明光学系は上述の実施形態と同じ構成であり、詳細な説明および図示を省略する。なおこのとき、ノイズ検出部５４が撮像カメラにおける暗電流のノイズを検出するのは上述の実施形態と同様である。
【００５９】
また、上述の実施形態において、画像処理装置５０を用いずに、図１１に示すように、撮像カメラ４５に撮像されたウェハ１０の反射画像を画像表示部９１で表示して、目視によりウェハ１０における繰り返しパターン１２の欠陥を検出するようにしてもよい。このようにしても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、図１１に示す第２の変形例に係る表面検査装置９０において、アライメントステージ２０、照明光学系３０、および撮像光学系４０は上述の実施形態と同じ構成であり、同一番号を付して詳細な説明を省略する。なおこのとき、撮像カメラにおける暗電流のノイズを検出するノイズ検出部９２が、画像表示部９１と別体に設けられる。
【００６０】
また、上述の実施形態において、直線偏光Ｌ１がｐ偏光である例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ｐ偏光ではなくｓ偏光にしてもよい。ｓ偏光とは、振動面が入射面に垂直な直線偏光である。このため、図４に示すように、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）が、ｓ偏光である直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面におけるｓ偏光の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度も、４５度に設定される。なお、ｐ偏光は、繰り返しパターン１２のライン部２Ａのエッジ形状に拘わる欠陥情報を取得するのに有利である。また、ｓ偏光は、ウェハ１０の表面の欠陥情報を効率よく捉えて、ＳＮ比を向上させるのに有利である。
【００６１】
さらに、ｐ偏光やｓ偏光に限らず、振動面が入射面に対して任意の傾きを持つような直線偏光でも構わない。この場合、繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）を直線偏光Ｌ１の入射面に対して４５度以外の角度に設定し、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度を、４５度に設定することが好ましい。
【００６２】
また、上述の実施形態では、ランプハウス３１に内蔵された超高圧水銀灯の光と第１偏光板３２を利用して、直線偏光Ｌ１を作り出すように構成されているが、これに限られるものではなく、レーザを光源として使用すれば第１偏光板３２は必要ない。
【００６３】
さらに、上述の実施形態において、第１および第２位相板３３，４２の効果について説明を省略したが、第１および第２楕円鏡３４，４１等における光の複屈折をキャンセルするために位相板を用いた方がよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係る表面検査装置の全体構成を示す図である。
【図２】半導体ウェハの表面の外観図である。
【図３】繰り返しパターンの凹凸構造を説明する斜視図である。
【図４】直線偏光の入射面と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。
【図５】直線偏光と楕円偏光の振動方向を説明する図である。
【図６】直線偏光の振動面の方向と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。
【図７】直線偏光の振動面の方向が繰り返し方向に平行な偏光成分と垂直な偏光成分とに分かれる様子を説明する図である。
【図８】偏光成分の大きさと繰り返しパターンのライン部の線幅との関係を説明する図である。
【図９】第１偏光板の透過軸に対する第２偏光板の透過軸の方位と感度との関係を説明する図である。
【図１０】表面検査装置の第１の変形例を示す図である。
【図１１】表面検査装置の第２の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 表面検査装置
１０ ウェハ（被検基板） １２ 繰り返しパターン
２０ アライメントステージ（保持部） ３０ 照明光学系（照明部）
４０ 撮像光学系 ４３ 第２偏光板（偏光素子）
４５ 撮像カメラ（撮像部）
５０ 画像処理装置 ５１ 画像記憶部
５２ 画像処理部 ５３ 処理結果出力部
５４ ノイズ検出部
７０ 表面検査装置（第１の変形例） ７１ 顕微鏡用アライメントステージ
７２ 偏光顕微鏡（偏光素子） ７３ 顕微鏡用撮像カメラ（撮像部）
９０ 表面検査装置（第２の変形例） ９１ 画像表示部
９２ ノイズ検出部
Ｌ１ 直線偏光（第１の直線偏光） Ｌ２ 楕円偏光
Ｌ３ 偏光成分 Ｌ４ 直線偏光（第２の直線偏光）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハや液晶基板等の表面を検査する表面検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の微細化が進むにつれて、露光装置のＮＡ（開口数）が高くなり、これに伴ってフォーカスやドーズ等の露光条件を厳しく管理する必要が増大している。従来においては、露光後のレジストパターンにおけるフォーカスまたはドーズエラーによる欠陥をパターンエッジラフネス検査技術で検査している（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】国際公開第０５／０４０７７６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の検査技術で検査を行うと、被検基板上の繰り返しパターンが変化したときの、撮像素子等により検出される光の光量変化、すなわち、パターン欠陥に対する感度の大きくなる条件が撮像素子の暗電流ノイズに応じて変化することがわかった。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、表面検査の精度を向上させた表面検査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】
【０００５】
このような目的達成のため、本発明に係る表面検査装置は、繰り返しパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、前記被検基板の表面からの反射光の像を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された画像を表示する画像表示部とを備え、前記被検基板と前記撮像部との間に、前記被検基板の表面からの反射光を第２の直線偏光にする偏光素子が配設され、前記第２の直線偏光の像を前記撮像部が撮像するように構成されており、前記第２の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向が前記第１の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の角度となるように前記偏光素子が設定される。
【０００６】
また、第２の本発明に係る表面検査装置は、繰り返しパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、前記被検基板の表面からの反射光の像を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された画像に所定の画像処理を行って前記繰り返しパターンの欠陥を検出する画像処理部と、前記画像処理部による前記画像処理の結果を出力する処理結果出力部とを備え、前記被検基板と前記撮像部との間に、前記被検基板の表面からの反射光を第２の直線偏光にする偏光素子が配設され、前記第２の直線偏光の像を前記撮像部が撮像するように構成されており、前記第２の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向が前記第１の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の角度となるように前記偏光素子が設定される。
【０００７】
なお、上述の発明において、前記被検基板の表面における前記第１の直線偏光の進行方向と前記繰り返しパターンの繰り返し方向とのなす角度が所定角度となるように前記被検基板を保持する保持部を備え、前記保持部により前記所定角度が約４５度に設定されることが好ましい。
【０００８】
また、上述の発明において、前記撮像部の暗電流ノイズレベルの大きさに応じて、前記撮像部における前記被検基板の繰り返しパターンの欠陥に対する光の光量変化の感度が最大となるように前記角度が設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、表面検査の精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態の表面検査装置１は、図１に示すように、被検基板である半導体ウェハ１０を支持するアライメントステージ２０と、照明光学系３０と、撮像光学系４０と、画像処理装置５０とを主体に構成される。表面検査装置１は、半導体回路素子の製造工程において、ウェハ１０の表面の検査を自動的に行う装置である。ウェハ１０は、最上層のレジスト膜への露光・現像後、不図示の搬送系により、不図示のウェハカセットまたは現像装置から運ばれ、アライメントステージ２０に吸着保持される。
【００１１】
ウェハ１０の表面には、図２に示すように、複数のチップ領域１１がＸＹ方向に配列され、各チップ領域の中に所定の繰り返しパターン１２が形成されている。繰り返しパターン１２は、図３に示すように、複数のライン部２Ａがその短手方向（Ｘ方向）に沿って一定のピッチＰで配列されたレジストパターン（例えば、配線パターン）である。隣り合うライン部２Ａ同士の間は、スペース部２Ｂである。なお、ライン部２Ａの配列方向（Ｘ方向）を「繰り返しパターン１２の繰り返し方向」と称する。
【００１２】
ここで、繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａの線幅ＤAの設計値をピッチＰの１／２とする。設計値の通りに繰り返しパターン１２が形成された場合、ライン部２Ａの線幅ＤAとスペース部２Ｂの線幅ＤBは等しくなり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比は略１：１になる。これに対して、繰り返しパターン１２を形成する際の露光フォーカスが適正値から外れると、ピッチＰは変わらないが、ライン部２Ａの線幅ＤAが設計値と異なってしまうとともに、スペース部２Ｂの線幅ＤBとも異なってしまい、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。
【００１３】
本実施形態の表面検査装置１は、上記のような繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比の変化を利用して、繰り返しパターン１２の欠陥検査を行うものである。説明を簡単にするため、理想的な体積比（設計値）を１：１とする。体積比の変化は、露光フォーカスの適正状態からの外れに起因し、ウェハ１０のショット領域ごとに現れる。なお、体積比を断面形状の面積比と言い換えることもできる。
【００１４】
また、本実施形態においては、繰り返しパターン１２に対する照明光（後述）の波長と比較して繰り返しパターン１２のピッチＰが十分小さいものとする。このため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはなく、繰り返しパターン１２の欠陥検査を回折光により行うことはできない。本実施形態における欠陥検査の原理は、以降、表面検査装置の構成（図１）とともに順に説明する。
【００１５】
アライメントステージ２０は、ウェハ１０を上面で支持して、例えば真空吸着により固定保持する。さらに、アライメントステージ２０は、上面の中心における法線Ａ１を中心軸として回転可能である。この回転機構によって、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（図２および図３におけるＸ方向）を、ウェハ１０の表面内で回転させることができる。なお、アライメントステージ２０は、上面が水平面であり、ウェハ１０を常に水平な状態に保つ。
【００１６】
また、上述のように回転するアライメントステージ２０は、所定の位置で停止し、その結果、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（図２および図３におけるＸ方向）を、後述の照明光の入射面（照明光の進行方向）に対して、４５度の角度に傾けて設定することができるようになっている。
【００１７】
照明光学系３０は、ランプハウス３１と、第１偏光板３２と、第１位相板３３と、第１楕円鏡３４とを有して構成され、アライメントステージ２０上のウェハ１０の繰り返しパターン１２を直線偏光Ｌ１（第１の直線偏光）により照明するようになっている。この直線偏光Ｌ１が、繰り返しパターン１２に対する照明光である。直線偏光Ｌ１は、ウェハ１０の表面全体に照射される。
【００１８】
直線偏光Ｌ１の進行方向（ウェハ１０表面上の任意の点に到達する直線偏光Ｌ１の主光線の方向）は、第１楕円鏡３４からの光軸Ｏ１に略平行である。光軸Ｏ１は、アライメントステージ２０の中心を通り、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して所定の角度αだけ傾けられている。ちなみに、直線偏光Ｌ１の進行方向を含み、アライメントステージ２０の法線Ａ１に平行な平面が、直線偏光Ｌ１の入射面である。図４の入射面Ａ２は、ウェハ１０の中心における入射面である。
【００１９】
また、本実施形態では、直線偏光Ｌ１がｐ偏光である。つまり、図５（ａ）に示すように、直線偏光Ｌ１の進行方向と電気（または磁気）ベクトルの振動方向とを含む平面（直線偏光Ｌ１の振動面）が、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれる。直線偏光Ｌ１の振動面は、ランプハウス３１と第１楕円鏡３４との間に配設された第１偏光板３２の透過軸により規定される。
【００２０】
ところで、ランプハウス３１は、不図示の超高圧水銀灯光源と波長選択フィルタを内蔵し、所定波長の光を出射する。なお、光源として、水銀灯に限らずメタルハライドランプを用いるようにしてもよい。また、波長選択フィルタは、水銀灯光源からの光のうち所定波長の輝線スペクトルを選択的に透過させる。
【００２１】
第１偏光板３２は、ランプハウス３１と第１楕円鏡３４との間に配設されるとともに、その透過軸が所定の方位に設定され、透過軸に応じてランプハウス３１からの光を直線偏光にする。第１位相板３３は、第１偏光板３２と第１楕円鏡３４との間の空間に挿抜可能に配設されており、第１楕円鏡３４で反射する光が乱れるのを補正するために用いられる。第１楕円鏡３４は、第１楕円鏡３４で反射するランプハウス３１からの光を平行光束にして、被検基板であるウェハ１０を照明する。
【００２２】
上記の照明光学系３０において、ランプハウス３１からの光は、第１偏光板３２および第１楕円鏡３４を介しｐ偏光の直線偏光Ｌ１となって、ウェハ１０の表面全体に入射する。ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌ１の入射角度は、平行光束のため互いに同じであり、光軸Ｏ１と法線Ａ１とのなす角度αに相当する。
【００２３】
本実施形態では、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌ１がｐ偏光であるため、図４に示すように、繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）が直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２（ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の進行方向）に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度も、４５度に設定される。
【００２４】
言い換えると、直線偏光Ｌ１は、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向（図６におけるＶの方向）が繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して４５度傾いた状態で、繰り返しパターン１２を斜めに横切るようにして繰り返しパターン１２に入射する。
【００２５】
このような直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン１２との角度状態は、ウェハ１０の表面全体において均一である。なお、４５度を１３５度，２２５度，３１５度のいずれかに言い換えても、直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン１２との角度状態は同じである。また、図６の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度を４５度に設定するのは、繰り返しパターン１２の欠陥検査の感度を最も高くするためである。
【００２６】
そして、上記の直線偏光Ｌ１を用いて繰り返しパターン１２を照明すると、繰り返しパターン１２から正反射方向に楕円偏光Ｌ２が発生する（図１および図５（ｂ）を参照）。この場合、楕円偏光Ｌ２の進行方向が正反射方向に一致する。正反射方向とは、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれ、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して角度α（直線偏光Ｌ１の入射角度αに等しい角度）だけ傾いた方向である。なお、上述の通り、繰り返しパターン１２のピッチＰが照明波長と比較して十分短いため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはない。
【００２７】
ここで、直線偏光Ｌ１が繰り返しパターン１２での反射により楕円化し、繰り返しパターン１２から楕円偏光Ｌ２が発生する理由について簡単に説明する。直線偏光Ｌ１は、繰り返しパターン１２に入射すると、振動面の方向（図６のＶ方向）が、図７に示す２つの偏光成分ＶX，ＶYに分かれる。一方の偏光成分ＶXは、繰り返し方向（Ｘ方向）に平行な成分である。他方の偏光成分ＶYは、繰り返し方向（Ｘ方向）に垂直な成分である。そして、２つの偏光成分ＶX，ＶYは、それぞれ独立に、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１２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ＶX，ＶY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Ｌ２となる（図５（ｂ）を参照）。
【００２８】
また、繰り返しパターン１２の異方性に起因する楕円化の程度は、図５（ｂ）で示す楕円偏光Ｌ２のうち、図５（ａ）で示す直線偏光Ｌ１の振動面に垂直な偏光成分Ｌ３（図５（ｃ）を参照）と考えることができる。そして、この偏光成分Ｌ３の大きさは、繰り返しパターン１２の材質および形状と、図６の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度に依存する。このため、Ｖ方向とＸ方向とのなす角度を一定の値（本実施形態では４５度）に保つ場合、繰り返しパターン１２の材質が一定であっても、繰り返しパターン１２の形状が変化すると、楕円化の程度（偏光成分Ｌ３の大きさ）が変化することになる。
【００２９】
繰り返しパターン１２の形状と偏光成分Ｌ３の大きさとの関係について説明する。図３に示すように、繰り返しパターン１２は、ライン部２Ａとスペース部２ＢとをＸ方向に沿って交互に配列した凹凸形状を有し、適正な露光フォーカスで設計値通りに形成されると、ライン部２Ａの線幅ＤAとスペース部２Ｂの線幅ＤBが等しくなるが、露光フォーカスが適正から外れると、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。このとき、偏光成分Ｌ３の大きさは理想的な場合と比較して小さくなる。偏光成分Ｌ３の大きさの変化を図示すると、図８のようになる。図８の横軸は、ライン部２Ａの線幅ＤAである。
【００３０】
このように、直線偏光Ｌ１を用いて、図６の振動面の方向（Ｖ方向）が繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して４５度だけ傾いた状態で、繰り返しパターン１２を照明すると、正反射方向に反射して生じた楕円偏光Ｌ２は、その楕円化の程度（図５（ｃ）における偏光成分Ｌ３の大きさ）が、繰り返しパターン１２の形状（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比）に応じたものとなる。楕円偏光Ｌ２の進行方向は、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれ、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して角度αだけ傾いている。
【００３１】
さて、撮像光学系４０は、図１に示すように、第２楕円鏡４１と、第２位相板４２と、第２偏光板４３と、回転駆動装置４４と、撮像カメラ４５とを有して構成される。第２楕円鏡４１は、照明光学系３０の第１楕円鏡３４と同様の反射鏡であり、その光軸Ｏ２が、アライメントステージ２０の中心を通り、かつ、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して角度αだけ傾くように配設されている。したがって、繰り返しパターン１２からの反射光である楕円偏光Ｌ２は、第２楕円鏡４１の光軸Ｏ２に沿って進むことになる。第２楕円鏡４１は、楕円偏光Ｌ２を反射させて撮像カメラ４５の撮像面に集光する。
【００３２】
第２楕円鏡４１と撮像カメラ４５との間には、第２偏光板４３が配設される。第２偏光板４３は、回転駆動装置４４を用いて光軸Ｏ２を中心に透過軸の方位（偏光方向）を回転可能に構成されており、第２偏光板４３の透過軸の方位は、上述した照明光学系３０の第１偏光板３２の透過軸に対して、４５度以上１３５度以下の傾斜角度で傾けることができるように設定されている。したがって、楕円偏光Ｌ２が第２偏光板４３を透過するとその偏光成分、すなわち第２偏光板４３からの直線偏光Ｌ４（第２の直線偏光）が撮像カメラ４５の撮像面に集光される。その結果、撮像カメラ４５の撮像面には、直線偏光Ｌ４によるウェハ１０の反射像が形成される。また、第２位相板４２は、第２楕円鏡４１と第２偏光板４３との間の空間に挿抜可能に配設されており、第２楕円鏡４１で反射する光が乱れるのを補正するために用いられる。
【００３３】
撮像カメラ４５は、不図示のＣＣＤ撮像素子を有するＣＣＤカメラであり、撮像面に形成されたウェハ１０の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理装置５０の画像記憶部５１に出力する。ウェハ１０の反射像の明暗は、直線偏光Ｌ４の光強度に略比例し、繰り返しパターン１２の形状に応じて変化する。ウェハ１０の反射像が最も明るくなるのは、繰り返しパターン１２が理想的な形状の場合である。なお、ウェハ１０の反射像の明暗は、ショット領域ごとに現れる。
【００３４】
画像処理装置５０は、画像記憶部５１と、画像記憶部５１と電気的に接続された画像処理部５２と、画像処理部５２と電気的に接続された処理結果出力部５３と、撮像カメラ４５における暗電流のノイズを検出するノイズ検出部５４と、これらの作動を統括的に制御するシステム制御部５５とを有して構成され、撮像カメラ４５から出力される画像信号に基づいて、ウェハ１０の反射画像を画像記憶部５１に取り込む。なお、画像記憶部５１には、比較のため、良品ウェハ（不図示）の反射画像も予め記憶されている。この良品ウェハの反射画像の輝度情報は、最も高い輝度値を示すものと考えられる。
【００３５】
画像処理部５２は、画像記憶部５１に被検基板であるウェハ１０の反射画像が取り込まれると、その輝度情報を良品ウェハの反射画像の輝度情報と比較する。このとき、ウェハ１０の反射画像における暗い箇所の輝度値の低下量（光量変化）に基づいて、繰り返しパターン１２の欠陥を検出する。たとえば、輝度値の低下量が予め定められた閾値（許容値）より大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断すればよい。そして、画像処理部５２による輝度情報の比較結果およびそのときのウェハ１０の反射画像が処理結果出力部５３で出力表示される。
【００３６】
なお、画像処理装置５０においては、上述のように、画像記憶部５１に良品ウェハの反射画像を予め記憶しておく構成の他、ウェハ１０のショット領域の配列データと輝度値の閾値を予め記憶しておく構成でもよい。この場合、ショット領域の配列データに基づいて、取り込まれたウェハ１０の反射画像中における各ショット領域の位置が分かるので、各ショット領域の輝度値を求める。そして、その輝度値と記憶されている閾値とを比較することにより、パターンの欠陥を検出する。閾値より輝度値が小さいショット領域を「欠陥」と判断すればよい。
【００３７】
なお、本実施形態のように、ウェハ１０の表面に対して直線偏光Ｌ１を斜めに入射させる場合、繰り返しパターン１２から発生する楕円偏光Ｌ２は、厳密に言えば、この進行方向を軸として僅かに回転している。以下、図５（ｂ）に示すように、このような楕円偏光Ｌ２の回転角をφとする。
【００３８】
ところで、従来の表面検査装置では、第２偏光板４３の透過軸の方位が第１偏光板３２の透過軸に対して９０度だけ傾くように、すなわち、直線偏光Ｌ４の進行方向と垂直な面内における振動方向が、直線偏光Ｌ１の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して９０度だけ傾くように設定されていた。従来の表面検査装置を用いてウェハ１０の表面検査を行った場合、ウェハ１０での反射による楕円偏光Ｌ２の回転角をφ（図５（ｂ）を参照）とすると、撮像カメラ４５に到達する光の光量変化は、sin2φに比例する。このような回転は繰り返しパターン１２によって生じるものであり、露光時のフォーカスまたはドーズにより敏感に変化する。しかしながら、本願発明の発明者は、撮像カメラ４５におけるウェハ１０のパターン欠陥に対する光強度変化の感度が最も大きくなる条件（第２偏光板４３の角度）が撮像カメラ４５（撮像素子）の暗電流のノイズに応じて変化することを発見した。
【００３９】
そこで、本実施形態の表面検査装置１では、第２偏光板４３の透過軸の方位が第１偏光板３２の透過軸に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の傾斜角度でも傾斜できるように、すなわち、直線偏光Ｌ４の進行方向と垂直な面内における振動方向が、直線偏光Ｌ１の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の傾斜角度でも傾斜できるようになっている（４５度の例について、図５（ａ）および（ｃ）を参照）。このようにすれば、ノイズ検出部５４により検出した（撮像カメラ４５の）暗電流のノイズの大きさに応じて、撮像カメラ４５におけるウェハ１０のパターン欠陥に対する光強度変化の感度が最大となるように第２偏光板４３の傾斜角度を上記範囲で設定することにより、常に感度が最も大きくなる条件でウェハ１０の表面検査を行うことが可能になり、ウェハ１０の表面検査の精度を向上させることができる。
【００４０】
ここで、本実施形態の光学原理について説明する。第１偏光板３２の透過軸に対する第２偏光板４３の透過軸の傾斜角度をθとし、照明偏光（直線偏光Ｌ１）に対する反射偏光（楕円偏光Ｌ２）の回転方位（すなわち、ウェハ１０での反射による楕円偏光Ｌ２の回転角）をφとし、撮像カメラ４５における暗電流のノイズの大きさをｎとすると、ウェハ１０での反射において回転を受けた光の光量を（１）式、回転を受けない光の光量を（２）式のように表すことができる。
【００４１】
回転を受けた光の光量＝cos2（θ＋φ）＋ｎ …（１）
回転を受けない光の光量＝cos2（θ）＋ｎ …（２）
【００４２】
従って、回転を受けたときの光量変化は、（３）式のように表すことができる。
【００４３】
光量変化＝cos2（θ＋φ）−cos2（θ） …（３）
【００４４】
また、このときの（回転を受けない光に対する）光量変化率は、（４）式のように表すことができる。
【００４５】
光量変化率＝｛cos2（θ＋φ）−cos2（θ）｝／｛cos2（θ）＋ｎ｝ …（４）
【００４６】
φの変化に対する光量変化の大きさとして感度を求めると、（５）式のように表すことができる。
【００４７】
感度＝ｄ（光量変化率）／ｄφ
＝｛２×cos（θ＋φ）×sin（θ＋φ）｝／｛cos2（θ）＋ｎ｝ …（５）
【００４８】
ここで、回転角φは微小量であるので、（５）式を（６）式のように表すことができる。
【００４９】
感度≒｛−２×cos（θ）×sin（θ）｝／｛cos2（θ）＋ｎ｝ …（６）
【００５０】
従って、回転角φが小さい場合には、感度が最大となる傾斜角度θの条件が、暗電流のノイズの大きさｎに応じて変化することがわかる。
【００５１】
感度を表す（６）式についてグラフ化すると、図９のようになる。図９から分かるように、例えば、ｎ＝０．０１のとき、θ≒８４度で感度が最大となり、ｎ＝０．０５のとき、θ≒７８度で感度が最大となることがわかる。なおこのとき、感度については、絶対値が最大のとき、感度が最大となる。また、ｎ＝０のとき、θ＝９０度で感度が最大（無限大）となることが分かる。
【００５２】
この結果、本実施形態の表面検査装置１によれば、第２偏光板４３の透過軸の方位（直線偏光Ｌ４の振動方向）が第１偏光板３２の透過軸（直線偏光Ｌ１の振動方向）に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の傾斜角度で傾斜するように設定されるため、感度の大きい条件でウェハ１０の表面検査を行うことが可能になり、表面検査の精度を向上させることができる。
【００５３】
具体的には、ノイズ検出部５４により検出した（撮像カメラ４５の）暗電流のノイズの大きさに応じて、撮像カメラ４５におけるウェハ１０のパターンの欠陥に対する光の光量変化の感度が最大となるように傾斜角度を設定することにより、常に感度が最も大きくなる条件でウェハ１０の表面検査を行うことが可能になり、表面検査の精度をより向上させることができる。
【００５４】
また、図６における振動面の方向（直線偏光Ｌ１の進行方向）と繰り返しパターン１２の繰り返し方向とのなす角度を４５度に設定したことにより、ウェハ１０の反射画像の光量変化（輝度値の低下量）を大きく捉えることができ、繰り返しパターン１２の欠陥検査をより高感度で行うことができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、理解しやすさのために、撮像カメラ４５の暗電流ノイズを測定するノイズ検出部５４を設けたが、暗電流ノイズは、一般的にカメラの種類によりほぼ一定値となるので、カメラの性能データシートから求めてもよいし、サンプルとして何台かを測定して標準の値を決定してもよい。また、厳密を期して、カメラの一台ごとに測定を行う場合でも、装置への組み込み時に一度測定すればよい。ノイズレベルは、一般的な画像処理により求めることができるので、特別なノイズ検出部を設けなくとも、画像処理部５２において計測可能である。
【００５６】
なお、本実施形態の表面検査装置１では、照明波長と比較して繰り返しパターン１２のピッチＰが十分小さい場合に限らず、構造性複屈折が生じれば、繰り返しパターン１２のピッチＰが照明波長と同程度でも、照明波長より大きい場合でも、同様に繰り返しパターン１２の欠陥検査を行うことができる。すなわち、繰り返しパターン１２のピッチＰに拘わらず、確実に欠陥検査を行うことができる。繰り返しパターン１２による直線偏光Ｌ１の楕円化は、繰り返しパターン１２のライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比に依存して起こるものであり、繰り返しパターン１２のピッチＰに依存しないからである。
【００５７】
なお、上述の実施形態において、撮像カメラ４５がウェハ１０の表面全体の像を一括撮像するように構成されているが、これに限られるものではない。例えば、図１０に示すように、偏光顕微鏡７２によるウェハ１０表面の一部の拡大像を顕微鏡用撮像カメラ７３により撮像し、撮像した顕微鏡画像１０Ａまたはそれらを合成したウェハ表面全体の合成画像７４を表示するようにしてもよい。このようにすれば、上述の実施形態と同様の効果を得ることができるのに加え、時間がかかるが、より細かい場所毎の欠陥検査を行うことが可能になる。
【００５８】
なお、図１０に示す第１の変形例に係る表面検査装置７０では、ウェハ１０が顕微鏡用アライメントステージ７１に保持される。また、顕微鏡用撮像カメラ７３による顕微鏡画像１０Ａは、顕微鏡用撮像カメラ７３から画像処理装置５０の画像記憶部５１に取り込まれる。そして、上述の実施形態と同様にして、画像処理部５２がウェハ１０における繰り返しパターン１２の欠陥を検出し、検出結果およびウェハ表面全体の合成画像７４が処理結果出力部５３で出力表示される。また、図１０に示す表面検査装置７０において、照明光学系は上述の実施形態と同じ構成であり、詳細な説明および図示を省略する。なおこのとき、ノイズ検出部５４が撮像カメラにおける暗電流のノイズを検出するのは上述の実施形態と同様である。
【００５９】
また、上述の実施形態において、画像処理装置５０を用いずに、図１１に示すように、撮像カメラ４５に撮像されたウェハ１０の反射画像を画像表示部９１で表示して、目視によりウェハ１０における繰り返しパターン１２の欠陥を検出するようにしてもよい。このようにしても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、図１１に示す第２の変形例に係る表面検査装置９０において、アライメントステージ２０、照明光学系３０、および撮像光学系４０は上述の実施形態と同じ構成であり、同一番号を付して詳細な説明を省略する。なおこのとき、撮像カメラにおける暗電流のノイズを検出するノイズ検出部９２が、画像表示部９１と別体に設けられる。
【００６０】
また、上述の実施形態において、直線偏光Ｌ１がｐ偏光である例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ｐ偏光ではなくｓ偏光にしてもよい。ｓ偏光とは、振動面が入射面に垂直な直線偏光である。このため、図４に示すように、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）が、ｓ偏光である直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面におけるｓ偏光の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度も、４５度に設定される。なお、ｐ偏光は、繰り返しパターン１２のライン部２Ａのエッジ形状に拘わる欠陥情報を取得するのに有利である。また、ｓ偏光は、ウェハ１０の表面の欠陥情報を効率よく捉えて、ＳＮ比を向上させるのに有利である。
【００６１】
さらに、ｐ偏光やｓ偏光に限らず、振動面が入射面に対して任意の傾きを持つような直線偏光でも構わない。この場合、繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）を直線偏光Ｌ１の入射面に対して４５度以外の角度に設定し、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度を、４５度に設定することが好ましい。
【００６２】
また、上述の実施形態では、ランプハウス３１に内蔵された超高圧水銀灯の光と第１偏光板３２を利用して、直線偏光Ｌ１を作り出すように構成されているが、これに限られるものではなく、レーザを光源として使用すれば第１偏光板３２は必要ない。
【００６３】
さらに、上述の実施形態において、第１および第２位相板３３，４２の効果について説明を省略したが、第１および第２楕円鏡３４，４１等における光の複屈折をキャンセルするために位相板を用いた方がよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係る表面検査装置の全体構成を示す図である。
【図２】半導体ウェハの表面の外観図である。
【図３】繰り返しパターンの凹凸構造を説明する斜視図である。
【図４】直線偏光の入射面と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。
【図５】直線偏光と楕円偏光の振動方向を説明する図である。
【図６】直線偏光の振動面の方向と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。
【図７】直線偏光の振動面の方向が繰り返し方向に平行な偏光成分と垂直な偏光成分とに分かれる様子を説明する図である。
【図８】偏光成分の大きさと繰り返しパターンのライン部の線幅との関係を説明する図である。
【図９】第１偏光板の透過軸に対する第２偏光板の透過軸の方位と感度との関係を説明する図である。
【図１０】表面検査装置の第１の変形例を示す図である。
【図１１】表面検査装置の第２の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１ 表面検査装置
１０ ウェハ（被検基板） １２ 繰り返しパターン
２０ アライメントステージ（保持部） ３０ 照明光学系（照明部）
４０ 撮像光学系 ４３ 第２偏光板（偏光素子）
４５ 撮像カメラ（撮像部）
５０ 画像処理装置 ５１ 画像記憶部
５２ 画像処理部 ５３ 処理結果出力部
５４ ノイズ検出部
７０ 表面検査装置（第１の変形例） ７１ 顕微鏡用アライメントステージ
７２ 偏光顕微鏡（偏光素子） ７３ 顕微鏡用撮像カメラ（撮像部）
９０ 表面検査装置（第２の変形例） ９１ 画像表示部
９２ ノイズ検出部
Ｌ１ 直線偏光（第１の直線偏光） Ｌ２ 楕円偏光
Ｌ３ 偏光成分 Ｌ４ 直線偏光（第２の直線偏光）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返しパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、
前記被検基板の表面からの反射光の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された画像を表示する画像表示部とを備え、
前記被検基板と前記撮像部との間に、前記被検基板の表面からの反射光を第２の直線偏光にする偏光素子が配設され、前記第２の直線偏光の像を前記撮像部が撮像するように構成されており、
前記第２の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向が前記第１の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の角度となるように前記偏光素子が設定されることを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
繰り返しパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、
前記被検基板の表面からの反射光の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された画像に所定の画像処理を行って前記繰り返しパターンの欠陥を検出する画像処理部と、
前記画像処理部による前記画像処理の結果を出力する処理結果出力部とを備え、
前記被検基板と前記撮像部との間に、前記被検基板の表面からの反射光を第２の直線偏光にする偏光素子が配設され、前記第２の直線偏光の像を前記撮像部が撮像するように構成されており、
前記第２の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向が前記第１の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の角度となるように前記偏光素子が設定されることを特徴とする表面検査装置。
【請求項３】
前記被検基板の表面における前記第１の直線偏光の進行方向と前記繰り返しパターンの繰り返し方向とのなす角度が所定角度となるように前記被検基板を保持する保持部を備え、
前記保持部により前記所定角度が約４５度に設定されることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記撮像部の暗電流ノイズレベルの大きさに応じて、前記撮像部における前記被検基板の繰り返しパターンの欠陥に対する光の光量変化の感度が最大となるように前記角度が設定されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の表面検査装置。
【請求項１】
繰り返しパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、
前記被検基板の表面からの反射光の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された画像を表示する画像表示部とを備え、
前記被検基板と前記撮像部との間に、前記被検基板の表面からの反射光を第２の直線偏光にする偏光素子が配設され、前記第２の直線偏光の像を前記撮像部が撮像するように構成されており、
前記第２の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向が前記第１の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の角度となるように前記偏光素子が設定されることを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
繰り返しパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、
前記被検基板の表面からの反射光の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された画像に所定の画像処理を行って前記繰り返しパターンの欠陥を検出する画像処理部と、
前記画像処理部による前記画像処理の結果を出力する処理結果出力部とを備え、
前記被検基板と前記撮像部との間に、前記被検基板の表面からの反射光を第２の直線偏光にする偏光素子が配設され、前記第２の直線偏光の像を前記撮像部が撮像するように構成されており、
前記第２の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向が前記第１の直線偏光の進行方向と垂直な面内における振動方向に対して、４５度以上９０度未満、もしくは９０度より大きく１３５度以下の角度となるように前記偏光素子が設定されることを特徴とする表面検査装置。
【請求項３】
前記被検基板の表面における前記第１の直線偏光の進行方向と前記繰り返しパターンの繰り返し方向とのなす角度が所定角度となるように前記被検基板を保持する保持部を備え、
前記保持部により前記所定角度が約４５度に設定されることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記撮像部の暗電流ノイズレベルの大きさに応じて、前記撮像部における前記被検基板の繰り返しパターンの欠陥に対する光の光量変化の感度が最大となるように前記角度が設定されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の表面検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２８１５０２（Ｐ２００８−２８１５０２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２７５５３（Ｐ２００７−１２７５５３）
【出願日】平成１９年５月１４日（２００７．５．１４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１４日（２００７．５．１４）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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