JP2008116405A - 欠陥検査方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混載ウェハ（システムＬＳＩなど）などに対して欠陥を高感度に検出し、しかも欠陥種を幅広く検出して、欠陥捕捉率を向上することができるようにした欠陥検査装置及びその方法を提供することにある。
【解決手段】検査対象の表面に形成されているパターンの周期性に応じて検出光路を２分岐し、それぞれの光路にて異なる開口形状を有する空間フィルタを配置する。空間フィルタ後の光量が相対的に多い光路に減光するフィルタを設け、イメージセンサの飽和を抑制する。また、暗視野光学系にて分岐した第１及び第２の検出光路にそれぞれ偏光素子を備え、第１と第２の検出光路に配置した偏光素子を透過する光が異なる特性となるように設定し、欠陥の捕捉率を向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造工程やフラットパネルデイスプレイの製造工程に代表される薄膜プロセスを経て基板上に形成された微細パターンの欠陥や異物などの欠陥検査方法及びこれを用いた装置に関するものである。

従来の欠陥検査装置としては、米国特許ＵＳ２００５/０２１９５１８ Ａ１明細書（特許文献１）が知られている。特許文献１には、レーザ光をウェハに対して斜方より照明し、ウェハ表面にて散乱した光をウェハ上方に配置した対物レンズを用いて捕捉し、該捕捉した散乱光を散乱した角度に応じて複数の検出器にて検出し、これら検出された検出画像を隣接ダイの画像と比較処理して欠陥を検出する欠陥検査装置が記載されている。

また、従来の欠陥検査装置としては、特開２０００−１０５２０３号公報（特許文献２）が知られている。特許文献２には、繰り返しパターンが形成されているレジスタ群領域及びメモリ部領域と、非繰り返しパターンが形成されているＣＰＵコア部領域及び入出力部領域とを有するＬＳＩチップが配列された検査対象物（半導体ウェハ）に対して、暗視野照明光学系により水平面内の異なる方向から互いに異なる波長でスリット状ビームとして斜方照明し、暗視野検出光学系により酸化膜等の絶縁膜上の異物を検出することが記載されている。さらに、引用文献２には、対物レンズと、繰り返し遮光パターンで形成された空間フィルタと、ＮＤフィルタと、偏光素子と、該空間フィルタ、ＮＤフィルタ及び偏光素子を透過した被検査対象物からの反射光束を分岐し、該分岐される一つの反射光束の強度を他の一つの反射光束の強度の概ね１／１００にする分岐光学系（ビームスプリッタ）と、該分岐光学系で分岐された各反射光束を受光する複数のイメージセンサ（検出器）とを有する暗視野検出光学系を設置することが記載されている。さらに、引用文献２には、ＮＤフィルタは、ビームスプリッタの後に配置すると、２つの検出器に入る光の強度を独立に制御できることも記載されている。

米国特許ＵＳ２００５/０２１９５１８ Ａ１ 明細書 特開２０００−１０５２０３号公報

しかしながら、引用文献１及び２の何れにも、欠陥検査対象として、周期的なパターンが形成されたメモリ部と不規則なパターン（非周期的なパターン）が形成されたロジック回路部とを形成した混載ウェハ（システムＬＳＩなど）などに対して欠陥を高感度に検出し、しかも欠陥種を幅広く検出して、欠陥捕捉率を向上する点について十分考慮されていなかった。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、混載ウェハ（システムＬＳＩなど）などに対して欠陥を高感度に検出し、しかも欠陥種を幅広く検出して、欠陥捕捉率を向上することができるようにした欠陥検査装置及びその方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、照明光束を試料の表面に対して斜め方向から暗視野照明する暗視野照明光学系と、該暗視野照明光学系で暗視野照明された前記試料の表面から発生する散乱光を集光し、該集光した散乱光を第１の検出光路と第２の検出光路とに分岐する分岐光学系を設け、該分岐光学系で分岐された前記第１の検出光路には前記試料の表面に形成された周期性回路パターン部から生じる回折像を遮光する第１の空間フィルタと該第１の空間フィルタを透過して結像された周期性回路パターン部からの散乱光像を受光して第１の画像信号に変換する第１の検出器とを備え、前記分岐光学系で分岐された前記第２の検出光路には前記試料の表面に形成された非周期性回路パターン部から生じる散乱光の内強度分布が高い領域の散乱光を遮光する第２の空間フィルタと該第２の空間フィルタを透過して結像された非周期性回路パターン部からの散乱光像を受光して第２の画像信号に変換する第２の検出器とを備え、前記第１の検出光路及び前記第２の検出光路の内少なくとも一方の検出光路には減光するフィルタ（ＮＤフィルタ）を備えて構成した暗視野検出光学系と、該暗視野検出光学系における前記第１の検出光路に備えられた第１の検出器から得られる第１の画像信号又は前記暗視野検出光学系における前記第２の検出光路に備えられた第２の検出器から得られる第２の画像信号に基づいて前記試料の表面上の欠陥若しくは欠陥候補を判定処理する画像処理部とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置である。

また、本発明は、前記第１の空間フィルタは前記試料の表面に形成された周期性回路パターン部から生じる回折像を遮光する周期的遮光タイプの空間フィルタで形成し、前記第２の空間フィルタは前記試料の表面に形成された非周期性回路パターン部から生じる散乱光の内強度分布が高い領域の散乱光を遮光する非周期的開口タイプの空間フィルタで形成することを特徴とする。

また、本発明は、前記暗視野検出光学系における前記第１の検出器及び前記第２の検出器の受光面を長方形状（スリット状）で形成し、前記暗視野照明光学系における前記照明光束を前記受光面の視野に対応させて長方形状（スリット状）に形成することを特徴とする。

また、本発明は、前記暗視野検出光学系における前記第１の検出光路及び第２の検出光路の各々に、透過する光の偏光特性が互いに異なるように制御可能な偏光素子を配置して構成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記画像処理部において、前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号の内いずれか一方を、検査対象の回路パターンの周期性又は非周期性に応じて選択して欠陥若しくは欠陥候補を判定処理することを特徴とする。

また、本発明は、更に、前記試料の表面を前記暗視野検出光学系の焦点位置に合せる焦点合わせ機構を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、前記暗視野検出光学系における前記対物レンズは、ＮＡが０．６以上であることを特徴とする。

また、本発明は、前記第１のイメージセンサの受光面及び前記第２のイメージセンサの受光面を長方形状（スリット状）で形成し、前記暗視野照明光学系において、前記照明光束を非球面のレンズ又は非球面のミラーによって前記受光面の視野に対応した長方形状に整形する整形光学系を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、前記暗視野検出光学系において、前記第１又は第２の検出光路に試料の表面上における視野１乃至１０μｍの範囲の散乱光を通す視野絞りを設置し、該視野絞りよりも像面側に前記第１又は第２の空間フィルタを設置し、さらに該第１又は第２の空間フィルタの像面側にフーリエ変換面を形成して該フーリエ変換面の位置にフーリエ変換像を撮像する第３のイメージセンサを設置したことを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の偏光素子と前記第２の偏光素子とは、それぞれ１／４波長板と偏光子とを備えて構成し、前記第１の偏光素子を透過する偏光特性と前記第２の偏光素子を透過する偏光特性が互いに異なるように制御可能に構成することを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の空間フィルタは前記試料の表面に形成された周期性回路パターン部から生じる回折像を遮光する周期的遮光タイプの空間フィルタで形成し、前記第２の空間フィルタは前記試料の表面に形成された非周期性回路パターン部から生じる散乱光の内強度分布が高い領域の散乱光を遮光する非周期的開口タイプの空間フィルタで形成することを特徴とする。

また、本発明は、前記非周期的開口タイプの空間フィルタにおいて、開口部の一部に複屈折材料を配置したことを特徴とする。

また、本発明は、前記画像処理部は、さらに、前記第１及び前記第２のイメージセンサの各々で検出した画像信号を諧調値に変換する第１及び第２の階調変換部と、検査対象の回路パターンの周期性又は非周期性に応じて前記第１及び第２の階調変換部のいずれか一方から得られる諧調変換画像信号を選択する画像選択部とを有し、該画像選択部で選択された階調変換画像信号を参照画像信号と比較して欠陥若しくは欠陥候補を判定処理することを特徴とする。

本発明によれば、暗視野照明による暗視野検出において、ウェハ上の回路パターンの周期性によらず、適切な検出光量にて周期性回路パターン及び非周期性回路パターンの検出光量を維持することが可能となり、周期性回路パターン部及び非周期性回路パターン部の検査感度を共に高感度にすることが可能である。

また、本発明によれば、暗視野照明による暗視野検出において、検査対象となる欠陥種を幅広く検出して、欠陥捕捉率を向上することが可能である。

また、本発明によれば、暗視野照明による暗視野検出において、検査する光学条件の設定を短時間で終了すると共に、装置コストを低減することが可能である。

本発明に係る欠陥検査方法及びその装置の実施の形態について図面を用いて説明する。最近、欠陥検査対象として、周期的なパターンが形成されたメモリ部と不規則なパターン（非周期的なパターン）が形成されたロジック回路部とを形成した混載ウェハ（システムＬＳＩなど）が生じてきている。また、異物等の欠陥を顕在化して検出するために、暗視野照明による暗視野検出が主流になってきている。このように暗視野照明による暗視野検出において、メモリ部などの周期的なパターンからの回折光パターンを空間フィルタで遮光することにより欠陥からの散乱光のみを検出画像として検出できるが、ロジック回路部などの非周期的なパターンからの散乱光を空間フィルタで遮光することができないため、非周期的なパターンからの散乱光（回折光）の光量が検出画像として多く検出されることになる。即ち、欠陥検査対象が混載ウェハの場合、正常なメモリパターン検出光量に対して、正常なロジックパターン検出光量が非常に大きくなる。

そこで、本発明は、暗視野照明による暗視野検出の欠陥検査装置であって、暗視野検出光学系においてビームスプリッタで第１の検出光路と第２の検出光路とに分岐し、該分岐した第１の検出光路にメモリ部などの周期的なパターンからの回折光パターンを遮光する空間フィルタを設置し、前記分岐した第２の検出光路に光量を減少させるＮＤフィルタを設置し、メモリ部の検出光量が適切な光量となるように照明光量を設定した場合、ロジック回路部の検出光量が第２の検出光路における第２のイメージセンサの飽和レベルを超えないようにして、第２のイメージセンサから検出されるロジック回路部から検出した画像にパターンや欠陥の情報が失われないようにしたことにある。

更に、本発明は、暗視野検出光学系において、分岐した第１の検出光路及び第２の検出光路のそれぞれに偏光素子を備え、各偏光素子を透過する光が異なる特性となるように設定する。これにより、ウェハ上に様々な欠陥が存在する場合、一方の検出光路で検出した暗視野画像の欠陥コントラストが低い場合においても、他方の検出光路にて暗視野画像の欠陥コントラストを高く検出して欠陥の捕捉率を向上することにある。

［第１の実施の形態］
本発明に係る光学式欠陥検査装置の概略構成を図１に示す。検査対象である周期的なパターンが形成されたメモリ部と不規則なパターン（非周期的なパターン）が形成されたロジック回路部とを形成した混載ウェハ（システムＬＳＩなど）などのウェハ（試料）１の表面の法線方向に対して斜方に傾斜させて配置された暗視野照明光学系１０よりウェハ１を長方形状（矩形形状）である細帯状光束（スリット状光束）１６でウェハ１の表面に対して仰角αの方向から斜方照明する。上記ウェハ（試料）１上の欠陥やパターンで散乱した光を暗視野検出光学系２０にて捕捉する（集光する）。この暗視野検出光学系２０には、図２に示すように、第１の検出光路２１ａと第２の検出光路２１ｂとに分岐するビームスプリッタ（分岐光学系）２４などが配置されている。第１の検出光路２１ａの結像面には第１のイメージセンサ２００が配置され、第２の検出光路２１ｂの結像面には第２のイメージセンサ２１０が配置されている。これら第１及び第２のイメージセンサ２００、２１０の各々で検出した検出画像は、画像処理部２３０に送られる。この画像処理部２３０では、図７及び図８に示すように、隣接する画像信号同士（検出画像信号と参照画像信号同士）で位置合わせを行い、画像信号同士（検出画像信号と参照画像信号同士）の比較処理にて欠陥を検出する。そして、画像処理部２３０で得られた欠陥の座標やサイズ及び欠陥の画像特徴量などの欠陥情報が操作部２９０に送られる。操作部２９０は、人が検査装置をオペレーションする部分であり、ＧＵＩ（Graphical User Interface）を介して、検査レシピの作成、作成したレシピによる検査の指示、及び検査結果のマップ表示や検出した欠陥の特徴量表示などが行われる。例えば、操作部２９０から検査を指示した場合、機構制御部２８０よりステージ２８２に検査の開始位置に移動するように命令が出される。このステージ２８２の移動量はステージ２８２から機構制御部２８０に送られ、指示した移動量に対して許容範囲内に位置決めされたかどうかを判断し、許容範囲外の場合はフィードバック制御して許容範囲内に位置決めする。次に、イメージセンサ２００、２１０が１次元イメージセンサ（ＴＤＩ（Time Delay Integration）タイプも含む）の場合は、ステージ２８２を等速度運動させながら、ウェハ（試料）１の表面の画像を取得する。ＴＤＩイメージセンサの場合、ステージ２８２の速度むらが生じると、検出画像がボケるためステージ２８２の速度情報を機構制御部２８０に送り、ＴＤＩイメージセンサ２００、２１０の垂直転送のタイミングに同期させる。また、ウェハ１の表面の反りやステージ移動時のＺ方向の偏差により、光学系の焦点位置に対してウェハ１の表面の位置がずれることがある。このため、例えばＡＦ（Auto Focus）照明系２５０から、スリット像をウェハの表面に投影し、反射したスリット像をＡＦ検出系２６０にて結像し、光検出器２７０で検出する。検出したスリット像の情報は、機構制御部２８０に送られてウェハ１の高さ情報を算出する。この検出されたスリット像の位置を算出することにより、ウェハ１の高さを検知することが可能である。この方式は、一般的に光てこ方式と呼ばれるＡＦ方式である。このＡＦ方式以外にも、ＴＴＬ（Through The Lens）による光てこ方式や縞パターン投影方式などが知られている。このＡＦ方式で検出したウェハ１の高さ情報と暗視野検出光学系１０の焦点位置の差が許容範囲以上の場合は、機構制御部２８０よりステージ系２８２のＺ軸アクチュエータに対してこの差が許容範囲におさまるように駆動の指示が出されて、第１及び第２のイメージセンサ２００、２１０にて検出する画像のデフォーカスを防止する。

そして、図２に示すように、暗視野検出光学系２０において、ビームスプリッタ２４で分岐した第１の検出光路２１ａと第２の検出光路２１ｂとの各々に配置された第１のイメージセンサ２００と第２のイメージセンサ２１０とは、ウェハ１上の同じ位置の画像を検出する。例えば、ウェハ１が周期性を有するセルパターンが形成されたメモリ部と不規則なロジックパターンが形成されたロジック回路部とを形成した混載ウェハ（システムＬＳＩなど）の場合は、周期性を有する回路パターンが形成されたメモリ部からの回折光パターン（回折光縞）は暗視野検出光学系２０においてビームスプリッタ２４で分岐した第１の検出光路２１ａに配置された、繰り返される遮光パターンを有する第１の空間フィルタ５０にて遮光する。このため、第１のイメージセンサ２００で検出される画像はランダムな欠陥からの散乱光のみが検出される。これに対して、不規則なロジックパターンが形成されたロジック回路部からの散乱光は、メモリ部のような第１の空間フィルタ５０では遮光できず、第１のイメージセンサ２００に到達する光量が多いため、ビームスプリッタ２４で分岐した第２の検出光路２１ｂに光量を減光するＮＤフィルタ９０を設置することにより、検出光量の違いを補正して、メモリ部及びロジック回路部共に第１のイメージセンサ２００及び第２のイメージセンサ２１０の各々で適切なダイナミックレンジでそれぞれの領域の画像を検出するように構成した。即ち、ウェハ上に配列されたダイ内を回路パターンの周期性と非周期性とに着目して領域を分割し、分割した領域毎の画像を第１のイメージセンサ２００及び第２のイメージセンサ２１０の各々で検出するように構成した。なお、回路パターンの周期性と非周期性とに着目して２つの領域に分割した実施例について説明したが、領域を３、４、５など多く分割して、それぞれの画像を対応する数のイメージセンサで検出する内容についても本発明の範囲内であることは明らかである。また、第２の検出光路２１ｂに非周期的開口空間フィルタ９５とＮＤフィルタ９０を設置する場合について説明したが、非周期的開口空間フィルタ９５に設定される開口が小さくなると透過する検出光量が減少するので、この場合にはＮＤフィルタ９０を第１の検出光路２１ａに設置しても良い。

また、第１のイメージセンサ２００及び第２のイメージセンサ２１０をＴＤＩセンサで構成した場合、メモリ部、ロジック回路部に応じて第１のＴＤＩセンサの蓄積段数及び第２のＴＤＩセンサの蓄積段数を変更（蓄積時間を変更）することによってメモリ部及びロジック回路部ともに適切な画像信号の明レベルを得ることが可能となる。

次に、暗視野照明光学系１０及び暗視野検出光学系２０の詳細な実施の形態について図２を用いて説明する。暗視野照明光学系１０の配置としては、光軸をウェハ１に対して斜方に配置したオフアクシス照明の配置と、対物レンズ２２を通してウェハ１を照明するＴＴＬ方式がある。暗視野照明光学系１０はいずれの方式でも適用可能である。本実施の形態では、オフアクシス方式の構成を用いて説明する。暗視野照明光学系１０の光軸は、ウェハ１の表面の法線に対して斜めに傾けられている。この光源１１としては、複数の波長（発光スペクトル）若しくは複数の波長帯域からなる照明光を出射する多波長光源であるレーザ光源やランプ光源（水銀、水銀キセノン、キセノンランプなど）が考えられる。照明波長は、短くすることにより散乱光量が多くなるため、ＵＶ（Ultraviolet）光やＤＵＶ（Deep Ultraviolet）光が考えられる。レーザ光源の場合には、ＹＡＧの第２高調波の５３２ｎｍ、第３高調波の３５５ｎｍ、第４高調波の２６６ｎｍ、ＫｒＦ２４８ｎｍ、ＡｒＦ１９３ｎｍ、さらには１９９ｎｍの波長の固体レーザが候補であり、図３に示すように、これら複数のレーザ光源１２ａ、１２ｂを設けて同時に出射させてダイクロイックミラー１３を用いて合成して複数の波長若しくは波長帯域を含む多波長の照明光にすることが可能である。ランプ光源の場合、水銀ランプや水銀キセノンランプにおいては発光スペクトルとして５７８ｎｍ、５４７ｎｍ、４３６ｎｍ、４０５ｎｍ、３６５ｎｍを含む多波長の照明光となり、キセノンランプにおいては広帯域の可視光に上記発光スペクトルが重畳された多波長の照明光となる。なお、照明波長は、短くすることにより微細な欠陥からの散乱光量が多くなるため、約４５０〜約６５０ｎｍの橙色−青色帯域、約４４０ｎｍ以下の紫色帯域−ＵＶ（Ultraviolet）光やＤＵＶ（Deep Ultraviolet）光等が考えられる。本実施の形態では光源１１としてレーザ光源を用いた場合について説明する。レーザ光源１１から出射された多波長を有するレーザ光は、シリンドリカルレンズ１５にて、入射角の方向に屈折され、これと直交する面内では平行光のまま長方形状（矩形形状）である細帯状ビーム（スリット状ビーム）１６としてウェハ１を照射する。細帯状ビーム（スリット状ビーム）１６は図４に示す平面的にＸ方向に交差する方向に長手方向を有する。このとき、ウェハ１を載置したステージ２８２はＸ方向に走行される。これにより、ウェハ上を第１及び第２のイメージセンサ２００、２１０の視野（長方形状）に対応して細帯状に照射することが可能となると共に、照明強度の高い多波長照明光を上記長方形状（細帯状）の視野に対応した細帯状ビームとして効率的に照射することが可能となる。このため、より低出力の安価な複数のレーザ光源１２ａ、１２ｂを用いて多波長線状ビームとして必要強度を満足することが可能であり、装置コストの抑制に有利である。また、多波長で照明することによって酸化膜等の透明膜が形成されたウェハ１上において透明膜の微妙な膜厚変動に応じて生じるパターンや欠陥からの検出光量の変動（明るさ変動）を抑制することが可能となる。

そして、図４に示すように、細帯状ビーム１６が欠陥４や回路パターン３に対して暗視野照明され、散乱・回折した光のうち上方に配置された対物レンズ２２のＮＡ内に伝播する光は対物レンズ２２に捕捉される（集光される）。捕捉された光は、ビームスプリッタ（分岐光学系）２４により２系統の検出光路２１ａ、２１ｂに分岐される。

ビームスプリッタ２４で透過して分岐された第１の検出光路２１ａには、ウェハ像のフーリエ変換面に第１の空間フィルタ５０が配置される。第１の空間フィルタ５０は、ウェハ１に形成された回路パターンの周期性に応じて、フーリエ変換面に形成される周期的な回折像（回折パターン）を遮光する周期的遮光タイプと、回路パターンに周期性がない場合には図５（ｂ）（ｃ）または図６（ａ）（ｂ）に示すように周期的ではなく特定の開口形状をした非周期的開口タイプとの２つのタイプが考えられる。周期的遮光空間フィルタは、回折像（回折パターン）のピッチが変わってもこれを遮光できるように遮光部のピッチが変更可能な構成になっている。また、非周期的開口空間フィルタは図５（ｂ）（ｃ）または図６（ａ）（ｂ）に示すように互いに異なる複数の開口形状をした複数の非周期的開口空間フィルタが準備されている。この２タイプの空間フィルタは、空間フィルタ切替え機構４３０にて切り替え可能である。この第１の空間フィルタ５０を透過した光は第１の１／４波長板３０を透過して特定の偏光状態に変更可能な機能を有しており、これを第１の偏光子（ポラライザ）３５にてフィルタリングする。この第１の１／４波長板３０及び第１の偏光子３５は、回転及び出し入れが可能な機構４００に搭載されている。これらの第１の偏光素子３０、３５を透過した光は、第１の結像レンズ５５にて第１のイメージセンサ２００上に暗視野像を結像する。また、暗視野像を第１のイメージセンサ２００上に拡大投影する倍率を変更するために、焦点距離が異なる結像レンズ５７が準備されており、この倍率変更時には結像レンズ切替え機構４４０により、選んだ倍率に対応した焦点距離の第１の結像レンズを第１の検出光路２１ａに配置する。また、ウェハ１が静止した状態でウェハ１の２次元画像を検出できるように、２次元イメージセンサ６５ａが配置されている。このイメージセンサ６５ａは、主に検査するときの検査レシピを作成する時などに利用されるものであり、必要ない場合はビームスプリッタ６０ａを出し入れする出し入れ機構４２０ａにて、ビームスプリッタ６０ａを第１の検出光路２１ａから退避する。

ところで、周期的なパターンが形成されたメモリ部と不規則なパターン（非周期的なパターン）が形成されたロジック回路部とを形成した混載ウェハ（システムＬＳＩなど）などにおいて、システムＬＳＩの品種に応じて回路パターン形状・ピッチ・配線方向が変化するため、空間フィルタ５０で遮光する位置も変化させる必要がある。また、欠陥の形状や材料及び暗視野照明条件に応じて散乱光の分布が変化するため、空間フィルタ５０にて欠陥からの散乱光を通す開口部の位置を変化させる必要がある。このように最適な空間フィルタリングを行うためには、回路パターン３の種類や欠陥４の種類に応じて、空間フィルタ５０の形状を最適化する必要がある。同様に、より欠陥４からの散乱光のみをイメージセンサ２００に透過させるための偏光フィルタリングの効果もモニタリングする必要がある。このため、第１の検出光路２１ａにおいては、空間フィルタ５０及び偏光素子３０、３５の後に、回路パターンからの回折像をモニタリングするため、モニタリング時にはビームスプリッタ４０ａを出し入れ機構４１０ａにより検出光路２１ａに配置して検出光を分割し、該分割した光を結像レンズ２７ａにより空間フィルタ面と共役な関係に結像し、該結像された共役像を２次元イメージセンサ２５ａで検出する。そして、このイメージセンサ２５ａの像及びウェハ共役面のイメージセンサ２００で検出した暗視野像にてフィルタリングの効果を把握し、適切なフィルタとなるようにフィルタリング条件を決定する。

なお、特に欠陥４からの散乱光を検出する場合には、欠陥周辺のみの光が透過するようにレンズ２３の焦点位置に視野絞り（図示せず）を設けることにより、２次元カメラ２５ａにて検出した光は、主に欠陥部からの散乱光のみとなり、フィルタリングの効果が明確になる。また、２８はコリメータレンズを示す。

他方、ビームスプリッタ２４で反射して分岐された第２の検出光路２１ｂにも第１の検出光路２１ａと同様の第２の空間フィルタ（周期的遮光タイプと非周期的開口タイプの２つのタイプが考えられる。）９５、第２の１／４波長板８０、第２の偏光子８５、第２の焦点距離の異なる結像レンズ１００、１１０及び第２のイメージセンサ２１０を設置する。また、第１の検出光路２１ａと第２の検出光路２１ｂとは、フィルタリングの状態が異なるため、イメージセンサ２００、２１０に到達する光量に差が生じる。イメージセンサ２００、２１０の感度やセンサ出力のアナログ信号をデジタルに変換する場合のゲインなどが同じ場合は、この光量差を同等程度に補正することにより、イメージセンサ２００、２１０のダイナミックレンジを有効に利用することが可能である。これを行うため、検出光量の多い光路（本実施の形態では、周期的遮光タイプではなく、非周期的開口形状タイプの第２の空間フィルタ９５を設ける第２の検出光路２１ｂ）にＮＤ（Neutral Density）フィルタ９０を配置して、光量を同等程度にすることが可能である。なお、空間フィルタ切替え機構４７０、偏光素子回転・出し入れか機構４５０、結像レンズ切替え機構４８０は第１の検出光路と同様の機能である。また、検出光量を同等程度に調整するＮＤフィルタ切替え機構４６０も搭載している。また、７１はレンズ、７２はコリメータレンズを示す。また、ウェハ１が静止した状態でウェハ１の２次元画像を検出できるように、２次元イメージセンサ６５ｂが配置されている。このイメージセンサ６５ｂは、主に検査するときの検査レシピを作成する時などに利用されるものであり、必要ない場合はビームスプリッタ６０ｂを出し入れする機構４２０ｂにて、ビームスプリッタ６０ｂを第２の検出光路２１ｂから退避する。

更に、第２の検出光路２１ｂにおいても、最適な空間フィルタリングを行うためには、回路パターン３の種類や欠陥４の種類に応じて、空間フィルタ９５の形状を最適化する必要がある。同様に、より欠陥４からの散乱光のみをイメージセンサ２１０に透過させるための偏光フィルタリングの効果もモニタリングする必要がある。このため、第２の検出光路２１ｂにおいては、空間フィルタ９５及び偏光素子８０、８５の後に、回路パターンからの回折像をモニタリングするため、モニタリング時にはビームスプリッタ４０ｂを出し入れ機構４１０ｂにより検出光路２１ｂに配置して検出光を分割し、該分割した光を結像レンズ２７ｂにより空間フィルタ面と共役な関係に結像し、該結像された共役像を２次元イメージセンサ２５ｂで検出する。

そして、このイメージセンサ２５ｂの像及びウェハ共役面のイメージセンサ２１０で検出した暗視野像にてフィルタリングの効果を把握し、適切なフィルタとなるようにフィルタリング条件を決定する。なお、特に欠陥４からの散乱光を検出する場合には、欠陥周辺のみの光が透過するようにレンズ７１の焦点位置に視野絞り２６を設けることにより、２次元カメラ２５ｂにて検出した光は、主に欠陥部からの散乱光のみとなり、フィルタリングの効果が明確になる。

なお、本実施の形態では、検出光路を２分岐した実施例について説明したが、これよりも多い検出系についても、本発明の範囲内であることは明らかである。

また、２光路に分岐した検出光路２１ａ、２１ｂの使い分けとして、（１）ウェハ１に形成された回路パターン３の周期性、（２）検出欠陥種などが考えられる。例えばメモリ部のような周期性のあるパターン部と、ロジック回路部のような周期性のない領域に区別して、メモリ部は第１の検出光路２１ａにて取得した画像を用いて欠陥判定し、ロジック回路部は第２の検出光路２１ｂにて取得した画像にて欠陥判定する。この第１の検出光路２１ａに設定する第１の空間フィルタ５０と第２の検出光路２１ｂに設定する第２の空間フィルタ９５との遮光部は異なる形状をしており、メモリ部は回折像が周期的であるため等間隔ピッチの線状遮光部を有した周期的遮光タイプの空間フィルタ５０を設定する。これに対して、第２の検出光路２１ｂには周期的ではない開口を有した非周期的開口タイプの空間フィルタ９５を設定する。これにより、回路パターン領域ごとに最適化した空間フィルタリングを行うことにより、欠陥検出に有利な画像を検出する。さらに、欠陥種に応じて検出光路を区別する手法も考えられる。これは、それぞれの検出光路２１ａ、２１ｂで異なる偏光フィルタリングを行うものである。欠陥４のコントラストは、欠陥４の方向・材料・位置（積層膜の上または積層膜の中などの違いも含む）及び周辺の回路パターン３との位置関係などに応じて変化するため、第１の検出光路２１ａと第２の検出光路２１ｂとにおいて互いに異なる偏光フィルタリングを行い、何れかの検出光路にて欠陥４のコントラストを高め、ウェハ１上に存在する欠陥４の捕捉率を高めようとするものである。以上、パターン３の周期性と欠陥種に応じた２系統の検出光路２１ａ、２１ｂのフィルタリング設定方法について述べたが、これらを複合した設定方法も考えられる。また、欠陥判定する場合は、２系統のイメージセンサ２００、２１０で検出した同一空間の２つの検出画像信号を用いて欠陥４を判定する手法も考えられる。さらに、欠陥判定のみではなく、同一空間の２つの検出画像信号を用いることにより、欠陥４の情報をより多く得られるため、欠陥４の種類の分類（デバイスの致命性に応じた分類、表層や膜中の分類、欠陥サイズの分類）などにも活用することが考えられる。これらについても本発明の範囲内である。

次に、２系統の検出光路２１ａ、２１ｂを回路パターン３の周期性に応じて区別する手法について説明する。ウェハ１上に配列されているダイ内においてメモリ部として区分される周期的な配線（メモリセル）の領域７及びロジック回路部として区分される非周期的な配線の領域８に形成されている回路パターン３の平面図を図４（ａ）に示す。このモデルは層間絶縁膜として形成されているＳｉＯ_２など酸化膜上に回路パターン３が形成されているモデルである。回路パターン３は例えば周期的な配線（メモリセル）の領域７と非周期的な配線の領域８に区分されている。また、欠陥４は酸化膜上に存在する場合を示す。非周期的な回路パターン領域８におけるＡ−Ａ’部の断面図を図４（ｂ）に示す。ウェハ１上にトランジスタ（図示せず）が形成され、この上に酸化膜２が形成され、この上に金属配線（例えば、タングステンや銅、アルミニウムなど）のパターン３が形成される。パターン３は、主に直交するように配線されており、Ｘ又はＹ方向に平行である。

次に、区分された周期的な回路パターン領域７に対する画像検出について説明する。即ち、メモリ部のように周期的な回路パターン領域７については主に図２に示した第１の検出光路２１ａにて画像信号を検出する。この第１の検出光路２１ａに設定される第１の空間フィルタ５０の遮光部は、回路パターンの回折像を遮光するように等間隔に遮光部が並んだ周期的遮光タイプの線状空間フィルタである。

次に、区分された非周期的な回路パターン領域８に対する画像検出について説明する。即ち、ウェハ１に対して斜方より照明した（暗視野照明した）場合において、ロジック回路部のように非周期的な回路パターン領域８における回路パターン３と欠陥４にて散乱する光の分布を図５に示す。

図５（ａ）は、暗視野検出光学系２０のフーリエ変換面の平面図と非周期的な回路パターン領域８における欠陥４及び回路パターン３の散乱光分布の模式図を示す。外周３００は、対物レンズのＮＡが１．０の場合の例を示す。実際には乾燥系レンズにおいてＮＡが１．０のレンズはないが、模式的に示している。円３１０が実際の対物レンズ２２のＮＡであり、この実施例では０．８を示している。これらの円の中心が、ウェハ１面の法線と平行に伝播する光が到達する位置である。このとき、照明光１６は対物レンズ２２の外側である点５から平面的にＸ方向に交差する方向に長手方向を有する細帯状に斜方照明され、ウェハ１上で正反射した０次光はＮＡの中心に対して点対称な点６に到達する。そして、図５（ａ）には、非周期的な回路パターン領域８における回路パターン３からの散乱光や回折光において、Ｙ方向に平行な回路パターン３からの散乱光や回折光は３ｒで示すように比較的Ｙ方向に平行な入射面に多く集まり（これ以外の領域にもパターンからの散乱光は伝播するが、ここでの説明は無視する）、回路パターン３のコーナー部やＸ方向に平行な回路パターン３からの散乱光や回折光は、比較的０次光６の周辺３ｓにおいて光量が高くなり、欠陥４からの散乱光の分布４ｓは前方散乱の周辺ＮＡ部に多く集まるモデルを示す。欠陥検出に有利な欠陥像のコントラストの高い暗視野検出像を得るためには、非周期的な領域の正常な回路パターン３からの散乱光や回折光を遮光して欠陥４からの散乱光のみを検出することが理想である。このため、図５（ａ）のような散乱分布である場合は、第２の空間フィルタ９５として、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に示すように、非周期的な回路パターン領域における正常な回路パターン３からの散乱光が少なく、欠陥の散乱光が多い領域に開口９６を有した空間フィルタを設定することが有効である。図５（ｂ）に示す実施例は、回路パターン３からの散乱光が強い領域を遮光部９５ａで遮光し、それ以外の領域を開口部９６で形成する。また、図５（ｃ）に示す実施例は、回路パターン３からの散乱光が少なく、欠陥の散乱光が多い領域に絞って開口部９６を形成し、他の領域を遮光部９５ｂで形成する。非周期的な領域の正常な回路パターン３の形状・方向・寸法・材料、並びに欠陥の種類・位置・サイズなどに応じてこれらの分布は変化するため、第２の空間フィルタ９５は複数を準備しておき、検査対象のウェハ１の構造並びに回路パターン３及び検出したい欠陥４に応じて準備した空間フィルタの中から、検査に有利な空間フィルタの開口形状を選択することが望ましい。

次に、第２の空間フィルタ９５の変形例について図６を用いて説明する。ウェハ１の暗視野照明光を偏光照明（例としてＳ偏光照明、Ｐ偏光照明、及び右回りあるいは左回りの円偏光照明、あるいは可干渉距離以上の光路差を持たせたＰ偏光とＳ偏光の混合照明などがある）を行った場合、回路パターン３や欠陥４の散乱光にも偏光特性が見られる。この偏光特性は、散乱方向に応じて異なる特性を示すことがあり、これを利用して回路パターン３の散乱光を偏光フィルタリングし、欠陥４からの散乱光を相対的に多く検出することが可能である。このため、図６（ａ）に示す空間フィルタ９５ｄは、一方の開口９６ａに偏光の振動面を回転する１／２波長膜や１／４波長の位相差が生じる膜などの複屈折材９７を配置し、他方の開口９６ｂに位相差膜を形成しないものである。このような空間フィルタ９５ａを透過した後に、偏光子８５にて特定の偏光のみを透過させて暗視野像を形成することにより、欠陥のコントラストをより強調させることが可能となる。

また、図６（ｂ）に示す空間フィルタ９５ｅは、複屈折材ではなく、開口９６ｃを通る光と開口９６ｄを通る光の位相差を利用してパターンからの強度を低減する方法も考えられる。この空間フィルタ９５ｅは、上記複屈折材の変わりに、一方の開口９６ｃに位相差πを与える材料９８を配置するものである。

以上、非周期的開口空間フィルタ９５では２開口の実施例について説明したが、２開口よりも多い開口を有する場合は、それぞれの開口を通過する回路パターン３と欠陥４の偏光特性の違いや、位相の状態を考慮して複屈折材や位相差膜（複屈折特性は無視できるほど小さい）を配置することが有効である。また、これらを組合せすることも可能である。

次に、異なる複数の空間フィルタ９５ａ〜９５ｅを切り替える切替え機構４７０について図７を用いて説明する。切替え機構４７０は、複数の空間フィルタ９５ａ〜９５ｅ（図７には、９５ａ〜９５ｃについて示す。）を配列させたステージ４５０を機構制御部２８０からの制御指令に基いて例えば直線運動又は回転運動５５０させることに選択可能に構成される。即ち、切替え機構４７０は検査対象ウェハ１に応じて最適な例えば開口形状を有する非周期的開口空間フィルタを選択して設定可能に構成される。空間フィルタの切替え機構４３０も、空間フィルタの切替え機構４７０と同様に機構制御部２８０からの制御指令に基いて検査対象ウェハ１に応じて最適な例えば遮光部の間隔を有する周期的遮光空間フィルタを選択して設定可能に構成される。

図２に示す偏光素子の切替え機構４００、４５０は波長板３０、８０と偏光子３５、８５とを機構制御部２８０からの制御指令に基いて独立に回転制御可能に構成される。ビームスプリッタの切替え機構４１０、４２０は、機構制御部２８０からの制御指令に基いてビームスプリッタ４０、６０を出し入れできるように構成される。

次に、画像処理部２３０ａが、分岐した２系統についての検出光路２１ａ及び２１ｂの各々におけるイメージセンサ２００及び２１０で取得した画像に基いて欠陥を判定処理することについて図８を用いて説明する。ここでの説明は、図２にて説明した第１の検出光路２１ａ及び第２の検出光路２１ｂでそれぞれの画像を検出し、画像処理部２３０ａにおいてそれぞれ欠陥判定する場合の処理の流れについて説明する。第１のイメージセンサ２００と第２のイメージセンサ２１０とで検出した画像の明るさの分解能は１０２４階調であるため、各イメージセンサ２００、２１０で検出された画像信号を各階調変換部２３１ａ、２３１ｂにおいて画像処理するときの２５６階調に階調変換を行う。この階調変換を行うときの明るさ変換特性は線形、非線形が選択可能である。

以降は第１のイメージセンサ２００で検出した検出画像信号ｆ１及び第２のイメージセンサ２１０で検出した検出画像信号ｆ２の処理の流れについて説明する。即ち、階調変換が行われて明るさ情報が２５６階調に変換された検出画像信号ｆ１、ｆ２は、画像位置合わせ部２３３ａ、２３３ｂと遅延メモリ２３２ａ、２３２ｂの両方に送られる。遅延メモリ２３２ａ、２３２ｂに送られた検出画像信号は、設計上同一パターンが形成されている例えばダイのピッチに相当する時間を遅らせて参照画像信号ｇ１、ｇ２を作成して画像位置合わせ部２３３ａ、２３３ｂに送られる。このため、リアルタイムで検出した検出画像信号ｆ１、ｆ２と例えば隣接ダイの参照画像信号ｇ１、ｇ２とが画像位置合わせ部２３３ａ、２３３ｂに送られ、画像位置合わせ部２３３ａ、２３３ｂにおいてこの２つの画像信号同士についての位置合わせを行い、該位置合わせされた画像信号同士の差画像を差画像算出部２３４ａ、２３４ｂにおいて算出する。次に、該算出された差画像は２系統のしきい値処理が行われる。第１の比較部２３５ａ、２３５ｂは、差画像算出部２３４ａ、２３４ｂから得られる差画像の絶対値に対して設定された一定のしきい値２３６ａ、２３６ｂで第１のしきい値判定処理が行われ、このしきい値以上の欠陥候補の領域の画像特徴量（明るさ、サイズ情報など）が欠陥判定部２４０ａ、２４０ｂに送られる。また、第２のしきい値処理部（積分部）２３９ａ、２３９ｂは、差画像算出部２３４ａ、２３４ｂから得られた例えばメモリ領域内、ロジック回路領域内における複数の差画像からメモリ領域内の明るさのばらつきなどを求め、このばらつきを基にして第２のしきい値２３８ａ、２３８ｂを生成する。第２の比較部２３７ａ、２３７ｂは差画像算出部２３４ａ、２３４ｂから得られる差画像の絶対値に対して上記生成された第２のしきい値２３８ａ、２３８ｂで第２のしきい値判定処理が行われる。この第２のしきい値は、浮動しきい値となる。この浮動しきい値以上となった欠陥候補の領域の画像特徴量についても、第１のしきい値処理と同様に、欠陥判定部２４０ａ、２４０ｂに送られる。欠陥判定部２４０ａ、２４０ｂは、これら２系統から送られた画像特徴量を用いて、総合的に例えばメモリ部領域内及びロジック回路部領域内の各々において欠陥が判定される。このとき、特定のパターンなどでは明るさむらが大きく、正常部を誤判定して欠陥としてしまうケースがある。この誤判定は、特定のパターンで生じやすいことを利用して、欠陥判定部２４０ａ、２４０ｂにウェハの座標情報２４１ａ、２４１ｂを入力して、誤判定が起こしやすい領域については、例え上記第１及び第２のしきい値以上であっても、欠陥として判定しない又は誤判定である可能性が高いことが分かるようにフラグを立て次の欠陥特徴量演算部２４２ａ、２４２ｂに送られる。この欠陥特徴量演算部２４２ａ、２４２ｂでは、検出した画像を用いて比較部２３５ａ、２３７ａ；２３５ｂ、２３７ｂに送られてきた画像特徴量よりもさらに細かく欠陥部の特徴量を算出する。

以上説明したように、第１及び第２のイメージセンサ２００、２１０の各々で検出された検出画像信号ｆ１、ｆ２に対して画像処理が行われ、例えばメモリ部領域内の欠陥部の画像特徴量と例えばロジック回路部領域内の欠陥部の画像特徴量が算出されて欠陥分類部２４３に入力される。

欠陥分類部２４３は、第１のイメージセンサ２００で検出された検出画像信号を基に欠陥特徴量演算部２４２ａから得られる例えばメモリ部内の欠陥部の画像特徴量及び第２のイメージセンサ２１０で検出された検出画像信号を基に欠陥特徴量演算部２４２ｂから得られる例えばロジック回路部内の欠陥部の画像特徴量を基づいて各々の欠陥部について分類が行われる。そして、欠陥分類部２４３で得られた各欠陥部の分類結果・座標情報・画像の特徴量などが操作部２９０に設けられた表示装置等に出力される。オペレータがこの出力された情報を目視確認することが可能であり、これらの情報はＬＳＩ製造工程の工程管理が行われている上位システム（図示せず）に送られる。

次に、画像処理の規模を小さくした実施例について図９を用いて説明する。図２にて説明した第１の検出光路２１ａにてメモリ部の画像を取得し、第２の検出光路２１ｂにてロジック回路部の画像を検出した場合の処理の流れについて説明する。第１のイメージセンサ２００と第２のイメージセンサ２１０は、メモリ／ロジックの領域に係わらず、画像を検出する。例えば検出した画像の明るさの分解能は１０２４階調あり、これを画像処理するときの２５６階調に変換するために階調変換を行う。この階調変換を行うときの明るさ変換特性は線形、非線形が選択可能である。階調変換部２３１ａ、２３１ｂの各々は、それぞれの画像信号について階調変換を行い、画像選択部２４４に送られる。画像選択部２４４には、ステージ２８２の座標情報２４５が入力されて流れてきた画像が周期性パターン部であるメモリ部か、非周期性パターン部であるロジック回路部かが判断可能になっている。この情報より、メモリ部の画像が流れてきた場合は第１のイメージセンサ２００の検出画像信号を選択し、ロジック回路部の画像が流れてきた場合は第２のイメージセンサ２１０の検出画像信号を選択する。それぞれ選択された検出画像信号ｆ１、ｆ２は画像位置合わせ部２３３と遅延メモリ２３２の両方に送られる。遅延メモリ２３２に送られた画像は、設計上同一パターンが形成されているダイのピッチに相当する時間を遅らせて画像位置合わせ部２３３に送られる。このため、リアルタイムで検出した検出画像信号ｆ１、ｆ２と例えば隣接ダイの参照画像信号ｇ１、ｇ２との２つの画像信号が画像位置合わせ部２３４に送られ、画像位置合わせ部２３４はこれらの２つの画像信号同士ついての位置合わせを行い、差画像算出部２３４は該位置合わせした画像信号同士の差画像を算出する。該算出された差画像は第１の比較部２３５及び第２の比較部２３７において２系統のしきい値処理が行われる。第１の比較部２３５は差画像算出部２３４から得られる例えばメモリ部内、ロジック回路内の各々における差画像の絶対値に対して一定のしきい値で第１のしきい値処理が行われ、このしきい値以上の領域の画像特徴量（明るさ、サイズ情報など）が欠陥判定部２４０に送られる。また、第２のしきい値処理部（積分部）２３９は、差画像算出部２３４から得られる例えばメモリ部内、ロジック回路内の各々における差画像から明るさのばらつきなどを求め、該求められた各々の明るさのばらつきなどを基に第２のしきい値２３８を生成する。第２の比較部２３７は、差画像算出部２３４から得られる例えばメモリ部内、ロジック回路内の各々における差画像と生成された各々の第２のしきい値２３８と比較する。この第２のしきい値２３８は、浮動しきい値となる。この浮動しきい値以上となった領域の画像特徴量についても、第１のしきい値処理と同様に、欠陥判定部２４０に送られる。これら２系統から送られた画像特徴量を用いて、総合的に例えばメモリ部領域内、ロジック回路領域内の各々において欠陥が判定される。このとき、特定のパターンなどでは明るさむらが大きく、正常部を誤判定して欠陥としてしまうケースがある。この誤判定は、特定のパターン３で生じやすいことを利用して、欠陥判定部２４０にウェハ１の座標情報２４１を入力して、誤判定が起こしやすい領域については、例え上記第１及び第２のしきい値以上であっても、欠陥として判定しない又は誤判定である可能性が高いことが分かるようにフラグを立て、次の欠陥特徴量演算部２４２に送られる。この欠陥特徴量演算部２４２では、検出した画像を用いて比較部２３５，２３７に送られてきた画像特徴量よりもさらに細かく欠陥部の特徴量を算出する。そして欠陥分類部２４３はこの特徴量を用いて欠陥の分類を行い、この分類結果・座標情報・画像の特徴量などが操作部２９０の表示装置等に出力される。

次に、画像処理部内の階調変換部で行われる階調変換の機能である線形特性の変換について図１０を用いて説明する。ここでは、図２とは異なり、第１の検出回路２１ａの同一の第１のイメージセンサ２００で周期性回路パターン及び非周期性回路パターン両方の画像を取得し、画像処理部２３０で欠陥判定する場合の実施例である。第１のイメージセンサ２００の出力は１０２４階調あり、周期性回路パターンの回折像を第１の空間フィルタ５０で遮光するため、非周期性回路パターン部に対しても第１の空間フィルタ５０で一部の散乱光が遮光されて相対的に検出光量が低くなる。そのため、周期性パターン部に比べて明るく検出される非周期性パターン部の明るさがイメージセンサ２００のダイナミックレンジに対して適切（例えば１０２４階調の飽和レベル程度）になるように暗視野照明光学系１０で照射する照明光量を調整する。そして、例えば周期性パターン部は、ダイナミックレンジの１／４程度の２５６階調であったとする。そこで、ステージ２８２の座標情報２４５（ウェハの座標情報も含む）を基に周期性回路パターン部であるか、非周期性回路パターン部であるかに応じて、階調変換部において周期性回路パターン部の諧調値の最大値と非周期性回路パターン部の諧調値の最大値が、画像処理を行う画像の最大値（２５６階調）となるように階調変換を行う。これにより、周期性パターン部、非周期性パターン部共に、画像処理用画像の明るさレベルを確保して検査することが可能となる。なお、図９に示す階調変換部２３１ａ、２３１ｂに対しても、画像処理を行う画像の最大値（２５６階調）となるように階調変換することは可能である。

同様に、画像処理部で行われる階調変換がガンマ補正など非線形な特性の実施例について図１１を用いて説明する。周期性回路パターン部と非周期性回路パターン部で異なる非線形変換を行うことが可能な実施例である。例えば、ロジック回路部の検出光量が明るい位置で明るさのばらつきが大きい場合は、ガンマ状の階調変換を行うことにより画像処理後の明るさの変動量を小さくすることが可能である。

次に、暗視野検出光学系２０の光学条件である空間フィルタ５０、９５の遮光形状及び偏光素子３０、３５、８０、８５の設定条件は、ウェハ１の構造やパターン３の形状及び検出したい欠陥４の種類などに応じて適切な条件を選択して例えば操作部２９０において検査レシピを作成する必要がある。この検査レシピを作成するときの機能について図１２を用いて説明する。暗視野検出光学系２０には、図２に示すとおり、検査するときの光学条件の選択に必要なフーリエ変換像を観察するイメージセンサ２５ａ、２５ｂとステージ２８２を静止した状態でウェハ１上の２次元画像を検出する２次元イメージセンサ（２次元カメラ）６５ａ、６５ｂが配置されている。レシピ作成時には、フーリエ変換面観察イメージセンサ２５ａ、２５ｂとイメージセンサ６５ａ、６５ｂとの夫々に光が分配されるようにビームスプリッタ４０ａ、４０ｂ及び６０ａ、６０ｂが各検出光路２１ａ、２１ｂに配置される。２次元イメージセンサ（２次元カメラ）６５ａ、６５ｂを配置する理由は、イメージセンサ２００、２１０では２次元画像を取得する場合、ウェハ１を走査する必要がありこの時間を短縮することが狙いである。また、フーリエ変換面の画像とウェハ１の画像をリアルタイムで同時に観察できることにより、レシピ作成者が光学条件を選択しやすくする狙いがある。なお、ビームスプリッタ６０及び２次元イメージセンサ（２次元カメラ）６５は各検出光路に設ける必要はない。

フーリエ変換面観察イメージセンサ２５ａ、２５ｂの画像は画像加算部（積分部）２４６を通り、必要に応じて画像を加算してフィルタ選択部２４７に画像が送られる。このフィルタ選択部２４７にて遮光するフーリエ変換面の位置を選択し、このデータが操作部２９０に送られ、選択した領域が遮光されるように空間フィルタ５０、９５を選択する。また、２次元カメラ６５ａ、６５ｂの画像は、パターン像判定部２４８に送られ、検出した暗視野像より、パターン像の明るさや面積などを算出し、この結果を操作部２９０に送るシステムになっている。

次に、このシステムを用いて、空間フィルタ５０、９５の遮光部を選択する手順について図１３を用いて説明する。最初に、照明エリアと条件設定対象である回路パターンが一致するようにウェハ１を位置決めし、図２に示す視野絞り２６の開口形状をイメージセンサ２５ｂの撮像領域に対応させる（Ｓ１２１）。その他、照明の光学条件なども設定する（Ｓ１２１）。そして、イメージセンサ（ＴＶカメラ）２５ａ、２５ｂによりフーリエ変換像を取得する（Ｓ１２２）。次に、周期性判定部（パターン像判定部）２４７において、空間フィルタ条件設定エリアが、周期的パターン部かどうかを判定する（Ｓ１２３）。周期的パターン部であって、フーリエ変換像の明るさが不足している場合には、暗視野照明光学系１０で照射する照明光量（例えばレーザ出力）を増加させるか、画像加算部（積分部）２４５において複数の画像を加算して画像の明るさを適度にする。この画像をフィルタ選択部２４６に送り、回折像の領域を算出してこれを遮光する等ピッチの線状空間フィルタの条件を求める（算出する）（Ｓ１２４）。求めた情報を操作部２９０に送り、機構制御部２８０を介して第１の空間フィルタ５０を設定する（Ｓ１２５）。この設定した結果の良否を判定するため、ＴＶカメラ２５ａにて周期的な回路パターンの回折像が遮光されていることを確認する（Ｓ１２６）。また、ＴＶカメラ６５ａにてウェハ像を取得して、周期的な回路パターンの明るさが抑制されていることを確認する（Ｓ１２６）。周期的な回路パターンの回折像の漏れ光を算出し（Ｓ１２７）、ステップＳ１２８において漏れ光が許容値でない（回折像が十分に遮光されていない）場合は、ステップＳ１２４に戻り再度線状遮光空間フィルタ５０の条件を求め、周期的遮光空間フィルタ５０の設定を変更する。即ち、ステップＳ１２８において周期的な回路パターンの回折像の遮光が許容値に入るまでこの動作を繰り返す。

次に、ステップＳ１２３において周期性判定部（パターン像判定部）２４７で非周期性回路パターンであると判定された場合の非周期的開口空間フィルタ等の設定手順について説明する。基本的には周期性回路パターンと同様の手順で非周期的開口空間フィルタ等を設定する。異なる点は、非周期性パターン部は、ウェハ上の位置に応じてパターンの方向や配列が異なる点である。このため、非周期性パターン部の全体的な回折像を取得して、第２の空間フィルタ９５の開口部の形状を決定することが望ましい。これを行うため、回路パターンの方向や配列の異なる位置にウェハをステップ移動させ（Ｓ１３０）、フーリエ変換像を第２の検出光路２１ｂに設けたビームスプリッタ４０ｂ、結像レンズ２７ｂ及びＴＶカメラ２５ｂによりを取得し（Ｓ１３１）、取得した画像を画像加算部（積分部）２４６で加算する（Ｓ１２９）。これを予め指定しておいた画像取得領域の画像取得が終了するまで繰り返す。この加算した画像の明るさは殆ど回路パターンからの散乱光である。この画像より明るい領域を選択し（空間フィルタの遮光部を算出し）（Ｓ１３２）、これを遮光するように準備した非周期的開口空間フィルタの中から適切な遮光形状をした非周期的開口空間フィルタを選択（設定）する（Ｓ１３３）。この選択された結果の良否を判定するため、ＴＶカメラ２５ｂにて図５（ａ）に示す非周期的な散乱光像３ｒ、３ｓが遮光されていることを確認する（Ｓ１３４）。また、ＴＶカメラ６５ｂにてウェハ像を取得して、非周期的な散乱光像が抑制されていることを確認する（Ｓ１３４）。非周期的な散乱光像の漏れ光を算出し（Ｓ１３５）、ステップＳ１３６において漏れ光が許容値でない（回折像が遮光されていない）場合は、ステップＳ１３２に戻り再度開口空間フィルタ９５の条件を求め、非周期的開口空間フィルタ９５の選択（設定）を変更する。即ち、ステップＳ１３６において非周期性回路パターンの散乱光像の遮光が許容値に入るまでこの動作を繰り返す。以上により空間フィルタ５０、９５の設定が終了することになる（Ｓ１３７）。

次に、デバイスにとって致命性の高い特定の欠陥を検出するために、各種光学条件を最適化するための手法について図１４及び図１５を用いて説明する。図１４にはウェハ１の平面図を示す。欠陥４は、非周期パターン領域にある検出したい欠陥を示している。空間フィルタの最適化を行うためには、欠陥の散乱光分布を把握する必要がある。照明光は広い範囲に照明されているため、欠陥４のみの散乱光分布を検出するためには。図２に示す暗視野検出光学系２０に配置した視野絞り２６にて欠陥部近傍のみに開口形状を設定する必要がある。この開口のサイズは欠陥の大きさや周辺パターンとの位置関係に応じて変化する。この絞りの開口の大きさは、ＬＳＩパターンでは、一辺の寸法がウェハ上にて１〜１０μｍ程度が適切な大きさである（円形開口の場合は、外径に対応する）。この暗視野検出光学系２０の視野絞り２６により、フーリエ変換像観察カメラ２５ｂで検出される散乱光分布は、主に欠陥からの散乱光分布となり、この散乱光の輝度が高いところに非周期的開口空間フィルタ９５の開口を設定することにより、欠陥からの散乱光を検出し、正常な非周期的なパターンからの散乱光を抑制することが可能となる。

次に、検出したい欠陥の光学条件を最適化する手順について図１５を用いて説明する。操作部２９０のＧＵＩにおいて、最初に試行する光学条件を選択する（Ｓ１４１）。次に、操作部２９０のＧＵＩにおいて、図１４に示す画面を基に暗視野検出光学系２０の視野絞り２６の開口形状を欠陥近傍に設定する（Ｓ１４２）。次に、操作部２９０のＧＵＩにおいて、固定の光学条件（照明光の波長帯域、照明光量、結像レンズ５５、５７；１００、１１０の結像倍率等）を設定する（Ｓ１４３）。次に、試行したい光学条件を設定する（Ｓ１４４）。

試行条件の候補としては、例えば、暗視野照明光学系１０における照明光（細帯状ビーム）１６の仰角α（ウェハ表面から照明光１６の光軸のなす角）、照明方位例えばウェハのノッチ方位を基準としてこれとなす角度または装置のＸステージ２８２の走行方向を基準としてこれとなす角度、照明光の偏光、および照明光のＮＡ。
暗視野検出光学系２０における１／４波長板３０、８０と偏光子３５、８５の回転角度、及び空間フィルタ９５の開口形状と複屈折材（上記条件が決定してから選択）などがある。

これらの条件を振りながら下記のループにて最適化を実施する。

カメラ２５ｂ、６５ｂにて欠陥部の暗視野像とフーリエ変換像とを取得し（Ｓ１４５）、隣接するダイにウェハを移動する（Ｓ１４６）。このダイでもカメラ２５ｂ、６５ｂにて正常部の暗視野像とフーリエ変換像とを取得する（Ｓ１４７）。そして画像処理部２３０において、これら、隣接ダイの暗視野像及びフーリエ変換像の差画像を算出する（Ｓ１４８）。操作部２９０において、試行条件が終了したか判定し、終了していない場合はこれらを繰り返す（Ｓ１４９）。次に画像処理部２３０は、試行した条件のフーリエ変換像の差画像より、欠陥部と正常部の散乱光分布を比較して、分布の異なる領域を算出する（Ｓ１５０）。このときに、フーリエ変換像の差画像なども活用して、欠陥部と正常部の散乱光分布の違う領域を判定する。なお、散乱光分布の違いとは、正常部に対して欠陥部の散乱光が比較的強い領域であったり、正常部には散乱光が出ていない領域に欠陥部の散乱光がある領域などである。これにより、欠陥からの散乱光をより多く、効率的に検出可能な光学条件を把握し、これを選択する（Ｓ１５１）。この選択条件は、１条件ではなく複数あっても良い。以上より、画像処理部２３０は、散乱光をより多く検出する光学条件と、散乱光が生じるフーリエ変換面上の位置が把握できる。次に、画像処理部２３０は、欠陥からの散乱光が生じるフーリエ変換面上の位置が開口になっている非周期的開口タイプの空間フィルタ９５を選択し（Ｓ１５２）、その情報を操作部２９０に提供する。以上により、操作部２９０からの制御指令に基づく機構制御部２８０の制御に基いて非周期的開口タイプの空間フィルタ等の光学条件の絞り込みが終了する。絞り込んだ条件が複数ある場合には、絞り込んだ条件にてテスト検査を行い、この結果より欠陥の検出と正常パターンの分別性能が高い条件を選択して、光学条件の設定が終了する（Ｓ１５３）。

以上説明した構成や機能及び条件出し内容については、様々な組合せが考えられるが、それらの組合せについても本発明の範囲内であることは明らかである。

本発明に係る光学式欠陥検査装置の概略構成を示す図である。 本発明に係る光学式欠陥検査装置の暗視野照明光学系及び暗視野検出光学系の一実施の形態を示す図である。 本発明に係る光学式欠陥検査装置の暗視野照明光学系の一実施例を示す図である。 本発明に係る検査対象の一実施例を示す概要図である。 本発明に係るロジック回路部から得られる散乱光分布と非周期的開口タイプの空間フィルタの一実施例との説明図である。 本発明に係る非周期的開口タイプの複屈折材付き空間フィルタの一実施例の説明図である。 本発明に係る空間フィルタ切替え機構の一実施例を示す説明図である。 本発明に係る画像処理部の一実施の形態を示すブロック図である。 本発明に係る画像処理部の他の実施の形態を示すブロック図である。 本発明に係る階調変換に関する一実施の形態の説明図である。 本発明に係る階調変換に関する他の実施の形態の説明図である。 本発明に係る条件出し簡易化機構の一実施の形態の説明図である。 本発明に係るシステムを用いて空間フィルタの遮光部を選択する条件出し手順の一実施の形態の説明図である。 本発明に係る検査対象と視野絞りとの関係の説明図である。 本発明に係る検出したい欠陥の光学条件を最適化する条件出し手順の一実施の形態の説明図である。

符号の説明

１…ウェハ（試料）、２…酸化膜、３…回路パターン、３ｒ、３ｓ…非周期的な散乱光像、４…欠陥、１０…暗視野照明光学系、１１…光源（レーザ光源）、１３…ダイクロイックミラー、１５…シリンドリカルレンズ、１２ａ、１２ｂ…レーザ光源、１６…細帯状ビーム（スリット状ビーム）、２０…暗視野検出光学系、２１ａ…第１の検出光路、２１ｂ…第２の検出光路、２２…対物レンズ、７１、２３…レンズ、２４…ビームスプリッタ（分岐光学系）、２５ａ、２５ｂ…２次元イメージセンサ、２６…視野絞り、２７ａ、２７ｂ…結像レンズ、２８、７２…コリメータレンズ、３０、８０…１／４波長板、３５、８５…偏光子（ポラライザ）、４０ａ、４０ｂ、６０ａ、６０ｂ…ビームスプリッタ、５０…第１の空間フィルタ（例えば周期的遮光タイプ）、５５、５７…第１の結像レンズ、６５ａ、６５ｂ…２次元イメージセンサ、９０…ＮＤフィルタ、９５…第２の空間フィルタ（例えば非周期的開口タイプ）、９５ａ〜９５ｅ…空間フィルタ（遮光部）、９６、９６ａ〜９６ｄ…開口（開口部）、９７…複屈折材、９８…一方の開口に位相差πを与える材料、１００、１１０…第２の結像レンズ、２００…第１のイメージセンサ、２１０…第２のイメージセンサ、２３０、２３０ａ、２３０ｂ…画像処理部、２３１ａ、２３１ｂ…階調変換部、２３２、２３２ａ、２３２ｂ…遅延メモリ、２３３、２３３ａ、２３３ｂ…画像位置合わせ部、２３４、２３４ａ、２３４ｂ…差画像算出部、２３５、２３５ａ、２３５ｂ…第１の比較部、２３６、２３６ａ、２３６ｂ…第１のしきい値、２３７、２３７ａ、２３７ｂ…第２の比較部、２３８、２３８ａ、２３８ｂ…第２のしきい値、２３９、２３９ａ、２３９ｂ…第２のしきい値処理部（積分部）、２４０、２４０ａ、２４０ｂ…欠陥判定部、２４１、２４１ａ、２４１ｂ…ウェハの座標情報、２４２、２４２ａ、２４２ｂ…欠陥特徴量演算部、２４３、２４３ａ、２４３ｂ…欠陥分類部、２４５…ステージの座標情報、２４６…画像加算部（積分部）、２４７…フィルタ選択部、２４８…パターン像判定部、２５０…ＡＦ照明系、２６０…ＡＦ検出系、２６０…機構制御部、２８２…ステージ（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ方向）、２９０…操作部、４１０ａ、４１０ｂ、４２０ａ、４２０ｂ…出し入れ機構、４３０、４７０…空間フィルタ切替え機構、４００、４５０…偏光素子回転・出し入れか機構、４４０、４８０…結像レンズ切替え機構、５５０…直線運動又は回転運動。

Claims (17)

1. 照明光束を試料の表面に対して斜め方向から暗視野照明する暗視野照明光学系と、
   該暗視野照明光学系で暗視野照明された前記試料の表面から発生する散乱光を集光し、該集光した散乱光を第１の検出光路と第２の検出光路とに分岐する分岐光学系を設け、該分岐光学系で分岐された前記第１の検出光路には前記試料の表面に形成された周期性回路パターン部から生じる回折像を遮光する第１の空間フィルタと該第１の空間フィルタを透過して結像された周期性回路パターン部からの散乱光像を受光して第１の画像信号に変換する第１の検出器とを備え、前記分岐光学系で分岐された前記第２の検出光路には前記試料の表面に形成された非周期性回路パターン部から生じる散乱光の内強度分布が高い領域の散乱光を遮光する第２の空間フィルタと該第２の空間フィルタを透過して結像された非周期性回路パターン部からの散乱光像を受光して第２の画像信号に変換する第２の検出器とを備え、前記第１の検出光路及び前記第２の検出光路の内少なくとも一方の検出光路には減光するフィルタを備えて構成した暗視野検出光学系と、
   該暗視野検出光学系における前記第１の検出光路に備えられた第１の検出器から得られる第１の画像信号又は前記暗視野検出光学系における前記第２の検出光路に備えられた第２の検出器から得られる第２の画像信号に基づいて前記試料の表面上の欠陥若しくは欠陥候補を判定処理する画像処理部とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
2. 前記第１の空間フィルタは前記試料の表面に形成された周期性回路パターン部から生じる回折像を遮光する周期的遮光タイプの空間フィルタで形成し、
   前記第２の空間フィルタは前記試料の表面に形成された非周期性回路パターン部から生じる散乱光の内強度分布が高い領域の散乱光を遮光する非周期的開口タイプの空間フィルタで形成することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
3. 前記暗視野検出光学系における前記第１の検出器及び前記第２の検出器の受光面を長方形状で形成し、前記暗視野照明光学系における前記照明光束を前記受光面の視野に対応させて長方形状に形成することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
4. 前記暗視野検出光学系における前記第１の検出光路及び第２の検出光路の各々に、透過する光の偏光特性が互いに異なるように制御可能な偏光素子を配置して構成したことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
5. 前記画像処理部において、前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号の内いずれか一方を、検査対象の回路パターンの周期性又は非周期性に応じて選択して欠陥若しくは欠陥候補を判定処理することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
6. 照明光束を矩形形状に整形して試料の表面に対して斜め方向から暗視野照明する暗視野照明光学系と、
   該暗視野照明光学系で暗視野照明された前記試料の表面から発生する散乱光を集光する対物レンズと該対物レンズで集光された散乱光を第１の検出光路と第２の検出光路とに分岐する分岐光学系とを設け、該分岐光学系で分岐した前記第１の検出光路には、透過する散乱光の特性が互いに異なるように空間フィルタ及び偏光素子のいずれか一方又は両方の設定状態が制御される第１の空間フィルタ及び第１の偏光素子と該第１の空間フィルタ及び第１の偏光素子を透過した散乱光を結像させる第１の結像レンズと該第１の結像レンズで結像された散乱光像を受光して画像信号に変換する第１のイメージセンサとを設置し、前記分岐光学系で分岐した前記第２の検出光路には、透過する散乱光の特性が互いに異なるように空間フィルタ及び偏光素子のいずれか一方又は両方の設定状態が制御される第２の空間フィルタ及び第２の偏光素子と該第２の空間フィルタ及び第２の偏光素子を透過した散乱光を結像させる第２の結像レンズと該第２の結像レンズで結像された散乱光像を受光して画像信号に変換する第２のイメージセンサとを設置し、更に前記第１の検出光路及び前記第２の検出光路のいずれか一方に検出光量を調整するＮＤフィルタを設けて構成した暗視野検出光学系と、
   前記試料の表面を前記暗視野検出光学系の焦点位置に合せる焦点合わせ機構と、
   前記暗視野検出光学系における前記第１の検出光路に設置された第１のイメージセンサ又は前記第２の検出光路に設置された第２のイメージセンサから得られる画像信号に基づいて試料の表面上の欠陥若しくは欠陥候補を判定処理する画像処理部とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
7. 前記暗視野検出光学系における前記対物レンズは、ＮＡが０．６以上であることを特徴とする請求項６記載の欠陥検査装置。
8. 前記第１のイメージセンサの受光面及び前記第２のイメージセンサの受光面を長方形状で形成し、
   前記暗視野照明光学系において、前記照明光束を非球面のレンズ又は非球面のミラーによって前記受光面の視野に対応した長方形状に整形する整形光学系を設けたことを特徴とする請求項６記載の欠陥検査装置。
9. 前記暗視野検出光学系において、前記第１又は第２の検出光路に試料の表面上における視野１乃至１０μｍの範囲の散乱光を通す視野絞りを設置し、該視野絞りよりも像面側に前記第１又は第２の空間フィルタを設置し、さらに該第１又は第２の空間フィルタの像面側にフーリエ変換面を形成して該フーリエ変換面の位置にフーリエ変換像を撮像する第３のイメージセンサを設置したことを特徴とする請求項６記載の欠陥検査装置。
10. 前記第１の偏光素子と前記第２の偏光素子とは、それぞれ１／４波長板と偏光子とを備えて構成し、前記第１の偏光素子を透過する偏光特性と前記第２の偏光素子を透過する偏光特性が互いに異なるように制御可能に構成することを特徴とする請求項６記載の欠陥検査装置。
11. 前記第１の空間フィルタは前記試料の表面に形成された周期性回路パターン部から生じる回折像を遮光する周期的遮光タイプの空間フィルタで形成し、
    前記第２の空間フィルタは前記試料の表面に形成された非周期性回路パターン部から生じる散乱光の内強度分布が高い領域の散乱光を遮光する非周期的開口タイプの空間フィルタで形成することを特徴とする請求項６記載の欠陥検査装置。
12. 前記非周期的開口タイプの空間フィルタにおいて、開口部の一部に複屈折材料を配置したことを特徴とする請求項１１記載の欠陥検査装置。
13. 前記画像処理部は、さらに、前記第１及び前記第２のイメージセンサの各々で検出した画像信号を諧調値に変換する第１及び第２の階調変換部と、検査対象の回路パターンの周期性又は非周期性に応じて前記第１及び第２の階調変換部のいずれか一方から得られる諧調変換画像信号を選択する画像選択部とを有し、該画像選択部で選択された階調変換画像信号を参照画像信号と比較して欠陥若しくは欠陥候補を判定処理することを特徴とする請求項６記載の欠陥検査装置。
14. 照明光束を試料の表面に対して斜め方向から暗視野照明する暗視野照明ステップと、
    該暗視野照明ステップで暗視野照明された前記試料の表面から発生する散乱光を集光し、該集光した散乱光を分岐光学系で第１の検出光路と第２の検出光路とに分岐し、該分岐された前記第１の検出光路において前記試料の表面に形成された周期性回路パターン部から生じる回折像を第１の空間フィルタで遮光し、該第１の空間フィルタを透過して結像された周期性回路パターン部からの散乱光像を第１の検出器で受光して第１の画像信号に変換し、前記分岐された前記第２の検出光路において前記試料の表面に形成された非周期性回路パターン部から生じる散乱光の内強度分布が高い領域の散乱光を第２の空間フィルタで遮光し、該第２の空間フィルタを透過して結像された非周期性回路パターン部からの散乱光像を第２の検出器で受光して第２の画像信号に変換し、前記第１の検出光路及び前記第２の検出光路の内少なくとも一方の検出光路においてフィルタにより減光する暗視野検出ステップと、
    該暗視野検出ステップにおける前記第１の検出器から得られる第１の画像信号又は前記暗視野検出ステップにおける前記第２の検出器から得られる第２の画像信号に基づいて前記試料の表面上の欠陥若しくは欠陥候補を判定処理する画像処理ステップとを有することを特徴とする欠陥検査方法。
15. 前記暗視野検出ステップにおいて、前記第１の空間フィルタは前記試料の表面に形成された周期性回路パターン部から生じる回折像を遮光する周期的遮光タイプの空間フィルタで形成し、前記第２の空間フィルタは前記試料の表面に形成された非周期性回路パターン部から生じる散乱光の内強度分布が高い領域の散乱光を遮光する非周期的開口タイプの空間フィルタで形成することを特徴とする請求項１４記載の欠陥検査方法。
16. 前記暗視野検出ステップにおける前記第１の検出光路及び第２の検出光路の各々に、透過する光の偏光特性が互いに異なるように制御可能な偏光素子を配置して構成したことを特徴とする請求項１４記載の欠陥検査方法。
17. 前記画像処理ステップにおいて、前記第１の画像信号及び前記第２の画像信号の内いずれか一方を、検査対象の回路パターンの周期性又は非周期性に応じて選択して欠陥若しくは欠陥候補を判定処理することを特徴とする請求項１４記載の欠陥検査方法。

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