JP2009236839A - 表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パターンの方向に依存しない表面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、所定の繰り返しパターンを有するウェハ１０の表面１０ａに円偏光を照射する照明系３０と、円偏光が照射されたウェハ１０からの正反射光のうち前記円偏光と略直交する偏光成分を抽出する検光子５１と、検光子５１により抽出された偏光成分により得られるウェハ１０の表面像を検出する２次元撮像素子５６と、２次元撮像素子５６により検出されたウェハ１０の表面像の光強度分布に基づいて、繰り返しパターンにおける異常の有無を検査する信号処理ユニット６０とを備えている。
【選択図】図１

Description

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。

半導体装置の製造工程において、微細な繰り返しパターンが形成された基板の表面を検査する表面検査装置として、例えば、パターンが有する構造性複屈折による偏光状態の変化であるクロスニコル光学系からの通過光量に基づいてパターンの形状誤差を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この方法によれば、パターンが照明波長に対して回折光が発生しないような微細周期のパターンであっても、正反射光(０次回折光)の偏光状態変化を捕らえることによりパターンの形状誤差を検出できるため、検査に使用する光を短波長化することなくパターンの形状誤差を検出することが可能となる。
特開２００６−３４３１０２号公報

しかしながら、このような検査装置においては、照明光として直線偏光を使用しているため、例えば図１３および図１４に示すように、直線偏光Ｌ′の振動方向がパターン１２′の繰り返し方向に対して平行または垂直である場合、パターンの構造性複屈折による偏光状態変化が生じないためにパターンの形状誤差を検出できないという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、パターンの方向に依存しない表面検査が可能な表面検査装置を提供することを目的とする。

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、所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に偏光を照射する照明部と、前記偏光が照射された前記被検基板からの正反射光のうち前記偏光と略直交する偏光成分を抽出する検光子と、前記検光子により抽出された前記偏光成分により得られる前記被検基板の表面像を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記表面像の強度分布に基づいて、前記繰り返しパターンにおける異常の有無を検査する検査部とを備え、前記偏光は、円偏光または楕円偏光であり、前記検光子は、前記円偏光または前記楕円偏光と略直交する偏光成分を抽出するようになっている。

本発明によれば、パターンの方向に依存しない表面検査を行うことができる。

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。第１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（以下、ウェハ１０と称する）を支持するウェハホルダ２０と、レンズ２５を含む照明系３０と、レンズ２５を含む受光系５０とを備えて構成されている。また、表面検査装置１は、受光系５０で検出された画像信号等の信号処理を行う信号処理ユニット６０と、信号処理ユニット６０による処理結果を表示するモニター６１と、ウェハホルダ２０等の各部の作動を制御する制御部６２とを備えている。表面検査装置１は、半導体装置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、ウェハホルダ２０に吸着保持される。

ウェハ１０の表面１０ａには、図３に示すように、複数の露光ショット１１がＸＹ方向に配列され、各露光ショット１１の中に所定の繰り返しパターン（ライン・アンド・スペースパターン）１２が形成されている。なお、本実施形態において、図３における横方向をＸ方向とし、縦方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向（図３における紙面）と垂直な方向をＺ方向とする。繰り返しパターン１２は、図４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であり、ライン・アンド・スペースパターンを構成している。なお、ライン部２Ａの配列方向（図３の場合はＸ方向）を「繰り返しパターン１２の繰り返し方向」と称する。

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。

表面検査装置１のウェハホルダ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、ウェハホルダ２０は、ウェハホルダ２０上面の中心を通る法線を中心軸として回転可能である。ウェハホルダ２０の回転作動は制御部６２により制御され、制御部６２は、図示しないアライメント系を用いてウェハ１０の外縁部に設けられた外形基準（例えばノッチやオリエンタルフラット等）の回転方向位置を検出し、所定位置でステージ２０を停止させる。

照明系３０は、光源３１と、右回り円偏光子４１とを有して構成される。光源３１は、図２に示すように、楕円鏡３２ａを備えた水銀ランプ３２と、コリメータレンズ３３と、波長選択フィルタ３４と、減光フィルタ３５と、集光レンズ３６と、ランダムファイバー３７とを有して構成される。そして、水銀ランプ３２から発せられた光は、楕円鏡３２ａで集光されたのちコリメータレンズ３３でコリメートされ、波長選択フィルタ３４と減光フィルタ３５を通過した後、集光レンズ３６で集光されてランダムファイバー３７に入射し、ランダムファイバー３７の射出端３７ａより右回り円偏光子４１に向けて発散光が射出される。なお、水銀ランプ３２は、２４８ｎｍ付近の波長の光を発することのできるＤＥＥＰ−ＵＶランプであり、水銀だけでなくキセノンが混合されているタイプのものである。

ここで、波長選択フィルタ３４は、水銀ランプ３２の輝線を選択できるよう切り替え式になっており、ｅ線、ｇ線、ｈ線、ｉ線、波長λ＝３１３ｎｍおよび、波長λ＝２４８ｎｍのフィルタを選択できるようになっている。構造性複屈折は波長が短いほど偏光状態の変化が大きいことから、なるべく短い波長を用いることが好ましいが、短波長側では、水銀ランプ３２のスペクトル分布や光学素子（減光フィルタ３５等）の透過率等の影響により光量が低下する点で好ましくない要素もあり、パターンの状況により各種波長を使い分けることができるようにしている。また、減光フィルタ３５も、状況に応じて各種透過率を切り替えられるようになっている。

右回り円偏光子４１は、光源３１側から順に、第１の直線偏光子４２と、第１の１／４波長板４３とを有して構成される。第１の直線偏光子４２の透過軸と第１の１／４波長板４３の進相軸とは、光軸方向から見て４５度の角度をなすように配置されており、光源３１から射出された発散光は、第１の直線偏光子４２により直線偏光に変換され、さらに、第１の１／４波長板４３により右回り円偏光（例えば、図５（ａ）を参照）に変換される。右回り円偏光子４１により変換された右回り円偏光の発散光束は、レンズ２５によりほぼ平行光にコリメートされ、被検基板であるウェハ１０の表面１０ａの全体または一部を照射する。

受光系５０は、検光子５１と、結像レンズ５５と、２次元撮像素子５６とを有して構成される。また、検光子５１は、レンズ２５側から順に、第２の１／４波長板５２と、第２の直線偏光子５３とを有して構成される。そして、右回り円偏光が照射されたウェハ１０からの正反射光は、レンズ２５により収束光となって第２の１／４波長板５２および第２の直線偏光子５３を通過し、結像レンズ５５を介して２次元撮像素子５６上にウェハ１０の表面像を形成する。このとき、レンズ２５と結像レンズ５５とが共働してウェハ１０と２次元撮像素子５６とを共役に結んでいる。

ここで、第２の１／４波長板５２の進相軸と第２の直線偏光子５３の透過軸とは、光軸方向から見て４５度の角度をなすように配置されており、左回り円偏光のみを通過させるように構成されている。すなわち、検光子５１は、左回り円偏光成分のみを通過させる検光子である。

また、１／４波長板は、一般に、複屈折性結晶板を結晶軸が互いに直交するように２枚張り合わせて、その厚みの差によって１／４波長の光路差を作り出すタイプのものがよく用いられている（例えば、鶴田匡夫著「応用光学II−培風館」１８４ページを参照）。しかしながら、このようなタイプの波長板は、入射光束が垂直入射のときは１／４波長板として作用するが、光が斜入射になると光路差が大きく変化し１／４波長板として作用しないという問題がある。

そこで、本実施形態ではその問題を回避するため、第１および第２の１／４波長板４３，５２に、単板で１／４波長の光路差を発生させるべく非常に薄い複屈折物質を用いている。例えば、波長５４６ｎｍ用の１／４波長板を単板の水晶で作成した場合、その厚みは約１５μｍとなる。この場合、波長板が非常に薄くて強度的に弱くなるため、この波長板を複屈折性がない基板に対し接着もしくはオプティカルコンタクトさせることが好ましい。

また、同様の効果を持つものとして、非複屈折性基板上に複屈折性を有する薄いポリマーを形成したものを用いてもよい（例えば、エドモンド オプティクス・ジャパン株式会社 ２００７年度版光学部品・製品総合カタログ（カタログコードＮｏ．Ｊ０７４Ａ）７９ページに掲載された「ポリマー波長板 トゥルーゼロオーダータイプ」等が知られている）。また、正結晶と負結晶とを（例えば、結晶石英(水晶)とサファイアとを）組み合わせて入射角依存性を低減した波長板（例えば、Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．９（２００７年９月）９２７〜９２８ページを参照）を用いることも有効である。

なお、光源３１において照明波長を変更した場合には、１／４波長板が１／４波長からずれることになるので、波長に応じて１／４波長板を交換可能としてもよい。また例えば、水晶波長板とＭｇＦ₂波長板とを組み合わせた広帯域波長板を使用して、交換不要なシステムとしてもよい。

ところで、２次元撮像素子５６からの画像信号は信号処理ユニット６０により画像化され、モニター６１上にウェハ１０の表面１０ａの画像が表示される。このとき、ウェハ１０上にパターンが無く、ウェハ１０を反射する光に偏光状態の変化が無く右回り円偏光のままであれば、ウェハ１０からの光は検光子５１を通過することができず、２次元撮像素子５６によって撮像されたウェハ１０の表面１０ａの画像は全面が真っ暗となる。

すなわち、図１に示す光学系の配置は、「広義でのクロスニコル系」を構成している。ここで、本実施形態における「広義でのクロスニコル系」の意味を説明する。一般的に、クロスニコル系とは、二つの直線偏光子を直交させて配置して光が透過しないよう配置した光学系を指すことが多い。また、後ろ側の直線偏光子は検光子とも呼ばれる。これを換言すれば、クロスニコル系とは、直線偏光子を通過した直線偏光に対して直交する直線偏光成分のみを通過させる検光子を備えた光学系といえる。

本実施形態で言うところの「広義でのクロスニコル系」とは、この概念を直線偏光だけではなく楕円偏光に拡張した概念であり、楕円偏光子を通過した楕円偏光に対して直交する楕円偏光成分のみを通過させる検光子を備えた光学系を意味する。ここで、直交する偏光とは、偏光状態をポアンカレ球上の座標で表したときに、ポアンカレ球上で互いに対蹠点に位置する偏光である。換言すれば、Ｓ０＝１に規格化されたストークスパラメータのＳ１、Ｓ２、Ｓ３の各成分の絶対値が同じで符号が逆となるような偏光の組である（詳細は、鶴田匡夫著「応用光学II−培風館」１９７ページから２０６ページを参照）。

例えば、ある楕円偏光のストークスパラメータの成分（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）が次の（１）式のように表わされるとする。

（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０．５，−０．５，０．７０７１） …（１）

このとき、直交する楕円偏光のストークスパラメータは、次の（２）式のように表わされる。

（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，−０．５，０．５，−０．７０７１） …（２）

なお、円偏光は楕円偏光の特殊な場合であることは言うまでもない。右回り円偏光と左回り円偏光は、ポアンカレ球を地球に例えるとそれぞれ北極と南極に位置し、互いに対蹠点に位置している。従って、右回り円偏光と左回り円偏光とは互いに直交する偏光であり、図１に示した光学系は、「広義でのクロスニコル系」を構成することになる。また、本実施形態において、直線偏光は楕円偏光に含まれないものとする。

次に、図１の光学系の構成を理解しやすいよう非常に簡素化したモデルを図６に示す。図６は、図１の光学系が「広義でのクロスニコル系」を構成していることを簡単に説明する図であり、図１では被検基板（ウェハ１０）からの反射光を検出しているが、理解しやすくするために透過光学系に置き換えて説明している。図１と図６で同じ役割を果たす構成部品には同じ番号を付している。

図６の光学系においては左側から光が入射する。第１の直線偏光子４２の透過軸ｔ１は光軸Ａ方向から見て水平方向を基準に４５度傾いており、第１の直線偏光子４２を通過した光は４５度傾いた直線偏光となる。次に、直線偏光は第１の１／４波長板４３を通過するが、この波長板４３の進相軸ｆ１は縦方向となっているため、第１の１／４波長板４３を通過した光は右回りの円偏光となる。次に、右回りの円偏光は被検基板（ウェハ１０）を通過するが、このとき、被検基板に複屈折性が無ければ偏光状態は変化せず右回り円偏光のままである。次に、進相軸ｆ２が水平方向に配置された第２の１／４波長板５２を右回り円偏光が通過すると、第１の直線偏光子４２を通過直後の直線偏光と同じ角度の直線偏光となる。次に、透過軸ｔ２が−４５度傾いた第２の直線偏光子５３を直線偏光が通過する際には、第２の直線偏光子５３の透過軸ｔ２が第２の１／４波長板５２を通過してきた直線偏光の向きと直交しているため、第２の直線偏光子５３を透過することができない。この系において、第１の直線偏光子および１／４波長板４２，４３の組が一体として右回り円偏光子４１を構成し、第２の１／４波長板および直線偏光子５２，５３の組が一体として左回り円偏光成分のみを通過させる検光子５１を構成している。

ここで、被検基板が複屈折性を有すると、右回り円偏光が被検基板を通過する際に偏光状態の変化を受け楕円偏光となる（例えば、図５（ｂ）を参照）。この楕円偏光には左回り円偏光成分が含まれるため検光子５１を通過する光が発生し、被検基板が複屈折性を有することを検出することができ、また、検光子５１を通過する光量から被検基板が有する複屈折性の大きさを知ることができる。また、円偏光であるが故に複屈折性の方向(屈折率楕円体の主軸の方向)に依存して検光子５１の通過光量が変わることも無い。

なお、図６において、右回り円偏光子４１は、第１の直線偏光子４２と第１の１／４波長板４３との相対角度が維持されていれば、光軸回りに任意の角度に回転して配置しても右回り円偏光子として機能する。また、検光子５１は、第２の１／４波長板５２と第２の直線偏光子５３との相対角度が維持されていれば、光軸回りに任意の角度に回転して配置しても左回り円偏光成分のみを通過させる検光子として機能する。

なお、以上に述べた図６の説明に近い内容が、鶴田匡夫著「応用光学II−培風館」の２１０ページから２１２ページにかけて記載されている。この記載は、光弾性実験の例として説明されているが、光弾性とは応力によって発生した複屈折性のことであるから、実質的には上述の図６の説明と同様のことを述べていることになる。

次に、図１の表面検査装置１を用いたパターンの形状誤差の検出方法について述べる。前述したように、被検基板であるウェハ１０の表面１０aには、検査時において複数の露光ショット１１（図３を参照）が並んでおり、各露光ショット１１の中に微細な周期の繰り返しパターン（ライン・アンド・スペースパターン）１２が並んでいる。

特開２００６−３４３１０２号公報においては、図４に示す繰り返しパターン１２に対して４５度傾いた直線偏光で照明すると、繰り返しパターン１２が有する構造性複屈折の作用により反射光が直線偏光から楕円偏光に変化し、その結果クロスニコル系からの通過光が発生し、その通過光の光強度により繰り返しパターン１２の形状誤差を検出できるとしている。しかしながら、図１３および図１４に示すように、パターン１２′の繰り返し方向に対して平行または垂直な直線偏光Ｌ′では、偏光状態の変化が起こらず漏れ光が発生しない。従って、図７に示すように、縦横パターン１２ａ，１２ｂと４５度パターン１２ｃ，１２ｄとが混在している場合には、４５度傾いた直線偏光で照明しても、縦横パターン１２ａ，１２ｂの部分からの光強度信号は得られるが、４５度パターン１２ｃ，１２ｄの部分からは光強度信号を得ることができず、４５度パターン１２ｃ，１２ｄの部分にパターンの形状誤差があってもそれを検出することはできない。

一方、本実施形態においては、右回り円偏光により照明しているため、図７に示す各パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの全てから光強度信号を得ることができる。その理由について説明する。まず、ライン部が縦方向（Ｙ方向）に延びる繰り返しパターン１２（図４を参照）に対して、図５（ａ）に示すような右回り円偏光を照射すると、パターンが有する構造性複屈折の作用により、正反射光は図５（ｂ）に示すように長軸が横方向（Ｘ方向に対応した方向）に対し４５度だけ傾いた右回り楕円偏光に変化し、左回り円偏光成分を含むようになる。

なお、パターンが有する構造性複屈折量が非常に大きい場合には、これが左回り楕円偏光になったり、−４５度だけ傾いた楕円偏光になったりする場合もあるが、それは本質的な事柄ではなく、重要なのは、図４に示すような構造性複屈折を有する繰り返しパターン１２を右回り円偏光で照明するとその偏光状態が変化し、左回り円偏光成分が発生するということである。ここで、誤解を避けるために付け加えると、右回り楕円偏光は右回りであっても楕円であるが故に左回り円偏光成分を含んでいるのである。

図７に示すような、縦横パターンと４５度パターンとが混在しているパターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに対して右回り円偏光を照射すると、ライン部が縦方向に延びる縦パターン１２ａからの正反射光は、図８（ａ）に示すような長軸が横方向（Ｘ方向に対応した方向）に対し４５度だけ傾いた右回り楕円偏光Ｌａに変化する。同様に、ライン部が横方向に延びる横パターン１２ｂからの正反射光は、図８（ｂ）に示すような長軸が横方向に対し−４５度だけ傾いた右回り楕円偏光Ｌｂに変化する。また同様に、ライン部が４５度方向に延びる第１の４５度パターン１２ｃからの正反射光は、図８（ｃ）に示すような長軸が横方向に延びる右回り楕円偏光Ｌｃに変化する。また同様に、ライン部が−４５度方向に延びる第２の４５度パターン１２ｄからの正反射光は、図８（ｄ）に示すような長軸が縦方向（Ｙ方向に対応した方向）に延びる右回り楕円偏光Ｌｄに変化する。

これらはいずれも楕円偏光であるが故に左回り円偏光成分を含んでいるため、左回り円偏光成分のみを通過させる検光子５１を通過して光信号強度が得られる。このように、本実施形態によれば、繰り返しパターン１２の方向がどちらを向いていても、繰り返しパターン１２からの正反射光がパターンの構造性複屈折による偏光状態変化を受けて検光子５１を通過するため、繰り返しパターン１２の方向を特に意識することなく、繰り返しパターン１２の形状誤差を検出することが可能になる。すなわち、繰り返しパターン１２の方向に依存しない表面検査を行うことが可能になる。

なお、第１実施形態に係る表面検査装置１は、検査するパターンが形状誤差を持つと構造性複屈折が変化することを利用し、「広義でのクロスニコル系」からの通過光量の差に基づいて形状誤差の有無を検査するものであるから、偏光状態を変化させる要因はパターンのみであることが好ましい。従って、レンズの内部歪やレンズのホールド方法による応力歪などにより、レンズ２５が複屈折性を持たないよう十分に留意している。また、図１において、ウェハ１０に対する照明光の入射角θｉ（および正反射光の出射角θｒ）が大きいと、ウェハ１０での反射によって偏光状態が変化してしまうため、本実施形態においては、入射角θｉ（出射角θｒ）を１５度以内に構成している。

次に、繰り返しパターン１２の形状誤差を検出する具体的方法について述べる。これまで述べてきたように、例えば図４に示すような繰り返しパターン１２は構造性複屈折を有するわけであるが、構造性複屈折の大きさはパターンの形状によって変化する。例えば、図３に示される各露光ショット１１の中に、露光時のフォーカスが適正でなかったり、露光量が適正でなかったりしたこと等による不良の露光ショットがあった場合には、その露光ショット内のパターンの太さや、断面の形、エッジのラフネスなどが変化するなどしてパターンの形状誤差が発生する。形状誤差が発生すると、構造性複屈折の量が変化するため反射光の偏光状態が異なってくる。偏光状態が異なれば、反射光に含まれる左回り円偏光成分の量が変化するため検光子５１を通過できる光量が異なる。

従って、図３に並んでいる各露光ショット１１の中に正常な露光ショットと不良な露光ショットがあった場合には、モニター６１上に映し出されたウェハ１０の表面１０ａの画像の中で、正常な露光ショットと不良な露光ショットでは明るさ（信号強度）が違って見えることになる。このとき、予めＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等の測定時間は長くかかるが精密な測定ができる装置において正常であると判断された露光ショットの画像情報を記録しておき、信号処理ユニット６０が所定の処理を行うことにより、正常である場合の画像の信号強度と検査対象となる画像の信号強度とを比較することによって各露光ショットの正常、不良を判断することができる。また、露光ショット単位ではなく、一つの露光ショットの中に部分的に欠陥がある場合でも、欠陥のある部分だけ明るさ（信号強度）が違って見える。これにより、例えば、レジストの塗布ムラや、ゴミ、キズのような欠陥も検出可能である。

なお、上述の第１実施形態において、レンズ２５を介して照明と受光を行っているが、これに限られるものではなく、例えば特開２００６−３４３１０２号公報に開示されているように、ミラーを用いた光学系としても構わない。但し、その場合はミラーの反射によって偏光状態が変化しないようにミラーに対する光線の入射角を十分に小さくする必要がある。

また、上述の第１実施形態において、右回り円偏光子４１および検光子５１を、直線偏光子と１／４波長板との組み合わせとして構成しているが、これに限られるものではない。例えば、特開２００７−３３１８７号公報において、フォトニック結晶で直線偏光子や波長板が作成可能であることが開示されており、この技術を利用して右回り円偏光子４１や検光子５１に相当するフォトニック結晶を作成して用いることも可能である。フォトニック結晶を用いる場合、右回り円偏光子４１や検光子５１の機能を１枚の基板上に構成することも可能である。

また、上述の第１実施形態において、非偏光の光源３１から右回り円偏光子４１を用いて右回り円偏光を作り出しているが、これに限られるものではなく、光源から発せられる光が偏光している場合には、右回り円偏光子４１の一部または全部を省略することができる。例えば、光源として直線偏光レーザーを用いれば、第１の直線偏光子４２を省略することができる。また、光源として円偏光レーザーを用いれば、第１の直線偏光子４２と１／４波長板４３の両方、すなわち、右回り円偏光子４１の全部を省略することが可能である。

また、上述の第１実施形態において、照明光を右回り円偏光とし、検光子５１において左回り円偏光成分を通過させるよう構成しているが、これに限られるものではなく、照明光を左回り円偏光とし、検光子において右回り円偏光成分と通過させるよう構成しても、同様の効果を得ることができる。

さらに、照明光は完全な円偏光でなくてもよい。例えば、照明光が図８（ａ）に示すような長軸が４５度傾いた楕円偏光であっても、パターンの構造性複屈折により偏光状態は変化するので、検光子をこの照明光と直交する楕円偏光成分のみを通すような構成とすれば、パターンの形状誤差や欠陥を検出することができる。但し、楕円偏光を照明する場合には、楕円の長軸がパターンの繰り返し方向に対して４５度の角度をなすときに偏光状態の変化が最も大きくなるため、図８（ａ）のような長軸が４５度傾いた楕円偏光を照明光として用いた場合、図７に示すようなパターンの角度が複数混在した露光ショットにおいては、縦横パターン１２ａ，１２ｂで反射する光は偏光状態の変化が大きいが、４５度パターン１２ｃ，１２ｄで反射する光は偏光状態の変化が小さくなる。そのため、パターンに形状誤差があったときの検出精度は縦横パターン１２ａ，１２ｂで高く、４５度パターン１２ｃ，１２ｄでは低くなる。すなわち、パターンの形状誤差の有り無しによる検光子５１を通過する光量の変化は、縦横パターン１２ａ，１２ｂでは大きいが４５度パターン１２ｃ，１２ｄでは小さい。

そして、楕円度が大きくなり、４５度傾いた直線偏光になってしまうと、前述のように４５度パターン１２ｃ，１２ｄからの光は偏光状態の変化を起こさなくなってしまう。換言すれば、直線偏光でない限り、パターンの角度がいかなる向きでも偏光状態の変化は起こると言える。

図９は、前記の説明を補足する図であり、照明光が４５度直線偏光、４５度楕円偏光、および円偏光で、検光子が照明光に直交する偏光成分のみを通過させるように構成されているとき、すなわち前述の「広義でのクロスニコル系」を構成している状況において、パターンの角度を変えたときの検光子通過光量を示している。

図９に示すように、４５度の角度の直線偏光でクロスニコル系を構成したときには、パターンの角度が０度、９０度、および１８０度（＝０度）の時には検光子通過光量が大きくなるが、４５度および１３５度の時には検光子通過光量が零になるためパターンの形状誤差による検光子通過光量の差を見ることはできない。一方、長軸が４５度傾いた楕円偏光の場合には、０度、９０度、および１８０度（＝０度）の時には４５度の角度の直線偏光の場合と同じ検光子通過光量が得られる。また、４５度および１３５度では通過光量が小さくなるが零にはならない。従って、パターンが４５度および１３５度の角度でもパターンの形状誤差による検光子通過光量の差を見ることができるので検査が可能となる。また、円偏光の場合には、パターンの角度に依存することなく検光子通過光量が得られるのでパターンの角度に依存しない検査が可能となる。

なお、楕円偏光を作り出すことは、例えば、図６において光軸Ａ方向から見た第１の直線偏光子４２と第１の１／４波長板４３との相対角度を４５度からずらすことにより可能である。また、相対角度を４５度のままにして１／４波長板の移相角を変える（例えば、１．５／４波長板にする）ことによっても可能である。さらに、相対角度と移相角の両方を変えても構わない。同じ要領で、直交する楕円偏光成分のみを通過させる検光子を構成することができる。

続いて、表面検査装置の第２実施形態について図１０を参照しながら説明する。第２実施形態の表面検査装置１０１は、光源３１と、第１の直線偏光子１４２と、ハーフミラー１２６と、レンズ１２５と、１／４波長板１４３と、第２の直線偏光子１５３と、結像レンズ５５と、２次元撮像素子５６とを備えて構成されている。また、第２実施形態の表面検査装置１０１は、ウェハ１０を支持するウェハホルダ２０と、信号処理ユニット６０と、モニター６１と、制御部６２とを備えているが、これらは第１実施形態の場合と同様の構成であるので、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。なお、光源３１、結像レンズ５５、および２次元撮像素子５６も、第１実施形態の場合と同様の構成であるので、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

第２実施形態の表面検査装置１０１において、光源３１から水平方向に発せられた光束は、第１の直線偏光子１４２により紙面と垂直な方向の振動方向を有する直線偏光となり、ハーフミラー１２６で下方（ウェハホルダ２０の方）に向けて反射される。このとき、ハーフミラー１２６にとって入射光はＳ偏光であるため、ハーフミラー１２６による偏光状態の変化は起きない。ハーフミラー１２６で反射された光束はレンズ１２５によりほぼ平行な光束となり、１／４波長板１４３により右回り円偏光に変換された後、ウェハ１０に照射される。このとき、ウェハ１０の表面にパターンがなければ、ウェハ１０からの正反射光は右回り円偏光のままであるので、再び１／４波長板１４３を通過して紙面と平行な方向の振動方向を有する直線偏光となる。

その後、直線偏光はレンズ１２５を通過して収束光束となり、ハーフミラー１２６を通過する。ハーフミラー１２６を通過した光束は、第２の直線偏光子１５３を通過し、結像レンズ５５を介して２次元撮像素子５６上にウェハ１０の表面像を形成するが、第２の直線偏光子１５３は、紙面と垂直な方向の振動方向を有する偏光成分だけを通過させるように配置されている。これにより、ウェハ１０の表面にパターンがない場合、光束は第２の直線偏光子１５３を通過することができないため、モニター６１で表示されるウェハ１０の画像は全面が真っ暗になる。すなわち、図１０に示す光学系は前述した「広義でのクロスニコル系」を構成している。

一方、ウェハ１０の表面に構造性複屈折を有するパターンが形成されていると、第１実施形態の場合と同様の理由により、正反射光は完全な右回り円偏光ではなくなり、左回り円偏光成分が発生する。そのため、ウェハ１０からの正反射光は、再び１／４波長板１４３を通過すると直線偏光にはならず楕円偏光となり、第２の直線偏光子１５３を通過できる偏光成分が発生する。

これにより、第１実施形態と同様の方法により、パターンが有する構造性複屈折の違いからパターンの正常、不良を判断することができる。なお、第１実施形態に対する第２実施形態の最大の違いは、ハーフミラー１２６を有することにより照明光の入射角度をウェハ１０に対して垂直にできる点である。このようにすれば、ウェハ１０での反射による偏光状態の変化が起きないためより好ましい。

次に、表面検査装置の第３実施形態について図１１を参照しながら説明する。第３実施形態の表面検査装置２０１は、第２実施形態の表面検査装置１０１と比較して、１／４波長板２４３をレンズ２２５とハーフミラー２２６との間に配置した点が異なる。なお、他の構成は、第２実施形態の表面検査装置１０１と同様の構成であるため、第２実施形態の場合と同一の番号を付してある。このようにしても、第２実施形態の場合と同様の効果を得ることができ、さらに、第２実施形態と比較して、１／４波長板２４３がレンズ２２５よりも光源３１（および２次元撮像素子５６）側に位置するため、１／４波長板２４３を小さくすることが可能である。

続いて、表面検査装置の第４実施形態について図１２を参照しながら説明する。第４実施形態の表面検査装置３０１は、光源３１と、レンズ３４１と、第１の直線偏光子３４２と、ハーフミラー３２６と、１／４波長板３４３と、第２の直線偏光子３５３と、レンズ３５４と、結像レンズ５５と、２次元撮像素子５６とを備えて構成されている。また、第４実施形態の表面検査装置３０１は、ウェハ１０を支持するウェハホルダ２０と、信号処理ユニット６０と、モニター６１と、制御部６２とを備えているが、これらは第１実施形態の場合と同様の構成であるので、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。なお、光源３１、結像レンズ５５、および２次元撮像素子５６も、第１実施形態の場合と同様の構成であるので、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。

第４実施形態の表面検査装置３０１において、光源３１から水平方向に発せられた光束は、レンズ３４１によりほぼ平行な光束となり、第１の直線偏光子３４２により紙面と垂直な方向の振動方向を有する直線偏光に変換された後、ハーフミラー３２６で下方（ウェハホルダ２０の方）に向けて反射される。このとき、ハーフミラー３２６にとって入射光はＳ偏光であるため、ハーフミラー３２６による偏光状態の変化は起きない。ハーフミラー３２６で反射された光束は、１／４波長板３４３により右回り円偏光に変換された後、ウェハ１０に照射される。このとき、ウェハ１０の表面にパターンがなければ、ウェハ１０からの正反射光は右回り円偏光のままであるので、再び１／４波長板３４３を通過して紙面と平行な方向の振動方向を有する直線偏光となる。

その後、直線偏光はハーフミラー３２６および第２の直線偏光子３５３を通過するが、第２の直線偏光子３５３は、紙面と垂直な方向の振動方向を有する偏光成分だけを通過させるように配置されている。これにより、ウェハ１０の表面にパターンがない場合、光束は第２の直線偏光子３５３を通過することができないため、モニター６１で表示されるウェハ１０の画像は全面が真っ暗になる。すなわち、図１２に示す光学系は前述した「広義でのクロスニコル系」を構成している。

一方、ウェハ１０の表面に構造性複屈折を有するパターンが形成されていると、第１実施形態の場合と同様の理由により、正反射光は完全な右回り円偏光ではなくなり、左回り円偏光成分が発生する。そのため、ウェハ１０からの正反射光は、再び１／４波長板３４３を通過すると直線偏光にはならず楕円偏光となり、第２の直線偏光子３５３を通過できる偏光成分が発生する。そして、ハーフミラー３２６および第２の直線偏光子３５３を通過した光束は、レンズ３５４を通過して収束光束となり、結像レンズ５５を介して２次元撮像素子５６上にウェハ１０の表面像を形成する。

これにより、第１実施形態と同様の方法により、パターンが有する構造性複屈折の違いからパターンの正常、不良を判断することができる。なお、第１実施形態に対する第４実施形態の最大の違いは、ハーフミラー３２６を有することにより照明光の入射角度をウェハ１０に対して垂直にできる点である。このようにすれば、ウェハ１０での反射による偏光状態の変化が起きないためより好ましい。また、第１〜第３実施形態と比較して、第１の直線偏光子３４２よりも光源３１側にレンズ３４１を配置するとともに、第２の直線偏光子３５３よりも２次元撮像素子５６側にレンズ３５４を配置した点が異なる。このようにすれば、各直線偏光子３４２，３５３および１／４波長板３４３とウェハ１０との間にレンズが無くなるため、各レンズ３４１，３５４の歪による偏光状態の変化を気にする必要がなく、検査の精度を向上させることができる。

なお、上述の第２〜第４実施形態において、各直線偏光子は、紙面と垂直な方向の振動方向を有する偏光成分だけを通過させるように配置されているが、これに限られるものではなく、紙面と平行な方向の振動方向を有する偏光成分だけを通過させるように配置されてもよい。

第１実施形態の表面検査装置の概要を示す図である。 光源の詳細を示す図である。 ウェハ上に形成された露光ショットの配列の例を示す図である。 露光ショット内の繰り返しパターンを示す図である。 （ａ）は右回り円偏光を示す図であり、（ｂ）は４５度傾いた右回り楕円偏光を示す図である。 図１における光学系を簡素に説明する図である。 露光ショット内に角度の異なるパターンが混在する例を示す図である。 図７における各パターンからの反射光の偏光状態を示す図である。 直線偏光、楕円偏光、および円偏光に関して、パターンの角度と検光子の通過光量との関係を示す図である。 第２実施形態の表面検査装置の概要を示す図である。 第３実施形態の表面検査装置の概要を示す図である。 第４実施形態の表面検査装置の概要を示す図である。 パターンの繰り返し方向に対して平行な振動方向を有する直線偏光の図である。 パターンの繰り返し方向に対して垂直な振動方向を有する直線偏光の図である。

符号の説明

１ 表面検査装置（第１実施形態）
１０ ウェハ（被検基板） １２ 繰り返しパターン
３０ 照明系（照明部）
３１ 光源 ４１ 右回り円偏光子
４２ 第１の直線偏光子 ４３ 第１の１／４波長板
５０ 受光系 ５１ 検光子
５２ 第２の１／４波長板 ５３ 第２の直線偏光子
５６ ２次元撮像素子（検出部） ６０ 信号処理ユニット（検査部）
１０１ 表面検査装置（第２実施形態）
１４２ 第１の直線偏光子（照明部） １４３ １／４波長板（照明部及び検光子）
１５３ 第２の直線偏光子（検光子）
２０１ 表面検査装置（第３実施形態）
２４３ １／４波長板（照明部及び検光子）
３０１ 表面検査装置（第４実施形態）
３４２ 第１の直線偏光子（照明部） ３４３ １／４波長板（照明部及び検光子）
３５３ 第２の直線偏光子（検光子）

Claims (1)

1. 所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に偏光を照射する照明部と、
   前記偏光が照射された前記被検基板からの正反射光のうち前記偏光と略直交する偏光成分を抽出する検光子と、
   前記検光子により抽出された前記偏光成分により得られる前記被検基板の表面像を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された前記表面像の強度分布に基づいて、前記繰り返しパターンにおける異常の有無を検査する検査部とを備え、
   前記偏光は、円偏光または楕円偏光であり、
   前記検光子は、前記円偏光または前記楕円偏光と略直交する偏光成分を抽出することを特徴とする表面検査装置。

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