JP2010019639A - ムラ検出装置及びパターン検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＤエラーやピッチエラーであるムラを可視画像（コントラスト画像）として検出する。
【解決手段】周期性パターンが形成された試料１に向けて平行光束のレーザビームを投射する。試料から出射した回折光は集光レンズ４により集光されＣＣＤカメラ５に入射する。周期性パターン中に局所的にパターン間隔が異なるパターン部分が存在すると、当該パターン部分から回折角の異なる回折光が出射する。当該回折光は、撮像装置の瞳により遮光される。このため、撮像される画像上において当該パターン部分は光量が少なく、周囲の輝度よりも低い低輝度画像として検出される。特に、レーザ光は干渉距離が長いため、多数のパターンから出射した回折光同士の相互干渉が発生する。ＣＤエラーやピッチエラーであるムラはある方向に連続的複数のパターンにわたって発生するため、レーザ光の干渉距離が長い特性と相まって、ムラによる回折効果が画像上明瞭に撮像される。
【選択図】図２

Description

本発明は、周期性パターン中に形成されたピッチエラーやＣＤエラーのようなパターンの寸法誤差や間隔誤差であるムラを可視画像として撮像するムラ検出装置に関するものである。
また、本発明は、ピッチエラーやＣＤエラーであるムラ欠陥を検出するパターン検査装置に関するものである。

半導体ウェハやカラーフィルタの製造工程で用いられるフォトマスクの欠陥として、ムラ欠陥がある。このムラ欠陥は、同一のパターンが一定の周期で繰り返し形成されている周期性パターン領域中に形成される局所的なパターンの寸法誤差や間隔誤差による欠陥であり、ピッチエラーやＣＤエラーと称されている。フォトマスク中にＣＤエラーやピッチエラーであるムラが形成されると、最終的に製造されるデバイスの性能が低下したり製造の歩留りが低下するため、ムラ欠陥の検出は半導体デバイスや液晶表示装置の製造工程において極めて重要である。

カラーフィルタの周期性パターン領域には、１００ｎｍ〜１０μｍ程度の大きさのパターンが一定の周期で繰り返し形成されている。この周期性パターン領域中にパターンの間隔が正常値とは異なる間隔で形成されるとピッチエラーが発生する。また、パターン自体の寸法が正常値とは異なる値に形成されるとＣＤエラーが発生する。これらＣＤエラーやピッチエラーは、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の誤差であり、検査に用いられる検査光の波長の１０^−１〜１０^０倍程度の誤差である。このように、ムラの原因となる寸法誤差は、検査光の波長よりもはるかに小さいため、従来の撮像装置を用いてムラを可視像として検出することは技術的に困難であった。

周期性パターンの寸法誤差に起因するムラを検査する検査装置として、フォトマスクからの散乱光を検出することによりムラを検出する検査装置が既知である（例えば、特許文献１参照）。この既知の検査装置では、検査すべきフォトマスクに向けて斜めに照明ビームを投射し、フォトマスクに形成されたパターンのエッジ部から斜め上方に反射した散乱光を撮像装置で受光している。そして、撮像装置からの出力信号を解析装置に供給してムラが検出されている。

別のムラ検出装置として、フォトマスクの裏面側から照明光を投射し、フォトマスクを透過した回折光を光量センサにより受光することにより周期性パターン中に形成されたムラを検出する技術が既知である（例えば、特許文献２参照）。この既知のムラ検出方法では、照明光としてハロゲン光、メタルハライド光、ＬＥＤ光、キセノン光が用いられ、フォトマスクに対する入射角を変えながら光量センサにより回折光強度が測定されている。
特開２００６−１７０６６４号公報 特開２００８−７６８２７号公報

半導体デバイス及び液晶デバイスの微細化に伴い、フォトマスクに形成される周期性パターンのサイズは１００ｎｍ程度に微細化している。このため、ムラの原因となるＣＤエラーやピッチエラーは１０ｎｍ程度であり、検査光の波長よりも小さい寸法誤差である。このような微細な寸法誤差を画像として撮像することは技術的に困難である。また、上述した特許文献１には、フォトマスクの繰り返しパターンにムラが存在する場合、撮像センサからの受光データの規則性に乱れが生じるため、撮像センサの受光データを解析することによりムラが検出される旨記述されている。しかしながら、周期性パターン中に数１０ｎｍ程度のＣＤエラーが存在する場合、いかなる受光データが出力されるかについて記載されておらず、ムラ検出装置として実現するまでには至っていないものである。すなわち、周期性パターン中に局所的にムラが存在する場合、ムラの画像がいかなるものかについて、全く記載されていない。従って、周期性パターン中に局所的に存在するムラを可視画像として検出する技術レベルに到達していないのが実情である。

特許文献２に記載の欠陥検査装置では、ハロゲンランプやキセノンランプから出射した照明光をフォトマスクの裏面側から投射し、フォトマスクを透過した回折光を光量センサで受光している。しかし、この既知の検査装置は、ムラを光量の変化として検出しているにすぎず、ＣＤエラーやピッチエラーであるムラを可視画像として検出されていない。すなわち、ムラを可視画像として検出する試みは、特許文献１及び２にいずれにも開示されていないものである。

本発明の目的は、１０ｎｍ程度の微細な寸法誤差や間隔誤差であるムラをコントラスト画像（可視画像）として検出することが可能なムラ検出装置を実現することにある。
本発明の別の目的は、周期性パターンの寸法誤差や間隔誤差であるムラ欠陥を検出できるパターン検査装置を実現することにある。

本発明によるムラ検出装置は、正常な周期性パターン中に局所的に存在するピッチエラーやＣＤエラーであるムラを可視画像として検出するムラ検出装置であって、
レーザビームを放出するレーザ光源、レーザ光源から出射したレーザビーム中のスペックルパターンを低減し又は平均化する手段、及び、投射レンズ系を有し、スペックルパターンが低減され又は平均化されたほぼ平行なレーザビームを前記試料表面に向けて投射する照明光学系と、
試料を透過した高次回折光又は試料表面で反射した高次回折光を集光する集光レンズ、及び、撮像レンズ系と、開口絞りと、複数の受光素子が２次元アレイ状に配列された撮像素子とを有し、集光レンズにより集光された高次回折光を受光し、周期性パターンの回折像を２次元画像として撮像する２次元撮像装置を有する撮像光学系と、
前記照明光学系の投射レンズ系の光軸と、試料表面に対する法線とを含む面内において、レーザビームの試料表面に対する入射角を調整する角度調整装置とを具え、
前記入射角調整手段を用いてレーザビームの試料表面に対する入射角を調整することにより、正常な周期性パターン中に局所的に存在するムラを、ムラの周囲の正常な周期性パターンの画像の輝度よりも高輝度な明線として検出し、又は、正常な周期性パターンの画像の輝度よりも低輝度な暗線として検出することを特徴とする。

本発明者は、フォトマスクに形成されている数１０ｎｍ程度のＣＤエラーであるムラを回折作用によりコントラスト画像（可視画像）として検出することを目的として、各種の実験を行った。実験装置の構成は以下の通りである。フォトマスクを挟んで、遮光膜の周期性パターンが形成されている側に照明光学系を配置し、反対側に撮像光学系を配置した。照明光学系は、照明ビームを発生する光源と投射レンズ系とを含み、試料表面に対して斜めに照明ビームを投射する。撮像光学系は、試料表面に対して直交する光軸を有する集光レンズ系と２次元撮像装置を含み、集光レンズ系と２次元撮像装置はテレセットリック光学系を構成する。フォトマスクを透過した高次回折光を集光レンズにより受光し、２次元撮像装置によりフォトマスクの回折像を２次元画像として撮像した。実験に際し、照明ビームの入射角を変えながらフォトマスクの２次元画像を撮像した。

発明者の実験結果は以下の通りである。初めに、ＣＤエラーが形成されているフォトマスクについて、照明ビームとして発散性ビーム及び集束性ビームを用いて実験を行ったところ、ムラを可視画像として撮像することはできなかった。第２に、照明光源としてキセノンランプ及び水銀ランプを用い、これらのランプから出射した光をバンドパスフィルタを用いて狭帯域光に変換して照明ビームを形成した。そして、照明ビームをほぼ平行なビームとしてフォトマスクに向けて投射して２次元画像を撮像した。しかしながら、ムラを可視画像として観測できなかった。次に、照明ビームとして、コヒーレンス性を有するレーザビームを用い、高次回折光が集光レンズ及び２次元撮像装置に入射するようにレーザビームの入射角を調整して２次元画像を撮像した。しかし、この場合でも、ムラは、コントラストを有する可視画像として撮像されなかった。

さらに、本発明者が、レーザビームの平行度について検討したところ、レーザビームの平行度がムラ検出に強く影響していることが判明した。すなわち、レーザビームの発散度が数１０ミリラジアンを超えるラフな平行度の場合、ムラをコントラスト画像として撮像することはできなかった。一方、レーザビームの発散度が２ミリラジアン程度の高い平行度のレーザビームを形成してフォトマスクの回折像を撮像した。この実験において、周期性パターンによる比較的輝度の高い回折像に重畳して強い暗線が明瞭に形成された２次元画像が撮像された。撮像された暗線の延在方向は、ＣＤエラーが発生しているパターンが繰り返し形成されている方向と一致した。さらに、周期性パターン中に局所的なＣＤエラーが発生している別の多数のフォトマスクについて同様な実験を行ったところ、ＣＤエラーが形成されている全てのフォトマスクについて、ＣＤエラーに対応した暗線が明瞭に観測された。ＣＤエラーやピッチエラーは、描画機の特性より周期性パターン中に特定の方向に沿ってライン状に形成される傾向が強いため、ＣＤエラーが暗線として検出されることは、ＣＤエラーやピッチエラーの特性に整合している。従って、上述した実験結果によれば、照明ビームとしてコヒーレンス性を有すると共に高い平行度（ＮＡがほぼ零）のレーザビームを用い、フォトマスクから出射した高次回折光を受光して２次元画像を撮像することにより、ＣＤエラー等によるムラを可視像として検出することが可能になる。

さらに、本発明者は、フォトマスクに対するレーザビームの入射角を変えながら回折像を撮像する実験を行った。フォトマスクに対するレーザビームの入射角を変えると、入射角に応じて比較的高輝度な回折像と比較的低輝度な回折像とが交互に撮像された。さらに、ＣＤエラーが発生しているフォトマスクについて入射角を変えて回折像を撮像すると、ムラに起因して、ある入射角において比較的高輝度な回折像中に低輝度の暗線（低輝度画像）が撮像され、入射角を変えると相対的に低輝度な画像像中に高輝度な明線（高輝度画像）が撮像された。従って、ムラは、試料に対する入射角に応じて、正常な周期性パターンによる回折像中に低輝度画像（暗線）又は高輝度画像（明線）として撮像される。本発明は、上述した本発明者による実験及び解析結果に基づいている。

ＣＤエラーやピッチエラーであるムラが暗線として検出される実験結果は以下のように理解される。周期性パターンに向けてレーザビームを投射すると、パターン間隔、パターン長、回折の次数、照明光の波長等により決定される回折角方向に種々の次数の回折光が出射する。一方、周期性パターン中に局所的な寸法誤差や間隔誤差が生ずると、その部分に入射した光ビームは、正常なパターンから出射する回折光の回折角とは異なる回折角で出射する。一方、２次元撮像装置は、開口絞りとして作用する瞳を有し、瞳を通過した高次回折光だけが撮像素子の受光面に入射する。この場合、レーザビームの入射角を調整することにより、正常な周期性パターンから出射した高次回折光が撮像装置の瞳を通過して受光面に入射するように設定することが可能である。一方、寸法誤差や間隔誤差を含むパターンから出射した回折光の回折角は、正常なパターンの回折角とは異なるため、瞳を通過することができず、撮像素子の受光面に入射しないことになる。或いは、瞳を通過しても受光面上の本来入射すべき位置とは異なる位置に入射する。この結果、ＣＤエラーに起因して、撮像素子の受光面に入射光量が局所的に低下した区域が形成され、正常なパターンによる回折像の輝度よりも低い低輝度画像が撮像される。同時に、寸法誤差や間隔誤差を含む異常なパターンは、描画機の特性より正常な周期性パターン中に直線状に例えば１ｍ程度の距離にわたって形成されるため、ＣＤエラーやピッチエラーであるムラは、正常なパターン中に局所的に暗線として撮像されるものと解される。

照明光としてキセノンランプやハロゲンランプから出射した光を用いた場合ムラが可視化されず、高い平行度のレーザ光を用いた場合だけムラが可視画像として検出される理由は以下のように解される。キセノンランプ等から出射した光は、波長分散（照明光のバンドパス）が大きく可干渉距離が短いため或いはコヒーレンス性をほとんど有していないため、コントラストの低い回折像しか撮像されない。このため、ムラにより局所的に回折角が変化しても、撮像される画像全体のコントラストにほとんど影響を与えず、ムラをコントラスト画像として検出することができないものと解される。これに対して、レーザ光は、波長分散（Δλ）が極めて小さく、高いコヒーレンス性を有し、可干渉距離が長いため、多数のパターンからの回折光同士が干渉し合う特性を有する。しかも、平行度の高いレーザビームは、回折角が先鋭な特性も有している。これらの２つのレーザビームの特性により、ピッチが１μｍ程度の微細な周期性パターンについて、コントラストの高い回折像が撮像される。従って、回折像のコントラストが高いため、ムラを形成するパターンからの回折光が遮光されると、局所的な光量低下が顕著になり、ムラがコントラスト画像として可視化されるものと解される。さらに、上述した実験結果に示すように、照明ビームの平行度もムラ検出に強く影響している。レーザビームは、平行度が数ミリラジアンの高い平行度のビームを形成することが可能である。これに対して、ハロゲンランプやキセノンランプは有限の放電長を有するため、平行度が数ミリラジアンの平行ビームを形成することは技術的に不可能である。従って、照明ビームの平行度の観点からも、照明ビームとしてレーザビームを用いているため、ムラをコントラストのある可視画像として撮像できるものと解される。

上述したように、本発明は、レーザ光の特有の性質である優れたコヒーレンス性及び高い平行度特性を利用して周期性パターンの回折像を撮像するものであり、照明ビームとしてレーザ光を用いることは、本発明の必須の構成要件である。しかしながら、レーザ光のコヒーレンス性に起因して、レーザビーム中に無数のスペックルパターンが発生する不具合がある。照明ビーム中にスペックルパターンが発生すると、回折像を均一な輝度の画像として撮像することはできない。そこで、本発明では、レーザ光源と投射レンズ系との間にスペックルパターンを低減し又は平均化する装置を配置する。スペックルパターンを平均化する装置として、例えば拡散板回転装置を用いることができる。拡散板回転装置を用いれば、レーザ光のコヒーレンス性を維持しつつ、スペックルパターンによる影響が除去されたレーザビームを投射することが可能になる。勿論、拡散板回転装置以外のスペックルパターンを低減する装置を用いることが可能である。

本発明によれば、フォトマスクの表面に対するレーザビームの入力角を調整することにより、正常な周期性パターンからの高次回折光が瞳を通過できないように設定することも可能である。例えば１５次及び１７次の回折光が瞳を通過できず、強度の弱い回折光である１６次の回折光だけが瞳を通過するように入射角を調整することも可能である。この場合、正常な周期性パターンの回折像は、比較的低輝度な画像として撮像される。一方、この状態において、ムラから出射した回折光が撮像装置の絞りを通過し、撮像素子の受光面に入射する場合がある。このような場合、寸法誤差を含むパターンは、正常な周期性パターン中に局所的にライン状に形成されるため、正常な周期性パターンの低輝度画像中に、ムラに対応する高輝度な明線が撮像される。

上述した実験結果及び解析結果より、平行なレーザビームを照明ビームとして利用し、周期性パターンが形成されているフォトマスクや半導体ウェハからの高次回折光を観測することにより、数１０ｎｍ程度のＣＤエラーを低輝度な暗線として又は高輝度な明線として検出することが可能である。ＣＤエラーを可視像として検出することにより、ＣＤエラーを撮像する撮像装置からの出力信号を用いてＣＤエラーを自動的に検出可能なパターン検査装置が実現される

本発明によるムラ検出装置の好適実施例は、角度調整装置を調整することにより、正常な周期性パターンから出射した高次回折光が撮像装置の開口絞りを通過し、ムラを形成する異常なパターンから出射した高次回折光が開口絞りを通過しないように、試料表面に対するレーザビームの入射角を調整し、ムラを暗線として検出することを特徴とする。

本発明によるムラ検出装置の別の好適実施例は、角度調整装置を調整することにより、前記正常な周期性パターンから出射した高次回折光が撮像装置の開口絞りを通過せず、ムラを形成する異常なパターンから出射した高次回折光が開口絞りを通過するように、試料表面に対するレーザビームの入射角を調整し、ムラを明線として検出することを特徴とする。

本発明によるムラ検出装置の好適実施例は、集光レンズは、その光軸が試料表面に対してほぼ直交するように配置され、主として試料表面から垂直方向に出射する高次回折光を受光し、集光レンズ及び撮像装置はテレセントリック光学系を構成することを特徴とする。集光レンズと撮像装置がテレセントリック光学系を構成すれば、撮像装置全体にわたって同一の条件の２次元画像が撮像される利点が達成される。しかも、試料と集光レンズとの間の距離が短縮されるので、撮像光学系をコンパクトな構造にすることができる。

本発明によるムラ検出装置の好適実施例は、試料として透明基板の表面に周期性の遮光パターンが形成されているフォトマスクを用い、フォトマスクの周期性パターン中に局所的に形成されたムラをコントラスト画像として検出することができる。尚、レーザビームは、透明基板の遮光膜の周期性パターンが形成されている側から投射してもよく、或いは周期性パターンが形成されていない裏面側から投射してもよい。

本発明によるムラ検出装置の別の好適実施例は、試料として、透明基板と、その表面に形成された遮光膜と、遮光膜上に形成されたレジスト膜の周期性パターンとを有する基体を用い、前記集光レンズ及び撮像装置は前記基体の表面で反射した高次回折光を受光し、前記レジスト膜の周期性パターン中に局所的に存在するムラを検出することを特徴とする。レジスト膜は光学的に透明であるが、レジスト膜のパターンのエッジからも回折光が発生する。このエッジから発生する回折光を利用することにより、レジスト膜の周期性パターンの回折像を撮像することができる。従って、レジスト膜の周期性パターン中に局所的にムラが形成されている場合、ムラを明線又は暗線として検出することができる。レジスト膜の周期性パターン中に存在するムラが検出できれば、レジスト膜を除去するだけ、遮光膜が形成されているガラス基板を再度利用することができ、フォトマスクの製造上の歩留りが一層改善される。

さらに、本発明によるムラ検出装置の別の好適実施例は、試料として繰り返しパターンが形成されている半導体ウェハを用い、前記集光レンズ及び撮像装置は半導体ウェハで反射した高次回折光を受光することを特徴とする。

本発明によるムラ検出装置は、周期性パターン中に局所的に存在するピッチエラーやＣＤエラーであるムラを可視画像として検出するムラ検出装置であって、
レーザビームを発生するレーザ光源、レーザビーム中に存在するスペックルパターンを低減又は平均化する手段、及び試料表面に対するレーザビームの入射角を調整する手段を有し、繰り返しパターンが形成されている試料表面に向けて、ほぼ平行なレーザビームを投射する照明光学系と、
前記試料表面に対して直交する光軸を有し、試料表面からほぼ垂直な方向に出射した高次回折光を集光する集光レンズ、及び集光レンズにより集光された高次回折光を受光して回折像を撮像する撮像装置を有し、集光レンズ及び撮像装置がテレセントリック光学系を構成する撮像光学系とを具え、
周期性パターン中に局所的に存在するピッチエラーやＣＤエラーであるムラを、前記回折像中に形成される低輝度の暗線として又は高輝度な明線として検出することを特徴とする。

本発明によるムラ検出方法は、周期性パターン中に存在するピッチエラーやＣＤエラーのようなパターンの寸法誤差又は間隔誤差に起因するムラを可視画像として検出するムラ検出方法であって、
繰り返しパターンが形成されている試料表面に向けて、ほぼ平行なレーザビームを投射する工程と、
試料表面に対してほぼ直交する光軸を有する集光レンズと、集光レンズにより集光された回折光を受光して試料表面の回折像を撮像する撮像装置とを有する撮像光学系を用いて試料表面の回折像を撮像する工程とを具え、
前記寸法誤差に起因するムラを、正常なパターンにより形成される回折像中に形成される局所的な低輝度画像又は高輝度画像として検出することを特徴とする。

本発明によるパターン検査装置は、表面に周期性パターンが形成されている試料を検査するパターン検査装置であって、
レーザビームを放出するレーザ光源及び投射レンズ系を有し、試料に向けてほぼ平行なレーザビームを投射する照明光学系、及び、投射レンズ系の光軸と試料表面に対する法線とを含む面内において試料表面に対するレーザビームの入射角を調整する角度調整装置が搭載された照明光学系ユニットと、
試料表面に対して直交する光軸を有し、試料から出射した高次回折光を集光する集光レンズ、及び、撮像レンズ系と、開口絞りと、複数の受光素子が２次元アレイ状に配列された撮像素子とを有し、集光レンズにより集光された高次回折光を受光し、周期性パターンの回折像を２次元画像として撮像する２次元撮像装置が搭載され、集光レンズと２次元撮像装置がテレセントリック光学系を構成する撮像光学系ユニットと、
前記照明光学系ユニットと撮像光学系ユニットとを互いに同期して２次元移動させる移動装置と、
前記２次元撮像装置からの出力信号を受取り、２次元撮像装置からの出力信号に基づいてムラ欠陥を検出する信号処理手段とを具えることを特徴とする。

本発明において、ムラは、正常な周期性パターンの画像中に暗線又は明線として検出されるので、信号処理手段は、２次元撮像装置から出力される試料の２次元画像中に明線又は暗線が存在するか否かをもってムラ欠陥の有無を判定することができる。従って、信号処理手段において、例えば撮像された２次元画像の平均輝度値を求め、平均輝度値を下回る線状の区域が存在するか否かをもってムラ欠陥を検出することが可能である。

本発明によるパターン検査装置の好適実施例は、信号処理手段は、前記２次元撮像装置から出力される出力信号について、周期性パターンの整数分だけシフトした出力信号同士を減算する減算手段を有し、減算手段から出力される信号を閾値と比較してムラ欠陥を検出することを特徴とする。撮像される２次元回折像は、周期性パターンの画像をコントラスト画像として含むので、周期性パターンの整数ピッチだけシフトした２次元画像同士を減算することにより、周期性パターンによるコントラストが除去され、主としてムラによる画像情報を含む情報を得る事ができる。これにより、ムラ欠陥の検出精度が一層高くなる。

本発明によるパターン検査装置の好適実施例は、試料として、透明基板上に遮光膜の周期性パターンが形成されているフォトマスクを用いることを特徴とする。

本発明によるパターン検査装置の別の好適実施例は、試料として、透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜と、遮光膜上に形成されたレジスト膜の周期性パターンとを有する基体を用い、前記集光レンズは前記基体の表面で反射した高次回折光を受光し、前記レジスト膜の周期性パターン中に局所的に存在するムラ欠陥を検出することを特徴とする。

本発明によるパターン検査装置の好適実施例は、照明光学系ユニットと撮像光学系ユニットは、フォトマスクをはさんで互いに反対側に配置され、前記移動装置は、照明光学系ユニット及び撮像光学系ユニットを一体的に同期して移動させることを特徴とする。

本発明によるパターン検査装置の別の好適実施例は、照明光学系ユニット及び撮像光学系ユニットは、試料表面に対して同一の側に位置する単一のユニットとして構成され、前記移動装置は、照明光学系ユニット及び撮像光学系ユニットを一体的に移動させることを特徴とする。

本発明によるパターン検査装置の好適実施例は、照明光学系ユニットとして複数個のユニットを有し、各照明光学系ユニットは、試料の同一の部位をそれぞれ異なる方向からレーザビームを投射することを特徴とする。フォトマスクや半導体ウェハには、矩形パターン以外に、種々の形状のパターンが繰り返し形成されている場合がある。このような特有の形状のパターンに対応するため、互いに異なる方向から投射されたレーザビームにより試料の同一の部位を照明する。

本発明によるパターン検査装置の別の好適実施例は、照明光学系ユニット及び撮像光学系ユニットは、ステップアンドリピート方式により試料の２次元画像を順次撮像し、前記信号処理手段は、得られた２次元画像中に暗線又は明線が存在するか否かをもってムラ欠陥の有無を判定することを特徴とする。

本発明によるムラ検出装置では、周期性パターン中に局所的に形成されたＣＤエラーやピッチエラーであるムラは、周囲の正常な周期性パターンの画像の輝度よりも低い輝度の暗線又は高い輝度の明線として撮像される。従って、フォトマスクや半導体ウェハ等の試料の回折像を２次元画像として撮像し、得られた２次元画像中に暗線又は明線が存在するか否かをもってムラ欠陥を検出することが可能になる。この結果、フォトマスクや半導体ウェハに形成された周期性パターンの１０ｎｍ程度の寸法誤差や間隔誤差を自動的に検出することができるパターン検査装置が実現される。

図１は周期性パターンが形成されたフォトマスクにＣＤエラーが局所的に形成された状態を模式的に示す図である。フォトマスク１は透明基板２を有し、透明基板の表面上に例えばクロム膜の矩形のパターン３がｘ及びｙ方向にそって一定のピッチで形成され、周期性パターンが構成される。各パターン３は、ｘ方向及びｙ方向に延在するエッジを有する矩形のパターンとする。これらパターンのうちの一部のパターンの寸法が規定値から小さい寸法に形成されると、ＣＤエラーが発生する。ＣＤエラーは、レジスト膜上に電子線又はレーザビームを照射して描画する際の描画不良が主たる原因であり、例えばｘ方向又はｙ方向に連続的に発生する。ＣＤエラーの大きさは、パターンのサイズが１００ｎｍ程度の場合、１０ｎｍ程度である。図１においては、ｙ方向に沿って連続してＣＤエラーが発生している状態を示す。

図２は、本発明によるムラ検出の原理を説明するための線図である。本例では、フォトマスクに形成されたＣＤエラーを検出する例について説明する。照明光学系から、検査すべきフォトマスク１に向けてレーザ光の平行光束を照明ビームとして投射する。照明ビームは、フォトマスクの表面に対する法線と照明ビームの光軸とを含む面がパターン３のエッジであるｘ方向又はｙ方向と直交するように設定する。本例では、フォトマスクの表面に対する法線と照明ビームの光軸とを含む面がｘ方向と直交するように設定し、ｙ方向に延在するＣＤエラーを可視画像として検出する。フォトマスクに入射したレーザ光は、周期性パターンにより回折し、透明基板を透過して出射する。回折光は、主として隣接するパターン間の間隔、パターンの寸法及び回折次数によって規定される回折角の方向に出射する。本発明によるムラ検出装置では種々の次数の回折光を利用して回折像を撮像することが可能である。本例では、例えば１５次の高次回折光を利用してＣＤエラーを検出するものとする。レーザビームは、フォトマスクの表面に対する法線とレーザビームの光軸とを含む面内におけるフォトマスクの表面に対する入射角は調整できるように設定する。設定方法として、本例では、例えば１５次の回折光がフォトマスクの表面に対して垂直に出射するような角度となるように調整する。この場合、隣接する次数の回折光（１４次及び１６次）の回折光は、フォトマスクの表面に対して垂直以外の角度で出射する。

フォトマスク１から出射した高次回折光は集光レンズ４により集光され、２次元撮像装置であるＣＣＤカメラ５に入射する。集光レンズ４の光軸は、フォトマスクの表面に対して直交するように設定する。ＣＣＤカメラ５は、集光レンズ４から、その焦点距離ｆ１に等しい距離だけ離間した位置に配置する。従って、集光レンズ４は、主としてフォトマスクから垂直方向に出射する平行な回折光を受光するので、集光レンズ４とＣＣＤカメラ５は、フォトマスクの周期性パターンが形成されている面に対してテレセントリック光学系を構成する。撮像光学系がテレセットリック光学系を構成すれば、撮像される２次元画像全体について同一の条件で撮像することができる利点がある。さらに、集光レンズ４をフォトマスクに近づけることができるので、撮像光学系を小型な構造とすることが可能になる。

フォトマスク１から出射した１５次の回折光は集光レンズ４により集光され、ＣＣＤカメラ５に入射し、１５次の回折光による回折像が撮像される。ＣＣＤカメラは、撮像レンズ系と、瞳（開口絞り）と、複数の受光素子が２次元アレイ状に配列された撮像素子とを有する。撮像レンズ系の焦点は、無限遠に合わせる。ＣＣＤカメラ５に入射した回折光は、撮像レンズ及び瞳（開口絞り）を介して受光面に入射し、フォトマスクの回折像が撮像される。本例では、１５次の回折光だけがフォトマスクに対して垂直に出射するように設定しているので、１５次の回折光がＣＣＤカメラの瞳を通過して撮像される。従って、ＣＣＤカメラにより、フォトマスク１の高輝度な縞模様が回折像として撮像される。

図２に示すフォトマスクにおいて、周期性パターンが形成されている領域中に寸法が規定値から外れたパターンが形成され、ＣＤエラーが局所的に存在するものとする。ＣＤエラーが形成された部位において、パターン間の間隔が周囲の周期性パターンの間隔とは相違する。そのため、ＣＤエラーが形成された部位に入射した照明光は、正常な寸法の周期性パターンが形成されている部位における回折角とは異なる回折角で回折する。この結果、ＣＤエラーの部位から出射した回折光は、ＣＣＤカメラの瞳（開口絞り）を通過することができず、ＣＣＤカメラの受光面に入射しないことになる。この結果、ＣＣＤカメラの受光面上において、ＣＤエラーに起因して局所的に入射光量が低下し、周囲の正常なパターンが形成されている部位に入射する光量よりも少ない入射光量の区域が発生する。そして、ＣＣＤカメラにより撮像される回折像上において、ＣＤエラーにより周囲の輝度よりも低い輝度の低輝度画像が形成される。ＣＤエラーは、一方向に連続して発生する傾向が高いため、低輝度画像は、低輝度の暗線として撮像される。従って、ＣＤエラーは、正常な周期性パターンにより形成される比較的高輝度の縞模様中に低輝度の暗線として可視化される。

照明ビームのフォトマスクに対する入射角を変えることにより、高次回折光の回折角及びムラが形成されている部位から出射する回折光の回折角も相違する。従って、照明ビームの入射角を調整し、ムラが形成された部位から出射する回折光が撮像装置の絞りを通過し、正常な周期性パターンから出射する回折光が絞りにより遮光されるように設定すれば、比較的低輝度の回折パターン中に高輝度の明線が撮像される。従って、ＣＤエラーは、正常な周期性パターンにより形成される比較的低輝度の回折像中に高輝度の明線として可視化される。

図３は撮像装置５に入射する回折光の状態を説明するための図である。２次元撮像装置５は、撮像レンズ系６と、開口絞り７と、複数の受光素子が２次元アレイ状に配列された撮像素子８とを有する。発散度が１ミリラジアン程度の高い平行度のレーザビームを照明ビームとして用いる場合、回折光の回折角度が先鋭になるため、所望の次数の回折光だけを撮像素子８の受光面に入射させることが可能である。図３（Ａ）は、レーザビームの入射角を調整することにより、１５次の回折光がフォトマスクから垂直に出射し、撮像レンズ系６及び開口絞り７を介して撮像素子８の受光面に入射する状態を示す。この際、隣接する低光量な１４次及び１６次の回折光が開口絞りのエッジにより遮光される。また、図３（Ｂ）は、低光量の１４次の回折光だけが開口絞りを通過して撮像素子の受光面に入射し、相対的に高光量の１３次及び１５次の回折光が開口絞りにより遮光されるように設定した状態を示す。尚、開口絞り７の開口径を一層小さく設定すれば、開口絞りを通過する回折光の範囲を一層狭めることができ、例えば図３（Ａ）に示す場合１４．８〜１５．２次程度の回折光だけを通過させることも可能である。

図３（Ａ）に示す設定条件において、撮像素子の受光面に入射する回折光の入射光量は相対的に多いため、ムラは、高輝度の回折像中に低輝度の暗線として検出される。一方、図３（Ｂ）に示す設定条件において、撮像素子の受光面に入射する入射光量は比較的少ないため、ムラは、低輝度の回折像中に明線として検出される。

図４は、５０ｎｍの局所的なＣＤエラーが発生しているフォトマスクを用意し、当該フォトマスクを図２に示す撮像装置に搭載されているＣＣＤカメラを用い図３（Ａ）に示す設定条件で実際に撮像した画像を図面として表示する。画面全体にわたって、比較的明るい明暗の縞模様が撮像された。この比較的明るい明暗の縞模様は、正常な周期性パターンにより形成された回折像である。同時に、明るい回折像上に低輝度の暗線が観測された。この暗線の延在方向は、ＣＤエラーの原因となるパターンの配列方向に対応している。従って、観測された暗線は、ＣＤエラーに対応する低輝度画像である。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す実際に撮像された画像をＸ方向に平行なラインで切って示すＸ方向位置と輝度値との関係を示す模式的グラフである。正常な周期性パターンによる回折像は比較的明るい画像であり、ＣＤエラーに起因する暗線は回折像中に重畳された低輝度の暗線として観測される。

上述した実験結果によれば、周期性パターン中に局所的に存在するＣＤエラーやピッチエラーに起因するムラは、高次回折光により形成される回折像中に回折像の輝度よりも低い輝度の暗線として観測される。従って、回折像中に存在する暗線を検出することにより、ＣＤエラーやピッチエラーに起因するムラが検出される。さらに、フォトマスクの表面に対するレーザビームの入射角を調整し、図３（Ｂ）に示す設定条件で撮像すると、比較的低輝度の回折像中にムラが明線として観測された。本発明は、上述した実験結果をベースにし、ＣＤエラー等に起因するムラを、周期性パターンにより形成される回折像中に重畳する暗線又は明線として検出する。

図５は本発明によるムラ検出装置の一例を示す線図である。本例では、透明なガラス基板上に周期性パターンが形成されているフォトマスクを検査対象とする。検査すべきフォトマスク１０をはさんで一方の側に照明光学系ユニット２０を配置し、他方の側に撮像光学系ユニット３０を配置する。照明光学系ユニット２０は、照明ビームを発生するレーザ光源２１を有する。レーザ光源２１から出射したレーザビームは、コリメータレンズ系２２により拡大平行光束に変換され、スペックルパターン低減装置２３に入射する。本例では、レーザビーム中に発生するスペックルパターンを低減し又は平均化する装置として、拡散板回転装置２３を用いる。この拡散板回転装置２３は、微小な凸部がランダムに形成されている拡散板２３ａと、拡散板を回転させるモータ２３ｂとを有する。拡散板２３ａを高速で回転させ、回転する拡散板に向けてレーザビームを投射すると、スペックルパターンはビーム全体にわたって平均化され、レーザビームの断面にわたってほぼ一様な輝度の発散性のレーザビームが出射する。拡散板回転装置２３から出射した発散性のレーザビームは、投射レンズ２４に入射し、発散度が１ミリラジアン程度の平行光束に変換され、フォトマスク１０に入射する。レーザ光源２１、コリメータレンズ系２２、拡散板回転装置２３、及び投射レンズ２４はユニット化され、単一のユニットとして配置する。尚、フォトマスク１の表面に対する法線と投射レンズ２４の光軸とを含む面が周期性パターンのエッジと直交するように設定する。フォトマスク上の照明領域は、例えば３０ｍｍ×３０ｍｍに設定することができる。後述するように、照明光学系ユニット２０には、角度調整機構が搭載され、フォトマスク１０に対して入射角が調整できるように設定する。

フォトマスク１０に入射したレーザビームは、フォトマスクに形成されている周期性パターンにより回折し、撮像光学系ユニット３０に入射する。撮像光学系ユニット３０は、フォトマスクから出射する高次回折光を受光する集光レンズ３１を有する。集光レンズ３１は、その光軸がフォトマスクの表面に対して直交するように配置する。集光レンズ３１により集光された回折光は例えばＣＣＤカメラのような撮像装置３２に入射し、フォトマスクから出射した高次回折光による２次元回折像が撮像される。撮像装置３２から順次出力される２次元画像信号は、増幅器３３により増幅され、輝度信号として信号処理回路４０に供給される。

撮像装置３２は、集光レンズ３１からその焦点距離に等しい距離だけ離間するように配置する。集光レンズ３１は、主としてフォトマスク１０の表面に対して垂直方向に回折した回折光を受光する。従って、集光レンズ３１及び撮像装置３２はテレセントリック光学系を構成する。尚、集光レンズ３１、撮像装置３２及び増幅器３３はユニット化され、単一のユニットとして配置する。

照明光学系ユニット２０及び撮像光学系ユニット３０は、２次元移動装置５０に連結され、互いに同期してＸ及びＹ方向に移動する。本例では、照明光学系ユニット２０及び撮像光学系ユニット３０をステップアンドリピート方式で移動させ、フォトマスク１０の全域にわたって２次元的に走査する。すなわち、フォトマスクの３０ｍｍ×３０ｍｍの領域を順次撮像し、各２次元画像信号を順次信号処理回路４０に供給する。尚、撮像光学系ユニット又は照明光学系ユニットのフォトマスクの表面に対する位置を検出する位置検出手段（図示せず）を設け、フォトマスクの照明ビームが入射する位置を検出し、検出した位置情報（アドレス情報）を信号処理回路４０に供給する。

図６に示す実施例においては、フォトマスク１０の遮光膜の周期性パターンが形成されている側から照明ビームを投射し、透明基板を透過した回折光を撮像光学系ユニット３０により受光するように構成した。しかし、フォトマスク１０の裏面と対向するように照明光学系ユニット２０を配置し、裏面側から照明ビームを投射し、遮光膜の周期性パターンが形成されている表面側から出射した回折光を撮像光学系ユニット３０による受光するように構成することも可能である。この場合にも、ムラは、鮮明な明線又は暗線として撮像された。

図６（Ａ）及び（Ｂ）は、信号処理回路４０の一例を示す線図である。本例では、図３（Ａ）に示すように設定し、ムラ欠陥を正常な周期性パターンによる高輝度の回折像中に暗線として検出する場合について説明する。図６（Ａ）において、撮像光学系から出力される出力信号は２次元画像の輝度信号として信号処理回路４０に供給される。この輝度信号は、Ａ／Ｄ変換器４１によりデジタル信号に変換され、比較器４２に入力する。比較器４２は、入力した輝度信号と閾値入力手段４３から入力された閾値とを比較し、輝度信号の輝度値が閾値を下回る場合、その比較結果を欠陥判定回路４４に出力する。閾値は、周期性パターンの回折像の輝度値の最下限値よりも僅かに低い値に設定する。また、回折像の輝度値は、検査すべき各種フォトマスクのパターン間隔等に応じて変化するため、オペレータは、周期性パターンの間隔や予め検出した回折像の輝度等の情報に基づき、閾値入力手段４３を介して検査すべきフォトマスクごとに最適な閾値を入力することができる。

欠陥判定回路４４は、比較器４２から出力される信号を受取り、輝度値が閾値以下となる画素が直線状に形成されるか否かを判断し、閾値を下回る輝度値の画素が直線状に形成される場合ムラ欠陥であると判定し、ムラ欠陥情報を出力する。このムラ欠陥情報には、アドレス情報を付加する。従って、操作者は、ムラ欠陥情報に含まれるアドレスにムラが存在することを知ることができる。

正常な周期性パターンによる明暗の縞模様による影響を除去した信号処理回路を図６（Ｂ）に示す。図４に示すように、２次元撮像装置により撮像される回折像中には、周期性パターンによる明暗の縞模様が形成されるため、欠陥判定の精度に悪影響を及ぼすおそれがある。この問題を解消するため、本例では、正常な周期性パターンによる明暗の縞模様による影響が除去された信号を用いて欠陥判定を行う。図６（Ｂ）において、図６（Ａ）で用いた部材と同一の部材には同一符号を付して説明する。Ａ／Ｄ変換された輝度信号は、遅延手段４５に供給され、周期性パターンの１ピッチ分又は整数ピッチ分だけ遅延した遅延信号を生成する。本例では、１ピッチ遅延した信号を遅延信号を生成する。遅延信号は減算手段４６に供給する。減算手段４６の他方の入力端子にはＡ／Ｄ変換器４１から出力され遅延されていない輝度信号を供給する。減算手段４６において、遅延していない輝度信号と１ピッチ分遅延した遅延信号とを互いに減算することにより、回折像中の正常な周期性パターンによる明暗の縞模様が除去され、ムラによる輝度変化だけを含む信号が形成される。減算手段４６からの出力信号を比較器４２に供給し、所定の閾値と比較して２次元画像中に閾値以下の輝度値の画素を出力する。比較器からの出力信号を欠陥判定回路４４に供給してムラ欠陥の有無を判定する。当該信号処理回路を用いることにより、正常な周期性パターンによる影響が除去され、一層精度の高い欠陥判定を行うことができる。

ムラを明線として撮像する場合、比較器４２の閾値を正常な周期性パターンによる回折像の輝度値よりも若干高い輝度値に設定し、入力した輝度信号が閾値を超える場合、ムラであると判定することができる。

図７は、照明光学系ユニット２０の角度調整機構の一例を示す図である。レーザ光源、コリメータレンズ、スペックルパターン低減装置、及び集束性レンズ２４を第１の支持フレーム２５内に収納する。尚、第１の支持フレーム２５に収納した部材のうち集束性レンズ２４だけを図示する。第１の支持フレーム２５は、２個のステッピングモータ２６ａ及び２６ｂを介して第２の支持フレーム２７に装着する。集束性レンズ２４から出射した平行なレーザビームは、全反射ミラー２８を介してフォトマスク１０に入射する。ステッピングモータ２６ａ及び２６ｂが駆動すると、各回転軸が昇降する。この際、第１のステッピングモータ２６ａの回転軸を上昇させ第２のステッピングモータ２６ｂを下降させると、レーザビームのフォトマスク１０の法線に対する入射角が大きくなり、逆に第１のステッピングモータ２６ａの回転軸を下降させ第２のステッピングモータ２６ｂを上昇させると、フォトマスクの法線に対するレーザビームの入射角は小さくなる。フォトマスクの表面に対する入射角の調整範囲は、実験結果によれば、例えば入射角を３０°に設定し、±３°の角度範囲で調整できれば、周期性パターンの回折像を撮像できると共にＣＤエラー等に起因する暗線又は明線を明確に撮像することが可能である。従って、図７に示す角度調整装置により十分な入射角調整を行うことができる。

図８は本発明によるムラ検出装置の変形例を示す図である。本例では、透明基板上に遮光膜が形成され、その上にレジスト膜の周期性パターンが形成されている基体のムラ検出に好適なムラ検出装置について説明する。尚、本例のムラ検出装置は、半導体ウェハ上に周期性パターンが形成されている半導体基体のＣＤエラーやピッチエラーを検出する場合にも好適である。尚、図８において、図５で用いた部材と同一の部材には同一符号を付し、その説明は省略する。透明基板上に遮光膜が形成され、その上にレジスト膜の周期性パターンが形成された基体の表面は反射性であり、並びに半導体基体の表面は反射性である。よって、撮像光学系ユニット３０により基体表面で反射した高次回折光による回折像を撮像する。フォトマスクの検査と同様に、照明光学系２０からスペックルパターンが低減ないし平均化されたレーザビームを基体１１に向けて投射する。ステージ１２に支持されている基体１１に入射したレーザビームは、レジスト膜の周期性パターンのエッジにより回折すると共に遮光膜の表面で反射し、撮像光学系ユニット３０に入射する。反射した回折光は、撮像光学系ユニット３０の集光レンズ３１に入射する。集光レンズ３１は、その光軸が基体１１の表面に対して直交するように配置する。集光レンズ３１により集光された回折光は２次元撮像装置３２に入射し、基体１１から出射した高次回折光による回折像が撮像される。集光レンズ３１及び２次元撮像装置３２はテレセントリック光学系を構成する。このように、照明光学系と撮像光学系とを基体の表面に対して同一の側に配置することにより、基体に形成した周期性パターンの回折像が撮像され、レジスト膜の周期性パターンにＣＤエラー等が発生している場合、ＣＤエラー等を低輝度画像（低輝度の暗線）又は高輝度画像（光輝度の明線）として検出することが可能である。尚、照明光学系２０と撮像光学系ユニット３０とを一体化し、単一のユニット６０として構成する。この場合、単一のユニット６０を移動装置（図示せず）に連結して２次元走査することにより、半導体ウェハの全面について検査することができる。

レジスト膜は、透明材料であるが、レーザビームがエッジに入射すると、周期性パターンの各エッジから比較的強い回折光が発生する。そして、発生した回折光を２次元撮像装置により受光することにより回折像が撮像される。この場合、レジスト膜の周期性パターンにＣＤエラー等が存在すると、局所的に回折角が変化し、回折像中に暗線又は明線が形成され、ムラとして検出される。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。上述した実施例では、矩形のパターンが所定の間隔で繰り返し形成された周期性パターンのムラを検出する場合について説明したが、矩形のパターン以外の各種形状のパターンについてもムラ検出を行うことが可能である。例えば、レーザ光源、コリメータレンズ、スペックルパターン低減化装置及び集束性レンズを照明鏡筒内に収納し、複数の照明鏡筒を用意する。そして、各照明鏡筒を検査すべき試料表面に対する入射方向がそれぞれ相違すると共に各レーザビームが試料表面の同一の部位に入射するように配置する。このように構成すれば、試料に対して複数の方向からレーザビームが入射するので、種々のエッジ角を有するパターンが繰り返し形成されている試料に対しても対処することが可能である。

さらに、照明光学系ユニットに、試料表面の法線を中心にしてレーザビームの投射方向を調整する角度調整機構を設けて、試料に入射するレーザビームの方向を調整することも可能である。すなわち、ムラ検出に当たり、照明光学系の投射レンズの光軸と試料表面に対する法線とを含む面が周期性パターンのエッジの延在方向と直交するように照明光学系を設定する必要がある。この際、照明光学系ユニットに、試料表面の法線を中心にしてレーザビームの投射方向の角度を調整する角度調整機構を設ければ、周期性パターンのエッジに対して、試料表面の法線と投射レンズの光軸とを含む面が直交するようにレーザビームの投射角を調整することが可能である。

ＣＤエラーが発生しているフォトマスクの一例を示す線図的平面図である。 本発明によるムラ検出装置の原理を示す図である。 撮像装置に入射する回折光の状態を示す線図である。 フォトマスクに形成された５０ｎｍのＣＤエラーを実際に撮像した画像を示す図である。 本発明によるムラ検出装置の一例を示す図である。 信号処理回路の一例を示す図である。 照明光学系ユニットに搭載された角度調整機構の一例を示す図である。 周期性パターンが反射性の試料に形成されている場合のムラ検出に好適なムラ検出装置の一例を示す線図である。

符号の説明

１，１０ フォトマスク
２ ガラス基板
３ パターン
４，３１ 集光レンズ
５ ＣＣＤカメラ
１１ 基体
２０ 照明光学系ユニット
２１ レーザ光源
２２ コリメータレンズ
２３ スペックルパターン低減装置
２４ 投射レンズ
３０ 撮像光学系ユニット
３２ 撮像装置
３３ 増幅器
４０ 信号処理回路
５０ ２次元移動装置

Claims (21)

1. 正常な周期性パターン中に局所的に存在するピッチエラーやＣＤエラーであるムラをコントラスト画像として検出するムラ検出装置であって、
   レーザビームを放出するレーザ光源、レーザ光源から出射したレーザビーム中のスペックルパターンを低減し又は平均化する手段、及び、投射レンズ系を有し、スペックルパターンが低減され又は平均化された平行光束のレーザビームを前記試料に向けて投射する照明光学系と、
   試料を透過した高次回折光又は試料表面で反射した高次回折光を集光する集光レンズ、及び、撮像レンズ系と、開口絞りと、複数の受光素子が２次元アレイ状に配列された撮像素子とを有し、集光レンズにより集光された高次回折光を受光して、周期性パターンの回折像を２次元画像として撮像する２次元撮像装置を有する撮像光学系と、
   前記照明光学系の投射レンズ系の光軸と試料表面に対する法線とを含む面内において、レーザビームの試料表面に対する入射角を調整する角度調整装置とを具え、
   前記入射角調整手段を用いてレーザビームの試料表面に対する入射角を調整することにより、正常な周期性パターン中に局所的に存在するムラを、正常な周期性パターンの回折像の輝度よりも低輝度な暗線として検出し、又は、正常な周期性パターンの画像の輝度よりも高輝度な明線として検出することを特徴とするムラ検出装置。
2. 請求項１に記載のムラ検出装置において、前記角度調整装置を用いて、正常な周期性パターンから出射した高次回折光が撮像装置の開口絞りを通過し、ムラを形成するパターンから出射した高次回折光が開口絞りを通過しないように、試料表面に対するレーザビームの入射角を調整し、ムラを暗線として検出することを特徴とするムラ検出装置。
3. 請求項１に記載のムラ検出装置において、前記角度調整装置を用いて、前記正常な周期性パターンから出射した高次回折光が撮像装置の開口絞りを通過せず、ムラを形成するパターンから出射した高次回折光が開口絞りを通過するように、試料表面に対するレーザビームの入射角を調整し、ムラを明線として検出することを特徴とするムラ検出装置。
4. 請求項１、２又は３に記載のムラ検出装置において、前記集光レンズ及び撮像装置は、それらの光軸が試料表面に対してほぼ直交するように配置され、集光レンズ及び撮像装置はテレセントリック光学系を構成することを特徴とするムラ検出装置。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のムラ検出装置において、前記スペックルパターンを低減し又は平均化する装置として、拡散板回転装置を用い、拡散板回転装置から出射した発散性のレーザビームを集束性の投射レンズ系により平行光束に変換し、スペックルパターンが平均化された平行光束のレーザビームを前記試料表面に向けて投射することを特徴とするムラ検出装置。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のムラ検出装置において、前記試料として透明基板の表面に遮光膜の周期性パターンが形成されているフォトマスクを用い、前記照明光学系は、透明基板の遮光膜の周期性パターンが形成されている表面に向けてレーザビームを投射し、前記集光レンズ及び撮像装置は、遮光膜の周期性パターンで回折し透明基板を透過した高次回折光を受光することを特徴とするムラ検出装置。
7. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のムラ検出装置において、前記試料として透明基板の表面に遮光膜の周期性パターンが形成されているフォトマスクを用い、前記照明光学系は、透明基板の遮光膜の周期性パターンが形成されていない裏面に向けてレーザビームを投射し、前記集光レンズ及び撮像装置は、透明基板を透過し遮光膜の周期性パターンで回折した高次回折光を受光することを特徴とするムラ検出装置。
8. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のムラ検出装置において、前記試料として、透明基板と、その表面に形成された遮光膜と、遮光膜上に形成されたレジスト膜の周期性パターンとを有する基体を用い、前記集光レンズ及び撮像装置は前記基体の表面で反射した高次回折光を受光し、前記レジスト膜の周期性パターン中に局所的に存在するムラを検出することを特徴とするムラ検出装置。
9. 請求項１から５までのいずれか１項に記載のムラ検出装置において、前記試料として、半導体ウェハ上に繰り返しパターンが形成されている半導体基体を用い、前記集光レンズ及び撮像装置は半導体基体の表面で反射した高次回折光を受光することを特徴とするムラ検出装置。
10. 周期性パターン中に局所的に存在するピッチエラーやＣＤエラーであるムラを可視画像として検出するムラ検出装置であって、
    レーザビームを発生するレーザ光源、レーザビーム中に存在するスペックルパターンを低減し又は平均化する手段、前記レーザビームをほぼ平行なレーザビームとして試料に向けて投射する投射レンズ系、及び、試料表面に対するレーザビームの入射角を調整する入射角調整手段を有する照明光学系と、
    前記試料表面に対して直交する光軸を有し、試料から出射した高次回折光を集光する集光レンズ、及び、撮像レンズ系と、開口絞りと、複数の受光素子が２次元アレイ状に配列されている撮像素子とを有し、集光レンズにより集光された高次回折光を受光して回折像を撮像する２次元撮像装置を有し、集光レンズ及び撮像装置がテレセントリック光学系を構成する撮像光学系とを具え、
    前記入射角調整手段を用いてレーザビームの試料表面に対する入射角を調整することにより、正常な周期性パターン中に局所的に存在するムラを、明線又は暗線として検出することを特徴とするムラ検出装置。
11. 正常な周期性パターン中に局所的に存在するピッチエラーやＣＤエラーのようなパターンの寸法誤差や間隔誤差であるムラを可視画像として検出するムラ検出方法であって、
    繰り返しパターンが形成されている試料に向けて、スペックルパターンが低減され又は平均化されたほぼ平行なレーザビームを投射する工程と、
    試料表面に対してほぼ直交する光軸を有する集光レンズと、集光レンズにより集光された高次回折光を受光して試料表面の回折像を２次元画像として撮像する撮像装置とを有するテレセントリックな撮像光学系を用いて試料表面の回折像を撮像する工程と、
    正常な周期性パターンから出射した高次回折光が前記撮像装置の開口絞りを通過するように試料表面に対するレーザビームの入射角を調整し、又は、正常な周期性パターンから出射した高次回折光が撮像装置の開口絞りを通過しないように試料表面に対するレーザビームの入射角を調整する工程とを具え、
    正常な周期性パターン中に存在するムラを、正常な周期性パターンにより形成される回折像中に形成される暗線として検出し、又は、正常な周期性パターンの画像の輝度よりも高輝度な明線として検出することを特徴とするムラ検出方法。
12. 表面に周期性パターンが形成されている試料を検査するパターン検査装置であって、
    レーザビームを放出するレーザ光源、レーザ光源から出射したレーザビームのスペックルパターンを低減し又は平均化する手段、投射レンズ系、及び、投射レンズ系の光軸と試料表面に対する法線とを含む面内において試料表面に対するレーザビームの入射角を調整する角度調整装置が搭載された照明光学系ユニットと、
    試料表面に対して直交する光軸を有し、試料から出射した高次回折光を集光する集光レンズ、及び、撮像レンズ系と、開口絞りと、複数の受光素子が２次元アレイ状に配列された撮像素子とを有し、周期性パターンの回折像を２次元画像として撮像する２次元撮像装置が搭載され、集光レンズと２次元撮像装置とがテレセントリック光学系を構成する撮像光学系ユニットと、
    前記照明光学系ユニットと撮像光学系ユニットとを互いに同期して２次元移動させる移動装置と、
    前記２次元撮像装置からの出力信号を受取り、２次元撮像装置からの出力信号に基づいてムラ欠陥を検出する信号処理手段とを具えることを特徴とするパターン検査装置。
13. 前記信号処理手段は、２次元撮像装置から出力される２次元画像中に明線又は暗線が存在するか否かをもってムラ欠陥の有無を判定することを特徴とするパターン検査装置。
14. 請求項１１、１２又は１３に記載のパターン検査装置において、前記信号処理手段は、前記２次元撮像装置から出力される輝度信号について、周期性パターンの整数ピッチ分だけシフトした輝度信号を生成する手段と、周期性パターンの整数ピッチ分シフトした輝度信号とシフトしていない輝度信号同士を減算する減算手段とを有し、減算手段から出力される信号を閾値と比較してムラ欠陥を検出することを特徴とするパターン検査装置。
15. 請求項１１から１４までのいずれか１項に記載のパターン検査装置において、前記試料として、透明基板上に遮光膜の周期性パターンが形成されているフォトマスクを用いることを特徴とするパターン検査装置。
16. 請求項１１から１４までのいずれか１項に記載のパターン検査装置において、前記試料として、透明基板と、透明基板上に形成された遮光膜と、遮光膜上に形成されたレジスト膜の周期性パターンとを有する基体を用い、前記集光レンズは前記基体の表面で反射した高次回折光を受光し、前記レジスト膜の周期性パターン中に局所的に存在するムラ欠陥を検出することを特徴とするパターン検査装置。
17. 請求項１１から１４までのいずれか１項に記載のパターン検査装置において、前記試料として、半導体ウェハ上に繰り返しパターンが形成されている半導体基体を用い、前記集光レンズは前記半導体基体の表面で反射した高次回折光を受光することを特徴とするパターン検査装置。
18. 請求項１５に記載のパターン検査装置において、前記照明光学系ユニットと撮像光学系ユニットは、フォトマスクをはさんで互いに反対側に配置され、前記移動装置は、照明光学系ユニット及び撮像光学系ユニットを一体的に移動させることを特徴とするパターン検査装置。
19. 請求項１６又は１７に記載のパターン検査装置において、前記照明光学系ユニット及び撮像光学系ユニットは、試料表面に対して同一の側に位置する単一のユニットとして構成され、前記移動装置は、照明光学系ユニット及び撮像光学系ユニットを含むユニットを移動させることを特徴とするパターン検査装置。
20. 請求項１２から１９までのいずれか１項に記載のパターン検査装置において、前記照明光学系ユニットとして複数個のユニットを有し、各照明光学系ユニットは、試料の同一の部位をそれぞれ異なる方向からレーザビームを投射することを特徴とするパターン検査装置。
21. 請求項１２から２０までのいずれか１項に記載のパターン検査装置において、前記照明光学系ユニット及び撮像光学系ユニットは、ステップアンドリピート方式により試料の２次元画像を順次撮像し、前記信号処理手段は、得られた２次元画像中に明線又は暗線が存在するか否かをもってムラ欠陥の有無を判定することを特徴とするパターン検査装置。

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