JP2010112739A - 検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パターンの形状を高精度で測定可能な検査方法を提供する。
【解決手段】この検査方法は、ホール径が既知の基準パターンを有する基準ウェハの表面に、三原色の波長を含む照明光を照射するステップ（ステップＳ１０２）と、照明光が照射された基準パターンからの光を受光するとともに、当該光を受光した光学系の瞳面の像を検出するステップ（ステップＳ１０３）と、前のステップで検出した瞳面の像における三原色のうち二色（ＲおよびＧ）に関する輝度情報および、基準パターンのホール径のデータから、二色（ＲおよびＧ）に関する輝度情報と基準パターンのホール径との相関を示す近似曲面の式を求めるステップ（ステップＳ１０６）と、求めた近似曲面の式を用いて検査対象ウェハの検査を行うステップ（ステップＳ１０７〜Ｓ１１０）とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子や液晶表示素子等の製造過程において、基板の表面に形成されたパターンの状態を検出する検査方法および検査装置に関する。

従来、検査対象物の表面検査を行う装置は種々提案されているが（例えば、特許文献１を参照）、半導体ウェハや液晶ガラス基板等の基板の表面に形成されたパターンから発生する反射光を利用して、パターンの形状測定を行う装置もある。特に、近年では半導体プロセスの微細化に伴って、高い測定精度が求められている。
特開２００３−３０２３５４号公報

しかしながら、パターンから発生する反射光の状態は、測定を行うパターンの形状（例えば、ラインパターンにおける線幅や、ホールパターンにおけるホール径）の変化に限らず、パターンの下側に形成された膜の膜厚変化等によっても変動してしまうため、測定誤差が生じてしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、パターンの形状を高精度で測定可能な検査方法および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、本発明に係る検査方法は、形状に関する情報が既知の基準パターンを有する基準基板の表面に、三原色の波長を含む照明光を照射する第１のステップと、前記照明光が照射された前記基準パターンからの光を受光する第２のステップと、前記第２のステップで受光した光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面における光を検出する第３のステップと、前記第３のステップで検出した光における前記三原色のうち二色に関する光情報および、前記基準パターンの形状に関する情報から、前記二色に関する光情報と前記基準パターンの形状に関する情報との相関を求める第４のステップと、検査の対象となる検査対象パターンを有する検査対象基板の表面に前記照明光を照射する第５のステップと、前記照明光が照射された前記検査対象パターンからの光を受光する第６のステップと、前記第６のステップで受光した前記光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面における光を検出する第７のステップと、前記第７のステップで検出した光における前記二色に関する光情報から、前記第４のステップで求めた前記相関を用いて前記検査対象パターンの形状に関する情報を求めて前記検査を行う第８のステップとを有している。

なお、上述の検査方法において、前記光情報は、前記二色の色成分における輝度に相当する光情報であり、前記二色は、前記パターンの下側に形成された膜の膜厚変化に対する前記光情報の変化特性が互いに逆の特性となる二色の組み合わせであることが好ましい。

また、上述の検査方法において、前記第２のステップでは、前記基準パターンに前記照明光を照射して得られる回折光を受光し、前記第６のステップでは、前記検査対象パターンに前記照明光を照射して得られる回折光を受光することが好ましい。

また、上述の検査方法において、前記基準パターンおよび前記検査対象パターンがホールパターンであり、前記基準パターンおよび前記検査対象パターンの形状に関する情報が前記ホールパターンにおけるホールの径であることが好ましい。

また、本発明に係る検査装置は、パターンを有する基板に三原色の波長を含む照明光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記基板の像を所定の位置に結像させる結像光学系と、前記結像光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面における光を検出する検出部と、前記三原色のうちの少なくとも二色に関する情報と前記パターンの形状との相関関係を記憶する記憶部と備え、前記検出部で検出された検査対象の基板からの光の情報および、前記記憶部に記憶された前記相関関係から、前記検査対象の基板のパターンの形状を検査するようになっている。

なお、上述の検査装置において、前記記憶部には、前記相関関係として前記少なくとも二色の輝度情報と前記パターンの大きさとの相関関係が記憶されていることが好ましい。

また、上述の検査装置において、前記照明部は、前記基板に前記照明光を照射する方向を規定する絞りを有することが好ましい。

本発明によれば、パターンの形状を高精度で測定することが可能になる。

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実施形態の検査装置１は、図２に示すように、ウェハステージ５と、対物レンズ６と、ハーフミラー７と、照明光学系１０と、検出光学系２０と、第１および第２撮像素子３１，３２と、演算装置４０とを主体に構成される。

ウェハステージ５には、パターン（繰り返しパターン）の形成面を上にした状態で被検基板である半導体ウェハＷ（以下、ウェハＷと称する）が載置される。なお、ウェハＷの表面には、最上層のレジスト膜への露光・現像等によって、複数のホールが所定の繰り返しピッチで並んだホールパターン（図示せず）が形成される。ウェハステージ５は、互いに直交するｘ，ｙ，ｚ軸の３方向へ移動可能に構成されている（なお、図２の上下方向をｚ軸方向とする）。これにより、ウェハステージ５は、ウェハＷをｘ，ｙ，ｚ軸方向へ移動可能に支持することができる。また、ウェハステージ５は、ｚ軸を中心に回転できるように構成されている。

照明光学系１０は、図２の左側から右側へ向けて配置順に、光源１１（例えば、白色ＬＥＤやハロゲンランプ等）と、集光レンズ１２と、照度均一化ユニット１３と、開口絞り１４と、視野絞り１５と、コリメータレンズ１６と、偏光子（偏光フィルタ）１７とを有して構成される。

ここで、照明光学系１０の光源１１から放出された三原色の波長を含む光は、集光レンズ１２および照度均一化ユニット１３を介して、開口絞り１４および視野絞り１５に導かれる。照度均一化ユニット１３は、照明光を散乱し、光量分布を均一化する。また、干渉フィルタを含めることもできる。開口絞り１４および視野絞り１５は、照明光学系１０の光軸に対して開口部の大きさおよび位置が変更可能に構成されている。したがって、照明光学系１０では、開口絞り１４および視野絞り１５を操作することによって、照明領域の大きさおよび位置の変更と、照明の開口角の調整とを行うことができる。そして、開口絞り１４および視野絞り１５を通過した光は、コリメータレンズ１６によって平行光にされた後に偏光子１７を通過してハーフミラー７に入射する。このとき、開口絞り１４によってウェハＷの表面から回折光が発生するようにウェハＷに対する照明光の入射角度が制限される。またこのとき、偏光子１７を透過した光は直線偏光となってハーフミラー７に入射する。

ハーフミラー７は、照明光学系１０からの照明光（直線偏光）を下方に反射して対物レンズ６に導く。これにより、対物レンズ６を通過した照明光学系１０からの照明光でウェハＷが落射照明される。このように落射照明されたウェハＷのパターン（ホールパターン）から回折光が発生し、この回折光は、対物レンズ６に戻り、ハーフミラー７を透過して検出光学系２０に入射することができる。

検出光学系２０は、図２の下側から上側に向けて配置順に、レンズ２２と、ハーフプリズム２３と、ベルトランレンズ２４と、視野絞り２５とを有して構成される。ハーフプリズム２３は入射光束を二方向に分岐させる。ハーフプリズム２３を通過する一方の光束は、ベルトランレンズ２４を介して視野絞り２５にウェハＷの表面の像を結像させるとともに、対物レンズ６の瞳面の像を第１撮像素子３１に投影させるので、第１撮像素子３１の撮像面に対物レンズ６の瞳面上の輝度分布、すなわちウェハＷの表面からの回折光の分布が再現される。そのため、第１撮像素子３１により瞳面上の複数の次数の回折光をそれぞれ検出することが可能である。なお、ベルトランレンズ（Bertrand lens）は、一般に、対物レンズの後部焦点面の像を接眼レンズの焦点面に結ばせる収束レンズをいうが、顕微鏡等の光学系は一般に像側がテレセントリックな状態であり、対物レンズの後部焦点面が瞳面となるため、本実施形態において、第１撮像素子３１の撮像面に対物レンズ６の瞳面の像を結像させるレンズ２４をベルトランレンズ２４と称することにする。

また、視野絞り２５は、検出光学系２０の光軸に対して垂直方向の面内で開口形状を変化させることができる。そのため、視野絞り２５の操作によって、ウェハＷの任意の領域での情報を第１撮像素子３１が検出できるようになる。また、ハーフプリズム２３を通過する他方の光束は、通常のウェハＷの画像を撮像するための第２撮像素子３２に導かれる。

第１撮像素子３１は、ベイヤー配列のカラーフィルタアレイを有するＣＭＯＳイメージセンサであり、対物レンズ６の瞳面の像を撮像（検出）し、画像信号を演算装置４０に出力する。このとき、第１撮像素子３１は、読み出しエリアを画素単位で自由に設定できるので、必要な画素データ（光情報）のみを高速に読み出すことができる。なお、このような部分読み出しを可能にする回路が第１撮像素子３１に（オンチップで）配設されている。

演算装置４０は、第１撮像素子３１により撮像された画像を、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）の三色の色成分に分解して解析を行う。図３、図４、図５はそれぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂに分解された画像の例である。この図からわかるように、対物レンズ６の瞳面の像を撮像するようにすれば、複数の次数の回折光を一度に観察することができる。なお、図３〜図５において、右側から順に、０次回折光（正反射光）、１次回折光、…ｎ次回折光が並んでいる。本実施形態では、これらの画像より選択した色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）および回折次数での階調値（輝度）の変化に基づいて、パターンの状態変化を検出するが、パターンの下側に形成された膜の厚さによっても階調値は変化してしまう。

図６、図７、図８はそれぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂについて、横軸をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）によるホール径の測定値、縦軸を或る回折光の階調値としたときのグラフである。この図からわかるように、ホール径が大きくなると、Ｒ、Ｇ、Ｂともに階調値が上がっている。また、図９は、パターンの下側に形成された膜の膜厚変化に対する階調値の変化を表したグラフである。膜厚３００ｎｍ付近に注目すると、膜厚の変化に対して、ＲとＧの増減が逆の特性を示している。このように、ホール径の変化に対する階調値の変化と、膜厚に対する階調値の変化とを比較すると、様子が異なることに注目して解析を行う。

図１０は、ウェハの表面に形成されたパターンを複数個所で測定した時の階調値で、横軸をＲについての階調値、縦軸をＧについての階調値としたときのグラフである。前述のとおり、ホール径が変化するとＲとＧは同じ方向に増減するので、図１０では矢印１の方向に変化をする。また前述のとおり、膜厚が変化するとＲとＧは逆方向に増減するので、図１０では矢印２の方向に変化をする。これにより、Ｒ‐Ｇ平面上にホール径の変化と膜厚変化を表現する事ができる。

図１１は、２次元のグラフであった図１０のＲ‐Ｇ平面上にＳＥＭによる測定値を縦軸に追加したグラフである。このグラフを見ると、ＲとＧの階調値が決まれば、ＳＥＭによる測定値が決まることが分かる。そこで、図１１のグラフのデータから最小二乗法を用いて、誤差が最小となる近似曲面の式（近似式）を求めることにする。図１２は、図１１のデータから求めた近似曲面のグラフである。この近似曲面を使って、回折光のＲとＧの階調値からホール径に換算することができる。なお、本実施形態において、Ｒの階調値は７次回折光の階調値、Ｇの階調値は８次回折光の階調値を用いている。

次に、回折光の階調値からホール径に換算するときに使用する近似曲面の求め方について説明をする。ウェハステージ５に載置されたウェハＷでパターンを測定したときのＲとＧの階調値をそれぞれＲ_nおよびＧ_ｎとし、そのパターンのホール径をＳＥＭで測定したときの測定値をＬ_nとする。階調値からホール径に換算するための曲面を４次とし、次の（１）式で表現することとする。なお、ν₁、ν₂、ν₃、ν₄、ν₅、ν₆、ν₇、ν₈、ν₉は係数である。

次に、実際に測定したときの誤差を考える。ここで、Ｌ_n′を実際に測定したＳＥＭの測定値とすると、測定値と計算値の誤差は、次の（２）式で計算できる。

ここで、階調誤差の評価関数として、次の（３）式に示すような誤差の２乗和を導入する。但し、Ｎは測定点の総数とし、ｎ＝１〜Ｎとする。

そこで、最小二乗法を用いて、階調誤差の評価関数Ｅを最小にする、（１）式の係数ν_１〜ν₉を求めるため、（３）式を係数ν_１〜ν₉でそれぞれ偏微分し、０とする。まず、（３）式を係数ν_１で偏微分すると、次の（４）式のようになる。

次に、（３）式を係数ν₂で偏微分すると、次の（５）式のようになる。

次に、（３）式を係数ν₃で偏微分すると、次の（６）式のようになる。

次に、（３）式を係数ν₄で偏微分すると、次の（７）式のようになる。

次に、（３）式を係数ν₅で偏微分すると、次の（８）式のようになる。

次に、（３）式を係数ν₆で偏微分すると、次の（９）式のようになる。

次に、（３）式を係数ν₇で偏微分すると、次の（１０）式のようになる。

次に、（３）式を係数ν₈で偏微分すると、次の（１１）式のようになる。

次に、（３）式を係数ν₉で偏微分すると、次の（１２）式のようになる。

さらに、（４）式、（５）式、（６）式、（７）式、（８）式、（９）式、（１０）式、（１１）式、および（１２）式を、（１３）式に示すような行列式にする。

次に、（１３）式をクラメル（Cramer）の公式により解放する。ここで、Δを次の（１４）のように定義する。

そして、係数ν_１は、Δを用いて（１５）式のように求められる。

また、係数ν₂は、Δを用いて（１６）式のように求められる。

また、係数ν₃は、Δを用いて（１７）式のように求められる。

また、係数ν₄は、Δを用いて（１８）式のように求められる。

また、係数ν₅は、Δを用いて（１９）式のように求められる。

また、係数ν₆は、Δを用いて（２０）式のように求められる。

また、係数ν₇は、Δを用いて（２１）式のように求められる。

また、係数ν₈は、Δを用いて（２２）式のように求められる。

また、係数ν₉は、Δを用いて（２３）式のように求められる。

このように計算することで、階調誤差の評価関数Ｅを最小にする（１）式の係数ν_１〜ν₉を求めることができる。前述のとおり、図１１のデータから（１４）〜（２３）式を用いて（１）式の係数ν_１〜ν₉を計算した結果が図１２である。このように近似曲面を求めることで、回折光におけるＲ、Ｇの階調値よりホール径を求めることができる。

そこで、第１実施形態の検査装置１を用いたウェハＷの検査方法について、図１に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、パターンのホール径が既知の基準ウェハ（図示せず）を搬送してウェハステージ５上に載置し、ウェハ上の測定するパターン（１ショット分）をウェハステージ５により対物レンズ６の下方に移動させる（ステップＳ１０１）。なお、基準ウェハの表面には、露光装置のドーズ量（露光量）を変えることによってショット毎にホール径が異なるように設定された基準パターン（ホールパターン）が形成されており、スキャトロメータや走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の測定器により測定されたショット毎のホール径のデータが演算装置４０のメモリに記録されているものとする。

基準ウェハ（図示せず）をウェハステージ５上に載置すると、照明光学系１０の光源１１を点灯させて基準ウェハの照明を開始する（ステップＳ１０２）。このとき、光源１１から放出された照明光は、集光レンズ１２および照度均一化ユニット１３を介して、開口絞り１４および視野絞り１５を通過し、コリメータレンズ１６で平行光にされた後に偏光子１７を通過してハーフミラー７で反射した後、対物レンズ６を通って基準ウェハに照射される。そして、基準ウェハで発生した回折光は、対物レンズ６およびハーフミラー７を通過して検出光学系２０に入射し、検出光学系２０に入射した光は、レンズ２２、ハーフプリズム２３、ベルトランレンズ２４、および視野絞り２５を通過し、第１撮像素子３１の撮像面に対物レンズ６の瞳面の像が投影される。

そこで、第１撮像素子３１により対物レンズ６の瞳面の像を撮像し、画像データを演算装置４０へ出力する（ステップＳ１０３）。これにより、瞳面上の複数の次数の回折光をそれぞれ検出することができる。

次に、基準ウェハ（図示せず）の全てのショットについて、対物レンズ６の瞳面の像を撮像したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。判定がＮｏの場合、ステップ１０５へ進み、未だ撮像の済んでいないパターン（１ショット分）をウェハステージ５により対物レンズ６の下方に移動させ、ステップＳ１０２の照明およびステップＳ１０３の撮像を行ってから、ステップＳ１０４へ戻る。

一方、判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１０６へ進み、全ての基準ウェハについて対物レンズ６の瞳面の像を撮像したか否かを判定する。通常、ウェハの表面は位置によって膜厚が異なるため、１枚の基準ウェハで膜厚とホール径の組合せに対する輝度情報を取得することができるが、意図的に膜厚を変化させた複数の基準ウェハを測定することにより、広い範囲での膜厚変動に対する輝度情報を取得することが可能になる。そこで、判定がＮｏの場合、ステップＳ１０１へ戻り、未だ撮像の済んでいない別の基準ウェハに対してステップＳ１０１〜ステップＳ１０５までの処理を行う。

一方、判定がＹｅｓの場合、ステップＳ１０７へ進み、演算装置４０が前述のようにして近似曲面の式を求めメモリに記憶する。なおこのとき、ショット毎に撮像された対物レンズ６の瞳面の画像はそれぞれ、演算装置４０により、Ｒ、Ｇ、Ｂの三色の画像に分解され、Ｒの画像における７次回折光の階調値（輝度）およびＧの画像における８次回折光の階調値（輝度）が測定される。そして、ショット毎に測定したＲの階調値およびＧの階調値と、ＳＥＭにより測定されたショット毎のホール径のデータから、（１４）〜（２３）式を用いて（１）式の係数ν_１〜ν₉を算出する。

近似曲面の式を求めると、基準ウェハ（図示せず）を回収するとともに、検査対象となるウェハＷを搬送してウェハステージ５上に載置し、ウェハＷ上の検査するパターン（１ショット内の直径約１７０μｍのエリア）をウェハステージ５により対物レンズ６の下方に移動させる（ステップＳ１０８）。

検査対象となるウェハＷをウェハステージ５上に載置すると、照明光学系１０の光源１１を点灯させてウェハＷの照明を開始する（ステップＳ１０９）。このとき、光源１１から放出された照明光は、集光レンズ１２および照度均一化ユニット１３を介して、開口絞り１４および視野絞り１５を通過し、コリメータレンズ１６で平行光にされた後に偏光子１７を通過してハーフミラー７で反射した後、対物レンズ６を通ってウェハＷに照射される。そして、ウェハＷで発生した回折光は、対物レンズ６およびハーフミラー７を通過して検出光学系２０に入射し、検出光学系２０に入射した光は、レンズ２２、ハーフプリズム２３、ベルトランレンズ２４、および視野絞り２５を通過し、第１撮像素子３１の撮像面に対物レンズ６の瞳面の像すなわち輝度情報が投影される。

そこで、第１撮像素子３１により対物レンズ６の瞳面の輝度情報を記録し、画像データを演算装置４０へ出力する（ステップＳ１１０）。これにより、瞳面上の複数の次数の回折光をそれぞれ検出することができる。

そして、演算装置４０は、ステップＳ１０７で求めた近似曲面の式を用いて、対物レンズ６の瞳面の輝度情報に基づいて測定したＲの階調値およびＧの階調値からホール径を求め、パターンの異常の有無を検査する（ステップＳ１１１）。なおこのとき、対物レンズ６の瞳面の輝度情報は、演算装置４０により、Ｒ、Ｇ、Ｂの三色の画像に分解されて、Ｒの画像における７次回折光の階調値（輝度）およびＧの画像における８次回折光の階調値（輝度）が測定され、このＲの階調値およびＧの階調値からホール径が求められる。このようにして求められたホールパターンのホール径は、対物レンズ６の瞳面の輝度情報とともに図示しないモニタに表示され、求めたホール径が所定の正常範囲から外れる場合には、その旨が報知される。なお、図１３に示すように、近似曲面の式によるホール径の換算値と、ホール径の測定値との間には、高い相関があることがわかる。

このように、第１実施形態の検査方法によれば、ステップＳ１０７で求めた近似曲面の式を用いて、Ｒの階調値およびＧの階調値からホール径を求めるため、パターンの下側に形成された膜の厚さの影響を排除して、パターンの形状を高精度で測定することができる。特に、回折光を用いたホールパターンの検査において効果的である。

また、ＲおよびＧは、パターンの下側に形成された膜の膜厚変化に対して、階調値（輝度）の増減が逆の特性となる組み合わせであり、このような二色を用いることで、近似曲面の式を確実に求めることができる。

次に、検査装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態の検査装置１０１は、図１４に示すように、ウェハステージ１０５と、対物レンズ１０６と、ハーフミラー１０７と、照明光学系１１０と、検出光学系１２０と、第１および第２撮像素子１３１，１３２と、演算装置１４０とを主体に構成される。ウェハステージ１０５は、第１実施形態のウェハステージ５と同様の構成であり、詳細な説明を省略する。

照明光学系１１０は、図１４の左側から右側へ向けて配置順に、光源１１１と、集光レンズ１１２と、照度均一化ユニット１１３と、開口絞り１１４と、視野絞り１１５と、コリメータレンズ１１６と、着脱可能な偏光子（偏光フィルタ）１１７とを有し、第１実施形態の照明光学系１０と同様の構成となっている。

照明光学系１１０の光源１１１から放出された光は、集光レンズ１１２および照度均一化ユニット１１３を介して、開口絞り１１４および視野絞り１１５に導かれる。そして、開口絞り１１４および視野絞り１１５を通過した光は、コリメータレンズ１１６によって平行光にされた後に偏光子１１７を通過してハーフミラー７に入射する。このとき、開口絞り１１４によって、照明光の入射角度の範囲が広くなるように調整され、第１実施形態のように照明光の入射角度は制限されない。またこのとき、偏光子１１７を透過した光は直線偏光となってハーフミラー１０７に入射する。

ハーフミラー１０７は、照明光学系１１０からの照明光（直線偏光）を下方に反射して対物レンズ１０６に導く。これにより、対物レンズ１０６を通過した照明光学系１１０からの照明光でウェハＷが落射照明される。一方、ウェハＷに落射照明された光は、ウェハＷで反射して再び対物レンズ１０６に戻り、ハーフミラー１０７を透過して検出光学系１２０に入射することができる。

検出光学系１２０は、図１４の下側から上側に向けて配置順に、着脱可能な検光子１２１（偏光フィルタ）と、レンズ１２２と、ハーフプリズム１２３と、ベルトランレンズ１２４と、視野絞り１２５とを有して構成される。検光子１２１は、照明光学系１１０の偏光子１１７に対してクロスニコルの状態（偏光方向が直交する状態）となるように配置されている。照明光学系１１０の偏光子１１７と検出光学系１２０の検光子１２１とはクロスニコルの条件を満たすので、ウェハＷのパターンで偏光主軸が回転しない限り、検出光学系１２０で受光される光量は零に近くなる。

ハーフプリズム１２３は入射光束を二方向に分岐させる。ハーフプリズム１２３を通過する一方の光束は、ベルトランレンズ１２４を介して視野絞り１２５にウェハＷの表面の像を結像させるとともに、対物レンズ１０６の瞳面の像を第１撮像素子１３１に投影させるので、第１撮像素子１３１の撮像面に対物レンズ１０６の瞳面上の輝度分布が再現されて、第１撮像素子１３１によりフーリエ変換されたウェハＷの画像（フーリエ画像）を撮像することが可能である。また、ハーフプリズム２３を通過する他方の光束は、フーリエ変換されていない通常のウェハＷの画像を撮像するための第２撮像素子１３２に導かれる。なお、ベルトランレンズ１２４および視野絞り１２５は、第１実施形態のベルトランレンズ２４および視野絞り２５と同様の構成であるので、詳細な説明を省略する。

第１撮像素子１３１は、第１実施形態の第１撮像素子３１と同様の構成であり、前述のフーリエ画像を撮像（検出）し、画像信号を演算装置１４０に出力する。また、演算装置１４０も、第１実施形態の演算装置４０と同様の構成であり、詳細な説明を省略する。

第２実施形態の検査装置１０１を用いたウェハＷの検査方法について、図１５および図１６に示すフローチャートを参照しながら説明する。ところで、第１実施形態では、Ｒの階調値およびＧの階調値を測定する回折光の次数は、経験的に求められる。これに対し、第２実施形態では、Ｒの階調値およびＧの階調値を測定するために、第１撮像素子１３１で撮像されるフーリエ画像の中で、パターンの変化に対して感度の高い注目領域を決定することができる。

そこでまず、図１５に示すフローチャートを用いて、上述の注目領域を決定する方法について説明する。注目領域の決定方法は、まず、第１実施形態で用いた基準ウェハ（図示せず）における全てのショットについて、それぞれのフーリエ画像を第１撮像素子１３１等により撮像する（ステップＳ２０１）。これにより、演算装置１４０には、同一形状のパターンについて露光条件が異なる複数のフーリエ画像のカラーデータが記録されることになる。以下、説明容易化のため、各々のフーリエ画像を区別するときには符号ＦＩを付して表記する。

次に、演算装置１４０は、各々のフーリエ画像について、画像上の各位置ごとのＲ、Ｇ、Ｂの輝度データをそれぞれ生成する（ステップＳ２０２）。ここで、１フレーム目のフーリエ画像ＦＩ₁を例として、上記の輝度データの求め方を具体的に説明する。まず、フーリエ画像ＦＩ₁を正方格子状の複数の分割領域Ｐに分割する。図１７に、フーリエ画像を領域分割した状態の一例を示す。次に、フーリエ画像ＦＩ₁の分割領域Ｐごとに、Ｒ、Ｇ、Ｂの輝度値の平均をそれぞれの色別に求める。これにより、フーリエ画像ＦＩ₁の分割領域Ｐごとに、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとの階調を示す輝度データがそれぞれ生成される。そして、この工程を各々のフーリエ画像について行う。これにより、１フレーム目からｎフレーム目までのフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nについて、各フーリエ画像の分割領域Ｐごとに、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとの階調を示す輝度データがそれぞれ生成されることになる。

次に、演算装置１４０は、同じ分割領域におけるフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_n間での階調差を示す階調差データを、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに生成する（ステップＳ２０３）。具体的には、フーリエ画像ＦＩ上の任意の分割領域をＰ_ｍとすると、まず、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nについて、分割領域Ｐ_ｍでの各色成分の輝度データ（ステップＳ２０２で求めたもの）をそれぞれ抽出する（図１８参照）。次に、各色成分ごとに分割領域Ｐ_ｍでの階調値をそれぞれ比較し、分割領域Ｐ_ｍに対応する輝度データの階調値のうちで、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとの最大値と最小値とを抽出するとともに、抽出した最大値と最小値との差分値を算出する。そして、これらの工程を全ての分割領域について行う。これにより、フーリエ画像の全ての分割領域について、分割領域Ｐ_ｍにおけるフーリエ画像間での階調差を示す階調差データ（階調の最大値と最小値との差分値）が、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに生成されることになる。

そして、演算装置１４０は、ステップＳ２０３で求めた階調差データ（階調の最大値と最小値との差分値）に基づいて、フーリエ画像の分割領域うち、階調の最大値と最小値との差分値が最大となる色または分割領域を求め、当該分割領域を感度の高い注目領域と決定し、そこを検出条件に決める（ステップＳ２０４）。図１９〜図２１は、フーリエ画像の各分割領域における階調差の分布状態を色成分ごとに示した図である。図１９〜図２１の例において、Ｂの階調差の左上の領域が最大感度の領域となる。このようにすれば、ホール径やプロファイルの変化を感度よく検出するために、Ｒ、Ｇ、Ｂのどの色を使い、フーリエ画像の中でどの分割領域を使用すればよいか決定することができる。

本実施形態においては、例えば、パターンの下側に形成される膜の膜厚が３００ｎｍ付近の場合、ステップＳ２０４において、第１実施形態で述べたように、ＲおよびＧについて、階調の最大値と最小値との差分値が最大となる分割領域を求め、当該分割領域を感度の高い注目領域と決定し、そこを検出条件に決める。

続いて、図１６に示すフローチャートを用いて、パターンの形状を検査する方法について説明する。まず、演算装置１４０は、先のステップＳ２０１〜Ｓ２０４で求めたＲおよびＧについての注目領域のみを読み出すように第１撮像素子１３１の読み出しエリア（画素）を設定する（ステップＳ３０１）。

次に、先のステップＳ２０１〜Ｓ２０４において、各々のフーリエ画像について、画像上の各位置ごとのＲ、Ｇ、Ｂの階調値を求めているので、これらの階調値データから、演算装置１４０が第１実施形態の場合と同様にして近似曲面の式を求める（ステップＳ３０２）。なおこのとき、ショット毎に測定したフーリエ画像の最大感度の領域におけるＲの階調値およびＧの階調値と、ＳＥＭにより測定されたショット毎のホール径のデータから、（１４）〜（２３）式を用いて（１）式の係数ν_１〜ν₉を算出する。また、第１実施形態の場合と同様に、意図的に膜厚を変化させた複数の基準ウェハにより輝度情報等を取得することで、広い範囲での膜厚変動に対する近似曲面を計算することができる。

近似曲面の式を求めると、基準ウェハ（図示せず）を回収するとともに、検査対象となるウェハＷを搬送してウェハステージ１０５上に載置し、ウェハＷ上の検査するパターン（１ショット分）をウェハステージ１０５により対物レンズ６の下方に移動させる（ステップＳ３０３）。

検査対象となるウェハＷをウェハステージ１０５上に載置すると、照明光学系１１０の光源１１１を点灯させてウェハＷの照明を開始する（ステップＳ３０４）。このとき、光源１１１から放出された照明光は、集光レンズ１１２および照度均一化ユニット１１３を介して、開口絞り１１４および視野絞り１１５を通過し、コリメータレンズ１１６で平行光にされた後に偏光子１１７を通過してハーフミラー１０７で反射した後、対物レンズ１０６を通ってウェハＷに照射される。そして、ウェハＷからの反射光は、対物レンズ１０６およびハーフミラー１０７を通過して検出光学系１２０に入射し、検出光学系１２０に入射した光は、検光子１２１、レンズ１２２、ハーフプリズム１２３、ベルトランレンズ１２４、および視野絞り１２５を通過し、第１撮像素子１３１の撮像面にフーリエ像（対物レンズ１０６の瞳面の像）が投影される。

そこで、第１撮像素子１３１によりフーリエ像を撮像し、画像データを演算装置１４０へ出力する（ステップＳ３０５）。このとき、第１撮像素子１３１は、ステップＳ３０１で設定した読み出しエリアにおける画像データ（すなわち、フーリエ画像におけるＲおよびＧについての注目領域の画像データ）のみを演算装置１４０へ出力する。

そして、演算装置１４０は、ステップＳ３０２で求めた近似曲面の式を用いて、フーリエ画像の（最大感度の）注目領域におけるＲの階調値およびＧの階調値からホール径を求め、パターンの異常の有無を検査する（ステップＳ３０６）。このようにして求められたホールパターンのホール径は、図示しないモニタに表示され、求めたホール径が所定の正常範囲から外れる場合には、その旨が報知される。

このように、第２実施形態の検査方法によれば、回折光に限らず、偏光（構造性複屈折）を用いた検査においても、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

なお、上述の各実施形態において、ウェハＷの検査を例に説明を行ったが、基板はウェハＷに限られず、例えば液晶ガラス基板であっても構わない。

また、上述の各実施形態において、Ｒの階調値およびＧの階調値からホール径を求めているが、これに限られるものではなく、例えば図９に示すように、パターンの下側に形成された膜の膜厚が２６０ｎｍ付近の場合には、階調値の増減の特性が逆のＧの階調値およびＢの階調値からホール径を求めた方が好ましく、三原色のうち二色の色成分を用いるようにすればよい。また、ベイヤー配列の原色フィルタ以外に三色の割合が等しいフィルタを用いてもよく、三色以上のフィルタを用いることができる。

また、上述の各実施形態において、近似曲面の式からホールパターンにおけるホール径を求めているが、これに限られるものではなく、ラインパターンにおける線幅を求めることも可能である。

また、上述の第２実施形態において、階調差データ（階調の最大値と最小値との差分値）に基づいて、パターンの変化に対して感度の高い注目領域を決定しているが、これに限られるものではない。そこで、図２２に示すフローチャートを用いて、注目領域の決定方法の変形例について説明する。この方法は、上述の実施形態の場合と同様に、前述の基準ウェハ（図示せず）を用いて、各ショット毎のフーリエ画像とホール径のデータとに基づいて注目領域を決定するものである。

まず、第２実施形態の場合と同様にして、基準ウェハ（図示せず）における全てのショットについて、それぞれのフーリエ画像を第１撮像素子１３１等により撮像する（ステップＳ２５１）。

次に、第２実施形態の場合と同様にして、各々のフーリエ画像について、画像上の各位置ごとのＲ、Ｇ、Ｂの輝度データをそれぞれ生成する（ステップＳ２５２）。

次に、各フーリエ画像の同じ分割領域における階調値とパターンの線幅との変化率を示す近似式を、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに求める（ステップＳ２５３）。具体的には、フーリエ画像ＦＩ上の任意の分割領域をＰ_ｍとすると、まず、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nに対応するパターンのホール径のデータをメモリ（図示せず）から読み出す。またこのとき、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nについて、分割領域Ｐ_ｍでの各色成分の輝度データ（ステップＳ２５２で求めたもの）をそれぞれ抽出する。次に、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nごとに、パターンのホール径と分割領域Ｐ_ｍでの輝度データの階調値との対応関係を求める。

続いて、パターンのホール径と分割領域Ｐ_ｍでの階調値との対応関係に基づいて、最小二乗法により分割領域Ｐ_ｍでの階調値とパターンのホール径との変化率を示す近似式を求める。ここで、各々のフーリエ画像に対応するパターンのホール径をｙとし、分割領域Ｐ_ｍでの（ＲもしくはＧの）階調値をｘとし、傾きをａとし、ｙ切片をｂとすると、近似式は次の（２４）式で表わされる。

ｙ＝ａｘ+ｂ …（２４）

なお、係数ａの絶対値は、ホール径の変化に対する階調変化の逆数（すなわち、パターンの変化に対する検出感度の逆数）に相当する。すなわち、上記の係数ａの絶対値が小さくなると、線幅の差が同じでもフーリエ画像の階調変化が大きくなるので、パターンの変化に対する検出感度がより高くなる。そして、これらの工程を全ての分割領域について、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに行う。

次に、フーリエ画像上の各分割領域において、ステップＳ２５３で得た近似式とパターンのホール径との相関誤差を各色成分ごとに求める（ステップＳ２５４）。具体的には、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nに対応するパターンのホール径と、近似式を用いて算出されるホール径との偏差のデータを、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに算出し、算出した偏差のデータから各分割領域の色成分ごとに標準偏差を算出し、その値を相関誤差とする。

そして、ステップＳ２５３で求めた係数ａと、ステップＳ２５４で求めた相関誤差とに基づいて、フーリエ画像の分割領域うち、係数ａの絶対値が小さく、かつ相関誤差が十分に小さい分割領域を求め、当該分割領域を感度の高い注目領域と決定し、そこを検出条件に決める（ステップＳ２５５）。具体的には、例えば、係数ａの絶対値の小ささと、相関誤差の小ささとに応じて各々の分割領域のスコアリングを行い、このスコアリングの結果に基づいて感度の高い分割領域を決定する。このようにしても、パターンのホール径やプロファイルの変化を感度よく検出するために、Ｒ、Ｇ、Ｂのどの色を使い、フーリエ画像の中でどの分割領域を使用すればよいか決定することができる。なお、パターンのホール径に限らず、パターンの線幅を求める際にも、上述の変形例を適用可能である。

第１実施形態の検査方法を示すフローチャートである。 第１実施形態の検査装置の概要図である。 Ｒに分解された画像の一例を示す図である。 Ｇに分解された画像の一例を示す図である。 Ｂに分解された画像の一例を示す図である。 Ｒにおけるホール径の測定値と回折光の階調値の関係を示すグラフである。 Ｇにおけるホール径の測定値と回折光の階調値の関係を示すグラフである。 Ｂにおけるホール径の測定値と回折光の階調値の関係を示すグラフである。 膜厚変化に対する階調値の変化を表したグラフである。 Ｒの階調値とＧの階調値の関係を示すグラフである。 図１０のＲ‐Ｇ平面にホール径の測定値を縦軸に追加したグラフである。 図１１のデータから得られた近似曲面のグラフである。 近似曲面の式によるホール径の換算値とホール径の測定値の関係を示すグラフである。 第２実施形態の検査装置の概要図である。 パターンの変化に対して感度の高い注目領域の決定方法を示すフローチャートである。 第２実施形態の検査方法を示すフローチャートである。 フーリエ画像を領域分割した状態の一例を示す図である。 輝度データの抽出状態を示す模式図である。 フーリエ画像におけるＲの階調差の分布状態を示す図である。 フーリエ画像におけるＧの階調差の分布状態を示す図である。 フーリエ画像におけるＢの階調差の分布状態を示す図である。 注目領域の決定方法の変形例を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｗ ウェハ（基板）
１ 検査装置（第１実施形態） ５ ウェハステージ
１０ 照明光学系 ２０ 検出光学系（光学系）
３１ 第１撮像素子 ４０ 演算装置
１０１ 検査装置（第２実施形態） １０５ ウェハステージ
１１０ 照明光学系 １２０ 検出光学系（光学系）
１３１ 第１撮像素子 １４０ 演算装置

Claims (7)

1. 形状に関する情報が既知の基準パターンを有する基準基板の表面に、三原色の波長を含む照明光を照射する第１のステップと、
   前記照明光が照射された前記基準パターンからの光を受光する第２のステップと、
   前記第２のステップで受光した光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面における光を検出する第３のステップと、
   前記第３のステップで検出した光における前記三原色のうち二色に関する光情報および、前記基準パターンの形状に関する情報から、前記二色に関する光情報と前記基準パターンの形状に関する情報との相関を求める第４のステップと、
   検査の対象となる検査対象パターンを有する検査対象基板の表面に前記照明光を照射する第５のステップと、
   前記照明光が照射された前記検査対象パターンからの光を受光する第６のステップと、
   前記第６のステップで受光した前記光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面における光を検出する第７のステップと、
   前記第７のステップで検出した光における前記二色に関する光情報から、前記第４のステップで求めた前記相関を用いて前記検査対象パターンの形状に関する情報を求めて前記検査を行う第８のステップとを有することを特徴とする検査方法。
2. 前記光情報は、前記二色の色成分における輝度に相当する光情報であり、
   前記二色は、前記パターンの下側に形成された膜の膜厚変化に対する前記光情報の変化特性が互いに逆の特性となる二色の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の検査方法。
3. 前記第２のステップでは、前記基準パターンに前記照明光を照射して得られる回折光を受光し、
   前記第６のステップでは、前記検査対象パターンに前記照明光を照射して得られる回折光を受光することを特徴とする請求項１または２に記載の検査方法。
4. 前記基準パターンおよび前記検査対象パターンがホールパターンであり、前記基準パターンおよび前記検査対象パターンの形状に関する情報が前記ホールパターンにおけるホールの径であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検査方法。
5. パターンを有する基板に三原色の波長を含む照明光を照射する照明部と、
   前記照明光が照射された前記基板の像を所定の位置に結像させる結像光学系と、
   前記結像光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面における光を検出する検出部と、
   前記三原色のうちの少なくとも二色に関する情報と前記パターンの形状との相関関係を記憶する記憶部と備え、
   前記検出部で検出された検査対象の基板からの光の情報および、前記記憶部に記憶された前記相関関係から、前記検査対象の基板のパターンの形状を検査することを特徴とする検査装置。
6. 前記記憶部には、前記相関関係として前記少なくとも二色の輝度情報と前記パターンの大きさとの相関関係が記憶されていることを特徴とする請求項５に記載の検査装置。
7. 前記照明部は、前記基板に前記照明光を照射する方向を規定する絞りを有することを特徴とする請求項５または６に記載の検査装置。