JP2011099822A - Surface inspection method and surface inspection device - Google Patents

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Fumitomo Hayano
史倫 早野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface inspection method capable of detecting a focus abnormality distinctively from a dose amount abnormality. <P>SOLUTION: This method includes: an irradiation step (S104) for irradiating a wafer surface having a prescribed repeated pattern with linearly polarized light; a light receiving step (S105) for receiving reflected light from the wafer surface irradiated with the linearly polarized light; a detection step (S106) for detecting a polarization component vertical to a polarization direction of the linearly polarized light in the reflected light, on a conjugate surface to a pupil surface of an objective lens; and an operation step (S107) for determining a line width of the repeated pattern and a focus state during an exposure time from a gradation value of the detected polarization component. In the operation step, the line width is determined from a gradation value on a position in a pupil having high correlation with the line width on the pupil surface, and the focus state is determined from a gradation value on a position in the pupil having high correlation with the focus state. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体製造工程においてウェハの繰り返しパターンにおける線幅の変動や断面形状の変動を検出可能な表面検査方法および装置に関する。   The present invention relates to a surface inspection method and apparatus capable of detecting line width variation and cross-sectional shape variation in a repetitive pattern of a wafer in a semiconductor manufacturing process.

近年の半導体装置は、処理の高速化や低消費電力化、記憶容量増加を図るために、パターンが微細化する傾向にある。また同時に、半導体装置の製造工程で発生する欠陥の検出性能や、線幅(以下、CD(クリティカル・ディメンジョンの略)と称する)の管理要求も厳しくなってきている。露光工程で発生したウェハの欠陥やCD値変動が許容値を超えるものであった場合、該当するウェハまたはロットをリワーク工程に回し、且つ、問題の発生箇所を修正することで、良品の半導体ウェハを生産できるようにする。   In recent years, semiconductor devices tend to have finer patterns in order to increase processing speed, reduce power consumption, and increase storage capacity. At the same time, the detection performance of defects generated in the manufacturing process of semiconductor devices and the management requirement of line width (hereinafter referred to as CD (abbreviation of critical dimension)) are becoming stricter. If the wafer defect or CD value fluctuation that occurred in the exposure process exceeds the allowable value, the relevant wafer or lot is sent to the rework process, and the location where the problem occurs is corrected, and a good semiconductor wafer is obtained. To be able to produce.

露光工程で発生する問題は大別すると、露光時のフォーカスに起因するものと、照明光量(とくにウェハ上の照射光量をドーズ量と言う)に起因するものがある。露光装置のフォーカス精度に問題があったときは、ウェハ表面に形成されるフォトレジストパターンの断面形状が変化する。例えば、ベストフォーカス時には矩形断面であったものが、デフォーカス時には断面の裾が広がる。すなわち、パターン断面の側壁角度(サイドウォール・アングルと言う)が大きくなる。その結果、エッチング後のCD値に影響して、線状パターン(ライン・アンド・スペース・パターン)の場合にはエッチング後に隣接したパターンと接合(ブリッジと称し、電気回路的なショートとなる)し、コンタクト・ホールの場合にはエッチング後に穴が下層まで達しない等といった、重大な不具合が発生する。   Problems that occur in the exposure process can be broadly classified into those caused by the focus during exposure and those caused by the illumination light quantity (in particular, the irradiation light quantity on the wafer is called the dose amount). When there is a problem with the focus accuracy of the exposure apparatus, the cross-sectional shape of the photoresist pattern formed on the wafer surface changes. For example, a rectangular cross section at the time of best focus expands the skirt of the cross section at the time of defocus. That is, the side wall angle of the pattern cross section (referred to as side wall angle) increases. As a result, it affects the CD value after etching, and in the case of a linear pattern (line and space pattern), it joins with an adjacent pattern after etching (referred to as a bridge, resulting in an electrical circuit short). In the case of a contact hole, a serious problem occurs such that the hole does not reach the lower layer after etching.

一方、ドーズ量の変動を引き起こす原因としては、スキャン方式の露光装置におけるスキャン速度のブレがある。ウェハとレチクルの双方の移動速度の同期ずれ等により、スキャン速度が相対的に速い場合にドーズ量は小さくなり、スキャン速度が相対的に遅い場合にドーズ量は大きくなる。その結果、ドーズ量が小さければフォトレジストパターンは太くなり、ドーズ量が大きければフォトレジストパターンは細くなり、フォトレジストパターンのCD値に直接影響を与える。また、スキャン方式の露光装置に限らず、露光装置の投影レンズの曇り等によりドーズ量の変動が発生すれば、同様のCD値変動が発生することは言うまでもない。これらの結果、エッチング後、CD値が規格外になったり、断線の原因となったりする。これらの問題を早期に発見し、問題解消できなければ、多数のロットが不良となり、大きな損失を被ることになる。   On the other hand, the cause of fluctuations in dose is scan speed fluctuation in a scanning exposure apparatus. Due to the synchronization deviation of the movement speeds of both the wafer and the reticle, the dose amount decreases when the scan speed is relatively high, and the dose amount increases when the scan speed is relatively slow. As a result, if the dose amount is small, the photoresist pattern becomes thick, and if the dose amount is large, the photoresist pattern becomes thin, which directly affects the CD value of the photoresist pattern. Needless to say, the same CD value fluctuation occurs when the dose amount fluctuates due to fogging of the projection lens of the exposure apparatus, not limited to the scanning type exposure apparatus. As a result, after etching, the CD value becomes out of specification or causes disconnection. If these problems are discovered at an early stage and the problems cannot be resolved, many lots will become defective and suffer a large loss.

したがって、CD値管理は重要であり、特に、露光工程後のフォトレジストパターンのCD値管理は、CD値が規格外であった場合にリワーク工程に回して、レジスト除去後、再度レジスト塗布と露光を行うので、非常に重要である。   Therefore, CD value management is important. In particular, the CD value management of the photoresist pattern after the exposure process is transferred to the rework process when the CD value is out of the standard, and after resist removal, resist coating and exposure are performed again. Is so important.

CD値管理には、CD−SEM(走査型電子顕微鏡)が広く使われ、CD値を定量的に計測し出力することができる。しかし、CD−SEMは、ウェハに電子線を照射するため、電子線によりフォトレジストが縮小化(シュリンク)する等のダメージを受ける。測定精度を上げようと電子線の加速電圧を上げるほど、そのダメージを大きくなる。また、計測時間は1視野あたり数秒を要するため、1ロット内で数枚の抜き取り測定となる。しかも、抜き取ったウェハの全面ではなく、抜き取った各ウェハの数ショット分について、露光ショット内の数点を計測しているにすぎない。   For CD value management, a CD-SEM (scanning electron microscope) is widely used, and the CD value can be measured and output quantitatively. However, since the CD-SEM irradiates the wafer with an electron beam, the electron beam causes damage such as shrinking (shrinking) of the photoresist. The damage increases as the acceleration voltage of the electron beam increases to increase the measurement accuracy. In addition, since the measurement time requires several seconds per field of view, several sheets are sampled in one lot. Moreover, only a few points in the exposure shot are measured not for the entire surface of the extracted wafer but for several shots of each extracted wafer.

また、欠陥検査装置として、半導体ウェハに照明光を照射してウェハ上の繰り返しパターンからの回折光を受光する装置がある。この装置では、ウェハに照明光を照射してウェハ上の繰り返しパターンからの回折光を受光し、欠陥からの回折光はCD値が異なるため回折光量が変化することを利用して、欠陥検出を行う。マクロ検査装置と呼ばれるこのような欠陥検査装置は、ウェハ全面一括撮像による高いスループットを有するので、生産ラインで大いに活躍している。ただし、繰り返しパターンからの回折光は、繰り返し周期が小さくなるほど回折角が大きくなるので、照明波長や光学系配置等といった装置構成上の制限を受け、140nm程度の繰り返しピッチより小さい繰り返しパターンからの回折光を受光するのは事実上不可能である。   As a defect inspection apparatus, there is an apparatus that irradiates a semiconductor wafer with illumination light and receives diffracted light from a repetitive pattern on the wafer. In this apparatus, the illumination light is irradiated to the wafer to receive the diffracted light from the repeated pattern on the wafer, and the diffracted light from the defect has a different CD value, so that the amount of diffracted light is changed, thereby detecting the defect. Do. Such a defect inspection apparatus called a macro inspection apparatus has a high throughput due to batch imaging of the entire surface of the wafer, and is therefore very active in the production line. However, since the diffraction angle of the diffracted light from the repetitive pattern becomes larger as the repetition period becomes smaller, the diffraction angle from the repetitive pattern smaller than the repetitive pitch of about 140 nm is limited by the device configuration such as the illumination wavelength and the optical system arrangement. It is virtually impossible to receive light.

そのため、新たな手法として、繰り返しパターンの構造性複屈折効果を利用した欠陥検査装置が実用化されている(例えば、特許文献1を参照)。これらのマクロ検査装置では、装置の性質上、微小領域の高分解の検査やCD値変動量の定量的出力には限界がある。例えば、回折光を受光する場合、回折光強度の大小はパターンのCD値と一義的関係にないため、回折光強度からCD値を換算するには無理がある。また、構造性複屈折効果を利用する場合、パターンの形状・線幅等の状態によっては、欠陥検出感度が劣る場合がある等の制約がある。   Therefore, as a new method, a defect inspection apparatus using a structural birefringence effect of a repeated pattern has been put into practical use (see, for example, Patent Document 1). In these macro inspection apparatuses, due to the nature of the apparatus, there is a limit to high resolution inspection of a minute region and quantitative output of CD value fluctuation amount. For example, when receiving diffracted light, the magnitude of the diffracted light intensity is not uniquely related to the CD value of the pattern, so it is impossible to convert the CD value from the diffracted light intensity. Further, when the structural birefringence effect is used, there is a restriction that the defect detection sensitivity may be inferior depending on the state of the pattern, the line width, and the like.

CD−SEMにしろ、自動マクロ検査装置にしろ、最大の問題は、異常を検出したときの原因遡及力である。CD−SEMにおいてCD値が規格外の数値として計測されたときは、そのロットをホールドし、露光した露光装置がどれであったかを特定し、露光装置の何が問題であったのか、フォーカス異常かドーズ量異常かを切り分ける必要がある。しかし、計測されたCD値だけで判断することは極めて難しい。CD−SEMは、パターン上方から電子線を照射して計測しているので、デフォーカス時にはCD値は殆ど変化しないからである。なお、CD−SEMの計測時に得たCD−SEM画像を目視して、パターンの形状から間接的に判断するのは可能である。デフォーカス異常の場合、コンタクト・ホールではフォトレジストの最上面と底面が二重の円形として見えたり、円がひしゃげていたりといった形になる。線状パターン(ライン・アンド・スペース・パターン)では上面からは直線性が乱れて見えるので、この乱れ具合から判断する。   Whether it is a CD-SEM or an automatic macro inspection device, the biggest problem is the causal retrospective power when an abnormality is detected. When the CD value is measured as a nonstandard value in the CD-SEM, the lot is held, the exposure apparatus that has been exposed is specified, what is the problem of the exposure apparatus, and whether the focus is abnormal. It is necessary to determine whether the dose is abnormal. However, it is extremely difficult to make a judgment based only on the measured CD value. This is because the CD-SEM is measured by irradiating an electron beam from above the pattern, so that the CD value hardly changes at the time of defocusing. Note that it is possible to visually determine the CD-SEM image obtained at the time of CD-SEM measurement and indirectly determine the pattern shape. In the case of defocusing abnormalities, the top and bottom surfaces of the photoresist appear as double circles in the contact holes, or the circles are crooked. In the linear pattern (line and space pattern), the linearity appears to be disturbed from the upper surface, and therefore this judgment is made on the basis of this disorder.

近年、直線性の乱れをLWR(Line Width Roughness:線幅の荒れ・乱れ)やLER(Line Edge Roughness:線の片側の荒れであり、通常パターンの右側と左側で分けて扱う)として定量化されるようになった。LWEやLERは、10nm程度の間隔をあけて多数点のCD値を計測し、その計測値の標準偏差として定義するが、CD計測と同時にLWRやLERを計測する場合には多大な時間が掛かり、前述したようにフォトレジストパターンへダメージを与える。   In recent years, linearity disturbances have been quantified as LWR (Line Width Roughness) or LER (Line Edge Roughness). It became so. LWE and LER measure many CD values at intervals of about 10 nm and define them as standard deviations of the measured values, but it takes a lot of time to measure LWR and LER simultaneously with CD measurement. As described above, the photoresist pattern is damaged.

そのため、CD−SEMでは、フォレジスト段階でのフォーカス異常の発見は諦め、CD計測とCD管理だけに徹する運用が行われる。フォーカス異常は、エッチング後に顕微鏡型ミクロ検査装置を使って、コンタクト・ホールの場合は穴が開いていなければエラーとし、線状パターンの場合はショートしていればエラーとして欠陥検出する。ただし、フォトレジストではないため、リワークすることはできない。しかし、フォトレジストにダメージを与えてまで異常検出するよりも、また、決して高くない信頼性でLWEやLERなどから間接的にフォーカス異常を発見するよりも、得策だからである。   For this reason, in CD-SEM, the focus abnormality is not found at the photoresist stage, and only the CD measurement and CD management are performed. For the focus abnormality, a defect is detected as an error if a hole is not opened in the case of a contact hole by using a microscope type micro inspection apparatus after etching, and as an error if it is short in the case of a linear pattern. However, since it is not a photoresist, it cannot be reworked. However, this is because it is better than detecting abnormalities until damage is caused to the photoresist, and rather than indirectly detecting abnormalities in focus from LWE, LER, etc. with high reliability.

特開2006−343102号公報JP 2006-343102 A

このように、露光後のフォトレジストの段階で、複合的に発生するフォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することが重要となってきている。   Thus, it has become important to distinguish and detect a focus abnormality and a dose abnormality that occur in a composite manner at the stage of the photoresist after exposure.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、フォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することが可能な表面検査方法および装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a surface inspection method and apparatus capable of distinguishing and detecting a focus abnormality and a dose amount abnormality.

このような目的達成のため、本発明に係る表面検査方法は、所定の繰り返しパターンを有する基板の表面に直線偏光を照射する照射ステップと、前記直線偏光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光光学系により受光する受光ステップと、前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光ステップで受光した前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出ステップと、前記検出ステップで検出した前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算ステップとを有し、前記演算ステップにおいて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第1特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第1特定位置とは異なる第2特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求める。   In order to achieve such an object, a surface inspection method according to the present invention includes an irradiation step of irradiating a surface of a substrate having a predetermined repetitive pattern with linearly polarized light, and reflection from the surface of the substrate irradiated with the linearly polarized light. Light receiving step for receiving light by a light receiving optical system, and polarization substantially perpendicular to the polarization direction of the linearly polarized light in the reflected light received by the light receiving step on the pupil plane of the light receiving optical system or a plane conjugate with the pupil plane A detection step for detecting a component, and a calculation step for obtaining at least one of a line width of the repetitive pattern and a focus state at the time of exposure of the repetitive pattern from information on the polarization component detected in the detection step. In the calculation step, the first specific position having a high correlation with the line width in the pupil plane or a plane conjugate with the pupil plane is used. The line width is obtained from the information of the light component, and the polarization component at the second specific position different from the first specific position having a high correlation with the focus state on the pupil plane or a plane conjugate with the pupil plane. The focus state is obtained from the information.

なお、上述の表面検査方法では、前記線幅が既知である第1の基準基板を用いて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面内に設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関をそれぞれ求める線幅相関算出ステップと、前記フォーカス状態が既知である第2の基準基板を用いて、前記設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記フォーカス状態との相関をそれぞれ求めるフォーカス相関算出ステップと、前記複数の瞳内位置のうち、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が高くて前記フォーカス状態との相関が低い瞳内位置を前記第1特定位置として特定するとともに、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が低くて前記フォーカス状態との相関が高い瞳内位置を前記第2特定位置として特定する特定ステップとを有し、前記演算ステップにおいて、前記特定ステップで特定した前記第1特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記特定ステップで特定した前記第2特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることが好ましい。   In the surface inspection method described above, the polarization component at a plurality of intra-pupil positions set in the pupil plane or a plane conjugate with the pupil plane using the first reference substrate having a known line width. The line width correlation calculating step for obtaining the correlation between the information on the line width and the line width respectively, and the information on the polarization component at the plurality of set positions in the pupil using the second reference substrate whose focus state is known And a focus correlation calculation step for obtaining a correlation between the focus state and the focus state, and among the plurality of pupil positions, the correlation between the polarization component information and the line width is high and the correlation with the focus state is low. A position is specified as the first specific position, and a position in the pupil having a low correlation between the polarization component information and the line width and a high correlation with the focus state is specified as the second specific position. And determining the line width from information of the polarization component at the first specific position specified in the specific step and calculating the second specific position specified in the specific step. It is preferable to obtain the focus state from the information of the polarization component at.

また、上述の表面検査方法では、前記線幅相関算出ステップおよび前記フォーカス相関算出ステップの少なくとも一方において、前記瞳面もしくは瞳面と共役な面内全体を複数の区画に分割して前記複数の瞳内位置を設定し、前記区画毎にそれぞれ前記相関を求めることが好ましい。   In the surface inspection method described above, in at least one of the line width correlation calculation step and the focus correlation calculation step, the pupil plane or the entire plane conjugate with the pupil plane is divided into a plurality of sections, and the plurality of pupils are divided. It is preferable to set an inner position and obtain the correlation for each section.

また、上述の表面検査方法では、前記特定ステップにおける前記第1特定位置および前記第2特定位置の少なくとも一方は、線形性を有する相関を示す瞳内位置であることが好ましい。   In the surface inspection method described above, it is preferable that at least one of the first specific position and the second specific position in the specifying step is an in-pupil position showing a correlation having linearity.

また、上述の表面検査方法では、前記特定ステップにおける前記第1特定位置は、前記直線偏光の照射方向が前記直線偏光の偏光方向に対して45度近傍に傾いた照射条件に対応する瞳内位置であることが好ましい。   In the surface inspection method described above, the first specific position in the specific step is a position in the pupil corresponding to an irradiation condition in which the irradiation direction of the linearly polarized light is inclined close to 45 degrees with respect to the polarization direction of the linearly polarized light. It is preferable that

また、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基板の表面に直線偏光を照射する照射部と、前記直線偏光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光する受光光学系と、前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光光学系に受光された前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出部と、前記検出部に検出された前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算部とを備え、前記演算部は、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第1特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第1特定位置とは異なる第2特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求める。   The surface inspection apparatus according to the present invention includes an irradiation unit that irradiates a surface of a substrate having a predetermined repetitive pattern with linearly polarized light, and a light receiving optical device that receives reflected light from the surface of the substrate irradiated with the linearly polarized light. And a detection unit for detecting a polarization component substantially perpendicular to the polarization direction of the linearly polarized light in the reflected light received by the light receiving optical system on a pupil plane of the light receiving optical system or a plane conjugate with the pupil plane. A calculation unit that obtains at least one of a line width of the repetitive pattern and a focus state at the time of exposure of the repetitive pattern from the information of the polarization component detected by the detection unit, The line width is obtained from the information of the polarization component at the first specific position where the correlation with the line width is high in the pupil plane or a plane conjugate with the pupil plane, and is shared with the pupil plane or the pupil plane. Determining the focus state from the information of the polarization component in the different second specific position to the high correlation of the first specific position of the focus state in a plane.

なお、上述の表面検査装置において、前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面に配設された撮像素子を備えることが好ましい。   In the above-described surface inspection apparatus, it is preferable that the imaging device is provided on a pupil plane of the light receiving optical system or a plane conjugate with the pupil plane.

本発明によれば、線幅を定量的に計測することができるとともに、フォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することができる。   According to the present invention, the line width can be measured quantitatively, and the focus abnormality and the dose amount abnormality can be distinguished and detected.

表面検査方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a surface inspection method. 表面検査装置の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of a surface inspection apparatus. (a)は繰り返しパターンの斜視図であり、(b)は繰り返しパターンの平面図である。(A) is a perspective view of a repeating pattern, (b) is a top view of a repeating pattern. 露光条件を変化させた線状パターンの断面図である。It is sectional drawing of the linear pattern which changed exposure conditions. (a)、(b)ともに偏光状態の一例を示す図である。(A), (b) is a figure which shows an example of a polarization state. 対物レンズの瞳像を示す図である。It is a figure which shows the pupil image of an objective lens. 図6中の点Aに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。It is a figure which shows the irradiation conditions which obtain the reflected light corresponding to the point A in FIG. 図6中の点Bに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。It is a figure which shows the irradiation conditions which obtain the reflected light corresponding to the point B in FIG. 図6中の点Cに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。It is a figure which shows the irradiation conditions which obtain the reflected light corresponding to the point C in FIG. 図6中の点Dに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。It is a figure which shows the irradiation conditions which obtain the reflected light corresponding to the point D in FIG. 図6中の点Eに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。It is a figure which shows the irradiation conditions which obtain the reflected light corresponding to the point E in FIG. 図6中の点Fに対応した反射光を得る照射条件を示す図である。It is a figure which shows the irradiation conditions which obtain the reflected light corresponding to the point F in FIG. 図9においてフォーカス異常が発生した場合を示す図である。It is a figure which shows the case where a focus abnormality generate | occur | produces in FIG. 図13においてパターンが荒れた場合を示す図である。It is a figure which shows the case where a pattern becomes rough in FIG. 撮像素子で検出した実際の瞳像を示す図である。It is a figure which shows the actual pupil image detected with the image pick-up element. 瞳像を領域分割した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which divided the pupil image into the area | region. 瞳CDマップを示す図である。It is a figure which shows a pupil CD map. CD基準ウェハを示す図である。It is a figure which shows CD reference | standard wafer. 表面検査装置で計測したCD基準ウェハの階調値の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the gradation value of CD reference | standard wafer measured with the surface inspection apparatus. 換算CD値とCD計測値との相関を示す図である。It is a figure which shows the correlation with conversion CD value and CD measurement value. 表面検査装置で計測したCD基準ウェハの階調値の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the gradation value of CD reference | standard wafer measured with the surface inspection apparatus. フォーカス基準ウェハを示す図である。It is a figure which shows a focus reference | standard wafer. 瞳フォーカスマップを示す図である。It is a figure which shows a pupil focus map. 瞳内位置における感応の有無をまとめた表である。It is the table | surface which put together the presence or absence of the sensitivity in the position in a pupil. 表面検査装置で計測したフォーカス基準ウェハの階調値の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the gradation value of the focus reference | standard wafer measured with the surface inspection apparatus. 表面検査装置で計測したフォーカス基準ウェハの階調値の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the gradation value of the focus reference | standard wafer measured with the surface inspection apparatus. サイド・ウォール・アングルの測定値と表面検査装置で計測した階調値との相関を示す図である。It is a figure which shows the correlation with the measured value of a side wall angle, and the gradation value measured with the surface inspection apparatus. 表面検査装置から得られた階調値のヒストグラムおよび電子顕微鏡から得られた荒れ程度のヒストグラムを示す図である。It is a figure which shows the histogram of the gradation value obtained from the surface inspection apparatus, and the histogram of the roughness degree obtained from the electron microscope. (a)は照明波長を変えた場合の瞳CDマップを示す図であり、(b)は照明波長を変えた場合の瞳フォーカスマップを示す図である。(A) is a figure which shows the pupil CD map at the time of changing illumination wavelength, (b) is a figure which shows the pupil focus map at the time of changing illumination wavelength. 照明波長を変えた場合の瞳内位置における感応の有無をまとめた表である。It is the table | surface which put together the presence or absence of the sensitivity in the position in a pupil at the time of changing illumination wavelength. (a)はパターン方位角を変えた場合の瞳CDマップを示す図であり、(b)はパターン方位角を変えた場合の瞳フォーカスマップを示す図であり、(c)は図17の瞳CDマップの一部を切り取った図であり、(d)は図23の瞳フォーカスマップの一部を切り取った図である。(A) is a diagram showing a pupil CD map when the pattern azimuth is changed, (b) is a diagram showing a pupil focus map when the pattern azimuth is changed, and (c) is a pupil shown in FIG. It is the figure which cut off a part of CD map, (d) is the figure which cut off a part of pupil focus map of FIG. 表面検査装置の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a surface inspection apparatus.

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を図2に示しており、この表面検査装置1は、ステージ6と、対物レンズ7と、プリズム8と、照明光学系10と、検出光学系15と、演算処理部20とを主体に構成される。半導体ウェハ5(以下適宜、単にウェハ5と称する)は、露光装置(図示せず)によるフォトレジストへの露光・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、パターン(繰り返しパターン)の形成面を上にした状態でステージ6に載置される。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. A surface inspection apparatus according to this embodiment is shown in FIG. 2, and the surface inspection apparatus 1 includes a stage 6, an objective lens 7, a prism 8, an illumination optical system 10, a detection optical system 15, and an arithmetic processing unit. 20 as a main component. A semiconductor wafer 5 (hereinafter simply referred to as a wafer 5 as appropriate) is carried from a wafer cassette or developing device (not shown) by a transport system (not shown) after exposure and development of the photoresist by an exposure device (not shown). The pattern (repetitive pattern) is placed on the stage 6 with the formation surface facing up.

ステージ6は、真空吸着等によりステージ6上に載置されたウェハ5を確実に保持する。また、ステージ6は、ウェハ5の表面に沿ってXY方向に移動可能に構成されるとともに、Z軸を中心軸として回転可能に構成されている。なお、図2の紙面と垂直な方向をX軸とし、図2における左右方向をY軸とし、図2における上下方向をZ軸とする。また、XY平面内でZ軸を中心とした回転角を方位角と称する。   The stage 6 securely holds the wafer 5 placed on the stage 6 by vacuum suction or the like. The stage 6 is configured to be movable in the XY directions along the surface of the wafer 5, and is configured to be rotatable about the Z axis. The direction perpendicular to the paper surface of FIG. 2 is the X axis, the horizontal direction in FIG. 2 is the Y axis, and the vertical direction in FIG. 2 is the Z axis. Further, a rotation angle around the Z axis in the XY plane is referred to as an azimuth angle.

照明光学系10は、図2の右側から左側へ向けて配置順に、光源11と、集光レンズ12と、波長選択フィルター13と、第1の偏光フィルター14とを有して構成される。光源11には、水銀ランプ等が用いられる。水銀ランプは、複数の波長(以下、λと略す場合がある)の光、例えば、e線(λ=546nm)、g線(λ=436nm)、h線(λ=405nm)、j線(λ=313nm)、さらにはλ=250nm付近の光などを発生させる。これら複数の波長の光のうち、特定の波長の光のみを選択するために、波長選択フィルター13を用いる。   The illumination optical system 10 includes a light source 11, a condensing lens 12, a wavelength selection filter 13, and a first polarizing filter 14 in order of arrangement from the right side to the left side in FIG. As the light source 11, a mercury lamp or the like is used. The mercury lamp has a plurality of wavelengths (hereinafter may be abbreviated as λ), for example, e-line (λ = 546 nm), g-line (λ = 436 nm), h-line (λ = 405 nm), j-line (λ = 313 nm), and light around λ = 250 nm is generated. The wavelength selection filter 13 is used to select only light having a specific wavelength from among the light having a plurality of wavelengths.

なお、光源11は、ハロゲンランプや青色励起型LED等の波長帯域に広い光源であってもよい。また、ハロゲンランプや青色励起型LEDからの光は広い波長域にわたっているため、波長選択フィルター13は、例えば、青色、緑色、赤色を透過させるようなフィルターであってもよい。したがって、波長選択フィルター13は、透過波長帯域の異なる複数のフィルターとして、光路中に挿脱することで選択的に波長や波長帯域を変更可能な構成とすることが好ましい。   The light source 11 may be a light source having a wide wavelength band such as a halogen lamp or a blue excitation type LED. Further, since the light from the halogen lamp or the blue excitation type LED extends over a wide wavelength range, the wavelength selection filter 13 may be, for example, a filter that transmits blue, green, and red. Therefore, it is preferable that the wavelength selection filter 13 has a configuration in which the wavelength and the wavelength band can be selectively changed by inserting and removing from the optical path as a plurality of filters having different transmission wavelength bands.

光源11から放出された光は、集光レンズ12および波長選択フィルター13を透過したのち、第1の偏光フィルター14を透過する。第1の偏光フィルター14は、透過光がX方向に偏光するように、すなわち、第1の偏光フィルター14を透過して得られる直線偏光の偏光方向PがX方向となるよう配置する。   The light emitted from the light source 11 passes through the condenser lens 12 and the wavelength selection filter 13 and then passes through the first polarizing filter 14. The first polarizing filter 14 is arranged so that the transmitted light is polarized in the X direction, that is, the polarization direction P of linearly polarized light obtained by transmitting through the first polarizing filter 14 is in the X direction.

第1の偏光フィルター14を透過した光は、プリズム8で下方へ反射して、ウェハ5の方向へ向かう平行な入射光Iとなり、対物レンズ7を通してウェハ5に照射される。ウェハ5からの反射光は、対物レンズ7を通して平行な反射光Jとなり、プリズム8を透過して検出光学系15に達する。検出光学系15は、図2の下側から上側へ向けて配置順に、第2の偏光フィルター16と、リレーレンズ17と、2次元CCD等の撮像素子18とを有して構成される。プリズム8を透過した反射光は、第2の偏光フィルター16を透過し、リレーレンズ17によって光路延長・拡大(ないし縮小)された後、撮像素子18に入射する。撮像素子18に入射した反射光は撮像素子18により電気信号に光電変換され、反射光の検出信号が演算処理部20に出力される。   The light transmitted through the first polarizing filter 14 is reflected downward by the prism 8 to become parallel incident light I directed toward the wafer 5, and is irradiated onto the wafer 5 through the objective lens 7. Reflected light from the wafer 5 becomes parallel reflected light J through the objective lens 7, passes through the prism 8, and reaches the detection optical system 15. The detection optical system 15 includes a second polarizing filter 16, a relay lens 17, and an imaging element 18 such as a two-dimensional CCD in the order of arrangement from the lower side to the upper side in FIG. 2. The reflected light that has passed through the prism 8 passes through the second polarizing filter 16, is extended or enlarged (or reduced) by the relay lens 17, and then enters the image sensor 18. The reflected light incident on the image sensor 18 is photoelectrically converted into an electrical signal by the image sensor 18, and a detection signal of the reflected light is output to the arithmetic processing unit 20.

第2の偏光フィルター16は、透過光がY方向に偏光するように、すなわち、第2の偏光フィルター16を透過して得られる直線偏光の偏光方向QがY方向となるよう配置する。このように偏光方向が直交している状態は、クロスニコルと呼ばれ、対物レンズ7およびプリズム8を透過した反射光Jのうち、入射光I(直線偏光)の偏光方向と垂直な偏光成分を撮像素子18(検出光学系15)で検出することになる。なお、入射側の第1の偏光フィルター14をポラライザと称し、受光側の第2の偏光フィルター16をアナライザと称することもある。   The second polarizing filter 16 is arranged so that the transmitted light is polarized in the Y direction, that is, the polarization direction Q of linearly polarized light obtained by transmitting through the second polarizing filter 16 is in the Y direction. Such a state in which the polarization directions are orthogonal is called crossed Nicol, and the polarized light component perpendicular to the polarization direction of the incident light I (linearly polarized light) out of the reflected light J transmitted through the objective lens 7 and the prism 8 is shown. It is detected by the image sensor 18 (detection optical system 15). The first polarizing filter 14 on the incident side may be referred to as a polarizer, and the second polarizing filter 16 on the light receiving side may be referred to as an analyzer.

撮像素子18は、対物レンズ7の瞳面(不図示)と共役な位置に設けられる。なお、撮像素子18にカラーCCDを用いて、赤(R)、緑(G)、青(B)のそれぞれの出力を使うことにより、波長選択フィルター13を不要とすることも可能である。   The image sensor 18 is provided at a position conjugate with the pupil plane (not shown) of the objective lens 7. In addition, it is also possible to make the wavelength selection filter 13 unnecessary by using a color CCD for the image sensor 18 and using respective outputs of red (R), green (G), and blue (B).

また、入射光Iと反射光Jは同一光軸上であるが、入射光Iのうちの一部の入射光束I1に着目すれば、入射角Kでウェハ5に入射し、反射光束J1として撮像素子18に達する。換言すれば、撮像素子18上の位置19は、入射光束I1による反射光情報だけを受光していることになる。   Further, although the incident light I and the reflected light J are on the same optical axis, if attention is paid to a part of the incident light beam I1 of the incident light I, the incident light I is incident on the wafer 5 at an incident angle K and is imaged as a reflected light beam J1. The element 18 is reached. In other words, the position 19 on the image sensor 18 receives only the reflected light information from the incident light beam I1.

ここで、繰り返しパターンにおける構造性複屈折効果について図3を用いて説明する。構造性複屈折の詳細は、M, Boron & E. Wolf 著の『光学の原理』の詳しいが、ここでは、特開平9−145921号公報から引用する。ウェハ5の表面には、図3(a)に示すように、線状パターン(ライン・アンド・スペース・パターン)である繰り返しパターン30が形成されている。   Here, the structural birefringence effect in the repeated pattern will be described with reference to FIG. Details of the structural birefringence are described in detail in "Principle of optics" by M, Boron & E. Wolf, but here it is cited from JP-A-9-145921. On the surface of the wafer 5, as shown in FIG. 3A, a repetitive pattern 30 that is a linear pattern (line and space pattern) is formed.

図3(a)に示すような繰り返しパターン30において、ライン部分31の線幅をt1とし、ライン部分31の屈折率をn1とし、スペース部分32の線幅をt2とし、スペース部分32の屈折率をn2とする。そうすると、パターンピッチはt1+t2である。この繰り返しパターン30は、互いに異なる第1の物質(ライン部分)31と第2の物質(スペース部分)32を有する一軸性結晶とみなすことができ、図3(b)に示すように、境界面に平行に振動する光に対する屈折率をn0とし、境界面に垂直に振動する光に対する屈折率をneとして、複屈折を扱うことができる。図3(a)の繰り返しパターン30に対して垂直に光33が入射し、図2の構成に従い、光33の偏光方向(振動方向)が図3(b)において方向R(X軸と平行)であり、繰り返しパターン30がX軸に対してパターン方位角θ(方位角θはX軸とライン部分31とのなす角度)で傾いているとき、方向Rは、境界面平行方向成分R0と境界面垂直方向成分Reに分解することができるので、屈折率n0および屈折率neはそれぞれ、次の(1)式および(2)式で与えられる。 In the repetitive pattern 30 as shown in FIG. 3A, the line width of the line portion 31 is t 1 , the refractive index of the line portion 31 is n 1 , the line width of the space portion 32 is t 2 , and the space portion 32 The refractive index of n is n 2 . Then, the pattern pitch is t 1 + t 2 . This repeated pattern 30 can be regarded as a uniaxial crystal having a first material (line portion) 31 and a second material (space portion) 32 that are different from each other, and as shown in FIG. the refractive index and n 0, the refractive index for the light vibrating perpendicular to the boundary surface as n e, can handle birefringence for light vibrating parallel to. Light 33 enters perpendicularly to the repetitive pattern 30 of FIG. 3A, and the polarization direction (vibration direction) of the light 33 is the direction R (parallel to the X axis) in FIG. 3B according to the configuration of FIG. When the repetitive pattern 30 is inclined at a pattern azimuth angle θ (the azimuth angle θ is an angle formed by the X axis and the line portion 31) with respect to the X axis, the direction R is the boundary plane parallel direction component R 0 . it is possible to decompose the interface vertical component R e, respectively the refractive index n 0 and the refractive index n e, it is given by the following equations (1) and (2) below.

ただし、(1)式および(2)式におけるf1およびf2はそれぞれ、次の(3)式および(4)式で与えられる。 However, f 1 and f 2 in the expressions (1) and (2) are given by the following expressions (3) and (4), respectively.

また、構造性複屈折による入射光に対する反射光の位相差をδとし、ライン部分31の高さをhとしたとき、位相差δは、屈折率n0および屈折率neを用いて次の(5)式で与えられる。 Further, the phase difference of the reflected light to the incident light due to the form birefringence and [delta], when the height of the line portion 31 and is h, the phase difference [delta], of the following with reference to the refractive index n 0 and the refractive index n e It is given by equation (5).

露光後のウェハ5においては、ライン部分31がフォトレジストであり、スペース部分32が下地(たとえば、酸化膜)である。フォトレジストの厚さは、露光装置の光源波長にもよるが、最先端の露光装置に用いられるArF光源用のレジストでは、厚さが100nmないしそれ以下である。   In the exposed wafer 5, the line portion 31 is a photoresist, and the space portion 32 is a base (for example, an oxide film). Although the thickness of the photoresist depends on the light source wavelength of the exposure apparatus, the thickness of the resist for the ArF light source used in the most advanced exposure apparatus is 100 nm or less.

直線偏光を入射したとき、位相差δが(m+1/4)λの条件を満たす場合(m=0,1,2…)には、1/4波長板のように作用するので反射光は円偏光となり、位相差δが(m+1/2)λの条件を満たす場合(m=0,1,2…)には、1/2波長板のように作用するので反射光は偏光方向が90度回転した直線偏光となる。また、この2つの場合の中間の条件では、反射光は楕円偏光となる。   When linearly polarized light is incident, when the phase difference δ satisfies the condition of (m + 1/4) λ (m = 0, 1, 2,...), It acts like a quarter wave plate, so that the reflected light is circular. If the phase difference δ satisfies the condition of (m + 1/2) λ (m = 0, 1, 2,...), It acts like a half-wave plate, so that the reflected light has a polarization direction of 90 degrees. It becomes a rotated linearly polarized light. In addition, under the intermediate condition between the two cases, the reflected light is elliptically polarized light.

正常な条件で露光された繰り返しパターン40の断面を図4(a)に示す。図4(b)に示すように、ドーズ量が多い場合のライン部分43の線幅は、正常のライン部分41よりも細くなる。一方、図4(c)に示すように、ドーズ量が少ない場合のライン部分45の線幅は、正常のライン部分41よりも太くなる。図4(d)に示すように、デフォーカス状態で露光された場合のライン部分47の形状は、裾を引いた(台形の)断面形状となって、ライン部分47の側壁の傾斜角度であるサイド・ウォール・アングルαが増加する。   FIG. 4A shows a cross section of the repeated pattern 40 exposed under normal conditions. As shown in FIG. 4B, the line width of the line portion 43 when the dose amount is large is narrower than that of the normal line portion 41. On the other hand, as shown in FIG. 4C, the line width of the line portion 45 when the dose amount is small is thicker than that of the normal line portion 41. As shown in FIG. 4D, the shape of the line portion 47 when exposed in the defocused state is a cross-sectional shape with a skirt (trapezoid), and is the inclination angle of the side wall of the line portion 47. Side wall angle α increases.

前述の(5)式によれば、反射光の偏光状態を決定するのは、繰り返しパターンの線幅であり、高さである。半導体ウェハの露光工程においては、繰り返しパターンの周期(ピッチ)は厳密に一定である。図4(b)に示すようにドーズ量が過多の場合、パターンの高さは変わらず、ライン部分43の線幅t1が大きくなり、スペース部分44の線幅t2が小さくなる。その結果、屈折率n0および屈折率neがそれぞれ変化し、反射光には位相差が発生する。一方、図4(d)に示すようなデフォーカス露光時のパターン断面状態では、線幅が高さ方向に対し一定ではなく、ライン部分47の高さに比例してその線幅が小さくなるので、(5)式においては、ライン部分43の線幅t1およびスペース部分44の線幅t2が高さhの関数となっていると考えればよい。 According to the above equation (5), it is the line width and height of the repetitive pattern that determines the polarization state of the reflected light. In the semiconductor wafer exposure process, the period (pitch) of the repetitive pattern is strictly constant. As shown in FIG. 4B, when the dose amount is excessive, the pattern height does not change, the line width t 1 of the line portion 43 increases, and the line width t 2 of the space portion 44 decreases. As a result, the refractive index n 0 and the refractive index n e, respectively changed, the phase difference is generated in the reflected light. On the other hand, in the pattern cross-sectional state at the time of defocus exposure as shown in FIG. 4D, the line width is not constant in the height direction, and the line width decreases in proportion to the height of the line portion 47. may be considered to have a (5) in the formula, a function of line width t 2 is the height h of the line width t 1 and the space portion 44 of the line section 43.

図4(a)の正常なパターンに対するパターン断面状態の変化が、図4(b)もしくは図4(c)、または図4(d)のようなものであったとき、パターン断面状態変化に伴う反射光の偏光状態変化は、Y方向の偏光方向Qのみ透過するようなクロスニコルに配置された第2の偏光フィルター16(図2を参照)によって、Y方向の偏光成分のみの変化として抽出される。例えば、図5(a)に示すように、パターン断面状態変化に伴う反射光の偏光状態が、第1の偏光状態50、第2の偏光状態51、および第3の偏光状態52であったとする。各偏光状態50,51,52は、いずれも楕円偏光であり、長軸の方向と楕円率が変化しているが、第2の偏光フィルター16を透過して得られる透過光はそれぞれ、Y方向成分の第1の光量50a、第2の光量51b、および第3の光量52cだけ撮像素子18で受光される(正確には、図5(a)のY方向成分は振幅であるから、光量は振幅の二乗に対応するが、ここでは簡略化した図で示した)。   When the change in the pattern cross-sectional state with respect to the normal pattern in FIG. 4A is as shown in FIG. 4B, FIG. 4C, or FIG. The change in the polarization state of the reflected light is extracted as a change in only the polarization component in the Y direction by the second polarization filter 16 (see FIG. 2) arranged in crossed Nicols so that only the polarization direction Q in the Y direction is transmitted. The For example, as shown in FIG. 5A, it is assumed that the polarization state of the reflected light accompanying the pattern cross-sectional state change is the first polarization state 50, the second polarization state 51, and the third polarization state 52. . Each of the polarization states 50, 51, and 52 is elliptically polarized light, and the direction of the major axis and the ellipticity change, but the transmitted light obtained by transmitting through the second polarizing filter 16 is in the Y direction. Only the first light amount 50a, the second light amount 51b, and the third light amount 52c of the component are received by the image sensor 18 (accurately, since the Y direction component in FIG. 5A is an amplitude, the light amount is It corresponds to the square of the amplitude, but is shown here in a simplified diagram).

また例えば、図5(b)に示すように、パターン断面状態変化に伴う反射光の偏光状態が、第4の偏光状態53、第5の偏光状態54、および第6の偏光状態55のようなものであったとする。各偏光状態53,54,55は、いずれも円偏光に近い楕円偏光である。入射した直線偏光に対して繰り返しパターン30(図3を参照)が1/4波長板のように位相差δを与えたことにより、円偏光に近くなった結果であるが、それぞれの楕円の長軸方向は大きく異なっているものの、第2の偏光フィルター16を透過して得られる透過光は、各偏光状態53,54,55のいずれであっても、Y方向成分の第4の光量53aとなって大きな変化はなく、偏光状態が変化しているようにはとらえられない。   Further, for example, as shown in FIG. 5B, the polarization state of the reflected light accompanying the pattern cross-sectional state change is the fourth polarization state 53, the fifth polarization state 54, and the sixth polarization state 55. Suppose it was a thing. Each of the polarization states 53, 54, and 55 is elliptically polarized light that is close to circularly polarized light. The result is that the repetitive pattern 30 (see FIG. 3) is close to circularly polarized light by giving a phase difference δ to the incident linearly polarized light like a quarter wave plate. Although the axial direction is greatly different, the transmitted light obtained by transmitting through the second polarizing filter 16 is the same as the fourth light amount 53a of the Y direction component in any of the polarization states 53, 54, and 55. There is no big change, and the polarization state does not seem to change.

なお、図5(a)および図5(b)は一例に過ぎず、線幅、高さ、形状等といったパターン断面状態が変化したときの繰り返しパターン30からの反射光の偏光状態は、楕円偏光の楕円率、長軸方向、大きさが変わり、しかも照射条件によって偏光状態の変化の仕方が変わる。図3〜図5を用いて行った説明は、繰り返しパターン30に対して垂直に光が入射した場合であるが、斜めに入射した場合も含めて、一般的な説明を次に行う。   5A and 5B are merely examples, and the polarization state of the reflected light from the repetitive pattern 30 when the pattern cross-sectional state such as line width, height, shape, etc. changes is elliptically polarized light. The ellipticity, major axis direction, and size of the light beam change, and the way the polarization state changes depends on the irradiation conditions. The description given with reference to FIGS. 3 to 5 is a case where light is incident on the repetitive pattern 30 perpendicularly, but a general description will be given next, including the case where it is incident obliquely.

図2に示すように、対物レンズ7を通して照射される入射光Iは、色々な入射角および方向から入射する光の束であるので、対物レンズ7の瞳面と共役な位置に設けられている撮像素子18は、これら色々な入射条件に基づいた反射光の集まりを検出していることになる。図6に、撮像素子18で検出した対物レンズ7の瞳像60を示す。瞳面上の座標PxおよびPyは、図2〜図3のXYZ座標系と同じである。また、Px軸とPy軸の交点Oは、対物レンズ7の光軸である。   As shown in FIG. 2, the incident light I irradiated through the objective lens 7 is a bundle of light incident from various incident angles and directions, and thus is provided at a position conjugate with the pupil plane of the objective lens 7. The image sensor 18 detects a collection of reflected light based on these various incident conditions. FIG. 6 shows a pupil image 60 of the objective lens 7 detected by the image sensor 18. The coordinates Px and Py on the pupil plane are the same as the XYZ coordinate system of FIGS. An intersection point O between the Px axis and the Py axis is the optical axis of the objective lens 7.

ここで、本実施形態における照射条件について説明する。照射条件とは、入射光の入射角、入射面に対する偏光方向、入射面の方位角、入射面と繰り返しパターン方向とのなす方位角等のことである。図6に示す瞳面座標系(Px,Py)において、光軸Oを中心とした半径rの円61の円周上の点B、点C、点D、点E、および点Fは、全て同一の入射角(これを入射角iとする)で入射した光による反射光を示す。   Here, the irradiation conditions in the present embodiment will be described. Irradiation conditions include the incident angle of incident light, the polarization direction with respect to the incident surface, the azimuth angle of the incident surface, the azimuth angle formed between the incident surface and the repeated pattern direction, and the like. In the pupil plane coordinate system (Px, Py) shown in FIG. 6, the points B, C, D, E, and F on the circumference of a circle 61 having a radius r centered on the optical axis O are all The reflected light by the light which entered with the same incident angle (this is made into the incident angle i) is shown.

図7は、図6の瞳像60における光軸上の点Aに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、図7〜図14では、図3に示す部材と同一部材に同一番号を付しており、線状パターン(ライン・アンド・スペース・パターン)である繰り返しパターン30は、フォトレジストであるライン部分31と、酸化膜等の下地層であるスペース部分32とからなる。また、ライン部分31(およびスペース部分32)は、図3(b)と同様に、X軸に対して方位角θだけ傾いている。図7において、直線偏光である入射光70aは、繰り返しパターン30に対して垂直(Z軸方向)に、偏光方向71aをもって入射している。一方、反射光72aは、繰り返しパターン30に対して垂直に、例えば偏光状態73aをもって反射している。   FIG. 7 shows irradiation conditions for obtaining reflected light corresponding to the point A on the optical axis in the pupil image 60 of FIG. 7 to 14, the same members as those shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the repetitive pattern 30 that is a linear pattern (line and space pattern) is a line that is a photoresist. It consists of a portion 31 and a space portion 32 which is a base layer such as an oxide film. Further, the line portion 31 (and the space portion 32) is inclined by the azimuth angle θ with respect to the X axis, as in FIG. In FIG. 7, incident light 70 a that is linearly polarized light is incident with a polarization direction 71 a perpendicular to the repetitive pattern 30 (Z-axis direction). On the other hand, the reflected light 72a is reflected perpendicularly to the repetitive pattern 30 with, for example, a polarization state 73a.

図8は、図6の瞳像60における点Bに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分31(およびスペース部分32)のX軸に対する方位角θは、図7と同一である。図8における入射光70bは、入射角iで入射している。入射面(繰り返しパターン30の法線Zと入射光70bとがはる平面)74bは、YZ平面と一致する。入射光70bの偏光方向71bは、入射面74bに含まれ入射光70bと垂直な直線75bに対して角度φB(以下、本実施形態において偏光角φと呼ぶ)だけ傾いており、この偏光角φBの大きさは90度である。すなわち、S偏光状態で入射している。これは、偏光方向71bがX軸と平行であることから容易に理解できる。なお、反射光72bも入射面74bに含まれることは言うまでもない。 FIG. 8 shows irradiation conditions for obtaining reflected light corresponding to the point B in the pupil image 60 of FIG. The azimuth angle θ with respect to the X axis of the line portion 31 (and the space portion 32) is the same as that in FIG. Incident light 70b in FIG. 8 is incident at an incident angle i. An incident surface (a plane between the normal line Z of the repetitive pattern 30 and the incident light 70b) 74b coincides with the YZ plane. The polarization direction 71b of the incident light 70b is inclined by an angle φ B (hereinafter referred to as the polarization angle φ in the present embodiment) with respect to a straight line 75b included in the incident surface 74b and perpendicular to the incident light 70b. The size of φ B is 90 degrees. That is, it is incident in the S polarization state. This can be easily understood from the fact that the polarization direction 71b is parallel to the X axis. Needless to say, the reflected light 72b is also included in the incident surface 74b.

図9は、図6の瞳像60における点Cに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分31(およびスペース部分32)のX軸に対する方位角θは、図7と同一である。図9における入射光70cは、入射角iで入射しており、入射面(繰り返しパターン30の法線Zと入射光70cとがはる平面)74cを形成する。入射光70cの偏光方向71cは、入射面74cに含まれ入射光70cと垂直な直線75cに対して角度φCだけ傾いており、この偏光角φCの大きさは0度と90度の間である。 FIG. 9 shows irradiation conditions for obtaining reflected light corresponding to the point C in the pupil image 60 of FIG. The azimuth angle θ with respect to the X axis of the line portion 31 (and the space portion 32) is the same as that in FIG. The incident light 70c in FIG. 9 is incident at an incident angle i, and forms an incident surface (a plane between the normal line Z of the repetitive pattern 30 and the incident light 70c) 74c. The polarization direction 71c of the incident light 70c is inclined by an angle φ C with respect to a straight line 75c included in the incident surface 74c and perpendicular to the incident light 70c, and the magnitude of the polarization angle φ C is between 0 degree and 90 degrees. It is.

図10は、図6の瞳像60における点Dに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分31(およびスペース部分32)のX軸に対する方位角θは、図7と同一である。図10における入射光70dは、入射角iで入射しており、入射面(繰り返しパターン30の法線Zと入射光70dとがはる平面)74dを形成する。入射光70dの偏光方向71dは、入射面74dに含まれ入射光70dと垂直な直線75dに対して角度φDだけ傾いており、この偏光角φDの大きさは0度と90度の間である。なお、図10の偏光角φDは、図9の偏光角φCに比べ、より0度に近く、0度<φD<φC<90度である。 FIG. 10 shows irradiation conditions for obtaining reflected light corresponding to the point D in the pupil image 60 of FIG. The azimuth angle θ with respect to the X axis of the line portion 31 (and the space portion 32) is the same as that in FIG. The incident light 70d in FIG. 10 is incident at an incident angle i, and forms an incident surface (a plane between the normal line Z of the repetitive pattern 30 and the incident light 70d) 74d. The polarization direction 71d of the incident light 70d is inclined by an angle φ D with respect to a straight line 75d included in the incident surface 74d and perpendicular to the incident light 70d, and the magnitude of the polarization angle φ D is between 0 and 90 degrees. It is. Note that the polarization angle φ D in FIG. 10 is closer to 0 degrees compared to the polarization angle φ C in FIG. 9, and 0 degrees <φ DC <90 degrees.

図11は、図6の瞳像60における点Eに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分31(およびスペース部分32)のX軸に対する方位角θは、図7と同一である。図11における入射光70eは、入射角iで入射している。入射面(繰り返しパターン30の法線Zと入射光70eとがはる平面)74eは、XZ平面と一致する。入射光70eの偏光方向71eは、入射面74eに含まれ入射光70eと垂直な直線75eに対する偏光角φEが0度となる方向である。すなわち、P偏光状態で入射している。これは、偏光方向71eがX軸と平行であることから容易に理解できる。 FIG. 11 shows irradiation conditions for obtaining reflected light corresponding to the point E in the pupil image 60 of FIG. The azimuth angle θ with respect to the X axis of the line portion 31 (and the space portion 32) is the same as that in FIG. Incident light 70e in FIG. 11 is incident at an incident angle i. An incident surface (a plane on which the normal line Z of the repetitive pattern 30 and the incident light 70e come off) 74e coincides with the XZ plane. The polarization direction 71e of the incident light 70e is a direction in which the polarization angle φ E with respect to the straight line 75e included in the incident surface 74e and perpendicular to the incident light 70e is 0 degree. That is, it is incident in the P-polarized state. This can be easily understood from the fact that the polarization direction 71e is parallel to the X axis.

図12は、図6の瞳像60における点Fに対応した反射光を得る照射条件を示す。なお、ライン部分31(およびスペース部分32)のX軸に対する方位角θは、図7と同一である。図11における入射光70fは、入射角iで入射しており、入射面(繰り返しパターン30の法線Zと入射光70fとがはる平面)74fを形成する。入射光70fの偏光方向71fは、入射面74fに含まれ入射光70fと垂直な直線75fに対して角度φFだけ傾いており、この偏光角φFの大きさは90度と180度の間である。 FIG. 12 shows irradiation conditions for obtaining reflected light corresponding to the point F in the pupil image 60 of FIG. The azimuth angle θ with respect to the X axis of the line portion 31 (and the space portion 32) is the same as that in FIG. The incident light 70f in FIG. 11 is incident at an incident angle i, and forms an incident surface (a plane between the normal line Z of the repetitive pattern 30 and the incident light 70f) 74f. The polarization direction 71f of the incident light 70f is inclined by an angle φ F with respect to a straight line 75f included in the incident surface 74f and perpendicular to the incident light 70f, and the magnitude of the polarization angle φ F is between 90 degrees and 180 degrees. It is.

図6の瞳像60における各点A,B,C,D,E,Fはそれぞれ、図7〜図12に示す照射条件でそれぞれ得られた反射光72a,72b,72c,72d,72e,72fである。そこで、図9に示す照射条件を例としてさらに詳細に説明する。同じ入射角iであっても、入射面74cとXZ平面とのなす方位角(これを入射面方位角ωと称する)が異なれば、直線偏光で入射する入射光70cの偏光角φCは異なる。また、同じ偏向角φCであっても、繰り返しパターン30のライン部分31(およびスペース部分32)のX軸に対する方位角θ(これをパターン方位角θと称する)が異なれば、ライン部分31(およびスペース部分32)に対する偏光方向71cの角度は異なる。 The points A, B, C, D, E, and F in the pupil image 60 of FIG. 6 are respectively reflected light 72a, 72b, 72c, 72d, 72e, and 72f obtained under the irradiation conditions shown in FIGS. It is. Therefore, the irradiation conditions shown in FIG. 9 will be described in more detail as an example. Even if the incident angle i is the same, if the azimuth angle formed by the incident surface 74c and the XZ plane (this is referred to as the incident surface azimuth angle ω) is different, the polarization angle φ C of the incident light 70c incident as linearly polarized light is different. . Even if the deflection angle φ C is the same, if the azimuth angle θ (referred to as the pattern azimuth angle θ) of the line portion 31 (and the space portion 32) of the repeated pattern 30 with respect to the X axis is different, the line portion 31 ( And the angle of the polarization direction 71c with respect to the space portion 32) is different.

(5)式における高さhは、光の進行方向でのライン部分31の高さである。垂直入射では、図7で示す高さhがそのまま、(5)式の高さhと同一である。ところが、図8〜図12に示す斜入射条件では、斜入射による各入射光70b,70c,70d,70e,70fの向きが光の進行方向であるので、(5)式における高さhは、例えば図9では、入射光70cをベクトルとしたときのベクトル79cに対応した高さとなる。このベクトル79cに対応した高さを、本実施形態では、パターン実効高さhiと称することにする。すなわち、パターン実効高さhiが(5)式における高さhに相当する。したがって、同じZ軸方向の高さhであっても、入射角iと入射面方位角ωとパターン方位角θが異なれば、(5)式で表される位相差δは異なる。   The height h in the equation (5) is the height of the line portion 31 in the light traveling direction. At normal incidence, the height h shown in FIG. 7 is the same as the height h in the equation (5). However, under the oblique incidence conditions shown in FIGS. 8 to 12, the direction of each incident light 70b, 70c, 70d, 70e, and 70f due to the oblique incidence is the light traveling direction. For example, in FIG. 9, the height corresponds to the vector 79c when the incident light 70c is a vector. In the present embodiment, the height corresponding to the vector 79c is referred to as a pattern effective height hi. That is, the pattern effective height hi corresponds to the height h in the equation (5). Therefore, even if the height h is the same in the Z-axis direction, if the incident angle i, the incident surface azimuth angle ω, and the pattern azimuth angle θ are different, the phase difference δ expressed by the equation (5) is different.

一般に、屈折率は波長に依存するので、入射光の波長λによって、(1)式および(2)式におけるライン部分31の屈折率n1およびスペース部分32の屈折率n2は異なる。すなわち、線状パターン(ライン・アンド・スペース・パターン)に光を照射したとき、構造性複屈折により、(1)式〜(5)式で与えられる位相差δは、入射角i、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定される。すなわち、位相差δは、偏光角φで代表される偏光方向と、入射角i、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定されるパターン実効高さhiと、波長λで決定されるライン部分31の屈折率n1およびスペース部分32の屈折率n2によって変わる。これらのパラメータが、(5)式に関わることになる。 In general, since the refractive index depends on the wavelength, the refractive index n 1 of the line portion 31 and the refractive index n 2 of the space portion 32 in the equations (1) and (2) differ depending on the wavelength λ of the incident light. That is, when a linear pattern (line and space pattern) is irradiated with light, the phase difference δ given by the equations (1) to (5) is equal to the incident angle i and the incident surface due to structural birefringence. It is determined by the azimuth angle ω and the pattern azimuth angle θ. That is, the phase difference δ is a line determined by the polarization direction represented by the polarization angle φ, the pattern effective height hi determined by the incident angle i, the incident surface azimuth angle ω, and the pattern azimuth angle θ, and the wavelength λ. It varies depending on the refractive index n 2 of the refractive index n 1 and the space portion 32 of the part 31. These parameters are related to the equation (5).

次に、図4(d)のようにサイド・ウォール・アングルαが増加したパターン断面状態における位相状態を、図13を用いて考察する。なお、図13において、入射角i等のパラメータは図9と同一であり、図9と同一部材には同じ符号を付した。図13に示すように、ライン部分31が台形断面である場合には、垂直入射のときに、ライン部分31の線幅t1およびスペース部分32の線幅t2が高さhの関数であると考えたのと同じように、パターン実効高さhiの関数としてライン部分31の線幅t1およびスペース部分32の線幅t2を扱えばよい。 Next, the phase state in the pattern cross-sectional state in which the side wall angle α is increased as shown in FIG. 4D will be considered with reference to FIG. In FIG. 13, parameters such as the incident angle i are the same as those in FIG. 9, and the same members as those in FIG. As shown in FIG. 13, when the line section 31 is trapezoidal cross section, at normal incidence, the line width t 2 of a line width t 1 and the space portion 32 of the line section 31 is a function of the height h just as was considered, it handled the line width t 2 of a line width t 1 and the space portion 32 of the line section 31 as a function of the pattern effective height hi.

露光工程でフォーカス異常が発生した場合には、既述したように裾を引いた(台形の)断面形状となって、サイド・ウォール・アングルαが増加すると同時に、パターン形状が図14のように荒れることがある。荒れたライン部分31からの反射光72cの偏光状態は、デフォーカス量に応じて少なからず変化する。なお、図14において、入射角i等のパラメータは図9と同一であり、図9と同一部材には同じ符号を付した。   When a focus abnormality occurs in the exposure process, a skirted (trapezoidal) cross-sectional shape is formed as described above, the side wall angle α is increased, and the pattern shape is as shown in FIG. May be rough. The polarization state of the reflected light 72c from the rough line portion 31 changes depending on the defocus amount. In FIG. 14, parameters such as the incident angle i are the same as those in FIG. 9, and the same members as those in FIG.

以上説明してきたように、線状パターン(ライン・アンド・スペース・パターン)に光を照射したときの反射光の偏光状態は、1)入射角i、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定され、偏光角φで代表される入射光の偏光方向、2)入射角i、入射面方位角ω、パターン方位角θで決定されるパターン実効高さhi、3)波長λ等といった、照射条件によって変わる。さらに、4)波長λで決定されるライン部分31の屈折率n1およびスペース部分32の屈折率n2、5)ライン部分31の線幅t1およびスペース部分32の線幅t2、6)サイド・ウォール・アングルα等といった、パターン状態条件や物質条件によって変わる。 As described above, when the linear pattern (line and space pattern) is irradiated with light, the polarization state of the reflected light is 1) the incident angle i, the incident surface azimuth angle ω, and the pattern azimuth angle θ. Illumination, such as the polarization direction of the incident light determined and represented by the polarization angle φ, 2) the incident angle i, the incident plane azimuth angle ω, the pattern effective height hi determined by the pattern azimuth angle θ, and 3) the wavelength λ. Varies depending on conditions. Furthermore, 4) a line width t 2, 6 of the refractive index n 2, 5) the line width of the line portion 31 t 1 and the space portion 32 of the refractive index n 1 and the space portion 32 of the line section 31 which is determined by the wavelength lambda) It depends on the pattern condition and material condition such as side wall, angle α, etc.

したがって、上記照射条件を選択することにより、ライン部分31の線幅t1の変動とサイド・ウォール・アングルαの変動を検出することができ、さらに、最適に照射条件と決定すれば、ライン部分31の線幅t1の変動とサイド・ウォール・アングルαの変動を区別して検出することができる。ライン部分31の線幅t1とサイド・ウォール・アングルαはそれぞれ、ウェハ露光時のドーズ量変化とフォーカス変化に直結するものであるから、本実施形態によれば、ドーズ量変化とフォーカス変化を切り分けて検出することが可能になる。 Therefore, by selecting the irradiation condition, it is possible to detect the fluctuation of the line width t 1 of the line portion 31 and the fluctuation of the side wall angle α, and further, if the irradiation condition is determined optimally, the line portion It is possible to detect the change in the line width t 1 of 31 and the change in the side wall angle α separately. Since the line width t 1 and the side wall angle α of the line portion 31 are directly related to the dose amount change and the focus change at the time of wafer exposure, according to the present embodiment, the dose amount change and the focus change are changed. It becomes possible to detect by dividing.

最適な照射条件の選択と決定は、瞳内の解析によって行われる。図15は、撮像素子18で検出した実際の瞳像150を、瞳座標系で示している。この図15は、瞳面における光の強度分布を示し、第2の偏光フィルター16を透過してきた光の光量を示している。図15において、撮像素子18で検出した光信号の強い部分(階調値の高い部分)を濃い色(黒系)に設定し、光信号の弱い部分(階調値の低い部分)を淡い色(白系)に設定して、階調凡例151として表示した。図15の瞳座標系は、図6と同じ瞳座標系(Px,Py)であり、座標軸Pxと座標軸Pyとの交点Oが光軸である。図6の瞳像60における点C、すなわち、図9、図13、および図14で示した照射状態およびパターン状態を与える瞳位置で反射光を得る場所は、図15の瞳像150(瞳面内)における瞳内位置150cである。   Selection and determination of the optimum irradiation condition is performed by analysis in the pupil. FIG. 15 shows an actual pupil image 150 detected by the image sensor 18 in the pupil coordinate system. FIG. 15 shows the intensity distribution of light on the pupil plane, and shows the amount of light transmitted through the second polarizing filter 16. In FIG. 15, a strong portion (high gradation value portion) of the optical signal detected by the image sensor 18 is set to a dark color (black), and a weak light signal portion (low gradation value portion) is set to a light color. It was set as (white) and displayed as the gradation legend 151. The pupil coordinate system in FIG. 15 is the same pupil coordinate system (Px, Py) as in FIG. 6, and the intersection O between the coordinate axis Px and the coordinate axis Py is the optical axis. A point C in the pupil image 60 of FIG. 6, that is, a place where the reflected light is obtained at the pupil position that gives the irradiation state and pattern state shown in FIGS. 9, 13, and 14 is the pupil image 150 (pupil plane) of FIG. This is the intra-pupil position 150c.

図16の瞳像160は、図15の瞳像150と同じである。図16において、瞳像160をM列×N行に分割したときの一つの区画を瞳内位置と称し、図16では例として瞳内位置161を示す。MおよびNは自然数で、10程度〜100が好ましい。通常は、M=Nとする。瞳内位置における階調値は、撮像素子18の画素を選択することによって抽出して得ることができる。   The pupil image 160 in FIG. 16 is the same as the pupil image 150 in FIG. In FIG. 16, one section when the pupil image 160 is divided into M columns × N rows is referred to as an intra-pupil position, and FIG. 16 shows an intra-pupil position 161 as an example. M and N are natural numbers, preferably about 10 to 100. Usually, M = N. The gradation value at the position in the pupil can be extracted and obtained by selecting a pixel of the image sensor 18.

図17(f)は、瞳CDマップと称するマップである。図16の瞳像160に対応する瞳像を円170として示す。瞳CDマップの横方向と縦方向は、それぞれ瞳座標(Px,Py)に対応し、円170の中心は、瞳座標(Px,Py)=(0,0)に対応する。瞳CDマップは、瞳内の階調を示すものではなく、図16においてM列×N行に分割したそれぞれの瞳内位置において、その瞳内位置での階調値を縦軸に、別計測したCD値を横軸に表した二変量相関図の集合体である。例えば、瞳CDマップの5個の瞳内位置171a,171b,171c,171d,171eにおける二変量相関図をそれぞれ拡大表示したものが、図17(a)、図17(b)、図17(c)、図17(d)、図17(e)である。図17(a)、図17(b)、図17(c)、図17(d)、図17(e)の縦軸はそれぞれ、図16の瞳内位置161a,161b,161c,161d,161eにおける撮像素子18の階調値である。図17(f)に示す瞳CDマップは、CD値が既知のCD基準ウェハを計測することによって得られるが、その方法について次に述べる。   FIG. 17F is a map called a pupil CD map. A pupil image corresponding to the pupil image 160 of FIG. The horizontal and vertical directions of the pupil CD map correspond to the pupil coordinates (Px, Py), respectively, and the center of the circle 170 corresponds to the pupil coordinates (Px, Py) = (0, 0). The pupil CD map does not indicate the gradation in the pupil. In each pupil position divided into M columns × N rows in FIG. 16, the gradation value at the position in the pupil is separately measured along the vertical axis. It is an aggregate of bivariate correlation diagrams with the CD value represented on the horizontal axis. For example, enlarged bivariate correlation diagrams at five positions 171a, 171b, 171c, 171d, and 171e in the pupil CD map are shown in FIGS. 17 (a), 17 (b), and 17 (c). ), FIG. 17 (d), and FIG. 17 (e). 17 (a), 17 (b), 17 (c), 17 (d), and 17 (e) indicate the in-pupil positions 161a, 161b, 161c, 161d, and 161e in FIG. 16, respectively. Is the gradation value of the image sensor 18. The pupil CD map shown in FIG. 17F is obtained by measuring a CD reference wafer whose CD value is known. The method will be described next.

まず、CD値計測について説明する。図17(a)、図17(b)、図17(c)、図17(d)、図17(e)の横軸(すなわちCD値計測値)は、ウェハ面内で異なるCD値(CD値は既知)を有するウェハ(CD基準ウェハ)を計測することによって得ることができる。   First, CD value measurement will be described. 17 (a), 17 (b), 17 (c), 17 (d), and 17 (e), the horizontal axis (that is, the measured CD value) represents a different CD value (CD The value can be obtained by measuring a wafer having a known value (CD reference wafer).

図18は、瞳CDマップを得るためのCD基準ウェハ180を示している。CD基準ウェハ180の表面に形成された5行8列の計40ショットは、それぞれドーズ量を変えて線状パターン(ライン・アンド・スペース・パターン)を露光したものである。図18においてそれぞれのショットに示した数字は、ドーズ量の大小を表し、数字「0」は標準ドーズ量で露光したショットであり、数字「+1」は1段階多く、数字「−1」は1段階少ないドーズ量で露光したショットである。例えば、右端の数字「+3」ショット181は、3段階多いドーズ量で露光したショットであるので、ネガタイプのレジストを用いた場合パターンのライン部分の線幅は最も細くなっているはずである。このように、CD基準ウェハ180は、多種のCD値を含んだウェハである。   FIG. 18 shows a CD reference wafer 180 for obtaining a pupil CD map. A total of 40 shots of 5 rows and 8 columns formed on the surface of the CD reference wafer 180 are obtained by exposing a linear pattern (line and space pattern) while changing the dose amount. The numbers shown in each shot in FIG. 18 represent the magnitude of the dose amount, the number “0” is a shot exposed with the standard dose amount, the number “+1” is one step higher, and the number “−1” is 1. This is a shot exposed with a small amount of dose. For example, the number “+3” shot 181 on the right end is a shot that is exposed with a dose amount that is three steps higher, and therefore, when a negative type resist is used, the line width of the line portion of the pattern should be the narrowest. Thus, the CD reference wafer 180 is a wafer including various CD values.

CD値計測においては、本実施形態の表面検査装置1とは別に、図示しないCD−SEM等のCD測定機によって、CD基準ウェハ180における線状パターン(ライン・アンド・スペース・パターン)のCD値を計測する。なお、統計的処理に好ましいデータ数とするため、CD−SEM等ではショット内を多数点計測することが好ましく、例えば、ショット内の25点を計測することにより、25点×40ショット=1000個の計測データを得る。   In the CD value measurement, the CD value of the linear pattern (line and space pattern) on the CD reference wafer 180 is measured by a CD measuring machine such as a CD-SEM (not shown) separately from the surface inspection apparatus 1 of the present embodiment. Measure. In order to obtain a preferable number of data for statistical processing, it is preferable to measure a large number of points in a shot in a CD-SEM or the like. For example, by measuring 25 points in a shot, 25 points × 40 shots = 1000 Get the measurement data.

続いて、階調値計測について説明する。CD−SEM等で計測したCD基準ウェハ180の計測点と同一箇所を、本実施形態の表面検査装置1を用いて計測する。上記の例で言えば、ショット内25点×40ショット=1000点に対し、1000個の瞳像を撮像素子18によって撮像取得する。このようにして得られた1000個の瞳像から、演算処理部20を用いて、M列×N行に分割した瞳内位置ごとに階調値を得る。   Next, the gradation value measurement will be described. The same location as the measurement point of the CD reference wafer 180 measured by a CD-SEM or the like is measured using the surface inspection apparatus 1 of the present embodiment. In the above example, 1000 pupil images are captured and acquired by the image sensor 18 for 25 points in shot × 40 shots = 1000 points. From the 1000 pupil images obtained in this way, the arithmetic processing unit 20 is used to obtain gradation values for each position in the pupil divided into M columns × N rows.

そして、CD基準ウェハ180の全ての計測点(上記例では、1000点)に対し、M列×N行(本実施形態においては、47列×47列)の瞳内位置(区画)ごとに、二変量相関図(横軸=CD値計測値、縦軸=その瞳内位置における階調値)を瞳座標(Px,Py)に従った配列で並べる。これにより、図17に示すような瞳CDマップ(瞳像の位置毎のCD変化と輝度変化の関係を示すマップ)を得ることができる。   Then, with respect to all measurement points (1000 points in the above example) of the CD reference wafer 180, for each position (section) in the pupil of M columns × N rows (47 columns × 47 columns in the present embodiment), Bivariate correlation diagrams (horizontal axis = measured CD value, vertical axis = tone value at the position in the pupil) are arranged in an array according to pupil coordinates (Px, Py). Thereby, a pupil CD map (a map showing the relationship between the CD change and the luminance change for each position of the pupil image) as shown in FIG. 17 can be obtained.

図17(a)〜(e)の横軸のスケールは共通目盛である。一方、図17(a)〜(e)の縦軸は、階調値が瞳内位置によって異なるので、オート・スケール(最小から最大の値範囲で自動的に目盛を振ること)で表示している。そのため、図17(c)では、CD値に対して階調値が山型傾向を示しているが、CD変動に対する階調値の変化量は小さく、CD値に対しほとんど感応していないと言える。図17(f)の瞳CDマップでは、瞳内位置ごとの二変量相関図はすべてオート・スケールで表示している。CD変化に対する階調変化の少ない瞳内位置では、図17(c)に示すように、縦軸方向に二変量相関図のプロットが拡大したもの(縦軸方向に幅をもったグラフ)となる。そのような場所は、図17(f)の瞳CDマップから、瞳内のPx軸付近およびPy軸付近、並びに瞳中心付近に分布していることがわかる。一方、左上側の瞳内位置171a,171bでは、CD値が大きくなると階調値が増加する傾向を示し、逆に、左下側の瞳内位置171d,171eでは、CD値が大きくなると階調値が減少する傾向を示す。   The scale of the horizontal axis of Fig.17 (a)-(e) is a common scale. On the other hand, the vertical axis of FIGS. 17 (a) to 17 (e) is displayed with an auto scale (automatically scales from the minimum to the maximum value range) because the gradation value varies depending on the position in the pupil. Yes. Therefore, in FIG. 17C, the gradation value has a mountain-shaped tendency with respect to the CD value, but the change amount of the gradation value with respect to the CD variation is small, and it can be said that the gradation value is hardly sensitive to the CD value. . In the pupil CD map of FIG. 17F, all the bivariate correlation diagrams for each position in the pupil are displayed in an auto scale. At the position in the pupil where the gradation change with respect to the CD change is small, as shown in FIG. 17C, the plot of the bivariate correlation diagram is enlarged in the vertical axis direction (a graph having a width in the vertical axis direction). . It can be seen from the pupil CD map in FIG. 17F that such places are distributed in the vicinity of the Px axis, the Py axis, and the pupil center in the pupil. On the other hand, at the upper left pupil positions 171a and 171b, the gradation value tends to increase as the CD value increases. Conversely, at the lower left pupil positions 171d and 171e, the gradation value increases as the CD value increases. Shows a tendency to decrease.

図7〜図12を用いて説明したように、瞳内位置に応じて照射条件が異なる。そのため、図5(a)および図5(b)で説明したように、瞳内位置に応じて反射光の偏光状態も異なる。例えば、CD値が大きくなったときに、撮像素子18が検出する階調値(楕円偏光のY方向成分(第2の偏光フィルター16を透過する成分)に対応するもの)が大きくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置(瞳内位置は、照射条件の一部である)があれば、逆に、階調値が小さくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置も存在する。また、CD値が大きくなったときに階調値が大きくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置(これをプラス変化位置と称する)と、階調値が小さくなるような偏光状態変化を与える瞳内位置(これをマイナス変化位置と称する)との間には、CD値が変化しても階調値が変わらないような領域が存在する。   As described with reference to FIGS. 7 to 12, the irradiation conditions differ depending on the position in the pupil. Therefore, as described in FIGS. 5A and 5B, the polarization state of the reflected light varies depending on the position in the pupil. For example, polarized light whose gradation value (corresponding to the Y-direction component of elliptically polarized light (a component that passes through the second polarizing filter 16)) detected by the image sensor 18 increases when the CD value increases. If there is an in-pupil position that gives a state change (the in-pupil position is a part of the irradiation condition), there is also an in-pupil position that gives a change in polarization state such that the gradation value becomes small. In addition, a position in the pupil that gives a change in polarization state that increases the gradation value when the CD value increases (this is referred to as a positive change position), and a change in polarization state that decreases the gradation value. Between the intra-pupil position (referred to as a minus change position), there is an area where the gradation value does not change even if the CD value changes.

このように、図15の瞳像150、すなわち図16の瞳像160のなかには、左側上下の瞳内位置171a,171b,171d,171eのようなCD値変化に感応する場所と、左側中央付近(Px軸付近)の瞳内位置171cのようなCD値変化に対する感応が弱い場所が存在することが、図17の(f)の瞳CDマップで明らかにされる。理論的にも、高NAの対物レンズを使用した場合に、対物レンズの瞳内位置には、プラス変化位置(正の相関)とマイナス変化位置(負の相関)が存在することがわかっており、その間は、CD値変化に対する感応が弱い瞳内位置となる。本実施形態において、対物レンズ7のNA(開口数)は、NA=0.9もしくは、それに近い高NAである。なお、M列×N行に分割された一つの瞳内位置では、NA=0.01〜0.1程度で受光していることになる。   As described above, the pupil image 150 in FIG. 15, that is, the pupil image 160 in FIG. 16, includes locations that are sensitive to CD value changes such as the left and upper left pupil positions 171 a, 171 b, 171 d, and 171 e It is clear from the pupil CD map in FIG. 17F that there is a place where the sensitivity to the CD value change is weak, such as the in-pupil position 171c (near the Px axis). Theoretically, when a high NA objective lens is used, there are positive change positions (positive correlation) and negative change positions (negative correlation) in the pupil position of the objective lens. In the meantime, the position in the pupil is weakly sensitive to changes in the CD value. In the present embodiment, the NA (numerical aperture) of the objective lens 7 is NA = 0.9 or a high NA close thereto. Note that light is received at NA = 0.01 to 0.1 at one intra-pupil position divided into M columns × N rows.

CD値変化に対して、階調値(楕円偏光のY方向成分(第2の偏光フィルター16を透過する成分)に対応するもの)は常に線形で変化するというものではない(これは、図5(a)で説明したことから明らかである)。図17(f)の瞳CDマップにおける瞳内位置171a,171eでは、図17(a)および図17(e)に示すように、CD値変化に対して階調値は非線形で変化している。プラス変化位置とマイナス変化位置を得る瞳内の場所の多くは非線形変化を示し、線形変化を示す方が少ない。図17(f)の瞳CDマップにおける瞳内位置171b,171dでは、図17(b)および図17(d)に示すように、CD値変化(横軸)に対して階調値(縦軸)が、ほぼ線形に変化している。   The gradation value (corresponding to the Y-direction component of elliptically polarized light (the component transmitted through the second polarizing filter 16)) does not always change linearly with respect to the CD value change (this is illustrated in FIG. 5). (It is clear from the explanation in (a)). At intra-pupil positions 171a and 171e in the pupil CD map of FIG. 17 (f), as shown in FIGS. 17 (a) and 17 (e), the gradation value changes nonlinearly with respect to the CD value change. . Many of the locations in the pupil that obtain the positive change position and the negative change position show non-linear changes, and fewer show linear changes. In the pupil positions 171b and 171d in the pupil CD map of FIG. 17 (f), as shown in FIGS. 17 (b) and 17 (d), the gradation value (vertical axis) with respect to the CD value change (horizontal axis). ) Changes almost linearly.

図19は、図18のCD基準ウェハ180を本実施形態の表面検査装置1で計測したときの、図17(f)の瞳内位置171bにおける階調値を示したもので、図18と同じウェハ表面上の座標で示している。図19において、階調値の高い部分を濃い色(黒系)に設定し、階調値の低い部分を淡い色(白系)に設定して、階調凡例191として表示した。図19からわかるように、CD基準ウェハ180においてドーズ量を変化させて露光したショット、すなわち線幅の異なるショットを、階調差のあるショットとして明瞭に検出している。   FIG. 19 shows the gradation value at the in-pupil position 171b of FIG. 17F when the CD reference wafer 180 of FIG. 18 is measured by the surface inspection apparatus 1 of this embodiment, and is the same as FIG. The coordinates on the wafer surface are shown. In FIG. 19, a portion with a high gradation value is set to a dark color (black), and a portion with a low gradation value is set to a light color (white), and displayed as a gradation legend 191. As can be seen from FIG. 19, shots that are exposed by changing the dose amount on the CD reference wafer 180, that is, shots having different line widths, are clearly detected as shots having a gradation difference.

図17(b)からわかるように、左上側の瞳内位置171bにおけるCD計測値と階調値は高い相関がある。この瞳内位置171bの階調値をGLBとし、階調値GLBから換算した換算CD値をCDGLBとしたとき、換算CD値CDGLBは次の(6)式で表される。 As can be seen from FIG. 17B, the CD measurement value and the gradation value at the upper left pupil position 171b are highly correlated. When the gradation value of the in-pupil position 171b is GL B and the converted CD value converted from the gradation value GL B is CD GLB , the converted CD value CD GLB is expressed by the following equation (6).

上述したように、CD計測値と階調値の関係は基本的に非線形であるので、(6)式を3次式の多項式とした。図20は、(6)式を用いて得られた換算CD値CDGLBと、CD−SEM等のCD測定機で計測したCD計測値(図20においてCDSと表す)との相関を示したものである。図20における換算CD値CDGLBの誤差は0.01であり、ライン部分のCD値の標準値を1に規格化しているので、0.01の誤差は1%の誤差であることを示す。 As described above, since the relationship between the CD measurement value and the gradation value is basically non-linear, the equation (6) is a cubic polynomial. FIG. 20 shows the correlation between the converted CD value CD GLB obtained using the equation (6) and the CD measurement value (represented as CD S in FIG. 20) measured by a CD measuring machine such as a CD-SEM. Is. Since the error of the converted CD value CD GLB in FIG. 20 is 0.01 and the standard value of the CD value of the line portion is normalized to 1, this indicates that the error of 0.01 is an error of 1%.

図21は、図18のCD基準ウェハ180を本実施形態の表面検査装置1で計測したときの、図17(f)の瞳内位置171cにおける階調値を示したもので、図18と同じウェハ表面上の座標で示している。図21において、階調値の高い部分を濃い色(黒系)に設定し、階調値の低い部分を淡い色(白系)に設定して、階調凡例211として表示した。図21からわかるように、CD基準ウェハ180においてドーズ量を変化させて露光したショット、すなわち線幅の異なるショットを、階調差のあるショットとして検出できていない。すなわち、CD値に対しほとんど感応していない。   FIG. 21 shows the gradation value at the in-pupil position 171c of FIG. 17 (f) when the CD reference wafer 180 of FIG. 18 is measured by the surface inspection apparatus 1 of this embodiment, and is the same as FIG. The coordinates on the wafer surface are shown. In FIG. 21, a portion with a high gradation value is set to a dark color (black), and a portion with a low gradation value is set to a light color (white), and displayed as a gradation legend 211. As can be seen from FIG. 21, shots that are exposed by changing the dose amount on the CD reference wafer 180, that is, shots having different line widths, cannot be detected as shots having gradation differences. That is, it is hardly sensitive to the CD value.

次に、ショット毎にフォーカス条件を変えて露光したフォーカス基準ウェハを用いて、サイド・ウォール・アングルαに代表されるパターン断面状態に対する瞳内位置の傾向を見てみる。   Next, the tendency of the position in the pupil with respect to the pattern cross-sectional state represented by the side wall angle α will be examined using the focus reference wafer exposed by changing the focus condition for each shot.

図22は、フォーカス基準ウェハ220を示している。フォーカス基準ウェハ220の表面に形成された5行8列の計40ショットは、それぞれフォーカス量を変えて線状パターン(ライン・アンド・スペース・パターン)を露光したものである。図22においてそれぞれのショットに示した数字は、フォーカス量の大小を表し、数字「0」はベストフォーカス付近の中央のフォーカス値で露光したショットであり、数字「+1」は1段階プラス側にデフォーカス(わざとフォーカスをずらすこと)させて露光したショットであり、数字「−1」は1段階マイナス側にデフォーカスさせて露光したショットである。例えば、右端の数字「+3」ショット221は、3段階プラス側にデフォーカスさせて露光したショットであるので、パターンのライン部分の断面形状は、最も裾を引いた状態(図4(d)のサイド・ウォール・アングルαが大きい状態)になっているはずである。また同時に、パターン形状も、図14に示すように荒れていることが多い。このように、フォーカス基準ウェハ220は、多種のライン部分の断面形状・パターン状態を含んだウェハである。なお、フォーカス基準ウェハ220は、図18に示したCD基準ウェハ180と同一のショット配列としているが、同一配列である理由は特になく、同一工程(例えば、ゲート線の露光工程や配線の露光工程等)であればよい。   FIG. 22 shows the focus reference wafer 220. A total of 40 shots of 5 rows and 8 columns formed on the surface of the focus reference wafer 220 are obtained by exposing a linear pattern (line and space pattern) while changing the focus amount. The numbers shown in each shot in FIG. 22 represent the amount of focus, the number “0” is a shot exposed at the central focus value near the best focus, and the number “+1” is decremented by one step plus side. It is a shot that is exposed with focus (deliberately defocusing), and the number “−1” is a shot that is defocused to the negative side by one step and exposed. For example, since the number “+3” shot 221 at the right end is a shot that is defocused and exposed to the three-step plus side, the cross-sectional shape of the line portion of the pattern is in the state where the skirt is pulled out the most (see FIG. 4D). The side wall angle α should be large). At the same time, the pattern shape is often rough as shown in FIG. As described above, the focus reference wafer 220 is a wafer including cross-sectional shapes and pattern states of various line portions. The focus reference wafer 220 has the same shot arrangement as the CD reference wafer 180 shown in FIG. 18, but there is no particular reason for the arrangement, and the same process (for example, the gate line exposure process or the wiring exposure process). Etc.).

図23(f)は、瞳フォーカスマップと称するマップである。図16の瞳像160に対応する瞳像を円230として示す。瞳フォーカスマップの横方向と縦方向は、それぞれ瞳座標(Px,Py)に対応し、円230の中心は、瞳座標(Px,Py)=(0,0)に対応する。瞳フォーカスマップは、瞳内の階調を示すものではなく、図16においてM列×N行に分割したそれぞれの瞳内位置において、その瞳内位置での階調値を縦軸に、露光時のフォーカス量を横軸に表した二変量相関図の集合体である。例えば、瞳フォーカスマップの5個の瞳内位置231a,231b,231c,231d,231eにおける二変量相関図をそれぞれ拡大表示したものが、図23(a)、図23(b)、図23(c)、図23(d)、図23(e)である。図23(a)、図23(b)、図23(c)、図23(d)、図23(e)の縦軸はそれぞれ、図16の瞳内位置161a,161b,161c,161d,161eにおける撮像素子18の階調値である。図23(f)に示す瞳フォーカスマップは、露光時にフォーカス量を振ったフォーカス基準ウェハ220を計測することによって得られる。なお、パターン方位角θは、図17(f)の瞳CDマップを得たときと同一の方位角である。   FIG. 23F is a map called a pupil focus map. A pupil image corresponding to the pupil image 160 of FIG. The horizontal direction and vertical direction of the pupil focus map respectively correspond to the pupil coordinates (Px, Py), and the center of the circle 230 corresponds to the pupil coordinates (Px, Py) = (0, 0). The pupil focus map does not indicate the gradation in the pupil. In each pupil position divided into M columns × N rows in FIG. 16, the gradation value at the position in the pupil is plotted on the vertical axis during exposure. Is a collection of bivariate correlation diagrams with the amount of focus on the horizontal axis. For example, enlarged bivariate correlation diagrams at five intra-pupil positions 231a, 231b, 231c, 231d, and 231e of the pupil focus map are shown in FIGS. 23 (a), 23 (b), and 23 (c). ), FIG. 23 (d), and FIG. 23 (e). 23 (a), FIG. 23 (b), FIG. 23 (c), FIG. 23 (d), and FIG. 23 (e) are respectively in-pupil positions 161a, 161b, 161c, 161d, and 161e in FIG. Is the gradation value of the image sensor 18. The pupil focus map shown in FIG. 23F is obtained by measuring the focus reference wafer 220 with the focus amount varied during exposure. The pattern azimuth angle θ is the same azimuth as when the pupil CD map of FIG.

図23(a)〜(e)の横軸のスケールは共通目盛である。一方、図23(a)〜(e)の縦軸は、階調値が瞳内位置によって異なるので、オート・スケール(最小から最大の値範囲で自動的に目盛を振ること)で表示している。そのため、図23(b)および図23(d)では、フォーカス量変化に対する階調値の変化量は小さく、フォーカス量に対しほとんど感応していないと言える。図23(f)の瞳フォーカスマップでは、瞳内位置ごとの二変量相関図はすべてオート・スケールで表示している。フォーカス量変化に対する階調変化の少ない瞳内位置231b,231dでは、図23(b)および図23(d)に示すように、縦軸方向に二変量相関図のプロットが拡大したもの(縦軸方向に幅をもったグラフ)となる。そのような場所は、図23(f)の瞳フォーカスマップから、瞳内の外周部にカテナリー状に分布していることがわかる。カテナリー状分布の内側の瞳内位置231cでは、フォーカス量=0で最大階調値となり、フォーカス量がプラスであってもマイナスであっても、デフォーカスするほど階調値が下がる傾向(フォーカス量変化に対し山型の階調値変化のグラフとなる傾向)となる。一方、カテナリー状分布の外側の瞳内位置231a,231eでは、フォーカス量=0で最小階調値となり、フォーカス量がプラスであってもマイナスであっても、デフォーカスするほど階調値が上がる傾向(フォーカス量変化に対し谷型の階調値変化のグラフとなる傾向)となる。   The scales on the horizontal axis in FIGS. 23A to 23E are a common scale. On the other hand, the vertical axis in FIGS. 23 (a) to 23 (e) is displayed with an auto scale (automatically scales from the minimum to the maximum value range) because the gradation value varies depending on the position in the pupil. Yes. Therefore, in FIG. 23B and FIG. 23D, it can be said that the change amount of the gradation value with respect to the focus amount change is small, and is hardly sensitive to the focus amount. In the pupil focus map of FIG. 23 (f), all the bivariate correlation diagrams for each position in the pupil are displayed in an auto scale. At the intra-pupil positions 231b and 231d where the gradation change with respect to the focus amount change is small, as shown in FIGS. 23B and 23D, the plot of the bivariate correlation diagram is expanded in the vertical axis direction (vertical axis Graph with width in the direction). It can be seen from the pupil focus map in FIG. 23 (f) that such places are distributed in a catenary manner on the outer periphery of the pupil. At the intra-pupil position 231c inside the catenary distribution, the maximum gradation value is obtained when the focus amount = 0, and the gradation value tends to decrease with defocusing regardless of whether the focus amount is positive or negative (focus amount). It tends to be a mountain-shaped change in gradation value graph). On the other hand, at the intra-pupil positions 231a and 231e outside the catenary distribution, the minimum gradation value is obtained when the focus amount = 0, and the gradation value increases with defocusing regardless of whether the focus amount is positive or negative. A tendency (a tendency to become a valley-shaped gradation value change graph with respect to the focus amount change).

図23(f)の瞳フォーカスマップにおける瞳内位置231a,231b,231c,231d,231eと、図17(f)の瞳CDマップにおける瞳内位置171a,171b,171c,171d,171eは、いずれも、図16の瞳像160の瞳内位置161a,161b,161c,161d,161eにおける撮像素子18の階調値である。同じ瞳内位置でありながら、CD基準ウェハに対する感応とフォーカス基準ウェハに対する感応とは、それぞれ図17(f)と図23(f)のように異なる。この傾向を図24にまとめる。図24によれば、図16の瞳像160における瞳内位置161b,161dは、CD基準ウェハ180には感応するが、フォーカス基準ウェハ220には感応しない(ほとんど感応しない)照射条件である。また、瞳内位置161cは、フォーカス基準ウェハ220には感応するが、CD基準ウェハ180には感応しない(ほとんど感応しない)照射条件である。なお、図24中の「+」はCD値が大きくなるときに階調値も大きくなることを表し、図24中の「−」はCD値が大きくなるときに階調値が小さくなることを表す。   In-pupil positions 231a, 231b, 231c, 231d, and 231e in the pupil focus map of FIG. 23 (f) and in-pupil positions 171a, 171b, 171c, 171d, and 171e in the pupil CD map of FIG. 16 is a gradation value of the image sensor 18 at the intra-pupil positions 161a, 161b, 161c, 161d, 161e of the pupil image 160 in FIG. The sensitivity to the CD reference wafer and the sensitivity to the focus reference wafer are different as shown in FIG. 17 (f) and FIG. This tendency is summarized in FIG. According to FIG. 24, the intra-pupil positions 161b and 161d in the pupil image 160 in FIG. 16 are irradiation conditions that are sensitive to the CD reference wafer 180 but not (or hardly sensitive) to the focus reference wafer 220. The intra-pupil position 161c is an irradiation condition that is sensitive to the focus reference wafer 220 but not sensitive to the CD reference wafer 180 (almost insensitive). Note that “+” in FIG. 24 indicates that the gradation value increases when the CD value increases, and “−” in FIG. 24 indicates that the gradation value decreases when the CD value increases. To express.

図25は、図22のフォーカス基準ウェハ220を本実施形態の表面検査装置1で計測したときの、図16の瞳内位置161bにおける階調値を示したもので、図22と同じウェハ表面上の座標で示している。図25において、階調値の高い部分を濃い色(黒系)に設定し、階調値の低い部分を淡い色(白系)に設定して、階調凡例251として表示した。図25からわかるように、フォーカス基準ウェハ220においてフォーカス量を変化させて露光したショットを、階調差のあるショットとして明瞭に検出できていない。すなわち、フォーカス変化に伴うパターンのライン部分の断面形状変化に対しほとんど感応していない。なお、図25は、CD基準ウェハ180の階調値が図19のように計測されたときの瞳内位置161bと同一の照射条件であるので、図25の階調凡例251を図19の階調凡例191と同一とした。そのため、図24にまとめた瞳内位置161bにおける傾向差は容易に見てとれる。   FIG. 25 shows the gradation value at the in-pupil position 161b in FIG. 16 when the focus reference wafer 220 in FIG. 22 is measured by the surface inspection apparatus 1 of the present embodiment. The coordinates are shown. In FIG. 25, a portion having a high gradation value is set to a dark color (black), and a portion having a low gradation value is set to a light color (white), and displayed as a gradation legend 251. As can be seen from FIG. 25, a shot exposed by changing the focus amount on the focus reference wafer 220 cannot be clearly detected as a shot having a gradation difference. That is, it is hardly sensitive to the change in the cross-sectional shape of the line portion of the pattern accompanying the change in focus. 25 is the same irradiation condition as the in-pupil position 161b when the gradation value of the CD reference wafer 180 is measured as shown in FIG. 19, the gradation legend 251 in FIG. The same as the legend 191. Therefore, the tendency difference at the intra-pupil position 161b summarized in FIG. 24 can be easily seen.

図26は、図22のフォーカス基準ウェハ220を本実施形態の表面検査装置1で計測したときの、図16の瞳内位置161cにおける階調値を示したもので、図22と同じウェハ表面上の座標で示している。図25において、階調値の高い部分を濃い色(黒系)に設定し、階調値の低い部分を淡い色(白系)に設定して、階調凡例261として表示した。図25からわかるように、フォーカス基準ウェハ220においてフォーカス量を変化させて露光したショット、すなわち、パターンのライン部分の断面形状が異なり、裾を引いた状態(図4(d)のサイド・ウォール・アングルαが大きい状態)になっているショットを、階調差のあるショットとして明瞭に検出している。なお、図26は、CD基準ウェハ180の階調値が図21のように計測されたときの瞳内位置161cと同一の照射条件であるので、図26の階調凡例261を図21の階調凡例211と同一とした。そのため、図24にまとめた瞳内位置161cにおける傾向差は容易に見てとれる。   FIG. 26 shows the gradation value at the in-pupil position 161c in FIG. 16 when the focus reference wafer 220 in FIG. 22 is measured by the surface inspection apparatus 1 of the present embodiment. The coordinates are shown. In FIG. 25, a portion having a high gradation value is set to a dark color (black), and a portion having a low gradation value is set to a light color (white), and displayed as a gradation legend 261. As can be seen from FIG. 25, the shot exposed by changing the focus amount on the focus reference wafer 220, that is, the cross-sectional shape of the line portion of the pattern is different and the skirt is pulled out (the side wall in FIG. 4D). A shot having a large angle α is clearly detected as a shot having a gradation difference. 26 is the same irradiation condition as the in-pupil position 161c when the gradation value of the CD reference wafer 180 is measured as shown in FIG. 21, the gradation legend 261 in FIG. The same as the legend 211. Therefore, the difference in tendency at the in-pupil position 161c summarized in FIG. 24 can be easily seen.

フォーカス量を変化させたときの物理量の変化を定量化するのは容易ではないが、いくつかの例により、本発明の効果を実際に検証した結果を示す。   Although it is not easy to quantify the change in physical quantity when the focus amount is changed, the result of actually verifying the effect of the present invention will be shown by some examples.

サイド・ウォール・アングルの計測は極めて難しく、CD値計測を目的としたCD−SEMでは不可能である。実際には、フォーカス・イオン・ビーム等で断面を削り取って、断面をSEMでレビューして計測する方法がとられる。これは、破壊測定であり多数点の測定には不向きであるが、この方法により、フォーカス基準ウェハ220のフォーカス量を変化させたショットを選び、数箇所のサイド・ウォール・アングルを測定した。この方法によるサイド・ウォール・アングルの測定値を縦軸(所定角度からの任意目盛として表示し、数字の大きいほど、裾が広がっていることを示す)に、同じ箇所を本実施形態の表面検査装置1で計測したときの瞳内位置161cにおける階調値を横軸にして示したものが、図27である。図27より、瞳内位置161cにおいては、サイド・ウォール・アングルの変化を階調値の変化として相関良く捉えていることがわかる。すなわち、本実施形態によれば、破壊測定により多大なる時間をかけて測定していたサイド・ウォール・アングルを、容易に知ることができる。   Measurement of the side wall angle is extremely difficult, and is impossible with a CD-SEM for CD value measurement. In practice, a method is used in which a cross section is cut off with a focus ion beam or the like, and the cross section is reviewed and measured with an SEM. This is a destructive measurement and unsuitable for measuring many points. By this method, a shot with the focus amount of the focus reference wafer 220 changed was selected, and several side wall angles were measured. The surface inspection of this embodiment is performed on the same location on the vertical axis (displayed as an arbitrary scale from a predetermined angle, indicating that the hem is wider as the number is larger). FIG. 27 shows the gradation value at the in-pupil position 161c as measured by the apparatus 1 on the horizontal axis. From FIG. 27, it can be seen that the change in the side wall angle is captured as the change in the gradation value with good correlation at the in-pupil position 161c. That is, according to the present embodiment, it is possible to easily know the sidewall angle that has been measured over a long period of time due to the fracture measurement.

デフォーカスして露光したときには、サイド・ウォール・アングルが大きくなるのと同時に、パターン形状も図14のように荒れていることが多い。フォーカス基準ウェハ220を対象として、SEM等の電子顕微鏡で得られたデータからパターンの荒れ具合を数値化した荒れ程度を、図28の縦軸に示している。なお、荒れ程度は、上方から観察したライン部分の微小点ごとの、ライン部分を直線としたときの偏差を数値化したもので、数字が大きいほど、パターンの直線性が乱れ、荒れているとみなす。一方、荒れ程度を測定した箇所を本実施形態の表面検査装置1で計測したときの瞳内位置161cにおける階調値を、図28の横軸に示している。図28において、異なるマーカ(例えば、・,×,+,Y,□,Zなど)は、図22に示す異なるフォーカス量を表す。図28の中に示した横向きのヒストグラム280は瞳内位置161cにおける階調値の分布を示し、縦向きのヒストグラム281は荒れ程度の分布を示す。フォーカス量を段階的に変化させて露光したフォーカス基準ウェハ220では、フォーカス量=0から段階的に荒れ程度も変化するはずであるが、荒れ程度の分布を示すヒストグラム281では、段階的変化は示していない。一方、階調値の分布を示すヒストグラム280では、階調値が、第1の分布280a、第2の分布280b、第3の分布280c、および第4の分布280dのように段階的分布を示している。すなわち、本実施形態によれば、パターンの荒れ具合の差をこれまで以上に高い弁別能力によって検出することができる。   When defocused and exposed, the side wall angle becomes large and the pattern shape is often rough as shown in FIG. The vertical axis of FIG. 28 shows the degree of roughness obtained by digitizing the degree of pattern roughness from data obtained by an electron microscope such as SEM for the focus reference wafer 220. The degree of roughness is a numerical value of the deviation when the line part is a straight line for each minute point of the line part observed from above, and the larger the number, the more the pattern linearity is more disturbed and rougher I reckon. On the other hand, the horizontal axis of FIG. 28 shows the gradation value at the in-pupil position 161c when the surface roughness measuring apparatus 1 measures the roughness level. In FIG. 28, different markers (for example,..., X, +, Y, □, Z, etc.) represent different focus amounts shown in FIG. The horizontal histogram 280 shown in FIG. 28 shows the distribution of gradation values at the in-pupil position 161c, and the vertical histogram 281 shows a rough distribution. In the focus reference wafer 220 exposed by changing the focus amount stepwise, the degree of roughness should change stepwise from the focus amount = 0. However, the histogram 281 showing the distribution of the degree of roughness shows stepwise change. Not. On the other hand, in the histogram 280 showing the distribution of gradation values, the gradation values show a stepwise distribution such as the first distribution 280a, the second distribution 280b, the third distribution 280c, and the fourth distribution 280d. ing. That is, according to the present embodiment, it is possible to detect the difference in the degree of roughness of the pattern with a higher discrimination ability than ever before.

露光時にデフォーカスエラーが発生した場合は、「膜べり」と言われる現象も誘発する。膜べりとは、フォトレジスト厚が減ることである。既述したように、構造性複屈折では、パターン高さが偏光状態を決定する式に含まれるので、高さの変動は無視することができない。フォーカス基準ウェハ220のデフォーカスショットでは、裾だれ、荒れ、膜べり等が複合的に含まれているので、図27に示す関係からサイド・ウォール・アングルを計算する場合、計算精度には限界がある。本実施形態の効果を最大限に発揮するのは、既存の物理量(サイド・ウォール・アングルや、LER・LWR等に代表される荒れ具合といったもの)との関係式を得ることではなく、デフォーカス時に発生するトータルな物理量変化を、瞳内位置161cの階調値変化として検出し、その変化量を露光装置のフォーカス量と対応させることである。これにより、露光時のフォーカスエラーを早期に発見することができる。   When a defocus error occurs during exposure, a phenomenon called “film slippage” is also induced. Film slip is a reduction in photoresist thickness. As described above, in the structural birefringence, since the pattern height is included in the equation for determining the polarization state, the variation in height cannot be ignored. Since the defocus shot of the focus reference wafer 220 includes a combination of tail, roughness, film slip, etc., when calculating the side wall angle from the relationship shown in FIG. 27, the calculation accuracy is limited. is there. The effect of the present embodiment is maximized not by obtaining a relational expression with an existing physical quantity (such as a side wall, an angle, or a rough condition represented by LER, LWR, etc.), but by defocusing. A total physical quantity change that sometimes occurs is detected as a gradation value change at the in-pupil position 161c, and the change quantity is made to correspond to the focus amount of the exposure apparatus. Thereby, the focus error at the time of exposure can be discovered at an early stage.

なお、図24にまとめた結果と、図19、図21、図25、および図26に示した結果は、最適な照射条件での結果である。最適な照射条件とは、その瞳内位置では、パターンの線幅とパターンの断面状態の2つの変数のうち、一方には感度良く感応し、他方には感応しない照射条件のことである。すなわち、特定の波長λとパターン方位角θによって、瞳内位置161bのように断面状態の影響を受けずに線幅を計測できる瞳内位置が存在し、かつ、瞳内位置161cのように線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできる瞳内位置が存在することである。換言すれば、波長λとパターン方位角θを変えると、最適な照射条件が瞳内位置の存在しなくなるか、あるいは、瞳内位置にごく限られた領域にしか存在しなくなる。   The results summarized in FIG. 24 and the results shown in FIG. 19, FIG. 21, FIG. 25, and FIG. 26 are results under optimum irradiation conditions. The optimum irradiation condition is an irradiation condition that is sensitive to one of the two variables of the line width of the pattern and the cross-sectional state of the pattern and not sensitive to the other at the position in the pupil. That is, there exists an in-pupil position where the line width can be measured without being affected by the cross-sectional state by the specific wavelength λ and the pattern azimuth angle θ, as in the in-pupil position 161b, and a line in the in-pupil position 161c. There is an in-pupil position where the cross-sectional state can be known without being affected by the width. In other words, when the wavelength λ and the pattern azimuth angle θ are changed, the optimal irradiation condition does not exist in the position in the pupil, or exists only in a region limited to the position in the pupil.

図29(a)は、波長λ2(例えば、600〜700nm程度)の光をCD基準ウェハ180に照射したときの瞳CDマップを示す。図29(b)は、波長λ2の光をフォーカス基準ウェハ220に照射したときの瞳フォーカスマップを示す。なお、図17(f)の瞳CDマップと図23(f)の瞳フォーカスマップを得たときの波長(すなわち、最適な照射条件での波長)を波長λ1としたとき、波長λ1は波長λ2とは異なる波長(例えば、400〜500nm程度)である。パターン方位角θは、図17(f)、図23(f)、図29(a)、および図29(b)において、全て同一条件でパターン方位角θ1である。   FIG. 29A shows a pupil CD map when the CD reference wafer 180 is irradiated with light having a wavelength λ2 (for example, about 600 to 700 nm). FIG. 29B shows a pupil focus map when the focus reference wafer 220 is irradiated with light of wavelength λ2. When the wavelength when obtaining the pupil CD map of FIG. 17 (f) and the pupil focus map of FIG. 23 (f) (that is, the wavelength under the optimal irradiation condition) is the wavelength λ1, the wavelength λ1 is the wavelength λ2. Is a different wavelength (for example, about 400 to 500 nm). The pattern azimuth angle θ is the pattern azimuth angle θ1 under the same conditions in FIGS. 17 (f), 23 (f), 29 (a), and 29 (b).

図29(a)および図29(b)に示した瞳内位置290a,290b,290c,290d,290e,290fにおける、CD基準ウェハ180およびフォーカス基準ウェハ220に対する感応を、相関誤差を含めてまとめたのが、図30である。断面状態の影響を受けずに線幅を計測できる瞳内位置や、線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできる瞳内位置は、いずれも、かなり狭い範囲となる。瞳内位置290eが断面状態の影響を受けずに線幅を計測できる瞳内位置となり、瞳内位置290dが線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできる瞳内位置となりうる。瞳内位置290bは、断面状態の感応力がないだけはなく、線幅に対する感応力も弱く、いわゆる不感帯位置である。なお、図29(a)では、瞳内位置290aのように、外乱の下地やパターン断面状態等の線幅以外の条件や、サイド・ウォール・アングル以外の条件の影響を受けることにより、線幅に対する感応はあっても、誤差の大きい位置が瞳内にはある。   Sensitivity to the CD reference wafer 180 and the focus reference wafer 220 at the intra-pupil positions 290a, 290b, 290c, 290d, 290e, and 290f shown in FIGS. 29A and 29B is summarized including correlation errors. This is shown in FIG. The position in the pupil where the line width can be measured without being affected by the cross-sectional state and the position within the pupil where the cross-sectional state can be known without being affected by the line width are both in a considerably narrow range. The intra-pupil position 290e can be an intra-pupil position where the line width can be measured without being affected by the cross-sectional state, and the intra-pupil position 290d can be an intra-pupil position where the cross-sectional state can be known without being affected by the line width. The intra-pupil position 290b is a so-called dead zone position that not only has no cross-sectional stress, but also has a weak stress with respect to the line width. In FIG. 29 (a), the line width is affected by conditions other than the line width, such as the background of the disturbance and the pattern cross-sectional state, and conditions other than the side wall angle, such as the in-pupil position 290a. Although there is sensitivity to, there is a position with a large error in the pupil.

このように、波長によって、断面状態の影響を受けずに線幅を計測できるような良好な瞳内位置がなくなったり、狭くなったり、また、線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできるような良好な瞳内位置がなくなったり、狭くなったりすることがあるので、波長の選択は重要である。なぜなら、波長は、構造性複屈折による偏光状態変化を決定する式に含まれるからである。すなわち、波長を含めて前記最適照射条件は決定されるべきである。   In this way, depending on the wavelength, the position in the pupil that can measure the line width without being affected by the cross-sectional state is lost or narrowed, and the cross-sectional state is known without being affected by the line width. The selection of the wavelength is important because there may be a loss of the position within the pupil that can be reduced. This is because the wavelength is included in the equation for determining the polarization state change due to structural birefringence. That is, the optimum irradiation conditions including the wavelength should be determined.

図31(a)は、波長λ1の光をパターン方位角θ2(例えば、20度程度)でCD基準ウェハ180に照射したときの瞳CDマップを示す。図31(b)は、波長λ1の光をパターン方位角θ2でフォーカス基準ウェハ220に照射したときの瞳フォーカスマップを示す。なお、図17(f)の瞳CDマップと図23(f)の瞳フォーカスマップを得たときのパターン方位角θ1(すなわち、最適な照射条件でのパターン方位角)は、パターン方位角θ2とは異なるパターン方位角(例えば、45度程度)である。波長λ1は、図17(f)、図23(f)、図29(a)、および図29(b)において、全て同一条件である。   FIG. 31A shows a pupil CD map when the CD reference wafer 180 is irradiated with light having a wavelength λ1 at a pattern azimuth angle θ2 (for example, about 20 degrees). FIG. 31B shows a pupil focus map when the focus reference wafer 220 is irradiated with light having the wavelength λ1 at the pattern azimuth angle θ2. The pattern azimuth angle θ1 (that is, the pattern azimuth angle under optimum irradiation conditions) when the pupil CD map of FIG. 17F and the pupil focus map of FIG. 23F are obtained is the pattern azimuth angle θ2. Are different pattern azimuth angles (for example, about 45 degrees). The wavelength λ1 is under the same conditions in FIGS. 17 (f), 23 (f), 29 (a), and 29 (b).

比較のため、波長λ1の光をパターン方位角θ1で照射したときの瞳CDマップおよび瞳フォーカスマップをそれぞれ、図31(c)と図31(d)に示す。図31(c)および図31(d)は、図17(f)および図23(f)の瞳内同一領域をそれぞれ切り出して示したものである。なお、図31(c)の瞳内位置171bと図31(d)の瞳内位置231bは、図31(a)および図31(b)の瞳内位置310bと同一瞳座標である。また、図31(c)の瞳内位置171cと図31(d)の瞳内位置231cは、図31(a)および図31(b)の瞳内位置310cと同一瞳座標である。パターン方位角θ2の図31(a)とパターン方位角θ1の図31(c)とを比較すると、瞳CDマップでは、パターン方位角が変わっても、線幅に感応しない瞳内位置はほぼ同一場所であることがわかる。   For comparison, FIGS. 31 (c) and 31 (d) show a pupil CD map and a pupil focus map, respectively, when light of wavelength λ1 is irradiated at the pattern azimuth angle θ1. FIGS. 31 (c) and 31 (d) show the same region in the pupil of FIGS. 17 (f) and 23 (f) cut out. The intra-pupil position 171b in FIG. 31 (c) and the intra-pupil position 231b in FIG. 31 (d) have the same pupil coordinates as the intra-pupil position 310b in FIGS. 31 (a) and 31 (b). Further, the intra-pupil position 171c in FIG. 31 (c) and the intra-pupil position 231c in FIG. 31 (d) have the same pupil coordinates as the intra-pupil position 310c in FIGS. 31 (a) and 31 (b). Comparing FIG. 31 (a) with the pattern azimuth angle θ2 and FIG. 31 (c) with the pattern azimuth angle θ1, in the pupil CD map, even if the pattern azimuth angle changes, the positions in the pupil that are insensitive to the line width are almost the same. You can see that it is a place.

一方、パターン方位角θ2の図31(b)とパターン方位角θ1の図31(d)とを比較すると、瞳フォーカスマップでは、パターン方位角が変わると、フォーカスに感応しない瞳内位置は変化することがわかる。図31(b)においてフォーカスに感応しない瞳内位置を線311,312で示し、図31(d)においてフォーカスに感応しない瞳内位置を線313,314で示す。そうすると、フォーカスに感応しない瞳内位置の変化がわかりやすくなり、パターン方位角θ2の図31(b)の方が、パターン方位角θ1の図31(d)よりも、フォーカスに感応しない領域が瞳の外側に移動していることがわかる(すなわち、図31(b)の線311,312が図31(d)の線313,314よりも瞳の外側に移動している)。その結果、パターン方位角θ2の図31(b)で明らかなように、瞳内位置310bは、もはやフォーカスに感応しない照射条件ではなくなる。この場合には、最適照射条件とするために、瞳内位置310bをずらせば最適となる場合があるが、瞳CDマップでのCDとの誤差等から最適かどうかを判断する必要がある。   On the other hand, comparing FIG. 31 (b) with the pattern azimuth angle θ2 and FIG. 31 (d) with the pattern azimuth angle θ1, in the pupil focus map, the position in the pupil that is not sensitive to focus changes when the pattern azimuth angle changes. I understand that. In FIG. 31 (b), the positions in the pupil not sensitive to the focus are indicated by lines 311 and 312, and in FIG. 31 (d), the positions in the pupil not sensitive to the focus are indicated by lines 313 and 314. Then, the change in the position in the pupil that does not respond to the focus becomes easier to understand, and the region that is not sensitive to the focus in FIG. 31 (b) with the pattern azimuth angle θ2 than the FIG. 31 (d) with the pattern azimuth angle θ1. (That is, the lines 311 and 312 in FIG. 31B are moved outside the pupil from the lines 313 and 314 in FIG. 31D). As a result, as is apparent from FIG. 31B of the pattern azimuth angle θ2, the in-pupil position 310b is no longer an irradiation condition that is not sensitive to the focus. In this case, in order to obtain the optimum irradiation condition, it may be optimum if the intra-pupil position 310b is shifted, but it is necessary to determine whether or not it is optimum from an error from the CD in the pupil CD map.

このように、パターン方位角によって、断面状態の影響を受けずに線幅を計測できるような良好な瞳内位置が移動したりすることがあるので、パターン方位角の選択は重要である。これらのことから、波長のみならず、パターン方位角を含めて前記最適照射条件は決定されるべきである。以上のように、パターン方位角、波長、瞳内位置を最適選択することにより、高精度でのCD計測と同時に、パターン状態検査を行うことができる。   As described above, since a good position in the pupil where the line width can be measured without being influenced by the cross-sectional state may move depending on the pattern azimuth, selection of the pattern azimuth is important. From these facts, the optimum irradiation condition should be determined including not only the wavelength but also the pattern azimuth angle. As described above, by optimally selecting the pattern azimuth angle, wavelength, and position in the pupil, pattern state inspection can be performed simultaneously with CD measurement with high accuracy.

ここで、本実施形態による表面検査方法の一例について、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、CD基準ウェハ180を用いて、前述した方法で図17(f)に示す瞳CDマップを求める(ステップS101)。また、フォーカス基準ウェハ220を用いて、前述した方法で図23(f)に示す瞳フォーカスマップを求める(ステップS102)。   Here, an example of the surface inspection method according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, using the CD reference wafer 180, the pupil CD map shown in FIG. 17F is obtained by the above-described method (step S101). Further, using the focus reference wafer 220, the pupil focus map shown in FIG. 23F is obtained by the method described above (step S102).

図17(f)の瞳CDマップおよび図23(f)の瞳フォーカスマップを求めると、これらを用いて、例えば、図16の瞳像160に対して設定した複数の瞳内位置の中から、CD基準ウェハ180には感応するが、フォーカス基準ウェハ220には感応しない瞳内位置161b(第1特定位置)を特定するとともに、フォーカス基準ウェハ220には感応するが、CD基準ウェハ180には感応しない瞳内位置161c(第2特定位置)を特定する(ステップS103)。なおこのとき、他の適切な照射条件(波長λ1やパターン方位角θ1)も決定される。なお、CD基準ウェハ180には感応するが、フォーカス基準ウェハ220には感応しない瞳内位置は、上述の瞳内位置161bのように、図16の瞳像160において左上から右下へ45度方向に延びる直線上に並ぶ瞳内位置、すなわち、Px軸方向である直線偏光(入射光I)の偏光方向に対して直線偏光の照射方向が(図16における反時計回りに)45度近傍に傾いた照射条件に対応する瞳内位置であることが好ましい。この瞳内位置は、繰り返しパターン30の下地の影響を受けない位置であるため、瞳内位置での階調値からCD値を精度よく求めることができる。   When the pupil CD map of FIG. 17 (f) and the pupil focus map of FIG. 23 (f) are obtained, for example, from among a plurality of intra-pupil positions set for the pupil image 160 of FIG. A position 161b (first specific position) in the pupil that is sensitive to the CD reference wafer 180 but not to the focus reference wafer 220 is specified and sensitive to the focus reference wafer 220, but sensitive to the CD reference wafer 180. The in-pupil position 161c (second specific position) not to be specified is specified (step S103). At this time, other appropriate irradiation conditions (wavelength λ1 and pattern azimuth angle θ1) are also determined. Note that the position in the pupil that is sensitive to the CD reference wafer 180 but not sensitive to the focus reference wafer 220 is 45 degrees from the upper left to the lower right in the pupil image 160 in FIG. 16, as in the above-described pupil position 161b. The irradiation direction of the linearly polarized light is tilted in the vicinity of 45 degrees (counterclockwise in FIG. 16) with respect to the position in the pupil lined up on the straight line extending to The position in the pupil corresponding to the irradiation condition is preferable. Since this intra-pupil position is a position that is not affected by the background of the repetitive pattern 30, the CD value can be accurately obtained from the gradation value at the intra-pupil position.

このようにして照射条件を求めると、当該照射条件により、表面検査装置1を用いてウェハ5の表面検査を精度よく行うことができる。そこで、求めた照射条件により、照明光学系10を用いてウェハ5の表面に直線偏光を照射する(ステップS104)。このとき、図2に示すように、光源11から放出された光は、集光レンズ12、波長選択フィルター13、および第1の偏光フィルター14を透過したのち、プリズム8で下方へ反射して平行な入射光I(直線偏光)となり、対物レンズ7を通してウェハ5に照射される。   When the irradiation conditions are obtained in this way, the surface inspection of the wafer 5 can be accurately performed using the surface inspection apparatus 1 under the irradiation conditions. Therefore, the surface of the wafer 5 is irradiated with linearly polarized light using the illumination optical system 10 under the obtained irradiation conditions (step S104). At this time, as shown in FIG. 2, the light emitted from the light source 11 passes through the condenser lens 12, the wavelength selection filter 13, and the first polarizing filter 14, and then is reflected downward by the prism 8 to be parallel. Incident light I (linearly polarized light) is applied to the wafer 5 through the objective lens 7.

ウェハ5からの反射光は、対物レンズ7で受光される(ステップS105)。このとき、ウェハ5からの反射光は、対物レンズ7を通して平行な反射光Jとなり、プリズム8、第2の偏光フィルター16、およびリレーレンズ17を透過して、撮像素子18に入射する。そこで、対物レンズ7の瞳面(不図示)と共役な位置に設けられた撮像素子18を用いて、入射光I(直線偏光)の偏光方向と垂直な偏光成分を検出する(ステップS106)。このとき、撮像素子18に入射した反射光は撮像素子18により電気信号に光電変換され、第2の偏光フィルター16を透過した反射光の検出信号が演算処理部20に出力される。   The reflected light from the wafer 5 is received by the objective lens 7 (step S105). At this time, the reflected light from the wafer 5 becomes parallel reflected light J through the objective lens 7, passes through the prism 8, the second polarizing filter 16, and the relay lens 17 and enters the image sensor 18. Therefore, a polarization component perpendicular to the polarization direction of the incident light I (linearly polarized light) is detected using the image sensor 18 provided at a position conjugate with the pupil plane (not shown) of the objective lens 7 (step S106). At this time, the reflected light incident on the image sensor 18 is photoelectrically converted into an electric signal by the image sensor 18, and a detection signal of the reflected light transmitted through the second polarizing filter 16 is output to the arithmetic processing unit 20.

そして、演算処理部20は、撮像素子18から入力された検出信号に基づいて、繰り返しパターン30のライン部分31のCD値および露光時のフォーカス量を求める(ステップS107)。このとき、演算処理部20は、図17(f)の瞳CDマップおよび図23(f)の瞳フォーカスマップを用いて、ステップS103で特定した瞳内位置161b(第1特定位置)での階調値からCD値を求めるとともに、瞳内位置161c(第2特定位置)での階調値からフォーカス量を求める。なお、求めたCD値が所定の閾値から外れた場合、ドーズ量異常と判定してその旨を画像表示装置(図示せず)等に表示することができる。また、求めたフォーカス量が所定の閾値から外れた場合、フォーカス異常と判定してその旨を画像表示装置等に表示することができる。   Then, the arithmetic processing unit 20 obtains the CD value of the line portion 31 of the repetitive pattern 30 and the focus amount at the time of exposure based on the detection signal input from the image sensor 18 (step S107). At this time, the arithmetic processing unit 20 uses the pupil CD map of FIG. 17 (f) and the pupil focus map of FIG. 23 (f) to calculate the floor at the in-pupil position 161b (first specific position) specified in step S103. The CD value is obtained from the tone value, and the focus amount is obtained from the gradation value at the in-pupil position 161c (second specific position). When the obtained CD value deviates from a predetermined threshold value, it can be determined that the dose amount is abnormal and can be displayed on an image display device (not shown) or the like. Further, when the obtained focus amount deviates from a predetermined threshold value, it can be determined that the focus is abnormal and can be displayed on the image display device or the like.

以上のようにして、本実施形態によれば、ウェハ5のCD値(線幅)を精度良く計測できるだけではなく、CD計測と同時にパターンの断面状態変化を検出可能である。そのため、露光後のウェハ5に適用すれば、露光工程で発生するフォーカス異常とドーズ量異常を区別して検出することができるので、露光装置の問題を解決し、不良ウェハをリワーク工程に回して再生することができる。従来はエッチング後に多大な時間をかけて検査していたフォーカス異常をフォトレジスト段階で検査することができれば、問題の早期発見・解決に絶大な効果があり、チップあたりの製造単価が高くなりつつある最先端半導体デバイスに対しては、チップあたりの製造単価を低減させることも期待できる。   As described above, according to the present embodiment, not only can the CD value (line width) of the wafer 5 be accurately measured, but also the change in the cross-sectional state of the pattern can be detected simultaneously with the CD measurement. Therefore, if applied to the wafer 5 after exposure, it is possible to distinguish and detect the focus abnormality and the dose amount abnormality that occur in the exposure process, so that the problem of the exposure apparatus is solved, and the defective wafer is transferred to the rework process and regenerated. can do. If focus abnormalities, which were previously inspected for a long time after etching, can be inspected at the photoresist stage, it will have a tremendous effect on the early detection and resolution of problems, and the unit cost per chip is increasing. For cutting-edge semiconductor devices, it can also be expected to reduce the manufacturing cost per chip.

なお、上述の実施形態においては、NAの高い対物レンズ7を用いて照明光を照射・反射光を受光し、対物レンズ7の瞳面内の位置を選択受光することにより、特定の照射条件を選んでいるが、その特定の照射条件は、既述したようにNA=0.01〜0.1程度と小さい。そのため、特定の照射条件を決定した後、NAの高い対物レンズを用いずに、特定の照射条件に設定したNAの低い光学系を用いて照射・受光するようにしてもよい。例えば、図32に示すように、断面状態の影響を受けずに線幅を計測できるような、入射角i1、入射面方位角ω1、パターン方位角θ1で決定されるとともに、偏光角φ1に代表される入射光の偏光方向、波長λ1で決定される第1の照射条件を構成する第1の光学系321と、線幅の影響を受けずに断面状態を知ることのできるような、入射角i2、入射面方位角ω2、パターン方位角θ2で決定されるとともに、偏光角φ2に代表される入射光の偏光方向、波長λ2で決定される第2の照射条件を構成する第2の光学系322とを有するものであってもよい。したがって、同一対物レンズの同一瞳を使う構成に限られるものではない。   In the above-described embodiment, illumination light and reflected light are received using the objective lens 7 having a high NA, and a specific irradiation condition is set by selectively receiving the position of the objective lens 7 in the pupil plane. Although selected, the specific irradiation condition is as small as about NA = 0.01 to 0.1 as described above. For this reason, after determining a specific irradiation condition, it is possible to irradiate and receive light using an optical system with a low NA set to the specific irradiation condition without using an objective lens with a high NA. For example, as shown in FIG. 32, it is determined by the incident angle i1, the incident plane azimuth angle ω1, and the pattern azimuth angle θ1 so that the line width can be measured without being affected by the cross-sectional state, and is represented by the polarization angle φ1. The incident angle at which the first optical system 321 constituting the first irradiation condition determined by the polarization direction of the incident light and the wavelength λ1 and the sectional state can be known without being affected by the line width The second optical system that is determined by i2, the incident surface azimuth angle ω2, and the pattern azimuth angle θ2, and that constitutes the second irradiation condition determined by the polarization direction of the incident light typified by the polarization angle φ2 and the wavelength λ2. 322 may be included. Therefore, the present invention is not limited to the configuration using the same pupil of the same objective lens.

また、上述の実施形態において、最適照射条件を決定するために用いたCD基準ウェハ180およびフォーカス基準ウェハ220は別のウェハである必要はなく、CD基準ウェハ180の構成とフォーカス基準ウェハ220の構成とを併せ持った構成の1枚のウェハとしてもよい。   Further, in the above-described embodiment, the CD reference wafer 180 and the focus reference wafer 220 used for determining the optimum irradiation condition do not need to be separate wafers. The configuration of the CD reference wafer 180 and the configuration of the focus reference wafer 220 are the same. It is good also as one wafer of the composition which also had.

1 表面検査装置
5 ウェハ(基板) 7 対物レンズ(受光光学系)
10 照明光学系(照射部) 15 検出光学系(検出部)
20 演算処理部(演算部)
30 繰り返しパターン(線状パターン)
161b 瞳内位置(第1の特定位置)
161c 瞳内位置(第2の特定位置)
180 CD基準ウェハ(第1の基準基板)
220 フォーカス基準ウェハ(第2の基準基板)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Surface inspection apparatus 5 Wafer (substrate) 7 Objective lens (light-receiving optical system)
10 Illumination optical system (irradiation unit) 15 Detection optical system (detection unit)
20 Arithmetic processing part (calculation part)
30 Repeat pattern (linear pattern)
161b In-pupil position (first specific position)
161c In-pupil position (second specific position)
180 CD reference wafer (first reference substrate)
220 Focus reference wafer (second reference substrate)

Claims (7)

所定の繰り返しパターンを有する基板の表面に直線偏光を照射する照射ステップと、
前記直線偏光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光光学系により受光する受光ステップと、
前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光ステップで受光した前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出ステップと、
前記検出ステップで検出した前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算ステップとを有し、
前記演算ステップにおいて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第1特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第1特定位置とは異なる第2特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることを特徴とする表面検査方法。
An irradiation step of irradiating the surface of the substrate having a predetermined repeating pattern with linearly polarized light;
A light receiving step of receiving reflected light from the surface of the substrate irradiated with the linearly polarized light by a light receiving optical system;
A detection step for detecting a polarization component substantially perpendicular to a polarization direction of the linearly polarized light in the reflected light received in the light receiving step on a pupil plane of the light receiving optical system or a plane conjugate with the pupil plane;
From the information of the polarization component detected in the detection step, a calculation step for obtaining at least one of a line width of the repetitive pattern and a focus state at the time of exposure of the repetitive pattern,
In the calculating step, the line width is obtained from information on the polarization component at a first specific position having a high correlation with the line width on the pupil plane or a plane conjugate with the pupil plane, and the pupil plane or the pupil A surface inspection method, wherein the focus state is obtained from information on the polarization component at a second specific position different from the first specific position having a high correlation with the focus state on a plane conjugate with a surface.
前記線幅が既知である第1の基準基板を用いて、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面内に設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関をそれぞれ求める線幅相関算出ステップと、
前記フォーカス状態が既知である第2の基準基板を用いて、前記設定した複数の瞳内位置における、前記偏光成分の情報と前記フォーカス状態との相関をそれぞれ求めるフォーカス相関算出ステップと、
前記複数の瞳内位置のうち、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が高くて前記フォーカス状態との相関が低い瞳内位置を前記第1特定位置として特定するとともに、前記偏光成分の情報と前記線幅との相関が低くて前記フォーカス状態との相関が高い瞳内位置を前記第2特定位置として特定する特定ステップとを有し、
前記演算ステップにおいて、前記特定ステップで特定した前記第1特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記特定ステップで特定した前記第2特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることを特徴とする請求項1に記載の表面検査方法。
Correlation between information on the polarization component and the line width at a plurality of intra-pupil positions set in the pupil plane or a plane conjugate with the pupil plane using the first reference substrate having a known line width Line width correlation calculating step
A focus correlation calculating step for obtaining a correlation between the information of the polarization component and the focus state at the plurality of set positions in the pupil, using a second reference substrate whose focus state is known;
Among the plurality of intra-pupil positions, the intra-pupil position having a high correlation between the polarization component information and the line width and a low correlation with the focus state is specified as the first specific position, and the polarization component A specifying step of specifying, as the second specific position, a position in the pupil having a low correlation between information and the line width and a high correlation with the focus state;
In the calculation step, the line width is obtained from the information on the polarization component at the first specific position specified in the specification step, and from the information on the polarization component at the second specific position specified in the specification step. The surface inspection method according to claim 1, wherein the focus state is obtained.
前記線幅相関算出ステップおよび前記フォーカス相関算出ステップの少なくとも一方において、前記瞳面もしくは瞳面と共役な面内全体を複数の区画に分割して前記複数の瞳内位置を設定し、前記区画毎にそれぞれ前記相関を求めることを特徴とする請求項1または2に記載の表面検査方法。   In at least one of the line width correlation calculation step and the focus correlation calculation step, the pupil plane or the entire plane conjugate with the pupil plane is divided into a plurality of sections, and the plurality of pupil positions are set. The surface inspection method according to claim 1, wherein the correlation is obtained respectively. 前記特定ステップにおける前記第1特定位置および前記第2特定位置の少なくとも一方は、線形性を有する相関を示す瞳内位置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表面検査方法。   4. The at least one of the first specific position and the second specific position in the specifying step is an intra-pupil position showing a correlation having linearity. 5. Surface inspection method. 前記特定ステップにおける前記第1特定位置は、前記直線偏光の照射方向が前記直線偏光の偏光方向に対して45度近傍に傾いた照射条件に対応する瞳内位置であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の表面検査方法。   The first specific position in the specifying step is a position in a pupil corresponding to an irradiation condition in which an irradiation direction of the linearly polarized light is inclined close to 45 degrees with respect to a polarization direction of the linearly polarized light. The surface inspection method according to any one of 1 to 4. 所定の繰り返しパターンを有する基板の表面に直線偏光を照射する照射部と、
前記直線偏光が照射された前記基板の表面からの反射光を受光する受光光学系と、
前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記受光光学系に受光された前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出部と、
前記検出部に検出された前記偏光成分の情報から、前記繰り返しパターンの線幅と、前記繰り返しパターンの露光の際のフォーカス状態との少なくとも一方を求める演算部とを備え、
前記演算部は、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記線幅との相関が高い第1特定位置での前記偏光成分の情報から前記線幅を求めるとともに、前記瞳面もしくは前記瞳面と共役な面において前記フォーカス状態との相関が高い前記第1特定位置とは異なる第2特定位置での前記偏光成分の情報から前記フォーカス状態を求めることを特徴とする表面検査装置。
An irradiation unit for irradiating the surface of the substrate having a predetermined repeating pattern with linearly polarized light;
A light receiving optical system that receives reflected light from the surface of the substrate irradiated with the linearly polarized light;
A detection unit that detects a polarization component substantially perpendicular to a polarization direction of the linearly polarized light in the reflected light received by the light receiving optical system in a pupil plane of the light receiving optical system or a plane conjugate with the pupil plane;
From the information on the polarization component detected by the detection unit, a calculation unit for obtaining at least one of a line width of the repetitive pattern and a focus state at the time of exposure of the repetitive pattern,
The calculation unit obtains the line width from information on the polarization component at a first specific position having a high correlation with the line width on the pupil plane or a plane conjugate with the pupil plane, and the pupil plane or the pupil. A surface inspection apparatus, wherein the focus state is obtained from information on the polarization component at a second specific position different from the first specific position having a high correlation with the focus state on a plane conjugate with a surface.
前記受光光学系の瞳面もしくは瞳面と共役な面に配設された撮像素子を備えることを特徴とする請求項6に記載の表面検査装置。   The surface inspection apparatus according to claim 6, further comprising an imaging device disposed on a pupil plane of the light receiving optical system or a plane conjugate with the pupil plane.
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