JP4552202B2

JP4552202B2 - 表面検査装置

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Publication number: JP4552202B2
Application number: JP2006157899A
Authority: JP
Inventors: 義彦藤森; 裕和石井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2026-06-06
Also published as: JP2007327796A

Description

本発明は、半導体ウェハや液晶基板等の表面を検査する表面検査装置に関する。

半導体の微細化が進むにつれて、露光装置のＮＡ（開口数）が高くなり、これに伴ってフォーカスやドーズ等の露光条件を厳しく管理する必要が増大している。従来においては、露光後のレジストパターンにおけるフォーカスエラー、ドーズエラー、または膜厚エラーによる欠陥をパターンエッジラフネス検査技術で検査している（例えば、特許文献１を参照）。
国際公開第０５／０４０７７６号パンフレット

しかしながら、上述の検査技術で検査を行うと、照明系の直線偏光軸と撮像系の直線偏光軸が直交したクロスニコルの状態で撮像するため、撮像素子に検出される光量（光量変化）が少なく、高感度撮像素子を用いたり長時間画像取得を行ったりする必要があった。このため高感度撮像素子を用いる場合には装置価格が増大し、長時間画像取得を行う場合にはスループットが低下するという問題があった。また、少ない検出光量においてさらに微弱な変化量を求めるため非常にダイナミックレンジの高い撮像光学系を用いる場合は、装置コストが増大するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、簡明且つ低廉な装置構成でスループットの高い検査が可能な表面検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の表面検査装置は、繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、前記被検基板により反射された反射光による像を撮像する撮像手段と、前記被検基板と前記撮像手段との間に設けられた偏光素子と、前記照明光の偏光軸方向と前記偏光素子の偏光軸方向とのなす角度を第１の角度および第２の角度に設定する設定手段と、前記第１の角度において前記撮像手段で撮像された第１画像および前記第２の角度において前記撮像手段で撮像された第２画像に基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、前記第３画像を表示する画像表示部とを備え、前記第１の角度は略４５度であり、前記第２の角度は略０度であり、前記演算処理部は、第２画像の輝度値で第１画像の輝度値を割算することを特徴とする。
なお、もう一つの本発明では、前記第１の角度はθであり、前記第２の角度は−θであり、前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を演算することを特徴とする。
この場合において、前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の和に基づいた値で割算するようにしても良い。

また、本発明の表面検査装置は、繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、前記被検基板により反射された反射光による像を撮像する撮像手段と、前記被検基板と前記撮像手段との間に設けられた偏光素子と、前記照明光の偏光軸方向と前記偏光素子の偏光軸方向とのなす角度を第１の角度および第２の角度に設定する設定手段と、前記第１の角度において前記撮像手段で撮像された第１画像および前記第２の角度において前記撮像手段で撮像された第２画像に基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、前記第３画像により、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段とを備え、前記第１の角度は略４５度であり、前記第２の角度は略０度であり、前記演算処理部は、第２画像の輝度値で第１画像の輝度値を割算することを特徴とする。
なお、もう一つの本発明では、前記第１の角度はθであり、前記第２の角度は−θであり、前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を演算することを特徴とする。
この場合において、前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の和に基づいた値で割算するようにしても良い。

また、本発明の表面検査装置は、繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、前記被検基板により反射された反射光を、互いに直交する偏光成分の第１偏光成分および第２偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、前記第１偏光成分の光による像を撮像する第１撮像手段と、前記第２偏光成分の光による像を撮像する第２撮像手段と、前記第１撮像手段で撮像された第１画像および前記第２撮像手段で撮像された第２画像に基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、前記第３画像を表示する画像表示部とを備え、前記照明光の偏光軸方向と前記偏光ビームスプリッタの偏光軸方向とのなす相対角度を設定する設定手段を備え、前記角度は、前記照明光の偏光軸方向と前記第１偏光成分とがなす角度が略４５度、前記照明光の偏光軸方向と前記第２偏光成分とがなす角度が略−４５度となるように設定され、前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の和に基づいた値で割算することを特徴とする。

また、本発明の表面検査装置は、繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、前記被検基板により反射された反射光を、互いに直交する偏光成分の第１偏光成分および第２偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、前記第１偏光成分の光による像を撮像する第１撮像手段と、前記第２偏光成分の光による像を撮像する第２撮像手段と、前記第１撮像手段で撮像された第１画像および前記第２撮像手段で撮像された第２画像に基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、前記第３画像により、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段とを備え、前記照明光の偏光軸方向と前記偏光ビームスプリッタの偏光軸方向とのなす相対角度を設定する設定手段を備え、前記角度は、前記照明光の偏光軸方向と前記第１偏光成分とがなす角度が略４５度、前記照明光の偏光軸方向と前記第２偏光成分とがなす角度が略−４５度となるように設定され、前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の和に基づいた値で割算することを特徴とする。

本発明によれば、簡明且つ低廉な装置構成でスループットの高い検査が可能な表面検査装置を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に本発明の表面検査装置の一実施形態として、半導体ウェハ１０を被検基板とし、基板表面の欠陥を検査する表面検査装置１の概要構成図を示しており、この図を参照しながら表面検査装置１について説明する。表面検査装置１は、被検基板である半導体ウェハ１０を支持するアライメントステージ２０と、照明光学系３０と、撮像光学系４０と、画像処理装置５０とを主体に構成される。表面検査装置１は、半導体回路素子の製造工程において、ウェハ１０の表面の検査を自動的に行う装置である。ウェハ１０は、最上層のレジスト膜への露光・現像後、不図示の搬送系により、不図示のウェハカセットまたは現像装置から運ばれ、アライメントステージ２０に吸着保持される。

ウェハ１０の表面には、図２に示すように、複数のチップ領域１１がノッチ（またはオリエンテーションフラット）１０ｎを基準としてＸＹ方向の所定の座標位置に配列され、各チップ領域の中に所定の繰り返しパターン１２が形成されている。ここで、ウェハ表面に形成される繰り返しパターン（フォトレジストパターン）は、実際には種々の配線ラインが縦横に形成されるパターンとなるが、本実施形態では、図３に拡大図を示すように、基板表面方向（Ｚ方向）に凸のライン部２Ａと、凹のスペース部２Ｂとが、ラインの短手方向（Ｘ方向）に一定のピッチＰで交互に繰り返される「ライン・アンド・スペース」の繰り返しパターンについて説明する。

また、繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａの線幅Ｄ_Aの設計値をピッチＰの１／２とする。従って、設計値通りに繰り返しパターン１２が形成された場合には、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aとスペース部２Ｂの線幅Ｄ_Bとが等しくなり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１になる。一方、繰り返しパターン１２を形成する際の露光フォーカスが適正値から外れると、繰り返しパターンのピッチＰは変わらないが、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aが設計値と異なるとともに、スペース部２Ｂの線幅Ｄ_Bとも異なり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。

本実施形態の表面検査装置１は、上記のような繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比の変化を利用して、繰り返しパターン１２の欠陥検査を行うものであり、説明を簡単にするため、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aの設計値をピッチＰの１／２（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの理想的な体積比を１：１）にしている。体積比の変化は、露光フォーカスの適正値からの外れに起因し、ウェハ１０のショット領域ごとに現れる。なお、体積比をライン直交方向の断面形状における面積比と言い換えることもできる。

アライメントステージ２０は、円盤状のステージ上面にウェハ１０を支持し、例えば真空吸着等の固定手段によってステージ上面に支持したウェハ１０を保持可能になっている。アライメントステージ２０には、ステージ上面の中心における法線Ａ１を中心軸として回転させるステージ回転機構が設けられており、この回転機構によってステージ上に保持したウェハ１０を、ウェハ１０の表面内で回転させることができる。

またアライメントステージ２０には、詳細図示省略するが、ウェハ１０に形成されたノッチ（またはオリエンテーションフラット）１０ｎを検出してウェハ１０の回転面内の角度位置を検出するアライメント系が設けられており、ステージ回転機構は上記アライメント系において検出されたノッチまたはオリエンテーションフラットを基準として、ウェハ１０を所定の角度位置に設定可能に構成されている。これにより、ウェハ表面に形成された繰り返しパターン１２の繰り返し方向（図２および図３におけるＸ方向）を、後述する照明光の入射面Ａ２に対して任意に設定することができ、例えば４５度の角度に傾けて設定することができる。なお、アライメントステージ２０は、上面が水平面でありウェハ１０を常に水平な状態に保つことができる。

照明光学系３０は、照明光を出射するランプハウス３１と、ランプハウス３１から出射された照明光を平行光にする第１楕円鏡３４と、ランプハウス３１と第１楕円鏡３４との間に配設された第１偏光板３２および第１位相板３３とを有した偏光光学系であり、アライメントステージ２０に保持されたウェハ１０に直線偏光した照明光Ｌ１を照射するように構成される。

ランプハウス３１は、光源と波長選択フィルタとを備え所定波長の光を出射する。本発明の表面検査装置１は、後に欠陥検出の原理を詳細に説明するように、回折光を利用する構成ではない。このため、光源は繰り返しパターン１２のピッチＰに対して十分に波長の長い光源を用いることができ、例えばメタルハライドランプや水銀ランプ等のような安価な放電光源を用いることができる。波長選択フィルタは、光源が発生したスペクトル幅を持った光のうち所定波長の輝線スペクトルを選択的に透過させる。

第１偏光板３２は、ランプハウス３１から出射された光のうち偏光軸に沿った成分の光を透過させて照明光を直線偏光にする偏光板であり、その偏光軸（透過軸）が所定の方位に設定され、ランプハウス３１から出射された光を所定方位の直線偏光にして第１楕円鏡３４に照射する。なお、第１位相板３３は、第１偏光板３２と第１楕円鏡３４との間の空間に挿抜可能に配設されており、第１楕円鏡３４で反射する光が複屈折により乱れることを補正するために用いられる。第１楕円鏡３４は、ランプハウス３１から出射された光を平行光束にしてウェハ１０を照明する。

照明光Ｌ１の進行方向（ウェハ１０表面上の任意の点に到達する直線偏光の主光線の進行軸方向）は、第１楕円鏡３４の光軸Ｏ１に略平行である。光軸Ｏ１は、アライメントステージ２０の中心を通り、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して所定の角度αだけ傾けられている。ちなみに、照明光Ｌ１の進行方向を含み、アライメントステージ２０の法線Ａ1に平行な平面が、直線偏光の入射面である。図４における入射面Ａ２は、ウェハ１０の中心における入射面である。

本実施形態では、直線偏光がｐ偏光である。つまり、図５（ａ）に示すように、直線偏光である照明光Ｌ１の進行方向と電気（または磁気）ベクトルの振動方向とを含む平面（直線偏光Ｌ１の振動面）が、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれる。直線偏光Ｌ１の振動面は、ランプハウス３１と第１楕円鏡３４との間に配設された第１偏光板３２の透過軸により規定される。

すなわち、照明光学系３０において、ランプハウス３１からの光は、第１偏光板３２および第１楕円鏡３４を介し、ｐ偏光の直線偏光Ｌ１としてウェハ１０の表面全体に入射する。ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌ１の入射角度は、平行光束のため互いに同じであり、光軸Ｏ１と法線Ａ１とのなす角度αに相当する。

本実施形態では、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌ１がｐ偏光であるため、図４に示すように、繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）が直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２（ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の進行方向）に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度も、４５度に設定される。

言い換えると、直線偏光Ｌ１は、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向（図６におけるＶの方向）が繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して４５度傾いた状態で、繰り返しパターン１２を斜めに横切るようにして繰り返しパターン１２に入射する。

このような直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン１２との角度状態は、ウェハ１０の表面全体において均一である。なお、４５度を１３５度，２２５度，３１５度のいずれかに言い換えても、直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン１２との角度状態は同じである。また、直線偏光の偏光軸の方向（振動面の方向（図６に付記したＶ方向））と繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度を４５度に設定するのは、繰り返しパターン１２の欠陥検査の感度を最も高くするためである。

そして、上記の直線偏光Ｌ１を用いて繰り返しパターン１２を照明すると、繰り返しパターン１２から正反射方向に反射光Ｌ２が発生し、この反射光Ｌ２は次述する構造性複屈折により楕円偏光となる（図１および図５（ｂ）を参照）。この場合、反射光Ｌ２の進行方向（ウェハ１０表面上の任意の点から反射する楕円偏光の主光線の進行軸方向）が正反射方向に一致する。正反射方向とは、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれ、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して角度α（直線偏光Ｌ１の入射角度αに等しい角度）だけ傾いた方向である。なお、前述した通り、繰り返しパターン１２のピッチＰが照明波長と比較して長いため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはない。

ここで、直線偏光Ｌ１が繰り返しパターン１２での反射により楕円化し、繰り返しパターン１２から楕円偏光Ｌ２が発生する理由について簡単に説明する。直線偏光Ｌ１が繰り返しパターン１２に入射すると、振動面の方向（図６のＶ方向）が図７に示す２つの偏光成分Ｖ_X，Ｖ_Yに分かれる。一方の偏光成分Ｖ_Xは繰り返し方向に平行な（Ｘ方向の）成分であり、他方の偏光成分Ｖ_Yは繰り返し方向に垂直な（Ｙ方向の）成分である。そして、ウェハ表面で反射したときに、これら２つの偏光成分Ｖ_X，Ｖ_Yは、それぞれ独立に異なる振幅変化と位相変化とを受ける。振幅変化と位相変化が異なるのは、繰り返しパターン１２の異方性に起因して複素反射率（すなわち複素数の振幅反射率）が異なるからであり、構造性複屈折（form birefringence）と呼ばれる。その結果、２つの偏光成分Ｖ_X，Ｖ_Yの反射光は互いに振幅と位相が異なり、これらの合成による反射光Ｌ２が楕円偏光となる（図５（ｂ）を参照）。

また、本実施形態のように、ウェハ１０の表面に対して直線偏光した入射光Ｌ１を斜めに入射させる場合、繰り返しパターン１２から発生する楕円偏光Ｌ２は、進行方向を軸として僅かに回転する。このような楕円偏光Ｌ２の回転角を、図５（ｂ）に示すようにとり、φとする。

繰り返しパターン１２の異方性に起因する楕円化の程度は、図５（ａ）に示す直線偏光Ｌ１の振動面に垂直な偏光成分Ｌ３（図５（ｃ）を参照）と考えることができる。そして、この偏光成分Ｌ３の大きさは、繰り返しパターン１２の材質および形状と、図６の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）とがなす角度に依存する。このため、Ｖ方向とＸ方向とのなす角度を一定の値（本実施形態では４５度）に保つ場合、繰り返しパターン１２の材質が一定であっても、繰り返しパターン１２の形状が変化すると、楕円化の程度（偏光成分Ｌ３の大きさ）が変化することになる。

図３に示すように、繰り返しパターン１２は、ライン部２Ａとスペース部２ＢとをＸ方向に沿って交互に配列した凹凸形状を有し、適正なドーズおよび露光フォーカスで設計値通りに形成されると、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aとスペース部２Ｂの線幅Ｄ_Bが等しく、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１となる。そして、横軸にライン部２Ａの線幅とスペース部２Ｂの線幅との体積比をとり、縦軸に偏光成分Ｌ３の大きさをとったときの両者の関係を図８に示すように、繰り返しパターン１２が上記のような理想的な形状の場合に偏光成分Ｌ３の大きさが最も大きくなる。一方、露出フォーカスが適正値から外れると、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Aとスペース部２Ｂの線幅Ｄ_Bとが異なり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。このとき、偏光成分Ｌ３の大きさは理想的な場合と比較して小さくなる。

このように、直線偏光Ｌ１を用いて、図６の振動面の方向（Ｖ方向）が繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して４５度だけ傾いた状態で、繰り返しパターン１２を照明すると、正反射方向に反射して生じた楕円偏光Ｌ２は、その楕円化の程度（図５（ｃ）における偏光成分Ｌ３の大きさ）が、繰り返しパターン１２の形状（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比）に応じたものとなる。楕円偏光Ｌ２の進行方向は、直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２内に含まれ、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して角度αだけ傾いている。

撮像光学系４０は、図１に示すように、ウェハ基板からの反射光を集束させる第２楕円鏡４１と、第２楕円鏡４１により集束された反射光の像を撮像する撮像カメラ４４と、第２楕円鏡４１と撮像カメラ４４との間に配設された第２位相板４２および第２偏光板４３とを有して構成された偏心光学系であり、ウェハ１０により反射された反射光を撮像カメラに集光するように構成される。

第２楕円鏡４１は、照明光学系３０の第１楕円鏡３４と同様の反射鏡であり、その光軸Ｏ２が、アライメントステージ２０の中心を通り、かつ、アライメントステージ２０の法線Ａ１に対して角度αだけ傾くように配設されている。したがって、繰り返しパターン１２からの楕円偏光した反射光Ｌ２は、第２楕円鏡４１の光軸Ｏ２に沿って進み、撮像カメラ４４の撮像面に集光される。

第２偏光板４３は、第１偏光板３２と同様の直線偏光板であり、この第２偏光板４３に入射する集束光の光軸廻りに回動可能に配設されている。本実施形態において、第２偏光板４３は撮像系偏光方位設定機構４５により回転駆動され、任意の角度位置に設定可能になっている。すなわち、直線偏光された照明光の偏光軸方向（図５(ａ)における直線偏光Ｌ１の波面の振動方向）に対して、第２偏光板４３の偏光軸（透過軸）のなす相対角度を任意に設定可能な構成になっている。この照明光の偏光軸方向に対する第２偏光板４３の偏光軸方向のなす相対角度をθと表記する。

たとえば、相対角度θを０度としたときに、楕円偏光した反射光Ｌ２の全光量のうち、直線偏光Ｌ１の偏光軸と同一方向の偏光成分が第２偏光板４３を透過し、相対角度θを９０度（クロスニコルの状態）としたときに直線偏光Ｌ１の偏光軸と直交方向の偏光成分（既述したＬ３に相当する成分）が第２偏光板４３を透過する。同様に、相対角度θを４５度に設定すると、楕円偏光した反射光Ｌ２の全光量のうち、当該方位角方向の偏光成分が第２偏光板４３を透過する。このように、相対角度θを設定したときに第２偏光板４３を透過した偏光成分Ｌ４が撮像カメラ４４の撮像面に集光される。その結果、撮像カメラ４４の撮像面には、偏光成分Ｌ４によるウェハ１０の反射像が形成される。なお、第２位相板４２は、第２楕円鏡４１と第２偏光板４３との間の空間に挿抜可能に配設されており、第２楕円鏡４１による反射光の乱れを補正するために用いられる。

撮像カメラ４４は、例えばＣＣＤ撮像素子を有するＣＣＤカメラであり、撮像面に形成されたウェハ１０の反射像を光電変換して、画像データを画像処理装置５０の画像記憶部５１に出力する。画像データはウェハ１０表面に対応したＸＹ座標の位置信号と、各座標位置における明暗の輝度信号として出力される。ウェハ１０の反射像の明暗は、偏光成分Ｌ４の光強度に略比例し、繰り返しパターン１２の形状（ライン部２Ａとスペース部２Ｂの体積比）に応じて変化する。なお、ウェハ表面の明暗画像は、繰り返しパターン１２が形成された各ショット領域ごとに現れる。

撮像カメラ４４による撮影は、次述するシステム制御部５５により制御され、システム制御部５５は、前述した撮像系偏光方位設定機構４５に指令信号を出力して、照明光の偏光軸方向に対する第２偏光板４３の偏光軸方向のなす相対角度θを第１の角度条件θ₁に設定し、当該第１の角度条件θ₁における画像データである第１画像を撮像させる。また撮像系偏光方位設定機構４５に指令信号を出力して相対角度θを第２の角度条件θ₂に設定し、当該第２の角度条件θ₂における画像データである第２画像を撮像させる。

画像処理装置５０は、上記のようにして撮像カメラ４４により撮影された第１画像および第２画像を記憶する画像記憶部５１と、画像記憶部５１に記憶された第１画像および第２画像から第３画像を算出する演算処理部５２と、演算処理部において算出された第３画像に所定の画像処理を行って繰り返しパターンの欠陥を検出する画像処理部５３と、画像処理部による画像処理の結果を出力する画像出力部５４と、これらの作動を統括的に制御するシステム制御部５５とを有して構成される。

画像記憶部５１には、第１の角度条件θ₁において撮影された第１画像、第２の角度条件θ₂において撮影された第２画像の各画像データが記憶される。また、比較のため、良品ウェハ（不図示）を同様の角度条件で撮影した第１基準画像、第２基準画像およびこれらの基準画像を演算処理した第３基準画像が予め記憶されている。

演算処理部５２は、画像記憶部５１に記憶された第１画像と第２画像に基づいて第１画像の輝度値と第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理を行う。すなわち、ウェハ１０により反射された反射光のウェハ面内の強度分布は、その元となる照明光のウェハ面に対する強度分布（照明光の均一性）や、被検ウェハ固有のウェハ面内における反射率分布等によって変化する。一方、ライン部２Ａとスペース部２Ｂの体積比のズレに応じて変化する偏光成分Ｌ３の光量変化は微少量であり、反射光のウェハ面内における強度分布の影響を受けやすい。そこで、本実施形態の表面検査装置１では、演算処理部５２において第１画像と第２画像から照明光の不均一性や反射率分布の影響を除去した第３画像を算出する。この演算処理は、第１画像と第２画像により、一方の画像の輝度値を他方の画像の輝度値で割り算することにより第３画像を算出することにより行う。なお、この演算処理の具体的内容について、以降説明する本実施形態の光学原理において詳述する。

画像処理部５３は、演算処理部５２において算出された第３画像と、画像記憶部５１に記憶されていた第３基準画像とを比較する。そして、ウェハ１０の反射画像における明るい箇所の輝度値の低下量（図８中に付記する低下量Δ）に基づいて、繰り返しパターン１２の欠陥を検出する。たとえば、輝度値の低下量が予め定められた閾値（許容値）より大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断すればよい。そして、画像処理部５３による輝度情報の比較結果および当該被検ウェハ１０の第３画像が画像出力部５４から出力され、液晶表示パネルやＣＲＴ等の表示装置６０に表示される。

なお、画像処理装置５０においては、上述のように、画像記憶部５１に良品ウェハの反射画像を予め記憶しておく構成の他、ウェハ１０のショット領域の配列データと輝度値の閾値を予め記憶しておく構成でもよい。この場合、ショット領域の配列データに基づいて、取り込まれたウェハ１０の反射画像中における各ショット領域の位置が分かるので、各ショット領域の輝度値を求める。そして、その輝度値と記憶されている閾値とを比較することにより、パターンの欠陥を検出する。閾値より輝度値が小さいショット領域を「欠陥」と判断すればよい。

このような構成の表面検査装置１において、照明光の偏光軸方向に対して第２偏光板４３の偏光軸方向のなす相対角度θを９０度に設定した場合が、特許文献１として記載した当出願人に係る表面検査装置の構成に相当する。この場合、ウェハ１０での反射による楕円偏光Ｌ２の回転角（見かけの偏光回転角）をφとしたときに、撮像カメラ４４に到達する光の光量（光強度）はcos²(θ+φ)＝cos²(９０°+φ)＝sin²φに比例する。偏光面の回転は被検ウェハの繰り返しパターン１２によって生じるものであり、フォトレジストの厚さや露光時のフォーカスまたはドーズにより敏感に変化する。しかしながら、回転角φが小さな値であることから結果として撮像カメラ４４に到達する光量は非常に小さいものとなる。従って、相対角度θ＝９０度の画像のみで欠陥を検出するためには、高感度の撮像カメラを用いたり、長時間撮影を行ったりする必要があることに加え、高い照明の均一性が必要であった。

表面検査装置１は、以下の光学的な原理を用いて構成される。これまで既述したと同様に、照明光の偏光軸方向に対して第２偏光板４３の偏光軸方向のなす相対角度をθ、ウェハ１０での反射による偏光面の回転角をφとしたときに、ウェハでの反射において回転を受けた光の光量、および回転を受けない光の光量の各一般式は、次の（１）式および（２）式のように表すことができる。

回転を受けた光の光量Ｉ＝cos²（θ＋φ） …（１）
回転を受けない光の光量Ｉ＝cos²（θ） …（２）
従って、反射により偏光面が回転を受けたときの光量変化ΔＩは、
光量変化ΔＩ＝cos²（θ＋φ）−cos²（θ） …（３）

光量変化ΔＩの大きさは、まずθ＝９０°の場合には、
光量変化ΔＩ＝cos²（９０°＋φ）−cos²（９０°）
＝cos²（９０°＋φ）
＝sin²φ …（４）
この（４）式が、従来の場合である。

θ＝４５°の場合には、
光量変化ΔＩ＝cos²（４５°＋φ）−cos²（４５°）
＝（cos４５°・cosφ−sin４５°・sinφ）²−cos²４５°
＝１／２（cosφ−sinφ）²−１／２
＝１／２（cos²φ−２cosφ・sinφ＋sin²φ）−１／２
＝−cosφ・sinφ …（５）

ここで、回転角φは微少量であるので、cosφは≒１となり（５）式は（６）式のように表すことができる。
光量変化ΔＩ＝−cosφ・sinφ≒−sinφ …（６）
従って、回転角φが小さい場合には、θ＝９０度の場合よりも、明らかにθ＝４５°の場合の方が光量変化が大きくなる。

θ＝０度の場合には
光量変化ΔＩ＝cos²（０°＋φ）−cos²（０°）
＝（cos０°・cosφ−sin０°・sinφ）²−１
＝cos²φ−１ …（７）
回転角φは微少量であるので、cosφは≒１となり、光量変化は極めて微少量となる。

横軸に相対角度θ、縦軸に光量をとり、回転を受けた光の光量Ｉおよび光量変化ΔＩについて、φをパラメータとして変化させたときのグラフを図９に示す。図中に重ねて示す複数の特性線は、それぞれが所定の大きさ（図９において０°〜８°）の特性線であり、例えばφ＝０の場合には光量ＩはＩ＝cos²（θ）の余弦波、光量変化ΔＩはΔＩ＝０（すなわち横軸に沿った直線）になる。この図から分かるように、θ＝４５°，１３５°，２２５°，３１５°のとき、光量変化ΔＩは最大となる。また、θ＝４５°，１３５°，２２５°，３１５°は、θの方向の取り方があるので、全てθ＝４５°とすることができる。

そして、図９から、相対角度θ＝０°、±４５°、±９０°は特異点であり、この設定角度で撮像された画像には以下の特徴がある。

θ＝±９０°：回転角φによる光量変化ΔＩの絶対値は小さいが、バックグランド（Ｌ１方向の偏光成分）がゼロになってＬ３方向の偏光成分のみが検出され、相対的には最もＳ／Ｎ比の高い画像が得られる。但し光量Ｉ（画像輝度）は照明強度とウェハ反射率に比例し不均一分布の影響を受ける。

θ＝±４５°：回転角φによる光量変化ΔＩの絶対値は最大になるが、バックグランドがゼロにならない。また光量Ｉは照明強度とウェハ反射率に比例し、その大きさと分布の影響を敏感に受ける。従って、外乱ノイズには強いが高い照明均一性を必要とする。

θ＝０°：回転角φによる光量変化ΔＩは殆ど無い。光量Ｉが最大（バックグランドが全量透過）となり、照明均一性とウェハ反射率を表す画像となる。θ＝１８０°の場合も同様である。

本実施形態における第１実施例の表面検査装置では、システム制御部５５に、第１画像を取得する第１の角度条件として相対角度θ₁＝９０°、第２画像を取得する第２の角度条件として相対角度θ₂＝０°が設定されている。

システム制御部５５は、撮像系偏光方位設定機構４５に指令信号を出力し、照明光の偏光軸方向に対する第２偏光板４３の偏光軸方向のなす相対角度θが、第１の角度条件θ₁になるように第２偏光板４３を設定し、当該角度条件θ₁において撮像カメラ４４に第１画像を撮像させて、その画像データを画像記憶部５１に記憶させる。また撮像系偏光方位設定機構４５に指令信号を出力して相対角度θを第２の角度条件θ₂に設定し、当該角度条件θ₂で撮像カメラ４４に第２画像を撮像させて、その画像データを画像記憶部５１に記憶させる。

第１画像及び第２画像が画像記憶部５１に記憶されると、システム制御部５５は、演算処理部５２に指令信号を出力し、画像記憶部５１に記憶された第１画像と第２画像とから第３画像を算出する演算処理を実行させる。演算処理部５２では、第１画像および第２画像の画像データ（ウェハ１０表面に対応したＸＹ座標の位置信号と、各座標位置における明暗の輝度信号）から、ウェハ１０の同一座標位置における輝度信号について、次の（８）式に示す演算処理を行い、各座標位置について輝度係数からなる第３画像を算出する。

第３画像＝（第１画像）÷（第２画像） …（８）

この演算処理の物理的な意義は、第１の角度条件θ₁（θ＝９０°）において高いＳ／Ｎ比の第１画像を取得する一方で、第２の角度条件θ₂（θ＝０°）において照明の均一性とウェハ反射率を最も反映した第２画像を撮像し、同一のＸＹ座標位置について第１画像の輝度信号値を第２画像の輝度信号値で除して第３画像を算出することにより、ウェハ面内における照明の不均一性やウェハ表面の反射率分布の影響を除去（規格化処理）し、偏光面の回転角φのみに関係した画像を創出するということである。

演算処理部５２において第３画像が算出されると、システム制御部５５は画像処理部５３に指令信号を出力し、各ショット領域における繰り返しパターン１２の欠陥検出処理を行わせる。画像処理部５３における欠陥検出の画像処理は、演算処理部５２において算出された第３画像と、画像記憶部５１に良品ウェハの基準データとして記憶されていた第３基準画像とを比較する。そして、ウェハ面内で規格化された光量変化ΔＩが、予め定められた閾値（許容値）よりも大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断する。

そして、画像出力部５４から当該被検ウェハ１０の第３画像および画像処理部５３による比較結果が出力され、図示省略する液晶表示パネルやＣＲＴ等の表示装置６０にこれらの情報が表示される。例えば、表示された第３画像中に、欠陥と判定された領域が×印を付して表示され、あるいは該当する領域が赤色に着色されて表示される。また必要に応じて画像出力部５４に接続されたプリンタ等に処理情報を印刷させることやネットワークを通じて他の装置に処理情報を伝送することができる。ウェハ１０の欠陥検査を行う検査員は、表示装置６０に表示された処理情報、あるいプリンタ等により印刷された処理情報を確認することで、ウェハ１０の欠陥を各ショット領域ごとに検知することができる。

次に、本実施形態における第２実施例の表面検査装置では、システム制御部５５に、第１画像を取得する第１の角度条件として相対角度θ₁＝４５°、第２画像を取得する第２の角度条件として相対角度θ₂＝０°が設定されている。

システム制御部５５は、撮像系偏光方位設定機構４５に指令信号を出力して相対角度θが第１の角度条件θ₁になるように第２偏光板４３を設定し、当該角度条件θ₁において撮像カメラ４４に第１画像を撮像させて、その画像データを画像記憶部５１に記憶させる。同様に相対角度θを第２の角度条件θ₂に設定し、当該角度条件θ₂で撮像カメラ４４に第２画像を撮像させて、その画像データを画像記憶部５１に記憶させる。

演算処理部５２では、システム制御部５５からの指令信号に基づき、第１画像および第２画像の画像データから、ウェハ１０の同一座標位置における輝度信号について、前述した（８）式に示す演算処理を行い、各座標位置について輝度係数からなる第３画像を算出する。

本実施例における演算処理の物理的な意義は、第１の角度条件θ₁（θ＝４５°）において外乱ノイズに強い第１画像を取得する一方で、第２の角度条件θ₂（θ＝０°）において照明の均一性とウェハ反射率を最も反映した第２画像を撮像し、同一のＸＹ座標位置について第１画像の輝度信号値を第２画像の輝度信号値で除して第３画像を算出することにより、ウェハ面内における照明の不均一性やウェハ表面の反射率分布の影響を除去（規格化処理）し、偏光面の回転角φのみに関係した画像を創出するということである。

演算処理部５２において第３画像が算出された後の処理は前述した実施例と同様であり、システム制御部５５は画像処理部５３において繰り返しパターン１２の欠陥検出処理を行わせ、画像処理部５３では、演算処理部５２において算出された第３画像と、画像記憶部５１に良品ウェハの基準データとして記憶されていた第３基準画像とを比較して、ウェハ面内で規格化された光量変化ΔＩが、予め定められた閾値（許容値）よりも大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断する。

被検ウェハ１０の第３画像および画像処理部５３による比較結果は画像出力部５４から出力され、表示装置６０にこれらの情報が表示される。また必要に応じて画像出力部５４に接続されたプリンタ等に処理情報を印刷させることやネットワークを通じて他の装置に処理情報を伝送することができる。ウェハ１０の欠陥検査を行う検査員は、表示装置６０に表示された処理情報、あるいプリンタ等により印刷された処理情報を確認することで、ウェハ１０の欠陥を各ショット領域ごとに検知することができる。

本実施形態における第３実施例の表面検査装置では、システム制御部５５に、第１画像を取得する第１の角度条件として相対角度θ₁＝θc、第２画像を取得する第２の角度条件として相対角度θ₂＝−θcが設定されている。

システム制御部５５は、撮像系偏光方位設定機構４５に指令信号を出力して相対角度θが第１の角度条件θ₁＝θcになるように第２偏光板４３を設定し、当該角度条件θ₁において撮像カメラ４４に第１画像を撮像させて、その画像データを画像記憶部５１に記憶させる。同様に相対角度θを第２の角度条件θ₂＝−θcに設定し、当該角度条件θ₂で撮像カメラ４４に第２画像を撮像させて、その画像データを画像記憶部５１に記憶させる。

演算処理部５２では、システム制御部５５からの指令信号に基づいて、第１画像および第２画像の画像データから、ウェハ１０の同一座標位置における輝度信号について、次の（９）式に示す演算処理を行い、各座標位置について輝度係数からなる第３画像を算出する。

第３画像＝｛（第１画像）−（第２画像）｝÷｛（第１画像）＋（第２画像）｝…（９）

本実施例における演算処理の物理的な意義について考察すると、まず、第１の角度条件θ₁＝θcと、第２の角度条件θ₂＝−θcとは、図９においてθ＝０°を挟んで回転角が正・逆方向の画像データである。同図および光量に関する一般解（１）式から明らかなように、光量Ｉは基本的に余弦波の特性を有し、θ＝０°の軸を挟んで略対称なともに同符号の値である。一方、光量変化ΔＩは図９、（４）式および（６）式等からも明らかなように正弦波の特性を有し、θ＝０°の軸を挟んで略対称な逆符号の値である。

例えば、θcの代表例として例示されるθ₁＝４５°と、θ₂＝−４５°について図９を参照すると、光量Ｉは、ともに輝度が最大値の１／２程度の正符号の信号であり、光量変化ΔＩは符号が正負逆であるが変化量の絶対値が最大の信号である。このため、｛（第１画像）−（第２画像）｝／２は、バックグランドを差し引いた光量変化ΔＩの大きさ、すなわち相対角度θ＝９０°の画像を意味し、｛（第１画像）＋（第２画像）｝／２は光量変化ΔＩを打ち消した光量Ｉの大きさ、すなわち相対角度θ＝０°の画像を意味する。

従って、本実施例の演算処理の物理的な意義は、既述した第１実施例の物理的意義と同様となるが、｛（第１画像）−（第２画像）｝／２の演算処理により高いＳ／Ｎ比の画像を算出し、これを｛（第１画像）＋（第２画像）｝／２の演算処理により算出した照明の均一性とウェハ反射率を最も反映した画像で除して第３画像を算出することにより、ウェハ面内における照明の不均一性やウェハ表面の反射率分布の影響を除去（規格化処理）して、偏光面の回転角φのみに関係した画像を創出するということである。

一方、本実施例では、第１の角度条件θ₁（θ＝４５°）および第２の角度条件θ₂（θ＝−４５°）おいて、ともに外乱ノイズに強い明るい条件下で第１画像および第２画像を取得している。従ってこのような構成形態によれば、高額な高感度カメラを用いることなく、比較的短時間で欠陥情報を抽出することができる。

演算処理部５２において第３画像が算出された後の処理は前述した通りであり、システム制御部５５は画像処理部５３において繰り返しパターン１２の欠陥検出処理を行わせ、画像処理部５３では、演算処理部５２において算出された第３画像と、画像記憶部５１に良品ウェハの基準データとして記憶されていた第３基準画像とを比較して、ウェハ面内で規格化された光量変化ΔＩが、予め定められた閾値（許容値）よりも大きければ「欠陥」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断する。

システム制御部５５は、被検ウェハ１０の第３画像および画像処理部５３による比較結果を画像出力部５４から出力させ、表示装置６０にこれらの情報が表示される。また必要に応じて画像出力部５４に接続されたプリンタ等に処理情報を印刷させることやネットワークを通じて他の装置に処理情報を伝送することができる。ウェハ１０の欠陥検査を行う検査員は、表示装置６０に表示された処理情報、あるいプリンタ等により印刷された処理情報を確認することで、ウェハ１０の欠陥を各ショット領域ごとに検知することができる。

従って、以上説明した実施形態の表面検査装置１によれば、第１画像および第２画像から被検基板により反射された照明光の不均一性や反射率分布の影響を除去する演算処理が行われる構成のため、高額な高感度カメラを用いたり、長時間撮影が必要になったり、高い照明の均一性を要求されたりすることがなく、簡明且つ低廉な装置構成で高スループットの表面検査装置を提供することができる。

さて、以上説明した実施形態においては、撮像光学系４０における第２偏光板４３を集束光の光軸廻りに回動可能に配設し、この第２偏光板４３を撮像系偏光方位設定機構４５により回転駆動して既述した所定の相対角度θに設定する構成を説明した。しかし、これまでの説明からも明らかなように、角度θは直線偏光された照明光の偏光軸方向と第２偏光板４３の偏光軸方向のなす相対角度であり、第２偏光板４３を所定角度位置に保持し第１偏光板３２を回転させて相対角度θに設定しても良い。

すなわち、図１に二点鎖線で付記するように、照明光学系３０における第１偏光板３２をランプハウス３１からの出射光の光軸廻りに回動可能に配設するとともに、第１偏光板４３を回転駆動する照明系偏光方位設定機構３５を設け、システム制御装置５５により作動を制御して既述した所定の相対角度θに設定する構成とすることができ、同様の効果を奏することができる。なお、この場合、照明光の偏光軸方向が回転することとなるが、これと同期してアライメントステージ２０の回転機構を作動制御することで、既述した表面検査装置と同様の第１画像および第２画像を撮像することができる。

また以上では、画像処理装置５０に、画像記憶部５１と、演算処理部５２と、演算処理部において算出された第３画像に所定の画像処理を行って繰り返しパターンの欠陥を検出する画像処理部５３と、画像処理部による画像処理の結果を出力する画像出力部５４と、これらの作動を統括的に制御するシステム制御部５５とを設けた構成例を示したが、画像処理部５３を設けることなく第３画像を直接表示装置６０に表示させるように構成しても良い。

本実施形態における第３画像は、第１画像および第２画像から被検基板により反射された照明光の不均一性や反射率分布の影響を除去する演算処理（規格化処理）が行われた画像であり、偏光面の回転角φのみに関係した明暗画像が表示される。従って、基板検査を行う検査員は表示装置６０に表示された第３画像を見て像の暗いショット領域を欠陥とする目視検査を行うことができ、必要に応じて基準第３画像と比較することにより検査精度を向上させることができる。

次に、撮像光学系４０における撮像部の他の実施形態を図１０に示しており、この図を参照して本実施形態の撮像光学系１４０について説明する。なお、撮像光学系以外の表面検査装置の他の構成部分（アライメントステージ２０、照明光学系３０等）は、既述した表面検査装置１と同様であり、また撮像光学系４０における第２偏光板４３および撮像カメラ４４を除く他の構成部分（第２楕円鏡４１、第２位相板４２等）も同一であるため、これらについての重複説明を省略し、構成が相違する撮像部分について説明する。

この撮像光学系１４０における撮像部は、第２楕円鏡４１からの反射光を直交する二方向の第１偏光成分（例えば図示する実施例において透過光）および第２偏光成分（同様、反射光）に分離する偏光ビームスプリッタ１４３と、偏光ビームスプリッタにより分離された偏光成分のうち第１偏光成分の像を撮像する第１撮像カメラ１４４ａおよび第２偏光成分の像を撮像する第２撮像カメラ１４４ｂと、照明光の偏光軸方向に対して偏光ビームスプリッタの偏光軸方向のなす相対角度を設定する撮像方位設定手段とを備えて構成される。

例示する偏光ビームスプリッタ１４３は、いわゆるプリズムタイプの偏光ビームスプリッタであり、反射面に直交する面内に振動面を有する偏光成分を透過し、これと直交する面内に振動面を有する偏光成分を反射する。すなわち、第１偏光成分と第２偏光成分とは互いに直交する偏光成分であり、偏光ビームスプリッタ１４３に入射したウェハ１０からの反射光を相互に直交する第１偏光成分と第２偏光成分とに分離して、各成分の画像をそれぞれ第１撮像カメラ１４４ａと第２撮像カメラに入射させる。

撮像方位設定機構１４５は、偏光ビームスプリッタ１４３をこの偏光ビームスプリッタに入射する集束光の光軸廻りに回転駆動し、任意の角度位置に設定可能に構成されている。すなわち、偏光ビームスプリッタ１４３を集束光の光軸廻りに回転させることは、第１撮像カメラ１４４ａについてみると、前述した撮像光学系５０において第２偏光板４３を回転させることと等価であり、第２撮像カメラ１４４ｂに撮像される画像は第１撮像カメラに撮影される偏光成分の画像と直交方向の偏光成分の画像となる。

従って、偏光ビームスプリッタ１４３における第１偏光成分の偏光軸方向を照明光の偏光軸方向に対して相対角度θに設定したときに、第１撮像カメラ１４４ａに撮影される画像は、その相対角度θの設定に応じて、既述した第１画像または第２画像と同じ画像データとなる。また上記相対角度θに設定した状態で第２撮像カメラ１４４ｂに撮影される画像は、既述した撮像光学系において相対角をθ＋９０°に設定した画像と同じ画像データになる。

そこで、本実施形態における撮像光学系１４０では、システム制御部５５が撮像方位設定機構１４５に指令信号を出力して第１偏光成分の偏光軸方向を照明光の偏光軸方向に対して相対角度θに設定し、このとき第１撮像カメラ１４４ａに撮影される画像を第１画像、第２撮像カメラ１４４ｂに撮影される画像を第２画像としてそれぞれ画像記憶部５１に記憶させ、演算処理部５２において第１画像と第２画像とから照明光の不均一性や反射率分布の影響を除去する演算処理（規格化処理）を行って第３画像を算出する。

例えば、上記θ＝９０°としたときに、第１撮像カメラ１４４ａに撮影される第１画像は、既述した第１の角度条件θ₁＝９０°の画像となり、第２撮像カメラ１４４ｂに撮影される第２画像はθ＝１８０°、すなわち図９から明らかなように、既述したθ₂＝０°の画像と同一になる。

そして、演算処理部５２において、ウェハ１０の同一座標位置における輝度信号について、前述した（８）式に示す演算処理、すなわち第３画像＝（第１画像）÷（第２画像）の演算を行い、各座標位置について輝度係数からなる第３画像を算出する。

この第３画像の物理的意義は既述したとおりであり、回転角φのみに関係した画像を創出することができる。そして前述したと同様の画像処理等を行うことにより、検査担当者は容易に欠陥を検知することができる。

また、本実施形態における他の実施例として、θを−４５°に設定する。このとき第１の角度条件θ₁＝−４５°、第２の角度条件θ₂＝４５°であり、演算処理部５２において前述した（９）式に示す演算処理、すなわち、第３画像＝｛（第１画像）−（第２画像）｝÷｛（第１画像）＋（第２画像）｝の演算を行い、各座標位置について輝度係数からなる第３画像を算出する。

本実施例における第３画像の物理的意義も既述の通りであり、回転角φのみに関係した画像を創出することができる。そして前述したと同様の画像処理等を行うことにより、検査担当者は容易に欠陥を検知することができる。

そして、本実施形態の撮像光学系１４０を備えた表面検査装置によれば、第１撮像カメラ１４４ａおよび第２撮像カメラ１４４ｂにおいて同時に画像取得するため、検査時間を短縮することができ、さらにスループットを向上させた検査装置を得ることができる。

なお、以上説明した各実施形態においては、撮像カメラ（４４，１４４ａ，１４４ｂ）が、ウェハ１０の表面全体の像を一括撮像するようにした構成例を示したが、本発明はこれ限られるものではない。例えば、図１１に表面検査装置の他の構成形態を示すように、偏光顕微鏡７２によるウェハ１０表面の一部の拡大像を顕微鏡用撮像カメラ７３により撮像し、その画像または撮像した顕微鏡画像１０Ａを合成してウェハ表面全体の合成画像７４を表示するようにしてもよい。このようにすれば、上述の実施形態と同様の効果を得ることができるのに加え、時間がかかるが、より細かい場所毎の欠陥検査を行うことが可能になる。

なお、図１１に示す第１の変形例に係る表面検査装置７０では、ウェハ１０が顕微鏡用アライメントステージ７１に保持される。また、顕微鏡用撮像カメラ７３による顕微鏡画像１０Ａは、顕微鏡用撮像カメラ７３から画像処理装置５０の画像記憶部５１に取り込まれる。そして、上述の実施形態と同様にして、画像処理部５２がウェハ１０における繰り返しパターン１２の欠陥を検出し、検出結果およびウェハ表面全体の合成画像７４が画像出力部５４で出力表示される。また、図１１に示す表面検査装置７０において、照明光学系は既述した実施形態と同じ構成であり、詳細な説明および図示を省略する。

また、上述の実施形態において、直線偏光Ｌ１がｐ偏光である例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ｐ偏光ではなくｓ偏光にしてもよい。ｓ偏光とは、振動面が入射面に垂直な直線偏光である。このため、図４に示すように、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）が、ｓ偏光である直線偏光Ｌ１の入射面Ａ２に対して４５の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面におけるｓ偏光の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度も、４５度に設定される。なお、ｐ偏光は、繰り返しパターン１２のライン部２Ａのエッジ形状に拘わる欠陥情報を取得するのに有利である。また、ｓ偏光は、ウェハ１０の表面の欠陥情報を効率よく捉えて、ＳＮ比を向上させるのに有利である。

さらに、ｐ偏光やｓ偏光に限らず、振動面が入射面に対して任意の傾きを持つような直線偏光でも構わない。この場合、繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）を直線偏光Ｌ１の入射面に対して４５度以外の角度に設定し、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向（Ｘ方向）とのなす角度を、４５度に設定することが好ましい。

また、上述の実施形態では、ランプハウス３１に内蔵された超高圧水銀灯の光と第１偏光板３２を利用して、直線偏光Ｌ１を作り出すように構成されているが、これに限られるものではなく、直線偏光出力のレーザ装置を光源として使用すれば、第１偏光板３２は必要ない。

さらに、上述の実施形態において、第１および第２位相板３３，４２の効果について説明を省略したが、第１および第２楕円鏡３４，４１等における光の複屈折をキャンセルするために位相板を用いた方がよいことは言うまでもない。

本発明の実施形態に係る表面検査装置の全体構成を示す図である。半導体ウェハの表面の外観図である。繰り返しパターンの凹凸構造を説明する斜視図である。直線偏光の入射面と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。直線偏光と楕円偏光の振動方向を説明する図である。直線偏光の振動面の方向と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。直線偏光の振動面の方向が繰り返し方向に平行な偏光成分と垂直な偏光成分とに分かれる様子を説明する図である。偏光成分の大きさと繰り返しパターンのライン部の線幅との関係を説明する図である。第１偏光板の透過軸に対する第２偏光板の透過軸の方位と光量変化との関係を説明する図である。撮像光学系の他の実施形態を示す概要構成図である。表面検査装置の他の実施形態を例示する概要構成図である。

符号の説明

１表面検査装置
１０ウェハ（被検基板）１２繰り返しパターン
２０アライメントステージ３０照明光学系
３５照明系偏光方位設定機構（設定手段）
４０撮像光学系４３第２偏光板（偏光素子）
４４撮像カメラ（撮像手段）
４５撮像系偏光方位設定機構（設定手段）
５０画像処理装置５１画像記憶部
５２演算処理部５３画像処理部
５４画像出力部（画像出力手段）６０表示装置（画像表示部）
７０表面検査装置（他の実施形態）７１顕微鏡用アライメントステージ
７２偏光顕微鏡（偏光素子）７３顕微鏡用撮像カメラ（撮像手段）
１４０撮像光学系（他の実施形態）１４３偏光ビームスプリッタ
１４４ａ第１撮像カメラ（第１撮像手段）１４４ｂ第２撮像カメラ（第２撮像手段）
１４５撮像方位設定機構（撮像方位設定手段）
Ｌ１照明光Ｌ２反射光

Claims

繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、
前記被検基板により反射された反射光による像を撮像する撮像手段と、
前記被検基板と前記撮像手段との間に設けられた偏光素子と、
前記照明光の偏光軸方向と前記偏光素子の偏光軸方向とのなす角度を第１の角度および第２の角度に設定する設定手段と、
前記第１の角度において前記撮像手段で撮像された第１画像および前記第２の角度において前記撮像手段で撮像された第２画像に基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、
前記第３画像を表示する画像表示部と
を備え、
前記第１の角度は略４５度であり、前記第２の角度は略０度であり、
前記演算処理部は、第２画像の輝度値で第１画像の輝度値を割算することを特徴とする表面検査装置。
繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、
前記被検基板により反射された反射光による像を撮像する撮像手段と、
前記被検基板と前記撮像手段との間に設けられた偏光素子と、
前記照明光の偏光軸方向と前記偏光素子の偏光軸方向とのなす角度を第１の角度および第２の角度に設定する設定手段と、
前記第１の角度において前記撮像手段で撮像された第１画像および前記第２の角度において前記撮像手段で撮像された第２画像とに基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、
前記第３画像により、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段と
を備え、
前記第１の角度は略４５度であり、前記第２の角度は略０度であり、
前記演算処理部は、第２画像の輝度値で第１画像の輝度値を割算することを特徴とする表面検査装置。
繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、
前記被検基板により反射された反射光による像を撮像する撮像手段と、
前記被検基板と前記撮像手段との間に設けられた偏光素子と、
前記照明光の偏光軸方向と前記偏光素子の偏光軸方向とのなす角度を第１の角度および第２の角度に設定する設定手段と、
前記第１の角度において前記撮像手段で撮像された第１画像および前記第２の角度において前記撮像手段で撮像された第２画像に基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、
前記第３画像を表示する画像表示部と
を備え、
前記第１の角度はθであり、前記第２の角度は−θであり、
前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差を演算することを特徴とする表面検査装置。
請求項３に記載の表面検査装置において、
前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の和に基づいた値で割算することを特徴とする表面検査装置。
繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、
前記被検基板により反射された反射光による像を撮像する撮像手段と、
前記被検基板と前記撮像手段との間に設けられた偏光素子と、
前記照明光の偏光軸方向と前記偏光素子の偏光軸方向とのなす角度を第１の角度および第２の角度に設定する設定手段と、
前記第１の角度において前記撮像手段で撮像された第１画像および前記第２の角度において前記撮像手段で撮像された第２画像とに基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、
前記第３画像により、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段と
を備え、
前記第１の角度はθであり、前記第２の角度は−θであり、
前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を演算することを特徴とする表面検査装置。
請求項５に記載の表面検査装置において、
前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の和に基づいた値で割算することを特徴とする表面検査装置。
前記θが略４５度であることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の表面検査装置。
前記設定手段は、前記照明光の偏光軸方向を設定することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面検査装置。
前記設定手段は、前記偏光素子の偏光軸方向を設定することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の表面検査装置。
繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、
前記被検基板により反射された反射光を、互いに直交する偏光成分の第１偏光成分および第２偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光成分の光による像を撮像する第１撮像手段と、
前記第２偏光成分の光による像を撮像する第２撮像手段と、
前記第１撮像手段で撮像された第１画像および前記第２撮像手段で撮像された第２画像に基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、
前記第３画像を表示する画像表示部と
を備え、
前記照明光の偏光軸方向と前記偏光ビームスプリッタの偏光軸方向とのなす相対角度を設定する設定手段を備え、前記角度は、前記照明光の偏光軸方向と前記第１偏光成分とがなす角度が略４５度、前記照明光の偏光軸方向と前記第２偏光成分とがなす角度が略−４５度となるように設定され、
前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の和に基づいた値で割算することを特徴とする表面検査装置。
繰り返しパターンが形成された被検基板に直線偏光の照明光を照射する照明光学系と、
前記被検基板により反射された反射光を、互いに直交する偏光成分の第１偏光成分および第２偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光成分の光による像を撮像する第１撮像手段と、
前記第２偏光成分の光による像を撮像する第２撮像手段と、
前記第１撮像手段で撮像された第１画像および前記第２撮像手段で撮像された第２画像に基づいて、前記第１画像の輝度値と前記第２画像の輝度値とを演算処理して第３画像を生成する演算処理部と、
前記第３画像により、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する欠陥検出手段と
を備え、
前記照明光の偏光軸方向と前記偏光ビームスプリッタの偏光軸方向とのなす相対角度を設定する設定手段を備え、前記角度は、前記照明光の偏光軸方向と前記第１偏光成分とがなす角度が略４５度、前記照明光の偏光軸方向と前記第２偏光成分とがなす角度が略−４５度となるように設定され、
前記演算処理部は、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の差に基づいた値を、前記第１画像と前記第２画像の輝度値の和に基づいた値で割算することを特徴とする表面検査装置。
前記照明光の偏光軸方向と前記偏光ビームスプリッタの偏光軸方向とのなす相対角度を設定する設定手段を備え、前記角度は、前記照明光の偏光軸方向と前記第２偏光成分とがなす角度が略０度となるように設定され、
前記演算処理部は、第２画像の輝度値で第１画像の輝度値を割算することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の表面検査装置。
前記被検基板を保持する保持手段を備え、前記保持手段は、前記照明光の偏光軸に対して前記繰り返しパターンの繰り返し方向のなす基板方位角を設定可能であり、前記基板方位角が略４５度に設定されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の表面検査装置。