JP4552859B2 - 表面検査装置および表面検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハや液晶基板などの表面を検査する表面検査装置および表面検査方法に関する。

半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程では、半導体ウエハや液晶基板（総じて「基板」という）の表面に形成された繰り返しパターン（配線パターンなどのライン・アンド・スペースのパターン）の欠陥検査が行われる。自動化された表面検査装置では、チルト可能なステージの上に基板を載置し、基板の表面に検査用の照明光（非偏光）を照射し、基板上の繰り返しパターンから発生する回折光（例えば１次回折光）に基づいて基板の画像を取り込み、この画像の明暗差（コントラスト）に基づいて繰り返しパターンの欠陥箇所を特定する。さらに、従来の表面検査装置は、ステージをチルト調整することにより、基板上の繰り返しピッチが異なる繰り返しパターンの欠陥検査を行うこともできる。
特開平１０−２３２１２２号公報

しかしながら、上記した従来の表面検査装置では、原理的に、繰り返しパターンの繰り返しピッチが所定値（＝（回折次数）×（照明光の波長）÷２）より小さくなると、繰り返しパターンから回折光が発生せず、欠陥検査を行うことができない。また、繰り返しピッチが所定値近傍の場合には、装置内での照明系や受光系の機械的な配置の制約から、回折光による欠陥検査を実現することは難しい。

なお、繰り返しピッチの微細化（すなわち配線パターンなどのライン・アンド・スペースの微細化）に対応するためには、照明光の波長を短くして上記の所定値を小さくすることが考えられる。しかし、光源の種類が限定され、高価で大がかりな光源となってしまい、さらに、照明系や受光系を構成する光学素子の材料も高価なものに限定され、好ましくない。

本発明の目的は、照明光を短波長化しなくても、確実に繰り返しピッチの微細化に対応できる表面検査装置および表面検査方法を提供することにある。

本発明の表面検査装置は、被検基板の表面に形成された繰り返しパターンを直線偏光により照明する照明手段と、前記直線偏光の振動面の前記表面における方向と前記繰り返しパターンの繰り返し方向との成す角度を斜めに設定する設定手段と、前記繰り返しパターンから正反射方向に発生した光のうち、前記直線偏光の振動面に垂直な偏光成分を抽出する抽出手段とを備えたものである。

好ましくは、前記抽出手段によって抽出された前記偏光成分の光強度に基づいて、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する検出手段を備えたものである。
また、好ましくは、前記抽出手段によって抽出された光により前記被検基板の像を結像する結像手段と、結像された前記像に基づいて、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する検出手段とを備えたものである。

また、好ましくは、前記設定手段は、前記角度を３０度〜６０度の間の任意の値に設定するものである。
また、好ましくは、前記設定手段は、前記角度を４５度に設定するものである。
また、好ましくは、前記被検基板を支持し、該被検基板の前記繰り返しパターンの繰り返し方向を前記表面内で回転させる基板支持手段を備え、前記検出手段は、前記基板支持手段が前記繰り返し方向を１８０度回転させる前後の状態に基づいて前記繰り返しパターンの欠陥を検出するものである。

さらに、本発明の表面検査方法は、直線偏光を用い、被検基板の表面における前記直線偏光の振動面の方向が、前記表面に形成された繰り返しパターンの繰り返し方向に対して傾いた状態で、前記繰り返しパターンを照明し、前記繰り返しパターンから正反射方向に発生した光のうち、前記直線偏光の振動面に垂直な偏光成分の光強度に基づいて、前記繰り返しパターンの欠陥を検出するものである。

好ましくは、直線偏光を用い、被検基板の表面における前記直線偏光の振動面の方向が、前記表面に形成された繰り返しパターンの繰り返し方向に対して傾いた状態で、前記繰り返しパターンを照明し、前記繰り返しパターンから正反射方向に発生した光のうち、前記直線偏光の振動面に垂直な偏光成分を抽出し、抽出された光により前記被検基板の像を形成し、その像に基づいて前記繰り返しパターンの欠陥を検出するものである。

また、好ましくは、前記直線偏光は、前記表面における前記振動面の方向が、前記繰り返しパターンの繰り返し方向に対して３０度〜６０度の間の任意の角度に傾いているものである。
また、好ましくは、前記直線偏光は、前記表面における前記振動面の方向が、前記繰り返しパターンの繰り返し方向に対して４５度の角度に傾いているものである。

また、好ましくは、前記繰り返しパターンの欠陥の検出は、前記繰り返しパターンの繰り返し方向を前記表面内で１８０度回転させる前後の状態で行われるものである。

本発明によれば、照明光を短波長化しなくても、確実に繰り返しピッチの微細化に対応できる。

第１実施形態の表面検査装置１０の全体構成を示す図である。 半導体ウエハ２０の表面の外観図である。 繰り返しパターン２２の凹凸構造を説明する斜視図である。 直線偏光Ｌ１の入射面（３Ａ）と、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との傾き状態を説明する図である。 直線偏光Ｌ１と楕円偏光Ｌ２の振動方向を説明する図である。 直線偏光Ｌ１の振動面の方向（Ｖ方向）と、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との傾き状態を説明する図である。 繰り返し方向（Ｘ方向）に平行な偏光成分Ｖ_Ｘと垂直な偏光成分Ｖ_Ｙとに分かれる様子を説明する図である。 偏光成分Ｌ３の大きさと、繰り返しパターン２２のライン部２Ａの線幅Ｄ_Ａとの関係を説明する図である。 ピッチＰが異なると共に、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が同じ繰り返しパターン２２の一例を示す図である。 繰り返し方向が異なる繰り返しパターン２５，２６を説明する図である。 エッジ形状が非対称な繰り返しパターン２２と直線偏光Ｌ１の入射方向との関係を示す図である。 第２実施形態の表面検査装置４０の全体構成を示す図である。 垂直入射の構造性複屈折を説明する際の直線偏光Ｌ５の振動面と層の繰り返し方向とを説明する図である。 垂直入射の構造性複屈折を説明する際の直線偏光Ｌ６の振動面と層の繰り返し方向とを説明する図である。 垂直入射の構造性複屈折を説明する際の屈折率（ａ），振幅反射率（ｂ），振幅反射率の差（ｃ）と、物質１の厚さｔ_１との関係を示す図である。 偏光成分Ｌ４の光強度Ｉ_Ｌ４（∝反射画像の輝度値）と、直線偏光の振動面の傾き角度φ（図１４）との関係を示す図である。 第３実施形態の表面検査装置１０ａの全体構成を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の表面検査装置１０は、図１に示すように、被検基板である半導体ウエハ２０を支持するステージ１１と、アライメント系１２と、照明系１３と、受光系１４と、画像処理装置１５とで構成されている。表面検査装置１０は、半導体回路素子の製造工程において、半導体ウエハ２０の表面の検査を自動的に行う装置である。半導体ウエハ２０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、不図示のウエハカセットまたは現像装置から運ばれ、ステージ１１に吸着される。

半導体ウエハ２０の表面には、図２に示すように、複数のチップ領域２１がＸＹ方向に配列され、各チップ領域２１の中に繰り返しパターン２２が形成されている。繰り返しパターン２２は、図３に示すように、複数のライン部２Ａがその短手方向（Ｘ方向）に沿って一定のピッチＰで配列されたレジストパターン（例えば配線パターン）である。隣り合うライン部２Ａどうしの間は、スペース部２Ｂである。ライン部２Ａの配列方向（Ｘ方向）を「繰り返しパターン２２の繰り返し方向」という。

ここで、繰り返しパターン２２のライン部２Ａの線幅Ｄ_Ａの設計値をピッチＰの１／２とする。設計値の通りに繰り返しパターン２２が形成された場合、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Ａとスペース部２Ｂの線幅Ｄ_Ｂは等しくなり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比は略１：１になる。これに対して、繰り返しパターン２２を形成する際の露光フォーカスが適正値から外れると、ピッチＰは変わらないが、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Ａが設計値とは異なってしまい、スペース部２Ｂの線幅Ｄ_Ｂとも異なってしまい、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。

第１実施形態の表面検査装置１０は、上記のような繰り返しパターン２２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２２の欠陥検査を行うものである。説明を簡単にするため、理想的な体積比（設計値）を１：１とする。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、半導体ウエハ２０のショット領域ごとに現れる。なお、体積比を断面形状の面積比と言い換えることもできる。

また、第１実施形態では、繰り返しパターン２２に対する照明光（後述）の波長と比較して繰り返しパターン２２のピッチＰが十分小さいとする。このため、繰り返しパターン２２から回折光が発生することはなく、繰り返しパターン２２の欠陥検査を回折光により行うことはできない。第１実施形態における欠陥検査の原理は、以降、表面検査装置１０の構成（図１）と共に順に説明する。

表面検査装置１０のステージ１１は、半導体ウエハ２０を上面に載置して、例えば真空吸着により固定保持する。さらに、ステージ１１は、上面の中心における法線１Ａを軸に回転可能である。この回転機構によって、半導体ウエハ２０の繰り返しパターン２２の繰り返し方向（図２，図３のＸ方向）を、半導体ウエハ２０の表面内で回転させることができる。なお、ステージ１１は、上面が水平面であり、チルト機構を持たない。このため、半導体ウエハ２０を常に水平な状態に保つことができる。

アライメント系１２は、ステージ１１が回転しているときに、半導体ウエハ２０の外縁部を照明し、外縁部に設けられた外形基準（例えばノッチ）の回転方向の位置を検出し、所定位置でステージ１１を停止させる。その結果、半導体ウエハ２０の繰り返しパターン２２の繰り返し方向（図２，図３のＸ方向）を、後述の照明光の入射面３Ａ（図４参照）に対して、４５度の角度に傾けて設定することができる。

照明系１３は、光源３１と波長選択フィルタ３２とライトガイドファイバ３３と偏光フィルタ３４と凹面反射鏡３５とで構成された偏心光学系であり、ステージ１１上の半導体ウエハ２０の繰り返しパターン２２を直線偏光Ｌ１により照明する。この直線偏光Ｌ１が、繰り返しパターン２２に対する照明光である。直線偏光Ｌ１は、半導体ウエハ２０の表面全体に照射される。

直線偏光Ｌ１の進行方向（半導体ウエハ２０の表面上の任意の点に到達する直線偏光Ｌ１の主光線の方向）は、凹面反射鏡３５の光軸Ｏ１に略平行である。光軸Ｏ１は、ステージ１１の中心を通り、ステージ１１の法線１Ａに対して所定の角度θだけ傾けられている。ちなみに、直線偏光Ｌ１の進行方向を含み、ステージ１１の法線１Ａに平行な平面が、直線偏光Ｌ１の入射面である。図４の入射面３Ａは、半導体ウエハ２０の中心における入射面である。

また、第１実施形態では、直線偏光Ｌ１がｐ偏光である。つまり、図５（ａ）に示すように、直線偏光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（３Ａ）内に含まれる。直線偏光Ｌ１の振動面は、凹面反射鏡３５の前段に配置された偏光フィルタ３４の透過軸により規定される。
なお、照明系１３の光源３１は、メタルハライドランプや水銀ランプなどの安価な放電光源である。波長選択フィルタ３２は、光源３１からの光のうち所定波長の輝線スペクトルを選択的に透過する。ライトガイドファイバ３３は、波長選択フィルタ３２からの光を伝送する。偏光フィルタ３４は、ライトガイドファイバ３３の射出端近傍に配置され、その透過軸が所定の方位に設定され、透過軸に応じてライトガイドファイバ３３からの光を直線偏光にする。凹面反射鏡３５は、球面の内側を反射面とした反射鏡であり、前側焦点がライトガイドファイバ３３の射出端と略一致し、後側焦点が半導体ウエハ２０の表面と略一致するように配置され、偏光フィルタ３４からの光を半導体ウエハ２０の表面に導く。照明系１３は、半導体ウエハ２０側に対してテレセントリックな光学系である。

上記の照明系１３において、光源３１からの光は、波長選択フィルタ３２とライトガイドファイバ３３と偏光フィルタ３４と凹面反射鏡３５とを介し、ｐ偏光の直線偏光Ｌ１（図５（ａ））となって、半導体ウエハ２０の表面全体に入射する。半導体ウエハ２０の各点における直線偏光Ｌ１の入射角度は、互いに同じであり、光軸Ｏ１と法線１Ａとの成す角度θに相当する。

第１実施形態では、半導体ウエハ２０に入射する直線偏光Ｌ１がｐ偏光（図５（ａ））であるため、図４に示す通り、半導体ウエハ２０の繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）が直線偏光Ｌ１の入射面（３Ａ）に対して４５度の角度に設定された場合、半導体ウエハ２０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向（図６のＶ方向）と、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度も、４５度に設定される。

換言すると、直線偏光Ｌ１は、半導体ウエハ２０の表面における振動面の方向（図６のＶ方向）が繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して４５度に傾いた状態で、繰り返しパターン２２を斜めに横切るような状態で、繰り返しパターン２２に入射する。
このような直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン２２との角度状態は、半導体ウエハ２０の表面全体において均一である。なお、４５度を１３５度，２２５度，３１５度の何れかに言い換えても、直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン２２との角度状態は同じである。また、図６の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度を４５度に設定するのは、繰り返しパターン２２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２２を照明すると、繰り返しパターン２２から正反射方向に楕円偏光Ｌ２が発生する（図１，図５（ｂ））。この場合、楕円偏光Ｌ２の進行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（３Ａ）内に含まれ、ステージ１１の法線１Ａに対して角度θ（直線偏光Ｌ１の入射角度θに等しい角度）だけ傾いた方向である。なお、上記の通り、繰り返しパターン２２のピッチＰが照明波長と比較して十分小さいため、繰り返しパターン２２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２２により楕円化し、繰り返しパターン２２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は、繰り返しパターン２２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（Ｘ方向）に平行な成分である。他方の偏光成分Ｖ_Ｙは、繰り返し方向（Ｘ方向）に垂直な成分である。そして、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２２の異方性に起因して複素反射率（つまり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は楕円偏光Ｌ２となる（図５（ｂ））。

また、繰り返しパターン２２の異方性に起因する楕円化の程度は、図５（ｂ）の楕円偏光Ｌ２のうち、図５（ａ）の直線偏光Ｌ１の振動面（第１実施形態では入射面（３Ａ）と一致）に垂直な偏光成分Ｌ３（図５（ｃ））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２２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）との成す角度に依存する。このため、Ｖ方向とＸ方向との成す角度を一定の値（第１実施形態では４５度）に保つ場合、繰り返しパターン２２の材質が一定であっても、繰り返しパターン２２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。

繰り返しパターン２２の形状と偏光成分Ｌ３の大きさとの関係について説明する。図３に示すように、繰り返しパターン２２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、適正な露光フォーカスで設計値の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。このような理想的な形状の場合、偏光成分Ｌ３の大きさは最も大きくなる。これに対し、露光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とが異なってしまい、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。偏光成分Ｌ３の大きさの変化を図示すると、図８のようになる。図８の横軸は、ライン部２Ａの線幅Ｄ_Ａである。

このように、直線偏光Ｌ１を用い、図６の振動面の方向（Ｖ方向）が繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して４５度に傾いた状態で、繰り返しパターン２２を照明すると、正反射方向に発生した楕円偏光Ｌ２（図１，図５（ｂ））は、その楕円化の程度（図５（ｃ）の偏光成分Ｌ３の大きさ）が、繰り返しパターン２２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（図８）。楕円偏光Ｌ２の進行方向は、直線偏光Ｌ１の入射面（３Ａ）内に含まれ、ステージ１１の法線１Ａに対して角度θ（直線偏光Ｌ１の入射角度θに等しい角度）だけ傾いている。

次に、受光系１４の説明を行う。受光系１４は、図１に示すように、凹面反射鏡３６と結像レンズ３７と偏光フィルタ３８と撮像素子３９とで構成された偏心光学系である。
凹面反射鏡３６は、上記した照明系１３の凹面反射鏡３５と同様の反射鏡であり、その光軸Ｏ２が、ステージ１１の中心を通り、かつ、ステージ１１の法線１Ａに対して角度θだけ傾くように配置されている。したがって、繰り返しパターン２２からの楕円偏光Ｌ２は、凹面反射鏡３６の光軸Ｏ２に沿って進行することになる。凹面反射鏡３６は、楕円偏光Ｌ２を反射して結像レンズ３７の方に導き、結像レンズ３７と協働して撮像素子３９の撮像面に集光する。

ただし、結像レンズ３７と凹面反射鏡３６との間には、偏光フィルタ３８が配置されている。偏光フィルタ３８の透過軸の方位は、上記した照明系１３の偏光フィルタ３４の透過軸に対して直交するように設定されている（クロスニコル（直交ニコル）の状態）。したがって、偏光フィルタ３８により、楕円偏光Ｌ２の図５（ｃ）の偏光成分Ｌ３に相当する偏光成分Ｌ４（図１）のみを抽出して、撮像素子３９に導くことができる。その結果、撮像素子３９の撮像面には、偏光成分Ｌ４による半導体ウエハ２０の反射像が形成される。

撮像素子３９は、例えばＣＣＤ撮像素子などであり、撮像面に形成された半導体ウエハ２０の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理装置１５に出力する。半導体ウエハ２０の反射像の明暗は、偏光成分Ｌ４の光強度（図５（ｃ）の偏光成分Ｌ３の大きさ）に略比例し、繰り返しパターン２２の形状（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比）に応じて変化する（図８参照）。半導体ウエハ２０の反射像が最も明るくなるのは、繰り返しパターン２２が理想的な形状（体積比が１：１）の場合である。なお、半導体ウエハ２０の反射像の明暗は、ショット領域ごとに現れる。

画像処理装置１５は、撮像素子３９から出力される画像信号に基づいて、半導体ウエハ２０の反射画像を取り込む。なお、画像処理装置１５は、比較のため、良品ウエハの反射画像を予め記憶している。良品ウエハとは、繰り返しパターン２２が理想的な形状（体積比が１：１）で表面全体に形成されたものである。良品ウエハの反射画像の輝度情報は、最も高い輝度値を示すと考えられる。

したがって、画像処理装置１５は、被検基板である半導体ウエハ２０の反射画像を取り込むと、その輝度情報を良品ウエハの反射画像の輝度情報と比較する。そして、半導体ウエハ２０の反射画像の暗い箇所の輝度値の低下量（∝図８の低下量Δ）に基づいて、繰り返しパターン２２の欠陥（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比の変化）を検出する。例えば、輝度値の低下量が予め定めた閾値（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。

なお、画像処理装置１５においては、上記のように、良品ウエハの反射画像を予め記憶しておく構成の他、ウエハ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、取り込まれたウエハ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。

上記したように、第１実施形態の表面検査装置１０によれば、直線偏光Ｌ１を用い、図６の振動面の方向（Ｖ方向）が繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して傾いた状態で、繰り返しパターン２２を照明すると共に、正反射方向に発生した楕円偏光Ｌ２のうち、偏光成分Ｌ４の光強度（図５（ｃ）の偏光成分Ｌ３の大きさ）に基づいて、繰り返しパターン２２の欠陥を検出するため、照明波長と比較して繰り返しパターン２２のピッチＰが十分小さくても、確実に欠陥検査を行うことができる。つまり、照明光である直線偏光Ｌ１を短波長化しなくても、確実に繰り返しピッチの微細化に対応できる。

さらに、第１実施形態の表面検査装置１０では、図６の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度を４５度に設定したことにより、半導体ウエハ２０の反射画像の輝度値の低下量（∝図８の低下量Δ）を大きく捉えることができ、繰り返しパターン２２の欠陥検査を高感度で行うことができる。
また、第１実施形態の表面検査装置１０では、照明波長と比較して繰り返しパターン２２のピッチＰが十分小さい場合に限らず、繰り返しパターン２２のピッチＰが照明波長と同程度でも、照明波長より大きい場合でも、同様に繰り返しパターン２２の欠陥検査を行うことができる。つまり、繰り返しパターン２２のピッチＰに拘わらず、確実に欠陥検査を行うことができる。繰り返しパターン２２による直線偏光Ｌ１の楕円化は、繰り返しパターン２２のライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比に依存して起こるものであり、繰り返しパターン２２のピッチＰに依存しないからである。

さらに、第１実施形態の表面検査装置１０では、繰り返しパターン２２のライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が同じであれば、反射画像の輝度値の低下量（∝図８の低下量Δ）が等しくなる。このため、繰り返しパターン２２のピッチＰに拘わらず、体積比の変化量が同じであれば、同じ感度で、その検出を行うことができる。例えば、図９（ａ），（ｂ）に示す繰り返しパターン２２のように、ピッチＰが異なり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が同じ場合、同じ感度で欠陥検査を行える。また、図９（ａ），（ｂ）の比較から分かるように、ピッチＰが小さいほど、微細な形状変化（ライン部２Ａの線幅Ｄ_Ａの設計値からのずれ量δ）を確実に検出することができる。

また、第１実施形態の表面検査装置１０では、繰り返しパターン２２のピッチＰが異なる場合でも、半導体ウエハ２０を水平な状態に保ったままで（従来のようなステージのチルト調整を行わずに）検査を行えるため、実際に欠陥検査を開始する（つまり半導体ウエハ２０の反射画像を取り込む）までの準備時間を確実に短縮することができ、作業効率が向上する。

さらに、第１実施形態の表面検査装置１０では、ステージ１１がチルト機構を持たないため、装置構成が簡素化する。また、照明系１３の光源３１として安価な放電光源を用いることができ、表面検査装置１０の全体構成が安価で簡素なものとなる。
また、第１実施形態の表面検査装置１０では、半導体ウエハ２０の表面に複数種類の繰り返しパターンが形成され、ピッチＰや繰り返し方向（Ｘ方向）の異なる繰り返しパターンが混在している場合でも、半導体ウエハ２０の表面全体の反射画像を一括で取り込み、各々の箇所における輝度値の低下量を調べるだけで、全ての繰り返しパターンの欠陥検査を簡単に行うことができる。ちなみに、繰り返し方向の異なる繰り返しパターンは、図１０に示すように、０度方向の繰り返しパターン２５と９０度方向の繰り返しパターン２６とである。これらの繰り返しパターン２５，２６は、互いに、繰り返し方向（Ｘ方向）が９０度異なっている。しかし、各々の繰り返し方向（Ｘ方向）と直線偏光Ｌ１の振動面の方向（Ｖ方向）との成す角度は、共に４５度である。

さらに、第１実施形態の表面検査装置１０では、半導体ウエハ２０の表面に対して直線偏光Ｌ１を斜めに入射させるため（図１参照）、繰り返しパターン２２のライン部２Ａのエッジ形状の非対称性（例えばエッジ形状の崩れの方向性）に関わる欠陥情報も得ることができる。このためには、ステージ１１により半導体ウエハ２０の繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）を１８０度回転させ、その前後の状態で半導体ウエハ２０の反射画像を取り込み、同じ箇所の輝度差を調べることになる。

図１１には、エッジ形状が非対称な繰り返しパターン２２と直線偏光Ｌ１の入射方向との関係を図示した。例えば、図１１（ａ）は１８０度回転前の状態であり、ライン部２ＡのエッジＥ_１，Ｅ_２のうち崩れたエッジ（Ｅ_１）側から照明光が入射される。図１１（ｂ）は１８０度回転後の状態であり、２つのエッジＥ_１，Ｅ_２のうち崩れていないエッジ（Ｅ_２）側から照明光が入射される。そして、各々の状態で取り込んだ反射画像の輝度値は、入射方向にあるエッジＥ_１，Ｅ_２のエッジ形状を反映したものとなり、この例では図１１（ａ）の場合の方が反射画像の輝度値が大きくなる。したがって、１８０度回転させる前後の反射画像の輝度差を調べることにより、ライン部２Ａのエッジ形状の非対称性が分かる。１８０度回転させる前後の反射画像を合成して欠陥検査を行ってもよい。

なお、第１実施形態のように、半導体ウエハ２０の表面に対して直線偏光Ｌ１を斜めに入射させる場合（図１参照，入射角度θ）、繰り返しパターン２２から発生する楕円偏光Ｌ２（図５（ｂ））は、厳密に言えば、その進行方向を軸として僅かに回転している。このため、その回転角度を考慮して、受光系１４の偏光フィルタ３８の透過軸の方位を微調整することが好ましい。微調整後の状態では、２つの偏光フィルタ３４，３８の透過軸の方位が正確な９０度ではなくなるが、このような角度も“垂直（または直交）”の範疇であり、クロスニコルの状態と言える。偏光フィルタ３８の透過軸の方位を微調整することにより、検査精度を向上させることができる。微調整の方法としては、例えば、繰り返しパターンの無い表面で直線偏光Ｌ１を反射させて画像を取り込み、画像の輝度値が最も小さくなるように、偏光フィルタ３８の透過軸の方位を回転させることが考えられる。

また、上記した第１実施形態では、直線偏光Ｌ１がｐ偏光である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。ｐ偏光ではなくｓ偏光にしても良い。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に示す通り、半導体ウエハ２０の繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）が直線偏光Ｌ１であるｓ偏光の入射面（３Ａ）に対して４５度の角度に設定された場合、半導体ウエハ２０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２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度も、４５度に設定される。なお、ｐ偏光は、繰り返しパターン２２のライン部２Ａのエッジ形状に関わる欠陥情報を取得するのに有利である。ｓ偏光は、半導体ウエハ２０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２２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、半導体ウエハ２０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２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度を、４５度に設定することが好ましい。
（第２実施形態）
ここでは、第１実施形態の表面検査装置１０（図１）の照明系１３と受光系１４に代えて、図１２（ａ）に示す照明系（４１〜４６）と受光系（４５〜４９）を備えた表面検査装置４０について説明する。図１２（ａ）では、第１実施形態と同様のステージ１１とアライメント系１２と画像処理装置１５の図示を省略した。表面検査装置４０も、半導体回路素子の製造工程において、半導体ウエハ２０の表面の検査を自動的に行う装置である。

第２実施形態の表面検査装置４０の照明系（４１〜４６）と受光系（４５〜４９）について説明する。照明系（４１〜４６）は、光源４１と波長選択フィルタ４２とリレーレンズ４３と開口絞り４４と偏光ビームスプリッタ４５とレンズ４６とで構成されている。このうち、偏光ビームスプリッタ４５とレンズ４６は、受光系（４５〜４９）の一部としても機能する。受光系（４５〜４９）は、偏光ビームスプリッタ４５とレンズ４６の他、開口絞り４７と結像レンズ４８と撮像素子４９とで構成されている。レンズ４６の光軸Ｏ３は、ステージ１１の法線１Ａ（図１参照）に一致する。

表面検査装置４０は、図１の表面検査装置１０の凹面反射鏡３５，３６に代えて、これらの機能を兼ね備えたレンズ４６を設け、かつ、表面検査装置１０の偏光フィルタ３４，３８に代えて、これらの機能を兼ね備えた偏光ビームスプリッタ４５を設けたものである。このように照明系（４１〜４６）と受光系（４５〜４９）の光学素子（４５，４６）を共通化するため、部品点数を減らすことができ、構成が簡素化する。

なお、光源４１，波長選択フィルタ４２，結像レンズ４８，撮像素子４９は、上記の光源３１，波長選択フィルタ３２，結像レンズ３７，撮像素子３９と同じである。開口絞り４４，４７は、レンズ４６の焦点位置近傍に配置される。開口絞り４７は、迷光を遮断するための光学素子である。偏光ビームスプリッタ４５は、紙面に垂直な振動面の直線偏光のみを反射すると共に、紙面に平行な振動面の直線偏光のみを透過する。つまり、偏光ビームスプリッタ４５の反射軸と透過軸は方位が互いに直交している（クロスニコルの状態）。

照明系（４１〜４６）において、光源４１からの光は、波長選択フィルタ４２とリレーレンズ４３と開口絞り４４とを介して偏光ビームスプリッタ４５に入射し、そこで反射した光（つまり紙面に垂直な振動面の直線偏光Ｌ１）がレンズ４６に導かれる。そして、偏光ビームスプリッタ４５からの直線偏光Ｌ１は、レンズ４６を介した後、半導体ウエハ２０の表面全体に垂直入射する。なお、垂直入射の場合には、直線偏光Ｌ１の“入射面”を定義できない。半導体ウエハ２０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向を図１２（ｂ）に“Ｖ方向”として示した。

半導体ウエハ２０は、図１と同様のステージ１１およびアライメント系１２によって、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）が、直線偏光Ｌ１の振動面の方向（Ｖ方向）に対して４５度の角度に傾くように設定されている。Ｖ方向とＸ方向との成す角度を４５度に設定するのは、繰り返しパターン２２の欠陥検査の感度を最も高くするためである。このような直線偏光Ｌ１と繰り返しパターン２２との角度状態は、半導体ウエハ２０の表面全体において均一である。

そして、上記の直線偏光Ｌ１を用いて繰り返しパターン２２を照明すると、半導体ウエハ２０の繰り返しパターン２２から正反射方向（光軸Ｏ３の方向）に楕円偏光Ｌ２が発生する。楕円化の理由は第１実施形態と同様であるが、垂直入射の場合には、繰り返し方向（Ｘ方向）に平行な偏光成分Ｖ_Ｘと垂直な偏光成分Ｖ_Ｙ（図７）とで、位相変化が等しくなる。つまり、偏光成分Ｖ_Ｘ，Ｖ_Ｙは、それぞれ独立に、異なる振幅変化を受ける。このため、偏光成分Ｖ_Ｘ，Ｖ_Ｙの反射光は互いに振幅が異なり、これらの合成による反射光が楕円偏光Ｌ２となる。なお、垂直入射の場合の構造性複屈折は、繰り返しパターン２２の異方性に起因して振幅反射率が異なることに対応する。

繰り返しパターン２２からの楕円偏光Ｌ２は、再びレンズ４６で集光され、偏光ビームスプリッタ４５と開口絞り４７と結像レンズ４８を介した後、撮像素子４９の撮像面に集光される。偏光ビームスプリッタ４５では、楕円偏光Ｌ２のうち、直線偏光Ｌ１の振動面に垂直な（紙面に平行な）偏光成分Ｌ４のみを抽出して、撮像素子４９に導く。撮像素子４９の撮像面には、偏光成分Ｌ４による半導体ウエハ２０の反射像が形成される。この反射像の明暗は、偏光成分Ｌ４の光強度に略比例する。

偏光成分Ｌ４の光強度は、繰り返しパターン２２の形状（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比）に応じて変化する（図８参照）。ただし、直線偏光Ｌ１の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度が一定の値（第２実施形態では４５度）に保たれ、繰り返しパターン２２の材質が一定とする。偏光成分Ｌ４の光強度が最大となるのは、繰り返しパターン２２が理想的な形状（体積比が１：１）の場合である。

ここで、垂直入射の場合の構造性複屈折（繰り返しパターン２２の異方性に起因する振幅反射率の差）について説明し、繰り返しパターン２２の形状と偏光成分Ｌ４の光強度との関係について説明する。この説明のため、繰り返しパターン２２をモデル化する。すなわち、厚さｔ_１，誘電率ε_１の物質１と厚さｔ_２，誘電率ε_２の物質２とからなる層が、照明波長に比べて十分短い繰り返し周期で、平面上に複数個配列されたとする。

図１３（ａ）に示すように、層の繰り返し方向に平行な振動面の直線偏光Ｌ５が照射されると、層を横切るように電場が印加され、電場に応じて小さな分極が生じる。つまり、電場に対して各層が直列に分極を生じる。このときの見かけの誘電率ε_Ｘは、次式（１）により表すことができる。そして、垂直入射の場合、誘電率ε_Ｘの物質における振幅反射率ｒ_Ｘは、次式（２）により表すことができる。

また、図１３（ｂ）に示すように、層の繰り返し方向に垂直な振動面の直線偏光Ｌ６が照射されると、層の長手方向に沿って電場が印加され、この電場に応じて分極が生じる。電場から見ると、各層の分極は並列に並んでいる。このときの見かけの誘電率ε_Ｙは、層の厚さ（ｔ_１＋ｔ_２）の加重平均となり、次式（３）により表すことができる。そして、垂直入射の場合、誘電率ε_Ｙの物質における振幅反射率ｒ_Ｙは、次式（４）により表すことができる。

このように、垂直入射の直線偏光Ｌ５，Ｌ６の振動面の方向が異なる（図１３）と、見かけの誘電率ε_Ｘ，ε_Ｙが異なるため（式（１），（３））、結果として、振幅反射率ｒ_Ｘ，ｒ_Ｙも異なることになる（式（２），（４））。これら振幅反射率ｒ_Ｘ，ｒ_Ｙの差（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ）が、垂直入射の場合の構造性複屈折と考えられる。

次に、図１４に示すように、層の繰り返し方向に対して直線偏光の振動面が角度φだけ傾いている場合を考える。層に入射したときの直線偏光の振幅をＥとする。層に入射した直線偏光は、層の繰り返し方向に平行な成分（振幅はＥｃｏｓφ）と、繰り返し方向に垂直な成分（振幅はＥｓｉｎφ）とに分かれ、それぞれ独立に、上記の振幅反射率ｒ_Ｘ，ｒ_Ｙに応じた振幅変化を受ける。このため、繰り返し方向に平行な成分の反射光の振幅Ｅ_Ｘと、繰り返し方向に垂直な成分の反射光の振幅Ｅ_Ｙは、次の式（５），（６）により表される。そして、振幅Ｅ_Ｘ，Ｅ_Ｙとなった各成分の合成による反射光が楕円偏光となる。

Ｅ_Ｘ＝ｒ_ＸＥｃｏｓφ …（５）
Ｅ_Ｙ＝ｒ_ＹＥｓｉｎφ …（６）
そして、この楕円偏光のうち、入射光の振動面に垂直な成分が、図１２（ａ）に示す偏光ビームスプリッタ４５を透過して撮像素子４９に向かう偏光成分Ｌ４となる。偏光成分Ｌ４の振幅Ｅ_Ｌ４は、式（５），（６）の振幅Ｅ_Ｘ，Ｅ_Ｙを用いて、次式（７）のように表される。なお、入射光の振動面に平行な成分（偏光ビームスプリッタ４５で遮断される成分）の振幅Ｅｃは、次式（８）のように表される。

Ｅ_Ｌ４＝Ｅ_Ｘｓｉｎφ＋Ｅ_Ｙｃｏｓφ＝０．５Ｅ（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ）ｓｉｎ２φ…（７）
Ｅｃ＝Ｅ_Ｘｃｏｓφ＋Ｅ_Ｙｓｉｎφ＝Ｅ（ｒ_Ｘｃｏｓ^２φ＋ｒ_Ｙｓｉｎ^２φ）…（８）
さらに、式（７）の振幅Ｅ_Ｌ４を有する偏光成分Ｌ４の光強度Ｉ_Ｌ４は、次の式（９）により表すことができる。この式（９）から分かるように、偏光成分Ｌ４の光強度Ｉ_Ｌ４は、垂直入射の場合の構造性複屈折（振幅反射率の差（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ））に関わる成分と、直線偏光の振動面の繰り返し方向に対する傾き角度φ（図１４）に関わる成分との積になっている。また、振動面の傾き角度φが一定の場合、偏光成分Ｌ４の光強度Ｉ_Ｌ４は、構造性複屈折（振幅反射率の差（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ））に関わる成分のみに依存する。

Ｉ_Ｌ４＝（Ｅ_Ｌ４）^２＝０．２５Ｅ^２（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ）^２ｓｉｎ^２２φ …（９）
次に、式（９）における構造性複屈折（振幅反射率の差（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ））の検討を行う。この検討のため、物質１がレジスト（誘電率ε_１＝２．４３）からなり、物質２が空気（誘電率ε_２＝１）からなり、層の厚さ（ｔ_１＋ｔ_２）が１００ｎｍであるとする。
この場合、物質１は繰り返しパターン２２のライン部２Ａに対応し、物質１の厚さｔ_１はライン部２Ａの線幅Ｄ_Ａに対応する（図３）。物質２はスペース部２Ｂに対応し、物質２の厚さｔ_２はスペース部２Ｂの線幅Ｄ_Ｂに対応する。また、層の厚さ（ｔ_１＋ｔ_２）は、繰り返しパターン２２のピッチＰに対応する。

層の繰り返し方向に平行な偏光成分の見かけの屈折率ｎ_Ｘ＝√ε_Ｘ，繰り返し方向に垂直な偏光成分の見かけの屈折率ｎ_Ｙ＝√ε_Ｙと、物質１の厚さｔ_１（線幅Ｄ_Ａ）との関係を、図１５（ａ）に示す。また、平行な偏光成分の振幅反射率ｒ_Ｘ，垂直な偏光成分の振幅反射率ｒ_Ｙと、物質１の厚さｔ_１（線幅Ｄ_Ａ）との関係を、図１５（ｂ）に示す。さらに、構造性複屈折（振幅反射率の差（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ））と、物質１の厚さｔ_１（線幅Ｄ_Ａ）との関係を、図１５（ｃ）に示す。

図１５（ｃ）から分かるように、物質１の厚さｔ_１が５０ｎｍのとき、つまり、物質１の厚さｔ_１と物質２の厚さｔ_２が等しいときに、構造性複屈折（振幅反射率の差（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ））の絶対値が最大になる。そして、式（９）から分かるように、振動面の傾き角度φが一定の場合（第２実施形態では４５度）、偏光成分Ｌ４の光強度Ｉ_Ｌ４は、構造性複屈折が最大のとき、つまり、物質１の厚さｔ_１と物質２の厚さｔ_２が等しいときに、最大値となる。さらに、物質１の厚さｔ_１が変化し、図１５（ｃ）の構造性複屈折の大きさが変化すると、偏光成分Ｌ４の光強度Ｉ_Ｌ４も、それに応じて変化する（図８参照）。

したがって、第２実施形態の表面検査装置４０では、不図示の画像処理装置１５により、撮像素子４９からの画像信号に基づいて半導体ウエハ２０の反射画像を取り込むと、その輝度情報（∝偏光成分Ｌ４の光強度Ｉ_Ｌ４）を良品ウエハの反射画像の輝度情報と比較する。そして、半導体ウエハ２０の反射画像の暗い箇所の輝度値の低下量（∝図８の低下量Δ）に基づいて、繰り返しパターン２２の欠陥（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比の変化）を検出する。例えば、輝度値の低下量が予め定めた閾値より大きければ「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。

上記したように、第２実施形態の表面検査装置４０によれば、直線偏光Ｌ１を用い、図１２の振動面の方向（Ｖ方向）が繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）に対して傾いた状態で、繰り返しパターン２２を照明すると共に、正反射方向に発生した楕円偏光Ｌ２のうち、偏光成分Ｌ４の光強度Ｉ_Ｌ４に基づいて、繰り返しパターン２２の欠陥を検出するため、照明波長と比較して繰り返しパターン２２のピッチＰが十分小さくても、確実に欠陥検査を行うことができる。つまり、照明光である直線偏光Ｌ１を短波長化しなくても、確実に繰り返しピッチの微細化に対応できる。

さらに、第２実施形態の表面検査装置４０では、図１２の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度を４５度に設定したことにより、繰り返しパターン２２の欠陥検査を高感度で行うことができる。この点については、上記の式（９）からも明らかである。ここで、式（９）における光強度Ｉ_Ｌ４（∝反射画像の輝度値）と、直線偏光の振動面の傾き角度φ（図１４）との関係を、図１６に示す。構造性複屈折（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ）は良品パターンの場合の一定値とする。図１６から分かるように、偏光成分Ｌ４の光強度Ｉ_Ｌ４は、傾き角度φが４５度のときに最大値（＝０．２５Ｅ^２（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ）^２）となる。このため、半導体ウエハ２０の反射画像の輝度値の低下量（∝図８の低下量Δ）を大きく捉えることができ、高感度な欠陥検査が可能となる。なお、図１６の縦軸は、傾き角度φが４５度のときの光強度Ｉ_Ｌ４（最大値）を１００％としている。

ここで、傾き角度φの許容誤差について考察しておく。繰り返しパターン２２のライン部２Ａの線幅変化１０％を確実に検出するためには、傾き角度φの誤差Δφが次式（１０）を満たす必要がある。式（１０）は、線幅変化１０％に起因する光強度Ｉ_Ｌ４の変化量（Δ（ｒ_Ｘ−ｒ_Ｙ）^２，反射画像の輝度値の低下量）が、傾き角度φの誤差Δφに起因する光強度Ｉ_Ｌ４の変化量（ｓｉｎ^２２Δφ）を上回るための条件である。例えば、繰り返しパターン２２のレジストの誘電率を２．４３とし、ピッチＰを１００ｎｍとした場合、ライン部２Ａの線幅変化１０％（つまり５ｎｍ）を検出するためには、傾き角度φの誤差Δφを３．３７度以下に抑えればよい。

また、第２実施形態の表面検査装置４０では、上記した第１実施形態と同様、次の効果［１］［２］［３］を奏する。［１］繰り返しパターン２２のピッチＰに拘わらず、確実に欠陥検査を行える。［２］例えば図９（ａ），（ｂ）に示す繰り返しパターン２２のように、ピッチＰが異なり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が同じ場合、同じ感度で欠陥検査を行える。［３］ピッチＰが小さいほど、微細な形状変化（ライン部２Ａの線幅Ｄ_Ａの設計値からのずれ量δ）を確実に検出することができる。これらの点については、上記の式（９）に式（２），（４）を代入して得られる式からも明らかである。

さらに、第２実施形態の表面検査装置４０では、上記した第１実施形態と同様、次の効果［４］〜［６］を奏する。［４］実際に欠陥検査を開始する（つまり半導体ウエハ２０の反射画像を取り込む）までの準備時間を確実に短縮することができ、作業効率が向上する。［５］ステージ１１がチルト機構を持たず、光源４１が安価な放電光源であるため、装置構成が簡素化する。［６］ピッチＰや繰り返し方向（Ｘ方向）の異なる繰り返しパターンが混在している場合でも、全ての繰り返しパターンの欠陥検査を一括で簡単に行うことができる。
（第３実施形態）
第１実施形態では、受光系１４により、ウエハ２０からの反射光を撮像素子３９の撮像面に結像することにより画像信号を得て、欠陥検査をする構成であったが、本実施形態では、ウエハ２０からの反射光を観察者が目で見ることにより目視で検査を行う。

図１７は、第３実施形態による表面検査装置１０ａの構成を示す図である。図１７において、図１と同一符号の部材は、図１と同様の部材である。すなわち、ステージ１１と照明系１３の構成は、図１（第１実施形態）と同様である。そして、第１実施形態と同様に、半導体ウエハ２０の繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）が直線偏光Ｌ１の入射面（３Ａ）に対して４５度の角度に設定されている。

半導体ウエハ２０上の繰り返しパターン２２からの楕円偏光Ｌ２の光路上に偏光フィルタ５０が配置される。偏光フィルタ５０の透過軸の方位は、第１実施形態における偏光フィルタ３８と同様に、照明系１３の偏光フィルタ３４の透過軸に対して直交するように設定される（クロスニコルの状態）。したがって、楕円偏光Ｌ２の図５（ｃ）の偏光成分Ｌ３に相当する偏光成分Ｌ４のみを抽出することができる。このようにして抽出された偏光成分Ｌ４は観察者の目５１に入射し、観察者によって観察される。

なお、偏光フィルタ５０は、観察者が偏光フィルタ５０を通して半導体ウエハ２０の全体像が見える程度の大きさであることが好ましい。
観察者は、偏光フィルタ５０を通した半導体ウエハ２０の像の各箇所の輝度を確認し、輝度の低下量に基づいて繰り返しパターン２２の欠陥を検出する。
以上のような第３実施形態によれば、第１実施形態で記載した効果と同様の効果を得ることができる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、半導体ウエハ２０の表面における直線偏光Ｌ１の振動面の方向（Ｖ方向）と繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度（図１４の傾き角度φ）を４５度に設定したが、本発明はこれに限定されない。既に説明した図１６から分かるように、傾き角度φを４５度±１５度に設定すると約７０％の輝度低下となり、４５度±２０度の場合には約５５％の輝度低下となる。つまり、傾き角度φが３０度〜６０度の範囲であれば、４５度に設定したときの７０％以上の輝度値を確保できるため、上記と同様の欠陥検査を十分に行うことができる。また、デフォーカス時の形状変化による輝度値の低下率（例えば５０％など）は、傾き角度φによらず一定と考えられる。したがって、デフォーカス時の輝度値の低下量（フォーカス時との輝度差）は、傾き角度φが４５度から外れるほど小さくなると考えられる。しかし、傾き角度φが３０度〜６０度の範囲であれば、十分検査を行うことができる。実際の運用では、傾き角度φを３５度〜５５度の範囲とすることがさらに好ましい。

また、上記した実施形態では、良品ウエハの反射画像の輝度値を基準にして、半導体ウエハ２０の反射画像の輝度値の低下量を求め、繰り返しパターン２２の欠陥を検出したが、本発明はこれに限定されない。半導体ウエハ２０の各々のチップ領域２１（図２）における繰り返しパターンの配置は同様であるため、良品のチップ領域や良品のショット領域を特定し、その輝度値を基準に欠陥検出を行ってもよい。この場合、全面良品の専用ウエハを作る必要がなくなる。また、限界サンプルの輝度値と比較してもよい。さらに、シミュレーションで輝度値の基準を決定し、その基準値との比較により、繰り返しパターン２２の欠陥検出を行ってもよい。

さらに、上記した実施形態では、繰り返しパターン２２のライン部２Ａの線幅Ｄ_Ａの設計値をピッチＰの１／２とした（ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの理想的な体積比を１：１とした）が、本発明はこれに限定されない。理想的な体積比が１：１以外の場合にも本発明を適用できる。この場合、繰り返しパターン２２の形状変化によっては、半導体ウエハ２０の反射画像の輝度値が大きくなることもある。

また、上記した実施形態では、半導体ウエハ２０を被検基板としたが、本発明はこれに限定されない。液晶表示素子の製造工程において、液晶基板（被検基板）の欠陥検査を行う場合にも本発明を適用できる。さらに、表面検査装置の画像処理装置１５により欠陥検出処理を行う場合に限らず、表面検査装置に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。

また、上記した実施形態では、撮像素子３９としてＣＣＤなどの２次元センサを用いたが、１次元センサを用いても良い。この場合、撮像素子である１次元センサと被検基板である半導体ウエハ（または液晶基板）を載せたステージとを相対移動させ、１次元センサが半導体ウエハ（または液晶基板）の表面全体を走査するようにして、半導体ウエハ（または液晶基板）全面の画像を取り込むようにすればよい。

Claims (8)

1. 被検基板の表面に形成された繰り返しパターンを直線偏光により照明する照明手段と、
   前記直線偏光の振動面の前記表面における方向と前記繰り返しパターンの繰り返し方向との成す角度を斜めに設定する設定手段と、
   前記繰り返しパターンから正反射方向に発生した光のうち、前記直線偏光の振動面に垂直な偏光成分を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段によって抽出された光により前記被検基板の像を結像する結像手段と、
   結像された前記像に基づいて、前記繰り返しパターンの欠陥を検出する検出手段とを備えた
   ことを特徴とする表面検査装置。
2. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記設定手段は、前記角度を３０度〜６０度の間の任意の値に設定する
   ことを特徴とする表面検査装置。
3. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記設定手段は、前記角度を４５度に設定する
   ことを特徴とする表面検査装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の表面検査装置において、
   前記被検基板を支持し、該被検基板の前記繰り返しパターンの繰り返し方向を前記表面内で回転させる基板支持手段を備え、
   前記検出手段は、前記基板支持手段が前記繰り返し方向を１８０度回転させる前後の状態に基づいて前記繰り返しパターンの欠陥を検出する
   ことを特徴とする表面検査装置。
5. 直線偏光を用い、被検基板の表面における前記直線偏光の振動面の方向が、前記表面に形成された繰り返しパターンの繰り返し方向に対して傾いた状態で、前記繰り返しパターンを照明し、
   前記繰り返しパターンから正反射方向に発生した光のうち、前記直線偏光の振動面に垂直な偏光成分の光強度に基づいて、前記繰り返しパターンの欠陥を検出し、
   前記直線偏光は、前記表面における前記振動面の方向が、前記繰り返しパターンの繰り返し方向に対して３０度〜６０度の間の任意の角度に傾いている
   ことを特徴とする表面検査方法。
6. 直線偏光を用い、被検基板の表面における前記直線偏光の振動面の方向が、前記表面に形成された繰り返しパターンの繰り返し方向に対して傾いた状態で、前記繰り返しパターンを照明し、
   前記繰り返しパターンから正反射方向に発生した光のうち、前記直線偏光の振動面に垂直な偏光成分を抽出し、
   抽出された光により前記被検基板の像を形成し、その像に基づいて前記繰り返しパターンの欠陥を検出し、
   前記直線偏光は、前記表面における前記振動面の方向が、前記繰り返しパターンの繰り返し方向に対して３０度〜６０度の間の任意の角度に傾いている
   ことを特徴とする表面検査方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の表面検査方法において、
   前記直線偏光は、前記表面における前記振動面の方向が、前記繰り返しパターンの繰り返し方向に対して４５度の角度に傾いている
   ことを特徴とする表面検査方法。
8. 請求項５から請求項７の何れか１項に記載の表面検査方法において、
   前記繰り返しパターンの欠陥の検出は、前記繰り返しパターンの繰り返し方向を前記表面内で１８０度回転させる前後の状態で行われる
   ことを特徴とする表面検査方法。

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