JP4635939B2

JP4635939B2 - 表面検査装置

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Publication number: JP4635939B2
Application number: JP2006094146A
Authority: JP
Inventors: 健雄大森
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007271312A

Description

本発明は、被検物体の表面に形成された繰り返しパターンの欠陥検査を行う表面検査装置に関する。

被検物体（例えば半導体ウエハや液晶基板など）の表面に形成された繰り返しパターンに検査用の照明光を照射し、このとき繰り返しパターンから発生する光に基づいて、繰り返しパターンの欠陥検査を行う装置が知られている。
また、検査用の照明光として直線偏光を用い、繰り返しパターンから発生する光のうち、繰り返しパターンでの偏光状態の変化に関わる成分を受光して、欠陥検査を行う装置も提案されている（例えば特許文献１を参照）。この装置では、照明系と受光系との各々に反射鏡が配置され、各反射鏡を介して照明および受光を行っている。
国際公開２００５／０４０７７６号パンフレット

しかし、上記の装置では、被検物体の表面の各点（繰り返しパターン）での偏光状態の変化（シグナル成分）に、上記の反射鏡の各点での偏光状態の変化（ノイズ成分）が加算される。さらに、このノイズ成分は、被検物体の表面の各点（繰り返しパターン）ごとに異なる大きさで加算される。このため、被検物体の表面の各点でのシグナル成分を正確に捉えることができず、繰り返しパターンの欠陥検査を高精度に行うことができなかった。

本発明の目的は、照明系と受光系との各々に反射鏡を配置して高精度な欠陥検査を行うことができる表面検査装置を提供することにある。

本発明の表面検査装置は、被検物体の表面に直線偏光を照射して表面を照明する照明手段と、表面から発生した楕円偏光のうち、直線偏光の振動面に交差する偏光成分を受光する受光手段とを備え、照明手段および受光手段の各々の光路中には偏光を反射する偏光用凹面反射鏡が配置され、偏光用凹面反射鏡には、基材側より順にバインダー層と反射層と保護層とが積層され、保護層の厚さは、５ｎｍ〜２０ｎｍであり、直線偏光は発散光束であり、照明手段に配置される偏光用凹面反射鏡の各点の法線に対して１５度以下の入射角度で入射され、楕円偏光は、受光手段に配置される偏光用凹面反射鏡の各点の法線に対して１５度以下の入射角度で入射され、バインダー層は、一酸化ケイ素(ＳｉＯ)からなり、反射層は、アルミニウム(Ａｌ)からなり、保護層は、二酸化ケイ素(ＳｉＯ ₂ )からなり、反射鏡は、該反射鏡に入射する光の２つの直交する偏光成分であるｐ偏光とｓ偏光との位相差の差が（１／８０）λ以下となるように構成してなる。

本発明の表面検査装置によれば、照明系と受光系との各々に反射鏡を配置して高精度な欠陥検査を行うことができる。

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）
本実施形態の表面検査装置１０は、図１に示す通り、被検物体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、画像処理部１５とで構成される。本実施形態の表面検査装置１０は、一括撮像型の装置である。

被検物体２０は、例えば半導体ウエハや液晶ガラス基板などである。被検物体２０の表面（レジスト層）の各点には、図２に示す通り、検査すべき繰り返しパターン２２が形成されている。繰り返しパターン２２は、配線パターンやホールパターンなどである。繰り返しパターン２２のライン部の配列方向（Ｘ方向）を「繰り返しパターン２２の繰り返し方向」という。なお、繰り返しパターン２２がホールパターンの場合、各々のライン部は、複数のホールを一次元的に配列して成る。

本実施形態の表面検査装置１０は、半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程において、被検物体２０の表面に形成された繰り返しパターン２２の欠陥検査を自動で行う装置である。繰り返しパターン２２の欠陥とは、被検物体２０に対する露光時のデフォーカス欠陥やレジストの膜厚ムラや傷などの形状変化である。露光時の欠陥は、被検物体２０のショット領域ごとに現れる。被検物体２０は、表面（レジスト層）への露光・現像後、不図示の搬送系によって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。

ステージ１１は、被検物体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。また、ステージ１１には不図示の回転機構が設けられ、その回転軸は被検物体２０を載置する上面に垂直である。回転機構によってステージ１１を回転させ、その上面に載置された被検物体２０を回転させることで、上記の繰り返しパターン２２の繰り返し方向（図２のＸ方向）を、被検物体２０の表面内で回転させることができる。

このような回転の最中に、アライメント系１２は、被検物体２０の外縁部を照明し、外縁部に設けられた不図示の外形基準（例えばノッチ）の回転方向の位置に基づいて、繰り返しパターン２２の向きを検出する。そして、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）が欠陥検査に適した所望の方向になると、ステージ１１の回転が停止される。
照明系１３は、被検物体２０の表面に形成された繰り返しパターン２２（図２）に対して検査用の照明光Ｌ１を照射する手段であって、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とで構成されている（偏心光学系）。この照明系１３は、被検物体２０側に対してテレセントリックな光学系である。

光源３１は、ハロゲンランプや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から出射される光のうち所定波長の輝線スペクトル（狭帯域のスペクトル）を選択的に透過する。
例えば、光源３１が水銀ランプの場合、光源３１から出射される光の波長域は、２４０ｎｍ〜６００ｎｍ程度であり、紫外域から可視域までの領域を含む。また、波長選択フィルタ３２の透過波長域は、例えば、５４６ｎｍ(ｅ線),４３６ｎｍ(ｇ線),４０５ｎｍ(ｈ線),３６５ｎｍ(ｉ線),３１３ｎｍ(ｊ線),２６５ｎｍ,２４８ｎｍなどである。不図示の切り替え機構によって、複数の波長選択フィルタ３２の何れか１つが光路中に挿入される。

ライトガイドファイバ３３は、波長選択フィルタ３２から出射される光を伝送し、図３に示す通り、発散光束の照明光Ｌ０（非偏光）を射出する。発散光束の照明光Ｌ０の広がり角度は、ライトガイドファイバ３３の開口数に応じた角度である。
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る。そして、ライトガイドファイバ３３からの発散光束の照明光Ｌ０（非偏光）を、透過軸の方位に応じた偏光状態（つまり直線偏光）に変換する。このため、偏光フィルタ３４から凹面反射鏡３５には、発散光束の照明光Ｌ０（直線偏光）が導かれる。

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、後側焦点が被検物体２０の表面と略一致するように配置される。このため、偏光フィルタ３４からの発散光束の照明光Ｌ０（直線偏光）は、凹面反射鏡３５によってコリメートされ、平行光束の検査用の照明光Ｌ１として被検物体２０の表面の繰り返しパターン２２に照射される（いわゆるテレセントリック照明）。

このとき、被検物体２０の表面の比較的広い領域（例えば全域など）の各点に対して、斜め上方から略一定の角度条件で、検査用の照明光Ｌ１を入射させることができる。これは、ライトガイドファイバ３３からの光束を発散させた後、凹面反射鏡３５でコリメートすることにより実現する。被検物体２０の表面の全域を照明すれば、表面の全域で一括して繰り返しパターン２２の欠陥を検出可能となり、高スループットでの欠陥検査が可能となる。

ここで、ライトガイドファイバ３３の中心から出射して凹面反射鏡３５の中心に入射する光（つまり発散光束の照明光Ｌ０の主光線）は、凹面反射鏡３５を含む仮想的な凹面反射鏡４０（図４には円形状の点線で図示）を考えたときに、この仮想的な凹面反射鏡４０の回転中心軸４Ａから外れた光軸５Ａに沿って、実際の凹面反射鏡３５に入射する。
照明光Ｌ０の主光線の光路である上記の光軸５Ａは、仮想的な凹面反射鏡４０の回転中心軸４Ａに平行であり、この回転中心軸４Ａから所定量Ｄだけシフトしている。このような凹面反射鏡３５は“軸外しの光学系”と呼ばれる。なお、凹面反射鏡３５の大きさは、仮想的な凹面反射鏡４０の回転中心軸４Ａに対する光軸５Ａのシフト量(Ｄ)より小さい。

本実施形態では、凹面反射鏡３５の中心（発散光束の照明光Ｌ０の主光線の入射点）における法線５Ｂと上記の光軸５Ａとの成す角度θを“軸外し角度θ”という。
また、本実施形態では、凹面反射鏡３５の中心における法線５Ｂと上記の光軸５Ａとを含む平面（照明光Ｌ０の主光線の入射面）を、照明光Ｌ０の基準入射面５Ｃという。この基準入射面５Ｃは、図３では紙面に一致し、図４では紙面に直交する。

照明光Ｌ０の入射角度については、照明光Ｌ０が発散光束であるため、凹面反射鏡３５の各点で異なる大きさを持つことになる。入射角度とは、凹面反射鏡３５の各点での法線と入射光線の進行方向との成す角度である。
凹面反射鏡３５の中心には照明光Ｌ０の主光線が上記の光軸５Ａに沿って入射するため、中心における法線５Ｂとの成す角度（入射角度）は、上記の軸外し角度θと等しくなる。そして、凹面反射鏡３５の他の各点では、上記の光軸５Ａに対して傾いた方向から光線が入射するため、各点での入射角度は、軸外し角度θとは異なる大きさを持ち、およそ次のような傾向を示す。

つまり、凹面反射鏡３５の各点のうち、上記の基準入射面５Ｃから外れた点では、基準入射面５Ｃから遠い点ほど入射角度が大きくなり、基準入射面５Ｃに近い点ほど入射角度が小さくなる。また、基準入射面５Ｃから外れた点において、仮想的な凹面反射鏡４０の回転中心軸４Ａから遠い点ほど入射角度が大きく、回転中心軸４Ａに近い点ほど入射角度が小さくなる。

さらに、照明光Ｌ０の入射面については、凹面反射鏡３５の各点において、次のような傾向を示す。凹面反射鏡３５の中心における入射面は、上記した基準入射面５Ｃである。凹面反射鏡３５の各点のうち、基準入射面５Ｃ内の点における入射面は、基準入射面５Ｃに一致している。基準入射面５Ｃから外れた点における入射面は、図４に例示した入射面５Ｄ,５Ｅのように、基準入射面５Ｃに対して傾きを持つ。

そして、本実施形態では、照明光Ｌ０の基準入射面５Ｃに対して、偏光フィルタ３４の透過軸の方位を平行に設定した。この場合、偏光フィルタ３４から凹面反射鏡３５に入射する照明光Ｌ０の振動面は、その方向を図５(ａ)に矢印で示す通り、凹面反射鏡３５の各点において基準入射面５Ｃと平行になる。照明光Ｌ０の振動面とは、照明光Ｌ０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のことである。

また、凹面反射鏡３５の各点のうち、基準入射面５Ｃ内の点では、照明光Ｌ０の振動面が各点での入射面と平行になる（ｐ偏光）。しかし、基準入射面５Ｃから外れた点では、照明光Ｌ０の振動面が各点での入射面に対して傾きを持つことになる（ｐ偏光ではない）。振動面の入射面に対する傾き角は“方位角”と呼ばれる。
そして、照明光Ｌ０が凹面反射鏡３５で反射する際には、凹面反射鏡３５の各点ごとに、入射／反射の角度条件に応じた異なる偏光作用を受ける。具体的には、凹面反射鏡３５の各点のうち、基準入射面５Ｃ内の点では偏光状態が保持され、基準入射面５Ｃから外れた点では、フレネルの反射の法則にしたがって入射面に平行な成分（ｐ偏光）と垂直な成分（ｓ偏光）との間に反射率の差が発生し、偏光状態が僅かに変化する。偏光状態の変化とは、直線偏光（照明光Ｌ０）の楕円化である。

このため、凹面反射鏡３５から出射される検査用の照明光Ｌ１には偏光状態の不均一が生じ、基準入射面５Ｃ内の点では照明光Ｌ０と同様の直線偏光、基準入射面５Ｃから外れた点では僅かに楕円化した偏光となる。ここで、楕円偏光の位相を考慮せず、楕円偏光の電気(または磁気)ベクトルの振動方向のみ考えることにする。この場合、直線偏光の楕円化とは、直線偏光の振動面の回転と等価である。そして、検査用の照明光Ｌ１のうち、基準入射面５Ｃから外れた光は、僅かに振動面の回転した直線偏光と考えることができる。

検査用の照明光Ｌ１の振動面を図示すると、例えば図５(ｂ)に矢印で示すようになる。図５(ｂ)から分かるように、照明光Ｌ１の振動面は、凹面反射鏡３５の各点のうち、基準入射面５Ｃ内の点では基準入射面５Ｃと平行になるが、基準入射面５Ｃから外れた点では基準入射面５Ｃに対して僅かに回転している。
ここで、凹面反射鏡３５に方位角αiの直線偏光が入射したとき、凹面反射鏡３５からの反射光（直線偏光）の方位角αrは、次式(１)で表される。

tan(αr)＝Ｒs/Ｒp・exp(ｉ(Δs−Δp))・tan(αi) …(１)
Ｒs,Ｒpは、各々、入射面に垂直な成分（ｓ偏光）,入射面に平行な成分（ｐ偏光）の振幅反射率である。Δs,Δpは、各々、ｓ偏光,ｐ偏光の反射に起因する位相差である。また、これらのＲs,Ｒp,Δs,Δpは、入射角度に依存して変化することが分かっている。
したがって、凹面反射鏡３５に入射した照明光Ｌ０（直線偏光）の方位角αiが０以外の値を持つ場合には、凹面反射鏡３５で反射した検査用の照明光Ｌ１（直線偏光）の方位角αrも０以外の値を持ち、この方位角αrは、入射時の方位角αiから照明光Ｌ０の入射角度に依存した量だけ変化する。傾向としては、照明光Ｌ０の入射角度が大きいほど、方位角の変化（αr−αi）も大きくなり、直線偏光の振動面が大きく回転する。

本実施形態では、凹面反射鏡３５の各点における入射角度の大小を反映し、基準入射面５Ｃから遠い点ほど振動面が大きく回転し、基準入射面５Ｃに近い点ほど振動面の回転が小さくなる。また、基準入射面５Ｃから外れた点において、仮想的な凹面反射鏡４０の回転中心軸４Ａから遠い点ほど振動面が大きく回転し、回転中心軸４Ａに近い点ほど振動面の回転が小さくなる。さらに、凹面反射鏡３５の各点における振動面の回転量の絶対値は、基準入射面５Ｃを挟んで線対称に発生する。

そして、このように振動面が回転した検査用の照明光Ｌ１（図５(ｂ)）は、凹面反射鏡３５の光軸５Ｆ（図１,図３）に沿って進行した後、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）に照射される。このとき、被検物体２０の表面の基準入射面５Ｃ内の点（繰り返しパターン２２）には、基準入射面５Ｃと平行な振動面の直線偏光が照射され、基準入射面５Ｃから外れた点（繰り返しパターン２２）には、基準入射面５Ｃに対して僅かに振動面が回転した直線偏光が照射される。

ところで、検査用の照明光Ｌ１（直線偏光）の振動面の回転ムラは、繰り返しパターン２２の欠陥検査の精度に大きな影響を与え、高精度な欠陥検査を行うためには、その振動面の回転ムラを小さく抑えることが必要になってきた。
そこで、本実施形態の表面検査装置１０では、凹面反射鏡３５の各点に対する発散光束の照明光Ｌ０の入射角度が１５度以下となるように、各部のパラメータ（凹面反射鏡３５の曲率半径と軸外し角度θ,照明光Ｌ０の広がり角度）を決定した。照明光Ｌ０の入射角度が１５度を超えると、上記の式(１)における位相差(Δs−Δp)が増加し、振幅反射率Ｒs,Ｒpの差も増大し、その結果、反射光（照明光Ｌ１）の振動面の回転量が増大する。

さらに、本実施形態の表面検査装置１０では、凹面反射鏡３５の反射面の層構造を図６のようにした。つまり、凹面反射鏡３５には、基材側より順にバインダー層５１と反射層５２と保護層５３とを積層して、３つの層(５１〜５３)からなる薄膜の反射面を設けた。
また、各層を構成する蒸着物質として、バインダー層５１には一酸化ケイ素(ＳｉＯ)、反射層５２にはアルミニウム(Ａｌ)、保護層５３には二酸化ケイ素(ＳｉＯ₂)を使用した。バインダー層５１の厚さＤ₅₁は４０ｎｍ以下、反射層５２の厚さＤ₅₂は１２０ｎｍ〜１５０ｎｍ、保護層５３の厚さＤ₅₃は５ｎｍ〜２０ｎｍである。

バインダー層５１は、反射層５２の密着性を良くするものである。反射層５２は、十分な光束の反射率を確保するために、上記の厚さＤ₅₂とした。
保護層５３は、反射層５２を保護するものであり、その厚さＤ₅₃が薄すぎると反射面に傷が入りやすくなり、保護層として十分に機能しなくなる。逆に厚すぎると、保護層５３内の干渉によって反射率が低下し、さらに、ｐ偏光とｓ偏光の位相差(Δs−Δp)の増大によって反射光（照明光Ｌ１）の振動面の回転量が増大する。したがって、保護層５３は、反射率が低下せず、また、振動面の回転の影響が大きくならないよう、５ｎｍ〜２０ｎｍの厚さＤ₅₃で蒸着した。

凹面反射鏡３５の反射面の層構造を上記のようにすることで、使用波長域（２４０ｎｍのＤＵＶ領域から６００ｎｍ程度の可視域）の全域にわたって、振動面の回転量を少なくすることができ、さらに高い反射率を確保できる。
なお、上記構成の凹面反射鏡３５での振動面の回転量（偏光状態の変化量）は、凹面反射鏡３５に入射する光を２つの垂直な偏光成分(ｓ偏光,ｐ偏光)に分解して、このｓ偏光,ｐ偏光の位相差の変化量に換算すると、(１/８０)λ以下である。

本実施形態の表面検査装置１０では、凹面反射鏡３５の反射面の層構造を上記のようにすると共に、凹面反射鏡３５の各点に対する照明光Ｌ０の入射角度が１５度以下となるように、各部のパラメータ（凹面反射鏡３５の曲率半径と軸外し角度θ,照明光Ｌ０の広がり角度）を決定したので、検査用の照明光Ｌ１（直線偏光）の振動面の回転ムラを小さく抑えることができ、繰り返しパターン２２の欠陥検査を高精度に行うことが可能となる。

繰り返しパターン２２の欠陥検査の際には、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）を所望の方向に設定することで、被検物体２０の表面における照明光Ｌ１の振動面の方向（図７）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φを、斜めの角度（０度＜φ＜９０度）に設定する。角度φは例えば４５度である。また、角度φは３０度〜６０度の間の任意の角度に設定すればよい。

このように、検査用の照明光Ｌ１は、被検物体２０の表面における振動面の方向（図７）が、繰り返しパターン２２の繰り返し方向(Ｘ方向)に対して所定の角度（例えば４５度）だけ傾いた状態で、つまり繰り返しパターン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。このような照明光Ｌ１と繰り返しパターン２２との角度状態は、被検物体２０の表面の全域において略均一である。

上記の照明光Ｌ１（図４）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の異方性に起因する構造性複屈折（form birefringence）によって偏光状態が変化し、直線偏光の振動面が回転する（ここでも楕円偏光の位相を考慮せずに説明した）。そして、繰り返しパターン２２から各点での入射面に沿って、偏光状態の変化した正反射光Ｌ２（図１）が発生する。

繰り返しパターン２２による振動面の回転（楕円化）の詳細な説明は、本出願人が既に出願した国際公開２００５／０４０７７６号パンフレットに記載されているので、ここでは詳しい説明を省略する。
なお、本実施形態では、繰り返しパターン２２のピッチ（例えば１１０ｎｍ）が照明光Ｌ１の波長（２４０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の波長域）と比較して十分小さいため、照明光Ｌ１が照射されたときに、繰り返しパターン２２から回折光が発生することはない。

本実施形態の表面検査装置１０は、直線偏光の照明光Ｌ１（図７）によって被検物体２０の表面の繰り返しパターン２２を照明し、このとき繰り返しパターン２２から発生する正反射光Ｌ２を受光系１４に導き、その偏光状態（つまり振動面の回転量）に基づいて、繰り返しパターン２２の欠陥検査を行うものである。
被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）から発生した正反射光Ｌ２の振動面の回転量は、各々、シグナル成分（繰り返しパターン２２での構造性複屈折による振動面の回転量）に、凹面反射鏡３５でのノイズ成分（図５(ｂ)の振動面の回転量）が加算された大きさとなっている。

受光系１４（図１）は、凹面反射鏡３６と、偏光フィルタ３７と、集光レンズ３８と、撮像素子３９とで構成される（偏心光学系）。受光系１４も、照明系１３と同様、被検物体２０側に対してテレセントリックな光学系である。
被検物体２０の表面の繰り返しパターン２２から発生した正反射光Ｌ２は、凹面反射鏡３６の光軸６Ａに沿って進行した後、凹面反射鏡３６の各点に入射する。凹面反射鏡３６の光軸６Ａと上記した凹面反射鏡３５の光軸５Ｆは、被検物体２０の表面における法線と共に同一面内に含まれる。

凹面反射鏡３６は、照明系１３の凹面反射鏡３５と同様の構成であり、概略、被検物体２０の表面の繰り返しパターン２２から発生した正反射光Ｌ２を反射して集光光束に変換する（図８の正反射光Ｌ３）。そして、この正反射光Ｌ３は、偏光フィルタ３７を透過した後、集光レンズ３８を介して、撮像素子３９の撮像面に入射する。
正反射光Ｌ３の主光線の光路（光軸６Ｂ）は、凹面反射鏡３６を含む仮想的な凹面反射鏡４１（図４の凹面反射鏡４０と同様）の回転中心軸４Ｂに平行であり、この回転中心軸４Ｂから所定量だけシフトしている。つまり、凹面反射鏡３６も軸外しの光学系である。

正反射光Ｌ２が凹面反射鏡３６で反射する際には、凹面反射鏡３６の各点ごとに、入射／反射の角度条件に応じた異なる偏光作用（照明系１３の凹面反射鏡３５での偏光作用と同様の作用）を受けて、正反射光Ｌ３となる。
このため、正反射光Ｌ３の振動面の回転量は、シグナル成分（繰り返しパターン２２での振動面の回転量）と、照明系１３の凹面反射鏡３５でのノイズ成分（振動面の回転量）と、受光系１４の凹面反射鏡３６でのノイズ成分（振動面の回転量）が加算された大きさとなる。さらに、これらのノイズ成分は、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）ごとに異なる大きさで加算される。

ただし、照明系１３の凹面反射鏡３５でのノイズ成分（振動面の回転量）については、凹面反射鏡３５の反射面の層構造（図６）、および、凹面反射鏡３５に対する照明光Ｌ０の入射角度の条件（１５度以下）により、小さく抑えられている。
繰り返しパターン２２の欠陥検査を高精度に行うためには、照明系１３の凹面反射鏡３５でのノイズ成分（振動面の回転量）だけでなく、受光系１４の凹面反射鏡３６でのノイズ成分（振動面の回転量）についても同様に小さく抑えることが必要である。

そこで、本実施形態の表面検査装置１０では、照明系１３の凹面反射鏡３５と同様に、受光系１４の凹面反射鏡３６の各点に対する正反射光Ｌ２の入射角度が１５度以下となるように、各部のパラメータ（凹面反射鏡３６の曲率半径と軸外し角度ψ）を決定した。さらに、凹面反射鏡３６の反射面の層構造を図６のようにした。したがって、受光系１４の凹面反射鏡３６でのノイズ成分（振動面の回転量）も、(１/８０)λ以下という小さな値に抑えることができる。

そして、このような偏光状態の正反射光Ｌ３が偏光フィルタ３７に導かれる。偏光フィルタ３７は、集光レンズ３８の近傍に配置され、その透過軸の方位が、上記の基準入射面５Ｃと等価な面に対して垂直である。すなわち、この偏光フィルタ３７は、照明系１３の偏光フィルタ３４に対し、それぞれの透過軸が互いに直交するように配置される（クロスニコルの配置）。

このため、凹面反射鏡３６からの正反射光Ｌ３は、偏光フィルタ３７を透過する際に、その透過軸の方位に応じた偏光成分Ｌ４（すなわち直線偏光の照明光Ｌ１の振動面に交差する偏光成分）のみが抽出される。この偏光成分Ｌ４は、繰り返しパターン２２から発生して凹面反射鏡３６で反射した後の正反射光Ｌ３の偏光状態に応じた大きさを有し、集光レンズ３８を介して撮像素子３９の撮像面に入射する。

このとき、撮像素子３９の撮像面には、上記の偏光成分Ｌ４によって、被検物体２０の表面の反射像が形成される。撮像素子３９は、凹面反射鏡３６と集光レンズ３８とを介して、被検物体２０の表面と共役な位置に配置される。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被検物体２０の表面の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理部１５に出力する。

画像処理部１５は、撮像素子３９から出力される画像信号に基づいて、被検物体２０の反射画像を取り込む。この反射画像には、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）から発生して凹面反射鏡３６で反射した後の正反射光Ｌ３の偏光状態（つまり偏光成分Ｌ４の大きさ）に応じた明暗が現れる。
画像処理部１５は、被検物体２０の反射画像を取り込むと、その輝度情報と例えば良品サンプルの反射画像の輝度情報とを比較する。良品サンプルとは、理想的な形状で欠陥のない繰り返しパターン２２を表面全域に形成したものである。

画像処理部１５は、良品サンプルの反射画像の輝度値を基準とし、被検物体２０の反射画像の輝度値の変化量を測定する。得られた輝度値の変化量は、繰り返しパターン２２の形状変化（露光時のデフォーカス欠陥やレジストの膜厚ムラなど）による正反射光Ｌ３の偏光状態（つまり偏光成分Ｌ４の大きさ）の変化を表している。
そして、画像処理部１５は、被検物体２０の反射画像における輝度値の変化量に基づいて、繰り返しパターン２２の欠陥を検出する。例えば、輝度値の変化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」と判定すればよい。また、良品サンプルを使わずに、被検物体２０の反射画像の中での輝度値の変化量を所定の閾値と比較してもよい。

さらに、画像処理装置１５による繰り返しパターン２２の欠陥の検出には、上記した良品サンプルの画像と比較する方法の他に、次のような方法を用いることもできる。すなわち、被検物体２０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き、取り込んだ被検物体２０の画像における各ショット領域の位置を上記の配列データに基づいて把握し、各ショット領域の輝度値を求める。そして、各ショット領域の輝度値と予め記憶している閾値とを比較することで、繰り返しパターン２２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。

このように、本実施形態の表面検査装置１０では、直線偏光の照明光Ｌ１によって繰り返しパターン２２を照明し、繰り返しパターン２２から発生して凹面反射鏡３６で反射した後の正反射光Ｌ３の偏光状態（つまり偏光成分Ｌ４の大きさ）に応じて被検物体２０の反射画像を取り込むため、この反射画像の明暗に基づいて繰り返しパターン２２の欠陥を検出することができる。

さらに、本実施形態の表面検査装置１０では、照明系１３と受光系１４との各々に凹面反射鏡３５,３６を配置して、凹面反射鏡３５,３６の反射面を図６のような層構造とし、これに加えて、凹面反射鏡３５,３６に対する照明光Ｌ０,正反射光Ｌ２の入射角度を共に１５度以下とした。
したがって、照明系１３の凹面反射鏡３５でのノイズ成分（振動面の回転量）と、受光系１４の凹面反射鏡３６でのノイズ成分（振動面の回転量）とを、共に小さく抑えることができる。つまり、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）において、繰り返しパターン２２の欠陥検査の偏光条件（照明系１３と受光系１４とのクロスニコルの条件）を均一に保つことができる。

その結果、繰り返しパターン２２の欠陥検査のために取り込んだ被検物体２０の反射画像の輝度情報において、光学系（凹面反射鏡３５,３６）に起因する明るさムラが小さく抑えられ、シグナル成分を正確に捉えることが可能となる。このため、高精度に繰り返しパターン２２の欠陥検査を行うことができる。
また、本実施形態では、繰り返しパターン２２からの正反射光Ｌ２(Ｌ３)を欠陥検査に用いるため、照明光Ｌ１の波長が可視域（例えば５４６ｎｍ）であっても、パターンの微細化に対応できる。欠陥検出の感度を最も高くするには、直線偏光の照明光Ｌ１の振動面の方向(図７)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。

また、本実施形態の表面検査装置１０では、上記した偏光条件の均一性の確保に加え、照明系１３と受光系１４の被検物体２０側のテレセントリック性によって、被検物体２０の表面に対する照明光Ｌ１の入射角度（および正反射光Ｌ２の出射角度）の均一性も良好に保つことができる。したがって、より高精度な欠陥検査が可能となる。
さらに、照明光Ｌ１の波長は、可視域（例えば５４６ｎｍ）でも構わないが、より短波長の紫外域（例えば２４８ｎｍ〜３６５ｎｍのＤＵＶ領域）とすることが好ましい。紫外域の照明光Ｌ１を用いれば、被検物体２０の下地層からの戻り光（バックグランド成分）を小さくすることができ、可視域の照明光Ｌ１を用いる場合と比べて感度の高い欠陥検査を行うことができる。

ただし、正反射光による欠陥検査を行うためには、紫外域の照明光Ｌ１であっても繰り返しパターン２２から回折光が発生しない波長範囲（例えば２４８ｎｍ〜３６５ｎｍ）を用いることが好ましい。この波長範囲であれば安価な放電光源（例えば水銀ランプなど）を使用できるという利点もある。
（第２実施形態）
ここでは、図９に示す走査型の表面検査装置６０を例に説明する。

第２実施形態の表面検査装置６０は、第１実施形態の表面検査装置１０（図１）の照明系１３の凹面反射鏡３５に代えて平面反射鏡６１とレンズ６２とを設けると共に、受光系１４の凹面反射鏡３６に代えてレンズ６３と平面反射鏡６４,６５とを設け、被検物体２０の表面を走査しながら欠陥検査を行うように構成されたものである。
さらに、平面反射鏡６１,６４,６５は、何れも、上記と同様の層構造（図６）を有し、平面反射鏡６１,６４,６５それぞれに対する光の入射角度は１５度以下となっている。このため、平面反射鏡６１,６４,６５での振動面の回転量（偏光状態の変化量）は、各々、(１/８０)λ以下に抑えられている。

第２実施形態の表面検査装置６０では、照明系(３１〜３４,６１,６２)からの直線偏光の照明光Ｌ１を被検物体２０の表面の一部に照射し、被検物体２０の表面の一部から発生した正反射光Ｌ２を受光系(６３〜６５,３７〜３９)に導く。
そして、被検物体２０の表面の照明／受光領域に応じて、ステージ１１をＸ方向(またはＹ方向)に移動させながら、順次、被検物体２０の表面の画像を取り込む。照明／受光領域が共にライン形状で、長手方向(Ｙ方向)が被検物体２０の表面の全域を含む場合には、ステージ１１をＸ方向にのみ移動させればよい。また、長手方向(Ｙ方向)が被検物体２０の表面の全域より短い場合には、ステージ１１をＸＹ方向に移動させればよい。

上記構成の表面検査装置６０でも、照明系(３１〜３４,６１,６２)の平面反射鏡６１でのノイズ成分（振動面の回転量）と、受光系(６３〜６５,３７〜３９)の平面反射鏡６４,６５でのノイズ成分（振動面の回転量）とを、共に小さく抑えることができる。つまり、被検物体２０の表面の各点（繰り返しパターン２２）において、繰り返しパターン２２の欠陥検査の偏光条件（クロスニコルの条件）を均一に保つことができる。

その結果、繰り返しパターン２２の欠陥検査のために走査しながら取り込んだ被検物体２０の反射画像の輝度情報において、光学系（平面反射鏡６１,６４,６５）に起因する明るさムラが小さく抑えられ、シグナル成分を正確に捉えることが可能となる。このため、高精度に繰り返しパターン２２の欠陥検査を行うことができる。
（第２実施形態の変形例）
上記した第２実施形態では、照明系(３１〜３４,６１,６２)に平面反射鏡６１を設け、受光系(６３〜６５,３７〜３９)に平面反射鏡６４,６５を設けたが、本発明はこれに限定されない。照明系(３１〜３４,６１,６２)の平面反射鏡６１とレンズ６２とを凹面反射鏡に置き換えてもよい。また同様に、受光系(６３〜６５,３７〜３９)のレンズ６３と平面反射鏡６４,６５とを凹面反射鏡に置き換えてもよい。

また、上記した実施形態では、照明系(３１〜３４,６１,６２)と受光系(６３〜６５,３７〜３９)とを１つずつ配置したが、本発明はこれに限定されない。被検物体２０の表面の一部を照明／受光すると共に長手方向(Ｙ方向)が被検物体２０の表面の全域より短い複数の照明系および受光系を、被検物体２０の表面の全域が覆われるように長手方向(Ｙ方向)に沿って並べ、ステージ１１をＸ方向に移動させてもよい。

さらに、上記した実施形態では、ステージ１１の移動により被検物体２０の表面を走査する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。ステージ１１を固定し、その代わりに照明系と受光系とを同時に移動させて、被検物体２０の表面を走査してもよい。また、ステージ１１と光学系(照明系,受光系)を共に移動させても構わない。
（全体の変形例）
上記した実施形態では、反射鏡の層構造（図６）において、バインダー層５１を一酸化ケイ素(ＳｉＯ)により構成したが、これに代えてクロム(Ｃｒ)を用いることもできる。

また、上記した実施形態では、反射鏡の層構造（図６）において、反射層５２をアルミニウム(Ａｌ)により構成したが、これに代えて酸化アルミニウム(Ａｌ₂Ｏ₃)を用いることもできる。
さらに、上記した実施形態では、反射鏡の層構造（図６）において、保護層５３を二酸化ケイ素(ＳｉＯ₂)により構成したが、これに代えて酸化ハフニウム(ＨｆＯ₂)を用いることもできる。

また、上記した実施形態では、凹面反射鏡の反射面の形状が球面である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。反射面の形状は、放物面,トーリック面,トロイダル面などの非球面であっても構わない。
さらに、上記した実施形態では、偏光フィルタ３４,３７をクロスニコルの配置としたが、本発明はこれに限定されない。偏光フィルタ３４,３７の各透過軸を直交以外の角度で交差させても構わない。ただし、欠陥検出の感度が最も高くなるのは、偏光フィルタ３４,３７をクロスニコルの配置にした場合である。

また、上記した実施形態では、繰り返しパターン２２からの正反射光Ｌ２(Ｌ３)に基づいて欠陥検査を行う例で説明したが、本発明はこれに限定されない。正反射光Ｌ２(Ｌ３)以外の光、例えば繰り返しパターン２２からの回折光や、パターンエッジによる散乱光、パターン側面からの反射光などに基づいて、被検物体２０の表面の欠陥検査を行う場合にも、本発明を適用できる。特に、回折光に基づく欠陥検査は、ホールパターンの欠陥検査に好適である。

正反射光以外の光を用いる場合には、ステージ１１にチルト機構を設け、被検物体２０の表面内に含まれる軸(チルト軸)を中心として、ステージ１１（被検物体２０）を回転可能とすることが好ましい。チルト軸は、照明光Ｌ１と被検物体２０の表面における法線とを含む入射面に垂直である。または、上記のチルト軸を中心として、照明系１３と受光系１４とステージ１１との少なくとも２つを独立に回転させてもよい。

このようなチルト機構を設けることで、被検物体２０の表面に対する照明光Ｌ１の入射角度と被検物体２０の表面から発生する光（回折光や散乱光など）の出射角度とを、欠陥検査の内容に応じて最適に設定することができる。
また、正反射光Ｌ２(Ｌ３)以外の光（回折光や散乱光など）に基づいて欠陥検査を行う場合には、直線偏光の照明光Ｌ１の振動面の方向（図７）と、繰り返しパターン２２の繰り返し方向（Ｘ方向）との成す角度を斜めの角度に設定する必要はない。例えば、照明光Ｌ１の振動面の方向と繰り返しパターン２２の繰り返し方向との成す角度は、０度または９０度に設定すればよい。

さらに、上記した実施形態では、使用波長域として２４０ｎｍ〜６００ｎｍ程度を想定したが、本発明はこれに限定されない。２４０ｎｍ以下の深紫外域や、６００ｎｍ以上の可視域から赤外域を利用する装置にも、本発明を適用できる。

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。繰り返しパターン２２の繰り返し方向(Ｘ方向)を説明する図である。照明系１３の凹面反射鏡３５の配置などを説明する側面図である。凹面反射鏡３５の配置などを説明する上面図である。凹面反射鏡３５での振動面の回転を説明する図である。凹面反射鏡３５などの層構造を説明する図である。直線偏光の照明光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)との角度関係を説明する図である。受光系１５の凹面反射鏡３６の配置などを説明する側面図である。第２実施形態の表面検査装置６０の全体構成を示す図である。

符号の説明

１０,６０表面検査装置 ; １１ステージ ; １３照明系 ;
１４受光系 ; １５画像処理部 ; ２０被検物体 ; ２２繰り返しパターン ;
３１光源 ; ３２波長選択フィルタ ; ３３ライトガイドファイバ ;
３４,３７偏光フィルタ ; ３５,３６凹面反射鏡 ; ３８集光レンズ ; ３９撮像素子
５１バインダー層 ; ５２反射層 ; ５３保護層

Claims

被検物体の表面に直線偏光を照射して前記表面を照明する照明手段と、
前記表面から発生した楕円偏光のうち、前記直線偏光の振動面に交差する偏光成分を受光する受光手段とを備え、
前記照明手段および前記受光手段の各々の光路中には前記偏光を反射する偏光用凹面反射鏡が配置され、
前記偏光用凹面反射鏡には、基材側より順にバインダー層と反射層と保護層とが積層され、
前記保護層の厚さは、５ｎｍ〜２０ｎｍであり、
前記直線偏光は発散光束であり、前記照明手段に配置される前記偏光用凹面反射鏡の各点の法線に対して１５度以下の入射角度で入射され、
前記楕円偏光は、前記受光手段に配置される前記偏光用凹面反射鏡の各点の法線に対して１５度以下の入射角度で入射され、
前記バインダー層は、一酸化ケイ素(ＳｉＯ)からなり、
前記反射層は、アルミニウム(Ａｌ)からなり、
前記保護層は、二酸化ケイ素(ＳｉＯ ₂ )からなり、
前記反射鏡は、該反射鏡に入射する光の２つの直交する偏光成分であるｐ偏光とｓ偏光との位相差の差が（１／８０）λ以下となるように構成してなる
ことを特徴とする表面検査装置。