JP5320187B2 - 欠陥検査方法及び欠陥検査装置 - Google Patents

Description

本発明は試料表面に存在する微小な欠陥を高感度かつ高速に検査する表面欠陥検査方法および検査装置に関する。

半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて、製品の歩留まりを維持・向上するために、半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥の検査が行われている。従来技術としては、「ウエハ表面上に数十μｍに集光したレーザビームを照射して、欠陥から発生する散乱光を集光・検出し、数十ｎｍから数μｍ以上の寸法の欠陥を検出する」方法があり、特許文献１（特開平９―３０４２８９号公報）や特許文献２（特開２０００―１６２１４１号公報）が知られている。

また、特許文献３（特開２００７―２４０５１２号公報）には、「回転・並進するステージにより支持されているウエハに複数回、線状の照明を行い、結像光学系を用いて、照明領域から発生する散乱光をラインセンサ上に結像し、同一の領域から発生した散乱光信号同士を加算する」方法が開示されている。

特開平９―３０４２８９号公報 特開２０００―１６２１４１号公報 特開２００７―２４０５１２号公報

近年ＬＳＩ配線は急激に微細化しており，検出すべき欠陥のサイズは光学式検査の検出限界に近づいている。半導体ロードマップによると２０１２年には３６ｎｍノードのＬＳＩの量産が開始されようとしており，パターンなしウエハ検査装置にはＤＲＡＭハーフピッチと同程度の大きさの欠陥を検出する能力が必要とされている。半導体の微細化に追従するためには，検査装置の検出感度も断続的に向上させる必要がある。ここで、欠陥とはウエハ上に付着するパーティクルや結晶欠陥ＣＯＰ(Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ)，研磨により生じるスクラッチなどである。
特許文献１および特許文献２に開示された方法によっては、レーザパワーを増大によるウエハへのダメージや、単位時間あたりの検査可能面積の縮小によるスループットの低下等の課題を有する。具体的には、欠陥に対してレーザで照明を行った時に発生する散乱光の大きさＩは、欠陥の粒径をＤとすると、Ｉ∝Ｄ^６の関係があることが知られているが、近年のＬＳＩ配線の微細化に伴い、検出すべき欠陥サイズの微小化が進んできたため、得られる散乱光が弱くなっている。そこで、微細欠陥から発生する散乱光を増大させる必要がある。欠陥から発生する散乱光を大きくする方法として、レーザの高出力化が存在するが、上記手法ではウエハ上のレーザ照射部の表面温度が上昇し、ウエハにダメージを与える恐れがある。また照射時間を長くすることでも検出する散乱光を大きくできるが、単位時間あたりの検査可能面積が縮小するためスループットの低下を招くことになる。
また、特許文献３に開示された方法によっては、検出精度の低下という課題を有する。具体的には、検査中にはウエハは数千ＲＰＭ（Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｐｅｒｍｉｎｕｔｅ）という高速回転を行っており、振動や対流によりウエハ垂直方向に対してウエハ自身の高さ変動が発生する。また、ウエハ表面の凹凸によってもウエハ表面の高さ変動が発生する。レーザをウエハに対して斜方から照射している場合、ウエハの高さ変動により、ウエハ上でレーザが照射されている場所が変化するため、照射したい領域と実際に照射している領域とに差異が生じ、レーザが照射されているウエハ上の領域とラインセンサで検出している領域との関係にずれが発生する。そのため、検査中のウエハ高さ変動により、概略同一の領域からの散乱光を検出しているラインセンサの画素同士の対応関係が崩れ、同一領域同士の信号の加算ができなくなり（以後本課題のことを検出画素ずれ、または単に画素ずれと表記する）、ウエハの表面の同一欠陥を複数回照明して得られた散乱光を加算する方法では、欠陥検査精度の低下を免れない。

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次のとおりである。 （１）試料の表面の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、前記試料の表面の所定の領域に楕円形状の照明領域を有する照明光を複数回照射する工程と、各回ごとの前記試料の表面からの散乱光を、前記照明領域に対応して配置された複数画素の散乱光を検出可能な検出器により受光する工程と、前記各回ごとの前記試料の表面からの散乱光を、各回ごとに検出信号に変換する工程と、前記変換する工程で変換された複数の検出信号のそれぞれから、前記試料の表面の凹凸から発生する散乱光から得られるＨａｚｅ信号を抽出する工程と、前記抽出する工程で抽出された複数のＨａｚｅ信号の分布と予め定めた光量分布とを比較して、前記複数の検出信号のそれぞれについて画素ずれ量を算出する工程と、前記複数の検出信号のそれぞれについて算出した画素ずれ量を用いて前記複数の検出信号を補正する工程と、前記補正する工程で補正された複数の検出信号を加算処理して欠陥を検出する工程と、を有することを特徴とする欠陥検査方法である。
（２）（１）記載の欠陥検査方法であって、前記画素ずれ量を算出する工程では、前記複数のＨａｚｅ信号の分布と、前記試料の表面に対して垂直方向への変動がないと仮定した状態で照明光を照射した場合に得られるＨａｚｅ信号の分布である基準光量分布とを比較することを特徴とする欠陥検査方法である。

本発明によれば、試料の表面に存在する欠陥を、高感度に検査する欠陥検査方法および欠陥検査装置を提供することができる。

本発明に係る欠陥検査装置の第一の実施例の構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第一の実施例の側面図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第一の実施例の検出光学系の構成図である。 照明領域とラインセンサの空間的な位置関係の側面図である。 試料面上での検出範囲の位置関係の上面図である。 画素ずれが生じない場合の試料面における照明領域とセンサ検出範囲との位置関係の説明図である。 画素ずれが生じる場合の試料面における照明領域とセンサ検出範囲との位置関係の説明図である。 画素ずれ大きさと画素ずれ方向との説明図である。 検出信号の説明図である。 Ｈａｚｅ信号を利用したパターンマッチングのフローの説明図である。 欠陥マップとＨａｚｅマップの説明図である。 本発明に係る欠陥検査装置における、第一の実施例の変形例である。 本発明に係る欠陥検査方法の第一の実施例における検査フローの一例である。 本発明に係る欠陥検査装置において、照明光が試料面上で非ガウスの照度分布となるように照明を行う第一の実施例の照明光学系の構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置において、照明光が試料面上で非ガウスの照度分布となるように照明を行う第二の実施例の照明光学系の構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第二の実施例の側面図である。 試料の高さ変動時の、試料表面と照明領域との位置関係を説明する側面図である。 試料の高さ変動時の、試料面上における照明領域が変動する様子の上面図である。 試料の高さ変動時の、正反射光とその進行方向を説明する側面図である。 本発明に係る欠陥検査方法の第二の実施例における検査フローの一例である。 試料面上における、照明領域とエリアセンサを用いた場合の検出領域の位置関係を説明する上面図である。 本発明に係る欠陥検査装置における、第三の実施例の上面図である。 試料面における照明領域とセンサ検出範囲との第一の位置関係を説明する上面図である。 試料面における照明領域とセンサ検出範囲との第二の位置関係を説明する上面図である。 試料面における照明領域とセンサ検出範囲との第三の位置関係を説明する上面図である。 試料面における照明領域とセンサ検出範囲との第四の位置関係を説明する上面図である。

本発明に係る欠陥検査装置の実施形態の一例を図１で説明する。図１（ａ）は本発明に係る欠陥検査装置の実施形態の一例の平面図、図１（ｂ）は側面図である。図１記載の欠陥検査装置は、ウエハ１、照明光学系１０１、検出光学系１０２ａ〜１０２ｆ、ウエハステージ１０３、および信号処理系１０４を備えて構成される。

（照明光学系１０１）
照明光学系１０１はレーザ光源２、ビームエキスパンダ３、偏光素子４、ミラーｍ、集光レンズ５を備えて構成される。レーザ光源２から射出されたレーザビーム２００はビームエキスパンダ３でビーム径を所望の大きさに調整され、偏光素子４で所望の偏光状態へ変換され、反射ミラーｍを介し、集光レンズ５でウエハ１の被検査領域に仰角θｉで照射される。
ここで、ウエハの表面近傍の微小な欠陥を検出するために、レーザ光源２は、ウエハ内部に浸透しづらい短波長（波長３５５ｎｍ以下）のレーザビームを発振するレーザ光源であることが望ましい。また、照明仰角θｉは、ウエハ表面から１０度の角度であることが望ましい。照明領域２０はウエハ面上で概略楕円形状をしており、例えば長軸方向には概略１０００μｍ 、短軸方向には概略２０μｍ程度の大きさである。ビームエキスパンダ３はアナモフィック光学系であり、複数のプリズムから構成される。光軸に互いに垂直な平面内における一方向のみに関してビーム径を変化させ、集光レンズ５を使ってウエハ１にスポット照明、または線状照明を行う。

（検出光学系１０２ａ〜１０２ｆ）
検出光学系１０２ａ〜１０２ｆは、ウエハ表面に対して複数の異なる方位角方向φ、仰角θｓの方向に配置され、ウエハ上の照明領域２０より発生する散乱光を検出する。検出光学系１０２ａ〜１０２ｆはウエハ表面に対する方位角方向に関して、概略６０度間隔で配置されており、検出光学系１０２ａ〜１０２ｆの配置方位角φは、それぞれ３０・９０・１５０・２１０・２７０・３３０度である。
ここでは、複数の検出光学系が配置される方位角方向φに関して、検出光学系１０２ａは、その光軸２１１と照明領域２０の長手方向２１０とのなす角度が概略９０度の関係にある方位角方向に配置されている。

複数の検出光学系が配置される方位角方向φに関して、少なくとも１つの検出光学系の光軸と照明領域２０の長手方向２１０とのなす角度が概略９０度の関係にある方位角方向に配置されていれば、残りの検出光学系の配置される方位角方向φに制限はない。図１の場合では検出光学系１０２ａが照明領域２０の長手方向２１０と検出光学系の光軸２１１が互いに直交の関係にある検出光学系に相当する。理由は後述するが、ウエハの表面荒れから発生するラフネス散乱光に基づく信号（以後Ｈａｚｅ信号と表記する）を利用したパターンマッチングを行い画素ずれの大きさおよび画素ずれの方向を検出する際に、検出光学系１０２ａで検出した散乱光に基づく信号の座標を基準として計算を行うためである。
また、検出仰角θｓはウエハ表面から３０度の角度であり、開口数は０.３である。検出光学系１０２ｂ〜１０２ｆに関しても同様であり、それぞれウエハ表面から３０度の検出仰角に配置され、開口数は０.３である。

検出光学系１０２ａ〜１０２ｆはいずれも概略同様の構成をしており、検出光学系の構成を詳細に示したものを図２に示す。検出光学系１０２ａは対物レンズ１０、偏光素子１１、結像レンズ１２、ラインセンサ１３より構成される。照明領域２０とラインセンサ１３は共役な位置関係にあり、照明領域２０からの散乱光をラインセンサ１３の複数画素の各画素に結像する。検出光学系１０２ａ・１０２ｄのラインセンサは照明領域２０の長手方向２１０と概略平行となるように配置すれば、ラインセンサと照明領域２０と共役な位置関係となる。
対物レンズ１０の光学倍率は０.１倍の縮小系である。偏光素子１１は例えば偏光フィルタやＰＢＳ(Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ偏光ビームスプリッタ)などであり、偏光検出することによりラフネス散乱光を低減させ、より微細な欠陥を検出可能とする。また偏光素子１１は検出光学系の光軸を中心に回転可能であり、また抜き差しも可能である。偏光フィルタはシグマ光機社のＮＳＰＦＵ-３０Ｃ、ＰＢＳはシグマ光機社ＰＢＳＷ-１０-３５０などを使用すればよい。ラインセンサ１３は浜松ホトニクス社のＳ３９２３-２５６Ｑなどを使用すればよい。Ｓ３９２４-２５６Ｑの画素数は２５６、画素ピッチは２５μｍ、画素の高さは０.５ｍｍである。
検出光学系１０２ｂの光軸２１２と照明領域２０の長手方向２１０のなす角度は約３０度であり、かつ仰角３０度から検出しているため、光学倍率１倍の条件で結像した場合には、図３（ａ）のように、光軸に対し３０度傾いた面１５に像が形成される。像の傾きを補正し、光軸２１２に対し概略垂直な面に結像するためには、検出光学系を縮小倍率にすればよい。対物レンズの光学倍率０.１の縮小系であるため、像の傾きが補正され、光軸２１２と概略垂直な面１６に像が形成される。結像レンズ１２の倍率により全体の光学倍率は決定され、検出光学系１０２ａ〜１０２ｆの全体での光学倍率は１０倍である。

検出光学系１０２ｂのラインセンサ１３を光軸に垂直な面１６内で、かつウエハ１に平行な位置に配置した場合には、ウエハ１面上での照明領域２０とラインセンサ１３の検出範囲１７は図３（ｂ）に示すような位置関係になり、照明領域２０の長手方向２１０とラインセンサの画素が並んでいる方向２１３のなす角度が３０度になる。この状態では照明領域２０から発生する散乱光を全て補足できないため、ラインセンサを光軸２１２を中心に回転させることで、照明領域２０から発生する散乱光の全てを補足可能にする。照明領域２０の長手方向２１０とラインセンサの画素が並んでいる方向２１３のなす角度が３０度であるため、それと同じ大きさの３０度だけ回転させることにより、照明領域２０の長手方向２１０とラインセンサの画素が並んでいる方向２１３のなす角度が概略０度になり、照明領域２０から発生する散乱光を全て補足し、ラインセンサ上に結像することができる。
検出光学系１０２ｃ・１０２ｅ・１０２ｆに関して、検出方位角によって照明領域２０の長手方向２１０とラインセンサの画素が並んでいる方向２１３のなす角度が異なる。よって、検出方位角に応じてラインセンサを光軸を中心として回転させ、照明領域２０から発生する散乱光を全て補足し、ラインセンサ上に結像させる。

（ウエハステージ１０３）
図１（ｂ）に一例を示すように、ウエハステージ１０３はウエハ１を保持するチャックおよび高さ制御を行うＺステージ（図示せず）、ウエハを回転させるための回転ステージ６およびウエハ１をＲ方向に移動させるための並進ステージ７から構成される。ウエハステージ１０３は回転走査および並進走査を行うことによって、照明領域２０がウエハ１の全面をスパイラル状に照明するように走査を行う。ここで、静止時のウエハ表面の高さをｚ＝０とし、鉛直上方を正の方向と定義する。

（信号処理系１０４）
信号処理系１０４は、アナログ回路１５０、Ａ／ Ｄ変換部１５１、画素ずれ検出部１５２、画素ずれ補正部１５３、信号加算・欠陥判定部１５４、ＣＰＵ１５５、マップ出力部１５６、入力部１５７から構成される。

次に、図４（ａ）と図４（ｂ）を用いて、ウエハ高さ変動により画素ずれが発生する理由の説明を行う。ここで、ウエハ高さ変動とは、検査中のウエハの高速回転やウエハ表面の凹凸によるウエハ垂直方向への高さ変動を指す。また、画素ずれとは、ウエハ高さ変動に基づき生じる照射したい領域と実際に照射している領域との差異により生じる、レーザが照射されているウエハ上の領域とラインセンサで検出している領域との画素のずれを指す。図４（ａ）は検出光学系１０２ａの配置された位置から見た場合のラインセンサのウエハ１面での検出範囲２１ａと照明領域２０の位置関係を示しており、図４(ｂ)は検出光学系１０２ｂの配置された位置から見た場合のラインセンサのウエハ１面での検出範囲２１ｂと照明領域２０の位置関係を示している。ここで、ラインセンサの画素が並んでいる方向をＲ１方向、画素の高さ方向をＲ２と定義する。Ｒ１とＲ２は互いに直交の関係にある。

ウエハ高さ変動が起こっていない場合では、図４（ａ）、図４（ｂ）ともにウエハ上の照明領域２０を照射することになり、照明領域と検出範囲２１ａ・２１ｂとの位置関係は同じであり、この状態において初期調整で２つのラインセンサの検出範囲を概略同一の領域に調整しておく。つまり初期調整において、概略同一の領域から発生する散乱光を検出する画素の対応関係は決められており、検査中はその対応関係に従い、散乱光に基づく信号を加算すればよい。

次にウエハ高さ変動が起こった場合の説明を行う。ウエハ表面高さがｚ＝０の高さにあった時には、照明領域２０とラインセンサ１３はピントがあっている状態に調整されているが、ウエハ表面の高さが変動した場合にはピントがずれるため、照明領域２０から発生する散乱光のラインセンサへの結像位置が変化する。「ｈ」を任意の定数とする。ウエハ１が高速回転することにより、ウエハ表面の高さがｚ方向に＋ｈ μｍだけずれた場合、照明領域２０は照明領域２０’の位置にずれ、ウエハ表面の高さがｚ方向に−ｈ μｍだけずれた場合、照明領域２０は照明領域２０’’の位置にずれることを示している。

図４（ａ）の例では照明領域２０のずれる方向２５は、画素高さ方向であるＲ２の方向だけであり、この場合には画素ずれは発生しない。一方、図４（ｂ）の例では、照明領域２０は方向２６となり、Ｒ２の方向だけでなくＲ１の方向にもずれる。照明領域２０がＲ１方向にもずれることにより、画素ずれが発生する。ここで画素ずれとは、検査中のウエハの高さ変動により、概略同一の領域からの散乱光を検出しているラインセンサの画素同士の対応関係が崩れることを指すため、照明したい領域と実際に照明している領域とに差異が生じることから、画素ずれを補正しない状態でそのままの検出信号を加算すると、同一領域同士の信号の加算ができなくなり、信号加算による信号増幅の効果が減少することから、検出精度が低下してしまう。

ウエハ高さ変動により発生する照明領域２０のずれる方向２５・２６は検出方位角φによって異なり、また照明領域２０のずれる大きさは検出仰角θｓ、検出方位角φ、ウエハ高さ変動の大きさによって異なることがわかっている。以後、照明領域２０のずれる方向をベクトルと考え、Ｒ１・Ｒ２の２成分に分解した時のＲ１成分の符号を画素ずれ方向、Ｒ１成分の絶対値を画素ずれ大きさと定義し、画素ずれ方向と画素ずれ大きさとを合わせて画素ずれ量と定義する。図４（ｃ）の場合、照明領域２０のずれる方向２７を想定した場合、画素ずれ方向は負(−：マイナス)であり、画素ずれ大きさは線分ＯＡの長さとなる。
本発明では画素ずれが発生し、概略同一の領域から発生している散乱光を検出している画素同士の対応関係が崩れた場合、下記の手法により画素ずれ方向・画素ずれ大きさを検出し、検出信号の座標補正を行うことで画素同士の対応関係を補正し、信号増幅の効果を最大化し、検出感度を向上させる。

（アナログ回路１５０、Ａ／Ｄ変換部１５１での処理）
図１（ａ）の照明光学系１０１によりウエハの表面に照明光を照射し、ウエハの表面からの散乱光を受光したラインセンサ１３は、受光光量に応じた電気信号を発生させ、該電気信号はアナログ回路１５０に導かれる。アナログ回路１５０で行われる処理に関して以下、説明する。
照明領域２０から発生する散乱光を受光すると、ラインセンサ１３からは図５のような検出信号が出力される。ウエハ表面の凹凸であるウエハ表面の荒れから発生するラフネス散乱光はレーザ照射期間中は常に発生しており、ラフネス信号Ｎｏのように低周波なうねりとして検出される（＜数ｋＨｚ）。ラフネス信号（Ｈａｚｅ信号）Ｎｏがラインセンサに入射し光電変換される時に、ランダムな変動であるショットノイズＮｏが発生し、これも同時に検出される。一方欠陥から発生する欠陥散乱光Ｓｏは、照明幅２０ μｍの照明領域２０が欠陥の存在する位置を通過する間の短い時間だけ、パルス状に発生するため、欠陥信号Sｏとして示したように、ラフネス信号と比較して高周波である（＞数ｋＨｚ）。つまり図５記載の検出信号がアナログ回路１５０に導かれてきた時に、検出信号に対し、ハイパスフィルタ（通過帯域：＞数ｋＨｚ）を適用することで欠陥信号を抽出でき、ローパスフィルタ（通過帯域：＜数ｋＨｚ）を適用することでＨａｚｅ信号を抽出可能となる。

以上のことより、ラインセンサ１３で検出した欠陥散乱光に基づき発生した電気信号である欠陥信号に対してはハイパスフィルタがかけられ、ラインセンサ１３で検出したラフネス散乱光に基づき発生した電気信号であるＨａｚｅ信号に対してはローパスフィルタがかけられる。これにより、欠陥信号とＨａｚｅ信号とを分離して処理することが可能になる。上述のフィルタリング処理を行われた信号はＡ／Ｄ変換部１５１にて数ＭＨz以上のサンプリングピッチでデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換されたＨａｚｅ信号は画素ずれ検出部１５２に入力され、ウエハ高さ変動による画素ずれ大きさおよび画素ずれ方向を検出する。図６を用いて画素ずれ大きさと画素ずれ方向の検出方法を説明する。

（画素ずれ検出部１５２での処理）
図６は、ウエハ１、レーザ光源２、レーザ光線２００、照明領域２０、検出光学系１０２ａ、１０２ｂ、および画素ずれ検出部１５２を示している。例えば、照明領域２０がガウス分布を有するレーザビームで照明されている場合、検出光学系１０２ａ、１０２ｂのラインセンサの各画素にはおよそガウス分布に対応するラフネス散乱光が検出される。画素ずれ検出部１５２にはアナログ回路１５０でローパスフィルタリングされたＨａｚｅ信号が導かれるため、各検出光学系１０２ａ、１０２ｂにより受光された散乱光に基づくガウス状のＨａｚｅ信号３０ａ、３０ｂが入力される。ガウス分布は分布値の最大値が分布の中央となるため、初期調整では、照明領域２０の中心とラインセンサの中心画素が概略一致するように調整することで、照明領域２０とラインセンサの各画素との対応関係をつけることができる。ウエハ変動により画素ずれが発生した場合、Ｈａｚｅ信号のガウス分布ピーク値とラインセンサの中心画素とが一致しなくなる。そこで、画素ずれ検出部１５２ではＨａｚｅ信号３０ａと３０ｂの分布を用いてパターンマッチングを行い、画素ずれ大きさおよび画素ずれ方向等の画素ずれ量を検出する。

ここでは、Ｈａｚｅ信号のガウス分布がピーク値（最大値）を取る画素位置と、ラインセンサの中心画素との差異を画素ずれ量として検出することになる。各ラインセンサの各画素の検出光量を用いて、照明領域２０の重心座標を計算し、その重心座標を用いて、ずれの大きさと方向を検出しても構わない。ラインセンサの中心画素の代わりに、ラインセンサにより検出されたＨａｚｅ信号が最大値を取る画素位置を用いてもよい。このとき、光軸２１１が照明領域２０の長手方向２１０と概略直交する位置に配置された検出光学系１０２ａにより受光された散乱光に基づくＨａｚｅ信号はウエハ高さ変動が発生しても画素ずれが発生しないため、画素ずれ大きさおよび画素ずれ方向を検出する基準とすることができる。または、初期調整時に照明領域２０の概略中心領域から発生する散乱光を検出する画素をテンプレートとして記録しておき、そのテンプレートを画素ずれの大きさ・方向を検出する基準としても構わない。
他の全ての検出光学系の検出信号についても画素ずれ量である画素ずれ大きさと画素ずれ方向を算出し、画素ずれ補正信号を生成し、画素ずれ補正部１５３に画素ずれ補正信号を出力する。

ここで、画素ずれ補正信号の具体例を以下に示す。座標系を(Ｒ、θ）の２軸とする。θ＝θ００（任意の定数）においてウエハ高さ変動が発生し、パターンマッチングにより検出光学系１０２ｂの検出信号が「Ｒ方向に＋５μｍ」の画素ずれが発生したと検出した場合を考える。この場合の画素ずれ補正信号は次のようになる。検出光学系１０２ｂの全ての画素の検出信号に対し、θ＝＝θ００の座標においてＲ方向の座標を「−５μｍ」だけ補正する。

図６では検出光学系１０２ａと１０２ｂにより受光された散乱光に基づくＨａｚｅｅ信号のみを用いてパターンマッチングを行い、画素ずれ補正信号を生成する場合で説明を行ったが、ラインセンサを用いている全ての検出光学系から得られたＨａｚｅｅ信号について画素ずれ検出部１５２に導かれ、検出信号毎に画素ずれ補正信号を生成してもよい。得られたＨａｚｅｅ信号の全てについて画素ずれ補正信号を生成して検出信号の画素ずれを補正することにより、より精度よく検出信号を加算し欠陥を検出することが可能となる。

（画素ずれ補正部１５３〜入力部１５７、マップ出力部１５６での処理）
画素ずれ補正部１５３にはＡＤ変換部１５１より欠陥信号とＨａｚｅ信号が、画素ずれ検出部１５２より画素ずれ補正信号が入力される。欠陥信号とＨａｚｅ信号は画素ずれ補正信号に基づき、信号の分布の画素ずれが補正される。画素ずれ補正された信号は、信号加算・欠陥判定部１５４に導かれ、同一画素同士の信号が加算され、加算信号に基づき閾値処理による欠陥判定・欠陥分類・欠陥寸法算出、およびレベル判定によるＨａｚｅ処理が行われる。

そしてＣＰＵ１５５を介して、マップ出力部１５６で図７記載の欠陥マップ１６０およびＨａｚｅマップ１６１を表示する。欠陥マップ１６０は検査時に取り込んだ欠陥種・欠陥サイズ・検出座標を基に表示され、Ｈａｚｅｅマップ１６１は検査時に取り込んだＨａｚｅ信号レベル・検出座標を基に表示される。また入力部１５７にはユーザインターフェースを含み、ユーザがレシピ設定などを行う。上記のように、複数の方位角に検出光学系が存在することにより、複数の検出光学系により受光された散乱光に基づく信号を全て加算して欠陥検査を行った場合には、信号増幅効果を得ることができるので、高精度に欠陥を検出することが可能となる。また、信号加算による信号増幅効果を大きくする以外にも、使用する検出光学系を選択、または各検出光学系における検出信号に重み付けをして使用することにより、欠陥検出感度を向上させることができる。ラフネス散乱光は、ウエハ表面の粗さ状態に依存して、方位角依存性が存在する。例えば、Sｉのように表面粗さが非常にスムースなウエハでは、レーザビーム２００が入射してきた方向、つまり検出光学系１０２ｅ・１０２ｆが存在する方位角方向にラフネス散乱光が強く発生する傾向があり、Ａｌデポ膜のように表面粗さが大きいウエハでは、レーザビーム２００が進行していく方向、つまり検出光学系１０２ｂ・１０２ｃが存在する方位角方向にラフネス散乱光が強く発生する性質がある。ラフネス散乱光が弱く発生する方位角に存在する検出光学系で検出された検出信号のみを用いる、またはラフネス散乱光の大きさに応じた重みをゲインとして検出信号に乗算して、処理することにより、欠陥検出感度を向上させることが可能となる。

また、上記では、検出光学系１０２ａを基準としてＨａｚｅ信号３０ａと３０ｂの分布を用いてパターンマッチングを行い、画素ずれ大きさおよび画素ずれ方向等の画素ずれ量を検出する方法を示したが、基準のＨａｚｅ信号分布として、検出光学系１０２ａではなく、ウエハの表面に対して垂直方向への変動がないと仮定した状態で照明光を照射した場合に得られるＨａｚｅ信号の分布である基準光量分布を予め設定しておき、この基準光量分布を基準として画素ずれ量を算出してもよい。この場合は、少なくとも１の検出光学系があればよく、予め定めた基準光量分布をパターンマッチングの基準として用いることで、照明光学系やステージ等の物理的な位置ずれに起因する画素ずれについても考慮することができ、欠陥検出感度の向上を実現できる。このように、予め定めた光量分布と検出されたＨａｚｅｅ信号の分布とを比較することで、画素ずれ量を算出することができる。

図１では照明の長手方向２１０と平行な方向からレーザ照明を行っているが、照明の長手方向２１０とレーザを照射する方向は概略同じである必要はなく、異なる方位角方向から照明を行っても構わない。異なる方向から照明する利点として、スクラッチなど欠陥形状に方向性を有する欠陥の分類性能を向上させることができる点がある。ＣＯＰなど、方位角方向に対して概略対称である欠陥から発生する散乱光には方位角依存性が存在せず、全方位角方向に概略均等に発生する傾向がある。一方、スクラッチなどのように方位角方向に対して対象でない欠陥から発生する散乱光には方位角依存性が存在する。またスクラッチからの散乱光の方位角特性は照明の入射する方位角にも依存するため、照明方向を能動的に変化させ、各方位角方向に存在する信号を比較することで、欠陥分類精度や寸法算出精度を向上させることが可能となる。

図８は図１に示す実施例の側面図の一例である。図８では低い仰角θｉから照明を行う斜方照明光学系１０１、低い仰角方向θｓで散乱光検出を行う低角度検出光学系１０２ｇ、前記低角度検出光学系よりも高い仰角から検出を行う高角度検出光学系１０２ｈが存在している。斜方照明光学系に関して、ウエハに対し概略垂直方向から照明を行う垂直照明光学系が存在しても構わない（図示せず）。

このとき、ウエハ表面に対して仰角の異なる検出光学系１０２ｇ、１０２ｈによりそれぞれ受光された散乱光に基づく検出信号が各々アナログ回路１５０に入力され、その後は図１（ａ）の信号処理系と同様の処理がなされる。

以上、異なる仰角方向に照明光学系と複数の検出光学系が存在する実施例を説明したが、このような構成を有する欠陥検査装置の利点として、主に次の２点が挙げられる。まず１点目の効果として、ウエハ上に付着するパーティクルに対しては、斜方照明光学系で照明を行った場合は、垂直照明光学系よりもパーティクルに対する散乱断面積を大きくすることができるため、パーティクルから発生する散乱光量が大きくなり、より微細な欠陥まで検出することが可能になる。また数十ｎｍの大きさの欠陥からの散乱光は低仰角側に強く散乱し、百ｎｍ以上の大きさの欠陥からの散乱光は高仰角側に強く散乱するため、微細な欠陥は低仰角検出光学系で検出し、比較的大きな欠陥は高仰角検出光学系で検出することで、検出可能な欠陥サイズのレンジを大きくすることが可能となる。一方、ＣＯＰやスクラッチのようなウエハに対する凹み欠陥には、垂直照明光学系で照明を行った方が、散乱断面積が大きくなるため、凹み欠陥に対する感度を向上させることが可能となる。また凹み欠陥からの散乱光は高仰角側に強く散乱するため、高仰角検出光学系を用いることで、さらに検出感度を向上させることが可能となる。上記説明のように、欠陥の種類（パーティクル、ＣＯＰ、スクラッチなど）や大きさに応じて、欠陥から発生する散乱光の強度分布や仰角特性が変化するため、照明方向・検出方向毎の信号を組み合わせて比較することで、欠陥分類精度や欠陥寸法算出精度を向上させることが可能となる。
また、２つ目の効果として、複数方位角、複数仰角方向にある各検出光学系により検出された検出信号の処理方法に関して、各検出信に対して加算、または平均化処理が行われる。加算することにより、検出光量が大きくなるため、検出感度向上に効果があり、平均化することにより、センサのダイナミックレンジ内で検出可能なサイズの幅が増えることになり、ダイナミックレンジ拡大の効果がある。

レーザ光源２は３５５ｎｍの波長を発振する光源で説明を行ったが、可視、紫外、または真空紫外のレーザビームを発振するレーザ光源でも構わない。照明領域２０はウエハ面上で概略楕円形状をしており、長軸方向には概略１０００μｍ、短軸方向には概略２０μｍ程度の大きさである例で説明を行ったが、楕円形状である必要はなく、また大きさに関しても制限はない。
図１では異なる方位角方向φに６つの検出光学系が存在する実施例を説明したが、検出光学系の数は６つに制限される必要はない。また検出方位角φ、検出仰角θｓに関しても制限はない。
対物レンズ１０は倍率０.１倍の光学倍率の例で説明を行ったが、倍率に制限はない。また検出光学系１０２ａ〜１０２ｆの全体としての光学倍率１０倍の例で説明を行ったが、これに関しても制限はない。検出光学系１０２ａ〜１０２ｆの開口数に関しても、全ての検出光学系において概略同じである必要はなく、また全てが異なっている必要もない。
照明光学系１０１に関して、エキスパンダ３と集光レンズ５を組み合わせて照明を行う例で説明を行ったが、シリンドリカルレンズを用いて線状照明を行っても構わない。シリンドリカルレンズ単体を用いた場合はアナモフィック光学系を用いて光軸に互いに垂直な平面内における一方向のみにビーム径を変化させずとも、ウエハ上に線状照明を行うことが可能となるため、ビームエキスパンダ３を省略可能となり、光学系のスリム化が図れる点で有効である。ラインセンサ １３は散乱光を受光し光電変換するために用いられるものであり、マルチアノード光電子増倍管、ＴＶカメラ、ＣＣＤカメラ、フォトダイオードやリニアセンサ、あるいはイメージインテンシファイアをこれらと組み合わせた高感度なイメージセンサなどを使用しても構わない。例えば二次元センサを用いることで、広い領域を一度に検査することが可能となる。ラインセンサは２５６画素、画素サイズ２５μｍで説明を行ったが、画素数・画素サイズともに制限はない。

画素ずれ検出部１５２での画素ずれ大きさ・画素ずれ方向検出の手法として、照明強度分布がガウス分布の場合で説明を行ったが、照明強度分布はガウス分布に限定されることはない。例えば図１０のように、レーザビーム２００をウォラストンプリズムなどの複屈折素子４０でレーザビーム２０１とレーザビーム２０２に分割し、分割した２つのレーザビームを近接した領域に照明することで、ガウス分布の重ね合わせにより照度分布４１を有する照明を行うことが可能になる。この場合にはラインセンサの各画素には２つのピーク値を有するＨａｚｅ信号４２が検出される。また、図１１のようにマスク４３を通過させることで所望の照度分布やビーム形状を有するレーザビーム２０３を生成し、前記調整されたレーザビーム２０３をウエハに縮小照明することで、変調された照明４４を行うことが可能になる。この時ラインセンサにはガウス分布で照明を行った時よりも急峻なピーク値を有するＨａｚｅ信号４５が検出される。
さらに、マスク４３を使用せずに、ＤＯＥ(ＤＩｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ：回折光学素子)を使用して変調された照明４４を行っても構わない。ＤＯＥを用いた場合には、マスク４３を使用せずとも集光レンズ５をＤＯＥに置き換えるだけで任意の照度分布・形状の変調照明を生成することが可能であるため、照明光学系の実装スペースを縮小させることができる点で有利である。

以上のようにガウス分布と異なる照度分布・ビーム形状を有する照明を行うことでガウス分布よりも特徴的なＨａｚｅ信号を検出し、それに基づきパターンマッチングを行うことで、より精度の高いパターンマッチングを行うことができ、画素ずれ大きさおよび画素ずれ方向をより精度良く検出することが可能となる。
低角度検出光学系１０２ｇ・高角度検出光学系１０２ｈは異なる方位角方向φにも複数存在し、それらの配置される仰角は全て概略同じである必要はなく、また全てが異なっている必要もない。低角度検出光学系１０２ｇ・高角度検出光学系１０２ｈの開口数に関しても、全ての検出光学系において概略同じである必要はなく、また全てが異なっている必要もない。
画素ずれ検出部１５２において画素ずれ補正信号を生成し、画素ずれ補正部１５３において画素ずれ補正信号に基づき検出信号の座標を補正するという例で説明を行ったが、以下の処理を行っても構わない。
画素ずれ検出部１５２で画素ずれ大きさと画素ずれ方向を検出した際に、ずれの大きさが規定値以上であれば加算画素補正信号を生成する。具体的な例として、画素ずれ大きさがウエハ面上でのラインセンサの１画素相当の２.５μｍ以上であれば、加算画素を１画素ずらすという信号を生成する。また画素ずれ大きさが２画素相当の５.０μｍ以上であれば、加算画素を２画素ずらすという信号を生成する。加算画素のずれる大きさに画素ずれの方向を加えたものを加算画素補正信号と呼び、画素ずれ検出部１５２からこれを出力する。

画素ずれ検出部１５２において加算画素補正信号が生成された場合には、画素ずれ補正部１５３で座標補正の処理は行わない。信号加算・欠陥判定部において、前記加算画素補正信号に基づき、加算する画素を切り替えて信号加算を行う。
次に、欠陥検出処理フローについて、図９を用いて説明する。

まずはステージにウエハ１をセットし、検査レシピを設定する（ステップ１７０）。検査を開始し（ステップ１７１）、ウエハの表面を照射する（ステップ１７２）。次に、ウエハ表面からの散乱光をラインセンサにより受光し（ステップ１７３）、ウエハ表面からの散乱光を検出信号に変換する（ステップ１７４）。変換した検出信号を、ウエハ表面の欠陥から発生する散乱光から得られる欠陥信号とウエハ表面の凹凸から発生する散乱光から得られるＨａｚｅ信号とに分離し（ステップ１７５）、Ｈａｚｅ信号の分布と検出光学系１０２ａにより得られた光量分布とを比較して（ステップ１７６）、検出信号の画素ずれ大きさ・画素ずれ方向等の画素ずれ量を算出する（ステップ１７７）。そして、算出した画素ずれ量に基づき画素ずれ補正信号を送信し（ステップ１７８）、画素ずれ補正信号に基づき検出信号の画素ずれを補正する（ステップ１７９）。信号加算・欠陥判定部１５４において、同一座標同士の信号を加算し（ステップ１８０）、加算した信号に基づき、欠陥判定・欠陥分類・寸法算出・Ｈａｚｅ処理を行い（ステップ１８１）、欠陥マップとＨａｚｅマップを表示する（ステップ１８２）。

ここで、同一座標同士の信号を加算する際には、ウエハ表面の概略同一領域を複数回照射して得られた散乱光に基づく複数の検出信号を加算してもよいし、ウエハ表面に対して異なる方位角方向に配置された検出光学系により受光された散乱光に基づく検出信号を加算しても良い。ウエハ表面に対して異なる方位角方向に配置された検出光学系により受光された散乱光に基づく複数の検出信号を加算する場合は、ウエハ表面の同一領域を少なくとも１回照射すればよい。ここで、本発明に係る欠陥検査装置の実施形態では、照明光学系により照射されるウエハ表面の照明領域は固定されているが、ウエハを支持するステージが回転および並進運動を行い移動しながら検出光学系で散乱光を検出することから、ウエハ表面と照明領域の位置関係は螺旋状に変化することになる。そのため、「ウエハ表面の概略同一領域を複数回照射」するとは、ウエハ表面の所定の部分を含む任意の領域（「所定の領域」と呼ぶこととする。）を複数回照射することを指す。つまり、各回ごとに完全に同一の領域を照射することは必須ではなく、所定の部分を含む所定の領域を照射していれば照射される領域が変化しても問題ない。また、ウエハ表面の所定の領域を複数回照射するためには、ウエハが１回転する間にステージが並進する距離が、照明領域の長軸方向（長手方向）の長さよりも短いことが必要である。また、それら各回ごとの全ての検出信号を加算した場合には、大きな信号増幅効果が得られる。さらに、単一の検出信号について画素ずれを補正した検出信号により欠陥検出を行っても良く、この場合には、画素ずれ量が補正され、欠陥の位置を精度良く検出することができる。

また、図９ではＨａｚｅ信号の分布と検出光学系１０２ａにより得られた光量分布とを比較して検出信号の画素ずれ大きさ・画素ずれ方向等の画素ずれ量を算出する方法を示したが、ステップ１７６、ステップ１７７の代わりに、Ｈａｚｅ信号の分布と予め定めた基準光量分布のように予め定められた光量分布とを比較して画素ずれ量を算出するステップを有してもよい。ここで基準光量分布とは、ウエハ表面に対してＺ軸方向への変動がないと仮定した場合に得られる光量分布であり、一例として、ウエハを回転および並進運動させない状態で検出した散乱光に基づき得られた検出信号を用いればよい。また、他の例として、複数画素の中央において光量が最大値をとる光量分布を仮定する等すればよい。また、予め定めた光量分布としては、基準光量分布でなくても、検出光学系１０２ａや基準光量分布等のように、ウエハ表面に対してＺ軸方向への変動がないと仮定した場合に得られる光量分布に相当するような分布であれば、上記の基準光量分布以外の分布でもよい。

本発明の第二の実施形態を図１２で説明する。図１２は、ウエハ１、照明光学系１０１、検出光学系１０２、ウエハステージ１０３、信号処理系１０４、照明領域観察光学系１０５、および正反射光観察光学系１０６を有して構成される。
照明光学系１０１、検出光学系１０２、ウエハステージ１０３の詳細構成は図１に示すものと概略同様であるので説明を省略する。

第二の実施例においては、下記に示したような照明領域観察光学系１０５または正反射光観察光学系１０６のうち少なくとも一方により受光した散乱光に基づく検出信号によりウエハ高さ変動の大きさおよび変動の方向を検出し、画素ずれ検出部１５２でウエハ高さ変動の大きさ・方向に基づき画素ずれ大きさおよび画素ずれ方向を算出し、画素ずれ補正部１５３で画素ずれ補正を行うことを特徴とする。照明領域観察光学系１０５および正反射光観察光学系１０６で検出する方法の詳細を下記に説明する。

（照明領域観察光学系１０５、正反射光観察光学系１０６の処理）
（１）照明領域観察光学系１０５を用いて照明領域の位置ずれ大きさおよび方向を検出し、ウエハ高さ変動を検出する
（２）正反射光観察光学系１０６を用いて正反射光の位置ずれ大きさおよび方向を検出し、ウエハ高さ変動を検出する
図１３と図１４を用いて、上記（１）の手法に関して説明する。
図１３は図１２においてレーザビーム２００が入射角θｉでウエハ１に入射し、ウエハ１表面に照明領域２０が生成されている領域の側面拡大図である。ウエハ高さ変動が発生していない時はｚ＝０の高さにウエハ表面は存在しており、ウエハ表面高さが＋ｈ μｍだけ変動した場合にはレーザビーム２００とウエハ１が交わる位置が変化するため、ウエハ上には照明領域５５が生成される。同様にウエハ表面高さが−ｈ μｍだけ変動した場合にもレーザビーム２００とウエハ１が交わる位置が変化するため、ウエハ上には照明領域５６が生成される。つまりウエハ高さ変動により、ウエハ面上での生成される照明領域の位置が変化する。

図１４は図１３の領域の平面図である。実際には照明領域２０・５５・５６は同一θ座標上に存在しているが、図１４では説明のためにわざとビーム位置をθ方向にずらして表記している。ウエハ高さ変動が発生した場合、ウエハ１に垂直な方向から被照射領域周辺を観察すると照明領域がＲ方向にずれたように観察されることがわかる。この時、照明領域の位置ずれ：Ｄとウエハ高さ変動大きさ：ｈの間には
Ｄ＝ｈ/ｃｏｓθｉ ・・・（式１）
の関係がある。ウエハ１への照明仰角θｉが小さいほど、ウエハの高さ変動が発生した場合の照明領域の位置ずれＤが大きいことを意味している。照明領域２０・５５・５６からはラフネス散乱光が発生しており、照明領域観察光学系１０５を用いてラフネス散乱光を検出する。これにより、ウエハ高さ変動により生じた照明領域の位置ずれＤを検出することが可能になる。（式１）を用いることで、照明領域の位置ずれＤより、ウエハ高さ変動大きさ：ｈと上下どちらの方向に変動したのかを算出することが可能になる。

次に、図１５を用いて、上記(２)の手法に関して説明する。

図１５は図１２においてレーザビーム２００が仰角θｉでウエハ１に入射し、その正反射光２０４がＰＳＤ５２に入射している領域側面の拡大図である。図１４ではウエハ表面高さがｚ＝−ｈ μｍだけ変動した場合を示している。図１４のようにウエハの高さが変動すると、ＰＳＤ５２に入射する正反射光の位置が変化する。ＰＳＤ５２からは入射した位置に応じて電気信号が出力されるため、ウエハ表面高さがｚ＝０の位置にあった時の正反射光２０４の入射位置を基準として、ウエハ高さ変動により正反射光の入射した位置がどれだけずれたのか検出することが可能である。ＰＳＤ５２から出力される正反射光検出位置のずれの大きさをＸとすれば、
Ｘ＝２・ｈ・ｃｏｓθｉ ・・・（式２）
の関係がある。

正反射光観察光学系１０６を用いてウエハ１からの正反射光２０４の検出位置ずれの大きさＸを検出し、（式２）を用いることで、ウエハ高さ変動大きさ：ｈと上下どちらの方向に変動したのかを算出することが可能になる。

（信号処理系１０４の処理）
図１２の信号処理系１０４の構成は、図１に示した欠陥検査装置の信号処理系１０４と概略同様であるが、画素ずれ検出部１５２には、上述の照明領域観察光学系１０５、または正反射光検出観察光学系１０６のいずれかの系により検出されたウエハ高さ変動の大きさと変動の方向が入力される点が異なる。画素ずれ大きさおよび画素ずれ方向は、検出光学系の配置される方位角方向φ、仰角方向θｓ、およびウエハ高さ変動の大きさｈの３つを用いて、三角関数より幾何学的に算出することが可能であり、画素ずれ大きさＰは、
Ｐ＝ｈ・ｓｉｎθｓ ／ｔａｎφ ・・・（式３）
となる。画素ずれ検出部１５２では（式３）に基づき、方位角φ、仰角θｓ、およびウエハ高さ変動の大きさｈのパラメータより、検出光学系毎に画素ずれ大きさおよび画素ずれ方向を算出し、画素ずれ補正信号を生成し、画素ずれ補正部１５３へ出力を行う。

次に、欠陥検出処理フローについて、図１６を用いて説明する。まずはステージにウエハ１をセットし、検査レシピを設定する（ステップ２８０）。検査を開始し(ステップ２８１)、ウエハの表面を照射する（ステップ２８２）。次に、ウエハ表面からの散乱光をラインセンサにより受光し（ステップ２８３）、ウエハ表面からの散乱光を検出信号に変換する（ステップ２８４）。変換した検出信号を、ウエハ表面の欠陥から発生する散乱光から得られる欠陥信号とウエハ表面の凹凸から発生する散乱光から得られるＨａｚｅ信号とに分離する（ステップ２８５）。次に、照明領域観察光学系１０５にて照明領域の位置を観察することにより、ウエハ高さ変動の大きさ・方向を検出する（ステップ２８６）。または正反射光観察光学系１０６にて正反射光の位置を観察することによりウエハ高さ変動の大きさ・方向を検出する（ステップ２８７）。ステップ２８６、またはステップ２８７のいずれかの手段において検出したウエハ高さ変動の大きさ・方向に基づき、検出器毎の画素ずれ大きさ・画素ずれ方向を算出する（ステップ２８８）。そして、算出した画素ずれ量に基づき、検出器毎の画素ずれ補正信号を送信し、（ステップ２８９）。画素ずれ補正部１５３において、画素ずれ補正信号に基づき検出信号の画素ずれを補正する（ステップ２９０）。信号加算・欠陥判定部１５４において同一座標同士の信号を加算し、（ステップ２９１）。加算した信号に基づき、欠陥判定・欠陥分類・寸法算出・Ｈａｚｅ処理を行い（ステップ２９２）、欠陥マップとＨａｚｅマップを表示する（ステップ２９３）。

ここでも実施例１と同様に、同一座標同士の信号を加算する際には、ウエハ表面の概略同一領域を複数回照射して得られた散乱光に基づく複数の検出信号を加算してもよいし、ウエハ表面に対して異なる方位角方向に配置された検出光学系により受光された散乱光に基づく複数の検出信号を加算しても良い。また、それら全ての検出信号を加算した場合には、大きな信号増幅効果が得られる。さらに、単一の検出信号について画素ずれを補正した検出信号により欠陥検出を行っても良く、この場合には、画素ずれ量が補正され、欠陥の位置を精度良く検出することができる。

図１２では低仰角θｉから照明を行う斜方照明と１つの検出光学系のみが存在する例で説明を行ったが、ウエハに対し概略垂直方向から照明を行う垂直照明光学系が存在しても構わない。検出仰角θｓに配置された検出光学系１０２のみが存在する例で説明を行ったが、複数の仰角方向に複数の検出光学系が配置されていても構わない。また複数存在する検出光学系の仰角の大きさ・開口数の大きさにも制限はない。検出光学系１０２は図１に示すように異なる方位角方向φにも複数存在し、それらの配置される仰角は全て概略同じである必要はなく、また全てが異なっている必要もない。また配置される方位角に関しても、同様に制限はない。ＣＣＤカメラ５１はラフネス散乱光を受光し光電変換するために用いられるものであり、Ｉ−ＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ−ＣＣＳ）、ＥＭ-ＣＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ−ＣＣＤ）、ＥＥＢ-ＣＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｏｍｂｅｒｅｄｍｅｎｔ−ＣＣＤ）、２次元マルチアノード光電子増倍管、２次元アバランシェフォトダイオードアレイ、あるいはイメージインテンシファイアとエリアセンサを組み合わせた高感度なセンサなどを使用しても構わない。表面ラフネスから発生する散乱光は非常に微弱であるため、感度の高いセンサを用いることでより表面荒れの小さいウエハからのラフネス散乱光も検出することが可能になる点で有利である。またＣＣＤカメラ５１はＸＣ−ＥＵ５０である必要はなく、使用ＣＣＤの型番に制限はない。

図１２には、照明領域観察光学系１０５と正反射光観察光学系１０６のいずれもが搭載されている構成が示されているが、実際には上記光学系の少なくとも一の光学系が搭載されていれば、図１６に示した欠陥検査フローを実施することができる。
照明領域観察光学系１０５、または正反射光観察光学系１０６を用いて、ウエハ高さ変動の大きさと方向を検出する例で説明を行ったが、以下のようにラインセンサ１３の変わりにエリアセンサを用いてウエハ高さ変動の大きさと方向を検出しても構わない。

検出光学系１０２の配置されている検出方位角φが概略９０度であり、検出光学系１０２に光電変換素子にエリアセンサを使用した場合を考える。エリアセンサには浜松ホトニクス社のＳ８６６５-０９０９などを用いればよい。画素数は５１２×５１２画素であり、画素サイズは２４×２４μｍである。

図１７はウエハ面上での照明領域２０とエリアセンサの検出範囲５７の位置関係を示している。ウエハ高さ変動が発生し、ウエハ表面の高さがｚ＝ｈの高さにずれた時、照明領域２０は照明領域２０’の位置にずれ、ウエハ表面の高さがｚ＝−ｈの高さにある時、照明領域２０は照明領域２０’’の位置にずれることを示している。
ウエハ高さ変動により照明領域２０がずれた時、照明領域から発生する散乱光を検出する画素がずれるため、その検出画素のずれに基づきウエハ高さ変動の大きさと方向を検出することができる。

具体的には以下のような例が考えられる。ガウス分布のように照明照度が１つ、または２つ以上のピーク値を有する照明を行った場合には、検出光量が最大になる画素の移動数に基づきウエハ高さ変動の大きさと方向を検出することができる。またはＲ２軸に関して、照明強度の重心を求め、それの移動画素数に基づきウエハ高さ変動の大きさと方向を検出しても構わない。

均一照度分布の照明を行った場合には、Ｒ２軸に関して、照明領域の中心画素の移動する画素数に基づいてウエハ高さ変動の大きさと方向を検出できる。

第二の実施例では、ウエハ高さ変動の大きさと方向に基づき画素ずれ大きさと画素ずれ方向を算出し、座標補正を行う例で説明を行ったが、第一の実施例に示すように、画素ずれ補正信号の代わりに、加算画素補正信号を生成し、それに基づき加算する画素の補正を行っても構わない。

本発明の第三の実施形態を図１８で説明する。照明光学系１０１、検出光学系１０４、ウエハステージ１０３の詳細構成は図１に示すものと概略同様であるので、重複する部分については説明を省略する。

第一の実施例において、照明領域２０の長手方向２１０と光軸２１１のなす角度が概略９０度の関係にある検出光学系１０２ａにおいては、ウエハ高さ変動が発生しても画素ずれが発生せず、照明領域の長手方向２１０と光軸２１２のなす角度が概略９０度の関係でない検出光学系１０２ｂにおいては、ウエハ高さ変動が発生すると画素ずれが発生することを説明した。

しかし検出光学系の光軸を中心にラインセンサを回転させ、ウエハ高さ変動により発生する照明領域のずれる方向２６と、画素高さ方向を概略一致させることで、画素ずれの発生を回避することが可能になる。図１９（ａ）・（ｂ）はウエハ面上における照明領域２０ａと検出光学系１０２ｂの検出範囲２１ｃ・２１ｄの位置関係を示しており、ウエハ表面の高さがz方向に＋ｈ μｍだけずれた場合、照明領域２０ａは照明領域２０ａ’の位置にずれ、ウエハ表面の高さがｚ方向に−ｈ μｍだけずれた場合、照明領域２０ａは照明領域２０ａ’’の位置にずれることを示している。ここで、照明の長手方向２１０をＲ３軸と定義する。

Ｒ３軸とウエハ高さ変動により照明のずれる方向２６のなす角度をψとすると、
ψ＝＝φ
の関係があり、検出仰角には依存しない。
ここで、ラインセンサの画素の高さ方向をＲ４軸と定義し、Ｒ３とＲ４のなす角度がψになるまでラインセンサを回転させることで、ウエハ高さ変動により発生する照明領域のずれる方向２６と、画素の高さ方向が概略一致し、画素ずれが発生しないようにできる。検出光学系の配置されている方位角φによって、ψの大きさも変化するため、検出光学系毎にラインセンサを回転させる角度を設定する。
しかし、図１９（ａ）の状態では、領域６０ａ・６０ｂを欠陥が通過し散乱光が発生しても、領域６０ａ・６０ｂとラインセンサの検出範囲２１ｃには交わっている領域が存在しないため、散乱光を検出できず、欠陥の見逃しが発生する。欠陥見逃し回避のためには、より画素の高さが大きいラインセンサを用いる、または画素の高さ方向だけ光学倍率を小さくすることが必要であり、いずれかの手段を用いることで図１８（ｂ）記載のラインセンサでの検出範囲２１ｄを生成可能である。こうすることにより、欠陥が領域６０ａ・６０ｂを通過しても散乱光を検出することが可能であり、ウエハ高さ変動による画素ずれ回避と欠陥見逃しの回避を両立させることができる。
画素高さ方向だけ光学倍率を変化させるためにはアナモフィック光学系などを用いればよい。

図２０（ａ）は、ウエハ上における照明領域２０、検出光学系１０２ａの検出範囲２１ｅ、および検出光学系１０２ｂの検出範囲２１ｄの位置関係を示している。ただし、検出光学系１０２ａ・１０２ｂともに、画素高さ方向に関して同じ倍率だけ光学的に縮小し、図１８のように検出光学系１０２ｂのラインセンサをψだけ回転させ、画素ずれが発生しないように調整した場合の位置関係となっている。

これにより、検出光学系１０２ａ・１０２ｂともに画素ずれは発生しないが、ウエハ面上における検出範囲２１ｄと検出範囲２１ｅの大きさが異なっているのがわかる。検出範囲２１ｅに対して、検出範囲２１ｄのほうが１画素あたりの検出面積が「１/ｓｉｎψ」倍になっており、概略同一の領域から発生した散乱光同士を加算することが困難になる。これに対しては、検出光学系１０２ａの倍率を検出光学系１０２ｂに対して、「ｓｉｎψ」倍にすることで、検出範囲を概略一致させればよい。図２０（ｂ）では、検出光学系１０２ａの倍率を「ｓｉｎψ」倍に縮小し、検出光学系１０２ｂの検出範囲２１ｄと一致させ、画素ずれと欠陥見逃しを回避可能な条件となっている。
検出範囲２１ｅと検出範囲２１ｆの検出範囲を一致させるために、検出光学系１０２ｂの光学倍率を「１/ｓｉｎψ」倍にすることで一致させても構わない。
信号処理系１０４について、本実施例では、画素ずれ検出部と画素ずれ補正部とを有さない構成となっている。これは、検出光学系の光軸を中心にラインセンサを回転させることで、画素ずれの発生を回避することが可能となるため、信号処理系で画素ずれに対する対応する必要がなくなるためである。

図１８では異なる方位角方向φに６つの検出光学系が存在する実施例を説明したが、６つである必要はない。また検出器間の方位角の大きさも制限はない。照明仰角や検出光学系の配置される仰角方向に関しても、同様に制限はない。

以上の通り、本発明の実施の形態によれば、各検出光学系で検出したＨａｚｅ信号を利用したパターンマッチングを行うことで、画素ずれ大きさと画素ずれ方向を検出し、画素ずれ大きさと画素ずれ方向に基づき検出信号の座標を補正することにより、概略同一の領域から発生した散乱光信号を精度良く加算可能とする。

また、照明領域の位置ずれをモニタリングすることや、ウエハに照射されたレーザビームの正反射光をモニタリングすることでウエハ高さ変動の大きさと方向を検出し、その信号に基づき検出信号の座標を補正することにより、概略同一の領域から発生した散乱光信号を精度良く加算可能とする。
また、検出光学系の配置されている方位角φに応じて、光軸を中心としてラインセンサを回転させて配置し、かつ検出光学系の光学倍率を方位角φに応じて調整することにより、ウエハ高さ変動による画素ずれの発生を回避可能とする。
上記実施形態では、被検査対象物としてウエハを例に挙げて説明したが、半導体基板や薄膜基板等の試料であればウエハ以外のものでもよい。また、検出光学系として複数画素を検出可能なラインセンサを例に挙げて説明したが、エリアセンサ等、複数の画素を検出可能な検出器であれば問題ない。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１ ウエハ、２ レーザ光源、３ ビームエキスパンダ、４ 偏光素子、ｍ ミラー、
５ 集光レンズ、６ 回転ステージ、７ 並進ステージ、１０ 対物レンズ、１１ 偏光素子、１２ 結像素子、１３ ラインセンサ、１５・１６ 像面、２０・２０’・２０’ ’ ・５５・５６ 照明領域、１７・２１ａ〜２１ｆ ウエハ面でのラインセンサの検出範囲、２５・２６・２７ ウエハ高さ変動により照明領域が移動する方向、３０ａ・３０ｂ Ｈａｚｅ信号、４０ 複屈折素子、４１ 照度分布、４２・４５ Ｈａｚｅ信号、４３ マスク、４４ 変形照明領域、５０ 顕微鏡ユニット、５１ ＣＣＤカメラ、５２ ＰＳＤ、５７ ウエハ面でのエリアセンサの検出範囲、６０ａ・６０ｂ 検査領域、１０１ 照明光学系、１０２・１０２ａ〜１０２ｈ 検出光学系、１０３ ウエハステージ、１０４ 信号処理系、１０５ 照明領域観察光学系、１０６ 正反射光観察光学系、１５０ アナログ回路、１５１ Ａ／Ｄ変換部、１５２ 画素ずれ検出部、１５３ 画素ずれ補正部、１５４ 信号加算・欠陥判定部、１５５ ＣＰＵ、１５６ マップ出力部、１５７ 入力部、１６０ 欠陥マップ、１６１ Ｈａｚｅマップ、１７０〜１８９ 検査フロー、２００〜２０３ レーザビーム、２０４ 正反射光、２１０ 照明の長手方向、２１１・２１２ 検出光学系の光軸、２１３ ラインセンサの画素が並んでいる方向

Claims (17)

1. 試料の表面の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、
   前記試料の表面に楕円形状の照明領域を有する照明光を照射する工程と、
   前記試料の表面からの散乱光を、前記照明領域に対応して配置された複数画素の散乱光を検出可能な検出器により受光する工程と、
   前記検出器により受光した散乱光を検出信号に変換する工程と、
   前記検出信号から、前記試料の表面の凹凸から発生する散乱光から得られるＨａｚｅ信号を抽出する工程と、
   前記Ｈａｚｅ信号の分布に基づき画素ずれ量を算出する工程と、
   前記画素ずれ量を用いて前記検出信号を補正して欠陥を検出する工程と、
   を有することを特徴とする欠陥検査方法。
2. 試料の表面の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、
   前記試料の表面の所定の領域に楕円形状の照明領域を有する照明光を複数回照射する工程と、
   各回ごとの前記試料の表面からの散乱光を、前記照明領域に対応して配置された複数画素の散乱光を検出可能な検出器により受光する工程と、
   前記各回ごとの前記試料の表面からの散乱光を、各回ごとに検出信号に変換する工程と、
   前記変換する工程で変換された複数の検出信号のそれぞれから、前記試料の表面の凹凸から発生する散乱光から得られるＨａｚｅ信号を抽出する工程と、
   前記抽出する工程で抽出された複数のＨａｚｅ信号の分布と予め定めた光量分布とを比較して、前記複数の検出信号のそれぞれについて画素ずれ量を算出する工程と、
   前記複数の検出信号のそれぞれについて算出した画素ずれ量を用いて前記複数の検出信号を補正する工程と、
   前記補正する工程で補正された複数の検出信号を加算処理して欠陥を検出する工程と、
   を有することを特徴とする欠陥検査方法。
3. 請求項２記載の欠陥検査方法であって、
   前記画素ずれ量を算出する工程では、前記複数のＨａｚｅ信号の分布と、前記試料の表面に対して垂直方向への変動がないと仮定した状態で照明光を照射した場合に得られるＨａｚｅ信号の分布である基準光量分布とを比較することを特徴とする欠陥検査方法。
4. 請求項２または３に記載の欠陥検査方法であって、
   前記受光する工程では、前記試料の表面に対して複数の方位角方向に配置された複数の検出器により受光することを特徴とする欠陥検査方法。
5. 請求項４記載の欠陥検査方法であって、
   前記画素ずれ量を算出する工程では、前記複数のＨａｚｅ信号の分布と、前記複数の検出器のうち選択した一の検出器により受光した散乱光から得られたＨａｚｅ信号の分布とを比較することを特徴とする欠陥検査方法。
6. 請求項５記載の欠陥検査方法であって、
   前記選択した一の検出器は、前記一の検出器により検出可能な散乱光の光軸が、前記照明領域の長手方向と略直交する方向となるように配置された検出器であることを特徴とする欠陥検査方法。
7. 請求項４乃至６のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
   前記欠陥を検出する工程では、前記複数の検出器による検出信号を全て加算処理して欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。
8. 請求項４乃至６のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
   前記欠陥を検出する工程では、前記複数の検出器のうち選択した一部の検出器による検出信号を用いて欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。
9. 請求項２乃至８のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
   前記画素ずれ量を算出する工程では、前記複数のＨａｚｅ信号の分布についてそれぞれ最大値をとる画素と、予め定めた光量分布の最大値をとる画素とを比較して、前記複数の検出信号のそれぞれについて画素ずれ量を算出することを特徴とする欠陥検査方法。
10. 試料の表面の欠陥を検査する欠陥検査装置であって、
    前記試料の表面の所定の領域に楕円形状の照明領域を有する照明光を照射する照明光学系と、
    前記照明光学系の照明光による前記試料の表面からの複数画素の散乱光を検出可能な検出器と、
    前記検出器で検出した散乱光を検出信号に変換する変換回路と、を備えた検出光学系と、
    前記検出信号から、前記試料の表面の凹凸から発生する散乱光から得られるＨａｚｅ信号を抽出し、前記Ｈａｚｅ信号の分布と予め定めた光量分布とを比較して、前記検出信号の画素ずれ量を算出する画素ずれ検出部と、前記画素ずれ量に基づき前記検出信号を補正して欠陥を検出する欠陥判定部と、を備えた信号処理系と、
    を有することを特徴とする欠陥検査装置。
11. 請求項１０記載の欠陥検査装置であって、
    前記予め定めた光量分布として、前記試料の表面に対して垂直方向への変動がないと仮定した状態で照明光を照射した場合に得られるＨａｚｅ信号の分布である基準光量分布を用いることを特徴とする欠陥検査装置。
12. 請求項１０または１１に記載の欠陥検査装置であって、
    前記検出光学系は、前記試料の表面に対して複数の方位角方向に配置された複数の検出器を有することを特徴とする欠陥検査装置。
13. 請求項１２記載の欠陥検査装置であって、
    前記予め定めた光量分布は、前記複数の検出器のうち選択した一の検出器により受光した散乱光から得られたＨａｚｅ信号の分布であることを特徴とする欠陥検査装置。
14. 請求項１３記載の欠陥検査装置であって、
    前記選択した一の検出器は、前記一の検出器により検出可能な散乱光の光軸が、前記照明領域の長手方向と略直交する方向となるように配置された検出器であることを特徴とする欠陥検査装置。
15. 請求項１２乃至１４のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
    前記欠陥判定部では、前記画素ずれ量に基づき補正した前記複数の検出器による検出信号を全て加算処理して欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
16. 請求項１２乃至１４のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
    前記欠陥判定部では、前記画素ずれ量に基づき補正した前記複数の検出器のうち選択した一部の検出器による検出信号を用いて欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
17. 請求項１０乃至１６のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
    前記画素ずれ検出部では、前記複数のＨａｚｅ信号の分布についてそれぞれ最大値をとる画素と、予め定めた光量分布の最大値をとる画素とを比較して、前記複数の検出信号のそれぞれについて画素ずれ量を算出することを特徴とする欠陥検査装置。

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