JP5500427B2 - 表面検査装置および表面検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハや液晶基板等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、半導体ウェハや液晶基板（以降、総じて「基板」と称する）の表面に形成された繰り返しパターン（配線パターン等のライン・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（例えば、特許文献１を参照）。さらに、このような表面検査装置は、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ができる。

基板の表面に形成された繰り返しパターンを検査する技術として、上述のような回折光を用いた検査（以降、このような検査を回折検査と称する）の他、正反射光を用いた検査や、パターンの構造性複屈折による偏光状態の変化を利用した検査（以降、このような検査をＰＥＲ検査と称する）等がある。これらの検査方法によれは、露光装置のデフォーカスやドーズシフトに基づく線幅不良、レジスト塗布不良等を、高速かつ高精度で検出することができる。

なお、繰り返しパターンの線幅が微細化されると、回折検査では照明波長を短くする必要があり、線幅が４５ｎｍ以下の繰り返しパターンにおいては、回折検査のための最適な照明光源がなく、ＰＥＲ検査での検査となる。また、線幅が４５ｎｍ以下の繰り返しパターンにおいては、１ｎｍ程度のパターンの形状変化を検出する必要があり、パターンの形状変化に対する高い検出感度が要求される。
特開平１０−２３２１２２号公報

ＰＥＲ検査において検出感度を向上させる条件として、例えば照明波長等といった３種類のパラメータが知られているものの、これら３種類のパラメータを組み合わせて最適な検査条件を導き出すのが難しく、検査条件の適否を判断する手法も無かった。また、パラメータを変えた複数の検査条件で全ての検査を行うと、検査時間が長くなるという問題や、疑似欠陥を検出してしまう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、より高速で高精度な検査が可能な表面検査装置および表面検査方法を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る表面検査装置は、所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に直線偏光を照射する照明部と、前記直線偏光が照射された前記被検基板の表面からの反射光のうち前記直線偏光と振動方向が異なる偏光成分による前記繰り返しパターンの画像を撮像する撮像部と、前記画像を形成する偏光の振動方向と前記照明部により照射される前記直線偏光の振動方向とがなす角度および、前記繰り返しパターンと前記照明部により照射される前記直線偏光の振動方向とがなす角度のうち少なくとも一方を、複数の角度に設定可能な設定部と、前記設定部により設定される前記複数の角度において前記撮像部により撮像された複数の前記繰り返しパターンの画像について画像上の同一部分の信号強度を比較し、各部分において最小となる信号強度を該各部分の信号強度として抽出し、前記各部分において抽出された信号強度の情報を用いて前記被検基板の検査用情報を生成する情報処理部とを備えて構成される。

なお、上述の表面検査装置において、前記画像を形成する偏光の振動方向と前記照明部により照射される前記直線偏光の振動方向とがなす角度は、９０度近傍の角度であることが好ましい。

また、上述の表面検査装置において、前記相対信号強度は、正常である前記繰り返しパターンからの信号強度で規格化された信号強度であることが好ましい。

また、上述の表面検査装置において、前記情報処理部に生成された前記検査用情報に基づいて検査用画像を生成し、前記検査用画像を目視可能に表示する表示部を備えて構成されることが好ましい。

また、上述の表面検査装置において、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部を備え、前記検査部は、前記検査用情報と所定の基準情報とを比較することにより、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査するように構成されており、前記照明部は、前記検査の基準となる基準基板の表面に直線偏光を照射し、前記撮像部は、前記直線偏光が照射された前記基準基板の表面からの反射光のうち前記直線偏光と振動方向が異なる偏光成分による前記基準基板の繰り返しパターンの画像を撮像し、前記情報処理部は、前記設定部により設定される前記複数の角度において前記撮像部により撮像された複数の前記基準基板の繰り返しパターンの画像について画像上の同一部分の信号強度を比較し、各部分において最小となる信号強度を該各部分の信号強度として抽出し、前記各部分において抽出された信号強度の情報を用いて前記基準情報を生成することが好ましい。

また、本発明に係る表面検査方法は、検査条件を設定する第１のステップと、所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に直線偏光を照射する第２のステップと、前記直線偏光が照射された前記被検基板の表面からの反射光のうち前記直線偏光と振動方向が異なる偏光成分による前記繰り返しパターンの画像を撮像する第３のステップと、前記第１のステップにおいて、前記画像を形成する偏光の振動方向と前記照射する前記直線偏光の振動方向とがなす角度および、前記繰り返しパターンと前記照射する前記直線偏光の振動方向とがなす角度のうち少なくとも一方が、前記検査条件として複数の角度に設定され、該複数の角度において前記第３のステップで撮像した複数の前記繰り返しパターンの画像について画像上の同一部分の信号強度を比較し、各部分において最小となる信号強度を該各部分の信号強度として抽出し、前記各部分において抽出された信号強度の情報を用いて前記被検基板の検査用情報を生成する第４のステップとを有している。

なお、上述の表面検査方法において、前記画像を形成する偏光の振動方向と前記照射する前記直線偏光の振動方向とがなす角度は、９０度近傍の角度であることが好ましい。

また、上述の表面検査方法において、前記第４のステップで生成した前記検査用情報に基づいて検査用画像を生成し、前記検査用画像を目視可能に表示する第５のステップを有することが好ましい。

また、上述の表面検査方法において、前記第４のステップで生成した前記検査用情報に基づいて、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する第６のステップを有し、前記第６のステップでは、前記検査用情報と所定の基準情報とを比較することにより、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査しており、前記検査の基準となる基準基板の表面に直線偏光を照射する第７のステップと、前記直線偏光が照射された前記基準基板の表面からの反射光のうち前記直線偏光と振動方向が異なる偏光成分による前記基準基板の繰り返しパターンの画像を撮像する第８のステップと、前記第１のステップで設定される前記複数の角度において前記第８のステップで撮像した複数の前記基準基板の繰り返しパターンの画像について画像上の同一部分の信号強度を比較し、各部分において最小となる信号強度を該各部分の信号強度として抽出し、前記各部分において抽出された信号強度の情報を用いて前記基準情報を生成する第９のステップとを有することが好ましい。

本発明によれば、より高速で高精度な検査が可能となる。

本発明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。 照明装置の概略図である。 本発明に係る表面検査方法を示す第１のフローチャートである。 本発明に係る表面検査方法を示す第２のフローチャートである。 表面検査装置の変形例を示す図である。

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
３０ 照明光学系（照明部）
４０ 撮像光学系（撮像部）
５０ 画像処理装置（情報処理部、表示部および検査部）
５５ 制御装置（設定部）
Ｌ 直線偏光

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態の表面検査装置１は、図１に示すように、被検基板である半導体ウェハ１０（以下、ウェハ１０と称する）を支持するステージ２０と、照明光学系３０と、撮像光学系４０と、画像処理装置５０と、制御装置５５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、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ＸＹ方向に配列され、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。繰り返しパターン１２は、例えば図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同士の間は、スペース部２Ｂである。なお、ライン部２Ａの配列方向（Ｘ方向）を「繰り返しパターン１２の繰り返し方向」と称する。

ここで、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。すなわち、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ており、適正な露光フォーカスで露光されるとパターンエッジがシャープに形成され、このような理想的な形状の場合に、後述の撮像光学系４０で検出される偏光成分の輝度（信号強度）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パターン崩れが発生し、このときの偏光成分の輝度は理想的な場合と比較して小さくなる。

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における輝度変化（信号強度の変化）、より具体的には、パターンの構造性複屈折による偏光状態の変化を利用して、繰り返しパターン１２の欠陥検査（ＰＥＲ検査）を行うものである。上述したように、輝度変化は、露光フォーカスの適正状態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。

また、本実施形態においては、繰り返しパターン１２に対する照明光（後述する直線偏光）の波長と比較して繰り返しパターン１２のピッチＰが十分小さいものとする。このため、繰り返しパターン１２から回折光が発生することはなく、繰り返しパターン１２の欠陥検査を回折光により行うことはできない。

表面検査装置１のステージ２０は、ウェハ１０を上面で支持して、例えば真空吸着により固定保持する。さらに、ステージ２０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可能である。この回転機構によって、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向（図２および図３におけるＸ方向）を、ウェハ１０の表面内で回転させることができる。

本実施形態においては、繰り返しパターン１２の欠陥検査の反射率を最も高くするため、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向を、例えば図４に示すように、ウェハ１０の表面における照明光（直線偏光Ｌ）の振動方向に対して、４５度の角度に傾けて設定する。なお、角度は４５度に限らず、２２．５度や６７．５度など任意角度方向に設定可能である。

照明光学系３０は、図１に示すように、特定の波長を有する光を射出する照明装置６０と、第１の偏光板３２と、第１のレンズ３３とを有して構成される。照明装置６０は、図５に示すように、互いに波長の異なる光を発する３つの照明器６１ａ，６１ｂ，６１ｃと、各照明器６１ａ，６１ｂ，６１ｃから発せられた光をそれぞれウェハ１０に導く集光光学系６３とを有して構成される。第１照明器６１ａは、詳細な図示を省略するが、キセノンランプや水銀ランプ等の光源や、光源からの光のうち所望の波長成分（輝線スペクトル）を抽出する干渉フィルター（バンドパスフィルター）等から構成され、５４６ｎｍ（ｅ線）の波長を有する光を発するようになっている。

第２照明器６１ｂは、第１照明器６１ａと同様の構成であるが、４３６ｎｍ（ｇ線）の波長を有する光を発するようになっている。第３照明器６１ｃも、第１照明器６１ａと同様の構成であるが、４０５ｎｍ（ｈ線）の波長を有する光を発するようになっている。なお実際には、３つの照明器６１ａ，６１ｂ，６１ｃはそれぞれ、前述の各波長±１０ｎｍ〜±３０ｎｍ程度の波長領域を有する光を発する。

集光光学系６３は、３つの集光レンズ６４ａ，６４ｂ，６４ｃと、３つの減光フィルター６５ａ，６５ｂ，６５ｃと、３つのミラー６６，６７，６８とを有して構成される。第１集光レンズ６４ａは、第１照明器６１ａから発せられた光を集光して第１減光フィルター６５ａに導く。第２および第３集光レンズ６４ｂ，６４ｃも、第１集光レンズ６４ａと同様に、第２および第３照明器６１ｂ，６１ｃから発せられた光をそれぞれ集光し、第２および第３減光フィルター６５ｂ，６５ｃに導く。

第１減光フィルター６５ａは、透過率が周方向に連続的に変化する円盤状に形成され、第１集光レンズ６４ａからの光がこの第１減光フィルター６５ａを透過して第１のミラー６６に達する。また、第１減光フィルター６５ａは、図示しない回転駆動装置により周方向へ回転可能に構成され、第１減光フィルター６５ａの回転角に応じて第１照明器６１ａから発せられる光の光量調整を行う。第２および第３減光フィルター６５ｂ，６５ｃも、第１減光フィルター６５ａと同様の構成であり、第２および第３集光レンズ６４ｂ，６４ｃからの光がそれぞれ第２および第３減光フィルター６５ｂ，６５ｃを透過して第２および第３のミラー６７，６８に達する。そして、第２および第３減光フィルター６５ｂ，６５ｃの回転角に応じてそれぞれ、第２および第３照明器６１ｂ，６１ｃから発せられる光の光量調整を行う。

第１減光フィルター６５ａと第１のミラー６６との間には、第１のシャッター６９ａが光路上へ挿抜可能に設けられており、第１照明器６１ａによる照明のオン・オフを切り替えることができるようになっている。また、第２減光フィルター６５ｂと第２のミラー６７との間には、第２のシャッター６９ｂが光路上へ挿抜可能に設けられており、第２照明器６１ｂによる照明のオン・オフを切り替えることができるようになっている。また、第３減光フィルター６５ｃと第３のミラー６８との間には、第３のシャッター６９ｃが光路上へ挿抜可能に設けられており、第３照明器６１ｃによる照明のオン・オフを切り替えることができるようになっている。

第３のミラー６８は、通常の反射ミラーである。第３のミラー６８では、第３減光フィルター６５ｃからの光が反射して第２のミラー６７に向かうようになっている。第２のミラー６７は、いわゆるダイクロイックミラーである。第２のミラー６７では、第２減光フィルター６５ｂからの光が反射して第１のミラー６６に向かい、また、第３減光フィルター６５ｃからの光が透過して第１のミラー６６に向かうようになっている。

第１のミラー６６も、いわゆるダイクロイックミラーである。第１のミラー６６では、第１減光フィルター６５ａからの光が透過してウェハ１０の表面に向かい、また、第２のミラー６７からの光が反射してウェハ１０の表面に向かうようになっている。これにより、第１〜第３のシャッター６９ａ〜６９ｃのうちいずれか一つのシャッターを開くことで、第１〜第３照明器６１ａ〜６１ｃからの（すなわち、５４６ｎｍ（ｅ線）、４３６ｎｍ（ｇ線）、および４０５ｎｍ（ｈ線）の波長を有する）光のうちいずれか一つを選択的にウェハ１０に向けて射出することができる。なお、複数のシャッターを開くことで、第１〜第３照明器６１ａ〜６１ｃからの（いずれかの）光を合成してウェハ１０に射出することも可能である。

第１の偏光板３２は、照明装置６０と第１のレンズ３３との間の光路上に配設され、照明装置６０から射出された光を透過軸の向きに応じた直線偏光Ｌ（図４を参照）にする。第１のレンズ３３は、第１の偏光板３２からの照明光を平行光束にして、被検基板であるウェハ１０へ照射する。すなわち照明光学系３０は、ウェハ１０側に対してテレセントリックな光学系である。なお、照明光学系３０の光軸Ｏ１は、ステージ２０の法線Ａ１に対して角度θだけ傾けられる。

上記の照明光学系３０において、照明装置６０からの光は、第１の偏光板３２および第１のレンズ３３を介してｐ偏光の直線偏光Ｌとなり、照明光としてウェハ１０の表面全体に入射する。このとき、直線偏光Ｌ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Ｌの主光線の方向）は光軸Ｏ１に略平行であることから、ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌ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θに相当する。

なお、本実施形態では、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌがｐ偏光であるため、例えば図４に示すように、繰り返しパターン１２の繰り返し方向が直線偏光Ｌの入射面（ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌ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Ｌの振動方向と繰り返しパターン１２の繰り返し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Ｌは、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向が繰り返しパターン１２の繰り返し方向に対して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に入射することになる。

撮像光学系４０は、図１に示すように、第２のレンズ４１と、第２の偏光板４２と、撮像装置４５とを有して構成され、その光軸Ｏ２がステージ２０の中心を通る法線Ａ１に対して角度θだけ傾くように配設される。従って、ウェハ１０の表面（繰り返しパターン１２）で正反射した正反射光は、撮像光学系４０の光軸Ｏ２に沿って進行することになる。第２のレンズ４１は、ウェハ１０の表面で正反射した正反射光を撮像装置４５に向けて集光する。これにより、ウェハ１０からの正反射光は、第２のレンズ４１および第２の偏光板４２を経て撮像装置４５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像が結像される。

第２の偏光板４２は、第２のレンズ４１と撮像装置４５との間の光路上に配設され、回転駆動装置４３を用いて撮像光学系４０の光軸を中心に透過軸の方位（偏光方向）を回転可能に構成されており、第２の偏光板４２の透過軸の方位は、上述した第１の偏光板３２の透過軸に対して９０度前後の傾斜角度で傾くように設定される。したがって、第２の偏光板４２により、ウェハ１０（繰り返しパターン１２）からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が異なる（略直角な）偏光成分を抽出して、撮像装置４５に導くことができる。その結果、撮像装置４５の撮像面には、ウェハ１０からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が異なる（略直角な）偏光成分によるウェハ１０の反射像が形成される。

撮像装置４５は、例えばＣＣＤ撮像素子等から構成され、撮像面に形成されたウェハ１０の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理装置５０に出力する。ウェハ１０の反射像の明暗は、撮像装置４５で検出された偏光成分の信号強度（輝度）に略比例し、繰り返しパターン１２の形状に応じて変化する。ウェハ１０の反射像が最も明るくなるのは、繰り返しパターン１２が理想的な形状の場合である。

画像処理装置５０は、撮像装置４５から出力される画像信号に基づいて、ウェハ１０の反射画像を取り込む。なお、画像処理装置５０は、比較のため、良品ウェハの反射画像を予め記憶している。良品ウェハとは、繰り返しパターン１２が理想的なもしくは理想的とみなせる形状で表面全体に形成されたものである。そのため、良品ウェハの反射画像の輝度情報（信号強度）は、最も高い輝度値を示すものと考えられる。

したがって、画像処理装置５０は、被検基板であるウェハ１０の反射画像を取り込むと、その輝度情報（信号強度）を良品ウェハの反射画像の輝度情報（信号強度）と比較する。そして、ウェハ１０の反射画像における暗い箇所の輝度値の低下量に基づいて、繰り返しパターン１２の欠陥を検出する。例えば、輝度変化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、画像処理装置５０による輝度情報（信号強度）の比較結果およびそのときのウェハ１０の反射画像が画像処理装置５０のモニター部で目視可能に出力表示される。また、制御装置５５は、ステージ２０や、照明装置６０、第２の偏光板４２の回転駆動装置４３、画像処理装置５０等の作動を統括的に制御する。

なお、画像処理装置５０においては、上述のように、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を用いた表面検査方法について、図６および図７に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。そこでまず、レシピ作成時に行われる良品ウェハ（図示せず）の基準画像を生成する工程について、図６に示すフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、良品ウェハをステージ２０上に搬送し、良品ウェハ上の繰り返しパターンに対する位置合わせを行う。このとき、制御装置５５により、直線偏光Ｌの振動方向に対するパターンの方位角（ウェハの表面における直線偏光Ｌの振動方向と繰り返しパターンの繰り返し方向とのなす角度）が所定の（初期設定時の）方位角となるようにステージ２０を駆動制御する。またこのとき、第１の偏光板３２の透過軸に対する第２の偏光板４２の透過軸の方位が所定の（初期設定時の）傾斜角度となるように回転駆動装置４３を駆動制御する。さらにこのとき、照明装置６０から射出される光の波長が所定の（初期設定時の）波長となるように第１〜第３のシャッター６９ａ〜６９ｃの作動を制御する。

このように検査条件を設定すると、次のステップＳ１０２において、良品ウェハの表面に直線偏光Ｌを照射し、良品ウェハの表面からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分による良品ウェハの像を撮像する。このとき、照明装置６０から射出された光は、第１の偏光板３２でｐ偏光の直線偏光Ｌに変換されるとともに、第１のレンズ３３で平行光束となって良品ウェハの表面に照射される。良品ウェハの表面で反射した正反射光は、第２のレンズ４１により集光され、第２の偏光板４２で正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分が抽出されて撮像装置４５の撮像面上に導かれる。そして、撮像装置４５は、撮像面上に形成された、正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分による良品ウェハの反射像を光電変換して、画像信号を画像処理装置５０に出力する。

撮像装置４５から画像処理装置５０に画像信号が出力されると、次のステップＳ１０３において、画像処理装置５０は、撮像装置４５から出力される画像信号に基づいて、良品ウェハの反射画像を取り込み、画像処理装置５０の内部メモリ（図示せず）に良品ウェハの画像データを記憶する。

次のステップＳ１０４において、必要な全ての検査条件で良品ウェハの撮像を行ったか否かを判定する。判定がＮｏである場合、ステップＳ１０５を経てから、未だ撮像を行っていない検査条件でステップＳ１０２およびステップＳ１０３を繰り返す。一方、判定がＹｅｓである場合、ステップＳ１０６に進む。

ところで、ステップＳ１０４で判定する検査条件は、パターンの方位角、第２の偏光板４２の傾斜角度、および照明波長の３種類のパラメータからなる検査条件である。すなわち、３種類のパラメータを組み合わせた検査条件の数だけ、良品ウェハの撮像が行われることになる。そこで、ステップＳ１０５では、制御装置５５が検査条件における３種類のパラメータのうち少なくともいずれかを設定変更する処理を行う。このとき、パターンの方位角として、例えば、４５度、６７．５度、２２．５度のうちいずれかの方位角に設定される。これは、パターンの種類（例えば、メモリ回路のパターンやロジック回路のパターン）によって、デフォーカスに対し検出感度が高くなる条件（方位角）が異なるためである。なお、１３５度、１５７．５度、１１２．５度の方位角をさらに加えるようにしてもよい。

また、第２の偏光板４２の傾斜角度は、９０度（クロスニコルの状態）±４度の範囲において、０．５度ピッチで設定される。これは、本実施形態のような欠陥検査（ＰＥＲ検査）において、第２の偏光板４２の傾斜角度を９０度（クロスニコルの状態）より少しずらした方が、デフォーカスに対する検出感度は高くなることが判明しているが、検出感度の高くなる条件が半導体プロセスにより異なるためである。また、照明波長として、５４６ｎｍ（ｅ線）、４３６ｎｍ（ｇ線）、４０５ｎｍ（ｈ線）のうちいずれかの波長に設定される。これも、検出感度の高くなる条件が半導体プロセスにより異なるためである。ただし、照明波長によっては、パターンの下地との干渉ムラが生じる可能性があるため、このような照明波長の条件は予め検査条件から除外される。また、照明波長以外の条件においても、条件によってパターンの下地との干渉ムラが生じる場合があるので、このような異常のある条件は除外される。

なお、各検査条件において、ステップＳ１０２で撮像される良品ウェハの画像で基準となる部分の輝度値（信号強度）が一定になるように、第１〜第３減光フィルター６５ａ〜６５ｃによる照明光の光量調整を行う。このとき、制御装置５５により、良品ウェハの画像で基準となる部分の輝度値（信号強度）が一定になるように、言い換えれば、良品ウェハの画像において基準となる部分（繰り返しパターン）の輝度値（信号強度）で規格化するように、第１〜第３減光フィルター６５ａ〜６５ｃの回転駆動装置（図示せず）を駆動制御する。また、第１〜第３減光フィルター６５ａ〜６５ｃによる光量調整に代えて、画像処理装置５０におけるゲインを調整してもよい。

さて、ステップＳ１０６では、複数の検査条件で撮像が行われた良品ウェハがステージ２０から搬出回収され、次のステップＳ１０７において、画像処理装置５０は、複数の検査条件で撮像した良品ウェハの画像における同一画素（ピクセル）位置での画素同士を比較して、輝度値（信号強度）が最小となる（検査条件の）画素をそれぞれ抽出し、このときの輝度値（信号強度）を当該画素位置における輝度値（真値）として設定する。

そして、次のステップＳ１０８において、画像処理装置５０は、ステップＳ１０７で設定した画素毎の輝度値（信号強度）に基づき、輝度値（信号強度）が最小となる画素同士を繋いで１つの基準画像を生成する。これにより、良品ウェハの画像であるウェハ検査時の基準画像が生成され、当該良品ウェハの基準画像は画像処理装置５０の内部メモリに記憶される。なお、ステップＳ１０８においては、例えば、パターンの種類は同じでレジスト膜の材料が変わる場合のように、プロセスが変更された場合、新しいプロセスで露光・現像された良品ウェハについてステップＳ１０１〜Ｓ１０７と同様の処理を行い、内部メモリに記憶された良品ウェハの基準画像と比較して輝度値（真値）が相対的に明るくなった画素を置き換える追加学習を行うことも可能である。

続いて、ウェハ１０の検査工程について、図７に示すフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ２０１において、被検基板であるウェハ１０をステージ２０上に搬送し、ウェハ１０上の繰り返しパターン１２に対する位置合わせを行う。このとき、制御装置５５により、良品ウェハの基準画像を生成する場合と同様の条件で、パターンの方位角が所定の（初期設定時の）方位角となるようにステージ２０を駆動制御し、第２の偏光板４２の傾斜角度が所定の（初期設定時の）傾斜角度となるように回転駆動装置４３を駆動制御し、照明波長が所定の（初期設定時の）波長となるように第１〜第３のシャッター６９ａ〜６９ｃの作動を制御する。

このように検査条件を設定すると、次のステップＳ２０２において、ウェハ１０の表面に直線偏光Ｌを照射し、ウェハ１０の表面からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の像を撮像する。このとき、照明装置６０から射出された光は、第１の偏光板３２でｐ偏光の直線偏光Ｌに変換されるとともに、第１のレンズ３３で平行光束となってウェハ１０の表面に照射される。ウェハ１０の表面で反射した正反射光は、第２のレンズ４１により集光され、第２の偏光板４２で正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分が抽出されて撮像装置４５の撮像面上に導かれる。そして、撮像装置４５は、撮像面上に形成された、正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の反射像を光電変換して、画像信号を画像処理装置５０に出力する。

撮像装置４５から画像処理装置５０に画像信号が出力されると、次のステップＳ２０３において、画像処理装置５０は、撮像装置４５から出力される画像信号に基づいて、ウェハ１０の反射画像を取り込み、画像処理装置５０の内部メモリ（図示せず）にウェハ１０の画像データを記憶する。

次のステップＳ２０４において、必要な全ての検査条件でウェハ１０の撮像を行ったか否かを判定する。判定がＮｏである場合、ステップＳ２０５を経てから、未だ撮像を行っていない検査条件でステップＳ２０２およびステップＳ２０３を繰り返す。一方、判定がＹｅｓである場合、ステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０４で判定する検査条件は、良品ウェハの基準画像を生成する場合と同じ検査条件である。すなわち、良品ウェハの基準画像を生成する場合と同じ検査条件の数だけ、ウェハ１０の撮像が行われることになる。そこで、ステップＳ２０５では、制御装置５５が検査条件における３種類のパラメータ（パターンの方位角、第２の偏光板４２の傾斜角度、および照明波長）のうち少なくともいずれかを設定変更する処理を行う。なお、良品ウェハの基準画像を生成する場合と同じ条件で、第１〜第３減光フィルター６５ａ〜６５ｃによる照明光の光量調整が行われる。

さて、ステップＳ２０６では、複数の検査条件で撮像が行われたウェハ１０がステージ２０から搬出回収され、次のステップＳ２０７において、画像処理装置５０は、複数の検査条件で撮像したウェハ１０の画像における同一画素（ピクセル）位置での画素同士を比較して、輝度値（信号強度）が最小となる（検査条件の）画素をそれぞれ抽出し、このときの輝度値（信号強度）を当該画素位置における輝度値（真値）として設定する。

次のステップＳ２０８において、画像処理装置５０は、ステップＳ２０７で設定した画素毎の輝度値（信号強度）に基づき、輝度値（信号強度）が最小となる画素同士を繋いで１つの検査用画像を生成する。これにより、ウェハ１０の検査用画像が生成され、当該ウェハ１０の検査用画像は画像処理装置５０の内部メモリに記憶される。

そして、次のステップＳ２０９において、画像処理装置５０は、ステップＳ２０８で生成したウェハ１０の検査用画像の輝度情報（すなわち検査用情報）を、先のステップＳ１０８で生成した良品ウェハの基準画像の輝度情報（すなわち基準情報）と比較し、輝度変化が予め設定した閾値を超えたとき、欠陥があると判定する。このとき、画像処理装置５０による輝度情報（信号強度）の比較結果およびそのときのウェハ１０の反射画像（検査用画像）が画像処理装置５０のモニター部で目視可能に出力表示され、目視による検査も可能となる。

この結果、本実施形態の表面検査装置１および表面検査方法によれば、本実施形態のような欠陥検査（ＰＥＲ検査）では、良品ウェハの画像の輝度情報（信号強度）が最も高い輝度値を示すと考えられるため、複数の検査条件で撮像されたウェハ１０の画像のうち、輝度値（信号強度）が最小となる画像を画素毎に抽出し、輝度値（信号強度）が最小となる画素を繋いで生成したウェハ１０の検査用画像に基づいて検査を行うことで、全ての検査条件で検査を行うことなく高速で、検出感度の高い高精度な検査が可能となる。なお、適正なドーズ量で露光が行われなかった場合にも、ウェハ１０の反射画像における輝度値は低下するが、ドーズ量が過剰の場合と不足の場合とによって、ドーズ不良を検出するための最適条件が異なる。このように、同じ種類の欠陥でも、欠陥の程度によって欠陥検出のための最適条件が異なる。これに対し、本実施形態によれば、複数の検査条件で撮像されたウェハ１０の画像のうち、輝度値（信号強度）が最小となる画素を繋いで生成したウェハ１０の検査用画像に基づいて検査を行うため、異なる種類の欠陥または同じ種類でも程度の異なる欠陥を全て１枚の検査用画像から容易に認識することができ、検出感度の高い高精度な検査を行うことができる。また、このような１枚の検査用画像に基づいて検査を行うようにすれば、ショット毎に欠陥を検出する画像処理時間が短くなるため、高速で検査を行うことができる。

また、良品ウェハの画像についても、ウェハ１０の検査用画像と同様にして、良品ウェハの基準画像を生成するようにすれば、疑似欠陥を検出してしまうのを防止することができ、より高精度な検査が可能となる。なお、ウェハ１０のレジスト膜は、ウェハ１０の中心から外側になるにつれて薄くなるため、レジスト膜の膜厚に応じてドーズ量を変化させる場合がある。このような場合、レジスト膜が相対的に薄くなるウェハ１０の外側では、パターンが倒れるのを防止するために線幅等を太くすることがあり、良品ウェハにおいて基準となる輝度値がショット毎に異なることになる。これに対し、ウェハ１０の検査用画像と同様にして、良品ウェハの基準画像を生成するようにすれば、ショット毎に輝度値が異なる良品ウェハの基準画像を生成することができるため、疑似欠陥を検出してしまうのを防止することができ、より高精度な検査を行うことができる。

なお、上述の実施形態において、検査条件のうち、パターンの方位角、第２の偏光板４２の傾斜角度、および照明波長の３種類のパラメータを変更してウェハの撮像を行っているが、これに限られるものではなく、３種類のパラメータのうち１つ（もしくは２つ）のパラメータだけを設定変更するようにしてもよい（すなわち、パターンの方位角、第２の偏光板４２の傾斜角度、および照明波長のうちいずれか１つ（もしくは２つ）のパラメータを設定変更する検査条件として用いるようにしてもよい）。

また、上述の実施形態において、第２の偏光板４２は、回転駆動装置４３を用いて撮像光学系４０の光軸Ｏ２を中心に透過軸の方位を回転可能に構成されているが、これに限られるものではない。例えば、図８に示すように、第２のレンズ４１と第２の偏光板４２との間に１／２λ板４７を配置し、１／２λ板４７の遅相軸の方位を、回転駆動装置４８を用いて光軸Ｏ２を中心に回転させるようにしてもよい。

また、上述の実施形態において、照明波長として、５４６ｎｍ（ｅ線）、４３６ｎｍ（ｇ線）、および４０５ｎｍ（ｈ線）を用いているが、これに限られるものではなく、例えば、３６５ｎｍ（ｉ線）や３１３ｎｍ（ｊ線）等を用いるようにしてもよい。

また、上述の実施形態において、画像処理装置５０が、ウェハ１０の検査用画像を生成するとともに、生成したウェハ１０の検査用画像に基づいて、繰り返しパターン１２における欠陥の有無を検査しているが、これに限られるものではなく、ウェハ１０の検査用画像を生成する画像処理部や、繰り返しパターン１２における欠陥の有無を検査する検査部を、それぞれ別体に設けるようにしてもよい。

Claims (9)

1. 所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に直線偏光を照射する照明部と、
   前記直線偏光が照射された前記被検基板の表面からの反射光のうち前記直線偏光と振動方向が異なる偏光成分による前記繰り返しパターンの画像を撮像する撮像部と、
   前記画像を形成する偏光の振動方向と前記照明部により照射される前記直線偏光の振動方向とがなす角度および、前記繰り返しパターンと前記照明部により照射される前記直線偏光の振動方向とがなす角度のうち少なくとも一方を、複数の角度に設定可能な設定部と、
   前記設定部により設定される前記複数の角度において前記撮像部により撮像された複数の前記繰り返しパターンの画像について画像上の同一部分の信号強度を比較し、各部分において最小となる信号強度を該各部分の信号強度として抽出し、前記各部分において抽出された信号強度の情報を用いて前記被検基板の検査用情報を生成する情報処理部とを備えて構成されることを特徴とする表面検査装置。
2. 前記画像を形成する偏光の振動方向と前記照明部により照射される前記直線偏光の振動方向とがなす角度は、９０度近傍の角度であることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記信号強度は、正常である前記繰り返しパターンからの信号強度で規格化された信号強度であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査装置。
4. 前記情報処理部に生成された前記検査用情報に基づいて検査用画像を生成し、前記検査用画像を目視可能に表示する表示部を備えて構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の表面検査装置。
5. 前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部を備え、
   前記検査部は、前記検査用情報と所定の基準情報とを比較することにより、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査するように構成されており、
   前記照明部は、前記検査の基準となる基準基板の表面に直線偏光を照射し、
   前記撮像部は、前記直線偏光が照射された前記基準基板の表面からの反射光のうち前記直線偏光と振動方向が異なる偏光成分による前記基準基板の繰り返しパターンの画像を撮像し、
   前記情報処理部は、前記設定部により設定される前記複数の角度において前記撮像部により撮像された複数の前記基準基板の繰り返しパターンの画像について画像上の同一部分の信号強度を比較し、各部分において最小となる信号強度を該各部分の信号強度として抽出し、前記各部分において抽出された信号強度の情報を用いて前記基準情報を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の表面検査装置。
6. 検査条件を設定する第１のステップと、
   所定の繰り返しパターンを有する被検基板の表面に直線偏光を照射する第２のステップと、
   前記直線偏光が照射された前記被検基板の表面からの反射光のうち前記直線偏光と振動方向が異なる偏光成分による前記繰り返しパターンの画像を撮像する第３のステップと、
   前記第１のステップにおいて、前記画像を形成する偏光の振動方向と前記照射する前記直線偏光の振動方向とがなす角度および、前記繰り返しパターンと前記照射する前記直線偏光の振動方向とがなす角度のうち少なくとも一方が、前記検査条件として複数の角度に設定され、該複数の角度において前記第３のステップで撮像した複数の前記繰り返しパターンの画像について画像上の同一部分の信号強度を比較し、各部分において最小となる信号強度を該各部分の信号強度として抽出し、前記各部分において抽出された信号強度の情報を用いて前記被検基板の検査用情報を生成する第４のステップとを有することを特徴とする表面検査方法。
7. 前記画像を形成する偏光の振動方向と前記照射する前記直線偏光の振動方向とがなす角度は、９０度近傍の角度であることを特徴とする請求項６に記載の表面検査方法。
8. 前記第４のステップで生成した前記検査用情報に基づいて検査用画像を生成し、前記検査用画像を目視可能に表示する第５のステップを有することを特徴とする請求項６または７に記載の表面検査方法。
9. 前記第４のステップで生成した前記検査用情報に基づいて、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する第６のステップを有し、
   前記第６のステップでは、前記検査用情報と所定の基準情報とを比較することにより、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査しており、
   前記検査の基準となる基準基板の表面に直線偏光を照射する第７のステップと、
   前記直線偏光が照射された前記基準基板の表面からの反射光のうち前記直線偏光と振動方向が異なる偏光成分による前記基準基板の繰り返しパターンの画像を撮像する第８のステップと、
   前記第１のステップで設定される前記複数の角度において前記第８のステップで撮像した複数の前記基準基板の繰り返しパターンの画像について画像上の同一部分の信号強度を比較し、各部分において最小となる信号強度を該各部分の信号強度として抽出し、前記各部分において抽出された信号強度の情報を用いて前記基準情報を生成する第９のステップとを有することを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の表面検査方法。

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