JP5790644B2 - 検査装置および検査方法 - Google Patents

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Description

本発明は、露光装置により露光された半導体基板を検査する検査装置および検査方法に関する。
露光装置の最適なフォーカス条件およびドーズ量（露光量）を求める方法として、露光装置によりフォーカスやドーズ量をショット毎に変化させて露光したウェハ（以下、ＦＥＭウェハと称する）を用いる方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、例えば、ＦＥＭウェハの表面にラインパターンを投影露光した場合、フォーカスの変化に応じてパターンの形状（線幅）が変化する箇所を電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）で測定し、フォーカスの変化（横軸）に対する線幅の変化（縦軸）を示したグラフ（以下、線幅基準フォーカスカーブと称する）を求める。ここで、線幅が最大となるフォーカス値をベストフォーカスと定義し、線幅基準フォーカスカーブにおいて線幅が最大となるフォーカス値を求める。具体的には、同一のドーズ量においてそれぞれフォーカスの変化に応じた線幅を複数測定し、複数測定した線幅の平均値を用いて線幅基準フォーカスカーブを求め、このような線幅基準フォーカスカーブにおいて線幅が最大となるフォーカス値を露光装置の最適なフォーカス条件（ベストフォーカス）として求める。
また、ドーズ量の変化に応じてパターンの形状（線幅）が変化する箇所を電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）で測定し、ドーズ量の変化（横軸）に対する線幅の変化（縦軸）を示したグラフ（以下、線幅基準ドーズカーブと称する）を求める。そして、線幅基準ドーズカーブにおいて設計値の線幅が得られるドーズ量を露光装置の最適なドーズ量（ベストドーズ量）として求める。
特開２００７−３０４０５４号公報
しかしながら、露光装置の最適なフォーカス条件およびドーズ量（露光量）を求める作業は、異なる製品毎、異なる工程毎、および露光装置の台数毎に、それぞれ行う必要があり、従来の方法では、作業に多大な労力と時間を要するものであった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、フォーカス条件や露光量を短時間で精度よく設定可能な装置および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、本発明に係る検査装置は、露光装置により露光されて表面にパターンが形成された基板を照明光で照明する照明部と、前記照明光で照明された前記基板からの反射光を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記基板からの反射光の情報から、露光装置の露光条件を算出する演算部とを備え、前記演算部は、第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の所定のパターンを形成した第１の基板に対して前記照明部による照明を行うとともに前記検出部により反射光の検出を行って得られた前記検出部からの検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第１の情報と、前記露光条件の変化範囲のうち少なくとも一部が重複するように第２の露光装置により露光条件を変化させて複数の前記所定のパターンを形成した第２の基板に対して前記照明部による照明を行うとともに前記検出部により反射光の検出を行って得られた前記検出部からの検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第２の情報とを比較して、前記第１の露光装置に対する前記第２の露光装置の露光条件のずれを算出するように構成され、前記第１の情報として、前記第１の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第１の近似曲線を用い、前記第２の情報として、前記第２の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第２の近似曲線を用い、前記第１の近似曲線と前記第２の近似曲線とを比較して、前記第１の露光装置に対する第２の露光装置の露光条件のずれを算出する。
上記検査装置において、好ましくは、前記第１の情報として前記第１の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出部により検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第１の近似曲線で表す第１の変化具合を有し、前記第２の情報として前記第２の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出部により検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第２の近似曲線で表す第２の変化具合を有し、前記第１の情報と前記第２の情報とを比較する際には、前記第１および第２の情報のいずれか一方を他方にマッチングするように前記第１および第２の情報のいずれか一方を移動させたときの移動方向と移動量に基づいて、前記フォーカスと前記ドーズのそれぞれに関する前記第１の露光装置と前記第２の露光装置の露光条件のずれ量を求める。
もう一つの本発明に係る検査装置は、露光装置により露光されて表面にパターンが形成された基板を照明光で照明する照明部と、前記照明光で照明された前記基板からの反射光を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記基板からの反射光の情報から、露光装置の露光条件を算出する演算部とを備え、前記演算部は、所定の時間において第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の所定のパターンを形成した第１の基板に対して前記照明部による照明を行うとともに前記検出部により反射光の検出を行って得られた前記検出部からの検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第１の情報と、前記露光条件の変化範囲のうち少なくとも一部が重複するように前記所定の時間とは相違する時間において前記第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の前記所定のパターンを形成した第２の基板に対して前記照明部による照明を行うとともに前記検出部により反射光の検出を行って得られた前記検出部からの検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第２の情報とを比較して、前記所定の時間とは相違する時間における前記第１の露光装置の露光条件のずれを算出するように構成され、前記第１の情報として、前記第１の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第１の近似曲線を用い、前記第２の情報として、前記第２の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第２の近似曲線を用い、前記第１の近似曲線と前記第２の近似曲線とを比較して、前記第１の露光装置に対する第２の露光装置の露光条件のずれを算出する。
上記検査装置において、好ましくは、前記第１の情報として前記所定の時間において前記第１の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出部により検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第１の近似曲線で表す第１の変化具合を有し、前記第２の情報として前記相違する時間において前記第１の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出部により検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第２の近似曲線で表す第２の変化具合を有し、前記第１の情報と前記第２の情報とを比較する際には、前記第１および第２の情報のいずれか一方を他方にマッチングするように前記第１および第２の情報のいずれか一方を移動させたときの移動方向と移動量に基づいて、前記フォーカスと前記ドーズのそれぞれに関する前記所定の時間における前記第１の露光装置と前記相違する時間における前記第１の露光装置の露光条件のずれ量を求める。
上記検査装置において、好ましくは、前記第１の変化具合と前記第２の変化具合とのパターンマッチングを利用して前記比較が行われる。
上記検査装置において、好ましくは、前記第１の変化具合を記憶する記憶部をさらに備え、前記記憶部に記憶された前記第１の変化具合に基づいて前記ずれの算出を行う。
上記検査装置において、好ましくは、前記第１の基板に形成した前記複数の所定のパターンのそれぞれについて測定装置によりパターン形状を測定し、前記測定装置による測定結果に基づいて前記第１の情報における最適露光条件を求め、前記第１の情報に対する前記最適露光条件との関係を用いて、前記第１の情報と前記第２の情報を比較し、前記第１の露光装置に対する前記第２の露光装置の露光条件のずれ、もしくは前記第１の露光装置における前記所定の時間および前記相違する時間でのずれを算出する。
上記検査装置において、好ましくは、前記露光条件はフォーカスおよびドーズの少なくとも一方である。また、好ましくは、前記検出部は、１回の露光で形成されるパターン内の複数の部分の前記反射光を検出する。
上記検査装置において、好ましくは、前記照明部は、前記所定のパターンが形成された前記基板の表面全体に略平行な光束である前記照明光で一括照明し、前記検出部は、前記照明光が照射された前記基板の表面全体からの光を一括で検出する。また好ましくは、前記検出部は、前記照明光が照射されて前記基板の前記所定のパターンで発生した回折光を検出する。
上記検査装置において、好ましくは、前記照明部は、前記照明光として略直線偏光を前記基板の表面に照射し、前記検出部は、前記基板で反射した略直線偏光の振動方向と略直交する振動方向の偏光成分を検出する。また好ましくは、前記算出されたずれに基づく情報を露光装置に入力可能に出力する。
上記検査装置において、好ましくは、前記所定のパターンを露光する前のレジスト膜の膜厚を測定する膜厚測定部を備え、前記演算部は、前記膜厚測定部においてそれぞれ測定された前記膜厚に基づいて、前記比較の補正を行う。さらに好ましくは、前記膜厚測定部は、前記照明部で照明された前記レジスト膜からの正反射光に基づいて膜厚を測定する。さらに好ましくは、前記膜厚測定部は、複数の波長の光でそれぞれ照明された前記レジスト膜からの正反射光に基づいて膜厚を測定する。
本発明に係る検査方法は、露光装置により露光されて表面にパターンが形成された基板を照明光で照明する照明ステップと、前記照明光で照明された前記基板からの反射光を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて検出された前記基板から射出される光の情報から、露光装置の露光条件を算出する演算ステップとを備え、前記演算ステップにおいて、第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の所定のパターンを形成した第１の基板に対して前記照明ステップによる照明を行うとともに前記検出ステップにより反射光の検出を行って得られた検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第１の情報と、前記露光条件の変化範囲のうち少なくとも一部が重複するように第２の露光装置により露光条件を変化させて複数の前記所定のパターンを形成した第２の基板に対して前記照明ステップによる照明を行うとともに前記検出ステップにより反射光の検出を行って得られた検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第２の情報とを比較して、前記第１の露光装置に対する前記第２の露光装置の露光条件のずれを算出するように構成され、前記第１の情報として、前記第１の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第１の近似曲線を用い、前記第２の情報として、前記第２の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第２の近似曲線を用い、前記第１の近似曲線と前記第２の近似曲線とを比較して、前記第１の露光装置に対する第２の露光装置の露光条件のずれを算出する。
上記検査方法において、好ましくは、前記第１の情報として前記第１の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出ステップにおいて検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第１の近似曲線で表す第１の変化具合を有し、前記第２の情報として前記第２の露光装置による前記フォーカス条件の変化に対する前記検出ステップにおいて検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第２の近似曲線で表す第２の変化具合を有し、前記第１の情報と前記第２の情報とを比較する際には、前記第１および第２の情報のいずれか一方を他方にマッチングするように前記第１および第２の情報のいずれか一方を移動させたときの移動方向と移動量に基づいて、前記フォーカスと前記ドーズのそれぞれに関する前記第１の露光装置と前記第２の露光装置の露光条件のずれ量を求める。
もう一つの本発明に係る検査方法は、露光装置により露光されて表面にパターンが形成された基板を照明光で照明する照明ステップと、前記照明光で照明された前記基板からの反射光を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて検出された前記基板からの反射光の情報から、露光装置の露光条件を算出する演算ステップとを備え、前記演算ステップにおいて、所定の時間において第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の所定のパターンを形成した第１の基板に対して前記照明ステップによる照明を行うとともに前記検出ステップにより反射光の検出を行って得られた検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第１の情報と、前記露光条件の変化範囲のうち少なくとも一部が重複するように前記所定の時間とは相違する時間において前記第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の前記所定のパターンを形成した第２の基板に対して前記照明ステップによる照明を行うとともに前記検出ステップにより反射光の検出を行って得られた検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第２の情報とを比較して、前記所定の時間とは相違する時間における前記第１の露光装置の露光条件のずれを算出するように構成され、前記第１の情報として、前記第１の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第１の近似曲線を用い、前記第２の情報として、前記第２の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第２の近似曲線を用い、前記第１の近似曲線と前記第２の近似曲線とを比較して、前記第１の露光装置に対する第２の露光装置の露光条件のずれを算出する。
上記検査方法において、好ましくは、前記第１の情報として前記所定の時間において前記第１の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出ステップにおいて検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第１の近似曲線で表す第１の変化具合を有し、前記第２の情報として前記相違する時間において前記第１の露光装置による前記フォーカス条件の変化に対する前記検出ステップにおいて検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第２の近似曲線で表す第２の変化具合を有し、前記第１の情報と前記第２の情報とを比較する際には、前記第１および第２の情報のいずれか一方を他方にマッチングするように前記第１および第２の情報のいずれか一方を移動させたときの移動方向と移動量に基づいて、前記フォーカスと前記ドーズのそれぞれに関する前記所定の時間における前記第１の露光装置と前記相違する時間における前記第１の露光装置の露光条件のずれ量を求める。
上記検査方法において、好ましくは、前記第１の変化具合と前記第２の変化具合とのパターンマッチングを利用して前記比較が行われる。また好ましくは、前記第１の変化具合を記憶する記憶ステップをさらに備え、前記記憶ステップにおいて記憶された前記第１の変化具合に基づいて前記ずれの算出を行う。
上記検査方法において、好ましくは、前記第１の基板に形成した前記複数の所定のパターンのそれぞれについて測定装置によりパターン形状を測定する測定ステップを有し、前記測定ステップにおける測定結果に基づいて前記第１の情報における最適露光条件を求め、前記第１の情報に対する前記最適露光条件との関係を用いて、前記第１の情報と前記第２の情報を比較し、前記第１の露光装置に対する前記第２の露光装置の露光条件のずれ、もしくは前記第１の露光装置における前記所定の時間および前記相違する時間でのずれを算出する。
上記検査方法において、好ましくは、前記露光条件はフォーカスおよびドーズの少なくとも一方である。また、好ましくは、前記検出ステップにおいては、１回の露光で形成されるパターン内の複数の部分の前記反射光を検出する。
上記検査方法において、好ましくは、前記照明ステップにおいて、前記所定のパターンが形成された前記基板の表面全体に略平行な光束である前記照明光で一括照明し、前記検出ステップにおいて、前記照明光が照射された前記基板の表面全体からの光を一括で検出する。また好ましくは、前記検出ステップにおいて、前記照明光が照射されて前記基板の前記所定のパターンで発生した回折光を検出する。
上記検査方法において、好ましくは。前記照明ステップにおいて、前記照明光として略直線偏光を前記基板の表面に照射し、前記検出ステップにおいては、前記基板で反射した略直線偏光の振動方向と略直交する振動方向の偏光成分を検出する。
上記検査方法において、好ましくは、前記算出されたずれに基づく情報を露光装置に入力可能に出力する。
上記検査方法において、好ましくは、前記所定のパターンを露光する前のレジスト膜の膜厚を測定する膜厚測定ステップを備え、前記演算ステップにおいて、前記膜厚測定ステップにおいてそれぞれ測定された前記膜厚に基づいて、前記比較の補正を行う。また、好ましくは、前記膜厚測定ステップにおいて、前記照明ステップで照明された前記レジスト膜からの正反射光に基づいて膜厚を測定する。さらに好ましくは、前記膜厚測定ステップにおいて、複数の波長の光でそれぞれ照明された前記レジスト膜からの正反射光に基づいて膜厚を測定する。
本発明によれば、フォーカス条件や露光量を短時間で精度よく設定することができる。
表面検査装置の全体構成を示す図である。 表面検査装置の光路上に偏光フィルタが挿入された状態を示す図である。 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。 複数の露光装置について同一工程に対する設定を行う方法を示すフローチャートである。 複数の露光装置におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を求める方法を示すフローチャートである。 ＦＥＭウェハの一例を示す図である。 異なる露光装置により同一条件で露光されたウェハを比較した図である。 基準フォーカスカーブとサンプルフォーカスカーブの一例を示す図である。 サンプルフォーカスカーブに対して基準フォーカスカーブをフィットさせた状態を示す図である。 膜厚算出部を示すブロック図である。 膜厚と各波長の反射率との対応関係を示す図である。 フィッティング計算処理を表すフローチャートである。
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を図１に示しており、この装置により半導体基板である半導体ウェハ１０（以下、ウェハ１０と称する）の表面を検査する。本実施形態の表面検査装置１は、図１に示すように、略円盤形のウェハ１０を支持するステージ５を備え、不図示の搬送装置によって搬送されてくるウェハ１０は、ステージ５の上に載置されるとともに真空吸着によって固定保持される。ステージ５は、ウェハ１０の回転対称軸（ステージ５の中心軸）を回転軸として、ウェハ１０を回転（ウェハ１０の表面内での回転）可能に支持する。また、ステージ５は、ウェハ１０の表面に沿った軸（入射光の光軸と反射光の光軸がなす平面に略垂直な軸）を中心に、ウェハ１０をチルト（傾動）させることが可能であり、照明光の入射角を調整できるようになっている。
表面検査装置１はさらに、ステージ５に支持されたウェハ１０の表面に照明光を平行光として照射する照明系２０と、照明光の照射を受けたときのウェハ１０からの反射光や回折光等を集光する受光系３０と、受光系３０により集光された光を受けてウェハ１０の表面の像を検出する撮像装置３５と、画像処理部４０および記憶部４１と、膜厚算出部５０とを備えて構成される。照明系２０は、照明光を射出する照明ユニット２１と、照明ユニット２１から射出された照明光をウェハ１０の表面に向けて反射させる照明側凹面鏡２５とを有して構成される。照明ユニット２１は、メタルハライドランプや水銀ランプ等の光源部２２と、光源部２２からの光のうち所定の波長を有する光を抽出し強度を調節する調光部２３と、調光部２３からの光を照明光として照明側凹面鏡２５へ導く導光ファイバ２４とを有して構成される。
そして、光源部２２からの光は調光部２３を通過し、所定の波長（例えば、２４８ｎｍの波長）を有する照明光が導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出され、導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出された照明光は、導光ファイバ２４の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点面に配置されているため、照明側凹面鏡２５により平行光束となってステージ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。なお、ウェハ１０に対する照明光の入射角と出射角との関係は、ステージ５をチルト（傾動）させてウェハ１０の載置角度を変化させることにより調整可能である。
また、導光ファイバ２４と照明側凹面鏡２５との間には、照明側偏光フィルタ２６が光路上へ挿抜可能に設けられており、図１に示すように、照明側偏光フィルタ２６を光路上から抜去した状態で回折光を利用した検査（以下、便宜的に回折検査と称する）が行われ、図２に示すように、照明側偏光フィルタ２６を光路上に挿入した状態で偏光（構造性複屈折による偏光状態の変化）を利用した検査（以下、便宜的にＰＥＲ検査と称する）が行われるようになっている（照明側偏光フィルタ２６の詳細については後述する）。
ウェハ１０の表面からの出射光（回折光もしくは反射光）は受光系３０により集光される。受光系３０は、ステージ５に対向して配設された受光側凹面鏡３１を主体に構成され、受光側凹面鏡３１により集光された出射光（回折光もしくは反射光）は、撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像が結像される。
また、受光側凹面鏡３１と撮像装置３５との間には、受光側偏光フィルタ３２が光路上へ挿抜可能に設けられており、図１に示すように、受光側偏光フィルタ３２を光路上から抜去した状態で回折検査が行われ、図２に示すように、受光側偏光フィルタ３２を光路上に挿入した状態でＰＥＲ検査が行われるようになっている（受光側偏光フィルタ３２の詳細については後述する）。
撮像装置３５は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。画像処理部４０の内部メモリ（図示せず）には、良品ウェハの画像データが予め記憶されており、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥（異常）の有無を検査する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。また、画像処理部４０は、記憶部４１に記憶された露光装置６０に関するデータを利用して、露光装置６０のフォーカス条件またはドーズ量（露光量）を設定できるようになっている（詳細は後述する）。
ところで、ウェハ１０は、露光装置６０により最上層のレジスト膜に対して所定のマスクパターンが投影露光され、現像装置（図示せず）による現像後、不図示の搬送装置により、不図示のウェハカセットまたは現像装置からステージ５上に搬送される。なおこのとき、ウェハ１０は、ウェハ１０のパターンもしくは外縁部（ノッチやオリエンテーションフラット等）を基準としてアライメントが行われた状態で、ステージ５上に搬送される。なお、ウェハ１０の表面には、図３に示すように、複数のチップ領域１１（ショット）が縦横に（図３におけるＸＹ方向に）配列され、各チップ領域１１の中には、半導体パターンとしてラインパターンまたはホールパターン等の繰り返しパターン１２が形成されている。また、露光装置６０は、詳細な図示を省略するが、ケーブル等を介して本実施形態の表面検査装置１と電気的に接続されている。
膜厚算出部５０は、また、画像処理部４０により生成されたウェハ１０の画像データから、レジスト膜やシリコン酸化膜等の薄膜の膜厚を求める（詳細は後述する）。膜厚算出部５０には、図１２に示すように、測定条件保持部４８や反射率データ算出部４９が電気的に接続される。測定条件保持部４８には、ウェハ１０への照明光の入射角や、照明ユニット２１から射出される照明光の分光強度(波長ごとの強度)、および撮像装置３５の分光感度(波長ごとの感度)を含む測定条件情報とともに、ウェハ１０の基材(例えば、Ｓｉ)および薄膜の各波長についての複素屈折率が格納されている。
ウェハ１０の基材の各波長についての複素屈折率および、このウェハ１０の基材上に形成された単層の薄膜を構成する物質の各波長についての複素屈折率とは、例えば、エリプソメトリを利用した屈折率計測装置などによって、ウェハ１０の少なくとも一つの基準点(例えば、ウェハ１０の中心位置)について測定を行うことで、予め特定しておくことができる。そして、このようにして特定された各波長についての複素屈折率と照明光のウェハ１０への入射角とに基づいて、反射率データ算出部４９により、図１に示した照明系２０による照明で実現される角度条件において、ウェハ１０の基材上に様々な膜厚の薄膜を形成した際に、薄膜表面および裏面からの反射光の干渉を含んだ反射率を算出しておくことができる。
例えば、上述した角度条件に対応する薄膜干渉式に、ウェハ１０の基材(例えば、Ｓｉ)と単層膜の材質(例えば、ＳｉＯ2)との複素屈折率を代入し、膜厚が１０７０ｎｍ〜１３７０ｎｍの範囲について、例えば、１０ｎｍ刻みで膜厚を変化させ、照明光をｈ線(波長４０５ｎｍ)、ｇ線(４３６ｎｍ)、およびｅ線(５４６ｎｍ)等とした際の反射率を計算し、計算結果を膜厚算出部５０の反射率テーブル５１に保持することができる。例えば図１３に、波長がそれぞれ４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、および５４６ｎｍの照明光について、横軸で示される膜厚の二酸化ケイ素薄膜からの反射率を計算して得られた反射率曲線を、それぞれ太い実線、太い破線、および細い一点鎖線で示す。
更に、上述した少なくとも一つの基準点における薄膜の幾何膜厚を、例えば、別に用意された膜厚測定機などによって測定しておき、これらの測定結果を膜厚データ保持部５６に保持して、反射率に基づく膜厚計測の補正に用いることもできる。
以上のように構成される表面検査装置１を用いて、ウェハ１０表面の回折検査を行うには、まず、図１に示すように照明側偏光フィルタ２６および受光側偏光フィルタ３２を光路上から抜去し、不図示の搬送装置により、ウェハ１０をステージ５上に搬送する。なお、搬送の途中で不図示のアライメント機構によりウェハ１０の表面に形成されているパターンの位置情報（ノッチ、オリエンテーションフラットまたはアライメントマーク）を取得しており、ウェハ１０をステージ５上の所定の位置に所定の方向で載置することができる。
次に、ウェハ１０の表面上における照明方向とパターンの繰り返し方向とが一致（ラインパターンの場合、ラインに対して直交）するようにステージ５を回転させるとともに、パターンのピッチをＰとし、ウェハ１０の表面に照射する照明光の波長をλとし、照明光の入射角をθ１とし、ｎ次回折光の出射角をθ２としたとき、ホイヘンスの原理より、次の（１）式を満足するように設定を行う（ステージ５をチルトさせる）。
Ｐ＝ｎ×λ／｛ｓｉｎ（θ１）−ｓｉｎ（θ２）｝ …（１）
次に、照明系２０により照明光をウェハ１０の表面に照射する。このような条件で照明光をウェハ１０の表面に照射する際、照明ユニット２１における光源部２２からの光は調光部２３を通過し、所定の波長（例えば、２４８ｎｍの波長や水銀の輝線スペクトル）を有する照明光が導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５で反射した照明光が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の表面で回折した回折光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像（回折像）が結像される。
そこで、撮像装置３５は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。また、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥（異常）の有無を検査する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。
また、同じパターンを複数の露光装置で露光作製する場合、それぞれの露光装置でドーズ量（露光量）やフォーカス条件が最適状態から変動したときに、各露光装置により露光作製されたパターンの形状変化の仕方も同じ傾向を有するため、画像処理部４０は、複数の露光装置６０について同一のパターンに対する設定を行う場合に、１台目の露光装置６０において設定されたフォーカス条件およびドーズ量（露光量）のデータを利用して、２台目以降の露光装置６０についてフォーカス条件およびドーズ量の設定を行うことができる。そこで、複数の露光装置６０について同一工程に対する設定を行う方法について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、図８に示すように、露光装置６０のフォーカスとドーズ量をそれぞれ予め設定した値で露光ショット毎に段階的に変化させて繰り返しパターン（本実施形態においては、ラインパターンとする）を形成したウェハ（以下、ＦＥＭウェハ１０ａと称する）を作成する（ステップＳ１０１）。このとき、露光ショット毎にフォーカスとドーズ量をマトリックス状に変化させて露光し現像する。なお、図８における中央の太枠が基準ショット（例えば、設計上最適なフォーカス条件およびドーズ量で露光されるショット）であり、基準ショットに対する各ショットでのフォーカス条件およびドーズ量の変動をハッチングの濃淡で表わしている。
ＦＥＭウェハ１０ａを作成すると、１台目の露光装置６０について設定を行う場合（ステップＳ１０２でＹＥＳの場合）、電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いて、露光ショット毎に５箇所ずつ、全てのショットについて、１台目の露光装置６０によりＦＥＭウェハ１０ａの表面に形成されたラインパターンの線幅を測定する（ステップＳ１０３）。なお、線幅の測定箇所は、フォーカスおよびドーズ量の変化に応じてパターンの形状（線幅）が変化する箇所を選ぶことが好ましい。また、必要に応じて、フォーカスの変化のみに反応してパターンの形状（線幅）が変化する箇所を選ぶようにしてもよく、ドーズ量の変化のみに反応してパターンの形状（線幅）が変化する箇所を選ぶようにしてもよい。
電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いてラインパターンの線幅を測定すると、露光ショット内の５箇所の測定箇所について、フォーカスの変化（横軸）に対する線幅の変化（縦軸）を示したグラフ（線幅基準フォーカスカーブ）を手作業で求める（ステップＳ１０４）。このとき、同一のドーズ量（ベストドーズ量が望ましい）においてそれぞれフォーカスの変化に応じた線幅（またはラフネス）を測定して線幅基準フォーカスカーブを求める。なお、フォーカスとドーズ量が同じショットを複数設けたウェハを用いる場合には、フォーカスとドーズ量が同じ複数のショットについて線幅（またはラフネス）を複数測定し、複数測定した線幅（またはラフネス）の平均値を用いて線幅基準フォーカスカーブを求める。そして、線幅基準フォーカスカーブを求めると、線幅が最大（ラフネスの場合は最小）となるフォーカス値をベストフォーカスと定義し、線幅基準フォーカスカーブにおいて線幅が最大となるフォーカス値を露光装置６０の最適なフォーカス条件（ベストフォーカス）として求める。これにより、１台目の露光装置６０について、露光ショット内の５箇所における最適なフォーカス条件を設定することができる。なお、線幅基準フォーカスカーブは電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）から不図示のコンピュータにデータを送り、最小二乗法等によりグラフ及び最適なフォーカス条件を求めることもできる。
また、電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いてラインパターンの線幅を測定すると、露光ショット内の５箇所の測定箇所について、ドーズ量の変化（横軸）に対する線幅の変化（縦軸）を示したグラフ（線幅基準ドーズカーブ）を手作業で求める。このとき、同一のフォーカス（ベストフォーカスが望ましい）においてそれぞれドーズ量の変化に応じた線幅を測定して線幅基準ドーズカーブを求める。なお、フォーカスとドーズ量が同じショットを複数設けたウェハを用いる場合には、フォーカスとドーズ量が同じ複数のショットについて線幅を複数測定し、複数測定した線幅の平均値を用いて線幅基準ドーズカーブを求める。そして、線幅基準ドーズカーブを求めると、線幅基準ドーズカーブにおいて設計値の線幅が得られるドーズ量を露光装置６０の最適なドーズ量（ベストドーズ量）として求める。これにより、１台目の露光装置６０について、露光ショット内の５箇所における最適なドーズ量を設定することができる。このようにして求めたフォーカス条件およびドーズ量は、例えば、手作業で１台目の露光装置６０に入力される。なお、線幅基準フォーカスカーブと同様に線幅基準ドーズカーブも、電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）から不図示のコンピュータにデータを送り、最小二乗法等によりグラフ及び最適なドーズ量を求めることもできる。また、最適なフォーカス条件および最適なドーズ量を通信手段（ケーブルや無線）を使って露光装置６０に入力することもできる。
ところで、複数の露光装置６０のうち２台目以降の露光装置６０について設定を行う場合（ステップＳ１０２でＮＯの場合）、本実施形態の表面検査装置１を用いて、２台目以降の露光装置６０によりラインパターンが形成されたＦＥＭウェハ１０ａの表面全体を撮像する（ステップＳ１０５）。このとき、回折検査の場合と同様に、ＦＥＭウェハ１０ａをステージ５上に搬送し、照明系２０によりＦＥＭウェハ１０ａの表面に照明光を照射し、撮像装置３５がＦＥＭウェハ１０ａの回折像を光電変換して画像信号を生成し画像信号を画像処理部４０に出力する。またこのとき、ＦＥＭウェハ１０ａについて、露光したマスクパターンの情報または回折条件サーチ（正反射条件以外の角度範囲でステージ５をチルトさせ、回折光の強度を測る）を利用して回折条件を求め、回折光が得られるように回折検査の場合と同様の設定を行う。ここで、回折条件サーチとは、正反射以外の角度範囲でステージ５のチルト角度を段階的に変化させてそれぞれのチルト角度で画像を取得し、画像が明るくなる、すなわち回折光が得られるチルト角度を求める機能のことを指す。なお、ＦＥＭウェハ１０ａの方位角（露光したパターンの照明光の照明方向に対する姿勢）は、露光したパターンの繰り返し方向（ラインパターンの場合ラインと直交する方向）と照明方向が一致するように配置されている。
なお、１台目の露光装置６０についてフォーカス条件およびドーズ量を最適な状態に設定した後、予め、本実施形態の表面検査装置１を用いて、回折検査の場合と同様に、最適な状態に設定した１台目の露光装置６０によりラインパターンが形成されたＦＥＭウェハ１０ａの表面全体を撮像する。１台目の露光装置６０によりラインパターンが形成されたＦＥＭウェハ１０ａの表面全体を撮像すると、表面検査装置１の画像処理部４０は、露光ショット内の５箇所の測定箇所のそれぞれについて、適正なドーズ量におけるフォーカスの変化（横軸）に対するラインパターンからの回折光の輝度（信号強度）の変化（縦軸）を示したグラフ（以下、基準フォーカスカーブと称する）を求め、記憶部４１に記憶させておく。なおこのとき、適正なフォーカス条件で異なるドーズ量についてそれぞれフォーカスの変化に応じたラインパターンからの回折光の輝度（信号強度）を測定し、ドーズ量の変化と輝度変化の関係を求め、記憶部４１に記憶させておく。
２台目以降の露光装置６０によりラインパターンが形成されたＦＥＭウェハ１０ａの表面全体を撮像すると、画像処理部４０は、露光ショット内の５箇所の測定箇所について、フォーカスの変化（横軸）に対するラインパターンからの回折光の輝度（信号強度）の変化（縦軸）を示したグラフ（以下、サンプルフォーカスカーブと称する）を求める（ステップＳ１０６）。なおこのとき、同一のドーズ量（ベストドーズ量）においてそれぞれフォーカスの変化に応じたラインパターンからの回折光の輝度（信号強度）を複数測定し、複数測定した輝度（信号強度）の平均値を用いてサンプルフォーカスカーブを求める。
ところで、同種の異なる露光装置６０により同じ設定でＦＥＭウェハ１０ａをそれぞれ作成すると、図９（ａ）と図９（ｂ）で比較して示すように、装置によってＦＥＭウェハ１０ａの表面に形成されるラインパターンに形状の違い（すなわち、ラインパターンからの回折光の輝度（信号強度）に違い）が生じる。本実施形態の表面検査装置１でＦＥＭウェハ１０ａの表面全体を撮像すると、同種の異なる装置によって生じるラインパターンの違いは、フォーカスおよびドーズ量の変化に応じたパターンの状態変化が縦横にオフセット（図９（ｂ）の場合、図９（ａ）に対して右方へオフセット）した形で表れる。この違いは、１台目の露光装置６０に対する２台目以降の露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量のズレであり、逆に、このズレを補正して設定を行うようにすれば、１台目の露光装置６０において設定されたフォーカス条件およびドーズ量のデータを利用して、２台目以降の露光装置６０について適切なフォーカス条件およびドーズ量を設定できることがわかる。
そこで、表面検査装置１の画像処理部４０は、記憶部４１に記憶された基準フォーカスカーブとサンプルフォーカスカーブとを比較することにより、２台目以降の露光装置６０について最適なフォーカス条件およびドーズ量を設定する。ここで、図１０に基準フォーカスカーブＣＶ１とサンプルフォーカスカーブＣＶ２の一例を示す。なお、基準フォーカスカーブＣＶ１およびサンプルフォーカスカーブＣＶ２の近似曲線の式として、例えば４次式を用いることができる。同種の異なる装置によって生じる基準フォーカスカーブＣＶ１とサンプルフォーカスカーブＣＶ２の違いは、横軸方向がフォーカスのズレに起因したものであり、縦軸方向がドーズ量のズレに起因したものとなる。これは、ドーズ量が変化すると輝度（信号強度）が変わるもののフォーカスカーブが輝度方向に移動するだけでフォーカスと輝度変化の傾向は変わらないためである。
このときまず、画像処理部４０は、パターンマッチングによる画像処理を利用して、図１１に示すように、基準フォーカスカーブＣＶ１をサンプルフォーカスカーブＣＶ２に対して最も相関が良くなるようにフィットさせる。パターンマッチングの具体的な一例としては、基準フォーカスカーブＣＶ１およびサンプルフォーカスカーブＣＶ２を所定の関数（例えば、４次関数）で近似し、基準フォーカスカーブＣＶ１を近似した関数を固定した状態でサンプルフォーカスカーブＣＶ２を近似した関数を横軸方向に移動させ、両関数の縦軸方向の差の二乗の総和が最も小さくなる位置を最も相関が良くなる位置として決める手法がある。なお、図１１において、サンプルフォーカスカーブＣＶ２の近似曲線の図示を省略している。次に、画像処理部４０は、基準フォーカスカーブＣＶ１をサンプルフォーカスカーブＣＶ２に対してフィットさせたときの横軸方向および縦軸方向の移動量をそれぞれ求める。このときの横軸方向の移動量が１台目の露光装置６０に対する２台目以降の（対象となる）露光装置６０のフォーカスのズレであり、縦軸方向の移動量がドーズ量のズレに起因した輝度値となる。
そこで、画像処理部４０は、２台目以降の露光装置６０において設定されたフォーカス条件に基準フォーカスカーブＣＶ１の横軸方向の移動量（フォーカスのズレ）を加味したフォーカス条件を、２台目以降の（対象となる）露光装置６０の最適なフォーカス条件（ベストフォーカス）として求める。つまり、１台目の露光装置で得られた基準フォーカスカーブＣＶ１と略一致するようにサンプルフォーカスカーブＣＶ２を移動させる時の横軸方向の移動量を２台目以降の露光装置のフォーカス条件の最適状態に対するズレとして求める。同様に、画像処理部４０は、１台目の露光装置６０において設定されたドーズ量に基準フォーカスカーブＣＶ１の縦軸方向の移動量（ドーズ量のズレ）を加味したドーズ量を、２台目以降の（対象となる）露光装置６０の最適なドーズ量（ベストドーズ量）として求める。なお、ドーズ量の変化と輝度変化の相関を予め求めておくことが好ましい。
このようにすれば、本実施形態の表面検査装置１を用いてＦＥＭウェハ１０ａを撮像し、画像処理部４０によって２台目以降の露光装置６０の最適なフォーカス条件およびドーズ量を自動で求めるため、電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いてラインパターンの線幅を測定する必要がなく、２台目以降の露光装置６０について、露光ショット内の５箇所における最適なフォーカス条件およびドーズ量を短時間で設定することができる。このようにして求めたフォーカス条件およびドーズ量は、例えば、画像処理部４０から２台目以降の（対象となる）露光装置６０に出力される。
なお、ＦＥＭウェハを複数枚作り、各フォーカスカーブを求めるようにしてもよい。その場合、各ＦＥＭウェハのマトリックスは、フォーカス条件（もしくはドーズ量）以外の条件による影響を相殺するように設定することが好ましい。
また、２台目以降の露光装置６０について最適なフォーカス条件およびドーズ量を設定する際、ＦＥＭウェハ１０ａのレジスト膜の膜厚（現像後のパターンの高さ）が変動すると、ＦＥＭウェハ１０ａの画像における輝度（信号強度）の相対関係は変わらないが、全体的に輝度（信号強度）が変化してしまう。すなわち、ＦＥＭウェハ１０ａのレジスト膜の膜厚が変動すると、基準フォーカスカーブＣＶ１およびサンプルフォーカスカーブＣＶ２が縦軸方向に（すなわち、ドーズ量のズレに起因した輝度値が）変動してしまう。
そこで、ステップＳ１０１において、露光装置６０による露光を行う前に、本実施形態の表面検査装置１を用いて、ＦＥＭウェハ１０ａとなる露光前のウェハのレジスト膜の膜厚をそれぞれ測定しておき（詳細は後述する）、ステップＳ１０６において、画像処理部４０は、２台目以降の露光装置６０について最適なフォーカス条件およびドーズ量を設定する際、膜厚算出部５０から入力された対象となるウェハの膜厚データを用いて、フォーカス条件およびドーズ量の補正を行うことが好ましい。具体的には、１台目の露光装置６０に露光されるウェハの膜厚に対する、２台目以降の露光装置６０に露光されるウェハの膜厚の変動に応じて、サンプルフォーカスカーブＣＶ２の輝度（縦軸）を補正する。これにより、膜厚の変動による輝度（信号強度）の変動が補正されるため、最適なフォーカス条件およびドーズ量を精度よく設定することができる。なお、膜厚の変動と輝度（信号強度）の変動との相関を予め調べておくことが好ましい。
上述のようにして最適なフォーカス条件およびドーズ量を設定すると、最適なフォーカス条件およびドーズ量に設定した露光装置６０によりラインパターン（繰り返しパターン）を形成した確認用ウェハ（図示せず）を作成する（ステップＳ１０７）。このとき、全ての露光ショットについてベストフォーカスおよびベストドーズ量で露光し現像する。
確認用ウェハ（図示せず）を作成すると、電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いて、確認用ウェハ（図示せず）の表面に形成されたラインパターンの線幅等を測定し、設定したフォーカス条件およびドーズ量が適切であるかを確認する（ステップＳ１０８）。なお、線幅の測定箇所は、フォーカスおよびドーズ量の変化に応じてパターンの形状（線幅）が変化する箇所を選ぶことが好ましい。
電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）による確認が終了すると、全ての露光装置６０についてフォーカス条件およびドーズ量の設定が完了していない場合（ステップＳ１０９でＮＯの場合）、ステップＳ１０１へ戻り、全ての露光装置６０について設定が完了すると（ステップＳ１０９でＹＥＳの場合）、フォーカス条件およびドーズ量の設定を終了する。
さらに、画像処理部４０は、記憶部４１に記憶された基準フォーカスカーブのデータを利用して、定期的に露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を求めることができる。そこで、定期的に複数の露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を測定する方法について、図７に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、上述のようにして設定を行った露光装置６０によりＦＥＭウェハ１０ａを作成し、本実施形態の表面検査装置１を用いて、回折検査の場合と同様にＦＥＭウェハ１０ａの表面全体を撮像する（ステップＳ２０１）。
上述のようにして設定を行った露光装置６０によりラインパターンが形成されたＦＥＭウェハ１０ａの表面全体を撮像すると、画像処理部４０は、露光ショット内の５箇所の測定箇所について、フォーカスの変化（横軸）に対するラインパターンからの回折光の輝度（信号強度）の変化（縦軸）を示したグラフ（以下、コンディションフォーカスカーブと称する）を求める（ステップＳ２０２）。なおこのとき、同一のドーズ量（ベストドーズ量）においてそれぞれフォーカスの変化に応じたラインパターンからの回折光の輝度（信号強度）を複数測定し、複数測定した輝度（信号強度）の平均値を用いてコンディションフォーカスカーブを求める。
上述のようにしてフォーカス条件およびドーズ量の設定を行った後、各露光装置６０によりＦＥＭウェハ１０ａをそれぞれ作成すると、通常であれば、装置によってＦＥＭウェハ１０ａの表面に形成されるラインパターンに違いが生じないはずである。ところが、露光装置６０のコンディションが何らかの原因で変化した場合、当該露光装置６０におけるフォーカス条件およびドーズ量が変動し、ＦＥＭウェハ１０ａの表面に形成されるラインパターンの状態が変化する。本実施形態の表面検査装置１でＦＥＭウェハ１０ａの表面全体を撮像すると、露光装置６０のコンディションが何らかの原因で変化した場合、フォーカスおよびドーズ量の変化に応じたパターンの状態変化が縦横にオフセットした形で表れる。そのため、先の設定で使用した基準フォーカスカーブを利用してフォーカスおよびドーズ量のズレを求めれば、露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を求めることができる。
そこで、画像処理部４０は、記憶部４１に記憶された基準フォーカスカーブとコンディションフォーカスカーブとを比較することにより、露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を求める。なお、詳細な図示は省略するが、コンディションフォーカスカーブの近似曲線の式として、例えば４次式を用いることができる。基準フォーカスカーブとコンディションフォーカスカーブで違いが生じた場合、横軸方向がフォーカスのズレに起因したものであり、縦軸方向がドーズ量のズレに起因したものとなる。
このときまず、画像処理部４０は、パターンマッチングによる画像処理を利用して、基準フォーカスカーブをコンディションフォーカスカーブに対して最も相関が良くなるようにフィットさせる。次に、画像処理部４０は、基準フォーカスカーブをコンディションフォーカスカーブに対してフィットさせたときの横軸方向および縦軸方向の移動量をそれぞれ求める。このときの横軸方向の移動量がコンディションの変化に応じた露光装置６０のフォーカスのズレであり、縦軸方向の移動量がドーズ量のズレに起因した輝度値となる。
そこで、画像処理部４０は、基準フォーカスカーブの横軸方向の移動量からフォーカスの変動量を求め、基準フォーカスカーブの縦軸方向の移動量からドーズ量の変動量を求める。このようにすれば、本実施形態の表面検査装置１を用いてＦＥＭウェハ１０ａを撮像し、画像処理部４０によって露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を自動で求めるため、電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いてラインパターンの線幅等を測定する必要がなく、複数の露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を短時間で測定することができる。また、２回目以降は１回目で求めた基準フォーカスカーブＣＶ１を用いることができるため、１台目の露光装置で露光されたパターンを、電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いて測定する必要が無い。
フォーカスの変動量およびドーズ量の変動量を求めると、全ての露光装置６０について測定が完了していない場合（ステップＳ２０３でＮＯの場合）、ステップＳ２０１へ戻り、全ての露光装置６０について測定が完了すると（ステップＳ２０３でＹＥＳの場合）、複数の露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態の測定を終了する。
なお、ステップＳ２０１において、露光装置６０による露光を行う前に、本実施形態の表面検査装置１を用いて、ＦＥＭウェハ１０ａとなる露光前のウェハのレジスト膜の膜厚をそれぞれ測定しておき（詳細は後述する）、ステップＳ２０２において、複数の露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態の測定する際、画像処理部４０が、膜厚算出部５０から入力された対象となるウェハの膜厚データを用いて、フォーカスおよびドーズ量の補正を行うようにしてもよい。具体的には、設定時のウェハの膜厚に対する、状態測定時のウェハの膜厚の変動に応じて、コンディションフォーカスカーブの輝度（縦軸）を補正する。これにより、膜厚の変動による輝度（信号強度）の変動が補正されるため、複数の露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を精度よく測定することができる。
なおここで、本実施形態の表面検査装置１を用いて、露光前のウェハ（図示せず）の表面に形成された薄膜（レジスト膜）の膜厚を測定する場合について述べる。この場合まず、回折検査の場合と同様に、露光前のウェハをステージ５上に搬送する。次に、受光系３０においてウェハ表面での照明光の正反射光を受光できるようにステージ５をチルトさせる。
次に、５種類の照明波長（例えば、５４６ｎｍ、４３６ｎｍ、４０５ｎｍ、３１３ｎｍ、および２４８ｎｍ）について、照明光をウェハの表面に照射する。このとき、５種類の波長のうちいずれかの波長を有する照明光が平行光束となってウェハの表面に照射される。ウェハ表面からの正反射光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、露光前のウェハの像（正反射像）が結像される。そこで、撮像装置３５は、５種類の照明波長についてそれぞれ、撮像面上に形成されたウェハの像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力された画像信号に基づいて、露光前のウェハのデジタル画像を生成し、膜厚算出部５０に出力する。
ここで、膜厚算出部５０によって行われるフィッティング計算処理について説明する。本実施形態のように照明側と撮像側との双方がテレセントリックとなっている光学系では、撮影対象であるウェハの反射像の全領域について、上述した反射率曲線の算出に用いられた角度条件を適用した薄膜干渉式を適用することができる。したがって、以下に述べるようにして、膜厚算出部５０に入力された各波長での反射像に含まれる各画素の階調値で示される反射率の組み合わせを与えるような膜厚を、反射率テーブル５１に基づいて探索するフィッティング処理を行うことにより、反射像に捉えられたウェハ上の各位置についての膜厚を求めることができる。
図１４に、フィッティング計算処理を表すフローチャートを示す。まず、反射率算出部５２により、画像処理部４０で生成された反射像に含まれる基準位置の画素の階調値と、測定条件保持部４８に記憶された照明光の分光強度および撮像装置３５の分光感度(波長ごとの感度)とに基づいて、反射像の撮影の際に選択された照明光の波長(λ１、λ２、…)についての基準位置での反射率(Ｒ(λ１)、Ｒ(λ２)、…)が算出される(ステップＳ３０１)。
次に、補正値算出部５４は、ステップＳ３０１で算出した反射率を与える推定膜厚を反射率テーブル５１から探索し、得られた推定膜厚と膜厚データ保持部５６に保持された実測膜厚とから、波長ごとに補正値を算出する(ステップＳ３０２)。補正値算出部５４は、例えば、波長λ１に対応する反射率曲線と基準点における波長λ１の実際の反射率を示す直線との交点に対応する膜厚候補(例えば、Ｃ１〜Ｃ４)を見つけ、これらの膜厚候補の中から最も幾何膜厚の実測値ｔに近いものとこの実測値ｔとの差を、その波長の反射率から膜厚を決定する場合の補正値δλ１とすることができる。照明波長を切り換えて、同様にして、補正値算出部５４は、各波長に対応する補正値δを算出する。
次に、反射率算出部５２は、画像記憶部４７に照明光の波長ごとに記憶された反射像に含まれる各画素の階調値に基づいて、上述したステップＳ３０１と同様にして、それぞれの波長の反射率を算出し(ステップＳ３０３)、候補抽出部５３の処理に供する。
候補抽出部５３では、上述したステップＳ３０２と同様に、各波長について算出された反射率と対応する波長について反射率テーブル５１に保持された反射率データで示される反射率曲線との交点を求めることにより、波長ごとに少なくとも一つの膜厚候補を抽出する(ステップＳ３０４)。
このようにして抽出された膜厚候補は、補正処理部５５により、上述した各波長対応の補正値を用いて補正された後に(ステップＳ３０５)、誤差演算部５７に渡される。
誤差演算部５７には、補正処理部５５から、例えば、各波長(λ１、λ２、λ３…)に対応して、それぞれ要素数ｋ１、ｋ２、ｋ３、…の膜厚候補の集合{Ｃ(λ１)1，…，Ｃ(λ１)ｋ1}、{Ｃ(λ２)1，…，Ｃ(λ２)ｋ2}、{Ｃ(λ３)1，…，Ｃ(λ３)ｋ3}、…が渡される。この場合に、誤差演算部５７は、各集合から一つずつの要素をとる場合の考えられる全ての組み合わせについて、それぞれの組み合わせで各集合から選択された膜厚候補（Ｃλ1、Ｃλ2、Ｃλ3、…）を用いて次の（２)式で表される誤差Ｅを算出する(ステップＳ３０６)。
Ｅ＝(Ｃλ1−Ｃλ2)2＋(Ｃλ2−Ｃλ3)2＋(Ｃλ3−Ｃλ1)2＋… ・・・（２）
例えば、５つの異なる波長（例えば、５４６ｎｍ、４３６ｎｍ、４０５ｎｍ、３１３ｎｍ、および２４８ｎｍ）の照明光によって撮影された反射像の注目画素に対応する反射率に基づいて、それぞれ４つの膜厚候補｛Ｃ（λｉ）1，Ｃ（λｉ）2，Ｃ（λｉ）3，Ｃ（λｉ）4｝(ｉ＝１〜５)が得られた場合に、誤差演算部５７により、これらの組み合わせとして考えられる４5(＝１０２４)通りの組み合わせについて、上述した(２)式を用いて誤差が算出される。
決定処理部５８は、上述した誤差演算部５７による演算結果を受け取り、最も誤差の値が小さい膜厚候補の組み合わせを検出し、例えば、この組み合わせに含まれる膜厚候補の平均値を反射率から求めた膜厚測定値として特定する(ステップＳ３０７)。決定処理部５８が特定した膜厚測定値は、反射像における画素位置に対応して膜厚データ保持部５６に保持される。
ここで、露光前のウェハの反射像に含まれるすべての画素について膜厚測定値が得られたか否かを判定する(ステップＳ３０８)。判定がＮＯである場合、上述したステップＳ３０３からステップＳ３０７の処理を反射像に含まれる各画素について繰り返す。
一方、判定がＹＥＳである場合、膜厚データ保持部５６に保持された膜厚分布に基づいて、検証処理部５９により、膜厚分布の連続性の検証処理が行われる(ステップＳ３０９)。このときまず、検証処理部５９は、例えば、露光前のウェハの反射像に含まれる座標(ｘｉ，ｙｉ)で示される注目画素に対応して得られた膜厚測定値ｔ(ｘｉ，ｙｉ)と、周囲の画素に対応して得られた膜厚測定値との差をそれぞれ求める。
次いで、周囲の膜厚測定値と注目画素に対応する膜厚測定値との差をそれぞれ所定の閾値と比較し、閾値以下である場合に、検証処理部５９は、注目画素に対応する膜厚測定値は周囲の膜厚測定値との連続性を有していると判断し、検証処理を終了する。
一方、検証処理部５９は、例えば、注目画素の膜厚測定値とその周囲の少なくとも一つの画素に対応する膜厚測定値との差が上述した閾値を超えていた場合に、注目画素からかけ離れた異常値となっていると判断し、膜厚測定値の修正処理を行う。
この場合に、検証処理部５９は、例えば、上述したステップＳ３０７で検出された組み合わせの次に誤差演算部５７で得られた誤差が小さい組み合わせを検出し、この組み合わせに含まれる膜厚候補の平均値を用いて膜厚測定値を修正し、再び、周囲の画素に対応する膜厚測定値との連続性を検証することができる。
このようにして修正した膜厚測定値と、周囲の画素に対応する膜厚測定値との差が上述した閾値以下となった場合に、検証処理部５９は、修正された膜厚測定値を膜厚データ保持部５６に書き込んで検証処理を終了する。
上述した手順を全ての画素について繰り返すことにより、画素ごとに個別にフィッティング処理を行って得られた膜厚データを近傍の画素に対応する結果に基づいて検証し、異常値を検出して補正することができる。
このような検証処理が完了した後に、次のステップＳ３１０において、膜厚データ保持部５６に保持された、異常値の補正が済んだ膜厚データを画像処理部４０へ出力することにより、画像処理部４０における各処理に利用される。
このようにすれば、各照明波長について、露光前のウェハ全面に対応する正反射像を一括して取得しているので、膜厚の算出に必要な反射率データを短時間で取得することができる。したがって、非常に短い時間でウェハ全面の膜厚分布を測定することができる。
このように、本実施形態によれば、画像処理部４０が、１台目の露光装置６０において設定されたフォーカス条件またはドーズ量のデータを利用して、２台目以降の露光装置６０により露光されたＦＥＭウェハ１０ａの表面からの光の情報から、２台目以降の露光装置６０についてのフォーカス条件またはドーズ量の設定を行うため、複数の露光装置６０についてフォーカス条件やドーズ量を短時間で精度よく設定することができる。
具体的には、画像処理部４０が、１台目の露光装置６０におけるフォーカスの変動とパターンの変動との相関である基準フォーカスカーブと、２台目以降の露光装置６０におけるフォーカスの変動とパターンの変動との相関であるサンプルフォーカスカーブとの差に基づいて、２台目以降の露光装置６０についてのフォーカス条件またはドーズ量の設定を行うため、２台目以降の露光装置６０についてフォーカス条件やドーズ量を短時間で容易に設定することができる。またこのとき、パターンマッチングによる画像処理を利用することで、２台目以降の露光装置６０についてフォーカス条件やドーズ量を精度よく設定することができる。
さらに、画像処理部４０が、設定後の露光装置６０におけるフォーカスの変動とパターンの変動との相関であるコンディションフォーカスカーブと、上述の設定に用いた基準フォーカスカーブとの差に基づいて、露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を求めるため、複数の露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態（複数の露光装置６０のコンディション）を短時間で測定することができる。またこのとき、パターンマッチングによる画像処理を利用することで、複数の露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を精度よく設定することができる。
また、撮像装置３５がウェハの表面全体を一括で撮像するため、フォーカス条件およびドーズ量の設定等をより短時間で行うことができる。
また、ウェハの表面から生じた回折光による像を撮像するようにすれば、レジスト膜等の膜厚変動による影響を受けにくいため、フォーカス条件およびドーズ量の設定等を精度よく行うことが可能である。特に、照明光の波長は、２４８ｎｍや３１３ｎｍ（ｊ線）等の深紫外域の波長が望ましい。
なお、上述の実施形態において、ドーズ量の変化に拘わらずフォーカスの変化に応じてパターンの形状（線幅）が高感度に変化する箇所を選んで、フォーカスカーブ等を求め、フォーカス条件の設定等をより精度よく行うようにしてもよい。また、フォーカスの変化に拘わらずドーズ量の変化に応じてパターンの形状（線幅）が高感度に変化する箇所を選んで、ドーズ量の変化（横軸）に対するラインパターンの輝度（信号強度）の変化（縦軸）を示したグラフ（ドーズカーブ）等を求め、ドーズ量の設定等をより精度よく行うようにしてもよい。
また、上述の実施形態において、ウェハの表面で生じた回折光を利用してフォーカス条件やドーズ量の設定等を行っているが、これに限られるものではなく、ウェハの表面で生じた正反射光や偏光の状態変化等を利用するようにしてもよい。
そこで、表面検査装置１によりウェハ１０表面のＰＥＲ検査を行う場合について説明する。なお、繰り返しパターン１２は、図４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（ラインパターン）であるものとする。また、隣り合うライン部２Ａ同士の間は、スペース部２Ｂである。また、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」と称することにする。
ここで、繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａの線幅ＤA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１２が形成された場合、ライン部２Ａの線幅ＤAとスペース部２Ｂの線幅ＤB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１２を形成する際の露光フォーカス（またはドーズ量）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ＤAが設計値と異なってしまうとともに、スペース部２Ｂの線幅ＤB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。
ＰＥＲ検査は、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の異常検査を行うものである。なお、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（またはドーズ量）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、体積比を断面形状の面積比と言い換えることもできる。
ＰＥＲ検査では、図２に示すように、照明側偏光フィルタ２６および受光側偏光フィルタ３２が光路上に挿入される。また、ＰＥＲ検査を行うとき、ステージ５は、照明光が照射されたウェハ１０からの正反射光を受光系３０で受光できる傾斜角度にウェハ１０をチルトさせるとともに、所定の回転位置で停止し、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、図５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度だけ斜めになるように保持する。繰り返しパターン１２の検査の光量を最も高くするためである。また、２２．５度や６７．５度とすれば検査の感度が高くなる。なお、角度はこれらに限らず、任意角度方向に設定可能である。
照明側偏光フィルタ２６は、導光ファイバ２４と照明側凹面鏡２５との間に配設されるとともに、その透過軸が所定の方位に設定され、透過軸に応じて照明ユニット２１からの光から直線偏光を抽出する。このとき、導光ファイバ２４の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点位置に配置されているため、照明側凹面鏡２５は、照明側偏光フィルタ２６を透過した光を平行光束にして、半導体基板であるウェハ１０を照明する。このように、導光ファイバ２４から射出された光は、照明側偏光フィルタ２６および照明側凹面鏡２５を介しｐ偏光の直線偏光Ｌ（図５を参照）となり、照明光としてウェハ１０の表面全体に照射される。
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となる。また、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌがｐ偏光であるため、図５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。
ウェハ１０の表面で反射した正反射光は、受光系３０の受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達するが、このとき、繰り返しパターン１２での構造性複屈折により直線偏光Ｌの偏光状態が変化する。受光側偏光フィルタ３２は、受光側凹面鏡３１と撮像装置３５との間に配設され、受光側偏光フィルタ３２の透過軸の方位は、上述した照明側偏光フィルタ２６の透過軸に対して直交するように設定されている（クロスニコルの状態）。したがって、受光側偏光フィルタ３２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と振動方向が略直角な偏光成分（例えば、ｓ偏光の成分）を抽出して、撮像装置３５に導くことができる。その結果、撮像装置３５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に対して振動方向が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。
表面検査装置１によりウェハ１０表面のＰＥＲ検査を行うには、まず、図２に示すように照明側偏光フィルタ２６および受光側偏光フィルタ３２を光路上に挿入し、不図示の搬送装置により、ウェハ１０をステージ５上に搬送する。なお、搬送の途中で不図示のアライメント機構によりウェハ１０の表面に形成されているパターンの位置情報を取得しており、ウェハ１０をステージ５上の所定の位置に所定の方向で載置することができる。またこのとき、ステージ５は、照明光が照射されたウェハ１０からの正反射光を受光系３０で受光できる傾斜角度にウェハ１０をチルトさせるとともに、所定の回転位置で停止し、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、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度だけ斜めになるように保持する。
次に、照明光をウェハ１０の表面に照射する。このような条件で照明光をウェハ１０の表面に照射する際、照明ユニット２１の導光ファイバ２４から射出された光は、照明側偏光フィルタ２６および照明側凹面鏡２５を介しｐ偏光の直線偏光Ｌとなり、照明光としてウェハ１０の表面全体に照射される。ウェハ１０の表面で反射した正反射光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像（反射像）が結像される。
このとき、繰り返しパターン１２での構造性複屈折により直線偏光Ｌの偏光状態が変化し、受光側偏光フィルタ３２は、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と振動方向が略直角な偏光成分（すなわち、直線偏光Ｌの偏光状態の変化）を抽出して、撮像装置３５に導くことができる。その結果、撮像装置３５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。
そこで、撮像装置３５は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像（反射像）を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。また、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥（異常）の有無を検査する。なお、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ため、例えば、良品ウェハと比較した輝度変化が予め定められた閾値（許容値）より大きければ「異常」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。
ところで、画像処理部４０は、露光装置６０のフォーカスとドーズ量をショット毎に変化させた条件で露光して現像したウェハの画像を利用して、露光装置６０の偏光による基準フォーカスカーブやサンプルフォーカスカーブを求めることができる。そして、基準フォーカスカーブをサンプルフォーカスカーブに対してフィットさせたときの横軸方向および縦軸方向の移動量をそれぞれ求めるようにすれば、回折光の場合と同様に、２台目以降の露光装置６０の最適なフォーカス条件およびドーズ量を短時間で精度よく設定することができる。具体的には、図６に示すフローチャートのステップＳ１０５において、照明光として直線偏光ＬをＦＥＭウェハ１０ａの表面に照射し、撮像装置３５がＦＥＭウェハ１０ａの反射像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力すればよい。
さらに、画像処理部４０は、ウェハの照明および撮像等を、ＰＥＲ検査の場合と同様にして行えば、露光装置６０の偏光によるコンディションフォーカスカーブを求めることができるため、設定後の複数の露光装置６０におけるフォーカスおよびドーズ量の変動状態を短時間で精度よく測定することができる。具体的には、図７に示すフローチャートのステップＳ２０１において、照明光として直線偏光ＬをＦＥＭウェハ１０ａの表面に照射し、撮像装置３５がＦＥＭウェハ１０ａの反射像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力すればよい。
また、上述の実施形態において、露光装置６０のフォーカスとドーズ量をショット毎に変化させた条件で露光して現像したＦＥＭウェハ１０ａを利用しているが、これに限られるものではなく、露光装置６０のフォーカスとドーズ量をウェハ毎に変化させた条件で露光して現像した複数のウェハ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、複数の（固体的に異なる）露光装置６０について同一工程に対する設定を行っているが、これに限られるものではなく、例えば、同じ露光装置６０について、所定の工程に対する設定を行った後、これとは別の工程に対する設定を行い、この後（前述と異なる時間に）再び、所定の工程と同一の工程に対する設定を行う場合にも、本発明を適用可能である。
また、上述の実施形態において、露光前のウェハの表面に形成された薄膜（レジスト膜）の膜厚を測定しているが、これに限られるものではなく、露光後のウェハ表面の薄膜の膜厚を測定してもよい。
なお、検査装置構成として、以下の構成のものもある。例えば、露光装置により露光されて表面の膜に所定のパターンが形成された半導体基板を支持するステージと、前記ステージに支持された前記半導体基板の表面に照明光を照射する照射部と、前記照明光が照射された前記半導体基板の表面からの光を検出する検出部と、前記露光装置において設定された基準となるフォーカス条件または基準となる露光量を利用して、前記検出部に検出された、前記露光装置と時間的若しくは固体的に異なる露光装置により露光された前記半導体基板の表面からの光の情報から、前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置についてのフォーカス条件または露光量の調整値の算出を行う設定演算部と、前記露光装置および前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置により露光される前記半導体基板の表面における前記膜の膜厚をそれぞれ測定する膜厚測定部とを備え、前記設定演算部は、前記膜厚測定部にそれぞれ測定された前記膜厚に基づいて、前記調整値の補正を行うように構成することも可能である。
なお、上述の検査装置において、前記露光装置におけるフォーカス条件または露光量の変動と、前記露光装置により露光されて形成された前記パターンの変動との相関である第１の相関を記憶する記憶部をさらに備え、前記設定演算部は、前記検出部に検出された、前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置によりフォーカス条件または露光量をショット毎に変化させて露光された前記半導体基板の表面からの光の情報から、前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置におけるフォーカス条件または露光量の変動と、前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置により露光されて形成された前記パターンの変動との相関である第２の相関を求め、前記第２の相関と前記記憶部に記憶された前記第１の相関との差に基づいて前記調整値の算出を行うことが好ましい。
また、上述の検査装置において、前記第２の相関と前記第１の相関との差がパターンマッチングによる画像処理を利用して求められることが好ましい。
また、上述の検査装置において、前記設定演算部が前記調整値の算出を行うとき、前記照明部は、前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置により露光された前記半導体基板の前記パターンで回折光が発生するように、前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置により露光された前記半導体基板の表面に前記照明光を照射し、前記検出部は、前記照明光が照射されて前記半導体基板の前記パターンで発生した前記回折光を検出し、前記設定演算部は、前記検出部に検出された前記回折光の情報から前記調整値の算出を行い、前記膜厚測定部が前記膜厚を測定するとき、前記照明部は、前記露光装置および前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置により露光される前記半導体基板の表面に前記照明光を照射し、前記検出部は、前記照明光が照射された前記半導体基板の表面からの正反射光を検出し、前記膜厚測定部は、前記検出部に検出された前記正反射光の情報から前記膜厚を測定することが好ましい。
また、上述の検査装置において、前記設定演算部が前記調整値の算出を行うとき、前記照明部は、前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置により露光された前記半導体基板の表面に前記照明光として略直線偏光を照射し、前記検出部は、前記偏光が照射された前記半導体基板の前記パターンにおける構造性複屈折による前記偏光の変化を検出し、前記設定演算部は、前記検出部に検出された前記偏光の変化から前記調整値の算出を行い、
前記膜厚測定部が前記膜厚を測定するとき、前記照明部は、前記露光装置および前記時間的若しくは固体的に異なる露光装置により露光される前記半導体基板の表面に前記照明光を照射し、前記検出部は、前記照明光が照射された前記半導体基板の表面からの正反射光を検出し、前記膜厚測定部は、前記検出部に検出された前記正反射光の情報から前記膜厚を測定するようにしてもよい。
１ 表面検査装置 ５ ステージ
１０ ウェハ（１０ａ ＦＥＭウェハ） ２０ 照明系（照明部）
３０ 受光系 ３５ 撮像装置（検出部）
４０ 画像処理部（設定演算部および測定演算部）
４１ 記憶部
５０ 膜厚算出部
６０ 露光装置

Claims (32)

  1. 露光装置により露光されて表面にパターンが形成された基板を照明光で照明する照明部と、
    前記照明光で照明された前記基板からの反射光を検出する検出部と、
    前記検出部により検出された前記基板からの反射光の情報から、露光装置の露光条件を算出する演算部とを備え、
    前記演算部は、
    第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の所定のパターンを形成した第１の基板に対して前記照明部による照明を行うとともに前記検出部により反射光の検出を行って得られた前記検出部から検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第１の情報と、前記露光条件の変化範囲のうち少なくとも一部が重複するように第２の露光装置により露光条件を変化させて複数の前記所定のパターンを形成した第２の基板に対して前記照明部による照明を行うとともに前記検出部により反射光の検出を行って得られた前記検出部からの検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第２の情報とを比較して、前記第１の露光装置に対する前記第２の露光装置の露光条件のずれを算出するように構成され、
    前記第１の情報として、前記第１の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第１の近似曲線を用い、
    前記第２の情報として、前記第２の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第２の近似曲線を用い、
    前記第１の近似曲線と前記第２の近似曲線とを比較して、前記第１の露光装置に対する第２の露光装置の露光条件のずれを算出することを特徴とする検査装置。
  2. 前記第１の情報として前記第１の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出部により検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第1の近似曲線で表す第１の変化具合を有し、前記第２の情報として前記第２の露光装置による前記フォーカス条件の変化に対する前記検出部により検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第２の近似曲線で表す第２の変化具合を有し、
    前記第１の情報と前記第２の情報とを比較する際には、前記第１および第２の情報のいずれか一方を他方にマッチングするように前記第１および第２の情報のいずれか一方を移動させたときの移動方向と移動量に基づいて、前記フォーカスと前記ドーズのそれぞれに関する前記第１の露光装置と前記第２の露光装置の露光条件のずれ量を求めることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
  3. 露光装置により露光されて表面にパターンが形成された基板を照明光で照明する照明部と、
    前記照明光で照明された前記基板からの反射光を検出する検出部と、
    前記検出部により検出された前記基板からの反射光の情報から、露光装置の露光条件を算出する演算部とを備え、
    前記演算部は、
    所定の時間において第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の所定のパターンを形成した第１の基板に対して前記照明部による照明を行うとともに前記検出部により反射光の検出を行って得られた前記検出部からの検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第１の情報と、前記露光条件の変化範囲のうち少なくとも一部が重複するように前記所定の時間とは相違する時間において前記第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の前記所定のパターンを形成した第２の基板に対して前記照明部による照明を行うとともに前記検出部により反射光の検出を行って得られた前記検出部からの検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第２の情報とを比較して、前記所定の時間とは相違する時間における前記第１の露光装置の露光条件のずれを算出するように構成され、
    前記第１の情報として、前記第１の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第１の近似曲線を用い、
    前記第２の情報として、前記第２の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第２の近似曲線を用い、
    前記第１の近似曲線と前記第２の近似曲線とを比較して、前記第１の露光装置に対する第２の露光装置の露光条件のずれを算出することを特徴とする検査装置。
  4. 前記第１の情報として前記所定の時間において前記第１の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出部により検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第1の近似曲線で表す第１の変化具合を有し、前記第２の情報として前記相違する時間において前記第１の露光装置による前記フォーカス条件の変化に対する前記検出部により検出された反射光の強度に基づき検出値の変化を関数近似して前記第1の近似曲線で表す第２の変化具合を有し、
    前記第１の情報と前記第２の情報とを比較する際には、前記第１および第２の情報のいずれか一方を他方にマッチングするように前記第１および第２の情報のいずれか一方を移動させたときの移動方向と移動量に基づいて、前記フォーカスと前記ドーズのそれぞれに関する前記所定の時間における前記第１の露光装置と前記相違する時間における前記第１の露光装置の露光条件のずれ量を求めることを特徴とする請求項３に記載の検査装置。
  5. 前記第１の変化具合と前記第２の変化具合とのパターンマッチングを利用して前記比較が行われることを特徴とする請求項２もしくは４に記載の検査装置。
  6. 前記第１の変化具合を記憶する記憶部をさらに備え、
    前記記憶部に記憶された前記第１の変化具合に基づいて前記ずれの算出を行うことを特徴とする請求項２、４もしくは５に記載の検査装置。
  7. 前記第１の基板に形成した前記複数の所定のパターンのそれぞれについて測定装置によりパターン形状を測定し、前記測定装置による測定結果に基づいて前記第１の情報における最適露光条件を求め、前記第１の情報に対する前記最適露光条件との関係を用いて、前記第１の情報と前記第２の情報を比較し、前記第１の露光装置に対する前記第２の露光装置の露光条件のずれ、もしくは前記第１の露光装置における前記所定の時間および前記相違する時間でのずれを算出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の検査装置。
  8. 前記露光条件はフォーカスおよびドーズの少なくとも一方であることを特徴とする請求項７に記載の検査装置。
  9. 前記検出部は、１回の露光で形成されるパターン内の複数の部分の前記反射光を検出することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の検査装置。
  10. 前記照明部は、前記所定のパターンが形成された前記基板の表面全体に略平行な光束である前記照明光で一括照明し、
    前記検出部は、前記照明光が照射された前記基板の表面全体からの光を一括で検出することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の検査装置。
  11. 前記検出部は、前記照明光が照射されて前記基板の前記所定のパターンで発生した回折光を検出することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検査装置。
  12. 前記照明部は、前記照明光として略直線偏光を前記基板の表面に照射し、
    前記検出部は、前記基板で反射した略直線偏光の振動方向と略直交する振動方向の偏光成分を検出することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検査装置。
  13. 前記算出されたずれに基づく情報を露光装置に入力可能に出力することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の検査装置。
  14. 前記所定のパターンを露光する前のレジスト膜の膜厚を測定する膜厚測定部を備え、
    前記演算部は、前記膜厚測定部においてそれぞれ測定された前記膜厚に基づいて、前記比較の補正を行うことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の検査装置。
  15. 前記膜厚測定部は、前記照明部で照明された前記レジスト膜からの正反射光に基づいて膜厚を測定することを特徴とする請求項１４に記載の検査装置。
  16. 前記膜厚測定部は、複数の波長の光でそれぞれ照明された前記レジスト膜からの正反射光に基づいて膜厚を測定することを特徴とする請求項１４もしくは１５に記載の検査装置。
  17. 露光装置により露光されて表面にパターンが形成された基板を照明光で照明する照明ステップと、
    前記照明光で照明された前記基板からの反射光を検出する検出ステップと、
    前記検出ステップにおいて検出された前記基板から射出される光の情報から、露光装置の露光条件を算出する演算ステップとを備え、
    前記演算ステップにおいて、
    第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の所定のパターンを形成した第１の基板に対して前記照明ステップによる照明を行うとともに前記検出ステップにより反射光の検出を行って得られた検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第１の情報と、前記露光条件の変化範囲のうち少なくとも一部が重複するように第２の露光装置により露光条件を変化させて複数の前記所定のパターンを形成した第２の基板に対して前記照明ステップによる照明を行うとともに前記検出ステップにより反射光の検出を行って得られた検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第２の情報とを比較して、前記第１の露光装置に対する前記第２の露光装置の露光条件のずれを算出するように構成され、
    前記第１の情報として、前記第１の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第１の近似曲線を用い、
    前記第２の情報として、前記第２の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第２の近似曲線を用い、
    前記第１の近似曲線と前記第２の近似曲線とを比較して、前記第１の露光装置に対する第２の露光装置の露光条件のずれを算出することを特徴とする検査方法。
  18. 前記第１の情報として前記第１の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出ステップにおいて検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第１の近似曲線で表す第１の変化具合を有し、前記第２の情報として前記第２の露光装置による前記フォーカス条件の変化に対する前記検出ステップにおいて検出された反射光の強度に基づく検出値の変化を関数近似して前記第２の曲線で表す第２の変化具合を有し、
    前記第１の情報と前記第２の情報とを比較する際には、前記第１および第２の情報のいずれか一方を他方にマッチングするように前記第１および第２の情報のいずれか一方を移動させたときの移動方向と移動量に基づいて、前記フォーカスと前記ドーズのそれぞれに関する前記第１の露光装置と前記第２の露光装置の露光条件のずれ量を求めることを特徴とする請求項１７に記載の検査方法。
  19. 露光装置により露光されて表面にパターンが形成された基板を照明光で照明する照明ステップと、
    前記照明光で照明された前記基板からの反射光を検出する検出ステップと、
    前記検出ステップにおいて検出された前記基板からの反射光の情報から、露光装置の露光条件を算出する演算ステップとを備え、
    前記演算ステップにおいて、
    所定の時間において第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の所定のパターンを形成した第１の基板に対して前記照明ステップによる照明を行うとともに前記検出ステップにより反射光の検出を行って得られた検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第１の情報と、前記露光条件の変化範囲のうち少なくとも一部が重複するように前記所定の時間とは相違する時間において前記第１の露光装置により露光条件を変化させて複数の前記所定のパターンを形成した第２の基板に対して前記照明ステップによる照明を行うとともに前記検出ステップにより反射光の検出を行って得られた検出値の、前記露光条件の変化に対する変化具合に関する第２の情報とを比較して、前記所定の時間とは相違する時間における前記第１の露光装置の露光条件のずれを算出するように構成され、
    前記第１の情報として、前記第１の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第１の近似曲線を用い、
    前記第２の情報として、前記第２の基板からの反射光の検出値を前記露光条件の変化に対して関数近似した第２の近似曲線を用い、
    前記第１の近似曲線と前記第２の近似曲線とを比較して、前記第１の露光装置に対する第２の露光装置の露光条件のずれを算出することを特徴とする検査方法。
  20. 前記第１の情報として前記所定の時間において前記第１の露光装置によるフォーカス条件の変化に対する前記検出ステップにおいて検出された反射光の強度変化を関数近似して前記第１の近似曲線で表す第１の変化具合を有し、前記第２の情報として前記相違する時間において前記第１の露光装置による前記フォーカス条件の変化に対する前記検出ステップにおいて検出された反射光の強度変化を関数近似して前記第２の曲線で表す第２の変化具合を有し、
    前記第１の情報と前記第２の情報とを比較する際には、前記第１および第２の情報のいずれか一方を他方にマッチングするように前記第１および第２の情報のいずれか一方を移動させたときの移動方向と移動量に基づいて、前記フォーカスと前記ドーズのそれぞれに関する前記所定の時間における前記第１の露光装置と前記相違する時間における前記第１の露光装置の露光条件のずれ量を求めることを特徴とする請求項１９に記載の検査方法。
  21. 前記第１の変化具合と前記第２の変化具合とのパターンマッチングを利用して前記比較が行われることを特徴とする請求項１８もしくは２０に記載の検査方法。
  22. 前記第１の変化具合を記憶する記憶ステップをさらに備え、
    前記記憶ステップにおいて記憶された前記第１の変化具合に基づいて前記ずれの算出を行うことを特徴とする請求項１８、２０もしくは２１に記載の検査方法。
  23. 前記第１の基板に形成した前記複数の所定のパターンのそれぞれについて測定装置によりパターン形状を測定する測定ステップを有し、前記測定ステップにおける測定結果に基づいて前記第１の情報における最適露光条件を求め、前記第１の情報に対する前記最適露光条件との関係を用いて、前記第１の情報と前記第２の情報を比較し、前記第１の露光装置に対する前記第２の露光装置の露光条件のずれ、もしくは前記第１の露光装置における前記所定の時間および前記相違する時間でのずれを算出することを特徴とする請求項１７〜２２のいずれか一項に記載の検査方法。
  24. 前記露光条件はフォーカスおよびドーズの少なくとも一方であることを特徴とする請求項２３に記載の検査方法。
  25. 前記検出ステップにおいては、１回の露光で形成されるパターン内の複数の部分の前記反射光を検出することを特徴とする請求項１７〜２４のいずれか一項に記載の検査方法。
  26. 前記照明ステップにおいて、前記所定のパターンが形成された前記基板の表面全体に略平行な光束である前記照明光で一括照明し、
    前記検出ステップにおいて、前記照明光が照射された前記基板の表面全体からの光を一括で検出することを特徴とする請求項１７〜２５のいずれか一項に記載の検査方法。
  27. 前記検出ステップにおいて、前記照明光が照射されて前記基板の前記所定のパターンで発生した回折光を検出することを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか一項に記載の検査方法。
  28. 前記照明ステップにおいて、前記照明光として略直線偏光を前記基板の表面に照射し、
    前記検出ステップにおいては、前記基板で反射した略直線偏光の振動方向と略直交する振動方向の偏光成分を検出することを特徴とする請求項１７〜２６のいずれか一項に記載の検査方法。
  29. 前記算出されたずれに基づく情報を露光装置に入力可能に出力することを特徴とする請求項１７〜２８のいずれか一項に記載の検査方法。
  30. 前記所定のパターンを露光する前のレジスト膜の膜厚を測定する膜厚測定ステップを備え、
    前記演算ステップにおいて、前記膜厚測定ステップにおいてそれぞれ測定された前記膜厚に基づいて、前記比較の補正を行うことを特徴とする請求項１７〜２９のいずれか一項に記載の検査方法。
  31. 前記膜厚測定ステップにおいて、前記照明ステップで照明された前記レジスト膜からの正反射光に基づいて膜厚を測定することを特徴とする請求項３０に記載の検査方法。
  32. 前記膜厚測定ステップにおいて、複数の波長の光でそれぞれ照明された前記レジスト膜からの正反射光に基づいて膜厚を測定することを特徴とする請求項３０もしくは３１に記載の検査方法。
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