JPWO2009133849A1 - 検査装置 - Google Patents

Abstract

検査装置（１）において、ＣＰＵ（４３）は、ＤＭＤ素子（３１）（マイクロミラー）を一方向に向けて、フーリエ画像用撮像素子（３３）で検出して得られる輝度情報に基づいてフーリエ画像における検査に適する部分を求め、検査に適する部分に対応するＤＭＤ素子（３１）（マイクロミラー）を他方向に向ける制御を行い、検査用撮像素子（３５）は、検査に適する部分に対応するＤＭＤ素子（３１）（マイクロミラー）が他方向に向いた状態でウェハ（Ｗ）の表面の像を撮像するようになっている。

Description

本発明は、半導体素子や液晶表示素子等の製造過程において、被検基板の表面に形成されたパターンを検出する検査装置に関する。

従来、半導体ウェハや液晶ガラス基板等の被検基板の表面に形成されたパターンから発生する反射光を利用して、基板表面のムラや傷等の欠陥を検査する装置が種々提案されている（例えば、特許文献１を参照）。特に、近年では半導体プロセスの微細化に伴って、被検基板の欠陥管理にもより高い精度が求められている。

例えば、被検基板のパターン幅の測定をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で行った場合、測定精度は高いが、観察倍率が高く何点かをサンプリングして測定を行うため、測定に膨大な時間がかかってしまう。そこで、光源から射出された所定波長の光を偏光子および対物レンズを介して落射照明により被検基板の表面に照射し、当該照明による被検基板からの反射光を、対物レンズ、偏光子とクロスニコルの条件を満足する検光子、および視野絞り等を介して得られるフーリエ画像をＣＣＤカメラで検出し、フーリエ画像内で感度の高い所を選択することにより、高感度でパターン幅の変化を検出する検査装置が提案されている。

特開２０００−１５５０９９号公報

しかしながら、このような検査装置においては、フーリエ画像内での輝度情報に基づいて検査を行っていたため、検出視野内における２次元的な検査を行うことができなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、高い感度で２次元的に検査を行うことが可能な検査装置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、被検基板の表面に照明光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記被検基板の表面からの反射光を受光して前記被検基板の表面の像を結像する受光光学系と、前記受光光学系の瞳面または瞳面と共役な位置に配置され、複数の光路切替素子を有し、前記複数の光路切替素子のそれぞれの反射方向を一方向と前記一方向の向きと異なる他方向とに切替可能な光路切替部と、前記光路切替素子で反射した光から前記瞳面での輝度を検出可能な検出部と、前記光路切替素子で反射した光が前記受光光学系により結像されて得られる前記被検基板の表面の像を撮像可能な２次元イメージセンサと、前記光路切替部の作動を制御する制御部と、前記２次元イメージセンサにより撮像された前記被検基板の表面の画像に基づいて、前記被検基板の表面を検査する検査部とを備え、前記制御部は、前記検出部で検出される輝度情報に基づいて前記検査に適する前記瞳面の部位を求め、前記部位に対応する前記光路切替素子の作動を制御して、前記検査に用いる前記瞳面の部位の光を前記２次元イメージセンサへ導く制御を行い、前記２次元イメージセンサは、前記検査に用いる前記瞳面の部位の光により得られる前記被検基板の表面の像を撮像するようになっている。

なお、上述の発明において、前記光路切替素子が前記一方を向いているときに前記被検基板の表面からの反射光が前記検出部へ導かれ、前記光路切替素子が前記他方を向いているときに前記被検基板の表面からの反射光が前記２次元イメージセンサへ導かれるようにすることが好ましい。

また、上述の発明において、前記照明光は、繰り返しパターンを有する前記被検基板の表面に照射される直線偏光であり、前記受光光学系は、前記被検基板からの反射光のうち前記直線偏光と偏光方向が略直交する偏光成分を受光することが好ましい。

また、上述の発明において、前記照明部は、落射照明により前記照明光を前記被検基板の表面に照射することが好ましい。

また、上述の発明において、前記検出部は、第２の２次元イメージセンサであり、前記瞳面における２次元の輝度分布を検出することが好ましい。

また、上述の発明において、前記複数の光路切替素子は、デジタルマイクロミラーデバイスを構成する複数のマイクロミラーであることが好ましい。

本発明によれば、高い感度で２次元的に検査を行うことが可能になる。

本発明に係る検査装置の概要図である。 ウェハへの照明光の入射角度と瞳内での結像位置との関係を示す説明図である。 フーリエ画像用撮像素子とＤＭＤ素子との画素対応テーブルの作成方法を示すフローチャートである。 パターンの変化に対して感度の高い領域の決定方法を示すフローチャートである。 高い感度で２次元的にパターンの変化を検出する方法を示すフローチャートである。 フーリエ画像を領域分割した状態の一例を示す図である。 輝度データの抽出状態を示す模式図である。 フーリエ画像におけるＲの階調差の分布状態を示す図である。 フーリエ画像におけるＧの階調差の分布状態を示す図である。 フーリエ画像におけるＢの階調差の分布状態を示す図である。 検査装置の変形例を示す概要図である。 検査装置の第２の変形例を示す概要図である。 感度の高い領域の決定方法の変形例を示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。本発明に係る検査装置を図１に示している。本実施形態の検査装置１は、図１に示すように、ウェハステージ５と、対物レンズ６と、ハーフミラー７と、照明光学系１０と、検出光学系２０と、撮像部３０と、制御ユニット４０とを主体に構成される。

ウェハステージ５には、パターン（繰り返しパターン）の形成面を上にした状態で被検基板である半導体ウェハＷ（以下、ウェハＷと称する）が載置される。このウェハステージ５は、互いに直交するｘ，ｙ，ｚ軸の３方向へ移動可能に構成されている（なお、図１の上下方向をｚ軸方向とする）。これにより、ウェハステージ５は、ウェハＷをｘ，ｙ，ｚ軸方向へ移動可能に支持することができる。また、ウェハステージ５は、ｚ軸を中心に回転できるように構成されている。

照明光学系１０は、図１の左側から右側へ向けて配置順に、光源１１（例えば、白色ＬＥＤやハロゲンランプ等）と、集光レンズ１２と、照度均一化ユニット１３と、開口絞り１４と、視野絞り１５と、コリメータレンズ１６と、着脱可能な偏光子１７（偏光フィルタ）とを有して構成される。

ここで、照明光学系１０の光源１１から放出された光は、集光レンズ１２および照度均一化ユニット１３を介して、開口絞り１４および視野絞り１５に導かれる。照度均一化ユニット１３は、照明光を散乱し、光量分布を均一化する。また、干渉フィルタを含めることもできる。開口絞り１４および視野絞り１５は、照明光学系１０の光軸に対して開口部の大きさおよび位置が変更可能に構成されている。したがって、照明光学系１０では、開口絞り１４および視野絞り１５を操作することによって、照明領域の大きさおよび位置の変更と、照明の開口角の調整とを行うことができる。そして、開口絞り１４および視野絞り１５を通過した光は、コリメータレンズ１６によって平行光にされた後に偏光子１７を通過してハーフミラー７に入射する。

ハーフミラー７は、照明光学系１０からの光を下方に反射して対物レンズ６に導く。これにより、対物レンズ６を通過した照明光学系１０からの光でウェハＷが落射照明される。一方、ウェハＷに落射照明された光は、ウェハＷで反射して再び対物レンズ６に戻り、ハーフミラー７を透過して検出光学系２０に入射することができる。

検出光学系２０は、図１の下側から上側に向けて配置順に、着脱可能な検光子２１（偏光フィルタ）と、レンズ２２と、ハーフプリズム２３と、ベルトランレンズ２４と、視野絞り２５とを有して構成される。検光子２１は、照明光学系１０の偏光子１７に対してクロスニコルの状態（偏光方向が直交する状態）となるように配置されている。照明光学系１０の偏光子１７と検出光学系２０の検光子２１とはクロスニコルの条件を満たすので、ウェハＷのパターンで偏光主軸が回転しない限り、検出光学系２０で受光される光量は零に近くなる。

ハーフプリズム２３は入射光束を二方向に分岐させる。ハーフプリズム２３を通過する一方の光束は、ベルトランレンズ２４を介して視野絞り２５にウェハＷの表面の像を結像させるとともに、対物レンズ６の瞳面の像を撮像部３０のＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）素子３１に投影させる。撮像部３０のフーリエ画像用撮像素子３３はＤＭＤ素子３１と共役であるため、フーリエ画像用撮像素子３３の撮像面に対物レンズ６の瞳面上の輝度分布が現れ、フーリエ画像用撮像素子３３によりフーリエ変換されたウェハＷの画像（フーリエ画像）を撮像することが可能である。なお、ベルトランレンズ（Bertrand lens）は、一般に、対物レンズの後部焦点面の像を接眼レンズの焦点面に結ばせる収束レンズをいうが、顕微鏡等の光学系は一般に像側がテレセントリックな状態であり、対物レンズの後部焦点面が瞳面となるため、本実施形態において、フーリエ画像用撮像素子３３の撮像面に対物レンズ６の瞳面の像を結像させるレンズ２４をベルトランレンズ２４と称することにする。

また、視野絞り２５は、迷光対策で使用される。また、ハーフプリズム２３を通過する他方の光束は、フーリエ変換されていない通常のウェハＷの画像を撮像するための第２の撮像部５０に導かれる。

ここで、本実施形態の欠陥検査でフーリエ画像（すなわち、対物レンズ６の瞳面の像）を撮像するのは以下の理由による。欠陥検査においてウェハＷのパターンをそのまま撮像した画像を用いると、パターンのピッチが検査装置の分解能以下のときには、パターンの欠陥を光学的に検出できなくなる。一方、フーリエ画像では、ウェハＷのパターンに欠陥があると反射光の対称性が崩れ、構造性複屈折によりフーリエ画像の光軸に対して直交する部分同士の輝度や色などに変化が生じる。そのため、パターンのピッチが検査装置の分解能以下のときでも、フーリエ画像における上記の変化を検出することでパターンの欠陥検出が可能になる。

さらに、図２を参照しつつ、ウェハＷへの照明光の入射角度と瞳面内での結像位置との関係を説明する。図２の破線で示すように、ウェハＷへの照明光の入射角度が０°のときには、瞳上の結像位置は瞳中心となる。一方、図２の実線で示すように、入射角度が６４°（ＮＡ＝０．９相当）のときには、瞳上の結像位置は瞳の外縁部となる。すなわち、ウェハＷへの照明光の入射角度は、瞳上では瞳内の半径方向の位置に対応する。また、瞳内の光軸から同一半径内の位置に結像する光は、ウェハＷに同一角度で入射した光である。

撮像部３０は、図１に示すように、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子３１と、リレーレンズ３２と、フーリエ画像用撮像素子３３と、反対側に設けられた結像レンズ３４と、検査用撮像素子３５とを有して構成される。ＤＭＤ素子３１は、平面上に並ぶ複数の可動式マイクロミラー（図示せず）を有して構成される。ＤＭＤ素子３１のマイクロミラーは、電気駆動することにより、ＯＮ状態のときには検出光学系２０からの光がフーリエ画像用撮像素子３３の方へ反射するように傾斜し、ＯＦＦ状態のときには検出光学系２０からの光が検査用撮像素子３５の方へ反射するように傾斜する。

そのため、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した検出光学系２０からの光は、リレーレンズ３２（アオリ光学系）を通ってフーリエ画像用撮像素子３３の撮像面に導かれる。一方、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した検出光学系２０からの光は、結像レンズ３４（アオリ光学系）を通って検査用撮像素子３５の撮像面に導かれ、撮像面上にウェハＷの表面の像が結像されるようになっている。つまり、結像レンズ３４は逆フーリエ変換を行っている。

フーリエ画像用撮像素子３３は、ベイヤ配列のカラーフィルタアレイを有するＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元イメージセンサであり、前述のフーリエ画像を撮像する。検査用撮像素子３５は、ベイヤ配列のカラーフィルタアレイを有するＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元イメージセンサであり、視野絞り２５と共役に配置されて視野範囲内のウェハＷの表面の像を撮像する。

制御ユニット４０は、フーリエ画像のデータを記録する記録部４１と、入力インターフェース４２と、各種の演算処理を実行するＣＰＵ４３と、モニタ４４および操作部４５とを有して構成され、検査装置１の統括的な制御を実行する。また、記録部４１、入力インターフェース４２、モニタ４４および操作部４５は、それぞれＣＰＵ４３と電気的に接続されている。ＣＰＵ４３は、プログラムの実行によってフーリエ画像を解析し、フーリエ画像用撮像素子３３で撮像されるフーリエ画像の中でパターンの変化に対して感度の高い領域を求める。また、入力インターフェース４２は、記録媒体（図示せず）を接続するコネクタや、外部のコンピュータ（図示せず）と接続するための接続端子を有しており、記録媒体またはコンピュータからデータの読み込みを行う。

以上のように構成される検査装置１を用いてウェハＷを検査する方法について、図３〜図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、図３に示すフローチャートを用いて、フーリエ画像用撮像素子３３とＤＭＤ素子３１との画素対応テーブルを作成する方法について説明する。画素対応テーブルの作成方法は、まず、ステップＳ１０１において、照明光学系１０の偏光子１７と検出光学系２０の検光子２１を光軸から外す。次に、ステップＳ１０２において、パターンのないウェハＷをウェハステージ５により対物レンズ６の下方に移動させる。

次のステップＳ１０３において、照明光学系１０の光源１１を点灯させる。このとき、光源１１から放出された照明光は、集光レンズ１２および照度均一化ユニット１３を介して、開口絞り１４および視野絞り１５を通過し、コリメータレンズ１６で平行光にされてハーフミラー７で反射した後、対物レンズ６を通ってウェハＷに照射される。そして、ウェハＷからの反射光は、対物レンズ６およびハーフミラー７を通過して検出光学系２０に入射し、検出光学系２０に入射した光は、レンズ２２、ハーフプリズム２３、ベルトランレンズ２４、および視野絞り２５を通過し、撮像部３０のＤＭＤ素子３１にフーリエ像が投影される。

次のステップＳ１０４において、ＤＭＤ素子３１の１画素（マイクロミラー）だけＯＮ状態にし、それ以外の画素（マイクロミラー）はＯＦＦ状態にする。そうすると、ＯＮ状態の画素で反射した検出光学系２０からの光は、リレーレンズ３２を通ってフーリエ画像用撮像素子３３の撮像面に導かれる。

次のステップＳ１０５において、フーリエ画像用撮像素子３３で撮像を行って、ＯＮ状態の画素（マイクロミラー）で反射した光を検出し、ＣＰＵ４３がＯＮ状態の画素で反射した光の撮像面上（フーリエ画像用撮像素子３３）での画素位置を計算して求める。

次のステップＳ１０６において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ１０５で求めたフーリエ画像用撮像素子３３の画素位置と、そのときのＤＭＤ素子３１の画素位置（マイクロミラーの位置）との関係を、記録部４１の画素対応テーブルに登録する。

次のステップＳ１０７において、ＣＰＵ４３は、ＤＭＤ素子３１の全ての画素について測定が済んだか否かを判定する。判定がＹｅｓであれば、画素対応テーブルの作成を終了し、判定がＮｏであればステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０８では、ＤＭＤ素子３１のＯＮ状態にする画素（マイクロミラー）を未だ測定が済んでいない画素に変更し、ステップＳ１０５へ戻る。このようなシーケンスにより、フーリエ画像用撮像素子３３の画素とＤＭＤ素子３１の画素との関係を画素対応テーブルに登録することができる。

次に、図４に示すフローチャートを用いて、フーリエ画像用撮像素子３３で撮像されるフーリエ画像の中で、パターンの変化に対して感度の高い領域を決定する方法について説明する。感度の高い領域の決定方法は、まず、ステップＳ２０１において、照明光学系１０の偏光子１７と検出光学系２０の検光子２１を光軸上に挿入する。次に、ステップＳ２０２において、ＤＭＤ素子３１の全ての画素（マイクロミラー）をＯＮ状態にして、ウェハＷからの光が全てフーリエ画像用撮像素子３３の方へ反射するようにする。次のステップＳ２０３において、照明光学系１０の光源１１を点灯させる。

次のステップＳ２０４において、繰り返しパターンが形成されたウェハＷをウェハステージ５上に載置し、ウェハＷ上の測定するパターン（１ショット分）をウェハステージ５により対物レンズ６の下方に移動させる。このとき、露光条件（ドーズおよびフォーカス）がそれぞれ異なる複数の同一形状のパターンを形成したウェハＷを使用する。

そうすると、光源１１から放出された照明光は、集光レンズ１２および照度均一化ユニット１３を介して、開口絞り１４および視野絞り１５を通過し、コリメータレンズ１６で平行光にされた後に偏光子１７を通過してハーフミラー７で反射した後、対物レンズ６を通ってウェハＷに照射される。そして、ウェハＷからの反射光は、対物レンズ６およびハーフミラー７を通過して検出光学系２０に入射し、検出光学系２０に入射した光は、検光子２１、レンズ２２、ハーフプリズム２３、ベルトランレンズ２４、および視野絞り２５を通過し、撮像部３０のＤＭＤ素子３１にフーリエ像が投影される。このとき、ＤＭＤ素子３１の全ての画素（マイクロミラー）がＯＮ状態であるので、ＤＭＤ素子３１で反射した光はリレーレンズ３２を通り、フーリエ画像用撮像素子３３の撮像面にフーリエ像が投影される。

そこで、次のステップＳ２０５において、フーリエ画像用撮像素子３３でフーリエ像を撮像し、撮像したフーリエ画像を記録部４１に記録する。

次のステップＳ２０６において、ＣＰＵ４３は、ウェハＷ上の必要な全てのパターンについて測定が済んだか否かを判定する。判定がＹｅｓであればステップＳ２０７へ進み、判定がＮｏであればステップＳ２０４へ戻り、未だ測定が済んでいないパターン（別のショット）を対物レンズ６の下方に移動させてステップＳ２０５の撮像を行う。これにより、記録部４１には、同一形状のパターンについて露光条件が異なる複数のフーリエ画像のカラーデータが記録されることになる。

ステップＳ２０７では、ＣＰＵ４３は、各フーリエ画像について、フーリエ画像の各位置ごとにＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の輝度データ（平均値）をそれぞれ生成する。輝度データの求め方は、まず、図６に示すように、フーリエ画像（例えば１フレーム目のフーリエ画像ＦＩ₁）を縦横等間隔に正方格子状の複数の分割領域Ｐに分割し、フーリエ画像の分割領域Ｐごとに、ＲＧＢの輝度値の平均をそれぞれの色別に求める。そして、この工程を各々のフーリエ画像について行う。これにより、１フレーム目からｎフレーム目までのフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nについて、各フーリエ画像の分割領域Ｐごとに、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとの階調を示す輝度データがそれぞれ生成されることになる。

次のステップＳ２０８において、図７に示すように同じ分割領域に注目し、ＣＰＵ４３は、同じ分割領域におけるフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_n間での階調差を示す階調差データを、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに生成する。具体的には、フーリエ画像ＦＩ上の任意の分割領域をＰ_ｍとすると、まず、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nについて、分割領域Ｐ_ｍでの各色成分の輝度データ（ステップＳ２０７で求めたもの）をそれぞれ抽出する。次に、分割領域Ｐ_ｍに対応する輝度データの階調値のうちで、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとの最大値と最小値とを抽出し、抽出した最大値と最小値との差分値を算出する。そして、これらの工程を全ての分割領域について行う。これにより、フーリエ画像の全ての分割領域について、分割領域Ｐ_ｍにおけるフーリエ画像間での階調差を示す階調差データ（階調の最大値と最小値との差分値）が、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに生成されることになる。

そして、ステップＳ２０９において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ２０８で求めた階調差データ（階調の最大値と最小値との差分値）に基づいて、フーリエ画像の分割領域うち、階調の最大値と最小値との差分値が最大となる色と分割領域を求め、当該分割領域を感度の高い領域と決定し、そこを検出条件に決める。図８〜図１０は、フーリエ画像の各分割領域における階調差の分布状態を色成分ごとに示した図である。図８〜図１０の例において、図１０に示すＢの階調差の左上の領域が最大感度の領域となる。このようにすれば、パターンの線幅やプロファイルの変化を感度よく検出するために、Ｒ、Ｇ、Ｂのどの色を使い、フーリエ画像の中でどの分割領域を使用すればよいか決定することができる。

上述のようにして、未知のパターンの変化をフーリエ画像用撮像素子３３で撮像した画像より検出することが可能になる。ところが、この方法では、視野絞り２５で制限された範囲の平均値１つしか得られない。仮に、視野絞り２５を大きくしても、ウェハＷ上の広い範囲の平均値しか得られない。また仮に、２次元的な測定を行おうとすると、ウェハステージ５を移動させながら測定を行わなければならない。

そこで、図５に示すフローチャートを用いて、高い感度で２次元的にパターンの変化を検出する方法について説明する。このパターンの検出方法は、まず、ステップＳ３０１において、照明光学系１０の偏光子１７と検出光学系２０の検光子２１を光軸上に挿入する。

次に、ステップＳ３０２において、ＣＰＵ４３は、ウェハＷからの反射光を検査用撮像素子３５の方へ導くためにＯＮ／ＯＦＦさせるＤＭＤ素子３１の画素（マイクロミラー）を決定する。具体的には、ステップＳ１０１〜Ｓ１０８で求めたフーリエ画像用撮像素子３３とＤＭＤ素子３１との画素対応テーブルを参照して、ステップＳ２０１〜Ｓ２０９で求めたフーリエ画像用撮像素子３３上で感度の高い画素領域（分割領域）に対応するＤＭＤ素子３１の画素を求める。

次のステップＳ３０３において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ３０２で求めた感度の高い画素領域（分割領域）に対応するＤＭＤ素子３１の画素をＯＦＦ状態にして検査用撮像素子３５の方へ導くように設定するとともに、他の画素をＯＮ状態にしてフーリエ画像用撮像素子３３の方へ導くように設定する。

次のステップＳ３０４では、照明光学系１０の光源１１を点灯させる。次に、ステップＳ３０５において、検査するウェハＷをウェハステージ５上に載置し、ウェハＷ上の検査するパターン（１ショット分）をウェハステージ５により対物レンズ６の下方に移動させる。

そうすると、光源１１から放出された照明光は、集光レンズ１２および照度均一化ユニット１３を介して、開口絞り１４および視野絞り１５を通過し、コリメータレンズ１６で平行光にされた後に偏光子１７を通過してハーフミラー７で反射した後、対物レンズ６を通ってウェハＷに照射される。そして、ウェハＷからの反射光は、対物レンズ６およびハーフミラー７を通過して検出光学系２０に入射し、検出光学系２０に入射した光は、検光子２１、レンズ２２、ハーフプリズム２３、ベルトランレンズ２４、および視野絞り２５を通過し、撮像部３０のＤＭＤ素子３１に達する。

このとき、ウェハＷのパターン変化に対して感度の高い領域の反射光は、ＤＭＤ素子３１におけるＯＦＦ状態の画素（マイクロミラー）で反射して結像レンズ３４を通り、検査用撮像素子３５へ導かれる。前述したように、結像レンズ３４は、ウェハＷ（視野絞り２５）と検査用撮像素子３５とを共役にするレンズであるため、検査用撮像素子３５の撮像面には、ＤＭＤ素子３１で選択されたウェハＷのパターン変化に対して感度の高い反射光のみでウェハＷの表面（パターン）の像が結像される。

そして、次のステップＳ３０６において、検査用撮像素子３５がウェハＷのパターン（１ショット分）の像を撮像する。このようにして撮像したウェハＷのパターンの画像は、パターン変化に対して感度の高い（輝度が変化しやすい）画像となる。また、検査用撮像素子３５により撮像されたウェハＷのパターンの画像はモニタ４４に表示され、ウェハＷの画像をオペレータが目視で観察することにより、ウェハＷ上のパターンの変化（すなわち、パターンの欠陥）を検出することが可能になる。なおこのとき、感度の高い特定の色成分を抽出したウェハＷのパターンの画像をモニタ４４に表示するようにしてもよい。

またこのとき、ウェハＷのパターンの画像からパターンの良否を自動的に判定することも可能である。パターンの自動判定方法について説明すると、ＣＰＵ４３は、まず、ウェハＷのパターンの画像における輝度（階調）の平均値を算出し、算出した平均値と予め設定しておいた良品範囲とを比較する。そして、算出した平均値が良品範囲内であれば良品であると判定し、良品範囲外であれば不良であると判定する。これにより、パターンの良否を自動的に判定することができる。なお、平均するデータの範囲を変えることにより、あたかもウェハＷ上での視野サイズを変更した効果を得ることができる。また、輝度の平均値ではなく、最大値や最小値を算出して所定の良品範囲と比較することにより、局所的な欠陥を見つけることができる。

このように、本実施形態の検査装置１によれば、検査用撮像素子３５が、検査に適した感度の高い部分に対応するマイクロミラーが検査用撮像素子３５の方に向いた状態で、ウェハＷの表面（パターン）の像を撮像するため、ウェハＷの表面に形成されたパターンを高い感度で２次元的に検査することが可能になる。

このとき、検出光学系２０は、ウェハＷからの光のうち直線偏光である照明光と偏光方向が略直交する偏光成分を受光することが好ましく、このようにすれば、いわゆるクロスニコルの状態となって構造性複屈折を利用した感度の高い検査が可能になる。なお、偏光子１７と検光子２１の偏光方向は、９０°（クロスニコルの状態）に限らず、検査対象のパターンで発生する構造性複屈折による楕円偏光の回転に合わせて微調整してもよい。

またこのとき、落射照明によりウェハＷの表面を照明することが好ましく、このようにすれば、装置の大きさを小型にすることができる。

また、前述したように、フーリエ画像用撮像素子３３（２次元イメージセンサ）を用いて、瞳面における２次元の輝度分布（フーリエ画像）を検出するようにすることが好ましく、このようにすれば、瞳面での輝度情報を一度に短時間で検出することが可能になる。

また、ウェハＷからの光の進む方向を切り替える光路切替素子として、複数のマイクロミラーを備えたＤＭＤ素子３１を用いることが好ましく、これにより、ウェハＷからの光の進む方向を画素単位の微小な領域ごとに切り替えることが可能になる。

なお、上述の実施形態において、ステップＳ３０２で求めた感度の高い画素領域（分割領域）に対応するＤＭＤ素子３１の画素をＯＦＦ状態にして検査用撮像素子３５の方へ導くように設定するとともに、他の画素をＯＮ状態にしてフーリエ画像用撮像素子３３の方へ導くように設定しているが、これに限られるものではない。例えば、図１１に示すように、ＤＭＤ素子３１とリレーレンズ３２との間にハーフプリズム３８を配置し、ＤＭＤ素子３１からフーリエ画像用撮像素子３３へ向かう光の一部をハーフプリズム３８から結像レンズ３４を介して検査用撮像素子３５へ導くようにしてもよい。この場合、ステップＳ３０３において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ３０２で求めた感度の高い画素領域（分割領域）に対応するＤＭＤ素子３１の画素をＯＮ状態にしてフーリエ画像用撮像素子３３および検査用撮像素子３５の方へ導くように設定するとともに、他の画素をＯＦＦ状態にして検査用撮像素子３５の方へ導かないように設定する。これにより、ＤＭＤ素子３１の画素をより位置精度の高いＯＮ状態にしてウェハＷからの光を検査用撮像素子３５の方へ導くことができる。また、フーリエ画像用撮像素子３３および検査用撮像素子３５を１つの撮像素子で兼用して、リレーレンズ３２と結像レンズ３４とを入れ換える構成としてもよい。

また、上述の実施形態において、フーリエ画像用撮像素子３３（２次元イメージセンサ）を用いて、瞳面における２次元の輝度分布（フーリエ画像）を検出しているが、これに限られるものではない。例えば、図１２に示すように、フーリエ画像用撮像素子３３の代わりに、分光プリズム６３および３つの検出素子６４ａ，６４ｂ，６４ｃを用いて、瞳面における輝度を（Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに）検出するようにしてもよい。なおこのとき、ＤＭＤ素子３１のマイクロミラーを１画素分ずつＯＮ状態にして、検出光学系２０からの光を検出素子６４ａ，６４ｂ，６４ｃ（分光プリズム３５）の方へ反射させるようにすれば、瞳面における２次元の輝度分布を得ることが可能である。またこのとき、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した検出光学系２０からの光は、レンズ３２（アオリ光学系）を通って、分光プリズム６３でＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の光に分光された後、それぞれ３つの検出素子６４ａ，６４ｂ，６４ｃに導かれる。また、３つの検出素子６４ａ，６４ｂ，６４ｃは、フォトダイオードやアバランシェ素子等であり、分光プリズム６３によって分光されたＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の光をそれぞれ検出する。

また、上述の実施形態において、ウェハＷの欠陥検査を行う検査装置１を例に説明を行ったが、被検基板はウェハＷに限られず、例えば液晶ガラス基板であっても構わない。

また、上述の実施形態において、階調差データ（階調の最大値と最小値との差分値）に基づいて、パターンの変化に対して感度の高い領域を決定しているが、これに限られるものではない。そこで、図１３に示すフローチャートを用いて、感度の高い領域の決定方法の変形例について説明する。この方法は、上述の実施形態の場合と同様に、露光条件（ドーズおよびフォーカス）がそれぞれ異なる複数の同一形状のパターンを形成したウェハＷを用いて、各々のパターンのフーリエ画像とパターン毎の線幅のデータとに基づいて、パターンの変化に対して感度の高い領域を決定するものである。なお、上記のパターンに対応する線幅のデータは、例えば、スキャトロメータや走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の線幅測定器で測定したものを利用し、これら線幅のデータ群は予め入力インターフェース４２より入力して記録部４１に記録されているものとする。

まず、前述の実施形態の場合と同様に、ステップＳ２５１において、照明光学系１０の偏光子１７と検出光学系２０の検光子２１を光軸上に挿入する。次に、ステップＳ２５２において、ＤＭＤ素子３１の全ての画素（マイクロミラー）をＯＮ状態にして、ウェハＷからの光が全てフーリエ画像用撮像素子３３の方へ反射するようにする。次のステップＳ２５３において、照明光学系１０の光源１１を点灯させる。

次のステップＳ２５４において、露光条件（ドーズおよびフォーカス）がそれぞれ異なる複数の同一形状のパターンを形成したウェハＷをウェハステージ５上に載置し、ウェハＷ上の測定するパターン（１ショット分）をウェハステージ５により対物レンズ６の下方に移動させる。次のステップＳ２５５において、フーリエ画像用撮像素子３３でフーリエ像を撮像し、撮像したフーリエ画像を記録部４１に記録する。

次のステップＳ２５６において、ＣＰＵ４３は、ウェハＷ上の全てのパターンについて測定が済んだか否かを判定する。判定がＹｅｓであればステップＳ２５７へ進み、判定がＮｏであればステップＳ２５４へ戻り、未だ測定が済んでいないパターン（別のショット）を対物レンズ６の下方に移動させてステップＳ２５５の撮像を行う。

ステップＳ２５７において、ＣＰＵ４３は、上述の実施形態の場合と同様に、各フーリエ画像について、フーリエ画像の分割領域ごとにＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の輝度データ（平均値）をそれぞれ生成する。

さて、次のステップＳ２５８では、同じ分割領域に注目し、ＣＰＵ４３は、各フーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nの同じ分割領域における階調値とパターンの線幅との変化率を示す近似式を、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに求める。具体的には、フーリエ画像ＦＩ上の任意の分割領域をＰ_ｍとすると、まず、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nに対応するパターンの線幅のデータを記録部４１から読み出す。またこのとき、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nについて、分割領域Ｐ_ｍでの各色成分の輝度データ（ステップＳ２５７で求めたもの）をそれぞれ抽出する。次に、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nごとに、パターンの線幅と分割領域Ｐ_ｍでの輝度データの階調値との対応関係を求める。

続いて、パターンの線幅と分割領域Ｐ_ｍでの階調値との対応関係に基づいて、最小二乗法により分割領域Ｐ_ｍでの階調値とパターンの線幅との変化率を示す近似式を求める。ここで、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nに対応するパターンの線幅をｙとし、分割領域Ｐ_ｍでのＢ（あるいはＲもしくはＧ）の階調値をｘとし、傾きをａとし、ｙ切片をｂとすると、近似式は次の（１）式で表わされる。

ｙ＝ａｘ+ｂ …（１）

なお、係数ａの絶対値は、パターンの線幅の変化に対する階調変化の逆数（すなわち、パターンの変化に対する検出感度の逆数）に相当する。すなわち、上記の係数ａの絶対値が小さくなると、線幅の差が同じでもフーリエ画像の階調変化が大きくなるので、パターンの変化に対する検出感度がより高くなる。そして、これらの工程を全ての分割領域について、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに行う。

次に、ステップＳ２５９において、ＣＰＵ４３は、フーリエ画像上の各分割領域において、ステップＳ２５８で得た近似式とパターンの線幅との相関誤差をＲ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに求める。具体的には、各々のフーリエ画像ＦＩ₁〜ＦＩ_nに対応するパターンの線幅と、近似式を用いて算出されるパターンの線幅との偏差のデータを、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色成分ごとに算出し、算出した偏差のデータから各分割領域の色成分ごとに標準偏差を算出し、その値を相関誤差とする。

そして、ステップＳ２６０において、ＣＰＵ４３は、ステップＳ２５８で求めた係数ａと、ステップＳ２５９で求めた相関誤差とに基づいて、フーリエ画像の分割領域うち、係数ａの絶対値が小さく、かつ相関誤差が十分に小さい分割領域を求め、当該分割領域を感度の高い領域と決定し、そこを検出条件に決める。具体的には、例えば、係数ａの絶対値の小ささと、相関誤差の小ささとに応じて各々の分割領域のスコアリングを行い、このスコアリングの結果に基づいて感度の高い分割領域を決定する。このようにしても、パターンの線幅やプロファイルの変化を感度よく検出するために、Ｒ、Ｇ、Ｂのどの色を使い、フーリエ画像の中でどの分割領域を使用すればよいか決定することができる。

Ｗ ウェハ（被検基板）
１ 検査装置
１０ 照明光学系（照明部） １７ 偏光子
２０ 検出光学系（受光光学系） ２１ 検光子
３０ 撮像部
３１ ＤＭＤ素子（光路切替素子）
３３ フーリエ画像用撮像素子（検出部および第２の２次元イメージセンサ）
３５ 検査用撮像素子（２次元イメージセンサ）
４０ 制御ユニット ４３ ＣＰＵ（検査部）
６３ 分光プリズム（検出部の変形例）
６４ａ 第１の検出素子（検出部の変形例）
６４ｂ 第２の検出素子（検出部の変形例）
６４ｃ 第３の検出素子（検出部の変形例）

Claims (6)

1. 被検基板の表面に照明光を照射する照明部と、
   前記照明光が照射された前記被検基板の表面からの反射光を受光して前記被検基板の表面の像を結像する受光光学系と、
   前記受光光学系の瞳面または瞳面と共役な位置に配置され、複数の光路切替素子を有し、前記複数の光路切替素子のそれぞれの反射方向を一方向と前記一方向の向きと異なる他方向とに切替可能な光路切替部と、
   前記光路切替素子で反射した光から前記瞳面での輝度を検出可能な検出部と、
   前記光路切替素子で反射した光が前記受光光学系により結像されて得られる前記被検基板の表面の像を撮像可能な２次元イメージセンサと、
   前記光路切替部の作動を制御する制御部と、
   前記２次元イメージセンサにより撮像された前記被検基板の表面の画像に基づいて、前記被検基板の表面を検査する検査部とを備え、
   前記制御部は、前記検出部で検出される輝度情報に基づいて前記検査に適する前記瞳面の部位を求め、前記部位に対応する前記光路切替素子の作動を制御して、前記検査に用いる前記瞳面の部位の光を前記２次元イメージセンサへ導く制御を行い、
   前記２次元イメージセンサは、前記検査に用いる前記瞳面の部位の光により得られる前記被検基板の表面の像を撮像することを特徴とする検査装置。
2. 前記光路切替素子が前記一方を向いているときに前記被検基板の表面からの反射光が前記検出部へ導かれ、前記光路切替素子が前記他方を向いているときに前記被検基板の表面からの反射光が前記２次元イメージセンサへ導かれることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
3. 前記照明光は、繰り返しパターンを有する前記被検基板の表面に照射される直線偏光であり、
   前記受光光学系は、前記被検基板からの反射光のうち前記直線偏光と偏光方向が略直交する偏光成分を受光することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の検査装置。
4. 前記照明部は、落射照明により前記照明光を前記被検基板の表面に照射することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の検査装置。
5. 前記検出部は、第２の２次元イメージセンサであり、前記瞳面における２次元の輝度分布を検出することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の検査装置。
6. 前記複数の光路切替素子は、デジタルマイクロミラーデバイスを構成する複数のマイクロミラーであることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか一項に記載の検査装置。

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