JPWO2010050488A1 - 欠陥検査装置及び欠陥検査方法 - Google Patents

Abstract

試料表面のパターン形状の良否を短時間で判別することができる欠陥検査装置及び検査方法を提供する。繰り返しパターンが形成された基板（ウェハ１０）の欠陥を検査する欠陥検査装置２０は、対物レンズ９を含み、この対物レンズ９を介してウェハ１０に形成された繰り返しパターンに光源１からの光を照射する照明光学系２１と、繰り返しパターンに起因して生じた複数次数の回折光による、対物レンズ９の瞳面の像を検出する検出光学系２２と、得られた瞳像からウェハ１０の繰り返しパターンの欠陥を検出する検出部２３と、を有する。

Description

本発明は、欠陥検査装置及び欠陥検査方法に関する。

従来、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（以下「試料」という）の表面のレジスト層に形成されたパターンの欠陥の検査が行われている。例えば、光源からの光の偏光の状態と光学像を形成する０次と高次の回折光の強度を調整して、試料表面の画像を比較する検査方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このような検査には、Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ＳＥＭ（測長走査型電子顕微鏡であって、以下、「ＣＤ−ＳＥＭ」という）が使用される。

特許第３９５６９４２号公報

しかしながら、このＣＤ−ＳＥＭを用いた検査方法では、レジストのダメージの問題や、スループットの観点から、ウェハ全面を検査するには不向きであるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、試料表面に形成されたレジストのパターンやエッチング後のパターン（検査パターン）に関わらず、試料表面のパターン形状の良否を短時間で判別することができる欠陥検査装置及び欠陥検査方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本願発明に係る欠陥検査装置は、繰り返しパターンが形成された基板の欠陥を検査する欠陥検査装置であって、対物レンズを含み、この対物レンズを介して基板に形成された繰り返しパターンに光源からの光を照射する照明光学系と、繰り返しパターンに起因して生じた複数次数の回折光による、対物レンズの瞳面の像を検出する検出光学系と、得られた瞳像から基板の繰り返しパターンの欠陥を検出する検出部と、を有することを特徴とする。

このような欠陥検査装置において、検出部は、瞳面の像の輝度値を求め、当該輝度値により基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成されることが好ましい。

また、このような欠陥検査装置は、良品試料による瞳面の像の輝度値を予め計測して基準値として記憶する記憶部を有し、検出部は、記憶部から基準値を読み出し、当該基準値と、瞳面の像から求められた輝度値と、を比較して、基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成されることが好ましい。

また、このような欠陥検査装置において、検出部は、瞳面の像から、輝度値を求めるための最適位置を決定し、当該最適位置における輝度値により基板の繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成されることが好ましい。

また、このような欠陥検査装置において、最適位置は、複数次数の回折光による瞳像のうちのいずれかの次数の回折光による瞳像領域であり、いずれかの次数の回折光による瞳像領域は、基準となる測定手段による、良否の程度が異なる繰り返しパターンが複数形成された評価用基板の測定値と、評価用基板による複数次数の回折光による瞳像の輝度値との相関を次数ごとに求め、当該相関が高い次数の回折光による瞳像領域を決定することが好ましい。

また、このような欠陥検査装置において、照明光学系は、基板に形成された繰り返しパターンに照射される光源からの光の波長域を選択する波長選択部を有することが好ましい。

また、このような欠陥検査装置において、照明光学系は、基板に形成された繰り返しパターンに照射される光源からの光を所定の直線偏光状態に揃える偏光子を有することが好ましい。

また、このような欠陥検査装置において、照明光学系は、瞳面と共役な位置に開口絞りを有し、この開口絞りの開口部は、照明光学系の光軸と直交する面内で位置及び開口径を変化させることができるように構成されることが好ましい。

また、このような欠陥検査装置において、照明光学系は、瞳面と共役な位置に開口絞りを有し、この開口絞りの開口部の、照明光学系の光軸と開口部とを結ぶ直線方向の長さをＲａとし、開口絞り及び対物レンズの瞳間の結像倍率をβとし、基板に形成された繰り返しパターンに照射される光の波長をλとし、繰り返しパターンの周期をＰとし、対物レンズの焦点距離をｆとしたとき、次式
Ｒａ ≦ ｜β｜×ｆ×λ／Ｐ
の条件を満足するように構成されることが好ましい。

また、本発明に係る欠陥検査方法は、繰り返しパターンが形成された基板の欠陥を検査する方法であって、対物レンズを介して基板に形成された繰り返しパターンに光源からの光を照射する照明工程と、繰り返しパターンに起因して生じた複数次数の回折光による、対物レンズの瞳面の像を検出する撮像工程と、得られた瞳像から基板の繰り返しパターンの欠陥を検出する検出工程と、を有することを特徴とする。

このような欠陥検査方法において、検出工程は、瞳面の像の輝度値を求め、当該輝度値により基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成されることが好ましい。

また、このような欠陥検査方法において、検出工程は、良品試料による瞳面の像の輝度値を基準値として予め計測しておき、当該基準値と、撮像工程で得られた瞳面の像から求められた輝度値と、を比較して、基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成されることが好ましい。

また、このような欠陥検査方法において、検出工程は、撮像工程で得られた瞳面の像から、輝度値を求めるための最適位置を決定し、当該最適位置における輝度値により基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成されることが好ましい。

また、このような欠陥検査方法において、最適位置は、複数次数の回折光による瞳像のうちのいずれかの次数の回折光による瞳像領域であり、いずれかの次数の回折光による瞳像領域は、基準となる測定手段による、良否の程度が異なる繰り返しパターンが複数形成された評価用基板の測定値と、評価用基板による複数次数の回折光による瞳像の輝度値との相関を次数ごとに求め、当該相関が高い次数の回折光による瞳像領域を決定することが好ましい。

本発明に係る欠陥検査装置及び欠陥検査方法によれば、試料表面のレジストパターンやエッチング後のパターンに関わらず、この試料表面のパターン形状の良否を短時間で判別することができる。

欠陥検査装置の構成を示す断面模式図である。 開口絞りの構成を示す説明図であって、（ａ）は略円形の開口部が形成された開口絞りを示し、（ｂ）は略矩形の開口部が形成された開口絞りを示す。 図２に示す開口絞りの開口部の像が形成された対物レンズの瞳像を示す説明図であって、（ａ）は図２（ａ）の開口絞りを使用した場合を示し、（ｂ）は図２（ｂ）の開口絞りを使用した場合を示す。 ウェハ上の検査ポイントと、瞳像の分割方法を説明するための説明図である。 テストウェハのＣＤ−ＳＥＭ値と欠陥検査装置で測定した瞳像の階調値との関係を管理するテーブルの構成を示す説明図であって、（ａ）はＣＤ−ＳＥＭ値と瞳像のエリア毎の階調値の対応を記憶する対応テーブルを示し、（ｂ）はＣＤ−ＳＥＭ値と瞳面のエリア毎の相関係数を記憶する相関関数テーブルを示す。 ＣＤ−ＳＥＭ値と階調値の関係を示し、その許容範囲を示す模式図である。 ウェハ表面のパターンの周期方向に対しＰ偏光で照明する場合の模式図である。 ウェハ表面のパターンの周期方向に対しＳ偏光で照明する場合の模式図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である欠陥検査装置２０の概要を示す図であり、光軸を通る面内での断面模式図として表している。

欠陥検査装置２０は、光源１と、ステージ１１上に載置された試料であるウェハ（基板）１０に光源１から放射された照明光を、対物レンズ９を介して照射する照明光学系２１と、ウェハ１０で反射された光を集光する検出光学系２２と、この検出光学系２２で集光された像のうち、対物レンズ９の瞳像を検出する第１撮像素子１７と、ウェハ１０の像を検出する第２撮像素子１８と、第１撮像素子１７で撮像された瞳像からウェハ１０の欠陥を検出する検出部２３と、を有して構成される。

照明光学系２１は、光源１側から順に、コンデンサーレンズ２、干渉フィルタを含む照度均一化ユニット３、開口絞り４、第１視野絞り５、リレーレンズ６、偏光子７、ハーフミラー８、及び、対物レンズ９を有し、光軸上にこの順で並んで配置されている。ここで、この照明光学系２１において、光源１から放射された照明光は、ハーフミラー８で反射された後、対物レンズ９を介してウェハ１０に導かれるように構成されている。また、この照明光学系２１の光軸は、検出光学系２２の光軸と略一致するように配置され、ウェハ１０を同軸落射照明するように構成されている。また、ステージ１１は、この同軸落射照明の光軸をｚ軸として、ｚ軸に垂直な面内においてこのｚ軸を通りそれぞれ直交する軸をｘ軸，ｙ軸とすると、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に移動可能で、かつ、ｚ軸の回りに回転可能に構成されている。

一方、検出光学系２２は、ハーフミラー８及び対物レンズ９を照明光学系２１と共用し、ウェハ１０側から順に、対物レンズ９、ハーフミラー８、検光子１２、第１結像レンズ１３、ハーフプリズム１４、第２結像レンズ１５、及び、第２視野絞り１６を有し、光軸上にこの順で並んで配置されている。ここで、ウェハ１０で反射された光は、ハーフミラー８を透過して第１及び第２撮像素子１７，１８に導かれるように構成されている。また、第１撮像素子１７はハーフプリズム１４を透過した光を検出する位置に配置されており、第２撮像素子１８はハーフプリズム１４で反射された光を検出する位置に配置されている。この検出光学系２２において、第１撮像素子１７は、対物レンズ９の瞳面の像を検出する位置、すなわち、対物レンズ９の瞳面と共役な位置に配置されており、また、第２撮像素子１８は、ウェハ１０の像を検出する位置、すなわち、ウェハ１０の表面と共役な位置に配置されている。また、第２視野絞り１６は、ウェハ１０の表面と共役な位置に配置されている。そして、第１撮像素子１７側に配置された着脱可能な照明部（不図示）によって、第２視野絞り１６を照明することで、ウェハ１０から反射してくる第２視野絞り１６の像を、第２撮像素子１８で撮像することで、第１撮像素子１７で検出するウェハ１０上の領域を、第２撮像素子１８の撮像位置に換算する。この第１及び第２撮像素子１７，１８で検出された対物レンズ９の瞳面の像およびウェハ１０の像は、それぞれ検出部２３を介して、モニター１９で観察できる。従って、第２撮像素子１８により検出した像をモニター１９を介して観察すると、ウェハ１０上のどの位置に照明光が照射されているかを確認することができる。

なお、照明光学系２１に配置された偏光子７及び検出光学系２２に配置された検光子１２はそれぞれ、この欠陥検査装置２０に着脱可能に構成されており、観察対象（ウェハ１０）の状態に応じて光軸上に挿抜することができる。以降の説明では、偏光子７及び検光子１２は抜き出した状態で使用する。

また、開口絞り４、及び第１視野絞り５の開口部については、それぞれ、その大きさ（特に、光軸とこの開口部とを結ぶ直線方向の径の大きさ）及び光軸に直交する面内での位置を変化させることができる構造となっている。そのため、開口絞り４の開口部の位置を変化させると、ウェハ１０に照射される照明光の入射角が変化し、また、第１視野絞り５の開口部の大きさ及び位置を変化させると、ウェハ１０の表面に照射される照明領域の大きさ（照明の範囲）と位置を変化させることができる。開口絞り４の開口部の大きさを変化させると、瞳面における回折像の大きさを変化させることができる。

このような構成の欠陥検査装置２０において、光源１から放射された照明光は、コンデンサーレンズ２で集光され、照度均一化ユニット３で照度が均一化された後、開口絞り４に照射される。そして、開口絞り４の開口部を通過した照明光は、第１視野絞り５を通過してリレーレンズ６でコリメートされ、ハーフミラー８で反射されて対物レンズ９に導かれる。ここで、開口絞り４及び対物レンズ９の瞳面は、第１リレーレンズ６を挟んで、それぞれこの第１リレーレンズ６の焦点距離の略２倍の位置に配置されている。そのため、開口絞り４の開口部の像が対物レンズ９の瞳面上若しくはその近傍に結像され、さらに、対物レンズ９で集光されてウェハ１０に照射される。すなわち、開口絞り４と対物レンズ９の瞳面とは共役関係となっている。

そして、対物レンズ９によりウェハ１０に照射された照明光は、このウェハ１０の表面で反射して再度対物レンズ９で集光される。このとき、ウェハ１０で反射された開口絞り４の開口部の像は、対物レンズ９の瞳面（若しくはその近傍）に結像するが、ウェハ１０に形成された繰り返しパターン（以降の方法により検査される検査パターン）による回折光も発生して同様に瞳面に結像する。そのため、例えば、開口絞り４に、図２（ａ）に示すような円形形状の開口部４ａが、この開口絞り４の外周部近傍に形成されている場合、図３（ａ）に示すように、対物レンズ９の瞳面（図３（ａ）はこの瞳面の像ＰＩを示す）において、開口部４ａの回折像４０が、回折次数に応じてこの次数の順で並んで結像される。なお、この回折像４０が並ぶ方向は、光軸及び開口絞り４で偏斜された照明光の中心線を含む面と，瞳面とが交差する線上である。そして、回折次数が０次の回折像（反射像）は、対物レンズ９の瞳面上において、開口絞り４の開口部４ａに対応する位置（及び範囲）に結像され、１次，２次・・ｎ次の回折像は、上述のように並んで結像される（図３（ａ））。このとき、０次（反射光による像）〜ｎ次のそれぞれの回折像が重ならないようにするために開口絞り４の開口部４ａの径の大きさを調整する。例えば、上述のように、開口絞り４に円形の開口部４ａが形成されている場合、この開口部４ａの開口径（寸法）Ｒａの大きさを変化させ、瞳面に形成された回折像が互いに重ならないように調整する。

具体的には、開口絞り４の開口部４ａの開口径（寸法）Ｒａは、以下の式（１）に示す条件を満たすように設定することにより、瞳面において隣接する回折像が重ならないようにすることができる。ここで、βは開口絞り４と対物レンズ９の瞳との間の結像倍率を示し、Ｐは検査対象であるウェハ１０に形成された繰り返し（検査）パターンの周期を示し、λはウェハ１０に照射される照明光の波長（検査波長）を示し、ｆは対物レンズ９の焦点距離を示している。

Ｒａ ≦ ｜β｜×ｆ×λ／Ｐ （１）

ここで、照明光の波長（検査波長）を赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３波長とした場合は、最も短い波長を有する青い光（λ＝４４０ｎｍ）において、式（１）を満足するように開口部４ａの寸法Ｒａを設定すれば良い。これは、波長が短くなるに従って回折光による像の間隔も狭くなるので、最も短い波長のもので上記条件を満足するように設定すれば、それよりも長い波長の場合でも満足することができるからである。

なお、開口絞り４に形成する開口部の形状は円形に限定されることはなく、例えば、図２（ｂ）に示す開口部４ａ′のように矩形形状にしても良い。この場合も上述の円形形状の開口部４ａと同様に、図３（ｂ）に示すように回折次数に応じた回折像４０′が、この次数の順で対物レンズ９の瞳面（瞳像ＰＩ）上に並んで結像される。またこのとき、開口部４ａ′の、光軸とこの開口部４ａ′とを結ぶ直線方向に延びる辺の長さＳｂが次に示す式（２）を満足するように調整することにより、瞳面上に並んで結像された回折像４０′が重ならないように調整することができる。

Ｓｂ ≦ ｜β｜×ｆ×λ／Ｐ （２）

また、このような矩形形状の開口部４ａ′を有する場合、上記寸法Ｓｂで示す辺と直交する方向に延びる辺の寸法Ｌｂは、寸法Ｓｂより、大きく設定されるのが好ましい。これは、このような形状の開口部４ａ′の像の輝度は、中心から照明光が試料面に入射する方向と直交する方向に徐々に広がって低くなっていくので、回折像の中心部で得られる輝度の高い範囲を確保するためである。なお、以降では、円形の開口部４ａを有する開口絞り４を用いた場合について説明する。

この欠陥検査装置２０において、ウェハ１０の表面に対して照明光が照射される位置は、ステージ１１をｘｙ軸方向に移動させて調整し、照明光が照射される角度は、上述のように開口絞り４及び第１視野絞り５の開口部の位置及び大きさを調整し、検査対象であるウェハ１０に形成された繰り返しパターン（検査パターン）の周期方向に対して照射される方向（繰り返しパターンに対する照明光の方位角）はステージ１１を回転させて調整する。また、対物レンズ９の焦点上にウェハ１０の表面を移動させるときは、ステージ１１をｚ軸方向に移動させて調整する。さらに、照明光の波長域は、照度均一化ユニット３の干渉フィルタにより調整する。

欠陥検査装置２０を以上のような構成とすると、対物レンズ９の瞳面（若しくはその近傍）に形成される瞳像ＰＩを第１撮像素子１７で撮像することにより、ウェハ１０の表面で反射して対物レンズ９の瞳面に結像する開口絞り４の開口部４ａの複数次数の回折像を検出することができ、検出部２３は、複数次数の回折像を用いて、検査対象であるウェハ１０に形成された繰り返しパターン（検査パターン）の良否を判定することができる。すなわち、第１撮像素子１７により撮像された良品パターンからなるウェハ（以下、良品なパターンを有するウェハを「良品試料」と呼ぶ。）の瞳像を基準像として検出部２３に接続された記憶部２４に記憶しておき、検出部２３によりこの基準像を読み出し、検査対象であるウェハ１０の瞳像を検出像として検出し、検出像と基準像とを比較してその違いを検出することにより、検査対象のウェハ１０の欠陥を検出する。なお、この検出部２３による欠陥の検査方法としては、例えば、基準像と検出像との画素毎の階調値（瞳像における輝度値は、複数段の階調（デジタル量）として検出されるため、以降の説明では「階調値」と呼ぶ）の差を比較し、ある画素においてその差が所定の閾値を超えたときに欠陥があると判定するようにしても良い。このように、ウェハ１０の良否判定は、このウェハ１０による対物レンズ９の瞳面の像の輝度値（階調値）を求め、予め計測され記憶された良品試料による基準値と比較することにより行われるので、より短時間で計測が可能となる。

なお、比較する画素は、全画素でなくてもよく、以下に説明するように、所定の画素のみを比較の対象としても良い。まず、比較対象となる瞳面の像ＰＩ（所定の位置ＣＰの瞳像）内の検査対象の画素の位置（これを以降の説明では「最適位置」と呼ぶ）の決定方法について説明する。なお、ここで最適位置は、図４に示すように、瞳像ＰＩを予め所定の大きさを有する複数のエリアＰ（Ｌ，Ｍ）（Ｌ×Ｍ分割のエリア）に分割しておき、そのエリアのいずれに該当するのかを示すものとする。最適位置の決定方法としては、評価用基板である良品範囲から不良品範囲まで線幅が異なった繰り返しパターンが存在するウェハ（例えば、ウェハ内に露光量を変えて露光することにより、良品範囲から不良品範囲まで線幅が異なった繰り返しパターンが存在するウェハであって、以下「テストウェハ」と呼ぶ）を用いて、基準となる測定手段により予めテストウェハの上述の良品範囲から不良品範囲まで線幅が異なった繰り返しパターンを含む所定の位置ＣＰを測定して測定値を取得しておく。そして、本実施の形態で示す欠陥検査装置２０により、良品範囲から不良品範囲まで線幅が異なった繰り返しパターンが存在するテストウェハ上の、上記所定の位置ＣＰに対応する位置に照明光を照射して、この所定の位置ＣＰの瞳像を撮像して上記エリア毎に階調値（輝度値）を算出し、上述の測定値と各々の階調値（輝度値）との相関を求めてその相関が最も大きいエリアを最適位置とするものである。なお、ここでは、基準となる測定手段として、ＣＤ−ＳＥＭを用いた場合について説明する（また、このＣＤ−ＳＥＭによる測定値を「ＣＤ−ＳＥＭ値」と呼ぶ）。このときテストウェハのＣＤ−ＳＥＭ値は、予め測定されて記憶部２４に記憶されているものとして説明する。

具体的には、欠陥検査装置２０のステージ１１上にテストウェハを載置し、このテストウェハ上の所定の位置ＣＰ（図４に示すウェハ１０上のポイントＣＰ）における瞳像ＰＩのエリア毎に、それぞれの階調値（輝度値）を求め、それぞれのエリア毎に、その階調値と、記憶部２４に記憶されたテストウェハのＣＤ−ＳＥＭ値のうち、上述の所定のポイントＣＰに対応するＣＤ−ＳＥＭ値との相関を求める。

例えば、テストウェハ面内の検査ポイントＣＰ（Ｎｏ.１〜Ｎｏ.ｎ）毎に、第１撮像素子１７で検出した瞳面の像ＰＩを、例えば、４５×４５のエリアＰに分割して設定する。この瞳面の像ＰＩには、テストウェハからの回折光による像が結像しており、第１撮像素子１７は、上述で説明した例えば図３（ａ）のような回折像（瞳像）４０として検出される。そして、この設定したエリアＰ（０，０）〜Ｐ（４５，４５）内における瞳像ＰＩの階調値（輝度値）とＣＤ−ＳＥＭ値との相関を求める。図５（ａ）は、テストウェハ面内の検査ポイントＣＰ（Ｎｏ.１〜Ｎｏ．ｎ）におけるＣＤ−ＳＥＭ値（ＳＥＭ）と瞳面（像面ＰＩ）上の任意のエリアＰ（Ｌ，Ｍ）における階調値（輝度値）の対応テーブル１００を示しており、この対応テーブル１００は、上述の記憶部２４に記憶されている。ここで、検査ポイントカラム１００ａには、テストウェハ面内で設定された各検査ポイントＣＰ（Ｎｏ.１〜Ｎｏ．ｎ）が設定されている。ＳＥＭカラム１００ｂは、各検査ポイントＣＰにおけるＣＤ−ＳＥＭ値が記憶されている。さらに、階調値Ｒカラム１００ｃには、検査波長（照明波長）Ｒを、階調値Ｇカラム１００ｄには、検査波長（照明波長）Ｇを、階調値Ｂカラム１００ｅには、検査波長（照明波長）Ｂを設定した場合の各検査ポイントＣＰにおける瞳面上の任意のエリアＰ（Ｌ，Ｍ）における階調値（輝度値）がそれぞれ記憶されている。この結果から、各検査波長（照明波長）を使用した場合の検査ポイントＣＰにおける瞳面上の任意のエリアＰ（Ｌ，Ｍ）の階調値とＣＤ−ＳＥＭ値との相関係数１００ｆ（ＣＲ（Ｌ，Ｍ），ＣＧ（Ｌ，Ｍ），ＣＢ（Ｌ，Ｍ））がそれぞれ求められる。

この相関係数は、各検査ポイントＣＰ（Ｎｏ.１〜Ｎｏ．ｎ）について、そのポイントで得られた瞳像を各エリアＰ（０，０）〜Ｐ（Ｎ，Ｎ）における各検査波長の相関係数ＣＲ（Ｌ，Ｍ），ＣＧ（Ｌ，Ｍ），ＣＢ（Ｌ，Ｍ）として求められ、記憶部２４の相関関数テーブル１０１に記憶される。この相関関数テーブル１０１は、図５（ｂ）のようなデータ構造を有しており、瞳像上のエリアカラム１０１ａには、そのポイントＣＰで得られた瞳像ＰＩ上のエリアＰ（０，０）〜Ｐ（Ｎ，Ｎ）が設定され、そのエリアＰでの検査波長Ｒにおける階調値（輝度値）の相関係数が階調値Ｒカラム１０１ｂに記憶される。同様に、検査波長Ｇ，Ｂにおける階調値Ｇ，Ｂの相関係数がそれぞれ階調値Ｇカラム１０１ｃ、階調値Ｂカラム１０１ｅに記憶される。

ここで、各検査波長において、瞳面に結像する回折像の位置が変わるので、瞳像ＰＩをどのように分割するかは、波長毎に調整することが好ましい。以上より、図５（ｂ）のように求めた各波長における相関係数から得られる相関値が最大となる瞳面のエリアＰ（Ｘｆ，Ｙｆ）を最適位置として決定する。

次に、相関が最大となる瞳像ＰＩのエリアＰ（Ｘｆ，Ｙｆ）における階調値と、ＣＤ−ＳＥＭ値との関係を図６に示すようにグラフ化し、ＣＤ−ＳＥＭにより測定されたテストウェハのＣＤ−ＳＥＭ値における許容範囲から、本欠陥検査装置２０で測定される瞳像の最適位置における階調値における許容範囲を決定する。なお、図６は、ウェハ１０に形成された検査パターンがホールパターンであるときの検査例であり、ＣＤ−ＳＥＭ値と階調値とは２次関数で近似される。

以上のような構成とすると、検査対象のウェハ１０をステージ１１上に載置して第１撮像素子１７で瞳像ＰＩを撮像し、検出部２３において、この瞳像ＰＩにおける最適位置の階調値（輝度値）を算出し、上述の許容範囲にあるか否かを検査することにより、許容範囲内にあるときは検査対象のウェハ１０に形成された繰り返しパターンが良品であると判定し、許容範囲外にあるときは不良品であるかと判定することができる。

なお、ここで、瞳像ＰＩに形成された回折像４０の階調値（強度）が飽和しないように光源１の光量を調整することが好ましい。これは、０次から高次の回折光となるに従い、回折光は弱くなり、それに伴い高次の回折像の階調値（輝度値）は低くなっていくため、例えば、０次の回折光に光源１の光量を合わせると高次の回折光が弱いため回折像の階調値が低すぎて、測定することができなくなってしまい、反対に、高次の回折光に光源１の光量を合わせると、０次の回折光が強く、回折像の階調値（輝度値）は飽和してしまい測定することができなくなってしまうからである。このため、最適位置Ｐ（Ｘｆ，Ｙｆ）に応じて、何次の回折光による回折像を使用して検査を行うかにより、光源１の光量を調整して設定することが好ましい。

このように、第１撮像素子１７で撮像された瞳面の画像において、輝度値を求めるのに最適な位置を決定し、その位置における輝度値で欠陥を検出することにより、ウェハ１０の欠陥検出を短時間で効率良く行うことができる。この最適位置は、基準となる測定手段、例えば、ＣＤ−ＳＥＭによる測定で求められたテストウェハの測定値と、第１撮像素子１７で撮像したテストウェハの瞳像内の複数のエリアにおける輝度値との相関から相関が高い位置（エリア）となっているので、更に、効率良く欠陥検査が可能であり、良否判定を短時間で行うことができる。

以上の欠陥検査装置２０においては、照度均一化ユニット３は、光源１から放射されウェハ１０に照射される照明光の波長を選択する干渉フィルタを含んで構成されている場合を示しているが、この干渉フィルタを含まないものとして構成してもよい。また、例えば、第１撮像素子１７と第２視野絞り１６の間に光路分割素子やカラーフィルターなどを配置、かつ、第１撮像素子１７を複数の撮像素子で構成すると、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長域毎に分けて瞳像を観察することができるようになる。

さらに、上述では、光源１からの光に対し偏光処理を特に行わない場合の欠陥検査について説明したが、ウェハ１０に照射される照明光としてＳ偏光成分の光のみ、または、Ｐ偏光成分の光のみを使用して検査を行ってもよい。つまり、着脱可能な偏光子７を有しているので、照明光を直線偏光に揃えることも可能である。図７は、光源１からの光に対し、偏光子７を回転させて、ウェハ１０に形成されたパターン１０′の周期Ｐの方向に対してＰ偏光で入射する場合（入射光ＬＰ）を示しており、図８は、偏光子７を回転させて、ウェハ１０に形成されたパターン１０′の周期Ｐの方向に対してＳ偏光で入射する場合（入射光ＬＳ）を示している。図７の入射光ＬＰに垂直に交わる両端矢印は直線偏光の振動方向ＰＰを表しており、図８の入射光ＬＳに対し、垂直に交わり奥から手前に向かうように示されていのは、直線偏光の振動方向ＰＳである。このように、各偏光成分の光のみを使って検査を行うと、ウェハ１０の表面に形成されているパターン１０′の更に下側（下地）の影響（ノイズ）を除去することができる。つまり、偏光成分により、下地の影響によるノイズ成分によって、反射の特性が異なるので、これを利用して、下地の影響を除去するような欠陥検査装置および方法とすることもできる。

本実施例では、基準となる測定手段により測定されたテストウェハの測定値と、第１撮像素子１７で撮像されたテストウェハによる対物レンズの瞳面の像内の複数の位置の各々における輝度値との相関を求め、相関が高い対物レンズの瞳面の像内の位置の輝度値を計測に用いているが、照明の入射角と偏光成分をパラメータとし、パターンの寸法形状変化と瞳内の階調変化との相関が最も高くなる最適な瞳内の位置を、予めベクトル解析シミュレーションにより求めておき、本実施形態による第１撮像素子１７で撮像したテストウェハの瞳像内の複数のエリアにおける輝度値との相関から相関が高い位置（エリア）を短時間で設定可能であることは言うまでもない。

１ 光源 ４ 開口絞り ４ａ 開口部 ９ 対物レンズ
１０ ウェハ（基板） ２０ 欠陥検査装置
２２ 検出光学系 ２３ 検出部 ２４ 記憶部

Claims (14)

1. 繰り返しパターンが形成された基板の欠陥を検査する欠陥検査装置であって、
   対物レンズを含み、前記対物レンズを介して前記基板に形成された繰り返しパターンに光源からの光を照射する照明光学系と、
   前記繰り返しパターンに起因して生じた複数次数の回折光による、前記対物レンズの瞳面の像を検出する検出光学系と、
   得られた前記瞳像から前記基板の繰り返しパターンの欠陥を検出する検出部と、
   を有することを特徴とする欠陥検査装置。
2. 前記検出部は、前記瞳面の像の輝度値を求め、当該輝度値により前記基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成された請求項１に記載の欠陥検査装置。
3. 良品試料による前記瞳面の像の輝度値を予め計測して基準値として記憶する記憶部を有し、
   前記検出部は、前記記憶部から前記基準値を読み出し、当該基準値と、前記瞳面の像から求められた前記輝度値と、を比較して、前記基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成された請求項２に記載の欠陥検査装置。
4. 前記検出部は、前記瞳面の像から、前記輝度値を求めるための最適位置を決定し、当該最適位置における前記輝度値により前記基板の繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成された請求項２に記載の欠陥検査装置。
5. 前記最適位置は、前記複数次数の回折光による瞳像のうちのいずれかの次数の回折光による瞳像領域であり、前記いずれかの次数の回折光による瞳像領域は、基準となる測定手段による、良否の程度が異なる繰り返しパターンが複数形成された評価用基板の測定値と、前記評価用基板による前記複数次数の回折光による瞳像の前記輝度値との相関を前記次数ごとに求め、当該相関が高い前記次数の回折光による瞳像領域を決定する請求項４に記載の欠陥検査装置。
6. 前記照明光学系は、前記基板に形成された繰り返しパターンに照射される前記光源からの光の波長域を選択する波長選択部を有する請求項１〜５いずれか一項に記載の欠陥検査装置。
7. 前記照明光学系は、前記基板に形成された繰り返しパターンに照射される前記光源からの光を所定の直線偏光状態に揃える偏光子を有する請求項１〜６いずれか一項に記載の欠陥検査装置。
8. 前記照明光学系は、前記瞳面と共役な位置に開口絞りを有し、
   前記開口絞りの開口部は、前記照明光学系の光軸と直交する面内で位置及び開口径を変化させることができるように構成された請求項１〜７いずれか一項に記載の欠陥検査装置。
9. 前記照明光学系は、前記瞳面と共役な位置に開口絞りを有し、
   前記開口絞りの開口部の、前記照明光学系の光軸と前記開口部とを結ぶ直線方向の長さをＲａとし、前記開口絞り及び前記対物レンズの前記瞳間の結像倍率をβとし、前記基板に形成された繰り返しパターンに照射される前記光の波長をλとし、前記繰り返しパターンの周期をＰとし、前記対物レンズの焦点距離をｆとしたとき、次式
   Ｒａ ≦ ｜β｜×ｆ×λ／Ｐ
   の条件を満足するように構成された請求項１〜８いずれか一項に記載の欠陥検査装置。
10. 繰り返しパターンが形成された基板の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、
    対物レンズを介して前記基板に形成された繰り返しパターンに光源からの光を照射する照明工程と、
    前記繰り返しパターンに起因して生じた複数次数の回折光による、前記対物レンズの瞳面の像を検出する撮像工程と、
    得られた前記瞳像から前記基板の繰り返しパターンの欠陥を検出する検出工程と、
    を有することを特徴とする欠陥検査方法。
11. 前記検出工程は、前記瞳面の像の輝度値を求め、当該輝度値により前記基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成された請求項１０に記載の欠陥検査方法。
12. 前記検出工程は、良品試料による前記瞳面の像の輝度値を基準値として予め計測しておき、当該基準値と、前記撮像工程で得られた前記瞳面の像から求められた前記輝度値と、を比較して、前記基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成された請求項１１に記載の欠陥検査方法。
13. 前記検出工程は、前記撮像工程で得られた前記瞳面の像から、前記輝度値を求めるための最適位置を決定し、当該最適位置における前記輝度値により前記基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を検出するように構成された請求項１１に記載の欠陥検査方法。
14. 前記最適位置は、前記複数次数の回折光による瞳像のうちのいずれかの次数の回折光による瞳像領域であり、前記いずれかの次数の回折光による瞳像領域は、基準となる測定手段による、良否の程度が異なる繰り返しパターンが複数形成された評価用基板の測定値と、前記評価用基板による前記複数次数の回折光による瞳像の前記輝度値との相関を前記次数ごとに求め、当該相関が高い前記次数の回折光による瞳像領域を決定する請求項１３に記載の欠陥検査方法。

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