KR101787765B1 - 평가 장치 및 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

평가 장치(1)에 있어서, 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도±3도의 경사 각도가 되도록 검광자(42)를 회전시켜서, 각각의 조건으로 촬상 카메라(44)가 웨이퍼(10)의 정반사 이미지를 촬상하고, 화상 처리부(50)는 촬상 카메라(44)에 의해 촬상된 2장의 웨이퍼(10)의 화상에 기초해서, 반복 패턴의 형상을 평가하여 도즈 불량 및 포커스 불량을 검출하게 되어 있다.

Description

평가 장치 및 평가 방법{EVALUATION DEVICE AND EVALUATION METHOD}
본 발명은 반도체 웨이퍼나 액정 기판 등의 표면에 형성된 패턴을 평가하는 평가 장치 및 평가 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼의 표면에 형성된 패턴의 양부(良否)를 판단하는 방법으로서, 주사형 전자 현미경(SEM)에 의한 관찰에 의해, 단면 형상을 계측하는 방법이 여러가지 제안되어 있다. SEM에 의한 단면 형상의 계측은 피검기판 상의 패턴에 조사한 전자선을 패턴의 단면 방향으로 주사하고, 패턴으로부터의 반사 전자나 2차 전자를 검출, 해석하여, 주사한 부분의 단면 형상을 구하는 방법으로 행해진다. 상기 조작을 패턴 상의 몇개의 점에서 행해서, 패턴 전체의 형상의 양부를 판단한다.
또한, 패턴의 단면 형상으로부터 패턴을 형성한 노광 프로세스나 에칭의 프로세스에 문제가 없는지 여부나, 적절한 프로세스 조건이 선택되고 있는지에 대한 판단도 이루어진다. 예컨대 노광 프로세스에 대해서는 노광 조건과 패턴의 단면 형상과의 상관 관계를 미리 구해두고, 검사한 패턴의 단면 형상으로부터 노광 장치의 노광 조건의 수정 여부를 판단하고, 수정이 필요한 경우에는 상술한 상관 관계에 따라서 적절한 노광 조건을 구하고 있다. 또한, 에칭의 프로세스에 있어서는, 가스 종류, 가스압, 가속 전압 등의 조건과, 패턴의 단면 형상의 상관 관계를 미리 구해두고, 같은 조건하에서 행해진다.
상술한 바와 같이 SEM에 의한 계측 방법은 패턴 상에 전자선을 조사하여 주사하는 작업을 몇 번이나 반복해서 행하기 때문에, 패턴의 형상을 구하는 데 방대한 시간을 요하고 있다. 또한 관찰 배율이 높기 때문에, 웨이퍼 상의 모든 패턴 형상을 구하는 것은 곤란하고, 몇개의 점을 샘플링해서 웨이퍼 전체의 양부를 판단한다. 그 결과, 샘플링된 패턴 이외의 부분에 결함이 있어도 놓쳐 버린다. 또한, 레지스트 패턴에서는, 전자선을 조사하면 가속 전압에 의해서 전자선이 레지스트에 흡수, 차지되어 패턴의 감소가 일어난다. 경우에 따라서는 방전이 발생하여 패턴이 붕괴되 버려서, 그 후의 공정에 문제가 생기기 때문에, 가속 전압이나 관찰 배율을 여러가지로 바꾸면서 알맞은 관찰 조건도 구한다. 이 때문에, 계측에 시간이 더 필요하다.
SEM에 의한 단면 형상의 계측에서는, 이러한 간과에 의해서 노광 장치나 에처(etcher)의 불량을 충분히 파악할 수 없다는 문제가 생긴다. 또한, 계측에 방대한 시간을 요하기 때문에, 계측 결과에 의해서 획득한 노광 장치나 에처의 불량을 신속하게 이들 장치에 반영할 수 없다는 문제도 생긴다. 또한, 노광 장치의 불량해석으로서, 도즈 불량(노광량 불량)과 포커스 불량의 판별이 실제 패턴에서는 불가능하다는 문제가 있다. SEM 계측에 있어서는, 라인의 폭(CD 값)은 구할 수 있지만, 단면 형상은 계측할 수 없기 때문에, 웨이퍼를 나누어서 계측하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 레지스트 패턴, 에칭 후의 패턴에 관계없이, 피검기판 상의 패턴 형상의 양부를 단시간에 판별할 수 있는 표면 검사 장치 및 표면 검사 방법이 고안되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조). 이 표면 검사 장치는, 피검기판에 형성된 주기성을 갖는 레지스트 패턴의 반복 방향에 대해 직선 편광의 진동 방향을 비스듬하게 설정하여 조명하고, 피검기판로부터의 정반사광 중, 조명하는 직선 편광의 진동면에 수직인 진동면을 갖는 편광 성분을 추출하기 위해서 검상(檢像) 형성 수단을 이용해서 촬상함으로써 피검기판 상의 패턴 형상의 양부를 단시간에 처리 가능하게 하고 있다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 제 2006-135211호 공보
그러나 상술한 바와 같이 방법에 있어서도, 도즈 불량과 포커스 불량은 판별할 수 없어서, 패턴의 이상의 원인을 특정할 수 없었다.
본 발명은 이러한 문제를 감안해서 이루어진 것으로, 반복 패턴의 이상의 원인을 특정하는 것이 가능한 평가 장치 및 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 평가 장치는 소정의 반복 패턴을 갖는 기판의 표면에 직선 편광을 조사하는 조명부와, 상기 직선 편광이 조사된 상기 반복 패턴으로부터의 정반사광 중 상기 직선 편광과 진동 방향이 다른 편광 성분을 추출하는 검광자와, 상기 검광자에 의해 추출된 상기 편광 성분에 기초한 상기 기판의 정반사 이미지를 촬상하는 촬상부와, 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 편광 성분의 진동 방향 사이의 각도 조건, 또는 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 반복 패턴의 반복 방향 사이의 각도 조건을 설정하는 설정부와, 상기 촬상부에 의해 촬상된 상기 정반사 이미지의 화상에 기초해서, 상기 반복 패턴의 상태를 평가하는 평가부를 구비하고, 상기 촬상부는 상기 설정부에 의해 설정된, 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 편광 성분의 진동 방향 사이의 복수의 각도 조건, 또는 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 반복 패턴의 반복 방향 사이의 복수의 각도 조건에 있어서 얻어지는 상기 정반사 이미지를 각각 촬상하고, 상기 평가부는 상기 촬상부에 의해 촬상된 복수의 상기 정반사 이미지의 화상에 기초해서, 상기 반복 패턴의 상태를 평가하게 되어 있다.
한편, 상술한 평가 장치에 있어서, 상기 설정부는 상기 직선 편광의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향과 상기 정반사광의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 상기 편광 성분의 진동 방향이 이루는 각도를, 90도±소정 각도인 2개의 각도 조건이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 평가 장치에 있어서, 상기 설정부는 상기 기판의 표면에서의 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 반복 패턴의 반복 방향이 이루는 각도를, 서로 90도만큼 다른 2개의 각도 조건이 되도록 설정하도록 할 수도 있다.
또한, 상술한 평가 장치에 있어서, 상기 반복 패턴은 노광 장치를 이용해서 형성되어 있고, 상기 촬상부는 상기 설정부에 의해 설정된, 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 편광 성분의 진동 방향 사이의 2개의 각도 조건, 또는 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 반복 패턴의 반복 방향 사이의 2개의 각도 조건에 있어서 얻어지는 상기 정반사 이미지를 각각 촬상하고, 상기 평가부는 상기 촬상부에 의해 촬상된 2개의 상기 정반사 이미지의 화상에 있어서의 신호 강도의 차분에 기초해서, 상기 노광 장치에 있어서의 노광량의 변화에 기인한 상기 반복 패턴의 상태 변화를 검출하고, 상기 2개의 상기 정반사 이미지의 화상에 있어서의 신호 강도의 평균에 기초해서, 상기 노광 장치에 있어서의 포커스의 변화에 기인한 상기 반복 패턴의 상태 변화를 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 평가 장치에 있어서, 상기 반복 패턴이 정상인 경우에 상기 복수의 상기 정반사 이미지의 화상에 있어서의 상기 반복 패턴의 밝기가 각각 같아지도록, 상기 조명부가 상기 직선 편광을 조사하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 평가 방법은 소정의 반복 패턴을 갖는 기판의 표면에 직선 편광을 조사함과 아울러, 상기 직선 편광이 조사된 상기 반복 패턴으로부터의 정반사광 중 상기 직선 편광과 진동 방향이 다른 편광 성분을 추출하고, 상기 추출한 편광 성분에 기초한 상기 기판의 정반사 이미지를 촬상하여 상기 반복 패턴의 상태를 평가하는 평가 방법으로서, 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 편광 성분의 진동 방향 사이의 각도 조건, 또는 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 반복 패턴의 반복 방향 사이의 각도 조건을 설정하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계에서 설정한, 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 편광 성분의 진동 방향 사이의 복수의 각도 조건, 또는 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 반복 패턴의 반복 방향 사이의 복수의 각도 조건에 있어서, 상기 기판의 표면에 상기 직선 편광을 조사하는 제 2 단계와, 상기 복수의 각도 조건에 있어서, 상기 직선 편광이 조사된 상기 반복 패턴으로부터의 정반사광 중 상기 직선 편광과 진동 방향이 다른 편광 성분을 추출하는 제 3 단계와, 상기 복수의 각도 조건에 있어서, 상기 제 3 단계에서 추출한 상기 편광 성분에 기초한 상기 기판의 정반사 이미지를 촬상하는 제 4 단계와, 상기 복수의 각도 조건에 있어서, 상기 제 4 단계에서 각각 촬상한 복수의 상기 정반사 이미지의 화상에 기초해서, 상기 반복 패턴의 상태를 평가하는 제 5 단계를 갖고 있다.
한편, 상술한 평가 방법에 있어서, 상기 제 1 단계에서는, 상기 직선 편광의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향과 상기 정반사광의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 상기 편광 성분의 진동 방향이 이루는 각도를, 90도±소정 각도인 2개의 각도 조건이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 평가 방법에 있어서, 상기 제 1 단계에서는, 상기 기판의 표면에서의 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 반복 패턴의 반복 방향이 이루는 각도를, 서로 90도만큼 다른 2개의 각도 조건이 되도록 설정할 수도 있다.
또한, 상술한 평가 방법에 있어서, 상기 반복 패턴은 노광 장치를 이용해서 형성되어 있고, 상기 제 2 단계에서는, 상기 제 1 단계에서 설정한, 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 편광 성분의 진동 방향 사이의 2개의 각도 조건, 또는 상기 직선 편광의 진동 방향과 상기 반복 패턴의 반복 방향 사이의 2개의 각도 조건에 있어서, 상기 기판의 표면에 상기 직선 편광을 조사하고, 상기 제 3 단계에서는 상기 2개의 각도 조건에 있어서, 상기 직선 편광이 조사된 상기 반복 패턴으로부터의 정반사광 중, 상기 직선 편광과 진동 방향이 다른 편광 성분을 추출하며, 상기 제 4 단계에서는, 상기 2개의 각도 조건에 있어서, 상기 제 3 단계에서 추출한 상기 편광 성분에 기초한 상기 기판의 정반사 이미지를 촬상하고, 상기 제 5 단계에서는 상기 제 4 단계에서 각각 촬상한 2개의 상기 정반사 이미지의 화상에 있어서의 신호 강도의 차분에 기초해서, 상기 노광 장치에 있어서의 노광량의 변화에 기인한 상기 반복 패턴의 상태 변화를 검출하고, 상기 2개의 상기 정반사 이미지의 화상에 있어서의 신호 강도의 평균에 기초해서, 상기 노광 장치에 있어서의 포커스의 변화에 기인한 상기 반복 패턴의 상태 변화를 검출하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 평가 방법에 있어서, 상기 제 2 단계에서는, 상기 반복 패턴이 정상인 경우에 상기 복수의 상기 정반사 이미지의 화상에 있어서의 상기 반복 패턴의 밝기가 각각 같아지도록, 상기 직선 편광을 조사하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 반복 패턴의 이상의 원인을 추정할 수 있다.
도 1은 평가 장치의 전체 구성을 나타내는 도면,
도 2는 반도체 웨이퍼의 표면의 외관도,
도 3은 반복 패턴의 요철 구조를 설명하는 사시도,
도 4는 직선 편광의 입사면과 반복 패턴의 반복 방향의 기울어짐 상태를 설명하는 도면,
도 5는 직선 편광의 진동면의 방향과 반복 패턴의 반복 방향의 기울어짐 상태를 설명하는 도면,
도 6은 레시피 작성 방법을 나타내는 흐름도,
도 7은 패턴의 평가 방법을 나타내는 흐름도,
도 8(a)는 도즈 휘도 변화와 선폭 변화의 관계를 나타내는 그래프이고, (b)는 도즈 휘도 변화와 노광 에너지량의 관계를 나타내는 그래프,
도 9(a) 및 (b)는 조건 할당 웨이퍼의 각 쇼트로부터 반사된 타원 편광의 편광 상태를 나타내는 도면이고, (c)는 직선 편광의 편광 상태를 나타내는 도면,
도 10은 차분 화상에 있어서의 쇼트마다의 평균 휘도와 도즈량 변화의 관계를 나타내는 도면,
도 11은 평균 화상에 있어서의 쇼트마다의 평균 휘도와 포커스 변화의 관계를 나타내는 도면,
도 12는 선폭 변화와 도즈량 변화의 관계를 나타내는 그래프,
도 13은 LER와 포커스 변화의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다. 본 실시예의 평가 장치(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 반도체 웨이퍼(10)(이하, 웨이퍼(10)라 함)를 지지하는 스테이지(20)와, 얼라인먼트계(25)와, 조명계(30)와, 수광계(40)를 구비해서 구성되어 있다. 또한, 평가 장치(1)는 수광계(40)로 촬상된 화상의 화상 처리를 행하는 화상 처리부(50)와, 수광계(40)로 촬상된 화상이나 화상 처리부(50)에 의한 화상 처리 결과를 표시하는 모니터(55)를 구비하고 있다. 웨이퍼(10)는 노광 장치에 의한 최상층의 레지스트막으로의 노광·현상 후, 도시 생략한 반송계에 의해, 도시 생략한 웨이퍼 카세트 또는 현상 장치로부터 운반되어서, 스테이지(20)에 흡착 유지된다.
웨이퍼(10)의 표면에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 복수의 칩 영역(11)이 XY 방향으로 배열되고, 각 칩 영역 중에 소정의 반복 패턴(12)이 형성되어 있다. 반복 패턴(12)은 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 라인부(2A)가 그 짧은변 방향(X 방향)을 따라서 일정한 피치 P로 배열된 레지스트 패턴(예컨대, 배선 패턴)이다. 이웃하는 라인부(2A)끼리의 사이는, 스페이스부(2B)이다. 한편, 라인부(2A)의 배열 방향(X 방향)을 「반복 패턴(12)의 반복 방향」이라고 한다.
여기서, 반복 패턴(12)에 있어서의 라인부(2A)의 선폭(DA)의 설계값을 피치 P의 1/2로 한다. 설계값과 같이 반복 패턴(12)이 형성된 경우, 라인부(2A)의 선폭(DA)과 스페이스부(2B)의 선폭(DB)은 같아지고, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)의 체적비는 대략 1:1이 된다. 이에 비해서, 반복 패턴(12)을 형성할 때의 노광 도즈량이 적정값으로부터 벗어나면, 피치 P는 변하지 않지만, 라인부(2A)의 선폭(DA)이 설계값과 달라져 버림과 아울러, 스페이스부(2B)의 선폭(DB)과도 달라져 버려서, 라인부(2A)와 스페이스부(2B)의 체적비가 대략 1:1에서 벗어난다.
본 실시예의 평가 장치(1)는, 상기와 같은 반복 패턴(12)에 있어서의 라인부(2A)와 스페이스부(2B)의 체적비의 변화를 이용해서, 반복 패턴(12)의 형상 평가를 행하는 것이다. 설명을 간단하게 하기 위해서, 이상적인 체적비(설계값)를 1:1로 한다. 체적비의 변화는, 노광 도즈량의 적정 상태로부터의 벗어남에 기인해서, 웨이퍼(10)의 쇼트 영역마다 나타난다. 한편, 체적비를 단면 형상의 면적비라고 바꿔말할 수도 있다.
또한, 본 실시예에 있어서는, 반복 패턴(12)에 대한 조명광(후술함)의 파장에 비해서 반복 패턴(12)의 피치 P가 충분히 작은 것으로 한다. 예컨대, 하프피치 70nm의 패턴에 H선(파장 λ=405nm)의 조명광을 이용하면, 피치는 조명광의 파장의 1/2 이하이며 회절광이 발생하는 일은 없다. 이와 같이, 반복 패턴(12)으로부터 회절광이 발생하는 일이 없고, 반복 패턴(12)의 형상 평가를 회절광에 의해 행하는 것은 불가능하다.
평가 장치(1)의 스테이지(20)는, 웨이퍼(10)를 상면에서 지지하고, 예컨대 진공 흡착에 의해 고정 유지한다. 또한, 스테이지(20)는, 상면의 중심에서의 법선(A1)을 중심축으로 해서 회전 가능하다. 이 회전 기구에 의해서, 웨이퍼(10)에 있어서의 반복 패턴(12)의 반복 방향(도 2 및 도 3에 있어서의 X 방향)을, 웨이퍼(10)의 표면 내에서 회전시킬 수 있다. 한편, 스테이지(20)는 상면이 수평면으로, 웨이퍼(10)를 항상 수평인 상태로 유지할 수 있다.
얼라인먼트계(25)는, 스테이지(20)가 회전하고 있을 때에, 웨이퍼(10)의 바깥 가장자리부를 조명하고, 바깥 가장자리부에 마련된 외형 기준(예컨대, 노치)의 회전 방향의 위치를 검출하고, 소정 위치에서 스테이지(20)를 정지시킨다. 그 결과, 웨이퍼(10)에 있어서의 반복 패턴(12)의 반복 방향(도 2 및 도 3에 있어서의 X 방향)을, 후술하는 조명광의 입사면 A2(도 4를 참조)에 대해, 45도의 각도로 기울여서 설정할 수 있다. 한편, 각도는 45도로 한정되지 않고, 22.5도나 67.5도 등 임의 각도 방향으로 설정 가능하다.
조명계(30)는, 광원(31)과, 편광자(32)와, 조명 렌즈(33)를 갖고 구성된 편심 광학계로, 스테이지(20) 상의 웨이퍼(10)의 반복 패턴(12)을 직선 편광(L1)(제 1 직선 편광)에 의해 조명한다. 이 직선 편광(L1)이, 반복 패턴(12)에 대한 조명광이다. 직선 편광(L1)은 웨이퍼(10)의 표면 전체에 조사된다.
직선 편광(L1)의 진행 방향(웨이퍼(10) 표면 상의 임의의 점에 도달하는 직선 편광(L1)의 주 광선의 방향)은 스테이지(20)의 중심을 지나서, 스테이지(20)의 법선(A1)에 대해서 소정의 각도 θ만큼 기울어져 있다. 덧붙여서, 직선 편광(L1)의 진행 방향을 포함해서, 스테이지(20)의 법선(A1)에 평행한 평면이, 직선 편광(L1)의 입사면이다. 도 4의 입사면(A2)은 웨이퍼(10)의 중심에서의 입사면이다.
또한, 본 실시예에서는, 직선 편광(L1)이 p편광이다. 직선 편광(L1)의 진동면은 편광자(32)의 투과축에 의해 규정된다.
한편, 조명계(30)의 광원(31)은 저렴한 방전 광원 또는 LED이다. 편광자(32)는 광원(31)의 사출단 근방에 배치되고, 그 투과축이 소정의 방향으로 설정되며, 투과축에 따라서 광원(31)으로부터의 광을 직선 편광(L1)으로 한다. 조명 렌즈(33)는, 광원(31)의 사출단과 대략 일치하고, 후측 초점이 웨이퍼(10)의 표면과 대략 일치하도록 배치되며, 편광자(32)로부터의 광을 웨이퍼(10)의 표면으로 유도한다. 즉 조명계(30)는 웨이퍼(10)측에 대해서 텔레센트릭한 광학계이다.
상기 조명계(30)에 있어서, 광원(31)으로부터의 광은 편광자(32) 및 조명 렌즈(33)를 거쳐서 p편광의 직선 편광(L1)이 되어서, 웨이퍼(10)의 표면 전체에 입사한다. 웨이퍼(10)의 각 점에서의 직선 편광(L1)의 입사 각도는, 평행 광속이기 때문에 서로 같으며, 광축과 법선(A1)이 이루는 각도 θ에 상당한다.
본 실시예에서는, 웨이퍼(10)에 입사하는 직선 편광(L1)이 p편광이기 때문에, 도 4에 나타낸 바와 같이, 반복 패턴(12)의 반복 방향(X 방향)이 직선 편광(L1)의 입사면(A2)(웨이퍼(10)의 표면에서의 직선 편광(L1)의 진행 방향)에 대해서 45도의 각도로 설정된 경우, 웨이퍼(10)의 표면에서의 직선 편광(L1)의 진동면의 방향(도 5에 있어서의 V 방향)과 반복 패턴(12)의 반복 방향(X 방향)이 이루는 각도도, 45도로 설정된다.
환언하면, 직선 편광(L1)은 웨이퍼(10)의 표면에서의 직선 편광(L1)의 진동면의 방향(도 5에 있어서의 V 방향)이 반복 패턴(12)의 반복 방향(X 방향)에 대해서 45도 기울어진 상태로, 반복 패턴(12)을 비스듬하게 가로 지르도록 해서 반복 패턴(12)에 입사한다.
이러한 직선 편광(L1)과 반복 패턴(12)의 각도 상태는, 웨이퍼(10)의 표면 전체에서 균일하다. 한편, 도 5의 진동면의 방향(V 방향)과 반복 방향(X 방향)이 이루는 각도를 45도로 설정하는 것은 반복 패턴(12)에 의한 편광 상태의 변화를 최대로 하기 위해서다.
그리고, 상기 직선 편광(L1)을 이용해서 반복 패턴(12)을 조명하면, 반복 패턴(12)으로부터 정반사 방향으로 타원 편광(L2)이 발생한다. 이 경우, 타원 편광(L2)의 진행 방향이 정반사 방향에 일치한다. 정반사 방향이란, 직선 편광(L1)의 입사면(A2) 내에 포함되고, 스테이지(20)의 법선(A1)에 대해서 입사 방향과는 반대측으로 각도 θ(직선 편광(L1)의 입사 각도 θ와 같은 각도)만큼 기운 방향이다. 한편, 상술한 바와 같이, 반복 패턴(12)의 피치 P가 조명 파장에 비교해서 충분히 짧기 때문에, 반복 패턴(12)으로부터 회절광이 발생하는 일은 없다.
그런데, 수광계(40)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 수광 렌즈(41)와, 검광자(42)와, 회전 구동 장치(43)와, 촬상 카메라(44)를 갖고 구성되고, 그 광축이 스테이지(20)의 중심을 지나며, 또한 스테이지(20)의 법선(A1)에 대해서 각도 θ만큼 기울어지도록 배열 설치된다. 수광 렌즈(41)는 타원 편광(L2)을 촬상 카메라(44)의 촬상면에 집광한다.
검광자(42)는 회전 구동 장치(43)를 이용해서 수광계(40)의 광축을 중심으로 투과축의 방위(편광 방향)를 회전 가능하게 구성되어 있고, 검광자(42)의 투과축의 방위는, 상술한 편광자(32)의 투과축으로 대해서 90도 전후의 경사 각도로 기울어지도록 설정된다. 즉, 크로스 니콜 상태를 의도적으로 흩뜨리는 것을 가능하게 하고 있다. 그리고, 타원 편광(L2)이 검광자(42)를 투과하면, 웨이퍼(10) 표면에서의 정반사광인 타원 편광(L2) 중, 직선 편광(L1)의 진동 방향에 대해 진동 방향이 대략 직각인 편광 성분인 제 2 직선 편광(L3)이 촬상 카메라(44)의 촬상면에 집광된다. 그 결과, 촬상 카메라(44)의 촬상면에는, 제 2 직선 편광(L3)에 의한 웨이퍼(10)의 정반사 이미지가 형성된다.
촬상 카메라(44)는, 도시 생략한 CCD 촬상 소자를 갖는 CCD 카메라로, 촬상면에 형성된 웨이퍼(10)의 정반사 이미지를 광전 변환하여, 화상 신호를 화상 처리부(50)에 출력한다. 웨이퍼(10)의 정반사 이미지의 명암은 직선 편광(L3)의 광강도에 대략 비례하며, 반복 패턴(12)의 형상에 따라 변화된다. 웨이퍼(10)의 정반사 이미지가 가장 밝아지는 것은 반복 패턴(12)이 이상적인 형상의 경우이다. 한편, 웨이퍼(10)의 정반사 이미지의 명암은 쇼트 영역마다 나타난다.
화상 처리부(50)는, 촬상 카메라(44)로부터 입력된 웨이퍼(10)의 화상 신호에 기초해서, 웨이퍼(10)(정반사 이미지)의 화상을 소정의 비트(예컨대 8비트)의 디지털 화상으로 변환한다. 또한, 화상 처리부(50)는, 웨이퍼(10)의 화상에 소정의 화상 처리를 행하여, 반복 패턴(12)의 형상을 평가한다. 그리고, 화상 처리부(50)에 의한 반복 패턴(12)의 평가 결과 및, 그 때의 웨이퍼(10)의 화상이 모니터(55)에서 출력 표시된다.
본 실시예의 평가 장치(1)를 이용한 반복 패턴(12)의 평가 방법에 대해서, 도 6 및 도 7에 나타내는 흐름도를 참조하면서 설명한다. 우선, 반복 패턴(12)을 평가하기 전에, 레시피 작성 작업을 실시한다(도 6 참조). 이것은 반복 패턴(12)의 평가에 있어서, 최적의 평가를 실시하기 위한 조건을 결정할 필요가 있기 때문이다. 그래서 우선, 미리 노광기의 포커스량(적정 합초(合焦) 상태로부터의 합초 위치의 어긋남량) 및 도즈량(노광량)을 쇼트마다 할당한(변화시킨) 조건으로 노광하고, 현상한 웨이퍼를 스테이지(20)로 반송한다(스텝 S101).
이러한 조건 할당 웨이퍼(도시 생략)는, 기준이 되는 최적의 포커스량 및 도즈량에 의한 베스트 쇼트(양품 쇼트)가 존재하도록 작성한다. 이 때, 조건 할당 웨이퍼에 한하지 않고, 부작위(不作爲)에 의한 결함이 존재하는 웨이퍼여도 된다. 조건 할당 웨이퍼의 반송 후, 반복 패턴의 반복 방향이 조명 방향(웨이퍼(10)의 표면에서의 직선 편광(L1)의 진행 방향)에 대해 45도만큼 기울어지도록 얼라인먼트를 행한다. 한편, 얼라인먼트의 각도는 45도에 한하지 않고, 67.5도 또는 22.5도여도 된다.
상술한 바와 같이, 검광자(42)는 회전 구동 장치(43)를 이용해서 투과축의 방위(편광 방향)을 회전 가능하게 구성되어 있고, 조건 할당 웨이퍼(도시 생략)의 반송 및 얼라인먼트을 행한 후, 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축으로 대해 90도+3도(93도)의 경사 각도가 되도록 검광자(42)를 회전시킨다(스텝 S102). 이 때, 직선 편광(L1)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향과, 제 2 직선 편광(L3)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향이 이루는 각도가 90도+3도(93도)로 설정된다.
다음으로 조건 할당 웨이퍼(도시 생략)의 표면에 직선 편광(L1)을 조사하고, 조건 할당 웨이퍼의 표면에서 반사한 정반사광(타원 편광(L2))을 검광자(42)를 통해서 촬상 카메라(44)로 검출하여 촬상한다(스텝 S103). 이 때, 광원(31)으로부터의 광이 편광자(32) 및 조명 렌즈(33)를 거쳐서 직선 편광(L1)이 되어, 조건 할당 웨이퍼의 표면에 조사된다. 그리고, 조건 할당 웨이퍼의 표면에서 반사한 정반사광(타원 편광(L2))이 수광 렌즈(41)에 의해 집광되고, 검광자(42)에서 제 2 직선 편광(L3)이 추출되어 촬상 카메라(44)의 촬상면 상에 결상되며, 촬상 카메라(44)는 촬상면 상에 형성된 제 2 직선 편광(L3)에 의한 조건 할당 웨이퍼의 정반사 이미지를 광전 변환하여 화상 신호를 생성하며, 화상 신호를 화상 처리부(50)로 출력한다.
제 2 직선 편광(L3)에 의한 조건 할당 웨이퍼의 화상 신호가 화상 처리부(50)에 입력되면, 화상 처리부(50)의 내부 메모리(도시 생략)에 기억된다(스텝 S104).
다음으로 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도±3도의 경사 각도가 되도록 검광자(42)를 회전시키고, 각각의 조건으로, 조건 할당 웨이퍼의 정반사 이미지를 촬상했는지 여부를 판정한다(스텝 S105). 판정이 아니오인 경우, 스텝 S106으로 진행하여, 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도-3도(87도)의 경사 각도가 되도록 검광자(42)를 회전시키고 나서, 스텝 S103의 촬상 및 스텝 S104의 화상 기억을 반복하고, 스텝 S105로 돌아간다. 이 때, 직선 편광(L1)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향과, 제 2 직선 편광(L3)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향이 이루는 각도가, 90도-3도(87도)로 설정된다.
또한 이 때, 촬상되는 기준 쇼트(베스트 양품 쇼트)부의 밝기는 검광자(42)의 상태에 관계없이 일정하게 할 필요가 있다. 이 때문에, 검광자(42)의 설정이 끝난 후에 초기값의 조명 강도로 웨이퍼를 촬상해서 화상 처리부(50)로 보내고, 화상 처리부(50)에서는 기준 쇼트(베스트 양품 쇼트)부의 휘도를 예컨대 256 계조로 구한다. 기준 쇼트(베스트 양품 쇼트)부의 휘도가 120 계조(256 계조 중에서)이면 그 조명 강도를 검광자(42)의 상태의 조명 강도로서 기억한다. 또한, 획득한 화상 중의 기준 쇼트(베스트 양품 쇼트)부의 휘도가 120 계조로 되어 있지 않는 경우에는, 조명 강도를 도시하지 않는 ND 필터 등으로 조정하여 기준 쇼트(베스트 양품 쇼트)부의 휘도가 120 계조가 되는 조건을 구하고, 획득한 조명 강도 조건을 검광자(42)의 상태에 대응시켜서 기억하고 있다. 이와 같이, 촬상한 화상으로부터 기준 쇼트(베스트 양품 쇼트) 위치의 휘도를 계산하여, 일정한 휘도가 되도록 매회 조명 광량을 조정하고 있다. 이로써, 기준 쇼트가, 동일 휘도값이며 검광자(42)의 투과축의 방위가 다른 2장의 화상이 기억된다.
한편, 스텝 S105에 있어서의 판정이 예인 경우, 스텝 S107로 진행하고, 조건 할당 웨이퍼(도시 생략)를 회수한다. 한편, 검광자(42)의 회전 각도 범위는, 큰 쪽이 불량 쇼트에서의 휘도 변화량이 큰 반면, 노이즈 성분(편광 변화량 이외)이 커지기 때문에, ±3도~±5도의 범위가 바람직하다.
조건 할당 웨이퍼를 회수하면, 화상 처리부(50)는, 이전 스텝에서 촬상 취득한 2장의 화상을 내부 메모리로부터 판독하고(스텝 S108), 판독한 2장의 화상에 있어서의 신호 강도의 차분 및 평균에 기초한 화상(이하, 차분 화상 및 평균 화상이라 한다)을 화상 처리에 의해 구한다(스텝 S109). 차분 화상을 구하기 위해서는, 2장의 화상에 있어서의 신호 강도의 차분을 화소 단위로 구하고, 화소 단위로 구한 차분값을 신호 강도로 해서 차분 화상을 생성한다. 평균 화상을 구하기 위해서는, 2장의 화상에 있어서의 신호 강도의 평균을 화소 단위로 구하고, 화소 단위로 구한 평균값을 신호 강도로 해서 평균 화상을 생성한다.
차분 화상 및 평균 화상을 구하면, 구한 차분 화상으로부터, 도즈량(노광량)을 변화시킨 쇼트마다 휘도(신호 강도)의 평균값(즉, 2장의 화상에 있어서의 신호 강도(휘도)의 차분의 평균값)을 산출하고, 도즈량의 변화에 기인한 라인부(2A)의 폭의 변화(이하, 선폭 변화라 한다)를 구하기 위한 계수 K를 구한다(스텝 S110). 여기서, 도즈량의 변화에 기인한 도즈 휘도 변화는, 2장의 화상에 있어서의 신호 강도(휘도)의 차분과 동등하며, 검광자(42)의 회전 각도 범위를 ±α라고 했을 때, 다음 (1) 식 또는 (2) 식과 같이 나타낼 수 있다.
도즈 휘도 변화=(+α의 화상의 휘도)-(-α의 화상의 휘도) … (1)
도즈 휘도 변화=(-α의 화상의 휘도)-(+α의 화상의 휘도) … (2)
또한, 선폭 변화와 도즈 휘도 변화 사이에는, 다음 (3) 식과 같은 상관이 있다.
선폭 변화=K×도즈 휘도 변화 … (3)
여기서, SEM(주사형 전자 현미경)에 의한 계측 혹은 스캐터로메트리에 의한 계측에 의해서, 도즈량을 변화시킨 쇼트마다 선폭(라인부(2A)의 폭)을 미리 계측해 둠으로써, 신호 강도(휘도)의 차분(도즈 휘도 변화)과 선폭의 계측값으로부터 계수 K를 구할 수 있다. 그리고, 반복 패턴(12)을 평가할 때, 구한 계수 K를 (3) 식에 이용하도록 하면, 신호 강도(휘도)의 차분(도즈 휘도 변화)으로부터 도즈량(노광량)의 변화에 기인한 선폭 변화(즉, 반복 패턴(12)의 형상 변화)를 검출할 수 있다. 한편, 도즈 휘도 변화와 선폭 변화의 관계를, 도 8(a)에 나타낸다.
또한, (4) 식에 나타내는 바와 같은, 도즈량(노광 에너지량)과 휘도 변화(도즈 휘도 변화) 사이의 상관을 이용할 수도 있다.
노광 에너지량=K×도즈 휘도 변화 … (4)
이 경우, 노광 장치(도시 생략)의 설정으로부터, 쇼트마다의 도즈량(노광 에너지량)을 미리 구해 둠으로써, 신호 강도(휘도)의 차분(도즈 휘도 변화)과 노광 에너지량으로부터 계수 K를 구할 수 있다. 그리고, 반복 패턴(12)을 평가할 때, 구한 계수 K를 (4) 식에 이용하도록 하면, 신호 강도(휘도)의 차분(도즈 휘도 변화)으로부터 도즈량(노광량)의 변화(즉, 반복 패턴(12)의 형상 변화)를 검출할 수 있다. 한편, 도즈 휘도 변화와 노광 에너지량의 관계를 도 8(b)에 나타낸다.
다음으로, 구해진 평균 화상으로부터, 포커스를 변화시킨 쇼트마다 휘도(신호 강도)의 평균값(즉, 2장의 화상에 있어서의 신호 강도(휘도)의 평균의 평균값)을 산출하고, 포커스 변화량을 구하기 위한 계수 g를 구해서, 레시피 작성 작업을 종료한다(스텝 S111). 여기서, 포커스의 어긋남에 기인한 휘도 변화(포커스 휘도 변화)는, 다음 (5) 식과 같이 나타낼 수 있다.
포커스 휘도 변화={(+α의 화상의 휘도)+(-α의 화상의 휘도)}/2-f(선폭 변화) … (5)
한편, f는 「선폭 변화에 따른 휘도 변화」의 함수이다. 또한, 「포커스 변화량에 따른 포커스 휘도 변화」의 함수를 g라고 했을 때, 포커스 변화량과 포커스 휘도 변화 사이에는, 다음 (6) 식과 같은 관계가 있다.
포커스 변화량=g-1(포커스 휘도 변화) … (6)
여기서, 노광 장치(도시 생략)의 설정으로부터, 쇼트마다의 포커스 변화량(포커스 오프셋값)을 미리 구해 둠으로써, 평균 화상의 신호 강도(휘도)와 포커스 변화량으로부터 함수 f 및 함수 g를 구할 수 있다. 그리고, 반복 패턴(12)을 평가할 때, 구한 함수 f를 (5) 식에 이용함과 아울러, 구해진 함수 g를 (6) 식에 이용하도록 하면, 평균 화상의 신호 강도(휘도)로부터 포커스의 변화(즉, 반복 패턴(12)의 형상 변화)를 검출할 수 있다.
여기서, 도즈 불량과 포커스 불량을 판별해서 검출할 수 있는 이유에 대해서 설명한다. 도 9는 조건 할당 웨이퍼(도시 생략)의 각 쇼트로부터 반사된 타원 편광(L2)의 편광 상태를 나타내는 도면이다. 도 9(a)의 각 쇼트는 노광량(도즈량)에 의도적으로 과부족을 갖게 한 것으로, 도 9(a)의 중앙 부근이 적정 노광량이고, 도 9(a)의 좌측은 왼쪽으로 갈수록 노광량이 부족한 쇼트, 도 9(a)의 우측은 오른쪽으로 갈수록 노광량이 과잉인 쇼트의 편광 상태이다. 도 9(c)에 나타내는 바와 같은 직선 편광(L1)에 의해서 구조성 복굴절을 갖는 패턴을 조명하면, 반사광은 일반적으로 경사를 갖은 타원 편광(L2)이 된다. 이 도 9(a)로부터, 노광량을 변화시키면, 타원 편광(L2)의 굵기 상태가 변화됨과 아울러, 타원의 긴 축의 각도와 길이가 변화된다는 것을 알 수 있다. 도 9(b)의 각 쇼트는 포커스를 의도적으로 변화시킨 것으로, 도 9(b)의 중앙 부근이 정상의 포커스이고, 도 9(b)의 좌측은 왼쪽으로 갈 수록 포커스가 마이너스가 되는 쇼트, 도 9(b)의 우측은 오른쪽으로 갈수록 포커스가 플러스가 되는 쇼트의 편광 상태이다. 이 도 9(b)로부터, 포커스를 변화시키면, 타원 편광(L2)의 굵기 상태는 변화되지만, 타원의 긴 축의 각도와 길이는 거의 변화하지 않는다는 것을 알 수 있다.
이 때문에, 전술한 바와 같이, 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도±3도의 경사 각도가 되도록 검광자(42)를 회전시키고, 각각의 조건으로 촬상한 2장의 웨이퍼의 화상을 비교하면, 포커스 불량이 있어도 2장의 화상(쇼트)의 밝기에는 변화가 없거나, 혹은 매우 적고, 도즈 불량이 있는 경우에는 2장의 화상(쇼트)의 밝기가 변화되게 된다. 한편, 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도±3도 이외의 경사 각도(예컨대, ±1도나 ±2도)가 되도록 검광자(42)를 회전시켜도, 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 포커스 불량이 있어도 2장의 화상(쇼트)의 밝기에는 변화가 없거나, 혹은 매우 적고, 도즈 불량이 있는 경우에는 2장의 화상(쇼트)의 밝기가 변화된다는 것을 알 수 있다.
또한, 도즈 불량이나 포커스 불량이 없는 양품 쇼트여도, 도 9에 나타낸 바와 같이 타원 편광(L2)의 긴 축이 기울어져 있기 때문에, 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도±3도의 경사 각도가 되도록 검광자(42)를 회전시키고, 각각의 조건으로 촬상한 2장의 웨이퍼의 화상을 비교하면, 각 양품 쇼트에서 밝기가 변화된다고 생각하기 쉽다. 그러나 본 실시예에 있어서는, 양품 쇼트(상술한 기준 쇼트)의 경우에 일정한 휘도가 되도록 검광자(42)의 상태에 따라서 조명 광량을 조정하고 있기 때문에, 양품 쇼트에서는 2개의 화상에 있어서 밝기가 같아진다.
이렇게 해서 레시피를 작성(계수 K나 함수 f 및 함수 g를 결정)한 후, 웨이퍼(10)의 표면에 형성된 반복 패턴(12)을 평가한다(도 7 참조). 반복 패턴(12)을 평가하기 위해서는, 우선, 평가 대상이 되는 웨이퍼(10)를 스테이지(20)로 반송한다(스텝 S201). 웨이퍼(10) 반송 후, 반복 패턴(12)의 반복 방향이 조명 방향(웨이퍼(10)의 표면에서의 직선 편광(L1)의 진행 방향)에 대해 45도만큼 기울어지도록 얼라인먼트을 행한다. 한편, 레시피 작성시에, 얼라인먼트의 각도를 67.5도 또는 22.5도로 한 경우에는, 그 각도에 맞춘다.
웨이퍼(10)의 반송 및 얼라인먼트을 행한 후, 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도+3도(93도)의 경사 각도가 되도록 검광자(42)를 회전시킨다(스텝 S202). 이 때, 직선 편광(L1)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향과, 제 2 직선 편광(L3)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향이 이루는 각도가, 90도+3도(93도)로 설정된다.
다음으로 양품 쇼트(상술한 기준 쇼트)의 경우에 일정한 휘도가 되도록 검광자(42)의 상태에 따라 조명 광량을 조정하여, 웨이퍼(10)의 표면에 직선 편광(L1)을 조사하고, 웨이퍼(10)의 표면에서 반사한 정반사광(타원 편광(L2))을 검광자(42)를 통해서 촬상 카메라(44)에서 검출하여 촬상한다(스텝 S203). 이 때, 광원(31)으로부터의 광이 편광자(32) 및 조명 렌즈(33)를 거쳐서 직선 편광(L1)이 되어, 웨이퍼(10)의 표면에 조사된다. 그리고, 웨이퍼(10)의 표면에서 반사한 정반사광(타원 편광(L2))이 수광 렌즈(41)에 의해 집광되고, 검광자(42)에서 제 2 직선 편광(L3)이 추출되어 촬상 카메라(44)의 촬상면 상에 결상되며, 촬상 카메라(44)는, 촬상면 상에 형성된 제 2 직선 편광(L3)에 의한 웨이퍼(10)의 정반사 이미지를 광전 변환해서 화상 신호를 생성하고, 화상 신호를 화상 처리부(50)에 출력한다.
제 2 직선 편광(L3)에 의한 웨이퍼(10)의 화상 신호가 화상 처리부(50)에 입력되면, 화상 처리부(50)의 내부 메모리(도시 생략)에 기억된다(스텝 S204).
다음으로, 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도±3도의 경사 각도가 되도록 검광자(42)를 회전시키고, 각각의 조건으로, 웨이퍼(10)의 정반사 이미지를 촬상했는지 여부를 판정한다(스텝 S205). 판정이 아니오인 경우, 스텝 S206로 진행하고, 검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도-3도(87도)의 경사 각도가 되도록 검광자(42)를 회전시키고 나서, 스텝 S203의 촬상 및 스텝 S204의 화상 기억을 반복하여, 스텝 S205로 돌아간다. 이 때, 직선 편광(L1)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향과, 제 2 직선 편광(L3)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향이 이루는 각도가, 90도-3도(87도)로 설정된다.
또한 이 때, 상술한 바와 같이, 양품 쇼트의 휘도가 일정한 휘도가 되도록 매회 조명 광량을 조정하고 있다. 이로써, 기준 쇼트가 동일 휘도값이며 검광자(42)의 투과축의 방위가 다른 2장의 화상이 기억된다.
한편, 스텝 S205에 있어서의 판정이 예인 경우, 스텝 S207로 진행해서, 웨이퍼(10)를 회수한다. 웨이퍼(10)를 회수하면, 화상 처리부(50)는, 이전 스텝에서 촬상 취득한 2장의 화상을 내부 메모리로부터 판독하고(스텝 S208), 판독한 2장의 화상에 있어서의 신호 강도의 차분 및 평균에 기초한 화상(즉, 차분 화상 및 평균 화상)을 화상 처리에 의해 구한다(스텝 S209). 차분 화상 및 평균 화상은 레시피 작성시에 설명한 경우와 같이 해서 구한다.
차분 화상 및 평균 화상을 구하면, 구한 차분 화상으로부터, 쇼트마다 휘도(신호 강도)의 평균값(즉, 2장의 화상에 있어서의 신호 강도(휘도)의 차분의 평균값)을 산출하고, 산출한 평균값으로부터, 상술한 (3) 식 또는 (4) 식을 이용해서, 도즈량(노광량)의 변화에 기인한 선폭 변화 또는 도즈량의 적정값으로부터의 변화량(즉, 반복 패턴(12)의 형상 변화)을 쇼트마다 구한다(스텝 S210). 이렇게 해서 구한 선폭 변화 또는 도즈량의 변화는, 2장의 웨이퍼(10)의 화상이나 차분 화상과 함께 모니터(55)에 표시되고, 선폭 변화 또는 도즈량의 변화가 소정의 임계값을 넘는 경우에는, 도즈 불량으로 하고, 이러한 사항이 통지된다.
다음으로, 구한 평균 화상으로부터, 쇼트마다 휘도(신호 강도)의 평균값(즉, 2장의 화상에 있어서의 신호 강도(휘도)의 평균의 평균값)을 산출하고, 산출한 평균값으로부터, 상술한 (5) 식 및 (6) 식을 이용해서, 포커스의 적정값으로부터의 변화량 또는 후술하는 LER(즉, 반복 패턴(12)의 형상 변화)를 쇼트마다 구하고, 반복 패턴(12)의 평가를 종료한다(스텝 S211). 이렇게 해서 구한 포커스의 변화는, 평균 화상과 함께 모니터(55)에 표시되고, 포커스의 변화가 소정의 임계값을 넘는 경우에는, 포커스 불량으로 하고, 이러한 사항이 통지된다.
여기서, 도 12에, 2장의 화상에 있어서의 신호 강도의 차분으로부터 (3) 식을 이용해서 구한 선폭 변화와, SEM(주사형 현미경)에 의해 계측한 선폭 변화의 상관을 나타내는 데이터의 일례를 나타낸다. 이 도 12로부터, 도즈량의 변화에 대한 선폭 변화에 대해서, 본 실시예에 의한 산출값과 SEM에 의한 계측값 사이에서 높은 상관이 획득되었다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 13에, 2장의 화상에 있어서의 신호 강도의 평균으로부터 (6) 식 등을 이용해서 구한 LER(Line Edge Roughness)와, SEM에 의해 계측한 LER의 상관을 나타내는 데이터의 일례를 나타낸다. 이 도 13으로부터, 포커스의 변화에 대한 LER의 변화에 대해서, 본 실시예에 의한 산출값과 SEM에 의한 계측값 사이에서 높은 상관이 획득되었다는 것을 알 수 있다. 여기서, LER란, 패턴의 벽면에 생긴 요철의 크기를 나타내는 값이다.
이와 같이, 본 실시예의 평가 장치(1) 및 방법에 의하면, 직선 편광(L1)의 진동 방향과 제 2 직선 편광(L3)의 진동 방향 사이의 각도 조건을 변경해서 촬상한 2장의 웨이퍼(10)의 화상에 기초해서 반복 패턴(12)의 형상을 평가함으로써, 도즈 불량과 포커스 불량을 판별해서 검출할 수 있어, 반복 패턴(12)의 이상의 원인을 추정(특정)할 수 있게 된다. 또한, 회절광이 발생하지 않는, 예컨대 H선(파장 λ=405nm)의 광을 이용해서 하프 피치 40nm대나 30nm대의 패턴의 이상을, 도즈 불량과 포커스 불량으로 나눠서 검출할 수 있다.
이 때, 직선 편광(L1)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향과, 제 2 직선 편광(L3)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향이 이루는 각도를, 90도±3도가 되도록 설정함으로써, 높은 감도로 반복 패턴(12)의 상태(형상)를 평가할 수 있게 된다.
또한 이 때, 2장의 웨이퍼(10)의 화상에 있어서의 신호 강도(휘도)의 차분에 기초해서, 노광 장치에 있어서의 도즈량(노광량)의 변화에 기인한 반복 패턴(12)의 형상 변화(선폭 변화 또는 도즈량의 변화)를 검출하고, 2장의 웨이퍼(10)의 화상에 있어서의 신호 강도(휘도)의 평균에 기초해서, 노광 장치에 있어서의 포커스의 어긋남에 기인한 반복 패턴(12)의 형상 변화(LER 또는 포커스의 변화)를 검출함으로써, 확실하게 도즈 불량과 포커스 불량을 판별해서 검출할 수 있다. 한편, 포커스의 변화량을 구할 때에 도즈량의 영향을 가미해도 된다.
또한, 반복 패턴(12)이 정상(양품 쇼트)인 경우에는 2장의 웨이퍼(10)의 화상에 있어서의 반복 패턴(12)의 밝기가 각각 같아지도록 직선 편광(L1)을 조사함으로써, 정상의 반복 패턴(12)(양품 쇼트)의 밝기가 일정하게 되기 때문에, 반복 패턴(12)의 이상(도즈 불량 및 포커스 불량)의 오검출을 방지할 수 있다.
한편, 상술한 실시예에 있어서, 직선 편광(L1)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향과, 제 2 직선 편광(L3)의 진행 방향과 수직인 면 내에서의 진동 방향이 이루는 각도를 90도±3도가 되도록 설정하고 있지만, 이에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 검광자(42)를 회전시키지 않고 스테이지(20)를 회전시켜, 웨이퍼(10)의 표면에서의 직선 편광(L1)의 진동 방향과, 반복 패턴(12)의 반복 방향이 이루는 각도를, 서로 90도만큼 다르게(예컨대, 본 실시예의 경우, 45도와 135도로) 설정하고, 각각의 조건으로 2장의 웨이퍼(10)의 화상을 취득하도록 해도 된다. 이와 같이 하면, 직선 편광(L1)에 대해 반복 패턴(12)(웨이퍼(10))을 90도 회전시킨 경우, 도 10 및 도 11에 나타내는 그래프(평균 휘도)의 위치 관계가 상하로 바뀌기 때문에, 상술한 실시예의 경우와 같이 해서 차분 화상 및 평균 화상을 구하여 반복 패턴(12)을 평가함으로써, 상술한 경우와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한 이 때, 편광자(32) 및 검광자(42)에 대해서는, 크로스 니콜 상태(검광자(42)의 투과축의 방위가 편광자(32)의 투과축에 대해 90도의 경사진 상태)인 것이 바람직하다.
또한, 상술한 실시예에서는, 웨이퍼(10)에 포지티브형의 레지스트를 이용하는 경우에 대해서 설명했지만, 이에 한정되는 것이 아니라, 네거티브 타입의 레지스트를 이용하는 경우에도, 경향은 반대로 되지만 마찬가지로 적용할 수 있다. 또한, 조명계와 수광계 중 적어도 한쪽에, 축을 벗어난 타원 거울을 이용해도 된다(예컨대, 일본 특허 공개 2006-135211호 공보의 타원 거울 참조). 또한, 상술한 실시예에 있어서, 평균 화상에 기초해서, 포커스의 변화(반복 패턴(12)의 형상 변화)를 구하고 있지만, 이에 한정되는 것이 아니라, 이 평균 화상은 크로스 니콜 상태에서의 웨이퍼(10)의 화상과 동등하기 때문에, 크로스 니콜 상태에서의 웨이퍼(10)의 화상으로부터, 포커스의 변화(반복 패턴(12)의 형상 변화)를 구하도록 해도 된다.
또한, 상술한 실시예에 있어서, 검광자(42)는, 회전 구동 장치(43)를 이용해서 수광계(40)의 광축을 중심으로 투과축의 방위를 회전 가능하게 구성되어 있지만, 이에 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 수광 렌즈(41)와 검광자(42) 사이에 1/2λ 판을 배치하고, 1/2λ 판의 지상축(遲相軸)의 방위를 수광계(40)의 광축을 중심으로 회전시키도록 해도 된다.
또한, 상술한 실시예에 있어서, 웨이퍼(10)의 표면에 형성된 반복 패턴(12)을 평가하고 있지만, 이에 한정되는 것이 아니라, 예컨대, 유리 기판 상에 형성된 패턴을 평가하는 것도 가능하다.
1 : 평가 장치 10 : 웨이퍼(기판)
12 : 반복 패턴 30 : 조명계(조명부)
40 : 수광계 42 : 검광자
43 : 회전 구동 장치(설정부) 44 : 촬상 카메라(촬상부)
50 : 화상 처리부(평가부) L1 : 제 1 직선 편광
L2 : 타원 편광 L3 : 제 2 직선 편광(편광 성분)

Claims (19)

  1. 노광 장치를 이용함으로써 형성되는 패턴을 갖는 기판의 표면에 편광을 조사하도록 구성되는 조명계와,
    상기 기판의 상기 표면으로부터의 광의 편광 성분에 근거하여, 상기 노광 장치에 의한 노광의 노광량 및 포커스 상태를 평가하도록 구성되는 평가부
    를 구비하되,
    상기 편광 성분은, 사전 설정된 진동 방향의 제 1 직선 편광 성분과, 상기 제 1 직선 편광 성분의 진동 방향과는 상이한 진동 방향의 제 2 직선 편광 성분을 포함하고,
    상기 평가부는, 상기 기판의 상기 표면으로부터의 상기 광의 상기 제 1 직선 편광 성분 및 상기 제 2 직선 편광 성분의 양쪽에 근거하여, 상기 노광 장치에 의한 노광의 상기 노광량 및 상기 포커스 상태를 구별하여 평가하는 평가 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 표면으로부터의 상기 편광의 상기 제 1 직선 편광 성분 및 상기 제 2 직선 편광 성분을 추출하도록 구성되는 수광계를 더 구비하고,
    상기 평가부는, 상기 수광계에 의해 추출되는 상기 제 1 직선 편광 성분 및 상기 제 2 직선 편광 성분의 양쪽에 근거하여, 상기 노광 장치에 의한 노광의 상기 노광량 및 상기 포커스 상태를 구별하여 평가하는 평가 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 표면으로부터의 상기 편광의 상기 편광 성분을 추출하도록 구성되는 수광계를 더 구비하고,
    상기 수광계는,
    복수의 투과축 방위를 자유롭게 설정하고, 상기 제 1 직선 편광 성분 및 상기 제 2 직선 편광 성분을 추출하도록 구성되는 검광자와,
    상기 검광자에 의해 추출되는 상기 제 1 직선 편광 성분에 근거하여 상기 기판의 이미지, 및 상기 검광자에 추출되는 상기 제 2 직선 편광 성분에 근거하여 상기 기판의 이미지를 촬상하는 촬상부를 구비하는 평가 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명계는, 광원과, 상기 광원으로부터 조사된 광을 직선 편광으로 변환하도록 구성되는 편광자를 구비하고,
    상기 편광자는 복수의 투과축 방위를 자유롭게 설정할 수 있고,
    상기 기판의 상기 표면에 조사된 상기 직선 편광의 편광 성분은 상기 투과축 방위를 상이하게 설정하는 것에 의해 변경될 수 있는 평가 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판을 지지하는 지지면을 갖는 스테이지를 더 구비하고,
    상기 스테이지는 상기 지지면에 수직인 축 주위로 회전 가능한 평가 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 조명계는 광원 및, 상기 광원으로부터 조사된 광을 직선 편광으로 변환하도록 구성되는 편광자를 구비하고,
    상기 검광자의 투과축 방위 및 상기 편광자의 투과축 방위는 서로에 대해 수직인 평가 장치.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 조명계는 광원 및, 상기 광원으로부터 조사된 광을 직선 편광으로 변환하도록 구성되는 편광자를 구비하고,
    상기 수광계는,
    특정 방향으로 설정되고, 상기 제 1 직선 편광 성분 및 상기 제 2 직선 편광 성분을 추출하도록 구성되는 검광자와,
    상기 제 1 직선 편광 성분 및 상기 제 2 직선 편광 성분의 각각에 근거하여 상기 기판의 이미지를 촬상하도록 구성되는 촬상부를 구비하고,
    상기 검광자의 투과축 방위 및 상기 편광자의 투과축 방위는 서로에 대해 수직인 평가 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명계는 상기 기판의 상기 표면 상에 직선 편광을 조사하는 평가 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 평가부는, 상기 조명계에 의한 상기 편광의 조사에 의해 상기 기판의 상기 표면으로부터 정반사된 광의 상기 편광 성분에 근거하여, 상기 노광 장치의 노광량 및 포커스 상태를 평가하는 평가 장치.
  13. 노광 장치를 이용함으로써 형성되는 패턴을 갖는 기판의 표면에 편광을 조사하도록 구성되는 조명계와,
    상기 기판의 상기 표면으로부터의 광의 편광 성분에 근거하여, 상기 노광 장치에 의한 노광의 노광량에 의해 발생하는 패턴의 형상의 변화 및, 상기 노광 장치에 의한 노광의 포커스 상태에 의해 발생하는 패턴의 형상의 변화를 평가하도록 구성되는 평가부
    를 구비하되,
    상기 편광 성분은 사전 설정된 진동 방향의 제 1 직선 편광 성분, 및 상기 제 1 직선 편광 성분의 진동 방향과는 상이한 진동 방향의 제 2 직선 편광 성분을 포함하고,
    상기 평가부는, 상기 기판의 상기 표면으로부터의 상기 광의 상기 제 1 직선 편광 성분 및 상기 제 2 직선 편광 성분의 양쪽에 근거하여, 상기 노광 장치에 의한 노광의 노광량에 의해 발생하는 패턴의 형상의 변화 및 상기 노광 장치에 의한 노광의 포커스 상태에 의해 발생하는 패턴의 형상의 변화를 구별하여 상기 노광량 및 상기 포커스 상태를 평가하는 평가 장치.
  14. 삭제
  15. 조명계를 이용하여, 노광 장치를 이용함으로써 형성되는 패턴을 갖는 기판의 표면에 편광을 조사하는 단계와,
    상기 기판의 상기 표면으로부터의 광의 편광 성분에 근거하여, 상기 노광 장치에 의한 노광의 노광량 및 포커스 상태를 평가하는 단계
    를 구비하되,
    상기 편광 성분은 사전 설정된 진동 방향의 제 1 직선 편광 성분 및, 상기 제 1 직선 편광 성분의 진동 방향과는 상이한 진동 방향의 제 2 직선 편광 성분을 포함하고,
    상기 평가하는 단계는, 상기 기판의 상기 표면으로부터의 상기 광의 상기 제 1 직선 편광 성분 및 상기 제 2 직선 편광 성분의 양쪽에 근거하여, 상기 노광 장치에 의한 노광의 상기 노광량 및 상기 포커스 상태를 구별하여 평가하는 평가 방법.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 조사하는 단계는 상기 기판의 상기 표면 상에 직선 편광을 조사하는 평가 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 평가하는 단계는, 상기 조사하는 단계에 의한 상기 편광의 조사에 의해 상기 기판의 상기 표면으로부터 정반사된 광의 상기 편광 성분에 근거하여, 노광 장치에 의한 노광의 노광량 및 포커스 상태를 평가하는 평가 방법.
  19. 조명계를 이용하여, 노광 장치를 이용함으로써 형성되는 패턴을 갖는 기판의 표면에 편광을 조사하는 단계와,
    상기 기판의 상기 표면으로부터의 광의 편광 성분에 근거하여, 상기 노광 장치에 의한 노광의 노광량에 의해 발생하는 패턴의 형상의 변화 및, 상기 노광 장치에 의한 노광의 포커스 상태에 의해 발생하는 패턴의 형상의 변화를 평가하는 단계
    를 구비하되,
    상기 편광 성분은 사전 설정된 진동 방향의 제 1 직선 편광 성분, 및 상기 제 1 직선 편광 성분의 진동 방향과는 상이한 진동 방향의 제 2 직선 편광 성분을 포함하고,
    상기 평가하는 단계는, 상기 기판의 상기 표면으로부터의 상기 광의 상기 제 1 직선 편광 성분 및 상기 제 2 직선 편광 성분의 양쪽에 근거하여, 상기 노광 장치에 의한 노광의 노광량에 의해 발생하는 패턴의 형상의 변화 및 상기 포커스 상태에 의해 발생하는 패턴의 형상의 변화를 구별하여 상기 노광량 및 상기 포커스 상태를 평가하는 평가 방법.
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