WO2009139394A1

WO2009139394A1 - 光学検査装置

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Publication number: WO2009139394A1
Application number: PCT/JP2009/058861
Authority: WO
Inventors: 透吉川
Original assignee: 株式会社ニコン
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2009-11-19
Also published as: TW200952104A; JPWO2009139394A1

Abstract

　光学検査装置（１）は、ウエハ（Ｗ）の表面に照明光を照射する照明光学系（１０）と、ウエハ（Ｗ）の表面を観察する観察光学系（２０）と、観察光学系（２０）の瞳面上の輝度を検出する撮像部（３０）と、観察部位を二次元的に移動させながら輝度分布を求め、このようにして求められた撮像輝度分布からなだらかな輝度分布の変化成分に対応するベース輝度分布を算出し、輝度分布からベース輝度分布を除いた補正輝度分布を算出する輝度分布算出部（４０）とを有して構成される。

Description

光学検査装置

　本発明は、半導体回路素子等の製造過程において、半導体ウエハのような被検対象物の表面に形成されたパターンの欠陥検査を光学的に行う光学検査装置に関する。

　従来から、半導体ウエハなどの表面に形成された回路パターンから発生する反射光を利用して、ウエハ表面に形成された回路パターンのムラや、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により形成されるパターンの微細化に伴って、ウエハ表面の回路パターン等の欠陥検査にも高い精度が求められている。

特開２０００－１５５０９９号公報

　しかしながら、上記検査装置による検査において、ウエハ表面からの反射光は、回路パターンを構成する線幅の変動だけではなく、パターン形成のためにウエハ表面に設けられた膜層の厚さの変化に応じて変動する。ここで、パターンをウエハ表面に転写形成する露光工程では同じパターンがウエハ位置を移動しながら繰り返して露光形成されるため、露光工程に起因する不具合は露光ショット毎に同様の不具合が繰り返されるが、膜厚の変動はウエハ表面全体においてなだらかに生じるものであるため、膜厚の変動による反射光の変動が露光工程に起因する不具合に基づく反射光の変化を検出し難くして、正確な欠陥検査を難しくするという問題がある。

　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、被検対象物からの反射光に基づく光学的な検査装置において、被検対象物の比較的広範囲に及ぶ変動に基づく反射光変動を求めることができ、またこの影響を除去することができるような構成の光学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、本発明に係る光学検査装置は、被検対象物の表面の観察部位に照明光を照射する照明光学系と、前記照明光学系により照射された前記観察部位を観察する観察光学系と、前記観察光学系の瞳面上または該瞳面と共役な面上において検出される瞳面輝度分布から検査用輝度を検出する検査用輝度検出部と、前記観察部位を前記被検対象物の表面上において移動させながら前記検査用輝度検出部により前記検査用輝度を検出して、前記被検対象物の表面に対応した前記検査用輝度の分布を求める輝度分布作成部と、前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から、なだらかな検査用輝度分布の変化成分に対応する検査用ベース輝度分布を算出するベース輝度分布算出部とを有して構成される。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から、前記ベース輝度分布算出部により算出された前記検査用ベース輝度分布を除いた検査用補正輝度分布を算出する輝度分布補正部をさらに備える。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記検査用輝度検出部は、前記瞳面輝度分布において前記被検対象物の表面状態に応じて輝度変化が大きくなる部分の輝度を前記検査用輝度として検出する。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記検出光学系の対物レンズの瞳面上または前記瞳面と共役な面上において検出される瞳面輝度分布から前記輝度検出部により前記検査用輝度が検出される。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記輝度分布補正部は、前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から最小二乗法を用いて１次式の近似輝度分布平面を求め、前記一次式の近似輝度分布平面を前記検査用ベース輝度分布として求める。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記輝度分布補正部は、前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から最小二乗法を用いて高次式の近似輝度分布曲面を求め、前記高次式の近似輝度分布曲面を前記検査用ベース輝度分布として求める。この場合、好ましくは、前記高次式が２次式もしくは４次式である。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記被検対象物が表面に回路パターンが露光形成される半導体ウエハであり、前記輝度分布作成部は、前記半導体ウエハの表面に一度の露光により前記回路パターンが形成される一つのショット領域からの反射光に基づく輝度分布を前記一つのショット領域内において前記観察部位を移動させながら検出して前記一つのショット領域についての前記検査用輝度分布を求め、前記ベース輝度分布算出部は、前記輝度分布作成部により検出された前記検査用輝度分布から前記一つのショット領域についての前記検査用ベース輝度分布を算出する。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から、前記ベース輝度分布算出部により算出された前記検査用ベース輝度分布を除いた検査用補正輝度分布を算出する輝度分布補正部をさらに備え、前記輝度分布補正部は、前記ベース輝度分布算出部により算出された前記検査用ベース輝度分布から前記一つのショット領域についての前記検査用補正輝度分布を作成する。

　上記光学検査装置において、好ましくは、複数のショット領域のそれぞれの前記検査用補正輝度分布をつなぎ合わせて前記半導体ウエハの表面における前記検査用補正輝度分布を求める。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記輝度分布補正部は、前記輝度分布作成部により求められた前記一つのショット領域についての前記検査用輝度分布から最小二乗法を用いて１次式の近似輝度分布平面を求め、前記一次式の近似輝度分布平面を前記一つのショット領域についての前記検査用ベース輝度分布として求める。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記輝度分布補正部は、前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から最小二乗法を用いて高次式の近似輝度分布曲面を求め、前記高次式の近似輝度分布曲面を前記検査用ベース輝度分布として求める。この場合、前記高次式が２次式もしくは４次式である。

　上記光学検査装置において、好ましくは、前記検査用ベース輝度分布が半導体製造工程において前記半導体ウエハの表面に形成された膜の厚さに起因して生じる輝度分布である。

　本発明によれば、輝度分布作成部により求められた検査用輝度分布からなだらかな輝度分布の変化成分に対応する検査用ベース輝度分布が算出されるが、この検査用ベース輝度分布は被検対象物の表面に形成された膜厚等の変動に対応するものであり、これを簡単に検出できる。さらに、検査用輝度分布から検査用ベース輝度分布を除いて検査用補正輝度分布を算出すると、この検査用補正輝度分布はこの膜厚等の影響の無いものとなる。よって、これを用いて被検対象物の表面のより正確な欠陥検査を行うことができる。

本発明に係る光学検査装置の構成を示す概略図である。上記光学検査装置の第1撮像部により撮像して得られたウエハ表面のフーリエ画像から検出された検査用輝度をウエハ表面について求めた検査用輝度分布の一例を示す図である。この検査用輝度分布を三次元的に示したグラフ図である。上記検査用輝度分布における各ショット領域での輝度変化のうちのなだらかな変化成分に対応する検査用ベース輝度分布を、ショット領域毎に１次式で表される近似輝度分布平面として求めた結果を示す図である。上記検査用ベース輝度分布を三次元的に示したグラフ図である。上記検査用輝度分布から上記検査用ベース輝度分布を減算して得られた検査用補正輝度分布を示す図である。上記検査用補正輝度分布を三次元的に示したグラフ図である。上記光学検査装置の第1撮像部により撮像して得られたウエハ表面のフーリエ画像から検出された検査用輝度をウエハ表面の全体について求めた検査用輝度分布の一例を三次元的に示すグラフ図である。上記検査用輝度分布における各ショット領域での輝度変化のうちのなだらかな変化成分に対応する検査用ベース輝度分布を、ウエハ全面について４次式で表される近似輝度分布曲面として求めた結果を三次元的に示したグラフ図である。図８に示す検査用輝度分布から図９に示す検査用ベース輝度分布を減算して得られた検査用補正輝度分布を三次元的に示すグラフ図である。図１０に示す検査用補正輝度分布を色彩もしくは濃度変化を用いて二次元的に表した図である。上記検査用輝度分布における各ショット領域での輝度変化のうちのなだらかな変化成分に対応する検査用ベース輝度分布を、ウエハ全面について２次式で表される近似輝度分布曲面として求めた結果を三次元的に示したグラフ図である。図８に示す検査用輝度分布から図１２に示す検査用ベース輝度分布を減算して得られた検査用補正輝度分布を三次元的に示すグラフ図である。図１３に示す検査用補正輝度分布を色彩もしくは濃度変化を用いて二次元的に表した図である。上記検査用輝度分布における各ショット領域での輝度変化のうちのなだらかな変化成分に対応する検査用ベース輝度分布を、ウエハ全面について１次式で表される近似輝度分布平面として求めた結果を三次元的に示したグラフ図である。図８に示す検査用輝度分布から図１５に示す検査用ベース輝度分布を減算して得られた検査用補正輝度分布を三次元的に示すグラフ図である。図１６に示す検査用補正輝度分布を色彩もしくは濃度変化を用いて二次元的に表した図である。

　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。本発明に係る光学検査装置１を図１に示している。本実施形態の光学検査装置１は、図１に示すように、ウエハステージ５と、対物レンズ（１００倍）６と、ハーフミラー７と、照明光学系１０と、観察光学系２０と、第１撮像部３０と、輝度分布演算部４０と、第２撮像部５０とを主体に構成される。

　ウエハステージ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エハＷ（以下、ウエハＷと称する）が載置される。このウエハステージ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、すなわち、ウエハＷの表面に直交する方向をｚ軸方向とする）。これにより、ウエハステージ５は、ウエハ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、ウエハステージ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の操作によって、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でコリメートされた後に偏光子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からの光でウエハＷが落射照明される。このとき、照明光学系１０からの光は対物レンズ６により集光されてウエハＷの所定観察部位を含む領域を照明する。この照明領域の大きさは照明光学系１０および対物レンズ６により設定されるが、所定観察部位はこの照明領域内に位置する領域であり、後述するように、視野絞り２５により、所定観察部位が例えば直径３０μｍ程度の大きさに設定される。このようにしてウエハＷに落射照明された光は、ウエハＷで反射して再び対物レンズ６に戻り、ハーフミラー７を透過して観察光学系２０に入射する。

　観察光学系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と観察光学系２０の検光子２１とはクロスニコルの条件を満たすので、ウエハＷのパターンで偏光主軸が回転しない限り、観察光学系２０で検出される光量は零に近くなる。但し実際には、ウエハＷの表面には複数の膜が形成されており、この膜層において光の複屈折現象が生じて偏光軸の回転が生じるため、この回転に応じた光量の光が検光子２１を通過する。

　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を通過する光束は、ベルトランレンズ２４を介して視野絞り２５にウエハＷの像を結像させるとともに、対物レンズ６の瞳面の像（瞳面輝度分布）を第１撮像部３０に結像（瞳面と撮像面を共役にする）させる。これにより、第１撮像部（２次元撮像素子）３０の撮像面に対物レンズ６の瞳面上の輝度分布が再現されて、結果的に、第１撮像部３０によりフーリエ変換されたウエハＷの画像（フーリエ画像）を撮像することになる。

　視野絞り２５はウエハＷの表面と共役な位置に配置され、観察光学系２０の光軸に対して垂直方向の面内で開口形状を変化させるのであるが、この開口形状の大きさが上述した所定観察部位となるように、例えば直径３０μｍの大きさに設定されている。このため、第1撮像部３０は、ウエハＷの表面において照明光学系１０から対物レンズ６により集光されて照明された領域における例えば直径３０μｍの大きさの所定観察部位からの反射光による対物レンズ６の瞳面の像を撮像するようになっている。そして、ウエハステージ５のｘ，ｙ軸方向の移動制御を行えば、ウエハＷの任意の領域での情報を第１撮像部３０が検出できる。一方、ハーフプリズム２３において反射される光束は、フーリエ変換されていない画像（ウエハＷの表面にピントを合わせて得られるウエハＷの表面画像）を撮像するための第２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エハＷの表面に露光形成される回路パターンをそのまま撮像した画像を用いると、回路パターンのピッチが検査装置の分解能以下のときには、回路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、ウエハＷの回路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、回路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回路パターンの欠陥検出が可能になる。

　第１実施例
　以上のように構成された光学検査装置１を用いて、ウエハステージ５の上に載置されたウエハＷの表面の光学検査を行う第１実施例に係る方法を以下に説明する。まず、ウエハステージ５の上に載置されたウエハＷの表面における所定観察部位を第１撮像部３０により撮像して所定観察部位についての対物レンズ６の瞳面の像、すなわちフーリエ画像を得る。上述のようにウエハＷの回路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ので、上記フーリエ画像においてこの変化が最も顕著に表れる部分の輝度を所定観察部位に対する検査用輝度として検出する。

　そして、ウエハステージ５のｘ，ｙ軸方向の移動制御を行って所定観察部位を移動させ、ウエハＷの任意の領域について検査用輝度を求める。このようにして求めたウエハＷの表面所定領域での検査用輝度変化をグラフにした一例を図２に示している。図２のグラフにおいて、太い点線で区分けされた一つのエリアが光リソグラフィー工程での露光機による１回の露光（１ショット）の範囲を示しており、細い線の交点が測定した場所を示している。図２のグラフでは縦３×横３ショット、１ショット内を縦８×横６ポイントに分けて第１撮影部３０により得られたフーリエ画像の検査用輝度の変化を表している。また、図２のグラフにおける色の濃さおよびこれを囲む線が検査用輝度の分布を表しており、色が濃い部分が輝度が低く、明るい部分が輝度が高くなっており、これを囲む線が等高線のような役割で等輝度の位置を示している。

　この検査用輝度分布を図３に三次元的に表しており、上下高さが輝度の大きさを示し、全体として右から左に輝度（階調）がなだらかに傾斜していることが分かる。このようななだらかな階調変化は、回路パターン上に形成された膜厚の変化による影響により生じたものであると考えられる。なお、露光工程で発生する変化は各ショット間で同じように表れると考えられるため、輝度分布演算部４０において、この特徴を利用して、図２および図３に示す測定結果からショットに起因する変化を抽出する。その抽出方法について、以下に説明する。

　まず、ウエハステージ５に載置されたウエハＷの測定座標を（Ｘｎ，Ｙｎ）とし、その測定座標において測定した検査用輝度（階調）をＩｎとする。そして、測定点に対して階調を式（１）で表現する。なお、式（１）においてν１、ν２、ν３は係数である。

　次に実際に測定した時の誤差を考える。そこで、Ｉｎ′を実際に測定した階調値とすると、測定値Ｉｎ′と計算値Ｉｎの誤差εｎは、次式（２）で計算できる。

　ここで、階調誤差の評価関数Ｅとして、誤差の二乗和を導入すると、次式（３）のようになる。但し、この式（３）において、Ｎは測定点の総数であり、ｎ＝１～Ｎとする。

　そして、最小二乗法を用いて、階調誤差の評価関数Ｅを最小にする、式（１）の係数ν１、ν２、ν３を求めるため、下記のように、式（３）を係数ν１、ν２、ν３でそれぞれ偏微分し、その値を零とする。

　まず、式（３）をν１で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（４）が得られる。

　次に、式（３）をν２で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（５）が得られる。

　さらに、式（３）をν３で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（６）が得られる。

　次に、式（４）、式（５）および式（６）を行列式として式（７）を作り、この式（７）の行列式をクラメルの公式を用いて解くと式（８）～（１１）が得られる。この結果、階調誤差の評価関数Ｅを最小にする式（１）の係数ν１、ν２、ν３を求めることができる。

　そこで、図２および図３に示すウエハＷの表面の測定結果（検査用輝度分布）を、上記式（８）～（１１）を用いて、ショット毎に式（１）の係数ν１、ν２、ν３を求め、これを用いて式（１）から階調Ｉｎを求めた結果、すなわち、ショット毎の検査用ベース輝度分布を図４および図５に示している。これらの図に示す階調は、各ショット領域での輝度変化を滑らかにしたものであり、図２および図３に示す検査用輝度分布におけるなだらかな階調の変化、すなわち、パターン上に形成された膜厚の変化による影響により生ずる階調変化成分を１次式（平面）により表す検査用ベース輝度分布である。

　そこで、図２および図３に示す測定結果（検査用輝度分布）から、図４および図５に示す膜厚の変化に起因する階調（検査用ベース輝度分布）を減算すると、図６および図７に示す結果、すなわち、検査用補正輝度分布が得られる。この図から分かるように、検査用補正輝度分布においては図２および図３で見られたなだらかな階調の変化分が除去されており、露光工程でのショット毎の変化が抽出されて現れる。このため、図６および図７に示す検査用補正輝度分布に基づけば、より正確なパターンの欠陥検出が可能になる。

　以上説明した方法では、上記式（１）から分かるように、ウエハＷの表面における各ショット領域毎におけるなだらかな階調変化（すなわち、膜厚の変化の影響により生じた変化）を１次式すなわち平面として求めている。具体的には、各ショット領域毎における検査用輝度分布から最小二乗法を用いて１次の近似輝度分布平面を求め、これを検査用ベース輝度分布としている。本発明はこれに限られるものではなく、高次式で表される近似輝度分布曲平面もしくは曲面を求め、これを検査用ベース輝度分布としても良い。また、ショット領域毎に近似輝度分布面を求めるのではなく、ウエハＷの表面の全体について、さらには複数のショット領域を含む大きな領域について近似輝度分布平面もしくは曲面を求めても良い。

　第２実施例
　そこで、第２実施例として、４次式で表される近似輝度分布曲面を検査用ベース輝度分布として求めて検査を行う方法について、以下に説明する。この場合には、ウエハステージ５に載置されたウエハＷの測定座標を（Ｘｎ，Ｙｎ）とし、その測定座標において測定した検査用輝度（階調）をＩｎとした上で、測定点に対して階調を式（１２）で表現する。なお、式（１２）においてν１～ν９は係数である。

　次に実際に測定した時の誤差を考える。そこで、Ｉｎ′を実際に測定した階調値とすると、測定値Ｉｎ′と計算値Ｉｎの誤差εｎは、次式（１３）で計算できる。

　ここで、階調誤差の評価関数Ｅとして、誤差の二乗和を導入すると、次式（１４）のようになる。但し、この式（１４）において、Ｎは測定点の総数であり、ｎ＝１～Ｎとする。

　そして、最小二乗法を用いて、階調誤差の評価関数Ｅを最小にする、式（１２）の係数ν１～ν９を求めるため、下記のように、式（１４）を係数ν１～ν９でそれぞれ偏微分し、その値を零とする。

　まず、式（１４）をν１で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（１５）が得られる。

　次に、式（１４）をν２で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（１６）が得られる。

　次に、式（１４）をν３で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（１７）が得られる。

　次に、式（１４）をν４で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（１８）が得られる。

　次に、式（１４）をν５で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（１９）が得られる。

　次に、式（１４）をν６で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（２０）が得られる。

　次に、式（１４）をν７で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（２１）が得られる。

　次に、式（１４）をν８で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（２２）が得られる。

　次に、式（１４）をν９で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（２３）が得られる。

　次に、式（１５）～式（２３）を行列式にすると次の式（２４）が得られ、この行列式をクラメルの公式を用いて解くと式（２５）～（３４）が得られる。この結果、階調誤差の評価関数Ｅを最小にする式（１）の係数ν１～ν９を求めることができる。

　本実施形態ではウエハＷの表面全面を図１に示す装置を用いて検査しており、その結果得られたウエハＷの略全面についての検査用輝度分布を図８に示している。図８に示す検査用輝度分布から、上記式（２５）～（３４）を用いて式（１２）の係数ν１～ν９を求めた結果を図９に示している。これを見れば図８の検査用輝度分布におけるなだらかな輝度変化が図９に示されるように曲面として求められており、この曲面により表される分布が検査用輝度分布におけるなだらかな階調の変化、すなわち、パターン上に形成された膜厚の変化による影響により生ずる階調変化成分を表す検査用ベース輝度分布である。

　そこで、図８に示す測定結果（検査用輝度分布）から、図９に示す膜厚の変化に起因する階調（検査用ベース輝度分布）を減算すると、図１０および図１１に示す結果、すなわち、検査用補正輝度分布が得られる。この図から分かるように、検査用補正輝度分布においては図８で見られたなだらかな階調の変化分が除去されており、露光工程でのショット毎の変化が抽出されて現れる。このため、図１０および図１１に示す検査用補正輝度分布に基づけば、より正確なパターンの欠陥検出が可能になる。なお、図１１は図１０の輝度変化を色もしくは濃淡を用いて二次元的に表したグラフである。これら図１０および図１１を見ると、ウエハの表面全体でのなだらかな変化は補正除去され、ショット毎に露光工程等に起因する共通の変動が抽出されており、各ショットのほぼ中央に山（輝度の大きな部分）があることが分かる。

　第３実施例
　以上説明した４次式で表される近似輝度分布曲面を検査用ベース輝度分布として用いる代わりに他の高次式を用いても良い。そこで第３実施例として、２次式で表される近似輝度分布曲面を検査用ベース輝度分布として求めて検査を行う方法について、以下に説明する。この場合にも、ウエハステージ５に載置されたウエハＷの測定座標を（Ｘｎ，Ｙｎ）とし、その測定座標において測定した検査用輝度（階調）をＩｎとする。そして、測定点に対して階調を式（３５）で表現する。なお、式（３５）においてν１～ν５は係数である。

　次に実際に測定した時の誤差を考える。そこで、Ｉｎ′を実際に測定した階調値とすると、測定値Ｉｎ′と計算値Ｉｎの誤差εｎは、次式（３６）で計算できる。

　ここで、階調誤差の評価関数Ｅとして、誤差の二乗和を導入すると、次式（３７）のようになる。但し、この式（３７）において、Ｎは測定点の総数であり、ｎ＝１～Ｎとする。

　そして、最小二乗法を用いて、階調誤差の評価関数Ｅを最小にする、式（３５）の係数ν１～ν５を求めるため、下記のように、式（３７）を係数ν１～ν５でそれぞれ偏微分し、その値を零とする。

　まず、式（３７）をν１で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（３８）が得られる。

　次に、式（３７）をν２で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（３９）が得られる。

　次に、式（３７）をν３で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（４０）が得られる。

　次に、式（３７）をν４で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（４１）が得られる。

　次に、式（３７）をν５で偏微分し、その値＝０とすることにより、下記式（４２）が得られる。

　次に、式（３８）～式（４２）を行列式にすると次の式（４３）が得られ、この行列式をクラメルの公式を用いて解くと式（４４）～（４９）が得られる。この結果、階調誤差の評価関数Ｅを最小にする式（３５）の係数ν１～ν５を求めることができる。

　本実施形態でもウエハＷの表面全面を図１に示す装置を用いて検査しており、その結果得られたウエハＷの略全面についての検査用輝度分布を図８に示している。図８に示す検査用輝度分布から、上記式（４４）～（４９）を用いて式（３５）の係数ν１～ν５を求めた結果を図１２に示している。これを見れば図８の検査用輝度分布におけるなだらかな輝度変化が図１２に示されるように曲面として求められており、この曲面により表される分布が検査用輝度分布におけるなだらかな階調の変化、すなわち、パターン上に形成された膜厚の変化による影響により生ずる階調変化成分を表す検査用ベース輝度分布である。

　そこで、図８に示す測定結果（検査用輝度分布）から、図１２に示す膜厚の変化に起因する階調（検査用ベース輝度分布）を減算すると、図１３および図１４に示す結果、すなわち、検査用補正輝度分布が得られる。この図から分かるように、検査用補正輝度分布においては図８で見られたなだらかな階調の変化分が除去されており、露光工程でのショット毎の変化が抽出されて現れる。このため、図１３および図１４に示す検査用補正輝度分布に基づけば、より正確なパターンの欠陥検出が可能になる。

　第４実施例
　次に、第４実施例として、ウエハの表面全面について１次式で表される近似輝度分布平面を検査用ベース輝度分布として求めて検査を行う方法について、以下に説明する。なお、１次式で表される近似輝度分布平面を用いる方法は、既に第1実施例として上述しており、上記式（３）で表される階調誤差の評価関数Ｅを最小にする上記式（１）の係数ν１，ν２，ν３を求める手法は、第1実施例と同一であり、その説明は省略する。

　但し、第4実施例においては、図８に示すウエハＷの表面全体の測定結果（検査用輝度分布）を、上記式（８）～（１１）を用いて、ウエハＷの表面全体について式（１）の係数ν１，ν２，ν３を求める。そして、このようにして求めた係数ν１，ν２，ν３を有した式（１）から階調Ｉｎを求めて、ウエハ全体についての検査用ベース輝度分布を求めた結果を図１５に示している。また、図８に示す検査用輝度分布から図１５に示す検査用ベース輝度分布を減算した結果を図１６および図１７に示している。

　第4実施例では１次式で表される近似輝度分布平面を検査用ベース輝度分布として求めているため、４次式を用いた図９に示す検査用ベース輝度分布や、２次式を用いた図１２に示す検査用ベース輝度分布に対して精度は粗くなるが、演算が簡単であり、且つ概略的な分布を求めることができるため、この検査用ベース輝度分布を用いてもそれなりの効果が期待できる。但し、どの式を用いるのが良いかは測定データに応じて代わるため、実際に計算を行って何次の式が最も適しているかを判断する必要がある。

　以上説明したように、第1実施例ではショット領域毎に１次式で表される近似輝度分布平面を検査用ベース輝度分布として求めているが、ショット領域毎に高次式で表される近似輝度分布曲面を検査用ベース輝度分布として求めても良い。また、ショット領域毎に求める場合に、全てのショット領域について求める代わりに、選択されたショット領域（例えば、一つ飛ばしに選択したショット領域）について検査用ベース輝度分布を求め、この分布を求めなかった領域については隣の領域の分布から補間して求めるといったことも可能である。また、第２および第３実施例では高次式として４次式および２次式を用いているが、これに限られず、他の高次式を用いても良い。

Ｗ　ウエハ　　　　　　　　　　　　　１　光学検査装置
５　ウエハステージ　　　　　　　　　６　対物レンズ
１０　照明光学系　　　　　　　　　　２０　観察光学系
２５　視野絞り　　　　　　　　　　　３０　第1撮像部

Claims

　被検対象物の表面の観察部位に照明光を照射する照明光学系と、
　前記照明光学系により照射された前記観察部位を観察する観察光学系と、
　前記観察光学系の瞳面上または該瞳面と共役な面上において検出される瞳面輝度分布から検査用輝度を検出する検査用輝度検出部と、
　前記観察部位を前記被検対象物の表面上において移動させながら前記検査用輝度検出部により前記検査用輝度を検出して、前記被検対象物の表面に対応した前記検査用輝度の分布を求める輝度分布作成部と、
　前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から、なだらかな検査用輝度分布の変化成分に対応する検査用ベース輝度分布を算出するベース輝度分布算出部と
　を有して構成されることを特徴とする光学検査装置。
　前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から、前記ベース輝度分布算出部により算出された前記検査用ベース輝度分布を除いた検査用補正輝度分布を算出する輝度分布補正部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学検査装置。
　前記検査用輝度検出部は、前記瞳面輝度分布において前記被検対象物の表面状態に応じて輝度変化が大きくなる部分の輝度を前記検査用輝度として検出することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の光学検査装置。
　前記検出光学系の対物レンズの瞳面上または前記瞳面と共役な面上において検出される瞳面輝度分布から前記輝度検出部により前記検査用輝度が検出されることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の光学検査装置。
　前記輝度分布補正部は、前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から最小二乗法を用いて１次式の近似輝度分布平面を求め、前記一次式の近似輝度分布平面を前記検査用ベース輝度分布として求めることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の光学検査装置。
　前記輝度分布補正部は、前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から最小二乗法を用いて高次式の近似輝度分布曲面を求め、前記高次式の近似輝度分布曲面を前記検査用ベース輝度分布として求めることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の光学検査装置。
　前記高次式が２次式もしくは４次式であることを特徴とする請求項６に記載の光学検査装置。
　前記被検対象物が表面に回路パターンが露光形成される半導体ウエハであり、
　前記輝度分布作成部は、前記半導体ウエハの表面に一度の露光により前記回路パターンが形成される一つのショット領域からの反射光に基づく輝度分布を前記一つのショット領域内において前記観察部位を移動させながら検出して前記一つのショット領域についての前記検査用輝度分布を求め、
　前記ベース輝度分布算出部は、前記輝度分布作成部により検出された前記検査用輝度分布から前記一つのショット領域についての前記検査用ベース輝度分布を算出することを特徴とする請求項１に記載の光学検査装置。
　前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から、前記ベース輝度分布算出部により算出された前記検査用ベース輝度分布を除いた検査用補正輝度分布を算出する輝度分布補正部をさらに備え、
　前記輝度分布補正部は、前記ベース輝度分布算出部により算出された前記検査用ベース輝度分布から前記一つのショット領域についての前記検査用補正輝度分布を作成することを特徴とする請求項８に記載の光学検査装置。
　複数のショット領域のそれぞれの前記検査用補正輝度分布をつなぎ合わせて前記半導体ウエハの表面における前記検査用補正輝度分布を求めることを特徴とする請求項９に記載の光学検査装置。
　前記検査用輝度検出部は、前記瞳面輝度分布において前記被検対象物の表面状態に応じて輝度変化が大きくなる部分の輝度を前記検査用輝度として検出することを特徴とする請求項８～１０のいずれかに記載の光学検査装置。
　前記検出光学系の対物レンズの瞳面上または前記瞳面と共役な面上において検出される瞳面輝度分布から前記輝度検出部により前記検査用輝度が検出されることを特徴とする請求項８～１１のいずれかに記載の光学検査装置。
　前記輝度分布補正部は、前記輝度分布作成部により求められた前記一つのショット領域についての前記検査用輝度分布から最小二乗法を用いて１次式の近似輝度分布平面を求め、前記一次式の近似輝度分布平面を前記一つのショット領域についての前記検査用ベース輝度分布として求めることを特徴とする請求項８～１２のいずれかに記載の光学検査装置。
　前記輝度分布補正部は、前記輝度分布作成部により求められた前記検査用輝度分布から最小二乗法を用いて高次式の近似輝度分布曲面を求め、前記高次式の近似輝度分布曲面を前記検査用ベース輝度分布として求めることを特徴とする請求項８～１２のいずれかに記載の光学検査装置。
　前記高次式が２次式もしくは４次式であることを特徴とする請求項１４に記載の光学検査装置。
　前記検査用ベース輝度分布が半導体製造工程において前記半導体ウエハの表面に形成された膜の厚さに起因して生じる輝度分布であることを特徴とする請求項１～１５のいずれかに記載の光学検査装置。