WO2010050488A1 - 欠陥検査装置及び欠陥検査方法 - Google Patents

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WO2010050488A1
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pupil
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substrate
defect
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一正 遠藤
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株式会社ニコン
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    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
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    • H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions

Definitions

  • the present invention relates to a defect inspection apparatus and a defect inspection method.
  • a defect of a pattern formed on a resist layer on the surface of a semiconductor wafer or a liquid crystal substrate has been inspected.
  • an inspection method is disclosed in which an image of a sample surface is compared by adjusting the polarization state of light from a light source and the intensities of zero-order and higher-order diffracted light forming an optical image (for example, Patent Documents). 1).
  • a critical dimension SEM a length-measuring scanning electron microscope, hereinafter referred to as “CD-SEM”
  • the inspection method using the CD-SEM has problems that it is not suitable for inspecting the entire wafer surface from the viewpoint of resist damage and throughput.
  • the present invention has been made in view of such a problem. Regardless of the resist pattern formed on the sample surface or the pattern after etching (inspection pattern), the quality of the pattern shape on the sample surface can be determined in a short time. It is an object of the present invention to provide a defect inspection apparatus and a defect inspection method that can be discriminated.
  • a defect inspection apparatus is a defect inspection apparatus that inspects a defect on a substrate on which a repetitive pattern is formed, and includes an objective lens, and is formed on the substrate through the objective lens.
  • Illumination optical system that irradiates light from the light source to the repeated pattern
  • a detection optical system that detects an image of the pupil surface of the objective lens by the diffracted light of multiple orders caused by the repeated pattern, and the obtained pupil
  • a detection unit for detecting a defect in a repetitive pattern of the substrate from the image is a defect inspection apparatus that inspects a defect on a substrate on which a repetitive pattern is formed, and includes an objective lens, and is formed on the substrate through the objective lens.
  • Illumination optical system that irradiates light from the light source to the repeated pattern
  • a detection optical system that detects an image of the pupil surface of the objective lens by the diffracted light of multiple orders caused by the repeated pattern, and the obtained pupil
  • the detection unit is configured to obtain a luminance value of an image of the pupil plane and detect a defect of a repetitive pattern formed on the substrate based on the luminance value.
  • such a defect inspection apparatus has a storage unit that measures in advance the luminance value of the image of the pupil plane by a non-defective sample and stores it as a reference value, and the detection unit reads the reference value from the storage unit, and It is preferable to compare the value and the luminance value obtained from the image of the pupil surface to detect a defect in the repetitive pattern formed on the substrate.
  • the detection unit determines an optimum position for obtaining a luminance value from the image of the pupil plane, and detects a defect in the repetitive pattern of the substrate based on the luminance value at the optimum position.
  • it is configured.
  • the optimum position is a pupil image region by any order of diffracted light among pupil images by multiple orders of diffracted light, and a pupil image region by any order of diffracted light Shows the correlation between the measured value of the evaluation substrate on which a plurality of repetitive patterns with different degrees of acceptability are formed by the reference measurement means and the luminance value of the pupil image by the multiple-order diffracted light by the evaluation substrate for each order. It is preferable to determine the pupil image region by the diffracted light of the order having a high correlation.
  • the illumination optical system has a wavelength selection unit that selects a wavelength range of light from a light source irradiated on a repetitive pattern formed on the substrate.
  • the illumination optical system has a polarizer that aligns light from a light source irradiated on a repetitive pattern formed on the substrate in a predetermined linear polarization state.
  • the illumination optical system has an aperture stop at a position conjugate with the pupil plane, and the opening of the aperture stop is positioned in a plane orthogonal to the optical axis of the illumination optical system. It is preferable that the opening diameter can be changed.
  • the illumination optical system has an aperture stop at a position conjugate with the pupil plane, and the linear direction connecting the optical axis of the illumination optical system and the aperture of the aperture stop aperture , Ra is the imaging magnification between the aperture stop and the pupil of the objective lens, ⁇ is the wavelength of the light irradiated to the repetitive pattern formed on the substrate, and P is the period of the repetitive pattern.
  • the focal length of the lens is f
  • the defect inspection method is a method for inspecting a defect on a substrate on which a repeated pattern is formed, and an illumination step of irradiating light from a light source onto the repeated pattern formed on the substrate through an objective lens.
  • the detection step is configured to obtain a luminance value of an image of the pupil plane and detect a defect of a repeated pattern formed on the substrate based on the luminance value.
  • the detection step measures in advance the luminance value of the image of the pupil plane by the non-defective sample as a reference value, and uses the reference value and the image of the pupil plane obtained in the imaging step. It is preferable to compare the obtained luminance value and detect a defect of the repetitive pattern formed on the substrate.
  • the detection step determines the optimum position for obtaining the luminance value from the image of the pupil plane obtained in the imaging step, and is formed on the substrate by the luminance value at the optimum position. It is preferably configured to detect defects in the repetitive pattern.
  • the optimum position is a pupil image region by any order of diffracted light among pupil images by multiple orders of diffracted light, and a pupil image region by any order of diffracted light Shows the correlation between the measured value of the evaluation substrate on which a plurality of repetitive patterns with different degrees of acceptability are formed by the reference measurement means and the luminance value of the pupil image by the multiple-order diffracted light by the evaluation substrate for each order. It is preferable to determine the pupil image region by the diffracted light of the order having a high correlation.
  • the quality of the pattern shape on the sample surface can be determined in a short time regardless of the resist pattern on the sample surface or the pattern after etching.
  • FIG. 2 It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of a defect inspection apparatus.
  • It is explanatory drawing which shows the structure of an aperture stop Comprising: (a) shows the aperture stop in which the substantially circular opening part was formed, (b) shows the aperture stop in which the substantially rectangular opening part was formed.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a relationship between a CD-SEM value and a gradation value and showing an allowable range thereof. It is a schematic diagram in the case of illuminating with P polarized light with respect to the periodic direction of the pattern on the wafer surface. It is a schematic diagram in the case of illuminating with S polarization with respect to the periodic direction of the pattern on the wafer surface.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a defect inspection apparatus 20 which is an example of an embodiment of the present invention, and is shown as a schematic sectional view in a plane passing through an optical axis.
  • the defect inspection apparatus 20 includes a light source 1 and an illumination optical system 21 that irradiates the wafer (substrate) 10, which is a sample placed on the stage 11, with illumination light emitted from the light source 1 through the objective lens 9. , A detection optical system 22 that condenses the light reflected by the wafer 10, a first image sensor 17 that detects a pupil image of the objective lens 9 among the images collected by the detection optical system 22, and the wafer 10. And a detection unit 23 that detects a defect of the wafer 10 from a pupil image captured by the first image sensor 17.
  • the illumination optical system 21 includes, in order from the light source 1 side, a condenser lens 2, an illuminance uniformizing unit 3 including an interference filter, an aperture stop 4, a first field stop 5, a relay lens 6, a polarizer 7, a half mirror 8, and It has an objective lens 9 and is arranged in this order on the optical axis.
  • the illumination light emitted from the light source 1 is reflected by the half mirror 8 and then guided to the wafer 10 through the objective lens 9.
  • the optical axis of the illumination optical system 21 is arranged so as to substantially coincide with the optical axis of the detection optical system 22, and is configured to coaxially illuminate the wafer 10.
  • the stage 11 has an x-axis, a y-axis, an x-axis, a y-axis, and an axis that passes through the z-axis and is orthogonal to each other in the plane perpendicular to the z-axis in the plane perpendicular to the z-axis. It is configured to be movable in the z-axis direction and rotatable about the z-axis.
  • the detection optical system 22 shares the half mirror 8 and the objective lens 9 with the illumination optical system 21, and in order from the wafer 10 side, the objective lens 9, the half mirror 8, the analyzer 12, the first imaging lens 13, and the half lens. It has a prism 14, a second imaging lens 15, and a second field stop 16, and is arranged in this order on the optical axis.
  • the light reflected by the wafer 10 passes through the half mirror 8 and is guided to the first and second imaging elements 17 and 18.
  • the first image sensor 17 is disposed at a position for detecting light transmitted through the half prism 14, and the second image sensor 18 is disposed at a position for detecting light reflected by the half prism 14.
  • the first image sensor 17 is disposed at a position where an image of the pupil plane of the objective lens 9 is detected, that is, at a position conjugate with the pupil plane of the objective lens 9, and the second imaging is performed.
  • the element 18 is disposed at a position where an image of the wafer 10 is detected, that is, at a position conjugate with the surface of the wafer 10.
  • the second field stop 16 is disposed at a position conjugate with the surface of the wafer 10. An image of the second field stop 16 reflected from the wafer 10 is illuminated by illuminating the second field stop 16 with a detachable illumination unit (not shown) arranged on the first image sensor 17 side.
  • the area on the wafer 10 detected by the first imaging element 17 is converted into the imaging position of the second imaging element 18.
  • the image of the pupil plane of the objective lens 9 and the image of the wafer 10 detected by the first and second imaging elements 17 and 18 can be observed on the monitor 19 via the detection unit 23, respectively. Accordingly, when the image detected by the second image sensor 18 is observed through the monitor 19, it can be confirmed which position on the wafer 10 is irradiated with the illumination light.
  • the polarizer 7 disposed in the illumination optical system 21 and the analyzer 12 disposed in the detection optical system 22 are each configured to be detachable from the defect inspection apparatus 20 and the state of the observation target (wafer 10). It can be inserted / extracted on the optical axis according to the above. In the following description, the polarizer 7 and the analyzer 12 are used in the extracted state.
  • the apertures of the aperture stop 4 and the first field stop 5 are respectively the size (particularly, the size of the diameter in a straight line connecting the optical axis and the aperture) and the plane orthogonal to the optical axis. It has a structure that can change the position inside. Therefore, when the position of the opening of the aperture stop 4 is changed, the incident angle of the illumination light irradiated on the wafer 10 is changed, and when the size and position of the opening of the first field stop 5 are changed, The size (illumination range) and position of the illumination area irradiated on the surface of the wafer 10 can be changed. When the size of the aperture of the aperture stop 4 is changed, the size of the diffraction image on the pupil plane can be changed.
  • the illumination light emitted from the light source 1 is condensed by the condenser lens 2, and the illuminance is uniformed by the illuminance equalizing unit 3, and then irradiated to the aperture stop 4. .
  • the pupil planes of the aperture stop 4 and the objective lens 9 are arranged at positions approximately twice the focal length of the first relay lens 6 with the first relay lens 6 interposed therebetween.
  • an image of the opening of the aperture stop 4 is formed on or near the pupil plane of the objective lens 9, and is further condensed by the objective lens 9 and irradiated onto the wafer 10. That is, the aperture stop 4 and the pupil plane of the objective lens 9 have a conjugate relationship.
  • the illumination light irradiated on the wafer 10 by the objective lens 9 is reflected by the surface of the wafer 10 and condensed again by the objective lens 9.
  • the image of the aperture of the aperture stop 4 reflected by the wafer 10 is formed on the pupil plane (or the vicinity thereof) of the objective lens 9, but the repetitive pattern formed on the wafer 10 (inspected by the following method). Diffracted light is also generated by the inspection pattern) and imaged on the pupil plane in the same manner. Therefore, for example, when the aperture stop 4 has a circular opening 4a as shown in FIG. 2A in the vicinity of the outer periphery of the aperture stop 4, as shown in FIG. 3A.
  • On the pupil plane of the objective lens 9 (FIG.
  • FIG. 3A shows the image PI of the pupil plane), the diffraction image 40 of the opening 4a is formed in this order in accordance with the diffraction order.
  • the direction in which the diffraction images 40 are arranged is on the line where the plane including the optical axis and the center line of the illumination light declined by the aperture stop 4 intersects the pupil plane.
  • a diffraction image (reflection image) having a diffraction order of 0th order is imaged on the pupil plane of the objective lens 9 at a position (and range) corresponding to the aperture 4a of the aperture stop 4, and the primary and secondary orders. .. n-order diffraction images are formed side by side as described above (FIG. 3A).
  • the diameter of the opening 4a of the aperture stop 4 is adjusted in order to prevent the 0th order (image by reflected light) to nth order diffraction images from overlapping each other.
  • the size of the aperture diameter (dimension) Ra of the aperture 4a is changed, and the diffraction image formed on the pupil plane is changed. Adjust so that they do not overlap each other.
  • the aperture diameter (dimension) Ra of the aperture 4a of the aperture stop 4 is set so as to satisfy the condition shown in the following formula (1) so that adjacent diffraction images do not overlap on the pupil plane.
  • ⁇ represents the imaging magnification between the aperture stop 4 and the pupil of the objective lens 9
  • P represents the period of the repetitive (inspection) pattern formed on the wafer 10 to be inspected
  • ⁇ represents the wafer 10.
  • the wavelength of the illumination light (inspection wavelength) is three wavelengths of red (R), green (G), and blue (B)
  • the formula ( The dimension Ra of the opening 4a may be set so as to satisfy 1). This is because, as the wavelength is shortened, the interval between the images by the diffracted light is also narrowed. Therefore, if it is set so as to satisfy the above condition with the shortest wavelength, it can be satisfied even when the wavelength is longer than that. It is.
  • the shape of the opening formed in the aperture stop 4 is not limited to a circular shape, and may be a rectangular shape such as an opening 4a ′ shown in FIG. Also in this case, similarly to the circular opening 4a described above, as shown in FIG. 3B, a diffracted image 40 ′ corresponding to the diffraction order is obtained in the order of the order of the pupil plane (pupil image PI). ) Imaged side by side.
  • the pupil surface is adjusted by adjusting the length Sb of the side of the opening 4a ′ extending in the linear direction connecting the optical axis and the opening 4a ′ to satisfy the following expression (2). It is possible to adjust so that the diffraction images 40 ′ formed side by side do not overlap.
  • the dimension Lb of the side extending in the direction perpendicular to the side indicated by the dimension Sb is preferably set larger than the dimension Sb. This is because the brightness of the image of the opening 4a ′ having such a shape gradually decreases from the center in the direction perpendicular to the direction in which the illumination light is incident on the sample surface. This is to ensure a high brightness range.
  • the aperture stop 4 having the circular opening 4a is used will be described.
  • the position where the illumination light is irradiated onto the surface of the wafer 10 is adjusted by moving the stage 11 in the xy axis direction, and the angle at which the illumination light is irradiated is an opening as described above.
  • the positions and sizes of the apertures of the diaphragm 4 and the first field diaphragm 5 are adjusted, and the direction of irradiation with respect to the periodic direction of the repetitive pattern (inspection pattern) formed on the wafer 10 to be inspected (relative to the repetitive pattern)
  • the azimuth angle of the illumination light is adjusted by rotating the stage 11. Further, when the surface of the wafer 10 is moved onto the focal point of the objective lens 9, the stage 11 is moved in the z-axis direction for adjustment. Further, the wavelength range of the illumination light is adjusted by the interference filter of the illuminance uniformizing unit 3.
  • the pupil image PI formed on the pupil plane (or the vicinity thereof) of the objective lens 9 is imaged by the first imaging element 17 and reflected on the surface of the wafer 10.
  • the detection unit 23 uses the diffraction image of the plurality of orders to detect the wafer to be inspected. 10 can be judged whether or not the repetitive pattern (inspection pattern) formed in the pattern 10 is good.
  • a storage unit connected to the detection unit 23 using a pupil image of a non-defective pattern imaged by the first image sensor 17 (hereinafter, a wafer having a non-defective pattern is referred to as a “non-defective sample”) as a reference image.
  • the reference image is read by the detection unit 23
  • the pupil image of the wafer 10 to be inspected is detected as a detection image
  • the difference between the detection image and the reference image is detected.
  • the defect of the wafer 10 to be inspected is detected.
  • the gradation value for each pixel of the reference image and the detection image the luminance value in the pupil image is detected as a plurality of gradations (digital quantities).
  • the quality determination of the wafer 10 is performed by obtaining the luminance value (tone value) of the image of the pupil plane of the objective lens 9 by the wafer 10 and comparing it with the reference value obtained by measuring and storing the non-defective sample. Since it is performed, measurement can be performed in a shorter time.
  • the pixels to be compared need not be all pixels, and only predetermined pixels may be compared as described below.
  • a method for determining the position of the pixel to be inspected in the image PI of the pupil plane to be compared (hereinafter referred to as “optimal position”) will be described.
  • the optimum position is obtained by dividing the pupil image PI into a plurality of areas P (L, M) (L ⁇ M divided areas) having a predetermined size in advance. It shall indicate which of the areas it falls into.
  • a wafer having a repetitive pattern with different line widths from a non-defective range to a defective range as an evaluation substrate for example, from a non-defective range by changing the exposure amount in the wafer for exposure
  • a reference measuring means using a wafer having a repeated pattern with different line widths to the defective product range (hereinafter referred to as “test wafer”)
  • a measurement value is obtained by measuring a predetermined position CP including a repetitive pattern having different line widths.
  • the defect inspection apparatus 20 shown in the present embodiment irradiates illumination light at a position corresponding to the predetermined position CP on the test wafer on which a repeated pattern having different line widths exists from the non-defective range to the defective range. Then, the pupil image at the predetermined position CP is picked up, a gradation value (luminance value) is calculated for each area, and a correlation between the above measured value and each gradation value (luminance value) is obtained. The area having the largest correlation is set as the optimum position.
  • a CD-SEM is used as a reference measuring means will be described (this CD-SEM measurement value is referred to as “CD-SEM value”). At this time, it is assumed that the CD-SEM value of the test wafer is measured in advance and stored in the storage unit 24.
  • a test wafer is placed on the stage 11 of the defect inspection apparatus 20, and for each area of the pupil image PI at a predetermined position CP (point CP on the wafer 10 shown in FIG. 4) on the test wafer.
  • Each gradation value luminance value
  • the gradation value and the test wafer CD-SEM value stored in the storage unit 24 correspond to the predetermined point CP described above.
  • the correlation with the CD-SEM value is obtained.
  • the pupil plane image PI detected by the first image sensor 17 is divided into, for example, a 45 ⁇ 45 area P and set. To do.
  • the image PI of the pupil plane an image formed by diffracted light from the test wafer is formed, and the first image sensor 17 has a diffraction image (pupil image) as described above, for example, as shown in FIG. 40 is detected.
  • the correlation between the gradation value (luminance value) of the pupil image PI and the CD-SEM value in the set areas P (0, 0) to P (45, 45) is obtained.
  • FIG. 5A shows a CD-SEM value (SEM) at an inspection point CP (No. 1 to No. n) in the test wafer plane and an arbitrary area P (L, M) on the pupil plane (image plane PI).
  • SEM CD-SEM value
  • FIG. 5A Shows a correspondence table 100 of gradation values (luminance values), and this correspondence table 100 is stored in the storage unit 24 described above.
  • each inspection point CP (No. 1 to No. n) set in the test wafer plane is set in the inspection point column 100a.
  • the SEM column 100b stores a CD-SEM value at each inspection point CP.
  • the gradation value R column 100c has an inspection wavelength (illumination wavelength) R
  • the gradation value G column 100d has an inspection wavelength (illumination wavelength) G
  • the gradation value B column 100e has an inspection wavelength ( A gradation value (luminance value) in an arbitrary area P (L, M) on the pupil plane at each inspection point CP when the illumination wavelength (B) is set is stored.
  • (L, M), CG (L, M), and CB (L, M)) are respectively obtained.
  • This correlation coefficient is obtained for each inspection point CP (No. 1 to No. n) from the pupil image obtained at that point for each inspection wavelength in each area P (0, 0) to P (N, N).
  • Correlation coefficients CR (L, M), CG (L, M), and CB (L, M) are obtained and stored in the correlation function table 101 of the storage unit 24.
  • the correlation function table 101 has a data structure as shown in FIG. 5B, and an area column 101a on the pupil image has an area P (0, 0, P) on the pupil image PI obtained at the point CP. 0) to P (N, N) are set, and the correlation coefficient of the gradation value (luminance value) at the inspection wavelength R in the area P is stored in the gradation value R column 101b.
  • the correlation coefficients of the gradation values G and B at the inspection wavelengths G and B are stored in the gradation value G column 101c and the gradation value B column 101e, respectively.
  • the pupil plane area P (Xf, Yf) where the correlation value obtained from the correlation coefficient at each wavelength obtained as shown in FIG. 5B is maximized is determined as the optimum position.
  • FIG. 6 shows an inspection example when the inspection pattern formed on the wafer 10 is a hole pattern, and the CD-SEM value and the gradation value are approximated by a quadratic function.
  • the wafer 10 to be inspected is placed on the stage 11, the pupil image PI is captured by the first image sensor 17, and the gradation of the optimal position in the pupil image PI is detected by the detection unit 23.
  • a value luminance value
  • inspecting whether or not it is within the above-described allowable range if it is within the allowable range, it is determined that the repeated pattern formed on the wafer 10 to be inspected is a non-defective product, When it is outside the allowable range, it can be determined that the product is defective.
  • the light amount of the light source 1 it is preferable to adjust the light amount of the light source 1 so that the gradation value (intensity) of the diffraction image 40 formed in the pupil image PI is not saturated. This is because the diffracted light becomes weaker as it goes from the 0th order to the higher order diffracted light, and the gradation value (luminance value) of the higher order diffracted image decreases accordingly.
  • the light quantity of the light source 1 is adjusted, the high-order diffracted light is weak, so that the gradation value of the diffraction image is too low to measure, and conversely, the light quantity of the light source 1 is added to the high-order diffracted light.
  • the 0th-order diffracted light is strong and the gradation value (luminance value) of the diffraction image is saturated and cannot be measured. For this reason, it is preferable to adjust and set the light quantity of the light source 1 according to the order of the diffraction image by the diffracted light according to the optimum position P (Xf, Yf).
  • the optimum position for obtaining the luminance value is determined, and the defect is detected by the luminance value at that position, thereby detecting the defect of the wafer 10.
  • This optimum position is obtained by measuring the measurement value of a test wafer obtained by measurement using a reference measurement means, for example, a CD-SEM, and the luminance values in a plurality of areas in the pupil image of the test wafer imaged by the first image sensor 17. Since the position (area) has a high correlation, the defect inspection can be performed more efficiently and the quality determination can be performed in a short time.
  • the illuminance uniformizing unit 3 shows a case where the illumination uniformizing unit 3 includes an interference filter that selects the wavelength of illumination light emitted from the light source 1 and irradiated onto the wafer 10.
  • the interference filter may not be included.
  • an optical path dividing element, a color filter, or the like is arranged between the first image sensor 17 and the second field stop 16, and the first image sensor 17 is constituted by a plurality of image sensors, R, G, B The pupil image can be observed separately for each wavelength region.
  • FIG. 7 shows a case where the polarizer 7 is rotated with respect to the light from the light source 1 and is incident as P-polarized light in the direction of the period P of the pattern 10 ′ formed on the wafer 10 (incident light LP).
  • FIG. 7 shows a case where the polarizer 7 is rotated with respect to the light from the light source 1 and is incident as P-polarized light in the direction of the period P of the pattern 10 ′ formed on the wafer 10 (incident light LP).
  • the polarizer 7 is rotated and is incident as S-polarized light in the direction of the period P of the pattern 10 ′ formed on the wafer 10 (incident light LS).
  • the double-ended arrows perpendicular to the incident light LP in FIG. 7 represent the vibration direction PP of the linearly polarized light.
  • the incident light LS in FIG. This is the polarization vibration direction PS.
  • the luminance value at the position in the pupil plane image of the objective lens with a high correlation is used for the measurement, but the incident angle of the illumination and the polarization component are used as parameters, and the pattern shape and shape change in the pupil
  • the optimal position in the pupil that has the highest correlation with the gradation change is obtained in advance by vector analysis simulation, and in a plurality of areas in the pupil image of the test wafer imaged by the first image sensor 17 according to the present embodiment. It goes without saying that a position (area) having a high correlation can be set in a short time from the correlation with the luminance value.

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

欠陥検査装置及び欠陥検査方法
　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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