WO2011001687A1 - 欠陥検査方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

　検査対象の偏光特性を有効に利用し、より高い検査感度を得るには、照明の偏光を同じ方向と仰角、波長において、偏光のみが異なる光を照射し、偏光による検査対象からの反射、回折、散乱光の違いを見なければいけない。これを従来技術にて行うと、偏光を切り替えた複数回の測定が必要となり、検査装置の重要なスペックである検査時間の低下を招いてしまう。そこで本発明では、照明ビーム断面の微小面積内に複数の偏光状態を変調し、各微小面積からの散乱光をセンサの各画素に、個別かつ同時に結像させて複数偏光照明条件の画像を一括で取得することで、スループットを低下させること無く検査感度向上、分類・サイジング精度を向上させるようにした。

Description

欠陥検査方法およびその装置

本発明は、ＬＳＩや液晶基板を製造する際に生じる異物または欠陥の検査方法及びその装置に関する。

半導体デバイスの微細化にともない、検査対象である微細パターンの欠陥や異物などのサイズは数十ナノメートル又はそれ以下となっている。このように検出対象である欠陥や異物のサイズが小さくなってきているため、これらからの反射、回折、散乱光は非常に弱く、光による検出が困難となっている。そのため、欠陥や異物からの反射、回折、散乱光が、照明光の条件（照明方位、照明仰角、波長、偏光）に依存することを利用し、複数の照明条件と検出条件（検出方位、検出仰角、偏光検出）にて取得した複数画像を利用し欠陥検出感度を向上させる方法が提案されている。

　上記方法を用いた半導体ウェハに生じた欠陥などの検査方法として日本国特許第４,００１,６５３号公報（特許文献１）、特開２００８－０９６４３０号公報（特許文献２）に記載されている方法がある。

　特許文献１に記載されている方法では、サンプル上の第１パターンの検査点に存在する欠陥を探索する為に、同じデザインの第２パターンの少なくとも１つの既知の検査応答を参照する事を特徴とした欠陥検査方法とその装置について述べている。検査に当っては、サンプル上の第１及び第２パターン上では互いに同等の観察点を用いる事が重要であり、少なくとも１回の探索を行いそれに依って少なくとも２つの検査応答を発生させ、その２つの応答（暗視野と明視野からの応答信号が代表的である）は、光電的手法で別々に検出し、別々に比較して、個別に差分信号（第１と第２パターン間の）を形成する技術について述べている。即ち、第１パターンに於ける第１と第２応答を検出しその結果を各々対応する第２パターンのそれぞれの同じ検査点からの２つの応答との間でそれぞれ比較処理を実施し、その結果として応答の第１と第２の差分信号を形成する。個別に作られた差分信号は、一元的に第１パターン欠陥のリストを決定する為にデータ処理をする。具体的には、この第１及び第２の差分信号をまとめてデータ処理を施し、一元的な第１パターンの欠陥リストを決定する事が出来る。または、第１パターン欠陥リストにはその後データ処理を実行する。そして、既知で無害なサンプル表面に見られる虚偽欠陥を抽出してそれを排除する。一方、その様な既知の無害な虚偽欠陥は参考としてユーザーに提供する。更に、多様な検査探索を追加して、検査応答を増やして、サンプルから２つ以上の光学応答を得て処理する様にする。これにより検査精度は更に向上する。その上、透過性サンプルに於いては、光電検出器をその後方に設置して透過光に依る検査応答を収集し前記のパターン欠陥リストの精度をもっと向上させる様にする事が出来てサンプル内部に埋もれた欠陥を探索する様にする事も可能であるとしている。しかしながら、２つの応答を得る具体的な内容については述べられていない。

　特許文献２に記載されている方法では、半導体ウェハの欠陥からの反射、回折、散乱の分布が、欠陥の大きさや形状、ウェハの表面形状に依存してことなり、単一の検出器では欠陥検出性能が欠陥種に依存するという問題を、光を半導体ウェハにウェハの法線に対し斜めから照射し、ウェハから反射、回折、散乱した光を、対象物を底面とした半球状のほぼ全域にて検出した光を用いて欠陥の検出および弁別を行い解決する方法を提供している。また、複数の方向から同時に、同様の偏光もしくは異なる偏光を照射し、かつ複数の偏光成分を個別に検出し、欠陥とノイズの偏光特性の違いを利用して欠陥を顕在化することを可能とする。

日本国特許第４,００１,６５３号公報 特開２００８－０９６４３０号公報

検査対象が数十ナノメートルサイズになると、検査対象の微小構造、媒質の特性のわずかな違いによって、検査対象の持つ偏光特性は大きく異なる。したがって、照明と検出の偏光状態を適切に選択することで、欠陥の検出感度の向上が見込まれる。

　しかしながら、従来技術の光学式欠陥検査装置においては、複数の照明条件（照明方位、照明仰角、波長、偏光）、および検出条件（検出方位、検出仰角、偏光検出）により得た複数画像を処理する手法を用いているが、条件の一つである照明の偏光に関しては必ずしも有効に利用されていない。

　検査対象の偏光特性を有効に利用するには、照明の偏光を同じ方向と仰角、波長において、偏光のみが異なる光を照射し、偏光による検査対象からの反射、回折、散乱光の違いを見なければいけない。これを従来技術にて行うと、偏光を切り替えた複数回の測定が必要となり、検査装置の重要なスペックである検査時間の増加を招く。

　本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決して照明ビーム断面の微小面積内に複数の偏光状態を変調し、各微小面積からの散乱光をセンサの各画素に、個別かつ同時に結像することによって、複数偏光照明条件の画像を一括で取得することにより、検査時間を増加させることなく偏光条件の異なる複数種の測定を可能とする欠陥検査方法及びその装置を提供することにある。

　本発明では上記従来技術の課題を解決するために、光学式欠陥検査装置の照明光学系において、一回の照明における照明領域内に偏光状態の異なる照明を同時に実行可能な照明光学系と、その異なる偏光状態を検出可能な検出光学系とを組合わせた構成を提供するものである。

　すなわち、本発明においては、照明光を試料に照射する照明手段と、試料上の照明手段により照明光が照射された部分から発生する散乱光を検出する複数の検出画素を有する撮像手段と、撮像手段で散乱光を検出して得られた検出信号を処理して試料上の欠陥を検出する信号処理手段とを備えた検査装置において、照明手段はこの照明手段から発射した照明光が照射する試料上の照射領域内における複数の小領域を異なる偏光条件で照明する偏光条件設定部を備え、撮像手段は偏光条件の異なる小領域ごとに異なる画素で検出し、信号処理手段は前記異なる画素で検出した偏光条件の異なる小領域ごとの検出信号を処理して試料上の欠陥を検出するように構成した。

　また、本発明においては、第１の照明光を試料に第１の仰角方向から照射する低角度照明手段と、第２の照明光を試料に第２の仰角方向から照射する高角度照明手段と、試料上の低角度照明手段又は高角度照明手段により照明光が照射された部分から発生する散乱光のうち第３の仰角方向に散乱した散乱光を検出する複数の検出画素を有する低角度撮像手段と、試料上の低角度照明手段又は高角度照明手段により照明光が照射された部分から発生する散乱光のうち第４の仰角方向に散乱した散乱光を検出する高角度撮像手段と、低角度撮像手段と高角度撮像手段とで散乱光を検出して得られたそれぞれの検出信号を処理して試料上の欠陥を検出する信号処理手段とを備えた検査装置において、低角度照明手段と高角度照明手段とは、それぞれ発射した照明光が照射する試料上の照射領域内における複数の小領域を異なる偏光条件で照明する偏光条件設定部を備え、低角度撮像手段は偏光条件の異なる小領域ごとに異なる画素で検出し、信号処理手段は異なる画素で検出した偏光条件の異なる小領域ごとの検出信号と高角度撮像手段で検出した信号とを処理して試料上の欠陥を検出するようにした。

　更に、本発明においては、照明手段から発射した照明光を試料に照射し、照明光が照射された部分から発生する散乱光を複数の検出画素を有する撮像手段で検出し、散乱光を撮像手段で検出して得た検出信号を信号処理手段で処理することにより試料上の欠陥を検出する方法において、照明手段から発射した照明光はこの照明光が照射する試料の照射領域内における複数の小領域を異なる偏光条件で照明し、撮像手段は偏光条件の異なる小領域ごとに異なる画素で検出し、信号処理手段で異なる画素で検出した偏光条件の異なる小領域ごとの検出信号を処理して試料上の欠陥を検出するようにした。

　本発明によれば、検査のスループットを低下させることなく、複数の偏光照明条件画像を用いて、検査感度を向上させることができるとともに、欠陥分類性能の向上させることができる。

第１の実施例の光学系の概略の構成を示すブロック図である。 第1の実施例の検査の流れを示すフロー図である。 第1の実施例におけるラインセンサの２ライン検出面の画素の配列の状態を示すラインセンサの検出面の平面図である。 第1の実施例におけるラインセンサの検出面に結像された散乱光のビーム断面内の偏光状態の分布を示す散乱光像である。 第1の実施例における偏光照明画像領域とセンサ結像領域との関係を示す図である。 第1の実施例における画像処理部の概略構成を示すブロック図である。 Ｓ偏光照明とＰ偏光照明とによる膜上および膜下欠陥の散乱光強度比を示すグラフである。 Ｓ偏光照明およびＰ偏光照明による散乱光強度の異物サイズ依存性を示すグラフである。 第1の実施例における偏光制御素子と偏光制御素子アレイとの関係を示す斜視図である。 第1の実施例における偏光制御素子と偏光制御素子アレイとの関係の変形例を示す斜視図である。 第1の実施例における照明光学系の構成を示す斜視図である。 第1の実施例によるウェハ上の照明領域の偏光の状態を示すウェハ照明領域の平面図である。 第２の実施例法における偏光制御素子と偏光制御素子アレイとの関係を示す斜視図である。 第２の実施例によるウェハ上の照明領域の偏光の状態を示すウェハ照明領域の平面図である。 第２の実施例における１６枚の検査画像を同時かつ独立に検出するラインセンサの画素の配列の状態を示すラインセンサの検出面の平面図である。 第２の実施例における画像処理部の概略構成を示すブロック図である。 第３の実施例の検査装置の概略の構成を示すブロック図である。 第４の実施例における照明光学系の構成を示す斜視図である。 第５の実施例の検査装置の概略の構成を示すブロック図である。 第６の実施例の検査装置の概略の構成を示すブロック図である。 第６の実施例における照明光学系の構成を示す斜視図である。 第６の実施例の結像光学系の低角度検出光学系のうちの１系統の概略の構成を示す平面図である。 第６の実施例の結像光学系の高角度検出光学系のうちの１系統の概略の構成を示す正面図である。 第６の実施例におけるウェハ１回点目から４回点目までの照明の位置と欠陥の位置関係を示すウェハの平面図である。 第６の実施例の検査処理手順を示すフロー図である。 第６の実施例における低角度検出光学系の配置を示す平面図である。 第６の実施例における高角度検出光学系の配置を示す平面図である。

本発明の実施例を、以下に説明する。

本発明の第1の実施例を図１から図７を用いて説明する。以下では、半導体ウェハの暗視野検査装置による検査を例にとって説明する。

　図１に光学式の暗視野検査装置の構成の概要を示す。本実施例に係る暗視野検査装置は、大きく照明光学系１１０、ステージ部１７０、検出光学系１８０及び信号処理・制御系２５０で構成されている。照明光学系１１０は、光源１１１、ビーム整形手段１１２、偏光板や波長板からなる偏光制御素子１１３、ビーム断面内に偏光分布を持たせる偏光制御素子アレイ１１４、ビーム断面内の偏光分布を検査対象（半導体ウェハ）に結像するレンズ１１５を備える。ステージ部１７０は検査対象試料である表面に微細なパターンが形成された半導体ウェハ１００を載置して移動可能なｘステージ１７０a、ｙステージ１７０b、ｚステージ１７０ｃ、θステージ１７０ｄを備えて構成される。

　検出光学系１８０は、ｘステージ１７０aに載置されて照明光学系１１０により照明された半導体ウェハ１００からの反射、回折、散乱光を結像する対物レンズ１２０と結像レンズ１４０、半導体パターンのうちの繰り返しパターン部分により生じる回折光パターンを除去する空間フィルタ１３０、対物レンズ１２０と結像レンズ１４０にて結像されるウェハからの散乱光を検出するラインセンサ１５０を備えている。信号処理・制御部２５０は、ラインセンサ１５０（ＴＤＩ(Time Delay Integration )イメージセンサ：時間遅延積分型イメージセンサ）でウェハからの散乱光を検出して取得した画像を処理する画像処理部２００、装置を操作する操作部２２０、装置の各部位を制御する制御部２３０、および自動焦点１６０から構成されている。

　図１に示した光学式の暗視野検査装置を用いて検査対象試料である微細なパターンが形成された半導体ウェハ１００を検査して表面の欠陥を検出する検査フローの概要を図２に示す。先ず、照明光学系１１０により照明ビーム断面内に偏光分布を作成しビームを線状に整形し（S１００）、この線状に成形した照明光をｙステージ１７０ｂによりｙ方向に連続的に移動しているウェハ１００に照射する（S１０１）。この線状に成形した照明光の照射によりウェハ１００から発生した反射、散乱、回折光（S１０２）を検出光学系にて検出し（S１０３）、ラインセンサ１５０により光電変換された信号とウェハ１００のｘ方向の位置情報とから画像を取得し（S１０４）、取得した画像に処理を施し欠陥判定、欠陥分類およびサイジングなどを行う（S１０５）。
　次に各部位の動作を説明する。先ずビームを線状に整形し（S１００）、ウェハ１００に照射する（S１０１）工程において、光源１１１より発振された直線偏光の光は、ビームエキスパンダおよびシリンドリカルレンズ等からなるビーム整形装置１１２により光軸に対して垂直な面における断面形状が楕円状になるように整形され、偏光制御素子１１３および偏光制御素子アレイ１１４により楕円短軸方向に２種の異なる偏光状態を持つビームを生成し（詳細後述）、例えばシリンドリカルレンズ１１５a、１１５bを備えるレンズ群１１５にて縮小結像することでx方向に２種の異なる偏光状態を持つ線状ビーム１０１（y方向が長手方向）がウェハ１００上に照射される。

　次に、偏光の状態が調整された線状ビーム１０１が照射されたウェハ１００から発生した反射、散乱、回折光（S１０２）を検出光学系１８０にて検出（S１０３）する工程においては、ウェハ１００から発生した反射、散乱、回折光は対物レンズ１２０で集光され、対物レンズ１２０の出射側の瞳位置又は瞳位置と等価な位置に配置された空間フィルタ１３０によりウェハ１００上に形成された繰り返しパターンからの散乱光により形成される回折光パターンを遮光し、空間フィルタ１３０で遮光されなかった散乱光を結像レンズ１４０を透過させてラインセンサ１５０の検出面上に結像させる。ラインセンサ１５０の検出面とラインセンサ１５０上に結像される散乱光像との関係を、図３Ａ～Ｃを用いて説明する。

　図３Ａは、ラインセンサ１５０の２ラインの検出面に画素１５１aと１５１ｂとが並んでいる状態を示す。一方、図３Ｂにはラインセンサ１５０の検出面に結像された散乱光のビーム断面内の偏光状態の分布を示す。図３Ｂのように分布した散乱光が図３Ａに示したラインセンサの検出面と重なるように結像レンズ１４０とラインセンサ１５０との位置が調整されている。このような状態で、ラインセンサ１５０の検出面にウェハから発生した散乱光による像が結像されて、ラインセンサ１５０の画素１５１aで散乱光による像のうちの微小面積部１０２aを、またラインセンサ１５０の画素１５１ｂで散乱光による像のうちの微小面積部１０２ｂを検出する。ステージ部１７０によってウェハ１００をｙ方向に一定の速度で連続的に移動させることにより走査して走査方向に２画素ピッチ分移動するごとに画像を取得するすることをＴＤＩイメージセンサの段数分繰り返して２画素ピッチごとの信号をそれぞれ足し合わせることにより、図３Ｃに示すように、２種の異なる偏光（この例ではＳ偏光とＰ偏光）を照明した際のウェハ１００からの散乱光の検出画像を同時に取得することができる。このとき、ウェハの正常パターンからの回折光は、空間フィルタ１３０により除去され、欠陥からの散乱光を検出した信号のみが検出される。

　次に、取得した画像に処理を施し欠陥判定、欠陥分類およびサイジングなどを行う（S１０５）工程では、信号処理・制御系２５０において、取得した２枚の画像（検査画像と、本来この検査画像と同一の画像であることが期待される隣接パターン又は隣接ダイを撮像して得た画像（参照画像））が、画像処理部２００に送られ、２枚の画像を比較処理して欠陥候補を抽出し、この抽出した欠陥候補の欠陥判定、分類・サイジングが行われる。
２枚の画像は、多数ある照明条件と検出条件のなかで、照明の偏光条件のみが異なる画像であるため、検査対象の偏光特性を強く反映したものとなっており、両者を同時に利用することで欠陥判定性能が向上する。

　本発明の作用とその効果を画像処理部２００の詳細と合わせて説明する。光学式の暗視野検査装置では、ウェハを走査しながら（ウェハ１００と照明光学系１１０及び検出光学系１８０とを相対的に一方向に連続的に移動させながら）多数の画像を取得する。図４Ａに示すように、ラインセンサ１５０で取得された検査ダイの画像１５２、１５３それぞれについて、検査ダイと遅延メモリ２００１，２００２に記録してある１つ前に検査して得たダイの画像と位置合わせ部２００３，２００４で位置合わせを行い、その結果を一旦メモリ２００５,２００６に記憶させてから減算部２００７，２００９でそれぞれの画像の差画像を求める（減算する）。このとき、欠陥からの散乱光は、正常部からの散乱光と異なることから、欠陥からの散乱光が強調された画像が得られる。正常部は暗く、欠陥部は明るい画像が取得されるため、求めた差画像を比較部２０１１，２０１２でしきい値記憶部２００８，２０１０に記憶しておいたしきい値画像と比較し、比較部２０１１，２０１２で得られたそれぞれの結果を欠陥判定部２０１３で統合して欠陥の判定を行う。しきい値記憶部２００８，２０１０に記憶しておくしきい値画像は、たとえば、正常部の統計的な明るさから決定する。ここで、特許文献２によると、２つの直交する偏光成分Ｐ偏光とＳ偏光では、照明方位と仰角が同じ場合でも、ウェハ上の透明膜の透過率が異なる。すなわち、透明膜の上部および内部に欠陥が存在する場合、Ｓ偏光では透明膜の上部に欠陥がある場合に比べ、透明膜の内部に欠陥がある場合には散乱光強度が弱くなる。

　一方、Ｐ偏光の場合には、両者の散乱光強度に大きな違いが生じない。このとき、欠陥判定部２０１３では、Ｓ，Ｐ偏光照明時の画像を同時に取得し、上記手法により欠陥の候補を抽出し、２画像の欠陥候補をマージした結果を最終的な欠陥と判定する。この処理を行うことで、Ｓ，Ｐどちらかの偏光のみを照明したときに比べて、膜上、膜下欠陥の捕捉率が増加する。

　また、上記の性質を利用して、欠陥が膜上、膜下にあるかを分類できる。図４ＢにＳ，Ｐ偏光照明時の強度比を示す。このとき、あらかじめ強度比が１以上の場合を膜下の欠陥、１以下の場合を膜上の欠陥と設定しておき、取得したＳ，Ｐ偏光照明時の画像の比を取り、１以上もしくは１以下を判定することから欠陥の分類を行う。この欠陥分類は、分類・サイジング処理部２０１４で行う。

　さらに、Ｓ，Ｐ偏光照明時の散乱光強度の違いを利用することで、欠陥のサイジングも可能となる。図４Ｃに異物サイズを横軸に、散乱光強度をレンズ口径内で積分した値を縦軸にとったグラフを示す。Ｓ，Ｐ偏光照明により異物の大きさに対して、強度の変化の仕方が異なっているため、Ｓ，Ｐ偏光照明時の強度の比を元に異物サイズの判定を行う。あらかじめ異物サイズとＳ，Ｐ偏光照明時の散乱光強度比との関係を、実験もしくはシミュレーションにて導出し、データベースを作成しておき、取得したＳ，Ｐ偏光照明時の画像の比を取り、その比とデータベースを比較することで異物サイズを決定する。

　以上のように、Ｓ，Ｐ偏光で得た画像をそのまま使用するだけでなく、Ｓ，Ｐ偏光照射明画像の比による画像を用いることで、効率的な欠陥判定、分類・サイジングができる。

　光源１１１には、気体レーザ、半導体レーザ、固体レーザや、面発光レーザなどが利用可能である。波長は赤外、可視域、紫外を用いることができるが、波長が短くなるほど光学的な分解能が向上するため、微細欠陥を見る際にはＵＶ（Ultra Violet:紫外線)、ＤＵＶ（Deep Ultra Violet:深紫外線）、ＶＵＶ（Vacuum Ultra Violet:真空紫外線）、ＥＵＶ（Extreme Ultra Violet:極端紫外線）などの紫外域の光を用いるとよい。

　照明光のビーム断面内に偏光分布を生成する方法の詳細を図５により説明する。レーザ光源１１１から発射した単一波長で直線偏光のレーザを、ビーム整形手段１１２でレンズ系の組合わせによりビーム形状を楕円状に整形し、偏光軸を回転させる効果のある半波長板(λ/２板)からなる偏光制御素子１１３を透過させ、ウェハ上のy軸から４５°傾いた直線偏光を生成する。この光を偏光制御素子アレイ１１４の一例である偏光板アレイ１１４aに入射させる。偏光板アレイ１１４aは、ｙ軸方向の成分を透過する偏光板１１４ａｊと、ｙ軸と光軸(照明光学系１１０の光軸)とに直行する方向の直線偏光成分を透過する偏光板１１４ａiを備える。y軸方向には、１１４ａｊもしくは１１４ａiが配列しており、ｙ軸と光軸とに直交する方向にて１１４ａjと１１４ａiが異なる。この偏光板アレイ１１４aを透過した光は光軸に垂直な断面において１０３ａのような偏光状態を持つ。この微小な各波長板により生成された偏光状態の光を、センサ１５０の１画素に結像するよう、レンズ１１５により波長板アレイ１１４aを透過した光をウェハ上に縮小投影する。このような偏光板アレイ１１４aは、フォトニック結晶やシート状の偏光板を配列することによって作成することができる。

　断面内でｙ軸方向に異なる偏光特性を有する照明光によるウェハ１００からの散乱光を、ラインセンサ１５０の各画素にて検出するための光学系調整方法について図７Ａ及びＢを用いて説明する。先ず、図７Ａに示すように、偏光制御素子アレイ１１４を透過した光のｙ軸方向の偏光成分を遮光する偏光板１１６を偏光制御素子アレイ１１４の出射側に設置する。このとき、ウェハ１００上の照明光の照射領域１０１内は、図７Ｂに示すようにｙ軸方向に偏光する成分が照射されていた箇所が暗部１０２bとなる。ラインセンサ１５０にて検出する際、図３Ａの画素１５１aの行は明るく、画素１５１bの行は暗くなるように、照明光とラインセンサの位置を調整すればよい。

　本実施例においては、ウェハ１００を一方向に連続的に移動させながら多段のラインセンサ(ＴＤＩイメージセンサ)で撮像するが、そのときの撮像のタイミングは、ＴＤＩイメージセンサ上でｙ方向に２画素分移動するごとに１回撮像することをＴＤＩイメージセンサの段数分繰り返して２画素ピッチごとの信号を積分した結果を検出信号として得る。

　なお、本実施例では、ウェハ上のｙ軸に対して、平行（P偏光）、垂直（S偏光）に振動する２つの偏光状態を同時に照射する例を記述したが、他にも右回り円偏光と左回り円偏光の組み合わせを用いても同様に、画像処理を行い、欠陥の検出、分類・サイジングを行うことができる。

　次に、本実施例の変形例を図６を用いて説明する。第1の実施例とは、偏光制御素子アレイ１１４が異なる。　図６に照明光のビーム断面内に偏光分布を生成する方法の詳細を説明する。図1のビーム整形装置１１２により楕円状に整形したビームを、偏光軸を回転させる効果のある半波長板からなる偏光制御素子１１３を透過させ、ウェハ上のｙ軸から４５°傾いた直線偏光を生成する。この光を偏光制御素子アレイ１１４の一例である波長板アレイ１１４ｂに入射させる。波長板アレイ１１４ｂは、主軸がｙ軸方向から２２．５度傾いた波長板１１４ｂiと、６７.５度傾いた波長板１１４ｂjを備える。ｙ軸方向には、１１４ｂｊもしくは１１４ｂiが配列されており、ｙ軸と光軸に直交する方向にて１１４ｂｊと１１４ｂiが異なる。この波長板アレイ１１４ｂを透過した光は光軸に垂直な断面１０３ｂのような偏光状態を持つ。この微小な各波長板により生成された偏光状態の光が照射されたウェハ１００の表面の各波長板で偏光された領域がそれぞれセンサの１画素に結像するよう、レンズ１１５により波長板アレイ１１４ｂ透過光をウェハ上に縮小投影する。このような波長板アレイ１１４ｂは、フォトニック結晶や液晶などの電気光学素子、磁気光学素子により作成する。

　電気光学素子又は磁気光学素子を波長板アレイ１１４ｂとして用いた場合、波長板１１３の方位と組み合わせることにより、照明ビーム断面内１０３ｂに任意の偏光分布を作成することができる。

　本実施例においては、ウェハ１００の走査方向にのみ偏光状態の違いを持たせたが、当然、ウェハ走査方向と平行方向にも偏光状態の違いを設定することも可能である。また、検査対象物の場所により検出感度の高い照明偏光条件が異なる場合には検査中に、もしくは検査毎に照明偏光の切り替えも可能となる。

　本発明の第２の実施例を図８と図９を用いて説明する。本発明の第２の実施例の光学系は、図１に示す第１の実施例の光学系と偏光制御素子アレイ１１４、センサアレイ１５０、および画像処理部２００が異なる。以下、第1の実施例との相違箇所について説明する。

　本実施例においては、偏光制御素子アレイ１１４ｃにて照明光ビーム内に４種の偏光状態を生成し、センサアレイ１５０にて各照明偏光からの散乱光の４種の偏光成分を個別に、計１６種の画像を同時に検出する。偏光状態は、直交関係にある方位が４５度異なる２つの直線偏光、および円偏光成分の計３種で表すことができる。また強度をあわせた計４種のパラメータで光の偏光状態を完全に表現できる。したがって、照明ビーム断面内の４種の偏光状態、および検出する偏光成分として、直交関係にある方位が４５度異なる直線偏光と円偏光を含む４種の偏光をそれぞれ選択し得た１６枚の画像はウェハ１００の偏光特性の情報を完全に含んでおり、偏光を用いた欠陥検出感度の最適化が可能となる。

　図８Ａに偏光制御素子アレイ１１４ｃを示す。偏光制御素子アレイ１１４ｃは主軸方位の異なる半波長板１１４ｃi、１１４ｃｊ、１１４ｃｋと４分の１波長板１１４ｃｌからなり、半波長板１１３透過後の４５度方向の直線偏光を、照明光学系１１０の光軸と直行する面内でｙ軸と直交する方向に４種類の偏光状態の光に変換する素子となっている。偏光制御素子アレイ１１４ｃは、フォトニック結晶、液晶などの電気光学素子、磁気光学素子にて作成できる。半波長板１１４ｃi、１１４ｃｊ、１１４ｃｋの主軸方位はそれぞれ２２．５度、６７．５度、４５度であり、透過光の偏光状態はそれぞれｙ方向、ｙと直交方向、ｙから４５度方向の直線偏光となる。ここで、半波長板１１４ｃｋの透過により偏光状態は変化しないが、半波長板１１４ｃiおよび１１４ｃｊ透過後の光と強度をあわせるために設置してある。１１４ｃｌは、ｙ軸方向が主軸の４分の１波長板であり、透過光は円偏光となる。

　図８Ｂに偏光制御素子１１４ｃを透過したビームの断面を示す。楕円状のビーム断面１０３ｃの短軸方向に半波長板１１４ｃi、１１４ｃｊ、１１４ｃｋによる部分的な偏光制御を受けた結果として偏光状態が１１９a～１１９ｄのように変調されている。このビームをレンズ１１５（図１参照）により、ウェハ１００上に結像し、各偏光状態の光１１９a～１１９ｄが照射されたウェハ１００からの反射、回折、散乱光を、個別にラインセンサ１５０にて検出する。

　図９に第２の実施例で用いるラインセンサ(ＴＤＩイメージセンサ)１５０のセンサ部を示す。照明ビーム内の１つの偏光状態１１９aからの反射、回折、散乱光を画素グループ１５６ａの４つの画素１５６ａ₁　～１５６ａ₄にて検出する。４つの画素１５６ａ₁　～１５６ａ₄には、方位の異なる直線偏光板１５５a～１５５ｃ、および円偏光板１５５ｄが貼り付けられており、各偏光成分を検出するようになっている。偏光状態１１９ｂ～１１９ｄからの反射、回折、散乱光も、同様にそれぞれ４つの画素からなる画素グループ１５６ｂ～１５６ｄにて検出する。これにより、ウェハを１回走査することで、照明光の偏光条件４種類において、それぞれで検出の偏光条件４種類、計１６枚の検査画像を同時かつ独立に取得することができる。本実施例においては、ウェハ１００を一方向に連続的に移動させながらラインセンサ(ＴＤＩイメージセンサ)で撮像するが、そのときの撮像のタイミングは、ＴＤＩイメージセンサ上で８画素分移動するごとに１回撮像することをＴＤＩイメージセンサの段数分繰り返して８画素ピッチごとの信号を積分した結果を検出信号として得る。

　これら１６枚の画像から、欠陥の検出、分類、サイジングを行う方法を図１０により説明する。１６枚の画像１００１には検査対象の全ての偏光特性（ミューラー行列の全１６項）の情報が含まれているため、これらの画像から、四則演算により、偏光解消度画像算出部１５２aで偏光解消度の画像、旋光性画像算出部１５２ｂで旋光性の画像、リタデーション画像算出部１５２ｃでリタデーションの画像、２色性画像算出部１５２ｄ２で色性の画像に代表される偏光特性を表すパラメータの画像が導出可能である。導出した各偏光パラメータ画像と各遅延メモリ１００３ａ～１００３ｄに記録してある１つ前に検査したダイパラメータ画像とで位置合わせ部１００３ａ～１００３ｄにおいて位置合わせを行い、位置合わせが終わった各偏光パラメータ画像とダイパラメータ画像とをメモリ部１００４ａ～１００４ｄに記憶させておくとともに減算部１００５ａ～１００５ｄで減算して差画像を求める。このとき、欠陥からの散乱光は、正常部からの散乱光とは異なる偏光特性を持つことから、欠陥情報が強調された画像が得られる。

　メモリ部１００４ａ～１００４ｄに記憶させておいた各偏光パラメータ画像とダイパラメータ画像とを用いてしきい値演算部１００６ａ～１００６ｄで各偏光パラメータ画像に対応する差画像のしきい値画像をあらかじめ求めておき、比較部１００７ａ～１００７ｄで、このしきい値画像と減算部１００５ａ～１００５ｄで算出した各偏光パラメータ画像の差画像とを比較し、欠陥判定部１００８において各比較部１００７ａ～１００７ｄで比較した結果を統合して欠陥判定を行う。

　この判定は第1の実施例と同様に、各画像で抽出された欠陥候補をマージし、ウェハ上の欠陥とする。なお、しきい値画像は、複数枚の正常部のパラメータ画像を用いた統計処理から決定する。このとき、欠陥のサイズが数十～数百ナノメートル小さい場合、欠陥は強い偏光特性を有し、欠陥の形状や大きさによってその偏光特性が大きく異なるため、複数の偏光パラメータを同時に用いることで欠陥の捕捉率が向上する。

　また、複数の偏光パラメータにより偏光特性の違いを検出することで分類・サイジング部１００９で欠陥の分類・サイジングが可能となる。たとえば、偏光軸の回転を表す旋光性の場合、正常部と欠陥部では偏光軸の回転量が異なるので、回転量にしきい値を設定し、しきい値以上の回転量を持つものを欠陥候補とし、その回転量により欠陥の分類、サイジングを行う。これにより、これまで強度の比較のみでは、見つけることのできなかった欠陥の検出が可能になる。

　本発明の第３の実施例を図１１を用いて説明する。
本発明の第３の実施例の光学系を図１１に示す。第1の実施例とは、照明光が２本になったことが異なる。装置は、光源１１１１、光源１１１１から発射されたレーザビームをミラー１１１７で光路を２系統の照明光学系１１１０と１１２０とに分岐し、２本の照明光１１２１aと１１２１ｂとにより半導体ウェハ１００を射方照明し、照明された半導体ウェハ１００からの反射、回折、散乱光を検出光学系１１８０の対物レンズ１２０と結像レンズ１４０とで照明光１１２１aによる像はラインセンサ１１５０ｘの検出面上に、また照明光１１２１ｂによる像はラインセンサ１１５０ｙの検出面上にそれぞれ結像する。
　検出した信号は画像処理部２００、装置を操作する操作部２２０、装置の各部位を制御する制御部２３０、自動焦点検出系１６０を備えた信号処理・制御系１２５０で処理される。試料１００は、ｘステージ１７０a、ｙステージ１７０b、ｚステージ１７０ｃ、θステージ１７０ｄを備えるステージ部１７０に載置されて位置を制御される。照明光学系１１２０は、ビーム整形装置１１２a、偏光板や波長板からなる偏光制御素子１１３a、ビーム断面内に偏光分布を持たせる偏光制御素子アレイ１１４x、ビーム断面内の偏光分布を検査対象（半導体ウェハ）に結像するレンズ１１５aを備え、同様に照明光学系１１１０は、ビーム整形装置１１２b、偏光板や波長板からなる偏光制御素子１１３b、ビーム断面内に偏光分布を持たせる偏光制御素子アレイ１１４y、ビーム断面内の偏光分布を検査対象（半導体ウェハ）に結像するレンズ１１５bを備えている。照明光学系が１１１０と１１２０の２系統になっているが、各部位の動作は実施例1と同様であるため説明を省略する。

　ウェハ１００の検査部位における検出画像の数は照明光が１本のときと比べ２倍となり、それぞれの照明光学系において実施例１又は２で説明したのと同じ照明が行われ画像が検出・処理されるため、更なる感度向上、分類やサイジングの制度向上が期待される。なお、３本以上の複数本の照明光を用いて、より多くの情報を取得することも可能である。
各照明光の断面内に変調される偏光状態の数は、第1の実施例のように２種、第２の実施例のように４つ、それ以外でもかまわない。また、その数は、照明光によって変わりうる。

　本発明の第４の実施例を図１２により説明する。本発明の第４の実施例の光学系は、図１に示す第１の実施例の光学系と偏光制御素子アレイ１１４、センサアレイ１５０、および画像処理部２００が異なる。第１の実施例では、偏光制御素子アレイ１１４を用いることで、照明光の偏光状態をウェハ１００のｘ軸とｙ軸の両方において変調させることができた。第４の実施例は、図１のウェハ１００上のｙ軸方向にのみ照明光の偏光状態が異なる場合である。光学系は図１とほぼ同様で偏光制御素子アレイ１１４を簡易な偏光素子に置き換えればよい。この偏光素子として、図１１に示すように、ウォラストンプリズム１１４eを用いて実現できる。光源からの光を偏光制御素子１１３でウェハ上の軸から方位４５度傾いた直線偏光とし、ウォラストンプリズム１１４eへと入射させる。ウォラストンプリズム１１４eは、入射偏光を直交する２つの直線偏光に分割することができる。ただし、２つに分割した光は、光軸に対して平行とはならないので、ウェハに結像する際には、光線の傾き分を考慮して結像する。

　本発明の第５の実施例を図１３により説明する。
図１３に第５の実施例の光学系を示す。第３の実施例の光学系を示す図１１に、ウェハ１００からの散乱光をｚ軸に対して斜めから検出する斜方検出系３００ｓを加えたものである。斜方検出系３００ｓは、ウェハ１００上からの反射、回折、散乱光を結像する対物レンズ１２０ｓと結像レンズ１４０ｓ、対物レンズ１２０ｓと結像レンズ１４０ｓにて結像されるウェハからの２本照明光１０１ｘと１０１ｙそれぞれによる反射、回折、散乱光を検出するラインセンサ１５０ｓｘと１５０ｓｙ、半導体パターンからの回折光を除去する空間フィルタ１３０ｓからなり、ラインセンサ１５０ｓｘと１５０ｓｙにより得られた画像は、ラインセンサ１５０ｘと１５０ｙで得られた画像と同様に処理される。

　ここで、ウェハ１００から反射、回折、散乱される光は、方向によってその強度および偏光状態が異なる。球形の異物は上方に強く散乱するためラインセンサ１５０ｘと１５０ｙの画像を用いることで検出しやすく、一方、凹型の欠陥は、周辺方向に強く散乱するため、ラインセンサ１５０ｓｘと１５０ｓｙの画像から検出しやすい。このように、上方の検出系に加え斜方検出系３００ｓを備えることで、より多種にわたる欠陥を検出することが可能となる。また、上方と斜方の検出系の画像を比較することによって、例えば、上方にくらべ斜方の強度が強い場合には異物、逆の場合は凹欠陥など、欠陥分類も可能となる。

上記した第１乃至第５の実施例においては、表面に回路パターンが形成されたウェハ１００を検査対象としたが、本実施例においては、表面にパターンが形成されていない平板状の半導体ウェハを検査対象とする光学式暗視野検査装置に本発明を適用した実施例を図１４～図１８を用いて説明する。

　図１４Ａは、表面にパターンが形成されていない半導体ウェハ１０５を検査する本発明の第６の実施例に係る光学式の暗視野欠陥検査装置の概略の構成を示す。欠陥検査装置は、照明光学系４０１、低角度検出光学系４０２、高角度検出光学系４０３、ウエハステージ４０４、信号処理・制御系４２０とを有して構成される。

　照明光学系４０１はレーザ光源３０２、ビームエキスパンダ３０３、ホモジナイザ３０４、波長板１１３、偏光制御素子アレイ１１４、光路切替用ミラー３０５、低角度照明用ミラー３０６、低角度照明用集光レンズ３０７、高角度照明用集光レンズ３１４、高角度照明用ミラー３１５を備えている。レーザ光源３０２から射出されたレーザビーム５００はビームエキスパンダ３０３でビーム径が拡大されてその光軸に直角な面における断面形状が細長い楕円形状（線状）に整形され、ホモジナイザ３０４で均一照度分布へ変換される。図１４Ｂに示すように、整形された楕円形状のビームは、偏光軸を回転させる効果のある半波長板（λ/２板）からなる偏光制御素子１１３を透過し、ウエハステージ４０４に載置したウェハ面上のy軸から４５°傾いた直線偏光を生成する。この光を偏光制御素子アレイ１１４の一例である偏光板アレイ１１４ｆに入射する。偏光板アレイ１１４ｆは、ｙ軸方向の成分を透過する偏光板１１４ｍと、ｙ軸とレーザビーム５００の光軸とに直交する方向の直線偏光成分を透過する偏光板１１４ｎとを有する。このような偏光板アレイは、フォトニック結晶やシート状の偏光板を配列することによって作成できる。

　図１４Ａに説明を戻す。まず、ウェハ１０５を低角度照明する場合について説明する。
偏光板アレイ１１４ｆを透過して１０２ｆに示すような所定の偏光特性を付与されたレーザビーム５００は光路切替用ミラー３０５により光路を下方に切替えられて低角度照明用ミラー３０６で再度光路を切替えられ、低角度照明用集光レンズ３０７を通って断面が細長い楕円形状（線状）に成形されたレーザビームでウエハ１０５の被検査領域を線状に照明する。ここで、レーザ光源３０２は、波長が４００ｎｍよりも短い紫外光（ＵＶ、ＤＵＶ,ＶＵＶ,ＥＵＶ）のレーザビームを発振するレーザ光源を用いればよい。ビームエキスパンダ３０３はアナモフィック光学系であり、複数のプリズムを用いて構成される。光軸に互いに垂直な平面内における一方向のみに関してビーム径を変化させ、集光レンズを使って試料に線状照明を行う。集光レンズ３０７とビームエキスパンダ３０３との組合せの代りに、ビーム径を拡大する拡大レンズと拡大したビームの一方向を絞ってビームの断面形状をほぼ線形に成形するシリンドリカルレンズを用いて線状に成形したビームで照射を行うように構成することもできる。シリンドリカルレンズを用いた場合は光学系のスリム化が図れる点で有効である。また、ホモジナイザ３０４は、照明強度を均一にする目的で使用しているが、例えば回折光学素子やフライアイレンズに置き換えてもよい。さらには、ホモジナイザ３０４を使用せずに照明を行ってもよい。ホモジナイザを省略することでレーザビーム強度の減衰を抑え、強い照度で照明を行うことができる。

　次に、ウェハ１０５を高角度照明する場合について説明する。図示していない駆動手段で光路切替用ミラー３０５をレーザビーム５００の光路から退避させると、偏光制御素子１１３と偏光制御素子アレイ１１４ｆとを透過して偏光特性を付与されたレーザビーム５００は直進して高角度照明用集光レンズ３１４を通って高角度照明用ミラー３１５に入射し、光路を直角に折り曲げられてウエハ１０５の被検査領域を垂直方向から線状に照明する。線状照明光の形成方法は上記に説明した低角度照明する場合と同様である。

　低角度検出光学系４０２は、結像系３０８と、フォトダイオードアレイ３０９とを有して構成されている。低角度検出光学系４０２について図１５Ａを用いて詳細に説明する。
低角度検出光学系４０２は集光レンズ３２１、イメージインテンシファイア３２２、結像レンズ３２３およびフォトダイオードアレイ３０９を用いて構成される。照明光学系４０１により低角度照明又は高角度照明されたウェハ１０５上の照野３２０から散乱された光を集光レンズ３２１で集光し、イメージインテンシファイア３２２で散乱光を増幅させ、結像レンズ３２３を介してフォトダイオードアレイ３０９の検出面上に結像する。このとき、ウェハ１０５に照射されるレーザビーム５００は照明光学系４０１によりビーム内の位置によって偏光状態が異なるように成形されているので、各偏光状態で照射したときの散乱光をフォトダイオードアレイ３０９の各ダイオードで個別に検出するように低角度検出光学系を構成することで、異なる偏光状態の光を照射したときの散乱光を同時かつ個別に検出することができる。ここで、イメージインテンシファイア３２２は、ウェハ１０５上の微小な欠陥からの散乱光を増幅して微弱な散乱光を検出可能にする目的で使用している。このフォトダイオードアレイ３０９は受光光量に応じた電気信号を発生させる。フォトダイオードアレイ３０９により発生した電気信号はアナログ回路４１０で必要な増幅、ノイズ処理およびアナログ－デジタル変換を施される。

　高角度検出光学系４０３は、集光光学系３１２とセンサ部３１３とを組合わせて構成されている。センサ部３１３は、図１５Ｂに示すように、偏光ビームスプリッタ３１３とＰ偏光検出用フォトマル３１３２及びＳ偏光検出用フォトマル３１３３を備えて構成され、集光光学系３１２で集光されたウェハ１０５からの散乱光を偏光ビームスプリッタ３１３１でＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離して検出する。このような構成において、照明光学系４０１によりビーム内の位置によって偏光状態が異なるように成形されたレーザビーム５００が照射されたウェハ１０５から散乱して集光光学系３１２で集光された散乱光を偏光ビームスプリッタ３１３でＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離してそれぞれＰ偏光検出用フォトマル３１３２及びＳ偏光検出用フォトマル３１３３で検出してＡ/Ｄ変換部４１０に送られＡ/Ｄ変換される。Ａ/Ｄ変換された信号は、信号処理部４１１で低角度検出光学系４０２で検出された信号と一緒に処理され、概略同一領域から散乱された複数の光信号の加算および欠陥判定が行われ、ＣＰＵ４１２を介して、マップ出力部４１３で欠陥マップを表示する。

　次に、ウェハステージ４０４はウェハ１０５を保持するチャック（図示せず）、ウェハ１００を回転させるための回転ステージ３１０およびウェハ１００を半径方向（一軸方向）に移動させるための並進ステージ３１１を備えて構成される。ウェハステージ４０３は回転走査および並進走査を行うことによって、試料全面を螺旋状に照明する。また所望の領域を照明できるように、ステージ制御部４１４で回転速度、並進速度を制御する。

　また、このとき、フォトダイオードアレイ３０９の前に検光子３２４を置き、特定の偏光成分だけを抽出して検出するようにしても良い。ウェハ１０５の表面の微小な凹凸であるウェハラフネスと欠陥とでは、異なる散乱光の偏光特性を持ち、その偏光特性は方位と仰角に大きく依存するため、設置位置の異なる検出光学系において特定の偏光成分を抽出することで、より高精度な欠陥判定を行うことができる。

　次に、試料表面の概略同一領域を複数回照射することにより、高感度でかつ試料へのダメージを抑えて検査する方法について説明する。試料を支持するステージは回転しながら半径方向(R方向)に概略一定速度で並進しており、概略一回転した時点で半径方向に進む距離を送りピッチと呼ぶ。回転・並進を行うことで試料全面を螺旋状に走査する。本実施例では照明光学系４０１により線状照明を行って照野長を送りピッチ長より長くすることで概略同一領域に対して複数回照明を行うことを特徴とする。その検査方法に関し、以下に詳細な説明を行う。
  まず、図１６を用いて試料の概略同一領域を複数回照明する方法について説明を行う。
図１６は、照野２０の長さが送りピッチ２６の４倍以上で５倍以下の長さであり、欠陥２５に対し４回照明を行った場合の説明図である。時刻t1に欠陥２５に対し一回目の照明を行うと、時刻t2ではウエハが概略一回転し、照野は概略送りピッチ２６の距離だけ半径方向に進み、欠陥25を再度照明する。以後時刻t3、時刻t4において各々ウエハが概略一回転し、欠陥25に対し照明を行う。つまり図１６の場合では、欠陥２５が照明領域を４回通過することになり、毎回検出された光はアナログ回路または信号処理部で加算処理が行われる。このとき、照明光は図１５Ａの３２０で示したように照明領域の長手方向で偏光の条件が異なるために、４回通過するうちの前半の２回と後半の２回とは返上条件の異なる照明光による検出信号が得られる。このように試料の概略同一領域を複数回照明して異なる偏光条件による検出信号が得られることで、１回照射の場合に比べて比較的小さいパワー密度で照射することが可能になり、被照射部の温度上昇による試料へのダメージを与えることなく、試料表面に存在する微小な欠陥を高感度で検査することができる。なお、照明回数は４回である必要はなく、複数回照明であれば何回でも構わない。

　次に、上記欠陥検査装置を用いて試料表面上の欠陥を検出する方法について図１７の欠陥検出処理フローを用いて説明する。まず、図示していないＧＵＩ（Graphic User Interface）画面上でレシピ設定で照明方向・センサ感度などの検査条件を設定する（ステップS１２０）。その中に照野の長さ、送りピッチや、検出散乱光に対して行う処理方法を設定することも含まれる。ウエハにビーム断面内に複数の偏光成分を含んだ照明ビームを低角度照明系により照射し（ステップＳ１２１）、その後、ウエハ走査（回転と並進）を開始し（ステップS１２２）、照明ビーム内の各偏光成分からの散乱光を高角度検出系と低角度検出系とで個別かつ独立に検出し（ステップS１２３）、検出散乱光に対しレシピ設定で設定した複数散乱光の信号処理を行う（ステップS１２４）。次に、ウエハにビーム断面内に複数の偏光成分を含んだ照明ビームを高角度照明系により照射し（ステップＳ１２５）、その後、ウエハ走査（回転と並進）を開始し（ステップS１２６）、照明ビーム内の各偏光成分からの散乱光を高角度検出系と低角度検出系とで個別かつ独立に検出し（ステップS１２７）、検出散乱光に対しレシピ設定で設定した複数散乱光の信号処理を行う（ステップS１２８）。次に低角度照明による検出及び高角度照明による検出のそれぞれで処理を施された信号に基づいて欠陥判定を行い（ステップS１２９）、欠陥マップを出力する（ステップS１３０）。

　上記の手法により、異なる偏光状態の光を照射したときの散乱光を同時かつ個別に検出することで、実施例１と同様に、欠陥検出性能の向上、効率的な欠陥分類・サイジングが可能となる。

　なお、上記に説明した欠陥検出処理フローにおいては低角度照明の後に高角度照明を行う例を示したが、順序は逆でもよい。また、高角度照明のステップ（Ｓ１２５からＳ１２８）を省略して低角度照明の検出結果だけを用いて欠陥を検出してもよい。

　図１４では斜方照明光学系と垂直（高角度）照明光学系の使い分けについては、斜方照明光学系を用いることで検出感度を向上させることが可能であり、垂直照明光学系を用いることで欠陥の分類性能を向上させることが可能であるため、用途に応じて適宜使用すればよい。また、これらの照明光学系、検出光学系の組合せを利用することで欠陥分類の精度を向上させることが可能になる。例えば凸欠陥に対しては、斜方から照明を行った時に低角度検出光学系で大きな散乱光を検出することが可能であり、凹欠陥に対しては、垂直方向から照明を行った時に高角度検出光学系で大きな散乱光を検出可能である。

　また、図１８Ａ及び図１８Ｂのように異なる方位角方向に複数の検出光学系を配置してもよい。すなわち、図１８Ａは図１４Ａに示した欠陥検査装置において低角度検出系４０２を低角度及び高角度照明光の照射領域を中心に複数配置した状態を示す平面図であり、ウェハ１０５、照明光学系４０１、検出光学系４０２a～４０２fが示されている。検出光学系４０２a～４０２fはそれぞれ結像系３０８a～３０８fおよびフォトダイオードアレイ３０９a～３０９fを備えている。検出信号は図１４Ａで説明した信号処理・制御系４２０と同様な構成を用いて、アナログ回路で必要な増幅、ノイズ処理、アナログ－デジタル変換を施し、信号処理部で概略同一領域から散乱された複数の光信号の加算演算および欠陥判定を行い、CPUを介してマップ出力部で欠陥マップを表示する（図示せず）。ここで、低角度検出光学系の構成に関しは図１５Ａで説明した構成と同様に、結像系３０８a～３０８fはそれぞれ集光レンズ、イメージインテンシファイア、結像レンズ、フォトダイオードアレイで構成される(図示せず)。

　また、図１８Ｂには図１４Ａに示した欠陥検査装置において高角度検出系４０３をウェハ１０５上の照射領域１０１を中心に複数配置した状態を示す平面図であり、ウェハ１０５、照明光学系４０１、検出光学系４０３a～４０３ｄが示されている。検出光学系４０３a～４０３ｄはそれぞれ集光光学系３１２a～３１２ｄおよびフォトダイオードアレイ３１３a～３１３ｄを備えている。検出信号は図１４Ａで説明した信号処理・制御系４２０と同様な構成を用いて、アナログ回路で必要な増幅、ノイズ処理、アナログ－デジタル変換を施され、信号処理部で概略同一領域から散乱された複数の光信号の加算演算および欠陥判定が行われ、CPUを介してマップ出力部で欠陥マップを表示する（図示せず）。ここで、高角度検出光学系の構成に関しは図１５Ｂで説明した構成と同様に、検出光学系４０３a～４０３ｄはそれぞれ集光レンズ、偏光ビームスプリッタ、Ｐ偏光検出用フォトマル、及びＳ偏光検出用フォトマルを備えている(図示せず)。

　このように、複数方位角に存在する検出光学系を用いると、欠陥の大きさや形状・試料の膜種や表面粗さによって発生する散乱光の角度特性が変化する場合に、ノイズが小さく、欠陥からの散乱光を多く検出できる検出光学系を選択して検査することができるため、検出感度を向上させることが可能となる。検出光学系の配置について、図１８では異なる方位角方向に低角度検出光学系では６個の検出光学系を配置し、高角度検出光学系では４個の検出光学系を配置した例を挙げたが、検出光学系の個数は６個や４個に限定されるものではなく、また、配置する方位角方向に制限もない。また、概略同じ仰角に複数の検出光学系が配置されている必要もなく、異なる仰角に配置しても構わない。さらに概略同じ方位角に検出器が配置されている必要もない。図１７では照明の長手方向と平行な方向からレーザ照明を行っているが、照明の長手方向とレーザを照射する方向は概略同じである必要はなく、異なる方向から照明を行っても構わない。異なる方向から照明することで、ＣＯＰ（結晶欠陥）やマイクロスクラッチ（ウェハ表面の微小な傷）などの欠陥から発生する散乱光分布を変化させることが可能であり、複数の方位角に存在する検出器の検出信号の組合せによって分類性能を向上させることが可能である。

　以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

　ＬＳＩや液晶基板などの半導体デバイスの微細化にともない、検査対象である微細パターンの欠陥や異物などのサイズは数十ナノメートル又はそれ以下となっている。このように検出対象である欠陥や異物のサイズが小さくなってきているため、これらからの反射、回折、散乱光は非常に弱く、光による検出が困難となっているが、本発明は、これら半導体デバイスを製造する際に生じる異物または欠陥を検査する方法及びその装置に利用される。

２０…照野　　２５…欠陥　　２６…送りピッチ　　１００,１０５…ウェハ　　１１０…照明光学系　　１１１…光源　　１１２、１１２a、１１２ｂ…ビーム整形装置１１３、１１３a、１１３ｂ…偏光制御素子　　１１４a、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４e、１１４ｘ、１１４ｙ…偏光制御素子アレイ　　１１４i、１１４ｊ、１１４ｋ、１１４ｌ、１１４ｍ、１１４ｎ…偏光制御素子アレイの画素　　１１５a、１１５ｂ…レンズ
１２０…結像レンズ　　１２１a、１２１ｂ…照明ビーム　　１３０…空間フィルタ
１４０…対物レンズ　　１５０、１５０ｘ、１５０ｙ…ラインセンサ　　１５１a、１５
１５５a、１５５ｂ、１５５ｃ、１５５ｄ…センサ画素の偏光子　　１５６a、１５６ｂ、
１５６ｃ、１５６ｄ…センサ画素群　　１６０…ウェハ高さ検出系　　１７０…ステージ
２００…画像処理部　　２２０…操作部　　２３０…制御部　　３０２…レーザ光源
３０３…ビームエキスパンダ　　３０４…ホモジナイザ　　３０５、３０６…ミラー
３０７…集光レンズ　　３０８、３０８a～３０８ｆ…結像系　　３０９、３０９a～３０９ｆ…フォトダイオードアレイ　　３１０…ステージ　　３１２…結像光学系
３１３…CCDカメラ　　３２０…照野　　３２１…集光レンズ　　３２２…イメージインテンシファイア　　３２３…結像レンズ　　３２４…検光子　　４０１…照明光学系
４０２、４０２a～４０２ｆ…検出光学系　　４０３…ウェハステージ　　４１０…回路
４１１…信号処理部　　４１２…ＣＰＵ　　４１３…マップ出力部　　４１４…ステージ制御部。

Claims (10)

1. 　照明手段から発射した照明光を試料に照射し、該照明光が照射された部分から発生する散乱光を複数の検出画素を有する撮像手段で検出し、該散乱光を撮像手段で検出して得た検出信号を信号処理手段で処理することにより前記試料上の欠陥を検出する方法であって、前記照明手段から発射した照明光は該照明光が照射する前記試料の照射領域内における複数の小領域を異なる偏光条件で照明し、前記撮像手段は前記偏光条件の異なる小領域ごとに異なる画素で検出し、前記信号処理手段で前記異なる画素で検出した偏光条件の異なる小領域ごとの検出信号を処理して前記試料上の欠陥を検出することを特徴とする検査方法。
2. 　前記撮像手段は前記偏光条件の異なる小領域ごとに異なる複数の画素で検出し、該複数の画素はそれぞれ検出する偏光の条件が異なることを特徴とする請求項１記載の検査方法。
3. 　前記信号処理手段で前記異なる画素で検出した偏光条件の異なる小領域ごとの検出信号を参照信号と比較して差画像を求め、該求めた差画像から前記試料上の欠陥を検出することを特徴とする請求項１記載の検査方法。
4. 　前記照明手段は前記試料上の同一箇所に照明光を偏光の条件を変えて複数回照射し、前記撮像手段は前記試料上の同一箇所を異なる偏光条件のごとに異なる画素で検出することを特徴とする請求項１記載の検査方法。
5. 　照明光を試料に照射する照明手段と、前記試料上の前記照明手段により照明光が照射された部分から発生する散乱光を検出する複数の検出画素を有する撮像手段と、該撮像手段で散乱光を検出して得られた検出信号を処理して前記試料上の欠陥を検出する信号処理手段とを備えた検査装置であって、前記照明手段は該照明手段から発射した照明光が照射する前記試料上の照射領域内における複数の小領域を異なる偏光条件で照明する偏光条件設定部を備え、前記撮像手段は前記偏光条件の異なる小領域ごとに異なる画素で検出し、前記信号処理手段は前記異なる画素で検出した偏光条件の異なる小領域ごとの検出信号を処理して前記試料上の欠陥を検出することを特徴とする検査装置。
6. 　前記撮像手段は前記偏光条件の異なる小領域ごとに異なる複数の画素で検出し、該複数の画素はそれぞれ偏光の条件が異なるフィルタを介して検出することを特徴とする請求項５記載の検査装置。
7. 　前記信号処理手段は、前記撮像手段の異なる画素で検出した前記偏光条件の異なる小領域ごとの検出信号を参照信号と比較して差画像を抽出する差画像算出部と、該差画像算出部で抽出した差画像から前記試料上の欠陥を検出する欠陥検出部とを備えることを特徴とする請求項５記載の検査装置。
8. 　前記試料を載置して回転と並進が可能なテーブル手段を更に備え、該テーブル手段で前記試料を回転させながら一方向に並進させることにより前記照明手段は前記試料上の同一箇所に照明光を偏光の条件を変えて複数回照射し、前記撮像手段は前記試料上の同一箇所を異なる偏光条件のごとに異なる画素で検出することを特徴とする請求項５記載の検査装置。
9. 　第１の照明光を試料に第１の仰角方向から照射する低角度照明手段と、第２の照明光を試料に第２の仰角方向から照射する高角度照明手段と、前記試料上の前記低角度照明手段又は前記高角度照明手段により照明光が照射された部分から発生する散乱光のうち第３の仰角方向に散乱した散乱光を検出する複数の検出画素を有する低角度撮像手段と、前記試料上の前記低角度照明手段又は前記高角度照明手段により照明光が照射された部分から発生する散乱光のうち第４の仰角方向に散乱した散乱光を検出する高角度撮像手段と、前記低角度撮像手段と前記高角度撮像手段とで前記散乱光を検出して得られたそれぞれの検出信号を処理して前記試料上の欠陥を検出する信号処理手段とを備えた検査装置であって、前記低角度照明手段と前記高角度照明手段とは、それぞれ発射した照明光が照射する前記試料上の照射領域内における複数の小領域を異なる偏光条件で照明する偏光条件設定部を備え、前記低角度撮像手段は前記偏光条件の異なる小領域ごとに異なる画素で検出し、前記信号処理手段は前記異なる画素で検出した偏光条件の異なる小領域ごとの検出信号と前記高角度撮像手段で検出した信号とを処理して前記試料上の欠陥を検出することを特徴とする検査装置。
10. 前記試料を載置して回転と並進が可能なテーブル手段を更に備え、該テーブル手段で前記試料を回転させながら一方向に並進させることにより前記低角度照明手段及び前記高角度照明手段は前記試料上の同一箇所に照明光を偏光の条件を変えて複数回照射し、前記低角度撮像手段は前記試料上の同一箇所を異なる偏光条件のごとに異なる画素で検出することを特徴とする請求項９記載の検査装置。

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