WO2012056601A1 - 検査装置、検査方法、露光方法、および半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

検査装置、検査方法、露光方法、および半導体デバイスの製造方法 Download PDF

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exposure
exposed
wafer
light
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和彦 深澤
義彦 藤森
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株式会社ニコン
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Definitions

  • the present invention relates to an inspection apparatus and an inspection method for inspecting a surface of a substrate on which a predetermined pattern is formed by exposure, and an exposure method for exposing a predetermined pattern on the surface of a substrate and the exposure method.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
  • a step-and-scan exposure apparatus irradiates slit-like light through a mask and a projection lens, and holds a reticle (that is, a mask substrate on which a pattern is formed) and a wafer (that is, a semiconductor pattern).
  • the exposure shot can be enlarged.
  • An exposure shot is also called an exposure field.
  • Measurement of the focus state of the exposure apparatus mainly includes measurement of a focus state distribution in an exposure shot and measurement of a focus state distribution on the entire wafer surface.
  • the former is referred to as image plane or image plane measurement
  • the latter is referred to as focus monitor or focus monitor measurement.
  • the focus state is a numerical value representing how far the focus at the time of exposure deviates from the best focus or the focus reference state.
  • a method is known in which a test pattern is exposed and developed using a dedicated mask substrate, and the focus offset amount is measured from the positional deviation of the obtained test pattern.
  • the height of the mask substrate is adjusted in accordance with the height of the wafer stage in order to adjust the focus of the projection lens.
  • the image plane (of the pattern) is tilted by a projection lens or the like, the focus cannot be adjusted only by one-dimensional adjustment of the height of the mask substrate. Therefore, such an exposure apparatus measures an optimum focus condition before performing exposure on the wafer.
  • the measurement pattern is exposed and developed while changing the focus for each area smaller than one slit, and the best focus condition is obtained based on the specular reflection image of the obtained pattern.
  • the specular reflection image of the pattern is magnified and observed using a microscope and an image sensor, and the condition where the contrast between the resist pattern (line) and the space is maximized is determined as the best focus condition.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide an apparatus and a method capable of measuring an exposure state at the time of exposure with high accuracy in a short time.
  • an inspection apparatus includes an illumination unit that irradiates illumination light to the pattern of a substrate having a plurality of patterns manufactured by repeating exposure within a predetermined range, and the illumination light irradiates the pattern.
  • a detection unit that collectively detects light from the pattern in the predetermined range of the substrate, and an operation for obtaining an exposure state when the pattern is exposed based on a detection result detected by the detection unit Department.
  • the calculation unit calculates at least one of an in-focus state and an exposure amount when the pattern is exposed as the exposure state.
  • the inspection apparatus further includes a control unit that controls the illumination unit and the detection unit, and when calculating one of the in-focus state and the exposure amount as the exposure state, the influence of the other It is preferable that the control unit controls at least one of the illumination unit and the detection unit so that the control unit is not easily received.
  • the detection unit detects diffracted light from the pattern.
  • the detection unit detects diffracted light of the fourth order or higher.
  • the detection unit detects a predetermined polarization component in the reflected light from the pattern.
  • the inspection apparatus may further include a storage unit that stores detection results of a plurality of patterns exposed in a plurality of different exposure states, and an input unit capable of communication, and the calculation unit includes the stored detection. It is preferable to obtain an exposure state when the pattern is exposed based on the result.
  • the storage unit can store a plurality of different exposure states and detection results of patterns exposed in the exposure state, and the arithmetic unit can store the stored detection results. It is preferable to obtain the exposure state when the inspection target pattern is exposed based on the detection result of the inspection target pattern.
  • the storage unit can store an exposure state curve indicating a relationship between the plurality of different exposure states and a detection result of a pattern exposed in the exposure state
  • the calculation unit includes: It is preferable to obtain an exposure state when the inspection target pattern is exposed based on the inflection point of the exposure state curve.
  • the storage unit can store an exposure state curve indicating a relationship between the plurality of different exposure states and a detection result of a pattern exposed in the exposure state
  • the calculation unit includes: It is preferable to obtain an exposure state when the inspection target pattern is exposed by fitting a detection result of the inspection target pattern to the exposure state curve.
  • the detection unit detects light from the pattern a plurality of times, and the calculation unit obtains the exposure state based on an integrated signal obtained by integrating the detection results of the plurality of times.
  • the inspection apparatus may further include a changing unit that changes at least one of a relative position between the substrate and the detection unit and a relative position between the substrate and the illumination unit. It is preferable to obtain an exposure state when the pattern to be inspected is exposed based on detection results before and after the position change.
  • the calculation unit obtains the exposure state based on an average of detection results at a plurality of the relative positions.
  • the illumination unit collectively illuminates the entire surface on which the pattern of the substrate is formed with a substantially parallel light beam
  • the detection unit collectively collects light from the pattern on the entire surface. It is preferable to detect it.
  • the inspection apparatus further includes an output unit that outputs the exposure state obtained by the arithmetic unit to the exposure apparatus that performed the exposure in a feedback manner.
  • the inspection method according to the present invention irradiates the pattern of a substrate having a plurality of patterns produced by repeating exposure in a predetermined range with illumination light, and the predetermined range of the substrate irradiated with the illumination light The light from the pattern is collectively detected, and the exposure state when the pattern is exposed is obtained based on the detected result.
  • the pattern to be inspected is exposed based on the relationship between the detection results of the plurality of patterns exposed in a plurality of different exposure states and the exposure state when the patterns are exposed. It is preferable to obtain the exposure state at the time.
  • an exposure state curve is used as a relationship between the detection results of the plurality of patterns exposed in the plurality of different exposure states and the exposure state when the patterns are exposed, and the exposure state It is preferable to obtain the exposure state when the inspection target pattern is exposed based on the inflection point of the curve.
  • an exposure state curve is used as a relationship between the detection results of the plurality of patterns exposed in the plurality of different exposure states and the exposed exposure state in which the patterns are exposed, and an inspection target is used. It is preferable to obtain an exposure state when the pattern to be inspected is exposed based on the fitting between the pattern detection result and the exposure state curve.
  • the light from the pattern is detected a plurality of times, and the detection results obtained when the inspection target pattern is exposed by integrating the detection results of the plurality of times.
  • At least one of the illumination state of the illumination light and the detection state of the light from the pattern is changed, and the pattern to be inspected is exposed based on the detection results detected before and after the change. It is preferable to obtain an exposure state when the exposure is performed.
  • the exposure state based on an average of detection results detected before and after the change.
  • the entire surface on which the pattern is formed is collectively illuminated and light from the pattern on the entire surface is detected collectively.
  • the exposure state when the pattern to be inspected is exposed is obtained and used as information that can be fed back to the exposure apparatus that has exposed the pattern.
  • the exposure condition is determined based on the information that can be fed back obtained by the inspection method according to the present invention.
  • the semiconductor device manufacturing method according to the present invention is manufactured by the exposure method according to the present invention.
  • the exposure state at the time of exposure can be accurately measured in a short time.
  • FIG. 1 A surface inspection apparatus according to a first embodiment is shown in FIG. 1, and the surface of a semiconductor wafer 10 (hereinafter referred to as a wafer 10), which is a semiconductor substrate, is inspected by this apparatus.
  • the surface inspection apparatus 1 of the first embodiment includes a stage 5 that supports a substantially disk-shaped wafer 10, and the wafer 10 transferred by a transfer apparatus (not shown) And fixedly held by vacuum suction.
  • the stage 5 supports the wafer 10 so that the wafer 10 can rotate (rotate within the surface of the wafer 10) with the rotational axis of symmetry of the wafer 10 (the central axis of the stage 5) as the rotation axis.
  • the stage 5 can tilt (tilt) the wafer 10 around an axis passing through the surface of the wafer 10, and can adjust the incident angle of illumination light.
  • the surface inspection apparatus 1 further includes an illumination system 20 that irradiates illumination light as parallel light onto the surface of the wafer 10 supported by the stage 5, and reflected light, diffracted light, and the like from the wafer 10 when irradiated with illumination light.
  • a light receiving system 30 that collects light
  • an imaging device 35 that receives light collected by the light receiving system 30 and detects an image on the surface of the wafer 10, an image processing unit 40, an inspection unit 60, and a control unit 80.
  • a storage unit 85 The control unit 80 includes a communication port 82 for exchanging (communication) storage information with the storage unit 85.
  • the illumination system 20 includes an illumination unit 21 that emits illumination light, and an illumination-side concave mirror 25 that reflects the illumination light emitted from the illumination unit 21 toward the surface of the wafer 10.
  • the illumination unit 21 includes a light source unit 22 such as a metal halide lamp or a mercury lamp, a light control unit 23 that extracts light having a predetermined wavelength from light from the light source unit 22 according to a command from the control unit 80, and adjusts the intensity.
  • the light guide fiber 24 is configured to guide the light from the light adjusting unit 23 to the illumination-side concave mirror 25 as illumination light.
  • the light from the light source unit 22 includes a light control unit 23 (which includes a turret plate having a plurality of bandpass filters having different transmission wavelengths and a neutral density filter, and controls the wavelength and intensity of the illumination light based on a command from the control unit 80.
  • a light control unit 23 which includes a turret plate having a plurality of bandpass filters having different transmission wavelengths and a neutral density filter, and controls the wavelength and intensity of the illumination light based on a command from the control unit 80.
  • illumination light of a predetermined intensity having a predetermined wavelength for example, a wavelength of 248 nm
  • the emitted illumination light is irradiated on the surface of the wafer 10 held on the stage 5 as a parallel light beam by the illumination-side concave mirror 25 because the exit portion of the light guide fiber 24 is disposed on the focal plane of the illumination-side concave mirror 25. Is done.
  • the relationship between the incident angle and the outgoing angle of the illumination light with respect to the wafer 10 can be adjusted by changing the mounting angle of the wafer 10 by tilting (tilting) the stage 5 according to a command from the control unit 80.
  • the illumination-side polarization filter 26 is provided on the optical path by an illumination-side polarization filter drive unit (not shown) based on a command from the control unit 80.
  • an inspection using the diffracted light hereinafter referred to as a diffraction inspection for convenience
  • FIG. Inspection hereinafter referred to as PER inspection for convenience
  • polarized light change in polarization state due to structural birefringence
  • the illumination side polarizing filter 26 it is also possible to perform the diffraction inspection by arranging the illumination side polarizing filter 26 on the optical path so that the illumination light becomes s-polarized light. In diffraction inspection using s-polarized light, the uppermost layer state can be detected without being affected by the underlayer.
  • the outgoing light (diffracted light or reflected light) from the surface of the wafer 10 is collected by the light receiving system 30.
  • the light receiving system 30 is mainly composed of a light receiving side concave mirror 31 disposed to face the stage 5, and emitted light (diffracted light or reflected light) collected by the light receiving side concave mirror 31 is imaged by the imaging device 35. An image of the wafer 10 is formed on the surface.
  • a light receiving side polarizing filter 32 is provided on the optical path by a light receiving side polarizing filter driving unit (not shown) based on a command from the control unit 80, As shown in FIG. 1, the diffraction inspection is performed with the light receiving side polarizing filter 32 removed from the optical path, and as shown in FIG. 2, the PER inspection is performed with the light receiving side polarizing filter 32 inserted on the optical path. (Details of the light-receiving side polarizing filter 32 will be described later).
  • the imaging device 35 photoelectrically converts the image of the surface of the wafer 10 formed on the imaging surface to generate an image signal, and outputs the image signal to the image processing unit 40.
  • the image processing unit 40 generates a digital image of the wafer 10 based on the image signal of the wafer 10 input from the imaging device 35 in response to a command from the control unit 80.
  • the internal memory (not shown) of the image processing unit 40 stores image data of non-defective wafers in advance.
  • the inspection unit 60 performs the wafer processing.
  • the image data of 10 and the image data of the non-defective wafer are compared to inspect for defects (abnormality) on the surface of the wafer 10.
  • the inspection results by the image processing unit 40 and the inspection unit 60 and the image of the wafer 10 at that time are output and displayed by an image display device (not shown). Further, the image processing unit 40 uses a wafer image to perform a focus state at the time of exposure (for example, an inclination of an image plane of a pattern projected and exposed by the exposure apparatus 100, a focus fluctuation state of the exposure apparatus 100), The dose state (for example, the fluctuation state of the exposure amount within or between shots of the pattern projected and exposed by the exposure apparatus 100) can be determined (details will be described later).
  • a predetermined pattern is projected and exposed on the uppermost resist film by the exposure apparatus 100 by the exposure apparatus 100.
  • the wafer 10 is not shown by the transfer apparatus (not shown) It is conveyed onto the stage 5 from the developing device.
  • the wafer 10 is transferred onto the stage 5 in a state where the alignment is performed with reference to the pattern or outer edge (notch, orientation flat, etc.) of the wafer 10.
  • a plurality of chip regions 11 are arranged vertically and horizontally (in the XY directions in FIG. 3) on the surface of the wafer 10, and in each chip region 11, a line pattern or a semiconductor pattern is formed.
  • a repeating pattern 12 such as a hole pattern is formed.
  • the exposure apparatus 100 is the above-described step-and-scan exposure apparatus, and is electrically connected to the signal output unit 90 of the surface inspection apparatus 1 of the present embodiment via a cable or the like. The exposure control is adjusted based on the data (signal) from the surface inspection apparatus 1.
  • the control unit 80 reads recipe information (inspection conditions, procedures, etc.) stored in the storage unit 85 via the communication port 82, and performs the following processing.
  • recipe information inspection conditions, procedures, etc.
  • the illumination side polarizing filter 26 and the light receiving side polarizing filter 32 are removed from the optical path, and the wafer 10 is transferred onto the stage 5 by a transfer device (not shown).
  • the positional information of the pattern formed on the surface of the wafer 10 is acquired by an alignment mechanism (not shown) during the transfer, and the wafer 10 is placed at a predetermined position on the stage 5 in a predetermined direction. Can do.
  • the stage 5 is rotated so that the illumination direction on the surface of the wafer 10 matches the pattern repetition direction (in the case of a line pattern, orthogonal to the line), the pattern pitch is set to P, and the wafer 10
  • the wavelength of the illumination light applied to the surface of the light is ⁇
  • the incident angle of the illumination light is ⁇ 1
  • the emission angle of the nth-order diffracted light is ⁇ 2
  • the following equation (1) is satisfied from the Huygens principle. Setting is performed (tilt stage 5).
  • the surface of the wafer 10 is irradiated with illumination light.
  • the light from the light source unit 22 in the illumination unit 21 passes through the dimming unit 23 and has a predetermined wavelength (for example, a wavelength of 248 nm).
  • Intense illumination light is emitted from the light guide fiber 24 to the illumination-side concave mirror 25, and the illumination light reflected by the illumination-side concave mirror 25 is irradiated onto the surface of the wafer 10 as a parallel light beam.
  • the diffracted light diffracted on the surface of the wafer 10 is collected by the light-receiving-side concave mirror 31 and reaches the image pickup surface of the image pickup device 35 to form an image (diffraction image) of the wafer 10.
  • the imaging device 35 photoelectrically converts the image of the surface of the wafer 10 formed on the imaging surface to generate an image signal, and outputs the image signal to the image processing unit 40.
  • the image processing unit 40 generates a digital image of the wafer 10 based on the image signal of the wafer 10 input from the imaging device 35.
  • the image processing unit 40 generates an image (digital image) of the wafer 10
  • the image data of the wafer 10 and the image data of the non-defective wafer are compared to inspect for defects (abnormality) on the surface of the wafer 10. To do. Then, the inspection result by the image processing unit 40 and the image of the wafer 10 at that time are output and displayed by an image display device (not shown).
  • the image processing unit 40 uses a wafer image that has been exposed and developed under conditions in which the focus offset amount of the exposure apparatus 100 is changed for each shot, and uses a diffracted focus curve (focus offset amount and diffracted light). Curve showing the relationship of intensity).
  • this focus curve uses this focus curve to obtain the focus offset amount at which the signal intensity of the diffracted light is maximized (maximum) for each minute region in one shot, the image of the pattern projected and exposed by the exposure apparatus 100 The surface (the distribution of the focus state in the exposure shot) can be obtained.
  • the signal intensity is a signal intensity corresponding to the intensity of light detected by the imaging element of the imaging device 35, and is determined by the illumination light intensity, the diffraction efficiency due to the pattern, the sensitivity of the imaging device, and the like.
  • the two terms refer to substantially the same thing.
  • the inventor of the present application has found that if the line-and-space duty ratio is set to 10 or more for a line of 1, the focus offset amount that maximizes the signal intensity is the best focus. Yes.
  • the maximum is, for example, a quartic function having a maximum of three extreme values (upward or downward peak), and among these, a maximum point in the focus measurement range (near the best focus) is indicated.
  • a method for obtaining the inclination of the image plane of the pattern projected and exposed by the exposure apparatus 100 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
  • a wafer on which a repeated pattern is formed by changing the focus offset amount of the exposure apparatus 100 for each shot is created (step S101).
  • the focus offset amount is changed for each exposure shot, a plurality of shots having the same focus offset amount are set, and they are arranged separately.
  • a conditional wafer 10a see FIGS. 7 and 8).
  • the shots having the same focus offset amount are arranged separately to cancel the influence of, for example, a difference in resist conditions generated between the center side and the outer peripheral side of the wafer and a so-called left-right difference at the time of scan exposure. Do it for the purpose.
  • the resist film (photoresist) formed on the wafer is often formed by coating by spin coating, and as the resist stock solution spreads by spin, the solvent component volatilizes and the viscosity tends to increase and the film tends to become thicker.
  • a difference in resist conditions occurs between the center side and the outer peripheral side of the wafer.
  • the so-called left / right difference means that, for example, when the scanning direction is the X direction, the reticle moves in the X + direction (the wafer moves in the X ⁇ direction) and the reticle moves in the X ⁇ direction ( This is the difference in exposure while the wafer is moving in the X + direction.
  • the condition-controlled wafer 10a of the present embodiment swings the focus offset amount in 16 steps from -175 nm to +200 nm in increments of 25 nm.
  • Each of the shots in FIG. 7 is indicated by a number (1 to 16) of the stage of the focus offset amount that is shaken in increments of 25 nm, and “′” is attached when the stage is the same and the scanning direction is the reverse direction. is doing.
  • the shot of the focus offset amount represented by the number 12 exposure performed with the same focus offset amount is performed by the reticle movement X + direction / one-shot reticle movement X + direction / one-shot reticle movement X-direction on the outer peripheral side.
  • the condition offset wafer 10a is made by arranging the focus offset amounts in 16 steps, each of the focus offset amounts being a total of 64 shots, for a total of 64 shots.
  • a plurality of conditioned wafers may be made to obtain the focus curve.
  • the shot arrangement for each focus offset amount of each conditionally adjusted wafer is set so as to cancel the influence due to conditions other than the focus offset.
  • the conditioned wafer 10a is transferred onto the stage 5 in the same manner as in the diffraction inspection (step S102).
  • the illumination light is irradiated onto the surface of the conditioned wafer 10a, and the imaging device 35 photoelectrically converts the diffracted image of the conditioned wafer 10a to generate an image signal.
  • the data is output to the processing unit 40 (step S103).
  • the diffraction condition is obtained by using the pitch information of the exposed pattern or the diffraction condition search, and the same setting as in the diffraction inspection is performed so that diffracted light is obtained.
  • the tilt angle of the stage 5 is changed stepwise in an angle range other than specular reflection to acquire images at the respective tilt angles, and the image is brightened, that is, the tilt angle at which diffracted light is obtained is obtained.
  • the azimuth angle of the conditioned wafer 10a attitude of the exposed pattern with respect to the illumination direction of the illumination light
  • matches the illumination direction with the repeated direction of the exposed pattern in the case of a line-and-space pattern, the direction orthogonal to the line).
  • the image processing unit 40 generates a digital image of the conditioned wafer 10a based on the image signal of the conditioned wafer 10a input from the imaging device 35, and performs a pixel unit for each shot with the same focus offset amount (respectively).
  • the signal intensity (luminance) is averaged between the corresponding pixels of the shots (step S104). Note that a portion determined to be a defect by the diffraction inspection is excluded from the above-described averaging target.
  • the image processing unit 40 has a plurality of setting areas (areas surrounded by small rectangles) set in the shot as shown in FIG. )
  • the average value of the signal intensity at A (hereinafter referred to as average luminance for convenience) is obtained (step S105). With the processing so far, the average luminance is obtained for each of the plurality of setting areas A provided in the exposure shot when the focus offset is changed in 16 steps from -175 nm to +200 nm in increments of 25 nm.
  • the image processing unit 40 obtains a graph showing the relationship between the focus offset and the average luminance, that is, a focus curve for each setting area A for which the average luminance is obtained (step S106). An example of the focus curve is shown in FIG. 9 and FIGS.
  • the image processing unit 40 obtains approximate curves obtained by approximating the focus curve with a function for each setting region A (step S107). Note that it is preferable to use a quartic function (quaternary expression) as the function of the approximate curve.
  • the focus curve obtained here is referred to as a reference focus curve.
  • the quartic function is expressed as the following equation (2).
  • x is a focus offset
  • y is a signal intensity (average luminance)
  • a, b, c, d, and e are coefficients.
  • the image processing unit 40 obtains a focus offset amount that maximizes the average luminance in the approximate curve of the focus curve for each setting region (step S108).
  • the distribution of the focus offset amount in which the average luminance of the diffracted light becomes maximum in the shot can be obtained, and the value and the focus offset setting value at the time of exposure are obtained.
  • the difference calculated for each set region in the exposure shot is the image plane measurement value (step S109).
  • the focus tilt that is, the tilt amount of the image plane
  • the focus tilt that is, the tilt amount of the image plane
  • the wafer stage in the scanning direction in the scanning direction approximately.
  • the image plane can be measured as described above based on the assumption that the focus offset amount at which the intensity of the diffracted light is maximized is the best focus, but depending on the pattern, the focus at which the intensity of the diffracted light is maximized. There may be a difference between the offset amount and the best focus.
  • the inclination of the image plane is relative to the value of each setting area of the measured value. Since it is an inclination, the inclination of the image plane can be obtained from the measured value of the image plane obtained as described above.
  • the image plane measurement result obtained in this way is converted into a parameter that can be accepted by the exposure apparatus 100, such as the curvature of field, the maximum / minimum value, or the diagonal inclination, and then the signal from the image processing unit 40.
  • the data is output to the exposure apparatus 100 via an output unit (not shown) and reflected in exposure by the exposure apparatus 100.
  • the image plane inclination in the present embodiment is the total image plane with respect to the photoresist layer on the wafer due to the image plane inclination of the projection image by the projection lens in the exposure apparatus 100 and the running error of the reticle stage and wafer stage. It is a slope.
  • the image processing unit 40 is based on the image of the conditioned wafer 10a exposed by the exposure apparatus 100, and the inclination of the image plane of the pattern projected and exposed by the exposure apparatus 100 (that is, In order to determine the tendency of in-focus deviation in the repetitive pattern 12 formed on the wafer 10, not only the pattern dedicated to measurement but also the pattern used for actual exposure and the image of the wafer exposed and developed under illumination conditions Can be measured. At this time, in the present embodiment, it is possible to collectively image each of the exposed patterns while changing the focus offset amount of the exposure apparatus 100 for each shot on the surface of the conditioned wafer 10a.
  • imaging can be performed in a short time, and when obtaining the maximum brightness (intensity) of the diffracted light for each setting area A in the shot, each setting area A in each shot having a different focus offset amount on the conditioned wafer 10a.
  • the influence due to the film thickness variation of the resist film or the like can be averaged and reduced.
  • the measurement can be performed based on the shot image exposed with the pattern used for the actual exposure, and the influence of the film thickness variation of the resist film or the like can be averaged and reduced. It is possible to accurately measure a typical optical image plane.
  • the conditioned wafer 10a has a plurality of shots having the same focus offset amount, and they are arranged separately.
  • a so-called FEM wafer Fluorescence Matrix wafer
  • An FEM wafer is a wafer that is exposed and developed by shifting the focus and dose (exposure energy) in a matrix, and generally has only one shot with the same focus offset amount and the same dose amount.
  • a plurality of diffraction conditions can be selected, and the relative image plane (image plane inclination) of the exposure apparatus 100 obtained under each diffraction condition can be averaged to further improve accuracy.
  • the average can be accurately obtained.
  • the accuracy can be stabilized and improved by acquiring and analyzing images under different pitch conditions and using conditions where the curve of the focus curve is sharp.
  • abnormal values may be removed.
  • the diffraction conditions that do not change the best focus position regardless of the dose amount are selected. It is possible to obtain a non-accuracy.
  • the energy distribution in different shots is measured.
  • a focus curve is obtained for each different dose amount and compared, and the best dose position is selected. A condition that does not change the focus position may be selected.
  • the image processing unit 40 uses the images of a plurality of wafers that are exposed and developed by changing the focus offset amount of the exposure apparatus 100 for each wafer, and the focus fluctuation state of the exposure apparatus 100 with respect to the entire surface of the wafer 10. In other words, focus monitor measurement can be performed. A method for obtaining the focus fluctuation state of the exposure apparatus 100 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, as shown in FIG.
  • a plurality of wafers exposed and developed by changing the focus offset amount of the exposure apparatus 100 for each wafer (here, for example, the focus offset amounts are ⁇ 100 nm, ⁇ 50 nm, 0 nm, Images of five wafers 15a to 15e) of +50 nm and +100 nm are acquired (step S201). At this time, illumination and imaging of the wafer are performed in the same manner as in the case of diffraction inspection.
  • the five wafers 15a to 15e having different focus offset amounts are referred to as measurement wafers 15a to 15e.
  • the signal intensity for all shots in the wafer is formed in pixel units (or in a small number of pixels).
  • the average value of the set areas to be used (hereinafter the same) is obtained (step S202). Whether it is a pixel unit or a setting area formed by a small number of pixels, it is referred to as a setting area A for convenience, and its signal intensity (or average value) is referred to as average luminance.
  • a plurality of setting areas A are set for the exposure shot, but in the focus monitor measurement, a plurality of (many) setting areas A are set for the entire wafer surface, and an average value is set for each setting area. Is what you want.
  • the average luminance in the setting area A at the same position in each wafer (with different focus offset amounts) and the corresponding focus offset A graph showing the relationship with the amount, that is, a focus curve (hereinafter, referred to as a sample focus curve as appropriate to distinguish it from a reference focus curve obtained with a conditionally adjusted wafer) is obtained (step S203).
  • a focus curve hereinafter, referred to as a sample focus curve as appropriate to distinguish it from a reference focus curve obtained with a conditionally adjusted wafer
  • the image processing unit 40 obtains a focus offset amount at which the average luminance is maximized in the approximate curve of the focus curve for each setting region (step S205).
  • the distribution of the focus offset amount (the focus offset amount is converted into brightness in FIG. 12) within the wafer at which the average brightness of the diffracted light is maximized is obtained.
  • the difference between these values and the focus setting value at the time of exposure is calculated for each setting area in the wafer (step S206), and the distribution of the focus state on the entire wafer surface, that is, the measurement value of the focus monitor is obtained.
  • the image plane measurement method and focus monitor measurement method described so far, that is, the method for obtaining from the focus offset amount that maximizes the approximate curve of the focus curve will be referred to as a peak method for convenience.
  • the focus fluctuation state of the focus of the exposure apparatus 100 since it is possible to determine the distribution of the shift amount of the focus offset amount on the wafer surface, it is possible to determine the fluctuation state of the focus of the exposure apparatus 100 with respect to the entire surface of the wafer 10 (for example, (See FIG. 12).
  • the focus state of the entire wafer surface can be measured in a very short time.
  • the focus fluctuation state of the exposure apparatus 100 is expressed in light and dark.
  • pseudo color display is used, the magnitude of the focus shift and the positive / negative are displayed at a time by changing the color. It is possible.
  • the fluctuation state (focus offset amount) of the exposure apparatus 100 with respect to the surface of the wafer 10 obtained by the image processing unit 40 is transferred from the image processing unit 40 to the exposure apparatus 100 via a signal output unit (not shown). It is possible to output and feed back to the setting of the exposure apparatus 100.
  • the focus fluctuation state of the exposure apparatus 100 can be determined based on the image of the wafer exposed with the pattern used for actual exposure, and the actual device is not a dedicated pattern.
  • the illumination condition of the exposure apparatus 100 is not restricted, the focus state of the exposure apparatus 100 can be accurately measured.
  • a dedicated pattern may be used for adjusting the exposure apparatus.
  • the wavelength of the illumination light is preferably a deep ultraviolet wavelength such as 248 nm or 313 nm (j-line).
  • the focus state of the exposure apparatus 100 is obtained using a plurality of diffraction conditions, further accuracy improvement can be expected by, for example, averaging each diffraction condition. Further, by selecting an optimal diffraction condition for each of various target patterns, highly sensitive and highly accurate measurement can be performed. In addition, when averaging, abnormal values may be removed.
  • the measurement sensitivity is improved.
  • the overdose amount side is effective.
  • the pattern repeat interval in order for diffraction to occur, the pattern repeat interval must be at least half the illumination wavelength. Therefore, when light having a wavelength of 248 nm is used as illumination light, diffracted light is not generated in a repetitive pattern with a repetitive interval of 124 nm or less. However, even in such a case, if there is a pattern (for example, a guard pattern) having a repetition interval longer than 124 nm at each position in the shot, diffracted light is generated there, so that measurement is possible.
  • a pattern for example, a guard pattern
  • the illumination conditions at the time of exposing the pattern are adapted to a fine pattern, the pattern with a long repetition interval described above is more easily deformed by focusing shift (defocus) than the fine pattern, that is, It may become sensitive to defocus and increase measurement accuracy.
  • the variation in diffraction efficiency with respect to a change in pattern is generally higher when higher-order diffracted light is used than when first-order diffracted light is used for a pitch of a pattern having a repeated pattern. Therefore, the sensitivity to a change in focus is improved, and the focus state at the time of exposure (the above-described tendency of in-focus shift and the focus fluctuation state of the exposure apparatus 100) can be measured with higher accuracy.
  • the effect is obtained with the fourth or higher order diffracted light, and high accuracy can be obtained even with the tenth order diffracted light or 120th order diffracted light.
  • pattern blocks Even if the repetition pitch of the pattern is short and no diffracted light is emitted, there are cases in which inspection can be performed by diffracted light from repeated pattern blocks, that is, pattern blocks.
  • a semiconductor element DV for example, a memory element or the like
  • pattern blocks 14 including a plurality of holes 13 are arranged vertically and horizontally.
  • the inventors of the present application set diffraction conditions so that 100th-order diffracted light can be obtained from the pattern block 14 arranged at a repetition pitch of 10 ⁇ m, the shape of the holes 13 having a diameter of 60 nm arranged at a repetition pitch of 0.14 ⁇ m in the pattern block 14.
  • the 100th-order diffracted light has high sensitivity to changes (that is, changes in the hole pattern).
  • changes that is, changes in the hole pattern.
  • a fine pattern that is difficult to generate diffracted light that is, a relatively short repetition interval. Pattern change due to defocusing of the pattern) can be detected, and the focus state during exposure can be measured more accurately.
  • the wavelength of the illumination light is preferably a deep ultraviolet wavelength such as 248 nm or 313 nm (j-line). From the above equation (1), when the pitch of the repeated pattern is the same, higher-order diffracted light can be obtained by shortening the wavelength of the illumination light. In addition, when there is a base layer in the repetitive pattern of the wafer or when the film thickness of the base film is uneven, use of illumination light with a short wavelength (for example, 248 nm, 313 nm, etc.) can make it difficult to be affected by the base. .
  • a wafer image (diffraction image) is captured a plurality of times (for example, 10 times) by the imaging device 35, and each image signal is output to the image processing unit 40. Accordingly, it is preferable to perform generation of a digital image of a wafer, determination of a focus state at the time of exposure, and the like based on an integrated signal obtained by integrating a plurality of image signals from the imaging device 35. Since the reflectivity of high-order diffracted light is low, integration of image signals increases the signal amount and improves the SN ratio, and the focus state during exposure can be measured with higher accuracy.
  • the dark current may be measured in advance for the image sensor of the imaging device 35, and the signal due to the dark current may be removed when integrating the image signals.
  • SN ratio can be improved more.
  • the integrated value of N image signals is S
  • the dark current signal value is A
  • the imaging time (exposure time) by the imaging device 35 may be lengthened. Further, in order to reduce random noise of the image sensor, the image sensor of the imaging device 35 may be cooled.
  • the rotation rotated 180 degrees from this rotation position.
  • An image (diffraction image) of the wafer located at the position (second rotation position) is taken, and the image processing unit 40 corrects the rotation amount from the imaging device 35 and outputs the image signal at each rotation position respectively output.
  • Averaging may be performed to generate a digital image of the wafer, determine the focus state during exposure, and the like. In this way, the measurement error based on the asymmetry of the pattern shape and the measurement error based on the non-uniformity of illumination on the wafer can be reduced, so that the focus state at the time of exposure can be measured more accurately. .
  • a wafer image (diffraction image) is imaged a plurality of times (for example, 10 times) by the imaging device 35, and the image signal at each number of times output from the imaging device 35 by the image processing unit 40. May be averaged to generate a digital image of the wafer, determine the focus state during exposure, and the like. In this way, since the random noise of the image sensor is reduced to about 1 / ⁇ 10 compared to the single imaging, the focus state at the time of exposure can be measured with higher accuracy.
  • the image plane of the exposure apparatus 100 is measured based on the image of the conditionally adjusted wafer 10a.
  • the present invention is not limited to this, and the focus offset amount of the exposure apparatus 100 is set for each wafer.
  • the image plane of the exposure apparatus 100 may be measured by using images of a plurality of wafers that are changed and exposed (under the same conditions for the same wafer) and developed. In this way, dynamic control errors (wafer stage running error and leveling error, reticle stage running error and leveling error, reticle stage and wafer stage synchronization error, etc.) that occur each time the shot position is changed are reduced. This makes it possible to measure with higher accuracy.
  • the exposure apparatus 100 is a step-and-scan type exposure apparatus. However, the same applies to the case where the exposure apparatus 100 performs step-and-repeat exposure without performing stage scanning or reticle scanning. Is an effective means.
  • the diffraction condition in which the illumination angle and the light receiving angle at the selected illumination wavelength are maximized or near the minimum with respect to the resist film on which the pattern is formed.
  • the exposure amount (dose) changes, the line width of the pattern changes and the substantial film thickness of the resist film on which the pattern is formed changes. Therefore, using the fact that the interference condition (reflectance) of the reflected light periodically changes according to the resist film thickness, the diffraction condition (illumination angle and light receiving angle) where the reflectivity with respect to the resist film is maximized or near the minimum.
  • the image plane and the focus state of the exposure apparatus 100 are obtained using the diffracted light generated on the surface of the wafer.
  • the present invention is not limited to this.
  • the image plane and focus state of the exposure apparatus 100 may be obtained by using reflected light, polarization state change, or the like.
  • the repeated pattern 12 is a resist pattern (line pattern) in which a plurality of line portions 2 ⁇ / b> A are arranged at a constant pitch P along the short direction (X direction). . Further, a space 2B is provided between the adjacent line portions 2A. Further, the arrangement direction (X direction) of the line portions 2A will be referred to as a “repetitive direction of the repeated pattern 12”.
  • the PER inspection performs an abnormality inspection of the repetitive pattern 12 by using a change in the volume ratio between the line portion 2A and the space portion 2B in the repetitive pattern 12 as described above.
  • the ideal volume ratio (design value) is 1: 1.
  • the change in the volume ratio is caused by deviation from the appropriate value of the exposure focus, and appears for each shot area of the wafer 10.
  • the volume ratio can also be referred to as the area ratio of the cross-sectional shape.
  • the illumination side polarizing filter 26 and the light receiving side polarizing filter 32 are inserted on the optical path.
  • the stage 5 tilts the wafer 10 to an inclination angle at which the regular reflection light from the wafer 10 irradiated with the illumination light can be received by the light receiving system 30, and stops at a predetermined rotational position.
  • the repeating direction of the repeating pattern 12 on the wafer 10 is held so as to be inclined by 45 degrees with respect to the vibration direction of the illumination light (linearly polarized light L) on the surface of the wafer 10. This is because the signal intensity of the inspection of the repeated pattern 12 is maximized.
  • the angle is 22.5 degrees or 67.5 degrees, the inspection sensitivity is increased.
  • an angle is not restricted to these, It can set to an arbitrary angle direction.
  • the illumination side polarizing filter 26 is disposed between the light guide fiber 24 and the illumination side concave mirror 25, and its transmission axis is set in a predetermined direction (direction). A polarization component (linearly polarized light) is extracted (transmitted) from the light.
  • the illumination-side concave mirror 25 is a semiconductor substrate that converts the light transmitted through the illumination-side polarization filter 26 into a parallel light flux.
  • the wafer 10 is illuminated.
  • the light emitted from the light guide fiber 24 becomes p-polarized linearly polarized light L (see FIG. 5) via the illumination-side polarizing filter 26 and the illumination-side concave mirror 25, and is applied to the entire surface of the wafer 10 as illumination light. Irradiated.
  • the traveling direction of the linearly polarized light L (the direction of the principal ray of the linearly polarized light L reaching an arbitrary point on the surface of the wafer 10) is substantially parallel to the optical axis.
  • the linearly polarized light L incident on the wafer 10 is p-polarized light, as shown in FIG. 5, the repeating direction of the repeated pattern 12 is the incident surface of the linearly polarized light L (the traveling direction of the linearly polarized light L on the surface of the wafer 10).
  • the angle formed by the vibration direction of the linearly polarized light L on the surface of the wafer 10 and the repeating direction of the repeating pattern 12 is also set to 45 degrees.
  • the linearly polarized light L changes into the repeated pattern 12 so as to cross the repeated pattern 12 diagonally with the vibration direction of the linearly polarized light L on the surface of the wafer 10 inclined by 45 degrees with respect to the repeated direction of the repeated pattern 12. It will be incident.
  • the specularly reflected light reflected on the surface of the wafer 10 is collected by the light receiving side concave mirror 31 of the light receiving system 30 and reaches the image pickup surface of the image pickup device 35. At this time, the light is linearly reflected by the structural birefringence in the repetitive pattern 12.
  • the polarization state of the polarized light L changes (elliptical polarization).
  • the light receiving side polarizing filter 32 is disposed between the light receiving side concave mirror 31 and the imaging device 35, and the direction of the transmission axis of the light receiving side polarizing filter 32 is orthogonal to the transmission axis of the illumination side polarizing filter 26 described above. Is set (cross Nicole state).
  • the light receiving side polarizing filter 32 extracts a polarization component (for example, an s-polarized component) whose vibration direction is substantially perpendicular to the linearly polarized light L from the regular reflected light from the wafer 10 (repeated pattern 12), and the imaging device. 35.
  • a reflected image of the wafer 10 is formed on the imaging surface of the imaging device 35 with a polarized light component whose vibration direction is substantially perpendicular to the linearly polarized light L of the regular reflected light from the wafer 10.
  • the sensitivity is improved by aligning the transmission axis of the light receiving side polarizing filter 32 with the minor axis direction of the elliptically polarized light.
  • the illumination side polarizing filter 26 and the light receiving side polarizing filter 32 are inserted on the optical path, and the wafer is then transferred by a not-shown transfer apparatus. 10 is conveyed onto the stage 5.
  • the positional information of the pattern formed on the surface of the wafer 10 is acquired by an alignment mechanism (not shown) during the transfer, and the wafer 10 is placed at a predetermined position on the stage 5 in a predetermined direction. Can do.
  • the stage 5 tilts the wafer 10 at an inclination angle at which the regular reflection light from the wafer 10 irradiated with the illumination light can be received by the light receiving system 30, stops at a predetermined rotational position, and repeats on the wafer 10.
  • the repeating direction of the pattern 12 is held so as to be inclined by 45 degrees with respect to the vibration direction of the illumination light (linearly polarized light L) on the surface of the wafer 10.
  • the surface of the wafer 10 is irradiated with illumination light.
  • the light emitted from the light guide fiber 24 of the illumination unit 21 passes through the illumination-side polarizing filter 26 and the illumination-side concave mirror 25 and is p-polarized linearly polarized light L.
  • the entire surface of the wafer 10 is irradiated as illumination light.
  • the specularly reflected light reflected from the surface of the wafer 10 is collected by the light-receiving-side concave mirror 31 and reaches the image pickup surface of the image pickup device 35 to form an image (reflected image) of the wafer 10.
  • the polarization state of the linearly polarized light L changes due to the structural birefringence in the repeating pattern 12, and the light-receiving side polarizing filter 32 causes the linearly polarized light L and the vibration direction of the regular reflected light from the wafer 10 (repeating pattern 12).
  • a reflected image of the wafer 10 is formed on the imaging surface of the imaging device 35 with a polarized light component that is substantially perpendicular to the linearly polarized light L of the regular reflected light from the wafer 10.
  • the imaging device 35 photoelectrically converts an image (reflected image) of the surface of the wafer 10 formed on the imaging surface to generate an image signal, and outputs the image signal to the image processing unit 40.
  • the image processing unit 40 generates a digital image of the wafer 10 based on the image signal of the wafer 10 input from the imaging device 35.
  • the image processing unit 40 generates an image (digital image) of the wafer 10
  • the image data of the wafer 10 and the image data of the non-defective wafer are compared to inspect for defects (abnormality) on the surface of the wafer 10. To do.
  • the signal intensity (luminance value) of the reflected image of a non-defective wafer that is, a wafer that has been exposed and developed in the best focus / best dose state is considered to exhibit the highest signal intensity (luminance value).
  • a predetermined threshold allowable value
  • the image processing unit 40 can obtain a focus curve due to the polarization of the exposure apparatus 100 using an image of a wafer that has been exposed and developed under the condition that the focus offset amount of the exposure apparatus 100 is changed for each shot. . If this focus curve is used to determine the focus offset amount at which the detected signal intensity (the above-mentioned average luminance) of polarized light is maximized, the exposure apparatus 100 performs projection exposure as in the case of diffracted light. The inclination of the image plane of the pattern can be obtained. Specifically, in step S103 of the flowchart shown in FIG.
  • linearly polarized light L is irradiated as illumination light on the surface of the conditionally adjusted wafer 10a, and the imaging device 35 photoelectrically converts the reflected image of the conditionally adjusted wafer 10a to generate an image signal. And the image signal may be output to the image processing unit 40.
  • the focus offset amount at which the signal intensity is maximized is considered as the best focus, so that the focus offset amount at which the best focus is obtained can be easily known.
  • the image processing unit 40 changes the focus offset amount of the exposure apparatus 100 for each wafer and exposes and develops images of a plurality of wafers. Is used to obtain a focus curve based on the average luminance of polarized light (the illumination condition is constant), so that the focus state of the exposure apparatus 100 with respect to the surface of the wafer 10, that is, focus monitor measurement can be performed.
  • the direction of the transmission axis of the light-receiving side polarizing filter 32 is slightly shifted from the orthogonal state with respect to the transmission axis of the illumination-side polarizing filter 26 described above to match the rotation due to the structural birefringence of the polarization of the illumination light. Also good.
  • the focus monitor measurement is performed by the peak method, but the focus monitor measurement can be performed by another method.
  • the vicinity of the maximum value of the focus curve may have a flat shape.
  • the shape like the focus curves CV1 and CV2 shown in FIG. In this case, since it is difficult to accurately determine the focus offset amount at which the signal intensity becomes maximum, the measurement accuracy decreases as a result in the peak method of the first embodiment.
  • the second embodiment since the apparatus configuration, the wafer exposure method, and the like are basically the same as those in the first embodiment, detailed description of the surface inspection apparatus of the second embodiment is omitted.
  • the difference between the second embodiment and the first embodiment is that the focus state measurement method is a peak method in the first embodiment, whereas in the second embodiment, a method called a fitting method is used for convenience.
  • Steps S301 to S305 in FIG. 18 are the same processes as steps S101 to S105 in FIG. Although the description of the same processing portion is omitted, up to step S305, the average luminance is obtained for each set region set in the shot for each shot with the focus offset. Next, the average value (average luminance) of all the setting areas in the shot is averaged for each shot with a further focus offset to obtain a shot average value (step S306).
  • a focus curve representing the relationship between the shot average value and the focus offset (hereinafter referred to as a shot focus curve to be distinguished from other focus curves) is obtained, and the obtained shot focus curve is, for example, an approximate curve of a quartic function. (Step S307). Note that only one shot focus curve is obtained from one conditionally adjusted wafer.
  • the average value (average luminance) for each focus offset obtained in step S305 and the shot focus curve obtained in step S307 are fitted, and the best match (graph) The upper position is obtained (step S308).
  • the fitting here means, for example, an average luminance represented by a rhombus marker in the graph shown in FIG. 20 while moving the approximate curve of the shot focus curve represented by a solid line to the left or right, that is, by moving the focus offset in increments of 1 nm, for example.
  • the amount of movement from the original shot focus curve (that is, the difference in focus offset) is a measurement value (representing the focus state) in the set area. .
  • the sum of squares of the difference between the average luminance and the value of the approximate curve at the same focus offset as the average luminance may be obtained, and the position where the sum of the squares is minimum may be obtained, or the correlation
  • the position where the correlation coefficient is maximized may be obtained by obtaining the number.
  • the peak method a focus curve was obtained for each setting area, and the focus state was obtained from the maximum focus offset.
  • the fitting method the difference in the average luminance position for each setting area with respect to one reference shot focus curve. To obtain the focus state. Then, by obtaining the distribution of the focus state (for each set area) in the shot (step S309), the image plane measurement by the fitting method can be performed.
  • the focus monitor measurement procedure by the fitting method will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
  • exposure is performed with one condition-controlled wafer created in the same manner as that used in the image plane measurement and two predetermined types of focus offset amounts (for example, ⁇ 100 nm and ⁇ 50 nm) and developed.
  • two predetermined types of focus offset amounts for example, ⁇ 100 nm and ⁇ 50 nm
  • a total of three wafers of the two wafers (hereinafter referred to as measurement wafers for convenience) are used.
  • step S401 an image of one condition wafer and two measurement wafers is acquired (step S401).
  • a reference focus curve (similar to the case described in the first embodiment) is obtained for each set region set in a plurality of exposure shots by the same method as in the case of image plane measurement from the image of the condition wafer.
  • the obtained reference focus curve is approximated by an approximate curve of a quartic function, for example (step S402).
  • step S403 average luminance is obtained for each of a plurality of setting regions set in the wafer surface of the measurement wafer, fitting with an approximate curve of the reference focus curve is performed (step S403), and the result is output (step S404).
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example of fitting in a certain setting area. In FIG.
  • the curve indicated by the solid line in the graph is an approximate curve of the reference focus curve
  • the diamond-shaped marker is the average brightness of the measurement wafer.
  • the correlation coefficient may be calculated while shifting the approximate curve to obtain the position where the correlation coefficient is the largest.
  • the setting area in the shot for obtaining the reference focus curve and the setting area provided in the wafer for the measurement wafer are arranged in the same positional relationship in the shot, and at the time of fitting, the measurement wafer It is preferable to use a reference focus curve for each set area having the same positional relationship within the shot and the set area. Further, not only the reference focus curve but also a shot focus curve obtained by image plane measurement may be used. When the reference focus curve for each setting area is used, the focus state of the entire wafer surface excluding the fluctuation component of the image plane of the shot is measured, whereas when the shot focus curve is used, the wafer including the fluctuation component of the image plane is measured. The entire focus state is measured. That is, it can be properly used according to the application.
  • the number of measurement wafers is two.
  • the number of measurement wafers is not limited to this, and may be any number as long as it is two or more. As the number of measurement wafers increases, stable measurement can be performed. Note that when the number of measurement wafers is one, as shown in FIG. 22, there are two matching positions in the fitting, so measurement cannot be performed.
  • the brightness of the image may fluctuate slightly due to subtle differences in resist film thickness and dose between the condition wafer and the measurement wafer. Over time, fitting with matching brightness will give a more accurate result.
  • the gain value may be a fixed value obtained from the wafer image. Further, the fitting may be performed while changing the gain so that the gain with the smallest deviation between the approximate curve and the average luminance and the amount of movement of the approximate curve in the horizontal direction (that is, the difference in focus offset) may be obtained simultaneously (for example, See FIG.
  • the focus state at the time of exposure is obtained.
  • the present invention is not limited to this, and the dose state at the time of exposure can also be obtained. Therefore, a third embodiment of the present application will be described.
  • a variation in dose is obtained by a diffraction inspection technique.
  • the dose is an energy amount when forming a pattern.
  • the apparatus configuration, the wafer exposure method, and the like are basically the same as those in the first embodiment, detailed description of the surface inspection apparatus of the third embodiment is omitted.
  • a method for obtaining the variation state of the dose of the exposure apparatus 100 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
  • a wafer on which a repeated pattern is formed by changing the dose of the exposure apparatus 100 is created (step S501).
  • exposure and development are performed while varying the dose amount for each exposure shot.
  • a wafer is referred to as a dose condition controlled wafer.
  • the dose amount is varied for the purpose of offsetting the influence of the difference in resist conditions generated between the center side and the outer peripheral side of the wafer and the difference between right and left during the scan exposure.
  • the dose-conditioning wafer of this embodiment has eight doses (10.0 mJ, 11.5 mJ, 13.0 mJ, 14.5 mJ, 16.0 mJ, 17.5 mJ, 19.0 mJ, 20 in increments of 1.5 mJ). .5mJ).
  • the exposure amount required for pattern exposure is about 5 mJ to 40 mJ depending on the pattern, and the swing width when making a dose-conditioning wafer is preferably 0.5 mJ to 2.0 mJ.
  • a dose curve may be obtained by making a plurality of dose condition wafers.
  • the shot arrangement for each dose amount of each conditionally adjusted wafer is set so as to cancel the influence due to conditions other than the dose amount.
  • the dose-conditioning wafer is transferred onto the stage 5 in the same manner as in the diffraction inspection (step S502).
  • the illumination light is irradiated onto the surface of the dose-conditioning wafer, and the imaging device 35 photoelectrically converts the diffraction image of the dose-conditioning wafer to generate an image signal, and the image signal is converted into an image.
  • the data is output to the processing unit 40 (step S503).
  • the diffraction conditions are obtained using the pitch information of the exposed pattern or the diffraction condition search, and the same setting as in the case of the diffraction inspection is performed so that diffracted light is obtained.
  • the tilt angle of the stage 5 is changed stepwise in an angle range other than specular reflection to acquire images at the respective tilt angles, and the image is brightened, that is, the tilt angle at which diffracted light is obtained is obtained. Refers to the function.
  • the azimuth angle (attitude of the exposed pattern with respect to the illumination direction of the illumination light) of the dose condition swing wafer matches the illumination direction with the repeated direction of the exposed pattern (in the case of a line and space pattern, the direction orthogonal to the line).
  • the image processing unit 40 generates a digital image of the dose condition adjustment wafer based on the image signal of the dose condition adjustment wafer input from the imaging device 35, and performs a pixel unit (respectively) for each shot having the same dose amount.
  • the signal intensity (luminance) is averaged between the corresponding pixels of the shots (step S504). Note that a portion determined to be a defect by the diffraction inspection is excluded from the above-described averaging target.
  • the image processing unit 40 sets a plurality of setting areas (small rectangles) set in the shot shown in FIG. 8 when obtaining the focus curve for all the shots obtained by averaging (different doses from each other).
  • the average value of the signal intensity in the area A) (hereinafter referred to as average luminance for convenience) is obtained.
  • the dose amount of the exposure apparatus 100 changes the dose amount of the exposure apparatus 100 for each shot, the dose amount can be obtained from the position of the shot, and the same position in each shot exposed with a different dose amount. In this setting area, the average luminance changes according to the dose.
  • the image processing unit 40 shows the relationship between the average luminance in the setting region at the same position in each shot (with different dose amounts) and the corresponding dose amount for each setting region for which the average luminance is obtained.
  • a graph, that is, a dose curve is obtained (step S505).
  • An example of a dose curve is shown in FIG.
  • the image processing unit 40 obtains an approximate curve obtained by approximating the dose curve with a function for each set region (step S506). Note that it is preferable to use a quartic function (quaternary expression) as the function of the approximate curve.
  • the dose curve obtained here is referred to as a reference dose curve. Since the quartic function is the same as the focus curve, description thereof is omitted.
  • the image processing unit 40 obtains a dose amount having a luminance corresponding to the design value in the approximate curve of the dose curve (step S507). At this time, a dose amount having a luminance corresponding to the design value is obtained for each setting region (step S508). In this way, the dose distribution in the shot can be obtained. Note that the luminance (signal intensity) corresponding to the design value in the approximate curve of the dose curve is obtained in advance using a pattern whose line width matches the design value.
  • the fluctuation state of the dose on the image plane of the pattern projected and exposed by the exposure apparatus 100 is obtained.
  • the variation state of the dose on the image plane obtained in this way is converted into, for example, a parameter matched to the exposure apparatus 100 and output from the image processing unit 40 to the exposure apparatus 100 via the signal output unit 90, or The optical system is adjusted and reflected in exposure by the exposure apparatus 100.
  • the exposure apparatus 100 is configured based on the image of the wafer exposed with the pattern used for actual exposure.
  • the fluctuation state of the dose can be accurately measured in a short time.
  • the wavelength of the illumination light is preferably a deep ultraviolet wavelength such as 248 nm or 313 nm (j-line).
  • the variation state of the dose of the exposure apparatus 100 is obtained using a plurality of diffraction conditions, for example, further accuracy improvement can be expected by averaging for each diffraction condition. Further, by selecting an optimal diffraction condition for each of various target patterns, highly sensitive and highly accurate measurement can be performed.
  • the image processing unit 40 changes the dose amount of the exposure apparatus 100 with respect to the entire surface of the wafer 10 by using images of a plurality of wafers exposed and developed by changing the dose amount of the exposure apparatus 100 for each wafer. You can ask for it. Therefore, a method for obtaining the variation state of the dose of the exposure apparatus 100 with respect to the surface of the wafer 10 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
  • a plurality of wafers exposed and developed by changing the dose amount of the exposure apparatus 100 for each wafer are 10.0 mJ, 11.5 mJ, 13.0 mJ, 14.5 mJ, 16.0 mJ, 17.5 mJ, Images of 19.0 mJ and 20.5 mJ (eight wafers) are acquired (step S601).
  • wafer illumination, imaging, and the like are performed in the same manner as in the case of diffraction inspection (conditions for obtaining a predetermined signal intensity from a pattern exposed and developed with an optimal dose amount and an optimal focus condition).
  • a plurality of wafers having different dose amounts are referred to as measurement wafers.
  • the average luminance for all shots in the wafer is formed in pixel units (or a small number of pixels) for one shot. (The same applies to the following) (step S602).
  • a shot in which the luminance value is replaced with the average luminance is generated for each measurement wafer (step S603).
  • the setting area at the same position in each shot is used.
  • Step S604 An approximate curve obtained by approximating the sample dose curve with a function is obtained for each set region, and it is preferable to use a quartic function (quaternary expression) as the approximate curve function.
  • the dose amount can be obtained from the type of the measurement wafer corresponding to the generated average brightness shot, and the same position in the shot. In this setting area, the average luminance changes according to the dose.
  • a dose shift amount corresponding to the sample dose curve of each set region is obtained (step S605). Specifically, first, fitting (so-called pattern matching) is performed so that the correlation between the sample dose curve of each setting area stored in a memory (not shown) and the reference dose curve of the corresponding setting area is the best. At this time, the amount of movement in the increasing / decreasing direction of the dose amount is the dose shift amount of the set area.
  • the technique for obtaining the dose variation by the same method as the diffraction inspection has been described, but the dose variation can also be obtained by the same method as the polarization inspection (PER inspection).
  • the fluctuation state of the dose of the exposure apparatus 100 with respect to the entire surface of the wafer 10 is obtained, if the sensitivity of the signal intensity with respect to the dose change is likely to change due to the focus fluctuation, a different focus offset is previously set.
  • a reference dose curve may be obtained for each quantity, and the reference dose curve may be selected and used according to the focus fluctuation state.
  • the line width of the pattern exposed and developed on the entire wafer surface can be made as designed.
  • the focus state focus state
  • the exposure amount dose state
  • the present invention is not limited to this, and the reticle stage and wafer stage at the time of scan exposure are not limited to this. It can also be applied to scan speed.
  • the exposure state broadly encompasses the pattern state, and the etched state after development is also included in the exposure state.
  • the exposure apparatus can maintain high performance according to the present invention, the occurrence rate of defects (defects) can be made extremely low even if the pattern has a very narrow line width. Therefore, according to the exposure system using the exposure apparatus to which the present invention is applied, a high-performance semiconductor device having no defect can be manufactured.
  • the exposure conditions are determined based on information (the above-described various parameters) output from the signal output unit 90 of the surface inspection apparatus 1 to the exposure apparatus 100. Since the exposure apparatus 100 can maintain high performance, the occurrence rate of defects (defects) can be made extremely low even if the line width is a very thin pattern.
  • the semiconductor device includes a design process (step S801) for designing the function and performance of the device, and a reticle manufacturing process (step S802) for manufacturing a reticle based on the design process.
  • a wafer manufacturing process for manufacturing a wafer from a silicon material step S803), a reticle pattern is transferred to the wafer by exposure or the like (including an exposure process, a development process, etc.), and a lithography process (step S804) is performed. It is manufactured through an assembly process (including a dicing process, a bonding process, and a packaging process) (step S805), an inspection process for inspecting a device (step S806), and the like.
  • the lithography process of such a semiconductor device manufacturing method by performing pattern exposure using the above-described exposure method, the incidence of defects (defects) is extremely low even for very thin patterns. Therefore, a high-performance semiconductor device having no defects can be manufactured.
  • a stage for supporting a semiconductor substrate on which a predetermined mask pattern is projected and exposed by an exposure apparatus and a semiconductor pattern based on the mask pattern is formed on the surface, and the surface of the semiconductor substrate supported by the stage Based on the information of the light from the surface of the semiconductor substrate detected by the detection unit, the detection unit that detects the light from the surface of the semiconductor substrate irradiated with the illumination light, It is possible to obtain a surface inspection apparatus characterized by including an arithmetic unit that obtains a tendency of in-focus deviation in a formed pattern.
  • the calculation unit can determine the tendency of the focus shift based on the information on the light from the surface of the semiconductor substrate subjected to the projection exposure by changing the focus condition of the exposure apparatus for each shot.
  • the calculation unit obtains a focus condition in a shot in which the luminance of the setting area is maximized for each of a plurality of setting areas set in the shot, and is based on the focus condition in which the luminance obtained in each setting area is maximized.
  • the tendency of in-focus deviation can be obtained.
  • it may further include a signal output unit that converts the tendency of the focus shift obtained by the calculation unit into a signal that can be input to the exposure apparatus and outputs the signal.
  • the illumination unit collectively illuminates the entire surface of the semiconductor substrate on which the pattern is formed with a substantially parallel light beam, and the detection unit can collectively detect light from the entire surface.
  • the illumination unit irradiates the surface of the semiconductor substrate with illumination light so that diffracted light is generated by the semiconductor pattern of the semiconductor substrate, and the detection unit diffracts generated by the semiconductor pattern of the semiconductor substrate by irradiation of illumination light. Light can be detected.
  • the illuminating unit irradiates the surface of the semiconductor substrate with the illuminating light by changing the diffracting conditions for generating the diffracted light, and the detecting unit detects the diffracted light according to the diffracting conditions.
  • the illumination unit can irradiate the surface of the semiconductor substrate with substantially linearly polarized light as illumination light, and the detection unit can detect a change in polarization due to structural birefringence in the semiconductor pattern of the semiconductor substrate irradiated with polarized light. .
  • a stage that supports a semiconductor substrate that is exposed by an exposure apparatus and has a semiconductor pattern formed on the surface, an illumination unit that irradiates illumination light onto the surface of the semiconductor substrate supported by the stage, and a semiconductor that is illuminated with illumination light
  • a detection unit that detects light from the surface of the substrate, and a calculation unit that obtains a fluctuation state of a focus of the exposure apparatus with respect to the surface of the semiconductor substrate based on information on the light from the surface of the semiconductor substrate detected by the detection unit.
  • An inspection apparatus characterized by being provided can be obtained.
  • the image processing apparatus further includes a storage unit that stores a relationship between a focus variation state of the exposure apparatus and light from the surface of the semiconductor substrate, and the arithmetic unit is configured to detect information stored in the storage unit and the surface of the semiconductor substrate to be inspected.
  • the fluctuation state of the focus of the exposure apparatus can be obtained on the basis of the light.
  • the illumination unit irradiates the surface of the semiconductor substrate with illumination light so that diffracted light is generated by the semiconductor pattern of the semiconductor substrate, and the detection unit diffracts generated by the semiconductor pattern of the semiconductor substrate by irradiation of illumination light. Light can be detected.
  • the illumination unit can irradiate the surface of the semiconductor substrate with substantially linearly polarized light as illumination light, and the detection unit can detect a change in polarization due to structural birefringence in the semiconductor pattern of the semiconductor substrate irradiated with polarized light. .
  • the illumination unit irradiates the surface of the semiconductor substrate with illumination light so that diffracted light is generated in the semiconductor pattern of the semiconductor substrate, and the detection unit is generated in the semiconductor pattern of the semiconductor substrate by irradiation with illumination light.
  • the diffracted light is detected, and the illumination unit irradiates the surface of the semiconductor substrate with substantially linearly polarized light as illumination light, and the detection unit detects a change in polarization due to structural birefringence in the semiconductor pattern of the semiconductor substrate irradiated with polarized light. Then, the calculation unit can obtain the focus fluctuation state of the exposure apparatus based on the information on the diffracted light and the change information on the polarization detected by the detection unit.

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Abstract

　表面検査装置（１）が、露光装置（１００）により露光されて表面に所定のパターンが形成されたウェハ（１０）を支持するステージ（５）と、ステージ（５）に支持されたウェハ（１０）の表面に照明光を照射する照明系（２０）と、照明光が照射されたウェハ（１０）の表面からの光を検出して検出信号を出力する撮像装置（３５）と、撮像装置（３５）から出力された検出信号に基づいて、露光時のフォーカス状態を判定する画像処理部（４０）とを備えて構成される。

Description

検査装置、検査方法、露光方法、および半導体デバイスの製造方法
　本発明は、露光により所定のパターンが形成された基板の表面を検査する検査装置および検査方法に関し、また、基板の表面に所定のパターンを露光するための露光方法およびこの露光方法により作製される半導体デバイスの製造方法に関する。
　ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置は、マスクおよび投影レンズを介してスリット状の光を照射しながら、レチクル（すなわち、パターンが形成されたマスク基板）を保持したステージとウェハ（すなわち、半導体パターンを形成するウェハ）を保持したステージとを相対移動させて１ショット分だけ走査（＝スキャン）することにより、半導体ウェハに対して１ショット分（所定範囲）の露光を行うようになっている。このようにすれば、スリット（光）の長辺とレチクルステージの相対スキャン距離で露光ショットの大きさが決まるため、露光ショットを大きくすることができる。露光ショットは、露光フィールドとも呼ばれる。
　このような露光装置においては、フォーカス（ウェハ面上でのパターンの合焦状態）の管理が非常に重要である。そこで、露光装置のウェハ面上でのフォーカスの状態を監視している（ここでフォーカス管理とは、デフォーカス（非合焦）による不具合に限らず、ショット内若しくはウェハ全面においてフォーカス状態の変動、及びドーズ（露光量）状態の変動を管理することをいう）。露光装置のフォーカス状態の計測には、主なものとして、露光ショット内のフォーカス状態の分布を計測するものと、ウェハ全面のフォーカス状態の分布を計測するものとがある。以下、前者を像面もしくは像面計測、後者をフォーカスモニタもしくはフォーカスモニタ計測と称する。フォーカス状態とは、露光したときのフォーカスがベストフォーカスもしくはフォーカスの基準状態からどれだけ外れているのかを数値で表したものである。露光装置のフォーカス状態を計測するには、例えば、専用のマスク基板を用いてテストパターンを露光・現像し、得られたテストパターンの位置ずれからフォーカスオフセット量を計測する方法が知られている。
　しかしながら、このような方法で露光装置のフォーカス状態を計測する場合には、計測に必要なパラメータの条件出し作業に時間が掛かる上に、計測が基本的に１点１点の計測であるため、計測に多くの時間を費やしてしまう。また、パターンの種類や露光装置の照明条件に制約があり、実際のデバイスとは異なるパターンでフォーカス状態を計測することしかできない。
　また、このような露光装置においては、投影レンズのフォーカスを合わせる（合焦させる）ために、ウェハステージの高さに応じてマスク基板の高さを調整している。ところが、投影レンズ等によって（パターンの）像面が傾く場合、マスク基板の高さの１次元的調整だけではフォーカスを合わせることができない。そこで、このような露光装置は、ウェハに対する露光を行う前に、最適なフォーカス条件の計測を行っている。最適なフォーカス条件を求めるには、例えば、１スリットよりも小さなエリアごとにフォーカスを変化させながら計測用のパターンを露光・現像し、得られたパターンの正反射像に基づいてベストフォーカスとなる条件を求める方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このとき、顕微鏡および撮像素子を利用してパターンの正反射像を拡大観察し、レジストパターン（ライン）とスペースとのコントラストが極大となる条件をベストフォーカスとなる条件と判定する。
　しかしながら、このような方法で最適なフォーカス条件を求める場合には、露光エネルギーの変化によるレジストの膜厚変化（レジスト膜べり）や、過大なデフォーカスによるパターン消失等の影響を受けやすく、要求精度を満足できない場合があった。また、１ショットよりも小さなエリアごとにフォーカスを変化させて露光するため、ショット内の像面計測時の制御誤差が含まれてしまい精度を低下させる要因となっていた。また、レチクルステージもしくはウェハステージがスキャンするときの誤差によっても、ウェハ上のフォトレジストに形成される半導体パターン像が相対的に傾いてしまうことがあり、対応できなかった。
米国特許出願公開第２００８／０２０７４９９号明細書
　上述のように、露光時の露光状態（フォーカス状態・ドーズ状態）を精度よく短時間で計測するための方策が求められている。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、露光時の露光状態を精度よく短時間で計測可能な装置および方法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、本発明に係る検査装置は、所定範囲の露光を繰り返して作製された複数のパターンを有する基板の該パターンに照明光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記基板の前記所定範囲の前記パターンからの光を一括して検出する検出部と、前記検出部で検出された検出結果に基づいて、前記パターンが露光された時の露光状態を求める演算部とを備えている。
　なお、上述の検査装置において、前記演算部は、前記露光状態として前記パターンが露光された時の合焦状態と露光量との少なくとも一方を演算することが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記照明部と前記検出部とを制御する制御部をさらに備え、前記合焦状態と前記露光量との一方を前記露光状態として演算する際には、他方の影響を受けにくいように、前記制御部が前記照明部と前記検出部との少なくとも一方を制御することが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記検出部が前記パターンからの回折光を検出することが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記検出部が４次以上の次数の回折光を検出することが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記検出部が前記パターンからの反射光のうち所定の偏光成分を検出することが好ましい。
　また、上述の検査装置において、複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果を記憶する記憶部と、通信可能な入力部とをさらに備え、前記演算部は、前記記憶された検出結果に基づいて前記パターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記記憶部は、複数の異なる露光状態と、該露光状態で露光されたパターンの検出結果とを記憶可能であり、前記演算部は、前記記憶された検出結果と検査対象のパターンの検出結果とに基づいて、検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記記憶部は、前記複数の異なる露光状態と該露光状態で露光されたパターンの検出結果との関係を示す露光状態カーブを記憶可能であり、前記演算部は、前記露光状態カーブの変曲点に基づいて検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記記憶部は、前記複数の異なる露光状態と該露光状態で露光されたパターンの検出結果との関係を示す露光状態カーブを記憶可能であり、前記演算部は、検査対象のパターンの検出結果と前記露光状態カーブとのフィッティングにより前記検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記検出部は前記パターンからの光を複数回検出し、前記演算部は前記複数回の検出結果を積算した積算信号に基づいて前記露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記基板と前記検出部との相対位置と、前記基板と前記照明部との相対位置との少なくとも一方を変更する変更部をさらに備え、前記演算部は、前記相対位置の変更の前後の検出結果に基づいて検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記演算部は、複数の前記相対位置における検出結果の平均に基づいて前記露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記照明部は、略平行な光束で前記基板のパターンが形成された面全面を一括して照明し、前記検出部は、前記全面にあるパターンからの光を一括して検出することが好ましい。
　また、上述の検査装置において、前記演算部が求めた露光状態を、該露光を行った露光装置にフィードバック可能に出力する出力部をさらに備えることが好ましい。
　また、本発明に係る検査方法は、所定範囲の露光を繰り返して作製された複数のパターンを有する基板の該パターンに照明光を照射し、前記照明光が照射された前記基板の前記所定の範囲の前記パターンからの光を一括して検出し、前記検出された検出結果に基づいて、前記パターンが露光された時の露光状態を求めるようになっている。
　なお、上述の検査方法において、前記露光状態として前記パターンが露光された時の合焦状態と露光状態との少なくとも一方を求めることが好ましい。
　また、上述の検査方法において、前記合焦状態と前記露光状態との少なくとも一方を求める際に、他方の影響を受けにくいように前記照射と前記検出との少なくとも一方を制御することが好ましい。
　また、上述の検査方法において、前記パターンからの回折光を検出することが好ましい。
　また、上述の検査方法において、前記パターンからの光の所定の偏光成分を検出することが好ましい。
　また、上述の検査方法において、複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果に基づいて、前記パターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査方法において、複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果と、該パターンが露光された時の露光状態との関係に基づいて、検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査方法において、前記複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果と、該パターンが露光された時の露光状態との関係として、露光状態カーブを用い、該露光状態カーブの変曲点に基づいて検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査方法において、前記複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果と、該パターンが露光された露光された露光状態との関係として、露光状態カーブを用い、検査対象のパターンの検出結果と前記露光状態カーブとのフィッティングに基づいて前記検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査方法において、前記パターンからの光を複数回検出し、該複数回の検出結果を積算して検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査方法において、前記照明光の照射状態と、前記パターンからの光の検出状態との少なくとも一方を変更し、該変更前後に検出された検出結果に基づいて検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査方法において、前記変更前後に検出された検出結果の平均に基づいて前記露光状態を求めることが好ましい。
　また、上述の検査方法において、前記パターンが形成された面全面を一括して照明し、前記全面にある前記パターンからの光を一括して検出することが好ましい。
　また、上述の検査方法において、検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求め、該パターンを露光した露光装置にフィードバック可能な情報にすることが好ましい。
　また、本発明に係る露光方法は、本発明に係る検査方法により得られた前記フィードバック可能な情報に基づいて、露光条件を決定するようになっている。
　また、本発明に係る半導体デバイスの製造方法は、本発明に係る露光方法により作製されるようになっている。
　本発明によれば、露光時の露光状態を精度よく短時間で計測可能となる。
表面検査装置の全体構成を示す図である。 表面検査装置の光路上に偏光フィルタが挿入された状態を示す図である。 半導体ウェハの表面の外観図である。 繰り返しパターンの凹凸構造を説明する斜視図である。 直線偏光の入射面と繰り返しパターンの繰り返し方向との傾き状態を説明する図である。 露光装置の像面の傾きを求める方法を示すフローチャートである。 条件振りウェハで設定したフォーカスオフセット量を示す表である。 条件振りウェハの一例を示す図である。 フォーカスカーブの一例を示す図である。 ショット内におけるフォーカスオフセット量の分布を示す図である。 露光時のフォーカス状態を求める手順を（ａ）～（ｂ）の順で示す図である。 ウェハ全面におけるフォーカスオフセット量のずれの分布を示す図である。 フォーカスカーブの一例を示す図である。 フォーカスカーブの一例を示す図である。 複数のホールからなるパターンブロックの模式図である。 ゲインを変えながらフィッティングを行う例を示す図である。 露光装置のフォーカスの変動状態を求める方法を示すフローチャートである。 フィッティングにより像面の傾きを求める方法を示すフローチャートである。 フィッティングによりフォーカスの変動状態を求める方法を示すフローチャートである。 フィッティングの一例を示す図である。 フィッティングの一例を示す図である。 ウェハの枚数が１枚のときのフィッティングの例を示す図である。 露光装置のドーズの変動状態を求める方法を示すフローチャートである。 ドーズカーブの一例を示す図である。 ウェハの表面全体に対するドーズの変動状態を求める方法を示すフローチャートである。 露光方法を示すフローチャートである。 半導体デバイス製造方法を示すフローチャートである。
　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。第１実施形態の表面検査装置を図１に示しており、この装置により半導体基板である半導体ウェハ１０（以下、ウェハ１０と称する）の表面を検査する。第１実施形態の表面検査装置１は、図１に示すように、略円盤形のウェハ１０を支持するステージ５を備え、不図示の搬送装置によって搬送されてくるウェハ１０は、ステージ５の上に載置されるとともに真空吸着によって固定保持される。ステージ５は、ウェハ１０の回転対称軸（ステージ５の中心軸）を回転軸として、ウェハ１０を回転（ウェハ１０の表面内での回転）可能に支持する。また、ステージ５は、ウェハ１０の表面を通る軸を中心に、ウェハ１０をチルト（傾動）させることが可能であり、照明光の入射角を調整できるようになっている。
　表面検査装置１はさらに、ステージ５に支持されたウェハ１０の表面に照明光を平行光として照射する照明系２０と、照明光の照射を受けたときのウェハ１０からの反射光や回折光等を集光する受光系３０と、受光系３０により集光された光を受けてウェハ１０の表面の像を検出する撮像装置３５と、画像処理部４０と、検査部６０と、制御部８０と、記憶部８５とを備えて構成される。なお、制御部８０は、記憶部８５との記憶情報の授受（通信）を行う通信ポート８２を備えている。照明系２０は、照明光を射出する照明ユニット２１と、照明ユニット２１から射出された照明光をウェハ１０の表面に向けて反射させる照明側凹面鏡２５とを有して構成される。照明ユニット２１は、メタルハライドランプや水銀ランプ等の光源部２２と、制御部８０の指令により光源部２２からの光のうち所定の波長を有する光を抽出し強度を調節する調光部２３と、調光部２３からの光を照明光として照明側凹面鏡２５へ導く導光ファイバ２４とを有して構成される。
　そして、光源部２２からの光は調光部２３（透過波長の異なる複数のバンドパスフィルタを有したターレット板とニュートラルデンシティーフィルタを備え、制御部８０の指令に基づき照明光の波長と強度を制御する）を通過し、所定の波長（例えば、２４８ｎｍの波長）を有する所定の強度の照明光が導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出され、導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出された照明光は、導光ファイバ２４の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点面に配置されているため、照明側凹面鏡２５により平行光束となってステージ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。なお、ウェハ１０に対する照明光の入射角と出射角との関係は、制御部８０の指令によりステージ５をチルト（傾動）させてウェハ１０の載置角度を変化させることにより調整可能である。
　また、導光ファイバ２４と照明側凹面鏡２５との間には、制御部８０の指令に基づき不図示の照明側偏光フィルタ駆動部により照明側偏光フィルタ２６が光路上へ挿抜可能に設けられており、図１に示すように、照明側偏光フィルタ２６を光路上から抜去した状態で回折光を利用した検査（以下、便宜的に回折検査と称する）が行われ、図２に示すように、照明側偏光フィルタ２６を光路上に挿入した状態で偏光（構造性複屈折による偏光状態の変化）を利用した検査（以下、便宜的にＰＥＲ検査と称する）が行われるようになっている（照明側偏光フィルタ２６の詳細については後述する）。なお、照明光がｓ偏光となるように照明側偏光フィルタ２６を光路上に配置して、回折検査を行うことも可能である。ｓ偏光を用いた回折検査では下地層の影響を受けにくく最上層の状態を検出できる。
　ウェハ１０の表面からの出射光（回折光もしくは反射光）は受光系３０により集光される。受光系３０は、ステージ５に対向して配設された受光側凹面鏡３１を主体に構成され、受光側凹面鏡３１により集光された出射光（回折光もしくは反射光）は、撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像が結像される。
　また、受光側凹面鏡３１と撮像装置３５との間には、制御部８０の指令に基づき不図示の受光側偏光フィルタ駆動部により受光側偏光フィルタ３２が光路上へ挿抜可能に設けられており、図１に示すように、受光側偏光フィルタ３２を光路上から抜去した状態で回折検査が行われ、図２に示すように、受光側偏光フィルタ３２を光路上に挿入した状態でＰＥＲ検査が行われるようになっている（受光側偏光フィルタ３２の詳細については後述する）。
　撮像装置３５は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。制御部８０の指令により画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。画像処理部４０の内部メモリ（図示せず）には、良品ウェハの画像データが予め記憶されており、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、検査部６０でウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥（異常）の有無を検査する。そして、画像処理部４０および検査部６０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。また、画像処理部４０は、ウェハの画像を利用して、露光時のフォーカス状態（例えば、露光装置１００により投影露光されるパターンの像面の傾きや、露光装置１００のフォーカスの変動状態）やドーズ状態（例えば、露光装置１００により投影露光されるパターンのショット内若しくはショット間での露光量の変動状態）を判定できるようになっている（詳細は後述する）。
　ところで、ウェハ１０は、露光装置１００により最上層のレジスト膜に対して所定のパターンが投影露光され、現像装置（図示せず）による現像後、不図示の搬送装置により、不図示のウェハカセットまたは現像装置からステージ５上に搬送される。なおこのとき、ウェハ１０は、ウェハ１０のパターンもしくは外縁部（ノッチやオリエンテーションフラット等）を基準としてアライメントが行われた状態で、ステージ５上に搬送される。なお、ウェハ１０の表面には、図３に示すように、複数のチップ領域１１が縦横に（図３におけるＸＹ方向に）配列され、各チップ領域１１の中には、半導体パターンとしてラインパターンまたはホールパターン等の繰り返しパターン１２が形成されている。露光の１ショットには、複数のチップ領域が含まれることが多いが、図３では分かりやすさのために１チップが１ショットとしている。また、露光装置１００は、詳細な図示を省略するが、前述のステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であり、ケーブル等を介して本実施形態の表面検査装置１の信号出力部９０と電気的に接続され、表面検査装置１からのデータ（信号）に基づいて露光制御の調整を可能に構成されている。
　以上のように構成される表面検査装置１を用いて、ウェハ１０表面の回折検査（以下、フォーカス状態を検出する手順を説明し、ドーズ状態を検出する手順については後述する。）を行うには、制御部８０が記憶部８５に記憶されたレシピ情報（検査条件や手順等）を通信ポート８２を介して読み込み、以下の処理を行う。まず、図１に示すように照明側偏光フィルタ２６および受光側偏光フィルタ３２を光路上から抜去し、不図示の搬送装置により、ウェハ１０をステージ５上に搬送する。なお、搬送の途中で不図示のアライメント機構によりウェハ１０の表面に形成されているパターンの位置情報を取得しており、ウェハ１０をステージ５上の所定の位置に所定の方向で載置することができる。
　次に、ウェハ１０の表面上における照明方向とパターンの繰り返し方向とが一致（ラインパターンの場合、ラインに対して直交）するようにステージ５を回転させるとともに、パターンのピッチをＰとし、ウェハ１０の表面に照射する照明光の波長をλとし、照明光の入射角をθ１とし、ｎ次回折光の出射角をθ２としたとき、ホイヘンスの原理より、次の（１）式を満足するように設定を行う（ステージ５をチルトさせる）。
　　　　　Ｐ＝ｎ×λ／｛ｓｉｎ（θ１）－ｓｉｎ（θ２）｝　…（１）
　次に、照明光をウェハ１０の表面に照射する。このような条件で照明光をウェハ１０の表面に照射する際、照明ユニット２１における光源部２２からの光は調光部２３を通過し、所定の波長（例えば、２４８ｎｍの波長）を有する所定の強度の照明光が導光ファイバ２４から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５で反射した照明光が平行光束となってウェハ１０の表面に照射される。ウェハ１０の表面で回折した回折光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像（回折像）が結像される。
　そこで、撮像装置３５は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。また、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥（異常）の有無を検査する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。
　また、画像処理部４０は、露光装置１００のフォーカスオフセット量をショット毎に変化させた条件で露光して現像したウェハの画像を利用して、回折光によるフォーカスカーブ（フォーカスオフセット量と回折光の強度の関係を示すカーブ）を求めることができる。このフォーカスカーブを利用して、１つのショット内の微小領域毎に回折光の信号強度が極大（最大）となるフォーカスオフセット量を求めるようにすれば、露光装置１００により投影露光されるパターンの像面（露光ショット内のフォーカス状態の分布）を求めることができる。ここで、信号強度とは、撮像装置３５の撮像素子で検出される光の強度に応じた信号強度であり、照明光強度、パターンによる回折効率、撮像装置の感度などにより決まるものである。本実施形態においては、信号強度は画像輝度として観測されるので、この２つの言葉は実質的に同じものを指す。なお、本願の発明者は、回折光の場合、ラインアンドスペースのデューティー比をラインが１に対してスペースが１０以上とすれば、信号強度が極大となるフォーカスオフセット量がベストフォーカスことを見出している。極大とは、例えば４次関数は最大３つの極値（上向き又は下向きのピーク）をもつが、これらの内、フォーカスの計測範囲（ベストフォーカス付近）内の極大点を指す。
　そこで、露光装置１００により投影露光されたパターンの像面の傾きを求める方法について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、露光装置１００のフォーカスオフセット量をショット毎に変化させて繰り返しパターンを形成したウェハを作成する（ステップＳ１０１）。このとき、露光ショット毎にフォーカスオフセット量を変化させて、同じフォーカスオフセット量のショットを複数設定してそれらをばらばらに配置する。以下、このようなウェハを条件振りウェハ１０ａ（図７および図８を参照）と称することにする。
　ここで、同じフォーカスオフセット量のショットをばらばらに配置するのは、例えば、ウェハの中央側と外周側の間に発生するレジスト条件の相違や、スキャン露光時のいわゆる左右差などの影響を相殺する目的で行う。なお、ウェハ上に形成されるレジスト膜（フォトレジスト）はスピンコートで塗布形成される場合が多く、レジスト原液がスピンにより広がるに連れ溶剤成分が揮発し粘度が上がり膜が厚くなる傾向があり、ウェハの中央側と外周側の間にレジスト条件の相違が発生する。また、いわゆる左右差とは、例えば、スキャン方向をＸ方向とした場合に、レチクルがＸ＋方向に移動（ウェハはＸ－方向に移動）しながら露光するときと、レチクルがＸ－方向に移動（ウェハはＸ＋方向に移動）しながら露光するときの差である。
　本実施形態の条件振りウェハ１０ａは、図７に示すように、フォーカスオフセット量を２５ｎｍ刻みで－１７５ｎｍ～＋２００ｎｍの１６段階に振っている。なお、図７の各ショットには、２５ｎｍ刻みで振ったフォーカスオフセット量の段階を番号（１～１６）で示しており、段階が同じでスキャン方向が逆方向の場合には「´」を付している。例えば、番号１２で表したフォーカスオフセット量のショットは、同じフォーカスオフセット量で行う露光を、レチクル移動Ｘ＋方向／中央側で１ショット・レチクル移動Ｘ＋方向／外周側で１ショット・レチクル移動Ｘ－方向／中央側で１ショット・レチクル移動Ｘ－方向／外周側で１ショットのように４箇所設定している。また例えば、番号１５で表したフォーカスオフセット量のショットは、同じフォーカスオフセット量で行う露光を、条件振りウェハ１０ａの中心を対称軸として、レチクル移動Ｘ＋方向／外周側で２ショット・レチクル移動Ｘ－方向／外周側で２ショットのように４箇所設定している。本実施形態では、このようにフォーカスオフセット量を１６段階、各フォーカスオフセット量で４ショットの合計６４ショットで、それらをばらばらに配置して条件振りウェハ１０ａを作っている。
　なお、条件振りウェハを複数枚作り、フォーカスカーブを求めてもよい。その場合、各条件振りウェハのフォーカスオフセット量毎のショット配置は、フォーカスオフセット以外の条件による影響を相殺するように設定することが好ましい。
　条件振りウェハ１０ａを作成すると、回折検査の場合と同様にして、条件振りウェハ１０ａをステージ５上に搬送する（ステップＳ１０２）。次に、回折検査の場合と同様に、照明光を条件振りウェハ１０ａの表面に照射し、撮像装置３５が条件振りウェハ１０ａの回折像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する（ステップＳ１０３）。このとき、条件振りウェハ１０ａについて、露光したパターンのピッチ情報または回折条件サーチを利用して回折条件を求め、回折光が得られるように回折検査の場合と同様の設定を行う。回折条件サーチとは、正反射以外の角度範囲でステージ５のチルト角度を段階的に変化させてそれぞれのチルト角度で画像を取得し、画像が明るくなる、すなわち回折光が得られるチルト角度を求める機能のことを指す。なお、条件振りウェハ１０ａの方位角（露光したパターンの照明光の照明方向に対する姿勢）は、露光したパターンの繰り返し方向（ラインアンドスペースのパターンの場合ラインと直交する方向）と照明方向が一致するように配置されている。
　次に、画像処理部４０は、撮像装置３５から入力された条件振りウェハ１０ａの画像信号に基づいて、条件振りウェハ１０ａのデジタル画像を生成し、フォーカスオフセット量が同じショット毎に画素単位（それぞれのショットの対応する部分の画素同士）で信号強度（輝度）の平均化を行う（ステップＳ１０４）。なお、回折検査で欠陥と判断された部分については、前述の平均化の対象から除外する。次に、画像処理部４０は、平均化によって得られた（互いにフォーカスオフセット量の異なる）全てのショットについて、図８に示すようにショット内に設定した複数の設定領域（小さな長方形で囲んだ領域）Ａでの信号強度の平均値（以下、便宜的に平均輝度と称する）をそれぞれ求める（ステップＳ１０５）。ここまでの処理で、露光ショット内に複数設けられた設定領域Ａ毎に、フォーカスオフセットを２５ｎｍ刻みで－１７５ｎｍ～＋２００ｎｍの１６段階に振った時のそれぞれに対して平均輝度が得られる。
　画像処理部４０は、平均輝度を求めた各設定領域Ａごとに、フォーカスオフセットと平均輝度との関係を示すグラフ、すなわちフォーカスカーブを求める（ステップＳ１０６）。なお、フォーカスカーブの一例を図９および図１３～図１４に示す。次に、画像処理部４０は、フォーカスカーブを関数で近似した近似曲線を設定領域Ａ毎にそれぞれ求める（ステップＳ１０７）。なお、近似曲線の関数には、４次関数（４次式）を用いるのが好ましい。また、ここで求めたフォーカスカーブを基準フォーカスカーブと称する。また、４次関数は次の（２）式のように表される。
　　　　　ｙ＝ａｘ4＋ｂｘ3＋ｃｘ2＋ｄｘ＋ｅ　…（２）
　ここで、ｘはフォーカスオフセットであり、ｙは信号強度（平均輝度）であり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは係数である。最小二乗法などを用いて、フォーカスカーブを近似するための最適な係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを求めることにより、（２）式の近似関数が得られる。
　次に、画像処理部４０は、各設定領域ごとに、フォーカスカーブの近似曲線において平均輝度が極大となるフォーカスオフセット量を求める（ステップＳ１０８）。このようにすれば、図１０に示すように、ショット内における、回折光の平均輝度が極大となるフォーカスオフセット量の分布を求めることができ、それらの値と露光時のフォーカスオフセット設定値との差を露光ショット内の設定領域毎に計算したものが像面の計測値となる（ステップＳ１０９）。
　そして、像面の計測値に基づいて、露光装置１００により露光されるスリット（光）の長辺方向におけるフォーカスの傾き（すなわち、像面の傾斜量）および、露光装置１００のレチクルステージ（図示せず）とウェハステージとのスキャン方向におけるフォーカスの傾きをそれぞれ（近似的に）求める。なお、上記のように像面を計測できるのは、回折光の強度が極大となるフォーカスオフセット量がベストフォーカスであるという仮定に基づいているが、パターンによっては回折光の強度が極大となるフォーカスオフセット量とベストフォーカスの間に差がある場合がある。しかし、そのような場合でも、ショット内のパターンはそれぞれ近似しているためそのオフセット量とベストフォーカスとの差は一定であり、像面の傾きは測定値の各設定領域の値の相対的な傾きであるので、上記のようにして求めた像面の計測値から像面の傾きを求めることができる。このようにして求めた像面の計測結果は、例えば、像面湾曲率や最大最小値・対角方向の傾斜など露光装置１００が受け入れ可能なパラメータに変換された後に、画像処理部４０から信号出力部（図示せず）を介して露光装置１００に出力されて、露光装置１００による露光に反映される。なお、本実施形態における像面の傾きとは、露光装置１００における投影レンズによる投影像の像面傾斜とレチクルステージおよびウェハステージの走り誤差とによるウェハ上のフォトレジスト層に対する総合的な像面の傾きである。
　このように、本実施形態によれば、画像処理部４０が、露光装置１００により露光された条件振りウェハ１０ａの画像に基づいて、露光装置１００により投影露光されるパターンの像面の傾き（すなわち、ウェハ１０に形成される繰り返しパターン１２内の合焦ズレの傾向）を判定するため、計測専用のパターンだけではなく、実際の露光に用いるパターンおよび照明条件で露光し現像したウェハの画像に基づいて計測を行うことができる。このとき、本実施形態では、露光装置１００のフォーカスオフセット量をショット毎に変化させながら露光したパターンのそれぞれを、条件振りウェハ１０ａの表面において一括で撮像することが可能である。そのため、撮像は短時間で済み、またショット内の各設定領域Ａごとに回折光の極大輝度（強度）を求める際、条件振りウェハ１０ａ上のフォーカスオフセット量の異なるショット毎に各設定領域Ａの平均輝度を求めるため、レジスト膜等の膜厚変動による影響を平均化して低減することができる。このように、実際の露光に用いるパターンで露光したショットの画像に基づいて計測を行うことができ、さらに、レジスト膜等の膜厚変動による影響を平均化して低減できることから、露光装置１００の相対的な光学的像面を精度よく計測することが可能になる。
　なお、以上の説明では、条件振りウェハ１０ａは、フォーカスオフセット量が同じショットを複数持ち、それらをばらばらに配置したが、露光装置の調整に一般的に用いられる、いわゆるＦＥＭウェハ（Focus　Exposure　Matrixウェハ）を用いても、像面の計測は可能である。ＦＥＭウェハとは、フォーカスとドーズ（露光エネルギー）をマトリックス状に振って露光し現像したウェハのことで、同じフォーカスオフセット量でかつ同じドーズ量のショットは一つしかないのが一般的である。このため、平均化によりレジスト膜厚変動などによる影響を平均化できないので、計測精度は若干劣るが、ドーズ量が一定で、フォーカスオフセット量が異なるショットを使えばフォーカスカーブを求めることができ、像面の計測は可能である（また、フォーカス量が一定でドーズ量が異なるショットを使えば、後述のようにドーズ変動を計測可能である）。
　また、ウェハの表面から生じた回折光による像を撮像するようにすれば、レジスト膜等の膜厚変動による影響を受けにくいため、露光装置１００の相対的な光学的像面をより精度よく計測することが可能である。
　このとき、対象となる様々なパターン毎に最適な回折条件を選択することで、高精度な計測が可能になる。特に、微少量のフォーカス変化に対する感度が高く高分解能が得られる。
　また、露光装置の露光条件に関して、ショット内の照明系不均一、レンズ曇り等による不均一性に関しても、適切な回折条件を選択することで、影響の少ない像面計測が可能となる。なお、従来技術では、ショット内の照明系不均一等によるコントラスト不均一性も精度を低下させる原因であった。
　また、対象となるパターンによっては回折条件を複数選択し、各回折条件において求めた露光装置１００の相対的な像面（像面の傾き）を平均化することで、さらなる精度向上が得られる。このとき例えば、ショット内の中心位置を基準として同じフォーカスオフセット量となるように、各回折条件において求めた像面をそれぞれオフセットさせるようにすれば、精度よく平均化することができる。なおこのとき、次数の高い回折条件や波長を選択するようにするのが好ましい。また、複数のパターンピッチが存在する条件に対しては、異なるピッチ条件による画像を取得して解析し、フォーカスカーブの曲がり方が急な条件を用いると精度が安定して良くなる。なお、平均化する際に、異常値を除去するようにしてもよい。
　また、回折条件を選択する際、ドーズ量に拘わらずベストフォーカス位置がほとんど変わらない回折条件を選ぶことで、ショット内のドーズ（エネルギー）不均一性があっても、像面計測には影響の無い精度を求めることが可能となる。従来技術のように、１ショットよりも小さなエリア内でフォーカスオフセットを変えて露光し、計測すると、異なるショット内のエネルギー分布を計測してしまうため、従来では誤差が生じていた。なお、ドーズ量に拘わらずベストフォーカス位置がほとんど変わらない回折条件を選ぶためには、例えば、前述のＦＥＭウェハを用いて、異なるドーズ量ごとにフォーカスカーブを求めて比較して、ドーズ量によりベストフォーカス位置が変わらない条件を選択すればよい。
　さらに、画像処理部４０は、露光装置１００のフォーカスオフセット量をウェハごとに変化させて露光し現像した複数のウェハの画像を利用して、ウェハ１０の表面全体に対する露光装置１００のフォーカスの変動状態を求める、すなわちフォーカスモニタ計測をすることができるようになっている。そこで、露光装置１００のフォーカスの変動状態を求める方法について、図１７に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、図１１（ａ）に示すように、露光装置１００のフォーカスオフセット量をウェハごとに変化させて露光し現像した複数のウェハ（ここでは、例えばフォーカスオフセット量が－１００ｎｍ，－５０ｎｍ，０ｎｍ，＋５０ｎｍ，＋１００ｎｍである５つのウェハ１５ａ～１５ｅ）の画像を取得する（ステップＳ２０１）。このとき、ウェハの照明および撮像等は、回折検査の場合と同様にして行う。ここで、便宜上、フォーカスオフセット量が異なる５つのウェハ１５ａ～１５ｅを計測用ウェハ１５ａ～１５ｅと称することにする。
　次に、取得したウェハの画像から、露光装置１００のフォーカスオフセット量を変化させた計測用ウェハ１５ａ～１５ｅごとに、ウェハ内の全てのショットについての信号強度を画素単位（または少数の画素で形成される設定領域の平均値、以下同じ）で求める（ステップＳ２０２）。画素単位であっても、少数の画素で形成される設定領域であっても、便宜上設定領域Ａと称し、その信号強度（または平均値）を平均輝度と称することにする。像面の計測では露光ショットに対して複数の設定領域Ａを設定したが、フォーカスモニタ計測では、ウェハ表面全体に対して複数（多数）の設定領域Ａを設定し、各設定領域ごとに平均値を求めるものである。次に、図１１（ｂ）に示すように、ショットの設定領域Ａごとに、（互いにフォーカスオフセット量の異なる）各ウェハにおける同位置の設定領域Ａでの平均輝度と、これに対応するフォーカスオフセット量との関係を示すグラフ、すなわちフォーカスカーブ（条件振りウェハで求めた基準となるフォーカスカーブと区別するため、以降適宜サンプルフォーカスカーブと称する）を求める（ステップＳ２０３）。なお、サンプルフォーカスカーブを近似する際も近似曲線として４次関数を用いることが好ましい（ステップＳ２０４）。
　次に、画像処理部４０は、各設定領域ごとに、フォーカスカーブの近似曲線において平均輝度が極大となるフォーカスオフセット量を求める（ステップＳ２０５）。このようにすれば、図１２に示すように、ウェハ内における、回折光の平均輝度が極大となるフォーカスオフセット量（図１２ではフォーカスオフセット量を明るさに変換している）の分布を求めることができ、それらの値と露光時のフォーカス設定値との差をウェハ内の設定領域毎に計算して（ステップＳ２０６）、ウェハ全面のフォーカス状態の分布、すなわちフォーカスモニタの計測値が得られる。なお、ここまで説明した像面計測の方法及びフォーカスモニタ計測の方法、すなわちフォーカスカーブの近似曲線が極大となるフォーカスオフセット量から求める方法を、便宜的にピーク法と呼ぶことにする。
　このようにすれば、ウェハ面上でのフォーカスオフセット量のずれ量の分布を求めることができるため、ウェハ１０の表面全体に対する露光装置１００のフォーカスの変動状態を求めることが可能になる（例えば、図１２を参照）。本実施形態では、ウェハ全面の画像を一括で取得できるため、非常に短時間でウェハ全面のフォーカス状態を計測することができる。なお、図１２の例では、露光装置１００のフォーカスの変動状態を明暗で表しているが、擬似カラー表示を用いるようにすれば、色を変えることによってフォーカスずれの大小および正負を一度に表示することが可能である。なお、画像処理部４０で求められたウェハ１０の表面に対する露光装置１００のフォーカスの変動状態（フォーカスオフセット量）を、画像処理部４０から信号出力部（図示せず）を介して露光装置１００に出力し、露光装置１００の設定にフィードバックすることができる。
　このように、本実施形態によれば、実際の露光に用いるパターンで露光したウェハの画像に基づいて露光装置１００のフォーカスの変動状態を判定することができ、専用のパターンではなく、実際のデバイスに用いるパターンを使用することができ、また、露光装置１００の照明条件も制約されないため、露光装置１００のフォーカス状態を精度よく計測することが可能になる。もちろん、露光装置の調整用などで、専用のパターンを用いてもよい。
　また、ウェハの表面から生じた回折光による像を撮像するようにすれば、レジスト膜等の膜厚変動による影響を受けにくいため、露光装置１００のフォーカスの状態を精度よく計測することが可能である。特に、照明光の波長は、２４８ｎｍや３１３ｎｍ（ｊ線）等の深紫外域の波長が望ましい。
　また、複数の回折条件を用いて露光装置１００のフォーカスの状態を求めるようにすれば、例えば、各回折条件について平均化することにより、さらなる精度向上が期待できる。また、対象となる様々なパターンごとに最適な回折条件を選択することで、感度の高い、高精度な計測が可能になる。なお、平均化する際に、異常値を除去するようにしてもよい。
　また、フォーカスオフセット量に対する回折輝度変化（すなわち、フォーカスカーブ）を求める際、ベストドーズ量から少しオーバーまたはアンダーのドーズ量（露光量）で露光を行うと、計測感度が向上する。特に、オーバードーズ量側が効果的である。露光装置の定期点検などでより精度の高い測定が必要な場合には、このような方法も可能である。
　なお、上述の実施形態において、回折が起こるためにはパターンの繰り返し間隔が照明波長の１／２以上でなければならない。そのため、照明光として波長が２４８ｎｍの光を用いた場合、繰り返し間隔が１２４ｎｍ以下の繰り返しパターンでは回折光が発生しなくなる。しかしそのような場合でも、ショット内の各位置に１２４ｎｍよりも長い繰り返し間隔を有するパターン（例えばガードパターン等）があれば、そこで回折光が発生するので測定が可能となる。なお、パターンを露光する際の照明条件は、微細なパターンに合わせてあるため、前述の繰り返し間隔の長いパターンの方が微細なパターンよりも合焦ズレ（デフォーカス）によって形状が崩れやすく、つまりフォーカスずれに敏感になり、測定精度が上がる場合がある。
　また、上述の実施形態において、繰り返しパターンのあるパターンのピッチに対して、１次回折光を用いるよりも、高次の回折光を用いた方が、一般的にパターンの変化に対する回折効率の変動が大きくなるため、フォーカスの変化に対する感度が向上し、露光時のフォーカス状態（前述の合焦ズレの傾向や露光装置１００のフォーカスの変動状態）をより精度よく計測することができる。本願の発明者による実験では、４次以上の回折光で効果が得られ、１０次回折光や１２０次回折光でも高い精度を得ることができる場合があった。
　パターンの繰り返しピッチが短く回折光が出ない場合でも、パターンブロック、つまりパターンの塊の繰り返しからの回折光により検査ができる場合がある。例えば、図１５に示すように、複数のホール１３からなるパターンブロック１４が縦横に並んだ半導体素子ＤＶ（例えば、メモリ素子等）の場合である。本出願の発明者は、１０μｍの繰り返しピッチで並ぶパターンブロック１４から１００次回折光が得られるように回折条件を設定すると、パターンブロック１４において０．１４μｍの繰り返しピッチで並ぶ直径６０ｎｍのホール１３の形状変化（すなわち、ホールパターンの変化）に対して、当該１００次回折光が高い感度を有することを発見した。このように、相対的に繰り返し間隔の長いパターンから高次の回折光が得られるように回折条件を設定することで、回折光が発生し難い微細なパターン（すなわち、相対的に繰り返し間隔の短いパターン）のデフォーカスによるパターン変化を検出することができ、露光時のフォーカス状態をより精度よく計測することができる。
　なお、高次の回折光を得るために、照明光として波長の短い紫外光を用いることが好ましい。特に、照明光の波長は、２４８ｎｍや３１３ｎｍ（ｊ線）等の深紫外域の波長が望ましい。前述の（１）式より、繰り返しパターンのピッチが同じである場合、照明光の波長を短くすることで、高次の回折光を得ることができる。また、ウェハの繰り返しパターンに下地層がある場合や下地膜の膜厚ムラがある場合、短波長（例えば、２４８ｎｍや３１３ｎｍ等）の照明光を使用すると、下地の影響を受け難くすることができる。
　また、高次の回折光を用いる場合、撮像装置３５によりウェハの像（回折像）を複数回（例えば１０回）撮像してそれぞれの画像信号を画像処理部４０に出力し、画像処理部４０により、撮像装置３５からの複数の画像信号を積算した積算信号に基づいて、ウェハのデジタル画像の生成や、露光時のフォーカス状態の判定等を行うことが好ましい。高次の回折光は反射率が低くなるため、画像信号の積算を行うことで、信号量が増加してＳＮ比が向上し、露光時のフォーカス状態をより精度よく計測することができる。
　また、予め撮像装置３５の撮像素子について暗電流を測定しておき、画像信号の積算を行う際、暗電流による信号を除くようにしてもよい。これにより、ＳＮ比をより向上させることができる。例えば、撮像回数をＮとし、Ｎ回分の画像信号の積算値をＳとし、暗電流の信号値をＡとしたとき、暗電流による信号を除いた画像信号の積算値Ｓａは、Ｓａ＝Ｓ－｛Ａ×（Ｎ－１）｝で表わされる。
　さらに、信号量を増やしてＳＮ比を向上させるため、撮像装置３５による撮像時間（露光時間）を長くするようにしてもよい。また、撮像素子のランダムノイズを小さくするため、撮像装置３５の撮像素子を冷却するようにしてもよい。
　また、上述の実施形態において、撮像装置３５により、ステージ６によって所定の回転位置（第１の回転位置）に位置するウェハの像（回折像）に加え、この回転位置から１８０度回転させた回転位置（第２の回転位置）に位置するウェハの像（回折像）を撮像し、画像処理部４０により、撮像装置３５から回転分を補正してそれぞれ出力された各回転位置での画像信号を平均化して、ウェハのデジタル画像の生成や、露光時のフォーカス状態の判定等を行うようにしてもよい。このようにすれば、パターン形状の非対称性に基づく計測誤差や、ウェハに対する照明の不均一性に基づく計測誤差を低減させることができるため、露光時のフォーカス状態をより精度よく計測することができる。
　また、上述の実施形態において、撮像装置３５によりウェハの像（回折像）を複数回（例えば１０回）撮像し、画像処理部４０により、撮像装置３５からそれぞれ出力された各回数での画像信号を平均化して、ウェハのデジタル画像の生成や、露光時のフォーカス状態の判定等を行うようにしてもよい。このようにすれば、撮像素子のランダムノイズが１回だけの撮像よりも１／√１０程度に減少するため、露光時のフォーカス状態をより精度よく計測することができる。
　また、上述の実施形態において、条件振りウェハ１０ａの画像に基づいて、露光装置１００の像面を計測しているが、これに限られるものではなく、露光装置１００のフォーカスオフセット量をウェハごとに変化させて（同一のウェハにおいては、同一の条件で）露光し現像した複数のウェハの画像を利用して、露光装置１００の像面を計測するようにしてもよい。このようにすれば、ショット位置を変えるごとに生じるダイナミックな制御誤差（ウェハステージの走り誤差やレベリング誤差、レチクルステージの走り誤差やレベリング誤差、レチクルステージとウェハステージとの同期誤差等）を低減することができるため、より高精度な計測が可能になる。
　また、上述の実施形態において、露光装置１００はステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であったが、露光装置１００のステージスキャンやレチクルスキャンを行わない、ステップ・アンド・リピート露光を行うときも同様の計測が有効な手段となる。
　また、上述の実施形態において、フォーカスカーブの近似曲線（４次式）を求める際、フォーカスカーブの端部近傍においてカーブが不連続もしくは不規則な変化となる点が存在すると、近似曲線の誤差の原因となる。そのため、最小二乗法で近似曲線のパラメータを計算する際に、測定値に重み付けをして、例えば、フォーカスカーブにおける信号強度の大きい点の重み付けを大きくし、信号強度の小さい点の重み付けを小さくすることにより、フォーカスカーブにおける端部近傍の不連続点や不規則点の影響を低減することが好ましい。
　また、上述の実施形態において、選択した照明波長において、照明角度と受光角度が、パターンが形成されたレジスト膜に対する反射率が極大もしくは極小近傍となる回折条件を選択することが好ましい。露光量（ドーズ）が変化すると、パターンの線幅が変化して当該パターンが形成されたレジスト膜の実質的な膜厚が変化する。そのため、反射光の干渉条件（反射率）がレジスト膜厚に応じて周期的に変化することを利用して、レジスト膜に対する反射率が極大もしくは極小近傍となる回折条件（照明角度と受光角度）を選択することで、膜厚変化（線幅変化）に対する反射率の変動が小さくなることから、露光量の変化による影響を低減することができる。
　また、上述の実施形態において、ウェハの表面で生じた回折光を利用して露光装置１００の像面やフォーカス状態を求めているが、これに限られるものではなく、ウェハの表面で生じた正反射光や偏光の状態変化等を利用して露光装置１００の像面やフォーカス状態を求めるようにしてもよい。
　そこで、表面検査装置１によりウェハ１０表面のＰＥＲ検査を行う場合について説明する。なお、繰り返しパターン１２は、図４に示すように、複数のライン部２Ａがその短手方向（Ｘ方向）に沿って一定のピッチＰで配列されたレジストパターン（ラインパターン）であるものとする。また、隣り合うライン部２Ａ同士の間は、スペース部２Ｂである。また、ライン部２Ａの配列方向（Ｘ方向）を「繰り返しパターン１２の繰り返し方向」と称することにする。
　ここで、繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａの線幅ＤAの設計値をピッチＰの１／２とする。設計値の通りに繰り返しパターン１２が形成された場合、ライン部２Ａの線幅ＤAとスペース部２Ｂの線幅ＤBは等しくなり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比は略１：１になる。これに対して、繰り返しパターン１２を形成する際の露光フォーカスが適正値から外れると、ピッチＰは変わらないが、ライン部２Ａの線幅ＤAが設計値と異なってしまうとともに、スペース部２Ｂの線幅ＤBとも異なってしまい、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。
　ＰＥＲ検査は、上記のような繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比の変化を利用して、繰り返しパターン１２の異常検査を行うものである。なお、説明を簡単にするため、理想的な体積比（設計値）を１：１とする。体積比の変化は、露光フォーカスの適正値からの外れに起因し、ウェハ１０のショット領域ごとに現れる。なお、体積比を断面形状の面積比と言い換えることもできる。
　ＰＥＲ検査では、図２に示すように、照明側偏光フィルタ２６および受光側偏光フィルタ３２が光路上に挿入される。また、ＰＥＲ検査を行うとき、ステージ５は、照明光が照射されたウェハ１０からの正反射光を受光系３０で受光できる傾斜角度にウェハ１０をチルトさせるとともに、所定の回転位置で停止し、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向を、図５に示すように、ウェハ１０の表面における照明光（直線偏光Ｌ）の振動方向に対して、４５度だけ斜めになるように保持する。繰り返しパターン１２の検査の信号強度を最も高くするためである。また、２２．５度や６７．５度とすれば検査の感度が高くなる。なお、角度はこれらに限らず、任意角度方向に設定可能である。
　照明側偏光フィルタ２６は、導光ファイバ２４と照明側凹面鏡２５との間に配設されるとともに、その透過軸が所定の方位（方向）に設定され、透過軸に応じて照明ユニット２１からの光から偏光成分（直線偏光）を抽出（透過）する。このとき、導光ファイバ２４の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点位置に配置されているため、照明側凹面鏡２５は、照明側偏光フィルタ２６を透過した光を平行光束にして、半導体基板であるウェハ１０を照明する。このように、導光ファイバ２４から射出された光は、照明側偏光フィルタ２６および照明側凹面鏡２５を介しｐ偏光の直線偏光Ｌ（図５を参照）となり、照明光としてウェハ１０の表面全体に照射される。
　このとき、直線偏光Ｌの進行方向（ウェハ１０表面上の任意の点に到達する直線偏光Ｌの主光線の方向）は光軸に略平行であることから、ウェハ１０の各点における直線偏光Ｌの入射角度は、平行光束のため互いに同じとなる。また、ウェハ１０に入射する直線偏光Ｌがｐ偏光であるため、図５に示すように、繰り返しパターン１２の繰り返し方向が直線偏光Ｌの入射面（ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの進行方向）に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向と繰り返しパターン１２の繰り返し方向とのなす角度も、４５度に設定される。言い換えると、直線偏光Ｌは、ウェハ１０の表面における直線偏光Ｌの振動方向が繰り返しパターン１２の繰り返し方向に対して４５度傾いた状態で、繰り返しパターン１２を斜めに横切るようにして繰り返しパターン１２に入射することになる。
　ウェハ１０の表面で反射した正反射光は、受光系３０の受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達するが、このとき、繰り返しパターン１２での構造性複屈折により直線偏光Ｌの偏光状態が変化（楕円偏光化）する。受光側偏光フィルタ３２は、受光側凹面鏡３１と撮像装置３５との間に配設され、受光側偏光フィルタ３２の透過軸の方位は、上述した照明側偏光フィルタ２６の透過軸に対して直交するように設定されている（クロスニコルの状態）。したがって、受光側偏光フィルタ３２により、ウェハ１０（繰り返しパターン１２）からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分（例えば、ｓ偏光の成分）を抽出して、撮像装置３５に導くことができる。その結果、撮像装置３５の撮像面には、ウェハ１０からの正反射光のうち直線偏光Ｌに対して振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の反射像が形成される。なお、楕円偏光の短軸方向が直線偏光Ｌと直交していない場合は、受光側偏光フィルタ３２の透過軸を楕円偏光の短軸方向に合わせることで感度が向上する。
　表面検査装置１によりウェハ１０表面のＰＥＲ検査を行うには、まず、図２に示すように照明側偏光フィルタ２６および受光側偏光フィルタ３２を光路上に挿入し、不図示の搬送装置により、ウェハ１０をステージ５上に搬送する。なお、搬送の途中で不図示のアライメント機構によりウェハ１０の表面に形成されているパターンの位置情報を取得しており、ウェハ１０をステージ５上の所定の位置に所定の方向で載置することができる。またこのとき、ステージ５は、照明光が照射されたウェハ１０からの正反射光を受光系３０で受光できる傾斜角度にウェハ１０をチルトさせるとともに、所定の回転位置で停止し、ウェハ１０における繰り返しパターン１２の繰り返し方向を、ウェハ１０の表面における照明光（直線偏光Ｌ）の振動方向に対して、４５度だけ斜めになるように保持する。
　次に、照明光をウェハ１０の表面に照射する。このような条件で照明光をウェハ１０の表面に照射する際、照明ユニット２１の導光ファイバ２４から射出された光は、照明側偏光フィルタ２６および照明側凹面鏡２５を介しｐ偏光の直線偏光Ｌとなり、照明光としてウェハ１０の表面全体に照射される。ウェハ１０の表面で反射した正反射光は、受光側凹面鏡３１により集光されて撮像装置３５の撮像面上に達し、ウェハ１０の像（反射像）が結像される。
　このとき、繰り返しパターン１２での構造性複屈折により直線偏光Ｌの偏光状態が変化し、受光側偏光フィルタ３２は、ウェハ１０（繰り返しパターン１２）からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分（すなわち、直線偏光Ｌの偏光状態の変化）を抽出して、撮像装置３５に導くことができる。その結果、撮像装置３５の撮像面には、ウェハ１０からの正反射光のうち直線偏光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分によるウェハ１０の反射像が形成される。
　そこで、撮像装置３５は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像（反射像）を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する。画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０のデジタル画像を生成する。また、画像処理部４０は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データと良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ１０の表面における欠陥（異常）の有無を検査する。なお、良品ウェハ、すなわちベストフォーカス・ベストドーズの状態で露光し、現像されたウェハの反射画像の信号強度（輝度値）は、最も高い信号強度（輝度値）を示すものと考えられるため、例えば、良品ウェハと比較した信号強度変化（輝度変化）が予め定められた閾値（許容値）より大きければ「異常」と判定し、閾値より小さければ「正常」と判断する。そして、画像処理部４０による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。
　ところで、画像処理部４０は、露光装置１００のフォーカスオフセット量をショット毎に変化させた条件で露光して現像したウェハの画像を利用して、露光装置１００の偏光によるフォーカスカーブを求めることができる。このフォーカスカーブを利用して、検出される偏光の信号強度（前述の平均輝度）が極大となるフォーカスオフセット量を求めるようにすれば、回折光の場合と同様に、露光装置１００により投影露光されるパターンの像面の傾きを求めることができる。具体的には、図６に示すフローチャートのステップＳ１０３において、照明光として直線偏光Ｌを条件振りウェハ１０ａの表面に照射し、撮像装置３５が条件振りウェハ１０ａの反射像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力すればよい。なお、偏光の場合、信号強度が極大となるフォーカスオフセット量がベストフォーカスと考えられるため、ベストフォーカスとなるフォーカスオフセット量を容易に知ることができる。
　さらに、画像処理部４０は、ウェハの照明および撮像等を、ＰＥＲ検査の場合と同様にして行えば、露光装置１００のフォーカスオフセット量をウェハごとに変化させて露光し現像した複数のウェハの画像を利用して、偏光の平均輝度（照明条件は一定）によるフォーカスカーブを求めることにより、ウェハ１０の表面に対する露光装置１００のフォーカスの状態、すなわちフォーカスモニタ計測を行うことができる。
　なお、受光側偏光フィルタ３２の透過軸の方位は、上述した照明側偏光フィルタ２６の透過軸に対して直交状態から僅かにずらして、照明光である偏光の構造性複屈折による回転に合わせてもよい。
　また、上述の実施形態において、ピーク法によりフォーカスモニタ計測を行っているが、別の方法でフォーカスモニタ計測を行うことも可能である。パターンによっては、フォーカスカーブの極大値付近が平坦な形をしている場合がある。例えば、図１６に示すフォーカスカーブＣＶ１，ＣＶ２のような形状の場合である。この場合は、信号強度が極大となるフォーカスオフセット量を精度よく決めることが難しいため、第１実施形態のピーク法では、結果的に測定精度が低下する。
　そこで、このような場合に有効な方法を本願の第２実施形態として説明する。第２実施形態では、装置構成やウェハの露光方法などが基本的に第１実施形態の場合と同様であるため、第２実施形態の表面検査装置については詳細な説明を省略する。第２実施形態と第１実施形態との違いは、フォーカス状態の測定方法が第１実施形態ではピーク法であるのに対して、第２実施形態では便宜上フィッティング法と称する方法によることである。
　最初に、フィッティング法による像面計測の手順を、図１８に示すフローチャートを参照しながら説明する。図１８のステップＳ３０１～Ｓ３０５は、図６のステップＳ１０１～Ｓ１０５と同じ処理である。同じ処理の部分の説明は省略するが、ステップＳ３０５までで、フォーカスオフセットを振った各ショットに対して、ショット内に複数設定した設定領域ごとに平均輝度が求められている。次に、さらにフォーカスオフセットを振った各ショットに対して、ショット内の全ての設定領域の平均値（平均輝度）を平均して、ショット平均値を求める（ステップＳ３０６）。次に、そのショット平均値とフォーカスオフセットとの関係を表すフォーカスカーブ（他のフォーカスカーブと区別するため、以降ショットフォーカスカーブと称する）を求め、求めたショットフォーカスカーブを例えば４次関数の近似曲線で近似する（ステップＳ３０７）。なお、ショットフォーカスカーブは、１枚の条件振りウェハから１つだけ得られる。
　次に、ショット内の設定領域毎に、ステップＳ３０５で求めた各フォーカスオフセットに対する平均値（平均輝度）と、ステップＳ３０７で求めたショットフォーカスカーブとをフィッティングし、最も一致するショットフォーカスカーブの（グラフ上の）位置を求める（ステップＳ３０８）。ここでいうフィッティングとは、例えば図２０に示すグラフにおいて、実線で表したショットフォーカスカーブの近似曲線を左右に、すなわちフォーカスオフセットを例えば１ｎｍ刻みで平行移動させながら、菱形のマーカーで表した平均輝度との一致度を求めて、最も一致する位置を求めることであり、元のショットフォーカスカーブからの移動量（すなわち、フォーカスオフセットの差）がその設定領域の（フォーカス状態を表す）計測値となる。なお、一致度として、平均輝度と、当該平均輝度と同じフォーカスオフセットでの近似曲線の値との差の二乗和を求めて、その二乗和が最小となる位置を求めてもよいし、相関係数を求めて、相関係数が最大となる位置を求めてもよい。
　ピーク法では、設定領域毎にフォーカスカーブを求め、その極大値のフォーカスオフセットからフォーカス状態を求めたが、フィッティング法では、基準となる一つのショットフォーカスカーブに対する設定領域毎の平均輝度の位置の差を求めて、フォーカス状態を得るものである。そして、ショット内の（設定領域毎の）フォーカス状態の分布を求めることで（ステップＳ３０９）、フィッティング法による像面計測を行うことができる。
　続いて、フィッティング法によるフォーカスモニタ計測の手順を、図１９に示すフローチャートを参照しながら説明する。フィッティング法によるフォーカスモニタ計測では、像面計測で用いたものと同様に作成した１枚の条件振りウェハと、所定の２種類のフォーカスオフセット量（例えば、－１００ｎｍと－５０ｎｍ）でそれぞれ露光し現像した２枚のウェハ（以下便宜上、計測用ウェハと称する）の計３枚のウェハを用いる。
　まず、１枚の条件振りウェハと２枚の計測用ウェハの画像を取得する（ステップＳ４０１）。次に、条件振りウェハの画像から、像面計測の場合と同様な方法で露光ショット内に複数設定した設定領域毎に、（第１実施形態で述べた場合と同様の）基準フォーカスカーブを求め、求めた基準フォーカスカーブを例えば４次関数の近似曲線で近似する（ステップＳ４０２）。次に、計測用ウェハのウェハ面内に複数設定した設定領域毎に、平均輝度を求め、基準フォーカスカーブの近似曲線とのフィッティングを行い（ステップＳ４０３）、その結果を出力する（ステップＳ４０４）。図２１は、ある一つの設定領域におけるフィッティングの例を説明する図である。図２１において、グラフの実線で示す曲線が基準フォーカスカーブの近似曲線であり、菱形のマーカーが計測用ウェハの平均輝度である。近似曲線をグラフの左右方向にずらして平均輝度と最も一致する位置を求めると、破線で示す曲線のようになるが、その左右方向の移動量、すなわちフォーカスオフセットの差が、この設定領域のフォーカス状態を表す計測値となる。
　フォーカスモニタ計測におけるフィッティングでは、具体的には、設定領域毎に、近似曲線を例えばフォーカスオフセット量で（左右に）１ｎｍずつずらしながら、計測用ウェハの信号強度（平均輝度）と近似曲線との差を求め、計測用ウェハの枚数分だけその差分の二乗和を計算し、その二乗和が最も小さくなる位置を求めればよい。また、近似曲線をずらしながら、相関係数を計算して、相関係数が最も大きくなる位置を求めてもよい。
　基準フォーカスカーブを求めるときのショット内の設定領域と、計測用ウェハにおいてウェハ内に設ける設定領域とは、ショット内の配置が同じ位置関係になるようにしておき、上記フィッティングの際、計測用ウェハの設定領域とショット内の位置関係が同じ設定領域ごとの基準フォーカスカーブを用いるのが好ましい。また、基準フォーカスカーブに限らず、像面計測で求めたショットフォーカスカーブを用いるようにしてもよい。設定領域ごとの基準フォーカスカーブを用いると、ショットの像面の変動成分を除いたウェハ全面のフォーカス状態が計測されるのに対して、ショットフォーカスカーブを用いると、像面の変動成分を含むウェハ全面のフォーカス状態が計測される。すなわち、用途に応じて使い分けることができる。
　このようにすれば、１枚の条件振りウェハと２枚の計測用ウェハでフォーカスモニタ計測を行うことが可能である。フィッティング法では、たとえフォーカスカーブの極大値付近が平坦であっても、曲線全体でフィッティングするので、高精度の計測が可能である。また、計測に必要なウェハの枚数が少なくて計測できるという利点もある。
　上述の実施形態において、計測用ウェハの枚数を２枚としたが、これに限られるものではなく、２枚以上であれば何枚でもよい。計測用ウェハの枚数が多いほど、安定した計測を行うことができる。なお、計測用ウェハの枚数が１枚では、図２２に示すように、フィッティングにおいて一致する位置が２箇所あるので、計測を行うことができない。
　条件振りウェハと計測用ウェハとの間で、レジスト膜厚やドーズ量の微妙な差により、画像の明るさがわずかに変動する場合があるが、その場合には、近似曲線の信号強度にゲインをかけて、明るさを合わせてフィッティングするとより精度の高い結果が得られる。ゲインの値は、ウェハの画像から求めた固定値であってもよい。また、ゲインを変えながらフィッティングを行い、近似曲線と平均輝度の乖離が最も小さいゲインおよび、近似曲線の左右方向の移動量（すなわち、フォーカスオフセットの差）を同時に得るようにしてもよい（例えば、図１６を参照）。
　また、上述の第２実施形態においても、第１実施形態の場合と同様に、回折光のみでなく偏光状態の変化を用いた計測が可能であるし、画像の積算や平均化、高次回折光や短波長の利用など、第１実施形態で説明した精度向上の手段を適用しても有効である。
　また、上述の第１実施形態および第２実施形態において、露光時のフォーカス状態を求めているが、これに限られるものではなく、露光時のドーズ状態を求めることも可能である。そこで、本願の第３実施形態について説明する。第３実施形態では、回折検査の手法でドーズ（露光量）の変動を求める。なお、ドーズとは、パターンを形成する際のエネルギー量である。また、第３実施形態では、装置構成やウェハの露光方法などが基本的に第１実施形態の場合と同様であるため、第３実施形態の表面検査装置については詳細な説明を省略する。
　露光装置１００のドーズの変動状態を求める方法について、図２３に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、露光装置１００のドーズ量を変化させて繰り返しパターンを形成したウェハを作成する（ステップＳ５０１）。このとき、露光ショット毎にドーズ量をばらばらに変化させて露光し現像する。以下、このようなウェハをドーズ条件振りウェハと称することにする。ここで、ドーズ量をばらばらにするのは、ウェハの中央側と外周側の間に発生するレジスト条件の相違や、スキャン露光時の左右差などの影響を相殺する目的で行う。
　本実施形態のドーズ条件振りウェハは、ドーズ量を１．５ｍＪ刻みで８段階（１０．０ｍＪ、１１．５ｍＪ、１３．０ｍＪ、１４．５ｍＪ、１６．０ｍＪ、１７．５ｍＪ、１９．０ｍＪ、２０．５ｍＪ）に振っている。なお、パターン露光に要する露光量は、パターンによって５ｍＪ～４０ｍＪ程度であり、ドーズ条件振りウェハを作る際の振り幅は、０．５ｍＪ～２．０ｍＪとすることが望ましい。
　なお、ドーズ条件振りウェハを複数枚作り、ドーズカーブを求めてもよい。その場合、各条件振りウェハのドーズ量毎のショット配置は、ドーズ量以外の条件による影響を相殺するように設定することが好ましい。
　ドーズ条件振りウェハを作製すると、回折検査の場合と同様にして、ドーズ条件振りウェハをステージ５上に搬送する（ステップＳ５０２）。次に、回折検査の場合と同様に、照明光をドーズ条件振りウェハの表面に照射し、撮像装置３５がドーズ条件振りウェハの回折像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理部４０に出力する（ステップＳ５０３）。このとき、ドーズ条件振りウェハについて、露光したパターンのピッチ情報または回折条件サーチを利用して回折条件を求め、回折光が得られるように回折検査の場合と同様の設定を行う。回折条件サーチとは、正反射以外の角度範囲でステージ５のチルト角度を段階的に変化させてそれぞれのチルト角度で画像を取得し、画像が明るくなる、すなわち回折光が得られるチルト角度を求める機能のことを指す。なお、ドーズ条件振りウェハの方位角（露光したパターンの照明光の照明方向に対する姿勢）は、露光したパターンの繰り返し方向（ラインアンドスペースのパターンの場合ラインと直交する方向）と照明方向が一致するように配置されている。
　次に、画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたドーズ条件振りウェハの画像信号に基づいて、ドーズ条件振りウェハのデジタル画像を生成し、ドーズ量が同じショット毎に画素単位（それぞれのショットの対応する部分の画素同士）で信号強度（輝度）の平均化を行う（ステップＳ５０４）。なお、回折検査で欠陥と判断された部分については、前述の平均化の対象から除外する。次に、画像処理部４０は、平均化によって得られた（互いにドーズ量の異なる）全てのショットについて、フォーカスカーブを求める際に図８で示したショット内に設定した複数の設定領域（小さな長方形で囲んだ領域）Ａでの信号強度の平均値（以下、便宜的に平均輝度と称する）をそれぞれ求める。なお、ドーズ条件振りウェハは、露光装置１００のドーズ量をショット毎に変化させているため、ショットの位置からドーズ量を求めることができ、異なるドーズ量で露光されたそれぞれのショット内の同位置の設定領域において、ドーズ量に応じて平均輝度が変化することになる。
　そこで、画像処理部４０は、平均輝度を求めた設定領域ごとに、（互いにドーズ量の異なる）各ショットにおける同位置の設定領域での平均輝度と、これに対応するドーズ量との関係を示すグラフ、すなわちドーズカーブを求める（ステップＳ５０５）。なお、ドーズカーブの一例を図２４に示す。
　次に、画像処理部４０は、ドーズカーブを関数で近似した近似曲線を設定領域ごとにそれぞれ求める（ステップＳ５０６）。なお、近似曲線の関数には、４次関数（４次式）を用いるのが好ましい。また、ここで求めたドーズカーブを基準ドーズカーブと称する。４次関数については、フォーカスカーブと同様なので、説明を省略する。
　次に、画像処理部４０は、ドーズカーブの近似曲線において設計値に対応した輝度となるドーズ量を求める（ステップＳ５０７）。このとき、設計値に対応した輝度となるドーズ量を設定領域ごとに求める（ステップＳ５０８）。このようにすれば、ショット内におけるドーズ量の分布を求めることができる。なお、ドーズカーブの近似曲線における設計値に対応した輝度（信号強度）は、予め線幅が設計値と一致したパターンを用いて求めておく。
　そして、ショット内における、回折光の輝度が設計値に対応した輝度となるドーズ量の分布に基づいて、露光装置１００により投影露光されるパターンの像面におけるドーズの変動状態が求まる。このようにして求めた像面でのドーズの変動状態は、例えば、露光装置１００に合わせたパラメータに変換され、画像処理部４０から信号出力部９０を介して露光装置１００に出力されて、または光学系を調整して露光装置１００による露光に反映される。
　このようにすれば、露光装置１００のドーズ量を変化させて繰り返しパターンを形成したウェハの画像を撮像取得するため、実際の露光に用いるパターンで露光したウェハの画像に基づいて、露光装置１００のドーズの変動状態を短時間で精度よく計測することができる。
　また、ウェハの表面から生じた回折光による像を撮像するようにすれば、レジスト膜等の膜厚変動による影響を受けにくいため、露光装置１００のドーズの変動状態を精度よく計測することが可能である。特に、照明光の波長は、２４８ｎｍや３１３ｎｍ（ｊ線）等の深紫外域の波長が望ましい。また、複数の回折条件を用いて露光装置１００のドーズの変動状態を求めるようにすれば、例えば、各回折条件について平均化することにより、さらなる精度向上が期待できる。また、対象となる様々なパターンごとに最適な回折条件を選択することで、感度の高い、高精度な計測が可能になる。
　なお、画像処理部４０は、露光装置１００のドーズ量をウェハごとに変化させて露光し現像した複数のウェハの画像を利用して、ウェハ１０の表面全体に対する露光装置１００のドーズの変動状態を求めることもできる。そこで、ウェハ１０の表面に対する露光装置１００のドーズの変動状態を求める方法について、図２５に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、露光装置１００のドーズ量をウェハごとに変化させて露光し現像した複数のウェハ（ドーズ量が１０．０ｍＪ、１１．５ｍＪ、１３．０ｍＪ、１４．５ｍＪ、１６．０ｍＪ、１７．５ｍＪ、１９．０ｍＪ、２０．５ｍＪである８つのウェハ）の画像を取得する（ステップＳ６０１）。このとき、ウェハの照明および撮像等は、回折検査の場合と同様（最適なドーズ量と最適なフォーカス条件で露光・現像されたパターンから所定の信号強度が得られる条件）にして行う。ここで、ドーズ量が異なる複数のウェハを計測用ウェハと称することにする。
　次に、取得したウェハの画像から、露光装置１００のドーズ量を変化させた計測用ウェハごとに、ウェハ内の全てのショットについての平均輝度を１ショットの画素単位（または小数の画素で形成される微小領域、以下に同じ）で求める（ステップＳ６０２）。次に、輝度値を平均輝度に置き換えたショットを計測用ウェハごとに生成し（ステップＳ６０３）、生成したショットの設定領域ごとに、（互いにドーズ量の異なる）各ショットにおける同位置の設定領域での平均輝度（信号強度）と、これに対応するドーズ量との関係を示すグラフ、すなわちドーズカーブ（条件振りウェハで求めた基準となるドーズカーブと区別するため、以降適宜サンプルドーズカーブと称する）を求める（ステップＳ６０４）。なお、サンプルドーズカーブを関数で近似した近似曲線を設定領域ごとにそれぞれ求めるが、近似曲線の関数には、４次関数（４次式）を用いるのが好ましい。このとき、露光装置１００のドーズオフセット量を計測用ウェハごとに変化させているため、生成した平均輝度のショットに対応する計測用ウェハの種類からドーズ量を求めることができ、ショット内の同位置の設定領域において、ドーズ量に応じて平均輝度が変化することになる。
　次に、求めたサンプルドーズカーブを利用して、全てのショットの設定領域について、各設定領域のサンプルドーズカーブに対応するドーズのずれ量をそれぞれ求める（ステップＳ６０５）。具体的にはまず、図示しないメモリに記憶された、各設定領域のサンプルドーズカーブと、対応する設定領域の基準ドーズカーブとの相関が最も良くなるようにフィッティング（いわゆるパターンマッチング）を行う。このとき、ドーズ量の増減方向への移動量が即ちその設定領域のドーズのずれ量となる。
　このようにすれば、ウェハ面上でのドーズのずれ量の分布を求めることができるため、ウェハ１０の表面全体に対する露光装置１００のドーズの変動状態を求めることが可能になる。
　なお、本実施形態では回折検査と同様な手法によりドーズ変動を求める技術を説明したが、偏光検査（ＰＥＲ検査）と同様な手法によってもドーズ変動を求めることができる。
　また、上述の実施形態において、ドーズカーブの近似曲線の式として４次式を用いるのが好ましいとしたが、グラフの形状によっては、直線近似を行うようにしてもよい。
　また、上述の実施形態において、ウェハ１０の表面全体に対する露光装置１００のドーズの変動状態を求める際、フォーカスの変動によってドーズ変化に対する信号強度の感度が変化しやすい場合には、予め、異なるフォーカスオフセット量ごとに基準ドーズカーブを求めておき、フォーカスの変動状態に応じて基準ドーズカーブを選択して用いるようにしてもよい。
　このように、各実施形態によれば、露光時のフォーカス状態やドーズ状態を短時間で精度よく計測することができる。また、計測されたフォーカス状態やドーズ状態を露光装置１００にフィードバックすることで、ウェハ全面において露光・現像されたパターンの線幅を設計値通りにすることができる。
　また、上述の各実施形態において、露光状態として合焦状態（フォーカス状態）と露光量（ドーズ状態）について説明したが、これに限定されるものではなく、スキャン露光時のレチクルステージやウェハステージのスキャン速度にも適用することができる。また、露光状態とはパターンの状態を広く包含するものであり、現像後のエッチング状態も露光状態に含まれる。
　また、本発明により露光装置が高性能を維持できるため、線幅が非常に細いパターンであっても欠陥（不良）の発生率を極めて低くすることができる。そのため、本発明を適用した露光装置を使った露光システムによれば、欠陥を有さない高性能な半導体デバイスを製造することができる。
　例えば、図２５に示すように、露光装置１００の露光条件の設定（パターンごとに行う設定もしくはフィードバック設定）を行う設定ステップＳ７０１と、設定した露光条件によって露光装置１００が露光を行う露光ステップＳ７０２とを有した露光方法において、設定ステップＳ７０１において、表面検査装置１の信号出力部９０から露光装置１００に出力された情報（前述の各種パラメータ）に基づいて、露光条件を決定するようにすれば、露光装置１００が高性能を維持できるため、線幅が非常に細いパターンであっても欠陥（不良）の発生率を極めて低くすることができる。
　また、図２６に示すように、半導体デバイス（図示せず）は、デバイスの機能・性能設計を行う設計工程（ステップＳ８０１）、この設計工程に基づいたレチクルを製作するレチクル製作工程（ステップＳ８０２）、シリコン材料からウェハを製作するウェハ製作工程（ステップＳ８０３）、露光等によりレチクルのパターンをウェハに転写する（露光工程、現像工程等を含む）リソグラフィー工程（ステップＳ８０４）、デバイスの組み立てを行う（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程等を含む）組立工程（ステップＳ８０５）、デバイスの検査を行う検査工程（ステップＳ８０６）等を経て製造される。このような半導体デバイス製造方法のリソグラフィー工程において、前述の露光方法を用いてパターンの露光を行うことにより、線幅が非常に細いパターンであっても欠陥（不良）の発生率を極めて低くすることができるため、欠陥を有さない高性能な半導体デバイスを製造することができる。
　また、本発明によれば、露光装置により所定のマスクパターンが投影露光されて表面にマスクパターンに基づく半導体パターンが形成された半導体基板を支持するステージと、ステージに支持された前記半導体基板の表面に照明光を照射する照明部と、照明光が照射された半導体基板の表面からの光を検出する検出部と、検出部に検出された前記半導体基板の表面からの光の情報に基づいて、形成されたパターン内の合焦ズレの傾向を求める演算部とを備えて構成されることを特徴とする表面検査装置を得ることができる。また、記演算部は、露光装置のフォーカス条件をショット毎に変化させて前記投影露光された半導体基板の表面からの光の情報に基づいて、前記合焦ズレの傾向を求めることができる。また、演算部は、ショット内に設定した複数の設定領域ごとに、前記設定領域の輝度が最大となるショットでのフォーカス条件を求め、設定領域ごとに求めた輝度が最大となるフォーカス条件に基づいて合焦ズレの傾向を求めることができる。また、演算部により求められた合焦のズレの傾向を露光装置に入力可能な信号に変換して出力する信号出力部をさらに備えることができる。また、照明部は、略平行な光束で半導体基板の前記パターンが形成された面の全面を一括照明し、検出部は、全面からの光を一括して検出することができる。また、照明部は、半導体基板の半導体パターンで回折光が発生するように、照明光を半導体基板の表面に照射し、検出部は、照明光が照射されて半導体基板の半導体パターンで発生した回折光を検出することができる。また、回折光が発生する回折条件を変化させて、照明部が半導体基板の表面に照明光を照射するとともに、検出部が回折条件に応じた回折光を検出し、演算部は、複数の回折条件で検出された回折光の情報に基づいて、合焦ズレの傾向を求めることができる。また、照明部は、照明光として略直線偏光を半導体基板の表面に照射し、検出部は、偏光が照射された半導体基板の半導体パターンにおける構造性複屈折による偏光の変化を検出することができる。
　また、露光装置により露光されて表面に半導体パターンが形成された半導体基板を支持するステージと、ステージに支持された半導体基板の表面に照明光を照射する照明部と、照明光が照射された半導体基板の表面からの光を検出する検出部と、検出部に検出された半導体基板の表面からの光の情報に基づいて、半導体基板の表面に対する露光装置のフォーカスの変動状態を求める演算部とを備えて構成されることを特徴とする検査装置を得ることができる。また、露光装置のフォーカスの変動状態と半導体基板の表面からの光との関係を記憶する記憶部をさらに備え、演算部は、記憶部に記憶された情報と検査対象である半導体基板の表面からの光とに基づいて、露光装置のフォーカスの変動状態を求めることができる。また、照明部は、半導体基板の半導体パターンで回折光が発生するように、照明光を半導体基板の表面に照射し、検出部は、照明光が照射されて半導体基板の半導体パターンで発生した回折光を検出することができる。また、照明部は、照明光として略直線偏光を半導体基板の表面に照射し、検出部は、偏光が照射された半導体基板の半導体パターンにおける構造性複屈折による偏光の変化を検出することができる。また、照明部が、半導体基板の半導体パターンで回折光が発生するように、照明光を半導体基板の表面に照射するとともに、検出部が、照明光が照射されて半導体基板の半導体パターンで発生した回折光を検出し、照明部が、照明光として略直線偏光を半導体基板の表面に照射するとともに、検出部が、偏光が照射された半導体基板の半導体パターンにおける構造性複屈折による偏光の変化を検出し、演算部は、検出部にそれぞれ検出された前記回折光の情報および偏光の変化情報に基づいて、露光装置のフォーカスの変動状態を求めることができる。
　　１　表面検査装置　　　　　　　　　　　　５　ステージ（変更部）
　１０　ウェハ（１０ａ　条件振りウェハ）
　１５ａ～１５ｅ　計測用ウェハ
　２０　照明系（照明部）
　３０　受光系　　　　　　　　　　　　　　３５　撮像装置（検出部）
　４０　画像処理部（演算部）　　　　　　　６０　検査部
　８０　制御部　　　　　　　　　　　　　　８２　通信ポート（入力部）
　８５　記憶部　　　　　　　　　　　　　　９０　信号出力部
１００　露光装置

Claims (31)

  1. 　所定範囲の露光を繰り返して作製された複数のパターンを有する基板の該パターンに照明光を照射する照明部と、
    　前記照明光が照射された前記基板の前記所定範囲の前記パターンからの光を一括して検出する検出部と、
    　前記検出部で検出された検出結果に基づいて、前記パターンが露光された時の露光状態を求める演算部とを備えることを特徴とする検査装置。
  2. 　前記演算部は、前記露光状態として前記パターンが露光された時の合焦状態と露光量との少なくとも一方を演算することを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
  3. 　前記照明部と前記検出部とを制御する制御部をさらに備え、
    　前記合焦状態と前記露光量との一方を前記露光状態として演算する際には、他方の影響を受けにくいように、前記制御部が前記照明部と前記検出部との少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項２に記載の検査装置。
  4. 　前記検出部が前記パターンからの回折光を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検査装置。
  5. 　前記検出部が４次以上の次数の回折光を検出することを特徴とする請求項４に記載の検査装置。
  6. 　前記検出部が前記パターンからの反射光のうち所定の偏光成分を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検査装置。
  7. 　複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果を記憶する記憶部と、通信可能な入力部とをさらに備え、
    　前記演算部は、前記記憶された検出結果に基づいて前記パターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の検査装置。
  8. 　前記記憶部は、複数の異なる露光状態と、該露光状態で露光されたパターンの検出結果とを記憶可能であり、
    　前記演算部は、前記記憶された検出結果と検査対象のパターンの検出結果とに基づいて、検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項７に記載の検査装置。
  9. 　前記記憶部は、前記複数の異なる露光状態と該露光状態で露光されたパターンの検出結果との関係を示す露光状態カーブを記憶可能であり、
    　前記演算部は、前記露光状態カーブの変曲点に基づいて検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項８に記載の検査装置。
  10. 　前記記憶部は、前記複数の異なる露光状態と該露光状態で露光されたパターンの検出結果との関係を示す露光状態カーブを記憶可能であり、
    　前記演算部は、検査対象のパターンの検出結果と前記露光状態カーブとのフィッティングにより前記検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項８に記載の検査装置。
  11. 　前記検出部は前記パターンからの光を複数回検出し、前記演算部は前記複数回の検出結果を積算した積算信号に基づいて前記露光状態を求めることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に検査装置。
  12. 　前記基板と前記検出部との相対位置と、前記基板と前記照明部との相対位置との少なくとも一方を変更する変更部をさらに備え、
    　前記演算部は、前記相対位置の変更の前後の検出結果に基づいて検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の検査装置。
  13. 　前記演算部は、複数の前記相対位置における検出結果の平均に基づいて前記露光状態を求めることを特徴とする請求項１２に記載の検査装置。
  14. 　前記照明部は、略平行な光束で前記基板のパターンが形成された面全面を一括して照明し、
    　前記検出部は、前記全面にあるパターンからの光を一括して検出することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の検査装置。
  15. 　前記演算部が求めた露光状態を、該露光を行った露光装置にフィードバック可能に出力する出力部をさらに備えることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の検査装置。
  16. 　所定範囲の露光を繰り返して作製された複数のパターンを有する基板の該パターンに照明光を照射し、
    　前記照明光が照射された前記基板の前記所定の範囲の前記パターンからの光を一括して検出し、
    　前記検出された検出結果に基づいて、前記パターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする検査方法。
  17. 　前記露光状態として前記パターンが露光された時の合焦状態と露光状態との少なくとも一方を求めることを特徴とする請求項１６に記載の検査方法。
  18. 　前記合焦状態と前記露光状態との少なくとも一方を求める際に、他方の影響を受けにくいように前記照射と前記検出との少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１７に記載の検査方法。
  19. 　前記パターンからの回折光を検出することを特徴とする請求項１６から１８のいずれか一項に記載の検査方法。
  20. 　前記パターンからの光の所定の偏光成分を検出することを特徴とする請求項１６から１８のいずれか一項に記載の検査方法。
  21. 　複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果に基づいて、前記パターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項１６から２０のいずれか一項に記載の検査方法。
  22. 　複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果と、該パターンが露光された時の露光状態との関係に基づいて、検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項１６から２１のいずれか一項に記載の検査方法。
  23. 　前記複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果と、該パターンが露光された時の露光状態との関係として、露光状態カーブを用い、該露光状態カーブの変曲点に基づいて検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項２２に記載の検査方法。
  24. 　前記複数の異なる露光状態で露光された複数のパターンの検出結果と、該パターンが露光された露光された露光状態との関係として、露光状態カーブを用い、検査対象のパターンの検出結果と前記露光状態カーブとのフィッティングに基づいて前記検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項２２に記載の検査方法。
  25. 　前記パターンからの光を複数回検出し、該複数回の検出結果を積算して検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項１６から２４のいずれか一項に記載の検査方法。
  26. 　前記照明光の照射状態と、前記パターンからの光の検出状態との少なくとも一方を変更し、該変更前後に検出された検出結果に基づいて検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求めることを特徴とする請求項１６から２５のいずれか一項に記載の検査方法。
  27. 　前記変更前後に検出された検出結果の平均に基づいて前記露光状態を求めることを特徴とする請求項２６に記載の検査方法。
  28. 　前記パターンが形成された面全面を一括して照明し、前記全面にある前記パターンからの光を一括して検出することを特徴とする請求項１６から２７のいずれか一項に記載の検査方法。
  29. 　検査対象のパターンが露光された時の露光状態を求め、該パターンを露光した露光装置にフィードバック可能な情報にすることを特徴とする請求項１６から２８のいずれか一項に記載の検査方法。
  30. 　請求項２９に記載の検査方法により得られた前記フィードバック可能な情報に基づいて、露光条件を決定することを特徴とする露光方法。
  31. 　請求項３０に記載の露光方法により作製されたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
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