(57)【要約】  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。
2012056601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２０７４９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。
【発明の効果】
【００４１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】表面検査装置の全体構成を示す図である。
【図２】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。
【図３】半導体ウェハの表面の外観図である。
【図４】繰り返しパターンの凹凸構造を説明する斜視図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】条件振りウェハの一例を示す図である。
【図９】フォーカスカーブの一例を示す図である。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】フォーカスカーブの一例を示す図である。
【図１４】フォーカスカーブの一例を示す図である。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】フィッティングの一例を示す図である。
【図２１】フィッティングの一例を示す図である。
【図２２】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。
【図２３】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。
【図２４】ドーズカーブの一例を示す図である。
【図２５】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。
【図２６】露光方法を示すフローチャートである。
【図２７】半導体デバイス製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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）。
【００４９】
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）。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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）。
【００５３】
Ｐ＝ｎ×λ／｛ｓｉｎ（θ１）−ｓｉｎ（θ２）｝  …（１）
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
ｙ＝ａｘ4＋ｂｘ3＋ｃｘ2＋ｄｘ＋ｅ  …（２）
【００６５】
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。
【００６６】
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）。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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）。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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）。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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）。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【符号の説明】
【０１５０】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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