(57)【要約】【課題】  半導体基板などの基板の表面あれを高精度に検査する。【解決手段】  基板表面に照明を照射し、散乱光や反射光を複数の方位、仰角で検出することで基板の表面あれを表面あれの周波数帯域ごとに計測する。【選択図】  図１
2010002406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面を検査する検査方法であって、
前記基板表面に光を照射する第一の工程と、
前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複数の電気信号を得る第二の工程と、
前記複数の電気信号各々について互いに異なる周波数帯域の信号を抽出する第三の工程と、
前記抽出された各周波数帯域の複数の信号を演算処理し、前記基板表面の表面荒れに関する値を算出する第四の工程と、
を有することを特徴とする検査方法。
【請求項２】
請求項１記載の検査方法であって、
前記第三の工程では、
前記複数の電気信号各々について予めプログラムした周波数帯域の信号を抽出することを特徴とする検査方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の検査方法であって、
前記第二の工程では、
互いに仰角の異なる位置に配置された複数の検出器により、前記基板表面からの散乱光又は反射光を検出することを特徴とする検査方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の検査方法であって、
前記第四の工程では、
前記基板表面の表面荒れに関する値として、RMS値を算出することを特徴とする検査方法。
【請求項５】
請求項４記載の検査方法であって、
さらに、前記算出されたRMS値の基板上の空間分布に基づき、空間分布状態をスカラー量に変換する第五の工程を有することを特徴とする検査方法。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれかに記載の検査方法であって、
前記第四の工程では、
前記基板表面の表面荒れに関する値として、前記基板全面の平均RMS値を算出することを特徴とする検査方法。
【請求項７】
基板表面を検査する検査装置であって、
前記基板表面に光を照射する照明光学系と、
前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複数の電気信号を得る複数の検出光学系と、
前記複数の電気信号各々について互いに異なる周波数帯域の信号を抽出し、前記抽出された各周波数帯域の複数の信号を演算処理して、前記基板表面の表面荒れに関する値を算出する処理部と、
を有することを特徴とする検査装置。
【請求項８】
請求項７記載の検査装置であって、
前記複数の検出光学系は、互いに異なる仰角で配置されていることを特徴とする検査装置。
【請求項９】
請求項７又は８記載の検査装置であって、
前記複数の検出光学系のうち少なくとも一の検出光学系には、前記散乱光又は反射光の光路を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより分岐された複数の光路上に配置された複数のセンサを有し、
前記複数のセンサのうち一のセンサの光路上には検光子が配置されていることを特徴とする検査装置。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかに記載の検査装置であって、
さらに、前記算出された基板表面荒れに関する値から導き出せる情報を表示する表示手段と、を有することを特徴とする検査装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の検査装置であって、
前記照明光学系は、前記基板に対して斜め方向から光を照射する斜方照明光学系であることを特徴とする検査装置。
【請求項１２】
請求項１０記載の検査装置であって、
前記照明光学系は、前記基板に対して垂直方向から光を照射する落射照明光学系であることを特徴とする検査装置。
【請求項１３】
基板表面を検査する検査方法であって、
前記基板表面に光を照射する第一の工程と、
前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複数の電気信号を得る第二の工程と、
前記複数の信号を演算処理し、基板表面の表面あれに関する複数の値を算出する第三の工程と、
を有することを特徴とする検査方法。
【請求項１４】
請求項１乃至６のいずれかに記載の検査方法であって、
前記第四の工程では、前記複数の検出器ごとに前記基板表面の表面荒れないしは膜厚に関する複数の値を算出することを特徴とする検査方法。
【請求項１５】
請求項１乃至６のいずれかに記載の検査方法であって、
前記第四の工程では、前記複数の検出器ごとに前記基板表面の表面荒れないしは膜厚に関する複数の値を算出し、表示することを特徴とする検査方法。
【請求項１６】
基板表面を検査する検査方法であって、
前記基板表面に光を照射する第一の工程と、
前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複数の電気信号を得る第二の工程と、
前記複数の信号を、表面荒れが異なる基板における表面荒れと前記複数の信号との対応関係を有するデータと比較し、表面荒れを推定する第三の工程と、
を有することを特徴とする検査方法。
【請求項１７】
基板表面を検査する検査装置であって、
前記基板表面に光を照射する照明光学系と、
前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複数の電気信号を得る複数の検出光学系と、
前記複数の電気信号演算処理して、前記基板表面の表面荒れに関する複数の値を算出する処理部と、
を有することを特徴とする検査装置。
【請求項１８】
請求項７乃至１２のいずれかに記載の検査装置であって、
演算処理部においては前記基板表面の表面荒れに関する複数の値を算出することを特徴とする検査装置。
【請求項１９】
基板表面を検査する検査装置であって、
前記基板表面に光を照射する照明光学系と、
前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複数の電気信号を得る複数の検出光学系と、
前記複数の電気信号を、表面荒れが異なる基板における表面荒れと前記複数の電気信号との対応関係を有するデータと比較演算処理して、前記基板表面の表面荒れに関する値を算出する処理部と、
を有することを特徴とする検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板やハードディスク基板などの基板表面に存在する表面荒れ等を検査する検査方法及び検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて、製品の歩留まりを維持・向上するために、半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥や異物の検査が行われている。例えば、回路パターン形成前の半導体基板等の試料では、表面の０．０５μｍ以下の微小な欠陥や異物（以下、欠陥という）、表面の微細な荒れ（ヘイズ）検出が必要である。また従来の検査装置では、このような欠陥を検出するために、試料表面上に集光したレーザビームを照射して、欠陥からの散乱光を集光・検出している。また回路パターン形成後の半導体基板等の試料では、レーザビームで試料表面を照明して試料表面で発生した散乱光を集光し、周期性パターンからの回折光は空間フィルタで遮光して、非周期性パターンおよび欠陥からの散乱光を検出し、非周期性パターンはダイ比較により削除して欠陥を認識している。
【０００３】
各種基板検査の中で半導体検査を例にとって説明する。
シリコンウエハおよび成膜などの半導体各種製造プロセス通過後のウエハ上には種々の欠陥があり、これらの欠陥により半導体製品の歩留りが低下する。
半導体製品の集積度が上がるにつれ、基板の表面検査の高感度化が要求されるとともに、欠陥を分類して検出することも必要とされてきている。欠陥には異物やスクラッチ、COP（結晶欠陥）など多様な種類があるが、さらに近年では基板の表面の微細な荒れを検出することが求められている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１３０８０８号公報
【非特許文献１】APPLIED OPTICS 1995 Vol.34、 No、1 pp201-208
【非特許文献２】P. A. Bobbert and J. Vlieger (Leiden Univ.): Light Scattering by a Sphere on a Substrate; Physica 137A， pp.209-241 (1986)
【非特許文献３】S.O.Rice, Comm. Pure and Appl. Math 4, 351(1951)
【非特許文献４】J.M.Elson: Light scattering from surfaces with a single dielectric overlayer; J. Opt. Soc. Am. 66, 682-694(1976)
【非特許文献５】J.M.Elson: Infrared light scattering from surface covered with multiple dielectric overlayers; Appl. Opt. 16, 2872-2881(1977)
【非特許文献６】J.M.Elson: Multilayer-coated optics: guided-wave coupling and scattering by means of interface random roughness; J. Opt. Soc. Am. A12, 729-742(1995)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体製品の集積度が上がるにつれ、基板の表面検査の高感度化が要求されるとともに、欠陥を分類して検出することも要求されてきており、その対象として基板の表面の微細な荒れを検出することが求められている。
【０００６】
しかし、上記文献に開示された光学式検査装置では、基板表面に存在する微細な荒れや膜厚むら等を高感度かつ高速に検査することはできなかった。
【０００７】
本発明の目的は、基板表面の微細な荒れを高感度かつ高速に検出する検査方法及び検査装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、基板表面の微細な荒れの検査と欠陥検査とを同時に実施できる検査方法及び検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次のとおりである。
（１）基板表面を検査する検査方法であって、前記基板表面に光を照射する第一の工程と、前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複数の電気信号を得る第二の工程と、前記複数の電気信号各々について互いに異なる周波数帯域の信号を抽出する第三の工程と、前記抽出された各周波数帯域の複数の信号を演算処理し、前記基板表面の表面荒れに関する値を算出する第四の工程と、を有することを特徴とする検査方法である。
（２）（１）記載の検査方法であって、前記第三の工程では、前記複数の電気信号各々について予めプログラムした周波数帯域の信号を抽出することを特徴とする検査方法である。
（３）基板表面を検査する検査装置であって、前記基板表面に光を照射する照明光学系と、前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複数の電気信号を得る複数の検出光学系と、前記複数の電気信号各々について互いに異なる周波数帯域の信号を抽出し、前記抽出された各周波数帯域の複数の信号を演算処理して、前記基板表面の表面荒れに関する値を算出する処理部と、を有することを特徴とする検査装置である。
（４）（３）記載の検査装置であって、前記複数の検出光学系は、互いに異なる仰角で配置されていることを特徴とする検査装置である。
（５）（３）又は（４）記載の検査装置であって、前記複数の検出光学系のうち少なくとも一の検出光学系には、前記散乱光又は反射光の光路を分岐するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより分岐された複数の光路上に配置された複数のセンサを有し、前記複数のセンサのうち一のセンサの光路上には検光子が配置されていることを特徴とする検査装置である。
（６）（１）または（２）に記載の検査方法であって、第四の工程では複数の表面あれに関する値を算出することを特徴とする検査方法である。
（７）（３）乃至（５）のいずれかに記載の検査装置であって、算出する表面あれに関する情報は複数であることを特徴とする検査装置である。
（８）基板表面を検査する検査方法であって、前記基板表面に光を照射する第一の工程と、
前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複
数の電気信号を得る第二の工程と、前記複数の信号を、表面荒れが異なる基板における表面荒れと前記複数の信号との対応関係を有するデータと比較し、表面荒れを推定する第三の工程と、を有することを特徴とする検査方法である。
（９）基板表面を検査する検査装置であって、前記基板表面に光を照射する照明光学系と、
前記照射された光による前記基板表面からの散乱光又は反射光を複数の位置で検出し、複
数の電気信号を得る複数の検出光学系と、前記複数の電気信号を、表面荒れが異なる基板における表面荒れと前記複数の電気信号との対応関係を有するデータと比較演算処理して、前記基板表面の表面荒れに関する値を算出する処理部と、を有することを特徴とする検査装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、基板表面の微細な荒れを高感度かつ高速に検出する検査方法及び検査装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施例について、パターンが形成されていないウェハ（ベアウェハ、もしくはベアウェハに成膜処理、洗浄処理、研磨処理などを施したウェハなど）の表面の欠陥を検出する検査装置に例にとって説明する。
本発明に係る検査装置は、検査対象である基板へ照明する照明光学系1001と、基板の全面又は一部を検査するためのステージ走査部1003と、散乱光や反射光を検出する検出光学系1002と、欠陥判定およびヘイズ判定をする信号処理部1004と、検出した欠陥やヘイズに対して後処理を行うデータ処理・制御部50とを適宜有して構成されるものである。以下、各構成について具体的に説明していく。
【００１１】
図１に示す照明光学系1001は、検査対象基板2に対して斜め方向から照明光1aを照射する斜方照明光学系と、垂直方向から照明光1bを照射する落射照明光学系とを可動ミラー13を動かすことで切り替え可能にしたものであり、光源10と、光量調整機構11と、光束形状調整機構12、15a、15bと、ミラー13、14、18と、偏光板16a、16bと、位相子17a、17bと、レンズ19a、19bとを適宜備えて構成される。以下、斜方照明を用いた場合を例にとって説明する。
【００１２】
レーザなどの光源10から射出された光は光量調整機構11及び光束調整機構12により所望の光量およびビーム形状に調整された後、ミラー13（ビームスプリッタを用いてもよい）により光路を分岐され、光束調整機構15aにより再度ビーム形状を調整する。偏光板16aにより特定の直線偏光照明にしたのち、位相子17aによって所望の偏光状態（P偏光、S偏光、C偏光など）に調整され、ミラー18及び投影用のレンズ19aを介して検査対象基板2に照射される。検査対象基板2上での照明の投影状態は、図２のように照明スポット9が楕円形状又は一方向に絞り込んだ線状となるようにする。
【００１３】
光源10は可視波長帯域またはUV波長帯域（400nm以下の波長帯域）のレーザを使用する。光束調整機構12、15aはビームエキスパンダやシリンドリカルレンズ（アナモルフィックプリズムでもよい）などを用いればよく、照明光学系1001の投影用のレンズ19aと組合わせることで、基板上の照明形状を整形する。光量調整機構11はアッテネータやNDフィルタなどを用い、基板の膜種や膜厚に応じて、所望の光量に調整するために用いる。偏光板16aは波長選択部としても機能し、照明光に含まれる主波長成分以外を減光するために用いる。偏光調整部である位相子17aは１／２波長板や１／４波長板を用いて構成され、照明の偏光を調整するのに用いる。本実施例では照明に光路切換部を備え、斜方照明および基板に対してほぼ垂直な２つの光路を選択可能とした例を示しているが、照明の入射角は必ずしも２つである必要はなく、１つもしくは３つ以上でも構わない。また、図１のように、光路切替部として可動ミラー13を用いることで、斜方照明もしくは垂直照明を切り替えて利用する方法のほかに、ビームスプリッタを用いることで、斜方照明、垂直照明の同時照明をすることが出来る。異物などは斜方照明の方が一般に高感度であるが、スクラッチやCOPなどの凹形状の欠陥は垂直照明の方が高感度である場合があり、検出したい欠陥種に応じて、照明角度を使い分けもしくは併用することが可能となる。
【００１４】
ステージ走査部1003は照明光学系1001で整形された照明スポットが基板全面、もしくは基板の一部を照射可能とするための機構であり、基板を支持する基板支持機構4と、基板の高さを調整するZステージ5と、基板を回転させるθステージ6と、基板を一定方向に併進させるRステージ7とを有して構成される。ここで、検査対象基板2の走査方法について図２を用いて説明する。はじめに検査対象基板2のエッジ付近に照射された照明スポット9に対し、θステージ6が回転することにより、基板のエッジ付近が円周方向に沿って順次照明される。これと同時にRステージ7が一方向に併進運動を行うことで、図２（a）に示すように、照明スポットは基板表面を円周方向および半径方向に順次移動し、基板全面または任意の領域をらせん状に走査する。ここで、照明スポット9を楕円形状又は線状とすることにより、高速で走査することが可能となる。照明スポットの走査はこれに限られず、図２（b）のように、特定の半径方向の位置を１回または複数回走査し、その後Rステージ7を移動させてもよい。なお、検査対象基板2と照明スポット9との焦点合わせはZステージ5によって所望の高さになるように調整される。
ステージ走査部1003として、ここではR―θステージを例に挙げて説明したが、基板上を照明スポット9が相対的に動いて基板全面又は一部を走査できればよく、X-Yステージや、照明側を可動させる構成としても構わない。
【００１５】
図１に示す検出光学系1002は２つの検出光学系で構成されており、照明光学系1001により照射された光によって検査対象基板2からある方位角・仰角に放射された散乱光や反射光を所定の開口数（NA）分だけ集光するレンズ105、115と、集光された散乱光や反射光のうち任意の偏光成分のみを抽出する検光子104、114と、迷光を軽減するためのバンドパスフィルタ103、113と、光量を調整するNDフィルタ102、112と、センサ101、111とを適宜用いて構成される。ここでは、仰角の異なる２つの検出光学系を用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、図４のように、異なる仰角で４つの検出系を設けてもよく、後述するように、本発明においては複数の方位角・仰角に検出光学系を持つことが重要となる。
ここで、センサ101、111は入射した光を電圧や電流に変換・出力する素子であり、フォトマルチプライヤやCCDセンサなどを用いればよい。フォトマルチプライヤをセンサとして用いる場合は、センサ後段の信号処理系1004のダイナミックレンジや、検査対象基板2の散乱光量に応じて信号の増倍率（ゲイン）を調整する。なお、図１に示す検出光学系1002では、レンズとセンサの組み合わせによる光の検出例を示したが、複数の方位角・仰角に放射された光をそれぞれ独立してセンサで検出できる構成であればよく、ミラーや回折光素子などを組み合わせた構成であっても構わない。
【００１６】
次に、欠陥判定および表面荒れ判定をする信号処理系1004について説明する。信号処理系1004は、複数の検出光学系の各センサ101、111からの検出信号を増幅するプリアンプ151、161と、必要な増幅やノイズ処理、アナログ−デジタル変換処理を行う信号処理回路部30とを適宜用いて構成される。特に、センサ101、111としてフォトマルチプライヤを用いた場合には出力が微弱電流となるためプリアンプ151、161を用いる。プリアンプ151、161からの出力は信号処理部30にて独立もしくは信号を加算して処理する。
【００１７】
ここで、図３はセンサで検出される信号（電流、電圧など）の一例を示すものであり、横軸は時間（又はらせん状に走査するので位置にも対応する）、縦軸は検出された光強度もしくは信号値で示されている。図３（a）の通り、基板表面の欠陥に起因する散乱光量の検出信号と、基板の表面状態に起因する検出信号とは同時に検出される。信号処理回路部30において特定の周波数成分のみを抽出することで、周波数が高い信号を欠陥信号（図３（b））、周波数が低い信号をウェハ表面状態信号（図３（c））として分離することができ、それぞれ高周波数帯域の信号は欠陥検出に、低周波数帯域の信号は表面状態検出に用いることができる。また、信号処理部30は複数の検出光学系の信号を加算する機能を備える。複数の検出系の信号加算はアナログ処理部でなくデジタル処理部で行ってもよい。そのほか、信号処理部30のデジタル処理部では高周波数帯域の信号に対してしきい値を設定し、しきい値を越えたものを欠陥として検出し、その時の検出信号値、存在位置（R−θ座標における位置）を後段の記憶部60に記憶する。また低周波数帯域の信号値に対してはその信号値を表面状態検出値として検出し、検出信号値と存在位置を後段の記憶部60に記憶する。アナログ処理部で加算された信号に対しても同様の処理をし、欠陥および表面状態を検出する。異なる検出系からの信号を加算する部分では、加算前にセンサやアナログ基板の個体差に応じて、ゲイン、オフセットを調整しておく。また、複数のセンサのうち任意のセンサを欠陥検出用にゲインをあげて（たとえばフォトマルチプライヤの場合、印加電圧をあげる）検査してもよく、その場合は、表面状態計測の信号処理基板は各センサのゲインが見かけ上同一になるように、すなわちセンサのゲインを上げたセンサ用の回路基板ゲインをさげ、逆にセンサのゲインが低い場合は回路基板のゲインをあげてもよい。また本実施例では２つの信号を加算しているが、必ずしも２つの信号に限る必要はなく、任意個数の信号を加算しても良いし、加算するときに各検出系の信号を任意の比率となるように調整してから加算してもよい。
【００１８】
次に、ソフトウェア処理・制御部50について説明する。ソフトウェア処理・制御部50では検出した欠陥信号や表面状態信号に対して付加機能的な後処理を施す。たとえば、欠陥の寸法算出、欠陥の分類、表面状態信号のRMS値への変換などである。事前に膜種や膜厚のデータがある場合にはそのデータを利用することでより高精度な寸法算出や分類、RMS値への変換が可能となる。また図示はしていないが、照明光学系1001、ステージ走査部1003、センサゲイン、回路基板などの制御も本ソフトウェア処理・制御部50で実施する。ソフトウェア処理・制御部50はパソコンなどから構成され、記憶部60、入力手段70、表示手段80などと接続されている。また上位システムや関連システムと接続するための通信手段などと接続されており、システム全体を制御する機能を有する。
【００１９】
次に、検出系と検査対象基板の表面荒れの関係について、図５乃至図８を用いて説明する。
図５は、検出部の一例として、第一の仰角でかつ互いに異なる方位角に配置された４つの検出系と、第二の仰角でかつ互いに異なる方位角に配置された６つの検出系とで構成される検出部の開口数（NA）を示すものであり、図５（a）はその上方図、図５（b）はその側面図を示すものである。以下、以下、必要に応じてこの検出部を例にとり、説明する。  
図６は検出系と検査対象基板の表面荒れに関して、周波数空間における対応関係を示したものである。照明の波長をλ、入射角をθiとし、検出系の検出角θｓ、方位角をφｓとした時、光の回折の関係から、基板荒れの周波数と検出系の位置との関係は次式で表される。
【００２０】
【数１】
2010002406.tif 000003
【００２１】
【数２】
2010002406.tif 000004
【００２２】
図６（a）は、前述の図５の場合を例にとり、検査対象基板に対して垂直（θi＝０）で照明したときに検出可能な周波数帯域分布を示すものであり、図６（b）は検査対象基板に対して斜方（θi≒80）から照明したときに検出可能な周波数帯域分布を示すものである。上記式または図６から分かるように基板表面荒れの周波数成分のうち、特定の周波数帯域のみが検出可能であり、照明の入射角度が大きくなるほど検出可能な周波数帯域が広がる。また、複数の検出系を持つことにより、特定の周波数帯域のみを複数個独立に検出可能である。
【００２３】
図７は検出系と検査対象基板の表面荒れの周波数空間における関係を図６とは別の観点から示したものである。図７（a）は前述の図４に示すように検出角度の異なる４つの検出系がある場合を例にとり、各検出系で検出可能な表面荒れの周波数成分を示したものである。照明光1の入射角θiがおよそ80度で検査対象基板2に入射すると、照明の反射光に近い検出器は基板表面荒れの低周波数成分を検出し、他の検出器については図７（a）上で時計回りに順次高い周波数成分を検出する。図７（b）は基板表面荒れの光強度（検出信号）と検出系で検出可能な周波数帯域の関係を示したものである。
【００２４】
ここで、検出系で検出される光量は特定の周波数帯域に対応した散乱光を集光して（すなわち積分して）検出していること、基板表面荒れのＲＭＳ値の２乗はパワースペクトルの特定の周波数帯域の積分値であること、およびフーリエ変換前後で信号波形のエネルギーが保存されること（パーシバルの定理）から検出系およびＲＭＳ値計算時の周波数帯域を合わせた場合、ＲＭＳ値の２乗値と、検出光量は同質のスカラー量を計算していることになる。すなわち、照明の光量や基板の反射率、検出系のゲインなどを補正することで、検出光量から基板表面荒れのＲＭＳ値が算出可能であることを示す。以上によれば、検出系各々で検出された散乱光量に基づいて独立に表面状態を算出することで、基板表面あれの特定の周波数帯域のみに対応するＲＭＳ値を検出することができる。また、検出系各々の散乱光量を加算することで、検出系で検出可能な周波数帯域全域に対応するＲＭＳ値を検出することが可能となる。
【００２５】
図８（a）（b）は、前述の図７と同様、検出系と検査対象基板の表面荒れの周波数空間における関係を示すものであり、図７よりも検出系が多く配置された場合を示す。検出器が多いほどより正確な周波数情報を入手することが可能となる。
【００２６】
ここで、検出した周波数帯域別の表面状態検出値もしくはRMS値の表示例として、図９に座標情報に基づき、これらを基板全面に表示した例を示す。（a1）は表面状態マップを示し、（a2）はその時の表面状態検出値もしくはRMS値の断面波形を示し、（a3）は基板全面の表面状態検出値もしくはRMS値の頻度分布を示す。(b1)から（b3）、(C1)から(C3)、（D1）から（D3）についても同様に、表面状態が異なるウェハの表面状態マップ、断面波形、頻度分布を例示したものである。
【００２７】
次に、欠陥検査と表面状態とを同時に検査する場合の検出系の実施形態について、図１０を用いて説明する。欠陥検査としては、S/Nをあげるために可能な限りウェハ表面による散乱を除去する必要があり、検光子を利用してウェハ表面からの散乱光を低減して検出することが有効である。一方、ウェハ表面状態を検査する場合には、検光子によって光が除去されることは弊害となる。そこで、図１０に示すように、ビームスプリッタ106を搭載し、欠陥検出用と表面状態検出用の２つに光路を分岐させ、一方の光路にのみ検光子104を配置することで、両方の機能を同時に達成することができる。なお、この場合、欠陥検出用の信号処理回路はハイパスフィルタ、表面状態検出用の信号処理回路はローパスフィルタのみ搭載する構成としてもよい。
【００２８】
次に、ウェハの表面荒れとRMSなどの関係について図１１を用いて説明する。ウェハ表面の計測は3次元計測であるが、ここでは簡単のため、2次元で説明する。まず、ウェハの表面あれを位置xと高さzを用いて次式で表すこととする。
（数３）    z  =  g（ｘ）
このときウェハの平均高さがｚ＝０となるように関数g（ｘ）の定数項を調整する。関数g（ｘ）をフーリエ変換すると、周波数空間に変換される。このときフーリエ変換後の関数F（g（ｘ））は一般にPSD関数とよばれる。
ここでRMS（Rq）値の二乗の値は関数g（x）の平均値（すなわちｚ=0）を積分したものである。また、パーシバルの定理より、g（ｘ）の積分値と、そのフーリエ変換後のPSD関数の積分値は等しくなることから、PSD関数が分かればRMS値が計算できることとなる。
【００２９】
一方、ｚ＝g（ｘ）の表面形状のウェハの光散乱をこれまでに述べてきたように、異なる位置に配置された複数の検出光学系にて散乱光を検出し、得られた検出信号から、検出器の位置に合わせて予めプログラム等された抽出すべき周波数帯域の信号を各々抽出して計測すると、PSD関数と良く似た出力を検出することとなる。非特許文献１などに述べられているように、本出力はPSD関数に対して、光学系の条件（波長、偏光）とウェハの光学定数を関数のかたちで掛け合わせた値となる。光学系の条件は、装置作成者にとっては既知の情報であるので、容易に求められる。また、ウェハの光学定数は、検査するウェハごとに事前にデータを入手しておくことで、利用が可能となる。事前入手の方法としては、検査条件作成時に計測する方法、別の装置で計測してあるデータを入力する方法、検査毎に計測する方法、記憶部60に膜種と反射率データを事前に保存しておくなどの方法がある。
以上のように、光散乱測定によって得られた信号を、まずPSD関数に変換し、さらにPSD関数を積分等することによりRMS（Rq）値が算出可能となる。
【００３０】
次に、表面状態の検査結果を評価するにあたって必要となる検査対象物表面の空間分割例について説明する。欠陥検査の場合には、欠陥の位置や大きさ、種類の他に、欠陥個数のような統計量によってウェハの概況を把握することがあり、ウェハの表面状態検査の場合には類似の統計量があると、その概況が把握し易くなる。そこで、図１２（a）や（b）のような形態でウェハを空間分割することで、表面状態検査信号やRMSの管理値の上限を決めておくなど設定した場合、ウェハ全面において上限を超えた領域の空間分割点やその個数をモニタすることが可能となる。
【００３１】
また、ウェハの表面状態のトレンドデータの一例を図１３に示す。表示手段80にウェハ全面の平均RMS値や、各センサの出力平均値、もしくは前述のウェハ全面で上限を超えた領域の個数などをウェハごとに連続して表示することで、時系列でウェハの状態を把握することが可能となる。
【００３２】
図４に関連して、基板上の粒子による光の散乱は次の式で表わされる[非特許文献２]。
【００３３】
【数４】
2010002406.tif 000005
【００３４】
ここでBRDFは双方向反射率分布関数と呼ばれ、反射（散乱）表面上のある地点 x に対して， ある方向から光が入射したとき， それぞれの方向へ，どれだけの光が反射されるかを表す，反射地点に固有の関数である。大雑把な表現をすれば，反射率を一般化したものと言える。
また、πは円周率，λは照明波長（μm），nsphは粒子の屈折率，N/Aは照明領域内の粒子の密度（個/μm），Fは着目している散乱体の近傍に存在する別の散乱体との位置関係に依存する構造因子である。散乱体がランダムに存在する場合，F=1となる。aは粒子の半径（μm），θs，θiはそれぞれ検出角，入射角（度）、＾ｅは入射光電場方向の単位ベクトルである。図1４に座標系を示す。前述のBRDF（双方向反射率分布関数）の数式で用いられる変数の説明図である。なお，Ｑpartは偏光に関するパラメータであり，入射および検出の偏光により次の4通りの組合せとなる。ＱSPはS偏光入射，P偏光検出を意味する。
【００３５】
【数５】
2010002406.tif 000006
【００３６】
ただし，α=exp(ika・cosθi)は入射光と反射光との光路長差に相当する位相差，β= exp(ika・cosθs)は散乱された光と散乱されずに反射した光との光路長差に相当する位相差である。またrp12 (θ)，rs12 (θ)は反射に対するフレネル方程式であり，次式で表わされる。上添字の12は媒質1と媒質2での反射係数を表わし，下添字のpとs はそれぞれP偏光，S偏光を意味する。円偏光，楕円偏光はS偏光成分，P偏光成分に分けて考える。
【００３７】
【数６】
2010002406.tif 000007
【００３８】
また、次式は基板の表面荒れによる光散乱は次式で表わされる[非特許文献３]。
【００３９】
【数７】
2010002406.tif 000008
【００４０】
BRDFは粒子による光散乱の部分で説明した双方向反射率分布関数である。Ｓ（ｆ）はＰＳＤ関数と呼ばれ、基板表面が様々な周波数の表面構造の組み合わせから構成されると考えたときのパワースペクトルを示す。Ｑtopo偏光に関するパラメータであり，入射および検出の偏光により次の4通りの組合せとなる。ＱSPはS偏光入射，P偏光検出を意味する。表面が光学的に不透明な膜の場合は、Ｑtopoは以下のようになる。
【００４１】
【数８】
2010002406.tif 000009
【００４２】
ただし、ｎmatは基板の屈折率である。
【００４３】
【数９】
2010002406.tif 000010
【００４４】
上記に示したように、検出される光量は基板表面状態S（ｆ）だけでなく、照明の偏光状態や偏光検出のほか、照明の入射角・方位角、検出の仰角・方位角といった光学系の条件によっても変化する。そのため、同一光学条件間で光散乱により基板の表面状態を評価する場合には相対評価が可能であるが、異なる光学条件において比較する場合には、上記の数式などに基づいた適切な計算をする必要がある。
【００４５】
その他、複数の検出器を利用し、さらに各検出器の感度やゲインを変えて散乱光を検出している場合には、それらについても適切な補正をする必要がある。
【００４６】
検出光学系には開口数（NA）があるため、粒子による光散乱も、表面荒れによる光散乱も、検出光学系のNA分だけの光を集光して検出される（NA分だけBRDF関数が積分される）。
【００４７】
図１５は計測結果出力の一例であり、検査対象基板全面の計測結果を示したものである。アナログまたはデジタルで加算したデータを示す検出器統合計測マップと検出器統合計測マップのヒストグラム情報、各検出器のそれぞれの検出マップ、を示している。BRDF値やRMS値、膜厚値等を選択して出力できるようにしても良い。また各計測結果から平均値や最大値などの統計量を表示できるようにしても良い。
【００４８】
図１６はある検査対象基板の検出器ごとの信号値と、表面荒れが既知の基板の検出信号データベースを示したものである。表面荒れが既知の基板に対して、各検出器の信号値を事前に計測乃至はシミュレーションにより求めデータベース化しておく。検査対象基板の検出器毎の信号値と比較することにより、検査対象基板の表面荒れを推定することが可能となる。
【００４９】
今ここでn個の検出器があるとし、検査対象基板の検出器ごとの信号値を（s1, s2, s3, ・・・, sn）とする。一方、表面荒れが既知の基板における検出器ごとの信号値を（d11, d12, d13, ・・・, d1n）、（d21, d22, d23, ・・・, d2n）、・・・、（dm1, dm2, dm3, ・・・, dmn）とすると、表面荒れの検出データは各検出器の信号値を成分とする多次元のベクトルとして表現できる。データベースにあるベクトルと、検査対象基板のベクトルの一致度を評価することで、検査対象基板の表面荒れの程度を推定することが可能となる。データベース内に各表面荒れにRMS値を対応付けておくことにより、直ちに検査対象基板のRMS値が推定できることとなる。
【００５０】
図1７は簡単のため、検出器が3個の場合を想定し、3次元空間に2種類の表面状態の異なる基板の検出信号値をプロットしたものである。ベクトル一致度の評価指標としては、ベクトル間のユークリッド距離や、重み付きのユークリッド距離、もしくはベクトルのなす角度などを採用しても良い。また得られた検出信号をそのままベクトルの成分とするのではなく、一旦対数変換し、対数変換後のベクトルを用いて距離を評価してもよい。
【００５１】
一例としてベクトル間のユークリッド距離をベクトルの一致度の評価指標とする手法について説明する。データベースとして、表面荒れ１と表面荒れ２があり、それぞれの荒れに対する各検出器の信号値が（d11, d12, d13）、（d21, d22, d23）であるとする。今、表面荒れの状態が不明である試料（ここでは仮に表面荒れｍとする）を検査したときに、各検出器の信号が（dm1, dm2, dm3）であったとする。ベクトル間のユークリッド距離は、ベクトルの各成分の差の二乗の総和の平方根であるから、表面荒れｍと表面荒れ1のユークリッド距離、表面荒れ２とのユークリッド距離はそれぞれ以下の式で表わされる。
【００５２】
【数１０】
2010002406.tif 000011
【００５３】
【数１１】
2010002406.tif 000012
【００５４】
このようにして求めた距離のうち値が小さいほうを、表面荒れｍの近似データとして採用する。
【００５５】
また別の一例として、重み付きユークリッド距離の場合には、前記ユークリッド距離を算出する際に次式を用いる。
【００５６】
【数１２】
2010002406.tif 000013
【００５７】
【数１３】
2010002406.tif 000014
【００５８】
ここでｗｋは重み付けの係数ベクトルである。ｗｋの各成分の値が１の場合には、重み付きユークリッド距離とユークリッド距離と同じ値になる。
表面荒れの検出信号を一旦対数変換してから距離を算出する場合、表面荒れｍと表面荒れ１の距離は次式となる。
【００５９】
【数１４】
2010002406.tif 000015
【００６０】
ベクトル一致度の評価指標の別の例として、２つのベクトルの成す角を用いる場合について説明する。任意の2つのベクトルOA、OBに対して内積の公式から２つのベクトルの成す角θについて以下の式が成立する。
【００６１】
【数１５】
2010002406.tif 000016
【００６２】
上記に基づき、表面荒れｍと表面荒れ１の成す角を具体的な式で表現すると以下の通りとなる。
【００６３】
【数１６】
2010002406.tif 000017
【００６４】
この場合、データベースに存在する各表面荒れのベクトルと、検査対象である表面荒れが未知のベクトルｍの成す角をそれぞれ求め、値が最も小さくなるデータベース上のベクトルを表面荒れｍの近似データとして採用する。
【００６５】
以上ベクトルの一致度の評価方法について例を挙げて説明したが、複数の検出器の検出信号すなわち光の散乱強度の空間的な分布に基づいて、表面荒れを推定することが本発明の基本概念であり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００６６】
以上、表面荒れのみが変化した場合を例にとって説明してきたが、光散乱は表面荒れの状態だけでなく、最表面の膜種の違いや、膜が照明波長にとって透明な場合には膜厚の違いによっても変化する。そこで、表面荒れ、膜厚、膜種がそれぞれ変化した場合のデータベースを作成しておき、検査対象基板の検出器ごとの信号値と比較することで、表面荒れ、膜厚、膜種を同時に推定することも可能となる。
【００６７】
データベースの作成は基準サンプルを作成して、実際に測定データを収集する方法と、シミュレーションによって求める方法がある。
実際に測定データを収集する場合について以下に述べる。図１８(a)に示すように、表面荒れの状態の異なる試料を複数用意する。各試料による光散乱を事前に計測しておき、各検出器における検出信号を準備しておく。表面荒れの異なる試料に関しては、市販の標準試料を用いてもよいし、薬液で表面をエッチングする際に薬品の配合やエッチング時間などのエッチング条件を変える手法を用いても良いし、表面を研磨する際に研磨圧力や研磨時間などの研磨条件を変えてもよい。成膜ウェハの場合には成膜時の温度や圧力などの成膜条件を変えても良い。
【００６８】
計算で求める場合については、図１８(b)、およびに図１８(c)で説明する。図18(b)は予め用意した表面荒れの異なる試料をAFM（原子間力顕微鏡）で計測し、その表面の凹凸状態を入力データとし、光散乱を計算し、データベース化する方法である。計算で求める場合、試料の表面状態をAFMで計測する以外に、任意の表面状態のモデルを作成し、光散乱を計算することでデータベースを作成してもよい。この場合の光散乱の計算手法としては、前述のBRDF法の他、FDTD法、DDA法などがある。図18(c)はBRDF法に関するものである。BRDF法では光散乱計算の入力変数として表面荒れのPSD関数を用ており、任意のPSD関数モデルを複数作成して、光散乱を計算しておくことで、データベースを作成してもよい。BRDF法の場合、膜種や、膜厚が異なる試料に対しても、膜種や膜厚に応じたＱtopoを算出し、光散乱を計算することが可能である[非特許文献４、５、６]。
【００６９】
【数１７】
2010002406.tif 000018
【００７０】
図１９は膜が照明波長にとって透明な場合において、さらに細かく場合分けをした図である。非常に薄い膜や、ぬれ性の良い膜が最表面にある場合は、下層の表面形状にならった膜が形成される(図19(a))。この場合、最表面の表面荒れと、下層の表面あれはほぼ同一となる。一方で、膜厚が大きい場合や、ぬれ性が小さい膜が最表面にある場合は、下地の表面状態とは無相関になり、最表面と下層で下地の表面あれが異なる。[非特許文献４、５、６]によればこれらの違いによってもＱtopoの値が変化するとされており、表面が透明な膜の基板による光散乱をシミュレーションによって計算する場合には膜厚や膜種を考慮する必要がある。
【００７１】
図２０はデータベースと比較する際の、計算効率の向上に関する工夫を示した図である。膜種や、膜厚、情報などが検査の前に入手可能であれば、探索空間を小さくすることが出来、ベクトルの一致度評価を高速化することが可能となる。膜種や、膜厚は基板を計測するユーザが入力しても良いし、またエリプソメータなどを、例えば検査装置の計測試料アライメント部分などに取り付け、アライメントと並行して膜種（の光学定数）や膜厚を計測しても良い。この場合トータルの基板検査時間にほとんど影響を与えることなく、計算効率を向上することが可能である。膜厚などは正確な値が分からなくても、おおよその値が分かっていれば探索範囲を小さくすることができるため、おおよその値を入力することによっても計算効率が向上する。また、これらの情報を利用することで、膜種や膜厚、表面荒れが異なっても似たような散乱強度分布を示す、異なる基板を推定してしまうリスクを低減することができ、推定精度の向上も期待できる。
【００７２】
以上に説明した内容を纏めると図２１のように表わされる。処理40は膜種、膜厚、表面状態を推定する計算アルゴリズムを示している。入力値としては、検出器ごとの信号値、膜種、膜厚、透明膜の場合には下層の表面あれのデータがあり、膜種や膜厚、下層の表面荒れデータは入手可能な場合にのみ使用する。処理40では、入力された各検出器の信号値とデータベースとを比較し、表面荒れや膜種、膜厚などを推定する。データベースとの比較において、ベクトル間の距離が大きい場合には（データベースに検査対象の基板の光散乱に近いデータがない、まばらな状態）、近傍のいくつかのベクトルを用い、線形補間などの手法により、検査対象の基板の表面状態を推定してもよい。
【００７３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、上記実施形態では、ウェハの表面欠陥を検出する検査装置を例にとって説明したが、本発明の適用対象はこれに限られるものではなく、半導体基板検査の他に、ハードディスクなどのディスク表面検査、液晶などのガラス基板検査、フォトマスク表面検査など各種基板の表面検査に本発明の技術を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係る検査装置の第一の実施形態を示す図である。
【図２】照明と基板の相対的な走査方法を示す図である。
【図３】検出信号波形を示す図である。
【図４】４つの検出光学系を備えた検出部の一例を示す図である。
【図５】複数の検出系を備えた検出部開口数の一例を示す図であり、（a）は上面図、（b）は側面図を示したものである。
【図６】検出系と検出可能な周波数帯域との関係を示す第一の図である。
【図７】検出系と検出可能な周波数帯域との関係を示す第二の図である。
【図８】検出系と検出可能な周波数帯域との関係を示す第三の図である。
【図９】表面荒れ検出結果の表示例を示す図である。
【図１０】検出光路を分離した検出系の実施形態を示す図である。
【図１１】表面あれとRMS（Rq）と装置出力との相関を示す図である。
【図１２】基板表面を空間分割して領域毎に分けた例を示す図である。
【図１３】ウェハ表面状態のトレンドデータの一例を示す図である。
【図１４】BRDF算出式における座標系である。
【図１５】計測結果出力の例である。
【図１６】計測結果とデータベースを示す図である。
【図１７】検出器ごとの信号値を３次元空間に表示した様子を示す図である。
【図１８】データベース作成方法を示す図である。
【図１９】多層基板のおける最表面層とその下層との形状の関係を示す図である。
【図２０】計測された信号とデータベースとの比較を示す図である。
【図２１】表面状態を推定するアルゴリズムにおいて入力および出力の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
1a  照明光（斜方）、1b照明光（落射）、2検査対象基板、3基板表面荒れもしくは欠陥による光散乱模式図、4基板支持機構、5Zステージ、6θステージ、7Rステージ、9照明スポット、10光源、11光量調整機構、12. 15a. 15b光束形状調整機構、13可動ミラー、14.18ミラー、16a.16b偏光板、17a.17b位相子、19a.19bレンズ、101.109.111.121.131センサ、102.108.112.122.132NDフィルタ、103.107.113.123.133バンドパスフィルタ、104.114.124.134検光子、105.115.125.135検出レンズ、151.161.171プリアンプ、30信号処理部、50ソフトウェア処理・制御部、60記憶部、70入力手段、80表示手段、106ビームスプリッタ、1001照明光学系、1002検出光学系、1003ステージ走査部、1004信号処理系
【図１】
2010002406.tif 000019
【図２】
2010002406.tif 000020
【図３】
2010002406.tif 000021
【図４】
2010002406.tif 000022
【図５】
2010002406.tif 000023
【図６】
2010002406.tif 000024
【図７】
2010002406.tif 000025
【図８】
2010002406.tif 000026
【図９】
2010002406.tif 000027
【図１０】
2010002406.tif 000028
【図１１】
2010002406.tif 000029
【図１２】
2010002406.tif 000030
【図１３】
2010002406.tif 000031
【図１４】
2010002406.tif 000032
【図１５】
2010002406.tif 000033
【図１６】
2010002406.tif 000034
【図１７】
2010002406.tif 000035
【図１８】
2010002406.tif 000036
【図１９】
2010002406.tif 000037
【図２０】
2010002406.tif 000038
【図２１】
2010002406.tif 000039