(57)【要約】【課題】感度の高い表面検査が可能な表面検査装置及び表面検査方法を提供する。【解決手段】所定のパターンが形成されたウェハ２０の表面に直線偏光Ｌ１を照射する照明部１０と、ウェハ２０から出射される楕円偏光を受光し、直線偏光Ｌ１と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させる検光子３と、ウェハ２０の像の信号強度を検出し、信号強度に基づいて被検基板の表面におけるパターンが形成されている位置を検出する位置検出部８ｂと、パターンが形成されている位置の信号強度が最小となるように、楕円偏光及び検光子３のいずれか一方を他方に対して相対回転させ、上記位置の信号強度が最小となる楕円偏光に対する検光子３の相対位置を決定し、上記相対位置に相対回転させる回転駆動装置３０と、検光子３を通過した第２の直線偏光成分を検出し、パターンを検査する表面検査部とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2010286247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、
前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させる検光子と、
前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の画像信号を生成し、前記画像信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、
前記信号強度検出部により検出された信号強度に基づいて前記被検基板の表面における前記パターンが形成されている領域の位置を検出する位置検出部と、
前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記信号強度検出部が前記位置検出部により検出された前記パターンが形成されている領域の位置の信号強度を検出し、前記位置の信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対回転制御部と、
前記相対回転制御部により決定された前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査部とを備えたことを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、
前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させる検光子と、
前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の画像信号を生成し、前記画像信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、
前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記信号強度検出部が前記信号強度を検出し、前記信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対回転制御部と、
前記相対回転制御部により決定された前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査部とを備えたことを特徴とする表面検査装置。
【請求項３】
所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、
前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させる検光子と、
前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の画像信号を生成し、前記画像信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、
前記被検基板の表面における予め指定した領域の位置情報が記憶されている位置記憶部と、
前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記信号強度検出部が前記位置記憶部により記憶された前記所望の位置の信号強度を検出し、前記位置の信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対回転制御部と、
前記相対回転制御部により決定された前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査部とを備えたことを特徴とする表面検査装置。
【請求項４】
前記相対回転制御部は、前記検光子を回転させる検光子回転駆動装置を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面検査装置。
【請求項５】
前記検光子の上流側に１／２波長板が設けられ、
前記相対回転制御部は、前記１／２波長板を前記検光子に対して回転させる波長板回転駆動装置を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面検査装置。
【請求項６】
所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明ステップと、
前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、検光子に前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させ前記第２の直線偏光成分を抽出する抽出ステップと、
前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の画像信号を生成し、前記画像信号の信号強度を検出する信号強度検出ステップと、
前記信号強度に基づいて前記被検基板の表面における前記パターンが形成されている領域の位置を検出する位置検出ステップと、
前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記パターンが形成されている領域の位置の信号強度を検出し、前記位置の信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対位置制御ステップと、
前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査ステップとを有することを特徴とする表面検査方法。
【請求項７】
所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明ステップと、
前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、検光子に前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させ前記第２の直線偏光成分を抽出する抽出ステップと、
前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の画像信号を生成し、前記画像信号の信号強度を検出する信号強度検出ステップと、
前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記信号強度を検出し、前記信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対位置制御ステップと、
前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査ステップとを有することを特徴とする表面検査方法。
【請求項８】
所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明ステップと、
前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、検光子に前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させ前記第２の直線偏光成分を抽出する抽出ステップと、
前記信号強度に基づいて前記被検基板の表面における前記パターンが形成されている位置を検出する位置検出ステップと、
前記被検基板における予め指定した領域の位置情報が記憶される記憶ステップと、
前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記所望の位置の信号強度を検出し、前記位置の信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対位置制御ステップと、
前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査ステップとを有することを特徴とする表面検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハや液晶基板等の表面を検査する表面検査装置及び表面検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程において、半導体ウェハや液晶基板等（以下、総じて「被検基板」と称する）の表面に形成された繰り返しパターン（ライン・アンド・スペース等）の異常検査を行う表面検査装置がある。この種の表面検査装置としては、繰り返しパターンの構造性複屈折による偏光状態の変化をクロスニコル光学系からの透過光量に基づいて検出することにより欠陥を検出するもの（クロスニコル検査とも称する）が周知となっている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３４３１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような表面検査装置においては、偏光子を透過する光の透過軸に対して、検光子が上記透過軸に対して直交している光を透過させる、いわゆるクロスニコル配置を用いている。ところで、上述した繰り返しパターンを有する被検基板に直線偏光（以下、第１の直線偏光と称する）を照射すると、その繰り返しパターンの形状や下地構造等の影響により、繰り返しパターンにおける欠陥の検出感度が低くなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、感度の高い表面検査が可能な表面検査装置及び表面検査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】
【０００６】
このような目的を達成するため、第１の発明に係る表面検査装置は、所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させる検光子と、前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の像の信号強度を検出し、前記信号強度に基づいて前記被検基板の表面における前記パターンが形成されている領域の位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部において検出された前記パターンが形成されている領域の位置の信号強度を検出する信号強度検出部と、前記信号強度検出部により前記パターンが形成されている位置の信号強度が検出され、前記位置の信号強度が最小となるように、前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させ、前記位置の信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の相対位置を決定し、前記相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させる相対回転制御部と、前記相対回転制御部により前記相対位置への前記相対回転がされた後に前記検光子を通過した前記第２の直線偏光成分を検出し、前記パターンを検査する表面検査部とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明に係る表面検査装置は、所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させる検光子と、前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の画像信号を生成し、前記画像信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記信号強度検出部が前記信号強度を検出し、前記信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対回転制御部と、前記相対回転制御部により決定された前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査部とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
そして、第３の発明に係る表面検査装置は、所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明部と、前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させる検光子と、前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の画像信号を生成し、前記画像信号の信号強度を検出する信号強度検出部と、前記被検基板の表面における予め指定した領域の位置情報が記憶されている位置記憶部と、前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記信号強度検出部が前記位置記憶部により記憶された前記所望の位置の信号強度を検出し、前記位置の信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対回転制御部と、前記相対回転制御部により決定された前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査部とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
なお、上述の表面検査装置において、前記相対回転制御部は、前記検光子を回転させる検光子回転駆動装置を備えることが好ましい。また、前記検光子の上流側に１／２波長板が設けられ、前記相対回転制御部が前記１／２波長板を前記検光子に対して回転させる波長板回転駆動装置を備えるようにしてもよい。
【００１０】
そして、本発明に係る第１の表面検査方法は、所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明ステップと、前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、検光子に前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させ前記第２の直線偏光成分を抽出する抽出ステップと、前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の画像信号を生成し、前記画像信号の信号強度を検出する信号強度検出ステップと、前記信号強度に基づいて前記被検基板の表面における前記パターンが形成されている領域の位置を検出する位置検出ステップと、前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記パターンが形成されている領域の位置の信号強度を検出し、前記位置の信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対位置制御ステップと、前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査ステップとを有する。
【００１１】
なお、本発明に係る第２の表面検査方法は、所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明ステップと、前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、検光子に前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させ前記第２の直線偏光成分を抽出する抽出ステップと、前記検光子を通過した光を受光し前記受光した光から前記被検基板の画像信号を生成し、前記画像信号の信号強度を検出する信号強度検出ステップと、前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記信号強度を検出し、前記信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対位置制御ステップと、前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査ステップとを有する。
【００１２】
また、本発明に係る第３の表面検査方法は、所定のパターンが形成された被検基板の表面に第１の直線偏光を照射する照明ステップと、前記第１の直線偏光が前記被検基板の表面に照射されることにより前記被検基板から出射される楕円偏光を受光し、検光子に前記第１の直線偏光と振動方向が異なる第２の直線偏光成分のみを通過させ前記第２の直線偏光成分を抽出する抽出ステップと、前記信号強度に基づいて前記被検基板の表面における前記パターンが形成されている位置を検出する位置検出ステップと、前記被検基板における予め指定した領域の位置情報が記憶される記憶ステップと、前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対して相対回転させながら前記所望の位置の信号強度を検出し、前記位置の信号強度が最小となる前記楕円偏光に対する前記検光子の最小強度相対位置を決定する相対位置制御ステップと、前記最小強度相対位置に前記楕円偏光及び前記検光子のいずれか一方を他方に対し前記相対回転をさせた状態で、前記検光子を通過した光に基づいて前記被検基板の表面検査を行う表面検査ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、感度の高い表面検査を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る表面検査装置の概略構成図である。
【図２】複数の露光ショットをウェハ上方向から見た拡大図である。
【図３】ウェハ上に並ぶライン・アンド・スペースを示した図である。
【図４】パターンに直線偏光が入射する様子を示した図である。
【図５】パターンから楕円偏光が射出する様子を示した図である。
【図６】光源の概略構成図である。
【図７】パターンの構造性複屈折により入射直線偏光が楕円偏光へと変化した状態を示す図である。
【図８】パターンによる偏光状態の変化を良品ショットと不良ショットで比較した図である。
【図９】検光子の透過軸の向きを楕円偏光の短軸の向きと略一致させたときに検光子を透過する光を説明する図である。
【図１０】表面検査装置の変形例を示す図である。
【図１１】１／２λ板を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。本実施形態の表面検査装置１の概略構成を図１に示す。表面検査装置１は、偏光を用いて半導体ウェハや液晶基板等の表面の異常（欠陥）の有無を検査する装置である。表面検査装置１は、光源１０と、偏光子２と、検光子３と、第１ミラー４及び第２ミラー５と、レンズ６と、２次元撮像素子７と、信号処理ユニット８と、モニター９と、回転駆動装置３０とにより構成される。光源１０は発散光束を照射し、当該発散光束は、偏光子２により直線偏光Ｌ１（第１の直線偏光）となる。偏光子２を通過した偏光光束は凹面鏡である第１ミラー４で反射され、略平行な光束となり半導体ウェハ２０（以下、ウェハ２０と称する）を照明するようになっている。
【００１６】
第１ミラー４は凹面鏡であり、前側焦点が光源１０の射出端と略一致するとともに、後側焦点がウェハ２０の表面に略一致するように配設され、偏光子２からの直線偏光を反射させ平行光束にしてウェハ２０の表面に導く。すなわち、光源１０からの光は、偏光子２を介し直線偏光Ｌ１となって、第１ミラー４によりウェハ２０の表面全体に入射する。なお、ウェハ２０の各点における直線偏光Ｌ１の入射角度は、平行光束のため同じになる。
【００１７】
第２ミラー５は第１ミラー４と同様凹面鏡であり、第１ミラー４からウェハ２０に平行光束が照射され、この照射によりウェハ２０から正反射光が第２ミラー５に照射される。そして、第２ミラー５により当該正反射光は収束光となり、この収束光が検光子３を通過するようになっている。検光子３は、偏光子２による偏光成分と異なる成分の偏光を通過させることが可能となっている。検光子３を通過した光はレンズ６により略平行な光束となる。また、ウェハ２０と２次元撮像素子７は、第２ミラー５とレンズ６が協働することにより、共役に結ばれた状態になっている。
【００１８】
検光子３は、回転駆動装置３０を用いて受光系の光軸を中心に透過軸の方位（偏光方向）を回転可能に構成されており、検光子３の透過軸の方位は、上述した偏光子２の透過軸に対して９０度をなすように設定される（クロスニコル状態とも称される）が、このクロスニコル状態を意図的に崩すことも可能にしている。また、楕円偏光Ｌ２が検光子３を透過するとその偏光成分、すなわち検光子３からの直線偏光Ｌ３（第２の直線偏光）が２次元撮像素子７の撮像面で受光される。その結果、２次元撮像素子７の撮像面には、直線偏光Ｌ３によるウェハ２０の反射像が形成される。
【００１９】
２次元撮像素子７は、図示省略するＣＣＤ撮像素子を有するＣＣＤカメラであり、撮像面で受光されたウェハ２０からの反射光を光電変換して、画像信号を信号処理ユニット８に出力する。信号処理ユニット８は、２次元撮像素子７から入力されたウェハ２０の画像信号に基づいてウェハ２０の画像を所定ビットのデジタル画像に変換し、ウェハ２０の反射画像（デジタル画像）を生成することが可能となっている。信号処理ユニット８には、内部メモリ８ａが設けられており、信号処理ユニット８に入力された画像信号は、この内部メモリ８ａに記憶されるようになっている。また生成されたウェハ２０の反対画像は、モニター９に出力表示されるようになっている。このモニター９を介してウェハ２０の表面を観察することが可能になるが、後述するウェハ２０上の繰り返しパターン２３は、２次元撮像素子７の画素よりも微細となっているため、この繰り返しパターン２３の形状まで表示することはできず、画像の明暗のみ表示できるようになっている。
【００２０】
光源１０は、図６に示すように、水銀ランプ１１と、楕円鏡１２と、コリメータレンズ１３と、波長選択フィルタ１４と、減光フィルタ１５と、集光レンズ１６と、ランダムファイバー１７とにより構成される。水銀ランプ１１は、２４８ｎｍ付近の波長の光を発することが可能なＤＥＥＰ−ＵＶランプであり、水銀だけでなくキセノンが混合されているタイプのものである。この水銀ランプ１１から発せられた光は楕円鏡１２で集光された後、コリメータレンズ１３によりコリメートされ、後に詳述する波長選択フィルタ１４、減光フィルタ１５、及び集光レンズ１６を通過した後、ランダムファイバー１７に入射され、ランダムファイバー１７に入射した光は射出端１７ａより発散され、この発散光が射出されるようになっている。このランダムファイバー１７の射出端１７ａが図１における光源１０の射出端に相当する。
【００２１】
波長選択フィルタ１４は、水銀ランプ１１の波長を選択できる切り替え式になっており、ｅ線（λ＝５４６ｎｍ）、ｇ線（λ＝４３６ｎｍ）、ｈ線（λ＝４０５ｎｍ）、ｉ線（λ＝３６５ｎｍ）、波長λ＝３１３ｎｍ、及び波長λ＝２４８ｎｍのフィルタを選択できるようになっている。波長選択フィルタ１４により上述した波長λの光のみが選択的に透過するようになっている。
【００２２】
ところで、構造性複屈折は波長が短い程偏光状態の変化が大きいことから、なるべく波長が短い光を使用することが望ましいが、波長が短い場合、ランプのスペクトル分布や光学素子の透過率等の影響により光量が低下されるなど好ましくない要素もあることから、波長選択フィルタ１４は、パターンの状況等により波長を切り替えることが可能な状態になっている。また、減光フィルタ１５は状況に応じて透過する光の透過率を切り替えられるようになっている。
【００２３】
以上のように構成される表面検査装置１において、ウェハ２０の表面を検査する検査方法について説明する。まず、ウェハ２０は最上層へのレジスト膜への露光、現像後、搬送系（不図示）により、ウェハカセット（不図示）または現像装置から運ばれ、ウェハホルダ（不図示）に吸着保持される。検査対象となるウェハ２０の表面は、図２に示すように、複数の露光ショット２２が形成されており、各露光ショット２２にはレジストが塗布、露光、現像され、図３に示すように、所定の繰り返しパターン（ライン・アンド・スペースパターン）２３が形成される。繰り返しパターン２３は、複数のライン部２３ａが所定の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である。
【００２４】
また、隣り合うライン部２３ａ同士の間はスペース部２３ｂであり、ライン部２３ａとスペース部２３ｂとによりライン・アンド・スペースパターンが構成されている。このようなパターンとなっている露光ショット２２に対して、図４または図５に示すように、直線偏光をその振動方向がパターンの繰り返し方向に対して０度、９０度以外の角度をなすように照射すると、パターンが有する構造性複屈折の効果により反射光は楕円偏光３２に変化する。一般にはパターンの繰り返し方向に対して４５度の角度をなすように照射すると偏光の変化量が最大となる。
【００２５】
また、このときのパターンにおけるラインとスペースの比、テーパー度、エッジラフネス等の周期構造の形状に異常または欠陥が生じている場合は、構造性複屈折に変化が生じるため、正反射光の偏光状態が変化する。偏光状態が変化すると検光子３を透過する光の光量が変化するので、ウェハ２０上のパターンの中に正常なパターンと異常なパターンの両方が存在する場合には、モニター９上で明るさが異なったように見えることになる。
【００２６】
上述したような正常なパターンと異常なパターンの両方が存在する場合について、この状態を予めＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等により測定し正常であることが確認されているパターンの明るさを内部メモリ８ａに記憶しておけば、明るさが異なるパターンが存在していた場合にどちらが正常なパターンであるかに関する識別が可能となり、パターンの異常を検出することができる。
【００２７】
ところで、前述したように、検光子３は、回転駆動装置３０により受光系の光軸を中心に透過軸の方位（偏光方向）を回転可能に構成されており、検光子３の透過軸が偏光子２の透過軸に対して９０度から少しずれた角度になるように（すなわち、クロスニコル状態を少し崩すように）検光子３を回転させることで、繰り返しパターン２３の形状変化に対する検出精度を向上させることができる。以下でその理由について、図７〜９を参照しながら説明する。
【００２８】
図７は、繰り返しパターン２３の構造性複屈折により入射した直線偏光Ｌ１が楕円偏光Ｌ２へ変化した状態を示している。図７に示すように、楕円偏光Ｌ２は、必ずしも長軸の方位角が直線偏光Ｌ１（入射面Ａ２）の角度と一致するわけではなく、繰り返しパターン２３（以下では、パターンと称する）の形状や下地構造等に応じて傾いた楕円偏光となる。
【００２９】
図８は、パターンによる偏光状態の変化を良品ショットと不良ショットとで比較した図である。短軸の長い楕円偏光Ｌ２ａは良品ショットによって変化した楕円偏光の状態を、短軸の短い楕円偏光Ｌ２ｂは不良ショットによって変化した楕円偏光の状態を示している。短軸の短い楕円偏光Ｌ２ｂは、パターンが不良であるために偏光状態の変化が小さく楕円偏光の太り具合（短軸の長さ）が小さくなっている。パターンの良、不良を判定するためには、この楕円の太り具合の差異を見ることが有効である。
【００３０】
このとき、完全なクロスニコル状態とするために検光子３の透過軸４２ａを縦に（直線偏光Ｌ１と直交する方向に）配置した時に透過する光について考えてみると、図８に示すように、短軸の長い楕円偏光Ｌ２ａからは縦の振動成分Ｂ１の振幅の光が、短軸の短い楕円偏光Ｌ２ｂからは縦の振動成分Ｂ２の振幅の光が透過してくることになる。光量は振幅の２乗であるから、このときの光量比は、（Ｂ１）２：（Ｂ２）２となる。ここで注目すべき点は、Ｂ１、Ｂ２共に楕円の太り具合に応じて発生した短軸方向の振動成分だけでなく、楕円の傾きによって発生した長軸方向の振動成分も含んでいるため、図８のようにＢ１とＢ２の差が小さく光量比が１：１に近くなり、パターンの形状変化の検出精度が低くなる。
【００３１】
図９は、検光子３の透過軸４２ａの向きを楕円偏光の短軸の向きと略一致（長軸の向きと略直交）させたときに検光子３を透過する光を説明する図である。図９においては、検光子３の透過軸４２ａの向きを楕円偏光の短軸の向きと略一致させているため、短軸の長い楕円偏光Ｌ２ａからは振動成分Ｃ１の振幅の光が、短軸の短い楕円偏光Ｌ２ｂからは振動成分Ｃ２の振幅の光が透過してくることになる。
【００３２】
このときの光量比は、図９に示すように、Ｃ１とＣ２は長さが２倍程度違うことから、（Ｃ１）２：（Ｃ２）２の値は４：１程度となり、２つの楕円偏光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂにはその太り具合において大きな差があることがわかり、パターンの形状変化をより高感度に検出可能とすることができる。このように検光子３を回転させて透過軸４２ａの向きを楕円偏光の短軸の向きと略一致させることによって、楕円の傾きによって発生する長軸方向の振動成分を透過させることなく、楕円の太り具合の変化に応じた振動成分のみを検出できるようになる。
【００３３】
以上、パターンの形状変化をそのパターンによる偏光状態の変化から検出する光学系においては、必ずしも完全なクロスニコル系にするのが最良ではなく、楕円偏光の長軸の傾きに応じて検光子３の透過軸４２ａが偏光子の透過軸に対して９０度から少しずれた角度になるようにすることが有効である。この検光子３の透過軸４２ａをずらす角度（以下、最適角度と称する）を検出する方法について以下で説明する。なお、上述したように、パターンから反射される反射光は直線偏光の方位に対して傾いた楕円偏光であるが、その長軸方位を正確に求めるにはエリプソメーター等を用いる必要があり、これらを用いると装置構成が複雑となる。従って、本実施形態においては、より簡便な方法で、上記最適角度を求める３つの方法（以下、第１〜第３最適角度検出方法と称する）について説明する。
【００３４】
第１最適角度検出方法では、まず最初に、検光子３の透過軸４２ａを直線偏光Ｌ１の偏光方向に対して略直交する方向に配置して（クロスニコル配置）、この状態で、ウェハ２０の画像を撮像する。ここで撮像したウェハ２０の画像について、パターンがある領域では構造性複屈折により偏光状態が変化するが、パターンがない領域では偏光状態が変化しないため、パターンがない領域は真っ暗な画像となり、パターンがある領域は、パターンがない領域に対して明るい画像となる。このことを考慮して、第１最適角度検出方法においては、信号処理ユニット８に位置検出部８ｂを設け、上記パターンがある領域の位置を位置検出部８ｂに検出させる。すなわち、パターンがある領域とパターンがない領域とを区分するため、それを区分するための明度の閾値を設け、当該閾値より明るい部分はパターンがある領域、暗い部分はパターンがない領域というように、ウェハ２０のパターンがある領域とパターンがない領域を位置検出部８ｂに検出させる。そして、回転駆動装置３０により検光子３の透過軸４２ａの方位を偏光子２の透過軸に対して回転させながらパターンがある領域の明度を検出し、この明度が最も小さくなったときの検光子３の角度を最適角度とする。
【００３５】
第２最適角度検出方法は、検光子３を回転駆動装置３０により回転させながら撮像を繰り返す点では第１最適角度検出方法と共通するが、第１最適角度検出方法のようにパターンがある領域の明度を記憶していくのではなく、ウェハ２０全体の明度の平均値を検出し、この明度が最も小さくなったときの検光子３の角度を最適角度とする。
【００３６】
このように、第２最適角度検出方法では、ウェハ２０全体の明度をみているため、検光子３を回転させたときにクロスニコル配置が崩れパターンがある領域は暗くなり、パターンがない領域は明るくなる。よって、その検出精度は第１最適角度検出手段より劣る。しかし、第１最適角度検出手段のように、パターンがある領域とパターンがない領域を検出する位置検出部８ｂが不要なため、第１最適角度検出手段より検査速度を高めることができる。
【００３７】
第３最適角度検出方法は、検光子３を回転駆動装置３０により回転させながら撮像を繰り返す点では第１及び第２最適角度検出方法と共通するが、予めＳＥＭ等によりウェハ２０における正常であることが確認されているパターンの領域を位置記憶部８ｃに記憶させておき、当該正常なパターンがある領域の明度を内部メモリ８ａに記憶していく点で第１及び第２最適角度検出方法と異なる。すなわち、回転駆動装置３０により検光子３の透過軸の方位を回転させながら上記領域の明度を検出し、この明度が最も小さくなったときの検光子３の角度を最適角度とする。
【００３８】
このように、第３最適角度検出方法では、事前に正常なパターンの位置情報を入力する必要があるものの、当該入力により正常なパターンが形成されているとわかっている領域のみの明度を比較の対象とできるため、第１最適角度検出方法に比べて検出速度を高めることができる。また、第３最適角度検出方法では、パターンがない領域及び不良パターンが形成されている領域の明度の情報を排除しているため、第１及び第２最適角度検出方法と比較して、より検出精度を高めることができる。
【００３９】
以上、上述した実施形態においては、上記第１〜第３最適角度検出方法により、最適角度を検出して、当該最適角度だけ検光子３を回転させてクロスニコル状態を崩すことにより、第２の直線偏光Ｌ３の進行方向と垂直な面内における振動方向（検光子３の透過軸の向き）が楕円偏光Ｌ２の楕円の短軸の向きと略一致する検光子３の傾斜角度を検出し設定することが可能となるため、精度の高い検査を行うことができる。
【００４０】
また、上述の実施形態において、検光子３が、回転駆動装置３０を用いて受光系の光軸を中心に透過軸の方位を回転可能に構成されているが、この構成に限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、第２ミラー５と検光子３との間に１／２λ板４５を配置し、１／２λ板４５の遅相軸の方位を回転駆動装置４８を用いて受光系の光軸を中心に回転させるようにしてもよい。例えば、１／２λ板４５は、図１１のように遅相軸４５ａが縦方向となるよう配置されており、この１／２λ板４５に楕円偏光４６が入射すると、通過する光は遅相軸４５ａに対して対称な形状をしている楕円偏光４７に変換される。この現象を利用して、検光子３の前に１／２λ板４５を配置し、その遅相軸４５ａの角度を適切に設定すれば、検光子３を回転させたときと同様に楕円偏光の短軸の方位を検光子３の透過軸の方位と略一致させることができ、検光子３を回転させた時と同様の効果が得られる。また、この現象により遅相軸４５ａの回転角の２倍の角度だけ楕円偏光を回転させることができるため、検光子３を直接回転させる時より高速に回転させることができる。
【００４１】
さらに、上記１／２λ板４５の代わりに、偏光方向を旋回可能な旋光子（不図示）を検光子３と第２ミラー５の間に配置してもよい。旋光子は、その光が透過する厚さを変化させるとそれに応じて偏光方向の回転量を変化させることが可能な素子である。例えば、その旋光子は、２枚の楔形から構成され、一方の楔を他方の楔に対して移動させることにより、旋光子の光が通過する領域の厚さを可変として偏光方向を変えることもできる。
【００４２】
なお、上述の実施形態では、光源１０と偏光子２を利用して、直線偏光Ｌ１を作り出す例を示しているが、これに限られることなく、直線偏光レーザを光源として使用すれば偏光子２を省略することもできる。
【００４３】
また、上述の実施形態では検光子あるいは１／２λ板を光軸周りに回転させているが回転中心は必ずしも光軸と一致している必要はなく、検光子の透過軸角度、１／２λ板の進相軸角度を変えられるなら光軸以外を中心として回転しても問題はない。
【符号の説明】
【００４４】
１      表面検査装置                    ３      検光子
８      信号処理ユニット（信号強度検出部、表面検査部）
８ａ    内部メモリ（信号強度検出部）    ８ｂ    位置検出部
８ｃ    位置記憶部                      １０    光源（照明部）
２０    ウェハ（被検基板）              ２３    繰り返しパターン（パターン）
３０    回転駆動装置（検光子回転駆動装置）
４５    １／２λ板（１／２波長板）
４８    回転駆動装置（波長板回転駆動装置）
【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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