(57)【要約】  下地の影響を含んだ回折光であっても、最上層の欠陥やＣＤ値変動等といったウェハの表面状態を正確に検出することが可能な表面検査装置を提供する。  表面検査装置（１）において、照明光学系（１０）は、ウェハ（５）の表面状態の変化に敏感な高入射角でウェハ（５）の表面に入射する第１照明光および、鈍感な低入射角でウェハ（５）の表面に入射する第２照明光をそれぞれウェハ（５）の表面に照射し、検出光学系（２０）は、高入射角による回折光および低入射角による回折光をそれぞれ検出し、演算処理部（３０）は、検出光学系（２０）により検出された高入射角による回折光および低入射角による回折光の情報に基づいて、ウェハ（５）の下層による影響を補正してＣＤ値を求めるように構成される。
2010095420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層を有した半導体基板の表面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半導体基板の表面からの回折光を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記回折光の情報に基づいて、前記半導体基板における表面状態の変化を検出する検査部とを備え、
前記照明部は、前記半導体基板の垂線に対して第１入射角で前記半導体基板の表面に入射する第１照明光および、前記半導体基板の垂線に対して前記第１入射角とは異なる第２入射角で前記半導体基板の表面に入射する第２照明光を前記半導体基板の表面に照射し、
前記検出部は、前記第１照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第１回折光および、前記第２照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第２回折光を検出し、
前記検査部は、前記検出部により検出された前記第１回折光および前記第２回折光の情報に基づいて、前記複数の層において最も前記半導体基板の表面に近い最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化を検出することを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記第２入射角は前記第１入射角よりも小さい角度であり、前記第２入射角による前記第２回折光に基づいて、前記第１入射角による前記第１回折光の前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記照明部は偏光部を有し、前記第１照明光および前記第２照明光は前記半導体基板の表面に対してＳ偏光成分を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記検査部は、表面状態の変化量が既知である基準基板の表面に前記第１照明光および前記第２照明光をそれぞれ照射して得られる前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求め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表面検査装置。
【請求項５】
前記照明部は、
光源からの光を前記半導体基板の表面に導いて前記第１照明光を照射する第１の対物レンズと、
光源からの光を前記半導体基板の表面に導いて前記第２照明光を照射する第２の対物レンズと、
前記第１の対物レンズもしくは前記第２の対物レンズのいずれか一方を選択的に切り替えて光路上に挿入する切替部とを有して構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の表面検査装置。
【請求項６】
前記照明部は、瞳面または瞳面と共役な面上に設けられた絞り部材を有し、
前記絞り部材は、光源からの光が通過して前記第１照明光が得られる第１の開口部と、光源からの光が通過して前記第２照明光が得られる第２の開口部とを有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の表面検査装置。
【請求項７】
前記検出部が前記第１回折光および前記第２回折光をそれぞれ分離して検出できるように、前記第１および第２の開口部と前記半導体基板との相対位置関係を設定する位置設定部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の表面検査装置。
【請求項８】
前記絞り部材は、前記第２の開口部を前記瞳面上で変位させる変位部材を有し、
前記変位部材によって光軸から前記第２の開口部までの距離を変化させることにより、前記第２入射角を変えることを特徴とする請求項６または７に記載の表面検査装置。
【請求項９】
前記検査部で使用される前記第１回折光および前記第２回折光の次数、前記照明部により照射される前記第１照明光および前記第２照明光の波長、および前記第２入射角を決定する条件決定部を備えて構成されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の表面検査装置。
【請求項１０】
前記第１照明光および前記第２照明光の波長が可視光の波長領域であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の表面検査装置。
【請求項１１】
前記検出部は、瞳面もしくは瞳共役面における前記第１回折光および前記第２回折光を検出することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の表面検査装置。
【請求項１２】
複数の層を有した半導体基板の表面に照明光を照射し、前記照明光が照射された前記半導体基板の表面からの回折光を検出し、前記検出した前記回折光の情報に基づいて、前記半導体基板における表面状態の変化を検出する表面検査方法であって、
前記半導体基板の垂線に対して第１入射角で前記半導体基板の表面に入射する第１照明光および、前記半導体基板の垂線に対して前記第１入射角とは異なる第２入射角で前記半導体基板の表面に入射する第２照明光を前記半導体基板の表面に照射する第１のステップと、
前記第１照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第１回折光および、前記第２照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第２回折光を検出する第２のステップと、
前記検出した前記第１回折光および前記第２回折光の情報に基づいて、前記複数の層において最も前記半導体基板の表面に近い最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化を検出する第３のステップとを有していることを特徴とする表面検査方法。
【請求項１３】
前記第２入射角は前記第１入射角よりも小さい角度であり、前記第３のステップでは、前記第２入射角による前記第２回折光に基づいて、前記第１入射角による前記第１回折光の前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化を検出することを特徴とする請求項１２に記載の表面検査方法。
【請求項１４】
前記第１のステップでは、前記第１照明光および前記第２照明光は前記半導体基板の表面に対してＳ偏光成分を含む光であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の表面検査方法。
【請求項１５】
前記第３のステップにおいて、表面状態の変化量が既知である基準基板の表面に前記第１照明光および前記第２照明光をそれぞれ照射して得られる前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求めることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項１６】
前記第３のステップにおいて、前記基準基板の表面から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報および、前記半導体基板の表面中央部近傍から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求めることを特徴とする請求項１５に記載の表面検査方法。
【請求項１７】
前記第３のステップにおいて、前記基準基板の表面から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報および、前記半導体基板の表面全体を一括検査可能な欠陥検査装置により予め正常であると判定された前記半導体基板の正常部分から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求めることを特徴とする請求項１５に記載の表面検査方法。
【請求項１８】
前記第３のステップにおいて、前記半導体基板の表面状態を部分的に計測可能な電子顕微鏡装置により予め計測された前記表面状態を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求めることを特徴とする請求項１５に記載の表面検査方法。
【請求項１９】
前記第３のステップで使用する前記第１回折光および前記第２回折光の次数、前記第１のステップで照射する前記第１照明光および前記第２照明光の波長、および前記第２入射角を、前記第１から第３のステップを実行する前に決定する第４のステップを有することを特徴とする請求項１２から１８のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項２０】
前記第１照明光および前記第２照明光の波長が可視光の波長領域であることを特徴とする請求項１２から１９のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項２１】
前記第２のステップにおいて、光学系の瞳面もしくは瞳共役面における前記第１回折光および前記第２回折光を検出することを特徴とする請求項１２から２０のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造工程においてウェハの表面欠陥や線幅（もしくはホール径）のＣＤ値変動を検出可能な表面検査装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置は、処理の高速化や低消費電力化、記憶容量増加を図るために、パターンが微細化する傾向にある。また同時に、半導体装置の製造工程で発生する欠陥の検出性能や、線幅(以下、ＣＤ（クリティカル・ディメンジョンの略）と称する)の管理要求も厳しくなってきている。露光工程で発生したウェハの表面欠陥やＣＤ値変動が許容値を超えるものであった場合、該当するウェハまたはロットをリワーク工程に回し、且つ、問題の発生箇所を修正することで、良品の半導体ウェハを生産できるようにする。【０００３】
例えば、露光装置のフォーカス精度に問題があったときは、ウェハ表面に形成されるフォトレジストパターンの断面形状が変化してしまう。また、スキャン方式の露光装置では、スキャン速度のブレによって露光量のバラツキとなり、ＣＤ値が変動してしまう。これらの結果、エッチング後、ＣＤ値が規格外になったり、断線の原因となったりする。問題となる現象は複合的であり、早期発見・問題解消できなければ、多数のロットが不良となり、大きな損失を被ることになる。【０００４】
したがって、露光工程直後の欠陥検出や、ＣＤ値管理は非常に重要である。欠陥を自動で検査する装置としては、半導体ウェハに照明光を照射して、ウェハ上の繰り返しパターンからの回折光を受光し、欠陥からの回折光ではＣＤ値が異なるために回折光量が変化することを利用して欠陥を検出する方法が非常に有効であり、実用化されている（例えば、特許文献１を参照）。マクロ検査装置と称されるこのような欠陥検査装置は、ウェハの全面一括撮像による高いスループットを有するので、生産ラインで大いに活躍している。ただし、装置の性質上、微小領域における高分解能検査やＣＤ値変動量の定量的出力には限界がある。【０００５】
一方、ＣＤ値を管理するための装置として、ＣＤ−ＳＥＭ（Critical-Dimension Scanning Electron Microscope）と称される（測長ＳＥＭとも称される）電子顕微鏡装置がある。ＣＤ−ＳＥＭは、電子線を用いて、ライン・アンド・スペース（以下、Ｌ＆Ｓと称する）の線幅や、コンタクト・ホール（以下、Ｃ／Ｈと称する）の穴径もしくは隣接Ｃ／Ｈとの間隔を測定し、ＣＤ値として出力可能に構成されており、ＣＤ値が規格内かどうかを定量的に判断することができる。このように、ＣＤ−ＳＥＭは、測定機として活躍しているものの、１点の測定に約５秒の時間を要するため、ウェハ全面の測定は困難であり、ウェハ表面内の数ショットについて、ショット内の数点をしかも、１ロットあたり1枚程度の抜き取り検査で測定・管理しているのが現状である。【０００６】
このような従来の欠陥検査およびＣＤ値管理の状況を鑑みて、高速でありながら定量的な判断が可能な検査装置が求められている。定量性の確保および向上を図る上で障害となるのは、下地（下層）の影響である。これを、図３３を用いて説明する。例えば、ＤＲＡＭやフラッシュメモリ等におけるホール工程検査の場合、半導体ウェハ５（以下、ウェハ５と称する）の被検査面（表面）を形成する最上層５００はフォトレジストであり、露光工程により、コンタクト・ホール５１０が繰り返し周期５２０をもって形成されている。最上層５００の下にはエッチング耐性を有する層５３０があり、エッチング技術により、断面形状の整った深い穴がさらに下の層にまで形成されるようになっている。エッチング耐性を有する層５３０の下には、絶縁層５４０を介してゲート線５５０が設けられている。【０００７】
最上層５００に光５６０を照射すると、コンタクト・ホール５１０から回折光が発生する。一般に、正反射方向の回折光を０次回折光６００と称する。０次回折光６００から離れるにしたがって、順次、１次回折光６１０、２次回折光６２０、３次回折光６３０…と称する。隣の回折光とのなす角度は、光５６０の波長および、コンタクト・ホール５１０の繰り返し周期５２０に依存し、光５６０の波長が短いほど、また、繰り返し周期５２０が大きいほど隣の回折光となす角は小さくなる。それぞれの回折光の強度は、光５６０の波長や、最上層５００の透過率・吸収・膜厚、コンタクト・ホール５１０のＣＤ値のみならず、コンタクト・ホール５１０の断面形状等にも左右される。最初の露光工程（たとえば活性領域を作成する素子分離工程）の場合は、下地がないので、上記のような関係で回折光の強度が決定される。そのため、露光工程におけるフォーカス変動や露光量変動等の問題により、コンタクト・ホール５１０のＣＤ値や断面形状が変化した場合には、回折光量が変化し、その変化量から欠陥検出が可能となる。【０００８】
しかし、図３３のような下層が存在する場合は、光５６０は最上層５００を透過する透過光５７０となって、エッチング耐性を有する層５３０および絶縁層５４０を経て、ゲート線５５０に達する。その結果、ゲート線５５０からも回折光５８０が発生する。ゲート線５５０の繰り返し周期５９０がコンタクト・ホール５１０の繰り返し周期５２０と同一である場合には、最上層５００から射出されるゲート線５５０の０次回折光７００、１次回折光７１０、２次回折光７２０、および３次回折光７３０は、それぞれ、最上層５００のコンタクト・ホール５１０の０次回折光６００、１次回折光６１０、２次回折光６２０、および３次回折光６３０と同じ回折角となる。ゲート線５５０の繰り返し周期５９０がコンタクト・ホール５１０の繰り返し周期５２０と同一でなくても、整数倍の関係であれば、整数倍の次数同士において、最上層５００からの各回折光６００〜６３０にゲート線５５０からの各回折光７００〜７３０が混ざってしまう。また、光５６０の波長がある幅を持っていると、波長によっては、最上層５００からの各回折光６００〜６３０にゲート線５５０からの各回折光７００〜７３０が混ざってしまう場合もある。ゲート線５５０からの各回折光７００〜７３０がいつも一定であるならば、その分を単純に差し引くことで最上層５００の欠陥検出が可能であるが、実際には、下地（下層）の影響にばらつきが生じてしまう。【０００９】
下地の影響は、ロットごと、ロット内のウェハごと、およびウェハ面内の場所によって異なる。この様子を、図３４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。なお、各図における同一部材には、同一番号を付している。【００１０】
図３４（ａ）は、ゲート線５５０の高さが場所によって異なる場合である。ゲート線５５０の作成後、一度絶縁層５４０を形成し、その後ＣＭＰ処理行ってゲート線５５０の高さを均一にする。ＣＭＰ処理では、研磨パッドとともにウェハを回転させながら研磨を行うが、このとき、ウェハの外周側を研磨しすぎてゲート線５５０の高さが低くなってしまう場合がある。プロセス管理上は問題のない高さ変動であっても、回折光の強度は高さ方向の変動に比較的敏感であるので、あたかも、最上層５００におけるコンタクト・ホール５１０のＣＤ値や断面形状が、ウェハの外周側で変動したように見えてしまうことになる。また、研磨状態でのウェハの載置場所や研磨装置の差により、ウェハやロットによって影響は異なる。【００１１】
図３４（ｂ）は、例えば、ＣＶＤ作成を行うときのムラや温度管理等によって、エッチング耐性を有する層５３０の厚さが不均一となる場合である。透過光５７０またはゲート線５５０の回折光５８０がエッチング耐性を有する層５３０を透過するとき、透過光量または吸収光量がエッチング耐性を有する層５３０の膜厚に依存するので、ウェハ表面での下地ムラとなる。ウェハ表面での下地ムラとならず均一であっても、ウェハごと、ロットごとでの差は、下地回折光の差となる。【００１２】
図３４（ｃ）は、ゲート線５５０の作成段階においてプロセス管理上問題が発生し、ゲート線幅自身が変化したケースである。回折光は、繰り返し周期および、ラインとスペースの比率に依存するので、ゲート線５５０の繰り返し周期５９０が同じでも、ゲート線幅が変われば変化する。【００１３】
なお、上記説明では、ゲート線５５０の回折光を例としてあげたが、実際には、ゲート線５５０だけではなく、さらにその下の活性領域層の回折光や、さまざまな繰り返し周期の、さまざまな次数の回折光など、下地の影響を一言でいっても、どこから発生している光なのかを特定し、議論することはきわめて難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−１０５９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
このように、従来の回折光を用いた欠陥検査においては、下地の影響を含んだ回折光を受光するため、検査の精度を高めるには限界があった。【００１６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、下地の影響を含んだ回折光であっても、最上層の欠陥やＣＤ値変動等といった半導体基板の表面状態を正確に検出することが可能な表面検査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】
【００１７】
このような目的達成のため、本発明に係る表面検査装置は、複数の層を有した半導体基板の表面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半導体基板の表面からの回折光を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記回折光の情報に基づいて、前記半導体基板における表面状態の変化を検出する検査部とを備え、前記照明部は、前記半導体基板の垂線に対して第１入射角で前記半導体基板の表面に入射する第１照明光および、前記半導体基板の垂線に対して前記第１入射角とは異なる第２入射角で前記半導体基板の表面に入射する第２照明光を前記半導体基板の表面に照射し、前記検出部は、前記第１照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第１回折光および、前記第２照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第２回折光を検出し、前記検査部は、前記検出部により検出された前記第１回折光および前記第２回折光の情報に基づいて、前記複数の層において最も前記半導体基板の表面に近い最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化を検出するように構成される。【００１８】
なお、上述の表面検査装置において、前記第２入射角は前記第１入射角よりも小さい角度であり、前記第２入射角による前記第２回折光に基づいて、前記第１入射角による前記第１回折光の前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化を検出することが好ましい。【００１９】
また、上述の表面検査装置において、前記照明部は偏光部を有し、前記第１照明光および前記第２照明光は前記半導体基板の表面に対してＳ偏光成分を含むことが好ましい。【００２０】
また、上述の表面検査装置において、前記検査部は、表面状態の変化量が既知である基準基板の表面に前記第１照明光および前記第２照明光をそれぞれ照射して得られる前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求めることが好ましい。【００２１】
また、上述の表面検査装置において、前記照明部は、光源からの光を前記半導体基板の表面に導いて前記第１照明光を照射する第１の対物レンズと、光源からの光を前記半導体基板の表面に導いて前記第２照明光を照射する第２の対物レンズと、前記第１の対物レンズもしくは前記第２の対物レンズのいずれか一方を選択的に切り替えて光路上に挿入する切替部とを有して構成されることが好ましい。【００２２】
また、上述の表面検査装置において、前記照明部は、瞳面または瞳面と共役な面上に設けられた絞り部材を有し、前記絞り部材は、光源からの光が通過して前記第１照明光が得られる第１の開口部と、光源からの光が通過して前記第２照明光が得られる第２の開口部とを有していることが好ましい。【００２３】
さらに、上述の表面検査装置において、前記検出部が前記第１回折光および前記第２回折光をそれぞれ分離して検出できるように、前記第１および第２の開口部と前記半導体基板との相対位置関係を設定する位置設定部が設けられていることが好ましい。【００２４】
また、上述の表面検査装置において、前記絞り部材は、前記第２の開口部を前記瞳面上で変位させる変位部材を有し、前記変位部材によって光軸から前記第２の開口部までの距離を変化させることにより、前記第２入射角を変えるようにしてもよい。【００２５】
また、上述の表面検査装置において、前記検査部で使用される前記第１回折光および前記第２回折光の次数、前記照明部により照射される前記第１照明光および前記第２照明光の波長、および前記第２入射角を決定する条件決定部を備えて構成されることが好ましい。【００２６】
また、上述の表面検査装置において、前記第１照明光および前記第２照明光の波長が可視光の波長領域であることが好ましい。【００２７】
また、上述の表面検査装置において、前記検出部は、瞳面もしくは瞳共役面における前記第１回折光および前記第２回折光を検出することが好ましい。【００２８】
また、本発明に係る表面検査方法は、複数の層を有した半導体基板の表面に照明光を照射し、前記照明光が照射された前記半導体基板の表面からの回折光を検出し、前記検出した前記回折光の情報に基づいて、前記半導体基板における表面状態の変化を検出する表面検査方法であって、前記半導体基板の垂線に対して第１入射角で前記半導体基板の表面に入射する第１照明光および、前記半導体基板の垂線に対して前記第１入射角とは異なる第２入射角で前記半導体基板の表面に入射する第２照明光を前記半導体基板の表面に照射する第１のステップと、前記第１照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第１回折光および、前記第２照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第２回折光を検出する第２のステップと、前記検出した前記第１回折光および前記第２回折光の情報に基づいて、前記複数の層において最も前記半導体基板の表面に近い最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化を検出する第３のステップとを有している。【００２９】
なお、上述の表面検査方法では、前記第２入射角は前記第１入射角よりも小さい角度であり、前記第３のステップでは、前記第２入射角による前記第２回折光に基づいて、前記第１入射角による前記第１回折光の前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化を検出することが好ましい。【００３０】
また、上述の表面検査方法において、前記第１のステップでは、前記第１照明光および前記第２照明光は前記半導体基板の表面に対してＳ偏光成分を含む光であることが好ましい。【００３１】
また、上述の表面検査方法では、前記第３のステップにおいて、表面状態の変化量が既知である基準基板の表面に前記第１照明光および前記第２照明光をそれぞれ照射して得られる前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求めることが好ましい。【００３２】
また、上述の表面検査方法では、前記第３のステップにおいて、前記基準基板の表面から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報および、前記半導体基板の表面中央部近傍から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求めるようにしてもよい。【００３３】
また、上述の表面検査方法では、前記第３のステップにおいて、前記基準基板の表面から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報および、前記半導体基板の表面全体を一括検査可能な欠陥検査装置により予め正常であると判定された前記半導体基板の正常部分から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求めるようにしてもよい。【００３４】
また、上述の表面検査方法では、前記第３のステップにおいて、前記半導体基板の表面状態を部分的に計測可能な電子顕微鏡装置により予め計測された前記表面状態を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面状態の変化量を求めるようにしてもよい。【００３５】
また、上述の表面検査方法では、前記第３のステップで使用する前記第１回折光および前記第２回折光の次数、前記第１のステップで照射する前記第１照明光および前記第２照明光の波長、および前記第２入射角を、前記第１から第３のステップを実行する前に決定する第４のステップを有することが好ましい。【００３６】
また、上述の表面検査方法では、前記第１照明光および前記第２照明光の波長が可視光の波長領域であることが好ましい。【００３７】
また、上述の表面検査方法では、前記第２のステップにおいて、光学系の瞳面もしくは瞳共役面における前記第１回折光および前記第２回折光を検出することが好ましい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、下地の影響を含んだ回折光であっても、半導体基板の表面状態を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る表面検査装置の全体構成を示す図である。
【図２】対物レンズを切り替えた表面検査装置を示す図である。
【図３】変形開口絞りを示す図である。
【図４】瞳面上の回折光の一例を示す図である。
【図５】表面検査装置の変形例を示す図である。
【図６】変形開口絞りの変形例を示す図である。
【図７】瞳面上の回折光の一例を示す図である。
【図８】可変変形開口絞りの分解図である。
【図９】可変変形開口絞りを示す図である。
【図１０】本発明に係る表面検査方法を示すフローチャートである。
【図１１】基準ウェハの模式図である。
【図１２】基準ウェハで生じる回折光の輝度分布を示す模式図である。
【図１３】基準ウェハで生じた実際の回折光の輝度分布を示す模式図である。
【図１４】ＣＤ値と高入射角による回折光との関係を示す図である。
【図１５】ＣＤ値と低入射角による回折光との関係を示す図である。
【図１６】高入射角による回折光と低入射角による回折光との関係を示す図である。
【図１７】標準露光量ショットのみについての、高入射角による回折光と低入射角による回折光との関係を示す図である。
【図１８】ＣＤ値と下地補正信号との関係を示す図である。
【図１９】実際のウェハにおける、高入射角による回折光と低入射角による回折光との関係を示す図である。
【図２０】ウェハ表面上のＸＹ座標と高入射角による回折光との関係を３次元表示した図である。
【図２１】ウェハ表面上のＸＹ座標と低入射角による回折光との関係を３次元表示した図である。
【図２２】中央ショット内における高入射角による回折光と低入射角による回折光との関係を、基準ウェハと実際のウェハとで比較した図である。
【図２３】実際のウェハについて、図１４の関係を用いて算出したＣＤ値を示すヒストグラムである。
【図２４】下地補正だけを行って算出したＣＤ値を示すヒストグラムである。
【図２５】下地補正およびオフセット補正を行って算出したＣＤ値を示すヒストグラムである。
【図２６】青色の波長における高入射角による回折光と低入射角による回折光の次数マトリックスを示す図である。
【図２７】緑色の波長における高入射角による回折光と低入射角による回折光の次数マトリックスを示す図である。
【図２８】赤色の波長における高入射角による回折光と低入射角による回折光の次数マトリックスを示す図である。
【図２９】高入射角による７次回折光の場合における、ウェハ表面上のＸＹ座標と高入射角による回折光との関係を３次元表示した図である。
【図３０】低入射角による７次回折光の場合における、ウェハ表面上のＸＹ座標と低入射角による回折光との関係を３次元表示した図である。
【図３１】Ｐ偏光入射の場合における、ＣＤ値と高入射角による回折光との関係を示す図である。
【図３２】Ｐ偏光入射の場合における、ウェハ表面上のＸＹ座標と高入射角による回折光との関係を３次元表示した図である。
【図３３】ウェハの表面で発生する回折光の一例を示す図である。
【図３４】ウェハの表面に形成される各層の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
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を図１に示しており、この表面検査装置１は、ステージ６と、対物レンズユニット７と、ビームスプリッタ９と、照明光学系１０と、検出光学系２０と、演算処理部３０とを主体に構成される。ウェハ５は、露光装置（図示せず）によるフォトレジストへの露光・現像後、不図示の搬送系により、不図示のウェハカセットまたは現像装置から運ばれ、パターン（繰り返しパターン）の形成面を上にした状態でステージ６に載置される。
【００４１】
ウェハ５の表面側には、図３３に示すように、ウェハ５の表面を形成する最上層５００と、最上層５００の下側に形成されたエッチング耐性を有する層５３０と、エッチング耐性を有する層５３０の下側に形成された絶縁層５４０等からなる複数の層が設けられている。また、ウェハ５の最上層５００（表面）には、露光工程により、コンタクト・ホール５１０が繰り返し周期５２０をもって形成されている。
【００４２】
ステージ６は、真空吸着等によりステージ６上に載置されたウェハ５を保持する。また、ステージ６は、ウェハ５の表面に沿って縦横に水平移動可能に構成されるとともに、ウェハ５の表面に対する法線（鉛直方向の軸）を中心軸として回転可能に構成されている。
【００４３】
照明光学系１０は、図１の右側から左側へ向けて配置順に、光源１１と、集光レンズ１２と、波長選択フィルター１３と、偏光フィルター１５と、変形照明開口絞り１６（以下適宜、変形開口絞りと称する）とを有して構成される。光源１１には、水銀ランプ等が用いられる。水銀ランプは、複数の波長（以下、λと略す場合がある）の光、例えば、ｅ線（λ＝５４６ｎｍ）、ｇ線（λ＝４３６ｎｍ）、ｈ線（λ＝４０５ｎｍ）、ｊ線（λ＝３１３ｎｍ）、さらにはλ＝２５０ｎｍ付近の光などを発生させる。これら複数の波長の光のうち、特定の波長の光のみを選択するために、波長選択フィルター１３を用いる。したがって、波長選択フィルター１３は、透過波長帯域の異なる切り替えフィルター１４により、透過させる波長もしくは波長帯域を選択的に切り替え変更可能な構成とすることが好ましい。
【００４４】
なお、光源１１は、ハロゲンランプや青色励起型ＬＥＤ等の広い波長域を有する光源であってもよい。この場合、ハロゲンランプや青色励起型ＬＥＤの光は広い波長域を有しているため、波長選択フィルター１３は、例えば、青色、緑色、赤色を透過するようなフィルターであってもよい。ただし、異なる次数の回折光を分離するために、それぞれの波長域は制限される。
【００４５】
光源１１から放出された光は、集光レンズ１２および波長選択フィルター１３を透過したのち、偏光フィルター１５を透過する。偏光フィルター１５は、照明光をウェハ５に対してＳ偏光で入射させるか、Ｐ偏光で入射させるかを決定するために設けられている。本実施形態においては、照明光をウェハ５に対してＳ偏光で入射させるように偏光フィルター１５が設定される。また、無偏光入射とするため、光路中に偏光フィルター１５を設けないこともある。なお、Ｓ偏光とＰ偏光で、どのような差があるのか、どちらがよいのかなどに関しては後述する。
【００４６】
偏光フィルター１５を透過した光は、詳細は後述する変形開口絞り１６の開口部１７を通過して、ビームスプリッタ９でウェハ５の方向（下方）へ反射したのち、図１に示す場合、対物レンズユニット７の高ＮＡ対物レンズ８ａを透過して、高ＮＡ（開口数）により比較的大きい入射角（なお入射角とは、ウェハ５の法線に対する入射光の角度として、光学的に定義される）でウェハ５の表面に入射する。対物レンズユニット７は、比較的高いＮＡ（開口数）が得られるように設定された高ＮＡ対物レンズ８ａと、高ＮＡ対物レンズ８ａよりも低いＮＡが得られるように設定された低ＮＡ対物レンズ８ｂと、高ＮＡ対物レンズ８ａもしくは低ＮＡ対物レンズ８ｂのいずれか一方をビームスプリッタ９とウェハ５との間の光路中に挿入する切替機構８ｃとを有して構成される。
【００４７】
図１に示すように、切替機構８ｃにより高ＮＡ対物レンズ８ａが光路中に挿入された場合、上述したように、ビームスプリッタ９で反射して高ＮＡ対物レンズ８ａを透過した照明光（以下、第１照明光と称する）が比較的大きい第１入射角でウェハ５の表面に入射する。一方、図２に示すように、切替機構８ｃにより低ＮＡ対物レンズ８ｂが光路中に挿入された場合、低ＮＡにより、ビームスプリッタ９で反射して低ＮＡ対物レンズ８ｂを透過した照明光（以下、第２照明光と称する）が上述の第１入射角よりも小さい第２入射角でウェハ５の表面に入射する。低ＮＡ対物レンズ８ｂが光路中に挿入された状態を図２に示している。なお、対物レンズユニット７は、いわゆるレボルバー型の回転式対物レンズ変換機構であってもよい。なお、照明光の入射方向はウェハ５上のパターンの繰り返し方向と略一致している。
【００４８】
検出光学系２０は、リレーレンズ２１と、２次元ＣＣＤ等の撮像素子２２とを有して構成される。図１に示すように、ウェハ５の表面に第１照明光が照射された場合、ウェハ５から発生する反射光または回折光は、高ＮＡ対物レンズ８ａおよびビームスプリッタ９を透過し、リレーレンズ２１により光路延長・拡大（ないし縮小）されて撮像素子２２に入射する。一方、図２に示すように、ウェハ５の表面に第２照明光が照射された場合、ウェハ５から発生する反射光または回折光は、低ＮＡ対物レンズ８ｂおよびビームスプリッタ９を透過し、リレーレンズ２１により光路延長・拡大（ないし縮小）されて撮像素子２２に入射する。撮像素子２２は、検出光学系２０の瞳面上に設けられており、当該瞳面上に入射したウェハ５からの反射光または回折光を電気信号に光電変換して、検出信号を演算処理部３０に出力する。なお、撮像素子２２にカラーＣＣＤを用いて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの出力を使うようにすれば、波長選択フィルター１３を不要とすることも可能である。
【００４９】
ここで、変形開口絞り１６とその機能を、図３および図４を用いて説明する。図３は、変形開口絞り１６を光軸方向から見たもので、円盤状に形成された変形開口絞り１６の中心が光軸となる。変形開口絞り１６における光軸から偏心した位置に、円形の開口部１７が設けられている。これにより、ウェハ５に対して光軸からずれた光が入射することになる。高ＮＡ対物レンズ８ａと低ＮＡ対物レンズ８ｂの場合で、それらの入射角は異なるが、本実施形態では、高ＮＡ対物レンズ８ａのフルアパーチャー（対物レンズそのものの最大有効開口）は、ＮＡ＝０．９程度であり、変形開口絞り１６の開口部１７によって入射する光の入射角（第１入射角）は、ＮＡ＝０．７〜０．８程度（第１入射角θ１＝６０度前後）である。
【００５０】
この入射角は、フォトレジストの屈折率から計算されるブリュースター角に近い。ブリュースター角では、Ｐ偏光による入射光は、最上層５００でほとんど反射することなく、最上層５００を透過する。一方Ｓ偏光による入射光は、透過する成分も反射する成分もある。回折光強度は、反射率に依存するので、最上層５００からの回折光と、下層例えばゲート線５００からの回折光を考えた場合、Ｐ偏光入射の場合は、Ｓ偏光入射と比べて、下層からの回折光の影響を受けやすいことになる。実際に、Ｐ偏光入射は、Ｓ偏光入射に比べて下層からの回折光が強く観察される。そのため、偏光フィルタ（偏光子）１５によりＳ偏光成分が主となるように設定することで、下層からの回折光の強度を小さくし、相対的に最上層５００の表面状態変化（露光工程のフォーカスエラーや露光量エラー・像面異常による、コンタクト・ホール５１０のパターンプロファイルやＣＤ値の変動）を多く含んだ回折光を得ることができる。ただし、下地からの回折光をゼロにすることはできない。
【００５１】
図４（ａ）は、高ＮＡ対物レンズ８ａを使用したときの撮像素子２２が検出した瞳画像を示す。図４（ａ）において、０次回折光４０ａに対し、次数に応じて１次回折光４１ａ〜８次回折光４８ａまで図示した。なお、０次回折光４０ａの外側には、マイナス１次回折光３９ａが出る。図４（ａ）に示す回折光は、高ＮＡ対物レンズ８ａによる回折光なので、高入射角による回折光Ｈと総称し、以下の説明においては、大きい入射角（第１入射角）の光によって生じる回折光は、次数に応じた数字を付して、高入射角による回折光Ｈ１（１次回折光），Ｈ２（２次回折光）等と称する。なお、回折光のプラス・マイナスは、本実施形態において、便宜上に呼んでいるもので、光学上の正確さは、ここでは問わない。
【００５２】
図４（ｂ）は、低ＮＡ対物レンズ８ｂを使用したときの撮像素子２２が検出した瞳画像を示す。図４（ｂ）において、０次回折光４０ｂに対し、次数に応じて１次回折光４１ｂ〜８次回折光４８ｂまで、および、マイナス１次回折光３９ｂを示す。低ＮＡ対物レンズ８ｂの場合は、変形開口絞り１６の開口部１７を通過した光の入射角が小さくなる（より垂直入射に近くなる）ため、高ＮＡ対物レンズ８ａのときとは回折光の状況は異なる。Ｓ偏光では、低ＮＡ対物レンズ８ｂの入射角の場合は、ブリュースター角に近い高ＮＡ対物レンズ８ａを使用したときの入射角よりも、反射率が低くなり、透過率は大きくなるため、下層まで到達する光量は増え、高ＮＡ対物レンズ８ａを使用したときよりも下地の影響を大きく受ける。低ＮＡ対物レンズ８ｂからの低入射角による回折光なので、回折光Ｌと総称し、以下の説明においては、小さい入射角（第２入射角）の光によって生じる回折光は、次数に応じた数字を付して、低入射角による回折光Ｌ１（１次回折光），Ｌ２（２次回折光）などと称する。
【００５３】
したがって、図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較参照することにより、最上層回折光および下地回折光を含んだ高ＮＡ対物レンズ８ａ使用時の回折光の情報から、下地回折光を多く含んだ低ＮＡ対物レンズ８ｂ使用時の回折光の情報を差し引く（補正する）ことにより、下地の影響を除去できることが示唆される。なお、高ＮＡの対物レンズとして１００倍の対物レンズを用い、低ＮＡの対物レンズとして５０倍の対物レンズを用いた場合、１００倍の対物レンズの観察領域はφ１４０μｍであり、５０倍の対物レンズの観察領域はφ２８０μｍとなる。このように観察領域は異なるが、低ＮＡの観察領域は高ＮＡの観察領域をカバーしており下層の変動はこれらの範囲ではほぼ一定と見なせるため問題とはならない。
【００５４】
以上のように構成される表面検査装置１を用いた表面検査方法について、図１０に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ウェハ５の表面に照明光を照射する（ステップＳ１０１）。このとき、最初は高ＮＡ対物レンズ８ａを使用することにすると、高ＮＡ対物レンズ８ａから第１照明光が高入射角でウェハ５の表面に照射される。
【００５５】
そうすると、ウェハ５から発生した高入射角による回折光Ｈが、高ＮＡ対物レンズ８ａ、ビームスプリッタ９、およびリレーレンズ２１を透過し、瞳像を撮像素子２２に入射する。そこで、撮像素子２２により高入射角による回折光Ｈを検出し、演算処理部３０へ出力する（ステップＳ１０２）。
【００５６】
次に、ウェハ５の表面に他の照明光を照射する（ステップＳ１０３）。このとき、切替機構８ｃにより高ＮＡ対物レンズ８ａから低ＮＡ対物レンズ８ｂに切り替えられ、低ＮＡ対物レンズ８ｂから第２照明光が低入射角でウェハ５の表面に照射される。
【００５７】
そうすると、ウェハ５から発生した低入射角による回折光Ｌが、低ＮＡ対物レンズ８ｂ、ビームスプリッタ９、およびリレーレンズ２１を透過し、瞳像を撮像素子２２に入射する。そこで、撮像素子２２により低入射角による回折光Ｌを検出し、演算処理部３０へ出力する（ステップＳ１０４）。
【００５８】
そして、演算処理部３０は、後述の方法によって、高入射角による回折光Ｈおよび低入射角による回折光Ｌの情報（輝度値）に基づき、最上層５００よりも下側の下層による影響を補正・除去したＣＤ値を求める（ステップＳ１０５）。なお、高入射角による回折光Ｈおよび低入射角による回折光Ｌを検出する順序は、逆であってもよい。
【００５９】
ここで、表面検査装置の変形例について説明する。図５は、変形例に係る表面検査装置５０を示す構成図で、図１と同一部材には同一番号を付している。変形例に係る表面検査装置５０は、ステージ６と、高ＮＡ対物レンズ（１００倍、ＮＡ約０．９）８ａと、ビームスプリッタ９と、照明光学系６０と、検出光学系２０と、演算処理部３０とを主体に構成される。照明光学系６０は、図５の右側から左側へ向けて配置順に、光源１１と、集光レンズ１２と、波長選択フィルター１３と、偏光フィルター１５と、変形照明開口絞り６１（以下適宜、変形開口絞りと略す）とを有して構成される。光源１１から放出された光は、集光レンズ１２、波長選択フィルター１３、および偏光フィルター１５を透過し、詳細は後述する変形開口絞り６１の第１開口部６２ａおよび第２開口部６２ｂを通過して、ビームスプリッタ９でウェハ５の方向（下方）へ反射したのち、高ＮＡ対物レンズ８ａを透過してウェハ５の表面に入射する。
【００６０】
円盤状に形成された変形開口絞り６１には、開口部である第１開口部６２ａおよび第２開口部６２ｂが形成されている。なお、本変形例における第１開口部６２ａおよび第２開口部６２ｂはともに直径約１００μｍの大きさで設けられている。変形開口絞り６１の直径は約４ｍｍであるので、直径１００μｍの開口部を透過し入射して得られる回折光は次数ごとに十分に分離可能である。変形開口絞り６１をその光軸方向から見た様子を図６に示す。変形開口絞り６１における光軸から第１開口部６２ａまでの距離は、図３に示す変形開口絞り１６の開口部１７と同一である。また、本構成においては、対物レンズとして高ＮＡ対物レンズ８ａだけを有している。その結果、変形開口絞り６１の第１開口部６２ａを通過した照明光は、図１の構成で高ＮＡ対物レンズ８ａを使用した場合と同一の入射角でウェハ５の表面に入射する。また、変形開口絞り６１における光軸から第２開口部６２ｂまでの距離は、図１の構成で低ＮＡ対物レンズ８ｂを使用した場合（図２の場合）と同一の入射角が得られるように設けられている。その結果、第１開口部６２ａおよび第２開口部６２ｂによって得られる照明光の入射角はそれぞれ、図１および図２の構成によってそれぞれ得られる入射角と等価になる。このように、変形開口絞り６１に２つの開口部６２ａ，６２ｂを形成することで、高入射角による回折光Ｈおよび低入射角による回折光Ｌを一度に検出することができ、また、対物レンズの構成を単純にすることができる。
【００６１】
ただし、図１および図２の構成と同じウェハ５の向き（光軸に対するウェハ５表面の回転向き）であると、第１開口部６２ａによる回折光と第２開口部６２ｂによる回折光は重なり合って区別することが難しい。そこで、ステージ６により、ウェハ５の中心を回転中心としてウェハ５を１０〜２０度程度回転させるようにすることが好ましい。これにより、照明光がウェハ５上のパターンの繰り返し方向とずれてしまうが、図７に示すように、ウェハ５の回転に応じて、第１開口部６２ａおよび第２開口部６２ｂによる回折光が瞳面上でそれぞれ離れるように回転移動するため、第１開口部６２ａによる回折光と第２開口部６２ｂによる回折光を分離して検出することが可能になる。なお、図７においては、第１開口部６２ａによる０次回折光７０ａ、１次〜９次回折光７１ａ〜７９ａ、およびマイナス１次回折光６９ａと、第２開口部６２ｂによる０次回折光７０ｂ、１次〜７次回折光７１ｂ〜７７ｂ、およびマイナス１次〜マイナス３次回折光６７ｂ〜６９ｂが、互いに平行にシフトした状態で並んでいる。
【００６２】
また、図７において、第１開口部６２ａによる０次回折光７０ａおよび１次〜９次回折光７１ａ〜７９ａなどが、前述の高入射角による回折光Ｈに相当する。同様に、第２開口部６２ｂによる０次回折光７０ｂおよび１次〜７次回折光７１ｂ〜７７ｂなどが、前述の低入射角による回折光Ｌに相当する。
【００６３】
ところで、低入射角による回折光Ｌを得るための最適な入射角については、相対的に最上層５００の表面状態変化（露光工程のフォーカスエラーや露光量エラーによる、コンタクト・ホール５１０のパターンプロファイルやＣＤ値の変動）をほとんど含まず、下地情報を多く含んだ回折光を得ることが好ましい。この要求に見合う入射角条件は、常に同じとは限らず、ウェハ５を構成している、膜種、膜厚、最上層や下層のパターン種類（ライン・アンド・スペースまたはコンタクト・ホール）や繰り返しピッチ等、計算しがたい多くの物理量によって決定される。そこで、半導体ウェハの世代（７２ｎｍ、６８ｎｍ、５４ｎｍといったＤＲＡＭ世代や、５０ｎｍ、４０ｎｍ、３０ｎｍといったフラッシュメモリ世代）ごとに、開発されるプロセス構造ならびに、同一品種・同一世代であっても、ゲート線やビット線、ビット・コンタクトやキャパシタ・コンタクトといった工程に応じて、低入射角による回折光Ｌを得るための最適な入射角を決定すべきである。そこで、２つの開口部６２ａ，６２ｂを有する変形開口絞り６１の発展タイプとして、図８および図９に示す低入射角可変の可変変形開口絞り６３が有効である。
【００６４】
可変変形開口絞り６３は、図８（ａ）に示す固定変形開口絞り６４と、図８（ｂ）に示す回転変形開口絞り６５とを有して構成される。図８（ａ）および図８（ｂ）と別々に示しているが、実際は、各々の円形中心を同軸として、固定変形開口絞り６４と回転変形開口絞り６５とを重ね合わせることにより、２つの開口部６２ａ，６２ｂを有する変形開口絞り６１と同様の機能を有する。円盤状に形成された固定変形開口絞り６４には、図８（ａ）に示すように、高入射角用の第１開口部６４ａおよび、第１開口部６４ａの内側(光軸寄り)に径方向に延びる第１の長孔６４ｂが形成されている。なお、固定変形開口絞り６４の中心６４ｃは光軸と一致する。
【００６５】
円盤状に形成された回転変形開口絞り６５は、図８（ｂ）に示すように、回転変形開口絞り６５の中心６５ｃ(光軸と一致)を回転中心として回転可能に構成される。回転変形開口絞り６５には、カタカナの「ノ」の字型に第２の長孔６５ｂが形成されており、当該第２の長孔６５ｂは、回転変形開口絞り６５の回転角度に応じて中心６５ｃからの距離が変化するように設定される。図９（ａ）は、固定変形開口絞り６４と回転変形開口絞り６５とを、それぞれの中心６４ｃ，６５ｃが一致するように重ね合わせたものである。図９（ａ）からわかるように、可変変形開口絞り６３には、第１の長孔６４ｂと第２の長孔６５ｂの重なりによって低入射角用の第２開口部６６ｂが形成され、当該第２開口部６６ｂは、回転変形開口絞り６５の回転に応じて、例えば図９（ａ）から図９（ｂ）に示すように光軸からの距離が変化する。したがって、低入射角による回折光Ｌを得るときに、回転変形開口絞り６５を回転させて入射角を変化させるようにすれば、最適な低入射角条件に設定することが可能となる。
【００６６】
次に、本実施形態の表面検査方法における、基準ウェハを使った原理・アルゴリズムの説明を行う。そこで、原理・アルゴリズム説明のために、図１１のような基準ウェハ１００の測定結果と処理結果を示す。
【００６７】
基準ウェハ１００の破線で囲んだ露光ショット１０１は全部で１０４個あるが、このうち、図１１における上から３行目および５行目に位置する第３ショット行１０２および第５ショット行１０３は、露光量を順次増やして露光したショット（高露光量ショットと呼び、計２０ショット）である。また、図１１における上から７行目および９行目に位置する第７ショット行１０４および第９ショット行１０５は、露光量を順次減らして露光したショット（低露光量ショットと呼び、計２０ショット）である。そして、高露光量ショットおよび低露光量ショット以外のショット（例えば、ショット１０６）は、すべて標準露光量で露光したショット（標準露光量ショットと呼び、計６４ショット）である。その結果、第３ショット行１０２、第５ショット行１０３、第７ショット行１０４、および第９ショット行１０５では、ＣＤ値（コンタクト・ホールのホール径、もしくは、ライン・アンド・スペースの線幅）が変化している。
【００６８】
あるいは、基準ウェハ１００として、露光時にデフォーカスさせて、第３ショット行１０２および第５ショット行１０３は、デフォーカス量を順次プラス側に振っていって露光したショット（プラス・デフォーカス・ショット）とし、第７ショット行１０４および第９ショット行１０５は、デフォーカス量を順次マイナス側に振って露光したショット（マイナス・デフォーカス・ショット）とし、それ以外のショット（例えば、ショット１０６）は、ベスト・フォーカス条件で露光したショット(ベスト・フォーカス・ショット)として、パターンプロファイルを変化させてもよい。このようして得られた基準ウェハは、前述のＣＤ−ＳＥＭにより寸法測定され、例えば、露光量変動に応じたＣＤ値として定量化することができる。以下の説明では、露光量変化の場合を示すが、本実施形態は、デフォーカスさせた基準ウェハを使用した、デフォーカス欠陥検査・測定においても適用可能である。
【００６９】
基準ウェハ１００の計測は、次のように行う。まず、ステージ６の移動により、ショット内を１２点（横４点＊縦３点）ずつ、１０４個のショット全部の瞳画像を測定する。その結果、１２×１０４＝１２４８点の瞳画像が得られる。図１および図２に示す表面検査装置１においては、高ＮＡ対物レンズ８ａにより図４（ａ）に示すような瞳画像が１２４８画像得られ、低ＮＡ対物レンズ８ｂにより図４（ｂ）に示すような瞳画像が１２４８画像得られる。なお、図５に示す表面検査装置５１においては、図７に示すような瞳画像が１２４８画像得られる。
【００７０】
図４（ａ）の瞳画像（または、図７の瞳画像）における番号にａを付した回折光（４１ａなど）からは、高入射角による回折光Ｈが生じているので、得られた瞳画像から最適な次数の回折光を選択抽出する。同様に、図４（ｂ）の瞳画像（または、図７の瞳画像）における番号にｂを付した回折光（４１ｂなど）からは、低入射角による回折光Ｌが生じているので、得られた瞳画像から最適な次数の回折光を選択抽出する。なお、最適次数の決定方法は後述する。
【００７１】
高入射角による回折光Ｈ（例えば、１次回折光Ｈ１）を１２４８画像の瞳画像から選択抽出し、回折光Ｈの輝度を１２４８点のウェハ座標に展開して、マップとして示したのが図１２および図１３である。具体的には、１２４８点のウェハ座標はショット内の１２点の座標とショットの位置座標から求められるので、１２４８点の回折光Ｈの輝度はウェハ座標系に展開できる。そして、例えば輝度のウェハ座標系等高線マップを作成することにより、図１２および図１３が得られる。露光量を変化させたショット行１０２，１０３，１０４，１０５ではＣＤ値が変化しているので、高入射角による回折光Ｈは、標準ショット１０６と比較して、ＣＤ値に応じて明るく、もしくは暗くなる。しかしながら、図１２は下地の影響がない場合を示したものであり、図３３および図３４に示すような多層膜では下地の影響を受けるため、高入射角による回折光Ｈは、図１３に示すようにウェハの表面内で輝度ムラが生じる。なお、図１３においては、基準ウェハ１００の中心付近が暗く、さらに、基準ウェハ１００の右上部分が左下部分に対して暗くなっている。このように、ウェハごと、もしくはロットごとでも、ウェハの表面における平均的明るさや、ウェハの表面内の明るさムラに差が生じることは、すでに述べたとおりである。
【００７２】
図１４は、すべての測定点（１２４８点）に対する、ＣＤ−ＳＥＭで計測したＣＤ値を横軸に、高入射角による回折光Ｈの輝度値を縦軸に、プロットしたものである。黒丸は、標準露光量ショットの測定結果（６４ショット×１２点＝７６８点）であり、灰色十字は、高露光量ショットおよび低露光量ショット（合わせて４０ショット×１２点＝４８０点）の測定結果である。図１４における横軸のＣＤ値は、標準露光量ショットの平均を１として規格化した。図１４からわかるように、ＣＤ値が大きくなるに従って、高入射角による回折光Ｈも大きくなっている。これは、高入射角による回折光Ｈが最上層５００からの信号を比較的多く含むために、ＣＤ値変動に依存した回折光をとらえているからである。ただし、同じＣＤ値＝１付近でありながら高入射角による回折光Ｈの輝度値がばらついているのは（図１４の中では、ＣＤ値＝１における高入射角による回折光Ｈの値のばらつきをベクトルＶ１として示した）、ウェハの表面内の位置によって下地の影響が異なるからである。
【００７３】
特に、黒丸で示す標準露光量ショットでの回折光Ｈのばらつきが、灰色十字で示す高・低露光量ショットでの回折光Ｌのばらつきより大きいのは、ウェハの外周側の多くを標準露光量ショットが占めており、ウェハの外周側になるほど下地の影響が顕著で、回折光Ｈに下地からの信号が乗ってしまうことによる。標準露光量ショット（黒丸）での回折光Ｈのばらつきは、約１０（縦軸目盛りの読みで１０の意）であり、この数値は横軸の規格化したＣＤ値の０．４程度の変化に対応する。言い換えれば、ＣＤ値＝１でありながらも、回折光Ｈが下地の影響を受けることによって、あたかも４０％程度、ＣＤ値が変動しているようにとらえられてしまう。これでは、ＣＤ値の変動を正しく検出することはできない。
【００７４】
図１５は、すべての測定点（１２４８点）に対する、ＣＤ−ＳＥＭで計測したＣＤ値を横軸に、低入射角による回折光Ｌの輝度値を縦軸に、プロットしたものである。図１４と同様に、黒丸は、標準露光量ショットの測定結果（６４ショット×１２点＝７６８点）であり、灰色十字は、高露光量ショットおよび低露光量ショット（合わせて４０ショット×１２点＝４８０点）の測定結果である。また、図１４と同様に、図１５における横軸のＣＤ値は、標準露光量ショットの平均を１と規格化している。図１５からわかるように、ＣＤ値が変化しても、低入射角による回折光Ｌの輝度値は変化しない。これは、低入射角による回折光Ｌが最上層５００からの信号を少しか含んでいないために、ＣＤ値変動には依存しないからである。すなわち、ほとんどが下地情報ということである。同じＣＤ値＝１でありながら低入射角による回折光Ｌの値がばらついているのは（図１５の中では、ＣＤ値＝１における低入射角による回折光Ｌの値のばらつきをＶ２として示した）、ウェハの表面内の位置による下地の影響そのものを反映しているからである。
【００７５】
ここで、本願の発明者が発見した４つの原理のうち３つについて触れておく。
【００７６】
原理１：高入射角による回折光Ｈは、ＣＤ値変動に敏感であるが、下地の影響を含む。
原理２：低入射角による回折光Ｌは、ＣＤ値変動に鈍感であり、下地の影響を含む。
原理３：高入射角による回折光Ｈでのウェハ面内における下地の影響の傾向と、低入射角による回折光Ｌでのウェハ面内における下地の影響の傾向とが相似な条件では、下地除去、または下地補正が可能である。
【００７７】
上記原理１および原理２は記述したので、原理３について以下に説明する。なお、図１４および図１５に示した測定結果は、上記原理１〜３を満たすような最適条件（波長、入射角、回折光次数）を設定した結果であり、最適条件決定方法については、後で詳しく述べる。
【００７８】
図１６は、すべての測定点（１２４８点）ごとに、高入射角による回折光Ｈおよび低入射角による回折光Ｌの輝度値をそれぞれ、横軸および縦軸にとってプロットしたものである。図１６において黒丸で示した標準露光量ショットの測定点は、下地の影響で右斜め上方向に分布している。右斜め上方向とは、ＣＤ値＝１における高入射角による回折光ＨのばらつきのベクトルＶ１と、ＣＤ値＝１における低入射角による回折光ＬのばらつきのベクトルＶ２とを合成させた合成ベクトルＨＬ１の向きである。特に、合成ベクトルＨＬ１に沿って非常に強い相関となっているのは、原理３「高入射角による回折光Ｈでのウェハ面内における下地の影響の傾向と、低入射角による回折光Ｌでのウェハ面内における下地の影響の傾向とが相似な条件」を満たしているからである。一方、図１６において灰色十字で示した高・低露光量ショットは、ＣＤ値変化に対し、高入射角による回折光Ｈは大きくなるものの、低入射角による回折光Ｌはほとんど変化しないので、横一列並んだ分布となる。
【００７９】
図１７は、標準露光量ショット測定点のみを、高入射角による回折光Ｈ（横軸）および低入射角による回折光Ｌ（縦軸）についてプロットしたもので、それぞれの輝度値をＨおよびＬとしたとき、最小二乗法による直線回帰線１７０は、次の（１）式で表される。
【００８０】
Ｌ＝−７０．０＋（３．５１×Ｈ）  …（１）
【００８１】
（１）式は原理３を表すものであるから、（１）式の逆関数は低入射角による回折光Ｌから求められる高入射角による回折光Ｈの下地成分を表しているので、当該逆関数を下地補正値として、下地補正値Ｈ＊を求める。下地補正値Ｈ＊は、次の（２）式で表される。
【００８２】
Ｈ＊＝２１．７＋（０．２６１×Ｌ）  …（２）
【００８３】
下地補正値Ｈ＊は、低入射角による回折光Ｌから換算した高入射角による回折光Ｈにおける下地信号に対応したものであり、これを下地補正値と称した。したがって、測定した高入射角による回折光Ｈから下地補正値Ｈ＊を差し引いた値が下地信号を除去したものであり、次の（３）式で表される。
Ｈ−Ｈ＊  …（３）
【００８４】
ただし、（３）式は、ウェハの表面内における下地ムラを除去しただけであって、ウェハごとにばらつくムラ（下地の影響によりウェハ全体にわたって、平均的に高入射角による回折光Ｈが大きめになること）は、まだ補正していない。後者の補正に関しては、後述する。
【００８５】
（３）式は、基準ウェハ１００自身の下地信号を除去したものなので、図１８に示すように、ＣＤ値（横軸）に対して、（３）式による計算結果Ｈ−Ｈ＊を縦軸にとれば、下地の影響が除去された結果が得られる。すなわち、図１８において黒丸で示した標準露光量ショットの測定点は、下地の影響が除去された結果、上方向への伸び（ＣＤ値＝１における高入射角による回折光ＨのばらつきＶ１）が解消され、単なる測定ばらつきを示している。図１８において灰色十字で示した高・低露光量ショットも同様に、上方向への伸びが解消されている。その結果、標準露光量ショットおよび、高・低露光量ショットの結果から、（３）式で与えられる数値（Ｈ−Ｈ＊）とＣＤ値との間には、２次曲線型の関係があり、その逆の関係式、すなわち、次の（４）式がＣＤ値換算への手順のひとつとなる。
【００８６】
ＣＤ＝０．９８７＋｛０．０３５５×（Ｈ−Ｈ＊）｝
−［０．００１０１×｛（Ｈ−Ｈ＊）−０．０８３１｝2］  …（４）
【００８７】
続いて、実際のウェハを使った原理・アルゴリズムの説明を行う。実際のウェハ５について、基準ウェハ１００のときと同様に、ステージ６の移動により、ショット内を１２点ずつ、１０４個のショット全部の瞳画像を測定し、１２４８点の瞳画像から高入射角による回折光Ｈおよび低入射角による回折光Ｌを得ると、高入射角による回折光Ｈは、ウェハ５の表面内において、ウェハごと、ロットごとにばらつく。そこで以下、下地補正およびＣＤ値換算の手段について説明する。
【００８８】
図１９は、あるロットでのウェハ表面内の１２４８点における、高入射角による回折光Ｈ（横軸）および低入射角による回折光Ｌ（縦軸）についてプロットしたものである。それぞれの下地影響傾向が同じであるため、直線状に乗った関係になっている。その詳細状況を、図２０および図２１に示す。
【００８９】
図２０は、ウェハ表面上の１２４８点のＸＹ座標（２次元ショット配列の一軸をＸ軸とし、他軸をＹ軸とする）と高入射角による回折光Ｈとの関係を３次元表示したものである。同様に、図２１は、ウェハ表面上の１２４８点のＸＹ座標と低入射角による回折光Ｌとの関係を３次元表示したものである。図２０および図２１からわかるように、高入射角による回折光Ｈも、低入射角による回折光Ｌも、フライパン型にウェハの外周側で盛り上がった回折光輝度分布となっていて、互いに相似している。なお、いずれの図も、高入射角による回折光Ｈもしくは低入射角による回折光Ｌの重心を原点としている。
【００９０】
図１９と図１７とを比較すると、傾きは似ていながらも、分布位置は異なっている。具体的に表現すると、図１９および図１７のいずれも彗星型に尾を伸ばしており、その尾の部分（図１９における尾１９５、および、図１７における尾１７５）が、図２０および図２１に見られるフライパン型の盛り上がり（ウェハの外周側に位置する、図２０におけるフライパン型の盛り上がり２０５、および、図２１におけるフライパン型の盛り上がり２１５）に対応する。彗星の頭の部分（図１９における頭１９６、および、図１７における頭１７６）は、図２０および図２１に見られるフライパン型の底（ウェハの内側に位置する、図２０におけるフライパン底２０６、および、図２１におけるフライパン底２１６）に対応する。なお、本実施形態で決定される最適条件（波長、入射角、回折光次数等）のもとでは、常にフライパン型の分布を示すことが本願の発明者によって確認されている。したがって、彗星の頭の部分（図１９における頭１９６、および、図１７における頭１７６）の代表値として、ウェハの表面内の露光ショットのうちの中央ショットの値を使うことが好ましい。なぜなら、中央ショットの方が良品ショットである可能性が高いためである。
【００９１】
図２２は、中央ショット（図１１における中央ショット１０７）のショット内１２点に対する、高入射角による回折光Ｈと低入射角による回折光Ｌとの関係を示したものである。なお、図２２中のグループ２２１は、基準ウェハ１００における値であり、図２２中のグループ２２２は、あるロットでのウェハ５における値である。図２２からわかるように、高入射角による回折光Ｈの値で約１０、低入射角による回折光の値で約３０オフセットしている。具体的に表現すると、フライパン型の盛り上がり形状（彗星の尾の部分）は相似であるが、フライパンの底の値（フライパンの底の部分）はオフセットしていることになる。
【００９２】
ここで、本願の発明者が発見した第４の原理について触れておく。
【００９３】
原理４：高入射角による回折光Ｈと低入射角による回折光Ｌとの関係は、ウェハごとにオフセットし、そのオフセット量は、ウェハの中央ショットで代表することができる。
【００９４】
なぜならば、前述したように、本実施形態で決定される最適条件（波長、入射角、回折光次数等）のもとでは、常にフライパン型（底の部分ではＣＤが約１と考えられる）の分布を示すことが本願の発明者によって確認されているからである。なお、上記原理４を満たすのは、最適条件（波長、入射角、回折光次数）に設定した場合であり、最適条件決定方法については、後で詳しく述べる。
【００９５】
ここで、オフセット補正について説明する。まず、高入射角による回折光Ｈおよび低入射角による回折光Ｌに対する、基準ウェハ１００のグループ２２１の平均輝度値をそれぞれ、Ｈc0およびＬc0とする。なお、符号に含まれるcは中央ショット（Center）の意味である。このとき、ＨＬ座標系では、（Ｈc0，Ｌc0）＝（41.27，72.65）となる。同様に、高入射角による回折光Ｈおよび低入射角による回折光Ｌに対する、あるロットでのウェハ５のグループ２２２の平均輝度値をそれぞれ、ＨcaおよびＬcaとする。このとき、ＨＬ座標系では、（Ｈca，Ｌca）＝（31.60，47.86）となる。
【００９６】
次に、すべての測定点（１２４８点）における高入射角による回折光Ｈおよび低入射角による回折光Ｌに対し、中央ショットのオフセット量、すなわち、（Ｈc0−Ｈca）および（Ｌc0−Ｌca）に基づいて、１次変換を行う。具体的には、高入射角による回折光Ｈおよび低入射角による回折光Ｌの測定値（輝度値）をそれぞれＨaおよびＬaとしたとき、測定点ごとに、次の（５）式および（６）式を利用して１次変換を行う。
【００９７】
Ｈ＝Ｈａ＋（Ｈc0−Ｈca）  …（５）
Ｌ＝Ｌａ＋（Ｌc0−Ｌca）  …（６）
【００９８】
続いて、（５）式で得られたＨを（３）式に適用する。なお、（３）式におけるＨ＊は、（６）式で得られたＬを（２）式に適用することで得られる。そして、（３）式で得られたＨ−Ｈ＊を（４）式に適用することにより、ＣＤ値を得ることができる。なお、演算処理部３０は、このようにしてＣＤ値を求めた後、求めたＣＤ値が目標ＣＤ値よりも閾値以上変化している場合に、該当するショットが欠陥ショットであると判定することもでき、これにより、ウェハ５の表面に対する欠陥検出（もしくは欠陥検査）も可能となる。
【００９９】
以上の計算手段により、あるロットでのウェハ５の結果をまとめてみる。なお、すべてのＣＤ値図面に共通していることであるが、標準露光量ショットにおけるＣＤ値平均で規格化（ＣＤ値＝１）している。
【０１００】
図２３は、あるロットでのウェハ５について、図１４の関係を用いて算出したＣＤ値を示す。図２３において、ウェハ表面内の下地ムラ（フライパン型の盛り上がり）の補正と、ウェハごとの補正ができていないため、ＣＤ値の平均値＝約０．６３であり、標準偏差＝約０．０７５である。通常、±１０％が規格であるので、全体的に３７％（１−０．６３＝０．３７）もシフトしてしまっては、正常なウェハであっても不良と判定してしまい、使い物にならない。
【０１０１】
図２４は、（２）式、（３）式、および（４）式により、低入射角による回折光Ｌを用いて下地補正を行い算出したＣＤ値を示す。図２４において、ウェハ表面内の下地ムラ（フライパン型の盛り上がり）の補正は行ったが、ウェハごとの補正ができていないため、ＣＤ値の平均値＝約０．８８であり、標準偏差＝約０．０２２である。ウェハ表面内のばらつきは非常に小さくなるが、オフセット補正をしていないため、全体的に１２％（１−０．８８＝０．１２）シフトしてしまい、正常なウェハであっても、ウェハ面積の半分以上を不良と判定してしまう。
【０１０２】
図２５は、本実施形態の下地補正技術をすべて用いて（すなわち、式（２）、式（３）、式（４）、式（５）、および式（６）により）、下地補正を行い算出したＣＤ値を示す。図２５において、ウェハ表面内の下地ムラ（フライパン型の盛り上がり）の補正と、ウェハごとの補正を行った結果、ＣＤ値の平均値＝約１．００であり、標準偏差＝約０．０２０である。一般的に使われる３σ（標準偏差の３倍）の値は、０．０５８（規格化したＣＤ値＝１に対して０．０５８は、５．８％を意味する）であり、±１０％が規格に対し適正に判断できる精度となる。
【０１０３】
以上のようにして、本実施形態によれば、ウェハ面内の下地補正と、ウェハごとの下地補正を行い、正確なＣＤ値を算出することができる。すなわち、下地の影響を含んだ高入射角による回折光Ｈであっても、ウェハ５の表面状態を正確に検出することができる。
【０１０４】
次に、最適条件を決定する原理・アルゴリズムの説明を行う。そこで、最適条件決定方法について説明する。
【０１０５】
図２６は、基準ウェハ１００に対して、青色の波長における高入射角による回折光Ｈと低入射角による回折光Ｌの関係を、高入射角による回折光Ｈの次数（１次〜１０次）および、低入射角による回折光Ｌの次数（１次〜１０次）ごとの組み合わせとして示したものである。本実施形態において、図２６を、高入射角による回折光Ｈと低入射角による回折光Ｌの次数マトリックスと称することにする。
【０１０６】
１０×１０のマトリックス（計１００個のグラフ）のそれぞれ、例えば、図２６において破線で囲んだグラフ２６０は、横軸に高入射角による回折光Ｈを、縦軸に低入射角による回折光Ｌをとったもので、図１６において破線で囲んだグラフ１６０に相当する。また、図２６において破線で囲んだグラフ２６０は、１０×１０のマトリックスにおいて座標（Ｈ１０，Ｌ１０）の位置にあるので、横軸が高入射角による１０次回折光Ｈ１０を示し、縦軸が低入射角による１０次回折光Ｌ１０を示している。また、１０×１０のマトリックスにおける黒丸は、標準露光量ショット（６４ショット×１２点＝７６８点）の測定結果を示し、１０×１０のマトリックスにおける灰色十字は、高露光量ショットおよび低露光量ショット（合わせて４０ショット×１２点＝４８０点）の測定結果を示している。
【０１０７】
さて、先に述べた４つの原理のうち、３点を再度記載する。
【０１０８】
原理１：高入射角による回折光Ｈは、ＣＤ値変動に敏感であるが、下地の影響を含む。
原理２：低入射角による回折光Ｌは、ＣＤ値変動に鈍感であり、下地の影響を含む。
原理３：高入射角による回折光Ｈでのウェハ面内における下地の影響の傾向と、低入射角による回折光Ｌでのウェハ面内における下地の影響の傾向とが相似な条件では、下地除去、または下地補正が可能である。
【０１０９】
これら３つの原理は、図２６のグラフにおいて、イ）灰色十字が水平分布であること、ロ）黒丸分布が斜め分布（正の相関）であること、の条件を満たすと最適であることを意味している。このイ）およびロ）を最適条件として、図２６（青色の波長における高入射角による回折光Ｈと低入射角による回折光Ｌの次数マトリックス）、図２７（緑色の波長における高入射角による回折光Ｈと低入射角による回折光Ｌの次数マトリックス）、および図２８（赤色の波長における高入射角による回折光Ｈと低入射角による回折光Ｌの次数マトリックス）を比較検討する。図２７と図２８では、最適条件イ）およびロ）を満たす次数の組み合わせは存在しない。
【０１１０】
図２６（青色の波長）においても、例えば、高入射角による７次回折光Ｈ７の場合を図２９に示し、低入射角による７次回折光Ｌ７の場合を図３０に示すと、高入射角による７次回折光Ｈ７は麦藁帽子をひっくり返した形状であるが、低入射角による７次回折光Ｌ７は麦藁帽子の縁が非対称になった形状で、相似とは言えない。すなわち、上記の原理３を満足していない。結局、３つの波長のうち、青色の波長を有する低次（次数１〜４程度）の回折光だけが、上記の原理１〜３を満足しうる組み合わせであることがわかる。
【０１１１】
具体的な最適条件決定方法としては、まず、何種類かの波長で、基準ウェハ１００の表面内を多数点測定する。次に、測定した瞳画像から、波長ごとに高入射角による回折光Ｈと低入射角による回折光Ｌの次数マトリックスを作成する。そして、作成した次数マトリックスから、上記の原理１〜３を満足する最適条件（波長・次数）を決定する。
【０１１２】
なお、図５に示す表面検査装置５０の場合、図８および図９に示す可変変形開口絞り６３を用いて最適な低入射角条件を決定し、そのときの高入射角による回折光Ｈと低入射角による回折光Ｈの次数マトリックスから、最適条件（波長・次数）を決定することが可能である。図５に示す表面検査装置５０によれば、高入射角と低入射角の同時入射可能で、かつ撮像した瞳画像から任意の次数の回折光をそれぞれ分離抽出可能なので、最適条件の決定は非常に容易である。
【０１１３】
以上のような最適条件決定方法が有効であるのは、次のような場合である。すなわち、異なる工程への適用（例えば、ゲートライン、ビット・コンタクト工程、ビット・ライン工程など）や、プロセス条件（膜厚など）を変更したとき、世代変更（例えば、５０ｎｍ世代から４０ｎｍ世代へ）等の場合である。このような場合、膜の構造や膜厚が変われば、下地の影響が変わるので、上記の原理１〜４を満足する最適条件を決定する工程（ステップ）が表面検査を行う前に実行される。
【０１１４】
ここで、最適な偏光状態に関して述べておく。Ｓ偏光とＰ偏光とを比較した結果、少なくともある程度の波長帯域を有する可視波長においては、Ｐ偏光入射に比べてＳ偏光入射が有効であることが、本願の発明者によって発見された。図３１および図３２に、上記光源波長でのＰ偏光入射の状況を示す。図３１は、基準ウェハ１００における、ＣＤ値変化（横軸）と高入射角による回折光Ｈ（縦軸）との関係の一例を示したものであり、ＣＤ値変動に対して鈍感であることがわかる。すなわち、上記の原理１を満足していない。図３２は、図３１と同じ入射角・偏光・回折次数における、実際のウェハ５における高入射角による回折光Ｈの３次元分布である。図３２からわかるように、ポテトチップス型の非対称であり、高いＣＤ換算精度を達成できるフライパン型とは異なる。これらの理由から、Ｐ偏光はＳ偏光に比べて、劣ることがみてとれる。
【０１１５】
なお、上述のオフセット補正においては、（５）式および（６）式に示したように、測定ウェハ５における中央ショットの測定値平均を、基準ウェハ１００における中央ショット１０７の測定値平均との差をもって補正した。これは、中央ショットのＣＤ値が良品であるという前提に基づいている。しかし、中央ショットが良品でない場合もありうる。そこで、初期設定としては中央ショット比較を行うが、中央ショットが良品でない場合（例えば、デフォーカス等の欠陥を含んだショットであった場合）には、中央ショットとは別の場所の良品領域内のショット同士の測定値平均を比較することが好ましい。そのためには、例えば、自動マクロ検査装置３５（図１の二点鎖線を参照）と本実施形態の表面検査装置１とを通信可能に接続し、高スループットの自動マクロ検査装置３５で得られた結果（良品ショットの場所と欠陥ショットの場所を含んだ情報）を例えば演算処理部３０に入力して用いるようにしてもよい。
【０１１６】
自動マクロ検査装置３５は、詳細な図示を省略するが、半導体ウェハに光を照射して、ウェハ上の繰り返しパターンからの回折光を受光し、ＣＤ値やパターンプロファイルが異なる部分からの回折光量の変化を検出することにより欠陥検出を行う構成であり、半導体工場において多く運用されている。このような自動マクロ検査装置３５は、ウェハ全面に一度に光を照射可能なので、高速に欠陥場所を検出することができ、その欠陥場所をウェハ座標として外部に出力可能である。したがって、自動マクロ検査装置３５において欠陥が検出されなかった場合、または、欠陥が検出されても、その欠陥のウェハ座標が中央ショットでない場合、初期設定のまま、測定ウェハ５の中央ショットと基準ウェハ１００の中央ショットとを比較する。一方、自動マクロ検査装置３５において欠陥が検出され、かつ、その欠陥のウェハ座標が中央ショットであった場合、中央付近の欠陥のない場所を基準ウェハ１００との比較用ショットとすることが好ましい。
【０１１７】
ところで、従来の表面検査装置では、下地の影響を受けないように、ＤＵＶ（深紫外光）の波長を使って、下地まで入射光が透過することを極力抑える手法があった。しかしながら、ＤＵＶ光源は、寿命が短いこと、高価であること、ケミカル・クリーン技術が必要となることなどのマイナス面をもっていた。また、積極的に下地補正もしくは下地除去をしているわけではないので、ＣＤ値算出といった定量性を求めることはできなかった。
【０１１８】
これに対し、本実施形態によれば、可視光であっても、下地補正もしくは下地除去が可能であるため、安価・長寿命・装置工程の単純化に、定量性を合わせもち、かつ、従来のＣＤ−ＳＥＭのような時間のかかる測定（１点に約５秒要する）と比較して、高速な検査が可能である。また、視野も数１００μｍの範囲をカバーできるので、ＣＤ−ＳＥＭのような１点測定ではなく、ショット内のＣＤ値分布やウェハ５の全面検査が可能になるという、圧倒的な優位性を有する。
【０１１９】
なお、上述の実施形態において、基準ウェハ１００における中央ショットを測定してオフセット補正しているが、これに限られるものではなく、ＣＤ−ＳＥＭ３６（図１の二点鎖線を参照）で測定したＣＤ値を使って、同一箇所で本実施形態により算出したＣＤ値と比較し、同一となるようにオフセット補正してもよい。例えば、ＣＤ−ＳＥＭ３６によりウェハ５の中央ショット内を９点測定し、その平均値をＳＥＭ９とすると、同じショットで本実施形態により算出したＣＤ換算値は、ショット内の１２点での平均値をＣＤ１２としたとき、ＳＥＭ９＝ＣＤ１２となるべきである。例えば、ＳＥＭ９＝１００ｎｍで、ＣＤ１２＝１１０ｎｍであったなら、すべてのＣＤ換算値から１０ｎｍを差し引けば、そのまま、ＣＤ絶対値をとして扱うことができる。
【０１２０】
なお、平均値を用いる理由は、ＣＤ−ＳＥＭでは、非常に狭い領域（数μｍ）に電子線を照射して測定するのに対し、本実施形態では、数１０〜数１００μｍの視野を光学的に測定するという原理的が差があるため、平均した方が、補正誤差を小さくできるからである。
【符号の説明】
【０１２１】
１  表面検査装置
５  ウェハ（半導体基板）
６  ステージ（位置設定部）
８ａ  高ＮＡ対物レンズ（第１対物レンズ）
８ｂ  低ＮＡ対物レンズ（第２対物レンズ）
８ｃ  切替機構（切替部）
１０  照明光学系（照明部）
２０  検出光学系（検出部）
３０  演算処理部（検査部および条件決定部）
３５  自動マクロ検査装置（欠陥検査装置）
３６  ＣＤ−ＳＥＭ（電子顕微鏡装置）
５０  表面検査装置（変形例）
６０  照明光学系（照明部）
６１  変形開口絞り（絞り部材）
６２ａ  第１開口部                        ６２ｂ  第２開口部
６３  可変変形開口絞り（絞り部材）
６４  固定変形開口絞り（６４ａ  第１開口部）
６５  回転変形開口絞り（変位部材）
６６ｂ  第２開口部
５００  最上層
５３０  エッチング耐性を有する層
５４０  絶縁層
【図１】
2010095420.tif 000003
【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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【図２８】
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【図２９】
2010095420.tif 000031
【図３０】
2010095420.tif 000032
【図３１】
2010095420.tif 000033
【図３２】
2010095420.tif 000034
【図３３】
2010095420.tif 000035
【図３４】
2010095420.tif 000036
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月11日(2011.8.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層を有した半導体基板の表面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半導体基板の表面からの回折光を検出する検出部と、
前記検出部により検出された前記回折光の情報に基づいて、前記半導体基板における表面のパターンの状態の変化を検出する検査部とを備え、
前記照明部は、前記半導体基板の垂線に対して第１入射角で前記半導体基板の表面に入射する第１照明光および、前記半導体基板の垂線に対して前記第１入射角とは異なる第２入射角で前記半導体基板の表面に入射する第２照明光を前記半導体基板の表面に照射し、
前記検出部は、前記第１照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第１回折光および、前記第２照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第２回折光を検出し、
前記検査部は、前記検出部により検出された前記第１回折光および前記第２回折光の情報に基づいて、前記複数の層において最も前記半導体基板の表面に近い最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化を検出することを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記第２入射角は前記第１入射角よりも小さい角度であり、前記第２入射角による前記第２回折光に基づいて、前記第１入射角による前記第１回折光の前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記照明部は偏光部を有し、前記第１照明光および前記第２照明光は前記半導体基板の表面に対してＳ偏光成分を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記検査部は、表面状態の変化量が既知である基準基板の表面に前記第１照明光および前記第２照明光をそれぞれ照射して得られる前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求め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表面検査装置。
【請求項５】
異なる入射角の複数の光束で被検物の同一箇所を照明可能な照明部と、
前記照明された被検物からの反射光を受ける対物レンズと、
前記反射光の前記対物レンズの瞳面での明るさを検出する検出部とを備えることを特徴とする検査装置。
【請求項６】
前記照明部は、光軸から偏心した位置に開口部を有する開口絞りを備えること特徴とする請求項５に記載の検査装置。
【請求項７】
前記照明部は、前記複数の光束に対応した複数の開口部を有する開口絞りを備えることを特徴とする請求項５または６に記載の検査装置。
【請求項８】
前記照明部は、前記照明の光路中にそれぞれ挿脱可能な開口数の異なる複数のレンズを備えることを特徴とする請求項５または６に記載の検査装置。
【請求項９】
前記照明部は、所定の偏光状態で被検物を照明することを特徴とすることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の検査装置。
【請求項１０】
前記照明部は、複数の波長域でそれぞれ照明可能であることを特徴とする請求項５から９のいずれか一項に記載の検査装置。
【請求項１１】
前記被検物を前記対物レンズの光軸を中心に回転可能に支持する支持部を備えることを特徴とする請求項５から１０のいずれか一項に記載の検査装置。
【請求項１２】
複数の層を有した半導体基板の表面に照明光を照射し、前記照明光が照射された前記半導体基板の表面からの回折光を検出し、前記検出した前記回折光の情報に基づいて、前記半導体基板における表面のパターンの状態の変化を検出する表面検査方法であって、
前記半導体基板の垂線に対して第１入射角で前記半導体基板の表面に入射する第１照明光および、前記半導体基板の垂線に対して前記第１入射角とは異なる第２入射角で前記半導体基板の表面に入射する第２照明光を前記半導体基板の表面に照射し、
前記第１照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第１回折光および、前記第２照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第２回折光を検出し、
前記検出した前記第１回折光および前記第２回折光の情報に基づいて、前記複数の層において最も前記半導体基板の表面に近い最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化を検出することを特徴とする表面検査方法。
【請求項１３】
前記第２入射角は前記第１入射角よりも小さい角度であり、前記第２入射角による前記第２回折光に基づいて、前記第１入射角による前記第１回折光の前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化を検出することを特徴とする請求項１２に記載の表面検査方法。
【請求項１４】
前記第１照明光および前記第２照明光は、前記半導体基板の表面に対してＳ偏光成分を含む光であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の表面検査方法。
【請求項１５】
表面状態の変化量が既知である基準基板の表面に前記第１照明光および前記第２照明光をそれぞれ照射して得られる前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求めることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項１６】
前記基準基板の表面から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報および、前記半導体基板の表面中央部近傍から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求めることを特徴とする請求項１５に記載の表面検査方法。
【請求項１７】
前記基準基板の表面から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報および、前記半導体基板の表面全体を一括検査可能な欠陥検査装置により予め正常であると判定された前記半導体基板の正常部分から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求めることを特徴とする請求項１５に記載の表面検査方法。
【請求項１８】
前記半導体基板の表面状態を部分的に計測可能な電子顕微鏡装置により予め計測された前記表面状態を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求めることを特徴とする請求項１５に記載の表面検査方法。
【請求項１９】
前記第１回折光および前記第２回折光の次数、前記第１照明光および前記第２照明光の波長、および前記第２入射角を、予め決定することを特徴とする請求項１２から１８のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項２０】
前記第１照明光および前記第２照明光の波長が可視光の波長領域であることを特徴とする請求項１２から１９のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【請求項２１】
光学系の瞳面もしくは瞳共役面における前記第１回折光および前記第２回折光を検出することを特徴とする請求項１２から２０のいずれか一項に記載の表面検査方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
このような目的達成のため、本発明に係る表面検査装置は、複数の層を有した半導体基板の表面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半導体基板の表面からの回折光を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記回折光の情報に基づいて、前記半導体基板における表面のパターンの状態の変化を検出する検査部とを備え、前記照明部は、前記半導体基板の垂線に対して第１入射角で前記半導体基板の表面に入射する第１照明光および、前記半導体基板の垂線に対して前記第１入射角とは異なる第２入射角で前記半導体基板の表面に入射する第２照明光を前記半導体基板の表面に照射し、前記検出部は、前記第１照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第１回折光および、前記第２照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第２回折光を検出し、前記検査部は、前記検出部により検出された前記第１回折光および前記第２回折光の情報に基づいて、前記複数の層において最も前記半導体基板の表面に近い最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化を検出するように構成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
なお、上述の表面検査装置において、前記第２入射角は前記第１入射角よりも小さい角度であり、前記第２入射角による前記第２回折光に基づいて、前記第１入射角による前記第１回折光の前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化を検出することが好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
また、上述の表面検査装置において、前記検査部は、表面状態の変化量が既知である基準基板の表面に前記第１照明光および前記第２照明光をそれぞれ照射して得られる前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求めることが好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
また、第２の本発明に係る表面検査装置は、異なる入射角の複数の光束で被検物の同一箇所を照明可能な照明部と、前記照明された被検物からの反射光を受ける対物レンズと、前記反射光の前記対物レンズの瞳面での明るさを検出する検出部とを備えている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また、上述の表面検査装置において、前記照明部は、光軸から偏心した位置に開口部を有する開口絞りを備えることが好ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
さらに、上述の表面検査装置において、前記照明部は、前記複数の光束に対応した複数の開口部を有する開口絞りを備えることが好ましい。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
また、上述の表面検査装置において、前記照明部は、前記照明の光路中にそれぞれ挿脱可能な開口数の異なる複数のレンズを備えるようにしてもよい。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
また、上述の表面検査装置において、前記照明部は、所定の偏光状態で被検物を照明することが好ましい。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
また、上述の表面検査装置において、前記照明部は、複数の波長域でそれぞれ照明可能であることが好ましい。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
また、上述の表面検査装置において、前記被検物を前記対物レンズの光軸を中心に回転可能に支持する支持部を備えることが好ましい。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
また、本発明に係る表面検査方法は、複数の層を有した半導体基板の表面に照明光を照射し、前記照明光が照射された前記半導体基板の表面からの回折光を検出し、前記検出した前記回折光の情報に基づいて、前記半導体基板における表面のパターンの状態の変化を検出する表面検査方法であって、前記半導体基板の垂線に対して第１入射角で前記半導体基板の表面に入射する第１照明光および、前記半導体基板の垂線に対して前記第１入射角とは異なる第２入射角で前記半導体基板の表面に入射する第２照明光を前記半導体基板の表面に照射し、前記第１照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第１回折光および、前記第２照明光が前記半導体基板の表面に照射されて生じる第２回折光を検出し、前記検出した前記第１回折光および前記第２回折光の情報に基づいて、前記複数の層において最も前記半導体基板の表面に近い最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化を検出するようになっている。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
なお、上述の表面検査方法では、前記第２入射角は前記第１入射角よりも小さい角度であり、前記第２入射角による前記第２回折光に基づいて、前記第１入射角による前記第１回折光の前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化を検出することが好ましい。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
また、上述の表面検査方法において、前記第１照明光および前記第２照明光は、前記半導体基板の表面に対してＳ偏光成分を含む光であることが好ましい。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
また、上述の表面検査方法では、表面状態の変化量が既知である基準基板の表面に前記第１照明光および前記第２照明光をそれぞれ照射して得られる前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求めることが好ましい。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
また、上述の表面検査方法では、前記基準基板の表面から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報および、前記半導体基板の表面中央部近傍から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求めるようにしてもよい。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
また、上述の表面検査方法では、前記基準基板の表面から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報および、前記半導体基板の表面全体を一括検査可能な欠陥検査装置により予め正常であると判定された前記半導体基板の正常部分から生じた前記第１回折光および前記第２回折光の情報を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求めるようにしてもよい。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
また、上述の表面検査方法では、前記半導体基板の表面状態を部分的に計測可能な電子顕微鏡装置により予め計測された前記表面状態を利用して、前記最上層以外の層による影響を補正した前記表面のパターンの状態の変化量を求めるようにしてもよい。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
また、上述の表面検査方法では、前記第１回折光および前記第２回折光の次数、前記第１照明光および前記第２照明光の波長、および前記第２入射角を、予め決定することが好ましい。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
また、上述の表面検査方法では、光学系の瞳面もしくは瞳共役面における前記第１回折光および前記第２回折光を検出することが好ましい。
【国際調査報告】
2010095420.tif 000037
2010095420.tif 000038
2010095420.tif 000039
2010095420.tif 000040
2010095420.tif 000041
2010095420.tif 000042
2010095420.tif 000043
2010095420.tif 000044