(57)【要約】  パターンの欠陥判定に用いる情報量を増やすることにより欠陥検出精度を向上させることが可能な表面検査装置を提供する。光源１から射出された発散光は、偏光子２により直線偏光に変換され、凹面鏡３によりほぼ平行光となり被検査基板であるウエハ４全体を照明する。ウエハ４によって正反射された光はパターン１３が有する構造性複屈折によって偏光状態の変化を受けている。ここで、パターン１３の構造複屈折による偏光状態変化は、そのパターン１３の状態、たとえば線幅や断面の台形度やエッジラフネスなどにより異なるため、パターンの欠陥検査に利用することが出来る。照明光のストークスパラメータは既知であるから反射された光のストークスパラメータを測定すれば、そのパターン１３による偏光状態の変化量を知ることが出来る。
2009048003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターンが形成された被検査基板を偏光照明するための偏光照明手段と、
前記被検査基板に形成された前記パターンに依存して前記偏光照明の偏光状態が変化した正反射光を受光し、２次元撮像素子上に前記被検査基板の表面像を結像する受光手段と、
前記偏光照明手段及び前記受光手段の少なくとも一方に配置された前記正反射光の偏光状態を変調させる偏光状態変調手段と、
前記偏光状態変調手段を用いて、前記正反射光の偏光状態を変調させながら取得した前記表面像の前記２次元撮像素子からの出力信号から、前記偏光照明の偏光状態から前記正反射光の偏光状態への変化量を算出し、予め記憶しておいた値と比較して前記被検査基板の欠陥を検出する検出手段と
を有することを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記被検査基板の代わりに、パターンが形成されていない基準基板を用いて測定した前記偏光照明の偏光状態から前記基準基板による正反射光の偏光状態への変化量（補正値）を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記補正値を用いて、前記偏光状態の変化量を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
【請求項３】
さらに、前記被検査基板をその面の法線に平行な軸を中心に回転する回転手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記偏光状態可変手段は、前記受光光学系内に配置した、光軸を中心に回転可能な４分の１波長板と、検光子であり、前記４分の１波長板を回転させながら取得した前記表面像の前記２次元撮像素子からの出力信号を用いて前記正反射光の偏光状態を検出することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の表面検査装置。
【請求項５】
前記偏光照明手段から照射される照明光の波長が、前記被検査基板に形成された周期パターンの周期の２倍よりも長いことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の表面検査装置。
【請求項６】
前記偏光照明手段から照射される照明光の波長が、可変であることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の表面検査装置。
【請求項７】
前記偏光状態は、直線偏光成分、円偏光成分をパラメータとするストークスパラメータを用いて表現され、前記検出手段は、前記偏光状態の変化量を前記直線偏光成分の変化量と前記円偏光成分の変化量とに分離し、得られた前記直線偏光成分の変化量及び前記円偏光成分の変化量の少なくとも一つを用いて、前記予め記憶しておいた値と比較して前記被検査基板の欠陥を検出することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の表面検査装置。
【請求項８】
前記偏光状態は、直線偏光成分、円偏光成分をパラメータとするストークスパラメータを用いて表現され、前記検出手段は、前記偏光状態の変化量を明るさのスカラー量に変換し、
画像表示手段に表示することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の表面検査装置。
【請求項９】
前記偏光状態は、楕円を用いて表現され、前記検出手段は、前記偏光状態の変化量を長軸方位角の成分と楕円率の成分とに分離する、あるいは長軸方位角の成分と楕円率角の成分に分離し、前記予め記憶しておいた値と比較して前記被検査基板の欠陥を検出することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の表面検査装置。
【請求項１０】
前記偏光状態は、ジョーンズベクトルを用いて表現され、前記検出手段は、前記偏光状態の変化量を複素振幅の振幅項と位相項とに分離する、あるいは複素振幅の実数項と虚数項に分離し、前記予め記憶しておいた値と比較して前記被検査基板の欠陥を検出することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体装置を製造する工程中において、微細なパターンが形成された基板の表面を検査する表面検査装置として、従来、特開２００６−３４３１０２号公報（特許文献１）に開示されるように、構造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漏れ光量に基づいて欠陥を検出する方法が提案されている。この方法によれば、パターンが照明波長に対して回折光が発生しないような微細周期のパターンであっても正反射光(０次回折光)の偏光状態変化を捕らえることによりパターンの欠陥を検出することができるため、検査に使用する光を短波長化することなく欠陥の検出が可能となる。
【特許文献１】特開２００６−３４３１０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９６６０号公報
【非特許文献１】鶴田匡夫著  「応用光学II-培風館」
【非特許文献２】エドモンド  オプティクス・ジャパン株式会社  ２００７年度版光学部品・製品総合カタログ（カタログコードＮｏ．Ｊ０７４Ａ）
【非特許文献３】O  ｐｌｕｓ  Ｅ  Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．９  （２００７年９月）
【発明の開示】
【０００３】
しかしながら、特開２００６−３４３１０２号公報に開示される手段では偏光状態の変化をクロスニコル系からの漏れ光量というスカラー量（これは、例えば、偏光状態をストークスパラメータで表現した場合に、S1成分のみに着目し、その成分の変化量をいう）として算出しているため、偏光状態がどのように変化したのかを知ることは出来ず、欠陥判定の情報量が少なく高精度な欠陥検出ができないという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明はこのような事情に鑑みて成されたものであって、基板からの正反射光の偏光状態そのものを検出し、パターンの欠陥判定に用いる情報量を増やすることにより欠陥検出精度を向上させることが可能な表面検査装置を提供することを課題とする。
【０００５】
前記課題を達成するための第１の手段は、パターンが形成された被検査基板を偏光照明するための偏光照明手段と、前記被検査基板に形成された前記パターンに依存して前記偏光照明の偏光状態が変化した正反射光を受光し、２次元撮像素子上に前記被検査基板の表面像を結像する受光手段と、前記偏光照明手段及び前記受光手段の少なくとも一方に配置された前記正反射光の偏光状態を変調させる偏光状態変調手段と、前記偏光状態変調手段を用いて、前記正反射光の偏光状態を変調させながら取得した前記表面像の前記２次元撮像素子からの出力信号から、前記偏光照明の偏光状態から前記正反射光の偏光状態への変化量を算出し、予め記憶しておいた値と比較して前記被検査基板の欠陥を検出する検出手段とを有することを特徴とする表面検査装置である。
【０００６】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記被検査基板の代わりに、パターンが形成されていない基準基板を用いて測定した前記偏光照明の偏光状態から前記基準基板による正反射光の偏光状態への変化量（補正値）を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記補正値を用いて、前記偏光状態の変化量を補正する補正手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、さらに、前記被検査基板をその面の法線に平行な軸を中心に回転する回転手段を有することを特徴とするものである。
【０００８】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第3の手段のいずれかであって、前記偏光状態可変手段は、前記受光光学系内に配置した、光軸を中心に回転可能な４分の１波長板と、検光子であり、前記４分の１波長板を回転させながら取得した前記表面像の前記２次元撮像素子からの出力信号を用いて前記正反射光の偏光状態を検出することを特徴とするものである。
【０００９】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記偏光照明手段から照射される照明光の波長が、前記被検査基板に形成された周期パターンの周期の２倍よりも長いことを特徴とするものである。
【００１０】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記偏光照明手段から照射される照明光の波長が、可変であることを特徴とするものである。
【００１１】
前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかであって、前記偏光状態は、直線偏光成分、円偏光成分をパラメータとするストークスパラメータを用いて表現され、前記検出手段は、前記偏光状態の変化量を前記直線偏光成分の変化量と前記円偏光成分の変化量とに分離し、得られた前記直線偏光成分の変化量及び前記円偏光成分の変化量の少なくとも一つを用いて、前記予め記憶しておいた値と比較して前記被検査基板の欠陥を検出することを特徴とするものである。
【００１２】
前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかであって、前記偏光状態は、直線偏光成分、円偏光成分をパラメータとするストークスパラメータを用いて表現され、前記検出手段は、前記偏光状態の変化量を明るさのスカラー量に変換し、画像表示手段に表示することを特徴とするものである。
【００１３】
前記課題を解決するための第９の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかであって、前記偏光状態は、楕円を用いて表現され、前記検出手段は、前記偏光状態の変化量を長軸方位角の成分と楕円率の成分とに分離する、あるいは長軸方位角の成分と楕円率角の成分に分離し、前記予め記憶しておいた値と比較して前記被検査基板の欠陥を検出することを特徴とするものである。
【００１４】
前記課題を解決するための第１０の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかであって、前記偏光状態は、ジョーンズベクトルを用いて表現され、前記検出手段は、前記偏光状態の変化量を複素振幅の振幅項と位相項とに分離する、あるいは複素振幅の実数項と虚数項に分離し、前記予め記憶しておいた値と比較して前記被検査基板の欠陥を検出することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明によれば、基板からの正反射光の偏光状態そのものを検出し、パターンの欠陥判定に用いる情報量を増やすることにより欠陥検出精度を向上させることができ、また光学系による偏光状態の変化があっても、パターンによる偏光状態変化を正確に測定することが可能な表面検査装置を提供することができる。また、偏光に変調をかけることにより検光子を通過する光の光量が増加するため、被検基板への照明光量が従来技術よりも少ない状態での測定が可能となり、従来技術ほど明るい光源を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の一例である表面検査装置の概要を示す図である。
【図２】ウエハ上に形成されたパターンの配列の例を示す図である。
【図３】ストークスパラメータをポワンカレ球を用いて視覚的に表現した図である。
【図４】パターンによる構造性複屈折が最大になるための条件を表す図である。
【図５】ラインとスペースが並んだパターンでの偏光状態の変化を示す図である。
【図６】光源の詳細を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１…光源、２…偏光子、３…凹面鏡、４…ウエハ、５…凹面鏡、６…４分の１波長板、７…検光子、８…レンズ、９…２次元撮像素子、１０…信号処理ユニット、１１…モニタ、１２…ショット、１３…レジストパターン（パターン）、１４…ライン、１０１…水銀ランプ、１０２…楕円鏡、１０３…レンズ、１０４…波長選択フィルタ、１０５…減光フィルタ、１０６…レンズ、１０７…ランダムファイバー、１０７ａ…射出端
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である表面検査装置の概要を示す図である。光源１から射出された発散光は、偏光子２により直線偏光に変換され、凹面鏡３によりほぼ平行光となり被検査基板であるウエハ４全体を照明する。図２に示すように、ウエハ４上には複数のショット１２が並んでおり、ショット１２内には露光・現像されたレジストパターン１３(以後、単にパターンと記す)が形成されている。また、１ショット１２内のパターンは必ずしも同じ微細パターンが並んでいるとは限らず、場所により異なった微細パターンから成っている場合もある。これらのパターン１３は周期が照明光の波長の２分の１以下の微細なパターンを有している。すなわち、回折光が発生せず、回折光を利用した検査装置では検査できないような微細なパターンである。【００１９】
ウエハ４によって正反射された光はパターン１３が有する構造性複屈折によって偏光状態の変化を受けている。ここで、パターン１３の構造複屈折による偏光状態変化は、そのパターン１３の状態、たとえば線幅や断面の台形度やエッジラフネスなどにより異なるため、パターンの欠陥検査に利用することが出来る。照明光のストークスパラメータは既知であるから反射された光のストークスパラメータを測定すれば、そのパターン１３による偏光状態の変化量を知ることが出来る。ここで、ストークスパラメータ（Ｓ0、Ｓ１、Ｓ2、Ｓ3）とは、偏光状態を示すパラメータの一つである。良く知られているようにＳ0は光強度（１に規格化）であり、Ｓ１、Ｓ２成分が直線偏光成分の量と方位角に、Ｓ３成分が円偏光成分の量に対応するため、直線偏光成分の変化と円偏光成分の変化とに分離して検出することが可能となる。【００２０】
図3は、ストークスパラメータをポワンカレ球を用いて視覚的に表現した図である。【００２１】
ポワンカレ球の三次元座標ｘｙｚの各軸にS1、S2、S3をとれば、完全偏光である場合、偏光状態は、必ずポワンカレ球上の一点で表される。【００２２】
ポワンカレ球を地球に見立てると、赤道上は直線偏光、北極は右まわりの円偏光、南極は左まわりの円偏光を表す。赤道とS1との交点上の直線偏光は、赤道上を一周する間に180度回転する（非特許文献１第202頁、203頁参照）。【００２３】
ウエハ４において、パターン１３により偏光状態の変化を受けながら正反射された光は凹面鏡５によって収束光となり、回転移相子としての４分の１波長板６と検光子７を通過し、レンズ８を介して２次元撮像素子９上にウエハ４の全体像を形成する。【００２４】
ところで、４分の１波長板として一般的によく用いられているものは、複屈折性結晶板を結晶軸が互いに直交するように2枚張り合わせて、その厚みの差によって４分の１波長の光路差を作り出すものであり、たとえば非特許文献１の184ページに示されるものである。しかし、このタイプの波長板は入射光束が垂直入射のときは４分の１波長板として作用するが、光が斜入射になると光路差が大きく変化し４分の１波長板として作用しないという問題がある。本発明においてはその問題を回避するため、単板で４分の１波長の光路差を発生させるべく非常に薄い複屈折物質を用いている。たとえば波長546nm用の４分の１波長板を単板の水晶で作成した場合はその厚みは約15μｍである。この場合、波長板が非常に薄いため強度的に弱くなるため、この波長板を複屈折性がない基板に接着もしくはオプティカルコンタクトすることが好ましい。また同様の効果を持つものとして非複屈折性基板上に複屈折性を有する薄いポリマーを形成したものを用いても良い。ポリマーを用いたこの種の波長板としては、非特許文献２の７９ページに掲載されている「ポリマー波長板  トゥルーゼロオーダータイプ」などが知られている。また非特許文献３の９２７〜９２８ページに示されているごとく正結晶と負結晶の組み合わせて入射角依存性を低減した波長板を用いることも有効である。具体的には非特許文献３には結晶石英(水晶)とサファイアを組み合わせた例が開示されている。【００２５】
４分の１波長板６を３６０度回転させると正反射光の偏光状態が変調され２次元撮像素子９の各画素の出力信号が変化し、その信号変化から信号処理ユニット１０により、周知の回転移相子法を使用して、各画素のストークスパラメータを計算することができる。なお、回転移相子法によるストークスパラメータの測定についてはさまざまな書籍、雑誌類で紹介されており、たとえば非特許文献１の２３３ページに「回転λ／４板による方法」として紹介されている。回転移相子法について簡単に述べると、移相子の回転角をθとするときに３６０度回転したときに得られる信号成分をフーリエ級数展開すると、Ｓ０はバイアス成分とcos４θ成分に、Ｓ１はcos４θ成分に、Ｓ２はsin４θ成分に、Ｓ３はsin２θ成分に対応していることになり、これらのフーリエ係数からストークスパラメータを求めることが可能である。この計算のより詳細な説明は、本出願と同一出願人による特開２００６−１７９６６０号公報にも記載されている。【００２６】
ここで、反射光の偏光状態をストークスパラメータをもちいて表現しているので、あらかじめパターン１３のないウエハについて、ウエハからの反射光のストークスパラメータを測定しておけば、光学系に起因して変化する偏光状態のみを知ることが出来るので、これを補正パラメータとする。すなわちパターン１３がある基板を測定したときの各画素のストークスパラメータから、パターンがない基板を測定したときの各画素のストークスパラメータを差し引くことにより光学系に起因する偏光状態の変化（量）を排除することが可能である。つまり、パターン１３による偏光状態変化だけを検出することが可能である。なお、このようにストークスパラメータを差し引くときにはＳ０が１に規格化されたストークスパラメータを用いることが好ましい。
なお、特開２００６−３４３１０２号公報に開示されるような手段では、光学系自体で発生する偏光状態の変化により漏れ光量が変化してしまうという問題点があった。換言すれば基板上にパターンがなく偏光状態変化が起きない状態において、クロスニコル配置で基板を２次元撮像すると本来全体が光量ゼロになるはずであるが、実際は光学系による偏光の乱れによりクロスニコル系が完全ではないため、基板を２次元撮像すると全体が光量ゼロにはならず、場所によって異なる光量が検出される。パターンによる偏光状態変化が小さいときにはクロスニコル系からの漏れ光量での検出では十分な欠陥検出精度を達成できないという問題点があった。【００２７】
次に、検出された偏光状態変化から、パターンの欠陥の有無の判定方法を以下に説明する。【００２８】
あらかじめ走査型電子顕微鏡などで良品であると判定されたショットの各画素ごとにおけるストークスパラメータの各成分ごとの変化量分布を記憶しておき、それとの比較により、各ショットが良品であるか不良品であるかの判定を行う。【００２９】
ここで偏光状態（ストークスパラメータ）変化（量）を画像化する際、明るさという一つのスカラー量に変換し、モニタ１１上に可視化してウエハ画像を表示する。これは、例えば、図3に示すようなストークスパラメータのポアンカレ球上のある２点間の直線距離、又はポアンカレ球上のある２点間の球面に沿った距離を明るさに対応させることにより実現できる。また、表示する画像として、ストークスパラメータの各成分の変化量、即ちＳ１、Ｓ２、Ｓ３の変化量をそれぞれ独立に表示することも可能である。【００３０】
その結果、パターン１３の露光時の露光量誤差やフォーカス誤差などに起因してパターンの線幅変化を起こした不良ショットがあれば、その不良ショットだけが明るさが違って表示されることになる。また、１ショット内の一部に部分的に欠陥がある場合には、欠陥部分だけが部分的に明るさが違って表示されることになる。【００３１】
また構造複屈折による偏光変化はＳ３成分(円偏光成分)に現れるためＳ３成分の変化量だけを見るという方法も有効である。この場合は、Ｓ３成分の変化量を明るさに対応させて表示する。また、パターンの形状によってはストークスパラメータをひとつのスカラー量に換算せず、前述のように、各パラメータＳ１、Ｓ２、Ｓ３の変化量をそれぞれ算出し、良品、不良品の判断をすることも有効である。【００３２】
なお、上記の説明は二次元撮像素子の各画素ごとにストークスパラメータを求めるものとしたが、たとえば各画素の感度誤差や電気的ノイズの低減のために複数の画素の信号の平均をとっても構わない。たとえば２×２の４画素の信号の平均を取るようにしてもよく、この場合は最終的に得られる画像の画素数は元の画素数の４分の１となる。【００３３】
図4は、パターン１３による構造性複屈折が最大になるための条件を表す図である。図のようにライン１４とスペースが並んだパターン１３では、図に示されたｘ方向とｙ方向の実効的な屈折率が異なる。そのため図３のようにライン１４に対して４５度の角度を成す振動方向を有する直線偏光を入射させた場合に偏光状態の変化が最大となり、図5のようにＳ３成分が発生し射出光は楕円偏光となる。なお、ここでは簡単のため垂直入射として説明しているが斜入射の場合には光のｘ方向の振動成分とｙ方向の振動成分の反射率に差が発生するためＳ２成分も同時に発生し、４５度よりも傾いた楕円偏光になる。そのため斜入射の場合には偏光状態変化が最大になる直線偏光の振動方向の角度は４５度からずれることもあり、その角度はパターン１３の構造に依存する。【００３４】
入射偏光の振動方向とパターン１３に所望の角度を持たせるためには、偏光子２を回転させる方法とウエハ４を回転させる方法の２種類があるが、本実施の形態では、偏光子２は振動方向が紙面内になるように配置し、ウエハ回転装置（図示せず）によりウエハ４を回転させて所望の角度を成すようにしている。しかし本質的にはどちらでも構わない。なお、ウエハ４の回転は、ウエハ回転装置をウエハを載置するステージに設置して、ウエハをステージ上で回転させるようにしても良いし、一旦、ウエハをステージから離脱して、ウエハ回転装置まで搬送してウエハ回転装置で回転させた後、再度ステージに載置するという方法でもかまわない。【００３５】
図6は、光源１を詳細に描いた図である。水銀ランプ１０１から発せられた光は楕円鏡１０２で集光された後レンズ１０３でコリメートされ、波長選択フィルタ１０４と減光フィルタ１０５を通過した後、レンズ１０６で集光されランダムファイバー１０７に入射する。【００３６】
このランダムファイバー１０７の射出端である１０７ａが図１の光源１の射出端に相当する。ここで波長選択フィルタ１０４は水銀ランプの輝線を選択できるよう切り替え式となっており、ｅ線、ｇ線、ｈ線、ｉ線、ｊ線(313nm)、248nmのフィルタを選択可能となっている。構造性複屈折は波長が短いほど偏光状態の変化が大きいことからなるべく短い波長を用いることが好ましいが、短波長側はランプのスペクトル分布や光学素子の透過率などの影響で光量が落ちるなど好ましくない要素もあり、パターンの状況により各種波長を使い分けることができるようにしている。減光フィルタ１０５も状況に応じて各種透過率を切り替えられるようになっている。【００３７】
また波長を変更した場合には移相子が４分の１波長からずれることになるので波長に応じて移相子を交換可能としてもよい。また、たとえば水晶波長板とMgＦ２波長板を組み合わせた広帯域波長板を採用し、交換しないシステムとしてもよい。この場合は波長により４分の１波長から少しずれることになるが回転移相子法では移相子の移相角が厳密に９０度(４分の１波長)でなくともズレ量がわかっていれば補正可能であるので問題は無い。また検光子の消光比があまり高くない場合でも消光比そのものが既知であれば同様に補正可能である。【００３８】
なお、以上の説明においては、偏光状態を表す指標としてストークスパラメータを用いた例を示しているが、偏光状態を表す指標としては、ストークスパラメータに限るものではない。偏光状態を表す指標についてはさまざまなものがあり、たとえば
（１）偏光状態を楕円で表したときの、長軸方位角と楕円率、または長軸方位角と楕円率角
（２）偏光状態をジョーンズベクトルで表したときの複素振幅の振幅項と位相項
（３）偏光状態をジョーンズベクトルで表したときの複素振幅の実数項と虚数項
などの方法が挙げられる。本質的にはこれらを偏光状態を表す指標として用いても構わないが、最もわかりやすい指標としてストークスパラメータを用いることが好ましい。
【図１】
2009048003.tif 000003
【図２】
2009048003.tif 000004
【図３】
2009048003.tif 000005
【図４】
2009048003.tif 000006
【図５】
2009048003.tif 000007
【図６】
2009048003.tif 000008
【国際調査報告】
2009048003.tif 000009
2009048003.tif 000010
2009048003.tif 000011
2009048003.tif 000012
2009048003.tif 000013