(57)【要約】【課題】被検基板の表面に形成されたパターンを高精度に評価する。【解決手段】評価装置５０は、ウェハ９の繰り返しパターン６２が形成された表面を円偏光の検査光Ｌ１で照明する照明系５１と、照明系５１の照明によりウェハ９の表面で反射した光に基づいて、第１偏光方向に偏光した光Ｌ３Ａの光強度と、第１偏光方向に直交した第２偏光方向に偏光した光Ｌ３Ｂの光強度とを検出する検出系５２と、検出系５２によって検出された光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂの光強度に基づいて、繰り返しパターン６２の異常の有無の評価を行う判定部５６と、を備える。【選択図】図１
2015102400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にパターンが形成された被検基板の前記表面を偏光光で照明する照明部と、
前記照明部の照明により前記被検基板の表面で反射した光に基づいて、第１偏光方向の第１反射特性と、該第１偏光方向と異なる第２偏光方向の第２反射特性とを検出する検出部と、
前記検出部によって検出された前記第１反射特性および前記第２反射特性に基づいて、前記パターンの評価を行う評価部と、
を備えることを特徴とする評価装置。
【請求項２】
前記第１反射特性および前記第２反射特性は、前記被検基板の表面で反射した光の強度情報および位相情報の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の評価装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記第１反射特性と前記第２反射特性に基づいて、前記第１偏光方向の光と前記第２偏光方向の光との位相差を検出し、
前記評価部は、前記検出部によって検出された前記位相差に基づいて、前記パターンの評価を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の評価装置。
【請求項４】
前記第１偏光方向と前記第２偏光方向とは直交することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の評価装置。
【請求項５】
前記パターンはライン状のパターンを含み、
前記第１偏光方向は、前記ライン状のパターンの長手方向に沿う偏光方向であり、前記第２偏光方向は、前記ライン状のパターンの該長手方向に直交する短手方向に沿う偏光方向であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の評価装置。
【請求項６】
前記照明部は前記被検基板の表面を円偏光の光で照明することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の評価装置。
【請求項７】
前記照明部は前記被検基板の表面を右回りの円偏光の光または左回りの円偏光の光で照明する円偏光切り換え部を有し、
前記検出部は、前記照明部からの右回りの円偏光の光および左回りの円偏光の光の照明によりそれぞれ前記被検基板の表面で反射した光に基づいて、前記１反射特性および前記第２反射特性を検出し、
前記評価部は、前記検出部で検出された前記第１反射特性および前記第２反射特性に基づいて前記パターンの評価を行うことを特徴とする請求項６に記載の評価装置。
【請求項８】
前記照明部は前記被検基板の表面を直線偏光の光で照明することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の評価装置。
【請求項９】
前記照明部は前記被検基板の表面を照明する光の偏光方向を切り換える直線偏光切り換え部を有し、
前記検出部は、前記照明部からの偏光方向が異なる第１および第２の直線偏光の光の照明によりそれぞれ前記被検基板の表面で反射した光に基づいて、前記第１反射特性および前記第２反射特性を検出し、
前記評価部は、前記検出部で検出された前記第１反射特性および前記第２反射特性に基づいて前記パターンの評価を行うことを特徴とする請求項８に記載の評価装置。
【請求項１０】
前記照明部により前記被検基板の表面に照明される光から参照光を分岐する分岐部材と、
前記被検基板の表面からの反射光と前記参照光との光路長差を変化させる駆動部と、を備え、
前記検出部は、前記駆動部により前記光路長差が互いに異なる複数の値に設定されたときに、それぞれ前記被検基板の表面からの反射光と前記参照光との干渉光を検出し、該検出される干渉光に基づいて、前記被検基板の表面からの反射光の前記第１反射特性としての第１位相情報および前記第２反射特性としての第２位相情報を検出し、
前記評価部は、前記検出部によって検出された前記第１位相情報および前記第２位相情報に基づいて、前記パターンの評価を行うことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の評価装置。
【請求項１１】
前記評価部は、前記検出部によって検出された前記第１反射特性もしくは前記第２反射特性、または前記第１反射特性と前記第２反射特性に基づいて求められる前記第１偏光方向の光と前記第２偏光方向の光との位相差を、それぞれ良品パターンに関して予め検出されている前記前記第１反射特性もしくは前記第２反射特性、または該第１反射特性と該第２反射特性に基づいて求められる前記第１偏光方向の光と前記第２偏光方向の光との位相差と比較し、該比較結果に基づいて前記パターンの良否を判定することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の評価装置。
【請求項１２】
前記照明部は、前記被検基板の表面の全面を一括して照明することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の評価装置。
【請求項１３】
前記照明部は、前記被検基板の表面の一部を照明し、
前記被検基板の表面の一部を照明する光が前記表面の全面に順次照射されるように、前記被検基板を照明する領域と前記被検基板とを相対移動する相対移動部を備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の評価装置。
【請求項１４】
表面にパターンが形成された被検基板の前記表面を偏光光で照明することと、
前記偏光光の照明により前記被検基板の表面で反射した光に基づいて、第１偏光方向の第１反射特性と、該第１偏光方向と異なる第２偏光方向の第２反射特性とを検出することと、
検出された前記第１反射特性および前記第２反射特性に基づいて、前記パターンの評価を行うことと、
を含むことを特徴とする評価方法。
【請求項１５】
前記第１反射特性および前記第２反射特性は、前記被検基板の表面で反射した光の強度情報および位相情報の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１４に記載の評価方法。
【請求項１６】
前記検出された前記第１反射特性および前記第２反射特性に基づいて、前記パターンの評価を行うことは、
前記第１反射特性と前記第２反射特性に基づいて、前記第１偏光方向の光と前記第２偏光方向の光との位相差を検出することと、
検出された前記位相差に基づいて、前記パターンの評価を行うことと、を含むことを特徴とする請求項１４又は１５に記載の評価方法。
【請求項１７】
前記第１偏光方向と前記第２偏光方向とは直交することを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の評価方法。
【請求項１８】
前記パターンはライン状のパターンを含み、
前記第１偏光方向は、前記ライン状のパターンの長手方向に沿う偏光方向であり、前記第２偏光方向は、前記ライン状のパターンの該長手方向に直交する短手方向に沿う偏光方向であることを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の評価方法。
【請求項１９】
前記被検基板の表面を偏光光で照明することは、前記被検基板の表面を円偏光の光で照明することを含むことを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の評価方法。
【請求項２０】
前記被検基板の表面を偏光光で照明することは、前記被検基板の表面を右回りの円偏光の光または左回りの円偏光の光で照明することを含み、
前記第１反射特性と前記第２反射特性とを検出することは、前記右回りの円偏光の光および前記左回りの円偏光の光の照明によりそれぞれ前記被検基板の表面で反射した光に基づいて、前記１反射特性および前記第２反射特性を検出することを含むことを特徴とする請求項１９に記載の評価方法。
【請求項２１】
前記被検基板の表面を偏光光で照明することは、前記被検基板の表面を直線偏光の光で照明することを含むことを特徴とする請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の評価方法。
【請求項２２】
前記被検基板の表面を偏光光で照明することは、偏光方向が異なる第１および第２の直線偏光の光で順次、前記被検基板の表面を照明することを含み、
前記第１反射特性と前記第２反射特性とを検出することは、前記第１および第２の直線偏光の光の照明によりそれぞれ前記被検基板の表面で反射した光に基づいて、前記第１反射特性および前記第２反射特性を検出することを含むことを特徴とする請求項２１に記載の評価方法。
【請求項２３】
前記被検基板の表面に照明される光から参照光を分岐することと、
前記被検基板の表面からの反射光と前記参照光との光路長差を変化させることと、を含み、
前記第１反射特性と前記第２反射特性とを検出することは、
前記光路長差が互いに異なる複数の値に設定されたときに、それぞれ前記被検基板の表面からの反射光と前記参照光との干渉光を検出することと、
該検出される干渉光に基づいて、前記被検基板の表面からの反射光の前記第１反射特性としての第１位相情報および前記第２反射特性としての第２位相情報を検出することと、を含み、
前記パターンの評価を行うことは、検出された前記第１位相情報および前記第２位相情報に基づいて、前記パターンの評価を行うことを含むことを特徴とする請求項１４〜２２のいずれか一項に記載の評価方法。
【請求項２４】
前記パターンの評価を行うことは、
検出された前記第１反射特性もしくは前記第２反射特性、または前記第１反射特性と前記第２反射特性に基づいて求められる前記第１偏光方向の光と前記第２偏光方向の光との位相差を、それぞれ良品パターンに関して予め検出されている前記前記第１反射特性もしくは前記第２反射特性、または該第１反射特性と該第２反射特性に基づいて求められる前記第１偏光方向の光と前記第２偏光方向の光との位相差と比較し、該比較結果に基づいて前記パターンの良否を判定することを含むことを特徴とする請求項１４〜２３のいずれか一項に記載の評価方法。
【請求項２５】
前記被検基板の表面を偏光光で照明することは、前記被検基板の表面の全面を一括して照明することを含むことを特徴とする請求項１４〜２４のいずれか一項に記載の評価方法。
【請求項２６】
前記被検基板の表面を偏光光で照明することは、
前記被検基板の表面の一部を照明することと、
前記被検基板の表面の一部を照明する光が前記被検基板の表面の全面に順次照射されるように、前記被検基板を照明する領域と前記被検基板とを相対移動することと、を含むことを特徴とする請求項１４〜２４のいずれか一項に記載の評価方法。
【請求項２７】
基板の表面にパターンを設けるリソグラフィ工程を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記リソグラフィ工程内で、前記基板の表面のパターンを評価するために、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の評価装置を用いることを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項２８】
基板の表面にパターンを設けるリソグラフィ工程を有する半導体デバイスの製造方法であって、
前記リソグラフィ工程内で、前記基板の表面のパターンを評価するために、請求項１４〜２６のいずれか一項に記載の評価方法を用いることを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検基板の表面に形成されたパターンの評価を行う評価技術、及びこの評価技術を用いる半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、半導体ウェハや液晶基板などの基板の表面に形成された繰り返しパターン（例えば配線パターンなどのライン・アンド・スペースパターン）の欠陥検査が評価装置によって行われる。
従来の評価装置として、パターンが形成された被検基板の表面を直線偏光により照明し、その繰り返しパターン（被検基板の表面）から発生した正反射光のうち、その直線偏光の入射時の振動面に垂直な偏光成分を抽出し、この抽出された光により結像されたその被検基板の像に基づいて、その繰り返しパターンの欠陥を検出する装置が使用されている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、微細なパターンにおける複屈折（いわゆる構造性複屈折）を用いて、そのパターンの欠陥を検査するものであり、繰り返しパターンの周期が例えば検出用の光の波長に比べて小さい場合でも、その繰り返しパターンの欠陥を検査できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７２９８４７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、半導体ウェハや液晶基板では、基板に形成された繰り返しパターンの欠陥を高精度に検査又は評価することが好ましい。
本発明の態様は、このような事情に鑑み、基板の表面に形成されたパターンを高精度に評価することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の態様によれば、表面にパターンが形成された被検基板のその表面を偏光光で照明する照明部と、その照明部の照明によりその被検基板の表面で反射した光に基づいて、第１偏光方向の第１反射特性と、該第１偏光方向と異なる第２偏光方向の第２反射特性とを検出する検出部と、その検出部によって検出されたその第１反射特性およびその第２反射特性に基づいて、そのパターンの評価を行う評価部と、を備える評価装置が提供される。
【０００６】
第２の態様によれば、表面にパターンが形成された被検基板のその表面を偏光光で照明することと、その偏光光の照明によりその被検基板の表面で反射した光に基づいて、第１偏光方向の第１反射特性と、該第１偏光方向と異なる第２偏光方向の第２反射特性とを検出することと、検出されたその第１反射特性およびその第２反射特性に基づいて、そのパターンの評価を行うことと、を含む評価方法が提供される。
【０００７】
第３の態様によれば、基板の表面にパターンを設けるリソグラフィ工程を有する半導体デバイスの製造方法であって、そのリソグラフィ工程内で、その基板の表面のパターンを評価するために、本発明の態様の評価装置又は評価方法を用いるデバイス製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の態様によれば、被検基板の表面に形成されたパターンをより高精度に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る評価装置の全体構成を示す図である。
【図２】（ａ）は評価対象のウェハを示す平面図、（ｂ）は繰り返しパターンの凹凸構造を示す拡大斜視図、（ｃ）は検出される光の偏光方向と繰り返しパターンの周期方向（又は繰り返し方向）との関係を示す図である。
【図３】（ａ）は構造性複屈折による見かけの屈折率の変化の一例を示す図、（ｂ）は構造性複屈折による振幅反射率の変化の一例を示す図である。
【図４】（ａ）は良品範囲を求める方法の一例を示すフローチャート、（ｂ）は評価方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】変形例の光学系を示す斜視図である。
【図６】他の変形例の光学系を示す図である。
【図７】（ａ）は第２の実施形態に係る評価装置の全体構成を示す図、（ｂ）は図７（ａ）中のウェハを示す平面図である。
【図８】（ａ）は第２の実施形態に係る変形例を示す図、（ｂ）は図８（ａ）中のウェハを示す平面図である。
【図９】（ａ）は第２の実施形態に係る他の変形例を示す図、（ｂ）は図９（ａ）中のウェハを示す平面図である。
【図１０】（ａ）は第３の実施形態に係る評価装置の光学系を示す図、（ｂ）は図１０（ａ）中のウェハを示す平面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る変形例を示す図である。
【図１２】半導体デバイスの製造方法の一例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】
【００１０】
[第１の実施形態]
本発明の第１の実施形態につき図１〜図４（ｂ）を参照して説明する。図１は本実施形態に係る評価装置５０を示す。図１において、評価装置５０は、略円板形の半導体ウェハ（以下、ウェハと称する）９を例えば真空吸着等で吸着して保持するステージ５８と、例えばウェハ９の外形及び／又はウェハ９の表面に形成されたアライメントマーク（不図示）を検出することによって、ウェハ９の中心位置及び回転角を検出するアライメント系（不図示）とを備えている。以下、ステージ５８の上面に平行な面（本実施形態では水平面である）において、互いに直交する２つの方向に沿ってＸ軸及びＹ軸を取り、Ｘ軸及びＹ軸を含む面であるＸＹ面に垂直な方向にＺ軸を取って説明する。また、Ｘ軸（Ｙ軸、Ｚ軸についても同様）に平行な方向をＸ方向として説明する。本実施形態では、ステージ５８に載置された状態のウェハ９の表面（以下、ウェハ面とも称する）は、ＸＹ面に平行であり、ウェハ面の法線方向はＺ方向である。
【００１１】
本実施形態の評価装置５０は、例えばアライメント系の検出結果に応じて、ウェハ９の回転角を調整するために、ステージ５８の上面の法線（本実施形態ではＺ軸に平行な直線）を回転軸としてステージ５８を回転する回転機構（不図示）を備えている。
また、ウェハ面には、図２（ａ）に示すように、露光装置（不図示）による露光によりマスクのパターンを単位とする露光対象の領域６１が所定の間隔で形成される。以下、この露光対象の領域６１をショット６１と称する。例えば、複数のショット６１が直交する２つの方向（例えば、Ｘ方向及びＹ方向）にそれぞれ所定間隔で配列される。ショット６１にはマスクのパターンが１つだけ露光されたものがある一方、マスクのパターンが複数、繋ぎ合わされて露光されたものもある。
【００１２】
一例として各ショット６１には、図２（ｂ）の要部の拡大斜視図で示すように、半導体デバイスの回路パターンとしてＹ方向を長手方向とする複数のライン状のパターン（以下、ライン部と称する）６４Ａが、Ｘ方向に沿って一定のピッチ（周期）Ｐで繰り返し形成されている。ここで、ある方向に沿って所定の基本パターンをほぼ一定のピッチで繰り返して配列して得られるパターンを全体として繰り返しパターンと称する。また、その基本パターンが繰り返して配列される方向をその繰り返しパターンの周期方向又は繰り返し方向と称する。
【００１３】
本実施形態において、複数のライン部６４Ａは、全体としてＸ方向を周期方向（繰り返し方向）とする繰り返しパターン６２を構成している。なお、複数のライン部６４Ａと、これらのライン部６４Ａ間の複数のスペース部６４Ｂとは、Ｘ方向を周期方向とするライン・アンド・スペースパターンを形成しているとみなすこともできる。なお、繰り返しパターンの構成要素（基本パターン）は、ライン状のパターンに限らず、ホール状のパターンであってもよいし、デバイスの製造工程で形成されるパターンであればどのような形状のパターンであってもよい。
【００１４】
また、図２（ｂ）の繰り返しパターン６２のライン部６４Ａは例えばレジストパターン等の誘電体を材料とするパターン（例えば、レジストの塗布、露光、及び現像後に形成されるパターン）でもよく、金属を材料とするパターン（例えばレジストパターンをマスクとしたエッチング後に形成されるパターン）でもよく、スペース部６４Ｂにライン部６４Ａとは異なる材料（誘電体等）が充填されているパターンでもよい。また、露光工程を含むリソグラフィ工程を経て最終的に単独のデバイスとなる領域（いわゆる、チップ）は、ショット６１内に複数存在することもあれば、１つのショット６１が１つのチップとなる場合もある。なお、一つのショット６１中には複数のチップ領域が含まれていることが多いが、図２（ａ）では分かりやすく一つのショット６１中に一つのチップ領域があるものとしている。また、図１のウェハ面には、図２（ａ）の複数のショット６１のうち、代表的に一つのショット６１中の繰り返しパターン６２が図示されている。
【００１５】
図１において、評価装置５０は、ウェハ面に形成された繰り返しパターン６２の検査用の光（以下、検査光と称する）Ｌ１でウェハ面を照明する照明系５１と、照明系５１からの照明によりウェハ面で反射した光Ｌ２を受光して繰り返しパターン６２における所定の反射特性（例えば反射光の強度、入射光強度に対する反射光強度比すなわち反射光の強度反射率、入射光の振幅に対する反射光の振幅比すなわち反射光の振幅反射率、反射光の位相の変化量、２つの互いに異なる偏光方向に偏光した反射光の強度若しくは振幅反射率の差、又は２つの互いに異なる偏光方向に偏光した反射光の位相の変化量の差）を検出する検出系５２と、検出系５２によって検出されたその反射特性に基づいて、例えば繰り返しパターン６２の異常の有無を評価する判定部５６（評価部）と、を備えている。ここで、パターンの異常とは、例えば、製造されたデバイスがその異常により正常に動作しない恐れが生じるようなパターンの欠陥である。具体的には例えば、パターンの形状が適正範囲を外れている状態、パターンが倒れた状態、パターンに欠損がある状態、パターンのピッチが適正範囲を外れている状態、及びパターンに付着物がある状態などである。
【００１６】
照明系５１は、例えばメタルハライドランプ又は水銀ランプ等よりなる光源１と、光源１から発生する光を集光するコンデンサレンズ２と、コンデンサレンズ２で集光された光の光路上に順に配置された光学フィルタ３、偏光板４、１／４波長板５、及び中央にピンホール６ａが形成されたピンホール板６とを有する。光源１からピンホール板６までの光学系の光軸は、Ｘ軸に平行である。
【００１７】
光学フィルタ３は、光源１からの光のうち、ウェハ面の繰り返しパターン６２の検査に用いる所定の波長又は波長帯域の光のみを透過させる。光学フィルタ３を透過した光は、偏光板４を透過して所定の方向の直線偏光の光となり、この光は、１／４波長板５を介して円偏光に変換される。直線偏光を円偏光に変換するには、偏光板４を透過した直線偏光の光の偏光方向（偏光板４の透過軸の方向）と１／４波長板５の結晶方位とが所定の角度（例えば４５度）で交差している必要がある。一例として、偏光板４と１／４波長板５とは、射出される光が円偏光になる状態で、接着によって固定されている。１／４波長板５を通過した円偏光の光は、ピンホール板６のピンホール６ａを含む領域に集光される。ウェハ面に入射する検査光Ｌ１は、光源１からの光のうち、光学フィルタ３によって選択された波長又は波長帯域を持ち、かつ偏光板４及び１／４波長板５によって、所定の偏光状態（本実施形態では円偏光）に設定されている。
【００１８】
また、照明系５１は、ピンホール６ａを通過した光Ｌの一部（ほぼ１／２）をウェハ面に向けて（−Ｚ方向に）反射する、偏光特性のないプリズム型のビームスプリッタ（以下、無偏光プリズムと称する）７と、無偏光プリズム７で反射された光である検査光Ｌ１をウェハ面に照射する対物レンズ８とを有する。無偏光プリズム７においては、入射する光の偏光状態と、無偏光プリズム７で反射される光、又は無偏光プリズム７を透過する光の偏光状態とは同じである。このため、無偏光プリズム７で反射された検査光Ｌ１は円偏光である。また、無偏光プリズム７は、−Ｘ方向に入射する光の一部を−Ｚ方向に反射する角度に反射面が設定されている。
【００１９】
一例として、対物レンズ８の光軸ＡＸはＺ軸に平行であり、ピンホール６ａは、無偏光プリズム７を介して対物レンズ８の前側焦点位置又はこの近傍の位置に配置されている。このため、対物レンズ８から射出される検査光Ｌ１は、実質的にＺ軸に平行な平行光束として、かつ円偏光で、ステージ５８の上面に保持されたウェハ９の表面の全面に入射角（ここでは、ウェハ面の法線に対する角度）が実質的に０度（垂直入射）の状態で入射する。なお、本明細書におけるウェハ面の全面とは、ウェハ面のうちで評価対象の全ての繰り返しパターンが形成されている領域を少なくとも含む領域を意味する。
【００２０】
また、検出系５２は、対物レンズ８、無偏光プリズム７、及び無偏光プリズム７に対して＋Ｚ方向に配置された受光系開口絞り１０を有する。検査光Ｌ１の入射によってウェハ面で正反射又は回折された光は、対物レンズ８を介して無偏光プリズム７に入射し、入射した光の一部（ほぼ１／２）が無偏光プリズム７を＋Ｚ方向に透過して受光系開口絞り１０に入射する。迷光の侵入を避けるために設けられた受光系開口絞り１０の開口１０ａは、対物レンズ８の前側焦点位置又はこの近傍の位置に配置されている。このため、ウェハ面で正反射又は回折した光のうち、正反射されて実質的にＺ軸に平行な光Ｌ２のみが受光系開口絞り１０の開口１０ａを通過する。本実施形態では、ウェハ面に入射する光Ｌ１の入射角は実質的に０度であるため、光Ｌ２の反射角（ここでは、ウェハ面の法線に対する角度）も実質的に０度である。
【００２１】
ただし、ウェハ面に形成されている繰り返しパターン６２における構造性複屈折（詳細後述）によって、繰り返しパターン６２が形成されている部分で反射された光Ｌ２の偏光状態は、入射時の偏光状態（ここでは円偏光）とは異なっている。そして、無偏光プリズム７を透過した光Ｌ２の偏光状態は、ウェハ面で反射されたときの偏光状態と同じである。
【００２２】
また、検出系５２は、受光系開口絞り１０の開口１０ａを＋Ｚ方向に通過した光の光路に沿って配置された無偏光プリズム２０を有する。無偏光プリズム２０は、受光系開口絞り１０を介して＋Ｚ方向に入射する光の一部（ほぼ１／２）を−Ｘ方向に反射する角度に反射面が設定されている。そして、検出系５２は、無偏光プリズム２０でほぼ−Ｘ方向に反射された光Ｌ３を、互いに偏光方向が直交する２つの直線偏光の光Ｌ３Ａ及びＬ３Ｂに分岐する偏光面を有するプリズム型の偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと称する）１１ａと、光Ｌ３Ａ及びＬ３Ｂを集光してそれぞれウェハ面の像を形成する結像レンズ１２ｂ及び１２ａと、それぞれ結像レンズ１２ｂ及び１２ａの像面に配置されてウェハ面の像を撮像する撮像素子１３ｂ及び１３ａとを有する。なお、図１において、結像レンズは、光Ｌ３Ａ及びＬ３Ｂのそれぞれの光路上に一つずつ設けられているが複数の屈折光学素子や反射光学素子等で構成されてもよい。
【００２３】
ＰＢＳ１１ａの偏光面は、無偏光プリズム２０を介して−Ｘ方向に入射する光のうちのｓ偏光成分（入射面に垂直な方向に電気ベクトルが振動している光）を、−Ｚ方向に反射する角度に設定されている。このため、ＰＢＳ１１ａで反射されて撮像素子１３ｂに向かう光Ｌ３Ａは、図２（ｃ）に示すように、ウェハ面上で、Ｙ方向、すなわち繰り返しパターン６２を構成するライン部６４Ａの長手方向に沿う方向（以下、第１偏光方向と称する）６６Ａを偏光方向とする直線偏光である。一方、ＰＢＳ１１ａを透過して撮像素子１３ａに向かう光Ｌ３Ｂ（すなわち、ｐ偏光成分）は、ウェハ面上で、Ｘ方向、すなわちライン部６４Ａの長手方向に直交する短手方向に沿う方向（以下、第２偏光方向と称する）６６Ｂを偏光方向とする直線偏光である。
【００２４】
また、検出系５２は、無偏光プリズム２０をほぼ＋Ｚ方向に透過した光Ｌ４を、互いに偏光方向が直交する２つの直線偏光の光Ｌ４Ａ及びＬ４Ｂに分岐する偏光面を有するプリズム型のＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１１ｂと、光Ｌ４Ａ及びＬ４Ｂを集光してそれぞれウェハ面の像を形成する結像レンズ１２ｄ及び１２ｃと、それぞれ結像レンズ１２ｄ及び１２ｃの像面に配置されてウェハ面の像を撮像する撮像素子１３ｄ及び１３ｃと、撮像素子１３ａ〜１３ｄから出力される画像信号を処理して繰り返しパターン６２の反射特性を求める信号処理部５４とを有する。
【００２５】
ＰＢＳ１１ｂの偏光面は、無偏光プリズム２０を介して＋Ｚ方向に入射する光のｓ偏光成分を、＋Ｘ方向に対して反時計回りに４５度傾斜した方向に反射する角度に設定されている。このため、ＰＢＳ１１ｂを透過して撮像素子１３ｄに向かう光Ｌ４Ａは、図２（ｃ）に示すように、ウェハ面上で、Ｘ軸に対して反時計回りに４５度傾斜した方向（以下、第３偏光方向と称する）６６Ｃを偏光方向とする直線偏光である。一方、ＰＢＳ１１ｂで反射されて撮像素子１３ｃに向かう光Ｌ４Ｂは、ウェハ面上で、Ｘ軸に対して時計回りに４５度傾斜した方向（以下、第４偏光方向と称する）６６Ｄを偏光方向とする直線偏光である。
【００２６】
また、撮像素子１３ａ〜１３ｄとしては、ＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型等の２次元の撮像素子が使用できる。撮像素子１３ａ〜１３ｄの撮像面とウェハ面とは、それぞれ結像レンズ１２ａ〜１２ｄ及び対物レンズ８に関して光学的に共役であり、撮像素子１３ａ〜１３ｄの撮像面にはそれぞれウェハ面の全面の像が一括して形成される。撮像素子１３ｂ，１３ａ，１３ｄ，１３ｃで撮像される像は、それぞれウェハ面上での偏光方向が図２（ｃ）の第１、第２、第３、及び第４偏光方向６６Ａ，６６Ｂ，６６Ｃ，６６Ｄである直線偏光成分によって形成される像である。なお、信号処理部５４及び判定部５６は、同じコンピュータの互いに異なるソフトウェア上の機能であってもよい。
【００２７】
また、一例として、本実施形態の評価装置５０は、不図示のコータ・デベロッパ、露光装置、及びエッチング装置等を含むデバイス製造システムの一部である。そのデバイス製造システムには、工程管理等を行うホストコンピュータ（不図示）が含まれており、評価装置５０の判定部５６はそのホストコンピュータに接続されており、一例として、判定部５６の判定結果はそのホストコンピュータに供給される。
【００２８】
次に、本実施形態の評価装置５０において、撮像素子１３ａ〜１３ｄの画像信号に基づいてウェハ９に形成された繰り返しパターン６２を評価する方法につき説明する。
まず、本実施形態では繰り返しパターン６２に入射する検査光Ｌ１は円偏光であり、検査光Ｌ１のＸ方向及びＹ方向の振幅（ここでは複素振幅、以下同様）をａξ，ａηとすると、検査光Ｌ１が左回り又は右回り（図２（ｃ）の場合）の円偏光の場合、その振幅（ａξ，ａη）はそれぞれ次の式（１）又は式（２）のように表すことができる。ここで、ｔは時間、ωは光の振動の角周波数を表し、入射する光の強度は１であるとしている。
【００２９】
2015102400.tif 000003
また、入射する光に対する繰り返しパターンの構造性複屈折(Form Birefringence)とは、繰り返しパターンの異方性に起因して、繰り返しパターンに入射する光の偏光方向に依存して、入射する光に対してその繰り返しパターンの屈折率が異なるように作用することを意味する。この構造性複屈折につきより詳細に説明する。一般に複屈折は、光を伝搬する物質の結晶性が原因で、入射する偏光の偏光面の方位により屈折率が異なって見える現象であるが、結晶性などのない光学的に均質な物質であっても、ライン・アンド・スペースパターンのような方向に依存性のあるパターンが形成されていると、パターンの繰り返されている方向と、それに直交する方向でパターンの繰り返しのない方向とでは光の電場に対する応答特性が異なり、複屈折が観察される。このように物質の配列などの構造に起因する複屈折が構造性複屈折である。
【００３０】
本実施形態の評価装置５０は、構造性複屈折による繰り返しパターンからの反射光の変化を直接的に求めるものである。すなわち、評価装置５０は、構造性複屈折により変化するパターンの繰り返し方向（偏光方向６６Ｂ）における光強度又は振幅反射率等、及び繰り返し方向と直交する方向（偏光方向６６Ａ）における光強度又は振幅反射率等を直接的に求める。本実施形態において、入射する検査光Ｌ１に対する繰り返しパターン６２の構造性複屈折に起因して、互いに偏光方向が異なる２つの偏光成分の反射光の光強度若しくはこれらの差、強度反射率（いわゆる反射率）若しくはこれらの差、振幅反射率若しくはこれらの差、及び／又はその２つの偏光成分の反射光の位相若しくはこれらの差（位相差）が変化する。
【００３１】
ここで、入射する検査光Ｌ１のうち、繰り返しパターン６２の繰り返し方向である第２偏光方向６６Ｂに偏光した偏光成分に対する繰り返しパターン６２の振幅反射率をｒTM、この偏光成分に対する繰り返しパターン６２による反射光の位相の変化量をφTMとする。さらに、ライン部６４Ａに平行な方向（長手方向）である第１偏光方向６６Ａに偏光した偏光成分に対する振幅反射率をｒTE、この偏光成分に対する位相の変化量をφTEとする。この場合、構造性複屈折に起因する反射光の振幅反射率の差は（ｒTM−ｒTE）、偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した２つの反射光の位相の変化量の差は（φTM−φTE）となる。
【００３２】
なお、検査光Ｌ１のうちの偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した偏光成分の位相はほぼ互いに等しいとみなすことができる。この場合、偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した２つの反射光の位相の変化量の差はそれらの反射光間の位相差となるため、以下では、その位相の変化量の差（φTE−φTM）を単に位相差と称する。
また、ウェハ面で反射される光Ｌ２のＸ方向及びＹ方向の振幅をａξ，ａηとすると、この振幅（ａξ，ａη）は、上述の式（１）、式（２）、振幅反射率ｒTE，ｒTM、及び位相の変化量φTE，φTMを用いて次のように計算できる。
【００３３】
2015102400.tif 000004
また、本実施形態の評価装置５０において、撮像素子１３ａで撮像される像は、第２偏光方向６６Ｂに偏光した光Ｌ３Ｂ（ウェハ面で、式（３）のＸ方向の振幅ａξを持ち、Ｙ方向の振幅が０の偏光成分）による像であり、撮像素子１３ｂで撮像される像は、第１偏光方向６６Ａに偏光した光Ｌ３Ａ（ウェハ面で、（式（４）のＹ方向の振幅ａηを持ち、Ｘ方向の振幅が０の偏光成分）による像である。
【００３４】
撮像素子１３ａ，１３ｂで検出できるのは光強度（振幅の絶対値の２乗）である。撮像素子１３ａ，１３ｂで検出される像の光強度Ｉa，Ｉbは、それぞれ次式で表される。なお、ウェハ面に入射する検査光Ｌ１の強度を任意の値とした場合、以下の光強度には、それぞれその検査光Ｌ１の強度（振幅の絶対値の２乗）が乗じられることになる。
【００３５】
2015102400.tif 000005
上述のように構造性複屈折は、物質の配列などの構造に起因する複屈折である。また、本実施形態で検査光が照射される繰り返しパターンがレジストパターンである場合、その繰り返しパターンは、コータ・デベロッパによるレジストの塗布、露光装置による露光、及びコータ・デベロッパによる現像を経て形成される。この場合、露光装置において、例えば露光量が適正値から外れると、繰り返しパターンの形状が目標とする形状に対して変化するため、繰り返しパターンにおける構造性複屈折が変化する。このため、構造性複屈折の変化に起因して変化する反射特性（ここでは、反射光の強度、２つの異なる偏光方向の反射光間の振幅反射率の差、及び／又はその反射光間の位相差等）を検出することによって、繰り返しパターンの異常の有無を評価できる。
【００３６】
また、繰り返しパターンが金属を材料とするパターンである場合、その繰り返しパターンは、例えば、上述のようにレジストの塗布、露光、及び現像を経て形成されるレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって形成されている。この場合にも、この場合、露光装置において、例えば露光量が適正値から外れると、レジストパターンの形状が目標とする形状に対して変化し、このレジストパターンをマスクとして形成される繰り返しパターンの形状も変化する。そして、この繰り返しパターンの構造性複屈折が変化するため、構造性複屈折の変化に起因して変化する反射特性を検出することによって、その繰り返しパターンの異常の有無を評価できる。
また、本実施形態は、一例として検査光が照射される繰り返しパターンの構造としての形状をライン部の線幅及びスペース部の線幅で表すものとする。これは、以下で説明するように、繰り返しパターンの周期方向及び周期方向に直交する方向の見かけの屈折率をライン部の線幅及びスペース部の線幅の比率で表すことができることに基づいている。
【００３７】
ここで、図２（ｂ）に示す繰り返しパターン６２において、ライン部６４Ａ（第１の物質）の誘電率をε1、周期方向（ここではＸ方向）の幅をｔ1として、スペース部６４Ｂ（第２の物質で、気体以外の物質が充填されていてもよい。）の誘電率をε2、周期方向の幅をｔ2とする。一例として、ライン部６４Ａの線幅ｔ1の設計値をピッチＰの１／２とする。設計値（すなわち、理想の値）通りに繰り返しパターン６２が形成された場合、ライン部６４Ａの線幅ｔ1とスペース部６４Ｂの線幅ｔ2とは等しくなり、ライン部６４Ａとスペース部６４Ｂとの線幅比は略１：１になり、それらの線幅の比率（ｔ2／ｔ1）は略１になる。これに対して、繰り返しパターン６２がレジストパターンである場合、繰り返しパターン６２を形成する際に、一例として、露光装置において、ウェハ面と投影光学系の像面とのオフセット（以下、フォーカス位置と称する）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６４Ａの線幅ｔ1が設計値とは異なり、線幅ｔ1がスペース部６４Ｂの線幅ｔ2とも異なってしまい、ライン部６４Ａとスペース部６４Ｂとの線幅比が略１：１から外れ、それらの線幅の比率が略１から外れて、繰り返しパターン６２の構造性複屈折が変化する。なお、ライン部６４Ａ及びスペース部６４ＢのＺ方向の高さが等しい場合、ライン部６４Ａとスペース部６４Ｂとの線幅の比率は、ライン部６４Ａとスペース部６４Ｂとの体積の比率と等しいため、繰り返しパターンの形状をライン部６４Ａとスペース部６４Ｂとの体積の比率で表しているとみなすことも可能である。
【００３８】
以下では、ライン部６４Ａを横切る方向（第２偏光方向６６Ｂ）に電場が振動する光をＴＭ波(Transverse Magnetic Wave)と呼び、ライン部６４Ａの長手方向に沿った方向（第１偏光方向６６Ａ）に電場が振動する光をＴＥ波(Transverse Electric Wave)と称する。
このとき、TM波に対しては、電場の振動方向に対して誘電率の異なる領域が直列に並んでおり、TE波に対しては、電場の振動方向に対して誘電率の異なる領域が並列に並んでいると考えられる。そこで及び波に対する繰り返しパターン６２の誘電率（以下、見かけの誘電率と称する）をεTM，εTEとすると、これらの見かけの誘電率は次のように表すことができる。
【００３９】
2015102400.tif 000006
式（７）及び（８）より、見かけの誘電率、ひいては下記の見かけの屈折率が線幅の比率（ｔ2／ｔ1）の関数で表されることが分かる。
すなわち、光の伝搬では屈折率は誘電率の平方根に比例するので、ＴＥ波、ＴＭ波に対する繰り返しパターン６２の屈折率（以下、見かけの屈折率と称する）をｎTE，ｎTMとすると、これらの見かけの屈折率は次のように表すことができる。
【００４０】
2015102400.tif 000007
また、本実施形態の検査光Ｌ１はウェハ面に実質的に垂直入射しており、垂直入射の場合のＴＥ波及びＴＭ波に対する振幅反射率ｒTE，ｒTMは、式（７）〜（１０）を用いて次のように表すことができる。
【００４１】
2015102400.tif 000008
これらのＴＥ波及びＴＭ波に対する振幅反射率ｒTE，ｒTMが、それぞれ上記の式（４）及び式（３）で使用されている第２偏光方向６６Ｂに偏光した光に対する繰り返しパターン６２の振幅反射率、及び第１偏光方向６６Ａに偏光した光に対する繰り返しパターン６２の振幅反射率となる。
【００４２】
ここで、図２（ａ）のライン部６４Ａが、屈折率ｎ１が１．５６のレジストパターンで、スペース部６４Ｂが空気（屈折率ｎ２＝１）で、繰り返しパターン６２のピッチＰ（＝ｔ1＋ｔ2）が１００ｎｍと一定の場合を考える。この場合、ライン部６４Ａの線幅ｔ1が変化したとき、式（９）及び（１０）で表されるＴＭ波に対する見かけの屈折率ｎTMを図３（ａ）中の実線で、ＴＥ波に対する見かけの屈折率ｎTEを図３（ａ）中の点線で示す。図３（ａ）において、ＴＥ波に対する見かけの屈折率ｎTMが屈折率ｎTEより小さいことから、繰り返しパターン６２の構造性複屈折が負の一軸性結晶による複屈折と同じように作用していることが分かる。
【００４３】
また、図３（ｂ）には、垂直入射でライン部６４Ａの線幅ｔ1が変化した場合のＴＭ波に対する繰り返しパターン６２の式（１１）で表される振幅反射率ｒTMを実線で、ＴＥ波に対する繰り返しパターン６２の式（１２）で表される振幅反射率ｒTEを点線で示す。図３（ｂ）より、ライン部６４Ａの線幅ｔ1が変化した場合、ＴＥ波及びＴＭ波に対する繰り返しパターン６２の振幅反射率が変化することが分かる。
【００４４】
また、振幅反射率が変化すると、その振幅反射率の絶対値の２乗（強度反射率）に比例して、撮像素子１３ａ，１３ｂで撮像されるウェハ面の像の画素毎の光強度が変化する。そこで、一例として、ステージ５８上に、パターンが形成されていない、実際のデバイス製造工程で使用するウェハと同様のウェハ（すなわち、ウェハ９であり、以下、基準部材と称する）を載置し、光源１の出力を実際の検査時の出力と同じ値に設定し、その基準部材を検査光Ｌ１で照明する。そして、その基準部材からの反射光による像を撮像素子１３ａ〜１３ｄで撮像し、撮像素子１３ａ〜１３ｄの各画素で検出される光強度をそれぞれ基準値として記憶する。なお、撮像素子１３ａ〜１３ｄの各画素で検出される光強度は、画像信号の大きさ又は輝度値によって表される。
【００４５】
その後、評価すべきパターンが形成されたウェハ９をステージ５８上に載置し、ウェハ９を検査光Ｌ１で照明し、ウェハ９からの反射光による像を撮像素子１３ａ〜１３ｄで撮像し、信号処理部５４において、撮像素子１３ａ〜１３ｄの各画素で検出される光強度をそれぞれ記憶してある上記の基準値で除算することで、各画素に対応する偏光方向に偏光した反射光の規格化された光強度（基準部材の反射光の光強度を基準とした光強度）を求めることができる。以下では、撮像素子１３ａ〜１３ｄを介して検出される反射光の光強度はこのように規格化された光強度を意味するものとする。
【００４６】
また、判定部５６では、一例として、撮像素子１３ｂ，１３ａで撮像される偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光による像のうち、撮像素子１３ｂ，１３ａの各画素で検出される光強度を、後述のように予め定められている光強度の許容範囲又は閾値（以下、良品範囲と称する）と比較する。良品範囲の求め方の一例については後述する。そして、偏光方向６６Ａ及び６６Ｂに偏光した反射光の光強度がそれぞれ対応する良品範囲内にあるときには、その画素に対応する領域内の繰り返しパターン６２には異常がないと判定し、その２つの光強度の少なくとも一方が対応する良品範囲から外れているときには、その領域内の繰り返しパターン６２には異常があると判定してもよい。
【００４７】
なお、光強度の平方根より実質的に振幅反射率の絶対値を計算できるため、撮像素子１３ｂ，１３ａで撮像される像から求められる光強度からＴＭ波及びＴＥ波の振幅反射率ｒTM，ｒTEの絶対値を求めてもよい。そして、これらの振幅反射率ｒTM，ｒTEの絶対値を対応する良品範囲（光強度の良品範囲の上限、下限、又は閾値の平方根から定められる範囲）と比較して、繰り返しパターン６２の異常の有無を評価してもよい。
【００４８】
また、実際のウェハ９上には複数の層が形成されており、最上層に形成された繰り返しパターン６２に検査光を照射すると、最上層よりも下の層（下地）からの反射光がノイズ光として撮像素子１３ａ〜１３ｄに入射するため、評価の精度に影響を及ぼす可能性がある。このような場合、より高精度に繰り返しパターン６２を評価するには、反射光のうちのＴＭ波（光Ｌ３Ｂ）及びＴＥ波（光Ｌ３Ａ）の光強度だけでなく、ＴＥ波及び／又はＴＭ波の位相変化等も検出してより多くの情報を取り込むことが好ましい。
【００４９】
このため、本実施形態では、ウェハ面からの反射光のうち、図２（ｃ）の第３偏光方向６６Ｃ（繰り返しパターン６２の周期方向に対して反時計回りに４５度傾斜した方向）に偏光した偏光成分（光Ｌ４Ａ）による像を撮像素子１３ｄで検出し、第４偏光方向６６Ｄ（その周期方向に対して時計回りに４５度傾斜した方向）に偏光した偏光成分（光Ｌ４Ｂ）による像を撮像素子１３ｃで検出している。この際に、検査光Ｌ１は円偏光であり、円偏光の光には、実質的に４つの偏光方向６６Ａ〜６６Ｄを含むあらゆる方向の偏光成分が含まれているため、検査光Ｌ１を用いることで、４つの偏光方向６６Ａ〜６６Ｄに偏光した反射光の像を同時に検出することができ、効率的な評価ができる。ここで、光Ｌ４Ａの第３偏光方向６６Ｃの偏光成分（これに直交した方向の偏光成分は０である）の振幅をａμ、光Ｌ４Ｂの第４偏光方向６６Ｄの偏光成分（これに直交した方向の偏光成分は０である）の振幅をａνとすると、これらの振幅は式（３）及び（４）の振幅ａξ及びａηを用いて次のように表すことができる。
【００５０】
2015102400.tif 000009
光Ｌ４Ａの光強度（振幅ａμの絶対値の２乗）をＩc、光Ｌ４Ｂの光強度（振幅ａνの絶対値の２乗）をＩdとすると、式（１３）及び（１４）を用いてこれらの光強度は次式で表すことができる。
【００５１】
2015102400.tif 000010
これらの光強度は、撮像素子１３ｄ及び１３ｃで撮像される像の各画素の画像信号又は輝度値として求められるとともに、一例として上記の基準部材の反射光の光強度を用いて規格化されている。
また、式（１５）及び（１６）中には、ＴＭ波（光Ｌ３Ｂ）の位相の変化量φTMと、ＴＥ波（光Ｌ３Ａ）の位相の変化量φTEとの差（位相差）Δφ（＝φTM−φTE）が含まれている。また、式（１５）及び（１６）中の振幅反射率ｒTM，ｒTEの絶対値は、それぞれ撮像素子１３ａ及び１３ｂで撮像される像からそれぞれ上述のように求められるＴＭ波（光Ｌ３Ｂ）及びＴＥ波（光Ｌ３Ａ）の光強度の平方根として計算できる。
【００５２】
この結果、式（１５）及び（１６）中の未知数は位相差Δφ、及び振幅反射率ｒTM，ｒTEの符号のみになるため、信号処理部５４は、画素毎に式（１５）及び（１６）からなる連立方程式を解くことによって位相差Δφを求めることができる。さらに、振幅反射率ｒTE，ｒTMの積の符号も求められるため、この符号及び振幅反射率ｒTE，ｒTMの絶対値から振幅反射率ｒTE，ｒTMの差Δｒ（＝ｒTM−ｒTE）の絶対値も求めることができる。
【００５３】
また、その位相差Δφは判定部５６に供給される。一例として、判定部５６では、撮像素子１３ａ，１３ｂの各画素の画像信号から求められる位相差Δφを、予め定められている位相差Δφの許容範囲又は閾値（以下、良品範囲と称する）と比較する。そして、その位相差Δφが良品範囲内にあるときには、その画素に対応する領域内の繰り返しパターン６２には異常がないと判定し、その位相差Δφが良品範囲から外れているときには、繰り返しパターン６２には異常があると判定してもよい。また、繰り返しパターン６２の膜厚によってその位相差Δφが変化するため、一例として、その位相差Δφによって、評価対象の繰り返しパターン６２の膜厚が許容範囲内にあるかどうかを評価することができる。
【００５４】
このように、本実施形態の評価装置５０においては、撮像素子１３ａ〜１３ｄで検出される像から４つの偏光方向６６Ａ〜６６Ｄに偏光した反射光の光強度が求められる。そして、これらの４つの光強度から、光Ｌ３Ｂ（ＴＭ波）及び光Ｌ３Ａ（ＴＥ波）の振幅反射率ｒTM，ｒTE（さらに、振幅反射率ｒTM，ｒTEの差Δｒの絶対値）、及び光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ間の位相差Δφを求めることができる。
【００５５】
なお、評価装置５０においては、検出系５２中の撮像素子１３ａ〜１３ｄによって検出される光Ｌ３Ｂ，Ｌ３Ａ，Ｌ４Ｂ，Ｌ４Ａの実際の偏光方向と、ウェハ面の繰り返しパターン６２の周期方向に応じて設定されている検出対象の偏光方向６６Ｂ，６６Ａ，６６Ｄ，６６Ｃとが必ずしも一致していないことがあり得る。
また、ウェハ面の繰り返しパターン６２の周期方向に対する検出系５２中のＰＢＳ１１ａ，１１ｂの配置誤差等によって、例えば撮像素子１３ａ，１３ｂで検出される光Ｌ３Ｂ，Ｌ３Ａの画像信号にそれぞれＴＭ波及びＴＥ波の成分が互いにノイズとして混入する恐れがある。この場合、ノイズとして混入する成分を未知数として、式（５）、（６）、（１５）、及び（１６）に加え、撮像素子１３ａ〜１３ｄで検出される光強度を既知の値として、式（５）、（６）、（１５）、及び（１６）よりなる連立方程式を解くことにより、一意的に未知数のノイズ成分を求めることができ、パターンをより高精度に評価することができる。
【００５６】
次に、本実施形態において、評価装置５０を用いてウェハ９に形成された繰り返しパターン６２の異常の有無の評価を行う方法の一例につき図４（ｂ）のフローチャートを参照して説明する。また、その評価に際して予め上述の良品範囲を求めておく必要があるため、まず、その良品範囲を求める方法の一例につき図４（ａ）のフローチャートを参照して説明する。なお、以下の説明では、繰り返しパターン６２はレジストパターンであるとする。
【００５７】
まず、図４（ａ）のステップ３０２において、図１の評価装置５０のステージ５８に条件振りウェハ（不図示）をロードする。条件振りウェハは、レジストを塗布した後、露光装置（不図示）において、露光量とフォーカス位置とをそれぞれ適正範囲を含む範囲内でマトリックス状に振りながら、多数のショットにマスクのパターンの像を露光し、現像によって各ショットに繰り返しパターン６２を形成した、いわゆるＦＥＭウェハ（Focus Exposure Matrix ウェハ）である。ＦＥＭウェハにレジストを塗布する際の膜厚及び膜厚の均一性の管理は、半導体デバイスとなるウェハの場合よりも厳密に行うようにしてもよい。さらに、ＦＥＭウェハに露光する場合の露光量及びフォーカス位置の制御は、半導体デバイスとなるウェハを露光する場合よりも高精度に行うようにしてもよい。さらに、不図示のアライメント系によって条件振りウェハの回転角が検出され、この検出結果に基づいて、繰り返しパターン６２の周期方向がＸ方向に平行になるようにステージ５８が回転される（評価対象のウェハ９の場合も同様）。
【００５８】
なお、露光量及びフォーカス位置の適正範囲を求めるため、一例として、露光装置（不図示）において、露光量及びフォーカス位置をそれぞれ設計上の適正範囲を含む範囲内で変化させてマスクのパターンの像を露光することによって、上述のＦＥＭウェハを製造する。そして、このＦＥＭウェハの現像後に得られる各ショットの繰り返しパターン６２（レジストパターン）の線幅（ライン部６４Ａの線幅）の平均値及び形状（線幅のばらつき、隣接するライン部６４Ａの連結の有無等）を例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等によって計測する。この計測の結果、内部の繰り返しパターン６２の線幅の平均値及び形状が設計値又は設計上の形状に対して許容範囲内にあると判定されたショットを露光したときの露光量及びフォーカス位置の範囲を、それぞれ露光量及びフォーカス位置の実際の適正範囲とすることができる。このように露光量及びフォーカス位置が適正範囲とされたショット内の繰り返しパターン６２は、異常のない良品パターンとみなすことができる。ここで、異常のないということは、製造後のデバイスが動作不良を起こさないと言い換えることができる。
【００５９】
次に、照明系５１によって、光源１からの円偏光の検査光Ｌ１で条件振りウェハを照明し（ステップ３０４）、検出系５２によって、条件振りウェハからの反射光のうち、第１、第２、第３、及び第４偏光方向６６Ａ〜６６Ｄに偏光した光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ，Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂによるウェハ面の像を撮像素子１３ｂ，１３ａ，１３ｄ，１３ｃで撮像し、これらの偏光した光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ，Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂの光強度Ｉa，Ｉb，Ｉc，Ｉdを画素毎に検出する（ステップ３０６）。
【００６０】
そして、信号処理部５４では、検出した光強度Ｉa，Ｉb，Ｉc，Ｉdを上記の式（５）、（６）、（１５）、（１６）に基づいて、偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ間の位相差Δφ（＝φTE−φTM）を算出し、これらの算出結果を判定部５６に供給する（ステップ３０８）。判定部５６では、一例として、条件振りウェハの露光量及びフォーカス位置が適正範囲とされた全部のショットに関して、ショット内で繰り返しパターン６２が形成されている部分において、検出された光強度Ｉa，Ｉb及び位相差Δφを平均化する。さらに、このように平均化された光強度Ｉa，Ｉbの最大値Ｉａ１，Ｉｂ１及び最小値Ｉａ２，ｉｂ２と、平均化された位相差Δφの最大値Δφ１及び最小値Δφ２とを算出する。このとき、一例として、光強度Ｉa，Ｉbの良品範囲は（Ｉａ１〜Ｉａ２）及び（Ｉｂ１〜Ｉｂ２）であり、位相差Δφの良品範囲は（Δφ１〜Δφ２）となる。なお、実際に使用する良品範囲は、これらの範囲（Ｉａ１〜Ｉａ２）等よりも狭い範囲であってもよい。これらの良品範囲は判定部５６内の記憶部に記憶される（ステップ３１０）。
【００６１】
次に、実際にデバイスとなるウェハ９に形成された繰り返しパターン６２の異常の有無の評価を行う方法の一例につき説明する。上述のように本実施形態の評価装置５０がその一部であるデバイス製造システムのうちのコータ・デベロッパ（不図示）によるレジストの塗布、露光装置（不図示）によるマスクのパターンの像の露光、及びそのコータ・デベロッパによる現像によって、ウェハ９の表面の各ショット６１に繰り返しパターン６２が形成される。ウェハ９の露光時には、その露光装置において露光量及びフォーカス位置はそれぞれ適正範囲内の所定の最適値に設定されているが、レジストの塗布むら及び露光不良等によって、ウェハ面の繰り返しパターン６２の一部に異常が生じている恐れがある。そこで、一例として、ウェハ９が次のパターン形成工程（ここでは不図示のエッチング装置によるエッチング工程）に移行する前に評価装置５０による評価を行う。
【００６２】
まず、図４（ｂ）のステップ３１２において、ステージ５８に、表面に繰り返しパターン６２が形成されたウェハ９をロードする。そして、照明系５１によって、検査光Ｌ１でウェハ９を照明し（ステップ３１４）、検出系５２によって、ウェハ９からの偏光方向６６Ａ〜６６Ｄに偏光した光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ，Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂ（反射光）の光強度Ｉa，Ｉb，Ｉc，Ｉdを検出する（ステップ３１６）。さらに、信号処理部５４では、検出した光強度Ｉa，Ｉb，Ｉc，Ｉdを用いて偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ間の位相差Δφを算出する（ステップ３１８）。これらの光強度及び位相差は、一例として、撮像素子１３ａ〜１３ｄの各画素に求められる。つまり、光強度及び位相差は、撮像素子１３ａ〜１３ｄの各画素に対応するウェハ面内の所定の領域（以下、評価単位領域と称する）毎に求められる。
【００６３】
判定部５６では、ウェハ９の表面の各ショット内の評価単位領域で求められた光強度Ｉa，Ｉb及び位相差Δφをそれぞれステップ３１０で求めた良品範囲と比較し、光強度Ｉa，Ｉb及び位相差Δφの少なくとも一つが対応する良品範囲から外れた場合、その評価単位領域に形成されている繰り返しパターン６２には異常があると判定する（ステップ３２０）。さらに、ウェハ９の全部のショット６１のうちに、繰り返しパターン６２に異常があると判定された評価単位領域（以下、異常部分と称する）を有するショットがある場合（ステップ３２２）、判定部５６は、このショットの位置、このショット内の異常部分の位置、並びにこの異常部分で検出された光強度Ｉa，Ｉb及び位相差Δφの値を異常情報として上述のホストコンピュータ（不図示）に出力する。
【００６４】
この異常情報は、例えば繰り返しパターン６２を形成する際に使用された上述のコータ・デベロッパ（不図示）及び／又は露光装置（不図示）にフィードバックされる。さらに、異常部分がある場合には、当該ウェハ９はリワーク工程に移行してもよい。リワーク工程とは、例えば、ウェハ９に形成されているレジストパターンを剥離し、レジストパターンが剥離されたウェハ９にレジストの塗布、露光、及び現像を行うことを意味する。ステップ３２２で、異常部分を有すると判定されたショット６１がない場合、当該ウェハ９には異常がない旨の情報がホストコンピュータに出力されて、当該ウェハ９の評価が終了し、ウェハ９は次工程に移行する。この評価方法によれば、２つの偏光方向に偏光した反射光の光強度及びその２つの反射光の位相差を含む多くの反射特性に基づいて繰り返しパターン６２の異常の有無を評価しているため、繰り返しパターン６２の異常の有無を高精度に評価できる。
【００６５】
上述のように、本実施形態の評価装置５０は、ウェハ９（被検基板）の繰り返しパターン６２が形成された表面を円偏光の検査光Ｌ１（偏光光）で照明する照明系５１（照明部）と、照明系５１の照明によりウェハ９の表面で反射した光に基づいて、第１偏光方向６６Ａに偏光した光Ｌ３Ａの光強度（第１反射特性の一例）と、第１偏光方向６６Ａに直交した第２偏光方向６６Ｂに偏光した光Ｌ３Ｂの光強度（第２反射特性の一例）とを検出する検出系５２（検出部）と、検出系５２によって検出された光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂの光強度に基づいて、繰り返しパターン６２の異常の有無の評価を行う判定部５６（評価部）と、を備えている。
【００６６】
また、評価装置５０による評価方法は、ウェハ９の表面を検査光Ｌ１で照明するステップ３１４と、検査光Ｌ１の照明によりウェハ９の表面で反射した光に基づいて、光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂの光強度（第１及び第２反射特性の一例）を検出するステップ３１６と、検出された光強度に基づいて繰り返しパターン６２の異常の有無の評価を行うステップ３２０，３２２とを有する。
【００６７】
この評価装置５０又は評価方法によれば、ウェハ９の表面からの２つの偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光（光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ）の反射特性に基づいて繰り返しパターン６２の異常の有無を評価しているため、繰り返しパターン６２の異常の有無を高精度に評価できる。
半導体デバイスは、ウェハ上に回路パターンの層（いわゆるレイヤ）を複数積層して形成されるが、最近はウェハ上に積層する層の数が増加しており、これに伴い半導体デバイスが製品化されるまでに必要な個々のウェハの欠陥検査の回数も増加している。このように個々のウェハの欠陥検査の回数が増加しても、本実施形態の評価装置５０又は評価方法によれば、検査対象の層の繰り返しパターンの欠陥をより高精度に検査又は評価することができ、異常のある繰り返しパターンを異常がないと判定する割合、及び逆に異常のない繰り返しパターンを異常があると判定する割合が減少するため、最終的に製造される半導体デバイスの歩留まりを向上できる。
【００６８】
また、検査光Ｌ１が円偏光であり、検査光Ｌ１には２つの偏光方向６６Ａ，６６Ｂを含むあらゆる方向に偏光した偏光成分が含まれているため、一回の照明で、２つの偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光の光強度を検出できる。
また、本実施形態では、ウェハ面の全面を検査光Ｌ１で照明し、検出系５２の撮像素子１３ａ〜１３ｄでは、ウェハ面の全面の像（４つの偏光成分による像）をそれぞれ一括して撮像しているため、繰り返しパターン６２の評価（検査）に必要な画像信号を効率よく収集することができる。
【００６９】
また、本実施形態の検出系５２は、ウェハ面からの反射光のうち、４つの互いに異なる偏光方向６６Ａ〜６６Ｄに偏光した光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ，Ｌ４Ａ，Ｌ４Ｂ（偏光成分）の光強度を検出し、これらの検出結果より、第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂの位相差Δφを求め、判定部５６では、光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂの光強度に加えて、その位相差Δφを用いて繰り返しパターン６２の異常の有無を評価している。このため、繰り返しパターン６２の異常の有無をより高精度に評価できるとともに、繰り返しパターン６２の膜厚の異常の有無等も評価できる。
【００７０】
なお、上述の実施形態では、以下のような変形が可能である。
まず、検出対象の反射特性は、ウェハ上に形成されたパターンの繰り返し方向に対して平行な方向の偏光と垂直な方向の偏光のように偏光方向が直交している２つの反射光の強度若しくは振幅反射率の差、又はそれらの反射光の位相の変化量の差でもよい。また、検出対象の反射特性は、偏光方向が直交していない２つの反射光の強度若しくは振幅反射率の差、又はそれらの反射光の位相の変化量の差でもよい。
【００７１】
また、上述の実施形態では、規格化された反射光の強度を検出しているが、規格化されていない反射光の強度を検出してもよい。
また、上述の実施形態では、判定部５６は異常情報をホストコンピュータに出力しているが、その異常情報は、不図示の表示装置等を介して、本実施形態の評価装置５０のオペレータ（不図示）に知らせてもよい。一例として、オペレータは、ウェハ９に異常部分が多い場合には、ウェハ９をリワーク工程に移行させてもよい。
また、上述の実施形態では、評価装置５０内で繰り返しパターンの異常の有無を評価しているが、検出系５２の検出結果をホストコンピュータ（不図示）に供給し、その検出結果を用いてホストコンピュータ側で繰り返しパターンの異常の有無を評価してもよい。
また、ＦＥＭウェハを露光した露光装置に対して求められた良品範囲を、他の露光装置の露光を経て形成された繰り返しパターンの評価に使用してもよい。
また、上述の実施形態の評価装置５０は、デバイス製造システムの一部として使用されているが、評価装置５０を単独で使用してもよい。
【００７２】
また、上述の実施形態では、撮像素子の画素に対応するウェハ面上の領域を評価単位領域として繰り返しパターンの異常の有無を評価しているが、その外に例えば複数の画素に対応する領域、ショット（つまり、ショットに対応する所定の画素）、又はショット内の特定の領域（例えば中央の領域）毎に繰り返しパターンの異常の有無を評価してもよい。
上述の実施形態では、反射特性の良品範囲は、上限値と下限値との間の範囲で表されているが、その良品範囲をある閾値で表し、対応する反射特性がその閾値より大きいか否かで繰り返しパターンの異常の有無を評価してもよい。
【００７３】
また、上述の実施形態では、反射特性の良品範囲をＦＥＭウェハを利用することによって求めているが、その良品範囲は、シミュレーションによって理論的に求めてもよい。
その良品範囲をシミュレーションで求める場合には、例えば厳密結合波法（RCWM: Rigorous Coupled-Wave Method）などのパターン形状を考慮した電磁場解析によって、種々の形状の繰り返しパターンからの反射光の複数の偏光成分の強度、振幅、及び位相を計算し、得られた計算結果のうちで、設計上で良品とされる繰り返しパターンに関して得られた計算結果を良品範囲とすればよい。例えば、露光装置のデフォーカスに起因するラインパターンの形状は、合焦状態では矩形であるがフォーカス位置がずれてくると裾野の広がった台形状になってくることがある。このような形状変化がある場合にも、シミュレーションによって反射特性を計算しておき、この計算結果から良品範囲を決めておくこともできる。
【００７４】
なお、厳密結合波法（RCWM）に関しては、例えば文献「J. Opt. Soc. Am. A 12, 1068 (1995), M. G. Moharam, E. B. Grann, and D. A. Pommet, Formulation of stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings」に記載されている。
また、上述の実施形態では光源１としてランプが使用されているが、光源１としては発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザなどのレーザ光源を用いてもよい。レーザ光源からは通常、直線偏光の光が射出されるとともに、光源１から射出される光が直線偏光である場合、偏光板４を省略できる。また、円偏光を射出する光源を使用してもよい。この場合、偏光板４及び１／４波長板５を省略できる。また、単一波長の光を射出する光源を使用してもよい。この場合、光学フィルタ３を省略できる。
【００７５】
また、上述の実施形態では、ウェハ面からの反射光のうち偏光方向６６Ａ及び６６Ｂに偏光した２つの偏光成分（ＴＥ波及びＴＭ波）間の振幅反射率の差Δｒ（＝ｒTM−ｒTE）の絶対値も検出できる。このため、２つの偏光成分間の位相差Δφの代わりに、又はこの位相差Δφとともにその振幅反射率の差Δｒの絶対値を用いて繰り返しパターン６２の評価を行うようにしてもよい。
また、上述の実施形態では、ウェハ面からの反射光のうち偏光方向６６Ａ及び６６Ｂに偏光した２つの偏光成分の光強度（強度情報の一例）を用いて繰り返しパターン６２の評価を行っているが、信号処理部５４でそれらの２つの偏光成分の反射率（強度反射率）（強度情報の他の例）を求め、判定部５６ではその２つの反射率を用いて繰り返しパターン６２の評価を行うようにしてもよい。
【００７６】
そのようにウェハ面からの反射光の反射率を求める場合には、一例として、図１のステージ５８上にウェハ９の代わりに既知の高い反射率（この値をＲａとする）を持つ平板状の反射部材（例えばアルミニウムが均一に蒸着されたミラー）を載置した状態で、その反射部材を検査光Ｌ１で照明し、その反射部材からの反射光のうち４つの偏光方向に偏光した光を検出系５２の対応する撮像素子１３ａ〜１３ｄで検出する。ここで、撮像素子１３ａ〜１３ｄのうちの所定の画素の画像信号から求められる反射光の光強度をＪａとする。また、光源１から射出される光の強度をＫａ、照明系５１及び検出系５２内の光学系の透過率をＴａとすると、以下の関係がある。
Ｊａ＝Ｒａ・Ｔａ・Ｋａ  …（１７）
【００７７】
次に、ステージ５８上にウェハ９を載置して、その反射部材を検査光Ｌ１で照明し、その反射部材からの反射光のうち４つの偏光方向に偏光した光を検出系５２の対応する撮像素子１３ａ〜１３ｄで検出する。ここで、撮像素子１３ａ〜１３ｄのうちのその所定の画素の画像信号から求められる反射光の光強度をＪｂとする。このとき、その所定の画素に入射する光を反射したウェハ９の部分領域の反射率をＲｘとすると、以下の関係がある。
Ｊｂ＝Ｒｘ・Ｔａ・Ｋａ  …（１８）
そして、式（１８）の両辺を式（１７）の両辺で除算して得られる式から、反射率Ｒｘは次のように計算できる。
Ｒｘ＝Ｒａ（Ｊｂ／Ｊａ）  …（１９）
式（１９）の右辺において、反射率Ｒａは既知であるため、式（１９）からその所定の画素に入射する光の反射率（強度反射率）Ｒｘを求めることができる。
なお、照明系５１及び検出系５２内の光学系の透過率Ｔａが既知の場合には、既知の高い反射率をもつ反射部材は必要なく、上述の式（１８）から反射率を求めることができる。
【００７８】
また、上述の実施形態では、ウェハ面上からの反射光のうち偏光方向６６Ａ及び６６Ｂに偏光した２つの偏光成分の光強度及び位相差をそれぞれ良品範囲と比較して繰り返しパターン６２を評価している。別の方法として、偏光方向６６Ａ及び６６Ｂに偏光した２つの偏光成分の光強度の差（又は反射率の差）を求め、この差を対応する良品範囲と比較してもよい。
【００７９】
また、上述の実施形態の評価装置５０において、ウェハ面からの反射光のうち、偏光方向６６Ａ及び６６Ｂに偏光した２つの偏光成分の光強度又は反射率のみに基づいて繰り返しパターン６２を評価してもよい。
また、上述の実施形態の評価装置５０は、ウェハ面を垂直入射の検査光Ｌ１で照明しているが、図５の第１変形例の評価装置５０Ａで示すように、検査光Ｌ１をウェハ面に斜入射させてウェハ面を照明してもよい。なお、図５及び以下で参照する図６において、図１に対応する部分にはそれぞれ同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。なお、図５においても、ウェハ面に平行な面内に直交するようにＸ軸及びＹ軸を設定し、ウェハ面に垂直な方向に平行にＺ軸を設定している。
【００８０】
図５に示す照明系５１Ａ及び検出系５２Ａを有する評価装置５０Ａにおいて、光源１から出射した光は、コンデンサレンズ２、光学フィルタ３、偏光板４、及び１／４波長板５を介して、所定の波長帯域を持つ円偏光の検査光Ｌ１に変換される。検査光Ｌ１は、ピンホール板６を通過した後、照明系凹面鏡２１で反射されほぼ平行光束となって、回転可能なステージ（不図示）に保持された被検基板としてのウェハ９の表面（ウェハ面）の全面に斜めに入射する。ウェハ面に入射する検査光Ｌ１の入射面は、Ｘ軸及びＺ軸を含む面であるＸＺ面に平行であり、ウェハ面に対する検査光Ｌ１の入射角θは０度よりも大きい任意の角度である。光源１から照明系凹面鏡２１までの部材を含んで照明系５１Ａが構成されている。
【００８１】
ウェハ面の各ショットにはそれぞれ図１の繰り返しパターン６２と同様の繰り返しパターン（不図示）が形成されている。この変形例において、繰り返しパターンの周期方向は、一例としてＸ方向（検査光Ｌ１の入射面に平行な方向）である。ただし、繰り返しパターンの周期方向は、Ｘ方向に対して任意の角度（例えば３０度〜６０度の角度で、４５度でもよい。）で傾斜していてもよい。
【００８２】
ウェハ面で正反射又は回折された光は、受光系凹面鏡２２で反射され、受光系開口絞り１０の中央の開口を含む領域に集光され、ウェハ面で正反射された光Ｌ２（反射角がθの光）のみが受光系開口絞り１０の開口を通過して無偏光プリズム２０に入射して、ほぼ−Ｚ方向に向かう第１光束とほぼ−Ｘ方向に向かう第２光束とに分割される。その第１光束は、無偏光プリズム２３ａによって、無偏光プリズム２３ａを透過する光Ｌ３Ａと無偏光プリズム２３ａで反射される光Ｌ３Ｂとに分割され、光Ｌ３Ｂは偏光板２４ａ及び結像レンズ１２ａを介して撮像素子１３ａに入射し、光Ｌ３Ａは偏光板２４ｂ及び結像レンズ１２ｂを介して撮像素子１３ｂに入射する。一方、その第２光束は、無偏光プリズム２３ｂによって、無偏光プリズム２３ｂを透過する光Ｌ４Ａと無偏光プリズム２３ｂで反射される光Ｌ４Ｂとに分割され、光Ｌ４Ｂは偏光板２４ｃ及び結像レンズ１２ｃを介して撮像素子１３ｃに入射し、光Ｌ４Ａは偏光板２４ｄ及び結像レンズ１２ｄを介して撮像素子１３ｄに入射する。
【００８３】
また、撮像素子１３ａ〜１３ｄの撮像面とウェハ面とは、それぞれ結像レンズ１２ａ〜１２ｄ及び受光系凹面鏡２２に関して光学的に共役であり、撮像素子１３ａ〜１３ｄの撮像面にはそれぞれウェハ面の全面の像が形成される。また、偏光板２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは、それぞれウェハ面において図２（ｃ）の第２偏光方向６６Ｂ（繰り返しパターン６２のライン部６４Ａの短手方向に沿った方向）、第１偏光方向６６Ａ（ライン部６４Ａの長手方向に沿った方向）、第４偏光方向６６Ｄ（第２偏光方向６６Ｂに対して時計回りに４５度で交差する方向）、及び第３偏光方向６６Ｃ（第２偏光方向６６Ｂに対して反時計回りに４５度で交差する方向）に偏光した直線偏光成分を通過させるように、透過軸の方向が設定されている。
【００８４】
ただし、この変形例において、繰り返しパターン６２の周期方向は図２（ｃ）のＸ方向（検査光Ｌ１の入射面に平行な方向）に対して傾斜していてもよい。このように繰り返しパターン６２の周期方向がＸ方向に対して傾斜している場合、偏光板２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの透過軸の方向は、それぞれ対応する偏光方向６６Ｂ，６６Ａ，６６Ｄ，６６Ｃが繰り返しパターン６２に対して図２（ｃ）の関係を維持するように設定される。
【００８５】
この結果、図５の撮像素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの撮像面には、ウェハ面からの反射光のうち、ウェハ面上で偏光方向６６Ｂ，６６Ａ，６６Ｄ，６６Ｃに偏光した光Ｌ３Ｂ，Ｌ３Ａ，Ｌ４Ｂ，Ｌ４Ａ（直線偏光成分）による像が形成される。受光系凹面鏡２２、受光系開口絞り１０、無偏光プリズム２０，２３ａ，２３ｂ、偏光板２４ａ〜２４ｄ、結像レンズ１２ａ〜１２ｄ、及び撮像素子１３ａ〜１３ｄを含んで検出系５２Ａが構成されている。この他の構成は図１の実施形態と同様である。すなわち、検出系５２Ａは、撮像素子１３ａ〜１３ｄから出力される画像信号を処理して繰り返しパターン６２の反射特性を求める図１の信号処理部５４と同様の信号処理部（不図示）を含み、評価装置５０Ａは、その検出系５２Ａで求められる反射特性から繰り返しパターン６２の異常の有無を評価する図１の判定部５６と同様の判定部（不図示）を有する。
【００８６】
この変形例において、撮像素子１３ａ〜１３ｄで撮像されるウェハ面の像は、図１の実施形態の撮像素子１３ａ〜１３ｄで撮像される像と同じく、ウェハ面からの反射光のうちウェハ面上で偏光方向６６Ｂ，６６Ａ，６６Ｄ，６６Ｃに偏光した直線偏光成分による像である。このため、評価装置５０Ａにおいても、上述の実施形態の評価装置５０と同様に、撮像素子１３ａ〜１３ｄの画像信号を処理することによって、ウェハ面からの反射光のうち、第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した偏光成分の光強度、これらの偏光成分間の振幅反射率の差Δｒ（＝ｒTE−ｒTM）の絶対値、及びそれらの偏光成分間の位相差Δφを検出でき、これらの反射特性より繰り返しパターン６２の異常の有無を高精度に評価できる。
【００８７】
なお、図５の変形例において、偏光ビームスプリッタを使用することなく、反射光Ｌ２から分岐した光束毎に偏光板２４ａ〜２４ｄで対応する偏光成分を抽出したのは、照明系５１Ａが斜入射であり、ウェハ面からの反射光のうちウェハ面上で第３偏光方向６６Ｃ及び第４偏光方向６６Ｄに偏光した偏光成分の偏光方向は、検出系５２Ａの撮像素子１３ａ〜１３ｄまでの光学系（受光光学系５２Ａ）中で直交していないためである。
【００８８】
言い換えると、図５の検出系５２Ａの光学系を介して撮像素子１３ａ〜１３ｄからウェハ面を見ると、ウェハ面上で反射光Ｌ２がウェハ面の法線に対して傾斜した方向であるＸ方向に平行に設置された所定の長さＬＡの仮想的な第１線分（不図示）の像の長さは、ウェハ面上でＸ方向に直交するＹ方向に平行に設置された長さＬＡの仮想的な第２線分（不図示）の像の長さよりも短縮されている。このため、ウェハ面上で第３偏光方向６６Ｃ及び第４偏光方向６６Ｄに設置された互いに同じ長さの線分の像は、撮像素子１３ａ〜１３ｄの撮像面では、ウェハ面で＋Ｘ方向に対応する方向の交差角度が９０度よりも広くなる。これは、ウェハ面からの反射光のうちウェハ面上で第３偏光方向６６Ｃ及び第４偏光方向６６Ｄに偏光した偏光成分の偏光方向は、検出系５２Ａの撮像素子１３ａ〜１３ｄまでの光学系（受光光学系５２Ａ）中で、ウェハ面で＋Ｘ方向に対応する方向の交差角度が広くなり、直交していないことを意味する。
【００８９】
これに対して、偏光ビームスプリッタで分離される２つの偏光成分は偏光方向が互いに直交しているため、図５の検出系５２Ａにおいて偏光ビームスプリッタを用いても、ウェハ面上で第３偏光方向６６Ｃ及び第４偏光方向６６Ｄに偏光した偏光成分を正確に選択できない。
この変形例では、偏光板２４ａ〜２４ｄを用いて任意の方向に偏光した偏光成分を受光できるようにしたため、ウェハ面からの反射光のうち、ウェハ面上で４つの偏光方向６６Ａ〜６６Ｄに偏光した偏光成分の像を検出できる。
【００９０】
また、この変形例において、図５の偏光板４及び１／４波長板５の組み合わせが例えば右回りの円偏光の光を生成する場合、左回りの円偏光の光を生成する偏光板４’及び１／４波長板５’の組み合わせを用意しておいてもよい。そして、不図示の交換装置によって、偏光板４及び１／４波長板５の組み合わせと、偏光板４’及び１／４波長板５’の組み合わせとを交換することによって、ウェハ面に入射する検査光Ｌ１の円偏光の方向を右回り又は左回りに切り換えられるようにしてもよい。
【００９１】
そして、検査光Ｌ１を右回りの円偏光に設定した場合に得られるウェハ面からの反射光のうち、ウェハ面上で偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光（偏光成分）の反射特性、及び検査光Ｌ１を左回りの円偏光に設定した場合に得られるウェハ面からの反射光のうち、ウェハ面上で偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光（偏光成分）の反射特性に基づいて繰り返しパターン６２の評価を行うことによって、評価に使用できる反射特性の情報が増加するため、繰り返しパターン６２をより高精度に評価できる。
【００９２】
なお、偏光板４’及び１／４波長板５’の組み合わせを別途用意しておく代わりに、偏光板４及び１／４波長板５の相対回転角を調整する駆動部を設け、この駆動部によって偏光板４及び１／４波長板５を通過する光の円偏光の方向を右回り又は左回りに切り換えてもよい。
次に、上記の実施形態では、ウェハ面からの反射光のうち、４つの偏光方向６６Ａ〜６６Ｄに偏光した偏光成分による像を検出しているが、図６の第２変形例の評価装置５０Ｂで示すように、ウェハ面からの反射光のうち、第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した偏光成分による像のみを撮像してもよい。
【００９３】
図６の評価装置５０Ｂにおいて、光源１からの光によってウェハ９の表面（ウェハ面）を垂直入射する円偏光の検査光Ｌ１で照明する照明系５１Ｂの構成は、図１の照明系５１と同じである。また、ウェハ面で正反射された光Ｌ２は、検出系５２Ｂの対物レンズ８、無偏光プリズム７、及び受光系開口絞り１０を介してプリズム型のＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１１に入射する。そして、ＰＢＳ１１で反射された、図２（ｃ）の第１偏光方向６６Ａに偏光した光Ｌ３Ａは結像レンズ１２ｂを介して撮像素子１３ｂに入射する。一方、ＰＢＳ１１を透過した、図２（ｃ）の第２偏光方向６６Ｂに偏光した光Ｌ３Ｂは結像レンズ１２ａを介して撮像素子１３ａに入射する。撮像素子１３ａ，１３ｂの撮像面とウェハ面とは光学的に共役であり、撮像素子１３ａ，１３ｂはそれぞれウェハ面からの反射光のうち偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した偏光成分（光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ）によるウェハ面の像を撮像する。そして、撮像素子１３ａ，１３ｂの画像信号を処理することによって、ウェハ面からの反射光のうち偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した偏光成分（光Ｌ３Ａ，Ｌ３Ｂ）の光強度（第１及び第２反射特性の一例）を検出することができ、これらの光強度に基づいて繰り返しパターン６２の異常の有無の評価を高精度に行うことができる。
以上の変形例は、以下で説明する実施形態でも同様に適用できる。
【００９４】
［第２の実施形態］
第２の実施形態及びその変形例につき図７（ａ）〜図９を参照して説明する。なお、図７（ａ）〜図９において図１〜図２（ｃ）に対応する部分には、図１〜図２（ｃ）中の符号、又はこの符号に１００を加算した符号を付してその詳細な説明を省略する。
図７（ａ）は本実施形態に係る評価装置５０Ｃを示し、図７（ｂ）は図７（ａ）中のステージ（不図示）に載置されたウェハ９の平面図を示す。本実施形態においても、ウェハ面に平行な面内に直交するようにＸ軸及びＹ軸を設定し、ウェハ９の表面（ウェハ面）に垂直な方向に沿ってＺ軸を設定している。図７（ｂ）において、ウェハ面には繰り返しパターン６２が形成され、繰り返しパターン６２のライン部６４Ａの長手方向に沿った方向（第１偏光方向６６Ａ）がＹ方向に平行になるように、すなわち、ライン部６４Ａの短手方向又は周期方向（第２偏光方向６６Ｂ）がＸ方向に平行になるように、ウェハ９の回転角が設定されている。なお、繰り返しパターン６２は、一例としてウェハ面にマトリックス状に設定された多数のショット（不図示）内に形成されている。
【００９５】
図７（ａ）において、評価装置５０Ｃは、繰り返しパターン６２が形成されたウェハ面を直線偏光の検査光Ｌ５で照明する照明系５１Ｃと、照明系５１Ｃからの照明によりウェハ面で反射した光Ｌ６を受光して、繰り返しパターン６２における構造性複屈折によって変化する所定の反射特性（例えば２つの互いに異なる偏光方向の反射光の光強度、振幅反射率、及び／又は位相等）を検出する検出系５２Ｃと、検出系５２Ｃによって検出されたその反射特性に基づいて、繰り返しパターン６２の異常の有無を評価する判定部５６Ｃと、を備えている。
【００９６】
照明系５１Ｃの光源１０１から出射された光は、コンデンサレンズ１０２、検査用の波長又は波長帯域の光のみを透過させる光学フィルタ１０３、及びピンホール板１０６を介して無偏光プリズム１０７に入射する。無偏光プリズム１０７でほぼ−Ｚ方向に反射された光は、偏光板１０４及び対物レンズ１０８を介して、直線偏光の検査光Ｌ５としてウェハ面に入射する。対物レンズ１０８の光軸ＡＸ１はＺ軸に平行であり、偏光板１０４の透過軸は、ＸＹ面に平行な面内にある。また、ピンホール板１０６のピンホールは無偏光プリズム１０７を介してほぼ対物レンズ１０８の前側焦点位置に配置されており、検査光Ｌ５は、ほぼＺ軸に平行な平行光束としてウェハ面にほぼ垂直に入射する。
【００９７】
また、偏光板１０４を光軸ＡＸ１の回りに回転する駆動部２５（直線偏光切り換え部）が設けられている。偏光板１０４を回転することによって、ウェハ面に入射する検査光Ｌ５の偏光方向を、図７（ｂ）に示すように、第１偏光方向６６Ａ（ＴＭ波の偏光方向）、第２偏光方向６６Ｂ（ＴＥ波の偏光方向）、第３偏光方向６６Ｃ（第２偏光方向６６Ｂに対して反時計回りに４５度傾斜した方向）、及び第４偏光方向６６Ｄ（第２偏光方向６６Ｂに対して時計回りに４５度傾斜した方向）を含む任意の方向に設定できる。光源１０１、コンデンサレンズ１０２、光学フィルタ１０３、ピンホール板１０６、無偏光プリズム１０７、偏光板１０４、駆動部２５、及び対物レンズ１０８を含んで照明系５１Ｃが構成されている。
【００９８】
そして、ウェハ面で正反射又は回折された光は、対物レンズ１０８、偏光板１０４、及び無偏光プリズム１０７を介して受光系開口絞り１１０に入射する。受光系開口絞り１１０の開口は、対物レンズ１０８のほぼ前側焦点位置に配置されている。このため、ウェハ面で正反射又は回折した光のうち、正反射して実質的にＺ軸に平行な光Ｌ６のみが受光系開口絞り１１０の開口を通過可能である。本実施形態では、ウェハ面で反射した光Ｌ６のうち、偏光板１０４を通過して入射する検査光Ｌ５と同じ偏光方向に直線偏光した光Ｌ７のみが、受光系開口絞り１１０の開口を通過し、結像レンズ１１２を介して撮像素子１１３の撮像面に入射する。ウェハ面と撮像素子１１３の撮像面とは、対物レンズ１０８及び結像レンズ１１２に関して光学的に共役であり、撮像素子１１３の撮像面には光Ｌ７によるウェハ面の全面の像が形成される。
【００９９】
撮像素子１１３の画像信号は信号処理部５４Ｃに供給される。信号処理部５４Ｃは、駆動部２５を介して偏光板１０４を回転しつつ、撮像素子１１３の撮像信号を複数回取り込み、取り込まれた画像信号を処理してウェハ面の繰り返しパターン６２の反射特性を求め、求めた反射特性を判定部５６Ｃに供給する。対物レンズ１０８、偏光板１０４、駆動部２５、無偏光プリズム１０７、受光系開口絞り１１０、結像レンズ１１２、撮像素子１１３、及び信号処理部５４Ｃを含んで検出系５２Ｃが構成されている。この他の構成は図１の実施形態の評価装置５０と同様である。
【０１００】
本実施形態の評価装置５０Ｃにおいて、ウェハ面の繰り返しパターン６２を評価する場合、一例として、偏光板１０４を回転して、ウェハ面に入射する検査光Ｌ５の偏光方向を、図７（ｂ）の第１偏光方向６６Ａ、第２偏光方向６６Ｂ、第３偏光方向６６Ｃ、及び第４偏光方向６６Ｄに設定しつつ、それぞれの偏光方向で、撮像素子１１３を用いてウェハ面の像を撮像して得られる画像信号を信号処理部５４Ｃで取り込む。そして、信号処理部５４Ｃでは、４つの偏光方向６６Ａ〜６６Ｄに偏光したウェハ面からの反射光の光強度を検出し、これらの検出結果より第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光の光強度、これらの反射光間の振幅反射率の差Δｒ（＝ｒTE−ｒTM）の絶対値、及びそれらの反射光間の位相差Δφを含む反射特性を検出できる。このため、第１の実施形態と同様に、判定部５６Ｃでは、それらの反射特性を用いて繰り返しパターン６２の異常の有無を高精度に評価できる。
【０１０１】
なお、本実施形態では次のような変形が可能である。
まず、上述の実施形態では、偏光板１０４を回転して、ウェハ面に入射する検査光Ｌ５の偏光方向を４つの偏光方向６６Ａ〜６６Ｄに設定しているが、検査光Ｌ５の偏光方向を２つの偏光方向６６Ａ，６６Ｂに設定して、それぞれウェハ面の像を撮像して得られる画像信号を取り込んでもよい。この場合には、反射特性として、第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光の光強度を検出できる。
【０１０２】
また、上述の実施形態では、照明系５１Ｃと検出系５２Ｃとで偏光板１０４を共有しているため、全体の光学系が簡素化できる。これに対して、図８（ａ）の第１変形例の評価装置５０Ｄで示すように、照明系５１Ｄと検出系５２Ｄとでそれぞれ回転角が制御可能な偏光板１０４及び１２４を持つようにしてもよい。
図８（ａ）はこの変形例の評価装置５０Ｄを示し、図８（ｂ）は図８（ａ）中のステージ（不図示）に載置されたウェハ９の平面図を示す。この変形例において、照明系５１Ｄの光学フィルタ１０３とピンホール板１０６との間に偏光板１０４が配置され、検出系５２Ｄの受光系開口絞り１１０と結像レンズ１１２との間に偏光板１２４が配置されており、これ以外の位置には偏光板は配置されていない。また、偏光板１０４の透過軸は、光源１０１からピンホール板１０６までの光学系の光軸に垂直な面内にあり、偏光板１０４をこの光軸の回りに回転する駆動部２５ａが設けられている。同様に、偏光板１２４の透過軸は、対物レンズ１０８の光軸ＡＸ１に垂直な面内にあり、偏光板１２４を光軸ＡＸ１の回りに回転する駆動部２５ｂが設けられている。これ以外の照明系５１Ｄ及び検出系５２Ｄの光学系の構成は、それぞれ図７（ａ）の照明系５１Ｃ及び検出系５２Ｃと同様である。
【０１０３】
図８（ａ）の検出系５２Ｄの撮像素子１１３の画像信号は信号処理部（不図示）に供給されている。この信号処理部は、駆動部２５ａを介して偏光板１０４を回転して、ウェハ面に入射する直線偏光の検査光Ｌ５の偏光方向を、図８（ｂ）の繰り返しパターン６２のライン部６４Ａの長手方向に沿った方向６６Ａ１に対して時計回りに任意の角度ψで傾斜した偏光方向６６Ｅに設定し、駆動部２５ｂを介して偏光板１２４を回転して、ウェハ面で反射された光Ｌ６のうち、撮像素子１１３に入射する直線偏光の光Ｌ７の偏光方向を、図８（ｂ）の方向６６Ａ１に対して時計回りに任意の角度θで傾斜した偏光方向６６Ｆに設定する。なお、この角度θは、図５における入射角θとは異なる角度である。
【０１０４】
ここで、ウェハ面で反射される光Ｌ６のうち、図７（ｂ）の第２偏光方向６６Ｂに偏光した光（ＴＥ波）及び第１偏光方向６６Ａに偏光した光（ＴＭ波）のＸ方向及びＹ方向の振幅反射率をｒTE，ｒTMとして、位相の変化量をφTE，φTMとする。このとき、図８（ｂ）の入射時に偏光方向６６Ｅに偏光し、検出系５２Ｄの撮像素子１１３に入射するときに偏光方向６６Ｆに偏光している光Ｌ７の光強度Ｉは次の式（２１）で表される。
【０１０５】
2015102400.tif 000011
先に示した図７（ａ）の評価装置５０Ｃにおいて、偏光板１０４による偏光方向を第２偏光方向６６Ｂに設定した場合は、式（２１）でθ＝ψ＝９０度に設定した場合（Ｉ＝ｒTE2）に相当し、図７（ａ）の偏光板１０４による偏光方向を第１偏光方向６６Ａに設定した場合は、式（２１）でθ＝ψ＝０度に設定した場合（Ｉ＝ｒTM2）に相当する。
照明系５１Ｄ中の偏光板１０４で設定される偏光方向６６Ｅの角度ψと、検出系５２Ｄ中の偏光板１２４で設定される偏光方向６６Ｆの角度θとの差が９０度の倍数でない場合には、式（２１）中の第３項の係数が０でなくなる。このため、その第３項の係数が０でない条件で、角度ψ及び角度θを変えながら、撮像素子１１３によって例えば４回だけウェハ面の像を撮像し、この結果得られる光強度を式（２１）の左辺に設定して得られる４つの式よりなる方程式を解くことによって、上述の実施形態と同様に、第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光の光強度、２つの反射光の振幅反射率の差の絶対値、並びに第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光間の位相差Δφ（＝φTE−φTM）を計算できることになる。
【０１０６】
この際に、角度ψ及びθをそれぞれ４５度又は１３５度に設定すると、上記の式（２２）が成立し、式（２１）において角度ψ及びθに関する係数が等しくなり、位相差Δφの計算が簡単になる。
また、上述の実施形態では、一つの撮像素子１１３を用いているため、全体の光学系が簡素化できる。これに対して、図９の第２変形例の評価装置５０Ｅで示すように、ウェハ面で反射する光のうち、偏光方向が互いに直交する２つの偏光成分による像を２つの撮像素子１１３ａ及び１１３ｂを用いて同時に撮像してもよい。
【０１０７】
図９（ａ）はこの変形例の評価装置５０Ｅを示し、図９（ｂ）は図９（ａ）中のウェハ９を示す。この変形例において、照明系５１Ｅの構成は図８（ａ）の照明系５１Ｄと同様である。ただし、照明系５１Ｅの偏光板１０４は、透過軸の方向が例えばウェハ面上のＹ方向に対応する方向に固定されている。このため、ウェハ面に入射する直線偏光の検査光Ｌ５の偏光方向６６Ｅは例えばＹ方向である（図９（ｂ）参照）。ただし、検査光Ｌ５の偏光方向をＸ方向としてもよい。
また、この変形例では、図９（Ｂ）に示すように、ウェハ９上の繰り返しパターン６２の周期方向は、Ｘ軸に平行な方向に対して反時計回りに角度ψだけ傾斜している。以下では、図９（Ｂ）の繰り返しパターン６２の周期方向に直交する方向を繰り返しパターン６２のライン部６４Ａの長手方向６６Ａ１と称する。
【０１０８】
また、この変形例の検出系５２Ｅにおいて、ウェハ面で反射された光Ｌ６は、対物レンズ１０８、無偏光プリズム１０７、及び受光系開口絞り１１０を介して、ｓ偏光の光をほぼ−Ｘ方向に反射するプリズム型のＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１１１に入射する。そして、ＰＢＳ１１１を透過した光Ｌ７Ｂ（ウェハ面でＸ方向に偏光している直線偏光）は結像レンズ１１２ａを介して撮像素子１１３ａに入射し、ＰＢＳ１１１で反射された光Ｌ７Ａ（ウェハ面でＹ方向に偏光している直線偏光）は結像レンズ１１２ｂを介して撮像素子１１３ｂに入射する。撮像素子１１３ａ，１１３ｂの撮像面とウェハ面とは対物レンズ１０８及び結像レンズ１１２ａ，１１２ｂに関して光学的に共役であり、撮像素子１１３ａ，１１３ｂの撮像面にはそれぞれ光Ｌ７Ｂ及びＬ７Ａによるウェハ面の像が形成される。撮像素子１１３ａ，１１３ｂの画像信号は信号処理部（不図示）に供給される。
【０１０９】
この変形例において、図９（ｂ）に示すように、ウェハ面の繰り返しパターン６２のライン部６４Ａの長手方向６６Ａ１に対するウェハ面に入射する検査光Ｌ５の偏光方向６６Ｅの角度をψとする。さらに、偏光方向６６Ｅに偏光した光Ｌ７Ａによる光強度をＩｐ、偏光方向６６Ｅに直交する偏光方向６６Ｇ（ここではＸ方向に平行）に偏光した光Ｌ７Ｂによる光強度をＩｓとすると、長手方向６６Ａ１に直交する第２偏光方向６６Ｂ（図７（ｂ）参照）に偏光した光（ＴＥ波）及び長手方向６６Ａ１に平行な第１偏光方向６６Ａに偏光した光（ＴＭ波）のＸ方向及びＹ方向の振幅反射率ｒTE，ｒTM、及び位相の変化量をφTE，φTMを用いて、光強度Ｉｐ及びＩｓは次式で表すことができる。
【０１１０】
2015102400.tif 000012
そして、繰り返しパターン６２の評価時には、一例として例えばステージ（不図示）によってウェハ９を回転することによって、角度ψを異なる２つの角度に設定して、それぞれ撮像素子１１３ａ，１１３ｂによって偏光方向６６Ｇ，６６Ｅに偏光した光Ｌ７Ｂ，Ｌ７Ａによるウェハの像（光強度Ｉｓ及びＩｐ）を検出する。これによって、式（２３）、（２４）に対応する式が２組得られるため、これらの４つの式よりなる連立方程式を解くことによって、上述の実施形態と同様に、第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光の光強度、２つの反射光の振幅反射率の差の絶対値、並びに第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光間の位相差Δφ（＝φTE−φTM）を計算できることになる。
【０１１１】
この場合の角度ψは、例えば０度及び４５度に設定してもよい。
なお、この変形例において、評価装置５０Ｅとウェハ９との対物レンズ１０８の光軸ＡＸ１の回りの相対回転角（角度ψ）を変化させるためには、ステージ（不図示）を用いる代わりに、駆動部２６によって、照明系５１Ｅ及び検出系５２Ｅ中の全部の光学系２７を全体として光軸ＡＸ１の回りに回転してもよい。
さらに、そのように全部の光学系２７を回転する代わりに、その全部の光学系２７から対物レンズ１０８を除いた光学系２８のみを光軸ＡＸ１の回りに回転してもよい。
【０１１２】
このように評価装置５０Ｅとウェハ９との相対回転角を変化させた場合には、撮像素子１１３ａ，１１３ｂに形成されるウェハ面の像の角度が変化するため、信号処理部（不図示）では、回転前後の各画素の位置がウェハ面の同じ位置に対応するように、各画素の位置を補正する必要がある。
【０１１３】
また、このように評価装置５０Ｅとウェハ９との相対回転角を変化させると、対物レンズ１０８の持っている収差やコーティング膜によるわずかなフレアの影響で、撮像素子１１３ａ，１１３ｂによって検出されるウェハ面の像の光強度、又は２つの偏光方向６６Ａ，６６Ｂの反射光間の位相差に誤差が混入する恐れがある。そこで、ウェハ９の代わりにパターンが形成されていない反射率が均一なウェハ（以下、平面ウェハと称する）をステージ（不図示）に載置し、この平面ウェハを用いて上述のように相対回転角（角度ψ）を変えて反射光の光強度、２つの反射光の振幅反射率の差の絶対値、並びに第１及び第２偏光方向６６Ａ，６６Ｂに偏光した反射光間の位相差Δφを検出し、このようにして検出した値をオフセットとして記憶しておいてもよい。その後、実際のウェハ９に関して反射特性を検出したときには、この検出結果からそのオフセット分の補正を行うことによって、対物レンズ１０８として極めて高精度な対物レンズを用いなくても済む。
【０１１４】
［第３の実施形態］
第３の実施形態及びその変形例につき図１０（ａ）〜図１１を参照して説明する。なお、図１０（ａ）〜図１１において図７（ａ）及び（ｂ）に対応する部分には、図７（ａ）及び（ｂ）中の符号、又はこの符号に１００を加算した符号を付してその詳細な説明を省略する。
【０１１５】
図１０（ａ）は本実施形態に係る評価装置５０Ｆを示し、図１０（ｂ）は図１０（ａ）中のステージ（不図示）に載置されたウェハ９ａの平面図を示す。本実施形態においても、ウェハ９ａの表面（ウェハ面）に平行な面内に直交するようにＸ軸及びＹ軸を設定し、ウェハ面に垂直な方向に沿ってＺ軸を設定している。図１０（ｂ）において、ウェハ面には繰り返しパターン６２が形成され、繰り返しパターン６２のライン部６４Ａの長手方向に沿った方向（第１偏光方向６６Ａ（図７（ｂ）参照））がＹ方向に平行になるように、すなわち、ライン部６４Ａの短手方向又は周期方向（第２偏光方向６６Ｂ（図７（ｂ）参照））がＸ方向に平行になるように、ウェハ９ａの回転角が設定されている。
【０１１６】
また、本実施形態のウェハ面において、繰り返しパターン６２が形成されている領域（例えば複数のショットが配列されている領域）の近傍に、繰り返しパターン６２が形成されていない平面度の高い、かつ反射率の高い領域（以下、無パターン領域と称する）６３が設けられている。
図１０（ａ）において、評価装置５０Ｆは、ウェハ面を直線偏光の検査光Ｌ５で照明する照明系５１Ｆと、ウェハ面に照明される検査光Ｌ５から参照光Ｌ５Ｒを分岐する既知の１／２程度の反射率を持つ平板状の参照用のビームスプリッタ（以下、参照ビームスプリッタと称する）２９（分岐部材）と、ウェハ面で正反射される光Ｌ６と参照光Ｌ５Ｒとの光路長差を変化させるために、参照ビームスプリッタ２９の位置を制御する例えばピエゾ素子等を含む駆動部３０と、を有する。
【０１１７】
照明系５１Ｆは、半導体レーザ若しくはＹＡＧレーザ等の固体レーザ、又は気体レーザ等の可干渉性を持ち直線偏光した光を発生する光源２０１と、光源２０１から発生する光の偏光方向を切り換えるための１／２波長板２０５ａと、１／２波長板２０５ａの回転角を制御する駆動部２５と、その偏光方向が切り換えられた光を集光する集光レンズ２０２と、その集光された光が通過するピンホール２０６ａが形成されたピンホール板２０６と、ピンホール２０６ａを通過した検査光Ｌ５をウェハ面に導く対物レンズ２０８とを有する。１／２波長板２０５ａ、ピンホール板２０６、及び対物レンズ２０８を含む光学系の光軸ＡＸ１はＺ軸に平行であり、ピンホール２０６ａは対物レンズ２０８のほぼ前側焦点位置に配置されている。このため、検査光Ｌ５はほぼＺ軸に平行な平行光束としてウェハ面にほぼ垂直に入射する。また、ウェハ面で正反射又は回折される光のうち、ウェハ面で正反射される光Ｌ６のみが対物レンズ２０８を介してピンホール２０６ａを通過する。
【０１１８】
駆動部２５は、一例として、ウェハ面に入射する検査光Ｌ５の偏光方向が繰り返しパターン６２のライン部６４Ａの長手方向に沿った第１偏光方向６６Ａ（図２（ｃ）参照）、又はそのライン部６４Ａの短手方向に沿った第２偏光方向６６Ｂ（図７（ｂ）参照）になるように、１／２波長板２０５ａの回転角を制御する。参照ビームスプリッタ２９は、対物レンズ２０８とウェハ面との間にＸＹ面に平行に配置され、駆動部３０は参照ビームスプリッタ２９のＺ方向の位置（光軸ＡＸ１に沿った方向の位置）を制御する。参照ビームスプリッタ２９とウェハ面とを含んでフィゾー干渉計が構成されているとみなすことができる。参照ビームスプリッタ２９で＋Ｚ方向に反射された参照光Ｌ５Ｒは、ウェハ面で反射された光Ｌ６とともに、対物レンズ２０８を介してピンホール２０６ａを通過する。
【０１１９】
また、評価装置５０Ｆの検出系５２Ｆは、集光レンズ２０２とピンホール板２０６との間に配置されて、ピンホール２０６ａを＋Ｚ方向側に通過した光Ｌ６及び参照光Ｌ５Ｒよりなる干渉光ＬＩＦの一部を反射する偏光特性のないビームスプリッタ２０７と、ビームスプリッタ２０７で反射された干渉光ＬＩＦからウェハ面の像を形成する結像レンズ２１２と、そのウェハ面の像を撮像する撮像素子２１３と、撮像素子２１３の画像信号を処理する信号処理部５４Ｆとを有する。なお、ビームスプリッタ２０７においては、光源２０１からウェハ面に向かう光の一部も反射される。
【０１２０】
本実施形態の撮像素子２１３の各画素の画像信号は対応する部分の干渉光ＬＩＦの光強度（輝度値）を表す。ここで、撮像素子２１３のある画素に到達する光Ｌ６のウェハ面での振幅反射率をｒ、反射による位相の変化量をφで表し，参照ビームスプリッタ２９の既知の反射率から求められる振幅反射率をｓ、参照ビームスプリッタ２９の反射面とウェハ面との間の距離（光路長）をＬｅ、検査光Ｌ５の波長をλで表すと、その画素で検出される干渉光ＬＩＦの光強度Iは次の式（２５）で表される。式（２５）を展開すると式（２６）が得られる。
【０１２１】
2015102400.tif 000013
式（２６）には、ウェハ面で反射される光Ｌ６と参照光Ｌ５Ｒとの位相差（φ−２π・Ｌｅ／λ）を含む項がある。
信号処理部５４Ｆが駆動部３０を介して参照ビームスプリッタ２９をＺ方向に移動させて、距離Ｌｅを変化させると、その距離Ｌｅの変化量に応じて受光される光強度Ｉは正弦波状に変化する。本実施形態では、参照ビームスプリッタ２９の振幅反射率ｓは既知であるため、光強度Ｉの直流成分（ｒ2＋ｓ2）からウェハ面の反射光の光強度を求めることができ、この光強度に基づいて振幅反射率ｒを求めることができる。また、ウェハ面で反射される光Ｌ６の位相の変化量φについては、距離Ｌｅを変化させることで求めることができる。
【０１２２】
そのウェハ面で反射される光Ｌ６の位相の変化量φを求めるには、基準となる反射面が必要である。このため、ウェハ９ａには無パターン領域６３が設けてある。この無パターン領域６３で反射される光Ｌ６の位相の変化量φは０とみなすことができる。撮像素子２１３の画素のうち、無パターン領域６３で反射される光Ｌ６と参照光Ｌ５Ｒとの干渉光を受光する画素（以下、参照画素と称する）からの画像信号から求められる式（２６）の光強度Ｉにおける位相の変化量φは０である。そして、距離Ｌｅを変化させながら、参照画素からの画像信号より求められる光強度Ｉreと、他の画素からの画像信号より求められる光強度Ｉとを比較することで、この光強度Ｉの位相、ひいては位相の変化量φを求めることができる。例えば、距離Ｌｅがある値Ｌｅ１であるときの光強度Ｉreの位相と、距離Ｌｅが別の値Ｌｅ２であるときの光強度Ｉの位相とが等しい場合には、光強度Ｉの位相の変化量φは、２π（Ｌｅ１−Ｌｅ２）／λとして求めることができる。
【０１２３】
このとき、参照ビームスプリッタ２９とウェハ面との距離Ｌｅは厳密に測定する必要はなく、参照ビームスプリッタ２９の移動量ΔＬ（＝Ｌｅ１−Ｌｅ２）のみを例えばピエゾ素子の駆動電圧と変位との既知の関係等から正確に求めることによって、位相の変化量φを高精度に求めることができる。
無パターン領域６３は、撮像素子３１２の参照画素に繰り返しパターン６２のある領域からの光が混入しないように、少なくとも対物レンズ２０８と結像レンズ２１２からなる結像光学系の分解能と撮像素子２１３の画素がウェハ面に投影されるサイズの和よりも大きいことが望ましい。さらには参照画素が複数あることが望ましい。
【０１２４】
以上の方法で、一つの偏光方向（例えば第１偏光方向６６Ａ）に対するウェハ面での反射光の光強度（振幅反射率）と反射による位相の変化量とを求めることができる。次に、駆動部によって、検査光Ｌ５の偏光方向を第２偏光方向６６Ｂに切り換えて上述の動作を行うことで、第２偏光方向６６Ｂに対するウェハ面での反射光の光強度（振幅反射率）と反射による位相の変化量とを求めることができる。その２回の検出で求められる位相の変化量の差が第１の実施形態で検出した位相差Δφとなる。そして、これらの繰り返しパターンの構造性複屈折によって影響される反射特性より判定部（不図示）は、第１の実施形態と同様に繰り返しパターン６２の異常の有無を高精度に評価できる。
【０１２５】
なお、実際のウェハではウェハ面の平坦性が悪く凹凸となっている場合がある。この凹凸となっている面からの反射光Ｌ６と参照光Ｌ５Ｒとの干渉光を上述の方法で検出した場合、反射光の位相の変化量φのなかに、ウェハ面の無パターン領域６３の面と繰り返しパターン６２が形成されている面との高さの差が含まれてしまう恐れがある。
そこで、上述のように、第１偏光方向６６Ａに偏光した検査光Ｌ５で求めた反射光Ｌ６の振幅反射率をｒ０，位相の変化量をφ０、１／２波長板２０５ａを回転させて得られる例えば９０度（又は他の任意の角度）偏光方向の異なる検査光Ｌ５で求めた反射光Ｌ６の振幅反射率をｒ９０、位相の変化量をφ９０とする。このとき、振幅反射率ｒ０、ｒ９０と反射光の位相の変化量の差（＝φ０−φ９０）から繰り返しパターン６２の異常の有無を評価することで、その凹凸の影響も軽減できる。
【０１２６】
なお、上述の実施形態では、直線偏光の検査光Ｌ５でウェハ面を照明しているが、図１１に示す変形例の評価装置５０Ｇのように、円偏光の検査光Ｌ１でウェハ面を照明してもよい。
図１１において、評価装置５０Ｇの照明系５１Ｇは、可干渉性を持ち直線偏光の光を発生する光源２０１と、光源２０１から発生する光を円偏光に変換する１／４波長板２０５と、集光レンズ２０２と、ピンホール板２０６と、対物レンズ２０８とを有する。
【０１２７】
また、検出系５２Ｇは、ウェハ面で反射する光Ｌ２と参照ビームスプリッタ２９で反射する参照光Ｌ１Ｒとの干渉光の一部を反射するビームスプリッタ２０７と、ビームスプリッタ２０７で反射された干渉光によりウェハ面の像を形成する結像レンズ２１２と、結像レンズ２１２からの光のうち、ウェハ面で第１偏光方向６６Ａ（図７（ｂ）参照）に偏光した光を反射し、第２偏光方向６６Ｂ（図７（ｂ）参照）に偏光した光を透過させるプリズム型のＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２１１と、ＰＢＳ２１１を透過する光及びＰＢＳ２１１で反射される光をそれぞれ受光する撮像素子２１３ａ，２１３ｂと、撮像素子２１３ａ，２１３ｂの画像信号を処理する信号処理部（不図示）とを有する。この他の構成は図１０（ａ）の評価装置５０Ｆと同様である。撮像素子２１３ｂ，２１３ａの撮像面には、ウェハ面で反射した光Ｌ２のうち、それぞれ偏光方向６６Ａ及び６６Ｂに偏光した偏光成分による干渉光によってウェハ面の像が形成される。
【０１２８】
この変形例の評価装置５０Ｇでは、円偏光の検査光Ｌ１でウェハ面を照明しながら、撮像素子２１３ｂ，２１３ａで偏光方向６６Ａ及び６６Ｂに偏光した偏光成分による干渉光を受光した状態で、駆動部３０によって参照ビームスプリッタ２９のＺ方向の位置を変化させることで、偏光方向６６Ａ及び６６Ｂに偏光した２つの偏光成分の光強度（振幅反射率）、及びそれらの偏光成分の位相の変化量を同時に検出することができる。従って、繰り返しパターンの評価をより効率的に行うことができる。
【０１２９】
なお、この変形例では、評価対象の繰り返しパターンのライン部の長手方向又は短手方向と対応する偏光方向６６Ａ及び６６Ｂとの平行度がそれぞれ十分に高くないと、偏光方向６６Ａ及び６６Ｂの偏光成分として検出される反射光にそれぞれ異なる偏光方向６６Ｂ，６６Ａの反射光（クロストーク）が混入する恐れがある。しかしながら、この場合には、２つの偏光成分の光強度の差、振幅反射率の差の絶対値、及び／又は２つの偏光成分の位相差の変化量の差を求めることによって、クロストークの影響を軽減させて、高精度に繰り返しパターンの評価を行うことができる。
【０１３０】
なお、上述の実施形態では参照ビームスプリッタ２９によってフィゾー干渉計が構成されているが、他の干渉計（マイケルソン干渉計など）を用いてウェハ面からの反射光と参照光との干渉光を検出してもよい。
また、上述の各実施形態及びその変形例では、照明系からの光でウェハ面の全面を一括して照明しているため、ウェハ面の全面に形成された繰り返しパターンを効率的に評価できる。これに対して、照明系からの偏光した光でウェハ面の一部の領域を照明し、その一部の領域からの反射光を検出して、その一部の領域内の繰り返しパターンの異常の有無を評価してもよい。この場合、ウェハが載置されているステージをウェハ面に沿って駆動する駆動部（相対移動部）によって、そのウェハ面の一部の領域を照明する光がウェハ面の全面に順次照射されるように、そのウェハと照明系及び検出系とを順次相対移動することによって、ウェハ面の全面の繰り返しパターンの評価を行うことができる。
【０１３１】
また、図１２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２２１）、この設計工程に基づいたマスク（マスク）を製作するマスク製作工程（ステップ２２２）、シリコン材料等からウェハ用の基板を製造する基板製造工程（ステップ２２３）、ウェハにパターンを形成する基板処理工程（ステップ２２４）、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、及びパッケージ工程等を含む組立工程（ステップ２２５）、並びにデバイスの検査を行う検査工程（ステップ２２６）等を経て製造される。その基板処理工程（ステップ２２４）では、コータ・デベロッパ（不図示）によりウェハにレジストを塗布する工程、露光装置（不図示）によりマスクのパターンをウェハに露光する露光工程、及びウェハを現像する現像工程を含むリソグラフィ工程、並びに上述の実施形態又はこれらの変形例の評価装置５０〜５０Ｇのいずれかを用いてウェハに形成された繰り返しパターンの異常の有無を評価する評価工程が実行される。
【０１３２】
このような半導体デバイス製造方法において、上述の評価装置を用いて繰り返しパターンを評価し、この評価結果に基づいて例えばコータ・デベロッパにおける膜厚のオフセットの補正、露光装置における露光条件（露光量及びフォーカス位置等）の補正、及び／又は異常部分の多いウェハのリワーク等を行うことによって、最終的に製造される半導体デバイスの歩留まりを向上できる。
【０１３３】
なお、本実施形態のデバイス製造方法では、特に半導体デバイスの製造方法について説明したが、本実施形態のデバイス製造方法は、半導体材料を使用したデバイスの他、例えば液晶パネルや磁気ディスクなどの半導体材料以外の材料を使用したデバイスの製造にも適用することができる。
【０１３４】
なお、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した検査装置や検査方法などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
【符号の説明】
【０１３５】
１…光源、４…偏光板、５…１／４波長板、７，２０…無偏光プリズム、８…対物レンズ、９…ウェハ、１１ａ，１１ｂ…ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、１２ａ〜１２ｄ…結像レンズ、１３ａ〜１３ｄ…撮像素子、５０…評価装置、５１…照明系、５２…検出系、５４…信号処理部、５６…判定部、６２…繰り返しパターン、６４Ａ…ライン部、６６Ａ〜６６Ｄ…偏光方向
【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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