(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検面上の第１のパターンのピッチに応じて生じる第１の回折光を受光する第１の受光光学系と；
前記被検面上の第２のパターンのピッチに応じて生じる第２の回折光を受光する第２の受光光学系と；
前記第１の受光光学系で得られた前記被検面の画像を処理する第１の画像処理装置と；
前記第２の受光光学系で得られた前記被検面の画像を処理する第２の画像処理装置と；
前記第１の画像処理装置と第２の画像処理装置で得られた情報を処理して前記被検面の表面状態を検出する中央演算装置とを備え；
前記第１の受光光学系および前記第２の受光光学系は、物体側および像側にテレセントリックな光学系であり、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンが形成された前記被検面の法線と、前記第１の受光光学系および前記第２の受光光学系の光軸との傾斜に応じて、前記第１の受光光学系および前記第２の受光光学系の撮像面を、それぞれシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって傾斜させて配置したことを特徴とする；
面検査装置。
【請求項２】
前記被検面を照明する照明光学系を備え；
前記第１と第２の受光光学系のそれぞれの光軸は、前記照明光学系の光軸に関してほぼ対称に配置されていることを特徴とする；
請求項１に記載の、面検査装置。
【請求項３】
前記第１の回折光を前記第１の受光光学系にて受光し、前記第２の回折光を前記第２の受光光学系にて受光するために、前記第１の受光光学系の光軸と前記被検面の法線を含む面と、前記第２の受光光学系の光軸と前記被検面の法線を含む面とが、互いに交差することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の、面検査装置。
【請求項４】
被検面を照明する照明工程と；
前記照明工程で照明された被検面上の第１のパターンのピッチに応じて生じる第１の方向の回折光を第１の受光光学系で受光する第１の受光工程と；
前記照明工程で照明された被検面上の第２のパターンのピッチに応じて生じる第２の方向の回折光を第２の受光光学系で受光する第２の受光工程とを備え；
前記第１の受光工程は、前記被研磨面の法線と前記第１の受光光学系の光軸との傾斜に応じてシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって、撮像面を傾斜させて配置した第１の受光光学系により、前記第１の方向の回折光を、テレセントリックに受光および結像させるものであり；
前記第２の受光工程は、前記被研磨面の法線と前記第２の受光光学系の光軸との傾斜に応じてシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって、撮像面を傾斜させて配置した第２の受光光学系により、前記第２の方向の回折光を、テレセントリックに受光および結像するものであり；
さらに、前記第１の受光工程で得られた前記被検面の画像を処理する第１の画像処理工程と；
前記第２の受光工程で得られた前記被検面の画像を処理する第２の画像処理工程と；
前記第１の画像処理工程と第２の画像処理工程とで得られた情報を処理して前記被検面の表面状態を検出する工程とを備えることを特徴とする；
面検査方法。
【請求項５】
前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは周期性を有するラインアンドスペースパターンであり；
前記第１と第２の方向が、それぞれ前記ラインアンドスペースパターンのラインに対してほぼ垂直な方向であることを特徴とする；
請求項４に記載の、面検査方法。
【請求項６】
前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは周期性を有するラインアンドスペースパターンであり；
前記第１と第２の方向が、それぞれ前記ラインアンドスペースパターンによるプラス１次回折光とマイナス１次回折光の進行方向であることを特徴とする；
請求項４に記載の、面検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は面検査装置及び面検査方法に関し、特に表面に微細な繰り返しパターンの形成された半導体基板などの表面の異常を検出する面検査装置及び面検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体などの表面を検査する場合、検査員がウェハなどをマクロ照明装置と呼ばれる光源にかざして、目視にて表面からの散乱光や回折光を観察し、異物や傷，またはパターンの線幅の異常やパターンむらなどの異常を発見していた。ところが、このように検査員の目視による検査では、検査員の熟練度や検査環境に大きく影響を受けてしまうという問題点があった。そこで、特開平８−７５６６１号公報に開示されているような自動化された装置が用いられていた。この装
置では、ウェハなどの被検物体に光源からの光を照射し一つの受光光学系で検出するような構成をとっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような検査装置によれば、被検物体からの回折光を検出する場合にはパターンのピッチによって回折角が異なるので、メモリ素子などの全面に一様なピッチで素子が形成されているようなウェハの場合には、一度の計測で検査できるが、ＣＰＵやＡＳＩＣなど多種類の素子が違った領域に区分けされて形成されているような場合には、それぞれの領域でパターンピッチが異なり、回折光が生じないため検査できない部分ができてしまった。
【０００４】
さらに、パターン上にレジストの塗布された被検物体を検査しようとすると、レジスト膜の干渉のためにレジスト膜の厚さムラの影響を強く受けて回折光の光量が大きく変化してしまい、プロセスにほとんど影響を与えない程度の厚さムラでも異常と検出してしまうという問題があった。特に、レジストの厚さが非対称になっている場合には回折光像がむらになりやすく、信頼性の高い検査ができないという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、被検面の状態に拘わらず、確実にまた信頼性の高い検査をすることのできる面検査装置及び面検査方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による面検査装置は、図１に示すように、被検面３上の第１のパターンのピッチに応じて生じる第１の回折光Ｌ２ａを受光する第１の受光光学系１０１と；前記被検面３上の第２のパターンのピッチに応じて生じる第２の回折光Ｌ２ｂを受光する第２の受光光学系１０２と；前記第１の受光光学系１０１で得られた前記被検面３の画像を処理する第１の画像処理装置８ａと；前記第２の受光光学系１０２で得られた前記被検面３の画像を処理する第２の画像処理装置８ｂと；前記第１の画像処理装置８ａと第２の画像処理装置８ｂで得られた情報を処理して前記被検面３の表面状態を検出する中央演算装置９とを備え；第１の受光光学系１０１および第２の受光光学系１０２は、物体側および像側にテレセントリックな光学系であり、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンが形成された前記被検面３の法線と、前記第１の受光光学系および前記第２の受光光学系の光軸との傾斜に応じて、前記第１の受光光学系および前記第２の受光光学系の撮像面を、それぞれシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって傾斜させて配置したことを特徴とする。
【０００７】
このように構成すると、第１の受光光学系で被検面上の第１のパターンのピッチに応じて生じる第１の回折光を受光し、その結果得られた被検面の画像を第１の画像処理装置で処理し、同様に第２の受光光学系で被検面上の第２のパターンのピッチに応じて生じる第２の回折光を受光し、その結果得られた被検面の画像を第２の画像処理装置で処理し、このようにして両画像処理装置で得られた情報を中央演算装置が処理して被検面の表面状態が検出される。中央演算装置を備えるので、２つの情報を加算、減算など重畳的に処理して、１つの情報では区別のつかない面の状態を検出することができる。
【０００８】
この場合、請求項２に記載のように、（図２、図３参照）前記被検面３を照明する照明光学系２０２を備え；前記第１と第２の受光光学系１０３ａ、１０３ｂのそれぞれの光軸ＡＸ３ａ、ＡＸ３ｂは、前記照明光学系の光軸ＡＸ１に関してほぼ対称に配置されていてもよい。この発明では、例えば図２、図３に示されるように、照明光を被検面に対して斜めに入射させ、交差して形成されているパターンからの回折光を受光する受光光学系を対称に配置してもよいし、図４に示されるように、照明光を被検面に対してほぼ垂直に入射させ、パターンからのプラスマイナスｎ（ｎは整数）次の回折光を受光する受光光学系を対称に配置してもよい。
【０００９】
以上の装置では、請求項３に記載のように、前記第１の回折光を前記第１の受光光学系にて受光し、前記第２の回折光を前記第２の受光光学系にて受光するために、前記第１の受光光学系の光軸ＡＸ３ａと前記被検面の法線Ｈを含む面と、前記第２の受光光学系の光軸ＡＸ３ｂと前記被検面の法線Ｈを含む面とが、互いに交差することを特徴としてもよい（図７参照）。
【００１０】
このように構成すると、互いに交差する面内に光軸を有する受光光学系を備えるので、例えば互いに交差する２組のラインアンドスペースパターンが形成された半導体基板などからの２方向の回折光を同時に受光できる。即ち、プロセスにより回折光の生じる方向が必ずしも一定でない場合がある。それは、メモリなどの素子ではラインアンドスペースパターンが交差するように配置されることが多く、また一般に回折光はそれらラインに直角な方向に生じるからである。その場合一方向のみの受光系ではウエハを回転させて回折光をとらえなくてはならず処理時間の低下を招く危険があるが、本発明のような構成とすれば、それらを同時に計測できる。一般的には、パターンは必ずしも直交しないのでパターンに合わせて回折光の生じる方向に受光系を設けるのがよい。しかしながら、典型的には、例えば互いに直交する２組のラインアンドスペースパターンのように直交することが多く、そのような場合は、互いに直交する面内に光軸を有する受光光学系を備えように構成すればよい（図３参照）。
【００１１】
請求項４に係る発明による面検査方法は、被検面を照明する照明工程と；前記照明工程で照明された被検面上の第１のパターンのピッチに応じて生じる第１の方向の回折光を第１の受光光学系で受光する第１の受光工程と；前記照明工程で照明された被検面上の第２のパターンのピッチに応じて生じる第２の方向の回折光を第２の受光光学系で受光する第２の受光工程とを備え；前記第１の受光工程は、前記被研磨面の法線と前記第１の受光光学系の光軸との傾斜に応じてシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって、撮像面を傾斜させて配置した第１の受光光学系により、前記第１の方向の回折光を、テレセントリックに受光および結像するものであり；前記第２の受光工程は、前記被研磨面の法線と前記第２の受光光学系の光軸との傾斜に応じてシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって、撮像面を傾斜させて配置した第２の受光光学系により、前記第２の方向の回折光を、テレセントリックに受光および結像するものであり；さらに、第１の受光工程で得られた前記被検面の画像を処理する第１の画像処理工程と；第２の受光工程で得られた前記被検面の画像を処理する第２の画像処理工程と；前記第１の画像処理工程と第２の画像処理工程とで得られた情報を処理して前記被検面の表面状態を検出する工程とを備える。
【００１２】
このように構成すると、照明工程で被検面が照明され、そこから回折光が生じる。第１のパターンのピッチに応じて生じる第１の方向の回折光と第２のパターンのピッチに応じて生じる第２の方向の回折光を受光するそれぞれの工程を備えるので、複数の画像が得られる。それぞれの画像処理工程を備えるので、それらを例えば組み合わせて集中的に処理することができる。
【００１３】
この方法では、請求項５に記載のように、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは周期性を有するラインアンドスペースパターンであり；前記第１と第２の方向が、それぞれ前記ラインアンドスペースパターンのラインに対してほぼ垂直な方向であることを特徴としてもよい。
【００１４】
半導体デバイスなどでは、ラインアンドスペースパターンが互いに直交するように形成されていることが多いが、第１と第２の方向が、それぞれそのようなラインアンドスペースパターンのラインに対してほぼ垂直な方向であるので、各パターンからの回折光を第１と第２の方向から受光することができる。
【００１５】
以上の方法では、請求項６に記載のように、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンは周期性を有するラインアンドスペースパターンであり；前記第１と第２の方向が、それぞれ前記ラインアンドスペースパターンによるプラス１次回折光とマイナス１次回折光の進行方向であってもよい。
【００１６】
第１と第２の方向が、プラスマイナス１次回折光の進行方向にあるので、被検面に関する対称な方向の情報が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１８】
図１は、本発明による第１の実施の形態を示す側面図である。本実施の形態は、複数のピッチのパターンに対応するために受光系を複数設けた例である。基板ステージＳＴＧに載置されたウエハ等の基板３を照明する照明光学系２０１が設けられている。基板３に対して所定の入射角θiで照明光を照射する方向に、照明コンデンサミラーである凹面鏡２が配置されており、その焦点面にほぼ単色光を発する光源１が設けられている。本実施の形態では、照明光学系２０１は光源１と凹面鏡２とを含んで構成されている。
【００１９】
光源１から射出された光束は、照明コンデンサミラー２でほぼ平行な光束Ｌ１となり被検物体である基板３に、入射角θiで照射される。図１中でＨは基板表面の法線を示す。
【００２０】
基板３上に形成されたパターンのうち、第１のピッチｐ１のｎ次の回折光はウェハ３の法線Ｈに対してθ１ｎの方向に進む。このθ１ｎを回折角と呼ぶ。光の波長をλとすると、これらの値の間には次式のような関係がある。ここで、入射角θｉ、回折角θ１ｎ、θ２ｎの符号のとり方は、光の入射点における法線を基準として、法線から測って反時計回りを正、時計回りを負としている。
【００２１】
sinθi＋sinθ1n＝ｎλ／ｐ1
同様に、ウェハ３上に形成されたパターンのうち、第２のピッチｐ2のｎ次の回折光の回折角θ2nは、次式のように表せる。
【００２２】
sinθi＋sinθ2n＝ｎλ／ｐ2
次に本実施の形態の受光系の構成を説明する。図１中、第１のピッチｐ1のパターンの回折光を受光する第１の受光光学系１０１は、基板３の法線Ｈに対して入射光Ｌ１の入射方向と反対側の回折角θ1nの方向に受光ミラーである凹面鏡４ａ、その反射光の進行方向、受光ミラー４ａの瞳付近に設けられた絞り５ａ、絞り５ａを通過した光の進行方向に設けられた結像レンズ６ａ、そして受光ミラー４ａと結像レンズ６ａに関して基板３の表面と共役な位置に設けられたＣＣＤ等の撮像素子７ａを含んで構成されている。
【００２３】
基板３は一般的に受光光学系の光軸に対して傾斜している、即ちあおり角を有しているので、撮像素子７ａはシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって傾斜させて配置するのが望ましい。
【００２４】
この第１の受光光学系１０１は、受光ミラー４ａで基板３からの回折角θ1nの第１の回折光Ｌ２ａを受光し、その反射光は受光ミラー４ａの瞳付近で絞り５ａにより、前記の回折角θ1n方向に進む回折光だけが取り出される。
【００２５】
その取り出された回折光は、結像レンズ６ａにより撮像素子７ａの撮像面上に基板３の第１のピッチｐ1のｎ次の回折光による像を形成する。形成された像は、撮像面７ａで光電変換され、光強度に応じた電気信号に変換される。
【００２６】
全く同様に、第２のピッチｐ2のパターンの回折光を受光する第２の受光光学系１０２は、入射光Ｌ１の入射方向と反対側、回折角θ2nの方向の受光ミラーである凹面鏡４ｂ、受光ミラー４ｂの瞳付近の絞り５ｂ、絞り５ｂを通過した光の進行方向に設けられた結像レンズ６ｂ、基板３の表面と共役な位置にシャインプルーフの条件を充足して設けられた撮像素子７ｂを含んで構成されている。
【００２７】
作用も第１の光学系と同様である。即ち、基板３の第２のピッチｐ2のｎ次の回折光による像が形成され、その像は撮像面７ｂで光電変換され、光強度に応じた電気信号に変換される。
【００２８】
これらの検出された２つの像の電気信号を、撮像面７ａ、７ｂとそれぞれ電気的に接続された画像処理装置８ａ、８ｂに伝送される。これらの像を、あらかじめ画像処理装置８ａ、８ｂ内に入力してある欠陥のない基板の像と比較することにより、基板３上に付着した異物や表面の傷やパターンの異常が検出される。これらの画像処理装置８ａ、８ｂで検出された結果は、中央演算装置であるコンピュータ９で基板欠陥のデータとしてまとめられる。実施例としては、画像処理装置８ａ、８ｂと、中央演算装置はまとめて１つの装置として構成してもよい。
【００２９】
受光光学系１０１、１０２は、それぞれ検査すべきパターンの回折角θ1n、θ2nの方向に、不図示の傾斜調節機構によって設定するように構成するのが望ましい。
【００３０】
本実施の形態は、ＡＳＩＣなどのピッチの異なるパターンが形成された領域のあるような基板の検査に有効である。異なるピッチのパターンの検査が同時にできるので、デバイス製造のスループットを高くできる。
【００３１】
また以上、複数のピッチ（ピッチｐ1とピッチｐ2）のパターンに対応するために受光系を複数設けた場合として説明したが、この装置をそのまま単一のピッチのパターンの次数の異なる回折光、例えばｎ次回折光とｎ＋１次回折光を受光して検査する場合にも応用できる。即ち、その場合は回折光Ｌ２ａ、Ｌ２ｂの一方がｎ次の回折光で他方がｎ＋１次の回折光ということになる。このように一つのパターンについて複数の次数の回折光を検出して検査することにより、検査の精度と信頼性が向上される。
【００３２】
図２と図３を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は第２の実施の形態の装置の斜視図であり、図３は図２の装置を基板３の真上から見た平面図である。
【００３３】
本実施の形態は、パターンの繰り返しのある方向が異なっている場合に、それぞれのパターンの方向、換言すれば回折光の方向に応じて受光光学系を設けた例である。不図示の基板ステージに載置されたウエハ等の基板１３を照明する照明光学系２０２が設けられている。照明光学系２０２は、基板１３に対して所定の入射角θiで照明光を照射する方向に配置された、照明コンデンサミラーである凹面鏡１２と、その焦点面に設けられたほぼ単色光を発する光源１１とを含んで構成されている。
【００３４】
光源１１から射出された光束は、照明コンデンサミラー１２でほぼ平行な光束Ｌ１となり被検物体である基板１３に、入射角θiで照射される。図２中でＨは基板表面の法線を示す。
【００３５】
次に受光系の構成を説明する。図３の平面図に示されるように、本実施の形態では、受光光学系１０３ａと受光光学系１０３ｂとは、それぞれの光軸ＡＸ３ａ、ＡＸ３ｂとが、照明光学系２０２の光軸ＡＸ１に対してほぼ対称に配置されている。一実施例としては、平面図上で光軸ＡＸ３ａとＡＸ３ｂはＡＸ１にそれぞれ４５°をなしている。
【００３６】
このように配置すると、半導体ウエハ等でよく用いられる縦横に直交する繰り返しパターンに対処できる。即ち、図３に示されているように、直交する例えばラインアンドスペースパターンのラインがそれぞれの受光光学系の光軸に直交するように置けば、それぞれのパターンからの回折光がそれぞれの受光光学系に向かうことになる。
【００３７】
受光光学系１０３ａは、図１の実施の形態の受光光学系１０１と全く同様に構成されている。即ち、図３において、一方のパターンの回折光を受光する第１の受光光学系１０３ａは、入射光Ｌ１の進行方向に対して４５°の方向で、図２に示されるように基板１３の法線Ｈに対して、回折角θ3nの方向に受光ミラーである凹面鏡１４ａ、その反射光の進行方向、受光ミラー１４ａの瞳付近に設けられた絞り１５ａ、絞り１５ａを通過した光の進行方向に設けられた結像レンズ１６ａ、そして受光ミラー１４ａと結像レンズ１６ａに関して基板１３の表面と共役な位置に設けられたＣＣＤ等の撮像素子１７ａを含んで構成されている。また、基板１３は受光光学系１０３ａの光軸に対してあおり角を有しているので、撮像素子１７ａはシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって配置するのが望ましいのも、図１の実施の形態と同様である。
【００３８】
全く同様に、他方のパターンの回折光を受光する第２の受光光学系１０３ｂが、受光光学系１０３ａと対称に配列されている。即ち、回折角θ3nの方向の受光ミラーである凹面鏡１４ｂ、受光ミラー１４ｂの瞳付近の絞り１５ｂ、絞り１５ｂを通過した光の進行方向に設けられた結像レンズ１６ｂ、基板１３の表面と共役な位置にシャインプルーフの条件を充足して設けられた撮像素子１７ｂを含んで構成されている。
【００３９】
このような構成において、基板１３上に形成された繰り返しパターンのうち第１の方向に回折する回折光を受光ミラー１４ａで集光し、そこで反射された光は絞り１５ａで所定の回折角の回折光だけが選別され、結像レンズ１６ａで撮像面１７ａに基板１３の第１の回折像を結像する。同様に、基板１３上に形成された繰り返しパターンのうち第２の方向に回折する回折光を受光ミラー１４ｂで集光し、そこで反射された光は絞り１５ｂで所定の回折角の回折光だけが選別され、結像レンズ１６ｂで撮像面１７ｂに基板１３の第２の回折像を結像する。これらの回折像を、それぞれあらかじめ画像処理装置１８ａ、１８ｂ内に入力してある欠陥のない像と比較することにより、ウェハ１３上に付着した異物や表面の傷やパターンの異常を検出し、コンピュータ１９で基板欠陥データにするのは、第１の実施の形態と同様である。
【００４０】
基板１３上に形成された繰り返しパターンの２つの回折方向にそれぞれ十分な光量の像ができるように、入射光の入射してくる面は、先に説明したように、２つの回折方向の中線と基板１３の面の法線を含んでいるのが望ましく、また、図３の平面図に示されるように、入射光学系はパターンに対して４５度の角度をなすように入射するのが望ましい。
【００４１】
受光光学系１０３ａ、１０３ｂは、それぞれ検査すべきパターンの回折角θ3nの方向に、不図示の傾斜調節機構によって設定するように構成するのが望ましい。
【００４２】
また、検査すべきパターンは、方向が異なるだけでピッチは同一として説明したが、もちろん異なるピッチの場合にも適用でき、あるいは一方をｎ次回折光、他方をｎ＋１次回折光等異なる次数の回折光の検査にも適用でき、その場合は回折角はθ3n、θ3n’（不図示）となり、それぞれ受光光学系の方向が設定される。
【００４３】
本実施の形態は、異なる方向例えば縦横に周期性のある繰り返しパターンが形成された領域のあるような基板の場合の検査に有効である。２方向のパターンの検査が同時にできるので、デバイス製造のスループットを高くできる。
【００４４】
本発明の第３の実施の形態を図４を参照して説明する。本実施の形態は、非対称性をもってパターンが形成されてしまった基板も、プロセス上問題のない程度の非対称性を欠陥として検出しないように、そのようなパターンのむらを無視して検査を行なえるようにした装置の例である。
【００４５】
図４において、基板ステージＳＴＧに載置されたウエハ等の基板２３を照明する照明光学系２０３が設けられている。照明光学系２０３は、基板２３の真上から照明光を照射する方向に配置された、照明コンデンサレンズ２２と、その焦点面に設けられたほぼ単色光を発する光源２１とを含んで構成されている。
【００４６】
光源２１から射出された光束は、照明コンデンサレンズ２２でほぼ平行な光束Ｌ１となり被検物体である基板２３に、入射角９０°で、即ち法線Ｈと同方向に照射される。
【００４７】
受光光学系１０４ａと受光光学系１０４ｂとは、それぞれの光軸ＡＸ４ａ、ＡＸ４ｂとが、照明光学系２０３の光軸ＡＸ１に対して（基板２３の法線Ｈに対して）ほぼ対称に配置されている。
【００４８】
このように構成された装置に、基板の例えばラインアンドスペースパターンのラインがそれぞれの受光光学系の光軸に直交するように置くことができ、パターンからの同次数の回折光がそれぞれの受光光学系に向かうことになる。
【００４９】
受光光学系１０４ａ、１０４ｂは、図１の実施の形態の受光光学系１０１と同様に構成されているが、一部凹面鏡の代わりに凸レンズが用いられている。即ち、図４において、パターンのｎ次回折光を受光する第１の受光光学系１０４ａは、図４に示されるように基板２３の法線Ｈに対して、回折角θ4nの方向に受光レンズである凸レンズ２４ａ、その先で受光レンズ２４ａの瞳付近に設けられた絞り２５ａ、絞り２５ａを通過した光の進行方向に設けられた結像レンズ２６ａ、そして受光レンズ２４ａと結像レンズ２６ａに関して基板２３の表面と共役な位置に設けられたＣＣＤ等の撮像素子２７ａを含んで構成されている。撮像素子２７ａがシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって配置するのが望ましいのも、第１、第２の実施の形態と同様である。
【００５０】
受光光学系１０４ｂは、受光光学系１０４ａと対称に配置されているものであり、構成は全く同様であるので説明を省略する。
【００５１】
撮像素子２７ａ、２７ｂは、加算機３０に電気的に接続されている。さらに加算機３０は、画像処理系２８、コンピュータ２９にそれぞれ電気的に接続されている。
【００５２】
本実施の形態の作用を説明する。光源２１から射出された光束は、照明コンデンサレンズ２２でほぼ平行な光束となり、被検物体である基板２３をほぼ垂直に照明する。基板２３上のパターンのピッチｐに対するｎ次の回折光の回折角θ4nは、次式で表される。
【００５３】
sinθ4n＝ｎλ／ｐ
この場合には、垂直入射なのでｎ次の回折光は正負の二つの方向に進む。先に構成を説明した受光光学系１０４ａ、１０４ｂは、これらの回折光をそれぞれ受光するように入射角が、それぞれ回折角プラスθ4n、マイナスθ4nに設定される。受光光学系１０４ａ、１０４ｂは、それぞれ集光レンズ２４ａ、２４ｂで回折光を集光し、それぞれ検出する回折光を絞り２５ａ、２５ｂで選別しそれぞれ結像レンズ２６ａ、２６ｂで撮像素子の受光面２７ａ、２７ｂ上に、それぞれ基板２３の回折光の像を形成する。
【００５４】
それぞれの撮像素子で光強度に比例する画像信号に変換された後、それぞれの画像信号の各画素が基板上の同じ点を観察するように補正された後、各画素ごとに加算機３０で加え合わせられ、ウェハ画像信号とする。
【００５５】
このウェハ画像信号とあらかじめ画像処理系２８に記憶させておいた欠陥のない基板による画像信号と比較し、基板２３上に付着した異物や傷やパターンの異常を検出し、コンピュータ２９で基板欠陥データにまとめる。
【００５６】
基板２３上で図５の（ａ）に示されるように、基板上に塗布されたレジスト面の上面が傾いているときの±１次光の回折光強度を、図５の（ｂ）に示す。傾いた方向の回折光の強度が強くなり、反対側の回折光が弱くなっていることがわかる。
【００５７】
この状態を「ブレーズされている」という。回折光の強弱は、プラス１次回折光とマイナス１次回折光で相殺されるような大きさになるので、光強度は、±１次光の光強度の和をとると、ブレーズされていてもほぼ一定の値をとることがわかる。このためこのような光強度の和を求めれば、レジストの細かい膜厚むらによる表面のむらは検出することなく検査を行なうことができる。
【００５８】
さらに、第２の実施の形態と第３の実施の形態とを組み合わせたものを、第４の実施の形態として図６に示す。これは、特にＡＳＩＣの検査に応用して好適なものである。
【００５９】
図６において、基板３３を照明する照明光学系２０４は、第３の実施の形態の照明光学系２０３と全く同様に構成されている。即ち照明光学系２０４は、基板３３の真上から照明光を照射する方向に配置された、照明コンデンサレンズ３２と、その焦点面に設けられたほぼ単色光を発する光源３１とを含んで構成されている。作用も照明光学系２０３と同様であるので説明を省略する。
【００６０】
受光光学系１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄは、受光光学系１０４ａと、同一の構成を有している。即ち、回折角θ5nの方向に受光レンズである凸レンズ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、その先で受光レンズの瞳付近に設けられた絞り３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、絞りを通過した光の進行方向に設けられた結像レンズ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、そして受光レンズと結像レンズに関して基板３３の表面と共役な位置に設けられたＣＣＤ等の撮像素子３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄを含んで構成されている。これら撮像素子がシャインプルーフの条件を充足するあおり角をもって配置するのが望ましいのも、先の実施の形態と同様である。
【００６１】
受光光学系１０５ａと１０５ｂ、受光光学系１０５ｃと１０５ｄ、それぞれが法線Ｈに対して対称に配置されている。
【００６２】
撮像素子３７ａ、３７ｂは、加算機４０ａに電気的に接続されており、撮像素子３７ｃ、３７ｄは、加算機４０ｂに電気的に接続されている。さらに加算機４０ａ、４０ｂは、画像処理系３８、コンピュータ３９にそれぞれ電気的に接続されている。
【００６３】
このように構成された装置には、基板の例えば２つのラインアンドスペースパターンのラインがそれぞれの受光光学系の光軸に直交するように置くことができ、パターンからの同次数の回折光がそれぞれ対称に配置された受光光学系に向かうことになる。典型的には、２つのラインアンドスペースパターンは直交しているので、４つの受光光学系は法線Ｈの回りに９０°つづ離れて等角で配置される。
【００６４】
即ち受光光学系１０５ａと１０５ｂ、受光光学系１０５ｃと１０５ｄの組み合わせに注目すれば第３の実施の形態を２つ合わせたものと見ることができ、受光光学系１０５ａと１０５ｃ、受光光学系１０５ｂと１０５ｄの組み合わせに注目すれば第２の実施の形態を２つ合わせたものと見ることができる。作用はそれぞれの実施の形態で説明した通りである。
【００６５】
このようにして、本実施の形態によれば、２方向の周期性パターンを同時に、またブレーズされている場合でも、レジストの細かい膜厚むらによる表面のむらは検出することなく検査を行なうことができる。したがって、２方向を同時にまたプロセス上問題のない軽度のむら等を欠陥として拾うことなく検査できるので、製造のスループットを著しく向上することができる。
【００６６】
以上説明したように、本発明の面検査装置によれば、パターンを有するような被検物体上に付着した異物や傷、またはパターンの線幅の異常やパターンむらなどの異常を確実に高いスループットをもって検査することができるので、メモリなどの半導体ウェハや液晶表示パネルなどのような半導体デバイスの検査に応用して好適である。
【００６７】
即ち、第１と第２の実施の形態によれば、今までチップ全面に一様に素子が形成されているメモリのようなものの検査だけでなく、ＣＰＵやＡＳＩＣなどの素子の形成されているピッチが異なるものに対しても十分な検査が時間を増やすことなく行なえる。さらに、第３、第４の実施の形態ではプロセスに影響を与えない程度のレジストむらを検出することなく、基板上に付着した異物や傷やパターンの異常などを検出することができる。
【００６８】
また、それぞれの実施の形態においてはＣＣＤ等の撮像素子面上にできる像の大きさの変動を抑えるため、基板は受光レンズまたは受光ミラーの前側焦点位置に配置し、絞りを受光レンズまたは受光ミラーの後側焦点位置で、かつ結像レンズの前側焦点位置に配置して、両側テレセントリック光学系にすることが望ましい。
【００６９】
次に本発明の面検査方法の実施の形態を説明する。基板（被検面）に照明光Ｌ１を照射する。被検面から生じる第１の方向の回折光を第１の受光光学系で受光し、被検面から生じる第２の方向の回折光を第２の受光光学系で受光する。第１の方向の回折光による被検面の画像を撮像素子に形成し、第１の画像処理装置で画像処理する。同様に、第２の方向の回折光による被検面の画像を別の撮像素子に形成し、第２の画像処理装置で画像処理する。このようにして得られた被検面に関する画像情報を中央演算装置であるコンピュータに送り、基準画像と比較することにより、被検面の表面状態例えば欠陥を検出する。２つの情報を集中的に、即ち重畳的に、参照しつつまたお互いに補正の対象として用いて、一方で欠陥の疑いのある画像状態も、真の欠陥であるかを他方で確認するように処理することもできる。例えば、２つの情報を加算、減算など重畳的に処理して、１つの情報では区別のつかない面の状態を検出することができる。あるいは２つの情報を同時に扱うことができるので、検査のスループットを向上させることができる。
【００７０】
図１に示されるように、基板３に同方向の異なるピッチを有する２種類のパターンが形成されている場合は、第１の方向の回折光Ｌ２ａと第２の方向の回折光Ｌ２ｂはそれぞれのピッチに対応する、異なった回折角を有する同次の回折光である。このように２種類の回折光から得られる情報が１回で得られるので検査のスループットが高まる。また、１つの演算装置で集中的に、あるいは重畳的に処理することにより、信頼性の高い検査が可能となる。
【００７１】
図２、図３に示されるように、基板１３に異なった方向の２種類のパターンが形成されている場合は、回折光Ｌ３ａとＬ３ｂはそれぞれのパターンの方向に対応する、同じ大きさの回折角を有し、基板の法線Ｈ回りで異なった方向の同次の回折光である。特にパターン同士が直角に配置されている基板を検査するときは、第１と第２の方向はお互いに垂直である。このように２方向のパターンに関する情報が同時に得られるので検査のスループットが高まる。
【００７２】
図４に示されるように、基板２３に垂直に照明光を照射する場合は、回折光Ｌ４ａとＬ４ｂは対称な方向に生じる同次の回折光例えばプラス１次光とマイナス１次光となる。対称な方向の回折光を検出するので、例えばレジストの細かい膜厚むらによる表面のむらは検出することなく検査を行なうことができる。したがって、製品として問題とならない軽度の欠陥を拾うことがないので、製造のスループットを向上することができる。
【００７３】
さて、次に、図２および図３に示した第２の実施の形態の変形例としての第５の実施の形態を図７を参照しながら説明する。なお、図７において図２及び図３と同じ機能を持つ部材には、同じ符号を付してある。
【００７４】
メモリなどの素子では繰り返しパターンが直交して並ぶことが多いが、パターンの形状によっては回折光の生じる方向は必ずしも直交するとは限らない。例えば、図７（ａ）に示したようなパターン、即ち複数の平行な第１の線分群に複数の平行な第２の線分群が９０°以外の角度で交差して形成されたパターン、具体的にはエスカレータのループ状の回転手すりを真横から見たような形状のパターンでは回折光は直交した方向には生じないで、概してパターンの直線部に直交する方向に生じると考えてよい。
【００７５】
この回折光を受光するためには、図７（ｂ）に示したような位置（図３では２つの受光光学系の光軸は直角をなす配置であったが、本実施の形態では、鋭角をなす配置）に送光系１１〜１２（光源１１は不図示）および受光系１４ａ〜１７ａ（凹面鏡１４ａのみ図示）、１４ｂ〜１７ｂ（凹面鏡１４ｂのみ図示）を配置する必要がある。
【００７６】
図示のように、基板１３上に形成されたパターンの形状（図７（ａ））によって回折光の生じる方向が変化するのに応じて、送光系１１〜１２および受光系１４ａ〜１７ａ、１４ｂ〜１７ｂを移動させるために、それぞれ相対的に移動できるように、少なくとも２つの受光系１４ａ〜１７ａ、１４ｂ〜１７ｂ、または送光系１１〜１２および受光系１４ｂ〜１７ｂに駆動部（受光系１４ｂ〜１７ｂ用として５１、受光系１４ａ〜１７ａ用として５２、又は受光系１４ｂ〜１７ｂ用として５１、送光系１１〜１２用として５２’）を設けてプロセス（被検面のパターン構造）に応じて移動させるようにするのが望ましい。
【００７７】
本実施の形態では、コンピュータ９は駆動部５１、５２（あるいは５２’）に接続されており、駆動系（５１、５２又は５１、５２’）の駆動量を制御する制御手段としても機能するように構成されている。また、コンピュータ９には入力手段５０が接続されており、プロセス情報等をコンピュータ９に入力できるようになっている。
【００７８】
このような、コンピュータ９により制御された駆動部による駆動により、図７（ａ）中、受光系１４ａ〜１７ａの光軸は図（ａ）のパターンの第１の線分群の線分に直角な方向に、受光系１４ｂ〜１７ｂの光軸は図（ａ）のパターンの第２の線分群の線分に直角な方向に調整されている。また送光系１１〜１２の光軸は両受光系の光軸のなす角を２等分する方向となる。
【００７９】
このとき、あらかじめ各プロセスウエハで検査する位置を決めておいて、検査する際にプロセスの情報を入力手段５０へ入力して、この情報に応じて、コンピュータ９は、駆動系（５１、５２又は５１、５２’）を介して受光系および送光系の位置を移動させる。
【００８０】
または、コンピュータ９は、駆動系（５１、５２又は５１、５２’）を介してＣＣＤ１７ａ、１７ｂからの信号が最大となるように受光系をスキャン（移動）して、回折光の強度が最大になる位置で画像を取り込み、信号処理系で画像の回転調整をして検査してもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、２つの受光光学系を設けたので、被検面の状態に拘わらず、確実にまた信頼性の高い検査をすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である面検査装置の概略を示す側面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である面検査装置の概略を示す斜視図である。
【図３】図２の面検査装置を上方から見た平面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態である面検査装置の概略を示す斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の原理を説明する基板のレジスト部分の側断面図とレジストの傾きと回折光強度との関係を示す線図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態である面検査装置の概略を示す斜視図である。
【図７】ある被検物体のパターンの構造を示す平面図（ａ）と、本発明の第５の実施の形態である面検査装置を上方から見た平面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１  光源
２  照明コンデンサミラー
３  基板
４ａ、４ｂ  受光ミラー
５ａ、５ｂ  絞り
６ａ、６ｂ  結像レンズ
７ａ、７ｂ  撮像素子（ＣＣＤ）
８ａ、８ｂ  画像処理装置
９  コンピュータ
１１、２１、３１  光源
１２  照明コンデンサミラー
１３、２３、３３  基板
１４ａ、１４ｂ  受光ミラー
１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ、３５ａ〜ｄ  絞り
１６ａ、１６ｂ、２６ａ、２６ｂ、３６ａ〜ｄ  結像レンズ
１７ａ、１７ｂ、２７ａ、２７ｂ、３７ａ〜ｄ  撮像素子（ＣＣＤ）
１８ａ、１８ｂ  画像処理装置
１９、２９、３９  コンピュータ
２８、３８  画像処理装置
３０、４０ａ、４０ｂ  画像加算機
２０１、２０２、２０３、２０４  照明光学系
１０１、１０３ａ、１０４ａ  第１の受光光学系
１０２、１０３ｂ、１０４ｂ  第２の受光光学系
１０５ａ〜ｂ  受光光学系
Ｈ  法線
ＡＸ３ａ、ＡＸ３ｂ、ＡＸ４ａ、ＡＸ４ｂ  光軸
Ｌ１  照明光
Ｌ２ａ、Ｌ３ａ、Ｌ４ａ  第１の回折光
Ｌ２ｂ、Ｌ３ｂ、Ｌ４ｂ  第２の回折光
Ｌ４ｃ、Ｌ４ｄ  回折光
ＳＴＧ  基板ステージ
【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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