JP2012068270A - 欠陥検査方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 不規則な回路パターン部分では、パターンからの散乱光によって欠陥信号が見落とされ、感度が低下する。
【解決手段】 基板試料を載置してＸ-Ｙ-Ｚ-θの各方向へ任意に移動可能なステージ部と、基板試料を斜方から照射する照明系と、照明された検査領域を受光器上に結像する結像光学系とを有し、該照明系の照射により前記基板試料上に発生する反射散乱光を集光する。更に、互いに異なる複数の偏光成分を同時に検出する偏光検出部を有する。更に、上記偏光検出部で検出される互いに異なる複数の偏光成分信号を複数チップ間あるいは所定領域の画像内で比較して、統計的な外れ値を試料上の欠陥として検査する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造工程、液晶表示素子製造工程プリント基板製造工程等、基板上にパターンを形成して対象物を製作していく製造工程で発生する異物等の欠陥を検出し、分析して対策を施す製造工程における異物等の欠陥の発生状況を検査する欠陥検査方法およびその装置に関する。

従来の半導体製造工程では、半導体基板（被検査対象基板）上に異物が存在すると配線の絶縁不良や短絡などの不良原因になり、さらに半導体素子が、微細化して半導体基板中に微細な異物が存在した場合にこの異物が、キャパシタの絶縁不良やゲート酸化膜などの破壊の原因にもなる。これらの異物は、搬送装置の可動部から発生するものや、人体から発生するもの、プロセスガスによる処理装置内で反応生成されたもの、薬品や材料に混入していたものなど種々の原因により種々の状態で混入される。

同様の液晶表示素子製造工程でも、パターン上に異物が混入するなど、何らかの欠陥が生じると、表示素子として使えないものになってしまう。プリント基板の製造工程でも状況は同じであって、異物の混入はパターンの短絡、不良接続の原因になる。
従来のこの種の半導体基板上の異物を検出する技術の１つとして、特開昭６２−８９３３６号公報（従来技術１）に記載されているように、半導体基板上にレーザを照射して半導体基板上に異物が付着している場合に発生する異物からの散乱光を検出し、直前に検査した同一品種半導体基板の検査結果と比較することにより、パターンによる虚報を無くし、高感度かつ高信頼度な異物及び欠陥検査を可能にするものがある。また、特開昭６３−１３５８４８号公報（従来技術２）に開示されているように、半導体基板上にレーザを照射して半導体基板上に異物が付着している場合に発生する異物からの散乱光を検出し、この検出した異物をレーザフォトルミネッセンスあるいは２次Ｘ線分析（ＸＭＲ）などの分析技術で分析するものがある。

また、上記異物を検査する技術として、被検査対象基板にコヒーレント光を照射して被検査対象基板上の繰り返しパターンから射出する光を空間フィルタで除去し繰り返し性を持たない異物や欠陥を強調して検出する方法が知られている。

また、被検査対象基板上に形成された回路パターンに対して該回路パターンの主要な直線群に対して４５度傾けた方向から照射して主要な直線群からの０次回折光を対物レンズの開口内に入力させないようにした異物検査装置が、特開平１−１１７０２４号公報（従来技術３）において知られている。この従来技術３においては、主要な直線群ではない他の直線群を空間フィルタで遮光することについても記載されている。

また、異物等の欠陥検査装置およびその方法に関する従来技術としては、特開平１−２５０８４７号公報（従来技術４）、特開平６−２５８２３９号公報（従来技術５）、特開平６−３２４００３号公報（従来技術６）、特開平８−２１０９８９号公報（従来技術７）、および特開平８−２７１４３７号公報（従来技術８）が知られている。

また、複数の偏光成分を同時に検出し、検査対象基板上に形成された薄膜の膜厚および薄膜の物性を求める表面検査装置が、特開２００６−１４５３０５号公報（従来技術９）において知られている。

また、複数の偏光成分を同時に検出する技術として、チャネルスペクトルを用いた偏光計測法が非特許文献１において、複屈折ウェッジを用いた偏光計測法が非特許文献１、非特許文献２において、振幅分割プリズムを用いた偏光計測法および微小偏光素子アレイを用いた偏光計測法が非特許文献３において知られている。

特開昭６２−８９３３６号公報 特開昭６３−１３５８４８号公報 特開平１−１１７０２４号公報 特開平１−２５０８４７号公報 特開平６−２５８２３９号公報 特開平６−３２４００３号公報 特開平８−２１０９８９号公報 特開平８−２７１４３７号公報 特開２００６−１４５３０５号公報

岡和彦, 「チャネルスペクトルを利用した分光偏光計測」, O plus E, , Vol. 25, No. 11, p1248 (2003) K. Oka, "Compact complete imaging polarimeter using birefringent wedge prisms", Optics Express, Vol. 11, No. 13, p1510 (2003) 菊田久雄他, 「偏光画像計測システム」, O plus E, Vol. 25, No. 11, p1241 (2003)

しかしながら、上記従来技術１〜８では、不規則な回路パターン部分では、パターンからの散乱光によって欠陥信号が見落とされ、感度が低下する課題があった。

また、上記従来技術９は薄膜の膜厚および薄膜の物性を求めるためのものであり、欠陥検出の感度向上に直接寄与することはない。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、欠陥と同等の強度の散乱光を発するパターンを有する被検査対象基板上の欠陥を、高速で、しかも高精度に検査できるようにした欠陥検査装置およびその方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、光源から出射した光を検査対象基板上の所定の領域に所定の偏光状態をもって導く照明光学部と、前記所定領域において生じ所定の方位角範囲および所定の仰角範囲に伝播する反射散乱光を受光器に導き電気信号に変換する検出光学部と、前記電気信号に基づいて欠陥を示す信号を抽出する欠陥判定部とを備えた欠陥検査装置において、前記検出光学部において互いに異なる複数の偏光成分を独立に検出し各々の偏光成分に対応した複数の信号を得る偏光検出手段を有し、前記欠陥判定部において前記各々の偏光成分あるいはそれら演算によって得られる物理量を軸として張られる空間における前記複数の信号に対応するベクトルの終点の分布に基づいて欠陥を示す信号を抽出することを特徴とする。

以上説明したように、前記構成によれば、散乱光を発するパターンが存在する検査対象基板に対して、微小な欠陥を高速で、しかも高精度に検査することができる。

本発明に係る欠陥検査装置の第一の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明に係る照明光学系の構成を示す概略構成図である。 本発明に係る偏光検出部の振幅分割法を用いた構成例を示す概略構成図である。 本発明に係る偏光検出部の複屈折ウェッジを用いた構成例を示す概略構成図である。 本発明に係る偏光検出部の偏光光学素子アレイを用いた構成例を示す概略構成図である。 本発明に係る信号処理部を示す概略構成図である。 本発明に係る信号処理部における互いに異なる二つの偏光成分信号に基づく欠陥判定方法を示す概念図である。 本発明に係る信号処理部における互いに異なる複数の偏光成分信号より算出される二つの物理量に基づく欠陥判定方法を示す概念図である。 本発明に係る信号処理部における互いに異なる複数の偏光成分信号より算出される三つの物理量に基づく欠陥判定方法を示す概念図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第一の変形例における光学系を示す概略構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第一の変形例における斜方検出系の検出方向を示す概略図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第一の変形例における斜方検出系の検出方向とステージ走査方向および照明領域長手方向の関係を示す概略図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第一の変形例における照明領域の形成方法が第一の実施例と異なる構成例の概略構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第二の変形例における光学系を示す概略構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第三の変形例における光学系を示す概略構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第二、第三、第四、第五の変形例における照明光学系を示す概略構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第四の変形例における光学系およびステージを示す概略構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第五の変形例における光学系およびステージを示す概略構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の第四、第五の変形例における、検査対象基板に対する視野の回転と検出偏光成分の回転との関係を示す概念図である。. 第２の実施例におけるビーム拡大光学系の側面図である。 （ａ）第２の実施例における光路分岐光学系の概略構成を示すブロック図，（ｂ）レーザ光源から発射されたペルスレーザの波形信号図、（ｃ）レーザ光源から発射された１パルスのレーザを２パルスに分割した状態を示すパルス波形信号図である。 （ａ）第２の実施例におけるパルス分割光学系の変形例における概略構成を示すブロック図，（ｂ）パルス分割の状態を示すパルス波形信号図である。 第２の実施例におけるパルス分割光学系の別の変形例における概略構成を示すブロック図である。

本発明の第一の実施の形態を図１から図９を用いて説明する。以下では、半導体ウェハ上の欠陥検査を例にとって説明する。

図１は、第一の実施の形態に係る欠陥検査装置の構成を示す。光源１、照明光学系１００、検査対象基板Ｗ、対物レンズ３ａ、空間フィルタ４ａ、結像レンズ５ａ、偏光検出部２００ａ、信号処理部３００、全体制御部６、表示部７、演算部８、記憶部９、Ｘ-Ｙ-Ｚ-θステージドライバ１０、Ｘ-Ｙ-Ｚ-θステージ１１、光源ドライバ１２から構成されている。光源１、照明光学系１００、対物レンズ３ａ、空間フィルタ４ａ、結像レンズ５ａ、偏光検出部２００ａを合せて光学系１０００とする。

動作の概略を説明する。光源１より発した光は照明光学系１００により被検査対象基板Ｗに照射される。検査対象基板Ｗから発した反射散乱光は対物レンズ３aで集光された後、空間フィルタ４a、結像レンズ５aを介して検出系光路１４を通り、偏光検出部２００ａにて電気信号に変換される。得られた電気信号に基づき信号処理部３００において検査対象基板上の欠陥が判定される。判定された結果は全体制御部６を介し、記憶部９に記憶され、表示部７に表示される。

空間フィルタ４aは、対物レンズ３aの出射側の瞳位置又はその共役な位置に配置されており、被検査対象基板W上に形成された微小なピッチの繰り返しパターンを照明することにより発生する回折光パターンを遮光するためのものであって、例えば特開２０００−１０５２０３号公報に記載されているような、ピッチが可変な複数の直線状の遮光パターンを備えているものである。

検査対象基板Ｗを高照度で照明するためには、光源１は、レーザ光源が適している。微小な欠陥の散乱効率を上げるためには、深紫外光レーザ（ＤＵＶ(Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ)光）・真空紫外光レーザ・ＹＡＧレーザ第３あるいは第４高調波・水銀ランプ・キセノンランプなどの短波長の光源が適している。これらを満たす光源にはまた、光学系を構成する部品コストおよびメンテナンスコストを抑えるにはＹＡＧレーザ第２高調波・ハロゲンランプ・水銀ランプ・キセノンランプなどの可視光波長の光源が適している。また、特定の偏光状態の照明光を高効率に生成するには、偏光度の高いレーザ光源が適している。

図２（ａ）は照明光学系１００の構成を示す。光源１から発射した光はアッテネータ１０１により、照明光の強度が制御される。偏光板１０２が必要に応じて設置され、光源より発する照明光の偏光が直線偏光に揃えられる。位相子１０３、１０４により、照明光の偏光状態が任意に設定される。位相子１０３、１０４は、光軸の周りに回転可能なλ／２板あるいはλ／４板あるいは位相量を制御可能な位相子で構成される。位相子１０３、１０４を透過した光はビームエキスパンダ１０５によって、照明光のビーム径が拡大される。ビームエキスパンダ１０５によって、ビーム径が拡大された照明光はミラー群Ｍ１〜Ｍ９およびシリンドリカルレンズ１０９、１１０、１１１によって検査対象基板Ｗ上に導かれる。図２（a）においては、ミラーM４とシリンドリカルレンズ１０９、ミラーM７とが重なり合う状態となるため、シリンドリカルレンズ１０９とミラーM７の表示を省略した。ミラーM５とシリンドリカルレンズ１０９、ミラーＭ８との関係、及びミラーＭ６とシリンドリカルレンズ１１０、ミラーＭ９との関係も同様になるので、シリンドリカルレンズ１０９、１１０及びミラーＭ８、Ｍ９の表示を省略した。

以下、光路１０６をとった場合を例にとって説明する。ミラーＭ１およびＭ２を光路より退避することで、照明光はミラーＭ３、ミラーＭ４により反射され、光路１０６をとる。図２（ｂ）はミラーＭ４から検査対象基板Ｗまでの構成を示す側面図である。シリンドリカルレンズ１０９により検査対象基板Ｗ上で楕円状又は線状の領域Ｆ１に集光される。
ミラーＭ７を矢印の方向へ平行移動及び回転させることにより、検査対象基板Ｗ表面と成す角（照明光の検査対象基板への入射角：仰角）を変更可能である。

光路１０７に関しても同様に、ミラーＭ５から検査対象基板Ｗまでの間にミラーＭ８およびシリンドリカルレンズ１１０が、光路１０８に関しても同様に、ミラーＭ６から検査対象基板Ｗまでの間にミラーＭ９およびシリンドリカルレンズ１１１が設置される。シリンドリカルレンズ１１０、１１１は、各々を通過する照明光が検査対象基板Ｗ上で集光領域の中心位置および長手方向がシリンドリカルレンズ１０９により照射される領域Ｆ１と同じになるよう、あおりおよび光軸周りの回転が加えられている。上記構成により、互いに異なる複数の方位および仰角から選択的に照明光を照射し、かつ検査対象基板Ｗ上の同一位置を照射することが可能となる。また、ミラーＭ１および／またはＭ２をハーフミラーで構成することにより、検査対象基板Ｗ上の領域Ｆ１を複数の方位及び仰角方向から同時に照明することもできる。

照明光学系１００の光路中に、照明光の光学条件を高速に変化させる手段を設け、後述する偏光検出部の受光器の蓄積時間より短い時間の間に照明光の光学条件を変化させ、受光器において変化した照明光学条件による信号を蓄積することで、検出可能な欠陥種の拡大や検査Ｓ／Ｎの向上を図ることが可能である。照明光の光学条件を高速に変化させる手段としては、特開２０００−１９３４４３に記載のある瞳上で光束位置を走査する手段や、特開２００３−１７７１０２に記載のある拡散板を回転させる手段などが挙げられる。

対物レンズ３ａおよび結像レンズ５ａにより、検査対象基板Ｗ表面の照明領域Ｆ１の拡大像が形成される。検査対象基板Ｗ上に形成された周期的パターンによる回折光が対物レンズ３ａの瞳共役位置に集光されるため、これを空間フィルタ４ａにより遮光することにより、検査対象基板Ｗ上に形成された周期的パターンの像が除去される。

偏光検出部２００ａについて、図３から図５を用いて説明する。

図３（ａ）は偏光検出部２００ａの振幅分割法により実現する構成として互いに異なる２種類の偏光成分を検出する偏光検出部２００ａ'の構成を示す。偏光検出部２００ａ'は、無偏光ビームスプリッタ（ハーフミラー）２０１、偏光板あるいは位相板の組み合わせで構成されて透過する光の偏光状態を調整可能な偏光選択手段２１０，２１１、および受光器２２０，２２１とによって構成される。各々の受光器２２０、２２１は対物レンズ３ａおよび結像レンズ５ａによって拡大結像された検査対象基板Ｗ表面の像を検出するよう設置される。対物レンズ３ａおよび結像レンズ５ａによる検査対象基板Ｗ表面の像に対する像面共役位置を像面２３０として一点鎖線で示した（受光器２２１の前面の一転鎖線も像面共役位置を表わす）。受光器２２０、２２１として、エリアセンサ、リニアセンサ、あるいはＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサを用いることで、各々の偏光成分に対応する画像が得られる。

エリアセンサ、リニアセンサ、あるいはＴＤＩセンサの方式として、ＣＣＤ方式あるいはＣＭＯＳ方式など時間積分型の受光器を用い、照明光学系１００において受光器２２０，２２１の積分時間より短い時間内に高速に光学条件を変化することで、複数の光学条件の照明光による散乱光を積分して一括に検出することが可能である。

また、受光器２２０、２２１として光電子増倍管を用いた場合には、高感度検出が実現される。ここでは受光器２２０によって検査対象基板Ｗ上の主要な配線パターンに平行な方位の直線偏光成分を、受光器２２１によって検査対象基板Ｗ上の主要な配線パターンに垂直な方位の直線偏光成分を検出する場合を例にとって説明する。

無偏光ビームスプリッタ２０１を透過した光成分のうち、検査対象基板Ｗ上の主要な配線パターンに平行な方位の直線偏光成分を透過する偏光板によって構成された偏光選択手段２１０を透過した光成分は、受光器２２０によって検出される。一方、無偏光ビームスプリッタ２０１によって反射した光成分のうち、検査対象基板Ｗ上の主要な配線パターンに垂直な方位の直線偏光成分を透過する偏光板によって構成された偏光選択手段２１１を透過した光成分は、受光器２２１によって検出される。

同等の機能を実現する別の構成例として、無偏光ビームスプリッタ２０１の代わりに、検査対象基板Ｗ上の主要な配線パターンに平行な方位の直線偏光成分を透過する偏光ビームスプリッタを配置し、偏光選択手段２１１として検査対象基板Ｗ上の主要な配線パターンに垂直な方位の直線偏光成分を透過する偏光板を設置することも可能である。前者は検出する偏光の方位を変更する場合に偏光選択手段２１０、２１１の変更だけで対応可能であるというメリットがある。後者は、無偏光ビームスプリッタ２０１に残留する偏光特性を考慮する必要がなく、前者より精度の高い偏光測定が可能であるというメリットがある。なお、上記のように互いに直交する直線偏光成分を検出することで、得られた測定値に基づく演算により、偏光成分によらない光の全強度、成分の検査対象基板Ｗ上の主要な配線パターンに平行な方位の直線偏光度、（楕円）偏光の長軸方位角などの、偏光に関する物理量を算出ことができる。

図３（ｂ）は偏光検出部２００ａの振幅分割法により実現する構成として互いに異なる４種類の偏光成分を検出する偏光検出部２００ａ''の構成を示す。偏光検出部２００ａ''は、無偏光ビームスプリッタ２０２〜２０４、偏光選択手段２１２〜２１５、および受光器２２２〜２２５によって構成される。検出系光路に沿い偏光検出部２００ａ''に入射した光は、無偏光ビームスプリッタ２０２〜２０４により分岐され、各々が別々の受光器２２２〜２２５に入射する構成となっている。偏光選択手段２１２〜２１５は、各々が偏光板あるいは位相板の組み合わせで構成されており、透過する光の偏光状態を各々独立に調整できるよう設定される。

各々の受光器２２２〜２２５は対物レンズ３ａおよび結像レンズ５ａによって拡大結像された検査対象基板Ｗ表面の像を検出するよう設置される。図３（ａ）の場合と同様に、各受光器２２２〜２２５の前面の一転鎖線は、対物レンズ３ａおよび結像レンズ５ａによる検査対象基板Ｗ表面の像に対する像面共役位置を示す。受光器２２２〜２２５として、エリアセンサ、リニアセンサ、あるいはＴＤＩ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサを用いることで、各々の偏光成分に対応する画像が得られる。

エリアセンサ、リニアセンサ、あるいはＴＤＩセンサの方式として、ＣＣＤ方式あるいはＣＭＯＳ方式など時間積分型の受光器を用い、照明光学系１００において受光器２２０，２２１の積分時間より短い時間内に高速に光学条件を変化することで、複数の光学条件の照明光による散乱光を積分して一括に検出することが可能である。

また、受光器２２０、２２１として光電子増倍管を用いた場合には、高感度検出が実現される。

ここでは受光器２２２によって検出系光路１４の周りの所定方位（αとする）の直線偏光成分を、受光器２２３によって方位α＋９０度の直線偏光成分を、受光器２２４によって方位α＋４５度の方位の直線偏光成分を、受光器２２５によって左回り円偏光成分を検出する場合を例にとって説明する。

無偏光ビームスプリッタ２０２を透過した光成分は、無偏光ビームスプリッタ２０３によってさらに分岐される。無偏光ビームスプリッタ２０３により反射された光成分は、所定方位αの直線偏光成分を透過する偏光板により構成された偏光選択手段２１２を透過し、受光器２２２により検出される。無偏光ビームスプリッタ２０３を透過した光成分は、方位α＋９０度の直線偏光成分を透過する偏光板により構成された偏光選択手段２１３を透過し、受光器２２３により検出される。無偏光ビームスプリッタ２０２により反射された光成分は、無偏光ビームスプリッタ２０４によってさらに分岐される。無偏光ビームスプリッタ２０４を透過した光成分は、方位α＋４５度の直線偏光成分を透過する偏光板により構成された偏光選択手段２１４を透過し、受光器２２４により検出される。無偏光ビームスプリッタ２０４により反射された光成分は、方位０度に設定したλ／４板と方位α＋４５度の直線偏光成分を透過する偏光板により構成された偏光選択手段２１５を透過し、受光器２２５により検出される。

受光器２２２、２２３、２２４、２２５によって検出された光成分の強度を各々Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４とすると、以下の式によって、偏光検出部２００ａに入射した光成分の偏光状態を表すストークスパラメータＳ０〜Ｓ３を求めることができ、偏光状態を完全に決定することが可能である。また、ストークスパラメータＳ０〜Ｓ３に基づき、前記の偏光に関する物理量に加えてさらに、偏光度、楕円率などを算出することができる。
Ｓ０＝Ｉ１＋Ｉ２
Ｓ１＝Ｉ１−Ｉ２
Ｓ２＝２＊Ｉ３−（Ｉ１＋Ｉ２）
Ｓ３＝２＊Ｉ４−（Ｉ１＋Ｉ２）
互いに異なる３種類の偏光成分を検出する構成は、図３（ａ）（ｂ）より容易に類推可能である。互いに異なる３種類の偏光成分として、検出系光路１４の周りの所定方位αの直線偏光成分、方位α＋４５度の方位の直線偏光成分、および左回り円偏光成分を検出し、さらに偏光検出部２００ａに入射した光成分が完全偏光であると仮定することで、偏光検出部２００ａに入射した光成分の偏光状態を決定することが可能である。

図４、図５は図３に示した構成と異なる偏光検出部２００ａの構成例を示す。

図４（ａ）は複屈折ウェッジを用いた偏光検出部２００ａ'''の構成を示す。偏光検出部２００ａ'''は、周波数変調画像取得部２５０とフーリエ解析部２５５により構成される。図４（ｂ）は周波数変調画像取得部２５０の構成を示す。周波数変調画像取得部２５０は、検出光軸１４周りの所定の方位（０度方位とする）を進相軸、９０度方位を遅相軸とし、位相量が方位９０度方向に線形に変化するプリズム素子２５１と、４５度方位を進相軸、１３５度方位を遅相軸とし、位相量が方位０度方向に線形に変化するプリズム素子２５２と、０度方位の直線偏光成分を透過する偏光板２５３と、イメージセンサ２５４とで構成される。イメージセンサ２５４は、対物レンズ３ａおよび結像レンズ５ａによってプリズム素子２５１、２５２および偏光板２５３を透過し拡大結像された像を検出するよう設置される。上記構成により、偏光成分ごとに異なる周波数で空間的に変調された画像信号がイメージセンサ２５４より出力される。出力された画像信号は周波数解析部２５５においてＦＦＴ処理し周波数解析を行うことで、画像上の各位置ごとに偏光状態に対応する複数のパラメータが得られる。

図５（ａ）は微小偏光素子アレイを用いた偏光検出部２００ａ''''の構成を示す。偏光検出部２００a''''はイメージセンサ２６１とその受光面に設置された微小偏光素子アレイ２６２とで構成される。微小偏光素子アレイ２６２の構造を図５（ｂ）に示す。画素毎に異なる偏光成分を透過する構成になっている。図５（ｂ）の例では、イメージセンサ２６１画素配列の横方向に平行な直線偏光（方位０度）を透過する画素２６３、縦方向に平行な直線偏光（方位０度）を透過する画素２６４、４５度方位の直線偏光を透過する画素２６５、０度、０度方位に９０度の位相遅れを与えた後４５度方位の直線偏光を透過する画素２６６の４つの画素を１単位２６７として１つの偏光状態が得られる。

このような微小偏光素子アレイ２６２の作成方法として、撮像素子または基板の上にミクロンオーダからサブミクロンオーダ厚の薄膜状の偏光板を載せ、画素の大きさに合せて不要な部分をエッチングで除去し、さらに主軸方位の異なる薄膜偏光板あるいは波長板を載せて同様のパターニングを繰り返す方法がある。別の方法としては、使用する光の波長より短い周期を持つ微細格子をパターニングによって作成することで、画素毎に光学異方性を持たせる方法がある。また、対物レンズ３ａおよび結像レンズ５ａの結像性能で決まる光学解像度（錯乱円の径）を、偏光状態を決める１単位となる４画素を合せた幅と同等以上とすることで、同４画素の間での像面強度変化の影響を低減し高精度な偏光計測を行うことが可能である。

Ｘ-Ｙ-Ｚ-θステージ１０をＸ方向およびＹ方向に走査することで、対物レンズ３ａ、結像レンズ５ａ、および偏光検出部２００a''''によって定まる検査対象基板Ｗ上の視野を検査対象基板Ｗに対し相対的に走査する。Ｘ方向走査およびＹ方向走査を順次繰返し、検査対象基板Ｗ全面あるいはその一部から偏光成分検出信号を得ることができる。

信号処理部３００の構成を図６に示す。図６（ａ）は、検査対象基板Ｗにて設計上同一パターンが形成された隣接チップ間における、偏光検出部２００ａ'（図３（ａ））より出力された信号の差分を基に欠陥を判定する方式を実現する信号処理部３００′の構成を示す。

図６（ａ）に示す信号処理部３００′は、遅延メモリ３０１、３０２、差分演算部３０３、３０４、欠陥判定部３０５、および欠陥判定基準算出部３０６により構成され、偏光検出部２００ａ'より出力された信号Ｉ_ｋ（図６（ａ）では２つの偏光成分に対応する信号Ｉ_１、Ｉ_２）の入力に対し、欠陥情報３０７を出力する。次に動作を説明する。信号Ｉ_１は差分演算部３０３と遅延メモリ３０１に入力される。遅延メモリ３０１は信号を蓄積し１チップの処理時間分を遅らせて出力する。差分演算部３０３には、信号Ｉ_１と、遅延メモリ３０１より出力された隣接チップの対応位置の信号が入力され、それらの差分ΔＩ_１を出力する。得られた信号Ｉ_１の隣接チップとの差分信号は欠陥判定部３０５および欠陥判定基準算出部３０６に入力される。信号Ｉ_１に対応する偏光成分と異なる偏光成分に対応する信号Ｉ_２についても同様に隣接チップとの差分がとられ（ΔＩ_２）、欠陥判定部３０５および欠陥判定基準算出部３０６に入力される。欠陥判定基準算出部３０６は隣接チップ間差分信号ΔＩ_１、ΔＩ_２に基づいて欠陥判定基準３０８を出力する。欠陥判定部３０５は隣接チップ間差分信号ΔＩ_１、ΔＩ_２の入力に対して欠陥判定基準３０８に基づいて欠陥判定を行い、欠陥情報３０７を出力する。

図６（ｂ）は、検査対象基板Ｗ上の所定の領域内に対応し、偏光検出部２００ａ'（図３（ａ））より出力される一連の信号（画像信号）を基に欠陥を判定する方式を実現する信号処理部３００''の構成を示す。偏光検出部２００ａ'より出力された画像信号Ｉ_１は、所定の偏光成分を、検査対象基板Ｗ上の所定の領域内の位置ごとに検出した画像信号に相当する。同じく偏光検出部２００ａ'より出力された画像信号Ｉ_２は、画像信号Ｉ_１と異なる偏光成分を、検査対象基板Ｗ上の所定の領域内の位置ごとに検出した画像信号に相当する。画像信号Ｉ_１およびＩ_２は欠陥判定基準算出部３１１および欠陥判定部３１２に入力される。欠陥判定基準算出部３１１は画像信号Ｉ_１およびＩ_２に基づいて欠陥判定基準３１４を出力する。欠陥判定部３１２は画像信号Ｉ_１、Ｉ_２、および欠陥判定基準３１４に基づいて欠陥判定を行い、欠陥情報３１３を出力する欠陥判定基準算出部３０６又は３１１にメモリを備え、先に検出した複数のチップにおける対応位置の偏光成分検出信号に基づいて欠陥判定基準３０８又は３１４を算出することもできる。信号処理部３００'または３００''から出力される欠陥情報３０７又は３１３は、欠陥の位置、欠陥部差画像、偏光成分ごとの欠陥部差画像、欠陥部差画像から算出した欠陥特徴量、欠陥分類結果などを含む。なお、欠陥分類は、欠陥判定部３０５又は３１２において実施することも、欠陥情報３０７又は３１３に基づいて演算部８において実施することも可能である。

また、ここでは信号処理部３００'または３００''の構成として図３（ａ）で説明した偏光検出部２００ａ'から出力される二つの偏光成分Ｉ_１、Ｉ_２を処理する場合を例にとって説明したが、図３（ｂ）で説明した偏光検出部２００ａ''、図４で説明した偏光検出部２００ａ'''及び図５で説明した偏光検出部２００ａ''''のそれぞれから出力される４つの偏光成分を検出する場合も、図６（ａ）及び（ｂ）で説明した構成を応用することができる。すなわち、４つの偏光成分からなる画像信号Ｉ_１〜Ｉ_４を入力して処理する場合は、図６（ａ）及び（ｂ）で説明した画像信号Ｉ_１及びＩ_２を処理する回路構成を4つの入力信号を処理する構成とすることにより容易に実現できる。

欠陥判定基準算出部３０６あるいは３１１（以下、欠陥判定基準算出部）における欠陥判定基準算出方法および欠陥判定部３０５あるいは３１２（以下、欠陥判定部）における欠陥判定方法について図７〜図９を用いて説明する。

図７を用いて、互いに異なる二つの偏光成分を検出した信号を利用して欠陥を判定する方法を説明する。

図７（ａ−１）および（ａ−２）は、単一の偏光成分のみを利用して欠陥を判定する従来技術の例を示す。図７（ａ−１）は偏光成分信号Ｉ_１の分布を示す。プロットされた各マークＡ〜Ｆは、欠陥判定基準算出部に蓄えられた複数チップの各々に対応する偏光成分信号Ｉ_１を示す。プロットされた各マーク○△×に対応する記号Ａ〜Ｆの分布より、多数がＩ_１値範囲４０１に含まれ、Ａの信号のみが範囲４０１の外にある。範囲４０１は、プロットされた各マークの分布の平均値や標準偏差などの統計量から算出される欠陥判定基準に相当する。範囲４０１の内部を正常部、外部を欠陥部と判定することで、Ａが欠陥部であり、Ｃ〜Ｆが正常部であると正しく判定されるが、Ｂが正常部であると誤判定されてしまう。

一方、図７（ａ−２）は偏光成分信号Ｉ２の分布を示し、図７（ａ−１）と同様の方法で欠陥判定基準に相当する範囲４０２を算出して欠陥判定を行った場合、Ｂが欠陥部でありＣ〜Ｆは正常部であると正しく判定されるが、Ａが正常部であると誤判定されてしまう。

図７（ａ−３）は、本発明による互いに異なる二つの偏光成分を利用して欠陥を判定する方法を説明する図であり、偏光成分信号Ｉ_１を横軸に、偏光成分信号Ｉ２を縦軸にとり、欠陥判定基準算出部に蓄えられた複数チップの各々に対応する偏光成分信号（Ｉ_１，Ｉ_２）をプロットした図である。欠陥判定基準算出部３０６あるいは３１１において、各プロットされた点の分布の平均値や標準偏差などの統計量を用いて分布の多数が含まれるような矩形領域４０４を欠陥判定基準として算出し、欠陥判定部において矩形領域４０４の内部を正常部、外れ値である矩形領域４０４の外部を欠陥部と判定することで、Ａ、Ｂがともに欠陥部であり、Ｃ〜Ｆが正常部であると、誤判定なく正しく欠陥判定を行うことができる。欠陥判定基準として各プロットされた点の分布の平均値や標準偏差などの統計量を用いて円形領域４０３を算出しても同様に正しい判定が可能である。

なお、図７（ｂ）に示したように、偏光成分信号Ｉ_１に対し範囲４０１の外にプロットされる信号（Ｉ_１＜Ｔｈ１− ＯＲ Ｉ_１＞Ｔｈ１＋ ：ただし、ＴＨ１＋は範囲４０１の上限値、ＴＨ１−は範囲４０１の下限値を示す）が欠陥であるという判定基準（Ｊ１）を適用し、偏光成分信号Ｉ２に対し範囲４０２の外にプロットされる信号（Ｉ_２＜Ｔｈ２− ＯＲ Ｉ_２＞Ｔｈ２＋ ：ただし、ＴＨ２＋は範囲４０２の上限値、ＴＨ２−は範囲４０２の下限値を示す）が欠陥であるという判定基準（Ｊ２）を適用し、どちらかの判定基準を満たす条件（Ｊ１）ＯＲ（Ｊ２）を最終的な欠陥判定基準として適用した場合でも、上記と同様に正しい判定が可能である。これは、上記矩形領域４０４の外部にプロットされる信号が欠陥であるとする欠陥判定条件と等価である。

また、図７（ｃ）に示したように、偏光成分信号Ｉ_１と偏光成分信号Ｉ２に対し所定の演算処理した値をプロットし、これにたいして正常部あるいは欠陥部と判定する値の範囲を定めて欠陥を判定することもできる。図７（ｃ）は、偏光成分信号Ｉ_１と偏光成分信号Ｉ_２に対する演算として、ｆ(Ｉ_１, Ｉ_２) = (Ｉ_１-ａ)^２+(Ｉ_２-ｂ)^２を算出してＡからＦをプロットし、これに対して範囲４０５の外部にプロットされる信号（ｆ（Ｉ_１，Ｉ_２）＞Ｔｈ）を欠陥と判定する例である。この方法でも、前記と同様に正しい判定が可能である。なお、これは、上記円形領域４０３の外部にプロットされる信号が欠陥であるとする欠陥判定条件と等価である。一般に、欠陥判定条件がＩ_１とＩ_２のＮ次式で表される場合、Ｉ_１とＩ_２を軸として張られる平面に信号をプロットし、Ｎ次曲線に含まれる範囲を正常部あるいは欠陥部と判定する問題に帰着できる。

複数の偏光成分信号に基づいて得られる物理量を軸にとり、偏光成分信号をプロットし、欠陥判定を行うこともできる。図８（ａ）に示すように、複数の偏光成分信号に対する任意の演算により得られる物理量を各々の軸にとる。

図８（ｂ）は、物理量として横軸に光の全強度、縦軸に偏光の楕円率をとった例である。なお、異物等粒子状の欠陥による散乱を考えた場合、光の波長に対して粒径が小さいレイリー散乱領域では、直線偏光照明に対し散乱光も直線偏光となるのに対し、光の波長に対して粒径が同等あるいはそれ以上のミー散乱領域では、直線偏光照明に対し散乱光が楕円偏光となることが知られている。従って、欠陥寸法が大きいほど検出する散乱光の偏光成分の楕円率が高くなる傾向がある。これより、検出された欠陥部の偏光成分の楕円率に基づいて欠陥の寸法を推定することが可能である。

図８（ｃ）は、物理量として横軸に光の全強度、縦軸に偏光の長軸方位角をとった例である。なお、欠陥あるいはパターンの種類によって、照明光の偏光方向に対する反射散乱光の偏光方向が異なる場合があることが知られている。図８（ｃ）では検出した欠陥の偏光成分の長軸方位角に基づいて異物とスクラッチを分類する例を示した。

図８（ｄ）は、物理量として既知である照明光の偏光状態と、検出した複数の偏光成分信号より、エリプソメトリで用いられる振幅反射率比Ψと位相差Δを算出し、縦軸、横軸にとった例である。これらの物理量より、各々の位置における薄膜の膜厚や屈折率に関する情報が得られるため、それに基づいた処理を行うことが可能である。

図９は複数の偏光成分信号に基づいて得られる三つの物理量に基づく値を軸にとり、偏光成分信号あるいはそれらの演算により得られる値をプロットした例である。図９（ａ）は偏光検出部２００ａにおいて四つの互いに異なる偏光成分信号を取得しストークスパラメータＳ０〜Ｓ３を求め、ストークスパラメータＳ１〜Ｓ３をストークスパラメータＳ０で規格化した値を軸にとった例である。これは、偏光状態を半径１のポアンカレ球で表示したもの対応し、偏光状態に対応する点が、完全偏光であればポアンカレ球面上、部分偏光であればポアンカレ球の内部にプロットされる。

欠陥判定基準として、欠陥部であるあるいは正常部であると判定する３次元空間内の領域を算出し、欠陥判定を行う。光の強度Ｓ０で規格化するため、元の散乱光の明るさ変動が大きい場合などでも、その影響を受けることなく、偏光状態の違いを反映した分布に基づいた欠陥検出が可能である。また、図９（ｂ）に示すように、ポアンカレ球表示においてＳ１−Ｓ２平面を赤道面としたときの緯度が偏光の楕円率角（楕円率の逆正接）、経度が偏光の長軸方位角の２倍に対応することから、図８（ｂ）（ｃ）に示した方法と同様に、欠陥寸法の推定および欠陥種の分類が可能である。また、図９（ｃ）に示すように、Ｓ０で規格化することなくＳ１〜Ｓ３をそのままプロットすることで、偏光状態に加えて光の強度を加味した分布に基づいた欠陥検出を行うことが可能である。

図１０から図１３を用いて、上記第一の実施例の第一の変形例を説明する。

図１０は第一の変形例の構成を示す。前記第一の実施例に対し、対物レンズ３ｂ、空間フィルタ４ｂ、結像レンズ５ｂ、偏光検出部２００ｂが追加された構成となっている。対物レンズ３ｂ、空間フィルタ４ｂ、および結像レンズ５ｂにより斜方検出系５００ｂが構成され、対物レンズ３ａと異なる仰角および方位角に反射散乱する光成分が偏光検出部２００ｂに導かれる。偏光検出部２００ｂの構成は前記第一の実施例における偏光検出部２００ａの構成として説明した２００ａ'〜２００ａ''''の何れかの構成を採用することができる。偏光検出部２００ｂの構成は偏光検出部２００ａの構成と同じであることが望ましいが、必ずしも同じ構成でなくてもよい。偏光検出部２００ｂにて検出された複数の偏光成分信号は、偏光検出部２００ａにて検出されたものと同様に信号処理部３００に入力される。信号処理部３００にて、偏光検出部２００ａにて検出された複数の偏光成分信号および偏光検出部２００ｂにて検出された複数の偏光成分信号に基づいて欠陥判定がなされる。また、信号処理部３００とは別に信号処理部３００ｂ（図示せず）を設け、検出部２００ｂにて検出された複数の偏光成分信号に基づく欠陥判定を信号処理部３００とは独立に行うことも可能である。

図１１は斜方検出系５００ｂの検出方向と照明方向との関係を示す。検出方位がステージＸ方向と同じになるよう斜方検出系５００ｂを設置する。照明方位角は図２で説明したように選択可能である。ここでは、ステージＸ方向を基準とした照明進行方位角をθ（θが０度のときは検出方向と同じ方位角になる）とし、θを０度から−９０度の間とした例と−９０度から−１８０度の間とした例を図示した。θを０度から−９０度の間とした配置は、斜方検出系５００ｂに欠陥による前方散乱光が入射するため、波長に対して比較的大きい欠陥を検出するのに適する。一方、θを−９０度から−１８０度の間とした配置は、斜方検出系５００ｂに欠陥による後方散乱光が入射するため、波長に対して比較的小さい欠陥を検出するのに適する。

図１２は斜方検出系５００ｂの検出方向と、Ｘ-Ｙ-Ｚ-θステージ１０の主走査方向Ｓｔ１と副走査方向Ｓｔ２と、照明領域Ｆ１の長手方向との関係を示す。照明領域Ｆ１の長手方向を主走査方向と垂直とすることで、検査対象基板Ｗの全面を効率良く走査することができる。検出方向を主走査方向Ｓ１に対し平行かつ照明領域Ｆ１に対し垂直とすることで、斜方検出系５００ｂの受光器にリニアセンサを用いた場合に検査対象基板Ｗを高スループットで検査することができる。

図１３は照明方向と検出方向に関して図１１と異なる構成例を示す。ステージ主走査方向Ｓｔ１と垂直な方位に照明光を入射し、シリンドリカルレンズＳＬの円筒面回転軸をステージ主走査方向Ｓｔ１と平行とし、照明領域Ｆ１の長手方向がステージ主走査方向Ｓｔ１と垂直になるようシリンドリカルレンズＳＬを配置する。これにより、照明光の絞り方向に照明仰角を傾斜させた場合と比べて照明領域Ｆ１の短手方向を細く絞ることができ高い照明効率が得られるとともに、Ｘ-Ｙ-Ｚ-θステージ１０走査中のＺ方向の微小変動に伴う照明領域Ｆ１の短手方向の位置変動を抑えることができるため検出感度が安定する。

図１４は、前記第一の実施例の第二の変形例における光学系１０００の構成を示す。光源１から発した照明光は照明光学系１００’を介しハーフミラー１５０および対物レンズ３ａにより検査対象基板Ｗ上の照明領域Ｆ１に導かれる。本構成によれば偏光検出部２００において明視野画像が検出される。偏光検出部２００から出力された検出信号は、信号処理部３００において処理され、欠陥が検出される。

図１５は、前記第一の実施例の第三の変形例における光学系１０００の構成を示す。光源１から発した照明光は照明光学系１００’を介し暗視野対物レンズ３ａ’により検査対象基板Ｗ上の照明領域Ｆ１に導かれる。本構成によれば偏光検出部２００において輪帯照明暗視野画像が検出される。

照明光学系１００’の構成を図１６に示す。アッテネータ１０１’により、照明光の強度が制御される。偏光板１０２’を必要に応じて設け、光源より発する照明光の偏光が直線偏光に揃えられる。光軸の周りに回転可能なλ／２板１０３’、およびλ／４板１０４’により、照明光の偏光状態が任意に設定される。なお、光源１としてレーザ光源を用いる場合は、スペックル低減手段１１１’を設置することでスペックルノイズの発生を抑えることができる。スペックル低減手段としては、互いに光路長の異なる複数の光ファイバあるいは石英板あるいはガラス板等を用いて、互いに異なる光路長を持つ複数の光束を生成しこれを重ね合わせる方法、あるいは回転拡散板を通過させる方法などがある。

前記第一の実施例の第三の変形例における光学系１０００およびＸ-Ｙ-Ｚ-θステージ１０の構成を図１７に示す。光源１’として断続的に発光するストロボ光源を用いる。具体的には、パルスレーザ、ＬＤ励起Ｑスイッチパルスレーザ、ランプ励起Ｑスイッチパルスレーザ、フラッシュランプなどが適している。また、偏光検出部２００の受光器としてエリアセンサを用いる。この構成で光源１’の発光、Ｘ-Ｙ-Ｚ-θステージ１０の走査、および受光器の信号蓄積を同期してストロボ撮像を行うことで、歪みのない２次元画像を取得することができ、高精度なチップ比較が可能となる。また、Ｘ-Ｙ-Ｚ-θステージ１０の代わりにｒ−θ回転ステージ１０’を用いることで、ＸＹ走査と比較してより高速に検査対象基板Ｗ全面を走査することが可能となる。

前記第一の実施例の第四の変形例の構成を図１８に示す。検査対象基板Ｗ１とＷ２は設計上同じパターンが形成されている。光源１’より発した光は分岐され、ｒ−θ回転ステージ１０’上に載置された検査対象基板Ｗ１とＷ２各々に照射される。検査対象基板Ｗ１からの反射散乱光は対物レンズ３ａ、結像レンズ５ａを介し、偏光検出部２００に入射する。検査対象基板Ｗ２からの反射散乱光は対物レンズ３ａ−２、結像レンズ５ａ−２を介し、偏光検出部２００−２に入射する。光源１’の発光、Ｘ-Ｙ-Ｚ-θステージ１０の走査、偏光検出部２００内の受光器の信号蓄積および偏光検出部２００−２内の受光器の信号蓄積を同期してストロボ撮像を行う。

ｒ−θ回転ステージ１０’を用いて回転走査を行う場合、図１９（ａ）に示すように、検査対象基板Ｗ、Ｗ１、Ｗ２上における視野位置によって、検査対象基板上に形成されたパターンに対する照明の偏光状態、および偏光検出部２００あるいは２００−２の方位が異なる。照明光の偏光状態を光軸周りに対称な円偏光あるいは無偏光とするか、視野位置に対応するステージ回転角に応じて、照明光の偏光状態の長軸方位角を回転することで、検査対象基板上に形成されたパターンに対する照明の偏光状態を一定に保つことが可能である。さらに、図１９（ｂ）に示すように、視野位置に対応するステージ回転角に応じて、検出した偏光成分の方位角を回転するよう補正を加えることで、検査対象基板上に形成されたパターンに対する偏光検出部方位の回転の影響を除去し、検査対象基板上に形成されたパターンに対する偏光検出部方位の回転によらず検査対象基板全面を一定の感度で検査することが可能である。

次に、第２の実施例として、図１及び２で説明した構成において、光源１の代わりにパルス発振のＵＶレーザ光源２００１を用いた場合に照明光学系１００に変わる光学系の実施例を図２０乃至２３を用いて説明する。

光源２００１にパルス発振のＵＶレーザを用いる場合，例えば大きさが１０ｎｍ前後の極微小な異物欠陥から検出するのに十分な強度の散乱光を得るためには照射するパルスレーザの光量を大きくする必要が有るが、その結果として、パルス発振レーザの必要な平均出力に対して，尖頭値（最大出力）が非常に大きくなる。例えば，平均出力２[Ｗ]，発光周波数１００ＭＨｚでパルス間隔１０[ｎｓ]，パルス幅１０[ｐｓ]のレーザの場合，尖頭値（最大出力）は２［ｋＷ］にもなり，試料にダメージを与える恐れがある。このために，平均出力を維持したままで尖頭値（最大出力）を低減させることが望ましい。

この平均出力を維持した状態で尖頭値を低減させる方法として、本実施例では、図２０に示すように、光源２００１から発射されたレーザビームＬ０をビーム拡大光学系２０１６で拡大し、パルス分岐光学系２０１７に入射させて光路長が異なる複数の光路に分岐した後光路を合体させることで、光源から発射された1パルス分のレーザビームを尖頭値を小さくした複数のパルスに分割し、この分割した複数のパルスレーザを分岐光学要素２０１８（図２のミラーＭ１からＭ９及びシリンドリカルレンズ１０９，１１０および１１１で構成される光学系に相当）に入射させて光路Ｌ１，２，３の何れか（図２の光路１０６，１０７，１０８に相当）の方向に導いてスリット状ビームに形成してウェハＷのスリット状の領域２１００に照射するように構成した。

また、パルスレーザビームを複数に分割して照射することにより、例えば、被検査対象基板Ｗを載置するX−Ｙ−Ｚ−θステージ１１のＸ方向（図１１参照）への移動速度を毎秒２０ｃｍ、図３（ａ）に示した偏光検出部２００ａ'の検出器２２０または２２１をＣＣＤ方式あるいはＣＭＯＳ方式など時間蓄積型のリニアイメージセンサで構成したときの１画素あたりの検出視野を１μｍとし、発光周波数１００ＭＨｚのＵＶパルスレーザビームを上記した条件で複数に分割して照射すると、検出器２２０または２２１の１画素で検出する領域に数百パルスを超えるレーザビームが重ねて照射されるので、レーザビームにより発生するスペックルノイズを時間的に平均化して撮像することができ、ノイズが低減された画像を得ることができる。

パルス光分割光学系２０１７の一例を図２１（a）に示す。この例においては，パルス光分割光学系２０１７を、１／４波長板１７１１,ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１７１２ａ，１７１２ｂとミラー１７１３ａ，１７１３ｂの組合せで構成する。ビーム拡大光学系２０１６で拡大されて直線偏光（この例ではＰ偏光）で入射したレーザビームを１／４波長板１７１１ａで楕円偏光にし，偏光ビームスプリッタ１７１２ａでＰ偏光とＳ偏光に分離する。分離された一方のＰ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１７１２ａと偏光ビームスプリッタ１７１２ｂとを通過する。分離された他方のＳ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１７１２ａ，ミラー１７１３ａ，ミラー１７１３ｂ，偏光ビームスプリッタ１７１２ｂでそれぞれ反射して偏光ビームスプリッタ１７１２ａと１７１２ｂとを通過してきたＰ偏光成分と同一光軸に戻る。このとき，偏光ビームスプリッタ１７１２ａとミラー１７１３ａ，偏光ビームスプリッタ１７１２ｂとミラー１７１３ｂの間隔をＬ／２［ｍ］とすると，Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との間にはＬ［ｍ］の光路差ができる。光速をｃ［ｍ／ｓ］とすると，Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との間には
ｔ［ｓ］＝Ｌ［ｍ］／ｃ［ｍ／ｓ］ (数１)
の時間差が生じ，図２１（ｂ）に示すようなレーザ光源２００１から発射された時間間隔Ｔで発振された２パルスのビームを時分割することにより、図２１（ｃ）に示すように各１パルスのレーザを時間間隔ｔでＰ偏光とＳ偏光各１パルスずつの計２パルスに分割して，尖頭値を１／２に低減させることができる。

例えば、パルス間隔１０ｎｓ（１０−８秒），パルス幅１０ｐｓ（１０^−１１秒）のレーザを用いて、偏光ビームスプリッタ１７１２ａとミラー１７１３ａ及び偏光ビームスプリッタ１７１２ｂとミラー１７１３ｂの間隔をそれぞれ１５ｃｍ（０．１５ｍ）に設定した場合、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との間の時間差は１ｎｓ（１０−９秒）となる。すなわち、ウェハ表面は、１０ｎｓの間に１ｎｓ間隔でＰ偏光とＳ偏光各１パルスずつの計２回、尖頭値が半減されたレーザビームがパルス状に照射されることになる。

１／４波長板１７１１ａの回転角を調整して，偏光ビームスプリッタ１７１２ａの入射ビームのＳ偏光成分とＰ偏光成分の比率を１：１（円偏光）にすると，使用する光学部品（偏光ビームスプリッタ１７１２ａ，１７１２ｂとミラー１７１３ａ，１７１３ｂ）の損失（反射率，透過率）により，偏光ビームスプリッタ１７１２ｂの出射ビームでのＳ偏光成分とＰ偏光成分のパルス光の尖頭値が異なってしまう。各パルス光の尖頭値の最大値を低くするには、各パルス光の尖頭値をほぼ同じ大きさにする必要がある。

図２１（a）に示したパルス分割光学系２０１７の構成において，Ｐ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１７１２ａ，１７１２ｂのＰ偏光透過率（Ｔｐ）が影響するだけであるが，Ｓ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１７１２ａ，１７１２ｂのＳ偏光反射率（Ｒｓ）とミラー１７１３ａ，１７１３ｂのＳ偏光反射率（Ｒｍ）が影響する。損失比率(Ｐｌ)はＳ偏光成分損失をＬｓ，Ｐ偏光成分損失をＬｐとすると
Ｐ１＝Ｌｓ／Ｌｐ＝Ｒｍ^２×Ｒｓ^２／Ｔｐ^２ （数２）
となる。

したがって，偏光ビームスプリッタ１７１２ａの入射ビーム偏光の楕円率を上記損失比率と等しくなるように，１／４波長板１７１１ａの回転角を調整することにより，偏光ビームスプリッタ１７１２ｂの出射ビームでのＳ偏光成分とＰ偏光成分のパルス光の尖頭値をほぼ等しくすることができる。この尖頭値がほぼ等しくなるように分割されたＰ偏光成分とＳ偏光成分のパルス光はそれぞれの光路長差に応じた時間間隔を持って図２（ａ）に示した光路１０６，１０７，１０８の何れかを通ってウェハＷに照射される。

上記説明ではパルス分割光学系２０１７を用いてパルス光を２分割する方法について説明したが，分割数を更に増やすためのパルス分割光学系２０１７の変形例として、４分割する方法について図２２（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図２２（ａ）に示したパルス分割光学系２２１７の構成は，図２１（ａ）に示したパルス分割光学系２０１７の構成を２段にしたものである。２段目の偏光ビームスプリッタ１７３２ｃとミラー１７３３ｃとの間隔,及び偏光ビームスプリッタ１７３２ｄとミラー１７３３ｄとの間隔を、それぞれ１段目の偏光ビームスプリッタ１７３２ａとミラー１７３３ａ,及び偏光ビームスプリッタ１７３２ｂとミラー１７３３ｂとの間隔の２倍に設定する。

１段目の偏光ビームスプリッタ１７３２ｂからの射出ビームは，Ｐ偏向パルス光と時間遅れをもつＳ偏向パルス光である。このパルス光列を１／４波長板１７３１ｂにより円偏光にすることにより，１／４波長板１７３１ｂを透過したパルス光列の１／２の強度がＰ偏光となって偏光ビームスプリッタ１７３２ｃ, １７３２ｄを透過し，１／２の強度がＳ偏光となって偏光ビームスプリッタ１７３２ｃおよびミラー１７３３ｃ, １７３３ｄで反射し, 偏光ビームスプリッタ１７３２ｄで反射してＰ偏光と同一光軸に戻る。これにより，パルス光が４つに分割されて，それぞれの尖頭値が光源２００１から出射したパルスレーザビームの１／４に低減する。厳密には上述のように光学部品の損失があるため，１／４より低減する。

図２２（ａ）の構成において、偏光ビームスプリッタ１７３２ｃを通過して偏光ビームスプリッタ１７３２ｄを通過したＰ偏光パルスレーザと、ミラー１７３３ｄで反射し偏光ビームスプリッタ１７３２ｄで反射したＳ偏光パルスレーザとは同一の光軸を通って１／４波長板１７３１ｃで円偏光にされ、偏光ビームスプリッタ１７３４に入射してＰ偏光とＳ偏光とに光路が分離される。光路が分離された一方のＰ偏光成分のレーザビームは、光路Ｌ１に入って円筒レンズ１７３５（図２（ｂ）のシリンドリカルレンズ１０９又は１１０または１１１に相当）で成形されてウェハ１上の線状の領域２１１０を照明する。

一方、偏光ビームスプリッタ１７３４で反射されて光路を９０°曲げられたＳ偏光ビームは、光路Ｌ２に入ってミラー１７３６及び１７３７で反射して光路を変更して円筒レンズ１７３８で成形されてウェハＷ上の線状の領域２１１０を、光路Ｌ２方向から照明するＰ変更成分のレーザビームに対してウェハＷ面上で直角方向から照明する。

このとき光路Ｌ１と光路Ｌ２とは光路長が異なるように設計されており、ウェハＷ上の線状の領域２１１０に照射されるＰ偏光レーザビームとＳ偏光レーザビームとは、図２２（ｂ）に示すように光路長差分だけ時間差ｔ_０が発生し、タイミングがずれて照射される。これにより、線状の領域２１１０に照射されるＰ偏光レーザビームとＳ偏光レーザビームとの間の干渉の発生を防止することができる。

また、レーザ光源２００１からの照明による反射散乱光を検出する光検出器２２０と２２１とは、それぞれ１画素分を検出する時間内に９０°ずれた方向からの照明による反射散乱光を検出することになり、照明方向の違いによる検出感度のばらつきを低減することが可能になり、より微小な異物欠陥を安定に検出することができるようになる。なお、このとき図１０に示したような斜方検出系５００ｂも用いた場合には、斜方検出系５００ｂの検出の方向は、矢印１７４０の方向への反射散乱光を検出をする。

また、図２３には、図２２（ａ）に示した構成における光路Ｌ２を光路Ｌ３に変更した構成を示す。この構成においては、偏光ビームスプリッタ１７３４で反射されて光路を９０°曲げられたＳ偏光ビームを、光路Ｌ３でミラー１７３６、１７４７及び１７４８で反射して光路を変更して円筒レンズ１７４９で成形されてウェハＷ上の線状の領域２１１０を、光路Ｌ１と対向する方向から照明する。

図２２（ａ）及び図２３に示した構成においては、１／４波長板１７３１ｃと偏光ビームスプリッタ１７３４を用いる構成を示したが、１／４波長板１７３１ｃを削除して偏光ビームスプリッタ１７３４の代わりに無偏光ビームスプリッタ（図示せず）を用いることにより、光路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３それぞれの方向からＰ偏光とＳ偏光がそれぞれ異なるタイミングでウェハＷを照明する。このとき、光検出器２２０と２２１とは、それぞれ１画素分を検出する時間内に９０°または１８０°ずれた方向からＰ偏光とＳ偏光とで順次照明されることによる反射散乱光を検出することになる。これにより、１画素分を検出する時間内に複数の照明条件で照明されたウェハＷからの反射散乱光を検出することになり、単一の照明条件で照明された場合に比べて検出感度を向上させることが可能になり、より微小な異物欠陥を安定に検出することができるようになる。

光検出器２２０と２２１とで検出した信号は、第１の実施例で説明したのと同様に信号処理部３００で処理されて欠陥が検出される。

なお、第２の実施例において、偏光検出部２００ａとして図３（ａ）の構成を用いて説明したが、図３（ｂ）、図４または図５で説明した偏光検出部を用いてもよい。

本実施例によれば、ＵＶパルスレーザビームを尖頭値を低減してウェハに照射することができるために、０．１μｍ前後、またはそれよりも小さい極微小な欠陥をウェハにダメージを与えずに高感度に検出することが可能になった。

１…光源、３ａ…対物レンズ、４ａ…空間フィルタ、５ａ…結像レンズ、２００ａ…偏光検出部、３００…信号処理部、６…全体制御部、７…表示部、８…演算部、９…記憶部、１０…Ｘ−Ｙ−Ｚ−θステージ、１００…照明光学系、１０００…光学系、Ｗ…検査対象基板

上記目的を達成するために、本発明は、レーザを発射する光源手段と、該光源手段から発射されたレーザの偏光の状態を制御して表面にパターンが形成された試料の該表面に対して傾斜した方向から照射する照明光学系手段と、該照明光学系手段によりレーザが照射された前記試料からの反射散乱光を空間フィルタを介して該反射散乱光の偏光成分ごとに分離して互いに異なる複数の偏光成分を一括して検出する検出手段と、該検出手段で偏光成分ごとに分離して検出した前記偏光成分ごとの検出信号を処理して二次元以上の特徴空間を生成し、該特徴空間の外れ値を前記試料上の欠陥として検出する信号処理手段と、を備えることを特徴とする。

Claims (14)

1. レーザを発射する光源手段と、
   該光源手段から発射されたレーザの偏光の状態を制御して表面にパターンが形成された試料の該表面に対して傾斜した方向から照射する照明光学系手段と、
   該照明光学系手段によりレーザが照射された前記試料からの反射散乱光を空間フィルタを介して該反射散乱光の偏光成分ごとに分離して検出する検出手段と、
   該検出手段で偏光成分ごとに分離して検出した前記偏光成分ごとの検出信号を処理して前記試料上の欠陥を検出する信号処理手段と、
   該信号処理手段で処理して得た欠陥の情報を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
2. 前記信号処理手段は、偏光成分ごとに分離して検出された検出信号のうちP偏光成分の検出信号を処理して得た情報とS偏光成分の検出信号を処理して得た情報とを用いて前記試料上の欠陥を検出し、該検出した欠陥を分類することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
3. 前記信号処理手段は、前記分離して検出した偏光成分ごとの検出信号を処理して複数の欠陥候補を抽出し、該抽出した複数の欠陥候補の特徴量を比較し、統計的に外れた特徴量を有する欠陥候補を欠陥として検出することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
4. 前記照明光学系手段はシリンドリカルレンズを有し、該シリンドリカルレンズを介して前記試料の表面に対して傾斜した方向から該試料表面の楕円状又は直線状の領域に前記レーザを照射することを特徴とする請求項１乃至3の何れかに記載の欠陥検査装置。
5. 前記照明光学系手段は光路切換え部を有し、前記偏光の状態を制御したレーザを前記試料の表面に照射する方位角及び／または仰角を前記切換え部で切換えが可能であることを特徴とする請求項１乃至3の何れかに記載の欠陥検査装置。
6. 前記検出手段は前記レーザが照射された前記試料からの反射散乱光のうち前記試料の表面に対して第１の仰角方向に反射散乱した光を検出する第１の検出光学系部と前記試料の表面に対して第２の仰角方向に反射散乱した光を検出する第２の検出光学系部とを有することを特徴とする請求項１乃至3の何れかに記載の欠陥検査装置。
7. 前記光源手段はパルス発振レーザを発射し、前記照明光学系手段は光路長の異なる複数の光路を有して前記光源手段から発射されたパルス発振レーザの１パルスを前記複数の光路に導入して複数のパルスに分割して前記試料の表面に照射することを特徴とする請求項１乃至3の何れかに記載の欠陥検査装置。
8. 光源から発射されて偏光の状態が制御されたレーザを表面にパターンが形成された試料に対して傾斜した方向から照射し、
   該レーザが照射された前記試料からの反射散乱光を空間フィルタを介して該反射散乱光の偏光成分ごとに分離して検出し、
   該偏光成分ごとに分離して検出した前記偏光成分ごとの検出信号を処理して前記試料上の欠陥を検出し、
   該検出した欠陥の情報を出力することを特徴とする欠陥検査方法。
9. 前記偏光成分ごとに分離して検出された検出信号のうちP偏光成分の検出信号を処理して得た情報とS偏光成分の検出信号を処理して得た情報とを用いて前記試料上の欠陥を検出し、該検出した欠陥を分類することを特徴とする請求項７記載の欠陥検査方法。
10. 前記分離して検出した偏光成分ごとの検出信号を処理して複数の欠陥候補を抽出し、該抽出した複数の欠陥候補の特徴量を比較し、統計的に外れた特徴量を有する欠陥候補を欠陥として検出することを特徴とする請求項７記載の欠陥検査方法。
11. 前記光源から発射されて偏光の状態が制御されたレーザを、シリンドリカルレンズを介して前記試料の表面に対して傾斜した方向から該試料表面の楕円状又は直線状の領域に照射することを特徴とする請求項8乃至10の何れかに記載の欠陥検査方法。
12. 前記偏光の状態を制御したレーザを前記試料の表面に対する方位角及び／または仰角を切換えて照射することを特徴とする請求項8乃至10の何れかに記載の欠陥検査方法。
13. 前記レーザが照射された前記試料からの反射散乱光のうち前記試料の表面に対して第１の仰角方向に反射散乱した光を検出して得た信号と前記試料の表面に対して第２の仰角方向に反射散乱した光を検出して得た信号とを用いて欠陥を検出することを特徴とする請求項8乃至10の何れかに記載の欠陥検査方法。
14. 前記レーザはパルス発振レーザであって、該パルス発振レーザの１パルスを光路長の異なる複数の光路に導入して複数のパルスに分割し、該複数のパルスに分割したレーザを前記試料の表面に照射することを特徴とする請求項8乃至10の何れかに記載の欠陥検査方法。

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