(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にパターンが形成された試料に、前記試料の表面に対して傾いた方向から光を照射
する照射工程と、
前記照射工程にて照射された光により前記試料の表面から散乱した複数の散乱光を複数
の検出光学系によりそれぞれ検出する検出工程と、
前記検出工程にて前記複数の検出光学系によりそれぞれ検出された前記複数の散乱光に
基づく複数の信号を処理する処理工程と、を備え、
前記検出工程では、少なくとも、前記試料の表面に対して法線方向に検出器が配置され
た第一の検出光学系と前記試料の表面に対して前記第一の検出光学系とは異なる仰角方向
に検出器が配置された第二の検出光学系と前記試料の表面に対して前記第一の検出光学系
および前記第二の検出光学系とは異なる仰角方向に検出器が配置された第三の検出光学系
とを備えた前記複数の検出光学系により前記複数の散乱光を検出し、
前記処理工程では、前記第一の検出光学系により検出された第一の散乱光に基づく第一
の信号を基準とし、前記第二の検出光学系により検出された第二の散乱光に基づく第二の
信号および前記第三の検出光学系により検出された第三の散乱光に基づく第三の信号を評価して欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項２】
前記処理工程では、前記第一の信号と前記第二の信号との差分と前記第一の信号と前記第
三の信号との差分と、を用いて評価することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
【請求項３】
前記試料の表面に対する前記第一の検出光学系の角度と前記試料の表面に対する前記第二
の検出光学系の角度との差と、前記試料の表面に対する前記第一の検出光学系の角度と前
記試料の表面に対する前記第三の検出光学系の角度との差とは概略同一であることを特徴
とする請求項１記載の欠陥検査方法。
【請求項４】
前記検査を行う温度環境及び気圧環境に対応して、前記複数の検出光学系で検出する前
記試料から発生した散乱光の像について、それぞれの像質の一致度を合わせ込んで検出す
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方法。
【請求項５】
前記それぞれの像質の一致度を合わせ込むことを、前記散乱光の像を形成するための結
像レンズと該結像レンズで形成された前記散乱光の像を検出するイメージセンサとの間隔
を調整することにより行うことを特徴とする請求項４記載の欠陥検査方法。
【請求項６】
前記それぞれの像質の一致度を合わせ込むことを、前記散乱光の像を形成するための複
数のレンズを備えたレンズ系のうちの何れかのレンズを該レンズ系の光軸方向に対して移
動させることにより行うことを特徴とする請求項４記載の欠陥検査方法。
【請求項７】
前記散乱光の像を複数の検出光学系で検出することを、光軸が前記テーブルの前記試料
を載置する面の法線と前記照明光を照明する線状の領域の長手方向とが成す面に直交する
同一平面内における異なる仰角方向でそれぞれ円形レンズの左右を切除した長円形レンズ
を介して検出することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
【請求項８】
表面にパターンが形成された試料に、前記試料の表面に対して傾いた方向から光を照射
する照射手段と、
前記照射手段にて照射された光により前記試料の表面から散乱した複数の散乱光を複数
の検出光学系によりそれぞれ検出する検出手段と、
前記検出手段にて前記複数の検出光学系によりそれぞれ検出された前記複数の散乱光に
基づく複数の信号を処理する処理手段と、を備え、
前記検出手段は、少なくとも、前記試料の表面に対して法線方向に検出器が配置された
第一の検出光学系と前記試料の表面に対して前記第一の検出光学系とは異なる仰角方向に
検出器が配置された第二の検出光学系と前記試料の表面に対して前記第一の検出光学系お
よび前記第二の検出光学系とは異なる仰角方向に検出器が配置された第三の検出光学系と
を備えた前記複数の検出光学系により前記複数の散乱光を検出し、
前記処理手段では、前記第一の検出光学系により検出された第一の散乱光に基づく第一
の信号を基準とし、前記第二の検出光学系により検出された第二の散乱光に基づく第二の
信号および前記第三の検出光学系により検出された第三の散乱光に基づく第三の信号を評価して欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項９】
前記処理手段は、前記第一の信号と前記第二の信号との差分と前記第一の信号と前記第三
の信号との差分と、を用いて評価することを特徴とする請求項８記載の欠陥検査装置。
【請求項１０】
前記試料の表面に対する前記第一の検出光学系の角度と前記試料の表面に対する前記第二
の検出光学系の角度との差と、前記試料の表面に対する前記第一の検出光学系の角度と前
記試料の表面に対する前記第三の検出光学系の角度との差とは概略同一であることを特徴
とする請求項８記載の欠陥検査装置。
【請求項１１】
前記検査を行う温度環境及び気圧環境に対応して、前記複数の検出光学系で検出する前
記試料から発生した散乱光の像について、それぞれの像質の一致度を合わせ込んで検出す
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装置。
【請求項１２】
前記それぞれの像質の一致度を合わせ込むことを、前記散乱光の像を形成するための結
像レンズと該結像レンズで形成された前記散乱光の像を検出するイメージセンサとの間隔
を調整することにより行うことを特徴とする請求項１１記載の欠陥検査装置。
【請求項１３】
前記それぞれの像質の一致度を合わせ込むことを、前記散乱光の像を形成するための複
数のレンズを備えたレンズ系のうちの何れかのレンズを該レンズ系の光軸方向に対して移
動させることにより行うことを特徴とする請求項１１記載の欠陥検査装置。
【請求項１４】
前記散乱光の像を複数の検出光学系で検出することを、光軸が前記テーブルの前記試料
を載置する面の法線と前記照明光を照明する線状の領域の長手方向とが成す面に直交する
同一平面内における異なる仰角方向でそれぞれ円形レンズの左右を切除した長円形レンズ
を介して検出することを特徴とする請求項８記載の欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面にパターンが形成された検査対象上の欠陥を、光学的に撮像して得られた画像情報に基づいて検出する検査技術に関り、特に半導体ウェハ等のパターン付基板を対象とした微細欠陥検出の検査技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表面にパターンが形成された基板（パターン付基板）の欠陥検査においては、欠陥からの検出光（欠陥信号）を、パターンおよび下地膜からの検出光（背景光ノイズ）と如何に区別して検出できるかが欠陥検出感度を大きく左右する。特に半導体ウェハの検査においては、パターン微細化の進展に伴い、より微細な欠陥の検出が求められており、微細欠陥からの微弱な欠陥信号を、背景光ノイズと区別して取り出すことが検査技術上の大きな課題となっている。
【０００３】
ここで図２により、検査対象であるパターン付基板の縦構造、および検出すべき欠陥種について、半導体ウェハを例にとって説明する。図２では、半導体デバイスの縦構造を２０〜３５および２０１〜２５１にて、および検出対象である欠陥について２６１〜２６４にて説明する。
【０００４】
２０は素子分離層であり、シリコン（Ｓｉ）基板２０１に溝を掘った後、絶縁物である酸化シリコン（ＳｉＯ２）で生めて、ウェハ上に形成されるトランジスタ素子を電気的に絶縁分離する構造（２０２）である。２１はゲートおよびコンタクト層であり、２１１はポリシリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなるゲート電極部である。この部分はトランジスタ性能に大きな影響を与える部分であり、検査においても重視される。２１２はコンタクト部であり。
【０００５】
絶縁膜（酸化シリコン：ＳｉＯ２）にエッチングにより開けられたホールに金属（タングステン：Ｗなど）を埋め込んで、トランジスタ部と上層の配線層を接続する部分である。２２〜２５は配線層であり、これら複数の配線層により回路が形成される。各層は絶縁膜（酸化シリコン：ＳｉＯ２など）で埋められている。２２は第１の配線部であり、第１の配線部２２１は平面方向への配線を行う、また第１のビア部２２２は絶縁膜（酸化シリコン：ＳｉＯ２など）にエッチングによりあけられたホールに金属を埋め込んで、さらに上層の配線層と接続する部分である。同様に２３は第２の配線層であり、２３１は第２の配線部、２３２は第２のビア部、２４は第３の配線層であり、２４１は第３の配線部、２４２は第３のビア部、２５は第４の配線層であり、２５１は第４の配線層である。
【０００６】
各配線層において配線部の材料はアルミニウム（Ａｌ）、または銅（Ｃｕ）などの金属からなる。また、ビア部に埋め込まれた金属はタングステン（Ｗ）または銅（Ｃｕ）などからなる。
【０００７】
また、検出対象である欠陥に関しては、スクラッチ２６１、パターン欠陥であるショート２６２および断線２６３、異物２６４などがある。
【０００８】
図３は、図２で示した半導体デバイスの各層の工程、材料および代表欠陥の説明図である。半導体デバイスの各層は、各層を形成する材料の成膜工程、リソグラフィ工程によるレジストパターン形成、形成されたレジストパターンに倣うように、成膜された材料を除去加工するエッチング工程、平坦化のためのＣＭＰ （Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：化学機械研磨）工程などにより形成される。
【０００９】
半導体デバイスの各層および各工程において使われる材料は様々であり、また検出対象である欠陥種も、成膜工程では異物、パターン形成のリソグラフィ工程およびエッチング工程では異物およびパターン欠陥、研磨を行うＣＭＰ工程では異物およびスクラッチなど様々である。
【００１０】
図２〜３で説明した様に、半導体ウェハの検査においては、パターンの形状、材質、および検出対象である欠陥の形状・材質が多種多様である。検査装置はこれらに対応して欠陥検出感度を最適にするように複数の検出条件パラメータを設定できるように構成されている。
【００１１】
表面にパターンが形成された基板上の欠陥や異物を検査するための暗視野光学方式の半導体ウェハ欠陥検査装置は、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように、基板を斜方から照明して基板からの正反射光を対物レンズで集光せずに、欠陥からの散乱光を集光する構成となっている。また、基板上に形成されたパターンや下地膜から回折・散乱して対物レンズで集光される光は、偏光フィルタや空間フィルタで抑制してセンサで受光する構成となっている。
【００１２】
これらにより、暗視野光学方式の欠陥検査装置の検査画像は、暗い背景に対して欠陥が輝点として顕在化されたものとなるため、画像の分解能（基板試料面上のセンサ画素サイズ）が検出したい欠陥サイズと比較して大きいものであっても（〜０．３μｍ）、これより小さい０．１μｍ以下の欠陥の検出が可能となる。この特徴から、暗視野光学方式の欠陥検査装置は、高速・高感度の検査装置として、半導体デバイスの製造ラインで広く用いられている。
【００１３】
今後の半導体ウェハ欠陥検査では、デバイスパターンの更なる微細化の進展に伴い、さらに微細な欠陥の検出が求められている。暗視野光学方式の、パターン付ウェハ欠陥検査装置の光学系においては、これに対応するため、以下の課題への対応が必要である。
【００１４】
一つは、微細欠陥から発生する微小な散乱光を効率良く検出するために、光学系の検出開口（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を大きくすることである。但しパターン付ウェハ欠陥検査ではパターンや下地膜からの回折・散乱光と区別して、欠陥からの散乱光を検出する必要がある。単純に検出開口を大きくしただけでは、欠陥から検出される散乱光信号も大きく出来るが、パターンや下地膜からの回折・散乱光のノイズ成分も大きくなり、欠陥の検出感度を向上させることは難しい。
【００１５】
これに対応するためには、欠陥からの散乱光とパターンや下地膜からの回折・散乱光の方向性の違いを利用することが有効である。具体的には異なる複数の方向から、可能な限り広い範囲で散乱光の検出を行い、得られた散乱光画像により欠陥検出を行うことが有効である。例えば特許文献１には、複数方向から散乱光を検出して欠陥検査を行う技術について、特許文献２には、検査基板上方と斜方に設置された集光光学系により取得された散乱光により欠陥検査を行う技術について、特許文献３には、検査基板上方と斜方に設置された結像光学系により取得された散乱光画像により欠陥検査を行う技術について開示されている。
【００１６】
また、特許文献４には、検査基板上方に設置された検出光学系と、検査基板の間に反射鏡を設置して、これを切り替えることにより複数の方向から散乱光画像を取得して欠陥検査を行う技術について、特許文献５には、検査基板上方に設置された検出光学系と、検査基板の間に複数の反射鏡を設置して、複数の方向から散乱光画像を取得して欠陥検査を行う技術について、特許文献６には複数方向から散乱光検出を行う検出光学系のレンズに円形状レンズの端部を切断したレンズを用いて、散乱光の検出範囲を広げる技術について開示されている。特許文献７には複数の方向から散乱光画像を取得してそれら複数の方向から得られた画像の比較処理により欠陥検査を行う技術について開示されている。
【００１７】
また、微細欠陥検出のため、検出光学系を高度化すると、温度・気圧等の環境変化を受けて、検出光学系の結像性能が変化して、欠陥検出感度が低下する。これに対応するための技術として、例えば、特許文献８、特許文献９には温度・気圧の変化による結像位置変化を補正する技術が、特許文献１０には検査装置の装置内の温度制御に関する技術が開示されている。
【００１８】
なお、レーザ散乱光検出型の欠陥検査に関連して、光の波長よりも小さい微小物体からの散乱光信号は物体の大きさの6乗に反比例して減少し、照明波長の４乗に比例して増大することが”Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ” （Ｍ．Ｂｏｒｎ、Ｅ．Ｗｏｌｆ）（非特許文献１）に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開平９−３０４２８９号公報
【特許文献２】特表２００７−５２４８３２号公報
【特許文献３】特開２００４−１７７２８４号公報
【特許文献４】特開２００８−２４１６８８号公報
【特許文献５】特開２０１０−５４３９５号公報
【特許文献６】特開２００８−２６１７９０号公報
【特許文献７】特開２００９−５３１３２号公報
【特許文献８】特開２００２−９０３１１号公報
【特許文献９】特開２００７−２４８０８６号公報
【特許文献１０】特開２００８−２４９５７１号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】”Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ  ７ｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ”（Ｍ．Ｂｏｒｎ、Ｅ．Ｗｏｌｆ）  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（１９９９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
パターン付基板の暗視野検査においては、検出光学系において欠陥からの検出光（欠陥信号）を、パターンおよび下地膜からの検出光（背景光ノイズ）と如何に区別して検出できるかが欠陥検出感度を大きく左右し、欠陥信号と背景光ノイズの区別を行うには、両者の発生する散乱光の相違、すなわち散乱光を発生する物体の形状・材質等の相違に基づく、散乱光の発生方位・散乱光の偏光状態の相違を利用する技術があることは、先に説明した通りである。
【００２２】
一方で、パターン付基板の暗視野検査においては、検出光学系を結像光学系で構成し、検査対象基板の散乱光画像を取得し、これを画像処理して欠陥検出を行う。このため、欠陥検出感度は、取得される散乱光画像の品質に大きく左右される。例えば、検出方向を変えて散乱光を検出し、空間フィルタ、偏光フィルタ等で光学フィルタリングを行うことに加えて、散乱光画像において欠陥信号と背景光ノイズを分離するために必要な品質を得られるように、光学系を構成することが必要である。
【００２３】
先に説明した通り、欠陥検出感度向上には、複数の検出光学系で検出を行い、同一の検査対象の同一の位置から特徴の異なる複数の散乱光画像を取得することで、欠陥検出のための情報量を増やすことが有効であり、特に画像処理においては、これら散乱光画像をそれぞれ単独で処理するだけではなく、特徴の異なる複数の散乱光画像同士で比較を行うことが有効である。そしてこれを実現するためには、各々の検出光学系で得られる散乱光画像の品質を向上させることと合わせて、複数の検出光学系でそれぞれ得られる画像の品質差を可能な限り低減させることが必要である。
【００２４】
本発明が解決しようとする課題は、上記の特徴の異なる複数の散乱光画像同士の比較による欠陥感度向上を実現するために必要となる、各々の検出光学系で得られる散乱光画像の品質を向上させることと合わせて、複数の検出光学系でそれぞれ得られる画像の品質差を可能な限り低減させることである。
【００２５】
上記特許文献１〜７に記載されている発明は、検出光学系により異なる散乱方向の散乱光を検出することで欠陥検出感度を向上させる技術に関するものであるが、特許文献１に記載されている発明では散乱光量の検出は行うのみで画像取得を前提としておらず、本技術の解決しようとする課題を解決することは出来ない。
【００２６】
特許文献２及び３に記載されている発明では、特徴の異なる複数の散乱光同士又は散乱光画像同士で比較を行うことを前提としておらず、本技術の解決しようとする課題を解決することは出来ない。
【００２７】
特許文献４および５に記載されている発明では、検出方向の異なる複数種の散乱光画像を取得する際に、検出光学系の構成が変わるため、複数種の散乱光画像に品質差が生じることとなり、本技術の解決しようとする課題を解決することは出来ない。
【００２８】
特許文献６に記載されている発明では、検出光学系を複数方向に配置した場合の光学系の干渉の回避に関して、円形状レンズ同士が干渉する部分を切除したレンズを利用して、これを複数配置する技術が開示されているが、検査対象基板を斜方から検出した際の散乱光画像の品質確保に関して想定しておらず、本技術の解決しようとする課題を解決することは出来ない。
【００２９】
特許文献７に記載されている発明では、複数方向に検出光学系を配置して、散乱方向の異なる画像を検出してそれらの比較検出を行う方法、あるいは高ＮＡ（ＮＡ０．７以上）の検出光学系で散乱光を検出した後、光路分岐することで散乱方向の異なる画像を検出して、それらの比較検出を行う方法について開示されているが、但し、検出光学系を複数方向に配置する場合、通常は光学系の実装スペースの取り合い（光学系の干渉）により検出開口を大きく取ることが難しくなる。また、高ＮＡ（ＮＡ０．７以上）の検出光学系では、レンズ先端と検査対象との距離（作動距離：Ｗ．Ｄ．  Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ）を大きく取ることがレンズ設計上困難となる。これは特に暗視野光学方式の欠陥検査では、図４で示したレーザ照明をウェハ面にまで導くためのスペースを確保する構成を実現することが難しくなる。また、検査対象基板を斜方から検出した際の散乱光画像の品質確保を想定しておらず、本技術の解決しようとする課題を解決することは出来ない。
【００３０】
また、上記特許文献８〜１０に記載されている発明は環境変化による結像特性の変化へ対応する技術に関するものであり、特許文献８、９に記載されている発明は、環境変化による合焦点位置の変化を修正するのみであり、その他の特性変化を考慮しておらず、本技術の解決しようとする課題を解決することは出来ない。また、特許文献１０に記載されている発明は温度環境を一定に保持するのみであり、気圧変化に対しては考慮しておらず、本技術の解決しようとする課題を解決することは出来ない。
【００３１】
本発明の目的は、複数の検出光学系で得られる特徴の異なる複数の散乱光画像同士の比較による欠陥感度向上を実現するために、各々の検出光学系で得られる散乱光画像の品質を向上させることと合わせて、複数の検出光学系でそれぞれ得られる画像の品質差を可能な限り低減させることを可能にする欠陥検査方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、表面にパターンが形成された検査対象に、照明光学系により、検査対象面上にライン上の照明領域を形成するように光を照射する照明過程と、検査対象からの反射散乱光を検出光学系により集光し、検査対象面の光学像をイメージセンサ上に結像して光電変換する検出過程と、光電変換後の電気信号を処理して欠陥信号を抽出する欠陥判定過程と、前記検査対象を載置・移動して、検査対象の全面に渡って前記検出過程を適用する走査過程とを有し、前記検出過程は、複数の検出光学系およびイメージセンサによって行い、前記欠陥判定工程は、前記複数の検出光学系およびイメージセンサによって得られた、それぞれの検出画像同士を比較して欠陥信号を抽出する欠陥検査方法において、検出過程で用いる前記複数の検出光学系は同一の構造で構成され、それらの光軸は検査対象面の法線とライン状照明の長手方向が成す面と直交する同一平面内に異なる仰角で配置され、且つ、前記複数の検出光学系に用いる検出レンズは組レンズであって、その一部は円形レンズの左右を直線状に切除して左右対称の形状を持つ長円形レンズから成り、且つ、前記検出レンズの直線部は前記複数の検出光学系の複数の光軸が成す面と直交するように配置され、照明過程は前記ライン状の照明領域の長手方向を、前記検出光学系の光軸を含む面と直交するように形成し、走査過程はその走査方向を、前記ライン状の照明領域の長手方向と直行する方向に行うことを特徴とする。
【００３３】
また、上記課題を解決するために、本発明では、表面にパターンが形成された試料に、試料の表面に対して傾いた方向から光を照射する照射工程と、照射工程にて照射された光により試料の表面から散乱した複数の散乱光を複数の検出光学系によりそれぞれ検出する検出工程と、検出工程にて複数の検出光学系によりそれぞれ検出された複数の散乱光に基づく複数の信号を処理する処理工程と、を備えた欠陥検査方法において、検出工程では、少なくとも、試料の表面に対して法線方向に検出器が配置された第一の検出光学系と試料の表面に対して第一の検出光学系とは異なる仰角方向に検出器が配置された第二の検出光学系と試料の表面に対して第一の検出光学系および第二の検出光学系とは異なる仰角方向に検出器が配置された第三の検出光学系とを備えた複数の検出光学系により複数の散乱光を検出し、処理工程では、第一の検出光学系により検出された第一の散乱光に基づく第一の信号を基準とし、第二の検出光学系により検出された第二の散乱光に基づく第二の信号および第三の検出光学系により検出された第三の散乱光に基づく第三の信号とを処理して欠陥を検出するようにした。
【００３４】
また、上記課題を解決するために、本発明では、欠陥検査装置を、表面にパターンが形成された試料に、試料の表面に対して傾いた方向から光を照射する照射手段と、照射手段にて照射された光により試料の表面から散乱した複数の散乱光を複数の検出光学系によりそれぞれ検出する検出手段と、検出手段にて複数の検出光学系によりそれぞれ検出された複数の散乱光に基づく複数の信号を処理する処理手段と、を備えて構成し、検出手段は、少なくとも、試料の表面に対して法線方向に検出器が配置された第一の検出光学系と試料の表面に対して第一の検出光学系とは異なる仰角方向に検出器が配置された第二の検出光学系と試料の表面に対して第一の検出光学系および第二の検出光学系とは異なる仰角方向に検出器が配置された第三の検出光学系とを備えた複数の検出光学系により複数の散乱光を検出し、処理手段では、第一の検出光学系により検出された第一の散乱光に基づく第一の信号を基準とし、第二の検出光学系により検出された第二の散乱光に基づく第二の信号および第三の検出光学系により検出された第三の散乱光に基づく第三の信号とを処理して欠陥を検出するようにした。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、上記に述べた構成とするにより、高ＮＡ（開口率）での複数方向からの結像検出を可能とし、微細欠陥からの散乱光を有効に検出して、高感度検査を実現する効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例１における欠陥検査装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】検査対象であるパターン付基板の縦構造および検出すべき欠陥種を説明するパターン付基板の部分断面図である。
【図３】半導体デバイスの各層の工程を示すフロー図と、各工程における材料、代表欠陥を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１における長円形レンズの平面図（ａ），側面図（ｂ）及び正面図（ｃ）である。
【図５】本発明の実施例１における長円形レンズの配置を説明する平面図（ａ）と正面図（ｂ）である。
【図６】本発明の実施例１における長円形レンズを組レンズで構成した例を説明する長円形レンズの正面図である。
【図７】検出ユニットの各対物レンズを円形のレンズで構成した場合の平面図（ａ）と、各対物レンズを長円形レンズで構成した場合の平面図（ｂ）である。
【図８】本発明の実施例１における細線照明を説明するための検出光学系のブロック図である。
【図９Ａ】気圧とレンズ収差との関係を示すグラフである。
【図９Ｂ】レンズ収差とストレール比との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施例２における気圧環境変動を補正する機構を備えた検出光学系の概略の構成を示す正面図である。
【図１１】本発明の実施例２における照明光学系の照明方向について説明するステージユニット上に載置された検査対象のパターン付基板の斜視図である。
【図１２】（ａ）は、検査対象のパターン付基板と検出光学系の対物レンズとの関係を示す正面図、（ｂ）は、細線照明された検査対象のパターン付基板と検出光学系の対物レンズとの関係を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。  
なお、以下の説明においては、半導体ウェハの検査を例に述べるが、本発明は、それに限ることなく、パターンが形成された検査対象における検査方法および検査装置に適用可能であり、例えばフラットパネルディスプレイ（液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ELディスプレイ等）や、パターンの形成されたストレージ製品（ＤＴＭ：ディスクリートトラックメディア、ＢＰＭ：ビットパターンメディア）等の基板検査へも適用可能である。
【実施例１】
【００３８】
図１は、本実施例の欠陥検査装置の構成の例を示す。本実施例における欠陥検査装置は、照明光学系ユニット１０、検出光学系ユニット１１、データ処理部１２、ステージユニット１３、全体制御部０１を備えて構成されている。
【００３９】
照明光学系ユニット１０は光源１０１、偏光状態制御手段１０２、ビーム成形ユニット１０３及び細線集光光学系１０４を備えている。このような構成において、光源１０１を射出した照明光は、偏光状態制御手段１０２、ビーム成型ユニット１０３、を透過して、細線集光光学系１０４に導入される。この時、偏光状態制御手段１０２は１／２波長板、１／４波長板などの偏光素子で構成され、照明光学系の光軸周りに回転できるような駆動手段（図示せず）を具備し、ステージユニット１０３に載置されたウェハ００１を照明する照明光の偏光状態を調整する手段である。また、ビーム成型ユニット１０３は、後に述べる細線照明を形成する光学ユニットであり、ビームエキスパンダ、アナモルフィックプリズム等によって構成される。
【００４０】
細線集光光学系１０４はシリンドリカルレンズ等により構成され、細線状に成形した照明光でウェハ（基板）００１の細線状の照明領域１０００を照明する。本実施例では、図１に示すように細線照明の幅方向（細線照明領域の長手方向に直角な方向）をステージ走査方向（ｘ方向）に、細線照明領域の長手方向をｙ方向に取るものとして説明する。
【００４１】
また、本実施例ではこのように、照明領域を絞った細線照明を行うが、これは検査対象に対する照明の照度（照明のエネルギー密度）を高くすることにより、検査スループットの向上を図ることが目的の一つである。このため、光源１０１には直線偏光を放射し、集光性の良い高コヒーレント光源であるレーザ光源を使用することが望ましい。また、背景技術において述べたように、欠陥からの散乱光を増大させるためにも光源の短波長化が有効であり、本実施例では光源１０１にはＵＶ（Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ）レーザを想定する。たとえばＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）−ＴＨＧ（ｔｈｉｒｄ  ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の波長３５５ｎｍ固体レーザ、あるいはＹＡＧ−ＦＨＧ（Ｆｏｕｒｔｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の波長２６６ｎｍ固体レーザ、あるいはＹＡＧ−ＦＨＧとＹＡＧ基本波の和周波による２１３ｎｍ、１９９ｎｍ、１９３ｎｍ固体レーザ等の何れかを用いる。
【００４２】
照明光学系ユニット１０により細線照明されたウェハ００１からの回折・散乱光は、検出光学系１１を通して検出される。検出光学系１１は、３つの検出ユニット１１ａ〜１１ｃを備えている。本実施例では検出光学系１１は、３つの検出ユニットから構成する例を示したが、この形態に限定するものではなく、２つの検出ユニットを用いて検出光学系を構成してもよく、又は、４つ以上の検出ユニットを備えて検出光学系を構成してもよい。以下、第１の検出ユニット１１ａの構成要素は添字ａを、第２の検出ユニット１１ｂの構成要素は添字ｂを、第３の検出ユニット１１ｃの構成要素は添字ｃにより表記の区別を行う。
【００４３】
第１の検出ユニット１１ａは、対物レンズ１１１ａ、空間フィルタ１１２ａ、偏光フィルタ１１３ａ、結像レンズ１１４ａ、イメージセンサ１１５ａを備えている。第２の検出ユニット１１ｂ及び第３の検出ユニット１１ｃも同様な光学要素を備えて構成されている。
【００４４】
第１の検出ユニット１１ａについて説明すると、ウェハ００１からの回折・散乱光は対物レンズ１１１ａにより集光され、結像レンズ１１４ａにより、イメージセンサ１１５ａ上にウェハの散乱光像が結像される。第２の検出ユニット１１ｂ及び第３の検出ユニット１１ｃも同様に、それぞれ対物レンズ１１１ｂ、１１１ｃにより集光され、結像レンズ１１４ｂ、１１４ｃにより、イメージセンサ１１５ｂ、１１５ｃ上にそれぞれウェハの散乱光像が結像される。ここで対物レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは図1に示したように円形レンズの左右を直線状に切除して左右対称形状を持つ長円形レンズからなるように構成する。その構成と効果の詳細に関しては後述する。
【００４５】
検出光学系１１において、空間フィルタ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは、基板上に規則的に形成された繰り返しパターンにより生じる規則的な回折光を遮光することで、検出時の背景光ノイズを低減して、欠陥検出感度を向上させるものである。また、偏光フィルタ（偏光板等） １１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは、検出光から特定の偏光成分をフィルタリングすることで、背景光ノイズを低減して、欠陥検出感度を向上させるために用いるものである。
【００４６】
イメージセンサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃは光電変換により、検出された光学像を電気信号に変換するものであり、一般的にはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサ、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ、ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサなどのアレイセンサが用いられる。あるいはＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）アレイ、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）アレイ、ＰＭＴ（ＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ）アレイを用いても良い。
【００４７】
先に述べた細線状の照明領域１０００は、照明光の効率を向上させるために（センサの検出範囲外を照明しても無効であるため）イメージセンサ１１５の検出範囲に絞り込むように基板を照明する。本実施例ではイメージセンサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃはラインセンサを用いることを想定する。
【００４８】
また、本実施例の検出光学系１１では、３つの検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃは同一の構造で構成する。これは、後に説明するように各ユニットで検出された散乱光画像の品質差を低減して、異なる検出ユニットで撮像して得られた散乱光画像同士の比較による欠陥信号の抽出の精度を向上させることが目的であると同時に、同一の構造を複数配置することにより検査装置の製造工数、製造コストの低減を図ることが可能とするためである。
【００４９】
データ処理部１２においては、第１、第２および第３のイメージセンサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、により光電変換された検出画像信号を、信号処理部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃでＡＤ変換し、ノイズ除去処理などを実施して検査画像データを生成する。
【００５０】
１２２は画像処理部であり、信号処理部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃで生成された検査画像データを参照画像データと比較処理等の画像処理を行うことにより欠陥信号を抽出する。参照画像データは、ウェハ上に形成された回路パターンの設計データから作成しても良いし、撮像されたパターンと本来同一の形状に成るように形成されたウェハ上の異なる箇所のパターンを撮像して記憶しておいた画像データであっても良く、又は、ウェハ上の同じ箇所を撮像して得られた異なる検出ユニット間の画像データであっても良い。
【００５１】
欠陥信号の抽出においては第１、第２および第３の検出系で得られた散乱光画像からの情報を処理して欠陥抽出を行う。この際、それぞれの検出系単独で得られた画像のみを処理するだけでなく、異なる検出系で得られた画像同士を比較処理して欠陥信号の抽出を行うように構成する。
【００５２】
制御ユニット０１は前記照明光学系１０、検出光学系１１、データ処理部１２、ステージユニット１３を制御する。
【００５３】
ステージユニット１３はウェハ００１を載置して、ｘｙｚ方向に移動可能な機構であり、Ｘステージ１３１とＹステージ１３２とは検出光学系１１でウェハ全面を検査出来るようにそれぞれｘ方向又はｙ方向への移動ストロークを持ち、Ｚステージ１３３はウェハの厚さバラツキ等に関わらず、検出光学系１１の焦点範囲内にウェハの表面（検査面）のｚ位置を制御させるようにｚ方向への移動ストロークを持つよう構成される。
【００５４】
検査時のステージユニット１３の各ステージの移動はたとえば次のように制御される。図１に示すように、ウェハ００１はｙ方向に長手方向（長さＬｉ）を持つ細線状の照明領域１０００によって照明される。検査時にはウェハはＸステージ１３１によりｘ方向に連続的に移動して、検出光学系１１の３つのユニットによりスキャンされたウェハ像を取得する。
【００５５】
図１に示した例では、たとえば移動開始位置を左側のウェハ端面とし、逆側のウェハ端面に到達するまでＸステージ１３１を移動し、この間を検出光学系１１によりスキャンする。逆側のウェハ端面に到達すると、次のスキャンのため、Ｙステージ１３２により照明長さLiだけｙ方向にステップ送りされて、Ｘステージ１３１により今度は先と逆向きに連続的に移動して、先と同様に検出光学系１１によりスキャンされたウェハ像を取得する。これを繰り返すことでウェハ全面の検査を行う。
【００５６】
スキャン中にウェハが検出光学系１１の焦点範囲から外れると、取得したウェハ像の品質が劣化し、欠陥検出感度が低下する。このためスキャン中にはＺステージ１３３により常にウェハ表面のｚ位置が検出光学系１１、１２の焦点範囲にあるように制御される。このウェハ表面のｚ位置の検出は、図示していないウェハ表面ｚ位置検出手段により行われる。
【００５７】
焦点外れは取得したウェハ像の品質に大きく影響し、欠陥検出感度を大幅に低下させる要因となる。これを避けるために本実施例では、照明光学系と検出光学系とを以下のように構成した。すなわち検出光学系において同一の構造で構成された各検出ユニットは、その光軸は一つの平面内（以下、この平面を検出光軸面と呼称する）に検出仰角を変えて配置してあり、前記検出光軸面が、検査対象面の法線と細線状の照明領域１０００の長手方向とが成す平面に対し直交するように構成する。
【００５８】
このように構成することにより、同一の検出光学系を複数配置して異なる方向から散乱光を検出する場合において、検出光学系１１の各イメージセンサ（ラインセンサ）が検出する検査面上の検出範囲の各点と各イメージセンサの各検出面との距離を同一に保つことが可能となり、特段の機構を設けることなく、イメージセンサ（ラインセンサ）の検出領域全面で合焦点の散乱光画像を得ることが可能となる。
【００５９】
また、先に説明した本実施例の対物レンズ１１１ａ、１１１ｃ、１１１ｃは、円形レンズの左右を直線状に切除して左右対称形状を持つ長円形レンズを使用するが、切除した直線部は、先に説明した検出光軸面に垂直となるように配置する。このことにより、複数の検出ユニットを配置した場合、通常の円形のレンズを使用した場合と比較して、検出開口を大きくして散乱光の捕捉効率を向上することが可能となると共に、イメージセンサ（ラインセンサ）１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃの検出領域全面で合焦点の散乱光画像を得ることを可能とし、また、イメージセンサ（ラインセンサ）１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃの長手方向と検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃとの光軸とが成す平面に対して対称な光学系を構成することにより検出画像の品質をイメージセンサ（ラインセンサ）の検出領域全面で均一とすることを可能とする。
【００６０】
また、複数の検出ユニット（本実施例では１１ａ、１１ｂ、１１ｃの３つ）の光軸は、検査対象面の法線と検査対象面上の細線状の照明領域１０００の長手方向が成す面に対して対称に配置する。これは、異なる検出系で得られた画像同士を比較処理して欠陥信号の抽出を行う際に、比較処理を容易に行うようにするための配置である。例えば、同じ検出位置を同じ検出仰角で左右から検出することにより、散乱光画像の品質はほとんど同一で、散乱光の発生方向の相違だけを反映した２つの画像を得て、この２つの画像を比較処理することにより、高精度に欠陥信号を抽出することを可能にするための構成である。また、本実施例において前記複数の検出ユニット（本実施例では１１ａ、１１ｂ、１１ｃの３つ）のうちの一つは、その光軸が検査対象面の法線と一致する様に配置して、該検出ユニットで得られた画像を基準の画像品質として、装置の状態のモニタを容易とするものである。
【００６１】
後述するように斜方からの検出光学系（本実施例では１１ｂ、１１ｃ）は焦点外れによる検出画像（散乱光画像）の劣化の影響が大きい。本実施例では同一の検出ユニットを複数配置する構成であり、本来の性能が出ていれば、各検出ユニットで得られる散乱光画像はほぼ同等の品質となるはずである。しかしこの時、装置全部の検出ユニットを斜方からの検出光学系のみで構成した場合、斜方検出の焦点外れにより、全部のユニットで同様に画像劣化が発生することが想定される。そしてこの場合、実際に得られた画像の品質が、本来得られるべき画像の品質をどれだけ満足できているかの判定に困難を来たす。
【００６２】
一つの検出ユニットを光軸が検査対象面の法線と一致する様に配置すれば（図１に示した構成では、検出ユニット１１ａ）、該光学系は、斜方から検出を行う他の検出ユニット（図１に示した構成では、検出ユニット１１ｂ及び検出ユニット１１ｃ）よりも焦点外れに対する検出画像の劣化の程度は小さく、該光学系で得られた散乱光画像の品質を基準として、他のユニットで得られた散乱光画像の品質を評価することが可能となり、装置の状態モニタリングおよび不具合時の調整を容易とすることが可能となる。
【００６３】
本実施例の長円形レンズの構成について、図４〜図７を用いて説明する。  
図４は、長円形レンズ１１１の単レンズ形状を説明する図である。長円形レンズ１１１の平面形状は図４（ａ）に示すように、円形レンズの左右を２つの直線状の切断面１１１０で切除して左右対称の長円形になるように加工する。また、側面形状は、図４（ｃ）に示すように、前記単レンズを組合せて組レンズとして構成するときの検出開口角（短辺方向）をθｗ２としたときレンズ焦点面からの距離L、に対しレンズの半幅Ｗ２≒Ｌ・tanθｗ２となるよう、斜めに切除する。これによりレンズの検出開口は、図４（ｂ）に示したｙ方向の開口θｗ１と図４（ｃ）に示したｘ方向の開口θｗ２とで異なるものとなり、θｗ１＞θｗ２となるが、これを実際の装置上でどのように配置するかは次に説明する。
【００６４】
図５は、前記説明した長円形レンズの検査装置上での配置を説明する図である。図５（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。なお、図５（ａ）（ｘｙ平面内）で３つの長円形対物レンズ１１１ａ、 １１１ｂ、 １１１ｃはいずれも同一の開口を持つものであるが、対物レンズ１１１ｂ、 １１１ｃは光軸が傾いており、これをｘｙ平面内で見た図として示しているため、対物レンズ１１１ａよりも見た目が小さく表示されているものである。
【００６５】
３つの長円形対物レンズ１１１ａ、 １１１ｂ、 １１１ｃは、その焦点位置を細線状の照明領域１０００の位置に合わせるように配置する。この時、ウェハ００１の表面に対する法線１１１１と、細線状の照明領域１０００の長手方向（ｙ軸方向）との成す面に対して垂直な、検出光軸面１１１２の同一平面内に長円形対物レンズ１１１ａ、 １１１ｂ、 １１１ｃの光軸を配置し、且つ、これら光軸がウェハ００１の表面に対する法線１１１１を中心に対称に配置する。レンズ切断面１１１０ａ、１１１０ｂ、 １１１０ｃはなるべく近接させて平行に配置する。また、この時レンズ切断面１１１０ａ、 １１１０ｂ、 １１１０ｃの方向は細線状の照明領域１０００の長手方向と平行に配置され、検査画像取得時にはこの方向と直角な方向１３００にウェハを走査する。
【００６６】
レンズの検出開口はx方向にθｗ２であり、ｙ方向にθｗ１である。単独のレンズだけで見ると、開口の大きさはｘ方向＜ｙ方向であるが、複数のレンズ１１１ａ、 １１１ｂ、 １１１ｃを組み合わせることにより、全体的にはx方向の開口を大きくする構成である。
【００６７】
図６は、実際の対物レンズが複数の単レンズの組合せから成る組レンズであることを想定して、これを長円形レンズで構成した場合の実施例を説明する図である。図６では対物レンズ１１１ａ、 １１１ｂ、 １１１ｃを１２枚の組レンズで構成した例を示している。この場合、必ずしもすべてのレンズを長円形レンズとする必要は無い。ウェハ００１からの距離が離れるに従ってレンズの光軸間の距離も離れるため、円形レンズではレンズ同士が干渉を起こす部分のみを長円形レンズで構成すればよい。
【００６８】
本実施例では、円形レンズのままではレンズ同士が干渉するため、ウェハ側に近い９枚のレンズを長円形で構成した実施例である。切断の基本的な状態は図４の説明と同じである。すなわち対物レンズ１１１ａ、 １１１ｂ、 １１１ｃの先端９枚を切断面１１１０ａ、 １１１０ｂ、 １１１０ｃにより、検出開口角θｗとなるように切断したものである。
【００６９】
レンズ間で干渉を起こさない後側３枚は切断不要であるため切断していない。また、図５と同様、３つの対物レンズ１１１ａ、 １１１ｂ、 １１１ｃは、その焦点位置を細線状の照明領域１０００の位置に焦点を合わせるように配置する。この時、ウェハ００１の表面に対する法線１１１１と、細線状の照明領域１０００の長手方向（ｙ軸方向・図示せず）との成す面に対して垂直な同一平面（検出光軸面１１１２に相当）に対物レンズ１１１ａ、 １１１ｂ、 １１１ｃの光軸を配置し、且つ、これら光軸がウェハ００１の表面に対する法線１１１１を中心に対称に配置する。また、レンズ切断面１１１０ａ、 １１１０ｂ、 １１１０ｃはなるべく近接させて平行に配置する。
【００７０】
図７は、長円形レンズを採用した場合の利点について説明する図である。図７（ａ）は同一の円形レンズ１１１ｎａ、 １１１ｎｂ、 １１１ｎｃにより異なる３つの検出方向から検出を行なう場合の開口を示すものである。なお、レンズの開口はいずれも同一の大きさで円形であるが、対物レンズ１１１ｎｂ、 １１１ｎｃは光軸が傾いており、これをｘｙ平面内で見た図として示しているため、対物レンズ１１１ｎａよりも見た目が小さく表示されているものである。
【００７１】
この場合、レンズの干渉を避けるためにレンズの開口を小さくする必要があり、円形開口であるためｘ方向にもｙ方向にも開口は小さくする必要がある。本実施例では、検出光学系は結像光学系でウェハの像を形成することを前提としており、そのための条件として複数の対物レンズの光軸を同一平面内に配置することを想定しているため、その前提で円形レンズを複数個配置した場合、検出開口が非常に制限され、特にｙ方向の検出開口が小さくなるという支障が生じる。
【００７２】
一方で図７（ｂ）に示すように、長円形レンズ１１１ａ、 １１１ｂ、 １１１ｃを採用して、個々の対物レンズのｘ方向とｙ方向の開口を任意に設定できるようにすれば、一つの対物レンズはレンズが干渉するｘ方向のみの開口を小さくして、その分複数個並べれば良く、またｙ方向の開口は、ｘ方向の開口と関係なく必要な大きさで設定することが可能であり、複数の検出光学系で結像検出を行なう場合でも、円形レンズで構成した場合と比較して散乱光の捕捉効率を大幅に向上させることが可能となる。
【００７３】
次に、本実施例における細線照明の必要性について、図８を用いて説明する。実際には、対物レンズ１１１ａの左側にもう一つの対物レンズを備えており、３つの検出ユニットで検出光学系を構成しているが、簡単のため、対物レンズ１１１ａの左側の検出ユニットを省略して、検出ユニットが２つの場合について説明する。
【００７４】
第２の検出ユニット（添字ｂ）は、検査対象であるウェハ００１の検査面に対して、仰角θｄ傾いた光軸を持ち、対物レンズ１１１ｂの開口はθｗ、すなわち対物レンズ１１１ｂのx方向の開口数ＮＡｘは、：  
ＮＡｘ＝ｓｉｎθｗ  ・・・（数１）  
であるとする。照明光源の波長をλとするとき、対物レンズ１１１ｂの焦点深度をＤＯＦとすると：  
ＤＯＦ＝λ／（ｓｉｎθｗ）２  ・・・（数２）  
である。
【００７５】
細線状の照明領域１０００は照明幅Ｗｉでウェハを照明するが、この照明が第２の検出ユニットの対物レンズ１１１ｂの焦点深度の範囲内から外れると、焦点範囲外からの散乱光が入射して散乱光画像にボケの成分が混入することになり、散乱光画像の品質が低下して、欠陥検出感度の低下に繋がる。このような感度低下が生じないためには細線状の照明領域１０００、照明範囲Ｗｉが第２の検出光学ユニットの対物レンズ１１１ｂ焦点深度範囲内にあること、すなわち、  
Ｗｉ＜ＤＯＦ／sinθｄ  ・・・（数３）  
が必要である。
【００７６】
これに加えて、ｚステージの制御精度によってもウェハの検出位置が第２の検出光学ユニットの光軸方向に移動することになる。ｚステージの制御精度を±Δｚとした場合、その検出位置変動は、  
±Δｚ／cosθｄ  ・・・（数４）  
である。
【００７７】
これらを合わせて、斜方検出系でボケが生じない散乱光画像を取得する条件は、  
ＤＯＦ／sinθｄ＞Ｗｉ＋２×（Δｚ／cosθｄ）  ・・・（数５）   
が必要となる。
【００７８】
斜方検出光学系１２に設置されたイメージセンサ（ラインセンサ）１１５ｂのステージ走査方向（図ではｘ方向）の画素サイズＷｄ１は、第２の検出光学ユニットの倍率をＭとしたときに、  
Ｗｄ１≧Ｍ×Ｗｉ×ｓｉｎθｄ  ・・・（数６）  
であることが望ましい。
【００７９】
これは、イメージセンサ１１５ｂが照明範囲のすべてから生じる散乱光を検出することにより、散乱光検出の効率を向上させて、検査スループットの向上を図るためである。仮に、イメージセンサ１１５ｂの画素サイズＷｄ１が  
Ｗｄ１＜Ｍ×Ｗｉ×ｓｉｎθｄ  （数７）  
であり、検出範囲が照明範囲の一部に限られる場合、イメージセンサ１１５ｂの検出範囲外となる照明光が有効利用されず、検出光が低減して検査スループットが低下するためである。
【００８０】
同様に第１の検出光学ユニット（添字ａ）のイメージセンサ１１５ａに関しても、照明光の利用効率の観点から  
Ｗｄ１≧Ｍ×Ｗｉ  ・・・（数８）  
であることが望ましい。
【００８１】
また、本実施例における検査装置においては装置コスト低減の観点から、第１および第２の検出光学ユニットのそれぞれの対物レンズ１１１ａ・１１１ｂ、および結像レンズ１１４ａ・１１４ｂならびにイメージセンサ１１５ａ・１１５ｂは共通化することを想定しており、イメージセンサの１１５ａ、１１５ｂのステージ走査方向の画素サイズＷｓ１は、（数６）、（数８）で既定される数値のうち、装置の構成に応じて大きい値を設定すれば良い。
【００８２】
ところで、イメージセンサ１１５ａ、１１５ｂのステージ走査方向に直交する方向（y方向、センサ配列方向）画素サイズＷｄ２は、Ｗｄ１と同じである必要は無く、対物レンズ１１１ａ、１１１ｂのy方向の解像度、すなわちレーリーの回折限界の指揮から定義される（数９）を基準にこれをサンプリング数Ｎ（Ｎ＝１、２・・・）でサンプリングされるよう設定すればよい。すなわち  
Ｗｄ２＝（０．６１×λ／ＮＡy）／Ｎ  （Ｎ＝１、２・・・）  ・・・（数９）  
とする。
【００８３】
サンプリング数Ｎは、ナイキスト定理から最低でも２、可能であれば４程度が適当である。但しこれ以上サンプリング数を大きくしても（画素サイズを小さくしても）検査画像の画質向上の意味からは有効ではなく、検査エリアが小さくなり検査スループットが低下することになるので、上記の範囲で適切に設定する必要がある。
【００８４】
以上により、本実施例におけるイメージセンサの画素は、一般的にはステージ走査方向とそれに直交する方向で大きさが異なる、すなわちＷｄ１＞Ｗｄ２の長方形画素であることが望ましい。
【００８５】
本実施例は長円形レンズを使用することを想定しており、複数のレンズを配置するために制約を受けるｘ方向のレンズ開口ＮＡｘに対して、ｙ方向のレンズ開口ＮＡｙは制約を受けずに大きくすることで解像度を向上させて、散乱光画像の品質を向上させることが可能となる。また、ｘ方向の解像度も、細線照明の線幅Ｗｉをｘ方向のレンズ解像度：０．６１×λ／ＮＡｘよりも小さくして照明範囲を絞り込むことで、レンズの開口の大きさと関係なくｘ方向の解像度を向上させることも可能であり、特に複数の検出ユニットの数を増やして、その分対物レンズのｘ方向の開口が小さくなったような場合に有効である。
【００８６】
上記した実施例においては、検出光学系１１の３つの検出ユニット１１ａ〜１１ｃを同じ光学系で構成した例を説明したが、本発明はこれに限ることなく、第１の検査ユニット１１ａの対物レンズ１１１ａを第２及び第３の検出ユニット１１ｂ及び１１ｃの対物レンズ１１１ｂ及び１１１ｃよりも大きくして、ウェハ００１に対して垂直方向及びその近傍に散乱した光を第１の検査ユニット１１ａの対物レンズ１１１ａでより多く集光して結像するように構成してもよい。検出光学系をこのように構成することにより、第１の検査ユニット１１ａのＮＡをより大きくすることができ、第１の検査ユニット１１ａでより微細な欠陥を検出することができる。
【実施例２】
【００８７】
散乱光画像の品質に対して、周囲環境の変動が与える影響は大きい。温度変化であれば装置内の温度調整機構を設けることでも対応可能であるが、特に気圧の変動に対しては装置内全体の気圧を一定に保つような構造・機構を設けることはコストの面から難しい。
【００８８】
図９Ａ及び図９Ｂは、気圧変動が画質劣化に与える影響を説明する図である。図９Ａは気圧の変動によりレンズ収差がどのように変化するかを示す計算結果である。例えば、１０００ ｈＰａの環境下でレンズを組立・調整して、収差を０．１λ以下にした場合でも、気圧が８５０ｈＰａまで低減すること、収差は０．２λに悪化する。
【００８９】
これは従来技術にあるように結像位置の調整では十分に補正することが不可能な成分である。これが散乱光画像に与える悪影響を説明するのが図９Ｂであり、レンズ収差が０．１λから０．２λに悪化すると、理論的な点像結像性能を示すストレール比が１／３以下に低下する。このことは画像のボケが３倍悪化することを意味しており、このような画質劣化が生じた場合、当初の気圧環境１０００ｈＰａで実現していた欠陥検出性能を、気圧環境８５０ｈＰａでも同様に発揮することは不可能となる。
【００９０】
そこで、実施例２においては、実施例１で説明した欠陥検査装置に、検査時の気圧変動による画質の劣化を防止する機能を備えた。
【００９１】
図１０はこれを補正するためにレンズに設置する機構について説明する図である。なおこれら補正機構はすべてを搭載する必要は無く、散乱光検出画像の劣化が起こらないように補正可能な範囲で、機構の実装条件も考慮して、そのうちの一つまたは複数種の機構を設置すればよい。
【００９２】
図１０に示した構成は、実施例１で図１を用いて説明した構成のうちの第１の検出ユニット１１ａ、第２の検出ユニット１１ｂ、第３の検出ユニット１１ｃに対応する光学系である。本実施例において、図示していない部分の構成は、実施例１で説明した構成と同じであるので、説明を省略する。
【００９３】
図１０で、１１１１ａ、１１１１ｂ、１１１１ｃはイメージセンサを光軸方向に移動する手段であり、気圧環境の変化によるレンズの結像位置変化に合わせて、イメージセンサを矢印方向、即ち結像レンズ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの光軸に沿った方向へ移動させる機構である。１１１２ａ、１１１２ｂ、１１１２ｃは平行平板の抜差しにより収差を補正する機構である。気圧環境の変化に伴うレンズの性能変化は、気圧変動により生じる空気の屈折率変化に起因するものであり、気圧低下による空気屈折率の低下を保証するように、高屈折率媒体である平行平板を結像レンズ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの光路に対して抜差しすることで収差を補正するものである。
【００９４】
また１１１３１ａ、１１１３１ｂ、１１１３１ｃは結像レンズ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃをそれぞれ構成するレンズ群のうちの１枚のレンズ１１１３ａ、１１１３ｂ、１１１３ｃの位置を矢印方向、即ち結像レンズ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの光軸に沿った方向へ移動させるレンズ駆動手段であり、このレンズ駆動手段１１１３１ａ、１１１３１ｂ、１１１３１ｃでレンズ１１１３ａ、１１１３ｂ、１１１３ｃの位置を調整することにより結像レンズ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの性能を補正するものであり、これにより気圧変化によるレンズ性能の変動を補償できる。１１１４ａ、１１１４ｂ、１１１４ｃはレンズ鏡筒１１１０ａ、１１１０ｂ、１１１０ｃを気密化して、鏡筒内の気圧を制御することで、レンズ性能を一定に保つための空気圧調整機構である。これはレンズ鏡筒１１１０ａ、１１１０ｂ、１１１０ｃの内部の環境を外界環境から遮断して、レンズ鏡筒１１１０ａ、１１１０ｂ、１１１０ｃの内部の気圧を、レンズ組立・調整時と同じ状態に保つことで、気圧環境の変化に対してもレンズ性能を一定に保つことを可能とするものである。
【実施例３】
【００９５】
実施例３は照明方向に関する実施例である。先に説明したように、本実施例も細線状の照明領域１０００の長手方向はｙ軸方向と成るように設定することが前提であるが、これにより照明方向が限定を受けるものではない。
【００９６】
本実施例における構成は、実施例１で図１を用いて説明した欠陥検査装置の照明光学系ユニット１０、検出光学系１１、及びその他の構成は実施例１と同様であり、検出光学系１１に対する照明光学系ユニット１０の配置が実施例１と異なる。
【００９７】
図１１に示すように、ウェハ００１の面の法線１１１１と、照明光の光軸１１０１が成す平面１０１０はｙ軸に対して任意な方位角φｉを持って良い。このことにより、先に説明したようにウェハ００１の面の法線１１１１に対し左右対称に配置した検出光学ユニットにそれぞれ異なる散乱光成分が入射することになり、これにより検出感度を向上させることも可能である。
（ａ）は、検査対象のパターン付基板と検出光学系の対物レンズとの関係を示す正面図、（ｂ）は、細線照明された検査対象のパターン付基板と検出光学系の対物レンズとの関係を示す平面図である。
【００９８】
但し、図１２（ａ）の検査対象のパターン付基板と検出光学系の対物レンズとの関係を示す正面図に示すように、ウェハ００１の面の法線１１１１と同一の光軸を持つ対物レンズ１１１ａを設置する場合、（ｂ）の細線照明された検査対象のパターン付基板と検出光学系の対物レンズとの関係を示す平面図に示すように、ｘ方向に平行に伸びるウェハ上の回路パターン０１０からの回折光１０２０は対物レンズ１１１ａに入射されるように限定された範囲で、φｉを設定することが有効である。
【００９９】
これは、本実施例において、図１２には図示していない、図１にて説明した第２、第３の検出ユニットが、ウェハ００１の面の法線１１１１に対して左右対称に配置されて、ほぼ同様の散乱光画像を検出して、これら検出ユニットで得られた散乱光方向の違いのみが反映された散乱光画像を比較することで、高感度に欠陥検出することを想定しているが、第２、第３の検出ユニットの対物レンズ１１１ｂ、１１１ｃのいずれかに、回路パターン０１０からの回折光が入射してしまうと、両者の散乱光画像には大きな相違が生じてしまい、前記説明した散乱光方向の違いのみが反映された散乱光画像を比較することが不可能となるためである。
【０１００】
このため、照明集光角θｉと、検査対象面内でのライン照明長手方向（ｙ方向）に対する照明方位角φｉと、前記検査対象面の法線と一致する光軸を持つ第１の検出光学系の、レンズ直線部と直行する方向（図１２（ｂ）の場合は、ｘ方向）の検出角θｗとの関係が、φｉ≦θｄ−θｉとなるように照明を行うことが必要である。
【符号の説明】
【０１０１】
００１・・・ウェハ    ０１・・・制御ユニット    １０・・・照明光学系ユニット    １０１・・・光源    １０２・・・偏光状態制御手段    １０３・・・ビーム成型ユニット    １０４・・・細線集光光学系    １０００・・・細線状の照明領域    １１・・・検出光学系    １１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・検出光学系ユニット    １１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ・・・対物レンズ    １１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ・・・空間フィルタ    １１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ・・・偏光フィルタ    １１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ
・・・結像レンズ    １１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ・・・イメージセンサ    １２
・・・信号処理ユニット    １２・・・データ処理部    １２１ａ、 １２１ｂ、 １２１ｃ・・・信号処理部    １２２・・・画像処理部    １３・・・ステージユニット。 
【図１】
0005869817.tif 000002
【図２】
0005869817.tif 000003
【図３】
0005869817.tif 000004
【図４】
0005869817.tif 000005
【図５】
0005869817.tif 000006
【図６】
0005869817.tif 000007
【図７】
0005869817.tif 000008
【図８】
0005869817.tif 000009
【図９Ａ】
0005869817.tif 000010
【図９Ｂ】
0005869817.tif 000011
【図１０】
0005869817.tif 000012
【図１１】
0005869817.tif 000013
【図１２】
0005869817.tif 000014