(57)【要約】【課題】環境温度の変化に伴う誤検出を防止した対物レンズユニットを提供する。【解決手段】非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズＧ１〜Ｇ１３からなる対物レンズ５１と、対物レンズ５１を保持する鏡筒部材とを備え、鏡筒部材の材料の線膨張係数をα１とし、複数のレンズＧ１〜Ｇ１３のうち非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、非晶質の材料を用いたレンズの材料の光弾性定数をβとし、非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、複数のレンズＧ１〜Ｇ１３における全ての非晶質の材料を用いたレンズが条件式｜（α１−α２）×Ｄ×β×Ｌ｜＜１２０００を満足している。【選択図】図１
2011123397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、
前記鏡筒部材の材料の線膨張係数をα１とし、前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の光弾性定数をβとし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
｜（α１−α２）×Ｄ×β×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足することを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項２】
非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、
前記鏡筒部材の材料の線膨張係数をα１とし、前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の直接応力光定数をｃ１とし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
｜（α１−α２）×Ｄ×ｃ１×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足することを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項３】
非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、
前記鏡筒部材の材料の線膨張係数をα１とし、前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の横応力光定数をｃ２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
｜（α１−α２）×Ｄ×ｃ２×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足することを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項４】
非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、
前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズに接合したレンズの材料の線膨張係数をα３とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の光弾性定数をβとし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
｜（α３−α２）×Ｄ×β×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足することを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項５】
非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、
前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズに接合したレンズの材料の線膨張係数をα３とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の直接応力光定数をｃ１とし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
｜（α３−α２）×Ｄ×ｃ１×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足することを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項６】
非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、
前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズに接合したレンズの材料の線膨張係数をα３とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の横応力光定数をｃ２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
｜（α３−α２）×Ｄ×ｃ２×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足することを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項７】
非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、
前記鏡筒部材の材料の線膨張係数をα１とし、前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズに接合したレンズの材料の線膨張係数をα３とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の光弾性定数をβとし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
（｜α１−α２｜＋｜α３−α２｜）×Ｄ×｜β｜×Ｌ＜２００００
の条件を満足することを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項８】
非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、
前記鏡筒部材の材料の線膨張係数をα１とし、前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズに接合したレンズの材料の線膨張係数をα３とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の直接応力光定数をｃ１とし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
（｜α１−α２｜＋｜α３−α２｜）×Ｄ×｜ｃ１｜×Ｌ＜２００００
の条件を満足することを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項９】
非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、
前記鏡筒部材の材料の線膨張係数をα１とし、前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズに接合したレンズの材料の線膨張係数をα３とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の横応力光定数をｃ２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
（｜α１−α２｜＋｜α３−α２｜）×Ｄ×｜ｃ２｜×Ｌ＜２００００
の条件を満足することを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項１０】
表面に所定の繰り返しパターンが形成された基板を支持するステージと、
対物レンズおよび前記対物レンズを前記ステージと対向するように保持する鏡筒部材を有した対物レンズユニットと、
前記ステージに支持された前記基板の表面に、落射照明により前記対物レンズを介して直線偏光を照射する照明部と、
前記照明光が照射された前記基板の表面からの反射光を、前記対物レンズを介して受光し、前記対物レンズの瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記対物レンズに受光された前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出部と、
前記検出部に検出された前記偏光成分の情報に基づいて、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部とを備え、
前記対物レンズユニットが請求項１から９のいずれか一項に記載の対物レンズユニットであることを特徴とする表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光を利用して半導体ウェハや液晶基板等の表面を検査する表面検査装置に関し、さらに詳しくは、このような表面検査装置に用いられる対物レンズユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ（以下、ウェハと称する）の表面に形成されたパターンの良否を判定する方法として、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称する）を用いた観察により断面形状を検査する方法が種々提案されている。ＳＥＭによる断面形状の検査は、被検査基板（試料）上のパターンに照射した電子線を当該パターンの断面方向に走査し、パターンからの反射電子や二次電子を検出、解析して、走査した部分の断面形状を求める方法で行われる。上記の走査をパターン上の何点かで行うことにより、パターン全体の形状の良否を判定する。
【０００３】
ＳＥＭによる検査方法は、パターン上に電子線を照射して走査する作業を何回も繰り返し行うため、パターンの形状を求めるのに膨大な時間を要してしまう。また、観察倍率が高いため、上述のように、ウェハ上の全てのパターン形状を求めるのは困難であり、何点かをサンプリングしてウェハ全体の良否を判定する。その結果、サンプリングされたパターン以外の部分に欠陥があっても見逃されてしまう。また、レジストパターンでは、電子線を照射すると加速電圧によって電子線がレジストに吸収、チャージされてパターンの目減りが起こる。場合によっては、放電が発生してパターンが倒れてしまい、その後の工程で不都合が生じるため、加速電圧や観察倍率を色々と変えながら最適な観察条件を求める必要がある。それゆえ、さらに計測に時間を要してしまう。
【０００４】
また、パターンの良否を判定するその他の方法として、スキャトロメータによるＣＤ計測やオーバーレイのインライン検査技術等がある。分光スキャトロメータは、波長の関数として固定角度にて散乱光の特性を調べる。なお通常は、キセノン、重水素、またはキセノンアーク灯のようなハロゲン系光源である広帯域光源を使用する。また、固定角度は、垂直入射か斜め入射でよい。角度分解スキャトロメータは、入射角の関数として固定波長にて散乱光の特性を調べる。なお通常は、単一波長の光源としてレーザーを使用する。
【０００５】
角度分解スキャトロメータでの問題は、１回に１つの波長しか検出しないことである。したがって、複数の波長があるスペクトルは、その波長を時間分割多重化して検出しなければならず、スペクトルの検出および処理に時間を要するため、データの全取得時間が増加してしまう。また、分光スキャトロメータでは、小さい格子を入射角の小さい広がりで照明しなければならないので、拡張光源からの光量が無駄になる。その結果、光検出器に達する光のレベルが低くなって、データの取得時間が長くなり、スループットにマイナスの影響を及ぼす。また、データの取得時間を短くすると、検査結果が安定しないことがある。
【０００６】
このような事情に鑑みて、微細パターンの線幅変化を構造性複屈折量変化として検出する方法（以下、ＡＰＭ‐ＰＥＲ検査法と称する）が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この方法では、微細パターンを直線偏光で集光照明すると、その反射光が微細パターンでの構造性複屈折によって楕円偏光となる。これにより、（偏光子と）クロスニコル状態の検光子を通過する光量がパターンの線幅に応じて変化するので、その変化量を瞳像観察により計測する。この方法であれば、線幅と階調値（瞳像における光量）との関係を図８に示すように検出することができる。すなわち、瞳像における階調値を計測して、図８に基づくデータテーブルを参照することで、微細パターンの線幅換算値を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００８／０１５９７３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このようなＡＰＭ‐ＰＥＲ検査法による計測では、環境温度が変化すると、対物レンズを介して検光子を通過する光量が変化するため、検査精度が低下するおそれがあった。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、環境温度の変化に伴う誤検出を防止した対物レンズユニットおよび表面検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的達成のため、本発明に係る対物レンズユニットは、非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、前記鏡筒部材の材料の線膨張係数をα１とし、前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の光弾性定数をβとし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
｜（α１−α２）×Ｄ×β×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足している。
【００１１】
なお、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の直接応力光定数をｃ１とすると、次式
｜（α１−α２）×Ｄ×ｃ１×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足している。
【００１２】
また、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の横応力光定数をｃ２とすると、次式
｜（α１−α２）×Ｄ×ｃ２×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足している。
【００１３】
また、本発明に係る対物レンズユニットは、非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズに接合したレンズの材料の線膨張係数をα３とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の光弾性定数をβとし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
｜（α３−α２）×Ｄ×β×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足している。
【００１４】
なお、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の直接応力光定数をｃ１とすると、次式
｜（α３−α２）×Ｄ×ｃ１×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足している。
【００１５】
また、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の横応力光定数をｃ２とすると、次式
｜（α３−α２）×Ｄ×ｃ２×Ｌ｜＜１２０００
の条件を満足している。
【００１６】
また、本発明に係る対物レンズユニットは、非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズからなる対物レンズと、前記対物レンズを保持する鏡筒部材とを備え、前記鏡筒部材の材料の線膨張係数をα１とし、前記複数のレンズのうち前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の線膨張係数をα２とし、前記非晶質の材料を用いたレンズに接合したレンズの材料の線膨張係数をα３とし、前記非晶質の材料を用いたレンズの外径をＤとし、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の光弾性定数をβとし、前記非晶質の材料を用いたレンズ内の開口数が最大となる光路長をＬとしたとき、前記複数のレンズにおける全ての前記非晶質の材料を用いたレンズが次式
（｜α１−α２｜＋｜α３−α２｜）×Ｄ×｜β｜×Ｌ＜２００００
の条件を満足している。
【００１７】
なお、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の直接応力光定数をｃ１とすると、次式
（｜α１−α２｜＋｜α３−α２｜）×Ｄ×｜ｃ１｜×Ｌ＜２００００
の条件を満足している。
【００１８】
また、前記非晶質の材料を用いたレンズの材料の横応力光定数をｃ２とすると、次式
（｜α１−α２｜＋｜α３−α２｜）×Ｄ×｜ｃ２｜×Ｌ＜２００００
の条件を満足している。
【００１９】
また、本発明に係る表面検査装置は、表面に所定の繰り返しパターンが形成された基板を支持するステージと、対物レンズおよび前記対物レンズを前記ステージと対向するように保持する鏡筒部材を有した対物レンズユニットと、前記ステージに支持された前記基板の表面に、落射照明により前記対物レンズを介して直線偏光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記基板の表面からの反射光を、前記対物レンズを介して受光し、前記対物レンズの瞳面もしくは瞳面と共役な面において、前記対物レンズに受光された前記反射光のうち前記直線偏光の偏光方向と略垂直な偏光成分を検出する検出部と、前記検出部に検出された前記偏光成分の情報に基づいて、前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部とを備え、前記対物レンズユニットが本発明に係る対物レンズユニットになっている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、環境温度の変化に伴う誤検出を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】対物レンズの詳細を示す図である。
【図２】表面検査装置の概要を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）ともに瞳像の分割の例を示す図である。
【図４】ウェハの表面を示す図である。
【図５】温度変動によるリタデーション変化量の一例を示す図である。
【図６】実施形態における（４）式の算出例を示す表である。
【図７】実施形態における（７）式の算出例を示す表である。
【図８】線幅と階調値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態に係る表面検査装置１を図２に示している。この表面検査装置１は、ウェハ５を支持するステージ１０と、対物レンズユニット５０およびハーフミラー１２と、ステージ１０に支持されたウェハ５の表面にハーフミラー１２および対物レンズユニット５０を介して照明光を照射する照明部２０と、照明光が照射されてウェハ５の表面で反射した反射光を対物レンズユニット５０およびハーフミラー１２を介して検出する検出部３０と、データ処理部４５とを備えて構成される。
【００２３】
対物レンズユニット５０は、対物レンズ５１と、この対物レンズ５１をステージ１０と対向するように保持する鏡筒部材５２とを有して構成される。対物レンズ５１は、図１に示すように、ウェハ５側から順に並んだ、像側に凸のメニスカスレンズである第１レンズＧ１と、像側に凸のメニスカスレンズである第２レンズＧ２と、凹レンズである第３レンズＧ３と、凸レンズである第４レンズＧ４と、凸レンズである第５レンズＧ５と、凹レンズである第６レンズＧ６と、凸レンズである第７レンズＧ７と、物体側（ウェハ５側）に凸のメニスカスレンズである第８レンズＧ８と、凸レンズである第９レンズＧ９と、凸レンズである第１０レンズＧ１０と、凹レンズである第１１レンズＧ１１と、凸レンズである第１２レンズＧ１２と、凹レンズである第１３レンズＧ１３とから構成される。なお、第１〜第１３レンズＧ１〜Ｇ１３のうち、第５レンズＧ５および第９レンズＧ９の材料は結晶質の蛍石であり、残りのレンズの材料は非晶質のガラス材となっている。また、鏡筒部材５２の材料は真鍮となっている。なお、図２において、対物レンズ５１の記載は簡略化している。
【００２４】
図２に示すように、照明部２０は、光源側から順に、例えば白色ＬＥＤやハロゲンランプ等の光源２１と、コンデンサレンズ２２と、干渉フィルタを含む均一化照明ユニット２３と、開口絞り２４と、第１視野絞り２５と、リレーレンズ２６と、偏光子２７とを有して構成され、光軸上にこの順に並んで配置されている。このような照明部２０において、光源２１から射出された光は、コンデンサレンズ２２および均一化照明ユニット２３を介して、開口絞り２４および第１視野絞り２５を通過し、リレーレンズ２６によってコリメートされる。リレーレンズ２６によりコリメートされた光は、偏光子２７を透過し、ハーフミラー１２で下方へ反射した後、対物レンズ５１を介してステージ１０上に載置されたウェハ５の表面に導かれる。
【００２５】
なお、開口絞り２４および第１視野絞り２５はそれぞれ、開口部の形状（特に、光軸と開口部とを結ぶ直線方向の径の大きさ）および光軸と直交する面内での開口部の位置を変化させることが可能な構造となっている。そのため、開口絞り２４の開口部の形状および位置を変化させると、ウェハ５の表面に照射される照明光の開口角が変化し、第１視野絞り２５の開口部の形状および位置を変化させると、ウェハ５の表面における照明領域の大きさ（照明の範囲）を変化させることができる。
【００２６】
また、開口絞り２４および対物レンズ５１の瞳面は、リレーレンズ２６を挟んで、それぞれこのリレーレンズ２６の焦点距離の略２倍の位置に配置されている。そのため、開口絞り２４の開口部の像が対物レンズ５１の瞳面上もしくはその近傍に結像され、さらに、対物レンズ５１で集光されてウェハ５の表面に照射される。すなわち、開口絞り２４と対物レンズ５１の瞳面とは共役関係になっている。また、照明部２０の光軸は、ハーフミラー１２で検出部３０の光軸と略一致するように配置され、ステージ１０上のウェハ５を同軸落射照明するように構成されている。
【００２７】
ここで、同軸落射照明の光軸をＺ軸とし、Ｚ軸と垂直な面内において当該Ｚ軸を通り互いに直交する軸をそれぞれＸ軸およびＹ軸とすると、ステージ１０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動可能で、かつＺ軸と平行な軸の回りに回転可能に構成されている。また、偏光子２７は、図２の紙面と垂直な方向（Ｘ軸方向）に振動する直線偏光を出射させるように設定されている。同軸落射照明によりウェハ５の表面に照射された照明光（直線偏光）は、ウェハ５の表面で反射して再び対物レンズ５１に戻り、ハーフミラー１２を透過して検出部３０に入射することができる。
【００２８】
検出部３０は、ウェハ５側から順に、検光子３１と、第１結像レンズ３２と、ハーフプリズム３３と、第２結像レンズ３４と、第２視野絞り３５と、２つの撮像素子４１，４２とを有して構成され、光軸上にこの順に並んで配置されている。このような検出部３０において、ハーフミラー１２を透過したウェハ５からの反射光は、検光子３１を透過して第１結像レンズ３２で集光され、ハーフプリズム３３に入射する。ハーフプリズム３３は、一部の光を透過させ、残りの光を反射させるものであり、このハーフプリズム３３で反射した光は、第２撮像素子４２に達してウェハ５の像が結像される。一方、ハーフプリズム３３を透過した光は、さらに第２結像レンズ３４で集光され、第２視野絞り３５に達してウェハ５の像が結像されるとともに、第１撮像素子４１に達して対物レンズ５１の瞳像が結像される。
【００２９】
第１撮像素子４１は、対物レンズ５１の瞳面の像（瞳像）を検出する位置、すなわち対物レンズ５１の瞳面と共役な位置に配置されており、対物レンズ５１の瞳面の像を撮像（検出）して、検出信号をデータ処理部４５に出力する。第２撮像素子４２は、ウェハ５の像を検出する位置、すなわちウェハ５の表面と共役な位置に配置されており、ウェハ５の像を撮像（検出）して、検出信号をデータ処理部４５に出力する。なお、第２視野絞り３５は、ウェハ５の表面と共役な位置に配置されており、光軸（Ｚ軸）に対してＸ軸およびＹ軸方向に移動可能な開口形状を有している。第１撮像素子４１および第２撮像素子４２でそれぞれ検出された像は、データ処理部４５を介して画像表示装置４６で観察することができる。したがって、第２撮像素子４２により検出された像を画像表示装置４６で観察すると、ウェハ５上のどの位置に照明光が照射されているかを確認することができる。また、データ処理部４５には、後述するデータテーブルが記憶された記憶部４７が電気的に接続されている。
【００３０】
また、偏光子２７と検光子３１とは、クロスニコルの条件を満足するように設定されている。このため、ウェハ５表面の繰り返しパターン６（図４を参照）で偏光主軸が回転しない限り、検出される光量がほぼ零となる。
【００３１】
以上のように、本実施形態の表面検査装置１は、ウェハ５表面の微細な繰り返しパターン６（図４を参照）の線幅変化を構造性複屈折量変化として検出するように構成される。構造性複屈折を有するパターンからの反射光は、ウェハ５表面のパターン形状および下層構造に応じて、入射光（直線偏光）の振動面に平行な成分と垂直な成分との間で位相差と振幅が変化し、楕円偏光になる。このため、本実施形態の表面検査装置１では、偏光子２７による直線偏光でウェハ５表面の微細な繰り返しパターン６を集光照明し、この微細な繰り返しパターン６で楕円偏光化した反射光がクロスニコル状態の検光子３１を透過する光量の変化を、瞳像を用いて計測する。すなわち、ウェハ５の表面に照射された直線偏光は、楕円偏光となり反射して検光子３１を透過し、第１撮像素子４１の撮像面に結像される瞳像内に輝度および色相の変化が生じるので、これを計測してウェハ５の表面検査を行う。
【００３２】
具体的な検査方法としては、例えば、本実施形態の表面検査装置１により正常なパターンを有するウェハ（基準となるウェハであって、以下「基準ウェハ」と称する）の瞳像（基準像）を撮像取得し、次に検査対象となるウェハ５の瞳像（検出像）を撮像取得して、データ処理部４５で基準像と検出像との画素毎の輝度（階調値）の差を比較し、ある画素においてその差が所定の閾値を超えたときに欠陥があると判定するようにしてもよい。なお、比較する画素は、全画素でなくてもよく、光軸を通る所定の線上（放射方向）の画素のみを比較対象としてもよい。また、欠陥があると、反射光の対称性が崩れ、瞳像の光軸に対して対称な部分同士の輝度または色相に差が出てくるので、この差を検出することにより欠陥を検出することができる。
【００３３】
また、本実施形態の表面検査装置１は、前述したように、開口絞り２４の開口部の位置を変化させることにより、ウェハ５に照射される照明光の開口角を変化させることができる。すなわち、第１撮像素子４１で撮像される瞳像において、光軸上が開口角０°に相当し、瞳像の周辺部に行くほどこの開口角が大きくなる。そのため、瞳像を、ウェハ５への入射角が４５°である場合に対応する円の内側と外側の領域に分け、この各領域における基準像と検出像との差を検出して、その結果に基づいて欠陥の有無を検査するようにしてもよい。
【００３４】
また例えば、図３（ａ）に示すように、瞳像６０を、中心部の円状の領域Ｅと、その周りの領域を中心から放射状に広がる４つの領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとに分割して、これら５つの各領域Ａ〜Ｅにおける基準像と検出像との差を検出して、その結果に基づいて欠陥を検出するようにしてもよい。あるいは、図３（ｂ）に示すように、瞳像６０を、中心部の円状の領域Ｉと、その周辺部分に中心部の領域Ｉを囲むように同心円状に配置される８つの円状の領域Ａ〜Ｈとに分割して、これら９つの各領域Ａ〜Ｉにおける基準像と検出像との差を検出して、その結果に基づいて欠陥を検出するようにしてもよい。
【００３５】
なお、このような欠陥の検出方法として、対物レンズ５１の瞳面の像の比較を用いているのは、単なるウェハ５の表面の画像では、繰り返しパターン６（図４を参照）のピッチが表面検査装置１の分解能以下となり、欠陥があっても光学的に検出できないからである。また、第２視野絞り３５の開口部の位置や形状が可変に構成されているのは、ウェハ５における適当な位置および大きさの領域の情報を検出可能とするためである。さらに、開口絞り２４により照明σ（照明のＮＡ／対物レンズのＮＡ）が可変とされており、適当な明るさでウェハ５を照明することができる。
【００３６】
以上に説明したように、基準像と検出像との階調値を比較することにより検査対象のウェハ５の欠陥を検出することができるが、図８に示すような関係を有する階調値と線幅とを対応付けたデータテーブルを記憶部４７に記憶しておけば、検出像の階調値からウェハ５の表面に形成された繰り返しパターン６（図４を参照）の線幅を算出することができる。これにより、ウェハ５毎の線幅の数値管理を行うことができる。
【００３７】
ところで、図４に示すように、ウェハ５の表面には、複数の半導体チップのための繰り返しパターン６が焼き付けられている。そのため、本実施形態の表面検査装置１によるウェハ５の検査は、ウェハ５表面の複数の検査点に対して行われる。例えば図５の場合、検査開始点Ｐ１から検査を開始し、順次隣接する検査点Ｐ２，Ｐ３，…で検査を行いながら検査終了点Ｐｅまで繰り返し検査が行われる。そのため、前述したように、検査開始前に基準ウェハを用いて当該基準ウェハの表面に形成された基準パターンの瞳像（基準像）を撮像取得し、次にウェハ５表面の各検査点において検出像を撮像取得して、各検査点での検出像と基準像とをそれぞれ比較するという手順をとると、その間に環境温度が変化した場合に、各像の階調値が変化して正確な検査ができないおそれがある。
【００３８】
本実施形態の表面検査装置１では、ウェハ５以外のいずれかの光学部材において、温度変化によるリタデーション（retardation：位相差）が発生すると、クロスニコル状態になっている検光子３１を透過する光量が変化するため、階調値をもとに線幅換算すると線幅誤差が発生し、線幅の計測精度が低下してしまう。すなわち、環境温度が変化すると、線幅の計測精度が低下してしまう。例えば、図８に示すようなデータテーブルを使用する場合、環境温度が基準温度から＋１℃上昇すると、階調値と線幅との相関に約１２階調の差が生じて、線幅換算で約０．８ｎｍの誤差が発生してしまう。
【００３９】
原因は、環境温度の変化によって対物レンズ５１内のレンズ膨張により応力歪が発生することで、対物レンズ５１内部を通過する光にリタデーションが生じることにある。これにより、対物レンズ５１に入射した直線偏光（照明光）は、ウェハ５に到達する前に楕円偏光に変化し、クロスニコル状態になっている検光子３１を透過する光量が変化することになる。そのため、ウェハ５の検査開始時点と検査終了時点での温度差や、基準ウェハの撮像時の環境温度とウェハ５の検査時の環境温度の差等によって、検査の信頼性が低下してしまう。
【００４０】
これに対し、本実施形態においては、対物レンズ５１を通る光が環境温度変化による影響を受けないように、対物レンズ５１の設計を行っている。環境温度の影響を最小限に抑えるには、対物レンズ５１で生じる応力歪を小さくすることが重要である。そのためには、各レンズＧ１〜Ｇ１３が受ける応力を小さくして、受けた応力により発生する歪を小さくする必要がある。各レンズＧ１〜Ｇ１３が受ける応力を小さくするには、鏡筒部材５２の材料の線膨張係数と各レンズＧ１〜Ｇ１３の材料の線膨張係数が近いことが好ましい。
【００４１】
なお、各レンズＧ１〜Ｇ１３が受ける応力は、鏡筒部材５２の内径（すなわち、各レンズＧ１〜Ｇ１３の外径）に比例する。すなわち、応力をσとし、鏡筒部材５２の材料の線膨張係数をα１とし、各レンズＧ１〜Ｇ１３の材料の線膨張係数をα２とし、各レンズＧ１〜Ｇ１３の外径をＤとしたとき、σ∝（α１−α２）×Ｄとなる。また、主応力をそれぞれσ１，σ２，σ３とし、主応力方向の電場が感じる屈折率をそれぞれｎ１，ｎ２，ｎ３とし、応力を受けていない状態での屈折率をｎ０とし、直接応力光定数をｃ１とし、横応力光定数をｃ２としたとき、レンズがある応力を受けた場合の屈折率は、次の（１）式のように表わすことができる。
【００４２】
【数１】
2011123397.tif 000003
【００４３】
σ３方向に光が進む場合、電場の向きはσ１方向とσ２方向となる。レンズにσ１方向の応力がかかった場合、次の（２）式のようになる。
【００４４】
ｎ２−ｎ１＝（ｃ２−ｃ１）×σ１＝β×σ１  …（２）
【００４５】
ここで、比例係数βは光弾性定数であり、一般にカタログ等に記載されているのはこの数字である。
【００４６】
レンズで生じるリタデーションδは、屈折率差ｎ２−ｎ１に光路長Ｌをかけたものとなるので、次の（３）式のようになる。
【００４７】
δ＝（ｎ２−ｎ１）×Ｌ  …（３）
【００４８】
したがって、上述の（１）式〜（３）式を考慮すると、対物レンズ５１に使用されるレンズの材料および鏡筒部材５２の材料は、次の（４）式を満足することが好ましい。
【００４９】
｜（α１−α２）×Ｄ×β×Ｌ｜＜１２０００  …（４）
【００５０】
なお、結晶質の材料を用いたレンズでは結晶構造の向きも影響するため、蛍石等の等軸晶系の材料の場合、屈折率の変化は、いわゆるピエゾ光学係数を用いて表わされるが、結晶軸の方向すなわちレンズの組み付け方向によって変化してしまう。そのため、材料が蛍石である第５レンズＧ５および第９レンズＧ９については、（４）式および以下に説明する（５）式〜（１２）式を考慮しない。また、光路長Ｌは、各レンズ内での開口数が最大となる場合における光路長である。
【００５１】
また、（４）式のように光弾性定数βに依存するのは、光線がレンズ内を光軸と平行に通り、かつ応力がレンズの径方向に作用する場合である。一般には、光線の通る方向も応力の作用する方向も様々であるため、直接応力光定数ｃ１および横応力光定数ｃ２を考慮して、次の（５）式または（６）式を満足することが好ましい。
【００５２】
｜（α１−α２）×Ｄ×ｃ１×Ｌ｜＜１２０００  …（５）
｜（α１−α２）×Ｄ×ｃ２×Ｌ｜＜１２０００  …（６）
【００５３】
本実施形態のような複数のレンズＧ１〜Ｇ１３からなる対物レンズ５１では、レンズ同士が接合する構成も多用されるが、互いに接合したレンズの線膨張係数が異なっても、温度変化による応力が発生する。本実施形態においては、第３レンズＧ３と第４レンズＧ４が接合され、第８レンズＧ８と第９レンズＧ９が接合され、第１０レンズＧ１０と第１１レンズＧ１１が接合され、第１２レンズＧ１２と第１３レンズＧ１３が接合されている。また、第５レンズＧ５、第６レンズＧ６、および第７レンズＧ７がこの順でそれぞれ接合されている。このとき、前述の場合と同様に、各レンズＧ１〜Ｇ１３が受ける応力は、各レンズＧ１〜Ｇ１３の外径に比例する。すなわち、応力をσとし、各レンズＧ１〜Ｇ１３の材料の線膨張係数をα２とし、対象となるレンズに接合したレンズ（本実施形態においては、便宜上、適宜接合レンズと称する）の材料の線膨張係数をα３とし、各レンズＧ１〜Ｇ１３の外径をＤとしたとき、σ∝（α３−α２）×Ｄとなる。
【００５４】
したがって、前述の場合と同様に、対物レンズ５１に使用されるレンズの材料は、次の（７）式を満足することが好ましい。
【００５５】
｜（α３−α２）×Ｄ×β×Ｌ｜＜１２０００  …（７）
【００５６】
なお、光弾性定数βおよび光路長Ｌは、前述の場合と同様である。そのため、前述の場合と同様に、直接応力光定数ｃ１および横応力光定数ｃ２を考慮して、次の（８）式または（９）式を満足することが好ましい。
【００５７】
｜（α３−α２）×Ｄ×ｃ１×Ｌ｜＜１２０００  …（８）
｜（α３−α２）×Ｄ×ｃ２×Ｌ｜＜１２０００  …（９）
【００５８】
さらに、鏡筒部材５２と各レンズＧ１〜Ｇ１３の線膨張係数による影響および、互いに接合したレンズの線膨張係数による影響の両方を小さくするには、前述の（４）式に（７）式を加えて考慮した次の（１０）式を満足することが好ましい。
【００５９】
（｜α１−α２｜＋｜α３−α２｜）×Ｄ×｜β｜×Ｌ＜２００００  …（１０）
【００６０】
また同様に、直接応力光定数ｃ１および横応力光定数ｃ２を考慮すると、次の（１１）式または（１２）式を満足することが好ましい。
【００６１】
（｜α１−α２｜＋｜α３−α２｜）×Ｄ×｜ｃ１｜×Ｌ＜２００００  …（１１）
（｜α１−α２｜＋｜α３−α２｜）×Ｄ×｜ｃ２｜×Ｌ＜２００００  …（１２）
【００６２】
従来の１００倍の対物レンズにおいて、熱構造解析を行うことにより応力分布を求め、この応力分布から屈折率分布を算出して、固有偏光軸に対するリタデーションをシミュレートした結果を図５に示す。この図５では、光線がレンズ内を最大ＮＡ＝０．９で通った場合に、環境温度が１℃変化したときの各レンズでのリタデーションの変化量（ｎｍ）を示している。なお、シミュレーションに使用した従来の対物レンズのレンズ群の構成は、図１に示したレンズ構成と同じである。
【００６３】
また、（４）式の算出例を図６に示す。図６に示すように、（４）式の上限値を超えたレンズ、具体的には、第３レンズＧ３、第６レンズＧ６、および第８レンズＧ８では、図５のシミュレーション結果におけるリタデーションの変化量も大きく、（４）式等とリタデーションの変化量に相関があることがわかる。さらに、（７）式の算出例を図７に示す。図７に示すように、（７）式の上限値を超えたレンズ、すなわち、第３レンズＧ３、第６レンズＧ６、および第８レンズＧ８では、図５のシミュレーション結果におけるリタデーションの変化量も大きく、（７）式等とリタデーションの変化量に相関があることがわかる。
【００６４】
したがって、（４）式〜（１２）式をそれぞれ満足するように対物レンズ５１を設計することで、従来の対物レンズで発生するリタデーションの変化を抑えることができる。なお、リタデーションは個々のレンズ同士で相殺する場合もあるが、各レンズにおけるリタデーションの変化量をそれぞれ小さくすることにより、レンズごとに温度差が生じた場合でも、トータルの（すなわち、対物レンズ５１での）リタデーションの変化量を小さくすることができる。
【００６５】
この結果、本実施形態によれば、温度変動によるリタデーション変化量が少ないレンズ系を実現することができる。したがって、環境温度の変化に伴う誤検出を防止することができ、高精度な検査が可能となる。
【００６６】
なお、上述の実施形態において、環境温度の変化として１℃の変化を例に説明を行っているが、これに限られるものではなく、例えば、２℃の変化や３℃の変化であってもよい。
【００６７】
また、上述の実施形態において、ウェハ５の表面を検査しているが、これに限られるものではなく、例えば、ガラス基板の表面を検査することも可能である。
【００６８】
また、上述の実施形態において、表面検査装置１に取り付けられた対物レンズ５１（対物レンズユニット５０）を例に説明を行っているが、これに限られるものではなく、例えば偏光顕微鏡等、偏光を取り扱う光学機器に取り付けられる対物レンズにおいても適用可能である。
【００６９】
また、上述の実施形態において、対物レンズ５１が１３枚のレンズＧ１〜Ｇ１３から構成されているが、これに限られるものではなく、装置によって例えば１０枚や１５枚等でもよく、非晶質の材料を用いたレンズを含む複数のレンズから構成されていればよい。
【符号の説明】
【００７０】
１  表面検査装置
５  ウェハ                              ６  繰り返しパターン
１０  ステージ                          ２０  照明部
３０  検出部                            ４５  データ処理部（検査部）
５０  対物レンズユニット
５１  対物レンズ                        ５２  鏡筒部材
Ｇ１  第１レンズ                        Ｇ２  第２レンズ
Ｇ３  第３レンズ                        Ｇ４  第４レンズ
Ｇ５  第５レンズ                        Ｇ６  第６レンズ
Ｇ７  第７レンズ                        Ｇ８  第８レンズ
Ｇ９  第９レンズ                      Ｇ１０  第１０レンズ
Ｇ１１  第１１レンズ                    Ｇ１２  第１２レンズ
Ｇ１３  第１３レンズ
【図１】
2011123397.tif 000004
【図２】
2011123397.tif 000005
【図３】
2011123397.tif 000006
【図４】
2011123397.tif 000007
【図５】
2011123397.tif 000008
【図６】
2011123397.tif 000009
【図７】
2011123397.tif 000010
【図８】
2011123397.tif 000011