(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の調整方法を提供する。【解決手段】結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の調整方法であって、環境温度の変化によって対物レンズに生じる熱応力を求め、求めた熱応力から、当該熱応力により生じる対物レンズを通る光の状態変化を求める変化量算出ステップ（ステップＳ１０１〜Ｓ１０３）と、対物レンズを通る光の状態が環境温度の変化に拘わらず一定となるように、求めた光の状態変化を打ち消すような結晶質の材料を用いたレンズ（第９レンズ）の結晶方位を算出する調整量算出ステップ（ステップＳ１０４）と、算出した結晶方位が得られるように結晶質の材料を用いたレンズ（第９レンズ）を光軸回りに回転させる調整ステップ（ステップＳ１０５）とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結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の調整方法であって、
環境温度の変化によって前記対物レンズに生じる熱応力を求め、前記求めた熱応力から、前記熱応力により生じる前記対物レンズを通る光の状態変化を求める変化量算出ステップと、
前記対物レンズを通る光の状態が前記環境温度の変化に拘わらず一定となるように、前記求めた光の状態変化を打ち消すような前記結晶質の材料を用いたレンズの結晶方位を算出する調整量算出ステップと、
前記算出した結晶方位が得られるように前記結晶質の材料を用いたレンズを光軸回りに回転させる調整ステップとを有することを特徴とする対物レンズの調整方法。
【請求項２】
前記光の状態は、前記対物レンズを通る偏光の位相であり、
前記変化量算出ステップにおいて、前記複数のレンズのうち前記結晶質の材料を用いたレンズを除くレンズについてそれぞれ、前記熱応力により生じる前記レンズを通る偏光の位相変化量を個別に求めるとともに、前記個別に求めた位相変化量の合計を算出し、
前記調整量算出ステップにおいて、前記対物レンズを通る偏光の位相が前記環境温度の変化に拘わらず一定となるように、前記算出した前記位相変化量の合計を打ち消すような前記結晶質の材料を用いたレンズの結晶方位を算出することを特徴とする請求項１に記載の対物レンズの調整方法。
【請求項３】
前記光の状態は、前記対物レンズを通る偏光の偏光状態であり、
前記変化量算出ステップにおいて、前記複数のレンズのうち前記結晶質の材料を用いたレンズを除くレンズについてそれぞれ、前記熱応力により生じる前記レンズを通る偏光の偏光状態変化量を個別に求めるとともに、前記個別に求めた偏光状態変化量の合計を算出し、
前記調整量算出ステップにおいて、前記対物レンズを通る偏光の偏光状態が前記環境温度の変化に拘わらず一定となるように、前記算出した前記偏光状態変化量の合計を打ち消すような前記結晶質の材料を用いたレンズの結晶方位を算出することを特徴とする請求項１に記載の対物レンズの調整方法。
【請求項４】
結晶質の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保持部とを備え、
前記保持部は、前記結晶質のレンズを光軸中心に回転させる回転機構を有し、
前記回転機構により前記結晶質のレンズを回転させることで、請求項１から３のいずれか一項に記載の対物レンズの調整方法を用いた前記対物レンズの調整を行うことを特徴とする対物レンズユニット。
【請求項５】
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保持部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４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、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およびその調整方法に関する。
【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１３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１３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の調整方法、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の調整方法は、結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の調整方法であって、環境温度の変化によって前記対物レンズに生じる熱応力を求め、前記求めた熱応力から、前記熱応力により生じる前記対物レンズを通る光の状態変化を求める変化量算出ステップと、前記対物レンズを通る光の状態が前記環境温度の変化に拘わらず一定となるように、前記求めた光の状態変化を打ち消すような前記結晶質の材料を用いたレンズの結晶方位を算出する調整量算出ステップと、前記算出した結晶方位が得られるように前記結晶質の材料を用いたレンズを光軸回りに回転させる調整ステップとを有している。
【００１１】
なお、上述の調整方法において、前記光の状態は、前記対物レンズを通る偏光の位相であり、前記変化量算出ステップにおいて、前記複数のレンズのうち前記結晶質の材料を用いたレンズを除くレンズについてそれぞれ、前記熱応力により生じる前記レンズを通る偏光の位相変化量を個別に求めるとともに、前記個別に求めた位相変化量の合計を算出し、前記調整量算出ステップにおいて、前記対物レンズを通る偏光の位相が前記環境温度の変化に拘わらず一定となるように、前記算出した前記位相変化量の合計を打ち消すような前記結晶質の材料を用いたレンズの結晶方位を算出することが好ましい。
【００１２】
なお、上述の調整方法において、前記光の状態は、前記対物レンズを通る偏光の偏光状態であり、前記変化量算出ステップにおいて、前記複数のレンズのうち前記結晶質の材料を用いたレンズを除くレンズについてそれぞれ、前記熱応力により生じる前記レンズを通る偏光の偏光状態変化量を個別に求めるとともに、前記個別に求めた偏光状態変化量の合計を算出し、前記調整量算出ステップにおいて、前記対物レンズを通る偏光の偏光状態が前記環境温度の変化に拘わらず一定となるように、前記算出した前記偏光状態変化量の合計を打ち消すような前記結晶質の材料を用いたレンズの結晶方位を算出するようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明に係る対物レンズユニットは、結晶質の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保持部とを備え、前記保持部は、前記結晶質のレンズを光軸中心に回転させる回転機構を有し、前記回転機構により前記結晶質のレンズを回転させることで、本発明に係る対物レンズの調整方法を用いた前記対物レンズの調整を行うようになっている。
【００１４】
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保持部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】
【００１５】
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】
【００１６】
【図１】第１実施形態に係る対物レンズの調整方法を示すフローチャートである。
【図２】第２実施形態に係る対物レンズの調整方法を示すフローチャートである。
【図３】表面検査装置の概要を示す図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）ともに瞳像の分割の例を示す図である。
【図５】ウェハの表面を示す図である。
【図６】対物レンズの詳細を示す図である。
【図７】第９レンズの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８】第９レンズを除いたトータルのリタデーション変化量の一例を示す図である。
【図９】第９レンズを除いたトータルのリタデーション変化量に、第９レンズの温度変動によるリタデーション変化量を加えた結果の一例を示す図である。
【図１０】第９レンズの温度変動による漏れ光変化量の一例を示す図である。
【図１１】第９レンズを除いたトータルの漏れ光変化量の一例を示す図である。
【図１２】第９レンズを除いたトータルの漏れ光変化量に、第９レンズの温度変動による漏れ光変化量を加えた結果の一例を示す図である。
【図１３】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】
【００１７】
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３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。
【００１８】
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保持部５２とを有して構成される。また、保持部５２には、対物レンズ５１の一部（後述の第９レンズＧ９）を光軸中心に回転させる回転機構５３が内蔵されている。
【００１９】
対物レンズ５１は、図６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、図３において、対物レンズ５１の記載は簡略化している。
【００２０】
図３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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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３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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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５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。
【００２７】
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５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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
また例えば、図４（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４（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。
【００３１】
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５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。
【００３２】
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１３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５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。
【００３３】
ところで、図５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。例えば、図１３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。
【００３４】
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（retardation：位相差）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。
【００３５】
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の調整を行っている。そこで、第１実施形態に係る対物レンズ５１の調整方法について、図１に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、対物レンズ５１における熱応力発生量を、構造解析ソフトを用いたシミュレーションにより算出する（ステップＳ１０１）。具体的には、対物レンズ５１について、構造解析ソフト（Ｉ‐ＤＥＡＳ等）を用いて有限要素モデルを作成し、各レンズＧ１〜Ｇ１３の材料と保持部５２の材料の熱膨張率の違いにより、例えば環境温度が１℃上昇したときに発生する各レンズＧ１〜Ｇ１３の応力分布データを算出する。なお、対物レンズ５１を保持する保持部５２の材料は、本実施形態では真鍮である。
【００３６】
対物レンズ５１における熱応力発生量を算出すると、材料が蛍石であるレンズＧ５，Ｇ９の中から一つ（応力に対するリタデーション変化量の大きい蛍石レンズが好ましい）を選択し、ある瞳位置を通過する光線についての、例えば環境温度が１℃上昇したときに生じる蛍石レンズ（本実施形態では、第９レンズＧ９）の熱応力歪によるリタデーション変化量を、選択した蛍石レンズ（第９レンズＧ９）の結晶軸の方向を（光軸回りに）変えながら調べる（ステップＳ１０２）。なお、蛍石レンズの結晶軸の方向（結晶方位）は、対物レンズ５１に入射する直線偏光の偏光方向を基準とした結晶軸の光軸回りの回転方向であり、光軸と垂直な蛍石の結晶面方位を（１，１，１）面に設定する。これにより、光軸中心に蛍石レンズを回転させると、１２０°の周期で蛍石レンズの結晶軸の方向が変化する。
【００３７】
リタデーション変化量を求めるには、まず、ステップＳ１０１で算出した応力分布データ、各レンズＧ１〜Ｇ１３の屈折率、および各レンズＧ１〜Ｇ１３の光弾性定数（材料が蛍石の場合、ピエゾ光学係数）から、各レンズＧ１〜Ｇ１３の逆誘電率テンソルをそれぞれ算出する。なお、通常の硝材を用いたレンズの場合、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、応力による屈折率変化は、次の（１）式のように表わすことができる。
【００３８】
【数１】
2011118269.tif 000003
【００３９】
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。
【００４０】
【数２】
2011118269.tif 000004
【００４１】
ここで、比例係数ｃ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。
【００４２】
蛍石を用いたレンズの場合、ピエゾ光学係数をπijklとし、逆誘電率をβijとし、応力をＴklとし、真空の誘電率をε0としたとき、応力と逆誘電率の微小変化との関係は、次の（３）式のように表わされる（この関係についての詳細は、小川智哉著、「結晶工学の基礎」（裳華房）等に記載されており、詳細な説明を省略する）。ここで、添え字i，jは電束密度ベクトルの成分を指定し、添え字k，lは応力テンソルの成分を指定する。
【００４３】
【数３】
2011118269.tif 000005
【００４４】
なお、吸収がない材料であれば、逆誘電率βは、屈折率ｎを用いて次の（４）式のように表わされる。
【００４５】
【数４】
2011118269.tif 000006
【００４６】
すなわち、逆誘電率テンソルは屈折率の応力方向ごとの違いを示している。
【００４７】
次に、直線偏光が対物レンズ５１に入射したときに、ＮＡ＝０．５８となる瞳上（４５°方向）を通過する光の進相固有ベクトルと遅延固有ベクトルとの位相差（リタデーション）を、偏光方向による屈折率差を考慮した光線追跡シミュレーションを行うことで算出する。なお、偏光方向による屈折率差をΔｎとし、レンズ内光路長をｄとし、基準波長をλ0としたとき、リタデーションΔφは、次の（５）式のように表わされる。
【００４８】
【数５】
2011118269.tif 000007
【００４９】
次に、選択した蛍石レンズである第９レンズＧ９のパラメータとして、（３）式を用いて求めた逆誘電率テンソルを入力することにより、第９レンズＧ９について環境温度が１℃上昇したときのリタデーションを、上述の光線追跡シミュレーションを行うことで算出する。
【００５０】
そして、先に求めた通常のリタデーションと、第９レンズＧ９について環境温度が１℃上昇したときのリタデーションとの差分をとることで、第９レンズＧ９の温度変動によるリタデーション変化量を求める。なおこのとき、第９レンズＧ９を光軸回りに回転させながら、第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）が所定角度（例えば、１°や５°等）回転する毎のリタデーション変化量をそれぞれ求める。なお、このようにして求めたリタデーション変化量の一例を図７に示す。
【００５１】
第９レンズＧ９の熱応力歪によるリタデーション変化量を求めると、環境温度が１℃上昇したときに生じる第９レンズＧ９以外の各レンズの熱応力歪によるリタデーション変化量をそれぞれ調べ、そのトータルの変化量を求める（ステップＳ１０３）。具体的には、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動によるリタデーション変化量をそれぞれ先のステップＳ１０２と同様に算出し、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動によるリタデーション変化量の合計を算出する。すなわち、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動によるリタデーション変化量を足し合わせることにより、第９レンズＧ９を除いた温度変動によるトータルのリタデーション変化量を得る。なおこのとき、第５レンズＧ５等の各レンズの回転は行わない。なお、このようにして求めたトータルのリタデーション変化量の一例を図８に示す。
【００５２】
第９レンズＧ９以外の各レンズによるトータルのリタデーション変化量を求めると、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を変えながら求めたリタデーション変化量のうち、ステップＳ１０３で求めたトータルのリタデーション変化量を打ち消すような第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）を算出する（ステップＳ１０４）。具体的には、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動によるリタデーション変化量の合計に、第９レンズＧ９の温度変動によるリタデーション変化量を加えた結果、リタデーション変化量が最も小さくなる第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）を算出する。
【００５３】
本実施形態においては、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を１０５°回転させると、加え合わせたトータルのリタデーション変化量が最も小さくなる。一方、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を３０°あるいは６０°回転させると、トータルのリタデーション変化量が大きくなる。また、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を１５°あるいは７５°回転させると、トータルのリタデーション変化量はあまり変化せず、リタデーション変化に対する第９レンズＧ９の寄与はなくなる。なお、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動によるリタデーション変化量の合計に、第９レンズＧ９の温度変動によるリタデーション変化量を加えた結果を、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を３０°、７５°、および１０５°回転させた場合についてそれぞれ図９に示す。図９から、第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）により、温度変動によるリタデーション変化量をコントロールできることがわかる。
【００５４】
そして、トータルのリタデーション変化量を打ち消すような第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）を求めると、回転機構５３により、求めた結晶軸の方向（結晶方位）が得られるように第９レンズＧ９を光軸回りに回転させる（ステップＳ１０５）。本実施形態においては、第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）が１０５°となるように第９レンズＧ９を回転させる。なお、回転機構５３は、電気モータ等により第９レンズＧ９を回転駆動する構成として、データ処理部４５等からの駆動信号を受けて第９レンズＧ９を回転させるようにしてもよく、また、手動で第９レンズＧ９を回転させる構成であってもよい。
【００５５】
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。
【００５６】
なお、リタデーション変化量は、クロスニコル状態の検光子３１を透過する漏れ光量の変化にも対応している。この漏れ光量は、ストークスパラメータの変化量から算出することができる。Ｘ軸方向の偏光方向の光量をＩｘとし、Ｙ軸方向の偏光方向の光量をＩｙとしたとき、ストークスパラメータＳ０は、次の（６）式のように表わされる。
【００５７】
【数６】
2011118269.tif 000008
【００５８】
また、ストークスパラメータＳ１は、次の（７）式のように表わされる。
【００５９】
【数７】
2011118269.tif 000009
【００６０】
偏光子２７からの直線偏光がＸ軸方向に偏光した光であるとすると、クロスニコル状態の検光子３１を透過する光はＹ軸方向に偏光した光のみである。すなわち、クロスニコル状態の検光子３１を透過する漏れ光量は、Ｙ軸方向の偏光方向の光量Ｉｙとなり、次の（８）式のように表わされる。
【００６１】
【数８】
2011118269.tif 000010
【００６２】
そのため、応力を加えたときの漏れ光量が応力を加えないときの漏れ光量に対してどれだけ変化したか、その変化率の大小を評価することでも、環境温度変化に起因する対物レンズ５１を通る光の光量変化を第１実施形態の場合と同様に評価することができる。そこで、第２実施形態に係る対物レンズ５１の調整方法について、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、対物レンズ５１における熱応力発生量を、構造解析ソフトを用いたシミュレーションにより算出する（ステップＳ２０１）。すなわち、第１実施形態の場合と同様にして、各レンズＧ１〜Ｇ１３の応力分布データを算出する。
【００６３】
対物レンズ５１における熱応力発生量を算出すると、応力に対する漏れ光変化量の大きい蛍石の第９レンズＧ９を選択し、ある瞳位置を通過する光線についての、環境温度が１℃上昇したときに生じる第９レンズＧ９の熱応力歪による漏れ光変化量を、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を（光軸回りに）変えながら調べる（ステップＳ２０２）。漏れ光変化量を求めるには、まず、第１実施形態の場合と同様にして、各レンズＧ１〜Ｇ１３の逆誘電率テンソルをそれぞれ算出する。
【００６４】
次に、偏光方向がＸ軸方向である直線偏光が対物レンズ５１に入射したときに、ＮＡ＝０．５８となる瞳上（４５°方向）を通過する光のＹ軸方向の偏光成分、すなわちクロスニコル状態の検光子３１を透過する漏れ光量を、偏光を考慮した光線追跡シミュレーションを行うことで算出する。次に、第９レンズＧ９のパラメータとして、先に求めた逆誘電率テンソルを入力することにより、第９レンズＧ９について環境温度が１℃上昇したときの漏れ光量を、上述の光線追跡シミュレーションを行うことで算出する。
【００６５】
そして、先に求めた通常の漏れ光量と、第９レンズＧ９について環境温度が１℃上昇したときの漏れ光量との差分をとることで、第９レンズＧ９の温度変動による漏れ光変化量を求める。なおこのとき、第９レンズＧ９を光軸回りに回転させながら、第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）が所定角度（例えば、１°や５°等）回転する毎の漏れ光変化量をそれぞれ求める。なお、このようにして求めた漏れ光変化量の一例を図１０に示す。
【００６６】
第９レンズＧ９の熱応力歪による漏れ光変化量を求めると、環境温度が１℃上昇したときに生じる第９レンズＧ９以外の各レンズの熱応力歪による漏れ光変化量をそれぞれ調べ、そのトータルの変化量を求める（ステップＳ２０３）。具体的には、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動による漏れ光変化量をそれぞれ先のステップＳ２０２と同様に算出し、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動による漏れ光変化量の合計を算出する。すなわち、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動による漏れ光変化量を足し合わせることにより、第９レンズＧ９を除いた温度変動によるトータルの漏れ光変化量を得る。なおこのとき、第５レンズＧ５等の各レンズの回転は行わない。なお、このようにして求めたトータルの漏れ光変化量の一例を図１１に示す。
【００６７】
第９レンズＧ９以外の各レンズによるトータルの漏れ光変化量を求めると、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を変えながら求めた漏れ光変化量のうち、ステップＳ２０３で求めたトータルの漏れ光変化量を打ち消すような第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）を算出する（ステップＳ２０４）。具体的には、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動による漏れ光変化量の合計に、第９レンズＧ９の温度変動による漏れ光変化量を加えた結果、漏れ光変化量が最も小さくなる第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）を算出する。
【００６８】
本実施形態においては、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を９５°回転させると、加え合わせたトータルの漏れ光変化量が最も小さくなる。一方、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を３０°あるいは６０°回転させると、トータルの漏れ光変化量が大きくなる。なお、第９レンズＧ９以外のレンズの温度変動による漏れ光変化量の合計に、第９レンズＧ９の温度変動による漏れ光変化量を加えた結果を、第９レンズＧ９の結晶軸の方向を３０°、９５°、および１０５°回転させた場合についてそれぞれ図１２に示す。図１２から、第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）により、温度変動によるリタデーション変化量をコントロールできることがわかる。
【００６９】
そして、トータルの漏れ光変化量を打ち消すような第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）を求めると、回転機構５３により、求めた結晶軸の方向（結晶方位）が得られるように第９レンズＧ９を光軸回りに回転させる（ステップＳ２０５）。本実施形態においては、第９レンズＧ９の結晶軸の方向（結晶方位）が９５°となるように第９レンズＧ９を回転させる。なお、回転機構５３は、電気モータ等により第９レンズＧ９を回転駆動する構成として、データ処理部４５等からの駆動信号を受けて第９レンズＧ９を回転させるようにしてもよく、また、手動で第９レンズＧ９を回転させる構成であってもよい。
【００７０】
この結果、本実施形態によれば、温度変動による漏れ光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。
【００７１】
なお、上述の各実施形態において、結晶軸の方向（結晶方位）を調整する蛍石レンズとして第９レンズＧ９を選択した理由は、第５レンズＧ５と比べて、環境温度変化に対するリタデーション変化量（および漏れ光変化量）が大きく、リタデーション変化量（および漏れ光量変化）のコントロールを簡便な演算で効果的に行えるからである。そこで、結晶軸の方向（結晶方位）を調整する蛍石レンズとして、第９レンズＧ９に加えて第５レンズＧ５を選択することで、演算は複雑になるが、リタデーション変化量（および漏れ光量変化）のコントロールの幅を広げることが可能になる。すなわち、回転機構５３は、第９レンズＧ９に限らず、第９レンズＧ９および第５レンズＧ５をそれぞれ独立して回転させることが可能な構成であってもよい。
【００７２】
また、上述の各実施形態において、環境温度の変化として１℃の上昇を例に演算を行っているが、これに限られるものではなく、例えば、２℃の上昇や３℃の上昇であってもよく、１℃の下降や２℃の下降であってもよい。また、環境温度の変化は、対物レンズ５１を構成する各レンズＧ１〜Ｇ１３で異なるように設定してもよい。
【００７３】
また、上述の各実施形態において、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。
【００７４】
また、上述の各実施形態において、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。
【００７５】
また、上述の各実施形態において、結晶軸の方向（結晶方位）を調整するレンズとして蛍石のレンズを使用しているが、これに限られるものではなく、結晶質の材料を用いたレンズであればよい。また、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、結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】
【００７６】
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  保持部                            ５３  回転機構
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】
2011118269.tif 000011
【図２】
2011118269.tif 000012
【図３】
2011118269.tif 000013
【図４】
2011118269.tif 000014
【図５】
2011118269.tif 000015
【図６】
2011118269.tif 000016
【図７】
2011118269.tif 000017
【図８】
2011118269.tif 000018
【図９】
2011118269.tif 000019
【図１０】
2011118269.tif 000020
【図１１】
2011118269.tif 000021
【図１２】
2011118269.tif 000022
【図１３】
2011118269.tif 000023