(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検査装置であって、
試料に光を照射する光照射手段と、
参照光を発射する参照光手段と
前記光照射手段により光が照射された前記試料からの透過光または散乱光または反射光と
、前記参照光手段から発射された参照光とを干渉させて干渉光を生成する光干渉手段と、
前記光干渉手段により生成した干渉光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段により干渉光を検出して得られた検出信号に基づいて欠陥の有無を識別す
る欠陥識別手段と、
前記試料からの透過光または散乱光または反射光の状態、または前記参照光手段から発射
された参照光の状態、または前記光干渉手段により生成した干渉光の状態のうち、少なく
とも一つを変換する光変換手段とを有し、
前記光変換手段は、前記光検出手段により前記干渉光を検出して得られた検出信号において欠陥を含む信号の確率分布と欠陥を含まない信号の確率分布との重なりが小さくなるように前記試料からの透過光または散乱光または反射光の状態、または前記参照光手段から発射された参照光の状態、または前記光干渉手段により生成した干渉光の状態のうち少なくとも何れか一つの状態を予め設定した位相シフト量による位相シフト、または振幅・位相の確率分布の形状が変化するように変換することを特徴とする光検査装置。
【請求項２】
前記光変換手段は、欠陥検出の要求感度、要求スループット、検出対象とする欠陥の種類
の少なくとも一つに応じて、前記参照光の位相または前記光照射手段により照射する光の
位相を調整することを特徴とする請求項１記載の光検査装置。
【請求項３】
前記光変換手段は、欠陥がある場合又はない場合の少なくとも何れかの場合における前記
光照射手段により光が照射された試料からの透過光または散乱光または反射光の状態を表
す量子状態を推定した情報に基づいて前記参照光の位相を調整することを特徴とする請求
項１記載の光検査装置。
【請求項４】
前記光変換手段は、前記光照射手段により光が照射された前記試料からの透過光または散
乱光または反射光、または前記参照光手段から発射された参照光、または前記光干渉手段
により生成した干渉光のうち、少なくとも一つに対してフォトニック結晶を用いてその光
の状態を調整することを特徴とする請求項１記載の光検査装置。
【請求項５】
前記光変換手段は、前記参照光に対してフォトニック結晶を用いることにより該参照光の
状態を変換することを特徴とする請求項１記載の光検査装置。
【請求項６】
前記欠陥識別手段は、更に欠陥の種類に関する情報も取得することを特徴とする請求項１
記載の光検査装置。
【請求項７】
光検査方法であって、
試料に光を照射する光照射ステップと、
参照光を発射するステップと、
前記光が照射された試料からの透過光または散乱光または反射光と、前記発射された参照
光とを干渉させて干渉光を生成する光干渉ステップと、
前記光干渉ステップにより生成した干渉光を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップで前記干渉光を検出して得られた検出信号に基づいて欠陥の有無を識
別する欠陥識別ステップと、
前記試料からの透過光または散乱光または反射光の状態、または前記発射された参照光の
状態、または前記光干渉ステップにより生成された干渉光の状態のうち、少なくとも何れ
か一つの光の状態を変換する光変換ステップとを有し、
前記光変換ステップにおいて、前記光検出ステップで前記干渉光を検出して得られた検出信号において欠陥を含む信号の確率分布と欠陥を含まない信号の確率分布との重なりが小さくなるように前記試料からの透過光または散乱光または反射光の状態、または前記発射された参照光の状態、または前記光干渉ステップにより生成した干渉光の状態のうち少なくとも何れか一つの光の状態を予め設定した位相シフト量による位相シフト、または振幅・位相の確率分布の形状が変化するように変換することを特徴とする光検査方法。
【請求項８】
前記光変換ステップは、欠陥検出の要求感度、要求スループット、検出対象とする欠陥の
種類の少なくとも一つに応じて、前記参照光の位相または前記光照射ステップにより照射
する光の位相を調整することを特徴とする請求項７記載の光検査方法。
【請求項９】
前記光変換ステップは、欠陥がある場合又はない場合の少なくとも何れかの場合における
前記光が照射された試料からの透過光または散乱光または反射光の状態を表す量子状態を
推定した情報、前記推定した量子状態に基づいて前記参照光の位相を調整することを特徴
とする請求項７記載の光検査方法。
【請求項１０】
前記光変換ステップは、前記光が照射された試料からの透過光または散乱光または反射光
、または前記発射された参照光、または前記生成した干渉光のうち、少なくとも一つに対
してフォトニック結晶を用いてその光の状態を調整することを特徴とする請求項７記載の
光検査方法。
【請求項１１】
前記光変換ステップは、前記参照光に対してフォトニック結晶を用いることにより該参照
光の状態を変換することを特徴とする請求項７記載の光検査方法。
【請求項１２】
前記欠陥識別ステップは、更に欠陥の種類に関する情報も取得することを特徴とする請求
項８記載の光検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を試料に照射してその反射光を検出することにより試料表面に存在する微小な欠陥を検査する光検査方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて、製品の高い歩留まりを得るために、試料表面に存在する微小な欠陥を検査する光検査装置が広く用いられている（例えば、特許文献１、２）。一般に光検査装置では、数十μｍの幅に集光した光を試料表面上に照射し、欠陥からの透過光または散乱光または反射光を集光・検出して欠陥検出を行う。現在実用化されている装置では、数十ｎｍ以上の欠陥を検査することができる。
【０００３】
一方、微細加工技術の進歩に伴い、より微小な欠陥を検査したいという要求が高まっている。微小な欠陥では、照明光が照射された欠陥から得られる光は微弱となるため、より高感度で高性能な欠陥検出技術が必要となる。特に、微弱光では量子ノイズと呼ばれる量子力学の不確定性原理に基づく不可避な揺らぎの影響が無視できなくなるため、量子ノイズの影響を抑えることが重要となる。
【０００４】
この微小な欠陥を検出する方法として、例えば特許文献３に記載されているような、ホモダイン検出やヘテロダイン検出のように試料から得られる光と参照光との振幅差・位相差に関する情報に基づいて欠陥の有無を識別する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３０４２８９号公報
【特許文献２】特開２００６−２０１１７９号公報
【特許文献３】特開２００７−２３２６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の装置では、まず参照光と干渉させた光を検出器により電気信号に変換した後、得られた電気信号に対して欠陥検出を行っていた。この際、検出器により光を検出した後では本質的に量子ノイズの影響を抑制することはできないため、検出前に量子ノイズの影響を抑制する処理が必要となる。しかし、従来では、参照光との干渉において量子ノイズの影響を抑制するための変換がされていなかったため、光量が微弱になると良好な欠陥検出性能が得られなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、以下の光検査方法及びその装置により前記課題を解決する。
すなわち、本発明では、光検査装置を、試料に光を照射する光照射手段と、参照光を発
射する参照光手段と、光照射手段により光が照射された試料からの透過光または散乱光ま
たは反射光と、参照光手段から発射された参照光とを干渉させて干渉光を生成する光干渉
手段と、光干渉手段により生成した干渉光を検出する光検出手段と、光検出手段により干
渉光を検出して得られた検出信号に基づいて欠陥の有無を識別する欠陥識別手段と、試料
からの透過光または散乱光または反射光の状態または参照光手段から発射された参照光の
状態または光干渉手段により生成した干渉光の状態のうち少なくとも一つを変換する光変
換手段とを備え、光変換手段は、光検出手段により干渉光を検出して得られた検出信号において欠陥を含む信号の確率分布と欠陥を含まない信号の確率分布との重なりが小さくなるように試料からの透過光または散乱光または反射光の状態、または参照光手段から発射された参照光の状態、または光干渉手段により生成した干渉光の状態のうち少なくとも何れか一つの状態を予め設定した位相シフト量による位相シフト、または振幅・位相の確率分布の形状が変化するように変換するように構成した。
【０００８】
このように、光を検出する前に光の状態を変換することにより、量子ノイズの影響を抑制し、欠陥検出感度を向上する、あるいは、欠陥検出感度を維持した上で検査時間を短縮することが可能となる。
【０００９】
また、本発明は、前記光変換手段において、欠陥検出の要求感度、要求スループット、検出対象とする欠陥の種類の少なくとも一つに応じて、前記参照光の位相を変更することを特徴とする。
【００１０】
量子ノイズの影響を受けにくい参照光の位相は、欠陥検出の要求感度、要求スループット、検出対象とする欠陥の種類によって異なる。これに対し、本発明により、参照光の位相を要求値に応じて最適化することができる。
【００１１】
また、本発明は、前記光変換手段において、欠陥がある場合とない場合の少なくとも一つにおいて試料からの透過光または散乱光または反射光の状態を表す量子状態を計算し、前記量子状態に基づいて前記参照光の位相を変更することを特徴とする。
【００１２】
このように、識別したい状態を量子状態としてモデル化することにより、量子ノイズの影響を考慮して参照光の位相を適切に最適化することができる。この際、欠陥がある場合における量子状態を計算することにより、欠陥がある場合に正しく検出する確率（検出正解率）を制御することができるし、欠陥がない場合における量子状態を計算することにより、欠陥がない場合に誤って欠陥があると識別してしまう確率（虚報率）を制御することができる。欠陥がある場合とない場合両方の場合における量子状態を計算すれば、検出正解率と虚報率を制御することができる、高い適切な検出を行うことができる。
【００１３】
また、本発明は、前記光変換手段において、前記参照光、または前記参照光を干渉させる前の光、または前記参照光を干渉させた後の光に対して、フォトニック結晶を用いることにより、前記欠陥識別手段において欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりが小さくなるように光の状態を変換することを特徴とする。
【００１４】
欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりが小さくなるように光の状態を変換するためには、非線形変換が必要であることが知られている。非線形変換とは、出力光を表す電磁場が、入力光を表す電磁場に比例しないような変換である。従来の光学媒質では強い非線形光学効果を得ることは困難であったが、近年研究開発が盛んに行われているフォトニック結晶により、強い非線形光学効果が得られることが知られている。フォトニック結晶を光検査装置に適用して、検出器の前に設置することにより、欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりが小さくなるように光の状態を変換し、量子ノイズの影響を抑えることができる。
【００１５】
また、本発明は、前記光変換手段において、前記欠陥識別手段において欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりが小さくなるように前記参照光に対してフォトニック結晶を用いて光の状態を変換することを特徴とする。
【００１６】
微小な欠陥を検出するためには、試料から散乱または反射された光に含まれる欠陥からの微弱な信号を検出する必要がある。しかし、光の状態を変換すると、光学媒質の材質の不均一性や光軸調整の精度不足などの要因のため、光変換手段により少なからず意図しない擾乱を与えてしまう。本発明では、欠陥からの微弱な信号を含む光に対しては光変換手段により光の状態を変更することはせず、参照光に対してのみ光変換手段により光の状態を変更することにより、擾乱による性能低下を防ぐことができる。
【００１７】
また、本発明は、前記欠陥識別手段において、欠陥の有無だけでなく欠陥の種類に関する情報も取得することを特徴とする。
【００１８】
試料から散乱または反射された光には、欠陥の有無だけでなく欠陥の種類に関する情報も含まれる。欠陥検出と同様の装置構成において、欠陥の種類に関する多くの情報が得られるように光変換手段を用いて光の状態を変換することにより、量子ノイズの影響を抑えながら欠陥の種類に関する情報も得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、参照光を干渉させることにより試料から透過または散乱または反射された光の状態を変換する光変換手段において、欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりが小さくなるように光の状態を変換することにより、量子ノイズの影響を抑制し、欠陥検出を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施例における光検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なり状態を調整する光変換手段１０６を備えていない場合における確率分布である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａのグラフ２０１と比較してそれぞれの確率分布２１３、２１４の平均の差２３２を大きくすることにより、確率分布の重なり２３２の面積を小さくした状態を示すグラフである。
【図２Ｃ】図２Ｃは、それぞれの確率分布の平均の差２３３は図２Ａの差２３１と同じであるが、確率分布の形状を変えることにより、確率分布の重なり２２３の面積を小さくした状態を示すグラフである。
【図３】図３は、図１で説明した光変換手段１０６に替えて光変換手段３０６を設けて、欠陥検出の要求感度、要求スループット、検出対象とする欠陥の種類の少なくとも一つに応じて、前記参照光の位相を変更して調整できるように構成した光検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、欠陥サイズと検出率の関係の概略を示したグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、ホモダイン検出と呼ばれる検出方法を実現するための光干渉手段の周辺の構成を示すブロック図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、バランス型ホモダイン検出と呼ばれる検出方法を実現するための光干渉手段の周辺の構成を示すブロック図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、ヘテロダイン検出と呼ばれる検出方法を実現するための光干渉手段の周辺の構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、位相シフタを備えて光変換手段を構成した実施例における光干渉手段の周辺の構成を示すブロック図である。
【図７Ａ】図７Ａは、欠陥の形状や種類の例を示すパターン又は欠陥の断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、欠陥がある場合と無い場合における対象光の状態を表す位相空間表現の例で、対象光がｘｃ軸とｘｓ軸とで等方的な揺らぎを持っている状態を示すグラフある。
【図７Ｃ】図７Ｃは、欠陥がある場合と無い場合における対象光の状態を表す位相空間表現の例で、対象光がｘｃ軸とｘｓ軸とで異なる揺らぎを持っている状態を示すグラフある。
【図８】図８は、参照光の位相を変えることにより量子ノイズの影響を抑えられることを示した検出信号の平均値とその確率分布を示すグラフである。
【図９Ａ】図９Ａは、位相空間表現を用いて、参照光の位相シフト量の適切な値を求める方法の例を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、位相空間表現を用いて、参照光の位相シフト量の適切な値を求める方法の例を示す図で、欠陥がない場合の対象光の状態を点線の領域９２２、欠陥がある場合の対象光の状態を実線の領域９２３で示している。
【図９Ｃ】図９Ｃのグラフ９０４は、位相空間表現を用いて、参照光の位相シフト量の適切な値を求める方法の例を示す図で、欠陥がない場合の対象光の状態を点線の領域９３１、欠陥がある場合の対象光のうち、欠陥の種類が欠陥Ａの場合の対象光の状態を破線の領域９３２、欠陥の種類が欠陥Ｂの場合の対象光の状態を実線の領域９３３で示している。
【図１０】図１０は、光の位相シフト量を変更する位相シフタの概略の構成を示すブロック図である。
【図１１Ａ】図１１Ａはホモダイン検出に対応する構成で、対象光と参照光を光干渉手段で干渉させた後の光に対して、フォトニック結晶を用いた非線形変換器で非線形変換を行い、この非線形変換された干渉光を検出器で検出する構成を示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂはバランス型ホモダイン検出に対応する構成であり、対象光と参照光を光干渉手段で干渉させた後の光に対して、それぞれフォトニック結晶を用いた非線形変換器で非線形変換を行ってそれぞれの干渉光を検出器で検出し出力信号の差を演算器で算出する構成の例を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃはバランス型ホモダイン検出に対応する構成であり、図１１Ｂの構成に対して、さらに対象光と参照光に対しても非線形変換を行う例を示す図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄはバランス型ホモダイン検出に対応する構成であり、参照光に対して非線形変換を行う例を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、屈折率が異なる領域が周期的に配置された構造体の中に周期を乱す構造を意図的に導入することにより、導波路や光の閉じ込めなどの機能を実現したフォトニック結晶の構造に関する例を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、屈折率が異なる領域が周期的に配置された構造体の中に周期を乱す線状の領域を２つ意図的に導入することにより、これら２つの線状の領域を導波路として機能させたフォトニック結晶の構造に関する例を示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、フォトニック結晶を用いた非線形変換器の構成の例を示すブロック図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、フォトニック結晶を用いた非線形変換器の具体的な構成の一実施例を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、要求感度等に応じて、非線形変換方法を変更する光変換手段の構成を示すブロック図である。
【図１５】図１５は、要求感度等に応じて、非線形変換方法を変更する光変換手段を示すブロック図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、非線形変換を行わなかった場合の欠陥がない場合とある場合のそれぞれの対象光の状態を表す位相空間表現のグラフである。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、非線形変換を行った場合の欠陥がない場合とある場合のそれぞれの対象光の状態を表す位相空間表現のグラフである。
【図１７Ａ】図１７Ａは、検出光学系に、実施例１及び実施例２で説明した光干渉手段、光変換手段、光検出手段を備え落射照明により欠陥を検出する光検査装置の構成を示すブロック図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、検出光学系に、実施例１及び実施例２で説明した光干渉手段、光変換手段、光検出手段を備え斜方照明により欠陥を検出する光検査装置の構成を示すブロック図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、照明光学系に近接場光照明手段を用い、検出光学系に、実施例１及び実施例２で説明した光干渉手段、光変換手段、光検出手段を備えた光検査装置の構成を示すブロック図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、照明光学系に先端部分から近接場光を放出する近接場ヘッドを有する照明手段を用い、検出光学系に、実施例１及び実施例２で説明した光干渉手段、光変換手段、光検出手段を備えた光検査装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、光を試料に照射することにより試料表面に存在する微小な欠陥を検査する光検査装置に係り、特に検出する光が微弱な場合に問題となる量子ノイズの影響を抑制する光検査装置および検査方法を提供することにある。以下、本発明に係る実施の形態について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２２】
[図１説明]図１は、実施例１における光を試料に照射することにより試料表面に存在する微小な欠陥を検査する光検査装置１０１の一例を示す図である。
【００２３】
光検査装置１０１は、試料１１１に光を照射する光照射手段１０２と、試料から散乱または反射された光と参照光光源手段１１３から発射された参照光を干渉させる光干渉手段１０３と、干渉後の光を検出する光検出手段１０４と、干渉光を検出した光検出手段１０４から出力された検出信号を処理して欠陥の有無の識別を行う欠陥識別手段１０５を備えて構成される。光照射手段１０２から試料１１１に照射する光は、空間分解能を高めるため試料１１１上で集光させ、その集光した光を試料上で走査することが多いが、これに限らない。光干渉手段１０３では、通常ビームスプリッタ（ＢＳ）１１２を用いて、試料１１１からの反射光のうちビームスプリッタ（ＢＳ）１１２を透過した反射光と参照光光源手段１１３から発射された光のうちビームスプリッタ（ＢＳ）１１２で反射した参照光を干渉させる。
【００２４】
さらに、光検査装置１０１は、欠陥の有無のそれぞれに対応する検出信号に対する確率分布の重なりが小さくなるように、光を変換する光変換手段１０６を有する。図１に示した構成では、光変換手段１０６を参照光光源手段１１３から発射された参照光の光路上に配置して参照光の状態を変換する例を示してあるが、光変換手段１０６は、試料からの反射光の光路上に設置して反射光の状態を変換するようにしても良く、または光干渉手段１０３と光検出手段１０４との間に配置して干渉後の光の状態を変換するようにしても良い。
【００２５】
[図１効果]このように、光を検出する前に光の状態を変換することにより、量子ノイズの影響を抑制し、欠陥検出感度を向上する、あるいは、欠陥検出感度を維持した上で検査時間を短縮することが可能となる。
【００２６】
[図１補足]なお、光照射手段１０２では、用途等に応じて適した光を照射すれば良い。例えば、単一の発振周波数を持つレーザ光であっても良いし、複数の発振周波数を持っていても良い。また、断続的な光であるパルス光であっても良いし、連続的な光であっても良い。光の状態が偏光していても良いし、光の振幅・位相・周波数のいずれかが変調していても良い。通常のレーザ光の状態であるコヒーレント状態の光であっても良いし、スクイーズド状態の光であっても良い。
【００２７】
また、図１に示した構成では、光照射手段１０２と参照光光源手段１１３とが分離されていて別々の光源を備えている構成となっているが、光照射手段１０２と参照光光源手段１１３とは光源を共有するように構成しても良い。
【００２８】
光干渉手段１０３では、一種類の参照光のみと干渉させるだけでなく、二種類以上の参照光と干渉させても良い。参照光光源手段１１３から発射される参照光の光の種類は、光照射手段１０２から試料１１１に照射する光と同じでなくとも良い。例えば、光照射手段１０２ではコヒーレント状態の光を照射して、参照光光源手段１１３からはスクイーズド状態の光を発射するようにしても良い。
【００２９】
光検出手段１０４では、検査のスループット向上のため、検出器をアレイ状に並べることも多いが、これに限らない。光検出手段１０４の出力である検出信号は、通常は電気信号である。欠陥識別手段１０５では、アナログまたはディジタルの電気回路により、欠陥の有無を識別する。欠陥識別手段１０５では、欠陥の有無のみでなく、欠陥の種類を識別するような処理を行っても良い。
【００３０】
[図２説明]図２Ａ乃至図２Ｃは、欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりを表す一実施例図である。図２Ａのグラフ２０１は、欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なり状態を調整する光変換手段１０６を備えていない場合における確率分布である。欠陥がある場合の確率分布を実線で、欠陥がない場合の確率分布を破線で表している。横軸は光検出手段１０４で検出される検出信号Ｉ、縦軸は確率Ｐである（検出信号が連続値の場合には縦軸は確率密度を表す）。確率分布がインパルス関数の場合には、検出信号には不確定さはないが、実際には検出信号は各種ノイズ等の影響により不確定さを持つ。特に検出する光が微弱な場合には量子ノイズによる揺らぎの影響が支配的となる。
【００３１】
欠陥がある場合の確率分布２１１： P1(I)と欠陥がない場合の確率分布２１２： P0(I)は、重なり２２１を持っている。距離２３１は、それぞれの確率分布の平均の差を表している。検査を行うと、この確率分布にしたがって検出信号Ｉの値が決まる。欠陥ありの場合と欠陥なしの場合の事前確率が等しい場合、平均誤り率が最も少ない欠陥識別を行うためには、得られた検出信号xに対して、P1(x)＞P0(x)ならば欠陥あり、P1(x)＜P0(x)ならば欠陥なしと判定すれば良い。一般には、事前確率は等しくはなく、また平均誤り率ではない別の評価基準で欠陥識別を行いたい場合も多い（例えば、虚報率を一定値以下に抑えた上でできるだけ欠陥を検出したい等）。しかし、いずれの場合にも、それぞれの確率分布の重なり２２１の面積はできるだけ小さいほうが望ましい。
【００３２】
図２Ｂのグラフ２０２は、図２Ａのグラフ２０１と比較してそれぞれの確率分布２１３、２１４の平均の差２３２を大きくすることにより、確率分布の重なり２２２の面積を小さくしている。また、図２Ｃのグラフ２０３は、それぞれの確率分布の平均の差２３３は差２３１と同じであるが、確率分布の形状を変えることにより、確率分布の重なり２２３の面積を小さくしている。グラフ２０３の例では、欠陥がある場合の確率分布２１５は確率分布２１１と同じだが、欠陥がない場合の確率分布２１６の形状を確率分布２１２と比べて変化させている。さらに、欠陥がある場合の確率分布の形状を変えることもできる。
【００３３】
[図２効果]光変換手段１０６で検出前の光を適切に変換することにより、このように、確率分布の平均の差を大きくするか、確率分布の形状を変える、またはその両方の効果を得ることが可能である。これにより、それぞれの確率分布の重なりを小さくすることができ、欠陥識別を高精度に行えるようになる。
【００３４】
[図２補足]なお、図２Ａ乃至図２Ｃでは検出信号はスカラー値としたが、複数の検出器を用いて検出信号をベクトル値で表すこともできる。例えば、一般に広く用いられているヘテロダイン受信方式では、検出信号は２個のスカラー値からなるベクトル値で表される。以下、特に断りのない限り、検出信号はスカラー値であるとして説明する。
【００３５】
[図３説明]図３は、光を試料に照射することにより試料表面に存在する微小な欠陥を検査する光検査装置の構成を示す図である。図３に示した構成は、図１で説明した光変換手段１０６に替えて光変換手段３０６を設け、欠陥検出の要求感度、要求スループット、検出対象とする欠陥の種類の少なくとも一つに応じて、前記参照光の位相を変更して調整できるように構成したことを特徴とする。
【００３６】
図１と同一の手段については、図１と同じ番号で示してある。以下、同一の手段やデータ等を表す場合には、同一の番号を振って示すものとする。図３に示した構成では、光変換手段３０６に欠陥検出感度の要求値を表す要求感度または要求スループットまたは検出対象とする欠陥の種類を表す要求値３１１を入力している。光変換手段３０６は、参照光光源手段１１３から発射された参照光の位相を制御するための位相制御器３０１および参照光の位相をシフトするための位相シフタ３０２を備えている。図７〜図１０で後述するように、要求感度、要求スループット、欠陥種類毎に、光干渉手段１０３にて干渉させる参照光の最適な位相は異なるため、光変換手段３０６において、これらの情報に基づいて参照光の位相を変更する。
【００３７】
参照光光源手段１１３から発射された[図３効果]参照光の位相を変えることは、図２において、欠陥ありの場合と欠陥なしの場合の確率分布の平均の差を変える効果がある。これにより、それぞれの確率分布の平均の差をできるだけ大きくした上での検出が可能となり、量子ノイズの影響を抑制することが可能となる。
【００３８】
[図３補足]なお、図３に示した構成では、参照光光源手段１１３から発射された参照光の位相を光変換手段３０６で変更して調整する構成について説明したが、光照射手段１０２により光が照射された試料１１１からの反射光の位相を変えるように、例えば光変換手段３０６を光照射手段１０２と試料１１１との間に配置して、光照射手段１０２から試料１１１に照射する光の位相を変更して調整できるような構成であっても良い。また、光変換手段３０６を光干渉手段１０３と光検出手段１０４との間に設置して、干渉後の光の位相を変更して調整できるように構成しても良い。
【００３９】
[図４説明]図４は、欠陥サイズと検出率の関係の概略を示したグラフである。横軸が欠陥サイズ、縦軸が検出率を表す。一般に、（同様の形状・材質であれば）欠陥サイズが大きいほど、欠陥からの光の光量は大きくなるため、高い検出率を得ることができる。グラフ４１１、４１２は、それぞれ欠陥サイズがＡ、Ｂの場合にできるだけ高い検出率を得るために参照光の位相を調整した場合の性能を表す。欠陥サイズがＡ、Ｂの場合に、それぞれ点４０１、４０２で示した検出率が得られる。しかし、参照光の位相を調整しない限りそれらの性能を両立させることはできない。一方、要求する欠陥サイズ（すなわち、要求感度）は、用途により異なる。例えば、サイズＡより大きい欠陥を検出できるような高感度な検出を行う必要がある場合もあるし、サイズＢより大きい欠陥が検出できれば良い場合もある。
【００４０】
[図４効果]そこで、要求感度に応じて図１や図３に示した構成で光の状態を変換することにより、それぞれの要求に適した性能を得ることができる。検出器（光検出手段１０４）に到達する光の量を増やすことにより欠陥の検出率を上げることはできるが、光量を増やすためには通常スループットが犠牲になる。これに対して本実施例の用に光の状態を調整することにより、感度とスループットまたは検出率の両立を実現することができる。要求スループットや検出対象とする欠陥の種類に対してもトレードオフの関係があるが、同様に光の状態を適切に変更することにより良好な性能を得ることができる。
【００４１】
[図５説明]図５Ａ〜図５Ｃは、図１における光干渉手段１０３および光検出手段１０４の変形例を示す図である。以下、光照射手段１０２で光が照射された試料１１１からの反射光を対象光と呼ぶ。また、参照光光源手段１１３から発射された光を参照光と呼ぶ。
【００４２】
図５Ａは、ホモダイン検出と呼ばれる検出方法を実現するための構成を示す図である。対象光５１１のうちビームスプリッタ５０１（図１又は図３のビームスプリッタ１１２に相当）を透過した光と参照光５１３のうちビームスプリッタ５０１を透過した光とは干渉し、干渉後の光を検出器５０２（図１又は図３の光検出手段１０４に相当）により検出して検出信号５１２を出力する。ビームスプリッタ５０１は、光の偏光状態によって反射率が変わる偏光ビームスプリッタであっても良い。
【００４３】
図５Ｂは、バランス型ホモダイン検出と呼ばれる検出方法を実現するための構成を示す図である。対象光５３１と参照光５３３をビームスプリッタ５２１(透過率５０％のハーフビームスプリッタ)を用いて干渉させる。干渉後の光５３４、５３５をそれぞれ検出器５２２、５２３で検出し、演算器５２４で、検出された各々の信号の差を求める。演算器５２４の出力を検出信号５３２とする。
【００４４】
図５Ｃは、ヘテロダイン検出と呼ばれる検出方法を実現するための構成を示す図である。対象光５５１と参照光５５４をビームスプリッタ５４１を用いて干渉させ、干渉後の光５５５、５５６に対して、それぞれホモダイン検出５４２、５４３を行うことによって、二種類の検出信号５５２、５５３を得る。ホモダイン検出５４２、５４３はそれぞれ、図５Ａで説明した構成を用いる。
【００４５】
図５Ａ〜図５Ｃで説明した検出方法では、参照光の量子的揺らぎが抑制されて対象光の振幅や位相に関する情報が検出信号に現れるため、検出信号を用いて欠陥検出を行うことができる。
【００４６】
[図６説明]図６は、図５Ａ〜図５Ｃで説明した光干渉手段および光検出手段に対して、さらに光変換手段を加えた構成の例を示す図である。この図６に示した構成は、図５Ｂで説明したバランス型ホモダイン検出系に図３で説明した光変換手段３０６を組合わせた構成となっており、要求感度に応じて参照光の位相を変更することができる。
【００４７】
対象光６１１の平均振幅が時間tの関数としてＡｓｉｎ(ｗｔ＋ｋ)と表せるとする（Ａ＞０は最大振幅、ｗは角周波数）。欠陥がない場合にはｋ＝０、欠陥がある場合にはｋ＝αと、欠陥の有無によって対象光の位相ｋが変わるものとする。ただし、対象光の振幅は、量子ノイズ等による揺らぎを含む。そこで、検出信号から位相ｋを推定し、欠陥の有無を識別したい。参照光の平均振幅をＢｓｉｎ（ｗｔ）と表せるとする（Ｂ＞０）。要求感度６１３が入力された位相制御器６０５により制御された位相シフタ６０６により、参照光６１２は光６１４のようにＢｓｉｎ（ｗｔ＋θ）に変換されるとする。対象光６１１と位相シフタ６０６で位相制御された参照光６１４とはハーフビームスプリッタ６０１でそれぞれ光量の半分が反射し半分が透過してそれぞれ干渉光を発生し、これらの干渉光がそれぞれ検出器６０２と６０３で検出される。検出器６０２と６０３からの出力は演算器６０４に入力して演算され、検出信号６１５として出力される。この場合、バランス型ホモダイン検出を行うと、検出信号Ｉの平均値＜Ｉ＞はＡＢｃｏｓ（α−θ）に比例する。θは既知であるため、ＡＢの積を予め測定しておけば対象光の位相ｋを推定することができる。
【００４８】
[図８説明]次に図８を用いて、図６の例において量子ノイズの影響を抑えるために参照光の位相θを適切な値に設定する必要があることを示す。量子ノイズが支配的であるような微弱光の場合を考える。グラフ８０１は、図６における参照光６１２の位相シフト量θと検出信号の平均値＜Ｉ＞∝ｃｏｓ（α−θ）との関係を示した図である。グラフ８１１、８１２は、それぞれ、欠陥がある場合（ｋ＝α）と欠陥がない場合（ｋ＝０）のグラフである。この例では、０＜α＜π／２である。
【００４９】
グラフ８０２に、θ＝０と設定したときの、ｋ＝０、αの場合における検出信号Ｉの確率分布を示す。検出信号の平均値＜Ｉ＞はｋ＝０、αそれぞれにおいてＩ0、Ｉ0ｃｏｓαとなり、その差はＩ0（１−ｃｏｓα）となる。量子ノイズが重畳するため、検出信号Ｉの確率分布はある幅を持つ。検出信号Ｉの分散は、コヒーレント光の場合にはＩ0に比例して、θやαには依らない。グラフ８０２の場合、斜線のハッチで示した領域８２１が、欠陥がある場合とない場合のそれぞれに対応する確率分布の重なりを表している。
【００５０】
グラフ８０３は、θ＝（π＋α）/２と設定したときの、検出信号Ｉの確率分布である。検出信号の平均値＜Ｉ＞はｋ＝０、αそれぞれにおいてＩ0ｃｏｓ（（π＋α）/２）、Ｉ0ｃｏｓ（（π−α）/２）となり、その差はθ＝０と設定した場合と比べると大きくなる。測定値の分散はθ＝０の場合と同じであるため、欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なり８２２は、θ＝０の場合と比べて小さくなる。
【００５１】
[図８効果]このように、θによって欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりの大きさを変更できることがわかる。欠陥がある場合と欠陥がない場合に推定される光の状態を用いて、θを適切な値に設定することが可能となる。なお、この例では光はコヒーレント光としたが、スクイーズド光や他の状態の光でも同様の議論が成り立つ。
【００５２】
[図７説明]図７Ａは、欠陥の形状や種類の例である。（ａ）は、欠陥がない位置における試料７１５の例である。７０１の矢印は、試料への照射光を表し、７０２の矢印は試料から反射した対象光を表している。（ｂ）は、欠陥７１１を含んだ試料の例である。照射光７０１が欠陥７１１に当たり、欠陥７１１からの散乱光を含む反射光である対象光７０２が発生している。（ａ）の場合と比べると欠陥の高さの分だけ光路長が異なるため、対象光７０２の位相が（ａ）の場合とは異なる。（ｃ）は欠陥７１１と同じ高さで断面形状が異なる欠陥７１２を含んだ試料の例である。（ｂ）の欠陥７１１と（ｃ）の欠陥７１２とは高さが同じであるため光路長は同じであるが、試料の種類や形状が異なると、試料と光の相互作用の仕方が変化するために、一般に対象光の振幅や位相は変化する。（ｄ）は、欠陥がない位置における（ａ）の例とは異なる試料の例である。この例では、試料７１５には凹凸パターン７１３が形成されているが欠陥がない状態を示している。（ｅ）は、試料７１５には凹凸パターン７１３が形成されているがその一部の欠陥７１４を含んだ場合の例である。凹凸パターン７１３の一部が欠けており、これも欠陥の一種である。（ｄ）に示した欠陥がない試料７１５と比べると光路長や試料と光の相互作用が異なるため、この場合でも対象光７０２の振幅や位相に影響を与える。（ｆ）は、欠陥がない位置における試料７１７の例である。この例では、試料７１７からの透過光７１８を対象光としている。（ｇ）は、欠陥７１９を含んだ試料７１７の例である。欠陥７１９により、透過光７１８’の状態が変化する。検査したい試料や欠陥の種類等によって、試料からの透過光を対象光とするか、参照光または反射光を対象光とするかは異なるが、何れの場合でも欠陥がある場合とない場合では対象光の状態は変化するため、その変化を検出することができれば欠陥の有無を識別することができる。
【００５３】
図７Ｂ、図７Ｃは、対象光の状態を表す位相空間表現の例である。原点からの距離が対象光の振幅、ｘｃ軸との角度が対象光の位相を表す。ノイズが全く重畳しておらず振幅や位相が決まった値しかとらないならば、光の状態は位相空間表現において1点で表されるが、実際には量子ノイズが必ず重畳するために振幅・位相に関して不確定さをもつ。このような不確定さを持った光の状態は、（ｘｃ、ｘｓ）座標で表された２次元空間に対する確率密度分布で表現される。ここでは、ある一定以上の確率となる領域を円や楕円で示している。
【００５４】
図７Ｂにおいて、領域７２１は、欠陥がない場合（例えば図７Ａ（ａ）の場合）の対象光７０２の状態である。領域７２２は、欠陥がある場合（例えば図７Ａ（ｂ）の場合）の状態である。領域７２１と比べると対象光７０２の平均振幅（原点Ｏから各領域の中心までの距離）は同じであるが、平均位相（原点Ｏと各領域の中心を結ぶ線とＸｃ軸との成す角）が異なっている。領域７２３は、領域７２２とは別の欠陥がある場合（例えば図７Ａ（ｃ）の場合）の状態である。領域７２２と比べると対象光７０２の平均振幅も異なっている。図７Ｃは、図７Ｂとは異なる状態の光を試料に照射した場合の例である。この例のように、対象光７０２の状態はｘｃ軸とｘｓ軸で等方的な揺らぎを持っているとは限らない。照射光７０１としてコヒーレント状態の光を用いた場合に試料７１５で反射した対象光７０２は図７Ｂのようにｘｃ軸とｘｓ軸で等方的な揺らぎを持つことが多いが、照射光７０１としてスクイーズド状態の光を用いた場合には、対象光７０２は例えば領域７３１のようにｘｃ軸の揺らぎを大きくする代わりに、ｘｓ軸の揺らぎを抑えることができる。同様に、欠陥が有る場合には、領域７３２，７３３のような特性を持つ揺らぎにすることができる。照射光７０１としてコヒーレント状態以外の光を用いることにより、対象光７０２において欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりを抑えることができ、欠陥識別をより高精度に行うこともできる。
【００５５】
[図９説明]図９Ａ乃至図９Ｃは、図７Ｂ、図７Ｃで説明した位相空間表現に基づいて、図６の構成における参照光６１４の位相シフト量θの適切な値を求める方法を示した図である。図９Ａのグラフ９０１は、図７Ｂで説明した位相空間表現である。検出信号の確率分布は、ｘｃ、ｘｓ軸で張られる２次元空間で示された確率分布を、ある直線上に射影することで求められる。例として、ｘｓ軸と平行な直線に射影した場合の確率分布をグラフ９０３に示す。確率分布９１７、９１８が、それぞれ領域９１３、９１４の射影に対応している。このとき、位相シフト量θは、ｘｃ軸との角度で表される。確率分布の重なり９１６をできるだけ小さくするためには、直線９１１のようにｘｃ軸と角度θＢをなす直線上に射影すれば良いことがわかる。欠陥がある場合とない場合の対象光の平均振幅が等しい場合には、θＢ＝（π＋α）／２となり、図８で説明したθの最適値と一致する。
【００５６】
別の欠陥として、欠陥がある場合の状態が図９Ａの領域９１５で表される場合を考える。この場合、領域９１３と領域９１５を直線上に射影して得られる確率分布の重なりをできるだけ小さくするためには、直線９１２のような直線を選べばよいことがわかる。なお、この例では、領域９１５と領域９１４を表す対象光の平均位相は同じだが、平均振幅は異なる。このとき、直線９１２のｘｃ軸との角度θＣはθＢとは異なっている。このように、最適な位相シフト量θは、対象光の平均位相のみでなく平均振幅によっても異なることがわかる。
【００５７】
図９Ｂのグラフ９０２は、図９Ａのグラフ９０１とは異なる例である。欠陥がない場合の対象光の状態を点線の領域９２２、欠陥がある場合の対象光の状態を実線の領域９２３で示している。検出される欠陥のサイズ、形状、種類等が予め分かっていない場合には、欠陥がある場合の振幅・位相の確率分布は複雑な形状になる（グラフ９０２では複数個の円で表現している）。この場合にも、参照光の位相シフト量θを適切に設定したい。設定方法の一つとして、領域９２４で示したような、想定される欠陥の中で最も検出が困難な欠陥がある場合を表す対象光の状態と、領域９２２で示した状態ができるだけ分離するような直線９２１を求め、その直線とｘｃ軸とのなす角θを算出すれば良い。領域９２４以外の領域で示された欠陥は領域９２４で示された欠陥よりは検出率が高いため、総合的に高い検出率を達成することが可能である。
【００５８】
また、別の設定方法として、領域９２３で示した欠陥がある場合の状態を様々な位相シフト量に対する直線上に射影したときの確率分布を精度良く求め、領域９２２で示した状態に対応する確率分布との重なりが小さくなる参照光の位相シフト量を算出しても良い。位相シフト量は、試料を光に照射する前に予め算出しておく量であるため、通常は高速に算出する必要はなく、ある程度時間をかけて算出することができる。参照光の位相シフト量を算出するときには、検出され得る欠陥の検出頻度や、その欠陥の検出の重要度等を考慮しても良い。
【００５９】
図９Ｃのグラフ９０４は、図９Ａのグラフ９０１、図９Ｂのグラフ９０２とは別の例である。欠陥がない場合の対象光の状態を点線の領域９３１、欠陥がある場合の対象光のうち、欠陥の種類が欠陥Ａの場合の対象光の状態を破線の領域９３２、欠陥の種類が欠陥Ｂの場合の対象光の状態を実線の領域９３３で示している。実線で示した直線９３５に射影したときに、平均誤り率の規準において欠陥の有無を最も高精度に識別できるとする。欠陥の有無のみではなく、欠陥の種類も高精度に識別したい場合には、図９Ｂのグラフ９０５のように、欠陥がない場合の確率分布９４１と、欠陥の種類別の確率分布（欠陥Ａ、Ｂの確率分布を９４２、９４３で示す）を求め、その重なりを調べる必要がある。これらの確率分布の重なり９４４が小さくなるように参照光の位相シフト量を求めればよい。例えば、図９Ｃのグラフ９０４に破線で示した直線９３４に射影したときに、平均誤り率の規準において欠陥の有無および各欠陥の種類を最も高精度に識別できる。この直線９３４は、一般に欠陥の種類の識別を考慮せずに最適化を行った直線９３５とは異なる位相シフト量を持つ。このように、欠陥の種類毎の確率分布を求め、その重なりが小さくなるように光の状態を変換することにより、欠陥の有無および欠陥の種類を高精度に識別することができる。
【００６０】
対象光の振幅や位相の分布を表すためには、状態を量子状態として表現する必要がある。この例のような位相空間表現に対応する量子状態の表現として、Ｗｉｇｎｅｒ関数やＧｌａｕｂｅｒのＰ関数のような複素平面ｚ上で定義されるｃ数関数Ｆ（ｚ、ｚ＊）がある（＊は複素共役）。量子状態の別の表現としては、波動関数（の集合）や、複素ヒルベルト空間上の半正定値作用素などがある。対象光の状態を量子状態として表現することにより、振幅や位相の揺らぎを求めることができ、欠陥がある場合とない場合の確率分布や、その重なりを計算することができる。
【００６１】
識別したい状態を量子状態としてモデル化することにより、適切な光の変換方法を計算することができる。例えば、量子ノイズの影響を考慮して参照光の位相を適切に最適化することができる。この際、欠陥がある場合における量子状態を計算することにより、欠陥がある場合に正しく検出する確率（検出正解率）を制御することができるし、欠陥がない場合における量子状態を計算することにより、欠陥がない場合に誤って欠陥があると識別してしまう確率（虚報率）を制御することができる。欠陥がある場合とない場合両方の場合における量子状態を計算すれば、検出正解率と虚報率を制御することができる、高い適切な検出を行うことができる。
【００６２】
[図１０説明]図１０は、光の位相シフト量を変更する位相シフタ（図３の３０２及び図６の６０６に対応）の構成の例を示す図である。まず、入力光１０１１である参照光１１３（図３）または６１２（図６）が１／４波長板１００１に入射した後、そこから透過した光が１／２波長板１００２、１／４波長板１００３に順次入射する。１／４波長板１００３から透過される光が位相シフタの出力光１０１２となる。３枚の波長板１００１〜１００３は、異方性のある材質で作られている。また、各波長板は円筒形の形状をしており、光はその中心軸を通る。入力光は偏光しているものとする。この構成において、１／２波長板を回転させると、入力光の偏光方向との角度に応じて入力光の位相がシフトする。そこで、１／２波長板を回転させるための回転器１００４を備え、この回転器を要求感度等の要求値１０１３に応じて位相制御器１００５により制御することで、要求感度等に応じて光の位相を変更することができる。
【００６３】
[図１０補足]光の位相シフト量を変更する位相シフタは、図１０で示した実施例とは別の構成であっても良い。例えば、液晶変調器を用いる方法や、ＭＥＭＳ変調器を用いる方法、可変遅延光路を用いる方法を用いても良い。
【実施例２】
【００６４】
図１に示した構成において、光変換手段１０６として、非線形変換を行う手段を用いた例を図１１Ａ乃至図１６を用いて説明する。
【００６５】
[図１１説明]図１１Ａ〜Ｄは、図１に示した光変換手段１０６を、対象光、または参照光、または対象光と参照光を干渉させた後の光に対して、フォトニック結晶を用いた非線形変換を行うことにより光の状態を変換する光変換手段に置き換えた例を示す図である。非線形変換とは、出力光を表す電磁場が、入力光を表す電磁場に比例しないような変換である。フォトニック結晶とは、屈折率の異なる材料が周期的に並んだ構造体であり、従来の光学素子にはない性質が得られることで知られている。特に、強い非線形性を有する素子を製作することができ、この性質を利用することで量子ノイズの影響を抑制した欠陥検出が可能となる。
【００６６】
図１１Ａは、対象光１１１１と参照光１１１２を光干渉手段１１０１で干渉させた後の光に対して、非線形変換器１１０２を用いて非線形変換を行い、この非線形変換された干渉光を検出器１１０３で検出して検出信号１１１３を出力する例であり、図５Ａで説明したホモダイン検出に対応する構成である。
【００６７】
図１１Ｂは、図５Ｂで説明したバランス型ホモダイン検出に対応する構成であり、対象光１１１１と参照光１１１２を光干渉手段１１２１で干渉させた後の光１１３２、１１３３に対して、それぞれ非線形変換器１１２２、１１２３を用いて非線形変換を行ってそれぞれの干渉光を検出器１１２４と１１２５とで検出し、それぞれの検出器１１２４と１１２５とからの出力信号の差を演算器１１２６で算出し、その結果を検出信号１１３１として出力する構成の例を示す図である。
【００６８】
図１１Ｃも図５Ｂで説明したバランス型ホモダイン検出に対応する構成であり、図１１Ｂの構成に対して、さらに対象光１１１１と参照光１１１２に対しても非線形変換を行う例である。非線形変換器１１４４に入力する光と出力する光の本数は必ずしも１本ずつ（すなわち１入力１出力）である必要はなく、図１１Ｃに示した例では、非線形変換器１１４４に対象光１１１１と参照光１１１２の２本の光を入力し、２本の光を出力して、この出力された２本の光線を光干渉手段１１４１で干渉させる。光干渉手段１１４１以降の処理は、図１１Ｂで説明したものと同じであるので省略する。
【００６９】
図１１Ｄも図５Ｂで説明したバランス型ホモダイン検出に対応する構成であり、参照光１１１２に対して非線形変換器１１６２で非線形変換を行う例である。光干渉手段１１６１以降の処理は、図５Ｂで説明したものと同じであるので省略する。
【００７０】
[図１１効果]欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりが小さくなるように光の状態を変換するためには、非線形変換が必要であることが知られている。従来の光学媒質では強い非線形光学効果を得ることは困難であったが、近年研究開発が盛んに行われているフォトニック結晶により、強い非線形光学効果を得ることができる。フォトニック結晶を光検査装置に適用して、検出器の前に設置することにより、欠陥の有無のそれぞれに対応する確率分布の重なりが小さくなるように光の状態を変換し、量子ノイズの影響を抑えることができる。
【００７１】
微小な欠陥を検出するためには、対象光に含まれている欠陥からの微弱な信号を検出する必要がある。しかし、光変換手段により光の状態を変換する際、光学媒質の材質の不均一性や光軸調整の精度不足などの要因のため、光に対して少なからず意図しない擾乱を与えてしまう。本発明では、欠陥からの微弱な信号を含む対象光に対しては光変換手段により光の状態を変換することはせず、参照光に対してのみ光変換手段により光の状態を変換することにより、擾乱による性能低下を防ぐことができる。
【００７２】
[図１１補足]なお、図１１ではホモダイン検出を行う場合に、対象光、または参照光、または対象光と参照光を干渉させた後の光に対して非線形変換を行う構成について説明したが、ヘテロダイン検出や他の検出を行う場合にも同様の非線形変換を行うことができる。
【００７３】
[図１２説明]図１２Ａ、図１２Ｂは、フォトニック結晶の構造の例を示す図である。図１２Ａのフォトニック結晶１２０１では、屈折率が異なる領域が周期的に配置された構造体の中に、周期を乱す構造１２０４を意図的に導入することにより、導波路や光の閉じ込めなどの機能を実現することができる。１２０５は空洞になっており、光は１２１１から入力してこの１２０５の内部を伝搬して１２１２から出力する。図１２Ａの例では、面１２０２上に空孔１２０３を２次元的に周期的に配列して、その中に周期を乱す線状の領域１２０４（空孔１２０３が存在しない帯状の領域）を導入している。領域１２０４が光の導波路として機能する。また、図１２Ｂのフォトニック結晶１２２１の例では、同様に周期的に配置した空孔１２２２に対して、周期を乱す線状の領域１２２３、１２２４を導入している。これらの線状の領域が光の導波路として機能する。これらの線状の領域を途中で近接させることにより、線状の領域１２２３、１２２４から成る二つの導波路の間に近接場光等による相互作用を発生させることができる。この例では、２本の入力光１２３１、１２３２を途中で相互作用させ、２本の光１２３３、１２３４を出力する。導波路（線状の領域）１２２３、１２２４の間にある空孔１２２５を他の空孔とは異なる媒質とすることにより、非線形光学効果を高めても良い。
【００７４】
[図１２効果]フォトニック結晶の屈折率、周期、周期を乱す構造を制御することにより、光の群速度を大きく低下させるなど、従来の素子にはない分散関係を得ることができる。この結果、光カー効果などの３次以上の非線形光学特性が強く現れる素子を実現することが可能である。このような強い非線形光学特性を持つ素子を用いて光を変換することにより、欠陥がある場合とない場合の確率分布の重なりを小さくすることができる。
【００７５】
[図１２補足]なお、図１２Ａ及び図１２Ｂでは、空孔が周期的に並んだ構造に対して周期を乱す線状の構造（領域）を導入するフォトニック結晶の例を示したが、非線形光学特性を示すフォトニック結晶であればこの構造でなくとも良い。
【００７６】
[図１３説明]図１３Ａは、フォトニック結晶を用いた非線形変換器の構成の一実施例図である。非線形変換器１３０１は、フォトニック結晶１３０２のみから構成される単純な例であり、入力光１３１１が非線形変換器１３０１を構成するフォトニック結晶１３０２に入力し、非線形変換された出力光１３１２が得られる。フォトニック結晶を含むより複雑な非線形変換器を考えることもでき、例えば図１３Ｂに示した非線形変換器１３２１では、内部に２種類のフォトニック結晶１３２６、１３２７を含む。また、ビームスプリッタ１３２２、１３２４や、ミラー１３２３、１３２５も備えており、入力光１３３１をビームスプリッタ１３２２で２本の光に分割した後、片方の光に対してフォトニック結晶１３２６により非線形変換を行った後、ミラー１３２３と１３２５で形成された光路を通ったもう片方の光とビームスプリッタ１３２４で干渉させる。干渉後の光に対して、別のフォトニック結晶１３２７により非線形変換を行う。非線形変換器は、フォトニック結晶を含んでいればこれ以外の構成であっても良い。
【００７７】
[図１４説明]図１４は、要求感度等に応じて、非線形変換方法を変更する光変換手段の一実施例である。この例では、光変換手段１４０１は、参照光の位相を変更する位相シフタ１４０６と、複数種類のフォトニック結晶からなる素子１４０３とその素子を駆動する駆動部１４０４を備え、位相シフタ１４０６と駆動部１４０４を制御手段１４０５により制御する。図１４は、素子１４０３と駆動部１４０４を横から見た図であるが、上から見た図を図１５に示す。素子１４０３は、４種類のフォトニック結晶１５０２〜１５０５からなっており、駆動部１４０４によりｙ方向に駆動させることができる。これにより、入力光１５０６（１４１１）を、フォトニック結晶１５０２〜１５０５のうちの一つに入力させ出力光１５０７を得る。一方、要求感度や要求スループット、欠陥種類などの入力情報１４１２に基づいて制御手段１４０５で制御された位相シフタ１４０６を透過して位相が制御された参照光１４１３がビームスプリッタ１４０２に入射し、素子１４０３から出力された出力光１５０７と干渉して干渉光１４１４が出力される。これにより、光の非線形変換方法を要求感度等に応じて制御することができる。
【００７８】
[図１４補足]なお、非線形変換方法を変える方法としては、図１４のように異なる種類のフォトニック結晶を用いる方法の他に、フォトニック結晶の非線形光学特性を変化させる方法を用いても良い。例えば、熱や電場を与えてフォトニック結晶の屈折率を変化させる方法や、フォトニック結晶の空孔にロッドを挿入する方法、微小なアクチュエータを用いてフォトニック結晶を伸縮させる方法を用いても良い。
【００７９】
[図１６説明]図１６Ａ及び図１６Ｂは、図１１Ａ乃至図１５で説明した非線形変換手段を用いて非線形変換を行った場合の対象光の状態を表す位相空間表現の概略図である。図１６Ａのグラフ１６０１の領域１６１１、１６１２は、非線形変換を行わなかった際の、欠陥がない場合とある場合のそれぞれの対象光の状態である。ホモダイン検出を行うときは、直線１６１３の軸に射影すると、それぞれの確率分布の重なりを小さくすることができる。しかし、非線形変換を行わない限り、図９で説明したように射影する方向を変える方法以外には、量子ノイズの影響を抑えることはできない。
【００８０】
これに対し、フォトニック結晶を用いて非線形変換を行えば、量子ノイズの影響を抑えることが可能となる。図１６Ｂのグラフ１６０２の領域１６１４、１６１５は、非線形変換を行った際の、欠陥がない場合とある場合のそれぞれの対象光の状態である。確率分布の形状を変えることによって、それぞれの確率分布の重なりを小さくすることができる。この例の場合は、直線１６１６の軸に射影することにより、非線形変換を行わない場合に比べてより高い検出率が得られる。この際、参照光の位相シフト量に基づいて非線形変換の方法を変えることにより、確率分布の重なりを小さくすることが可能である。
【実施例３】
【００８１】
[図１７説明]図１７Ａ、図１７Ｂは、実施例１又は２で説明した光干渉手段１０３と光変換手段１０６又は３０６試料に対して光を照射して、試料からの反射光を実施例１又は２で説明した光干渉手段１０３と光変換手段１０６又は３０６などで受信する光検査装置の構成を示す図である。
【００８２】
図１７Ａは、光源１７０１からテーブル１７２１上に載置された試料１７０５に対して上方から垂直に光を照射する落射照明により欠陥を検出する検査装置の構成を示す。光源１７０１から発射された光１７０６は、レンズ１７０３により試料１７０５上で集光されて試料１７０５を落射照明する。試料１７０５で反射された光のうちレンズ１７０４の方向に反射された光１７０７はレンズ１７０４により集光され、受信器１７０２に入力される。受信器１７０２は、実施例１又は実施例２で説明したような光干渉手段（１０３）、光変換手段（１０６又は３０６又は１４０１など）、光検出手段（１０４など）を備えている。受信器１７０２は複数個備わっていても良く、例えば、レンズ１７０９と受信器１７０８のように、光１７０７とは異なる方位への散乱光または反射光を受信するような配置であっても良い。受信器１７０２、１７０８での検出信号を用いて欠陥識別手段１７１０により欠陥の有無や欠陥の種類の識別を行う。試料１７０５はステージ１７２１の上に設置されており、ステージ１７２１をｘｙ方向に動かすことにより、試料上の光照射位置を制御することができる。
【００８３】
図１７Ｂは、試料１７１６に対して垂直方向ではなく斜め方向から光源１７１１から発射された光１７１９をレンズ１７１２で集光し斜方照射して、試料１７１６からレンズ１７１５の方向に反射した散乱光または反射光１７１７を受信器１７１３で受信し、レンズ１７１４の方向へ反射した光を受信器１７１８で受信する。この構成により、試料１７１６に光を集光し、集光位置における欠陥の有無や欠陥の種類に関する情報を受信器１７１３及び１７１８で受信した光を用いて欠陥識別手段１７２０で識別することができる。
【００８４】
[図１８説明]図１８Ａ、及び図１８Ｂには、試料に対して光を照射して、試料からの光を受信する、図１７とは別の光検査装置の構成を示す一実施例の図である。図１８Ａに示した構成では、光源１８０１から発射した光を試料１８０４に照射する。光１８１１は近接場光発生器１８０３に入力され、その先端１８２２から近接場光を放出する。近接場光発生器１８０３は近接場光が試料１８０４に到達する程度にまで試料１８０４に近接させる。試料１８０４からの散乱光または反射光１８１２は、照射光１８１１と同じ光路１８０６を通り、ビームスプリッタ１８０２により反射して受信器１８０５に入力される。ビームスプリッタ１８０２は、光源１８０１からの照射光は透過し、試料からの光は反射するようにしておく。これは、例えば、光源１８０１からの光を偏光させておき、１／４波長板１８０７を光路に配置し、かつビームスプリッタ１８０２を偏光ビームスプリッタとすることにより実現できる。受信器１８０５は、実施例１又は実施例２で説明したような光干渉手段（１０３）、光変換手段（１０６又は３０６又は１４０１など）、光検出手段（１０４など）を備えている。受信器１８０５での検出信号を用いて欠陥識別手段１８０８により欠陥の有無や欠陥の種類の識別を行う。試料１８０４はステージ１８２１の上に設置されており、ステージ１８２１をｘｙ方向に動かすことにより、試料上の光照射位置を制御することができる。
【００８５】
図１８Ｂは、近接場光を試料に照射する、図１８Ａとは別の構成の例を示す図である。近接場ヘッド１８１２と近接場ヘッド支持部１８１１を備え、近接場ヘッド１８１２は、その先端から放出される近接場光がステージ１８２２に載置された試料１８１４に到達する程度にまで試料１８１４に近接させる。試料１８１４から散乱または反射した光１８１６をレンズ１８１３で集光して受信器１８１５に入力して受光し、受信器１８１５からの出力信号を欠陥識別手段１８１７で処理することにより欠陥の有無や欠陥の種類の識別を行う。図１７の構成と比較し、図１８の構成を用いることにより、試料上のより狭い領域に光を集光することができるため、微小な欠陥からの散乱光または反射光を強い強度で得ることができる。
【符号の説明】
【００８６】
１０１…光検査装置    １０２…光照射手段    １０３…光干渉手段    １０４…光検出手段    １０５…欠陥識別手段    １０６…光変換手段    １１１…試料    １１２…ビームスプリッタ    １１３…参照光    ２０１…光変換手段を備えていない場合の確率分布    ２０２…光変換手段を備えた場合の確率分布    ２１１…欠陥がある場合の確率分布    ２１２…欠陥がない場合の確率分布    ２２１…それぞれの確率分布の重なり    ２３１…それぞれの確率分布の平均の差    ３０１…位相制御器    ３０２…位相シフタ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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