(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面に線状の領域に光を照射し、
前記試料上の光が照射された線状の領域から反射・散乱した光を検出し、
該反射・散乱した光を検出して得た信号を処理して前記試料上の欠陥を検出する
試料上の欠陥を検査する方法であって、
前記試料から反射・散乱した光を検出することを、
前記試料から反射・散乱した光を前記光を照射した線状の領域を前記アレイセンサに投影したときに前記線状の領域の長手方向に直角な幅方向である一方向に拡散させて該一方向と直角な前記線状の領域の長手方向に結像させ、
該一方向に拡散させて該一方向と直角な方向に結像させた反射・散乱光を検出画素を二
次元に配置したアレイセンサで検出し、
該反射・散乱光を検出した検出画素を二次元に配置したアレイセンサからの出力信号の
うち前記反射・散乱光を拡散させた方向に並ぶ各検出画素の出力信号を加算し、
該反射・散乱光を拡散させた方向に並ぶ各検出画素の出力信号を加算した信号を前記反射・散乱光を結像させた前記線状の領域の長手方向に順次取り出して処理することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項２】
前記一方向に拡散させて該一方向と直角な前記線状の領域の長手方向に結像させた反射・散乱光を、前記拡散させた一方向に対して前記結像させた一方向と直角な方向に長い寸法を有する検出画素を二次元に配置したアレイセンサで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３】
前記拡散させることを、前記反射・散乱光を前記一方向に拡散させることにより行う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】
前記拡散させることを、前記反射・散乱光をシリンドリカルのフライアイレンズで前記
一方向に拡散させることにより行うことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
【請求項５】
前記試料上の光が照射された線状の領域から反射・散乱した光を複数の方向で検出し、
該複数の方向で検出して信号をそれぞれ処理することにより前記試料上の欠陥を検出する
ことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。
【請求項６】
前記試料上の光が照射された線状の領域から該線状の領域の長手方向に対して直角な方
向に反射・散乱した光を前記一方向に拡散させて該一方向と直角な方向に結像させ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７】
前記試料から反射・散乱した光を検出することは、前記試料上の光が照射された線状の
領域から該線状の領域の長手方向に対して直角な方向に反射・散乱した光を一方向に拡散
させて該一方向と直角な方向に結像させて検出画素を二次元に配置したアレイセンサで検
出することと、前記試料上の光が照射された線状の領域から該線状の領域の長手方向に散
乱した光を前記検出画素を二次元に配置したアレイセンサで検出することとを含む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】
試料の表面に線状の領域に照明光を照射する照射手段と、
該照射手段により前記試料上の光が照射された線状の領域から反射・散乱した光を検出す
る検出手段と、
該反射・散乱した光を検出して得た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
を備えた欠陥検査装置であって、前記検出手段は、
前記試料から反射・散乱した光を前記照射手段により光を照射した前記試料表面の線状の領域の像を前記アレイセンサに投影したときに前記線状の領域の長手方向に直角な幅方向である一方向に拡散させて該一方向と直角な前記線状の領域の長手方向に結像させる光学系と、
検出画素を二次元に配置したアレイセンサを有して前記光学系により前記一方向に拡散させて該一方向と直角な前記線状の領域の長手方向に結像させた反射・散乱光を検出して前記反射・散乱光を拡散させた方向に並ぶ各検出画素の出力信号を加算して出力する検出系と
を備えることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項９】
前記検出系のアレイセンサの二次元に配置した検出画素は、前記反射・散乱光を拡散さ
せる前記一方向に対して該一方向と直角な前記反射・散乱光を結像させる方向に長い寸法を有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】
前記光学系はレンズを有し、前記試料から反射・散乱した光を前記一方向に拡散させる
ことを、前記反射・散乱光を前記レンズにより前記一方向に拡散させることにより行う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】
前記光学系はシリンドリカルのフライアイレンズを有し、前記試料から反射・散乱した
光を前記一方向に拡散させることを、前記反射・散乱光を前記シリンドリカルのフライア
イレンズで前記一方向に拡散させることにより行うことを特徴とする請求項８記載の欠陥
検査装置。
【請求項１２】
前記検出手段を複数備え、該複数の検出手段により前記試料上の光が照射された線状の
領域から反射・散乱した光を複数の方向で検出し、前記信号処理手段は、前記複数の検出
手段により複数の方向で検出して信号をそれぞれ処理することにより前記試料上の欠陥を
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。
【請求項１３】
前記検出手段は前記照射手段で光を照射する前記試料上の線状の領域の長手方向に対し
て直角な方向に配置されており、前記光学系は前記光が照射された前記試料上の線状の領
域から反射・散乱した光を前記一方向に拡散させて該一方向と直角な方向に結像させ、前記検出系は、前記一方向に拡散させて該一方向と直角な方向に結像させた光を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。
【請求項１４】
前記検出手段は、前記照射手段で光を照射する前記試料上の線状の領域の長手方向に対し
て直角な方向に配置されて前記光が照射された前記試料上の線状の領域から反射・散乱し
た光を前記一方向に拡散させて該一方向と直角な方向に結像させる前記光学系と、前記一方向に拡散させて該一方向と直角な方向に結像させた光を検出する前記検出系と、更に、前記光が照射された前記試料上の線状の領域から該線状の領域の長手方向に散乱した光を集光する集光光学系と、該集光光学系で集光した光を検出する集光検出系とを備えてい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】
本発明は試料表面に存在する微小な欠陥を検査し、欠陥の位置、種類および寸法を判定して出力する欠陥検査方法および欠陥検査装置に関する。
【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、製品の歩留りを維持・向上するために、半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥の検査が行われている。欠陥検査の従来技術としては特開平８−３０４０５０号公報（特許文献１）、特開２００８−２６８１４０号公報（特許文献２）などに記載されている技術が知られている。
【０００３】
特許文献１では、「線状照明を行う照明光学系、被照明領域をラインセンサで分割して検出する検出光学系により、一度の検査で同一欠陥を複数回照明し、それらの散乱光を加算することにより検出感度を向上させる」と記載されている。
【０００４】
特許文献２では、「レーザ光帯に対応した２ｎ個のＡＰＤがリニアに配列され、」「２ｎ個のうちの適当な２個ずつを組合せ、各組合せの２個のＡＰＤの出力信号の差分をそれぞれ算出して、反射光によるノイズを消去し、散乱光に対する欠陥パルスを出力する」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３０４０５０号公報
【特許文献２】特開２００８−２６８１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体等の製造工程で用いられる欠陥検査には、微小な欠陥を検出すること、検出した欠陥の寸法を高精度に計測すること、試料を非破壊で（例えば試料を変質させること無く）検査すること、同一の試料を検査した場合に例えば検出欠陥の個数、位置、寸法、欠陥種に関して実質的に一定の検査結果が得られること、一定時間内に多数の試料を検査することなどが求められる。
【０００７】
前記特許文献１、および特許文献２に述べられた技術では、特に例えば寸法２０ｎｍ以下の微小な欠陥については、欠陥から発生する散乱光が極めて微弱となり、試料表面で発生する散乱光によるノイズ、検出器のノイズ、あるいは検出回路のノイズに欠陥信号が埋もれてしまうため検出不可能となる。あるいは、これを避けるために照明パワーをあげた場合、照明光による試料の温度上昇が大きくなり、試料への熱ダメージが発生する。あるいは、これを避けるために試料の走査速度を低下させた場合、一定時間内に検査できる試料の面積あるいは試料の数が減少する。以上より、微小な欠陥を高速に検出することが困難であった。
【０００８】
微弱な光を検出する方法として、光子計数法が知られている。一般に、微弱な光に対しては検出光子数を計数する光子計数を行うことで、信号のＳＮ比が向上するため、高感度、高精度で安定した信号が得られる。光子計数法の一例として、光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードに対する光子の入射で発生するパルス電流の発生数を計数する方法が知られている。しかし、応答速度が遅いために、短い時間内に複数個の光子が入射して複数回パルス電流が発生した場合にその回数を計数できないため、光量を精度よく計測することができず、欠陥検査には適用できなかった。
【０００９】
また、別の光子計数法の一例として、多数のアバランシェフォトダイオード画素を配列
して構成した検出器の、各画素への光子の入射により発生するパルス電流の合計を計測す
る方法が知られている。この検出器はＳｉ−ＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔ
ｉｐｌｉｅｒ）、ＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、あ
るいはＭＰＰＣ（Ｍｕｌｔｉ−Ｐｉｘｅｌ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｃｏｕｎｔｅｒ、登録商標、商標権者：浜松ホトニクス株式会社）などと呼ばれる。この方法によれば、前述の単一の光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードを用いた光子計数と異なり、応答速度が早いので短い時間内に複数個の光子が入射した場合も光量を計測することが可能である。ただし、多数のアバランシェフォトダイオードを配列したものが一つの「画素」を持つ検出器として動作するため、複数の画素の並列検出により高速あるいは高感度の欠陥検査においてこの方法を適用することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した課題を解決するために、本発明では、試料の表面に線状の領域に光を照射し、
試料上の光が照射された線状の領域から反射・散乱した光を検出し、この反射・散乱した
光を検出して得た信号を処理して試料上の欠陥を検出する試料上の欠陥を検査する方法に
おいて、試料から反射・散乱した光を検出することを、試料から反射・散乱した光を前記光を照射した線状の領域をアレイセンサに投影したときに線状の領域の長手方向に直角な幅方向である一方向に拡散させてこの一方向と直角な線状の領域の長手方向に結像させ、一方向に拡散させてこの一方向と直角な方向に結像させた反射・散乱光を検出画素を二次元に配置したアレイセンサで検出し、この反射・散乱光を検出した検出画素を二次元に配置したアレイセンサからの出力信号のうち反射・散乱光を拡散させた方向に並ぶ各検出画素の出力信号を加算し、この反射・散乱光を拡散させた方向に並ぶ各検出画素の出力信号を加算した信号を反射・散乱光を結像させた線状の領域の長手方向に順次取り出して処理するようにした。
【００１１】
また、上記目的を達成するために、欠陥検査装置を、試料の表面に線状の領域に照明光
を照射する照射手段と、この照射手段により試料上の光が照射された線状の領域から反射
・散乱した光を検出する検出手段と、この反射・散乱した光を検出して得た信号を処理し
て試料上の欠陥を検出する信号処理手段とを備えて構成し、検出手段は、試料から反射・散乱した光を照射手段により光を照射した前記試料表面の線状の領域の像を前記アレイセンサに投影したときに前記線状の領域の長手方向に直角な幅方向である一方向に拡散させてこの一方向と直角な前記線状の領域の長手方向に結像させる光学系と、検出画素を二次元に配置したアレイセンサを有して光学系により一方向に拡散させてこの一方向と直角な線状の領域の長手方向に結像させた反射・散乱光を検出して反射・散乱光を拡散させた方向に並ぶ各検出画素の出力信号を加算して出力する検出系とを備えて構成した。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、試料全面を短時間で走査し、試料に熱ダメージを低減しつつ微小な欠陥を検出すること、検出欠陥の寸法を高精度に算出すること、および安定した検査結果を出力することが可能か欠陥検査装置および検査方法を提供することができる。
【００１３】
上記以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の全体概略構成を示すブロック図である。
【図１Ｂ】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状を得るための照明部の構成の第一例を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状を得るための照明部の構成の第二例を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状を得るための照明部の構成の第三例を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状を得るための照明部の構成の第四例を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状を得るための照明部の構成の第五例を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の一例を示す光学素子の側面図である。
【図８】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部における照明光の状態の計測手段および調整手段の実施の一例を示す照明部のブロック図である。
【図９】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の一例を示すブロック図である。
【図１０Ａ】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部において、光路分岐と光路合成とを行わない場合に試料表面に照射されるレーザのパルスとエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図１０Ｂ】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部において、光路分岐と光路合成とを行った場合に試料表面に照射されるレーザのパルスとエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部による試料表面上の照明領域の形状を示す試料の平面図である。
【図１２】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の照明部の試料表面上の走査による照明スポットの軌跡を示す試料の平本発明に係る面図である。
【図１３】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の検出部の配置および検出方向を側面から見た側面図である。
【図１４】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の低角検出部の配置及び検出方向を示す平面図である。
【図１５】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の高角検出部の配置及び検出方向を示す平面図である。
【図１６】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の検出方位角９０度の低角および高角に設置した検出部１０２ｌｓ，１０２１ｌｓ’、１０２ｈｓ、１０２ｈｓ’の構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の低角および高角の前方および後方に設置した検出部１０２ｌｆ，１０２ｌｆ’、１０２ｌｂ、１０２ｌｂ’、１０２ｈｆ，１０２ｈｂの構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の検出部の複数画素センサを備えた検出系の第一例を示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施例１に係る検出部での複数画素センサを備えた検出系のアレイセンサの第一例を示すセンサ面の正面図である。
【図２０】実施例１に係るアレイセンサの構成要素の等価回路を示す回路図である。
【図２１】本発明の実施例１に係る信号処理部の一実施形態を示すブロック図である。
【図２２Ａ】本発明の実施例１に係る複数画素センサを備えた検出系でアレイセンサとマイクロレンズアレイとを組み合わせた構成を示すアレイセンサの側面図である。
【図２２Ｂ】本発明の実施例１に係る複数画素センサを備えた検出系でアレイセンサと光ファイバアレイとを組み合わせた構成を示すアレイセンサの側面図である。本発明に係るアレイセンサの第二例を示す図である。
【図２３Ａ】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の検出部の複数画素センサを備えた検出系の変形例１の構成を示す斜視図である。
【図２３Ｂ】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の検出部の複数画素センサを備えた検出系の変形例２の構成を示す斜視図である。
【図２３Ｃ】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の検出部の複数画素センサを備えた検出系の変形例２の構成を示す平面図である。
【図２３Ｄ】本発明の実施例１に係る欠陥検査装置の検出部の複数画素センサを備えた検出系の変形例２の構成を示す斜視図である。本発明に係る検出部の複数画素センサの第二例を示す図である。
【図２４Ａ】本発明の実施例１に係る検出部での複数画素センサを備えた検出系のアレイセンサの変形例１を示すセンサ面の正面図である。
【図２４Ｂ】本発明の実施例１に係る検出部での複数画素センサを備えた検出系のアレイセンサの変形例２を示すセンサ面の正面図である。
【図２５Ａ】本発明の実施例１に係る検出部での複数画素センサを備えた検出系のアレイセンサのパッドと基板上の配線とをワイヤボンディングで接続した状態を示すアレイセンサと基板との側面図である。
【図２５Ｂ】本発明の実施例１に係る検出部での複数画素センサを備えた検出系のアレイセンサのパッドと基板上の配線とをスルーホールで接続した状態を示すアレイセンサと基板との側面の断面図である。
【図２６】本発明の実施例１に係る検出部での複数画素センサを備えた検出系のアレイセンサの変形例３を示すセンサ面の正面図である。
【図２７Ａ】本発明の実施例１に係る検出部での複数の検出系を天球面の子午線上に配置した状態を示す試料と複数の検出系の対物レンズの斜視図である。
【図２７Ｂ】本発明の実施例１に係る検出部での複数の検出系の配置を天球面の子午線上と前方散乱光を検出する位置に配置した状態を示す試料と複数の検出系の対物レンズの斜視図である。
【図２８Ａ】本発明の実施例１に係る検出部で天球面の子午線上に配置した検出系のアレイセンサからの出力波形を示すグラフである。
【図２８Ｂ】本発明の実施例１に係る検出部で天球面の子午線上に配置した検出系のアレイセンサからの出力波形と前方散乱光を検出したアレイセンサからの出力波形とを重ねて表示したグラフである。
【図２９Ａ】照明光を試料上でらせん状に走査したときに、試料上の同じ回転角の位置を本発明の実施例１に係る検出部での天球面の子午線上に配置した検出系で検出したときのアレイセンサからの出力波形を示すグラフである。
【図２９Ｂ】照明光を試料上でらせん状に走査したときに、試料上の同じ回転角の位置を本発明の実施例１に係る検出部での天球面の子午線上に配置した検出系で検出したときのアレイセンサからの出力波形と、前方散乱光を検出したアレイセンサからの出力波形とを重ねて表示したグラフである。
【図３０】本発明の実施例２に係る欠陥検査装置の全体概略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】
【００１５】
本発明は、欠陥検出感度を向上させると共に、検出できる欠陥の範囲(ダイナミックレンジ)を拡大し、より高速に欠陥を検出することを可能にした欠陥検査装置に関するものである。以下に本発明の実施例を、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１Ａは本実施例に係る欠陥検査装置の概略構成図の例である。照明部１０１、検出部１０２、試料Ｗを載置可能なステージ部１０３、信号処理部１０５、制御部５３、表示部５４、入力部５５、を有する。照明部１０１はレーザ光源２、アッテネータ３、出射光調整部４、ビームエキスパンダ５、偏光制御部６、照明強度分布制御部７を適宜備える。
【００１７】
レーザ光源２から射出されたレーザ光ビームは、アッテネータ３で所望のビーム強度に調整され、出射光調整部４で所望のビーム位置、ビーム進行方向に調整され、ビームエキスパンダ５で所望のビーム径に調整され、偏光制御部６で所望の偏光状態に調整され、照明強度分布制御部７で所望の強度分布に調整され、試料１の検査対象領域に照明される。
【００１８】
照明部１０１の光路中に配置された反射ミラー８１，８２の位置と角度により試料１の表面に対する照明光の入射角(試料表面の法線方向に対する傾き角)が決められる。照明光の入射角は微小な欠陥の検出に適した角度に設定される。照明入射角が大きいほど、すなわち照明仰角（試料表面と照明光軸との成す角）が小さいほど、試料１の表面上の微小異物からの散乱光に対してノイズとなる試料１の表面の微小凹凸からの散乱光（ヘイズと呼ばれる）が弱まるため、微小な欠陥の検出に適する。このため、試料１の表面の微小凹凸からの散乱光が微小欠陥検出の妨げとなる場合には、照明光の入射角は好ましくは７５度以上（仰角１５度以下）に設定するのがよい。
【００１９】
一方、斜入射照明において照明入射角が小さいほど微小異物からの散乱光の絶対量が大きくなるため、欠陥からの散乱光量の不足が微小欠陥検出の妨げとなる場合には、照明光の入射角は好ましくは６０度以上７５度以下（仰角１５度以上３０度以下）に設定するのがよい。また、斜入射照明を行う場合、照明部１０１の偏光制御部６における偏光制御により、照明の偏光をＰ偏光とすることで、その他の偏光と比べて試料１の表面上の欠陥からの散乱光が増加する。また、試料１の表面の微小凹凸からの散乱光が微小欠陥検出の妨げとなる場合には、照明の偏光をＳ偏光とすることで、その他の偏光と比べて試料１の表面の微小凹凸からの散乱光が減少する。
【００２０】
また、必要に応じて、図１Ａに示すように、照明部１０１の光路中に図示していない駆動手段でミラー２１を挿入することにより照明光路が変更され、ミラー２１２，２１３で順次反射されて試料面に対して実質的に垂直な方向から照明光が照射される（垂直照明）。このとき、試料１の面上の照明強度分布は照明強度分布制御部７ｖにより、斜入射照明と同様に制御される。ミラー２１と同じ位置にビームスプリッタを挿入することで、斜入射照明と試料面の凹み状の欠陥（研磨キズや結晶材料における結晶欠陥）からの散乱光を得るには、試料１の表面に実質的に垂直に入射する垂直照明が適する。なお、図１Ａに示す照明強度分布モニタ２４については後に詳説する。
【００２１】
レーザ光源２としては、試料１の表面近傍の微小な欠陥を検出するには、試料１の内部に浸透しづらい波長として、短波長（波長３５５ｎｍ以下）の紫外または真空紫外のレーザビームを発振し、かつ出力２Ｗ以上の高出力のものが用いられる。出射ビーム径は１ｍｍ程度である。試料１の内部の欠陥を検出するには、試料１の内部に浸透しやすい波長として、可視あるいは赤外のレーザビームを発振するものが用いられる。
【００２２】
アッテネータ３は、図１Ｂに示すように、第一の偏光板３１と、照明光の光軸周りに回転可能な１／２波長板３２と、第二の偏光板３３を適宜備える。アッテネータ３に入射した光は、第一の偏光板３１により直線偏光に変換され、１／２波長板３２の遅相軸方位角に応じて偏光方向が任意の方向に回転され、第二の偏光板３３を通過する。１／２波長板３２の方位角を制御することで、光強度が任意の比率で減光される。アッテネータ３に入射する光の直線偏光度が十分高い場合は第一の偏光板３１は必ずしも必要ない。アッテネータ３は入力信号と減光率との関係が事前に較正されたものを用いる。アッテネータ３として、グラデーション濃度分布を持つＮＤフィルタを用いることも、互いに異なる複数の濃度のＮＤフィルタを切替えて使用することも可能である。
【００２３】
出射光調整部４は複数枚の反射ミラー４１，４２を備える。ここでは二枚の反射ミラー４１と４２で構成した場合の実施例を説明するが、これに限られるものではなく、三枚以上の反射ミラーを適宜用いても構わない。ここで、三次元の直交座標系（ＸＹＺ座標）を仮に定義し、反射ミラーへの入射光が＋Ｘ方向に進行しているものと仮定する。第一の反射ミラー４１は入射光を＋Ｙ方向に偏向するよう設置され（ＸＹ面内での入射・反射）、第二の反射ミラー４２は第一の反射ミラー４１で反射した光を＋Ｚ方向に偏向するよう設置される（ＹＺ面内での入射・反射）。各々の反射ミラー４１と４２は平行移動とあおり角調整により、出射光調整部４から出射する光の位置、進行方向（角度）が調整される。前記のように、第一の反射ミラー４１の入射・反射面（ＸＹ面）と第二の反射ミラー４２入射・反射面（ＹＺ面）が直交するような配置とすることで、出射調整部４から出射する光（＋Ｚ方向に進行）のＸＺ面内の位置、角度調整と、ＹＺ面内の位置、角度調整とを独立に行うことができる。
【００２４】
ビームエキスパンダ５は二群以上のレンズ群５１，５２を有し、入射する平行光束の直径を拡大する機能を持つ。例えば、凹レンズと凸レンズの組合せを備えるガリレオ型のビームエキスパンダが用いられる。ビームエキスパンダ５は図示していない二軸以上の並進ステージに設置され、所定のビーム位置と中心が一致するように位置調整が可能である。また、ビームエキスパンダ５の光軸と所定のビーム光軸が一致するようにビームエキスパンダ５全体のあおり角調整機能が備えられる。レンズ群５１，５２の間隔を調整することにより、光束直径の拡大率を制御することが可能である（ズーム機構）。ビームエキスパンダ５に入射する光が平行でない場合には、レンズ群５１，５２の間隔の調整により、光束の直径の拡大とコリメート（光束の準平行光化）が同時に行われる。光束のコリメートはビームエキスパンダ５の上流にビームエキスパンダ５と独立にコリメートレンズを設置して行ってもよい。ビームエキスパンダ５によるビーム径の拡大倍率は５倍から１０倍程度であり、光源から出射したビーム径１ｍｍのビームが５ｍｍから１０ｍｍ程度に拡大される。
【００２５】
偏光制御部６は、１／２波長板６１、１／４波長板６２によって構成され、照明光の偏光状態を任意の偏光状態に制御する。照明部１０１の光路の途中において、ビームモニタ２２によって、ビームエキスパンダ５に入射する光、および照明強度分布制御部７に入射する光の状態が計測される。
【００２６】
２２と２３とは、それぞれビームモニタであり、光軸上のレーザビームの強度や位置をモニタする。
【００２７】
図２乃至図６に、照明部１０１より試料面に導かれる照明光軸１２０と照明強度分布形状との位置関係の模式図を示す。なお、図２乃至図６における照明部１０１の構成は照明部１０１の構成の一部を示したものであり、出射光調整部４、ミラー２１１、ビームモニタ２２、２３等は省略されている。
【００２８】
図２に、斜入射照明の入射面（照明光軸と試料１の表面の法線とを含む面）の断面の模式図を示す。斜入射照明は入射面内にて試料１の表面に対して傾斜している。照明部１０１により入射面内において実質的に均一の照明強度分布が作られる。図２の右側の照明強度分布模式図に示すように、線状に照明された領域において照明強度が均一である部分の長さは、単位時間当たりに広い面積を検査するため、１００μｍから４ｍｍ程度である。
【００２９】
図３に、試料１の表面の法線を含みかつ斜入射照明の入射面に垂直な面の断面の模式図を示す。この面内で、試料１の面上の照明強度分布は中心に対して周辺の強度が弱い照明強度分布を成す。より具体的には、照明強度分布制御部７に入射する光の強度分布を反映したガウス分布、あるいは照明強度分布制御部７の開口形状を反映した第一種第一次のベッセル関数あるいはｓｉｎｃ関数に類似した強度分布となる。この面内での照明強度分布の長さ（最大照明強度の１３．５％以上の照明強度を持つ領域の長さ）は、試料１の表面から発生するヘイズを低減するため、前記入射面内における照明強度が均一である部分の長さより短く、２．５μｍから２０μｍ程度である。照明強度分布制御部７は、後述する非球面レンズ、回折光学素子、シリンドリカルレンズアレイ、ライトパイプなどの光学素子を備える。照明強度分布制御部７を構成する光学素子は図２、図３に示されるように、照明光軸１２０に垂直に設置される。
【００３０】
図４は、図２に示した構成に対して、照明強度分布制御部７を試料１の表面に平行になるように設置した構成を示す。この場合、照明強度分布制御部７は照明光軸１２０に対して傾いて設置される。
【００３１】
また、図５と図６に示した構成は、それぞれ図３及び図２に示した構成で照明光軸１２０を試料１の表面に対する傾きを入れ替えた場合の構成を示す。即ち、照明光軸１２０の試料１の表面への入射方向に対する試料１上の線状照明領域を、図２及び図３で説明した場合と９０度向きを変えた場合の状態を示している。
【００３２】
図５に示した構成は、斜入射照明の入射面（照明光軸と試料１の表面の法線とを含む面）の断面の模式図を示すもので。斜入射照明は入射面内にて試料１の表面に対して傾斜している。この面内で、試料１の面上の照明強度分布は中心に対して周辺の強度が弱い照明強度分布を成す。これに対して図６に示した構成は、試料１の表面の法線を含みかつ斜入射照明の入射面に垂直な面の断面の模式図を示す。入射面内において実質的に均一の照明強度分布が作られる。
【００３３】
照明強度分布制御部７は入射する光の位相分布および強度分布に作用する光学素子を備える。照明強度分布制御部７を構成する光学素子として、回折光学素子７１（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）が用いられる（図７）。回折光学素子７１は、入射光を透過する材質からなる基板の表面に、光の波長と同等以下の寸法の微細な起伏形状を形成したものである。入射光を透過する材質として、紫外光用には溶融石英が用いられる。
【００３４】
回折光学素子７１を通過することによる光の減衰を抑えるため、反射防止膜によるコーティングが施されたものを用いるとよい。前記の微細な起伏形状の形成にはリソグラフィ法が用いられる。前記ビームエキスパンダ５を通過後に準平行光となった光を、回折光学素子７１を通過させることにより、回折光学素子７１の起伏形状に応じた試料面上照明強度分布が形成される。回折光学素子の７１起伏形状は、試料表面上で形成される照明強度分布が前記入射面内に長く均一な分布となるよう、フーリエ光学理論を用いた計算に基づいて求められた形状に設計され、製作される。
【００３５】
照明強度分布制御部７に備えられる光学素子は、入射光の光軸との相対位置、角度が調整可能となるよう、二軸以上の並進調整機構、および二軸以上の回転調整機構が備えられる。さらに、光軸方向の移動によるフォーカス調整機構が設けられる。前記回折光学素子７１と同様の機能を持つ代替の光学素子として、非球面レンズ、シリンドリカルレンズアレイとシリンドリカルレンズとの組合せ、ライトパイプと結像レンズとの組合せを用いてもよい。
【００３６】
図１に示した構成において、照明部１０１における照明光の状態がビームモニタ２２によって計測される。ビームモニタ２２は、出射光調整部４を通過した照明光の位置および角度（進行方向）、あるいは照明強度分布制御部７に入射する照明光の位置および波面を計測して出力する。照明光の位置計測は、照明光の光強度の重心位置を計測することによって行われる。具体的な位置計測手段としては、光位置センサ（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、あるいはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサが用いられる。照明光の角度計測は前記位置計測手段より光源から遠く離れた位置、あるいはコリメートレンズによる集光位置に設置された光位置センサあるいはイメージセンサによって行われる。図８に示すように、ビームモニタ２２で計測された照明光位置、照明光角度は制御部５３に入力され、表示部５４に表示される。照明光位置あるいは角度が所定の位置あるいは角度からずれていた場合は、前記出射光調整部４において所定の位置に戻るよう調整される。
【００３７】
ビームモニタ２２による照明光の波面計測は、照明強度制御部７に入射する光の平行度を測定するために行われる。シアリング干渉計による計測、あるいはシャックハルトマン波面センサによる計測が行われる。
【００３８】
シアリング干渉計は、両面を平坦に研磨した厚さ数ｍｍ程度の光学ガラスを照明光路中に斜めに傾斜させて挿入し、表面による反射光と裏面による反射光とをスクリーンに投影した際に観測される干渉縞の模様によって、照明光の発散・収束状態を計測するものであり、シグマ光機社製ＳＰＵＶ−２５などがある。スクリーン位置にＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサを設置すれば照明光の発散・収束状態の自動計測が可能である。
【００３９】
シャックハルトマン波面センサは、細かなレンズアレイによって波面を分割してＣＣＤセンサなどのイメージセンサに投影し、投影位置の変位から個々の波面の傾斜を計測するものである。シアリング干渉計と比較して、部分的な波面の乱れなど詳細な波面計測を行うことができる。
【００４０】
波面計測により照明強度制御部７に入射する光が準平行光でなく、発散あるいは収束していることが判明した場合、前段のビームエキスパンダ５のレンズ群を光軸方向に変位させることで、準平行光に近づけることができる。また、波面計測により照明強度制御部７に入射する光の波面が部分的に傾斜していることが判明した場合、空間光変調素子（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）の一種である空間光位相変調素子を照明強度制御部７の前段に挿入し（図示せず）、波面が平坦になるよう光束断面の位置ごとに適当な位相差を与えることで、波面を平坦に近づける、すなわち照明光を準平行光に近づけることができる。以上の波面精度計測・調整手段により、照明強度分布制御部７に入射する光の波面精度（所定の波面（設計値あるいは初期状態）からのずれ）がλ／１０ｒｍｓ以下に抑えられる。
【００４１】
照明強度分布制御部７において調整された試料面上の照明強度分布は、照明強度分布モニタ２４によって計測される。なお、図１で示したように、垂直照明を用いる場合でも、同様に、照明強度分布制御部７ｖにおいて調整された試料面上の照明強度分布が照明強度分布モニタ２４によって計測される。照明強度分布モニタ２４はレンズを介して試料面をＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサ上に結像して画像として検出するものである。照明強度分布モニタ２４で検出された照明強度分布の画像は制御部５３において処理され、強度の重心位置、最大強度、最大強度位置、照明強度分布の幅、長さ（所定の強度以上あるいは最大強度値に対して所定の比率以上となる照明強度分布領域の幅、長さ）などが算出され、表示部５４において照明強度分布の輪郭形状、断面波形などと共に表示される。
【００４２】
斜入射照明を行う場合、試料面の高さ変位によって、照明強度分布の位置の変位およびデフォーカスによる照明強度分布の乱れが起こる。これを抑制するため、試料面の高さを計測し、高さがずれた場合は照明強度分布制御部７、あるいはステージ部１０３のＺ軸による高さ調整によりずれを補正する。試料面の高さを計測するための構成を、図８を用いて説明する。
【００４３】
試料面の高さ計測は、光線射出部３１と、光線射出部３１から射出し試料面で反射した光線を受光する受光部３２からなる。光線射出部３１は半導体レーザなどの光源と投光レンズを備える。受光部３２は受光レンズと光位置センサを備える。半導体シリコン表面や磁気ディスク基板表面など光沢の強い試料面の計測を行うため、光線射出部３１から射出し試料面で正反射した光を受光部３２で検出するよう、光線射出部３１と受光部３２が配置される。試料面の高さ変位は、三角測量の原理により、受光部３２の光位置センサにて検出される光スポットの位置ずれとして検出される。
【００４４】
試料面の高さ変位による、照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれの補正は、照明強度分布制御部７の下流に設置され照明光を試料面に向ける偏向手段８０の偏向角度調整により行われる。偏向手段８０は、照明光を偏向する反射ミラー８２および反射ミラー８２の照明光軸に対するあおり角を制御するピエゾ素子８３を備え、あおり角を±１ｍｒａｄ程度の範囲で４００Ｈｚ以上の周波数で制御するものである。高さ変位計測値と照明光入射角から照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれ量が求められ、このずれを補正するよう、偏向手段８０において制御部５３から出力された制御信号をうけ反射ミラー８２が制御される。なお、照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれは、照明強度分布モニタ２４を用いて照明強度分布の重心位置等を直接計測することによっても可能である。
【００４５】
試料面の高さ変位による、照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれを上記偏向手段８０により補正した場合、照明強度分布制御部７と試料１の表面との光路長が補正前とずれるため、ずれ量によっては照明スポットのデフォーカスが起こる。光路長の変化量は高さ変位計測値と照明光入射角から求められ、これに基づいて、照明強度分布制御部７に備えられる光学素子の光軸方向の位置調整あるいはビームエキスパンダ５の発散角調整などによりデフォーカスが低減される。
【００４６】
光源２として、高出力が得やすいパルスレーザを用いる場合は、試料１に与えられる照明のエネルギーが、図１０Ａに示すようなパルスの入射する瞬間に集中するため、パルスの入射による瞬間的な温度上昇に起因して試料１に熱ダメージが生じる場合がある。これを回避するためには、パルスレーザの光路を分岐し、分岐した光路間に光路差を付けた後で光路を合成することで、図１０Ｂに示すように総エネルギーを保ちつつ一パルスあたりのエネルギーを減少させることが有効である。
【００４７】
図９に上記を実施するための光学系の一例を示す。ビームエキスパンダ５を通過した後の照明光が、偏光ビームスプリッタ１５１により、偏光ビームスプリッタ１５１にて反射した第一の光路１５１１と偏光ビームスプリッタ１５１を透過した第二の光路１５１２とに分岐される。第一の光路１５１１の側に分岐された照明光はレトロリフレクタ１５２により反射して偏光ビームスプリッタ１５３の側に戻り、偏光ビームスプリッタ１５３で反射され、偏光ビームスプリッタ１５１を透過して第二の光路１５１２の側に分岐された照明光の光路と同じ光路を進むことにより、分岐された二つの照明光が合成されて偏光制御部６に入射する。
【００４８】
レトロリフレクタ１５２は互いに直交する二枚以上の反射ミラーを備え、入力光を１８０度反対の方向に折り返すものである。コーナーキューブとも呼ばれる。レトロリフレクタの代わりに独立した二枚以上の反射ミラーを用いてもよい。偏光ビームスプリッタ１５１にて反射する光強度と透過する光強度を等しくするため、波長板１５０により、照明光の偏光が円偏光あるいは斜め４５度の直線偏光などに調整される。第一の光路１５１１と第二の光路１５１２との間の光路差をＬとすると、第一の光路を通過した光のパルスと第二の光路を通過した光のパルスの時間間隔Δｔｐ＝Ｌ／ｃとなる。Δｔｐを、単一のパルスが入射した際の温度上昇が緩和するのに要する時間と同等以上にすることで、単一パルスによる試料の瞬間的な温度上昇および複数パルスによる熱の蓄積による温度上昇が抑制される。
【００４９】
照明部１０１によって試料１の表面上に形成される照度分布形状（照明スポット２０）と試料走査方法について図１１及び図１２を用いて説明する。試料Ｗとして円形の半導体シリコンウェハを想定する。ステージ部１０３は、並進ステージ、回転ステージ、試料１の表面高さ調整のためのＺステージ（いずれも図示せず）を備える。照明スポット２０は前述の通り一方向に長い照明強度分布（線状照明）を持ち、その長手方向をＳ２とし、長手方向Ｓ２に実質的に直交する方向（線の幅方向）をＳ１とする。回転ステージの回転運動によって、回転ステージの回転軸を中心とした円の円周方向Ｓ１に、並進ステージの並進運動によって、並進ステージの並進方向Ｓ２に走査される。走査方向Ｓ１の走査により試料を１回転する間に、走査方向Ｓ２へ照明スポット２０の長手方向の長さ以下の距離だけ走査することにより、照明スポットが試料１上にてらせん状の軌跡Ｔを描き、試料１の全面が走査される。
【００５０】
検出部１０２は、照明スポット２０から発する複数の方向の散乱光を検出するよう、複数配置される。検出部１０２の試料Ｗおよび照明スポット２０に対する配置例について図１３乃至図１５を用いて説明する。
【００５１】
図１３に検出部１０２の配置の側面図を示す。試料１の法線に対して、検出部１０２による検出方向（検出開口の中心方向）のなす角を、検出天頂角と定義する。検出部１０２は、検出天頂角が４５度以下の高角検出部１０２ｈと、検出天頂角が４５度以上の低角検出部１０２ｌを適宜用いて構成される。高角検出部１０２ｈ、低角検出部１０２ｌ各々は、各々の検出天頂角において多方位に散乱する散乱光をカバーするよう、複数の検出部からなる。
【００５２】
図１４に、低角検出部１０２ｌの配置の平面図を示す。試料Ｗの表面と平行な平面内において、斜入射照明の進行方向と検出方向とのなす角を検出方位角と定義する。低角検出部１０２は、低角前方検出部１０２ｌｆ、低角側方検出部１０２ｌｓ、低角後方検出部１０２ｌｂ、およびそれらと照明入射面に関して対称な位置にある低角前方検出部１０２ｌｆ’、低角側方検出部１０２ｌｓ’、低角後方検出部１０２ｌｂ’を適宜備える。例えば、低角前方検出部１０２ｌｆは検出方位角が０度以上６０度以下、低角側方検出部１０２ｌｓは検出方位角が６０度以上１２０度以下、低角後方検出部１０２ｌｂは検出方位角が１２０度以上１８０度以下に設置される。
【００５３】
図１５に、高角検出部１０２ｈの配置の平面図を示す。高角検出部１０２は、高角前方検出部１０２ｈｆ、高角側方検出部１０２ｈｓ、高角後方検出部１０２ｈｂ、および高角側方検出部１０２ｈｓと照明入射面に関して対称な位置にある高角側方検出部１０２ｈｓ’を適宜備える。例えば、高角前方検出部１０２ｈｆは検出方位角が０度以上４５度以下、高角側方検出部１０２ｓは検出方位角が４５度以上１３５度以下、高角後方検出部１０２ｂは検出方位角が１３５度以上１８０度以下に設置される。なお、ここでは高角検出部１０２ｈが４つ、低角検出部１０２ｌが６つある場合を示したがこれに限られず、検出部の数・位置を適宜変更してもよい。
【００５４】
検出部１０２の具体的な構成図の例を図１６に示す。照明スポット２０から発生する散乱光を対物レンズ２０１によって集光し、偏光フィルタ２０２通過させた後、結像レンズ２０３によって複数画素センサを備えた検出系２０４に導かれ、後述するような構成を備えた複数画素センサを備えた検出系２０４で照明スポット２０からの散乱光像が検出される。散乱光を効率良く検出するため、対物レンズ２０１の検出ＮＡは０．３以上にするのが好ましい。低角度検出部の場合、対物レンズ２０１の下端が試料面Ｗに干渉しないよう、必要に応じて対物レンズの下端を切り欠く。偏光フィルタ２０２は偏光板あるいは偏光ビームスプリッタからなり、任意の方向の直線偏光成分をカットするよう設置される。偏光板として、透過率８０％以上のワイヤグリッド偏光板や偏光ビームスプリッタなどが用いられる。楕円偏光を含む任意の偏光成分をカットする場合は、波長板と偏光板からなる偏光フィルタ２０２を設置する。
【００５５】
図１６に示した検出部１０２は、図１４及び図１５で試料１の線状の照明スポット２０の長手方向に対して直角な方向（側方）に配置した検出部１０２ｌｓ、１０２ｌｓ’、１０２ｈｓ及び１０２ｈｓ’において有効な構成である。しかし、照明スポット２０の長手方向に対して傾いた方向、すなわち照明スポット２０の前方又は後方に設置された検出部１０２ｌｂ、１０２ｌｂ’、１０２ｌｆ、１０２ｌｆ’、１０２ｈｆ及び１０２ｈｂの場合には、照明スポット２０の長手方向の各位置から対物レンズ２０１までの距離が異なるために、検出系２０４に照明スポット２０からの散乱光像を形成することができない。そこで、照明スポット２０の長手方向に対して傾いた方向に設置される各検出部において検出系２０４に照明スポット２０からの散乱光像を形成できるようにした検出部１０２の構成について、図１７を用いて説明する。
【００５６】
図１７に示した検出部１０２の構成において、対物レンズ２０１、偏光フィルタ２０２及び結像レンズ２０３までの構成は、図１６で説明したものと同じである。図１７に示した検出部１０２では、結像レンズ２０３の後段に回折格子２０６と結像系２０７を設けて、検出系２０４に照明スポット２０からの散乱光像を形成できるようにした。
【００５７】
照明スポット２０から発生する散乱光を対物レンズ２０１によって集光し、偏光フィルタ２０２通過させた後、結像レンズ２０３によって、試料面と共役な面に設置された回折格子２０６上に試料面の像（中間像）が結像される。回折格子２０６上に形成された試料面の像は、結像系２０７によって複数画素センサ２０４の受光面上に投影され、検出される。複数画素センサ２０４は、一方向に長い照明スポット２０の形状に合せ、画素の配列方向が照明スポット２０の像の長手方向に一致するよう、試料面に共役な面内に設置される。回折格子２０６は、結像レンズ２０３によって導かれ中間像を形成する光を回折格子２０６の表面の法線方向に回折させるため、結像レンズ２０３によって導かれ中間像を形成する光の光軸に沿った入射光のＮ次回折光が回折格子２０６の表面の法線方向に向かうよう、回折格子形状が形成されたものを用いる。回折効率を高めるため、ブレーズ回折格子が用いられる。
【００５８】
以上の構成をとり試料面に共役な面に複数画素センサ２０４を設置することで、試料面上のＳ１方向についてもピントのずれを低減して広い範囲で有効視野を確保することができ、かつ光量ロスを少なく散乱光を検出することができる。
【００５９】
図１８に複数画素センサを備えた検出系２０４の構成を示す。図１６に示した構成の対物レンズ２０１および結像レンズ２０３によって、試料面の像が試料面と共役な試料面共役面２０５に結像される。図１８に示した複数画素センサを備えた検出系２０４は、スリット板２２２、一軸結像系２２３、アレイセンサ２２４を備えて構成されている。スリット板２２２は、試料面共役面２０５に設置されている。図１８における欠陥像２２１および欠陥像の一軸拡大像２２５は、欠陥が検出部１０２の検出視野の中央にある状態の一例を模式的に示したものである。欠陥像２２１は試料面共役面２２５上で一旦結像した後、結像レンズ２０３の像側のＮＡに従う広がり角を持って、検出部１０２の光軸方向に進行する。この光が一軸結像系２２３により、試料面共役面２０５における走査方向Ｓ２に対応する方向について結像し、アレイセンサ２２４の受光面上に像を結ぶ。試料面共役面２０５における走査方向Ｓ１に対応する方向に関しては、前記の広がり角を持ったままアレイセンサ２２４の受光面上に達する。
【００６０】
一軸結像系２２３は、走査方向Ｓ１に対応する方向のみ光を集光させる作用を持ち、シリンドリカルレンズあるいはシリンドリカルレンズと球面レンズとの組合せによって構成される。一軸結像系２２３の作用により、欠陥像２２１は走査方向Ｓ１に対応する方向に拡大される。試料共役面上２０５上の欠陥像の大きさは、照明光の波長より小さい微小欠陥の場合、検出部１０２の光学的な解像度によって決まり、具体的には結像レンズ２０３の像側のＮＡによって決まる（微小欠陥の像の大きさ（点像広がり）＝１．２２×（波長）／（像側ＮＡ））。欠陥像の一軸拡大像２２５のＳ１方向の長さ、すなわちＳ１方向の拡大率は、試料面共役面２０５とアレイセンサ２２４の受光面との間の光路長、および結像レンズ２０３の像側のＮＡによって決まる。この長さは、アレイセンサ２２４の受光面のＳ１方向の長さと実質的に等しくなるよう複数画素センサを備えた検出系２０４が構成される。欠陥像の一軸拡大像２２５のＳ２方向の幅は、一軸結像系２２３の倍率によって決まる。この長さは、アレイセンサ２２４の受光面のＳ２方向の長さと同等かそれ以下になるよう、複数画素センサを備えた検出系２０４が構成される。
【００６１】
試料面上からの散乱光は、照明スポット２０の位置から発生し、検出部１０２によって検出されるが、光の波動的性質により照明スポット２０の外の領域にも相対的に弱い強度の照明が実質的には照射される。この結果、照明スポット２０の外の大きい異物や試料面の端の角で発生した散乱光の一部がアレイセンサ２２４の受光面に入射し、ノイズとなって感度を低下させる場合がある。これが問題になる場合、遮光スリット２２２を設置することで、これらの邪魔な散乱光を遮光し、低減することが可能である。遮光スリットは試料面共役面２０５における照明スポット２０の像の幅より広い幅のスリット状の開口部（光透過部）を有し、スリット状開口部の中心が照明スポット２０の像の位置と一致するよう設置される。開口部以外が遮光されるため、照明スポット２０の当った試料面上の領域以外からの散乱光が低減される。
【００６２】
図１９はアレイセンサ２２４の受光面の構成図の一例である。アレイセンサ２２４は、複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を二次元に配列した構成を有する。以下、個々のＡＰＤの受光部をＡＰＤ画素と呼ぶ。ＡＰＤ画素２３１は各々がガイガーモード（光電子増倍率が１０５以上）で動作するように電圧が印加される。ＡＰＤ画素２３１に一つの光子が入射すると、ＡＰＤ画素の量子効率に応じた確率でＡＰＤ画素２３１内に光電子が発生し、ガイガーモードＡＰＤの作用で増倍され、パルス状の電気信号を出力する。Ｓ１方向のＡＰＤ画素行２３２（図１９で点線の四角２３２で囲まれた中にあるＡＰＤ画素の集合）を一つの単位とし、Ｓ１方向ＡＰＤ画素行毎に、画素行に含まれるＡＰＤの各々で発生したパルス状電気信号が配線パターン２３４を介して合計されてパッド２３５から出力される。Ｓ２方向に複数のＡＰＤ画素行が配列されており、各行のＡＰＤ画素の出力信号が並列に出力される。
【００６３】
図２０は一つのＳ１方向ＡＰＤ画素行２３２と等価な回路の回路図の例である。図中の一つのクエンチング抵抗２２６とＡＰＤ２２７の組が、一つのＡＰＤ画素２３１に対応する。端子２３５１はパッド２３５に相当し、端子２３５２は各ＡＰＤ画素に接続する端子で、逆電圧ＶＲが印加される。逆電圧ＶＲをＡＰＤの降伏電圧以上に設定することで、ＡＰＤ２２７がガイガーモードで動作する。図２０に示した回路構成とすることで、Ｓ１方向ＡＰＤ画素行２３２に入射した光子数の合計に比例した出力電気信号（電圧、電流の波高値、あるいは電荷量）が得られる。Ｓ１方向ＡＰＤ画素行２３２各々に対応する出力電気信号（電圧、電流の波高値、あるいは電荷量）はアナログ−デジタル変換され、時系列のデジタル信号として並列に出力される。
【００６４】
個々のＡＰＤ画素は、短い時間内に複数の光子が入射しても一つの光子が入射した場合と同程度のパルス信号しか出力しないため、個々のＡＰＤ画素への単位時間当たりの入射光子数が大きくなると、ＡＰＤ画素行の合計出力信号が入射光子数に比例しなくなり、信号の線形性が損なわれる。また、ＡＰＤ画素行の全ての画素に一定量（一画素当り平均１光子程度）以上の入射光が入ると、出力信号が飽和する。Ｓ１方向に多数のＡＰＤ画素を並べた構成とすることで、一画素当りの入射光量を低減することができ、より正確な光子計数が可能となる。例えばＳ１方向の画素数を１０００画素とすることで、ＡＰＤ画素の量子効率が３０％の場合、検出の単位時間当り約１０００光子以下の光強度で十分なリニアリティを確保でき、約３３００光子程度以下の光強度を飽和することなく検出することが可能となる。
【００６５】
試料面からの散乱光を受光して微小な欠陥から比較的大きな欠陥までを寸法に応じた信号レベルで検出するためには、散乱光を検出するアレイセンサ２２４のダイナミックレンジを確保することが重要になる。アレイセンサ２２４のダイナミックレンジを大きくするためには、図１９でＳ１方向に並ぶＡＰＤ画素２３１の数を増やせばよいが、単純に数を増やすとＳ１方向の寸法が大きくなり、その分だけ浮遊容量が大きくなって動作速度が低下するという問題や、アレイセンサ２２４を実装するスペースが大きくなってしまうという実装上の問題が発生する。
【００６６】
これに対して、ＡＰＤ画素２３１の寸法を小さくしてＳ１方向の全体の長さを変えずにＳ１方向に並べるＡＰＤ画素２３１の数を増やす方法が考えられるが、ＡＰＤ画素２３１の全体の寸法を小さくすると各ＡＰＤ素子２３１の開口率が低下してアレイセンサ２２４の感度が低下してしまう。
【００６７】
そこで、本実施例においては、図１９に示したように、ＡＰＤ画素２３１のＳ１方向の寸法を小さくしてＳ１方向の全体の長さを変えずにＳ１方向に並べるＡＰＤ画素２３１の数を増やすことにより浮遊容量を増加させることなくダイナミックレンジを拡大し、Ｓ２方向の寸法を大きくして個々のＡＰＤ画素２３１の面積を変えないようにして開口率が低下するのを防止した。これにより、Ｓ１方向に並べるＡＰＤ画素２３１の数を増やしても動作速度を低下させることなく、かつ、必要な検出感度を確保し、ダイナミックレンジを向上させることができるようにした。
【００６８】
ここで、図１８に示した複数画素センサ２２４の構成では、Ｓ１方向に関して光強度分布を平均化するための手段を特に設けていないので、試料共役面２０５に結像された欠陥の光学像のＳ１方向の光量の分布がそのまま複数画素センサ２２４上に投影される。試料からの反射・散乱光は、照明光量のガウス分布特性の影響を受けて光強度が一様でなく、複数画素センサ２２４のＳ１方向に並んだ中央に対して端の光強度が弱くなる。これはＳ１方向の実効的なＡＰＤ画素数が減少することを意味する。シリンドリカルレンズの代わりにＳ１方向に曲率を持つ微小なシリンドリカルレンズをＳ１方向に多数並べたレンチキュラーレンズ、回折型光学素子、あるいは非球面レンズを用いることで、欠陥像の一軸拡大像２２５のＳ１方向の分布を強度が均一な分布とすることができる。こうすることで、Ｓ１方向のＡＰＤ画素数を保ったまま、リニアリティを確保できる光強度範囲あるいは飽和しない光強度範囲を拡大することができる。
【００６９】
以上述べた複数画素センサ２２４の構成により、試料面共役面２０５のＳ２方向の各位置ごとの光子数を同時並列に計数することができる。
【００７０】
ここで、照明スポット２０の長さと検出部１０２の光学倍率、複数画素センサを備えた検出系２０４の寸法との関係を説明する。高感度、高速検査を行う場合、照明スポット２０の長さは概略５００μｍに設定される。複数画素センサを備えた検出系２０４としてＳ２方向に２５μｍピッチで１００画素が並んだもの（Ｓ１方向ＡＰＤ画素行２３２が１００行並んだもの）を設置する場合、検出部の光学倍率は５倍となり、試料面上に投影される画素のピッチは５μｍとなる。
【００７１】
この条件で試料を回転速度２０００ｒｐｍで回転させた場合、直径３００ｍｍの円形試料は９秒で、直径４５０ｍｍの円形試料は１４秒で全面が走査される。さらに高速に検査を行う場合、照明スポット２０の長さは概略１０００μｍに設定される。この場合、検出部の光学倍率は０．４倍となり、試料面上に投影される画素のピッチは６２．５μｍとなる。この条件で試料を回転速度２０００ｒｐｍで回転させた場合、直径３００ｍｍの円形試料は５秒で、直径４５０ｍｍの円形試料は７秒で全面が走査される。
【００７２】
次に、図２１を用いて、広い角度範囲をカバーする複数の検出光学系によって同時に検出される様々な方向の散乱光強度検出信号に基づいて様々な欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度に行う信号処理部１０５について説明する。ここでは簡単のため複数の検出部１０２のうち検出部１０２ａ、１０２ｂ（図示しない）の二系統備えた場合の信号処理部１０５の構成について説明する。また検出部１０２ａ、１０２ｂ各々が、ＡＰＤ画素行毎に信号を出力する。ここではその中の一つの画素行の信号に着目した説明を行うが、他の画素行についても同様の処理が並列して行われることは言うまでもない。
【００７３】
検出部１０２ａ、１０２ｂ各々に備えられた検出器から出力された、検出散乱光量に対応する出力信号５００ａ、５００ｂは、それぞれバンドパスフィルタを内蔵するアナログ処理部５１ａ，５１ｂを経てデジタル処理部５２に入力する。デジタル処理部５２において、ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂの各々により欠陥信号６０３ａ、６０３ｂの各々が抽出され、欠陥判定部６０５に入力される。欠陥は照野２０によりＳ１方向に走査されるため、欠陥信号の波形は照野２０のＳ１方向の照度分布プロファイルを拡大縮小したものとなる。従って、ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂの各々により、欠陥信号波形の含まれる周波数帯域を通し、ノイズが相対的に多く含まれる周波数帯域および直流成分をカットすることで、欠陥信号６０３ａ、６０３ｂのＳ／Ｎが向上する。各ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂとしては、特定のカットオフ周波数を持ちその周波数以上の成分を遮断するよう設計されたハイパスフィルタ、あるいはバンドパスフィルタ、あるいは照明スポット２０の形状が反映された欠陥信号の波形と相似形を成すＦＩＲフィルタを用いる。
【００７４】
欠陥判定部６０５は、ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂの各々から出力された欠陥波形を含む信号の入力に対してしきい値処理を行い、欠陥の有無を判定する。即ち、欠陥判定部６０５には、複数の検出光学系からの検出信号にもとづく欠陥信号が入力されるので、欠陥判定部６０５は、複数の欠陥信号の和や加重平均に対してしきい値処理を行うか、または複数の欠陥信号に対してしきい値処理により抽出された欠陥群についてウェハの表面に設定された同一座標系でＯＲやＡＮＤを取ることなどにより、単一の欠陥信号に基づく欠陥検出と比較して高感度の欠陥検査を行うことが可能となる。
【００７５】
更に、欠陥判定部６０５は、欠陥が存在すると判定された箇所について、その欠陥波形と感度情報信号に基づいて算出されるウェハ内の欠陥位置を示す欠陥座標および欠陥寸法の推定値を、欠陥情報として制御部５３に提供して表示部５４などに出力する。欠陥座標は欠陥波形の重心を基準として算出される。欠陥寸法は欠陥波形の積分値あるいは最大値を元に算出される。
【００７６】
さらに、アナログ処理部５１からの各々の出力信号は、デジタル処理部５２を構成するハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂに加えて、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂの各々に入力され、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂの各々において、ウェハ上の照明スポット２０における微小ラフネスからの散乱光量（ヘイズ）に対応する周波数の低い成分および直流成分が出力される。このようにローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂの各々からの出力はヘイズ処理部６０６に入力されてヘイズ情報の処理が行われる。即ち、ヘイズ処理部６０５は、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂの各々から得られる入力信号の大きさからウェハ上の場所ごとのヘイズの大小に対応する信号をヘイズ信号として出力する。また、微小ラフネスの空間周波数分布に応じてラフネスからの散乱光量の角度分布が変わるため、図１３乃至２３に示したように、互いに異なる方位、角度に設置された複数の検出部１０２の各検出器からのヘイズ信号をヘイズ処理部６０６への入力とすることで、ヘイズ処理部６０６からはそれらの強度比などから微小ラフネスの空間周波数分布に関する情報を得ることができる。
【００７７】
照明部１０１によって試料面上に作られる照明強度分布の変形例を説明する。前記の一方向に長く（線状の）、長手方向に関して実質的に均一な強度を持つ照明強度分布の代替として、長手方向に関してガウス分布を持つ照明強度分布を用いることも可能である。一方向に長いガウス分布照明は、照明強度分布制御部７に球面レンズを有し、ビームエキスパンダ５にて一方向に長い楕円ビームを形成する構成とすること、あるいは照明強度分布制御部７をシリンドリカルレンズを含む複数のレンズで構成すること、などにより形成される。
【００７８】
照明強度分布制御部７が有する球面レンズあるいはシリンドリカルレンズの一部あるいは全部は、試料面に対して平行に設置されることで、試料面上の一方向に長く、それに垂直な方向の幅の狭い照明強度分布が形成される。均一な照明強度分布を作る場合に比べて、照明強度分布制御部７に入射する光の状態の変動による試料面上の照明強度分布の変動が小さく、照明強度分布の安定性が高い、また照明強度分布制御部７に回折光学素子やマイクロレンズアレイなどを用いる場合と比べて光の透過率が高く効率がよい、という特長がある。
【００７９】
図１８に示したアレイセンサ２２４の変形例の構成図を図２２Ａと図２２Ｂに示す。ＡＰＤ画素を配列したアレイセンサ２２４において、個々のＡＰＤ画素２３１が小さい場合、ＡＰＤ画素間の不感帯の面積がＡＰＤ画素２３１の受光部の有効面積に対して相対的に大きくなるため、アレイセンサ２２４の開口率が低下し、光検出効率が低下する問題がある。そこで、図２２Ａに示すように、アレイセンサ２２４の受光面の前にマイクロレンズアレイ２２８を設置することで、ＡＰＤ画素２３１の画素間の不感帯に入射する光の割合を低減し、実効的な開口率を向上することができる。マイクロレンズアレイ２２８はＡＰＤ画素の配列ピッチとおなじピッチで微小な凸レンズが並んだものであり、アレイセンサ２２４への入射光の主光軸に平行な光線（図２２Ａの点線）が対応するＡＰＤ画素の中央付近に入射するよう設置される。
【００８０】
一方、図２２Ｂに示した構成は、図２２Ａのマイクロレンズアレイ２２４を光ファイバアレイ２２９０に置き換えた場合の例を示す。
【００８１】
図２３Ａに複数画素センサを備えた検出系２０４の変形例１の構成図を示す。この変形例１においては、複数画素センサを備えた検出系２０４１はＳ１方向の結像作用を持つ一軸結像系２２９と、Ｓ２方向の結像作用を持つ一軸結像系２２３を有する。一軸結像系２２９によるＳ１方向の結像倍率を一軸結像系２２３によるＳ２方向の結像倍率より高くすることで、欠陥像２２１がＳ１方向に拡大される。
【００８２】
一軸結像系２２９および一軸結像系２２３としてシリンドリカルレンズを用いる場合、一軸結像系２２９を一軸結像系２２３よりも試料面共役面２０５の近くに設置してＳ１方向の結像関係を作ることで、Ｓ１方向の倍率がＳ２方向の倍率より高くなる。前述の構成（図１８）では、一軸拡大像２２５のＳ１方向の光強度分布あるいは像の広がりの大きさが、試料面共役面２０５における散乱光のＳ１方向の角度分布に依存して変化するケースがある。これに対し、本変形例では欠陥像２２１の大きさと、一軸結像系２２９および一軸結像系２２３の構成と配置で決まるＳ１およびＳ２方向の結像倍率とによって一軸拡大像２２５１の大きさが決まる。微小欠陥の欠陥像２２１の大きさは、前述の通り検出部１０２の光学解像度で決まるため、一軸拡大像２２５１の大きさの変化が小さく、安定した検査結果が得られる。
【００８３】
アレイセンサ２２４を構成要素であるアバランシェフォトダイオードの代用として、電子増倍率の高い（１０４以上）光電子増倍管を用いることも可能である。アバランシェフォトダイオードを用いた方が、個々の画素の大きさを小さくできるため、検出部１０２の光学倍率を低くできること、数百画素、数千画素以上の集積が低コストで可能であること、などの利点があるのに対し、光電子増倍管は電子増倍率の温度依存性が低く安定しているという利点がある。
【００８４】
図２３Ｂには、複数画素センサを備えた検出系２０４の変形例２として、図２３Ａで説明した一軸結像系２２９と２２３を、集光レンズ３００とシリンドリカルのフライアイレンズ３０１、及びＳ２方向の一軸方向に結像する結像レンズ３０２で置き換えた複数画素センサを備えた検出系２０４２の構成を示す。
【００８５】
この変形例２においては、試料共役面２０５の欠陥像２２１から発散した光を集光レンズ３００で集光してシリンドリカルのフライアイレンズ３０１に入射させると、図２３Ｃに示すようにシリンドリカルのフライアイレンズ３０１からはＳ１方向に分割された複数の微細な光束が出射される。このシリンドリカルのフライアイレンズ３０１から出射した複数の微細な光束は、それぞれが拡散することによりＳ１方向に均一性が向上した光として一軸方向に結像する結像レンズ３０２に入射し、Ｓ２方向に結像されＳ１方向には均一に分布する光としてアレイセンサ２２４に達する。
【００８６】
このような構成とすることにより、図２３Ａに示した変形例１の構成と比較してアレイセンサ２２４でＳ１方向の均一性が向上した試料上の欠陥からの散乱光が検出することができる。その結果、アレイセンサ２２４のダイナミックレンジを拡大することができる。
【００８７】
更に、複数画素センサを備えた検出系２０４の変形例３を図２３Ｄに示す。図２３Ｄに示した複数画素センサを備えた検出系２０４３の構成においては、図２３Ｂに示した変形例２の複数画素センサを備えた検出系２０４２の構成において、シリンドリカルのフライアイレンズ３０１とアレイセンサ２２４との間に図２２Ａで説明したマイクロレンズアレイを挿入したものである。このような構成とすることにより、アレイセンサ２２４の実効的な開口率を向上させることができ、アレイセンサ２２４のダイナミックレンジを拡大させると共に、検出感度をさらに向上させることができる。
【００８８】
図２４Ａには、図１９で説明したアレイセンサ２２４の開口率を更に向上させるための構成として、アレイセンサの変形例１を示す。
【００８９】
一方、図２４Ａに示したアレイセンサ２２４１は、図１９で説明したアレイセンサ２２４のような形状にしたＡＰＤ素子について、上下二行に並んだＡＰＤ画素２３１１と２３３１とをそれぞれ共通の配線パターン２３４１に接続することにより、点線２３２１で囲んだような二行のＡＰＤ画素を一つの単位とする。この場合、センサアレイ２２４１に投影する欠陥からの散乱光の像は、図２３Ａ又は図２３Ｂ、図２３Ｄに示すように、二行のＡＰＤ画素状に結像させるように一軸結像系２２３又は３０２を構成する。
【００９０】
センサアレイ２２４１をこのように構成することにより、図１９に示したセンサアレイ２２４と比べると、分解能は低下するが、見かけ上の開口率を向上させることができ検出感度を向上させることができる。
【００９１】
また、上下二行に並んだＡＰＤ画素２３１１と２３３１とが配線パターン２３４１を共有することで配線本数を低減でき、アレイセンサ２２４１の小型化を図ることができる。
【００９２】
更に、配線パターン２３４１を２分割して、その両側に電極パッド２３６と２３７とを設けて実質の配線パターン長を短くすることにより、配線の浮遊容量を低減して動作速度を向上させることができる。この場合、電極パッド２３６と２３７とからの信号は、図２５Ａに示すようなワイヤボンディング２３８，２３９により基板２４１に形成された配線２４０に接続される。又は、図２５Ｂに示すように、電極パッド２３６と２３７部分から下に貫通するスルーホール２４２，２４３を介してアレイセンサ２２４の裏面に形成された配線２４４に接続される。２４６はスルーホールで、配線２４４とアレイセンサ２２４の表面に形成された電極(図示せず)とを接続するためのものである。スルーホール２４２，２４３，２４６はアレイセンサ２２４の構成に応じて、その何れかまたはすべてが形成されている。
【００９３】
図２４Ｂには、アレイセンサ２２４の変形例２を示す。この例に示したセンサアレイ２２４２では、図２４Ａの場合と同様な、上下二行に並んだＡＰＤ画素２３１２と２３３２とをそれぞれ共通の配線パターン２３４２に接続してＡＰＤ画素の一単位２３２２としている。配線パターン２３４２の一端はトランスファーゲート２４０１に接続している。トランスファーゲート２４０１は、レーザ光源２から発射されるパルスレーザのパルス発振に同期したenable信号を受けて、一単位２３２２のＡＰＤ画素から出力された検出信号をレーザ光源２から発射されるパルスレーザのパルス発振に同期させて垂直転送用ＣＣＤ２４０２に入力する。垂直転送用ＣＣＤ２４０２に入力した検出信号は、パルスレーザの数パルス分の時間蓄積されてから所定のラインレートで水平転送用ＣＣＤ２４０３に転送される。水平転送用ＣＣＤ２４０３に転送された検出信号はシリアルに電荷電圧変換素子２４０４に転送され、電荷電圧変換素子２４０４で電圧信号に変換されてシリアルに出力される。
【００９４】
センサアレイ２２４２をこのように構成することにより、センサアレイ２２４２の電荷電圧変換素子２４０４から出力される信号を、１次元のイメージセンサ(ＣＣＤセンサ)からの出力信号を画像信号として扱う場合と同様に処理することができる。
【００９５】
トランスファーゲート２４０１により、レーザ光源２から発射されるパルスレーザのパルス発振に同期したenable信号を受けて一単位２３２２のＡＰＤ画素から出力された検出信号をパルスレーザのパルス発振に同期させて垂直転送用ＣＣＤ２４０２に入力して数パルス分の信号を蓄積する構成としたことにより、アフターパルスや暗電流によるノイズを低減することができる。これにより、微細な欠陥からの微弱な散乱光を検出したときの微小な検出信号がノイズに埋もれてしまうのを防止でき、欠陥の検出感度を向上させることができる。
【００９６】
センサアレイ２２４２をこのように構成したことにより、水平転送用ＣＣＤ２４０３以降の回路素子は１００ＭＨｚ近い高周波帯域での動作特性を有するようなものでなくて済み、Ｓ２方向に並ぶＡＰＤ画素の単位２３２２の数を増やして多段に並列化して処理することが可能になる。これにより、ＡＰＤ画素の単位２３２２の段数の多いセンサアレイ２２４２を用い、照明光２０が照射する試料上のＳ２方向の寸法を長くすることで、比較的大きな領域を一括して検査できるようになる。
【００９７】
図２６には、図１９に示したアレイセンサ２２４の変形例３として、ＡＰＤ画素の単位２３２３に含まれるＡＰＤ画素の数を更に増やしたアレイセンサ２２４３の例を示す。
【００９８】
図２６に示したアレイセンサ２２４３では、電極パッド２４２と２４３とが、それぞれ図２４Ａに示したアレイセンサ２２４１の電極パッド２３６及び２３７を上又は下の電極パッドと連結させた構成になっている。このように構成したアレイセンサ２２４３を、Ｓ２の方向に複数の画素が並んだ１次元のイメージセンサとしてみたときに、１次元のイメージセンサの１画素分に相当する電極パッド２３６及び２３７に接続するＡＰＤ画素の数を増やしたことにより、１次元のイメージセンサとしての解像度は低下するが、電極パッド２３６及び２３７から出力される１画素分に相当する信号のダイナミックレンジを、更に拡大することができる。
【００９９】
これにより、ナノメータオーダのより微細な欠陥から数ミクロン程度の比較的大きな欠陥に至るまで、比較的広い範囲に渡るサイズの欠陥を検出することができる。
【０１００】
図２７Ａは、図１３乃至図１５とは異なる構成の検出部１０２の配置を模式的に示す図である。図２７Ａに示した構成は、試料１に対して矢印２７００で示す斜め方向から図１に示した照明部１０１により試料１上の線状の領域２７０５を照明し、この線状の領域２７０５の長手方向に対して直角な方向（試料１上の線状の領域２７０５を見込む天球面の子午線２７１０上の位置）に複数の検出部１０２を配置した構成を示す。複数の検出部１０２は、それぞれ図１６に示したような光学系に検出系２０４として図１８乃至図２６の何れかに示した構成のものを用いて構成されている。図２７Ａにおいて、レンズ２０１１乃至２０１４は、図１６に示した検出部１０２の対物レンズ２０１に相当する。以下の説明においては、簡素化するために、図１６の検出系２０４については図１８に示した構成を用い、図１８のアレイセンサ２２４については図１９に示した構成のアレイセンサ２２４を用いた場合について説明するが、図２２Ａ乃至図２６に示したような構成についても同様に適用できる。
【０１０１】
試料１上の線状の照明領域２７０５に対して複数の検出部１０２を、それぞれの対物レンズ２０１１乃至２０１４を図２７Ａに示したような方向に配置することにより、試料１上の線状の照明領域２７０５に欠陥が存在する場合に、各検出部１０２でその欠陥からの散乱光による光学像をアレイセンサ２２４のＡＰＤ画素上に結像させることができるので、図１８で説明したような、Ｓ１方向には比較的長く、Ｓ２の方向には結像された散乱光を検出することができる。
【０１０２】
試料１上の線状の照明領域２７０５に欠陥が存在する場合にその欠陥からの散乱光による光学像をこのように配置された各検出部１０２のアレイセンサ２２４で検出したときに、各検出部１０２のアレイセンサ２２４からはそれぞれ、図２８Ａに示すような信号が出力される。図２８Ａで、波形２８０１は、図１９に示したアレイセンサ２２４のＡＰＤ画素列２３２に接続する配線２３４と繋がっているパッド部２３５から出力される信号の波形を表わしている。波形２８１１は、図１９のパッド部２３５nから出力される信号の波形を表わしている。
【０１０３】
アレイセンサ２２４上でＳ２方向に結像された散乱光を検出しているので、図２８Ａで２８０１の左側、及び２８１１の右側の領域では散乱光が検出されない。
【０１０４】
図２７Ｂに示した構成は、図２７Ａに示した構成に、試料１上の線状の照明領域２７０５に矢印２７００の方向から照明光を照射したときの照明領域２７０５からの前方散乱光をレンズ２７０６で集光して検出するための検出部を追加したものである。試料１がシリコン（Ｓｉ）で形成されている場合には、一般的に前方散乱光に欠陥の情報が多く含まれる。レンズ２０１１乃至２０１４は図２７Ａで説明したものと同じで、検出部１０２の対物レンズ２０１に相当する。
【０１０５】
前方散乱光を集光するレンズ２７０６の前には、矢印２７００の方向から照射された照明光による試料１上の線状の照明領域２７０５からの正反射光を遮光するためのミラー２７０７が配置されており、レンズ２７０６には試料１上の線状の照明領域２７０５からの正反射光が入射しないように構成されている。ミラー２７０７は、反射した正反射光がレンズ２０１１乃至２０１４の何れにも入射しない方向に進むように角度が設定されている。ミラー２７０７の代わりに、遮光パターンを配置してもよい。
【０１０６】
図２７Ｂに示すように配置した各検出部１０２で検出した信号のうち、レンズ２０１１乃至２０１４を介して検出したときのアレイセンサ２２４から出力される信号波形は図２７Ａの場合と同じく図２８Ａに示すような信号波形となる。一方、レンズ２７０６を介して前方散乱光を検出した検出部１０２のアレイセンサ２２４から出力される信号波形は、試料１上の線状の照明領域２７０５の長手方向がレンズ２７０６に対して距離が異なるために、アレイセンサ２２４上でＳ２方向に結像させることができずＳ２方向にも広がってしまい、アレイセンサ２２４からは、ブロードな信号が出力される。
【０１０７】
図２８Ｂには、図２７Ｂに示した構成で、例えばレンズ２７０２を介してアレイセンサ２２４で検出した信号とレンズ２７０６を介してアレイセンサ２２４で検出した信号を重ね合わせた信号の例を示す。レンズ２７０２を介して検出した信号２８０１〜２８１１は、図２８Ａに示したのと同じ信号波形であるのに対して、レンズ２７０６を介して検出した信号は、Ｓ２方向に結像されていないためにＳ２方向に広がりを持ち、破線２８１２で示したようなブロードな信号となる。
【０１０８】
図２９Ａには、図１２に示したように試料を回転させながら半径方向に移動させて照明光を試料１上でらせん状に照射したとき、３回転したときの同じ回転角度位置での出力信号波形の例を示している。１回転ごとに、半径方向の送りピッチ分だけ半径方向（Ｒ方向）にずれた位置からの散乱光が検出されている。この例においては、基板１回転ごとの半径方向の送りピッチは、照明領域２７０５(図１１の２０)のＳ２方向の長さよりも短くして試料１上の同じ個所が複数回検出されるようにしている。更に、試料１の表面をアレイセンサ２２４に投影したときのＡＰＤ画素２３１のＳ２方向のＡＰＤ画素行のピッチの整数倍に対してずれた量に設定している。
【０１０９】
このように、試料１回転ごとの照明領域２７０５の送りピッチをＡＰＤ画素２３１のＳ２方向のピッチの整数倍に対してずれた量に設定することにより、例えば図１９において最初の回転時には欠陥からの散乱光像がアレイセンサ２２４のＡＰＤ画素行２３２とＳ２方向に隣接するＡＰＤ画素行との間に結像されて、何れの画素行でも検出されなかった場合であっても、試料１が１回転すると、照明領域２７０５の送りピッチがアレイセンサ２２４上でＳ２方向のＡＰＤ画素行の整数倍でないために、欠陥からの散乱光像は、何れかのＡＰＤ画素行の上に結像される。この逆のケースもありうるが、何れの場合であっても、欠陥見逃しの可能性を低減することができる。
【０１１０】
また、照明光を試料１上でらせん状に照射して試料１上の同じ個所を複数回検出することは、試料１上の同じ個所がアレイセンサ２２４上の異なるＡＰＤ画素行で検出されることになり、ＡＰＤ画素行間の検出感度のばらつきを平均化できるという効果もある。
【０１１１】
一般的に、試料上の欠陥からの散乱光はガウス分布をしているという知見に基づいて、この平均化された波形からピーク位置(欠陥の中心位置)を求めることができ、画素の整数倍ピッチ送りをする場合に比べて、より高い精度でピーク位置を検出することができる。
【０１１２】
図２９Ｂは、試料１上を回転させてらせん状に照明したときに、図２７Ｂの構成における例えばレンズ２０１２を介してアレイセンサ２２４で検出した信号とレンズ２７０６を介してアレイセンサ２２４で検出した信号を重ねて表示した二つの信号波形の図である。
【０１１３】
この場合も、図２９Ａと同様な送りピッチに設定することで、図２９Ａで説明したのと同様に、平均化された波形からピーク位置(欠陥の中心位置)をより高い精度で検出することができる。
【０１１４】
また、欠陥の散乱特性として前方散乱光が強く情報及び速報への散乱光が弱いような欠陥の場合、レンズ２７０６を介してアレイセンサ２２４で前方散乱光を検出した信号を用いることにより、図２９Ａに示したような前方散乱光の検出信号を用いない場合に比べて欠陥を見逃す可能性を低減することができる。即ち、図２７Ｂに示したような前方散乱光を検出する光学系を設けたことにとり、より多様な欠陥の検出に対応することが可能になる。
【実施例２】
【０１１５】
次に、図３０に、実施例１で説明した検出部１０２を、図１に示した照明部１０１とは異なる照明部を用いた検査装置に適用した例を示す。
【０１１６】
図３０には、照明部３１００、検出部３２００及びレンズ３２１０と３２２０を備えた検査装置が記載されているが、レンズ３２１０と３２２０の後段にも、検出部３２００と同様な構成の光学系を備えている。また、図１に示したものと類似した信号処理部３５００、制御部３６００、入力部３７００および表示部３８００を備えている。図３０において、検出部３２００を、図２３Ｂに示した複数画素センサを備えた検出系２０４の変形例２の構成を採用した例で説明する。ただし、本実施例においては、検出部３２００及びレンズ３２１０と３２２０の後段に備えた複数画素センサを備えた検出系２０４の構成は、図２３Ｂで説明した構成に限られるものではなく、図１８、図２３Ａ及び図２３Ｄで説明した構成を採用してもよい。
【０１１７】
図３０に示した構成において、３１０１は照明光源で、実施例１の場合と同様に、短波長(波長３５５ｎｍ以下)の紫外または真空紫外のレーザビームを発振する。３１０２は偏光板で、照明光源３１０１から発信されたレーザビームに所望の偏光特性を付与する。３１０３は偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ：ＰＢＳ）で、偏光板３１０２で所望の偏光特性が付与されたレーザビームを選択的に透過する。３１０４は複屈折プリズムで、ＰＢＳ３１０３を透過したレーザビームを二光束に分岐して二本のビームとして出射する。複屈折プリズム３１０４で二本に分岐されたレーザビームは、１/２波長板３１０５で偏光の振動方向が回転され、１/４波長板３１０６で円偏光になり、対物レンズ３１０７を透過して試料１の表面のわずかに離れた領域３００１と３００２とを同時に照射する。
【０１１８】
二本に分岐されたレーザビームが照射された試料１の表面のわずかに離れた領域３００１と３００２とから上方に反射・散乱した光のうち対物レンズ３１０７に入射した光は、１/４波長板３１０６を透過して直線偏光となり、１/２波長板３１０５を透過した後、複屈折プリズム（ノルマルスキープリズム）３１０６に入射し合成されて一光束となる。この一つに合成された光束はＰＢＳ３１０３に入射し、試料１から反射・散乱した光のうちの特定の偏光成分の光(例えば、Ｐ偏光成分)はＰＢＳ３１０３により検出部３２００の方向に反射される。
【０１１９】
検出部３２００の方向に反射された光は、結像レンズ３２０１に入射し、対物レンズ３１０７と結像レンズ３２０１とに対して試料１の表面と共役な面３２０２(図２３Ｂの試料共役面２０５に相当)に配置された遮光スリット３２０３を通過する。遮光スリット３２０３を通過した光は、図２３Ｂに示した光学系と同じように構成された集光レンズ３２０４、シリンドリカルのフライアイレンズ３２０５、一軸方向に集光する一軸結像系３２０６によりアレイセンサ３２０７上にＳ２方向に結像され、Ｓ１方向には幅を持つ光として投影される。アレイセンサ３２０７は、図２３Ｂで説明したアレイセンサ２２４と同じである。
【０１２０】
ここで、試料１の表面の照明光が照射された領域３００１と領域３００２との間にわずかな段差があった場合、領域３００１に入射して反射した光と領域３００２に入射して反射した光との間には光路長に差が生じる。このように光路長に差をもった光が複屈折プリズム３１０６により合成されると干渉が生じる。この干渉した光による試料１からの反射光像が試料１の表面と共役な面３２０２に結像され、アレイセンサ３２０７上にＳ２方向に結像され、Ｓ１方向には幅を持つ光として投影される。
【０１２１】
このアレイセンサ３２０７上に投影された試料１の微分干渉光の像を検出した信号を処理することにより、試料１上の微小な段差を検出することができる。
【０１２２】
一方、対物レンズ３１０７を介して照明された領域３００１と領域３００２とから対物レンズ３２１０の方向に散乱した光は、対物レンズ３２１０で集光され、対物レンズ３２１０の後段に配置された図１６に示した検出部１０２と同じ構成の検出光学系３２１１で検出される。検出光学系３２１１の構成は、図１６及び図２３Ｂに示したしたものと同じなので、説明を省略する。
【０１２３】
同様に、対物レンズ３１０７を介して照明された領域３００１と領域３００２とから対物レンズ３２２０の方向に散乱した光は、対物レンズ３２２０で集光されたのち、対物レンズ３２２０の後段に配置された図１６に示した検出部１０２と同じ構成の検出光学系３２２１で検出される。検出光学系３２２１の構成は、図１６及び図２３Ｂに示したしたものと同じなので、説明を省略する。
【０１２４】
信号処理部３５００では、検出部３２００のアレイセンサ３２０７から出力された信号を受けて処理して試料１上の微細な段差を検出する。また、対物レンズ３２１０を介して検出光学系３２１１で検出された散乱の検出信号と対物レンズ３２２０を介して検出光学系３２２１で検出された散乱の検出信号は、それぞれ信号処理部３５００に入力して処理され、試料１上の欠陥が検出される。
【０１２５】
表示部３８００には、信号処理部３５００で検出した試料１の微小な段差と欠陥の情報がウェハ上の位置情報と共に表示される。
【０１２６】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
２…レーザ光源    ５…ビームエキスパンダ    ６…偏光制御部    ７…照明強度分布制御部    ２４…照明強度分布モニタ    ５３…制御部    ５４…表示部    ５５…入力部    １０１…照明部    １０２…検出部    １０３…ステージ部    １０５…信号処理部    ２０１…対物レンズ    ２０２…偏光フィルタ    ２０３…結像レンズ    ２０４…複数画素センサを備えた検出系    ２２４，２２４１，２２４２，２２４３…アレイセンサ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２３Ｄ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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