(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に繰り返されるパターンが形成された表面を有する被検物体に検査用照明光を照射する照明光学系と、
前記被検物体からの反射光、回折光もしくは散乱光を集光する集光光学系と、
多数の画素をマトリクス状に配設して構成された受像面を有し、前記集光光学系により集光された前記反射光、回折光もしくは散乱光を前記受像面に受けて前記被検物体の像を検出するイメージデバイスと、
前記受像面と前記被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整可能な回転位置調整部を有して構成され、
前記イメージデバイスにより検出された前記被検物体の像から前記被検物体の表面の欠陥の有無を検査する表面検査装置において、
Ｐｃを前記イメージデバイスの前記受像面の画素の配列周期、ＰＩを前記被検物体の像の繰り返しパターンの周期、Ｍを前記受像面の画素領域を構成する画素数、ｍを（ＰＩ／Ｐｃ）に最も近い整数としたとき、前記像のパターンの繰り返し方向に対する前記イメージデバイスの前記受像面の画素の配列方向の相対回転角φが、次式
0004671078.tif 000004
の条件を満たすように、前記受像面と前記被検物体の像との像面内における回転位置関係が前記回転位置調整部で設定されていることを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記回転位置調整部が、前記イメージデバイスを前記受像面に垂直に延びる軸を中心として回転させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記受像面と前記受像面に形成される像とを相対回転させるため前記被検物体を回転させる被検物体回転機構を有することを特徴とする請求項１もしくは２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記受像面と前記被検物体の像との相対位置は、前記被検物体の表面検査に先立って予め調整されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハや液晶表示素子パネルなどの表面検査を行うための装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハや液晶表示素子パネルは、表面に多数の回路素子パターンをマトリクス状（格子状に）配列形成して構成されている。各回路素子パターンは極く細い配線等を有しており、半導体ウエハ等に表面欠陥が存在すると回路素子パターンからなるチップもしくはパネルの性能を損なうことになるので、表面欠陥の検査は非常に重要である。
【０００３】
半導体ウエハ等の表面欠陥の検査を行うための装置は従来から知られており、このような表面検査装置は、被検物体（半導体ウエハ等）の表面に所定の検査光（反射光、回折光または散乱光を発生させるのに適した光）を照射し、この表面からの反射光、回折光または散乱光を集光光学系を介して集光し、この集光した光をイメージデバイス（撮像素子）に照射させてその受像面に被検物体の像を形成し、この像をイメージデバイスにより光電変換して画像信号となし、得られた画像信号を画像処理することによって、被検物体の表面におけるパターンの欠陥、膜厚むら、きずの有無や、被検物体表面への異物の付着等を検査する構成となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように半導体ウエハ等は表面に多数の回路素子パターンをマトリクス状（格子状に）配列形成して構成されている。一方、イメージデバイスとしては、ＣＣＤ撮像素子、撮像管等があるが、多数の画素をマトリクス状に配列してなる受像面を有する。このため、マトリクス状に配列形成された多数の回路素子パターンを有する半導体ウエハの表面の像をイメージデバイスの受像面に形成させてこの像を観察検査するときに、受像面に形成される半導体ウエハの回路素子パターンの配列周期とイメージデバイスの画素の配列周期とがほぼ等しいとき（わずかにずれるとき）、両周期のわずかなずれを原因として本来の像では存在しない大きな周期のパターン縞、いわゆるモアレ縞を発生する場合がある。このようなモアレ縞が発生すると、このモアレ縞と実際の欠陥とが区別できなくなり、正確な表面検査ができなくなるという問題がある。
【０００５】
なお、このモアレ縞の周期は回路素子パターン像の配列周期とイメージデバイス画素の配列周期との差に等しく、そのコントラストは光学像のコントラストに等しく、回路素子パターン像と画素の位置ずれに対して非常に敏感に明暗の位置（位相）が変化するため、画像処理などによって除去することが非常に困難である。
【０００６】
なお、このようなモアレ縞の発生を防止するには、例えば、▲つる▼田匡夫著「第３光の鉛筆」（新技術コミュニケーションズ社発行）第３１章に紹介されているように、水晶の複屈折を利用したアンチエイリアジングフィルターを用いてイメージデバイスの画素の配列周期近傍の光学像の空間周波数成分を除去する方法や、集光光学系の分解能を低下させることにより、点像が画素よりも遙かに大きくする方法などが一般的に知られている。ところがこのような方法を用いると、光学系の空間周波数の伝播性能をかなり損なうことになり、画素の配列周期近傍の大きさを持つ欠陥の像が検出されなくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記のような問題に鑑みたもので、光学系の空間周波数伝播性能を損なうことがなく、モアレ縞を除去して高感度な表面検査を行うことができるような構成の表面検査装置および方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的達成のため、本発明においては、周期的に繰り返されるパターンが形成された表面を有する被検物体に検査用照明光を照射する照明光学系と、被検物体からの反射光、回折光もしくは散乱光を集光する集光光学系と、多数の画素をマトリクス状に配設して構成された受像面を有し、集光光学系により集光された反射光、回折光もしくは散乱光をこの受像面に受けて被検物体の像を検出するイメージデバイスと、受像面と被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整可能な回転位置調整部を有して表面検査装置が構成される。この検査装置においては、Ｐｃをイメージデバイスの受像面の画素の配列周期、ＰＩを被検物体の像の繰り返しパターンの周期、Ｍを受像面の画素領域を構成する画素数、ｍを（ＰＩ／Ｐｃ）に最も近い整数としたとき、前記像のパターンの繰り返し方向に対するイメージデバイスの受像面の画素の配列方向の相対回転角φが、次式
0004671078.tif 000002
の条件を満たすように、前記受像面と前記被検物体の像との像面内における回転位置関係が回転位置調整部で設定されている。
【０００９】
このような構成の本発明の表面検査装置を用いれば、被検物体の像におけるパターン繰り返し周期とイメージデバイスにおける画素の配列周期とが近接してイメージデバイスにより検出された被検物体の像にモアレが生じるようなときに、回転位置調整部によりイメージデバイスの受像面とこの受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整すれば、パターン繰り返し周期と画素の配列周期とを一致させるなどしてモアレを消去でき、被検物体の表面の検査を正確に行うことができる。
【００１０】
なお、上記回転位置調整部により、イメージデバイスをその受像面に垂直に延びる軸を中心として回転させるように構成するのが好ましい。このようにすれば、回転位置調整部を非常にシンプルな構成とすることができる。なお、上記受像面と受像面に形成される像とを相対回転させるため被検物体を回転させる被検物体回転機構を有するような構成にしてもよく、更に、受像面と被検物体の像との相対位置は、被検物体の表面検査に先立って予め調整されていることが好ましい。
【００１１】
このような構成において、イメージデバイスにより検出された被検物体の像からモアレの発生を検出するモアレ検出器を設け、モアレ検出器によりモアレの発生が検出されたときに回転位置調整装置により回転位置関係を調整してモアレを消去するように構成するのが好ましい。これによりモアレの発生をより確実に検出でき、自動的にモアレを消去するなどして常に正確な表面検査を行う装置を得ることができる。
【００１２】
なお、このようなモアレ検出器としては、イメージデバイスにより検出された被検物体の像におけるパターン繰り返し周期と、被検物体の表面の像をイメージデバイスに形成したと仮定して求められるパターン繰り返し周期とを比較し、イメージデバイスにより検出された被検物体の像におけるパターン繰り返し周期が被検物体の表面の像をイメージデバイスに形成したと仮定して求められるパターン繰り返し周期より大きいときにモアレが発生していると判断するように構成することができる。また、回転位置調整装置によりイメージデバイスの受像面に対して受像面に形成された被検物体の像を像面内において相対回転させたときに、被検物体の像が変化する場合にモアレが発生していると判断するように構成しても良い。いずれのモアレ検出器もモアレ発生の有無を正確にまた自動的に検出することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る表面検査方法においては、周期的に繰り返すパターンが形成された表面を有する被検物体に検査用照明光を照射し、被検物体からの反射光、回折光もしくは散乱光を集光光学系により集光し、このようにして集光した反射光、回折光もしくは散乱光を、多数の画素をマトリクス状に配設して構成されたイメージデバイスの受像面に照射させて被検物体の像をイメージデバイスにより検出し、イメージデバイスにより検出された被検物体の像から被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。そして、被検物体の像におけるパターン繰り返し周期とイメージデバイスにおける画素の配列周期とが近接してイメージデバイスにより検出された被検物体の像にモアレが生じるときに、イメージデバイスの受像面とこの受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整してモアレを消去した後に、被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。
【００１４】
このように、本発明に係る表面検査方法を用いれば、被検物体の像におけるパターン繰り返し周期とイメージデバイスにおける画素の配列周期とが近接してイメージデバイスにより検出された被検物体の像にモアレが生じるようなときに、イメージデバイスの受像面とこの受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整してモアレを消去した後、被検物体の表面の検査を正確に行うことができる。
【００１５】
本発明に係る第２の表面検査装置は、周期的に繰り返すパターンが形成された表面を有する被検物体に検査用照明光を照射する照明光学系と、被検物体からの反射光、回折光もしくは散乱光を集光する集光光学系と、多数の画素をマトリクス状に配設して構成された受像面を有し、集光光学系により集光された反射光、回折光もしくは散乱光を受像面に受けて被検物体の像を検出するイメージデバイスとを有して構成され、イメージデバイスにより検出された被検物体の像から被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。この表面検査装置においては、集光光学系に、イメージデバイスの受像面に形成される被検物体の像の大きさを可変調整可能なズーム光学装置を有する。
【００１６】
このような構成の第２の表面検査装置を用いれば、イメージデバイスにより検出された被検物体の像にモアレが生じるようなときに、ズーム光学装置によりイメージデバイスの受像面に形成される被検物体の像の大きさを可変調整すれば、パターン繰り返し周期と画素の配列周期とを一致させるなどしてモアレを消去でき、被検物体の表面の検査を正確に行うことができる。
【００１７】
なお、イメージデバイスにより検出された被検物体の像からモアレの発生を検出するモアレ検出器を設け、モアレ検出器によりモアレの発生が検出されたときにズーム光学装置によりイメージデバイスの受像面に形成される被検物体の像の大きさを可変調整するように構成するのが好ましい。これによりモアレの発生をより確実に検出でき、自動的にモアレを消去するなどして常に正確な表面検査を行う装置を得ることができる。
【００１８】
本発明に係る第２の表面検査方法においては、周期的に繰り返すパターンが形成された表面を有する被検物体に検査用照明光を照射し、被検物体からの反射光、回折光もしくは散乱光を集光光学系により集光し、このようにして集光した反射光、回折光もしくは散乱光を、多数の画素をマトリクス状に配設して構成されたイメージデバイスの受像面に照射させて被検物体の像をイメージデバイスにより検出し、イメージデバイスにより検出された被検物体の像から被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。このときに、被検物体の像におけるパターン繰り返し周期とイメージデバイスにおける画素の配列周期とが近接してイメージデバイスにより検出された被検物体の像にモアレが生じるときに、集光光学系を構成するズーム光学装置によりイメージデバイスの受像面に形成される被検物体の像の大きさを可変調整してモアレを消去した後に、被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。
【００１９】
このように、本発明に係る第２の表面検査方法を用いれば、イメージデバイスにより検出された被検物体の像にモアレが生じるようなときに、集光光学系を構成するズーム光学装置によりイメージデバイスの受像面に形成される被検物体の像の大きさを可変調整してモアレを消去した後、被検物体の表面の検査を正確に行うことができる。
【００２０】
本発明に係る第３の表面検査装置は、周期的に繰り返されるパターンが形成された表面を有する被検物体に検査用照明光を照射する照明光学系と、被検物体からの反射光、回折光もしくは散乱光を集光する集光光学系と、多数の画素をマトリクス状に配設して構成された受像面を有し、集光光学系により集光された反射光、回折光もしくは散乱光を受像面に受けて被検物体の像を検出するイメージデバイスとを有して構成され、イメージデバイスにより検出された被検物体の像から被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。この装置は、イメージデバイスの受像面と受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整可能な回転位置調整装置を有し、被検物体におけるパターンの方向と、イメージデバイスの受像面における画素の配列方向に関するデータに基づいて、受像面に形成される被検物体の像におけるパターンの方向が受像面における画素の配列方向に対してモアレが発生しない方向となるように、回転位置調整装置により回転位置関係を設定するようになっている。
【００２１】
このような構成の表面検査装置を用いれば、被検物体におけるパターンの方向と、イメージデバイスの受像面における画素の配列方向を予め検出しておき、モアレが発生しないような回転位置関係となるように調整した後、被検物体の表面検査が行われる。このため、モアレを発生させることなく検査が可能である。
【００２２】
本発明に係る第３の表面検査方法においては、周期的に繰り返されるパターンが形成された表面を有する被検物体に検査用照明光を照射し、被検物体からの反射光、回折光もしくは散乱光を集光光学系により集光し、このようにして集光した反射光、回折光もしくは散乱光を、多数の画素をマトリクス状に配設して構成されたイメージデバイスの受像面に照射させて被検物体の像をイメージデバイスにより検出し、イメージデバイスにより検出された被検物体の像から被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。このときに、被検物体におけるパターンの方向と、イメージデバイスの受像面における画素の配列方向に関するデータに基づいて、受像面に形成される被検物体の像におけるパターンの方向が受像面における画素の配列方向に対してモアレが発生しない方向となるように、イメージデバイスの受像面と受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を設定してから、被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。このため、モアレを発生させることなく検査が可能である。
【００２３】
本発明に係る第４の表面検査装置は、周期的に繰り返されるパターンが形成された表面を有する被検物体に検査用照明光を照射する照明光学系と、被検物体からの反射光、回折光もしくは散乱光を集光する集光光学系と、多数の画素をマトリクス状に配設して構成された受像面を有し、集光光学系により集光された反射光、回折光もしくは散乱光を受像面に受けて被検物体の像を検出するイメージデバイスとを有して構成され、イメージデバイスにより検出された被検物体の像から被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。この装置は、被検物体におけるパターンの方向と、イメージデバイスの受像面における画素の配列方向とに関するデータに基づいて、受像面に形成される被検物体の像におけるパターンの方向が受像面における画素の配列方向に対してモアレが発生しない方向となるように、イメージデバイスの受像面とこの受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係が固定的に設定されている。
【００２４】
このような構成の表面検査装置を用いれば、被検物体におけるパターンの方向が常に一定であるような場合に、このパターンの方向とイメージデバイスの受像面における画素の配列方向を予め検出し、モアレが発生しないような回転位置関係となる位置で被検物体およびイメージデバイスを固定保持し、この状態で被検物体の表面検査が行われる。このため、この装置によっても、モアレを発生させることなく検査が可能である。
【００２５】
本発明に係る第４の表面検査方法においては、周期的に繰り返されるパターンが形成された表面を有する被検物体に検査用照明光を照射し、被検物体からの反射光、回折光もしくは散乱光を集光光学系により集光し、このようにして集光した反射光、回折光もしくは散乱光を、多数の画素をマトリクス状に配設して構成されたイメージデバイスの受像面に照射させて被検物体の像をイメージデバイスにより検出し、イメージデバイスにより検出された被検物体の像から被検物体の表面の欠陥の有無を検査する。このときに、被検物体におけるパターンの方向とイメージデバイスの受像面における画素の配列方向とに関するデータに基づいて、受像面に形成される被検物体の像におけるパターンの方向が受像面における画素の配列方向に対してモアレが発生しない方向となるような、イメージデバイスの受像面とこの受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を求め、イメージデバイスの受像面とこの受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係をこのようにモアレが発生しない方向で固定した状態で、被検物体の表面の欠陥の有無を検査するため、モアレを発生させることなく検査が可能である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
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。図１に本発明に係る表面検査装置の一例を示しており、この装置により半導体ウエハ１の表面欠陥を検査する。この装置は、ウエハ１を載置保持するホルダ５を有し、不図示の搬送装置によって搬送されてくるウエハ１を、ホルダ５の上に載置させるとともに真空吸着によって固定保持する。ホルダ５は、このように固定保持したウエハ１の表面に垂直な軸Ax1を中心として回転（ウエハの表面内での回転）可能で、且つ、ウエハ１の表面を通る軸Ax2を中心としてチルト（傾動）可能に構成されている。
【００２７】
この表面検査装置はさらに、ホルダ５に固定保持されたウエハ１の表面に検査用照明光を照射する照明光学系１０と、検査用照明光の照射を受けたときのウエハ１からの反射光、回折光等を集光する集光光学系２０と、集光光学系２０により集光された光を受けてウエハ１の表面の像を検出するＣＣＤカメラ３０等を有する。
【００２８】
照明光学系１０は、メタルハライドランプなどの放電光源１１と、この放電光源１１からの照明光束を集光するコレクタレンズ１２と、コレクタレンズ１２により集光された照明光束を透過させて波長選択を行う波長選択フィルタ１３と、調光を行うニュートラルデンシティフィルタ１４とを備える。さらに、これらフィルタ１３，１４を透過した照明光束を集束させるインプットレンズ１５を有し、インプットレンズ１５により集束された照明光がファイバ１６の基端１６ａに導入される。
【００２９】
ここで、波長選択フィルタ１３は、例えば、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）など特定の波長の光だけを透過させる干渉フィルタや、特定の波長帯域の光を透過させるバンドパスフィルタや、所定の波長より長い波長の光だけを透過させるシャープカットフィルタなどを必要に応じて選択して用いることができるように、いくつかの種類のフィルタを切替駆動機構１３ａを有した円盤（ターレット）１３ｂに設けて切換使用が可能となっている。ニュートラルデンシティフィルタ１４は、回転角に応じて透過光量が順次変化する円盤状のフィルタからなり、回転駆動機構１４ａにより回転制御されて透過光量を制御できるように構成されている。
【００３０】
照明光学系１０はさらに、ファイバ１６の先端１６ｂから出射される発散光束を受ける照明系凹面鏡１７を有しており、この照明系凹面鏡１７からほぼその焦点距離だけ離れた位置にファイバ１６の先端１６ｂが配設されている。このため、ファイバ１６の基端１６ａに導入されてファイバ１６の先端１６ｂから照明系凹面鏡１７に発散照射された照明光は、照明系凹面鏡１７によって平行光束となってホルダ５に保持されたウエハ１の表面に照射される。このときウエハ１の表面に照射される照明光束は、ウエハ１の表面に垂直な軸Ax1（鉛直軸）に対して角度θiを有して照射され、ウエハ１からの光が角度θrを有して出射される。これら入射角θiと出射角θrとの関係が、軸Ax2を中心としてホルダ５をチルト（傾動）させることにより調整可能である。なお、これら照射光の角度θiおよび出射光の角度θrは、出射光として反射光を用いるか、回折光を用いるか、散乱光を用いるかによって異なるが、ここでは、ｎ次（但し、ｎは整数）の回折光を用いて表面検査を行う場合について説明する。
【００３１】
ウエハ１の表面からの出射光は集光光学系２０により集光される。この集光光学系２０は、鉛直軸Ax1に対して角度θrを有した方向に対向して配設された集光系凹面鏡２１と、この集光系凹面鏡２１の集光位置に配設された絞り２２と、この絞り２２の後側に配設された結像レンズ２３とから構成される。この結像レンズ２３の後側にＣＣＤカメラ３０が配設されており、集光系凹面鏡２１により集光されるとともに絞り２２によって絞られた射出光（ｎ次の回折光）から、レンズ２３によって結像されたウエハ１の表面の像がＣＣＤカメラ３０のＣＣＤ撮像素子（イメージデバイス）３１に形成される。
【００３２】
ＣＣＤ撮像素子３１においては、その受像面に形成されたウエハ表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像処理装置３５に送る。この画像処理装置３５は、後述するようにモアレ検出器なども含む装置構成である。画像処理装置３５においては、この画像信号からウエハ１の表面の欠陥（膜厚むら、パターン形状の異常、きず等）の検査を行う。なお、ＣＣＤカメラ３０は、ＣＣＤ撮像素子３１の受像面に垂直に延びる軸を中心として回転可能なように、すなわち、ＣＣＤ撮像素子３１の受像面がその面内に位置したまま回転可能なようになっており、この回転を行わせる回転駆動装置３２が設けられている。
【００３３】
本検査装置には、切替駆動機構１３ａによる波長選択フィルタ１３の切替作動制御、回転駆動機構１４ａによるニュートラルデンシティフィルタ１４の回転制御、鉛直軸Ax1を中心としたホルダ５の回転制御、チルト中心軸Ax2を中心としたホルダ５のチルト制御、回転駆動装置３２によるＣＣＤカメラ３０の回転制御を行う制御装置（これらは画像処理装置３５と一体の装置として構成される）が設けられている。
【００３４】
ここで、被検物体であるウエハ１の表面には回路パターンが周期的に繰り返して配列されて形成されており、ウエハ１の表面においてはこれら回路パターンを構成する線が周期的に繰り返して配列されている。このため、このように配設された回路パターンを構成する線の繰り返しピッチｐに対して、照明光の波長がλであるときに、ホルダ５をチルトさせてウエハ１の表面のチルト角Ｔを次式（１）が成立するように設定すれば、ウエハ１から出射されるｎ次の回折光が集光光学系２０を介してＣＣＤカメラ３０に集光されるようになる。このようにして、ｎ次の回折光からＣＣＤ撮像素子３１により得られたウエハ１の表面の像から表面欠陥の有無の検査を行うことができる。
【００３５】
【数１】
sin(θi − Ｔ) − sin(θr ＋ Ｔ) ＝ n・λ／ｐ    ・・・（１）
【００３６】
上述した構成から分かるように、この表面検査装置においては、ウエハ１の像をＣＣＤ撮像素子３１において一括して取り込んで画像信号を得るために、ウエハ１の表面の像が集光光学系２０においてＣＣＤ撮像素子３１の受像面に縮小投影される。ＣＣＤ撮像素子３１の受光素子（画素）の大きさは、約７μｍ〜約１３μｍ程度の大きさであるので、これを集光光学系での縮小率を勘案してウエハ１の表面上での大きさに換算すると数百μｍ程度に相当する。つまり、ウエハ１のＣＣＤ撮像素子３１によって得られる検査画像は、ウエハ１上に換算して数百μｍ程度の大きさの画素で構成される。この場合にウエハ１にこの画素の大きさ（もしくはこの画素の整数倍の大きさ）程度の繰り返しパターンが存在すると、パターンの端部と画素との重なり合いによって画素に取り込まれる光量が変化して、光学的な像（像の光量）には本来存在しない周期の明暗パターン、すなわちモアレ縞が発生する。
【００３７】
この現象を図２に模式的に示しており、配列周期（ピッチ）がＰcからなるＣＣＤ撮像素子３１に、繰り返しパターン周期がＰIの像が形成されているときに、像と画素の重なり合いによるモアレ縞は、次式（２）で示されるような繰り返し周期ＰMで繰り返される。但し、式（２）におけるｍは、（ＰI／Ｐc）に最も近い整数、すなわち、次式（３）を満足する整数である。
【００３８】
【数２】
ＰM ＝ (ＰI・Ｐc) ／(｜ＰI − ｍ・Ｐc｜)      ・・・（２）
(ｍ − 1/2) ＜ (ＰI／Ｐc) ＜ (ｍ ＋ 1/2)        ・・・（３）
【００３９】
図２においては、ｍ＝６で、像の繰り返しパターン周期ＰIが画素の配列周期Ｐcの５．９倍となっている場合について示してある。このときモアレ縞の周期ＰMは、上記式（２）より求まり、画素の配設周期Ｐcの５９倍となる。これを説明する図が図３であり、ここでは横軸にＣＣＤ撮像素子３１における画素数（画素位置）を示し、縦軸に各画素の受光光量を示している。この図を見れば、モアレ縞が周期ＰMで発生していることが良く分かる。
【００４０】
モアレ縞はもともとの光学像の明暗パターンと同様のコントラストがあり、上記モアレ縞の周期の式（２）から分かるように、光学像の繰り返し周期よりも長い周期で変化するモアレ縞が発生する。このため、元々の画像による信号とモアレ縞との判別ができず、画像信号に変換した後に、低周波透過フィルタなどの電気的な処理や、画像処理によってモアレ縞を除去することは不可能である。
【００４１】
このようなことから、本発明の表面検査装置においては、回転駆動装置３２によりＣＣＤカメラ３０を回転させ、ＣＣＤ撮像素子３１の受像面における像に対して受像面をその面内で相対回転させるようにしている。これにより、図４に示すように、画素の配列方向と像のパターン繰り返し方向とをずらせる。図４には、角度φだけ相対回転させた場合を示しており、この相対回転によって、画素の配列方向の繰り返し周期は像のパターン繰り返し方向に対して（１／cosφ）倍の周期となり、モアレ縞の周期が変化する。このようにしてモアレ縞の周期をＣＣＤ撮像素子３１の画像領域より（もしくは検査画像を示す画面領域より）大きくなればモアレ縞は実質的に目立たなくなるため、上述したＣＣＤカメラ３０の相対回転角φは、次式（４）を満足するように設定される。なお、式（４）において、Ｍは画像領域を構成する（画素配列方向の）画素数を示す。
【００４２】
【数３】
0004671078.tif 000003
【００４３】
例えば、図４に示した例において画像領域を構成する画素数Ｍが６４０のとき、相対回転角φを9.98°〜10.95°の範囲で回転させることによりモアレ縞が画面上で目立たなくなる。このようにＣＣＤカメラ３０を10°だけ回転させたときでの画像信号を図５に示しており、この図から分かるようにモアレ縞が目立たなくなる。なお、この相対回転角φをさらに大きくしていくと、ＣＣＤ撮像素子３１の受像面に形成された像の繰り返し周期に含まれる画素数（上記整数ｍで表される画素数）が増えるので、新たなモアレ縞の発生しない領域がでてくる。これ例の場合には、ｍ＝７の場合での相対回転角φの範囲は、32.41°〜32.70°となる。さらに回転角を大きくしてさらに大きなｍの値についても設定できる。
【００４４】
なお、上記のようにしてＣＣＤ撮像素子３１を回転させると得られる像が回転するため、画像処理装置３５において、比較検査や特徴抽出などの欠陥検出のための画像処理を行ったり、検査有効領域を設定している場合にはこの回転に対応する補正が必要となる。このため、ＣＣＤカメラ３０の回転角をモニターし、この回転角に応じて画像の回転を補正して画像処理を行うのが望ましい。
【００４５】
上記のようにモアレ縞が発生したか否かの判断は、肉眼観察によれば比較的容易であり、モアレ縞が見えなくなるようにＣＣＤカメラ３０の回転を手動制御すれば良い。但し、これでは検査を行う者の負担が大きく、モアレ縞の発生を自動的に検出し、且つモアレ縞を見えなくするような回転角φを自動設定して回転駆動装置３２の作動を制御するのが好ましい。ところが、モアレ縞の発生は、被検物体であるウエハ１のスケーリング誤差や配列誤差等の影響を受けて大きく変化するので、モアレ縞を発生させない相対回転角φを決定することは難しいことが多い。
【００４６】
ここで、ウエハ１に形成されるパターンは、ステッパーやスキャナーなどの露光機によりレチクル上のパターンを何個も繰り返して露光させて形成し、この繰り返し周期（ショット周期）が最も大きな周期であり、ＣＣＤ撮像素子３１により得られた像においてこのショット周期より大きな周期のパターンはモアレ縞もしくは表面欠陥であると考えて良い。そこで、画像処理装置３５において、画像信号を周波数成分に分解して、上記ショット周期より大きな繰り返し周期を有する成分があるときにはモアレが発生していると判断する。すなわち、ＣＣＤ画像素子３１において実際に得られた像での繰り返しパターンの周期と、ウエハ１の表面におけるショット周期を集光系２０での縮小投影率を考慮して算出されるＣＣＤ画像素子３１の受像面における繰り返し周期とを比較し、実際の繰り返しパターン周期が算出されたショットパターン繰り返し周期より大きいときにはモアレが発生していると判断する。このことから分かるように画像処理装置３５内にモアレ検出器の構成が設けられている。
【００４７】
このようにしてモアレ発生が判断されると、回転駆動装置３２に駆動信号を送り、画像のモアレ成分がなくなるように、ＣＣＤカメラ３０を回転させる。そして、その回転量に応じて画像処理装置３５において画像の回転分の補正を行い、ウエハ１の表面欠陥の検査を行う。こののように、本例の表面検査装置では、ＣＣＤカメラ３０の回転のみによりモアレ縞を消去するので画像信号の解像力は全く低下することがなく、高感度の欠陥検査を行うことができる。
【００４８】
モアレ発生の判断を次のようにして行うこともできる。上述のようにモアレ縞はＣＣＤカメラ３０の回転に応じて大きく変化するが、表面欠陥は回転に応じた位置変化のみであるため、ＣＣＤカメラ３０を回転させながら画像の変化を検出し、画像変化があるパターンがモアレ縞であると判断する。そして、このように変化するパターンが見えなくなる回転位置での画像信号を用いて表面検査を行えば、モアレ縞の影響を受けることなく欠陥検査を行うことができる。
【００４９】
なお、上記の例においては、照明用凹面鏡１７および集光用凹面鏡２１を用いているが、これらに代えてレンズなどの屈折光学素子を用いても良い。また、上記例ではウエハ表面からのｎ次の回折光を集光して表面検査を行う例を示したが、ウエハ表面からの反射光を集光して表面検査を行う場合にも、同様に本発明を適用できる。また、ウエハ表面に対し80°〜89°程度の大きな入射角で照明し、表面からの散乱光を暗視野的に受光することにより、ウエハ表面に付着した異物や傷の検査を行う場合にも適用可能である。さらに、上記例では被検物体としてウエハを例にしているが、周期的に繰り返されるパターンを有する被検物体の表面検査全てに対して本発明を適用できる。
【００５０】
上記の例においては、ＣＣＤカメラ３０、すなわちイメージデバイスを回転させているが、受像面とこの受像面に形成される像とを相対回転させればモアレ縞を消去できるため、ＣＣＤカメラは固定したままウエハを回転させるようにしても良い。但し、この場合には、ウエハの回転に応じて回折光の回折する方向が変化するため、検査可能なパターン周期や形状が制限されるという問題や、ホルダのチルト角もウエハ回転に応じて変化させる必要があるという問題がある。
【００５１】
上記の例においては、ホルダ５に固定したウエハ１の位置とＣＣＤカメラ３０との回転位置関係を特に規定せずにＣＣＤカメラ３０により撮影された画像からモアレの有無を検出し、モアレが発生するときに例えばＣＣＤカメラを回転させモアレを消去するようにしている。しかしながら、一般的に、ウエハ１の表面において回路パターンを構成する線の方向は決まっていることが多く、この方向に対してＣＣＤカメラの画素の配列方向も予め分かっている。このような場合には、ウエハの回路パターンの方向に対してＣＣＤカメラの画素配列方向を、モアレが発生しないもしくはしにくい方向となるように予め設定しておけば、モアレの発生を未然に防止することができる。
【００５２】
このように、モアレが発生しない方向にＣＣＤカメラの回転位置を設定する方法としては、図１に示すような構成において、回転駆動装置３２により予めＣＣＤカメラ３０をこの方向に設定しておいて、ウエハ１の表面検査を行う方法がある。しかしながら、同一のウエハもしくは回路パターンの線の方向が常に一定となるウエハを検査し続けるような場合には、回転駆動装置３２を用いずに、ＣＣＤカメラ３０の回転位置を上記のようにモアレが発生しない方向で固定保持しておくようにしても良い。この場合には、回転駆動装置が不要で、ＣＣＤカメラの回転位置を所定方向で位置決め保持する治具等が用いられる。なお、この場合に、もし異なる種類の回路パターンの線の方向が異なるウエハを検査するようなときには、このように位置決め保持する治具を交換してＣＣＤカメラの回転位置をこのようなウエハに対してモアレが発生しない方向となるように変更して固定保持する。
【００５３】
次に、本発明に係る表面検査装置の第２の実施形態について図６を参照して説明する。なお、この表面検査装置は、図１に示した第１の実施形態に係る表面検査装置とは、集光光学系２０′にズームレンズ系２５が配設され、ＣＣＤカメラ３０が固定配設されている（回転自在となっていない）という構成のみが相違するだけであるので、第１の実施形態に係る表面検査装置と同一部分には同一番号を付してその説明を省略する。
【００５４】
この表面検査装置は、ホルダ５に固定保持されたウエハ１の表面に検査用照明光を照射する照明光学系１０を有するが、この照明光学系１０は図１と同一構成である。ウエハ１からの回折光等を集光する集光光学系２０′は、図１と同一構成の集光系凹面鏡２１、絞り２２および結像レンズ２３を有し、さらに、結像レンズ２３の後側にズームレンズ系２５が配設されて構成される。このズームレンズ系２５の後側にＣＣＤカメラ３０が配設されており、集光系凹面鏡２１により集光されるとともに絞り２２によって絞られた射出光（ｎ次の回折光）から、レンズ２３によって結像されたウエハ１の表面の像がズームレンズ系２５により拡大もしくは縮小されてＣＣＤカメラ３０のＣＣＤ撮像素子（イメージデバイス）３１に形成される。
【００５５】
このような構成の表面検査装置を用いてウエハ１の表面からの回折光を用いてウエハ１の表面検査を行う場合に、ＣＣＤ撮像素子３１により得られたウエハ１の表面の画像にモアレ縞が生じたときには、ズームレンズ系２５により画像の拡大もしくは縮小制御を行う。前述のように、モアレ縞はＣＣＤ撮像素子３１に形成されたウエハ１の表面の像における繰り返しパターンの端部とＣＣＤ撮像素子３１の画素との重なり合いにより生じるものであるため、ズームレンズ系２５によりＣＣＤ撮像素子３１に形成されたウエハ１の表面の像を拡大もしくは縮小すれば、この重なり合う位置を可変調整してモアレ縞の発生を抑えることができる。本実施形態の表面検査装置においてはこの原理を利用しており、モアレ縞が発生したときにはズームレンズ系２５によりウエハ１の表面の像を拡大もしくは縮小してモアレ縞を抑える。
【００５６】
本実施形態に係る表面検査装置ではズームレンズ系２５により像を拡大もしくは縮小することによりモアレ縞を無くして正確な表面検査を行うようにしているが、この場合には、前述の第１の実施形態のようにＣＣＤカメラ３０を回転させる必要がないため、画像の回転を補正する画像処理が不要であるという利点を有する。なお、モアレ縞が発生したか否かの判断については、前述の第１の実施形態の場合と同様にして行われる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、イメージデバイスの受像面とこの受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整可能な回転位置調整装置を有して表面検査装置が構成されているので、被検物体の像におけるパターン繰り返し周期とイメージデバイスにおける画素の配列周期とが近接してイメージデバイスにより検出された被検物体の像にモアレが生じるようなときに、回転位置調整装置によりイメージデバイスの受像面とこの受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整してモアレを消去でき、被検物体の表面の検査を正確に行うことができる。
【００５８】
なお、回転位置調整装置により、イメージデバイスをその受像面に垂直に延びる軸を中心として回転させるように構成するのが好ましい。このようにすれば、回転位置調整装置を非常にシンプルな構成とすることができる。なお、回転位置調整装置により被検物体を回転させることも可能であるが、この構成の場合には、回折光の回折する方位が変化するという問題があるが、イメージデバイスを回転させる場合にはこのような問題は生じない。
【００５９】
このような構成において、イメージデバイスにより検出された被検物体の像からモアレの発生を検出するモアレ検出器を設け、モアレ検出器によりモアレの発生が検出されたときに回転位置調整装置により回転位置関係を調整してモアレを消去するように構成するのが好ましい。これによりモアレの発生をより確実に検出でき、自動的にモアレを消去するなどして常に正確な表面検査を行う装置を得ることができる。
【００６０】
なお、このようなモアレ検出器としては、イメージデバイスにより検出された被検物体の像におけるパターン繰り返し周期と、被検物体の表面の像をイメージデバイスに形成したと仮定して求められるパターン繰り返し周期とを比較し、イメージデバイスにより検出された被検物体の像におけるパターン繰り返し周期が被検物体の表面の像をイメージデバイスに形成したと仮定して求められるパターン繰り返し周期より大きいときにモアレが発生していると判断するように構成することができる。また、回転位置調整装置によりイメージデバイスの受像面に対して受像面に形成された被検物体の像を像面内において相対回転させたときに、被検物体の像が変化する場合にモアレが発生していると判断するように構成しても良い。いずれのモアレ検出器もモアレ発生の有無を正確にまた自動的に検出することが可能となる。
【００６１】
本発明に係る表面検査方法は、被検物体に検査用照明光を照射して得られる反射光、回折光もしくは散乱光を集光光学系により集光してイメージデバイスの受像面に照射させ、被検物体の像をイメージデバイスにより検出して被検物体の表面の欠陥の有無を検査する方法において、検出された被検物体の像にモアレが生じるときに、イメージデバイスの受像面とこの受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整してモアレを消去した後に、被検物体の表面の欠陥の有無を検査するようになっているので、モアレの影響を受けることなく被検物体の表面の検査を正確に行うことができる。
【００６２】
本発明に係る第２の表面検査装置は、集光光学系にイメージデバイスの受像面に形成される被検物体の像の大きさを可変調整可能なズーム光学装置を有するので、イメージデバイスにより検出された被検物体の像にモアレが生じるようなときに、ズーム光学装置によりイメージデバイスの受像面に形成される被検物体の像の大きさを可変調整して、パターン繰り返し周期と画素の配列周期とを一致させるなどしてモアレを消去でき、モアレの影響を受けることなく被検物体の表面の検査を正確に行うことができる。
【００６３】
なお、イメージデバイスにより検出された被検物体の像からモアレの発生を検出するモアレ検出器を設け、モアレ検出器によりモアレの発生が検出されたときにズーム光学装置によりイメージデバイスの受像面に形成される被検物体の像の大きさを可変調整するように構成するのが好ましい。これによりモアレの発生をより確実に検出でき、自動的にモアレを消去するなどして常に正確な表面検査を行う装置を得ることができる。
【００６４】
本発明に係る第２の表面検査方法は、イメージデバイスにより検出された被検物体の像にモアレが生じるときに、集光光学系を構成するズーム光学装置によりイメージデバイスの受像面に形成される被検物体の像の大きさを可変調整してモアレを消去した後に、被検物体の表面の欠陥の有無を検査するように構成されているので、この方法によってもモアレの影響を受けることなく被検物体の表面の検査を正確に行うことができる。
【００６５】
本発明に係る第３の表面検査装置は、イメージデバイスの受像面と受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を可変調整可能な回転位置調整装置を有し、被検物体におけるパターンの方向と、イメージデバイスの受像面における画素の配列方向を予め検出し、受像面に形成される被検物体の像におけるパターンの方向が受像面における画素の配列方向に対してモアレが発生しない方向となるように、回転位置調整装置により回転位置関係を設定するようになっているので、モアレを発生させることなく検査が可能である。
【００６６】
本発明に係る第３の表面検査方法も同様に、被検物体におけるパターンの方向と、イメージデバイスの受像面における画素の配列方向を予め検出し、受像面に形成される被検物体の像におけるパターンの方向が受像面における画素の配列方向に対してモアレが発生しない方向となるように、イメージデバイスの受像面と受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を設定してから、被検物体の表面の欠陥の有無を検査するため、モアレを発生させることなく検査が可能である。
【００６７】
本発明に係る第４の表面検査装置は、上記のような回転位置調整装置を用いず、被検物体におけるパターンの方向と、イメージデバイスの受像面における画素の配列方向を予め検出し、受像面に形成される被検物体の像におけるパターンの方向が受像面における画素の配列方向に対してモアレが発生しない方向となるように回転位置関係を設定して、治具等により固定保持するようになっているので、モアレを発生させることなく検査が可能である。
【００６８】
本発明に係る第４の表面検査方法も同様に、被検物体におけるパターンの方向と、イメージデバイスの受像面における画素の配列方向を予め検出し、受像面に形成される被検物体の像におけるパターンの方向が受像面における画素の配列方向に対してモアレが発生しない方向となるように、イメージデバイスの受像面と受像面に形成される被検物体の像との像面内における回転位置関係を、治具等により固定保持してから、被検物体の表面の欠陥の有無を検査するため、モアレを発生させることなく検査が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る表面検査装置の構成を示す概略図である。
【図２】ＣＣＤ撮像素子により得られる画像におけるモアレ縞の発生を説明する図である。
【図３】ＣＣＤ撮像素子により得られる画像に発生したモアレ縞を説明するため、画素位置と強度信号との関係を示す図である。
【図４】ＣＣＤ撮像素子を回転してモアレ縞を抑制させる原理を説明する図である。
【図５】ＣＣＤ撮像素子を回転して得られる画像における画素位置と強度信号との関係を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る表面検査装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１  ウエハ
５  ホルダ
１０  照明光学系
１６  ファイバ
１７  照明系凹面鏡
２０  集光光学系
２１  集光系凹面鏡
２３  結像レンズ
２５  ズームレンズ系
３０  ＣＣＤカメラ
３１  ＣＣＤ撮像素子
３２  回転駆動装置
３５  画像処理装置
【図１】
0004671078.tif 000005
【図２】
0004671078.tif 000006
【図３】
0004671078.tif 000007
【図４】
0004671078.tif 000008
【図５】
0004671078.tif 000009
【図６】
0004671078.tif 000010