(57)【要約】【課題】鏡面検査装置において，高感度にかつ定量的に表面の凹凸を検出することが，困難であった。【解決手段】光源から発射された照明光を略平行光にして鏡面状の表面を有する試料に照射し、照明光が照射された試料からの反射光を集光レンズで集光し、集光レンズで集光した試料からの反射光をピンホールを通過させて反射光以外の光を遮光し、ピンホールを通過した試料からの反射光を集光レンズの焦点位置からずれた位置に配置された検出器で検出し、検出器で検出した信号を処理する鏡面検査方法において、検出器はピンホールを通過した試料からの反射光を異なる複数の条件で検出し、検出器で異なる複数の条件で検出した反射光の検出信号を用いて試料上の局所的な凹凸度の分布を検出するようにした。【選択図】図１
2012013614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を発射する光源と、
該光源から発射された照明光を略平行光にして鏡面状の表面を有する試料に照射する照明光照射手段と、
該照明光照射手段により前記照明光が照射された前記試料からの反射光を集光する集光手段と、
該集光手段で集光された前記試料からの反射光を通過させて該反射光以外の光を遮光するピンホール手段と、
該集光手段の光軸上で該集光手段の焦点位置からずれた位置に配置されて前記ピンホール手段を通過した光を検出する検出手段と、
該検出手段で前記集光手段を透過した光を検出した信号を処理する信号処理手段とを備え、
前記検出手段は前記ピンホール手段を通過した光を異なる複数の条件で検出し、
前記信号処理手段は前記検出手段で異なる複数の条件で検出した前記ピンホール手段を通過した光の検出信号を用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする鏡面検査装置。
【請求項２】
前記信号処理手段は前記検出手段で異なる複数の条件で検出した前記ピンホール手段を通過した光の検出信号を足し合わせた和信号の情報と前記複数の条件で検出した検出信号を引き算した差信号の情報とを用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項１記載の鏡面検査装置。
【請求項３】
前記集光手段で集光された前記試料からの反射光を二つの光路の分岐する光路分岐手段を備え、前記ピンホール手段と前記検出手段とは前記分岐手段で分岐された前記試料からの反射光の光路のそれぞれに配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鏡面検査装置。
【請求項４】
前記分岐手段で分岐された前記試料からの反射光の光路のそれぞれに配置された前記ピンホール手段のうち、一方は前記集光手段の焦点位置よりも前記集光手段の側に配置され、他方は前記集光手段の焦点位置よりも前記集光手段から離れた側に配置されていることを特徴とする請求項３記載の鏡面検査装置。
【請求項５】
前記分岐手段で分岐された前記試料からの反射光のそれぞれの光路上で前記ピンホール手段と前記検出手段との間に結像手段を備え、前記それぞれの光路上の一方の光路上では前記検出手段を前記結像手段の結像面よりも該結像手段の側に配置され、前記それぞれの光路上の他方の光路上では前記検出手段を前記結像手段の結像面よりも該結像手段から離れた側に配置されていることを特徴とする請求項４記載の鏡面検査装置。
【請求項６】
前記ピンホール手段を前記集光手段の光軸に沿って振動させる駆動手段を更に備え、前記信号処理手段は前記駆動手段により振動している前記ピンホールを通過した前記試料からの反射光を前記検出手段で検出して得た検出信号のうち、前記ピンホールが前記光軸に沿って前記集光手段の側に近づいたときに前記検出手段で検出して得た検出信号と前記ピンホールが前記光軸に沿って前記集光手段から遠ざかったときに前記検出手段で検出して得た検出信号とを用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の鏡面検査装置。
【請求項７】
前記ピンホール手段と前記検出手段との間に結像手段と、前記検出手段を前記結像手段の光軸に沿って振動させる駆動手段とを更に備え、前記信号処理手段は前記駆動手段により振動している前記検出手段が前記結像手段の結像面よりも前記結像手段の側に近づいたときに前記検出手段で検出して得た検出信号と前記結像手段の結像面よりも前記結像手段の側から遠ざかったときに前記検出手段で検出して得た検出信号とを用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の鏡面検査装置。
【請求項８】
前記ピンホール手段を回転させるピンホール回転駆動手段を更に備え、前記ピンホール手段は該ピンホール回転駆動手段で前記ピンホール手段を回転させる回転中心からずれた箇所に前記集光手段で集光した反射光を通過させる開口を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の鏡面検査装置。
【請求項９】
光源から発射された照明光を略平行光にして鏡面状の表面を有する試料に照射し、
該照明光が照射された前記試料からの反射光を集光レンズで集光し、
該集光レンズで集光した前記試料からの反射光をピンホールを通過させて該反射光以外の光を遮光し、
該ピンホールを通過した前記試料からの反射光を前記集光レンズの焦点位置からずれた位置に配置された検出器で検出し、
該検出器で検出した信号を処理する方法であって、
前記検出器は前記ピンホールを通過した前記試料からの反射光を異なる複数の条件で検出し、
前記検出器で異なる複数の条件で検出した前記反射光の検出信号を用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする鏡面検査方法。
【請求項１０】
前記検出器で異なる複数の条件で検出した前記反射光の検出信号を足し合わせた和信号の情報と前記複数の条件で検出した検出信号を引き算した差信号の情報とを用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項９記載の鏡面検査方法。
【請求項１１】
前記集光レンズで集光した前記試料からの反射光を二つの光路の分岐し、該分岐した一方の反射光を第１のピンホールを通過させて第１の検出器で検出し、前記分岐された他方の反射光を第２のピンホールを通過させて第２の検出器で検出し、前記第１の検出器で検出して得た信号と前記第２の検出器で検出して得た信号とを用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項９又は１０に記載の鏡面検査方法。  
【請求項１２】
前記第１の検出器は前記集光レンズの焦点位置よりも前記集光レンズの側に配置され    たピンホールを通過した前記試料からの反射光を検出し、前記第２の検出器は前記集光レンズの焦点位置に対して前記集光レンズから遠ざかる側に配置されたピンホールを通過した前記試料からの反射光を検出し、前記第１の検出器で検出して得た信号と前記第２の検出器で検出して得た信号とを用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項１１記載の鏡面検査方法。
【請求項１３】
前記第１の検出器は前記ピンホールを通過した前記試料からの反射光を結像レンズで結像した像面よりも該結像レンズに近い位置で検出し、前記第２の検出器は前記ピンホールを通過した前記試料からの反射光を結像レンズで結像した像面よりも該結像レンズから遠い位置で検出し、前記第１の検出器で検出して得た信号と前記第２の検出器で検出して得た信号とを用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項１１記載の鏡面検査方法。
【請求項１４】
前記ピンホールを前記集光レンズの光軸に沿って振動させ、前記振動している前記ピンホールを通過した前記試料からの反射光を検出して得た検出信号のうち、前記ピンホールが前記光軸に沿って前記集光レンズの側に近づいたときに検出して得た検出信号と前記ピンホールが前記光軸に沿って前記集光レンズから遠ざかったときに検出して得た検出信号とを用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項９又は１０に記載の鏡面検査方法。
【請求項１５】
前記ピンホールを通過した前記試料からの反射光を結像レンズで結像させ、該結像させた前記反射光の像を前記検出器を前記結像レンズの光軸に沿って振動させながら検出し、該検出器を振動させながら前記反射光の像を検出した信号のうち前記検出器が前記結像レンズに近づいたときに検出した信号と前記検出器が前記結像レンズから遠ざかったときに検出した信号とを用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項９又は１０に記載の鏡面検査方法。
【請求項１６】
前記集光レンズで集光した前記試料からの反射光のうち、回転中心からずれた位置に開口を有するピンホールを回転させたときに前記開口を通過した反射光を前記検出器で検出し、該検出器で検出した前記反射光の検出信号を用いて前記試料上の局所的な凹凸度の分布を検出することを特徴とする請求項９又は１０に記載の鏡面検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鏡面状の試料上の微小な凹凸を検出する鏡面検査方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウェーハ，圧延された金属，ハードディスク用の基板など，平坦で鏡面状の部材の表面の微小な凹凸は，これを使用したデバイスの動作不良,や，美観上の問題があるので，凹凸を高感度で検出することが求められている。これに対して，特許文献１には魔鏡といわれる現象を用いて検査を行う方法が開示されている。魔鏡現象は，平行光を試料に照射して，この反射光をイメージセンサで検出すると，表面の凹凸に応じて，暗くなったり，明るくなったりする現象である。とくに凹凸の広がりに対して深さあるいは高さの比が非常に小さい凹凸は，ほかの方法である散乱光による検出や，高さプロファイル測定器による方法では感度を得にくいので，魔鏡現象の利用が適している欠陥である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８４２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の魔鏡現象による表面凹凸検査装置では，画像の明暗だけで検出を行うので，表面の凹凸以外の理由で画像の明暗が起こる場合，たとえば，表面の反射率が場所によって異なる試料の場合には，画像の明暗では凹凸によるものかどうかの見分けがつかない。また，微細な表面粗さがある試料では，これによる散乱（拡散反射）がおこり，鏡面反射による画像の明暗成分を隠してしまい，凹凸の検出感度が得られないという課題があった。また，同上の原因により，凹凸の大きさに対して，定量的な測定ができないという課題もあった。また，凹凸に対する感度を向上するためには，解像度を犠牲にして検出器の焦点を大きくずらす必要があるという課題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
検出条件を変更した複数の信号あるいは画像を取得し，これらの間の差演算を主とする演算あるいは信号の同期検波により，信号あるいは画像にのった外乱とオフセットを取り去ることで，表面状態によらず高感度な微小凹凸検出を実現する。検出条件を変更する方法としては，検出レンズの焦点面にピンホールを置き，このピンホールを光軸方向にずらすことで，試料表面の曲率が 正の場合に明るくなる画像と，曲率が負の場合に明るくなる画像の２条件で画像をとる。別方法として，前記ピンホールを光軸と垂直方向にずらすことで，ピンホールをずらした方向と同じ方向に傾いた面に対して，像が明るくなるので，さまざまなピンホールのずらし方向に対して画像を取る。また，別方法として，ピンホールを検出レンズの焦点面にピンホールを置いた状態で，試料と共役位置にあるイメージセンサの光軸方向の位置を変化させて画像を取得した場合に，イメージセンサを試料から遠ざけると凹面に対して画像が明るくなり，イメージセンサを試料に近づけと凸面に対して画像が明るくなることとなるので，イメージセンサを焦点位置から試料方向に近づけた場合と，遠ざけた場合の２種類で画像を取得する。
【０００６】
さらに上記に付加して，散乱光を検出するレンズ系と検出器あるいはイメージセンサを設けることで，薄い凹凸のほかに，試料上の異物，傷などを検出することを可能とする。
【０００７】
即ち、上記目的を達成するために、本発明では、鏡面検査装置を、照明光を発射する光源と、光源から発射された照明光を略平行光にして鏡面状の表面を有する試料に照射する照明光照射手段と、照明光照射手段により照明光が照射された試料からの反射光を集光する集光手段と、集光手段で集光された試料からの反射光を通過させて反射光以外の光を遮光するピンホール手段と、集光手段の光軸上で集光手段の焦点位置からずれた位置に配置されてピンホール手段を通過した光を検出する検出手段と、検出手段で集光手段を透過した光を検出した信号を処理する信号処理手段とを備え、検出手段はピンホール手段を通過した光を異なる複数の条件で検出し、信号処理手段は検出手段で異なる複数の条件で検出したピンホール手段を通過した光の検出信号を用いて試料上の局所的な凹凸度の分布を検出するように構成した。
【０００８】
又、上記目的を達成するために、本発明では、鏡面検査方法を、光源から発射された照明光を略平行光にして鏡面状の表面を有する試料に照射し、照明光が照射された試料からの反射光を集光レンズで集光し、集光レンズで集光した試料からの反射光をピンホールを通過させて反射光以外の光を遮光し、ピンホールを通過した試料からの反射光を集光レンズの焦点位置からずれた位置に配置された検出器で検出し、検出器で検出した信号を処理することによって行い、検出器はピンホールを通過した試料からの反射光を異なる複数の条件で検出し、検出器で異なる複数の条件で検出した反射光の検出信号を用いて試料上の局所的な凹凸度の分布を検出するようにした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、シリコンウェーハ，圧延された金属，ハードディスク用の基板などの鏡面状の試料の，試料表面の粗さや反射率の場所による違いの影響をキャンセルしながら，平坦で鏡面状の部材の表面の微小な凹凸を高感度に検出することが可能となる。また，本発明によれば，同時に傷や異物のような欠陥を検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第1の実施例に係る鏡面検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施例の変形例に係る鏡面検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施例に係る鏡面検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図３Ｂ】ピンホールを光軸に沿って前後に振動させて検出した波形信号とそれをピンホールの駆動信号で同期検波した結果を示すグラフである。
【図４】本発明の第３の実施例に係る鏡面検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施例の変形例に係る鏡面検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第４の実施例に係る鏡面検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図７】第１，第２，第４の実施例の検出原理を示す光学系の正面図である。
【図８】第１の実施例の変形例の検出原理を示す光学系の正面図である。
【図９】第３の実施例の検出原理を示す光学系の正面図である。
【図１０】第３の実施例の変形例の検出原理を示す光学系の正面図である。
【図１１】魔鏡の原理を示す光学系の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
まず，図１１を用いて魔鏡の原理を示す。光源１０１から出射した光はレンズ１０２でいったん集光された後，ピンホール１０３をとおり，コリメートレンズ１０４で平行光に変えられたあと，ハーフミラー１２０で試料１に照射される。試料１で鏡面反射された光は，ハーフミラー１２０を透過した後，レンズ１０５と１０８を通った後，イメージセンサ１０９上に試料１の像を結ぶ。このとき，試料１の共役（結像)面１１０からずれた位置にイメージセンサ１０９を置くと，魔鏡原理により試料１の凹凸に応じた明暗がイメージセンサによって検出されるイメージに現れる。具体的には，試料１上に凹面330が存在すると，光線が内側に曲げられて光線１６０，１６１の点線から実線のような軌跡にずれる。すると結像レンズ１０８によって曲げられた光線１６０，１６１は，凹面部３３０によって曲げられなかったときの点線で表された光線１６０’，１６１’と，共役面１１０で交わり，その後はずれていく。
【００１２】
ここで，図１１(a)のように試料１の共役（結像)面１１０からずれた位置にイメージセンサ１０９を置くと，凹面部３３０から反射した光は凹面部に対応する像の領域３３０’の内側に集まるため，図１１（ｂ）のように凹面部に対応する像領域３３０’の中心部が明るい像が得られる。逆に試料１上の３３０部凸面だった場合は，共役面１１０を過ぎた後光線が発散するので，像領域３３０’が暗くなることとなる。一方，図１１（ａ）の３３１のように，試料１上に反射率の異なる部分（図では暗い部分）があると，凹凸がなくても，対応する像領域３３１’の明るさが変わる（図の例では暗くなる）。これが，凹凸によるものなのか，試料１上の場所による反射率の違いによるものなのかを知ることは困難であった。また明るさの微妙な違いから，凹凸の大きさを定量的に測ることや，感度よく検出することも難しかった。また，試料が完全な鏡面ではなく，散乱反射成分をある程度含む場合には，この成分がイメージセンサ１０９上に到達しノイズとなるため，凹凸の検出感度が低くなるという問題もあった。また，鏡面状の凹凸以外の，傷や異物のような欠陥の検出は困難であるという問題もあった。
【００１３】
そこで本発明では，図９のように，イメージセンサ１０９と試料共役面１１０との位置関係を変化させて，１０９と１０９’のように複数のイメージセンサの位置で画像をとる。ここで，１０９’の位置は共役面１１０に対してレンズ１０８に近いほうにずらしておく。すると，試料１上の凹面部３３０からの鏡面反射光線１６０，１６１は，共役面１１０で鏡面のない場合の光線１６０’，１６１’と再度交わる前にイメージセンサ１０９’で検出されるために，本来の像よりも拡がった状態で検出されることとなり，図９（ｃ）のように，凹面部３３０に対する像の領域３３０’の中心が暗くなった像が得られる。逆に１０９で得られた画像は面部３３０に対する像の領域３３０’の中心が明るくなった像が得られる。
【００１４】
そこで，イメージセンサを共役位置１０９から，遠い位置に置いた図９（ｂ）のイメージ１と近い位置に置いた図９（ｃ）のイメージ２から，イメージ１−イメージ２を計算することで，明るさのオフセットをキャンセルし，検出感度を向上すると同時に，反射面の違う３３１のような領域の影響もキャンセルすることができる。さらにこれをイメージ１とイメージ２の平均的な明るさで割った，（イメージ１−イメージ２）／（イメージ１＋イメージ２）を計算することで，図９（ｄ）に示すように試料の局所的な反射率の違いに左右されないで凹凸の大きさを定量的に評価することができる。さらに，イメージ１＋イメージ２によって試料１の反射率分布を同時に検出することも可能となる。
【００１５】
さらに，レンズ１０５の後ろ側焦点面に絞り１０７をおくことで，試料１で発生した鏡面反射成分ではない散乱光を遮断し，散乱光が検出イメージにノイズとして重なることを防ぐことができる。
【実施例１】
【００１６】
次に図１を用いて，上記発明を具現化する具体的な装置の形態の一実施例を示す。図１に示した鏡面検査装置は、照明・検出光学系１００、信号処理・制御系２００及びステージ系３００で構成されている。
【００１７】
照明・検出光学系１００は、照明光を発射する光源１０１、光源１０１から発射された光を集光するレンズ１０２、レンズ１０２で集光された光を通過させるための開口を設けたピンホール１０３、ピンホール１０３の開口を通過した光を平行光または略平行光にして試料１に照射するコリメートレンズ１０４、試料１で反射した光を集光するレンズ１０５、レンズ１０５を透過した光の一部を反射して残りを透過させるハーフミラー１０６、ハーフミラー１０６を透過した光を通過させるための開口を設けたピンホール１０７ａ，ピンホール１０７ａを通過した光を検出するセンサ１０９ａ，ハーフミラー１０６で反射された光を通過させるための開口を設けたピンホール１０７ｂ，ピンホール１０７ｂを通過した光を検出するセンサ１０９ｂ、中央部に楕円状の孔が設けられて平行光または略平行光が照射された試料１から反射した光のうち正反射光を中央部に設けられた孔を通過させてその周辺の散乱光を反射させるミラー１３０、ミラー１３０で反射された試料１からの散乱光を集光する集光レンズ１３１、集光レンズ１３１で集光された試料１からの散乱光を検出する検出器１３２を備えて構成されている。
【００１８】
信号処理・制御系２００は、センサ１０９ａで試料１からの正反射光を検出した信号を処理するイメージ取得手段２０１ａ，センサ１０９ｂで試料１からの正反射光を検出した信号を処理するイメージ取得手段２０１ｂ，イメージ取得手段２０１ａと２０１ｂとで取得したイメージを用いて試料１の表面の凹凸を検出する凹凸検出手段２０２、検出器１３２で試料１からの散乱光を検出した信号を処理するイメージ取得手段２４０、凹凸検出手段２０２とイメージ取得手段２４０とから出力される信号を処理して試料１上の欠陥を検出する欠陥検出部２０３、欠陥検出部２０３で検出した欠陥に関する情報を画面上に出力する表示手段２０４、欠陥検出部２０３で検出した欠陥に関する情報を記憶する記憶手段２０５、ステージ系３００を制御するステージ制御手段２５０、全体を制御する全体制御部２１０を備えている。
【００１９】
ステージ系３００は、Ｘ方向に移動可能なＸステージ３０１とＸ方向に対して直角なＹ方向に移動可能なＹステージ３０２とを備えている。
【００２０】
次に、上記した構成を備えた鏡面検査装置の動作を説明する。光源１０１から出射した光はレンズ１０２でいったん集光された後，ピンホール１０３を通り，コリメートレンズ１０４で平行光１００に変えられたあと，ハーフミラー１２０で試料１に照射される。なお，光源１０１にレーザを用いる場合は，必ずしも集光レンズ１０２やピンホール１０３は使用しなくても平行光または略平行光が生成できるので，これら二つ，あるいはいずれかは無い構成も考えられる。
【００２１】
試料１で鏡面反射された光は，レンズ１０５を通った後，ハーフミラー１０６で二つに分けられ，ピンホール１０７ａ，ｂを通った後，センサ１０９ａ，１０９ｂで検出される。ピンホールの位置を検出レンズ１０５の焦点面におくと，試料１が平坦な場合には，この位置で試料１から反射された照明光は集光される。このとき，ピンホール１０７a，１０７ｂを検出レンズ１０５の焦点面からずらした位置におく。
【００２２】
この図ではピンホール１０７aはレンズ１０５から遠い（レンズ１０５の焦点１１５ａから離れた）位置に，ピンホール１０７ｂはレンズ１０５に近い（レンズ１０５の焦点１１５ｂに近い）位置においている。このとき，試料１上で凸になった箇所に照明光が当たったとき，集光位置はレンズ１０５から離れる方向に移動するので，検出器１０９ａの検出光量が増し，検出器１０９ｂの検出光量が減少する。逆に，試料１上で凹になった箇所に照明光が当たったとき，集光位置はレンズ１０５に近づくので，検出器１０９ｂの検出光量が増し，検出器１０９aの検出光量が減少する。
【００２３】
凹面の場合の光線の変化を図７によって示した。このように試料１上の凹面部３３０に照明光１００が照射されると，試料１からの反射光の光路は点線の状態から，実線の状態に変化することで，検出器１０９ｂに到達する光量が増加し，検出器１０９ａに到達する光量が減少することが読み取れる。上記構成により，図９で説明した原理と同様に，検出器１０９ａと検出器１０９ｂの検出光量から演算することで，試料１の局所的な反射率の違いに左右されないで凹凸の大きさを定量的に評価することができる。
【００２４】
また，試料１による鏡面反射光の通る光路の周りを取り囲むような中心部が楕円形にあいたミラー１３０をおき，これにより，試料１による拡散反射光あるいは散乱光を反射し，レンズ１３１で集光し，検出器１３２で検出することにより，試料１上の異物あるいは傷といった欠陥を検出することができる。これは異物や傷といった鏡面の浅い凹凸に比べて背の高い欠陥は光を散乱しやすいためである。ここで，試料１はステージ３０２上に載置され，ステージはステージ制御手段２５０によって制御されて，試料１を照明光が走査するようにＸステージ３０１及びＹステージ３０２が制御される。このときの位置信号はイメージ取得手段２０１ａ，２０１ｂ，２４０に送られて，位置に同期して検出器１０９ａ，１０９ｂで検出された光量のデータを取り込むことにより，画像（イメージ）を取得する。
【００２５】
Ｘステージ３０１とＹステージ３０２とは直行するＸ，Ｙ方向に駆動される。このステージ部３００は，Ｘ−Ｙステージの代わりに、極座標Ｒ−Θ方向に駆動するステージであっても良い。このようにして得られたイメージ１（イメージ取得手段２０１ａで取得したイメージ）とイメージ２（イメージ取得手段２０１ｂで取得したイメージ）から，凹凸検出手段２０２で凹凸度＝（イメージ１−イメージ２）／（イメージ１＋イメージ２）を計算し，この値の正のところが凸部，マイナスのところが凹部となる。さらに，散乱光の大きさの分布を示すイメージ３（イメージ取得手段２４０で取得したイメージ）の情報をあわせて，欠陥検出部２０３で，試料１上の欠陥箇所を検出する。
【００２６】
すなわち，凹凸度がプラスで閾値を超えて大きいところは凸欠陥，マイナスで大きいところは凹欠陥，イメージ３が閾値を超えて大きいところは，異物・傷などの欠陥であると判断する。これらの結果や判定の基準となった検出画像は記憶手段２０５に蓄積されると同時に，表示手段２０４に表示される。また，これらの動作は全体制御手段によって制御される。なお，検出器１０９ａ，１０９ｂ，１３２としては例えばフォトダイオード，フォトマルチプライアなどの光電検出器を用いればよい。
【００２７】
[実施例１の変形例]
実施例１の変形例を図２によって示す。本変形例では，照明・検出光学系２１００と信号処理・制御系２２００との構成が実施例１で説明した図１の構成と異なる。
【００２８】
まず、照明・検出光学系２１００では、ピンホール１１７ａと１１７ｂとを共にレンズ１０５の後ろ側焦点位置に配置した点、結像レンズ１０８ａと１０８ｂとを設けた点、イメージセンサ１１９ａと１１９ｂとをそれぞれ結像レンズ１０８ａと１０８ｂとの像面に対して位置をずらして設置した点、及び散乱光を検出する光学系を持たない点で図１に示した実施例１の場合と異なる。
【００２９】
また、信号処理・制御系２２００では、図１の構成で説明した試料１からの散乱光を検出した信号を処理するイメージ取得手段２４０を備えていない点で実施例１の場合と異なる。
【００３０】
図２に示した構成において、試料１からの反射光がレンズ１０５を通った後，ハーフミラー１０６で二つに分けられるところまでは，図１によって説明した実施例１と同一であるが，ピンホール１１７ａ，１１７ｂはレンズ１０５の後ろ側焦点位置におき，試料１による散乱光成分を遮断する。このとき，試料１上の凹凸による光路の変化程度ではピンホール１１７ａ及び１１７ｂによってさえぎられないように，レンズ１０５で集光した試料１からの正反射光を通過させるためのピンホール１１７ａ，１１７ｂに設ける開口は大きめにしておく。ピンホール１１７ａ，１１７ｂを通過した光は結像レンズ１０８ａ，１０８ｂでそれぞれ像面１１０ａ，１１０ｂに結像する。このとき，イメージセンサ１１９ａを像面１１０ａより手前（レンズ１０８ａに近づく方向）にずらしておき，イメージセンサ１１９ｂを像面１１０ｂより後ろにずらしておく。すると，図８に示した光路の図のように，試料１上の凹面に当たった光は，平坦面に当たった光の点線で示した光路に比べて，実線のようにずれて進み，レンズ１０８ａ，１０８ｂを通った後，像面１１０ａ，１１０ｂに向かって収束しながら進んでいく。そのため，イメージセンサ１１９ａの表面では像は明るくなり，イメージセンサ１１９ｂの表面では像は暗くなる。
【００３１】
凹面の場合の光線の変化を図８によって示した。このように試料１上の凹面部に光源１０１から発射された照明光が照射されると，試料１からの反射光の光路は点線の状態から，実線の状態に変化することで，検出器（リニアイメージセンサ）１１９ｂ上の照度が増加し，検出器（リニアイメージセンサ）１１９a上の照度が減少することが読み取れる。
【００３２】
このとき，イメージセンサ１１９ａ，１１９ｂを紙面に垂直な方向に画素の並んだラインイメージセンサとし，照明光も紙面に垂直な方向に長いスリット光とすると，試料１上の紙面に垂直な方向のライン上の凹凸データが一括で取得できる。このとき，Ｘステージ３０１を図２の矢印に示した方向（Ｘ方向）に，ステージ制御手段２５０によって走査し，このときの位置信号によって同期を取りながら，ラインイメージセンサ１１９ａ，１１９ｂよりのライン画像データをイメージ取得手段２１１ａ，２１１ｂによって取り込むと，面状の明暗分布データが得られる。この後の構成と処理は図１で示した実施例と同様である。これによって，ステージをＸ−ＹあるいはＲ−Θの２次元に振らなくても，一次元に（図の場合は右方向に）Ｘステージ３０１を走査するだけで，２次元イメージデータが得られる。本実施例図には散乱光検出用の図１の１３０，１３１，１３２，２４０からなる構成は書かれていないが，これを図２の実施例でも同様に付加することで，散乱光画像による検査も行うことができる。なお，この実施例に付加する場合のセンサ１３２は一次元イメージセンサになる。
【実施例２】
【００３３】
次に，図３（ａ）を用いて，図１によって示した実施例１とは異なる第２の実現形態を示す。図１で説明した実施例１の構成とは、照明・検出光学系３１００、信号処理・制御系３２００の構成が異なる。照明・検出光学系３１００には駆動手段３２１１を備えたピンホール３１７０と検出器３１１１とを備えている。信号処理・制御系３２００は、駆動手段３２１１を制御するピンホール駆動制御部３２１２と、検出器３１１１で検出した信号をピンホール駆動制御部３２１２でピンホール３１７０を駆動する信号で同期検波する同期検波回路部３２１０を備えている。
【００３４】
以下に、図３に示した構成に基づいて、実施例における動作を説明する。まず、レンズ１０５までの光路の構成は図１で説明した第１の実施形態と同じである。この後のハーフミラー１０６がなく，レンズ１０５の後ろ側焦点面付近に置かれたピンホール３１０７とその後ろに検出器３１１１をそれぞれ１つずつ置く。ここでピンホール３１０７をピエゾ素子やボイスコイルモータ等を用いて構成される駆動手段３１１２によって光軸に沿って前後に振動させる。このときのピンホール３１０７の位置を示す駆動信号によって，検出器３１１１で受光した光量信号を同期検波手段３２１０で同期検波する。
【００３５】
図３（ｂ）の横軸に時間をとって示した信号波形に示す。この図に示すように，試料１上の凸面に光源１０１から発射された検出光が当たった場合は，ピンホール３１０７がレンズ１０５から離れた場合に透過光量が大きくなるので検出器３１１１の信号が大きくなる。平坦面に検出光が当たった場合は，検出器３１１１の信号はピンホール３１０７が中間位置にある場合に検出器３１１１から出力される信号が大きくなり，ピンホール３１０７がレンズ１０５に対して離れた場合も近づいた場合は検出器３１１１の信号は小さくなる。試料１上の凹面３３０に検出光が当たった場合は，ピンホール３１０７がレンズ１０５に近づいた場合に透過光量が大きくなるので検出器３１１１の信号が大きくなる。
【００３６】
このような挙動をする検出器３１１１の信号に対して，同期検波手段３２１０で直流成分を取り除いた後，ピンホール駆動制御部３２１２からのピンホールの位置を示す駆動信号によって，同期検波した結果を図３（ｂ）の右半分に示す。実線の曲線がピンホール駆動制御部３２１２から発振されるピンホール駆動信号と検出器３１１１の信号との積の波形を示す。点線の直線が前記積波形の時間平均値を示す。このように同期検波を行うことによって，凹凸度に比例する信号を得ることが可能となる。
【００３７】
この同期検波手段３２１０の出力信号をステージ制御手段３２５０からの位置信号に同期して取り込むことで，凹凸検出に必要な同期検波した結果の信号がイメージ取得手段３２０１によって得られる。さらに，同期検波手段３２１０で検出器３１１１の信号の直流信号除去前の最大値も検出することで，試料１上の走査位置の反射率に相当する明度信号も得ることができる。凹凸度＝同期検波結果信号／明度信号を凹凸検出手段３２０２によって計算することで試料１の表面の凹凸を検出する。以降の処理は実施例１において図１で説明したケースと同様である。
【実施例３】
【００３８】
図４を用いて図９で説明した本発明の原理を実現する第３の実施例を示す。本実施例において、光学系は図９で説明したものと同一である。図１で説明した実施例１の構成とは、照明・検出光学系４１００、信号処理・制御系４２００の構成が異なる。照明・検出光学系４１００は第１及び第２の実施例と異なり、光源４１０１から発射された照明光を、試料１に対して真上から照明する。そのために、図４に示した構成においては、ハーフミラー４１２０を備えている。また、本実施例においては、図２で説明した実施例１の変形例の場合と同様に、検出側のスリット４１０７を通過した反射光を結像するための結像レンズ４１０８を備えている。更に、イメージセンサ４１０９を光軸方向に沿って振動させるための駆動手段４１１２を備えている。
【００３９】
一方、信号処理・制御系４２００には、駆動手段４１１２を制御するための駆動制御部４２１２、イメージセンサ４１０９からの検出信号から駆動制御部４１１２の駆動信号を用いてイメージを取得するイメージ取得手段４２０１を備えている。
【００４０】
上記した構成において、光源４１０１から発射されてレンズ４１０２で集光され、スリット４１０３を通過した光はコリメートレンズ４１０４で平行光にされた後、ハーフミラー４１２０に入射し、その一部は試料１の方向に反射される。試料１に入射し試料１の表面で反射された光は再びハーフミラー４１２０に入射し、その一部はハーフミラー４１２０を透過してレンズ４１０５に入射してレンズ４１０５の後焦点面に集光される。この後焦点面にはピンホール４１０７が設置されており、後焦点面に集光した光だけがピンホール４１０７に設けた開口を通過して結像レンズ４１０８に入射して試料共役面４１１０上に結像される。
【００４１】
本実施例の場合は、イメージセンサ４１０９はたとえばＣＣＤセンサなどの２次元イメージセンサを用いる。イメージセンサ４１０９と試料共役面４１１０との位置関係を変化させるための手段として，駆動手段４１１２でイメージセンサ４１０９の位置を光軸方向に上下させる。このときの，イメージセンサ４１０９がもっとも上方にあるときのイメージ１と，もっとも下方にあるときのイメージ２を，イメージ取得手段４２０１で取得する。これらから凹凸算出手段４２０２によって，イメージ１−イメージ２を計算することで，明るさのオフセットをキャンセルし，検出感度を向上させると同時に，反射面の違う３３１のような領域の影響もキャンセルすることができる。さらにこれをイメージ１とイメージ２の平均的な明るさで割った，（イメージ１−イメージ２）／（イメージ１＋イメージ２）を計算することで，試料の局所的な反射率の違いに左右されないで凹凸の大きさを定量的に評価することができる。さらに，イメージ１＋イメージ２によって試料１の反射率分布を同時に検出することも可能となる。その他の部分の動作は図１，２，３で説明した実施例と同様である。
【００４２】
[実施例３の変形例]
次に，図５を用いて，図４で説明した実施例３の変形例を説明する。本変形例は、図５に示すように、光源５１０１からイメージセンサ５１０９までの照明・検出光学系５１００は図４に示した光源４１０１からイメージセンサ４１０９までの光学系の構成と同じであるが，イメージセンサ５１０９を移動させず，代わりにピンホール５１０７を駆動手段５１１２によって光軸の周りに回転させる。図５に示すようにピンホール５１０７の開口部５１０７１を図の水平方向に光軸中心からずらすと，試料１からの反射光のうち一定距離傾いた光の成分のみを選択して，試料１の像を得ることができる。
【００４３】
すなわちレンズ５１０５の焦点距離（図５Ａにおいて、レンズ５１０５とピンホール５１０７との距離）をfとして，試料１からの反射光の垂直方向からのｘ，ｙ方向の角度ずれを（Θｘ，Θｙ）とすると，ピンホール５１０７位置での集光位置は（ｆ・Θｘ，ｆ・Θｙ）だけ光軸中心からずれる。そのため，ピンホール５１０７の開口部５１０７１をピンホール５１０７の回転中心からずらしてピンホール５１０７を回転させながらＸステージ３０１を水平方向に移動してそれぞれのイメージをイメージセンサ５１０９によって取り込む。
【００４４】
ピンホール５１０７を駆動手段５１１２で駆動して回転させながら信号処理・制御系５２００のステージ制御部５２５０でＸステージ３０１とＹステージ３０２とを２次元に駆動してイメージセンサ５１０９で検出したイメージの中から，凹凸検出手段５２０２によって画像内の各位置で一番明るくなるピンホールの位置を決定して，この位置をfで割ると試料１の表面角度分布が算出できる。また，画像内の各位置で一番明るいデータを選択すると，試料１の表面反射率分布も得られる。ピンホール５１０７の開口部５１０７１をピンホール５１０７の回転中心からずらす量は、（（ｆ・Θｘ）２＋（ｆ・Θｙ）２）１/２  程度に設定すればよい。
【００４５】
あるいは，ピンホール５１０７を偏芯させた状態で回転させて，凹凸検出手段５２０２によって，画像内の各位置で明るさが最大となる方向αを求め，さらに，角度αでの明るさと，角度-αでの明るさの差を求めると，試料１の表面の傾きの方向と，大きさをそれぞれ求めることができる。このときの光線の状態を図１０を用いて補足説明する。このように試料１上の凹面３３０に当たった光線のうち，凹面３３０の右斜面３３０１に当たった光は，点線で示された光線５１６０’から実線で示された光線５１６０のように左方向にずれて，左に偏芯したピンホール５１０７の開口部５１０７１を通過し，イメージセンサ５１０９に到達する。逆に，凹面３３０の左斜面３３０２に当たった光は，点線で示された光線５１６１’から実線で示された光線５１６１のように右方向にずれるせいで，左に偏芯したピンホール５１０７を透過しないため，対応するイメージセンサ５１０９上の像は暗くなる。
【実施例４】
【００４６】
本発明による第４の実施例を、図６を用いて説明する。試料１上で検出光を走査する構成を特徴とする。図1に示した実施例１ではステージ部３００をＸＹ２次元方向に走査することで，照明光を試料１上の全面に走査していたが，図６に示す本実施例４では，照明光を横方向に走査しつつ，ステージを紙面に垂直な方向に走査することで，試料１の高速な２次元走査を実現する。
【００４７】
図６に示した鏡面検査装置は、照明・検出光学系６１００、信号処理・制御系６２００及びステージ系６３００で構成されている。
【００４８】
照明・検出光学系６１００は、照明光を発射する光源１０１、光源１０１から発射された光を集光するレンズ１０２、レンズ１０２で集光された光を通過させるための開口を設けたピンホール６１０３、ピンホール６１０３を通過した光を平行光または略平行光にするコリメートレンズ６１０４、平行光の光路を分岐するためのビームスプリッタ（ハーフミラー）６１２０、分岐された平行光を集光するレンズ６１５１、レンズ６１５１で集光された照明光を基板１の方向に反射するためのポリゴンミラー６１５０、ポリゴンミラー６１５０で反射された照明光を平行光または略平行光に変換するレンズ６１５２、照明光が照射された試料１から反射してレンズ６１５２、ポリゴンミラー６１５０、レンズ６１５１、ビームスプリッタ６１２０を透過した反射光のうちミラー６１３０の中央部に設けられた楕円状の孔を通過した反射光を集光するレンズ６１０５、レンズ６１０５を透過した反射光の一部を反射して残りを透過させるハーフミラー６１０６、ハーフミラー６１０６を透過した光の光路上でレンズ６１０５焦点位置よりも遠い位置に設けられたピンホール６１０７ａ、ピンホール６１０７ａを通過した反射光を検出するセンサ６１０９ａ、ハーフミラー６１０６で反射した光の光路上でレンズ６１０５焦点位置よりも近い位置に設けられたピンホール６１０７ｂ、ピンホール６１０７ｂを通過した反射光を検出するセンサ６１０９ｂ、ミラー６１３０で反射された試料１からの散乱光を集光する集光レンズ６１３１、集光レンズ６１３１で集光された試料１からの散乱光を検出する検出器６１３２を備えて構成されている。
【００４９】
信号処理・制御系６２００は、センサ６１０９ａで試料１からの正反射光を検出した信号を処理するイメージ取得手段６２０１ａ，センサ６１０９ｂで試料１からの正反射光を検出した信号を処理するイメージ取得手段６２０１ｂ，イメージ取得手段６２０１ａと６２０１ｂとで取得したイメージを用いて試料１の表面の凹凸を検出する凹凸検出手段６２０２、検出器６１３２で試料１からの散乱光を検出した信号を処理するイメージ取得手段６２４０、凹凸検出手段６２０２とイメージ取得手段６２４０とから出力される信号を処理して試料１上の欠陥を検出する欠陥検出部６２０３、欠陥検出部６２０３で検出した欠陥に関する情報を画面上に出力する表示手段６２０４、欠陥検出部６２０３で検出した欠陥に関する情報を記憶する記憶手段６２０５、ステージ系６３００を制御するステージ制御手段６２５０、ぽりごんみらー６１５０を制御するポリゴンミラー制御部６２２０、及び全体を制御する全体制御部６２１０を備えている。
【００５０】
ステージ系６３００は、Ｘ方向に移動可能なＸステージ６３０１とＸ方向に対して直角なＹ方向に移動可能なＹステージ６３０２とを備えている。
【００５１】
次に、各部の動作を説明する。
光源６１０１から出射した光はレンズ６１０２でいったん集光された後，ピンホール６１０３の開口部をとおり，コリメートレンズ６１０４で平行光に変えられたあと，ビームスプリッタ（ハーフミラー）６１２０で図の左方向に反射され，レンズ６１５１でいったん集光された後，ポリゴンミラー６１５０（ガルバノミラーでも可）で角度を変えた後，レンズ６１５２で平行光または略平行光に変えた後試料１に照射される。なお，光源６１０１にレーザを用いる場合は，必ずしも集光レンズ６１０２やピンホール６１０３は使用しなくても平行光または略平行光が生成できるので，これら二つ，あるいはいずれかは無い構成も考えられる。試料１で鏡面反射された光は，再び同じ光路を戻ってレンズ６１５２を通った後，ポリゴンミラー６１５０でレンズ６１５１の方向に反射する。
【００５２】
この光はビームスプリッタ（ハーフミラー）６１２０を透過した後レンズ６１０５で集光され，ピンホール６１０７ａ，ｂに設けられた開口を通った後，センサ６１０９ａ，６１０９ｂで検出される。ピンホールの位置をレンズ６１５２，６１５１，６１０５からなるレンズ系の焦点面におくと，試料１が平坦な場合には，この位置で試料１から反射された照明光は集光される。このとき，ピンホール６１０７a，６１０７ｂをレンズ６１５２，６１５１，６１０５からなるレンズ系の焦点面からずらした位置におく。この図ではピンホール６１０７aはレンズ６１０５から遠ざかる位置に，ピンホール６１０７aはレンズ６１０５に近づく位置においている。
【００５３】
これらのセンサ６１０９ａ，６１０９ｂの出力を用いて，試料の局所的な反射率の違いに左右されないで凹凸の大きさを定量的に評価することができるが，この後の欠陥検出のための構成と動作は図１で示した実施例とまったく同じである。なお，ポリゴンミラー６１５０は，ポリゴンミラー制御手段６３０４によって制御され，これと連動してステージ制御手段６２５０が動作することで，ステージとミラーを同期させて２次元像を得ることができる。
【００５４】
また，試料１による鏡面反射光の通る光路の周りを取り囲むような中心部が楕円形にあいたミラー６１３０により，試料１による拡散反射光あるいは散乱光を反射し，レンズ６１３１で集光し，検出器６１３２で検出することにより，試料１上の異物あるいは傷といった欠陥を検出することができる。これに関しても，この後の構成と動作は図１で示した実施例１と同じである。
【００５５】
なお，本発明の実施例全般の説明において，試料１を照明する照明光を平行光であるとしているが，照明光は略平行であればよく，レンズ６１０５の後ろ側の集光位置とピンホール６１０７との位置関係あるいは試料１の共役位置と検出器６１０９ａ，６１０９ｂとの位置関係が，満たされていれば，照明光は平行からずれていても同様の効果を奏することを補足しておく。
【符号の説明】
【００５６】
１０１，４１０１，５１０１，６１０１・・・光源    １０２，４１０２、５１０２，６１０２・・・レンズ    １０３，４１０３，５１０３，６１０３・・・ピンホール    １０４，４１０４，５１０４，６１０４・・・コリメートレンズ    １０５、４１０５，５１０５，６１０５・・・集光レンズ    １０６，６１０６・・・ハーフミラー    １０７ａ，１０７ｂ、１１７ａ，１１７ｂ，３１０７，４１０７、５１０７，６１０７ａ，６１０７ｂ・・・検出ピンホール    １０８，１０８ａ，１０８ｂ，４１０８，５１０８・・・結像レンズ    １０９，１０９ａ，１０９ｂ、１１９ａ，１１９ｂ，３１１，４１０９，５１０９，６１０９ａ，６１０９ｂ・・・検出器    ３１１２、４１１２，５１１２・・・駆動手段    １３０、６１３０・・・ミラー    １３１，６１３１・・・集光レンズ    １３２，６１３２・・・検出器    ６１５０・・・ポリゴンミラー    ６１５１・・・レンズ    ６１５２・・・レンズ    ２０１ａ，２０１ｂ，２４０、２１１ａ，２１１ｂ，３２０１，４２０１，５２０１，６２０１ａ，６２０１ｂ，６２４０・・・イメージ取り込み手段    ２０２，２１２，３２０２，４２０２，５２０２，６２０２・・・凹凸検出手段    ２０３，２１３，３２０２，４２０３，５２０３，６２０３・・・欠陥検出手段    ３２１０・・・同期検波手段    ３２１２・・・駆動手段    ４２１２・・・駆動手段    ５２１２・・・駆動手段    ６２２０・・・ミラー制御手段。
【図１】
2012013614.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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１０】
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【図１１】
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