(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルの異常を検出する装置であって、
前記サンプルに２つの実質的に平行な光入射ビームを伝達する手段であって、該ビームにコヒーレントであるが異なる偏光を持たせ、前記サンプルに該ビームの一部を透過させ又は前記サンプルから該ビームの一部を反射させる手段と、
前記２つの入射ビームからの前記サンプルによって散乱された光の強度を検出する少なくとも１つの暗視野検出器と、
前記２つの入射ビームの透過した部分の間の位相差又は前記サンプルによって前記２つの入射ビームの反射された部分の間の位相差を検出する明視野検出器と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、さらに、前記２つのビームの反射された部分と透過された部分とを結合して結合ビームを形成する手段を備えており、
前記明視野検出器が、
前記結合されたビームを、異なる偏光の第１及び第２の出力ビームに分離する手段と、
前記第１及び第２の出力ビームを検出して２つの出力を提供するとともに、前記２つの出力の減算を行って位相シフト信号を提供する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、前記２つの入射ビームの一方が、該２つの入射ビームの他方よりも大きな強度を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置において、前記２つの入射ビームの一方が、該２つの入射ビームの他方よりも少なくとも２０倍の大きさの強度を有することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、
前記伝達手段が、
前記サンプルに向けてコヒーレントな光ビームを提供するレーザーと、
該レーザーから前記サンプルに向けて前記ビームを通過させ、さらに、該ビームの前記サンプルによって反射された部分を前記明視野検出器に向けて反射するビームスプリッターであって、入射した光の８５％又はそれ以上を通過させるビームスプリッターと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、前記伝達手段は透過性のある誘電体材料の本体を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置において、
前記本体は、入射面と反射面とを有するブロック形状であり、前記２つの面は互いに実質的に平行であり、前記レーザーから提供された前記ビームは、２つの範囲の一方の値を持つ入射角度で前記入射面に向けられ、前記２つの範囲の前記一方の値は、前記誘電体材料のブリュースター角より大きく、前記２つの範囲の他方の値は、前記誘電体材料のブリュースター角より小さいことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、前記２つの入射ビームは前記サンプルの少なくとも２つの領域を同時に照射し、少なくとも１つの前記暗視野検出器は、前記サンプルの前記同時に照射された領域によって散乱された光を検出し、前記明視野検出器は、前記サンプルの前記同時に照射された領域を通過した部分間又は前記サンプルの前記同時に照射された領域から反射された部分を検出することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置において、前記伝達手段は、Ｐ偏光及びＳ偏光の光を別々に反射し伝達する光学素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置において、前記光学素子は、Ｐ偏光の光の２％から５％及びＳ偏光の光の４７％から４３％を反射するが、Ｐ偏光の光の９８％から９５％及びＳ偏光の光の５３％から５７％を透過する偏光ビームスプリッターを備えることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置において、前記少なくとも１つの暗視野検出器は楕円形のミラーを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の装置において、さらに、サンプルによって鏡面反射された前記ビームの光が、少なくとも１つの暗視野検出器に到達するのを妨げる手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
サンプルの異常を検出する方法であって、
前記サンプルに２つの実質的に平行な光入射ビームを伝達する工程であって、前記ビームにコヒーレントであるが異なる偏光を持たせ、前記サンプルに該ビームの一部を透過させ又は前記サンプルから該ビームの一部を反射させる工程と、
前記２つの入射ビームからの前記サンプルによって散乱された光を検出する工程と、
前記サンプルを通過した前記２つの入射ビームの透過した部分の間又は前記サンプルによって前記２つの入射ビームの反射された部分の間の位相差を検出する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、さらに、前記２つのビームの前記サンプルを通過して伝達された部分又は前記サンプルから反射された部分を結合して結合ビームを形成する工程を含んでおり、
前記位相差検出工程は、
前記結合されたビーム又は前記結合されたビームから得られたビームを、異なる偏光の第１及び第２の出力ビームに分割する工程と、
前記第１及び第２の出力ビームの間の差を入手する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、前記入手する工程は、前記第１及び第２の出力ビームを検出して２つの出力を提供するとともに、前記２つの出力を減算して前記位相差を提供する工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法において、前記２つの入射ビームの一方が、該２つの入射ビームの他方よりも大きな強度を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、前記２つの入射ビームの一方が、該２つの入射ビームの他方よりも少なくとも２０倍の大きさを有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法において、
前記伝達工程が、
前記サンプルに向けてコヒーレントな光ビームを指向させる工程と、
前記サンプルに向けて前記コヒーレントな光ビームを通過させ、さらに、該ビームの前記サンプルからの反射された部分を前記明視野検出器に向けて反射させるビームスプリッターを提供する工程であって、該ビームスプリッターは、入射した光の８５％又はそれ以上を通過させるビームスプリッターであることを特徴とした工程と、
を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、前記伝達工程は透過性のある誘電体材料の本体を提供する工程を備えていてレーザービームを前記サンプルに向けて通過させるとともに、前記サンプルによって反射されたものを明視野検出器に向けて反射し、前記本体は、入射面と反射面とを有するブロック形状であり、前記２つの面は互いに実質的に平行であり、前記伝達工程は、前記レーザービームを所定の入射角度で前記入射面に指向する工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法において、さらに、前記指向工程の前に、前記誘電材料の屈折率及び所望のフリンジビジビリティーの関数として、前記入射角の最適値を決定する工程を備えることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１３に記載の方法において、前記伝達工程は、前記２つの入射ビームが前記サンプルの少なくとも２つの領域を同時に照射するようにし、前記２つの検出工程は、前記サンプルの同時に照射された領域から散乱された光を検出するとともに、前記サンプルの同時に照射された領域を通過して伝達された部分の間又は前記サンプルの同時に照射された領域から反射された部分の間の位相差を検出することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本願発明は概略サンプルの異常を検出する装置に関し、特に、半導ウェーハ、フォトマスク、レチクル及びセラミックタイルのようなサンプル上の異常を検出するためのシングルレーザーの明視野及び暗視野装置に関する。
シリコンウェーハ上に製造された半導体デバイスの寸法は減少しつづけている。現時点では、例えば、半導体デバイスは１／２ミクロン又はそれ未満の分解能で製造されており、６４メガバイトのDRAMは０．３５ミクロンの設計ルールで作られている。半導体デバイスの寸法をより小さな寸法に縮小させていることによって、半導体デバイスの寸法と比べると小さな汚染物質の細片及び表面欠損を検出しなければならないウェーハ検査装置の感度に厳しい要求がだされている。欠陥の存在の検出に加えて、しばしば、表面欠陥が隆起であるのかその表面内へのくぼみであるのかというような欠陥の構造上の特性を知ることも有用である。
多くのウェーハの分析機器は暗視野装置であり、その装置では、表面で散乱した光が検査されて細片及び表面欠陥を検出するようになっている。暗視野装置における問題の一つは、欠陥の構造上の特性に関する情報は、その散乱のために失われることがあるため、暗視野装置によっては、欠陥が隆起状であるのか又はその表面内へのへこみであるのかというような、欠陥の構造上の特性を決定することは困難であるか又は不可能であるという点にある。明視野装置は欠陥の構造上の特性を検出することができるが、存在する背景信号が、その欠陥からの特徴に関連する信号よりも大きくて多数の次数の大きさとなることがある。
従って、従来の装置及び提案された装置のいずれも、完全に満足というわけではない。したがって、半導体デバイスの寸法より小さな異常のみならず欠陥の構造上の特性とを検出することができるような、改良された異常検出装置を提供することが望まれている。
発明の概要
本願発明は、暗視野検出及び明視野検出の両方を用いて、半導体デバイスの寸法と比べて小さな細片及び表面欠陥を検出するのみならず、デバイスの構造上の特徴を検出することができるような観察結果に基づく。2つのレーザーを用いて、一方を装置の明視野部分に用い、他方を暗視野部分に用いることができるが、装置の2つの部分によって検出される領域の記録を容易にするように、単一のレーザー（シングルレーザー）を装置の両方の部分に用いると有利である。
本願発明の1つの観点は、サンプルの異常を検出する装置に関するもので、その装置は、そのサンプルに2つのほぼ平行な光入射ビームを伝達する手段を備える。そのビームはコヒーレントであるが別々に偏光されている。その装置はさらに2つの入射ビームからのサンプルによって散乱された光を検出する少なくとも1つの暗視野検出器と、2つの入射ビームの透過した部分の間又はその2つの入射ビームのサンプルによって反射された部分の間の位相差を検出する明視野検出器とを備える。
本願発明の他の観点は、サンプルの異常を検出する方法に関するもので、その方法は、そのサンプルに2つのほぼ平行な光入射ビームを伝達する工程であって、そのビームはコヒーレントであるが異なる偏光を持つ工程と、サンプルによってその2つの入射ビームから散乱された光を検出する工程と、2つの入射ビームの透過した部分の間又は2つの入射ビームのサンプルによって反射された部分の間の位相差を検出する工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
図1は、表面上の異常を検出するために結合した明視野及び暗視野装置を示す概略図で、本願発明の望ましい実施例を図示する。
図2は、本願発明の望ましい実施例を示すための図1の装置の点像強度分布関数のプロット図である。
図3Aは、本願発明を図示するのに適した透明な誘電性材料のブロックに対する図1の装置の光の入射角度を図示する概略図である。
図3Bは図3Aのブロックの概略図であるが、そのブロックに対するレーザー光の入射角度及びその反射が変えられていて、明視野検出の感度が改良されたものであり、本願発明の望ましい実施例を示す。
図4は、入射角度の関数として、図3Bの透明な誘電性材料のブロックの反射率を示す図であり、本願発明望ましい実施例を示す。
図5は、サンプルの異常を検出するために結合した明視野及び暗視野装置を示す概略図で、本願発明の望ましい実施例を図示する。
説明の簡略化のために、本願明細書では、同一の要素は同一の参照番号で特定されている。
望ましい実施例の詳細
図1の装置10は本願発明の望ましい実施例を示すためのレーザー利用の走査型異常検出装置である。図1の照明装置並びに光収集及び検出装置は固定されており、検査予定のサンプルの表面12がらせん状の経路に沿って動かされる。らせん状の経路は、回転式モータによってシヤフト又は軸を中心にその表面を回転させるのと同時に、直線平行移動ステージ及びモータの組合せたものを用いて直線に沿ってそのシャフト又は軸を平行移動することによって達成することができる。シャフト又は軸を中心とする表面の回転運動と、そのシャフト又は軸の平行移動とは、2つのモータを制御することによって整合され、それにより、表面の照射された部分は基板上のらせん状の経路をトレースすることになる。
表面12は、半導体ウェーハ、フォトマスク、レチクル(reticle)、セラミックタイル等のような光反射性表面である。図1に示すように、検査すべき表面12は、その面の裏側に設けられたシャフト又は軸14の周りを回転するので、装置10の照射部分によって表面12の2つのスポット16及び18が照射されるようになる。その結果、スポット16及び18は、軸又はシャフト14を中心とする表面12の回転運動の接線の経路上に配置されることになる。表面12が、図示された矢印22の方向に沿って軸14の周りを回転すると、最初にスポット16内で照射された表面の部分は、後の時間にはスポット18内で照射される。さらに、表面12は、軸14に対し平行移動を行うので、スポット16及び18はらせん状経路に沿って表面12の全面に現れることになる。レーザー利用のスキャナで、上述の表面の回転及び平行移動を行い、固定された照射及び収集装置を備えるスキャナは公知で、例えば、Steigmeierの米国特許第4,391,524号、第4,526,468号及び4,598,997号並びに米国特許第5,377,001号に開示されている。
装置10は、ノマルスキーの差動干渉コントラスト原理(Nomarski's differential interference contrast principles)を用いた明視野検出方法を採用する。ノマルスキーの差動干渉コントラスト原理の詳細を説明するために、「Quantitative Surface Topography Determination by Nomarski, Reflection Microscopy, I. Theory,」Delbert L. Lessor、John S. Hartman及びRichard L. Gordon、Joumal of Optical Society of America、69巻、No.２、357頁（1979年）を参照のこと。図1に示すように、レーザー30は実質的に直線偏光の所定の波長のコヒーレント光ビーム32を提供する。ビーム32はファラデーアイソレーター34及び１／２波長板（半波長板）36を通過し、さらに、それはウォルストンプリズム40に達する前にビームスプリッター38を通過する。ビームスプリッター38はウォルストンプリズムに向かってビーム32の光の８５％又はそれ以上を通過させるタイプであることが望ましい。１／２波長板36は、ウォルストンプリズム40の垂直及び水平軸線に対し、ビーム32の偏光面を回転するために用いられており、ビームスプリッター38を通過するビーム41が、2つのビーム52及び54、つまり、垂直の偏光面を有するものと、水平の偏光面を有するものとに分割される。それらのビーム52及び54はビーム形成光学系42を通過し、ミラー44によって反射され、楕円形のコンテナ46の孔を通過して他のミラー48に向かう。そのミラーはその2つのビームを表面12に向けて反射して上記の2つのスポット16、18を照射する。ビーム52、54がほぼ表面に対して垂直ならば、表面12による２つのビーム52、54の反射は、2つの入射ビームの経路を表面12からミラー48、ミラー44、ビーム形成光学系42へと戻り、ウォルストンプリズム40によって再び単一のビーム56に結合される。そのように結合されたビームの８５％又はそれ以上がビームスプリッター38を通過し、ファラデーアイソレーター34によって吸収される。しかし、そのような結合されたビーム56の光の１５％又はそれ未満は、ビームスプリッター38によって明視野検出器60に向けて反射される。
A、Bが、結合されたビーム56の中の表面12による個々のビーム52、54の複合電界の場合には、その複合電界A、Bは下記の式によって与えられる。
Ａ＝ｅ1ｒ1exp｛ｊ(ωt＋φ1＋β1)｝
Ｂ＝ｅ2ｒ2exp｛ｊ(ωt＋φ2＋β2)｝
ここで、ｅ1、ｅ2は、スボツト16、18のそれぞれにおけるビーム52、54の入射電界の振幅であり、ｒ1、ｒ2は反射率であり（ウェーハ反射率及びウェーハと検出器60との間にあるほかの全ての反射率を含む）、ωは、レーザー30の角度的光学的振動数であり、φ1及びφ2はスポット16、18のそれぞれにおける表面12と関連した又はそれによって引き起こされた光学的位相であり、β1及β2びは表面12への2つの入射ビーム52、54及びそれからの反射ビームの平均的光学的位相であり、最後の2つの用語β1及β2は温度及び圧力の変動並びに機械的振動のような装置内のマイクロフォニック雑音の影響も含む。しかし、装置10のような差動干渉コントラスト装置においては、2つのビーム52、54は互いに接近しているので、それらの擬似的影響はほとんど同一であり、無視することができる。
偏光ビームスプリッター62は、ウォルストンプリズムの軸線に関して約45度の向きに向けられた軸線を持っているので、透過したビーム72及び反射されたビーム74は以下の式によって与えられる複合電界Ｅ1、Ｅ2を持つ。
0003955329.tif 000002
検出器Ｄ1はビーム72の強度Ｓ1をし、検出器Ｄ2はビーム74の強度Ｓ2を検出する。ここで、Ｓ1、Ｓ2は、以下に与えられる量に比例する。
0003955329.tif 000003
当業者にとって公知の方法によって、量βはウォルストンプリズム40上の表面を照射するためのビームの横方向入射位置を調整することによって調整できる。望ましくは、そのような相対位置は、βが９０度又はπ／２の値を持つように調整される。従って、Ｓ1、Ｓ2に関する上記の式は以下のように変形される。
0003955329.tif 000004
δφが小さい場合には、sin(δφ)＝（δφ）→線形応答
その結果
0003955329.tif 000005
ほとんどの異常の場合には、位相差δφは小さいので、上述の線形処理を行うことができる。位相差の線形化の他の方法も用いることができる。例えば、C.W.See and M. Vaez-Iravaniの「Linear Imaging in Scanning Polarization/Interference Contrast Microscopy」１９８６年９月２５日、22巻、No．２０、1079−1081頁に説明されたようなものがある。
従って、上記の式から、スボツト16、18における反射の複合電界Ａ、Ｂの間の差動位相は、差分出力66aにより測定され、上記の式の中の量Ｓによって与えられる。従って、装置10は複合電界Ａ、Ｂの間の差分位相を測定するように対応させることができる。装置10の1つの重要な特徴は、測定された量ＳはＡ、Ｂの間の差分位相に線形応答するので、その測定された量Ｓは、差分位相の符号、つまり、異常は表面12上のへこみなのか又は隆起なのかを保存するという点にある。この例においては、表面上の細片は隆起を持つかのように正の差分位相への上昇を与える。ウォルストンに基づく装置10の本体の特徴は、２つのビーム52、54の間を任意の位相でバイアスすることができ、それにより、装置の線形応答が保証される点にある。さらに、装置は自然に差動するので、それは、共通モードノイズの排除及び2つのビームの光経路に影響を与えるようなビーム方向に沿った振動の取り消しという点で重要な利点を持つ。通常のモードでの操作では、位相差は高い周波で得られる。これにより、ハイパスフィルタを出力差分位相信号に応用できる可能性が生じ、さらに、ウォルストンプリズム及びそのプリズムを通過する光ビームに横方向へのシフトを生じさせる振動が原因となる複雑な要因を大幅に解消することができる。出力64ａの反射率信号の総計は、サンプルの反射率の総計を与えるとともに、出力66ａの差分出力を正規化するために用いることができる。
楕円状のコレクター46は、スポット16及び18からの散乱光を暗視野検出器80に向けて反射する。その楕円状のコレクター46及び暗視野検出器80の操作のより詳細な説明を得るためには、1994年3月24日に出願された「Process and Assembly for Non-destructive Testing of Surface」という名称の米国特許出願第08/216,834を参照されたい。それは参考としてその全体をここに組み入れる。ミラー48はスポット16及び18からの反射が暗視野検出器80に到達するのを妨げる。簡略化のために、図1には、スポット16からコレクター46によって収集される光線のみを示しているが、コレクター46はスポット18からの光も収集してそれを検出器80に指向させることは理解できるであろう。また、図示の明瞭化のために、スポット16、18の間の距離は誇張しており、そのような距離は一般的にはスポット直径の半分か又はそれより小さい。
暗視野検出は小さな表面の異常に対し非常に敏感にすることができるが、暗視野だけでは表面の異常の構造的な特徴に関する情報を得ることはできない。上記のとおり、明視野に関して上述した位相検出方法は、一方の側のくぼみと他方の側の隆起との間の区別をすることができるので、そのような明視野検出を暗視野検出の補助として用いると表面の異常に関するより多くの情報を得ることができる。第1のレーザーを暗視野検出のために用いて表面12上の第1のスポットを照射し、第2のレーザーを明視野検出のために用いて表面12上の第2のスポットを照射すると、暗視野及び明視野検出の両方の利点を得るためには、人間が、表面上の特定のスポットに関する暗視野データと同じスポットに関する明視野データとを確認できるか又は記録することができるようでなければならない。これは煩雑であり、また、記録誤りによって暗視野及び明視野検出の両方を用いる目的をだめにすることがある。
図1の装置10は、単一のレーザーを用いて、明視野検出器60及び暗視野検出器80の両方で、表面12上のスポット16、18のような同一の区域の特徴をその表面から検出するので、そのよな問題を完全に取り除くことができる。これにより、暗視野及び明視野のデータの不整合を防ぐための方法は不用になる。
照射強度をかなり減少させ、さらに、暗視野検出装置における検出感度を減少させるには、ビーム52、54の相対強度を、一方のビームが他方より20倍又はそれ以上の強度となるように、一方（例えば、ビーム52）を他方のよりもより大きな強度とすることができる。そのような強度の比率を達成するための光学的構成を以下に説明する。以下に示すように、明視野及び暗視野検出の両方のための単一のレーザーの上述の利点は維持でき、その際に、照射及びその結果としての暗視野検出の検出感度を無駄にすることはない。それを図2に示す。
検出すべき表面の単一のスポットのみを1回照射すると単一スポットの点像強度分布関数を推定してデータ処理が実効されると仮定して、多くの暗視野検出装置が設計されている。従って、2つの別々のスポット16、18が存在すると、表面12上の２つの別々の照射されたスポットに適用するように、そのような装置の再設計を行わなければならず、それは望ましくない。本願発明は以下に説明するようにそのような再設計の必要性を取り除いた。
図2は検出器80で検出されたときの2つの照射されたスポット16、18の点像強度分布関数のプロット図であり、そこでは、一方のスポットを照射する出力Ｐ1及び第1の偏光を持つ一方のビームの強度は、他方のスポットを照射する出力Ｐ2及び第２の別の偏光を持つ他方のビームの強度の24倍である。図2からわかるように、102は第1偏光のビームによって照射されたスポットの点像強度分布関数であり、点像強度分布関数104は他方の偏光のビームによって照射されたものである。図面からわかるように、検出器80による2つの機能の合計は曲線106によって描かれている。図2から明らかなように、2つのスポット16、18の結合された点像強度分布関数は、第1の偏光を持つビームのみによって照射されるスポット16のものと本質的に同一である。従って、単一の照射されたスポットから拡散された光を検出するようにはじめから設計されている暗視野検出装置は、図1の装置10のように、結合された暗視野及び明視野検出装置に適合するように変更する必要はない。
半波長板36はビーム32の偏光面の回転を行うように用いられ、それによって、その偏光面の角度を、第1偏光のビーム52が、他方のビーム54の強度つまり出力Ｐ2の少なくとも20倍であるような強度つまりＰ1を持つように、ウォルストンプリズム40の垂直及び水平軸線に対する角度となるようにする。
明視野検出器60の動作をこれから説明する。ビームスプリッター38から反射されると、ビーム52から反射されたビーム58の部分はＰ偏光を持ち、ビーム54から反射されたビーム58の部分はＳ偏光を持つ。ビームスプリッター38から反射される前は、Ｐがビーム56の合計出力で、ＰP及びＰSはそれぞれビーム56のＰ偏光及びＳ変更部分で、γは比率ＰP／Ｐであると仮定すると、量Ｐ、ＰP、ＰSは以下のような関係を持つ。
0003955329.tif 000006
ビーム72から検出器Ｄ1によって検出された強度Ｉoutは以下のように与えられる量に比例する。
0003955329.tif 000007
ここで、ＲPはＰ偏光の光に関するビームスプリッター38の反射率であり、ＲSはＳ偏光の光に関するビームスプリッター38の反射率である。ビームスプリッター38がＰ及びＳ偏光の光に対して同一の反射率を持ち、さらに、γが24／25の場合には、検出器Ｄ1により検出された強度は以下のように与えられる。
0003955329.tif 000008
ここで、ＲはＰ及びＳ偏光の両方の光のビームスプリッター38の反射率である。
言い換えると、ビームスプリッター38が偏光とは関係なく同一の反射率を持ち、さらに、Ｐ偏光の光がＳ偏光の光の24倍の強度を持つ場合には、明視野検出器60によって検出される位相シフトは、ビーム58の内のＰ偏光の光とＳ偏光の光との間の大きな強度差（24対1）にも関わらず、約６０％まで単に減少されるだけである。ビームスプリッター38が入射光の８５％を通過させて、その入射光の１５％を反射させる場合には、ビーム58の全出力Ｐはレーザー30によって供給された光の約１２％ととなり、この割合は、表面12での不完全な光反射のためにさらに減少されることになる。
上記の例に対する別の方法は、ビーム52及び54が同一の強度を持つように半波長板36の向きを決めるものである。それによると、暗視野検出器に供給された光の強度密度及びその感度を減少させるという犠牲により、明視野検出器60に供給されたレーザー出力の割合を増加する。そうであっても、明視野検出器60に送られたビーム58の合計出力は、レーザー30によって提供される光の出力の２５％だけになり（また、表面12における不完全な光反射による強度のさらなる減少は考慮しない）、そのような出力は図2を参照しながら上述した方法を用いて供給したものの約２倍だけとなる。言い換えると、明視野検出器60に供給された全出力の（約２の係数による）わずかな減少においては、暗視野検出器に対する強度又は出力は注目されるほどには減少されず、装置の暗視野部分の検出感度は保持される。
上述のとおり、ビーム52、54が同一の強度を持つ場合には、暗視野検出装置のデータ処理部分を、２つの照射されたスポットからの検出に適合するように変える必要があるが、それは望ましくない。言い換えると、上記の方法は、明視野検出器60に供給された光の全出力におけるわずかな減少のみで、さらに、検出器60によって検出された位相シフト信号のわずかな減少で、暗視野検出装置の再設計を回避することができる。
上記の位相シフト信号の６０％の減少は、図3A、図3B及び図4を参照して以下に説明するように、ビームスプリッターの代わりに透過性の誘電体部材（本体）を用いることによって補償することができる。図3Aに示すように、ビームスプリッター38の代わりに、透過性の誘電体部材138のブロックを、半波長板36とウォルストンプリズム40との間に配置する。ブロック138は2つのほぼ平行な面138a、138bを持つ。図3Aにおけるブロック138は、面138a、138bがビーム32'及び56に対し45度となるように配置される。図4は、光の入射ビームの異なる入射角度ごとのガラスの反射率を図示するもので、Ｐ及びＳ偏光の両方の光の反射率を示す。図4から明らかなように、ブロック138がガラスから作られている場合には、それは、非常に小さな角度及び非常に大きな角度の入射角度を除いて、Ｐ偏光の光の反射率と比べて高いＳ偏光の光の反射率を持つ。図3Aに示すような４５度の入射角度では、Ｓ偏光の光の反射率は、概略、Ｐ偏光の光に関するものよりも大きな規模の次数である。それは、検出器60によって検出された位相シフトの信号における減少を補償する傾向がある。４５度の辺りの角度の範囲内では、Ｐ及びＳ偏光の光の相対的反射率が、検出器60によって検出された位相シフトの信号の減少を補償する。そのような角度の範囲には、以下に示すようなガラスのブリュースター角より小さな値が含まれる。従って、入射角がそのような範囲内にあるように選択されると、ビーム52、54の強度差による位相シフト信号の減少は部分的に補償される。
図4を参照すると、ガラスの屈折率は１．５なのでブリュースター角は約５６度である。６４度の入射角（ブリュースター角より大きい）が図3Ｂに図示するものの代わりに選択されると、Ｓ偏光の光の光反射率がＰ偏光の光の約２０から２４倍となる。その場合には、比率ＲP／ＲSはほぼ（１−γ）／γと等しくなるので、検出器Ｄ1によって検出される強度は以下のように所定の量と比例することになる。
0003955329.tif 000009
言い換えると、ビーム52、54の間の強度の大きな差を補償するような反射率の比率ＲP／ＲSを持つ透過性の誘電体材料を用いることによって、検出器60によって検出された位相シフト信号の上記の減少は完全に補償されるので、もはやそのような減少はない。また、６４度の角度の辺りの角度の範囲内では、Ｐ及びＳ偏光の光の相対的反射率が、検出器60によって検出された位相シフトの信号の減少を補償する。一般的には、位相シフト信号の減少を補償するために、入射角の値を2つの範囲内の値から選択することができ、1つの範囲内の値はブリュースター角より小さな値であり、他方の範囲内の値はブリュースター角より大きな値である。
上記の式から、検出器のフリンジビジビリティーを導くことができ、それは以下の式の左側の式から得られる。最良の結果を得るため、その検出器のフリンジビジビリティーは、可能な限り高くなるべきで、つまり、できる限り１に近づけるべきである。実際の装置のためには、検出器のフリンジビジビリティーは以下の式から与えられるように０．９より大きいと仮定する。
0003955329.tif 000010
フリンジビジビリティーの他の値が条件に合うのであれば、０．９をそれらの値の１つに変更するだけであるという点に注意すべきである。
望ましくは、図3A及び図3Bに示されているような入射角度の選択は、フリンジビジビリティーが省略されるようなことである。適切な材料がブロック138の透過性誘電体のために選択されていて、その屈折率が既知の場合には、フリンジビジビリティーに関する上記の式を用いて、ビーム32'、56とブロックの2つの面138a、138bとの間の入射角度に対して適切な値を導き出すことができる。
図1のビームスプリッター38は、図3A及び図3Bの誘電体ブロックとほぼ同様な方法によるのではなく、それがＰ及びＳ偏光を反射し透過するように設計できるということは理解すべきである。例えば、Ｐ偏光の光の８５％から９０％を透過して１５％から１０％を反射するとともに、Ｓ偏光の光の１５％から１０％を透過して８５％から９０％を反射するような特別に設計されたビームスプリッターによると、Ｐ及びＳ偏光の光の同じ入力パワーのレベルに対し、確実に、明視野検出器が同一の量の両方の偏光を受け取ることになる。上記の説明において用いられた２４：１のＩP／ＩS出力差のようにＰ及びＳ偏光要素の量が実質的に異なる入力光の場合には、ウェーハへの供給は少なくとも２００：１の強度比率の2つの隣り合うスポットからなる。これは単一のスポットとはほとんど区別することができないであろう。一方、明視野検出器によって受け取られた全出力及びフリンジビジビリティーは前で説明したこと（伝達された光と受け取られた光との間で８５％及び１５％の出力分割を持つビームスプリッターの説明において）と非常に似ている。当然であるが、他の出力分割も可能である。例えば、特別に設計されたビームスプリッターはＰ偏光の光の９５％から９８％を透過して、5％から２％を反射することができ、また、Ｓ偏光の光の５３％から５７％を透過して４７％から４３％を反射することができる。その上述の特別に設計されたビームスプリッターは顧客明細によるとコロラド州、ボールダーのAlpine Research Opticsから入手することができる。
本願発明を、半導体ウェーハの表面のような不透明な表面12から反射された光の検出に言及しながら説明したが、透明な材料の層の表面上又はその層の内部の異常を検出するためにわずかに変更した装置を用いることができる。それは図5に示す。図5に示すように、透明な部材200の層の表面12上のスポット16、18に向けて伝達された光は、その表面及び層を通過して、反射器152、154によって反射されてビーム形成光学系156に向けられ、第2のウォルストンプリズム160（第1のウォルストンプリズム40を補うように設計されている）によって結合されて、検出器60に向けられて上記と同様な方法によって検出される。反射された光はレーザーに向かう際に入射ビームの経路を戻らないので、レーザー30と表面12との間の光経路にはビームスプリッターは必要としない。
さまざまな実施例を参照しながら本願発明を上で説明したが、本願発明の範囲を逸脱することなく異なる変更及び修正を行うことができ、本願発明は請求の範囲のみによって特定されるべきである。
【図１】
0003955329.tif 000011
【図２】
0003955329.tif 000012
【図３Ａ】
0003955329.tif 000013
【図３Ｂ】
0003955329.tif 000014
【図４】
0003955329.tif 000015
【図５】
0003955329.tif 000016