(57)【要約】【課題】半導体の微細化に伴い、微小な欠陥を検出すること、つまり高感度化が検査装置には求められている。高感度化のためのアプローチは幾つか考えられる。その１つが、試料に照明する照明光の短波長化である。その理由は、照明光の波長をλとすると、散乱光の大きさIとλとの間には、I∝λ-4の関係が成立するからである。その他のアプローチとしては、照明光の多波長化が考えられる。また、試料から発生した散乱光をより多く取り込むアプローチも考えられる。しかし、これらのアプローチに好適な光学系を従来技術では十分に見いだせていない。【解決手段】本発明は、ウォルターミラーを含むウォルター光学系を使用して欠陥を検出することを１つの特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料へ照明光を供給し、前記試料上へ照明領域を形成する照明光学系と、
前記試料からの光を集光し、結像するウォルター検出系と、を有する検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系は、積層した複数のウォルターミラーを有する検査装置。
【請求項３】
請求項２に記載の検査装置において、
前記照明光は、Ｘ線、真空紫外波長の光、又は複数の波長を有する光である検査装置。
【請求項４】
請求項３に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系からの光を検出する光子計数検出システムを有する検査装置。
【請求項５】
請求項４に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系と前記光子計数検出システムとの間に空間フィルタシステムを有する検査装置。
【請求項６】
請求項５に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系と前記光子計数センサとの間に偏光フィルタシステムを有する検査装置。
【請求項７】
請求項６に記載の検査装置において、
前記光子計数検出システムは第１の光子計数検出センサ、及び第２の光子計数検出センサを有し、
前記ウォルター検出系の射出側には分岐素子が配置されており、
前記分岐素子を透過した光は、前記第１の光子計数検出センサによって検出され、
前記分岐素子を反射した光は、前記第２の光子計数検出センサによって検出される検査装置。
【請求項８】
請求項７に記載の検査装置において、
前記空間フィルタシステムは、第１の空間フィルタ、及び第２の空間フィルタを有し、
前記第１の空間フィルタは前記分岐素子と前記第１の光子計数検出センサとの間に配置され、
前記第２の空間フィルタは前記分岐素子と前記第２の光子計数検出センサとの間に配置される検査装置。
【請求項９】
請求項８に記載の検査装置において、
前記空間フィルタシステムは、第１の偏光フィルタ、及び第２の偏光フィルタを有し、
前記第１の偏光フィルタは前記分岐素子と前記第１の光子計数検出センサとの間に配置され、
前記第２の偏光フィルタは前記分岐素子と前記第２の光子計数検出センサとの間に配置される検査装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出システムは、前方散乱光、上方散乱光、及び後方散乱光のうち少なくとも１つを検出する検査装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出システムは、前方散乱光、上方散乱光、及び後方散乱光を検出する検査装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系からの光を検出する検出システムを有する検査装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系と前記検出システムとの間に空間フィルタシステムを有する検査装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系と前記検出システムとの間に偏光フィルタシステムを有する検査装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系は、第１のウォルターミラー、及び前記第１のウォルターミラーを覆う第２のウォルターミラーを有する検査装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の検査装置において、
前記第１のウォルターミラーの結像位置と前記第２のウォルターミラーの結像位置とは異なり、
前記第１のウォルターミラーからの光を検出する第１の検出器と、
前記第２のウォルターミラーからの光を検出する第２の検出器と、を有する検査装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系は、前方散乱光を検出するための第１のウォルター光学系、上方散乱光を検出するための第２のウォルター光学系、及び後方散乱光を検出するための第３のウォルター光学系のうち少なくとも１つを有する検査装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系は、前記第１のウォルター光学系、前記第２のウォルター光学系、及び前記第３のウォルター光学系を有する検査装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の検査装置において、
前記第１のウォルター光学系、及び前記第３のウォルター光学系のうち少なくとも１つの集光端の形状は実質的な楕円である検査装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の検査装置において、
前記楕円は、仰角方向に第１の軸を有し、方位角方向に前記第１の軸より長い第２の軸を有する検査装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系は、集光端、及び射出端の少なくとも１つに周期的な構造を有する検査装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の検査装置において、
前記ウォルター検出系は、積層した複数のウォルターミラーを有し、
前記周期的な構造は、前記複数のウォルターミラーの間の空間に形成される検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料上の異常を検出する装置、及び方法に関する。本発明は、例えば、試料表面に存在する微小な欠陥を検査し、欠陥の位置、種類および寸法のうち少なくとも１つを判定して出力する検査装置、微弱光検出方法、微弱光検出器に関する。
【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、製品の歩留まりを維持・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。欠陥の検査に使用されるのが、いわゆる検査装置である。先行技術文献としては下記の特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５９０３３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体の微細化に伴い、微小な欠陥を検出すること、つまり高感度化が検査装置には求められている。高感度化のためのアプローチは幾つか考えられる。その１つが、試料に照明する照明光の短波長化である。その理由は、照明光の波長をλとすると、散乱光の大きさIとλとの間には、I∝λ-4の関係が成立するからである。その他のアプローチとしては、照明光の多波長化が考えられる。また、試料から発生した散乱光をより多く取り込むアプローチも考えられる。しかし、これらのアプローチに好適な光学系を従来技術では十分に見いだせていない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ウォルターミラーを含むウォルター光学系を使用して欠陥を検出することを１つの特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高感度な検査が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例１の装置構成の説明図。
【図２】試料表面上の照明領域形状と走査方向の説明図。
【図３】走査による照明スポットの軌跡の説明図。
【図４】信号処理部の説明図。
【図５】ウォルターミラー１１１１の説明図。
【図６】ウォルター光学系１１００の説明図。
【図７】並列型光子計数センサ１１５aの説明図。
【図８】並列型光子計数センサ１１５aの説明図（続き）。
【図９】並列型光子計数センサ１１５aの変形例の説明図。
【図１０】実施例２の説明図。
【図１１】実施例２の説明図（続き）。
【図１２】実施例３の説明図（その１）。
【図１３】実施例３の説明図（その２）。
【図１４】実施例３の説明図（その３）。
【図１５】実施例４の説明図。
【図１６】実施例５の説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、本発明は以下に説明する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。下記に説明する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するものであり、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、他の構成を追加・削除・置換をすることが可能である。また、ウェハという表現は、厳密な意味でのシリコンウェハだけでなく、何らかの膜が形成された基板、その他の試料も含む広義の表現である。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本実施例の欠陥検査装置の構成の例を示す。本実施例における欠陥検査装置は、照明光学系ユニット１０、検出光学系ユニット１１、データ処理部１２、ステージユニット１３、全体制御部０１を備えて構成されている。
【００１０】
ステージユニット１３は、並進ステージ１３０、回転ステージ１３１、ウェハ面高さ調整のためのＺステージを備える。図２、３に示す用に、ウェハ照明光学系ユニット１０によってウェハ００１の表面に形成された細線状の照明領域１０００の長手方向をＳ２とし、Ｓ２に実質的に直交する方向を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へ細線状の照明領域１０００の長手方向の長さ以下の距離だけ走査することにより、照明スポットがウェハ００１にらせん状の軌跡Ｔを描き、ウェハ００１の表面の全面が走査され、これによりウェハ全面の検査を可能とする。
【００１１】
なお、スキャン中にウェハ００１がウォルター光学系１１００、第１の検出ユニット１１ａ、第２の検出ユニット１１bの焦点範囲から外れると、並列型光子計数センサ１１５a、１１５bで検出される微弱散乱光の状態が変化し、欠陥検出感度が低下する。このためスキャン中にはＺステージにより常にウェハ表面のｚ位置がウォルター光学系１１００、第１の検出ユニット１１ａ、第２の検出ユニット１１bの焦点範囲にあるように制御されることが望ましい。このウェハ表面のｚ位置の検出はウェハ表面ｚ位置検出手段１１０５により行われる。
【００１２】
図１に戻り、照明光学系ユニット１０は光源１０１、偏光状態制御手段１０２、ビーム成形ユニット１０３及び細線集光光学系１０４を備えている。このような構成において、光源１０１を射出した照明光は、偏光状態制御手段１０２、ビーム成型ユニット１０３、を透過して、細線集光光学系１０４に導入される。偏光状態制御手段１０２は１／２波長板、１／４波長板などの偏光素子で構成され、照明光学系の光軸周りに回転できるような駆動手段（図示せず）を具備し、ステージユニット１０３に載置されたウェハ００１を照明する照明光の偏光状態を調整する手段である。また、ビーム成型ユニット１０３は、後に述べる細線照明を形成する光学ユニットであり、ビームエキスパンダ、アナモルフィックプリズム等によって構成される。細線集光光学系１０４はシリンドリカルレンズ等により構成され、細線状に成形した照明光でウェハ（基板）００１の細線状の照明領域１０００を照明する。本実施例では、図１に示すように細線照明の幅方向（細線照明領域の長手方向に直角な方向）をステージ走査方向（ｘ方向）に、細線照明領域の長手方向をｙ方向に取るものとして説明する。
【００１３】
また、本実施例ではこのように、照明領域を絞った細線照明を行うが、これは検査対象に対する照明の照度（照明のエネルギー密度）を高くすることにより、検査スループットの向上を図ることが目的の一つである。このため、光源１０１には直線偏光を放射し、集光性の良い高コヒーレント光源であるレーザ光源を使用することが望ましい。また、欠陥からの散乱光を増大させるためには、光源の短波長化が有効であり、本実施例の光源１０１はＵＶ（Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ)レーザを含む。さらに、本実施例の光源１０１は、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）−ＴＨＧ（ｔｈｉｒｄ  ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の波長３５５ｎｍ固体レーザ、ＹＡＧ−ＦＨＧ（Ｆｏｕｒｔｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の波長２６６ｎｍ固体レーザ、及びＹＡＧ−ＦＨＧとＹＡＧ基本波の和周波による２１３ｎｍ、１９９ｎｍ、１９３ｎｍ固体レーザ等の少なくとも１つを用いることが出来る。つまり、本実施例の照明光学ユニット１０はウェハ００１に実質的に単一波長の光を供給する場合もあるし、光源１０１はいわゆるブロードバンド光源を含み、複数の波長を含む光を供給する場合もあるということである。
【００１４】
照明領域１０００からの散乱光はウォルター光学系１１００によって集光、結像される。ウォルター光学系１１１０は複数のウォルターミラー１１１１〜１１１４を含む。ウォルターミラー１１１１〜１１１４はウェハ００１が搭載されるべき面の法線１１０１を囲むように積層している。法線１１０１はウォルター光学系１１００の集光端１１０２、及び射出端１１０３を通過する。より、具体的には、法線１１０１は最も内側に配置されたウォルターミラー１１１１の集光端、及び射出端を通過する。本実施例では、ウォルター光学系１１００の光軸１１０１はウェハ００１が搭載されるべき面の法線と実質的に一致するし、実質的に平行である。
【００１５】
本実施例では、照明光１０１０は、ウェハ００１に対して所定の入射角をもって斜めに、かつウォルター光学系１１００の外からウェハ００１に入射し、ウォルター光学系１１００は散乱光を検出するので、本実施例の検査装置は暗視野型であると表現することができる。
【００１６】
ウォルター光学系１１００によって集光された光は分岐光学素子１１０４（例えば、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ）によって分岐され、第１の検出ユニット１１a、及び第２の検出ユニット１１bへ入射する。
【００１７】
第１の検出ユニット１１ａは、空間フィルタ１１２ａ、偏光フィルタ１１３ａ、結像レンズ１１４ａ、並列型光子計数センサ１１５ａを含む。第２の検出ユニット１１ｂは、空間フィルタ１１２b、偏光フィルタ１１３b、結像レンズ１１４b、並列型光子計数センサ１１５bを含む。
【００１８】
分岐光学素子１１０４を透過した光は並列型光子計数センサ１１５ａ上に結像され、分岐光学素子１１０４を反射した光は並列型光子計数センサ１１５b上に結像される。より具体的に説明するなら、並列型光子計数センサ１１５ａ上の複数の素子に跨るように、ウェハ００１上の欠陥の散乱光像（点像）は結像される。第２の検出ユニット１１ｂについても同様に、並列型光子計数センサ１１５ｂ上の複数の素子に跨るように、ウェハ上の欠陥の散乱光像（点像）が結像される。なお、ウォルター光学系１１００は結像機能を有するので、必ずしも結像レンズ１１４a、及び結像レンズ１１４bは必要ではない。
【００１９】
空間フィルタ１１２ａ、１１２ｂは、ウェハ００１のラフネス等により生じる背景散乱光を遮光することで、検出時の背景光ノイズを低減して、欠陥検出感度を向上させるものである。また、偏光フィルタ(偏光板等) １１３ａ、１１３ｂは、検出散乱光から特定の偏光成分をフィルタリングすることで、背景光ノイズを低減して、欠陥検出感度を向上させるために用いるものである。
【００２０】
並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂは光電変換により、検出された散乱光を電気信号に変換するものであり、複数のＡＰＤ素子を２次元のアレイ状に配列して構成した検出器の、各素子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  Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）、ＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、あるいはＭＰＰＣ（ＭｕｌｔｉーＰｉｘｅｌ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｃｏｕｎｔｅｒ）などと呼ばれる素子である。
【００２１】
並列型光子計数センサ１１５ａ、及び並列型光子計数センサ１１５bからの信号は、信号処理部１０５へ送信され、欠陥検出が行われる。
【００２２】
信号処理部１０５は、第１、第２の並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、により光電変換された散乱光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。ここで信号処理部１０５の具体的構成に付いて図４により説明する。実際には第１の検出ユニット１１ａ、第２の検出ユニット１１ｂ各々が並列型光子検出センサ１１５a、１１５bの各ｃｈ毎に複数の信号を出力する。ここではその中の一つのｃｈの信号に注目した説明を行うが、他のｃｈ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。
【００２３】
並列型光子検出センサ１１５a、１１５b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、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。
【００２４】
前述したステージ走査において、照明領域１０００の幅方向（ウェハの円周方向）Ｓ１に走査されるため、欠陥信号の波形は照明領域１０００のＳ１方向の照度分布プロファイルを角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。
【００２５】
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、その周波数成分以上の成分を遮断するように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、あるいは照明領域１０００の照度分布の形状が反映された欠陥信号の波形と相似形を成すＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを用いる。
【００２６】
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基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。
【００２７】
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表示部５３に提供して表示部などに出力する。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。
【００２８】
さらに、出力信号５００ａ、５００ｂは、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂへ各々に入力され、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂからは、ウェハ状の照明領域１０００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６０６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、ウェハ上の場所毎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。ヘイズ信号から、ウェハ００１の表面状態も併せて得ることが可能となる。
【００２９】
次に、図５を用いて、ウォルター光学系１１００について詳細に説明する。図５はウォルターミラー１１１１の断面図である。ウォルターミラー１１１１の第１の反射面１１１１aは照明領域１０００の断面００３からの散乱光４００１を第２の反射面１１１１bへ向けて反射する。第２の反射面１１１１bによって反射された光は図６の点１１８へ向かう。ウォルターミラー１１１２〜１１４についても図６に示すように同様である。光学的には、点１１８は並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂの少なくとも１つの受光面と実質的に一致している。そのため、ウェハ００１からの散乱光は、並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂの少なくとも１つの受光面に点像として結像されることなる。
【００３０】
ウォルターミラー１１１１〜１１４については様々な表現が可能であるが、例えば、位置の異なる２つの反射面（より具体的には双曲面）を有し、そのような反射面が中空の筐体内に形成された光学素子であると表現できるし、放物面と双曲面との組み合わせによって構成される光学素子であると表現することもできる。
【００３１】
ウォルター光学系１１００の１つの特徴はウォルター光学系１１００が実質的な全反射光学系を形成するという点である。よって、照明光としてＸ線や真空紫外領域の光を使用して、集光にレンズを使用した場合に生じるレンズによる光の吸収が実質的には無い。さらに、レンズ等の屈折型光学系を使用した場合の色収差も実質的には無いので、ブロードバンド照明をウェハ００１に供給する場合も好適である。さらに、より多くの散乱光を取り込むための大きな対物レンズや光学素子も実質的に不要であるので、散乱光の取り込みも容易である。この結果、高感度化、特に照明光の短波長化、多波長化に好適な検出光学系が提供されることになる。
【００３２】
第１の反射面１１１１a、第２の反射面１１１１bの材質としては、アルミニウムが用いられる場合もあるし、照明光がＸ線の場合には、Ｘ線が第１の反射面１１１１a、第２の反射面１１１１bで全反射するよう金、プラチナ、多層膜が使用される場合もある。特に、照明光としてＸ線を使用する場合は、照明光の光路、ウェハ００１上、ウォルター光学系１１００の内部、並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂの少なくとも１つへ至る経路はポンプに例示される排気システムによって真空排気されることが望ましい。
【００３３】
次に、並列型光子計数センサ１１５aについて詳細に説明する。なお、後述の説明は、並列型光子計数センサ１１５bについても当てはまる。図７は、並列型光子計数センサ１１５aの受光面の構成の一例である。並列型光子計数センサ１１５aは単一のＡＰＤ素子２３１を、複数個２次元に配列した構成を有する。ＡＰＤ素子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素子２３１に一つの光子が入射すると、ＡＰＤ素子の量子効率に応じた確立でＡＰＤ素子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。図６で点線の２３２で囲まれた中にあるＡＰＤ素子の集合を一つの単位（ｃｈ）として、Ｓ１方向にｉ個、Ｓ２方向にｊ個のＡＰＤ素子の各々で発生したパルス状の電気信号を合計して出力する。この合計信号が光子計数による検出光量に相当する。そしてこれらｃｈをＳ２方向に複数並べることで、検出系の視野内の複数の領域の各々に対して、同時並列的に光子計数による散乱光の光量検出を行うことが可能となる。光子計数による散乱光検出であるため、微弱光検出が可能であり、これにより微小欠陥の検出、すなわち欠陥検出感度の向上を図ることが可能となる。
【００３４】
図８は１ｃｈを構成するｉ×ｊ個のＡＰＤ素子群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、図７で説明した一つのＡＰＤ素子２３１に対応する。各ＡＰＤ２２７に逆電圧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７に示した回路構成にすることで、ｉ×ｊ個のＡＰＤ素子群からなる並列型光子計数センサの１ｃｈの領域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。各Ｃｈに対応する出力電気信号はアナログ−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。
【００３５】
個々のＡＰＤ素子は、短い時間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素子への単位時間当たりの入射光子数が大きくなると、一つのｃｈの合計出力信号が入射光子数に比例しなくなり、信号の線形成が損なわれる。また、一つのｃｈの全てのＡＰＤ素子に一定量（１素子あたり平均１光子程度）以上の入射光が入ると、出力信号は飽和する。Ｓ１、Ｓ２方向に多数のＡＰＤ素子を並べた構成とすることにより、一画素あたりに入射光量を低減することが可能となり、より正確な光子計数が可能となる。例えばＳ１、Ｓ２方向にｉ×ｊ個並べた１ｃｈの画素数を１０００画素にすることで、ＡＰＤ素子の量子効率が３０％の場合、検出の単位時間当たり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。
【００３６】
本実施例によれば、高感度な欠陥検出が可能となる。特に、Ｘ線、真空紫外波長の光、又は複数の波長を有する光を照明した場合に、高感度な欠陥検出が可能となる。
【００３７】
なお、図７に示した並列型光子計数センサの構成では、Ｓ１方向に対して光強度が一様でなく、センサの中央部と比較して端部の光強度が弱くなる場合もある。結像光学素子として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のＳ１方向の分布を、強度が一様な分布とすることが出来る。こうすることで、Ｓ１方向のＡＰＤ素子数を保ったまま、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更に拡大することが可能となる。
【００３８】
このとき、先に述べた細線状の照明領域１０００は、照明光の効率を向上させるために（センサの検出範囲外を照明しても無効であるため）並列型光子計数センサ１１５a、及び１１５bの検出範囲に絞り込むように基板を照明する。
【００３９】
ここで照明領域１０００の長さと、ウォルター光学系１１００、及び検出光学系１１a、１１bの光学倍率、並列型光子計数センサ１１５a、１１５bの寸法との関係を説明する。高感度、高速検査を行う場合、照明領域１０００の長さＬは概略２００ｕｍに設定される。並列型光子計数センサ１０５として、ガイガーモードで動作する２５ｕｍ角のＡＰＤ素子が、Ｓ２方向には２０素子、Ｓ１方向には１６０素子の並んだユニットを１ｃｈとし、これをＳ１方向に８ｃｈ並べて並列型光子計数センサを構成した場合、並列型光子計数センサのＳ１方向の全長は４ｍｍとなり、これと照明領域の長さＬ２００ｕｍと比較すると、検出部の光学倍率は２０倍となり、ウェハ面に投影される検出ｃｈのピッチは２５ｕｍとなる。
【００４０】
この条件で、試料を回転速度２０００ｒｐｍで回転させ、１回転に対する並進ステージの送りピッチを１２．５ｕｍとした場合、直径３００ｍｍのウェハは６秒で、直径４５０ｍｍのウェハは９秒で全面が走査される。ここでは、ウェハを回転走査する際の１回転に対する並進ステージの送りピッチを、ウェハ面に投影される検出ｃｈのピッチ２５ｕｍの１／２としたが、必ずしもこの値に限ることは無く、ウェハ面に投影される検出ｃｈの任偶数分の１あるいは奇数分の１の任意の数、あるいは整数分の１に限ること無く任意に定めても良い。
【００４１】
並列型光子計数センサ１１５a、１１５bの変形例１の構成図を図９（ａ）に示す。ＡＰＤ素子を配列した並列型光子計数センサ２２４において，個々のＡＰＤ素子を小さくした場合、ＡＰＤ素子間に配置される配線やクエンチング抵抗からなる不感帯の面積が、受光部の有効面積に対して相対的に大きくなるため、並列型光子計数センサの開口率が低下し，光検出効率が低下する場合もある。そこで図９（ａ）に示すように並列型光子計数センサ２３４の受光面２３１の前に，マイクロレンズアレイ２２８を設置することで，素子間の不感帯に入射する光の割合を低減し，実効的な効率を向上することが出来る。マイクロレンズアレイ２２８は，ＡＰＤ素子の配列ピッチと同じピッチで微小な凸レンズが並んだものであり，並列型光子計数センサ２３４への入射光の主光軸と平行な光線（図９（ａ）の点線）が対応する受光面２３１の中央付近に入射するように設置される。
【００４２】
並列型光子計数センサ１１５a、１１５bの変形例２の構成図を図９（ｂ）に示す。ＡＰＤ素子は一般的にはシリコン系の材料を用いたデバイスであるが、シリコンデバイスは一般的に紫外光領域での量子効率が低下する。これを改善するためには、ＡＰＤ素子をシリコンナイトライド、ガリウムナイトライド系の材料を用いたデバイスとする方法が考えられる。また、図９（b）に示すようにマイクロレンズ２２８とシリコンプロセスで製作された並列型光子計数センサ２３４と間に波長変換材料２３５（シンチレータ）を設置して，紫外光を長波長光（可視光等）に変換して、受光面２３１に波長変換材料２３５へ入射する光の波長よりも長波長の光を入射させることで実質的に変換効率を上げる方法も考えられる。
【実施例２】
【００４３】
次に、実施例２について説明する。以降の説明では、他の実施例と異なる部分について説明する。
【００４４】
欠陥からの散乱光は欠陥の大きさ、欠陥の種類（異物に例示される突起欠陥、傷に例示される凹み欠陥）の少なくとも１つに応じて変化する。本実施例はこの点に配慮したものである。
【００４５】
図１０は本実施例を説明する図である。なお、後述する仰角は様々な表現が可能であるが、ここでは図１０（a）に示す用に集光端１１２１と射出端１１２０とを結ぶ線とウェハ００１との間の角度を仰角として説明する。図１０（a）では、仰角θ1は例えば０°より大きく４５°以下となるよう形成される。微小な異物からの散乱光は比較的低い仰角に散乱する場合もある。よって、微小な異物からの散乱光を効率良く検出するには図１０（a）の配置が好適である場合もある。
【００４６】
図１０（ｂ）では、仰角θ２は例えば４５°より大きく形成される。照明光の入射角にもよるが、凹み欠陥からの散乱光は比較的高い仰角で検出される場合もある。よって、凹み欠陥からの散乱光を効率良く検出するには図１０（ｂ）の配置が好適である場合もある。こうようにウォルターミラー１１１１、１１１４の構成、配置を工夫することによって、特定欠陥からの散乱光を効率良く集光、結像することが可能になる。
【００４７】
さらに、図１１に示すように、図１０（a）(b)で説明したウォルターミラー１１１１、ウォルターミラー１１１４を結像位置が異なるように構成、配置し、並列型光子計数センサ１１５ａでウォルターミラー１１１１からの散乱光像を検出し、並列型光子計数センサ１１５bでウォルターミラー１１１４からの散乱光像を検出し、並列型光子計数センサ１１５ａの信号と並列型光子計数センサ１１５bとを信号処理部で比較するようにすれば、欠陥の種類を分類することが可能となる。
【実施例３】
【００４８】
次に、実施例３について説明する。ウォルター光学系１１００の配置には、他の変形例も考えられる。以降では、他の実施例と異なる部分について主に説明する。
【００４９】
図１２、及び図１３は、本実施例を説明する図である。図１２ではウォルター光学系１１００はウェハ１１０１を搭載すべき法線１１０１が集光端１１０２、及び射出端１１０３を通過するが、ウォルター光学系１１００の光軸１１２５は法線１１０１とは傾斜するよう配置される。図１３では、ウォルター光学系１１００は、ウェハ００１を搭載すべき面の法線１１０１が集光端１１０２、及び射出端１１０３の外にあり、かつウォルター光学系１１００の光軸１１２５は法線１１０１とは傾斜するよう配置される。
【００５０】
さらに、本実施例では、図１４（a）に示すように、第１のウォルター光学系１１２７、第２のウォルター光学系１１２８、及び第３のウォルター光学系１１２９を検査に使用しても良い。このように配置すればより多くの散乱光を集光、結像することが可能となる。少なくとも１つ以上のウォルター光学系を含むシステムは、ウォルター検出系１１４０と表現することもできる。
【００５１】
図１４（a）では、照明光１１３０はウォルター検出系１１４０の外から、所定の入射角でウェハ００１上に供給される。第１のウォルター光学系１１２７は、照明領域１０００からの前方散乱光を検出、結像するよう配置される。第２のウォルター光学系１１２８は、照明領域１０００からウェハの法線１１４１方向に強く散乱した上方散乱光を検出、結像する。第３のウォルター光学系１１２９は、照明領域１０００からの後方散乱光を検出、結像する。
【００５２】
ここで、前方散乱光、後方散乱光、上方散乱光については様々な表現が可能であるが、照明光１１３０をウェハ００１に投影した投影矢印１１３１を定義して、投影矢印１１３１の向きと同じ向きの散乱光成分を他の向きの散乱光成分よりも多く含むよう散乱した光は前方散乱光と表現できるし、投影矢印１１３１の向きと逆の向きの散乱光成分を他の向きの散乱光成分よりも多く含むよう散乱した光は後方散乱光であると表現することができる。上方散乱光については、ウェハ００１の法線方向の散乱光成分を他の向きの散乱光成分よりも多く含むよう散乱した光を上方散乱光と定義することができる。
【００５３】
さらに、第１のウォルター光学系１１２７、第２のウォルター光学系１１２８、及び第３のウォルター光学系１１２９を使用する場合、第１のウォルター光学系１１２７、第２のウォルター光学系１１２８、及び第３のウォルター光学系１１２９の集光側はウェハ００１により近接した方が望ましい。ウェハ００１に近接した方が、より多くの散乱光を取り込めるからである。特に、第２のウォルター光学系１１２８の位置は、第１のウォルター光学系１１２７、及び第３のウォルター光学系１１２９の集光側の仰角方向１１３２の長さに制限される。
【００５４】
そこで、図１４（b）に示すように第１のウォルター光学系１１２７、及び第３のウォルター光学系１１２９の少なくとも１つの集光端の形状を、仰角方向１１３２の長さについては短く、方位角方向１１３３については仰角方向１１３２の長さよりも長くすれば、第２のウォルター光学系１１２８はウェハ００１に近接できる。このことは、第１のウォルター光学系１１２７、及び第３のウォルター光学系１１２９の少なくとも１つの集光端の形状は、所定の長さを有する第１の軸１１３４、及び第１の軸１１３４よりも長い第２の軸１１３５を有する実質的な楕円となると表現することもできる。なお、集光端を実質的な楕円とすることは第２のウォルター光学系１１２８に採用しても良い。なお、仰角、方位角については、様々な表現が可能であるがウェハ００１と平行なｘ軸、ｘ軸と交差するｙ軸、及びｚ軸を定義し、ｘ軸とｚ軸との間の角度を仰角、ｘ軸とｙ軸との間の角度を方位角と表現することができる。
【００５５】
なお、前方散乱光、上方散乱光、及び後方散乱光のうちいずれを検出するかは作業者が任意に決定すれば良い。つまり、本実施例によれば、前方散乱光、上方散乱光、及び後方散乱光の少なくとも１つを検出することが可能であるということである。
【実施例４】
【００５６】
次に実施例４について説明する。以降の説明では、他の実施例と異なる部分について説明する。本実施例は、ウォルターミラー１１００の内部を経由して照明光をウェハ００１に供給することを１つの特徴とする。これは、ウォルターミラー１１００が、ウェハ００１からの散乱光を検出、結像する機能の他に、照明光の導波路としての機能を有すると表現することもできる。
【００５７】
本実施例では、図１５（a）（b）に示すように、ウォルター光学系１１００内の最も内側のウォルターミラー１１１４の内部を経由して照明光１１２６がウェハ００１に供給される。図１５（a）では、照明光１１２６はウェハの法線１１４１と一致する垂直照明である。図１５（b）では、照明光１１２６は比較的小さな入射角θ3でウェハ００１へ供給される。図１５（a）(b)の場合では、正反射光１１４３が発生するが、正反射光１１４３は点１１８に至るよりも前の経路で何らかの遮光手段により遮光するようにしても良いし。散乱光を検出するための並列型光子計数センサとは別の検出器で検出しても良い。正反射光１１４３を遮光するか、検出するかは作業者が検出したい欠陥の種類に応じて選択すれば良い。
【実施例５】
【００５８】
次に実施例５について説明する。以降の説明では、他の実施例と異なる部分について説明する。
【００５９】
本実施例では、図１６（a）に示すように、ウォルターミラー１１１１、及びウォルターミラー１１１２の集光端１１３８、及び射出端１１３９の少なくとも１つに図１６(b)、図１６(c)に示す周期構造１１３６、１１３７が形成される。周期構造１１３６、及び１１３７は、ウォルターミラー１１１１とウォルターミラー１１１２との間の空間に形成される。周期構造１１３６、及び１１３７は鋸歯（セレイテッド）状である場合もある。周期構造１１３６、及び１１３７は、図１６（b）に示すように対称に形成される場合もあるし、図１６（c）に示すように非対称である場合もある。これらの周期構造１１３６、１１３７はウォルターミラー１１１３、及びウォルターミラー１１１４に適用しても良い。
【００６０】
周期構造１１３６、１１３７によって、ウォルター光学系１１００の端部１１４４に起因する回折光の発生は効果的に抑制され、散乱光の空間分布はより結像に望ましい形に整形されることになる。
【符号の説明】
【００６１】
００１・・・ウェハ    
０１・・・制御ユニット    
１０・・・照明光学系ユニット    
１０１・・・光源  
１０２・・・偏光状態制御手段  
１０３・・・ビーム成型ユニット  
１０４・・・細線集光光学系  
１０００・・・照明領域  
１１００・・・ウォルター光学系  
１１ａ、１１ｂ・・・検出光学系ユニット  
１１１１、１１１２、１１１３、１１１４・・・ウォルターミラー  
１１２ａ、１１２ｂ・・・空間フィルタ  
１１３ａ、１１３ｂ・・・偏光フィルタ  
１１４ａ、１１４ｂ・・・波長フィルタ  
１１５ａ、１１５ｂ・・・並列型光子計数センサ  
１２・・・信号処理ユニット
１３・・・ステージユニット 
【図１】
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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１０】
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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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