(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と開口絞り又はアパーチャとによって作られる点光源からの光を照射用レンズ部を介して実質的に平行光にして照射するように構成された光照射装置において、前記照射用レンズ部は、該照射用レンズ部の光源側の球面収差による縦収差に関し、入射高の大きい光線ほど近軸像面から結像点までのずれ量が大きくなるような特性を有し、一方、前記点光源は前記照射用レンズ部の光軸上の結像点群の外方位置に設けられていることを特徴とする光照射装置。
【請求項２】
請求項１記載の光照射装置と、観測装置とを備え、試料の表面を前記光照射装置で照射し、前記試料で反射した光を前記観測装置で観測することによって、前記試料の表面状態を検査するように構成されていることを特徴とする表面検査装置。
【請求項３】
前記観測装置は、物側テレセントリック光学系又は像物側テレセントリック光学系を含んで構成されていることを特徴とする請求項２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、光照射装置及び該光照射装置を有する表面検査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
表面検査装置として、本出願人は次のようなものを既に出願している（特願平９−２７８４１４号）。
【０００３】
図１２に示すように、この表面検査装置１０は、光照射装置１１と観測装置１２を備えている。このうち光照射装置１１は、光源１１ａ、開口絞り１１ｂ、ハーフミラー１１ｃ及び照射用レンズ１１ｄを備えている。光源１１ａからの光は開口絞り１１ｂにて実質的に点光源とされ、この点光源からの光はハーフミラー１１ｃで反射され、照射用レンズ１１ｄで平行とされ、試料１３に照射される。一方、観測装置１２は、観測用レンズ系１２ａ（照射用レンズ１１ｄは観測用レンズ系１２ａの一部をも構成している。）と、この観測用レンズ系１２ａの絞り位置に置かれた開口絞り１２ｂを備えており、試料１３で反射した光は観測用レンズ系１２ａ及び開口絞り１２ｂを通して撮像部１４に結像される。ここで、観測用レンズ系１２ａ及び開口絞り１２ｂは物側テレセントリック光学系を構成している。なお、本明細書において、「点光源」とは、光源が完全に点とみなせるものばかりでなく、ある程度の大きさを有するものも指している。
【０００４】
この表面検査装置１０によれば、光源が完全に点とみなせ（照射開口角がほぼ０゜で）、かつ、開口絞り１２ｂの物側開口角もほぼ０゜であるならば、試料（表面がほぼ平坦となっているもの）１３を傾けない状態で観測すると、試料１３の平坦部の像の輝度は１００％、試料１３の凹凸部の斜面の像の輝度は０％となる。
一方、光源が実質的な点光源であって所定の照射開口角を持ち、かつ、開口絞り１２ｂも所定の物側開口角を持つならば、例えば、試料１３の平坦部の像の輝度を１００％となるように設定した場合、試料１３の凹凸部の斜面の像の輝度は傾斜角度に応じたものとなる。
また、試料１３自体を傾けて観測すれば、例えば、試料１３の平坦部の輝度を０％又は５０％のように任意に変化させ、試料１３の凹凸部の斜面の輝度を傾斜角度に応じた輝度とすることができる。
【０００５】
このようにして試料１３の表面状態を観測すれば、観測される像の輝度から凹凸部の有無や凹凸部の状態が検出できることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記した表面検査装置１０で、試料１３の表面状態を観測したところ、比較的広い範囲で白抜け又は黒抜けとなる部分（中抜け部分）があるのが確認された。このような中抜け部分があると、試料１３の表面全体を正確に検査できない。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、試料の表面状態を観測する場合などに適した光照射装置及び表面検査装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
レンズには球面収差が存在する。この球面収差のため、図１に示すように、レンズ１に対してその光軸に平行に入射した光線は該レンズ１を通過した後には、１点には集まらない。レンズ１の入射高さに応じて、軸上の結像点にずれが生じる。これが球面収差による縦収差である。同図右側部分には、この場合の縦収差図が示されている。
観測装置においては、このような縦収差が存在するレンズを使用する場合には、複数個のレンズを組み合せて、補正の形が図２に示すようにフルコレクションとなるようにする一方で、軸上の結像点群の内方の最良像点位置に撮像面を設けているのが普通である。
光照射装置においては、補正の形をフルコレクションとしないまでも、観測装置におけると同様に、前記最良像点位置に前記撮像面に代えて点光源を設置しているのが一般的であった。
【０００９】
図３にはこの光照射装置の例が示されている。同図の右側部分は光源側の縦収差図であり、このレンズ（照射用レンズ）２は、光源側の球面収差による縦収差を考えた場合、該レンズ２における入射高が大きくなるに連れて近軸像面からのずれ量が漸増するような特性を有している。この光照射装置においては、点光源３が軸上の結像点群の内方位置に設置されている。
この光照射装置において、点光源３側から光線を逆追跡し、レンズ２を通過した後の、光線の光軸に対する傾き角の変化を、該レンズ２の光軸に直交する方向についてみると、傾き角が正から負に変化（以下、負から正に変化する場合も含めて「符号変化」という。）し、この光で照射された被照射体（表面がほぼ平坦となっているもの）によって反射された光の反射角にも同様な事態が生じることになる。この場合、傾き角の変曲点の数と、被照射体の特定方向における光の反射角の変曲点の数は同じである。
ここにおいて、試料の特定方向での光の反射角に符号変化があると、所定方向から観察した場合、照射むらが目に付くことになる。従って、被照射面が均一な明るさであることが要求される光照射装置としては適切でない。また、表面検査装置にあっては、試料の表面に照射むらがあると、表面検査が正確に行えない。特に、開口絞りやアパーチャを通して試料からの反射光を観測するものでは、中抜けの現象が生じる。
これらの場合、被照射体の特定方向での光の反射角の符号変化が１つであるときには、照射光学系や観測光学系の絞りの位置を変えたりすることによって、照射むらを低減させたり、照射むらがある部分の画像を光学的にカットすることが可能であるが、被照射体の特定方向での光の反射角の符号変化が２つ以上ある場合には、絞り位置の変更等によって、照射むらを低減させたり、照射むらがある部分の画像を光学的にカットすることが難しい。
【００１０】
このような点を踏まえ、本発明者は、照射用レンズとして、該照射用レンズの光源側における球面収差による縦収差に関し、該照射用レンズにおける入射高が大きくなるに連れて近軸像面から結像点までのずれ量が漸増するような特性のレンズを使用し、一方、点光源を軸上の結像点群の外方位置に設けた。そして、試料からの反射光を開口絞りやアパーチャを通して観測した。その結果、中抜け現象は生じなかった。
【００１１】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、請求項１記載の光照射装置は、光源と開口絞り又はアパーチャとによって作られる点光源からの光を照射用レンズ部を介して実質的に平行光にして照射するように構成された光照射装置において、前記照射用レンズ部は、該照射用レンズ部の光源側の球面収差による縦収差に関し、入射高の大きい光線ほど近軸像面から結像点までのずれ量が大きくなるような特性を有し、一方、前記点光源は前記照射用レンズ部の光軸上の結像点群の外方位置に設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の表面検査装置は、請求項１記載の光照射装置と、観測装置とを備え、試料の表面を前記光照射装置で照射し、前記試料で反射した光を前記観測装置で観測することによって、前記試料の表面状態を検査するように構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の表面検査装置は、請求項２記載の表面検査装置において、前記観測装置は、物側テレセントリック光学系又は像物側テレセントリック光学系を含んで構成されていることを特徴とする。
【００１６】
これら光照射装置および表面検査装置によれば、照射用レンズを通過した光線を該照射用レンズの光軸に直交する方向についてみると、光線の光軸に対する傾き角が符号変化する点が１つとなる。その結果、符号変化点が２以上のものに比べて照射むらが少ないものとなり、照明として好適なものとなる。また、表面検査装置として使用する場合には、中抜けも少ないものとなる。特に、照射光学系や観測光学系の絞りの位置を変えたりすることによって、照射むらをなくしたり、照射むらがある部分の画像をカットすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図４には、本発明の表面検査装置の第１実施形態の構成が示されている。この表面検査装置は、試料１００に光を照射する光照射装置２００と、試料１００で反射した光を観測する観測装置３００とを備えている。また、この表面検査装置は、試料１００の傾斜角度を変える角度設定手段４００を備えている。
【００１８】
光照射装置２００は、点光源からの光を照射用レンズ部を介して実質的に平行光にして照射するように構成されたもので、光源２０１、開口絞り２０２、ハーフミラー２０３及びコリメートレンズ（照射用レンズ）２０４とを備えている。開口絞り２０２は点光源を作るために用いられる。この開口絞り２０２の開口径は開口角可変手段２０５によって調整でき、これによって、試料１００の一点に対する照射開口角を変えることができるようになっている。なお、開口を可変のものとして構成する必要がない場合には、開口絞り２０２の代わりに、開口径が一定なアパーチャ等の光制限手段を用いても良い。
【００１９】
ここで、光源２０１としては、発光素子、ハロゲンランプ又はキセノンランプ等が用いられるが、それに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、発光素子、ハロゲンランプ又はキセノンランプ等からの光を導くグラスファイバの出射口を多数結束して面光源とし、この多数のグラスファイバのうちから１以上のグラスファイバを選択し、そこから光を出射させるようにしても良い。この場合には、グラスファイバの選択によって所定の照射開口角を持つ点光源が直ちに構成できるので、開口絞り２０２が不要となる。
【００２０】
コリメートレンズ２０４は、開口絞り２０２からの光を実質的な平行光とするためのものである。このコリメートレンズ２０４としては、光源側の球面収差による縦収差を考えた場合、該コリメートレンズ２０４における入射高が大きくなるに連れて近軸像面からのずれ量が漸増するような特性を有するものが使用される。
【００２１】
開口絞り２０２の設置位置は、コリメートレンズ２０４の光源側の球面収差による縦収差を考えた際の軸上の結像点群の外方である。具体的には、試料１００側から光軸に平行な光線がコリメートレンズ２０４に入射したと仮定した場合に、そのコリメートレンズ２０４を通過した光線の結像点群の外方位置に開口絞り２０２は設置される。この設置の仕方としては図５（ａ）のように縦収差曲線の近軸像面からの曲がり方向とは逆の方向に開口絞り２０２を設置しても良いし、図５（ｂ）のように縦収差曲線の近軸像面からの曲がり方向と同じ方向に開口絞り２０２を設置しても良い。
【００２２】
観測装置３００は、試料１００への光の平均入射方向と光軸が合致するようにして設けられた物側テレセントリック光学系３０１と、この物側テレセントリック光学系３０１により結像された光像を撮像する撮像部３０２と、この撮像部３０２から送られてきた、試料１００の各点の輝度データを処理するデータ処理部３０３と、試料１００の表面状態を映し出すディスプレイ（図示せず）とを備えている。
【００２３】
物側テレセントリック光学系３０１は、観測レンズ系３０１ａ（前記コリメートレンズ２０４は観測レンズ系３０１ａの一部をも構成している。）と、この観測レンズ系３０１ａの絞り位置に設けられた開口絞り３０１ｂとを備えている。この開口絞り３０１ｂの開口径は開口角可変手段３０１ｃによって調整でき、これによって、試料１００の一点に対する物側開口角を変えることができるようになっている。なお、開口を可変のものとして構成する必要がない場合には、開口絞り３０１ｂの代わりに、開口径が一定なアパーチャ等の光制限手段を用いても良い。
【００２４】
ここで、撮像部３０２は、物側テレセントリック光学系３０１を介して試料１００の光像を撮像し、その輝度データをデータ処理部３０３へ送る。
【００２５】
データ処理部３０３は、試料１００の各点の輝度データを収集する。この輝度データの収集にあたっては、例えば２５６階調で輝度データを収集することが好ましい。
このデータ処理部３０３は、輝度データの分布を一次微分して試料１００の傾斜分布を求めたり、輝度データから積分データを求めたり、その積分データから回帰曲線を求めたりする。そして、回帰曲線と積分データとを用いて試料１００上の凹凸状態を求めたりする。また、このデータ処理部３０３は、試料１００の各点の輝度データを、試料１００の所定の方向についてフーリエ変換することにより、各種の周波数成分を検出したり、この各種の周波数成分のうちから所定の周波数成分を抽出して合成し、その結果を逆フーリエ変換したりして、任意の周波数成分を持つ凹凸を検出したりする。なお、フーリエ変換するにあたっては、高速フーリエ変換装置（ＦＦＴ）を好適に採用できるが、フーリエ変換のそもそもの目的は周波数分解をすることにあるから、輝度データを周波数分解し得るものであるならばＦＦＴ以外の装置を用いても良いことはもちろんである。例えば、離散コサイン変換装置（ＤＣＴ）などや、最大エントロピー法により周波数分解する装置を用いることができる。
【００２６】
本実施形態の表面検査装置によれば、試料１００での反射光を、物側テレセントリック光学系３０１により、試料１００の各点における基準平面からの傾きに応じた輝度で結像させることができる。
【００２７】
この点について説明すれば、コリメートレンズ２０４で平行光束を作る場合、光源２０１と開口絞り２０２によって点光源を作ることが行われている。しかし、開口絞り２０２の開口はある程度の大きさを有するので、完全な点光源とはならない。従って、コリメートレンズ２０４で作られる平行光は完全な平行光でなく、試料１００の各点には開口絞り２０２の開口径に応じた様々な角度成分をもった光線が照射される。つまり、試料１００の一点にはある照射開口角をもって光が照射される。その結果、試料１００が平坦であっても、試料１００の各点では所定の角度範囲で広がる反射光が生成される。
この場合、光の入射方向（平均入射方向）に直交する平面（基準平面）と平行な面での反射光全てがちょうど開口絞り３０１ｂの開口に入るように物側開口角θを設定した場合（照射開口角と物側開口角θが等しい場合）を考えると、所定の照射開口角をもって入射した光は、試料１００で反射し、図６のように、反射光は全て開口絞り３０１ｂの開口に取り込まれ、撮像部３０２に到達するので、その面の像は輝度１００％の明るい像となる。
【００２８】
また、基準平面に対して試料１００が傾斜している面を考えると、図７又は図８に示すように、光は試料１００で反射し、反射光の全部又は一部は開口絞り３０１ｂの開口に取り込まれなくなるので、その部分は輝度０％の暗い像となるか、あるいは開口絞り３０１ｂの開口を通過する光量に応じた輝度の像となる。
【００２９】
従って、試料（ほぼ平面）１００に凹部が存在すると共に、凹部の斜面の傾斜角＝θ’／２、直径＝Ｌ、深さ＝ｄとの間にｄ＝（Ｌ／２）ｔａｎ（θ’／２）の関係があるときを考えると、次のようになる。
【００３０】
基準平面と平行な面での反射光全てがちょうど開口絞り３１０の開口に入るように物側開口角θを設定し、しかも、光が試料１００の法線方向から照射されている場合、図９に示すように、斜面の傾斜角（θ’／２）が（θ／２）よりも大きい凹部のときには、その斜面での反射光は全て開口絞り３０１ｂの開口を通過しないので、凹部の像の輝度は０％、試料のその他の部分（平坦部）の像の輝度は１００％となる。この状態が図１０に示されている。
【００３１】
一方、試料１００を図９の状態から傾き角θ”（＝θ／４）だけ傾けさせる場合を考えると、凹部の一方の斜面（Ａ面）の基準平面に対する傾き角は（（θ’／２）−（θ／４））となり、他方の斜面（Ｂ面）の基準平面に対する傾き角は（（θ’／２）＋（θ／４））となる。この場合、斜面の傾斜角（θ’／２）＝（θ／４）であるとすると、一方の斜面（Ａ面）は基準平面と平行となるので、この部分の反射光は全て開口絞り３０１ｂの開口に入る。従って、その部分の像の輝度は１００％となる。また、他方の斜面（Ｂ面）は基準平面に対して（θ／２）の傾きとなり、その斜面での反射光は全て開口絞り３０１ｂの開口を通過しないので、その斜面（Ｂ面）の像の輝度は０％となる。さらに、この場合、平坦部の基準平面に対する傾きは（θ／４）となり、その平坦部での反射光は開口絞り３０１ｂの開口を約半分しか通過しないので、その平坦部の像の輝度は約５０％となる。この状態が図１１に示されている。
【００３２】
他方、試料の平坦部での反射光の広がり角度範囲の２倍となるように物側開口角θを設定した場合（照射開口角の２倍が物側開口角θである場合）には、試料を図１０の状態から傾き角θ”（＝θ／４）だけ傾けさせたときに平坦部が５０％の輝度の像となり、斜面の傾斜角（θ’／２）が（θ／４）である凹部の一方の斜面（Ｃ面）が１００％の輝度、他方の斜面（Ｄ面）が０％の輝度の像となる。
【００３３】
このように、本実施形態の表面検査装置では、試料１００の各点への入射角度に応じた輝度で像を結像させる。この場合、試料１００の平坦部での反射光の広がり角度範囲つまり照射開口角を変えたり、あるいは物側開口角θを変えれば、凹部の検出感度を自由に調整できる。
【００３４】
以上、本発明の実施形態の表面検査装置について説明したが、本発明は、かかる実施形態の表面検査装置に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が可能であることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の代表的な光照射装置は請求項１に記載のように、光源と開口絞り又はアパーチャとによって作られる点光源からの光を照射用レンズ部を介して実質的に平行光にして照射するように構成された光照射装置において、前記照射用レンズ部は、該照射用レンズ部の光源側の球面収差による縦収差に関し、入射高の大きい光線ほど近軸像面から結像点までのずれ量が大きくなるような特性を有し、一方、前記点光源は前記照射用レンズ部の光軸上の結像点群の外方位置に設けられているので、照射むらが少なくなる。従って、照明としても適するものとなる。また、本発明の代表的な表面検査装置は、請求項２に記載のように、請求項１記載の光照射装置と、観測装置とを備え、試料の表面を前記光照射装置で照射し、前記試料で反射した光を前記観測装置で観測することによって、前記試料の表面状態を検査するように構成されているので、照射領域における照射むらが少なくなる。従って、試料の表面状態を正確に検査できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】球面収差を説明するための図である。
【図２】補正の形がフルコレクションとなっている球面収差を示す図である。
【図３】従来の点光源の設置位置を示す図である。
【図４】本発明の表面検査装置の構成図である。
【図５】本発明の表面検査装置の点光源の設置位置を示す図である。
【図６】本発明の表面検査装置の結像動作の説明図である。
【図７】本発明の表面検査装置の結像動作の説明図である。
【図８】本発明の表面検査装置の結像動作の説明図である。
【図９】本発明の表面検査装置の結像動作の説明図である。
【図１０】本発明の表面検査装置の結像動作の説明図である。
【図１１】本発明の表面検査装置の結像動作の説明図である。
【図１２】従来の表面検査装置の構成図である。
【符号の説明】
１００…試料
２００…光照射装置
２００…角度設定部
２０１…光源
３１０…開口絞り
２０２…開口絞り
２０４…コリメートレンズ
３００…観測装置
３０１…物側テレセントリック光学系
【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】
0004105256.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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