(57)【要約】【課題】狭い空間内に組み込むことができ、特定の波長域の検査光を選択的に出射させるコンパクトな構造の集光レンズ系及び照明装置を実現する。【解決手段】本発明による集光レンズ系は、光源（２ａ）から出射した広帯域の波長光を集光すると共に所定の波長帯域の波長光を集束性光ビームとして選択的に出射させる集光レンズ系である。当該集光レンズ系は、第１の正レンズ（２０）と、特定の波長域の波長光を選択的に透過させる波長選択フィルタ（２１）と、負レンズ（２２）と、第２の正レンズ（２３）とを順次有する。或いは、第１の正レンズと第２の正レンズとの間に２つの負レンズ（３１，３３）を配置し、これら負レンズ間に波長選択フィルタ（３２）を配置する。光源から出射した照明光が波長選択フィルタに斜めに入射して収差が生じても、当該収差は後段の負レンズにより補正される。この結果、光路長の短い集光レンズ系が実現される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射した照明光を集光し、所定の波長帯域の波長光を集束性光ビームとして選択的に出射させる集光レンズ系であって、
第１の正レンズと、特定の波長域の波長光を選択的に透過させる光学フィルタと、負レンズと、第２の正レンズとを順次有することを特徴とする集光レンズ系。
【請求項２】
光源から出射した照明光を集光し、所定の波長帯域の波長光を集束性光ビームとして選択的に出射させる集光レンズ系であって、
第１の正レンズと、第１の負レンズと、特定の波長域の波長光を選択的に透過させる光学フィルタと、第２の負レンズと、第２の正レンズとを順次有することを特徴とする集光レンズ系。
【請求項３】
請求項２に記載の集光レンズ系において、前記第１及び第２の正レンズを互いに同一の正レンズで構成し、前記第１及び第２の負レンズも互いに同一の負レンズで構成し、前記光学フィルタを中心にして光入射側と光出射側とが対称構造を有することを特徴とする集光レンズ系。
【請求項４】
広帯域の照明光を発生する光源と、光源から出射した照明光を集光すると共に特定の波長域の照明光を集束性光ビームとして選択的に出射させる集光レンズ系とを具え、
前記集光レンズ系は、光源と対向する側に配置した第１の正レンズと、特定の波長域の波長光を選択的に透過する光学フィルタと、負レンズと、第２の正レンズとを含み、
前記光源又は光源像は、前記集光レンズ系の第１の正レンズの後側焦点と当該第１の正レンズとの間の光路中に位置することを特徴とする照明装置。
【請求項５】
広帯域の照明光を発生する光源と、光源から出射した照明光を集光すると共に特定の波長域の照明光を集束性光ビームとして選択的に出射させる集光レンズ系とを具え、
前記集光レンズ系は、光源と対向する側に配置した第１の正レンズと、第１の負レンズと、特定の波長域の波長光を選択的に透過する光学フィルタと、第２の負レンズと、第２の正レンズとを含み、前記光学フィルタを中心にして光入射側と光出射側とが対称構造を形成し、
前記光源又は光源像は、前記集光レンズ系の第１の正レンズの後側焦点と当該第１の正レンズとの間の光路中に位置することを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から出射した発散性の照明光を集光させると共に特定の波長域の波長光を選択的に出射させる集光レンズ系に関するものである。
また、本発明は、上記集光レンズ系を用いた照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトマスクや半導体ウェハに形成された欠陥を検出する欠陥検査装置が実用化されている。これらの欠陥検査装置では、検査光を発生する光源として水銀ランプやキセノンランプ等の各種のランプが用いられている。光源ランプから出射した発散性の光ビームは、集光レンズ系により集光され、波長選択フィルタを介して例えばｇ線（４３６ｎｍ）、ｈ線（４０５ｎｍ）又はｉ線（３６５ｎｍ）等の波長光が選択的に取り出されている。波長選択フィルタから出射した特定の波長域の検査光は、ビームスプリッタを介して対物レンズの光軸に結合され、対物レンズを介して検査すべき試料表面に向けて投射される。試料表面からの反射光は、対物レンズにより受光され、ビームスプリッタを通過し、結像レンズ系を介して撮像装置に入射する。撮像装置からの出力信号は信号処理回路に供給され、基準信号と比較することにより、試料表面に存在する欠陥が検出される。
【０００３】
検査光を出射させる波長選択フィルタは、誘電体多層膜を有する干渉フィルタで構成され、所定の波長帯域の検査光だけを選択的に透過させる。この波長選択フィルタは、入射角依存性を有するため、入射光の入射角が垂直から変化するにしたがって透過光の波長が所定の波長域から変位する特性がある。そのため、従来の照明装置では、光源から出射した光ビームを一旦平行ビームに変換し、平行ビームを波長選択フィルタに入射させている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−６６４２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光源から出射した照明光を平行光束に変換してから波長選択フィルタに入射させることにより、所定の波長域の照明光を選択的に出射させることができる。しかしながら、光源から出射した光ビームを平行光束に変換するには、長い光路長が必要であり、光源からビームスプリッタまでの光路長が長くなる不具合が生じてしまう。一方、検査装置の設計上、対物レンズと撮像装置との間の光路付近には、例えば対物レンズ駆動機構のような装置類や各種部材が配置されるため、光源とビームスプリッタとの間に十分な光路長を確保しにくいのが実情である。
【０００５】
本発明の目的は、狭い空間内に組み込むことができ、特定の波長域の検査光を選択的に出射させるコンパクトな構造の集光レンズ系を実現することにある。
本発明の別の目的は、狭い空間内に組み込むことが可能な照明装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による集光レンズ系は、光源から出射した広帯域の波長光を集光し、所定の波長帯域の波長光を集束性光ビームとして選択的に出射させる集光レンズ系であって、
第１の正レンズと、特定の波長域の波長光を選択的に透過させる波長選択フィルタとして機能する光学フィルタと、負レンズと、第２の正レンズとを順次有することを特徴とする。
【０００７】
本発明では、光源から出射した照明光束を集光する集光レンズ系内に波長選択フィルタを組み込んだ構成を採用する。このような構成を採用することにより、短い光路長で特定の波長域の検査光を選択的に出射させる集光レンズ系が実現される。一方、波長選択フィルタに対して入射光は垂直からわずかに変位した入射角で入射するため、光路中に波長選択フィルタが挿入されたことに起因する収差を補正すると共に波長選択フィルタの入射角依存性を補正する必要がある。そこで、本発明では、収差補正の方法として、波長選択フィルタと隣接するように負レンズを挿入する。負レンズは入射光束を発散させるように作用するので、波長選択フィルタによる光束の光軸に近づく方向の変位による収差が補正される。また、波長選択フィルタの光透過特性として、波長選択フィルタに対して光線が斜めに入射すると、多層膜の実質的な膜厚が厚くなり、光透過特性が長波長側に若干変位する。そこで、本発明では、波長選択フィルタに対する光の入射角と透過特性の変位量との関係を予め測定し、所望の波長帯域の透過光が得られるように設定する。このように、波長選択フィルタに対する入射角の変位量を考慮して波長選択フィルタの許容光透過帯域幅を設定することにより、入射角依存性に起因する問題が解消される。本発明者が種々の実験及び解析を行った結果、波長選択フィルタに例えば＋１０％程度の許容帯域幅を設定しても、色収差に起因する解像度が低下する問題は発生しないことが確認されている。
【０００８】
本発明による別の集光レンズ系は、光源から出射した広帯域の波長光を集光し、所定の波長帯域の波長光を集束性光ビームとして選択的に出射させる集光レンズ系であって、
第１の正レンズと、第１の負レンズと、特定の波長域の波長光を選択的に透過させる光学フィルタと、第２の負レンズと、第２の正レンズとを順次有することを特徴とする。
【０００９】
当該集光レンズ系は、光学フィルタの入射側及び出射側にそれぞれ配置した２枚の負レンズにより収差補正を行っているので、収差補正を比較的容易に行うことができる。
【００１０】
本発明による集光レンズ系の好適実施例は、第１及び第２の正レンズを互いに同一の正レンズで構成し、前記第１及び第２の負レンズも互いに同一の負レンズで構成し、前記光学フィルタを中心にして光入射側と光出射側とが対称構造を有することを特徴とする。当該実施例の集光レンズ系では、光学フィルタを中心にして入射側及び出射側が対称構造をなすので、集光レンズ系の配置方向を考慮することなく取り付けることができ、集光レンズ系の取付け作業が簡単化される。尚、本明細書において、「光源」の用語は、光源像を含む概念であり、さらに、光源から出射した照明光を伝搬させる光ファイバの光出射端も含むものである。
【００１１】
本発明による照明装置は、広帯域の照明光を発生する光源と、光源から出射した照明光を集光すると共に特定の波長域の照明光を選択的に出射させる集光レンズ系とを具え、
前記集光レンズ系は、光源と対向する側に配置した第１の正レンズと、特定の波長域の波長光を選択的に透過する光学フィルタと、負レンズと、第２の正レンズとを含み、
前記光源又は光源像は、前記集光レンズ系の第１の正レンズの後側焦点と当該第１の正レンズとの間の光路中に位置することを特徴とする。
【００１２】
本発明による照明装置は、光源と直接隣接する正レンズの後側焦点と当該正レンズとの間の光路中に光源が位置するので、集光レンズ系と光源との間の光路長が短縮される。この結果、光源と光源から出射した照明光を対物レンズの光軸に結合するビームスプリッタと間に空間的な余裕がない構造であっても集光レンズ系を容易に配置することが可能になる。
【００１３】
本発明による別の照明装置は、広帯域の照明光を発生する光源と、光源から出射した照明光を集光すると共に特定の波長域の照明光を選択的に出射させる集光レンズ系とを具え、
前記集光レンズ系は、光源と対向する側に配置した第１の正レンズと、第１の負レンズと、特定の波長域の波長光を選択的に透過する光学フィルタと、第２の負レンズと、第２の正レンズとを含み、前記光学フィルタを中心にして光入射側と光出射側とが対称構造を形成し、
前記光源又は光源像は、前記集光レンズ系の第１の正レンズの後側焦点と当該第１の正レンズとの間の光路中に位置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、光源から出射した発散性の光ビームを集光して集束性光ビームに変換する集光レンズ系内に特定の波長域の照明光を選択的に出射させる光学フィルタ（波長選択フィルタ）を組み込んでいるので、コンパクトな構造の集光レンズ系が実現される。この結果、光路長に余裕のない光路中に集光レンズ系及び波長選択フィルタを配置する必要がある光学系であっても、集光レンズ系を配置することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明による集光レンズ系及び照明装置が搭載された欠陥検査装置の一例を示す線図である。照明光を発生させる光源として、水銀ランプ１を用いる。水銀ランプ１から出射した光ビームは光ファイバ２を介してして所定の位置まで伝搬し、その出射端２ａから発散性の光ビームとして出射する。光ファイバから出射した発散性の光ビームは、本発明による集光レンズ系３に入射する。集光レンズ系３には、波長選択フィルタが組み込まれ、入射した発散性の光ビームを所定の波長域の集束性の検査ビームに変換する。本例では、ｇ線（４３６ｎｍ）の波長を有する集束性の検査ビームを選択的に出射させる。検査ビームは、ビームスプリッタ４で反射して対物レンズの光軸に結合され、対物レンズ５を介して検査すべき試料６に入射する。試料６の表面上には、例えば直径が５００ｎｍの光スポットが形成される。
【００１６】
試料６はＸＹステージ７上に配置され、ＸＹステージ７が２次元移動することにより、試料６は、光スポットにより２次元的に走査される。試料６の表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、元の光路を逆方向に伝搬する。そして、ビームスプリッタ４を透過し、結像レンズ系８、及びダイクロイックミラー９を経てリニァイメージセンサ１０に入射する。尚、ダイクロイックミラー９は、試料からの反射光とオートフォーカス光とを分離するビームスプリッタである。リニァイメージセンサ１０からの出力信号は、増幅器１１により増幅され、信号処理回路１２に入力する。そして、信号処理回路１２において、各種基準信号と比較することにより試料上に存在する欠陥が検出される。
【００１７】
本例の検査装置は、対物レンズに対してオートフォーカスを行うため、オートフォーカス機構を有する。オートフォーカス用の光源１３からオートフォーカス用の光ビームが出射する。この光ビームは、光軸に対して僅か変位ダイクロイックミラー９で反射し、結像レンズ系８、ビームスプリッタ４、及び対物レンズ５を介して試料表面に入射する。試料からの反射光は、再び対物レンズ５に入射し、ビームスプリッタ及び結像レンズ系を介してダイクロイックミラーに入射する。そして、ダイクロイックミラーで反射し光検出器１４に入射する。そして、光検出器１３からの出力信号を用いて対物レンズを光軸方向に変位させるための駆動信号を形成する。この駆動信号を用いて対物レンズ駆動装置（図示せず）を駆動することにより、検査ビームは、検査中に常時試料表面上に合焦する。
【００１８】
図２は本発明による集光レンズ系の第１実施例を示す線図である。本例による集光レンズ系は、光源（光ファイバの光出射端が対応する）から試料に向く方向に沿って、光源と直接隣接する第１の正レンズ２０、波長選択フィルタ２１、負レンズ２２、及び第２の正レンズ２３を順次有する。第１の正レンズ２０は、平凸レンズ又は凸メニスカスレンズで構成され、負レンズ２２は両凹レンズで構成され、第２の正レンズは凸平レンズ又は凸メニスカスレンズで構成される。
【００１９】
第１の正レンズ２０と光源との配置関係として、本発明では、発散性の光ビームが出射する光ファイバ２の光出射端２ａは、第１の正レンズの後側焦点上に位置するのではなく、第１の正レンズの後側焦点よりも当該正レンズに近づく位置に配置する。従って、このような配置関係に設定することにより、光源（光ファイバ２の光出射端２ａが対応する）と直接隣接するレンズとの間の離間距離を短く設定でき、光源とビームスプリッタとの間の光路長（光源から対物レンズ系の光路までの距離）が一層短くなる利点が達成される。本発明では、光源は、対向する第１の正レンズの後側焦点よりも近い位置に配置されるので、第１の正レンズにより集光された照明光束は、発散光として出射して波長選択フィルタ２１に入射する。従って、波長選択フィルタに対して、垂直から僅かに変位した角度をもって斜めに入射する。しかし、後述するように、波長選択フィルタ２１は、光透過波長を中心にして許容帯域幅を有するので、帯域幅内の波長光だけが選択的に透過し、当該波長選択フィルタから出射する。
【００２０】
波長選択フィルタは平行平面板であるから、波長選択フィルタに対して斜めに照明光束が入射すると、照明光束は光軸に近づく方向に変位して後段の負レンズ２２に入射する。よって、波長選択フィルタ２１を透過する間に照明光束にわずかな収差が導入される。一方、後段の負レンズは、入射光を発散光に変換する作用を有するので、当該発散作用により波長選択フィルタを透過する間に導入された収差が補正されることになる。そして、収差補正された照明光束が第２の正レンズ２３に入射し、集束性照明ビームに変換されて集光レンズ系から検査光として出射する。
【００２１】
このように、波長選択フィルタに対して斜めに光束を入射させると共に、波長選択フィルタを透過する間に導入される収差を後段の負レンズにより補正するので、集光レンズ系の光路長自体を短くすることが可能になる。また、光源である光ファイバの光出射端が、第１の正レンズの後側焦点の内側に位置するので、球面収差も小さくなる利点が達成される。
【００２２】
図３は本発明による集光レンズ系の第２実施例を示す線図である。本例による集光レンズ系は、光源から試料に向く方向に沿って、光源と直接隣接する第１の正レンズ３０、第１の負レンズ３１、波長選択フィルタ３２、第２の負レンズ３３、及び第２の正レンズ３４を順次有する。第１の正レンズ３０は、平凸レンズ又は凸メニスカスレンズで構成され、第１の負レンズ３１は凹平レンズで構成され、第２の負レンズ３３は平凹レンズで構成され、第２の正レンズは凸平レンズ又は凸メニスカスレンズで構成される。さらに、第１及び第２の正レンズは同一のレンズとし、第１及び第２の負レンズも同一のレンズで構成する。また、波長選択フィルタ３２を中心にして入射側及び出射側を対称構造とする。従って、集光レンズ系の装着方向を反転させて使用することができるので、集光レンズ系の取付け作業が簡単になる利点がある。
【００２３】
発散性の光ビームが出射する光ファイバ２２の光出射端２ａは、第１の正レンズの後側焦点に位置するのではなく、第１の正レンズの後側焦点よりも当該正レンズに近づく位置に配置する。従って、本例においても、光ファイバ２の光出射端２ａと直接隣接するレンズとの間の離間距離が短く設定でき、光源とビームスプリッタとの間の光路長が一層短くなる利点が達成されると共に球面収差も低減される。第１の正レンズにより集光された照明光束は、発散光として出射して第１の負レンズ３１に入射する。この第１の負レンズ３１は、後段に配置した波長選択フィルタ３２を透過する際に導入される収差を補正する役割を果たし、入射光を外側に屈折する作用を果たす。第１の負レンズ３１から出射した照明光束は、波長選択フィルタに対して、垂直に対して僅かな角度をもって入射する。そして、波長選択フィルタ３２を透過する間に光軸に近づく方向に変位して後段の第２の負レンズ３３に入射する。さらに、第２の負レンズにより発散するように屈折する。従って、波長選択フィルタ２１を透過する間に導入される収差は、入射側及び出射側にそれぞれ配置した第１及び第２の負レンズ３１及び３３により２段階で補正されることになる。
【００２４】
第２の負レンズにより収差補正された照明光束は、第２の正レンズ２３に入射し、集束性照明ビームに変換されて検査光として集光レンズ系から出射する。
【００２５】
図４は、本発明で用いられる波長選択フィルタの透過率特性を示すグラフである。横軸は波長選択フィルタの光透過波長を示し、縦軸は透過率を示す。本例の検査装置では、検査光として４３６ｎｍの波長光を用いる。基準となる検査波長の帯域幅は、半値幅で５ｎｍの波長域が設定される。図４において、破線は基準となる波長選択フィルタの光透過帯域特性を示す。本発明では、波長選択フィルタに入射する入射光が垂直入射からわずかに傾斜した角度で入射するため、波長選択フィルタの入射角依存性に対応するため、５ｎｍの帯域幅に対して例えば半値幅（５ｎｍ）の５％程度の波長範囲だけ短波長側へシフトする。図４において、実線は５％短波長側にシフトした波長選択フィルタの光透過帯域特性を示す。この許容帯域幅は、欠陥検査目的や検査対称物に応じて設定され、例えば液晶装置に用いられるフォトマスクについて欠陥検査を行う検査装置の場合、光透過帯域を短波長側にシフトしても、十分に目的とする欠陥検出感度を維持することが可能である。尚、波長のシフト量は、波長選択フィルタに対する入射角と長波長側へのシフト量との関係を予め測定し、その測定結果に基づいて決定することが望ましい。
【００２６】
本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。上述した実施例では、集光レンズ系に単一の波長選択フィルタを挿入して特定の波長域の検査光を出射させる構成としたが、光透過帯域が相違し又は部分的に共通する複数の波長選択フィルタを組み込むことも可能である。
また、光源として、水銀ランプと光ファイバの組み合わせを例にして説明したが、発散性の照明光束を出射する水銀ランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ＬＥＤ等の発散性の光束を出射させる各種光源から出射した光束を集光する場合にも適用することが可能である。
さらに、ランプと反射鏡との組合せを光源として用い、反射鏡の焦点位置に光源像を形成する場合、光源像の位置を、集光レンズ系の直接隣接する正レンズの後側焦点と当該正レンズとの間の光路中に設定する場合も本発明が適用されるものである。
さらに、フォトマスクや半導体ウェハの検査装置に組み込む場合を例にして説明したが、露光装置、各種照明装置、顕微鏡、撮像装置、液晶表示装置等の各種光学装置に利用することが可能である。
さらに、上述した実施例では、試料からの反射光を利用して欠陥検出を行う検査装置を例として説明したが、試料の裏面側から照明光を投射し、試料からの透過光を利用して欠陥検出を行う透過型の検査装置にも本発明の集光レンズ系及び照明装置を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による集光レンズ系が搭載された欠陥検査装置の一例を示す図である。
【図２】本発明による集光レンズ系の第１実施例を示す図である。
【図３】本発明による集光レンズ系の第２実施例を示す図である。
【図４】本発明による波長選択フィルタの光透過特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１  水銀ランプ
２  光ファイバ
３  集光レンズ系
４  ビームスプリッタ
５  対物レンズ系
６  試料
７  ステージ
８  結像レンズ系
９  ダイクロイックミラー
１０  リニァイメージセンサ
１１  増幅器
１２  信号処理回路
１３  オートフォーカスの光源
１４  オートフォーカス用の光検出器
２０，３０  第１の正レンズ
２１，３１  波長選択フィルタ
２２  負レンズ
２３，３４  第２の正レンズ
３３  第２の負レンズ
【図１】
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【図２】
2009181109.tif 000004
【図３】
2009181109.tif 000005
【図４】
2009181109.tif 000006