WO2013018878A1 - 検査装置 - Google Patents

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WO2013018878A1
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light
optical system
inspection apparatus
amplification
rare earth
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瑞希 奥
啓 志村
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/9501—Semiconductor wafers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features

Definitions

  • the present invention relates to an inspection apparatus and an inspection method for detecting so-called defects such as scratches and foreign matters on a substrate.
  • the present invention relates to a surface foreign matter inspection apparatus and a surface inspection method for detecting minute defects on a so-called bare wafer.
  • Patent Document 1 that collects and irradiates illumination light on a sample surface and detects light scattered by surface roughness and defects.
  • Patent document 2 As another test
  • patent document 3 As another technique.
  • the light scattered by defects on the wafer is very weak, and there are PMT (Photomultiplier Tube) and MPPC (Multi-Pixel Photon Counter) as detection methods for measuring the faint light at high speed and with high sensitivity.
  • PMT Photomultiplier Tube
  • MPPC Multi-Pixel Photon Counter
  • the above detection method has a function of photoelectrically converting weak light and multiplying electrons. However, since the quantum efficiency of photoelectric conversion is as low as 50% or less, signal light is lost, and the S / N ratio (signal to noise) ).
  • Optical amplification is an amplification method in which signal light and light from an excitation light source are introduced into a fiber doped with a rare earth to induce stimulated emission and amplify the signal light.
  • the present invention is characterized by utilizing this optical amplification.
  • the present invention is characterized in that this amplification factor is changed according to various conditions.
  • inspection with a high S / N ratio can be performed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an inspection apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a detection optical system arrangement
  • 10 is a schematic diagram of an inspection apparatus according to Embodiment 4.
  • FIG. 10 is an example of an enlarged view of a detection optical system according to Example 4.
  • FIG. 10 is another example of an enlarged view of a detection optical system according to Example 5.
  • FIG. 10 is an example of an overall view of a fiber according to Example 6.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an inspection apparatus according to a seventh embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an inspection apparatus according to an eighth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining synchronization adjustment in an eighth embodiment. It is the schematic of the inspection apparatus of Example 9. It is a figure explaining the synchronous adjustment in Example 9.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an inspection apparatus according to the first embodiment.
  • an illumination light source 1 a stage 101, an excitation light source 2, an interference filter 7, a rare earth-doped optical fiber 4, a detector 3 for detecting amplified light, and signal processing Part 105 is provided.
  • the stage drive unit 102 includes a rotation drive unit 111 that rotates the stage 101 around the rotation axis, a vertical drive unit 112 that moves in the vertical direction, and a slide drive unit 113 that moves in the radial direction of the sample.
  • an overall control unit 106 that performs various controls described later and a mechanical control unit 107 are provided, and an information display unit 108, an input operation unit 109, a storage unit 110 that stores various information, and the like. .
  • the stage 101 supports the sample 100 such as a wafer, and the illumination light is relatively swirled on the sample 100 by moving the stage 101 horizontally by the slide drive unit 113 while rotating the stage 101 by the rotation drive unit 111. To scan. Therefore, the light scattered by the unevenness of the sample surface is continuously generated, and the scattered light due to the defect is generated in a pulse manner. In a surface inspection apparatus that detects defects on a wafer, shot noise of light that is continuously generated becomes a noise component.
  • the rotation and translation stage is used for explanation, but a biaxial translation stage may be used.
  • the optical amplification in this embodiment will be described.
  • the sample 100 is irradiated with light from the illumination light source 1. Defects existing on or near the sample surface and light scattered, diffracted or reflected on the sample surface are collected by the detection optical system 116 and introduced into the rare earth-doped optical fiber 4.
  • the excitation light source 2 generates light having a shorter wavelength than the illumination light source 1.
  • the electronic state of the added rare earth ions is excited from the ground state to the excited state, thereby forming an inversion distribution state.
  • the signal light is incident at this time, the rare earth ions in the excited state cause stimulated emission, and the signal light is amplified.
  • the amplified light then enters the detector 3 that performs photoelectric conversion by the coupling optical system 6.
  • a general photodetector detects and amplifies electrons after photoelectric conversion, but with this method, the low quantum efficiency at the photoelectric conversion surface and the weak current before it is electrically amplified by a preamplifier, etc. There is a problem that it is easily affected by.
  • the optical amplification of this embodiment has an advantage that there is no such problem because the light is directly amplified before the photoelectric conversion.
  • the illumination light source 1 is a continuous wave laser
  • a lamp or a diode laser in which the excitation light source 2 also emits light continuously is suitable at low cost.
  • a band pass filter such as the interference filter 7 is preferably used in order to extract a wavelength suitable for rare earth excitation.
  • the use of a diode laser has the advantage of being stable and having a long life.
  • the light from the illumination light 201 forms an elongated elliptical illumination spot 202 on the sample 100.
  • the NA of the detection optical system 116 is that the diameter of the illumination spot 202 is R (in this embodiment, the length of the major axis is R), the aperture of the rare earth-doped optical fiber is NA ′, and the core of the rare earth-doped optical fiber When the diameter is R ′, it is desirable that the following relationship is substantially satisfied.
  • a plurality of detection optical systems may be arranged like the detection optical system 117 shown in FIG. That is, in this embodiment, the number of sensors is not limited as shown in FIG. 2A, and two or more detection optical systems are used such that at least one of the azimuth angle ⁇ and the elevation angle ⁇ from the illumination spot 202 is different. May be arranged. Since the azimuth angle and elevation angle at which the scattered light from the defect is scattered vary depending on the type and properties of the defect, various defects can be detected with high sensitivity. Further, the shape of the illumination light spot 202 may be an ellipse or a circle as shown in the figure.
  • the light thus amplified is imaged on the detector 3 via the lens 6 in FIG.
  • the detection result of the detector 3 is sent to the signal processing unit 105 and compared with a threshold value.
  • a detection result exceeding the threshold is determined as a defect.
  • the defect determined by the signal processing unit 105 is transmitted to the overall control unit 106 in association with the coordinates on the sample in the sample 100 and further stored in the storage unit 110. Further, the information regarding the defect stored in the storage unit 110 is read out as appropriate and displayed on the information display unit 108 in a format that is easy for the operator to view.
  • the inspection apparatus can perform inspection with a higher S / N ratio than before.
  • Example 2 will be described with reference to FIGS.
  • the present embodiment is a method of further increasing the S / N ratio when detecting defects.
  • the azimuth angle and elevation angle at which scattered light from a defect is scattered vary depending on the type and properties of the defect.
  • the size of scattered light from the unevenness of the sample surface may vary depending on the detection direction with respect to the incident direction of light from the illumination light source. That is, the S / N ratio at the time of detecting a defect changes in relation to the defect to be detected, the illumination direction, the detection direction, and the like.
  • a plurality of detection optical systems 116 and 117, rare earth-doped optical fibers 4 and 206 corresponding to them, and detectors corresponding to them are provided, and these detections are performed. Add the results. More specifically, the addition method is weighted addition that makes the total S / N ratio larger (for example, the maximum). Furthermore, in this embodiment, for this weighted addition, the excitation light source 2 of FIG. 1 is provided for each of the double detection optical systems 116 and 117, and the detection optical systems 116 and 117 are changed by changing the light intensity of the excitation light source 2. Weighting is performed optically by changing the amplification factor for each. By doing so, it is possible to further increase the S / N ratio when detecting defects.
  • FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the S / N ratio and the inspection position of the sample 100.
  • the S / N ratio may vary depending on the surface condition of the substrate.
  • the number of rotations for rotating the sample is constant, the light irradiation time differs between the central portion and the outer peripheral portion of the sample 100, and therefore the S / N ratio depends on the inspection position (particularly, the radius r from the sample center). . Therefore, it is desirable to change the amplification factor depending on the inspection position.
  • the amplification factor of optical amplification is changed depending on the inspection position (for example, radius r from the sample center).
  • the light intensity of the excitation light source 2 is changed, and the amplification factor of the optical amplification is changed as shown in FIG. Change depending on. By doing so, it is possible to eliminate the sensitivity unevenness depending on the inspection position while increasing the S / N as compared with the conventional case.
  • Example 4 will be described.
  • This embodiment is mainly characterized by using an inclined rare earth-doped optical fiber bundle whose end face is inclined.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of this embodiment.
  • the illumination light source 1 illuminates a wide area on the sample 100 and inspects using a detector having a plurality of pixels.
  • the fiber bundle is a bundle of a plurality of fibers.
  • the light from the excitation light source 502 is reflected by the dichroic mirror 501 in the middle of the detection optical system 116 (for example, between two lenses) and introduced into the tilted rare earth doped optical fiber bundle 505.
  • the light amplified in the tilted rare earth doped optical fiber bundle 505 is detected by a multi-pixel detector 507.
  • a micro lens 506 may be used so that light can be efficiently introduced. Further, one fiber may be arranged corresponding to each pixel of the multi-pixel detector 507, or light of a plurality of fibers may be introduced into one pixel of the multi-pixel detector 507.
  • FIG. 5A is a diagram showing the object plane 508 and the image plane 509 when the scattered light is detected obliquely with respect to the sample 100.
  • the image plane 509 is tilted by the same amount as the tilt (detection elevation angle) ⁇ of the object plane 508. That is, blur occurs at both ends of the image plane.
  • an inclined rare earth-doped optical fiber bundle 505 cut and polished with an inclination ⁇ is arranged in accordance with the inclination ⁇ of the image plane 509. As a result, each light on the imaging plane can be correctly collected without the inclination of the object plane 508.
  • a rare earth doped optical fiber bundle 510 in which fibers are arranged stepwise according to the inclination ⁇ as shown in FIG. 5C may be used. good. That is, the shape of the fiber bundle end face for eliminating the influence of the inclination of the object plane 508 does not have to be strictly inclined, and it is only necessary to form an inclined face substantially.
  • Example 5 is an example in which the same effect as that of Example 4 is obtained by using a rare earth-doped optical fiber bundle whose section is cut perpendicularly.
  • FIG. 6 is a schematic view when a rare earth-doped optical fiber bundle 602 cut vertically is installed.
  • FIG. 6A shows an oblique detection with respect to the object plane 508 at the detection elevation angle ⁇ as in the fourth embodiment.
  • the micromirror 603 is disposed on the imaging plane formed by the detection optical system 116 so as to be inclined with respect to the tilt axis 6000 of the detection optical system 116.
  • the micromirror 603 is formed by alternately laminating a reflection film and glass, and light on the image plane is reflected by the reflection film of the micromirror 603, respectively.
  • microlens 6031 on the emission side of the micromirror 603, and light is efficiently coupled to the rare earth-doped optical fiber bundle 602 by the microlens 6031. Note that the end face of this microlens can be sufficiently formed by photolithography.
  • a micro prism 604 is arranged on an image plane formed by the detection optical system 116. This also has a microlens 6031 on the exit surface. The light on the image plane is reflected by the microprism 604 and coupled to the rare earth-doped optical fiber bundle 602 by the microlens 6031.
  • the size d per pixel on the sample 100 is as follows: NA of the detection optical system, NA ′ of the opening of the rare earth doped optical fiber, R ′ of the core diameter of the rare earth doped optical fiber, and n of the number of pixels.
  • Example 6 will be described.
  • the amplification factor is controlled in more detail than in the fourth embodiment.
  • Example 4 there is a possibility that an optical path difference ⁇ L occurs due to the inclination of the inclined rare earth-doped optical fiber bundle 505, and there is a possibility that the amplification factor slightly differs. However, ⁇ L is sufficiently small compared with the fiber length, and the difference in the amplification factor is ignored. it can. However, it is desirable that there is no difference in amplification factor.
  • this embodiment uses an adjusted rare earth-doped optical fiber bundle 704 in which the total length of each fiber is adjusted so as to cancel the influence of the optical path difference ⁇ L as shown in FIG. This will be described more specifically.
  • the light on the image plane 509 is incident on the adjusted rare earth-added optical fiber bundle 704 fixed by the fixture 702.
  • the length of the fiber 7031 is adjusted so as to eliminate the influence of the optical path difference ⁇ L. Therefore, the light passing through the fiber 7031 is not affected by the optical path difference ⁇ L.
  • the other fibers 7032-7035 have such lengths that are not affected by the optical path difference ⁇ L, and can be expressed as having different lengths.
  • the end faces of the fibers 7031 to 7035 are aligned by the fixing portion 701 so that there is no optical path difference.
  • the emitted light that has exited is detected by the multi-pixel detector 507 via the microlens 506.
  • a detector having a plurality of pixels a multi-channel PMT with a small dark current, a CCD with a large number of pixels, an EMCCD (Electron Multiplying CCD), or an EB-CCD (Electron Bombardment CCD) are suitable.
  • EMCCD Electro Multiplying CCD
  • EB-CCD Electro Bombardment CCD
  • Example 7 When the illumination light source 1 and the excitation light source 2 described above are pulsed lasers, the rare earth of light (reflected light, diffracted light, scattered light, etc.) resulting from irradiation of the illumination light source 1 and the light from the excitation light source 2 is used. If time synchronization in the doped optical fiber is not achieved, spontaneously emitted light from the light from the excitation light source 2 is generated, resulting in noise, and a desired S / N may not be obtained.
  • the present embodiment solves this problem.
  • the present embodiment is characterized in that it has a synchronization unit that synchronizes temporally the scattered light resulting from the irradiation of the illumination light source 1 and the light of the excitation light source 2 in the rare earth-doped optical fiber.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the present embodiment.
  • the sample 100 is illuminated with pulsed light from the illumination light source 1 (in this embodiment, a pulsed laser light source).
  • Light (reflected light, diffracted light, scattered light, etc.) resulting from irradiation of the illumination light source 1 is collected by a detection optical system 116 including a lens and the like.
  • the collected light is incident on the rare earth-doped optical fiber 4.
  • the pulsed light from the excitation light source 2 (pulse oscillation laser light source in this embodiment) is reflected by the mirror 802 and then enters the synchronization unit 808.
  • the synchronization unit 808 includes, for example, two mirrors 803 and 804 and a drive mechanism 810 such as a stage that changes their position (which may be referred to as an optical path length).
  • the mirrors 803 and 804 can be moved as indicated by an arrow 806, and the optical distance of the pulsed light from the excitation light source 2 can be changed.
  • the pulsed light that has passed through the path whose optical distance has been changed is reflected by the mirror 805 and enters the rare earth-doped optical fiber 4.
  • the oscillation frequency may be different, but it is preferable that the light is emitted at the same oscillation period because the S / N ratio is good. Further, without using an optical path length adjusting stage, either one of the oscillations may be electrically delayed to simultaneously guide light in the fiber.
  • Example 8 will be described.
  • the illumination light source 1 is a pulsed laser light source
  • the excitation light source 2 is a continuous light source
  • FIG. 9 is a diagram for explaining this embodiment.
  • the illumination light source 1 is a pulsed laser light source
  • the excitation light source 2 is a continuous light source
  • a light intensity modulator 901 that optically modulates the intensity of the light from the excitation light source.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining timing adjustment when the light intensity of the excitation light source 2 is adjusted using a light intensity modulator.
  • the illumination light source 1 emits pulsed light having a Gaussian profile with a time interval ⁇ Ta and a peak intensity Ia.
  • the excitation light source 2 is a continuous light source, as shown in FIG. 10B, continuous wave light having a constant intensity Ib is emitted at any time.
  • the light intensity modulator 901 converts the waveform shown in FIG. 10B to the waveform shown in FIG. More specifically, the light intensity modulator 901 converts the waveform of the excitation light source 2 into continuous pulsed light.
  • a chopper may be used as the modulator.
  • the illumination light source 1 is a pulsed laser light source
  • the excitation light source 2 is a continuous light source
  • at least one of the generation time and time of continuous oscillation light from the excitation light source 2 is It has a processing unit which is electrically synchronized with at least one of the generation time and time of the pulse signal of the illumination light source 1, and an MPPC which is an example of a detector capable of high-speed response.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • This embodiment is particularly effective when using a detector (for example, MPPC) that can respond relatively quickly compared to other detectors.
  • a generation timing signal indicating the generation time T 1 is sent from the illumination light source 1 to the synchronization unit 103 (arrows 1101 and 1102).
  • the synchronization unit 103 can also detect a detection timing signal indicating the time when the MPPC 301 detects the pulsed light P 1 (arrow 1106).
  • T 1 detected by the synchronization unit 103 is sent to the signal processing unit 105 together with a delay signal and a duration signal that can be arbitrarily changed (arrow 1103).
  • the signal processing unit 105 performs calculation using T 1 , the delay signal, and the continuous signal, and the time at which the excitation light from the excitation light source 2 can be synchronized with the scattered light from the sample 100 in the rare earth-doped optical fiber 4. , And get time. Then, the time and time calculated by the signal processing unit 105 are transmitted to the excitation light source 2 via the overall control unit 106 (arrows 1104 and 1105).
  • the excitation light source 2 oscillates continuous wave light at the time and time calculated by the signal processing unit 105.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the generation timing of the pulsed light from the illumination light source 1 and the light from the excitation light source 2 in the present embodiment.
  • the generation time of the continuous wave light from the excitation light source is set to the full width at half maximum of the pulsed light from the illumination light source 1.
  • the pulsed light P 1 from the illumination light source 2 is expressed as a Gaussian profile of peak intensity Ia and generation time T 1 .
  • the scattered light S 1 generated from the sample 100 by the illumination of P 1 is guided with a delay from T 1 by [Delta] T 1 to the rare earth doped optical fiber 4.
  • S 1 is further guided by ⁇ T 2 until the light from the excitation light source 2 is guided to the rare earth-doped optical fiber 4. Therefore, the present embodiment, FIG.
  • the waveforms of P 1 , S 1 , and C 1 can be sufficiently obtained by optical simulation or prior measurement using a photoelectric conversion element such as a photodiode.
  • the generation time and time of C 1 can be arbitrarily changed, and the full width at half maximum can be the full width at half maximum of the scattered light S 1 .
  • Example 1-9 the sample is described using the semiconductor wafer, but the inspection object of the inspection method and the inspection apparatus is not limited to the semiconductor wafer.
  • the inspection object can also be applied to the inspection of substrates such as hard disks, liquid crystal panels, and photovoltaic power generation panels.

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Abstract

　ウェハ上の欠陥によって散乱される光は非常に弱く、その微弱光を高速かつ高感度に測定する検出方法としてはＰＭＴやＭＰＰＣがある。上記検出方法では、微弱光を光電変換して、電子を増倍する機能があるが、光電変換の量子効率が５０％以下と低いため、信号光を損失し、Ｓ／Ｎ比を低下させるという課題がある。　そこで、本発明では、光電変換をする前に直接光を増幅する光増幅に着目した。光増幅とは、信号光と励起用光源の光とを希土類を添加したファイバに導入し、誘導放出を起こして信号光を増幅する増幅方法である。本発明は、この光増幅を利用することを特徴とする。また、本発明は、この増幅率を様々な条件により変えることを特徴とする。

Description

検査装置
　本発明は、基板上の傷や異物等の所謂欠陥を検出する検査装置、及び検査方法に関する。例えば、いわゆるベアウェハ上の微小な欠陥を検出する表面異物検査装置，表面検査方法に関する。
　半導体基板や薄膜基板など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などの表面に存在する欠陥の検査が行われている。このような表面検査装置においては、試料表面に照明光を集光して照射し、表面ラフネスや欠陥によって散乱する光を検出する特許文献１の技術がある。その他の検査装置としては、特許文献２がある。その他の技術としては特許文献３がある。
特開２００５－３４４７号公報 特開２０１０－９９０９５号公報 特開平１１－２５１６６３号公報
　ウェハ上の欠陥によって散乱される光は非常に弱く、その微弱光を高速かつ高感度に測定する検出方法としてはＰＭＴ（Photomultiplier Tube）やＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）がある。上記検出方法では、微弱光を光電変換して、電子を増倍する機能があるが、光電変換の量子効率が５０％以下と低いため、信号光を損失し、Ｓ／Ｎ比（signal to noise）を低下させるという課題がある。
　そこで、本発明では、光電変換をする前に直接光を増幅する光増幅に着目した。光増幅とは、信号光と励起用光源の光とを希土類を添加したファイバに導入し、誘導放出を起こして信号光を増幅する増幅方法である。本発明は、この光増幅を利用することを特徴とする。
　また、本発明は、この増幅率を様々な条件により変えることを特徴とする。
　本発明によれば、Ｓ／Ｎ比の高い検査を行うことができる。
実施例１に係る検査装置の概略図である。 検出光学系配置図である。 実施例３に係るＳ／Ｎ比と検査位置に関する図である。 実施例４に係る検査装置の概略図である。 実施例４に係る検出光学系拡大図の一例である。 実施例５に係る検出光学系拡大図のその他の例である。 実施例６に係るファイバ全体図の一例である。 実施例７に係る検査装置の概略図である。 実施例８に係る検査装置の概略図である。 実施例８での同期調整を説明する概略図である。 実施例９の検査装置の概略図である。 実施例９での同期調整を説明する図である。
　以下、図面を用いて発明の実施例を説明する。
　図１は実施例１の検査装置の概略図である。図１に示すように、照明用光源１，ステージ１０１，散乱光を光増幅するための励起用光源２，干渉フィルタ７，希土類添加光ファイバ４，増幅した光を検出する検出器３，信号処理部１０５を備えている。ステージ駆動部１０２は、回転軸を中心にステージ１０１を回転させる回転駆動部１１１，垂直方向に移動する垂直駆動部１１２，試料の径方向に移動させるスライド駆動部１１３を備えている。また、制御部として、後述する様々な制御を行う全体制御部１０６，メカ制御部１０７を備え、さらに情報表示部１０８，入力操作部１０９，様々な情報を記憶する記憶部１１０等を備えている。
　ステージ１０１は、ウェハ等の試料１００を支持しており、ステージ１０１を回転駆動部１１１により回転させつつスライド駆動部１１３によって水平に移動させることで、相対的に照明光が試料１００上を渦巻状に走査する。したがって、試料表面の凹凸によって散乱される光は連続的に発生し、欠陥による散乱光はパルス的に発生することになる。ウェハ上の欠陥を検出する表面検査装置においては、連続的に発生する光のショットノイズがノイズ成分となる。また、本実施例では回転及び並進ステージを用いて説明しているが、２軸の並進ステージでもよい。
　本実施例における光増幅について説明する。照明用光源１からの光は試料１００に照射される。試料表面上または表面近傍内部に存在する欠陥、及び試料表面で、散乱，回折、又は反射された光は検出光学系１１６により捕集され、希土類添加光ファイバ４に導入する。
　励起用光源２は、照明用光源１より短波長の光を発生させるものである。そして、励起用光源２の光がファイバカプラ５を介して希土類添加光ファイバ４に入射すると、添加されている希土類イオンの電子状態が基底状態から励起状態に励起し、反転分布状態を形成する。このとき信号光が入射すると、励起状態にある希土類イオンは誘導放出を起こし、信号光が増幅することになる。そして増幅光はカップリング用光学系６により光電変換を行う検出器３に入射する。一般的な光検出器は光電変換後に電子を増幅して検出するが、この方法では、光電変換面での量子効率の低さや、プリアンプなどで電気的に増幅する前の微弱電流は電場や磁場の影響を受けやすいという課題がある。一方、本実施例の光増幅では、光電変換を行う前に直接光を増幅するのでこのような問題はないという利点がある。
　また、照明用光源１が連続発振のレーザの場合、励起用光源２も連続的に発光しているランプやダイオードレーザが安価で適している。励起用光源２としてランプを用いるときは、希土類の励起に適した波長を取り出すために干渉フィルタ７のようなバンドパスフィルタを用いると良い。また、ダイオードレーザを用いるのは安定かつ長寿命であるという長所がある。
　次に照明光学系，検出光学系，希土類添加光ファイバ間の光学的な関係について図２を用いて説明する。
　本実施例では、照明光２０１からの光は試料１００上に細長い楕円形状の照明スポット２０２を形成する。そして、レンズ等の光学素子を含む検出光学系１１６は、図２（ａ）に示すように照明スポット２０２の長手方向に対して方位角φ＝９０°、図２（ｂ）に示すように試料１００に対して仰角χで配置される。ここで、検出光学系１１６のＮＡは、照明スポット２０２の直径をＲ（本実施例では長軸の長さがＲとなる）、希土類添加光ファイバの開口をＮＡ′、希土類添加光ファイバのコア径をＲ′とすると、以下の関係を実質的に満たすようにするのが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、本実施例では、図２（ａ）に示した検出光学系１１７のように、検出光学系を複数配置しても良い。すなわち、本実施例では、図２（ａ）のようにセンサの数に限定はなく、それぞれ照明スポット２０２からの方位角φ及び、仰角χの少なくとも一方が異なるように２つ以上の検出光学系を配置してもよい。欠陥からの散乱光が散乱する方位角，仰角は欠陥の種類や性状によって異なるため、このようにすれば様々な欠陥を高感度に検出することができる。また、照明光スポット２０２の形状は図のように楕円でも、円形でもよい。
　こうして増幅された光は図１のレンズ６を経由して検出器３に結像される。検出器３の検出結果は信号処理部１０５に送られ、閾値と比較される。閾値を超えた検出結果は欠陥と判断される。信号処理部１０５での判断された欠陥は試料１００での試料上の座標と関連づけて全体制御部１０６へ送信され、さらに記憶部１１０に格納される。また、記憶部１１０に格納された欠陥に関する情報は、適宜読み出され、情報表示部１０８に作業者が閲覧しやすい形式で表示される。
　このように本実施例の検査装置では、従来よりもＳ／Ｎ比の高い検査を行うことができる。
　次に実施例２について図１，図２，図３を用いて説明する。実施例２では実施例１と異なる部分を中心に説明する。本実施例は、欠陥を検出する際のＳ／Ｎ比をさらに高くする方法である。
　前述したように、欠陥からの散乱光が散乱する方位角，仰角は欠陥の種類や性状によって異なる。また、照明用光源からの光の入射方向に対する検出方向によって、試料表面凹凸からの散乱光の大きさが異なる場合もある。すなわち、欠陥を検出する際のＳ／Ｎ比は、検出対象である欠陥，照明方向，検出方向等と関連して変化する。
　そこで本実施例では、図２（ａ）に示すように複数の検出光学系１１６，１１７、それらに対応した希土類添加光ファイバ４、及び２０６、それらに対応した検出器を有し、これらの検出結果を加算する。より具体的には、その加算方法は合計のＳ／Ｎ比がより大きくなるような（例えば最大となるような）重み付け加算である。さらに本実施例では、この重み付け加算にあたり、図１の励起用光源２を複検出光学系１１６，１１７ごとに備え、この励起用光源２の光の強度を変えることで、検出光学系１１６，１１７ごとの増幅率を変化させ重み付けを光学的に行う。このようにすることで、さらに欠陥を検出する際のＳ／Ｎ比をさらに高くすることが可能となる。
　次に実施例３について図３を用いて説明する。
　図３（ａ）は、Ｓ／Ｎ比と試料１００の検査位置の関係を示した図である。Ｓ／Ｎ比は基板の表面状態により、異なることがある。また、試料を回転させる回転数が一定の場合、試料１００の中心部と外周部では光が照射する時間が異なるため、Ｓ／Ｎ比は検査位置（特に試料中心からの半径ｒ）に依存する。よって、増幅率は検査位置によって変化させるのが望ましい。本実施例は、光増幅の増幅率を検査位置（例えば、試料中心からの半径ｒ）によって変えるものである。
　より具体的に、本実施例を説明する。図１のステージ１０１の回転数が一定の場合、試料１００の中心部と外周部では光が照射される時間が異なるため、Ｓ／Ｎ比は検査位置に依存する。ここで、表面ラフネスによる散乱光をＮとするとそのショットノイズは
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
になるため、検査装置のＳ／Ｎ比は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 と表せる。さらに、ある単位面積における照射時間は半径ｒに比例するため、Ｓ／Ｎ比は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 と表せ、図３（ａ）のように変化する。
　そこで、本実施例では、Ｓ／Ｎ比の均一化のために、励起用光源２の光の強度を変えて、図３（ｂ）のように、光増幅の増幅率を
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
に依存して変化させる。このようにすることで、従来よりもＳ／Ｎを高くした上で、検査位置に依存した感度ムラを無くすことが可能になる。
　次に実施例４を説明する。本実施例はその端面が傾斜した傾斜希土類添加光ファイババンドルを使用することを主な特徴とする。
　図４は、本実施例の概略図である。本実施例では、検査時間を短縮させるために、照明用光源１により、試料１００上の広い領域を照明し、複数画素の検出器を使って検査する。
　そして、試料から発生した光（反射光，回折光，散乱光等を含む）を検出光学系１１６により捕集し、その端面が斜めに切断及び研磨された傾斜希土類添加光ファイババンドル５０５の表面で結像させ、結像された光をファイババンドルに導入する。ここで、ファイババンドルとは複数のファイバを束ねたものである。
　励起用光源５０２の光は、検出光学系１１６の途中（例えば２枚のレンズの間）でダイクロイックミラー５０１により反射され、傾斜希土類添加光ファイババンドル５０５に導入する。そして、傾斜希土類添加光ファイババンドル５０５内で増幅された光は複数画素検出器５０７で検出する。
　このとき、効率よく光を導入できるようにマイクロレンズ５０６を使ってもよい。また、複数画素検出器５０７のそれぞれの画素に対応してファイバを１本ずつ配置しても良いし、複数のファイバの光を複数画素検出器５０７の１画素に導入しても良い。
　次に傾斜希土類添加光ファイババンドル５０５を用いる利点を説明する。
　図５（ａ）は、試料１００に対して散乱光を斜方で検出する場合の物体面５０８と像面５０９を示した図である。斜方検出すると、物体面５０８の傾き（検出仰角）χと同じだけ像面５０９は傾く。すなわち、像面の両端でボケが生じることとなる。一方、本実施例では、図５（ｂ）に示すように、像面５０９の傾きχに合わせて例えば傾きχの傾斜を付けて切断及び研磨した傾斜希土類添加光ファイババンドル５０５を配置する。これにより、物体面５０８の傾きを無くした形で結像面のそれぞれの光を正しく収集することができる。さらに、また、傾斜希土類添加光ファイババンドル５０５の代わりに、図５（ｃ）に示すような、ファイバ一本ずつを傾きχに合わせて階段状に並べた希土類添加光ファイババンドル５１０を用いても良い。すなわち、物体面５０８の傾きの影響を無くすためのファイババンドル端面の形状は厳密に傾斜していなくてもよく、実質的に傾斜面を形成していればよい。
　次に実施例５について説明する。実施例５は、断面が垂直に切断された希土類添加光ファイババンドルを使用して、実施例４と同じ効果を得る実施例である。
　図６は、垂直に切断した希土類添加光ファイババンドル６０２を設置した場合の概略図である。図６（ａ）は、実施例４と同様に物体面５０８に対して検出仰角χで斜方検出を行うものである。図６（ａ）では、検出光学系１１６によって形成される結像面に検出光学系１１６の傾斜軸６０００に対して傾斜してマイクロミラー６０３を配置する。マイクロミラー６０３は反射膜とガラスを交互に積層させたもので、その像面の光は、それぞれマイクロミラー６０３の反射膜により反射する。マイクロミラー６０３の出射側にはマイクロレンズ６０３１があり、光はマイクロレンズ６０３１によって希土類添加光ファイババンドル６０２へ効率よくカップリングする。なお、このマイクロレンズは端面をフォトリソグラフィーによって十分作成できる。
　図６（ｂ）は検出光学系１１６によってできる結像面にマイクロプリズム６０４を配置する。こちらも出射面にマイクロレンズ６０３１を有している。像面の光は、それぞれマイクロプリズム６０４により反射し、マイクロレンズ６０３１によって希土類添加光ファイババンドル６０２へカップリングする。
　また、試料１００上における１画素当たりの大きさｄは、検出光学系のＮＡ、希土類添加光ファイバの開口をＮＡ′、希土類添加光ファイバのコア径をＲ′、画素数をｎとすると
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 で表せる。
　次に実施例６について説明する。実施例６は、実施例４において、さらに詳細に増幅率を制御するものである。
　実施例４について、傾斜希土類添加光ファイババンドル５０５の傾きによって光路差ΔＬが生じ増幅率に若干の違いが出る可能性があるが、ファイバ長と比べるとΔＬは十分小さく、増幅率の違いが無視できる。しかし、増幅率の違いは無い方が望ましい。
　そこで、本実施例は、図７に示すようにそれぞれのファイバの全長を光路差ΔＬの影響を相殺するように調整した調整希土類添加光ファイババンドル７０４を用いる。より具体的に説明する。像面５０９の光はそれぞれ、固定具７０２によって固定された調整希土類添加光ファイババンドル７０４に入射する。ここで、ファイバ７０３１の長さは光路差ΔＬの影響を無くす長さに調整されている。よって、ファイバ７０３１を通過した光には、光路差ΔＬの影響は無い。他のファイバ７０３２－７０３５についても同様である。言い換えるなら、ファイバ７０３１－７０３５は、光路差ΔＬの影響が無いような長さになっており、それぞれ長さが異なっていると表現できる。そして、ファイバ７０３１－７０３５の端面は固定部７０１によって光路差が無いように揃えられている。そして、出射した出射光はマイクロレンズ５０６を介して、複数画素検出器５０７で検出される。
　ここで、複数画素をもつ検出器としては、暗電流の小さい多チャンネルＰＭＴ，画素数の多いＣＣＤやＥＭＣＣＤ（Electron Multiplying CCD），ＥＢ－ＣＣＤ（Electron Bombardment CCD）が適している。
　ここで、検出器の１画素当たりの大きさがＣＣＤカメラなどに比べると大きい多チャンネルＰＭＴを用いる場合は、拡大率が数十倍以上の拡大光学系が必要となり、大きなスペースを必要とする場合もある。さらに、拡大光学系を必要とする場合は、検出光学系が試料１００に接近するため、仰角χによっては、検出レンズの開口を充分とることができない場合もある。本実施例によれば、１画素あたりの大きさが大きい検出器を用いる場合でも、ファイババンドル終端で各ファイバの光を自由な間隔でそれぞれ対応するチャンネルに導入することも可能であり、拡大光学系のような特別な光学系を必要としない利点もある。
　次に実施例７について説明する。前述した照明用光源１と励起用光源２とがパルス発振レーザの場合、照明用光源１の照射に起因する光（反射光，回折光，散乱光等）と励起用光源２の光との希土類添加光ファイバ内での時間的な同期を取らないと、励起用光源２の光による自然放射光が発生し、ノイズとなり、所望のＳ／Ｎを得られない場合もある。本実施例は、これを解決するものである。本実施例は、照明用光源１の照射に起因する散乱光と励起用光源２の光との希土類添加光ファイバ内での時間的な同期を取る同期部を有することを特徴とする。
　図８は、本実施例を説明する図である。試料１００へは照明用光源１（本実施例ではパルス発振レーザ光源）からのパルス光が照明される。照明用光源１の照射に起因する光（反射光，回折光，散乱光等）は、レンズ等を含む検出光学系１１６によって捕集される。捕集された光は、希土類添加光ファイバ４に入射する。一方、励起用光源２（本実施例ではパルス発振レーザ光源）からのパルス光は、ミラー８０２にて反射した後、同期部８０８に入射する。同期部８０８は例えば２枚のミラー８０３，８０４及び、それらの位置（光路長と言ってもよい）を変更するステージ等の駆動機構８１０を有するものである。同期部８０８では、ミラー８０３，８０４を矢印８０６のように移動させることが可能であり、励起用光源２からのパルス光の光学的な距離を変えることが可能である。そして、光学的な距離が変更された経路を通過したパルス光はミラー８０５により反射し、希土類添加光ファイバ４へ入射する。このように励起用光源２からのパルス光の光学的な距離を変えることで、励起用光源２からのパルス光が希土類添加光ファイバ４に入射する時刻を変えることが可能となる。すなわち、照明用光源１の照射に起因する光（反射光，回折光，散乱光等）と励起用光源２の光との希土類添加光ファイバに入射する際の同期を得ることが可能となる。
　なお、検査の際には、事前に照明用光源１の照射に起因する光（反射光，回折光，散乱光等）と励起用光源２の光との希土類添加光ファイバに入射する際の時間差を得ておくことで同期を得ることは十分可能である。
　また、本実施例では、発振周波数は異なってもよいが、同じ発振周期で発光させた方がＳ／Ｎ比は良く好ましい。また、光路長調整用のステージを使わずに、電気的にどちらか一方の発振を遅延させてファイバ内で同時に光が導波するようにしても良い。
　次に実施例８について説明する。本実施例は、照明用光源１がパルス発振レーザ光源であり、励起用光源２が連続発光光源であり、さらに励起光光源の光を強度変調する光強度変調器９０１を有することを特徴とする。
　図９は本実施例を説明する図である。本実施例は、照明用光源１がパルス発振レーザ光源であり、励起用光源２が連続発光光源であり、さらに励起光光源の光を光学的に強度変調する光強度変調器９０１を有すること以外は、実施例７と同様の構成を有する。
　図１０は光強度変調器を用いて、励起用光源２の光強度を調整した時のタイミング調整を説明する図である。照明用光源１は図１０（ａ）のように時間間隔ΔＴａ，ピーク強度Ｉａのガウスプロファイルを有するパルス光を出射している。一方、励起用光源２は連続発光光源であるので、図１０（ｂ）に示すように、いずれの時刻においても一定の強度Ｉｂである連続発振光を出射している。本実施例では、光強度変調器９０１は、図１０（ｂ）に示す波形を、図１０（ｃ）に示す波形へ変換する。より具体的には、光強度変調器９０１は、励起用光源２の波形を連続するパルス光へ変換する。そして、強度Ｉｂを強度Ｉｃ（希土類イオンの誘導放出が効率よく行われる強度であることが望ましい）へ変える。また、希土類添加光ファイバ内でのピーク強度の発生時刻を一致させる。さらに、その時間間隔をΔＴｃ（＝ΔＴａ）とする。このようにすることで、照明用光源１がパルス発振レーザ光源であり、励起用光源２が連続発光光源である場合でも、希土類添加光ファイバ内での時間的な同期を得ることが可能となる。なお、変調器としてチョッパーを用いても良い。
　次に実施例９について説明する。本実施例は、照明用光源１がパルス発振レーザ光源であり、励起用光源２が連続発光光源であり、さらに、励起用光源２の連続発振光の発生時刻、及び時間の少なくとも１つを、照明用光源１のパルス信号の発生時刻、及び時間の少なくとも１つと電気的に同期させる処理部と、高速応答可能な検出器の一例であるＭＰＰＣと、を有することを特徴とする。他の構成は、実施例１と同様である。本実施例は他の検出器に比べて比較的高速応答可能な検出器（例えばＭＰＰＣ）を使用する場合には、特に有効である。
　図１１を用いて本実施例の概要を説明する。他の実施例と同様の説明は省略する。照明用光源１からパルス光Ｐ1が照明された際、その発生時刻Ｔ1を示す発生タイミング信号が照明用光源１から同期部１０３へ送られる（矢印１１０１，１１０２）。ここで、同期部１０３では、ＭＰＰＣ３０１がパルス光Ｐ1を検出した時刻を示す検出タイミング信号も検出することができる（矢印１１０６）。同期部１０３で検出されたＴ1は任意に変更可能な遅延信号，持続信号と共に信号処理部１０５へ送られる（矢印１１０３）。信号処理部１０５では、Ｔ1，遅延信号，持続信号を使って演算を行い、励起用光源２からの励起光が希土類添加光ファイバ４内で試料１００からの散乱光と同期をとれるような時刻、及び時間を得る。そして、信号処理部１０５での演算された時刻、及び時間は全体制御部１０６を経由して、励起用光源２に送信される（矢印１１０４，１１０５）。そして、励起用光源２は、信号処理部１０５で演算された時刻、及び時間で連続発振光を発振する。
　さらに詳細に本実施例を図１２を用いて説明する。図１２は、本実施例での照明用光源１からのパルス光、及び励起用光源２からの光の発生タイミングを説明する図である。本実施例では、励起用光源からの連続発振光の発生時間を、照明用光源１からのパルス光の半値全幅とする。
　照明用光源２からのパルス光Ｐ1は図１２（ａ）に示すように、ピーク強度Ｉａ，発生時刻Ｔ1のガウスプロファイルとして表現される。図１２（ｂ）に示すように、Ｐ1の照明により試料１００から発生した散乱光Ｓ1は、Ｔ1からΔＴ1だけ遅延して希土類添加光ファイバ４へ導波する。ここで、図１２（ｃ）に示すように、励起用光源２からの光が、希土類添加光ファイバ４へ導波するまでの間に、Ｓ1はさらにΔＴ2だけ導波する。そこで、本実施例は、図１２（ｄ）に示すように時刻Ｔ1＋ΔＴ1から、Ｐ1の半値半幅ΔＴIa/2／２だけ早い時刻に励起用光源２から連続発振光Ｃ1を発生させる。つまり連続発振光Ｃ1の発生時刻は、Ｔ1＋ΔＴ1－ΔＴIa/2／２となる。このようにすることで、図１２（ｅ）に示すように、Ｃ1は希土類ファイバ内でＳ1と同期を得ることができる。より具体的には、Ｃ1のプロファイルの中心はＳ1のピーク強度の導波時刻と一致しており、Ｃ1の発生時間は、照明用光源１からのパルス光の半値全幅ΔＴIa/2となる。なお、これらの演算は、同期部１０３，信号処理部１０５において行われるものであり、ΔＴ1，ΔＴ2等は前述した遅延時間となり、半値全幅ΔＴIa/2は持続時間となる。
　なお、前述して、Ｐ1，Ｓ1，Ｃ1の波形は光学的なシミュレーションやフォトダイオード等の光電変換素子を用いた事前の実測等により十分得ることができる。
　また、Ｃ1の発生時刻，時間は任意に変更可能であり、また半値全幅は、散乱光Ｓ1の半値全幅とすることも可能である。
　上述した実施例１－９は、試料は半導体ウェハを用いて説明したが、この検査方法及び検査装置の検査対象は、半導体ウェハには限定されない。検査対象は、ハードディスク，液晶パネル，太陽光発電パネルなどの基板の検査にも適用できる。
１　照明用光源
２，５０２　励起用光源
３　検出器
４，２０６　希土類添加光ファイバ
５　ファイバカプラ
６　カップリング用光学系
７　干渉フィルタ
１００　試料
１０１　ステージ
１０２　ステージ駆動部
１０３　同期部
１０５　信号処理部
１０６　全体制御部
１０７　メカ制御部
１０８　情報表示部
１０９　入力操作部
１１０　記憶部
１１１　回転駆動部
１１２　垂直駆動部
１１３　スライド駆動部
１１６　検出光学系
２０１　照明光
２０２　照明スポット
３０１　ＭＰＰＣ
５０１　ダイクロイックミラー
５０５　傾斜希土類添加光ファイババンドル
５０６　マイクロレンズ
５０７　複数画素検出器
５０８　物体面
５０９　像面
５１０　階段状希土類添加光ファイババンドル
６０２　希土類添加光ファイババンドル
６０３　マイクロミラー
６０４　マイクロプリズム
７０１　固定部
７０４　調整希土類添加光ファイババンドル
７０３１　ファイバ

Claims (8)

  1. 　基板の欠陥を検出する検査装置において、
    　前記基板に照明光を照明する照明光学系と、
    　前記基板からの光を検出する第１の検出光学系と、
    　前記第１の検出光学系により検出された光を光増幅するための第１の光増幅光学系と、
    　前記光増幅のための第１の励起光を発生させる第１の励起用光学系と、
    　前記光増幅光学系により増幅された光を光電変換するための第１の光電変換系と、
    　前記第１の光電変換系からの信号を使って前記欠陥を検出する処理部と、を有し、
    　さらに、
    　前記励起光の波長は、前記照明光の波長より短いことを特徴とする検査装置。
  2. 　請求項１に記載の検査装置において、
    　さらに、
    　前記基板からの光を検出する第２の検出光学系と、
    　前記第２の検出光学系により検出された光を光増幅するための第２の光増幅光学系と、
    　前記第２の光増幅光学系による光増幅のための第２の励起光を発生させる第２の励起用光学系と、
    　前記第２の光増幅光学系により増幅された光を光電変換するための第２の光電変換系と、
    　第１の励起光の強度、および第２の励起光の強度の少なくとも１つを変える制御部と、を有し、
    　さらに、前記処理部は、前記第１の光電変換系からの信号、及び前記第２の光電変換系からの信号を用いて重み付け加算を行うことを特徴とする検査装置。
  3. 　請求項１に記載の検査装置において、
    　さらに、
    　前記基板の位置に応じて前記第１の励起光の強度を変える制御部を有することを特徴とする検査装置。
  4. 　請求項１に記載の検査装置において、
    　前記第１の検出光学系は、斜方検出光学系であり、
    　前記第１の光増幅光学系は、複数の希土類添加光ファイバを束ねた希土類添加光ファイババンドルであり、
    　前記希土類添加光ファイババンドルでの、前記第１の検出光学系により検出された光を検出する面は傾斜していることを特徴とする検査装置。
  5. 　請求項１に記載の検査装置において、
    　前記第１の検出光学系は、斜方検出光学系であり、
    　前記第１の検出光学系と前記第１の光増幅光学系との間にマイクロミラー及びマイクロレンズを有することを特徴とする検査装置。
  6. 　請求項１に記載の検査装置において、
    　前記第１の検出光学系は、斜方検出光学系であり、
    　前記第１の検出光学系と前記第１の光増幅光学系との間にマイクロプリズム及びマイクロレンズを有することを特徴とする検査装置。
  7. 　請求項１に記載の検査装置において、
    　前記第１の検出光学系は、斜方検出光学系であり、
    　前記第１の光増幅光学系は、複数の希土類添加光ファイバを束ねた希土類添加光ファイババンドルであり、
    　前記複数の希土類添加光ファイバの長さはそれぞれ異なることを特徴とする検査装置。
  8. 　請求項１に記載の検査装置において、
    　さらに、
    　前記基板からの光と前記第１の励起光との前記第１の光増幅光学系内での時間的な同期を得る同期部を有することを特徴とする検査装置。
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