JP2000131239A - 欠陥検査装置 - Google Patents

欠陥検査装置

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JP2000131239A
JP2000131239A JP10304173A JP30417398A JP2000131239A JP 2000131239 A JP2000131239 A JP 2000131239A JP 10304173 A JP10304173 A JP 10304173A JP 30417398 A JP30417398 A JP 30417398A JP 2000131239 A JP2000131239 A JP 2000131239A
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unit
test substrate
optical system
angle
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Takeo Omori
健雄 大森
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Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】小型な装置で、微細なパターンピッチを有する
被検基板の表面欠陥を高精度に検出できる欠陥検査装置
を提供すること。 【解決手段】 光束を供給する光源ユニット1と、前記
光源ユニットからの光束を被検基板3へ導く光学ユニッ
ト2と、前記被検基板からの回折光を受光する受光ユニ
ット5と、前記受光ユニットからの出力に基づいて前記
被検基板の表面状態を検出する処理ユニット6とを有
し、前記光学ユニットは、前記被検基板からの回折光を
前記受光ユニットへ導くことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等の製
造分野において、基板表面のムラ又は傷等の欠陥を検出
する欠陥検査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、ICウエハ又は液晶基板表面のム
ラ、傷等の欠陥を自動的に検査するための種々の装置が
提案されている。図6は従来装置の構成を示す図であ
る。光源101からの光束は、レンズ102を透過した
後反射ミラーM1で反射され、凹面ミラーM2で平行光
に変換され、被検基板3に照射される。次に、被検基板
上の規則的なパターンに起因して発生した回折光は、凹
面反射ミラーM3で反射され、さらに反射ミラーM4を
介して受光ユニット5で受光される。そして、コンピュ
ータ等から構成される処理ユニット6は、受光ユニット
5からの信号に基づいて、被検基板3の表面の欠陥を検
出する。従来装置の構成では、被検基板3を平行光で照
明する凹面ミラーM2を含む照明光学系と、回折光を受
光ユニット5へ導く凹面ミラーM3を含む受光光学系と
が独立した別個の光学系で構成されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の装置
は、以下の問題点を有している。第一に、照明光学系と
受光光学系とが独立しており、複数の大きな凹面鏡M
2、M3等が必要となるので、装置自体が大型化してし
まう問題がある。かかる装置の大型化は、特に液晶基板
用の欠陥検査装置で顕著となる。
【0004】第二に、被検基板への入射光の入射角度と
回折光の回折角度との関係は、被検基板(ウエハ)のパ
ターンピッチをp、入射(照明)光の波長をλ、入射角
をθi、回折角をθd、回折次数をmとそれぞれしたと
き、以下の式(1)、 p×(sinθd−sinθi)=mλ (1) で表すことができる。(1)式から所定次数(mが一
定)の回折光に注目した場合、パターンピッチpが小さ
いほど、即ちパターンが微細であるほど回折角θiが大
きくなるので、回折光が入射光に近づくことが分かる。
図6に示した従来装置では、パターンピッチpに対応し
て、(1)式を満足するように照明光学系、被検基板
(ウエハ)、及び受光光学系が配置される。ここで、照
明光学系と受光光学系とを近づける場合にも物理的に限
界がある。
【0005】したがって、従来の欠陥検査装置では、装
置の大型化を回避しつつ、かつパターンピッチpがかか
る限界で定まるピッチpよりも小さい場合は検査を行う
ことができないという問題がある。
【0006】本発明は上記問題に鑑みてなされたもので
あり、小型な装置で、微細なパターンピッチを有する被
検基板の表面欠陥を高精度に検出できる欠陥検査装置を
提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1記載の発明では、光束を供給する光源ユニ
ットと、前記光源ユニットからの光束を被検基板へ導く
光学ユニットと、前記被検基板からの回折光を受光する
受光ユニットと、前記受光ユニットからの出力に基づい
て前記被検基板の表面状態を検出する処理ユニットとを
有し、前記光学ユニットは、前記被検基板からの回折光
を前記受光ユニットへ導くことを特徴とする。
【0008】また、請求項2記載の発明では、前記光源
ユニット及び前記光学ユニットと、及び前記被検基板と
の少なくとも一方を動かすための駆動ユニットをさらに
有することを特徴とする。
【0009】また、請求項3記載の発明では、前記光源
ユニットから供給される光束の波長が可変であることを
特徴とする。
【0010】また、請求項4記載の発明では、前記被検
基板のパターンのピッチをp、前記光源ユニットの波長
をλとしたとき、 p/λ>0.5 の条件を満足することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施の形態を説明する。図1において、ハロゲンラン
プ、メタルハライドランプ、水銀ランプ等の光源101
から射出された白色照明光は、干渉フィルタIFを透過
することで所定の波長のみ選択された後、リレーレンズ
102を通り、反射ミラー2でほぼ平行な光束に変換さ
れて、ステージ7に載置された被検基板3に導かれる。
ここで、光源101とリレーレンズ102とで照明光学
系1を構成する。さらに好ましくは、複数の干渉フィル
タを光路中に選択的に挿脱可能にして、種々の波長を選
択できることが望ましい。また、レーザなどの単色光源
を用いても良いが、その場合は、レーザの可干渉性を低
減させておいた方が望ましい。
【0012】また、ステージ7は複数の回転軸を有して
おり、モータMTにより被検基板の回転(ローテーショ
ン)及び傾き(チルト)を調整できる。被検基板3から
の回折光は、パターンのピッチによりその回折角が異な
る。したがって、回折光が、入射光の入射角度と僅かに
異なる角度で反射ミラー2に再び入射するようにステー
ジ7を制御し被検基板3を適宜傾ける(チルト)ことが
望ましい。図2に被検基板3をチルトさせた場合の構成
を示す。
【0013】次に、反射ミラー2で再び反射された回折
光は、受光レンズで構成されている受光光学系4を通
り、被検基板3の回折光による像がCCD撮像素子を含
む受光ユニットである撮像素子5で取り込まれる。そし
て、画像処理装置6は、取り込んだ画像に基づいて被検
基板3の表面の傷、異物等の欠陥を検出する。例えば、
検査中の被検基板3の像と、予め記憶部Mに記憶させて
おいた欠陥のない基準基板の像とを比較することで、デ
フォーカスによるムラ部分が存在する場合は、ムラ部分
の明暗の差から、当該部分を欠陥として出力することが
できる。
【0014】次に、被検基板3のチルト角について説明
する。被検基板3のパターンピッチをp、照明光の波長
をλ、回折次数をm、被検基板3が水平に保たれた時の
基板の法線を基準として基板と交わる照明光の角度をθ
i、同様に基板と交わる回折光の角度をθd、チルト角
をθtとそれぞれおくと、次式(2)、 sin(θd−θt)−sin(θi+θt)=mλ/p (2) の関係が成立する。符号は図3に示すように、照明光の
角度θiは入射側に見込む角度方向を正、反射側に見込
む角度方向を負とし、回折光の角度θd及びチルト角θ
tは、入射側に見込む角度方向を負、反射側に見込む角
度方向を正としている。また、回折次数mは基板への入
射光の正反射光を基準として入射側に見込む角度方向を
負、反射側に見込む角度方向を正としている。θiの範
囲は0度から90度である。
【0015】ここで、チルト角θtが0度の場合は
(2)式でθt=0とおいて、 sinθd−sinθi=mλ/p となり、一般的な入射角と回折角の関係を示す式にな
る。
【0016】また、チルト角θtは(2)式を変形し
て、 θt=((θd−θi/2))−sin−1(mλ/2pcos((θd+θ i)/2)) (3) となる。図2に示したように、被検基板3をチルトさせ
て回折光が受光光学系4に導かれた時は、上記(2)式
の関係を満足している。
【0017】また、被検基板のレジストの塗布忘れ、剥
離忘れ、塗布または剥離のムラ(不均一性)等を検出す
る際に、レジストの有無による被検基板の見え方の差が
少ない場合がある。これはレジストが存在しない部分の
光の強度と、存在する部分の干渉後の光の強度が一致す
るためである。かかる場合には、強度に差が出るよう
に、干渉フィルタを交換して照明光の波長を変更するこ
とが望ましい。そして、波長を変更した場合は、式
(1)の関係を満足するように被検基板3をチルトさせ
る。
【0018】また、本実施形態の反射ミラー2は凹面の
球面反射鏡であり、被検基板3は球面反射鏡の焦点面に
ほぼ一致するように配置されている。さらに、照明光学
系1は光源101と、受光光学系4の受光レンズの入射
瞳面とが、球面反射ミラーの焦点面内の異なる位置にそ
れぞれ配置されており、テレセントリックな光学系を構
成している。テレセントリックな系にするのは、撮像素
子5で取り込んだ画像の見え方を、被検基板3全面にわ
たって同じにするためである。
【0019】テレセントリックな条件を満足しない光学
系では、被検基板3上の位置により、式(2)の基板へ
の入射角θi+θt、回折角θd−θtがそれぞれ異な
る。したがって、回折光の強度は入射光の入射角に依存
して変化するため、同じ欠陥でも基板上の位置により見
え方が異なる場合がある。これに対して、図1に示す本
実施形態にかかる装置はテレセントリックな光学系を採
用しているので、被検基板3全面にわたって入射角θi
+θt、回折角θd−θtを一定とすることができる。
このため、被検基板上の位置にかかわらず同じ欠陥であ
れば観察像の見え方が同じになり、欠陥の特定により有
利である。
【0020】また、屈折系のテレセントリック光学系を
用いると装置が大型化するため、球面反射鏡を用いた反
射型の光学系にすることで、装置を小型化している。本
実施形態に係る装置の光学系は偏心光学系なので、球面
反射ミラーに対する入射光の入射する角度があまり大き
いと非点収差が大きくなるので、出来るだけ小さいこと
が望ましい。図1に示す装置では、球面反射ミラーに対
する入射光の入射角度はほぼ10度である。
【0021】また、被検基板3に対する入射角と被検基
板3からの回折角との差を大きくとると、反射ミラー2
を大きくする必要がある。ここで、入射角と回折角とを
一致させ、光路中にハーフミラーを設けて照明光路と受
光光路とを配置する構成を採用すると、反射ミラー2を
被検基板3とほぼ同じ大きさにする事が出来る。しか
し、かかる構成ではハーフミラーで光量が減少するの
で、良好な欠陥検査を行うためには好ましくない。そこ
で、本実施形態のように、入射角と回折角とを僅かに異
ならせる構成により、反射ミラー2の大型化を防止する
と共に、光量の損失を低減することができる。さらに、
ハーフミラー等の光学素子が不要であるため、光学部品
点数が少なく、簡易な構成で済む。
【0022】入射角と回折角との差は、反射ミラー2の
焦点距離F、照明光学系1及び受光光学系4の大きさ等
に依存して変化する。図1において、入射光の光軸AX
1と回折光の光軸AX2との間の距離Lは、照明光学系
1と受光光学系4とが接触しない距離であることが必要
とされる。本実施形態の装置の光学系は、テレセントリ
ック光学系であるので、照明光学系1の光軸AX1と受
光光学系4の光軸AX2とは相互に平行と考えて良い。
ここで、照明光学系1からの入射光の入射角と被検基板
3上に形成される回折パターンによる回折角との差δθ
が小さい場合には、光軸間の距離Lとδθとの間には、
近似的に以下の(4)式の関係がほぼ成立する。ここ
で、δθの単位はラジアンである。
【0023】L=F×δθ (4) 一方、照明光学系1と受光光学系4とが機械的に干渉し
ないためには、照明光学系1の外径(例えば、照明光学
系1中のレンズ101の外径)をφi、受光光学系4の
外径(例えば、受光光学系4中のレンズ4の外径)をφ
dとそれぞれしたとき、以下の(5)式の関係を満たす
ことが望ましい。
【0024】(φi+φd)/2<L (5) 従って、照明光学系1及び受光光学系4は、上記の
(4)式及び(5)式との関係から次式(6)の関係を
満たすように設定されることが好ましい。
【0025】(φi+φd)/2F<δθ (6) したがって、径の小さい照明光学系及び受光光学系と、
焦点距離Fの長い反射ミラーとを組み合わせれば、入射
角と回折角との差を小さくする事ができるので、反射ミ
ラー2を小型化することができる。以下の表1に2つの
数値例A,Bを掲げる。
【0026】
【表1】 (A) 照明光学系の外径 φi=40mm 受光光学系の外径 φd=50mm 光軸間の距離 L=50mm 反射ミラーの焦点距離 F=500mm 入射角と回折角の角度差 5.7度(0.10ラジアン) (B) 照明光学系の外径 φi=20mm 受光光学系の外径 φd=30mm 光軸間の距離 L=30mm 反射ミラーの焦点距離 F=1000mm 入射角と回折角の角度差 1.7度(0.030ラジアン) 表1からも明らかなように、反射ミラーの焦点距離が長
いほど、入射角と回折角との角度差を小さくできる。ま
た、焦点距離が長くなれば装置も大型化するので、好ま
しくは光学系全体の大きさと当該焦点距離とを比較考量
して、適切な焦点距離を選択することが望ましい。
【0027】また、被検基板3の大きさがICウエハの
ように小さい場合には、δθがある程度大きくても構わ
ないが、被検基板3の径Dを反射ミラー(凹面鏡)2で
割った値の逆正接を目安にそれ以下にすることが好まし
い。その理由は、それより大きな角度となると、反射ミ
ラー2の反射面(凹面)において入射光束と反射光束と
が分離するからである。この事から、δθは、以下の
(7)式の関係を満たすことが望ましい。
【0028】 (φi+φd)/2F<δθ<tan-1(D/F) (7) ここで、以下に上記表1に示した2つの数値例(A、
B)に対応する数値範囲を示すと、上記表1のAに示す
数値例において、被検基板3を8インチウエハとして、
D=200mmとすると、上記(7)式は、(8)式と
なる。
【0029】 0.09<δθ<0.38〔rad〕 (8) また、上記表1のBに示す数値例において、被検基板3
を12インチウエハとして、D=300mmとすると、
上記(7)式は、以下の(9)式となる。
【0030】 0.025<δθ<0.29〔rad〕 (9) また、被検基板がICウエハ等である場合に、細かいピ
ッチのパターンを検査するには、入射角θiが大きくな
るように構成し、マイナスn次の回折光を取り込み、照
明光の波長を検査対象パターンのピッチpの2倍以下の
波長にするのが望ましい。以下、その理由を述べる。
【0031】まず、(1)式を次式(10)のように変
形する。
【0032】 p=mλ/(sinθd−sinθi) (10) 上式より、p>0、λ>0より、分母と分子の符号をそ
ろえるためには、m/(sinθd−sinθi)が正
であることが必要であり、かつ分子の絶対値を小さく
し、分母の絶対値を大きくすれば細かいピッチpのパタ
ーンを検査できる事が分かる。
【0033】また、θi、θdの範囲はそれぞれ −90°<θd<90° 0°≦θi<90° であるから、(10)式の分母の範囲は、 2<sinθd−sinθi<1 (11) となる。
【0034】ここで、m>0の場合、即ち+n次の回折
光を取り込む場合は、分母も正となるので、(11)式
を、 0≦sinθd−sinθi<1 とし、sinθd−sinθiが1に近づくように入射
角θd、回折角θiを配置すると、細かいパターンピッ
チを測定できる。図4に入射角θdを90度、回折角θ
iを0度に近づけた場合の概略配置を示す。しかし、か
かる配置は、上記従来技術で述べたような装置全体の大
型化等の問題を有している。
【0035】これに対して、m<0、即ち−n次の回折
光を取り込む場合は、分母も負だから、(11)式を、 −2<sinθd−sinθi≦0 (12) として、sinθd−sinθiが−2に近づくように
入射角θdと回折角θiを設定すれば良い。具体的に
は、図5に示すように入射角θdを−90度、回折角θ
iを90度に近づける構成となる。図からも明らかなよ
うに、必然的に照明光の入射光路と回折光路とが僅かに
異なり、かつ入射角度が大きい構成となる。また、細か
いピッチのパターンを測定する為に(10)式の分子の
絶対値を小さくするには、取り込む回折光の次数mをマ
イナス1次にすれば良い。
【0036】以上述べたことをまとめると、被検基板が
有するパターンのピッチpと入射(照明)光の波長λと
の最適な関係は、(10)式においてm=−1で、かつ
(12)式を満足する範囲として、p/λ>0.5、即
ちλ<2pとなる。したがって、照明光の波長λを被検
基板のパターンピッチpの2倍以下にすることが望まし
い。かかる条件を外れると、パターンピッチが細かくな
った時に、ステージをチルトさせても受光ユニットへ回
折光を導くことが出来なくなってしまう。
【0037】具体的には、被検基板の水平位置を基準と
して照明光の入射角をθi=+35度、回折光の回折角
度をθd=−33度、波長λ=365nmとし、被検基
板は±35度傾けることができるとすると、p=0.2
0μm〜∞(無限大)のピッチを検査できるので、様々
なパターンのピッチに対応出来る。
【0038】本実施形態においては、被検基板を傾けて
(チルト)いるが、これに限られるものではない。例え
ば、被検基板3と入射角θi、回折角θdとの条件を満
足していれば、被検基板を傾けずに、照明光学系1と反
射ミラー2と受光光学系4と撮像素子5とを一体として
傾けても良い。かかる場合の傾斜させる角度(絶対値)
は、例えば、被検基板のみを傾ける時のステージ7のチ
ルト角と同じなのは言うまでもない。ステージ7は被検
基板3を吸着する必要があり、ステージによっては吸着
時に被検基板3に反りを生じさせ、回折光の光量が変化
する場合、又は液晶基板の様に被検基板3のサイズが大
きく、チルトステージを使用することが困難な場合に
は、ステージの代わりに光学系全体を傾斜させることが
望ましい。
【0039】また、ステージ7のチルト角に制限がある
場合、又は欠陥検査の処理時間をさらに迅速化する場合
等は、ステージ7と、光学系全体とを両方同時に傾けて
も良い。
【0040】また、本実施形態では光学ユニットとして
反射ミラーを使用しているが、これに限られず、光源か
らの光束を被検基板の方向へ反射させ、かつ被検基板か
らの回折光は受光ユニットの方向へ透過させるような光
学素子でも良い。
【0041】なお、以上の本発明の実施の形態では、例
えば、g線(436nm),i線(365nm)あるい
はj線(313nm)等の波長を含む光束を供給する水
銀ランプ等を光源101として用いることが可能である
が、YaGレーザとこのYaGレーザからのレーザ光を
4倍高調波の光に変換する非線型光学素子とを組み合わ
せて、265nmの光を供給するものを光源101とし
て用いることも可能である。また、YaGレーザとこの
YaGレーザからのレーザ光を5倍高調波の光に変換す
る非線型光学素子とを組み合わせて、213nmの光を
供給するものを光源101として用いることも可能であ
る。さらに、248nmの波長を持つ光を供給するKr
Fエキシマレーザや193nmの波長を持つ光を供給す
るArFエキシマレーザを光源101として用いること
も可能である。いずれにしても、本発明では、200n
m以下の短い波長を持つ光を供給する光源を光源101
として用いることが可能である。
【0042】また、以上の実施の形態では、光源ユニッ
ト(照明光学系)1からの光をほぼ平行光(コリメート
光)に変換する機能と被検基板からの回折光を集光して
受光ユニット(受光光学系)へ導く機能とを兼ね備えた
光学ユニットを反射鏡(凹面鏡)2で構成した例を示し
たが、この光学ユニットを屈折性の光学部材で構成する
ことも可能である。
【0043】また、本発明では、以上の請求項1乃至請
求項4に記載したものに限らず、例えば、以下の(1)
乃至(3)に示すようにしても良い。 (1)前記光学ユニットは、前記光源ユニットからの光
束を実質的に平行光束に変換する反射鏡を有することを
特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載
の欠陥検査装置。 (2)前記光源ユニットと前記受光ユニットとは互いに
独立に分離した光軸をそれぞれ有することを特徴とする
請求項1乃至請求項4または上記(1)のいずれか1項
に記載の欠陥検査装置。 (3)前記光学ユニットと前記光源ユニットとの間の照
明光路における前記光源ユニットの光軸と、前記光学ユ
ニットと前記受光ユニットとの間の受光光路における前
記受光ユニットの光軸とは互いに平行であることを特徴
とする上記(2)に記載の欠陥検査装置。 (4)前記光源ユニットからの入射光の入射角と前記被
検基板上に形成される回折パターンによる回折角との差
をδθとし、前記光源ユニットの光軸と前記受光ユニッ
トの光軸との間の距離をL、光源ユニットの外径をφ
i、受光ユニットの外径をφd、前記反射鏡の焦点距離
をFとするとき、 (φi+φd)/2F<δθ の関係を満足することを特徴とする請求項1乃至請求項
4または上記(1)乃至上記(3)のいずれが1項に記
載の欠陥検査装置。 (5)前記光源ユニットからの入射光の入射角と前記被
検基板上に形成される回折パターンによる回折角との差
をδθとし、前記光源ユニットの光軸と前記受光ユニッ
トの光軸との間の距離をL、光源ユニットの外径をφi
、受光ユニットの外径をφd、前記反射鏡の焦点距離
をF、被検基板3の大きさ(又は径)をDとするとき、 (φi+φd)/2F<δθ<tan-1(D/F) の関係を満足することを特徴とする請求項1乃至請求項
4または上記(1)乃至上記(3)のいずれか1項に記
載の欠陥検査装置。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
入射角と回折角との角度差を僅かにする配置を採ること
で、小型な装置で被検基板の微細なパターンピッチの欠
陥検査を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態にかかる欠陥検査装置の構
成図である。
【図2】本発明の実施の形態にかかる欠陥検査装置の他
の構成図である。
【図3】照明光と回折光との関係を示す図である。
【図4】プラス次数の回折光で微細なピッチを検査する
場合の概略構成を示す図である。
【図5】マイナス次数の回折光で微細なピッチを検査す
る際の概略構成を示す図である。
【図6】従来の欠陥検査装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 照明光学系 2 反射ミラー 3 被検基板 4 受光光学系 5 撮像素子 6 画像処理装置 7 ステージ 101 光源 102 リレーレンズ IF 干渉フィルタ MT モータ M 記憶部

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光束を供給する光源ユニットと、 前記光源ユニットからの光束を被検基板へ導く光学ユニ
    ットと、 前記被検基板からの回折光を受光する受光ユニットと、 前記受光ユニットからの出力に基づいて前記被検基板の
    表面状態を検出する処理ユニットとを有し、 前記光学ユニットは、前記被検基板からの回折光を前記
    受光ユニットへ導くことを特徴とする欠陥検査装置。
  2. 【請求項2】 前記光源ユニット及び前記光学ユニット
    と、及び前記被検基板との少なくとも一方を動かすため
    の駆動ユニットをさらに有することを特徴とする請求項
    1記載の欠陥検査装置。
  3. 【請求項3】 前記光源ユニットから供給される光束の
    波長が可変であることを特徴とする請求項1又は2記載
    の欠陥検査装置。
  4. 【請求項4】 前記被検基板のパターンのピッチをp、 前記光源ユニットの波長をλとしたとき、 p/λ>0.5 の条件を満足することを特徴とする請求項1記載の欠陥
    検査装置。
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