JP2003156446A

JP2003156446A - 照明光学装置およびそれを備えた検査装置

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Publication number: JP2003156446A
Application number: JP2001353571A
Authority: JP
Inventors: Takeo Omori; 健雄大森
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2003-05-30
Anticipated expiration: 2021-11-19
Also published as: JP3997761B2

Abstract

(57)【要約】【課題】空間的にも角度的にも均一な強度分布の照明
光を射出することができる照明光学装置、およびそれを
備えた検査装置を提供する。【解決手段】光源３１と、光源からの光を集光する第
１光学系３２と、ロッド型オプティカルインテグレータ
２２と、ロッド型オプティカルインテグレータからの光
を集光する第２光学系２３と、バンドル型ランダムライ
トガイド２４とを順に配置する。ロッド型オプティカル
インテグレータ２２は、第１光学系３２によって形成さ
れる光源像の形成面または該形成面と共役な面に配置さ
れた光入射面２２ａと、第２光学系２３の前側焦点面に
配置された光射出面２２ｂとを有する。バンドル型ラン
ダムライトガイド２４は、第２光学系２３によって形成
される光源像の形成面または該形成面と共役な面に配置
された光入射面２４ａと、外部に照明光を射出する光射
出面２４ｂとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、照明光を射出する
照明光学装置およびそれを備えた検査装置に関し、特
に、半導体素子などの製造工程における基板の表面検査
に好適な照明光学装置およびそれを備えた検査装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光源とバンドル型ランダムラ
イトガイドとを備えた照明光学装置が知られている。バ
ンドル型ランダムライトガイドは、多数の光ファイバ素
線を束ねたものであり、光入射面と光射出面とで光ファ
イバ素線の配列がランダムになっている。

【０００３】このような照明光学装置では、光源からの
光をバンドル型ランダムライトガイドの光入射面に入射
させ、バンドル型ランダムライトガイドの光射出面から
外部に照明光を射出することになる。したがって、バン
ドル型ランダムライトガイドの光入射面に入射する光の
強度分布が空間的に不均一であっても、バンドル型ラン
ダムライトガイドの光射出面から射出される照明光の強
度分布を空間的に均一化できる。すなわち、空間的に均
一な強度分布の照明光を射出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の照明光学装置では、バンドル型ランダムライト
ガイドの光入射面に入射する光の強度分布が角度的に不
均一な場合、バンドル型ランダムライトガイドの光射出
面から射出される照明光の強度分布を角度的に均一化す
ることはできなかった。

【０００５】これは、バンドル型ランダムライトガイド
の各々の光ファイバ素線において、光の角度的な強度分
布が維持されるからである。このため、従来の照明光学
装置では、空間的には均一でも角度的には不均一な強度
分布の照明光を射出することになっていた。本発明の目
的は、空間的にも角度的にも均一な強度分布の照明光を
射出することができる照明光学装置、およびそれを備え
た検査装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の照明光
学装置は、光源と、該光源からの光を集光する第１光学
系と、ロッド型オプティカルインテグレータと、該ロッ
ド型オプティカルインテグレータからの光を集光する第
２光学系と、バンドル型ランダムライトガイドとが順に
配置され、前記ロッド型オプティカルインテグレータ
が、前記第１光学系によって形成される前記光源の像の
形成面または該形成面と共役な面に配置された光入射面
と、前記第２光学系の前側焦点面に配置された光射出面
とを有し、前記バンドル型ランダムライトガイドが、前
記第２光学系によって形成される前記光源の像の形成面
または該形成面と共役な面に配置された光入射面と、外
部に照明光を射出する光射出面とを有するものである。

【０００７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の照明光学装置において、前記バンドル型ランダムライ
トガイドの前記光入射面は、前記第２光学系による前記
像の形成面と共役な面に配置され、前記第２光学系と前
記バンドル型ランダムライトガイドとの間に、前記第２
光学系からの光を入射して、前記第２光学系による前記
像を前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光入射
面に再結像する第３光学系と、前記照明光の波長を選択
する選択手段とが配置されたものである。

【０００８】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載の照明光学装置と、前記照明光学装置の
前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光射出面か
ら射出された前記照明光を被検物体に照射する照射手段
と、前記照明光が照射された前記被検物体の像を撮像
し、前記被検物体の像に基づいて前記被検物体の欠陥を
検出する検出手段とを備えたものである。

【０００９】請求項４に記載の照明光学装置は、光源
と、前記光源からの光を集光する第１光学系と、前記第
１光学系から射出される光の角度的不均一性を補正する
第１補正光学系と、前記第１補正光学系から射出される
光の空間的不均一性を補正する第２補正光学系とを備
え、前記光源からの光の角度的不均一性の補正後に空間
的不均一性の補正を行い、照明光を作り出すものであ
る。

【００１０】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
の照明光学装置において、前記第１補正光学系が、ロッ
ド型オプティカルインテグレータと、該ロッド型オプテ
ィカルインテグレータからの光を集光する第２光学系と
から構成され、前記第２補正光学系が、バンドル型ラン
ダムライトガイドから構成されたものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
形態を詳細に説明する。

【００１２】(第１実施形態)本発明の第１実施形態は、
請求項１,請求項３〜請求項５に対応する。第１実施形
態の検査装置１０は、図１に示すように、被検物体であ
る基板１１を保持するステージ１２と、ステージ１２上
の基板１１の表面に照明光Ｌ１を照射する照明光学系１
３と、照明光Ｌ１が照射された基板１１の表面からの戻
り光Ｌ２（正反射光、散乱光、または回折光）を受光す
る受光光学系１４と、画像処理装置１５とで構成されて
いる。

【００１３】第１実施形態の検査装置１０は、半導体回
路素子などの製造工程において、基板１１の表面に形成
された繰り返しパターンの欠陥検査を行うための装置で
ある。繰り返しパターンとは、周期的に繰り返される線
配列形状の回路パターンのことである。基板１１は、半
導体ウエハや液晶ディスプレイパネルなどである。第１
実施形態の検査装置１０の全体構成を具体的に説明する
前に、この検査装置１０に組み込まれた照明光学装置２
０の説明を行う。

【００１４】照明光学装置２０は、図１に示すように、
ランプ２１と、ロッド型オプティカルインテグレータ２
２と、リレーレンズ２３と、バンドル型ランダムライト
ガイド２４とで構成されている。このうち、ランプ２１
は、光源３１と楕円鏡３２とで構成され、ランプハウス
２１ａの内部に収納されている。楕円鏡３２は、回転楕
円面の内側を反射面とした凹面反射鏡である。光源３１
と楕円鏡３２とは、図２に示すように、光源３１の発光
点３１ａが楕円鏡３２の第１焦点３２ａと一致するよう
に配置されている。

【００１５】このため、光源３１の発光点３１ａから射
出された光は、楕円鏡３２で反射して、楕円鏡３２の第
２焦点３２ｂに集光する（光Ｌａ）。そして、楕円鏡３
２の第２焦点３２ｂには、光源３１の像が形成される。
以下、楕円鏡３２の第１焦点３２ａと第２焦点３２ｂと
を結ぶ仮想的な線（図中点線で示す線）を光軸Ｏ２０と
いう。

【００１６】なお、楕円鏡３２は請求項の「第１光学
系」に対応する。楕円鏡３２の第２焦点３２ｂを通って
光軸Ｏ２０に垂直な面は、楕円鏡３２によって光源３１
の像が形成される面であり、請求項の「光源の像の形成
面」に対応する。上記ランプ２１の後段に配置されたロ
ッド型オプティカルインテグレータ２２は、棒状のガラ
ス材料（石英や蛍石など）からなる内面反射型のガラス
ロッドである。その屈折率分布は均一である。また、ロ
ッド型オプティカルインテグレータ２２の断面は例えば
円形状であり、その径が中心軸に沿って一定である。

【００１７】このロッド型オプティカルインテグレータ
２２の配置は、中心軸が上記の光軸Ｏ２０に一致し、か
つ、一方の端面２２ａが上記の楕円鏡３２の第２焦点３
２ｂに一致するようになっている。一方の端面２２ａ
は、請求項の「光入射面」に対応する。このため、楕円
鏡３２の第２焦点３２ｂに集光した光Ｌａは、ロッド型
オプティカルインテグレータ２２の一方の端面２２ａか
ら内部に入射して、他方の端面２２ｂから射出する（光
Ｌｂ)。ロッド型オプティカルインテグレータ２２の内
部における光の伝搬などについては、後で詳細に説明す
る。他方の端面２２ｂは、請求項の「光射出面」に対応
する。

【００１８】なお、ロッド型オプティカルインテグレー
タ２２の２つの端面２２ａ,２２ｂは、中心軸（光軸Ｏ
２０）に略垂直な平面であり、側面２２ｃは円筒面であ
る。２つの端面２２ａ,２２ｂと側面２２ｃとは、何れ
も、精密に研磨されている。ちなみに、ロッド型オプテ
ィカルインテグレータ２２の端面２２ｂは、照明光学装
置２０の開口絞りに相当する。

【００１９】また、上記ロッド型オプティカルインテグ
レータ２２の後段に配置されたリレーレンズ２３は、そ
の光軸が上記の光軸Ｏ２０に一致し、かつ、前側焦点面
がロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２
ｂ（開口絞り相当）に一致するように配置されている。
このため、リレーレンズ２３の像側は、テレセントリッ
ク系になる。

【００２０】このリレーレンズ２３は、ロッド型オプテ
ィカルインテグレータ２２の端面２２ｂ（開口絞り相
当）から射出した光Ｌｂを集光して、主光線が光軸Ｏ２
０と平行な光Ｌｃに変換し、ロッド型オプティカルイン
テグレータ２２の端面２２ａの像を形成する。なお、リ
レーレンズ２３は請求項の「第２光学系」に対応する。
リレーレンズ２３の像側において光軸Ｏ２０に垂直な面
は、リレーレンズ２３によって端面２２ａの像が形成さ
れる面であり、請求項の「光源の像の形成面」に対応す
る。

【００２１】また、上記リレーレンズ２３の後段に配置
されたバンドル型ランダムライトガイド２４（図１）
は、数１０μｍ〜数１００μｍの光ファイバ素線を多数
束ねたものである。光ファイバ素線の配列は、一方の端
面２４ａと他方の端面２４ｂとでランダムになってい
る。一方の端面２４ａは請求項の「光入射面」に対応
し、他方の端面は「光射出面」に対応する。

【００２２】このバンドル型ランダムライトガイド２４
は、一方の端面２４ａが上記の光軸Ｏ２０に対して略垂
直となるように配置されている。バンドル型ランダムラ
イトガイド２４は、リレーレンズ２３から得られる光Ｌ
ｃを伝送して、端面２４ｂから外部の球面反射鏡２５
(後述する)に照明光Ｌ０を射出する。バンドル型ランダ
ムライトガイド２４は、請求項の「第２補正光学系」に
対応する。

【００２３】なお、上記のロッド型オプティカルインテ
グレータ２２およびリレーレンズ２３は、請求項の「第
１補正光学系」に対応し、楕円鏡３２から射出された光
Ｌａを平行光束(Ｌｃ)に変換するコリメイト光学系とし
て機能する。上記のように構成された照明光学装置２０
において、光源３１の発光点３１ａ（図２）から射出さ
れた光は、既に説明したように、楕円鏡３２で反射して
第２焦点３２ｂに集光する（光Ｌａ）。ここで、光源３
１からの光は、光軸Ｏ２０に垂直な方向を中心にして、
ある角度範囲Δθ(＜１８０°)内に発生する。このた
め、楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに集光する光Ｌａに
は、光軸Ｏ２０と略平行な成分が存在しない（図２の斜
線部分）。

【００２４】つまり、第２焦点３２ｂに集光する光Ｌａ
の角度方向（図２中α方向）に関する強度分布は、光軸
Ｏ２０とのなす角度αがβより小さい範囲（０≦α＜
β，斜線部分）内でほぼ零であり、光軸Ｏ２０とのなす
角度αがβ以上でかつγ以下の範囲（β≦α≦γ）内で
ほぼ一定値となる。なお、角度α＝０は、光軸Ｏ２０の
方向である。

【００２５】そして、第２焦点３２ｂに集光する光Ｌａ
は、角度方向(α方向)に関する強度分布が上記のように
不均一なままで、ロッド型オプティカルインテグレータ
２２の一方の端面２２ａから内部に入射する。ちなみ
に、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２
２ａには、光源３１の像（実像）が形成される。さて、
ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａ
から内部に入射した光Ｌｄは、図３(ａ)に示すように、
側面２２ｃに到達すると、そのときの入射角φ１,φ２,
…が臨界角より大きければ、そこで全反射する（内面反
射）。ロッド型オプティカルインテグレータ２２の方が
周囲(空気)より屈折率が高いためである。

【００２６】端面２２ａから内部に入射した光Ｌｄが最
初に全反射する地点Ｐ１,Ｐ２,…は、光Ｌｄの端面２２
ａでの屈折角Φ１,Φ２,…が小さいほど、つまり、光Ｌ
ａの端面２２ａでの入射角α１,α２,…が小さいほど、
端面２２ａから遠く離れる。そして、端面２２ａでの屈
折角Φが閾値（端面２２ａから端面２２ｂを見込む角
度）より小さい光Ｌｄは、側面２２ｃに到達することな
く、直接、他方の端面２２ｂに到達して、そのまま外部
のリレーレンズ２３に向けて射出する。

【００２７】一方、側面２２ｃの地点Ｐ１,Ｐ２,…で全
反射した後の光Ｌｄは、再びロッド型オプティカルイン
テグレータ２２の内部を進行して、側面２２ｃの別の地
点に到達すると再び全反射する。また、他方の端面２２
ｂに到達すると、外部のリレーレンズ２３に向けて射出
する。このように、端面２２ａから内部に入射した光Ｌ
ｄは、他方の端面２２ｂに到達するまで、側面２２ｃに
おける全反射を繰り返すことになる。

【００２８】光Ｌｄが端面２２ｂに到達するまでの間に
全反射する回数Ｎは、光Ｌｄの端面２２ａでの屈折角Φ
によって異なる。つまり、光Ｌａの端面２２ａでの入射
角αによって異なる。傾向としては、光Ｌａの端面２２
ａでの入射角αが大きく、光Ｌｄの端面２２ａでの屈折
角Φが大きいほど、全反射の回数Ｎは多くなる。ただ
し、全反射の回数Ｎが等しくなるような光Ｌｄの屈折角
Φや光Ｌａの入射角αは、ある幅をもっている。以下、
全反射の回数Ｎと光Ｌａの入射角αとの関係を説明す
る。

【００２９】例えば、図３(ｂ)に示すように、全反射の
回数Ｎが２回となる光Ｌａ(1)の入射角αを、角度α１
１より大きくかつ角度α１２より小さいとする（α１１
＜α＜α１２）。また、図３(ｃ)に示すように、全反射
の回数Ｎが４回となる光Ｌａ(2)の入射角αを、角度α
１３より大きく角度α１４より小さいとする（α１３＜
α＜α１４）。このとき、これらの角度α１１,α１２,
α１３,α１４と、図２に示す角度β,γとの間には、
「β≦α１１＜α１２＜α１３＜α１４≦γ」の大小関
係が成立する。

【００３０】ちなみに、ロッド型オプティカルインテグ
レータ２２の端面２２ａに入射する光Ｌａは、既に説明
したように、入射角αが「β≦α≦γ」を満たす範囲内
でほぼ一定の強度をもつ。そして、上記の光Ｌａのう
ち、入射角αが「α１１＜α＜α１２」を満たす部分範
囲内の光Ｌａ(1)は、側面２２ｃにおける２回の全反射
を経て端面２２ｂから外部のリレーレンズ２３へ射出し
（図３(ｂ)）、入射角αが「α１３＜α＜α１４」を満
たす部分範囲内の光Ｌａ(2)は、４回の全反射を経て端
面２２ｂから外部へ射出する（図３(ｃ)）。

【００３１】なお、図示省略したが、入射角αが「α１
２＜α＜α１３」を満たす部分範囲内の光Ｌａ(3)は、
３回の全反射を経て端面２２ｂから射出すると考えられ
る。同様に、その他の部分範囲内の光Ｌａ(n)は、その
入射角αに応じた回数だけ全反射して、端面２２ｂから
射出すると考えられる。このように、ロッド型オプティ
カルインテグレータ２２の端面２２ａに入射する光Ｌａ
は、側面２２ｃにおける全反射の回数Ｎに応じて、角度
方向（α方向）に分割されることになる（図４のＬａ
(1),Ｌａ(2),Ｌａ(3),…参照）。光Ｌａの入射角αが大
きいほど全反射の回数Ｎが多くなる傾向は、上述した通
りである。

【００３２】そして、角度方向（α方向）に分割された
光Ｌａ(1),Ｌａ(2),Ｌａ(3),…の各々は、ロッド型オプ
ティカルインテグレータ２２の内部に入射すると、その
入射角αに応じた回数だけ側面２２ｃで全反射して、他
方の端面２２ｂに到達すると、外部のリレーレンズ２３
に向けて射出する（図３,図４の光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…
参照）。

【００３３】このとき端面２２ｂから射出される光Ｌｂ
(1),Ｌｂ(2),…の光軸Ｏ２０とのなす角度(射出角)は、
各々、対応する光Ｌａ(1),Ｌａ(2),…の入射角αと等し
い。例えば、光Ｌｂ(1)の射出角は「α１１＜α＜α１
２」の範囲内に含まれ、光Ｌｂ(2)の射出角は「α１３
＜α＜α１４」の範囲内に含まれる。つまり、端面２２
ｂから射出される光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…の射出角は、互
いに異なっている。

【００３４】したがって、端面２２ｂから射出された光
Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…は、各々、後段に配置されたリレー
レンズ２３を介して集光し（図３,図４の光Ｌｃ(1),Ｌ
ｃ(2),…参照）、バンドル型ランダムライトガイド２４
の端面２４ａに光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する。
ここで、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２
４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の各々は、
上記の分割された光Ｌａ(1),Ｌａ(2),…ごとに対応し
て、また、側面２２ｃでの全反射の回数Ｎが異なる光Ｌ
ｂ(1),Ｌｂ(2),…ごとに対応して、各々形成されたもの
である。

【００３５】換言すると、バンドル型ランダムライトガ
イド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,
Ｑ２,…の各々は、ロッド型オプティカルインテグレー
タ２２の端面２２ａに形成された光源３１の像（実像Ｓ
０）が、上記した端面２２ａでの入射角αや全反射の回
数Ｎに応じて、空間的に分割されたものである。また、
ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａ
を拡張した仮想平面２２ｅ（図４に点線で示す面）に
は、ロッド型オプティカルインテグレータ２２による光
源３１の虚像Ｓ１,Ｓ２,…(二次光源)が形成されてい
る。このため、バンドル型ランダムライトガイド２４の
端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の各
々は、仮想平面２２ｅに形成された虚像Ｓ１,Ｓ２,…の
各々を光源としたときに形成される像と考えることもで
きる。

【００３６】ちなみに、バンドル型ランダムライトガイ
ド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ
２,…は、図５に示すように、それぞれ径の異なるリン
グ状であり、光軸Ｏ２０を中心にして同心円状に形成さ
れている。像Ｑ１,Ｑ２,…の数および間隔は、ロッド型
オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａ,２２ｂ
の径と、側面２２ｃの長さと、端面２２ａに対する光Ｌ
ａの入射角α（つまり端面２２ｂからの光Ｌｂの射出
角）に応じて決まる。

【００３７】さらに、既に説明したように、リレーレン
ズ２３の像側がテレセントリック系であるため、バンド
ル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに集光し、
光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する光Ｌｃ(1),Ｌｃ
(2),…は、主光線が何れも光軸Ｏ２０と平行である（図
２参照）。また、光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する
光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の各々の角度方向（図４中ε方
向）に関する強度分布は、上記の角度方向（α方向）に
分割された光Ｌａ(1),Ｌａ(2),Ｌａ(3),…の各々におけ
る強度分布を反映しているため、光軸Ｏ２０とのなす角
度εに関わらずほぼ一定値となる。なお、角度ε＝０
は、光軸Ｏ２０に平行な方向である。

【００３８】したがって、光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を
形成する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の各々は、角度方向(ε
方向)に関する強度分布が均一な状態で、バンドル型ラ
ンダムライトガイド２４の端面２４ａから内部に入射す
ることになる。また、このとき端面２４ａに入射する光
Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の空間的な強度分布は、図５に示す
像Ｑ１,Ｑ２,…の通りであり、不均一である。

【００３９】そして、バンドル型ランダムライトガイド
２４は、上記の空間的には不均一だが角度的には均一な
強度分布の光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…を伝送して、図１に示
すように、他方の端面２４ｂから外部の球面反射鏡２５
(後述する)に対して照明光Ｌ０を射出する。ここで、バ
ンドル型ランダムライトガイド２４は、端面２４ａと端
面２４ｂとで光ファイバ素線の配列がランダムになって
いるため、端面２４ａに入射する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…
の強度分布が空間的に不均一（図５参照）であっても、
図６に示すように、端面２４ｂから射出される照明光Ｌ
０の強度分布を空間的に均一化することができる。

【００４０】さらに、バンドル型ランダムライトガイド
２４は、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…を伝送するに当たり、各
々の光ファイバ素線において光の角度的な強度分布を維
持するため、端面２４ａに入射するときの角度方向(ε
方向)に関する均一な強度分布と同じ強度分布をもった
照明光Ｌ０を射出する。すなわち、上記した照明光学装
置２０によれば、光源３１から射出される光の強度分布
が空間的にも角度的にも不均一な場合でも、常に、空間
的にも角度的にも均一な強度分布の光に変換することが
でき、これを照明光Ｌ０として外部に射出することがで
きる。

【００４１】さらに、上記した照明光学装置２０によれ
ば、次のような効果も奏する。一般的に、ランプ２１を
交換する際には、ランプ２１の取り付け位置にずれが生
じたり、ランプ２１を構成する光源３１の位置が楕円鏡
３２の第１焦点３２ａからずれることがある。そして、
このような位置ずれが生じると、バンドル型ランダムラ
イトガイド２４の端面２４ａにおいて、光Ｌｃ(1),Ｌｃ
(2),…の集光位置（図５の像Ｑ１,Ｑ２,…の位置）が変
化したり、入射角度が光軸Ｏ２０に対して変化したりす
ることがある。

【００４２】しかし、バンドル型ランダムライトガイド
２４は、端面２４ａと端面２４ｂとで光ファイバ素線の
配列がランダムになっているため、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),
…の集光位置（図５の像Ｑ１,Ｑ２,…の位置）が変化し
た場合でも、その位置ずれの影響はほとんど無く、空間
的に均一な強度分布の照明光Ｌ０を射出できる。

【００４３】さらに、バンドル型ランダムライトガイド
２４の端面２４ａに入射する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の角
度条件が何れも同じであるため、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…
の入射角度が光軸Ｏ２０に対して変化しても、その角度
ずれの影響はほとんど無く、角度的にも均一な強度分布
の照明光Ｌ０を射出できる。さて次に、上記の照明光学
装置２０を組み込んだ検査装置２０の全体構成につい
て、図１を用いて具体的に説明する。

【００４４】ステージ１２には、不図示のチルト機構が
設けられている。このため、ステージ１２は、基板１１
の表面を通る軸Ａｘのまわりに所定の角度範囲内でチル
ト可能である。なお、ステージ１２は、不図示の搬送装
置によって搬送されてきた基板１１を上面に載置し、真
空吸着によって固定保持する。ここで、ステージ１２
（基板１１）の軸Ａｘに平行な方向をＸ方向とする。ま
た、ステージ１２（基板１１）が水平に保たれた状態で
の法線（基準法線）に平行な方向をＺ方向とする。さら
に、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とす
る。

【００４５】また、照明光学系１３は、上記の照明光学
装置２０と球面反射鏡２５とで構成された偏心光学系で
ある。球面反射鏡２５は請求項の「照射手段」に対応す
る。照明光学装置２０は、バンドル型ランダムライトガ
イド２４の端面２４ｂが球面反射鏡２５の前側焦点面と
一致するように配置されている。そして、照明光学装置
２０は、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２
４ｂから球面反射鏡２５に向けて照明光Ｌ０を射出す
る。照明光Ｌ０は、空間的にも角度的にも均一な強度分
布の光である。

【００４６】球面反射鏡２５は、球面の内側を反射面と
した凹面反射鏡であり、ステージ１２の斜め上方に配置
される。つまり、球面反射鏡２５の中心とステージ１２
の中心とを通る軸（光軸Ｏ１）は、基準法線(Ｚ方向)に
対して所定の角度θｉだけ傾けられている。θｉは固定
値である。

【００４７】また、球面反射鏡２５は、光軸Ｏ１がステ
ージ１２の軸Ａｘ（Ｘ方向）に対して直交すると共に、
後側焦点面が基板１１と略一致するように配置されてい
る。検査装置１０の照明光学系１３は、基板１１側に対
してテレセントリックな光学系である。上記の照明光学
系１３において、照明光学装置２０のバンドル型ランダ
ムライトガイド２４の端面２４ｂから射出された照明光
Ｌ０は、球面反射鏡２５を介してほぼ平行な光（照明光
Ｌ１）となり、ステージ１２上の基板１１の表面に全体
的に照射される。

【００４８】このとき、基板１１の表面は、空間的にも
角度的にも均一な強度で良好に照明される。ちなみに、
端面２４ｂから射出された照明光Ｌ０の空間的な均一性
は、基板１１の表面に照射された照明光Ｌ１の角度的な
均一性となる。また、端面２４ｂから射出された照明光
Ｌ０の角度的な均一性は、基板１１の表面に照射された
照明光Ｌ１の空間的な均一性となる。

【００４９】このようにして照明光Ｌ１が照射される
と、基板１１の表面に形成された繰り返しパターンから
は、回折光や正反射光や散乱光（戻り光Ｌ２）が発生す
る。戻り光Ｌ２の強度は、繰り返しパターンの欠陥箇所
と正常箇所とで異なる。また、戻り光Ｌ２を受光する受
光光学系１４は、球面反射鏡２６と、レンズ２７と、Ｃ
ＣＤカメラ２８とで構成された偏心光学系である。

【００５０】球面反射鏡２６は、上記の球面反射鏡２５
と同様の反射鏡であり、ステージ１２の斜め上方に配置
される。つまり、球面反射鏡２６の中心とステージ１２
の中心とを通る軸（光軸Ｏ２）が基準法線(Ｚ方向)に対
して所定の角度θｄだけ傾くように配置されている。θ
ｄは固定値である。レンズ２７は、球面反射鏡２６の前
側焦点面と一致するように、受光光学系１４の瞳近傍に
配置されている。ＣＣＤカメラ２８は、複数の画素が２
次元的に配列されたＣＣＤ撮像素子であり、その撮像面
がレンズ２７の後側焦点面と一致するように配置されて
いる。

【００５１】上記の受光光学系１４において、基板１１
の表面から発生した戻り光Ｌ２は、球面反射鏡２６とレ
ンズ２７とを介して集光され、ＣＣＤカメラ２８の撮像
面上に到達する。ＣＣＤカメラ２８の撮像面上には、戻
り光Ｌ２による基板１１の像が形成される。ＣＣＤカメ
ラ２８は、撮像面に形成された基板１１の像を撮像し
て、画像信号を画像処理装置１５に出力する。なお、上
記した受光光学系１４と画像処理装置１５とは、請求項
の「検出手段」に対応する。

【００５２】画像処理装置１５は、ＣＣＤカメラ２８か
ら画像信号を入力することにより、基板１１の画像を取
り込み、この画像に対する画像処理によって基板１１の
繰り返しパターンの欠陥検出処理を行う。繰り返しパタ
ーンの欠陥箇所とは、デフォーカスによる膜厚むら、パ
ターン形状の異常、傷などである。第１実施形態の検査
装置１０では、基板１１の表面に対して、空間的にも角
度的にも均一な強度分布の照明光Ｌ１を照射するため、
基板１１の表面から発生する戻り光Ｌ２の強度が欠陥か
否かを正確に反映したものとなる。

【００５３】したがって、簡単な画像処理によって、基
板１１の繰り返しパターンの欠陥箇所を正確に検出する
ことができる。その結果、欠陥検出率が向上し、疑似欠
陥の発生を回避できる。また、半導体プロセスでの歩留
まり向上が図られると同時に、無駄な戻り作業を減少さ
せ、コスト削減が可能となる。 (第２実施形態)次に、本発明の第２実施形態（請求項１
〜請求項５に対応）について説明する。

【００５４】第２実施形態では、異なる構成の照明光学
装置４０について説明する。照明光学装置４０は、図７
に示すように、上記した照明光学装置２０（図１）のリ
レーレンズ２３とバンドル型ランダムライトガイド２４
との間に、リレーレンズ４１と波長選択フィルタ４２と
リレーレンズ４３とを配置したものである。

【００５５】このため、バンドル型ランダムライトガイ
ド２４の端面２４ａは、リレーレンズ２３によって形成
される光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…（図５）の形成面２３
ａと共役な面に配置される。リレーレンズ４１,４３
は、リレーレンズ２３から得られる光Ｌｃ(図４の光Ｌ
ｃ(1),Ｌｃ(2),…）を入射して、リレーレンズ２３によ
る形成面２３ａ上の像Ｑ１,Ｑ２,…（図５）をバンドル
型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに再結像す
る。リレーレンズ４１の像側は、テレセントリック系で
ある。リレーレンズ４１,４３は、請求項の「第３光学
系」に対応する。

【００５６】波長選択フィルタ４２は、干渉フィルタや
ダイクロイックミラーなどである。また、透過波長域が
異なる複数種類のフィルタと、これらのフィルタを切り
換えるターレット機構とで構成することもできる。この
波長選択フィルタ４２は、光源３１からの光のうち、特
定の波長域の光のみを選択的に透過させる手段である。
波長選択フィルタ２４を用いることで、照明光学装置４
０から射出される照明光Ｌ０の波長を選択することがで
きる。波長選択フィルタ４２は請求項の「選択手段」に
対応する。

【００５７】したがって、第２実施形態の照明光学装置
４０を上記の照明光学装置２０に代えて組み込んだ検査
装置１０では、基板１１の表面に繰り返しパターンが形
成されている場合（特に基板１１が半導体ウエハの場
合）に、照明光Ｌ１の波長を制限することで、回折光に
よる検査の感度を向上させることができる。さらに、散
乱光による検査では、迷光を防止することができる。

【００５８】なお、上記した実施形態では、ロッド型オ
プティカルインテグレータ２２の端面２２ａを楕円鏡３
２の第２焦点３２ｂに一致させたが、本発明はこの構成
に限定されない。ロッド型オプティカルインテグレータ
２２の端面２２ａは、楕円鏡３２によって形成される光
源３１の像の形成面(第２焦点３２ｂ)と共役な面に配置
しても良い。

【００５９】また、上記した実施形態では、ロッド型オ
プティカルインテグレータ２２の断面が円形状の例を説
明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、
矩形状や多角形状の断面を有するロッド型オプティカル
インテグレータを用いた場合にも本発明を適用できる。
さらに、ロッド型オプティカルインテグレータとして、
光ファイバーを束ねたものを用いることもできる。

【００６０】さらに、上記した実施形態では、光源３１
からの光を集光する第１光学系として反射光学系の楕円
鏡３２を用いたが、反射光学系に代えて屈折光学系の集
光レンズを用いることもできる。さらに、上記した実施
形態では、照明光学装置２０,４０を検査装置１０に組
み込み、半導体素子などの製造工程における基板の表面
検査に照明光Ｌ０を用いたが、本発明はこれに限定され
ない。例えば、照明光学装置２０,４０を半導体露光装
置に組み込み、マスクに形成された回路パターンを基板
上のレジスト膜に焼き付ける際の露光光として、照明光
学装置２０,４０の照明光Ｌ０を用いることもできる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光源から射出される光の強度分布が空間的にも角度的に
も不均一な場合でも、常に、空間的にも角度的にも均一
な強度分布の照明光を外部に射出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の検査装置１０と照明光学装置２
０の全体構成を示す図である。

【図２】照明光学装置２０を拡大して示す図である。

【図３】ロッド型オプティカルインテグレータ２２の内
部における光の経路、および、端面２２ｂから射出され
た光の経路を説明する図である。

【図４】ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端
面２２ａに入射する光Ｌａの角度方向の分割と、バンド
ル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａにおける光
源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の空間的な分割との関係を示す
図である。

【図５】バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２
４ａにおける光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を示す図であ
る。

【図６】バンドル型ランダムライトガイド２４における
光の伝送を説明する図である。

【図７】第２実施形態の照明光学装置４０の全体構成を
示す図である。

【符号の説明】

１０検査装置１１基板１２ステージ１３照明光学系１４受光光学系１５画像処理装置２０，４０照明光学装置２１ランプ２２ロッド型オプティカルインテグレータ２３，４１，４３リレーレンズ２４バンドル型ランダムライトガイド２５，２６球面反射鏡２７レンズ２８ＣＣＤカメラ３１光源３２楕円鏡４２波長選択フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｆ２１Ｙ 101:00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源からの光を集光する第１
光学系と、ロッド型オプティカルインテグレータと、該
ロッド型オプティカルインテグレータからの光を集光す
る第２光学系と、バンドル型ランダムライトガイドとが
順に配置され、前記ロッド型オプティカルインテグレータは、前記第１
光学系によって形成される前記光源の像の形成面または
該形成面と共役な面に配置された光入射面と、前記第２
光学系の前側焦点面に配置された光射出面とを有し、前記バンドル型ランダムライトガイドは、前記第２光学
系によって形成される前記光源の像の形成面または該形
成面と共役な面に配置された光入射面と、外部に照明光
を射出する光射出面とを有することを特徴とする照明光
学装置。
【請求項２】請求項１に記載の照明光学装置におい
て、前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光入射面
は、前記第２光学系による前記像の形成面と共役な面に
配置され、前記第２光学系と前記バンドル型ランダムライトガイド
との間に、前記第２光学系からの光を入射して、前記第２光学系に
よる前記像を前記バンドル型ランダムライトガイドの前
記光入射面に再結像する第３光学系と、前記照明光の波長を選択する選択手段とが配置されたこ
とを特徴とする照明光学装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の照明光
学装置と、前記照明光学装置の前記バンドル型ランダムライトガイ
ドの前記光射出面から射出された前記照明光を被検物体
に照射する照射手段と、前記照明光が照射された前記被検物体の像を撮像し、前
記被検物体の像に基づいて前記被検物体の欠陥を検出す
る検出手段とを備えたことを特徴とする検査装置。
【請求項４】光源と、前記光源からの光を集光する第
１光学系と、前記第１光学系から射出される光の角度的
不均一性を補正する第１補正光学系と、前記第１補正光
学系から射出される光の空間的不均一性を補正する第２
補正光学系とを備え、前記光源からの光の角度的不均一性の補正後に空間的不
均一性の補正を行い、照明光を作り出すことを特徴とす
る照明光学装置。
【請求項５】請求項４に記載の照明光学装置におい
て、前記第１補正光学系は、ロッド型オプティカルインテグ
レータと、該ロッド型オプティカルインテグレータから
の光を集光する第２光学系とから構成され、前記第２補正光学系は、バンドル型ランダムライトガイ
ドから構成されることを特徴とする照明光学装置。