JP2007024758A - 光学式検査装置及びその照明方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 観察倍率を変更しても、観察視野外の無駄な領域を照明することなく、かつ捉えられた光学像を検出する検出器に導かれる光量の低下を防止することが可能な光学式検査装置及びその照明方法を提供する。
【解決手段】 光学式検査装置１を、光源１１と、対物レンズ１４と、光源１１から生じた照明光を対物レンズ１４を介して試料１５に照射する照明光学系１２と、対物レンズ１４により投影された試料１５の像を結像する結像光学系１８と、結像光学系１８の倍率を変更する結像系倍率変更手段５０、９２と、照明光学系１２に設けられ、結像光学系１８の倍率に応じて試料１５に照射される照明光の断面寸法を変更する照明光断面寸法変更手段３０、４０、９３、９４と、を備えて構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ウエハやマスクなどの半導体の検査に使用される光学式検査装置及びその照明方法に関し、特に照明光として深紫外光を用いる光学式検査装置及びその照明方法に関する。

半導体ウエハ、半導体メモリ用フォトマスク、液晶表示パネルなどにおいては、所定のパターンが繰返し形成される。そこで、このパターンの光学像を捕らえ、隣接するパターン同士を比較することによりパターンの欠陥を検出することが行われている。比較の結果、２つのパターン間に差異がなければ欠陥のないパターンであり、差異があればいずれか一方のパターンに欠陥が存在すると判定する。
このような半導体ウエハ用外観検査装置では、パターンの光学像を捕らえるために一般に光学式顕微鏡が使用される。

図１２は、従来の光学式検査装置の概略構成を示す図である。図示するように、試料１５を保持するステージ１６と、試料１５を照明するための光源１１と、試料１５の表面の光学像を投影する対物レンズ１４と、光源１１から生じた照明光を対物レンズ１４を介して試料１５に照射する照明光学系１２と、対物レンズ１４により投影された試料１５の像を結像する結像光学系１８と、照明光学系１２から入射した照明光を対物レンズ１４へと反射するとともに、対物レンズ１４による試料１５の像の投影光を結像光学系１８へと透過させるビームスプリッタ１３と、結像光学系１８により投影された半導体ウエハ２の表面の光学像を電気的な画像信号に変換する撮像装置１９と、を備えている。

照明光学系１２は、光源１１からの光を集光してその後側焦点位置に明るさの一様な光源像を作るコレクタレンズ２１と、コレクタレンズ２１の後側焦点位置に設けられた視野絞り３１と、視野絞り３１の空中像を後側に結ぶコンデンサレンズ４０と、コンデンサレンズ４０の後側に結ばれた視野絞り３１の空中像を無限遠に投影させるリレーレンズ２２と、を備える。リレーレンズ２２により無限遠に投影された視野絞り３１の空中像は、ビームスプリッタ１３によって対物レンズ１４へと反射され、その後対物レンズ１４によって試料１５へ集光され、試料１５は一様な明るさの照明光によって照明される。
一方、結像光学系１８は、対物レンズ１４により投影された試料１５の像をさらにイメージセンサ１９上に結像する結像レンズ５０を備える。

近年のパターンルールの微細化に伴い、半導体ウエハ用外観検査装置に使用される光学式顕微鏡では、光源を短波長化する、画像処理装置を高性能化するなどにより高解像度の画像を捕らえることが要求され、既に２７０ｎｍ以下の波長を有する深紫外線光を照明光に使用する光学式検査装置が製造されている。

また、半導体ウエハ用外観検査装置では観察対象のパターン領域の種類に応じて、光学式顕微鏡の観察倍率を変えることができれば好適である。例えば半導体ウエハに形成されるメモリセル領域では、形成パターンが微細であり微小な欠陥発見するために観察倍率を上げて観察を行う必要があるのに対し、論理領域や周辺領域ではメモリセル領域と比較して形成パターンが微細でないため、観察倍率を下げた方が効率がよい。
このような観察倍率を切り替える手法としては、光学式顕微鏡の対物レンズの倍率を切り替える手法と、対物レンズにより投影された検査対象の像を結像するための結像レンズの倍率を切り替える手法がある。このうち結像レンズを切り替える手法は、倍率毎に対物レンズを用意する必要がなく、かつ対物レンズを動かす必要がないために光軸の再現性が容易に出せる。このため特に、対物レンズが高価で高精度の調整が必要な深紫外線光の検査システムでは、このような結像レンズを切り替える手法が好適に使用されている。

なお、上記説明では特に半導体ウエハ用外観検査装置について述べたが、本発明は半導体ウエハ用外観検査装置に限定されるものではなく、光学式顕微鏡など様々な光学式検査装置に適用可能である。

特開２００２−６２２６号公報 特開２００４−１０３８０７号公報

しかしながら、結像レンズ側で観察倍率を変更すると、観察視野のみが狭くなり試料を照射する照明光の照明範囲が変わらないため、撮像装置１９などの検出器に導かれる光量が減少したり、また観察視野外の無駄な領域を照明するという問題がある。特に深紫外光を用いた検査装置では、半導体製造工程中にある試料に塗布されたレジストにダメージを与えるため、不必要な深紫外光の照射を避ける必要がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、観察倍率を変更しても、観察視野外の無駄な領域を照明することなく、かつ捉えられた光学像を検出する検出器に導かれる光量の低下を防止することが可能な光学式検査装置及びその照明方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による光学式検査装置及びその照明方法では、結像光学系の倍率に応じて、照明光学系における照明光の断面寸法を変更することによって試料上の照明範囲を拡縮する。
すなわち、本発明の第１形態による光学式検査装置は、光源と、対物レンズと、光源から生じた照明光を対物レンズを介して試料に照射する照明光学系と、対物レンズにより投影された試料の像を結像する結像光学系と、を備え、さらに結像光学系の倍率を変更する結像系倍率変更手段と、照明光学系に設けられ、結像光学系の倍率に応じて試料に照射される照明光の断面寸法を変更する照明光断面寸法変更手段と、を備える。

このような照明光断面寸法変更手段を設けることにより、観察視野外の無駄な領域を照明するという問題を解消し、特に深紫外光を用いた検査装置では試料へダメージを与えることを防止する。
照明光断面寸法変更手段は、例えば照明光学系に設けられた視野絞りを備え、視野絞りの開口寸法を変えることにより照明光の断面寸法を変更することとしてよい。

照明光学系は、光源からの照明光を集光して対物レンズの瞳面に光源の像を結像するコンデンサレンズを備え、照明光断面寸法変更手段は、コンデンサレンズの倍率を変えることにより照明光の断面寸法を変更することとしてよい。
または、照明光学系は、光源からの照明光を集光して対物レンズの瞳面に光源の像を結像するコンデンサレンズを備え、照明光断面寸法変更手段は、光源とコンデンサレンズとの間に配置されるリレー光学系を備え、リレー光学系の倍率を変えることにより照明光の断面寸法を変更することとしてもよい。
また、照明光断面寸法変更手段は、照明光学系に設けられたフライアイレンズを備え、フライアイレンズの倍率を変えることにより照明光の断面寸法を変更することとしてもよい。
このように光源からの照明光を集光する光学系の倍率を変えることによって試料に照射される照明光の断面寸法を変更すれば、照明光の照明範囲全体に照射される光量を一定に保つことが可能となる。

さらに、照明光学系は、光源からの照明光を集光して対物レンズの瞳面に光源の像を結像するコンデンサレンズと、コンデンサレンズに入射する照明光の断面寸法を変更して照明開口数を変更する照明開口数変更手段と、を備え、照明光断面寸法変更手段は、光源とコンデンサレンズとの間に配置されるフライアイレンズを備え、フライアイレンズの倍率を変えることにより照明光の断面寸法を変更し、照明開口数変更手段は光源とフライアイレンズとの間に配置されるリレー光学系を備え、リレー光学系の倍率を変えることにより照明開口数を変更してもよい。
このように倍率を切り替え又は変更することが可能なフライアイレンズとリレー光学系とを組み合わせることにより、後述の通り照明光の断面寸法とは独立して照明の開口数（ＮＡ）の調整を行うことが可能となる。

また、本発明の第２形態による光学式検査装置の照明方法は、光源と、対物レンズと、光源から生じた照明光を対物レンズを介して試料に照射する照明光学系と、対物レンズにより投影された試料の像を結像する結像光学系と、を備える光学式検査装置の照明方法であって、結像光学系の倍率に応じて、照明光学系における照明光の断面寸法を変更することにより、試料上の照明範囲を拡縮する。
照明光の断面寸法の変更は、例えば、照明光学系に視野絞りを設け視野絞りの開口寸法を変えることによって実現してよい。

または、照明光学系に、光源からの照明光を集光して対物レンズの瞳面に光源の像を結像するコンデンサレンズを設け、コンデンサレンズの倍率を変えることにより照明光の断面寸法を変更することとしてもよい。
また照明光学系に、光源からの照明光を集光して対物レンズの瞳面に光源の像を結像するコンデンサレンズと、光源とコンデンサレンズとの間に配置されるリレー光学系と、を備え、リレー光学系の倍率を変えることにより照明光の断面寸法を変更してもよい。
さらにまた、照明光学系にフライアイレンズを設け、フライアイレンズの倍率を変えることにより照明光の断面寸法を変更してもよい。

さらに、照明光学系に、光源からの照明光を集光して対物レンズの瞳面に光源の像を結像するコンデンサレンズと、光源とコンデンサレンズとの間に配置されるフライアイレンズと、光源とフライアイレンズとの間に配置されるリレー光学系と、を備え、フライアイレンズの倍率を変えることにより照明光の断面寸法を変更し、リレー光学系の倍率を変えることによりコンデンサレンズに入射する照明光の断面寸法を変更して照明開口数を変更してもよい。

本発明により、観察倍率を変更しても、観察視野外の無駄な領域を照明することなく、かつ捉えられた光学像を検出する検出器に導かれる光量の低下を防止することが可能な光学式検査装置及びその照明方法が提供される。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の第１実施例による光学式検査装置の概略構成図である。
図１２を参照して説明した従来の光学式検査装置と同様に、光学式検査装置１は、試料１５を保持するステージ１６と、試料１５を照明するための光源１１と、試料１５の表面の光学像を投影する対物レンズ１４と、光源１１から生じた照明光を対物レンズ１４を介して試料１５に照射する照明光学系１２と、対物レンズ１４により投影された試料１５の像を結像する結像光学系１８と、照明光学系１２から入射した照明光を対物レンズ１４へと反射するとともに、対物レンズ１４による試料１５の像の投影光を結像光学系１８へと透過させるビームスプリッタ１３と、結像光学系１８により投影された半導体ウエハ２の表面の光学像を電気的な画像信号に変換する撮像装置１９と、を備えている。以下の実施例では、光源１１として波長が３６５ｎｍを中心とするＵＶ光のランプ光源を用いるが、本発明はこれに限定されることなく、いかなる波長の光源であっても適用可能である。

照明光学系１２は、光源１１からの光を集光してその後側焦点位置に明るさの一様な光源像を作るコレクタレンズ２１と、コレクタレンズ２１の後側焦点位置に設けられた視野絞り３１と、視野絞り３１の空中像を後側に結ぶコンデンサレンズ４０と、コンデンサレンズ４０の後側に設けられた視野絞り３０と、視野絞り３０の像を無限遠に投影させるリレーレンズ２２と、を備える。
視野絞り３０の位置はリレーレンズ２２の前側焦点位置となっているので、視野絞り３０の像はリレーレンズ２２によって無限遠に投影され、ビームスプリッタ１３によって対物レンズ１４へと反射され、その後対物レンズ１４によって試料１５へ集光され、試料１５は一様な明るさの照明光によって照明される。
ここで、例えば本実施例では、視野絞り３１の位置に結ばれる光束の直径は５．６ｍｍであるとし、対物レンズ１４の焦点距離は１０ｍｍであるとし、リレーレンズ２２の焦点距離は５００ｍｍであるとする。したがって、視野絞り３０の像はリレーレンズ２２及び対物レンズ１４によって５００ｍｍ／１００ｍｍ＝５０倍の倍率で試料１５面に投影される。

一方、結像光学系１８は、対物レンズ１４により投影された試料１５の像をさらにイメージセンサ４上に結像する結像レンズ部５０を備える。図２に結像レンズ部５０の概略構成を示す。
結像レンズ部５０は、焦点距離ｆ＝５００ｍｍのレンズ５１ａと、ｆ＝１０００ｍｍのレンズ５１ｂと、２０００ｍｍのレンズ５１ｃと、を軸５４を回転軸として回転可能な円盤５２に設けたターレット構造を備えている。モータ５３を回転させることによって、円盤５２の回転位置を制御する。これによりレンズ５１ａ〜５１ｃのうち所望のレンズを対物レンズ１４の光軸ａ１上に位置付けることによって、結像レンズ５０部の焦点距離をｆ＝５００ｍｍ、１０００ｍｍ及び２０００ｍｍのいずれかに切り替えることが可能である。

図１に戻って光学式検査装置１は、結像光学系１８の倍率を変更して観察倍率を変更するための観察倍率変更部９１と、観察倍率変更部９１による制御に従って結像レンズ部５０の焦点距離（倍率）を切り替える結像光学系倍率変更部９２を備える。結像光学系倍率変更部９２は、観察倍率変更部９１による制御に従って図２に示すモータ５３を駆動することにより、レンズ５１ａ〜５１ｃのうち所望のレンズを対物レンズ１４の光軸ａ１上に位置付けることによって、結像レンズ５０部の焦点距離をｆ＝５００ｍｍ、１０００ｍｍ及び２０００ｍｍのいずれかに切り替えることが可能である。
ここで、レンズ５１ａ、５１ｂ、５１ｃのそれぞれと対物レンズ１４を組み合わせたときの観察倍率は、５００ｍｍ／１０ｍｍ＝５０倍、１０００ｍｍ／１０ｍｍ＝１００倍及び２０００ｍｍ／１０ｍｍ＝２００倍となる。

撮像装置１９としては、ＣＣＤやラインセンサ、ＴＤＩ等が好適に使用される。本発明ではＴＤＩセンサーを使用することとし、ステージ１６を移動させることにより撮像装置１９を試料１５に対して相対的に走査しながら、ステージ１６の移動に同期して撮像信号を読み取り試料１５の２次元画像を取得する。本実施例では撮像装置１９に使用されるＴＤＩセンサーの受光面は長辺２５ｍｍ×短辺１０ｍｍとし、その対角長は２６．９３ｍｍであるとする。

結像レンズとして焦点距離ｆ＝５００ｍｍのレンズ５１ａを使用すると、視野絞り３０の位置と撮像装置１９の受光面は等倍の共役面となっているので、視野絞り３０の位置には撮像装置１９の受光面の寸法とほぼ同寸法の開口寸法を有する視野絞りを入れることにより、試料１５も必要十分な領域だけが照明されることになる。
他のレンズ５１ｂ及び５１ｃを使用する際にも、それぞれその倍率に対応した開口寸法を有する視野絞り３０を入れることによって必要十分な領域だけが試料１５が照明される。視野絞り３０の寸法例を下記表１に示す。

レンズ５１ａを使用する場合であれば、撮像装置１９の受光面の全てに光が入るには、視野絞り３０の開口寸法は最低で長辺２５ｍｍ×短辺１０ｍｍだけあればよいが、表１に示す数値は、光学系の微妙な倍率変動やレンズ調整のマージンを考慮して若干余裕を持たせた数値としている。レンズ５１ｂ及び５１ｃについても同様である。
図１に戻り、光学式検査装置１は、観察倍率変更部９１が変更する結像光学系１８の倍率に応じて（すなわち撮像レンズ５１ａ〜５１ｃのいずれを使用するかに応じて）、視野絞り３０の開口寸法を変更する視野絞り寸法変更部９３を備える。

図３に、視野絞り寸法変更部９３の制御に従って開口寸法を切り替える視野絞り機構３０の概略構成を示す。視野絞り機構３０は、結像レンズ５１ａ〜５１ｃのそれぞれに対応して上記表１に定められた寸法の開口部３２ａ〜３２ｃを有する円盤３３を有する。そして、モータ３４を回転させることによって円盤３３を軸３５を回転軸として回転させる。そして、円盤３３の回転位置を制御することにより開口部３２ａ〜３２ｃのうち所望の開口を照明光の光軸ａ２上に位置付けることによって、視野絞り３０の開口寸法を切り替える。
視野絞り寸法変更部９３は、結像レンズ５０部のレンズ５１ａ〜５１ｃのいずれが使用されているかかに応じて、それぞれに対応する開口部３２ａ〜３２ｃを視野絞りの開口部として使用する。

結像光学系１８の倍率に応じて視野絞り３０の開口寸法が変化する（切り替わる）すると、視野絞り３０によって照明光のケラレが増減する。特に観察倍率を高くした場合には照明光のケラレが増大して撮像装置１９に検出される光量が減少してしまう。
そこで、光学式検査装置１は、観察倍率変更部９１が変更する結像光学系１８の倍率に応じて（すなわち撮像レンズ５１ａ〜５１ｃのいずれを使用するかに応じて）、コンデンサレンズ４０の倍率を変更して、その後側にある視野絞り３０の位置における照明光の光束の断面寸法を変更するコンデンサレンズ倍率変更部９４を有する。観察倍率が高くなるにしたがって、コンデンサレンズ倍率変更部９４が、視野絞り３０の位置における照明光の光束の断面寸法を小さくすれば、上記ケラレが低減して撮像装置１９に検出される光量が維持される。

結像光学系１８の上述した倍率のそれぞれの場合において、使用されるコンデンサレンズ４０のそれぞれの焦点距離と配置位置を下記表２に示す。表２において配置位置ａはコンデンサレンズ４０と視野絞り３０との間隔を示し、配置位置ｂはコンデンサレンズ４０と視野絞り３１との間隔を示す。

図４に、コンデンサレンズ倍率変更部９４に従って倍率を切り替えるコンデンサレンズ機構４０の概略構成を示す。コンデンサレンズ機構４０は、上記表２に定められた各焦点距離のレンズ４１ａ〜４１ｃを軸４４を回転軸として回転可能な円盤４２に設けたターレット構造を備えている。モータ４３の回転させることによって円盤５２の回転位置を制御する。これによりレンズ４１ａ〜４１ｃのうち、上記表２によって結像光学系１８の倍率に対応して定めるいずれかのレンズを照明光の光軸ａ２上に位置付けて、コンデンサレンズ４０の焦点距離を上記定められた各焦点距離のいずれかに切り替えることが可能である。

また、コンデンサレンズ機構４０は、軸４４を枢動可能に固定しかつモータ４３を固定するハウジング４５と、このハウジング４５を光軸ａ２に沿ってガイドする直動ガイド４６と、ハウジング４５を直動ガイド４６に沿って駆動するモータ４７とを備える。
コンデンサレンズ倍率変更部９４はモータ４３及び４７を制御して、上記表２にしたがって、結像光学系１８の倍率に対応して、コンデンサレンズ４０の焦点距離及びその位置を制御することによって、観察倍率変更部９１が変更する結像光学系１８の倍率に応じて、コンデンサレンズ４０の倍率を変更する。

なお、上記実施例では、視野絞り３０の位置に開口寸法が可変の視野絞りを設けることとしたが、結像光学系１８の倍率に応じてコンデンサレンズ４０の倍率を変更するコンデンサレンズ倍率変更部９４及び図４に示すようなコンデンサレンズ機構４０を設ける場合には、視野絞り３１の位置に固定寸法（長辺５．２ｍｍ×短辺２．２ｍｍ）の絞りを設けてもよい。
また、観察倍率の変更に伴う視野絞り３０によりケラレを許容するのであれば、視野絞り寸法変更部９３及び図３に示す視野絞り機構３０だけで照明範囲を変更して、コンデンサレンズ倍率変更部９４及び図４に示すようなコンデンサレンズ機構４０を設けなくてもよい。

図１に示す光学式検査装置の照明光学系１２と結像光学系１８とを、共焦点光学系とすることも可能である。例えば、図５に示す本発明の第２実施例による光学式検査装置の概略構成のように、光学式検査装置１は、図１に示す光学式検査装置においてその撮像装置１９の受光面であった、結像レンズ５０の後側焦点位置にピンホールアレイ８１を設け、またピンホールアレイ８１の位置の共役面である、リレーレンズ２２の前側焦点位置にピンホールアレイ８３を備えることにより、照明光学系１２と結像光学系１８とを、共焦点光学系としてよい。

図６は本発明の第３実施例による光学式検査装置の概略構成図である。本実施例では、図１に示すコンデンサレンズ４０を、２群以上のレンズ群で構成されたズーム光学系のリレーレンズ４８に置き換えて構成する。このリレーレンズ４８には、視野絞り３０と視野絞り３１の共役関係を変えずに倍率を可変的に変化させることが可能な公知のズーム光学系を使用し、本実施例では倍率５〜１．５倍の間を可変的に変化させることが可能であるとする。
また結像光学系１８を、後側焦点位置を撮像装置１９の受光面に固定させたまま焦点距離を変化させることが可能な公知のズーム光学系５５により構成する。本実施例では撮像光学系１８は、ｆ＝４８０〜１６００ｍｍまで変化させることが可能であるとする。

いま視野絞り３１における照明光の光束の直径を６．６ｍｍであるとし、リレーレンズ４８の倍率が５倍であるとすれば、視野絞り３０における光束の直径は３３ｍｍとなる。また、ズーム光学系５５の焦点距離をリレーレンズ２２の焦点距離（ｆ＝５００ｍｍ）とほぼ同じｆ＝４８０ｍｍと設定すれば、視野絞り３０と撮像装置１９の受光面とはほぼ等倍の共役面となる。
本実施例における撮像装置１９の受光面の寸法を長辺３０ｍｍ×短辺１２ｍｍ（対角長３２．２４）を使用するとすれば、視野絞り３０の開口寸法をほぼ同寸法（例えば余裕をみて３１ｍｍ×１３ｍｍ）とすれば、リレーレンズ４８からの照明光が視野絞り３０の開口内の全ての位置を通過することになるので、試料１５をほぼ過不足なく照明することが可能となる。

光学式検査装置１は、観察倍率変更部９１が結像光学系１８のズーム光学系５５の焦点距離に変化させて観察倍率を変えるのに応じて、リレーレンズ４８の倍率を変更して、その後側焦点位置である視野絞り３０の位置における照明光の光束の断面寸法を変更するリレーレンズ倍率変更部９４を有する。
結像光学系１８のズーム光学系５５の焦点距離に応じて、リレーレンズ倍率変更部９４が、リレーレンズ４８の倍率を変動させることによって、試料１５をほぼ過不足なく照明することが可能となる。

このとき、視野絞り寸法変更部９３は、結像光学系１８のズーム光学系５５の焦点距離に応じて、視野絞り３０の寸法を変えてもよい。リレーレンズ４８の倍率及びズーム光学系５５の焦点距離を段階的に変化させる場合には、視野絞り機構の構造を（開口寸法を変えて）図３と同様に構成してよいが、リレーレンズ４８の倍率及びズーム光学系５５の焦点距離を無段階に変化させても照明光を過不足なく遮蔽するように、開口寸法が無段階に変更可能に視野絞り３０を構成することが好ましい。また、視野絞り３１を開口寸法が６．２ｍｍ×２．２ｍｍ固定の視野絞りとしてもよい。

上記のように、結像光学系１８のズーム光学系５５の焦点距離を連続的に（無段階に）変化させ、観察倍率を連続的に変化させることができれば、撮像装置１９（ＴＤＩ）の１ピクセルが捉える被検物のサイズを連続的に変化させることができる。
ここで、例えば半導体回路のラインアンドスペースパターン（線状の導体とその間隙とが反復する領域）を観察する場合には、１ピクセルが捉える被検物のサイズを微調整することによってパターンの画像のコントラストが変化するが、パターンのコントラストがあがりすぎると、逆にその中にある欠陥が見つけにくくなる。
したがって、１ピクセルが捉える被検物のサイズを連続的に変化させてパターンの画像のコントラストを適度に低下するように調整することにより、柔軟な欠陥検査が可能となる。

また、図６に示す光学式検査装置１においても、撮像装置１９の受光面であったズーム光学系５５の後側焦点位置にピンホールアレイ８１を設け、またピンホールアレイ８１の位置の共役面である、リレーレンズ２２の前側焦点位置にピンホールアレイ８３を備えることにより、照明光学系１２と結像光学系１８とを共焦点光学系としてよい。このような構成を図７に示す。

上記実施例では、試料１５上の必要十分な領域だけ照明する、という本発明の目的を達成していたものの、観察倍率を変えるために照明開口数（照明ＮＡ）が変動してしまっていた。本発明のようにケーラー照明を使用する場合には、照明ＮＡが変化すると可干渉性が変化しこれによって解像力、焦点深度、コントラストが影響を受ける。
一方で最適な照明ＮＡは観察対象によって異なるものであり、検査装置は開口ＮＡを変更することができるように構成されることが好ましい。
そこで下記実施例では、結像光学系の倍率に応じて照明エリアを変更可能とするとともに、照明エリアとは独立に照明ＮＡを変更することが可能な構成を実現する。

図８は、本発明の第５実施例による光学式検査装置の概略構成図である。光学式検査装置１において、照明光学系１２は、図１に示す光学式検査装置と同様にリレーレンズ２２及びコンデンサレンズ４０を備え、さらにコンデンサレンズ４０よりも前側（光源１１側）に順にフライアイレンズ６０及びビームエクスパンダ７０と、を備える。また、本実施例では光源１１として波長が２１０ｎｍ程度の固体レーザーを用いた遠紫外（ＤＵＶ）光のレーザー光源を用いる。
結像光学系１８は、図１に光学式検査装置と同様に構成されるため、同一の構成要素には同じ参照番号を付して説明を省略する。

光源１１からの照明光は、ビームエクスパンダ７０、フライアイレンズ６０、コンデンサレンズ４０を経て視野絞り３０の位置に集光される。リレーレンズ２２の焦点距離は、図１の光学式検査装置と同様に５００ｍｍであり、視野絞り３０の位置はリレーレンズ２２の前側焦点距離となっている。このため、視野絞り３０の像はリレーレンズ２２によって無限遠に投影され、ビームスプリッタ１３によって対物レンズ１４へと反射され、その後対物レンズ１４によって試料１５へ共役に集光される。対物レンズ１４の焦点距離は図１の光学式検査装置と同様に１０ｍｍであるため、リレーレンズ２２と対物レンズ１４による倍率は５００ｍｍ／１０ｍｍ＝５０倍となっている。

試料１５からの反射光は再び対物レンズ１４を通り、ビームスプリッタ１３を通過して結像レンズ部５０に至る。図１の光学式検査装置と同様に結像レンズ部５０は、焦点距離５００ｍｍ、１０００ｍｍ及び２０００ｍｍの結像レンズ５１ａ〜５１ｃ（図２参照）を切り替え可能に備えている。このため、結像レンズ部５０及び対物レンズ１４による観察倍率は、５０倍、１００倍及び２００倍に切り替えること可能である。
観察倍率変更部９１は、結像光学系倍率変更部９２を介して、これら結像レンズ５１ａ〜５１ｃのいずれかを対物レンズ１４の光軸位置に位置付け、結像レンズ部５０の焦点距離（倍率）を切り替えて、結像光学系１８の倍率を変更する。

なお、本実施例での対物レンズ１４は、十分な解像度を得るためにそのＮＡ（すなわちＮＡｏ）＝０．９のレンズを使用している。また撮像装置１９には図１の光学式検査装置と同様にＴＤＩセンサーを使用し、その受光面の寸法は長辺４０ｍｍ×短辺１２ｍｍ（対角長４１．７６ｍｍ）である。
結像レンズ部５０の焦点距離を５００ｍｍ、１０００ｍｍ及び２０００ｍｍへと切り替えることにより、リレーレンズ２２と対物レンズ１４による照明光の投影倍率に対する、結像レンズ部５０及び対物レンズ１４による観察倍率の比が、等倍、２倍及び４倍へと変化する。したがって視野絞り寸法変更部９３は、結像光学系１８の倍率に応じて（すなわち撮像レンズ５１ａ〜５１ｃのいずれを使用するかに応じて）、視野絞り３０の開口寸法を下記表３に従って変更する。表３に示す数値は、光学系の微妙な倍率変動やレンズ調整のマージンを考慮して若干余裕を持たせた数値としている。

以下、光源１１〜視野絞り３０の位置までの光学構成について以下説明する。ビームエクスパンダ７０は、光源１１の出口で直径２ｍｍ程度である照明光（レーザー光線）を最大で直径２８ｍｍ程度まで拡大して、光軸に平行な光線に変換する。ビームエクスパンダ７０を出た照明光は、フライアイレンズ６０に入射する。

フライアイレンズ６０は、小さな単位レンズを数個〜数十個だけ、それぞれの頂点が同一平面上に乗るように束ねて規則並べたもので、それぞれの単位レンズは、両面の曲率半径ｒが等しく、かつ両端の頂点がそれぞれ反対側から平行光を入れたときの焦点となっている。したがってその焦点距離ｆ_ｆは次式（１）にて与えられる。
ｆ_ｆ＝ｌ＝（ｎー１）×ｒ／ｎ （１）
ここに、ｌはフライアイレンズ６０のレンズ厚（長さ）であり、ｒは各単位レンズの曲率半径であり、ｎは屈折率である。本実施例では硝材にフッ化カルシウムを用いており屈折率ｎは約１．５である。

フライアイレンズ６０は、その後側頂点部が、コンデンサレンズ４０の開口絞り位置（前側焦点位置）とほぼ等しくなるように配置される。するとその前側頂点面が視野絞り３０の位置と共役になり、その結像倍率βは次式（２）で与えられる。
β＝ｆ_ｃ／ｆ_ｆ （２）
ｆ_ｃは、コンデンサレンズ４０の焦点距離である。
ビームエクスパンダ７０によって光源１１からの照明光を平行光に変換してフライアイレンズ６０に入射すると、視野絞り３０の位置には、次式（３）で与えられる径Ｌの光束を有する一様な明るさの照明光の像が作られる。
Ｌ＝βｄ＝ｆ_ｃ／ｆ_ｆ×ｄ （３）
ここでｄは、フライアイレンズ６０の各単位レンズの前側頂点面の開口の直径とする。

上式（３）から明らかなとおり、フライアイレンズ６０の焦点距離ｆ_ｆを変えることによって視野絞り３０の位置に現れる照明光の光束の径すなわち断面寸法を変更することが可能である。
したがって、光学式検査装置１は、観察倍率変更部９１が変更する結像光学系１８の倍率に応じて（すなわち撮像レンズ５１ａ〜５１ｃのいずれを使用するかに応じて）、フライアイレンズ６０の倍率を変更するフライアイレンズ倍率変更部９５を備える。

図９に、フライアイレンズ倍率変更部９５の制御に従って倍率を切り替えるフライアイレンズ機構６０の概略構成を示す。フライアイレンズ機構６０は、結像レンズ５１ａ〜５１ｃのそれぞれに対応して下記表４に定められた倍率及び寸法を有する複数のフライアイレンズ６１ａ〜６１ｃを有する。これらフライアイレンズ６１ａ〜６１ｃは、円盤６２に設けられる。モータ６３を回転させて軸６４を回転軸として円盤６２を回転させ、円盤６２の回転位置を制御することによって、フライアイレンズ６１ａ〜６１ｃのうち所望のレンズをビームエクスパンダ７０の光軸ａ２上に位置付けて、フライアイレンズ６０の倍率を切り替える。
フライアイレンズ倍率変更部９５は、モータ６３を制御して、下記表４に従って結像光学系１８の倍率に対応して、フライアイレンズ６０の倍率を制御する。

表４に示すとおり、本実施例で使用するフライアイレンズ６０は、光軸から見た場合に各単位レンズが長方形をなし長辺及び短辺が異なる形状となっており、その比は撮像装置１９（ＴＤＩセンサー）の受光面の縦横比とほぼ等しく設計されている。各フライアイレンズ６１ａ〜６１ｃのよって視野絞り３０の位置に集光された照明光の光束の断面の長辺寸法Ｌ１と短辺寸法Ｌ２を上記表４に併記する。

一方で視野絞り３０に照明光が入るときの光束の照明開口数ＮＡｉは、ビームエクスパンダ７０から出たときの光束の径φから、次式（４）によって定まる。
ＮＡｉ＝φ／２ｆ_ｃ （４）
ここで、コンデンサレンズ４０の焦点距離ｆ_ｃを８００ｍｍとし、ビームエクスパンダ７０から出たときの光束の径φを最大２８ｍｍとすると、照明開口数ＮＡｉは、
ＮＡｉ＝２８／２／８００＝０．０１７５
とすることができ、この開口数はリレーレンズ２２及び対物レンズ１４を介してＮＡｉ＝０．８７５となる。従って最大で可干渉性σ＝０．９７２の照明ＮＡを確保することが可能となる。

図８に示す実施例では、ビームエクスパンダ７０は、２群以上のレンズ群を移動させることで、ビームエクスパンダ７０から出る平行光の光束の径φを連続的に変えることが可能なズーム光学系として構成する。光学式検査装置１は、ビームエクスパンダ７０のズーム光学系の拡縮倍率を制御して、ビームエクスパンダ７０から出てフライアイレンズ６０に入射する平行光の光束の径φを変更することによって、上記照明開口数ＮＡｉを変更する照明開口変更部９６を備える。
このように、照明開口数の変更をフライアイレンズ６０に入射する平行光の光束の径φを変更して行うことによって、観察倍率の変更に伴う照明範囲の変更とは独立して照明開口数を調整することが可能となる。

また、観察倍率を切り替える場合には結像レンズ部５０のレンズ５１ａ〜５１ｃを切り替えて焦点距離を切り替えるとともに、これに対応してフライアイレンズ６０の倍率を切り替えれば、照明ＮＡを殆ど変えずに観察倍率のみを切り替えることができる。

図８に示す実施例では、ビームエクスパンダ７０をズーム光学系として構成したが、これに変えて、拡縮倍率の異なる複数のビームエクスパンダを備えて、これを切り替えることにより、フライアイレンズ６０に入射する平行光の光束の径φを段階的に変更することとしてもよい。このために図１０に示すように、照明開口変更部９６の制御に従って、ビームエクスパンダの拡縮倍率を切り替えるビームエクスパンダ機構７１を備えてよい。視ビームエクスパンダ機構７１は、拡縮倍率が異なる複数のビームエクスパンダ７２ａ〜７２ｃが設けられた円盤７３を有する。そして、照明開口変更部９６からの制御に従ってモータ７４を回転させて軸７５を回転軸として円盤７３を回転させ、光軸ａ２上に位置付けるビームエクスパンダ７２ａ〜７２ｃを切り替えることによって、拡縮倍率を切り替える。

また、図８に示す光学式検査装置１においても、撮像装置１９の受光面であった結像レンズ５０の後側焦点位置にピンホールアレイ８１を設け、またピンホールアレイ８１の位置の共役面である、リレーレンズ２２の前側焦点位置にピンホールアレイ８３を備えることにより、照明光学系１２と結像光学系１８とを共焦点光学系としてよい。このような構成を図１１に示す。

本発明は、ウエハやマスクなどの半導体の検査に使用される光学式検査装置及びその照明方法に利用可能であり、特に照明光として深紫外光を用いる光学式検査装置及びその照明方法に利用可能である。

本発明の第１実施例による光学式検査装置の概略構成図である。 図１に示す結像レンズ部の概略構成図である。 視野絞り機構の概略構成図である。 コンデンサレンズ機構の概略構成図である。 本発明の第２実施例による光学式検査装置の概略構成図である。 本発明の第３実施例による光学式検査装置の概略構成図である。 本発明の第４実施例による光学式検査装置の概略構成図である。 本発明の第５実施例による光学式検査装置の概略構成図である。 フライアレイレンズ機構の概略構成図である。 ビームエクスパンダ機構の概略構成図である。 本発明の第６実施例による光学式検査装置の概略構成図である。 従来の光学式検査装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 光学式検査装置
１１ 光源
１２ 照明光学系
１３ ビームスプリッタ
１４ 対物レンズ
１５ 試料
１６ ステージ
１８ 結像光学系
１９ 撮像装置
２１ コレクタレンズ
３０、３１ 視野絞り
４０ コンデンサレンズ
５０ 結像レンズ

Claims (14)

1. 光源と、対物レンズと、前記光源から生じた照明光を前記対物レンズを介して試料に照射する照明光学系と、前記対物レンズにより投影された前記試料の像を結像する結像光学系と、を備える光学式検査装置において、
   前記結像光学系の倍率を変更する結像系倍率変更手段と、
   前記照明光学系に設けられ、前記結像光学系の倍率に応じて前記試料に照射される照明光の断面寸法を変更する照明光断面寸法変更手段と、
   をさらに備えることを特徴とする光学式検査装置。
2. 前記照明光学系は、前記光源からの照明光を集光して前記対物レンズの瞳面に該光源の像を結像するコンデンサレンズを備え、
   前記照明光断面寸法変更手段は、該コンデンサレンズの倍率を変えることにより前記照明光の断面寸法を変更することを特徴とする請求項１に記載の光学式検査装置。
3. 前記照明光学系は、前記光源からの照明光を集光して前記対物レンズの瞳面に該光源の像を結像するコンデンサレンズを備え、
   前記照明光断面寸法変更手段は、該光源と該コンデンサレンズとの間に配置されるリレー光学系を備え、該リレー光学系の倍率を変えることにより前記照明光の断面寸法を変更することを特徴とする請求項１に記載の光学式検査装置。
4. 前記照明光断面寸法変更手段は、前記照明光学系に設けられたフライアイレンズを備え、該フライアイレンズの倍率を変えることにより前記照明光の断面寸法を変更することを特徴とする請求項１又は３に記載の光学式検査装置。
5. 前記照明光学系は、前記光源からの照明光を集光して前記対物レンズの瞳面に該光源の像を結像するコンデンサレンズと、該コンデンサレンズに入射する前記照明光の断面寸法を変更して照明開口数を変更する照明開口数変更手段と、を備え、
   前記照明光断面寸法変更手段は、該光源と該コンデンサレンズとの間に配置されるフライアイレンズを備え、該フライアイレンズの倍率を変えることにより前記照明光の断面寸法を変更し、
   前記照明開口数変更手段は該光源と該フライアイレンズとの間に配置されるリレー光学系を備え、該リレー光学系の倍率を変えることにより照明開口数を変更することを特徴とする請求項１に記載の光学式検査装置。
6. 前記照明光断面寸法変更手段は、前記照明光学系に設けられた視野絞りを備え、該視野絞りの開口寸法を変えることにより前記照明光の断面寸法を変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学式検査装置。
7. 前記照明光学系と前記結像光学系とは、共焦点光学系を成すことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学式検査装置。
8. 光源と、対物レンズと、前記光源から生じた照明光を前記対物レンズを介して試料に照射する照明光学系と、前記対物レンズにより投影された前記試料の像を結像する結像光学系と、を備える光学式検査装置の照明方法において、
   前記結像光学系の倍率に応じて、前記照明光学系における照明光の断面寸法を変更することにより、前記試料上の照明範囲を拡縮することを特徴とする照明方法。
9. 前記照明光学系は、前記光源からの照明光を集光して前記対物レンズの瞳面に該光源の像を結像するコンデンサレンズを備え、
   該コンデンサレンズの倍率を変えることにより前記照明光の断面寸法を変更することを特徴とする請求項８に記載の照明方法。
10. 前記照明光学系は、前記光源からの照明光を集光して前記対物レンズの瞳面に該光源の像を結像するコンデンサレンズと、該光源と該コンデンサレンズとの間に配置されるリレー光学系と、を備え、
    該リレー光学系の倍率を変えることにより前記照明光の断面寸法を変更することを特徴とする請求項８に記載の照明方法。
11. 前記照明光学系は、フライアイレンズを備え、
    該フライアイレンズの倍率を変えることにより前記照明光の断面寸法を変更することを特徴とする請求項８又は１０に記載の照明方法。
12. 前記照明光学系は、前記光源からの照明光を集光して前記対物レンズの瞳面に該光源の像を結像するコンデンサレンズと、該光源と該コンデンサレンズとの間に配置されるフライアイレンズと、該光源と該フライアイレンズとの間に配置されるリレー光学系と、を備え、
    前記フライアイレンズの倍率を変えることにより前記照明光の断面寸法を変更し、
    前記リレー光学系の倍率を変えることにより該コンデンサレンズに入射する前記照明光の断面寸法を変更して照明開口数を変更する、
    ことを特徴とする請求項８に記載の照明方法。
13. 前記照明光学系は、視野絞りを備え、
    該視野絞りの開口寸法を変えることによって、前記照明光の断面寸法を変更することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の照明方法。
14. 前記照明光学系と前記結像光学系とは、共焦点光学系を成すことを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の照明方法。

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