JP2007171145A - 検査装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡易な構成でありながら、光学材料に存在する異物を高精度に、且つ、短時間で検査（検出）することができる検査装置及び方法を提供する。
【解決手段】光学材料に存在する異物を検出する検査装置であって、光束を射出すると共に、前記光束の周波数を変化させる光源部と、前記光源部から射出される光束を、参照ミラー面と前記光学材料に導光する導光手段と、前記参照ミラー面から反射される光束と、前記光学材料に存在する異物から反射される光束との干渉光束に基づいて、前記光学材料に存在する異物の３次元位置座標を演算する演算手段とを有することを特徴とする検査装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般には、検査装置及び方法に係り、特に、光学材料に存在する異物を検出する検査装置及び方法に関する。本発明は、例えば、半導体ウェハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板などの被処理体を露光する露光装置の光学系に使用されるレンズ等の光学材料の検査に好適である。

フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて、ＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイスやＣＣＤ等の撮像デバイス、液晶パネル等の表示デバイスや磁気ヘッド等の微細な半導体デバイスを製造する際に、投影露光装置が従来から使用されている。投影露光装置は、レチクル（マスク）に形成されたパターンを、投影光学系を介して、ウェハ等の被処理体に転写する。

投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど、及び、ＮＡを上げれば上げるほど、解像度はよくなる。このため、近年では、半導体デバイスの微細化への要求に伴い露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進められている。

また、半導体デバイスの微細化に伴い、投影光学系などの光学系に使用されるレンズや回折格子などの光学素子の光学材料（硝材）には、内部又は表面近傍に異物が存在しない高品位な光学材料を用いることが必須となってきている。従って、光学材料に存在する異物を高精度に検査（検出）することができる検査装置及び方法が要望されている。なお、かかる検査装置及び方法は、検査の簡素化及び迅速化なども重要である。

光学材料に存在する異物を検査する第１の従来例として、目視による検査がある。かかる検査は、プロジェクターと称する白色光源からの光束を光学材料に照射し、光学材料を多方向に回転させながら、所謂、異物での散乱現象を目視によって観察し、異物の位置を確認する。その後、異物を拡大観察し、異物の形状、サイズ及び個数を検査する。

また、第２の従来例として、レーザービームを光学材料に入射させ、かかるレーザービームの集光位置を光学材料に対して水平及び垂直方向（Ｘ及びＹ方向）に移動させると共に、深さ方向（Ｚ方向）に走査することによる検査もある。かかる検査は、異物が存在した場合に、異物からの散乱光を結像光学系を介して２次元ＣＣＤで受光することによって、かかる異物の位置を検査する（例えば、特許文献１参照。）。
特開平４−１２２５４号公報

しかしながら、第１の従来例は、目視による検査であるため、異物が存在する位置（位置情報）を正確に検出することができず、また、実際に存在する異物を見落とすなどの検査漏れの問題がある。

一方、第２の従来例は、結像光学系の焦点深度で深さ方向（Ｚ方向）の分解能が制限されるため、かかる焦点深度を単位としてフォーカス位置を逐次移動して検査する必要がある。従って、検査に長時間を要することになる。ここで、厚み方向（Ｚ方向）に厚い光学材料、例えば、露光装置の投影光学系を構成するレンズに用いられる１００ｍｍ程度の厚さの光学材料を、結像光学系の開口数をＮＡとして可視光（波長λ＝０．５５μｍ）を用いて検査する場合を考える。異物サイズを１０μｍとすると、分解能は０．６１×λ／ＮＡからＮＡ＝０．０３４となり、焦点深度は±λ／（２×ＮＡ^２）から±２００μｍとなる。従って、焦点深度を単位としてフォーカス位置を逐次移動して検査すると、移動回数が２５０回となる。

更に、第２の従来例は、異物を画像情報として認識するために、フォーカス移動で取得した画像を個別に検査する必要があった。特に、光学材料の表面のゴミ、汚れ及び傷等と、その近傍の内部に存在する異物とが同じ焦点深度内にある場合、画像情報からゴミ、汚れ及び傷と異物とを区別することは、画像処理を用いても非常に困難である。

また、作動距離（ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ）が長く、仮に、１００ｍｍを超える対物レンズが存在し、結像倍率を最低５倍にする場合でも、結像光学系が５００ｍｍ以上になる。従って、このような大きな結像光学系全体を焦点深度単位で駆動する駆動機構も大型化してしまう。

そこで、本発明は、簡易な構成でありながら、光学材料に存在する異物を高精度に、且つ、短時間で検査（検出）することができる検査装置及び方法を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての検査装置は、光学材料に存在する異物を検出する検査装置であって、光束を射出すると共に、前記光束の周波数を変化させる光源部と、前記光源部から射出される光束を、参照ミラー面と前記光学材料に導光する導光手段と、前記参照ミラー面から反射される光束と、前記光学材料に存在する異物から反射される光束との干渉光束に基づいて、前記光学材料に存在する異物の３次元位置座標を演算する演算手段とを有することを特徴とする。

本発明の別の側面としての検査方法は、光学材料に存在する異物を検出する検査方法であって、前記光学材料及び参照ミラー面に対して、周波数を変化させながら光束を照射するステップと、前記参照ミラー面から反射される光束と、前記光学材料に存在する異物から反射される光束との干渉光束を検出するステップと、前記検出ステップで検出した前記干渉光束に基づいて、前記光学材料に存在する異物の３次元位置座標を決定するステップとを有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、簡易な構成でありながら、光学材料に存在する異物を高精度に、且つ、短時間で検査（検出）することができる検査装置及び方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一側面としての検査装置及び方法について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。ここで、図１は、本発明の検査装置１の構成を示す概略斜視図である。

検査装置１は、被検査体である光学材料ＯＭに存在する異物（本実施形態では、異物Ｐ１及びＰ２）の３次元位置を検出し、図１に示すように、実質的に、トワイマン・グリーン（Ｔｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ）干渉計の配置となっている。ここで、異物とは、気泡、微小金属切片、光学材料の分子構造が不均一な部分及び結晶構造の欠陥部分を含む。また、気泡は、柱状体、多面体、扁平体など様々な形状を有する。また、光学材料ＯＭには、図１に示すように、座標原点としてＡ点が指定されており、異物Ｐ１の位置座標（３次元位置）は、Ａ点を基準として（ｘ１、ｙ１、ｚ１）で表され、異物Ｐ２の位置座標は、Ａ点を基準として（ｘ１、ｙ１、ｚ２）で表される。

検査装置１は、レーザー光源部１０と、コリメータレンズ２０と、非偏光ビームスプリッター３０と、参照ミラー４０と、２次元ＣＣＤ５０と、フレームメモリー６０と、演算部７０とを有する。

レーザー光源部１０は、レーザー光（光束）を射出すると共に、かかるレーザー光の発振周波数（即ち、射出するレーザー光の波長）を変化させる機能を有する。レーザー光源部１０は、例えば、外部回折格子型の半導体レーザーで構成され、半導体レーザーと、Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型外部キャビティーとを有する。半導体レーザーは、数本の縦モードで発振し、ＡＲコーティングが施されている。Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型外部キャビティーは、斜入射回折格子及びチューニングミラーで構成される波長選択性の光学系とを有する。Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型外部キャビティーは、半導体レーザーを保持し、チューニングミラーを回転させることで、Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型外部キャビティーにフィードバックされる回折波長を変化させる。

コリメータレンズ２０は、レーザー光源部１０から射出する光束を平行光束にする。非偏光ビームスプリッター３０は、レーザー光源部１０の発振周波数について、参照ミラー４０への光束と異物を含む光学材料ＯＭへの光束とに分岐する。参照ミラー４０は、非偏光ビームスプリッター３０と参照ミラー４０との間の距離Ｌ１と、非偏光ビームスプリッター３０と光学材料ＯＭの入射表面との間の距離Ｌ２とが等しくなるように配置される。２次元ＣＣＤ５０は、光学材料ＯＭ（の異物Ｐ１及びＰ２）で反射した光束（被検光束）及び参照ミラー４０で反射した光束（参照光束）を受光する。フレームメモリー６０は、２次元ＣＣＤ５０から出力されるフレーム信号を記録する。演算部７０は、フレームメモリー６０に記録されたフレーム信号をフーリエ解析（周波数解析）する。

次に、検査装置１において、光学材料ＯＭの異物Ｐ１及びＰ２の３次元位置を検査（測定）する検査方法について説明する。

まず、レーザー光源部１０の周波数υを、図２の実線で示すように、周波数υ０から周波数υ１まで時間Ｔで△υ変化させる。換言すれば、レーザー光源部１０から波長を変化させながら光束を射出する。レーザー光源部１０から射出した光束は、コリメータレンズ２０で平行光束となり、非偏光ビームスプリッター３０において２つの光束ＲＬ及びＳＬに分岐される。ここで、図２は、レーザー光源部１０の周波数変調の変調幅及び変調時間の関係を示す図である。

光束ＲＬは、参照ミラー４０に照射され、参照ミラー４０で反射されて２次元ＣＣＤ５０で受光される。この光束ＲＬは、以下の数式１で表される。一方、光束ＳＬは、光学部材ＯＭ（の異物Ｐ１及びＰ２）に照射され、異物Ｐ１又はＰ２で散乱する。異物Ｐ１又はＰ２で散乱した光束のうち、２次元ＣＣＤ５０に向かう反射光は、図２の破線で示すように、以下の数式１で表される光束ＲＬに対して、深さｚｉ（ｉ＝１、２）に応じたτ＝２×ｎ×ｚｉ／Ｃの時間遅れを伴って周波数が変化する。かかる反射光（即ち、異物Ｐ１又はＰ２で反射された光束ＳＬ）は、以下の数式２で表される。

ここで、Ｒ（ｚｉ）は、異物Ｐ１及びＰ２の反射率である。ｎは、光学材料ＯＭの屈折率である。Ｃは、光速である。

参照ミラー４０から戻る光束ＲＬと異物Ｐ１及びＰ２が存在する（ｘ１、ｙ１）上の深さｚ１又はｚ２で反射した光束ＳＬの２つの光束が干渉し、２次元ＣＣＤ５０において受光される。干渉した光束（即ち、２次元ＣＣＤ５０で受光される光束）に対応する２次元ＣＣＤ５０の画素ｍでの出力信号は、以下の数式３で表される。

数式３において、ビート周波数τ×△υ/Ｔは、τｉ＝２×ｎ×ｚｉ／Ｃから、２×ｎ×ｚｉ×△υ／（Ｃ×Ｔ）である。かかるビート周波数をｆｂとおくと、ｆｂ＝２×ｎ×ｚｉ×△υ／（Ｃ×Ｔ）となり、異物Ｐ１及びＰ２の深さ方向の表現に直すとｚｉ＝Ｃ×Ｔ×ｆｂ／（２×ｎ×△υ）と表される。なお、Ｃは光速、△υはレーザー光源部１０の周波数変調幅、Ｔはレーザー光源部１０の変調時間、ｎは光学材料ＯＭの屈折率であり、いずれも既知の値である。従って、２次元ＣＣＤ５０から出力される信号（即ち、被検光束と参照光束との干渉光束）のビート周波数τｉ×△υ／Ｔを算出することで、異物Ｐ１及びＰ２の深さｚｉを求めることができる。

実際には、レーザー光源部１０の周波数を変調している変調時間Ｔの間に、図３に示すように、２次元ＣＣＤ５０から出力される複数のフレーム信号をフレームメモリー６０に記録する。そして、フレームメモリー６０に記録されたフレーム信号から画素ｍについて時系列的に信号を再配列する。これにより、図４（ａ）に示すように、異物Ｐ１からの反射光束と参照ミラー４０からの反射光束との干渉と、異物Ｐ２からの反射光束と参照ミラー４０からの反射光束との干渉が合成された信号（干渉信号）を得ることができる。ここで、図３は、フレームメモリー６０に記録したフレーム信号から画素別に時系列信号を再配列する状態を示す図である。また、図４では、縦軸に干渉信号の振幅を、横軸に時間を採用する。

次に、数式３で表される干渉信号を演算部７０で周波数解析し、図４（ｂ）及び（ｃ）に示される周波数に分離する。この周波数から異物Ｐ１及びＰ２の深さｚ１及びｚ２を求めることができる。異物Ｐ１及びＰ２を比較すると、異物Ｐ１は異物Ｐ２より浅いところに位置しているのでｚ１＜ｚ２である。ビート周波数ｆｂ＝２×ｎ×ｚｉ×△υ／（Ｃ×Ｔ）の関係から、異物Ｐ１のビート周波数は、異物Ｐ２のビート周波数よりも小さい。換言すれば、異物Ｐ２の周期は、異物Ｐ１の周期よりも短くなる。従って、本実施形態では、図４（ｂ）は、異物Ｐ２からの反射光束と参照ミラー４０からの反射光束との干渉信号を、図４（ｃ）は、異物Ｐ１からの反射光束と参照ミラー４０からの反射光束との干渉信号を示している。

また、図４（ｂ）と図４（ｃ）とを比較すると、図４（ｂ）に示す信号の振幅が大きい。これは、図１に示すように、異物Ｐ１のサイズが異物Ｐ２のサイズより大きく、数式３の反射率を意味するＲ（ｚｉ）の項が大きくなるためである。

なお、上述したように、非偏光ビームスプリッター３０と参照ミラー４０との間の距離Ｌ１と、非偏光ビームスプリッター３０と光学材料ＯＭの入射表面との間の距離Ｌ２とは、等距離に設定されている。従って、光学材料ＯＭの表面に付着したゴミや汚れ、傷等からの反射光束と参照ミラー４０からの反射光束とは光路差がなく、ｚ＝０から数式３に示す干渉が発生しない。これにより、本実施形態の検査装置１及び検査方法は、光学材料ＯＭの表面の異物に影響を受けることがなく、光学材料ＯＭを検査（即ち、光学部材ＯＭの内部に存在する異物を検査）することができる。

また、レーザー光源部１０からの光束が、異物が深さ方向に存在しない、例えば、図１に示す（ｘ０、ｙ０）上の光学材料ＯＭに入射した場合、異物からの反射光束が存在しないため、数式３で示されるビート周波数が発生しない。この場合、２次元ＣＣＤ５０上の画素ｎでの信号出力は、図４（ｄ）に示すように、直流成分のみの一定出力になる。

本実施形態の検査装置１及び検査方法は、光学材料ＯＭの深さ方向（Ｚ方向）に存在する異物を、従来例のように深さ方向に逐次フォーカス移動する動作をせずに、検出（検査）することができる。この際、本実施形態の検査装置１及び検査方法は、深さ方向に存在する全ての異物の位置（深さ座標）を同時に特定することができる。

ここで、本実施形態の検査装置１及び検査方法における深さ分解能△ｚについて説明する。なお、深さ分解能は、異物が存在するｚ座標を検出するときの不確かさを表すものである。

レーザー光源部１０の周波数変調動作を変調幅△υ、変調時間Ｔで行うとして、ビート周波数ｆｂを解析するためには、かかる時間内で最低１周期が含まれていることが必要である。この時間内に上述のフレーム信号を取得する時間間隔をｔｃとし、時間間隔ｔｃで取得するフレーム信号の数をＮ個とすると、Ｔ＝ｔｃ×Ｎの関係から、ビート周波数ｆｂの分解能△ｆｂは△ｆｂ＝１／Ｔ1である。深さ分解能△ｚは、△ｚ＝∂ｚ／∂ｆｂより、△ｚ＝Ｃ×Ｔ／（２×ｎ×△υ）×△ｆｂである。従って、深さ分解能△ｚは、△ｆｂ＝１／Ｔから、△ｚ＝Ｃ／（２×ｎ×△υ）となる。

具体的例を示す。光学材料ＯＭに異物が存在する密度は非常に低いが、仮に、その隣接する間隔を５００［μｍ］程度とし、分解能の最小値を△ｚ＝５００［μｍ］とする。この場合、レーザー光源部１０に必要な周波数変化幅△υは、△ｚ＝Ｃ／（２×ｎ×△υ）より、ｎ＝１．５として、△υ＝２Ｅ＋１１［Ｈｚ］となる。これは、波長初期値が７７０［ｎｍ］のとき、０．４［ｎｍ］の波長変化幅に相当する。光学材料ＯＭの厚みを１００［ｍｍ］、異物の深さ位置ｚを１００［ｍｍ］、２次元ＣＣＤ５０のフレーム周期を３０［Ｈｚ］とする。ビート周波数ｆｂのサンプリングは最低２箇所必要であるため、このフレーム周期で検出できる最小のビート周波数はｆｂ＝１５［Ｈｚ］となる。従って、必要な周波数変調時間はＴ＝２×ｎ×△υ×ｚ／Ｃ×ｆｂから、Ｔ＝１３．３［ｓｅｃ］となる。

同様に、深さ方向の分解能の最小値を△ｚ＝１０００［μｍ］とする。この場合、レーザー光源部１０に必要な周波数変化幅△υは、△ｚ＝Ｃ／（２×ｎ×△υ）より、ｎ＝１．５として、△υ＝１Ｅ＋１１［Ｈｚ］となる。これは、波長初期値が７７０［ｎｍ］のとき、０．２［ｎｍ］の波長変化幅に相当する。光学材料ＯＭの厚みを１００［ｍｍ］、異物の深さ位置ｚを１００［ｍｍ］、２次元ＣＣＤ５０のフレーム周期を３０［Ｈｚ］とする。ビート周波数ｆｂのサンプリングは最低２箇所必要であるため、このフレーム周期で測定できる最小のビート周波数はｆｂ＝１５［Ｈｚ］となる。従って、必要な周波数変調時間はＴ＝２×ｎ×△υ×ｚ／Ｃ×ｆｂから、Ｔ＝６．７［ｓｅｃ］となる。

このように、異物の深さ位置ｚを検出するまでの時間を決める因子は、分解能、２次元ＣＣＤ５０のフレーム周期及び光学材料ＯＭの厚みである。上述した具体例では、光学材料ＯＭの厚みが１００ｍｍの場合での検出時間を示したが、分解能を低くすると検出時間を短縮することができる。

本実施形態の検査装置１及び検査方法は、光学材料に存在する異物の３次元位置を検査（検出）することができる。なお、光学材料ＯＭに存在する全ての異物を検査するためには、光学材料ＯＭに対して、レーザー光源部１０から射出される光束を面方向（Ｘ及びＹ方向）に逐次移動し、各移動毎に深さ方向（Ｚ方向）について異物を検出（検査）する必要がある。但し、光学性能に大きく影響する異物のサイズは数μｍ乃至数百μｍの範囲であり、かかる異物の数は非常に少なく、光学材料ＯＭに存在する密度は低い。即ち、光学材料では、異物の存在しない領域が大半であるため、上述の深さ分解能と検出時間の関係から、例えば、分解能△ｚ＝２０μｍのような高分解能で光学材料の全体を検査することは、不要に時間を消費することになり合理的ではない。従って、まず、異物が深さ方向に存在するかどうかを判断するため分解能を低く、例えば、△ｚ＝２０００μｍにして検査（検出）し、かかる検査結果に基づいて、異物が存在すると判断された位置（（Ｘ，Ｙ）座標）だけを高分解能で検査すればよい。

また、一定の高分解能で光学材料を検査しながらも検査（検出）時間を短縮することが可能である。上述したように、光学材料では、異物の存在しない領域が大半であるために、周波数分析を行っても、ほとんどの結果は、図４（ｄ）に示す直流信号となる。従って、周波数分析を、図４（ａ）に示すような異物が存在することを示す画素の時系列信号に対して選択的に行うことで、検査時間を短縮することができる。

具体的には、フレームメモリー６０に記録された複数個（最大Ｎ個）のフレーム信号から各画素について時系列的に再配列した信号を演算部７０に送信する前に、各画素について、Ｎ個の時系列信号から一部の信号を抽出する。そして、抽出した信号が一定である場合には、異物が存在しないと判断して、フーリエ解析を中止する。なお、フレーム信号としてフレームメモリー６０に記録するのではなく、各画素別に時系列信号を記録し、かかる各画素別の時系列信号の一部を抽出して、抽出した信号が一定である場合には、異物が存在しないと判断してもよい。

このように、不要に記録媒体（フレームメモリー）の容量を消費することなく、且つ、フーリエ解析する画素を減らすことによって、解析時間を削減することができ、その結果、光学材料の検査時間の大幅な削減を図ることができる。

なお、光学材料ＯＭに存在する異物から反射する光束は微量であるため、２次元ＣＣＤ５０で検出することが困難となる場合がある。かかる場合には、レーザー光源部１０を、図５に示すような２つの半導体レーザーを含むレーザー光源部１０Ａに置換すればよい。ここで、図５は、本発明の検査装置１の構成を示す概略斜視図である。

レーザー光源部１０Ａは、第１の半導体レーザー１２Ａと、第２の半導体レーザー１４Ａと、偏光ビームスプリッター１６Ａとを有する。

第１の半導体レーザー１２Ａは、例えば、外部回折型の半導体レーザーで構成され、半導体レーザーと、Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型外部キャビティーとを有する。半導体レーザーは、数本の縦モードで発振し、ＡＲコーティングが施されている。Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型外部キャビティーは、斜入射回折格子及びチューニングミラーで構成される波長選択性の光学系とを有する。Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型外部キャビティーは、半導体レーザーを保持し、チューニングミラーを回転させることで、Ｌｉｔｔｍａｎ−Ｍｅｔｃａｌｆ型外部キャビティーにフィードバックされる回折波長を変化させる。

第２の半導体レーザー１４Ａは、第１の半導体レーザー１２Ａと同様の構成であるため、ここでの詳細な説明は省略する。なお、第１の半導体レーザー１２Ａの射出する光束の偏光方向と、第２の半導体レーザー１４Ａの射出する偏光とは、直交関係になっている。

偏光ビームスプリッター１６Ａは、第１の半導体レーザー１２Ａ及び第２の半導体レーザー１４Ａからの互いに直交する２つの直線偏光を合成する。これにより、レーザー光源部１０Ａから射出される光束の光量が実質的に増加し、光学材料ＯＭに存在する異物から反射する光束は微量であっても、２次元ＣＣＤ５０で検出することができる。

第１の半導体レーザー１２Ａ及び第２の半導体レーザー１４Ａから射出された互いに直交する２つの直線偏光は、偏光ビームスプリッター１６Ａで合成される。従って、１つの半導体レーザーだけを有するレーザー光源部１０を使用した場合と比べて、２次元ＣＣＤ５０上での光量を約２倍にすることができ、同時にビート信号の振幅を約２倍にすることができる。これにより、より微細な異物や反射率の低い異物等を検出（検査）することが可能となる。

また、参照ミラー４０を設けずに、被検査体である光学材料ＯＭの表面に参照ミラー面（即ち、参照ミラー４０と同等の機能を有する参照面）を形成してもよい。光学材料ＯＭの表面を参照ミラー面にすることで、２つの効果を得ることができる。

まず、第１の効果について説明する。本実施形態の検査方法は、数式１及び２で表わされる２つの光束の干渉を基にしているが、２つの光束の振幅強度は、ほぼ同じレベルであることが望ましい。数式３で表わされる干渉波の直流成分は、数式１及び２で表わされる振幅強度により決定される、即ち、参照ミラー４０での反射率と異物での反射率で決定されるが、異物での反射率は、参照ミラー４０での反射率と比較して非常に小さい。また、数式３の交流成分を２次元ＣＣＤ５０のゲインを上げて増幅しようとすると、２次元ＣＣＤ５０のダイナミックレンジの制約を受けてしまう。即ち、交流成分に適正なゲインを設定しようとしても、これより先に直流成分がダイナミックレンジに対して飽和してしまうことになる。これを避けるためには、参照ミラー４０の反射率を低く設定することが必要であるが、光学材料ＯＭの表面を参照ミラー面とすることで、フレネル反射により決まる反射率まで低下させることができる。これにより、参照系としての独立したミラー（参照ミラー４０）が不要となり、検査装置１の構成が簡単になる。

第２の効果について説明する。本実施形態の検査方法は、参照ミラー面と、異物の深さ位置の光路長差２ｎＺｉ（ｉ＝１、２）の値とを利用する。従って、検査中にかかる光路長差が変化しないことが必要であるが、光学材料ＯＭの表面を参照ミラー面としているので、異物までの距離は不変である。これにより、干渉技術を利用していても、装置周囲の温度や振動環境に影響を受けにくい装置を提供することが可能となる。

また、光学材料の異物検査は、光学材料の精製及び成長工程直後か、アニール工程直前に行うのが望ましい。その理由は、これらの後工程において光学材料を研磨加工し、レンズやプリズム等を製作すると、その段階で異物検査を実施し、規格外の異物が発見された場合に、その光学材料と後工程の作業が無駄になるからである。精製及び成長工程直後の光学材料の表面は凹凸があり、且つ、白化していて光学的に不透明である。更に、アニール工程直前の光学材料の表面も、荒擦り面であり、光学的に不透明である。また、露光装置の投影光学系を構成するレンズの直径は４００ｍｍにも及ぶものがあり、これらの母材としての光学材料の直径もこれと同等以上の長さになるため、第２の従来例では、作動距離の制約を受けて対応することが不可能である。しかし、本実施形態の検査方法を適用すれば、このようなレンズ母材に存在する異物も検査（検出）することができる。

以下、露光装置の投影光学系を構成するレンズ等、即ち、直径が数百ｍｍ以上に及ぶレンズ母材ＬＢの異物を検査（検出）する場合について説明する。

図６は、検査装置１の変形例である検査装置１Ｂの構成を示す概略斜視図である。図６において、レーザー光源部１０、コリメータレンズ２０、非偏光ビームスプリッター３０、２次元ＣＣＤ５０、フレームメモリー６０及び演算部７０は、検査装置１と同様である。なお、ＬＢは被検査体であるレンズ母材、ＲＭＳはレンズ母材ＬＢの側面に帯状に形成された参照ミラー面、８０は参照ミラー面ＲＭＳで反射した光束を光軸Ｌに戻すための補助ミラーである。

レンズ母材ＬＢは、上述したように、表面に凹凸を有し、且つ、光学的に不透明である。このような光学的に不透明であるレンズ母材ＬＢ（光学材料）の内部に存在する異物を検査するためには光学的に透過な面が必要であるが、検査のために表面全体を光学的に透過な面に処理することは、時間的、費用的に適当ではない。レンズ母材ＬＢに形成する光学的に透過な面は最小限に留める必要があるが、本実施形態では、かかる光学的に透過な面を単にウィンドウ（即ち、レーザー光源部１０からの光束を内部に導くための窓）とするだけではなく、参照ミラー面として利用する。

検査装置１Ｂにおいて、レンズ母材ＬＢの異物Ｐ１及びＰ２の３次元位置を検査（測定）する検査方法について説明する。まず、レーザー光源部１０の周波数υを、図２の実線で示すように、υ０からυ１まで時間Ｔで△υ変化させる。レーザー光源部１０から射出した光束は、コリメータレンズ２０で平行光束となり、非偏光ビームスプリッター３０を介して、レンズ母材ＬＢの側面に形成された参照ミラー面ＲＭＳに対して入射角度θで入射する。換言すれば、被検査体である異物Ｐ１及びＰ２を含むレンズ母材ＬＢの内部へ照射される。ここで、レンズ母材ＬＢには、座標原点として参照ミラー面ＲＭＳの中心にＡ点が指定されており、異物Ｐ１の位置座標は、Ａ点を基準として（ｘ１、ｙ１、ｚ１）で表され、異物Ｐ２の位置座標は、Ａ点を基準として（ｘ１、ｙ１、ｚ２）で表される。

入射角度θで参照ミラー面ＲＭＳに入射した光束の一部は、参照ミラー面ＲＭＳにおいて入射角度θに応じたフレネル反射率で反射され、補助ミラー８０を介して光軸Ｌに戻され、参照光束として２次元ＣＣＤ５０で受光される。かかる光束は、上述したように、数式１で表される。

一方、レンズ母材ＬＢの内部に照射された光束は、異物Ｐ１又はＰ２で散乱する。異物Ｐ１又はＰ２で散乱した光束のうち、参照ミラー面ＲＭＳを介して２次元ＣＣＤ５０に向かう反射光は、図２の破線で示すように、数式１で表される光束に対して、深さｚｉ（ｉ＝１、２）に応じたτ＝２×ｎ×ｚｉ／Ｃの時間遅れを伴って周波数が変化する。かかる光束は、上述したように、数式２で表される。なお、本実施形態での深さｚｉは、参照ミラー面ＲＭＳでの光束入射位置と各異物までの距離である。

参照ミラー面ＲＭＳから戻る光束と異物Ｐ１及びＰ２が存在する（ｘ１、ｙ１）上の深さｚ１又はｚ２で反射した光束の２つの光束が干渉し、２次元ＣＣＤ５０において受光される。干渉した光束に対応する２次元ＣＣＤ５０の画素ｍでの出力信号は、上述したように、数式３で表される。

数式３において、ビート周波数τ×△υ／Ｔは、τ＝２×ｎ×ｚｉ／Ｃから、２×ｎ×ｚｉ×△υ／（Ｃ×Ｔ）である。かかるビート周波数をｆｂとおくと、ｆｂ＝２×ｎ×ｚｉ×△υ／（Ｃ×Ｔ）となり、異物Ｐ１及びＰ２の深さ方向の表現に直すとｚｉ＝Ｃ×Ｔ×ｆｂ／（２×ｎ×△υ）と表される。従って、２次元ＣＣＤ５０から出力される信号（即ち、被検光束と参照光束との干渉光束）のビート周波数τ×△υ／Ｔを算出することで異物Ｐ１及びＰ２の深さｚｉを求めることができる。なお、ビート周波数τ×△υ／Ｔの算出は、上述したので省略する。

このように、光学的に不透明な表面のレンズ母材ＬＢに帯状の参照ミラー面ＲＭＳを形成することで、レンズ母材ＬＢに存在する異物Ｐ１及びＰ２を検査（検出）することができる。また、参照ミラー面ＲＭＳに対する入射角度θを、図６に示すＣ軸を中心にして可変にすることによって、レンズ母材ＬＢの内部の屈折方向に沿って存在する異物を同時に検査（検査）することができる。なお、レンズ母材ＬＢの中心部を検査する場合、即ち、入射角度θが小さい場合は、参照ミラー面ＲＭＳの入射位置のＹ軸移動を組み合わせることによって、レンズ母材ＬＢの内部の異物の３次元位置を検出することができる。本実施形態では、参照ミラー面ＲＳＭが１つだけ形成されているが、必要に応じて複数の参照ミラー面を形成してもよいことはいうまでもない。

本実施形態の検査装置１Ｂ及び検査方法によれば、製造工程における大口径のレンズ母材、即ち、光学的に不透明な表面を有する初期段階の光学材料に存在する異物の３次元位置を検査（検出）することができる。

また、本実施形態の検査装置１、１Ｂ及び検査方法によって光学材料に異物が存在すると検査された場合、かかる異物が、その光学材料が適用される光学系の光学性能に与える影響を評価することが重要となる。以下では、検査装置１、１Ｂ及び検査方法によって検出された異物の３次元位置（座標情報）に基づいて、かかる異物が光学性能に与える影響を評価することについて説明する。

例えば、露光装置の投影光学系を構成するレンズ内に異物が存在すると、かかる異物によって露光光が散乱し、その散乱光がウェハ全体にフレアー光として重畳される。これにより、ウェハ上にパターンを形成する際のドーズ量が影響を受け、パターンの線幅を変化させる問題を生じる。なお、フレアー光の発生要因としては、研磨によるレンズ面の粗さ精度や光学材料の屈折率の均一性精度などもあるが、これらの要因を総合して、光学材料に存在する異物による散乱量の許容値が配分されることになる。配分された許容値は、ウェハ面上での照度均一度として規定され、本実施形態では、δ［％］とする。光学材料の異物が存在しない位置と存在する位置で散乱による光量低下が起きた場合、それぞれの位置を通過した光束の光量を基に評価した照度をＥ０、Ｅｐとすると、δ≧（Ｅ０−Ｅｐ）／Ｅ０×１００［％］を満足しなければならない。

図７を参照して、照度均一度δを求める方法を説明する。図７は、光学材料ＯＭに存在する異物Ｐ１及びＰ２が光学性能に与える影響を評価するための光学装置１００の構成を示す概略斜視図である。光学装置１００は、光源１１０と、コリメータレンズ１２０と、光束分岐素子１３０と、受光素子１４０と、ホモジナイザー１５０と、遮光板１６０と、受光センサー１７０とを有する。

光源１１０は、光学材料ＯＭが適用される波長範囲の光束を射出し、例えば、光学材料ＯＭが露光装置の投影光学系を構成するレンズに適用される場合には、その露光波長の光束を射出する。

コリメータレンズ１２０は、光源１１０から射出した光束を平行光束にする。光束分岐素子１３０は、平行光束の一部を反射し、光源１１０の出力変動をモニターする受光素子１４０に導光する。光束分岐素子１３０は、光源１１０から射出される光束の波長範囲の波長に対して透過なガラス基板又は受光素子１４０への反射及び光学材料ＯＭへの透過を交互に繰り返すセクターミラーで構成される。ホモジナイザー１５０は、コリメータレンズ１２０で平行光束に変換された光束の強度分布を平坦にする。

遮光板１６０は、コリメータレンズ１２０で平行光束に変換された光束の光束径φと同じ直径の開口１６２を有する。なお、光束径φは、光学材料ＯＭを検査することで得られた異物の３次元位置（座標情報）から、異物の数及び存在密度に応じて、光源１１０の出力と関連して最適な直径が設定され、通常、２ｍｍ乃至３ｍｍ程度に設定される。

受光センサー１７０は、光源１１０から射出される光束の波長範囲の波長に対して最適な感度を有する。

まず、異物Ｐ１及びＰ２が存在しない位置（ｘ０、ｙ０）に、ホモジナイザー１５０によって強度分布が平坦化された平行光束が照射されるように、光学材料ＯＭをＸ及びＹ方向に駆動し、光学材料ＯＭの位置を調整する。かかる平行光束は、光学材料ＯＭを通過し、遮光板１６０（の開口１６２）を経て受光センサー１７０に到達する。このとき、受光センサー１７０の受光面上の光量分布は、図８の破線ｕで示される分布を形成する。従って、光量分布ｕ及び開口径φの面積から照度Ｅ０を決定する。

続いて、異物Ｐ１及びＰ２が存在する位置（ｘ１、ｙ１）に、ホモジナイザー１５０によって強度分布が平坦化された平行光束が照射されるように、光学材料ＯＭをＸ及びＹ方向に駆動し、光学材料ＯＭの位置を調整する。このとき、受光センサー１７０の受光面上の光量分布は、図８の実線ｖで示される分布を形成する。光量分布ｖは、異物Ｐ１及びＰ２での散乱の影響を受け、異物が存在しない場合に得られる光量分布（光量分布ｕ）より低下している。この場合の照度をＥｐとする。なお、異物が存在しない位置は１箇所だけでなく、複数の位置が考えられるので、照度Ｅ０は、かかる複数の位置で決定される照度の平均値を用いてもよい。

このようにして得られた照度Ｅ０を基準として、異物が存在する複数の位置での照度Ｅｐから（Ｅ０−Ｅｐ）／Ｅ０×１００［％］により、光学材料ＯＭについて、異物Ｐ１及びＰ２が存在する位置と照度との関係を示す２次元マップが作成される。かかるマップから、照度均一度の規格であるδ値［％］を基準としてδ≧（Ｅ０−Ｅｐ）／Ｅ０×１００［％］を算出し、満足していない場合には、この光学材料ＯＭは所望の光学性能を満足しするには不適であると判断する。

光学材料ＯＭに対して照度均一度の規格に基づく光学性能を判断する際において、上述した検査装置及び検査方法によって異物の３次元位置を得ているため、異物が存在する位置だけに対して選択的に光学性能に与える影響を評価することができる。これにより、上述した照度均一度の２次元マップを短時間で作成することができる。

異物の３次元位置（座標情報）を検査（検出）する際には、深さ方向の分解能を異物のサイズと比較して粗くしたが、異物の散乱による光学性能への影響を評価する際には、必ずしも異物が存在する位置をμｍオーダーで正確に把握する必要はない。従って、異物の存在密度が高い箇所、即ち、多くの異物が存在し、個別の異物の相互間隔が深さ方向の分解能に対して非常に小さい場合には、光束径φが２ｍｍ乃至３ｍｍの光束で評価することも可能である。これにより、異物の存在密度が高い範囲の光学性能への影響を一括して評価することができる。

なお、異物の３次元位置（座標情報）を得ているため、例えば、照度均一度が適正と判断される場合でも、かかる光学材料を投影光学系のレンズに用いる際に、各レンズ間で異物の存在する場所を相互に散在させるように配置するとよい。また、光学系内部で光束が収束及び発散する位置と照合して、それに適する光学材料を適宜組み合わせるとよい。これにより、フレアー光の影響を最小限に留めることができる。このように、異物の３次元位置（座標情報）を得ることで、光学材料の異物の存在が光学性能に与える影響を短時間で評価し、特に、フレアー光の影響を低減した光学系を提供することができる。

また、光学材料に異物が存在したとしても、光学性能に与える影響が低く、光学系に適用した際に所望の光学性能を達成することができる光学材料であれば、光学系に使用することができる。従って、検査装置１及び１Ｂと光学装置１００を組み合わせて構成することで、異物が存在したとしても、所望の光学性能を達成することができる光学材料を提供することが可能となる。

以上説明したように、本発明の検査装置及び方法は、従来例と比較して、簡易な構成でありながら、光学材料に存在する異物を高精度に、且つ、短時間で検査（検出）することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の一側面としての検査装置の構成を示す概略斜視図である。 図１に示すレーザー光源部の周波数変調の変調幅及び変調時間の関係を示す図である。 図１に示すフレームメモリーに記録したフレーム信号から画素別に時系列信号を再配列する状態を示す図である。 光学材料に存在する異物の数及び位置に基づく干渉信号と各異物の位置に応じたビート信号を示す図である。 本発明の一側面としての検査装置の構成を示す概略斜視図である。 図１に示す検査装置の変形例である検査装置の構成を示す概略斜視図である。 光学材料に存在する異物が光学性能に与える影響を評価するための光学装置の構成を示す概略斜視図である。 光学材料に異物が存在する場合と光学材料に異物が存在しない場合の光量分布を示す図である。

符号の説明

１ 検査装置
１０ レーザー光源部
１０Ａ レーザー光源部
１２Ａ 第１の半導体レーザー
１４Ａ 第２の半導体レーザー
１６Ａ 偏光ビームスプリッター
２０ コリメータレンズ
３０ 非偏光ビームスプリッター
４０ 参照ミラー
５０ ２次元ＣＣＤ
６０ フレームメモリー
７０ 演算部
１００ 光学装置
１１０ 光源
１２０ コリメータレンズ
１３０ 光束分岐素子
１４０ 受光素子
１５０ ホモジナイザー
１６０ 遮光板
１６２ 開口
１７０ 受光センサー
ＯＭ 光学材料
ＬＢ レンズ母材
Ｐ１及びＰ２ 異物

Claims (10)

1. 光学材料に存在する異物を検出する検査装置であって、
   光束を射出すると共に、前記光束の周波数を変化させる光源部と、
   前記光源部から射出される光束を、参照ミラー面と前記光学材料に導光する導光手段と、
   前記参照ミラー面から反射される光束と、前記光学材料に存在する異物から反射される光束との干渉光束に基づいて、前記光学材料に存在する異物の３次元位置座標を演算する演算手段とを有することを特徴とする検査装置。
2. 前記光源部は、
   第１の直線偏光の光束を射出する第１の光源と、
   前記第１の直線偏光に直交する第２の直線偏光の光束を射出する第２の光源と、
   前記第１の光源から射出される光束と前記第２の光源から射出される光束とを合成する合成手段とを有することを特徴とする請求項１記載の検査装置。
3. 前記参照ミラー面は、前記光学材料の前記光源部からの光束が入射する入射面に形成されることを特徴とする請求項１記載の検査装置。
4. 前記光学材料は、前記光源部からの光束を透過する透過窓を側面の一部に有することを特徴とする請求項１記載の検査装置。
5. 前記光学材料に存在する異物が、前記光学材料が使用される光学系の光学性能に与える影響を評価する光学装置を更に有することを特徴とする請求項１記載の検査装置。
6. 光学材料に存在する異物を検出する検査方法であって、
   前記光学材料及び参照ミラー面に対して、周波数を変化させながら光束を照射するステップと、
   前記参照ミラー面から反射される光束と、前記光学材料に存在する異物から反射される光束との干渉光束を検出するステップと、
   前記検出ステップで検出した前記干渉光束に基づいて、前記光学材料に存在する異物の３次元位置座標を決定するステップとを有することを特徴とする検査方法。
7. 前記決定ステップは、
   前記光学材料の深さ方向に対して第１の分解能で前記異物の深さ方向位置座標を決定する第１の決定ステップと、
   前記第１の決定ステップで決定された前記異物の深さ方向位置座標に基づいて、前記第１の分解能よりも高い第２の分解能で前記異物の深さ方向位置座標を決定する第２の決定ステップとを有することを特徴とする請求項６記載の検査方法。
8. 前記決定ステップは、
   前記干渉光束の強度が一定であるかどうか判断するステップと、
   前記干渉光束の強度が一定の場合に、前記光学材料に存在する異物の３次元位置座標を決定することを中止するステップとを有することを特徴とする請求項６記載の検査方法。
9. 前記決定ステップで決定された前記光学材料に存在する異物が、前記光学材料が使用される光学系の光学性能に与える影響を評価するステップを更に有することを特徴とする請求項６記載の検査方法。
10. 前記評価ステップは、前記決定ステップで決定された前記光学材料の異物が存在する位置に前記光学材料が使用される波長範囲の波長を有する光束を通過させたときの光量と、前記光学材料の異物が存在しない位置に前記光学材料が使用される波長範囲の波長を有する光束を通過させたときの光量とを比較することを特徴とする請求項９記載の検査方法。