JP2012032252A - 欠陥検査装置および欠陥検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来技術によれば、試料に熱ダメージを与えることなく、短時間で高精度に欠陥検出・寸法算出することが困難であった。
【解決手段】
試料の表面におけるある一方向について照明強度分布が実質的に均一な照明光を、前記試料の表面に照射し、前記試料の表面からの散乱光のうち互いに異なる複数の方向に出射する複数の散乱光成分を検出して対応する複数の散乱光検出信号を得、前記複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の存在を判定し、前記処理により欠陥と判定された箇所各々について対応する複数の散乱光検出信号のうち少なくとも一つを処理して欠陥の寸法を判定し、前記欠陥と判定された箇所各々について前記試料表面上における位置及び欠陥寸法を表示する欠陥検査方法を提案する。
【選択図】 図１

Description

本発明は試料表面に存在する微小な欠陥を検査し、欠陥の種類および欠陥寸法を判定して出力する欠陥検査装置および欠陥検査方法に関する。

半導体基板や薄膜基板等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等の表面に存在する欠陥の検査が行われている。欠陥検査の従来技術としては特許文献１（特開平９−３０４２８９号公報）、特許文献２（特開２００６−２０１１７９号公報）、特許文献３（米国特許出願公開第２００６／０２５６３２５号公報）などが知られている。これらは、微小な欠陥を検出するために試料表面上に数十μｍの寸法に照明光を集光して照射し、欠陥からの散乱光を集光・検出し、数十ｎｍから数μｍ以上の寸法の欠陥を検査する技術である。試料（検査対象物）を保持するステージを回転移動および並進移動させることにより、照明スポットが試料表面上をらせん状に走査し、試料全面が検査される。

また、特許文献１および特許文献２では、欠陥からの散乱光の高角度に出射する成分と低角度に出射する成分を検出しその比によって欠陥の種類を分類する技術が述べられている。

また、特許文献２では、欠陥からの散乱光の強度に基づいて検出した欠陥の寸法を算出する技術が述べられている。

また、特許文献３では、試料に与える熱ダメージを低減するため、検査対象面を検査中に照明光のパワー、あるいは照明スポットの走査速度、あるいは照明スポットの寸法を制御することが述べられている。より具体的には、試料に与える熱ダメージは照射する照明パワー密度と照射時間との積によって決まると仮定し、これが一定値を越えないように、走査中の試料上の半径位置に応じて照明光のパワー、あるいは照明スポットの走査速度、あるいは照明スポットの寸法を変化させることが述べられている。

また、一方向に長いガウスビームで試料上の広い範囲を照明し、ＣＣＤなどの複数画素の検出器を用いて照明領域を一括に検出することで、短い時間で試料を検査する技術として、特許文献４（米国特許第６６０８６７６号公報）が知られている。

また、斜入射照明において非球面レンズや回折光学素子を用いて検査対象表面上で複数の照明スポットが並んだ形に照明光を整形する技術として、特許文献５（米国特許第７３８５６８８号公報）が知られている。

特開平９−３０４２８９号公報 特開２００６−２０１１７９号公報 米国特許出願公開第２００６／０２５６３２５号公報 米国特許第６６０８６７６号公報 米国特許第７３８５６８８号公報

半導体等の製造工程で用いられる欠陥検査には、微小な欠陥を検出すること、検出した欠陥の寸法を高精度に計測すること、試料を非破壊で（あるいは試料を変質させること無く）検査すること、同一の試料を検査した場合に常に一定の検査結果（検出欠陥の個数、位置、寸法、欠陥種）が得られること、一定時間内に多数の試料を検査することなどが求められる。

前記特許文献１、特許文献２、特許文献４、および特許文献５に述べられた技術では、特に寸法２０ｎｍ以下の微小な欠陥については、欠陥から発生する散乱光が極微弱となり、試料表面で発生する散乱光によるノイズ、検出器のノイズ、あるいは検出回路のノイズに欠陥信号が埋もれるため検出不可能となる。あるいは、これを避けるために照明パワーをあげた場合、照明光による試料の温度上昇が大きくなり、試料への熱ダメージが発生する。あるいは、これを避けるために試料の走査速度を低下させた場合、一定時間内に検査できる試料の面積あるいは試料の数が減少する。以上より、熱ダメージを避けつつ微小な欠陥を高速に検出することが困難であった。

また、試料の回転速度を一定としてらせん状走査を行う場合、試料の中心において照明スポットの移動速度が最小となるため、試料の中心での熱ダメージが大きくなる。これを回避するためには、試料上の位置によって照射時間が変わらないよう、走査位置における線速度を一定に保ち走査する、あるいはＸＹ走査を行うなどの手段がある。前者は試料の中心部の検査に無限大の回転速度が必要となるため中心部の検査が実質的に不可能である。後者は主走査あるいは副走査の方向切替の際のステージの加減速に時間を要するため、全面検査に長い時間を要するという問題があった。

また、照明スポットにおける照明光強度分布をガウス分布としているため、照明スポットに対する欠陥の相対位置に応じて検出される欠陥の散乱光信号強度が変化し、欠陥検出感度のばらつき、および欠陥寸法算出精度の低下が起きる問題があった。

また、照明スポットにおける照明光強度分布をガウス分布としている場合、検査対象の半導体基板等の端に近い領域を検査する際に、ガウス分布の裾野（サイドローブ）が半導体基板等の端に差し掛かり、大強度の散乱光が発生してノイズとなるため、半導体基板等の端に近い領域を高感度に検査することが困難となる問題があった。

一方、特許文献３に述べられた技術は、試料上の半径位置に比例して照明パワーを変えることにより、前記従来技術と比較して試料中心付近での熱ダメージを低減すること、あるいは試料中心付近での熱ダメージを従来技術と同等に抑えつつ試料外周部での欠陥検出感度を向上すること、を狙うものであった。しかし、熱ダメージが照射パワー密度と照射時間との積に比例すると仮定したため、以下の問題があった。

第一に、熱ダメージの見積りにおいて照明スポットからの熱拡散の影響を考慮していないため、特に照射時間の長い試料中心部における熱ダメージが現実より過大に見積られる。このため、試料中心部において必要以上に照明パワーを低下させることになり、欠陥検出感度が低下した。

第二に、試料全面において熱ダメージを生じさせないためには、熱ダメージが最大となる試料中心部においてダメージが生じないことを基準として投入する照明パワーを規定する必要がある。しかし、回転走査では試料中心部において走査速度（線速度）が０であるため、計算上の照射時間が無限大に発散し、前記仮定では熱ダメージを定量的に見積ることができず、照明パワーを規定することが出来なかった。逆に、中心部で熱ダメージが起きないことを保証するためには、照明パワーを０にする必要があり、中心部の検査が不可能であった。

また、特許文献３にあるように、試料上の半径位置によって照明パワーを変える場合、試料上の位置によって同一寸法の欠陥でも散乱光信号の波高値が変化するため、試料上の外周部にある欠陥は信号が飽和する、中心部にある欠陥は波高値が低くて検出できないなどにより、欠陥検出感度ばらつき、欠陥寸法算出精度低下などが起こる問題があった。

また、特許文献３にあるように、試料上の半径位置によって検査中に動的に照明スポット形状を変える場合、得られる照明スポット形状は上流の照明光学系の光学素子の個体差、あるいは制御の精度などに依存するため、正確に照明スポット形状を制御すること、あるいは複数の装置間で同等の照明スポット形状制御を行うことが困難であった。

また、特許文献４にあるように、斜入射照明において、検査対象表面に平行に置いたレンズ群を用いて検査対象表面に一方向に長い線状の照明強度分布を作る方法は、照明の入射角が６５度より大きい場合、軸外収差の抑制が困難なため所望の照明強度分布、特に短軸方向の幅５μｍ以下の細い線状照明スポットを作ることが困難であり、高い検査感度が得られない問題があった。

また、特許文献５にあるように、複数の照明スポットを並べて走査する技術を高速検査に適したらせん状走査に適用した場合、試料上の半径位置によって、走査軌跡の曲率の違いにより、照明スポット間の走査軌跡の重なりや逆転が起こる。結果として検査の効率（単位時間当たりに検査される面積）が低下する問題があった。

また、特許文献５にあるように、非球面レンズや回折光学素子を用いて照明スポット形状を整形する場合、非球面レンズや回折光学素子の入射される光のわずかな位置ずれ、角度ずれ、強度分布の乱れ、波面の乱れにより、それらから出力される照明スポット形状がばらつくため、安定した検査結果を得ることが困難であった。

上記課題を解決するために本願で開示される発明の概要を例示すると以下の通りである。
（１）光源から出射した光を所定の照射条件を有する照明光に調整する照明光調整手段と、該照明光が照射する試料の表面の照明領域のうちの所定の検出対象領域の照明強度が該試料の表面における該照明光の中心位置での照明強度の５０％以上であり、かつ、該所定の検出対象領域以外の照明領域における照明強度が該試料の表面における該照明光の中心位置での照明強度の０．１％以下であるように照明強度を制御する照明強度分布制御手段と、を有する照射手段と、前記照射手段における該照明領域の長手方向に対して直交する方向に該試料を走査する走査手段と、前記照射手段により照射された照明光により該試料の表面から発生する散乱光を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された該試料の表面からの散乱光に基づく検出信号を処理して、該試料の表面の欠陥の有無を判定する欠陥有無判定手段と、前記欠陥有無判定手段により欠陥があると判定された場合に該欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定手段と、を有する判定手段と、を備えた欠陥検査装置である。

本発明によれば、試料全面を短時間で走査し、試料に熱ダメージを低減しつつ微小な欠陥を検出すること、検出欠陥の寸法を高精度に算出すること、および安定した検査結果を出力することができる。

本発明に係る欠陥検査装置の一実施形態を示す全体概略構成図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状の一例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部により実現される照明強度分布形状の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の一例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部における照明光の状態を計測および調整する手段の一例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部における照明光の状態を計測および調整する手段の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の一例を示す図である。 光路分岐と光路合成による単一パルスあたりのエネルギー低減結果を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の変形例を示す図である。 本発明に係る試料表面上の照明分布形状と走査方向を示す図である。 走査による照明スポットの軌跡を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の検出部の配置および検出方向を側面から見た図である。 本発明に係る欠陥検査装置の低角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図である。 本発明に係る欠陥検査装置の高角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図である。 本発明に係る欠陥検査装置の検出部の構成の一例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の検出部の構成の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置のアナログ処理部の構成を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置のデジタル処理部の構成を示す図である。 照明スポットの長さと試料表面温度上昇との関係を示す図である。 照明スポットの長さと許容照明パワーとの関係を示す図である。 照明照射時間と試料表面温度上昇との関係を示す図である。 照明照射時間と許容照明パワーとの関係を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明部での照明状態の調整手順を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の第八例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の変形例の照明強度分布制御部による照明強度分布中間像及び試料表面での照明強度分布を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部が備える光学素子の変形例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部の一例を示す図である。 本発明に係る欠陥検査装置の照明強度分布制御部の変形例を示す図である。 位置と透過率の関係図および位置と照明密度パワーの関係図である。 位置と透過率の関係図および位置と照明密度パワーの関係図である。 欠陥に対する照明スポットの走査軌跡を模式的に示す図である。

本発明の実施形態の概略構成例を図１で説明する。照明部１０１、検出部１０２、試料Ｗを載置可能なステージ１０３、信号処理部１０５、制御部５３、表示部５４、入力部５５を適宜備える。照明部１０１はレーザ光源２、アッテネータ３、出射光調整部４、ビームエキスパンダ５、偏光制御部６、照明強度分布制御部７を適宜備える。レーザ光源２から射出されたレーザ光ビームは、アッテネータ３で所望のビーム強度に調整され、出射光調整部４で所望のビーム位置、ビーム進行方向に調整され、ビームエキスパンダ５で所望のビーム径に調整され、偏光制御部６で所望の偏光状態に調整され、照明強度分布制御部７で所望の強度分布に調整され、試料Ｗの検査対象領域に照明される。

照明部１０１の光路中に配置された出射光調整部４の反射ミラーの位置と角度により試料表面に対する照明光の入射角が決められる。照明光の入射角は微小な欠陥の検出に適した角度に設定される。照明入射角が大きいほど、すなわち照明仰角（試料表面と照明光軸との成す角）が小さいほど、試料表面上の微小異物からの散乱光に対してノイズとなる試料表面の微小凹凸からの散乱光（ヘイズと呼ばれる）が弱まるため、微小な欠陥の検出に適する。このため、試料表面の微小凹凸からの散乱光が微小欠陥検出の妨げとなる場合には、照明光の入射角は好ましくは７５度以上（仰角１５度以下）に設定するのがよい。一方、斜入射照明において照明入射角が小さいほど微小異物からの散乱光の絶対量が大きくなるため、欠陥からの散乱光量の不足が微小欠陥検出の妨げとなる場合には、照明光の入射角は好ましくは６０度以上７５度以下（仰角１５度以上３０度以下）に設定するのがよい。また、斜入射照明を行う場合、照明部１０１の偏光制御部６における偏光制御により、照明の偏光をＰ偏光とすることで、その他の偏光と比べて試料表面上の欠陥からの散乱光が増加する。

また、必要に応じて、図１に示すように、照明部１０１の光路中にミラー２１を挿入し、適宜他のミラーを配置することにより、照明光路が変更され、試料面に対して実質的に垂直な方向から照明光が照射される（垂直照明）。このとき、試料面上の照明強度分布は照明強度分布制御部７ｖにより、斜入射照明と同様に制御される。ミラー２１と同じ位置にビームスプリッタを挿入することで、斜入射照明と試料面の凹み状の欠陥（研磨キズや結晶材料における結晶欠陥）からの散乱光を得るには、試料表面に実質的に垂直に入射する垂直照明が適する。なお、図１に示す照明強度分布モニタ２４については後に詳説する。

レーザ光源２としては、試料表面近傍の微小な欠陥を検出するには、試料内部に浸透しづらい波長として、短波長（波長３５５ｎｍ以下）の紫外または真空紫外のレーザビームを発振し、かつ出力２Ｗ以上の高出力のものが用いられる。出射ビーム径は１ｍｍ程度である。試料内部の欠陥を検出するには、試料内部に浸透しやすい波長として、可視あるいは赤外のレーザビームを発振するものが用いられる。

アッテネータ３は、第一の偏光板と、照明光の光軸周りに回転可能な１／２波長板と、第二の偏光板を適宜備える。アッテネータ３に入射した光は、第一の偏光板により直線偏光に変換され、１／２波長板の遅相軸方位角に応じて偏光方向が任意の方向に回転され、第二の偏光板を通過する。１／２波長板の方位角を制御することで、光強度が任意の比率で減光される。アッテネータ３に入射する光の直線偏光度が十分高い場合は第一の偏光板は必ずしも必要ない。アッテネータ３は入力信号と減光率との関係が事前に較正されたものを用いる。アッテネータ３として、グラデーション濃度分布を持つＮＤフィルタを用いることも可能である。

出射光調整部４は複数枚の反射ミラーを備える。ここでは二枚の反射ミラーで構成した場合の実施例を説明するが、これに限られるものではなく、三枚以上の反射ミラーを適宜用いても構わない。ここで、三次元の直交座標系（ＸＹＺ座標）を仮に定義し、反射ミラーへの入射光が＋Ｘ方向に進行しているものと仮定する。第一の反射ミラーは入射光を＋Ｙ方向に偏向するよう設置され（ＸＹ面内での入射・反射）、第二の反射ミラーは第一の反射ミラーで反射した光を＋Ｚ方向に偏向するよう設置される（ＹＺ面内での入射・反射）。各々の反射ミラーは平行移動とあおり角調整により、出射調整部４から出射する光の位置、進行方向（角度）が調整される。前記のように、第一の反射ミラーの入射・反射面（ＸＹ面）と第二の反射ミラー入射・反射面（ＹＺ面）が直交するような配置とすることで、出射調整部４から出射する光（＋Ｚ方向に進行）のＸＺ面内の位置、角度調整と、ＹＺ面内の位置、角度調整とを独立に行うことができる。

ビームエキスパンダ５は二群以上のレンズ群を有し、入射する平行光束の直径を拡大する機能を持つ。例えば、凹レンズと凸レンズの組合せを備えるガリレオ型のビームエキスパンダが用いられる。ビームエキスパンダ５は二軸以上の並進ステージに設置され、所定のビーム位置と中心が一致するように位置調整が可能である。また、ビームエキスパンダ５の光軸と所定のビーム光軸が一致するようにビームエキスパンダ５全体のあおり角調整機能が備えられる。レンズの間隔を調整することにより、光束直径の拡大率を制御することが可能である（ズーム機構）。ビームエキスパンダ５に入射する光が平行でない場合には、レンズの間隔の調整により、光束の直径の拡大とコリメート（光束の準平行光化）が同時に行われる。光束のコリメートはビームエキスパンダ５の上流にビームエキスパンダ５と独立にコリメートレンズを設置して行ってもよい。ビームエキスパンダ５によるビーム径の拡大倍率は５倍から１０倍程度であり、光源から出射したビーム径１ｍｍのビームが５ｍｍから１０ｍｍ程度に拡大される。

偏光制御部６は、１／２波長板、１／４波長板によって構成され、照明光の偏光状態を任意の偏光状態に制御する。照明部１０１の光路の途中において、ビームモニタ２２、２３によって、ビームエキスパンダ５に入射する光、および照明強度分布制御部７に入射する光の状態が計測される。

図２乃至図６に、照明部１０１より試料面に導かれる照明光軸１２０と照明強度分布形状との位置関係の模式図を示す。なお、図２乃至図６における照明部１０１の構成は照明部１０１の構成の一部を示したものであり、出射光調整部４、ミラー２１、ビームモニタ２２、２３等は省略されている。図２に、斜入射照明の入射面（照明光軸と試料表面法線とを含む面）の断面の模式図を示す。斜入射照明は入射面内にて試料表面に対して傾斜している。照明部１０１により入射面内において実質的に均一の照明強度分布が作られる。照明強度が均一である部分の長さは、単位時間当たりに広い面積を検査するため、１００μｍから１ｍｍ程度である。図３に、試料表面法線を含みかつ斜入射照明の入射面に垂直な面の断面の模式図を示す。この面内で、試料面上の照明強度分布は中心に対して周辺の強度が弱い照明強度分布を成す。より具体的には、照明強度分布制御部７に入射する光の強度分布を反映したガウス分布、あるいは照明強度分布制御部７の開口形状を反映した第一種第一次のベッセル関数あるいはｓｉｎｃ関数に類似した強度分布となる。この面内での照明強度分布の長さ（最大照明強度の１３．５％以上の照明強度を持つ領域の長さ）は、試料表面から発生するヘイズを低減するため、前記入射面内における照明強度が均一である部分の長さより短く、５μｍから２０μｍ程度である。照明強度分布制御部７は、後述する非球面レンズ、回折光学素子、シリンドリカルレンズアレイ、ライトパイプなどの光学素子を備える。照明強度分布制御部７を構成する光学素子は図２、図３に示されるように、照明光軸に垂直に設置される。

照明強度分布制御部７は入射する光の位相分布および強度分布に作用する光学素子を備える。照明強度分布制御部７を構成する光学素子として、回折光学素子７１（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）が用いられる（図７）。回折光学素子７１は、入射光を透過する材質からなる基板の表面に、光の波長と同等以下の寸法の微細な起伏形状を形成したものである。入射光を透過する材質として、紫外光用には溶融石英が用いられる。回折光学素子７１を通過することによる光の減衰を抑えるため、反射防止膜によるコーティングが施されたものを用いるとよい。前記の微細な起伏形状の形成にはリソグラフィ法が用いられる。前記ビームエキスパンダ５を通過後に準平行光となった光を、回折光学素子７１を通過させることにより、回折光学素子７１の起伏形状に応じた試料面上照明強度分布が形成される。回折光学素子７１の起伏形状は、試料表面上で形成される照明強度分布が前記入射面内に長く均一な分布となるよう、フーリエ光学理論を用いた計算に基づいて求められた形状に設計され、製作される。照明強度分布制御部７に備えられる光学素子は、入射光の光軸との相対位置、角度が調整可能となるよう、二軸以上の並進調整機構、および二軸以上の回転調整機構が備えられる。さらに、光軸方向の移動によるフォーカス調整機構が設けられる。

照明部１０１における照明光状態計測手段について図１４を用いて説明する。ビームモニタ２２は、出射光調整部４を通過した照明光の位置および角度（進行方向）を計測して出力する。ビームモニタ２３は、照明強度分布制御部７に入射する照明光の位置および波面を計測して出力する。

ビームモニタ２２における照明光の位置計測は、照明光の光強度の重心位置を計測することによって行われる。具体的な位置計測手段としては、光位置センサ（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、あるいはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサが用いられる。ビームモニタ２２における照明光の角度計測は前記位置計測手段より光源から遠く離れた位置に設置された光位置センサあるいはイメージセンサによって行われる。ビームモニタ２２において計測された照明光位置、照明光角度は制御部５３に入力され、表示部５４に表示される。照明光位置あるいは角度が所定の位置あるいは角度からずれていた場合は、前記出射光調整部４において所定の位置に戻るよう調整される。

ビームモニタ２３における照明光の位置計測は、ビームモニタ２２における位置計測手段と同様の手段によって行われる。ただし、ビームモニタ２３の計測対象位置において、ビーム径が数ｍｍ以上に拡大されているため、必要に応じて計測対象位置を光位置センサ等の位置計測手段の検出器受光面に縮小投影して位置計測を行う。ビームモニタ２３における照明光の波面計測は、照明強度制御部７に入射する光の平行度を測定するために行われる。照明光がシアリング干渉計による計測、あるいはシャックハルトマン波面センサによる計測が行われる。シアリング干渉計は、両面を平坦に研磨した厚さ数ｍｍ程度の光学ガラスを照明光路中に斜めに傾斜させて挿入し、表面による反射光と裏面による反射光とをスクリーンに投影した際に観測される干渉縞の模様によって、照明光の発散・収束状態を計測するものであり、シグマ光機社製ＳＰＵＶ−２５などがある。スクリーン位置にＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサを設置すれば照明光の発散・収束状態の自動計測が可能である。シャックハルトマン波面センサは、細かなレンズアレイによって波面を分割してＣＣＤセンサなどのイメージセンサに投影し、投影位置の変位から個々の波面の傾斜を計測するものである。シアリング干渉計と比較して、部分的な波面の乱れなど詳細な波面計測を行うことができる。波面計測により照明強度制御部７に入射する光が準平行光でなく、発散あるいは収束していることが判明した場合、前段のビームエキスパンダ５のレンズ群を光軸方向に変位させることで、準平行光に近づけることができる。また、波面計測により照明強度制御部７に入射する光の波面が部分的に傾斜していることが判明した場合、図１５のようにＳＬＭの一種である空間光位相変調素子２６を照明強度制御部７の前段に挿入し、波面が平坦になるよう光束断面の位置ごとに適当な位相差を与えることで、波面を平坦に近づける、すなわち照明光を準平行光に近づけることができる。以上の波面精度計測・調整手段により、照明強度分布制御部７に入射する光の波面精度（所定の波面（設計値）からのずれ）がλ／１０ｒｍｓ以下に抑えられる。

照明強度分布制御部７において調整された試料面上の照明強度分布は、照明強度分布モニタ２４によって計測される。なお、図１で示したように、垂直照明を用いる場合でも、同様に、照明強度分布制御部７ｖにおいて調整された試料面上の照明強度分布が照明強度分布モニタ２４によって計測される。照明強度分布モニタ２４は試料面をレンズを介してＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサ上に結像して画像として検出するものである。照明強度分布モニタ２４で検出された照明強度分布の画像は制御部５３において処理され、強度の重心位置、最大強度、最大強度位置、照明強度分布の幅、長さ（所定の強度以上あるいは最大強度値に対して所定の比率以上となる照明強度分布領域の幅、長さ）などが算出され、表示部５４において照明強度分布の輪郭形状、断面波形などと共に表示される。

斜入射照明を行う場合、試料面の高さ変位によって、照明強度分布の位置の変位およびデフォーカスによる照明強度分布の乱れが起こる。これを抑制するため、試料面の高さを計測し、高さがずれた場合は照明強度分布制御部７、あるいはステージ１０３のＺ軸による高さ調整によりずれを補正する。試料面の高さ計測は、光線射出部３１と、光線射出部３１から射出し試料面で拡散反射した光線を受光する受光部３２からなる。光線射出部３１は半導体レーザなどの光源と投光レンズを備える。受光部３２は受光レンズと光位置センサを備える。半導体シリコン表面や磁気ディスク基板表面など光沢の強い試料面の計測を行うため、光線射出部３１から射出し試料面で正反射した光を受光部３２で検出するよう、光線射出部３１と受光部３２が配置される。試料面の高さ変位は、三角測量の原理により、受光部３２の光位置センサにて検出される光スポットの位置ずれとして検出される。

試料面の高さ変位による、照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれの補正は、照明強度分布制御部７の下流に設置され照明光を試料面に向ける偏向手段３３の偏向角度調整により行われる。偏向手段３３は、照明光を偏向する反射ミラーおよび反射ミラーの照明光軸に対するあおり角を制御するピエゾ素子を備え、あおり角を±１ｍｒａｄ程度の範囲で４００Ｈｚ以上の周波数で制御するものである。高さ変位計測値と照明光入射角から照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれ量が求められ、このずれを補正するよう、偏向手段３３において制御部５３から出力された制御信号をうけ反射ミラーが制御される。なお、照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれは、照明強度分布モニタ２４を用いて照明強度分布の重心位置等を直接計測することによっても可能である。試料面の高さ変位による、照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれを上記偏向手段３３により補正した場合、照明強度分布制御部７と試料表面との光路長が補正前とずれるため、ずれ量によっては照明スポットのデフォーカスが起こる。光路長の変化量は高さ変位計測値と高さ変位計測値と照明光入射角から求められ、これに基づいて、照明強度分布制御部７に備えられる光学素子の光軸方向の位置調整あるいはビームエキスパンダ５の発散角調整などによりデフォーカスが低減される。

照明部１０１の各構成要素において、照明状態の調整をどの時間間隔、タイミングで行うかを図３２を用いて説明する。光源据付時の照明状態計測・調整７０１は、照明部１０１の光路の上流から、アッテネータ３、出射光調整部４、ビームエキスパンダ５、偏向制御部６、照明強度分布制御部７、偏向手段３３の調整を段階的に行い、照明光が設計された所定の光路を所定の光量、ビーム径、発散角、波面精度、偏光状態で照明強度分布７の制御部を通過するよう調整される。光源据付時の照明状態計測・調整７０１とは、長時間の稼動による光源２の出力低下など光源の寿命に関わる状態変化に対応するため、光源２を同等の機能、性能の新品に置き換える時も含む。

また、光源２として用いられる高出力レーザ光源は、光源内部の非線形光学結晶に対する光照射位置が長時間の使用により劣化するため、一定期間ごとに非線形光学結晶に対する光照射位置をずらす（光路に対する結晶の位置をシフトする）ことが、光源の長寿命化のために行われる。これを行う前後でレーザ光源から出射する光の光路が再現せず、光の通過位置あるいは進行方向がずれる場合がある。このずれを計測・補正して照明を元の状態に戻すため、光源メンテナンス時の照明状態計測・調整７０２が行われる。光源メンテナンス時の照明状態計測・調整７０２は、照明部１０１の最も上流の光源２において出射する光の位置、出射方向、発散角、偏光状態の全てが変動しうるため、照明状態計測手段であるビームモニタ２２、２３、照明強度分布モニタ２４の全てにおいて状態を計測し、必要に応じてアッテネータ３、出射光調整部４、ビームエキスパンダ５、偏向制御部６、照明強度分布制御部７、偏向手段３３のいずれかを調整する。光源メンテナンス時の照明状態計測・調整７０２は、前記光源内部の非線形光学結晶に対し光照射位置をシフトした後、あるいは光源のメンテナンスのため光源内部の光学素子のクリーニングを行った後、あるいは光源として高出力ランプ光源やランプ励起レーザ光源を用いる場合はランプの交換の後などのタイミングで行われる。時間間隔としては、数ヶ月あるいは数百時間ごとに行われる。

時間の経過による光源２の出力変化、照明部１０１を構成する光学素子設置位置あるいは設置角度のドリフトによる変化などによる照明状態の変化を抑制するため、月次、週次、あるいは日次で定期的な照明状態の計測・調整７０３が行われる。照明状態計測手段であるビームモニタ２２、２３、照明強度分布モニタ２４の全てにおいて状態を計測し、必要に応じてアッテネータ３、出射光調整部４、ビームエキスパンダ５、偏向制御部６、照明強度分布制御部７、偏向手段３３のうちいずれかを調整する。

検査前の照明状態計測・調整７０４は、前記定期的な照明状態の計測・調整７０３で調整された後、照明部１０１の環境変化（気圧、温度変化等）や、ドリフトによる光学素子の位置ずれ角度ずれを補正するために行われる。検査前の照明状態計測・調整７０４は、前記定期的な照明状態の計測・調整７０３より頻度が多く、長時間を要すると検査の時間効率が落ち、検査装置の実質稼働時間が減るため、短時間で実施可能な照明状態計測・調整が行われる。具体的には、照明部１０１による最終的な出力である試料面上の照明強度分布の計測が照明強度分布モニタ２４によって行われ、ステージ１０３による試料面高さの調整、偏向部３３による照明光照射位置の調整あるいは照明強度分布制御部７に備えられた光学素子の位置調整が行われる。

検査中の照明状態計測・調整７０５は、試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を照明部１０１あるいはステージ１０３において光学的、メカ的な手段により抑制する、あるいは後段の検出部１０２、信号処理部１０５においてその影響を補正するために行われる。試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を光学的、メカ的な手段による抑制は、前述の照明強度分布モニタ２４の説明で述べたとおり、照明強度分布モニタ２４あるいは前記試料面高さ計測手段による計測値に基づき、偏向部３３、照度分布制御部７、空間光位相変調素子２６、あるいはステージ１０３の調整、により、照明強度分布の重心位置変位あるいは照明強度分布のデフォーカス等による形状変化を補正するものである。この補正が試料面の検査中にリアルタイムに行われる。試料面の高さ変動による照明強度分布の変化が検査結果に与える影響とは、照明強度分布が完全に平坦にならない場合、欠陥が通過する位置によって照明強度が異なることで散乱光量がばらつき、後述の信号処理部１０５において散乱光量から算出される欠陥寸法、あるいは欠陥の検出感度がばらつくことを指す。検査中の走査位置ごとに照明強度分布２４で計測される信号強度分布の計測値を記録し、これを用いて信号処理部１０５で欠陥検出に用いられるしきい値あるいは欠陥信号の振幅を補正すること、あるいは欠陥寸法算出に用いられる欠陥信号値を補正することで、上記ばらつきが抑制される。

検査中の照明状態計測・調整７０５は、試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を照明部１０１あるいはステージ１０３において光学的、メカ的な手段により抑制する、後段の検出部１０２、信号処理部１０５においてその影響を補正するために行われる。試料面の高さ変動による照明強度分布の変化を照明部１０１における抑制は、前述の照明強度分布モニタ２４の説明で述べたとおり、照明強度分布モニタ２４あるいは前記試料面高さ計測手段による計測値に基づき、偏向部３３、照度分布制御部７、空間光位相変調素子２６、あるいはステージ１０３の調整、により、照明強度分布の重心位置変位あるいは照明強度分布のデフォーカス等による形状変化が補正される。この補正が試料面の検査中にリアルタイムに行われる。

光源２として、高出力が得やすいパルスレーザを用いる場合は、試料に与えられる照明のエネルギーがパルスの入射する瞬間に集中するため、パルスの入射による瞬間的な温度上昇に起因して試料に熱ダメージが生じる場合がある。これを回避するためには、パルスレーザの光路を分岐し、分岐した光路間に光路差を付けた後で光路を合成することで、図１７に示すように総エネルギーを保ちつつ一パルスあたりのエネルギーを減少させることが有効である。

図１６に上記を実施するための光学系の一例を示す。ビームエキスパンダ５を通過した後の照明光が、偏光ビームスプリッタ１５１により、偏光ビームスプリッタ１５１にて反射した第一の光路と偏光ビームスプリッタ１５１を透過した第二の光路とに分岐される。第一の光路はレトロリフレクタ１５２により反射して戻り、偏光ビームスプリッタ１５３で反射され、第二の光路と合成される。レトロリフレクタ１５２は互いに直交する二枚以上の反射ミラーを備え、入力光を１８０度反対の方向に折り返すものである。偏光ビームスプリッタ１５１にて反射する光強度と透過する光強度を等しくするため、波長板１５０により、照明光の偏光が円偏光あるいは斜め４５度の直線偏光などに調整される。第一の光路と第二の光路との間の光路差をＬとすると、第一の光路を通過した光のパルスと第二の光路を通過した光のパルスの時間間隔Δｔｐ＝Ｌ／ｃとなる。Δｔｐを、単一のパルスが入射した際の温度上昇が緩和するのに要する時間と同等以上にすることで、単一パルスによる試料の瞬間的な温度上昇および複数パルスによる熱の蓄積による温度上昇が抑制される。

上記光路合成において、合成の精度が低く、合成後の二つの光路の位置あるいは進行方向にずれがある場合、照明強度分布制御部７に入力される照明光が理想的な状態（本実施例では準平行なガウスビーム）からずれるため、最終的に試料表面上に形成される照明強度分布の状態が所望の状態からずれるという問題が起きる。前記パルスの時間間隔Δｔｐを確保するため二光路間の光路差を長くするほどこの問題が起こりやすくなる。二光路の光束間の位置ずれは、光束のビーム径が小さいほど、その影響（合成後の強度分布のガウスビームからのずれ）が大きくなるため、本実施例ではビームエキスパンダ５の後段において光路分割と合成を行うことにより、ビーム径拡大後に光路を分岐、合成することで、光路位置ずれの影響を低減している。また、第一の光路の折り返しは互いに独立した二枚のミラーを用いても可能であるが、その場合、二枚のミラー間の相対的な角度のずれが生じた場合に合成する二光束間の角度ずれが生じるため、そのような問題の起きないレトロリフレクタ１５２を用いる構成とした。また、図１６に示す光学系を含む照明部１０１はアルミニウムなどでできた光学定盤上に設置されるが、温度変化等の環境変化による光学定盤の歪みなどの原因で、レトロリフレクタ１５２に入力される光束に対し、レトロリフレクタ１５２の位置が図１６のＸ方向に変位した場合、レトロリフレクタ１５２にて反射して偏光ビームスプリッタ１５３に戻ってくる光束の位置がＸ方向に変位して位置ずれが起こる問題がある。そこで、偏光ビームスプリッタ１５１、１５３、およびレトロリフレクタ１５２を照明部１０１を支持する光学定盤上に載置した定盤１５４上に設置することで、照明部１０１を支持する光学定盤全体の配置や形状に起因する歪み等の影響を受けることなく相対的な位置関係を保つことができる。さらに定盤１５４としてガラスセラミックスなど低膨張の素材からなるものを用いることも、温度変化による歪みを抑制するために有効である。定盤１５４のみに前記の低膨張の素材を用いることは、照明部１０１を支持する光学定盤全体をそうすることと比較して、安価に実現可能であるという利点がある。

照明部１０１によって試料面上に形成される照度分布形状（照明スポット２０）と試料走査方法について図１９及び図２０を用いて説明する。試料Ｗとして円形の半導体シリコンウェハを想定する。ステージ１０３は、並進ステージ、回転ステージ、試料面高さ調整のためのＺステージ（いずれも図示せず）を備える。照明スポット２０は前述の通り一方向に長い照明強度分布を持ち、その方向をＳ２とし、Ｓ２に実質的に直行する方向をＳ１とする。回転ステージの回転運動によって、回転ステージの回転軸を中心とした円の円周方向Ｓ１に、並進ステージの並進運動によって、並進ステージの並進方向Ｓ２に走査される。走査方向Ｓ１の走査により試料を１回転する間に、走査方向Ｓ２へ照明スポット２０の長手方向の長さ以下の距離だけ走査することにより、照明スポットが試料Ｗ上にてらせん状の軌跡Ｔを描き、試料１の全面が走査される。

ここで、試料に熱ダメージを与えることなく照射できる照明パワーの見積もりについて説明する。「レーザプロセス技術ハンドブック」（朝倉書店、１９９２年）によれば、矩形一様の照明強度分布を半無限大表面に照射したときの、位置（ｘ、ｙ、ｚ）における温度上昇は、

と表される。ここで、εは表面での照明吸収率、Ｐはレーザパワー、κは熱拡散率、Ｋは熱伝導率、ａ、ｂは照明の幅、長さの半分、ｅｒｆは誤差関数を示す。ｘ、ｙ、ｚは矩形照明分布の中心を原点とする座標であり、ｚが半無限体の深さ方向に対応する。熱拡散率κは熱伝導率Ｋ、密度ρ、比熱ｃから、κ＝Ｋ／（ρｃ）の関係により求められる。数１より、矩形照明分布の中心における温度上昇は、

と表される。また、長い時間照射された場合の温度上昇の定常値は、

と表される。

図２０に示したようにらせん状に走査する場合、試料面中心部では、実効的な走査速度が０に近づくため、照明光が長時間照射される。よって、試料面全体の中で中心部の温度上昇が最大となり、その温度上昇値は数３を用いて求められる。

試料Ｗが半導体シリコンウェハの場合を例にとり、試料中心部での温度上昇を求めた結果を図２８及び図２９に示す。結晶シリコンの物性値、反射率を元に、ε＝０．９１２、κ＝０．０００１００［ｍ＾２／ｓ］、Ｋ＝１６８［Ｗ／ｍＫ］とした。照明条件として、Ｐ＝１［Ｗ］、照明スポット短辺幅２ａ＝１０［μｍ］とし、照明スポット長辺の長さを２ｂ＝１０〜１０００［μｍ］の範囲での温度上昇計算値を図２８に示す。ここで、仮に温度上昇許容値Ｔｃを設定し、温度上昇がＴｃを越えない照明パワーＰｃ（許容レーザパワー）を求めた結果を図２９に示す。ここでは、半導体シリコンウェハの異物検査において一般に標準サンプルとして用いられているポリスチレン粒子の材料であるポリスチレンの変形が起こるガラス転移温度１００℃を越えないことを目安に、Ｔｃ＝５０［Ｋ］（室温２５℃とするとシリコン表面温度が７５℃まで上昇する値）と設定した。図２９より、許容照明パワーは照明スポット長さの概略０．８に比例するという関係があると言える。温度上昇値とレーザパワーは比例するため、この関係はＴｃに設定した定数値によらない。

上記許容照明パワーと照明スポット長さとの関係より、ある照明スポット長さＬ１で、照明パワーＰ１が試料中心部においても試料にダメージが生じない照明パワーの上限であることが確認できた場合、別の検査条件、例えば検査速度を二倍にするために照明スポット長さを２×Ｌ１とした条件では、（２＾０．８）×Ｐ１＝１．７４×Ｐ１が照明パワーの上限値と求められる。このように、照明スポット長さと許容照明パワーの関係を用いることにより、試料にダメージを与えることなく最大限の散乱光量を得るための最適な照明条件を容易に算出し、設定することができる。

図３０及び図３１に、数１を用いて求めた照明光照射時間と半導体シリコンウェハの上昇温度との関係を、照明光の照明スポット長さごとに示す。照明スポット短辺の長さは１０μｍと仮定して計算したものである。図３１に、図３０の結果から求めた照射時間に対する許容照明パワーを示す。照射時間は照明スポット短辺長さと照明スポット走査速度とで決まり、回転速度一定でらせん状走査を行った場合は、照明スポット位置の回転中心からの距離に反比例して変化する。図３１に示した計算値を用いることで、任意の照明条件において、半径位置ごとに許容照明パワーの上限を求めることができる。そして、これに基づいて照明スポット走査速度に応じて照明部１０１におけるアッテネータ３を用いて照明パワーを制御することで、試料にダメージを与えることなく最大限の散乱光量を得ることが可能となる。

検出部１０２は、照明スポット２０から発する複数の方向の散乱光を検出するよう、複数配置される。検出部１０２の試料Ｗおよび照明スポット２０に対する配置例について図２１乃至図２３を用いて説明する。図２１に検出部１０２の配置の側面図を示す。試料Ｗの法線に対して、検出部１０２による検出方向（検出開口の中心方向）のなす角を、検出天頂角と定義する。検出部１０２は、検出天頂角が４５度以下の高角検出部１０２ｈと、検出天頂角が４５度以上の低角検出部１０２ｌを適宜用いて構成される。高角検出部１０２ｈ、低角検出部１０２ｌ各々は、各々の検出天頂角において多方位に散乱する散乱光をカバーするよう、複数の検出部からなる。図２２に、低角検出部１０２ｌの配置の平面図を示す。試料Ｗの表面と平行な平面内において、斜入射照明の進行方向と検出方向とのなす角を検出方位角と定義する。低角検出部１０２は、低角前方検出部１０２ｌｆ、低角側方検出部１０２ｌｓ、低角後方検出部１０２ｌｂ、およびそれらと照明入射面に関して対称な位置にある低角前方検出部１０２ｌｆ’、低角側方検出部１０２ｌｓ’、低角後方検出部１０２ｌｂ’を適宜備える。例えば、低角前方検出部１０２ｌｆは検出方位角が０度以上６０度以下、低角側方検出部１０２ｌｓは検出方位角が６０度以上１２０度以下、低角後方検出部１０２ｌｂは検出方位角が１２０度以上１８０度以下に設置される。図２３に、高角検出部１０２ｈの配置の平面図を示す。高角検出部１０２は、高角前方検出部１０２ｈｆ、高角側方検出部１０２ｈｓ、高角後方検出部１０２ｈｂ、および高角側方検出部１０２ｈｓと照明入射面に関して対称な位置にある高角側方検出部１０２ｈｓ’を適宜備える。例えば、高角前方検出部１０２ｈｆは検出方位角が０度以上４５度以下、高角側方検出部１０２ｓは検出方位角が４５度以上１３５度以下、高角後方検出部１０２ｂは検出方位角が１３５度以上１８０度以下に設置される。なお、ここでは高角検出部１０２ｈが４つ、低角検出部１０２ｌが６つある場合を示したがこれに限られず、検出部の数・位置を適宜変更してもよい。

検出部１０２の具体的な構成を図２４及び図２５に示す。検出方位角９０度の低角および高角の側方検出部１０２ｌｓ、１０２ｈｓの構成を図２４に示す。照明スポット２０から発生する散乱光を対物レンズ２０１によって集光し、偏光フィルタ２０２通過させた後、結像レンズ２０３によって複数画素センサ２０４の受光面に導かれ、検出される。散乱光を効率良く検出するため、対物レンズ２０１の検出ＮＡは０．３以上にするのが好ましい。低角度検出部の場合、対物レンズ２０１の下端が試料面Ｗに干渉しないよう、必要に応じて対物レンズの下端を切り欠く。偏光フィルタ２０２は偏光板あるいは偏光ビームスプリッタからなり、任意の方向の直線偏光成分をカットするよう設置される。偏光板として、透過率８０％以上のワイヤグリッド偏光板などが用いられる。楕円偏光を含む任意の偏光成分をカットする場合は、波長板と偏光板からなる偏光フィルタ２０２を設置する。

複数画素センサ２０４は、複数の光検出画素が線状に並んだものである。高感度検出を行うため、量子効率が高く（３０％以上の）、光電変換後の電子を電気的に増幅可能なもの、また、高速化のため、複数がその信号を並列して読み出し可能なもの、また、検出ダイナミックレンジ確保のため、検出感度（電気的な増幅のゲイン）が電気的手段などにより短時間で容易に変更可能であるもの、などが望ましい。これらを満たす光検出器として、マルチアノード光電子増倍管、アバランシェフォトダイオードアレイ、信号の並列読み出しが可能なリニアＥＭＣＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ＣＣＤ）、信号の並列読み出しが可能なリニアＥＢＣＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ ＣＣＤ）、が用いられる。本実施例ではマルチアノード光電子増倍管を用いた構成を説明する。対物レンズ２０１および結像レンズ２０３によって、試料面の像が試料面共役面２０５に結像される。試料面に対して傾斜した結像するため、走査方向Ｓ１に関して、像高の大きい位置にある物体はデフォーカスにより複数画素センサ２０４の受光面に像を結ばずにボケるが、走査方向Ｓ１は照明スポット２０の寸法が短いため、像高の大きい位置にある物体は検出に影響を与えない。

図２５に、低角および高角の前方および後方検出部１０２ｌｆ、１０２ｈｆ、１０２ｌｂ、１０２ｈｂの構成例を示す。照明スポット２０から発生する散乱光を対物レンズ２０１によって集光し、偏光フィルタ２０２通過させた後、結像レンズ２０３によって、試料面と共役な面に設置された回折格子２０６上に試料面の像（中間像）が結像される。回折格子２０６上に形成された試料面の像は、結像系２０７によって複数画素センサ２０４の受光面上に投影され、検出される。複数画素センサ２０４は、一方向に長い照明スポット２０の形状に合せ、画素の配列方向が照明スポット２０の像の長手方向に一致するよう、試料面に共役な面内に設置される。回折格子２０６は、結像レンズ２０３によって導かれ中間像を形成する光を回折格子２０６の表面の法線方向に回折させるため、結像レンズ２０３によって導かれ中間像を形成する光の光軸に沿った入射光のＮ次回折光が回折格子２０６の表面の法線方向に向かうよう、回折格子形状が形成されたものを用いる。回折効率を高めるため、ブレーズ回折格子が用いられる。以上の構成をとり試料面に共役な面に複数画素センサ２０４を設置することで、試料面上のＳ１方向についてもピントのずれを抑えて広い範囲で有効視野を確保することができ、かつ光量ロスを少なく散乱光を検出することができる。

なお、前記図３１に示した計算値に基づいて照明スポット走査速度に応じて照明パワーを制御する場合、同一寸法の欠陥でも散乱光信号の波高値が変化する。照明パワー制御に平行して検出部１０２の複数画素センサ２０４の電子増倍ゲインを決める印加電圧を制御することにより、照明パワー制御に対応して複数画素センサ２０４のダイナミックレンジが動的に合せこまれる。印加電圧の制御は、複数画素センサ２０４の電子増倍ゲインが照明スポット走査速度ごとに与えられる照明パワーに反比例するように行われる。

ここで、照明スポット２０の長さと検出部１０２の光学倍率、複数画素センサ２０４の寸法との関係を説明する。高感度、高速検査を行う場合、照明スポット２０の長さは概略４００μｍに設定される。複数画素センサ２０４として３２画素が１ｍｍピッチで並んだものを設置する場合、検出部の光学倍率は８０倍となり、試料面上に投影される画素のピッチは１２．５μｍとなる。この条件で試料を回転速度２０００ｒｐｍで回転させた場合、直径３００ｍｍの円形試料は１１秒で、直径４５０ｍｍの円形試料は１７秒で全面が走査される。さらに高速に検査を行う場合、照明スポット２０の長さは概略１０００μｍに設定される。複数画素センサ２０４として３２画素が１ｍｍピッチで並んだものを設置する場合、検出部の光学倍率は３２倍となり、試料面上に投影される画素のピッチは３１．３μｍとなる。この条件で試料を回転速度２０００ｒｐｍで回転させた場合、直径３００ｍｍの円形試料は５秒で、直径４５０ｍｍの円形試料は７秒で全面が走査される。

次に、図２６及び図２７を用いて、広い角度範囲をカバーする複数の検出光学系によって同時に検出される様々な方向の散乱光強度検出信号に基づいて様々な欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度に行う信号処理部１０５について説明する。信号処理部１０５は、アナログ処理部５１、デジタル処理部５２を有して構成される。

まず、信号処理部１０５を構成するアナログ処理部５１について図２６を用いて説明する。ここでは簡単のため複数の検出部１０２のうち検出部１０２ａ、１０２ｂ（図示しない）の二系統備えた場合のアナログ処理部５１の構成について説明する。検出部１０２ａ、１０２ｂ各々に備えられた検出器から出力された信号電流５００ａ、５００ｂは、プリアンプ部５０１ａ、５０１ｂにより各々電圧に変換されて増幅される。該増幅されたアナログ信号は、さらにローパスフィルタ５１１ａ、５１１ｂにより高周波数のノイズ成分がカットされ、その後、ローパスフィルタ５１１ａ、５１１ｂのカットオフ周波数より高いサンプリングレートを備えたアナログ−デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）５０２ａ、５０２ｂで、デジタル信号に変換されて出力される。

次に、信号処理部１０５を構成するデジタル処理部５２について図２７を用いて説明する。アナログ処理部５１からの各々の出力信号は、デジタル処理部５２において、ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂの各々により欠陥信号６０３ａ、６０３ｂの各々が抽出され、欠陥判定部６０５に入力される。欠陥は照野２０によりＳ１方向に走査されるため、欠陥信号の波形は照野２０のＳ１方向の照度分布プロファイルを拡大縮小したものとなる。従って、ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂの各々により、欠陥信号波形の含まれる周波数帯域を通し、ノイズが相対的に多く含まれる周波数帯域および直流成分をカットすることで、欠陥信号６０３ａ、６０３ｂのＳ／Ｎが向上する。各ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂとしては、特定のカットオフ周波数を持ちその周波数以上の成分を遮断するよう設計されたハイパスフィルタ、あるいはバンドパスフィルタ、あるいは照明スポット２０の形状が反映された欠陥信号の波形と相似形を成すＦＩＲフィルタを用いる。欠陥判定部６０５は、ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂの各々から出力された欠陥波形を含む信号の入力に対してしきい値処理を行い、欠陥の有無を判定する。即ち、欠陥判定部６０５には、複数の検出光学系からの検出信号にもとづく欠陥信号が入力されるので、欠陥判定部６０５は、複数の欠陥信号の和や加重平均に対してしきい値処理を行うか、または複数の欠陥信号に対してしきい値処理により抽出された欠陥群についてウェハの表面に設定された同一座標系でＯＲやＡＮＤを取ることなどにより、単一の欠陥信号に基づく欠陥検出と比較して高感度の欠陥検査を行うことが可能となる。

更に、欠陥判定部６０５は、欠陥が存在すると判定された箇所について、その欠陥波形と感度情報信号に基づいて算出されるウェハ内の欠陥位置を示す欠陥座標および欠陥寸法の推定値を、欠陥情報として制御部５３に提供して表示部５４などに出力する。欠陥座標は欠陥波形の重心を基準として算出される。欠陥寸法は欠陥波形の積分値あるいは最大値を元に算出される。

さらに、アナログ処理部５１からの各々の出力信号は、デジタル処理部５２を構成するハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂに加えて、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂの各々に入力され、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂの各々において、ウェハ上の照明スポット２０における微小ラフネスからの散乱光量（ヘイズ）に対応する周波数の低い成分および直流成分が出力される。このようにローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂの各々からの出力はヘイズ処理部６０６に入力されてヘイズ情報の処理が行われる。即ち、ヘイズ処理部６０５は、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂの各々から得られる入力信号の大きさからウェハ上の場所ごとのヘイズの大小に対応する信号をヘイズ信号として出力する。また、微小ラフネスの空間周波数分布に応じてラフネスからの散乱光量の角度分布が変わるため、図２１乃至２３に示したように、互いに異なる方位、角度に設置された複数の検出部１０２の各検出器からのヘイズ信号をヘイズ処理部６０６への入力とすることで、ヘイズ処理部６０６からはそれらの強度比などから微小ラフネスの空間周波数分布に関する情報を得ることができる。

ここで、照明強度分布制御部７において用いられる光学素子の変形例を説明する。前記回折光学素子７１と同様の機能を持つ代替の光学素子として、非球面レンズ７２（図８）、シリンドリカルレンズアレイ７４とシリンドリカルレンズ７５との組合せ（図９、図１０）、ライトパイプ７６と結像レンズ７７との組合せ（図１１、図１２）、あるいは空間光変調素子（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）７８（図１３）が用いられる。シリンドリカルレンズアレイ７４は、図９に示すように、試料面に対する照明の入射面内において、入射した平行光束を複数の平行光束に分離して各々を屈曲し、試料面上でそれらの位置をずらしながら重ね合わせる役割を持つ。光源２としてレーザ光源を用いると試料面上で複数の照明光束を重ね合わせた際にスペックルが発生して照明強度分布の均一性が低下する。これを避けるため、階段状の石英ガラスブロックなどによる光路差付与手段７３により複数の照明光束間に光源の可干渉距離以上の光路差をつける。図１０に示すように、試料面に対する照明の入射面内では、入射光束は平行光のままシリンドリカルレンズアレイ７４を透過し、シリンドリカルレンズ７５によって試料面上に集光される。ライトパイプ７６は、円柱状あるいは角柱状の筒であり、内壁が照明光を高反射率で反射する金属等の材質からなり、その内部が中空あるいは照明光を高透過率で透過する材質で満たされたものである。ライトパイプ７６の前段の集光レンズ８０でライトパイプ７６の入り口近くに集光された光は、ライトパイプ７６の内部を通過する間に多数回の反射を繰り返し、ライトパイプ７６の出口において空間的に均一な強度分布となる。結像レンズ７７によってライトパイプ７６の出口と試料表面が共役な関係に結ばれており、ライトパイプ７６の出口における均一な光強度分布と相似な光強度分布が試料面上に形成される。図１１のように結像レンズ７７をライトパイプ７６の出口面および光軸に対して傾斜させることで、試料面Ｗに均一照明強度分布の像を結ぶことができる。あるいは、図１２のように出口面を試料面Ｗと平行になるよう加工したライトパイプ７６’を用いることで、ライトパイプ出口面と試料面との間の光路距離が像高によらず等しくなるため、結像レンズ７７’の設計が容易になる。図１３の空間光変調素子７８は、入射した光束の断面内の微小領域ごとに強度あるいは位相を変調することで、試料面上の照明強度分布を制御するものであり、制御部５３から発した制御信号を受けて、試料面上の照明強度分布を動的に制御することが可能である。空間光変調素子７８として、液晶素子、磁気光学空間光変調素子、デジタルマイクロミラーデバイス（反射型）などが用いられる。空間光変調素子７８単独、あるいは空間光変調素子７８と集光レンズ７９との組合せにより所望の照明強度分布が形成される。

図３３に、回折光学素子等の照明強度分布形成素子８２によって中間像面に所定の照明強度分布を形成し、それを中間像面と共役な関係にある試料表面上に結像系８３を介して転写する、照明強度分布制御部７の変形例の構成を示す。照明強度分布形成素子８２は回折光学素子や非球面レンズからなり、一方向に均一な強度の照明強度分布を形成する。中間像は結像系８３によって試料表面にリレーされて結像される。中間像面、結像系８３のレンズ面および試料表面の関係はシャインプルーフの関係に従う。すなわち空間上の一つの軸上で（図３３では一点で）交わる。結像系８３は軸外光による収差および試料面傾斜による収差を抑えるために複数枚のレンズあるいは非球面レンズにより構成される。

図３３の構成で照明強度分布中間像を中間像面に対して傾斜した試料表面に結像する場合、像高（試料表面上の位置）によって結像倍率が異なるため、図３４（ｂ−２）に示すように、矩形だった中間像が台形状に変形する。この影響を低減するため、図３４（ｂ−３）に示すように、予め中間像面における照明強度分布が図３４（ｂ−２）の台形と逆方向の台形になるよう照明強度分布形成素子８２を設計しておき、これを試料表面に結像することで、試料表面において矩形の照明強度分布を形成することができる。ここでさらに中間像面において像高ごとの結像倍率に比例するような照明強度分布を形成しておくことで、試料表面上での照明強度分布を均一にすることができる。また、以上述べた矩形の中間像が台形に変形する現象は、結像系８３の画角が比較的大きい場合に起こるため、画角が小さくなるような構成にすることで影響を低減することができる（図３４（ｂ−１））。具体的には、結像系８３のワークディスタンスあるいは焦点距離に対する視野の大きさが小さければよく、ワークディスタンスあるいは焦点距離と視野の比が１００：１以下、あるいは画角１０ｍｒａｄ以下であればよい。例えば、照明強度分布の長手方向の長さが１ｍｍの場合は結像系８３のワークディスタンスを１００ｍｍ以上とすればよい。

図３３に類する構成で中間像の変形を避ける別の実施例として、テレセントリック結像系８５を結像系８３として用いる構成を図３５に示す。照明強度分布形成素子８２によって形成された照明強度分布の中間像はテレセントリック結像系８５によって試料表面に結像される。テレセントリック結像系８５は複数枚のレンズと開口絞り８６とを用いて構成される。テレセントリック結像系８５を両側テレセントリックの構成にすることで、像高による倍率の変化が無くなり、試料面における照明強度分布の変形が抑えられる。両側テレセントリックの構成にする場合、図３５に示すようにテレセントリック結像系８５の光軸が中間像面に入射する光線の主光軸に対して傾斜する。そこで、テレセントリック結像系８５の集光ＮＡを中間像面に入射する光線の主光軸を含むよう大きくとるか、あるいは図３５に示すように回折格子８４を中間像面に設置して中間像面通過後の光線を曲げてテレセントリック結像系８５の光軸に合せることで、中間像面に入射する光が試料面に効率よく導かれる。回折格子８４としては反射型あるいは透過型のブレーズ回折格子が適しており、所望の方向への回折効率が５０％以上のものが用いられる。

照明強度分布制御部７の他の変形例として、照度分布制御素子８２と回折格子８７を用いた構成を図３６に示す。照度分布制御素子８２は光軸に対して垂直な面内に所望の照明強度分布を形成する機能を持つ。ここで照度分布制御素子８２の下流（あるいは直前）に回折格子８７を設置することで、波面に対して光軸を屈曲し、光軸に対して傾斜した試料面に所望の照明強度分布が形成される。照度分布制御素子８２としては、回折光学素子あるいは非球面レンズが用いられる。回折格子８７としては反射型あるいは透過型のブレーズ回折格子が適しており、所望の方向への回折効率が５０％以上のものが用いられる。

照明強度分布制御部７の他の変形例として、照度分布制御素子８２と円錐レンズ８８を用いた構成を図３７に示す。円錐レンズ８８は、円錐形状あるいは円錐面の一部を切り出した形状をしたレンズであり、円錐稜線方向の位置によって曲率が異なる性質を持つ。円錐レンズ８８の曲率が変化する方向と光軸の試料面に対する入射面とを一致させることにより、光軸に対して傾斜した試料面上に照明強度分布像が焦点を結ぶようにすることができる。

照明強度分布制御部７の他の変形例として、図４に、照明強度分布制御部７を構成する光学素子を試料面と平行に設置する例を示す。このように設置する光学素子には、光学素子表面の法線に対して大きく傾斜した軸外光に対する集光性能が要求されるが、光学素子表面と試料面との距離が一定となる点では集光が容易になる。図４の構成において、軸外収差を補正するよう設計した非球面レンズ、非球面ミラー、回折光学素子等を用いることで、試料面に対する照明入射角が大きい場合（入射角６５度より大の場合）でも照明スポット幅５μｍ以下の集光性能を確保することが可能である。

照明強度分布制御部７の他の変形例として、サイドローブをカットしたガウス分布照明を作る構成を図３８に示す。ビームエキスパンダ５によって任意のビーム径に拡大された平行光が円柱レンズ３０１により線状に集光される。集光位置の前に回折格子３０２を置くことにより、円柱レンズ３０１による焦点面が光軸に対して傾斜する。ここで、円柱レンズ３０１による焦点面を中間像面３０３とする。光軸が線状に集光された照明光は、中間像面３０３において遮光スリット３０４によって線状長手方向の一部を遮光され、結像光学系３０５によって試料面上に結像される。この構成により、一方向に長い線状ガウス分布のサイドローブをカットした形状の照明強度分布が作られる。

円柱レンズ３０１は図３８のｘ’方向に曲率を持ち、円柱レンズ３０１による線状集光光は長手方向がｙ’方向、幅方向がｘ’方向に対応する。照明スポット幅を５μｍ以下の細い線状に絞るためには、円柱レンズ３０１を複数枚の円柱レンズあるいは球面レンズによって構成するのが望ましい。レーザ光源２の出射ビーム径が１ｍｍの場合、ビームエキスパンダ５を円柱レンズを用いて図３８のｘ’方向に２０倍拡大する構成とし、円柱レンズ３０１としてｘ’方向に曲率を持ちその焦点距離が５０ｍｍのものを用いれば、円柱レンズ３０１の焦点面において長手方向１ｍｍ、幅方向１．６μｍの線状集光光が得られる（ｘ’方向の集光ＮＡは０．２）。

回折格子３０２は、円柱レンズ３０１通過後の照明光が試料面上に対し所定の入射角となるように回折格子ピッチを設計され、設置される。回折格子３０２によって、光軸に対して焦点面が傾斜する。回折格子３０２は特定次数の回折効率を高めるためブレーズ型のものを用いるのが好ましい。回折効率を最大化するには一次回折光を用いるのが適する。回折格子３０２として透過型を用いてもよい。回折格子３０２のブレーズ型凹凸形状は、図３８においてｙ’方向に形成されており、ｘ’方向に関して回折格子３０２は平坦とみなせる。円柱レンズ３０１による集光はｘ’方向であるため、円柱レンズ３０１によって形成される線状集光光の幅方向の集光性能が回折格子３０２の挿入によって劣化することはない。また、回折格子３０２により回折を起こすｙ’方向に関しては平行光が入射し、入射角の角度幅はほぼ０と見なすことができるため、回折格子３０２は特定の入射角の入射光に対する一次回折光の回折効率を最大化するよう設計すればよい。これにより、角度幅を持つ入射光に対して最適設計した場合よりも高い回折効率を得ることができる。

図３８では、回折格子３０２を中間像面３０３の前（レーザ光源２に近い側）に設置する配置を示した。回折格子３０２を中間像面３０３の後に設置してもよい。これらの配置では、回折格子３０２上では線状集光光がデフォーカスして広がることで回折格子３０２上の照明光パワー密度が低くなるため、照明光による回折格子３０２に対するダメージが低減される。円柱レンズ３０１による集光光のＮＡをα、中間像面３０３と回折格子表面との距離をｄとすると、デフォーカスによる回折格子上でのビーム広がりの大きさは概略２αｄとなる。一例として、α＝０．２で回折格子上でのビーム幅を１ｍｍ以上とるには、距離ｄ＞２．５ｍｍとする必要がある。回折格子３０２集光回折格子３０２の表面を中間像面３０３に一致させて設置することも可能であるが、この場合中間像面からずらして設置した場合より照明光パワー密度が高くなる（照射面上と同等程度）ため、回折格子３０２がダメージを受けやすくなり、試料面に高パワーの照明光を入射することが困難になる。回折格子３０２へのダメージを抑制するには、図１６、１７、１８に示した単一パルスのエネルギーを低減する光学系を上流に設置することが有効である。回折格子３０２に窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを吹きつける、回折格子３０２にペルチェ素子を密着させる等の手段で冷却する、回折格子３０２周辺を窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスでパージする、等の手段も回折格子３０２へのダメージを抑制するのに有効である。また、試料面上で作る照明スポットより大きいサイズの照明スポットを回折格子３０２上に作り、結像光学系３０５で回折格子３０２の像を照射面上に縮小して投影する構成にすることも、回折格子３０２へのダメージを低減するのに有効である。

遮光スリット３０４は、円柱レンズ３０１により集光された線状ガウスビームの長手方向の一部を遮光するよう、中間像面３０３上に設置される。ガウスビームの長手方向の直径（１／ｅ＾２直径）をＤとすると、ビーム中心からの距離Ｌにおけるパワー密度ｒ（ビーム中心のパワー密度を１とした場合の相対値）は数４で表される。

ビーム中心に対するパワー密度相対値がｒ（０＜ｒ＜１）の位置でガウスビームのサイドローブをカットしたい場合、数５により求められるビーム中心から距離Ｌの位置で遮光するよう遮光スリット３０４を設置すればよい。

例として、ガウスビームの長手方向の直径（１／ｅ＾２直径）Ｄ＝１ｍｍのとき、ビーム中心から距離Ｌ＝０．２５３ｍｍに遮光スリット３０４を設置することで、ビーム中心に対する相対強度０．６の位置でサイドローブをカットされたガウスビームが得られる。サイドローブをカットした外の位置でのパワー密度はビーム中心に対して非常に小さくなる（中心に対して１／１０００以下）。

図４０に示すように、遮光スリット３０４として透過率が完全透過、完全遮光の二値のものを用いると、透過部と遮光部との間において回折が発生する影響で、照射面上にできる照明パワー密度分布の端にリンギングが発生しやすい。図４１に示すように、遮光スリット３０４として透過部から遮光部へ透過率が連続的に変化するものを用いると、透過部と遮光部との間において回折が抑えられ、照射面上にできる照明パワー密度分布の端付近のリンギングが抑制される。これにより、半導体基板等の検査対象の端付近の検査において、基板端からの散乱光ノイズの影響を低減することができる。

透過率が連続的に変化する領域の透過率を位置の関数ｆ（ｘ）とすると、回折光を抑制するためには、関数ｆ（ｘ）の形状は可能な限り高周波の成分を持たない滑らかな形状が望ましく、ガウス関数、ハニング窓関数、ブラックマン窓関数あるいはそれらの関数に類似した形状が用いられる。透過率が連続的に変化する領域の幅をｄ’とすると、ｄ’が小さい（照明波長程度から照明波長の数倍程度）と透過率の変化が急峻となり回折光が発生しやすい。結像光学系３０５の光学倍率が等倍の場合、試料表面上での照明光強度分布端の広がりｄもｄ’とほぼ等しくなり、検査対象の端から距離ｄ’の領域まで高感度に検査することが可能となる。よって、照明波長をλとすると、検査対象の端の検査不可領域を端からの距離０．５ｍｍ以下に抑えたい場合、透過率が連続的に変化する領域の幅ｄ’の範囲としては１０λ以上０．５ｍｍ以下（λ＝０．４μｍとすると、４μｍ＜ｄ＜５００μｍ）が望ましい。

中間像面３０３上の照明光強度分布は、結像光学系３０５によって試料表面に結像される。結像光学系３０５は円柱レンズ３０１による照明光の集光角、あるいは回折格子３０２通過後の照明光の集光角と同等以上の集光ＮＡを持つ。中間像面３０３、結像光学系３０５のレンズ主面および試料表面の関係はシャインプルーフの関係に従う。結像光学系３０５は収差を抑えるために複数枚の球面レンズあるいは非球面レンズにより構成される。結像光学系３０５を両側テレセントリックの構成にすることで、図３８のｙ方向の位置によらず結像光学系３０５の光学倍率が実質一定となり、ｙ方向の位置によらず試料面上のビームの幅が一定となる。あるいは結像光学系３０５を両側テレセントリックとせずとも、結像光学系３０５の焦点距離を中間像面における照明光の像高に対して長くすることで、画角が小さくなり、ｙ方向の位置に依存する倍率の変化を低減できる。中間像面３０３における照明光の像高（ｙ方向の位置）が０．５ｍｍの場合、結像光学系３０５の対物レンズおよび結像レンズの焦点距離を５０ｍｍ以上とすることで、像高による光学倍率（横倍率）の変化が１％以内に抑えられる。

照明強度分布制御部７の他の変形例として、円錐レンズを用いてサイドローブをカットしたガウス分布照明を作る構成を図３９に示す。図３８に示した円柱レンズ３０１と回折格子３０２の機能を円錐レンズ３１１によって代替する構成である。回折格子を用いないため照明パワーのロスが少ないこと、回折格子へのダメージの問題が回避できることなどが利点である。円錐レンズ３１１は円錐形状あるいは円錐面の一部を切り出した形状をしたレンズであり、円錐稜線方向の位置によって曲率が異なる、すなわち焦点距離が異なる性質を持つ。円錐レンズ３１１の焦点距離が変化する方向を図３９のｙ方向と平行にすることにより、光軸に対して傾斜した中間像面３０３上に線状ガウス分布が焦点を結ぶようにすることができる。円錐レンズ３１１の代わりに、ｙ方向の光線通過位置によって焦点距離が異なる非球面レンズ（自由曲面レンズ）を用いてもよい。

結像光学系３０５の光学倍率を等倍、ｙ方向の照明スポット長さをｌ、円錐レンズ３１１の平均焦点距離をＬ、試料表面への照明入射角をθとすると、円錐レンズ３１１の焦点距離の変化率δは近似的にδ＝ｌ×ｓｉｎθ／Ｌと求められる。ここで、δは円錐レンズ３１１の最大焦点距離と最小焦点距離の差の平均焦点距離に対する比である。δは試料面上の線状ガウスビームのｙ方向の幅の変化率に等しいため、試料面上を均一な感度で検査するにはδが小さいほうが望ましい。ｌ＝１ｍｍ、θ＝７５度のとき、Ｌを４８ｍｍ以上確保することで、δが２％以下に抑えられる。

図３５、３６、３７、３８、３９に示す構成によれば、試料面に対する照明入射角によらず、照明光を集光および結像する光学素子が光軸に対して垂直に保たれるため、照明入射角が大きい場合（入射角６５度より大の場合）でも大きな軸外収差が発生しない。このため、これらの構成において照明光を集光および結像する光学素子は、球面レンズ、球面ミラーおよびそれらの組合せにより安価に構成することが可能である。

図３８、３９に示したように、ガウス分布照明の一部を検査用の照明として用いる場合に、照明スポットに対する欠陥の相対的な位置によらず安定した検出感度を得る方法を図４１を用いて説明する。図４２の左側に、欠陥に対する照明スポットの走査軌跡を模式的に示す。図２０に示したらせん状の走査において、一周当りの半径方向の移動量ΔＲを照明スポット長さの１／Ｎとすることで、一つの欠陥がＮ回照明スポット内を通過し、一つの欠陥の信号がＮ回検出される。図４２ではＮ＝３の例を示す。図４２右側に、周回Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３各々での検出信号強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を模式的に示す。照明パワー密度形状は設計値あるいは照明強度分布モニタ２４による実測値から既知のため、複数の検出信号強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３に基づいて、それに当てはまる照明パワー密度形状を逆算することで、欠陥が仮に照明パワー密度形状の中心を通過した場合の信号値Ｉｍａｘを推定することができる。これにより、照明スポットに対する欠陥通過位置の違いによる検出信号のばらつきによる検査感度のばらつきが低減される。なお、ガウス分布照明の場合、検出信号に当てはまる照明パワー密度形状は最大値とビーム位置の二つのパラメータで表せるため（ビーム径は既知とする）、Ｎ＝２で検出した二つの信号を用いれば原理的には推定可能だが、実際の検出信号にはノイズが含まれるため、Ｎ＝３として三つの検出信号を用いてＩｍａｘを推定した方が推定精度が向上し、検査感度のばらつきが低減する。Ｎを大きくすることで推定精度が向上するが、その分検査速度が低下する。

照明強度分布制御部７の他の変形例として、図５、図６に、試料表面法線を含みかつ斜入射照明の入射面内と垂直な面内において均一な照明強度分布を生成する変形例を示す。図６に示すように、照明光軸に垂直な面内において照明強度分布を均一化するため、図２、図３に示した構成より均一照明強度分布の形成が容易である利点がある。ただし、照明スポットの短径方向と、試料表面高さ変位による照明スポットの位置ずれ方向とが一致するため、検出される欠陥の座標精度が低下する。これを抑えるため、試料表面高さ変位を低減するよう、試料裏面の全面吸着による試料保持あるいは低速走査がステージ部１０３においてなされる。

図１６に示した光路分岐、合成の変形例を図１８を用いて説明する。図１６に示した光路分岐、合成を行った場合、二光路の合成後、互いに干渉しない二方向の偏光成分が重ね合わされることで無偏光状態となり、後段の偏光制御部６において直線偏光を生成する場合に照明エネルギーのロスが起こる。そこで、変形例として、図１８に示すように、透過する光の偏光状態を時間的に切替可能な偏光変調素子１５５を用いることで、全てのパルスの偏光状態を揃え、照明エネルギーのロス無く直線偏光を生成することができる。偏光変調素子１５５として、光弾性変調器（ＰＥＭ：Ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、液晶素子、電気光学変調器、音響光学変調器などが用いられる。

２…光源、３…アッテネータ、４…出射光調整部、５…ビームエキスパンダ、６…偏光制御部、７…照明強度分布制御部、７ｖ…照明強度分布制御部、２２…ビームモニタ、２３…ビームモニタ、２４…照明強度分布モニタ、５３…制御部、５４…表示部、５５…入力部、１０１…照明部、１０２…検出部、１０３…ステージ部、１０５…信号処理部、１２０…照明光軸、２０１…対物レンズ、２０２…偏光フィルタ、２０３…結像レンズ、２０４…複数画素センサ、２０５…試料面共役面

Claims (10)

1. 光源から出射した光を所定の照射条件を有する照明光に調整する照明光調整手段と、該照明光が照射する試料の表面の照明領域のうちの所定の検出対象領域の照明強度が該試料の表面における該照明光の中心位置での照明強度の５０％以上であり、かつ、該所定の検出対象領域以外の照明領域における照明強度が該試料の表面における該照明光の中心位置での照明強度の０．１％以下であるように照明強度を制御する照明強度分布制御手段と、を有する照射手段と、
   前記照射手段における該照明領域の長手方向に対して直交する方向に該試料を走査する走査手段と、
   前記照射手段により照射された照明光により該試料の表面から発生する散乱光を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された該試料の表面からの散乱光に基づく検出信号を処理して、該試料の表面の欠陥の有無を判定する欠陥有無判定手段と、前記欠陥有無判定手段により欠陥があると判定された場合に該欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定手段と、を有する判定手段と、
   を備えた欠陥検査装置。
2. 前記検出手段において、前記照射手段により照射された照明光により該試料の表面から互いに異なる方向に散乱する複数の散乱光を検出し、該複数の散乱光に基づく検出信号を検出することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
3. 前記照明強度分布制御手段において、該照明領域の長手方向について該試料の表面に与えられる照明強度分布が、ガウス分布の中心を含み中心から所望の距離以上離れたガウス分布の裾野の強度分布を低減した分布であることを特徴とする請求項１または２に記載の欠陥検査装置。
4. 前記照明強度分布制御手段は、該照明光の中心位置に対応する中間像の位置において照明強度分布の一部を遮光する遮光手段と、該中間像を該試料の表面に結像する結像手段とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の欠陥検査装置。
5. 前記走査手段において、該試料の走査量を前記照明強度分布制御手段によって得られる該試料の表面の照明強度分布の長さより短くし、照明強度分布上の互いに異なる複数の位置を同一の欠陥が通過するよう走査することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の欠陥検査装置。
6. 光源から出射した光を所定の照射条件を有する照明光に調整する照明光調整工程と、該照明光が照射する試料の表面の照明領域のうちの所定の検出対象領域の照明強度が該試料の表面における該照明光の中心位置での照明強度の５０％以上であり、かつ、該所定の検出対象領域以外の照明領域における照明強度が該試料の表面における該照明光の中心位置での照明強度の０．１％以下であるように照明強度を制御する照明強度分布制御工程と、を有する照射工程と、
   前記照射工程における該照明領域の長手方向に対して直交する方向に該試料を走査する走査工程と、
   前記照射工程により照射された照明光により該試料の表面から発生する散乱光を検出する検出工程と、
   前記検出工程により検出された該試料の表面からの散乱光に基づく検出信号を処理して、該試料の表面の欠陥の有無を判定する欠陥有無判定工程と、前記欠陥有無判定工程により欠陥があると判定された場合に該欠陥の寸法を判定する欠陥寸法判定工程と、を有する判定工程と、
   を備えた欠陥検査方法。
7. 前記検出工程において、前記照射工程により照射された照明光により該試料の表面から互いに異なる方向に散乱する複数の散乱光を検出し、該複数の散乱光に基づく検出信号を検出することを特徴とする請求項６記載の欠陥検査方法。
8. 前記照明強度分布制御工程において、該照明領域の長手方向について該試料の表面に与えられる照明強度分布が、ガウス分布の中心を含み中心から所望の距離以上離れたガウス分布の裾野の強度分布を低減した分布であることを特徴とする請求項６または７に記載の欠陥検査方法。
9. 前記照明強度分布制御工程は、該照明光の中心位置に対応する中間像の位置において照明強度分布の一部を遮光する遮光工程と、該中間像を該試料の表面に結像する結像工程とを有することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の欠陥検査方法。
10. 前記走査工程において、該試料の走査量を前記照明強度分布制御工程によって得られる該試料の表面の照明強度分布の長さより短くし、照明強度分布上の互いに異なる複数の位置を同一の欠陥が通過するよう走査することを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の欠陥検査方法。

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