JP3385994B2

JP3385994B2 - 像検出装置

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Publication number: JP3385994B2
Application number: JP04271499A
Authority: JP
Inventors: 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2003-03-10
Anticipated expiration: 2019-02-22
Also published as: JPH11316191A; US6097483A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面欠陥検出装置等の
像検出装置に関するものであり、特に半導体素子や液晶
表示装置の製造時に用いられるウエハや液晶基板等の基
板表面の検査に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の検査は、検査員が直接的
にウエハや液晶基板を点状の光源にかざして、その表面
の傷、異物、レジスト等の塗布むらあるいは転写パター
ンの異常等の欠陥を検出していた。このような欠陥の中
には、被観察基板に入射する入射光の方向や検査員の視
線の方向によって観察されたり、あるいは観察されなか
ったりするものがある。このため、ウエハや液晶基板を
回転させたり傾けたりして欠陥検査が行われる。特に、
ウエハや液晶基板を検査員が直接的に持つことによって
汗やゴミ等の異物がウエハや液晶基板に付着しないよう
に、回転または傾斜可能に設けられたホルダーにウエハ
や液晶基板を吸着させて、検査員がウエハや液晶基板を
直接的に触れることなく観察可能とする検査装置等が提
案されている。

【０００３】また、ウエハや液晶基板に照射するための
光源の形状を面状あるいは線状にすることにより、欠陥
を良く見えるように改良が施された検査装置も提案され
ているが、あくまでも検査員の目視による官能検査であ
るため、検査員の熟練度や疲労度等により検査の判断基
準が変化してしまうため、ある一定の基準のもとで安定
した検査を行うことは難しかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上の問題を解決する
ために、ウエハや液晶基板等の基板表面の検査を画像処
理によって自動化して検査基準の安定化を図った検査装
置が提案されている。この種の検査装置の概略を説明す
ると、被検物体としてのウエハ等に対して所定の方向か
らほぼ平行な照明光束を照射する。この時、このウエハ
からの正反射光またはウエハの表面に形成されたパター
ンからの回折光、ウエハの表面の異物や傷等からの散乱
光を凹面鏡で集光し、その集光された光を受光光学系と
しての結像レンズを介して結像されたウエハ表面の像を
ＣＣＤ等の撮像素子で光電検出して、その撮像素子は画
像信号を画像処理系へ出力する。そして、画像処理系
は、撮像素子からの画像信号と予め記憶されている正常
なウエハの像に関する情報とを比較することにより、ウ
エハ上に塗布されているレジスト膜などの塗布むら、ウ
エハ上へのマスクパターンの転写時のデフォーカスに起
因する転写パターンの異常、ウエハ表面の傷や異物等の
検出を行っている。

【０００５】ところが、製造ラインの立ち上げ時等で
は、製造プロセスが安定せず正常なパターンが転写され
たウエハを製造することは難しく、ウエハ全面で正常な
パターンを形成することが困難となる。このため、この
様なウエハを画像処理によって欠陥を自動的に検出せざ
るを得ない。画像処理によって欠陥検出を行う場合、欠
陥等の特徴抽出を行うためには、ウエハ等に転写された
パターンを誤検出しないようにするために周期的構造を
異常として検出しないようなアルゴリズムを持たせるこ
とが多い。

【０００６】ここで、前述したように、検出光学系がウ
エハ等の被検物体からの光を集光する凹面鏡とその凹面
鏡からの光を撮像素子へ導く結像レンズ等の受光光学系
とを有する構成とした場合、被検物体が影となるため必
ず被検物体からの光束の中心を通る中心軸（検出光学系
の光軸）と凹面鏡の光軸とは所定の角度をつけて受光光
学系としての結像レンズが被検物体に重ならないような
軸外しの構成をとらなければならない。

【０００７】しかし、この軸外しの構成を採用すると、
この構成に起因して、撮像素子の受光面上に形成される
被検物体の像は歪み、そのまま画像処理を行うと、この
様な歪みにより誤検出をしてしまうという問題がある。
また、検出光学系は、被検物体からの正反射光や回折光
を受光する際には、必ずしも被検物体に垂直な方向（被
検物体の被検面の法線方向）に進む光束だけを捕らえる
とは限らないため、撮像素子上に形成される被検物体の
像は、所謂あおった像となり、これは、あおられた方向
では、圧縮された像となってしまう。このため、あおら
れた像を撮像素子にて光電検出した後、画像処理する
と、あおられた像による誤検出の問題がある。

【０００８】さらに、被検物体からの回折光を検出光学
系が受光した場合、あおりの角度は、被検物体上に形成
されるパターンのピッチによって変化するため、あおり
の像の圧縮率は一定でないという問題もある。そこで、
本発明では、上記の問題を解決して、検出光学系の光軸
に対する被検面の傾きや軸外しの構成によって生ずる前
記被検物体の像の歪みの影響を除去し、高精度な被検物
体の像の検出が達成できる像検出装置を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に係る発明では、例えば図１乃至図３に
示す如く、被検物体３に対して光を照射する光照射系１
０と、該光照射系１０により照射された被検物体３から
の光を集光して前記被検物体の像を形成する検出光学系
２０と、該検出光学系２０により形成される前記被検物
体の像を光電検出する光電検出器７と、該光電検出器７
からの出力に基づいて画像処理する処理系８とを有する
像検出装置において、前記検出光学系２０は、該検出光
学系２０基準光軸Ａｘ20と交差する光軸Ａｘ4を有する
集光鏡４を含み、前記処理系８は、前記基準光軸に対す
る前記被検物体上の被検面の傾き情報と前記光電検出器
の出力情報とに基づいて前記画像処理を行ない、前記集
光鏡４によって生ずる前記被検物体の画像歪みの影響を
除去した画像補正信号を出力する画像歪み補正部８ａ
と、前記画像歪み補正部からの前記画像補正信号を入力
し、前記被検物体の欠陥の特徴を抽出する画像処理を行
う画像処理部８ｂとを備えたものである。

【００１０】また、請求項２に係る発明では、前記基準
光軸Ａｘ20に対する前記被検面の傾きを変化させる傾斜
装置９と、前記基準光軸Ａｘ20に対する前記被検面の傾
きを検出する傾斜検出装置１３とを配置し、前記画像歪
み補正部８ａは、該傾斜検出装置１３からの前記被検面
の傾き情報に基づいて、前記被検物体の画像歪みの影響
を除去する構成とした請求項１に記載の像検出装置であ
る。

【００１１】また、請求項３に係る発明では、前記検出
光学系２０は、前記被検物体３からの正反射光、散乱光
及び回折光のうちの少なくとも１つを前記光電検出器７
上で集光し、前記画像処理部８ｂは、前記被検物体の欠
陥（ウエハ表面に形成されているレジストパターンの異
常、ウエハ上に形成されたパターンの異常、ウエハ表面
に付着した異物、ウエハの傷、ウエハ表面に形成されて
いるレジストの塗布むら、ウエハ自身の欠陥等）を検出
する請求項１または請求項２に記載の像検出装置であ
る。

【００１２】また、請求項４に係る発明では、前記光照
射系１０は、光を供給する光源１と、該光源１からの光
を集光して前記被検物体へ導く集光鏡２を有するように
構成した請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の
像検出装置である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態に
ついて説明する。図１は本発明による第１の実施の形態
の概略的構成を示す図である。図１に示す表面欠陥検出
装置は、被検物体としてのウエハ表面等の欠陥を検出す
るものである。そして、ウエハ表面に対して光を照射す
ることにより、ウエハの欠陥に起因して、ウエハ表面か
ら正反射光、回折光あるいは散乱光が発生する。ここ
で、後述する図１の表面欠陥検出装置では、ウエハ表面
のレジストのパターンの異常およびウエハ上に形成され
たパターン形状の異常の検査はウエハ表面から回折光を
光電的に検出することにより達成される。また、ウエハ
表面のゴミ等の異物及びウエハ表面の傷の検査は、ウエ
ハ表面から散乱光を光電的に検出することにより達成さ
れ、さらには、ウエハ表面に形成されているレジストの
塗布むら（レジストの厚さむら）の検査は、ウエハ表面
から正反射光あるいは回折光を光電的に検出することに
より達成され、ウエハ自身の欠陥の検査はウエハ表面か
ら正反射光を光電的に検出することにより達成される。

【００１４】なお、本発明では、ＩＣや液晶基板などの
製造工程でウエハ表面に回路などを形成する際生じる、
ウエハ表面のレジストのパターンの異常、ウエハ表面に
形成されたパターンの異常、ウエハ表面のゴミ等の異
物、ウエハ表面の傷及びウエハ表面に形成されているレ
ジストの塗布むら（レジストの厚さむら）、ウエハ自身
の欠陥等を総称して欠陥と呼ぶ。さて、図１に示すよう
に、光源１からは所定の波長を持つ光が供給され、この
光源はほぼ点状の発光点を有している。この光源１から
の光束は、集光鏡としての凹面鏡２により集光作用を受
けてほぼ平行光束に変換されて、この平行光束は、被検
物体としてのウエハ３の表面（被検面）を所定の斜め方
向から、即ち所定の入射角のもとで照射する。なお、凹
面鏡２は、それの焦点位置と光源１の位置とがほぼ一致
するように配置されている。また、光照射系は、光源１
と凹面鏡２とで構成されている。

【００１５】ここで、ウエハ３は、ウエハ３の表面に形
成されているパターンのピッチをＰとし、ウエハ３に入
射する照明光の入射角をψ、照明光の波長をλ、とする
と、ｎ次数の回折光の回折角φn は、数式１にて表現さ
れる。

【００１６】

【数１】sin ψ−sin φn ＝ｎλ／Ｐ但し、ｎは整数であり、ｎが零の時にはφn は正反射光
の反射角を意味することになる。ウエハ３は、傾斜装置
としてのチルトステージ９上に保持されており、このチ
ルトステージ９は、数式１の条件を満足するウエハ３か
らの正反射光、数式１の条件を満足するウエハ３からの
回折光、あるいはウエハからの散乱光が後述する検出光
学系２０に導かれるように、所定の角度だけウエハ３を
傾斜させる。この時、チルトステージ９は、回転軸Ａｘ
9 を中心として駆動装置１２によって所定量だけ傾斜さ
れ、チルトステージ９の傾斜量は傾斜検出装置１３によ
って検出される。なお、駆動装置１２は、後述する処理
系８の内部の制御部８ｃによって制御され、また傾斜検
出装置１３によって検出されたチルトステージ９の傾斜
量（ウエハ３の傾斜量）に関する出力信号は、後述する
処理系８の内部の制御部８ｃを介して画像歪み補正部８
ａに入力される。図１では、ウエハ３の中心を原点とし
て、チルトステージ９の回転軸Ａｘ9 に平行な方向にＸ
軸を、チルトステージ９の回転軸Ａｘ9 と垂直な方向に
Ｙ軸を、チルトステージ９が水平状態でのウエハ３の法
線方向をＺ軸として示している。

【００１７】ここで、図１に示すように、検出光学系２
０は、この検出光学系２０の光軸（基準光軸）Ａｘ20と
所定の角度で交差する光軸Ａｘ4 を有する集光鏡として
の凹面鏡４と、凹面鏡４のほぼ焦点位置に配置された開
口絞り５と、受光光学系としての結像レンズ６とを有し
ている。但し、ウエハ３と凹面鏡４との間及び凹面鏡４
と結像レンズ６との間に存在する検出光学系２０の光軸
Ａｘ20と凹面鏡４の光軸Ａｘ4 とを含む平面は、ウエハ
３の法線方向に対してφの角度を持ってＸ軸を横切る。

【００１８】ウエハ３の表面からの光束（正反射光、回
折光あるいは散乱光）は、凹面鏡４の集光作用により開
口絞り５上で集光され、その後、その開口絞り５の円形
状の開口部を介した光は結像レンズ６により集光され
て、光電検出器としてのＣＣＤ等の撮像素子７の受光面
上にウエハ３の表面の像が形成される。なお、撮像素子
７の受光面は、結像レンズ６の後側焦点位置とほぼ一致
するように配置されており、ウエハ３の表面と撮像素子
７の受光面とはほぼ光学的に共役である。また、凹面鏡
４は、ウエハ３の法線が傾く面（回転軸Ａｘ9 と直交す
るＹＺ平面）と直交する方向（Ｘ方向）に軸外しされて
おり、さらに、開口絞り５は、チルトステージ９の回転
軸Ａｘ9 の近傍に配置されている。このような配置構成
により、凹面鏡４の軸外し角とウエハ３の傾斜角（又は
あおり角）とが直交するため、撮像素子７上では、凹面
鏡４の軸外し角によるウエハ像の歪み方向とウエハ３の
傾斜によるウエハ像の歪みの方向を直交させることがで
き、歪みの補正が容易となる。

【００１９】さて、撮像素子７にて光電変換された画像
データの情報を含む出力信号、及び傾斜検出装置１３か
らの被検面の傾きに関する出力信号は、後述する画像処
理系８の内部の画像歪み補正部（画像歪み補正系）８ａ
に入力され、この画像歪み補正部にて、検出光学系の光
軸Ａｘ20に対するウエハ３の表面（被検面）の傾き及び
前記集光鏡の軸外し角により歪むウエハ３の像の影響が
考慮される。

【００２０】次に、図３を参照しながら、動作について
簡単に説明する。図３に示すように、ウエハ３の表面の
欠陥、傷あるいは異物を検出するためにチルトステージ
９の傾斜量等の情報がコンソール、又は制御データファ
イル読出機構等の入力部１１を介して処理系８内部の制
御部８ｃに入力され、制御部８ｃは、駆動装置１２を介
してチルトステージ９が傾斜される。この時、傾斜検出
装置１３によってチルトステージ９の傾斜量が検出さ
れ、この傾斜情報は制御部８ｃに入力されて、チルトス
テージ９の傾斜が所定の傾斜量となるようにフィードバ
ック制御される。このようにして、チルトステージ９の
傾斜量が決定されると、図１に示されるように、光照射
系１０によってウエハ３は照射され、ウエハ３の表面か
らの光（正反射光、回折光あるいは散乱光）は検出光学
系２０によって撮像素子７上に結像される。そして、こ
のウエハ表面の像は撮像素子７によって光電変換され
て、この撮像素子７からの出力信号は、画像処理系８の
内部の画像歪み補正部８ａに入力される。これと同時
に、傾斜検出装置１３からのチルトステージ９の傾斜量
に関する信号が制御部８ｃを介して間接的に画像歪み補
正部８ａに入力される。画像歪み補正部８ａは、傾斜検
出装置１３からの情報及び撮像素子７からの情報に基づ
いて所定の演算を行い、検出光学系の光軸Ａｘ10に対す
るウエハ３の表面（被検面）の傾き（ウエハ表面の法線
と検出光学系の光軸Ａｘ10とのなす角、あるいはウエハ
表面と検出光学系の光軸Ａｘ10とのなす角等）及び前記
集光鏡の軸外し角によりウエハ３の像の歪み量を影響を
求める、あるいは歪むウエハ３の像を補正して、画像補
正信号を出力する。

【００２１】この画像歪み補正部８ａにて補正された画
像情報は、画像処理部８ｂに入力され、画像処理部８ｂ
では、この画像歪み補正部８ａからの補正された画像情
報から欠陥の特徴の抽出を行い、ウェハ上のパターンの
異常、ウェハ表面の欠陥、傷あるいは異物等を検出す
る。メモリなどの製造ウェハではステッパなどの露光装
置の１回の露光で複数個の回路素子を焼き付けることが
多いため、ウェハ面上には同じパターンが繰り返し転写
されることになる。これに対し、デフォーカスなどのパ
ターンの異常や欠陥,傷,異物などは、前記の周期とは異
なり局部的に変化が観察される。このような局部的な変
化を欠陥の特徴として検出する。画像処理部８ｂで検出
された欠陥は、各ウェハごとに集計される。検出された
欠陥の数または総面積が所定の値を超えた場合、このウ
ェハを欠陥ウェハとする。また、オペレータは検査条件
の設定時に受光系に回折光が入ることを確認するなどの
必要に応じてウェハの像をCRTモニター等の表示装置１
４などに表示して観察することもできる。さらに、各ウ
ェハごとに集計された欠陥データに基づいて欠陥ウェハ
を選別することができる。検査後ウェハは、不図示のア
ンロードアームによりウェハホルダより取り出されウェ
ハカセットに収容されるが、このとき収容するカセット
を複数用意しておき、一方を次の工程に進む良品ウェハ
カセットとし、他方を欠陥ウェハカセットとする。前記
の画像処理系８ｂによる良品ウェハか欠陥ウェハかの判
断情報に基づいて、どちらのカセットに収容するか決定
されるようにする。特に、レジストの現像後の検査では
レジストを剥離して再びレジストを塗布して露光を行う
再工事ができるので、欠陥ウェハとされたものでも廃棄
することなく良品に加工し直すことができ、製品の歩留
まりを向上させることができる。また、以上に述べたよ
うな自動検査ならびに自動選別とすることにより、もっ
とも異物の発生原因である人間をウェハに近づくのを最
小限にすることができるので異物の付着の頻度も減少す
る。先に述べたようにモニター観察する場合でも、モニ
ター１４のみ装置本体から離すことにより、人間がウェ
ハに近づくことなく観察することもできる。本発明の検
査装置においては、観察される欠陥はその発生原因に応
じて特徴があるので、この特徴に従い欠陥の分類を行う
ことができる。代表的なものに、ウェハ裏面に異物がつ
いたまま吸着して露光を行ったために同心円状の縞のよ
うに見えるデフォーカス欠陥、コーターの不良によりレ
ジスト膜厚にむらが生じて放射状にむらの検出されるむ
ら欠陥、異物がついた状態でレジストコートしてしまっ
たために局部のレジストが切れたり薄くなったりしてい
る彗星状欠陥などがある。各ウェハの各工程における欠
陥の位置や種類の情報など検査結果を集計しておき、製
品の不良品の発生との相関をとることにより、不良品の
発生原因の特定をすることもできる。さらに、欠陥の種
類に応じて欠陥ウェハと判断する基準の最適化をはか
り、製品の性能に影響を与えない種類の欠陥を無視する
ように設定することもできる。

【００２２】さて、次に、画像歪み補正部８ａにて行わ
れる画像歪みの影響の除去（画像歪みそのものの補正
等）について図２を参照しながら説明する。図２は、図
１に示した検出光学系２０の光軸Ａｘ20と凹面鏡４の光
軸Ａｘ4 とを含む平面、即ちウエハ３の法線方向に対し
てφの角度を持ってＸ軸を横切る平面における検出光学
系の様子を示している。

【００２３】図２に示すように、ウエハ３上の点Ａから
反射、回折または散乱した光線のうち検出光学系２０に
て検出される方向に進む光線が凹面鏡４上の点Ｂで反射
する。点Ａから点Ｂに進む方向の単位ベクトルＶa 、点
Ｂでの凹面鏡４の法線ベクトルをＶn、点Ｂで反射され
た光の進む方向の単位ベクトルをＶb とするとき、以下
の数式２の関係が成立する。

【００２４】

【数２】Ｖb ＝Ｖa −２（Ｖn ・Ｖa ）Ｖn 但し、（Ｖn ・Ｖa ）はベクトルの内積を示す。ここ
で、凹面鏡４の軸外し角度θは、検出光学系２０の光軸
Ａｘ20（検出光学系２０に入射する光線の中心を通る中
心軸）と凹面鏡４の光軸Ａｘ4 とのなす角で定義され、
凹面鏡４の光軸Ａｘ4 は、凹面鏡４の中心（反射面の頂
点）Ｏ4と凹面鏡４の曲率中心Ｃとを通る軸として定義
される。

【００２５】開口絞り５及び結像レンズ（受光光学系）
６は、凹面鏡４の入射光線に対して２θだけ傾いたκ軸
上に沿って配置されており、結像レンズ（受光光学系）
６の光軸はκ軸と一致している。そこで、凹面鏡４にて
反射される反射光の進行方向を示す単位ベクトルＶb を
結像レンズ（受光光学系）６の光軸に沿った座標に変換
して、結像レンズ（受光光学系）６での結像状態を計算
する。ここで、説明を簡単にするために、凹面鏡４が球
面であるものとする。

【００２６】ウエハ３の表面において、ウエハ３の中心
を原点Ｏ3 とし、チルトステージ９の回転軸Ａｘ9 に平
行な方向にＸ軸を、そのＸ軸と直交する方向にＹ軸をと
り、その直交座標ＸＹでの点Ａを表示する。光線を考え
る座標として、第２図に示すように、凹面鏡４の中心
（頂点）Ｏ4 を原点として、チルトステージ９の回転軸
Ａｘ9 に平行な方向にｘ軸を、ｘ軸と凹面鏡４の中心Ｏ
４における法線を含む面内で、凹面鏡４の中心（頂点）
Ｏ4 を通りかつｘ軸と垂直な方向にｙ軸を、ｘ軸とｙ軸
をとを含む平面に垂直で、凹面鏡４の中心（頂点）Ｏ４
を通る方向にｚ軸をとった座標系ｘｙｚを用いる。ウエ
ハ３の法線ベクトルが座標系ｘｙｚのｚ軸となす角、即
ちチルトステージ９（又はウエハ３）の傾斜量をφ、凹
面鏡の曲率半径をＲ、軸外し角をθとすると、図２に示
すように、座標系ｘｙｚでの凹面鏡４の曲率中心の座標
は、点Ｃ（Ｒsin θ，０，Ｒcos θ）となり、点Ｂ
（ｘ，ｙ，ｚ）のある凹面鏡４の反射面を表す方程式
は、数式３に示すようになる。

【００２７】

【数３】（ｘ−Ｒsin θ） ² ＋ｙ ² ＋（ｚ−Ｒcos θ） ² ＝Ｒ ² ウエハ３上の点Ａ（Ｘ，Ｙ）からの光線が凹面鏡４の反
射面に当たる点Ｂは、座標系ｘｙｚでは以下の数式４の
ように表される。

【００２８】

【数４】

【００２９】また、点Ｂでの反射面の法線ベクトルＶn
は、凹面鏡４の反射面が球面であるため点Ｂから曲率中
心Ｃに向かう単位ベクトルを考えれば良いため、この法
線ベクトルＶn は以下の数式５のように表される。

【００３０】

【数５】

【００３１】ウエハ３に照射される照明光はほぼ平行な
光束であるため、ウエハ３の面全面で反射、または回折
した所定次数の回折光の進む方向は一様であるため、凹
面鏡４への入射光の単位ベクトルＶa はｚ軸に平行とな
り、以下の数式６のように表される。

【００３２】

【数６】Ｖa ＝（０，０，−１）従って、上述した数式２、数式５及び数式６の関係よ
り、凹面鏡４により反射する反射光の単位ベクトルＶb
は以下の数式７のように表される。

【００３３】

【数７】

【００３４】反射光の単位ベクトルＶb を受光光学系と
しての結像レンズ６の座標系で表現するために、ｙ軸を
中心に２θだけ回転させて、κ軸を受光光学系の光軸
（結像レンズ６の光軸）に一致させた直交座標系ξηκ
で表現し直すと以下の数式８のように表される。

【００３５】

【数８】

【００３６】図２に示すように、開口絞り５の中心を通
った光線ベクトルＶb は、結像レンズ６によって撮像素
子７の受光面上に結像される。ここで、結像レンズ６が
ほぼ理想的に無収差であるものとし、撮像素子７の受光
面上での座標ｕｖを考える。撮像素子７の受光面上で結
像レンズ６の光軸（結像光学系の光軸）と交差する点を
原点とし、ξ軸に平行な方向にｕ軸を、η軸に平行な方
向にｖ軸をそれぞれとると、以下の数式９の関係が成立
する。

【００３７】

【数９】ｕ＝ｆ×ξ、ｖ＝ｆ×η 但し、ｆは結像レンズ６の焦点距離である。以上にて説
明したように、ウエハ３上の点Ａ（Ｘ，Ｙ）からの光線
は、最終的に撮像素子７の受光面上の点Ｄ（ｕ，ｖ）に
結像する。従って、上記の数式８及び９の関係に基づい
て、計算すると、図４の（ａ）に示すウエハ上の格子状
のパターンは、撮像素子７の受光面上に形成されるウエ
ハ３の像は、図４の（ｂ）に示すように、歪んだパター
ン像となる。

【００３８】なお、より厳密には、結像レンズ６にも収
差が残存しているため、結像レンズ６の収差の影響を考
慮して、ウエハ３上の点Ａ（Ｘ，Ｙ）からの光線が最終
的に撮像素子７の受光面上の点Ｄ（ｕ，ｖ）に結像する
ときの対応関係を計算することが望ましい。このとき、
この収差よる計算結果を用いて、数式８及び９の関係に
基づく演算結果を補正することが良い。

【００３９】次に、図１及び図３に示す処理系８の内部
の画像歪み補正部８ａは、以上の計算を逆に行い、撮像
素子７の受光面上に形成される歪んだウエハ像（図４
（ｂ）参照）を元の正しいウエハ像（図４（ａ）参照）
となるように歪み補正をしてから、画像処理部８ｂにて
ウエハ上のパターンの周期構造を検出しないアルゴリズ
ムにより欠陥または異物の検査を行う。

【００４０】具体的には、撮像素子７の受光面上の直交
座標ｕｖ上の点Ｄ（ｕ，ｖ）に到達する光は、凹面鏡４
と結像レンズ６との間での座標ξηκ上では、以下の数
式１０のように表される。

【００４１】

【数１０】

【００４２】これを座標ｘｙｚに変換すると、以下の数
式１１のように表される。

【００４３】

【数１１】

【００４４】このとき、入射光の法線ベクトルＶa がｚ
軸に平行、つまり、Ｖa ＝（０，０，−１）となる反射
点Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の座標を、反射の式と凹面鏡４の反
射面を示す方程式とから求める。すると、点Ｂ（ｘ，
ｙ，ｚ）での法線ベクトルＶnは、以下の数式１２のよ
うに表される。

【００４５】

【数１２】

【００４６】以上のＶa 、Ｖb 、Ｖn を反射の式に代入
して点Ｂ（ｘ，ｙ，ｚ）の座標を求めると、以下の数式
１３のように表される。

【００４７】

【数１３】

【００４８】入射光の単位ベクトルＶa とウエハ３との
交わる点Ａ（Ｘ，Ｙ）は、ｘ＝Ｘ、ｙ＝cos φにより、
以下の数式１４が求められる。

【００４９】

【数１４】

【００５０】このように、図１及び図３に示す処理系８
の内部の画像歪み補正部８ａは、傾斜検出装置１３から
の情報及び撮像素子７からの情報に基づいて、上記の数
式１４の関係に基づいて演算を行い、ウエハ像の歪みそ
のものを完全に補正した画像補正信号を画像処理部８ｂ
へ出力する。これによって、画像処理部８ｂは、ウエハ
像の歪み分が補正された画像に対してウエハ表面の欠陥
の特徴を抽出する画像処理を行うことによって、ウエハ
像の歪みによる誤検出を防止でき、安定かつ高能率なウ
エハ表面の検査が精度良く達成できる。

【００５１】なお、従来技術で述べたような画像比較を
画像処理部８ｂにおいて行った場合、検出光学系２０の
画像に歪みがあるのでウエハ３は検出光学系２０に対し
て厳密に位置合わせされなくてはならない。しかしなが
ら、画像歪み補正部８ａにおいて、検出光学系２０に対
するウエハ３の載置された位置ずれ量から画像の歪みを
計算して画像を電気的にずらす処理を行い、その補正信
号を画像処理部８ｂへ出力することにより、ウエハ３を
位置合わせすることなく、画像処理部８ｂにて画像比較
を行うことができる。

【００５２】以上においては、ウエハ３を傾ける機構９
を持った装置を例に挙げたが、ウエハのパターンピッチ
に応じて光照射系（照明系）や検出光学系（検出系）を
傾けて必要な回折光または反射光を検出するようにして
も良い。また、ウエハ３の傾斜方向と凹面鏡４の軸外し
方向とを必ずしも直交させる必要はないが、ウエハ像の
歪みを補正する補正式を複雑化させないためには、ウエ
ハ３の傾斜方向と凹面鏡４の軸外し方向とを直交させる
ことが好ましい。もし、直交させない場合は、ウエハ３
上での座標を直交させる方向の座標に座標変換を行って
から計算すればよい。

【００５３】また、検出光学系内の集光鏡として凹面鏡
４の反射面を球面とした例を説明したが、反射面を放物
面、双曲面としても前述の反射の法則が成り立つため、
法線を求めて反射光の進行方向を計算すれば放物面、双
曲面でも可能である。さらに、検出光学系内の集光鏡の
反射面を非球面としても良い。さらには、検出光学系内
に複数の集光鏡を有する構成としても良く、この場合、
複数の集光鏡による像歪みの計算をすれば、像歪みの影
響を除去あるいは像歪みの補正が達成できる。

【００５４】さらに、以上の実施の形態では、被検物体
の表面を検査する検査装置を例にとって説明したが、本
発明は、被検物体を撮像素子等を用いて画像検出する顕
微鏡、被検物体の位置を撮像素子等を用いて検出する焦
点検出装置、マスクのパターンを感光性基板に露光する
露光装置におけるマスク及び感光性基板の相対位置ずれ
を撮像素子等を用いて画像検出（画像アライメント）を
行うアライメント装置等にも適用することができる。

【００５５】

【発明の効果】以上の如く、本発明によれば、検出光学
系中の集光鏡（凹面鏡）の軸外しによる被検物体の歪み
と被検物体を検出光学系の光軸に対する被検物体の歪み
による影響を除去できる。特に、被検物体の表面を検査
する検査装置に関しては、被検物体の欠陥、例えば、被
検物体自身の欠陥、被検物体の表面のパターンの異常、
異物、傷あるいはレジスト等の塗布むらを正確にしかも
高能率のもとで安定した検査が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施の形態に係る表面検査装置の
概略構成図である。

【図２】図１に示す検出光学系の様子を示す図である。

【図３】図１の表面検査装置の処理系８の構成の様子を
示す図である。

【図４】（ａ）ウエハ３上に形成されている周期的パタ
ーンの構造の様子を示す図であり、（ｂ）は撮像素子上
に形成される歪んだウエハ像の様子を示す図である。

【符号の説明】

１・・・光源２、４・・・凹面鏡３・・・ウエハ５・・・開口絞り６・・・結像レンズ７・・・撮像素子８・・・処理系９・・・チルトステージ１１・・・入力部１２・・・駆動装置１３・・・傾斜検出装置１４・・・表示装置

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物体に対して光を照射する光照射系
と、該光照射系により照射された被検物体からの光を集
光して前記被検物体の像を形成する検出光学系と、該検
出光学系により形成される前記被検物体の像を光電検出
する光電検出器と、該光電検出器からの出力に基づいて
画像処理する処理系とを有する像検出装置において、前記検出光学系は、該検出光学系の基準光軸と交差する
光軸を有する集光鏡を含み、前記処理系は、前記基準光軸に対する前記被検物体上の
被検面の傾き情報と前記光電検出器の出力情報とに基づ
いて前記画像処理を行ない、前記集光鏡によって生ずる
前記被検物体の画像歪みの影響を除去した画像補正信号
を出力する画像歪み補正部と、前記画像歪み補正部から
の前記画像補正信号を入力し、前記被検物体の欠陥の特
徴を抽出する画像処理を行う画像処理部とを備えたこと
を特徴とする像検出装置。
【請求項２】前記基準光軸に対する前記被検面の傾き
を変化させる傾斜装置と、前記基準光軸に対する前記被
検面の傾きを検出する傾斜検出装置とを配置し、前記画像歪み補正部は、該傾斜検出装置からの前記被検
面の傾き情報に基づいて、前記被検物体の画像歪みの影
響を除去することを特徴とする請求項１に記載の像検出
装置。
【請求項３】前記検出光学系は、前記被検物体からの
正反射光、散乱光及び回折光のうちの少なくとも１つを
前記光電検出器上で集光し、前記画像処理部は、前記被検物体の欠陥を検出すること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の像検出装
置。
【請求項４】前記光照射系は、光を供給する光源と、該
光源からの光を集光して前記被検物体へ導く集光鏡を有
することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか
１項に記載の像検出装置。