JP3659952B2 - 表面欠陥検査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はウェハあるいは液晶ガラス基板等の製造プロセスラインにおける該ウェハあるいは液晶ガラス基板等のような、表面に薄膜を有する被検体あるいは表面が平面である被検体の表面の欠陥を検査する表面欠陥検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネル等のフォト・リソグラフィ・プロセスラインにおいて、基板表面に塗布したレジストに膜厚のむら、あるいは塵埃の付着等の欠陥があると、エッチング後にパターンの線幅不良や、パターン内のピンホールなどの不良となって現れる。そこで、一般にエッチング前の基板について前記欠陥の有無を全数検査することが行われている。
【０００３】
従来、このような欠陥検査は、投光装置により基板（以下、被検体と呼ぶ）を照明し、目視で欠陥を探す方法が採られていた。このような用途に適した検査用投光装置の一例として、本出願人が先に出願した（特願平４−３１９２２号明細書）の装置の概要を、図２７および図２８を参照して説明する。
【０００４】
高輝度光源２０１からの光束は、熱線吸収フィルタ２０３を通り、拡散板２０４で均一照明光とされた後、干渉フィルタ２０５でスペクトル幅を制限された光束（以下、狭帯域光と呼ぶ）となる。続いて、平面鏡２０６で反射され、大口径フレネルレンズ２０７および２０８で収束光束に変換されてから被検体２１１を照明する。フレネルレンズ２０８の直後には液晶拡散板２０９があり、通常は拡散板として作用するので、被検体２１１は大きな面光源からの拡散光で照明されることになる。
【０００５】
一方、図２７に示すように電源２１０により液晶拡散板２０９に電圧を印加すると無色透明になり、このとき被検体２１１は収束光で照明される。
【０００６】
このような構成の検査用投光装置において、被検体２１１の膜厚のむらについては、図２８に示す拡散光照明装置の下で検査される。これは、レジストの膜厚が変化すると、レジスト表面と裏面からの反射光の光路差が変化するため、準単色光で照明して観察すると、膜厚の変化が明暗の干渉縞となり、膜厚のむらを認識できるものである。
【０００７】
被検体２１１に対する塵埃２１２の付着は、収束光照明（図２７）の下で検査される。即ち、被検体２１１の平面で反射した光束は、位置Ｓに収束するので、それを避けた位置に観察者の眼２１３を置くと、平面以外の点つまり塵埃２１２で散乱された光だけが目視で認められる。
【０００８】
収束光照明では次のような欠陥も検出される。図１３はレジスト現像後の被検体断面の模式図であり、基板６０（ガラス板あるいはウェハなど）の上に成膜層６１があり、その上にパターン化されたレジスト６２が残っている状態を示している。図１４は、図１３の一部６５を拡大したもものである。このように被検体の表面は大きく３つの部分に分けることができる。即ち、レジスト残膜上の平らな部分Ａとレジストの無い平らな部分Ｂと、両者の間にある段差の側面ＣおよびＤである。このうち、平らな部分Ａの膜厚むら等の欠陥は、正反射光を観察する前述した拡散光照明装置で検出できる。
【０００９】
さて、正常な側面は図１５のＣようになっているのに対し、欠陥部分の側面は例えば図１６のＣのように変形している。このように異なる形状は、異なる光の散乱角度分布を示すため、収束光照明で散乱光により観察すれば、側面ＣおよびＤの欠陥が正常な部分との輝度の違いとなって認められるのである。
【００１０】
一方、膜厚のむらについては、図２９に示す拡散光照明装置の下で検査される。これは、レジストの膜厚が変化すると、レジスト表面と裏面からの反射光の光路差が変化するため、準単色光で照明して観察すると、膜厚の変化が明暗の干渉縞となり、膜厚のむらを認識できるものである。
【００１１】
この検査用投光装置は、本出願人が先に出願して公開された（特開平５−１０９８４９号公報）被検体の揺動回転機構と組合せて用いられる。つまり実際の検査では被検体２１１を投光装置で照明するとともに、揺動回転させて被検体２１１への光束の入・反射角や、被検体上の周期的なパターンによる回折光の方向を作業者が調整し、散乱光や干渉した反射光の観察が妨げられない状態にしながら、被検体２１１の全面の検査を行うことができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた作業は、作業者の目視による検査であるため、観察の自由度が大きく、優れた検査能力を示すことが可能である。しかし一方、作業者の個人差や、観察状態の違いによる検出能力のばらつきはどうしても避けることができず、特に検査が高頻度・長時間に及ぶと作業者の疲労を引き起こし、一定の検査能力を維持することはさらに困難になる。また、作業者からの発塵も常に問題となっており、同検査の自動化が望まれていた。
【００１３】
自動化の方法として容易に考えられるのは、図２７ないしは図２８に示した眼２１３の代わりに、結像レンズとＣＣＤ等の撮像素子を設置して検査画面を取得し、これを画像処理して欠陥を抽出することである。しかし、この方法は以下に述べる第１〜第４の問題点を含んでいる。
【００１４】
＜第１の問題点＞
被検体２１１に対する照明光の入射角が、場所によって大きく異なる点である。図２９はこれを説明するためのものであり、図２８を簡略にしたもので、図中２０９は拡散板、２１１は被検体、２１４は結像レンズ、２１５は撮像素子である。
【００１５】
このような構成のものにおいて、拡散板２０９を出て被検体２１１で反射し、結像レンズ２１４を経て撮像素子２１５に達する光線の入射角θ₀ は、被検体２１１の両端における最大値θ_0maxと最小値θ_0minの間で連続的に変化する。
【００１６】
ここで、膜厚むらの観察を例にとると、薄膜（＝レジスト）の屈折率をｎ，膜厚をｈ，照明光（単色）の波長をλ₀ ，（Snell の法則で決まる）薄膜内部の光線の屈折角をθ′，薄膜下面での反射時の位相変化をφ（０≦φ＜２π）とすれば、薄膜による干渉縞が明線になる条件は
２ｎｈcos θ′＋( φ／２π) ・λ₀ ＝ｍλ₀ ，ｍ＝０，±１，±２， (1)
で表される（ｍ；干渉次数）。つまり、照明光の入射角θ₀ が変化する図２９の配置では、被検体２１１の膜厚が全面で均一であったとしても、入射角θ₀ の分布に従って被検体上に明暗の分布ができてしまう。そして、膜厚むらはその明暗の中に、ある場所では明るく、また別の場所では暗く観察される。そこで、従来の検査装置では前述のように被検体２１１を揺動回転させて照明の入射条件を変えながら被検体２１１全面を検査する必要がある。
【００１７】
しかし、画像処理装置を用いて膜厚むらを抽出しようとするとき、同じ膜厚むらが場所により異なって見えたり、入射条件を変えた複数の画像を処理しなければならないとすれば、その処理がたいへん複雑で困難になるであろうことが容易に推測される。
【００１８】
段差側面の欠陥検出に関しても同様に、被検体上の位置により、観察する散乱光が異なることになってしまう。
【００１９】
なお、被検体２１１がウェハ程度の大きさであれば入射角θ₀ の変化も小さいが、液晶ガラス基板を一括あるいは２ないし４分割で検査しようとすると、θ₀ の変化はかなり大きくなり、上記の問題は避けられなくなる。
【００２０】
＜第２の問題点＞
被検体２１１に対して垂直入射の照明が不可能な点である。(1) 式からわかるように、垂直入射のとき（θ₀ ＝θ′＝０°）、膜厚むらの検出感度は最も大きくなる。
【００２１】
しかし、拡散板２０９と撮像素子２１５を図３０のように配置して被検体２１１への入射角θ₀ を０°に近くした場合、撮像素子２１５の影になる部分は照明が当たらず、観測できない。
【００２２】
また、拡散板２０９と被検体２１１の間にハーフミラーを設けて観察光路を折り曲げれば影は無くなるが、この場合、被検体２１１より大きいハーフミラーが必要になり、広視野化に対応するのが難しくなる。
【００２３】
＜第３の問題点＞
被検体２１１上の座標取得が困難な点である。図２９の配置では観察光軸に対して被検体２１１が傾いているために、全面のシャープな像を得るためには、撮像素子２１５の撮像面も傾けなければならず（シャインプルーフの条件）、同時に被検体２１１の結像レンズ２１４に近い側ほど倍率の大きな歪んだ像になる。従って、欠陥の原因解析等のためにその位置座標を得ようとすれば、座標を較正する手段を講じなければならない。
【００２４】
＜第４の問題点＞
図２７の装置で被検体２１１上の塵埃２１２を検出する場合、被検体２１１上の配線パターンによる回折光で全面が光るため、散乱点のコントラストがあまり上がらず、画像処理で抽出するのが困難になる点である。
【００２５】
本発明は以上の問題点を解決するためになされたもので、被検体上の各欠陥やパターンに対して最適な観察条件となるように入射角度を自由に設定でき、又これに加えて入射方向を自由に設定でき、精度の高い欠陥検査が可能となる表面欠陥検査装置を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、被検体の上方から拡散光束を照射する拡散光束照射光源と、該拡散光束照射光源からの拡散光束を略平行な光束として前記被検体に照射する平行光束照射手段と、該平行光束照射手段の平行光束により照射される前記被検体からの光を集光する集光手段と、前記集光手段を介して前記被検体からの光を撮像する撮像手段と、前記被検体の法線に対して、前記平行光束照射手段の光軸及び前記撮像手段の光軸がなす角度を設定する角度設定手段と、前記撮像手段により取り込まれた画像に対して画像処理して欠陥を抽出する画像処理手段とを具備し、前記撮像手段は、前記平行光束照射手段により照射された前記被検体の表面からの散乱光又は回折光を撮像する位置に配置されることを特徴とする表面欠陥検査装置である。
【００２８】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記被検体に対して、前記拡散光束照射光源の入射方向を３次元で調整する入射方向設定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検査装置である。
【００２９】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、角度設定手段は、前記被検体の法線に対して、前記平行光束照射手段の光軸及び前記撮像手段の光軸がなす角度のそれぞれを前記被検体の種類及び欠陥に応じて最適な観察条件となるように角度を調整することを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検査装置である。
【００３０】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記角度設定手段は、前記撮像手段の光軸を前記被検体の法線と同軸とし、前記平行光束照射手段の光軸の角度を任意に設定できることを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検査装置である。
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記角度設定手段は、前記拡散光束照射光源を同焦平面上で移動できる移動ステージを備えたことを特徴とする請求項２記載の表面欠陥検査装置である。
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、次のように構成したものである。すなわち、前記平行光束照射手段と前記集光手段は、同一のコリメータレンズで兼用されることを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検査装置である。
【００３１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００３２】
初めに、被検体の膜厚むらおよび塵挨、傷を検出するための実施例を説明する。
【００３３】
＜第１実施例＞
図１は本発明の表面欠陥検査装置の第１実施例の光学系の側面図である。膜厚むら検出用の光源であるハロゲンランプ２を出た光束は熱線吸収フィルタ３を経て、コンデンサレンズ４で平行光束群に変換される。これらはランプハウス１に一体となっている。
【００３４】
回転ホルダ５には、複数の狭帯域干渉フィルタ（図示せず）が収められており、これをモータ（図示しない）で回転することにより、所望の干渉フィルタを光路内に挿入することができる。
【００３５】
観察する薄膜の屈折率ｎは、１．６２（ポジレジスト），厚さｈは１．５μｍ程度であるから、干渉の光路差は２ｎｈ〜５μｍ程度である。そこで照明光のコヒーレント長λ₀ ² ／Δλ（λ₀ 〜０．６μｍ；中心波長，Δλ；スペクトルの半値幅）が５μｍより十分大きくなるように、Δλ＝１０ｎｍの干渉フィルタを使用している。中心波長λ₀ の可変範囲は、膜厚の均一な部分の干渉次数が１だけ変化する範囲にとれば、(1) 式の任意のφに対して、膜厚が均一な領域を干渉縞の明線と暗線の間で自在に設定することができる。即ち、可変範囲をλ₀₁からλ₀₂（λ₀₁＜λ₀₂）とすれば(1) 式より、
２ｎｈcos θ′＋( φ／２π) ・λ₀₁＝（ｍ＋１）λ₀₁
２ｎｈcos θ′＋( φ／２π) ・λ₀₂＝ｍλ₀₂ (2)
が成立することであり、ｎとφの波長依存を無視し、θ′＝０として両式よりｍを消去すれば、
１／２ｎｈ＝１／λ₀₁−１／λ₀₂ (3)
を得る。
【００３６】
つまり、検査する薄膜の光学的厚さｎｈが小さいほど、広い可変範囲が必要になる。そこで、検査対象となるすべての薄膜のうち、最小の光学的厚さｎｈをもつものに合わせてλ₀ の可変範囲を設定しておけば、薄膜より下層の構成に関わらず（つまりφが変化しても）どの薄膜に対しても、膜厚の均一な領域を任意の干渉縞（例えば暗線）にする中心波長λ₀ を選択することができる。
【００３７】
本実施例ではｎ＝１．６２，ｈ＝１．１μｍに対応できるように、λ₀ の範囲を５５０ｎｍから６５０ｎｍとし、その間で１０ｎｍ間隔で中心波長を選べるようにしている。従って、回転ホルダ５は１１枚の干渉フィルタと、白色光照明用の空穴１つを備えている。干渉フィルタで狭帯域光化された光束は集光レンズ６でファイバ束７の端面に集光される。
【００３８】
照明光をファイバ束７で導くのは、ランプハウス１から集光レンズ６までの光源部を装置全体の下部に設置して、調整と保守を容易にするためである。ファイバ束７を出射した光束は拡散板９で強度分布を平均化された２次光源となる。絞り１０は無用な光束を遮るものであり、これらは２次光源部８として一体化されている。拡散板９はコリメータレンズ１２の焦平面上に設置されており、ハーフミラー１１で反射した光束はコリメータレンズ１２で平行光束となり、被検体２１に垂直入射する。
【００３９】
コリメータレンズ１２は１回の検査視野（液晶ガラス基板の全面あるいは何分割かしたうちの１面）を覆う径をもち、被検体２１から一定の間隔をおいて設置される。観察系（後述）の結像性能に関してはこの間隔は小さいほど有利であるが、コリメータレンズ１２の表面の塵埃を検出しないためと、後述の散乱点検出の照明光を通すために、数cmから１０数cmの間隔をとっている。被検体２１で反射した光束は再びコリメータレンズ１２を通って収束光となり、ハーフミラー１１を通過した成分が結像レンズ１３に入射する。結像レンズ１３は被検体２１表面の像をモノクロのＣＣＤ１４の撮像面上に結像する。このとき、結像レンズ１３を、その入射瞳がコリメータレンズ１２の焦平面近傍（即ち、拡散板９とほぼ共役の位置）に位置するように設置すると、被検体２１で反射した光束が効率よく集められ、均一な照度の観察視野を得ることができる。
【００４０】
周期的な配線パターンをＣＣＤ１４で撮像するとき、ＣＣＤ１４の画素周期と配線パターン像の周期がほぼ一致すると、撮像画像にモアレが発生してしまうため、結像レンズ１３の焦点距離を適当に選んで、モアレの発生しない観察倍率にする必要がある。
【００４１】
そこで本実施例では、結像レンズ１３としてズームレンズを採用し、様々な配線パターン周期に対応可能にしている。ただし、ズーミングすると結像レンズ１３の入射瞳位置が変わるため、それを相殺して入射瞳を前述した位置に戻すため、結像レンズ１３とＣＣＤ１４を光軸方向へ移動する平行移動ステージ（図示しない）を備えている。また、ＣＣＤ１４の画素周期は一般に水平方向と垂直方向で異なるから、ＣＣＤ１４を光軸を回転軸として回転することにより、モアレが消える場合もあるので、そのための回転ステージを設けてもよい。板１５と１６は、ハーフミラー１１を透過した照明光により無用の物が照明されて被検体２１の像と重畳した像がＣＣＤ１４の撮像面上にできるのを防ぐためのものであり、表面に黒色塗装などの反射防止処理をした平面板である。
【００４２】
一方、塵埃検出用の光源部１７は図示しないハロゲンランプと熱線吸収フィルタ，集光レンズ６を内部に含み、ライン照明１８のファイバ束端面に白色光束を入射する。ライン照明１８は、出射側でファイバ束中の各ファイバを２列直線状に３０cmの長さで並べたもので、半円柱形状の集光レンズ１９と併せて薄いシート状の照明光をつくる。集光レンズ１９の断面を図５に示す。集光レンズ１９はアクリル円柱を半切し、その切断面にアルミニウムを蒸着して反斜面Ｂとしたものであり、ライン照明１８のファイバ端Ａから出射した光束を平行に近い光束Ｃにして出射する。集光レンズ１９をこのような形状にしたのは、被検体２１への入射角を９０°に近くしたときに、ライン照明１８と集光レンズ１９が、被検体２１およびそれを搬送するステージ（図示しない）と干渉しないようにするためである。
【００４３】
さらに図２および図３によりライン照明の配置を説明する。図２はライン照明１８と被検体２１，コリメータレンズ１２の位置関係を示しており、１枚の被検体２１を４分割で検査する例である。破線２３は被検体２１の移動範囲である。４台のライン照明１８は、観察視野２２の中心Ｏとの距離L を一定に保ちつつ、Ｏを回転軸として被検体２１に対する入射方向φをΔφの範囲で可変する移動ステージ（図示しない）に各々載置されており、被検体２１の種類毎に、配線パターンからの回折光が観察系に最も入射しない適切な入射方向φに設定される。
【００４４】
被検体２１に対して同じ入射方向φになるように対称な位置に４台のライン照明１８を設置したのは、相補って観察視野２２内をほぼ均一に照明するためと、被検体２１の表面の傷のように方向性をもった欠陥の検出感度異方性を補うためである。
【００４５】
図３は入射方向φの設定をライン照明１８の中心Ｏ′を回転軸として行う別の例である。図３の方法は可変範囲Δφを大きくとれる利点があり、図２の方法はライン照明１８による照野の中心線が常に観察視野２２の中心を通るため照明効率の点で有利である。ライン照明１８の設定は、被検体の種類や大きさに応じて図２または図３ないしは両者の折衷案を採用すればよい。
【００４６】
ここで、再度図１に戻って説明を続ける。ライン照明１８で照明された被検体２１は、膜厚むら検出と同じ結像レンズ１３とＣＣＤ１４で撮像される。このとき、微弱な散乱光の減衰を防ぐために、ハーフミラー１１を平行移動ステージ（図示しない）により、紙面と垂直な方向へ移動し、観察光路から外す。ハーフミラー１１が厚く、光路長の変化が無視できないときは、材質と厚さが等しく表面に反射防止コートを施した補償板を、ハーフミラー１１の代わりに光路に挿入すればよい。
【００４７】
また、コリメータレンズ１２は被検体２１の全面から等しい散乱角の、つまり被検体２１に対して垂直方向の散乱光を集めて結像レンズ１３の入射瞳に導く作用をもつ。しかし、コリメータレンズ１２が無くても、散乱点の観察は可能であるから、もし必要なら光路から外してもよい。被検体２１の下に、被検体２１とほぼ平行に一定の間隔をおいて設置された背景板２０は、前述の板１５，１６と同様に表面に反射防止処理を施した平面板である。液晶ガラス基板等の一部透明な被検体２１を検査する場合、照明光の一部が被検体２１を透過して背景を照明することは避けられないが、そのような場合にも欠陥検出を妨害しないような単純な背景をつくるように背景板２０は作用する。また、被検体２１との間隔は、被検体２１を通過したライン照明１８の照明光が背景板２０に当たらないように数cmの距離をとっている。
【００４８】
次に、図４によって制御部と画像処理部の構成を説明する。画像処理装置３５はホストコンピュータ３１の制御によりＣＣＤ１４から検査画像を取込み、画像処理を行って膜厚むらや塵埃等の欠陥を抽出し、その種類，数，位置，面積等のデータをホストコンピュータ３１へ送る。モニタＴＶ３４は検査画像と処理画像を表示する。画像記憶装置３６は必要に応じて検査画像や処理画像を保存するものである。各制御部の制御はホストコンピュータ３１の指示によりシーケンサ３７が行う。光学系制御部３８は、干渉フィルタの回転ホルダ５，ハーフミラー１１の移動ステージなどの光学系可動機構と光源２および１７の光量を制御する。ステージ制御部３９は、被検体２１を真空吸着・支持して、被検体２１を観察視野内に移動する吸着ステージと、その位置決め機構を制御する。基板搬送制御部４０は被検体を１枚ずつストッカから取出して前記吸着ステージ上に載置し、検査後の被検体２１を同ステージからストッカへ戻す搬送部を制御する。なお、ステージと搬送部は図示していない。作業者はモニタＴＶ３０に表示されるメニュー画面に従ってキーボード３２を操作することにより、検査装置に必要な指示を与える。メモリ３３は、被検体の種類毎の検査条件（光学系の設定と画像処理の条件）や、検査データ等を保存するものである。
【００４９】
続いて、主に図４と図１により、本実施例の検査装置の動作を説明する。作業者がキーボード３２により被検体２１の種類とともに検査開始を指示すると、メモリ３３に予め保存されている検査条件の中から、その被検体２１に該当する条件がホストコンピュータ３１に読み込まれ、シーケンサ３７を介して光学系制御部３８が光学系の設定を行う。
【００５０】
この光学系制御部３８で設定されるのは、干渉フィルタの選択，ライン照明１８の入射方向，結像レンズ１３のズーミングとそれに伴う光軸方向の移動・位置決めである。次にストッカから搬送部によって１枚めの被検体２１が取出され、吸着ステージに載置される。吸着ステージは、被検体２１を４分割で検査する場合、被検体２１を吸着固定した後、図２のようにその４分の１が観察視野の中央にくるように移動し、位置決めする。検査は初めにハロゲンランプ２を点灯し、その光量を前記検査条件により調整する。
【００５１】
光量が所定値に達したらＣＣＤ１４から検査画像を画像処理装置３５に取込む。このとき検査画像１０１は図６のように、被検体２１の縁１０２を含み、被検体２１内は膜厚の均一な暗い領域の中に、膜厚むらの部分１０４だけが明るくなった画像となっている。画像処理装置３５はこの画像から検査領域１０３だけをマスキングで取出し、シェード補正，二値化処理等を経て膜厚むらの部分１０４だけを抽出し、その位置，面積等のデータをホストコンピュータ３１へ送る。次にハロゲンランプ２を消灯し、光源部１７を点灯すると共に、ハーフミラー１１を光路から外す。このとき検査画像１０５は図７のようになり、暗い領域の中に、塵埃による散乱点１０８だけが明るく見えている。これより同様の画像処理により散乱点１０８だけを抽出し、その位置等のデータをホストコンピュータ３１へ送る。画像処理の過程は前記検査条件で規定されている。
【００５２】
なお、ハロゲンランプ２と光源部１７の光量を適当に調整して同時点灯することにより、膜厚むらと塵埃による散乱点を同一の検査画面で取得することも可能である。被検体２１の残りの４分の３の領域も同様に検査される。
【００５３】
１枚の被検体２１の検査が終了すると、ホストコンピュータ３１は４分割で検査された被検体２１の欠陥データを総合し、欠陥の種類，数等を前記検査条件に含まれている検査基準と照らし合わせて、被検体２１の良否を判定する。検査された被検体２１は搬送部により、吸着ステージから良否に分かれた検査済みストッカへ送られ、１枚の検査を終了する。以上の動作の中で、ハロゲンランプ２と光源部１７の点灯と消灯は、光路中に設けたシャッタの開閉によって行ってもよい。
【００５４】
上記の実施例では膜厚むら検査用の準単色光の中心波長を可変とするために、ハロゲンランプ２と回転ホルダ５に挿入支持される干渉フィルタの組合わせを用いているが、干渉フィルタの代わりにモノクロメータなどを使用したり、あるいは元々準単色光であるレーザ等の光源を用いてもよい。また、干渉フィルタは光源側ではなく結像レンズ１３の前面に載置してもよい。
【００５５】
＜第２実施例＞
図１の光学系は以下のように変形することも可能である。
【００５６】
図８は本発明の第２実施例を示すもので、照射手段および集光手段は、１つコリメータレンズ１２からなり、被検体２１の直前に配置され、かつ該被検体２１の観察視野とほぼ等しい大きさであって光源すなわちファイバ束７からの光を略平行な光束として該被検体２１に照射するとともに、該被検体２１の表面からの反射光を通過させる。
【００５７】
ファイバ束７はコリメータレンズ１２の焦平面近傍に配置され、コリメータレンズ１２に狭帯域光を入射する。
【００５８】
観察手段は結像レンズ１３とＣＣＤ１４からなり、コリメータレンズ１２の光軸を中心にファイバ束７と軸対称の位置に入射瞳を有し、被検体２１の表面を観察するものである。
【００５９】
このように構成された第２実施例においても、被検体２１の近傍に、観察視野とほぼ等しい大きさのコリメータレンズ１２を備えたことにより、全視野を等しい入射角で照明して、膜厚むらを等厚干渉縞として観察できる。また、図１の実施例のハーフミラー１１が不要になるという利点がある。
【００６０】
＜第３実施例＞
図９は本発明の第３実施例の光学系を示すもので、以下に述べる光源、照射手段、集光手段および観察手段から構成されている。照射手段および集光手段は、ハーフミラー１１と第１および第２のコリメータレンズ１２，１２´からなっている。
【００６１】
狭帯域光束を導くファイバ束７の出射端面がコリメータレンズ１２の焦点近傍に配置されている。ハーフミラー１１は被検体２１の表面に対してほぼ４５度に傾斜した状態に配置され、光を反射または透過させるものである。コリメータレンズ１２は、ファイバ束７からの光を略平行にしてハーフミラー１１を介して被検体２１に照射する。コリメータレンズ１２´は、被検体２１の表面からの反射光の光軸とその光軸が一致するように配置され、被検体２１の表面からの反射光を集光させる。
【００６２】
観察手段は結像レンズ１３とＣＣＤ１４からなり、ＣＣＤ１４はコリメータレンズ１２´の焦点近傍に配置され、被検体２１の表面を観察するものである。
【００６３】
この第３実施例によれば、第１実施例と同様の効果が得られる。
【００６４】
＜第４実施例＞
図１０は本発明の第４実施例の光学系を示すもので、第１のコリメータレンズ１２が被検体２１の表面に対してその光軸を傾けて配置され、狭帯域光源であるファイバ束７からの光を略平行な光束として該被検体２１に照射するものである。第２のコリメータレンズ１２´が、被検体２１の表面からの反射光の光軸とその光軸が一致するように配置されるものである。
【００６５】
コリメータレンズ１２´の焦点近傍に結像レンズ１３、ＣＣＤ１４が配置され、これにより被検体２１の表面を観察できるようになっている。
【００６６】
この第４実施例によれば、第３実施例と同様な効果が得られるばかりでなく、図９の実施例のハーフミラー１１が不要になるという利点がある。
【００６７】
＜第５実施例＞
次に、被検体表面のパターン化された層の段差側面に関する欠陥を検出するための実施例について説明する。
【００６８】
図１１は本発明の第５実施例の光学系を示す図であり、図示しない光源であるハロゲンランプを出た光束は、図１に示す拡散光束照射光源と同様に干渉フィルタを通して狭帯域光にされた後、ファイバ束７に入射し、出射端面側に配置された拡散板により２次光源（拡散光束照射光源）となる。
【００６９】
ファイバ束７の出射端面（拡散板）は、平行光束照射手段例えばコリメータレンズ１２の後側焦平面上の、コリメータレンズ１２の光軸上でない位置に設置されている。この出射端面は、入射角度設定手段例えば移動ステージ（図示せず）により同焦平面上を移動できるようになっており、コリメータレンズ１２の光軸に対する照明中心光線の入射角度θ_o を任意の値に設定することができる。コリメータレンズ１２は、その光軸が被検体２１に対して垂直になるように、かつ被検体と適度な間隔をおいて設置される。コリメータレンズ１２は、被検体２１の検査領域を覆う大きさとなっている。
【００７０】
図１１のように構成することにより、ファイバ束７から出射した光束はコリメータレンズ１２で平行光束となり、入射角θ_o で被検体２１を照明する。被検体２１で正反射した正反射光束は再びコリメータレンズ１２を通って集束点２９に集束する。
【００７１】
一方、被検体２１から垂直方向へ出射した散乱光（図１１の破線）はコリメータレンズ１２で集められ、その後側焦点に集束する。その近傍に入射瞳が位置するように結像レンズ１３を設置し、撮像手段例えばＣＣＤ１４の撮像面に被検体２１の像を結像させる。なお、前述の理由により、結像レンズ１３としてズームレンズを採用している。
【００７２】
次に、図１１の制御部と画像処理部の構成について説明するが、図４とほぼ同じであるので、図４を参照して説明する。画像処理手段例えば画像処理装置３５はホストコンピュータ３１の制御によりＣＣＤ１４から検査画像を取込み、画像処理を行って欠陥を抽出し、その種類、数、位置、面積等のデータをホストコンピュータ３１へ送る。モニタＴＶ３４は検査画像と処理画像を表示する。
【００７３】
画像記憶装置３６は必要に応じて検査画像や処理画像を保存するものである。各制御部の制御はホストコンピュータ３１の指示によりシーケンサ３７が行う。光学系制御部３８は、光源の光量、ファイバ束７の出射端面位置などを制御する。ステージ制御部３９は、被検体２１を真空吸着・支持して、被検体２１を観察視野内に移動する吸着ステージと、その位置決め機構を制御する。基板搬送制御部４０は被検体を１枚ずつストッカから取出して前記吸着ステージ上に載置し、検査後の被検体２１を同ステージからストッカへ戻す搬送部を制御する。
【００７４】
なお、ステージと搬送部は図示していない。作業者はモニタＴＶ３０に表示されるメニュー画面に従ってキーボード３２を操作することにより、検査装置に必要な指示を与える。メモリ３３は、被検体の種類毎の検査条件（光学系の設定と画像処理の条件）や、検査データ等を保存するものである。
【００７５】
続いて、第５実施例の検査装置の動作を説明する。作業者がキーボード３２により被検体２１の種類とともに検査開始を指示すると、メモリ３３に予め保存されている検査条件の中から、その被検体２１に該当する条件がホストコンピュータ３１に読み込まれ、シーケンサ３７を介して光学系制御部３８が光学系の設定を行う。
【００７６】
この光学系制御部３８で設定されるのは、光源の光量、ファイバ束１の出射端面位置、結像レンズ１３のズーミングとそれに伴う光軸方向の移動・位置決めである。次にストッカから搬送部によって１枚めの被検体２１が取出され、吸着ステージに載置される。吸着ステージは、被検体２１を吸着固定した後、観察視野の中央にくるように移動し、位置決めする。
【００７７】
続いて、ＣＣＤ１４から検査画像を画像処理装置３５に取込む。このとき検査画像５０は例えば図１２のように、被検体の縁５１を含み、被検体２１内は欠陥のない均一輝度領域の中に、側面欠陥の部分５３だけが異なる輝度になった画像となっている。画像処理装置３５はこの画像から検査領域５２だけをマスキングで取出し、シェード補正、二値化処理等を経て欠陥の部分５３だけを抽出し、その位置、面積等のデータをホストコンピュータ３１へ送る。
【００７８】
このようにして１枚の被検体２１の検査が終了すると、ホストコンピュータ３１は欠陥の種類、数等を前記検査条件に含まれている検査基準と照らし合わせて、被検体２１の良否を判定する。そして、検査された被検体２１は搬送部により、吸着ステージから良否に分かれた検査済みストッカへ送られる。
【００７９】
以上述べた第５実施例では、集束点２９等の集光手段の光軸に対するコリメータレンズ１２等の平行光束照射手段の光軸の角度を任意に設定できるので、被検体２１の正面からの散乱光又は回折光を良好に取り込める角度に簡単に変えることができる。このように被検体２１に対する照射角度を変えることにより、一方向の照射角度では検出できなかった欠陥を検出できるようになり、欠陥検査の信頼性が向上する。
【００８０】
第５実施例では光源としてハロゲンランプを用いたが、その代わりにレーザやメタルハライドランプのような高輝度の光源を用いてもよい。さらに、照明光をファイバ束７で導かずに光源を直接コリメータレンズ１２の後側焦平面に設置してもよい。また、干渉フィルタは光源側ではなく、結像レンズ１３の前面に載置してもよい。
【００８１】
＜第６実施例＞
図１１の光学系は以下のように変形することも可能である。図１７は第６実施例の光学系を示す図であり、結像レンズ１３とＣＣＤ１４をコリメータレンズ１２の光軸から外し、垂直以外の位置に設置し、かつ、観察角度θは被検体２１の正反射の方向から外してある。このとき結像レンズ１３の入射瞳がコリメータレンズ１２の後側焦平面の近傍に位置していることは、第５実施例の図１１と変わりない。
【００８２】
この実施例では、結像レンズ１３とＣＣＤ１４を、コリメータレンズ１２の光軸から外れた垂直以外の位置に自由に設置できるので、図１１の実施例に比べて観察の自由度をより大きくとることができる。
【００８３】
＜第７実施例＞
図１８は第７実施例の光学系を三角法で示すもので、（ａ）はその正面図であり、（ｂ）はその側面図であり、（ｃ）はその平面図である。この例では複数個（図１８では２個）の照明光を導く拡散光束照射光源となるファイバ束７，７′を設け、ファイバ束７，７′の入射角θ₁ ，θ₂ と入射方向φ₁ ，φ₂ を例えば９０度、１８０度の範囲で自由に設定できるように、図示しない第５実施例の入射角度設定手段に加え、図示しない入射方向を設定する入射方向設定手段を設けたものである。
【００８４】
被検体２１上のレジストパターンは２次元的に広がっているから、被検体２１の表面に対する照明光の入射角度を３次元で調整し、且つ複数の照明により異なる方向の段差側面を同時に照明することで、第５実施例では検出できなかった指向性の高い欠陥検出の感度を改善することができると共に、被検体２１の表面に対する照明光の入射角度を３次元で調整し、且つ第５実施例では検出が難しい指向性の高い欠陥や方向の異なる多様なパターンを有する被検体２１にも容易に対応できる。
【００８５】
＜第８実施例＞
図１９は第８実施例の光学系を示すもので、コリメータレンズ１２と結像レンズ１３の間にハーフミラー１１を設け、ファイバ束７からの照明光はこのハーフミラー１１で反射して被検体２１を照明するようにしている。この例では結像レンズ１３がコリメータレンズ１２の光軸上に位置しているのに対し、ファイバ束７の出射端面が角度θ_o だけ光軸から外してある。
【００８６】
前述の図１１の第５実施例では角度θ_o を小さくしていくとファイバ束７と結像レンズ１３が当たってしまうため、θ_o に下限があるが、この例ではそのような制限はなく、正反射光のごく近傍の散乱光を観察することができる。
【００８７】
＜第９実施例＞
図２０は第９実施例の光学系を示す図であり、照明光のために独立のコリメータレンズ１２′を設け、ファイバ束７の出射端面をその前側焦点に設置している。コリメータレンズ１２′はその光軸に対して回転対称であり、これにより被検体２１を入射角θ_o の平行光束で照明する。この例は、正反射に対して大きな角度を隔てた散乱光を観察するのに有利である。
【００８８】
＜第１０実施例＞
図２１は本発明の第１０実施例の光学系を示す側面図である。図示しない光源であるハロゲンランプを出た光束はファイバ束７に入射する。ファイバ束７の出射端面から出た光束は、ハーフミラー１１を介してコリメータレンズ１２の後側焦点近傍に位置する拡散板４２に入射する。
【００８９】
この拡散板４２の中心部は、図２２に示すように後述する結像レンズ４５の入射瞳よりわずかに大きい径の光を通さない遮蔽板４３で遮蔽され、以上で円環状の光源部を構成している。
【００９０】
光源部を出た光束はコリメータレンズ１２の光軸に対して４５度の角度に設置されたハーフミラー１１で反射し、コリメータレンズ１２により平行光束群となって被検体２１を照明する。このコリメータレンズ１２は、被検体２１の検査領域を覆う大きさをもち、その光軸が被検体２１に対して垂直になるように、かつ被検体２１と適度な間隔をおいて設置されている。被検体２１で正反射した光は再びコリメータレンズ１２を通って収束光となる。
【００９１】
このうち、ハーフミラー１１を透過した光束は、拡散板４２と共役な位置にある、図２３に示す遮蔽板４４上に、光源の円環状の像をつくる。この遮蔽板４４は結像レンズ４５の周囲にあり、結像レンズ４５を通らずにＣＣＤ１４の撮像面に達する光を遮るはたらきをする。従って、結像レンズ４５が通常のＴＶ撮影レンズのようにＣＣＤ１４にねじ込まれる型式であれば、この遮蔽板は不要である。さて、光源部の中央部に遮蔽板４３があるので、被検体２１からの正反射光は結像レンズ４５に入射せず、正反射光近傍の散乱光だけが結像レンズ４５に入射し、被検体２１の像をＣＣＤ１４撮像面上につくる。
【００９２】
このように第１０実施例では、１つの照明手段で、観察手段の光軸に対して回転対称な平行光束群をつくり、被検体２１を照明することができる。従って被検体２１を、正反射近傍のあらゆる方向の散乱光により同時に観察できる。
【００９３】
なお、この実施例は後述する、結像レンズの中央部を遮蔽する構成に比べて、結像レンズの入射瞳を広く使えるため検査画像の明るさの点で有利である。
【００９４】
以上述べた第１０実施例で光源をハロゲンランプからメタルハライドランプ等の高輝度光源に換えると、より高い検出能力が得られる。また光源部はリング状の光源を直接、拡散板４２の代わりに置いてもよい。さらに光量に余裕があれば、光源部に干渉フィルタを挿入すると、コリメータレンズ１２に色収差がある場合にも遮蔽板４３による遮蔽をうまく行うことができる。
【００９５】
＜第１１実施例＞
図２４は第１１実施例の光学系を示すもので、図２１とほぼ同様に構成され、光源部を構成するファイバ束７、拡散板４２、遮蔽板４３と、結像レンズ４５およびＣＣＤ１４をコリメータレンズ１２の光軸から外した位置に設置している。ここで、拡散板４２および遮蔽板４３と、結像レンズ４５および遮蔽板４４がコリメータレンズ１２の後側焦平面の近傍にあり、互いに共役な位置関係にあることは第１０実施例と同様である。この実施例ではハーフミラーが不要であるため光量の点で有利であり、また照明および観察する角度にいくらかの自由度が与えられる。
【００９６】
＜第１２実施例＞
図２５は第１２実施例の光学系を示すもので、照明光のために独立のコリメータレンズ１２′を設け、拡散板４２および遮蔽板４３をその前側焦点近傍に設置している。結像レンズ４５および遮蔽板４４は、第２のコリメータレンズ１２の後側焦点近傍にあり、第１，第２のコリメータレンズ１２′，１２と被検体２１を介して拡散板４２および遮蔽板４３と互いに共役な位置関係にある。
【００９７】
この実施例では、第１１実施例よりさらに大きな入射角の照明光の下で被検体２１からの正反射近傍の散乱光を観察することができる。このような照明光の入射角は、検査対象となる被検体２１の種類（例えばパターン段差側面の傾斜角度など）によって最適値が異なるため、それに適した光学系を選択する必要がある。
【００９８】
＜第１３実施例＞
図２６は本発明の第１３実施例の光学系を示す側面図である。この実施例が図２１の光学系と異なるのは、光源部としてファイバ束７の出射端面がコリメータレンズ１２の後側焦点近傍にあり、結像レンズ４５の直前のそれと共役な位置に遮蔽板４３を設置している点である。遮蔽板４３はファイバ束７の出射端面よりわずかに大きい径をもつ。従って、被検体２１からの正反射光はこの遮蔽板４３で遮られ、正反射光近傍の散乱光だけが結像レンズ４５に入射し、ＣＣＤ１４の撮像面上に被検体２１の像を結ぶ。被検体２１を正反射近傍のあらゆる方向の散乱光により同時に観察できる点は、図２１の実施例と同じであり、従って得られる画像や効果も同様である。そして、図２４ないしは図２５のように変形できる点も同様である。
【００９９】
なお、以上述べた第５〜第１３実施例の光学系は、第１〜第４実施例の光学系と、コリメータレンズと、結像レンズ、ＣＣＤを共用して組合わせることができる場合がある。その場合、１台の欠陥検査装置で照明を切換えることにより被検体の膜厚むら、塵埃、傷およびパターン段差側面の欠陥をすべて検出することが可能となる。
【０１００】
【発明の効果】
本発明によれば、被検体上の各欠陥やパターンに対して最適な観察条件となるように入射角度を自由に設定でき、又これに加えて入射方向を自由に設定でき、精度の高い欠陥検査が可能となる表面欠陥検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の表面欠陥検査装置の第１実施例の光学系を示す側面図。
【図２】図１の実施例のライン照明の配置を説明するための平面図。
【図３】図１の実施例のライン照明の配置を説明するための平面図。
【図４】図１の制御部と画像処理部の構成を説明するブロック図。
【図５】図１のライン照明用集光レンズの説明図。
【図６】図１の検査画像を説明するための図。
【図７】図１の検査画像の説明図。
【図８】本発明の表面欠陥検査装置の第２実施例の光学系を示す側面図。
【図９】本発明の表面欠陥検査装置の第３実施例の光学系を示す側面図。
【図１０】本発明の表面欠陥検査装置の第４実施例の光学系を示す側面図。
【図１１】本発明の表面欠陥検査装置の第５実施例の光学系を示す側面図。
【図１２】図１１の動作を説明するための図。
【図１３】本発明の被検体を説明するための図。
【図１４】本発明の被検体を説明するための図。
【図１５】本発明の被検体を説明するための図。
【図１６】本発明の被検体を説明するための図。
【図１７】本発明の表面欠陥検査装置の第６実施例の光学系を示す側面図。
【図１８】本発明の表面欠陥検査装置の第７実施例の光学系を示す側面図。
【図１９】本発明の表面欠陥検査装置の第８実施例の光学系を示す側面図。
【図２０】本発明の表面欠陥検査装置の第９実施例の光学系を示す側面図。
【図２１】本発明の表面欠陥検査装置の第１０実施例の光学系を示す側面図。
【図２２】図２１の作用効果を説明するための図。
【図２３】図２１の作用効果を説明するための図。
【図２４】本発明の表面欠陥検査装置の第１１実施例の光学系を示す側面図。
【図２５】本発明の表面欠陥検査装置の第１２実施例の光学系を示す側面図。
【図２６】本発明の表面欠陥検査装置の第１３実施例の光学系を示す側面図。
【図２７】従来の技術を説明するための図。
【図２８】従来の技術を説明するための図。
【図２９】従来の技術を説明するための図。
【図３０】従来の技術を説明するための図。
【符号の説明】
１…ランプハウス、２…ハロゲンランプ、３…熱線吸収フィルタ、４…コンデンサレンズ、５…回転ホルダ、６…集光レンズ、７…ファイバ束、８…２次光源部、９…拡散板、１０…絞り、１１…ハーフミラー、１２，１２′…コリメータレンズ、１３…結像レンズ、１４…ＣＣＤ、１５，１６…板、１７…光源部、１８…ライン照明、１９…集光レンズ、２０…背景板、２１…被検体。

Claims (6)

1. 被検体の上方から拡散光束を照射する拡散光束照射光源と、
   該拡散光束照射光源からの拡散光束を略平行な光束として前記被検体に照射する平行光束照射手段と、
   該平行光束照射手段の平行光束により照射される前記被検体からの光を集光する集光手段と、
   前記集光手段を介して前記被検体からの光を撮像する撮像手段と、
   前記被検体の法線に対して、前記平行光束照射手段の光軸及び前記撮像手段の光軸がなす角度を設定する角度設定手段と、
   前記撮像手段により取り込まれた画像に対して画像処理して欠陥を抽出する画像処理手段と、
   を具備し、
   前記撮像手段は、前記平行光束照射手段により照射された前記被検体の表面からの散乱光又は回折光を撮像する位置に配置されることを特徴とする表面欠陥検査装置。
2. 前記被検体に対して、前記拡散光束照射光源の入射方向を３次元で調整する入射方向設定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検査装置。
3. 前記角度設定手段は、前記被検体の法線に対して、前記平行光束照射手段の光軸及び前記撮像手段の光軸がなす角度のそれぞれを前記被検体の種類及び欠陥に応じて最適な観察条件となるように角度を調整することを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検査装置。
4. 前記角度設定手段は、前記撮像手段の光軸を前記被検体の法線と同軸とし、前記平行光束照射手段の光軸の角度を任意に設定できることを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検査装置。
5. 前記角度設定手段は、前記拡散光束照射光源を同焦平面上で移動できる移動ステージを備えたことを特徴とする請求項２記載の表面欠陥検査装置。
6. 前記平行光束照射手段と前記集光手段は、同一のコリメータレンズで兼用されることを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検査装置。

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