JP3997761B2 - 照明光学装置およびそれを備えた検査装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光を射出する照明光学装置およびそれを備えた検査装置に関し、特に、半導体素子などの製造工程における基板の表面検査に好適な照明光学装置およびそれを備えた検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光源とバンドル型ランダムライトガイドとを備えた照明光学装置が知られている。バンドル型ランダムライトガイドは、多数の光ファイバ素線を束ねたものであり、光入射面と光射出面とで光ファイバ素線の配列がランダムになっている。
【０００３】
このような照明光学装置では、光源からの光をバンドル型ランダムライトガイドの光入射面に入射させ、バンドル型ランダムライトガイドの光射出面から外部に照明光を射出することになる。
したがって、バンドル型ランダムライトガイドの光入射面に入射する光の強度分布が空間的に不均一であっても、バンドル型ランダムライトガイドの光射出面から射出される照明光の強度分布を空間的に均一化できる。すなわち、空間的に均一な強度分布の照明光を射出することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の照明光学装置では、バンドル型ランダムライトガイドの光入射面に入射する光の強度分布が角度的に不均一な場合、バンドル型ランダムライトガイドの光射出面から射出される照明光の強度分布を角度的に均一化することはできなかった。
【０００５】
これは、バンドル型ランダムライトガイドの各々の光ファイバ素線において、光の角度的な強度分布が維持されるからである。このため、従来の照明光学装置では、空間的には均一でも角度的には不均一な強度分布の照明光を射出することになっていた。
本発明の目的は、空間的にも角度的にも均一な強度分布の照明光を射出することができる照明光学装置、およびそれを備えた検査装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の照明光学装置は、光源と、該光源からの光を集光する第１光学系と、ロッド型オプティカルインテグレータと、該ロッド型オプティカルインテグレータからの光を集光する第２光学系と、バンドル型ランダムライトガイドとが順に配置され、前記ロッド型オプティカルインテグレータが、前記第１光学系によって形成される前記光源の像の形成面または該形成面と共役な面に配置された光入射面と、前記第２光学系の前側焦点面に配置された光射出面とを有し、前記バンドル型ランダムライトガイドが、前記第２光学系によって形成される前記光源の像の形成面または該形成面と共役な面に配置された光入射面と、外部に照明光を射出する光射出面とを有するものである。
【０００７】
なお、本発明の照明光学装置において、前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光入射面は、前記第２光学系による前記像の形成面と共役な面に配置され、前記第２光学系と前記バンドル型ランダムライトガイドとの間に、前記第２光学系からの光を入射して、前記第２光学系による前記像を前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光入射面に再結像する第３光学系と、前記照明光の波長を選択する選択手段とが配置されてもよい。
【０００８】
また、本発明の検査装置は、本発明の何れかの照明光学装置と、前記照明光学装置の前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光射出面から射出された前記照明光を被検物体に照射する照射手段と、前記照明光が照射された前記被検物体の像を撮像し、前記被検物体の像に基づいて前記被検物体の欠陥を検出する検出手段とを備えたものである。
【０００９】
本発明の別の照明光学装置は、光源と、前記光源からの光を集光する第１光学系と、前記第１光学系から射出される光の角度的不均一性を補正する第１補正光学系と、前記第１補正光学系から射出される光の空間的不均一性を補正する第２補正光学系とを備え、前記光源からの光の角度的不均一性の補正後に空間的不均一性の補正を行い、照明光を作り出すものである。
【００１０】
なお、前記照明光学装置において、前記第１補正光学系が、ロッド型オプティカルインテグレータと、該ロッド型オプティカルインテグレータからの光を集光する第２光学系とから構成され、前記第２補正光学系が、バンドル型ランダムライトガイドから構成されてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
(第１実施形態)
本発明の第１実施形態は、請求項１,請求項３に対応する。
第１実施形態の検査装置１０は、図１に示すように、被検物体である基板１１を保持するステージ１２と、ステージ１２上の基板１１の表面に照明光Ｌ１を照射する照明光学系１３と、照明光Ｌ１が照射された基板１１の表面からの戻り光Ｌ２（正反射光、散乱光、または回折光）を受光する受光光学系１４と、画像処理装置１５とで構成されている。
【００１３】
第１実施形態の検査装置１０は、半導体回路素子などの製造工程において、基板１１の表面に形成された繰り返しパターンの欠陥検査を行うための装置である。繰り返しパターンとは、周期的に繰り返される線配列形状の回路パターンのことである。基板１１は、半導体ウエハや液晶ディスプレイパネルなどである。
第１実施形態の検査装置１０の全体構成を具体的に説明する前に、この検査装置１０に組み込まれた照明光学装置２０の説明を行う。
【００１４】
照明光学装置２０は、図１に示すように、ランプ２１と、ロッド型オプティカルインテグレータ２２と、リレーレンズ２３と、バンドル型ランダムライトガイド２４とで構成されている。
このうち、ランプ２１は、光源３１と楕円鏡３２とで構成され、ランプハウス２１ａの内部に収納されている。楕円鏡３２は、回転楕円面の内側を反射面とした凹面反射鏡である。光源３１と楕円鏡３２とは、図２に示すように、光源３１の発光点３１ａが楕円鏡３２の第１焦点３２ａと一致するように配置されている。
【００１５】
このため、光源３１の発光点３１ａから射出された光は、楕円鏡３２で反射して、楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに集光する（光Ｌａ）。そして、楕円鏡３２の第２焦点３２ｂには、光源３１の像が形成される。以下、楕円鏡３２の第１焦点３２ａと第２焦点３２ｂとを結ぶ仮想的な線（図中点線で示す線）を光軸Ｏ２０という。
【００１６】
なお、楕円鏡３２は請求項の「第１光学系」に対応する。楕円鏡３２の第２焦点３２ｂを通って光軸Ｏ２０に垂直な面は、楕円鏡３２によって光源３１の像が形成される面であり、請求項の「光源の像の形成面」に対応する。
上記ランプ２１の後段に配置されたロッド型オプティカルインテグレータ２２は、棒状のガラス材料（石英や蛍石など）からなる内面反射型のガラスロッドである。その屈折率分布は均一である。また、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の断面は例えば円形状であり、その径が中心軸に沿って一定である。
【００１７】
このロッド型オプティカルインテグレータ２２の配置は、中心軸が上記の光軸Ｏ２０に一致し、かつ、一方の端面２２ａが上記の楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに一致するようになっている。一方の端面２２ａは、請求項の「光入射面」に対応する。
このため、楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに集光した光Ｌａは、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の一方の端面２２ａから内部に入射して、他方の端面２２ｂから射出する（光Ｌｂ)。ロッド型オプティカルインテグレータ２２の内部における光の伝搬などについては、後で詳細に説明する。他方の端面２２ｂは、請求項の「光射出面」に対応する。
【００１８】
なお、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の２つの端面２２ａ,２２ｂは、中心軸（光軸Ｏ２０）に略垂直な平面であり、側面２２ｃは円筒面である。２つの端面２２ａ,２２ｂと側面２２ｃとは、何れも、精密に研磨されている。ちなみに、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ｂは、照明光学装置２０の開口絞りに相当する。
【００１９】
また、上記ロッド型オプティカルインテグレータ２２の後段に配置されたリレーレンズ２３は、その光軸が上記の光軸Ｏ２０に一致し、かつ、前側焦点面がロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ｂ（開口絞り相当）に一致するように配置されている。このため、リレーレンズ２３の像側は、テレセントリック系になる。
【００２０】
このリレーレンズ２３は、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ｂ（開口絞り相当）から射出した光Ｌｂを集光して、主光線が光軸Ｏ２０と平行な光Ｌｃに変換し、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａの像を形成する。
なお、リレーレンズ２３は請求項の「第２光学系」に対応する。リレーレンズ２３の像側において光軸Ｏ２０に垂直な面は、リレーレンズ２３によって端面２２ａの像が形成される面であり、請求項の「光源の像の形成面」に対応する。
【００２１】
また、上記リレーレンズ２３の後段に配置されたバンドル型ランダムライトガイド２４（図１）は、数１０μｍ〜数１００μｍの光ファイバ素線を多数束ねたものである。光ファイバ素線の配列は、一方の端面２４ａと他方の端面２４ｂとでランダムになっている。一方の端面２４ａは請求項の「光入射面」に対応し、他方の端面は「光射出面」に対応する。
【００２２】
このバンドル型ランダムライトガイド２４は、一方の端面２４ａが上記の光軸Ｏ２０に対して略垂直となるように配置されている。バンドル型ランダムライトガイド２４は、リレーレンズ２３から得られる光Ｌｃを伝送して、端面２４ｂから外部の球面反射鏡２５(後述する)に照明光Ｌ０を射出する。バンドル型ランダムライトガイド２４は、請求項の「第２補正光学系」に対応する。
【００２３】
なお、上記のロッド型オプティカルインテグレータ２２およびリレーレンズ２３は、請求項の「第１補正光学系」に対応し、楕円鏡３２から射出された光Ｌａを平行光束(Ｌｃ)に変換するコリメイト光学系として機能する。
上記のように構成された照明光学装置２０において、光源３１の発光点３１ａ（図２）から射出された光は、既に説明したように、楕円鏡３２で反射して第２焦点３２ｂに集光する（光Ｌａ）。ここで、光源３１からの光は、光軸Ｏ２０に垂直な方向を中心にして、ある角度範囲Δθ(＜１８０°)内に発生する。このため、楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに集光する光Ｌａには、光軸Ｏ２０と略平行な成分が存在しない（図２の斜線部分）。
【００２４】
つまり、第２焦点３２ｂに集光する光Ｌａの角度方向（図２中α方向）に関する強度分布は、光軸Ｏ２０とのなす角度αがβより小さい範囲（０≦α＜β，斜線部分）内でほぼ零であり、光軸Ｏ２０とのなす角度αがβ以上でかつγ以下の範囲（β≦α≦γ）内でほぼ一定値となる。なお、角度α＝０は、光軸Ｏ２０の方向である。
【００２５】
そして、第２焦点３２ｂに集光する光Ｌａは、角度方向(α方向)に関する強度分布が上記のように不均一なままで、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の一方の端面２２ａから内部に入射する。ちなみに、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａには、光源３１の像（実像）が形成される。
さて、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａから内部に入射した光Ｌｄは、図３(ａ)に示すように、側面２２ｃに到達すると、そのときの入射角φ１,φ２,…が臨界角より大きければ、そこで全反射する（内面反射）。ロッド型オプティカルインテグレータ２２の方が周囲(空気)より屈折率が高いためである。
【００２６】
端面２２ａから内部に入射した光Ｌｄが最初に全反射する地点Ｐ１,Ｐ２,…は、光Ｌｄの端面２２ａでの屈折角Φ１,Φ２,…が小さいほど、つまり、光Ｌａの端面２２ａでの入射角α１,α２,…が小さいほど、端面２２ａから遠く離れる。そして、端面２２ａでの屈折角Φが閾値（端面２２ａから端面２２ｂを見込む角度）より小さい光Ｌｄは、側面２２ｃに到達することなく、直接、他方の端面２２ｂに到達して、そのまま外部のリレーレンズ２３に向けて射出する。
【００２７】
一方、側面２２ｃの地点Ｐ１,Ｐ２,…で全反射した後の光Ｌｄは、再びロッド型オプティカルインテグレータ２２の内部を進行して、側面２２ｃの別の地点に到達すると再び全反射する。また、他方の端面２２ｂに到達すると、外部のリレーレンズ２３に向けて射出する。このように、端面２２ａから内部に入射した光Ｌｄは、他方の端面２２ｂに到達するまで、側面２２ｃにおける全反射を繰り返すことになる。
【００２８】
光Ｌｄが端面２２ｂに到達するまでの間に全反射する回数Ｎは、光Ｌｄの端面２２ａでの屈折角Φによって異なる。つまり、光Ｌａの端面２２ａでの入射角αによって異なる。傾向としては、光Ｌａの端面２２ａでの入射角αが大きく、光Ｌｄの端面２２ａでの屈折角Φが大きいほど、全反射の回数Ｎは多くなる。ただし、全反射の回数Ｎが等しくなるような光Ｌｄの屈折角Φや光Ｌａの入射角αは、ある幅をもっている。以下、全反射の回数Ｎと光Ｌａの入射角αとの関係を説明する。
【００２９】
例えば、図３(ｂ)に示すように、全反射の回数Ｎが２回となる光Ｌａ(1)の入射角αを、角度α１１より大きくかつ角度α１２より小さいとする（α１１＜α＜α１２）。また、図３(ｃ)に示すように、全反射の回数Ｎが４回となる光Ｌａ(2)の入射角αを、角度α１３より大きく角度α１４より小さいとする（α１３＜α＜α１４）。このとき、これらの角度α１１,α１２,α１３,α１４と、図２に示す角度β,γとの間には、「β≦α１１＜α１２＜α１３＜α１４≦γ」の大小関係が成立する。
【００３０】
ちなみに、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａに入射する光Ｌａは、既に説明したように、入射角αが「β≦α≦γ」を満たす範囲内でほぼ一定の強度をもつ。
そして、上記の光Ｌａのうち、入射角αが「α１１＜α＜α１２」を満たす部分範囲内の光Ｌａ(1)は、側面２２ｃにおける２回の全反射を経て端面２２ｂから外部のリレーレンズ２３へ射出し（図３(ｂ)）、入射角αが「α１３＜α＜α１４」を満たす部分範囲内の光Ｌａ(2)は、４回の全反射を経て端面２２ｂから外部へ射出する（図３(ｃ)）。
【００３１】
なお、図示省略したが、入射角αが「α１２＜α＜α１３」を満たす部分範囲内の光Ｌａ(3)は、３回の全反射を経て端面２２ｂから射出すると考えられる。同様に、その他の部分範囲内の光Ｌａ(n)は、その入射角αに応じた回数だけ全反射して、端面２２ｂから射出すると考えられる。
このように、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａに入射する光Ｌａは、側面２２ｃにおける全反射の回数Ｎに応じて、角度方向（α方向）に分割されることになる（図４のＬａ(1),Ｌａ(2),Ｌａ(3),…参照）。光Ｌａの入射角αが大きいほど全反射の回数Ｎが多くなる傾向は、上述した通りである。
【００３２】
そして、角度方向（α方向）に分割された光Ｌａ(1),Ｌａ(2),Ｌａ(3),…の各々は、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の内部に入射すると、その入射角αに応じた回数だけ側面２２ｃで全反射して、他方の端面２２ｂに到達すると、外部のリレーレンズ２３に向けて射出する（図３,図４の光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…参照）。
【００３３】
このとき端面２２ｂから射出される光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…の光軸Ｏ２０とのなす角度(射出角)は、各々、対応する光Ｌａ(1),Ｌａ(2),…の入射角αと等しい。例えば、光Ｌｂ(1)の射出角は「α１１＜α＜α１２」の範囲内に含まれ、光Ｌｂ(2)の射出角は「α１３＜α＜α１４」の範囲内に含まれる。つまり、端面２２ｂから射出される光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…の射出角は、互いに異なっている。
【００３４】
したがって、端面２２ｂから射出された光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…は、各々、後段に配置されたリレーレンズ２３を介して集光し（図３,図４の光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…参照）、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する。
ここで、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の各々は、上記の分割された光Ｌａ(1),Ｌａ(2),…ごとに対応して、また、側面２２ｃでの全反射の回数Ｎが異なる光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…ごとに対応して、各々形成されたものである。
【００３５】
換言すると、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の各々は、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａに形成された光源３１の像（実像Ｓ０）が、上記した端面２２ａでの入射角αや全反射の回数Ｎに応じて、空間的に分割されたものである。
また、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａを拡張した仮想平面２２ｅ（図４に点線で示す面）には、ロッド型オプティカルインテグレータ２２による光源３１の虚像Ｓ１,Ｓ２,…(二次光源)が形成されている。このため、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の各々は、仮想平面２２ｅに形成された虚像Ｓ１,Ｓ２,…の各々を光源としたときに形成される像と考えることもできる。
【００３６】
ちなみに、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…は、図５に示すように、それぞれ径の異なるリング状であり、光軸Ｏ２０を中心にして同心円状に形成されている。像Ｑ１,Ｑ２,…の数および間隔は、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａ,２２ｂの径と、側面２２ｃの長さと、端面２２ａに対する光Ｌａの入射角α（つまり端面２２ｂからの光Ｌｂの射出角）に応じて決まる。
【００３７】
さらに、既に説明したように、リレーレンズ２３の像側がテレセントリック系であるため、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに集光し、光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…は、主光線が何れも光軸Ｏ２０と平行である（図２参照）。
また、光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の各々の角度方向（図４中ε方向）に関する強度分布は、上記の角度方向（α方向）に分割された光Ｌａ(1),Ｌａ(2),Ｌａ(3),…の各々における強度分布を反映しているため、光軸Ｏ２０とのなす角度εに関わらずほぼ一定値となる。なお、角度ε＝０は、光軸Ｏ２０に平行な方向である。
【００３８】
したがって、光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の各々は、角度方向(ε方向)に関する強度分布が均一な状態で、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａから内部に入射することになる。また、このとき端面２４ａに入射する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の空間的な強度分布は、図５に示す像Ｑ１,Ｑ２,…の通りであり、不均一である。
【００３９】
そして、バンドル型ランダムライトガイド２４は、上記の空間的には不均一だが角度的には均一な強度分布の光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…を伝送して、図１に示すように、他方の端面２４ｂから外部の球面反射鏡２５(後述する)に対して照明光Ｌ０を射出する。
ここで、バンドル型ランダムライトガイド２４は、端面２４ａと端面２４ｂとで光ファイバ素線の配列がランダムになっているため、端面２４ａに入射する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の強度分布が空間的に不均一（図５参照）であっても、図６に示すように、端面２４ｂから射出される照明光Ｌ０の強度分布を空間的に均一化することができる。
【００４０】
さらに、バンドル型ランダムライトガイド２４は、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…を伝送するに当たり、各々の光ファイバ素線において光の角度的な強度分布を維持するため、端面２４ａに入射するときの角度方向(ε方向)に関する均一な強度分布と同じ強度分布をもった照明光Ｌ０を射出する。
すなわち、上記した照明光学装置２０によれば、光源３１から射出される光の強度分布が空間的にも角度的にも不均一な場合でも、常に、空間的にも角度的にも均一な強度分布の光に変換することができ、これを照明光Ｌ０として外部に射出することができる。
【００４１】
さらに、上記した照明光学装置２０によれば、次のような効果も奏する。
一般的に、ランプ２１を交換する際には、ランプ２１の取り付け位置にずれが生じたり、ランプ２１を構成する光源３１の位置が楕円鏡３２の第１焦点３２ａからずれることがある。そして、このような位置ずれが生じると、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａにおいて、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の集光位置（図５の像Ｑ１,Ｑ２,…の位置）が変化したり、入射角度が光軸Ｏ２０に対して変化したりすることがある。
【００４２】
しかし、バンドル型ランダムライトガイド２４は、端面２４ａと端面２４ｂとで光ファイバ素線の配列がランダムになっているため、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の集光位置（図５の像Ｑ１,Ｑ２,…の位置）が変化した場合でも、その位置ずれの影響はほとんど無く、空間的に均一な強度分布の照明光Ｌ０を射出できる。
【００４３】
さらに、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに入射する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の角度条件が何れも同じであるため、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の入射角度が光軸Ｏ２０に対して変化しても、その角度ずれの影響はほとんど無く、角度的にも均一な強度分布の照明光Ｌ０を射出できる。
さて次に、上記の照明光学装置２０を組み込んだ検査装置２０の全体構成について、図１を用いて具体的に説明する。
【００４４】
ステージ１２には、不図示のチルト機構が設けられている。このため、ステージ１２は、基板１１の表面を通る軸Ａｘのまわりに所定の角度範囲内でチルト可能である。なお、ステージ１２は、不図示の搬送装置によって搬送されてきた基板１１を上面に載置し、真空吸着によって固定保持する。
ここで、ステージ１２（基板１１）の軸Ａｘに平行な方向をＸ方向とする。また、ステージ１２（基板１１）が水平に保たれた状態での法線（基準法線）に平行な方向をＺ方向とする。さらに、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
【００４５】
また、照明光学系１３は、上記の照明光学装置２０と球面反射鏡２５とで構成された偏心光学系である。球面反射鏡２５は請求項の「照射手段」に対応する。
照明光学装置２０は、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ｂが球面反射鏡２５の前側焦点面と一致するように配置されている。そして、照明光学装置２０は、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ｂから球面反射鏡２５に向けて照明光Ｌ０を射出する。照明光Ｌ０は、空間的にも角度的にも均一な強度分布の光である。
【００４６】
球面反射鏡２５は、球面の内側を反射面とした凹面反射鏡であり、ステージ１２の斜め上方に配置される。つまり、球面反射鏡２５の中心とステージ１２の中心とを通る軸（光軸Ｏ１）は、基準法線(Ｚ方向)に対して所定の角度θｉだけ傾けられている。θｉは固定値である。
【００４７】
また、球面反射鏡２５は、光軸Ｏ１がステージ１２の軸Ａｘ（Ｘ方向）に対して直交すると共に、後側焦点面が基板１１と略一致するように配置されている。検査装置１０の照明光学系１３は、基板１１側に対してテレセントリックな光学系である。
上記の照明光学系１３において、照明光学装置２０のバンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ｂから射出された照明光Ｌ０は、球面反射鏡２５を介してほぼ平行な光（照明光Ｌ１）となり、ステージ１２上の基板１１の表面に全体的に照射される。
【００４８】
このとき、基板１１の表面は、空間的にも角度的にも均一な強度で良好に照明される。ちなみに、端面２４ｂから射出された照明光Ｌ０の空間的な均一性は、基板１１の表面に照射された照明光Ｌ１の角度的な均一性となる。また、端面２４ｂから射出された照明光Ｌ０の角度的な均一性は、基板１１の表面に照射された照明光Ｌ１の空間的な均一性となる。
【００４９】
このようにして照明光Ｌ１が照射されると、基板１１の表面に形成された繰り返しパターンからは、回折光や正反射光や散乱光（戻り光Ｌ２）が発生する。戻り光Ｌ２の強度は、繰り返しパターンの欠陥箇所と正常箇所とで異なる。
また、戻り光Ｌ２を受光する受光光学系１４は、球面反射鏡２６と、レンズ２７と、ＣＣＤカメラ２８とで構成された偏心光学系である。
【００５０】
球面反射鏡２６は、上記の球面反射鏡２５と同様の反射鏡であり、ステージ１２の斜め上方に配置される。つまり、球面反射鏡２６の中心とステージ１２の中心とを通る軸（光軸Ｏ２）が基準法線(Ｚ方向)に対して所定の角度θｄだけ傾くように配置されている。θｄは固定値である。
レンズ２７は、球面反射鏡２６の前側焦点面と一致するように、受光光学系１４の瞳近傍に配置されている。ＣＣＤカメラ２８は、複数の画素が２次元的に配列されたＣＣＤ撮像素子であり、その撮像面がレンズ２７の後側焦点面と一致するように配置されている。
【００５１】
上記の受光光学系１４において、基板１１の表面から発生した戻り光Ｌ２は、球面反射鏡２６とレンズ２７とを介して集光され、ＣＣＤカメラ２８の撮像面上に到達する。ＣＣＤカメラ２８の撮像面上には、戻り光Ｌ２による基板１１の像が形成される。
ＣＣＤカメラ２８は、撮像面に形成された基板１１の像を撮像して、画像信号を画像処理装置１５に出力する。なお、上記した受光光学系１４と画像処理装置１５とは、請求項の「検出手段」に対応する。
【００５２】
画像処理装置１５は、ＣＣＤカメラ２８から画像信号を入力することにより、基板１１の画像を取り込み、この画像に対する画像処理によって基板１１の繰り返しパターンの欠陥検出処理を行う。繰り返しパターンの欠陥箇所とは、デフォーカスによる膜厚むら、パターン形状の異常、傷などである。
第１実施形態の検査装置１０では、基板１１の表面に対して、空間的にも角度的にも均一な強度分布の照明光Ｌ１を照射するため、基板１１の表面から発生する戻り光Ｌ２の強度が欠陥か否かを正確に反映したものとなる。
【００５３】
したがって、簡単な画像処理によって、基板１１の繰り返しパターンの欠陥箇所を正確に検出することができる。その結果、欠陥検出率が向上し、疑似欠陥の発生を回避できる。また、半導体プロセスでの歩留まり向上が図られると同時に、無駄な戻り作業を減少させ、コスト削減が可能となる。
(第２実施形態)
次に、本発明の第２実施形態（請求項１〜請求項３に対応）について説明する。
【００５４】
第２実施形態では、異なる構成の照明光学装置４０について説明する。
照明光学装置４０は、図７に示すように、上記した照明光学装置２０（図１）のリレーレンズ２３とバンドル型ランダムライトガイド２４との間に、リレーレンズ４１と波長選択フィルタ４２とリレーレンズ４３とを配置したものである。
【００５５】
このため、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａは、リレーレンズ２３によって形成される光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…（図５）の形成面２３ａと共役な面に配置される。
リレーレンズ４１,４３は、リレーレンズ２３から得られる光Ｌｃ(図４の光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…）を入射して、リレーレンズ２３による形成面２３ａ上の像Ｑ１,Ｑ２,…（図５）をバンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに再結像する。リレーレンズ４１の像側は、テレセントリック系である。リレーレンズ４１,４３は、請求項の「第３光学系」に対応する。
【００５６】
波長選択フィルタ４２は、干渉フィルタやダイクロイックミラーなどである。また、透過波長域が異なる複数種類のフィルタと、これらのフィルタを切り換えるターレット機構とで構成することもできる。この波長選択フィルタ４２は、光源３１からの光のうち、特定の波長域の光のみを選択的に透過させる手段である。波長選択フィルタ２４を用いることで、照明光学装置４０から射出される照明光Ｌ０の波長を選択することができる。波長選択フィルタ４２は請求項の「選択手段」に対応する。
【００５７】
したがって、第２実施形態の照明光学装置４０を上記の照明光学装置２０に代えて組み込んだ検査装置１０では、基板１１の表面に繰り返しパターンが形成されている場合（特に基板１１が半導体ウエハの場合）に、照明光Ｌ１の波長を制限することで、回折光による検査の感度を向上させることができる。さらに、散乱光による検査では、迷光を防止することができる。
【００５８】
なお、上記した実施形態では、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａを楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに一致させたが、本発明はこの構成に限定されない。ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａは、楕円鏡３２によって形成される光源３１の像の形成面(第２焦点３２ｂ)と共役な面に配置しても良い。
【００５９】
また、上記した実施形態では、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の断面が円形状の例を説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、矩形状や多角形状の断面を有するロッド型オプティカルインテグレータを用いた場合にも本発明を適用できる。さらに、ロッド型オプティカルインテグレータとして、光ファイバーを束ねたものを用いることもできる。
【００６０】
さらに、上記した実施形態では、光源３１からの光を集光する第１光学系として反射光学系の楕円鏡３２を用いたが、反射光学系に代えて屈折光学系の集光レンズを用いることもできる。
さらに、上記した実施形態では、照明光学装置２０,４０を検査装置１０に組み込み、半導体素子などの製造工程における基板の表面検査に照明光Ｌ０を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、照明光学装置２０,４０を半導体露光装置に組み込み、マスクに形成された回路パターンを基板上のレジスト膜に焼き付ける際の露光光として、照明光学装置２０,４０の照明光Ｌ０を用いることもできる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源から射出される光の強度分布が空間的にも角度的にも不均一な場合でも、常に、空間的にも角度的にも均一な強度分布の照明光を外部に射出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の検査装置１０と照明光学装置２０の全体構成を示す図である。
【図２】照明光学装置２０を拡大して示す図である。
【図３】ロッド型オプティカルインテグレータ２２の内部における光の経路、および、端面２２ｂから射出された光の経路を説明する図である。
【図４】ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａに入射する光Ｌａの角度方向の分割と、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａにおける光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の空間的な分割との関係を示す図である。
【図５】バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａにおける光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を示す図である。
【図６】バンドル型ランダムライトガイド２４における光の伝送を説明する図である。
【図７】第２実施形態の照明光学装置４０の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ 検査装置
１１ 基板
１２ ステージ
１３ 照明光学系
１４ 受光光学系
１５ 画像処理装置
２０，４０ 照明光学装置
２１ ランプ
２２ ロッド型オプティカルインテグレータ
２３，４１，４３ リレーレンズ
２４ バンドル型ランダムライトガイド
２５，２６ 球面反射鏡
２７ レンズ
２８ ＣＣＤカメラ
３１ 光源
３２ 楕円鏡
４２ 波長選択フィルタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光を射出する照明光学装置およびそれを備えた検査装置に関し、特に、半導体素子などの製造工程における基板の表面検査に好適な照明光学装置およびそれを備えた検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光源とバンドル型ランダムライトガイドとを備えた照明光学装置が知られている。バンドル型ランダムライトガイドは、多数の光ファイバ素線を束ねたものであり、光入射面と光射出面とで光ファイバ素線の配列がランダムになっている。
【０００３】
このような照明光学装置では、光源からの光をバンドル型ランダムライトガイドの光入射面に入射させ、バンドル型ランダムライトガイドの光射出面から外部に照明光を射出することになる。
したがって、バンドル型ランダムライトガイドの光入射面に入射する光の強度分布が空間的に不均一であっても、バンドル型ランダムライトガイドの光射出面から射出される照明光の強度分布を空間的に均一化できる。すなわち、空間的に均一な強度分布の照明光を射出することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の照明光学装置では、バンドル型ランダムライトガイドの光入射面に入射する光の強度分布が角度的に不均一な場合、バンドル型ランダムライトガイドの光射出面から射出される照明光の強度分布を角度的に均一化することはできなかった。
【０００５】
これは、バンドル型ランダムライトガイドの各々の光ファイバ素線において、光の角度的な強度分布が維持されるからである。このため、従来の照明光学装置では、空間的には均一でも角度的には不均一な強度分布の照明光を射出することになっていた。
本発明の目的は、空間的にも角度的にも均一な強度分布の照明光を射出することができる照明光学装置、およびそれを備えた検査装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の照明光学装置は、光源と、該光源からの光を集光する第１光学系と、ロッド型オプティカルインテグレータと、該ロッド型オプティカルインテグレータからの光を集光する第２光学系と、バンドル型ランダムライトガイドとが順に配置され、前記ロッド型オプティカルインテグレータが、前記第１光学系によって形成される前記光源の像の形成面または該形成面と共役な面に配置された光入射面と、前記第２光学系の前側焦点面に配置された光射出面とを有し、前記バンドル型ランダムライトガイドが、前記第２光学系によって形成される前記光源の像の形成面または該形成面と共役な面に配置された光入射面と、外部に照明光を射出する光射出面とを有するものである。
【０００７】
なお、本発明の照明光学装置において、前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光入射面は、前記第２光学系による前記像の形成面と共役な面に配置され、前記第２光学系と前記バンドル型ランダムライトガイドとの間に、前記第２光学系からの光を入射して、前記第２光学系による前記像を前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光入射面に再結像する第３光学系と、前記照明光の波長を選択する選択手段とが配置されてもよい。
【０００８】
また、本発明の検査装置は、本発明の何れかの照明光学装置と、前記照明光学装置の前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光射出面から射出された前記照明光を被検物体に照射する照射手段と、前記照明光が照射された前記被検物体の像を撮像し、前記被検物体の像に基づいて前記被検物体の欠陥を検出する検出手段とを備えたものである。
【０００９】
本発明の別の照明光学装置は、光源と、前記光源からの光を集光する第１光学系と、前記第１光学系から射出される光の角度的不均一性を補正する第１補正光学系と、前記第１補正光学系から射出される光の空間的不均一性を補正する第２補正光学系とを備え、前記光源からの光の角度的不均一性の補正後に空間的不均一性の補正を行い、照明光を作り出すものである。
【００１０】
なお、前記照明光学装置において、前記第１補正光学系が、ロッド型オプティカルインテグレータと、該ロッド型オプティカルインテグレータからの光を集光する第２光学系とから構成され、前記第２補正光学系が、バンドル型ランダムライトガイドから構成されてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
(第１実施形態)
本発明の第１実施形態は、請求項１,請求項３に対応する。
第１実施形態の検査装置１０は、図１に示すように、被検物体である基板１１を保持するステージ１２と、ステージ１２上の基板１１の表面に照明光Ｌ１を照射する照明光学系１３と、照明光Ｌ１が照射された基板１１の表面からの戻り光Ｌ２（正反射光、散乱光、または回折光）を受光する受光光学系１４と、画像処理装置１５とで構成されている。
【００１３】
第１実施形態の検査装置１０は、半導体回路素子などの製造工程において、基板１１の表面に形成された繰り返しパターンの欠陥検査を行うための装置である。繰り返しパターンとは、周期的に繰り返される線配列形状の回路パターンのことである。基板１１は、半導体ウエハや液晶ディスプレイパネルなどである。
第１実施形態の検査装置１０の全体構成を具体的に説明する前に、この検査装置１０に組み込まれた照明光学装置２０の説明を行う。
【００１４】
照明光学装置２０は、図１に示すように、ランプ２１と、ロッド型オプティカルインテグレータ２２と、リレーレンズ２３と、バンドル型ランダムライトガイド２４とで構成されている。
このうち、ランプ２１は、光源３１と楕円鏡３２とで構成され、ランプハウス２１ａの内部に収納されている。楕円鏡３２は、回転楕円面の内側を反射面とした凹面反射鏡である。光源３１と楕円鏡３２とは、図２に示すように、光源３１の発光点３１ａが楕円鏡３２の第１焦点３２ａと一致するように配置されている。
【００１５】
このため、光源３１の発光点３１ａから射出された光は、楕円鏡３２で反射して、楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに集光する（光Ｌａ）。そして、楕円鏡３２の第２焦点３２ｂには、光源３１の像が形成される。以下、楕円鏡３２の第１焦点３２ａと第２焦点３２ｂとを結ぶ仮想的な線（図中点線で示す線）を光軸Ｏ２０という。
【００１６】
なお、楕円鏡３２は請求項の「第１光学系」に対応する。楕円鏡３２の第２焦点３２ｂを通って光軸Ｏ２０に垂直な面は、楕円鏡３２によって光源３１の像が形成される面であり、請求項の「光源の像の形成面」に対応する。
上記ランプ２１の後段に配置されたロッド型オプティカルインテグレータ２２は、棒状のガラス材料（石英や蛍石など）からなる内面反射型のガラスロッドである。その屈折率分布は均一である。また、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の断面は例えば円形状であり、その径が中心軸に沿って一定である。
【００１７】
このロッド型オプティカルインテグレータ２２の配置は、中心軸が上記の光軸Ｏ２０に一致し、かつ、一方の端面２２ａが上記の楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに一致するようになっている。一方の端面２２ａは、請求項の「光入射面」に対応する。
このため、楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに集光した光Ｌａは、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の一方の端面２２ａから内部に入射して、他方の端面２２ｂから射出する（光Ｌｂ)。ロッド型オプティカルインテグレータ２２の内部における光の伝搬などについては、後で詳細に説明する。他方の端面２２ｂは、請求項の「光射出面」に対応する。
【００１８】
なお、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の２つの端面２２ａ,２２ｂは、中心軸（光軸Ｏ２０）に略垂直な平面であり、側面２２ｃは円筒面である。２つの端面２２ａ,２２ｂと側面２２ｃとは、何れも、精密に研磨されている。ちなみに、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ｂは、照明光学装置２０の開口絞りに相当する。
【００１９】
また、上記ロッド型オプティカルインテグレータ２２の後段に配置されたリレーレンズ２３は、その光軸が上記の光軸Ｏ２０に一致し、かつ、前側焦点面がロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ｂ（開口絞り相当）に一致するように配置されている。このため、リレーレンズ２３の像側は、テレセントリック系になる。
【００２０】
このリレーレンズ２３は、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ｂ（開口絞り相当）から射出した光Ｌｂを集光して、主光線が光軸Ｏ２０と平行な光Ｌｃに変換し、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａの像を形成する。
なお、リレーレンズ２３は請求項の「第２光学系」に対応する。リレーレンズ２３の像側において光軸Ｏ２０に垂直な面は、リレーレンズ２３によって端面２２ａの像が形成される面であり、請求項の「光源の像の形成面」に対応する。
【００２１】
また、上記リレーレンズ２３の後段に配置されたバンドル型ランダムライトガイド２４（図１）は、数１０μｍ〜数１００μｍの光ファイバ素線を多数束ねたものである。光ファイバ素線の配列は、一方の端面２４ａと他方の端面２４ｂとでランダムになっている。一方の端面２４ａは請求項の「光入射面」に対応し、他方の端面は「光射出面」に対応する。
【００２２】
このバンドル型ランダムライトガイド２４は、一方の端面２４ａが上記の光軸Ｏ２０に対して略垂直となるように配置されている。バンドル型ランダムライトガイド２４は、リレーレンズ２３から得られる光Ｌｃを伝送して、端面２４ｂから外部の球面反射鏡２５(後述する)に照明光Ｌ０を射出する。バンドル型ランダムライトガイド２４は、請求項の「第２補正光学系」に対応する。
【００２３】
なお、上記のロッド型オプティカルインテグレータ２２およびリレーレンズ２３は、請求項の「第１補正光学系」に対応し、楕円鏡３２から射出された光Ｌａを平行光束(Ｌｃ)に変換するコリメイト光学系として機能する。
上記のように構成された照明光学装置２０において、光源３１の発光点３１ａ（図２）から射出された光は、既に説明したように、楕円鏡３２で反射して第２焦点３２ｂに集光する（光Ｌａ）。ここで、光源３１からの光は、光軸Ｏ２０に垂直な方向を中心にして、ある角度範囲Δθ(＜１８０°)内に発生する。このため、楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに集光する光Ｌａには、光軸Ｏ２０と略平行な成分が存在しない（図２の斜線部分）。
【００２４】
つまり、第２焦点３２ｂに集光する光Ｌａの角度方向（図２中α方向）に関する強度分布は、光軸Ｏ２０とのなす角度αがβより小さい範囲（０≦α＜β，斜線部分）内でほぼ零であり、光軸Ｏ２０とのなす角度αがβ以上でかつγ以下の範囲（β≦α≦γ）内でほぼ一定値となる。なお、角度α＝０は、光軸Ｏ２０の方向である。
【００２５】
そして、第２焦点３２ｂに集光する光Ｌａは、角度方向(α方向)に関する強度分布が上記のように不均一なままで、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の一方の端面２２ａから内部に入射する。ちなみに、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａには、光源３１の像（実像）が形成される。
さて、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａから内部に入射した光Ｌｄは、図３(ａ)に示すように、側面２２ｃに到達すると、そのときの入射角φ１,φ２,…が臨界角より大きければ、そこで全反射する（内面反射）。ロッド型オプティカルインテグレータ２２の方が周囲(空気)より屈折率が高いためである。
【００２６】
端面２２ａから内部に入射した光Ｌｄが最初に全反射する地点Ｐ１,Ｐ２,…は、光Ｌｄの端面２２ａでの屈折角Φ１,Φ２,…が小さいほど、つまり、光Ｌａの端面２２ａでの入射角α１,α２,…が小さいほど、端面２２ａから遠く離れる。そして、端面２２ａでの屈折角Φが閾値（端面２２ａから端面２２ｂを見込む角度）より小さい光Ｌｄは、側面２２ｃに到達することなく、直接、他方の端面２２ｂに到達して、そのまま外部のリレーレンズ２３に向けて射出する。
【００２７】
一方、側面２２ｃの地点Ｐ１,Ｐ２,…で全反射した後の光Ｌｄは、再びロッド型オプティカルインテグレータ２２の内部を進行して、側面２２ｃの別の地点に到達すると再び全反射する。また、他方の端面２２ｂに到達すると、外部のリレーレンズ２３に向けて射出する。このように、端面２２ａから内部に入射した光Ｌｄは、他方の端面２２ｂに到達するまで、側面２２ｃにおける全反射を繰り返すことになる。
【００２８】
光Ｌｄが端面２２ｂに到達するまでの間に全反射する回数Ｎは、光Ｌｄの端面２２ａでの屈折角Φによって異なる。つまり、光Ｌａの端面２２ａでの入射角αによって異なる。傾向としては、光Ｌａの端面２２ａでの入射角αが大きく、光Ｌｄの端面２２ａでの屈折角Φが大きいほど、全反射の回数Ｎは多くなる。ただし、全反射の回数Ｎが等しくなるような光Ｌｄの屈折角Φや光Ｌａの入射角αは、ある幅をもっている。以下、全反射の回数Ｎと光Ｌａの入射角αとの関係を説明する。
【００２９】
例えば、図３(ｂ)に示すように、全反射の回数Ｎが２回となる光Ｌａ(1)の入射角αを、角度α１１より大きくかつ角度α１２より小さいとする（α１１＜α＜α１２）。また、図３(ｃ)に示すように、全反射の回数Ｎが４回となる光Ｌａ(2)の入射角αを、角度α１３より大きく角度α１４より小さいとする（α１３＜α＜α１４）。このとき、これらの角度α１１,α１２,α１３,α１４と、図２に示す角度β,γとの間には、「β≦α１１＜α１２＜α１３＜α１４≦γ」の大小関係が成立する。
【００３０】
ちなみに、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａに入射する光Ｌａは、既に説明したように、入射角αが「β≦α≦γ」を満たす範囲内でほぼ一定の強度をもつ。
そして、上記の光Ｌａのうち、入射角αが「α１１＜α＜α１２」を満たす部分範囲内の光Ｌａ(1)は、側面２２ｃにおける２回の全反射を経て端面２２ｂから外部のリレーレンズ２３へ射出し（図３(ｂ)）、入射角αが「α１３＜α＜α１４」を満たす部分範囲内の光Ｌａ(2)は、４回の全反射を経て端面２２ｂから外部へ射出する（図３(ｃ)）。
【００３１】
なお、図示省略したが、入射角αが「α１２＜α＜α１３」を満たす部分範囲内の光Ｌａ(3)は、３回の全反射を経て端面２２ｂから射出すると考えられる。同様に、その他の部分範囲内の光Ｌａ(n)は、その入射角αに応じた回数だけ全反射して、端面２２ｂから射出すると考えられる。
このように、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａに入射する光Ｌａは、側面２２ｃにおける全反射の回数Ｎに応じて、角度方向（α方向）に分割されることになる（図４のＬａ(1),Ｌａ(2),Ｌａ(3),…参照）。光Ｌａの入射角αが大きいほど全反射の回数Ｎが多くなる傾向は、上述した通りである。
【００３２】
そして、角度方向（α方向）に分割された光Ｌａ(1),Ｌａ(2),Ｌａ(3),…の各々は、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の内部に入射すると、その入射角αに応じた回数だけ側面２２ｃで全反射して、他方の端面２２ｂに到達すると、外部のリレーレンズ２３に向けて射出する（図３,図４の光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…参照）。
【００３３】
このとき端面２２ｂから射出される光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…の光軸Ｏ２０とのなす角度(射出角)は、各々、対応する光Ｌａ(1),Ｌａ(2),…の入射角αと等しい。例えば、光Ｌｂ(1)の射出角は「α１１＜α＜α１２」の範囲内に含まれ、光Ｌｂ(2)の射出角は「α１３＜α＜α１４」の範囲内に含まれる。つまり、端面２２ｂから射出される光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…の射出角は、互いに異なっている。
【００３４】
したがって、端面２２ｂから射出された光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…は、各々、後段に配置されたリレーレンズ２３を介して集光し（図３,図４の光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…参照）、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する。
ここで、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の各々は、上記の分割された光Ｌａ(1),Ｌａ(2),…ごとに対応して、また、側面２２ｃでの全反射の回数Ｎが異なる光Ｌｂ(1),Ｌｂ(2),…ごとに対応して、各々形成されたものである。
【００３５】
換言すると、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の各々は、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａに形成された光源３１の像（実像Ｓ０）が、上記した端面２２ａでの入射角αや全反射の回数Ｎに応じて、空間的に分割されたものである。
また、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａを拡張した仮想平面２２ｅ（図４に点線で示す面）には、ロッド型オプティカルインテグレータ２２による光源３１の虚像Ｓ１,Ｓ２,…(二次光源)が形成されている。このため、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の各々は、仮想平面２２ｅに形成された虚像Ｓ１,Ｓ２,…の各々を光源としたときに形成される像と考えることもできる。
【００３６】
ちなみに、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに形成された光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…は、図５に示すように、それぞれ径の異なるリング状であり、光軸Ｏ２０を中心にして同心円状に形成されている。像Ｑ１,Ｑ２,…の数および間隔は、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａ,２２ｂの径と、側面２２ｃの長さと、端面２２ａに対する光Ｌａの入射角α（つまり端面２２ｂからの光Ｌｂの射出角）に応じて決まる。
【００３７】
さらに、既に説明したように、リレーレンズ２３の像側がテレセントリック系であるため、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに集光し、光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…は、主光線が何れも光軸Ｏ２０と平行である（図２参照）。
また、光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の各々の角度方向（図４中ε方向）に関する強度分布は、上記の角度方向（α方向）に分割された光Ｌａ(1),Ｌａ(2),Ｌａ(3),…の各々における強度分布を反映しているため、光軸Ｏ２０とのなす角度εに関わらずほぼ一定値となる。なお、角度ε＝０は、光軸Ｏ２０に平行な方向である。
【００３８】
したがって、光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を形成する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の各々は、角度方向(ε方向)に関する強度分布が均一な状態で、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａから内部に入射することになる。また、このとき端面２４ａに入射する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の空間的な強度分布は、図５に示す像Ｑ１,Ｑ２,…の通りであり、不均一である。
【００３９】
そして、バンドル型ランダムライトガイド２４は、上記の空間的には不均一だが角度的には均一な強度分布の光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…を伝送して、図１に示すように、他方の端面２４ｂから外部の球面反射鏡２５(後述する)に対して照明光Ｌ０を射出する。
ここで、バンドル型ランダムライトガイド２４は、端面２４ａと端面２４ｂとで光ファイバ素線の配列がランダムになっているため、端面２４ａに入射する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の強度分布が空間的に不均一（図５参照）であっても、図６に示すように、端面２４ｂから射出される照明光Ｌ０の強度分布を空間的に均一化することができる。
【００４０】
さらに、バンドル型ランダムライトガイド２４は、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…を伝送するに当たり、各々の光ファイバ素線において光の角度的な強度分布を維持するため、端面２４ａに入射するときの角度方向(ε方向)に関する均一な強度分布と同じ強度分布をもった照明光Ｌ０を射出する。
すなわち、上記した照明光学装置２０によれば、光源３１から射出される光の強度分布が空間的にも角度的にも不均一な場合でも、常に、空間的にも角度的にも均一な強度分布の光に変換することができ、これを照明光Ｌ０として外部に射出することができる。
【００４１】
さらに、上記した照明光学装置２０によれば、次のような効果も奏する。
一般的に、ランプ２１を交換する際には、ランプ２１の取り付け位置にずれが生じたり、ランプ２１を構成する光源３１の位置が楕円鏡３２の第１焦点３２ａからずれることがある。そして、このような位置ずれが生じると、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａにおいて、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の集光位置（図５の像Ｑ１,Ｑ２,…の位置）が変化したり、入射角度が光軸Ｏ２０に対して変化したりすることがある。
【００４２】
しかし、バンドル型ランダムライトガイド２４は、端面２４ａと端面２４ｂとで光ファイバ素線の配列がランダムになっているため、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の集光位置（図５の像Ｑ１,Ｑ２,…の位置）が変化した場合でも、その位置ずれの影響はほとんど無く、空間的に均一な強度分布の照明光Ｌ０を射出できる。
【００４３】
さらに、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに入射する光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の角度条件が何れも同じであるため、光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…の入射角度が光軸Ｏ２０に対して変化しても、その角度ずれの影響はほとんど無く、角度的にも均一な強度分布の照明光Ｌ０を射出できる。
さて次に、上記の照明光学装置２０を組み込んだ検査装置２０の全体構成について、図１を用いて具体的に説明する。
【００４４】
ステージ１２には、不図示のチルト機構が設けられている。このため、ステージ１２は、基板１１の表面を通る軸Ａｘのまわりに所定の角度範囲内でチルト可能である。なお、ステージ１２は、不図示の搬送装置によって搬送されてきた基板１１を上面に載置し、真空吸着によって固定保持する。
ここで、ステージ１２（基板１１）の軸Ａｘに平行な方向をＸ方向とする。また、ステージ１２（基板１１）が水平に保たれた状態での法線（基準法線）に平行な方向をＺ方向とする。さらに、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
【００４５】
また、照明光学系１３は、上記の照明光学装置２０と球面反射鏡２５とで構成された偏心光学系である。球面反射鏡２５は請求項の「照射手段」に対応する。
照明光学装置２０は、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ｂが球面反射鏡２５の前側焦点面と一致するように配置されている。そして、照明光学装置２０は、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ｂから球面反射鏡２５に向けて照明光Ｌ０を射出する。照明光Ｌ０は、空間的にも角度的にも均一な強度分布の光である。
【００４６】
球面反射鏡２５は、球面の内側を反射面とした凹面反射鏡であり、ステージ１２の斜め上方に配置される。つまり、球面反射鏡２５の中心とステージ１２の中心とを通る軸（光軸Ｏ１）は、基準法線(Ｚ方向)に対して所定の角度θｉだけ傾けられている。θｉは固定値である。
【００４７】
また、球面反射鏡２５は、光軸Ｏ１がステージ１２の軸Ａｘ（Ｘ方向）に対して直交すると共に、後側焦点面が基板１１と略一致するように配置されている。検査装置１０の照明光学系１３は、基板１１側に対してテレセントリックな光学系である。
上記の照明光学系１３において、照明光学装置２０のバンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ｂから射出された照明光Ｌ０は、球面反射鏡２５を介してほぼ平行な光（照明光Ｌ１）となり、ステージ１２上の基板１１の表面に全体的に照射される。
【００４８】
このとき、基板１１の表面は、空間的にも角度的にも均一な強度で良好に照明される。ちなみに、端面２４ｂから射出された照明光Ｌ０の空間的な均一性は、基板１１の表面に照射された照明光Ｌ１の角度的な均一性となる。また、端面２４ｂから射出された照明光Ｌ０の角度的な均一性は、基板１１の表面に照射された照明光Ｌ１の空間的な均一性となる。
【００４９】
このようにして照明光Ｌ１が照射されると、基板１１の表面に形成された繰り返しパターンからは、回折光や正反射光や散乱光（戻り光Ｌ２）が発生する。戻り光Ｌ２の強度は、繰り返しパターンの欠陥箇所と正常箇所とで異なる。
また、戻り光Ｌ２を受光する受光光学系１４は、球面反射鏡２６と、レンズ２７と、ＣＣＤカメラ２８とで構成された偏心光学系である。
【００５０】
球面反射鏡２６は、上記の球面反射鏡２５と同様の反射鏡であり、ステージ１２の斜め上方に配置される。つまり、球面反射鏡２６の中心とステージ１２の中心とを通る軸（光軸Ｏ２）が基準法線(Ｚ方向)に対して所定の角度θｄだけ傾くように配置されている。θｄは固定値である。
レンズ２７は、球面反射鏡２６の前側焦点面と一致するように、受光光学系１４の瞳近傍に配置されている。ＣＣＤカメラ２８は、複数の画素が２次元的に配列されたＣＣＤ撮像素子であり、その撮像面がレンズ２７の後側焦点面と一致するように配置されている。
【００５１】
上記の受光光学系１４において、基板１１の表面から発生した戻り光Ｌ２は、球面反射鏡２６とレンズ２７とを介して集光され、ＣＣＤカメラ２８の撮像面上に到達する。ＣＣＤカメラ２８の撮像面上には、戻り光Ｌ２による基板１１の像が形成される。
ＣＣＤカメラ２８は、撮像面に形成された基板１１の像を撮像して、画像信号を画像処理装置１５に出力する。なお、上記した受光光学系１４と画像処理装置１５とは、請求項の「検出手段」に対応する。
【００５２】
画像処理装置１５は、ＣＣＤカメラ２８から画像信号を入力することにより、基板１１の画像を取り込み、この画像に対する画像処理によって基板１１の繰り返しパターンの欠陥検出処理を行う。繰り返しパターンの欠陥箇所とは、デフォーカスによる膜厚むら、パターン形状の異常、傷などである。
第１実施形態の検査装置１０では、基板１１の表面に対して、空間的にも角度的にも均一な強度分布の照明光Ｌ１を照射するため、基板１１の表面から発生する戻り光Ｌ２の強度が欠陥か否かを正確に反映したものとなる。
【００５３】
したがって、簡単な画像処理によって、基板１１の繰り返しパターンの欠陥箇所を正確に検出することができる。その結果、欠陥検出率が向上し、疑似欠陥の発生を回避できる。また、半導体プロセスでの歩留まり向上が図られると同時に、無駄な戻り作業を減少させ、コスト削減が可能となる。
(第２実施形態)
次に、本発明の第２実施形態（請求項１〜請求項３に対応）について説明する。
【００５４】
第２実施形態では、異なる構成の照明光学装置４０について説明する。
照明光学装置４０は、図７に示すように、上記した照明光学装置２０（図１）のリレーレンズ２３とバンドル型ランダムライトガイド２４との間に、リレーレンズ４１と波長選択フィルタ４２とリレーレンズ４３とを配置したものである。
【００５５】
このため、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａは、リレーレンズ２３によって形成される光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…（図５）の形成面２３ａと共役な面に配置される。
リレーレンズ４１,４３は、リレーレンズ２３から得られる光Ｌｃ(図４の光Ｌｃ(1),Ｌｃ(2),…）を入射して、リレーレンズ２３による形成面２３ａ上の像Ｑ１,Ｑ２,…（図５）をバンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａに再結像する。リレーレンズ４１の像側は、テレセントリック系である。リレーレンズ４１,４３は、請求項の「第３光学系」に対応する。
【００５６】
波長選択フィルタ４２は、干渉フィルタやダイクロイックミラーなどである。また、透過波長域が異なる複数種類のフィルタと、これらのフィルタを切り換えるターレット機構とで構成することもできる。この波長選択フィルタ４２は、光源３１からの光のうち、特定の波長域の光のみを選択的に透過させる手段である。波長選択フィルタ２４を用いることで、照明光学装置４０から射出される照明光Ｌ０の波長を選択することができる。波長選択フィルタ４２は請求項の「選択手段」に対応する。
【００５７】
したがって、第２実施形態の照明光学装置４０を上記の照明光学装置２０に代えて組み込んだ検査装置１０では、基板１１の表面に繰り返しパターンが形成されている場合（特に基板１１が半導体ウエハの場合）に、照明光Ｌ１の波長を制限することで、回折光による検査の感度を向上させることができる。さらに、散乱光による検査では、迷光を防止することができる。
【００５８】
なお、上記した実施形態では、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａを楕円鏡３２の第２焦点３２ｂに一致させたが、本発明はこの構成に限定されない。ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａは、楕円鏡３２によって形成される光源３１の像の形成面(第２焦点３２ｂ)と共役な面に配置しても良い。
【００５９】
また、上記した実施形態では、ロッド型オプティカルインテグレータ２２の断面が円形状の例を説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、矩形状や多角形状の断面を有するロッド型オプティカルインテグレータを用いた場合にも本発明を適用できる。さらに、ロッド型オプティカルインテグレータとして、光ファイバーを束ねたものを用いることもできる。
【００６０】
さらに、上記した実施形態では、光源３１からの光を集光する第１光学系として反射光学系の楕円鏡３２を用いたが、反射光学系に代えて屈折光学系の集光レンズを用いることもできる。
さらに、上記した実施形態では、照明光学装置２０,４０を検査装置１０に組み込み、半導体素子などの製造工程における基板の表面検査に照明光Ｌ０を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、照明光学装置２０,４０を半導体露光装置に組み込み、マスクに形成された回路パターンを基板上のレジスト膜に焼き付ける際の露光光として、照明光学装置２０,４０の照明光Ｌ０を用いることもできる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光源から射出される光の強度分布が空間的にも角度的にも不均一な場合でも、常に、空間的にも角度的にも均一な強度分布の照明光を外部に射出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の検査装置１０と照明光学装置２０の全体構成を示す図である。
【図２】照明光学装置２０を拡大して示す図である。
【図３】ロッド型オプティカルインテグレータ２２の内部における光の経路、および、端面２２ｂから射出された光の経路を説明する図である。
【図４】ロッド型オプティカルインテグレータ２２の端面２２ａに入射する光Ｌａの角度方向の分割と、バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａにおける光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…の空間的な分割との関係を示す図である。
【図５】バンドル型ランダムライトガイド２４の端面２４ａにおける光源３１の像Ｑ１,Ｑ２,…を示す図である。
【図６】バンドル型ランダムライトガイド２４における光の伝送を説明する図である。
【図７】第２実施形態の照明光学装置４０の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１０ 検査装置
１１ 基板
１２ ステージ
１３ 照明光学系
１４ 受光光学系
１５ 画像処理装置
２０，４０ 照明光学装置
２１ ランプ
２２ ロッド型オプティカルインテグレータ
２３，４１，４３ リレーレンズ
２４ バンドル型ランダムライトガイド
２５，２６ 球面反射鏡
２７ レンズ
２８ ＣＣＤカメラ
３１ 光源
３２ 楕円鏡
４２ 波長選択フィルタ
Claims (3)
- 光源と、該光源からの光を集光する第１光学系と、ロッド型オプティカルインテグレータと、該ロッド型オプティカルインテグレータからの光を集光する第２光学系と、バンドル型ランダムライトガイドとが順に配置され、
前記ロッド型オプティカルインテグレータは、
前記第１光学系によって形成される前記光源の像の形成面または該形成面と共役な面に光入射面を配置し、かつ前記第２光学系の前側焦点面に光射出面を配置することにより、前記第１光学系から射出される光の角度的不均一性を前記第２光学系と共に補正し、
前記バンドル型ランダムライトガイドは、
前記第２光学系によって形成される前記光源の像の形成面または該形成面と共役な面に光入射面を配置することにより、前記ロッド型オプティカルインテグレータ及び前記第２光学系から射出される光の空間的不均一性を補正する
ことを特徴とする照明光学装置。 - 請求項１に記載の照明光学装置において、
前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光入射面は、前記第２光学系による前記像の形成面と共役な面に配置され、
前記第２光学系と前記バンドル型ランダムライトガイドとの間に、
前記第２光学系からの光を入射して、前記第２光学系による前記像を前記バンドル型ランダムライトガイドの前記光入射面に再結像する第３光学系と、
前記バンドル型ランダムライトガイドの光射出面から射出される照明光の波長を選択する選択手段とが配置された
ことを特徴とする照明光学装置。 - 請求項１または請求項２に記載の照明光学装置と、
前記照明光学装置の前記バンドル型ランダムライトガイドの光射出面から射出された照明光を被検物体に照射する照射手段と、
前記照明光が照射された前記被検物体の像を撮像し、前記被検物体の像に基づいて前記被検物体の欠陥を検出する検出手段とを備えた
ことを特徴とする検査装置。
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