JP5430614B2

JP5430614B2 - 光学装置

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Publication number: JP5430614B2
Application number: JP2011141922A
Authority: JP
Inventors: 松井　　繁; 昌幸蜂谷
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2014-03-05
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Description

本発明は、半導体基板（半導体ウェハ）上の微小な異物・欠陥並びに基板の表面粗さに関する情報を計測する表面検査方法に関する。

半導体基板（半導体ウェハ）の製造ラインにおいて、製造装置の発塵状況を監視するために、半導体基板の表面に付着した異物や加工中に発生したスクラッチ等の欠陥の検査が行われている。例えば、回路パターン形成前の半導体基板では、その表面において数１０ｎｍ以下の微小な異物や欠陥の検出が必要である。また、半導体基板表面の検査としては、異物や欠陥以外に、基板表面近傍の浅い領域に存在する結晶欠陥や基板表面の表面粗さも検査対象となる。

半導体基板等の被検査物体表面上の微小な欠陥を検出する技術としては、例えば、特許文献１に記載されているように、集光したレーザ光束を半導体基板表面に照射して、半導体基板上に異物が付着している場合に発生する散乱光を検出し、半導体基板の回転と並進送りとで半導体基板全面の異物や欠陥を検査している。

散乱光の検出には楕円ミラーを用い、半導体基板上の検出位置を楕円の第１焦点位置とし、受光素子の受光面を第２焦点位置に配置することにより、異物で発生した散乱光を広い立体角で集光し、微小異物の検出もできるように構成されている。

この特許文献１に記載の技術は、半導体基板を照明するためのレーザ光束は基板表面に対する仰角に関して斜方照明および垂直照明の両者を備えるが、１つの仰角に関してはただ１つの方位角からの照明光束しか持たない。

また、例えば、特許文献２に記載されているように、半導体基板表面に関して複数の仰角と複数の方位角を組合せた位置に集光レンズと光検出器を配置し、各集光レンズで集光された散乱光を光検出器で検出することにより、微小異物からの散乱光の三次元放射分布特性に合わせて有利な方向での検出を可能にしたものもある。

この特許文献２に記載された技術においても、半導体基板を照明するためのレーザ光束は斜方照明と垂直上方照明の２本が備わっているが、１つの入射角（仰角）に対応するレーザ光束の方位角はただ１つである。

さらに、特許文献３には、光源に波長の異なる２つのレーザ光源を用いる技術が記載され、この技術においては、２つのレーザ光源からの照明光を、入射角の異なる、即ち仰角は異なるが同じ方位角から半導体基板表面に入射されている。

また、特許文献４に記載された技術では、波長の異なる２つのレーザ光源を用いて半導体基板表面を、概略同じ仰角から異なる２つの方位角で照明する技術が記載されているが、この場合の２つの方位角は互いに１８０°異なる方向であり、２つの照明領域は互いに平行な関係にある。

米国特許第５７９８８２９号明細書特開２００１−２５５２７８号公報特開２００１−２３５４３１号公報特開平１１−２２３６０７号公報

上記従来技術において、１つの方位角から照明を行うと、一般に図１５に示すように、照明ビーム２１は、照明領域と被検査物体移動ステージの主走査である回転動作の回転中心を結ぶ直線の方向に沿って半導体ウェハ上の照射領域に入射する。ここで、図１６に示すように、その結晶方位が特定できる切り欠き部３００を有する半導体ウェハ表面に固定した、（ｘ、ｙ）座標系を取るものとする。

この半導体ウェハが回転移動させられて、固定方向からの照明ビーム２１によって照明されるとき、半導体ウェハ上のＡ点では照明は（ｘ、ｙ)座標系のｙ軸に平行な方向から成されるが、Ｂ点では照明はｘ軸に平行な方向から成される。また、Ｃ点ではその中間のｘ軸・ｙ軸と４５°を成す方向から照明が成される。

もし、照明光により発生する散乱光の強度が、照明光の入射方向に依存する異方性を持つような異物や欠陥が半導体ウェハ表面上に付着している場合には、半導体ウェハ上のどの位置に異物等が付着しているかによって、散乱光強度が異なる。従って、検出感度に差が生じたり、散乱光強度に基づいて異物や欠陥の大きさを算出するときに誤差を生じてしまうことが予想される。

また、表面の平坦度を非常に高めるよう研磨された半導体ウェハにおいては、その表面を構成する原子の配列段差に近いレベルの表面粗さが見られるが、このような配列段差は一般にその半導体ウェハの結晶方位と大きな相関を持って現れる。そのため、そのような半導体ウェハの同一位置を同一の仰角の、異なる方位角から照明すると、異なる強度の散乱光が発生する。

即ち、そのような半導体ウェハが回転移動によって異なる方向からの照明光によって照明されると、半導体ウェハ全面で一様な表面粗さを有する場合であっても、被検査物体移動ステージの主走査回転に伴ってその回転角毎に異なる強度の散乱光が観測されてしまう。このことは実際の表面検査装置で頻繁に発生しており、半導体ウェハの表面粗さに由来する信号（以下、これをヘイズ信号と呼ぶ）の半導体ウェハ上での強度分布は、例えば、図１７に示すようになることが多い。

図１７中、ヘイズ信号が、ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅ→ｆ→ｇの順に大きいことを表している。このヘイズ信号の検出感度の異方性は、異物・欠陥の検出感度にも影響を及ぼす。すなわち、異物・欠陥からの散乱光を検出する際のノイズレベルは、一般に、表面粗さに由来する散乱光のゆらぎ（ショットノイズ）に依存することが良く知られており、ヘイズ信号の高い部位では異物・欠陥からの信号を検出する際のしきい値を大きくする必要が生じ、その結果として異物・欠陥の検出感度が低下してしまう。

本発明の目的は、半導体ウェハ表面や表面近傍に存在する異物や欠陥、またはその半導体ウェハの表面粗さに由来して発生する散乱光の強度が照明方向に依存する異方性を有する場合であっても、主走査方向の回転角に依存せずに均一な感度で異物や欠陥、または表面粗さの検査が可能な表面検査方法及び装置を実現することである。

本発明の表面検査方法は、主走査が回転移動で副走査が並進移動を行う被検査物体移動ステージ上に搭載された被検査物体の表面に光ビームを照射し、上記被検査物体からの散乱・回折・反射された光を集光し、集光した光に基づいて上記被検査物体表面を検査する。

そして、上記被検査物体の表面に対して、略同一の仰角で互いに異なる方位角から２つの光ビームを、上記被検査物体の表面の異なる２つの領域に照射し、上記２つの領域からの散乱・回折・反射された光を集光し、集光した光に基づいて上記被検査物体表面上又は表面近傍内部に存在する異物や欠陥の位置や大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出する。

また、本発明の表面検査装置は、主走査が回転移動で副走査が並進移動を行う被検査物体移動ステージと、このステージ上に搭載された被検査物体の表面に光ビームを照射する手段と、上記被検査物体からの散乱・回折・反射された光を集光する手段と、集光した光に基づいて上記被検査物体表面を検査する検査手段とを有する。

そして、上記被検査物体の表面に対して、略同一の仰角で互いに異なる方位角から２つの光ビームを、上記被検査物体の表面の異なる２つの領域に照射する光ビーム照射手段と、上記２つの領域からの散乱・回折・反射された光を集光する集光手段と、集光した光に基づいて上記被検査物体表面上又は表面近傍内部に存在する異物や欠陥の位置や大きさ又は上記被検査物体表面粗さを検出する検出手段とを備える。

半導体ウェハ表面や表面近傍に存在する異物や欠陥、またはその半導体ウェハの表面粗さに由来して発生する散乱光の強度が照明方向に依存する異方性を有する場合であっても、主走査方向の回転角に依存せずに均一な感度で異物や欠陥、または表面粗さの検査が可能な表面検査方法及び装置を実現することができる。

本発明の第１の実施形態である異物・欠陥検査装置の概略構成図である。本発明の第１の実施形態である異物・欠陥検査装置の半導体ウェハの上方に配置されている照明・検出光学系の平面図である。本発明の第１の実施形態である異物・欠陥検査装置の半導体ウェハの上方に配置されている照明・検出光学系の側面図である。本発明の第１の実施形態である異物・欠陥検査装置の原理説明図である。本発明の第２の実施形態の検出光学系の平面図である。本発明の第２の実施形態の検出光学系の側面図である。本発明の第２の実施形態の変形例の平面図である。本発明の第２の実施形態の変形例の平面図である。本発明の第２の実施形態の変形例の側面図である。本発明の第３の実施形態である表面検査装置の概略構成図である。本発明の第３の実施形態における照明スポットからの散乱光の発光タイミングを示す図である。本発明の第３の実施形態における発光開始タイミング信号から生成されるゲート信号の説明図である。本発明の第３の実施形態において分離回路で信号を分離する説明図である。本発明の第３の実施形態である表面検査装置の変形例の概略構成図である。一つの方位角から半導体ウェハを照明した場合の説明図である。一つの方位角から半導体ウェハを照明した場合の説明図である。半導体ウェハの表面粗さに由来する信号の強度分布を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態である異物・欠陥検査装置の概略構成図である。図１において、被検査物体である半導体ウェハ１００はチャック１０１に真空吸着されており、このチャック１０１は、回転ステージ１０３と並進ステージ１０４とを備える被検査物体移動ステージ１０２及びＺステージ１０５上に搭載されている。

半導体ウェハ１００の上方に配置されている照明・検出光学系１１０は、図２、図３に示す光学系である。図２は光学系の平面図であり、図３は光学系の側面図である。

図２、図３において、照明・検出光学系１１０の、照明光の光源１１には、紫外域の波長の光を時間的に繰返してパルス発振するパルスレーザを用いる。この光源１１から出た光は、ビームスプリッタ１２で２本の照明ビーム２１、２２に分けられる。

照明ビーム２１は偏向制御部１１１及び折り返しミラー１１２を介して照射レンズ１８に到達し、この照射レンズ１８の作用により、図４に示す照明スポット３を形成する。また、照明ビーム２２は偏向制御部１１１及び折り返しミラー１１２を介して照射レンズ１９に到達し、この照射レンズ１９の作用により、図４に示す照明スポット４を形成する。照明スポット３、４は、被検査物体移動ステージ１０２の主走査方向に、互いに重ならないように調整されている。

微小な異物や欠陥を高感度で検出するためには、照明ビームの被検査物体表面に対する仰角は、概略５°乃至２５°程度の低い仰角、より望ましくは被検査物体を構成する材料に対するブリュースター角近辺とするのがよい。そこで、本発明の第１の実施形態では、両照明ビーム２１、２２を、共に概略、結晶Ｓｉに対するブリュースター角で、共に半導体ウェハ１００の外周から内周へ向かう方向に沿って斜入射するように構成する。

このため、照明スポット３、４は概略楕円形状をしている。ここで、照度が照明スポット中心部のｅの２乗分の１（ｅは自然対数の底）に低下する輪郭線の内部を、あらためて照明スポットと定義することにする。図２に示すように、この照明スポットの長軸方向の幅をｄ１、短軸方向の幅をｄ２とする。照明スポット３および４は、互いに略等しいｄ１、ｄ２を有し、略等しい照度で照明される。

両照明ビーム２１、２２の偏光状態は偏光制御部１１１により照明スポット３、４に入射する段階で、「共にＰ偏光」または「共にｓ偏光」または「共に円偏光」または「共に概略等しい楕円率を有する楕円偏光」となるように制御される。

図２に示すように、半導体ウェハ１００に照射される照明ビーム２１の方位角は、被検査物体移動ステージ１０２の主走査回転中心と照明スポット３及び４の長軸方向の延長線の交点とを結ぶ線分に対して概略４５°の角度６１を成す。また、半導体ウェハ１００に照射される照明ビーム２２の方位角は、照明ビーム２１の方位角に対して概略９０°の角度６２を成す。

このことから、照明スポット３及び４の長軸は互いに略９０°の角度を成す。この配置により、被検査物体移動ステージ１０２の主走査回転に伴って照明スポット３が半導体ウェハ１００の表面上で描く軌跡と、照明スポット４が描く軌跡とは、被検査物体移動ステージ１０２の半径方向において概略重なる。

図３に示す集光レンズ５は、レーリー散乱に従うような微小な異物に対して効率良くその散乱光を捕捉できるよう、低い仰角で散乱・回折・反射光を集光できる構成となっている。この構成において、異物１は第１の照明スポット３を通過後、第２の照明スポット４を通過するので、光検出器７からは散乱・回折・反射光信号が２回得られる。なお、本発明の第１の実施形態では、光検出器７として光電子増倍管を用いるが、異物からの散乱・回折・反射光を高感度に検出できる光検出器であれば他の検出原理の光検出器であっても良い。

光検出器７からの散乱・回折・反射光信号は、増幅器２６で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３０で予め定められたサンプリング間隔ｄＴ毎にサンプリングされ、デジタルデータに変換される。サンプリング間隔ｄＴは、異物１が照明スポット３を通過後、照明スポット４を通過するまでの時間間隔に対し、十分小さくなるように設定してある。

サンプリング間隔ｄＴごとのデジタルデータは異物・欠陥判定機構１０８で予め定められた検出しきい値と比較され、デジタルデータが閾値以上であれば異物・欠陥判定機構１０８はこのデジタルデータが異物・欠陥よるものだと判定して、異物・欠陥判定情報を発生する。

なお、この異物・欠陥判定は、Ａ／Ｄ変換器３０から得られるデジタルデータを予め定められた閾値と比較して異物・欠陥の存在を判定する代わりに、増幅器２６からの出力電気信号を予め定められた閾値電圧と比較して判定するようにしても良い。予め定められた閾値をノイズレベルに対して適切に設定すれば、異物１が照明スポット３の通過時と照明スポット４の通過時に２回発生する散乱・回折・反射光信号を、正しくデジタルデータ群として捉えることができる。

異物・欠陥座標検出機構１３０は、異物・欠陥判定情報が発生すると、被検査物体移動ステージ１０２が発生する、主走査並びに副走査の現在位置の情報から、異物・欠陥の主走査方向並びに副走査方向の座標位置（ｒ，θ）を算出する。このとき、異物・欠陥座標検出機構１３０は、２回発生する散乱・回折・反射光信号のデジタルデータ群を用いることにより、座標位置（ｒ，θ）のうちｒ座標を更に高精度で算出する。

具体的には、２回発生する散乱・回折・反射光信号間の時間間隔を算出し、時間間隔から異物１が各照明スポット３、４内のどの半径位置を通過したかを算出する。

これは、図４に示す配置の場合、半導体ウェーハ１００表面上の異物１が照明スポット３を通過後に照明スポット４を通過するまでの時間は、異物１が主走査の回転軸寄りである場合には、より短く、主走査の回転軸から隔たっている場合にはより長くなる、というように、異物１が各照明スポット３、４内のどの半径位置を通過したかが時間間隔に比例することを利用したものである。

このとき、上記時間間隔が取り得る値の最小値及び最大値は、異物１が照明スポット３、４を通過するときの線速度によって決まる。被検査物体移動ステージ１０２を主走査と副走査の協調制御により線速度一定で走査する場合には、最小値および最大値は走査中の半径位置に依らず一定値であるが、回転速度一定で走査する場合には、走査中の半径位置により異なる。

そのため、異物・欠陥座標検出機構１３０は、上記時間間隔から異物１が各照明スポット３、４内のどの半径位置を通過したかを算出する際には、被検査物体移動ステージ１０２が発生する副走査（ｒ）方向の現在位置の情報も用いる。

ここで、異物や欠陥の位置座標を高い精度で求めるには、隣り合う２周分の主走査間の副走査移動量を小さくし、主走査の各走査軌跡が一定の割合で重なり合うようにして得た複数周のデータから異物・欠陥の座標を求めることが考えられる。

しかし、本発明の第１の実施形態では上記のように、ただ１周分の主走査データのみを用いて異物・欠陥の座標を高精度に求めることが可能であり、主走査の各走査軌跡が一定の割合で重なり合うようにする必要はなく、隣り合う２周分の主走査間の副走査移動量を大きくすることができるため、検査速度を向上できるという利点を有する。

また、本発明の第１の実施形態で異物１の照明スポット内通過位置を求める精度は、照明スポット内の照度分布の形状に依らないので、異物や欠陥の検出感度を一定に保つ上でより有利なように、照明スポット内で概略一定の照度分布とすることも可能である。

検出された異物・欠陥の座標位置が求まると、続いて粒径算出機構１２０はデシタルデータ群から、検出された異物・欠陥の大きさを算出する。具体的には、異物１が照明スポット３の通過時と照明スポット４の通過時に２回発生する散乱・回折・反射光信号の和に相当する信号をデジタルデータ群から算出して、総散乱・回折・反射光信号とし、総散乱・回折・反射光信号の強度を異物１の大きさに換算する。

このように、本発明の第１の実施形態によれば、略等しい仰角を有し、互いに略直交する２つの方位角からの２つの照明ビーム２１、２２によって被検査物体表面を照明し、その両照明光による散乱・回折・反射光の和を検出すると、被検査物体自身またはそこに存在する異物や欠陥が照明方向に関して有する異方性の影響を解消もしくは軽減することが可能となる。

なお、上述した例では、異物や欠陥の検出について説明したが、被検査対象の半導体ウェハ１００の表面粗さを計測する場合にも同様の効果が得られることは明白である。

また、上記例では、光源１１を「紫外域の波長の光を時間的に繰返してパルス発振するパルスレーザ」としたが、「紫外域以外の波長のレーザ」でもよく、また「連続発振するレーザ」を光源に用いた場合でも、上記技術はそのまま適用することができる。

また、１つのレーザ光源から発生した光を２つに分岐して２つの照明ビームとしているが、略発振波長の等しい２台の別々のレーザ光源を用いて２つの照明ビームを発生するようにしてもよい。同様に、２つの照明ビームが半導体ウェハ１００表面を照明する方向は、「共に概略外周から内周に向かう方向」としたが、「共に概略内周から外周に向かう方向」からであっても上記技術はそのまま適用することができる。

斜方照明では一般的に、照明ビームと被照明表面との高さ関係が変化した時に、照明スポット位置が変位してしまう現象を生じる。しかし、２つの照明ビームの照射方向を「共に略外周から内周に向かう方向」または「共に略内周から外周に向かう方向」とすることにより、このような場合に２つの照明スポット３、４は半導体ウェハ１００の表面上で半径方向の同じ向きに同じ距離だけ移動するので、「被検査物体移動ステージ１０２の主走査回転に伴って照明スポット３が半導体ウェハ１００の表面上で描く軌跡と、照明スポット４が描く軌跡は被検査物体移動ステージ１０２の半径方向において略重なる」という関係は崩れることなく保たれるという利点が得られる。

上述した、本発明の第１の実施形態では、散乱・回折・反射光の検出方向を一つとしたが、複数の仰角と複数の方位角とを組合わせた複数の方向の各方向に配置して複数の方位から散乱・回折・反射光を検出するよう構成することもできる。

図５、図６は、本発明の第２の実施形態の検出光学系の説明図であり、複数の仰角と複数の方位角とを組合わせた複数の方向の各方向に配置して複数の方位から散乱・回折・反射光を検出する例である。なお、図５は検出光学系の平面図、図６は検出光学系の側面図である。

本発明の第２の実施形態における照明光学系は、第１の実施形態と同等であるで説明は省略する。

本発明の第２実施形態における散乱・回折・反射光検出系は、略等しい第１の仰角を有し、被検査物体移動ステージ１０２の主走査回転軸に関して相互に異なり、互いに概略９０°ずつ隔たった４つの方位角から散乱・回折・反射光を検出する集光する４個の集光素子７１を含む第１仰角検出系７０と、第１の仰角より大きく、略等しい第２の仰角を有し、被検査物体移動ステージ１０２の主走査回転軸に関して相互に異なり、互いに概略９０°ずつ隔たった４つの方位角から散乱・回折・反射光を検出する集光する４個の集光素子８１を含む第２仰角検出系８０を備える。８個の各集光素子７１、８１はレンズから成る。

本発明の第２の実施形態における照明光は、第１の実施例と同等であり、２本の照明ビームが低い仰角から半導体ウェハ１００表面に照射される。これら２本の照明ビームの方位角は互いに略直交する関係にあるため、それらの正反射光もまた略直交する。このため、２本の照明ビームと２本の正反射光の併せて４本の光ビームが互いに概略９０°ずつを成す関係で存在している。各集光素子７１、８１、特に第１仰角検出系の各集光素子７１は、これら４本の光ビームと機械的配置として干渉する恐れがある。

そこで、本発明の第２の実施形態では、これら各集光素子７１、８１を、４本の光ビームの光路を避けて配置してある。具体的には、図５に示すように、同一仰角に属する４個の集光素子の各光軸を、照明ビーム２１を基準にしてその前方右側４５°、前方左側４５°、後方右側４５°、および後方左側４５°の４方向となるように配置する。

このように配置することにより、２本の照明ビームとそれらによる２本の正反射光の光路と干渉することなく、効率的に散乱・回折・反射光を検出することが可能となる。このとき、より高い仰角位置にある第２仰角検出系８０において、４本の光ビームの光路と干渉する恐れがない場合には、図７に示すように、第１仰角検出系７０のみを４本の光ビームの光路を避ける配置とすることもできる。

上記第２の実施形態では、散乱・回折・反射光検出系の各集光素子をレンズから成るとしたが、これらを凹面鏡とすることも可能である。集光素子に凹面鏡を用いる場合には、上記と同様に凹面鏡の各光軸を４本の光ビームの光路を避けた配置とすることももちろん可能であるが、図８、９に示すように、同一仰角に属する４個の集光素子７１の各光軸を、照明ビーム２１を基準にしてその概略前方、左側方、右側方、および後方の４方向となるように配置することも可能である。このとき、各鏡面は２本の照明ビームとそれらによる２本の正反射光の光路と干渉するが、各鏡面にこれらの光ビームが貫通するよう貫通穴を設けることで、光学的な干渉を避けることができる。

以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる他、一つの異物・欠陥に対して異なる２つの仰角から測定した２つの散乱・回折・反射光信号が得られるので、異物・欠陥判定機構１０８は、第１および第２の合成散乱・回折・反射光信号を比較することにより、検出した異物・欠陥の種別、例えば、半導体ウェハ１００表面の付着異物か、半導体ウェハ１００内部の結晶欠陥かを判別し、分類することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態である表面検査装置の概略構成図である。なお、本発明の第１又は第２の実施形態と共通の部分については説明を省略する。

図１０において、光源１１は時間的に繰返してパルス発振するパルスレーザを発生し、パルス発振の時間間隔は、異物１が主走査により照明スポット内を通過する時間内に複数回の発光が含まれるような時間間隔となっている。光源１１から出た光は、ビームスプリッタ１２で２本の照明ビーム２１、２２に分けられる。

照明ビーム２１は照射レンズ１８の作用により図４に示す照明スポット３を形成し、照明ビーム２２は照射レンズ１９の作用により照明スポット４を形成する。照明ビーム２２は、照明ビーム２１に比べて遅延して、ウェハ１００に照射されるように、より長い光路長の光路が構成されている。この光路長の差は、遅延時間が光源１１のパルス発振間隔の１／１０乃至１／２の時間に相当するように構成されている。

照明ビーム２１、２２の光路には、各々のレーザ光の発光開始タイミングを信号として取り出すための発光開始タイミング信号生成手段として、照明ビーム２１、２２の一部を取り出すためのビームスプリッタ１４、１５と、その一部取り出した光の時間変化波形を電気信号に変換するフォトダイオード１６、１７とが設けてある。

２つの照明スポット３、４の間の発光時刻差を正しく検出するために、２つのフォトダイオード１６、１７は、照明スポット３、４側から照明ビーム２１、２２の光路を逆にたどった時に等距離となる位置に配置してある。

これらのフォトダイオード１６、１７から得られる発光タイミング信号は、例えば、図１１の（Ａ）、（Ｂ)に示すような波形となる。各照明ビームによって形成される照明スポットの特性は第１の実施形態と同等である。

異物１は、第１の照明スポット３を通過後、第２の照明スポット４を通過し、光検出器７からは散乱・回折・反射光信号が２回得られる（図１１の（Ｃ）、（Ｄ））。ただし、光源１１がパルスレーザであるので、光検出器７の時間応答速度が十分に速ければ（光電子増倍管ではこの仮定は十分現実的である）、各照明スポット３、４を通過中に発生する散乱・回折・反射光信号の時間強度変化は連続波形ではなく、図１１に示すように、光源１１のパルス発振に対応した離散的な波形となる。

図１１の（Ｃ）、（Ｄ)から分かるように、厳密には、照明光は第１の照明スポット３と第２の照明スポット４に同時刻には照射されていないため、第１の照明スポット３からの第２の散乱・回折・反射光と、照明スポット４からの散乱・回折・反射光とは同時刻には発生していない。

本発明の第３の実施形態では、先の発光タイミング信号生成手段（１４、１５、１６、１７）により、各照明スポット３、４に実際に照明光が照射されている時刻・時間を正確に知ることができる。そこで、この発光タイミング信号を用いて、図１１の（Ｅ）に示す、光検出器７からの出力信号を分離すれば、１つの光検出器７のみを用いて、複数の照明スポット３、４からの散乱・回折・反射光信号を分離して検出することが可能となる。

具体的には、光検出器７の出力信号は、図１３に示す構成の分離回路で処理される。すなわち、光検出器７の出力信号は前置増幅器２５で増幅された後、２個のゲート回路２７ａ、２７ｂに分配される。各ゲート回路の２７ａ、２７ｂのオン・オフは、フォトダイオード１６、１７からの発光タイミング信号に従って制御される。

図１２の（Ｅ）に示すように、一般に、光検出器７の出力信号は、照明光２１、２２の発光タイミングに対して遅れて立上がり、かつ周波数応答速度がパルスレーザの発光持続時間（例えば１５ｐｓ程度）に比べて遅いために光検出器７の出力信号のパルス幅は照明光３、４の発光持続時間より長くなる。

そこで、フォトダイオード１６、１７からの発光タイミング信号に所定の遅延時間とパルス持続時間を与えるため、波形整形器２８を設ける。波形整形器２８からの出力信号は、例えば、図１２の（Ｃ）、（Ｄ)に示すような波形となる。この波形整形器２８からのゲート信号によってゲート回路２７ａ、２７ｂをオン・オフすることにより、前置増幅器２５の出力信号から、図１２の（Ｆ）、（Ｇ)に示す各照明スポット３、４に対応した散乱・回折・反射光信号が分離される。分離された各散乱・回折・反射光信号は、その後、さらに増幅器２６ａ、２６ｂで増幅される。

このように、図１３に示した分離回路を用いることにより、１つの光検出器７の出力信号から、複数の照明スポット３、４に対応する散乱・回折・反射光信号を分離して検出でき、かつ分離された個々の散乱・回折・反射光信号は、対応していない側の照明スポット３、４の背景光の影響を受けることがない。

本発明の第１の実施形態と同様に、２回の散乱・回折・反射光信号の和を算出して、総散乱・回折・反射光信号とする場合、総散乱・回折・反射光信号の大きさは照明スポットを１つだけ用いる場合の散乱・回折・反射光信号の２倍となる。

また、分離された個々の散乱・回折・反射光信号は各々照明スポット１個分からの背景散乱光の影響しか受けていないため、個々の散乱・回折・反射光信号に含まれる雑音は照明スポットを１つだけ用いる場合と同等であり、２回の散乱・回折・反射光信号の和を取った結果に含まれる雑音の大きさは、２の平方根倍となる。その結果、Ｓ／Ｎ比は、総散乱・回折・反射光信号が２倍で雑音が２の平方根倍なので、２の平方根倍に改善される。

このように、本発明の第３の実施形態による表面検査装置では、第１または第２の実施形態で得られる効果に加え、検出感度を向上させられるという効果が得られる。

本発明の第３の実施形態では、２つの照明ビーム２１、２２の発光タイミングを各照明ビーム２１、２の光路上で光学的にモニタしているが、これは、図１４に示すように、２つの照明スポット３、４からの正反射光の一部をフォトダイオード１６で光学的にモニタするように構成しても良い。

また、パルスレーザ源１１から出力される発光同期信号、もしくは、パルスレーザ源１１の制御のために外部からパルスレーザ源１１に与えられる発光制御信号を元にして生成するようにしても良い。

この場合は、第１の照明スポット３に対して遅れた発光タイミングを有する第２の照明スポット４の遅延時間は、両者の光路長の差から予め計算により求めておけば良い。また、照明ビーム２１と２２との光路長を互いに変えることで２つの照明ビーム２１、２２間に遅延時間を与える代わりに、光源１１のパルスレーザから出た光ビームを、カー効果等を利用したＥＯ変調器に通すことで、パルス発光タイミングの異なる２つの光ビームに分離する技術を用いることもできる。

一般に、ＥＯ変調器に連続発振するレーザ光を入射し、適当な周波数の信号で変調させると、２系等ある出力ビームのうち一方からは入射ビームを上記適当な周波数で強度変調した第１の出力ビームが得られ、他方からは第１の出力ビームと位相が反転、すなわち第１の出力ビームと強弱が逆転した出力ビームが得られる。

このようなＥＯ変調器にレーザ光源１１からのパルス発振する光ビームを入射させ、ＥＯ変調器を光源１１の繰返し発振周波数に同期し、かつ適切な位相差を与えてて変調させると、ＥＯ変調器の２系統ある出力からは、元のパルス発振間隔が２倍、すなわち発振周波数が１／２に間引きされた２つの出力ビームが得られる。

そして、これら２系統の出力ビームの発振タイミングは互いに元の入射ビームの発振間隔分だけずれているので、「光路長を変えることで２つの照明ビーム間に遅延時間を与える」技術の代わりに用いることができる。

以上のように、本発明によれば、被検査物体表面を方位角が互いに９０°異なる２方向から照明してその両照明光による散乱・回折・反射光を検出することにより、被検査物体自身またはそこに存在する異物や欠陥が照明方向に関して有する異方性の影響を解消もしくは軽減することができるので、主走査方向の回転角に依存せずに略均一な感度で前記異物や欠陥、または表面粗さの検査を行うことが可能になる。

１異物、２異物の移動軌跡、３、４照明スポット、５集光レンズ、７光検出器、１１光源、１２、１４、１５ビームスプリッタ、１６、１７、フォトダイオード、１８、１９照射レンズ、２１、２２照明ビーム、２５前置増幅器、２６ａ、２６ｂ増幅器、２７ａ、２７ｂゲート回路、２８波形整形器、３０Ａ／Ｄ変換器、、７０第１仰角検出系、８０第２仰角検出系、７１、８１集光素子、１００半導体ウェハ、１０１チャック、１０２被検査物体移動ステージ、１０３回転ステージ、１０４並進ステージ、１０５Ｚステージ、１０６検査座標検出機構、１０８異物・欠陥判定機構、１１０照明・検出光学系、１１１偏光制御部、１１２折り返しミラー、１２０粒径算出機構、１３０異物・欠陥座標検出機構

Claims

光学装置であって、
試料にパルス光を照明する照明システムと、
前記パルス光の発光タイミングを得るための発光タイミング生成部と、
前記発光タイミングを使って、前記試料からの光を検出し、前記試料の表面の欠陥又は表面粗さを検出する検出システムと、
を備え、前記照明システムは、
パルス光を発生する光源と、
前記光源からのパルス光を２分割するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分割された２つのパルス光のそれぞれが通過する２つの光路と、
前記２つの光路からのそれぞれのパルス光が、略同一の仰角で互いに異なる方位角から、前記試料表面の２つの異なる領域に照射する照明レンズと、
を有し、前記２つの光路の光路長は互いに異なり、前記試料表面の２つの異なる領域への前記パルス光の照明タイミングが互いに異なることを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置において、
前記発光タイミング生成部による信号に遅延時間を与える波形整形部を有することを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置において、
前記発光タイミング生成部による信号に持続時間を与える波形整形部を有することを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置において、
前記発光タイミング生成部は、
前記照明システムの光路に配置された光電変換素子を有することを特徴とする光学装置。