JP6410618B2 - 欠陥検査装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、検査試料の複数種類のパターン中の欠陥を光学的に検査する欠陥検査装置に関する。

半導体の微細なパターンは、写真のネガと同様の役割を果たすフォトマスクに刻まれたパターンを縮小投影したり、同サイズのパターンが刻まれたナノ・インプリント・テンプレートを判子と同様に利用したりすることで形成される。このような成形プロセスでは、半導体の元となるパターンの欠陥検査が極めて重要である。

一般的な欠陥検査装置の光学系は、テレセントリックな光学系とコリメートされた光学系が交互に配置されており、対物レンズにより検査試料を照射する。

ここで、検査試料に対する光線の最大入射角度をθ、結像空間の屈折率をｎで表すと、光学系のＮＡ、すなわち、開口数はｎsinθで定義される。但し、結像空間は通常空気中であるため、ｎ＝１となり、ＮＡはsinθで表される。また、照明光の開口数をＮＡ_１、対物レンズの開口数をＮＡ_２で表すと、これらの比ＮＡ_１／ＮＡ_２は照明σと呼ばれる。

米国特許出願公開第２０１２／００８１６８５号明細書

対物レンズのＮＡが最大の時、光学系の解像限界性能が理論的に最も高いのはσ＝１の場合である。しかし、実際には、欠陥を検出する上で、最適な照明σはパターンに依存し、σ＜１の方が欠陥の検出性が高い場合もある。このため、最適な照明σが異なるパターンが混在する検査試料を、欠陥の検出性が最大の条件で検査するには、最低でも２回検査する必要がある。

しかし、マスク検査装置等の精密な検査装置では、照明条件を変えると、検査画像の明るさの調整等をやり直す必要がある。また、検査試料を動かすステージの加減速や方向転換等も検査時間の多くの割合を占める。このため、複数回検査することは好ましくない。

そこで、発明が解決しようとする課題は、複数種類のパターンが刻まれた検査試料に対し、異なる照明σで異なる領域を同時に検査することが可能な欠陥検査装置を提供することである。

実施形態による検査試料のパターン中の欠陥を検査する欠陥検査装置は、光源と、前記光源からの光を第１の光路と第２の光路とに分岐する第１のビームスプリッタと、前記第１の光路上に配置された第１の光学系と、前記第２の光路上に配置された第２の光学系と、前記第１の光学系を通過した光によって前記検査試料の照野を形作る第１のアパーチャと、前記第２の光学系を通過した光によって前記検査試料の照野を形作る第２のアパーチャと、前記検査試料の第１の領域に前記第１のアパーチャの像を第１の照明で照明し、前記検査試料の前記第１の領域と異なる第２の領域に前記第２のアパーチャの像を前記第１の照明と異なる第２の照明で照明する第３の光学系と、前記第１の領域の光を取得する第１の撮像素子と、前記第２の領域の光を取得する第２の撮像素子とを具備する。

第１の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系を示す図。 第１の実施形態に係る焦点距離の異なる集光レンズについて説明するための図。 図１における非分岐光学系が形成する輝点の並びの一例を示す図。 図１における分岐光学系が形成する輝点の並びの一例を示す図。 第２の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系を示す図。 第３の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系を示す図。 第４の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系を示す図。 第５の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系を示す図。 図８の光学系の一部を示す概略図。 図８の光学系において、開口数と照明との関係を説明するための図。 第６の実施形態に係る欠陥検査装置を示す概略図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

［１］第１の実施形態
［１−１］欠陥検査装置の光学系１００
図１を用いて、第１の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系１００について説明する。

光源としては、レーザ１を用いる。このレーザ１から発せられたビームは、拡大光学系２によりビーム径が拡大され、可干渉性低減光学系３と回転位相板４により照野におけるスペックルノイズが低減される。この光は、複数個の集光点を形成するマイクロレンズアレイ５により分割され、複数の発散ビームに変換される。ここで、ビームの偏光状態は、一般的なレーザと同様に直線偏光であるものとする。

複数の発散ビームは、集光レンズ８の手前に設置された偏光ビームスプリッタ７により、Ｐ偏光（透過光）の光路４１とＳ偏光（反射光）の光路４２とに分岐される。それぞれの光路４１及び４２に割り振られる光量は、偏光ビームスプリッタ７の手前に設置された２分の１波長板６を回転させることで任意に選択できる。

光路４１の透過光は、集光レンズ８でコリメートされ、偏光ビームスプリッタ１２に入射される。一方、光路４２の反射光は、ミラー９により曲げられ、集光レンズ１０でコリメートされ、ミラー１１によりさらに曲げられる。そして、偏光ビームスプリッタ１２により光路４１の光と光路４２の光とが合流される。このように、レーザ１のビームが２つの光路４１及び４２を通過することで、２種類の異なる照明σの光が生成される。

偏光ビームスプリッタ１２で合流された光は、マイクロレンズアレイ１３を照射する。マイクロレンズアレイ１３は、像側テレセントリックな光学系になっている。つまり、例えば、マイクロレンズアレイ１３は、２枚のマイクロレンズアレイ１３ａ及び１３ｂを有し、後方のマイクロレンズアレイ１３ｂの前側焦点が前方のマイクロレンズアレイ１３ａと一致するように構成されている。また、マイクロレンズアレイ１３は、集光レンズ８及び１０の後側焦点に設置されている。ここまでの光学系により、レーザ１のビームは、可干渉性が少なく、強度が全体的に均一で、テレセントリックな発散ビーム群に変換される。

マイクロレンズアレイ１３の焦点群から発散する各ビームは、集光レンズ１４でコリメートされる。そして、偏光ビームスプリッタ１５により、２種類の照明σの光が再度分岐される。

偏光ビームスプリッタ１５を透過したＰ偏光の光は、再び分離した光路の偏光を揃えるために２分の１波長板１６によりＳ偏光に変換され、ミラー１７及び１８で曲げられ、アパーチャ２１の矩形絞り２１ａを照明する。一方、偏光ビームスプリッタ１５を反射したＳ偏光の光は、ミラー１９で曲げられ、アパーチャ２１の矩形絞り２１ｂを照明する。この際、光路長補正素子２０を用いて、アパーチャ２１の２つの矩形絞り２１ａ及び２１ｂを照明する各光の光路長を合わせてもよい。尚、アパーチャ２１は、集光レンズ２２の焦点位置と一致するように配置され、それぞれの光路で照野を形作る。

アパーチャ２１の２つの矩形絞り２１ａ及び２１ｂを通過した光は、集光レンズ２２によりフーリエ変換され、偏光ビームスプリッタ２３により反射される。ここで、偏光ビームスプリッタ２３は、光軸を検査試料２６に垂直入射するように反射している。

この反射された光は、４分の１波長板２４により円偏光に変換され、対物レンズ２５により検査試料２６の異なる照野２７及び２８に結像される。対物レンズ２５は、後側焦点が検査試料面と一致するように配置される。このようにして、アパーチャ２１の各像が、異なる照野２７及び２８にそれぞれ照明される。この２つの照野２７及び２８を照明する光は、２つの異なる光路４１及び４２を通過した光であるため、照明σが異なる。照野２７及び２８からの反射光は、対物レンズ２５により集められ、４分の１波長板２４により当初と直行した偏光状態に変換され、偏光ビームスプリッタ２３を透過し、結像レンズ２９により結像される。尚、偏光ビームスプリッタ２３と４分の１波長板２４による円偏光照明は、無偏光ビームスプリッタを使う場合と異なり、１００％に近い光利用効率で照明光と反射光を分離できる。

結像レンズ２９で結像された光は、検査試料面と共役な位置（結像レンズ２９の焦点位置）に配置されたミラー３０により分離され、集光レンズ３１及び３３により異なるカメラ（撮像素子）３２及び３４にそれぞれ結像される。カメラ３２及び３４は、集光レンズ３１及び３３により形成された検査試料２６の拡大像の位置に配置されている。

尚、前段のマイクロレンズアレイ５は、対物レンズ２５の入射瞳面の光強度分布を均一化し、後段のマイクロレンズアレイ１３は、検査試料面の照度分布を均一化している。

このような第１の実施形態による欠陥検査装置の光学系１００では、偏光ビームスプリッタ７で分岐された光路４２は、元の光路４１に比べて長くなる。このため、分岐光路４２の集光レンズ１０は、集光レンズ８と同様に、マイクロレンズアレイ５により形成された発散ビームに対してコリメータとして機能させ、またマイクロレンズアレイ１３の入射面を集光レンズ１０の後側焦点と一致させるために、集光レンズ１０の焦点距離は、集光レンズ８の焦点距離よりも長くなっている。尚、集光レンズ８及び１０の詳細については、後述する。

また、本実施形態では、２つの光路４１及び４２を通過した各照明光の照野２７及び２８が重ならないように検査試料２６を照明する。これにより、検査試料２６の異なる位置を異なる照明σで照射した検査画像を、異なるカメラ３２及び３４で独立に検出している。

［１−２］集光レンズ８及び１０
図２を用いて、第１の実施形態に係る光学系１００の集光レンズ８及び１０について説明する。

図２に示すように、集光レンズ８及び１０において、前側焦点は、マイクロレンズアレイ５により形成された焦点群５０と一致し、後側焦点は、マイクロレンズアレイ１３の入射面５１と一致している。ここで、分岐光路４２は、非分岐光路４１より長いため、集光レンズ１０の焦点距離は、集光レンズ８の焦点距離よりも長くなっている。

このような集光レンズ８及び１０では、前側焦点における光線の位置と伝搬方向を、後側焦点において光線の伝搬方向と位置の情報にそれぞれ変換する。すなわち、集光レンズ８及び１０により、フーリエ変換を行う。

ここで、入射面５１における照野のサイズは、集光レンズ８及び１０の焦点距離に比例する。このため、集光レンズ１０の入射面５１における照野のサイズは、集光レンズ８の入射面５１における照野のサイズより大きい。

また、図１の光学系では、マイクロレンズアレイ１３の焦点群と対物レンズ２５の入射瞳面が共役関係にあるため、照明σは、入射面５１の照野のサイズに比例する。このため、集光レンズ８を通る光路４１の光学系の照明σは小さくなり、集光レンズ１０を通る光路４２の光学系の照明σは大きくなる。

このように、第１の実施形態では、２つの光路４１及び４２に焦点距離の異なる集光レンズ８及び１０を配置することで、検査試料２６に対して２つの異なる条件の照明σを作り出すことができる。

［１−３］効果
上記第１の実施形態によれば、偏光ビームスプリッタ７で分岐された２つの光路４１及び４２に、焦点距離の異なる集光レンズ８及び１０がそれぞれ配置される。具体的には、短い光路４１上の集光レンズ８の焦点距離よりも、長い光路４２上の集光レンズ１０の焦点距離を長くする。これにより、マイクロレンズアレイ１３の入射面５１において、集光レンズ１０による照野のサイズを、集光レンズ８による照野のサイズより大きくすることができる。ここで、マイクロレンズアレイ１３の焦点群と対物レンズ２５の入射瞳は、共役関係にあるため、検査試料２６に対する照明σは、マイクロレンズアレイ１３の入射面５１の照野のサイズに比例する。このため、集光レンズ８が配置された光路４１の光学系による照明σは小さくなり、集光レンズ１０が配置された光路４２の光学系による照明σは大きくなる。

このように、第１の実施形態では、検査試料２６に対して異なる条件の照明σを生成することができるため、異なる２つの領域のパターンに対して異なる２種類の照明σで一度に欠陥検査をすることができる。

また、２種類の照明σを生成するにあたり、図１の光学系は、従来の光学系に対して比較的少ない変更で実現することができる。特に、他の光学素子に比べて高価なマイクロレンズアレイ５及び１３を増やすことなく、２種類の照明σを実現できる点は大きなメリットである。

［２］第２の実施形態
第２の実施形態では、第１の実施形態よりも、対物レンズ２５の入射瞳面における輝点の並びを等間隔化する光学系について説明する。

［２−１］対物レンズ２５の入射瞳面における輝点の並び方
図３及び図４を用いて、対物レンズ２５の入射瞳面における輝点の並び方について説明する。

図３は、非分岐光学系が形成する輝点の並び方の一例を示し、図４は、分岐光学系が形成する輝点の並び方の一例を示している。ここで、図３の非分岐光学系とは、図１の光路４１による光学系１００である。図４の分岐光学系とは、図１の光路４２による光学系１００である。

図３及び図４において、大きな円で表された輝点（親輝点）６０は、後段のマイクロレンズアレイ１３に入射された光の垂直入射成分によるものである。小さな円で表された輝点（子輝点）６１及び６２は、後段のマイクロレンズアレイ１３に斜入射された光によるものである。尚、ここでは、前段のマイクロレンズアレイ５は、３×３分割と仮定している。

マイクロレンズアレイ１３に斜入射された光による輝点６１は、図３に示すように、等間隔に並ぶように設計されることが望ましい。

しかし、図１の光学系のように、１つのマイクロレンズアレイ５の輝点を、焦点距離の異なる集光レンズ８及び１０によりマイクロレンズアレイ１３の入射面にフーリエ変換すると、図２からも明らかなように、焦点距離の長い集光レンズ１０を通った照明光の方が、焦点距離の短い集光レンズ８を通った照明光よりもＮＡが低い。その結果、例えば、集光レンズ８による輝点６０及び６１の並びを、図３のように等間隔に設計すると、集光レンズ１０による輝点６０及び６２は、図４のように輝点６２が各輝点６０の近傍に密集した並びとなる場合がある。図４のような輝点６０及び６２の並びは、マイクロレンズアレイ１３の周波数成分が目立つため、照野２７に干渉縞を発生させる可能性がある。

このように、第１の実施形態による光学系１００の場合、対物レンズ２５の入射瞳面における輝点が等間隔に並ばず、これにより、照野２７に干渉縞が生じてしまう場合が考えられる。

そこで、第２の実施形態では、集光レンズ８及び１０による両方の光路の輝点が等間隔に並ぶような欠陥検査装置の光学系１００を提案する。

［２−２］欠陥検査装置の光学系１００
図５を用いて、第２の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系１００について説明する。図５の光学系１００の基本的な構成は図１と同様であるため、ここでは異なる構成について主に説明する。

図５に示すように、第２の実施形態では、前段のマイクロレンズアレイ５の手前に、集光レンズ１０を通る光のビーム径を拡大させるための光学系８０が配置されている。この光学系８０は、偏光ビームスプリッタ７６及び７９、ミラー７７及び７８、拡大光学系７０を含んでいる。

具体的には、光源１からの光は、偏光ビームスプリッタ７６により、透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）とに分岐される。反射光は、ミラー７７により曲げられ、拡大光学系７０でビーム径が拡大され、ミラー７８によりさらに曲げられる。そして、偏光ビームスプリッタ７９により透過光と反射光とが合流され、この合流された光がマイクロレンズアレイ５を照射する。

ここで、集光レンズ１０を通る光のＮＡは、集光レンズ１０の焦点距離に応じて、拡大光学系７０で適切に調整される。また、マイクロレンズアレイ５のサイズ（有効領域のサイズ）は、拡大光学系７０で拡大されたビーム径に合わせて大きくすることが望ましい。

尚、偏光ビームスプリッタ７６によって分岐された透過光及び反射光（異なる照明σ）に割り振られる光量は、２分の１波長板６を用いて調整するとよい。このため、２分の１波長板６は、最初に偏光分離が行われる偏光ビームスプリッタ７６の手前に配置することが望ましい。

また、集光レンズ１０を通る大きな照明σは、集光レンズ８を通る小さな照明σより、前段のマイクロレンズアレイ５でより多くのレンズ素子を通過する。このため、大きな照明σの子輝点の数は、小さな照明σの子輝点の数よりも多くなる。

［２−３］効果
上記第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様、偏光ビームスプリッタ７で分岐された２つの光路４１及び４２に、焦点距離の異なる集光レンズ８及び１０がそれぞれ配置される。これにより、検査試料２６に対して異なる条件の照明σを生成することができるため、異なる２つの領域のパターンに対して、異なる２種類の照明σで同時に欠陥検査をすることができる。

また、第２の実施形態では、前段のマイクロレンズアレイ５の手前に拡大光学系７０を配置し、この拡大光学系７０により、集光レンズ１０を通る光のビーム径を拡大させることができる。このように、集光レンズ１０を通る光の拡大率と集光レンズ１０の焦点距離とを適切に選択することにより、２種類の照明σにおいて輝点の並びを均等にすることができる。これにより、照野２７に干渉縞が発生することを抑制できる。

［３］第３の実施形態
第３の実施形態は、第２の実施形態と異なる光学系１００により、対物レンズ２５の入射瞳面における輝点の並びを等間隔にする。

［３−１］欠陥検査装置の光学系１００
図６を用いて、第３の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系１００について説明する。図６の光学系１００の基本的な構成は図１と同様であるため、ここでは異なる構成について主に説明する。

図６に示すように、第３の実施形態では、偏光ビームスプリッタ７による光の偏光分離が回転位相板４の手前で行われ、集光レンズ１０を通る光のビーム径を拡大するための拡大光学系７０が偏光ビームスプリッタ７と回転位相板４との間に配置されている。

具体的には、偏光ビームスプリッタ７で分岐された光は、ミラー９で曲げられ、回転位相板４の手前で拡大光学系７０によりビーム径が拡大され、マイクロレンズアレイ７１に入射される。この光は、ミラー１１で曲げられ、集光レンズ１０を通り、偏光ビームスプリッタ１２に入射される。

ここで、拡大光学系７０により、分岐光路４２の光は、非分岐光路４１の光よりもビーム径が拡大される。このため、マイクロレンズアレイ７１の有効領域のサイズは、マイクロレンズアレイ５の有効領域のサイズより大きくなっている。例えば、マイクロレンズアレイ７１とマイクロレンズアレイ５のレンズのピッチは同じにし、マイクロレンズアレイ５よりマイクロレンズアレイ７１のレンズの数を増やしてもよい。また、マイクロレンズアレイ５とマイクロレンズアレイ７１とは同じマイクロレンズアレイで構成するが、マイクロレンズアレイ５の内側の領域のみを利用するようにしてもよい。

尚、前段のマイクロレンズアレイ５及び７１は、回転位相板４に近接させている。これにより、回転位相板４により散乱する光を、前段のマイクロレンズアレイ５及び７１に多く取り込むことが可能である。

［３−２］効果
上記第３の実施形態によれば、第１の実施形態等と同様、２つの光路４１及び４２に、焦点距離の異なる集光レンズ８及び１０がそれぞれ配置されるため、異なる２つの領域のパターンに対して、異なる２種類の照明σで同時に欠陥検査をすることができる。

また、第３の実施形態では、分岐光路４２において、集光レンズ１０の手前に拡大光学系７０が配置されている。これにより、図２の焦点群５０の領域が拡大され、後段のマイクロレンズアレイ１３の入射面５１の照明光のＮＡを拡大することができる。このため、非分岐光路４１を通った照明光学系と分岐光路４２を通った照明光学系の両方の輝点の並びを均等にすることが可能となり、照野２７に干渉縞が発生することを抑制できる。

また、第３の実施形態では、前段のマイクロレンズアレイ７１が増えることで、光学系１００の価格は増加する。しかし、他の光学素子に比べて高価な回転位相板４と後段のマイクロレンズアレイ１３を一機に抑えることで、欠陥検査装置の価格が増加することを最小限に抑えることが可能である。

［４］第４の実施形態
第４の実施形態は、第２及び第３の実施形態と異なる光学系１００により、対物レンズ２５の入射瞳面における輝点の並びを等間隔にする。

［４−１］欠陥検査装置の光学系１００
図７を用いて、第４の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系１００について説明する。図７の光学系１００の基本的な構成は図１と同様であるため、ここでは異なる構成について主に説明する。

図７に示すように、第４の実施形態では、各光路４１及び４２における集光レンズ８及び１０と偏光ビームスプリッタ１２との間に、後段のマイクロレンズアレイ１３及び７２がそれぞれ配置されている。

マイクロレンズアレイ７２は、マイクロレンズアレイ１３と同様に、像側テレセントリックな光学系になっている。つまり、例えば、マイクロレンズアレイ７２は、２枚のマイクロレンズアレイ７２ａ及び７２ｂを有し、後方のマイクロレンズアレイ７２ｂの前側焦点が前方のマイクロレンズアレイ７２ａと一致するように構成されている。また、マイクロレンズアレイ７２は、集光レンズ１０の後側焦点に設置されている。そして、マイクロレンズアレイ７２は、マイクロレンズアレイ１３よりも要素レンズのピッチが狭く、マイクロレンズアレイ１３と同じＮＡを持つことが望ましい。

［４−２］効果
上記第４の実施形態によれば、第１の実施形態等と同様、２つの光路４１及び４２に、焦点距離の異なる集光レンズ８及び１０がそれぞれ配置されるため、異なる２つの領域のパターンに対して、異なる２種類の照明σで同時に欠陥検査をすることができる。

また、第３の実施形態では、２つの照野２７及び２８に対応した輝点の間隔が同じであった。これに対し、第４の実施形態では、光路４１及び４２おける偏光ビームスプリッタ１２と集光レンズ８及び１０との間に、所定のＮＡやレンズピッチに設定された後段のマイクロレンズアレイ１３及び７２をそれぞれ配置している。これにより、光路４２を経て作られる高照明σの輝点が、光路４１を経て作られる低照明σの輝点よりも、間隔は狭まるが、均等な並びにすることができる。

また、第４の実施形態では、前段のマイクロレンズアレイ５を１機に抑えることで、欠陥検査装置の価格が増加することを最小限に抑制できる。

［５］第５の実施形態
第５の実施形態は、第２乃至第４の実施形態と異なる光学系１００により、対物レンズ２５の入射瞳面における輝点の並びを等間隔にする。

［５−１］欠陥検査装置の光学系１００
図８乃至図１０を用いて、第５の実施形態に係る欠陥検査装置の光学系１００について説明する。図８の光学系１００の基本的な構成は図１と同様であるため、ここでは異なる構成について主に説明する。

図８に示すように、第５の実施形態では、偏光ビームスプリッタ７で分岐された光路４１及び４２は、対物レンズ２５の手前の偏光ビームスプリッタ１２まで分岐されたままである。

具体的には、光路４１上には、集光レンズ８、マイクロレンズアレイ１３、集光レンズ１４、アパーチャ２１及び集光レンズ２２が順に配置される。光路４２上には、集光レンズ１０、ミラー９、マイクロレンズアレイ７２、集光レンズ７３、アパーチャ７４、集光レンズ７５及びミラー１１が順に配置される。そして、光路４１及び４２の光は、偏光ビームスプリッタ１２により合流される。

ここで、第５の実際形態では、第４の実施形態と同様に、集光レンズ１０の焦点距離を集光レンズ８の焦点距離より長くし、マイクロレンズアレイ７２は、マイクロレンズアレイ１３よりも要素レンズのピッチを狭くし、マイクロレンズアレイ１３と同じＮＡを持つようにするとよい。

但し、第５の実施形態では、同じ焦点距離の集光レンズ８及び１０を用い、後段のマイクロレンズアレイ１３及び７２以降の光学系の仕様を適宜設定することで、異なる２種類の照明σを作り出すことも可能である。

つまり、このような光学系１００では、集光レンズ８及び１０の焦点距離が同じであるため、マイクロレンズアレイ１３及び７２の入射ビームサイズは同じになる。この場合、マイクロレンズアレイ１３及び７２の「ピッチ÷焦点距離（＝２ＮＡ）」を異なるようにするとよい。

具体的には、図９に示すように、マイクロレンズアレイ１３が、高照明σ用の輝点群を生成し、マイクロレンズアレイ７２が、低照明σ用の輝点群を生成する場合、マイクロレンズアレイ１３のＮＡは、マイクロレンズアレイ７２のＮＡよりも大きいことが望ましい。理由は、以下の通りである。

図１０のようなほぼ無収差の光学系では、下記の式（１）の関係が成り立つ（ラグランジュの不変量）。

ｈ_ＭＬＡsinθ_ＭＬＡ＝ｈ_４sinθ_４＝Ｘ …（１）
この式（１）は、図１０から、以下の式（２）に書き換えることができる。

ｈ_ＭＬＡＤ_ＭＬＡ／２ｆ_ＭＬＡ＝ｈ_４Ｄ_Ｍ／２ｆ_ｏｂｊ＝Ｘ …（２）
これを踏まえ、図９の２つの光学系を見てみると、光学系のＸの値は、照明σに比例しており、高照明σの方が大きいことが明らかである。

図９の２つの光学系のｈ_{ＭＬＡ１３}及びｈ_{ＭＬＡ７２}は同じであるため、これらの光学系を実現するには、後段のマイクロレンズアレイ１３及び７２のＮＡ＝sinθ_ＭＬＡを、高照明σ用には大きく、低照明σ用には小さくすればよい。

尚、図８の光学系で同じ焦点距離の集光レンズ８及び１０を用いる場合、図９に示すように、集光レンズ１４の焦点距離ｆ３は、集光レンズ７３の焦点距離ｆ１より短いことが望ましく、集光レンズ２２の焦点距離ｆ４は、集光レンズ７５の焦点距離ｆ２より短いことが望ましい。さらに、アパーチャ２１の矩形絞りの大きさは、アパーチャ７４の矩形絞りの大きさよりも小さいことが望ましい。但し、この場合、低照明σの場合に比べ、高照明σの場合に子輝点が親輝点に近づくため、両方の光路４１及び４２の輝点の間隔を均等にすることは難しい。

［５−２］効果
上記第５の実施形態によれば、第１の実施形態等と同様、２つの光路４１及び４２に、焦点距離の異なる集光レンズ８及び１０がそれぞれ配置されるため、異なる２つの領域のパターンに対して、異なる２種類の照明σで同時に欠陥検査をすることができる。

また、第５の実施形態では、第４の実施形態と同様、光路４１及び４２おける集光レンズ８及び１０の後ろに、所定のＮＡやレンズピッチに設定された後段のマイクロレンズアレイ１３及び７２をそれぞれ配置している。これにより、対物レンズ２５の入射瞳面において、光路４１及び４２による輝点の並びを等間隔にすることができる。

さらに、第５の実施形態では、後段のマイクロレンズアレイ１３及び７２の入射光までまったく同じ光学系であっても、後段のマイクロレンズアレイ１３及び７２以降の光学系の仕様を適宜に設定することで、同じ対物レンズ２５でも異なる照明σ（検査試料２６上の照明サイズは同じ）を実現することができる。

［６］第６の実施形態
第６の実施形態では、上記各実施形態における光学系１００を用いた欠陥検査装置について説明する。この欠陥検査装置は、検査試料に光を照射して得られる画像を用いて欠陥を検査する装置であり、例えば、フォトマスク、ＮＩＬ（Nano Imprint Lithography）用の原版等を検査試料として用いる。

図１１を用いて、欠陥検査装置の基本構成について説明する。ここでは、例えば、大規模ＬＳＩの製作に用いられるフォトマスクの設計データと測定データとを比較してパターンの検査を行う、フォトマスクのパターン検査装置を例に挙げる。

本実施形態の欠陥検査装置では、検査試料２６の光学画像を取得する構成部Ａと、この構成部Ａで取得された光学画像を用いて検査のための処理及び検査を行う構成部Ｂとを有している。

構成部Ａは、上記各実施形態による光学系１００、光源１、カメラ８２（３２及び３４）、フォトマスク８３（検査試料２６）が載置されたＸＹθテーブル８１、センサ回路９６ａ及び９６ｂを有している。

構成部Ｂでは、欠陥検査装置全体の制御を司るホスト計算機９０が、データ伝送路となるバスを介して、テーブル制御回路９１、ＸＹθモータ９２、データメモリ９３、比較回路９４ａ及び９４ｂ、参照データ生成回路９５及びＯＲ回路９７に接続されている。

このような本実施形態の欠陥検査装置では、フォトマスク８３に形成されたパターンにおける検査領域が、一定幅の短冊状の検査ストライプに分割される。そして、分割された検査ストライプが連続的に走査されるように、ＸＹθテーブル８１にフォトマスク８３が搭載され、その内の１軸のステージを連続移動させながら検査が実行される。このようなストライプ検査が終了すると、隣のストライプを観察するために、他の１軸のステージでステップ移動が行われる。

フォトマスク８３は、ＸＹθテーブル８１の上に載置される。このＸＹθテーブル８１は、ホスト計算機９０でテーブル制御回路９１及びＸＹθモータ９２が制御されることにより、移動可能となっている。

フォトマスク８３に形成されたパターンには、ＤＵＶ（紫外光）レーザ等の光源１によって光が照射される。フォトマスク８３を反射した光は、光学系１００を介してカメラ８２（例えば、図１等のカメラ３２及び３４）に入射される。カメラ８２では、仮想的に分割されたパターンの短冊状領域の一部が拡大され、光学像として結像される。カメラ８２上に結像されたパターンの像は、カメラ８２によって光電変換され、さらにセンサ回路９６ａ及び９６ｂによりＡ／Ｄ変換される。そして、このセンサ回路９６ａ及び９６ｂから出力された測定画像データＭ１及びＭ２は、比較回路９４ａ及び９４ｂにそれぞれ送られる。

一方、フォトマスク８３のパターン形成時に用いた設計データは、磁気ディスクや半導体メモリ等のデータメモリ９３に記憶されている。この設計データは、ホスト計算機９０により、データメモリ９３から参照データ生成回路９５に読み出される。参照データ生成回路９５では、読み出された設計データが２値又は多値の設計画像データＤ１及びＤ２に変換される。この設計画像データＤ１及びＤ２は、２種類の照明σにそれぞれ対応して生成されており、比較回路９４ａ及び９４ｂにそれぞれ送られる。

比較回路９４ａは、測定画像データＭ１と設計画像データＤ１とを適切なアルゴリズムに従って比較する。同様に、比較回路９４ｂは、測定画像データＭ２と設計画像データＤ２とを適切なアルゴリズムに従って比較する。比較回路９４ａ及び９４ｂで比較した結果、両者の差異が所定の閾値を超えた場合、その箇所が欠陥と判断される。そして、ＯＲ回路９７により、比較回路９４ａ及び９４ｂのいずれかで欠陥が発見された場合、フォトマスク８３は欠陥ありと判定される。この欠陥に関する情報（例えば、欠陥の座標、欠陥判定の根拠となった光学画像等）は、ホスト計算機９０の制御により、データメモリ９３に保存される。このように、ダイ・ツー・データベース方式で、フォトマスク８３のパターン欠陥が検出される。

尚、図１１において、テーブル制御回路９１、比較回路９４ａ及び９４ｂ、参照データ生成回路９５及びＯＲ回路９７は、電気的回路で構成される。但し、欠陥検査装置は、必ずしもこれら電気的回路を必要とせず、これらの少なくとも一部を、同様の処理をホスト計算機９０によって行うことができるソフトウェアに代えてもよい。また、欠陥検査装置は、電気的回路とソフトウェアとの組み合わせにすることも可能である。さらに、上記電気的回路は、コンピュータで動作可能なプログラムにより構成したり、ソフトウェアとなるプログラムだけではなく、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせや、ファームウェアとの組み合わせとによって実施されたりするものであってもよい。プログラムにより構成される場合、このプログラムは、例えば、データメモリ９３に記録されてもよい。

［７］その他
上記各実施形態の光学系１００では、回転位相板４と前段のマイクロレンズアレイ５を近接させている。しかし、この実現が物理的に困難であり、光利用効率が多少下がっても構わなければ、回転位相板４と前段のマイクロレンズアレイ５とを離してもよい。具体的には、例えば、図６の分岐光路４２の拡大光学系７０を、回転位相板４とマイクロレンズアレイ７１との間に配置してもよい。

上記各実施形態の光学系１００では、２種類の異なる照明σを生成している。この場合、各実施形態において、検査試料２６上の照明のサイズ、つまり照明エリア（照野２７及び２８）は同じである。但し、各実施形態において、異なる照明エリア（照野２７及び２８）にすることも可能である。

上記各実施形態では、マイクロレンズアレイの代わりに、プリズム（アキシコンレンズ）や回折光学素子（回折格子、回折レンズ等）を用いてもよい。また、偏光ビームスプリッタは、分岐素子であればよく、無偏光ビームスプリッタでもよいし、プリズムでもよい。具体的には、各実施形態の偏光ビームスプリッタ２３と第５の実施形態の偏光ビームスプリッタ７及び１２は、無偏光ビームスプリッタに変更することが可能である。

上記各実施形態では、検査画像を取得するために検出するのは、必ずしも検査試料２６からの反射光に限定されず、検査試料２６の透過光を用いてもよい。

上記各実施形態の欠陥検査装置は、マスクのパターン欠陥の検査に用いることに限定されず、例えば、半導体ウエハや液晶基板のパターン欠陥の検査に適用することも可能である。

上記各実施形態では、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要としない部分についての記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができることは言うまでもない。

尚、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願補正前の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
検査試料のパターン中の欠陥を検査する欠陥検査装置であって、
光源と、
前記光源からの光を第１の光路と第２の光路とに分岐する第１のビームスプリッタと、
前記第１の光路上に配置された第１の光学系と、
前記第２の光路上に配置された第２の光学系と、
前記第１の光学系を通過した光によって前記検査試料の照野を形作る第１のアパーチャと、
前記第２の光学系を通過した光によって前記検査試料の照野を形作る第２のアパーチャと、
前記検査試料の第１の領域に前記第１のアパーチャの像を第１の照明で照明し、前記検査試料の前記第１の領域と異なる第２の領域に前記第２のアパーチャの像を前記第１の照明と異なる第２の照明で照明する第３の光学系と、
前記第１の領域の光を取得する第１の撮像素子と、
前記第２の領域の光を取得する第２の撮像素子と
を具備する欠陥検査装置。
［Ｃ２］
前記第１の光学系は、第１の焦点距離を有する第１のレンズを含み、
前記第２の光学系は、前記第１の焦点距離と異なる第２の焦点距離を有する第２のレンズを含む、［Ｃ１］に記載の欠陥検査装置。
［Ｃ３］
前記光源と前記第１のビームスプリッタとの間に配置された第１のマイクロレンズアレイと、
前記第１の光路の前記光と前記第２の光路の前記光とを合流させる第２のビームスプリッタと、
前記第２のビームスプリッタにより合流した光を第３の光路と第４の光路とに分岐し、前記第３の光路の光を前記第１のアパーチャに入射させ、前記第４の光路の光を前記第２のアパーチャに入射させる第３のビームスプリッタと、
前記第２のビームスプリッタと前記第３のビームスプリッタとの間に配置された第２のマイクロレンズアレイと
をさらに具備する、［Ｃ２］に記載の欠陥検査装置。
［Ｃ４］
前記第２のレンズの前記焦点距離は、前記第１のレンズの前記焦点距離より長く、
前記光源と前記第１のマイクロレンズアレイとの間に配置され、前記第２のレンズを通る前記光のビーム径を拡大する拡大光学系をさらに具備する、［Ｃ３］に記載の欠陥検査装置。
［Ｃ５］
前記第１の光路の前記光と前記第２の光路の前記光とを合流させる第２のビームスプリッタと、
前記第２のビームスプリッタと前記第１及び第２のアパーチャとの間に配置された第１のマイクロレンズアレイと
をさらに具備し、
前記第１の光学系は、前記第１のビームスプリッタと前記第１のレンズとの間に配置された第２のマイクロレンズアレイを含み、
前記第２の光学系は、前記第１のビームスプリッタと前記第２のレンズとの間に配置された第３のマイクロレンズアレイと、前記第１のビームスプリッタと前記第３のマイクロレンズアレイとの間に配置された拡大光学系とを含み、
前記第３のマイクロレンズアレイの有効領域は、前記第２のマイクロレンズアレイの有効領域よりも大きい、［Ｃ２］に記載の欠陥検査装置。
［Ｃ６］
前記光源と前記第１のビームスプリッタとの間に配置された第１のマイクロレンズアレイと、
前記第１の光路の前記光と前記第２の光路の前記光とを合流させる第２のビームスプリッタと
をさらに具備し、
前記第１の光学系は、前記第２のビームスプリッタと前記第１のレンズとの間に配置された第２のマイクロレンズアレイを含み、
前記第２の光学系は、前記第２のビームスプリッタと前記第２のレンズとの間に配置された第３のマイクロレンズアレイを含み、
前記第３のマイクロレンズアレイの要素レンズのピッチは、前記第２のマイクロレンズアレイの要素レンズのピッチと異なり、
前記第３のマイクロレンズアレイのＮＡは、前記第２のマイクロレンズアレイのＮＡと同じである、［Ｃ２］に記載の欠陥検査装置。

１…レーザ、２、７０…拡大光学系、３…可干渉性低減光学系、４…回転位相板、５、１３、７１、７２…マイクロレンズアレイ、８、１０、１４、２２、３１、３３、７３、７５…集光レンズ、７、１２、１５、２３…偏光ビームスプリッタ、９、１１、１７、１８、１９、３０…ミラー、６、１６…２分の１波長板、２０…光路長補正素子、２１、７４…アパーチャ、２４…４分の１波長板、２５…対物レンズ、２６…検査試料、２７、２８…照野、２９…結像レンズ、３２、３４、８２…カメラ、４１…Ｐ偏光光路、４２…Ｓ偏光光路、８１…ＸＹθテーブル、８３…フォトマスク、９０…ホスト計算機、９１…テーブル制御回路、９２…ＸＹθモータ、９３…データメモリ、９４ａ、９４ｂ…比較回路、９５…参照データ生成回路、９６ａ、９６ｂ…センサ回路、９７…ＯＲ回路、１００…光学系。

Claims (5)

1. 検査試料のパターン中の欠陥を検査する欠陥検査装置であって、
   光源と、
   前記光源からの光を第１の光路と第２の光路とに分岐する第１のビームスプリッタと、
   前記第１の光路上に配置され、第１の焦点距離を有する第１のレンズを含む第１の光学系と、
   前記第２の光路上に配置され、前記第１の焦点距離と異なる第２の焦点距離を有する第２のレンズを含む第２の光学系と、
   前記第１の光学系を通過した光によって前記検査試料の照野を形作る第１のアパーチャと、
   前記第２の光学系を通過した光によって前記検査試料の照野を形作る第２のアパーチャと、
   前記検査試料の第１の領域に、前記第１の光学系を通過した光に基づいて、前記第１のアパーチャの像を第１の照明で照明し、前記検査試料の前記第１の領域と異なる第２の領域に、前記第２の光学系を通過した光に基づいて、前記第２のアパーチャの像を前記第１の照明と異なる第２の照明で照明する第３の光学系と、
   前記第１の領域の光を取得する第１の撮像素子と、
   前記第２の領域の光を取得する第２の撮像素子と
   を具備する欠陥検査装置。
2. 前記光源と前記第１のビームスプリッタとの間に配置された第１のマイクロレンズアレイと、
   前記第１の光路を通過した光と前記第２の光路を通過した光とを合流させる第２のビームスプリッタと、
   前記第２のビームスプリッタにより合流した光を第３の光路と第４の光路とに分岐し、前記第３の光路の光を前記第１のアパーチャに入射させ、前記第４の光路の光を前記第２のアパーチャに入射させる第３のビームスプリッタと、
   前記第２のビームスプリッタと前記第３のビームスプリッタとの間に配置された第２のマイクロレンズアレイと
   をさらに具備する、請求項１に記載の欠陥検査装置。
3. 前記第２のレンズの前記第２の焦点距離は、前記第１のレンズの前記第１の焦点距離より長く、
   前記光源と前記第１のマイクロレンズアレイとの間に配置され、前記第２のレンズを通る前記光のビーム径を拡大する拡大光学系をさらに具備する、請求項２に記載の欠陥検査装置。
4. 前記第１の光路を通過した光と前記第２の光路を通過した光とを合流させる第２のビームスプリッタと、
   前記第２のビームスプリッタと前記第１及び第２のアパーチャとの間に配置された第１のマイクロレンズアレイと
   をさらに具備し、
   前記第１の光学系は、前記第１のビームスプリッタと前記第１のレンズとの間に配置された第２のマイクロレンズアレイを含み、
   前記第２の光学系は、前記第１のビームスプリッタと前記第２のレンズとの間に配置された第３のマイクロレンズアレイと、前記第１のビームスプリッタと前記第３のマイクロレンズアレイとの間に配置された拡大光学系とを含み、
   前記第３のマイクロレンズアレイの有効領域は、前記第２のマイクロレンズアレイの有効領域よりも大きい、請求項１に記載の欠陥検査装置。
5. 前記光源と前記第１のビームスプリッタとの間に配置された第１のマイクロレンズアレイと、
   前記第１の光路を通過した光と前記第２の光路を通過した光とを合流させる第２のビームスプリッタと
   をさらに具備し、
   前記第１の光学系は、前記第２のビームスプリッタと前記第１のレンズとの間に配置された第２のマイクロレンズアレイを含み、
   前記第２の光学系は、前記第２のビームスプリッタと前記第２のレンズとの間に配置された第３のマイクロレンズアレイを含み、
   前記第３のマイクロレンズアレイの要素レンズのピッチは、前記第２のマイクロレンズアレイの要素レンズのピッチと異なり、
   前記第３のマイクロレンズアレイのＮＡは、前記第２のマイクロレンズアレイのＮＡと同じである、請求項１に記載の欠陥検査装置。