WO2012090367A1 - 欠陥検査方法および欠陥検査装置 - Google Patents

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WO2012090367A1
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sample
defect
illumination
light
scattered light
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雄太 浦野
本田　敏文
芝田　行広
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • G01N2201/1045—Spiral scan

Definitions

  • the present invention relates to a defect inspection method and a defect inspection apparatus for inspecting a minute defect existing on a sample surface, determining a defect type and a defect size, and outputting the result.
  • Patent Document 1 JP-A-9-304289
  • Patent Document 2 JP-A-2006-201179
  • Patent Document 3 US Patent Application Publication No. 2006/0256325
  • the illumination light is condensed and irradiated on the sample surface to a size of several tens of ⁇ m, and the scattered light from the defect is collected and detected, and several tens nm to several ⁇ m or more.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 a technique is described in which a component emitted at a high angle and a component emitted at a low angle of scattered light from a defect are detected, and the type of defect is classified based on the ratio.
  • Patent Document 2 describes a technique for calculating the size of a detected defect based on the intensity of scattered light from the defect.
  • Patent Document 3 describes that the power of illumination light, the scanning speed of the illumination spot, or the size of the illumination spot is controlled while inspecting the surface to be inspected in order to reduce thermal damage to the sample. .
  • the thermal damage to the sample is determined by the product of the illumination power density to be irradiated and the irradiation time, and the illumination is performed according to the radial position on the sample during scanning so that this does not exceed a certain value. It is stated that the light power, the scanning speed of the illumination spot, or the size of the illumination spot is changed.
  • Patent Document 4 As a technique for inspecting the entire surface of a specimen in a short time by illuminating a wide area on the specimen with a Gaussian beam that is long in one direction and detecting the illumination area at once using a multi-pixel detector such as a CCD.
  • Patent Document 5 US Pat. No. 6,608,676 (Patent Document 4) is known.
  • Patent Document 5 discloses a technique for shaping illumination light into a form in which a plurality of illumination spots are arranged on the surface to be inspected using an aspheric lens or a diffractive optical element in oblique incidence illumination.
  • Patent Document 6 discloses a technique for forming an image of a two-dimensional region on the surface to be inspected obliquely and integrating and detecting a detection signal using a TDI image sensor or the like. Are known.
  • Defect inspection used in the manufacturing process of semiconductors, etc. detects minute defects, measures the size of the detected defects with high accuracy, and inspects the sample non-destructively (or without altering the sample)
  • a constant inspection result number of detected defects, position, size, defect type
  • the scattered light from a minute defect is weak, it is difficult to detect because it is buried in the variation of the scattered light generated on the sample surface due to photon shot noise.
  • the illumination power per unit area or the inspection time per unit area is increased, the amount of scattered light to be detected increases, so that higher sensitivity and higher accuracy in estimating the defect size based on the amount of scattered light can be realized.
  • increasing the illumination power per unit area is limited because it causes thermal damage to the sample surface.
  • the inspection time per unit area is increased, the time required for the inspection of the entire surface of the sample increases, so that it does not meet the needs of inspecting a large number of samples within a certain time.
  • Patent Document 1 Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, and Patent Document 5 particularly for a minute defect having a size of 20 nm or less, scattered light generated from the defect becomes extremely weak, Detection is impossible because the defect signal is buried in noise caused by scattered light generated on the sample surface, detector noise, or detection circuit noise.
  • the illumination power is increased to avoid this, the temperature rise of the sample due to the illumination light increases and thermal damage to the sample occurs.
  • the scanning speed of the sample is reduced to avoid this, the area of the sample or the number of samples that can be inspected within a certain time decreases. From the above, it was difficult to detect minute defects at high speed while avoiding thermal damage.
  • Patent Document 3 Patent Document 4, and Patent Document 5
  • a long illumination spot is formed in one direction, and the illumination area is imaged on a detector composed of a plurality of pixels to detect a plurality of pixels.
  • a detector composed of a plurality of pixels to detect a plurality of pixels.
  • image detection is required. Since the field of view of the detection lens necessary for this is very wide, it has been difficult to manufacture and adjust the detection lens, or the detection lens is expensive.
  • Patent Document 6 has an advantage that a larger number of pixels can be arranged than the method of arranging a plurality of pixels in one dimension by performing two-dimensional detection.
  • a suitable rotational scan or spiral scan is performed, the defect image moves along an arc-shaped trajectory due to the scan, so that the array of pixels arranged in a two-dimensional grid and the scan trajectory of the defect do not match.
  • the effect of defect signal accumulation by pixels could not be sufficiently obtained.
  • the defect image is displaced by the vertical movement of the sample surface, so that there is a problem that the effect of defect signal accumulation by multiple pixels cannot be obtained sufficiently. there were.
  • the defect signal is detected across a plurality of pixels due to the above cause, and thus there is a problem that the position of the defect cannot be specified with high accuracy.
  • Each of the plurality of scattered lights to be detected is divided into a plurality of pixels and detected in each of the scanning direction in the sample scanning step and the direction substantially orthogonal to the scanning direction, and is detected in the scattered light detecting step.
  • the scattered light scattered from approximately the same region of the sample in approximately the same direction is added, and the presence / absence of a defect is determined based on the added scattered light, and the determined defect is And a processing step of calculating a dimension of the determined defect using at least one scattered light among a plurality of corresponding scattered light.
  • the entire surface of the sample can be scanned in a short time to detect minute defects.
  • 1 is an overall schematic configuration diagram showing an embodiment of a defect inspection apparatus according to the present invention. It is a figure which shows the 1st example of the illumination intensity distribution shape implement
  • FIG. 1 It is a figure which shows the 2nd example of the means to reduce the energy per single pulse by optical path branching and optical path synthesis
  • the figure which shows the locus of the illumination spot by scanning It is the figure which looked at the arrangement
  • the illumination unit 101 appropriately includes a laser light source 2, an attenuator 3, an emitted light adjustment unit 4, a beam expander 5, a polarization control unit 6, and an illumination intensity distribution control unit 7.
  • the laser light beam emitted from the laser light source 2 is adjusted to a desired beam intensity by the attenuator 3, adjusted to a desired beam position and beam traveling direction by the emitted light adjustment unit 4, and a desired beam diameter is adjusted by the beam expander 5.
  • the incident angle of the illumination light with respect to the sample surface is determined by the position and angle of the reflection mirror of the outgoing light adjustment unit 4 arranged in the optical path of the illumination unit 101.
  • the incident angle of the illumination light is set to an angle suitable for detecting minute defects.
  • the larger the illumination incident angle that is, the smaller the illumination elevation angle (the angle formed by the sample surface and the illumination optical axis), the more the scattering from the micro unevenness of the sample surface that becomes noise with respect to the scattered light from the micro foreign matter on the sample surface Since light (called haze) is weakened, it is suitable for detecting minute defects.
  • the incident angle of the illumination light is preferably set to 75 degrees or more (elevation angle of 15 degrees or less).
  • the smaller the illumination incident angle in oblique illumination the larger the absolute amount of scattered light from the minute foreign matter. Therefore, if the insufficient amount of scattered light from the defect hinders detection of the minute defect, the incident angle of the illumination light Is preferably set to 60 to 75 degrees (elevation angle of 15 to 30 degrees).
  • the illumination incident angle may be variable.
  • the polarization control in the polarization controller 6 of the illumination unit 101 changes the illumination polarization to P-polarized light, which increases the scattered light from defects on the sample surface compared to other polarized light. To do.
  • the illumination optical path is changed by inserting a mirror 21 in the optical path of the illumination unit 101 and arranging another mirror as appropriate, so that the illumination optical path is substantially changed.
  • Illumination light is emitted from a direction perpendicular to the vertical direction (vertical illumination).
  • the illumination intensity distribution on the sample surface is controlled by the illumination intensity distribution controller 7v in the same manner as the oblique incidence illumination.
  • a beam splitter By inserting a beam splitter at the same position as the mirror 21, it is possible to obtain scattered light from oblique incident illumination and a dent-like defect on the sample surface (a polishing flaw or a crystal defect in a crystal material). Vertical illumination with normal incidence is suitable.
  • the illumination intensity distribution monitor 24 shown in FIG. 1 will be described later.
  • an ultraviolet or vacuum ultraviolet laser beam having a short wavelength (wavelength of 355 nm or less) is oscillated with a wavelength that is difficult to penetrate into the sample, and the output is 2 W.
  • the above high output is used.
  • the outgoing beam diameter is about 1 mm.
  • those that oscillate a visible or infrared laser beam with a wavelength that easily penetrates into the sample are used.
  • the attenuator 3 appropriately includes a first polarizing plate, a half-wave plate rotatable around the optical axis of the illumination light, and a second polarizing plate.
  • the light incident on the attenuator 3 is converted into linearly polarized light by the first polarizing plate, the polarization direction is rotated in accordance with the slow axis azimuth angle of the half-wave plate, and the second polarizing plate is pass.
  • the azimuth angle of the half-wave plate By controlling the azimuth angle of the half-wave plate, the light intensity is dimmed at an arbitrary ratio.
  • the first polarizing plate is not necessarily required.
  • the attenuator 3 is one in which the relationship between the input signal and the light attenuation rate is calibrated in advance.
  • An ND filter having a gradation density distribution can be used as the attenuator 3.
  • the outgoing light adjustment unit 4 includes a plurality of reflection mirrors.
  • a three-dimensional orthogonal coordinate system (XYZ coordinates) is temporarily defined, and it is assumed that light incident on the reflection mirror travels in the + X direction.
  • the first reflecting mirror is installed to deflect incident light in the + Y direction (incident / reflected in the XY plane), and the second reflecting mirror deflects light reflected by the first reflecting mirror in the + Z direction. Installed (incident / reflected in the YZ plane).
  • Each reflection mirror adjusts the position and traveling direction (angle) of the light emitted from the emission adjusting unit 4 by parallel movement and tilt angle adjustment.
  • the light is output from the output adjustment unit 4 by arranging the incident / reflecting surface (XY surface) of the first reflecting mirror and the second reflecting mirror incident / reflecting surface (YZ surface) to be orthogonal to each other.
  • the position and angle adjustment in the XZ plane and the position and angle adjustment in the YZ plane can be performed independently.
  • the beam expander 5 has two or more lens groups and has a function of expanding the diameter of the incident parallel light beam.
  • a Galileo beam expander having a combination of a concave lens and a convex lens is used.
  • the beam expander 5 is installed on a translation stage having two or more axes, and the position of the beam expander 5 can be adjusted so that the center coincides with a predetermined beam position. Further, a tilt angle adjusting function of the entire beam expander 5 is provided so that the optical axis of the beam expander 5 coincides with a predetermined beam optical axis. By adjusting the distance between the lenses, it is possible to control the enlargement ratio of the beam diameter (zoom mechanism).
  • the collimation of the light beam may be performed by installing a collimating lens upstream of the beam expander 5 independently of the beam expander 5.
  • the magnification of the beam diameter by the beam expander 5 is about 5 to 20 times, and a beam with a beam diameter of 1 mm emitted from the light source is expanded from about 5 mm to about 20 mm.
  • the polarization controller 6 includes a half-wave plate and a quarter-wave plate, and controls the polarization state of illumination light to an arbitrary polarization state.
  • the beam monitors 22 and 23 measure the states of light incident on the beam expander 5 and light incident on the illumination intensity distribution control unit 7.
  • FIGS. 2 to 3 are diagrams illustrating an example of an illumination intensity distribution shape realized by the illumination unit according to the present invention.
  • induced to the sample surface from the illumination part 101 and illumination intensity distribution shape is shown.
  • the configuration of the illumination unit 101 in FIGS. 2 to 3 shows a part of the configuration of the illumination unit 101, and the outgoing light adjustment unit 4, the mirror 21, the beam monitors 22, 23, and the like are omitted.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a cross section of an incident surface of oblique incidence illumination (a surface including the illumination optical axis and the sample surface normal). The oblique incidence illumination is inclined with respect to the sample surface within the incident plane.
  • the illumination unit 101 creates a substantially uniform illumination intensity distribution in the incident surface.
  • the length of the portion where the illumination intensity is uniform is about 100 ⁇ m to several mm in order to inspect a wide area per unit time.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a cross section of a surface that includes the sample surface normal and is perpendicular to the incident surface of the oblique incidence illumination. Even in this plane, a uniform illumination intensity distribution is formed on the sample surface, and the length of the illumination intensity distribution is about 100 ⁇ m to several mm.
  • the illumination intensity distribution control unit 7 includes optical elements such as an aspheric lens, a diffractive optical element, a cylindrical lens array, and a light pipe, which will be described later. The optical elements constituting the illumination intensity distribution control unit 7 are installed perpendicular to the illumination optical axis as shown in FIGS.
  • FIG. 7 is a diagram showing a first example of an illumination intensity distribution shape realized by the illumination unit according to the present invention.
  • the illumination intensity distribution control unit 7 includes optical elements that affect the phase distribution and intensity distribution of incident light.
  • a diffractive optical element 71 (DOE: Diffractive Optical Element) is used as an optical element constituting the illumination intensity distribution control unit 7.
  • the diffractive optical element 71 is formed by forming a fine undulating shape having a dimension equal to or smaller than the wavelength of light on the surface of a substrate made of a material that transmits incident light. As a material that transmits incident light, fused quartz is used for ultraviolet light.
  • the diffractive optical element 71 In order to suppress the attenuation of light due to passing through the diffractive optical element 71, it is preferable to use one coated with an antireflection film. Lithography is used to form the fine undulations.
  • Lithography is used to form the fine undulations.
  • the optical element provided in the illumination intensity distribution control unit 7 is provided with a translation adjustment mechanism having two or more axes and a rotation adjustment mechanism having two or more axes so that the relative position and angle of the incident light with respect to the optical axis can be adjusted. .
  • a focus adjustment mechanism by movement in the optical axis direction is provided.
  • FIG. 4 shows an example in which the optical elements constituting the illumination intensity distribution control unit 7 are installed in parallel with the sample surface.
  • the optical element installed in this way is required to collect light with respect to off-axis light that is greatly inclined with respect to the normal line of the optical element surface. Light becomes easy.
  • FIG. 14 is a diagram showing a first example of measuring means and adjusting means for the state of illumination light in the illumination unit according to the present invention. Illumination light state measurement means in the illumination unit 101 will be described with reference to FIG.
  • the beam monitor 22 measures and outputs the position and angle (traveling direction) of the illumination light that has passed through the outgoing light adjustment unit 4.
  • the beam monitor 23 measures and outputs the position and wavefront of the illumination light incident on the illumination intensity distribution control unit 7.
  • the position of the illumination light in the beam monitor 22 is measured by measuring the position of the center of gravity of the light intensity of the illumination light.
  • an optical position sensor PSD: Position Sensitive Detector
  • an image sensor such as a CCD sensor or a CMOS sensor
  • the angle of illumination light in the beam monitor 22 is measured by an optical position sensor or an image sensor installed at a position farther from the light source than the position measuring means.
  • the angle measurement is performed by causing the illumination light to enter the collimator lens, and placing the light position sensor or the image sensor at the focal position of the collimator lens and measuring the condensing spot position by the illumination light.
  • the illumination light position and illumination light angle measured by the beam monitor 22 are input to the control unit 53 and displayed on the display unit 54.
  • the emitted light adjustment unit 4 adjusts the light to return to the predetermined position.
  • the position of the illumination light in the beam monitor 23 is measured by means similar to the position measuring means in the beam monitor 22. However, since the beam diameter is enlarged to several millimeters or more at the measurement target position of the beam monitor 23, the measurement target position is reduced and projected onto the detector light-receiving surface of the position measurement means such as an optical position sensor as necessary. Perform position measurement.
  • the wavefront measurement of the illumination light in the beam monitor 23 is performed in order to measure the parallelism of the light incident on the illumination intensity control unit 7.
  • the illumination light is measured by a shearing interferometer or by a Shack-Hartmann wavefront sensor.
  • the shearing interferometer is observed when optical glass with a thickness of several millimeters with both sides polished is inserted into the illumination light path at an angle, and the reflected light from the front surface and the reflected light from the back surface are projected onto the screen.
  • the divergence / convergence state of the illumination light is measured by the interference fringe pattern to be produced, such as SPUV-25 manufactured by Sigma Koki Co., Ltd. If an image sensor such as a CCD sensor or a CMOS sensor is installed at the screen position, it is possible to automatically measure the divergence / convergence state of illumination light.
  • the Shack-Hartmann wavefront sensor divides the wavefront by a fine lens array and projects it onto an image sensor such as a CCD sensor, and measures the inclination of each wavefront from the displacement of the projection position. Compared to shearing interferometers, it can perform detailed wavefront measurements such as partial wavefront disturbances.
  • the lens group of the previous beam expander 5 is displaced in the optical axis direction. It can be close to quasi-parallel light.
  • FIG. 15 is a diagram showing a second example of the measuring unit and the adjusting unit for the state of the illumination light in the illumination unit according to the present invention.
  • the wavefront of the light incident on the illumination intensity control unit 7 is partially measured by the wavefront measurement.
  • a spatial light phase modulation element 26 which is a kind of SLM, is inserted in front of the illumination intensity control unit 7 as shown in FIG.
  • the wavefront can be made closer to flat, that is, the illumination light can be made closer to quasi-parallel light.
  • the wavefront accuracy (deviation from a predetermined wavefront (design value)) of the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7 can be suppressed to ⁇ / 10 rms or less.
  • the illumination intensity distribution on the sample surface adjusted by the illumination intensity distribution control unit 7 is measured by the illumination intensity distribution monitor 24. As shown in FIG. 1, even when vertical illumination is used, the illumination intensity distribution monitor 24 similarly measures the illumination intensity distribution on the sample surface adjusted by the illumination intensity distribution control unit 7v.
  • the illumination intensity distribution monitor 24 forms an image of the sample surface on an image sensor such as a CCD sensor or a CMOS sensor via a lens and detects it as an image.
  • the image of the illumination intensity distribution detected by the illumination intensity distribution monitor 24 is processed by the control unit 53, and the center of gravity position, the maximum intensity, the maximum intensity position, the width and length of the illumination intensity distribution (greater than a predetermined intensity or the maximum intensity).
  • the width and length of the illumination intensity distribution area that is equal to or greater than a predetermined ratio with respect to the value is calculated and displayed on the display unit 54 together with the contour shape, cross-sectional waveform, etc. of the illumination intensity distribution.
  • the height measurement of the sample surface includes a light emitting unit 31 and a light receiving unit 32 that receives the light emitted from the light emitting unit 31 and diffusely reflected by the sample surface.
  • the light emitting unit 31 includes a light source such as a semiconductor laser and a light projecting lens.
  • the light receiving unit 32 includes a light receiving lens and an optical position sensor.
  • the light emitting unit 31 and the light receiving unit are detected so that the light receiving unit 32 detects the light emitted from the light emitting unit 31 and regularly reflected by the sample surface. 32 is arranged.
  • the height displacement of the sample surface is detected as a positional deviation of the light spot detected by the optical position sensor of the light receiving unit 32 according to the principle of triangulation.
  • the deflection means 33 includes a reflection mirror that deflects illumination light and a piezo element that controls the tilt angle of the reflection mirror with respect to the illumination optical axis, and controls the tilt angle at a frequency of 400 Hz or more in a range of about ⁇ 1 mrad.
  • a displacement amount in the sample surface direction of the illumination light irradiation position is obtained from the height displacement measurement value and the illumination light incident angle, and a control signal output from the control unit 53 is received by the deflecting means 33 so as to correct this displacement.
  • the reflection mirror is controlled.
  • the displacement of the illumination light irradiation position in the sample plane direction can also be directly measured by using the illumination intensity distribution monitor 24 to directly measure the position of the center of gravity of the illumination intensity distribution.
  • the change amount of the optical path length is obtained from the height displacement measurement value, the height displacement measurement value, and the illumination light incident angle, and based on this, the position adjustment of the optical element provided in the illumination intensity distribution control unit 7 in the optical axis direction or Defocus is reduced by adjusting the divergence angle of the beam expander 5 or the like.
  • FIG. 17 is a diagram showing a result of energy reduction per single pulse by optical path branching and optical path synthesis.
  • the optical path of the pulse laser is branched and branched. It is effective to reduce the energy per pulse while maintaining the total energy as shown in FIG. 17 by combining the optical paths after adding the optical path difference between the optical paths.
  • FIG. 16 is a diagram showing a first example of means for reducing energy per single pulse by optical path branching and optical path synthesis in the illumination unit according to the present invention.
  • the illumination light after passing through the beam expander 5 is branched by the polarization beam splitter 151 into a first optical path reflected by the polarization beam splitter 151 and a second optical path transmitted through the polarization beam splitter 151.
  • the first optical path is reflected back by the retroreflector 152, reflected by the polarization beam splitter 153, and combined with the second optical path.
  • the retro reflector 152 includes two or more reflecting mirrors orthogonal to each other and folds the input light in the opposite direction by 180 degrees.
  • the wavelength plate 150 adjusts the polarization of the illumination light to circularly polarized light, linearly polarized light of 45 degrees obliquely, or the like.
  • the optical path difference between the first optical path and the second optical path is L
  • the first optical path can be folded back using two mirrors that are independent of each other.
  • two mirrors independent from each other are used, an angle shift between the two light beams to be combined occurs when a relative angle shift occurs between the two mirrors.
  • the retro reflector 152 is used, such an angle is generated. There is an advantage that no deviation occurs.
  • the illumination unit 101 including the optical system shown in FIG. 16 is installed on an optical surface plate made of aluminum or the like, it is input to the retro reflector 152 due to distortion of the optical surface plate due to environmental changes such as temperature changes.
  • the position of the retroreflector 152 is displaced in the X direction in FIG.
  • the position of the light beam that is reflected by the retroreflector 152 and returns to the polarization beam splitter 153 is displaced in the X direction.
  • the polarizing beam splitters 151, 153 and the retro reflector 152 are arranged on the surface plate 154 placed on the optical surface plate supporting the illumination unit 101, the arrangement of the entire optical surface plate supporting the illumination unit 101 is arranged.
  • the relative positional relationship can be maintained without being affected by distortion or the like caused by the shape.
  • a modification of the optical path branching and synthesis shown in FIG. 16 will be described with reference to FIG.
  • the optical path branching and combining shown in FIG. 16 are performed, after the two optical paths are combined, the polarization components in two directions that do not interfere with each other are superposed to produce a non-polarized state, and the polarization controller 6 at the subsequent stage generates linearly polarized light. Loss of lighting energy occurs when doing so. Therefore, as shown in FIG. 18, by using a polarization modulation element 155 that can switch the polarization state of transmitted light in time, the polarization state of all pulses is made uniform, and linearly polarized light is generated without loss of illumination energy. be able to.
  • the polarization modulator 155 a photoelastic modulator (PEM), a liquid crystal element, an electro-optic modulator, an acousto-optic modulator, or the like is used.
  • FIG. 19 is a diagram showing the illumination distribution shape on the sample surface and the scanning direction according to the present invention
  • FIG. 20 is a diagram showing the locus of the illumination spot by scanning.
  • a circular semiconductor silicon wafer is assumed as the sample W.
  • the stage 103 includes a translation stage, a rotation stage, and a Z stage (none of which is shown) for adjusting the sample surface height.
  • the illumination spot 20 has a rectangular illumination intensity distribution as described above, and a direction orthogonal to one side thereof is S2, and a direction orthogonal to S2 is S1.
  • the rotary stage is scanned in the circumferential direction S1 of the circle around the rotation axis of the rotary stage, and the translation stage is scanned in the translation direction S2 by the translational movement of the translation stage.
  • the illumination spot scans the sample W along the spiral trajectory T by scanning the scanning direction S2 by a distance equal to or less than the length of the illumination spot 20 in the longitudinal direction.
  • the effective scanning speed approaches 0 at the center of the sample surface, and illumination light is irradiated for a long time. Therefore, the temperature rise at the center of the entire sample surface is maximized.
  • FIGS. 21 is a view of the arrangement and detection direction of the detection unit according to the present invention as viewed from the side
  • FIG. 22 is a view of the arrangement and detection direction of the low-angle detection unit according to the present invention as viewed from above.
  • FIG. 21 shows a side view of the arrangement of the detection unit 102.
  • the angle formed by the detection direction (center direction of the detection aperture) by the detection unit 102 with respect to the normal line of the sample W is defined as a detection zenith angle.
  • the detection unit 102 is configured by appropriately using a high angle detection unit 102h having a detection zenith angle of 45 degrees or less and a low angle detection unit 102l having a detection zenith angle of 45 degrees or more.
  • Each of the high angle detection unit 102h and the low angle detection unit 102l includes a plurality of detection units so as to cover scattered light scattered in multiple directions at each detection zenith angle.
  • FIG. 22 shows a plan view of the arrangement of the low angle detector 102l.
  • the low angle detection unit 102 includes a low angle front detection unit 102lf, a low angle side detection unit 102ls, a low angle rear detection unit 102lb, and a low angle front detection unit 102lf ′, A corner side detection unit 102ls ′ and a low angle rear detection unit 102lb ′ are provided as appropriate.
  • the low-angle front detection unit 102lf has a detection azimuth angle of 0 to 60 degrees
  • the low-angle side detection unit 102ls has a detection azimuth angle of 60 to 120 degrees
  • the low-angle rear detection unit 102lb has a detection azimuth angle. It is installed at 120 degrees or more and 180 degrees or less.
  • FIG. 23 shows a plan view of the arrangement of the high angle detector 102h.
  • the high-angle detection unit 102 includes a high-angle front detection unit 102hf, a high-angle side detection unit 102hs, a high-angle rear detection unit 102hb, and a high-angle side detection unit 102hs that is symmetric with respect to the illumination incident surface. Provide as appropriate.
  • the high-angle front detection unit 102hf has a detection azimuth angle of 0 to 45 degrees
  • the high-angle side detection unit 102s has a detection azimuth angle of 45 to 135 degrees
  • the high-angle rear detection unit 102b has a detection azimuth angle of 135 degrees or more. Installed below 180 degrees.
  • the present invention is not limited to this, and the number and position of the detection units may be changed as appropriate.
  • FIGS. 24 and 25 are diagrams showing a first example of the configuration of the detection unit according to the present invention.
  • Scattered light generated from the illumination spot 20 is collected by the objective lens 201, passed through the polarization filter 202, and then guided to the light receiving surface of the multi-pixel sensor 204 by the imaging lens 203 and detected.
  • the detection NA of the objective lens 201 is preferably 0.3 or more.
  • the lower end of the objective lens 201 is cut out as necessary so that the lower end of the objective lens 201 does not interfere with the sample surface W.
  • the polarizing filter 202 includes a polarizing plate or a polarizing beam splitter, and is installed so as to cut a linearly polarized light component in an arbitrary direction.
  • a polarizing plate a wire grid polarizing plate having a transmittance of 80% or more is used.
  • the polarization filter 202 includes a wave plate and a polarizing plate.
  • the multi-pixel sensor 204 has a plurality of light detection pixels arranged in a line.
  • High-sensitivity detection enables high quantum efficiency (over 30%), can electrically amplify electrons after photoelectric conversion, and multiple devices can read the signal in parallel for higher speed
  • the detection sensitivity electrical amplification gain
  • multi-anode photomultiplier tubes that can electrically amplify the electrons after photoelectric conversion, avalanche photodiode arrays, EMCCDs (Electron Multipling CCDs), EBCCDs (Electron Bombardment CCDs), EBCMOSs (Electron Bombardments) CMOS), low noise CMOS-APS (CMOS-Active Pixel Sensor), etc. are used.
  • EMCCDs Electrom Multipling CCDs
  • EBCCDs Electrode Bombardment CCDs
  • EBCMOSs Electro Bombardments
  • CMOS-APS low noise CMOS-APS
  • the relationship between the object plane and the image plane is determined by the Scheinproof principle.
  • the light receiving surfaces of the plurality of pixel sensors 204 are installed in accordance with the tilted image plane. At this time, since the scattered light to be detected enters from a direction inclined from the normal line of the light receiving surface of the multi-pixel sensor 204, it is desirable to coat the light receiving surface so as to increase the transmittance at the incident angle.
  • FIG. 25 shows a modified example of the configuration of the detection unit 102.
  • Scattered light generated from the illumination spot 20 is collected by the objective lens 201, passed through the polarizing filter 202, and then imaged by the imaging lens 203 on the diffraction grating 206 placed on a plane conjugate with the sample plane.
  • An (intermediate image) is formed.
  • An image of the sample surface formed on the diffraction grating 206 is projected and detected on the light receiving surface of the multi-pixel sensor 204 by the imaging system 207.
  • the multi-pixel sensor 204 is installed in a plane conjugate with the sample surface so that the arrangement direction of the pixels matches the longitudinal direction of the image of the illumination spot 20 according to the shape of the illumination spot 20 that is long in one direction.
  • the diffraction grating 206 diffracts the light guided by the imaging lens 203 to form an intermediate image in the normal direction of the surface of the diffraction grating 206, so that the diffraction grating 206 is aligned with the optical axis of the light guided by the imaging lens 203 to form the intermediate image.
  • the one in which the diffraction grating shape is formed so that the Nth-order diffracted light of the incident light along the direction of light is directed in the normal direction of the surface of the diffraction grating 206 is used.
  • a blazed diffraction grating is used to increase diffraction efficiency.
  • the dynamic range of the multi-pixel sensor 204 is dynamically adjusted in accordance with the illumination power control. It is.
  • the applied voltage is controlled such that the electron multiplication gain of the multi-pixel sensor 204 is inversely proportional to the illumination power density of the illumination spot, that is, inversely proportional to the illumination power given for each illumination spot scanning speed.
  • the length of the illumination spot 20 is set to approximately 1 mm.
  • the optical magnification of the detection unit is 2.56 times, and the pitch of the pixels projected on the sample surface is 3 .9 ⁇ m.
  • the circular sample having a diameter of 300 mm is scanned in 4.5 seconds, and the circular sample having a diameter of 450 mm is scanned in 6.8 seconds.
  • scanning is performed by overlapping illumination spots in the radial direction of the sample during the rotation before and after the rotational scanning.
  • the scanning distance in the R direction during one rotation of the sample is 1 / M times the length in the R direction of the illumination spot.
  • the scanning area of the illumination spot is the area scanned by the illumination spot in the previous round. Partly overlap, and as a result, each part on the sample is scanned M times.
  • the signal processing unit 105 that performs estimation with high accuracy will be described.
  • the signal processing unit 105 includes an analog processing unit 51 and a digital processing unit 52.
  • the analog processing unit 51 constituting the signal processing unit 105 will be described with reference to FIG.
  • the configuration of the analog processing unit 51 when two systems of detection units 102a and 102b (not shown) among the plurality of detection units 102 are provided will be described.
  • the signal currents 500a and 500b output from the detectors provided in the detection units 102a and 102b are converted into voltages and amplified by the preamplifier units 501a and 501b, respectively.
  • the amplified analog signal is further filtered with high-frequency noise components by low-pass filters 511a and 511b, and thereafter, an analog-digital conversion unit (A / A) having a sampling rate higher than the cutoff frequency of the low-pass filters 511a and 511b.
  • D converters) 502a and 502b convert the signals into digital signals and output them.
  • the above is the configuration of the analog processing unit 51 when a current output type sensor such as a multi-anode photomultiplier tube or an avalanche photodiode array is used as the multi-pixel sensor 204.
  • a current output type sensor such as a multi-anode photomultiplier tube or an avalanche photodiode array
  • the multi-pixel sensor 204 When a CCD image sensor such as EMCCD or EBCCD, or a CMOS image sensor such as EBCMOS or CMOS-APS is used as the multi-pixel sensor 204, the preamplifier sections 501a and 501b are unnecessary because the signal is output as a voltage. If the image sensor itself has an A / D conversion function, the analog processing unit 51 is not necessary, and a digital signal output from the image sensor may be input to the digital processing unit 52.
  • the detection sensitivity can be improved by detecting an image of the sample surface by a multi-pixel sensor 204 in which pixels are two-dimensionally arranged and adding signals obtained by detecting the same location on the sample a plurality of times.
  • a TDI (Time Delay Integration) type CCD image sensor or CMOS image sensor is used, and the detected signal charge is transferred vertically in synchronization with the scanning speed. Can be repeatedly detected a number of times corresponding to the number of stages of vertical transfer.
  • FIG. 28 is a diagram showing the relationship between the pixel array of the multi-pixel sensor according to the present invention and the sample scanning trajectory.
  • the radius of curvature of the image trajectory is large, so that charges may be transferred in the same manner as a normal TDI type image sensor.
  • the radius of curvature of the image trajectory is small, so the trajectory extends over a plurality of pixels in the vertical direction in FIG.
  • the combination of the addition pixels is changed in accordance with the scanning position in the radial direction of the sample. Further, since the moving speed of the image locus in the left-right direction in FIG. 28 is not uniform under the condition that the radius of curvature of the image locus is small, the signal vertical transfer speed is also changed in accordance with the moving speed of the locus in the left-right direction.
  • the multi-pixel sensor 204 As the multi-pixel sensor 204, a detector that reads out signals of all pixels simultaneously in parallel, such as a multi-anode photomultiplier tube or an avalanche photodiode array, or a CMOS-TDI image sensor that can read and process high-speed parallel signals is used. Thus, it becomes possible to change the combination of the signal addition pixels and change the vertical transfer speed as described above.
  • FIG. 29 is a diagram showing the spread of defect signals caused by rotational scanning according to the present invention. This spread is obtained by Equation 1 according to the radial direction.
  • Equation 1 R is the scanning position in the radial direction of the sample, and x0 is the original defect position when there is no signal spread.
  • each output signal from the analog processing unit 51 is extracted in the digital processing unit 52 by the high-pass filters 604a and 604b, and the defect signals 603a and 603b are extracted and input to the defect determination unit 605. Since the defect is localized on the sample surface, the defect signal is instantaneously output in a short time and has a high frequency component in the frequency band. Accordingly, each of the high-pass filters 604a and 604b passes through a high frequency band including a defect signal waveform and cuts a low frequency band and a direct current component that include a relatively large amount of noise, thereby reducing the S of the defect signals 603a and 603b. / N is improved.
  • the defect determination unit 605 performs threshold processing on the input of the signal including the defect waveform output from each of the high-pass filters 604a and 604b, and determines the presence / absence of a defect. That is, since defect signals based on the detection signals from the plurality of detection optical systems are input to the defect determination unit 605, the defect determination unit 605 performs threshold processing on the sum or weighted average of the plurality of defect signals. Or based on a single defect signal by taking OR or AND in the same coordinate system set on the wafer surface for the defect group extracted by threshold processing for a plurality of defect signals It becomes possible to perform a defect inspection with higher sensitivity than defect detection.
  • the defect determination unit 605 uses the defect coordinates indicating the defect position in the wafer and the estimated value of the defect size calculated based on the defect waveform and the sensitivity information signal for the portion determined to have a defect, as defect information. To the control unit 53 and output to the display unit 54 or the like.
  • the defect coordinates are calculated based on the center of gravity of the defect waveform.
  • the defect size is calculated based on the integral value or maximum value of the defect waveform.
  • each output signal from the analog processing unit 51 is input to each of the low-pass filters 601a and 601b in addition to the high-pass filters 604a and 604b constituting the digital processing unit 52, and in each of the low-pass filters 601a and 601b, A low frequency component and a direct current component corresponding to the amount of scattered light (haze) from minute roughness at the illumination spot 20 on the wafer are output.
  • the outputs from each of the low-pass filters 601a and 601b are input to the haze processing unit 606, where haze information is processed.
  • the haze processing unit 606 outputs a signal corresponding to the magnitude of the haze for each location on the wafer as a haze signal from the magnitude of the input signal obtained from each of the low-pass filters 601a and 601b.
  • the angular distribution of the amount of scattered light from the roughness changes according to the spatial frequency distribution of the minute roughness, as shown in FIGS. 21 to 23, each detection of a plurality of detection units 102 installed at different azimuths and angles as shown in FIGS.
  • the haze processing unit 606 can obtain information on the spatial frequency distribution of minute roughness from the intensity ratio thereof.
  • a spherical lens As an alternative optical element having the same function as the diffractive optical element 71, a spherical lens, an aspherical lens 72 (FIG. 8), a combination of a cylindrical lens array 74 and a cylindrical lens 75 (FIGS. 9 and 10), a light pipe A combination of 76 and an imaging lens 77 (FIGS. 11 and 12), or a spatial light modulator (SLM) 78 (FIG. 13) is used.
  • the spherical lens is used when forming Gaussian illumination that illuminates an area wider than the detection area by the detection unit 102.
  • the illumination power density is lower than the center of the detection area at the edge of the detection area, there is a merit that a stable illuminance distribution can be obtained because it is insensitive to fluctuations in input light compared to the case where a diffractive optical element is used. is there.
  • the cylindrical lens array 74 divides the incident parallel light beam into a plurality of parallel light beams and bends each of them in the incident surface of the illumination on the sample surface, and shifts their positions on the sample surface. While having a role to overlap.
  • speckles are generated when a plurality of illumination light beams are superimposed on the sample surface, and the uniformity of the illumination intensity distribution is lowered.
  • an optical path difference more than the coherence distance of the light source is provided between the plurality of illumination light beams by the optical path difference providing means 73 using a stepped quartz glass block or the like. As shown in FIG.
  • the light pipe 76 is a cylindrical or prismatic cylinder whose inner wall is made of a material such as a metal that reflects illumination light with high reflectivity, and whose inside is hollow or filled with a material that transmits illumination light with high transmittance. It has been done.
  • the light collected near the entrance of the light pipe 76 by the condenser lens 80 at the front stage of the light pipe 76 is repeatedly reflected a number of times while passing through the inside of the light pipe 76, and spatially at the exit of the light pipe 76. A uniform intensity distribution.
  • the imaging lens 77 connects the outlet of the light pipe 76 and the sample surface in a conjugate relationship, and a light intensity distribution similar to the uniform light intensity distribution at the outlet of the light pipe 76 is formed on the sample surface.
  • the image of the uniform illumination intensity distribution can be formed on the sample surface W by inclining the imaging lens 77 with respect to the exit surface of the light pipe 76 and the optical axis.
  • the optical path distance between the exit surface of the light pipe and the sample surface becomes equal regardless of the image height. This facilitates the design of the imaging lens 77 ′.
  • the illumination intensity distribution on the sample surface controls the illumination intensity distribution on the sample surface by modulating the intensity or phase for each minute region in the cross section of the incident light beam.
  • the illumination intensity distribution on the sample surface can be dynamically controlled.
  • the spatial light modulation element 78 a liquid crystal element, a magneto-optical spatial light modulation element, a digital micromirror device (reflection type), or the like is used.
  • a desired illumination intensity distribution is formed by the spatial light modulator 78 alone or in combination with the spatial light modulator 78 and the condenser lens 79.
  • FIG. 30 shows a modification of the detection system 102 that collects light scattered in an oblique direction with respect to the normal of the sample surface and detects image formation.
  • Scattered light generated from the illumination spot 20 is collected by the objective lens 201, passed through the polarizing filter 202 (not shown in FIG. 30), and then guided to the light receiving surface of the multi-pixel sensor 204 by the imaging lens 203 and detected.
  • the spatial filter 211 installed at the pupil position of the objective lens 201 shields a part of the light beam passing through the pupil and transmits a part thereof, thereby allowing only the scattered light component in a specific scattering direction to pass.
  • the shape of the spatial filter 211 By changing the shape of the spatial filter 211 or switching the spatial filters of a plurality of shapes, it is possible to select a range through which the light beam is transmitted and to select the direction of scattered light to be detected.
  • This configuration has the advantage that even if the sample surface moves up and down, defocusing occurs but the image does not shift in the image plane.
  • an objective lens having a relatively large NA is required, the cost increases.
  • FIG. 31 shows another modified example of the detection system 102 that collects light scattered obliquely with respect to the normal of the sample surface and detects image formation.
  • the entrance of the bundle optical fiber 212 is arranged on the sample plane conjugate plane 205, and the optical axes of the objective lens 201 and the imaging lens 203 are aligned with the incident direction of the bundle optical fiber 205, so that light enters the bundle optical fiber 205. To do.
  • the emission port of the bundle optical fiber 205 and the light receiving surface of the multi-pixel sensor 204 by the microlens array 213, the image of the sample plane conjugate plane 205 can be detected by the multi-pixel sensor 204.
  • FIG. 32 is a diagram showing an image position shift due to vertical movement of a sample and a correction method thereof according to the present invention. Due to the influence of the scanning accuracy of the stage 13, the sample holding accuracy, and the surface accuracy of the sample surface, the sample surface causes a minute vertical movement relative to the detection unit 102 when scanning the sample surface. When the configuration of the detection unit 102 shown in FIG. 24, 25 or 31 is adopted, the position of the defect on the sample is displaced in the direction perpendicular to the image plane (defocus) due to the vertical movement of the sample surface. Causes displacement (positional deviation).
  • FIG. 33 shows a configuration of an optical system for measuring the vertical movement of the sample surface.
  • a light beam for measuring vertical movement is emitted from the light source 401.
  • the light beam is reflected in the vicinity of the position to be inspected on the sample surface and enters the position detector 402.
  • the position detector 402 is composed of a photodiode or a CCD sensor, and can detect a minute positional shift of the incident light beam.
  • a projection lens that projects an image of the irradiation position on the sample surface onto the position detector 402 is removed in order to eliminate the influence of the angle deviation of the sample surface. It is desirable to place it between.
  • FIG. 34 shows an example of optical displacement correction.
  • the position shift can be optically reduced.
  • the same can be realized by changing the angle of the objective lens 201 with respect to the optical axis.
  • the imaging lens 203 or the objective lens 201 is composed of a combination of a plurality of lenses, the angles of some of the lenses may be changed.
  • the position of the plurality of pixel detectors, not the lens may be displaced in a direction parallel to the image plane to cancel the influence of the image position shift. In the configuration using the diffraction grating shown in FIG.
  • the position of the diffraction grating 206 may be displaced to cancel the influence of the image position shift. Further, in the optical positional deviation correction, it is possible to reduce the defocus by moving the lens or sensor in the optical axis direction based on the measurement result of the sample surface height.
  • FIG. 35 is a diagram showing a configuration of a signal addition processing unit according to the present invention.
  • the multi-pixel sensor 204 has a function of digitally outputting the signal of each pixel.
  • a digital signal is output by passing an output signal of the multi-pixel sensor 204 through the analog processing unit 51 not shown in FIG.
  • the signal of each pixel is temporarily stored in the memory units 411 and 412.
  • the signals stored in the memory units 411 and 412 are subjected to addition processing after being aligned in the signal addition processing unit 413 so that signals at the same location on the sample surface are added together.
  • the positional deviation amount serving as a reference for alignment a value calculated based on the geometric positional relationship and the imaging condition of the detection unit 102 from the measured values of the vertical movement of the sample surface shown in FIG. 33 is input.
  • FIG. 5 and FIG. 6 show a method for calculating the amount of displacement based on the measured values of the vertical movement of the sample surface shown in FIG.
  • FIG. 5 is a plan view of the sample surface and the detection unit 102 as viewed from above the sample surface, and shows the relationship between the detection direction of the detection unit 102 and the direction of displacement due to vertical movement of the sample surface.
  • the angle ⁇ in FIG. 5 corresponds to the detected azimuth angle.
  • Fig. 6 shows the relationship between the amount of displacement up and down the sample surface and the amount of displacement.
  • a position P1 on the sample surface when there is no vertical movement is imaged at a position P3 on the multi-pixel sensor.
  • an image of a position P2 shifted from the position P1 in the direction D by ⁇ z tan ⁇ on the sample surface is formed at the position P3 on the multi-pixel sensor.
  • the positional shift is corrected by ⁇ M ⁇ ztan ⁇ in a direction corresponding to the direction D on the multi-pixel sensor 204. do it.
  • FIG. 36 and 37 show modifications of the illumination intensity distribution for illuminating the two-dimensional area.
  • 36 and 37 show the positional relationship between the illumination spot 20 on the sample surface and the pixels of the multi-pixel sensor 204 (projected on the sample surface).
  • FIG. 36 shows an embodiment in which a plurality of thin linear intensity distributions are arranged as the illumination spot 20. One line of pixels corresponds to one line illumination. A region with low illumination power density is created between multiple linear illuminations (lateral direction), and the sample is less likely to be damaged by the amount of heat generated by the illumination power. Compared to this, it is possible to input a high illumination power per unit area.
  • FIG. 37 shows an embodiment in which a plurality of minute circular intensity distributions are arranged as the illumination spot 20. One pixel corresponds to one circular illumination.
  • An area with low illumination power density is created between multiple circular illuminations (both vertical and horizontal), and the sample is less likely to be damaged by the amount of heat generated by the illumination power, so the entire two-dimensional area is illuminated. In this case, and compared with the case where a plurality of linear illuminations in FIG. 36 are arranged, it is possible to input a higher illumination power per unit area.
  • FIG. 38 is a diagram showing an example of the configuration of an illumination light intensity distribution control unit that creates a plurality of linear illuminations according to the present invention.
  • a lens array in which spherical lenses are arranged in a two-dimensional lattice to the beam expanded by the beam expander 5, an illumination spot 20 in which a plurality of linear illuminations shown in FIG. be able to.
  • an example of the present invention is characterized by inspecting with the optical arrangement of oblique illumination oblique detection that can detect scattered light of a minute defect with high efficiency.
  • An example of the present invention illuminates a two-dimensional area on a sample, performs parallel detection with a plurality of pixels in which the illumination area is arranged two-dimensionally, and accumulates and adds detection signals generated from substantially the same location. It is characterized by this.
  • an example of the present invention is characterized in that a combination of pixels to be added is set and corrected so that a sample is rotationally scanned and signals at substantially the same location on the sample are detected and added by a plurality of pixels. Is.
  • an example of the present invention is such that the combination of added pixels changes according to the detection position on the sample so that the sample is rotated and scanned, and signals at substantially the same location on the sample are detected and added by a plurality of pixels. It is characterized by making it. Also, an example of the present invention provides a method for reducing image blur or image positional displacement caused by vertical movement of the sample surface relative to the detection system when detecting the illumination area from an oblique direction. The movement is measured, and a part of the optical element constituting the detection system or the detection system is mechanically displaced based on the measured value.
  • the displacement of the addition pixel due to image blurring or image positional displacement caused by vertical movement of the sample surface with respect to the detection system is reduced.
  • the vertical movement of the sample surface is measured, and the combination of the addition pixels is corrected based on the measured value.

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Abstract

　被検査対象物である試料の表面の領域を所定の照明条件にて照明する照明工程と、該試料を並進および回転させる試料走査工程と、該試料の照明領域から複数の方向に散乱する複数の散乱光のそれぞれを、前記試料走査工程における走査方向および該走査方向と概略直交する方向の各々について複数画素に分割して検出する散乱光検出工程と、前記散乱光検出工程において検出された複数の散乱光のそれぞれについて、該試料の概略同一領域から概略同一方向に散乱した散乱光を加算処理し、該加算処理した散乱光に基づき欠陥の有無を判定し、該判定された欠陥に対応する複数の散乱光のうち少なくとも一の散乱光を用いて該判定された欠陥の寸法を算出する処理工程と、を備える欠陥検査方法である。

Description

欠陥検査方法および欠陥検査装置
　本発明は試料表面に存在する微小な欠陥を検査し，欠陥の種類および欠陥寸法を判定して出力する欠陥検査方法および欠陥検査装置に関する。
　半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて，製品の歩留まりを維持・向上するために，半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥の検査が行われている。欠陥検査の従来技術としては特開平９－３０４２８９号公報（特許文献１），特開２００６－２０１１７９号公報（特許文献２），米国特許出願公開第２００６／０２５６３２５号公報（特許文献３）などが知られている。これらは，微小な欠陥を検出するために試料表面上に数十μｍの寸法に照明光を集光して照射し，欠陥からの散乱光を集光・検出し，数十ｎｍから数μｍ以上の寸法の欠陥を検査する技術である。試料（検査対象物）を保持するステージを回転移動および並進移動させることにより，照明スポットが試料表面上をらせん状に走査し，試料全面が検査される。
　また，特許文献１および特許文献２では，欠陥からの散乱光の高角度に出射する成分と低角度に出射する成分を検出しその比によって欠陥の種類を分類する技術が述べられている。
  また，特許文献２では，欠陥からの散乱光の強度に基づいて，検出した欠陥の寸法を算出する技術が述べられている。
  また，特許文献３では，試料に与える熱ダメージを低減するため，検査対象面を検査中に照明光のパワー，あるいは照明スポットの走査速度，あるいは照明スポットの寸法を制御することが述べられている。より具体的には，試料に与える熱ダメージは照射する照明パワー密度と照射時間との積によって決まると仮定し，これが一定値を越えないように，走査中の試料上の半径位置に応じて照明光のパワー，あるいは照明スポットの走査速度，あるいは照明スポットの寸法を変化させることが述べられている。
　また，一方向に長いガウスビームで試料上の広い範囲を照明し，ＣＣＤなどの複数画素の検出器を用いて照明領域を一括に検出することで，短い時間で試料全面を検査する技術として，米国特許第６６０８６７６号公報（特許文献４）が知られている。
  また，斜入射照明において非球面レンズや回折光学素子を用いて検査対象表面上で複数の照明スポットが並んだ形に照明光を整形する技術として，米国特許第７３８５６８８号公報（特許文献５）が知られている。
  また，検査対象表面の二次元領域の像を斜方から結像し，ＴＤＩイメージセンサ等を用いて検出信号を積分して検出する技術として，特開２００６－３３０００７号公報（特許文献６）が知られている。
特開平９－３０４２８９号公報 特開２００６－２０１１７９号公報 米国特許出願公開第２００６／０２５６３２５号公報 米国特許第６６０８６７６号公報 米国特許第７３８５６８８号公報 特開２００６－３３０００７号公報
　半導体等の製造工程で用いられる欠陥検査には，微小な欠陥を検出すること，検出した欠陥の寸法を高精度に計測すること，試料を非破壊で（あるいは試料を変質させること無く）検査すること，同一の試料を検査した場合に常に一定の検査結果（検出欠陥の個数，位置，寸法，欠陥種）が得られること，一定時間内に多数の試料を検査することなどが求められる。微小な欠陥からの散乱光は微弱であるため，試料表面で発生する散乱光のフォトンショットノイズによるばらつきに埋もれ，検出することが難しい。単位面積当たりの照明パワーあるいは単位面積当たりの検査時間を増加させれば，検出される散乱光量が増加するため高感度化および散乱光量に基づく欠陥寸法推定の高精度化が実現できる。しかし，単位面積当たりの照明パワーを増加させることは試料表面の熱ダメージを引き起こすため限界がある。また，単位面積当たりの検査時間を増加させると，試料全面の検査に要する時間が増加するため，一定時間内に多数の試料を検査するニーズに合わない。
　前記特許文献１，特許文献２，特許文献３，特許文献４，および特許文献５に述べられた技術では，特に寸法２０ｎｍ以下の微小な欠陥については，欠陥から発生する散乱光が極微弱となり，試料表面で発生する散乱光によるノイズ，検出器のノイズ，あるいは検出回路のノイズに欠陥信号が埋もれるため検出不可能となる。あるいは，これを避けるために照明パワーをあげた場合，照明光による試料の温度上昇が大きくなり，試料への熱ダメージが発生する。あるいは，これを避けるために試料の走査速度を低下させた場合，一定時間内に検査できる試料の面積あるいは試料の数が減少する。以上より，熱ダメージを避けつつ微小な欠陥を高速に検出することが困難であった。
　また，特許文献３，特許文献４，および特許文献５に述べられた技術では，一方向に長い照明スポットを形成し，照明領域を複数の画素からなる検出器上に結像して複数画素検出を行うことで，蓄積時間，加算回数の増加により感度を向上し，より微小な欠陥を検出することができるが，数百画素あるいは数千画素以上の多画素化を行うには，結像検出に必要な検出レンズの視野が非常に広くなるため，検出レンズの製作，調整が困難となる，あるいは検出レンズが高価になるという課題があった。
　特許文献６に述べられた技術では，二次元検出を行うことで，上記一次元に複数画素を並べる方法より多数の画素を配置することができる利点があるが，円形の検査対象の高速検査に適した回転走査あるいはらせん状走査を行う場合，走査によって欠陥像が円弧状の軌跡を描いて移動するため，二次元の格子状に配列した画素の並びと欠陥の走査軌跡が一致せず，複数画素による欠陥信号蓄積の効果が十分に得られないという課題があった。また，試料表面の法線に対して傾斜した方向から検出を行う場合，試料表面の上下動によって欠陥の像が変位するため，複数画素による欠陥信号蓄積の効果が十分に得られないという課題があった。また，上記原因により欠陥信号が複数の画素にまたがって検出されることで，欠陥の位置を高精度に特定することができないという課題があった。
　上記課題を解決するために本願で開示される発明の概要を例示すると以下の通りである。
　（１）被検査対象物である試料の表面の領域を所定の照明条件にて照明する照明工程と、該試料を並進および回転させる試料走査工程と、該試料の照明領域から複数の方向に散乱する複数の散乱光のそれぞれを、前記試料走査工程における走査方向および該走査方向と概略直交する方向の各々について複数画素に分割して検出する散乱光検出工程と、前記散乱光検出工程において検出された複数の散乱光のそれぞれについて、該試料の概略同一領域から概略同一方向に散乱した散乱光を加算処理し、該加算処理した散乱光に基づき欠陥の有無を判定し、該判定された欠陥に対応する複数の散乱光のうち少なくとも一の散乱光を用いて該判定された欠陥の寸法を算出する処理工程と、を備える欠陥検査方法である。
　本発明によれば，試料全面を短時間で走査し，微小な欠陥を検出することができる。
本発明に係る欠陥検査装置の一実施形態を示す全体概略構成図である。 本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第一例を示す図である。 本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第二例を示す図である。 本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第三例を示す図である。 本発明に係る試料面上下動による像の位置ずれ方向を示す図である。 本発明に係る試料面上下動による像の位置ずれ量を示す図である。 本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第一例を示す図である。 本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第二例を示す図である。 本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第三例を示す図である。 本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第四例を示す図である。 本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第五例を示す図である。 本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第六例を示す図である。 本発明に係る照明強度分布制御部が備える光学素子の第七例を示す図である。 本発明に係る照明部における照明光の状態を計測手段および調整手段の第一例を示す図である。 本発明に係る照明部における照明光の状態を計測手段および調整手段の第二例を示す図である。 本発明に係る照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の第一例を示す図である。 光路分岐と光路合成による単一パルスあたりのエネルギー低減結果を示す図である。 本発明に係る照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の第二例を示す図である。 本発明に係る試料表面上の照明分布形状と走査方向を示す図である。 走査による照明スポットの軌跡を示す図 本発明に係る検出部の配置および検出方向を側面から見た図である。 本発明に係る低角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図である。 本発明に係る高角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図である。 本発明に係る検出部の構成の第一例を示す図である。 本発明に係る検出部の構成の第二例を示す図である。 本発明に係るアナログ処理部の構成を示す図である。 本発明に係るデジタル処理部の構成を示す図である。 本発明に係る複数画素センサの画素の配列と試料走査の軌跡との関係を示す図である。 本発明に係る回転走査によって起こる欠陥信号の広がりを示す図である。 本発明に係る検出部の構成の第三例を示す図である。 本発明に係る検出部の構成の第四例を示す図である。 本発明に係る試料の上下動による像の位置ずれとその補正方法を示す図である。 本発明に係る試料面の高さ変動の計測手段の例を示す図である。 本発明に係る検出部における光学的な位置ずれ補正の例をを示す図である。 本発明に係る信号加算処理部の構成を示す図である。 本発明に係る照明強度分布と複数画素センサとの位置関係の例を示す図である。 本発明に係る照明強度分布と複数画素センサとの位置関係の例を示す図である。 本発明に係る複数の線状照明を作る照明光強度分布制御部の構成の例を示す図である。
　本発明の実施形態の概略構成例を図１で説明する。照明部１０１，検出部１０２，試料Ｗを載置可能なステージ１０３，信号処理部１０５，制御部５３，表示部５４，入力部５５を適宜備える。
  照明部１０１はレーザ光源２，アッテネータ３，出射光調整部４，ビームエキスパンダ５，偏光制御部６，照明強度分布制御部７を適宜備える。
  レーザ光源２から射出されたレーザ光ビームは，アッテネータ３で所望のビーム強度に調整され，出射光調整部４で所望のビーム位置，ビーム進行方向に調整され，ビームエキスパンダ５で所望のビーム径に調整され，偏光制御部６で所望の偏光状態に調整され，照明強度分布制御部７で所望の強度分布に調整され，試料Ｗの検査対象領域に照明される。
　照明部１０１の光路中に配置された出射光調整部４の反射ミラーの位置と角度により試料表面に対する照明光の入射角が決められる。照明光の入射角は微小な欠陥の検出に適した角度に設定される。照明入射角が大きいほど，すなわち照明仰角（試料表面と照明光軸との成す角）が小さいほど，試料表面上の微小異物からの散乱光に対してノイズとなる試料表面の微小凹凸からの散乱光（ヘイズと呼ばれる）が弱まるため，微小な欠陥の検出に適する。このため，試料表面の微小凹凸からの散乱光が微小欠陥検出の妨げとなる場合には，照明光の入射角は好ましくは７５度以上（仰角１５度以下）に設定するのがよい。一方，斜入射照明において照明入射角が小さいほど微小異物からの散乱光の絶対量が大きくなるため，欠陥からの散乱光量の不足が微小欠陥検出の妨げとなる場合には，照明光の入射角は好ましくは６０度以上７５度以下（仰角１５度以上３０度以下）に設定するのがよい。照明入射角は可変としてもよい。また，斜入射照明を行う場合，照明部１０１の偏光制御部６における偏光制御により，照明の偏光をＰ偏光とすることで，その他の偏光と比べて試料表面上の欠陥からの散乱光が増加する。
　また，必要に応じて，図１に示すように，照明部１０１の光路中にミラー２１を挿入し，適宜他のミラーを配置することにより，照明光路が変更され，試料面に対して実質的に垂直な方向から照明光が照射される（垂直照明）。このとき，試料面上の照明強度分布は照明強度分布制御部７ｖにより，斜入射照明と同様に制御される。ミラー２１と同じ位置にビームスプリッタを挿入することで，斜入射照明と試料面の凹み状の欠陥（研磨キズや結晶材料における結晶欠陥）からの散乱光を得るには，試料表面に実質的に垂直に入射する垂直照明が適する。なお，図１に示す照明強度分布モニタ２４については後述する。
　レーザ光源２としては，試料表面近傍の微小な欠陥を検出するには，試料内部に浸透しづらい波長として，短波長（波長３５５ｎｍ以下）の紫外または真空紫外のレーザビームを発振し，かつ出力２Ｗ以上の高出力のものが用いられる。出射ビーム径は１ｍｍ程度である。試料内部の欠陥を検出するには，試料内部に浸透しやすい波長として，可視あるいは赤外のレーザビームを発振するものが用いられる。
　アッテネータ３は，第一の偏光板と，照明光の光軸周りに回転可能な１／２波長板と，第二の偏光板を適宜備える。アッテネータ３に入射した光は，第一の偏光板により直線偏光に変換され，１／２波長板の遅相軸方位角に応じて偏光方向が任意の方向に回転され，第二の偏光板を通過する。１／２波長板の方位角を制御することで，光強度が任意の比率で減光される。アッテネータ３に入射する光の直線偏光度が十分高い場合は第一の偏光板は必ずしも必要ない。アッテネータ３は入力信号と減光率との関係が事前に較正されたものを用いる。アッテネータ３として，グラデーション濃度分布を持つＮＤフィルタを用いることも可能である。
　出射光調整部４は複数枚の反射ミラーを備える。ここでは二枚の反射ミラーで構成した場合の実施例を説明するが，これに限られるものではなく，三枚以上の反射ミラーを適宜用いても構わない。ここで，三次元の直交座標系（ＸＹＺ座標）を仮に定義し，反射ミラーへの入射光が＋Ｘ方向に進行しているものと仮定する。第一の反射ミラーは入射光を＋Ｙ方向に偏向するよう設置され（ＸＹ面内での入射・反射），第二の反射ミラーは第一の反射ミラーで反射した光を＋Ｚ方向に偏向するよう設置される（ＹＺ面内での入射・反射）。各々の反射ミラーは平行移動とあおり角調整により，出射調整部４から出射する光の位置，進行方向（角度）が調整される。前記のように，第一の反射ミラーの入射・反射面（ＸＹ面）と第二の反射ミラー入射・反射面（ＹＺ面）が直交するような配置とすることで，出射調整部４から出射する光（＋Ｚ方向に進行）のＸＺ面内の位置，角度調整と，ＹＺ面内の位置，角度調整とを独立に行うことができる。
　ビームエキスパンダ５は二群以上のレンズ群を有し，入射する平行光束の直径を拡大する機能を持つ。例えば，凹レンズと凸レンズの組合せを備えるガリレオ型のビームエキスパンダが用いられる。ビームエキスパンダ５は二軸以上の並進ステージに設置され，所定のビーム位置と中心が一致するように位置調整が可能である。また，ビームエキスパンダ５の光軸と所定のビーム光軸が一致するようにビームエキスパンダ５全体のあおり角調整機能が備えられる。レンズの間隔を調整することにより，光束直径の拡大率を制御することが可能である（ズーム機構）。ビームエキスパンダ５に入射する光が平行でない場合には，レンズの間隔の調整により，光束の直径の拡大とコリメート（光束の準平行光化）が同時に行われる。光束のコリメートはビームエキスパンダ５の上流にビームエキスパンダ５と独立にコリメートレンズを設置して行ってもよい。ビームエキスパンダ５によるビーム径の拡大倍率は５倍から２０倍程度であり，光源から出射したビーム径１ｍｍのビームが５ｍｍから２０ｍｍ程度に拡大される。
　偏光制御部６は，１／２波長板，１／４波長板によって構成され，照明光の偏光状態を任意の偏光状態に制御する。照明部１０１の光路の途中において，ビームモニタ２２，２３によって，ビームエキスパンダ５に入射する光，および照明強度分布制御部７に入射する光の状態が計測される。
　図２乃至図３は、本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の一例を示す図である。
  照明部１０１より試料面に導かれる照明光軸１２０と照明強度分布形状との位置関係の模式図を示す。なお，図２乃至図３における照明部１０１の構成は照明部１０１の構成の一部を示したものであり，出射光調整部４，ミラー２１，ビームモニタ２２，２３等は省略されている。
  図２に，斜入射照明の入射面（照明光軸と試料表面法線とを含む面）の断面の模式図を示す。斜入射照明は入射面内にて試料表面に対して傾斜している。照明部１０１により入射面内において実質的に均一の照明強度分布が作られる。照明強度が均一である部分の長さは，単位時間当たりに広い面積を検査するため，１００μｍから数ｍｍ程度である。
  図３に，試料表面法線を含みかつ斜入射照明の入射面に垂直な面の断面の模式図を示す。この面内においても，試料面上で均一な照明強度分布を成し，照明強度分布の長さは，１００μｍから数ｍｍ程度である。照明強度分布制御部７は，後述する非球面レンズ，回折光学素子，シリンドリカルレンズアレイ，ライトパイプなどの光学素子を備える。照明強度分布制御部７を構成する光学素子は図２，図３に示されるように，照明光軸に垂直に設置される。
　図７は、本発明に係る照明部により実現される照明強度分布形状の第一例を示す図である。
  照明強度分布制御部７（図７）は入射する光の位相分布および強度分布に作用する光学素子を備える。照明強度分布制御部７を構成する光学素子として，回折光学素子７１（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｅｌｅｍｅｎｔ）が用いられる。回折光学素子７１は，入射光を透過する材質からなる基板の表面に，光の波長と同等以下の寸法の微細な起伏形状を形成したものである。入射光を透過する材質として，紫外光用には溶融石英が用いられる。回折光学素子７１を通過することによる光の減衰を抑えるため，反射防止膜によるコーティングが施されたものを用いるとよい。前記の微細な起伏形状の形成にはリソグラフィ法が用いられる。前記ビームエキスパンダ５を通過後に準平行光となった光を，回折光学素子７１を通過させることにより，回折光学素子７１の起伏形状に応じた試料面上照明強度分布が形成される。回折光学素子７１の起伏形状は，試料表面上で形成される照明強度分布が前記入射面内に均一な分布となるよう，フーリエ光学理論を用いた計算に基づいて求められた形状に設計され，製作される。照明強度分布制御部７に備えられる光学素子は，入射光の光軸との相対位置，角度が調整可能となるよう，二軸以上の並進調整機構，および二軸以上の回転調整機構が備えられる。さらに，光軸方向の移動によるフォーカス調整機構が設けられる。
　照明強度分布制御部７の他の変形例として，図４に，照明強度分布制御部７を構成する光学素子を試料面と平行に設置する例を示す。このように設置する光学素子には，光学素子表面の法線に対して大きく傾斜した軸外光に対する集光性能が要求されるが，光学素子表面と試料面との距離が一定となるため集光が容易になる。
　図１４は、本発明に係る照明部における照明光の状態を計測手段および調整手段の第一例を示す図である。
  照明部１０１における照明光状態計測手段について図１４を用いて説明する。ビームモニタ２２は，出射光調整部４を通過した照明光の位置および角度（進行方向）を計測して出力する。ビームモニタ２３は，照明強度分布制御部７に入射する照明光の位置および波面を計測して出力する。
　ビームモニタ２２における照明光の位置計測は，照明光の光強度の重心位置を計測することによって行われる。具体的な位置計測手段としては，光位置センサ（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ），あるいはＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサが用いられる。ビームモニタ２２における照明光の角度計測は前記位置計測手段より光源から遠く離れた位置に設置された光位置センサあるいはイメージセンサによって行われる。あるいは，角度計測は照明光をコリメータレンズに入射させ，コリメータレンズの焦点位置に光位置センサあるいはイメージセンサを置いて照明光による集光スポット位置を計測することで行われる。ビームモニタ２２において計測された照明光位置，照明光角度は制御部５３に入力され，表示部５４に表示される。照明光位置あるいは角度が所定の位置あるいは角度からずれていた場合は，前記出射光調整部４において所定の位置に戻るよう調整される。
　ビームモニタ２３における照明光の位置計測は，ビームモニタ２２における位置計測手段と同様の手段によって行われる。ただし，ビームモニタ２３の計測対象位置において，ビーム径が数ｍｍ以上に拡大されているため，必要に応じて計測対象位置を光位置センサ等の位置計測手段の検出器受光面に縮小投影して位置計測を行う。ビームモニタ２３における照明光の波面計測は，照明強度制御部７に入射する光の平行度を測定するために行われる。照明光がシアリング干渉計による計測，あるいはシャックハルトマン波面センサによる計測が行われる。シアリング干渉計は，両面を平坦に研磨した厚さ数ｍｍ程度の光学ガラスを照明光路中に斜めに傾斜させて挿入し，表面による反射光と裏面による反射光とをスクリーンに投影した際に観測される干渉縞の模様によって，照明光の発散・収束状態を計測するものであり，シグマ光機社製ＳＰＵＶ－２５などがある。スクリーン位置にＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサを設置すれば照明光の発散・収束状態の自動計測が可能である。シャックハルトマン波面センサは，細かなレンズアレイによって波面を分割してＣＣＤセンサなどのイメージセンサに投影し，投影位置の変位から個々の波面の傾斜を計測するものである。シアリング干渉計と比較して，部分的な波面の乱れなど詳細な波面計測を行うことができる。波面計測により照明強度制御部７に入射する光が準平行光でなく，発散あるいは収束していることが判明した場合，前段のビームエキスパンダ５のレンズ群を光軸方向に変位させることで，準平行光に近づけることができる。
  また，図１５は、本発明に係る照明部における照明光の状態を計測手段および調整手段の第二例を示す図であるが、波面計測により照明強度制御部７に入射する光の波面が部分的に傾斜していることが判明した場合，図１５のようにＳＬＭの一種である空間光位相変調素子２６を照明強度制御部７の前段に挿入し，波面が平坦になるよう光束断面の位置ごとに適当な位相差を与えることで，波面を平坦に近づける，すなわち照明光を準平行光に近づけることができる。以上の波面精度計測・調整手段により，照明強度分布制御部７に入射する光の波面精度（所定の波面（設計値）からのずれ）がλ／１０ｒｍｓ以下に抑えられる。
　照明強度分布制御部７において調整された試料面上の照明強度分布は，照明強度分布モニタ２４によって計測される。なお，図１で示したように，垂直照明を用いる場合でも，同様に，照明強度分布制御部７ｖにおいて調整された試料面上の照明強度分布が照明強度分布モニタ２４によって計測される。照明強度分布モニタ２４はレンズを介してＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサ上に試料面を結像して画像として検出するものである。照明強度分布モニタ２４で検出された照明強度分布の画像は制御部５３において処理され，強度の重心位置，最大強度，最大強度位置，照明強度分布の幅，長さ（所定の強度以上あるいは最大強度値に対して所定の比率以上となる照明強度分布領域の幅，長さ）などが算出され，表示部５４において照明強度分布の輪郭形状，断面波形などと共に表示される。
　斜入射照明を行う場合，試料面の高さ変位によって，照明強度分布の位置の変位およびデフォーカスによる照明強度分布の乱れが起こる。これを抑制するため，試料面の高さを計測し，高さがずれた場合は照明強度分布制御部７，あるいはステージ１０３のＺ軸による高さ調整によりずれを補正する。試料面の高さ計測は，光線射出部３１と，光線射出部３１から射出し試料面で拡散反射した光線を受光する受光部３２からなる。光線射出部３１は半導体レーザなどの光源と投光レンズを備える。受光部３２は受光レンズと光位置センサを備える。半導体シリコン表面や磁気ディスク基板表面など光沢の強い試料面の計測を行うため，光線射出部３１から射出し試料面で正反射した光を受光部３２で検出するよう，光線射出部３１と受光部３２が配置される。試料面の高さ変位は，三角測量の原理により，受光部３２の光位置センサにて検出される光スポットの位置ずれとして検出される。
　試料面の高さ変位による，照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれの補正は，照明強度分布制御部７の下流に設置され照明光を試料面に向ける偏向手段３３の偏向角度調整により行われる。偏向手段３３は，照明光を偏向する反射ミラーおよび反射ミラーの照明光軸に対するあおり角を制御するピエゾ素子を備え，あおり角を±１ｍｒａｄ程度の範囲で４００Ｈｚ以上の周波数で制御するものである。高さ変位計測値と照明光入射角から照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれ量が求められ，このずれを補正するよう，偏向手段３３において制御部５３から出力された制御信号をうけ反射ミラーが制御される。なお，照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれは，照明強度分布モニタ２４を用いて照明強度分布の重心位置等を直接計測することによっても可能である。試料面の高さ変位による，照明光照射位置の試料面内方向の位置ずれを上記偏向手段３３により補正した場合，照明強度分布制御部７と試料表面との光路長が補正前とずれるため，ずれ量によっては照明スポットのデフォーカスが起こる。光路長の変化量は高さ変位計測値と高さ変位計測値と照明光入射角から求められ，これに基づいて，照明強度分布制御部７に備えられる光学素子の光軸方向の位置調整あるいはビームエキスパンダ５の発散角調整などによりデフォーカスが低減される。
　光源２として，高出力が得やすいパルスレーザを用いる場合は，試料に与えられる照明のエネルギーがパルスの入射する瞬間に集中するため，パルスの入射による瞬間的な温度上昇に起因して試料に熱ダメージが生じる場合がある。
  図１７は光路分岐と光路合成による単一パルスあたりのエネルギー低減結果を示す図であるが、パルスの入射による試料への熱ダメージを回避するためには，パルスレーザの光路を分岐し，分岐した光路間に光路差を付けた後で光路を合成することで，図１７に示すように総エネルギーを保ちつつ一パルスあたりのエネルギーを減少させることが有効である。
　図１６は、本発明に係る照明部において光路分岐と光路合成によって単一パルスあたりのエネルギーを低減する手段の第一例を示す図である。。
  ビームエキスパンダ５を通過した後の照明光が，偏光ビームスプリッタ１５１により，偏光ビームスプリッタ１５１にて反射した第一の光路と偏光ビームスプリッタ１５１を透過した第二の光路とに分岐される。第一の光路はレトロリフレクタ１５２により反射して戻り，偏光ビームスプリッタ１５３で反射され，第二の光路と合成される。レトロリフレクタ１５２は互いに直交する二枚以上の反射ミラーを備え，入力光を１８０度反対の方向に折り返すものである。偏光ビームスプリッタ１５１にて反射する光強度と透過する光強度を等しくするため，波長板１５０により，照明光の偏光が円偏光あるいは斜め４５度の直線偏光などに調整される。第一の光路と第二の光路との間の光路差をＬとすると，第一の光路を通過した光のパルスと第二の光路を通過した光のパルスの時間間隔Δｔｐ＝Ｌ／ｃとなる。Δｔｐを，単一のパルスが入射した際の温度上昇が緩和するのに要する時間と同等以上にすることで，単一パルスによる試料の瞬間的な温度上昇および複数パルスによる熱の蓄積による温度上昇が抑制される。
　第一の光路の折り返しは互いに独立した二枚のミラーを用いても可能である。互いに独立した二枚のミラーを用いる場合、二枚のミラー間の相対的な角度のずれが生じた場合に合成する二光束間の角度ずれが生じるが，レトロリフレクタ１５２を用いとそのような角度ずれが生じないという利点がある。図１６に示す光学系を含む照明部１０１はアルミニウムなどでできた光学定盤上に設置されるが，温度変化等の環境変化による光学定盤の歪みなどの原因で，レトロリフレクタ１５２に入力される光束に対し，レトロリフレクタ１５２の位置が図１６のＸ方向に変位した場合，レトロリフレクタ１５２にて反射して偏光ビームスプリッタ１５３に戻ってくる光束の位置がＸ方向に変位して位置ずれが起こる問題がある。そこで，偏光ビームスプリッタ１５１，１５３，およびレトロリフレクタ１５２を照明部１０１を支持する光学定盤上に載置した定盤１５４上に設置することで，照明部１０１を支持する光学定盤全体の配置や形状に起因する歪み等の影響を受けることなく相対的な位置関係を保つことができる。さらに定盤１５４としてガラスセラミックスなど低膨張の素材からなるものを用いることも，温度変化による歪みを抑制するために有効である。
　図１６に示した光路分岐，合成の変形例を図１８を用いて説明する。図１６に示した光路分岐，合成を行った場合，二光路の合成後，互いに干渉しない二方向の偏光成分が重ね合わされることで無偏光状態となり，後段の偏光制御部６において直線偏光を生成する場合に照明エネルギーのロスが起こる。そこで，図１８に示すように，透過する光の偏光状態を時間的に切替可能な偏光変調素子１５５を用いることで，全てのパルスの偏光状態を揃え，照明エネルギーのロス無く直線偏光を生成することができる。偏光変調素子１５５として，光弾性変調器（ＰＥＭ：Ｐｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ），液晶素子，電気光学変調器，音響光学変調器などが用いられる。
　照明部１０１によって試料面上に形成される照度分布形状（照明スポット２０）と試料走査方法について図１９及び図２０を用いて説明する。図１９は本発明に係る試料表面上の照明分布形状と走査方向を示す図であり、図２０は走査による照明スポットの軌跡を示す図である。
  試料Ｗとして円形の半導体シリコンウェハを想定する。ステージ１０３は，並進ステージ，回転ステージ，試料面高さ調整のためのＺステージ（いずれも図示せず）を備える。照明スポット２０は前述の通り矩形の照明強度分布を持ち，その一辺に直交する方向をＳ２とし，Ｓ２に直交する方向をＳ１とする。回転ステージの回転運動によって，回転ステージの回転軸を中心とした円の円周方向Ｓ１に，並進ステージの並進運動によって，並進ステージの並進方向Ｓ２に走査される。走査方向Ｓ１の走査により試料を１回転する間に，走査方向Ｓ２へ照明スポット２０の長手方向の長さ以下の距離だけ走査することにより，照明スポットが試料Ｗ上にてらせん状の軌跡Ｔを描き，試料１の全面が走査される。
　図２０に示したようにらせん状に走査する場合，試料面中心部では，実効的な走査速度が０に近づくため，照明光が長時間照射される。よって，試料面全体の中で中心部の温度上昇が最大となる。照明スポット走査速度に応じて照明部１０１におけるアッテネータ３を用いて照明パワーを制御することで，試料にダメージを与えることなく最大限の散乱光量を得ることが可能となる。
　検出部１０２は，照明スポット２０から発する複数の方向の散乱光を検出するよう，複数配置される。検出部１０２の試料Ｗおよび照明スポット２０に対する配置例について図２１乃至図２３を用いて説明する。図２１は本発明に係る検出部の配置および検出方向を側面から見た図であり、図２２は本発明に係る低角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図であり、図２３は本発明に係る高角検出部の配置及び検出方向を上面から見た図である。
  図２１に検出部１０２の配置の側面図を示す。試料Ｗの法線に対して，検出部１０２による検出方向（検出開口の中心方向）のなす角を，検出天頂角と定義する。検出部１０２は，検出天頂角が４５度以下の高角検出部１０２ｈと，検出天頂角が４５度以上の低角検出部１０２ｌを適宜用いて構成される。高角検出部１０２ｈ，低角検出部１０２ｌ各々は，各々の検出天頂角において多方位に散乱する散乱光をカバーするよう，複数の検出部からなる。
  図２２に，低角検出部１０２ｌの配置の平面図を示す。試料Ｗの表面と平行な平面内において，斜入射照明の進行方向と検出方向とのなす角を検出方位角と定義する。低角検出部１０２は，低角前方検出部１０２ｌｆ，低角側方検出部１０２ｌｓ，低角後方検出部１０２ｌｂ，およびそれらと照明入射面に関して対称な位置にある低角前方検出部１０２ｌｆ’，低角側方検出部１０２ｌｓ’，低角後方検出部１０２ｌｂ’を適宜備える。例えば，低角前方検出部１０２ｌｆは検出方位角が０度以上６０度以下，低角側方検出部１０２ｌｓは検出方位角が６０度以上１２０度以下，低角後方検出部１０２ｌｂは検出方位角が１２０度以上１８０度以下に設置される。
  図２３に，高角検出部１０２ｈの配置の平面図を示す。高角検出部１０２は，高角前方検出部１０２ｈｆ，高角側方検出部１０２ｈｓ，高角後方検出部１０２ｈｂ，および高角側方検出部１０２ｈｓと照明入射面に関して対称な位置にある高角側方検出部１０２ｈｓ’を適宜備える。例えば，高角前方検出部１０２ｈｆは検出方位角が０度以上４５度以下，高角側方検出部１０２ｓは検出方位角が４５度以上１３５度以下，高角後方検出部１０２ｂは検出方位角が１３５度以上１８０度以下に設置される。なお，ここでは高角検出部１０２ｈが４つ，低角検出部１０２ｌが６つある場合を示したがこれに限られず，検出部の数・位置を適宜変更してもよい。
　検出部１０２の具体的な構成を図２４及び図２５に示す。図２４及び図２５は、本発明に係る検出部の構成の第一例を示す図である。
  照明スポット２０から発生する散乱光を対物レンズ２０１によって集光し，偏光フィルタ２０２通過させた後，結像レンズ２０３によって複数画素センサ２０４の受光面に導かれ，検出される。散乱光を効率良く検出するため，対物レンズ２０１の検出ＮＡは０．３以上にするのが好ましい。低角度検出部の場合，対物レンズ２０１の下端が試料面Ｗに干渉しないよう，必要に応じて対物レンズの下端を切り欠く。偏光フィルタ２０２は偏光板あるいは偏光ビームスプリッタからなり，任意の方向の直線偏光成分をカットするよう設置される。偏光板として，透過率８０％以上のワイヤグリッド偏光板などが用いられる。楕円偏光を含む任意の偏光成分をカットする場合は，偏光フィルタ２０２を波長板と偏光板とを備えて構成する。
　複数画素センサ２０４は，複数の光検出画素が線状に並んだものである。高感度検出を行うため，量子効率が高く（３０％以上の），光電変換後の電子を電気的に増幅可能なもの，また，高速化のため，複数がその信号を並列して読み出し可能なもの，また，検出ダイナミックレンジ確保のため，検出感度（電気的な増幅のゲイン）が電気的手段などにより短時間で容易に変更可能であるもの，などが望ましい。これらを満たす光検出器として，光電変換後の電子を電気的に増幅可能なマルチアノード光電子増倍管，アバランシェフォトダイオードアレイ，ＥＭＣＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ　ＣＣＤ），ＥＢＣＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ　ＣＣＤ），ＥＢＣＭＯＳ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ　ＣＭＯＳ），低ノイズのＣＭＯＳ－ＡＰＳ（ＣＭＯＳ－Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｉｘｅｌ　Ｓｅｎｓｏｒ）などが用いられる。また，対物レンズ２０１および結像レンズ２０３によって，試料面の像が試料面共役面２０５に結像される。試料面に対して傾斜したレンズ系によって結像するため，像面も光軸に対して傾斜する。物体面と像面との関係はシャインプルーフの原理より求められる。像面の傾斜によるデフォーカスが生じないよう，傾斜した像面に合せて複数画素センサ２０４の受光面を設置する。このとき検出対象の散乱光は複数画素センサ２０４の受光面の法線から傾斜した方向から入射するため，その入射角の透過率を高めるように受光面にコーティングを施すことが望ましい。
　図２５に，検出部１０２の構成の変形例を示す。照明スポット２０から発生する散乱光を対物レンズ２０１によって集光し，偏光フィルタ２０２通過させた後，結像レンズ２０３によって，試料面と共役な面に設置された回折格子２０６上に試料面の像（中間像）が結像される。回折格子２０６上に形成された試料面の像は，結像系２０７によって複数画素センサ２０４の受光面上に投影され，検出される。複数画素センサ２０４は，一方向に長い照明スポット２０の形状に合せ，画素の配列方向が照明スポット２０の像の長手方向に一致するよう，試料面に共役な面内に設置される。回折格子２０６は，結像レンズ２０３によって導かれ中間像を形成する光を回折格子２０６の表面の法線方向に回折させるため，結像レンズ２０３によって導かれ中間像を形成する光の光軸に沿った入射光のＮ次回折光が回折格子２０６の表面の法線方向に向かうよう，回折格子形状が形成されたものを用いる。回折効率を高めるため，用いる回折光は一次回折光（Ｎ＝１または－１）が適する。また，回折効率を高めるため，ブレーズ回折格子が用いられる。以上の構成をもって試料面に共役な面に複数画素センサ２０４を設置することで，試料面上のＳ１方向についてもピントのずれを抑えて広い範囲で有効視野を確保することができ，かつ複数画素センサ２０４の受光面に対して散乱光を垂直に入射させるため少ない光量ロスで検出することができる。
　なお，照明スポット走査速度に応じて照明パワーを制御する場合，同一寸法の欠陥でも散乱光信号の波高値が変化する。照明パワー制御に平行して検出部１０２の複数画素センサ２０４の電子増倍ゲインを決める印加電圧を制御することにより，照明パワー制御に対応して複数画素センサ２０４のダイナミックレンジが動的に合せこまれる。印加電圧の制御は，複数画素センサ２０４の電子増倍ゲインが，照明スポットの照明パワー密度に反比例するように，すなわち照明スポット走査速度ごとに与えられる照明パワーに反比例するように行われる。
　ここで，照明スポット２０の大きさと検出部１０２の光学倍率，複数画素センサ２０４の寸法との関係を説明する。高感度，高速検査を行う場合，照明スポット２０の長さは概略１ｍｍに設定される。複数画素センサ２０４として２５６×２５６画素が１０μｍピッチで並んだＣＣＤイメージセンサあるいはＣＭＯＳイメージセンサを用いる場合，検出部の光学倍率は２．５６倍となり，試料面上に投影される画素のピッチは３．９μｍとなる。この条件で試料を回転速度２０００ｒｐｍで回転させた場合，直径３００ｍｍの円形試料は４．５秒で，直径４５０ｍｍの円形試料は６．８秒で全面が走査される。さらに高感度に検査を行う場合，回転走査の前後の周回で，試料の半径方向に照明スポットを重複して走査を行う。試料を一回転する間のＲ方向の走査距離を照明スポットのＲ方向の長さの１／Ｍ倍とすることで，照明スポットの走査領域が一つ前の周回で照明スポットが走査した領域と部分的に重なり，結果的に試料上の各所がＭ回走査される。同一箇所をＭ回検出した信号を加算することで，前記走査条件に比べて√Ｍ倍の感度が得られる。前記走査条件にて，Ｍ＝２，４，８，１６各々での直径３００ｍｍ試料の全面走査時間は６．４，９．０，１３，１８秒である。
　次に，図２６及び図２７を用いて，広い角度範囲をカバーする複数の検出光学系によって同時に検出される様々な方向の散乱光強度検出信号に基づいて様々な欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度に行う信号処理部１０５について説明する。信号処理部１０５は，アナログ処理部５１，デジタル処理部５２を有して構成される。
　まず，信号処理部１０５を構成するアナログ処理部５１について図２６を用いて説明する。ここでは簡単のため複数の検出部１０２のうち検出部１０２ａ，１０２ｂ（図示しない）の二系統備えた場合のアナログ処理部５１の構成について説明する。検出部１０２ａ，１０２ｂ各々に備えられた検出器から出力された信号電流５００ａ，５００ｂは，プリアンプ部５０１ａ，５０１ｂにより各々電圧に変換されて増幅される。該増幅されたアナログ信号は，さらにローパスフィルタ５１１ａ，５１１ｂにより高周波数のノイズ成分がカットされ，その後，ローパスフィルタ５１１ａ，５１１ｂのカットオフ周波数より高いサンプリングレートを備えたアナログ－デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）５０２ａ，５０２ｂで，デジタル信号に変換されて出力される。
　なお，上記は複数画素センサ２０４としてマルチアノード光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードアレイなどの電流出力型のセンサを用いた場合のアナログ処理部５１の構成である。複数画素センサ２０４としてＥＭＣＣＤやＥＢＣＣＤなどのＣＣＤイメージセンサ，あるいはＥＢＣＭＯＳやＣＭＯＳ－ＡＰＳなどのＣＭＯＳイメージセンサを用いた場合，信号は電圧で出力されるためプリアンプ部５０１ａ，５０１ｂは不要である。また，イメージセンサ自身がＡ／Ｄ変換機能までを備えている場合，アナログ処理部５１は必要なく，イメージセンサが出力するデジタル信号をデジタル処理部５２に入力すればよい。
　画素を二次元に配列した複数画素センサ２０４によって試料表面の像を検出し，試料上の同一箇所を複数回検出した信号を加算することで，検出感度を向上することが可能である。通常の直線的な走査の場合，ＴＤＩ（Ｔｉｍｅ　Ｄｅｌａｙ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）型のＣＣＤイメージセンサあるいはＣＭＯＳイメージセンサを用い，走査速度に同期して，検出した信号電荷の垂直転送を行うことで，同一箇所の信号を垂直転送の段数に相当する回数だけ繰返し検出することができる。
　本実施例では円形試料の高速検査に適した回転走査を行うため，複数画素センサ２０４の受光面上において試料上の同一箇所の像が円弧（Ｔ１，Ｔ２）を描いて移動する（図２８）。図２８は本発明に係る複数画素センサの画素の配列と試料走査の軌跡との関係を示す図である。
  試料の外周部を走査する際は，像の軌跡の曲率半径が大きいので，通常のＴＤＩ型のイメージセンサと同様に電荷を転送すればよい。試料の内周部を走査する際は，像の軌跡の曲率半径が小さいため，軌跡が図２８における上下方向の複数行の画素にまたがる。これにより，通常のＴＤＩ型のイメージセンサと同様に図２８の左右方向（試料の円周方向に対応）に信号電荷を転送すると欠陥位置の検出信号に欠陥以外の位置の検出信号（ノイズ）が混入し，検出感度が低下する課題がある。そこで，図２８の矢印群Ｔ３で示したように上下方向（試料の半径方向）に信号転送をずらすことで，像の軌跡Ｔ１に合せてハッチングした画素に入った信号が加算され，高感度な検出を行うことができる。像の軌跡の曲率半径は試料の半径方向の走査位置によって変わるため，加算画素の組合せは試料の半径方向の走査位置に合せて変化させる。さらに，像の軌跡の図２８左右方向の移動速度も像の軌跡の曲率半径が小さい条件では一様ではないため，軌跡の左右方向の移動速度に合せて信号垂直転送速度も変化させる。複数画素センサ２０４として，マルチアノード光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードアレイなどの，全画素の信号を同時並列に読み出す検出器，あるいは高速並列信号読み出し，処理が可能なＣＭＯＳ－ＴＤＩイメージセンサを用いることで，上記のように信号加算画素の組合せを変化させることおよび垂直転送速度を変化させることが可能になる。
　上記の加算がその組合せの変更を行わない場合，欠陥の検出信号が試料の半径方向に関して複数の画素にまたがり，広がりを持つ（図２９）。図２９は本発明に係る回転走査によって起こる欠陥信号の広がりを示す図である。この広がりは半径方向に応じて数式数１によって求められる。
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　数１において，Ｒは試料の半径方向の走査位置，ｘ０が信号の広がりがない場合の本来の欠陥位置である。この関係式を用いて広がりが無かった場合の理想信号を復元する処理を行うことで，信号ピーク値の低下による感度低下および半径方向の欠陥位置の検出誤差を低減することができる。具体的には，後述のデジタル処理部５２において，半径方向の広がりを持つ欠陥信号のプロファイルに対し，数１による広がり関数のプロファイルの畳み込み演算あるいは逆畳み込み演算が行われる。
　次に，信号処理部１０５を構成するデジタル処理部５２について図２７を用いて説明する。アナログ処理部５１からの各々の出力信号は，デジタル処理部５２において，ハイパスフィルタ６０４ａ，６０４ｂの各々により欠陥信号６０３ａ，６０３ｂの各々が抽出され，欠陥判定部６０５に入力される。欠陥は試料面上において局在しているため，欠陥信号は短時間で瞬間的に出力され，周波数帯域でいうと高周波の成分を持つ。従って，ハイパスフィルタ６０４ａ，６０４ｂの各々により，欠陥信号波形の含まれる高い周波数帯域を通し，ノイズが相対的に多く含まれる低い周波数帯域および直流成分をカットすることで，欠陥信号６０３ａ，６０３ｂのＳ／Ｎが向上する。各ハイパスフィルタ６０４ａ，６０４ｂとしては，特定のカットオフ周波数を持ちその周波数以上の成分を遮断するよう設計されたハイパスフィルタ，あるいはバンドパスフィルタ，あるいは照明スポット２０の形状が反映されたＦＩＲフィルタを用いる。欠陥判定部６０５は，ハイパスフィルタ６０４ａ，６０４ｂの各々から出力された欠陥波形を含む信号の入力に対してしきい値処理を行い，欠陥の有無を判定する。即ち，欠陥判定部６０５には，複数の検出光学系からの検出信号にもとづく欠陥信号が入力されるので，欠陥判定部６０５は，複数の欠陥信号の和や加重平均に対してしきい値処理を行うか，または複数の欠陥信号に対してしきい値処理により抽出された欠陥群についてウェハの表面に設定された同一座標系でＯＲやＡＮＤを取ることなどにより，単一の欠陥信号に基づく欠陥検出と比較して高感度の欠陥検査を行うことが可能となる。
　更に，欠陥判定部６０５は，欠陥が存在すると判定された箇所について，その欠陥波形と感度情報信号に基づいて算出されるウェハ内の欠陥位置を示す欠陥座標および欠陥寸法の推定値を，欠陥情報として制御部５３に提供して表示部５４などに出力する。欠陥座標は欠陥波形の重心を基準として算出される。欠陥寸法は欠陥波形の積分値あるいは最大値を元に算出される。
　さらに，アナログ処理部５１からの各々の出力信号は，デジタル処理部５２を構成するハイパスフィルタ６０４ａ，６０４ｂに加えて，ローパスフィルタ６０１ａ，６０１ｂの各々に入力され，ローパスフィルタ６０１ａ，６０１ｂの各々において，ウェハ上の照明スポット２０における微小ラフネスからの散乱光量（ヘイズ）に対応する周波数の低い成分および直流成分が出力される。このようにローパスフィルタ６０１ａ，６０１ｂの各々からの出力はヘイズ処理部６０６に入力されてヘイズ情報の処理が行われる。即ち，ヘイズ処理部６０６は，ローパスフィルタ６０１ａ，６０１ｂの各々から得られる入力信号の大きさからウェハ上の場所ごとのヘイズの大小に対応する信号をヘイズ信号として出力する。また，微小ラフネスの空間周波数分布に応じてラフネスからの散乱光量の角度分布が変わるため，図２１乃至２３に示したように，互いに異なる方位，角度に設置された複数の検出部１０２の各検出器からのヘイズ信号をヘイズ処理部６０６への入力とすることで，ヘイズ処理部６０６からはそれらの強度比などから微小ラフネスの空間周波数分布に関する情報を得ることができる。
　ここで，照明強度分布制御部７において用いられる光学素子の変形例を説明する。前記回折光学素子７１と同様の機能を持つ代替の光学素子として，球面レンズ，非球面レンズ７２（図８），シリンドリカルレンズアレイ７４とシリンドリカルレンズ７５との組合せ（図９，図１０），ライトパイプ７６と結像レンズ７７との組合せ（図１１，図１２），あるいは空間光変調素子（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）７８（図１３）が用いられる。
  球面レンズは，検出部１０２による検出領域よりも広い領域を照明するガウス分布照明を形成する場合に用いられる。検出領域の端において，検出領域の中心よりも照明パワー密度が低くなるデメリットがあるが，回折光学素子等を用いる場合に比べて入力光の変動に鈍感であり安定した照度分布が得られるメリットがある。
　シリンドリカルレンズアレイ７４は，図９に示すように，試料面に対する照明の入射面内において，入射した平行光束を複数の平行光束に分離して各々を屈曲し，試料面上でそれらの位置をずらしながら重ね合わせる役割を持つ。光源２としてレーザ光源を用いると試料面上で複数の照明光束を重ね合わせた際にスペックルが発生して照明強度分布の均一性が低下する。これを避けるため，階段状の石英ガラスブロックなどによる光路差付与手段７３により複数の照明光束間に光源の可干渉距離以上の光路差をつける。図１０に示すように，試料面に対する照明の入射面内では，入射光束は平行光のままシリンドリカルレンズアレイ７４を透過し，シリンドリカルレンズ７５によって試料面上に集光される。ライトパイプ７６は，円柱状あるいは角柱状の筒であり，内壁が照明光を高反射率で反射する金属等の材質からなり，その内部が中空あるいは照明光を高透過率で透過する材質で満たされたものである。ライトパイプ７６の前段の集光レンズ８０でライトパイプ７６の入り口近くに集光された光は，ライトパイプ７６の内部を通過する間に多数回の反射を繰り返し，ライトパイプ７６の出口において空間的に均一な強度分布となる。結像レンズ７７によってライトパイプ７６の出口と試料表面が共役な関係に結ばれており，ライトパイプ７６の出口における均一な光強度分布と相似な光強度分布が試料面上に形成される。
  図１１のように結像レンズ７７をライトパイプ７６の出口面および光軸に対して傾斜させることで，試料面Ｗに均一照明強度分布の像を結ぶことができる。あるいは，図１２のように出口面を試料面Ｗと平行になるよう加工したライトパイプ７６’を用いることで，ライトパイプ出口面と試料面との間の光路距離が像高によらず等しくなるため，結像レンズ７７’の設計が容易になる。図１３の空間光変調素子７８は，入射した光束の断面内の微小領域ごとに強度あるいは位相を変調することで，試料面上の照明強度分布を制御するものであり，制御部５３から発した制御信号を受けて，試料面上の照明強度分布を動的に制御することが可能である。空間光変調素子７８として，液晶素子，磁気光学空間光変調素子，デジタルマイクロミラーデバイス（反射型）などが用いられる。空間光変調素子７８単独，あるいは空間光変調素子７８と集光レンズ７９との組合せにより所望の照明強度分布が形成される。
　試料表面の法線に対して傾斜した斜方に散乱する光を捕集し結像検出を行う検出系１０２の変形例を図３０に示す。照明スポット２０から発生する散乱光を対物レンズ２０１によって集光し，偏光フィルタ２０２（図３０では省略）通過させた後，結像レンズ２０３によって複数画素センサ２０４の受光面に導き，検出する。対物レンズ２０１の瞳位置に設置した空間フィルタ２１１により，瞳を通過する光束の一部を遮光し一部を透過させることで，特定の散乱方向の散乱光成分のみを通過させることができる。空間フィルタ２１１の形状を変更する，あるいは複数の形状の空間フィルタを切り替えることで，光束を透過する範囲を選択し，検出する散乱光の方向を選択することができる。この構成は試料面の上下動が起きても，デフォーカスは起きるものの，像面内での像の位置ずれは起こらない利点がある。ただし，比較的大きなＮＡの対物レンズが必要となるので，コストが高くなる。
　試料表面の法線に対して傾斜した斜方に散乱する光を捕集し結像検出を行う検出系１０２の別の変形例を図３１に示す。照明スポット２０から発生する散乱光を対物レンズ２０１によって集光し，偏光フィルタ２０２を通過させた後，結像レンズ２０３によって試料面共役面２０５を形成する部分は図２４，図２５に示した実施例と同様である。バンドル光ファイバ２１２の入射口を試料面共役面２０５に配置し，なおかつ対物レンズ２０１および結像レンズ２０３の光軸とバンドル光ファイバ２０５の入射方向を合せることで，バンドル光ファイバ２０５に光が入射する。バンドル光ファイバ２０５の出射口と複数画素センサ２０４の受光面とをマイクロレンズアレイ２１３によってカップリングすることで，試料面共役面２０５の像を複数画素センサ２０４で検出することができる。
　試料面の上下動に対応した信号加算の方法を，図３２を用いて説明する。図３２は、本発明に係る試料の上下動による像の位置ずれとその補正方法を示す図である。
  ステージ１３の走査精度や試料保持精度，試料表面の面精度の影響で，試料表面を走査する際に，検出部１０２に対して相対的に試料表面が微小な上下動を起こす。図２４，２５あるいは３１に示した検出部１０２の構成をとる場合，試料面の上下動により，試料上の欠陥の位置は像面に垂直な方向の変位（デフォーカス）と，像面内の変位（位置ずれ）を起こす。デフォーカスは検出部１０２の焦点深度内に収まれば問題ないが，像の位置ずれは欠陥検出位置のずれに影響するとともに，前記の同一箇所を複数回検出して信号を加算する場合に，同一箇所ではなく異なった箇所の検出信号が加算されてしまい，感度低下の要因となる。これらの問題を回避するため，試料面上下動に対応した光学的位置ずれ補正と，位置ずれ補正信号処理を行う。
　図３３に試料面上下動計測のための光学系の構成を示す。光源４０１から上下動計測用の光線を出射する。光線は試料面上の検査対象位置の近傍で反射し，位置検出器４０２に入射する。位置検出器４０２はフォトダイオードやＣＣＤセンサで構成されており，入射した光線の微小な位置ずれを検出することができる。図３３では省略されているが，試料面の角度ずれの影響を排除するために，試料面上の照射位置の像を位置検出器４０２に投影するような投影レンズを試料面と位置検出器４０２との間に配置することが望ましい。
　図３４に光学的位置ずれ補正の実施例を示す。試料面の変位の計測結果から求められる像の位置ずれを打ち消すように，検出部１０２の結像レンズ２０３の光軸に対する角度を変えることで，位置ずれを光学的に低減できる。同じことは対物レンズ２０１の光軸に対する角度を変えることでも実現可能である。また，結像レンズ２０３あるいは対物レンズ２０１が複数のレンズの組合せで構成されている場合，その中の一部のレンズの角度を変えてもよい。また，レンズではなく，複数画素検出器の位置を像面に平行な方向に変位させて，像の位置ずれの影響を打ち消してもよい。また，図２５に示した回折格子を用いた構成では，回折格子２０６の位置を変位させて，像の位置ずれの影響を打ち消してもよい。また，光学的位置ずれ補正おいて，試料面高さ計測結果に基づいてレンズあるいはセンサを光軸方向に移動することで，デフォーカスを低減することも可能である。
　試料面上下動に対応した位置ずれ補正信号処理の方法を図３５を用いて説明する。図３５は、本発明に係る信号加算処理部の構成を示す図である。
  ここでは複数画素センサ２０４が各画素の信号をデジタル出力する機能を備えていると仮定する。複数画素センサ２０４がデジタル信号出力機能を備えていない場合は，図３５に示していない前記アナログ処理部５１に複数画素センサ２０４の出力信号を通すことでデジタル信号出力を行う。各画素の信号は，メモリ部４１１，４１２によって一時的に蓄積される。メモリ部４１１，４１２に蓄えられた信号は，信号加算処理部４１３において，試料面上の同一箇所の信号同士が足し合わされるよう位置合せをされた後，加算処理が行われる。位置合せを行う基準となる位置ずれ量は，図３３に示した試料面上下動の計測値から幾何学的な位置関係および検出部１０２の結像条件に基づいて算出した値が入力される。
　図３３に示した試料面上下動の計測値から，幾何学的な位置関係および検出部１０２の結像条件に基づいて，位置ずれ量を算出する方法を図５，図６に示す。図５は，試料面の上方から見た試料面と検出部１０２の平面図であり，検出部１０２の検出方向と，試料面上下動による位置ずれの方向との関係を示す。図５の角度φは検出方位角に対応する。試料面が上下動（図５で紙面に垂直方向）をすると，検出部１０２の光軸Ａに平行な光束は光軸Ａを試料面の法線方向から試料面に平行投影した直線に平行な方向Ｄに移動するため，像の位置ずれは方向Ｄに起こる。
　図６に試料面の上下の変位量と位置ずれ量との関係を示す。検出部１０２の検出天頂角をθとする。上下動がない場合の試料面上の位置Ｐ１が，複数画素センサ上の位置Ｐ３に結像される。試料面が上方にΔｚ変位すると，複数画素センサ上の位置Ｐ３には，試料面上で位置Ｐ１から方向ＤにΔｚｔａｎθずれた位置Ｐ２の像が結像される。元の位置Ｐ１は複数画素センサ２０４上ではＭΔｚｔａｎθ（Ｍは検出部１０２の光学倍率）だけずれているので，複数画素センサ２０４上での方向Ｄに対応する方向に，－ＭΔｚｔａｎθだけ位置ずれを補正すればよい。
　二次元領域を照明する照明強度分布の変形例を図３６，３７に示す。図３６，３７は試料面上における照明スポット２０と複数画素センサ２０４の画素（を試料面上に投影したもの）との位置関係を示す。
  図３６は，照明スポット２０として細い線状の強度分布を複数並べた実施例である。一本の線状照明に対し，一列の画素が対応する。複数の線状照明の間（横方向）に照明パワー密度の低い領域ができ，照明パワーにより発生する熱が逃げやすい分だけ試料にダメージが発生しづらいため，二次元領域全体を照明した場合に比べて単位面積当りに高い照明パワーを投入することが可能である。
  図３７は，照明スポット２０として微小な円形の強度分布を複数並べた実施例である。一つの円形照明に対し，一つの画素が対応する。複数の円形照明の間（縦と横の両方向）に照明パワー密度の低い領域ができ，照明パワーにより発生する熱が逃げやすい分だけ試料にダメージが発生しづらいため，二次元領域全体を照明した場合，および図３６の線状照明を複数並べた場合に比べて，単位面積当りに高い照明パワーを投入することが可能である。
　ビームエキスパンダ５で拡大したビームに対し，シリンドリカルレンズアレイ４１３を作用させることで，図３６に示した複数の線状照明を並べた照明スポット２０を作ることができる（図３８）。図３８は本発明に係る複数の線状照明を作る照明光強度分布制御部の構成の例を示す図である。
  また，ビームエキスパンダ５で拡大したビームに対し，球面レンズを二次元の格子状に配列したレンズアレイを作用させることで，図３７に示した複数の線状照明を並べた照明スポット２０を作ることができる。
　以上述べてきたように，本発明の一例は，微小欠陥の散乱光を高効率で検出可能な斜方照明斜方検出の光学配置で検査することを特徴とするものである。
  また，本発明の一例は，試料上の二次元領域を照明し，照明領域を二次元に配列した複数の画素で並列検出を行い，実質的に同一箇所から発生した検出信号を蓄積，加算することを特徴とするものである。
  また，本発明の一例は，試料を回転走査し，試料上の実質的に同一箇所の信号を複数の画素で検出し加算するよう，加算する画素の組合せを設定，補正することを特徴とするものである。
　また，本発明の一例は，試料を回転走査し，試料上の実質的に同一箇所の信号を複数の画素で検出し加算するよう，加算画素の組合せを試料上の検出する位置に応じて変化させることを特徴とするものである。
  また，本発明の一例は，前記照明領域を斜方から結像検出する際に，検出系に対する試料面の上下動によって生じる像のボケあるいは像の位置ずれを低減するために，試料面の上下動を計測し，計測値に基づいて検出系あるいは検出系を構成する光学素子の一部を機械的に変位させることを特徴とするものである。
  また，本発明の一例は，前記照明領域を斜方から結像検出する際に，検出系に対する試料面の上下動によって生じる像のボケあるいは像の位置ずれに起因する加算画素のずれを低減するために，試料面の上下動を計測し，計測値に基づいて加算画素の組合せを補正することを特徴とするものである。
  本発明によれば，試料全面を短時間で走査し，微小な欠陥を検出することおよび検出欠陥の寸法を高精度に算出することを実現することができる。
2…光源
3…アッテネータ
4…出射光調整部
5…ビームエキスパンダ
6…偏光制御部
7…照明強度分布制御部
7ｖ…照明強度分布制御部
22…ビームモニタ
23…ビームモニタ
24…照明強度分布モニタ
53…制御部
54…表示部
55…入力部
101…照明部
102…検出部
103…ステージ部
105…信号処理部
120…照明光軸
201…対物レンズ
202…偏光フィルタ
203…結像レンズ
204…複数画素センサ
205…試料面共役面

Claims (14)

  1. 　被検査対象物である試料の表面の領域を所定の照明条件にて照明する照明工程と、
    　該試料を並進および回転させる試料走査工程と、
    　該試料の照明領域から複数の方向に散乱する複数の散乱光のそれぞれを、前記試料走査工程における走査方向および該走査方向と概略直交する方向の各々について複数画素に分割して検出する散乱光検出工程と、
    　前記散乱光検出工程において検出された複数の散乱光のそれぞれについて、該試料の概略同一領域から概略同一方向に散乱した散乱光を加算処理し、該加算処理した散乱光に基づき欠陥の有無を判定し、該判定された欠陥に対応する複数の散乱光のうち少なくとも一の散乱光を用いて該判定された欠陥の寸法を算出する処理工程と、
    を備える欠陥検査方法。
  2. 　請求項１記載の欠陥検査方法であって、
    　さらに、該試料の表面の高さ方向の変位量を計測する試料面変位計測工程を備え、
    　前記散乱光検出工程では、前記試料面変位計測工程において計測された変位量に基づいて散乱光の検出に用いる光学素子の位置または向きを変えることを特徴とする欠陥検査方法。
  3. 　請求項１または２に記載の欠陥検査方法であって、
    　前記処理工程の加算処理では、前記試料面変位計測工程において計測された変位量に基づいて、該試料の概略同一領域から概略同一方向に散乱した散乱光の組合せを補正することを特徴とする欠陥検査方法。
  4. 　請求項１または２に記載の欠陥検査方法であって、
    　前記処理工程の加算処理では、前記試料走査工程において回転される該試料の表面の軌跡の曲率半径に基づいて、該試料の概略同一領域から概略同一方向に散乱した散乱光の組合せを補正することを特徴とする欠陥検査方法。
  5. 　請求項１乃至４のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
    　さらに、前記処理工程において欠陥と判定された該試料の表面上の位置および欠陥の寸法を表示する表示工程を備えることを特徴とする欠陥検査方法。
  6. 　請求項１乃至５のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
    　前記試料走査工程においては、該試料を並進および回転移動することで、該試料の表面を螺旋状に走査することを特徴とする欠陥検査方法。
  7. 　請求項１乃至６のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
    　前記照明条件は、光量、ビーム径、偏光状態および入射角であることを特徴とする欠陥検査方法。
  8. 　被検査対象物である試料の表面の領域を所定の照明条件にて照明する照明手段と、
    　該試料を並進および回転させる試料走査手段と、
    　該試料の照明領域から複数の方向に散乱する複数の散乱光のそれぞれを、前記試料走査手段による走査方向および該走査方向と概略直交する方向の各々について複数画素に分割して検出する散乱光検出手段と、
    　前記散乱光検出手段において検出された複数の散乱光のそれぞれについて、該試料の概略同一領域から概略同一方向に散乱した散乱光を加算処理し、該加算処理した散乱光に基づき欠陥の有無を判定し、該判定された欠陥に対応する複数の散乱光のうち少なくとも一の散乱光を用いて該判定された欠陥の寸法を算出する処理手段と、
    を備える欠陥検査装置。
  9. 　請求項８記載の欠陥検査装置であって、
    　さらに、該試料の表面の高さ方向の変位量を計測する試料面変位計測手段を備え、
    　前記散乱光検出手段では、前記試料面変位計測手段において計測された変位量に基づいて散乱光の検出に用いる光学素子の位置または向きを変えることを特徴とする欠陥検査装置。
  10. 　請求項８または９に記載の欠陥検査装置であって、
    　前記処理手段による加算処理では、前記試料面変位計測手段において計測された変位量に基づいて、該試料の概略同一領域から概略同一方向に散乱した散乱光の組合せを補正することを特徴とする欠陥検査装置。
  11. 　請求項８または９に記載の欠陥検査装置であって、
    　前記処理手段の加算処理では、前記試料走査装置において回転される該試料の表面の軌跡の曲率半径に基づいて、該試料の概略同一領域から概略同一方向に散乱した散乱光の組合せを補正することを特徴とする欠陥検査装置。
  12. 　請求項８乃至１１のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
    　さらに、前記処理手段において欠陥と判定された該試料の表面上の位置および欠陥の寸法を表示する表示手段を備えることを特徴とする欠陥検査装置。
  13. 　請求項８乃至１２のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
    　前記試料走査手段は、該試料を並進および回転移動することで、該試料の表面を螺旋状に走査することを特徴とする欠陥検査装置。
  14. 　請求項８乃至１３のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
    　前記照明条件は、光量、ビーム径、偏光状態および入射角であることを特徴とする欠陥検査装置。
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