WO2021250771A1 - 欠陥検査装置 - Google Patents

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WO2021250771A1
WO2021250771A1 PCT/JP2020/022646 JP2020022646W WO2021250771A1 WO 2021250771 A1 WO2021250771 A1 WO 2021250771A1 JP 2020022646 W JP2020022646 W JP 2020022646W WO 2021250771 A1 WO2021250771 A1 WO 2021250771A1
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英司 有馬
敏文 本田
俊一 松本
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株式会社日立ハイテク
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Definitions

  • the present invention relates to a defect inspection device that detects defects on a sample using light.
  • Patent Document 1 is known as a conventional technique for defect inspection.
  • the full focusing NA of the focusing subsystem is divided into different segments, and the scattered light collected in the different segments is directed to a separate detector.
  • the configuration is described (see paragraph 0020), and as an embodiment thereof, the aperture mirror arranged on the Fourier plane of the focusing subsystem is described as "the aperture mirror is focused in one segment of the focusing NA". It is described as “reflecting the scattered light focused in another segment of the focused NA” (see paragraph 0020) while transmitting the scattered light. Further, “the scattered light in one of the different segments is separated based on the polarized light so as to be a different portion of the scattered light” (see paragraph 0018), and the surface scattering from the wafer surface is suppressed. The technology is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a configuration in which a large number of detection systems having smaller openings are arranged with respect to the "full focusing NA" of the patent document. How to measure the total pulse current generated by the incident of photons on each pixel arranged in a sensor configured by arranging a large number of avalanche photodiode pixels in order to accurately detect a small number of photons from minute defects. It is stated.
  • This sensor is called Si-PM (Silicon Photomultiplier), PPD (Pixelated Photon Detector), Multi-Pixel Photon Counter, or the like.
  • the sample surface is irradiated with line-shaped illumination, and each of the detectors arranged in multiple directions detects the light.
  • the detector has a sensor with pixels arranged in two dimensions, forming an image on the sensor in a direction corresponding to the longitudinal direction of the illumination and magnifying the image in the other direction. It forms an image and combines photon counting detection and imaging detection.
  • Defect inspections used in the manufacturing process of semiconductors, etc. include (1) detecting minute defects, (2) measuring the dimensions of the detected defects with high accuracy, and (3) non-destructively measuring the sample (for example). Inspection (without altering the sample), (4) When the same sample is inspected, for example, substantially constant inspection results can be obtained regarding the number, position, dimensions, and defect types of detected defects, (5). It is required to inspect a large number of samples within a certain period of time.
  • the optical path is branched by using an "aperture mirror" provided with a discrimination surface from the background scattered light on the Fourier plane of the objective lens so that inspection can be realized even for a minute defect of 20 nm or less.
  • the optical path is further branched by using polarized light for each branched optical path.
  • the mirror is inserted at an angle such as 45 degrees with respect to the optical axis when branching by the "aperture mirror" provided on the Fourier plane, so it depends on the position where the light hits the mirror. The optical distance will fluctuate.
  • an "aperture mirror” arranged so as to be in the Fourier plane position at the position of the center of the optical axis of the mirror deviates from the Fourier plane as the distance from the optical axis increases. Further, performing polarization separation for each of the branched optical paths causes the optical path branching to become complicated and the difficulty of adjustment to increase.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and while enabling image formation detection from a direction not orthogonal to the longitudinal direction of illumination, imaging due to displacement of the sample surface in the Z direction is possible. It is an object of the present invention to provide a defect inspection apparatus capable of correcting a misalignment.
  • the defect inspection apparatus is configured to determine which lens of the lens array the scattered light is incident on according to the detection elevation angle of the scattered light from the sample, and the scattered light having a low elevation angle.
  • the image position of is corrected to be larger than the image position of scattered light with a high elevation angle.
  • the optical dividing means at the pupil position (or the position where the pupil is relayed or its vicinity) of the light collecting means divides the optical path, whereby the light collecting means of the first stage is used.
  • An image of the numerical aperture, which is relatively smaller than the numerical aperture, is formed in the photoelectric conversion unit.
  • FIG. 1 The schematic diagram of the cross section of the incident surface (the surface including the illumination optical axis and the sample surface normal) of the oblique incident illumination is shown.
  • the schematic diagram of the cross section of the plane including the sample surface normal and perpendicular to the incident plane of the oblique incident illumination is shown.
  • FIG. 2 a configuration in which the illumination intensity distribution control unit 7 is installed so as to be parallel to the surface of the sample 1 is shown.
  • the schematic diagram of the cross section of the incident surface (the surface including the illumination optical axis and the normal of the surface of the sample 1) of the oblique incident illumination is shown.
  • a schematic view of a cross section of a surface including the normal of the surface of the sample 1 and perpendicular to the incident surface of the oblique incident illumination is shown.
  • a configuration example of the illumination intensity distribution control unit 7 is shown. It is a figure explaining the illuminance distribution shape (illumination spot 20) formed on the sample surface by the illumination unit 101, and the sample scanning method. It is a figure explaining the illuminance distribution shape (illumination spot 20) formed on the sample surface by the illumination unit 101, and the sample scanning method.
  • the side view of the arrangement of the detection part 102 is shown.
  • the plan view of the arrangement of the low angle detection part 102l is shown.
  • the plan view of the arrangement of the high angle detection part 102h is shown.
  • a specific configuration example of the detection unit 102 is shown.
  • Another configuration example of the image forming unit 102-A1 is shown.
  • the intensity profile of the image of a sphere of small size is shown.
  • the intensity profile of the image of a sphere of small size is shown. It is a figure explaining the magnification error of each image.
  • the intensity profile of the image of the tiny sphere in W is shown.
  • the intensity profile of the image of the tiny sphere in W is shown.
  • the intensity profile of the image of the tiny sphere in W is shown. It is a figure explaining the relationship between a condenser lens 1025 and a lens array 1028.
  • the schematic diagram of the illumination spot 20 on the sample W is shown.
  • the image formation relationship from the lens array 1028 to the photoelectric conversion unit 103 is shown.
  • the signal processing unit 105 when the illumination spot 20 is divided into Wa to Wh is shown. It is a figure explaining the displacement in the height direction of a sample surface, and the displacement of an image formation position. It is a figure explaining the displacement in the height direction of a sample surface, and the displacement of an image formation position. It is a figure explaining the displacement in the height direction of a sample surface, and the displacement of an image formation position. It is a figure explaining the displacement in the height direction of a sample surface, and the displacement of an image formation position. It is a figure explaining the displacement in the height direction of a sample surface, and the displacement of an image formation position.
  • FIG. 1 A configuration example in the case of grouping the photoelectric conversion unit 103 is shown. An example of the configuration when the photoelectric conversion unit 103 is not grouped is shown. An example of observing the observation surface without Z displacement of the sample surface is shown.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a defect detection device 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the defect detection device 10 can mount the illumination unit 101, the detection unit 102, the photoelectric conversion unit 103, and the sample W, and moves in the vertical direction with respect to the sample W by an actuator, rotates in the plane of the sample W, and the surface of the sample W. It has a stage 104 that can move in a parallel direction, a signal processing unit 105, a control unit 53, a display unit 54, and an input unit 55.
  • the illumination unit 101 appropriately includes a laser light source 2, an attenuator 3, an emission light adjustment unit 4, a beam expander 5, a polarization control unit 6, and an illumination intensity distribution control unit 7.
  • the laser beam emitted from the laser light source 2 is adjusted to a desired beam intensity by the attenuator 3, a desired beam position and a beam traveling direction by the emitted light adjusting unit 4, and a desired beam diameter by the beam expander 5.
  • the polarization control unit 6 adjusts to a desired polarization state
  • the illumination intensity distribution control unit 7 adjusts to a desired intensity distribution
  • the inspection target area of the sample W is illuminated.
  • the angle of incidence of the illumination light on the sample surface is determined by the position and angle of the reflection mirror of the emission 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 incident angle of the illumination light is preferably set to 75 degrees or more (elevation angle 15 degrees or less).
  • the incident angle of the illumination light Is preferably set to 60 degrees or more and 75 degrees or less (elevation angle of 15 degrees or more and 30 degrees or less). Further, when obliquely incident illumination is performed, the polarization of the illumination is changed to P-polarized light by the polarization control in the polarization control unit 6 of the illumination unit 101, so that the scattered light from the defect on the sample surface is generated as compared with other polarized light. To increase.
  • the polarized light of the illumination is S-polarized light, so that the scattered light from the minute irregularities on the sample surface is compared with other polarized light. Decrease.
  • the illumination optical path is changed and substantially perpendicular to the sample surface.
  • Illumination light is emitted from any direction (vertical lighting).
  • the illumination intensity distribution on the sample surface is controlled by the illumination intensity distribution control unit 7v in the same manner as oblique incident illumination.
  • the beam splitter By inserting the beam splitter at the same position as the mirror 21, it is possible to obtain substantially scattered light from oblique incident illumination and concave defects (polishing scratches and crystal defects in the crystal material) on the sample surface on the sample surface.
  • Vertical lighting that is vertically incident is suitable.
  • the laser light source 2 oscillates and outputs a short wavelength (wavelength 355 nm or less) ultraviolet or vacuum ultraviolet laser beam as a wavelength that is difficult to penetrate into the sample.
  • a high output of 2 W or more is used.
  • the emitted beam diameter is about 1 mm.
  • a wavelength that oscillates a visible or infrared laser beam is used as a wavelength that easily penetrates inside the sample.
  • the attenuator 3 appropriately includes a first polarizing plate, a 1/2 wavelength plate that can rotate 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 an arbitrary direction according to the slow axis azimuth angle of the 1/2 wave plate, and the light passes through the second polarizing plate. ..
  • the azimuth angle of the 1/2 wave plate By controlling the azimuth angle of the 1/2 wave plate, the light intensity is dimmed at an arbitrary ratio.
  • the first polarizing plate is not always necessary.
  • the attenuator 3 uses a pre-calibrated relationship between the input signal and the dimming rate.
  • an ND filter having a gradation density distribution can be used, or ND filters having a plurality of different densities can be switched and used 2.
  • the emitted light adjusting unit 4 includes a plurality of reflecting mirrors.
  • a three-dimensional Cartesian coordinate system (XYZ coordinates) is tentatively defined, and it is assumed that the incident light on the reflection mirror is traveling in the + X direction.
  • the first reflection mirror is installed so as to deflect the incident light in the + Y direction (incident / reflection in the XY plane), and the second reflection mirror is installed so as to deflect the light reflected by the first reflection mirror in the + Z direction. (Incident / reflection in the YZ plane).
  • the position and traveling direction (angle) of the light emitted from the emitted light adjusting unit 4 are adjusted by the translation mirror and the tilt angle adjustment of each reflection mirror.
  • the incident / reflecting surface (XY surface) of the first reflecting mirror and the incident / reflecting surface (YZ surface) of the second reflecting mirror so as to be orthogonal to each other, the light is emitted from the emitted light adjusting unit 4.
  • the position and angle adjustment of light (traveling in the + Z direction) in the XZ plane and the position and angle adjustment in the YZ plane can be independently performed.
  • the beam expander 5 has two or more lens groups and has a function of expanding the diameter of the incident parallel luminous flux.
  • a Galileo-type beam expander equipped with a combination of a concave lens and a convex lens is used.
  • the beam expander 5 is installed on a translational stage having two or more axes, and its position can be adjusted so that the center coincides with a predetermined beam position. Further, a tilt angle adjusting function for the entire beam expander 5 is provided so that the optical axis of the beam expander 5 and the predetermined beam optical axis coincide with each other. By adjusting the distance between the lenses, it is possible to control the magnification of the luminous flux diameter (zoom mechanism).
  • the diameter of the luminous flux is expanded and collimated (quasi-parallel light flux) is simultaneously performed by adjusting the distance between the lenses.
  • the collimating of the luminous flux may be performed by installing a collimating lens independently of the beam expander 5 upstream of the beam expander 5.
  • the magnification of the beam diameter by the beam expander 5 is about 5 to 10 times, and the beam having a beam diameter of 1 mm emitted from the light source is expanded to about 5 mm to 10 mm.
  • the polarization control unit 6 is composed of a 1/2 wave plate and a 1/4 wave plate, and controls the polarization state of the illumination light to an arbitrary polarization state.
  • the beam monitor 22 measures the state of the light incident on the beam expander 5 and the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7.
  • FIGS. 2 to 6 show a schematic diagram of the positional relationship between the illumination optical axis 120 guided from the illumination unit 101 to the sample surface and the illumination intensity distribution shape.
  • the configuration of the illumination unit 101 in FIGS. 2 to 6 shows a part of the configuration of the illumination unit 101, and the emission light adjustment unit 4, the mirror 21, the beam monitor 22, and the like are omitted.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of an incident surface (a surface including an illumination optical axis and a sample surface normal) of obliquely incident illumination.
  • the oblique incidence illumination is tilted with respect to the sample surface in 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 4 mm in order to inspect a wide area per unit time.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section of a surface including the sample surface normal and perpendicular to the incident surface of the oblique incident illumination.
  • the illumination intensity distribution on the sample surface forms an illumination intensity distribution in which the peripheral intensity is weak with respect to the center. More specifically, the Gaussian distribution that reflects the intensity distribution of the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7, or the first-class first-order Bessel function or sinc function that reflects the opening shape of the illumination intensity distribution control unit 7.
  • the intensity distribution is similar to.
  • the length of the illumination intensity distribution in this plane (the length of the region having the illumination intensity of 13.5% or more of the maximum illumination intensity) is the illumination in the incident surface in order to reduce the haze generated from the sample surface.
  • the illumination intensity distribution control unit 7 includes optical elements such as an aspherical lens, a diffractive optical element, a cylindrical lens array, and a light pipe, which will be described later. As shown in FIGS. 2 and 3, the optical elements constituting the illumination intensity distribution control unit 7 are installed perpendicular to the illumination optical axis.
  • FIG. 4 shows a configuration in which the illumination intensity distribution control unit 7 is installed so as to be parallel to the surface of the sample 1 with respect to the configuration shown in FIG. In this case, the illumination intensity distribution control unit 7 is installed at an angle with respect to the illumination optical axis 120.
  • the configuration shown in FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of an incident surface (a surface including an illumination optical axis and a normal of the surface of the sample 1) of oblique incident illumination.
  • the oblique incident illumination is inclined with respect to the surface of the sample 1 in the incident plane.
  • the illumination intensity distribution on the surface of the sample 1 forms an illumination intensity distribution in which the peripheral intensity is weak with respect to the center.
  • the configuration shown in FIG. 6 shows a schematic view of a cross section of a surface including the normal of the surface of the sample 1 and perpendicular to the incident surface of the oblique incident illumination. A substantially uniform illumination intensity distribution is created in the plane of incidence.
  • FIG. 7 shows a configuration example of the illumination intensity distribution control unit 7.
  • the illumination intensity distribution control unit 7 includes an optical element that affects 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 has a fine undulating shape having dimensions equal to or less than the wavelength of light formed on the surface of a substrate made of a material that transmits incident light. Fused quartz is used for ultraviolet light as a material that transmits incident light. 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.
  • a lithography method is used to form the fine undulating shape.
  • the diffractive optical element 71 By passing the light that has become quasi-parallel light after passing through the beam expander 5 through the diffractive optical element 71, an illumination intensity distribution on the sample surface corresponding to the undulating shape of the diffractive optical element 71 is formed.
  • the 71 undulating shape of the diffractive optical element is designed to be a shape obtained based on a calculation using Fourier optical theory so that the illumination intensity distribution formed on the sample surface has a long and uniform distribution in the incident surface. , Will be manufactured.
  • the optical element provided in the illumination intensity distribution control unit 7 is provided with a translational adjustment mechanism having two or more axes and a rotation adjusting 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. .. Further, a focus adjustment mechanism is provided by moving in the optical axis direction.
  • a aspherical lens, a combination of a cylindrical lens array and a cylindrical lens, or a combination of a light pipe and an imaging lens may be used.
  • the illumination intensity distribution control unit 7 has a spherical lens, and the beam expander 5 forms a long elliptical beam in one direction, or the illumination intensity distribution control unit 7 is used. It is formed by being composed of a plurality of lenses including a cylindrical lens.
  • a part or all of the spherical lens or the cylindrical lens included in the illumination intensity distribution control unit 7 is installed parallel to the sample surface, so that it is long in one direction on the sample surface and narrow in the direction perpendicular to it.
  • a lighting intensity distribution is formed.
  • the variation in the illumination intensity distribution on the sample surface due to the variation in the state of the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7 is small, the illumination intensity distribution is highly stable, and the illumination is high.
  • a diffractive optical element, a microlens array, or the like is used for the intensity distribution control unit 7, there is a feature that the light transmittance is high and the efficiency is high.
  • the state of the illumination light in the illumination unit 101 is measured by the beam monitor 22.
  • the beam monitor 22 measures and outputs the position and angle (traveling direction) of the illumination light that has passed through the emission light adjustment unit 4, or the position and wavefront of the illumination light that is incident on the illumination intensity distribution control unit 7.
  • the position measurement of the illumination light is performed 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 measurement of the illumination light is performed by an optical position sensor or an image sensor installed at a position far from the light source from the position measuring means or at a condensing position by a collimating lens.
  • the illumination light position and illumination light angle detected by the sensor are input to the control unit 53 and displayed on the display unit 54.
  • the emitted light adjusting unit 4 adjusts the position or angle so as to return to the predetermined position.
  • the wavefront measurement of the illumination light is performed to measure the parallelism of the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7.
  • the lens group of the beam expander 5 in the previous stage is displaced in the optical axis direction. , Can be approached to quasi-parallel light.
  • the spatial light phase which is a kind of spatial light modulation element (SLM: Spatial Light Modulator).
  • the wavefront accuracy measuring / adjusting means By inserting a modulation element in the front stage of the illumination intensity distribution control unit 7 and giving an appropriate phase difference for each position of the light beam cross section so that the wave surface becomes flat, the wave surface becomes flat, that is, the illumination light becomes quasi-parallel light. You can get closer.
  • the wavefront accuracy (deviation from a predetermined wavefront (design value or initial state)) of the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7 is 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 on the sample surface adjusted by the illumination intensity distribution control unit 7v is similarly measured by the illumination intensity distribution monitor 24.
  • the illumination intensity distribution monitor 24 forms an image of a 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 position of the center of gravity of the intensity, the maximum intensity, the maximum intensity position, the width and length of the illumination intensity distribution (predetermined intensity or more or maximum intensity).
  • the width, length, etc. of the illumination intensity distribution region that is equal to or greater than a predetermined ratio with respect to the value are calculated and displayed on the display unit 54 together with the contour shape, cross-sectional waveform, and the like of the illumination intensity distribution.
  • the height displacement of the sample surface causes displacement of the position of the illumination intensity distribution and disturbance of the illumination intensity distribution due to defocus.
  • the height of the sample surface is measured, and if the height deviates, the deviation is corrected by adjusting the height by the illumination intensity distribution control unit 7 or the Z axis of the stage 104.
  • the stage 104 includes a translational stage, a rotation stage, and a Z stage for adjusting the height of the sample surface (none of which is shown).
  • the illumination spot 20 has a long illumination intensity distribution in one direction, the direction is S2, and the direction substantially orthogonal to S2 is S1.
  • the rotational motion of the rotary stage scans the circle in the circumferential direction S1 about the rotation axis of the rotary stage, and the translational motion of the translational stage scans it in the translational direction S2 of the translational stage.
  • the illuminated spot While the sample is rotated once by scanning in the scanning direction S1, the illuminated spot has a spiral locus T on the sample W by scanning in the scanning direction S2 for a distance equal to or less than the longitudinal length of the illuminated spot 20. Draw and scan the entire surface of sample 1.
  • FIGS. 10 to 12 are diagrams illustrating an example of arrangement of the detection unit 102 with respect to the sample W and the illumination spot 20.
  • a plurality of detection units 102 are arranged so as to detect scattered light in a plurality of directions emitted from the illumination spot 20.
  • FIG. 10 shows a side view of the arrangement of the detection unit 102.
  • the angle formed by the detection direction (center direction of the detection opening) by the detection unit 102 with respect to the normal of the sample W is defined as the 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 is composed of a plurality of detection units so as to cover the scattered light scattered in multiple directions at each detection zenith angle.
  • FIG. 11 shows a plan view of the arrangement of the low angle detection unit 102l.
  • the angle formed by the traveling direction and the detection direction of the oblique incident illumination in the plane parallel to the surface of the sample W is defined as the detection azimuth angle.
  • the low angle detection unit 102l includes a low angle front detection unit 102 lf, a low angle side detection unit 102 lf', a low angle rear detection unit 102 lb, and a low angle side detection unit 102 lb'.
  • the low angle front detection unit 102lf has a detection azimuth of 0 degrees or more and 90 degrees or less
  • the low angle side detection unit 102lf' has a detection azimuth of 90 degrees or more and 180 degrees or less
  • the low angle rear detection unit 102lb has a detection azimuth angle. Is 270 degrees or more and 360 degrees or less
  • the low angle lateral detection unit 102lb' is installed at a detection azimuth of 180 degrees or more and 270 degrees or less.
  • FIG. 12 shows a plan view of the arrangement of the high angle detection unit 102h.
  • the high-angle detection unit 102h appropriately 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.
  • the high angle forward detection unit 102hf is installed at a detection azimuth angle of 45 degrees or more and 135 degrees or less
  • the high angle side detection unit 102hs' is installed at a detection azimuth angle of 135 degrees or more and 225 degrees or less.
  • FIG. 13A shows a specific configuration example of the detection unit 102.
  • the scattered light generated from the illumination spot 20 is collected by the objective lens 1021 and the polarization direction is controlled by the polarization control filter 1022.
  • the polarization control filter 1022 for example, a 1/2 wave plate whose rotation angle can be controlled by a drive mechanism such as a motor is applied.
  • the detection NA of the objective lens 1021 is preferably 0.3 or more.
  • the lower end of the objective lens 1021 is cut out as necessary so that the lower end of the objective lens 1021 does not interfere with the sample surface W.
  • the imaging lens of 1023 forms an image of the illumination spot 20 at the position of the aperture 1024.
  • the aperture 1024 is an aperture set so as to pass only the light in the region detected by the photoelectric conversion unit 103 in the image formed by the illumination spot 20.
  • the aperture 1024 passes only the central portion of the Gaussian distribution where the light amount is strong in the S2 direction, and shields the region where the light amount is weak at the beam end.
  • the size is about the same as the image formed by the illumination spot 20, and disturbances such as air scattering generated when the illumination passes through the air are suppressed.
  • Reference numeral 1025 is a condenser lens, which refocuses the image of the imaged aperture 1024.
  • Reference numeral 1026 is a polarization beam splitter, and the light whose polarization direction is converted by the polarization control filter 1022 is separated by the polarization direction.
  • Reference numeral 1027 is a diffuser, which absorbs light in the polarization direction that is not used for detection by the photoelectric conversion unit 103.
  • Reference numeral 1028 is a lens array, and as many images of the illumination spots 20 as the number of arrays are formed on the photoelectric conversion unit 103.
  • the photoelectric conversion unit 103 detects only the light in a specific polarization direction among the light collected by 1021 by the combination of the 1/2 wave plate and the polarizing beam splitter 1026, but as an alternative.
  • a polarizing control filter 1022 as a wire grid polarizing plate having a transmittance of 80% or more, and to extract only light in a desired polarization direction without using a polarizing beam splitter 1026 and a diffuser 1027.
  • FIG. 13B shows another configuration example of the imaging unit 102-A1.
  • a plurality of images are formed on the photoelectric conversion unit 103 by one lens array 1028, but in FIG. 13B, images are formed using three lens arrays of 1028a, 1028b, and 1028c and one cylindrical lens.
  • 1028a and 1028b are lens arrays for magnification adjustment
  • 1028c is a lens array for imaging.
  • the magnification referred to here is an optical magnification, and can be obtained from the spread of the intensity distribution and the peak position formed on the photoelectric conversion unit in FIG. 14B, which will be described later.
  • the 1028a and 1028b are Keplerian type magnification adjustment mechanisms.
  • 13C and 13D show the intensity profile of an image of a tiny sphere.
  • 10424a to 10424c and 10426a to 10426c are image formation positions in the photoelectric conversion unit 10424, respectively. It can be seen that these image formation positions are the same.
  • the Kepler type is used here, other adjustment mechanisms, for example, a Galilean type magnification adjustment mechanism, may be used without limitation.
  • FIG. 13E is a diagram illustrating a magnification error of each image.
  • a magnification error occurs in each image formed by the lens array 1028.
  • ⁇ 1 be the angle formed by the light ray incident on the objective lens 1021 and the optical axis.
  • the angle formed by the sample W and the axis perpendicular to the optical axis is set to ⁇ 2.
  • ⁇ 1 passes through the center of one of the lenses constituting the lens array 1028 placed at the position where the pupil of 1021 is relayed.
  • the angle formed by this light ray and the sample surface is expressed by the following equation when expressed by ⁇ 3.
  • the image formed at the positions 10421 to 10423 of the light receiving surface of 103 has a size proportional to sin ⁇ 3 (i) calculated from the direction ⁇ 1 (i) of the main ray incident on the lens i of 1028 forming the image. ..
  • FIGS. 13F to 13H show the intensity profile of the image of a sphere of a minute size in W.
  • 13F is a profile of an image formed in 10421
  • FIG. 13G is a profile of 10422
  • FIG. 13H is a profile of an image formed in 10423.
  • 10421a to 10421c correspond to 1041a to 1041c in this order
  • 10422a to 10422c correspond to 1041a to 1041c in this order
  • 10423a to 10423c correspond to 1041a to 1041c in this order, respectively.
  • the 1025 condenser lens has a large numerical aperture, which is usually the same as the numerical aperture of the objective lens 1021.
  • a condenser lens with a large numerical aperture collects light scattered in various directions, which results in a shallow depth of focus.
  • s2 which is the longitudinal direction of illumination
  • the optical axis of the objective lens 1021 are arranged so as not to be orthogonal to each other, the optical distance changes between the center of the field of view and the edge of the field of view, and the image formed on the photoelectric conversion unit 103 is out of focus. It will occur. As shown in FIG.
  • the lens array 1028 is the pupil position of the condenser lens 1025, in other words, the relayed pupil position of the objective lens 1021, or in other words, the rear side of the condenser lens 1025. Placed in the focal position.
  • the condenser lens 1025 is set to have a size equivalent to that of the pupil diameter so that all the light incident on the aperture diameter of the objective lens 1021 can ideally be imaged.
  • FIG. 13I is a diagram illustrating the relationship between the condenser lens 1025 and the lens array 1028.
  • Light having a similar incident direction to the condenser lens 1025 is distributed in close proximity at the position of the lens array 1028.
  • the lens array 1028 is placed at this position, it is equivalent to a smaller numerical aperture, and the depth of focus can be expanded. In this way, it is divided so that the numerical aperture is small, and an image corresponding to each is formed on the photoelectric conversion surface to form an image without defocus, and fine defects are resolved.
  • FIG. 14A shows a schematic diagram of the illumination spot 20 on the sample W.
  • the illumination spot 20 extends long in the S2 direction of FIG. W0 indicates a defect to be detected.
  • the objective lens 1021 is placed in a direction in which its optical axis is not orthogonal to the S2 direction.
  • the photoelectric conversion unit 103 divides the illumination spot into Wa to Wd and detects it. Although it is divided into four parts here, the present invention is not limited to this number, and the present invention can be embodied by setting the number of divisions to any integer.
  • FIG. 14B shows the imaging relationship from the lens array 1028 to the photoelectric conversion unit 103.
  • the scattered light from the defect W0 to be detected is collected by the objective lens 1021 and guided to photoelectric conversion.
  • the lens array 1028 is a cylindrical lens that forms an image in only one direction. Pixel blocks 1031, 1032, 1033, and 1034 corresponding to the number of lens arrays of 1028 are formed in the photoelectric conversion unit 103. Since the aperture 1024 shields the region where the amount of light is weak and does not undergo photoelectric conversion from light, the pixel blocks 1031 to 1034 can be formed in close proximity to each other.
  • the lens array 1028 is placed in a position where the pupil of the objective lens is relayed. Since the image is formed for each divided pupil region, the image formed by the lens array 1028 has a narrowed aperture, and the depth of focus is expanded. This enables image formation detection from a direction not orthogonal to S2.
  • a photoelectric element is formed two-dimensionally in each pixel block.
  • 1031a to 1031d are pixel groups formed in the pixel block of the pixel block 1031, and each of them forms an image of light from the divisions of Wa to Wd at the illumination spot position.
  • 1031a1 to 1031aN are pixels belonging to 1031a, and each pixel outputs a predetermined current when a photon is incident.
  • the outputs of the pixels belonging to the same pixel group are electrically connected, and one pixel group outputs the total current output of the pixels belonging to the pixel group.
  • 1032 to 1034 also output signals corresponding to Wa to Wd.
  • the outputs corresponding to the same section from the separate pixel groups are electrically connected, and the photoelectric conversion unit 103 outputs a signal corresponding to the number of photons detected from each section of Wa to Wd. do.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the arrangement of the detection system.
  • the detection system is arranged so that the long axis direction and the direction of S2'of the image of the illumination spot 20 formed by the photoelectric conversion unit 103 coincide with each other.
  • S1 and S2 are defined as shown in FIG. 8, the vector in the length direction of the illumination spot is expressed by the equation (2).
  • the optical axis passing through the center of the objective lens 1021 is defined as an angle of ⁇ with respect to the vertical direction Z of the sample W and ⁇ with respect to S2, the vector representing this optical axis is expressed by Eq. (3).
  • the two-dimensional plane excluding the objective lens 1021 optical axis is separated into two, a vector TM having a component in the Z direction and a vector TE not having a component in the Z direction.
  • S2'in FIG. 15 is set in the direction rotated by the angle represented by the equation (7) from the vector having no Z-direction component represented by the equation (6).
  • S1 ′′ is set so as to be orthogonal to this. 1028 and 103 are arranged in this way.
  • the interval that can be resolved in the S2 direction is expressed by the following formula based on the size of the Airy disk.
  • M is typically set so as to satisfy the following conditions.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an internal circuit of the photoelectric conversion unit 103.
  • FIG. 14A has described the photoelectric conversion means that outputs the output corresponding to the four compartments corresponding to Wa to Wd
  • FIG. 16 describes an example in which the photoelectric conversion means is expanded by eight compartments.
  • Eight pixel groups are formed in each of the pixel blocks 1031 to 1034.
  • 1031a to 1031h are formed in 1031, and 1032 to 1034 are similarly formed in each group.
  • 1031a5 is the fifth pixel of 1031a, and an avalanche photodiode operating in Geiger mode is connected to the signal line of 1035-1a via a quenching resistor of 1031a5q.
  • 1035-2a is a signal line to which the pixels of the pixel group of 1032a are connected.
  • all the pixel groups are provided with a signal line to which the pixels belonging to the pixel group are electrically connected.
  • 1031a, 1032a ... 1034a respectively, connect their respective signal lines to 1035-a at 1036-1a to 1036-4a. This signal is connected by the pad of 1036-a and transmitted to the signal processing unit 105.
  • the pixels belonging to 1031b to 1034b are connected to the signal line of 1035-b, connected by the pad of 1036-b, and transmitted to 105.
  • FIG. 17 shows the equivalent circuit of FIG. N pixels belonging to the pixel group 1031a in the pixel block 1031, 1031a1, 1031a2 ... 1031aN are an avalanche photodiode and a quenching resistor connected to the avalanche photodiode.
  • a reverse voltage VR is applied to all avalanche photodiodes formed in 103 so that they operate in Geiger mode.
  • a photon is incident, a current flows through the avalanche photodiode, but the reverse bias voltage drops due to the paired quenching resistor, and the diode is electrically cut off again. In this way, a constant current flows each time a photon is incident.
  • N pixels belonging to the pixel group 1034a in the pixel block 1034, 1034a1 to 1034aN are also Geiger mode avalanche photodiodes and quenching resistors coupled to them. All pixels belonging to the pixel groups 1031a and 1034a correspond to the reflected or scattered light from the region Wa in the sample W. All of these signals are electrically coupled and connected to the current-voltage converter 103a. 103a outputs a signal 500-a converted into a voltage.
  • the pixels belonging to the pixel group 1031b of the pixel block 1031, 1031b1 to 1031bN, and the pixels belonging to the pixel group 1034b of the pixel block 1034, 1034b1 to 1034bN correspond to the light from the sample surface Wb, and their outputs are output.
  • 103b outputs a voltage signal 500-b. In this way, the signal corresponding to all the divided regions of the illumination spot 20 is output.
  • FIG. 18 shows a signal processing unit 105 when the illumination spot 20 is divided into Wa to Wh.
  • 105-lf is a block that processes signals 500a-lf to 500h-lf that have been photoelectrically converted with respect to the light detected by the low-angle forward detection unit 102-lf.
  • the 105-hb is a block that processes 500a-hb to 500h-hb, which are signals obtained by photoelectrically converting the light detected by the high-angle rear detection unit 102-hb.
  • a block for processing the output signal is provided corresponding to each signal output by each photoelectric conversion unit.
  • 1051a to 1051h are high frequency passing filters.
  • the output of the high-frequency pass filter is accumulated in the signal synthesis unit 1053 for a plurality of rotations of the rotation stage, and the array-shaped stream signal synthesized by adding the signals acquired at the same position on the sample W is output as 1055-lf.
  • 1052a to 1052h are low frequency passing filters. Similar to 1053, the signal synthesizing unit 1054 outputs an array-shaped stream signal 1056-lf obtained by adding and synthesizing signals acquired at the same position.
  • Reference numeral 1057 is a defect detection unit, which performs threshold processing after linearly adding a signal subjected to a high frequency pass filter to signals output by a plurality of photoelectric conversion units.
  • Reference numeral 1058 is a low-frequency signal integration unit that integrates low-frequency pass-filtered signals. The output of 1058 is input to 1057 and is used in determining the threshold. It is typically estimated that noise increases in proportion to the square root of the 1058 output.
  • a threshold value proportional to the square root of the 1058 signal is given, and the 1057 signal exceeding this is extracted as a defect. do.
  • the defect detected by 1057 is output to the control unit 53 together with the signal strength and the detection coordinates at W.
  • the signal strength detected by 1058 is also transmitted to the control unit 53 as roughness information of the sample surface, and is output to the display unit 54 or the like to the user who operates the device.
  • ⁇ Embodiment 1 Image shift due to displacement of the sample surface>
  • the height displacement of the sample surface causes displacement of the position of the illumination intensity distribution and disturbance of the illumination intensity distribution due to defocus.
  • the height of the sample surface is measured, and if the height deviates, the deviation is corrected by adjusting the height by the illumination intensity distribution control unit 7 or the Z axis of the stage 104.
  • the height of the sample surface in the Z-axis direction is displaced by several tens to several hundreds of ⁇ m at a frequency of several tens to several hundreds of Hz.
  • Causes of displacement include displacement of the rotating shaft and vibration of the stage.
  • Due to the Z-axis displacement of the sample surface the position of the image formed on the sensor surface is displaced.
  • the amount of deviation of the image formation position of each image whose Z-axis displacement is divided is proportional to ⁇ u shown in the equation (12), and is different for each detected elevation angle ⁇ 1 (i). The smaller ⁇ 1 (i) is, that is, the lower the elevation angle is in the detection direction, the larger the imaging position shift becomes.
  • 19 to 23 are diagrams for explaining the displacement in the height direction of the sample surface and the displacement of the image formation position.
  • the image of 1041d is 10426d in FIG. 20 in the divided image 10426 having a small detection elevation angle.
  • 1041d is imaged at 10426e in FIG.
  • the horizontal axis of each graph is the position of the sensor surface.
  • the image formation positions on the sensor surfaces of the 10426d and 10426e are significantly different.
  • the image formation of 1041d is 10427d in FIG.
  • FIG. 24 is a functional block diagram illustrating the details of the signal processing unit 105.
  • the sample height detection unit 106 (for example, an optical sensor) detects the Z-axis displacement of the detection area on the sample surface in real time and stores it in the memory 241.
  • the image formation position calculation unit 242 calculates the deviation of the image formation position from the Z-axis displacement of the detection area. The deviation of the image formation position is obtained from the Z displacement from the equation (12).
  • the detection units 102 lf, 102 lb, 102 lf', and 102 lb'shown in FIG. 11 the imaging in the direction with a small detection elevation angle and the signal in the direction with a large detection elevation angle are divided into two or more groups and photoelectric.
  • the photoelectric conversion unit 103 has the configuration as shown in FIG. 28, and can output the signals of each image formation independently.
  • the image formation position correction unit 243 corrects the image formation position deviation of a signal having a large image formation position deviation (that is, a group containing many divided images with a small detection elevation angle), and the signal integration unit 244 integrates the images of all the groups. do.
  • the correction amount of the image formation position deviation of each group the average value of the image formation position deviation of the divided images included in each group calculated by the equation (12) is used.
  • all signals are corrected by the image formation position correction unit 243 and integrated by the signal integration unit 244 without grouping.
  • it has a plurality of detection units like the detection units 102l and 102h shown in FIG. 10, when the detection elevation angle ⁇ 1 (i) is the same in the divided image of each detection unit 102, the image formation position shift with respect to the Z-axis displacement of the sample surface. Are equal. Therefore, it is also possible to divide the signals of the detection units 102l and 102h into groups according to the signals having a close detection elevation angle, and to add currents to the signals having a similar amount of positional deviation. This prevents a decrease in sensitivity due to a shift in the image formation position.
  • the mechanism of FIG. 24 can operate in real time at a frequency of several tens to several hundreds of Hz during the inspection, and prevents the sensitivity of the Z-axis displacement from being lowered due to the inspection.
  • each photoelectric conversion unit (1031 to 1034) By correcting the image formation position deviation of each photoelectric conversion unit (1031 to 1034) with the above correction mechanism, as shown in FIG. 30, when the regions a to h are observation surfaces without Z displacement of the sample surface.
  • the field edge z and i are also detected at the same time as in the integrated signal 2441.
  • the signals of the visual field ends z and i are in the scanning direction shown in FIG. 9, the same coordinates as the visual field ends z and i can be integrated by the signal processing unit 105.
  • the signal integration unit 244 can also operate as follows.
  • the signal integration unit 244 groups scattered light whose detection elevation angles are close to each other (the difference between them is within a predetermined range) to form one or more scattered light groups.
  • the signal integration unit 244 first integrates the images of the members in the group for each group to generate the same number of temporary integrated images as the number of groups.
  • the image formation position correction unit 243 corrects the image formation position for each provisionally integrated image (that is, a group).
  • the signal integration unit 244 generates a final integrated image by reintegrating each provisionally integrated image after correcting the image formation position.
  • the defect detection device 10 is configured such that the scattered light having an incident angle close to that of the condenser lens 1025 is incident on substantially the same position on the lens array 1028, and the scattered light is incident on the lens array 1028. For those with a large detection elevation angle, the image position shift is corrected more. As a result, even a minute defect can be detected with high accuracy, and the image shift caused by the displacement of the sample surface in the Z direction can be accurately corrected.
  • FIG. 25 is a block diagram of the defect detection device 10 according to the second embodiment of the present invention.
  • the signal processing unit 105 corrects the image position shift, but in the second embodiment, the image position shift is corrected by adjusting the position of the optical element of the detection optical system.
  • Other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • a mechanism for adjusting the position along the optical axis direction is attached to any one or more of the objective lens 1021, the relay lenses 1023 and 1025, and the lens array 1028 as shown in FIG. 25.
  • the adjusting mechanism for example, a micrometer equipped with a piezo motor can be used.
  • FIG. 26 is a functional block diagram illustrating the details of the signal processing unit.
  • the adjustment amount calculation unit 261 calculates the adjustment distance in the optical axis direction from the Z-axis displacement of the sample surface stored in the memory 241.
  • the detection system adjustment control unit 262 is a part of the detection unit 102 (one or more of them).
  • Optical element is adjusted in the direction of the optical axis.
  • Which optical element position to adjust can be determined as follows.
  • the operation of the composite lens when the optical system from the objective lens 1021 to the lens array 1028 is regarded as a composite lens can be calculated. Therefore, when the position of any of the optical elements is moved, the operation of the synthetic lens caused by the movement can also be calculated.
  • the adjustment amount calculation unit 261 calculates, for example, the operation of the synthetic lens when one or more of the optical elements from the objective lens 1021 to the photoelectric conversion unit 103 are selected and their positions are moved. The image position shift can be calculated.
  • the adjustment amount calculation unit 261 can determine the optical element to be adjusted and the position movement amount thereof by searching for a combination of the optical element and the position adjustment amount that minimizes each image position deviation.
  • the search may be performed randomly, or a search algorithm based on an appropriate evaluation function may be used.
  • the optical element to be prioritized for position adjustment is determined in advance (for example, priority is given to an optical element having a smaller size), the position may be adjusted in order from that optical element.
  • the signal processing unit 105 may further correct the image position deviation by the image formation position correction unit 243 described in the first embodiment if the image position deviation remains.
  • the image formation position calculation unit 242 calculates the image position after adjusting the position of the optical element, and the image formation position correction unit 243 corrects the remaining image position deviation.
  • FIG. 27 is a block diagram of the defect detection device 10 according to the third embodiment of the present invention.
  • the optical element in addition to moving the optical element of the detection unit 102 along the optical axis direction, the optical element is also moved in a direction orthogonal to the optical axis.
  • Other configurations are the same as those in the second embodiment.
  • an adjustment mechanism 1029 for adjusting one or more of the objective lens 1021, the relay lenses 1023 and 1025, the lens array 1028, and the photoelectric conversion unit 103 in the direction orthogonal to the optical axis is provided in the detection unit 102.
  • a micrometer with a piezo motor can be used as the adjusting mechanism.
  • a mechanism for adjusting the position along the optical axis direction may be used in combination.
  • the position of the optical element along the optical axis direction By adjusting the position of the optical element along the optical axis direction, the displacement of the imaging position between the divided images due to the Z-axis displacement of the sample surface is reduced. By adjusting the position in the direction perpendicular to the optical axis direction, the image misalignment of all the divided images is reduced. As a result, the blurring of the integrated image is reduced, and the sensitivity can be prevented from decreasing.
  • the image position correction unit 243 described in the first embodiment further corrects the image position shift. It may be corrected. Further, as in the second embodiment, which optical element position should be adjusted can be determined by calculating the operation of the synthetic lens.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • the signal processing unit 105 can be configured by hardware such as a circuit device that implements the function, or can be configured by executing software that implements the function by an arithmetic unit. ..
  • 10 to 12 show a case where there are four high-angle detection units 102h and four low-angle detection units 102l, but the present invention is not limited to this, and the number and position of the detection units are appropriately adjusted. You may change it.
  • the present invention is applied to a defect inspection device used in a manufacturing process of a semiconductor or the like, but the present invention can also be applied to other devices that inspect defects using light.
  • Defect detection device 2 Light source 5: Beam expander 6: Polarization control unit 7: Illumination intensity distribution control unit 24: Illumination intensity distribution monitor 53: Control unit 54: Display unit 55: Input unit 101: Illumination unit 102: Detection Unit 103: Photoelectric conversion unit 104: Stage 105: Signal processing unit 106: Sample height detection unit 1021: Objective lens 1022: Polarization control filter 1023: Relay lens 1024: Aperture 1025: Condensing lens 1026: Polarized beam splitter 1027: Diffuser 1028: Lens array 1029: Adjustment mechanism

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Abstract

本発明は、照明の長手方向に対して直交しない方向からの結像検出を可能にしつつ、試料面のＺ方向における変位に起因する結像位置ずれを補正することができる、欠陥検査装置を提供することを目的とする。本発明に係る欠陥検査装置は、試料からの散乱光の検出仰角に応じて、散乱光がレンズアレイのうちどのレンズに対して入射するのかが決まるように構成されており、低仰角の散乱光の像位置を、高仰角の散乱光の像位置よりも大きく補正する（図１９参照）。

Description

欠陥検査装置
　本発明は、光を用いて試料上の欠陥を検出する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、製品の歩留りを維持・向上するために、半導体基板や薄膜基板などの表面に存在する欠陥に対する検査が実施されている。欠陥検査の従来技術としては例えば特許文献１が知られている。
　特許文献１では、「前記集光サブシステムのフル集光ＮＡの異なるセグメントへの分割と、前記異なるセグメント中に集光された散乱光の別個の検出器への方向付けとを行うように構成される」（段落００２０参照）構成について述べられており、その実施例として、集光サブシステムのフーリエ面に配置したアパチャ鏡について「アパチャ鏡は、前記集光ＮＡの１つのセグメント中に集光された散乱光を透過させつつ、前記集光ＮＡの別のセグメント中に集光された散乱光を反射する」（段落００２０参照）と記載されている。また、「異なるセグメントのうち１つの中の散乱光を偏光に基づいて分離して、前記散乱光の異なる部分とするように構成」（段落００１８参照）し、ウェハ表面からの表面散乱を抑制する技術が開示されている。
　特許文献２では、特許文献の「フル集光ＮＡ」に対してより小さな開口をもつ検出系を多数配置する構成が開示されている。微小な欠陥からの少ない光子を正確に検出するため、多数のアバランシェフォトダイオード画素を配列して構成したセンサに配置された各画素への光子の入射により発生するパルス電流の合計を計測する方法について述べられている。このセンサはＳｉ－ＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）、ＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ　Ｐｈｏｔｏｎ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、Ｍｕｌｔｉ－Ｐｉｘｅｌ　Ｐｈｏｔｏｎ　Ｃｏｕｎｔｅｒなどと呼ばれる。この方法においては、試料面にライン状の照明を照射し、多方向に配置した検出器のそれぞれが光を検出する。検出器は、２次元状に配置された画素をもつセンサを有し、センサ上において、照明の長手方向に対応する方向に結像を形成するとともに、もう一方の方向には像を拡大させた像を形成し、光子計数検出と結像検出を組み合わせている。
特許第６０１００４２号公報 特許第５７７３９３９号公報
　半導体等の製造工程で用いられる欠陥検査には、（１）微小な欠陥を検出すること、（２）検出した欠陥の寸法を高精度に計測すること、（３）試料を非破壊で（例えば試料を変質させること無く）検査すること、（４）同一の試料を検査した場合に例えば検出欠陥の個数、位置、寸法、欠陥種に関して実質的に一定の検査結果が得られること、（５）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。
　特許文献１に述べられた技術では、２０ｎｍ以下の微小な欠陥についても検査を実現できるように、背景散乱光との弁別を対物レンズのフーリエ面に備えた「アパチャ鏡」を用いて光路を分岐させ、分岐した光路毎にさらに偏光を用いて光路を分岐させている。しかし、この方式はフーリエ面に備えた「アパチャ鏡」で分岐する際に光軸に対して典型的には４５度等の角度をもってミラーを挿入するので、鏡における光があたる位置に依存して光学的な距離が変動してしまう。たとえば鏡の光軸中心の位置でフーリエ面位置になるように配置された「アパチャ鏡」は光軸から離れるにしたがってフーリエ面から外れてしまう。また、分岐した光路それぞれに対して、偏光分離を行うことは、光路分岐の複雑化、調整難易度の増大を引き起こす。
　特許文献２に述べられる技術は、より小さな開口をもつ検出系を配置し、線状に照明した像の長手方向がセンサに結像する。しかし、像の長手方向を結像させる際に、検出系の光軸が線状の照明の長手方向と直交しない位置に検出系を配置すると、各検出系の視野中心と視野端で試料面に対する光学距離が一定にならない課題がある。したがって実質的には、検出系の光軸がいずれも、線状照明の長手方向と直交する位置のみに配置することが必要であった。このため、試料面からの散乱光を完全に捕捉することは難しく、微小欠陥を検出するにあたりフォトン数が不足するという課題があった。
　本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、照明の長手方向に対して直交しない方向からの結像検出を可能にしつつ、試料面のＺ方向における変位に起因する結像位置ずれを補正することができる、欠陥検査装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る欠陥検査装置は、試料からの散乱光の検出仰角に応じて、散乱光がレンズアレイのうちどのレンズに対して入射するのかが決まるように構成されており、低仰角の散乱光の像位置を、高仰角の散乱光の像位置よりも大きく補正する。
　本発明に係る欠陥検査装置によれば、集光手段の瞳位置（あるいは瞳をリレーした位置、あるいはその近傍）においた光学的な分割手段が光路を分割することにより、初段の集光手段の開口数に対して相対的に小さくなった開口数の像を光電変換部に形成することとなる。この結果、焦点深度が深くなり、照明の長手方向に対して直交しない方向からの結像検出を可能にする。すなわち、方位角によって制約を受けずに、結像検出系を配置することが可能になり、試料表面に存在する微小な欠陥から散乱する光全体をほぼ撮像できるようになり、高速かつ高感度に検出を実現する。さらに、試料面のＺ方向における変位に起因する結像位置ずれを補正することができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
実施形態１に係る欠陥検出装置１０の概略構成図である。 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。 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。 図２に示した構成に対して、照明強度分布制御部７を試料１の表面に平行になるように設置した構成を示す。 斜入射照明の入射面（照明光軸と試料１の表面の法線とを含む面）の断面の模式図を示す。 試料１の表面の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。 照明強度分布制御部７の構成例を示す。 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説明する図である。 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説明する図である。 検出部１０２の配置の側面図を示す。 低角検出部１０２ｌの配置の平面図を示す。 高角検出部１０２ｈの配置の平面図を示す。 検出部１０２の具体的な構成例を示す。 結像部１０２－Ａ1の別構成例を示す。 微小なサイズの球体の像の強度プロファイルを示す。 微小なサイズの球体の像の強度プロファイルを示す。 各像の倍率誤差について説明する図である。 Ｗにおいた微小なサイズの球体の像の強度プロファイルを示す。 Ｗにおいた微小なサイズの球体の像の強度プロファイルを示す。 Ｗにおいた微小なサイズの球体の像の強度プロファイルを示す。 集光レンズ１０２５とレンズアレイ１０２８の関係を説明する図である。 試料Ｗ上での照明スポット２０の模式図を示す。 レンズアレイ１０２８から光電変換部１０３への結像関係を示す。 検出系の配置について説明する図である。 光電変換部１０３の内部回路について説明する図である。 図１６の等価回路を示す。 照明スポット２０をＷ－ａ～Ｗ－ｈに分割した場合の信号処理部１０５を示す。 試料面の高さ方向変位と結像位置ずれについて説明する図である。 試料面の高さ方向変位と結像位置ずれについて説明する図である。 試料面の高さ方向変位と結像位置ずれについて説明する図である。 試料面の高さ方向変位と結像位置ずれについて説明する図である。 試料面の高さ方向変位と結像位置ずれについて説明する図である。 信号処理部１０５の詳細を説明する機能ブロック図である。 実施形態２に係る欠陥検出装置１０の構成図である。 信号処理部の詳細を説明する機能ブロック図である。 実施形態３に係る欠陥検出装置１０の構成図である。 光電変換部１０３をグルーピングする場合の構成例を示す。 光電変換部１０３をグルーピングしない場合の構成例を示す。 試料面のＺ変位のない状態の観察面を観察する場合の例を示す。
＜実施の形態１＞
　図１は、本発明の実施形態１に係る欠陥検出装置１０の概略構成図である。欠陥検出装置１０は、照明部１０１、検出部１０２、光電変換部１０３、試料Ｗを載置可能でアクチュエータで試料Ｗに対して鉛直方向に移動、試料Ｗの面内で回転、試料Ｗの面平行方向に移動可能なステージ１０４、信号処理部１０５、制御部５３、表示部５４、入力部５５、を有する。
　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）が弱まるので、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ので、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。また、斜入射照明を実施する場合、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偏光とすることにより、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、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、照明の偏光をＳ偏光とすることにより、その他の偏光と比べて試料表面の微小凹凸からの散乱光が減少する。
　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により、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。
　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ためには、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１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２偏光板を適宜備える。アッテネータ３に入射した光は、第１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２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１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できるし、互いに異なる複数の濃度のＮＤフィルタを切替え２使用することもできる。
　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２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、３枚以上の反射ミラーを適宜用いても構わない。ここで、３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１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２反射ミラーは第１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）。各反射ミラーは平行移動とあおり角調整により、出射光調整部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１反射ミラーの入射・反射面（ＸＹ面）と第２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により、出射光調整部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実施することができる。
　ビームエキスパンダ５は２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２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）が同時になされる。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１０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１０ｍｍ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～図６は、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。図２～図６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等は省略されている。
　図２は、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４ｍｍ程度である。
　図３は、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。この面内で、試料面上の照明強度分布は中心に対して周辺の強度が弱い照明強度分布を成す。より具体的には、照明強度分布制御部７に入射する光の強度分布を反映したガウス分布、あるいは照明強度分布制御部７の開口形状を反映した第一種第一次のベッセル関数あるいはｓｉｎｃ関数に類似した強度分布となる。この面内での照明強度分布の長さ（最大照明強度の１３．５％以上の照明強度を持つ領域の長さ）は、試料表面から発生するヘイズを低減するため、前記入射面内における照明強度が均一である部分の長さより短く、２．５μｍから２０μｍ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４は、図２に示した構成に対して、照明強度分布制御部７を試料１の表面に平行になるように設置した構成を示す。この場合、照明強度分布制御部７は照明光軸１２０に対して傾いて設置される。
　図５に示した構成は、斜入射照明の入射面（照明光軸と試料１の表面の法線とを含む面）の断面の模式図を示す。斜入射照明は入射面内にて試料１の表面に対して傾斜している。この面内で、試料１の面上の照明強度分布は中心に対して周辺の強度が弱い照明強度分布を成す。これに対して図６に示した構成は、試料１の表面の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。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。
　図７は、照明強度分布制御部７の構成例を示す。照明強度分布制御部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。回折光学素子の７１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長く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、２軸以上の並進調整機構、および２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。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、非球面レンズ、シリンドリカルレンズアレイとシリンドリカルレンズとの組合せ、ライトパイプと結像レンズとの組合せを用いてもよい。
　照明部１０１によって試料面上に作られる照明強度分布の変形例を説明する。前記の一方向に長く（線状の）、長手方向に関して実質的に均一な強度を持つ照明強度分布の代替として、長手方向に関してガウス分布を持つ照明強度分布を用いることも可能である。一方向に長いガウス分布照明は、照明強度分布制御部７に球面レンズを有し、ビームエキスパンダ５にて一方向に長い楕円ビームを形成する構成とすること、あるいは照明強度分布制御部７をシリンドリカルレンズを含む複数のレンズで構成すること、などにより形成される。照明強度分布制御部７が有する球面レンズあるいはシリンドリカルレンズの一部あるいは全部は、試料面に対して平行に設置されることで、試料面上の一方向に長く、それに垂直な方向の幅の狭い照明強度分布が形成される。均一な照明強度分布を作る場合に比べて、照明強度分布制御部７に入射する光の状態の変動による試料面上の照明強度分布の変動が小さく、照明強度分布の安定性が高い、また照明強度分布制御部７に回折光学素子やマイクロレンズアレイなどを用いる場合と比べて光の透過率が高く効率がよい、という特長がある。
　照明部１０１における照明光の状態がビームモニタ２２によって計測される。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）、あるい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。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実施される。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。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、あるいはコリメートレンズによる集光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実施される。前記センサにより検出された照明光位置、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。
　照明光の波面計測は、照明強度分布制御部７に入射する光の平行度を測定するために実施される。波面計測により照明強度分布制御部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により、準平行光に近づけることができる。また、波面計測により照明強度分布制御部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、空間光変調素子（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）の１種である空間光位相変調素子を照明強度分布制御部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により、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（設計値あるいは初期状態）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はレンズを介して試料面をＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサ上に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。
　斜入射照明を実施する場合、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１０４のＺ軸による高さ調整によりずれを補正する。
　図８と図９は、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説明する図である。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１０４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は前述の通り一方向に長い照明強度分布を持ち、その方向をＳ２とし、Ｓ２に実質的に直交する方向を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１０～図１２は、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用いて説明する図である。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に、複数配置される。
　図１０は、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１１は、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１０２ｌは、低角前方検出部１０２ｌｆ、低角側方検出部１０２ｌｆ’、低角後方検出部１０２ｌｂ、低角側方検出部１０２ｌｂ’、を備える。例えば、低角前方検出部１０２ｌｆは検出方位角が０度以上９０度以下、低角側方検出部１０２ｌｆ’は検出方位角が９０度以上１８０度以下、低角後方検出部１０２ｌｂは検出方位角が２７０度以上３６０度以下、低角側方検出部１０２ｌｂ’は検出方位角が１８０度以上２７０度以下、に設置される。
　図１２は、高角検出部１０２ｈの配置の平面図を示す。高角検出部１０２ｈ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、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４５度以上１３５度以下、高角側方検出部１０２ｈｓ’は検出方位角が１３５度以上２２５度以下、に設置される。
　図１３Ａは、検出部１０２の具体的な構成例を示す。照明スポット２０から発生する散乱光を対物レンズ１０２１によって集光し、偏光制御フィルタ１０２２によって偏光方向を制御する。偏光制御フィルタ１０２２としては、たとえばモータ等の駆動機構により回転角度を制御可能にした１／２波長板を適用する。散乱光を効率良く検出するため、対物レンズ１０２１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１０２１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。１０２３の結像レンズは照明スポット２０の像をアパーチャ１０２４の位置に結像する。アパーチャ１０２４は照明スポット２０の結像した像のうち、光電変換部１０３で検出する領域の光のみを通すように設定したアパーチャである。照明スポット２０がＳ２方向にガウス分布のプロファイルを有す場合には、アパーチャ１０２４はガウス分布のうち、Ｓ２方向に光量の強い中心部のみを通過させ、ビーム端の光量の弱い領域は遮光する。また、Ｓ１方向には照明スポット２０の結像した像と同程度のサイズとして、照明が空気を透過する際に発生する空気散乱等の外乱を抑制する。１０２５は集光レンズであり、結像されたアパーチャ１０２４の像を再度集光する。１０２６は偏光ビームスプリッタであり、偏光制御フィルタ１０２２で偏光方向を変換した光を偏光方向により分離する。１０２７はディフューザであり、光電変換部１０３での検出に用いない偏光方向の光を吸収する。１０２８はレンズアレイであり、アレイの数だけ照明スポット２０の像を光電変換部１０３上に形成する。なお、この実施例では１/２波長板と偏光ビームスプリッタ１０２６のコンビネーションにより１０２１で集光した光のうち特定の偏光方向の光のみを光電変換部１０３で検出するようにしたが、その代替として、たとえば偏光制御フィルタ１０２２を透過率８０％以上のワイヤグリッド偏光板とし、偏光ビームスプリッタ１０２６、ディフューザ１０２７を用いないで所望の偏光方向の光のみを取り出すことも可能である。
　図１３Ｂは、結像部１０２－Ａ1の別構成例を示す。図１３Ａにおいては、１つのレンズアレイ１０２８により複数の像を光電変換部１０３に結像しているが、図１３Ｂでは１０２８ａ、１０２８ｂ、１０２８ｃの３つのレンズアレイと１つのシリンドリカルレンズを用いて結像させる。まず１０２８ａと１０２８ｂは倍率調整用のレンズアレイであり、１０２８ｃが結像用のレンズアレイである。ここでいう倍率とは、光学倍率のことであり、後述する図１４Ｂにおける光電変換部に結像する強度分布の広がりやピーク位置から求めることができる。１０２８ａと１０２８ｂはケプラー式の倍率調整機構とした。
　図１３Ｃと図１３Ｄは、微小なサイズの球体の像の強度プロファイルを示す。１０４２４ａ～１０４２４ｃと１０４２６ａ～１０４２６ｃは、それぞれ光電変換部１０４２４における結像位置である。これら結像位置は同じであることがわかる。ここではケプラー式としているが、これに限定されることなく他の調整機構、たとえばガリレオ式の倍率調整機構を用いてもよい。
　図１３Ｅは、各像の倍率誤差について説明する図である。１０２８ａと１０２８ｂが無い１０２－Ａ１の構成においては、レンズアレイ１０２８が形成するそれぞれの像に倍率誤差が発生してしまう。対物レンズ１０２１に入射する光線と光軸のなす角度をθ１とする。また、試料Ｗと光軸に垂直な軸のなす角度をθ２とする。ここでθ１は１０２１の瞳をリレーした位置におかれるレンズアレイ１０２８を構成するレンズのうち１つのレンズ中心を通るとする。この光線と試料面とのなす角をθ３で表すと以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　１０３の受光面の位置１０４２１～１０４２３に結像される像は、像を形成する１０２８のレンズｉに入射される主光線の方向θ１（ｉ）より算出するｓｉｎθ３（ｉ）に比例する大きさとなる。
　図１３Ｆ～図１３Ｈは、Ｗにおいた微小なサイズの球体の像の強度プロファイルを示す。図１３Ｆは１０４２１、図１３Ｇは１０４２２、図１３Ｈは１０４２３に結像した像のプロファイルである。１０４２１ａ～１０４２１ｃはこの順にそれぞれ１０４１ａ～１０４１ｃに対応し、１０４２２ａ～１０４２２ｃはこの順にそれぞれ１０４１ａ～１０４１ｃに対応し、１０４２３ａ～１０４２３ｃはこの順にそれぞれ１０４１ａ～１０４１ｃに対応する。
　図１３Ｆ～図１３Ｈに示す強度プロファイルは、１０２８のレンズアレイを構成するそれぞれ異なるレンズにより結像しているので、θ１（ｉ）が異なる。これにより、倍率に比例する値であるｓｉｎθ３（ｉ）が変化する。１０２の開口数が大きくなると、θ１の変化が同一のレンズ内で大きくなり、これに伴い倍率変化が大きくなる。このようにして形成した像を光電変換部１０３（図１６で説明する）に結像したと仮定する。このとき、信号ライン（たとえば１０３５－ａ）に接続すると、１０３１～１０３４の画素ブロックに形成する画素のピッチが一定であれば像の解像度が低下する。そこで、１０３１～１０３４の画素ブロックの画素ピッチを、それぞれの画素ブロックが対応する倍率に比例して設定する。例えば式１で算出するｓｉｎθ３（ｉ）に比例するピッチにする。
　図１３Ｅを用いてレンズアレイ１０２８の効果についてより詳細に述べる。１０２５の集光レンズは大きな開口数を持ち、通常、対物レンズ１０２１の開口数と同一である。開口数が大きい集光レンズは、多様な方向に散乱した光を集光するが、これにより、焦点深度が浅くなる。照明の長手方向であるｓ２と対物レンズ１０２１の光軸が直交しないように配置された場合、視野中央と視野端で光学距離が変化してしまい、光電変換部１０３に形成する像は焦点ずれが発生してしまう。図１３Ｅに示すように、レンズアレイ１０２８は集光レンズ１０２５の瞳位置、別の言い方をすれば、対物レンズ１０２１のリレーされた瞳位置、また別の言い方をすれば集光レンズ１０２５の後側焦点位置に置かれる。集光レンズ１０２５は瞳径と同等の大きさを有すようにしておき、対物レンズ１０２１の開口径に入射した光を理想的には全て結像できるようにする。
　図１３Ｉは、集光レンズ１０２５とレンズアレイ１０２８の関係を説明する図である。集光レンズ１０２５に対する入射方向が類似した光は、レンズアレイ１０２８の位置において近接して分布する。これにより、この位置にレンズアレイ１０２８をおくと、開口数が小さくなったのと等価になり、焦点深度を拡大させることが可能になる。このようにして、開口数が小さくなるように分割して、それぞれに対応した像を光電変換面に結像し、焦点ずれのない像を形成し、微細な欠陥を解像する。
　図１４Ａは、試料Ｗ上での照明スポット２０の模式図を示す。照明スポット２０は図８のＳ２方向に長く伸びている。Ｗ０は検出すべき欠陥を示している。対物レンズ１０２１はその光軸がＳ２方向に直交しない方向に置かれている。光電変換部１０３はこの照明スポットをＷ－ａ～Ｗ－ｄに分割して検出する。ここでは４つに分割しているが、この数に限定されるものではなく、分割数を任意の整数にして本発明を具現化することができる。
　図１４Ｂは、レンズアレイ１０２８から光電変換部１０３への結像関係を示す。検出すべき欠陥Ｗ０からの散乱光は対物レンズ１０２１で集光され、光電変換まで導かれる。レンズアレイ１０２８は１方向のみに結像するシリンドリカルレンズである。光電変換部１０３には１０２８のレンズアレイの数と対応する画素ブロック１０３１、１０３２、１０３３、１０３４を形成する。アパーチャ１０２４により、光量の弱い、光電変換をしない領域は遮光されるので、１０３１～１０３４の画素ブロックは近接して形成することが可能になる。レンズアレイ１０２８は、対物レンズの瞳がリレーされた位置に置かれる。分割された瞳領域毎に結像をするため、レンズアレイ１０２８が結像する像は開口が狭められたことになり、焦点深度が拡大する。これにより、Ｓ２と直交しない方向からの結像検出が可能になる。
　画素ブロックそれぞれには、光電素子が２次元状に形成される。まず、１０３１の画素ブロックについて説明する。１０３１ａ～１０３１ｄは画素ブロック１０３１の画素ブロック内に形成した画素グループであり、それぞれ、照明スポット位置におけるＷ－ａ～Ｗ－ｄの区画からの光を結像させる。１０３１ａ１～１０３１ａＮは１０３１ａに属する画素であり、それぞれの画素はフォトンが入射すると既定の電流出力をする。同一の画素グループに属する画素の出力は電気的に接続しており、１つの画素グループは画素グループに属する画素の電流出力の総和を出力する。同様に１０３２～１０３４もＷ－ａ～Ｗ－ｄに対応する信号を出力する。最後に、別個の画素グループからの同一の区画に対応する出力は電気的に接続され、Ｗ－ａ～Ｗ－ｄのそれぞれの区画から検出したフォトン数に対応した信号を光電変換部１０３は出力する。
　図１５は、検出系の配置について説明する図である。検出系は光電変換部１０３における照明スポット２０を結像した像の長軸方向とＳ２’の方向が一致するように配置する。今、図８のとおりにＳ１、Ｓ２を定義したとき照明スポットの長さ方向のベクトルを式（２）のように表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　対物レンズ１０２１の中心を通る光軸が試料Ｗの鉛直方向Ｚに対してθ、Ｓ２に対してφの角度と定義すると、この光軸を表すベクトルは式（３）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　１０２１から照明スポット２０を撮像する場合、Ｓ１の光軸と同一の成分は消失するので、このベクトルは式（４）であらわされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　対物レンズ１０２１光軸を除いた２次元平面はＺ方向の成分をもつベクトルＴＭと持たないベクトルＴＥの２つに分離する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　このとき、式（６）で表されるＺ方向成分をもたないベクトルから式（７）であらわされる角度だけ回転させた方向に図１５のＳ２’が設定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　これに直交するように、Ｓ１’’が設定される。このようにして１０２８および１０３を配置する。
　検出する視野の長さをＬとすると、視野中心と視野端における光学的な距離の差分Δｄは以下の式であらわされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　１０２１の開口数をＮＡとして、これを１０２８のレンズアレイでＭ分割したとすると、各レンズアレイの像の焦点深度ＤＯＦは以下のようにあらわされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　このとき、Ｓ２方向に解像可能な間隔はエアリーディスクの大きさをもとに以下の式であらわされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　Ｍを大きくすると式（１０）にあらわされる解像度が悪化し、欠陥の検出感度が低下する。しかし、式（８）の光学的な距離の差分に対して式（９）であらわされる焦点深度が不足すると焦点深度不足により、視野端での解像度が悪化し、欠陥の検出感度が低下する。そこで、典型的には以下の条件を満たすようにＭを設定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　図１６は、光電変換部１０３の内部回路について説明する図である。図１４ＡではＷ－ａ～Ｗ－ｄに対応した４つの区画に対応した出力をする光電変換手段について説明したが、図１６ではこれを８区画拡張した例について説明する。１０３１～１０３４までの画素ブロックにはそれぞれ８つの画素グループが形成されている。たとえば１０３１には１０３１ａ～１０３１ｈまでが形成されており、１０３２～１０３４の各グループにも同様に形成されている。１０３１ａ５は１０３１ａの第５番目の画素であり、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードが１０３１ａ５ｑのクエンチング抵抗を介して、１０３５－１ａの信号ラインに結線されている。同様にして、１０３１ａの画素グループに属するすべての画素は１０３５－１ａに接続され、画素にフォトンが入射されると１０３５－１ａに電流を流す。１０３５－２ａは１０３２ａの画素グループの画素が結線された信号ラインである。このように、すべての画素グループには、その画素グループに属する画素が電気的に接続する信号ラインを備えている。１０３１ａ、１０３２ａ・・・１０３４ａはそれぞれ、試料Ｗにおいて同一の位置からの散乱光を検出するため、それぞれの信号ラインを１０３６－１ａ～１０３６－４ａで１０３５－ａに接続する。この信号を１０３６－ａのパッドで接続し、信号処理部１０５に伝送する。同様にして、１０３１ｂ～１０３４ｂに属する画素は１０３５－ｂの信号ラインに結線され、１０３６－ｂのパッドで接続し、１０５に伝送する。
　図１７は、図１６の等価回路を示す。画素ブロック１０３１内の画素グループ１０３１ａに属するＮ個の画素、１０３１ａ１、１０３１ａ２・・・１０３１ａＮはアバランシェフォトダイオードとそれに接続するクエンチング抵抗である。１０３に形成されるすべてのアバランシェフォトダイオードには逆電圧ＶＲが印加され、ガイガーモードで動作するようになっている。光子が入射されるとアバランシェフォトダイオードには電流が流れるが、対となるクエンチング抵抗により逆バイアス電圧が下がって再び電気的に遮断される。このようにして光子の入射毎に一定の電流が流れる。
　画素ブロック１０３４内の画素グループ１０３４ａに属するＮ個の画素、１０３４ａ１～１０３４ａＮも同様にガイガーモードのアバランシェフォトダイオードとそれに結合されたクエンチング抵抗である。画素グループ１０３１ａと１０３４ａに属するすべての画素は、試料Ｗにおける領域Ｗ－ａからの反射あるいは散乱光に対応する。この信号をすべて電気的に結合し、電流電圧変換部１０３ａに接続する。１０３ａは電圧に変換された信号５００－ａを出力する。
　同様にして、画素ブロック１０３１の画素グループ１０３１ｂに属する画素、１０３１ｂ１～１０３１ｂＮと、画素ブロック１０３４の画素グループ１０３４ｂに属する画素、１０３４ｂ１～１０３４ｂＮは試料面Ｗ－ｂからの光に対応し、これらの出力はすべて電気的に結合して電流電圧変換部１０３ｂに接続する。１０３ｂは電圧信号５００－ｂを出力する。このようにして、照明スポット２０を分割したすべての領域に対応した信号を出力する。
　図１８は、照明スポット２０をＷ－ａ～Ｗ－ｈに分割した場合の信号処理部１０５を示す。１０５－ｌｆは低角前方検出部１０２－ｌｆで検出した光に対して光電変換した信号５００ａ-lf～５００ｈ－ｌｆを処理するブロックである。１０５－ｈｂは高角後方検出部１０２－ｈｂが検出した光を光電変換した信号、５００ａ-ｈｂ～５００ｈ－ｈｂを処理するブロックである。同様にして各光電変換部が出力するそれぞれの信号に対応して、その出力信号を処理するブロックを設ける。
　１０５１ａ～１０５１ｈは高周波通過フィルタである。高周波通過フィルタの出力は信号合成部１０５３に回転ステージの複数回転分蓄積し、試料Ｗ上の同一位置で取得した信号同士を加算して合成したアレイ状のストリーム信号を１０５５－ｌｆを出力する。１０５２ａ～１０５２ｈは低周波通過フィルタである。信号合成部１０５４は１０５３と同様に、同一位置で取得した信号同士を加算して合成したアレイ状のストリーム信号１０５６－ｌｆを出力する。
　１０５－ｈｂも１０５－ｌｆと同様の演算を行い、高周波通過フィルタの出力より合成したアレイ状のストリーム信号１０５５－ｈｂと低周波通過フィルタの出力より合成したアレイ状のストリーム信号１０５６－ｈｂを出力する。１０５７は欠陥検出部であり、複数の光電変換部が出力した信号に対して高周波通過フィルタをかけた信号を線形加算した後にしきい値処理を行う。１０５８は低周波通過フィルタをかけた信号を統合する低周波信号統合部である。１０５８の出力は１０５７に入力され、前記しきい値を決定する際に用いられる。典型的にはノイズは１０５８の出力の平方根に比例して増えると推定する。そこで、１０５７のアレイ状のストリーム信号と１０５８のアレイ状のストリーム信号とを対応づけたのち、１０５８の信号の平方根に比例したしきい値を与えて、これを超えた１０５７の信号を欠陥として抽出する。１０５７で検出した欠陥は、その信号強度およびＷでの検出座標とともに制御部５３に出力する。１０５８の検出した信号強度は試料面のラフネス情報としてやはり制御部５３に送信し、装置をオペレーションするユーザに対して表示部５４などに出力する。
＜実施の形態１：試料面の変位に起因する像ずれについて＞
　斜入射照明を実施する場合、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１０４のＺ軸による高さ調整によりずれを補正する。
　測定時、試料面のＺ軸方向の高さは数１０～数１００Ｈｚの周波数で数１０～数１００μｍ変位する。変位の原因として、回転軸のずれ、ステージの振動などがある。この試料面のＺ軸変位により、センサ面に結像される像の位置が変位する。Ｚ軸変位を分割されたそれぞれの像の結像位置のずれ量は式（１２）に示すΔuに比例し、検出仰角θ１（ｉ）ごとにそれぞれ異なる。θ１（ｉ）が小さい、すなわち検出方向が低仰角方向になる程、結像位置ずれは大きくなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　図１９～図２３は、試料面の高さ方向変位と結像位置ずれについて説明する図である。図１９に示すように、試料面の高さが変位し、観察する異物１０４１ｄから１０４１ｅに変位したとき、検出仰角の小さい分割像１０４２６では、１０４１ｄの結像が図２０の１０４２６ｄになるのに対し、１０４１ｄの結像は図２１の１０４２６ｅになる。それぞれのグラフの横軸はセンサ面の位置である。１０４２６ｄと１０４２６ｅでは、それぞれのセンサ面での結像位置が大きく異なる。それに対し、検出仰角の大きい分割像１０４２７では、１０４１ｄの結像は図２２の１０４２７ｄとなり、１０４１ｅの結像は図２３の１０４２７ｅとなる。こちらでは、主光線の方向と倍率補正レンズによる光により、検出仰角の小さい分割像に比べて位置ずれが小さい。結果、すべての分割像を統合すると像はボケてしまい、感度低下が起こる。
　図２４は、信号処理部１０５の詳細を説明する機能ブロック図である。試料高さ検出部１０６（例えば光学センサ）は、リアルタイムに試料面上の検出エリアのＺ軸変位を検出し、メモリ２４１に保存する。結像位置算出部２４２は、検出エリアのＺ軸変位から結像位置のずれを算出する。結像位置のずれは、式（１２）よりＺ変位から求める。図１１に示す検出部１０２ｌｆ、１０２ｌｂ、１０２ｌｆ’、１０２ｌｂ’のうち１つ以上において、それぞれの検出仰角の小さい方向の結像と検出仰角の大きい方向の信号を２つ以上のグループに分けて光電変換部１０３で統合する。光電変換部１０３は図２８のような構成にし、それぞれの結像の信号を独立に出力可能とし、グループに分ける際は、検出仰角が近接し位置ズレ量が近い信号同士を電流加算する。結像位置補正部２４３は、結像位置ずれの大きい信号（すなわち検出仰角の小さい分割像を多く含んだグループ）の結像位置ずれを補正し、信号統合部２４４はすべてのグループの像を統合する。各グループの結像位置ずれの補正量は、式（１２）により算出した各グループに含まれる分割像の結像位置ずれの平均値を用いる。なお、グループ分けを行わず、図２９のようにすべての信号を結像位置補正部２４３で補正し、信号統合部２４４で統合する場合もある。図１０に示す検出部１０２ｌ、１０２ｈのように複数の検出部を有するが、各検出部１０２の分割像において、検出仰角θ1(ｉ)が同じ場合、試料面のＺ軸変位に対する結像位置ずれは等しい。よって、各検出部１０２ｌ、１０２ｈのそれぞれの信号を検出仰角の近い信号でグループに分け、位置ズレ量が近い信号同士を電流加算することも可能である。これにより、結像位置ずれによる感度低下を防ぐ。図２４の機構は検査中、数１０～数１００Ｈｚの周波数でリアルタイムで動作することができ、検査によるＺ軸変位の感度低下を防ぐ。
　各光電変換部（１０３１～１０３４）の結像位置ずれを上記補正機構で補正することにより、図３０のように、ａ～ｈの領域が試料面のＺ変位のない状態での観察面の場合、信号が補正されたとき、統合信号２４４１のように視野端ｚ、ｉも同時に検出される。視野端ｚ、ｉの信号は図９に示す走査方向の時、視野端ｚ、ｉと同一の座標を信号処理部１０５で統合することも可能である。
　信号統合部２４４は、以下のように動作することもできる。信号統合部２４４は、散乱光のうち検出仰角が近似している（互いの差分が所定範囲内である）ものをグルーピングし、１以上の散乱光グループを形成する。信号統合部２４４は、まずグループごとにグループ内メンバの像を統合することにより、グループ個数と同数の仮統合像を生成する。結像位置補正部２４３は、仮統合像（すなわちグループ）ごとに結像位置を補正する。信号統合部２４４は、結像位置を補正した後の各仮統合像を改めて統合することにより、最終的な統合像を生成する。
＜実施の形態１：まとめ＞
　本実施形態１に係る欠陥検出装置１０は、集光レンズ１０２５に対する入射角が近似している散乱光は、レンズアレイ１０２８上の略同じ位置に対して入射するように構成されており、散乱光の検出仰角が大きいものについては、像位置ずれをより大きく補正する。これにより、微小な欠陥であっても精度よく検出するとともに、試料面のＺ方向変位に起因する像ずれを正確に補正することができる。
＜実施の形態２＞
　図２５は、本発明の実施形態２に係る欠陥検出装置１０の構成図である。実施形態１においては信号処理部１０５が像位置ずれを補正することを説明したが、本実施形態２においては検出光学系の光学素子の位置を調整することにより、像位置ずれを補正する。その他構成は実施形態１と同様である。
　検出部１０２において、対物レンズ１０２１、リレーレンズ１０２３と１０２５、レンズアレイ１０２８、のうちいずれか１つ以上に対して、光軸方向に沿って位置を調整する機構を図２５のように取り付ける。調整する機構としては例えばピエゾモータがついたマイクロメータなどを用いることができる。
　図２６は、信号処理部の詳細を説明する機能ブロック図である。調整量算出部２６１は、メモリ２４１に保存された試料面のＺ軸変位から、光軸方向の調整距離を算出し、検出系調整制御部２６２は検出部１０２の一部（いずれか１以上の光学素子）を光軸方向に調整する。それにより、試料面のＺ軸変位による分割像ごとの結像位置ずれのそれぞれの差が小さくなり、統合像のボケが小さくなり、感度低下を防ぐことができる。
　いずれの光学素子の位置を調整するかについては、以下のように定めることができる。対物レンズ１０２１からレンズアレイ１０２８までの光学系を合成レンズとみなしたときの合成レンズの動作は、計算することができる。したがっていずれかの光学素子の位置を移動したとき、その移動によって生じる合成レンズの動作も計算できる。調整量算出部２６１は、例えば対物レンズ１０２１～光電変換部１０３までの光学素子のうちいずれか１つ以上を選択してその位置を移動させたときの合成レンズの動作を算出することにより、各像位置ずれを計算できる。調整量算出部２６１は、各像位置ずれが最小となる光学素子および位置調整量の組み合わせを探索することにより、位置調整すべき光学素子とその位置移動量を決定できる。探索はランダムに実施してもよいし、適当な評価関数に基づく探索アルゴリズムなどを用いてもよい。あるいは優先的に位置調整すべき光学素子があらかじめ決まっているのであれば（例えばサイズが小さい光学素子を優先する、など）その光学素子から順に位置調整してもよい。
　信号処理部１０５は、光学素子の位置を調整した後、像位置ずれが残っている場合は、実施形態１で説明した結像位置補正部２４３によってさらに像位置ずれを補正してもよい。この場合、結像位置算出部２４２は、光学素子の位置を調整した後における像位置を計算し、結像位置補正部２４３は残っている像位置ずれを補正する。
＜実施の形態３＞
　図２７は、本発明の実施形態３に係る欠陥検出装置１０の構成図である。本実施形態３においては、検出部１０２の光学素子を、光軸方向に沿って移動することに加えて、光軸に対して直交する方向にも移動させる。その他構成は実施形態２と同様である。
　検出部１０２において、対物レンズ１０２１、リレーレンズ１０２３と１０２５、レンズアレイ１０２８、光電変換部１０３のうちいずれか１つ以上に対して、光軸直交方向に調整する調整機構１０２９を図２７のように取り付ける。調整する機構としてピエゾモータがついたマイクロメータなどを用いることができる。実施形態２で説明したように、光軸方向に沿って位置調整する機構を併用してもよい。
　光軸方向に沿って光学素子を位置調整することにより、試料面のＺ軸変位による分割像間の結像位置ずれが小さくなる。光軸方向に対して垂直方向に位置調整することにより、分割像すべての結像位置ずれを小さくする。結果、統合像のボケが小さくなり、感度低下を防ぐことができる。
　本実施形態３においても実施形態２と同様に、光学素子の位置を調整した後、像位置ずれが残っている場合は、実施形態１で説明した結像位置補正部２４３によってさらに像位置ずれを補正してもよい。また実施形態２と同様に、いずれの光学素子の位置を調整するかについては、合成レンズの動作を算出することによって決定できる。
＜本発明の変形例について＞
　本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　以上の実施形態において、信号処理部１０５は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することによって構成することもできる。
　図１０～図１２においては、高角検出部１０２ｈが４つ、低角検出部１０２ｌが４つある場合を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、検出部の数・位置を適宜変更してもよい。
　以上の実施形態においては、半導体等の製造工程において用いる欠陥検査装置に対して本発明を適用した例を説明したが、光を用いて欠陥を検査するその他装置においても本発明を適用できる。
１０：欠陥検出装置
２：光源
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
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：光電変換部
１０４：ステージ
１０５：信号処理部
１０６：試料高さ検出部
１０２１：対物レンズ
１０２２：偏光制御フィルタ
１０２３：リレーレンズ
１０２４：アパーチャ
１０２５：集光レンズ
１０２６：偏光ビームスプリッタ
１０２７：ディフューザ
１０２８：レンズアレイ
１０２９：調整機構

Claims (14)

  1. 　光を用いて試料上の欠陥を検出する欠陥検出装置であって、
    　光源から射出された光を試料に照射する照明部、
    　前記試料に対して前記光を照射することにより前記試料から発生する散乱光を検出する検出部、
    　前記検出部が検出した前記散乱光を電気信号に変換する光電変換部、
    　前記電気信号を処理することにより前記欠陥を検出する信号処理部、
    　を備え、
    　前記検出部は、検出光学系として、
    　　前記散乱光を集光する集光レンズ、
    　　前記集光レンズが集光した前記散乱光を前記光電変換部へ導くレンズアレイ、
    　を備え、
    　前記レンズアレイは、第１レンズと第２レンズを有し、
    　前記集光レンズと前記レンズアレイは、
    　　前記試料からの仰角が第１仰角である第１散乱光は、前記集光レンズに対して第１入射角で入射するとともに、前記第１レンズへ入射し、
    　　前記試料からの仰角が前記第１仰角よりも大きい第２仰角である第２散乱光は、前記集光レンズに対して前記第１入射角とは異なる第２入射角で入射するとともに、前記第２レンズへ入射する
    　ように配置されており、
    　前記欠陥検出装置はさらに、前記第１散乱光の第１像の第１位置と、前記第２散乱光の第２像の第２位置とのうち少なくともいずれかを補正する、補正部を備え、
    　前記補正部が前記第１位置を補正するときの第１補正量は、前記補正部が前記第２位置を補正するときの第２補正量よりも大きい
    　ことを特徴とする欠陥検出装置。
  2. 　前記検出部は、照明光の長手方向に対して非直交方向に設置された結像光学系を有する
    　ことを特徴とする請求項１記載の欠陥検出装置。
  3. 　前記補正部は、前記検出光学系が備える光学素子の位置を調整することにより、前記第１位置と前記第２位置のうち少なくともいずれかを補正する
    　ことを特徴とする請求項１記載の欠陥検出装置。
  4. 　前記検出部は、前記検出光学系として、前記散乱光を前記集光レンズへ導く対物レンズを備え、
    　前記補正部は、前記対物レンズ、前記集光レンズ、前記レンズアレイ、前記光電変換部、のうち少なくともいずれかの位置を調整することにより、前記第１位置と前記第２位置のうち少なくともいずれかを補正する
    　ことを特徴とする請求項３記載の欠陥検出装置。
  5. 　前記補正部は、前記光学素子の位置を、前記散乱光の光軸に対して平行な方向へ移動させることにより、前記第１位置と前記第２位置のうち少なくともいずれかを補正する
    　ことを特徴とする請求項３記載の欠陥検出装置。
  6. 　前記補正部は、前記光学素子の位置を、前記散乱光の光軸に対して直交する方向へ移動させることにより、前記第１位置と前記第２位置のうち少なくともいずれかを補正する
    　ことを特徴とする請求項３記載の欠陥検出装置。
  7. 　前記欠陥検出装置はさらに、前記試料の高さ方向における位置を検出する高さ検出部を備え、
    　前記信号処理部は、前記高さ検出部が検出した前記試料の高さ方向における位置にしたがって、前記第１補正量と前記第２補正量を算出する、補正量算出部を備え、
    　前記補正部は、前記補正量算出部が算出した前記第１補正量と前記第２補正量にしたがって、前記第１位置と前記第２位置のうち少なくともいずれかを補正する
    　ことを特徴とする請求項３記載の欠陥検出装置。
  8. 　前記補正部は、前記対物レンズ、前記集光レンズ、前記レンズアレイ、前記光電変換部、のうち少なくともいずれかの位置を変更することによって生じる前記第１位置と前記第２位置を計算し、
    　前記補正部は、前記対物レンズ、前記集光レンズ、前記レンズアレイ、および前記光電変換部の組み合わせのうち、前記第１位置のずれが最小となるとともに前記第２位置のずれが最小となるものを、前記計算の結果にしたがって特定し、
    　前記補正部は、前記特定した組み合わせに含まれる前記光学素子または前記光電変換部の位置を調整する
    　ことを特徴とする請求項４記載の欠陥検出装置。
  9. 　前記信号処理部は、前記補正部が前記第１位置を補正した後、前記第１像と前記第２像を統合することにより、前記散乱光の統合像を生成する
    　ことを特徴とする請求項１記載の欠陥検出装置。
  10. 　前記欠陥検出装置はさらに、前記試料の高さ方向における位置を検出する高さ検出部を備え、
    　前記信号処理部は、前記高さ検出部が検出した前記試料の高さ方向における位置にしたがって、前記第１位置の第１ずれ量と前記第２位置の第２ずれ量を算出する、結像位置算出部を備え、
    　前記補正部は、前記第１ずれ量にしたがって前記第１補正量を決定するとともに、前記第２ずれ量にしたがって前記第２補正量を決定する
    　ことを特徴とする請求項９記載の欠陥検出装置。
  11. 　前記補正部は、前記検出光学系が備える光学素子の位置を、前記散乱光の光軸に対して平行な方向へ移動させることにより、前記第１位置と前記第２位置のうち少なくともいずれかを補正し、
    　前記補正部は、前記光学素子の位置を移動させた後における前記第１位置と前記第２位置との間のずれをさらに補正した後、前記第１像と前記第２像を統合する
    　ことを特徴とする請求項９記載の欠陥検出装置。
  12. 　前記補正部は、前記検出光学系が備える光学素子の位置を、前記散乱光の光軸に対して直交する方向へ移動させることにより、前記第１位置と前記第２位置のうち少なくともいずれかを補正し、
    　前記補正部は、前記光学素子の位置を移動させた後における前記第１位置と前記第２位置との間のずれをさらに補正した後、前記第１像と前記第２像を統合する
    　ことを特徴とする請求項９記載の欠陥検出装置。
  13. 　前記補正部は、前記散乱光のうち前記試料からの仰角が所定範囲内にあるものをグルーピングし、
    　前記補正部は、前記グルーピングによって同じグループに属する前記散乱光を統合することにより、仮統合像を生成し、
    　前記補正部は、前記仮統合像の位置を補正した後、その補正後の前記仮統合像と他の前記散乱光とを統合することにより、前記統合像を生成する
    　ことを特徴とする請求項９記載の欠陥検出装置。
  14. 　前記検出部は、
    　　水平面に投影したとき第１方向へ進行する前記散乱光を検出する第１検出部、
    　　水平面に投影したとき第２方向へ進行する前記散乱光を検出する第２検出部、
    　を備え、
    　前記第１散乱光と前記第２散乱光は、前記第１方向へ進行し、
    　前記第１検出部は、前記第１散乱光と前記第２散乱光を検出し、
    　前記第２検出部は、前記第２方向へ進行する前記散乱光のうち、前記試料からの仰角が前記第１仰角である第３散乱光と前記第２仰角である第４散乱光を検出し、
    　前記補正部は、前記第３散乱光の第３像の第３位置と、前記第４散乱光の第４像の第４位置とのうち少なくともいずれかを補正し、
    　前記補正部が前記第３位置を補正するときの第３補正量は、前記補正部が前記第４位置を補正するときの第４補正量よりも大きい
    　ことを特徴とする請求項１記載の欠陥検出装置。
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