WO2024257331A1 - 欠陥検査装置および欠陥検査方法 - Google Patents

欠陥検査装置および欠陥検査方法 Download PDF

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WO2024257331A1
WO2024257331A1 PCT/JP2023/022383 JP2023022383W WO2024257331A1 WO 2024257331 A1 WO2024257331 A1 WO 2024257331A1 JP 2023022383 W JP2023022383 W JP 2023022383W WO 2024257331 A1 WO2024257331 A1 WO 2024257331A1
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defect inspection
scattered light
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雄太 浦野
大路 山川
俊一 松本
仁 西川
超 友澤
隆博 正田
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/956—Inspecting patterns on the surface of objects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses

Definitions

  • the present invention relates to a defect inspection device and a defect inspection method.
  • inspections are conducted for defects on the surfaces of semiconductor substrates, thin-film substrates, etc. to maintain and improve product yields.
  • Patent Document 1 is known as background technology in this technical field.
  • Patent Document 1 describes a configuration "configured to divide the full collection NA of the collection subsystem into different segments and to direct the scattered light collected in the different segments to separate detectors," and as an example, describes an aperture mirror placed in the Fourier plane of the collection subsystem, saying that "the aperture mirror transmits the scattered light collected in one segment of the collection NA while reflecting the scattered light collected in another segment of the collection NA.” It also discloses a technology for suppressing surface scattering from the wafer surface by "configuring the scattered light in one of the different segments to be separated based on polarization into different portions of the scattered light.”
  • the defect inspection used in the manufacturing process of semiconductors and other products requires (1) the detection of minute defects, (2) the measurement of the dimensions of detected defects with high precision, (3) the inspection of the sample non-destructively, i.e., without altering the sample, (4) the inspection results obtained when inspecting the same sample are substantially consistent with respect to, for example, the number, position, dimensions, and type of defects detected, and (5) the inspection of a large number of samples within a certain period of time.
  • the optical path is branched using an "aperture mirror" on the Fourier plane of the objective lens to discriminate from background scattered light, and for each branched optical path, the optical path is further branched using polarized light.
  • Inspection methods that branch the optical path are greatly affected by the height fluctuation of the sample surface that occurs during the inspection.
  • the sample rotates at a high speed of several thousand RPM (rotations per minute), and height fluctuation occurs in the direction perpendicular to the sample surface due to the warping of the sample, the influence of the chuck, air currents, and the wobble of the rotation axis.
  • this height fluctuation occurs at the highest speed, it occurs at the same frequency as the rotation of the sample.
  • This height fluctuation causes the focus of the sample surface relative to the detection system to shift, reducing the resolution of the image on the sensor surface. As a result, the image does not fit in the pixel, and the signal output by the pixel decreases.
  • the present invention is a defect inspection device that has an illumination unit that irradiates a sample with light emitted from a light source, a detection unit that detects scattered light generated from the sample, a sample height detection unit that measures the amount of sample movement in a direction perpendicular to the sample surface, a photoelectric conversion unit that converts the scattered light detected by the detection unit into an electrical signal, and a signal processing unit that processes the electrical signal converted by the photoelectric conversion unit to detect defects in the sample, the detection unit has a mechanism that adjusts the position after branching an aperture in response to the amount of sample surface movement acquired by the sample height detection unit, and a mechanism that branches the aperture to separate and detect the scattered light generated from the sample at multiple detection elevation angles, and the signal processing unit has a mechanism that corrects the positions of multiple images formed by branching the aperture in response to the amount of sample surface movement acquired by the sample height detection unit.
  • the present invention provides a defect inspection device and defect inspection method that can reduce the effect of height variations on the sample surface and achieve high sensitivity.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an overall configuration of a defect inspection device according to a first embodiment.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating a first example of an illumination intensity distribution shape realized by an illumination unit in the first embodiment.
  • 6 is a diagram showing a second example of an illumination intensity distribution shape realized by the illumination unit in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a third example of an illumination intensity distribution shape realized by the illumination unit in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a fourth example of an illumination intensity distribution shape realized by the illumination unit in the first embodiment.
  • FIG. FIG. 13 is a diagram illustrating a fifth example of an illumination intensity distribution shape realized by the illumination unit in the first embodiment.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating optical elements included in the illumination intensity distribution control unit in the first embodiment.
  • 5A and 5B are diagrams showing an illumination distribution shape and a scanning direction on a sample surface in Example 1.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating trajectories of illumination spots caused by scanning in the first embodiment.
  • 4 is a side view showing the arrangement and detection direction of a detection unit in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view showing the arrangement and detection direction of a detection unit in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a detection unit in the first embodiment. 4 is a diagram showing the arrangement of illumination spots and photoelectric conversion units in the first embodiment.
  • FIG. 14 is a view of FIG. 13 as seen from above on the paper surface.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the three-dimensional arrangement of a sample and a detection unit in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross section of a photoelectric conversion unit in the first embodiment.
  • 4 is a diagram showing the relationship between the absorptance of the antireflection film of the photoelectric conversion unit and the angle of incidence in Example 1.
  • FIG. FIG. 2 is a schematic diagram of a sample height detection unit in the first embodiment.
  • 1A and 1B are diagrams illustrating the configuration of a detection unit in the first embodiment, and are diagrams for explaining the height direction displacement of a sample surface, the imaging position shift, and the imaging blur.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating an imaging position shift and an imaging blur at a high-angle detection unit before a height displacement in the first embodiment.
  • FIG. 11A and 11B are diagrams illustrating an imaging position shift and an imaging blur at a high-angle detection unit after a height change in the first embodiment.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating an imaging position shift and an imaging blur at a low-angle detection unit before a height displacement in the first embodiment.
  • 11A and 11B are diagrams illustrating an imaging position shift and an imaging blur at a low-angle detection unit after a height change in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a functional block diagram illustrating details of a signal processing unit in the first embodiment.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a detection unit in the second embodiment, illustrating the height direction displacement of a sample surface and details of an optical element adjustment mechanism.
  • FIG. 11 is a functional block diagram of a signal processing unit in the second embodiment.
  • FIG. 11 is a functional block diagram of another signal processing unit in the second embodiment.
  • 13 is a diagram illustrating a cross-correlation filter by a filter processing unit in the third embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a cross-correlation filter by a filter processing unit in the third embodiment.
  • FIG. 11 is a functional block diagram of a signal processing unit in the third embodiment.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a detection unit in the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a functional block diagram of a signal processing unit in the fifth embodiment.
  • FIG. 23 is a configuration diagram of a detection unit in the sixth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the entire configuration of the defect inspection device in this embodiment.
  • the defect inspection device 10 has an illumination unit 101, a detection unit 102, photoelectric conversion units 103-1 and 103-2 (hereinafter, these may be collectively referred to as photoelectric conversion unit 103), a stage 104 on which a sample 1 can be placed and which can be moved in a direction perpendicular to the surface by an actuator, a signal processing unit 105, a sample height detection unit 106, a control unit 53, a display unit 54, and an input unit 55.
  • the illumination unit 101 appropriately comprises 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, adjusted to a desired beam diameter by the beam expander 5, adjusted to a desired polarization state by the polarization control unit 6, and adjusted to a desired intensity distribution by the illumination intensity distribution control unit 7, and illuminated onto the inspection target area of the sample 1.
  • the angle of incidence of the illumination light on the sample surface is determined by the position and angle of the reflecting mirror of the output light adjustment unit 4 arranged in the optical path of the illumination unit 101.
  • the angle of incidence of the illumination light is set to an angle suitable for detecting minute defects.
  • the larger the illumination incidence angle that is, the smaller the illumination elevation angle (angle between the sample surface and the illumination optical axis), the weaker the scattered light (called haze) from minute irregularities on the sample surface, which becomes noise in the scattered light from minute foreign objects on the sample surface, and the more suitable it is for detecting minute defects.
  • the incidence angle of the illumination light is preferably set to 75 degrees or more (elevation angle 15 degrees or less).
  • the incidence angle of the illumination light is preferably set to 60 degrees or more and 75 degrees or less (elevation angle 15 degrees or more and 30 degrees or less).
  • the polarization control in the polarization control unit 6 of the illumination unit 101 allows the illumination polarization to be P-polarized, which increases the scattered light from defects on the sample surface compared to other polarizations.
  • the illumination polarization can be set to S-polarized, which reduces the scattered light from minute irregularities on the sample surface compared to other polarizations.
  • a mirror 21 can be inserted in the optical path of the illumination unit 101 and other mirrors can be positioned as appropriate to change the illumination optical path and irradiate the sample surface with illumination light from a direction substantially perpendicular to the sample surface (perpendicular illumination).
  • the illumination intensity distribution on the sample surface is controlled by the illumination intensity distribution control unit 7v in the same way as for oblique incidence illumination.
  • vertical illumination that is substantially perpendicular to the sample surface is suitable for obtaining oblique incidence illumination and scattered light from concave defects on the sample surface (polishing scratches and crystal defects in crystalline materials).
  • the laser light source 2 is one that emits a short-wavelength (355 nm or less) ultraviolet or vacuum ultraviolet laser beam with a high output of 2 W or more, as this is a wavelength that does not easily penetrate into the sample.
  • the emitted beam diameter is about 1 mm.
  • a visible or infrared laser beam with a wavelength that easily penetrates into the sample is used.
  • the attenuator 3 is appropriately equipped with a first polarizing plate, a half-wave 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, and the polarization direction is rotated in an arbitrary direction according to the slow axis azimuth angle of the half-wave plate, and passes through the second polarizing plate.
  • the azimuth angle of the half-wave plate By controlling the azimuth angle of the half-wave plate, the light intensity is reduced at an arbitrary ratio. If the degree of linear polarization of the light incident on the attenuator 3 is sufficiently high, the first polarizing plate is not necessarily required.
  • the attenuator 3 used has a relationship between the input signal and the light reduction rate calibrated in advance.
  • the output light adjustment unit 4 is equipped with multiple reflecting mirrors.
  • an example is described in which it is configured with two reflecting mirrors, but this is not limited to this, and three or more reflecting mirrors may be used as appropriate.
  • a three-dimensional Cartesian coordinate system (XYZ coordinates) is provisionally defined, and it is assumed that the light incident on the reflecting mirror travels in the +X direction.
  • the first reflecting mirror is installed to deflect the incident light in the +Y direction (incident and reflected in the XY plane), and the second reflecting mirror is installed to deflect the light reflected by the first reflecting mirror in the +Z direction (incident and reflected in the YZ plane).
  • the position and traveling direction (angle) of the light emitted from the output light adjustment unit 4 are adjusted by translating each reflecting mirror and adjusting the tilt angle.
  • XY plane entrance/reflection surface
  • YZ plane entrance/reflection surface
  • the beam expander 5 has two or more lens groups and has the function of expanding the diameter of the parallel light beam incident thereon.
  • a Galilean type beam expander having a combination of concave and convex lenses is used.
  • the beam expander 5 is installed on a translation stage with two or more axes, and its position can be adjusted so that its center coincides with a specified beam position.
  • the beam expander 5 is provided with a function for adjusting the tilt angle of the entire beam expander 5 so that the optical axis of the beam expander 5 coincides with a specified beam optical axis.
  • the expansion rate of the light beam diameter can be controlled by adjusting the lens spacing (zoom mechanism).
  • the diameter of the light beam is expanded and collimated (the light beam is made quasi-parallel) at the same time by adjusting the lens spacing.
  • the light beam can be collimated by installing a collimating lens upstream of the beam expander 5 independently of the beam expander 5.
  • the beam diameter expansion factor of the beam expander 5 is about 5 to 10 times, so the beam emitted from the light source with a diameter of 1 mm is expanded to about 5 to 10 mm.
  • the polarization control unit 6 is composed of a half-wave plate and a quarter-wave plate, and controls the polarization state of the illumination light to any polarization state. In the middle of the optical path of the illumination unit 101, the state of the light incident on the beam expander 5 and the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7 is measured by the beam monitor 22.
  • FIGS. 2 to 6 are schematic diagrams showing the positional relationship between the illumination optical axis 120 guided to the sample surface from the illumination unit 101 and the illumination intensity distribution shape. Note that the configuration of the illumination unit 101 in FIG. 2 to FIG. 6 shows only a part of the configuration of the illumination unit 101, and the emitted light adjustment unit 4, mirror 21, beam monitor 22, etc. are omitted.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a cross section of the incidence plane (plane including the illumination optical axis and the sample surface normal) of the oblique incidence illumination in this embodiment.
  • the oblique incidence illumination is inclined with respect to the sample surface within the incidence plane.
  • the illumination unit 101 creates a substantially uniform illumination intensity distribution within the incidence plane.
  • the length of the part with uniform illumination intensity is approximately 100 ⁇ m to 4 mm in order to inspect a wide area per unit time.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a cross section of a plane that includes the sample surface normal and is perpendicular to the incident plane of oblique incidence illumination in this embodiment.
  • the illumination intensity distribution on the sample surface forms an illumination intensity distribution in which the intensity is weaker at the periphery than at the center. More specifically, the intensity distribution is similar to a Gaussian distribution that reflects the intensity distribution of the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7, or a first-order Bessel function of the first kind or a sinc function that reflects the aperture shape of the illumination intensity distribution control unit 7.
  • the length of the illumination intensity distribution within this plane (the length of the region with an illumination intensity of 13.5% or more of the maximum illumination intensity) is shorter than the length of the portion in the incident plane where the illumination intensity is uniform, and is approximately 2.5 ⁇ m to 20 ⁇ m, in order to reduce haze generated from the sample surface.
  • 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 that make up the illumination intensity distribution control unit 7 are installed perpendicular to the illumination optical axis, as shown in Figures 2 and 3.
  • the illumination intensity distribution control unit 7 includes optical elements that act on the phase distribution and intensity distribution of the incident light.
  • FIG. 7 is a diagram showing the optical elements included in the illumination intensity distribution control unit 7 in this embodiment.
  • a diffractive optical element 71 DOE: Diffractive Optical Element
  • the diffractive optical element 71 is formed by forming a fine undulating shape with dimensions 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 attenuation of light due to passing through the diffractive optical element 71, it is preferable to use one that is coated with an anti-reflection film.
  • the fine undulating shape is formed by using a lithography method. 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 according to the undulating shape of the diffractive optical element 71 is formed.
  • the undulating shape of the diffractive optical element 71 is designed and manufactured to a shape calculated based on Fourier optics theory so that the illumination intensity distribution formed on the sample surface is a long and uniform distribution within the incident surface.
  • the optical element provided in the illumination intensity distribution control unit 7 is provided with a translation adjustment mechanism with two or more axes and a rotation adjustment mechanism with two or more axes so that the relative position and angle with respect to the optical axis of the incident light can be adjusted.
  • a focus adjustment mechanism by movement in the optical axis direction is provided.
  • an aspheric 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 as an alternative optical element having the same function as the diffractive optical element 71.
  • a Gaussian distribution illumination that is long in one direction is created by having a spherical lens in the illumination intensity distribution control unit 7 and forming an elliptical beam that is long in one direction with the beam expander 5, or by configuring the illumination intensity distribution control unit 7 with multiple lenses including a cylindrical lens.
  • a part or all of the spherical lens or cylindrical lens in the illumination intensity distribution control unit 7 is placed parallel to the sample surface, thereby forming an illumination intensity distribution that is long in one direction on the sample surface and has a narrow width in the direction perpendicular to the direction.
  • the illumination intensity distribution is highly stable.
  • the light transmittance is high and efficiency is high compared to the case where a diffractive optical element or a microlens array is used for the illumination intensity distribution control unit 7.
  • 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 outgoing 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 of the illumination light is measured by measuring the center of gravity of the light intensity of the illumination light.
  • Specific position measurement means include an optical position sensor (PSD: Position Sensitive Detector) or an image sensor such as a CCD sensor or CMOS sensor.
  • the angle of the illumination light is measured by an optical position sensor or an image sensor installed at a position farther away from the light source than the position measurement means, or at the focusing 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. If the illumination light position or angle deviates from the specified position or angle, it is adjusted to return to the specified position in the outgoing light adjustment unit 4.
  • 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. If the wavefront measurement shows that the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7 is not quasi-parallel light but is diverging or converging, the lens group of the front-stage beam expander 5 can be displaced in the optical axis direction to make it closer to quasi-parallel light.
  • a spatial light phase modulator which is a type of spatial light modulator (SLM: Spatial Light Modulator)
  • SLM Spatial Light Modulator
  • the above wavefront accuracy measurement and adjustment means suppress the wavefront accuracy of the light incident on the illumination intensity distribution control unit 7 (deviation from a predetermined wavefront (design value or initial state)) 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 measured by the illumination intensity distribution monitor 24.
  • the illumination intensity distribution monitor 24 detects the sample surface as an image by forming an image of the sample surface on an image sensor such as a CCD sensor or CMOS sensor via a lens.
  • 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 position of the intensity, maximum intensity, maximum intensity position, width and length of the illumination intensity distribution (width and length of the illumination intensity distribution region where the intensity is equal to or greater than a specified intensity or a specified ratio to the maximum intensity value), etc. are calculated and displayed on the display unit 54 together with the contour shape and cross-sectional waveform of the illumination intensity distribution.
  • the height displacement of the sample surface causes a displacement of the position of the illumination intensity distribution and disturbance of the illumination intensity distribution due to defocus. To prevent this, the height of the sample surface is measured, and if the height is shifted, the deviation is corrected by adjusting the height using the illumination intensity distribution control unit 7 or the Z axis of the stage 104.
  • the illuminance distribution shape (illumination spot 20) formed on the sample surface by the illumination unit 101 and the sample scanning method are explained using Figures 8 and 9.
  • Stage 104 is equipped with a translation stage, a rotation stage, and a Z stage for adjusting the height of the sample surface (none of which are shown).
  • illumination spot 20 has a long illumination intensity distribution in one direction, which direction is designated as S2, and a direction substantially perpendicular to S2 is designated as S1.
  • the rotational motion of the rotation stage scans in the circumferential direction S1 of a circle centered on the rotation axis of the rotation stage, and the translational motion of the translation stage scans in the translation direction S2 of the translation stage.
  • the illumination spot 20 is scanned in scanning direction S2 by a distance equal to or less than the longitudinal length of the illumination spot 20, so that the illumination spot traces a spiral trajectory T on the sample 1, and the entire surface of the sample 1 is scanned.
  • a plurality of detection units 102 are arranged so as to detect scattered light in a plurality of directions emanating from the illumination spot 20.
  • An example of the arrangement of the detection units 102 with respect to the sample 1 and illumination spot 20 will be described with reference to Figs. 10 to 12.
  • Figure 10 shows a side view of the arrangement of the detection unit 102.
  • the angle between the normal to the sample 1 and the detection direction (the direction of the center of the detection aperture) by the detection unit 102 is defined as the detection zenith angle.
  • the detection unit 102 is composed of a high-angle detection unit 102h with a detection zenith angle of 45 degrees or less, a low-angle detection unit 102l with a detection zenith angle of 45 degrees or more, and high-angle detection unit 102h' and low-angle detection unit 102l' that are positioned symmetrically with respect to the normal to the sample 1.
  • Each of the high-angle detection unit 102h and low-angle detection unit 102l detects scattered light using a common objective lens, which is branched at the Fourier plane of the objective lens. Furthermore, the detection unit 102 is composed of multiple detection units so as to cover scattered light in multiple directions.
  • FIG. 11 shows a plan view of the arrangement of the detection unit 102.
  • the detection unit 102 appropriately comprises a front detection unit 102f, a rear detection unit 102b, and a front detection unit 102f' and a rear detection unit 102b' that are positioned symmetrically with respect to the illumination incidence plane.
  • the front detection unit 102f is installed at a detection azimuth angle of 0 degrees or more and 90 degrees or less
  • the rear detection unit 102b is installed at a detection azimuth angle of 90 degrees or more and 180 degrees or less.
  • a low-angle detection unit and a high-angle detection unit are provided for each detection azimuth. This is not limiting, and the number and positions of the detection units may be changed as appropriate.
  • Figure 12 is a diagram of the detection unit in this embodiment.
  • scattered light generated from the illumination spot 20 is collected by the objective lens 1021.
  • the detection NA of the objective lens 1021 is 0.3 or more. If necessary, the lower end of the objective lens 1021 is cut out so that it does not interfere with the sample 1.
  • the imaging lens 1023 forms an image of the illumination spot 20 at the position of the aperture 1024.
  • the aperture 1024 is an aperture set to pass only the light of the area detected by the photoelectric conversion unit 103 from the image of the illumination spot 20.
  • the aperture 1024 passes only the central part of the Gaussian distribution where the light amount is strong in the S2 direction, and blocks the area of the beam end where the light amount is weak.
  • the size of the image formed in the S1 direction is set to be approximately the same as that of the illumination spot 20, suppressing disturbances such as air scattering that occur when the illumination passes through the air.
  • 1025 is a condenser lens that re-condenses the image of the aperture 1024 formed.
  • the Fourier plane of the objective lens 1021 is relayed by the condenser lens 1025, and a polarization control filter 1022 is placed on the Fourier plane.
  • the polarization control filter 1022 for example, a 1/2 wavelength plate whose rotation angle can be controlled by a driving mechanism such as a motor is used.
  • the pupil plane is relayed by a relay lens consisting of an imaging lens 1023, a condenser lens 1025, an imaging lens 10213, and a condenser lens 10214, and a knife edge 1026 (branching optical member) is placed on the pupil plane.
  • the knife edge 1026 branches the scattered light condensed to the high-angle detection unit 102h, which has a detection zenith angle of 45 degrees or less, and the low-angle detection unit 102l, which has a detection zenith angle of 45 degrees or more.
  • the angles between the chief ray of the branched scattered light and the normal line of the sample surface are different, and in FIG.
  • the angle between the chief ray 10218 of the scattered light detected by the low-angle detection unit 102l and the normal line 10217 of the sample surface is larger than the angle between the chief ray 10219 of the scattered light detected by the high-angle detection unit 102h and the normal line 10217 of the sample surface.
  • the branching angle of the detection zenith angle is not necessarily 45 degrees and can be changed as appropriate.
  • a polarizing beam splitter 1027 is installed on each pupil plane of the light that is relayed and branched by the imaging lens 10215 and the condenser lens 10216. This separates the light whose polarization direction has been converted by the polarization control filter 1022 according to the polarization direction.
  • the low-angle detection unit 102l detects with the photoelectric conversion units 103-1 and 103-3.
  • the high-angle detection unit 102h detects with the photoelectric conversion units 103-2 and 103-4.
  • 1028 is an imaging lens that forms an image of the illumination spot 20 on the photoelectric conversion unit 103.
  • a cylindrical lens can also be used as the imaging lens 1028 to form an image in only one direction.
  • the combination of the polarization control filter 1022 and the polarizing beam splitter 1027 is used to detect only light of a specific polarization direction from the light collected by 1021 in the photoelectric conversion unit 103.
  • the polarization control filter 1022 can be a wire grid polarizer with a transmittance of 80% or more, and only light of the desired polarization direction can be extracted without using the polarizing beam splitter 1027.
  • a beam diffuser is used instead of the imaging lens 1028 to prevent unnecessary light from becoming stray light.
  • Fig. 13 is a diagram showing the arrangement of the illumination spot and the photoelectric conversion unit in this embodiment.
  • Fig. 14 is a diagram showing Fig. 13 as viewed from above on the paper.
  • the optical axis 121 is inclined with respect to the normal direction of the light receiving unit 1031.
  • the light receiving unit 1031 of the photoelectric conversion unit 103 is arranged parallel to the longitudinal direction ⁇ of the optical image 25 formed on the light receiving unit 1031 by the detection unit 102, in which the linear illumination spot 20 irradiated on the surface of the sample 1 is irradiated.
  • the paired cylindrical lenses 10210 and 10211 form a cylindrical beam expander, and the spread of the optical image 25 formed by the illumination spot 20 in the short direction ⁇ is made smaller than the spread of the optical image 25 in the longitudinal direction.
  • the photoelectric conversion unit 103 captures the optical image 25 and outputs it as an electrical signal.
  • the photoelectric conversion unit 103 has an array of light receiving units and an anti-reflection film at a position conjugate with the illumination spot irradiated on the surface of the sample 1.
  • the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 103 is not conjugate with the sample surface in the short direction ⁇ .
  • the short direction ⁇ is also the short direction of the illumination spot 20
  • the image height of the optical image 25 is low and almost no defocus occurs. Therefore, by increasing the imaging magnification of the optical image 25 in the short direction ⁇ , it is possible to reduce the variation in the angle of incidence on the light receiving unit 1031.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of the three-dimensional arrangement of the sample 1 and the detection unit 102 in this embodiment.
  • the optical axis 121 of the detection unit 102 shown with reference to the objective lens 1021, is inclined at an angle ⁇ with respect to the normal direction Z of the sample 1.
  • the projection of the optical axis 121 onto the sample surface is inclined at an angle ⁇ with respect to the longitudinal direction S2 of the illumination spot 20.
  • optical axis 121 that detects the light from the detection unit 102 is offset by an angle ⁇ with respect to the normal direction of the sample 1 and an angle ⁇ with respect to the longitudinal direction of the illumination spot 20, then in three-dimensional space, this optical axis 121 is represented by the vector v0 in the following equation (1).
  • the angle ⁇ between this vector v0 and the longitudinal direction of the illumination spot 20 is calculated using the following formula (2).
  • the defect inspection device 100 detects a section of 2L in the longitudinal direction of the illumination spot 20 using the photoelectric conversion unit 103.
  • the working distance (the distance between the sample 1 and the detection unit 102) changes as ⁇ Z shown in the following formula (3).
  • the imaging magnification M is determined by the objective lens 1021 and the imaging lens 1028.
  • the position of the image formed here is expressed by the following equation (4).
  • a line sensor is positioned so that it is perpendicular to the optical axis, which is the center of the light beam emitted by the imaging lens.
  • the optical axis 121 incident on the photoelectric conversion unit 103 and the pixel array vector v1 of the light receiving surface are set so that they are within the plane spanned by the longitudinal direction of the illumination spot 20 and vector v0, and the angle ⁇ between vector v1 and vector v0 satisfies the following formula (5).
  • angle ⁇ is the angle between vector v2 and vector v0, and satisfies equation (6).
  • the imaging magnification M increases, the angle ⁇ between vectors v0 and v1 decreases, and the angle of incidence increases.
  • M 2
  • the light ray with the largest angle of incidence enters the photoelectric conversion unit 103 at an angle close to 90 degrees.
  • the absorptance of the anti-reflection film 1033 of the photoelectric conversion unit 103 depends on the angle of incidence, and the absorptance becomes very small at angles of incidence close to 90 degrees. To prevent this, the imaging magnification M is set to 2x or less.
  • the angle between the optical axis 121 incident on the photoelectric conversion unit 103 from the imaging lens 1028 and the vector v1 can be maximized.
  • the numerical aperture of the incident light beam on the objective lens 1021 is N
  • the spread of the light beam emitted to the photoelectric conversion unit 103 is the reciprocal of the imaging magnification M multiplied by the spread of the light beam emitted to the imaging lens 1028.
  • the imaging magnification M is set to 1x or more. As a result, the angle ⁇ becomes smaller than the angle ⁇ , and typically becomes smaller by 5 degrees or more when a magnification of about 1.3x is applied.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the image sensor 1036 that constitutes the photoelectric conversion unit 103 in this embodiment.
  • the image sensor 1036 is configured by laminating an anti-reflection film 1033, a light receiving unit 1031, and a wiring unit 1032 in this order from the surface.
  • Incident light 122A to 122C is light that is incident on the image sensor 1036.
  • Incoming light 122A is light on optical axis 121 shown in Figures 13 and 14.
  • Incident light 122B, 122C is light that is incident from an angle different from optical axis 121.
  • Anti-reflection film 1033 is a film for preventing surface reflection of each of incident light 122A to 122C.
  • Light receiving section 1031 is in an array shape, and performs photoelectric conversion for each divided area, i.e., pixel.
  • Wiring section 1032 independently extracts the electricity output by light receiving section 1031 to the outside.
  • a sensor with such a structure in which light receiving section 1031 is on the light incident side of wiring section 1032 is known as a back side illumination sensor.
  • incident light is incident at a predetermined angle shifted from the normal direction of the light receiving section.
  • FSI Front Side Illumination
  • incident light 122A to 122C As shown by incident light 122A to 122C, light is incident on the light receiving section 1031 from a variety of directions. Therefore, unless the anti-reflection film 1033 has a high absorption rate for these incident light beams 122A to 122C, good sensitivity cannot be obtained.
  • Figure 17 is a graph showing the characteristics of an anti-reflection coating 1033 formed from a single layer of hafnium oxide HfO2, 25 nm thick.
  • the horizontal axis of the graph represents the angle of incidence, and the vertical axis of the graph represents the absorptance.
  • Curve 10333 represents the absorptance characteristics for S-polarized light.
  • Curve 10334 represents the absorptance characteristics for P-polarized light. The absorptance of P-polarized light decreases as the angle of incidence increases, but the absorptance drops to 0.5 when the angle of incidence is around 60 degrees.
  • the incidence angle of S-polarized light increases up to about 70 degrees, and in the incidence angle range of 0 to 80 degrees, an absorption rate of 70% or more is shown.
  • the photoelectric conversion units 103-1 and 103-2 must be tilted by a certain angle in order to achieve image detection without focus shifting, regardless of changes in the field of view at the working distance. In other words, it is desirable to tilt the normal to the light receiving surface of the photoelectric conversion unit 103-1 by, for example, 10 to 80 degrees from the optical axis 121-1 of the detection unit 102-1.
  • FIG. 18 is a schematic diagram of the sample height detection unit in this embodiment.
  • the sample height detection unit 106 uses height sensors 1061-1, 1061-2, and 1061-3, such as multiple laser interferometers, to measure the height of the sample at multiple points in real time during inspection. By measuring the height displacement of the inspection area in advance before detecting the scattered light in the inspection area, delays during inspection can be prevented.
  • the height displacement of the sample surface causes a displacement of the illumination intensity distribution position and disturbance of the illumination intensity distribution due to defocus.
  • the height of the sample surface is measured, and if the height is shifted, the illumination intensity distribution control unit 7 or the height adjustment on the Z axis of the stage 104 is used to correct the image shift caused by the displacement of the sample surface.
  • the height of the sample surface in the Z-axis direction displaces by several tens to several hundreds of ⁇ m at a frequency of several tens to several hundreds of Hz.
  • causes of the displacement include misalignment of the rotation axis and vibration of the stage.
  • This Z-axis displacement of the sample surface displaces the position of the image formed on the sensor surface.
  • the displacement of each divided image due to the Z-axis displacement ⁇ w is shown in formula (7),
  • Figures 19 to 23 are diagrams explaining the height-wise displacement of the sample surface and the shift in the imaging position.
  • the image of foreign matter 1041d becomes image 10421d in Figure 20
  • the image of foreign matter 1041e becomes image 10421e in Figure 21.
  • the horizontal axis of each graph is the distance in the ⁇ direction of the light-receiving surface of photoelectric conversion unit 103.
  • the imaging positions on the light-receiving surfaces of 10421d and 10421e are significantly different.
  • FIG. 24 is a functional block diagram of the signal processing unit 105 in this embodiment.
  • the sample height detection unit 106 e.g., 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 imaging position calculation unit 242 calculates the deviation of the imaging position from the Z-axis displacement of the detection area. For one or more of the detection point apex angles 102l with large detection point apex angles and 102h with small detection point apex angles that respectively constitute the detection units 102f, 102b, 102f', and 102b' shown in FIG. 11, the imaging in the direction of the large detection point apex angle and the signal in the direction of the small detection point apex angle are divided into two or more groups and integrated by the photoelectric conversion unit 103.
  • the imaging position correction unit 243 corrects the imaging position shift of signals with large imaging position shifts (i.e., groups including many signals of scattered light with large detection point apex angles), and the signal integration unit 244 integrates the images of all groups, thereby preventing a decrease in sensitivity due to imaging position shifts.
  • the mechanism of FIG. 24 can operate in real time at a frequency of several tens to several hundreds of Hz during inspection, and prevents a decrease in sensitivity to Z-axis displacement due to the inspection.
  • the signal combining unit 244 can also operate as follows.
  • the signal combining unit 244 groups scattered light whose detected elevation angles are similar (the difference between them is within a specified range) to form one or more scattered light groups.
  • the signal combining unit 244 first combines the images of the members of each group to generate a number of provisional integrated images equal to the number of groups.
  • the imaging position correction unit 243 corrects the imaging position for each provisional integrated image (i.e., group).
  • the signal combining unit 244 generates a final integrated image by re-integrating each provisional integrated image after the imaging position has been corrected.
  • the defect inspection device 10 is configured to detect and integrate foreign objects at the same position on the sample 1 on the same coordinates on the light receiving surface of the photoelectric conversion units 103-1 and 103-2 after branching at the knife edge 1026, using scattered light with similar angles of incidence to the condenser lens 1025, and to correct image position shifts to a greater extent for scattered light with a larger apex angle of the detection point. This allows even the smallest defects to be detected with high precision, and image shifts caused by displacement of the sample surface in the Z direction to be accurately corrected.
  • the optical path is split by an optical splitting means placed at the pupil position of the focusing means, or at the position where the pupil is relayed, or in the vicinity thereof, thereby making it possible to discriminate from background scattered light.
  • the photoelectric conversion unit is placed conjugate to the sample and inclined with respect to the optical axis, enabling imaging detection without blurring in the longitudinal direction of the illumination and imaging detection from a direction that is not perpendicular to the longitudinal direction of the illumination. This makes it possible to place an imaging detection system without being restricted by the azimuth angle, making it possible to image almost the entire light scattered from minute defects present on the sample surface, achieving high-speed and high-sensitivity detection.
  • the signal processing unit 105 corrects the image position shift, but in this embodiment, the positions of the optical elements of the detection optical system are adjusted to correct the change in the PSF (point spread function) of the image, which is the image blur.
  • PSF point spread function
  • FIG. 25 is a diagram of the detection unit 102 in this embodiment, and is a diagram for explaining the height direction displacement of the sample surface and the details of the optical element adjustment mechanism.
  • the same components as in FIG. 19 are given the same reference numerals, and their explanation will be omitted.
  • a mechanism 10212 for adjusting the position along the optical axis direction is attached to the imaging lens 1028 and one or more of the photoelectric conversion units 103-1 and 103-2.
  • a micrometer with a piezoelectric motor can be used as the mechanism 10212 for adjusting the position.
  • FIG. 26 is a functional block diagram of the signal processing unit 105 in this embodiment.
  • 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, and the detection system adjustment control unit 262 adjusts a part of the detection unit 102 (one or more optical elements) in the optical axis direction. This reduces the difference in the changes in PSF due to the Z-axis displacement of the sample surface, reduces blurring of the integrated image, and prevents a decrease in sensitivity.
  • the position of which optical element is to be adjusted can be determined as follows.
  • the operation of the composite lens can be calculated. Therefore, when the position of any optical element is moved, the operation of the composite lens caused by the movement can also be calculated.
  • the adjustment amount calculation unit 261 can calculate each PSF change by calculating the operation of the composite lens when, for example, one or more of the optical elements from the objective lens 1021 to the photoelectric conversion unit 103 are randomly selected and their positions are moved.
  • the adjustment amount calculation unit 261 can determine the optical element to be adjusted in position and the amount of position movement by searching for a combination of optical elements and position adjustment amounts that minimize each PSF change.
  • the search may be performed randomly, or a search algorithm based on an appropriate evaluation function may be used.
  • the optical elements for which the PSF should be corrected with priority are predetermined (for example, optical elements with small size are given priority), the positions of those optical elements may be adjusted in order.
  • the signal processing unit 105 may simultaneously adjust the position of the optical element and perform the signal processing described in the first embodiment to prevent a decrease in sensitivity.
  • a functional block diagram of the signal processing unit in this case is shown in FIG. 27.
  • the image position correction unit 243 and the adjustment amount calculation unit 261 determine the correction amount and adjustment amount for each sample height in advance. The correction amount and adjustment amount are set so that the image position shift and the change in PSF caused by the change in sample height are minimized, thereby preventing a decrease in sensitivity.
  • FIG. 28 and 29 show the characteristics of the cross-correlation filter in this embodiment.
  • FIG. 28 shows a cross-correlation filter corresponding to the image 10421e of scattered light with a large detection point apex angle and a large change in PSF
  • FIG. 29 shows a cross-correlation filter corresponding to the image 10422e of scattered light with a small detection point apex angle.
  • the 4 ⁇ Gaussian fitting curves of each image are convoluted with the signal after the image position is corrected by the image position correction unit 243. This convolution is performed in the same way before and after the sample height displacement occurs.
  • the signal processing unit has a cross-correlation filter, which is a mechanism for reducing the difference in signal between when defocused and when focused.
  • the shape of this cross-correlation filter can be arbitrarily determined by checking in advance the change in the image caused by the height displacement of the sample for each detection point apex angle and detection azimuth angle. In addition, by arbitrarily determining the shape of the cross-correlation filter for the amount of sample height displacement detected by the sample height detection unit 106 and multiplying it by the signal of each image, the difference in signal strength caused by the height displacement of the sample can be reduced.
  • FIG. 30 is a functional block diagram of the signal processing unit in this embodiment.
  • the sample height detection unit 106 e.g., 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 signals whose imaging positions have been corrected in the imaging position correction unit 243 are convolved with a cross-correlation filter in the filter processing unit 245.
  • the convolved signals are integrated in the signal integration unit 244. It is also possible to select a cross-correlation filter according to the amount of sample height displacement in the filter selection unit 246, and perform processing in the filter processing unit 245 using the selected filter.
  • the mechanism in FIG. 30 can operate in real time at a frequency of several tens to several hundreds of Hz during inspection, preventing sensitivity changes before and after Z-axis displacement due to inspection.
  • the detection system is placed obliquely to the sample, but it is also possible to place the detection system perpendicular to the sample. In that case, the photoelectric conversion unit does not need to be at an angle to the optical axis, and is placed on a plane conjugate to the sample.
  • FIG. 31 is a diagram showing the configuration of the detection unit in this embodiment.
  • the same components as those in FIG. 12 are given the same reference numerals, and their explanations are omitted.
  • 1029 is a beam diffuser, which prevents unnecessary light from becoming stray light.
  • the light is branched for each detection point apex angle and detected separately.
  • the detected scattered light is branched into three regions for each detection point apex angle and detected by photoelectric conversion units 103-1, 103-2, and 103-3, respectively, but the number of branches can be determined arbitrarily, and it can be branched into two or more regions.
  • image shift and PSF change occur due to displacement of the sample surface, and the image shift and PSF change differ for each detection point apex angle. To prevent a decrease in sensitivity due to these, correction is performed using the configuration shown in Examples 1 to 3.
  • the photoelectric conversion unit 103 does not need to be arranged at an angle to the optical axis, so it is possible to use a CCD or TDI sensor in addition to a CMOS sensor.
  • Example 2 we will explain a configuration in which Example 2 and Example 3 are performed simultaneously.
  • FIG. 32 is a functional block diagram of the signal processing unit in this embodiment.
  • Example 1 the configuration shown in FIG. 33 can be considered for the example of the detection unit shown in FIG. 12. That is, as shown in FIG. 33, one relay in the Fourier plane consisting of the imaging lens 10213 and the condenser lens 10214 in FIG. 12 is omitted, and the polarization control filter 1022 and the knife edge 1026 are arranged close to each other. This makes it possible to shorten the length of the entire optical system.

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Abstract

試料面の高さ変動に対する影響を低減し高感度化が可能な欠陥検査装置及び欠陥検査方法を提供する。　上記目的を達成するために、欠陥検査装置であって、光源から射出された光を試料に照射する照明部と、試料から発生する散乱光を検出する検出部と、試料の表面に対して垂直な方向の試料の変動量を測定する試料高さ検出部と、検出部によって検出された散乱光を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部により変換された電気信号を処理して試料の欠陥を検出する信号処理部を有し、検出部は、試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応して開口を分岐した後に位置を調整する機構と、開口を分岐して試料から発生する散乱光を複数の検出仰角で分離して検出する機構を有し、信号処理部は、試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応して、開口を分岐して形成された複数の像の位置を補正する機構を有する。

Description

欠陥検査装置および欠陥検査方法
　本発明は欠陥検査装置および欠陥検査方法に関する。
　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等の表面に存在する欠陥の検査が行われている。
　本技術分野における背景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」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」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」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。
特表２０１４－５０４３７０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、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。
　光路を分岐させる検査方法では、検査中に生じる試料面の高さ変動に大きく影響を受ける。試料は、検査中に数千ＲＰＭ（Rotation Per Minute）という高速回転を行っており、試料の反りやチャック、気流の影響や回転軸のぶれにより試料面垂直方向に対して高さ変動が発生する。この高さ変動は、最も高速に起こる場合、試料の回転と同じ周波数で生じる。この高さ変動により、検出系に対する試料面の焦点ずれが生じて、センサ面上における像の解像度が低下する。この結果、像が画素に収まらなくなり、画素が出力する信号が低下する。また、分岐した光路ごとにセンサ上の結像する位置が異なる。そのため、同一領域から散乱光を検出し、分岐した光路ごとのセンサ上の画素同士の対応関係が崩れてしまう。その結果、分岐した光路ごとのセンサ画素の加算ができなくなる、という課題がある。
　本発明は、その一例を挙げるならば、欠陥検査装置であって、光源から射出された光を試料に照射する照明部と、試料から発生する散乱光を検出する検出部と、試料の表面に対して垂直な方向の試料の変動量を測定する試料高さ検出部と、検出部によって検出された散乱光を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部により変換された電気信号を処理して試料の欠陥を検出する信号処理部を有し、検出部は、試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応して開口を分岐した後に位置を調整する機構と、開口を分岐して試料から発生する散乱光を複数の検出仰角で分離して検出する機構を有し、信号処理部は、試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応して、開口を分岐して形成された複数の像の位置を補正する機構を有する。
　本発明によれば、試料面の高さ変動に対する影響を低減し高感度化が可能な欠陥検査装置及び欠陥検査方法を提供できる。
実施例１における欠陥検査装置の全体概略構成図である。 実施例１における照明部により実現される照明強度分布形状の第１の例を示す図である。 実施例１における照明部により実現される照明強度分布形状の第２の例を示す図である。 実施例１における照明部により実現される照明強度分布形状の第３の例を示す図である。 実施例１における照明部により実現される照明強度分布形状の第４の例を示す図である。 実施例１における照明部により実現される照明強度分布形状の第５の例を示す図である。 実施例１における照明強度分布制御部が備える光学素子を示す図である。 実施例１におけ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。 実施例１における走査による照明スポットの軌跡を示す図である。 実施例１における検出部の配置及び検出方向の側面図である。 実施例１における検出部の配置及び検出方向の平面図である。 実施例１における検出部の構成図である。 実施例１における照明スポットと光電変換部の配置を示す図である。 図１３を紙面上方から見た図である。 実施例１における試料と検出部の立体的な配置の概略図である。 実施例１における光電変換部の断面を示す図である。 実施例１における光電変換部の反射防止膜の吸収率と入射角との関係を示す図である。 実施例１における試料高さ検出部の概略構成図である。 実施例１における検出部の構成図であり、試料面の高さ方向変位と結像位置ずれと結像ボケについて説明する図である。 実施例１における高さ変位前の高角検出部での結像位置ずれと結像ボケについて説明する図である。 実施例１における高さ変位後の高角検出部での結像位置ずれと結像ボケについて説明する図である。 実施例１における高さ変位前の低角検出部での結像位置ずれと結像ボケについて説明する図である。 実施例１における高さ変位後の低角検出部での結像位置ずれと結像ボケについて説明する図である。 実施例１における信号処理部の詳細を説明する機能ブロック図である。 実施例２における検出部の構成図であり、試料面の高さ方向変位と光学素子調整機構の詳細を説明する図である。 実施例２における信号処理部の機能ブロック図である。 実施例２における他の信号処理部の機能ブロック図である。 実施例３におけるフィルタ処理部による相互相関フィルタを説明する図である。 実施例３におけるフィルタ処理部による相互相関フィルタを説明する図である。 実施例３における信号処理部の機能ブロック図である。 実施例４における検出部の構成図である。 実施例５における信号処理部の機能ブロック図である。 実施例６における検出部の構成図である。
　以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、実施例では、半導体等の製造工程で実行する欠陥検査に用いられる欠陥検査装置について説明する。
　図１は本実施例における欠陥検査装置の全体概略構成図である。図１において、欠陥検査装置１０は、照明部１０１、検出部１０２、光電変換部１０３-１、１０３－２（以降、まとめて光電変換部１０３と称する場合がある）、試料１を載置可能でアクチュエータで面直方向に移動可能なステージ１０４、信号処理部１０５、試料高さ検出部１０６、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１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。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、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偏光とすることで、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。
　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。
　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、互いに異なる複数の濃度のＮＤフィルタを切替えて使用す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乃至図６に、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、本実施例におけ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）の断面の模式図である。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、本実施例における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である。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。
　また、図４に示されるように、照明強度分布制御部7を構成する光学素子を光軸に傾けて設置することも可能である。また、図５及図６に示すように、図２及図３で示した斜入射照明の入射面での強度分布と入射面に垂直な面での強度分布を入れ替えることも可能である。すなわち、入射面における照明強度の均一な部分が、入射面に垂直な面における照明強度の均一な部分に比べて短くなっている構成も可能である。
　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。図７は、本実施例における照明強度分布制御部７が備える光学素子を示す図である。図７に示すように、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の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、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。なお、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。
　次に、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、という特徴がある。
　照明部１０１における照明光の状態はビームモニタ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。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行われる。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行われる。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で、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）の一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１０４のＺ軸による高さ調整によりずれを補正する。
　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８及び図９を用いて説明する。
　図８に示すように、試料１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。
　そして、図９に示すように、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１上において、らせん状の軌跡Ｔを描き、試料１の全面が走査される。
　次に、検出部１０２の瞳分岐に関して説明する。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１および照明スポット２０に対する配置例について図１０乃至図１２を用いて説明する。
　図１０に検出部１０２の配置の側面図を示す。試料１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、およびそれらに試料１の法線に関して対称な位置にある高角検出部１０２ｈ’、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、共通の対物レンズを用いて散乱光を検出し、対物レンズのフーリエ面において分岐される。また、検出部１０２は多方位に散乱光をカバーするよう、複数の検出部からなる。
　図１１に、検出部１０２の配置の平面図を示す。試料１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。検出部１０２は、前方検出部１０２ｆ、後方検出部１０２ｂ、およびそれらと照明入射面に関して対称な位置にある前方検出部１０２ｆ’、後方検出部１０２ｂ’を適宜備える。例えば、前方検出部１０２ｆは検出方位角が０度以上９０度以下、後方検出部１０２ｂは検出方位角が９０度以上１８０度以下に設置される。各検出方位に低角検出部と高角検出部を備える。これに限られず、検出部の数・位置を適宜変更してもよい。
　図１２は、本実施例における検出部の構成図である。図１２において、照明スポット２０から発生する散乱光は対物レンズ１０２１によって集光する。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。対物レンズ１０２１の下端が試料１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。結像レンズ１０２３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。対物レンズ１０２１のフーリエ面は集光レンズ１０２５でリレーされており、フーリエ面に偏光制御フィルタ１０２２を配置する。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。
　結像レンズ１０２３、集光レンズ１０２５、結像レンズ１０２１３及び集光レンズ１０２１４で構成されるリレーレンズで瞳面をリレーし、瞳面にナイフエッジ１０２６（分岐光学部材）を設置する。ナイフエッジ１０２６により、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に集光された散乱光を分岐する。分岐された散乱光の主光線と試料面の法線とのなす角は異なり、図１２においては、低角検出部１０２ｌで検出される散乱光の主光線１０２１８と試料面の法線１０２１７とのなす角の方が、高角検出部１０２ｈで検出される散乱光の主光線１０２１９と試料面の法線１０２１７とのなす角よりも大きい構成になっている。検出天頂角の分岐角度は必ずしも４５度ではなく、適宜変えることができる。さらに、結像レンズ１０２１５および集光レンズ１０２１６でリレーされ、分岐されたそれぞれの瞳面に偏光ビームスプリッタ１０２７を設置する。これにより、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。この場合、低角検出部１０２ｌは光電変換部１０３－１および１０３－３で検出する。また、高角検出部１０２ｈは光電変換部１０３－２および１０３－４で検出する。１０２８は結像レンズであり、照明スポット２０の像を光電変換部１０３上に形成する。結像レンズ１０２８として、シリンドリカルレンズを用いて１方向のみの結像を行うこともできる。
　なお、この実施例では偏光制御フィルタ１０２２と偏光ビームスプリッタ１０２７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。または、背景散乱光の偏光と欠陥から生じる散乱光の偏光の違いを利用し、背景散乱光のみを減光させる波長板を偏光制御フィルタ１０２２として使うことも可能である。この場合、フーリエ面内で減光する偏光成分が異なるため、分割波長板を適用する必要がある。検出の必要のない偏光成分を遮断する場合は、結像レンズ１０２８の代わりに、ビームディヒューザを用いて不要な光が迷光になることを防ぐ。
　次に、光電変換部１０３が光軸に対して斜めになっている構成について示す。図１３は、本実施例における照明スポットと光電変換部の配置を示す図である。また、図１４は図１３を紙面上方から見た図である。図１３、図１４に示すように、光軸１２１が受光部１０３１の法線方向に対して傾斜している。光電変換部１０３の受光部１０３１は、試料１の表面に照射された線状の照明スポット２０が、検出部１０２によって受光部１０３１上に結像する光学像２５の長手方向δと平行に配置される。対となるシリンドリカルレンズ１０２１０、１０２１１は、シリンドリカルビームエキスパンダを構成し、照明スポット２０が結像した光学像２５の短手方向γの広がりを、この光学像２５の長手方向の広がりよりも小さくしている。
　光電変換部１０３は、光学像２５を撮像して電気信号として出力する。光電変換部１０３は、試料１の表面に照射された前記照明スポットと共役の位置にアレイ状の受光部と反射防止膜とを備えている。光電変換部１０３の受光面は、短手方向γにおいて試料面と共役ではない。しかし、短手方向γは照明スポット２０の短手方向でもあるため、光学像２５の像高は低く、焦点ずれはほとんど発生しない。よって、短手方向γにおける光学像２５の結像倍率を大きくすることで、受光部１０３１への入射角度のばらつきを小さくすることができる。
　図１５は、本実施例における試料１と検出部１０２の立体的な配置の概略図である。図１５に示すように、対物レンズ１０２１を参照して示す、検出部１０２の光軸１２１は、試料１の法線方向Zに対して角度θだけ傾斜している。光軸１２１の試料面への射影は、照明スポット２０の長手方向Ｓ２に対して角度φだけ傾斜している。
　検出部１０２の光を検出する光軸１２１が、試料１の法線方向に対して角度θ、照明スポット２０の長手方向に対して角度φだけずれていたとすると、３次元空間において、この光軸１２１は、以下の式（１）のベクトルｖ０で表される。
このベクトルｖ０と、照明スポット２０の長手方向とがなす角度αは、以下の式（２）により求められる。
このとき、欠陥検査装置１００は、光電変換部１０３により照明スポット２０の長手方向に２Ｌの区間を検出する。視野中心からの位置ｘにより、作動距離（試料１と検出部１０２の距離）は、以下の式（３）で示すΔＺのように変化する。
結像倍率Ｍは、対物レンズ１０２１と結像レンズ１０２８によって決定される。ここで結像される像の位置は、以下の式（４）のように表される。
一般にラインセンサは、結像レンズが放射する光束の中心である光軸に対して、直交するように配置される。しかし、本実施例では、光電変換部１０３を傾斜させることにより、作動距離の視野内の変化によらず、焦点ずれのない結像検出を実現する。このとき、光電変換部１０３に入射する光軸１２１と受光面の画素並びベクトルｖ１は、照明スポット２０の長手方向と、ベクトルｖ０によって張られる平面内であり、かつベクトルｖ１とベクトルｖ０のなす角βが以下の式（５）を満たすように設定する。
ここで、角度αはベクトルｖ２とベクトルｖ０のなす角度であり、式（６）を満たす。
式（５）より、結像倍率Ｍが大きくなると、ベクトルｖ０とベクトルｖ１のなす角度βが小さくなって入射角が大きくなる。Ｍ＝２のとき、最も入射角の大きい光線は９０度に近い角度で光電変換部１０３に入射する。光電変換部１０３の反射防止膜１０３３の吸収率は入射角度依存性をもち、９０度に近い入射角では吸収率が非常に小さくなる。これを防ぐため、結像倍率Ｍは、２倍以下に設定されている。
　この条件のときに、結像レンズ１０２８から光電変換部１０３に入射する光軸１２１とベクトルｖ１のなす角を最大にすることができる。なお、対物レンズ１０２１の入射光束の開口数がＮであった場合、光電変換部１０３に出射する光束の拡がりは、結像倍率Ｍの逆数を結像レンズ１０２８に出射する光束の拡がりに乗じたものとなる。
　前述のように、結像倍率Ｍを２倍以下とするため、特に対物レンズ１０２１として開口数の大きなレンズを採用すると、光電変換部１０３には、広い方向からの光が入射されることになる。反射防止膜１０３３の特性により、光電変換部１０３への光の入射角範囲が広いと、光電変換部１０３の光の吸収率が低くなり、高感度化が困難になる。このため、結像倍率Ｍは、１倍以上に設定されている。この結果、角度βは、角度αに対して小さくなり、典型的には、１．３倍程度の倍率を与えることで５度以上小さくなる。
　図１６は、本実施例における光電変換部１０３を構成する撮像センサ１０３６の断面構成図である。図１６において、撮像センサ１０３６は、表面から順に反射防止膜１０３３と、受光部１０３１と、配線部１０３２とが積層されて構成されている。入射光１２２Ａ～１２２Ｃは、撮像センサ１０３６に入射する光である。
　入射光１２２Ａは、図１３や図１４に示した光軸１２１上の光である。入射光１２２Ｂ、１２２Ｃは、光軸１２１とは異なる角度から入射する光である。反射防止膜１０３３は、各入射光１２２Ａ～１２２Ｃの表面反射を防止するための膜である。受光部１０３１はアレイ状であり、区切られた領域、すなわち画素毎に光電変換を行う。配線部１０３２は、受光部１０３１で出力した電気を独立に外部に取り出す。このように、受光部１０３１が配線部１０３２よりも光入射側にある構造のセンサは、裏面照射型（Back side Illumination）センサとして知られている。本実施例では、入射光が受光部の法線方向から所定角度だけずれて入射される。そのため、ＦＳＩ（Front side Illumination）として知られ、配線部が光の入射側にある構造のＣＭＯＳ撮像センサでは、配線部で光が吸収され、受光部に十分な光を入射させることができない。
　入射光１２２Ａ～１２２Ｃに示すように、受光部１０３１には、多様な方向から光が入射される。そのため、反射防止膜１０３３は、これら入射光１２２Ａ～１２２Ｃに対して、高い吸収率を持たなければ良好な感度を得ることができない。
　図１7は、酸化ハフニウムＨｆＯ２を２５ｎｍの一層で形成した反射防止膜１０３３の特性を示すグラフである。グラフの横軸は入射角を示しており、グラフの縦軸は吸収率を示している。曲線１０３３３は、Ｓ偏光の吸収率の特性である。曲線１０３３４はＰ偏光の吸収率の特性である。Ｐ偏光の吸収率は入射角が大きくなるにつれて低下するが、吸収率が０．５に低下するのは入射角が６０度の付近である。
　また、Ｓ偏光は入射角が７０度程度まで増加しており、入射角が０～８０度の領域で、７０％以上の吸収率を示している。ただし、光電変換部１０３－１、１０３－２は、作動距離の視野内の変化によらず、焦点ずれのない結像検出を実現するため、所定角度だけ傾斜させる必要がある。つまり光電変換部１０３－１の受光面の法線は、検出部１０２－１の光軸１２１－１から、例えば１０～８０度だけ傾斜させることが望ましい。
　図１８は、本実施例における試料高さ検出部の概略構成図である。図１８において、試料高さ検出部１０６は、複数のレーザ干渉計などの高さセンサ１０６１-1、１０６１－２、１０６１－３を用いて、検査中にリアルタイムで試料の高さを複数の地点で計測しておく。検査領域の散乱光を検出するよりも前に、前もって検査領域の高さ変位を計測しておくことで、検査時の遅れを防ぐことができる。
　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。本実施例では、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、試料面の変位に起因する像ずれを補正する。
　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Δｗにより、分割されたそれぞれの像の変位量は、式（７）に示す、
Δuに比例し、検出仰角ごとにそれぞれ異なる。
　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、検出点頂角の大きい散乱光が結像される光電変換部１０３－２では、異物１０４１ｄの結像が図２０の結像像１０４２１ｄになるのに対し、試料の高さが変位した時の異物１０４１eの結像は図２１の結像像１０４２１ｅになる。それぞれのグラフの横軸は光電変換部１０３の受光面のδ方向の距離である。１０４２1ｄと１０４２1ｅでは、それぞれの受光面での結像位置が大きく異なる。それに対し、検出点頂角の小さい散乱光が結像される光電変換部１０３－1では、異物１０４１ｄの結像が図２２の結像像１０４２２ｄになるのに対し、試料の高さが変位した時の異物１０４１eの結像は図２３の結像像１０４２２ｅになる。こちらでは、主光線の方向により、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、本実施例における信号処理部１０５の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。図１１に示す検出部１０２ｆ、１０２ｂ、１０２ｆ’、１０２ｂ’をそれぞれ構成する検出点頂角の大きい１０２ｌと検出点頂角の小さい１０２ｈのうち１つ以上において、それぞれの検出点頂角の大きい方向の結像と検出点頂角の小さい方向の信号を２つ以上のグループに分けて光電変換部１０３で統合する。
　結像位置補正部２４３は、結像位置ずれの大きい信号（すなわち検出点頂角の大きい散乱光の信号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。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。
　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。
　以上をまとめると、欠陥検査装置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、ナイフエッジ１０２６で分岐後の光電変換部１０３－1および１０３－２の受光部面の同じ座標上で、試料１の同じ位置の異物を検出し統合するように構成されており、散乱光の検出点頂角の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。
　以上のように、本実施例によれば、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で光路を分割することで、背景散乱光との弁別を行うことができる。さらに、光電変換部を試料に対して共役に配置し、光軸に対して傾斜しており、照明の長手方向をボケなく結像検出し、照明の長手方向に直交しない方向からの結像検出を可能にする。これによって、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。
　実施例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、本実施例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、結像ぼけである結像のPSF（Point spread function：点像分布関数）変化を補正する。
　図２５は、本実施例における検出部１０２の構成図であり、試料面の高さ方向変位と光学素子調整機構の詳細を説明する図である。図２５において、図１９と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。
　主光線の違いにより、試料の高さの変位量が同じであっても、図２１の結像像１０４２１eと図２３の結像像１０４２２eを比較して分る様にそれぞれのＰＳＦは大きく異なる。このＰＳＦの違いは、統合時の感度低下を及ぼす。
　図２５において、結像レンズ１０２８、光電変換部１０３-1と１０３－２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１０２１２を取り付ける。位置を調整する機構１０２１２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、本実施例における信号処理部１０５の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PSFの変化が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。
　図２５において、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から結像レンズ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つ以上をランダムに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PSF変化を計算できる。調整量算出部２６１は、各PSF変化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PSFを補正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、光学素子の位置調整と実施例１で説明した信号処理を同時に行い、感度低下を防止してもよい。この場合の信号処理部の機能ブロック図を図２７に示す。結像位置補正部２４３と調整量算出部２６１では、あらかじめそれぞれの試料高さに対する補正量と調整量を決定しておく。補正量および調整量は、それぞれ試料高さの変化によって生じる結像位置ずれやPSFの変化が最も小さくなるように設定しておくことで、感度低下を防ぐことができる。
　本実施例では、相互相関フィルタによる試料高さ変位で生じる感度変化の緩和について説明する。
　図２８および図２９は、本実施例における相互相関フィルタの特性である。図２８では、PSFの変化量の大きい、検出点頂角の大きい散乱光の結像像１０４２１eに対応した相互相関フィルタを示しており、図２９では、検出点頂角の小さい散乱光の結像像１０４２２eに対応した相互相関フィルタを示している。それぞれの結像像の４σのガウスフィッティングカーブであり、結像位置補正部２４３で結像位置が補正された後の信号にそれぞれ畳み込みを行う。この畳み込みは、試料の高さ変位が起こる前後で同様に行う。これにより、試料の高さ変位の起きる前の結像像１０４２１dおよび１０４２２dの信号強度がぼけるが、試料の高さ変位前後の信号強度の差分量を減少させることができる。すなわち、信号処理部は、デフォーカス時とフォーカス時の信号の差分を低減する機構である相互相関フィルタを有する。
　この相互相関フィルタの形状は、検出点頂角や検出方位角ごとに、試料の高さ変位による結像像の変化を前もって確認しておくことで、任意に決定することができる。また、試料高さ検出部１０６で検出された試料の高さ変位量に対して、相互相関フィルタの形状を任意に決めておき、各結像像の信号と掛け合わせることで、試料の高さ変位による信号強度の差分量を減少させることができる。
　図３０は、本実施例における信号処理部の機能ブロック図である。図３０において、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。結像位置補正部２４３で結像位置をそれぞれ補正された信号をフィルタ処理部２４５で相互相関フィルタと畳み込みを行う。畳み込みされた信号を信号統合部２４４で統合される。また、フィルタ選別部２４６で試料の高さ変位量に応じた相互相関フィルタを選別し、選別されたフィルタを用いてフィルタ処理部２４５で処理を行うことも可能である。図３０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軸変位前後の感度変化を防ぐ。
　実施例1から３では、試料に対して斜方方向に検出系を配置している例を示したが、検出系を試料に対して垂直方向に設置することも可能である。その場合、光電変換部は光軸に対して斜めにする必要はなく、試料に対して共役な面に配置する。
　図３１は、本実施例における検出部の構成図である。図３１において、図１２と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。なお、１０２９はビームディヒューザであり、不要な光が迷光になることを防ぐ。
　図３１において、図１２と同様に検出点頂角ごとに分岐し、それぞれ検出する。図３１に示した例では、検出された散乱光を検出点頂角ごとに３つの領域に分岐し、光電変換部１０３－１、１０３－２、１０３－３でそれぞれ検出しているが、分岐する数は任意に決めることができ、２つ以上の領域に分岐することができる。本構成においても、実施例１から３と同様に試料面の変位に起因して像ずれやPSFの変化が生じ、その像ずれやPSFの変化は検出点頂角ごとに異なる。これらによる感度低下を防ぐため、実施例１から３に示した構成で補正を行う。
　本実施例によれば、光電変換部１０３は、光軸に対して斜めに配置する必要がないため、CMOSセンサ以外にも、CCDやTDIを用いることも可能である。
　本実施例では、実施例２と実施例３を同時に行う構成について説明する。
　図３２は、本実施例における信号処理部の機能ブロック図である。実施例３による相互相関フィルタによって試料高さの変位による信号強度の差分量の減少と、実施例２による光学素子の調整による試料高さの変位による信号強度の差分量の減少を合わせることで、検出感度の減少を抑えることができる。これにより、所望する感度低下の防止に必要な光学素子の調整量を、実施例２のみで実施するよりも小さくすることができる。
　実施例1において、図１２に示した検出部の一例に対して、図３３のような構成も考えられる。すなわち、図３３に示すように、図１２における結像レンズ１０２１３と集光レンズ１０２１４からなるフーリエ面のリレーをひとつ省略し、偏光制御フィルタ１０２２およびナイフエッジ１０２６を近接させて配置する。これにより、光学系全体の長さを短くすることができる。
　以上実施例について説明したが、上記した実施例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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例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。
２：レーザ光源、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、１０：欠陥検査装置、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：結像レンズ、１０２４：アパーチャ、１０２５：集光レンズ、１０２６：ナイフエッジ、１０２７：偏光ビームスプリッタ、１０２８：結像レンズ、１０２９：ビームディヒューザ、１０２１０、１０２１１：シリンドリカルレンズ、１０２１２：位置を調整する機構、１０２１３：結像レンズ、１０２１４：集光レンズ、１０２１５：結像レンズ、１０２１６：集光レンズ

Claims (15)

  1. 光源から射出された光を試料に照射する照明部と、
    前記試料から発生する散乱光を検出する検出部と、
    前記試料の表面に対して垂直な方向の試料の変動量を測定する試料高さ検出部と、
    前記検出部によって検出された前記散乱光を電気信号に変換する光電変換部と、
    前記光電変換部により変換された前記電気信号を処理して前記試料の欠陥を検出する信号処理部を有し、
    前記検出部は、前記試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応して開口を分岐した後に位置を調整する機構と、開口を分岐して試料から発生する散乱光を複数の検出仰角で分離して検出する機構を有し、　
    前記信号処理部は、前記試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応して、開口を分岐して形成された複数の像の位置を補正する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  2. 請求項１に記載の欠陥検査装置であって、
    前記検出部は、試料に対して斜方方向に配置され、
    前記光電変換部は、受光面が試料に対して共役に配置され、光軸に対して傾斜した機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  3. 請求項１に記載の欠陥検査装置であって、
    前記信号処理部は、開口ごとに異なるフィルタ処理機構を有し、ウェハ面ブレによる感度低下を抑制する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  4. 請求項３に記載の欠陥検査装置であって、
    前記フィルタ処理機構は、前記試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応した検出部の補正の残差を補正する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  5. 請求項１に記載の欠陥検査装置であって、
    前記信号処理部は、デフォーカス時とフォーカス時の信号の差分を低減する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  6. 請求項２に記載の欠陥検査装置であって、
    試料面の垂直方向のずれを測定する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  7. 光源から射出された光を試料に照射する照明部と、
    前記試料から発生する散乱光を検出する検出部と、
    前記試料の表面に対して垂直な方向の試料の変動量を測定する試料高さ検出部と、
    前記検出部によって検出された前記散乱光を電気信号に変換する光電変換部と、
    前記光電変換部により変換された前記電気信号を処理して前記試料の欠陥を検出する信号処理部を有し、
    前記検出部は、試料に対して斜方方向に配置され、開口を分岐して試料から発生する散乱光を複数の検出仰角で分離して検出する機構を有し、 
    前記光電変換部は、受光面が試料に対して共役に配置され、光軸に対して傾斜していることを特徴とする欠陥検査装置。
  8. 請求項７に記載の欠陥検査装置であって、
    前記検出部は、前記試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応して開口を分割した後に位置を調整する機構を有し、　
    前記信号処理部は、前記試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応して開口を分割して形成された複数の像の位置を補正する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  9. 請求項８に記載の欠陥検査装置であって、
    前記信号処理部は、開口ごとに異なるフィルタ処理機構を有し、ウェハ面ブレによる感度低下を抑制する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  10. 請求項９に記載の欠陥検査装置であって、
    前記フィルタ処理機構は、前記試料高さ検出部で取得された試料の表面の変動量に対応した検出部の補正の残差を補正する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  11. 請求項８に記載の欠陥検査装置であって、
    前記信号処理部は、デフォーカス時とフォーカス時の信号の差分を低減する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  12. 請求項７に記載の欠陥検査装置であって、
    試料面の垂直方向のずれを測定する機構を有することを特徴とする欠陥検査装置。
  13. 請求項７に記載の欠陥検査装置の前記検出部で用いられる光学系であって、
    第１面に配置される前記試料からの前記散乱光を集光する対物レンズと、
    前記対物レンズおよびリレーレンズによって前記第１面に対して瞳となる第２面に配置され、前記対物レンズで集光された前記散乱光を第1の散乱光と第２の散乱光に分岐する分岐光学部材と、
    前記分岐光学部材で分岐された前記第１の散乱光を集光して第１光電変換部へ導く第１結像光学系と、
    前記第２の散乱光を集光して第２光電変換部へ導く第２結像光学系とを備え、
    前記第１の散乱光の前記第１面側の光路は前記第１面の法線に対して第１の角度で傾斜し、前記第２の散乱光の前記第１面側の光路は前記第１面の前記法線に対して前記第１の角度よりも大きな第２の角度で傾斜していることを特徴とする光学系。
  14. 光源から射出された光を試料に照射し、
    前記試料の表面に対して垂直な方向の試料の変動量を測定し、
    前記測定された試料の表面の変動量に対応して開口を分割した後に位置を調整し、前記試料から発生する散乱光を複数の検出仰角で分離して検出し、
    前記検出された前記散乱光を電気信号に変換し、
    前記変換された前記電気信号に対して、前記測定された試料の表面の変動量に対応して検出した複数の散乱光の複数の像の位置を補正し、前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。
  15. 光源から射出された光を試料に照射し、
    前記試料から発生する散乱光を試料に対して斜方方向に配置された検出部で開口を分岐して試料から発生する散乱光を複数の検出仰角で分離して検出し、
    前記試料の表面に対して垂直な方向の試料の変動量を測定し、
    前記検出された前記散乱光を、受光面が試料に対して共役に配置され光軸に対して傾斜している光電変換部によって電気信号に変換し、
    前記変換された前記電気信号を処理して前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。
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