特許 5918009 欠陥検査方法および欠陥検査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5918009

(24)【登録日】2016年4月15日

(45)【発行日】2016年5月18日

(54)【発明の名称】欠陥検査方法および欠陥検査装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/956 20060101AFI20160428BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20160428BHJP

   G01B 11/30 20060101ALI20160428BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/956 A

   H01L21/66 J

   G01B11/30 A

【請求項の数】12

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2012-109021(P2012-109021)

(22)【出願日】2012年5月11日

(65)【公開番号】特開2013-234966(P2013-234966A)

(43)【公開日】2013年11月21日

【審査請求日】2014年3月19日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】松本 俊一

(72)【発明者】

【氏名】本田 敏文

(72)【発明者】

【氏名】浦野 雄太

(72)【発明者】

【氏名】神宮 孝広

【審査官】 小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０６００５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２６１７９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２３５４２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／８４ − Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｇ０１Ｂ １１／３０

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平面内で移動可能なテーブルに載置した試料表面の線状の領域に前記試料表面の法線方
向に対して傾いた方向から照明光を照射し、
該照明光が照射された前記試料から発生した散乱光を前記試料表面の照明光を照射した
線状の領域の長手方向に対してほぼ直交して前記試料表面の法線方向を含む面内で焦点位置を前記試料表面の照明光を照射した線状の領域に合わせるように配置した対物レンズと一軸結像系とを含む複数の検出光学系で集光し、
該集光した散乱光を前記複数の検出光学系のそれぞれに対応する複数の素子を２次元に配列して形成したチャンネルを複数並べて形成した並列型光子計数センサ上の前記チャンネルを構成する２次元に配列した複数の素子上に前記一軸結像系で拡大して投影された像として検出するように構成した複数の検出器で検出し、
該複数の検出器で検出して得た散乱光検出信号を処理して前記試料表面の欠陥を検出す
る
欠陥検査方法であって、
前記照明光が照射された試料から発生した散乱光を、前記試料表面の照明光を照射した
線状の領域の長手方向に対する開口角と前記長手方向にほぼ直交する方向に対する開口角
が異なる前記対物レンズを含む前記複数の光学系であって光軸が前記照明光の光軸とほぼ
一点で交差するように構成した前記複数の光学系で集光し、
該複数の光学系のそれぞれの対物レンズで集光した前記散乱光により前記線状の領域の
長手方向の倍率と前記線状の領域の長手方向にほぼ直交する方向の倍率とが異なる像を前
記複数の検出器の検出面と前記試料表面の検査面である前記照明光を照射した線状の長手
方向の領域との距離を同一に保った状態でそれぞれ検出する
ことを特徴とする欠陥検査方法。

【請求項2】

前記照明光が照射された前記試料から発生した散乱光のうち、前記複数の検出光学系の
方向とは異なる方向に散乱した散乱光の一部を集光して検出し、該散乱光の一部を集光し
検出して得た信号と前記複数の検出光学系で検出して得た信号とを用いて前記複数の検出
光学系のそれぞれの検出器では飽和してしまう散乱光を発生する欠陥を検出することを特
徴とする請求項１記載の欠陥検査方法。

【請求項3】

平面内で移動可能なテーブルに載置した試料表面の線状の領域に前記試料表面の法線方
向に対して傾いた方向から照明光を照射し、
該照明光が照射された前記試料から発生した散乱光を前記試料表面の照明光を照射した
線状の領域の長手方向に対してほぼ直交して前記試料表面の法線方向を含む面内で焦点位置を前記試料表面の照明光を照射した線状の領域に合わせるように配置した対物レンズと一軸結像系とを含む複数の検出光学系であって光軸が前記照明光の光軸とほぼ一点で交差するように構成した前記複数の光学系で集光して該複数の検出光学系のそれぞれに対応する複数の素子を２次元に配列して形成したチャンネルを複数並べて形成した並列型光子計数センサ上の前記チャンネルを構成する２次元に配列した複数の素子上に前記一軸結像系で拡大して投影された像として検出するように構成した複数の２次元の検出器により前記複数の２次元の検出器の検出面と前記試料表面の検査面である前記照明光を照射した線状の長手方向の領域との距離を同一に保った状態で検出し、
前記照明光が照射された前記試料から発生した散乱光のうち前記複数の検出光学系の方
向とは異なる方向に散乱した散乱光の一部を集光して前記２次元の検出器よりも感度の低
い検出器で検出し、
前記複数の２次元の検出器で検出して得た信号を処理して前記試料上の微細な欠陥を検
出すると共に、前記２次元の検出器よりも感度の低い検出器で検出して得た信号と前記複
数の２次元の検出器で検出して得た信号とを用いて前記複数の２次元の検出器では飽和し
てしまう散乱光を発生する比較的大きな欠陥を検出する
ことを特徴とする欠陥検査方法。

【請求項4】

前記試料から発生した散乱光を、前記線状の領域の長手方向に対する開口角が前記長手
方向にほぼ直交する方向に対する開口角よりも大きい対物レンズで集光することを特徴と
する請求項１又は３に記載の欠陥検査方法。

【請求項5】

前記複数の検出光学系のそれぞれにより、前記線状の領域の長手方向の倍率に対して前
記線状の領域の長手方向にほぼ直交する方向の倍率が大きい前記散乱光による前記線状の
領域の像を前記複数の検出光学系のそれぞれの検出器上に形成することを特徴とする請求
項１又は３に記載の欠陥検査方法。

【請求項6】

試料を載置して平面内で移動可能なテーブルと、
該テーブルに載置した前記試料の表面の線状の領域に前記試料の表面の法線方向に対し
て傾いた方向から照明光を照射する照明光照射部と、
前記照明光を照射した試料表面の線状の領域の長手方向に対してほぼ直交する方向で前
記試料表面の法線を含む面内で焦点位置を前記試料表面の照明光を照射した線状の領域に合わせるように配置されて前記照明光照射部により照明光が照射された前記試料の表面の線状の領域から発生した散乱光を集光する対物レンズと該対物レンズで集光された散乱光を一軸方向に集光する一軸結像系と該一軸結像系で集光された散乱光を複数の素子を２次元に配列して形成したチャンネルを複数並べて形成した並列型光子計数センサ上の前記チャンネルを構成する２次元に配列した複数の素子上に前記一軸結像系で拡大して投影された像として検出するように構成した２次元の検出器とを有する検出光学系を複数備えた検出光学系部と、
該検出光学系部の複数の検出光学系のそれぞれの２次元の検出器で検出して得た信号を
処理して前記試料上の欠陥を検出する信号処理部と
を備えた欠陥検査装置であって、
前記検出光学系の対物レンズは、前記試料表面の照明光を照射した線状の領域の長手方
向に沿った方向と前記長手方向にほぼ直交する方向に沿った方向とで異なる開口角を有し
て光軸が前記照明光照射部の照明光の光軸とほぼ一点で交差するように構成されており、
前記検出光学系は、前記対物レンズで集光した前記散乱光により前記線状の領域の長手
方向の倍率と前記線状の領域の長手方向にほぼ直交する方向の倍率とが異なる像を前記２
次元の検出器上に前記検出器の検出面と前記試料表面の検査面である前記照明光を照射し
た線状の長手方向の領域との距離を同一に保った状態で形成する
ことを特徴とする欠陥検査装置。

【請求項7】

前記検出光学系部は、前記照明光が照射された前記試料から発生した散乱光のうち、前
記複数の検出光学系の方向とは異なる方向に散乱した散乱光の一部を集光して検出する斜
方検出光学系を更に備え、前記信号処理部は、前記斜方検出光学系で前記散乱光の一部を
集光し検出して得た信号と前記複数の検出光学系で検出して得た信号とを用いて前記複数
の検出光学系のそれぞれの２次元の検出器では飽和してしまう散乱光を発生する欠陥を検
出することを特徴とする請求項６記載の欠陥検査装置。

【請求項8】

試料を載置して平面内で移動可能なテーブルと、
該テーブルに載置した前記試料の表面の線状の領域に前記試料の表面の法線方向に対し
て傾いた方向から照明光を照射する照明光照射部と、
前記照明光を照射した試料表面の線状の領域の長手方向に対してほぼ直交する方向で前記試料表面の法線を含む面内で焦点位置を前記試料表面の照明光を照射した線状の領域に合わせるように配置されて前記照明光照射部により照明光が照射された前記試料の表面の線状の領域から発生した散乱光を集光する対物レンズと該対物レンズで集光された散乱光を一軸方向に集光する一軸結像系と該一軸結像系で集光された散乱光を複数の素子を２次元に配列して形成したチャンネルを複数並べて形成した並列型光子計数センサ上の前記チャンネルを構成する２次元に配列した複数の素子上に前記一軸結像系で拡大して投影された像として検出するように構成した２次元の検出器とを有して光軸が前記照明光の光軸とほぼ一点で交差するように構成し、検出面と前記試料表面の検査面である前記照明光を照射した線状の長手方向の領域との距離を同一に保った状態でそれぞれ検出する複数の検出光学系と前記照明光が照射された前記試料から発生した散乱光のうち前記複数の検出光学系の方向とは異なる方向に散乱した散乱光の一部を集光して検出する前記２次元の検出器よりも感度の低い検出器とを備えた検出光学系部と、
前記複数の２次元の検出器で検出して得た信号を処理して前記試料上の微細な欠陥を検
出すると共に、前記２次元の検出器よりも感度の低い検出器で検出して得た信号と前記複
数の２次元の検出器で検出して得た信号とを用いて前記複数の２次元の検出器では飽和し
てしまう散乱光を発生する比較的大きな欠陥を検出する信号処理部と
を備えたことを特徴とする欠陥検査装置。

【請求項9】

前記検出光学系の対物レンズは、前記試料表面の照明光を照射した線状の領域の長手方
向に沿った方向の開口角が、前記長手方向にほぼ直交する方向に沿った方向の開口角より
も大きいことを特徴とする請求項６又は８に記載の欠陥検査装置。

【請求項10】

前記検出光学系はシリンドリカルレンズを備え、該シリンドリカルレンズにより、前記
対物レンズで集光した前記散乱光による前記線状の領域の長手方向にほぼ直交する方向の
像を拡大して前記２次元の検出器上に形成することを特徴とする請求項６又は８に記載の
欠陥検査装置。

【請求項11】

前記２次元の検出器は、前記照明光照射部により照明光が照射された前記試料の表面の
線状の領域から発生した散乱光のうち前記対物レンズで集光された光の光子数を計数する
ことを特徴とする請求項６又は８に記載の欠陥検査装置。

【請求項12】

前記２次元の検出器は、ガイガーモードで動作するアバランシェホトダイオード素子を
２次元に配列して構成した検出器であることを特徴とする請求項１１に記載の欠陥検査装
置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は試料表面に存在する微小な欠陥を検査し、欠陥の位置・種類および寸法を判定して出力する欠陥検査方法および欠陥検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて、製品の歩留まりを維持・向上するために、半導体基板や薄膜基板等の表面に存在する欠陥の検査が行われている。欠陥検査の従来技術としては、特開平８−３０４０５０号公報（特許文献１）、特開２００８−２６８１４号公報（特許文献２）、特開２００８−２６１７９０号公報（特許文献３）などが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８−３０４０５０号公報

【特許文献2】特開２００８−２６８１４号公報

【特許文献3】特開２００８−２６１７９０号公報 特許文献１では、線状照明を行う照明光学系、被照明領域をラインセンサで分割して検出する検出光学系により、一度の検査で同一欠陥を複数回照明し、それらの散乱光を加算することにより検出感度を向上させる技術が開示されている。

【0004】

特許文献２では、レーザ光帯に対応した２ｎ個のＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）がリニアに配列され、２ｎ個のうちの適当な2個ずつを組合せ、各組合せの２個のＡＰＤの出力信号の差分をそれぞれ算出して、反射光によるノイズを消去し、散乱光に対する欠陥パルスを出力する技術が開示されている。

【0005】

また、特許文献３では、円形状レンズを互いに平行な２つの直線で切断した形状の光学レンズとそれに対応する検出器を複数配置して、散乱光を検出する技術が開示されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

半導体等の製造工程で用いられる欠陥検査には、微小な欠陥を検出すること、検出した欠陥の寸法を高精度に計測すること、試料を非破壊で（例えば試料を変質させること無く）検査すること、同一の試料を検査した場合に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、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。

【0007】

前記特許文献１、２および３に述べられた技術では、特に例えば寸法２０ｎｍ以下の微小な欠陥については、欠陥から発生する散乱光が極めて微弱となり、試料表面で発生する散乱光によるノイズ、検出器のノイズ、あるいは検出回路のノイズに欠陥信号が埋もれるため検出不可能となる。あるいは、これを避けるために照明パワーをあげた場合、照明光による試料の温度上昇が大きくなり、試料への熱ダメージが発生する。あるいは、これを避けるために試料の走査速度を低下させた場合、一定時間内に検査できる試料の面積あるいは試料の数が減少する。以上より、微小な欠陥を高速に検出することが困難であった。

【0008】

微弱な光を検出する方法として、光子計数法が知られている。一般に、微弱な光に対しては検出光子数を計数する光子計数を行うことで、信号のＳＮ比が向上するため、高感度・高精度で安定した信号が得られる。従来から知られる光子計数法の一例としては、光電子増倍管、あるいは単一素子からなるＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）に対する光子の入射で発生するパルス電流の発生数を計数する方法がある。この方式では、短い時間内に複数個の光子が入射して複数回のパルス電流が発生した場合にはその回数を計数できないため、光量を精度良く計測することは出来ず、欠陥検査への適用は困難であった。

【0009】

別の光子計数法の一例としては、複数のＡＰＤ素子を２次元のアレイ状に配列して構成
した検出器の、各素子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が
知られている。この検出器はＳｉ−ＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉ
ｅｒ）、ＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、あるいはＭ
ＰＰＣ（ＭｕｌｔｉーＰｉｘｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｅｒ、登録商標、商標権者：浜松ホトニクス株式会社）などと呼ばれる。この方法によれば前述の光電子増倍管や、単一素子からなるＡＰＤを用いた光子計数と異なり、短い時間内に複数の光子が入射した場合でも、複数のＡＰＤ素子からのパルス電流の合計により光量を計測することが可能となる。但しこの場合でも、複数のＡＰＤを配列したものが一つの検出器＝「検出ｃｈ」として動作するため、「検出ｃｈ」を複数化した並列検出により、検出視野を分割して高速・高感度化を図る欠陥検査においては、本方法を適用することは困難であった。

【0010】

本発明は、従来技術の課題を解決して、微小な欠陥を高速・高感度に検出することを可能にする欠陥検査方法及び欠陥検査装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、平面内で移動可能なテーブルに載置した試料表面の線状の領
域に試料表面の法線方向に対して傾いた方向から照明光を照射し、照明光が照射された試
料から発生した散乱光を試料表面の照明光を照射した線状の領域の長手方向に対してほぼ
直交して試料表面の法線方向を含む面内で焦点位置を前記試料表面の照明光を照射した線状の領域に合わせるように配置した対物レンズと一軸結像系とを含む複数の検出光学系で
集光し、この集光した散乱光を複数の検出光学系のそれぞれに対応する複数の素子を２次元に配列して形成したチャンネルを複数並べて形成した並列型光子計数センサ上の前記チャンネルを構成する２次元に配列した複数の素子上に前記一軸結像系で拡大して投影された像として検出するように構成した複数の検出器で検出し、この複数の検出器で検出して得た散乱光検出信号を処理して試料表面の欠陥を検出する欠陥検査方法において、照明光が照射された試料から発生した散乱光を、試料表面の照明光を照射した線状の領域の長手方向に対する開口角と長手方向にほぼ直交する方向に対する開口角が異なる対物レンズを含む複数の光学系であって光軸が前記照明光の光軸とほぼ一点で交差するように構成した前記複数の光学系で集光し、この複数の光学系のそれぞれの対物レンズで集光した散乱光により線状の領域の長手方向の倍率と線状の領域の長手方向にほぼ直交する方向の倍率とが異なる像を複数の検出器の検出面と前記試料表面の検査面である前記照明光を照射した線状の長手方向の領域との距離を同一に保った状態でそれぞれ検出するようにした。

【0012】

又、本発明では、上記課題を解決するために、平面内で移動可能なテーブルに載置した試料表面の線状の領域に試料表面の法線方向に対して傾いた方向から照明光を照射し、照明光が照射された試料から発生した散乱光を試料表面の照明光を照射した線状の領域の長手方向に対してほぼ直交して試料表面の法線方向を含む面内で焦点位置を前記試料表面の照明光を照射した線状の領域に合わせるように配置した対物レンズと一軸結像系とを含む複数の検出光学系であって光軸が前記照明光の光軸とほぼ一点で交差するように構成した前記複数の光学系で集光してこの複数の検出光学系のそれぞれに対応する複数の素子を２次元に配列して形成したチャンネルを複数並べて形成した並列型光子計数センサ上の前記チャンネルを構成する２次元に配列した複数の素子上に前記一軸結像系で拡大して投影された像として検出するように構成した複数の２次元の検出器により前記複数の２次元の検出器の検出面と前記試料表面の検査面である前記照明光を照射した線状の長手方向の領域との距離を同一に保った状態で検出し、照明光が照射された試料から発生した散乱光のうち複数の検出光学系の方向とは異なる方向に散乱した散乱光の一部を集光して２次元の検出器よりも感度の低い検出器で検出し、複数の２次元の検出器で検出して得た信号を処理して試料上の微細な欠陥を検出すると共に、２次元の検出器よりも感度の低い検出器で検出して得た信号と複数の２次元の検出器で検出して得た信号とを用いて複数の２次元の検出器では飽和してしまう散乱光を発生する比較的大きな欠陥を検出するようにした。

【0013】

又、本発明では、上記課題を解決するために、欠陥検査装置を、試料を載置して平面内
で移動可能なテーブルと、テーブルに載置した試料の表面の線状の領域に試料の表面の法
線方向に対して傾いた方向から照明光を照射する照明光照射部と、照明光を照射した試料
表面の線状の領域の長手方向に対してほぼ直交する方向で試料表面の法線を含む面内で焦点位置を前記試料表面の照明光を照射した線状の領域に合わせるように配置されて照明光照射部により照明光が照射された試料の表面の線状の領域から発生した散乱光を集光する対物レンズとこの対物レンズで集光された散乱光を一軸方向に集光する一軸結像系と該一軸結像系で集光された散乱光を複数の素子を２次元に配列して形成したチャンネルを複数並べて形成した並列型光子計数センサ上の前記チャンネルを構成する２次元に配列した複数の素子上に前記一軸結像系で拡大して投影された像として検出するように構成した２次元の検出器とを有する検出光学系を複数備えた検出光学系部と、検出光学系部の複数の検出光学系のそれぞれの２次元の検出器で検出して得た信号を処理して試料上の欠陥を検出する信号処理部とを備えて構成し、検出光学系の対物レンズは、試料表面の照明光を照射した線状の領域の長手方向に沿った方向と長手方向にほぼ直交する方向に沿った方向とで異なる開口角を有して光軸が前記照明光照射部の照明光の光軸とほぼ一点で交差するように構成されており、検出光学系は、対物レンズで集光した散乱光により線状の領域の長手方向の倍率と線状の領域の長手方向にほぼ直交する方向の倍率とが異なる像を２次元の検出器上に前記検出器の検出面と前記試料表面の検査面である前記照明光を照射した線状の長手方向の領域との距離を同一に保った状態で形成するように構成した。

【0014】

又、本発明では、上記課題を解決するために、欠陥検査装置を、試料を載置して平面内で移動可能なテーブルと、テーブルに載置した試料の表面の線状の領域に試料の表面の法線方向に対して傾いた方向から照明光を照射する照明光照射部と、照明光を照射した試料表面の線状の領域の長手方向に対してほぼ直交する方向で試料表面の法線を含む面内で焦点位置を前記試料表面の照明光を照射した線状の領域に合わせるように配置されて照明光照射部により照明光が照射された試料の表面の線状の領域から発生した散乱光を集光する対物レンズとこの対物レンズで集光された散乱光を一軸方向に集光する一軸結像系と該一軸結像系で集光された散乱光を複数の素子を２次元に配列して形成したチャンネルを複数並べて形成した並列型光子計数センサ上の前記チャンネルを構成する２次元に配列した複数の素子上に前記一軸結像系で拡大して投影された像として検出するように構成した２次元の検出器とを有して光軸が前記照明光の光軸とほぼ一点で交差するように構成し、検出面と前記試料表面の検査面である前記照明光を照射した線状の長手方向の領域との距離を同一に保った状態でそれぞれ検出する複数の検出光学系と照明光が照射された試料から発生した散乱光のうち複数の検出光学系の方向とは異なる方向に散乱した散乱光の一部を集光して検出する２次元の検出器よりも感度の低い検出器とを備えた検出光学系部と、複数の２次元の検出器で検出して得た信号を処理して試料上の微細な欠陥を検出すると共に、２次元の検出器よりも感度の低い検出器で検出して得た信号と複数の２次元の検出器で検出して得た信号とを用いて前記複数の２次元の検出器では飽和してしまう散乱光を発生する比較的大きな欠陥を検出す信号処理部とを備えて構成した。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、上記に述べた構成とするにより、高ＮＡ（開口率）での複数方向からの検出を可能とし、並列型の光子計数検出器により微細欠陥からの散乱光を有効に検出して、高感度検査を実現する効果が得られる。

【0016】

また、並列型の光子計数検出器と通常の光学センサとを組み合わせたことにより、より広いダイナミックレンジで欠陥を検出することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施例１における欠陥検査装置の基本構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の実施例１における長円形レンズの構成を示す三面図である。

【図3】本発明の実施例１における検査装置の長円形レンズの配置を説明する平面図（上段）と正面図(下段)である。

【図4】本発明の実施例１における長円形レンズを組レンズで構成した場合の構成を示す正面図である。

【図5A】本発明の実施例１における比較例で、対物レンズを円形レンズで構成した場合の平面図である。

【図5B】本発明の実施例１において、対物レンズを長円形レンズで構成した場合の平面図である。

【図6】本発明の実施例１において、試料表面上の照明領域形状と走査方向の関係を説明する試料の平面図である。

【図7】本発明の実施例１において、走査による照明スポットの軌跡を説明する試料の平面図である。

【図8】本発明の実施例１における並列型光子計数センサの第１の例の平面図である。

【図9】本発明の実施例１における並列型光子計数センサの構成要素の等価回路を示す回路図である。

【図10】本発明の実施例１における信号処理部の構成を示すブロック図である。

【図11A】本発明の実施例１における並列型光子計数センサの第２の例を示す並列型光子計数センサの側面図である。

【図11B】本発明の実施例１における並列型光子計数センサの第３の例を示す並列型光子計数センサの側面図である。

【図12】本発明の実施例１における検出光学系のレンズ構成の第１の例を示す光学系の斜視図である。

【図13A】本発明の実施例１における検出光学系を成すレンズ構成の第２の例を示す光学系の側面図である。

【図13B】本発明の実施例１における検出光学系を成すレンズ構成の第２の例における結像性能を示すスポットダイヤグラムと視野高さとの関係を示す表である。

【図14A】本発明の実施例１における一軸結像系を追加した検出光学系を成すレンズ構成の例を示す光学系の側面図である。

【図14B】本発明の実施例１における一軸結像系を追加した検出光学系を成すレンズ構成の例における結像性能を示すスポットダイヤグラムと視野高さとの関係を示す表である。

【図15A】本発明の実施例２における欠陥検査装置の基本構成を示すブロック図である。

【図15B】本発明の実施例２における欠陥検査装置の検出光学系の概略の構成を示す正面図である。

【図15C】本発明の実施例２における欠陥検査装置の後方散乱光検出ユニットの概略の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明は、半導体等の製造工程で用いられる欠陥検査において、微小な欠陥を検出すること、検出した欠陥の寸法を高精度に計測すること、試料を非破壊で（例えば試料を変質させること無く）検査すること、同一の試料を検査した場合に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、一定時間内に多数の試料を検査することを可能にする欠陥検査方法及び欠陥検査装置を提供するものである。

【0019】

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。下記に説明する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するものであり、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。

【実施例1】

【0020】

図１は、本実施例の欠陥検査装置の構成の例を示す。本実施例における欠陥検査装置は、照明光学系ユニット１０、検出光学系ユニット１１、信号処理ユニット１２、ステージユニット１３、全体制御部１４を備えて構成されている。

【0021】

照明光学系ユニット１０は光源１０１、偏光状態制御手段１０２、ビーム成形ユニット１０３及び細線集光光学系１０４を備えている。このような構成において、光源１０１を射出した照明光は、偏光状態制御手段１０２とビーム成型ユニット１０３とを透過して、ミラー１０５で光路を変換されて細線集光光学系１０４に導入される。この時、偏光状態制御手段１０２は１／２波長板、１／４波長板などの偏光素子で構成され、照明光学系の光軸周りに回転できるような駆動手段（図示せず）を具備し、ステージユニット１０３に載置されたウェハ００１を照明する照明光の偏光状態を調整する手段である。

【0022】

また、ビーム成型ユニット１３０は、後に述べる細線照明を形成する光学ユニットであり、ビームエキスパンダ、アナモルフィックプリズム等によって構成される。

【0023】

細線集光光学系１０４はシリンドリカルレンズ等により構成され、細線状に成形した照明光でウェハ（基板）００１の細線状の照明領域１０００を照明する。本実施例では、図１に示すように細線照明の幅方向（細線照明領域１０００の長手方向にほぼ直交する方向：矢印１３００の方向）をステージ走査方向（ｘ方向）に、細線照明領域１０００の長手方向をｙ方向に取るものとして説明する。

【0024】

また、本実施例ではこのように、照明領域１０００を絞った細線照明を行うが、これは検査対象に対する照明の照度（照明のエネルギー密度）を高くすることにより、検査スループットの向上を図ることが目的の一つである。このため、光源１０１には直線偏光を放射し、集光性の良い高コヒーレント光源であるレーザ光源を使用することが望ましい。また、背景技術において述べたように、欠陥からの散乱光を増大させるためにも光源の短波長化が有効であり、本実施例では光源１０１にはＵＶ（Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ)レーザを用いる。たとえばＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）−ＴＨＧ（ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の波長３５５ｎｍ固体レーザ、あるいはＹＡＧ−ＦＨＧ（Ｆｏｕｒｔｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の波長２６６ｎｍ固体レーザ、あるいはＹＡＧ−ＦＨＧとＹＡＧ基本波の和周波による２１３ｎｍ、１９９ｎｍ、１９３ｎｍ固体レーザ等の何れかを用いる。

【0025】

照明光学系ユニット１０により細線照明されたウェハ００１からの散乱光は、検出光学系ユニット１１を通して検出される。検出光学系ユニット１１は、３つの検出ユニット１１ａ〜１１ｃを備えている。本実施例では検出光学系１１は、３つの検出ユニットから構成する例を示したが、この形態に限定するものではなく、２つの検出ユニットを用いて検出光学系を構成してもよく、又は、４つ以上の検出ユニットを備えて検出光学系を構成してもよい。以下、第１の検出ユニット１１ａの構成要素は添字ａを、第２の検出ユニット１１ｂの構成要素は添字ｂを、第３の検出ユニット１１ｃの構成要素は添字ｃにより表記の区別を行う。

【0026】

第１の検出ユニット１１ａは、対物レンズ１１１ａ、空間フィルタ１１２ａ、偏光フィルタ１１３ａ、結像レンズ１１４ａ、一軸結像系（例えば、シリンドリカルレンズ）１１４０ａ、並列型光子計数センサ１１５ａを備えている。第２の検出ユニット１１ｂ及び第３の検出ユニット１１ｃも同様な光学要素を備えて構成されている。
第１の検出ユニット１１ａについて説明すると、照明光学系ユニット１０により細線照明されたウェハ００１からの散乱光は対物レンズ１１１ａにより集光され、結像レンズ１１４ａと一軸結像系１１４０ａにより、並列型光子計数センサ１１５ａ上の複数の素子に跨るように、ウェハ００１上の欠陥の散乱光像（点像）が結像される。第２の検出ユニット１１ｂ及び第３の検出ユニット１１ｃも同様に、それぞれ対物レンズ１１１ｂ、１１１ｃにより集光され、結像レンズ１１４ｂ、１１４ｃ、一軸結像系１１４０ｂ、１１４０ｃにより、並列型光子計数センサ１１５ｂ、１１５ｃ上の複数の素子に跨るように、ウェハ上の欠陥の散乱光像（点像）が結像される。ここで対物レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは図1に示したように円形レンズの左右を直線状に切除して左右対称形状を持つ長円形レンズからなるように構成する。その構成と効果の詳細に関しては後述する。
検出光学系ユニット１１において、開口制御フィルタ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは、基板表面のラフネス等により生じる背景散乱光を遮光することで、検出時の背景光ノイズを低減して、欠陥検出感度を向上させるものである。また、偏光フィルタ(偏光板等) １１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは、検出散乱光から特定の偏光成分をフィルタリングすることで、背景光ノイズを低減して、欠陥検出感度を向上させるために用いるものである。
並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃは光電変換により、検出された散乱光を電気信号に変換するものであり、複数のＡＰＤ素子を２次元のアレイ状に配列して構成した検出器の、各素子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が知られている。この検出器はＳｉ−ＰＭ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）、ＰＰＤ（Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、あるいはＭＰＰＣ（ＭｕｌｔｉーＰｉｘｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｅｒ）などと呼ばれる素子である。

【0027】

図８は、並列型光子計数センサ１１５ａの受光面の構成の一例である。並列型光子計数センサ１１５ａは単一のＡＰＤ素子２３１を、複数個２次元に配列した構成を有する。ＡＰＤ素子２３１は各々がガイガーモード（光電子増倍率が１０^５以上）で動作するように電圧が印加される。ＡＰＤ素子２３１に一つの光子が入射すると、ＡＰＤ素子の量子効率に応じた確立でＡＰＤ素子２３１内に光電子が発生し、ガイガーモードＡＰＤの作用で増倍され、パルス状の電気信号を出力する。図８で点線の２３２で囲まれた中にあるＡＰＤ素子２３１の集合を一つの単位（ｃｈ）として、Ｓ１方向にｉ個、Ｓ２方向にｊ個のＡＰＤ素子の各々で発生したパルス状の電気信号を合計して出力する。この合計信号が光子計数による検出光量に相当する。そしてこれらｃｈをＳ２方向に複数並べることで、検出系の視野内の細線照明された領域の細線の長手方向に分割された複数の領域からのそれぞれの散乱光の像が、複数に並べたｃｈのそれぞれ対応する位置にＳ１方向に拡大されて投影される。これにより、検出系の視野内の複数の領域の各々に対して、同時並列的に光子計数による散乱光の光量検出を行うことが可能となる。光子計数による散乱光検出であるため、微弱光検出が可能であり、これにより微小欠陥の検出、すなわち欠陥検出感度の向上を図ることが可能となる。

【0028】

図９は１ｃｈを構成するｉ×ｊ個のＡＰＤ素子群と等価な回路の回路図の例である。図中の一つのクエンチング抵抗２２６とＡＰＤ２２７の組が、図８で説明した一つのＡＰＤ素子２３１に対応する。各ＡＰＤ２２７に逆電圧Ｖ_Ｒが印加される。逆電圧Ｖ_ＲをＡＰＤ２２７の降伏電圧以上に設定することで、ＡＰＤ２２７がガイガーモードで動作する。図９に示した回路構成にすることで、ｉ×ｊ個のＡＰＤ素子群からなる並列型光子計数センサの１ｃｈの領域に入射した光子数の合計に比例した出力電気信号（電圧、電流の波高値、あるいは電荷量）が得られる。各Ｃｈに対応する出力電気信号はアナログ−デジタル変換され、時系列のデジタル信号として並列に出力される。

【0029】

個々のＡＰＤ素子は、短い時間に複数の光子が入射しても一つの光子が入射した場合と同程度のパルス信号しか出力しないため、個々のＡＰＤ素子への単位時間当たりの入射光子数が大きくなると、一つのｃｈの合計出力信号が入射光子数に比例しなくなり、信号の線形成が損なわれる。また、一つのｃｈの全てのＡＰＤ素子に一定量（１素子あたり平均１光子程度）以上の入射光が入ると、出力信号は飽和する。Ｓ１、Ｓ２方向に多数のＡＰＤ素子を並べて、一軸結像系１１４０ａ〜ｃで並列型光子係数センサ１１５の受光面上に投影される散乱光の像が一つのｃｈの多数のＡＰＤ素子上に拡大して投影されるような構成とすることにより、一画素あたりに入射光量を低減することが可能となり、より正確な光子計数が可能となる。例えばＳ１、Ｓ２方向にｉ×ｊ個並べた１ｃｈの画素数を１０００画素にすることで、ＡＰＤ素子の量子効率が３０％の場合、検出の単位時間当たり１０００光子以下の光強度で十分なリニアリティを確保でき、約３３００光子程度以下の光強度を飽和することなく検出することが可能となる。

【0030】

図８に示した並列型光子計数センサの構成では、Ｓ１方向に対して光強度が一様でなく、センサの中央部と比較して端部の光強度が弱くなる。シリンドリカルレンズの代わりにＳ１方向に曲率を持つ微小なシリンドリカルレンズをＳ１方向に多数並べたレンチキュラーレンズ、回折型光学素子、あるいは非球面レンズを用いることで、欠陥像の一軸拡大像２２５のＳ１方向の分布を、強度が一様な分布とすることが出来る。こうすることで、Ｓ１方向のＡＰＤ素子数を保ったまま、リニアリティを確保できる光強度範囲、あるいは飽和しない光強度範囲を更に拡大することが可能となる。

【0031】

このとき、先に述べた細線状の照明領域１０００は、照明光の効率を向上させるために（センサの検出範囲外を照明しても無効であるため）並列型光子計数センサ１１５の検出範囲に絞り込むように基板を照明する。

【0032】

また、本実施例の検出光学系１１では、３つの検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃは同一の構造で構成する。これは、同一の構造を複数配置することにより検査装置の製造工数、製造コストの低減を図ることを可能とするためである。

【0033】

ステージユニット１３は、並進ステージ１３０、回転ステージ１３１、ウェハ面高さ調整のためのＺステージ１３２を備える。ステージユニット１３によるウェハ表面の操作方法に関して、図６、図７により説明する。

【0034】

先ず、図１に示したウェハ照明光学系ユニット１０によって、図６に示すようにウェハ００１の表面に形成された細線状の照明領域１０００の長手方向を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Ｒ１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。円周方向Ｒ１(細線状の照明領域１０００では円周の接線方向であるＳ１の方向)の走査により試料を1回転する間に、走査方向Ｓ２へ細線状の照明領域１０００の長手方向の長さ以下の距離だけ走査することにより、図７に示すように、照明スポット(細線状の照明領域１０００)がウェハ００１にらせん状の軌跡Ｔを描き、この走査をウェハ００１の半径に細線状の照明領域１０００の長さを加えた分だけ行うと、ウェハ００１の表面の全面が走査され、これによりウェハ全面の検査を可能とする。

【0035】

ここで照明領域１０００の長さと、検出光学系ユニット１１の光学倍率、並列型光子計数センサ１１５の寸法との関係を説明する。高感度・高速検査を行う場合、照明領域１０００の長さＬｉは概略２００ｕｍに設定される。並列型光子計数センサ１０５として、ガイガーモードで動作する２５ｕｍ角のＡＰＤ素子が、Ｓ２方向には２０素子、Ｓ１方向には１６０素子の並んだユニットを１ｃｈとし、これをＳ２方向に８ｃｈ並べて並列型光子計数センサ１１５を構成した場合、並列型光子計数センサ１１５のＳ１方向の全長は４ｍｍとなり、これと照明領域の長さＬｉ２００ｕｍと比較すると、検出部の光学倍率は２０倍となり、ウェハ面に投影される検出ｃｈのピッチは２５ｕｍとなる。

【0036】

この条件で、試料を回転速度２０００ｒｐｍで回転させ、１回転に対する並進ステージの送りピッチを１２．５ｕｍとした場合、直径３００ｍｍのウェハは６秒で、直径４５０ｍｍのウェハは９秒で全面が走査される。ここでは、ウェハを回転走査する際の１回転に対する並進ステージの送りピッチを、ウェハ面に投影される検出ｃｈのピッチ２５ｕｍの１／２としたが、必ずしもこの値に限ることは無く、ウェハ面に投影される検出ｃｈの偶数分の１あるいは奇数分の１の任意の数、あるいは整数分の１に限ること無く任意に定めても良い。

【0037】

信号処理ユニット１２は、第１、第２および第３の並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、により光電変換された散乱光信号に基づいて様々な欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度に行う。ここで信号処理ユニット１２の具体的構成に付いて図１０により説明する。信号処理ユニット１２は、フィルタリング処理部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃと、信号処理・制御部１２２を備えている。信号処理ユニット１２は、実際には検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々が並列型光子検出センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃの各ｃｈ毎に複数の信号を出力する。ここではその中の一つのｃｈの信号に注目した説明を行うが、他のｃｈについても同様の処理が並列して行われることは言うまでもない。

【0038】

検出光学系１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々に備えられた並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃから出力された、検出散乱光量に対応する出力信号は、フィルタリング処理部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃにおいて、ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃの各々により欠陥信号６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃの各々が抽出され、欠陥判定部６０５に入力される。前述したステージ走査において、照明領域１０００の幅方向（ウェハの円周方向）Ｓ１に走査されるため、欠陥信号の波形は照明領域１０００のＳ１方向の照度分布プロファイルを拡大縮小したものとなる。従って、ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃの各々により、欠陥信号波形の含まれる周波数帯域を通し、ノイズが相対的に多く含まれる周波数帯域および直流成分をカットすることで、欠陥信号６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃのＳ／Ｎが向上する。

【0039】

各ハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃとしては、特定のカットオフ周波数を持ち、その周波数成分以上の成分を遮断するように設計されたハイパスフィルタ、あるいはバンドパスフィルタ、あるいは照明領域１０００の照度分布の形状が反映された欠陥信号の波形と相似形を成すＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタを用いる。

【0040】

信号処理制御部１２２の欠陥判定部６０５はハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃの各々から出力された欠陥波形を含む信号の入力に対してしきい値処理を行い、欠陥の有無を判定する。即ち、欠陥判定部６０５には、複数の検出光学系からの検出信号に基づく欠陥信号が入力されるので、欠陥判定部６０５は、複数の欠陥信号の和や、加重平均に対してしきい値処理を行うか、または複数の欠陥信号に対してしきい値処理により抽出された欠陥群について、ウェハの表面に設定された同一座標系でＯＲやＡＮＤを取ることなどにより、単一の欠陥信号に基づく欠陥検出と比較して高感度の欠陥検査を行うことが可能となる。

【0041】

更に、欠陥判定部６０５は、欠陥が存在すると判定された箇所について、その欠陥波形と感度情報信号に基づいて算出されるウェハ内の欠陥位置を示す欠陥座標および欠陥寸法の推定値を欠陥情報として制御部５３に提供して表示部などに出力する。欠陥座標は欠陥波形の重心を基準として算出される。欠陥寸法は欠陥波形の積分値、あるいは最大値を元に算出される。

【0042】

さらに、並列型光子係数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃから出力された信号は、信号処理部１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃを構成するハイパスフィルタ６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃに加えて、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃの各々に入力され、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃの各々について、ウェハ状の照明領域１０００における微小ラフネスからの散乱光量（ヘイズ）に対応する周波数の低い成分および直流成分が出力される。

【0043】

このようにローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃの各々からの出力信号６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃは、信号処理制御部１２２のヘイズ処理部６０６に入力されてヘイズ情報の処理が行われる。即ち、ヘイズ処理部６０５は、ローパスフィルタ６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃの各々から得られる入力信号６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃの大きさから、ウェハ００１上の場所毎のヘイズの大小に対応する信号をヘイズ信号として出力する。

【0044】

また、微小ラフネスの空間周波数分布に応じてラフネスからの散乱光量の角度分布が変わるため、互いに異なる方向に設置された複数の検出系１１ａ、１１ｂ、１１ｃからの出力信号であるヘイズ信号６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃをヘイズ処理部６０６への入力とすることで、ヘイズ処理部６０６からは、それらの強度比などから微小ラフネスの空間周波数分布に関する情報を得ることが出来る。このようにヘイズ信号から得られた情報の処理により、ウェハの表面状態の情報をも併せて得ることが可能となる。

【0045】

制御ユニット１４は前記照明光学系ユニット１０、検出光学系ユニット１１、信号処理ユニット１２、ステージユニット１３を制御する。

【0046】

スキャン中にウェハが検出光学系１１の焦点範囲から外れると、並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃで検出される微弱散乱光の状態が変化し、欠陥検出感度が低下する。このためスキャン中にはＺステージ（図示せず）により常にウェハ００１の表面のｚ位置（高さ方向の位置）が検出光学系ユニット１１の焦点範囲にあるように制御される。このウェハ００１の表面のｚ位置の検出は、図示していないウェハ００１の表面のｚ位置検出手段により行われる。

【0047】

焦点外れは、並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ上に形成される欠陥の散乱光像の状態に大きく影響を与え、欠陥検出感度を大幅に低下させる要因となる。これを避けるために本実施例では、照明光学系ユニット１０と検出光学系ユニット１１とを以下のように構成した。すなわち検出光学系ユニット１１において同一の構造で構成された各検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、その光軸１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは一つの平面内（以下、この平面を検出光軸面と呼称する）に検出仰角を変えて配置してあり、この検出光軸面が、検査対象面ウェハ００１の表面)の法線（ｚ方向）と細線状の照明領域１０００の長手方向（ｙ方向：Ｓ２方向）とが成す平面に対しほぼ直交するように構成する。また、検出ユニットの光軸１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、照明光学系の光軸１０１０とほぼ一点で交差するように構成する。

【0048】

このように構成することにより、同一構成の検出光学系１１ａ、１１ｂ、１１ｃを複数配置して異なる方向から散乱光を検出する場合において、検出光学系ユニット１１の並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃが検出する検査面上の検出範囲の各点と各々の並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃの各検出面との距離を同一に保つことが可能となり、特段の機構を設けることなく、並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃの検出領域全面で合焦点で散乱光を検出することが可能となる。

【0049】

また、先に説明した本実施例の対物レンズ１１１ａ、１１１ｃ、１１１ｃは、円形レンズの左右を直線状に切除して左右対称形状を持つ長円形レンズを使用するが、切除した直線部は、先に説明した検出光軸面に垂直となるように配置する。このことにより、複数の検出ユニットを配置した場合、通常の円形のレンズを使用した場合と比較して、検出開口を大きくして散乱光の捕捉効率を向上することが可能となると共に、並列型光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃの検出領域全面で合焦点で散乱光を得ることを可能にした。また、光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃの長手方向と検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃとの光軸とが成す平面に対して対称な光学系を構成することにより検出散乱光を光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃの検出領域全面で均等とすることを可能とする。これにより試料表面からの散乱光の光子計数を並列的に行って、欠陥検出感度の向上と併せて、検査スループットの向上を可能とする。

【0050】

本実施例の長円形レンズの構成について、図２〜図５を用いて説明する。
図２は、長円形レンズ１１１の単レンズ形状を説明する長円形レンズの三面図である。左上は長円形レンズ１１１の平面図、右は側面図、下は正面図である。長円形レンズ１１１の平面形状は図２の左上の平面図に示すように、円形レンズの左右を２つの直線状の切断面１１１０で切除してほぼ左右対称となる長円形になるように加工する。また、正面形状は、図２の下側に示すように、前記単レンズを組合せて組レンズとして構成するときの検出開口角（短辺方向)をθｗ２としたときレンズ焦点面からの距離Ｌに対しレンズの半幅Ｗ２≒Ｌ・tanθｗ２となるよう、斜めに切除する。これによりレンズの検出開口は、図２の右側の側面図に示したｙ方向の開口角θｗ１と図２の下側の正面図に示したｘ方向の開口角θｗ２とで異なるものとなり、θｗ１＞θｗ２となるが、これを実際の装置上でどのように配置するかは次に説明する。

【0051】

図３は、前記説明した長円形レンズ１１１の検査装置上での配置を説明する図である。図３の上側は平面図、図３の下側は正面図である。なお、図３の上側の平面図（ｘｙ平面内）で３つの長円形対物レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃはいずれも同一の開口を持つものであるが、対物レンズ１１１ｂ、１１１ｃは光軸が傾いており、これをｘｙ平面内で見た図として示しているため、対物レンズ１１１ａよりも見た目が小さく表示されているものである。３つの長円形対物レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、その焦点位置をウェハ００１の表面の細線状の照明領域１０００の位置に合わせるように配置する。この時、ウェハ００１の表面に対する法線１１１１と、細線状の照明領域１０００の長手方向（ｙ軸方向）との成す面に対してほぼ垂直な、検出光軸面１１１２の同一平面内に長円形対物レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの光軸を配置し、且つ、これら光軸がウェハ００１の表面に対する法線１１１１を中心に対称に配置する。レンズ切断面１１１０ａ、１１１０ｂ、１１１０ｃはなるべく近接させて平行に配置する。また、この時レンズ切断面１１１０ａ、１１１０ｂ、１１１０ｃの方向は細線状の照明領域１０００の長手方向と平行に配置され、検査時にはこの方向と直角な方向１３００にウェハを走査する。レンズの検出開口はx方向にθｗ２であり、ｙ方向にθｗ１である。単独のレンズだけで見ると、開口の大きさはｘ方向＜ｙ方向であるが、複数のレンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを組み合わせることにより、全体的にはx方向の開口を大きくする構成である。

【0052】

図４は、実際の対物レンズが複数の単レンズの組合せから成る組レンズであることを想定して、これを長円形レンズで構成した場合の実施例を説明する図である。図４では対物レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃをそれぞれ５枚の組レンズで構成した例を示している。この場合、必ずしもすべてのレンズを長円形レンズとする必要は無い。ウェハ００１からの距離が離れるに従ってレンズの光軸間の距離も離れるため、円形レンズではレンズ同士が干渉を起こす部分のみを長円形レンズで構成すればよい。

【0053】

本実施例では、円形レンズのままではレンズ同士が干渉するため、ウェハ側に近い４枚のレンズを長円形で構成した実施例である。切断の基本的な状態は図２で説明したものと同じである。すなわち対物レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの先端４枚を切断面１１１０ａ、１１１０ｂ、１１１０ｃにより、検出開口角θｗとなるように切断したものである。レンズ間で干渉を起こさない後側１枚は切断不要であるため切断していない。

【0054】

また、図３で説明したのと同様、３つの対物レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃは、その焦点位置を細線状の照明領域１０００の位置に焦点を合わせるように配置する。この時、ウェハ００１の表面に対する法線１１１１と、細線状の照明領域１０００の長手方向（ｙ軸方向・図示せず）との成す面に対してほぼ垂直な同一平面（検出光軸面１１１２に相当）に対物レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの光軸を配置し、且つ、これら光軸がウェハ００１の表面に対する法線１１１１を中心に対称に配置する。また、レンズ切断面１１１０ａ、１１１０ｂ、１１１０ｃはなるべく近接させて平行に配置する。

【0055】

図５Ａ及び図５Ｂは、長円形レンズを採用した場合の利点について説明する図である。図５Ａは同一の円形レンズ１１１ｎａ、１１１ｎｂ、１１１ｎｃにより異なる３つの検出方向から検出を行なう場合の開口を示すものである。なお、レンズの開口はいずれも同一の大きさで円形であるが、対物レンズ１１１ｎｂ、１１１ｎｃは光軸が傾いており、これをｘｙ平面内で見た図として示しているため、対物レンズ１１１ｎａよりも見た目が小さく表示されているものである。

【0056】

この場合、レンズの干渉を避けるためにレンズの開口を小さくする必要があり、円形開口であるためｘ方向にもｙ方向にも開口は小さくする必要がある。本実施例では、検出光学系は結像光学系でウェハの像を形成することを前提としており、そのための条件として複数の対物レンズの光軸を同一平面内に配置することを想定しているため、その前提で円形レンズを複数個配置した場合、検出開口が非常に制限され、特にｙ方向の検出開口が小さくなるという支障が生じる。
一方で図５Ｂに示すように、長円形レンズ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを採用して、個々の対物レンズのｘ方向とｙ方向の開口を任意に設定できるようにすれば、一つの対物レンズはレンズが干渉するｘ方向のみの開口を小さくして、その分複数個並べれば良く、またｙ方向の開口は、ｘ方向の開口と関係なく必要な大きさで設定することが可能であり、複数の検出光学系で結像検出を行なう場合でも、円形レンズで構成した場合と比較べて、欠陥から発生する微弱散乱光の検出効率を向上して欠陥検出感度を向上させることが可能となる。
上記の実施例においては、検出光学系ユニット１１の３つの検出ユニット１１ａ〜１１ｃを同じ構成の光学系で構成した例を説明したが、本発明はこれに限ることなく、第１の検査ユニット１１ａの対物レンズ１１１ａを第２及び第３の検出ユニット１１ｂ及び１１ｃの対物レンズ１１１ｂ及び１１１ｃよりも大きくして、ウェハ００１に対して垂直方向及びその近傍に散乱した光を第１の検査ユニット１１ａの対物レンズ１１１ａでより多く集光して結像するように構成してもよい。検出光学系をこのように構成することにより、第１の検査ユニット１１ａのＮＡをより大きくすることができ、第１の検査ユニット１１ａでより微細な欠陥を検出することができる。

【0057】

図１２には、検出光学系ユニット１１の対物レンズ１１１、制御開口フィルタ１１２、偏光フィルタ１１３、結像レンズ１１４、一軸結像系１１４０と並列型光子計数センサ１１５の関係を示す（検出光学系ユニット１１の３つの検査ユニット１１ａ．１１ｂ．１１ｃは同じ構造であるので、図１２の説明においては、各構成部品の添え字の表示を省略する。）。ウェハ００１上の欠陥１１１の散乱光像（点像）は対物レンズ１１１、結像レンズ１１４から構成される結像光学系により、ウェハ面と共役な試料面共役面２０５に結像されるが、このとき、一軸結像系１１４０により、欠陥の散乱光像は一軸方向（Ｓ１の方向）に引き伸ばされた像２２５として結像される。並列型光子計数センサ１１５は、そのセンサ面を試料面共役面と実質的に同一となるように設置され、これにより欠陥の散乱光像はＳ１の方向において並列型光子計数センサ１１５上の複数のＡＰＤ素子１１６（図８のＡＰＤ素子２３１に相当）に跨って形成される。

【0058】

一軸結像系１１４０は、円周走査方向（円周接線方向）Ｓ１に対応する方向のみ光を集光させる作用を持ち、シリンドリカルレンズ等のアナモルフィック光学素子により構成される。一軸結像系１１４０の作用により、試料共役面２０５上すなわち並列型光子計数センサ１１５のセンサ面上に形成される欠陥の散乱光像２２５は円周走査方向Ｓ１に対応した方向に拡大される。一方、Ｓ１と直角なＳ２の方向に対して一軸結像系１１４０は結像に影響を与えず、試料面共役面２０５に形成される像のＳ２方向の大きさは、結像レンズ１１４の条件で規定される。即ち、試料共役面２０５上における欠陥の散乱光像２２５は、Ｓ１方向とＳ２方向とで異なる拡大率の像となる。

【0059】

試料共役面２０５上の欠陥像（点像）の大きさは、照明光の波長より小さい微小欠陥を想定すると、対物レンズ１１１および結像レンズ１１４の光学的解像度によって定まる。一般に、顕微鏡レンズなどに代表される、光学系の波面収差が０．１λ以下（ストレール比０．８以上）などで定義される、高精度な光学系である「無収差光学系」においては、対物レンズのＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）をＮＡo、対物レンズ１１１および結像レンズ１１４からなる結像光学系の倍率をＭ、照明光源の波長λにより、像の大きさＷは、レーリーの結像理論により以下の(数１)により定まる。
Ｗ＝１．２２×λ／（ＮＡo／Ｍ） …（数１）
ここで、λ＝０．３５５（ｕｍ）、ＮＡo＝０．８、Ｍ＝２０（倍）とすると、無収差光学系を使用した場合の、試料共役面２０５上すなわち並列型光子計数センサ１１５のセンサ面上に形成される欠陥の散乱光像２２５の、一軸結像系で引伸ばされないＳ２方向の欠陥像の大きさＷは１０．８ｕｍとなる。しかし、先に実施例として示した並列型光子計数センサ１１５のＡＰＤ素子１１６（２３１）の大きさ２５ｕｍと比較しても、また、並列型光子計数センサ１１５の１ｃｈのＳ２方向の幅５００ｕｍ（２０素子分）と比較しても不必要に小さいものとなる。

【0060】

光子計数センサによる光量計測の原理から、欠陥の散乱光像２２５の並進走査方向であるＳ２方向の大きさは１ｃｈの並進走査方向であるＳ２方向の幅（２０素子）に相当する５００ｕｍに拡大することが必要である。無収差光学系を前提とすれば、並列型光子計数センサ１１５のセンサ面を試料共役面２０５から離間して設置し、焦点をセンサ面から外すことで散乱光像を拡大することも考えられるが、無収差光学系は収差補正のためにレンズ枚数も多くなり、このような高精度の光学系をわざわざ焦点を外して使用することは、不要に高精度の光学系を使用していることとなり、光学系のコストを不要に増大させることとなる。

【0061】

すなわち、本実施例における結像光学系はそもそも無収差光学系の必要は無く、ある程度の収差が許容される。上記実施例においては、レーリーの結像理論から計算される点像（１０．８ｕｍ）の大きさの約４６倍の大きさ（５００ｕｍ）で、共役面２０５に欠陥の散乱光像を結像出来れば良い。このように光学系の収差条件を緩めることの利点は、無収差光学系とした場合と比較して、対物レンズ１１１および結像レンズ１１４の枚数を減らし、加工精度、組立精度の条件も緩和することが可能となり、低コストの光学系で高感度検査を行うことが可能となることである。

【0062】

一方、本実施例での並列型光子計数センサ１１５は円周接線方向に相当するＳ１の方向には、各ｃｈともＡＰＤ素子１１６（２３１）が１６０素子並んだ４ｍｍの全長を持つ。これに関しては一軸結像系１１４０により欠陥の散乱光像を、並列型光子計数センサ１１５のＳ１方向の長さと同等かそれ以下となるように引伸ばすようにする。

【0063】

光学系を以上のように構成することにより、欠陥からの散乱光像を、並列型光子計数センサ１１５の１ｃｈの大きさに合わせるように結像して、欠陥からの散乱光の光子計数による光量測定を、必要なダイナミックレンジ（欠陥からの散乱光を検出するＡＰＤの素子数＝欠陥からの散乱光像の範囲内にあるＡＰＤの素子数に相当）で行うことが可能となる。

【0064】

検出光学系１１を構成する対物レンズ１１１、結像レンズ１１４の構成の実施例について図１３Ａ、図１３Ｂ、及び図１４Ａ、図１４Ｂを用いて説明する。

【0065】

図１３Ａは検出光学系（結像光学系）１１を構成するレンズの全系を示す。なお、本図ではレンズを切断しない状態での構成を図示している。１１１が対物レンズ、１１４が結像レンズである。対物レンズは４枚のレンズ、結像レンズは２枚のレンズで構成されており、対物レンズのＮＡは０．８、倍率は２０倍である。使用波長は３５５ｎｍを想定している。ＮＡ０．８という高ＮＡの対物レンズとすることで、ウェハ上の欠陥から発生する散乱光を広範囲で効率よく検出することが可能となる。

【0066】

図１３Ｂは、図１３Ａに示した検出光学系（結像光学系）の結像性能を示すスポットダイヤグラムである。図１３Ｂの上段は視野高さで焦点がウェハ００１の表面にあった状態を±０ｍｍとしている。図１３Ｂの下段はそれぞれの視野高さにおいて観察される像を示している。これはウェハ面上の点からの散乱光がセンサ面上で結像される状態を示すものであり、視野内全域で直径５００ｕｍ程度で均一に点像が形成されていることを示すものである。先にも説明したように、顕微鏡の結像光学系の様に無収差光学系であれば、スポットダイヤグラムは１０．８ｕｍが得られるが、本発明における検出光学系はそこまでの収差性能（分解能）を必要としないため、非常に少ないレンズ枚数で、高ＮＡの光学系を構成することを可能としている。

【0067】

図１４Ａは図１３Ａに示した検出光学系に一軸結像系１１４０を追加した構成であり、結像レンズとセンサ面の間にシリンドリカルレンズを設置したものである。図１４Ｂは図１３Ｂで示した欠陥の散乱光像を一軸結像系１１４０で引伸ばした像を示すスポットダイヤグラムである。図１４Ｂの上段は視野高さで焦点がウェハ００１の表面にあった状態を±０ｍｍとしている。図１４Ｂの下段はそれぞれの視野高さにおいて観察される像を示している。視野内全域で均等にＳ１方向に４ｍｍ引伸ばされている。このような光学系構成をとることで、並列型光子計数センサの各ｃｈの各素子に対して、均等に欠陥の散乱光を入射させることが可能となり、光子計数による欠陥検出が可能となる。

【0068】

並列型光子計数センサ２２４の変形例１の構成図を図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。ＡＰＤ素子を配列した並列型光子計数センサ２２４において、個々のＡＰＤ素子を小さくした場合、ＡＰＤ素子間に配置される配線やクエンチング抵抗からなる不感帯の面積が、受光部の有効面積に対して相対的に大きくなるため、並列型光子計数センサの開口率が低下し、光検出効率が低下する問題がある。そこで図１１Ａに示すように並列型光子計数センサ２３４の受光面の前に、マイクロレンズアレイ２２８を設置することで、素子間の不感帯領域に入射する光の割合を低減し、実効的な効率を向上させることが出来る。マイクロレンズアレイ２２８は、ＡＰＤ素子２３１の配列ピッチと同じピッチで微小な凸レンズが並んだものであり、並列型光子計数センサ２３４への入射光の主光軸と平行な光線（図１１Ａの点線）が対応するＡＰＤ素子２３１の受光面の中央付近に入射するように設置される。

【0069】

並列型光子計数センサ２２４の変形例２の構成図を図１１Ｂに示す。ＡＰＤ素子２３１は一般的にはシリコン系の材料を用いたデバイスであるが、シリコンデバイスは一般的に紫外光領域での量子効率が低下する。これを改善するためには、シリコンナイトライド、ガリウムナイトライド系の材料を用いたデバイスとするか、あるいは図１１Ｂに示すように図１１Ａで説明したマイクロレンズアレイ２２８と、シリコンプロセスで製作されたＡＰＤ素子２３１の間に波長変換材料（シンチレータ）２３５を設置して、紫外光を長波長光（可視光等）に変換して、ＡＰＤ素子２３１の受光面に長波長光を入射させることで実質的に変換効率を上げることが可能となる。

【実施例2】

【0070】

実施例２として、実施例１で説明した図１の構成に、後方散乱光を検出する光学系を追加した構成について説明する。本実施例による検査装置の構成を図１５Ａ乃至図１５Ｃに示す。本実施例において、実施例１で説明した図１の構成と同じ構成のものについては同じ番号を付してある。

【0071】

図１５Ａに示した構成のうち、照明光学系ユニット１０及び検出光学系ユニット１１０の第１〜第３の検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、実施例１で説明した図１の構成と同じである。又、ステージユニット１３も実施例１で説明した図１の構成と同じである。

【0072】

検出光学系ユニット１１０の後方散乱光検出ユニット１５は、図１５Ｂに示すように、ウェハ００１に対して傾斜して取り付けられており、照明光学系ユニット１０により照明光が照射されたウェハ００１上の細線状の領域１０００から発生した散乱光のうち、後方に散乱した光を検出する。

【0073】

本実施例による検査装置では、検出光学系ユニット１１０の第１〜第３の検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃでは飽和してしまうような、散乱光の光量が比較的多い（大きい）欠陥からの散乱光を後方散乱光検出ユニット１５で検出することにより、欠陥検出のダイナミックレンジを拡大する構成となっている。

【0074】

後方散乱光検出ユニット１５の構成を図１５Ｃに示す。後方散乱光検出ユニット１５は、対物レンズ１５１、開口制御フィルタ１５２、偏光フィルタ１５３、集光レンズ１５４、検出器１５６を備えている。開口制御フィルタ１５２及び偏光フィルタ１５３の機能は、実施例１で説明した開口制御フィルタ１１２ａ〜ｃ及び偏光フィルタ１１３ａ〜ｃと同じである。検出器１５１は、光電子増倍管で構成されており、ウェハ００１上の細線状の領域１０００から発生した散乱光のうち、対物レンズ１５１に入射し、開口制御フィルタ１５２及び偏光フィルタ１５３を通過した後に集光レンズ１５４で集光された光を検出する。

【0075】

検出器１５６の感度は、並列型光子計数センサ１１５ａ〜ｃと比べて、検出感度は低い。

【0076】

ここで、後方散乱光検出ユニット１５は結像系ではなく集光系となっているので、ウェハ００１上の欠陥からの散乱光を検出しても、ウェハ００１上の細線状の領域１０００における欠陥の存在領域を特定することができない。しかし、後方散乱光検出ユニット１５で検出されるような散乱光は、第１〜第３の検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃでも検出される。ここで第１〜第３の検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、実施例１で説明したように結像系で構成されているために、ウェハ００１上の細線状の領域１０００内での散乱光の発生位置を特定することができる。

【0077】

したがって、後方散乱光検出ユニット１５で検出した散乱光の光量の情報と第１〜第３の検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃで検出した散乱光発生位置情報とを組み合わせることにより、ウェハ００１上の比較的大きな欠陥の位置と大きさの情報を得ることができる。

【0078】

この処理は、信号処理ユニット１２０の信号処理部１２５にて実施する。即ち、後方散乱光検出ユニット１５で検出した散乱光検出信号は、信号処理ユニット１２０の信号処理部１２３に入力してノイズ除去処理が施され、次に信号処理部１２５に入力する。また、検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃで検出した信号は、それぞれ信号処理部１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃに入力してフィルタリング処理された後に信号処理・制御部１２２で処理されて微細な欠陥が検出される。一方、検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃでウェハ００１からの強い散乱光を受光した場合には、光子計数センサ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃは何れも飽和してしまい、信号処理・制御部１２２には飽和した一定のレベルの信号が入力する。この飽和した信号を受けた信号処理・制御部１２２は、飽和した信号を発生させたウェハ００１上の散乱光発生位置情報を信号処理部１２５に送る。信号処理部１２５では、後方散乱光検出ユニット１５での検出信号のレベルから欠陥の大きさを判定し、この判定結果と信号処理・制御部１２２からの散乱光発生位置情報とを統合して、ウェハ００１上の欠陥の位置と大きさとを求めることができる。

【0079】

なお、本実施例では、比較的強い散乱光を検出するための光学系として後方散乱光検出ユニット１５を設けた例を説明したが、前方散乱光を検出するための光学系や、仰角の異なる後方又は前方散乱光を検出するための光学系を追加してもよい。

【0080】

本実施例によれば、光電子増倍管で構成された検出器１５１で検出できない程度の微小な欠陥を第１〜第３の検出ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃで検出することができるので、欠陥検出のダイナミックレンジを拡大することができる。

【符号の説明】

【0081】

００１…ウェハ ０１…制御ユニット １０…照明光学系ユニット １０１…光源 １０２…偏光状態制御手段 １０３…ビーム成型ユニット １０４…細線集光光学系 １０００…細線状の照明領域 １１…検出光学系 １１ａ、１１ｂ、１１ｃ…検出光学系ユニット １１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ…対物レンズ １１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ…開口制御フィルタ １１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ…偏光フィルタ １１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ…結像レンズ １１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ…並列型光子計数センサ １２、１２０…信号処理ユニット １２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ…信号処理部 １３…ステージユニット １４、１４０…制御ユニット １５…後方散乱光検出ユニット。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】

【図15C】