欠陥検査方法及び欠陥検査装置
【課題】
微小欠陥を試料にダメージを与えることなく高速に検査すること。さらに大欠陥についても、散乱光量を精度良く検出し、欠陥寸法および欠陥座標を高精度に算出すること。
【解決手段】
互いに異なる複数の照度による照明、あるいは互いに異なる複数の感度の画素による検出により、互いに実効感度の異なる複数の信号を得、それらを選択利用することで、高感度、広ダイナミックレンジ検査を実現する。さらに上記複数の信号を同時並列に出力し、処理することにより、高速検査を実現する。
微小欠陥を試料にダメージを与えることなく高速に検査すること。さらに大欠陥についても、散乱光量を精度良く検出し、欠陥寸法および欠陥座標を高精度に算出すること。
【解決手段】
互いに異なる複数の照度による照明、あるいは互いに異なる複数の感度の画素による検出により、互いに実効感度の異なる複数の信号を得、それらを選択利用することで、高感度、広ダイナミックレンジ検査を実現する。さらに上記複数の信号を同時並列に出力し、処理することにより、高速検査を実現する。
【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高感度かつ高速に検査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。従来技術としては特許文献１や特許文献２が知られている。微小な欠陥を検出するために試料表面上に数十μｍに集光したレーザビームを照射して、欠陥からの散乱光を集光・検出している。
【０００３】
上記方法において、平坦な金属および誘電体上の球状粒子に対して照明光を照射した場合の、球状粒子からの散乱光の強度および角度分布の算出方法として非特許文献１が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３０４２８９号公報
【特許文献２】特開平２０００−１６２１４１号公報
【非特許文献１】Ｐ． Ａ． Ｂｏｂｂｅｒｔ ａｎｄ Ｊ． Ｖｌｉｅｇｅｒ， “Ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ ａ ｓｐｈｅｒｅ ｏｎ ａ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ”， Ｐｈｙｓｉｃａ Ａ， Ｖｏｌｕｍｅ １３７， Ｉｓｓｕｅ １−２， ｐ． ２０９−２４２ （１９８６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＳＩ配線の微細化は年々進展しており、検出すべき欠陥のサイズは光学式検査の検出限界に近づいている。半導体ロードマップによると２００７年では寸法３２．５ｎｍ、２０１１年以降では寸法２０ｎｍ以下の欠陥を検出する能力が必要とされている。
【０００６】
ＬＳＩ基板上の微小な欠陥を高速に検査するには、短い検査時間内に、検出器で検出できるだけの十分な散乱光量を微小な欠陥から得る必要がある。このためには高出力の光源を用いて高照度の照明を行うことが有効であるが、照度を上げすぎると、照射領域の加熱が大きくなりＬＳＩ基板にダメージを与えるため、高照度化による感度向上には限界がある。
【０００７】
また、微小欠陥からの散乱光を検出可能な装置構成とした場合、試料上に微小欠陥と同時に存在する中程度あるいは大寸法の欠陥から大きな散乱光が発生するため、微小欠陥を検出するのと同じ検出器でこれらを検出した際に出力が飽和する。例えば寸法５００ｎｍの粒子の散乱光量は寸法２０ｎｍの粒子の散乱光量の約１００万倍であり、通常の光検出器（光電子増倍管やフォトダイオード）のダイナミックレンジ（６０ｄＢ〜８０ｄＢ）にて後者を検出する場合、前者の信号は飽和する。検出器出力が飽和すると、正しい散乱光量が分からなくなるため、散乱光量に基づいた欠陥寸法の算出が困難となる。また、欠陥散乱信号の波形に基づいて、例えば欠陥波形の重心などを用いて、欠陥位置の特定を行う場合も、信号の飽和により欠陥座標算出の精度が低下するなどの課題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するものであり、微小欠陥を検出可能であり、かつ大欠陥に対しても欠陥寸法あるいは欠陥座標の高精度算出が可能な、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】
【０００９】
上記課題を解決すべく、本発明は、試料上の概略全面にわたる走査を１回行う間に試料上の概略同一領域を複数回照明・検出し、得た信号を加算、飽和判定、選択利用することで高感度の検査を行うことを特徴とする。すなわち、互いに異なる複数の照度による照明、あるいは互いに異なる複数の感度の画素による検出により、互いに実効感度の異なる複数の信号を得、それらを選択利用することで、検出信号の飽和を回避しつつ高感度な欠陥検出を行う。
【００１０】
以下、本願で開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次の通りである。
（１）試料表面を検査する欠陥検査装置であって、前記試料を保持するステージと、前記試料表面での照明領域が線状となるようにレーザビームを照射する照明光学系と、前記試料表面における線状照明領域から散乱された光を検出する複数の画素を備えた検出器を有し、前記検出器の複数の画素より得られた互いに実効感度の異なる複数の検出信号を並列に出力する検出光学系と、前記複数の検出信号から飽和していない検出信号を選択し、前記選択された検出信号に基づいて欠陥を検出する信号処理系と、を有することを特徴とする欠陥検査装置である。
（２）（１）記載の欠陥検査装置であって、前記検出光学系により並列に出力される複数の検出信号は、前記試料表面の同一領域を複数回照明して各々検出された散乱光に基づくものであることを特徴とする欠陥検査装置である。
（３）試料表面の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、前記試料表面の同一領域にレーザビームを複数回照射する第一工程と、前記同一領域からの散乱光をそれぞれの回において検出し、互いに実効感度の異なる複数の検出信号を得る第二工程と、前記複数の検出信号から飽和していない検出信号を選択し、前記選択された検出信号に基づいて欠陥を検出する第三工程と、を有することを特徴とする欠陥検査方法である。
（４）（３）記載の欠陥検査方法であって、前記試料表面で線状となるようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、微小な欠陥から大寸法の欠陥まで検出および寸法算出可能な欠陥検査方法及び欠陥検査装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る欠陥検査装置の第一の実施形態は、図１に示す通り、ウエハ１に照明光を照射する照明光学系１０１と、前記照明光によるウエハ１からの散乱光を第一の方向から検出する検出光学系１０２と、ウエハ１を載置可能なステージ１０３と、検出光学系１０２にて得られた検出信号を処理する信号処理部１０５と、全体制御部５３及び表示部５４とを少なくとも有して構成され、必要に応じて、ウエハ１における照明領域内での照度分布をモニタする観察光学系１０４と、ウエハ１からの散乱光を第二の方向から検出する斜方位検出光学系３３（図示せず）を含んで構成される。
【００１３】
照明光学系１０１はレーザ光源２、アッテネータ３、偏光素子４、ビームエキスパンダ７、照度分布制御素子５、反射ミラーm、集光レンズ６を適宜用いて構成される。
レーザ光源２から射出されたレーザ光は、アッテネータ３で所望のビーム強度に調整され、偏光素子４で所望の偏光状態に調整され、ビームエキスパンダ７で所望のビーム径に調整され、反射ミラーｍおよび集光レンズ６を介して、ウエハ１の被検査領域に照明される。照度分布制御素子５は、ウエハ１上における照明の強度分布を制御するために用いられる。
レーザ光源２としては、ウエハ表面近傍の微小な欠陥を検出するには、短波長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１Ｗ以上の高出力のものが用いられる。ウエハ内部の欠陥を検出するには、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。
【００１４】
また、集光レンズ６として、シリンドリカルレンズを用いることで、レーザ光の照射されるウエハ表面上の領域（照野）が、ある方向に長く、それに垂直な方向には短い形状となる。あるいは、複数のプリズムから構成されるアナモフィック光学系を用い、光軸に垂直な平面内における一方向のみに関してビーム径を変化させた後、円形レンズを使ってウエハ上にてある方向に長く、それに垂直な方向には短い形状の領域の照明を行うことも可能である。アナモフィック光学系は、光軸調整が容易になる点で有効である。
【００１５】
ステージ１０３は、ステージ制御部５５、並進ステージ１１、回転ステージ１０、Ｚステージ（図示せず）を用いて構成される。図２に、ウエハ１上の照明領域（照野２０）と、回転ステージ１０および並進ステージ１１の運動による走査方向との関係およびそれによりウエハ１上に描かれる照野２０の軌跡を示す。照野２０は、回転ステージ１０の回転運動によって、回転ステージ１０の回転軸を中心とした円の円周方向Ｓ１、ステージ１１の並進運動によって、ステージ１１の並進方向Ｓ２に走査される。照野２０の長手方向が走査方向Ｓ２と平行となり、かつ走査方向Ｓ２の走査によって回転ステージ１０の回転軸を照野２０が通過するように、照明光学系１０１が構成される。Ｚステージの移動は、ウエハ１の高さ、すなわちウエハ１表面の法線方向の移動に対応する。以上の構成において、走査方向Ｓ１の走査によりウエハを１回転する間に、走査方向Ｓ２の走査を照野２０の長手方向の長さ以下の距離だけ行うことにより、照野がらせん状の軌跡Ｔを描き、ウエハ１の全面が走査される。
【００１６】
紫外光を１００ｎｍ以下の微小異物を照射した場合は、ウエハ表面法線より傾斜した斜方よりＰ偏光照明を行った場合に大きな散乱光を発し、特に照明入射角７５度以上で極大となる。また、斜方から照明を行った際に発生する散乱光の角度分布はウエハ表面法線より傾斜した角度に強く偏り、特にウエハ表面法線より６０度から６５度傾斜した角度範囲を中心に強く出射する。本実施形態では、微小異物からより大きな散乱光を検出するため、斜方から照明し、斜方から検出する構成となっている。基板上粒子による散乱の照明角度依存性、散乱光強度の角度分布に関するこれらの知見は、非特許文献１に基づいた計算によって得られる。
【００１７】
検出光学系１０２は、図３に示す通り、結像系８、偏光フィルタ１３、およびリニアアレイセンサ９を用いて構成される。偏光フィルタ１３は結像系８の光軸Ａ上へ着脱可能であり、ノイズ要因となるウエハラフネス等による散乱光成分を低減する目的で用いる。図３（ａ）は、結像系８の光軸Ａと走査方向Ｓ２を含む面の断面図である。結像系８により、照野２０の像がリニアアレイセンサ９上に結像される。リニアアレイセンサ９の長手方向、すなわち複数画素の並び方向が走査方向Ｓ２と平行に置かれ、照野２０の長手方向に対応する。図３（ｂ）は、結像系８の光軸Ａと走査方向Ｓ１を含む面の断面図である。異物からより大きな散乱光を得るためには、前述の通り、光軸Ａはウエハ１表面法線方向に対して傾斜させるのが有効である。紫外光を斜方照明する場合、ウエハ法線から６０度から６５度の角度範囲を中心に散乱光が強く出るため、この方向を結像系８の検出角度範囲に含むような構成をとるのが有効である。
【００１８】
ここで、結像系８の実施形態について反射光学系７０１を用いて構成した例を図１７に示す。図１７（ａ）（ｂ）は、楕円面鏡による構成例である。いずれも楕円の第一焦点位置を照明光の照射位置とし、第二焦点位置をリニアセンサアレイ９の受光面に配置する。図１７（ａ）はウエハ面に対して浅い角度で出射する散乱光をリニアアレイセンサ９に導くのに適する。図１７（ｂ）は、広い角度範囲に出射する散乱光をリニアアレイセンサ９に導き、微小欠陥の検出に適する。図１７（ｃ）は、シュバルツシルト光学系による構成例である。波長２００ｎｍ以下の短波長で照明する場合に散乱光をリニアアレイセンサ９に結像するのに適する。
【００１９】
リニアアレイセンサ９の構成例を図４に示す。図４（ａ）に示すリニアアレイセンサ９の第一の形態は、イメージインテンシファイア２１、リレーレンズ２２、およびフォトダイオードアレイ２３を用いて構成したものであり、微弱な異物散乱光の検出に適する。リニアアレイセンサ９はイメージインテンシファイア２１により入射光が増幅され、増幅された光はリレーレンズ２２を介してフォトダイオードアレイ２３に再結像される。この構成により、微弱光が高感度に検出され、かつ画素毎の信号が並列に高速出力される。図４（ｂ）に示すリニアアレイセンサ９の第二の形態は、イメージインテンシファイア２２によって増幅された光を、ファイバ結像部２４によってフォトダイオードアレイ２３に出力する構成としたものである。これらの形態に限られず、検出光学系１０２の構成の簡素化を図る場合には、リニアアレイセンサ９として、電子増倍機能と信号の並列出力が可能なマルチアノード光電子増倍管や、アバランシェフォトダイオードアレイを用いてもよい。
【００２０】
次に、ウエハ上での欠陥位置Ｐ、照野２０、および検出光学系１０２の概略の位置関係を図５に示す。以下、簡単のため、本実施例ではリニアアレイセンサ９が４画素からなるものとして説明する。照野２０が結像系８によってリニアアレイセンサ９の受光面上に結像される。時刻ｔ＝ｔ１（図５（ａ））において、ウエハ上の欠陥位置Ｐが、画素９ａの位置と共役の関係にあり、この時点で欠陥Ｐからの散乱光が画素９ａにて検出される。時刻ｔ＝ｔ２＝ｔ１＋Δｔ（図５（ｂ））では、照野２０を基準として考えた場合、Ｓ１方向の走査によって欠陥位置Ｐがウエハ上を１回転し、Ｓ２方向の走査によって時刻ｔ１とΔｒずれた位置に欠陥位置Ｐが来る。Δｒはリニアアレイセンサ９の受光面における画素間隔に対応し、この時点では欠陥Ｐからの散乱光が画素９ｂにて検出される。同様に、時刻ｔ３では欠陥Ｐからの散乱光が画素９ｃにて、時刻ｔ４では欠陥Ｐからの散乱光が画素９ｄにて検出される。
【００２１】
走査方向Ｓ１の走査速度（角速度）をω、走査方向Ｓ２の走査速度をｖとすると、照野２０上に欠陥位置Ｐが来る時間間隔はΔｔ＝２π／ω（数１）、走査方向Ｓ２の間隔はΔｒ＝２πｖ／ω（数２）となる。リニアセンサアレイ９の画素間隔と結像系８の光学倍率からΔｒが決まる。（数２）の関係を満たす走査速度ω、ｖを設定すれば、ウエハ上の同一箇所からの散乱光信号が、時間間隔Δｔごとに、リニアアレイセンサ９の互いに異なる画素から出力される。この信号に対し、後述する信号処理部１０５において加算、並列読出し処理を行う。ウエハ上の同一箇所に時間間隔をあけて複数回照射し、各々で得られた散乱光信号を加算することにより、高照度化によるウエハへの加熱ダメージを与えることなく、高感度で広ダイナミックレンジの検査が実現される。
【００２２】
斜方位検出系３３の概略構成を図６に示す。斜方位検出系３３は、集光レンズ２９、偏光フィルタ３０、視野絞り３１およびポイントセンサ３２を適宜用いて構成される。検出光学系１０２の光軸が照野２０の長手方向に対して垂直な方向の面内にあるのに対して、斜方位検出系３３の光軸は、照野２０の長手方向に垂直な方向に対して傾斜している。照野２０上に、検出光学系１０２のリニアアレイセンサ９に対応する視野２７が存在する。図６（ａ）に示すように、視野２７内で、リニアアレイセンサ９の任意の画素に対応する領域からの散乱光を検出するように、集光レンズ２９、視野絞り３１、およびポイントセンサ３２が構成、配置される。ポイントセンサ３２は、リニアアレイセンサ９の任意の画素による検出位置にポイントセンサ視野２８を有し、ここから出射される散乱光を検出光学系１０２とは異なる検出方位、検出角度で検出し、得られた散乱光信号を出力する。
【００２３】
図６（ｂ）に、斜方位検出系３３の別の構成例を示す。図６（ｂ）は、集光レンズ２９、偏光フィルタ３０、視野絞り３１およびリニアアレイセンサ３２’を適宜用いて構成される。視野２７のリニアセンサアレイ９各画素に対応する位置を、リニアセンサアレイ３２’により検出するように構成される。照野２０の長手方向に対して傾斜した方位からの検出になるため、像面が光軸から傾斜する。この傾斜に対応するようリニアセンサアレイ３２’を光軸に対して傾斜させる。図６（ａ）の構成では、斜方位検出系３３をコンパクト、かつ安価に構成できる。一方、図６（ｂ）の構成では、照野２０の長手方向に垂直な方向に対して傾斜した方向へ出射する散乱光による信号が、時間間隔Δｔごとに、リニアアレイセンサ３３’の互いに異なる画素から出力される。この信号に対し、後述する信号処理部１０５において加算、飽和判定、選択使用等の処理を行うことで、高感度、広ダイナミックレンジの検査が実現される。
【００２４】
検出光学系１０２と斜方位検出系３３各々によって検出される散乱光の角度成分の関係を図７（ｂ）を用いて示す。図７（ａ）は検出される角度範囲の表示方法の説明である。図７（ａ）は、赤道面がウエハ表面に対応し、ウエハ表面の法線方向を天頂とする半球を示す。走査方向Ｓ２を基準とする方位角（経度）をφ、天頂からの角度をθとする。検出光学系１０２あるいは斜方位検出系３３によって検出される角度範囲は、半球上の領域Ｒによって示され、これを赤道面に平行な面に平行投影して表示したのが図７（ｂ−１）（ｂ−２）である。検出光学系１０２による検出角度範囲を斜線の網掛けで、斜方位検出系３３による検出角度範囲を網点で表示している。図７（ｂ−１）（ｂ−２）のように、検出光学系１０２と斜方位検出系３３を各々複数備えて、広い角度範囲をカバーすることで、様々な種類の欠陥を検出することが可能である。また、欠陥種や欠陥寸法によって、欠陥散乱光の角度分布が異なるため、様々な角度の散乱光強度を複数の検出系によって同時に検出し、後述する信号処理部１０５によって処理することで、欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度で行うことが可能である。図７（ｂ−１）は微小寸法から大寸法の異物を検査するのに適した検出系配置の一例である。感度の高い検出光学系１０２の構成にて、θ＝６０〜６５度を含む散乱光成分を高ＮＡ（開口数）で検出することで、ごく微小な欠陥の検出が可能である。図７（ｂ−２）は、結晶欠陥（ＣＯＰ：Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）を検査するのに適した検出系配置の一例である。結晶欠陥は凹欠陥であるため、低仰角（θ：大）の散乱光が出にくい。そのため、結晶欠陥を検出するには、感度の高い検出光学系１０２の構成にて、高仰角（θ＜３０度）の散乱光成分を検出することで、微小な結晶欠陥まで検出可能である。微小異物の散乱光が強く出る低仰角の散乱光成分も合せて検出することで、微小異物と結晶欠陥の同時検出、分類が可能である。なお、検出光学系１０２と斜方位検出系３３の位置関係及び配置数は図７（ｂ−１）（ｂ−２）に限られず、例えば、図７（ｂ−２）に示す８つの方位全てを検出光学系１０２で構成しても良いし、配置数を増減しても良く、種々変更可能である。
【００２５】
照明光学系１０１による斜方照明の方位と、走査方向Ｓ１、Ｓ２との関係を図８に示す。図８（ａ）は、走査方向Ｓ２に平行な方位Ｉで照明する例である。ステージの高さ方向の位置ずれや振動があった場合に、照野２０の位置ずれが欠陥検出座標の誤差として現れる。図８（ａ）の構成であれば、照野２０の位置ずれが照度分布の勾配が緩やかなＳ２方向に起こるため、照度分布の勾配が急なＳ１方向に位置ずれが起こる場合と比較して、欠陥検出座標の誤差が相対的に小さくなる利点がある。図８（ｂ）は別の実施例であり、照明方位をＩ１とＩ２の２方位としている。照明光学系１０１の光路を分岐することで実現される。ウエハの研磨工程などで生じるスクラッチなどの異方性がある欠陥を検査する場合に、照明方位と欠陥方位との関係によって発生する散乱光量が大きく変わり、検査感度にムラが出る問題がある。図８（ｂ）のように互いに異なる２方位の照明を行うことで、欠陥方位による検査感度の変動を抑え、異方性のある欠陥についてもロバストな検査を行うことができる。
【００２６】
次に、照明光学系１０１における照度分布制御素子５の構成と照度分布制御方法について図９を用いて説明する。図９（ａ）は透過型光学素子を照度分布制御素子５として用いた場合の構成例である。レーザ光源２から発し、前述の照明光学系１０１の構成により所望の強度、偏光、ビーム径に調整され、照度分布制御素子５を透過し、集光レンズ６を介してウエハ１上に導かれる。図９（ｂ）は反射型光学素子を照度分布制御素子５として用いた場合の構成例である。照度分布制御素子５としては、透過する光の光軸に垂直な面内の、二次元的（図９（ｃ））、あるいは一次元的（図９（ｄ））な位置ごとに、透過する光の強度あるいは位相を変化させる機能を有する光学素子を用いる。集光レンズ６との関係を、照度分布制御素子５の光透過面の像がウエハ１上に結像される構成とすることで、照度分布制御素子５により変調された光強度分布の相似形がウエハ１上に投影される。あるいは、集光レンズ６からウエハ１上と光軸との交点との距離、および集光レンズ６から照度分布制御素子５の透過面との距離を共に集光レンズ６の焦点距離と等しくすることで、照度分布制御素子５の光透過面における光振幅分布のフーリエ変換像がウエハ１上に投影される。このような構成により、照度分布制御素子５により与える透過率および位相分布に応じた照度分布がウエハ１上に形成される。集光レンズ６としてシリンドリカルレンズを用いることで、上記作用を１軸のみに作用させ、もう一方の軸方向には照明光を集光して、走査方向Ｓ２には照度分布制御素子５により与える透過率および位相分布に応じた照度分布を与え、走査方向Ｓ１には短い領域のみを照明することが可能である。レーザ光源２によって発するレーザ光が実質的にガウスビームであり、照度分布制御素子５を特に作用させない場合には、ビームエキスパンダ７、および集光レンズ６により形状の決まるガウス分布がウエハ上に投影される。
【００２７】
与える透過率分布あるいは位相分布が固定なものとして、回折光学素子（ＤＯＥ）、ホモジナイザ（マイクロレンズアレイ、光ファイババンドル、あるいは中空パイプの内面に反射コーティングを施したもの（図９（ｅ）））などがある。全体制御部５３より制御されるコントローラ１４を接続し、照度分布制御素子５が動的に可変な空間光変調素子（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いた構成とすることで、照野２０がウエハ１を走査する前後あるいは走査している間に、照度分布が任意の形状になるよう動的に制御、調整される。動的に可変な空間光変調素子の例としては、透過型のものには、液晶素子、磁気光学空間光変調素子などがある。反射型のものには、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、グレーティングバルブ（ＧＬＶ）、ＬＣＯＳ等の反射型液晶素子などがあり、適宜選択可能である。
【００２８】
上記構成および後述の観察光学系１０４により照度分布をモニタすることにより、照度分布の制御に加え、照明光学系１０１に含まれる光学素子の収差や位置ずれによる照度分布のずれ、歪みなどを照度分布制御素子５の調整により補正することが可能である。また、環境の変化などにより、照度分布のずれ、歪み、乱れが動的に変動した場合にも、動的に可変な空間光変調素子の調整により補正することが可能である。
【００２９】
上記構成により形成される照度分布の例を図１０に示す。ウエハ上の照野２０において、走査方向Ｓ２方向に対して、図１０に示すように照度分布に傾斜あるいは位置依存性を持たせることにより、同じ欠陥を検出する場合でも、照度の強い箇所と共役点にある画素には強い散乱光が入射するため、その画素からは大きな信号が得られるのに対して、照度の弱い箇所と共役点にある画素には弱い散乱光が入射するため、その画素からは相対的に小さな信号が得られる。すなわち、同一欠陥からの散乱光を実効的に高感度の画素と低感度の画素で検出することに相当する。リニアアレイセンサ９の受光面に強度フィルタを貼付するなどの手段で画素ごとの感度を互いに異なるものにすることによっても同等のことが実現できる。照度分布に傾斜あるいは位置依存性を持たせる方法では、前記の照度分布制御素子５の調整により、感度分布の調整、変更が可能である利点がある。これらの方法により、リニアアレイセンサ９の画素ごとの感度を互いに異なるものとし、それらの画素から得た信号、およびそれらの加算信号を、後述の信号処理部１０５において飽和判定、選択使用等の処理することにより、高感度、広ダイナミックレンジの検査が実現できる。
【００３０】
図１０（ａ）はレーザ光源２の分布が反映された実質的にはガウス分布である。図１０（ｂ）は照度分布制御素子５としてホモジナイザなどを用いてほぼ均一な照度分布を形成した例である。ほぼ均一な照度分布は高照度レーザ照射によるウエハに対する熱ダメージを抑えつつ、欠陥からの散乱光量を最大化して高感度検査を実現するのに適する。図１０（ｃ）は均一照度分布に対して中央の照度を落とした分布である。図１０（ｃ）は、均一照度分布をしたときに発生する温度上昇が照度分布の中央で極大となり、そこでウエハに対する熱ダメージが発生する可能性がある場合に、それを回避しつつ、高感度を実現するのに適した分布である。図１０（ｄ）は、リニアセンサアレイ９の各画素に対応する位置ごとに照度分布が極大となる分布である。各画素によって検出されるウエハ上の面積が実効的に小さくなるため、ノイズ要因となるウエハラフネスからの散乱光を低減するのに有効である。なお、リニアセンサアレイ９の各画素に対応する位置ごとの照度の極大値は必ずしも同じにする必要はなく、広ダイナミックレンジを得るべく、各対応する位置ごとに変えても構わない。図１０（ｅ）は、照度分布を傾斜させ、リニアセンサアレイ９の画素ごとに実効的に異なる感度を持たせるのに適した分布である。後述する信号処理部１０５における処理を簡易化しつつ、広ダイナミックレンジ検出を実現するのに適している。図１０（ｆ）のように、照度分布に指数的な変化を持たせることで、さらに広ダイナミックレンジを実現できる。
【００３１】
照明光学系１０１によって形成されたウエハ上の照度分布は、観察光学系１０４によって測定される。観察光学系１０４は、図１に示すとおり、結像系８１およびイメージセンサ８２を用いて構成される。照明光学系１０１によるウエハ表面上の照射位置が、結像系８１によって、イメージセンサ８２の受光面に拡大、結像される。照明光学系１０１により斜方照明が行われる場合は、イメージセンサ８２にて得られる画像は暗視野画像となり、得られた像の明るさ分布がそのまま照明光学系１０１によるウエハ上の照度分布に相当する。ウエハ表面の状態が非常に滑らか場合には、散乱がほとんど起こらないために、イメージセンサ８２における照度分布の測定が困難となる。その場合は、ウエハ表面と同じ高さに、表面が粗くなるよう処理されたウエハやあるいは表面が粗いセラミックを設置して照度分布を測定する。あるいはイメージセンサ８２としてＥＭＣＣＤあるいはＥＢＣＣＤなど高感度イメージセンサを用いるか、冷却ＣＣＤなどノイズの少ないＣＣＤを蓄積時間を長くして用いることで測定可能となる。
【００３２】
次に、信号処理部１０５の構成について説明し、欠陥判定と欠陥座標および欠陥寸法算出手法について述べる。アナログ処理部５１の構成を図１１に示す。リニアセンサアレイ９の各画素９ａ−ｄから出力された信号電流は、プリアンプ部５０１ａ−ｄにより各々電圧に変換されて増幅される。さらにローパスフィルタ５１１ａ−ｄにより高周波数のノイズ成分がカットされた後、ローパスフィルタ５１１ａ−ｄのカットオフ周波数より十分高いサンプリングレートを備えたアナログ−デジタル変換部５０２ａ−ｄにおいて、デジタル信号に変換され、出力される。ここで、デジタル変換された信号は、後述するデジタル処理部５２における信号加算によって飽和しないだけ十分なビット深度を持つ。
【００３３】
デジタル処理部５２の構成を図１２に示す。遅延部５０３ａ−ｄは、走査Ｓ１によって照野２０がウエハ上を一周する時間間隔Δｔだけ、各画素からの信号出力を蓄積して遅延するメモリを有する。画素９ａからの信号が遅延部５０３ａにおいて時間間隔Δｔだけ遅延し、画素９ｂの信号に加算されることで、ウエハ上の同一箇所を２回走査、検出して加算したものと同等の信号が得られる。この信号を遅延部５０３ｂにおいて時間間隔Δｔだけ遅延して、画素９ｃの信号に加算することで、ウエハ上の同一箇所を３回走査、検出して加算したものと同等の信号が得られる。ここで、遅延部５０３ａから出力された信号を遅延部５０４ａにて時間間隔２×Δｔだけ遅延した信号Ｇ１、および遅延部５０３ｂから出力された信号を遅延部５０４ｂにて時間間隔Δｔだけ遅延した信号Ｇ２、および遅延部５０３ｃから出力された信号Ｇ３およびそれに画素９ｄから出力された信号を加算した信号Ｇ４を出力する構成とする。このとき信号Ｇｎ（ｎ＝１，２，３，４）各々は、ウエハ上の同一箇所をｎ回検出して加算したものと同等の信号となる。遅延部５０４ａ，ｂは、信号Ｇ３，Ｇ４に対して、信号Ｇ１，Ｇ２にて同一箇所の信号が現れるタイミングを合せる役割を果たす。信号Ｇ１〜４は判定処理部５０５に入力される。本実施例では簡単のためセンサ画素数が４画素の例を示しているが、より多数画素（Ｎ画素）のセンサの場合も、同様のステップを繰返し、遅延加算をＮ−１回行い、後段の遅延部にてタイミングのずれを補償することで、ウエハ上の同一箇所を１，２，…，Ｎ回走査、検出して加算したものと同等の信号が得られる。
【００３４】
判定処理部５０５の第一の構成例について図１３に示す。図１３（ａ）では、信号Ｇ１〜４が飽和判定部６０１および信号選択部６０２に入力される。ここで、前述の手段により画素９ａ〜９ｄの実効的な感度が互いに異なり、画素９ａが最も実効的な感度が低く、画素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの順に実効的な感度が高くなっていくものとする。すなわち、仮に画素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ各々の実効感度をＳａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄとすると、Ｓａ＞Ｓｂ＞Ｓｃ＞Ｓｄである。飽和判定部６０１において、信号Ｇ１〜Ｇ４を元に、画素９ａ〜９ｄにおける飽和の有無が判定される。飽和判定は、リニアアレイセンサ９の各画素の最大信号出力値に対応するデジタル信号値と、図１２に述べた構成における加算前後のデジタル信号値との差分との大小を比較することによって行われる。例えば、画素９ａからの出力信号は、信号Ｇ２と信号Ｇ１の差に相当するため、信号Ｇ２と信号Ｇ１の差が画素９ａからの最大信号出力値（飽和信号値）と実質的に同等であるか（例えば飽和信号レベルの９０％に相当する信号レベルより大きいか）、それより小さいかによって、画素９ａの出力信号が飽和していたか否かが判定される。飽和判定部６０１では、同様に画素９ｂ、９ｃ、９ｄからの出力信号に関する判定を行い、飽和していた画素の情報を出力する。画素９ａ〜９ｄの感度の相対関係から、画素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの順に飽和判定を行い、いずれかの時点で飽和していたと判定された段階でそれ以降の画素でも飽和していると推定されるため、それ以降の飽和判定は不要となる。よって、この場合飽和画素の情報としては、画素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄで飽和判定を行い飽和していたと判定した最初の画素の番号か、あるいはいずれの画素でも飽和していなかったという情報を出力すれば十分である。
【００３５】
信号選択部６０２には、信号Ｇ１〜Ｇ４および飽和画素の情報が入力される。信号選択部６０２では飽和判定部６０１から入力される飽和画素の情報を元に、信号Ｇ１〜Ｇ４の中で飽和画素の信号が加算されていない信号を選択しそれを適正感度信号６０３ａとして出力し、さらに選択した信号が実効的にはどの感度で得た信号に相当するかという実効感度情報を信号６０３ｂとして出力する。感度情報信号６０３ｂは実効的に異なる感度で検出され加算された信号値の絶対量を後処理で補正して算出するために用いられる。例えば、飽和判定部６０１により画素９ｃにて信号が飽和していたと判定された場合、信号選択部６０２において、画素９ｃからの出力が加算される前の信号Ｇ２が選択され出力される。さらに、信号Ｇ２は画素９ａおよび９ｂからの信号が加算されたものであるため、画素毎の感度と加算の影響を考慮した感度情報信号６０３ｂとして、値Ｓａ＋Ｓｂを出力する。適正感度信号６０３ａとしてＧ１〜Ｇ４いずれの信号が選択された場合でも、その信号値を信号６０３ｂの値で除算することにより、元の欠陥散乱光量の大小関係に対応した信号値が得られる。
【００３６】
適正感度信号６０３ａは、ハイパスフィルタ６０４ａにより欠陥信号を抽出され、欠陥判定部６０５ａに入力される。欠陥は照野２０によりＳ１方向に走査されるため、欠陥信号の波形は照野２０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。ハイパスフィルタ６０４ａ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、欠陥信号のＳ／Ｎが向上する。ハイパスフィルタ６０４ａとしては、特定のカットオフ周波数を持ちその周波数以上の成分を遮断するよう設計されたハイパスフィルタか、あるいは欠陥信号の波形と相似形を成すＦＩＲフィルタを用いる。欠陥判定部６０５ａは、ハイパスフィルタ６０４ａ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。欠陥の存在を判定された箇所については、その欠陥波形と感度情報信号６０３ｂに基づいて、ウエ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６０６ａとして出力する。欠陥座標は欠陥波形の重心を基準として算出する方法がある。欠陥寸法は欠陥波形の積分値を元に算出する方法がある。いずれの方法も、適正感度信号６０３ａと感度情報信号６０３ｂを用いることで、飽和信号の影響を受けず、欠陥からの散乱光量の大小に精度良く対応した信号に基づいた算出を行うことができるため、高精度の欠陥座標および欠陥寸法を得ることができる。
【００３７】
ローパスフィルタ６０４ｂには最高感度信号６１１、すなわち実効感度の最も高い信号、ここでは信号Ｇ４が入力され、周波数の低い成分および直流成分が出力される。ローパスフィルタ６０４ｂからの出力は、ウエハ上の照野２０における微小ラフネスからの散乱光量（ヘイズ）に対応する。通常は、信号の直流成分によってリニアセンサアレイ９が飽和しないよう、照明光学系１０１におけるアッテネータ３が調整される。よって最も実効感度の高い信号Ｇ４であっても飽和信号が含まれているおそれがないため、この信号Ｇ４を飽和判定することなくローパスフィルタ６０４ｂに入力する。もちろん飽和判定によって飽和信号を含まないと判定された信号６０３ａを入力する構成としてもよい。この場合は、局所的にラフネスの粗さが大きくなり信号の低周波数成分が大きくなった場合でも飽和を回避することが可能となる。ローパスフィルタ６０４ｂの出力はヘイズ処理部６０５ｂに入力され、ヘイズ情報の処理が行われる。ヘイズ処理部６０５ｂは入力信号の大きさから、ヘイズの大小に対応する信号、あるいはラフネスの空間周波数に対応する情報を、ヘイズ信号６０６ｂとして出力する。
【００３８】
判定処理部５０５の第二の構成例について図１３（ｂ）に示し、図１３（ａ）と異なる部分を説明する。本第二の構成例では、最高感度信号６１１がハイパスフィルタ６０４ａに入力される。図１３（ａ）の構成のように適正感度信号６０３ａすると、適正感度信号６０３ａにはある感度信号から別の感度信号に切り替わる際の波高の瞬間的な変化により波形にのこぎり形状が生じるため、これがハイパスフィルタ６０４ａにおいて除去されず、欠陥判定部６０５ａに歪んだ波形や不要なノイズとして入力されることで、欠陥座標算出精度の低下や誤検出につながる場合がある。図１３（ｂ）の構成により常に最高感度信号６１１をハイパスフィルタ６０４ａに入力し、その出力を欠陥判定部６０５ａに入力して欠陥判定を行うことで、選択信号の切替えに影響されること無く、よりロバストな欠陥判定が行われる。この場合、飽和信号は欠陥と判定すればよいが、欠陥信号の大小に基づく欠陥寸法算出が困難となる。これを補うため、適正感度信号６０３ａおよび感度情報信号６０３ｂを欠陥寸法判定部６１３に入力し、欠陥判定部６０５ａにて欠陥と判定された箇所に関して、対応する適正感度信号６０３ａおよび感度情報信号６０３ｂに基づいて欠陥寸法を算出する。適正感度信号６０３ａと感度情報信号６０３ｂを用いて欠陥寸法判定を行うことで、飽和信号の影響を受けず、欠陥からの散乱光量の大小に精度良く対応した信号に基づいて精度良く欠陥寸法を得ることができる。欠陥寸法判定部６１３において、欠陥寸法判定に加えて欠陥座標算出を行ってもよい。以上、図１３（ｂ）に示した構成により、ロバストな欠陥判定と、高精度の欠陥座標および欠陥寸法算出とを両立することが可能である。
【００３９】
互いに異なる実効感度による信号を用いた検出ダイナミックレンジ拡大と、それに基づいた欠陥寸法算出の方法について図１４を用いて説明する。図１４（ａ）に、リニアセンサアレイ９で受光する散乱光量と、それを高感度画素、中感度画素、低感度画素各々で検出した場合の信号の大きさとの関係を示す。ウエハ上における画素ごとの検出位置に、互いに異なる照度を与え同じ感度の画素で検出する場合も、互いに異なる感度の画素で検出することと実質的に等価である。図１４（ａ）に示すように、検出器のダイナミックレンジＲで検出できる散乱光量の範囲は、画素感度が一通り（例えば高感度画素のみ）の場合、Ｒ１で示される範囲となるが、複数の感度の画素の信号を組合わせることでより広い検出光量範囲Ｒ２を検出することが可能となる。検出器のダイナミックレンジＲの範囲内で応答の線形性が保たれていれば、図１４（ｂ）に示すように、複数の感度の画素の信号を補正して用いることで、光量範囲Ｒ２で示される広い範囲にわたって線形の応答信号を得ることができる。リニアアレイセンサ９による最小検出光量ｉ１と最大検出光量ｉ２との比ｉ２／ｉ１をダイナミックレンジＤとすると、高感度画素によりｉ１以上ｉ２以下の散乱光量を検出し、高感度画素の１／Ｄ倍の感度を持つ中感度画素によりｉ１×Ｄ（＝ｉ２）以上ｉ２×Ｄ以下の散乱光量を検出し、中感度画素の１／Ｄ倍の感度を持つ低感度画素によりｉ１×（Ｄ＾２）（＝ｉ２×Ｄ）以上ｉ２×Ｄ＾２以下の散乱光量を検出することで、ｉ１以上ｉ２×Ｄ＾２以下の範囲の散乱光量の検出が可能となり、ダイナミックレンジがＤ＾２倍に拡大される。ダイナミックレンジがＤの検出画素Ｎ個を、互いに感度にＤ倍の違いを持たせ、図１４（ｂ）に示すように応答曲線をつなぎ合わせることで、ＤのＮ乗のダイナミックレンジが実現できる。図１４（ｃ）は、拡大したダイナミックレンジにより、広い寸法範囲の欠陥の寸法算出が可能となることを示すグラフである。直径５００ｎｍの粒子の散乱光量は直径２０ｎｍの粒子の散乱光量の約１０＾６倍（１２０ｄＢ）である。リニアセンサアレイ９各画素のダイナミックレンジが５０ｄＢとすると、高感度画素に対して、中感度画素の感度を−３５ｄＢ、低感度画素の感度を−７０ｄＢとすれば、全体で１２０ｄＢの範囲をカバーでき、この範囲に含まれる直径２０ｎｍから５００ｎｍの粒子の信号光量を測定できるため、図１４（ｃ）に示したような信号光量と粒子直径との対応関係に基づいて、この粒子直径範囲にわたって高精度な寸法算出が可能となる。
【００４０】
以上述べた実施例の変形例を述べる。前記実施例と異なる部分のみを、図１５、１６を用いて説明する。図１５（ａ）は、互いに異なる複数の方位あるいは入射角の照明光、あるいは互いに異なる複数の偏光状態の照明光をウエハ上に照射することを示す。互いに異なる各々の照明による照野２０ａ（照明方位I１）、照野２０ｂ（照明方位I２）は、各々リニアアレイセンサ９の互いに異なる画素の共役位置に対応する。このような照明光は、照明光学系１０１の光路を分岐して、各々にビームエキスパンダ、照度分布制御素子、集光レンズ、反射ミラー等のビーム光路、形状あるいは照度分布を調整する光学部を設けることで実現される。
【００４１】
図１５（ｂ）は、画素９ａ、９ｂでは縦方向の偏光成分のみを検出、画素９ｃ、９ｄでは横方向の偏光成分のみを検出するリニアアレイセンサ９の構成を示す。リニアアレイセンサ９の前に偏光フィルタ９０１を設置する。偏光フィルタ９０１は、互いに異なる偏光成分を選択的に透過する微小偏光素子９０１ａ、９０１ｂからなる微小偏光素子アレイで構成される。このような微小偏光素子アレイの作成方法として、撮像素子または基板の上にミクロンオーダからサブミクロンオーダ厚の薄膜状の偏光板を載せ、画素の大きさに合せて不要な部分をエッチングで除去し、さらに主軸方位の異なる薄膜偏光板あるいは波長板を載せて同様のパターニングを繰り返す方法がある。ただし、この方法に限られず、使用する光の波長より短い周期を持つ微細格子をパターニングによって作成することで、画素毎に光学異方性を持たせる方法であってもよい。
【００４２】
図１５（ａ）（ｂ）に示した方法にて、互いに異なる複数の光学条件により照明あるいは検出を行い、ある欠陥に関して各々の光学条件にて発生する散乱光の信号が得られれば、図１５（ｃ）に示すように、光学条件に対する欠陥の応答が多次元の空間上にプロットされ、空間上の分布に基づいて欠陥の種類を分類することが可能となる。例えば、光学条件Ａとして低角度（大入射角）照明あるいはＳ偏光照明、光学条件Ｂとして高角度（小入射角）照明あるいはＰ偏光照明を行うことで、光学条件Ｂの方がウエハ表面あるいはそこに形成された膜の内部に照明光が浸透するため、表面内部の欠陥（欠陥種２）の散乱光が光学条件Ｂで強く、表面より上にある異物等の欠陥（欠陥種１）が光学条件Ａで相対的に強くなるため、図１５（ｃ）のように欠陥の散乱信号が分布してこれにもとづいた欠陥種の分類が行われる。同様に、欠陥寸法によっても光学条件の違いによる散乱応答の違いが見られるため、同様の方法によって欠陥寸法算出の精度を高めることが可能である。
【００４３】
図１５に示した欠陥分類あるいは欠陥寸法算出方法を実現するためのデジタル処理部５２の構成を図１６に示す。光学条件Ａおよび光学条件Ｂにおいて得られた信号は、図１６（ａ）に示した、遅延部５０３ａ、５０３ｃ、５０４ａ、５０４ｂおよび加算部からなる構成により、光学条件毎に加算され、タイミングを調整された後、判定処理部５０５に入力される。
【００４４】
次に、判定処理部５０５に入力された光学条件Ａでの信号６２１ａ、ｂ、および光学条件Ｂでの信号６２１ｃ、ｄは、図１６（ｂ）の通り、飽和判定部６０１および信号選択部６０２に入力される。飽和判定部６０１において、図１３を用いて説明した飽和判定部６０１における判定と同じ飽和判定を、光学条件Ａでの信号と光学条件Ｂでの信号各々に対して行い、各光学条件について飽和していた画素の情報を出力する。
【００４５】
信号選択部６０２には、信号６２１ａ〜ｄおよび各光学条件ごとの飽和画素の情報が入力される。信号選択部６０２ではそれらの入力を元に、光学条件ごとに複数の信号の中で飽和画素の信号が加算されていない信号を選択し、それを適正感度信号６２３ａおよび６２３ｂとして出力し、さらに選択した信号各々の感度情報を信号６０３ｂとして出力する。
【００４６】
光学条件ごとの適正感度信号６２３ａ、ｂは、それぞれハイパスフィルタ６２４ａ、ｃにより欠陥信号を、ローパスフィルタ６２４ｂ、ｄによりヘイズ信号を抽出される。ハイパスフィルタ６２４ａ、ｃより出力された各光学条件の欠陥信号および対応する感度情報信号６０３ｂが、欠陥判定部６２５ａへ入力され、ローパスフィルタ６２４ｂ、ｄより出力された各光学条件のヘイズ信号および対応する感度情報信号６０３ｂが、ヘイズ処理部６２５ｂへ入力される。欠陥判定部６２５ａにて、各光学条件の欠陥信号に対してしきい値処理を行い、欠陥候補位置を検出し、それらのＯＲをとることで、欠陥位置が検出される。複数の光学条件の信号に基づいて欠陥を検出するため、単一の光学条件の信号に基づいて欠陥を検出する場合に比べて欠陥の捕捉率が高い利点がある。また、欠陥判定部６２５ａにおいて、各光学条件の欠陥信号を利用して図１５に示した欠陥分類あるいは欠陥寸法算出手法が行われる。ヘイズ処理部６２５ｂでは各光学条件でのヘイズ信号に基づいて、ヘイズの大小に対応する信号、あるいはラフネスの空間周波数に対応する情報を、ヘイズ信号６０６ｂとして出力する。ラフネスのＲＭＳや空間周波数分布によって、照明入射角、方位角あるいは偏光などの光学条件に対する依存性が異なるため、複数の光学条件でのヘイズ信号に基づいた処理により、単一光学条件の場合より詳細なラフネスの情報が得られる。
【００４７】
次に、欠陥検出処理フローについて、図１８を用いて説明する。まずレシピ設定として照明方向・センサ感度などの検査条件を設定する（ステップ１２０）。その中に照野２０の方向Ｓ１あるいはＳ２の長さ、走査方向Ｓ２の間隔Δｒ、および検出散乱光に対して行う処理方法を設定することも含まれる。ウエハ走査を開始し（ステップ１２１）、検出散乱光に対しレシピで設定した信号処理を行う（ステップ１２２）。処理を施された信号に基づいて欠陥判定を行い（ステップ１２３）、欠陥マップ（ウエハ内の欠陥位置の分布を示す図）等の検査結果を表示部５４に表示する（ステップ１２４）。検査結果として欠陥マップの他に、欠陥の個数、欠陥の寸法ごとの個数、欠陥の種類ごとの個数、欠陥の寸法あるいは種類ごとの欠陥マップ、ウエハ内におけるヘイズの分布等を表示することも含まれる。
【００４８】
図１９はレシピの設定および検査結果を表示するためのユーザーインターフェースの一例である。検査終了後に表示される欠陥マップ１３０、検査前に検査モードを設定するサブウィンドウを構成要件とする。欠陥マップは検査時に取り込んだ欠陥信号、欠陥寸法、欠陥種と座標を基に表示される。ヘイズの分布を示すマップへの表示切替も必要に応じて可能な構成とする。検査モード１３１の選択は直接入力でもプルダウン選択でも可能である。
一度の検査中で同一欠陥への照明回数が同じである必要はなく、例えば試料内周部では検査モードを標準モードに設定し（１３２）、試料外周部では高感度モードに設定できる（１３３）。例えば高感度モードでは、Δｒを小さくし、照明回数を増やすことで、検出感度を向上させることも可能である。
【００４９】
以上のとおり、本発明の実施の形態によれば、一度の検査で同一欠陥を複数回照明し、複数回発生する散乱光を加算することで検出感度を向上させることができる。また複数画素を有するフォトダイオードアレイを使用することで、スループットを落とさずに検査できる。また、本発明の実施の形態によれば、検出感度向上と高スループットを両立させることが可能な検査方法および検査装置を実現することができる。また、互いに異なる照度による複数回照明、あるいは互いに異なる感度の画素による複数回検出により得られる信号を利用することで、ダイナミックレンジ拡大や欠陥寸法の高精度判定、欠陥座標の高精度算出が可能となる。また、互いに異なる光学条件（照明条件あるいは検出条件）による複数回検出によって得られる信号を利用することで、欠陥分類性能の向上も可能となる。
【００５０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、各構成の各実施形態を適宜組み合わせて本発明に係る欠陥検査装置及び欠陥検査方法としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す概略構成図である。
【図２】試料の走査方法を示す模式図である。
【図３】検出光学系の配置を示す構成図である。
【図４】リニアセンサアレイの構成例を示す構成図である。
【図５】試料上での欠陥位置、照野および検出光学系との位置関係を示す模式図である。
【図６】斜方位検出系の構成を示す構成図である。
【図７】検出光学系および斜方位検出系による検出角度範囲を示す模式図である。
【図８】斜方照明の方位と走査方向との関係を示す模式図である。
【図９】照度分布制御素子の構成および照度分布制御方法を示す構成図および模式図である。
【図１０】照明光学系によって実現される照度分布を示す分布図である。
【図１１】アナログ処理部の構成を示すブロック図である。
【図１２】デジタル処理部の構成を示すブロック図である。
【図１３】判定処理部の構成を示すブロック図である。
【図１４】散乱光量、検出信号、および粒子直径の間の関係を示すグラフである。
【図１５】互いに異なる複数の光学条件による検出信号を得る手段を示す構成図とそれを利用した欠陥分類方法を示す散布図である。
【図１６】互いに異なる複数の光学条件による検出信号を処理する処理部の構成を示すブロック図である。
【図１７】反射光学系による結像系の構成例を示す構成図である。
【図１８】欠陥検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図１９】レシピの設定および検査結果を表示するためのユーザーインターフェースを示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…ウエハ、 ２…レーザ光源、 ３…アッテネータ、 ４…偏光素子、 ５…照度分布制御素子、 ６…集光レンズ、 ７…ビームエキスパンダ、 ８…結像系、 ９…リニアアレイセンサ、 １０…並進ステージ、 １１…回転ステージ、 １３…偏光フィルタ、 １４…コントローラ、 ２０…照野、 ２１…イメージインテンシファイア、 ２２…リレーレンズ、 ２３…リニアアレイセンサ、 ２４…ファイバ結合部、 、 ２７…リニアアレイセンサ視野、 ２８…ポイントセンサ視野、 ２８’…斜方位センサ視野、 ２９…集光レンズ、 ３０…偏光フィルタ、 ３１…視野絞り、 ３２…ポイントセンサ、 ３２’…リニアアレイセンサ、 ３３…斜方位検出系、 ５１…アナログ処理部、 ５１ａ−５１ｄ…アナログ処理部、 ５２…デジタル処理部、 ５３…全体制御部、 ５４…表示部、 ５５…ステージ制御部、 ８１…結像系、 ８２…イメージセンサ、 １０１…照明光学系、 １０２…検出光学系、 １０３…ステージ、 １０４…観察光学系、 １０５…信号処理部、 ５０１ａ−ｄ…プリアンプ部、 ５０２ａ−ｄ…Ａ／Ｄ変換部、 ５０３ａ−ｄ…遅延部、 ５０４ａ−ｄ…遅延部、 ５０５…判定処理部、 ５１１ａ−ｄ…ローパスフィルタ、 ６０１…飽和判定部、 ６０２…信号選択部、 ６０３ａ…適正感度信号、 ６０３ｂ…感度情報信号、 ６０４ａ…ハイパスフィルタ、 ６０４ｂ…ローパスフィルタ、 ６０５ａ…欠陥判定部、 ６０５ｂ…ヘイズ信号処理部、 ６０６ａ…欠陥信号、 ６０６ｂ…ヘイズ信号、 ６１１…最高感度信号、 ６１３…欠陥寸法判定部、 ６１４ａ…欠陥信号、 ６１４ｂ…ヘイズ信号、 ６１４ｃ…欠陥寸法信号、 ６２４ａ，ｃ…ハイパスフィルタ、 ６２４ｂ，ｄ…ローパスフィルタ、 ６２５ａ…欠陥判定部、 ６２５ｂ…ヘイズ信号処理部、 ６２６ａ…欠陥信号、 ６２６ｂ…ヘイズ信号、 ７０１…反射光学系、 Ｐ…異物あるいは欠陥、 Ｓ１…第一の走査方向（θ方向）、 Ｓ２…第二の走査方向（Ｒ方向）、 Ｔ…軌跡
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料表面に存在する微小な欠陥を高感度かつ高速に検査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。従来技術としては特許文献１や特許文献２が知られている。微小な欠陥を検出するために試料表面上に数十μｍに集光したレーザビームを照射して、欠陥からの散乱光を集光・検出している。
【０００３】
上記方法において、平坦な金属および誘電体上の球状粒子に対して照明光を照射した場合の、球状粒子からの散乱光の強度および角度分布の算出方法として非特許文献１が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３０４２８９号公報
【特許文献２】特開平２０００−１６２１４１号公報
【非特許文献１】Ｐ． Ａ． Ｂｏｂｂｅｒｔ ａｎｄ Ｊ． Ｖｌｉｅｇｅｒ， “Ｌｉｇｈｔ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ ａ ｓｐｈｅｒｅ ｏｎ ａ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ”， Ｐｈｙｓｉｃａ Ａ， Ｖｏｌｕｍｅ １３７， Ｉｓｓｕｅ １−２， ｐ． ２０９−２４２ （１９８６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＳＩ配線の微細化は年々進展しており、検出すべき欠陥のサイズは光学式検査の検出限界に近づいている。半導体ロードマップによると２００７年では寸法３２．５ｎｍ、２０１１年以降では寸法２０ｎｍ以下の欠陥を検出する能力が必要とされている。
【０００６】
ＬＳＩ基板上の微小な欠陥を高速に検査するには、短い検査時間内に、検出器で検出できるだけの十分な散乱光量を微小な欠陥から得る必要がある。このためには高出力の光源を用いて高照度の照明を行うことが有効であるが、照度を上げすぎると、照射領域の加熱が大きくなりＬＳＩ基板にダメージを与えるため、高照度化による感度向上には限界がある。
【０００７】
また、微小欠陥からの散乱光を検出可能な装置構成とした場合、試料上に微小欠陥と同時に存在する中程度あるいは大寸法の欠陥から大きな散乱光が発生するため、微小欠陥を検出するのと同じ検出器でこれらを検出した際に出力が飽和する。例えば寸法５００ｎｍの粒子の散乱光量は寸法２０ｎｍの粒子の散乱光量の約１００万倍であり、通常の光検出器（光電子増倍管やフォトダイオード）のダイナミックレンジ（６０ｄＢ〜８０ｄＢ）にて後者を検出する場合、前者の信号は飽和する。検出器出力が飽和すると、正しい散乱光量が分からなくなるため、散乱光量に基づいた欠陥寸法の算出が困難となる。また、欠陥散乱信号の波形に基づいて、例えば欠陥波形の重心などを用いて、欠陥位置の特定を行う場合も、信号の飽和により欠陥座標算出の精度が低下するなどの課題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するものであり、微小欠陥を検出可能であり、かつ大欠陥に対しても欠陥寸法あるいは欠陥座標の高精度算出が可能な、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】
【０００９】
上記課題を解決すべく、本発明は、試料上の概略全面にわたる走査を１回行う間に試料上の概略同一領域を複数回照明・検出し、得た信号を加算、飽和判定、選択利用することで高感度の検査を行うことを特徴とする。すなわち、互いに異なる複数の照度による照明、あるいは互いに異なる複数の感度の画素による検出により、互いに実効感度の異なる複数の信号を得、それらを選択利用することで、検出信号の飽和を回避しつつ高感度な欠陥検出を行う。
【００１０】
以下、本願で開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次の通りである。
（１）試料表面を検査する欠陥検査装置であって、前記試料を保持するステージと、前記試料表面での照明領域が線状となるようにレーザビームを照射する照明光学系と、前記試料表面における線状照明領域から散乱された光を検出する複数の画素を備えた検出器を有し、前記検出器の複数の画素より得られた互いに実効感度の異なる複数の検出信号を並列に出力する検出光学系と、前記複数の検出信号から飽和していない検出信号を選択し、前記選択された検出信号に基づいて欠陥を検出する信号処理系と、を有することを特徴とする欠陥検査装置である。
（２）（１）記載の欠陥検査装置であって、前記検出光学系により並列に出力される複数の検出信号は、前記試料表面の同一領域を複数回照明して各々検出された散乱光に基づくものであることを特徴とする欠陥検査装置である。
（３）試料表面の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、前記試料表面の同一領域にレーザビームを複数回照射する第一工程と、前記同一領域からの散乱光をそれぞれの回において検出し、互いに実効感度の異なる複数の検出信号を得る第二工程と、前記複数の検出信号から飽和していない検出信号を選択し、前記選択された検出信号に基づいて欠陥を検出する第三工程と、を有することを特徴とする欠陥検査方法である。
（４）（３）記載の欠陥検査方法であって、前記試料表面で線状となるようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、微小な欠陥から大寸法の欠陥まで検出および寸法算出可能な欠陥検査方法及び欠陥検査装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る欠陥検査装置の第一の実施形態は、図１に示す通り、ウエハ１に照明光を照射する照明光学系１０１と、前記照明光によるウエハ１からの散乱光を第一の方向から検出する検出光学系１０２と、ウエハ１を載置可能なステージ１０３と、検出光学系１０２にて得られた検出信号を処理する信号処理部１０５と、全体制御部５３及び表示部５４とを少なくとも有して構成され、必要に応じて、ウエハ１における照明領域内での照度分布をモニタする観察光学系１０４と、ウエハ１からの散乱光を第二の方向から検出する斜方位検出光学系３３（図示せず）を含んで構成される。
【００１３】
照明光学系１０１はレーザ光源２、アッテネータ３、偏光素子４、ビームエキスパンダ７、照度分布制御素子５、反射ミラーm、集光レンズ６を適宜用いて構成される。
レーザ光源２から射出されたレーザ光は、アッテネータ３で所望のビーム強度に調整され、偏光素子４で所望の偏光状態に調整され、ビームエキスパンダ７で所望のビーム径に調整され、反射ミラーｍおよび集光レンズ６を介して、ウエハ１の被検査領域に照明される。照度分布制御素子５は、ウエハ１上における照明の強度分布を制御するために用いられる。
レーザ光源２としては、ウエハ表面近傍の微小な欠陥を検出するには、短波長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１Ｗ以上の高出力のものが用いられる。ウエハ内部の欠陥を検出するには、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。
【００１４】
また、集光レンズ６として、シリンドリカルレンズを用いることで、レーザ光の照射されるウエハ表面上の領域（照野）が、ある方向に長く、それに垂直な方向には短い形状となる。あるいは、複数のプリズムから構成されるアナモフィック光学系を用い、光軸に垂直な平面内における一方向のみに関してビーム径を変化させた後、円形レンズを使ってウエハ上にてある方向に長く、それに垂直な方向には短い形状の領域の照明を行うことも可能である。アナモフィック光学系は、光軸調整が容易になる点で有効である。
【００１５】
ステージ１０３は、ステージ制御部５５、並進ステージ１１、回転ステージ１０、Ｚステージ（図示せず）を用いて構成される。図２に、ウエハ１上の照明領域（照野２０）と、回転ステージ１０および並進ステージ１１の運動による走査方向との関係およびそれによりウエハ１上に描かれる照野２０の軌跡を示す。照野２０は、回転ステージ１０の回転運動によって、回転ステージ１０の回転軸を中心とした円の円周方向Ｓ１、ステージ１１の並進運動によって、ステージ１１の並進方向Ｓ２に走査される。照野２０の長手方向が走査方向Ｓ２と平行となり、かつ走査方向Ｓ２の走査によって回転ステージ１０の回転軸を照野２０が通過するように、照明光学系１０１が構成される。Ｚステージの移動は、ウエハ１の高さ、すなわちウエハ１表面の法線方向の移動に対応する。以上の構成において、走査方向Ｓ１の走査によりウエハを１回転する間に、走査方向Ｓ２の走査を照野２０の長手方向の長さ以下の距離だけ行うことにより、照野がらせん状の軌跡Ｔを描き、ウエハ１の全面が走査される。
【００１６】
紫外光を１００ｎｍ以下の微小異物を照射した場合は、ウエハ表面法線より傾斜した斜方よりＰ偏光照明を行った場合に大きな散乱光を発し、特に照明入射角７５度以上で極大となる。また、斜方から照明を行った際に発生する散乱光の角度分布はウエハ表面法線より傾斜した角度に強く偏り、特にウエハ表面法線より６０度から６５度傾斜した角度範囲を中心に強く出射する。本実施形態では、微小異物からより大きな散乱光を検出するため、斜方から照明し、斜方から検出する構成となっている。基板上粒子による散乱の照明角度依存性、散乱光強度の角度分布に関するこれらの知見は、非特許文献１に基づいた計算によって得られる。
【００１７】
検出光学系１０２は、図３に示す通り、結像系８、偏光フィルタ１３、およびリニアアレイセンサ９を用いて構成される。偏光フィルタ１３は結像系８の光軸Ａ上へ着脱可能であり、ノイズ要因となるウエハラフネス等による散乱光成分を低減する目的で用いる。図３（ａ）は、結像系８の光軸Ａと走査方向Ｓ２を含む面の断面図である。結像系８により、照野２０の像がリニアアレイセンサ９上に結像される。リニアアレイセンサ９の長手方向、すなわち複数画素の並び方向が走査方向Ｓ２と平行に置かれ、照野２０の長手方向に対応する。図３（ｂ）は、結像系８の光軸Ａと走査方向Ｓ１を含む面の断面図である。異物からより大きな散乱光を得るためには、前述の通り、光軸Ａはウエハ１表面法線方向に対して傾斜させるのが有効である。紫外光を斜方照明する場合、ウエハ法線から６０度から６５度の角度範囲を中心に散乱光が強く出るため、この方向を結像系８の検出角度範囲に含むような構成をとるのが有効である。
【００１８】
ここで、結像系８の実施形態について反射光学系７０１を用いて構成した例を図１７に示す。図１７（ａ）（ｂ）は、楕円面鏡による構成例である。いずれも楕円の第一焦点位置を照明光の照射位置とし、第二焦点位置をリニアセンサアレイ９の受光面に配置する。図１７（ａ）はウエハ面に対して浅い角度で出射する散乱光をリニアアレイセンサ９に導くのに適する。図１７（ｂ）は、広い角度範囲に出射する散乱光をリニアアレイセンサ９に導き、微小欠陥の検出に適する。図１７（ｃ）は、シュバルツシルト光学系による構成例である。波長２００ｎｍ以下の短波長で照明する場合に散乱光をリニアアレイセンサ９に結像するのに適する。
【００１９】
リニアアレイセンサ９の構成例を図４に示す。図４（ａ）に示すリニアアレイセンサ９の第一の形態は、イメージインテンシファイア２１、リレーレンズ２２、およびフォトダイオードアレイ２３を用いて構成したものであり、微弱な異物散乱光の検出に適する。リニアアレイセンサ９はイメージインテンシファイア２１により入射光が増幅され、増幅された光はリレーレンズ２２を介してフォトダイオードアレイ２３に再結像される。この構成により、微弱光が高感度に検出され、かつ画素毎の信号が並列に高速出力される。図４（ｂ）に示すリニアアレイセンサ９の第二の形態は、イメージインテンシファイア２２によって増幅された光を、ファイバ結像部２４によってフォトダイオードアレイ２３に出力する構成としたものである。これらの形態に限られず、検出光学系１０２の構成の簡素化を図る場合には、リニアアレイセンサ９として、電子増倍機能と信号の並列出力が可能なマルチアノード光電子増倍管や、アバランシェフォトダイオードアレイを用いてもよい。
【００２０】
次に、ウエハ上での欠陥位置Ｐ、照野２０、および検出光学系１０２の概略の位置関係を図５に示す。以下、簡単のため、本実施例ではリニアアレイセンサ９が４画素からなるものとして説明する。照野２０が結像系８によってリニアアレイセンサ９の受光面上に結像される。時刻ｔ＝ｔ１（図５（ａ））において、ウエハ上の欠陥位置Ｐが、画素９ａの位置と共役の関係にあり、この時点で欠陥Ｐからの散乱光が画素９ａにて検出される。時刻ｔ＝ｔ２＝ｔ１＋Δｔ（図５（ｂ））では、照野２０を基準として考えた場合、Ｓ１方向の走査によって欠陥位置Ｐがウエハ上を１回転し、Ｓ２方向の走査によって時刻ｔ１とΔｒずれた位置に欠陥位置Ｐが来る。Δｒはリニアアレイセンサ９の受光面における画素間隔に対応し、この時点では欠陥Ｐからの散乱光が画素９ｂにて検出される。同様に、時刻ｔ３では欠陥Ｐからの散乱光が画素９ｃにて、時刻ｔ４では欠陥Ｐからの散乱光が画素９ｄにて検出される。
【００２１】
走査方向Ｓ１の走査速度（角速度）をω、走査方向Ｓ２の走査速度をｖとすると、照野２０上に欠陥位置Ｐが来る時間間隔はΔｔ＝２π／ω（数１）、走査方向Ｓ２の間隔はΔｒ＝２πｖ／ω（数２）となる。リニアセンサアレイ９の画素間隔と結像系８の光学倍率からΔｒが決まる。（数２）の関係を満たす走査速度ω、ｖを設定すれば、ウエハ上の同一箇所からの散乱光信号が、時間間隔Δｔごとに、リニアアレイセンサ９の互いに異なる画素から出力される。この信号に対し、後述する信号処理部１０５において加算、並列読出し処理を行う。ウエハ上の同一箇所に時間間隔をあけて複数回照射し、各々で得られた散乱光信号を加算することにより、高照度化によるウエハへの加熱ダメージを与えることなく、高感度で広ダイナミックレンジの検査が実現される。
【００２２】
斜方位検出系３３の概略構成を図６に示す。斜方位検出系３３は、集光レンズ２９、偏光フィルタ３０、視野絞り３１およびポイントセンサ３２を適宜用いて構成される。検出光学系１０２の光軸が照野２０の長手方向に対して垂直な方向の面内にあるのに対して、斜方位検出系３３の光軸は、照野２０の長手方向に垂直な方向に対して傾斜している。照野２０上に、検出光学系１０２のリニアアレイセンサ９に対応する視野２７が存在する。図６（ａ）に示すように、視野２７内で、リニアアレイセンサ９の任意の画素に対応する領域からの散乱光を検出するように、集光レンズ２９、視野絞り３１、およびポイントセンサ３２が構成、配置される。ポイントセンサ３２は、リニアアレイセンサ９の任意の画素による検出位置にポイントセンサ視野２８を有し、ここから出射される散乱光を検出光学系１０２とは異なる検出方位、検出角度で検出し、得られた散乱光信号を出力する。
【００２３】
図６（ｂ）に、斜方位検出系３３の別の構成例を示す。図６（ｂ）は、集光レンズ２９、偏光フィルタ３０、視野絞り３１およびリニアアレイセンサ３２’を適宜用いて構成される。視野２７のリニアセンサアレイ９各画素に対応する位置を、リニアセンサアレイ３２’により検出するように構成される。照野２０の長手方向に対して傾斜した方位からの検出になるため、像面が光軸から傾斜する。この傾斜に対応するようリニアセンサアレイ３２’を光軸に対して傾斜させる。図６（ａ）の構成では、斜方位検出系３３をコンパクト、かつ安価に構成できる。一方、図６（ｂ）の構成では、照野２０の長手方向に垂直な方向に対して傾斜した方向へ出射する散乱光による信号が、時間間隔Δｔごとに、リニアアレイセンサ３３’の互いに異なる画素から出力される。この信号に対し、後述する信号処理部１０５において加算、飽和判定、選択使用等の処理を行うことで、高感度、広ダイナミックレンジの検査が実現される。
【００２４】
検出光学系１０２と斜方位検出系３３各々によって検出される散乱光の角度成分の関係を図７（ｂ）を用いて示す。図７（ａ）は検出される角度範囲の表示方法の説明である。図７（ａ）は、赤道面がウエハ表面に対応し、ウエハ表面の法線方向を天頂とする半球を示す。走査方向Ｓ２を基準とする方位角（経度）をφ、天頂からの角度をθとする。検出光学系１０２あるいは斜方位検出系３３によって検出される角度範囲は、半球上の領域Ｒによって示され、これを赤道面に平行な面に平行投影して表示したのが図７（ｂ−１）（ｂ−２）である。検出光学系１０２による検出角度範囲を斜線の網掛けで、斜方位検出系３３による検出角度範囲を網点で表示している。図７（ｂ−１）（ｂ−２）のように、検出光学系１０２と斜方位検出系３３を各々複数備えて、広い角度範囲をカバーすることで、様々な種類の欠陥を検出することが可能である。また、欠陥種や欠陥寸法によって、欠陥散乱光の角度分布が異なるため、様々な角度の散乱光強度を複数の検出系によって同時に検出し、後述する信号処理部１０５によって処理することで、欠陥種の分類や欠陥寸法の推定を高精度で行うことが可能である。図７（ｂ−１）は微小寸法から大寸法の異物を検査するのに適した検出系配置の一例である。感度の高い検出光学系１０２の構成にて、θ＝６０〜６５度を含む散乱光成分を高ＮＡ（開口数）で検出することで、ごく微小な欠陥の検出が可能である。図７（ｂ−２）は、結晶欠陥（ＣＯＰ：Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）を検査するのに適した検出系配置の一例である。結晶欠陥は凹欠陥であるため、低仰角（θ：大）の散乱光が出にくい。そのため、結晶欠陥を検出するには、感度の高い検出光学系１０２の構成にて、高仰角（θ＜３０度）の散乱光成分を検出することで、微小な結晶欠陥まで検出可能である。微小異物の散乱光が強く出る低仰角の散乱光成分も合せて検出することで、微小異物と結晶欠陥の同時検出、分類が可能である。なお、検出光学系１０２と斜方位検出系３３の位置関係及び配置数は図７（ｂ−１）（ｂ−２）に限られず、例えば、図７（ｂ−２）に示す８つの方位全てを検出光学系１０２で構成しても良いし、配置数を増減しても良く、種々変更可能である。
【００２５】
照明光学系１０１による斜方照明の方位と、走査方向Ｓ１、Ｓ２との関係を図８に示す。図８（ａ）は、走査方向Ｓ２に平行な方位Ｉで照明する例である。ステージの高さ方向の位置ずれや振動があった場合に、照野２０の位置ずれが欠陥検出座標の誤差として現れる。図８（ａ）の構成であれば、照野２０の位置ずれが照度分布の勾配が緩やかなＳ２方向に起こるため、照度分布の勾配が急なＳ１方向に位置ずれが起こる場合と比較して、欠陥検出座標の誤差が相対的に小さくなる利点がある。図８（ｂ）は別の実施例であり、照明方位をＩ１とＩ２の２方位としている。照明光学系１０１の光路を分岐することで実現される。ウエハの研磨工程などで生じるスクラッチなどの異方性がある欠陥を検査する場合に、照明方位と欠陥方位との関係によって発生する散乱光量が大きく変わり、検査感度にムラが出る問題がある。図８（ｂ）のように互いに異なる２方位の照明を行うことで、欠陥方位による検査感度の変動を抑え、異方性のある欠陥についてもロバストな検査を行うことができる。
【００２６】
次に、照明光学系１０１における照度分布制御素子５の構成と照度分布制御方法について図９を用いて説明する。図９（ａ）は透過型光学素子を照度分布制御素子５として用いた場合の構成例である。レーザ光源２から発し、前述の照明光学系１０１の構成により所望の強度、偏光、ビーム径に調整され、照度分布制御素子５を透過し、集光レンズ６を介してウエハ１上に導かれる。図９（ｂ）は反射型光学素子を照度分布制御素子５として用いた場合の構成例である。照度分布制御素子５としては、透過する光の光軸に垂直な面内の、二次元的（図９（ｃ））、あるいは一次元的（図９（ｄ））な位置ごとに、透過する光の強度あるいは位相を変化させる機能を有する光学素子を用いる。集光レンズ６との関係を、照度分布制御素子５の光透過面の像がウエハ１上に結像される構成とすることで、照度分布制御素子５により変調された光強度分布の相似形がウエハ１上に投影される。あるいは、集光レンズ６からウエハ１上と光軸との交点との距離、および集光レンズ６から照度分布制御素子５の透過面との距離を共に集光レンズ６の焦点距離と等しくすることで、照度分布制御素子５の光透過面における光振幅分布のフーリエ変換像がウエハ１上に投影される。このような構成により、照度分布制御素子５により与える透過率および位相分布に応じた照度分布がウエハ１上に形成される。集光レンズ６としてシリンドリカルレンズを用いることで、上記作用を１軸のみに作用させ、もう一方の軸方向には照明光を集光して、走査方向Ｓ２には照度分布制御素子５により与える透過率および位相分布に応じた照度分布を与え、走査方向Ｓ１には短い領域のみを照明することが可能である。レーザ光源２によって発するレーザ光が実質的にガウスビームであり、照度分布制御素子５を特に作用させない場合には、ビームエキスパンダ７、および集光レンズ６により形状の決まるガウス分布がウエハ上に投影される。
【００２７】
与える透過率分布あるいは位相分布が固定なものとして、回折光学素子（ＤＯＥ）、ホモジナイザ（マイクロレンズアレイ、光ファイババンドル、あるいは中空パイプの内面に反射コーティングを施したもの（図９（ｅ）））などがある。全体制御部５３より制御されるコントローラ１４を接続し、照度分布制御素子５が動的に可変な空間光変調素子（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いた構成とすることで、照野２０がウエハ１を走査する前後あるいは走査している間に、照度分布が任意の形状になるよう動的に制御、調整される。動的に可変な空間光変調素子の例としては、透過型のものには、液晶素子、磁気光学空間光変調素子などがある。反射型のものには、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、グレーティングバルブ（ＧＬＶ）、ＬＣＯＳ等の反射型液晶素子などがあり、適宜選択可能である。
【００２８】
上記構成および後述の観察光学系１０４により照度分布をモニタすることにより、照度分布の制御に加え、照明光学系１０１に含まれる光学素子の収差や位置ずれによる照度分布のずれ、歪みなどを照度分布制御素子５の調整により補正することが可能である。また、環境の変化などにより、照度分布のずれ、歪み、乱れが動的に変動した場合にも、動的に可変な空間光変調素子の調整により補正することが可能である。
【００２９】
上記構成により形成される照度分布の例を図１０に示す。ウエハ上の照野２０において、走査方向Ｓ２方向に対して、図１０に示すように照度分布に傾斜あるいは位置依存性を持たせることにより、同じ欠陥を検出する場合でも、照度の強い箇所と共役点にある画素には強い散乱光が入射するため、その画素からは大きな信号が得られるのに対して、照度の弱い箇所と共役点にある画素には弱い散乱光が入射するため、その画素からは相対的に小さな信号が得られる。すなわち、同一欠陥からの散乱光を実効的に高感度の画素と低感度の画素で検出することに相当する。リニアアレイセンサ９の受光面に強度フィルタを貼付するなどの手段で画素ごとの感度を互いに異なるものにすることによっても同等のことが実現できる。照度分布に傾斜あるいは位置依存性を持たせる方法では、前記の照度分布制御素子５の調整により、感度分布の調整、変更が可能である利点がある。これらの方法により、リニアアレイセンサ９の画素ごとの感度を互いに異なるものとし、それらの画素から得た信号、およびそれらの加算信号を、後述の信号処理部１０５において飽和判定、選択使用等の処理することにより、高感度、広ダイナミックレンジの検査が実現できる。
【００３０】
図１０（ａ）はレーザ光源２の分布が反映された実質的にはガウス分布である。図１０（ｂ）は照度分布制御素子５としてホモジナイザなどを用いてほぼ均一な照度分布を形成した例である。ほぼ均一な照度分布は高照度レーザ照射によるウエハに対する熱ダメージを抑えつつ、欠陥からの散乱光量を最大化して高感度検査を実現するのに適する。図１０（ｃ）は均一照度分布に対して中央の照度を落とした分布である。図１０（ｃ）は、均一照度分布をしたときに発生する温度上昇が照度分布の中央で極大となり、そこでウエハに対する熱ダメージが発生する可能性がある場合に、それを回避しつつ、高感度を実現するのに適した分布である。図１０（ｄ）は、リニアセンサアレイ９の各画素に対応する位置ごとに照度分布が極大となる分布である。各画素によって検出されるウエハ上の面積が実効的に小さくなるため、ノイズ要因となるウエハラフネスからの散乱光を低減するのに有効である。なお、リニアセンサアレイ９の各画素に対応する位置ごとの照度の極大値は必ずしも同じにする必要はなく、広ダイナミックレンジを得るべく、各対応する位置ごとに変えても構わない。図１０（ｅ）は、照度分布を傾斜させ、リニアセンサアレイ９の画素ごとに実効的に異なる感度を持たせるのに適した分布である。後述する信号処理部１０５における処理を簡易化しつつ、広ダイナミックレンジ検出を実現するのに適している。図１０（ｆ）のように、照度分布に指数的な変化を持たせることで、さらに広ダイナミックレンジを実現できる。
【００３１】
照明光学系１０１によって形成されたウエハ上の照度分布は、観察光学系１０４によって測定される。観察光学系１０４は、図１に示すとおり、結像系８１およびイメージセンサ８２を用いて構成される。照明光学系１０１によるウエハ表面上の照射位置が、結像系８１によって、イメージセンサ８２の受光面に拡大、結像される。照明光学系１０１により斜方照明が行われる場合は、イメージセンサ８２にて得られる画像は暗視野画像となり、得られた像の明るさ分布がそのまま照明光学系１０１によるウエハ上の照度分布に相当する。ウエハ表面の状態が非常に滑らか場合には、散乱がほとんど起こらないために、イメージセンサ８２における照度分布の測定が困難となる。その場合は、ウエハ表面と同じ高さに、表面が粗くなるよう処理されたウエハやあるいは表面が粗いセラミックを設置して照度分布を測定する。あるいはイメージセンサ８２としてＥＭＣＣＤあるいはＥＢＣＣＤなど高感度イメージセンサを用いるか、冷却ＣＣＤなどノイズの少ないＣＣＤを蓄積時間を長くして用いることで測定可能となる。
【００３２】
次に、信号処理部１０５の構成について説明し、欠陥判定と欠陥座標および欠陥寸法算出手法について述べる。アナログ処理部５１の構成を図１１に示す。リニアセンサアレイ９の各画素９ａ−ｄから出力された信号電流は、プリアンプ部５０１ａ−ｄにより各々電圧に変換されて増幅される。さらにローパスフィルタ５１１ａ−ｄにより高周波数のノイズ成分がカットされた後、ローパスフィルタ５１１ａ−ｄのカットオフ周波数より十分高いサンプリングレートを備えたアナログ−デジタル変換部５０２ａ−ｄにおいて、デジタル信号に変換され、出力される。ここで、デジタル変換された信号は、後述するデジタル処理部５２における信号加算によって飽和しないだけ十分なビット深度を持つ。
【００３３】
デジタル処理部５２の構成を図１２に示す。遅延部５０３ａ−ｄは、走査Ｓ１によって照野２０がウエハ上を一周する時間間隔Δｔだけ、各画素からの信号出力を蓄積して遅延するメモリを有する。画素９ａからの信号が遅延部５０３ａにおいて時間間隔Δｔだけ遅延し、画素９ｂの信号に加算されることで、ウエハ上の同一箇所を２回走査、検出して加算したものと同等の信号が得られる。この信号を遅延部５０３ｂにおいて時間間隔Δｔだけ遅延して、画素９ｃの信号に加算することで、ウエハ上の同一箇所を３回走査、検出して加算したものと同等の信号が得られる。ここで、遅延部５０３ａから出力された信号を遅延部５０４ａにて時間間隔２×Δｔだけ遅延した信号Ｇ１、および遅延部５０３ｂから出力された信号を遅延部５０４ｂにて時間間隔Δｔだけ遅延した信号Ｇ２、および遅延部５０３ｃから出力された信号Ｇ３およびそれに画素９ｄから出力された信号を加算した信号Ｇ４を出力する構成とする。このとき信号Ｇｎ（ｎ＝１，２，３，４）各々は、ウエハ上の同一箇所をｎ回検出して加算したものと同等の信号となる。遅延部５０４ａ，ｂは、信号Ｇ３，Ｇ４に対して、信号Ｇ１，Ｇ２にて同一箇所の信号が現れるタイミングを合せる役割を果たす。信号Ｇ１〜４は判定処理部５０５に入力される。本実施例では簡単のためセンサ画素数が４画素の例を示しているが、より多数画素（Ｎ画素）のセンサの場合も、同様のステップを繰返し、遅延加算をＮ−１回行い、後段の遅延部にてタイミングのずれを補償することで、ウエハ上の同一箇所を１，２，…，Ｎ回走査、検出して加算したものと同等の信号が得られる。
【００３４】
判定処理部５０５の第一の構成例について図１３に示す。図１３（ａ）では、信号Ｇ１〜４が飽和判定部６０１および信号選択部６０２に入力される。ここで、前述の手段により画素９ａ〜９ｄの実効的な感度が互いに異なり、画素９ａが最も実効的な感度が低く、画素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの順に実効的な感度が高くなっていくものとする。すなわち、仮に画素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ各々の実効感度をＳａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄとすると、Ｓａ＞Ｓｂ＞Ｓｃ＞Ｓｄである。飽和判定部６０１において、信号Ｇ１〜Ｇ４を元に、画素９ａ〜９ｄにおける飽和の有無が判定される。飽和判定は、リニアアレイセンサ９の各画素の最大信号出力値に対応するデジタル信号値と、図１２に述べた構成における加算前後のデジタル信号値との差分との大小を比較することによって行われる。例えば、画素９ａからの出力信号は、信号Ｇ２と信号Ｇ１の差に相当するため、信号Ｇ２と信号Ｇ１の差が画素９ａからの最大信号出力値（飽和信号値）と実質的に同等であるか（例えば飽和信号レベルの９０％に相当する信号レベルより大きいか）、それより小さいかによって、画素９ａの出力信号が飽和していたか否かが判定される。飽和判定部６０１では、同様に画素９ｂ、９ｃ、９ｄからの出力信号に関する判定を行い、飽和していた画素の情報を出力する。画素９ａ〜９ｄの感度の相対関係から、画素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの順に飽和判定を行い、いずれかの時点で飽和していたと判定された段階でそれ以降の画素でも飽和していると推定されるため、それ以降の飽和判定は不要となる。よって、この場合飽和画素の情報としては、画素９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄで飽和判定を行い飽和していたと判定した最初の画素の番号か、あるいはいずれの画素でも飽和していなかったという情報を出力すれば十分である。
【００３５】
信号選択部６０２には、信号Ｇ１〜Ｇ４および飽和画素の情報が入力される。信号選択部６０２では飽和判定部６０１から入力される飽和画素の情報を元に、信号Ｇ１〜Ｇ４の中で飽和画素の信号が加算されていない信号を選択しそれを適正感度信号６０３ａとして出力し、さらに選択した信号が実効的にはどの感度で得た信号に相当するかという実効感度情報を信号６０３ｂとして出力する。感度情報信号６０３ｂは実効的に異なる感度で検出され加算された信号値の絶対量を後処理で補正して算出するために用いられる。例えば、飽和判定部６０１により画素９ｃにて信号が飽和していたと判定された場合、信号選択部６０２において、画素９ｃからの出力が加算される前の信号Ｇ２が選択され出力される。さらに、信号Ｇ２は画素９ａおよび９ｂからの信号が加算されたものであるため、画素毎の感度と加算の影響を考慮した感度情報信号６０３ｂとして、値Ｓａ＋Ｓｂを出力する。適正感度信号６０３ａとしてＧ１〜Ｇ４いずれの信号が選択された場合でも、その信号値を信号６０３ｂの値で除算することにより、元の欠陥散乱光量の大小関係に対応した信号値が得られる。
【００３６】
適正感度信号６０３ａは、ハイパスフィルタ６０４ａにより欠陥信号を抽出され、欠陥判定部６０５ａに入力される。欠陥は照野２０によりＳ１方向に走査されるため、欠陥信号の波形は照野２０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。ハイパスフィルタ６０４ａ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、欠陥信号のＳ／Ｎが向上する。ハイパスフィルタ６０４ａとしては、特定のカットオフ周波数を持ちその周波数以上の成分を遮断するよう設計されたハイパスフィルタか、あるいは欠陥信号の波形と相似形を成すＦＩＲフィルタを用いる。欠陥判定部６０５ａは、ハイパスフィルタ６０４ａ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。欠陥の存在を判定された箇所については、その欠陥波形と感度情報信号６０３ｂに基づいて、ウエ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６０６ａとして出力する。欠陥座標は欠陥波形の重心を基準として算出する方法がある。欠陥寸法は欠陥波形の積分値を元に算出する方法がある。いずれの方法も、適正感度信号６０３ａと感度情報信号６０３ｂを用いることで、飽和信号の影響を受けず、欠陥からの散乱光量の大小に精度良く対応した信号に基づいた算出を行うことができるため、高精度の欠陥座標および欠陥寸法を得ることができる。
【００３７】
ローパスフィルタ６０４ｂには最高感度信号６１１、すなわち実効感度の最も高い信号、ここでは信号Ｇ４が入力され、周波数の低い成分および直流成分が出力される。ローパスフィルタ６０４ｂからの出力は、ウエハ上の照野２０における微小ラフネスからの散乱光量（ヘイズ）に対応する。通常は、信号の直流成分によってリニアセンサアレイ９が飽和しないよう、照明光学系１０１におけるアッテネータ３が調整される。よって最も実効感度の高い信号Ｇ４であっても飽和信号が含まれているおそれがないため、この信号Ｇ４を飽和判定することなくローパスフィルタ６０４ｂに入力する。もちろん飽和判定によって飽和信号を含まないと判定された信号６０３ａを入力する構成としてもよい。この場合は、局所的にラフネスの粗さが大きくなり信号の低周波数成分が大きくなった場合でも飽和を回避することが可能となる。ローパスフィルタ６０４ｂの出力はヘイズ処理部６０５ｂに入力され、ヘイズ情報の処理が行われる。ヘイズ処理部６０５ｂは入力信号の大きさから、ヘイズの大小に対応する信号、あるいはラフネスの空間周波数に対応する情報を、ヘイズ信号６０６ｂとして出力する。
【００３８】
判定処理部５０５の第二の構成例について図１３（ｂ）に示し、図１３（ａ）と異なる部分を説明する。本第二の構成例では、最高感度信号６１１がハイパスフィルタ６０４ａに入力される。図１３（ａ）の構成のように適正感度信号６０３ａすると、適正感度信号６０３ａにはある感度信号から別の感度信号に切り替わる際の波高の瞬間的な変化により波形にのこぎり形状が生じるため、これがハイパスフィルタ６０４ａにおいて除去されず、欠陥判定部６０５ａに歪んだ波形や不要なノイズとして入力されることで、欠陥座標算出精度の低下や誤検出につながる場合がある。図１３（ｂ）の構成により常に最高感度信号６１１をハイパスフィルタ６０４ａに入力し、その出力を欠陥判定部６０５ａに入力して欠陥判定を行うことで、選択信号の切替えに影響されること無く、よりロバストな欠陥判定が行われる。この場合、飽和信号は欠陥と判定すればよいが、欠陥信号の大小に基づく欠陥寸法算出が困難となる。これを補うため、適正感度信号６０３ａおよび感度情報信号６０３ｂを欠陥寸法判定部６１３に入力し、欠陥判定部６０５ａにて欠陥と判定された箇所に関して、対応する適正感度信号６０３ａおよび感度情報信号６０３ｂに基づいて欠陥寸法を算出する。適正感度信号６０３ａと感度情報信号６０３ｂを用いて欠陥寸法判定を行うことで、飽和信号の影響を受けず、欠陥からの散乱光量の大小に精度良く対応した信号に基づいて精度良く欠陥寸法を得ることができる。欠陥寸法判定部６１３において、欠陥寸法判定に加えて欠陥座標算出を行ってもよい。以上、図１３（ｂ）に示した構成により、ロバストな欠陥判定と、高精度の欠陥座標および欠陥寸法算出とを両立することが可能である。
【００３９】
互いに異なる実効感度による信号を用いた検出ダイナミックレンジ拡大と、それに基づいた欠陥寸法算出の方法について図１４を用いて説明する。図１４（ａ）に、リニアセンサアレイ９で受光する散乱光量と、それを高感度画素、中感度画素、低感度画素各々で検出した場合の信号の大きさとの関係を示す。ウエハ上における画素ごとの検出位置に、互いに異なる照度を与え同じ感度の画素で検出する場合も、互いに異なる感度の画素で検出することと実質的に等価である。図１４（ａ）に示すように、検出器のダイナミックレンジＲで検出できる散乱光量の範囲は、画素感度が一通り（例えば高感度画素のみ）の場合、Ｒ１で示される範囲となるが、複数の感度の画素の信号を組合わせることでより広い検出光量範囲Ｒ２を検出することが可能となる。検出器のダイナミックレンジＲの範囲内で応答の線形性が保たれていれば、図１４（ｂ）に示すように、複数の感度の画素の信号を補正して用いることで、光量範囲Ｒ２で示される広い範囲にわたって線形の応答信号を得ることができる。リニアアレイセンサ９による最小検出光量ｉ１と最大検出光量ｉ２との比ｉ２／ｉ１をダイナミックレンジＤとすると、高感度画素によりｉ１以上ｉ２以下の散乱光量を検出し、高感度画素の１／Ｄ倍の感度を持つ中感度画素によりｉ１×Ｄ（＝ｉ２）以上ｉ２×Ｄ以下の散乱光量を検出し、中感度画素の１／Ｄ倍の感度を持つ低感度画素によりｉ１×（Ｄ＾２）（＝ｉ２×Ｄ）以上ｉ２×Ｄ＾２以下の散乱光量を検出することで、ｉ１以上ｉ２×Ｄ＾２以下の範囲の散乱光量の検出が可能となり、ダイナミックレンジがＤ＾２倍に拡大される。ダイナミックレンジがＤの検出画素Ｎ個を、互いに感度にＤ倍の違いを持たせ、図１４（ｂ）に示すように応答曲線をつなぎ合わせることで、ＤのＮ乗のダイナミックレンジが実現できる。図１４（ｃ）は、拡大したダイナミックレンジにより、広い寸法範囲の欠陥の寸法算出が可能となることを示すグラフである。直径５００ｎｍの粒子の散乱光量は直径２０ｎｍの粒子の散乱光量の約１０＾６倍（１２０ｄＢ）である。リニアセンサアレイ９各画素のダイナミックレンジが５０ｄＢとすると、高感度画素に対して、中感度画素の感度を−３５ｄＢ、低感度画素の感度を−７０ｄＢとすれば、全体で１２０ｄＢの範囲をカバーでき、この範囲に含まれる直径２０ｎｍから５００ｎｍの粒子の信号光量を測定できるため、図１４（ｃ）に示したような信号光量と粒子直径との対応関係に基づいて、この粒子直径範囲にわたって高精度な寸法算出が可能となる。
【００４０】
以上述べた実施例の変形例を述べる。前記実施例と異なる部分のみを、図１５、１６を用いて説明する。図１５（ａ）は、互いに異なる複数の方位あるいは入射角の照明光、あるいは互いに異なる複数の偏光状態の照明光をウエハ上に照射することを示す。互いに異なる各々の照明による照野２０ａ（照明方位I１）、照野２０ｂ（照明方位I２）は、各々リニアアレイセンサ９の互いに異なる画素の共役位置に対応する。このような照明光は、照明光学系１０１の光路を分岐して、各々にビームエキスパンダ、照度分布制御素子、集光レンズ、反射ミラー等のビーム光路、形状あるいは照度分布を調整する光学部を設けることで実現される。
【００４１】
図１５（ｂ）は、画素９ａ、９ｂでは縦方向の偏光成分のみを検出、画素９ｃ、９ｄでは横方向の偏光成分のみを検出するリニアアレイセンサ９の構成を示す。リニアアレイセンサ９の前に偏光フィルタ９０１を設置する。偏光フィルタ９０１は、互いに異なる偏光成分を選択的に透過する微小偏光素子９０１ａ、９０１ｂからなる微小偏光素子アレイで構成される。このような微小偏光素子アレイの作成方法として、撮像素子または基板の上にミクロンオーダからサブミクロンオーダ厚の薄膜状の偏光板を載せ、画素の大きさに合せて不要な部分をエッチングで除去し、さらに主軸方位の異なる薄膜偏光板あるいは波長板を載せて同様のパターニングを繰り返す方法がある。ただし、この方法に限られず、使用する光の波長より短い周期を持つ微細格子をパターニングによって作成することで、画素毎に光学異方性を持たせる方法であってもよい。
【００４２】
図１５（ａ）（ｂ）に示した方法にて、互いに異なる複数の光学条件により照明あるいは検出を行い、ある欠陥に関して各々の光学条件にて発生する散乱光の信号が得られれば、図１５（ｃ）に示すように、光学条件に対する欠陥の応答が多次元の空間上にプロットされ、空間上の分布に基づいて欠陥の種類を分類することが可能となる。例えば、光学条件Ａとして低角度（大入射角）照明あるいはＳ偏光照明、光学条件Ｂとして高角度（小入射角）照明あるいはＰ偏光照明を行うことで、光学条件Ｂの方がウエハ表面あるいはそこに形成された膜の内部に照明光が浸透するため、表面内部の欠陥（欠陥種２）の散乱光が光学条件Ｂで強く、表面より上にある異物等の欠陥（欠陥種１）が光学条件Ａで相対的に強くなるため、図１５（ｃ）のように欠陥の散乱信号が分布してこれにもとづいた欠陥種の分類が行われる。同様に、欠陥寸法によっても光学条件の違いによる散乱応答の違いが見られるため、同様の方法によって欠陥寸法算出の精度を高めることが可能である。
【００４３】
図１５に示した欠陥分類あるいは欠陥寸法算出方法を実現するためのデジタル処理部５２の構成を図１６に示す。光学条件Ａおよび光学条件Ｂにおいて得られた信号は、図１６（ａ）に示した、遅延部５０３ａ、５０３ｃ、５０４ａ、５０４ｂおよび加算部からなる構成により、光学条件毎に加算され、タイミングを調整された後、判定処理部５０５に入力される。
【００４４】
次に、判定処理部５０５に入力された光学条件Ａでの信号６２１ａ、ｂ、および光学条件Ｂでの信号６２１ｃ、ｄは、図１６（ｂ）の通り、飽和判定部６０１および信号選択部６０２に入力される。飽和判定部６０１において、図１３を用いて説明した飽和判定部６０１における判定と同じ飽和判定を、光学条件Ａでの信号と光学条件Ｂでの信号各々に対して行い、各光学条件について飽和していた画素の情報を出力する。
【００４５】
信号選択部６０２には、信号６２１ａ〜ｄおよび各光学条件ごとの飽和画素の情報が入力される。信号選択部６０２ではそれらの入力を元に、光学条件ごとに複数の信号の中で飽和画素の信号が加算されていない信号を選択し、それを適正感度信号６２３ａおよび６２３ｂとして出力し、さらに選択した信号各々の感度情報を信号６０３ｂとして出力する。
【００４６】
光学条件ごとの適正感度信号６２３ａ、ｂは、それぞれハイパスフィルタ６２４ａ、ｃにより欠陥信号を、ローパスフィルタ６２４ｂ、ｄによりヘイズ信号を抽出される。ハイパスフィルタ６２４ａ、ｃより出力された各光学条件の欠陥信号および対応する感度情報信号６０３ｂが、欠陥判定部６２５ａへ入力され、ローパスフィルタ６２４ｂ、ｄより出力された各光学条件のヘイズ信号および対応する感度情報信号６０３ｂが、ヘイズ処理部６２５ｂへ入力される。欠陥判定部６２５ａにて、各光学条件の欠陥信号に対してしきい値処理を行い、欠陥候補位置を検出し、それらのＯＲをとることで、欠陥位置が検出される。複数の光学条件の信号に基づいて欠陥を検出するため、単一の光学条件の信号に基づいて欠陥を検出する場合に比べて欠陥の捕捉率が高い利点がある。また、欠陥判定部６２５ａにおいて、各光学条件の欠陥信号を利用して図１５に示した欠陥分類あるいは欠陥寸法算出手法が行われる。ヘイズ処理部６２５ｂでは各光学条件でのヘイズ信号に基づいて、ヘイズの大小に対応する信号、あるいはラフネスの空間周波数に対応する情報を、ヘイズ信号６０６ｂとして出力する。ラフネスのＲＭＳや空間周波数分布によって、照明入射角、方位角あるいは偏光などの光学条件に対する依存性が異なるため、複数の光学条件でのヘイズ信号に基づいた処理により、単一光学条件の場合より詳細なラフネスの情報が得られる。
【００４７】
次に、欠陥検出処理フローについて、図１８を用いて説明する。まずレシピ設定として照明方向・センサ感度などの検査条件を設定する（ステップ１２０）。その中に照野２０の方向Ｓ１あるいはＳ２の長さ、走査方向Ｓ２の間隔Δｒ、および検出散乱光に対して行う処理方法を設定することも含まれる。ウエハ走査を開始し（ステップ１２１）、検出散乱光に対しレシピで設定した信号処理を行う（ステップ１２２）。処理を施された信号に基づいて欠陥判定を行い（ステップ１２３）、欠陥マップ（ウエハ内の欠陥位置の分布を示す図）等の検査結果を表示部５４に表示する（ステップ１２４）。検査結果として欠陥マップの他に、欠陥の個数、欠陥の寸法ごとの個数、欠陥の種類ごとの個数、欠陥の寸法あるいは種類ごとの欠陥マップ、ウエハ内におけるヘイズの分布等を表示することも含まれる。
【００４８】
図１９はレシピの設定および検査結果を表示するためのユーザーインターフェースの一例である。検査終了後に表示される欠陥マップ１３０、検査前に検査モードを設定するサブウィンドウを構成要件とする。欠陥マップは検査時に取り込んだ欠陥信号、欠陥寸法、欠陥種と座標を基に表示される。ヘイズの分布を示すマップへの表示切替も必要に応じて可能な構成とする。検査モード１３１の選択は直接入力でもプルダウン選択でも可能である。
一度の検査中で同一欠陥への照明回数が同じである必要はなく、例えば試料内周部では検査モードを標準モードに設定し（１３２）、試料外周部では高感度モードに設定できる（１３３）。例えば高感度モードでは、Δｒを小さくし、照明回数を増やすことで、検出感度を向上させることも可能である。
【００４９】
以上のとおり、本発明の実施の形態によれば、一度の検査で同一欠陥を複数回照明し、複数回発生する散乱光を加算することで検出感度を向上させることができる。また複数画素を有するフォトダイオードアレイを使用することで、スループットを落とさずに検査できる。また、本発明の実施の形態によれば、検出感度向上と高スループットを両立させることが可能な検査方法および検査装置を実現することができる。また、互いに異なる照度による複数回照明、あるいは互いに異なる感度の画素による複数回検出により得られる信号を利用することで、ダイナミックレンジ拡大や欠陥寸法の高精度判定、欠陥座標の高精度算出が可能となる。また、互いに異なる光学条件（照明条件あるいは検出条件）による複数回検出によって得られる信号を利用することで、欠陥分類性能の向上も可能となる。
【００５０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、各構成の各実施形態を適宜組み合わせて本発明に係る欠陥検査装置及び欠陥検査方法としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す概略構成図である。
【図２】試料の走査方法を示す模式図である。
【図３】検出光学系の配置を示す構成図である。
【図４】リニアセンサアレイの構成例を示す構成図である。
【図５】試料上での欠陥位置、照野および検出光学系との位置関係を示す模式図である。
【図６】斜方位検出系の構成を示す構成図である。
【図７】検出光学系および斜方位検出系による検出角度範囲を示す模式図である。
【図８】斜方照明の方位と走査方向との関係を示す模式図である。
【図９】照度分布制御素子の構成および照度分布制御方法を示す構成図および模式図である。
【図１０】照明光学系によって実現される照度分布を示す分布図である。
【図１１】アナログ処理部の構成を示すブロック図である。
【図１２】デジタル処理部の構成を示すブロック図である。
【図１３】判定処理部の構成を示すブロック図である。
【図１４】散乱光量、検出信号、および粒子直径の間の関係を示すグラフである。
【図１５】互いに異なる複数の光学条件による検出信号を得る手段を示す構成図とそれを利用した欠陥分類方法を示す散布図である。
【図１６】互いに異なる複数の光学条件による検出信号を処理する処理部の構成を示すブロック図である。
【図１７】反射光学系による結像系の構成例を示す構成図である。
【図１８】欠陥検出処理の流れを示すフローチャートである。
【図１９】レシピの設定および検査結果を表示するためのユーザーインターフェースを示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…ウエハ、 ２…レーザ光源、 ３…アッテネータ、 ４…偏光素子、 ５…照度分布制御素子、 ６…集光レンズ、 ７…ビームエキスパンダ、 ８…結像系、 ９…リニアアレイセンサ、 １０…並進ステージ、 １１…回転ステージ、 １３…偏光フィルタ、 １４…コントローラ、 ２０…照野、 ２１…イメージインテンシファイア、 ２２…リレーレンズ、 ２３…リニアアレイセンサ、 ２４…ファイバ結合部、 、 ２７…リニアアレイセンサ視野、 ２８…ポイントセンサ視野、 ２８’…斜方位センサ視野、 ２９…集光レンズ、 ３０…偏光フィルタ、 ３１…視野絞り、 ３２…ポイントセンサ、 ３２’…リニアアレイセンサ、 ３３…斜方位検出系、 ５１…アナログ処理部、 ５１ａ−５１ｄ…アナログ処理部、 ５２…デジタル処理部、 ５３…全体制御部、 ５４…表示部、 ５５…ステージ制御部、 ８１…結像系、 ８２…イメージセンサ、 １０１…照明光学系、 １０２…検出光学系、 １０３…ステージ、 １０４…観察光学系、 １０５…信号処理部、 ５０１ａ−ｄ…プリアンプ部、 ５０２ａ−ｄ…Ａ／Ｄ変換部、 ５０３ａ−ｄ…遅延部、 ５０４ａ−ｄ…遅延部、 ５０５…判定処理部、 ５１１ａ−ｄ…ローパスフィルタ、 ６０１…飽和判定部、 ６０２…信号選択部、 ６０３ａ…適正感度信号、 ６０３ｂ…感度情報信号、 ６０４ａ…ハイパスフィルタ、 ６０４ｂ…ローパスフィルタ、 ６０５ａ…欠陥判定部、 ６０５ｂ…ヘイズ信号処理部、 ６０６ａ…欠陥信号、 ６０６ｂ…ヘイズ信号、 ６１１…最高感度信号、 ６１３…欠陥寸法判定部、 ６１４ａ…欠陥信号、 ６１４ｂ…ヘイズ信号、 ６１４ｃ…欠陥寸法信号、 ６２４ａ，ｃ…ハイパスフィルタ、 ６２４ｂ，ｄ…ローパスフィルタ、 ６２５ａ…欠陥判定部、 ６２５ｂ…ヘイズ信号処理部、 ６２６ａ…欠陥信号、 ６２６ｂ…ヘイズ信号、 ７０１…反射光学系、 Ｐ…異物あるいは欠陥、 Ｓ１…第一の走査方向（θ方向）、 Ｓ２…第二の走査方向（Ｒ方向）、 Ｔ…軌跡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面を検査する欠陥検査装置であって、
前記試料を保持するステージと、
前記試料表面での照明領域が線状となるようにレーザビームを照射する照明光学系と、
前記試料表面における線状照明領域から散乱された光を検出する複数の画素を備えた検出器を有し、前記検出器の複数の画素より得られた互いに実効感度の異なる複数の検出信号を並列に出力する検出光学系と、
前記複数の検出信号から飽和していない検出信号を選択し、前記選択された検出信号に基づいて欠陥を検出する信号処理系と、
を有することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の欠陥検査装置であって、
前記検出光学系により並列に出力される複数の検出信号は、前記試料表面の同一領域を複数回照明して各々検出された散乱光に基づくものであることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の欠陥検査装置であって、
前記検出器の複数の画素は、互いに異なる感度であることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の欠陥検査装置であって、
前記照明光学系は、前記試料表面における線状照明領域内での照度分布が傾斜をもつようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の欠陥検査装置であって、
前記照明光学系は、前記試料表面における線状照明領域内での照度分布が前記検出器の複数の画素に対応する位置ごとに極大となる分布をもつようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記照明光学系は、前記試料表面に対して照明入射角が７５度以上となるようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記検出光学系は、光軸が前記線状照明領域の長手方向に対して略垂直な面内にあることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
さらに、前記線状照明領域の長手方向に対して略垂直な方向から傾斜した光軸をもつ斜方位検出系を有することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項９】
請求項１乃至８記載の欠陥検査装置であって、
前期信号処理系は、前記選択された検出信号を用いて欠陥寸法を算出することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９記載の欠陥検査装置であって、
さらに、前記試料表面における線状照明領域内での照度分布をモニタする観察光学系を有することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１１】
試料表面の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、
前記試料表面の同一領域にレーザビームを複数回照射する第一工程と、
前記同一領域からの散乱光をそれぞれの回において検出し、互いに実効感度の異なる複数の検出信号を得る第二工程と、
前記複数の検出信号から飽和していない検出信号を選択し、前記選択された検出信号に基づいて欠陥を検出する第三工程と、
を有することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の欠陥検査方法であって、
前記試料表面で線状となるようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の欠陥検査方法であって、
前記第一工程では、前記試料表面における線状照明領域内での照度分布が傾斜をもつようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記第二工程では、前記同一領域からの各回の散乱光は、複数の画素を有する検出器のそれぞれ異なる画素により検出することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の欠陥検査方法であって、
前記複数の画素は互いに異なる感度を有することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１】
試料表面を検査する欠陥検査装置であって、
前記試料を保持するステージと、
前記試料表面での照明領域が線状となるようにレーザビームを照射する照明光学系と、
前記試料表面における線状照明領域から散乱された光を検出する複数の画素を備えた検出器を有し、前記検出器の複数の画素より得られた互いに実効感度の異なる複数の検出信号を並列に出力する検出光学系と、
前記複数の検出信号から飽和していない検出信号を選択し、前記選択された検出信号に基づいて欠陥を検出する信号処理系と、
を有することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項２】
請求項１記載の欠陥検査装置であって、
前記検出光学系により並列に出力される複数の検出信号は、前記試料表面の同一領域を複数回照明して各々検出された散乱光に基づくものであることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の欠陥検査装置であって、
前記検出器の複数の画素は、互いに異なる感度であることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の欠陥検査装置であって、
前記照明光学系は、前記試料表面における線状照明領域内での照度分布が傾斜をもつようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の欠陥検査装置であって、
前記照明光学系は、前記試料表面における線状照明領域内での照度分布が前記検出器の複数の画素に対応する位置ごとに極大となる分布をもつようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記照明光学系は、前記試料表面に対して照明入射角が７５度以上となるようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
前記検出光学系は、光軸が前記線状照明領域の長手方向に対して略垂直な面内にあることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の欠陥検査装置であって、
さらに、前記線状照明領域の長手方向に対して略垂直な方向から傾斜した光軸をもつ斜方位検出系を有することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項９】
請求項１乃至８記載の欠陥検査装置であって、
前期信号処理系は、前記選択された検出信号を用いて欠陥寸法を算出することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９記載の欠陥検査装置であって、
さらに、前記試料表面における線状照明領域内での照度分布をモニタする観察光学系を有することを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項１１】
試料表面の欠陥を検査する欠陥検査方法であって、
前記試料表面の同一領域にレーザビームを複数回照射する第一工程と、
前記同一領域からの散乱光をそれぞれの回において検出し、互いに実効感度の異なる複数の検出信号を得る第二工程と、
前記複数の検出信号から飽和していない検出信号を選択し、前記選択された検出信号に基づいて欠陥を検出する第三工程と、
を有することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の欠陥検査方法であって、
前記試料表面で線状となるようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の欠陥検査方法であって、
前記第一工程では、前記試料表面における線状照明領域内での照度分布が傾斜をもつようにレーザビームを照射することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれかに記載の欠陥検査方法であって、
前記第二工程では、前記同一領域からの各回の散乱光は、複数の画素を有する検出器のそれぞれ異なる画素により検出することを特徴とする欠陥検査方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の欠陥検査方法であって、
前記複数の画素は互いに異なる感度を有することを特徴とする欠陥検査方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００９−２３６７９１（Ｐ２００９−２３６７９１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８５１６７（Ｐ２００８−８５１６７）
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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