JP2008058248A - 回折光検出装置および検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】回折光検出装置および検査システムにおいて、被検体表面の周期的パターンによる回折光の回折方向の情報を、短時間で容易に取得することができるようにする。
【解決手段】周期的なパターンが形成された基板３に対して略平行光を照射する投光部１０と、投光部１０から照射される略平行光である入射光１０３ｂが照射された基板３から複数の方向に放射される回折光１０４の位置および光強度を検出する撮像素子１４と、撮像素子１４の検出出力から回折光１０４の回折方向を検知する位置検知処理ユニット１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は回折光検出装置および検査システムに関する。例えば、半導体ウエハや液晶ガラス基板等のように周期性を有するパターンが形成された被検体表面の回折光を検出するものであって、このような被検体の外観検査装置の検査条件を設定するのに好適となる回折光検出装置および検査システムに関する。

従来、例えば、半導体ウエハや液晶ガラス基板等のように、フォトリソグラフィの工程を用いて回路パターンを形成する基板では、製造工程において、例えば、ゴミ付着、傷、レジスト膜ムラ、露光不良などが発生してパターン不良となる場合がある。
このようなパターン不良を検出するために、基板を照明し、その正反射光、回折光、散乱光などを撮像して、その画像に基づいて外観検査を行う外観検査装置が知られている。
ここで、回折光の出射方向は、基板上の周期パターン方向と入射光の入射方向とに関連して決定される。これを、図５を例に説明する。
今、パターン方向Ｒの基板面Ｗに特定波長の入射光Ｂ_ｉが入射し、複数の回折光のうち一つの回折光Ｂ_ｄが生じたとする。ここで、入射光Ｂ_ｉを含み平面Ｗに垂直な面は入射面Ｐとして定義されるが、パターン方向Ｒの方位角θ_ｒａによっては、回折光Ｂ_ｄは入射面Ｐ内に存在せず、方位角θ_ｄａ方向に出射する。また、入射光θ_ｉの入射仰角θ_ｉｅを変化させると、回折光Ｂ_ｄの出射仰角θ_ｄｅが変化する。よって、回折光を用いる外観検査装置では、基板ごとに異なるパターン方向での測定に対応する為、撮像手段の撮像仰角または照明光の入射仰角を可変とし、さらに、撮像手段の撮像方位角または照明光の入射方位角、または基板の回転方向（方位角）を可変できるものが知られている。
例えば、特許文献１には、このような外観検査装置として、照明手段と、ライン状の撮像手段と、照明手段による照明光の入射方向と撮像手段の撮像方向を可変する照明撮像可変手段とを備える表面検査装置が記載されている。
この場合、基板上の周期パターンに応じて、検査に必要な回折次数の回折光を撮像できるように、照明光の入射方位角と撮像手段の撮像方位角とを検査条件として、装置に設定する必要がある。特許文献１には、被検体に形成された周期パターンの設計データから計算する方法が記載されている。また、複数の回折光を実測した結果から求める方法でもよいことが記載されている。
特開２００４−２８６４８３号公報

しかしながら、上記のような従来の回折光を用いた外観検査装置では、回折光の回折方向を被検体上の周期パターンの設計データから計算するので、正確な検査条件を設定することができるものの、例えば回路構成が複雑な場合に、周期パターンも複雑化し計算が煩雑となってしまう。
また、検査部門が基板の詳細な設計データを有していない場合には、この方法がとれないため、実測によって検査条件設定を行う場合も多い。
実測を行う場合には、被検体サンプルに対して、照明光の入射方向と撮像手段の撮像方向との角度設定を種々変えて回折像を複数取得し、その中から、回折光強度が最も高くなる条件を選択する。そのため、最適な条件を求めるためには、条件を変えて何度も回折像を取得する必要があるので、多大な時間を要するという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、被検体表面の周期的パターンによる回折光の回折方向の情報を、短時間で容易に取得することができる回折光検出装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の回折光検出装置は、周期的なパターンが形成された被検体に対して略平行光を照射する投光部と、該投光部から照射される略平行光が照射された前記被検体から複数の方向に放射される回折光の位置を検出する光検出部と、該光検出部の検出出力から前記回折光の回折方向を検知する位置検知手段とを備える構成とする。
この発明によれば、投光部から被検体に向けて略平行光を照射し、光検出部により被検体から複数の方向に放射される回折光の位置を検出する。そして、位置検知手段によって、光検出部の検出出力から複数の方向に放射される回折光の回折方向を検知する。
そのため、被検体の周期的なパターンの設計情報を有しない場合にも、回折光の回折方向に関する情報を取得することができる。また、複数の方向に放射される回折光の回折方向に関する情報をまとめて取得することができるので、複数の方向に放射される回折光を１つずつ検出する場合、あるいは複数の方向に放射される回折光を角度走査して検出する場合に比べて検出時間を短縮することができる。

また、本発明の回折光検出装置では、前記光検出部が、前記複数の方向に放射される回折光を集光する第１の光学系と、該第１の光学系の瞳の像を形成する第２の光学系と、該第２の光学系により形成された前記瞳の像を撮像する撮像素子とを備え、前記位置検知手段が、前記撮像素子で撮像された画像情報から、前記回折光の回折方向を検知するようにした構成とすることが好ましい。
この場合、被検体から複数の方向に放射された回折光が、第１の光学系の開口の範囲で集光される。そして、第１の光学系の瞳位置に回折光パターンが形成される。そして、第２の光学系によりこの回折光パターンの像が形成され、撮像素子で撮像される。位置検知手段では、撮像素子で撮像された画像情報である回折光パターンの輝度情報から光強度を算出することができる。また、瞳位置での回折光パターンの画素位置から各回折光の位置を検知し、第１の光学系の光学特性値の情報に基づいて被検体からの回折方向に換算することができる。

また、本発明の第１の光学系と第２の光学系とを備える回折光検出装置では、前記第２の光学系が、前記撮像素子側に配置された結像レンズと、前記第１の光学系と前記結像レンズの間の光路に対して進退可能に設けられた瞳リレーレンズとからなり、該瞳リレーレンズの進出時には、前記第１の光学系の瞳の像を前記撮像素子上にリレーするリレー光学系を形成し、前記瞳リレーレンズの退避時には、前記第１の光学系と前記結像レンズとにより前記被検体の像を前記撮像素子上に結像できるようにした構成とすることが好ましい。
この場合、瞳リレーレンズの進出時には、第２の光学系がリレー光学系を形成し、第１の光学系の瞳の像が撮像素子上に結像される。そして、瞳リレーレンズの退避時には、第１の光学系と結像レンズとによって被検体の像が撮像素子上に結像される。
そのため、瞳リレーレンズを進退させることにより、撮像素子により、被検体の画像と、第１の光学系の瞳位置に形成される回折光パターンの画像とを切り替えて撮像できる。その結果、被検体上の位置を確認しながら回折光検出の測定を行ったり、位置検知手段によって回折光パターンと被検体との位置関係の対応つけたりすることができる。

また、本発明の回折光検出装置では、前記投光部から照射され前記被検体に入射する略平行光の光軸と、前記光検出部の光検出範囲の中心軸とが、交差する位置関係に配置された構成とすることが好ましい。
この場合、投光部から照射され被検体に入射する略平行光の光軸と光検出部の光検出範囲の中心軸との交差角度を調整することにより、複数の方向に放射される回折光の検出角度範囲を変えることができる。例えば、それぞれの軸が同軸の位置関係にある場合に比べて、より高次の回折光の回折方向を取得することができ、検査の必要に応じた次数の回折光の回折方向を検知することができる。
ここで、被検体に入射する略平行光は、第１の光学系を透過した略平行光でもよいし、第１の光学系を透過しない略平行光でもよい。

また、本発明の回折光検出装置では、前記位置検知手段によって検知された前記回折光の回折方向の情報を、少なくとも被検体に照明光を照射する照明部と被検体からの回折光を撮像する撮像部とを有する外観検査装置を用いた検査において前記被検体からの回折光を撮像するための検査条件の条件設定情報に変換するデータ変換手段を備えることが好ましい。
この場合、データ変換手段により、位置検知手段で検知した回折方向の情報が、照明部と撮像部とを有する外観検査装置を用いた検査において被検体からの回折光を撮像するための検査条件の条件設定情報に変換される。そのため、回折光を用いる外観検査装置での検査において、条件設定に要する時間を短縮することができる。

また、本発明のデータ変換手段を備える回折光検出装置では、前記条件設定情報が、前記外観検査装置での検査における前記照明光の照射方向および前記回折光の撮像方向および被検体の被検体表面内での回転方向の少なくともいずれかであることが好ましい。
この場合、データ変換手段により、条件設定情報として照明光の照射方向および回折光の撮像方向および被検体の被検体表面内での回転方向の少なくともいずれかが得られるので、外観検査装置の照明部および撮像部の少なくともいずれかの配置位置が決定される。その結果、外観検査装置において迅速に所望の回折光による画像を撮像することができるようになる。

また、本発明の回折光検出装置では、前記光検出部は、前記被検体から複数の方向に放射される回折光の光強度を検出することが好ましい。

また、本発明の検査システムは、請求項５記載の回折光検出装置からの前記条件設定情報を、通信回線を介して受け取り、検査条件を設定する外観検査装置を備えた構成とする。

本発明の回折光検出装置および検査システムによれば、位置検知手段によって、光検出部の検出出力から複数の方向に放射される回折光の回折方向を検知することができるので、被検体表面の周期的パターンによる回折光の回折方向の情報を、短時間で容易に取得することができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る回折光検出装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回折光検出装置の概略構成を示す光軸を含む断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る回折光検出装置の位置検知手段の概略構成を示す機能ブロック図である。

本実施形態の回折光検出装置１は、表面に周期的なパターンが形成された基板３（被検体）に略平行光を照射したときの回折光を検出し、各次数の回折光の回折方向を検知して、回折光を利用した外観検査装置の検査の条件設定情報を取得することができるようにしたものである。
基板３としては、例えば、表面に回路パターンなどが形成された半導体ウエハや液晶ガラス基板などの例を挙げることができる。
基板３に形成される周期的なパターンは、一般には、例えば、配線パターンなど平行溝状のパターンが種々の方向に配置されたものや、ホール状のパターンが配列されたものなどが含まれる。そのため、基板３に対して光を照射すると放射状に広がる２次元の回折光パターンが得られる。

回折光検出装置１の概略構成は、図１に示すように、載置台５、投光部１０、ハーフミラー１１、第１レンズ系１２（第１の光学系）、第２レンズ系１３（第２の光学系）、撮像素子１４、および位置検知処理ユニット１５（位置検知手段）からなる。
本実施形態では、第１レンズ系１２、ハーフミラー１１、第２レンズ系１３、撮像素子１４は、基板３の法線上にこの順に配置されている。

載置台５は、基板３を、第１レンズ系１２の光軸に直交する２方向、例えば、図１の紙面水平方向および紙面奥行き方向（ＸＹ方向）に移動するステージ付き保持台である。これにより、投光部１０からの投光される光を基板３上の適宜位置に照射することができるようになっている。

投光部１０は、基板３に対して略平行光である入射光１０３ｂを照射するもので、不図示の移動機構により、第１レンズ系１２の光軸方向（Ｚ方向）に沿って平行移動可能に設けられている。移動機構は、手動または自動で移動可能な適宜の機構を採用することができる。
投光部１０は、光源１００と、光源１００からの光の光束径を規制する絞り１０１と、絞り１０１を透過した光を集光してハーフミラー１１に入射する光束を形成するレンズ１０２とが、不図示の筐体に一体に保持されたものである。
本実施形態では、投光部１０から投光された入射光１０３ａは、ハーフミラー１１で基板３の法線に平行な方向に反射され、第１レンズ系１２の瞳位置４で結像してから、第１レンズ系１２に入射することで、基板３上に入射光１０３ｂを照射できるようになっている。
光源１００は、必要に応じて種々の光源、例えば、ハロゲンランプなどのランプ、レーザ光源、ＬＥＤなどを採用することができる。光源１００の波長は、単色光や複数の波長を含む光を必要に応じて用いることができる。また、必要に応じて、複数の波長光源や波長選択フィルタなどを用いて、波長を切り替えられるようにしておいてもよい。
外観検査装置の検査の条件設定情報を取得する場合、回折光の回折方向は波長により適宜換算できるので、光源１００で発生する光の波長は、外観検査装置の検査に用いる光とは異なる波長であってもよいが、換算の手間を省くためには、外観検査装置の検査に用いる光と同一の波長光とすることが好ましい。

第１レンズ系１２は、基板３に照射された入射光１０３ｂによる回折光または正反射光のうち、開口内に戻る光を瞳位置４に導く光学素子である。図１は模式図のため、単レンズとして描いているが、レンズ群であってもよい（以下、他のレンズも同様）。

第２レンズ系１３は、第１レンズ系１２側から順次配列された、瞳リレーレンズ１３０と結像レンズ１３１とからなる。瞳リレーレンズ１３０は、不図示の進退機構により光路に対して進退可能に保持されている。
そのため、第２レンズ系１３は、瞳リレーレンズ１３０の進出時には、第１レンズ系１２の瞳位置４上に形成された像を撮像素子１４の撮像面上にリレーするリレー光学系を構成している。そして、瞳リレーレンズ１３０の退避時には、第１レンズ系１２と結像レンズ１３１とで構成される光学系によって、基板３の表面と撮像素子１４の撮像面とが共役の関係とされるようになっている。

撮像素子１４は、撮像面上に導かれる光を撮像する２次元撮像素子であり、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ素子などからなる。

位置検知処理ユニット１５は、撮像素子１４で撮像された画像情報から回折光の回折方向を検知するためのものであり、図２に示すように、画像取込部１６、表示制御部１９、画像記憶部１７、画像処理部１８、演算処理部２０、およびデータ記憶部２１の各機能ブロックからなる。位置検知処理ユニット１５の装置構成は、このような機能ブロックに対応するハードウェアを用いて実現してもよいし、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェース、外部記憶部などを備えるコンピュータを用いて適宜のプログラムを実行することにより実現してもよい。

画像取込部１６は、撮像素子１４が撮像した画像情報を取り込んで、２次元画像データとして、画像記憶部１７に保存するとともに、表示制御部１９に送出するものである。
表示制御部１９では、画像取込部１６から送出された画像データをモニタ２２に表示するための信号変換を行う。
画像記憶部１７は、画像取込部１６が取り込んだ画像を、瞳リレーレンズ１３０の進出時の画像であるか、退避時の画像であるかという情報とともに記憶するものである。
画像処理部１８は、画像記憶部１７から瞳リレーレンズ１３０が進出時の画像を読み出し、その輝度情報から、光像の中心位置と光強度情報とを求める画像処理を行うものである。

演算処理部２０は、画像処理部１８により取得された光像の中心位置に演算処理を施して、その光像を形成した回折光の回折方向を算出するものである。そして、その回折方向の情報を、基板３の外観検査を行う特定の外観検査装置の装置構成において、その回折光を撮像して検査を行うための条件設定情報に変換するデータ変換手段を兼ねている。
そのため、データ記憶部２１に予め記憶された第１レンズ系１２、第２レンズ系１３の光学設計条件のデータとそれを用いた換算式情報とにより、光像の瞳位置４における位置座標に換算し、さらにその位置に到達するための基板３からの放射方向に換算することで、回折光の回折方向を算出できるようになっている。例えば、第１レンズ系１２でコリメートして平行光としているとき、角度情報が位置情報に変換される。そして、第１レンズ系１２（対物レンズ）の焦点距離とＮＡが分かれば、瞳径が分かる。そして、第２レンズ系１３（リレーレンズ）の倍率が分かれば、撮像素子１４上の位置と瞳上の位置との対応が付けられる。よって、撮像位置から放射方向を算出することができる。
また、複数の光像の相互の位置情報から、各光像の回折次数を算出することができるようになっている。
そして、これら複数の方向に放射された回折光の回折方向の情報は、データ記憶部２１に予め記憶された外観検査装置の検査対象である回折光の波長、回折次数などの情報、および外観検査装置の照明部および撮像部における照明光の照明方向および回折光の撮像方向の設定情報に基づいて、検査対象の回折光を最適の条件で撮像するための条件設定情報に変換できるようになっている。この条件設定情報は、通信回線を通じて外観検査装置に伝送される。複数台の外観検査装置がある場合は、ホストコンピュータ等を介して各外観検査装置に伝送されるシステムとしてもよい。

次に、本実施形態の回折光検出装置１の動作について説明する。
図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る回折光検出装置で撮像された回折光パターンの一例を示す模式図である。図３（ｂ）は、同じく回折光パターンの他例を示す模式図である。

回折光検出装置１では、瞳リレーレンズ１３０を光路中に進退させることで、回折光検出モードと被検体観察モードとを切り替えることができる。瞳リレーレンズ１３０は、不図示の移動機構により手動または自動で移動されるが、いずれの場合でも、位置検出センサなどを用いて瞳リレーレンズ１３０の進退状態が検出できるようになっている。

まず、回折光検出モードの動作について説明する。
投光部１０の図示Ｚ方向の位置を設定し、第１レンズ系１２に対する照明光の入射像高を設定する。例えば、図１には、投光部１０から投光される収束光である入射光１０３ａが、ハーフミラー１１で反射されて第１レンズ系１２の光軸上を進む設定とされている。
この場合、ハーフミラー１１で反射された入射光１０３ａは、第１レンズ系１２の瞳位置４で結像する。そして、発散しつつ第１レンズ系１２に入射し、略平行光とされて基板３にほぼ垂直に入射する。
基板３上には、周期的なパターンが形成されているため、複数の回折光１０４が第１レンズ系１２側に放射され、第１レンズ系１２の開口内に進む回折光１０４が、第１レンズ系１２に戻る（図示実線矢印参照）。なお、図１では、開口の範囲外の回折光の図示は省略している。
また、０次光である正反射光１０４ａは、図１に示すように、正反射光１０４ａとして光軸上を戻って第１レンズ系１２に入射する。

第１レンズ系１２に入射した正反射光１０４ａおよび各回折光１０４は、第１レンズ系１２によって集光され瞳位置４に各回折光の像を形成する。入射光１０３ｂが単色光の場合、例えば、図３（ａ）に示すような回折光パターンが得られる。すなわち、瞳径の中心に正反射光１０４ａの光像が形成され、瞳の周辺方向に向かって、±１次光、±２次光、±３次光、…のように、回折光１０４による輝点が観測される。
図３（ａ）のような回折光パターンは、基板３上の周期的なパターンが、図１のＸ方向およびＹ方向にそれぞれ伸びるライン状のパターンで形成される長方形格子状である場合に対応している。
このような回折光パターンは、第２レンズ系１３によりリレーされて、撮像素子１４の撮像面上に結像される。
このように、本実施形態の第１レンズ系１２、第２レンズ系１３、および撮像素子１４は、基板３から複数の方向に放射される回折光の位置および光強度を検出する光検出部を構成している。また、基板３の法線方向に一致した第１レンズ系１２の光軸は、光検出部の光検出範囲の中心軸となっている。

そして、この回折光パターンは、画像取込部１６に取り込まれ、表示制御部１９を介してモニタ２２に映し出されて操作者が観察できるようになっている。
また、画像取込部１６により画像情報に変換された回折光パターンは画像記憶部１７に送られ、画像処理部１８によって、各輝点の画素位置の座標が算出される。０次光の位置は、図３（ａ）の場合、瞳の中心位置と特定されるので、各輝点の位置関係から回折次数を特定することができる。
撮像素子１４の撮像面上の距離と、瞳位置４における距離とは、第２レンズ系１３の光学特性値から対応関係があり、その対応関係による換算式などの情報が、データ記憶部２１に予め記憶されている。また、データ記憶部２１には、第１レンズ系１２のレンズデータ等の光学特性値が記憶されており、回折光パターンの位置関係から、幾何光学的に、各回折光１０４の回折方向が角度情報として算出できる。
これらの演算は、演算処理部２０により実行される。

上記の説明では、簡単のため、長方形格子状の周期的なパターンの例で説明したが、上記の演算は、より複雑な周期的なパターンを有する場合でも全く同様に行うことができる。すなわち、回折光検出装置１では、予め、基板３の周期的なパターンの情報が得られない場合でも、複数の方向に放射される回折光１０４の回折次数と回折方向との情報を一括して取得することができる。
例えば、図３（ｂ）に示す回折パターンは、基板３上の周期的なパターンの方向性が異なる場合である。例えば、長方形格子状のパターンの向きが回転している場合でもよいが、特にホール状のパターンの配列などで発生しやすいパターンである。

図３において、実線矢印方向は、外観検査装置の固定した照明方向であると仮定して、以下説明する。
図３（ａ）の回折光パターンで回折光１０４ｂを検知したい場合、回折光１０４ｂは正反射光１０４ａを通る実線矢印で示した線上に存在しているので、この実線上で撮像すればよい。これは、図５において、回折光Ｂ_ｄが入射面Ｐ内に存在する、つまりθ_ｄａ＝０の条件で回折光Ｂ_ｄが出射することを示している。したがって、このような場合は、外観検査装置の撮像方向は、照明方向と正対する位置となり（撮像方位角θ_ｄａ＝０）、照明光の入射仰角と撮像仰角は、図３（ａ）の正反射光１０４ａと回折光１０４ｂの輝点間距離に対応した角度に設定されればよい。
一方、図３（ｂ）の回折光パターンで回折光１０４ｂを検知したい場合、回折光１０４ｂは正反射光１０４ａを通る実線矢印で示した線上には存在せず、これから角度θ_ｄａ回転した破線上に存在する。これは、図５において、回折光Ｂ_ｄが入射面Ｐ内には存在せず、θ_ｄａ≠０の条件で回折光１０４ｂが出射していることを示す。このような場合には、外観検査装置の撮像方向を照明方向と正対する位置から方位角θ_ｄａだけ回転させた位置に設置した上で、入射仰角と撮像仰角を図３（ｂ）の正反射光１０４ａと回折光１０４ｂの輝点間距離に対応した角度に設定されなければならない。
上記の例では、照明光の入射方向が固定で撮像方向が可変である場合について説明したが、逆に撮像方向が固定であれば、照明光の入射方向を変化させてもよい。または、基板を方位角θ_ｄａだけ回転させてもよい。
このように、図３の回折光パターンから、照明光の入射方位角、撮像方位角、基板の回転角が最適となる条件を検出することが可能となる。さらには上述のように、照明系の入射仰角、撮像仰角が最適となる条件を検出することも可能となる。

回折光検出装置１では、データ記憶部２１に予め基板３を検査する外観検査装置の照明部および撮像部における照明光の照明方向および回折光の撮像方向の設定情報、例えば、初期設定時の基板３に対する位置関係と、そこから位置を変える際の制御情報が記憶されている。そして、演算処理部２０では、上記のように算出された、各回折次数における回折方向情報に基づいて、外観検査装置の基板３に対する基準となる設定条件の位置関係で、検査対象の回折光が撮像できるかどうか判定する。そして、撮像できないと判定された場合、撮像できるようにするための照明部あるいは撮像部の位置の条件設定情報、例えば、照明部の入射方位角、入射仰角、撮像部の撮像方位角、撮像仰角を算出する。あるいは、基板の回転角等を算出し、それらを実現するための移動機構の制御情報を算出する。
そして、この条件設定情報を出力する。例えば、表示制御部１９を介してモニタ２２に数値情報として表示する。あるいは、リムーバルメディアにファイルとして書き込んだり、通信回線を通して外観検査装置に直接送出したりする。
これにより、外観検査装置における検査の条件設定を、回折光検出装置１で予め行うことができる。したがって、このような条件設定を行うために外観検査装置を占有して予備測定を行うというような手間を省くことができる。そのため、外観検査の検査効率を向上することができる。

以上は、入射光１０３ａを第１レンズ系１２の光軸上に入射する場合を例にとって説明したが、投光部１０を基板３の法線方向（図１のＺ方向）に移動することにより、入射光１０３ａを光軸から平行移動して入射させることも可能である。
この場合、第１レンズ系１２を透過した入射光１０３ｂは、光軸方向に屈折されるので、基板３上に斜め方向から入射し、基板３から正反射光と回折光と放射される。
正反射光は、入射角と同じ大きさの出射角で反射されて第１レンズ系１２に戻り、ハーフミラー１１、第２レンズ系１３を透過して、撮像素子１４上に結像される。
一方、回折光１０４は、第１レンズ系１２の開口の範囲に向かうもののみが、撮像素子１４上に結像される。このため、入射光１０３ａを光軸上に入射する場合には撮像されない高次の回折像を瞳位置４に形成することができる。このため、基板３の周期的パターンのピッチが微細であって、回折角が大きい回折光が発生する場合などに対応した測定を行うことができる。
なお、正反射光１０４ａの光像は、出射角の大きさに応じて、撮像素子１４の撮像中心から離れた位置に形成されるが、投光部１０の位置に連動した入射光１０３ａの入射角の情報は、予め、データ記憶部２１に送出しておき、演算処理部２０によって、各回折光の次数を特定できるようにしておく。

次に、被検体観察モードについて説明する。被検体観察モードでは、瞳リレーレンズ１３０が光路から退避される。したがって、第１レンズ系１２と結像レンズ１３１とで構成される結像光学系により、基板３と撮像素子１４の撮像面とが共役の位置関係とされるので、撮像素子１４により基板３の表面の画像を撮像することができる。
撮像素子１４で撮像された画像は、位置検知処理ユニット１５によって、モニタ２２に表示したり、画像データを画像記憶部１７に保存したりすることができる。したがって、検査者は、複数の異なるパターンが基板３上に形成されている場合、表面を観察しながら目的とするパターンが観察できる位置に基板を移動させ、回折光検出モードに切り替えて最適条件の算出を行うことができる。また逆に、回折光を検出している基板３上の位置や周期的パターンを確認することができる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る回折光検出装置について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る回折光検出装置の概略構成を示す光軸を含む断面図である。

本実施形態の回折光検出装置３０は、上記第１の実施形態において、ハーフミラー１１を削除し、投光部１０に代えて、投光部３１を設けたものである。
投光部３１は、第１レンズ系１２を介さずに、基板３に対して入射角φの方向から平行光である入射光１０５ａを入射する光源ユニットである。本実施形態では、入射角φを変化させることができるように、不図示の回動機構により保持されている。
投光部３１の光源は、投光部１０と同様に種々の光源、波長光を用いることができる。例えば、ハロゲンランプなどのランプ、レーザ光源、ＬＥＤなどを採用することができる。

回折光検出装置３０によれば、投光部３１によって基板３に向けて入射角φで入射光１０５ａを照射し、基板３から複数の方向に放射される回折光１０４のうち、第１レンズ系１２の開口の範囲の回折光１０４の回折像を瞳位置４に形成することができる。
そのため、入射角φを変化させることで、上記第１の実施形態の回折光検出装置１が撮像できる回折像よりも高次数の回折像を撮像することができる。したがって、基板３の周期的パターンのピッチがより微細であって、より回折角が大きい回折光が発生する場合などに対応した測定を行うことができる。
なお、本実施形態の場合、入射光１０５ａを、第１レンズ系１２を介さずに入射するので、０次光である正反射光１０４ｂも第１レンズ系１２に戻らない。したがって、相対的に高強度の正反射光１０４ｂが撮像される場合に比べて、相対的に微弱な強度を有する回折光１０４の光強度を高いＳ／Ｎ比で取得することができるので、より高精度の回折光の検出を行うことができる。
なお、投光部３１の入射角φの情報は、位置検知処理ユニット１５のデータ記憶部２１に送出するようにし、演算処理部２０によって、各回折光の次数を特定できるようにしておく。

なお、上記の説明では、光検出部にレンズ光学系を用いた例で説明したが、上記と同様のリレー光学系、結像光学系を構成できれば、光学系を構成する光学素子は、レンズ素子とは限らず、フレネルレンズ素子、反射ミラー、ＤＯＥ（回折光学素子）、ＨＯＥ（ホログラム素子）などの光学素子、あるいはこれらの組み合わせたものであってもよい。

また、上記の説明では、光検出部として、レンズ光学系を介して、回折像を撮像する場合の例で説明したが、回折光を用いた例で説明したが、被検体から複数の方向に放射される回折光の位置および光強度を検出することができれば、他の手段を用いてもよい。
例えば、回折光が放射される複数の方向の範囲に、複数の受光センサなどを配置した構成を採用してもよい。この場合、回折光が略垂直入射するように、これらの受光センサをドーム状に配置しておけば、回折光の光強度、位置の検出がより容易となって好ましい。

また、上記の第１の実施形態では、撮像素子１４により正反射光１０４ａを受光する場合の例で説明したが、光路中の適宜の位置、例えば、瞳位置４、結像レンズ１３１、撮像素子１４などの位置に、正反射光１０４ａを遮光するマスク部材を配置してもよい。
このように構成すれば、光強度の高い正反射光１０４ａを遮光するため、相対的に微弱な強度を有する回折光１０４の光強度を高いＳ／Ｎ比で取得することができるので、より高精度の回折光の検出を行うことができる。

また、上記の説明では、載置台５によって、基板３の位置を一定位置に移動して、その位置での回折光を検出する場合の例で説明したが、基板３を移動させつつ、回折像を撮像し、その画像から、回折光を検出するようにしてもよい。この場合、基板３の移動範囲内での平均的な回折光の位置、光強度の情報が得られるので、周期的なパターンの平均的な回折光の情報により、外観検査を行う場合に好適な情報が得られる。
また、基板３の種類や外観検査の必要に応じて、基板３上での照射位置を変えなくてもよい場合には、載置台５として、移動ステージを省略したものを採用してもよい。

また、上記の説明では、基板３の照明ユニットとして、回折光を検出するための投光部を備える例で説明したが、必要に応じて、基板３を照明する他の照明ユニットを設けてもよい。例えば、被検体観察モードにおいて、基板３を観察するために広範囲に照明する他の照明ユニットなどを設けてもよい。

また、上記の説明では、瞳リレーレンズを進退可能とした例で説明したが、被検体観察モードを備える必要がなければ、進退機構を省略し、上記第１の実施形態における進出位置に配置位置を固定した構成としてもよい。

また、上記の説明では、位置検知手段が、少なくとも被検体に照明光を照射する照明部と、被検体からの回折光を撮像する撮像部とを有する外観検査装置の構成において、被検体からの回折光を撮像するための条件設定情報に変換するデータ変換手段を備える場合の例で説明したが、被検体からの回折光の回折方向の情報のみを検出する場合には、データ変換手段を省略してもよい。

また、上記の説明では、第１の光学系および第２の光学系の光軸が被検体の法線と平行に配置された場合の例で説明したが、被写界深度に問題がなければ、被検体の法線が光軸と傾斜するように傾けて配置してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る回折光検出装置の概略構成を示す光軸を含む断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る回折光検出装置の位置検知手段の概略構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る回折光検出装置で撮像された回折光パターンの一例および他例を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る回折光検出装置の概略構成を示す光軸を含む断面図である。 パターン方向に対する入射光の入射方向と出射方向との関係を説明する斜視説明図である。

符号の説明

１、 ３０ 回折光検出装置
３ 基板（被検体）
４ 瞳位置
５ 載置台
１０、３１ 投光部
１１ ハーフミラー
１２ 第１レンズ系（第１の光学系）
１３ 第２レンズ系（第２の光学系）
１４ 撮像素子
１５ 位置検知処理ユニット（位置検知手段）
２０ 演算処理部
２１ データ記憶部
１００ 光源
１０３ａ、１０３ｂ、１０５ａ 入射光

Claims (8)

1. 周期的なパターンが形成された被検体に対して略平行光を照射する投光部と、
   該投光部から照射される略平行光が照射された前記被検体から複数の方向に放射される回折光の位置を検出する光検出部と、
   該光検出部の検出出力から前記回折光の回折方向を検知する位置検知手段とを備える回折光検出装置。
2. 前記光検出部が、
   前記複数の方向に放射される回折光を集光する第１の光学系と、
   該第１の光学系の瞳の像を形成する第２の光学系と、
   該第２の光学系により形成された前記瞳の像を撮像する撮像素子とを備え、
   前記位置検知手段が、
   前記撮像素子で撮像された画像情報から、前記回折光の回折方向を検知するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の回折光検出装置。
3. 前記第２の光学系が、
   前記撮像素子側に配置された結像レンズと、
   前記第１の光学系と前記結像レンズの間の光路に対して進退可能に設けられた瞳リレーレンズとからなり、
   該瞳リレーレンズの進出時には、前記第１の光学系の瞳の像を前記撮像素子上にリレーするリレー光学系を形成し、
   前記瞳リレーレンズの退避時には、前記第１の光学系と前記結像レンズとにより前記被検体の像を前記撮像素子上に結像できるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の回折光検出装置。
4. 前記投光部から照射され前記被検体に入射する略平行光の光軸と、前記光検出部の光検出範囲の中心軸とが、交差する位置関係に配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回折光検出装置。
5. 前記位置検知手段によって検知された前記回折光の回折方向の情報を、少なくとも被検体に照明光を照射する照明部と被検体からの回折光を撮像する撮像部とを有する外観検査装置を用いた検査において前記被検体からの回折光を撮像するための検査条件の条件設定情報に変換するデータ変換手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回折光検出装置。
6. 前記条件設定情報が、前記外観検査装置での検査における前記照明光の照射方向および前記回折光の撮像方向および被検体の被検体表面内での回転方向の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の回折光検出装置。
7. 前記光検出部は、前記被検体から複数の方向に放射される回折光の光強度を検出することを特徴とする請求項１に記載の回折光検出装置。
8. 請求項５記載の回折光検出装置からの前記条件設定情報を、通信回線を介して受け取り、検査条件を設定する外観検査装置を備えたことを特徴とする検査システム。

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