JP6031731B2 - 検査装置及びオートフォーカス方法 - Google Patents

Description

本発明は、改良されたオートフォーカス機構が搭載された検査装置及びオートフォーカス方法に関するものである。

照明光源から出射した照明ビームをフォトマスクに向けて投射し、フォトマスクから出射した反射光や透過光を検出して欠陥検査を行う検査装置が広く実用化されている。この種の検査装置においては、欠陥検出の精度を高める上で、フォトマスクから出射した反射光や透過光を集光する対物レンズの焦点制御が重要である。例えば、対物レンズの焦点が良好に制御されない場合不鮮明な試料像が撮像され、欠陥検出の精度が低下する不具合が発生する。そのため、検査装置にはオートフォーカス装置が搭載され、対物レンズの焦点が高精度に制御されるように構成されている。

フォトマスクの検査装置に用いられるオートフォーカス装置として、欠陥検出用の照明光源とは別にオートフォーカス用の光源を用い、焦点制御用の光源から出射した光ビームをフォトマスクに向けて投射し、フォトマスクからの反射光を受光して焦点検出を行う装置が既知である（例えば、特許文献１参照）。この既知のオートフォーカス装置では、検査用の照明光源と対物レンズとの間の光路中にビームスプリッタが配置され、焦点制御用の光源から出射した焦点検出ビームはビームスプリッタを介して対物レンズの光路中に導入している。そして、対物レンズを介してフォトマスクに向けて投射され、フォトマスク上の検査ビームの照明位置と同一の位置に入射させ、フォトマスクからの反射光を２分割された光検出器により受光し、２分割光検出器からの出力信号を用いて焦点検出が行われている。

検査装置に用いられている別のオートフォーカス方法として、照明光源から出射した照明ビームを対物レンズを介して試料に投射し、試料表面からの反射光をビームスプリッタを介して２分割し、分割された一方の反射光により欠陥検出を行い、他方の反射光により焦点検出を行う方法も既知である（例えば、特許文献２参照）。

さらに、共焦点顕微鏡のオートフォーカス方法として、照明光源から出射した照明ビームを対物レンズを介して試料に向けて投射し、試料からの反射光をハーフミラーで２分割し、分割された一方の反射光を用いて画像信号を形成し、分割された他方の反射光を用いて焦点検出信号を形成する方法も既知である（例えば、特許文献３参照）。この既知のオートフォーカス方法では、オートフォーカス用に分岐された反射ビームは、さらに別のハーフミラーにより２分割され、前ピン位置及び後ピン位置にそれぞれ配置した２つの光検出器により受光し、２つの光検出器からの出力信号を用いて焦点誤差信号が形成されている。
特開２０１２−２３７６８７号公報 特開２０１２−８４３１号公報 特開２０００−１６２５０６号公報

検査用の照明光源とは別に焦点検出用の光源を用い、焦点検出ビームをビームスプリッタを介して対物レンズの光路に結合するオートフォーカス機構では、オートフォーカス用の種々の光学素子が必要であり、製造コストが高価になる欠点があった。また、ビームスプリッタに起因して非点収差やゴーストが発生し易いため、焦点制御の精度が低下する問題点も指摘されている。

試料から出射した反射光を２分割し、分割された一方の反射光により欠陥検出を行い、他方の反射光を用いて焦点検出を行う方法は、オートフォーカス機構を構成する光学部品を検査光学系の部品と共用できる利点がある。しかしながら、オートフォーカス機構を用いて焦点制御する検査装置においては、焦点検出が行われてからアクチュエータに焦点制御信号が出力されるまでに相当な処理時間が必要である。この場合において、特許文献２及び３に記載されているように、試料で反射した反射光を２分割して欠陥検出と焦点検出とを行う構成では、試料上において、欠陥検出が行われる部位と焦点検出が行われる部位とが一致せず、正確な焦点制御が行われない事態が生じてしまう。すなわち、焦点検出用の光検出器から出力される出力信号について種々の信号処理が行われた後対物レンズを制御する焦点制御信号が発生するため、信号処理時間中ステージが移動し、実際の焦点検出が行われ部位と焦点制御が行われる部位とが一致せず、焦点誤差が発生する問題があった。特に、試料の表面が傾斜面の場合やフォトマスクのように試料表面にパターン薄膜による段差が存在する場合、焦点制御信号が試料表面の高さ変化に対応できず、焦点制御の精度が低下する問題があった。

本発明の目的は、上述した欠点を解消し、欠陥検出用の検査ビームと焦点検出用の焦点検出ビームとが同一の光軸上にそって進行し、ビームスプリッタが不要なフォーカス制御機構を具える検査装置を実現することにある。
また、本発明の別の目的は、焦点検出位置と焦点制御位置とが高精度に対応した検査装置を実現することにある。

参考として記載する本発明による検査装置は、ステージ上に配置した試料に存在する欠陥を検出する検査装置であって、
照明ビームを発生する光源装置と、
光源装置から出射した照明ビームから、欠陥検出に用いられる検査ビームと、検査ビームから空間的に分離され、焦点検出に用いられる１本又はそれ以上の焦点検出ビームとを形成するビーム形成手段と、
前記検査ビーム及び焦点検出ビームを試料に向けて投射する対物レンズと、
試料から出射した検査ビームを受光して画像信号を出力する撮像手段と、
試料から出射した焦点検出ビームを受光する焦点検出系と、
前記焦点検出系から出力される出力信号を用いて、試料と対物レンズとの間の相対距離を制御するフォーカス制御信号を出力する信号処理装置とを有し、
前記検査ビームと焦点検出ビームは、試料上において、空間的に離間した異なる部位をそれぞれ照明することを特徴とする。

本発明では、単一の光源から出射した光ビームから、回折格子や複数の開口を有するスリット手段等のビーム形成手段により、同一の光軸上を互いに空間的に分離した状態で進行する複数の照明ビームを形成し、１本の照明ビームを欠陥検出用の検査ビームとして用い、他方の１本又は複数本の照明ビームを焦点検出用に用いる。検査ビームと焦点検出ビームとは、試料上において、空間的に分離された位置をそれぞれ照明する。試料から出射した検査ビーム及び焦点検出ビームは、同一の光軸上を空間的に離間した状態で進行する。従って、ビームスプリッタ等の格別な分離手段を用いることなく、試料から出射した検査ビームと焦点検出ビームとを個別に検出することが可能になる。この結果、欠陥検出の光学系を構成する素子と焦点検出用の光学系を構成する素子とを共用することができ、製造コストが安価になる利点が達成される。

さらに重要な利点として、検査ビームと焦点検出ビームは試料上において互いに異なる部位を照明することができるので、試料上における焦点検出位置と焦点制御位置とを一致させることが可能になる。すなわち、オートフォーカス装置では、焦点検出用の光検出器から出力される出力信号について種々の信号処理が行われた後対物レンズを制御する焦点制御信号が発生する。従って、信号処理に起因する時間遅れが問題となる。すなわち、焦点検出が行われた後信号処理により相当な時間が経過した後焦点制御信号が出力される。一方、その信号処理時間中試料を支持するステージは移動するため、実際の焦点検出が行われ部位と焦点制御が行われる部位とが一致せず、焦点誤差が発生する問題がある。例えば、試料の表面が傾斜している場合、信号処理に起因する時間遅れにより、焦点制御信号が試料表面の高さ変化に対応せず、不鮮明な画像が撮像され、欠陥検出の精度が低下する問題がある。また、フォトマスクのように試料表面に各種薄膜による段差が存在する場合、焦点検出ビームが薄膜上を照明した際に形成された焦点制御信号を用いてガラス基板の表面を走査する時点の焦点制御信号として用いられる場合があり、同様に、焦点制御信号が試料表面の高さ変化に対応せず、焦点制御の精度が低下する問題があった。一方、検査ビームの照明位置と焦点検出ビームの照明位置とが離間する場合、離間方向とステージの進行方向とを対応させると共に離間量を焦点制御信号を生成するための信号処理時間に対応させれば、焦点検出位置と焦点制御位置とを一致させることができ、信号処理に起因する時間遅れの問題を解決することができる。

本発明による検査装置は、ステージ上に配置された試料に存在する欠陥を検出する検査装置であって、
検査されるべき試料を支持すると共に、第１の走査方向、第１の走査方向と反対向きの第２の走査方向並びに第１及び第２の走査方向と直交する第３の方向に沿ってジッグザッグ状に進行するステージと、
光ビームを発生する光源装置と、
光源装置から出射した光ビームから、欠陥検出に用いられ、試料上において第１及び第２の走査方向と直交する方向に延在するライン状の第１の照明エリアを形成する検査ビームと、焦点検出に用いられ、試料上において第１の照明エリアから第１の走査方向及び第２の走査方向にそれぞれ空間的に離間すると共に第１の照明エリアに対して第１の走査方向及び第２の走査方向に沿ってそれぞれ整列した第２及び第３の照明エリアをそれぞれ形成する第１及び第２の焦点検出ビームとを形成するビーム形成手段と、
前記検査ビーム及び第１及び第２の焦点検出ビームを、ステージ上に配置した試料に向けて投射する対物レンズと、
前記第１の照明エリアから出射した検査用の反射ビームを受光して画像信号を出力する撮像手段と、
前記第２及び第３の照明エリアからそれぞれ出射した焦点検出用の反射ビームをそれぞれ受光する第１及び第２の焦点検出系と、
試料と対物レンズとの間の相対距離を制御する制御手段と、
前記第１及び第２の焦点検出系から出力される出力信号を用いて、試料と対物レンズとの間の相対距離を制御するフォーカス制御信号を出力する信号処理装置とを有し、
ステージが第１の方向に進行する場合、第１の焦点検出系の出力信号から形成したフォーカス制御信号を用いて焦点制御が行われ、第１の方向と反対向きの第２の方向に進行する場合第２の焦点検出系の出力信号から形成したフォーカス制御信号を用いて焦点制御が行われることを特徴とする。

本発明では、照明光源から出射した光ビームから、欠陥検出に用いられる検査ビームと焦点検出に用いられる焦点検出ビームとを互いに空間的に分離するように形成し、試料上において互いに空間的に離間した部位を照明しているので、大部分のオートフォーカス用の光学素子は欠陥検出用の光学系を構成する光学素子と共用することができる。
さらに、試料上において、焦点検出ビームは検査ビームから空間的に離間した部位を照明するので、試料において、焦点検出が行われた位置と欠陥検出が行われる位置とを高精度に対応させることが可能になり、試料表面の高さ変化による影響を受けず、一層高精度な焦点制御を行うことが可能になる。すなわち、焦点検出から焦点制御信号が出力されるまでの時間遅れに起因する問題が解消されたオートフォーカス機構が実現される。

本発明による検査装置の一例を示す図である。 ステージの進行状態を示す図である。 試料上に形成される検査ビーム及び焦点検出ビームの照明エリアを示す図である。 信号処理装置の一例を示す図である。 本発明による検査装置の変形例を示す図である。 試料上に形成される検査ビーム及び焦点検出ビームの照明エリアを示す図である。 焦点検出ビームを検査ビームに対して斜めに設定した場合の効果を説明する図である。 ウエハ端縁の検査に適用した実施例を示す図である。

発明の実施するための形態

図１は本発明による検査装置の一例を示す線図である。本発明は、欠陥検査すべき試料として、フォトマスクや各種半導体基板を用いることができる。半導体基板としてシリコン基板、炭化珪素基板、エピタキシャル層が形成されている炭化珪素基板等の各種基板を用いることができる。また、照明光源として、ランプ光源及び可視域又は紫外域の照明光を発生するレーザ光源を用いることができる。さらに、本発明は、試料表面に斜めに照明光を投射し、試料から出射した反射光又は散乱光を対物レンズにより集光する検査装置における焦点制御機構にも適用することも可能である。さらに、本発明は、検査装置としてだけでなく、試料像を撮像する顕微鏡にも適用することができる。

本例では、検査すべき試料として半導体基板を用い、照明光源としてレーザ光源を用い、レーザ光源から出射したレーザビームから欠陥検査用の検査ビーム及び焦点制御用の焦点検出ビームを生成し、オートフォーカス機構を動作させながら欠陥検査を行う。照明光源１として、レーザダイォードを用いる。レーザダイォードから出射したレーザビームはコリメータレンズ２を介して音響光学素子３に入射する。音響光学素子３は、入射したレーザビームを第１の方向（紙面と直交するＸ方向）に周期的に高速偏向する。偏向周波数は、例えば６０ｋＨｚとすることができる。音響光学素子３から出射した光ビームは、リレーレンズ４、全反射ミラー５、リレーレンズ６及び全反射ミラー７を経て回折格子８に入射する。リレーレンズ４及び６は、回折格子８に入射する照明ビームのビーム径を拡大するリレー光学系として機能する。従って、回折格子８には、ビーム径が拡大され、第１の方向に周期的に高速振動する光ビームが入射する。

回折格子８は、その格子線が音響光学素子から出射する光ビームの偏向面（振動面）と平行となるように設定され、音響光学素子から出射する光ビームの偏向面と直交する方向に回折作用を発揮する。従って、回折格子８から、０次回折光、及び入射する照明ビームの偏向面をはさんで両側にそれぞれ高次回折光が発生する。これら０次光及び高次回折光は、互いに空間的に分離された状態で同一の光軸上を伝搬する。また、回折格子には、周期的に高速偏向する照明ビームが入射するので、回折格子から周期的に高速偏向した０次光及び高次回折光が出射する。尚、０次光、及び高次回折光の相互離間距離及びビーム強度は、回折格子の格子ピッチを適切に設計することにより、所望の回折光を出射させることができる。

回折格子８は、入射した光ビームから複数の照明ビームを形成するビーム形成素子ないしビーム分割素子として機能し、入射した光ビームから、検査ビーム及び２本の焦点検出ビームを発生する。検査ビームは試料に存在する欠陥を検出するために用い、２本の焦点検出ビームはオートフォーカス用の焦点検出に用いられる。検査ビーム及び２本の焦点検出ビームは、第１の方向と直交する方向（紙面と平行なＹ方向）において空間的に離間し、中央に検査ビームが位置し、その両側に焦点検出ビームがそれぞれ位置する。すなわち、本例では、０次光を検査ビームとして利用し、＋側及び−側の高次回折光を焦点検出ビームとして利用する。従って、回折格子８から、音響光学素子の偏向方向と直交する方向に空間的に互いに分離され、音響光学素子の偏向方向にそって周期的に高速振動する３本のビームが出射する。本例では、０次光及び＋側及び−側にそれぞれ１本の高次回折光を発生させたが、勿論、０次光と共に複数本の高次回折光を発生させ、複数の高次回折光を焦点検出ビームとして利用することも可能である。

高速振動する検査ビーム及び２本の焦点検出ビームは、同一の光軸上を互いに空間的に離間した状態で進行する。これら３本のビームは、偏光ビームスプリッタ１０で反射し、レンズ１１を経て全反射ミラー１２に入射する。これら３本のビームは、全反射ミラー１２で反射し、第１及び第２のリレーレンズ１３及び１４並びに１／４波長板１５を経て対物レンズ１６に入射する。

検査ビーム及び２本の焦点検出ビームは、対物レンズ１６により集束されて半導体基板１７に入射する。対物レンズ１６にはアクチュエータ１８を連結する。アクチュエータ１８は信号処理装置から出力されるフォーカス制御信号から生成した駆動信号により駆動され、検出された焦点誤差に応じて対物レンズ１６をその光軸方向に沿って移動させる。対物レンズの光軸方向の相対移動により試料と対物レンズとの間の相対距離が制御され、焦点制御が行われる。尚、フォトマスクを支持するステージを対物レンズの光軸方向に移動させることにより焦点制御を行うことも可能である。

半導体基板１７は、ステージ１９上に配置する。ステージ１９は、ＸＹステージにより構成され、信号処理装置から供給される駆動信号によりジッグザッグ状に進行する。図２はステージの進行状態を線図的に示す。ステージ１９は走査線に沿ってジッグザッグ状に進行し、検査ビームにより半導体基板１７の全面が走査される。図２において、ステージの走査線を１点鎖線で示す。ステージは、検査の開始後、１番目の走査線にそって第１の走査方向に進行し、続いて、第１の方向と直交する第３の走査方向に検査ビームのビーム幅に対応する距離だけ移動する。続いて、第２の走査線に沿って第１の走査方向と反対向きの第２の走査方向に進行する。続いて、第３の方向に検査ビームのビーム幅に相当する距離だけ移動し、続いて第３の走査線に沿って第１の走査方向に進行する。このようにして、半導体基板１７の全面が検査ビームにより走査される。尚、ステージ１９には、位置センサ２０を接続し、ステージの第１及び第２の方向の位置を検出し、位置情報として信号処理装置に出力する。尚、第３の方向の位置を示す走査線情報は、信号処理装置において生成される。従って、信号処理装置は、位置センサ２０から出力される位置情報と走査線情報を用いて検出された欠陥のアドレスを特定することができる。

図３は検査ビーム及び焦点検出ビームにより半導体基板１７上に形成される照明エリアを線図的に示す。図３において、対物レンズの視野を符号２１で示す。半導体基板上には、検査ビームにより第１の照明エリア２２が形成され、第１の照明エリア１７のステージの進行方向にそって相前後して第１及び第２の焦点検出ビームによる第２及び第３の照明エリア２３ａ及び２３ｂが形成される。検査ビーム及び２本焦点検出ビームは、第１の方向に周期的に高速偏向するから、これら３本のビームによりほぼライン状の照明エリアが形成される。本発明では、試料上において、検査ビームの照明位置と焦点検出ビームの照明位置とは空間的に離間する。すなわち、焦点検出ビームは、検査ビームの照明位置とは異なる位置を照明する。検査ビームにより形成されるライン状の第１の照明エリアの延在方向は、ステージの第１及び第２の走査方向と直交するように設定する。また、第１の照明エリア２２と第２及び第３の照明エリア２３ａ及び２３ｂとの間の離間距離は、焦点検出ビームが検出されてからフォーカス制御信号が形成されるまでの信号処理中にステージが移動する距離に対応させる。

前述したように、焦点検出ビームが受光素子により受光され、信号処理されてフォーカス制御信号が形成されるまでに相当な処理時間が必要である。よって、検査ビームと焦点検出ビームとが試料上の同一の部位を照明した場合、フォーカス制御信号を形成するための処理時間に対応する距離だけステージが移動するため、焦点制御が遅延する不具合が発生する。すなわち、実際に焦点検出が行われた位置と検査ビームが照明する位置との間に相当なずれが生じてしまう。このような不具合を解消するため、本発明では、検査ビームによる照明位置と焦点検出ビームの照明位置とを、信号処理中にステージが移動する距離だけ離間させる。このように、検査ビームの照明位置と焦点検出ビームの照明位置とを離間させることにより、試料上における焦点検出された位置（焦点検出位置）と検査ビームの照明位置（検査位置）とを一致させることが可能になる。

さらに、本例では、ステージが第１の走査方向及び反対向きの第２の走査方向にジッグザッグ状に進行することを鑑み、検査ビームをはさんでステージの移動方向に相前後して第２及び第３の照明エリア２３ａ及び２３ｂを形成する。すなわち、図３を参照するに、ステージが第１の走査方向に移動する場合、試料は、第１の焦点検出ビームにより走査された後、所定の時間経過後に検査ビームにより走査される。従って、第１の焦点検出ビームに基づいて形成したフォーカス制御信号を用いて焦点制御することにより、焦点検出位置と検査ビームの照明位置とを一致させることができる。また、ステージが第１の走査方向と反対向きの第２の走査方向に移動する場合、第２の焦点検出ビームから形成したフォーカス制御信号を用いて焦点制御を行うことができる。このように、検査ビームをはさんでステージの移動方向にそって相前後するように２つの焦点検出ビームにより走査することにより、ジッグザッグ状に進行するステージ走査に対応した焦点制御が可能になる。この場合、ステージ進行の走査ストライプの番号を利用して焦点検出信号を選択することができ、例えば、奇数番目の走査ストライプを走査する場合、第１の焦点検出ビームにより検出された焦点検出信号を用いてフォーカス制御信号を発生させ、偶数番目の走査ストライプ（走査線）上を走査する場合第２の焦点検出ビームにより検出された焦点検出信号を用いてフォーカス制御信号を発生させることができる。

図１を参照するに、フォトマスクに入射した検査ビーム及び２本の焦点検出ビームは、フォトマスクの表面で反射し、対物レンズ１６により集光される。これら３本の反射ビームは、同一の光路上を空間的に分離された状態で伝搬する。対物レンズから出射した３本の反射ビームは、光路を反対方向に伝搬し、１／４波長板１５、第２及び第１のリレーレンズ１４及び１３を経て全反射ミラー１２に入射する。さらに、全反射ミラー１２で反射し、結像レンズとして作用するレンズ１１を介して偏光ビームスプリッタ１０に入射する。検査ビーム及び焦点検出ビームは１／４波長板１５を２回通過しているため、偏光ビームスプリッタ１０を透過する。

偏光ビームスプリッタ１０から出射した検査ビームは、撮像素子２４上に結像される。撮像素子として、ラインセンサ又はTDIセンサを用いることができ、本例では、ラインセンサを用いる。ラインセンサは、ステージの移動速度に対応した読み出し速度で電荷を読み出し、画像信号として信号処理装置２５に出力する。偏光ビームスプリッタから出射した第１及び第２の焦点検出ビームは、全反射ミラー２６及び２７でそれぞれ反射し、第１及び第２の焦点検出系２８及び２９にそれぞれ入射する。本発明では、検査ビームと２本の焦点検出ビームは互いに空間的に分離されているため、試料から出射した検査ビームと焦点検出ビームとを分離する光学手段が不要となる利点が達成される。従って、光路中に全反射ミラーを配置するだけで、 試料から出射した検査ビームと焦点検出ビームとを個別に光検出器に入射させることができる。

第１及び第２の焦点検出系２８及び２９は、同一構造の焦点検出系とし、前ピン状態及び後ピン状態の焦点検出ビームを受光するようにそれぞれ配置した２つの光検出器の出力信号の差分を形成することにより焦点誤差信号を形成する。第１の焦点検出系２８に入射した焦点検出ビームは、ビームスプリッタ３０により２分割される。分割された一方のビームはスリットを介して第１の光検出器３１に入射し、他方のビームはスリットを介して第２の光検出器３２に入射する。第１の光検出器は焦点検出ビームの集束点の後側に配置され、第２の光検出器は集束点の前側に配置する。これら第１及び第２の光検出器は、例えばフォトマルチプライヤで構成することができる。第１及び第２の光検出器から出力される輝度信号は、増幅器を介して信号処理装置２５に出力する。

第２の焦点検出系２９に入射した第２の焦点検出ビームは、ビームスプリッタ３３に入射し、２分割される。分割された一方のビームはスリットを介して集束点の後側に配置した第３の光検出器３４に入射、他方のビームはスリットを介して集束点の前側に配置した第４の光検出器３５に入射する。これら第３及び第４の光検出器から出力される輝度信号は、増幅器を介して信号処理装置２５に出力する。

図４は信号処理装置の一例を示す線図である。撮像素子２４から出力される画像信号は、Ａ／Ｄ変換器４０に供給されてデジタル信号に変換され、欠陥検出手段４１に供給される。欠陥検出手段４１は、例えばダイ対ダイ比較により欠陥を検出する。すなわち、入力した画像信号の輝度値を基準となる輝度値と比較し、欠陥を検出する。例えば、検査される半導体基板上に異物が存在する場合、異物により散乱光が発生し、撮像素子に入力する画像信号の輝度値が基準の輝度値から低下する。従って、入力した画像信号の輝度値を基準値と比較することにより欠陥及び欠陥像を検出することができる。検出された欠陥は欠陥情報形成手段４２に供給する。位置センサ２０から出力される位置情報は、Ａ／Ｄ変換器４３を介して欠陥情報形成手段４２に供給する。また、走査した走査線の順序番号を示す走査線情報も欠陥情報形成手段に入力する。位置センサから供給される位置情報は、試料上における例えばＸ方向の位置を示し、走査線情報はＸ方向と直交するＹ方向の位置を示す。よって、位置センサから供給される位置情報と走査線情報を用いて欠陥のアドレスが特定される。欠陥情報形成手段４２は、検出した欠陥の識別情報とアドレス情報とを対とし、欠陥情報として出力する。出力された欠陥情報は、例えば欠陥メモリに記憶し、種々の処理に供することができ、例えば所望の欠陥の欠陥像をレビューすることができる。また、半導体基板に形成されるチップごとに検出された欠陥の個数を計算することもできる。

第１の焦点検出系２８を構成する第１及び第２の光検出器３１及び３２から出力される輝度信号は、Ａ／Ｄ変換器４４及び４５によりデジタル信号に変換され、第１の焦点誤差信号形成手段４６に供給する。また、第２の焦点検出系２９を構成する第３及び第４の光検出器３４及び３５から出力される輝度信号は、Ａ／Ｄ変換器４７及び４８によりデジタル信号に変換され、第２の焦点誤差信号形成手段４９に供給する。第１及び第２の焦点誤差信号形成手段は、以下の演算処理を行って、試料表面に対する検査ビームの集束点の変位量を示す第１及び第２の焦点誤差信号Ｓ1及びＳ2を形成する。
Ｓ1＝（Ｐ1−Ｐ2）／（Ｐ1＋Ｐ2）
Ｓ2＝（Ｐ3−Ｐ4）／（Ｐ3＋Ｐ4）
ここで、Ｐ1 〜Ｐ4は、第１〜第4の光検出器から出力される輝度信号の強度を示す。

求められた焦点誤差信号Ｓ1及びＳ2は選択手段５０に供給する。選択手段５０には、ステージが走査する走査ストライプ（走査線）の順序番号を示す走査線情報も入力する。選択手段５０は、入力した走査ストライプの順序番号が偶数か奇数を判定し、奇数か偶数かに応じて、入力した焦点誤差信号のいずれか一方を選択する。例えば、ステージが奇数番目の走査線にそって走査する場合、第１の焦点誤差検出系２８から出力された焦点検出信号を用いて生成した第１の焦点誤差信号Ｓ1が選択され、走査ストライプが偶数の場合第２の焦点誤差検出系２９から出力された焦点検出信号を用いて生成した第２の焦点誤差信号Ｓ2が選択される。選択された焦点誤差信号は、フォーカス制御信号生成手段５１に供給する。フォーカス制御信号形成手段は、入力した焦点誤差信号からアクチュエータを制御するフォーカス制御信号を生成し、アクチュエータ１８に供給する。アクチュエータには、焦点誤差に対応した駆動信号が供給されるので、オートフォーカス機構が構成され、検査ビームの集束点は試料表面上に常時位置させることが可能になる。

尚、選択手段５０は、４個の光検出器と焦点誤差信号形成手段との間に配置することも可能である。この場合、選択手段の後段に単一の焦点誤差信号形成手段を設け、ステージの走査ストライプの順序番号に応じて第１の焦点検出系又は第２の焦点検出系から出力されるいずれか一方の出力信号を焦点誤差信号形成手段に供給する。さらに、選択手段５０は、フォーカス制御信号形成手段５１の後段に設けることも可能である。この場合、２系列のフォーカス制御信号形成手段を設け、選択手段はいずれか一方のフォーカス制御信号を選択してアクチュエータ１8に供給する。

図５は本発明による検査装置の変形例を示す。本例では、照明光源としてランプ光源を用い、撮像素子としてTDIセンサを用いてフォトマスクに存在する欠陥を検出する。尚、図１で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。

照明光源として、水銀キセノンランプを用い、水銀キセノンランプから出射した照明光をフィルタ（図示せず）を介して波長が３１３ｎｍの照明ビームを出射させる。水銀キセノンランプ６０から出射した照明ビームは、光ファイバ６１を伝搬し、断面がほぼ円形の発散性ビームとして出射する。光ファイバ６１から出射した照明ビームは、集束性レンズ９を経て、複数ビームを形成するビーム形成手段に入射する。本例では、ビーム形成手段として、結像位置に配置した視野絞り（スリット手段）６２を用いる。視野絞り６２は、３個のスリット状の開口部６２ａ〜６２ｃを有する。中央に位置するスリット状の第１の開口６２ａは、第１の方向（紙面と直交する方向）に延在し、欠陥検査に用いられる検査ビームを形成する開口であり、比較的広い開口幅を有する。両側に位置するスリット状の第２及び第３の開口６２ｂ及び６２ｃは第１の方向に対して斜めの角度をなし、オートフォーカス用の焦点検出ビームを形成する開口である。従って、中央の第１の開口６２ａから出射するライン状のビームは欠陥検査用の検査ビームを構成し、第２及び第３の開口６２ｂ及び６２ｃからそれぞれ出射する２本のライン状のビームは第１及び第２の焦点検出ビームを形成する。これらの３本のビームは、同一の光軸上を互いに空間的に分離された状態で進行する。検査ビーム及び２本の焦点検出ビームは、偏光ビームスプリッタ１０で反射し、レンズ１１を経て全反射ミラー１２に入射する。これら３本のビームは、全反射ミラー１２で反射し、第１及び第２のリレーレンズ１３及び１４並びに１／４波長板１５を経て対物レンズ１６に入射する。

検査ビーム及び２本の焦点検出ビームは、対物レンズ１６により集束されてフォトマスク６３に入射し、フォトマスク上の空間的に離間した部位をそれぞれ照明する。図６は、検査ビーム及び２本の焦点検出ビームによりフォトマスク上に形成される照明エリアを示す。図６において、符号２１は対物レンズの視野を示す。対物レンズの視野中央には、検査ビームによる第１のライン状の照明エリア６４が形成され、ステージの進行方向と直交する方向に焦点検出ビームにより第２及び第３の照明エリア６５ａ及び６５ｂが形成される。

本例では、検査ビームにより形成される第１の照明エリア６４に対して、焦点検出ビームにより形成される第２及び第３の照明エリア６５ａ及び６５ｂは、斜めに、すなわち平行以外の角度をなすように延在させる。例えば、フォトマスクを検査する場合、フォトマスク上にはエッジがＸ及びＹ方向に延在する多数の矩形のパターンが形成されている。この場合、パターンのエッジ部の延在方向と焦点検出ビームの延在方向とが一致した場合、マスクパターンのエッジ部における回折作用により回折光ないし散乱光が発生し、焦点検出信号が変動し、正確な焦点制御が行われない不具合が発生する。これに対して、本発明のように、検査ビームに対して平行ではなく、斜めになるように設定すれば、焦点検出ビームがマスクパターンのエッジ上を走査する場合、ライン状の焦点検出ビームの一部分だけがエッジ部上に位置し、他のビーム部分はエッジから外れた位置を走査するため、パターンエッジを走査する際に発生する回折作用に起因する不具合が解消される。

図７は、焦点検出ビームを検査ビームに対して斜めに設定した場合の効果を説明する図である。図７（Ａ）は、焦点検出ビームにより形成される第２及び第３の照明エリアが検査ビームにより形成される第１の照明エリアに対して平行に設定した状態を示し、図７（Ｂ）は第２及び第３の照明エリアが第１の照明エリアに対して斜め（交差角は約１０°）に設定した状態を示す。符号２１は対物レンズの視野を示し、フォトマスクに形成されたパターンを破線で示す。フォトマスクには、パターンエッジがＸ及びＹ方向に延在する矩形のパターンが多数形成されている。一方、フォトマスクの欠陥検査において、一般的には、検査ビームの延在方向はパターンのエッジ方向と平行に設定して欠陥検査が行われる。すなわち、パターンのエッジの延在方向がステージの進行方向と直交するように設定して検査が行われる。この場合、パターンのエッジ部の延在方向と焦点検出ビームの延在方向とが一致した場合、マスクパターンのエッジ部における回折作用により回折光ないし散乱光が発生し、焦点検出信号が変動し、正確な焦点制御が行われない不具合が発生する。このような状況下において、図７（Ａ）に示すように、焦点検出ビームを検査ビームに平行に設定した場合、焦点検出ビームのほぼ全体が同時にパターンエッジを走査し、誤った焦点誤差信号が形成される危険性がある。これに対して、図７（Ｂ）に示すように、焦点検出ビームを検査ビームに対して斜めに設定すれば、焦点検出ビームの一部がパターンエッジを走査しても、他の大部分はパターンエッジ以外の部位を走査するため、パターンエッジに起因する不具合の発生が防止される。尚、検査ビームに対する焦点検出ビームのなす角度は、５〜３０°の範囲が好適であり、例えば１０°に設定することができる。

フォトマスクから出射した検査ビーム及び焦点検出ビームは、対物レンズにより集光され、同一の光軸上を互いに空間的に離間して進行する。そして、検査ビームはTDIセンサ６６に入射し、その出力信号に基づいて欠陥検査が行われる。また、２本の焦点検出ビームは第１及び第２の焦点検出系２８及び２９にそれぞれ入射し、その出力信号を用いて焦点制御が行われる。

次に、半導体ウエハの端縁を検査する検査装置について説明する。半導体デバイスの製造工程においては、ウエハに各種材料層が堆積され、エッチング処理や不純物注入処理及び洗浄処理が行われる。一方、洗浄処理が不十分な場合、残存する異物によるコンタミネーションの問題が発生するため、洗浄処理後にウエハの端縁について検査を行う必要がある。図８は、ウエハ端縁の検査システムを線図的に示す。図８（Ａ）は線図的側面図、図８（Ｂ）は線図的平面図、及び図８（Ｃ）はウエハ上に形成された照明エリアを示す。図８（Ａ）を参照するに、モータ７０に真空保持手段７１が連結され、検査すべきウエハ７２は保持手段７１により保持する。モータの回転によりウエハ７２は回転し、回転するウエハの端縁７２ａに向けて、検査装置の対物レンズ７３から検査ビーム及び焦点検出ビームを投射する。図８（Ｂ）において、検査ビームを実線で示し、焦点検出ビームを破線で示す。ウエハの回転方向に見て、ウエハの端縁は、焦点検出ビームＬ１により走査され、所定の時間が経過した後検査ビームＬ２により走査される。すなわち、図８（Ｃ）に示すように、ウエハの端縁には、回転方向にそって焦点検出ビームの照明エリアＳ1 が形成され、所定の間隔を以て検査ビームによる照明エリアＳ2が形成される。半導体ウエハの端縁の検査においては、芯振れ等により検査装置の対物レンズと端縁の表面との間の距離が変動する可能性が高いものである。よって、本発明の検査装置を用いれば、良好な焦点状態を維持しながら、端縁検査を行うことができる。尚、ウエハの検査においては、ウエハは一方向に回転するので、焦点検出ビームを１本設けるだけで焦点制御を行うことができる。

本発明は上述した実施例に限定されず、種々の変更や変形が可能である。例えば、上述した実施例では、試料に存在する欠陥を検出する検査装置として説明したが、勿論本発明は試料の画像を撮像する顕微鏡として利用することも可能である。この場合、検査ビームを試料像を撮像する撮像ビームとして用い、残りの照明ビームを焦点検出ビームとして用いる。

さらに、上述した実施例では、顕微鏡の両側にそれぞれ１本の焦点検出ビームを設ける構成としたが、検査ビームをはさんで両側にそれぞれ複数本の焦点検出ビームを形成し、複数本の焦点検出ビームを用いて焦点検出信号を形成することも可能である。この場合、複数の焦点検出信号の平均値を算出して焦点誤差信号を生成することができる。

さらに、照明光源としてレーザ光源を用い、レーザ光源から出射したレーザビームについてレンズアレイを有する拡散手段及びロッド状のホモジナイザを通過させ、スペックルパターンが除去されたレーザビームを照明ビームとして利用することも可能である。この場合、スペックルパターンの無い断面積の大きなレーザビームが得られるので、スリット手段を用いて検査ビーム及び焦点検出ビームを発生させることができる。

１ 照明光源
２ コリメータレンズ
３ 音響光学素子
４，６ リレーレンズ
５，７ 全反射ミラー
８ 回折格子
９ 集束性レンズ
１０ 偏光ビームスプリッタ
１１ レンズ
１２ 全反射ミラー
１３，１４ リレーレンズ
１５ １／４波長板
１６ 対物レンズ
１７ 半導体基板
１８ アクチュエータ
１９ ステージ
２０ 位置センサ
２４ 撮像素子
２５ 信号処理装置
２６，２７ 全反射ミラー
２８ 第１の焦点検出系
２９ 第２の焦点検出系
３０，３３ ビームスプリッタ
３１，３２，３４，３５ 光検出器

Claims (10)

1. ステージ上に配置された試料に存在する欠陥を検出する検査装置であって、
   検査されるべき試料を支持すると共に、第１の走査方向、第１の走査方向と反対向きの第２の走査方向並びに第１及び第２の走査方向と直交する第３の方向に沿ってジッグザッグ状に進行するステージと、
   光ビームを発生する光源装置と、
   光源装置から出射した光ビームから、欠陥検出に用いられ、試料上において第１及び第２の走査方向と直交する方向に延在するライン状の第１の照明エリアを形成する検査ビームと、焦点検出に用いられ、試料上において第１の照明エリアから第１の走査方向及び第２の走査方向にそれぞれ空間的に離間すると共に第１の照明エリアに対して第１の走査方向及び第２の走査方向に沿ってそれぞれ整列した第２及び第３の照明エリアをそれぞれ形成する第１及び第２の焦点検出ビームとを形成するビーム形成手段と、
   前記検査ビーム及び第１及び第２の焦点検出ビームを、ステージ上に配置した試料に向けて投射する対物レンズと、
   前記第１の照明エリアから出射した検査用の反射ビームを受光して画像信号を出力する撮像手段と、
   前記第２及び第３の照明エリアからそれぞれ出射した焦点検出用の反射ビームをそれぞれ受光する第１及び第２の焦点検出系と、
   試料と対物レンズとの間の相対距離を制御する制御手段と、
   前記第１及び第２の焦点検出系から出力される出力信号を用いて、試料と対物レンズとの間の相対距離を制御するフォーカス制御信号を出力する信号処理装置とを有し、
   ステージが第１の方向に進行する場合、第１の焦点検出系の出力信号から形成したフォーカス制御信号を用いて焦点制御が行われ、第１の方向と反対向きの第２の方向に進行する場合第２の焦点検出系の出力信号から形成したフォーカス制御信号を用いて焦点制御が行われることを特徴とする検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置において、前記ステージが第１の走査方向に進行する場合、試料は第１の焦点検出ビームにより走査された後所定の時間経過後に検査ビームにより走査され、ステージが第２の方向に進行する場合、試料は第２の焦点検出ビームにより走査された後所定の時間経過後検査ビームにより走査されることを特徴とする検査装置。
3. 請求項２に記載の検査装置において、前記ステージは、前記第３の方向にそって順次規定された走査線に沿ってジッグザッグ状に進行し、
   前記信号処理装置は、ステージが進行する走査線の番号が奇数の場合第１の焦点検出系からの出力信号を用いて生成されたフォーカス制御信号により焦点制御が行われ、ステージが進行する走査線の番号が偶数の場合第２の焦点検出系からの出力信号を用いて生成したフォーカス制御信号により焦点制御が行われることを特徴とする検査装置。
4. 請求項１、２又は３に記載の検査装置において、前記光源装置としてレーザ光源が用いられ、レーザ光源の後段に音響光学素子と回折格子が順次配置され、
   音響光学素子は、光源装置から出射した光ビームを第１の走査方向と直交する方向に周期的に偏向するように構成され、
   回折格子は、第１及び第２の走査方向に沿って整列した検査ビームと第１及び第２の焦点検出ビームとが出射するように構成したことを特徴とする検査装置。
5. 請求項１、２又は３に記載の検査装置において、前記光源装置としてランプ光源が用いられ、
   前記ビーム形成手段は、スリット状の第１の開口と、第１の開口からそれぞれ離間したスリット状の第２及び第３の開口を有するスリット手段を有し、第１の開口からライン状の検査ビームが出射し、第２及び第３の開口から第１及び第２の焦点検出ビームがそれぞれ出射することを特徴とする検査装置。
6. 請求項５に記載の検査装置において、前記第２及び第３の開口は、第１の開口に対して斜めの角度をなすように形成され、前記試料上に形成される第２及び第３の照明エリアは、第１の照明エリアに対して斜めの角度をなすライン状の照明エリアを形成することを特徴とする検査装置。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の検査装置において、前記試料として、フォトマスク、半導体基板、エピタキシャル層が形成された半導体基板、炭化珪素基板、又はエピタキシャル層が形成された炭化珪素基板が用いられることを特徴とする検査装置。
8. 請求項５に記載の検査装置において、前記光源装置として水銀キセノンランプが用いられることを特徴とする検査装置。
9. 検査されるべき試料を支持すると共に、第１の走査方向、第１の走査方向と反対向きの第２の走査方向並びに第１及び第２の走査方向と直交する第３の方向に沿ってジッグザッグ状に進行するステージを用いる検査装置のオートフォーカス方法であって、
   光源から出射した光ビームから、欠陥検査に用いられる検査ビームと、焦点検出に用いられる第１及び第２の焦点検出ビームを形成する工程と、
   前記検査ビーム並びに第１及び第２の焦点検出ビームを対物レンズを介してステージ上に配置された試料に向けて投射する工程と、
   試料上において、検査ビームにより第１及び第２の走査方向と直交する方向に延在するライン状の第１の照明エリアを形成すると共に、第１及び第２の焦点検出ビームにより第１の照明エリアから第１の走査方向及び第２の走査方向にそれぞれ空間的に離間すると共に第１の照明エリアに対して第１の走査方向及び第２の走査方向に沿ってそれぞれ整列した第２及び第３の照明エリアを形成する工程と、
   前記第１の照明エリアから出射した反射光を用いて欠陥検出を行う工程と、
   前記第２及び第３の照明エリアから出射した反射光を用いて第１及び第２のフォーカス制御信号を形成する工程と、
   ステージが第１の走査方向にそって進行する場合第１のフォーカス制御信号を用いて焦点制御を行い、ステージが第２の方向と反対方向の第２の走査方向にそって進行する場合第２のフォーカス制御信号を用いて焦点制御を行うことを特徴とするオートフォーカス方法。
10. 請求項９に記載のオートフォーカス方法において、前記ステージが第１の走査方向に進行する場合、試料は第１の焦点検出ビームにより走査された後所定の時間経過後に検査ビームにより走査され、ステージが第２の方向に進行する場合、試料は第２の焦点検出ビームにより走査された後所定の時間経過後検査ビームにより走査されることを特徴とするオートフォーカス方法。
    

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