缺陷检查装置和缺陷检查方法与流程

本发明涉及缺陷检查装置和缺陷检查方法。

背景技术：

在半导体基板、薄膜基板等的制造线中，为了维持或提高产品的成品率，而检查存在于半导体基板、薄膜基板等的表面的缺陷。

例如在专利文献1中记载了这样的检查缺陷的技术。在专利文献1中，为了准确地检测出来自微小的缺陷的少量光子，而排列许多像素而构成传感器。另外，通过测量由于光子入射到配置在该传感器的各像素而产生的脉冲电流的合计，来检测微小的缺陷。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-231631号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

在半导体等的制造工序所使用缺陷检查中，高精度地检测微小的缺陷是重要的。

在专利文献1中，配置具有更小的开口的检测系统，使得线状地照明的像的长度方向在传感器上成像。但是，在使得像的长度方向成像时，如果将检测系统配置在检测系统的光轴与线状的照明的长度方向不正交的位置，则各检测系统的视野中心与在视野端部相对于试样面的光学距离不固定。因此，必须将检测系统的光轴配置在与线状照明的长度方向正交的方向上。

但是，在这样的配置中，难以完全地捕获来自试样面的散射光，在每次检测微小的缺陷时，光子数会不足。其结果是难以高精度地检测出存在于试样表面的微小的缺陷。

本发明的目的在于：在缺陷检查装置中，高精度地检测存在于试样表面的缺陷。

解决问题的方案

本发明的一个实施例的缺陷检查装置的特征在于，具备：照明部，其向试样的检查对象区域照明从光源射出的光；检测部，其检测从上述检查对象区域产生的多个方向的散射光；光电变换部，其将通过上述检测部检测出的上述散射光变换为电信号；信号处理部，其对通过上述光电变换部变换后的上述电信号进行处理，检测上述试样的缺陷，上述检测部具备对开口进行分割而在上述光电变换部上形成多个像的成像部，上述信号处理部对与成像的上述多个像对应的电信号进行合成，检测上述试样的缺陷。

本发明的一个实施例的缺陷检查方法的特征在于，包括：向试样的检查对象区域照明从光源射出的光的照明步骤；检测从上述检查对象区域产生的多个方向的散射光的光检测步骤；通过光电变换部将上述检测出的上述散射光变换为电信号的光电变换步骤；对上述变换后的上述电信号进行处理，检测上述试样的缺陷的缺陷检测步骤，上述光检测步骤对成像部的开口进行分割而在上述光电变换部上形成多个像，上述缺陷检测步骤对与成像的上述多个像对应的电信号进行合成，检测上述试样的缺陷。

发明效果

根据本发明的一个实施例，能够在缺陷检查装置中高精度地检测存在于试样表面的缺陷。

附图说明

图1是表示实施例的缺陷检查装置的整体概要结构图。

图2是表示通过照明部实现的照明强度分布形状的第一例子的图。

图3是表示通过照明部实现的照明强度分布形状的第二例子的图。

图4是表示通过照明部实现的照明强度分布形状的第三例子的图。

图5是表示通过照明部实现的照明强度分布形状的第四例子的图。

图6是表示通过照明部实现的照明强度分布形状的第五例子的图。

图7是表示照明强度分布控制部具备的光学元件的第一例子的图。

图8是表示试样表面上的照明分布形状和扫描方向的第一例子的图。

图9是表示因扫描产生的照明光点的轨迹的第一例子的图。

图10是从侧面看检测部的配置和检测方向的图。

图11是从上面看低角检测部的配置和检测方向的图。

图12是从上面看高角检测部的配置和检测方向的图。

图13是表示检测部的结构的第一例子的图。

图14是表示向光电变换部的成像光学系统的结构的第一例子的图。

图15是表示检测部的坐标系的图。

图16是表示光电变换部的第一例子的图。

图17是表示光电变换部的构成要素的等价电路的第一例子的图。

图18是表示数据处理部的框图的一个例子的图。

图19是表示检测部的结构的第二例子的图。

图20是表示光电变换部的第二例子的图。

图21是表示光电变换部的构成要素的等价电路的第二例子的图。

图22是表示光电变换部输出信号的整合部的等价电路的第一例子的图。

图23是表示光电变换部的第三例子的图。

图24是表示光电变换部的构成要素的等价电路的第三例子的图。

图25是表示检测部的结构的第二例子的图。

图26是表示试样表面上的扫描方向的第二例子的图。

图27是表示检测部的结构的第三例子的图。

图28是表示检测部的结构的光路分支镜的图。

图29是表示透镜阵列的结构例子的图。

图30是表示多信道tdi传感器的结构例子的图。

图31是表示透镜阵列的配置的一个实施例的图。

图32是表示检测部的结构的一个例子的图。

图33是表示检测部成像的像的强度曲线图的图。

图34是表示检测部成像的像的强度曲线图的图。

图35是表示检测部成像的像的强度曲线图的图。

图36是表示检测部的结构的一个例子的图。

图37是表示检测部的结构的一个例子的图。

图38是表示检测部的结构的一个例子的图。

图39是表示检测部的结构的一个例子的图。

具体实施方式

在以下的实施例中，列举在半导体等的制造工序中执行的缺陷检查所使用的缺陷检查装置为例子进行说明。通过使用缺陷检查装置，能够实现微小的缺陷的检测、检测出的缺陷的尺寸的高精度测量、试样的非破坏(也包含不使试样变质)检查、与检出缺陷的个数、位置、尺寸、缺陷种类有关的实质上固定的检查结果的取得、一定时间内的许多试样的检查等。

实施例1

参照图1，说明实施例1的缺陷检查装置的结构。

如图1所示，缺陷检查装置具备照明部101、检测部102、光电变换部103、能够承载试样w的工作台104、信号处理部105、控制部53、显示部54、以及输入部55。照明部101适当地具备激光光源2、衰减器3、出射光调整部4、射束扩展器5、偏振光控制部6、照明强度分布控制部7。

从激光光源2射出的激光光束通过衰减器3调整为希望的射束强度，通过出射光调整部4调整为希望的射束位置和射束前进方向，通过射束扩展器5调整为希望的射束直径，通过偏振光控制部6调整为希望的偏振光状态，通过照明强度分布控制部7调整为希望的强度分布，向试样w的检查对象区域照明。

由配置在照明部101的光路中的出射光调整部4的反射镜的位置和角度，决定照明光相对于试样表面的入射角。照明光的入射角被设定为适合于检测微小的缺陷的角度。照明入射角越大，即照明仰角(试样表面与照明光轴所成的角度)越小，则成为噪声的来自试样表面的微小凹凸的散射光(被称为朦胧)相对于来自试样表面上的微小异物的散射光越弱，因此适合于检测微小的缺陷。因此，在来自试样表面的微小凹凸的散射光妨碍了微小缺陷的检测的情况下，优选将照明光的入射角设定为75度以上(仰角150度以下)即可。

另一方面，在斜入射照明中，照明入射角越小，则来自微小异物的散射光的绝对量越大，因此，在来自缺陷的散射光量的不足妨碍了微小缺陷的检测的情况下，优选是将照明光的入射角设定为60度以上75度以下(仰角15度以上30度以下)即可。另外，在进行斜入射照明的情况下，通过照明部101的偏振光控制部6的偏振光控制，使照明的偏振光成为p偏振光，由此与其他的偏振光相比，来自试样表面上的缺陷的散射光增加。另外，在来自试样表面的微小凹凸的散射光妨碍了微小缺陷的检测的情况下，将照明的偏振光设为s偏振光，由此与其他的偏振光相比，来自试样表面的微小凹凸的散射光减少。

另外，如图1所示，根据需要在照明部101的光路中插入反射镜21，适当地配置其他的反射镜，由此变更照明光路，从与试样面实质上垂直的方向照射照明光(垂直照明)。这时，通过照明强度分布控制部7v，与斜入射照明同样地控制试样表面上的照明强度分布。实质上与试样表面垂直地入射的垂直照明适合于以下情况，即通过在与反射镜21相同的位置插入分束器，而得到斜入射照明和来自试样表面的凹陷状的缺陷(研磨损伤、结晶材料的结晶缺陷)的散射光。

为了检测试样表面近旁的微小缺陷，作为激光光源2，使用振荡产生作为难以透过到试样内部的波长的短波长(波长355nm以下)的紫外或真空紫外的激光射束、并且具有输出为2w以上的高输出的光源。出射射束直径是1mm左右。为了检测试样内部的缺陷，使用振荡产生作为易于透过到试样内部的波长的可视或红外的激光波束的光源。

衰减器3适当地具备第一偏光板、能够围绕照明光的光轴旋转的1/2波长板、第二偏光板。入射到衰减器3的光通过第一偏光板变换为直线偏振光，偏振光方向根据1/2波长板的迟相轴方位角而向任意的方向旋转，穿过第二偏光板。通过控制1/2波长板的方位角，而以任意的比例使光强度减光。在入射到衰减器3的光的直线偏振度充分高的情况下，不一定需要第一偏光板。使用在事前被校正了输入信号与衰减率的关系的衰减器3。作为衰减器3，既可以使用具有渐变浓度分布的nd滤波器，也可以切换地使用相互不同的多个浓度的nd滤波器。

出射光调整部4具备多个反射镜。在此，说明由2个反射镜构成的情况的实施例，但并不限于此。也可以适当地使用3个以上的反射镜。在此，虚拟地定义三维的正交坐标系(xyz坐标)，假定朝向反射镜的入射光向+x方向前进。第一反射镜被设置成使入射光向+y方向偏向(xy面内的入射/反射)，第二反射镜被设置成使由第一反射镜反射的光向+z方向偏向(yz面内的入射/反射)。

各个反射镜通过平行移动和倾斜角度调整，调整从出射调整部4出射的光的位置、前进方向(角度)。如上述那样，配置成第一反射镜的入射/反射面(xy面)与第二反射镜的入射/反射面(yz面)正交，由此能够独立地进行从出射调整部4出射的光(向+z方向前进)在xz面内的位置和角度调整、在yz面内的位置和角度调整。

射束扩展器5具有2组以上的透镜组，具有扩大入射的平行光束的直径的功能。例如，使用具备凹透镜和凸透镜的组合的伽利略型的射束扩展器。射束扩展器5被设置在2轴以上的平移台上，能够进行位置调整以使预定的射束位置与中心一致。另外，具有射束扩展器5整体的倾斜角度调整功能，使得射束扩展器5的光轴与预定的射束光轴一致。通过调整透镜的间隔，能够控制光束直径的扩大率(缩放机构)。

在入射到射束扩展器5的光不平行的情况下，通过透镜的间隔的调整，同时进行光束的直径的扩大和准直(使光束成为准平行光)。也可以在射束扩展器5的上游，与射束扩展器5独立地设置准直透镜，来进行光束的准直。射束扩展器5对射束直径的扩大倍率是5倍～10倍左右，从光源出射的射束直径1mm的射束被扩大为5mm～10mm左右。

偏振光控制部6由1/2波长板、1/4波长板构成，将照明光的偏振状态控制为任意的偏振状态。在照明部101的光路的中途，通过射束监视器22，测量入射到射束扩展器5的光和入射到照明强度分布控制部7的光的状态。

在图2～图6中，表示通过照明部101导向试样面的照明光轴120与照明强度分布形状的位置关系的示意图。此外，图2～图6中的照明部101的结构表示出照明部101的结构的一部分，省略了出射光调整部4、反射镜21、射束监视器22等。

在图2中，表示斜入射照明的入射面(包含照明光轴和试样表面法线的面)的截面的示意图。斜入射照明在入射面内相对于试样表面倾斜。通过照明部101，在入射面内产生实质上均匀的照明强度分布。为了在每单位时间内检查大的面积，照明强度均匀的部分的长度是100μm～4mm左右。

在图3中，表示包含试样表面法线并且与斜入射照明的入射面垂直的面的截面的示意图。在该面内，试样面上的照明强度分布为周边的强度比中心弱的照明强度分布。更具体地说，是反映了入射到照明强度分布控制部7的光的强度分布的高斯分布、或反映了照明强度分布控制部7的开口形状的第一类型的第一阶贝塞尔函数或类似于sinc函数的强度分布。为了减少从试样表面产生的朦胧，该面内的照明强度分布的长度(具有最大照明强度的13.5％以上的照明强度的区域的长度)比上述入射面内的照明强度均匀的部分的长度短，是2.5μm～20μm左右。照明强度分布控制部7具备后述的非球面透镜、衍射光学元件、柱面透镜阵列、光管等光学元件。构成照明强度分布控制部7的光学元件如图2、3所示，与照明光轴垂直地设置。

照明强度分布控制部7具备对入射的光的相位分布和强度分布起作用的光学元件。作为构成照明强度分布控制部7的光学元件，使用衍射光学元件71(doe：diffractiveopticalelement)(参照图7)。

衍射光学元件71是在由透过入射光的材质构成的基板的表面形成与光的波长同等以下的尺寸的细微的起伏形状而形成的。作为透过入射光的材质，对紫外光用，使用熔融石英。为了抑制因穿过衍射光学元件71造成的光的衰减，可以使用施加了反射防止膜的涂膜的材质。为了形成细微的起伏形状，使用光刻法。

使在穿过射束扩展器5后成为准平行光的光穿过衍射光学元件71，由此形成与衍射光学元件71的起伏形状对应的试样面上的照明强度分布。将衍射光学元件71的起伏形状设计制作为基于利用了傅立叶光学理论的计算而求出的形状，使得在试样表面上形成的照明强度分布成为在上述入射面内长而均匀的分布。

照明强度分布控制部7所具备的光学元件具有二轴以上的平移调整机构、以及二轴以上的旋转调整机构，使得能够调整与入射光的光轴的相对位置、角度。进而，设置基于光轴方向的移动的焦点调整机构。作为具有与上述衍射光学元件71相同的功能的替代的光学元件，也可以使用非球面透镜、柱面透镜阵列和柱面透镜的组合、光管和成像透镜的组合。

通过射束监视器22测量照明部101的照明光的状态。射束监视器22测量穿过出射光调整部4的照明光的位置和角度(前进方向)、或入射到照明强度分布控制部7的照明光的位置和波面并输出。通过测量照明光的光强度的重心位置，来进行照明光的位置测量。作为具体的位置测量单元，使用光位置传感器(psd：positionsensitivedetector)、或ccd传感器、cmos传感器等图像传感器。

通过设置在比上述位置测量单元更远离光源的位置、或准直透镜的聚光位置的光位置传感器或图像传感器，进行照明光的角度测量。通过上述传感器检测出的照明光位置、照明光角度被输入到控制部53，显示到显示部54。在照明光的位置或角度从预定的位置或角度偏离的情况下，在上述出射光调整部4中进行调整，以使回到预定的位置。

为了测定入射到照明强度分布控制部7的光的平行度而进行照明光的波面测量。进行基于切变干涉仪的测量、或基于夏克哈特曼波面传感器的测量。切变干涉仪在照明光路中倾斜地插入将两面研磨得平坦的厚度为数mm左右的光学玻璃，根据将表面的反射光和背面的反射光投影到屏幕上时观测到的干涉条纹的图案，测量照明光的发散/收敛状态，存在西格玛光机公司(シグマ光機社)制的spuv-25等。如果将ccd传感器、cmos传感器等图像传感器设置在屏幕位置，则能够自动地测量照明光的发散/收敛状态。

夏克哈特曼波面传感器通过细小的透镜阵列对波面进行分割而投影到ccd传感器等图像传感器，根据投影位置的变位来测量各个波面的倾斜。与切变干涉仪相比，能够进行部分波面的干扰等详细的波面测量。在通过波面测量判断出入射到照明强度分布控制部7的光不是准平行光而发散或收敛的情况下，通过使前级的射束扩展器5的透镜组在光轴方向变位，从而能够接近准平行光。

另外，在通过波面测量判断出入射到照明强度分布控制部7的光的波面部分地倾斜的情况下，向照明强度分布控制部7的前级插入作为空间光调制元件(slm：spatiallightmodulator)的一种的空间光相位调制元件，按照光束截面的每个位置提供适当的相位差，使得波面变得平坦，由此能够使波面接近平坦、即能够使照明光接近准平行光。通过以上的波面精度测量/调整单元，将入射到照明强度分布控制部7的光的波面精度(相对于预定的波面(设计值或初始状态)的偏差)抑制为λ/10rms以下。

通过照明强度分布监视器24测量在照明强度分布控制部7中调整后的试样面上的照明强度分布。此外，在如图1所示那样使用垂直照明的情况下，也同样地通过照明强度分布监视器24测量在照明强度分布控制部7v中调整后的试样面上的照明强度分布。照明强度分布监视器24经由透镜将试样面成像到ccd传感器、cmos传感器等图像传感器上，作为图像而进行检测。

在控制部53中对通过照明强度分布监视器24检测出的照明强度分布的图像进行处理，计算出强度的重心位置、最大强度、最大强度位置、照明强度分布的宽度、长度(预定的强度以上或相对于最大强度值为预定的比例以上的照明强度分布区域的宽度、长度)等，在显示部54中与照明强度分布的轮廓形状、截面波形等一起显示。

在进行斜入射照明的情况下，由于试样表面的高度变位，造成照明强度分布的位置的变位和因散焦造成的照明强度分布的紊乱。为了抑制它，而测量试样面的高度，在高度产生了偏差的情况下，通过照明强度分布控制部7或工作台104的z轴的高度调整来修正偏差。

使用图8和图9说明通过照明部101形成在试样面上的照度分布形状(照明光点20)和试样扫描方法。

设想圆形的半导体硅晶片作为试样w。工作台104具备平移台、旋转台、用于调整试样面高度的z台(均没有图示)。照明光点20如上述那样在一个方向上具有长的照明强度分布，将该方向设为s2，将实质上与s2正交的方向设为s1。通过旋转台的旋转运动，在以旋转台的旋转轴为中心的圆的圆周方向s1上进行扫描，通过平移台的平移运动，在平移台的平移方向s2上进行扫描。在通过扫描方向s1的扫描使试样旋转一周的期间，向扫描方向s2扫描照明光点20的长度方向的长度以下的距离，由此照明光点在试样w上描绘出螺旋状的轨迹t，扫描试样1的整个面。

配置多个检测部102使得检测从照明光点20发出的多个方向的散射光。使用图10～图12说明检测部102相对于试样w和照明光点20的配置例子。

在图10中表示检测部102的配置的侧面图。将检测部102的检测方向(检测开口的中心方向)与试样w的法线所成的角度定义为检测天顶角。适当地使用检测天顶角为45度以下的高角检测部102h、检测天顶角为45度以上的低角检测部102l构成检测部102。高角检测部102h、低角检测部102l分别由多个检测部构成，使得在各个的检测天顶角下覆盖向多方位散射的散射光。

在图11中，表示低角检测部102l的配置的平面图。在与试样w的表面平行的平面内，将斜入射照明的前进方向与检测方向所成的角度定义为检测方位角。低角检测部102适当地具备低角前方检测部102lf、低角侧方检测部102ls、低角后方检测部102lb、以及处于相对于照明入射面与它们对称的位置的低角前方检测部102lf’、低角侧方检测部102ls’、低角后方检测部102lb’。例如，将低角前方检测部102lf的检测方位角设置为0度以上60度以下，将低角侧方检测部102ls的检测方位角设置为60度以上120度以下，将低角后方检测部102lb的检测方位角设置为120度以上180度以下。

在图12中，表示高角检测部102h的配置的平面图。高角检测部102适当地具备高角前方检测部102hf、高角侧方检测部102hs、高角后方检测部102hb、以及处于相对于照明入射面与高角侧方检测部102hs对称的位置的高角侧方检测部102hs’。例如，将高角前方检测部102hf的检测方位角设置为0度以上45度以下，将部102b的检测方位角设置为135度以上180度以下。此外，在此，表示出高角检测部102h有4个、低角检测部102l有6个的情况，但并不限于此，也可以适当地变更检测部的个数和位置。

参照图13，说明检测部102的具体结构。

如图13所示，通过物镜1021使从照明光点20产生的散射光聚光，通过偏振光控制滤波器1022控制偏振光方向。作为偏振光控制滤波器1022，例如应用能够通过电动机等驱动机构控制旋转角度的1/2波长板。为了高效地检测散射光，优选物镜1021的检测na为0.3以上。在低角检测部的情况下，根据需要对物镜的下端进行切槽，使得物镜1021的下端不与试样面w干扰。成像透镜1023将照明光点20的像成像在光圈1024的位置。

光圈1024是设定成只使射束光点20所成像的像中的通过光电变换部103变换的区域的光通过的光圈。在照明光点20在s2方向上具有高斯分布的曲线的情况下，光圈1024只使高斯分布中的在s2方向上光量强的中心部通过，对射束端部的光量弱的区域进行遮光。

另外，在s1方向上为与照明光点20所成像的像相同程度的大小，抑制照明透过空气时产生的空气散射等干扰。聚光透镜1025使成像的光圈1024的像再次聚光。偏振光分束器1026根据偏振光方向，对通过偏振光控制滤波器1022变换了偏振光方向后的光进行分离。扩散器1027吸收没有用于光电变换部103的光电变换的偏振光方向的光。透镜阵列1028在光电变换部103上形成阵列个数个的射束光点20的像。

此外，在实施例中，通过偏振光控制滤波器1022和偏振光分束器1026的组合，使得在光电变换部103中只对通过物镜1021聚光了的光中的特定的偏振光方向的光进行光电变换。作为其替代例子，例如也可以将偏振光控制滤波器1022设为透过率为80％以上的线栅偏光板，不使用偏振光分束器1026、扩散器1027，只取得希望的偏振光方向的光。

图14表示试样w上的照明光点20的示意图(a)、与从透镜阵列1028向光电变换部103的成像的对应关系(b)。

如图14(a)所示，照明光点20向图8的s2方向延伸得长。w0表示应该检测出的缺陷。光电变换部103将该照明光点分割为w-a～w-d地进行检测。在此，分割为4个，但并不限于该个数，可以将分割数设为任意的整数而实现本发明。

如图14(b)所示，来自w0的散射光通过物镜透镜1021聚光，并被导向光电变换部103。透镜阵列1028由只在一个方向上成像的柱面透镜构成。在光电变换部103中配置有与透镜阵列1028的阵列的个数对应的像素块1031、1032、1033、1034。通过光圈1024，对光量弱而不进行光电变换的区域进行遮光，因此能够接近地配置像素块1031～1034。透镜阵列1028被放置在物镜1021的光瞳被中继的位置。为了对分割的每个光瞳区域进行成像，透镜阵列1028成像的像的开口狭小，焦点深度扩大。由此，能够检测来自与s2不正交的方向的成像。

在此，使用图31更详细地说明透镜阵列1028的效果。聚光透镜1025具有大的数值孔径，通常与物镜1021的数值孔径相同。数值孔径大的聚光透镜1025使向各个方向散射的光聚光，但由此，焦点深度变浅。在配置得作为照明的长度方向的s2与物镜1021的光轴不正交的情况下，光学距离在视野中央和视野端部会变化，形成在光电变换部103的像会发生焦点偏离。

如图31所示，透镜阵列1028被放置在聚光透镜1025的光瞳位置。换言之，透镜阵列1028被放置在物镜1021的中继的光瞳位置。进而换言之，透镜阵列1028被放置在聚光透镜1025的后侧焦点位置。聚光透镜1025具有与瞳径同等的大小，使得能够理想地完全成像入射到物镜1021的开口直径的光。

在透镜阵列1028的位置，向聚光透镜1025的入射方向类似的光接近地分布。由此，如果将透镜阵列1028放置在该位置，则与数值孔径变小等价，能够扩大焦点深度。这样进行分割使得数值孔径变小，将分别对应的像成像到光电变换部103的光电变换面，形成没有焦点偏离的像，而检测细微的缺陷。

如图14(b)所示，在像素块1031～1034中分别二维状地形成光电元件。首先，说明像素块1031的像素块。1031a～1031d是形成在像素块1031内的像素组，分别使来自照明光点位置处的w1～w4的区域的光成像。1031a1～1031an是属于1031a的像素，若入射光子，则各个像素输出既定的电流。属于同一像素组的像素的输出电连接，一个像素组输出属于像素组的像素的电流输出的总和。同样，像素块1032～1034也进行与w-a～w-d对应的输出。来自不同的像素组的与同一区域对应的输出电连接，光电变换部103输出与从w1～w4的各个区域检测出的光子数对应的电信号。

图13的检测系统配置成在光电变换部103中成像照明光点20所得的像的长轴方向与s2’的方向一致。现在，如公式(1)那样表示如图8那样定义了s1、s2时的照明光点的长度方向的向量。

[公式1]

s1＝[1，0，0]′......公式(1)

接着，如果将穿过物镜1021的中心的光轴相对于试样w的垂直方向z的角度定义为θ，相对于s2的角度定义为φ，则如公式(2)那样表示该光轴的向量(参照图15)。

[公式2]

d＝[sinθcosφ，sinθsinφ，cosθ]′......公式(2)

在从物镜1021摄像照明光点20的情况下，与s1的光轴相同的分量消失，因此用公式(3)表示该向量。

[公式3]

s1′＝(s1-(s1′·d)d)/|s1-(s1′·d)d||......公式(3)

将除了物镜1021的光轴以外的二维平面分离为具有z方向的分量的向量和不具有的向量的2个(公式(4)、公式(5))。

[公式4]

tm＝[-cosθcosφ，-cosθsinφ，sinθ]′......公式(4)

[公式5]

te＝[-sinθsinφ，sinθcosφ，0]′......公式(5)

这时，在从公式(5)所示的不具有z方向分量的向量旋转公式(6)所示的角度后的方向上设置图13的s2’。

[公式6]

ξ＝atan2(s1′·tm，s1′·te)......公式(6)

设定s1”使其与之正交。这样配置透镜阵列1028和光电变换部103。另外，在此将检测的视野的长度设为l，用以下的公式(7)表示视野中心与视野端部的光学距离的差分δd。

[公式7]

δd＝l/2sinθcosφ......公式(7)

在此，如果将物镜1021的数值孔径设为na，通过透镜阵列1028对其进行m分割，则如以下这样表示各透镜阵列的像的焦点深度dof。

[公式8]

这时，根据艾里斑的大小，用以下的公式(9)表示能够在s2方向上分辨的间隔。

[公式9]

如果增大m，则公式(9)所示的分辨率恶化，缺陷的检测灵敏度降低。但是，如果相对于公式(7)的光学距离的差分，公式(8)所示的焦点深度不足，则由于焦点深度不足，视野端部的分辨率恶化，缺陷的检测灵敏度降低。因此，典型的是设定m使得满足以下的公式(10)的条件。

[公式10]

接着，参照图16，说明光电变换部103的内部电路。图14中说明了进行与w1-w4对应的4个区域所对应的输出光电变换部103，但是在图16中说明了将其扩张成8区域的例子。

像素块1031-1034中分别形成有8个像素组。例如，在像素块1031中形成有1031a-1031h，像素块1032-1034的各组中同样地形成。1031a5是1031a的第5个素，盖革模式下进行动作的雪崩光电二极管经由1031a5q的淬灭电阻与1035-1a的信号线连线。

同样，属于1031a的像素组的全部像素与1035-1a连接，如果向像素入射光子，则在1035-1a中流过电流。1035-2a是连接有1032a的像素组的像素的信号线。这样，在全部的像素组中，具备属于该像素组的像素电连接的信号线。1031a、1032a、……1034a分别检测在试样w中来自同一位置的散射光，因此用1036-1a～1036-4a将各个信号线与1035-a连接起来。用1036-a的焊盘连接，将该信号传输到信号处理部105。同样，属于1031b～1034b的像素与1035-b的信号线连线，用1036-b的焊盘连接，传输到信号处理部105。

在此，在图17中表示图16的等价电路。

如图17所示，像素块1031内的属于像素组1031a的n个像素1031a1、1031a2……1031an是雪崩光电二极管与之连接的淬灭电阻。向形成在光电变换部103的全部雪崩光电二极管施加反向电压vr，使得在盖革模式下动作。如果入射光子，则在雪崩光电二极管中流过电流，但由于成对的淬灭电阻而逆偏压下降，再次被电气切断。这样在每次入射光子时流过固定的电流。

像素块1034内的属于像素组1034a的n个像素1034a1～1034an也同样是盖革模式的雪崩光电二极管与之耦合的淬灭电阻。属于像素组1031a和1034a的全部像素对应于来自试样w中的区域w-a的反射或散射光。将该信号全部电耦合，与电流电压变换部103a连接。电流电压变换部103a输出变换为电压的信号500-a。

同样，像素块1031的属于像素组1031b的像素1031b1～1031bn、像素块1034的属于像素组1034b的像素1034b1～1034bn对应于来自试样面w-b的光，它们的输出全部电耦合并与电流电压变换部103b连接。电流电压变换部103b输出电压信号500-b。这样，输出与分割照明光点20的全部区域对应的信号。

在图18中表示将照明光点20分割为w-a～w-h的情况下的数据处理部105。

105-lf是处理对通过低角前方检测部102-lf检测出的光进行光电变换所得的信号500a-lf～500h-lf的块。105-hb是处理对高角后方检测部102-hb检测出的光进行光电变换所得的信号500a-hb～500h-hb的块。同样，与各光电变换部输出的各个信号对应地，对处理该输出信号的块进行设置。

1051a～1051h是高通滤波器。按照旋转台的多次旋转的量，将高通滤波器1051a～1051h的输出积存到信号合成部1053中，输出对在试样w上的同一位置取得的信号相互相加而合成的阵列状的流信号1055-lf。

1052a～1052h是低通滤波器。信号合成部1054与1053同样地，输出对在同一位置取得的信号相互相加而合成的阵列状的流信号1056-lf。105-hb也进行同样的运算，输出根据高通滤波器1051a～1051h的输出合成的阵列状的流信号1055-hb和根据过低通滤波器的输出合成的阵列状的流信号1056-hb。

缺陷检测部1057针对多个光电变换部输出的信号，在对施加了高通滤波后的信号进行线性相加后，进行阈值处理。低频信号整合部1058对施加了低通滤波的信号进行整合。低频信号整合部1058的输出被输入到缺陷检测部1057，在决定上述阈值时使用。典型的是推定为噪声与低频信号整合部1058的输出的平方根成比例地增加。

因此，在使缺陷检测部1057的阵列状的流信号与低频信号整合部1058的阵列状的流信号对应起来后，提供与低频信号整合部1058的信号的平方根成比例的阈值，抽出超过它的缺陷检测部1057的信号作为缺陷。通过缺陷检测部1057检测出的缺陷与其信号强度和试样w中的检出坐标一起输出到控制部53。低频信号整合部1058检测出的信号强度作为试样面的粗糙度信息也发送到控制部53，在显示部54等向操作装置的用户输出。

实施例2

接着，说明实施例2的缺陷检查装置。实施例2的缺陷检查装置的结构与图1所示的实施例1的结构大致相同，因此省略其说明。

参照图19(a)、(b)说明实施例2的检测部102。与实施例1不同，与透镜阵列1028一起使用与透镜阵列1028正交的方向的柱面透镜阵列1029，将光点20成像到光电变换部103上。柱面透镜阵列1029在s1”方向上将像分离地形成在光电变换部103上。因此，在光电变换部103中二维状地配置像素块。形成1031-l～1034-l和1031-r～1034r的8个像素块。信号整合电路105-pre对光电变换部103输出的光电变换后的电信号进行整合，将整合后的信号传输到信号处理部105。将在后面说明信号整合电路105-pre的具体处理。

在图20中表示实施例2的光电变换部103的详细模式。将1031-l～1034-l和1031-r～1034-r的共计8个像素块分割为4个像素块组。即是“1031-l、1032-l”、“1033-l、1034-l”、“1031-r、1032-r”、“1033-r、1034-r”。属于同一像素块组的像素块将对应的像素组之间电连接起来，在不同的像素块组之间不连接。

在实施例2中，将照明光点20分割为w-a～w-h的8个，像素块组个数是4，因此合计为32个输出。即，“1031-l、1032-l”的像素块组将对照明光点20的同一分割区域进行成像的像素组的输出电连接起来，向500a-1～500h-1输出与检测出的光子对应的电流，同样，“1033-l、1034-l”向500a-2～500h-2输出与检测出的光子对应的电流，“1031-r、1032-r”向500a-3～500h-3输出与检测出的光子对应的电流，“1033-r、1034-r”向500a-4～500h-4输出与检测出的光子对应的电流。

图21是在图20中说明的传感器的左半部分、即1031-l～1034-l的等价电路。103l1a1～103l1an与在1031-l内检测来自区域w-a的光子的属于像素组a的像素对应，分别由雪崩光电二极管和与之电连接的淬灭电阻构成。103l1a1～103l1an与电流电压变换器103a1连接，向500a-1输出变换为电压的光子数。

同样，103l1b1～103l1bn是与在1031-l内检测来自区域w-b的光子的属于像素组b的像素对应的雪崩光电二极管和淬灭电阻的组。103l1b1～103l1bn与电流电压变换器103b1连接，向500b-1输出变换为电压的光子数。

电流电压变换器103a1和103b1与可变的偏移电压调整器103e1连接。由此，施加到103l1a1～103l1an和103l1b1～103l1bn的反向电压为103e1从vr施加的偏移电压的差分。盖革模式的雪崩光电二极管输出的电流量与施加到雪崩光电二极管的反向电压对应，因此调整103e1的电压，控制与检出光子数对应的500a-1或500a-2的增益。

同样，103l4a1～103l4an与在1034-l内检测来自区域w-a的光子的属于像素组a的像素对应，分别由雪崩光电二极管和与之电连接的淬灭电阻构成。103l4a1～103l4an与电流电压变换器103a2连接，向500a-2输出变换为电压的光子数。

同样，103l4b1～103l4bn是与在1034-l内检测来自区域w-b的光子的属于像素组b的像素对应的雪崩光电二极管和淬灭电阻的组。103l4b1～103l4bn与电流电压变换器103b2连接，向500b-2输出变换为电压的光子数。电流电压变换器103a2和103b2与可变的偏移电压调整器103e2连接，控制500b-2输出的电压的增益。

如上述那样，个别地调整像素块组输出的电压的增益。各像素块组与图19(b)的物镜1021的光瞳的区域对应。大致知道是成为检查对象的缺陷的散射分布、因试样面的粗糙度造成的散射光的远方边界的位置。典型的是，如果是附着于试样面上面的颗粒状的缺陷，则是在低角方向上各向同性的分布，如果是形成半导体图案之前的研磨为镜面状的硅的情况，则因试样表面的粗糙度造成的散射光的后方散射强。现在，设远方边界处的对象缺陷的特定的散射光强度为s(θ，φ)，来自试样的粗糙度散射为n(θ，φ)。在设与特定的像素块组i对应的远方边界的区域为ω(i)时，用以下的公式(11)和公式(12)表示通过该像素块组检测出的各个散射光子数。

[公式11]

[公式12]

提供给像素块组的增益典型的是如以下的公式(13)那样。

[公式13]

gain(i)∝s(i)/(n(i)+en(i)²)......公式(13)

在此，与公式(12)所示的n(i)是来自试样表面的粗糙度噪声相对，公式(13)所示的en(i)是非光学噪声，典型的是电气噪声。调整103e1、103e2，将增益控制为公式(13)所示的增益。

在图22中表示信号整合电路105-pre的整合。500a-1～500a-4是与w-a对应的输出，是从各个个别的像素块组的输出。通过105p-a0的加法器对该输出进行相加，输出500-a。同样，500-b1～500-bn是与w-b对应的输出，通过105p-b0进行相加，输出500-b，500-h1～500-hn是与w-h对应的输出，通过105p-h0进行相加，输出500-h。

图23是与图20不同的实施例。图20由一个芯片构成，但图23由2个芯片103l、103r构成，向各个芯片施加偏置电压vr1、vr2。在芯片103l中构成的像素块1031l～1034l分别与在103r中构成的像素块1031r～1034r连接。由此，不需要在图20的实施例中必需的500a-3～500h-3和500a-4～500h-4。

图24是与图23的图案对应的等价电路。103l1a是在103l的芯片中构成的像素块103l1的与w-a对应的像素组，103l1b是同一像素块的与w-b对应的像素组。103l4b是在103l的芯片中构成的像素块103l4的与w-b对应的像素组。向这些形成在103l的芯片中的雪崩光电二极管提供反向电压vr1。

103r1a是在103r的芯片中构成的像素块103r1的与w-a对应的像素组，103r1b是同一像素块的与w-b对应的像素组。103r4b是在103r的芯片中构成的像素块103r4的与w-b对应的像素组。向这些形成在103r的芯片中的雪崩光电二极管提供反向电压vr2。103l1a的输出与103r1a的输出电连接，将流过此处的电流的和输入到电流电压变换器103a1。未图示地，也将与103l1相同的像素块组的与w-a对应的像素组103l2a、与103r1相同的像素块组的与w-a对应的像素组103r2a输出的电流输入到103a1而变换为电压。

同样，芯片103l的像素块103l1的与w-b对应的像素组103l1b的输出与芯片103r的像素块103r1的与w-b对应的像素组103r1b的输出连接，输入到103b1。

未图示地，也将与103r1相同的像素块组的与w-a对应的像素组103l2a、与103r1相同的像素块组的与w-a对应的像素组103r2a输出的电流输入到103a1而变换为电压。

103l4b的输出与103r4b的输出电连接，连接到电流电压变换器103b2。未图示地，同样103l3b的输出与103r3b也与103b2连接，这些像素组的电流全部通过103b2变换为电压。103a1、103b1与可变的偏移电压调整器103e1连接。103e1与属于像素块103l1、103l2、103r1、103r2的像素组所连接的全部电流电压变换器连接。

同样，与属于103l3、103l4、103r3、103r4的像素组所连接的全部电流电压变换器连接。如果设103e1的电压为v1，103e2的电压为v2，则向103l1和103l2施加vr1-v1，向103l3和103l4施加vr1-v2，向103r1和103r2施加vr2-v1，向103r3和103r4施加vr2-v2。由此，通过组合vr1、vr2、v1、v2，能够向各图像块组提供任意的电压。

此外，在实施例2中，为了控制增益，通过对雪崩光电二极管的反向电压vr1、vr2以及电流电压变换器的偏移电压v1、v2控制各像素块组的增益，但所实施的方法并不限于此。例如，作为其他的实施方式，也可以针对各像素块组的输出，设置增益控制用的模拟乘法器。或者，也可以不进行增益控制，而应用以下这样的普通公知的方式，即通过ad变换器进行数字输入，在数字化后使用数字乘法器，由此进行增益控制。

实施例3

接着，说明实施例3的缺陷检查装置。实施例3的缺陷检查装置的结构与图1所示的实施例1的结构大致相同，因此省略其说明。

参照图25(a)、(b)、(c)，说明实施例3的检测部102。图25(a)所示的检测部具有与图19所示的类似的构造，但去除了偏振光控制滤波器1022的偏振光控制方法和扩散器1027，对偏振光分束器1026的后级的透镜1029、1028以及光电变换部103进行了复用。

如果为了改变入射偏振光的状态的元件高效地检测来自细微的缺陷的散射，而增大物镜1021的数值孔径，则物镜1021对应的远方边界处的偏振光方向在开口内有很大变化。为了应对它，由分段波长板1022-1(参照图25(b))和1/2波长板1022-2(参照图25(c))的2个构成偏振光控制滤波器1022。分段波长板1022-1与1/2波长板同样地利用双折射材料，对正交的2个偏振光分量赋予180°的相位差。该相位超前轴(進相軸)如1022-1所示那样，按照每个区域设定方向，使得设想的缺陷的灵敏度最大化。

光电变换部103-1、103-2分割为4个像素块组，因此典型的是，相位超前轴的分布与像素块组的边界对应地非连续地变化。一般根据最仔细地检查的试样、缺陷种类，确定相位超前轴的分布来制造分段波长板1022-1，但在实际检查中，产生试样面、缺陷的组成与设想的不同的情况。一般在1/2波长板的偏振光控制的情况下，可以通过电动机等驱动机构使相位超前轴的方向旋转，控制偏振光方向使得灵敏度对实际检查对象成为最优。但是，如果使1022-1旋转，则像素块组的边界的位置相对于实际产生偏差，因此难以进行最优化。

因此，设为具备分段波长板1022-1和1/2波长板1022-2。在1/2波长板中具备旋转驱动机构而进行精调整。也可以从光路中去除1022-1、以及1022-2的1/2波长板。透镜1029-1、1029-2都具有与图19的透镜阵列1029相同的功能。柱面透镜阵列1028-1、1028-2也都具有与图19的透镜阵列1028相同的功能。光电变换部103-1、103-2也都具有与图19的光电变换部103相同的功能。光电变换部103-2能够检测被图19的扩散器1027吸收的光，主要能够提高分段波长板1022-1和1/2波长板1022-2没有关注的缺陷的灵敏度。

实施例4

接着，说明实施例4的缺陷检查装置。

实施例4的基本结构与图1所示的实施例1的缺陷检查装置的结构大致相同，因此省略其详细说明，但工作台104能够向xy的2个方向移动。实施例1～3通过工作台104使试样w向θ方向旋转同时进行扫描，但在实施例4中，如图26所示，向x方向扫描并进行检查。

参照图27说明实施例4的检测部102。

在实施例4中，是检测形成了图案的试样w上的缺陷的装置。检测部102在图25中具有比较小的开口，如图10所示在一个装置内具备多个检测系统，但在图26中，具备数值孔径接近1的1个透镜。物镜1021、偏振光控制滤波器1022-1、1022-2、偏振光控制滤波器1023、光圈1024、聚光透镜1025、偏振光分束器1026具有与图25所示的该编号的部件相同的功能。

根据偏振光分量，通过偏振光分束器1026对光路进行分割。10210-1～10210-3是空间滤波器，典型的是由多个杆构成，使得能够通过电动机移动到衍射光位置而对来自图案的衍射光进行遮光。10211是开孔镜。

图28是开孔镜10211的y-z平面图。穿过开口部的光朝向空间滤波器10210-3，除此以外的光朝向空间滤波器10210-2。1028-1～1028-3是柱面透镜阵列，配置在光学地中继物镜1021的光瞳的位置的近旁。透镜阵列1028-1～1028-3将射束光点20的多个像分别成像到光电变换部103-1～103-3。

在图29中表示透镜阵列1028-1的图。透镜阵列1028-1-α～1028-1-γ分别将与其配置对应的远方边界的散射光的像成像到图30所示的光电变换部103-1上的tdi传感器、光电变换部103-1-α～103-1-γ。tdi传感器与w的扫描同步地移动、积蓄电荷，输出在y方向上分割的像素。同样，光电变换部103-2、103-3也对像进行摄像，并转送到信号处理部105而检测缺陷。

实施例5

在实施例5中，作为图13(a)所示的成像部102-a1的其他结构，采用图13(b)所示的成像部102-a2。

在图13(a)所示的成像部102-a1的结构中，通过1个透镜阵列1028将多个像成像到光电变换部103。但是，在图13(b)所示的实施例5的成像部102-a2中，使用3个透镜阵列1028a、1028b、1028c、1个柱面透镜1029a进行成像。

首先，1028a和1028b是倍率调整用的透镜阵列，1028c是成像用的透镜阵列。1028a和1028b为开普勒式的倍率调整机构。此外，在此为开普勒式，但并不限于此，也可以使用其他调整机构、例如伽利略式的倍率调整机构。

在没有透镜阵列1028a和透镜阵列1028b的成像部102-a1的结构中，透镜阵列1028所形成的各个像会产生倍率误差。

参照图32说明该倍率误差。

将入射到物镜1021的光线与光轴所成的角度设为θ1。另外，设试样w与光轴所成的角度为θ2。在此，假设θ1穿过构成放置在中继了1021的光瞳的位置的透镜阵列1028的透镜中的一个透镜的中心。如果用θ3表示该光线与试样面所成的角度，则用以下的公式(14)表示。

[公式14]

sinθ3＝(1-((-cosθ1-sinθ1)(-sinθ2cosθ2)^t)²)^0.5......公式(14)

成像在受光面103的位置10421～10423的像为与根据入射到形成像的1028的透镜i的主光线的方向θ1(i)计算出的sinθ3(i)成比例的大小。

在此，在图33～图35中表示试样w中的微小大小的球体的像的强度曲线。图33是成像到10421的像的曲线，图34是成像到10422的像的曲线，图35是成像到10423的像的曲线。

10421a～10421c分别与1041a～1041c对应。同样，10422a～10422c、10423a～10423c是与1041a～1041c对应的像的强度曲线。

各图33～图35所示的强度曲线通过构成透镜阵列1028的各个不同的透镜进行成像。因此，θ1(i)不同，因此与倍率成比例的值即sinθ3(i)变化。如果102的数值孔径变大，则θ1的变化在同一透镜内变大，伴随于此，倍率变化变大。

将这样形成的像成像到在图16中说明的光电变换部103。例如，如果与信号线1035-a连接，则在形成在1031～1034的像素块中的像素的间距固定时，像的分辨率降低。因此，与各个像素块所对应的倍率成比例地设定1031～1034的像素块的像素间距。其通过设为与根据公式(14)计算出的sinθ3(i)成比例的间距能够实现。

实施例6

在实施例5中，是以下的方式，即与通过构成透镜阵列1028的透镜成像的像的倍率对应地，调整构成像素块的像素间距，由此抑制因倍率的变动造成的像的分辨率下降。但是，如果改变像素间距，则像素的电容变化，从像素输出的频率响应会对每个信号线变化，在时间上具有失去信号脉冲的高频分量的倾向。

因此，在图36所示的实施例6中，构成为通过开普勒式的倍率调整机构对其进行修正。如图36(a)所示，透镜阵列1028a由1028a1～1028an的柱面透镜构成。同样，透镜阵列1028b由1028b1～1028bn的柱面透镜构成。在将1028a1～1028an的柱面透镜的焦距设为fa(1)～fa(n)、1028b1～1028bn的柱面透镜的焦距为fb(1)～fb(n)的情况下，按照以下这样的条件设定焦距。

[公式15]

[公式16]

[公式17]

在此，c1和c2是常数，是设计参数。公式(15)是构成1028a和1028b的全部透镜满足开普勒式的倍率调整的条件的基础上的必要条件。

公式(16)是修正根据向光瞳的入射方向变化的倍率而成像的像的倍率变得相同的条件。公式(17)是抑制在透镜阵列1028b中光束变得比透镜的口径大而发生透过率降低的条件。

这样调整倍率后的10424中的成像的1041a～1041c的像的强度曲线是10424a～10424c(参照图36(b))。另外，10425中的同样的曲线是10426a～10426c(参照图36(c))。10424中的曲线增大了倍率，因此变粗，但峰值间距离对于通过任意一个透镜成像的像都一致。

由此，能够使光电变换部103的图案的间距、例如形成在图16的1031～1034所示的像素块中的像素间距成为固定的状态。1028c是成像透镜，构成成像透镜1028c的柱面透镜的焦距全部相同。

柱面透镜1029a成为与1028a～1028c的柱面透镜的成像方向正交的方向。将在具有相同的构造的实施例7中说明柱面透镜1029a的配置方法。

实施例7

图37和图38是图19的检测部102b的其他实施例，从不同的视点表示出光学系统的配置。

在图19的检测部102b的结构中，1029是柱面透镜阵列，配置在中继1021的光瞳的位置。但是，1028的柱面透镜阵列也必须配置在光瞳，因此光学部件的配置会干扰，必须从光瞳错开地配置任意一个透镜。

在实施例7中，使用1029a来代替1029，控制s1”方向的光。1029配置在光瞳，通过构成1029的2个柱面透镜分别进行成像。在实施例7中，直接将s1”方向的光的分布成像到光电变换部103，由此不通过透镜阵列进行分离，就能够进行通过与1029同等的光瞳分割后的成像。此外，s2’方向与实施例6同样地，通过配置在中继光瞳的位置的透镜阵列1028a、1028b、1028c分离地成像光瞳内的光。

实施例8

图39是图25的检测部102c的其他结构的实施例。

1028-1a～1028-1c、1028-2a～1028-2c具有与实施例6的1028a～1028c相同的结构和功能。1029-1a～1029-2a具有与实施例7的1029a相同的结构和功能。

根据实施例8的结构，能够在图25的结构中抑制由于入射到物镜1021的光线的方向而产生的倍率变动，另外还能够抑制光瞳位置处的光学部件的干扰。

根据上述实施例，通过聚光单元的光瞳位置、或中继光瞳的位置、或其近旁的光学分割单元对光路进行分割。由此，能够在光电变换部中形成数值孔径比初级的聚光单元的数值孔径相对小的像。其结果是焦点深度变深，能够检测来自不与照明的长度方向正交的方向的成像。即，能够不会由于方位角而受到制约地配置成像检测系统，能够摄像从存在于试样表面的微小缺陷散射的大致全部光。这样，能够在缺陷检查装置中高精度地检测存在于试样表面的缺陷。

附图标记说明

2：光源；5：射束扩展器；6：偏振光控制部；7：照明强度分布控制部；24：照明强度分布监视器；53：控制部；54：显示部；55：输入部；101：照明部；102：检测部；103：光电变换部；104：工作台部；105：信号处理部；1021：物镜；1022：偏振光控制滤波器；1023：偏振光控制滤波器；1024：光圈；1025：聚光透镜；1026：偏振光分束器；1027：扩散器；1028：透镜阵列。