JP6895768B2 - 欠陥検査装置、および欠陥検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、欠陥検査装置に関するものである。また、本発明は、ガラス基板、マスクブランク（薄膜付き基板）、レジスト付きマスクブランク（レジスト付き基板）などの欠陥検査に適し、ＦＰＤなどの表示装置用の大型基板の欠陥検査に適する欠陥検査装置に関する。

通常、欠陥検査装置においては、レーザー光などによる特定方向からの照明により基板表面の欠陥やガラス内部の欠陥からの散乱光を検出する。
例えば、基板表面にレーザー光を照射し、基板表面の欠陥からの散乱光を検出光学系で検出する欠陥検査装置がある。
また、例えば、ガラス基板内部にレーザー光を照射（導入）し、ガラス基板内部での全反射の繰り返しによって、ガラス内部全域を照射し、ガラス基板表面の欠陥やガラス内部の欠陥からの散乱光を検出光学系で検出する欠陥検査装置がある。

特許第３４２２９３５号公報

高精度な欠陥検査には、特定方向からではない照明が必須となる。特定方向からの照明では方向依存性の強いキズなどに対して大幅な欠陥検出力の低下が起こる可能性がある。高精度な欠陥検査では、このような方向依存性の強いキズなどの欠陥に対する高い欠陥検出力が望まれる。

また、欠陥からの散乱光の発生が少ないあるいは散乱光の発生が極めて少ないタイプの薄膜欠陥に対しては、散乱光を検出する検査手法のため、大幅な欠陥検出力の低下や検出不能が起こる可能性がある。例えば、明確なエッジを持たず散乱光の発生が少ないハーフピンホールなどに対して大幅な欠陥検出力の低下が起こる可能性がある。また、例えば、薄膜のなだらかな曲面の窪み（グラデェーション）は、散乱光の発生が極めて少ないので、検出できない。高精度な欠陥検査では、このような、欠陥からの散乱光の発生が少ないあるいは散乱光の発生が極めて少ないタイプの薄膜欠陥に対する高い欠陥検出力が望まれる。

さらに、薄いキズや白もや（ホワイトスティン）などのコントラストの低い欠陥に対する欠陥検出力の確保の課題がある。高精度な欠陥検査では、これらのコントラストの低い欠陥に対する高い欠陥検出力が望まれる。

なお、高精度な欠陥検査においては、上述したような種類の散乱光特性の異なる欠陥が多数存在する。

高精度な欠陥検査のためには、検査時間がかかるという課題がある。例えば、弱い散乱光などの検出では、露出時間（検査時間）を長くして感度を上げることで検査精度を上げることができる。
高精度な欠陥検査では、検査スピード（検査時間）を犠牲にしない手法が望まれる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、欠陥の方向性に依存しない安定した高い欠陥検出力を達成できる欠陥検査装置の提供を目的とする。
また、本発明は、欠陥からの散乱光の発生が少ないあるいは散乱光の発生が極めて少ないタイプの薄膜欠陥に対して大幅な欠陥検出力向上が達成できる欠陥検査装置の提供を目的とする。
さらに、本発明は、コントラストの低い欠陥に対する高い欠陥検出力が達成できる欠陥検査装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明者は、鋭意研究開発を行った。その結果、リング照明の適用を検討した。しかしながら、現状で提供されているリング照明およびそれに改良を加え簡易に作製したリング照明では、さまざまな方向からの照明が可能であるものの、欠陥検査装置に適用しても高い欠陥検出力は得られず、欠陥検出力が不十分で期待する効果が得られないことがわかった。
本発明者は、さらに鋭意研究開発を行った。その結果、現状で提供されているリング照明に比べ、格段に優れたリング照明の開発に成功した。また、この格段に優れたリング照明を用いることによって、３６０°全ての方向から同時に照明することが可能となり欠陥の方向性に依存しない欠陥検出が可能となることに加え、現状で提供されているリング照明を使用した場合に比べ、格段に安定した高い欠陥検出力が発揮でき、期待する効果が得られることがわかった。

上記に加え、本発明では、反射の暗視野リング照明および透過の暗視野リング照明の双方を備える両面同時暗視野照明（反射透過複合の暗視野リング照明）により、前方散乱と後方散乱の双方を同時検出できる。これにより、例えば、前方散乱あるいは後方散乱に偏りのある散乱光が生じるタイプの欠陥に対しても安定した検出ができる。このため、どちらか一方のリング照明を用いる場合に比べ、欠陥検出力が向上する。
これに加え、本発明では、格段に優れたリング照明と両面同時暗視野の構成によって、薄いキズや白もや（ホワイトスティン）などのコントラストの低い欠陥に対する高い欠陥検出力が達成できる。
なお、反射の暗視野リング照明と透過の暗視野リング照明を比べた場合、後者の方が欠陥検出力が高い。これは、散乱理論から言うと、前方散乱と後方散乱とでは、一般的には前方散乱の方がより強度が取れるからである。透過の暗視野リング照明による基板の裏面側から入射し、屈折を経て透過される光は前方散乱になる。

本発明者は、散乱光の発生が極めて少ない膜のへこみ（凹部）や、薄膜のなだらかな曲面の窪み（グラデェーション）は、散乱光の発生が極めて少ないので、両面同時暗視野では検出できないことを突き止めた。本発明者は、裏面側からのスポット照明を用いることにより、散乱光の発生が極めて少ない膜のへこみ（凹部）の箇所が透過率の差として検出可能であることを突き止めた。さらに、本発明者は、裏面側からのスポット照明として、平行性が良好で高輝度（高照度）な垂直透過照明を用いることにより、特に検出の困難な、薄膜のなだらかな曲面の窪みの薄い箇所が透過率の差として見えること、このような欠陥に対し安定した高い欠陥検出力が発揮できること、を突き止めた。
本発明では、欠陥かどうかの判定は、２次元画像を微分処理し、濃淡の勾配のあるところだけを残してその部分を欠陥と判断している。薄膜の窪みでも明るさの差が濃淡の勾配となるので検出できる。
上記のことは、欠陥からの散乱光の発生が少ないあるいは散乱光の発生が極めて少ないタイプの薄膜欠陥に対しても同様である。例えば、明確なエッジを持たず散乱光の発生が少ないハーフピンホールや、散乱光の発生が少ない膜のへこみ（凹部）、などに対して大幅な欠陥検出力の向上が達成できる。

本発明では、反射の暗視野リング照明および透過の暗視野リング照明の双方を備える構成とし（あるいはさらに裏面側からのスポット照明を加える構成とし）、これらの照明を全て同時に使用することによって、これらの照明に起因（対応）する欠陥を１度に検出でき、１回の検査で欠陥があるかないかを効率良く検査できることを見いだした。本発明では、高精度な欠陥検査において問題となる上述したような種類の異なる欠陥に関し、１回の検査で１度に検出できる。このため効率が良く、種類の異なる欠陥を個別に検出する場合に比べ、トータルの検査時間の短縮を達成できる。本発明では、検出可能な欠陥の種類および数（機会）が相対的に多くなる点で高精度な検査であると言える。
本発明では、欠陥があるかないかを高速・高精度で検査可能な点が最大のメリットである。あらゆる欠陥検出可能な方法をすべて投入して検査してみることが可能となる。

本発明では、時間かけても検出できない欠陥が検出できる効果がある。例えば、方向依存性の強いキズや薄膜のなだらかな曲面の窪み（グラデェーション）は特に好例である。

なお、ピント（焦点、フォーカス）が合っている状態を維持するオートフォーカシング技術と、良好に欠陥が検出できるように照明する技術は別である。照明やその光源のほうがいくら優秀な照明やその光源でも、結像のほうがピンぼけの状態だと期待する性能が出せない。このため、ピントの合う位置を常時フォーカシング（焦点合わせ）し続けるという技術と併せて本発明に係るリング照明および裏面側からのスポット照明を適用することが最も好ましい。
また、高速で高精度な検査を実現するためには高い精度のオートフォーカシング技術が必要でそれをするための技術として同軸オートフォーカス（ＡＦ）がある。同軸ＡＦで常にフォーカシングしている状態だとしても、照明が優れた照明でないとやはり期待する効果が得られないので、期待する効果が得られるように設計した本発明に係るリング照明および裏面側からのスポット照明が必要となる。

本発明は以下の構成を有する。
（構成１）
欠陥検査のための光学系と、欠陥検査のための照明系を有し、
前記照明系は、複数のＬＥＤを円環状に配置するとともに、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記光学系の焦点位置を中心とした領域に集まるようにしたリング照明であり、
検査対象である基板の前記光学系の側に設置される前記リング照明であって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記基板表面に対して鋭角に照射され、その反射光が、対物レンズに直接入らないように構成した反射の暗視野リング照明と、
前記基板の前記光学系とは反対側に設置される前記リング照明であって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが基板裏面に対して鋭角に照射され、前記基板内部を屈折を経て透過した透過光が、前記対物レンズに直接入らないようにした透過の暗視野リング照明と、
を備えることを特徴とする欠陥検査装置。

（構成２）
欠陥検査のための光学系と、欠陥検査のための照明系を有し、
前記照明系は、複数のＬＥＤを円環状に配置するとともに、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記光学系の焦点位置を中心とした領域に集まるようにしたリング照明であり、
検査対象である基板の前記光学系の側に設置される前記リング照明であって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記基板表面に対して鋭角に照射され、その反射光が、対物レンズに直接入らないように構成した反射の暗視野リング照明と、
前記基板の前記光学系とは反対側に設置される前記リング照明であって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが基板裏面に対して鋭角に照射され、前記基板内部を屈折を経て透過した透過光が、前記対物レンズに直接入らないようにした透過の暗視野リング照明と、
前記基板の前記光学系とは反対側に設置される照明であって、前記光学系の光軸と同軸の透過のスポット照明と、
を備えることを特徴とする欠陥検査装置。

（構成３）
前記光学系の光軸と、前記リング照明における円環の中心軸とを一致させ、同軸としたことを特徴とする構成１または２記載の欠陥検査装置。

（構成４）
対物レンズ、結像レンズおよび撮像素子を備える結像光学系を有し、
前記撮像素子はＴＤＩセンサであり、
前記結像光学系は、ＴＤＩカメラを含み、
前記基板とＴＤＩカメラとを、一定速度で一定方向に相対的に移動させる手段を有し、
前記基板上の撮像領域の移動方向および速度とＴＤＩセンサにおけるＣＣＤの電荷転送の方向および速度を合わせることで、ＣＣＤの垂直段の数だけ前記撮像領域を繰り返し露光し撮影する手段を有することを特徴とする構成１から３のいずれかに記載の欠陥検査装置。

（構成５）
前記欠陥検査装置は、焦点尤度が±０．１ｍｍより小さい高精度の結像光学系を備えることを特徴とする構成１から４のいずれかに記載の欠陥検査装置。

（構成６）
前記対物レンズを利用し、レーザービームを用いて、オートフォーカス手段を構築すると共に、
前記オートフォーカス手段に用いる前記レーザービームの前記撮像素子への映り込みを回避する手段を有することを特徴とする構成４または５のいずれかに記載の欠陥検査装置。

（構成７）
欠陥検査のための光学系と、欠陥検査のための照明系を有し、
前記照明系は、複数のＬＥＤを円環状に配置するとともに、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記光学系の焦点位置を中心とした領域に集まるようにしたリング照明であり、
前記リング照明は、検査対象である基板の前記光学系の側に設置され、
前記リング照明における前記基板側の先端から前記基板表面までの距離を、前記リング照明の作動距離ｄとし、
前記リング照明の半径をｒとし、
機械的な大きさ制限の観点から、前記ｄと前記ｒの範囲を規定し、
前記ＬＥＤの光線が前記基板に入射される際、前記光線と前記基板表面とのなす角を、前記リング照明の照射角度αとし、対物レンズに直接照明光が入らないようにする暗視野要請の観点から、前記αの範囲を規定し、
前記リング照明による照射密度をｐとし、照射密度ｐを大きくする観点および前記暗視野要請から前記照射角度αの上限が制限される観点から、前記ｐの範囲を規定し、
位置関係から定まる数式ｄ＝ｒTａｎ(α)から、照射密度ｐを考慮しつつ、前記ｄ、前記ｒおよび前記αの値を決定し、これらの値に基づき装置を製造することを特徴とする欠陥検査装置の製造方法。

（構成８）
欠陥検査のための光学系と、欠陥検査のための照明系を有し、
前記照明系は、複数のＬＥＤを円環状に配置するとともに、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記光学系の焦点位置を中心とした領域に集まるようにしたリング照明であり、
前記リング照明は、検査対象である基板の前記光学系とは反対側に設置され、
前記リング照明における前記基板側の先端から前記基板裏面までの距離を、前記リング照明の作動距離ｄとし、
前記リング照明の半径をｒとし、
機械的な大きさ制限の観点から、前記ｄと前記ｒの範囲を規定し、
前記ＬＥＤの光線が前記基板に入射される際、前記光線と前記基板裏面とのなす角を、前記リング照明の照射角度αとし、対物レンズに直接照明光が入らないようにする暗視野要請の観点から、および、ブリュースター角近傍での入射の要請の観点から、前記αの範囲を規定し、
前記リング照明による照射密度をｐとし、照射密度ｐを大きくする観点並びに前記暗視野要請および前記ブリュースター角近傍での入射の要請によって前記照射角度αの上限が制限される観点から、前記ｐの範囲を規定し、
ガラスの厚さをｇとし、
位置関係から定まる下記数式（３）から、照射密度ｐを考慮しつつ、前記ｄ、前記ｒおよび前記αの値を決定し、これらの値に基づき装置を製造することを特徴とする欠陥検査装置の製造方法。

本発明によれば、欠陥の方向性に依存しない安定した高い欠陥検出力が達成できる欠陥検査装置を提供できる。
また、本発明によれば、欠陥からの散乱光の発生が少ないあるいは散乱光の発生が極めて少ないタイプの薄膜欠陥に対して大幅な欠陥検出力向上が達成できる欠陥検査装置を提供できる。
さらに、本発明によれば、コントラストの低い欠陥に対する高い欠陥検出力が達成できる欠陥検査装置を提供できる。

本発明の欠陥検査装置の主要部分を説明するための模式図である。 リング照明を説明するための模式図である。 リング照明のハウジングを説明するための図である。 リング照明の作動距離ｄ、リング照明の半径ｒ、リング照明の照射角度αの関係式を説明するための図である。 表面側リング照明の最適設計を説明するための図である。 裏面側リング照明の最適設計を説明するための図である。 本発明の欠陥検査装置のＸＹＺ駆動系を説明するための図である。 非点収差法を説明するための模式図である。 同軸オートフォーカスモジュールの構成を示す図である。 オートフォーカス機能に用いるレーザービームの撮像素子への映り込みを回避する手段を説明するための図である。

図１は、本発明の欠陥検査装置の主要部分を説明するための模式図である。
図１において、紙面に垂直な方向がＸ軸、紙面の上下方向がＹ軸、紙面の左右方向がＺ軸、とする。
被検査体１の表面側（図面右側）には、結像光学系１００が配設される。結像光学系１００はＸＹＺ駆動手段によって、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に駆動可能に構成されている。
結像光学系１００は、対物レンズ１１、結像レンズ１２および撮像素子１３を備える撮像カメラ（例えばＴＤＩカメラ）１０、対物レンズと結像レンズの間に配置されるオートフォーカスモジュール（同軸ＡＦモジュール）２０、照明手段３１、を有する。照明手段３１は対物レンズ１１に装着される。
被検査体１の裏面側（図面左側）には、照明手段３２、スポット照明手段３３、を有する照明系１０１が配置される。照明系１０１は、結像光学系１００と一体として（または完全に同期して一体的に）、ＸＹＺ駆動手段によって、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に駆動可能に構成されている。

照明手段３１は、リング照明である。リング照明は、複数のＬＥＤを円環状に配置するとともに、複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが撮像カメラ（例えばＴＤＩカメラ）１０の焦点位置を中心とした領域（画像取得領域、検査領域、撮像領域）に集まるように、複数のＬＥＤの指向性および光軸を調整した上で、円環状の部材に固定したものである。照明手段３１であるリング照明は、前記リング照明における円環の中心軸と前記結像光学系１００の光軸Ｏと、を一致させ同軸としてある。
照明手段３１であるリング照明は、３つの同心円のそれぞれの円に沿って、ＬＥＤを円環状に３重（３列）に配置した構成を有する（図２参照）。外側および内側のＬＥＤ円環列は、青色ＬＥＤが使用され、真ん中のＬＥＤ円環列は、黄色ＬＥＤまたはオレンジ色ＬＥＤが使用される。ガラス基板およびマスクブランク（薄膜付き基板）を検査する際は、通常、３列すべて（青色ＬＥＤおよび黄色ＬＥＤ）が使用される。レジスト付きマスクブランクを検査する際は、真ん中のＬＥＤ円環列（黄色ＬＥＤのみ）が使用される。レジストの感光を避けるためである。

被検査体１の裏面側（図面左側）には、照明手段３２、スポット照明手段３３、を有する。
照明手段３２は、リング照明である。
照明手段３２であるリング照明は、３つの同心円のそれぞれの円に沿って、ＬＥＤを円環状に３重（３列）に配置した構成を有する（図２参照）。外側、真ん中、内側の各ＬＥＤ円環列は、すべて青色ＬＥＤが使用される。ガラス基板およびマスクブランク（薄膜付き基板）を検査する際は、通常、３列すべて（青色ＬＥＤ）が使用される。照明手段３２であるリング照明は、前記リング照明における円環の中心軸と前記結像光学系１００の光軸Ｏと、を一致させ同軸としてある。
スポット照明手段３３は、透過のスポット照明（例えば平行光のスポットライト）が使用され、青色ＬＥＤが使用される。スポット照明手段３３は、マスクブランク（薄膜付き基板）におけるピンホールや、明確なエッジを持たず散乱光の発生が少ないハーフピンホールや、散乱光の発生が少ない膜のへこみ（凹部）や、散乱光の発生が極めて少ない薄膜のなだらかな曲面の窪み（グラデェーション）などの検出に効果的である。スポット照明手段３３は、スポット照明の中心軸（ＬＥＤの光軸）と前記結像光学系１００の光軸Ｏと、を一致させ同軸としてある。
スポット照明手段３３は、平行性が良好で高輝度（高照度）なＬＥＤ光源やランプ光源などによる垂直透過照明である態様や、面発光光源などが含まれる。

なお、本発明において、ＬＥＤは、円環状に１重（１列）、２重（２列）、４重（４列）以上の多重とする態様が含まれる。
また、本発明には、リング照明によって基板上に形成される照明領域の中心と、リング照明における円環の中心軸とは、一致しない態様（リング照明による偏心的な照明の態様）が含まれる。

なお、被検査体１の板厚に応じて、照明手段３２であるリング照明の作動距離ｄ（ワーキングディスタンス：ＷＤ）を調整できるようになっている。ワーキングディスタンスは、基板表面に対するリング照明の設置距離であり、より詳しくはリング照明の基板側の先端から基板表面までの距離である。

ガラス基板を検査する際は、照明手段３１および照明手段３２が使用されることが好ましく、これらの照明は両方同時に使用されることが好ましい。双方の照明に起因（対応）する欠陥を１度に検出できるからであり、１回の検査で欠陥があるかないかを効率良く検査できるからである。ガラス基板の検査では、キズ、異物、ガラス内部の異物や脈理などの光学的欠陥が検出される。
マスクブランク（薄膜付き基板）を検査する際は、照明手段３１、照明手段３２およびスポット照明手段３３が使用されることが好ましく、これらの照明は全て同時に使用されることが好ましい。全ての照明のそれぞれに起因（対応）する欠陥を１度に検出できるからであり、１回の検査で欠陥があるかないかを効率良く検査できるからである。マスクブランク（薄膜付き基板）の検査では、ピンホール、ハーフピンホール、異物などが検出される。
レジスト付きマスクブランクを検査する際は、照明手段３１における真ん中のＬＥＤ円環列（黄色ＬＥＤのみ）が使用される。レジストの感光を避けるためである。レジスト付きマスクブランクの検査では、基板欠陥に加えて、レジストピンホール、レジストハーフピンホール、異物などが検出される。

被検査体１としては、ガラス基板、マスクブランク（薄膜付き基板）、レジスト付きマスクブランクなどが挙げられる。マスクブランクは、バイナリーマスク、グレートーンマスク（階調マスク）、位相シフトマスクなどの作製に用いるマスクブランクが挙げられる。

マスクブランクの検査は、単層膜の状態で検査する態様の他、２層膜や３層以上の積層膜の状態で検査する態様が含まれる。また、マスクブランクの検査は、２層膜や３層以上の積層膜の場合、成膜する毎に検査する態様が含まれる。

被検査体１としては、ＦＰＤなどの表示装置用の大型基板や中型・小型基板が含まれる。
本発明において、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）などの表示装置（表示デバイス）としては、液晶表示装置、プラズマ表示装置、ＥＬ表示装置、有機ＥＬ表示装置、ＬＥＤ表示装置、ＤＭＤ表示装置が代表的なものである。

遮光マスク４０は、迷光対策として光学系に挿入される。遮光マスク４０は、欠陥像の結像に寄与しないような光（迷光）をカットする。遮光マスク４０は、大きさを変えながら迷光対策に適した位置に適した大きさで設置するとよい。遮光マスク４０は、遮光板を使用してもよく、絞りを使用してもよい。
遮光マスク４０は、例えば、対物レンズ１１と結像レンズ１２との間に設置される。遮光マスク４０は、例えば、対物レンズ１１と被検査体１との間、被検査体１と照明手段３１との間、被検査体１と照明手段３２との間などに設置される。遮光マスク４０は、これらの全ての箇所に設置でき、これらのうちの任意の箇所に設置でき、上記以外の光路の任意の箇所にも設置できる。

本発明において、撮像素子１３としては、ＣＣＤ、ＴＤＩ、ＣＭＯＳ、ＶＭＩＳなどの固体撮像装置が代表的なものである。
架台２００は、除振台となっている。除振台は、除振機能をロックする機能があり、ロボットによる基板の装置への着脱の際は除振機能をロックすることで装置の空間位置を固定できる。

次に本発明に係るＬＥＤ照明について説明する。

リング照明では、ＬＥＤの波長、ＬＥＤの広がり角、ＬＥＤの直径（寸法）、ＬＥＤの照射角度などを設計する。これらの値は欠陥検出力の向上の観点から決定される。
ＬＥＤの波長は、例えば可視域の範囲に設計される。例えば、ＬＥＤの波長は、青色（４６５ｎｍ）、黄色（５９２ｎｍ）、オレンジ色（６１０ｎｍ）などに設計される。
ＬＥＤの広がり角は、例えば、照射角が狭いタイプ（半値角±５度）、通常タイプ（半値角±２０度）、パワーＬＥＤタイプ（半値角±６０度）などから選択できる。
ＬＥＤの直径（寸法）は、例えば数ｍｍの範囲に設計される。例えば、ＬＥＤの直径（サイズ）は、狭角５．０ｍｍや、超狭角３．１ｍｍなどに設計される。
ＬＥＤの照射角度は、例えば１０度から４０度などの範囲に設計される。

リング照明のハウジングは、内径Ｒ１、外径Ｒ２、厚さｔ、などを設計する（図３参照）。これらの値は欠陥検出力の向上の観点から決定される。リング照明のハウジングは、円環状であり、円環の内周面にはＬＥＤを取り付けるための傾斜部３５が形成されている。ハウジング寸法Ｒ３（胴部の厚み）は強度を考慮し設計する（図３参照）。
リング照明のハウジングにおいては、面取り（図示せず）や、遮光板取り付け穴（図示せず）、などを設計できる。これらは、例えば、傾斜部３５における検査基板側の面に形成できる。

リング照明では、設計で定めた個数の各ＬＥＤの光軸の位置出しを行い（方向制御を行い）、ハウジングに固定する。例えば、ハウジング３４の内周面の傾斜部３５に貼り付けたフレキシブルプリント基板３６に各ＬＥＤ３７を埋め込んでいく（図３参照）。
ＬＥＤの指向性（広がり範囲）の方が位置出し精度より大きいので、このことを考慮して位置出し精度を調整するとよい。

本発明において、ＬＥＤの指向特性（広がり範囲）は、ＬＥＤの直径（サイズ）によって違っている。ＬＥＤの直径（サイズ）自体はあまり重要なパラメータではなく、指向特性の方を重視して設計することが好ましい。
ＬＥＤの照射角度は、例えば、超狭角：±５．５°や、 ±４．０°などでは、狙ったところだけ光を当てるようにコントロールすることが可能となる。
狭角や超狭角タイプのＬＥＤの直径（サイズ）は、例えば、５．５ｍｍ、３．８ｍｍが主流であるが、指向特性の方を重視して設計すると、例えば、狭角５．０ｍｍや、超狭角３．１ｍｍなどに設計される。

例えば、ＬＥＤの直径（サイズ）が超狭角３．１ｍｍである場合は、ＬＥＤ素子は最密配置でピッチｂは４ｍｍとなる（図３参照）。ＬＥＤ素子の配置個数は概ね１２０素子となる。これにより、３６０°全ての方向から同時に照明することが可能となる。

本発明では、上述した各種の設計および各種の調整を組み合わせることで、現状で提供されているリング照明に比べ、格段に優れたリング照明の開発に成功した。このリング照明は、次世代はもとより、２世代先、３世代先、その後の次々の世代についても対応能力のある照明系である。このリング照明は、発熱の問題、寿命の問題、耐久性の問題についても何ら問題がないことを確認した。

本発明では結像光学系の集光特性と光源となる複数のＬＥＤ素子の発光特性から求められる理想的な暗視野照明の配置を定式化した。本発明では機械的な大きさ制限と照明効率から最適な設計に成功した。

本発明では、メカ的要請、暗視野要請（光学的要請）および効率要請（照射密度）の３つの要請（制限要素）から、制限範囲や不等式が規定され、ＬＥＤの設計が決まる。このとき、作りやすさや制作費用等を考慮し、制限範囲や不等式の範囲内でＬＥＤの設計が決定される。なお、以下で説明する各値は、個別の機械により異なるが、各値の一例を挙げて説明する。

（表面側：反射の暗視野リング照明）
メカ的要請（寸法制限）の第１点は、リング照明の作動距離ｄ（ワーキングディスタンス：ＷＤ）であり、これは、基板表面に対するリング照明の設置距離であり、より詳しくはリング照明の基板側の先端から基板表面までの距離である。基板保持部とのクリアランスを確保するため、リング照明の作動距離ｄ＞１５ｍｍである。
メカ的要請（寸法制限）の第２点は、リング照明の外形（半径）である。３台のＴＤＩカメラを連続して互いに接して配置する際の配置ピッチを１３０ｍｍとしているのでリング照明の外形は１２８ｍｍが限度となる。これは、リング照明を装着した結像光学系を基板の端から端まで検査のため走査する際に、リング照明の外周部が、基板の端の基板保持機構（特に通常裏面側に配置されるロータリー式基板保持ユニット）や装置のフレームなどと衝突や接触が起こらないように、リング照明の外形寸法を所定範囲内に収める必要からの要請である。リング照明の半径ｒ＜６２ｍｍである。

暗視野要請（光学的要請）は、リング照明の照射角度αである。リング照明の照射角度αは、ＬＥＤの光線が基板に入射（照射）される際、光線と基板表面とのなす角である。暗視野照明では、対物レンズに直接照明光が入らないようにする。
暗視野照明の実現には、結像レンズ系を含めた照明設計が必要になる。結像レンズには高開口数（ＮＡ）のレンズを使用するため、暗視野照明とするには基板表面に対して鋭角の照射が必要となる。そのため、作動距離の確保には、リング外径を大きくする必要がある。結像光学系における対物レンズの倍率およびＮＡにより照射角度αの上限が決まる。例えば、対物レンズの倍率が１倍、ＮＡが０．５であるとき、照射角度αの上限は５０°になる。また、迷光低減のため、より安全な角度に照射角度を設定するという観点から、照射角度αの上限は３０°以下であると好ましい。

効率要請は、リング照明による照射密度ｐである。照射密度を高くする（照明を明るくする）に従い欠陥検出の時間を短くでき、検査効率が高まるので、照射密度は高い程よい。照射密度を高くする観点からは、照射角度αは大きい程よいのだが、上記の暗視野要請から照射角度αの上限は制限される。これにより、照射密度ｐも制限される。照射密度ｐの観点からは、照射角度αは２０°以上が好ましい。

図４に示す位置的な関係から、表面側リング照明では、ｄ＝ｒTａｎ（α）（式１）の関係がある。図５（１）は式１を示す。照射密度ｐは、ＬＥＤ光源からの距離の二乗に反比例するので、図５の（式２）の関係がある。この３Ｄグラフを図５（２）に示す。これらの３Ｄグラフを重ね合わせて図５（３）に示す。図５（３）で、濃い色のグラフ（曲面）は式１を示し、薄い色のグラフ（曲面）は式２を示す。
図５（３）に示すｒ、ｄ、αの３Ｄ図から、照射密度ｐを考慮しつつ、作りやすさや製作費用等を考慮し、図５（４）に示すように、ｒ：５４．０ｍｍ、α：２５．５°、ｄ：２５．０ｍｍに決定した。
なお、表面側の反射のリング照明において、暗視野要請を維持するためには、反射のリング照明は、対物レンズと連動させる必要ある。

（裏面側：透過の暗視野リング照明）
裏面側の透過のリング照明では、メカ的要請、暗視野要請（光学的要請）および効率要請（照射密度）の各関係式（不等式）に関しては、上記表面側の反射のリング照明と同じである。
透過のリング照明では、ｄの式は、ガラスの厚さｇと、裏面からの屈折光となる点が上記反射のリング照明と異なり、これによりｄの式も変わる。図４に示す位置的な関係から、透過のリング照明では、図６の（式３）の関係がある。この３Ｄグラフを図６（１）に示す。図６（２）で、濃い色のグラフ（曲面）は式３を示し、薄い色のグラフ（曲面）は式２を示す。なお、図６（３）は図６（２）の拡大図である。
透過の照明では、ブリュースター角近傍での入射の要請、すなわち、α：３３．０°の要請が加わる。ブリュースター角は、Ｐ偏光の反射率がゼロになる入射角である。ブリュースター角の現象を利用することにより、ガラス表面に到達する有効な照明に対する反射損失を極めて小さくできる。
図６（２）に示すｒ、ｄ、αの３Ｄ図から、照射密度ｐを考慮しつつ、作りやすさや製作費用等を考慮し、図６（３）に示すように、ｒ：５０．０ｍｍ、α：３３．０°、ｄ：２０．０ｍｍに決定した。
なお裏面側の透過の暗視野リング照明は、結像レンズの倍率と連動させる必要がある。このような連動の必要性のため、顕微鏡等では、裏面側照明による透過の暗視野は一般的ではない。同様の理由から、反射及び透過両面同時暗視野も例が見られない。

本発明では、上記設計で決定した値に基づいて（若干の数値変更はある）、例えば、表面側（反射側）リング照明は、照射角度αが２５°、ハウジングの外径Ｒ２が１２８ｍｍ、ハウジングの厚さｔが２２ｍｍや２０ｍｍ、などに最終設計される。
裏面側（透過側）リング照明は、照射角度αが３１°、ハウジングの外径Ｒ２が１２５ｍｍ、ハウジングの厚さｔが２２ｍｍや１９ｍｍ、などに最終設計される。

本発明では、上記の具体的な表面側の反射の暗視野リング照明について、リング照明の作動距離ｄ（ワーキングディスタンス：ＷＤ）を、例えば、１８ｍｍ、２０ｍｍ、２２ｍｍ、２５ｍｍ、２７ｍｍなどと変化させて、基板上にある半径を持った照明領域における輝度分布（明るいほどよい）や光量のプロファイル（フラットで光量が高いほどよい）を調べることで、最適なリング照明の作動距離ｄを求めることができる。これにより、撮像カメラの視野内で均一な照明が作れる。裏面側の透過の暗視野リング照明についても同様である。

本発明では、図３からもわかるように、複数のＬＥＤによるスポット光の集まりによって、基板上にある半径を持った照明領域が形成される。これは、スポットライトと同じで、スポットの当たった箇所のみ明るく照明され、その周辺領域は照明されないので暗くなる。このことは、複数のＬＥＤによるスポット光の集まり（多数のスポット光の重なりで作られるスポット光の集合領域）についても同様である。
本発明においては、複数のＬＥＤによるスポット光の集まりによって基板上形成される前記照明領域の半径は、例えば１ｍｍ〜２０ｍｍ（例えば１０ｍｍ）の範囲となるようにすることが好ましい。この範囲は、撮像カメラ（例えばＴＤＩカメラ）の焦点位置を中心とした領域（画像取得領域、検査領域、撮像領域）に対応することが好ましい。

なお、本発明では、撮像カメラ（例えばＴＤＩカメラ）の焦点位置を中心とした領域（画像取得領域、検査領域、撮像領域）を、検査精度を上げるため相対的に狭くしていく場合（結像レンズ系の収差特性の良い光軸近傍領域のみを使用する場合）において、それに対応して、複数のＬＥＤによるスポット光の集まりによって基板上に形成される前記照明領域の半径も相対的に狭くしていくことができる。
例えば、ハウジング３４の内周面の傾斜部３５を、集光特性が向上する曲面（または前記曲面に近似する円に内接する多角形の一部）とすることで、前記照明領域の半径も相対的に狭くしていくことができる。
さらには、ハウジング３４の内周面の傾斜部３５を、複数のＬＥＤによるスポット光がほぼ１点（１スポットの領域）で重なるような集光特性の曲面または前記曲面に近似する円に内接する多角形の一部とすることもできる。

本発明において、リング照明の作動距離ｄ（ワーキングディスタンス：ＷＤ）は、微調整可能に構成されている。例えば、装置組み立ての際は、決めた値でまず固定し微調整（例えば±１ｍｍ単位で微調整）して固定する微調整機構を有する。微調整機構は、装置の使用中にも使用される。これらの際には、照明効果が最大となるよう調整する。照明効果は、視野内で照度が均一で、照射密度が高い（明るい）とよい。特に、ＴＤＩの視野の範囲内（ＴＤＩの長手方向に対応する視野）において照度が均一で、照射密度が高い（明るい）とよい。
リング照明の作動距離ｄは、表面側（反射側）は結像レンズとの組み合わせで最適位置に自ずと決まるが、裏面側（透過側）に関してはガラスの厚み（例えば、８ｍｍから１３．５ｍｍ）に応じて最適な位置が変わってくるのでステージで動的に変化できる機構になっている。

本発明においては、迷光対策として、結像に寄与しないような照明光をカットする遮光マスクを、表面側（反射側）リング照明および裏面側（透過側）リング照明に設置してもよい。
照明系による迷光は、表面側（反射側）リング照明では、基板からの反射光の迷光を考慮する。裏面側（透過側）リング照明では、基板裏面での反射光を考慮し、ガラス基板内部の屈折を考慮し、ガラス基板内部からの透過光の迷光を考慮する。

本発明の欠陥検査装置は、ＴＤＩカメラを用いたものであることが好ましい。

本発明の欠陥検査装置は、対物レンズ、結像レンズおよび撮像素子を備える結像光学系を有し、前記撮像素子はＴＤＩセンサであり、前記結像光学系は、ＴＤＩカメラを含み、
前記基板とＴＤＩカメラとを、一定速度で一定方向に相対的に移動させる手段を有し、
前記基板上の撮像領域（撮像対象物）の移動方向および速度とＴＤＩセンサにおけるＣＣＤの電荷転送の方向および速度を合わせることで、ＣＣＤの垂直段の数だけ前記撮像領域（撮像対象物）を繰り返し露光し撮影する手段を有することが好ましい。
ここで、基板上の撮像領域の移動方向および速度とＴＤＩセンサにおけるＣＣＤの電荷転送の方向および速度を合わせることで、ＣＣＤの垂直段の数だけ前記撮像領域を繰り返し露光し撮影する手段は、例えば、ＴＤＩカメラ内蔵の制御装置（制御回路、ＣＰＵ、ソフトウエアなど）で行うことができる。

通常のラインセンサは、ＣＣＤを一列に並べたものである。ＴＤＩ（Time Delay Integration）センサー（素子）では、ライン上に配列されたＣＣＤ（一列）が、更に前記ラインに沿った方向に対し垂直な方向にも複数列配置されている。複数列のＣＣＤで得られた画像を積分露光することで、高い感度の画像を得ることができるようになる。
一定速度、一定方向に移動する撮影対象物ならば、撮影対象物の移動方向・速度とＣＣＤの電荷転送の方向・速度を合わせることで、ＣＣＤの垂直段の数だけ対象物（１列分のＣＣＤに対応する対象物上の同一領域）を繰り返し露光・撮影させる。
１列目のＣＣＤで得られた撮像は、そのまま２列目のＣＣＤに転送される。２列目のＣＣＤでは、前列から送られてきた撮像に、２列目のＣＣＤで得られた撮像を加算して蓄積し、更に３列目のＣＣＤに転送される。ｎ列目のＣＣＤでは、ｎ列目のＣＣＤで得られた撮像を、（ｎ−１）列目までで累積された撮像に加算して、（ｎ＋１）列目に転送する。すなわち、ｘ列のＣＣＤを並べたＴＤＩセンサでは、得られた撮像はｘ倍となって蓄積されることになる。ｘ列の積分露光を行う場合、ｘ倍の光量と√ｘ（ルートｘ）のノイズ軽減が期待できる。
この結果、格段に高い感度が得られ、高速性と高感度を両立できる。
従来のＣＣＤでは、高解像度であるがゆえの感度不足の低輝度の画像しか得られなかったが、積分露光することにより、高解像度でありながら明るく鮮明な画像が得られるようになる。明るさ不足を補うために、撮影対象物の移動速度を落とす、あるいは停止させてしまうなどの従来方式と比べると、高速かつ短時間で処理ができるようになる。
尚、ＴＤＩでは、移動しながら対象を撮影するという性格上、カメラ技術だけでなく。光学技術、搬送技術なども含めた、トータルなソリューション力が必要となる。

ＴＤＩはコピー機のように流し撮りができる。普通のエリアセンサのように、ある領域を停止状態で撮像し、隣の領域に移動して停止状態で撮像するステップを繰り返すステップアンドリピート方式ではない。ＴＤＩの方がトータルスループットは３倍から４倍という状態をつくれる。ステップアンドリピート方式では、重量のある結像光学系の駆動と停止（加速と減速）を高速で繰り返すので、振動が生じるが、ＴＤＩではこのような振動は生じ難い。

ＴＤＩセンサは、例えば、縦長（２４ｍｍ×１．５ｍｍ（１２８段））で１．５ｍｍ幅である。
本発明はラインセンサにも適用可能である。ラインセンサでは、ＴＤＩと同様に流し撮りができる。ＴＤＩセンサは１２８段で、ラインセンサの１２８倍の光量がとれる。光量が取れる分１２８倍検査スピードを上げることができる。
ＣＣＤエリアセンサの場合は、例えば、１５ｍｍ角である。流し撮りはできない。感度もよくない。
本発明では、ＴＤＩセンサが好ましい。ラインセンサや、エリアセンサでは２世代先の欠陥検査は難しい。

図７は、本発明の欠陥検査装置のＸＹＺ駆動系等を説明するための図である。架台２００上に設置された本体フレーム２０１の内部に、欠陥検査を行う被検査体（基板）１を垂直に立てた状態に取り付け固定するための（保持手段）（図示せず、後述する）、結像光学系１００（欠陥検査を行うための光学系）および観察光学系（欠陥の拡大観察を行うための光学系）を含むヘッド部３００、該ヘッド部３００をＸＹＺの三方向に移動させるためのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各ステージ２１１、２１２、２１３などを配して構成されている。
Ｘ軸ステージ２１１は、Ｙ軸ステージ２１２をＸ軸方向（紙面上で左右方向）に移動させることで、ヘッド部３００をＸ軸方向に駆動する。
Ｙ軸ステージ２１２は、Ｚ軸ステージ２１３をＹ軸方向（紙面上で上下方向）に移動させることで、ヘッド部３００をＹ軸方向に駆動する。
Ｚ軸ステージ２１３は、ヘッド部３００をＺ軸方向（紙面に垂直な方向）に移動させることで、ヘッド部３００をＺ軸方向に駆動する。

本発明の欠陥検査装置では、ヘッド部３００において、例えば、３台のＴＤＩカメラを、例えば図７のＹ軸方向に連続して互いに接して配置することが好ましい。これにより、Ｘ軸方向に３台（３連）のＴＤＩカメラで走査（スキャン）し、３台分の領域を一度に検査できる。ＴＤＩカメラが１台の場合に比べ、検査スピードは３倍（検査時間は１／３）になる。ＴＤＩカメラの台数は任意の台数に適宜増減できる。
本発明の装置では、ヘッド部３００において、例えば図７のＸ軸方向に互いに隣接してＴＤＩカメラと観察光学系（顕微鏡）を配置することができる。

Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各ステージ２１１、２１２、２１３は、結像光学系（例えばＴＤＩカメラ）によるスキャンの時に動く方向に対して作用するリニアロック機構を有することが好ましい。これは、高精度の観察用の機構で、顕微鏡で像を見るときに非常に細かい振動が残ると像がぶれるので、その非常に細かい振動をステージをロックすることでなくすためである。

本発明の装置では、本体のベースとなる部分（架台）に高い剛性を持った材料を採用することが好ましい。架台は、振動の影響を低減する除振機能を有することが好ましい。
また、本発明の装置では、被検査体（基板）１は固定し、結像光学系１００を被検査体（基板）１上の所望位置へ移動させることで欠陥検査を実施する構造が好ましい。被検査体（基板）１の方を移動させる構造の場合は、その分の移動スペースが必要となる。また、被検査体（基板）１は重量が非常に大きいので、被検査体（基板）１の移動や反転・停止の際に振動が生じ易い。

また、観察光学系および結像光学系１００には、欠陥検査中に欠陥位置とその周辺を照明するための照明装置を備える。実際の異物欠陥やキズなどの欠陥は、その形状や材質から照明の種類によっては観察することが難しい場合も有るため、照明は反射照明である同軸落射照明や反射の暗視野リング照明、微分干渉照明、透過照明（例えば同軸垂直透過照明）や透過の暗視野リング照明等と、光の質を変化させるためのカラーフィルター、偏光フィルターなどを装備して、様々な欠陥をよりはっきりと観察できるものを装備することが望ましい。

また、観察光学系および結像光学系１００では、フォーカスの正しく合った良好な視野で欠陥検査を実施するために、被検査体（基板）１とレンズ先端の距離を一定に保つように、オートフォーカスの手段を具備することが望ましい。例えば、オートフォーカスの種類には、レーザーの反射を利用したもの、フォーカス表面の画像コントラストを利用したものなどがあるが、被検査体（基板）１の場合はコントラストを持った部分が存在しないことがあるため、レーザーの反射を利用したものなどが本発明には好ましい。
オートフォーカス手段では、非点収差法の他、ナイフエッジ法、などが利用できる。

また、欠陥箇所を観察するための観察光学系（図示せず、ヘッド部３００内に装備される）は、例えば、欠陥箇所の大まかな位置を掴むための低倍率レンズと、微小欠陥を観察する際の高倍率レンズと、それらの中間的な使い方をするいくつかの中倍率レンズとによって構成される。これらの光学レンズは複数の単レンズをレボルバーなどを用いて切り替える方法が好適である。
また、本発明においては、光学系と被検査体（基板）１との間の空間において、光学系に用いる光学レンズは極力作動距離の長いものが好適である。少なくとも数ｍｍ、できれば４ｍｍ以上の作動距離（レンズのワーキングディスタンス）のものが好適である。

観察光学系における照明装置で用いる光源の波長としては、３８０〜８００ｎｍの範囲を用いることが好ましい。３８０ｎｍより小さい波長の紫外域の光を含むと、紫外域対応の光学部品が必要となり高価となる。また８００ｎｍより大きい赤外域の光を含むと、熱をもつことから、被検査体や観察装置に対し悪影響を及ぼす危険性がある。光源の波長は、同様の観点からさらに好ましくは４００〜７５０ｎｍである。波長帯の選択は、光源装置内において、波長フィルターを設けて選択することが好ましい。

また、用いる波長又は波長帯により、欠陥の種類によって欠陥が顕在化され易い場合がある等の理由により、光の波長又は波長帯をさらに選択したい場合には、光源と被検査体の間、又は被検査体と観察装置との間に、波長フィルターを設けることもできる。

光源として、平行性が良好である光源を用いることにより欠陥の顕在化をより安定的にすることができる。しかも、高輝度（高照度）な光源を用いることによって、受光光学系に受光される光量が増えるため、観察可能なピンホールのサイズが広がる。また、観察可能な欠陥が、ハーフピンホールや薄膜の凹部などの欠陥まで広がる。

本発明は、高精度の結像光学系を備える欠陥検査装置に適する。高精度な欠陥検査には、高精度な結像光学系で検査することが必要だからである。本発明の欠陥検査装置は、焦点尤度が±０．１ｍｍより小さい高精度の結像光学系を備える欠陥検査装置に適し、焦点尤度が±０．０５ｍｍより小さい高精度の結像光学系を備える欠陥検査装置に適し、焦点尤度が±０．０３ｍｍより小さい高精度の結像光学系を備える欠陥検査装置に適し、焦点尤度が±０．０２ｍｍより小さい高精度の結像光学系を備える欠陥検査装置に適する。

高精度な欠陥検査には、高精度な焦点調整が必須となる。大型基板は高精度の基板垂直保持が難しく、０．０５°程度の傾きは発生する。この傾きは、１０００ｍｍ長では約０．９ｍｍのズレとなる。レーザー変位計と結像光学系の光軸が１００ｍｍ離れていると約０．０９ｍｍの測定誤差が発生する。高精度の結像光学系では焦点尤度が±０．０３ｍｍ程度のため、焦点がずれた状態（焦点尤度を超えた状態）での画像取得となり、大幅な欠陥検出力の低下が起こる可能性がある。この問題に対しては、次に説明するオートフォーカス機能で対応できる。

本発明の欠陥検査装置は、非点収差法を用いたオートフォーカス機能を有するものであることが好ましい。

図８は、非点収差法を説明するための模式図である。
非点収差法では一般的にシリンドリカルレンズ（円柱レンズ、かまぼこ形状のレンズ）を使用する。被検査体１の表面で反射され、４分割フォトディテクタ（ＰＤ）への戻り光路中にシリンドリカルレンズを挿入すると、シリンドリカルレンズは図のＸ軸方向にのみレンズ効果があるため、Ｘ軸方向の焦点位置とＹ軸方向の焦点位置がずれて非点収差が発生し、ビームの形状は光軸上の距離によって、１（縦長楕円）→２（円形）→３（横長楕円）のように変化する（図８の上方の図）。
ここで、上から時計回りにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに４分割されたフォトディテクタでビームを受光すると、１〜３それぞれの場合にＡ〜Ｄの入射光量のバランスが変化する。
１の場合、ＡおよびＣの入射光量が大きい（図８中の１の下方の図）。
２の場合、Ａ．Ｂ．Ｃ．Ｄの４つの入射光量が等しい。
３の場合、Ｂ及びＤの入射光量が大きい。

被検査体１の表面にレーザービームの焦点が合っているときに、４つの入射光量が等しくなり、ビームの形状が円形になるように光学系を調整しておけば、（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）の演算結果から、（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）＝０となるように結像光学系１００の位置を制御することにより、常に被検査体１の表面にレーザービームの焦点が合っている状態を保つことができる。（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）をフォーカスエラー信号（ＦＥ）という。結像光学系１００の位置は駆動機構（例えば、リニアモータステージ）により動かすことが可能で、高速かつ正確に制御することができる。
ＦＥ＞０の場合は、手前にフォーカスがずれている（被検査体１が近い）。
ＦＥ＝０の場合は、フォーカスが合っている（合焦）。
ＦＥ＜０の場合は、奥側にフォーカスがずれている（被検査体１が遠い）。

図９は、同軸オートフォーカスモジュールの構成を示す図である。
同軸オートフォーカスモジュールは、レーザー光源（レーザーダイオード）２１、絞り２２、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２３、１／４波長板２４、反射素子（プリズムミラー）２５、集光レンズ２６、シリンドリカルレンズ２７、４分割フォトディテクタ（光検出器）２８で構成される。

レーザー光源（レーザーダイオード）２１から発せられたレーザービームは、絞り２２を介して、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２３に入射され、その透過光は、１／４波長板２４を透過し、反射素子（プリズムミラー）２５に入射され、反射素子（プリズムミラー）２５で反射されて、結像光学系１００の光軸Ｏに沿って対物レンズ１１を透過し、被検査体１の表面に入射し、反射される。この反射光は、結像光学系１００の光軸Ｏに沿って対物レンズ１１を透過し、反射素子（プリズムミラー）２５に入射され、その反射光は、１／４波長板２４を透過し、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２３に入射され、その反射光が、集光レンズ２６、シリンドリカルレンズ２７を順次透過して、４分割フォトディテクタ２８に入射される。

本発明は、結像光学系と同軸の非点収差法を用いたオートフォーカス機能を有すると共に、オートフォーカス機能に用いるレーザービーム（参照光）の撮像素子への映り込みを回避した欠陥検査装置に適用することが好ましい。
図１０は、オートフォーカス機能に用いるレーザービームの撮像素子への映り込みを回避する手段を説明するための図である。
詳しくは、図１０（１）は、撮像カメラ（例えばＴＤＩカメラ）の結像光学系（対物レンズ）による被検査基板上の映像取得領域と被検査基板上のレーザービームのスポットとの位置関係を説明するための図である。図１０（１）は、映像取得領域を正面から見た図（対物レンズを通して見た図）である。
図１０（２）は、撮像素子（例えばＴＤＩセンサ）を含む受光平面における、撮像素子（例えばＴＤＩセンサ）領域と、レーザービームが被検査基板で反射され、その反射光が結像光学系を介して撮像素子（例えばＴＤＩセンサ）を含む受光平面上に結像する位置との位置関係を説明するための図である。図１０（２）は、受光平面を背面から見た図である。
ＴＤＩセンサは、ＣＣＤを横方向に一列に並べ、更に縦方向にもＣＣＤを複数列並べたものである。複数列のＣＣＤで得られた画像を積分露光することで、高い感度の画像を得ることができるようになる。

図１０に示すように、対物レンズで捉えられる被検査基板上の映像取得領域Ａと（図１０（１））、これに対応する、結像レンズで映し出される領域Ｂがある（図１０（２））。これらの領域は、結像光学系１００の視野の領域である。
本発明では、図１０（２）に示すように、結像レンズで映し出される領域Ｂの一部を使用する撮像素子Ｔを用いる。
そして、本発明では、図１０（１）に示すように、対物レンズで捉えられる被検査基板上の映像取得領域Ａのうちの撮像素子に対応する画像取得領域Ｔ’、を除く領域にレーザービームのスポットＳが位置するようにする。これにより、図１０（２）に示すように、撮像素子Ｔを除く領域にレーザービームのスポットの像Ｓ’が位置するようにした。
このように、例えば、図１０（１）に示すように、レーザービームのスポットＳの位置（レーザービームの集光位置）を、光軸Ｏから僅かにずらすことで（映像取得領域Ａの面上で平行移動させ画像取得領域Ｔ’の外にずらすことで）、レーザービームのスポットの像Ｓ’が撮像素子Ｔに映り込むことを回避する。

このためには、例えば、図９に示す同軸オートフォーカスモジュールにおいて、レーザー光源（レーザーダイオード）２１、または、反射素子（プリズムミラー）２５を、レーザービームが光軸Ｏを通る状態から、僅かに傾ける。
なお、「僅かに」とは、レーザービームのスポットの像Ｓ’が撮像素子Ｔに映り込むことを回避できる程度である。レーザービームのスポットの像Ｓ’は、フォーカスのずれに応じて拡大するので、それを考慮し、撮像素子に映り込むことや、撮像素子に影響を与えること（例えばノイズ）を回避できるようにする。また、レーザービームのスポットの像Ｓ’は、レーザー光源（レーザーダイオード）を置く位置やレーザー光源の太さ（ビームの径）に応じて大きさが変化するので、それを考慮し、撮像素子に映り込むことや、撮像素子に影響を与えること（例えばノイズ）を回避できるように、レーザー光源（レーザーダイオード）の配置や絞り２２を調整する。

本発明では、高い欠陥検出力が得られるが、これは、本発明に係る照明系、高ＮＡの光学系の適用、ＴＤＩカメラの適用、リアルタイムオートフォーカスの適用などの相乗効果による。
本発明では、上述したように、格段に優れたリング照明を用いることによって、３６０°全ての方向から同時に照明することが可能となり欠陥の方向性に依存しない欠陥検出が可能となることに加え、現状で提供されているリング照明を使用した場合に比べ、格段に安定した高い欠陥検出力が発揮でき、期待する効果が得られる。
本発明では、高精度の結像光学系（高ＮＡにより明るく高解像で焦点尤度が極小）を用いることによって、このような光学系を用いない場合に比べ、欠陥検出の精度が高精度であり、検出可能な欠陥サイズが相対的に小さくなる点で高精度である。
さらに、本発明では、ＴＤＩカメラの適用で高感度検査に対応できる。これに加え、本発明では、画像取得位置での極めて正確な焦点調整の適用で高感度検査に対応できる。
本発明では、本発明に係る照明系で照明しつつ、常にフォーカッシングしつつＴＤＩセンサでデータを取得することによって、ＴＤＩセンサでつくる２次元像の精度が向上する。これにより、欠陥検出精度の向上をより図ることが可能となる。
また、本発明では、ＴＤＩカメラの適用で高速検査に対応できる。これに加え、本発明では、リアルタイムオートフォーカス制御にて高速検査に対応できる。
本発明では、高精度の結像光学系（高ＮＡで明るく高解像で焦点尤度が極小）を用いた検査における上述した焦点尤度の問題を解消した点で、高精度の結像光学系を用いるが本願発明のリアルタイムオートフォーカスを用いない場合（この場合上記焦点尤度の問題のためピントが合わない場合がある）に比べ欠陥検出の精度が高精度である。
本発明では、リアルタイムオートフォーカスの適用により、画像取得位置での極めて正確な焦点調整が可能となり、基板姿勢に依存しない安定した高い欠陥検出力を発揮できる。

以下、実施例により、本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
［欠陥検査装置の製造］

図１に示す欠陥検査装置に、焦点尤度が±０．０２ｍｍのＴＤＩカメラを用い、図９に示す同軸オートフォーカスモジュールを組み込みんだ。ＴＤＩカメラの対物レンズの倍率は１倍、ＮＡは０．３とした。
基板の傾きは、図１のＸ軸方向に０．０５度であり、図１のＸ軸方向上で１００ｍｍ離れていると約０．０９ｍｍのＺ軸方向のずれが生じる。ＴＤＩカメラの走査の方向はＸ軸方向である。

照明手段は、図２で説明した照明手段３１および照明手段３２であるリング照明であって、図５で説明した表面側の反射の暗視野リング照明、図６で説明した裏面側の透過の暗視野リング照明、図１で説明したスポット照明手段３３のすべて装備した。

照明手段３１である反射の暗視野リング照明（表面側）は、３つの同心円のそれぞれの円に沿って、ＬＥＤを円環状に３重（３列）に配置した構成を有する（図２参照）。外側および内側のＬＥＤ円環列は、青色ＬＥＤ（波長４６５ｎｍ）を使用し、真ん中のＬＥＤ円環列は、オレンジ色ＬＥＤ（波長６１０ｎｍ）を使用した。
ＬＥＤの直径（サイズ）は超狭角３．１ｍｍとした。ＬＥＤ素子の配置個数は１２０素子とした。
図３に示すハウジングを用いた。照射角度αは２５°（暗視野照明）、ハウジングの外径Ｒ２は１２８ｍｍ、ハウジングの厚さｔは２０ｍｍとした。
照明手段３１である反射の暗視野リング照明（表面側）の作動距離ｄは、２５．０ｍｍとした。作動距離ｄは、ＬＥＤ照明の基板側の先端から基板表面までの距離である。

照明手段３２である透過の暗視野リング照明（裏面側）は、３つの同心円のそれぞれの円に沿って、ＬＥＤを円環状に３重（３列）に配置した構成を有する（図２参照）。外側、真ん中、内側の各ＬＥＤ円環列は、すべて青色ＬＥＤ（波長４６５ｎｍ）を使用した。
ＬＥＤの直径（サイズ）は超狭角３．１ｍｍとした。ＬＥＤ素子の配置個数は１２０素子とした。
図３に示すハウジングを用いた。照射角度αは３１°（暗視野照明）、ハウジングの外径Ｒ２は１２５ｍｍ、ハウジングの厚さｔは１９ｍｍとした。
照明手段３２である透過の暗視野リング照明（裏面側）の作動距離ｄは、２０．０ｍｍとした。作動距離ｄは、ＬＥＤ照明の基板側の先端から基板表面までの距離である。

スポット照明手段３３は、平行光のスポットライト（高輝度（高照度）なＬＥＤ光源）を使用し、青色ＬＥＤを使用した（図１参照）。

（比較例１）
比較例１では、現状で提供されている市販のリング照明を用いた。また、一般的なスポット照明手段を用いた。それ以外は、実施例１と同様とした。
ＬＥＤの直径（サイズ）は１２０ｍｍであった。ＬＥＤ素子の配置個数は１２０素子であった。照射角度αは概ね３０°であった。明視野光と暗視野光が含まれる複合照明となり、欠陥部分のコントラストが低下した。
スポット照明手段３３は、平行光でなく、高輝度（高照度）でないスポットライト（青色ＬＥＤ）を使用した。

（比較例２）
比較例１では、現状で提供されているリング照明に改良を加え簡易に作製したリング照明を用いた。また、一般的なスポット照明手段を用いた。それ以外は、実施例１と同様とした。
ＬＥＤの直径（サイズ）は１２０ｍｍであった。ＬＥＤ素子の配置個数は１２０素子であった。照射角度αは概ね２５°であった。明視野光と暗視野光が含まれる複合照明となり、欠陥部分のコントラストが低下した。
比較例２では、実施例１に比べ、見落とす欠陥が多く発生した。
スポット照明手段３３は、高輝度（高照度）だが、平行光でないスポットライト（青色ＬＥＤ）を使用した。

［欠陥検査］
実施例１、比較例１および比較例２の欠陥検査装置を用いて欠陥検査を行った。
ガラス基板を検査する際は、照明手段３１および照明手段３２を両方同時に使用した。
マスクブランク（薄膜付き基板）を検査する際は、照明手段３１、照明手段３２およびスポット照明手段３３の全てを同時に使用した。
レジスト付きマスクブランクを検査する際は、照明手段３１における真ん中のＬＥＤ円環列（オレンジ色ＬＥＤのみ）を使用した。

実施例１では、ガラス基板の検査において、キズ、異物、ガラス内部の異物や脈理などの光学的欠陥が非常によく検出でき、高い欠陥検出力が得られた。
比較例１では、欠陥検出がほとんどできなかった。
比較例２では、結像レンズ系の光軸近傍領域では高い欠陥検出力を確認したが、それ以外の視野領域では高い欠陥検出力は得られず、欠陥検出力が不十分で期待する効果が得られなかった。

実施例１では、マスクブランク（薄膜付き基板）の検査において、ピンホールや、明確なエッジを持たず散乱光の発生が少ないハーフピンホールや、散乱光の発生が少ない膜のへこみ（凹部）や、散乱光の発生が極めて少ない薄膜のなだらかな曲面の窪み（グラデェーション）などの検出を行うことができた。
比較例１では、欠陥検出がほとんどできなかった。
比較例２では、結像レンズ系の光軸近傍領域では高い欠陥検出力を確認したが、それ以外の視野領域では高い欠陥検出力は得られず、欠陥検出力が不十分で期待する効果が得られなかった。

薄膜上の異物に関しては、実施例１では、高い欠陥検出力が得られた。
比較例１では、欠陥検出がほとんどできなかった。
比較例２では、高い欠陥検出力は得られず、欠陥検出力が不十分で期待する効果が得られなかった。

実施例１では、レジスト付きマスクブランクを検査において、異物などの欠陥が非常によく検出でき、高い欠陥検出力が得られた。比較例２では、高い欠陥検出力は得られず、欠陥検出力が不十分で期待する効果が得られなかった。

（実施例２）
実施例２では、実施例１において同軸オートフォーカスモジュールを作動させなかった。それ以外は、実施例１と同様とした。
その結果、欠陥検出の出来る部分と出来ない部分の差が大きかった。

（実施例３）
実施例２では、実施例１において同軸オートフォーカスモジュールを作動させなかった。また、実施例１においてＴＤＩカメラの代わりにラインセンサを用いた。検査時間は実施例１の２０倍とした。それ以外は、実施例１と同様とした。
その結果、欠陥検出がほとんどできなかった。

（実施例４）
実施例４では、実施例１において、裏面側の透過の暗視野リング照明のみを点灯させた。
実施例４では、実施例１に比べ、異物の検出が劣っていた。

（実施例５）
実施例５では、実施例１において、表面側の反射の暗視野リング照明のみを点灯させた。
実施例５では、実施例１に比べ、キズ及びピンホールの検出が劣っていた。

なお、実施例４では、実施例５に比べ、得意とする欠陥の種類に差があった。
これは、散乱理論から言うと、前方散乱と後方散乱とでは、一般的には前方散乱の方がより強度が取れるからであり、透過の暗視野リング照明による基板の裏面側から入射し、透過される光は前方散乱になるからである。

（実施例６）
実施例６では、実施例１において、スポット照明手段のみを点灯させた。
実施例６では、実施例１に比べ、異物、ハーフピンホールの検出が劣っていた。

１ 被検査基板
１０ 撮像カメラ（例えばＴＤＩカメラ）
１１ 対物レンズ
１２ 結像レンズ
１３ 撮像素子
２０ オートフォーカスモジュール
３１ 照明手段
３２ 照明手段
３３ 照明手段
１００ 結像光学系
２００ 架台
３００ ヘッド部

Claims (10)

1. ガラス基板、マスクブランクおよびレジスト付きマスクブランクのいずれかからなる被検査体の欠陥検査が可能な欠陥検査装置であって、
   前記被検査体に存在した欠陥によって生じた散乱光を、欠陥検査のための光学系で受光し、受光した散乱光に基づいて欠陥を検出する欠陥検査装置であり、
   欠陥検査のための光学系と、欠陥検査のための照明系を有し、
   前記照明系は、複数のＬＥＤを円環状に配置するとともに、前記複数のＬＥＤの向きを前記光学系の焦点位置を中心とした領域に向けて配置することによって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記光学系の焦点位置を中心とした領域に集まるようにしたリング照明であり、
   前記被検査体の前記光学系の側に設置される前記リング照明であって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記被検査体表面に対して鋭角に照射され、前記被検査体からの反射光が、対物レンズに直接入らないように構成した反射の暗視野リング照明と、
   前記被検査体の前記光学系とは反対側に設置される前記リング照明であって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが基板裏面に対して鋭角に照射され、前記被検査体の内部を屈折を経て透過した透過光が、前記対物レンズに直接入らないようにした透過の暗視野リング照明と、
   を備えることを特徴とする欠陥検査装置。
2. ガラス基板、マスクブランクおよびレジスト付きマスクブランクのいずれかからなる被検査体の欠陥検査が可能な欠陥検査装置であって、
   前記被検査体に存在した欠陥によって生じた散乱光を、欠陥検査のための光学系で受光し、受光した散乱光に基づいて欠陥を検出する欠陥検査装置であり、
   欠陥検査のための光学系と、欠陥検査のための照明系を有し、
   前記照明系は、複数のＬＥＤを円環状に配置するとともに、前記複数のＬＥＤの向きを前記光学系の焦点位置を中心とした領域に向けて配置することによって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記光学系の焦点位置を中心とした領域に集まるようにしたリング照明であり、
   前記被検査体の前記光学系の側に設置される前記リング照明であって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記被検査体の表面に対して鋭角に照射され、前記被検査体からの反射光が、対物レンズに直接入らないように構成した反射の暗視野リング照明と、
   前記被検査体の前記光学系とは反対側に設置される前記リング照明であって、前記複数のＬＥＤによるスポット光のそれぞれが前記被検査体の裏面に対して鋭角に照射され、前記被検査体の内部を屈折を経て透過した透過光が、前記対物レンズに直接入らないようにした透過の暗視野リング照明と、
   前記被検査体の前記光学系とは反対側に設置される照明であって、前記光学系の光軸と同軸の透過のスポット照明と、
   を備えることを特徴とする欠陥検査装置。
3. 前記光学系の光軸と、前記リング照明における円環の中心軸とを一致させ、同軸としたことを特徴とする請求項１または２記載の欠陥検査装置。
4. 対物レンズ、結像レンズおよび撮像素子を備える結像光学系を有し、
   前記撮像素子はＴＤＩセンサであり、
   前記結像光学系は、ＴＤＩカメラを含み、
   前記被検査体とＴＤＩカメラとを、一定速度で一定方向に相対的に移動させる手段を有し、
   前記被検査体上の撮像領域の移動方向および速度とＴＤＩセンサにおけるＣＣＤの電荷転送の方向および速度を合わせることで、ＣＣＤの垂直段の数だけ前記撮像領域を繰り返し露光し撮影する手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の欠陥検査装置。
5. 前記欠陥検査装置は、焦点尤度が±０．１ｍｍより小さい高精度の結像光学系を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の欠陥検査装置。
6. 前記対物レンズを利用し、レーザービームを用いて、オートフォーカス手段を構築すると共に、
   前記オートフォーカス手段に用いる前記レーザービームの前記撮像素子への映り込みを回避する手段を有することを特徴とする請求項４に記載の欠陥検査装置。
7. 前記照明系に使用する前記ＬＥＤは、青色ＬＥＤ（波長：４６５ｎｍ）、黄色ＬＥＤ（波長：５９２ｎｍ）、オレンジ色ＬＥＤ（波長：６１０ｎｍ）から選択されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の欠陥検査装置。
8. 前記反射の暗視野リング照明に使用する前記ＬＥＤは、青色ＬＥＤ（波長：４６５ｎｍ）と、黄色ＬＥＤ（波長：５９２ｎｍ）またはオレンジ色ＬＥＤ（波長：６１０ｎｍ）であって、前記透過の暗視野リング照明に使用する前記ＬＥＤは青色ＬＥＤ（波長：４６５ｎｍ）であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の欠陥検査装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の欠陥検査装置を使用し、前記被検査体を検査することを特徴とする欠陥検査方法。
10. 前記被検査体の種類によって、前記反射の暗視野リング照明に使用する前記ＬＥＤ、および前記透過の暗視野リング照明に使用する前記ＬＥＤを適宜選択して前記被検査体を検査することを特徴とする請求項９に記載の欠陥検査方法。
    

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