WO2022162881A1

WO2022162881A1 - 欠陥検査装置

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Publication number: WO2022162881A1
Application number: PCT/JP2021/003285
Authority: WO
Inventors: 大路山川; 敏文本田; 雄太浦野; 俊一松本; 雅也山本; 英司有馬
Original assignee: 株式会社日立ハイテク
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-08-04
Also published as: US20240096667A1

Abstract

試料表面に対して検出光学系の光軸が傾斜しており、撮像センサの受光面の長軸が前記試料表面の照明スポットと共役の位置に一致するように前記検出光学系の光軸に対して傾斜した欠陥検査装置において、高さ測定ユニットの出力を基に、前記試料の表面の法線方向への前記照明スポットの高さ変動量を演算し、前記照明スポットの高さ変動量を基に、前記照明スポットの高さ変動に伴って生じる前記検出光学系の光軸方向への前記受光面に対する前記合焦位置のずれ量を演算し、前記合焦位置のずれ量を基に前記フォーカスアクチュエータを制御し、前記合焦位置を前記撮像センサの受光面に合わせ、複数の前記撮像センサから出力された前記光学像についての複数のデータセット間、又は前記照明スポットを走査したときに同一の前記撮像センサから出力された前記光学像についての複数のデータセット間で、前記試料の同一座標の散乱光強度同士を加算するように構成する。

Description

欠陥検査装置

　本発明は、半導体ウェハ基板等の試料の表面の微小な欠陥を検査する光学式の欠陥検査装置に関し、特に照明光学系及び検出光学系が試料面に対して傾斜した欠陥検査装置に係る。

　半導体基板や薄膜基板等の製造ラインにおいて、製品の歩留りの維持又は向上のため、製品の表面に存在する欠陥の検査が行われる。微小な欠陥を光学的に検出するためには、欠陥に対して大光量の照明を照射し、欠陥で発生する少量の散乱光をできるだけ多く捕捉して、センサの受光面に結像させる必要がある。

　特許文献１では、欠陥で発生する散乱光を検出するために試料面に対して傾斜した方向に検出光学系を複数配置し、試料面の線状の照明スポットの像を各検出光学系のセンサに結像して欠陥判定を行っている。但し、線状の照明スポットの像を斜方から検出するように検出光学系を配置すると、照明スポットの部位により作動距離（検出光学系と照明スポットとの距離）に差が生じる。その結果、照明スポットの全部が焦点深度に収まらない場合、センサに結像する像の解像度が低下する。これを抑制するために、同文献では、試料に対する検出光学系の光軸の傾きに応じて、センサの受光面と試料面とが共役となるように検出光学系の光軸に対してセンサを傾斜させることが記載されている（段落００４２）。

特開２００７-０３３４３３号公報

　特許文献１に開示されている方法では、検査中に生じる試料面の高さ変動が検査結果に大きく影響する。検査中に試料は数千ＲＰＭ（Rotation Per Minute）という高速で回転しており、試料の反り、気流、試料ステージのチャックや回転軸の振れにより試料の位置が高さ方向、つまり試料面に交差する方向に変動する。このような高さ変動は、最高で試料の回転周期と同じ周波数で生じる。試料の高さに変動が生じると、検出光学系の焦点から試料面が外れて像の解像度が低下し、像が画素からはみ出してセンサが出力する信号が低下する。

　本発明の目的は、検出光学系の光軸が試料面に対して傾斜した欠陥検査装置において、試料面の高さ変動に起因する解像度の低下を抑制することにある。

　上記目的を達成するために、本発明は、試料を支持する試料台と、長軸を持つ照明スポットを前記試料の表面に形成する照明光学系と、前記試料の表面からの前記照明スポットの散乱光を集光する検出光学系と、複数の画素を持ち、前記検出光学系により受光面に結像された前記照明スポットの光学像の散乱光強度のデータセットを出力する撮像センサと、前記試料の高さを測定する高さ測定ユニットと、前記検出光学系による前記光学像の合焦位置を前記撮像センサの受光面に対し相対移動させるフォーカスアクチュエータと、前記高さ測定ユニットの出力に応じて前記フォーカスアクチュエータを制御するコンピュータとを備え、前記検出光学系は、前記試料の表面に対して光軸が傾斜しており、前記撮像センサは、前記受光面の長軸が前記照明スポットと共役の位置に一致するように前記検出光学系の光軸に対して傾斜しており、前記コンピュータは、前記高さ測定ユニットの出力を基に、前記試料の表面の法線方向への前記照明スポットの高さ変動量を演算し、前記照明スポットの高さ変動量を基に、前記照明スポットの高さ変動に伴って生じる前記検出光学系の光軸方向への前記受光面に対する前記合焦位置のずれ量を演算し、前記合焦位置のずれ量を基に前記フォーカスアクチュエータを制御し、前記合焦位置を前記撮像センサの受光面に合わせ、複数の前記撮像センサから出力された前記光学像についての複数のデータセット間、又は前記照明スポットを走査したときに同一の前記撮像センサから出力された前記光学像についての複数のデータセット間で、前記試料の同一座標の散乱光強度同士を加算するように構成されている欠陥検査装置を提供する。

　本発明によれば、照明光学系及び検出光学系が試料面に対して傾斜した欠陥検査装置において、試料面の高さ変動に起因する解像度の低下を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る欠陥検査装置の一構成例の概略図図１に示した欠陥検査装置における走査装置による試料の走査軌道を表した模式図試料の走査軌道の他の例を表した模式図図１に示した欠陥検査装置に備わったアッテネータを抜き出して表した模式図図１に示した欠陥検査装置において照明光学系により斜方から試料面に導かれる照明光の光軸と照明強度分布形状との関係を表す模式図図１に示した欠陥検査装置において照明光学系により斜方から試料面に導かれる照明光の光軸と照明強度分布形状との関係を表す模式図図１に示した欠陥検査装置に備わった検出光学系（傾斜光学系）及び撮像センサの構成を表す模式図図１に示した欠陥検査装置に備わった検出光学系（傾斜光学系）及び撮像センサの構成を表す模式図図１に示した欠陥検査装置に備わった検出光学系（垂直光学系）の構成を表す模式図図９におけるＸ－Ｘ線による矢視図図１に示した高さ測定ユニットＦで試料面高さ変動を測定する原理の説明図高さ測定ユニットの他の例の説明図高さ測定ユニットの更に他の例の説明図図１に示した欠陥検査装置における試料と検出光学系（傾斜光学系）の立体的な配置の概略図図１に示した欠陥検査装置に備わった撮像センサの断面図反射防止膜の特性の一例を示すグラフ試料面の照明スポットの高さに変動に伴う撮像センサの受光面に沿った光学像の変位方向の説明図試料面の照明スポットの高さに変動に伴う撮像センサの受光面に沿った光学像の変位方向の説明図本発明の第１実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図本発明の第２実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図本発明の第３実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図本発明の第４実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図本発明の第５実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図本発明の第６実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図

　以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
以下の実施形態で本発明の適用対象として説明する欠陥検査装置は、例えば半導体等の製造工程の間で実施する試料（ウェハ）の表面の欠陥検査に使用される。各実施形態に係る欠陥検査装置によれば、微小欠陥の検出、欠陥の個数・位置・寸法・種類に関するデータの取得の処理を高速に行うことができる。

　（第１実施形態）
　－欠陥検査装置－
　図１は本実施形態に係る欠陥検査装置１００の一構成例の概略図である。本実施形態に係る欠陥検査装置１００は試料１を検査対象とし、この試料１の表面（以下、試料面と記載する）の異物や凹み等の欠陥、特に検査目的に応じた種類の欠陥を検出する。試料１としては、パターンが形成されていない平坦な表面を持つ円板状の半導体シリコンウェハが代表例として挙げられる。欠陥検査装置１００は、ステージＳＴ、照明光学系Ａ、検出光学系Ｂ１－Ｂｎ（ｎ＝１，２…）、撮像センサＣ１－Ｃｎ，Ｃ３’（ｎ＝１，２…）、高さ測定ユニットＦ、信号処理装置Ｄ、制御装置Ｅ１、ユーザインターフェースＥ２、モニタＥ３を含んでいる。信号処理装置Ｄ及び制御装置Ｅ１はコンピュータであり、高さ測定ユニットＦの出力に応じてフォーカスアクチュエータ（本実施形態では後述するアクチュエータＧ）を制御する。信号処理装置Ｄ及び制御装置Ｅ１を異なるコンピュータで構成しても良いし、単一のコンピュータを兼用した構成としても良い。

　－ステージ－
　ステージＳＴは、試料台ＳＴ１と走査装置ＳＴ２を含んで構成されている。試料台ＳＴ１は試料１を支持する台である。走査装置ＳＴ２は、試料台ＳＴ１を駆動して試料１と照明光学系Ａの相対位置を変化させる装置であり、並進ステージ、回転ステージ、Ｚステージを含んで構成されている。並進ステージにＺステージを介して回転ステージが支持され、回転ステージに試料台ＳＴ１が支持された構成である。並進ステージは回転ステージと共に水平方向に並進移動し、回転ステージが上下に延びる軸を中心にして回転する。Ｚステージは、試料面の高さ調整の機能を果たす。

　図２は走査装置ＳＴ２による試料１の走査軌道を表した模式図である。後述するが、照明光学系Ａから出射される照明光により試料面に照射される照明スポットＢＳは、同図に示すように一方向に長い照明強度分布を持つ。照明スポットＢＳの長軸方向（試料台ＳＴ１の半径方向）をＳ２、長軸にほぼ直交する方向（試料台ＳＴ１の回転軸を中心とする円周方向）をＳ１とする。回転ステージの回転に伴って試料１が回転し、照明スポットＢＳが試料面に相対して方向Ｓ１に走査される。また、並進ステージの並進に伴って試料１が水平方向に移動し、照明スポットＢＳが試料面に相対して方向Ｓ２に走査される。走査装置ＳＴ２の動作により試料１が回転しながら並進移動することで、図２に示すように試料１の中心から外縁まで螺旋状の軌跡を描いて照明スポットＢＳが移動して試料１の全表面が走査される。照明スポットＢＳは、試料１が１回転する間に照明スポットＢＳの方向Ｓ２の長さ以下の距離だけ方向Ｓ２へ移動する。

　なお、並進ステージの移動軸と水平面内で交わる方向に移動軸を延ばしたもう１つの並進ステージを回転ステージに代えて備えた構成の走査装置を適用することもできる。この場合、図３に示したように、照明スポットＢＳは螺旋軌道ではなく直線軌道を折り重ねて試料面を走査する。具体的には、第１の並進ステージを方向Ｓ１に定速で並進駆動し、第２の並進ステージを所定距離（例えば照明スポットＢＳの方向Ｓ２の長さ以下の距離）だけ方向Ｓ２に駆動した後、再び第１の並進ステージを方向Ｓ１に折り返して並進駆動する。こうして照明スポットＢＳが方向Ｓ１への直線走査と方向Ｓ２への移動を繰り返すことで、試料１の全表面を走査する。この走査方式に比べ、図２に示した螺旋走査方式は往復動作を伴わないので短時間で試料の検査を実行する上で有利である。

　－照明光学系－
　図１に示した照明光学系Ａは、試料台ＳＴ１に載せた試料１に所望の照明光を照射するために複数の光学素子を含んで構成された光学ユニットであり、長軸を持つ一方向（方向Ｓ２）に長い照明スポットＢＳを試料面に形成する。この照明光学系Ａは、図１に示したように、レーザ光源Ａ１、アッテネータＡ２、出射光調整ユニットＡ３、ビームエキスパンダＡ４、偏光制御ユニットＡ５、集光光学ユニットＡ６、反射ミラーＡ７－Ａ９等を備えている。

　・レーザ光源
　レーザ光源Ａ１は、照明光としてレーザビームを出射するユニットである。レーザ光源Ａ１が出射するレーザビームの直径は、代表的には１ｍｍ程度である。欠陥検査装置１００で試料面近傍の微小な欠陥を検出する場合、試料１の内部に浸透し難い短波長（例えば波長３５５ｎｍ以下）の紫外又は真空紫外で出力２Ｗ以上の高出力のレーザビームを発振するものがレーザ光源Ａ１として用いられる。本実施形態では、例えば波長２６６ｎｍのレーザビームが適用されるが、波長２００－３８０ｎｍの近紫外線、又は波長１０－２００ｎｍの真空紫外線から、目的に応じた波長のレーザビームを使用することができる。また、欠陥検査装置１００で試料１の内部の欠陥を検出する場合、波長が長く試料１の内部に浸透し易い可視又は赤外のレーザビームを発振するものがレーザ光源Ａ１として用いられる。

　・アッテネータ
　図４はアッテネータＡ２を抜き出して表した模式図である。アッテネータＡ２はレーザ光源Ａ１からの照明光の光強度を減衰させるユニットであり、本実施形態では、第１偏光板Ａ２１、１／２波長板Ａ２２、第２偏光板Ａ２３を組み合わせた構成を例示している。１／２波長板Ａ２２は、照明光の光軸周りに回転可能に構成されている。アッテネータＡ２に入射した照明光は、第１偏光板Ａ２１で直線偏光に変換された後、１／２波長板Ａ２２の遅相軸方位角に偏光方向が調整されて第２偏光板Ａ２３を通過する。１／２波長板Ａ２２の方位角調整により、照明光の光強度が任意の比率で減衰されるようにすることができる。アッテネータＡ２に入射する照明光の直線偏光度が十分に高い場合は、第１偏光板Ａ２１は省略可能である。アッテネータＡ２は入力信号と減光率との関係が事前に較正されたものを用いる。なお、アッテネータＡ２としては、図４に例示した構成に限らず、グラデーション濃度分布を持つＮＤ（Neutral Density）フィルタを用いて構成することもできる。この場合、濃度の異なる複数のＮＤフィルタの組み合わせにより減衰効果が調整可能である。

　・出射光調整ユニット
　図１に示した出射光調整ユニットＡ３は、アッテネータＡ２で減衰した照明光の光軸の角度を調整するユニットであり、本実施形態では複数の反射ミラーＡ３１，Ａ３２を含んで構成されている。反射ミラーＡ３１，Ａ３２で照明光を順次反射する構成であるが、本実施形態では、反射ミラーＡ３１に対する照明光の入射・出射面が、反射ミラーＡ３２に対する照明光の入射・出射面に直交するように構成されている。

　入射・出射面とは、反射ミラーに入射する光軸と反射ミラーから出射される光軸を含む面である。例えば三次元のＸＹＺ直交座標系を定義し、反射ミラーＡ３１に＋Ｘ方向に照明光が入射するとした場合、模式的な図１とは異なるが、例えば照明光は反射ミラーＡ３１で＋Ｙ方向に、その後反射ミラーＡ３２で＋Ｚ方向に変向する。反射ミラーＡ３１に対する照明光の入射・出射面がＸＹ平面、反射ミラーＡ３２に対する入射・出射面がＹＺ平面となる例である。

　反射ミラーＡ３１，Ａ３２には、反射ミラーＡ３１，Ａ３２をそれぞれ並進移動させる機構（不図示）及びチルトさせる機構（不図示）が備わっている。反射ミラーＡ３１，Ａ３２は、例えば自己に対する照明光の入射方向又は出射方向に平行移動し、また入射・出射面との法線周りにチルトする。これにより、例えば出射光調整ユニットＡ３から＋Ｚ方向に出射する照明光の光軸について、ＸＺ平面内におけるオフセット量及び角度と、ＹＺ面内におけるオフセット量及び角度とを独立して調整することができる。本例では２枚の反射ミラーＡ３１，Ａ３２を使用した構成を例示しているが、３枚以上の反射ミラーを用いた構成としても構わない。

　・ビームエキスパンダ
　ビームエキスパンダＡ４は、入射する照明光の光束直径を拡大するユニットであり、複数のレンズＡ４１，Ａ４２を有する。レンズＡ４１として凹レンズ、レンズＡ４２として凸レンズを用いたガリレオ型をビームエキスパンダＡ４の一例として挙げることができる。ビームエキスパンダＡ４にはレンズＡ４１，Ａ４２の間隔調整機構（ズーム機構）が備わっており、レンズＡ４１，Ａ４２の間隔を調整することで光束直径の拡大率が変わる。ビームエキスパンダＡ４による光束直径の拡大率は例えば５－１０倍程度であり、この場合、レーザ光源Ａ１から出射した照明光のビーム径が１ｍｍであるとすると、照明光のビーム系が５－１０ｍｍ程度に拡大される。ビームエキスパンダＡ４に入射する照明光が平行光束でない場合、レンズＡ４１，Ａ４２の間隔調整によって光束直径と併せてコリメート（光束の準平行光化）も可能である。但し、光束のコリメートについては、ビームエキスパンダＡ４の上流にビームエキスパンダＡ４とは別個にコリメートレンズを設置して行う構成としても良い。

　なお、ビームエキスパンダＡ４は、２軸（２自由度）以上の並進ステージに設置され、入射する照明光と中心が一致するように位置調整ができるように構成されている。また、入射する照明光と光軸が一致するように、ビームエキスパンダＡ４には２軸（２自由度）以上のあおり角調整機能も備わっている。

　・偏光制御ユニット
　偏光制御ユニットＡ５は照明光の偏光状態を制御する光学系であり、１／２波長板Ａ５１及び１／４波長板Ａ５２を含んで構成されている。例えば、後述する反射ミラーＡ７を光路に入れて斜入射照明を行う場合、偏光制御ユニットＡ５により照明光をＰ偏光とすることで、Ｐ偏光以外の偏光に比べて試料面上の欠陥からの散乱光量が増加する。試料自体の表面の微小な凹凸からの散乱光（ヘイズと称する）が微小欠陥の検出の妨げとなる場合には、照明光をＳ偏光とすることで、Ｓ偏光以外の偏光と比べてヘイズを減少させることができる。偏光制御ユニットＡ５により照光を円偏光やＰ偏光とＳ偏光の中間の４５度偏光にすることも可能である。

　・集光光学ユニット
　集光光学ユニットＡ６は、照明光を集光して強度分布を調整するユニットであり、非球面レンズ、回折光学素子、シリンドリカルレンズアレイ、ライトパイプ等の光学素子を含んで構成されている。集光光学ユニットＡ６を構成する光学素子は図１に示されるように、照明光の光軸に垂直に設置される。

　・反射ミラー
　図１に示したように、反射ミラーＡ７は、駆動機構（不図示）により矢印方向に平行移動して試料１に向かう照明光の光路から出入りし、試料１に対する照明光の入射経路を切り替えることができる。反射ミラーＡ７を光路に挿入することで、上記の通り偏光制御ユニットＡ５から出射した照明光は、反射ミラーＡ７で反射されて集光光学ユニットＡ６及び反射ミラーＡ８を介し試料１に斜めに入射する。他方、反射ミラーＡ７を光路から外すと、偏光制御ユニットＡ５から出射した照明光は、反射ミラーＡ９、偏光ビームスプリッタＢｍ、偏光制御ユニットＢｌ、反射ミラーＢｋ、検出光学系Ｂ３を介して試料１に垂直に入射する。

　図５及び図６は照明光学系Ａにより斜方から試料面に導かれる照明光の光軸と照明強度分布形状との関係を表す模式図である。図５は試料１に入射する照明光の入射面で試料１を切断した断面を模式的に表している。図６は試料１に入射する照明光の入射面に直交し試料面の法線を含む面で試料１を切断した断面を模式的に表している。入射面とは、試料１に入射する照明光の光軸ＯＡ１と試料面の法線とを含む面である。なお、図５及び図６では照明光学系Ａの一部を抜き出して表しており、例えば出射光調整ユニットＡ３や反射ミラーＡ７，Ａ８は図示省略してある。

　反射ミラーＡ７を光路に挿入した場合、レーザ光源Ａ１から射出された照明光は、集光光学ユニットＡ６で集光されて所望の強度分布に調整され、反射ミラーＡ８で反射されて試料１に斜めに入射する。このように照明光学系Ａは、試料面の法線に対し傾斜した方向から試料１に照明光を入射させることができるように構成されている。この斜入射照明は、アッテネータＡ２で光強度、ビームエキスパンダＡ４で光束直径、偏光制御ユニットＡ５で偏光、集光光学ユニットＡ６で強度分布をそれぞれ調整されて、入射面内において照明強度分布が均一化される。図５に示した照明強度分布（照明プロファイル）ＬＤ１のように、試料１に形成される照明スポットは、方向Ｓ２にガウス状の光強度分布を持つ。ピークの１３．５％で定義される方向Ｓ２のビーム幅Ｌ１は、例えば５μｍから４ｍｍ程度である。

　入射面と試料面に直交する面内では、図６に示した照明強度分布（照明プロファイル）ＬＤ２のように、照明スポットは光束の中心に対して周辺の強度が弱い光強度分布を持つ。具体的には、集光光学ユニットＡ６に入射する光の強度分布を反映したガウス分布、又は集光光学ユニットＡ６の開口形状を反映した第一種第一次のベッセル関数若しくはｓｉｎｃ関数に類似した強度分布となる。入射面と試料面に直交する面内における照明強度分布の長さＬ２は、試料面から発生するヘイズを低減するため図５に示したビーム幅Ｌ１より短く、例えば１．０μｍから１０μｍ程度に設定されている。この照明強度分布の長さＬ２は、入射面と試料面に直交する面内において最大照明強度の１３．５％以上の照明強度を持つ領域の長さである。

　また、斜入射照明の試料１に対する入射角（試料面の法線に対する入射光軸の傾き角）は、反射ミラーＡ７，Ａ８の位置と角度で微小な欠陥の検出に適した角度に調整される。反射ミラーＡ８の角度は調整機構Ａ８１で調整される。例えば試料１に対する照明光の入射角が大きいほど（試料面と入射光軸とのなす角である照明仰角が小さいほど）、試料面の微小な異物からの散乱光に対してノイズとなるヘイズが弱まるため微小な欠陥の検出に適する。微小欠陥の検出に対するヘイズの影響を抑える観点では、照明光の入射角は例えば７５度以上（仰角１５度以下）に設定するのが好ましい。他方、斜入射照明では照明入射角が小さいほど微小な異物からの散乱光の絶対量が増すため、欠陥からの散乱光量の増加を狙う観点では、照明光の入射角は例えば６０度以上７５度以下（仰角１５度以上３０度以下）に設定するのが好ましい。

　－検出光学系－
　検出光学系Ｂ１－Ｂｎ（ｎ＝１，２…）は試料面からの照明スポットＢＳの散乱光を集光する光学ユニットであり、集光レンズ（対物レンズ）を含む複数の光学素子を含んで構成されている。検出光学系Ｂｎのｎは検出光学系の数を表している。検出光学系Ｂ１－Ｂｎの各対物レンズは試料１に対する照明スポットＢＳを中心とする球（天球）の上半分の半球面に沿って配置されている。検出光学系Ｂ１－Ｂｎに入射した散乱光が、それぞれ集光されて対応する撮像センサＣ１－Ｃｎに導かれる。なお、本実施形態において、検出光学系Ｂ３に入射した散乱光は、反射ミラーＢｋで光路分岐され、撮像センサＣ３の他、撮像センサＣ３’にも導かれる。

　・傾斜光学系
　図７及び図８は検出光学系Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４－Ｂｎ及び撮像センサＣ１，Ｃ２，Ｃ４－Ｃｎの構成を表す模式図である。つまり、試料面に対して光軸が傾斜した検出光学系の模式図である。図７は検出光学系に入射する散乱光が試料１で反射する反射面で検出光学系を切断した断面（図１の－Ｙ方向に見た図）を模式的に表している。図８は反射面に沿って検出光学系の光軸に交差する方向から検出光学系を見た模式図（図１の－Ｚ方向に見た図）である。反射面とは、検出光学系に入射する散乱光の光軸ＯＡ２と試料面の法線とを含む面である。以下、試料面に対して光軸ＯＡ２が傾斜した検出光学系Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４－Ｂｎ及び撮像センサＣ１，Ｃ２，Ｃ４－Ｃｎを、「検出光学系Ｂ１…」、「撮像センサＣ１…」と略記する。

　図７及び図８に示したように、検出光学系Ｂ１…は、作動距離が変化しても撮影倍率が変化しないように構成された両側テレセントリック光学系である。検出光学系Ｂ１…は、その光軸ＯＡ２に沿って、集光レンズ（対物レンズ）Ｂａ、１／２波長板Ｂｂ、偏光ビームスプリッタＢｃ、１／２波長板Ｂｄ、シリンドリカルレンズＢｅ，Ｂｆ、結像レンズＢｇを備えている。検出光学系Ｂ１…に入射した照明散乱光は撮像センサＣ１に導かれる。検出光学系Ｂ１…はまた、偏光ビームスプリッタＢｃが分離した光の進行方向にビームディフューザＢｈを備えている。

　検出光学系Ｂ１…では、集光レンズＢａで照明散乱光を集光し、１／２波長板Ｂｂでその偏光方向を制御する。１／２波長板Ｂｂはアクチュエータ（不図示）により回転可能である。１／２波長板Ｂｂを通過した光は、偏光ビームスプリッタＢｃにより偏光に応じて光路が分岐される。１／２波長板Ｂｂと偏光ビームスプリッタＢｃの組み合わせにより、試料１の欠陥を示す光信号と、試料１の欠陥検出を阻害する光信号（試料面からのラフネス散乱光）とを分離し易くしてある。偏光ビームスプリッタＢｃを通過した光は、１／２波長板Ｂｄにより撮像センサＣ１における検出に適した偏光方向に制御される。他方、偏光ビームスプリッタＢｃで光路分岐された光は、迷光にならないようにビームディフューザＢｈで減衰される。

　１／２波長板Ｂｄを通過した光は、シリンドリカルレンズＢｅ，Ｂｆにより断面形状を調整される。シリンドリカルレンズＢｅ，Ｂｆは、シリンドリカルビームエキスパンダを構成し、撮像センサＣ１の受光面に結像する光学像ＯＩの短手方向γの広がりが、光学像ＯＩの長手方向δの広がりよりも小さく調整される。撮像センサＣ１の受光面は、長手方向δにおいては試料面に照射された照明スポットＢＳと共役の位置に一致しているのに対し、短手方向γにおいては照明スポットＢＳと必ずしも共役ではない。しかし、受光面の短手方向γは光学像ＯＩの短手方向に一致しており、シリンドリカルレンズＢｅ，Ｂｆにより光学像ＯＩの短手方向γの像高（幅）を抑えることで、短手方向γに焦点ずれはほとんど発生しない。こうしてシリンドリカルレンズＢｅ，Ｂｆで断面形状を調整された光束は、結像レンズＢｇを介して撮像センサＣ１に導かれ、撮像センサＣ１の複数画素に照明スポットＢＳの光学像ＯＩが結像する。撮像センサＣ１の各画素で光電変換された光学像の検出信号は、信号処理装置Ｄに出力される。

　このように、検出光学系Ｂ１－Ｂｎは、照明光学系Ａが試料１に照射した照明スポットＢＳの散乱光を集光し、入射した散乱光の偏光状態を制御して、対応する撮像センサＣ１－Ｃｎの受光面に照明スポットＢＳの光学像を形成する。

　・垂直光学系
　図９は試料１から法線方向に出射する散乱光が入射する検出光学系Ｂ３の構成図、図１０は図９におけるＸ－Ｘ線による矢視図である。検出光学系Ｂ３は、集光レンズ（対物レンズ）Ｂｉと結像レンズＢｊとを含んで構成されており、集光レンズＢｉで集光した散乱光を結像レンズＢｊで撮像センサＣ３に導く。この検出光学系Ｂ３には、集光レンズＢｉ及び結像レンズＢｊの間の自己の瞳の位置に反射ミラーＢｋが配置されている。反射ミラーＡ７を光路から外した落射照明の際には、反射ミラーＢｋを介して照明光が試料１に法線方向から入射する。このように、検出光学系Ｂ３の集光レンズＢｉは落射照明を試料１に導く集光レンズを兼ねる。

　その一方で、反射ミラーＢｋは、斜入射照明又は落射照明による照明スポットＢＳから検出光学系Ｂ３に入射した散乱光の一部の光路を分岐する役割も果たす。照明スポットＢＳが方向Ｓ２に長い線状の強度分布を持つことは前述した。反射ミラーＢｋは、図１０に示したように撮像センサＣ３から見て線状の照明スポットＢＳの短軸方向（方向Ｓ１）に照明スポットＢＳより長く、照明スポットＢＳの長軸方向（方向Ｓ２）に照明スポットＢＳより短い。これにより、試料１から検出光学系Ｂ３に入射して反射ミラーＢｋに干渉しない散乱光は結像レンズＢｊを介して撮像センサＣ３に入射し、反射ミラーＢｋに干渉する散乱光は反射ミラーＢｋで反射する。

　試料１から検出光学系Ｂ３に入射して反射ミラーＢｋで反射した散乱光は、偏光制御ユニットＢｌ、偏光ビームスプリッタＢｍ、結像レンズＢｏを介して撮像センサＣ３’に導かれる。偏光制御ユニットＢｌは、偏光制御ユニットＡ５と同様、１／４波長板Ｂｌ１、１／２波長板Ｂｌ２を含んでおり、反射ミラーＢｋから入射した照明散乱光を任意の偏光に調整することができる。斜入射照明時には、反射ミラーＢｋで反射した照明散乱光が偏光ビームスプリッタＢｍを透過して結像レンズＢｏに入射するように、偏光ビームスプリッタＢｍに入射する照明散乱光の偏光が偏光制御ユニットＢｌの１／４波長板Ｂｌ１で直線偏光に制御される。また、反射ミラーＡ７を光路から外した落射照明の条件下において、試料１に向かって進行する照明光が任意方向の偏光（例えば円偏光）で検出光学系Ｂ３に入射するように、偏光制御ユニットＢｌで照明光の偏光を制御することができる。

　－撮像センサ－
　撮像センサＣ１－Ｃｎは、複数の画素を一列（アレイ状）に並べた受光面を持つラインであり、それぞれ検出光学系Ｂ１－Ｂｎに対応している。これら撮像センサＣ１－Ｃｎには、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）センサ又はＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサが用いられる。撮像センサＣ１－Ｃｎは、対応する検出光学系により受光面に結像された照明スポットＢＳの光学像を光電変換して所定のサンプリングを行い、アナログの電気信号をデジタルデータに変換し、光学像の散乱光強度のデータセットとして信号処理装置Ｄに出力する。

　本実施形態においては、撮像センサＣ１－Ｃｎの受光面は、対応する検出光学系の光軸ＯＡ２の試料面に対する傾斜に応じて光軸ＯＡ２に対して傾斜しており（後述）、試料面に照射された照明スポットＢＳと共役の位置に受光面の長軸が一致している。但し、照明スポットＢＳに対して試料面の法線方向に正対する撮像センサＣ３は除かれる。撮像センサＣ３の受光面は、検出光学系Ｂ３の光軸ＯＡ２に直交している。撮像センサＣ１－Ｃｎは、各々受光面の長軸（長手方向に延びる中心線）と照明スポットＢＳの光学像ＯＩ（図７）の長軸とが平行になるように配置され、画素をアレイ状に配置して構成した一次元の受光面に照明スポットＢＳの全部が収まるようになっている。

　また、欠陥検査装置１００には、撮像センサＣ１－Ｃｎを移動させるアクチュエータＧが、撮像センサＣ１－Ｃｎ毎に備わっている。アクチュエータＧには、例えばピエゾアクチュエータを用いることができ、対応するセンサを応答良くシフトさせることができ、対応するセンサを三次元的に例えば平行移動させることができる。本実施形態において、このアクチュエータＧは、対応する検出光学系による光学像の合焦位置を、対応する撮像センサの受光面に対し相対移動させるフォーカスアクチュエータの役割を果たす。

　なお、検出光学系Ｂ３で集光した散乱光の一部は、前述した通り撮像センサＣ３に加えて撮像センサＣ３’にも導かれる。撮像センサＣ３’には、二次元のＣＣＤ撮像センサ、ＣＭＯＳ撮像センサ、又はＰＳＤ（ポジションセンシングディテクタ）が用いられる。撮像センサＣ３’も、検出光学系Ｂ３で集光した光学像を光電変換し、所定のサンプリングを行ってアナログ／デジタル変換により電気信号をデジタルデータに変換して信号処理装置Ｄに出力する。

　－高さ測定ユニット
　図１に示した高さ測定ユニットＦは、試料面上の照明スポットＢＳの高さを測定するためのユニットであり、集光レンズＦ１、結像レンズＦ２、二次元センサＦ３を含んで構成されている。二次元センサＦ３は、二次元のＣＣＤ撮像センサ、ＣＭＯＳ撮像センサ、又はＰＳＤ（ポジションセンシングディテクタ）が用いられる。二次元センサＦ３は、集光レンズＦ１及び結像レンズＦ２により受光面上に結像された光学像を光電変換し、アナログ／デジタル変換により電気信号をデジタルデータに変換して制御装置Ｅ１に出力する。高さ測定ユニットＦの出力が信号処理装置Ｄに入力され、信号処理装置Ｄを経由して制御装置Ｅ１に入力されるようにしても良い。

　図１１は図１に示した高さ測定ユニットＦで試料面高さ変動を測定する原理の説明図である。同図には、試料１が試料面法線方向にΔｎだけ変動した場合を示している。集光レンズＦ１は図示省略してある。二次元センサＦ３には、試料１に仰角θで斜めに入射する照明光の正反射光が、結像レンズＦ２を介して入射する。そのため、試料１の高さが破線で示した位置から実線で示した位置に変動すると、正反射光の軌道が平行移動し、二次元センサＦ３に対する正反射光の入射位置が変化する。二次元センサＦ３においては、正反射光が入射した画素からの電気信号、つまり正反射光の入射位置に応じた電気信号が二次元センサＦ３から出力される。試料１上の照明スポットＢＳが基準の高さにあるとき（高さ変動Δｎ＝０のとき）の正反射光の入射位置を基準として、試料１上の照明スポットＢＳの高さ変動に伴う入射位置の基準とのずれから、照明スポットＢＳの高さ変動量が測定できる。具体的には、二次元センサＦ３に対する正反射光の入射位置の基準とのずれ量をＸとすると、図１１から分かる通りＸ＝２・Δｎ・cosθの関係が成立するため、この関係式に基づいて制御装置Ｅ１によりＸの値からΔｎを演算することができる。なお、このＸがＸＹＺ座標系のＸと異なることは言うまでもない。

　－高さ測定ユニットの他の例－
　図１２は高さ測定ユニットＦの他の例の説明図である。同図に示した高さ測定ユニットＦは、３つ以上の変位センサＦ４を備えている。変位センサＦ４には、光又は超音波を用いた非接触式の距離計を用いることができる。これら変位センサＦ４により試料面の３点以上の高さを測定することで試料面の高さ及び傾きが特定でき、制御装置Ｅ１により各変位センサＦ４の出力を基に試料面上の照明スポットＢＳの高さ変動量を測定することができる。

　－高さ測定ユニットの更に他の例－
　図１３は高さ測定ユニットＦの更に他の例の説明図である。図１３の例は傾斜光学系に対応する撮像センサＣ１－Ｃｎ（従って撮像センサＣ３を除く）のいずれかに二次元センサを採用し、その二次元センサを高さ測定ユニットＦとして兼用する例である。コンピュータ（例えば信号処理装置Ｄ又は制御装置Ｅ１）は、撮像センサＣ１…の受光面の短手方向γにおける光学像の位置を基に照明スポットＢＳの高さ変動量を演算する。なお、図１３に示した光学像ＯＩは、光学像の特定の部位（例えば中心、又は長手方向の端部）を表している。

　試料１の高さが変動した場合、撮像センサＣ１の光学像ＯＩの位置は、後述するように、撮像センサＣ１の受光面及び光学像ＯＩの短手方向γに受光面に沿ってシフトする。この光学像ＯＩの短手方向γのシフト量Δγは、後述する式（８）で表される。試料面上の照明スポットＢＳが基準の高さにあるとき（高さ変動Δｎ＝０のとき）の光学像ＯＩの位置を基準として、光学像ＯＩの短手方向γへのシフト量Δγをコンピュータで演算により測定することができる。これにより、試料１の照明スポットＢＳの高さ変動Δｎをコンピュータで演算することができる。

　－信号処理装置－
　図１に示した信号処理装置Ｄは、撮像センサＣ１－Ｃｎ，Ｃ３’から入力された検出信号を処理するコンピュータであり、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のメモリの他、ＣＰＵやＦＰＧＡ、タイマー等を含んで構成されている。信号処理装置Ｄは、欠陥検査装置１００の装置本体（ステージや照明光学系、検出光学系、センサ等）とユニットをなす単一のコンピュータで構成することが一例として想定されるが、複数のコンピュータで構成される場合もある。この場合、複数のコンピュータの１つにサーバを用いることもできる。サーバを欠陥検査装置１００の構成要素に含める例である。例えば装置本体に付属するコンピュータで装置本体からの欠陥の検出信号を取得して、検出データを必要に応じて加工してサーバに送信し、欠陥の検出や分類等の処理をサーバで実行する構成とすることができる。

　信号処理装置Ｄは、照明スポット位置解析回路Ｄ１、メモリＤ２、信号統合回路Ｄ３、欠陥検出回路Ｄ４を含んで構成されている。照明スポット位置解析回路Ｄ１、信号統合回路Ｄ３、欠陥検出回路Ｄ４は、例えばプログラムである。

　照明スポット位置解析回路Ｄ１は、撮像センサＣ１－Ｃｎ，Ｃ３’から入力されたデジタルデータから照明スポットＢＳの位置を解析する。メモリＤ２は、撮像センサＣ１－Ｃｎ，Ｃ３’から入力されたデジタルデータや照明スポット位置解析回路Ｄ１で演算された位置データ等を記憶し、散乱光データとして蓄積する。信号統合回路Ｄ３は、メモリＤ２に蓄積された散乱光データに基づき、同一センサから出力された照明スポットＢＳの位置が異なる複数の散乱光データを統合演算し、異なるセンサについて同様に統合演算された散乱光データ同士を統合演算する。欠陥検出回路Ｄ４は、統合演算後の散乱光データに基づき、試料面上の高周波で高輝度の部位を欠陥として抽出する。これら信号処理装置Ｄの各回路は、例えばＦＰＧＡで構成することができる。また、これら回路の機能の少なくとも一部（特に下流工程の処理）はサーバで実行することもできる。

　信号統合回路Ｄ３の処理について説明を加えると、信号統合回路Ｄ３では、試料面上の同一座標について試料１の線状の照明スポットＢＳの長手方向に走査したデータ同士で散乱光強度を加算する。つまり、試料１をらせん状に走査する場合、試料面上の座標をｒθ座標系で表すとき、θ座標が同一でｒ座標が異なる散乱光データ同士で、同一座標の散乱光強度を加算する。ｒθ座標系のｒ座標は試料面上の半径方向座標であり、θ座標は試料面上の方位角座標であり、図１１の仰角θとは異なる概念である。同一センサから出力される散乱光データでも、ｒ座標の異なるデータ同士では、同一座標からの散乱光の結像位置（つまり同一座標からの散乱光を受光する画素）は試料１が１回転する間の試料台ＳＴ１の移動量だけずれる。そのため、この試料台ＳＴ１の移動量を基に、同一座標の散乱光強度として加算する信号の出力元の画素の対応関係を演算しておく。

　－制御装置－
　制御装置Ｅ１は欠陥検査装置１００を統括して制御するコンピュータであり、信号処理装置Ｄと同じく、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のメモリの他、ＣＰＵやＦＰＧＡ、タイマー等を含んで構成されている。制御装置Ｅ１は、ユーザインターフェースＥ２やモニタＥ３、信号処理装置Ｄと有線又は無線で接続されている。信号処理装置Ｄの機能を制御装置Ｅ１に搭載し、制御装置Ｅ１で信号処理装置Ｄを兼ねる構成としても良い。ユーザインターフェースＥ２はユーザが各種操作を入力する装置であり、キーボードやマウス、タッチパネル等の各種入力装置を適宜採用することができる。

　制御装置Ｅ１には、高さ測定ユニットＦの出力、回転ステージ及び並進ステージのエンコーダ、オペレータの操作に応じてユーザインターフェースＥ２から入力される検査条件等が入力される。検査条件としては、例えば試料１の種類や大きさ、形状、材質、照明条件、検出条件等が含まれる。制御装置Ｅ１はまた、試料１の高さ変動や検査条件に応じ、アクチュエータＧ、検出光学系Ｂ１－Ｂｎ、ステージＳＴ、照明光学系Ａの動作を指令する信号を出力したり、欠陥の検出信号と同期する照明スポットＢＳの座標データを信号処理装置Ｄに出力したりする。また、制御装置Ｅ１は、信号処理装置Ｄによる欠陥の検査結果をモニタＥ３に表示出力する。図示していないが、制御装置Ｅ１には欠陥検査用の電子顕微鏡であるＤＲ－ＳＥＭ（Defect Review-Scanning Electron Microscope）が接続される場合もある。この場合には、ＤＲ－ＳＥＭからの欠陥検査結果のデータを制御装置Ｅ１で受信し、信号処理装置Ｄに送信することも可能である。

　－各種設定－
　図１４は試料１と傾斜光学系の立体的な配置の概略図を示す。検出光学系Ｂ１…の光軸ＯＡ２は、各々試料１の法線（法線方向ｎ）に対して角度θだけ傾斜している。試料面上の光軸ＯＡ２の射影は、照明スポットＢＳの長軸（方向Ｓ２）に対して角度φだけ傾斜している。本願明細書においてこの段落以降に記載するθは、試料面の法線に対する傾斜光学系の光軸ＯＡ２の傾斜角を表し、図１１の照明光の仰角を表すθや前述したｒθ座標系のθとは異なる概念である。

　検出光学系Ｂ１…の光軸ＯＡ２が、試料１の法線に対して角度θだけ傾斜し、かつ試料面上の光軸ＯＡ２の射影が照明スポットＢＳの長軸に対して角度φだけ傾斜している場合、三次元空間において、光軸ＯＡ２のベクトルｖ０は次の式（１）で表される。
ｖ０＝（sinθ・sinφ，sinθ・cosφ・cosθ）…（１）

　このベクトルｖ０と、照明スポットＢＳの長軸（方向Ｓ２）とがなす角度αは、式（２）により求められる。
α＝arccos（sinθ・cosφ）…（２）

　このとき、試料面の高さが基準位置にある条件では、照明スポットＢＳの光学像ＯＩは、光学系やセンサ位置を補正しなくても撮像センサＣ１の受光面に収まる。このとき、照明スポットＢＳの長軸の長さを２Ｌとすると、試料面上で視野中心と視野中心から距離ｘだけ離れた点とでは、作動距離（試料１と検出光学系Ｂ１…の距離）に式（３）で示すΔｚの差が生じる。
Δｚ＝ｘ（sinθ・cosφ），｜ｘ｜＜Ｌ…（３）

　また、結像倍率Ｍは、集光レンズＢａと結像レンズＢｇによって決定される。この結像倍率Ｍを用いると、試料面上で視野中心から距離ｘだけ離れた点の撮像センサＣ１の受光面上の光学像ＯＩの位置は、式（４）のように表される。
ΔＺ＝Ｍ^２ｘ（sinθ・cosφ），｜ｘ｜＜Ｌ…（４）

　一般に、ラインセンサは、結像レンズが放射する光束の中心線（光軸）に受光面が直交するように配置される。それに対し、本実施形態では、図７に示したように、撮像センサＣ１…の受光面を光軸ＯＡ２に対して傾斜させ、傾斜光学系である検出光学系Ｂ１…の視野内で生じる作動距離の差Δｚによらず、焦点ずれのない光学像を検出する。受光面の長軸（長手方向に延びる中心線）のベクトルｖ１は、照明スポットＢＳの長軸のベクトルｖ２（方向Ｓ２）及び光軸ＯＡ２のベクトルｖ０と共に同一平面に含まれ、かつベクトルｖ０に対する角度βが式（５）を満たすように設定される。
tanα＝Ｍ・tanβ…（５）

　このとき、角度αはベクトルｖ０，ｖ２のなす角度であり、cosα＝sinθ・cosφの関係が成立する。結像倍率Ｍが大きくなると、式（５）からベクトルｖ０，ｖ１のなす角度βが小さくなり、撮像センサＣ１に対する反射光の入射角が大きくなる。Ｍ＝２まで結像倍率を上げると、散乱光は最大で９０度に近い入射角で撮像センサＣ１に入射する。但し、撮像センサＣ１の反射防止膜Ｃａ（図１５）の吸収率は光線の入射角に依存し、９０度に近い入射角では吸収率が低下することから、結像倍率Ｍは２倍以下に設定する。

　ここで、集光レンズＢａに入射した散乱光の光束について、撮像センサＣ１に出射する光束の拡がりは、結像レンズＢｇに出射する光束の拡がりに結像倍率Ｍの逆数を乗じた値となる。上記の通り結像倍率Ｍの設定が２倍以下であるため、特に集光レンズＢａとして入射光束の開口数の大きなレンズを採用すると、広い方向から撮像センサＣ１に散乱光が入射する。撮像センサＣ１への光の入射角の範囲が広いと、反射防止膜Ｃａ（図１５）の特性から撮像センサＣ１の光の吸収率が低下して検査感度の観点で不利になる。また、結像倍率Ｍが１以上であれば、光学像ＯＩが拡大されるため、撮像センサＣ１の各画素に対応する試料面上の領域が小さくなる。その結果、ヘイズに由来するノイズが小さくなり、検査感度が向上する。このことから、結像倍率Ｍは１倍以上に設定してあり、角度βは角度αよりも小さい。典型的には、結像倍率Ｍを１．３倍程度に設定すると、角度βは角度αよりも５度以上小さくなる。なお、角度βが角度αより小さくなると、光学像ＯＩの拡大率がより向上するため、検査感度もより向上する効果がある。

　ここで、撮像センサＣ１の断面図を図１５に示す。撮像センサＣ１は、散乱光の入射側から順に、反射防止膜Ｃａ、フォトダイオードＣｂ、配線Ｃｃが積層されて構成されている。フォトダイオードＣｂは、画素毎に備わっており、各画素でフォトダイオードＣｂによる光電変換が行われる。配線Ｃｃは、各画素から出力される電気信号を画素毎に独立して伝送する。

　例示した入射光ＬＡ－ＬＣは、同じ光束において異なる方向から撮像センサＣ１に入射する光の軌道を表している。入射光ＬＡは、図７や図８に示した光軸ＯＡ２に一致した軌道で入射する光である。入射光ＬＢ，ＬＣは、光軸ＯＡ２に対して傾斜した角度から入射する光である。こうした入射光ＬＡ－ＬＣのように同じ光束でも様々な角度から受光面に入射する光が含まれ、反射防止膜Ｃａはこれらの光の表面反射を抑制する必要がある。反射防止膜Ｃａは、例えば酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）の薄い膜である。撮像センサＣ１による受光量の低下を抑制するためには、入射光ＬＡ－ＬＣ等に対して反射防止膜Ｃａの吸収率が高い値を示すように考慮する必要がある。

　ここで、図１６は反射防止膜Ｃａの特性の一例を示すグラフである。グラフの横軸は撮像センサＣ１に対する光の入射角を示し、グラフの縦軸は反射防止膜Ｃａの光の吸収率を示している。実線で描いた曲線は、Ｓ偏光の吸収率の特性を表している。破線で表した曲線は、Ｐ偏光の吸収率の特性を表している。

　グラフが示すように、Ｐ偏光の吸収率は入射角が大きくなるにつれて低下し、入射角が６０度程度で吸収率の値が５０％程度になる。Ｓ偏光の吸収率は、入射角が０－７０度程度の範囲で入射角の増加に伴って上昇し、入射角が０－８０度程度の範囲で７０％以上の吸収率が確保される。

　このことから、検出光学系Ｂ１…の各々の１／２波長板Ｂｄ（図７）の回転角を制御し、撮像センサＣ１にＳ偏光が入射するようにする。その際、シリンドリカルレンズＢｅ，Ｂｆ（図７）が構成するエキスパンダの倍率を高くすることで、直線偏光に近付けることができる。撮像センサＣ１は検出光学系Ｂ１…の光軸ＯＡ２に対して受光面を傾けることを加味すると、検出光学系Ｂ１…の光軸ＯＡ２に対し、撮像センサＣ１の受光面の法線を、例えば１０以上でかつ８０度以下の範囲で傾斜させることが望ましい。これにより、反射防止膜Ｃａの性能を効果的に発揮させることができ、受光量の低下を抑制することができる。

　なお、図１５のように、フォトダイオードＣｂが配線Ｃｃよりも光の入射側にある構造のセンサは、ＢＳＩ（Back side Illumination）センサとして知られている。本実施形態では撮像センサＣ１の受光面の法線に対して傾斜した方向から受光面に散乱光が入射するところ、ＢＳＩセンサは配線Ｃｃにより光が遮られることがないため、各画素の受光量を確保することができる。この点において、フォトダイオードよりも配線部分が光の入射側にあり、斜めから入射する光が配線部分で吸収されて画素当たりの入射光量が低下するＦＳＩ（Front side Illumination）センサに比べて、ＢＳＩセンサは有利である。

　－試料の高さ変動が検査に及ぼす影響－
　図１４に示す試料１は、検査中に法線方向ｎに高さ変動がないことが理想である。しかし、特にｒθステージの場合、検査中に試料は高速回転しており、ステージの振動や回転軸のずれにより、数１０－数１００Ｈｚの高い周波数で数１０μｍ程度の試料表面の高さ変動が生じる可能性がある。この高さ変動は、最高で試料の回転の周波数で生じる。照明スポットＢＳの高さ変動が生じた場合、撮像センサＣ１－Ｃｎ（撮像センサＣ３を除く）の受光面に結像する光学像ＯＩの位置がシフトする。

　図１７及び図１８は試料面の照明スポットＢＳの高さに変動に伴う撮像センサＣ１の受光面に沿った光学像ＯＩの変位方向の説明図である。以下、検出光学系Ｂ１…及び撮像センサＣ１…において照明スポットＢＳの高さ変動に伴って生じる現象やその補正方法について順次説明する。

　まず、試料面上の照明スポットＢＳが方向Ｓ１（照明スポットＢＳの短手方向）に変位すると、図１７に示したように、撮像センサＣ１の受光面に沿って光学像ＯＩは方向Ｕ１にシフトする。試料面上の照明スポットＢＳが方向Ｓ２（照明スポットＢＳの長手方向）に変位すると、撮像センサＣ１の受光面に沿って光学像ＯＩは方向Ｕ２にシフトする。この場合、照明スポットＢＳの高さが試料面の法線方向ｎに変動すると、撮像センサＣ１の受光面に沿って光学像ＯＩは方向ｍにシフトする。ここで、方向Ｕ２を基準として、図１７に示したように、方向Ｕ２に延びるベクトルと方向ｍに延びるベクトルのなす角をａ、方向Ｕ２に延びるベクトルと方向Ｕ１に延びるベクトルのなす角をｂとする。図１８のように試料１の高さが上昇し試料面の欠陥Ｄｆの光学像Ｄｉが受光面に沿って方向ｍにシフトする場合、光学像Ｄｉの位置は、撮像センサＣ１の受光面上で、長手方向δにcos（ａ）に比例してシフトし、短手方向γにsin（ａ）に比例してシフトする。

　短手方向γへの光学像Ｄｉのシフトは、撮像センサＣ１の受光面から光学像Ｄｉが逸脱しない限りは無視できる。撮像センサＣ１はラインセンサであるため、例えば撮像センサＣ１の受光面の短手方向γに長い開口を持つフォトダイオードＣｂを各画素に用いれば、受光面から光学像Ｄｉが短手方向γに逸脱することを抑制できる。

　しかし、画素の境界を跨いで光学像Ｄｉが長手方向δにシフトすると、試料面上の座標と、その座標で散乱した散乱光が合焦する画素との対応関係が崩れる。その結果、前述した信号統合回路Ｄ３による散乱光強度の加算において、真に加算すべきデータ同士が加算されなくなり、信号加算によるＳＮ比の向上が阻害される。

　そして、照明スポットＢＳの高さ変動は、検出光学系Ｂ１…の合焦位置を受光面と交差する方向に変位させ、光学像Ｄｉを滲ませて撮像センサＣ１が出力する信号を低下させ得る。例えば、検出光学系Ｂ１…の散乱光の捕捉率を上げるため、集光レンズＢａには開口数の大きなレンズを用いることが望まれるが、他の条件が同じであれば開口数が大きくなるほど検出光学系Ｂ１…の焦点深度は浅くなる。この焦点深度は、開口数ＮＡと波長λを用い、λ／（２ＮＡ^２）で表される。例えばλ＝２６６μｍ、ＮＡ＝０．５５の場合、焦点深度は０．４μｍとなる。

　また、試料面の法線と光軸ＯＡ２のなす角をθ（図１４）として、試料１の法線方向ｎへの高さ変動Δｎの検出光学系Ｂ１…の光軸方向成分は、Δｎ・cosθと表せる。つまり、試料１が試料面の法線方向ｎにΔｎだけ変位すると、試料１は検出光学系Ｂ１…の光軸方向にΔｎ・cosθだけ変位し、作動距離がΔｎ・cosθだけ変位する。この場合、検出光学系Ｂ１…の結像倍率をＭとして、検出光学系Ｂ１…による光学像ＯＩの合焦位置が、撮像センサＣ１の受光面から検出光学系Ｂ１…の光軸方向にＭ^２・Δｎ・cosθだけ変位する。例えば、Ｍ＝１．３、θ＝６５度、Δｎ＝１０μｍの場合、光軸方向への検出光学系Ｂ１…の合焦位置の移動量は７μｍとなり、先に例示した焦点深度を超える（アウトフォーカスする）。こうして合焦位置が移動して撮像センサＣ１の受光面が焦点深度から外れると、図１８のように欠陥Ｄｆの光学像Ｄｉがぼやけて拡大する。その結果、光学像Ｄｉが撮像センサＣ１の画素に収まらなくなり、画素が出力する信号が低下する。

　一般に、試料面の高さ変動による検査の影響を抑制するために、試料面の高さ変動に応じて試料台の高さを制御したり検出光学系の対物レンズを光軸方向に移動させて作動距離を制御したりするオートフォーカス機構が採用される場合がある。しかし、最高で数千ＲＰＭという試料１の高速回転と同じ周期で発生し得る試料面の高さ変動に追従して重い試料台や対物レンズを駆動することは現実には難しい。

　－補正の概要－
　詳細は後述するが、本実施形態において、コンピュータ（この例では制御装置Ｅ１）は、以下の補正手順を実行する。この補正手順ではまず、第１の手順として、高さ測定ユニットＦの出力を基に、試料表面の法線方向ｎへの照明スポットＢＳの高さ変動量（Δｎ）が演算される。次に、第２の手順として、演算された照明スポットＢＳの高さ変動量を基に、照明スポットＢＳの高さ変動に伴って生じる検出光学系Ｂ１…の光軸方向への受光面に対する合焦位置のずれ量（後述するＭ^２・Δｎ・cosθ）が演算される。また、第３の手順として、演算した合焦位置のずれ量を基にアクチュエータＧが制御され、検出光学系Ｂ１…の合焦位置が撮像センサＣ１の受光面に合わされる。そして、第４の手順として、撮像センサＣ１から出力された光学像についての複数のデータセット（例えば試料面上の方位角座標が同一で半径方向座標が異なるデータセット）の間で、試料面上の同一座標からの散乱光強度同士が加算される。なお、こうして照明スポットＢＳを走査したときに同じ撮像センサＣ１から出力された複数のデータセット間に限らず、複数の撮像センサＣ１…から出力された光学像についての複数のデータセット間で同一座標の散乱光強度同士を加算する場合もある。

　このとき、本実施形態において、アクチュエータＧが撮像センサＣ１を平行移動させる方向は、検出光学系Ｂ１…の光軸ＯＡ２に対して傾斜した特定の方向（後述するベクトルｖｓ）に設定されている。この特定の方向とは、照明スポットＢＳの高さ変動に伴って生じる受光面の長軸方向（長手方向δ）への光学像のずれが、受光面に対する合焦位置のずれと合わせて補正される方向である。例えばα＝β＝３０度、Ｍ＝１倍の場合、特定の方向は受光面の法線方向になる。

　従って、第３の手順において、照明スポットＢＳの高さ変動量を基にアクチュエータＧが制御され、特定の方向に撮像センサＣ１が平行移動して合焦位置のずれが補正されると、これにより併せて受光面上の光学像のずれが補正される。

　－補正の詳細－
　図１９は照明スポットＢＳの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図である。図１９では、簡略化のため、検出光学系Ｂ１…の集光レンズＢａ及び結像レンズＢｇを除く光学素子は図示省略してある。図１９は、光軸ＯＡ２と照明スポットＢＳの長軸を含む平面で切断した断面を表している。試料面の法線方向の高さ変動ベクトルをｖｎとした場合、高さ変動ベクトルｖｎのベクトルｖ０，ｖ１，ｖ２を含む平面に沿った成分であるベクトルｖｎ’がフォーカスシフトに寄与する。高さ変動ベクトルｖｎの成分のうち、ベクトルｖｎ’に直交する成分は、フォーカスシフトには寄与しないが、光学像Ｄｉを撮像センサＣ１の短手方向γにシフトさせる。

　ベクトルｖｎ’は、ベクトルｖ０，ｖ１，ｖ２を含む平面内でベクトルｖ０と直交するベクトルをｖ３として、次の式（６）で表される。
ｖｎ’＝（ｖｎ・ｖ０）ｖ０＋（ｖｎ・ｖ３）ｖ３…（６）

　図１９では、高さ測定ユニットＦの測定結果に基づいて、アクチュエータＧを制御して光軸ＯＡ２方向の焦点ずれだけ撮像センサＣ１を変位させる。撮像センサＣ１の動作量は、照明スポットＢＳの高さ変動Δｎと結像倍率Ｍから演算する。結像倍率Ｍは１倍以上２倍以下であるため、高さ変動Δｎと同程度の距離だけ撮像センサＣ１を駆動すればよい。焦点ずれを補正するための撮像センサＣ１の補正量（平行移動量）の検出光学系Ｂ１…の光軸方向の成分は、照明スポットＢＳの高さ変動Δｎと結像倍率Ｍを用い、Ｍ^２・Δｎ・cosθで表せる。

　このとき、本実施形態では撮像センサＣ１の受光面が光軸ＯＡ２に対して傾斜させてある。そのため、光軸ＯＡ２に対して傾斜した方向に撮像センサＣ１を平行移動させることで、焦点ずれを補正するのと同時に撮像センサＣ１の受光面上で光学像Ｄｉを長手方向δにシフトさせることができる。このときに撮像センサＣ１を駆動する方向は、照明スポットＢＳの長軸に対する光軸ＯＡ２の仰角α、θ、結像倍率Ｍから決まり、ベクトルｖ０，ｖ１を用いて次の式（７）のベクトルｖｓで表される。
ｖｓ＝（Ｍ・cosθ／tanα）・ｖ０＋Ｍ^２・cosθ・ｖ１…（７）

　例えばα＝３０度、Ｍ＝１倍の場合、光軸ＯＡ２と撮像センサＣ１の受光面の長軸とがなす角β＝３０度であるとする。この場合、光軸ＯＡ２方向にＭ^２・Δｎ・cosθだけシフトした面上に撮像センサＣ１の受光面が移動するように、撮像センサＣ１を受光面の法線方向に並進させることにより、焦点ずれと光学像Ｄｉの長手方向δのずれが同時に補正される。結像倍率Ｍが１より大きい場合、光学像Ｄｉのシフトを補正するための撮像センサＣ１の駆動方向ｖｓは、撮像センサＣ１の受光面の法線方向からずれる。但し、長手方向δへの光学像Ｄｉの変位が１画素に収まる程度の高さ変動Δｎであれば、結像倍率Ｍが１より大きい場合であっても受光面の法線方向に撮像センサＣ１を動かせばよい。

　また、照明スポットＢＳの高さ変動Δｎに伴って、撮像センサＣ１の受光面に沿って短手方向γにも光学像Ｄｉの位置がシフトする。この短手方向γのシフト量Δγは、次の式（８）で表される。
Δγ＝Δｎ・Ｍ・sinθ・sinφ／sinα…（８）

　なお、照明スポットＢＳの高さ変動に伴って光学像が短手方向γに変位することを利用して、撮像センサＣ１に二次元センサを用いて高さ測定ユニットＦを兼ねたのが、先に図１３で説明した高さ測定ユニットＦの例である。

　短手方向γのシフトが撮像センサＣ１の受光面の短辺（短手方向γの寸法）より大きい場合、光学像Ｄｉは撮像センサＣ１に結像されない。この場合には、受光面上で短手方向γにΔγだけ光学像Ｄｉが移動するように、短手方向γにΔγの大きさの成分を撮像センサＣ１の動作量に付加する。

　－効果－
　（１）本実施形態においては、試料面に対して光軸ＯＡ２を傾斜させた検出光学系Ｂ１…について、試料面の法線方向ｎへの照明スポットＢＳの高さ変動に伴って法線方向ｎと異なる方向に生じる焦点ずれを演算し、これを補正する。このように検出光学系Ｂ１…の光軸ＯＡ２が試料面に対して傾斜した欠陥検査装置１００において、照明スポットＢＳの高さ変動Δｎに起因する解像度の低下を抑制することができる。

　（２）特に本実施形態では、撮像センサＣ１…のシフト方向が、照明スポットＢＳの高さ変動に伴って生じる焦点ずれと長手方向δへの像ずれとが同時に補正される方向に予め設定してある。そのため、照明スポットＢＳの高さ変動に応じて焦点ずれを補正するだけで、撮像センサＣ１…の受光面の長手方向δへの光学像のずれを自動的に補正することができる。そのため、光学像の位置ずれを補正するために、照明スポットＢＳの高さ変動に応じて長手方向δへの光学像のシフト量を乗じ演算する必要がなく、コンピュータの演算容量を削減し、処理の高速化にも貢献し得る。また、フォーカス用のアクチュエータＧと光学像の位置ずれを補正するためのアクチュエータが兼用でき、構成の簡素化、部品点数の低減のメリットもある。

　（３）検出光学系Ｂ１…の光軸ＯＡ２と撮像センサＣ１…の各受光面の法線のなす角度が１０度以上でかつ８０度以下であり、撮像センサＣ１…に入射する散乱光をＳ偏光に調整することができる。これにより、前述した通り撮像センサＣ１…の反射防止膜Ｃａの性能を効果的に発揮させることができ、撮像センサＣ１…の各フォトダイオードＣｂの受光量の低下を抑制することができる。

　（４）検出光学系Ｂ１…の結像倍率Ｍが１倍以上であり、検出光学系Ｂ１…の光軸ＯＡ２に対する撮像センサＣ１…の受光面の傾斜角βが、試料面に対する光軸ＯＡ２の傾斜角αよりも小さい。これにより、撮像センサＣ１…への光の入射角の範囲を抑え、撮像センサＣ１…の光の吸収率の低下、ひいては検査感度の低下が抑制される。

　（５）検出光学系Ｂ１…の結像倍率Ｍが２倍以下であるため、焦点ずれや像ずれを、ピエゾアクチュエータで補正可能な大きさに抑えることができる。アクチュエータＧにピエゾアクチュエータを採用することで、応答速度を高速化することができ、より高い周波数で照明スポットＢＳの高さ変動が生じても、それに追従してフォーカスや像のシフトを補正することができる。

　（６）また、図１３で例示したように、撮像センサＣ１…のいずれかに二次元センサを用い、これで高さ測定ユニットＦを兼ねる場合、撮像センサＣ１…と別に高さ測定ユニットＦを設ける必要がない。これにより、構成の簡素化、部品点数の低減のメリットがある。

　（７）また、アクチュエータＧで撮像センサＣ１…を駆動すると、光学像が受光面に沿って方向ｍに移動する場合、この移動は短手方向γに方向成分を持つ。言い換えれば、本実施形態においては、アクチュエータＧによる撮像センサＣ１…のシフト方向が特定の方向に設定されていることから、撮像センサＣ１…の位置制御により像の短手方向γの変位も補正される。この場合、例えば撮像センサＣ１…に二次元センサを用い、二次元センサで測定される光学像のシフト量Δγがゼロであれば、撮像センサＣ１…の位置が目標通り正確に制御できていることが判断できる。

　（第２実施形態）
　図２０は本発明の第２実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図であり、第１実施形態の図１９に対応している。図２０で説明する第１実施形態との相違点を除き、本実施形態は第１実施形態と同様である。

　本実施形態が第１実施形態と相違する点は、焦点ずれを検出光学系Ｂ１…を駆動して補正し、像ずれを撮像センサＣ１…を駆動して補正する点である。

　本実施形態において、検出光学系Ｂ１…の合焦位置を移動させるフォーカスアクチュエータとしてのアクチュエータＧ（例えばピエゾアクチュエータ）の駆動対象は、検出光学系Ｂ１…の一部の光学素子としての結像レンズＢｇである。アクチュエータＧは、検出光学系Ｂ１…の光軸方向に、結像レンズＢｇを移動させるように構成されている。この例では、結像レンズＢｇを駆動対象とする場合を説明するが、対物レンズやリレーレンズ等の他の光学素子を駆動対象としても良い。レンズの他、光軸方向に光路長を調整するプリズム素子等の光学部品を駆動対象として用いても良い。また、このアクチュエータＧとは別に、撮像センサＣ１…をそれぞれの受光面の面方向（ベクトルｖ１方向）に平行移動させるセンサシフトアクチュエータとして、撮像センサＣ１…のそれぞれにアクチュエータＧ’（例えばピエゾアクチュエータ）が備わっている。

　そして、コンピュータ（信号処理装置Ｄ又は制御装置Ｅ１）は、照明スポットＢＳの高さ変動量を基に、アクチュエータＧを制御して結像レンズＢｇを対応する検出光学系の光軸方向に平行移動させる。これにより、検出光学系Ｂ１…の合焦位置が対応する撮像センサＣ１…の受光面上に移動し、対応する撮像センサＣ１…の受光面に対する検出光学系Ｂ１…の合焦位置のずれが補正される。

　加えて、コンピュータ（信号処理装置Ｄ又は制御装置Ｅ１）は、照明スポットＢＳの高さ変動量を基に、照明スポットＢＳの高さ変動に伴って生じる撮像センサＣ１…の受光面の長軸方向（ベクトルｖ１方向）への光学像のずれ量を演算する。そして、コンピュータは、光学像のずれ量を基に各アクチュエータＧ’を制御し、各撮像センサＣ１…を平行移動させて受光面上で光学像のずれを補正する。

　具体的には、試料１が試料面の法線方向ｎにΔｎだけ変動した場合、検出光学系Ｂ１…の各結像レンズＢｇを光軸ＯＡ２方向に次の式（９）で求められるシフト量だけ動かすことで、光学像の焦点ずれを補正することができる。
Δlens＝Δｎ・Ｍ^２・cosθ＋Δｎ・Ｍ・cosθ／（tanα・tanβ）…（９）

　このとき、撮像センサＣ１…の受光面に沿って長手方向δに光学像のシフトが発生する。この光学像のシフト量Δδは、次式で表される。
Δδ＝Δｎ・Ｍ・cosθ／（tanα・sinβ）…（１０）

　この像シフトによる受光面に対する像ずれは、アクチュエータＧ’を駆動し、長手方向δ（ベクトルｖ１の方向）にΔδ＝Δｎ・Ｍ・cosθ／（tanα・sinβ）だけ撮像センサＣ１を動かすことにより補正できる。

　本実施形態の場合、第１実施形態の効果とは別に、焦点ずれと像ずれを個別に演算し補正することで、アクチュエータの駆動軸のずれや動作遅延の補正精度への影響の可能性がある場合に、その可能性を２つの駆動系に分散することができる。

　（第３実施形態）
　図２１は本発明の第３実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図である。図２１で説明する第１実施形態との相違点を除き、本実施形態は第１実施形態と同様である。

　本実施形態が第１実施形態と相違する点は、焦点ずれを検出光学系Ｂ１…を駆動して補正し、像ずれをデータ処理で補正する点である。

　本実施形態においては、第２実施形態と同様に、検出光学系Ｂ１…においてそれぞれ一部の光学素子（例えば結像レンズＢｇ）を照明スポットＢＳの高さ変動に応じてアクチュエータＧにより駆動し、検出光学系Ｂ１…の各焦点ずれを補正する。

　他方の像ずれの補正について、コンピュータ（信号処理装置Ｄ又は制御装置Ｅ１）はまず、第２実施形態と同様に、照明スポットＢＳの高さ変動に伴って生じる撮像センサＣ１…の受光面の長軸方向への光学像のずれ量を演算する。そして、演算した光学像のずれ量を基に、光学像についての複数のデータセット（例えば試料面上の方位角座標が同一で半径方向座標が異なるデータセット）の間の画素の対応のずれを補正する。これにより、試料面上の同一座標の散乱光強度同士が加算される。

　具体的には、試料面の照明スポットＢＳに高さ変動Δｎが生じた場合、撮像センサＣ１…の受光面上において、先述したように欠陥Ｄｆの光学像Ｄｉは長手方向δにΔｎ・Ｍ・cosθ／（tanα・sinβ）だけシフトする。例えば前述した信号統合回路Ｄ３で試料１の複数のデータセット間で散乱光強度の加算処理を実行する際に、加算する画素の組み合わせをシフト量に基づいて変更することで、試料上の同一座標からの散乱光強度を加算することができる。

　本実施形態の場合、第１実施形態の効果とは別に、アクチュエータの駆動軸のずれや動作遅延が像ずれの補正精度に与え得る影響を抑えることができる。

　（第４実施形態）
　図２２は本発明の第４実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図であり、第１実施形態の図１９に対応している。図２２で説明する第１実施形態との相違点を除き、本実施形態は第１実施形態と同様である。

　本実施形態が第１実施形態と相違する点は、検出光学系Ｂ１…のそれぞれにおいて、結像レンズＢｇと撮像センサＣ１…との間にミラーＢｐ及び第２のレンズ群Ｂｑ，Ｂｒを配置した点である。本実施形態では、ミラーＢｐで照明スポットＢＳの中間像が反射し、第２のレンズ群Ｂｑ，Ｂｒを通って撮像センサＣ１…の受光面に照明スポットＢＳの光学像が形成される。ミラーＢｐがコンピュータの指令によりアクチュエータＧ（例えばピエゾアクチュエータ）で駆動され、アクチュエータＧでミラーＢｐを駆動することで焦点ずれが補正される構成である。図２２では、ミラーＢｐに対する散乱光の入射角が４５度の構成を例示しているが、入射角は変更可能である。

　具体的には、照明スポットＢＳの高さ変動Δｎに対し、ミラーＢｐの法線方向にミラーＢｐを次の式（１１）で求められるΔmirrorだけアクチュエータＧで動かすことで焦点ずれが補正される。
Δmirror＝｛Δｎ・Ｍ^２・cosθ＋（Δｎ・Ｍ・cosθ）／（tanα・sinβ）｝／√２…（１１）

　撮像センサＣ１…の受光面上における照明スポットＢＳの高さ変動に伴う欠陥Ｄｆの光学像Ｄｉのシフト量は、Δｎ・Ｍ・sinθ・sinφ／sinαとなる。従って、撮像センサＣ１…をアクチュエータＧ’でΔｎ・Ｍ・sinθ・sinφ／sinαだけベクトルｖ１方向に動かすことにより受光面上で像ずれを補正することができる。像ずれについては、センサシフトに代えて、第３実施形態と同様に信号統合回路Ｄ３で加算する画素の組み合わせをΔｎ・Ｍ・sinθ・sinφ／sinαだけずらすことによっても補正することができる。

　本実施形態においても、第２実施形態又は第３実施形態と同様の効果が得られる。また、ミラーＢｐを軽量化することで、フォーカス補正の応答速度を速めることができる。

　（第５実施形態）
　図２３は本発明の第５実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図である。

　本実施形態は、照明スポットＢＳの高さ変動に応じたステージＳＴのＺステージの制御を付加した例である。ステージＳＴは、高さ測定ユニットＦで測定される試料面の照明スポットＢＳの高さ変動Δｎが減少するように、高さ測定ユニットＦの出力に応じてコンピュータ（例えば制御装置Ｅ１）によりＺ軸方向（法線方向ｎ）に駆動される。焦点ずれや像ずれは第２実施形態と同様にアクチュエータＧ，Ｇ’の制御により補正する。

　この例のように、試料面の高さ変動を抑制するアクチュエータ、焦点ずれ又は像ずれを補正するためにアクチュエータを複数種備える場合、各々のアクチュエータに割り振られる目標動作量が異なってくる。本実施形態では、コンピュータにより、最も応答速度の遅い一のアクチュエータが応答可能な動作量を演算し、一のアクチュエータの応答可能な動作量を基に他のアクチュエータの目標動作量を減算する。図２３の例では、最も応答速度の遅いステージ制御で照明スポットＢＳの高さ変動を補正しきれる場合、アクチュエータＧ，Ｇ’の制御を要しない。しかし、ステージ制御で照明スポットＢＳの高さ変動が補正しきれない場合、アクチュエータＧ，Ｇ’の制御を要する。この場合、試料面の高さ変動はステージ制御により変化するため、ステージ制御に伴う高さ変動の残差を試料面の高さ変動の値としてアクチュエータＧ，Ｇ’の制御量を演算する。

　例えば、図２３に示したように、本実施形態ではコンピュータ（本例では制御装置Ｅ１）に補正量演算回路Ｅ４（例えばプログラム）が備わっている。補正量演算回路Ｅ４では、高さ測定ユニットＦの出力を基に、ステージＳＴ、結像レンズＢｇ（各検出光学系Ｂ１…の一部の光学素子）及び撮像センサＣ１…の各動作量が演算される。ステージＳＴの動作量は、ステージ位置制御部Ｅ５でアナログの指令信号に変換されてステージＳＴに出力される。結像レンズＢｇの動作量は、光学ユニット位置制御部Ｅ６でアナログの指令信号に変換されてアクチュエータＧに出力される。撮像センサＣ１…の動作量は、センサ位置制御部Ｅ７でアナログの指令信号に変換されてアクチュエータＧ’に出力される。これにより、ステージＳＴ、検出光学系Ｂ１…の各結像レンズＢｇ、各撮像センサＣ１…が、それぞれ分担する距離だけシフトする。その結果、ステージ制御により照明スポットＢＳの高さ変動Δｎが抑制され、補正しきれないΔｎに伴う焦点ずれ及び像ずれが、結像レンズ及びセンサの移動により補正される。

　具体例を説明すると、ステージＳＴをステージ法線方向ｎにΔstage動かしたとき、結像レンズＢｇの光軸ＯＡ２方向への動作量Δlensは次式で表せる。
Δlens＝（Δｎ－Δstage）・Ｍ・cosθ｛Ｍ＋１／（tanα・tanβ）｝…（１２）

　ステージＳＴの駆動量Δstageを設定する際には、例えばステージＳＴが試料面の高さ変動の周波数ｆｎで動作可能な振幅Ａstageを演算し、試料１の高さ変動の１周期当たりの目標の動作量ΔstageをΔstage＝Ａstage・sin（２π・ｆｎ＋φstage）と設定する。

　第２実施形態のように結像レンズＢｇをΔlensだけ動かすことで、焦点ずれを補正することができる。また、第１実施形態のように撮像センサＣ１…を駆動したり、第４実施形態のようにミラーＢｐを動かしたりすることによっても、焦点ずれを補正することができる。

　また、この例において、撮像センサＣ１の面上で長手方向δに発生する光学像のシフト量Δδは、次式で表される。
Δδ＝（Δｎ－Δstage）・Ｍ・cosθ／（tanα・tanβ）…（１３）

　像ずれは、第２実施形態のように撮像センサＣ１…をΔδだけ動かすことにより補正できる。第３実施形態のように、信号統合回路Ｄ３で加算する画素の組み合わせをΔδだけずらすことによっても、像ずれは補正できる。

　本実施形態によれば、遅い周期の照明スポットＢＳの高さ変動をステージ制御で補正し、照明スポットＢＳの高さ変動に伴う焦点ずれや像すれの発生を抑制することができる。また、照明スポットＢＳの高さ変動が短周期でステージ制御では補正しきれない場合、補正しきれない照明スポットＢＳの高さ変動に伴う焦点ずれや像ずれを、第１－第４実施形態で説明したいずれかの補正方法とステージ制御との協働で補正する。この場合、ステージ制御により照明スポットＢＳの高さ変動が減少する場合には、焦点ずれや像ずれを補正するためのアクチュエータ動作量が抑えられ、応答速度や制御精度の向上も期待される。

　（第６実施形態）
　図２４は本発明の第６実施形態に係る欠陥検査装置における照明スポットの高さ変動による焦点ずれ及び像ずれの補正の説明図である。図２４で説明する点を除き、本実施形態は説明済みのいずれかの実施形態と同様である。

　本実施形態は、アクチュエータＧ又はＧ’（例えばピエゾアクチュエータ）が駆動対象を駆動する際に生じる時間遅延の補償を図る例である。ここでは、第２実施形態と同様に、検出光学系Ｂ１…における各々のアクチュエータＧによる結像レンズＢｇの駆動を対象として説明するが、これら結像レンズＢｇ以外の駆動対象の動作についても同様の手法で時間遅延の補償を図ることができる。具体的には、例えば集光レンズＢａ、撮像センサＣ１…、ミラーＢｐの動作にも適用可能である。

　本実施形態に係る欠陥検査装置は、図２４に示したようにアクチュエータＧで駆動する結像レンズＢｇ（駆動対象の例）の位置を検出する位置センサＨを備えている。コンピュータ（例えば制御装置Ｅ１）は、位置センサＨの出力を基にアクチュエータＧを閉ループ制御する。つまり、位置センサＨの出力がコンピュータにフィードバックされ、コンピュータが、自己が指令した目標位置に対する結像レンズＢｇの位置ずれを位置センサＨの出力を基に演算し、位置ずれを減少させる補正値を加えてアクチュエータＧに指令を出力する。

　具体的に説明すると、駆動対象の動作の応答時間は、駆動対象の質量で決まる。レンズを駆動対象とした場合、一般にレンズは撮像センサに比べて質量が重いため応答時間が長くなり、動作に時間遅延が生じる場合がある。また、アクチュエータへの制御信号の入力に対する駆動対象の動作の応答時間に加え、高さ測定ユニットＦの出力がコンピュータに転送されてコンピュータからアクチュエータに制御信号が出力されるまでの時間も時間遅延の要因となる。質量の重いレンズを駆動対象とした場合、数ミリ秒程度の時間遅延が発生する場合がある。

　時間遅延が生じる場合、指令に対して見込まれる結像レンズＢｇの動作量Δlens_delay（ｔ）は、照明スポットＢＳの高さ変動の周波数ｆｎ、位相遅れφ、振幅Ａを用いて以下の式（１４）で表せる。
Δlens_delay（ｔ）＝Ａ・sin（２π・ｆｎ・ｔ＋φ）…（１４）

　フォーカス誤差Δ’lensは、Δ’lens＝Δlens（ｔ）－Δlens_delay（ｔ）となる。Δlens（ｔ）は、遅延のない指令通りの動作量であり、Δlens（ｔ）＝Ａ・sin（２π・ｆｎ・ｔ）で表される。例えば周波数ｆｎ＝１００Ｈｚ、レンズ駆動の振幅Ａ＝２０μｍ、位相遅れφ＝１ｍｓとすると、最大１０μｍのフォーカス誤差が生じる。

　このフォーカス誤差Δ’lensに相当する量を位置センサＨの出力を基にコンピュータで演算し、図２４に示すようにアクチュエータＧを対象に閉ループ制御を実行することで時間遅延の補償を図ることができる。

　なお、フォーカス誤差Δ’lensを完全に補正することができない場合、撮像センサＣ１…の各々の受光面に沿って長手方向δへの像ずれが起こる。このシフト量Δδは、次の式（１５）で表される。
Δδ＝Δｎ・Ｍ・cosθ／（tanα・sinβ）－Δ’lens・sinβ…（１５）

　このシフト量Δδは、例えば第３実施形態のように信号統合回路Ｄ３で加算する信号の組み合わせをΔδだけずらすことで補正できる。また、第２実施形態のように撮像センサＣ１…をアクチュエータＧ’で駆動してΔδを補正することもでき、この場合、撮像センサＣ１…の動作の時間遅延の補償に、以上で説明した結像レンズＢｇの位置の閉ループ制御を適用することもできる。

　なお、試料１の回転周期で起こる照明スポットＢＳの高さ変動が支配的である場合、照明スポットＢＳの高さ変動の予測値を用いて結像レンズＢｇの動作量を演算することができる。方向Ｓ１（試料１の円周方向）及び方向Ｓ２（試料１の直径方向）で定義する試料面上の座標を（ｓ１，ｓ２）、試料１が１回転する間の方向Ｓ１への走査距離をｄとすると、試料１の１回転後までに生じる高さ変動を次式で予測できる。
Δｎ（ｓ１，ｓ２＋ｄ）＝Δｎ（ｓ１，ｓ２）…（１６）

　従って、１回転後の目標のレンズ動作量Δlens（ｓ１，ｓ２＋ｄ）は、次式で表せる。
Δlens（ｓ１，ｓ２＋ｄ）＝Δｎ（ｓ１，ｓ２）・Ｍ・cosθ｛Ｍ＋１／（tanα・tanβ）｝…（１７）

　試料面の高さ変動の実測値から式（１７）で照明スポットＢＳの高さ変動を予測することで、予測値に基づいてアクチュエータＧを制御することができる。また、この制御にも位置センサＨの出力に基づく閉ループ制御を適用することができる。

　試料１の高さ変動の予測値と実測値の間に誤差Δ＝Δｎ（ｓ１，ｓ２＋ｄ）－Δｎ（ｓ１，ｓ２）がある場合、誤差Δにより受光面に沿って長手方向δへの像ずれが起こる。このシフト量Δδは、次の式（１８）で表せる。
Δδ＝Δｎ（ｓ１，ｓ２＋ｄ）Ｍ・cosθ／（tanα・sinβ）－ΔＭ・cosθ（Ｍ＋１／（tanα・tanβ））（１－cosβ）…（１８）

　このΔδの像ずれは、説明済みのいずれかの実施例と同様に補正することができる。

　また、図２４では、試料面の高さ変動を補正するためにステージＳＴを高さ方向に駆動する構成を例示している。しかし、第５実施形態で説明したように、ステージＳＴの質量が重いため、最高で数１０－数１００Ｈｚの周波数ｆｎで生じる試料１の高さ変動にステージ制御が追随しきれない場合がある。その場合、ステージＳＴが周波数ｆｎで動作可能な振幅Ａstageを演算し、試料１の高さ変動の１周期当たりの目標の動作量ΔstageをΔstage＝Ａstage・sin（２π・ｆｎ＋φstage）と設定する。このステージ制御により、照明スポットＢＳの高さ変動が抑制される。ステージＳＴで補正しきれない照明スポットＢＳの高さ変動による焦点ずれは、上記の検出光学系Ｂ１…の結像レンズＢｇの位置制御で補正する。

　または、試料面の高さ変動が試料１の回転周期より低い周波数成分を含んでいて、その低い周波数成分にステージ制御が追従できる場合、ステージＳＴの高さをその低周波成分の周波数ｆstageで制御し、試料面の高さ変動の低周波成分を相殺する。この場合、高さ方向へのステージＳＴの目標の動作量はΔstage＝Ａstage・sin（２π・ｆstage＋φstage）と表せる。低周波成分に再現性がある場合、試料１の高さ変動を事前測定において（又は試料１の検査中に）高さ測定ユニットＦの測定結果を解析し、低周波成分を抽出して振幅Ａstageや周波数ｆstageを決定すればよい。

　試料面の高さ変動の高周波成分については、それにより起こる焦点ずれや像ずれをアクチュエータＧ，Ｇ’の制御で補正する。この場合、駆動対象の目標の動作量は、照明スポットＢＳの高さ変動ΔｎをΔｎ－Δstageに置き換えることで演算できる。

　また、試料１の高さ変動に再現性がある場合、欠陥の位置が既知の標準試料を欠陥検査装置１００で検査し、その検査結果を既知の欠陥の位置と比較することでステージＳＴやアクチュエータＧ，Ｇ’による補正制御の誤差を演算することができる。試料１の高さ変動に再現性がある場合、この誤差データをステージＳＴやアクチュエータＧ，Ｇ’の制御に反映させることで、検査精度が更に向上し得る。

　（変形例）
　第５実施形態で説明した通り、アクチュエータＧ又はアクチュエータＧ，Ｇ’による焦点ずれや像ずれの補正には、ステージＳＴの高さ制御による試料面の高さ変動の補正を組み合わせることができる。この点について幾つかの例を説明する。

　まず、ステージＳＴの高さ制御による試料面の高さ変動の補正を第１実施形態に組み合わせる場合の具体例を説明する。

　試料面の高さ変動Δｎに対し、ステージＳＴを試料面の法線方向ｎにΔstageだけ動かした場合、撮像センサＣ１…の受光面の法線方向への動作量は以下の式（１９）で求められる。
Δsensor＝（Δｎ－Δstage）Ｍ・cosθ（cosβ／tanα＋Ｍsinβ）…（１９）

　結像倍率Ｍが１に近い場合は、式（１９）だけ撮像センサＣ１…を受光面の法線方向に駆動したとき、第１実施形態で説明した通り、焦点ずれと像ずれを同時に補正できる。

　次に、ステージＳＴの高さ制御による試料面の高さ変動の補正と、結像レンズＢｇの位置制御による焦点ずれの補正を、第１実施形態に組み合わせる場合の具体例を説明する。この例では、遅い周期の試料面の高さ変動をステージＳＴの高さ制御により補正しつつ、早い周期の試料面の高さ変動に伴う焦点ずれを結像レンズＢｇの位置制御により補正する。そして、結像レンズＢｇの位置制御で補正しきれない焦点ずれを、早い周期の試料面の高さ変動に伴う像ずれと併せて、撮像センサＣ１の位置制御により補正する。

　具体的には、ステージＳＴを試料面の法線方向ｎにΔstage、検出光学系Ｂ１…の結像レンズＢｇを各々光軸方向にΔlens動かしたとき、撮像センサＣ１…を各々の受光面の法線方向に以下の式（２０）で表される動作量Δsensorだけシフトさせる。これにより、結像レンズＢｇの位置制御で補正しきれない焦点ずれを補正する。
Δsensor＝（Δｎ－Δstage）Ｍ・cosθ（cosβ／tanα＋Ｍ・sinβ）－Δlens・sinβ…（２０）

　また、撮像センサＣ１…の受光面に沿った光学像の長手方向δへのシフト量Δδは、次の式（２１）で表される。
Δδ＝（Δｎ－Δstage）Ｍ・cosθ（sinβ／tanα－Ｍ・cosβ）＋Δlens・cosβ…（２１）

　これは、撮像センサＣ１…を各々の受光面の法線方向に移動させる際に、第１実施形態のように長手方向δにも移動させることで補正できる。また、長手方向δに撮像センサＣ１…を移動させる代わりに、第３実施形態のように信号統合回路Ｄ３で散乱光強度を加算する画素の組み合わせをずらすことによっても、Δδの像ずれを補正することができる。

　その他、本発明の実施の形態は、以上に説明した各例には限定されず適宜変更可能である。以上で説明した各例に含まれる要素は、必ずしも全てが必須ではなく、一部の構成要素（必須の要素を除く）を適宜省略することができる。また、一の実施形態の構成要素の一部を他の実施形態の構成要素に適宜置き換えることも、一の実施形態に他の実施形態の構成要素を付加することも可能である。

１…試料、１００…欠陥検査装置、Ａ…照明光学系、Ｂ１－Ｂｎ…検出光学系、Ｂｇ…結像レンズ（一部の光学素子）、ＢＳ…照明スポット、Ｃ１－Ｃｎ…撮像センサ、Ｄ…信号処理装置（コンピュータ）、Ｅ１…制御装置（コンピュータ）、Ｆ…高さ測定ユニット、Ｇ，Ｇ’…アクチュエータ（フォーカスアクチュエータ、センサシフトアクチュエータ）、Ｈ…位置センサ、Ｍ…結像倍率、ｎ…試料の表面の法線方向、ＯＡ２…検出光学系の光軸、ＯＩ…照明スポットの光学像、ＳＴ１…試料台、ｖｓ…特定の方向、α…試料の表面に対する検出光学系の光軸の傾斜角、β…検出光学系の光軸に対する撮像センサの受光面の傾斜角、Δｎ…高さ変動量

Claims

　試料を支持する試料台と、
　長軸を持つ照明スポットを前記試料の表面に形成する照明光学系と、
　前記試料の表面からの前記照明スポットの散乱光を集光する検出光学系と、
　複数の画素を持ち、前記検出光学系により受光面に結像された前記照明スポットの光学像の散乱光強度のデータセットを出力する撮像センサと、
　前記試料の高さを測定する高さ測定ユニットと、
　前記検出光学系による前記光学像の合焦位置を前記撮像センサの受光面に対し相対移動させるフォーカスアクチュエータと、
　前記高さ測定ユニットの出力に応じて前記フォーカスアクチュエータを制御するコンピュータとを備え、
　前記検出光学系は、前記試料の表面に対して光軸が傾斜しており、
　前記撮像センサは、前記受光面の長軸が前記照明スポットと共役の位置に一致するように前記検出光学系の光軸に対して傾斜しており、
　前記コンピュータは、
　前記高さ測定ユニットの出力を基に、前記試料の表面の法線方向への前記照明スポットの高さ変動量を演算し、
　前記照明スポットの高さ変動量を基に、前記照明スポットの高さ変動に伴って生じる前記検出光学系の光軸方向への前記受光面に対する前記合焦位置のずれ量を演算し、
　前記合焦位置のずれ量を基に前記フォーカスアクチュエータを制御し、前記合焦位置を前記撮像センサの受光面に合わせ、
　複数の前記撮像センサから出力された前記光学像についての複数のデータセット間、又は前記照明スポットを走査したときに同一の前記撮像センサから出力された前記光学像についての複数のデータセット間で、前記試料の同一座標の散乱光強度同士を加算する
ように構成されていることを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項１の欠陥検査装置において、
　前記撮像センサに入射する散乱光がＳ偏光であり、
　前記検出光学系の光軸と前記受光面の法線のなす角度が、１０度以上でかつ８０度以下である
ことを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項１の欠陥検査装置において、
　前記検出光学系の結像倍率が１倍以上であり、
　前記検出光学系の光軸に対する前記撮像センサの受光面の傾斜角が、前記試料の表面に対する前記検出光学系の光軸の傾斜角よりも小さい
ことを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項１の欠陥検査装置において、
　前記フォーカスアクチュエータは、ピエゾアクチュエータであり、
　前記検出光学系の結像倍率が２倍以下である
ことを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項１の欠陥検査装置において、
　前記撮像センサは、前記高さ測定ユニットを兼ね、
　前記コンピュータは、前記受光面の短手方向における前記光学像の位置を基に前記照明スポットの高さ変動量を演算するように構成されている
ことを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項１の欠陥検査装置において、
　前記フォーカスアクチュエータが前記撮像センサを平行移動させる方向は、前記照明スポットの高さ変動に伴って生じる前記受光面の長軸方向への前記光学像のずれが前記合焦位置のずれと合わせて補正されるように、前記検出光学系の光軸に対して傾斜した特定の方向に設定されており、
　前記コンピュータは、前記照明スポットの高さ変動量を基に前記フォーカスアクチュエータを制御し、前記特定の方向に前記撮像センサを平行移動させて前記合焦位置のずれを補正することにより、併せて前記光学像のずれを補正するように構成されている
ことを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項１の欠陥検査装置において、
　前記フォーカスアクチュエータは、前記検出光学系の光軸方向に、前記検出光学系の一部の光学素子を移動させるように構成されており、
　前記コンピュータは、前記照明スポットの高さ変動量を基に前記フォーカスアクチュエータを制御して前記光学素子を平行移動させて前記合焦位置のずれを補正するように構成されている
ことを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項７の欠陥検査装置において、
　前記撮像センサを前記受光面の面方向に平行移動させるセンサシフトアクチュエータを備え、
　前記コンピュータは、
　前記照明スポットの高さ変動量を基に、前記照明スポットの高さ変動に伴って生じる前記受光面の長軸方向への前記光学像のずれ量を演算し、
　前記光学像のずれ量を基に前記センサシフトアクチュエータを制御して前記撮像センサを平行移動させて前記光学像のずれを補正する
ように構成されていることを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項７の欠陥検査装置において、
　前記コンピュータは、
　前記照明スポットの高さ変動量を基に、前記照明スポットの高さ変動に伴って生じる前記受光面の長軸方向への前記光学像のずれ量を演算し、
　前記光学像のずれ量を基に、前記光学像についての複数のデータセット間の画素の対応のずれを補正する
ように構成されていることを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項１の欠陥検査装置において、
　前記フォーカスアクチュエータの駆動対象の位置を検出する位置センサを備え、
　前記コンピュータは、前記フォーカスアクチュエータの制御において、前記位置センサの出力を基に、目標位置に対する前記駆動対象の位置ずれを演算し、前記位置ずれが減少するように前記フォーカスアクチュエータを制御するように構成されている
ことを特徴とする欠陥検査装置。
　請求項１の欠陥検査装置において、
　前記撮像センサを前記受光面の面方向に平行移動させるセンサシフトアクチュエータ又は前記フォーカスアクチュエータとして、前記撮像センサを駆動するアクチュエータ、前記検出光学系の一部の光学素子を駆動するアクチュエータ、及び前記試料台を駆動するアクチュエータのうちの複数を備え、
　前記コンピュータは、最も応答速度の遅い一のアクチュエータが応答可能な動作量を演算し、前記一のアクチュエータの応答可能な動作量を基に他のアクチュエータの目標動作量を減算するように構成されている
ことを特徴とする欠陥検査装置。