JP5331813B2 - 反射対物鏡、ミラーを有する広帯域対物光学系、及び屈折レンズを有する光学撮像システム、及び２つ以上の結像経路を有する広帯域光学撮像システム - Google Patents

Description

（優先権主張）
本願は、米国特許仮出願第６０／９９７３０６号、２００７年１０月２日出願（特許文献１）に基づいて優先権を主張し、その全文を参考文献として本明細書に含める。また本願は、米国特許仮出願第６１／０００２５４号、２００７年１０月２４日出願（特許文献２）に基づいて優先権を主張し、その全文を参考文献として本明細書に含める。

（発明の分野）
本発明は、試料検査用の撮像光学器に関するものであり、特に、反射対物光学系、反射屈折対物光学系の使用、及び複数の波長帯域及び／または検査モードの同時使用に関するものである。

（発明の背景）
ＤＵＶ（deep ultra violet：深（遠）紫外）範囲についての欠陥検査は現在、オール屈折対物光学系または反射屈折（屈折と反射の組合せ）対物光学系で行われている。ＤＵＶより短い波長については、米国特許出願公開第２００６／０２１９９３０号明細書（特許文献３）が、オール反射光学系の使用を提案している。特許文献３（現在、米国特許第７３５１９８０号明細書）は、その全文を参考文献として本明細書に含める。

集積回路技術におけるデザイン（設計）ルールが縮小されるのに伴い、より小さい欠陥の検出を改良する１つの方法は、より短い波長を利用することによって光学検査システムの分解能を向上させることである。しかし、波長が２５０ｎｍ以下になると共に、石英ガラス及びＣaＦ₂のような利用可能な光学材料の分散特性が大幅に増加する。さらに、２００ｎｍ以下から４００ｎｍ以上の波長のスペクトルに対して有効で製造可能な反射防止（ＡＲ：anti-reflective）コーティング材料の利用可能性は限られている。（反射型顕微鏡用の良好なＡＲコーティングは、フレア、迷光、等を最小化するために必要不可欠である。）これらの条件が、２５０ｎｍより短い波長を含む広帯域の照明及び検査をサポート（支援）するオール屈折または反射屈折光学系を設計し製造することを極めて困難にしている。

特許文献３中に提案されているオール反射光学系は、２５０ｎｍ以下の波長を含む広帯域照明でのウェハー検査用の光学システムの製造可能性及び設計の大幅な改善を提供している。さらに、特許文献３中の対物光学系の設計は、検査するウェハーに隣接したミラー内に開口を含む。この開口の存在は、ウェハー上への汚染物質の堆積及び／または対物光学系内への汚染物質の拡散の潜在的リスク（恐れ）をもたらす。こうした汚染のリスクは、ウェハー検査システムにおいて不所望である。汚染のリスクは、オール反射の光学設計によって与えられる上記開口を通る大流量を供給することによって低減することができる。しかし、このことは、開口またはその付近に機械的不安定性を生じさせる。米国特許第７１３８６４０号明細書（特許文献４）は、汚染物質が光学部品の光学面に達することを阻止して、これらの光学面から汚染物質を運び去るガスパージシステムを用いて光学部品を保護する方法を記載している。しかし、２００ｎｍ以下の波長を含む広帯域システムにおいてこの方法を実現することは、色補正、ＡＲ性能の問題、及び／または窓を過度に薄くした場合の機械的不安定性により困難であり得る。

従来技術文献は、他の種々の欠点を有する多数の試料検査システムを記載している。例えば、米国特許第６８６７４２４号明細書（特許文献５）は、単一の結像経路しか存在せず、異なるモードを有する２つの光源の同時使用を防止する光学システムを記載している。

米国特許第７３５９０４４号明細書（特許文献６）は、試料検査システムにおける明視野及び暗視野撮像用の（広帯域照明とは対義的な）レーザー帯域照明の使用を記載している。複数のレーザーを用いて照明を提供するが、単一の結像経路しか存在しない。

米国特許出願公開第２００５／００５２６４３号明細書（特許文献７）は、２つの照明経路は存在するが単一の結像経路しか存在しない検査システムを記載している。

米国特許第６４０４４９８号明細書（特許文献８）も、２つの照明経路は存在するが単一の結像経路しか存在しない検査システムを記載している。

米国特許第６０７８３８６号明細（特許文献９）は、２つの照明経路は有するが、狭帯域、例えばレーザー照明及びレーザー撮像を用いる検査システムを教示している。これに加えて、レーザービームを対物光学系の外部から試料に導入する。２つの光源を使用する際は、狭帯域照明を空間的コヒーレント（可干渉）モードで対物光学系の外部から導入する。

米国特許第６７６２８３１号明細書（特許文献１０）は、対物光学系を通してＤＵＶ及びＶＵＶ（vacuum ultra violet：真空紫外）放射を試料に導入する狭帯域照明を使用する試料検査システムを教示している。対物光学系を通る照明は、空間的にインコヒーレントな（非干渉性の）照明モードを可能にする。照明及び撮像は、２つのレーザーによって発生した２つの異なる波長で行う。本発明の好適例はこの枠内で生じたものである。

米国特許仮出願第６０／９９７３０６号明細書 米国特許仮出願第６１／０００２５４号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２１９９３０号明細書 米国特許第７１３８６４０号明細書 米国特許第６８６７４２４号明細書 米国特許第７３５９０４４号明細書 米国特許出願公開第２００５／００５２６４３号明細書 米国特許第６４０４４９８号明細書 米国特許第６０７８３８６号明細書 米国特許第６７６２８３１号明細書 米国特許第６８０１３５７号明細書

Warren J. Smith, "Modern Lens Design", McGraw-Hill, Inc., 1992, Chapter 16: Mirror and Catadioptric Systems (page 271) F. Rainer, W. Howard Lowdermilk, D. Milam, C K Carniglia, T. T. Hart, and T. L. Lichtenstein, "Materials for Optical Coatings in the Ultraviolet", Applied Optics, Vol.24, No.4, 15 February 1985, pg. 496 ff Warren J. Smith, "Modern Lens Design", 3rd Edition, McGraw-Hill, Inc., Chapter 7: Optical Materials and Interference Coatings

本発明の好適例によれば、試料検査用の光学システムが、最外部のミラーを含む少なくとも４つのミラーを有する対物光学系、及びこの対物光学系に光結合された焦点調節光学系を具えることができる。この焦点調節光学系は、１つ以上の屈折光学素子を含む。この対物光学系は、０．７以上の開口数、瞳孔内の３５％以下の中心不明瞭化で結像を行うように構成されている。試料側にある最外部のミラーのアスペクト比は２０：１以下である。

本発明の特定の好適例では、ウェハー検査システムのような撮像システム用の対物光学系の最外部のミラーが、試料側におけるそのアスペクト比を約１０：１〜約２０：１に低減することによって、改善された製造可能性を有することができる。このことは、０．５ｍｍ以上の大視野、低い中心不明瞭化（例えば３５％以下、３０％以下または２５％以下）、２５０ｎｍ以下の広帯域スペクトルを有し、７枚以上のミラーを必要としない、０．７以上の高い開口数（ＮＡ）のより製造可能性のある対物光学系での検査を可能にする。こうしたシステムはさらに、瞳孔リレー（光学系）内の１つ以上の屈折素子、及び対物光学系の外部の結像光学系を利用して、システムのフレキシビリティ（柔軟性）及び効率を改善する。これらの瞳孔リレー内の屈折素子及び結像光学系は、パッケージ化に対する制約を最小化し、対物光学系に対する収差補償の機会を生じさせ、これにより許容誤差の要求を低下させる。一好適例によれば、この対物光学系は４ミラーの対物光学系とすることができる。本発明の他の好適例は６ミラーの対物光学系を利用することができる。両好適例は、その２つの構成により、より製造可能性のある最外部の素子を有する。本発明の対物光学系の上記２つの好適例のいずれと共に使用されるように変更することのできる屈折瞳孔リレーも開示する。

本発明の追加的な好適例は、試料に最も近い開口を閉じる屈折素子を設けることによって、製造可能性、光汚染制御、光学性能、及び反射型広帯域対物光学系の前面素子のウェハーエッジ検査を改良し、これにより、光汚染制御（ＰＣＣ：photo-contamination control）を改良する。本発明の一部の好適例は、試料に最も近い反射素子の中心開口内の屈折モジュールを利用する。本発明の一部の好適例では、この屈折光学素子が、湾曲した屈折性のシェル状レンズ素子である。本発明の一好適例によれば、撮像対物光学系が２つ以上のミラーを具え、その少なくとも１つが、これら２つ以上のミラーの最外部のミラーの中心開口を密封する屈折モジュールを含んで、対物光学系内部の雰囲気を試料の雰囲気からほとんど隔離することができる。

いくつかの好適例では、上記屈折素子の湾曲をより小さくし、さらに、より平面に近くすることができる。この屈折モジュールは２つ以上の屈折素子で構成することもできる。本発明の好適例は、屈折光学素子を利用して、対物光学系の屈折素子からのフィールド（像面）湾曲の寄与分を再配分し、これによりミラーの製造可能性を改善することができる。対物光学系内の反射素子及び屈折素子を、屈折素子への入射角（ＡＯＩ：angle of incidence）が約２５度以下であるように構成して、広帯域反射防止（ＡＲ）コーティングの複雑性を低減し、達成可能なＡＲ性能を改善することができる。

本発明の他の好適例は、複数の波長帯域、明視野（ＢＦ：bright field）及び暗視野（ＤＦ：dark field）、異なる倍率、及び独立したアライメント（位置合わせ）及び倍率調整からの同時の欠陥検査データを提供することができる。これらの特徴は、撮像リソースのより効率的な利用を提供し、高感度のＢＦ検査、及びより良好な、光量の限られたＤＦ検査を同時に可能にする。

他の好適例によれば、光学撮像システムが、単一の対物光学系、及びこの対物光学系に光結合された２つ以上の広帯域結像経路を具えることができる。これらの対物光学系及び結像経路は、０．７以上の開口数及び０．８ｍｍ以上の視野での広帯域の結像を行うように構成することができる。

代案の好適例によれば、光学撮像システムが、対物光学系に近接して配置した試料からの光を集光するように構成された対物光学系、及びこの対物光学系に光結合された２つ以上の結像経路を具えることができる。これら２つ以上の結像経路は、対応する２つ以上のモードにおいて、試料の対応する２つ以上の同時の像を提供するように構成することができる。これら２つ以上のモードの各モードは、照明瞳孔開口及び／または集光瞳孔開口によって特徴付けることができ、そして上記２つ以上の同時の像の各々は広帯域の像である。

他の代案の好適例によれば、光学撮像システムが、対物光学系に近接して配置された試料からの光を集光するように構成された対物光学系、及びこの対物光学系に光結合された２つ以上の結像経路を具えることができる。これら２つ以上の結像経路は、対応する２つ以上のモードにおいて、試料の対応する２つ以上の同時の像を提供することができる。各モードは、試料における異なる画素サイズによって特徴付けられる。

さらに他の好適例によれば、光学撮像システムが、単一の対物光学系、及びこの対物光学系に光結合された２つ以上の結像経路を具えることができる。これらの結像経路は、２つの異なる波長帯域を伝達するように構成することができる。少なくとも１つの波長帯域は、幅１０ｎｍ以上の波長帯域幅を有する広帯域の波長帯域である。これら２つの異なる波長帯域幅用の照明は、上記対物光学系を通して試料に結合され、上記対物光学系及び結像経路は、０．７以上の開口数及び０．８ｍｍ以上の視野で結像を行う。
本発明の好適例としては、さらに、以下のような態様を挙げることができる。
適用例１．
試料検査用の光学システムにおいて、
最外部のミラーを含む少なくとも１つのミラーを具えた対物光学系と；
前記対物光学系に光結合され、１つ以上の屈折光学素子を含む焦点調節光学系とを具え、
前記対物光学系は、０．７以上の開口数、瞳孔内の３５％以下の中心不明瞭化で結像を行い、前記最外部のミラーの前記試料側のアスペクト比が２０：１以下であることを特徴とする光学システム。
適用例２．
前記焦点調節光学系がリレーモジュールを含み、このリレーモジュールは、前記対物光学系の内部の開口絞りを、前記対物光学系の外部に位置する瞳孔面にリレーするように構成されていることを特徴とする適用例１の光学システム。
適用例３．
前記焦点調節光学系が、可変倍率を提供するように構成されていることを特徴とする適用例１の光学システム。
適用例４．
さらに、前記対物光学系の前記最外部のミラー内の中心開口内に配置された屈折素子を具えていることを特徴とする適用例１の光学システム。
適用例５．
さらに、１つ以上の追加的屈折素子を前記対物光学系の内部に具え、前記１つ以上の追加的屈折素子は、前記最外部のミラーの前記中心開口内に配置された前記屈折素子に対する色補正を与えることを特徴とする適用例４の光学システム。
適用例６．
前記対物光学系が、負の像面湾曲を有することを特徴とする適用例１の光学システム。
適用例７．
前記焦点調節光学系が、前記対物光学系の前記像面湾曲を補償するペツヴァル湾曲を有することを特徴とする適用例６の光学システム。
適用例８．
前記対物光学系が、０．５ｍｍ以上の試料視野サイズを有することを特徴とする適用例１の光学システム。
適用例９．
前記対物光学系が６つのミラーを含み、無限共役の結像を行うことを特徴とする適用例１の光学システム。
適用例１０．
前記対物光学系が、負の球面収差を有する中間視野を生成する最外部のミラーモジュールを含むことを特徴とする適用例９の光学システム。
適用例１１．
前記対物光学系が２つ以上の凸面鏡を含むことを特徴とする適用例１０の光学システム。
適用例１２．
さらに、前記対物光学系と前記焦点調節光学系との間の光学収差を補償するように構成された１つ以上の光学素子を具えていることを特徴とする適用例１の光学システム。
適用例１３．
撮像対物光学系において、
２つ以上のミラーを具え、前記２つ以上のミラーの少なくとも１つが、前記２つ以上のミラーのうち最外部のミラーの中心開口を密封する屈折モジュールを含んで、前記撮像対物光学系の内部の雰囲気を試料の雰囲気から隔離することを特徴とする撮像対物光学系。
適用例１４．
前記屈折モジュール、及び１つ以上の前記ミラーが、前記撮像対物光学系を通過する光が前記屈折モジュールの光学面に約２５度以下である入射角で入射するように構成されていることを特徴とする適用例１３の撮像対物光学系。
適用例１５．
前記屈折モジュールが、平面またはほぼ平面である光学素子を含むことを特徴とする適用例１３の撮像対物光学系。
適用例１６．
前記屈折モジュールが、前記２つ以上のミラーによって生成される像面湾曲とは逆の像面湾曲を与えるように構成されていることを特徴とする適用例１３の撮像対物光学系。
適用例１７．
前記屈折モジュールが、前記２つ以上のミラーのうち１つ以上の光学収差を補償するように構成されていることを特徴とする適用例１３の撮像対物光学系。
適用例１８．
前記２つ以上のミラーが、前記最外部のミラー以外に１つ以上のミラーを含み、前記１つ以上のミラーは、中心開口を有するボディ、及び前記中心開口内に配置された屈折光学素子を有することを特徴とする適用例１３の撮像対物光学系。
適用例１９．
前記屈折光学素子が、色補正を行うように構成されていることを特徴とする適用例１８の撮像対物光学系。
適用例２０．
前記２つ以上のミラーが、少なくとも４つのミラーを含むことを特徴とする適用例１３の撮像対物光学系。
適用例２１．
前記２つ以上のミラーが、最大６つのミラーを含むことを特徴とする適用例１３の撮像対物光学系。
適用例２２．
前記対物光学系が無限共役であり、前記対物光学系は平坦なペツヴァル視野を有することを特徴とする適用例２１の撮像対物光学系。
適用例２３．
前記６つのミラーが、凸面鏡に隣接した２ミラーのリレーグループを含み、前記２ミラーのリレーグループが、前記最外部のミラー、及び前記凸面鏡と前記最外部のミラーとの間に配置された他のミラーを含み、前記２ミラーのリレーグループが１に近い倍率を有し、前記２ミラーのリレーグループが負の球面収差を有することを特徴とする適用例２２の撮像対物光学系。
適用例２４．
前記負の球面収差が、前記リレーグループのミラーの反射面と前記凸面鏡の反射面との間の距離の２倍以下であることを特徴とする適用例２３の撮像対物光学系。
適用例２５．
単一の対物光学系、及びこの対物光学系に光結合された２つ以上の広帯域の結像経路を具えていることを特徴とする光学撮像システム。
適用例２６．
前記２つ以上の結像経路の各々が、独立して利用可能な別個の瞳孔を含むことを特徴とする適用例２５のシステム。
適用例２７．
前記２つ以上の結像経路が、前記対物光学系に近接した試料の表面の、複数の検査モードでの同時検査を可能にするように構成されていることを特徴とする適用例２６のシステム。
適用例２８．
前記複数の検査モードが、明視野モード及び暗視野モードを含むことを特徴とする適用例２７のシステム。
適用例２９．
前記複数の検査モードが２つの異なる波長帯域から成り、前記波長帯域の各々において、前記試料上に視野を有して、センサに伝達される像が生じることを特徴とする適用例２８のシステム。
適用例３０．
さらに、前記２つ以上の結像経路の各々に結合され、前記異なる波長帯域を検出する異なるセンサを具えていることを特徴とする適用例２９のシステム。
適用例３１．
前記２つの異なる波長帯域が、約２５０ｎｍ以下の真空波長から成る第１帯域と；約２５０ｎｍ〜約４５０ｎｍの真空波長から成る第２帯域を含むことを特徴とする適用例２９のシステム。
適用例３２．
前記２つの異なる波長帯域が第１帯域を含み、この第１帯域が、少なくとも幅１０ｎｍであり２５０ｎｍ以下の真空波長を含むことを特徴とする適用例２９のシステム。
適用例３３．
前記２つの異なる波長帯域がさらに、幅１００ｎｍより大きい第２帯域を含むことを特徴とする適用例３２のシステム。
適用例３４．
前記瞳孔が屈折素子で構成されることを特徴とする適用例３２のシステム。
適用例３５．
単一の瞳孔リレーを、複数の前記結像経路の間で共用することを特徴とする適用例３４のシステム。
適用例３６．
前記２つ以上の結像経路の各々が、別個の瞳孔リレーを有することを特徴とする適用例３４のシステム。
適用例３７．
前記２つの異なる波長帯域が第１波長帯域を含み、この第１波長帯域が、少なくとも幅１０ｎｍであり２７０ｎｍ以下の真空波長を含むことを特徴とする適用例２９のシステム。
適用例３８．
前記結像経路の光学素子が、２つの前記結像経路の分割点の下流に１つ以上の屈折光学素子を含むことを特徴とする適用例３７のシステム。
適用例３９．
前記対物光学系が、最外部のミラーを含む少なくとも４つのミラーを具え、前記対物光学系が、０．７以上の開口数、３５％以下の瞳孔内の中心不明瞭化で結像を行うように構成され、前記最外部のミラーの試料側のアスペクト比が２０：１以下であることを特徴とする適用例２５のシステム。
適用例４０．
前記対物光学系が２つ以上のミラーを具え、前記２つ以上のミラーの少なくとも１つが、前記２つ以上のミラーのうち最外部のミラーの中心開口を密封する屈折モジュールを含んで、前記対物光学系の内部の雰囲気を試料の雰囲気からほとんど隔離することを特徴とする適用例２５のシステム。
適用例４１．
前記２つ以上の結像経路の各々が、瞳孔リレー；瞳孔；及びズーム／可変倍率モジュールを含むことを特徴とする適用例２５のシステム。
適用例４２．
前記２つ以上の結像経路の各々が、複数の画素サイズにマッピングするための複数の倍率を提供するように動作可能な可変倍率モジュールを含むことを特徴とする適用例２５のシステム。
適用例４３．
前記２つ以上の結像経路が、独立したアライメント調整及び倍率調整を有することを特徴とする適用例２５のシステム。
適用例４４．
前記結像経路の各々が、データレートを有するセンサを含み、前記センサの各々の前記データレートを独立して設定することができることを特徴とする適用例２５のシステム。
適用例４５．
さらに、複数の照明経路を含むことを特徴とする適用例２５のシステム。
適用例４６．
前記照明経路毎に独立して、光スペクトル、出力、及び照明設定を選定し調整することを特徴とする適用例４５のシステム。
適用例４７．
前記照明設定が、開口数、照明開口、偏光、光パワー、及び試料上の照明位置を含むことを特徴とする適用例４６のシステム。
適用例４８．
前記結像経路の少なくとも１つが、長距離の光トロンボーンを含むことを特徴とする適用例２５のシステム。
適用例４９．
対物光学系、及びこの対物光学系に光結合された２つ以上の結像経路を具え、前記対物光学系は、当該対物光学系に近接して配置された試料からの光を集光するように構成された光学撮像システムにおいて、
前記２つ以上の結像経路は、対応する２つ以上のモードにおいて、前記試料の対応する２つ以上の同時の像を提供するように構成され、前記２つ以上のモードの各モードは、照明瞳孔開口及び／または集光瞳孔開口によって特徴付けられ、前記２つ以上の同時の像の各々が広帯域の像であることを特徴とする光学撮像システム。
適用例５０．
対物光学系、及びこの対物光学系に光結合された２つ以上の結像経路を具え、前記対物光学系は、当該対物光学系に近接して配置された試料からの光を集光するように構成された光学撮像システムにおいて、
前記２つ以上の結像経路は、対応する２つ以上のモードにおいて、前記試料の対応する２つ以上の同時の像を提供するように構成され、前記２つ以上のモードの各モードは、前記試料における異なる画素サイズによって特徴付けられることを特徴とする光学撮像システム。
適用例５１．
単一の対物光学系、及び前記対物光学系に光結合され、２つの異なる波長帯域を伝達するように構成された２つ以上の結像経路を具えた光学撮像システムにおいて、
前記波長帯域の少なくとも１つは、幅１０ｎｍ以上の波長帯域幅を有する広帯域の波長帯域であり、前記２つの異なる波長帯域用の照明が、前記対物光学系を通して試料に結合され、前記対物光学系及び前記結像経路は、０．７以上の開口数及び０．８ｍｍ以上の視野で結像を行うように構成されていることを特徴とする光学撮像システム。

従来技術による光学システムを示す図である。 本発明の実施例による光学システムの４ミラー対物光学系部分の第１例を示す図である。 図１ｂに示す対物光学系用の好適な寸法及び仕様の組を記載した表である。 図１ａに示す種類の光学システム内の、図１ｂの対物光学系と共に用いることのできる本発明の屈折焦点調節光学系の例を示す図である。 本発明の実施例による光学システムの６ミラー対物光学系部分の第２例を示す図である。 図２ａに示す対物光学系部分における負の球面収差の領域を拡大して示す図である。 図２ａに示す種類の対物光学系用の寸法及び仕様の例を記載した表である。 図２ａのような平坦なペツヴァル湾曲を有する対物光学系と共に使用することのできる焦点調節光学系の例を示す図である。 湾曲したペツヴァル視野を可能にする対物光学系部分の実施例の第３例を示す図である。 図２ｅに示す種類の対物光学系用の寸法及び仕様の例を記載した表である。 本発明の一実施例を示す図であり、対物光学系が、試料により近い最外部のミラー用の中心開口を密封する湾曲した前方屈折素子と、この前方屈折素子によって生じる色収差の補正を与える他の屈折モジュールとを含む。 本発明の他の実施例を示す図であり、対物光学系が、試料により近い最外部のミラー用の中心開口を密封するより平坦な前方屈折素子と、色補正を与える他の屈折モジュールとを含む。 本発明の実施例による最外部の対物鏡素子の例を示す図である。 対物光学系部分の外部にある光学系部分の好適な具体例を示す図であり、２波長帯域にわたる同時検査用に構成されている。 図５の副次的部分を示す図であり、２波長帯域間の横方向シフトを生成するために使用するミラーを含む。 ２つの照射経路を用いた本発明の光学システムの構成の例を示す図である。 センサを利用する構成のいくつかの例、及び異なる波長スペクトル及びモードでこれらの例を利用することのできる方法を示す図である。

（実施例の詳細な説明）
図１ａに光学撮像システムの例を示し、この光学撮像システムは、特許文献３に開示されているものに基づく４ミラーの対物光学系の設計を用いている。図１ａに示す光学システムは、瞳孔リレー部分１０２及び対物光学系部分１４２を含む。対物光学系部分１４２は、ミラー１１０（Ｍ１）、１１２（Ｍ２）、１１５（Ｍ３）及び１２０（Ｍ４）を含む。瞳孔リレー部分１０２からの入射光ビーム１０１は、まずミラー１１０（Ｍ１）に当たり、次にミラー１１２（Ｍ２）に当たり、次に最外部のミラー１１５（Ｍ３）に当たり、そして試料１０５上に当たる。試料は一般に、ウェハー検査システムまたは生物標本検査システム、あるいはマスク検査システムのような試料検査システム内の最外部のミラー１１５の付近に配置されている。本明細書で利用する用語は、図に示す例の中の相対位置を表す用語の定義として解釈すべきであり、即ち、ミラーの番号付けは、瞳孔リレー部分１０２（及び／または照明器）からの入射光ビームがこれらのミラーに当たる順序によって決まる。４ミラーの対物光学系の設計については、対物光学系部分１４２をシステム１００内で使用する際は、Ｍ３ミラー（最外部のミラー１１５）が試料に最も近い。試料１０５から出て放射される光線は、これらのミラーに逆の順序で当たり、即ち、まずＭ４に、次にＭ３に、次にＭ２に、そしてＭ１に当たる。図１ａに示す対物光学系の設計の開口数は、集束角１３０によって決まる。所定直径の入射開口に対しては、最外部のミラー１１５と試料１０５との間の距離が減少すると共にＮＡが増加する。対物光学系部分１４２の内部の第１中間像面（像平面）１６０、及びこの対物光学系部分の外部の第２中間像面１６５を示す。

本発明の、全部ではないが一部の実施例によれば、レンズのような屈折光学素子を、試料の光汚染に対するバリア（障壁）として、試料付近のミラーＭ３を通して開口１３５内に挿入することができる。この場合は、上記対物光学系は反射屈折型であり、即ち反射素子及び屈折素子を共に含む。

図１ａに示す対物光学系の設計は、４つのミラーの曲率に現れ、最良の全視野の結像品質については全ペツヴァル湾曲が０に近い、という一般に利用されるシステム制約に従う。この制約は、凸面またはほぼ平面の最外部のミラー１１５の必要性を生じさせる。しかし、低い中心不明瞭化を達成するためには、最外部のミラー１１５、即ち高ＮＡ側の外部視野面に隣接する第１ミラー素子を、試料に非常に近くし、かつ非常に薄くする必要があり、このため、大きな円錐角の光を伝達する必要のある開口のサイズは限定され得る。これら２つの条件、即ち凸面またはほぼ平面の最外部のミラー素子１１５及びこのミラーの試料への近さは、高いアスペクト比を有する最外部のミラー素子を生じさせる。本明細書で用いるアスペクト比は、ミラーの径の、ミラーのエッジの厚さに対する比率を称する。従って、高いアスペクト比を有する非常に薄いミラーは製造が困難であるので、トレードオフが生じる。一例として、本発明の実施例では、最外部のミラー１１５’のアスペクト比を２０：１以下、例えば約１０：１〜約２０：１にすることができる。

図１ｂに、本発明の光学システムの代案実施例による対物光学系部分１４２を示し、この実施例は４ミラーの対物光学系を具えている。この第１実施例の特徴は、最外部のミラー１１５’の改善された製造可能性にあり、共役の長辺から見てＭ３で表す。最外部のミラー１１５’は湾曲した内面１４５を有し、より厚い外側領域１５０を有するが、中心領域１５５は薄いままである。従って、ＮＡを犠牲にする必要はない。この第１実施例用の好適な寸法及び使用の組を図１ｃに挙げる。第１中間像面１６０’は対物光学系部分１４２内にある。（図１ａの像面１６５と同様の）第２中間像面は、対物光学系部分１４２の外部にある。

湾曲した最外部のミラー１１５’が厚いほど、次の効果が生じる：
１．ミラーの改善された製造可能性、及び平面で高アスペクト比のミラーに比べて低減されたコスト；
２．システムのペツヴァル湾曲が負になる。（本明細書に開示する好適な設計は、約−８０ｍｍのペツヴァル湾曲を有する。）ここでも、本発明のシステムのような、ペツヴァル湾曲を負の値にすることを可能にするシステムは、０付近のペツヴァル湾曲に限定されたシステムに対していくつかの利点を有する。瞳孔リレー部品の特注（カスタム）設計が必要になり得るが、ペツヴァル湾曲を０付近にする一般的制約を緩めることは、より良好な収差の補正を可能にするか、収差が一定であれば、増大したＦＯＶ（field of view：視野）を可能にする。ペツヴァル湾曲及び半径、及びその反射素子及び屈折素子との関係は、Warren J. Smith, “Modern Lens Design”, McGraw-Hill, Inc., 1992, Chapter 16: Mirror and Catadioptric Systems (page 271)（非特許文献１）に記載されている。
３．第２中間像面の湾曲が生じる；即ち、湾曲した中間像面を平坦な最終像面上にマッピング（写像）するために、リレー光学系によるさらなる光学補正が必要になる。視野の湾曲を補正するためのこれらの追加的なリレー光学系は、より小型の利用可能な瞳孔を生じさせる。平坦な中間像面対湾曲した中間像面（ＩＩＰ：intermediate image plane）に関するトレードオフが存在し：平坦なＩＩＰは、より大きい利用可能な瞳孔を生産することをより容易にし、このことは、構成部品をそこに配置する際に有利であり得る。しかし、湾曲した中間像面に関連する利用可能なより小さい瞳孔は、より容易に遮光することができ、より小型のシステムを生じさせることもできる点で有利であり得る。

一部の実施例では、最外部のミラー１１５’のサイズ及び中心不明瞭化を、屈折瞳孔リレーによる像面（フィールド）湾曲を可能にすることによって最適化する。一般に、瞳孔リレーの屈折力（度）は、対物光学系からのペツヴァル湾曲に対応するために十分大きい必要がある。図１ｄに、図１ｂに示す種類の対物光学系と共に使用することのできる瞳孔リレー部分１０２の可能な構成の例を示し、この対物光学系は曲面のペツヴァル湾曲を有する。瞳孔リレー部分１０２は対物光学系部分１４２の外部にある。本発明の光学システムの一実施例の特徴は、屈折レンズを用いて、１７０のような瞳孔リレー／可変倍率光学系、及び可変倍率撮像システムを形成することにあり、この可変倍率光学系は、負のペツヴァル湾曲から生じる湾曲した中間像面を平坦な最終像面上にマッピングする。屈折レンズ素子１７５に加えて、この倍率光学系は、折り畳みミラー及び／またはビームスプリッタを具えることができる。このことは、特許文献３に開示されたオール反射型の瞳孔リレー光学系とは対照的である。

屈折瞳孔リレー光学系の使用は、湾曲した第２中間像面の直接的で容易な補正を提供し、平坦な最終像面上へのマッピングを可能にする。光学素子としてのミラーの使用は、非特許文献１に記載されているように、負になりやすいペツヴァル数を生じさせる。本明細書で説明するように、ミラーとレンズを組み合わせることは、負のペツヴァル数と正のペツヴァル数とを容易に相殺しやすく、平坦な最終像面を生じさせる。

屈折瞳孔リレー光学系を使用することの追加的利点は、図１ｄに示すように、瞳孔リレーを光軸１８０上に集中させることができる点にある。これとは対照的に、ミラーで構成される瞳孔リレー光学系は、不明瞭化を防止するために軸外に移動させなければならない。軸外ミラーの設計は、製造し位置合わせすることが非常に困難である。ミラーはあらゆる波長の光に使用することができるが、特に集光した光を２つの帯域に分割する場合は、レンズは本発明の目的のために十分な帯域幅を有することを見出した。

上述した光学システムに対する他の変形を実現することができる。例えば、上述した理由のいずれかにより平坦な中間像面が望ましい場合は、平面（またはほぼ平面）のＭ３ミラー１１５が必要になる。このミラーの製造可能性を改善するために、アスペクト比を減少させることができる。このことを実現するために、図２ａ及び図２ｂに示す本発明の構成は、２ミラーのリレーグループ（リレー群）を、図１ｂに示す種類の対物光学系に追加する。図２ａ及び図２ｂに見られるように、本発明の光学システムの対物光学系部分の他の代案実施例の一例は、凸面鏡２１０（Ｍ１）、２１５（Ｍ３）、及び４つの凹面鏡２１２（Ｍ２）、２１８（Ｍ４）、２２２（Ｍ５）、２２４（Ｍ６）を利用する。最外部のミラー２２２は、以上で説明したように、中心開口を覆う随意的な光屈折素子を有することができる。ミラー２２２及び２２４がリレーグループ２２０を形成する。リレーグループ２２０は、約１に等しい倍率を有することができる。これに加えて、リレーグループ２２０は、少量の負の球面収差を導入するように設計することができる。１つの実現では、リレーグループ２２０は、隣接するミラー２１５（Ｍ３）と２２４（Ｍ６）の上面（反射面）どうしの間隔の２倍以下である、少量の負の球面収差を有することができる。結果的な、凸面鏡２１５の可能な基材の厚さの増加により、そのアスペクト比を、より製造可能なレベルまで減少させることができる。図２ａ及び図２ｂに示す対物光学系の素子の寸法の例を図２ｃに提示する。

図２ａに示す例では、結像は無限共役であり、平坦なペツヴァル視野（フィールド）を有する。前述したように、Ｍ３は外部視野面、即ち試料２０５の面に非常に近接して配置する必要があり、従って、このミラー素子は厚い基材を有することはできない、ということにより、Ｍ３素子のアスペクト比は大きくすることができる。アスペクト比を改善する１つの救済策は、外部視野を、大きな負の球面収差を有する中間像面にリレー（中継）することである。負の球面収差の領域の拡大を（図２ａから反転させて）図２ｂに示す。負の球面収差は本質的に、帯状の像面２０３を、凸面鏡素子２１５（Ｍ３）の反射面により近い方の大きい円錐角２０７から「押し出す」。追加したリレーにより、試料の面はもはやミラー素子の近くに制約されないので、このことは、大きなＮＡからの光を受け入れるためのより大きな開口の必要性なしに、ミラーの厚さを増加させることを可能にする。再び図２ａを参照すれば、最外部のミラー２２２及びミラー２２４を有する追加的な２ミラー・リレーユニット２２０の、システムの対物光学系部分内への追加は、以下のように中間像面のペツヴァル湾曲の調整を同時に可能にしつつ、Ｍ３ミラー２１５の径を減少させることによって、Ｍ３ミラー２１５の製造可能性を改善する方法を提供する。

図２ｄに、図２ａのような平坦なペツヴァル湾曲を有する対物光学系と共に使用することのできる瞳孔リレー光学系２０２の例を示す。反射型瞳孔リレー／可変倍率光学系に対する利点は、軸外及び製造が困難な素子を回避することを含む。しかし、スペクトル帯域幅は、反射防止（ＡＲ）コーティング用に実用的なものによって制限され得る。屈折素子と共に使用される反射防止コーティングは一般に、反射素子と共に使用される高反射コーティングよりも高効率である。

図２ｅに、本発明のシステムの実施例の第２例を示し、この例は湾曲したペツヴァル視野を可能にする。図２ｆに、図２ｅに示す種類の対物光学系用の寸法及び仕様の可能な例を記載する。湾曲したペツヴァル視野を可能にし、この対物光学系を図１ｃに示す屈折瞳孔リレーと共に使用することによって、ミラー２１０（Ｍ１）のサイズ及び中心不明瞭化をさらに最適化することができる。

本発明の光学システムは、複数のミラーを利用して適切な収差配分を行うことによって、そして非球面を利用して球面収差を補正することによって、中心不明瞭化を約３５％に制限しつつ、０．７以上のＮＡ及び０．５ｍｍ以上、より好適には０．８ｍｍ以上、さらに好適には１ｍｍ以上の視野（ＦＯＶ）での回折限界結像品質を生成することができる。これは、シュトレール比が０．９以上である視野のサイズとして規定することができる。

対物光学系、具体的には非球面ミラーの製造可能性は、球面収差の一部を屈折光学系グループに移行（シフト）して、１つ以上の屈折レンズ面を非球面に作り変えることにより補償することによって、さらに改善することができる。

本発明は、本明細書に記載した実施例そのものに限定されることを意図していない。本発明の概念から逸脱することなしに変更及び変形を加え得ることは、当業者の認める所である。例えば、対物光学系は、最外部のミラーの中心化意向を密封するための前面屈折素子、及び色補正を与えるための他の屈折モジュールを含むことができる。

一例として、図１ａに示す種類の光学システムは、図３に示す代案の対物光学系３００を利用することができる。対物光学系３００は、湾曲したミラー（曲面鏡）３１０（Ｍ１）、３１２（Ｍ２）、３２０（Ｍ４）及び平坦な最外部のミラー（平面鏡）３１５（Ｍ３）を含む。光は、第１屈折レンズ３０２及びミラー３１２（Ｍ２）内の開口を経由して対物光学系に出入りし、ミラー３１２は第１レンズ３０２とミラー３１０（Ｍ１）との間にある。試料３０５に向かって進む入射光を例にとれば、第１レンズ３０２を通過した後に、この光はミラーＭ１で反射され、次にミラー３１２（Ｍ２）で反射されて、ミラー３１０（Ｍ１）内の中心開口を通って戻る。そしてこの光は、ミラーＭ４の中心開口内に配置された第２レンズ３０４を通過する。光は、第２レンズ３０４を通過した後に最外部のミラー３１５（Ｍ３）で反射する。この例では、ミラー３１５（Ｍ３）の反射面は、試料３０５とは反対側を向いた平坦な反射面である。ミラー３１５（Ｍ３）で反射した光は、ミラーＭ３の中心開口に配置された第３レンズ３０６を通ってミラー３２０（Ｍ４）で反射する。

ミラー３１０（Ｍ１）、３１２（Ｍ２）、３１５（Ｍ３）及び３２０（Ｍ４）は、筐体（ハウジング）３０９内に密封されて、雰囲気中の汚染物質を、対物光学系３００を通る光路内に入れない。汚染物質は、パージガス源３１１から送出されるパージガスによってビーム経路からパージ（追放）することができる。一般に、このパージガスは、窒素のような高純度の乾燥不活性ガス、あるいは希ガスである。パージガスによってミラー３１５（Ｍ３）内の開口を通って吹き出され得る汚染物質から試料を保護するために、この開口をレンズ３０６のような屈折光学モジュールで閉じることができる。これに限定されないが一例として、レンズ３０６は屈折性のシェル状球面レンズとすることができる。

不所望な反射を低減するために、屈折光学素子３０２、３０４、３０６、即ちレンズ３０２、３０４、３０６の表面を反射防止コーティングで被覆することができる。以上で説明したように、ミラー３１０（Ｍ１）、３１２（Ｍ２）、３１５（Ｍ３）、３２０（Ｍ４）及びレンズ３０２、３０４、３０６は、レンズ３０２、３０４、３０６を通過する光が、２５度以下、より好適には１０度以下の入射角でこれらのレンズに入射するように構成することができる。これらのミラー及びレンズは、ミラー３１０（Ｍ１）、３１２（Ｍ２）、３１５（Ｍ３）、３２０（Ｍ４）及びレンズ３０２、３０４、３０６の曲率半径及び位置、ミラー３１０（Ｍ１）、３１２（Ｍ２）、３１５（Ｍ３）及び３２０（Ｍ４）のサイズ、及びミラー３１５（Ｍ３）と試料３０５との間隔の適切な選定によって適切に構成することができる。これに限定されないが一例として、最外部のミラー３１５にある屈折素子３０６を、ゴースト像が問題でなければ屈折素子３０６の光学面上への光の入射角が約２５度以下、より好適には約１０度以下であるように湾曲させることができる。本明細書で用いる光学面とは、光がレンズに入るかレンズを出る際に光が屈折する表面を称する。こうした小さい入射角は、上記屈折モジュールの光学面より良好な反射防止性能を生じさせる。しかし、ゴースト反射が問題となる場合は、前方素子の曲率半径を増加させて、（前方素子から試料に戻る）ゴースト像を大きく焦点ボケさせることが望ましいことがある。さらに、前方屈折素子３０６を非常に平面に近くして、アライメントエラー（位置合わせ誤差）に対する感度を低下させることができる。さらに、段階的なコーティングをこの反射素子上に堆積させて、ＡＲ性能を改善することができる。

これに加えて、一部の実現では、第２及び第３レンズ３０２及び３０４が、第１レンズ３０６によって導入される色収差を補正する色収差補正を実現することができる。広帯域撮像システム、及び／または、２７０ｎｍ以下または２５０ｎｍ以下、あるいは２２０ｎｍ以下のスペクトルを有する撮像システムについては、屈折モジュール３０６が過度の色収差を導入し得る。この色収差を補償するために、１つ以上の追加的な屈折モジュールを対物光学系３００の内部に含めることができる。あるいはまた、以上で説明したように、瞳孔、リレー、及びズームのような下流の屈折光学系を用いて、色補正を提供することができる。

いくつかの実施例では、屈折モジュール３０６は、ミラー３１０、３１２、３１５、３２０が生成する像面湾曲とは逆の像面湾曲を与えるように構成することができる。例えば、ミラーが負の像面湾曲を生成する場合は、屈折光学素子３０６は正の像面湾曲を生成することができ、その逆も成り立つ。屈折素子３０６のこうした逆の像面湾曲は、ミラー、特に最外部のミラー３１５に対するアスペクト比の要求を緩和する。

さらに、屈折素子３０６を、ミラー３１０、３１２、３１５、３２０の収差バランスを与えるように構成して、非球面外れ（球面からの外れ）を低減しアスペクト比を低減する意味で、これらの製造可能性を改善することができる。特に、完全な球面の反射面は一般に、球面収差のような光学収差を示す。球面収差は一般に、レンズまたはミラーが、光軸からの異なる高さで入射する光線に対して異なる焦点距離を有する状況を称する。負の球面収差は、周辺光線の焦点をより近くにもっていく。球面収差を補償するために、曲面鏡は一般に、球面から外れ、より放物面に近い曲率で製造する。これに限定されないが一例として、必要な非球面外れの量を低減するために、屈折素子３０６は、ミラー３１０、３１２、３１５、３２０の１つ以上における球面収差の少なくとも一部を補償するように球面曲率から少し外れた屈折面を有することができる。

これに加えて、一部の実現については、上記屈折素子が比較的平坦であることが望ましいことがある。一般的に言えば、屈折素子は、当該素子が無限大の曲率半径によって特徴付けられる前後の屈折面を有する場合に、平坦であると言うことができる。本明細書で用いる屈折素子は、その前後の屈折面が５００ｍｍ以上の曲率半径によって特徴付けられる場合に「ほぼ平坦である」と言われる。より平坦な素子は、製造及びアライメント（位置合わせ）がより容易でありやすく、そして現場交換することができる。

一部の実現では、最外部のミラー３１５の反射モジュール３０６を現場交換可能にすることが望ましいことがある。交換可能であるとは、屈折モジュール３０６が最外部のミラー３１５から取り外され、そして容易に設置されるように設計されていることを意味する。前面反射素子を現場交換可能にするためには、軸方向及び横方向の許容誤差の意味でのアライメント感度を比較的ゆるくすべきである。一例として、２、３ミクロンの範囲内の、横方向及び軸方向のアライメント許容誤差が、交換可能な屈折モジュール３０６に適している。

曲面の屈折素子に基づく屈折モジュールを図示し上述しているが、本発明の実施例は、屈折モジュールが平面またはほぼ平面の屈折素子を含む実現を含む。図４に、最外部のミラー内に平面またはほぼ平面の屈折素子を有する対物光学系４００の例を示す。対物光学系４００は一般に、ミラー４１０（Ｍ１）、４１２（Ｍ２）、４１５（Ｍ３）、及び４２０（Ｍ４）を含む。この例では、ミラー４１５（Ｍ３）が最外部のミラーであり、即ち、この対物光学系を撮像システム内で使用する際に、目標４０５に最も近いミラーである。平面またはほぼ平面の屈折素子４５６が、最外部のミラー４１５（Ｍ３）内の中心開口を覆う。

対物光学系４００は、屈折素子４５６以外に１つ以上の追加的な屈折モジュールを含むことができる。例えば、図４に示すように、第２屈折素子４０６は、ミラー４２０（Ｍ４）のような他のミラーの中心開口を覆うことができる。

対物光学系内の最外部のミラー１１５’用の、複数の異なる構成が存在する。図５に示す第２の例に見られるように、対物光学系の最外部のミラー素子５００は、ミラーボディ（本体）５０２を含むことができ、ミラーボディ５０２は、光学的に透明または光学的に不透明な材料製とすることができる。ミラーボディ５０２の表面５０１は、ミラーボディの中心部分を通る開口以外は反射コーティング５０４で被覆することができる。例として、表面５０１は曲面形状とすることができる。ミラー素子５００を対物光学系に内蔵させる際に、反射コーティング５０４は、ミラーボディ５０２の、試料５０５とは反対側を向いた表面上にある。反射素子５０８は、開口が汚染物質の伝達に対して密封されるように、この開口内に配置されている。屈折光学素子５０８は、ミラーボディ５０２の反射コーティング５０４で被覆した部分とは異なる曲率を有することができる。屈折光学素子５０８は、１つ以上の凹面または凸面の反射面を含んで、所望の焦点調節特性を提供することができる。あるいはまた、屈折光学素子５０８は、段階的コーティングを有するより平面の光学素子を含んで、ＡＲ効率を改善することができる。

図５に示す例では、ミラーボディ５０２は中心開口を有するディスク形状である。ミラーボディ５０２は、その外縁の厚さＴを有することができる。屈折光学素子５０８は、ミラーボディ５０２の厚さＴより小さい厚さｔを有することができる。このことは、より厚いミラーボディを使用し、これにより光学素子５００の製造を簡略化することを可能にする。これに限定されないが一例として、ミラーボディ及び屈折素子は、厚さの比Ｔ／ｔ＝２：１〜４：１によって特徴付けることができる。

以上で説明したように、光学撮像システム、例えば欠陥検査用に使用する撮像システムは、屈折光学素子を使用する瞳孔リレー／可変倍率光学系に結合された対物光学系を使用することができる。本発明の他の実施例は、こうした光学システムのフレキシビリティ及び適応性を拡張することに指向したものであり、これらの実施例について図６〜図９を参照しながら説明する。こうした光学システムのフレキシビリティ及び適応性は、光学システムの対物光学系の外部にある部分中に２つ以上の結像経路を設けるようにシステムを構成することによって拡張することができる。このことは、複数の波長帯域、及び異なるモード（即ち、ＢＦ対ＤＦ）、及び／または異なる画素サイズを用いた同時検査を可能にする。これに加えて、２つ以上の照明経路を設けることもできる。本発明のこうした構成に共通の構成要素の１つは、異なる結像経路内の独立した瞳孔である。

参考文献として本明細書に含める特許文献７は、２つの光学的レジーム（形態）で表面を照射することを含む表面検査方法を開示し、これらのレジームは、第１波長範囲の光に対して表面が不透明であるように選択した第１波長範囲と、第２波長範囲の光に対して表面が少なくとも部分的に透過性であるように選択した第２波長範囲とを含む。特許文献７の方法は、分離した照明源及び複数の検出サブシステムを記載し、これらの検出サブシステムは、複数の倍率、及び明視野検出対暗視野検出を含む。本発明の特定実施例は、共通の撮像対物光学系を用いた、複数の照明経路、複数の結像経路、複数の波長帯域、複数の倍率、複数のモード、及びこれらの組合せでの同時検出を可能にする改良を、特許文献７の方法に与える。

単一の超広帯域対物光学系から捕捉した像を２つの像捕捉帯域に分割することの利点は、屈折瞳孔リレー及び可変倍率光学系の使用を可能にすることにある。反射素子から成る瞳孔リレーよりも屈折瞳孔リレーを使用することの利点は上述した通りであり、特許文献１に記載されている。これらの利点は、屈折素子に使用するＡＲコーティングが、反射素子に使用するＨＲ（high-reflectivity：高反射率）コーテティングより高効率であることを含む。しかし、１９３ｎｍ〜４５０ｎｍの波長のような、即ちＶＤＵＶ（very deep UV：超深紫外）〜ＤＵＶ〜ＵＶに及ぶ広い波長スペクトルにＡＲコーティングを使用することは、いくつかの厳しい挑戦をもたらす。良好に動作する、即ち高効率かつ低吸収で、この範囲のうち比較的長い波長部分、即ち２５０〜４５０ｎｍの波長で動作する相当広範囲のＡＲ材料が存在するが、ＤＵＶ範囲のうち比較的短い波長では良好に動作せず、即ち、これらの材料は比較的短い波長で高い吸収性を持ち始める。上記範囲の比較的短い部分、即ち約１９３〜２５０ｎｍの波長で良好に機能するＤＵＶ ＡＲ材料は、限られた数しか存在しない。種々のコーティング及びその特性の記載は、F. Rainer, W. Howard Lowdermilk, D. Milam, C K Carniglia, T. T. Hart, and T. L. Lichtenstein, “Materials for Optical Coatings in the Ultraviolet”, Applied Optics, Vol.24, No.4, 15 February 1985, pg. 496 ff（非特許文献２）に見出すことができ、その内容を参考文献として本明細書に含める。これらの材料は、比較的長い波長並びに比較的短い波長で機能することができるが、これらの材料は、次の理由で、比較的長い波長に使用するのに好適な材料ではない：Warren J. Smith, “Modern Lens Design”, 3rd Edition, McGraw-Hill, Inc., Chapter 7: Optical Materials and Interference Coatings（非特許文献３）に記載されているように、ＡＲコーティングは一般に、低屈折率の層と高屈折率の層との混合として形成されている。短波長のＤＵＶコーティングに使用する材料のうち、Ａl₂Ｏ₃のような高屈折率材料は所望するほど高い屈折率を有さず、即ち、その屈折率の広がりは、低屈折率材料と高屈折率材料との間ほど大きくない。このことは、ＡＲコーティング用により多数の層を必要とし、設計がより困難である。これに加えて、ＤＵＶ範囲の比較的短い波長部分に適したＤＵＶ ＡＲ材料のコーティング処理は、この範囲の比較的長い波長部分で使用する材料のコーティング処理ほどロバスト（頑健）ではない。

以上の理由により、ＤＵＶ ＡＲ材料を、１９３〜４５０ｎｍ範囲全体より狭い帯域幅に限定することによって、関連する設計の困難性を減少させることができる。

本発明の次の実施例の特徴は、２つの波長帯域の同時検査を可能にすることにある。これに限定されないが一例として、これら２つの波長帯域は、２５０ｎｍ以下の波長を含む第１帯域と、約２５０ｎｍから約４５０ｎｍまで、即ち可視範囲までの第２波長帯域を含むことができる。このようにして、同時検査による高性能を維持しつつ、副（サブ）波長範囲毎に最適なＡＲ材料を用いることができる。こうした波長帯域の分割は、特許文献７に記載された波長帯域の分割とは根本的に異なる動機を有する。特許文献７に詳述された分割は約３５０ｎｍの所、即ち、ポリシリコン及びハイＫ（high-K：高誘電率）誘電体のような、半導体製造において一般的に使用される材料にとって不透明と透過との分割が生じやすい領域内である。

図６に、光学システムの、対物光学系部分の外部の部分の好適な具体例を示し、この具体例は、２つの波長帯域上での同時検査用に構成されている。なお、この構成の特定細部は変更することができる。対物光学系６００は、例えば図１ｂ、図２ｂ、図２ｅ、図３、及び図４を参照して上述した実施例、及び前に本明細書に含めた特許文献１のいずれかにおける反射対物光学系とすることができる。対物光学系６００からの出射光６０５は、２つ以上の瞳孔リレー／可変倍率モジュールを含む撮像システム６１０に入射する。５０／５０ビームスプリッタ６１５は、所定値、例えば２５０ｎｍより短い波長を有する光は反射し、この所定値より長い波長を有する光は透過させる。ビームスプリッタ６１５は、ロングパス（長波長通過）フィルタとして作用し、即ちＤＵＶ及び可視光に対してはＨＴ（high transmission：高透過）であり、ＶＤＵＶに対してはＨＲ（high reflective：高反射）である。従って、対物光学系６００によって集光される出射光６０５は、２つの経路、即ち比較的短波長の光用の経路６２０及び比較的長波長の光用の経路６２５に送られる。各経路は：ａ）瞳孔リレー（経路６２０用の６３０及び経路６２５用の６３０’）を含み、この瞳孔リレーは屈折素子で構成することができ、上述したように、そして特許文献１に開示されたように構成することができる。瞳孔リレー６３０内で使用される屈折素子は、１９０〜２５０ｎｍ（または１９０〜２７０ｎｍ）の波長帯域に適したＶＤＵＶ ＡＲコーティングを使用し、瞳孔リレー６３０’内で使用される屈折素子は、２５０〜４５０ｎｍ（または２７０〜４５０ｎｍ）の波長帯域に適したＤＵＶ／ＵＶ ＡＲコーティングを使用し；各経路はさらに、ｂ）瞳孔６３２及び６３２’；ｃ）ズーム／可変倍率モジュール（経路６２０用の６３５、経路６２５用の６３５’）を含む。ズーム／可変倍率屈折素子用のＡＲコーティングは、これら２つの経路用の瞳孔リレー素子と同様に、経路６２０及び６２５用に使用される。これら２つの経路は点６４０で再収束して共用モジュール６４２に進むことができ、共用モジュール６４２は、大きな倍率範囲用の光路調整を行うための長距離の光トロンボーンモジュールとすることができる。本明細書で用いる光トロンボーン（あるいは時として単にトロンボーン）とは、２つ以上の光反射面の構成であって、これらの光反射面の１つ以上の、光路に沿った変位が、光路の長さを変化させる構成を称する。長距離トロンボーンの例は、米国特許第６８０１３５７、２００４年１０月５日公告（特許文献１１）に記載され、その全内容を参考文献として本明細書に含める。ＨＲミラー６５０を用いて、追加的なトロンボーンモジュール６４５を上記経路の一方に挿入して、これら２つの経路の経路長の差を担わせることができる。図６に示す例では、ミラー６５２は２面ＨＲであり、一方の面はＶＵＶ用であり、他方の面はＤＵＶ／Ｖｉｓ（可視光）用である。しかし、このことは本発明のすべての実施例に対する限定として解釈すべきでない。独立したズームモジュール６３５及び６３５’はズーム微調整を提供する。ロングパスフィルタ６５５は、２つの経路の再収束を提供する。再収束した経路は、共用モジュール６４２を通って進んでセンサ６６０上に向けられる。好適な実施例では、センサ６６０はＴＤＩ（time delayed integration：時間遅延積分）センサである。ＴＤＩセンサの説明は、www.learn.hamamatsu.com/tutorials/tdiscanで見付けることができる。

２つの区別される波長帯域を使用する際は、対物光学系のＦＯＶのより効率的な利用のために、試料上の視野は２つの波長について少し異なり得る。このことは、信号がセンサに伝送される際に、２つの波長の像間に少量のオフセットを生じさせ、このことは、異なる波長帯域用に異なるセンサを使用することを可能にする。図７に、このオフセットを調整することのできる方法を示し、この方法は、ミラー７００及び／または７０５を光軸に沿って平行移動させてＹ方向の（横）シフトを生成することによる。このことは、結像経路の特定構成に応じて、効率を最適化するようにセンサを選定することを可能にする。このことを以下で図９を参照して説明し、図９に、いくつかの好適なセンサ利用の選択肢を挙げる。

本発明のこれらの特定実施例の特徴は、異なるスペクトルにおける明視野（ＢＦ）像及び暗視野（ＤＦ）像による同時検査の結果収集を可能にすることにある。ＢＦモードは鏡面反射光を集光するのに対し、ＤＦモードは、鏡面反射光ではなく散乱光を検出する。従って、ＤＦ検出では、鏡面反射光は遮光される。ＤＦモードについての多くの場合は、試料上で通常のパターンによって散乱した光からの回折ローブも、撮像瞳孔内に配置した不透明構造（瞳孔フィルタと称する）を用いて遮光される。これに限定されないが一例として、この瞳孔フィルタは１つ以上のフーリエフィルタを含むことができる。

従って、ＤＦ検査については、遮光が行われる利用可能な瞳孔は、瞳孔フィルタによる照明光の遮光を回避するために、照明と共通の経路内に置くことはできない。鏡面反射光を瞳孔で遮光しないＲＦ検査については、このことは当てはまらない。上述したように、そして特許文献１に記載されているように、瞳孔リレー素子が反射性ではなく屈折性である場合は、ＤＦの場合の瞳孔自体とは対照的に、瞳孔リレーは照明と共通の経路内に置くことができる。ＢＦ及びＤＦのように２つの異なる撮像モードを同時に持つためには、ＤＦ用に利用可能な瞳孔内に存在する必要な遮光のために、２つの独立した瞳孔が必要になる。関連する瞳孔リレーは、システムについての他の考慮及び制約に応じて、共用することも独立にすることもできる。例えば、単一の瞳孔リレーの出力を、複数の瞳孔を含む複数経路に分割するためには、折り畳みミラー、Ｂ．Ｓ．、瞳孔機構、等の機械的パッケージのために、瞳孔リレーの最終光学素子と瞳孔との間に十分な距離が必要である。

図６〜図９を参照して説明する本発明の実施例の他の特徴は、２つの可変倍率モジュールを内蔵して、高解像度、即ち約４０ｎｍのウェハー画素、及び高処理能力、即ち２５０ｎｍのウェハー画素を共に、センサ画素上に結像させることを可能にすることにある。これに限定されないが一例として、センサ画素は約１８ミクロン（μｍ）の寸法とすることができる。

図６〜図９を参照して説明する本発明の実施例の他の特徴は、複数の結像経路に加えて、複数の照明経路を内蔵する能力である。このことは、スペクトル、出力、及び構成を独立して選定し、異なる帯域毎に調整することができる点で有益であり得る。異なる照明設定を用いることもできる。照明設定は、開口数、照明開口、偏光、光パワー、及び試料上の照明位置を含む。

２つの照明経路を用いる構成の例を図８に示す。図８の構成は図６に示す構成に類似しているが、２つの経路内に別個の照明モジュール８００及び８０５を用いることができ、単一光源８１０の代わりにこれら別個の照明モジュールを用いることができる点が異なる。図８に示す構成の残りの構成要素は、図６を参照して説明したように動作する。

本発明の１つの特徴は、上述したパラメータのいくつかを選定した同時検査を可能にする照明／撮像構成を設計するフレキシビリティにある。図９に、センサを利用した構成のいくつかの例、及び異なる波長スペクトル及びモードでこれらのセンサを利用することのできる方法を示す。最上行９０５はＤＵＶ／Ｖｉｓ（可視）スペクトル用の設定を例示し、最下行９１０はＶＤＵＶ帯域用の設定を例示する。倍率設定及びズームの範囲は、これら２つの経路間で異ならせることができる。

図６〜図９を参照して上述した本発明の実施例は、光学システムの対物光学系の外部にある部分に、別個の、独立した瞳孔を有する２つ以上の結像経路を設けることによって、現在の光学システムのフレキシビリティ及び適応性を拡張する。このことは、複数の波長帯域を用いた、異なるモード（例えばＢＦ対ＤＦ）を用いた、及び／または異なる画素サイズにマッピングするための異なる倍率を用いた同時検査とすることのできる検査を可能にする。一般に、各結像経路（帯域）の照明瞳孔及び集光瞳孔の両方に開口を構成することによって、両方の結像経路内に複数のモードを独立して設定することができる。これらの開口は、照明及び画像データを収集するための角度の集合を、試料からの欠陥コントラスト、パターンコントラスト、及び散乱光「ノイズ」を最適化または変化させる方法で制御する。これに加えて、２つ以上の照明経路を設けることもできる。さらに、２つの結像経路の画素サイズを独立して調整することができ、２つのＴＤＩセンサのラインレート（ＴＤＩアレイのラインをデジタル化する速度）を：
(画素サイズ×ラインレート)_経路1＝(画素サイズ×ラインレート_)経路2＝ステージ速度
となるように異なる設定にすることができるように、システムを構成することができることを提案する。

（試料における）より大きな画素サイズは、一方の結像経路の倍率を変更して同一のセンサを用いるか、両経路の倍率を一定に保って、２つの経路の一方により大きい画素面積を有するセンサを用いるかのいずれかによって達成することができる。従って、本発明のシステムは、異なる画素サイズでの２モード同時の検査を可能にする。例えば、検査の感度、光量、及び処理能力を最適化するために、ＢＦ検査はより小さい画素サイズで行うことができると共に、ＤＦ検査はより大きな画素サイズで行うことができる。さらに、この方策は、スポット走査システムのような他の種類の撮像システムに適用することができる。

本発明の概念を逸脱することなしに、本明細書に開示した実施例そのものに変更を加え得ることは、当業者の認める所である。例えば、他の種類の対物光学系、及び他の種類のセンサを利用することができる。本発明の範囲は特許請求の範囲を考慮して解釈すべきである。

以上は本発明の好適な実施例の完全な説明であるが、種々の代案、変更、及び等価物を用いることができる。従って、本発明の範囲は、以上の説明を参照して特定すべきではなく、その代わりに、特許請求の範囲を、その等価物の全範囲と共に参照して特定すべきである。あらゆる特徴は、好適であるか否かにかかわらず、他のあらゆる特徴と、それが好適であるか否かにかかわらず組み合わせることができる。特許請求の範囲では、特に明示的な断りのない限り、各構成要素は１つ以上存在し得る。特許請求の範囲は、手段＋機能の限定を含むものとして解釈すべきでないが、特定請求項中で「...するための手段」を用いてこうした限定を明示的に挙げていない場合を除く。

Claims (7)

1. 試料検査用の光学システムにおいて、
   最外部のミラーを含む少なくとも４つのミラーであって、非マンジンタイプの反射鏡である少なくとも４つのミラーを具えた対物光学系と、
   前記対物光学系に光学的に結合され、１つ以上の屈折光学素子を含む焦点調節光学系とを具え、
   前記対物光学系は、０．７以上の開口数、０．５ｍｍ以上の試料視野サイズ、瞳孔内の３５％以下の中心不明瞭率で結像を行い、前記試料側に位置する前記最外部のミラーのアスペクト比が２０：１以下であることを特徴とする光学システム。
2. 前記焦点調節光学系がリレーモジュールを含み、このリレーモジュールは、前記対物光学系の内部の開口絞りを、前記対物光学系の外部に位置する瞳孔面にリレーするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
3. 前記焦点調節光学系が、可変倍率を提供するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
4. さらに、前記対物光学系の前記最外部のミラー内の中心開口内に配置された屈折素子を具え、
   さらに、１つ以上の追加的屈折素子を前記対物光学系の内部に具え、
   前記１つ以上の追加的屈折素子は、前記最外部のミラーの前記中心開口内に配置された前記屈折素子に対する色補正を与えることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
5. 前記対物光学系が、負の像面湾曲を有し、
   前記焦点調節光学系が、前記対物光学系の前記像面湾曲を補償するペツヴァル湾曲を有することを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
6. 前記対物光学系が６つのミラーを含み、無限共役の結像を行い、
   前記対物光学系が、負の球面収差を有する中間視野を生成する最外部のミラーモジュールを含み、
   前記対物光学系が２つ以上の凸面鏡を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
7. さらに、前記対物光学系と前記焦点調節光学系との間の光学収差を補償するように構成された１つ以上の光学素子を具えていることを特徴とする請求項１に記載の光学システム。

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