JP2004348067A

JP2004348067A - 紫外線顕微鏡装置

Info

Publication number: JP2004348067A
Application number: JP2003147831A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】観察中にオートフォーカスをかけた場合でも、観察される像が劣化しない紫外線顕微鏡を提供する。
【解決手段】試料面１０に照射された光は反射され、再び対物レンズ９で集光され、観察光／ＡＦ光分岐ミラー８で反射され、照明光／結像光分岐ミラー７で反射されて結像光学系に導かれる。結像光学系では、観察光に対して高い透過率を有し、後述のオートフォーカス光に対して低い透過率を有する光学フィルタ１１が設けられている。光学フィルタ１１を透過した結像光は結像レンズ１２の作用により撮像素子１３の撮像面に、試料面１０の像を所定の倍率で結像する。光学フィルタ１１のためにオートフォーカス光が低減されて撮像素子１３に入るため、オートフォーカス光がノイズとなって観察される像が劣化することがない。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視光より短い波長の光を使った紫外線顕微鏡装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
より高解像力を求めて光学顕微鏡は、より短波長の光源を使うようになってきた。近年の半導体ウェハの観察などでは可視光ではなく紫外線を使った顕微鏡が必要とされてきている。紫外線を光源に使った顕微鏡では、従来の光学顕微鏡と違って、ビジコンや紫外線対応のＣＣＤなどの撮像素子を使って像を観察する必要がある。
【０００３】
このような紫外線顕微鏡では、試料に観察光学系（撮像光学系）のピントを合わせるためのオートフォーカス装置が設けられているのが普通である。しかし、紫外線顕微鏡の場合は、より高分解能を求めるために対物レンズの開口数は０．９０から０．９５というように非常に大きな値となっている。このため、対物レンズの作動距離が短くなり対物レンズの脇から光を入れて試料面の高さ検出を検出することができない。よって、オートフォーカス装置としては、試料面の位置検出を、対物レンズを通して検出する方式のものが採用されている。
【０００４】
又、紫外線顕微鏡の場合は、光そのものの持つエネルギーが大きくなるために試料面に照射することによりダメージを与えてしまうという問題点がある。そこで、観察光より波長の長い、つまり試料に与えるダメージの少ないオートフォーカス光で予めピント出しをしておいてから観察に用いる照明光を照射するという方法が採られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のように、観察光より波長の長いオートフォーカス光で予めピント出しをしておいてから観察に用いる照明光を照射する方法では、作業手順が煩わしくなり、観察に時間を要するという問題があるので、観察光とオートフォーカス光を同時に試料面に照射し、オートフォーカスを行いながら試料の観察を行うことが好ましい。この場合、オートフォーカス光としては、可視光又は赤外光が用いられることが多い。しかし、紫外線撮像素子は、観察で用いる照明光よりも広い波長域にわたって感度があるため、オートフォーカス光を検出してしまい、観察される像が劣化して、所望の分解能が得られないという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、観察中にオートフォーカスをかけた場合でも、観察される像が劣化しない紫外線顕微鏡を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、３８０ｎｍより短い波長の試料観察光を試料面に照射する第１の照明光学系と、前記試料観察光の波長帯域で収差が補正されている第１の結像光学系と、前記第１の結像光学系で形成された前記試料面の像を撮像する撮像素子と、前記試料観察光の波長より長い波長のオートフォーカス用光を試料面に照射する第２の照明光学系とその反射光を第２の結像光学系で集光し、オートフォーカス受光素子で受光して、試料面の光軸方向の高さを調整するオートフォーカス装置を具備している紫外線顕微鏡装置であって、
前記第１の結像光学系中、又は前記第１の結像光学系と前記撮像素子の間に前記試料観察光に対して高い透過率を有し、前記オートフォーカス用光に対して低い透過率を有する波長選択素子が配置されていることすることを特徴とする紫外線顕微鏡装置（請求項１）である。
【０００８】
本手段においては、第１の結像光学系中、又は第１の結像光学系と撮像素子の間に試料観察光に対して高い透過率を有し、オートフォーカス用光に対して低い透過率を有する波長選択素子が配置されている。よって、オートフォーカス用光が撮像素子に入射する場合でも、この波長選択素子によって減衰した状態で入射するので、試料観察のノイズとなることが防止される。また、オートフォーカス用光を十分に除去することができるので、それ以前の光学系で広い範囲に亘って色消しを十分に行う必要が無くなる。
【０００９】
なお、紫外線顕微鏡装置においては、第１の結像光学系と第２の結像光学系において、対物レンズ等の光学要素を共通に使用している場合がある。このような場合に、波長選択素子が設けられる位置は、これら共通の光学要素の部分以外の部分としなければならないことはいうまでもない。
【００１０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記試料観察光に対する前記撮像素子の感度をＥ１とし、前記オートフォーカス用光に対する前記撮像素子の感度をＥ２とし、前記試料観察光の試料面上での照度をＬ１とし、前記オートフォーカス用光の試料面上での照度をＬ２としたときに、前記波長選択素子が
（Ｅ１・Ｔ１・Ｌ１）／（Ｅ２・Ｔ２・Ｌ２）＞Ｋ１
を満たすものであることを特徴とする紫外線顕微鏡装置（請求項２）である。
【００１１】
ただし、Ｔ１は、前記試料観察光に対する前記波長選択素子の透過率、Ｔ２は前記オートフォーカス用光に対する前記波長選択素子の透過率、Ｋ１は、前記撮像素子の光強度の分解能の逆数である。
【００１２】
（Ｅ１・Ｔ１・Ｌ１）／（Ｅ２・Ｔ２・Ｌ２）は、撮像素子から出力される試料観察光とオートフォーカス用光の信号の強度比である。よって、試料観察光によって撮像素子の出力が最大となった場合でも、オートフォーカス用光は、撮像素子の感度以下となる。よって、オートフォーカス用光の影響は事実上無視できる。
【００１３】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記第２の結像光学系中、又は前記第２の結像光学系と前記オートフォーカス受光素子の間に前記オートフォーカス用光に対して高い透過率を有し、前記試料観察光に対して低い透過率を有する波長選択素子が配置されていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１４】
本手段においては、本手段においては、第２の結像光学系中、又は第２の結像光学系とオートフォーカス受光素子の間に、オートフォーカス用光に対して高い透過率を有し、試料観察光に対して低い透過率を有する波長選択素子が配置されている。よって、試料観察光がオートフォーカス受光素子に入射する場合でも、この波長選択素子によって減衰した状態で入射するので、オートフォーカスのノイズとなることが防止される。また、試料観察光を十分に除去することができるので、それ以前の光学系で広い範囲に亘って色消しを十分に行う必要が無くなる。
【００１５】
なお、紫外線顕微鏡装置においては、第１の結像光学系と第２の結像光学系において、対物レンズ等の光学要素を共通に使用している場合がある。このような場合に、波長選択素子が設けられる位置は、これら共通の光学要素の部分以外の部分としなければならないことはいうまでもない。
【００１６】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、前記試料観察光に対する前記オートフォーカス受光素子の感度をＦ１とし、前記オートフォーカス用光に対する前記オートフォーカス受光素子の感度をＦ２とし、前記試料観察光の試料面上での照度をＬ１とし、前記オートフォーカス用光の試料面上での照度をＬ２としたときに、前記波長選択素子が、
（Ｆ２・Ｔ２・Ｌ２）／（Ｆ１・Ｔ１・Ｌ１）＞Ｋ２
を満たすものであることを特徴とする紫外線顕微鏡装置（請求項４）である。
【００１７】
ただし、Ｔ１は、前記試料観察光に対する前記波長選択素子の透過率、Ｔ２は前記オートフォーカス用光に対する前記波長選択素子の透過率、Ｋ２は、前記オートフォーカス受光素子の光強度の分解能の逆数である。
【００１８】
（Ｆ２・Ｔ２・Ｌ２）／（Ｆ１・Ｔ１・Ｌ１）は、オートフォーカス受光素子から出力されるオートフォーカス用光と試料観察光の信号の強度比である。よって、オートフォーカス用光によって撮像素子の出力が最大となった場合でも、試料観察光は、オートフォーカス受光素子の感度以下となる。よって、試料観察光の影響は事実上無視できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である紫外線顕微鏡装置の光学系の概要を示す図である。紫外光源１から射出された観察光はコレクタレンズ２および照明系リレーレンズ３を通り、さらに、開口絞り４、視野絞り５、照明コンデンサレンズ６を通って、照明光／結像光分岐ミラー７を透過し、観察光／ＡＦ光分岐ミラー８で反射され、対物レンズ９を介して試料面１０に照射される。
【００２０】
開口絞り４は、所定の照明光束径を得るためものであり、対物レンズ９の瞳に共役な位置に配置されている。視野絞り５は、所定の照明領域に光束を限定するためのものであり、対物レンズ９の焦点面に共役な位置に配置されている。
【００２１】
試料面１０に照射された光は反射され、再び対物レンズ９で集光され、観察光／ＡＦ光分岐ミラー８で反射され、照明光／結像光分岐ミラー７で反射されて結像光学系に導かれる。
【００２２】
結像光学系では、観察光に対して高い透過率を有し、後述のオートフォーカス光に対して低い透過率を有する光学フィルタ−１１が設けられている。光学フィルタ１１を透過した結像光は結像レンズ１２の作用により撮像素子１３の撮像面に、試料面１０の像を所定の倍率で結像する。
【００２３】
撮像素子１３では光電変換が行われ、像の光強度に応じた画像信号が、画像処理装置１４を介して不図示のモニタに表示される。また、画像処理装置１４では画像信号を使って、試料面の欠陥を検査したり、試料面上に形成されたパターンの大きさを測定したりすることも可能である。
【００２４】
オートフォーカス光学系は、ＬＥＤ光源１５から出射した光をスリット１６に照射してスリット１６を透過した光を用いる。スリット１６を透過した光は、レンズ１７，投光系瞳制限絞り（ナイフエッジ）１８，オートフォーカス送光／受光分岐ミラー１９を通り、さらに観察光／ＡＦ光分岐ミラー８を透過して対物レンズ９を介して試料面上に投影される。
【００２５】
このとき瞳制限絞り１８ではスリット１６を透過した光のうちスリットの短手方向のほぼ半分の光束をカットして、スリット１６の像を対物レンズ９の光軸に対して非対称な光束で試料面１０上に結像させる。試料面１０上に照射された光束は反射されて再び対物レンズ９で集光され、観察光／ＡＦ光分岐ミラー８を透過してオートフォーカス送光／受光分岐ミラー１９で反射され、オートフォーカス受光部へと導かれる。オートフォーカス受光部では、まずオートフォーカス光を透過するフィルター２０があり、オートフォーカス光のみをオートフォーカス受光部に入射させる。レンズ２１を介して、対物レンズ９の瞳共役面に受光系瞳制限絞り２２を設け、試料面１０上のパターンからの不要な回折光を除去する。
【００２６】
オートフォーカス結像レンズ２３は、前述の受光系瞳制限絞り２２を透過した光を受け、試料面１０に結像したスリット１６の像を、オートフォーカス受光素子２５の撮像面に結像させる。撮像素子２５は１次元ＣＣＤであり、スリット像の長手方向の光を有効に使うために、撮像素子２５の前にシリンドリカルレンズ２４を入れて、スリット像の長手方向を圧縮してオートフォーカス光を有効に使うようにしている。
【００２７】
図２は、フォーカス検出の原理を示す図である。図２においては、図１に示された構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付し、フォーカス検出の原理に関係のない観察光学系などの図示を省略している。オートフォーカスの照明光は前述のごとく像を形成する光束が非対称になっている。このため、試料面１０が正しく対物レンズ９の焦点面上にある場合（図２（ｂ））は、光軸上にスリット像を結ぶ。
【００２８】
ところが、試料面１０が対物レンズ９の焦点面より下方に下がると、光軸側の光はまっすぐ試料面１０に照射されているため余り変化はないが、対物レンズ９の周辺を通ってきた光は試料面１０に斜めに照射するので、スリット１６の像は、試料面１０が下がった分だけずれて見える。図２（ａ）では、左側に像の重心がずれている。
【００２９】
一方、試料面１０が対物レンズ９の焦点面より上方に上がった場合には、対物レンズ９の周辺を通ってきた斜めに照射する光は光軸付近を通ってきた光と交わること試料面１０で反射される。このため、スリット１６の像は逆の方向にずれる。（図２（ｃ））この像のずれを、オートフォーカス受光素子２５で検出して試料面１０が対物レンズ９の焦点面に一致しているか、どちらの方向にずれているかを検出するものである。当然この試料面１０のずれ情報を基に試料面１０を上下させるか、光学系を上下させて試料面１０が対物レンズ９の焦点面に一致するようにする。
【００３０】
また、対物レンズ９は特願２００２−３３１７９７号として本出願人が出願したようなものを用いることが好ましい。観察光とオートフォーカス光は対物レンズ９で色消しされていることに越したことはないが、観察波長がより短くなってくると、波長の短い紫外光を透過する材料が限定されてくるため、色消しをすることが困難になってくる。
【００３１】
このため、本実施の形態では、図１に示すように対物レンズ９を出射した後で、すぐに観察系とオートフォーカス系とを分離して、それぞれ独立に結像光学系１２および２１を持たせるようにしている。このため、それぞれの結像光学系では、観察系からオートフォーカス系に至る広い範囲にわたる色消しは必要なくなる。
【００３２】
光学フィルタ１１は、紫外光である観察光に対して高い透過率を有し、通常可視光や赤外光が使用されるオートフォーカス光に対して低い透過率を有するような特性のフィルタである。観察光に対する透過率は高ければ高いほど良いが、オートフォーカス光に対しては、それが観察光に対してノイズとなって、撮像素子１３で検出される画像の質が悪化しない程度に低減すればよい。
【００３３】
観察光に対する撮像素子１３の感度をＥ１とし、オートフォーカス光に対する撮像素子１３の感度をＥ２とし、観察光の試料面１０上での照度をＬ１とし、オートフォーカス用光の試料面１０上での照度をＬ２とし、光学フィルタ１１の観察光に対する透過率をＴ１、オートフォーカス光に対する透過率をＴ２とし、Ｋ１を撮像素子１３の分解能の逆数とするとき
（Ｅ１・Ｔ１・Ｌ１）／（Ｅ２・Ｔ２・Ｌ２）＞Ｋ１
を満たすようにすることが好ましい。撮像素子１３の分解能は、実質的にはそれを画素データにしたときの階調の度数によって決まる。２５６階調の場合は、Ｋ１は２５６となり、１０２４階調の場合は、Ｋ１は１０２４となる。このようにしておけば、観察光の強度が撮像素子１３が有効に受光できる最大強度（最大階調）となった場合でも、オートフォーカス光の影響を、撮像素子１３の分解能以下に抑えることができる。
【００３４】
光学フィルタ２０は、通常可視光や赤外光が使用されるオートフォーカス光に対して高い透過率を有し、紫外光である観察光に対して低い透過率を有するような特性のフィルタである。オートフォーカス光に対する透過率は高ければ高いほど良いが、観察光に対しては、それがオートフォーカス制御に対してノイズとなって、制御精度が悪化しないような透過率であればよい。
【００３５】
また、波長フィルタとして、紫外光を反射し、可視光及び赤外光を透過するような特性を有するダイクロイックミラーを用いてもよい。ダイクロイックミラーを４枚用いて、図３に示すように、フィルタを構成することにより、波長選択性を向上させることができる。ここで、第１ダイクロイックミラーを透過した光は、第４ダイクロイックミラーを透過して、元の光路に戻るため、これを防ぐために、第１ダイクロイックミラーと第４ダイクロイックミラーとの間に、遮光板を配置している。
【００３６】
観察光に対するオートフォーカス受光素子２５の感度をＦ１とし、オートフォーカス光に対するオートフォーカス受光素子２５の感度をＦ２とし、観察光の試料面１０上での照度をＬ１とし、オートフォーカス用光の試料面１０上での照度をＬ２とし、光学フィルタ１１の観察光に対する透過率をＴ１、オートフォーカス光に対する透過率をＴ２とし、Ｋ２をオートフォーカス受光素子２５の分解能の逆数とするとき
（Ｆ２・Ｔ２・Ｌ２）／（Ｆ１・Ｔ１・Ｌ１）＞Ｋ２
を満たすようにすることが好ましい。このようにしておけば、観察光の強度がオートフォーカス受光素子２５が有効に受光できる最大強度となった場合でも、オートフォーカス光の影響を、オートフォーカス受光素子２５の分解能以下に抑えることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、観察中にオートフォーカスをかけた場合でも、観察される像が劣化しない紫外線顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例である紫外線顕微鏡装置の光学系の概要を示す図である。
【図２】オートフォーカスの原理を説明する概略図である。
【図３】ダイクロイックミラーを４枚用いて構成したフィルタの例を示す図である。
［符号の説明］
１…紫外光源、２…コレクタレンズ、３…照明系リレーレンズ、４…開口絞り、５…視野絞り、６…照明コンデンサレンズ、７…照明光／結像光分岐ミラー、８…観察光／ＡＦ光分岐ミラー、９…対物レンズ、１０…試料面、１１…光学フィルタ、１２…結像レンズ、１３…撮像素子、１４…画像処理装置、１５…ＬＥＤ光源、１６…スリット、１７…レンズ、１８…送光系瞳瞳制限絞り、１９…オートフォーカス送光／受光分岐ミラー、２０…フィルタ、２１…レンズ、２２…受光系瞳制限絞り、２３…オートフォーカス結像レンズ、２４…シリンドリカルレンズ、２５…オートフォーカス受光素子

Claims

３８０ｎｍより短い波長の試料観察光を試料面に照射する第１の照明光学系と、前記試料観察光の波長帯域で収差が補正されている第１の結像光学系と、前記第１の結像光学系で形成された前記試料面の像を撮像する撮像素子と、前記試料観察光の波長より長い波長のオートフォーカス用光を試料面に照射する第２の照明光学系とその反射光を第２の結像光学系で集光し、オートフォーカス受光素子で受光して、試料面の光軸方向の高さを調整するオートフォーカス装置を具備している紫外線顕微鏡装置であって、
前記第１の結像光学系中、又は前記第１の結像光学系と前記撮像素子の間に前記試料観察光に対して高い透過率を有し、前記オートフォーカス用光に対して低い透過率を有する波長選択素子が配置されていることすることを特徴とする紫外線顕微鏡装置。
請求項１に記載の紫外線顕微鏡装置であって、前記試料観察光に対する前記撮像素子の感度をＥ１とし、前記オートフォーカス用光に対する前記撮像素子の感度をＥ２とし、前記試料観察光の試料面上での照度をＬ１とし、前記オートフォーカス用光の試料面上での照度をＬ２としたときに、前記波長選択素子が
（Ｅ１・Ｔ１・Ｌ１）／（Ｅ２・Ｔ２・Ｌ２）＞Ｋ１
を満たすものであることを特徴とする紫外線顕微鏡装置。
ただし、Ｔ１は、前記試料観察光に対する前記波長選択素子の透過率、Ｔ２は前記オートフォーカス用光に対する前記波長選択素子の透過率、Ｋ１は、前記撮像素子の光強度の分解能の逆数である。
請求項１又は請求項２に記載の紫外線顕微鏡装置であって、前記第２の結像光学系中、又は前記第２の結像光学系と前記オートフォーカス受光素子の間に前記オートフォーカス用光に対して高い透過率を有し、前記試料観察光に対して低い透過率を有する波長選択素子が配置されていることを特徴とする紫外線顕微鏡装置。
請求項３に記載の紫外線顕微鏡装置であって、前記試料観察光に対する前記オートフォーカス受光素子の感度をＦ１とし、前記オートフォーカス用光に対する前記オートフォーカス受光素子の感度をＦ２とし、前記試料観察光の試料面上での照度をＬ１とし、前記オートフォーカス用光の試料面上での照度をＬ２としたときに、前記波長選択素子が、
（Ｆ２・Ｔ２・Ｌ２）／（Ｆ１・Ｔ１・Ｌ１）＞Ｋ２
を満たすものであることを特徴とする紫外線顕微鏡装置。
ただし、Ｔ１は、前記試料観察光に対する前記波長選択素子の透過率、Ｔ２は前記オートフォーカス用光に対する前記波長選択素子の透過率、Ｋ２は、前記オートフォーカス受光素子の光強度の分解能の逆数である。