JP2005208626A

JP2005208626A - 顕微鏡装置および液浸対物レンズ

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Publication number: JP2005208626A
Application number: JP2004373951A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Komatsu; 宏一郎小松; Hiromasa Shibata; 浩匡柴田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】基板を観察する際に、低分解能での観察と高分解能での観察とを必要に応じて切り換えることができ、且つ、安価に高分解能化が可能な顕微鏡装置および液浸対物レンズを提供する。
【解決手段】本発明の顕微鏡装置は、液浸系の対物レンズを介して、被検部と前記対物レンズとの間に浸液を充填させた状態で前記被検部の拡大像を形成する顕微鏡光学系と、基板上の複数の被検部のうち第一の被検部が前記顕微鏡光学系の視野位置にある状態から前記基板上の第二の被検部が前記視野位置にある状態に移動させる移動装置と、前記対物レンズと被検部との間に充填する浸液を供給する浸液供給装置と、前記対物レンズと前記被検部との間に充填された前記浸液を除去する浸液除去装置と、前記移動装置を動作させる前に、前記浸液除去装置により浸液を除去させる浸液除去制御装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハや液晶基板などの観察に用いられる顕微鏡装置および液浸対物レンズに関する。

半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程では、半導体ウエハや液晶基板（総じて「基板」という）に形成された回路パターンの欠陥や異物などの観察が、顕微鏡装置を用いて行われる。顕微鏡装置とは、基板を自動搬送する機構と光学顕微鏡システムとを結びつけたものである。光学顕微鏡システムの対物レンズと観察対象の基板との間は、空気などの気体で満たされる（乾燥系）。なお、顕微鏡装置を用いた観察は、欠陥検査装置により検出された欠陥や異物などの原因やその状態を目視にて確認するための検査に相当する。

そして近年、基板を可視光と紫外光により観察する装置が提案された（例えば特許文献１を参照）。この装置も乾燥系である。紫外光を用いた場合は、光学系の分解能が観察波長に比例するため、可視光より高い分解能で基板を観察することができる。特許文献１の装置では、可視光を用いた低分解能での観察と、紫外光を用いた高分解能での観察とを組み合わせることにより、基板の効率的な観察が可能となる。
特開２００１−１１８８９６号公報

しかしながら、上記の装置は、紫外光を用いるため、光源の種類や対物レンズを含む観察系の光学材料が高価なものに限定され、製造コストやランニングコストが非常に大きくなってしまう。また、上記の紫外光を用いた装置で、分解能を向上させるためには、照明光をさらに短波長化しなければならず、光源のコストが非常に高く、安定性にも問題がある。

本発明の目的は、基板を観察する際に、低分解能での観察と高分解能での観察とを必要に応じて切り換えることができ、且つ、安価に高分解能化が可能な顕微鏡装置および液浸対物レンズを提供することにある。

請求項１に記載の顕微鏡装置は、液浸系の対物レンズを介して、被検部と前記対物レンズとの間に浸液を充填させた状態で前記被検部の拡大像を形成する顕微鏡光学系と、基板上の複数の被検部のうち第一の被検部が前記顕微鏡光学系の視野位置にある状態から前記基板上の第二の被検部が前記視野位置にある状態に移動させる移動装置と、前記対物レンズと被検部との間に充填する浸液を供給する浸液供給装置と、記対物レンズと前記被検部との間に充填された前記浸液を除去する浸液除去装置と、前記移動装置を動作させる前に、前記浸液除去装置により浸液を除去させる浸液除去制御装置とを備えたものである。

請求項２に記載の顕微鏡装置は、請求項１に記載の顕微鏡装置であって、前記移動装置は、複数の被検部を有する基板を、予め定めた領域内で移動可能に支持するステージと、前記基板上の前記複数の被検部の位置情報に基づいて前記ステージを駆動するステージ制御装置とで構成され、前記ステージ制御装置は、前記浸液除去装置による前記浸液の除去後に次の被検部が前記対物レンズの視野内に位置するようにステージを駆動することを特徴とする。

請求項３に記載の顕微鏡装置は、請求項１または請求項２に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液供給装置により供給された浸液が前記対物レンズ先端と前記基板との間に充填され、かつ前記浸液除去装置により前記浸液が除去される前に、前記顕微鏡光学系の合焦状態を調整する自動調整装置を更に備えたことを特徴とする。
請求項４に記載の顕微鏡装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液除去装置は浸液を吸引するための吸引ノズルを有し、前記吸引ノズルの先端は、前記対物レンズ先端の近傍に配置されたことを特徴とする。

請求項５に記載の顕微鏡装置は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液供給装置は浸液を供給するための吐出ノズルを有し、前記吐出ノズルの先端は、前記対物レンズ先端の近傍に配置されたことを特徴とする。
請求項６に記載の顕微鏡装置は、請求項２に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液供給装置は浸液を供給するための吐出ノズルを有し、前記吐出ノズルの先端は、前記基板の近傍の所定位置に配置され、前記ステージ制御装置はまず被検部を、前記吐出ノズルの先端直下に移動させて前記吐出ノズルから前記被検部に浸液を供給し、次に、前記浸液が供給された被検部を前記対物レンズの視野内に移動させて、前記顕微鏡光学系により前記被検部の像を形成することを特徴とする。

請求項７に記載の顕微鏡装置は、請求項１乃至請求項６に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液供給装置により、少なくとも前記拡大像形成時における前記対物レンズ先端と前記基板との隙間を満たす量が供給されることを特徴とする。
請求項８に記載の顕微鏡装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置であって、乾燥系の対物レンズを介して、前記複数の被検部の像を形成する顕微鏡光学系と、前記乾燥系の対物レンズを介して形成された複数の被検部の像に基づいて前記複数の被検部のうち、所定の被検部の位置を記憶する記憶部とを有し、前記記憶部で記憶された位置情報に基づいて、前記移動手段を制御して前記記憶部に記憶された被検部の位置を順に前記液浸系の対物レンズの視野内に位置させて、前記被検部の位置ごとに前記液浸系の対物レンズを介して像を形成する制御手段を備えたことを特徴とする。

請求項９に記載の顕微鏡装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置であって、乾燥系の対物レンズを介して前記基板上の前記複数の被検部の像を形成する顕微鏡光学系と、前記移動手段を制御して前記複数の被検部を前記乾燥系の対物レンズの視野内に順に位置決めし、前記乾燥系の対物レンズを介して像を形成させる第一制御手段と、前記乾燥系の対物レンズを介した像の形成後、前記液浸系の対物レンズを介した像の形成を行うか否かを判定する判定手段と、前記判定手段による判定の結果、前記液浸系の対物レンズを介した観察を行う場合に、前記移動手段を制御して前記液浸系の対物レンズの視野内に前記被検部を位置決めし、前記液浸系の対物レンズを介して像を形成する第二の制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１０に記載の顕微鏡装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置であって、乾燥系の対物レンズを介して前記基板上の前記複数の被検部の像を形成する顕微鏡光学系と、前記移動手段を制御して前記複数の被検部を前記乾燥系の対物レンズの視野内に順に位置決めし、前記乾燥系の対物レンズを介して像を形成させる第一の制御手段と、前記乾燥系の対物レンズを介した像を形成後、前記液浸系の対物レンズを介した像の形成を場合には、前記被検部の位置情報を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記位置情報に基づき、前記移動手段を制御して前記液浸系の対物レンズの視野内に前記被検部を位置決めし、前記液浸系の対物レンズを介して像を形成する第二の制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１１に記載の顕微鏡装置は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液は純水であることを特徴とする。
請求項１２に記載の顕微鏡装置は、請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の顕微鏡装置であって、前記液浸系の対物レンズは、作動距離が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする。

請求項１３に記載の顕微鏡装置は、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の顕微鏡装置であって、前記液浸系の対物レンズは紫外光により前記基板の像を形成することを特徴とする。
請求項１４に記載の液浸対物レンズは、顕微鏡装置において使用する液浸対物レンズであって、前記液浸対物レンズは、全てのレンズ成分が単レンズにより構成されることを特徴とする。

請求項１５に記載の顕微鏡装置は、請求項１に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液供給装置は、前記浸液の供給量を、前記対物レンズの先端と前記被検部との間の柱状空間の体積Ｖ１と、表面張力により前記対物レンズの先端から食み出し可能な環状空間の体積Ｖ２とを用いて、「Ｖ０＝Ｖ１＋Ｖ２」を満足する体積Ｖ０に相当する量とすることを特徴とする。

請求項１６に記載の顕微鏡装置は、請求項１５に記載の顕微鏡装置であって、前記環状空間は、前記対物レンズの先端からの食み出し幅Ａが、前記対物レンズの作動距離δを用い、「δ/２ ≦ Ａ ≦ ２δ」を満足することを特徴とする。
請求項１７に記載の顕微鏡装置は、請求項１５に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液供給装置を制御して前記浸液の供給を開始させると共に、前記浸液の供給量が前記体積Ｖ０に相当する量となった時点で前記浸液の供給を停止させる浸液供給制御装置を備えたことを特徴とする。

請求項１８に記載の顕微鏡装置は、請求項１に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液が前記被検部に供給された状態で、前記被検部を前記対物レンズの焦点面のうち前記対物レンズの光軸付近に位置決めする位置決め装置を有し、前記浸液除去装置は、前記対物レンズの先端の近傍に前記浸液を吸引するための吸引部を有し、前記位置決め装置により位置決めされた状態から、前記基板を前記対物レンズに近づけて前記被検部から前記浸液を除去することを特徴とする。

請求項１９に記載の顕微鏡装置は、請求項１に記載の顕微鏡装置であって、前記対物レンズの焦点面よりも前記対物レンズから離れた面に、前記基板を位置決めする第１の位置決め装置と、前記液体が前記被検部に供給された状態で、該被検部を前記対物レンズの焦点面のうち前記対物レンズの光軸付近に位置決めする第２の位置決め装置とを有し、前記浸液供給装置は、前記基板が前記離れた面に位置決めされた状態で、前記基板の前記被検部に浸液を供給し、前記浸液除去装置は、前記対物レンズの先端の近傍に前記浸液を吸引するための吸引部を有し、前記第２の位置決め装置により位置決めされた状態から、前記基板を前記対物レンズに近づけて前記被検部から前記浸液を除去することを特徴とする。

請求項２０に記載の顕微鏡装置は、請求項１９に記載の顕微鏡装置であって、前記浸液供給装置は、前記離れた面のうち前記光軸付近をターゲットとして前記液体を供給し、前記第１の位置決め装置は、前記基板の前記被検部を前記離れた面のうち前記光軸付近に位置決めすることを特徴とする。

本発明の顕微鏡装置によれば、基板を観察する際に、低分解能での観察と高分解能での観察とを必要に応じて切り換えることができ、且つ、安価に高分解能化することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の顕微鏡装置１０は、図１に示す通り、観察対象の基板１１を支持するステージ(１２〜１４)と、乾燥系の観察部(２１〜３５)および焦点検出部３６と、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)および焦点検出部５５と、不図示の制御部とで構成されている。基板１１は、半導体ウエハや液晶基板である。顕微鏡装置１０は、半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程において、基板１１に形成された回路パターンの欠陥や異物などの観察（外観検査）に用いられる。また、基板１１を観察する際に、低分解能での観察と高分解能での観察とを必要に応じて切り換えることができる（詳細は後述）ようになっている。回路パターンは、レジストパターンである。

ステージ(１２〜１４)の説明を行う。ステージ(１２〜１４)は、試料台１２とＸＹステージ１３とＺステージ１４とで構成される。試料台１２は、ＸＹステージ１３により水平面内で移動可能、Ｚステージ１４により鉛直方向に移動可能である。不図示の自動搬送系によって例えば現像装置から搬送されてきた基板１１は、回路パターンの方位が調整された後、試料台１２の上面に載置され、例えば真空吸着により固定保持される。回路パターンの方位の調整は、基板１１が半導体ウエハの場合、ノッチまたはオリエンテーションフラットなどに基づいて行われる。試料台１２とＸＹステージ１３により、観察対象の基板１１は、水平面の予め定めた領域内で移動可能となっている。予め定めた領域とは、ＸＹステージ１３の稼働範囲に相当する。

そして、ＸＹステージ１３の稼働範囲内の所定位置では、乾燥系の観察部(２１〜３５)が、ステージ(１２〜１４)に支持された基板１１の可視光による観察を行う。さらに、ＸＹステージ１３の稼働範囲内の別の位置（乾燥系の観察部(２１〜３５)と異なる位置）では、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)が、ステージ(１２〜１４)に支持された基板１１の可視光による観察を行う。

つまり、乾燥系の観察部(２１〜３５)による観察位置（光軸１０ＡのＸＹ位置）と、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による観察位置（光軸１０ＢのＸＹ位置）とは、共通のステージ(１２〜１４)の稼働範囲内で、予め定めた距離だけ離れている。また、乾燥系の観察部(２１〜３５)の対物レンズ２８と、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)の対物レンズ４８とは、各々の焦点の高さ（Ｚ位置）が略一致している。ここで、「略
一致している」とは、各々の焦点の高さ（Ｚ位置）の差が、液浸系の観察部(２１〜３５)の自動焦点合致機構の引き込み範囲内になっていることを示している。

したがって、基板１１と共に試料台１２を水平移動させることで、乾燥系の観察部(２１〜３５)による観察と、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による観察とを、簡単に切り換えることができる。このとき、水平移動量を光軸１０Ａと光軸１０Ｂとの距離と一致させることで、例えば基板１１上の光軸１０Ａと交わっていた観察点を光軸１０Ｂ上に位置決めすることができる。光軸１０Ａは乾燥系の観察部(２１〜３５)の視野の中心に相当し、光軸１０Ｂは液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)の視野の中心に相当する。

ここで、分解能について説明する。顕微鏡装置１０の対物レンズ２８,４８は視野が小さいため、結像に関しては、収差が補正されたほぼ理想光学系と考えられる。収差のない理想光学系の二点分解能Ｒ（隣接する光量の等しい２点が分解して見える間隔）は、結像に関与する光の波長λと、対物レンズの開口数Ｎ.Ａ.を用いて、「Ｒ＝０.６１×λ／Ｎ.Ａ.」と表される。

また、対物レンズの開口数Ｎ.Ａ.は、視野内の一点から出て対物レンズに取り込まれる光の出射角度（光軸との成す角度）の最大値θと、対物レンズと基板との間の媒質の屈折率ｎとを用いて、「Ｎ.Ａ.＝ｎ×sinθ」と表される。
乾燥系の観察部(２１〜３５)の対物レンズ２８と基板１１との間を空気で満たす場合、その屈折率ｎは"１"に近い値をとるため、対物レンズ２８の開口数Ｎ.Ａ.は、最大で０.９５程度となる。対物レンズ２８の開口数が０.９５のものを用いると、結像に関与する光の波長λが５５０ｎｍ（可視光）の場合、二点分解能は３５３ｎｍとなる。

これに対し、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)の対物レンズ４８と基板１１との間を水で満たす場合、結像に関与する光の波長λが５５０ｎｍ（可視光）であれば、その屈折率ｎは"１.３３"程度となる。したがって、対物レンズ４８の開口数Ｎ.Ａ.は、同程度の取り込み角度θとすることにより、１.２５程度となり、結像に関与する光の波長λが５５０ｎｍ（可視光）の場合、二点分解能は２６８ｎｍとなる。

一般に顕微鏡装置では接眼レンズで観察する視野が決まっている。像面３５Ａでの視野の大きさは２５φ程度である。対物レンズの倍率は被検物体面１１から像面３５Ａまでの投影倍率を示している。このため、観察倍率が決まると被検物体面１１上で観察できる実視野が一意に決まる。顕微鏡装置における対物レンズの倍率と開口数、分解能、実視野、焦点深度との関係は、次の表１のようになる。

つまり、低倍観察のほうが被検物体面１１の広い範囲を一度に観察することができる。さらに、低倍の対物レンズの開口数が小さいために焦点深度も深くなり、見える範囲は三次元的に大きくなる。しかしながら、より細かい部分を観察するためには対物レンズを切り換えて倍率を上げて分解能を高くするが、焦点深度も浅くなるために焦点合わせを厳密にしながら観察する必要がある。段差の高さが焦点深度よりも大きくなってしまう場合には、被検物体を対物レンズの光軸方向に動かしながら観察するような場合も有り得る。

このように、第１実施形態の顕微鏡装置１０では、乾燥系の観察部(２１〜３５)により広視野低分解能で基板１１の観察を行うことができ、さらに、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)によって高分解能で基板１１の観察を同じ照明光で行うことができる。したがって、例えば乾燥系の観察部(２１〜３５)による広視野低分解能観察を行った後で、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による高分解能観察を行うことにより、基板１１の効率的な観察が可能となる。観察手順の詳細は後述する。

乾燥系の観察部(２１〜３５)の説明を行う。観察部(２１〜３５)には、ハロゲンランプやメタルハライドランプなどの光源２１と、コレクタレンズ２２と、波長選択フィルタ２３と、開口絞り２４とが設けられる。コレクタレンズ２２は、光源２１からの光を集光して開口絞り２４に光源２１の像を形成する。波長選択フィルタ２３は、所定の波長域の可視光のみを選択的に透過する。

さらに、観察部(２１〜３５)には、視野絞り２５と、コンデンサレンズ２６と、分岐プリズム２７と、対物レンズ２８とが設けられる。対物レンズ２８は、観察部(２１〜３５)の光軸１０Ａとは異なる軸を中心に回転可能なレボルバ２９に取り付けられている。レボルバ２９には、倍率の異なる複数の対物レンズ２８が用意されている。レボルバ２９を回転させることにより、対物レンズ２８を切り換え、観察倍率を変更することができる。光軸１０Ａ上の対物レンズ２８と基板１１との間は、空気または窒素などの気体で満たされている（乾燥系）。

開口絞り２４を通過した可視光は、視野絞り２５を通過した後、コンデンサレンズ２６を介して平行光となり、分岐プリズム２７で反射して光軸１０Ａ上の対物レンズ２８に導かれる。光軸１０Ａ上の対物レンズ２８は、分岐プリズム２７からの可視光を集光して乾燥状態の基板１１に導く。その結果、基板１１は可視光により照明される。なお、開口絞り２４は、対物レンズ２８の射出瞳と共役であり、基板１１を照明する光の入射角度範囲を規定する。視野絞り２５は、基板１１の照明範囲を規定する。

上記の照明により基板１１から発生した観察光（例えば反射光）は、再び対物レンズ２８に導かれ、これを介して平行光となり、分岐プリズム２７を透過する。分岐プリズム２７の後段には、焦点検出部３６（後述）が設けられる。焦点検出部３６は、光軸１０Ａ上の対物レンズ２８に対する基板１１の合焦状態（デフォーカス量）を検出するための機構である。

さらに、焦点検出部３６の後段において、観察部(２１〜３５)には、反射ミラー３０と、結像光学系３１と、光路切換ミラー３２と、分岐プリズム３３と、撮像素子３４と、接眼レンズ３５とが設けられる。基板１１からの観察光のうち、分岐プリズム２７と焦点検出部３６の分岐プリズム３６Ａとを透過した光は、これらの光学素子(３０〜３３)を介して集光される。その結果、撮像素子３４の撮像面と接眼レンズ３５の視野位置３５Ａとの各々には、基板１１の拡大像（パターン像）が形成される。

上記のように構成された乾燥系の観察部(２１〜３５)では、可視光（例えば波長５５０ｎｍ）を用いて、光軸１０Ａ上に位置決めされた基板１１の観察点を低分解能（例えば二点分解能３５３ｎｍ）で観察することができる。さらに、光軸１０Ａ上の対物レンズ２８を切り換えることで、観察倍率を変更することができる。このため、比較的低倍での観察を行った後、基板１１上の観察目標を高倍観察時の視野に追い込むことができる。

なお、上記の光路切換ミラー３２は、乾燥系の観察部(２１〜３５)による観察時、結像光学系３１からの観察光を反射して分岐プリズム３３へ導くように配置される（図１）が、次に説明する液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による観察時は、図２のような向きに配置される。このような２つの配置状態の切り換えは、不図示の駆動機構を用いて制御部が自動的に行う。

液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)の説明を行う。液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)は、上記した乾燥系の観察部(２１〜３５)よりも開口数が大きい。液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)には、ハロゲンランプやメタルハライドランプなどの光源４１と、コレクタレンズ４２と、波長選択フィルタ４３と、開口絞り４４とが設けられる。コレクタレンズ４２は、光源４１からの光を集光して開口絞り４４に光源４１の像を形成する。波長選択フィルタ４３は、所定の波長域の可視光のみを選択的に透過する。

さらに、観察部(４１〜５４,３２〜３５)には、視野絞り４５と、コンデンサレンズ４６と、分岐プリズム４７と、対物レンズ４８とが設けられる。対物レンズ４８は、顕微鏡装置１０の本体部に固定的に取り付けられている。対物レンズ４８の先端（下面）と基板１１との間は、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による高分解能観察時、液浸媒質の液体４０で満たされる（液浸系）。対物レンズ４８は、その先端と基板１１との間が液体４０で満たされたときに光学系の収差が補正されるように設計されている。

本実施形態では、液体４０として例えば純水を使用する。純水は、半導体製造工程などで容易に大量入手できるものである。また、基板１１上のレジストに対する悪影響がないため、基板１１の非破壊検査が可能となる。また、純水は環境に対する悪影響もなく、不純物の含有量が極めて低いため、基板１１の表面を洗浄する作用も期待できる。
そして液体４０は、液体供給装置４９により吐出ノズル５０を介して供給され、吸引ノズル５１を介して液体回収装置５２により回収される。吐出ノズル５０と吸引ノズル５１の先端は、対物レンズ４８の先端近傍の傾斜面に近接して配置されている。液体供給装置４９は、液体タンクや加圧ポンプなどを備え、所定量の液体４０を吐出ノズル５０に送り出す。その結果、吐出ノズル５０の先端から吐出した所定量の液体４０は、対物レンズ４８の傾斜面を伝って対物レンズ４８の先端と基板１１との間（空間）に到達する。

ここで、対物レンズ４８の先端と基板１１との間に供給された液体４０により「液滴」を作るためには、液体４０が純水の場合、対物レンズ４８の作動距離（つまり対物レンズ４８と基板１１との間の距離）を０.１ｍｍ以上０.５ｍｍ以下にすることが好ましい。この場合、純水の量は０.１ｃｃ〜０.２ｃｃ程度が最適である。なお、作動距離が短いほど純水の量は少なくて済むが、上記の下限値(０.１ｍｍ)より短くすると、ステージ(１２〜１４)の水平移動時に対物レンズ４８の先端と基板１１とが接触して、基板１１上のパターンを破壊する恐れが生じる。また逆に、作動距離を上記の上限値(０.５ｍｍ)より長くすると、高い分解能を実現するために必要な開口数を確保することができず、高分解能化を達成できない。

生物顕微鏡では６０倍の水浸対物レンズで開口数Ｎ.Ａ.＝１、作動距離２ｍｍのものが存在する。また、対物レンズ４８として開口数Ｎ.Ａ.が１より大きいもの（例えば１.２５）を用いる場合には、対物レンズの設計上、対物レンズを必要以上に大きくしないために、その作動距離を０.１ｍｍ以上０.３ｍｍ以下とすることが好ましい。対物レンズ４８の作動距離を０.１ｍｍ以上とすることにより、ステージ(１２〜１４)の水平移動時に、対物レンズ４８の先端と基板１１との接触を回避することもできる。

液体４０を供給／回収する機構の説明をさらに詳細に行う。この機構は、前述の液体供給装置４９と吐出ノズル５０と吸引ノズル５１と液体回収装置５２とで構成される。
図９（ａ）は、液体供給装置４９の構成を示す図である。液体供給装置４９は、吐出ノズル５０に接続された配管１３１と、配管１３１の途中に配置された２位置切り換え式の電磁弁１３２と、新しい清浄な液体１０３Ａを収容する液体タンク１３３と、加圧ポンプ(１３４〜１３７)とで構成される。加圧ポンプ(１３４〜１３７)は、シリンダ１３４とピストン１３５と送りネジ１３６とモータ１３７とで構成される。

ピストン１３５は、モータ１３７の動力を直線運動に変換する送りネジ１３６に結合され、任意の速度で往復移動可能である。ピストン１３５の移動速度は、モータ１３７の回転速度に応じて調整可能である。ピストン１３５の移動方向は、モータ１３７の回転方向に対応する。
シリンダ１３４は、電磁弁１３２の第１経路を介して液体タンク１３３に接続され、第２経路を介して吐出ノズル５０に接続される。ただし、電磁弁１３２において、２つの経路が同時に開放されることはなく、常に何れか一方のみが開放され、接続状態に設定される。電磁弁１３２は、第１経路において、シリンダ１３４と液体タンク１３３との間の経路を接続／遮断する。また、電磁弁１３２は、第２経路において、シリンダ１３４と吐出ノズル５０との間の経路を接続／遮断する。

電磁弁１３２において第１経路が開放され、シリンダ１３４と液体タンク１３３とが実際に接続された状態で、ピストン１３５を図中右方向に移動させることにより、液体タンク１３３の内部の液体１０３Ａをシリンダ１３４の内部に導入することができる（液体１０３Ｂ）。
電磁弁１３２において第２経路が開放され、シリンダ１３４と吐出ノズル５０とが実際に接続された状態で、ピストン１３５を図中左方向に移動させることにより、シリンダ１３４の内部の液体１０３Ｂを吐出ノズル５０に送り出すことができる。送り出された液体１０３Ｂは、吐出ノズル５０の先端から吐出し、対物レンズ４８の先端と基板１１との間に到達する（液体４０）。つまり、液体供給装置４９により吐出ノズル５０を介して液体４０の供給が行われる。液体４０の供給は、液浸観察の前に、不図示の制御部が自動的に行う。

シリンダ１３４から吐出ノズル５０に送り出される液体１０３Ｂの量（つまり液体４０の供給量Ｖ）は、シリンダ１３４の断面積Ｓとピストン１３５の移動量Ｘとの積に等しく（Ｖ＝Ｓ・Ｘ）、ピストン１３５の移動量Ｘに応じて任意に調整することができる。また、液体４０の供給速度は、ピストン１３５の移動速度に応じて任意に調整することができる。ピストン１３５の移動速度は、液体１２０が吐出ノズル５０の先端から飛び散らないように遅く設定することが好ましい。

そして、液体４０の供給量Ｖを適切にすることができれば、液体４０は、対物レンズ４８の先端と基板１１との間において、表面張力により「液滴」を形成する。つまり、周囲に流れ出したり、逆に気泡が除去できなかったりすることはない。液体４０が周囲に流れ出すのは、液体４０の供給量Ｖが多すぎて表面張力の限界を超えた場合である。この場合、観察後に全ての液体４０を回収するのが困難になる。また、気泡が残留するのは、液体４０の供給量Ｖが少なすぎた場合である。この場合、対物レンズ４８による鮮明な像の形成が困難になる。液体４０の適切な供給量Ｖとは、表面張力により、対物レンズ４８の先端と基板１１との間に「液滴」を形成可能な量である。

ここで、図１０(ａ)を参照して、対物レンズ４８の先端と基板１１との間に供給された液体４０の表面の形状について説明する。液体４０の表面とは、対物レンズ４８の先端と基板１１との間の露出面のことである。液体４０の供給量Ｖが適切な場合、液体４０の表面の形状は、表面張力により、その面積が最小の球形になろうとする。したがって、液体４０は、対物レンズ４８の先端から表面張力に応じて僅かに食み出すことになる。図１０(ａ)では、対物レンズ４８の先端の直径を"ｄ"で示し、液体４０の対物レンズ４８の先端からの食み出し幅を"Ａ"で示した。図１０(ａ)の液体４０を上方から見ると、図１０(ｂ)に示す通りである。

このように、液体４０の供給量Ｖが適切な場合、液体４０による占有空間は、図１０(ａ),(ｂ)に示す通り、対物レンズ４８の先端と基板１１との間の柱状空間２Ａと、表面張力により対物レンズ４８の先端から食み出し可能な環状空間２Ｂとを足し合わせたものとなる。また、その体積Ｖ０は、柱状空間２Ａの体積Ｖ１と、環状空間２Ｂの体積Ｖ２とを用いて、次の式(11)を満足する。さらに、対物レンズ４８の先端からの食み出し幅Ａは、対物レンズ４８の作動距離δに依存し、近似的に次の式(12)を満足すると考えられる。

Ｖ０＝Ｖ１＋Ｖ２ …(11)
δ/２ ≦ Ａ ≦ ２δ …(12)
したがって、本実施形態の顕微鏡装置１０では、予め上記の体積Ｖ０を設計値として計算し、この体積Ｖ０に相当する量を"液体４０の適切な供給量Ｖ"とする。さらに、適切な供給量Ｖ（＝体積Ｖ０）を実現するために、液体供給装置４９のパラメータ（つまりシリンダ１３４の断面積Ｓ）を用いて、次の式(13)により、ピストン１３５の移動量Ｘを計算する。

Ｘ＝Ｖ０/Ｓ …(13)
なお、適切な供給量Ｖ（＝体積Ｖ０）の計算には、対物レンズ４８の先端の直径ｄ、対物レンズ４８の作動距離δ、対物レンズ４８の先端からの食み出し幅Ａが用いられる。例えば、対物レンズ４８の先端からの食み出し幅Ａが、対物レンズ４８の作動距離δに等しいとき、体積Ｖ０は、次の近似式(14)により計算することができる。これは、液体４０の供給量Ｖとして最も適切な場合と考えられる。近似式(14)では、環状空間２Ｂの断面形状を"半径δの１/４円"と仮定した。

液体供給装置４９（図９（ａ））において、上記の式(13)により計算したピストン１３５の移動量Ｘを実現する（つまり液体４０の適切な供給量Ｖを実現する）ためには、モータ１３７を回転させて送りネジ１３６を移動させ、ピストン１３５の移動量Ｘを精密に制御することが好ましい。制御方法には、モータ１３７としてステッピングモータを用いて開ループ制御する方法や、ロータリーエンコーダまたはリニアエンコーダにより閉ループ制御する方法が考えられる。

次に、液体回収装置５２の説明を行う。図９（ｂ）は液体回収装置５２の構成を示す図である。液体回収装置５２は、配管１４１を介して吸引ノズル５１に接続された廃液貯めタンク１４２と、配管１４３を介して廃液貯めタンク１４２に接続された真空ポンプ１４４とで構成される。配管１４１,１４３は、廃液貯めタンク１４２の上部に接続されている。廃液貯めタンク１４２には、廃液１０４Ａを排出するためのコック１４５が取り付けられている。なお、真空ポンプ１４４の代わりに工場内の真空装置(不図示)を配管１４３に接続しても良い。

液体回収装置５２では、真空ポンプ１４４により、吸引ノズル５１などを介して、対物レンズ４８の先端と基板１１との間の液体４０を周りの空気と一緒に吸引する。つまり、液体４０を基板１１から除去する。吸引された液体４０は、配管１４１を介して廃液貯めタンク１４２に導かれ、そこで空気とは選別され、廃液貯めタンク１４２に落下する（廃液１０４Ａ）。そして空気のみが配管１４３を介して真空ポンプ１４４に導かれる。このように、吸引ノズル５１を介して液体回収装置５２により液体４０が回収される。真空ポンプ１４４には空気のみを導くため、液体の流入により損傷することはない。配管１４３の途中に水分除去フィルタを設けてもよい。液体４０の回収は、液浸観察の後で、不図示の制御部が自動的に行う。

真空ポンプ１４４による引き込み時の液体４０の挙動を図１１(ａ)〜(ｃ)に示す。引き込み開始前は、図１１(ａ)のように（図１０(ａ)と同様）、液体４０の表面（露出面）の形状が近似的に球面である。引き込みを開始すると、次第に図１１(ｂ)のようになり、表面張力による食み出し分がなくなる。そして最後は図１１(ｃ)のように、対物レンズ４８の先端と基板１１との間の中心部分がやせ細って途切れる。

このため、真空ポンプ１４４による吸い込み速度（真空排気の速度）は、対物レンズ４８の先端と基板１１との間隔に起因する空気漏れ量よりも、吸引ノズル５１からの吸い込み量が大きくなるような条件とすることが好ましい。このことはベルヌーイの定理からも明白である。
また、吸い込み作業の途中（図１１(ｂ)または図１１(ｃ)のタイミング）で、Ｚステージ１４を制御して試料台１２を僅かに（＜作動距離δの範囲内で）上昇させ、図１２(ｂ)に示す通り、基板１１を対物レンズ４８に近づけ、対物レンズ４８の先端と基板１１との間隔(δ−γ)を小さくする。この場合、基板１１の上昇量γに応じて、間隔(δ−γ)に起因する空気漏れ量を小さくすることができ、基板１１に残存した液体４０を効果的に吸引することができる。

基板１１の上昇量γ（＜δ）は、概ね、以下の条件式(21)を満足するように予め設定すればよい。左辺Ｓ32Aは、吸引ノズル５１の開口の総面積を表す。右辺は、対物レンズ４８の先端(直径ｄの平坦な部分)の円周の長さ(２π(ｄ/２))と上記の間隔(δ−γ)との積、つまり、対物レンズ４８の先端と基板１１とにより形成される円筒空間の側面積を表し、近似的に空気の吸い込み量（漏れ量）に比例する。

Ｓ32A ≧ ２π(ｄ/２)(δ−γ) …(21)
このような条件式(21)を満足するように基板１１の上昇量γ（＜δ）を設定し、液体４０の吸い込み作業の途中で、対物レンズ４８の先端と基板１１との間隔(δ−γ)を小さくすると、間隔(δ−γ)に起因する空気漏れ量が小さくなり、基板１１に残存した液体４０を効果的に吸引することができる。なお、上記の条件式(21)を満足しない場合は、吸引ノズル５１に流れ込む空気の割合が多すぎて、液体４０を効果的に吸引できない。

液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)において、開口絞り４４を通過した可視光は、視野絞り４５を通過した後、コンデンサレンズ４６を介して平行光となり、分岐プリズム４７で反射して光軸１０Ｂ上の対物レンズ４８に導かれる。光軸１０Ｂ上の対物レンズ４８は、分岐プリズム４７からの可視光を集光して液浸状態の基板１１に導く。その結果、基板１１は可視光により照明される。なお、開口絞り４４は、対物レンズ４８の射出瞳と共役であり、基板１１を照明する光の入射角度範囲を規定する。視野絞り４５は、基板１１の照明範囲を規定する。

上記の照明により基板１１から発生した観察光（例えば反射光）は、再び対物レンズ４８に導かれ、これを介して平行光となり、分岐プリズム４７を透過する。分岐プリズム４７の後段には、焦点検出部５５（後述）が設けられる。焦点検出部５５は、光軸１０Ｂ上の対物レンズ４８に対する基板１１の合焦状態（デフォーカス量）を検出するための機構である。

さらに、焦点検出部５５の後段において、観察部(４１〜５４,３２〜３５)には、反射ミラー５３と、結像光学系５４と、図２に示す配置状態の光路切換ミラー３２と、分岐プリズム３３と、撮像素子３４と、接眼レンズ３５とが設けられる。基板１１からの観察光のうち、分岐プリズム４７と焦点検出部５５の分岐プリズム５５Ａとを透過した光は、これらの光学素子(５３,５４,３２,３３)を介して集光される。その結果、撮像素子３４の撮像面と接眼レンズ３５の視野位置３５Ａとの各々には、基板１１の拡大像が形成される。

上記のように構成された液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)では、可視光（例えば波長５５０ｎｍ）を用いて、光軸１０Ｂ上に位置決めされた基板１１の観察点を高分解能（例えば二点分解能２６８ｎｍ）で観察することができる。液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)を用いることで、乾燥系の観察部(２１〜３５)よりも高い分解能での観察が可能となる。

焦点検出部３６,５５の説明を行う。焦点検出部３６は、乾燥系の観察部(２１〜３５)による基板１１の観察時に、光軸１０Ａ上の対物レンズ２８に対する基板１１の合焦状態（デフォーカス量）を検出する機構である。また、焦点検出部５５は、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による基板１１の観察時に、光軸１０Ｂ上の対物レンズ４８に対する基板１１の合焦状態（デフォーカス量）を検出する機構である。顕微鏡装置１０の制御部(不図示)は、焦点検出部３６または焦点検出部５５による検出結果に基づいて、Ｚステージ１４を制御し、基板１１の合焦状態を自動調整する（ＡＦ制御）。

図３に示す通り、焦点検出部３６では、光源６１からの光をスリット６２に照射し、レンズ６３で略平行な光にして、遮光板６４に入射させる。遮光板６４は、スリット６２を通過した光のうち、半分を遮光する。遮光板６４を通過した光は、分岐プリズム６５,３６Ａで反射し、分岐プリズム２７を透過して、対物レンズ２８に導かれる。その結果、基板１１にスリット像が投影される。基板１１で反射した光（ＡＦ検出光）は、再び、対物レンズ２８で集光され、分岐プリズム２７,３６Ａ,６５を透過し、結像レンズ６６により集光される。その結果、１次元撮像素子６７にスリット像が形成される。信号処理部６８は、１次元撮像素子６７におけるスリット像の重心位置を検出し、その位置から基板１１のデフォーカス量を求める。

焦点検出部５５は、基本的な構成が上記の焦点検出部３６と同じであり、図３の光学素子(６１〜６７)と信号処理部６８と図１の分岐プリズム５５Ａとで構成される。液浸系の場合、焦点検出部５５による検出結果（デフォーカス量）を補正し、液浸媒質（液体４０）の屈折率で割った量に基づいて、Ｚステージ１４の制御が行われる。
次に、第１実施形態の顕微鏡装置１０における基板１１の観察動作を説明する。基板１１の観察動作は、不図示の制御部による自動制御であり、図４に示すフローチャートの手順にしたがって行われる。

まず（Ｓ１）、観察対象の基板１１をステージ(１２〜１４)に搬送し、基板１１上の回路パターンの方位を調整した後、試料台１２の上に固定させる。次に（Ｓ２）、乾燥系の観察部(２１〜３５)のレボルバ２９を必要に応じて回転させ、対物レンズ２８を低倍観察状態に設定する。次に（Ｓ３）、ＸＹステージ１３を制御して、基板１１の予め定めた観察点を、乾燥系の観察部(２１〜３５)の視野内に位置決めする。このとき、乾燥系の観察部(２１〜３５)の視野の中心に観察点が位置するように、ＸＹステージ１３の制御が行われる。

次に（Ｓ４）、ＡＦ制御を開始し、焦点検出部３６とＺステージ１４とを制御して、基板１１の合焦状態を自動調整する。この状態で（Ｓ５）、乾燥系の観察部(２１〜３５)による基板１１の観察（つまり低分解能での観察）を開始させる。観察者は、撮像素子３４に接続されたモニタや接眼レンズ３５を介して、基板１１の観察点の観察を行う。この間、制御部は、観察者からの指示待ち状態となり、ステップＳ６における「十分な観察倍率で基板１１を観察できたか否か」の判定結果に応じて、次の処理に進む。

観察者からの指示に基づいて「十分な観察倍率ではなかった」と判定した場合（Ｓ６がＮｏ）、制御部は、次のステップＳ７でＡＦ制御を停止させ、さらに次のステップＳ８で「現在より高倍の対物レンズ２８があるか否か」を判定する。そして高倍の対物レンズ２８がある場合には（Ｓ８がＹｅｓ）、レボルバ２９を回転させて高倍観察状態に切り換え、上記ステップＳ３の処理に戻る。つまり、ＸＹステージ１３を制御して、乾燥系の観察部(２１〜３５)の視野の中心に観察点を移動させる。

このようにして、ステップＳ３〜Ｓ８の処理を繰り返すことで、比較的低倍での観察から始めて徐々に観察倍率を上げ、基板１１上の観察点の観察目標（注目箇所）を高倍観察時の視野の中心に追い込むことができる。そして、乾燥系の観察部(２１〜３５)の最高倍率で観察した後、ステップＳ６の判定結果がＮｏの場合で（つまり十分な観察倍率ではなく）、ステップＳ８の判定結果もＮｏの場合（つまり現在より高倍の対物レンズ２８がない場合）には、「乾燥系の観察部(２１〜３５)による観察後、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による観察を行う」と判定したことになり、次のステップＳ９以降の処理に進む。

そして制御部は、まず（Ｓ９）、ＸＹステージ１３を制御して、基板１１を水平移動させ、基板１１上の観察点を、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)の視野内に位置決めする。このとき、水平移動量を光軸１０Ａ,１０Ｂの距離と一致させることで、例えば基板１１上の光軸１０Ａと交わっていた観察点を光軸１０Ｂ上（つまり液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)の視野の中心）に位置決めすることができる。また、光路切換ミラー３２の配置状態を図２のように電気的に切り換える。

次に（Ｓ１０）、液体供給装置４９と吐出ノズル５０を制御して、対物レンズ４８の先端と基板１１との間に、前述のように所定量の液体４０を供給する。次に（Ｓ１１）、ＡＦ制御を開始し、焦点検出部５５とＺステージ１４とを制御して、基板１１の合焦状態を自動調整する。この状態で（Ｓ１２）、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による基板１１の観察（つまり高分解能での観察）を開始させる。観察者は、撮像素子３４に接続されたモニタや接眼レンズ３５を介して、基板１１の観察点の観察を行う。

そして観察者から「液浸観察終了」の指示を受け取ると、制御部は、次のステップＳ１３でＡＦ制御を停止させる。次に（Ｓ１４）、前述のように、吸引ノズル５１と液体回収装置５２とＺステージ１４を制御して、対物レンズ４８の先端と基板１１との間から液体４０を回収する。つまり、基板１１に「液滴」が残らないようにする。
次に（Ｓ１５）、「基板１１上に次の観察点があるか否か」を判定し、ある場合（Ｓ１５がＹｅｓ）には上記ステップＳ２の処理に戻る。つまり、他の観察点についての乾燥系での低分解能観察が開始される。光路切換ミラー３２の配置状態は図１のように切り換えられる。一方、次の観察点がない場合（Ｓ１５がＮｏ）にはステップＳ１６に進み、基板１１をステージ(１２〜１４)から回収して、基板１１の観察動作を終了する。

なお、上記のステップＳ６で観察者からの指示に基づいて「十分な観察倍率だった」と判定した場合（Ｓ６がＹｅｓ）、制御部は、次のステップＳ１７でＡＦ制御を停止させ、ステップＳ１５の処理に進む。この場合、その観察点については、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による観察が行われない。
上記したように、第１実施形態の顕微鏡装置１０では、基板１１上の予め定めた観察点ごとに、乾燥系の観察部(２１〜３５)による観察（低分解能）を行った後で、必要に応じて液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による観察（高分解能）を行うため、基板１１の効率的な観察が可能となる。

さらに、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)を設けたことにより、可視光（例えば波長５５０ｎｍ）でも高分解能の観察が可能になるため、安価に構成することもできる。上記した第１実施形態の顕微鏡装置１０では、可視光のみで高分解能と低分解能の観察を効率よく行うことができる。
さらに、第１実施形態の顕微鏡装置１０では、液浸系の観察部(４１〜５４,３２〜３５)による観察の際、液体４０の供給と回収を自動制御で行うため、作業者に対する負担が殆どなく、高スループットで基板１１の観察を行うことができる。
（第２実施形態）
第２実施形態の顕微鏡装置７０は、図５に示す通り、図１の顕微鏡装置１０の反射ミラー３０,５３と光路切換ミラー３２を省略し、結像光学系５４の後段に撮像素子７２を設け、光学素子(４１〜４７,５４,７２)を窒素充填室７１の中に配置したものであり、その他の構成が図１と同じである。図５では図示省略したが、顕微鏡装置７０にも図１と同様の焦点検出部３６,５５が設けられ、一方の焦点検出部５５は窒素充填室７１の中に配置される。

顕微鏡装置７０でも、基板１１を観察する際に、低分解能での観察と高分解能での観察とを必要に応じて切り換えることができるようになっている。低分解能での観察を行うのは、可視光（例えば波長５５０ｎｍ）を用いた乾燥系の観察部(２１〜２９,３１,３３〜３５)である。高分解能での観察を行うのは、紫外光（波長４００ｎｍ以下,例えば２４８ｎｍ）を用いた液浸系の観察部(４１〜５２,５４,７２)である。

ここで、液浸系の観察部(４１〜５２,５４,７２)の対物レンズ４８と基板１１との間を水で満たす場合、結像に関与する光の波長λが２４８ｎｍ（紫外光）であれば、その屈折率ｎは"１.４"程度となる。したがって、対物レンズ４８の開口数Ｎ.Ａ.が１.２５程度の場合、二点分解能は１２１ｎｍとなる。つまり、液浸系の観察部(４１〜５２,５４,７２)に紫外光を用いることで、非常に高い分解能を得ることができる。

ちなみに、乾燥系の場合（開口数０.９）、波長２４８ｎｍでの二点分解能は１６８ｎｍであり、波長１９３ｎｍで二点分解能は１３１ｎｍである。したがって、第２実施形態のように液浸系で紫外光（波長２４８ｎｍ）を用いることにより、上記「１３１ｎｍ」よりも高い分解能が得られること分かる。
また、第２実施形態の顕微鏡装置７０では、液浸系の観察部(４１〜５２,５４,７２)のうち、光学素子(４１〜４７,５４,７２)を窒素充填室７１の中に配置し、紫外光が通過する経路を不活性ガスの窒素で充填するため、光源４１として波長２５０ｎｍ以下の深紫外光源を用いた場合でも、オゾンなどの有害物質が発生することはない。また、例えば空気中で波長２００ｎｍ以下の深紫外域の光を照射すると空気中に含まれる様々な気体分子が光化学反応により活性化して光学系の表面にダメージを与えるが、液浸系の光学素子を不活性ガスで充填すれば、このダメージも軽減することができる。なお、対物レンズ４８と基板１１との間の光路は窒素充填室７１の外に位置するが、液体４０が供給された後で紫外光による観察を行うため、その紫外光が周囲の空気（酸素）と光化学反応を起こすことはない。したがって、液浸系で紫外光を用いる場合には、乾燥系で紫外光を用いる場合と比較して、窒素充填室７１の体積を小さくできるという利点もある。

なお、第２実施形態では、液浸系の観察部(４１〜５２,５４,７２)のみを窒素充填し、乾燥系の観察部(２１〜２９,３１,３３〜３５)は空気のままである。乾燥系を窒素充填しないため、通常の光学顕微鏡で用いられているレボルバ２９を利用することができる。
さらに、紫外光を用いる場合には、レンズの接合面で接合材が紫外光により劣化するため、対物レンズ４８では接合をしないで（つまり全てのレンズ成分を単レンズにより構成して）、所定の波長範囲で色消しした対物レンズを使うことが好ましい。

次に、中心波長２４８ｎｍで±３ｎｍの範囲で色消ししたＮ.Ａ.＝１.２５の水浸無限遠系の対物レンズ４８Ａの一例を示す。表２は、対物レンズ４８Ａのレンズデータである。図６は、対物レンズ４８Ａの断面図である。対物レンズ４８Ａの焦点距離は約２ｍｍである。対物レンズ４８Ａでは焦点検出用の７７０ｎｍの光を通すために、波長７７０ｎｍの光の球面収差を抑えている。ただし、焦点検出光学系と観察系とは分岐する構成で検出像面をオフセットして設定しているので、軸上色収差は完全に補正していない。この光学系の収差の概略を図７,図８に示す。なおレンズデータ（表２）で空気と記載している部分は窒素でもよい。

また、第２実施形態では、可視光/乾燥系用の撮像素子３４と、紫外光/液浸系用の撮像素子７２とが、別構成となっている。これは、可視光用と紫外光用とで撮像素子の感度が異なるためである。可視光用にはカラーＣＣＤなどの色情報を取り込み可能なものを用い、紫外光用には紫外光に感度を有するモノクロＣＣＤを使うことが好ましい。２つの撮像素子３４,７２を共通のモニタに接続しても、別のモニタに接続してもよい。共通のモニタの場合には、基板１１の観察時に乾燥系と液浸系を切り換える際、モニタへの画像入力を電気的なスイッチングにより切り換え、何れか一方の画像を表示すればよい。

観察できる視野は撮像素子の画面サイズと光学系の観察倍率で決まるが、ＣＣＤなどの撮像素子を用いる場合には画面サイズが撮像素子によって異なるために、実視野は光学系の倍率だけで一意には決まらない。可視光用のＣＣＤは様々な種類のものが作られているが、顕微鏡用途には２/３インチ（有効画面範囲８.８ｍｍ×６.６ｍｍ）のものが使いやすい（表３参照）。紫外用には種類が少なく、８ｍｍ□の有効画面範囲を持つものがある。また、光学系の倍率についても結像光学系の焦点距離を可視光用のものと変えて配置することもできる。焦点深度Ｄも撮像素子で撮像する場合には人間の目の調整機能が働かないため、光源波長λと対物レンズの開口数Ｎ.Ａ.と被検物体面周囲の屈折率ｎとで、次の式(22)により表される。

Ｄ＝ (ｎλ) / (２Ｎ.Ａ.²) …(22)

第２実施形態の顕微鏡装置７０では、例えば上記と同様の観察手順（図４）により、基板１１の観察動作が行われる。このため、基板１１上の予め定めた観察点ごとに、乾燥系の観察部(２１〜２９,３１,３３〜３５)による観察（低分解能）を行った後で、必要に応じて液浸系の観察部(４１〜５２,５４,７２)による観察（高分解能）を行うため、基板１１の効率的な観察が可能となる。

さらに、液浸系の観察部(４１〜５２,５４,７２)を設けたことにより、可視光（例えば波長５５０ｎｍ）でも高分解能の観察が可能になるため、安価に構成できる。加えて、第２実施形態では、液浸系の光学素子(４１〜４７,５４,７２)を窒素充填室７１の中に配置したため、紫外光（波長４００ｎｍ以下,例えば２４８ｎｍ）を用いることができ、紫外光/乾燥系の従来構成よりも高い分解能での観察が可能となる。

また、第２実施形態の顕微鏡装置７０でも、液浸系の観察部(４１〜５２,５４,７２)による観察の際、液体４０の供給と回収を自動制御で行うため、作業者に対する負担が殆どなく、高スループットで基板１１の観察を行うことができる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、図４に示すフローチャートの手順にしたがって基板１１の観察を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４のステップＳ８の判定結果がＮｏの場合（つまり現在より高倍の対物レンズ２８がない場合）に、その観察点の位置情報（例えば観察点を乾燥系の視野の中心に位置決めしたときのＸＹステージ１３の位置）を制御部のメモリに記憶させ、同様の処理を基板１１上の全ての観察点について順に行い、乾燥系での観察後、制御部のメモリに記憶された位置情報に基づいてＸＹステージ１３を制御し、液浸系での観察を行ってもよい。この手順によれば、観察点ごとに乾燥系と液浸系とを切り換える時間が省略でき、全体の処理時間を短縮することができる。

また、この手順を採用する場合、液体４０を供給／回収する手順を次のように変更することもできる。つまり、液浸系での観察中、次の観察点までの距離が近い場合には、現在の観察点に供給されている液体４０を回収することなく、ＸＹステージ１３（つまり基板１１）を移動させてもよい。基板１１の表面がある程度の疎水性を持ち、対物レンズ４８の先端がある程度の親水性を持つ場合には、液体４０が液滴（水滴）となり、対物レンズ４８の側に付着し続けようとする。このため、ＸＹステージ１３（つまり基板１１）を移動させても、液体４０を対物レンズ４８の先端に付着させておくことができ、次の観察点に到着したときに同じ液体４０を利用して観察を行える。液体４０を回収するか否かの判断は、制御部のメモリ内の位置情報に基づいて、次の観察点までの移動距離を計算し、これを予め定めた距離と比較することにより行えばよい。比較の結果、予め定めた距離以内であれば液体４０を回収せずに次の観察点まで移動させることになる。

さらに、上記した実施形態では、液体４０として例えば純水を用いたが（水浸系）、本発明はこれに限定されない。その他、純水よりも屈折率の高い油（例えば液浸オイルやシリコンオイルなど）を液体４０として用いてもよい（油浸系）。この場合、液体４０を対物レンズ４８の先端に付着させながらＸＹステージ１３（つまり基板１１）を移動させるには、基板１１の表面がある程度の親水性を持ち、対物レンズ４８の先端がある程度の疎水性を持つことが好ましい。

また、液体４０として純水よりも表面張力の小さい液体（例えば界面活性剤を添加した水、アルコール類などの有機溶媒、および有機溶媒と純水との混合物）を用いることもできる。この場合には、基板１１の回路パターンが微細な場合でも、液体４０を回路パターンの凹部に確実に浸透させることができ、良好に観察できる。また、特に、観察するパターンがレジストパターンである場合、液体４０の吸引時に該液体の表面張力によるレジストパターンの倒れを防ぐことができるので、１００ｎｍ以下の微細パターンを観察する際に非破壊での検査が可能になる。

さらに、上記した実施形態では、液浸系での観察後、基板１１から液体４０を除去するために、吸引ノズル５１と液体回収装置５２とを用いて液体４０を回収したが、本発明はこれに限定されない。何らかの乾燥手段（例えば減圧乾燥など）を用いて、液体４０を除去してもよい。また、検査した基板を破棄せずに次のラインに取り込む（完全な非破壊検査を行う）ためには、液体４０の除去手段として超臨界乾燥装置を顕微鏡装置に併設または顕微鏡装置に一体化することが好ましい。この場合には、もちろん対物レンズに液体除去ノズルを設けなくても良く、全ての観察が終了後、基板を超臨界乾燥装置に搬送して液体の除去を行う。

また、上記した実施形態では、固定の分岐プリズム３３により撮像素子３４と接眼レンズ３５との双方に結像光を振り分けたが、本発明はこれに限定されない。分岐プリズム３３の位置に可動の分岐プリズムや反射ミラーを出し入れするようにしてもよい。この場合、撮像素子３４と接眼レンズ３５との何れか一方に結像光を導くことができ、光量を確保できる。

さらに、焦点検出部３６,５５として、画像コントラスト方式を用いてもよい。この場合には、画像コントラストが最大となるＺ位置を求めるので、液浸系でもＺステージ１４の移動量を補正する必要がなくなる。
なお、上記した実施形態では、液体４０の最も適切な供給量Ｖとして近似式(14)により体積Ｖ０を計算したが、本発明はこれに限定されない。例えば液体４０の表面（露出面）の形状が図１３のようになることが想定される場合は、次の近似式(15)により体積Ｖ０を計算することが好ましい。この近似式(15)は、環状空間２Ｂ（図１０(ｂ)参照）の断面形状を"半径δ/２の半円"と仮定するものである。

ちなみに、液体４０の比重が比較的小さい場合は、図１３の表面形状が現実的であり、近似式(15)を用いることが好ましい。また、液体４０の比重が比較的大きい場合は、図１０(ａ)の表面形状が現実的であり、近似式(14)を用いることが好ましい。ただし、対物レンズ４８の作動距離δが微小な場合（δ≦０.５ｍｍ程度）には、近似式(14)と近似式(15)との何れを用いても、計算結果の体積Ｖ０は殆ど同じである。このため、何れの近似式を用いても構わない。

第１実施形態の顕微鏡装置１０の全体構成を示す図である。光路切換ミラー３２の別の配置状態を示す図である。焦点検出部３６の構成を示す図である。顕微鏡装置１０による基板１１の観察手順を示すフローチャートである。第２実施形態の顕微鏡装置７０の全体構成を示す図である。水浸無限遠系の対物レンズ４８Ａの一例を示す断面図である。対物レンズ４８Ａの収差を示す概略図である。対物レンズ４８Ａの収差を示す概略図である。液体供給装置、液体回収装置の構成を示す図である。液体４０の形状を説明する側面図、上面図である。液体４０の回収時の液体４０の挙動を示す側面図である。観察時の液体４０の状態を示す側面図と、回収時にＺステージを上昇させた場合の液体４０の状態を示す側面図である。液体４０の形状を説明する側面図である。

符号の説明

１０，７０顕微鏡装置１１基板
１２試料台１３ＸＹステージ
１４Ｚステージ２１，４１光源
２２，４２コレクタレンズ２３，４３波長選択フィルタ
２４，４４開口絞り２５，４５視野絞り
２６，４６コンデンサレンズ２７，４７分岐プリズム
２８，４８対物レンズ２９レボルバ
３０，５３反射ミラー３１，５４結像光学系
３２光路切換ミラー３３分岐プリズム
３４，７２撮像素子３５接眼レンズ
３６，５５焦点検出部４９液体供給装置
５０吐出ノズル５１吸引ノズル
５２液体回収装置７１窒素充填室

Claims

液浸系の対物レンズを介して、被検部と前記対物レンズとの間に浸液を充填させた状態で前記被検部の拡大像を形成する顕微鏡光学系と、
基板上の複数の被検部のうち第一の被検部が前記顕微鏡光学系の視野位置にある状態から前記基板上の第二の被検部が前記視野位置にある状態に移動させる移動装置と、
前記対物レンズと被検部との間に充填する浸液を供給する浸液供給装置と、
前記対物レンズと前記被検部との間に充填された前記浸液を除去する浸液除去装置と、
前記移動装置を動作させる前に、前記浸液除去装置により浸液を除去させる浸液除去制御装置とを備えた
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１に記載の顕微鏡装置において、
前記移動装置は、複数の被検部を有する基板を、予め定めた領域内で移動可能に支持するステージと、前記基板上の前記複数の被検部の位置情報に基づいて前記ステージを駆動するステージ制御装置とで構成され、
前記ステージ制御装置は、前記浸液除去装置による前記浸液の除去後に次の被検部が前記対物レンズの視野内に位置するようにステージを駆動する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１または請求項２に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液供給装置により供給された浸液が前記対物レンズ先端と前記基板との間に充填された後で、かつ前記浸液除去装置により前記浸液が除去される前に、前記顕微鏡光学系の合焦状態を調整する自動調整装置を更に備えた
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液除去装置は浸液を吸引するための吸引ノズルを有し、前記吸引ノズルの先端は、前記対物レンズ先端の近傍に配置された
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液供給装置は浸液を供給するための吐出ノズルを有し、前記吐出ノズルの先端は、前記対物レンズ先端の近傍に配置された
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項２に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液供給装置は浸液を供給するための吐出ノズルを有し、前記吐出ノズルの先端は、前記基板の近傍の所定位置に配置され、
前記ステージ制御装置はまず被検部を、前記吐出ノズルの先端直下に移動させて前記吐出ノズルから前記被検部に浸液を供給し、次に、前記浸液が供給された被検部を前記対物レンズの視野内に移動させて、前記顕微鏡光学系により前記被検部の像を形成する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１乃至請求項６に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液供給装置により、少なくとも前記拡大像形成時における前記対物レンズ先端と前記基板との隙間を満たす量が供給される
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置において、
乾燥系の対物レンズを介して、前記複数の被検部の像を形成する顕微鏡光学系と、
前記乾燥系の対物レンズを介して形成された複数の被検部の像に基づいて前記複数の被検部のうち、所定の被検部の位置を記憶する記憶部とを有し、
前記記憶部で記憶された位置情報に基づいて、前記移動手段を制御して前記記憶部に記憶された被検部の位置を順に前記液浸系の対物レンズの視野内に位置させて、前記被検部の位置ごとに前記液浸系の対物レンズを介して像を形成する制御手段を備えた
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置において、
乾燥系の対物レンズを介して前記基板上の前記複数の被検部の像を形成する顕微鏡光学系と、
前記移動手段を制御して前記複数の被検部を前記乾燥系の対物レンズの視野内に順に位置決めし、前記乾燥系の対物レンズを介して像を形成させる第一制御手段と、
前記乾燥系の対物レンズを介した像の形成後、前記液浸系の対物レンズを介した像の形成を行うか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定の結果、前記液浸系の対物レンズを介した観察を行う場合に、前記移動手段を制御して前記液浸系の対物レンズの視野内に前記被検部を位置決めし、前記液浸系の対物レンズを介して像を形成する第二の制御手段とを備えた
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の顕微鏡装置において、
乾燥系の対物レンズを介して前記基板上の前記複数の被検部の像を形成する顕微鏡光学系と、
前記移動手段を制御して前記複数の被検部を前記乾燥系の対物レンズの視野内に順に位置決めし、前記乾燥系の対物レンズを介して像を形成させる第一の制御手段と、
前記乾燥系の対物レンズを介した像を形成後、前記液浸系の対物レンズを介した像の形成を場合には、前記被検部の位置情報を記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶された前記位置情報に基づき、前記移動手段を制御して前記液浸系の対物レンズの視野内に前記被検部を位置決めし、前記液浸系の対物レンズを介して像を形成する第二の制御手段とを備えた
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液は純水である
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の顕微鏡装置において、
前記液浸系の対物レンズは、作動距離が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の顕微鏡装置において、
前記液浸系の対物レンズは紫外光により前記基板の像を形成する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
顕微鏡装置において使用する液浸対物レンズであって、
前記液浸対物レンズは、全てのレンズ成分が単レンズにより構成される
ことを特徴とする液浸対物レンズ。
請求項１に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液供給装置は、前記浸液の供給量を、前記対物レンズの先端と前記被検部との間の柱状空間の体積Ｖ１と、表面張力により前記対物レンズの先端から食み出し可能な環状空間の体積Ｖ２とを用いて、次の式(１)を満足する体積Ｖ０に相当する量とする
Ｖ０＝Ｖ１＋Ｖ２ …(１)
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１５に記載の顕微鏡装置において、
前記環状空間は、前記対物レンズの先端からの食み出し幅Ａが、前記対物レンズの作動距離δを用い、次の式(２)を満足する
δ/２ ≦ Ａ ≦ ２δ …(２)
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１５に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液供給装置を制御して前記浸液の供給を開始させると共に、前記浸液の供給量が前記体積Ｖ０に相当する量となった時点で前記浸液の供給を停止させる浸液供給制御装置を備えた
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液が前記被検部に供給された状態で、前記被検部を前記対物レンズの焦点面のうち前記対物レンズの光軸付近に位置決めする位置決め装置を有し、
前記浸液除去装置は、前記対物レンズの先端の近傍に前記浸液を吸引するための吸引部を有し、前記位置決め装置により位置決めされた状態から、前記基板を前記対物レンズに近づけて前記被検部から前記浸液を除去する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１に記載の顕微鏡装置において、
前記対物レンズの焦点面よりも前記対物レンズから離れた面に、前記基板を位置決めする第１の位置決め装置と、
前記液体が前記被検部に供給された状態で、該被検部を前記対物レンズの焦点面のうち前記対物レンズの光軸付近に位置決めする第２の位置決め装置とを有し、
前記浸液供給装置は、前記基板が前記離れた面に位置決めされた状態で、前記基板の前記被検部に浸液を供給し、
前記浸液除去装置は、前記対物レンズの先端の近傍に前記浸液を吸引するための吸引部を有し、前記第２の位置決め装置により位置決めされた状態から、前記基板を前記対物レンズに近づけて前記被検部から前記浸液を除去する
ことを特徴とする顕微鏡装置。
請求項１９に記載の顕微鏡装置において、
前記浸液供給装置は、前記離れた面のうち前記光軸付近をターゲットとして前記液体を供給し、
前記第１の位置決め装置は、前記基板の前記被検部を前記離れた面のうち前記光軸付近に位置決めする
ことを特徴とする顕微鏡装置。