JP2007199488A - 共焦点型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェハの周縁に形成されたノッチのような切欠き部や溝等の内周面を高解像度画像として撮像できる共焦点型顕微鏡を提供する。
【解決手段】
対物レンズ系（２９）を介して2次元走査ビームを半導体ウェハ（１）の端縁（２）に向けて投射する。半導体ウェハからの反射光は、対物レンズ系（２９）により集光され、リニァイメージセンサ（３２）に入射し、その出力信号を信号処理装置（４０）に供給する。信号処理装置（４０）から半導体ウェハの端縁の2次元画像信号を出力する。本発明では、対物レンズ系の先端側に光軸をはさんで両側に切欠き部（６０ａ，６０ｂ）を形成する。この切欠き部が形成されることにより、対物レンズ系の先端部分は、ウェハと衝突することなくウェハに形成されたノッチ（４）の内部に進入することができ、ノッチの内周面の画像を撮像することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は共焦点型顕微鏡、特に半導体ウェハのノッチのような切欠き部の内周面の状態を高解像度画像として観察できる共焦点型顕微鏡に関するものである。
また、本発明は、共焦点型顕微鏡に用いられる対物レンズ系にも関するものである。

半導体ウェハには、結晶方位を示すノッチが形成されており、各処理工程においては、ノッチを位置決めの基準として用いて各種の処理が行われる。ノッチは、ウェハの周縁に形成された半円形又はＶ字状の凹部ないし切欠き部であり、ウェハの素子形成領域に近接している。よって、ノッチの内周面に前工程で形成された皮膜等が残存すると、次の処理工程の位置決め精度が低下するだけでなく、残存する皮膜等が異物となり、半導体デバイスの製造歩留りを低下させる要因となる。従って、ノッチの内周面の状態を高分解能で観察できる顕微鏡の開発が強く要請されている。

半導体ウェハ等の試料表面の状態を高分解能画像として観察する顕微鏡として、共焦点型顕微鏡が既知である（例えば、特許文献１参照）。この共焦点型顕微鏡では、レーザ光源から発生したレーザビームを音響光学素子により主走査方向に偏向し、音響光学素子から出射したレーザビームを振動ミラーにより副走査方向に偏向し、対物レンズを介して試料表面に投射している。試料表面からの反射光は、対物レンズにより集光され、振動ミラーを経てリニァイメージセンサにより受光されている。

特開昭６２−１８１７９号公報

共焦点型顕微鏡は、高解像度の試料像を撮像できるので、半導体ウェハの表面状態を観察するのに好適である。しかしながら、開口数の大きな対物レンズを用いるため、対物レンズの先端を試料表面に近接して撮像しなければならない。一方、ウェハの周縁に形成されているノッチはウェハの周縁に形成された凹部であるため、対物レンズをノッチの内周面に接近させようとすると、対物レンズが半導体ウェハの周縁と衝突してしまい、ノッチの内周面の状態を観察することは極めて困難である。一方、開口数の小さい対物レンズを用いた場合、対物レンズが半導体ウェハの周縁領域と衝突せずに撮像できるが、低解像度のノッチ画像しか撮像されず、ノッチ内周面の微細な状態を把握することは極めて困難である。また、ノッチの内周面を2次元ＣＣＤカメラで撮像しても、ＣＣＤカメラの分解能が比較的低いため、所望の解像度の画像が撮像されないのが実情である。

本発明の目的は、半導体ウェハの周縁に形成されたノッチのような切欠き部や溝等の内周面を高解像度画像として撮像できる共焦点型顕微鏡を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、切欠き部等の内周面を撮像できる共焦点型顕微鏡に好適な対物レンズ系を実現することにある。

本発明による共焦点型顕微鏡は、レーザビームを、第１の方向に延在する非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、ライン状光ビームを第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向するビーム偏向手段と、偏向されたライン状光ビームを試料に向けて投射する対物レンズ系と、対物レンズ系をその光軸方向にそって移動させる対物レンズ移動手段と、前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料からの反射光を前記対物レンズ系を介して受光するリニァイメージセンサと、リニァイメージセンサからの出力信号に基づいて試料の2次元画像信号を出力する信号処理装置とを具え、
前記対物レンズ系は、その光軸にそって配置した複数のレンズと、これら複数のレンズを支持する鏡筒とを有し、当該対物レンズ系には、入射したライン状光ビームが出射する先頭側において、鏡筒及び少なくとも先頭のレンズの光軸をはさんで両側に切欠き部が形成されていることを特徴とする。

高解像度の試料像を撮像するためには、開口数の大きな対物レンズ系を用いる必要がある。開口数の大きな対物レンズ系の焦点距離は短いため、半導体ウェハのノッチの内部を撮像しようとすると、対物レンズ系の先端が半導体ウェハに衝突してしまう。そこで、本発明では、対物レンズ系の先頭側に光軸をはさんで対向する２つの切欠き部を形成する。切欠き部を形成することにより、対物レンズ系の先頭部分がノッチの内部に進入できるため、ノッチの内周面の高解像度画像を撮像することができる。尚、本発明者が種々の実験及び解析を行った結果、先頭のレンズに切欠き部が形成されても、視野の中央部分の画像の解像度が僅かに低下するだけである。一方、視野の周辺の画像を形成する多くの光は、レンズの周辺を通過するため、切欠き部が形成されてもほとんど影響を受けないことが確認されている。

本発明による共焦点型顕微鏡では、２つの切欠き部は入射するライン状光ビームをはさんで対向するように位置する。

本発明による別の共焦点型顕微鏡は、走査ビームを発生するレーザ光源と、走査ビームを第１の方向に周期的に偏向する第１のビーム偏向手段と、第１のビーム偏向手段から出射した走査ビームを第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向する第２のビーム偏向手段と、第２のビーム偏向手段から出射した走査ビームを試料に向けて投射する対物レンズ系と、対物レンズ系を光軸方向に移動させる対物レンズ駆動手段と、前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料からの反射光を前記対物レンズ系及び第２のビーム偏向手段を介して受光するリニァイメージセンサと、リニァイメージセンサからの出力信号を受け取って試料の2次元画像信号を出力する信号処理装置とを具え、
前記対物レンズ系は、その光軸にそって配置した複数のレンズと、これら複数のレンズを支持する鏡筒とを有し、当該対物レンズ系には、入射した光ビームが出射する先頭側において、鏡筒及び少なくとも先頭のレンズの光軸をはさんで両側に切欠き部が形成されていることを特徴とする。

当該共焦点型顕微鏡においては、対物レンズ系に形成された２つの切欠き部は、走査ビームをはさんで対向するように位置する。

本発明による共焦点型顕微鏡の好適実施例は、対物レンズ系は、凹レンズが先頭に配置され、ほぼ４５度又はそれ以上の開口角を有することを特徴とする。開口角が４５°以上の対物レンズ系を用いることにより、方位角が９０°にわたる試料表面の画像を撮像することができる。この結果、素子形成面と端面とが９０°の角度をなす半導体ウェハの端縁の画像を一回の撮像操作により撮像することが可能である。

本発明による共焦点型顕微鏡の好適実施例は、信号処理装置は、前記対物レンズ系を光軸方向に移動させながら撮像した複数の2次元画像のうち、各画素の最大輝度値から構成される2次元画像信号を出力することを特徴とする。半導体ウェハのノッチ等の凹部の表面と対物レンズ系との間の光軸方向の距離は、部分的に相違する。一方、開口数の大きな対物レンズ系の焦点深度は浅いため、１枚の2次元画素だけではノッチの全内周面に焦点が合った画像を撮像することができない。そこで、対物レンズ系を光軸方向に移動させながら複数の2次元画像を撮像し、信号処理装置において、各画素毎に最大輝度値を抽出して2次元画像を形成する。これにより、視野全体にわたって焦点の合った全焦点画像を撮像することができる。

本発明による共焦点型顕微鏡の好適実施例は、当該共焦点型顕微鏡を用いて半導体ウェハに形成されたノッチの内周面を観察する際、前記対物レンズ系の先頭のレンズの少なくとも一部分がノッチの内部に進入することを特徴とする。
対物レンズ系の先頭のレンズがノッチの内部まで進入することにより、ノッチの最奥部の画像も鮮明に撮像することができる。

本発明による別の共焦点型顕微鏡は、対物レンズ系を介してライン状光ビームを投射し、試料からの反射ビームを前記対物レンズ系を介してリニァイメージセンサにより受光する第１の撮像装置と、同じく対物レンズ系を介してライン状光ビームを投射し、試料からの反射ビームを前記対物レンズ系を介してリニァイメージセンサにより受光する第２の撮像装置と、第１及び第２の撮像装置から出力される出力信号を受け取って試料の2次元画像信号を出力する信号処理装置とを具え、
前記第１及び第２の撮像装置の対物レンズ系は、半導体ウェハのノッチの内周面を観察する際、先頭に配置したレンズの少なくとも一部分がノッチの内部に進入するように、光軸をはさんで対向する２つの切欠き部が形成されていることを特徴とする。

本発明による別の共焦点型顕微鏡は、試料表面を2次元走査するための光ビームを対物レンズ系を介して投射し、試料からの反射光を前記対物レンズ系を介して撮像素子により受光する第１の撮像装置と、同じく試料表面を2次元走査するための光ビームを対物レンズ系を介して投射し、試料からの反射光を前記対物レンズ系を介して撮像素子により受光する第１の撮像装置と、第１及び第２の撮像装置からの出力信号を受け取って試料の2次元画像信号を出力する信号処理装置とを具え、
前記第１及び第２の撮像装置の対物レンズ系は、半導体ウェハのノッチの内周面を観察する際、先頭に配置したレンズの少なくとも一部分がノッチの内部に進入するように、光軸をはさんで対向する２つの切欠き部が形成されていることを特徴とする。

本発明による共焦点型顕微鏡の別の好適実施例は、前記第１及び第２の撮像装置の対物レンズ系の光軸は、共に同一平面上に位置すると共に、互いに９０度の角度をなすことを特徴とする。

本発明による対物レンズ系は、集束した光ビーム又はライン状光ビームにより試料表面を2次元走査し、試料からの反射光を受光して試料の2次元画像を形成する共焦点型顕微鏡に用いられる対物レンズ系であって、光軸方向に沿って配置した複数のレンズと、これら複数のレンズを支持する鏡筒とを有し、当該対物レンズ系の先頭に凹レンズが配置され、少なくとも先頭に配置した凹レンズと鏡筒に２つの切欠き部が形成され、これらの切欠き部が光軸をはさんで対向するように形成されていることを特徴とする。

本発明では、対物レンズ系に光軸をはさんで対向する２つの切欠き部が形成されているので、半導体ウェハのノッチ等の凹部や切欠き部の内周面の高解像度画像を撮像することができる。

図１は本発明による共焦点型顕微鏡の基本概念を説明するための線図である。本例では、撮像対象として半導体ウェハを用いる。図１（ａ）は半導体ウェハ１の端縁に入射する２本の走査ビームの入射状態を示す斜視図であり、図１（ｂ）は半導体ウェハの中心面Ｓの上方から見た平面図である。半導体ウェハ１は中心面Ｓを有し、この中心面Ｓをはさんで素子形成面である第１の表面１ａと裏面である第２の表面１ｂとを有し、これら第１の表面と第２の表面との間に端縁２が位置する。端縁２は、２つの斜面２ａ及び２ｂを有し、これらの斜面間に中心面と直交する端面２ｃが存在する。第１の斜面２ａは第１の表面１ａに連なり、第２の斜面２ｂは第２の表面１ｂと連なる。

端縁２に向けて第１の走査ビーム３ａ及び第２の走査ビーム３ｂを投射する。これら第１及び第２の走査ビームは、後述する第１及び第２の撮像装置からそれぞれ出射する。第１及び第２の走査ビームは、半導体ウェハの中心面Ｓと直交する面内に延在するライン状の光ビーム又は周期的に高速振動ないし高速偏向する走査ビームとする。第１の走査ビーム３ａは中心面Ｓの第１の側から投射され、第２の走査ビームは中心面Ｓをはさんで第１の側とは反対側である第２の側から投射される。従って、半導体ウェハ１の端縁２には、中心面Ｓをはさんで両側から同一面内に延在する２本のライン状光ビーム又は２本の周期的に高速振動する光ビームがそれぞれ入射する。尚、第１の走査ビーム３ａは、第１の表面１ａの一部並びに第１の斜面２ａ及び端面２ｃの一部に入射し、第２の走査ビーム３ｂは、第２の表面１ｂの一部並びに第２の斜面２ｂ及び端面２ｃの一部に入射する。尚、第１及び第２の走査ビームを投射する対物レンズの光軸をＺ１及びＺ２とし、これらの光軸は同一面内に位置すると共に９０°の角度をなす。走査ビームを含む面内の光軸Ｚ１と直交する方向をｘ１とし、光軸Ｚ２と直交する方向をｘ２とする。尚、ｘ１及びｘ２方向は、後述する一次元画像の画素の配列方向とする。本例では、２つの撮像装置を用いて２本の装置ビームを投射する構成としたが、勿論、１台の撮像装置を用い、半導体ウェハの一方の側から撮像し、次に半導体ウェハを回動させて反対側から撮像することも可能である。

図２は本発明による共焦点型顕微鏡の第１の実施例を示す線図である。本例では、測定ビームとして測定面内で周期的に高速振動する測定ビームを用いて半導体ウェハの端縁を走査する。本発明による共焦点型顕微鏡は、第１及び第２の２つの共焦点型の撮像装置１０及び１１を有し、これら２つの撮像装置は半導体ウェハの中心面Ｓをはさんで両側にそれぞれ配置され、半導体ウェハの端縁２の2次元画像を両方の側から撮像する。尚、第１及び第２の撮像装置は同一構成であるため、図面上第１の撮像装置についてだけ詳細に図示する。撮像装置は、半導体レーザ２０を有し、半導体レーザ２０から発生するレーザビームにより半導体ウェハの端縁を走査する。レーザビームは、エキスパンダ光学系２１により拡大平行光束に変換する。エキスパンダ光学系２１から出射したレーザビームは、第１のビーム偏向装置である音響光学素子２２に入射し、当該音響光学素子により入射したレーザビームを第１の方向に周期的に偏向する。音響光学素子２２から出射したレーザビームは、リレーレンズを経て偏光ビームスプリッタ２４に入射し、その偏光面で反射し、１／４波長板２５及びリレーレンズ２６を経て振動ミラー２７に入射する。振動ミラー２７は、入射したレーザビームを第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向する。

振動ミラー２７で反射したレーザビームはリレーレンズ２８を経て対物レンズ系２９に入射する。対物レンズ２９は、図面上単一のレンズとして図示したが、複数のレンズが配列された対物レンズ系を用いる。当該対物レンズ系は、開口角が４５°以上のものを用いることにより、方位角が１８０°にわたる端縁であっても、半導体ウェハの中心面を挟んで両側から測定することにより、２回の測定操作により端縁の2次元画像を撮像することができる。対物レンズ系２９の支持枠にはサーボモータ３０が連結され、サーボモータ３０により光軸方向にそって自在に移動する。レーザビームは対物レンズ系２９によりスポット状に集束して半導体ウェハ１の端縁２に入射する。従って、端縁２は、走査ビームにより２次元走査されることになる。尚、走査ビームは、半導体ウェハの第１の表面の一部、斜面２ａ及び端面２ｃの一部を走査する。

走査中に、対物レンズ２９を光軸方向に移動させながら走査する。従って、走査ビームの集束点は光軸方向に移動するので、端縁の各部位は、ある瞬時に走査ビームの集束点が位置し、それ以外の場合集束性又は発散性の走査ビームが入射する。

半導体ウェハ１の端縁２からの反射光は、対物レンズ系２９により集光され、リレーレンズ２８を経て振動ミラー２７に入射する。従って、半導体ウェハからの反射ビームは振動ミラーによりデスキャンされることになる。振動ミラーで反射した反射光は、リレーレンズ２６及び１／４波長板２５を経て偏光ビームスプリッタ２４に入射する。この反射ビームは１／４波長板２５を２回透過しているので、偏向ビームスプリッタ２４を透過し、結像レンズ３１を経てリニァイメージセンサ３２に入射し、光電変換されて半導体ウェハ端縁の一次元画像信号が出力される。この一次元画像信号は、増幅器３３を経て信号処理回路４０に供給され、信号処理回路において半導体ウェハの端縁の2次元画像信号が出力される。尚、リニァイメージセンサ３２の読出制御及び振動ミラー２７の駆動制御はコントローラの制御のもとで行うものとする。

同様に、第２の撮像装置１１により、第１の側とは反対側の第２の側から半導体ウェハの端縁２の一次元画像を撮像し、得られた一次元画像信号を画像処理装置４０に供給する。

図３は信号処理装置の一例を示す線図である。リニァイメージセンサ３２から出力される端縁の一次元画像信号は増幅器３３により増幅されて信号処理装置４０に入力する。リニァイメージセンサからの出力信号はＡ／Ｄ変換器４１によりＡ／Ｄ変換され、比較器４２に入力すると共に、セレクタ４３にも入力し、画像メモリ４４に試料の2次元画像の各画素の輝度値が記憶される。画像メモリ４４に記憶されている各画素の輝度値は順次読み出され、比較器４２において、対物レンズが光軸方向にそって移動する間に検出された新たな輝度値と画像メモリに格納されている輝度値とを2次元画像の各画素毎に比較する。新たに検出された輝度値が画像メモリに記憶された輝度値よりも大きい場合新たな輝度値が選択され、新たな輝度値が画像メモリ４４に書き込まれる。このようにして、半導体ウェハの端縁の2次元画像信号のうち、リニァイメージセンサに入射する反射光の最大輝度値が各画素毎に画像メモリ４４に記憶される。この結果、ノッチの内周面全体にわたって合焦した2次元画像が撮像される。

このようにして、半導体ウェハの一方の側から見た2次元画像が撮像されるが半導体ウェハの両側から撮像した2次元画像を出力することも可能である。すなわち、第２の撮像装置のリニァイメージセンサからの出力信号も信号処理装置４０に入力させ、上述した信号処理を行う。そして、半導体ウェハの端縁の反対側から撮像した2次元画像も別の画像メモリに記憶し、合成回路（図示せず）により２つの撮像装置により撮像された端縁の2次元画像を合成して出力することも可能である。

次に、ノッチ観察について説明する。図４は、ノッチの形状及びノッチと対物レンズ系との関係を示す線図である。図４ａに示すように、半導体ウェハ１の周縁に形成されたノッチ４は凹部であるから、ノッチの内周面の状態を観察しようとすると、対物レンズ系２９を、その先頭のレンズがノッチ内部に位置するように接近させる必要がある。この場合、開口数の大きな対物レンズ系の焦点距離が短いため、ノッチの内周面上に焦点を合わせようとすると、対物レンズ系の先頭のレンズ及び鏡筒が半導体ウェハに衝突してしまい、ノッチの内周面上に焦点を合わせることができず、従来の共焦点型顕微鏡では、ノッチの内周面の状態を観察することができなかった。そこで、本発明では、対物レンズ系に改良を加えることにより、ノッチの内周面の状態が観察できるようにする。

図５は本発明の対物レンズ系の一例を示す線図であり、図５（ａ）は改良前の対物レンズ系を示し、図５（ｂ）は改良後の本発明による対物レンズ系を示し、図５（ｃ）は鏡筒を除いて先頭の凹状の第１面を有する凸レンズ側から光軸方向にそって見た図である。対物レンズ系は、光軸Ｌを有し、光軸にそって先頭の凸レンズ５１を含み合計６枚のレンズ５１〜５６を有し、これらのレンズは鏡筒５７内に支持する。尚、対物レンズ系のレンズ数は、単なる一例であり、所望の枚数で構成することができる。

前述したように、ノッチの内周面を観察しようとすると、対物レンズ系の先端が半導体ウェハと衝突してしまい、対物レンズ系の焦点をノッチの内周面上に位置させることできない。そこで、本発明では、対物レンズ系の鏡筒及び少なくとも先頭の凸レンズの一部分が除去されるように、光軸をはさんで２つの切欠き部６０ａ及び６０ｂを形成する（図５ａ及びｂ参照）。このように、２つの切欠き部を形成することにより、対物レンズ系がノッチ付近の半導体ウェハと衝突することなく、対物レンズ系の先端部分をノッチ内部に進入させることができ、ノッチの内周面上に焦点を合わせることが可能になる。

次に、対物レンズ系による半導体ウェハからの反射光の集光状態について説明する。図６（ａ）は対物レンズ系から半導体ウェハに入射する光線及び対物レンズ系により集光される光線を模式的に示す図であり、図６（ｂ）は対物レンズ系の先頭の凸レンズ５１から出射する走査ビームの走査状態及び集光状態を示す図である。視野の中央部分の映像情報を表す光線はレンズのほぼ全体を通過する。従って、対物レンズ系に切欠き部を形成した場合、若干解像度に影響を与えることになる。一方、半導体ウェハの素子形成面１ａ並びに端面２ｃにおいては、これらの面にほぼ垂直に入射した光線だけが対物レンズ系により集光され、垂直以外の入射角で入射した光線例えばレンズの中央部を通る光線は対物レンズ系により集光されない。従って、対物レンズ系に切欠き部を形成しても、視野の周辺の画像の解像度にほとんど影響を与えない。このように、対物レンズ系に切欠き部を形成しても、対物レンズ系全体としての解像度低下は、視野の中央の画像に僅かな影響を与えるだけあり、対物レンズ系全体としてなんら問題は生じない。

図６（ｂ）に示すように、走査ビームと切欠き部との位置関係は、走査ームをはさんで両側に切欠き部が位置するように設定する。このように走査ビームと切欠き部との関係を規定することにより、視野の周辺の画像を形成する光線は、切欠き部によりほとんどカットされず、解像度に悪影響を及ぼすことはない。

図７は本発明による共焦点型顕微鏡の第２の実施例を示す線図である。本例では、ビーム走査を行うのではなく、ライン状光ビーム副走査方向に周期的に偏向することにより試料表面を2次元走査する。光源としてレーザ光源７０を用いる。レーザ光源７０から出射したレーザ光は、エキスパンダ光学系７１により拡大光束に変換され、シリンドリカルレンズ７２により第２の方向に集束した偏平なビームに変換される。当該ビームは、偏光ビームスプリッタ７３を透過し、１／４波長板７４を通過してマイクロミラー装置（ＤＭＤ）７５の光入射面に垂直に入射する。

本発明では、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子を個別に駆動して画像表示装置として使用するのではなく、駆動パルス発生装置（図示せず）から全てのマイクロミラー素子に同一の駆動パルスを供給し、各ミラー面の全体としての高速回動により入射したレーザビームを発散性の非コヒーレントな光ビームに変換する。マイクロミラー装置７５は、光入射面に2次元マトリックス状に配置した複数のマイクロミラー素子を有し、各マイクロミラー素子は、例えば１４μｍ×１４μｍの矩形のアルミニウムのミラー面を有する。各マイクロミラー素子に同一の駆動パルスが入力すると、各ミラー面は、全体として高速で往復回動ないし往復傾動し、入射したレーザビームを高速偏向させる。すなわち、各ミラー面は、支持柱を中心にして、供給される駆動パルスに応じて、中立点をはさんで一方の側から他方の側に周期的に高速回動するため、各ミラー面に入射したビーム部分がそれぞれ高速で偏向されることになる。この結果、全体として見た場合、マイクロミラー装置７５から発散性のライン状光ビームが出射する。尚、マイクロミラー装置による偏向方向を前記第２の方向と直交する第１の方向とし、この第１の方向をライン状光ビームの延在方向とし、第１の方向を含む面を前述した走査ビーム面とする。

一方、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子は、全体として同一の駆動パルスが入力しても、各ミラー面は、微視的に見た場合、その質量等の差によりそれぞれランダムな状態で回動ないし傾動する。このため、入射したレーザビームの各マイクロミラー面に入射したビーム部分は、それぞれランダムな状態で反射する。この結果、マイクロミラー装置から出射するライン状光ビームは、ビーム全体として見た場合、位相関係がそれぞれランダムな状態となり、もはやコヒーレント性は維持されず、発散性の非コヒーレントな光ビームに変換される。この結果、グレァ等が発生しない鮮明な画像を撮像することが可能である。尚、マイクロミラー装置によりレーザビームが非コヒーレントな光ビームに変換されることは、実験により実証されている。

マイクロミラー装置７５から出射した非コヒーレントなライン状光ビームは、１／４波長板７４を透過し、偏光ビームスプリッタ７３の偏光面で反射する。偏光ビームスプリッタ７３から出射したライン状光ビームは、集束性の球面レンズ７６に入射し、第１の方向に拡大された平行な光ビームに変換される。このライン状の平行光ビームは、第２のシリンドリカルレンズ７７により第２の方向に集束され、リレーレンズ７８を経て第２の偏光ビームスプリッタ７９に入射する。第２の偏光ビームスプリッタから出射した光ビームは、結像レンズ８０を透過し、振動ミラー８１に入射する。この振動ミラー８１は、入射したライン状光ビームを、その延在方向（第１の方向）と直交する方向に周期的に偏向する。

振動ミラーから出射したライン状光ビームは、リレーレンズ８２及び８３並びに１／４波長板８４を経て対物レンズ系８５に入射する。当該対物レンズ系８５は、図５に示すように、光軸をはさんで２つの切欠き部が形成された対物レンズ系とする。対物レンズ系８５にはサーボモータ８６が連結され、このサーボモータにより光軸方向にそって移動することが可能である。尚、対物レンズ系と走査ビーム面との関係は、図６（ｂ）に示すように、対物レンズ系の先頭のレンズから出射するライン状光ビームの両側に切欠き部６０ａ及び６０ｂが位置するように設定する。従って、半導体ウェハのノッチの内周面の画像を撮像する場合であっても、対物レンズ系が半導体ウェハと衝突する不具合が解消される。

ライン状光ビームは、対物レンズ８５により集束され、集束性のライン状光ビームとして、半導体ウェハ１の端縁に入射する。

半導体ウェハ試料１からライン状の反射光が発生し、当該ライン状の反射光は、対物レンズ系８５により集光され、１／４波長板８４、リレーレンズ８３及び８２を経て振動ミラー８１に入射する。このライン状の反射ビームは、振動ミラー８１によりデスキャンされ、結像レンズ８０を経て偏光ビームスプリッタ７９に入射する。この試料からの反射光は１／４波長板８４を２回通過しているから、偏光ビームスプリッタ７９を透過し、リニァイメージセンサ８７に入射する。

リニァイメージセンサ８７は、第１の方向にそって配列した複数の受光素子を有する。従って、半導体ウェハ１からのライン状の反射光は、リニァイメージセンサの各受光素子上に入射するから、リニァイメージセンサの各受光素子に蓄積した電荷を振動ミラー８１と同期して読み出し、増幅器８８を介して信号処理装置４０に供給する。信号処理装置４０は、図３に基づいて説明した信号処理を行って半導体ウェハの端縁の2次元画像信号を出力する。

図７に示す撮像装置を２台設け、図１に示すように、半導体ウェハの中心面をはさんで両側から同一平面上に位置する２本のライン状光ビームを投射して半導体ウェハの端縁の１８０度の方位にわたる2次元画像を撮像することも可能である。尚、この場合、一方の撮像装置が撮像中の場合他方の撮像装置を待避させ、対物レンズ系が相互に衝突しないようにする。また、２台の撮像装置で撮像された画像は、信号処理装置において、画像合成することにより１８０度の方位角にわたる画像をモニタ上に表示することが可能である。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、ライン状光ビーム発生装置として、実施例ではレーザ光源とマイクロミラー装置の組み合わせを用いたが、水銀ランプやキセノンランプから出射する光束をスリットを用いてライン状光ビームとすることも可能である。

本発明による断面形状測定装置の半導体ウェハに対する走査ビームの入射状態を示す線図的斜視図及び半導体ウェハの中心面Ｓの上方から見た平面図である。 本発明による共焦点型顕微鏡の第１の実施例を示す線図である。 信号処理回路の一例を示す図である。 半導体ウェハに形成されているノッチを示す図及び半導体ウェハと対物レンズ系との位置関係を示す線図である。 本発明による対物レンズ系の一例を示す線図である。 対物レンズ系による集光状態を示す図及び走査ビーム面と切欠き部との位置関係を示す図である。 本発明による共焦点型顕微鏡の第２実施例を示す図である。

符号の説明

１ 半導体ウェハ
２ 端縁
３ａ，３ｂ 走査ビーム
２０ レーザ光源
２１ エキスパンダ光学系
２２ 音響光学素子
２３，２６，２８ リレーレンズ
２４ 偏光ビームスプリッタ
２５ １／４波長板
２７ 振動ミラー
２９ 対物レンズ
３０ サーボモータ
３１ 結像レンズ
３２ リニァイメージセンサ
３３ 増幅器
４０ 信号処理装置
４１ Ａ／Ｄ変換器
４２ 比較器
４３ セレクタ
４４ 画像メモリ

Claims (12)

1. ライン状光ビームを発生するライン状光ビーム発生手段と、ライン状光ビームをその面と直交する方向に周期的に偏向するビーム偏向手段と、偏向されたライン状光ビームを試料に向けて投射する対物レンズ系と、対物レンズ系をその光軸方向にそって移動させる対物レンズ移動手段と、複数の受光素子を有し、試料からの反射光を前記対物レンズ系を介して受光するリニァイメージセンサと、リニァイメージセンサからの出力信号に基づいて試料の2次元画像信号を出力する信号処理装置とを具え、
   前記対物レンズ系は、その光軸にそって配置した複数のレンズと、これら複数のレンズを支持する鏡筒とを有し、当該対物レンズ系には、入射したライン状光ビームが出射する先頭側において、鏡筒及び少なくとも先頭のレンズの光軸をはさんで両側に切欠き部が形成されていることを特徴とする共焦点型顕微鏡。
2. レーザビームを、非コヒーレントなライン状光ビームに変換するライン状光ビーム発生手段と、ライン状光ビームをその面と直交する方向に周期的に偏向するビーム偏向手段と、偏向されたライン状光ビームを試料に向けて投射する対物レンズ系と、対物レンズ系をその光軸方向にそって移動させる対物レンズ移動手段と、複数の受光素子を有し、試料からの反射光を前記対物レンズ系を介して受光するリニァイメージセンサと、リニァイメージセンサからの出力信号に基づいて試料の2次元画像信号を出力する信号処理装置とを具え、
   前記対物レンズ系は、その光軸にそって配置した複数のレンズと、これら複数のレンズを支持する鏡筒とを有し、当該対物レンズ系には、入射したライン状光ビームが出射する先頭側において、鏡筒及び少なくとも先頭のレンズの光軸をはさんで両側に切欠き部が形成されていることを特徴とする共焦点型顕微鏡。
3. 請求項１又は２に記載の共焦点型顕微鏡において、前記対物レンズ系に形成されている２つの切欠き部は、入射するライン状光ビームをはさんで対向するように位置することを特徴とする共焦点型顕微鏡。
4. 走査ビームを発生するレーザ光源と、走査ビームを第１の方向に周期的に偏向する第１のビーム偏向手段と、第１のビーム偏向手段から出射した走査ビームを第１の方向と直交する第２の方向に周期的に偏向する第２のビーム偏向手段と、第２のビーム偏向手段から出射した走査ビームを試料に向けて投射する対物レンズ系と、対物レンズ系を光軸方向に移動させる対物レンズ駆動手段と、前記第１の方向と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、試料からの反射光を前記対物レンズ系及び第２のビーム偏向手段を介して受光するリニァイメージセンサと、リニァイメージセンサからの出力信号を受け取って試料の2次元画像信号を出力する信号処理装置とを具え、
   前記対物レンズ系は、その光軸にそって配置した複数のレンズと、これら複数のレンズを支持する鏡筒とを有し、当該対物レンズ系には、入射した光ビームが出射する先頭側において、鏡筒及び少なくとも先頭のレンズの光軸をはさんで両側に切欠き部が形成されていることを特徴とする共焦点型顕微鏡。
5. 請求項４に記載の共焦点型顕微鏡において、前記対物レンズ系に形成された２つの切欠き部は、走査ビームをはさんで対向するように位置することを特徴とする共焦点型顕微鏡。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の共焦点型顕微鏡において、前記対物レンズ系は、先頭に配置した凹レンズを有し、ほぼ４５度又はそれ以上の開口角を有することを特徴とする共焦点型顕微鏡。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の共焦点型顕微鏡において、前記信号処理装置は、前記対物レンズ系を光軸方向に移動させながら撮像した複数の2次元画像から、各画素について最大輝度値を求め、最大輝度値から構成される2次元画像信号を出力することを特徴とする共焦点型顕微鏡。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の共焦点型顕微鏡において、当該共焦点型顕微鏡を用いて半導体ウェハに形成されたノッチの内周面を観察する際、前記対物レンズ系の先頭のレンズの少なくとも一部分がノッチの内部に進入することを特徴とする共焦点型顕微鏡。
9. 対物レンズ系を介してライン状光ビームを投射し、試料からの反射ビームを前記対物レンズ系を介してリニァイメージセンサにより受光する第１の撮像装置と、同じく対物レンズ系を介してライン状光ビームを投射し、試料からの反射ビームを前記対物レンズ系を介してリニァイメージセンサにより受光する第２の撮像装置と、第１及び第２の撮像装置から出力される出力信号を受け取って試料の2次元画像信号を出力する信号処理装置とを具え、
   前記第１及び第２の撮像装置の対物レンズ系は、半導体ウェハのノッチの内周面を観察する際、先頭に配置したレンズの少なくとも一部分がノッチの内部に進入するように、光軸をはさんで対向する２つの切欠き部が形成されていることを特徴とする共焦点型顕微鏡。
10. 試料表面を2次元走査するための光ビームを対物レンズ系を介して投射し、試料からの反射光を前記対物レンズ系を介して撮像素子により受光する第１の撮像装置と、同じく試料表面を2次元走査するための光ビームを対物レンズ系を介して投射し、試料からの反射光を前記対物レンズ系を介して撮像素子により受光する第１の撮像装置と、第１及び第２の撮像装置からの出力信号を受け取って試料の2次元画像信号を出力する信号処理装置とを具え、
    前記第１及び第２の撮像装置の対物レンズ系は、半導体ウェハのノッチの内周面を観察する際、先頭に配置したレンズの少なくとも一部分がノッチの内部に進入するように、光軸をはさんで対向する２つの切欠き部が形成されていることを特徴とする共焦点型顕微鏡。
11. 請求項９又は１０に記載の共焦点型顕微鏡において、前記第１及び第２の撮像装置の対物レンズ系の光軸は、共に同一平面上に位置すると共に、互いに９０度の角度をなすことを特徴とする共焦点型顕微鏡。
12. 集束した光ビーム又はライン状光ビームにより試料表面を2次元走査し、試料からの反射光を受光して試料の2次元画像を形成する共焦点型顕微鏡に用いられる対物レンズ系であって、光軸方向に沿って配置した複数のレンズと、これら複数のレンズを支持する鏡筒とを有し、当該対物レンズ系の先頭に凹レンズが配置され、少なくとも先頭に配置した凹レンズと鏡筒に２つの切欠き部が形成され、これらの切欠き部が光軸をはさんで対向するように形成されていることを特徴とする対物レンズ系。