JP2008046247A - 顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料を対物レンズ側からその光軸に対して斜めにかつ複数の方位から照明する照明光学系を有する顕微鏡装置において、簡易な構成で照明光の利用効率を向上させる。
【解決手段】顕微鏡装置を、照明光を生じる光源２１と、光源２１から生じた照明光を集光する複眼レンズ５であって、位置の異なるレンズ中心ＡＰ１、ＡＰ２を有する正の屈折力の複数のレンズ曲面が形成される複眼レンズ５０と、複眼レンズ５０によって異なる軸線ＡＸ１、ＡＸ２上に集光される照明光の各々を案内し、これら照明光を異なる方位から試料２表面へと各々入射させる光学的案内部６１、６２、７１、７２及び２８とを備えて構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、試料表面を、対物レンズ側からその光軸に対して斜めに照明し、試料表面で反射した光学像を捉える顕微鏡装置に関する。特に、半導体ウエハや、フォトマスク用基板、並びに液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などである試料の表面に形成されたパターンの欠陥を検出する外観検査装置において、これら試料の画像を生成するために利用される顕微鏡装置に関する。

半導体ウエハや、フォトマスク用基板、並びに液晶表示パネルなどの半導体装置等の製造は多数の工数から成り立っており、最終及び途中の工程での欠陥の発生具合を検査して製造工程にフィードバックすることが歩留まり向上の上からも重要である。製造工程の途中で欠陥を検出するために、半導体ウエハ、フォトマスク用基板、液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などの試料の表面に形成されたパターンを撮像し、これにより得られた画像を検査することにより試料表面に存在する欠陥を検出するパターン欠陥検査などの外観検査が広く行われている。

上述の外観検査では、被検査物体である半導体ウエハ表面に形成された回路パターンの光学像を生成するために光学顕微鏡が使用されるのが一般的である。また外観検査装置では、例えば暗視野顕微鏡のように、試料を照明する照明光を対物レンズ側からかつ対物レンズの光軸に対して斜めに入射させる照明光学系がしばしば採用される。このような照明光学系は、被検査物体の表面の欠陥で乱反射した光を明るくすることができるため、比較的簡単な構成で高感度の欠陥検出を行うことが可能であるという利点を有する。

図１に、従来の顕微鏡装置を用いた半導体ウエハ外観検査装置の概略構成を示す。半導体ウエハ外観検査装置１（以下、「外観検査装置１」と記す）の顕微鏡装置は、主に、半導体ウエハ２（以下、「ウエハ２」と記す）を保持するステージ４１と、ステージ４１に保持されたウエハ２の表面の光学像を撮像する撮像装置３１と、ウエハ２を照明する照明光学系と、この照明光学系により照明されたウエハ２の表面の光学像を撮像装置３１の受光面上に結像する結像光学系により構成される。

外観検査装置１の結像光学系は少なくとも対物レンズ１０を含み、対物レンズ１０は、以下に説明する照明光学系によって照明されたウエハ２の表面の光学像を投影する。
照明光学系は、光源２１と、光源２１からの照明光を集光して平行光束を生成する集光光学系２２と、集光光学系２２により生成された平行光束をその周辺を残してマスクするスリット２６と、スリット２６を通過する光束を被検査物体方向に反射しつつ対物レンズ１０による投影光を通過させる穴あきミラー２７と、対物レンズ１０の周囲を通過する照明光を集束して、対物レンズ１０の周囲からその光軸に対して傾けて入射させるリング状コンデンサレンズ２８と、を含む。

スリット２６により中空となった照明光の光束は、対物レンズ１０の光軸に対して斜めにウエハ２の表面に入射するが、このとき照明光はウエハ２の表面に関して定まる２次元方位（以下、単に「方位」と示す）の全方位から入射する。このためウエハ２の表面に高低差があっても、ウエハ２の表面上に存在する欠陥がこの表面の他の部分の陰に隠れることを防止する。

撮像装置３１としては、２次元ＣＣＤ素子を使用したＴＶカメラなどを使用することも可能であるが、高精細の画像信号を得るためには１次元ＣＣＤ等のラインセンサを使用して、ステージ４１をウエハ２に対して相対移動させ（走査して）、ステージ４１を駆動するパルス発生器４２による駆動パルス信号に同期して、画像処理部３３がラインセンサ３１の信号を取り込んで画像を取得することが多い。
ウエハ２の表面には、複数のダイ（チップ）がそれぞれ繰返しマトリクス状に配列されており、また１つダイの内部においても同じセルがそれぞれ繰返しマトリクス状に配列されている。画像処理部３３は、ウエハ２の画像に現れる繰り返しパターン内の本来同一となるべき部分同士を比較して、その相違部分を欠陥箇所として検出する。
なお、光学顕微鏡に使用される従来の照明装置については、下記特許文献１〜７に開示されている。

特開平７−２１８９９１号公報 特開平８−３６１３３号公報 特開平８−１０１１２８号公報 特開平８−１６６５１４号公報 特開平８−２１１３２７号公報 特開平８−２１１３２８号公報 特開平１０−９０１９２号公報

従来の顕微鏡装置の構成では、試料を照明する照明光を、対物レンズ側からその光軸に対して斜めにかつ複数の方位から入射させるために、図１に示すように単一の光源２１から生じた１つの光束Ｌ０の光軸中心部分をマスクして中空の光束を生成するか、または各方位から試料を照明する光束をそれぞれ別個の照明光学系で生成していた。
しかしながら、図１に示すように単一の光源から生じた光束の中心部分をマスクする構成によれば、光束の断面のうち光強度が最も強い中央部がマスクされるため、照明光の利用効率が悪い。また複数の照明光学系を使用すると顕微鏡装置の部品点数が増加する。

上記問題点に鑑み、本発明では、試料を対物レンズ側からその光軸に対して斜めにかつ複数の方位から照明する照明光学系を有する顕微鏡装置において、簡易な構成で照明光の利用効率を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、レンズ中心の位置の異なる正の屈折力の複数のレンズ曲面が透過面上に形成されるレンズ（以下「複眼レンズ」と示す）を、照明光学系に設け、異なる軸線上に集光される複数の照明光を、１つの光束から生成する。
上記の複眼レンズに光束が入射すると、複眼レンズの透過面上に形成された複数のレンズ曲面によって屈折する光は、それぞれ異なる軸線上に集光される。このため、試料を複数の方位から各々照明するための複数の光束を１つの光源から生成することができる。その際に照明光をマスクして無駄に捨てる必要もない。

本発明によれば、試料表面を、対物レンズ側からその光軸に対して斜めにかつ複数の方位から照明する顕微鏡装置であって、照明光を生じる光源と、光源から生じた照明光を集光する上記の複眼レンズと、複眼レンズに形成された複数のレンズ曲面に入射することによって異なる軸線上に集光される照明光の各々を案内し、これら照明光を試料表面上の異なる方位から試料表面へと各々入射させる光学的案内部と、を備える顕微鏡装置が提供される。

所定の集光光学系を用いて光源から生じる照明光から照明光束を生成するとき、複眼レンズと集光光学系との間の相対位置を、照明光束の中心が複眼レンズの透過面に入射するように定めてよい。照明光束の断面強度分布が光軸中心で最も強い光強度を呈するとき、このように複眼レンズと集光光学系との間の相対位置を定めることによって、効率よく照明光を利用することが可能となる。

半導体ウエハの外観検査装置では、試料である半導体ウエハの表面を２方向又は４方向から照明すれば足りることが多い。したがって例えば複眼レンズの透過面上に形成するレンズ曲面は２つ又は４つとしてよい。

本発明によれば、試料を対物レンズ側からその光軸に対して斜めにかつ複数の方位から照明する照明光学系を有する顕微鏡装置において、照明光の利用効率を向上することが可能となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図２は、本発明の実施例による顕微鏡装置を用いた半導体ウエハ外観検査装置の概略構成図である。図２に示す外観検査装置１の構成は、図１を参照して説明した外観検査装置に類似する構成を有しており、したがって同様の構成要素には同じ参照番号を付すこととし同様の機能については説明を省略する。また、図示の通りウエハ２の表面と平行な平面をＸＹ平面とし、これに垂直な方向をＺ方向とする。
本構成における外観検査装置１は、集光光学系２２により平行光束Ｌ０となった照明光が入射されるときにこの光を異なる２つの軸線上に集光する複眼レンズ５０を備える。

図３の（Ａ）は図２に示す複眼レンズ５０の第１例の平面図であり、図３の（Ｂ）は図３の（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。図３の（Ａ）にて一点鎖線で示される曲線は、複眼レンズ５０の透過面の等高線を概略的に示す線である。
図示するとおり複眼レンズ５０の透過面には、異なる位置ＡＰ１及びＡＰ２にレンズ中心がある正の屈折力の２つのレンズ曲面が形成される。すなわち図示の境界線ＬＮを挟んだ一方の領域Ａ１には、光学的中心が位置ＡＰ１にある正の屈折力を有する第１のレンズ曲面が形成され、他方の領域Ａ２には、光学的中心が位置ＡＰ２にある正の屈折力を有する第２のレンズ曲面が形成される。
このような複眼レンズ５０は、モールド成形技術によって容易に形成することが可能であり、フレネルレンズや単に複数のレンズを貼り合わせ又は並べて実現してもよい。

図２に戻り、複眼レンズ５０に入射した照明光束Ｌ０は、複眼レンズ５０の第１及び第２のレンズ曲面によって、それぞれのレンズ中心ＡＰ１及びＡＰ２をそれぞれ通る光軸ＡＸ１及びＡＸ２上に集光される。
光軸ＡＸ１及びＡＸ２上にはそれぞれ負の屈折力を有する光学素子、例えば凹レンズ６１及び６２がそれぞれ設けられる。複眼レンズ５０により集光される照明光は、これら凹レンズ６１及び６２によって再び平行光束Ｌ１及びＬ２となる。

凹レンズ６１及び６２により平行光束となった照明光は、それぞれミラー７１及び７２によって、ウエハ２の方向にかつ対物レンズ１０の光軸と平行な方向に反射され、コンデンサレンズ２８によって集光されることによって、対物レンズ１０の周囲からその光軸に対して斜めに入射する。
図４は、図３に示す複眼レンズ５０による照明光束Ｌ１及びＬ２による照明方向を示す図である。点線にて図示する光束Ｌ１及びＬ２のＸＹ平面上の位置は、コンデンサレンズ２８により集光される前の位置を示す。
複眼レンズ５０により光軸ＡＸ１上に集光される光は、凹レンズ６１の作用で平行光束Ｌ１となり、その後、ミラー７１で反射してウエハ２に向かう方向に反射され、コンデンサレンズ２８によって集光されることによって、ウエハ２を−Ｘ方向（矢印９１の方向）に照明する照明光となる。
一方で、複眼レンズ５０により光軸ＡＸ２上に集光される光は、凹レンズ６２の作用で平行光束Ｌ２となり、その後、ミラー７２で反射してウエハ２に向かう方向に反射され、コンデンサレンズ２８によって集光されることによって、ウエハ２を＋Ｘ方向（矢印９２の方向）に照明する照明光となる。
ここに、凹レンズ６１及び６２、ミラー７１及び７２、並びにコンデンサレンズ２８は、本願の特許請求の範囲に係る光学的案内部に対応する。
ここで、コンデンサレンズ２８を対物レンズ１０と一体のレンズとして設け、対物レンズ１０により平行光として投影されるウエハ２からの反射光を撮像装置３１の受光面上に結像するレンズを、対物レンズ１０と撮像装置３１との間に別途設けてもよい。

図５の（Ａ）は図２に示す複眼レンズ５０を通過する前後の光束の態様を示す図である。ここで集光光学系２２により光軸ＡＸ０を中心とする平行光束とされた照明光束をＬ０とする。複眼レンズ５０に入射する前の光束Ｌ０のＡ−Ａ’ における照明光の光強度プロファイルを図５の（Ｂ）に示す。
略点光源からの光を比較的簡易な光学系を用いて平行光とした光束は、図５の（Ｂ）に示すように、光束の中心に１つの光強度のピークＰを有し周辺となるにしたがって強度が低下する不均一な断面強度分布を有する。

図５の（Ｃ）は、図５の（Ａ）に示すＢ−Ｂ’断面における照明光の光強度プロファイル、すなわち複眼レンズ５０に入射した光束Ｌ０が複眼レンズ５０から出射した後の光強度プロファイルである。
図示するとおり、複眼レンズ５０の透過面に形成された２つのレンズ曲面の作用によって、１つの光強度のピークＰが存在する断面強度分布を有する光束Ｌ０が２つのレンズ曲面の光学軸ＡＸ１及びＡＸ２上に集光されるため、複眼レンズ５０を通過した後の光束の断面強度分布は、光学軸ＡＸ１及びＡＸ２上、またはそれらの付近にそれぞれ光強度のピークＰ１及びＰ２を有する。

ここで複眼レンズ５０には光束Ｌ０の中心部分が入射し、かかる中心部分には光束Ｌ０が持つ光エネルギーが集中している。一方で入射した光束の光エネルギーは、複眼レンズ５０を出射する光束のピークＰ１及びＰ２の部分に集中する。
したがって、これらピークＰ１及びＰ２を中心に集光される照明光を、凹レンズ６１及び６２、ミラー７１及び７２並びにコンデンサレンズ２８を用いて、ウエハ２の表面へと案内することによって光源２１から生じた照明光の多くを利用することが可能となる。

このように、光源２１から生じた照明光を効率よく利用するには、集光光学系２２によって集光された光束Ｌ０のうちの光エネルギーが集中する部分が、複眼レンズ５０のレンズ曲面によって集光されることが好ましい。
また複眼レンズ５０を通過した後の光束に複数の光強度ピークＰ１及びＰ２を生じさせるためには、複眼レンズ５０に形成された複数のレンズ曲面のそれぞれに光束Ｌ０が入射する必要がある。

このため複眼レンズ５０の１つの態様では、光束Ｌ０の断面のうちの光強度が所定の強度以上となる中心部分が、漏れなく複眼レンズ５０に設けられたレンズ曲面に入射し、かつかかる中心部分が複数のレンズ曲面にそれぞれ入射するように、複眼レンズ５０と集光光学系２２との相対位置及び複眼レンズ５０の形状及び寸法が決定される。

例えば図６の（Ａ）に示すように、光束Ｌ０の断面が半径ｒ０の円形であり、その断面強度分布が光軸中心Ｏにてピークを有し、この光軸Ｏを中心とする半径ｒ１の円形領域ＬＡ１においてその光強度が所定の強度ＴＬ以上である場合を想定する。
図６の（Ｂ）に示す複眼レンズ５０の例では、光束Ｌ０の全てが複眼レンズ５０のレンズ曲面Ａ１及びＡ２に入射し、かつレンズ曲面Ａ１及びＡ２のいずれにも入射するように、複眼レンズ５０の形状及び寸法が決定される。

図６の（Ｃ）に示す複眼レンズ５０の例では、光束Ｌ０の光軸Ｏを中心とする半径ｒ１の円形領域ＬＡ１の全てが複眼レンズ５０のレンズ曲面Ａ１及びＡ２に入射し、かつレンズ曲面Ａ１及びＡ２のいずれにも入射するように、複眼レンズ５０の形状及び寸法が決定される。
このように、光束Ｌ０の断面の全て、また光束Ｌ０の断面内の所定面積を有する領域ＬＡ１を漏れなくレンズ曲面Ａ１及びＡ２に入射させ、かつレンズ曲面Ａ１及びＡ２のいずれにも入射させるために、複眼レンズ５０に設けられる複数のレンズ曲面Ａ１及びＡ２の境界は、長さが０でない曲面間交線ＬＮであることが望ましい。

図７は、図２に示す複眼レンズ５０の第２例の平面図である。図７にて一点鎖線で示される曲線は、複眼レンズ５０の透過面の等高線を概略的に示す線である。
図示するとおり複眼レンズ５０の透過面には、異なる位置ＡＰ１〜ＡＰ４にレンズ中心がある正の屈折力の２つのレンズ曲面が形成される。すなわち図示の境界線ＬＮ１及びＬＮ４に挟まれる領域Ａ１には光学的中心が位置ＡＰ１にある正の屈折力を有する第１のレンズ曲面が形成され、境界線ＬＮ２及びＬＮ１に挟まれる領域Ａ２には光学的中心が位置ＡＰ２にある正の屈折力を有する第２のレンズ曲面が形成され、境界線ＬＮ３及びＬＮ２に挟まれる領域Ａ３には光学的中心が位置ＡＰ３にある正の屈折力を有する第３のレンズ曲面が形成され、境界線ＬＮ４及びＬＮ３に挟まれる領域Ａ４には光学的中心が位置ＡＰ４にある正の屈折力を有する第４のレンズ曲面が形成される。

このような４つのレンズ曲面を有する複眼レンズ５０を用いることによって、集光光学系２２による照明光束Ｌ０を、各レンズ中心ＡＰ１〜ＡＰ４をそれぞれ通る４つ光軸上に集光することができる。
そして、４つの光軸上に集光される照明光をそれぞれ、上記凹レンズ６１及び６２のような負の屈折力を有する光学素子を用いて平行光束にする。これら４つの光束はそれぞれ異なる光軸を有するので、これらをそれぞれミラーによってウエハ２の方向にかつ対物レンズ１０の光軸と平行な方向に反射させ、コンデンサレンズ２８によって集光することによって、ウエハ２の表面を、４つの異なる方位からかつ対物レンズ１０の光軸に対して斜めに照明することが可能となる。

図８は、図７に示す複眼レンズ５０による照明光束による照明方向を示す図である。点線にて図示する光束Ｌ１〜Ｌ４の位置は、図７に示す複眼レンズ５０の４つのレンズ曲面によって集光された照明光を、それぞれ図２に示す凹レンズ６１及び６２並びにミラー７１及び７２と同様の光案内手段によって、コンデンサレンズ２８の入射面まで案内された時点の位置を示す。
図８に示す照明方向の例では、４つの光束Ｌ１〜Ｌ４はそれぞれ、−Ｘ方向（矢印９１の方向）、＋Ｙ方向（矢印９２の方向）、＋Ｘ方向（矢印９３の方向）及び−Ｙ方向（矢印９４の方向）の方向から、ウエハ２を斜めに照明する。

本発明は、試料表面を、対物レンズ側からその光軸に対して斜めに照明し、試料表面で反射した光学像を捉える顕微鏡装置に利用可能である。特に、半導体ウエハや、フォトマスク用基板、並びに液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などである試料の表面に形成されたパターンの欠陥を検出する外観検査装置において、これら試料の画像を生成するために利用される顕微鏡装置に利用可能である。

従来の顕微鏡装置を用いた半導体ウエハ外観検査装置の概略構成図である。 本発明の実施例による顕微鏡装置を用いた半導体ウエハ外観検査装置の概略構成図である。 （Ａ）は図２に示す複眼レンズの第１例の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’断面図である。 図３に示す複眼レンズによる照明光束による照明方向を示す図である。 （Ａ）は図２に示す複眼レンズを通過する前後の光束の態様を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す光束のＡ−Ａ’断面における照明光の光強度プロファイルであり、（Ｃ）は（Ａ）に示す光束のＢ−Ｂ’断面における照明光の光強度プロファイルである。 （Ａ）は図２に示す複眼レンズを通過する前の光束の断面強度分布を示す照明光の光強度プロファイルであり、（Ｂ）は複眼レンズの寸法例の第１例の説明図であり、（Ｃ）は複眼レンズの寸法例の第２例の説明図である。 図２に示す複眼レンズの第２例の平面図である。 図７に示す複眼レンズによる照明光束による照明方向を示す図である。

符号の説明

１ 外観検査装置
２ 半導体ウエハ
１０ 対物レンズ
２１ 光源
２２ 集光光学系
２８ コンデンサレンズ
１０ 対物レンズ
３１ 撮像装置
４１ 可動ステージ
５０ 複眼レンズ
６１、６２ 凹レンズ
７１、７２ ミラー

Claims (4)

1. 試料表面を、対物レンズ側からその光軸に対して斜めにかつ複数の方位から照明する顕微鏡装置であって、
   照明光を生じる光源と、
   前記光源から生じた前記照明光を集光する複眼レンズであって、その透過面上に、レンズ中心の位置の異なる正の屈折力の複数のレンズ曲面が形成される複眼レンズと、
   これら複数のレンズ曲面に入射することによって異なる軸線上に集光される照明光の各々を案内し、これら照明光を前記試料表面上の異なる方位から前記試料表面へと各々入射させる光学的案内部と、
   を備えることを特徴とする顕微鏡装置。
2. 前記光源から生じる前記照明光を、前記複眼レンズに入射する照明光束を生成する集光光学系を備え、
   前記複眼レンズは、前記照明光束の中心が前記複眼レンズの前記透過面に入射するように、前記集光光学系との相対位置が定められる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記複眼レンズは、前記透過面上に、それぞれ頂点を有する正の屈折力の２つのレンズ曲面が形成され、
   これら２つのレンズ曲面によって各々収束される前記各照明光を、異なる２つの方位から前記試料表面に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡装置。
4. 前記複眼レンズは、前記透過面上に、それぞれ頂点を有する正の屈折力の４つのレンズ曲面が形成され、
   これら４つのレンズ曲面によって各々収束される前記各照明光を、異なる４つの方位から前記試料表面に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡装置。

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