JP2008065121A - 液浸顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の移動を利用せずに観察状態を実現することができ、基板の表面の状態（親水性／撥水性）に拘わらず、観察点の周囲の不要な箇所（後から回収できない箇所）への液体の広がりを防止できる液浸顕微鏡装置を提供する。
【解決手段】 液浸系の対物レンズ２２の先端５１と観察対象の基板とを対向させた状態で、先端５１と基板との間の光路に対して略垂直な第１方向に空気を流すと共に、該第１方向と光路との双方に略垂直な第２方向に関して空気の流れ幅を制限する溝形状の通風路(５１〜５４)と、通風路の上流側に配置され、幅が狭い管状部材２３を用いて、先端５１と基板との間に液体を吐出する手段と、通風路の下流側に配置され、通風路の上流側から取り込んだ空気と共に液体を吸引する手段とを備える。また、吐出手段の先端から光路までの距離Ｘ２と、光路の近傍における通風路の幅Ｙとは、条件式 Ｘ＜(Ｙ/２) を満足する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、基板の液浸観察を行う液浸顕微鏡装置に関する。

基板（例えば半導体ウエハや液晶基板など）に形成された回路パターンの欠陥や異物などを高い分解能で観察するために、液浸系の対物レンズを用い、この対物レンズの先端と基板との間を水などの液体で満たし、液体の屈折率(ｎ＞１)に応じて対物レンズの開口数を大きくすることが提案されている（例えば特許文献１を参照）。
また、コンパクトな装置構成とするために局所液浸の状態で観察することも提案されている。この場合は、基板の観察点ごとに、液体を局所的に供給して観察を行った後、その液体の回収が行われる。

観察時には、基板の観察点と対物レンズの先端との間が局所的に液体で満たされた状態となる。この観察状態を実現するため、特許文献１の装置では、基板の移動を利用し、次の２段階の動作[１][２]を行う。[１]基板の観察点が対物レンズの光路から外れた状態で、その観察点に液体を局所的に供給する。[２]基板を液体と共に移動させて、基板の観察点を対物レンズの光路に位置決めする。これにより上記の観察状態が実現する。
特開２００５−８３８００号公報

ところで、上記の装置では、対物レンズの光路から外れた箇所に液体供給部があるため、基板の移動を利用せずに上記の観察状態を実現しようとすると、基板の観察点を予め対物レンズの光路に位置決めした状態で、対物レンズの光路外の液体供給部から基板の観察点まで届くように液体を吐出することになる。
しかし、液体供給部から対物レンズの光路までの距離によっては、多量の液体を勢いを付けて吐出する必要がある。さらに、基板の表面の状態（親水性／撥水性）によっては、吐出された液体が観察点の周囲の不要な箇所（後から回収できない箇所）まで広がってしまうことがあり、好ましくない。

本発明の目的は、基板の移動を利用せずに観察状態を実現することができ、基板の表面の状態（親水性／撥水性）に拘わらず、観察点の周囲の不要な箇所（後から回収できない箇所）への液体の広がりを防止できる液浸顕微鏡装置を提供することにある。

本発明の液浸顕微鏡装置は、液浸系の対物レンズ部材と、前記対物レンズ部材の先端と観察対象の基板とを対向させた状態で、前記先端と前記基板との間の光路に対して略垂直な第１方向に空気を流すと共に、該第１方向と前記光路との双方に略垂直な第２方向に関して前記空気の流れ幅を制限する溝形状の通風路と、前記通風路の上流側に配置され、該上流側の前記通風路よりも幅が狭い管状部材を用いて、前記対物レンズ部材の前記先端と前記基板との間に液体を吐出する吐出手段と、前記通風路の下流側に配置され、前記通風路の上流側から前記空気を取り込み、該空気と共に前記液体を吸引する吸引手段とを備え、前記吐出手段の先端から前記光路までの距離Ｘと、前記光路の近傍における前記通風路の幅Ｙとは、条件式 Ｘ＜(Ｙ/２) を満足するものである。

また、上記の液浸顕微鏡装置において、前記通風路は、前記対物レンズ部材の先端と該先端に隣接する傾斜面とに沿って形成され、前記対物レンズ部材の先端は、前記光路に対して略垂直な平面であり、前記傾斜面は、前記先端から離れるほど前記対物レンズ部材の像側に近づく方向に傾斜した面であることが好ましい。
また、上記の液浸顕微鏡装置において、前記対物レンズ部材の先端である前記平面は、前記光路を横切って前記第１方向と略平行な方向の長さが、前記光路の近傍における前記通風路の幅Ｙよりも小さく成形され、前記管状部材の先端は、前記対物レンズ部材の先端の近傍に配置されることが好ましい。

また、上記の液浸顕微鏡装置において、前記対物レンズ部材の先端である前記平面は、長方形状に成形され、前記長方形状の短辺は、前記第１方向と平行であり、前記長方形状の長辺は、前記第２方向と平行であり、該長辺の長さが前記光路の近傍における前記通風路の幅Ｙと一致することが好ましい。
また、上記の液浸顕微鏡装置において、前記管状部材の先端は、前記対物レンズ部材の先端の近傍に突出して配置されることが好ましい。

また、上記の液浸顕微鏡装置において、前記吸引手段は、前記通風路の下流側と略等しい幅の管状部材を用いて、前記空気と共に前記液体を吸引することが好ましい。
また、上記の液浸顕微鏡装置において、前記対物レンズ部材の先端側に装着され、前記光路に対して垂直で且つ前記基板に最も近接する平坦部を、前記通風路の周囲に配置するアダプタを備えることが好ましい。

本発明の液浸顕微鏡装置によれば、基板の移動を利用せずに観察状態を実現することができ、基板の表面の状態（親水性／撥水性）に拘わらず、観察点の周囲の不要な箇所（後から回収できない箇所）への液体の広がりを防止することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の液浸顕微鏡装置１０は、図１に示す通り、ミニエンバイロメント装置(１１〜１５)と、その内部に設置された液浸顕微鏡２０とで構成される。図１(ａ)は液浸顕微鏡装置１０の上面図、図１(ｂ)は断面図である。ミニエンバイロメント装置(１１〜１５)の内部には、観察対象の基板１０Ａを自動搬送する機構１６も設けられる。基板１０Ａは、半導体ウエハや液晶基板などである。液浸顕微鏡装置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１０Ａに形成された回路パターンの欠陥や異物などの液浸観察（外観検査）を行う装置である。回路パターンは例えばエッチングパターンである。

ミニエンバイロメント装置(１１〜１５)は、筐体１１と、その上面に設置された複数のファンフィルタユニット１２〜１５とで構成される。ファンフィルタユニット１２〜１５は、周囲（クリーンルーム内）の空気からゴミや塵などの微小な気体中パーティクルを除去した後、清浄な空気を筐体１１の内部に導入する機構である（FFU；FAN FILTER UNIT）。筐体１１の下面には不図示の通気口が形成され、ファンフィルタユニット１２〜１５からのダウンフローを外部（クリーンルーム内）に排気できるようになっている。図１の矢印は空気の流れを表している。

このように、ミニエンバイロメント装置(１１〜１５)の筐体１１の内部は、基板１０Ａの液浸観察をクリーンな環境で行うために、清浄度を周囲（クリーンルーム内）より高くした局所環境(minienvironment)である。気体中パーティクルの除去は、ＵＬＰＡフィルタ１７によって行われる。また、筐体１１の内部のうち液浸顕微鏡２０の配置された空間には、ファンフィルタユニット１２のケミカルフィルタ１８によって化学物質（有機系ガスやアンモニアガスなど）が除去された清浄な空気が導入され、T.O.C.（Total Organic Carbon：全有機炭素）などのアウトガスの少ない環境に保たれる。

液浸顕微鏡２０には、基板１０Ａを支持するステージ部２１と、液浸系の対物レンズ２２と、液浸媒質の液体(不図示)の吐出に用いられる吐出ノズル２３と、液体の吸引に用いられる吸引ノズル２４とが設けられる。また、図示省略したが、液浸顕微鏡２０には、照明光学系やＴＴＬ方式のオートフォーカス機構、制御部なども設けられる。
ステージ部２１は、ＸＹステージとＺθステージとで構成される。基板１０Ａは、例えば現像装置から搬送されてＺθステージの上面に載置され、例えば真空吸着により固定的に支持される。Ｚθステージは、基板１０Ａの焦点合わせ時に、基板１０Ａを鉛直方向に移動させる。焦点合わせ動作は、不図示の制御部がオートフォーカス機構を用いて行う。また、基板１０Ａの予め定めた観察点を対物レンズ２２の視野内に位置決めする際、ＸＹステージは、基板１０Ａを水平面内で移動させる。ＸＹステージのベース部材は液浸顕微鏡２０の本体に固定されている。

液浸系の対物レンズ２２は、液浸顕微鏡２０の本体に固定され、その先端と基板１０Ａとの間の光路（以下「観察光路」）が液浸媒質の液体１９（図２）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。
また、図３(ａ),(ｂ)に示す通り、対物レンズ２２の先端５１は、対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂に対して略垂直な平面形状を成す。つまり、対物レンズ２２の先端５１は、この先端５１と基板１０Ａとの間の観察光路に対して垂直な平面である。さらに、先端５１である平面は、長方形状に成形されている。そして、この先端５１の中心部に対物レンズ２２の先球２Ａが露出している。

また、液浸顕微鏡２０の不図示の照明光学系には、照明光源などが設けられる。観察波長は、例えば可視域や紫外域である。可視域の場合は接眼レンズを用いた基板１０Ａの液浸観察が可能となる。紫外域の場合には、目視観察ができないので、接眼レンズの代わりにＣＣＤカメラなどを設けて撮像し、モニタ装置に表示して液浸観察が行われる。
液浸媒質の液体１９は、例えば純水である。純水は、半導体製造工程などで容易に大量入手できる。また、基板１０Ａのフォトレジストに対する悪影響がないため、基板１０Ａ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１０Ａの表面を洗浄する作用も期待できる。なお、半導体製造工程で使用される純水は一般に「超純水」と呼ばれる。これは、一般に「純水」と呼ばれるものより純度が高い。本実施形態においても超純水を用いるのがより好ましい。

本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、基板１０Ａの液浸観察の際、基板１０Ａの予め定めた観察点が対物レンズ２２の視野内に位置決めされ、その観察点と対物レンズ２２の先端との間が局所的に液体１９で満たされた状態（つまり局所液浸の状態）となる。この観察状態を実現するため、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０は、次に説明する吐出ノズル２３や吸引ノズル２４などを用いて、液体１９の吐出および吸引を行う。

吐出ノズル２３は、対物レンズ２２の周辺に固定的に配置され、その先端が対物レンズ２２の先端の近傍に配置される。この吐出ノズル２３を用いて基板１０Ａに適量の液体１９を吐出するため、吐出ノズル２３には、図２に示す通り、液体吐出装置(３１〜３５)が接続される。液体吐出装置(３１〜３５)は、加圧ポンプ３１と、水圧レギュレータ３２と、最終フィルタ３３と、超純水製造装置３４と、液体タンク３５とで構成される。

また、吸引ノズル２４は、上記の吐出ノズル２３と同様、対物レンズ２２の周辺に固定的に配置され、その先端が対物レンズ２２の先端の近傍に配置される。この吸引ノズル２４を用いて基板１０Ａから液体１９を吸引するため、吸引ノズル２４には、液体吸引装置(４１〜４４)が接続される。液体吸引装置(４１〜４４)は、液体回収用フィルタ４１と、電磁弁４２,４３と、真空レギュレータ４４とで構成される。真空レギュレータ４４には、真空大元の吸引ポンプが接続される。

さらに、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、液体１９を効率よく吸引するために、対物レンズ２２の先端側にアダプタ２５を装着して、このアダプタ２５を図３(ａ),(ｂ)のような構成とした。図３(ａ)には、図２と同様、アダプタ２５などを側方から見た断面構成を示す。図３(ａ)ではアダプタ２５にハッチングを付した。図３(ｂ)には、アダプタ２５などを下方から見た構成を示す。

アダプタ２５を取り付けたことにより、対物レンズ２２の先端５１の周囲には、先端５１である平面（長方形状）の長辺と隣接する２箇所の各々に傾斜面５２,５３が設けられ、かつ、これらの傾斜面５２,５３および先端５１と隣接する略Ｃ字状の箇所に突出部５４が設けられる。
傾斜面５２,５３の中心線５Ａ,５Ｂは、先端５１である平面（長方形状）の長辺に対して垂直であり、対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂と共に同一面に含まれる。また、傾斜面５２,５３は、その傾斜を誇張して示した図４から分かるように、先端５１から離れるほど対物レンズ２２の像側に近づく方向に傾斜した面である。

傾斜面５２,５３の幅および先端５１の幅については次のようになっている。ここで、幅とは、傾斜面５２,５３の中心線５Ａ,５Ｂと対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂とを含む面に対して垂直な方向の寸法を意味する。
一方の傾斜面５２の幅は、先端５１から所定距離までの内側部分と、所定距離から対物レンズ２２の側面までの外側部分とで異なり、内側部分と比べて外側部分の方が大きい。また、内側部分における幅は、先端５１からの距離に拘わらず略一定である。外側部分における幅は、先端５１から離れるほど大きくなる。つまり、外側部分は略扇形状を成す。

これに対し、他方の傾斜面５３の幅は、その全体において、先端５１からの距離に拘わらず略一定となっている。さらに、他方の傾斜面５３の幅と一方の傾斜面５２の内側部分の幅とは略等しい。
また、先端５１である平面（長方形状）の幅は、この長方形状の長辺の長さＹ（図３(ｃ)）に対応し、他方の傾斜面５３の幅および一方の傾斜面５２の内側部分の幅と略等しい。つまり、一方の傾斜面５２の内側部分から先端５１を介して他方の傾斜面５３までの間、連続的に一定の幅（Ｙ）となっている。

さらに、一方の傾斜面５２は、先端５１から対物レンズ２２の側面まで延在されている。これに対し、他方の傾斜面５３には、吸引ノズル２４が設けられる。この吸引ノズル２４は、傾斜面５３と同じ角度に傾けられ、傾斜面５３から滑らかに延在するように配置されている。
また、突出部５４は、傾斜面５２,５３よりも対物レンズ２２の物体側に突出した部位であり、さらに、その段差を誇張した図５(ａ),(ｂ)から分かる通り、対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂に対して略垂直な平面形状を成す。つまり、突出部５４は、対物レンズ２２の先端５１と基板１０Ａとの間の観察光路に対して垂直で、且つ、基板１０Ａに最も近接する平坦部である。

なお、本実施形態では、この突出部５４と同一面に対物レンズ２２の先端５１が含まれる。ただし、このような構成例に限らず、先端５１を突出部５４よりも対物レンズ２２の像側に凹ませても構わない。
上記のように、本実施形態では、対物レンズ２２の先端５１の周囲に傾斜面５２,５３と突出部５４とが設けられ、一方の傾斜面５２は対物レンズ２２の側面まで延在し、他方の傾斜面５３に吸収ノズル２４が設けられる。

すなわち、対物レンズ２２の先端側には、対物レンズ２２の側面から吸収ノズル２４に至るまでの間に、傾斜面５２と先端５１と傾斜面５３とに沿って溝形状の部位が形成され、かつ、その幅方向が突出部５４によって制限されている。
このため、基板１０Ａの液浸観察時に、基板１０Ａを対物レンズ２２の先端側に対向させると（図６(ａ)）、対物レンズ２２の側面においては、図６(ｂ)に示すように、一方の傾斜面５２と突出部５４と基板１０Ａとで囲まれた開口部５５が形成される。また、上記した溝形状の部位と基板１０Ａとの間には細長い空間が形成される。

そして、開口部５５は、液浸観察のために対物レンズ２２の先端５１と基板１０Ａとの間に供給された液体１９（図２）を吸引する際の通気口として機能する。また、溝形状の部位と基板１０Ａとの間の細長い空間は、開口部５５から取り込まれた空気の通路（以下「通風路」）として機能する。
なお、液浸観察の際、対物レンズ２２の先端５１（および突出部５４）と基板１０Ａとは略平行に保たれ、その隙間δは０.０５ｍｍ〜０.５ｍｍ程度に保たれる。図２では液体１９を分かりやすく示すために隙間δを拡大したが、実際の隙間δは図６(ａ)のように非常に狭い。

したがって、対物レンズ２２の先端５１を含む通風路と基板１０Ａとを対向させた状態で、開口部５５とは反対側の傾斜面５３に設けた吸引ノズル２４の吸引力によって開口部５５から空気を取り込み、一方の傾斜面５２と基板１０Ａとの間（図５(ａ)）を通過させた後、対物レンズ２２の先端５１と基板１０Ａとの間を通過させ、さらに他方の傾斜面５３と基板１０Ａとの間（図５(ｂ)）を通過させて、吸引ノズル２４に導くことができる。

つまり、先端５１と基板１０Ａとの間の観察光路に対して垂直な第１方向に空気を流すことができ、さらに、この第１方向と上記の観察光路との双方に垂直な第２方向に関して空気の流れ幅を制限することができる。
上記の第１方向（空気の流れ方向）は、先端５１である平面（長方形状）の短辺と平行な方向である。また、上記の第２方向（空気の流れ幅方向）は、先端５１である平面（長方形状）の長辺と平行な方向である。

なお、先端５１と基板１０Ａとの間の観察光路の近傍における空気の流れ幅は、観察光路の近傍における通風路の幅に略等しく、本実施形態では、先端５１である平面（長方形状）の長辺の長さＹ（図３(ｃ)）と一致する。
そして、このような空気の流れと共に、観察光路上の液体１９の吸引が行われる。液体１９を吸引する際、開口部５５から吸引ノズル２４までの通風路は真空配管として機能すると共に、液体１９の通路（つまり水路）としても機能する。

通風路の断面積は、場所によって異なり、開口部５５のところで最も大きく、先端５１のところで最も小さくなる。さらに、開口部５５から傾斜面５２に沿って先端５１に近づくほど小さくなり、先端５１から傾斜面５３に沿って吸引ノズル２４に近づくと大きくなる。このように、通風路の断面積を開口部５５のところで最も大きくしたので、液体１９を吸引する際の真空配管の開口面積が大きくなり、真空流量を確保しやすくなる。

さらに、本実施形態では、先端５１が平面であって長方形状に成形され、先端５１の幅(Ｙ)が観察光路の近傍における通風路の幅と一致する。このため、先端５１と基板１０Ａとの間において、通風路の断面積は一定で、通風路の断面は長方形状となる。
また、本実施形態では、通風路の下流側に吸引ノズル２４が配置され、吸引ノズル２４の幅を通風路の下流側（傾斜面５３）の幅と略等しく構成した（図３(ｂ)）。この場合、吸引ノズル２４の幅は先端５１や傾斜面５２の内側部分の幅とも略等しい。このため、液体１９を吸引する際の真空配管の有効断面積は、上記した通風路のうち先端５１のところでの断面積と略等しくなる。なお、吸引ノズル２４の幅（および傾斜面５３の幅など）は、対物レンズ２２の先球２Ａの光学的有効径以上とすることが好ましい。

さらに、本実施形態では、上記の幅広の吸引ノズル２４に対し、吐出ノズル２３を極細の構成とした。つまり、吐出ノズル２３は、吸引ノズル２４より幅の狭い極細の管状部材であり、その内径φ＝０.１ｍｍ〜１ｍｍ程度である。また、吐出ノズル２３は、上記した開口部５５から吸引ノズル２４までの通風路の上流側（傾斜面５２）に配置され、その幅が傾斜面５２より狭い。このため、傾斜面５２に設けた吐出ノズル２３が、上記した通風路における空気の流れを妨げることはない。

また、吐出ノズル２３の先端は、対物レンズ２２の先端５１の近傍に配置される。先端５１である平面（長方形状）は、観察光路を横切って上記の第１方向（空気の流れ方向）と平行な大きさが、図３(ｃ)に示す長方形状の短辺の長さＸ１と等しく、かつ、観察光路の近傍における通風路の幅(Ｙ)よりも小さく成形されている。
このため、吐出ノズル２３の先端を対物レンズ２２の先端５１の近傍に配置することで、吐出ノズル２３の先端から観察光路までの距離Ｘ２と、観察光路の近傍における通風路の幅(Ｙ)とは、条件式 Ｘ２＜(Ｙ/２) を満足することになる。したがって、吐出ノズル２３の先端を観察光路に近接させることができる。さらに、液浸吐出時の基板１０Ａの表面に出来るだけ近接させることもできる。

なお、傾斜面５２の角度θ（図４）は、対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂に垂直な面を基準とするとき、５度から３０度までの範囲の任意の角度に設定することが好ましく、さらに５度から１５度までの範囲の任意の角度に設定することがより好ましい。
また、本実施形態では、吐出ノズル２３の先端と吸引ノズル２４の先端とが、対物レンズ２２の先端５１を挟んで対向するように配置される。ただし、吐出ノズル２３は傾斜面５２と同じ角度に傾けられ、吸引ノズル２４も傾斜面５３と同じ角度に傾けられるため、厳密に言えば、吐出ノズル２３の中心軸の延長線と吸引ノズル２４の中心軸の延長線とが対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂上で交差するように配置される。吐出ノズル２３と吸引ノズル２４の各中心軸は対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂と共に同一面に含まれる。

そして、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、上記の吐出ノズル２３と液体吐出装置(３１〜３５)とを用いて液体１９の吐出を行い、基板１０Ａの観察点と対物レンズ２２の先端５１との間に適量の液体１９を供給する（局所液浸の観察状態）。そして、液浸観察が終了すると、上記の通風路を利用し、吸引ノズル２４と液体吸引装置(４１〜４４)とを用いて液体１９の吸引を行い、基板１０Ａから液体１９を回収する。

次に、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０における基板１０Ａの液浸観察の手順を簡単に説明する。基板１０Ａの液浸観察は、液浸顕微鏡装置１０の制御部(不図示)によって自動制御で行われる。
［１］まず、基板１０Ａの予め定めた観察点を対物レンズ２２の視野内に位置決めし、基板１０Ａの観察点を対物レンズ２２の先端５１の中心部（先球２Ａ）と対向させる。このとき、基板１０Ａの観察点が対物レンズ２２の光路（上記の観察光路）に位置決めされる。

［２］次に、液体吐出装置(３１〜３５)を制御し、吐出ノズル２３を介して適量の液体１９を吐出する。液体１９によって基板１０Ａの観察点と対物レンズ２２の先端５１との間を満たして観察状態とすれば、対物レンズ２２を介して観察点の良好な光像を形成することができる。
液体吐出装置(３１〜３５)では、液体タンク３５に純水が注入され、液体タンク３５の純水が超純水製造装置３４のポンプによって汲み上げられ、イオン除去やバクテリア殺菌が行われた後、最終フィルタ３３に送られる。そして、最終フィルタ３３を通過した後、パーティクルなどの水質仕様を満たす超純水が得られる。

この超純水は、不図示の制御部から吐出指令が出されるまでの間、再び液体タンク３５に送られ、この液体タンク３５と超純水製造装置３４と最終フィルタ３３とを循環することになる。循環はタイマーで管理される。
そして、不図示の制御部から吐出指令が出されると、最終フィルタ３３からの超純水は、水圧レギュレータ３２によって制御された水圧で加圧ポンプ３１に供給され、加圧ポンプ３１から吐出ノズル２３を介して、基板１０Ａの観察点に液浸媒質の液体１９として吐出される。

液体１９を吐出する際、対物レンズ２２の先端と基板１０Ａとの隙間δは、０.０５ｍｍ〜０.５ｍｍ程度に保たれる。分かりやすくするために図２では液体１９の高さ方向を拡大して示したが、実際の液体１９の高さは上記の隙間δに応じて非常に低く、図６のような隙間δの中に収まる。
なお、液体タンク３５の超純水が液浸媒質の液体１９として使用され、液体タンク３５が空に近づくと、このことが不図示のセンサによって検知され、新たな純水が自動的に液体タンク３５に注入される。

上記の液体吐出装置(３１〜３５)を用いた１回の吐出動作によって吐出ノズル２３から吐出される液体１９の量（以下「吐出水量」）は、吐出流量と吐出時間との積で決まる。また、吐出流量は、吐出ノズル２３の内径断面積と吐出速度との積で決まる。吐出ノズル２３の内径断面積は既知である。したがって、吐出ノズル２３からの１回の吐出水量は、吐出速度と吐出時間との積で決まることになる。

さらに、本実施形態のように極細の吐出ノズル２３を用いる場合、液体１９の吐出速度ｖ（ｍ/ｓ）は、ベルヌーイの定理から吐出ノズル２３の内径断面積の項がほぼ０になるため、２３℃における水の密度ρ＝９９７.５４（ｋｇ/ｍ³）と、水圧ΔＰ（Ｐａ）と、重力加速度ｇ＝９.８（ｍ/ｓ²）と、水の高低差Δｚ（ｍ）とを用い、次の式(１)で表される。

ｖ＝√(２/ρ・ΔＰ＋２・ｇ・Δｚ) …(１)
そして、水の高低差Δｚ＝０とすると、吐出速度ｖは、水圧ΔＰによって決まることになる。したがって、吐出ノズル２３からの１回の吐出水量は、水圧ΔＰと吐出時間との積で決まることになり、加圧ポンプ３１におけるストローク調整で制御可能となる。
ただし、水圧ΔＰは、対物レンズ２２の先端と基板１０Ａとの隙間における損失を考慮して、ΔＰ＝０.０１〜０.１ＭＰａ程度とすることが好ましい。この場合、吐出速度ｖ＝４.５〜１４.２ｍ/ｓ程度になる。水圧ΔＰ（吐出速度ｖ）を略一定にすれば、吐出ノズル２３からの１回の吐出水量は、吐出時間によって制御可能となる。

本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、対物レンズ２２の光路（上記の観察光路）から外れた箇所に吐出ノズル２３の先端がある（図３(ｂ)）ため、上記した吐出水量の制御を行って、図７に示すように、吐出ノズル２３の先端から基板１０Ａの観察点まで届くように液体１９を吐出すれば、上記の観察状態を実現できる。図７(ａ)は図２と同様の側面図、図７(ｂ)は下方から見た図、図７(ｃ)は吐出ノズル２３と吸引ノズル２４を拡大した側面図である。

ここで、仮に、吐出ノズル２３の先端から観察光路までの距離Ｘ２と、観察光路の近傍における通風路の幅(Ｙ)との関係が、条件式 Ｘ２≧(Ｙ/２) を満足する場合を考える。これは、対物レンズ２２の先端が従来の一般的な円形状であって、その中心部に先球が位置し、この円形状の先端の近傍（または先端から離れた箇所）に吐出ノズル２３の先端を配置した場合に対応する。

この場合、基板１０Ａの観察点まで液体１９を確実に届かせるためには、多量の液体１９を勢いを付けて吐出しなければならない。そして、基板１０Ａの表面の状態（親水性／撥水性）によっては、吐出された液体１９が上記の通風路から外れて観察点の周囲の不要な箇所（突出部５４と基板１０Ａの表面との隙間)(後から回収できない箇所）まで広がってしまうことがあり、ヤケ・シミなどの原因となり好ましくない。

液体１９の広がり方は、基板１０Ａの表面の状態の他に、対物レンズ２２の先端５１と基板１０Ａとの隙間δや表面張力にも依存する。液体１９は、基板１０Ａの親水性が高いほど広がり易い。また、液体１９の広がり方は、吐出ノズル２３の先端位置に大きく依存することが分かった。
そこで、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０は、既に説明した通り、吐出ノズル２３の先端から観察光路までの距離Ｘ２と、観察光路の近傍における通風路の幅(Ｙ)との関係が、条件式 Ｘ２＜(Ｙ/２) を満足するように構成した。

例えば、通風路の幅(Ｙ)を一定と考えたとき、条件式 Ｘ２＜(Ｙ/２) を満足する構成とは、比較例の条件式 Ｘ２≧(Ｙ/２) を満足する構成と比較して、通風路の幅(Ｙ)を広く保ちつつ吐出ノズル２３の先端を観察光路に近づけることにより実現する。
ちなみに、対物レンズ２２の先端が従来の一般的な円形状で、その中心部に先球が位置し、この円形状の先端の近傍に吐出ノズル２３の先端を配置する場合、吐出ノズル２３の先端を観察光路に近づけようとすれば、対物レンズ２２の先端を全体的に小さくしなければならず、通風路の幅(Ｙ)も狭くなってしまう。ところが、本実施形態では、上記の通り、条件式 Ｘ２＜(Ｙ/２) を満足するので、通風路の幅(Ｙ)を広く保ちつつ吐出ノズル２３の先端を観察光路に近づけることができる。

そして、観察光路に近づけた吐出ノズル２３の先端から、液体１９を吐出する際の圧力と流量を制御して、吐出直後の液体１９が基板１０Ａの表面のうち観察点の近傍に留まるように、適量の液体１９を観察点に吐出する（図７）。このとき、吐出直後の液体１９が吐出ノズル２３の先端と連結した状態で、液体１９の吐出を終了することが好ましい。
条件式 Ｘ２≧(Ｙ/２) を満足する上記の比較例に対し、条件式 Ｘ２＜(Ｙ/２) を満足する本実施形態では、液体１９の吐出水量を少なくすることができ、また、吐出する際の勢いも弱くて済む。したがって、少量の液体１９を略円形状に保って吐出することができ、これによって観察光路を満たすことができる。

さらに、本実施形態では、吐出ノズル２３の先端を観察光路に近づけると共に、通風路の幅(Ｙ)を広く保つため、基板１０Ａの表面の状態（親水性／撥水性）に拘わらず、吐出された後の少量で略円形状の液体１９が上記の通風路から外れる可能性もない。つまり、液体１９が突出部５４と基板１０Ａの表面との隙間（後から回収できない箇所）まで広がる可能性もない。

このような液体１９の吐出が終了すると、基板１０Ａの観察点と対物レンズ２２の先端５１との間の観察光路上には適量の液体１９が供給され、局所液浸の観察状態となる。液体１９の吐出後、必要に応じてＡＦ制御を行い、基板１０Ａの表面（観察点）を対物レンズ２２の焦点面に正確に位置決めすることが好ましい。
液体１９は、対物レンズ２２の先球２Ａだけでなく、対物レンズ２２の先端５１を含む上記の通風路から食み出さない程度の広がりを持って、対物レンズ２２の先端５１と基板１０Ａの観察点との間（つまり上記通風路の最小断面積の部分）に収まるように存在することになる。

そして、このような局所液浸の観察状態で、基板１０Ａの液浸観察（つまり高分解能での観察）が行われる。観察者は、不図示の接眼レンズ（またはＣＣＤカメラに接続されたモニタ装置）により、基板１０Ａの観察点の液浸観察を行う。さらに、液浸観察にＣＣＤカメラを用いる場合、観察画像の取り込みを行ってもよい。基板１０Ａの液浸観察が終了すると液体１９の回収動作が行われる。

［３］次に、液体吸引装置(４１〜４４)を制御し、対物レンズ２２の先端５１と基板１０Ａの観察点との間から液体１９を例えば真空吸引により吸引して回収する。
液体吸引装置(４１〜４４)では、真空レギュレータ４４が真空大元の吸引ポンプに接続され、電磁弁４３を開放することで液体１９の吸引が開始される。
このとき、上記の通風路は真空配管として機能し、通風路の上流側の開口部５５から取り込まれた空気の流れと共に、上記の通風路に沿って液体１９が移動し、吸引ノズル２４に導かれる。そして、吸引ノズル２４により吸引された液体１９は、液体回収用フィルタ４１を介して空気と選別され、電磁弁４２を介して排水される。

本実施形態では、観察光路の近傍における通風路の幅(Ｙ)を広く保つことができるため、十分な吸引力によって良好に（取りこぼしなく）液体１９を吸引することができる。
なお、上記通風路において十分な真空流量を確保するためには、吸引ノズル２４から吸引ポンプまでの真空配管を太く短くして配管損失を小さくすることが好ましい。
また、液体１９は一塊の状態で上記通風路の有効断面積内に収まっている（図７）ため、液体１９を吸引する際の真空配管内での理論上の管壁と液体１９との隙間をなくし、液体１９が一塊に近い状態のまま（つまり液体１９が細切れになって取り残される事態を回避しつつ）確実に吸引することができる。このとき、真空圧を電磁弁４３により素早くＯＮ/ＯＦＦして、瞬時に液体１９を吸引することが好ましい。

上記のように、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、基板１０Ａの観察点を対物レンズ２２の視野内に位置決めした状態で、基板１０Ａの観察点に液体１９を吐出することで、上記の観察状態を実現している。このため、基板１０Ａの移動を利用せずに観察状態を実現することができる。
さらに、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、吐出ノズル２３の先端から基板１０Ａの観察点まで届くような量の液体１９（つまり少量で略円形状で局所液浸に必要な最低限の量の液体１９）を吐出すれば済む。したがって、基板１０Ａの表面の状態（親水性／撥水性）に拘わらず、観察点の周囲の不要な箇所（後から回収できない箇所）への液体１９の広がりを防止できる。

このように、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０では、基板１０Ａの観察点の周囲の不要な箇所に液体１９が広がらないため、局所液浸による観察後、吸引ノズル２４と液体吸引装置(４１〜４４)とを用いて、液体１９を確実に回収することができる。したがって基板１０Ａの汚染を防止できる。
さらに、本実施形態では、対物レンズ２２の先端５１の周囲に傾斜面５２を設け、傾斜面５２に吐出ノズル２３を設け、この吐出ノズル２３を用いて液体１９を吐出するため、液体１９を適切に吐出することができる。また、吐出ノズル２３として傾斜面５２より幅の狭いものを用いるため、液体１９の吐出水量の微調整が容易になる。したがって、局所液浸による観察時に液体１９を効率よく供給することができる。

また、対物レンズ２２の先端５１の周囲に傾斜面５２,５３を設け、この傾斜面５２,５３と隣接して突出部５４を設け、かつ、一方の傾斜面５２の延長上に開口部５５を形成し、他方の傾斜面５３に吸引ノズル２４を設け、吸引ノズル２４を吐出ノズル２３より幅広とし、この吸引ノズル２４を用いて開口部５５から空気を取り込みつつ液体１９を吸引するため、局所液浸による観察時に液体１９を効率よく回収することができる。

このように、本実施形態の液浸顕微鏡装置１０によれば、局所液浸による観察時に液体１９を効率よく供給／回収できるため、高スループットで基板１０Ａの液浸観察を行える。さらに、液浸観察後の液体１９を基板１０Ａから素早く確実に回収できるため、気体中に浮遊するパーティクル（例えば０.１μｍ以下）が液体１９に付着して基板１０Ａを汚したり、液体１９によって基板１０Ａが酸化されたりする問題を回避でき、パターンの微細化にも確実に対応可能となる。

また、本実施形態では、一方の傾斜面５２の内側部分の幅と他方の傾斜面５３の幅とを先端５１からの距離に拘わらず略一定とし、互いに略等しくしたので、対物レンズ２２の先端５１と基板１０Ａとの間における空気の流れを各断面内で略均一にすることができ、この均一な空気の流れと共に液体１９を効率よく吸引できる。
さらに、本実施形態では、傾斜面５２の内側部分と比べて外側部分の幅を広げたので、液体１９を吸引する際の真空配管の開口面積が大きくなり、真空流量を確保しやすくなる。このため、真空流量を増やして効率よく液体１９を吸引できる。

また、本実施形態では、傾斜面５２の外側部分を扇形状として、その幅を先端５１から離れるほど広げたので、開口部５５から取り込まれた空気をスムーズに上記通路の内部に導くことができ、この流れと共に液体１９を効率よく吸引できる。
さらに、本実施形態では、吸引ノズル２４の幅（図３(ｂ)）が傾斜面５３および傾斜面５２の内側部分の幅と略等しいので、液体１９を吸引する際の真空配管の有効断面積が、上記通路の先端５１での断面積と略等しくなる。このため、上記のように液体１９を先端５１と基板１０Ａとの間に収まるように適切に誘導すれば、この液体１９を吸引ノズル２４によって確実に吸引することができる。基板１０Ａの表面に凹凸パターンが形成されている場合でも、観察に用いた液体１９を凹部に取り残すことなく確実に吸引できる。

また、本実施形態では、吐出ノズル２３と吸引ノズル２４の各中心軸が対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂と共に同一面に含まれるように配置したので、上記の通路の中心線上に向けて、
液体１９を吐出することができる。このため、吐出直後に素早く液浸観察を行うことができ、また、液体１９の回収もさらに効率的となる。

さらに、本実施形態では、対物レンズ２２の先端側にアダプタ２５を配置し、対物レンズ２２の先端５１の周囲の突出部５４が対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂に対して略垂直な平面形状を成すため、液体１９を吸引する際に上記通路以外での（周囲からの）空気抵抗を大きくすることができる。このため、周囲からの空気の流れを抑えて、開口部５５から取り込んだ空気を効率よく吸引ノズル２４に導き、液体１９を吸引することができる。

さらに、基板１０Ａの材質によって表面張力（接触角）が異なる場合には、基板１０Ａの物性情報（例えば接触角や表面張力や材質など）を予めレシピとして登録し、この物性情報に応じて液体１９の吐出量を決定することが好ましい。このようにすることで、材質の異なる基板１０Ａの液浸観察を行う場合でも、その材質に応じた適切な水量の液体１９を上記通路の有効断面積内に自動的に吐出することができる。

また、本実施形態では、対物レンズ２２の先端５１を長方形状としたので、先端５１と基板１０Ａとの間における上記の通風路において、より層流を形成しやすくなる。つまり、通風路の断面の各部で、空気の流速を略均一にできる。このため、より確実に液体１９を吸引できる。この場合、通風路の断面は長方形状であり、これに合わせて吸引ノズル２４の断面も長方形状とすることが好ましい。また、先端５１を長方形状とする場合、加工しやすいという利点もある。

さらに、本実施形態では、対物レンズ２２の先端５１を長方形状とし、その短辺方向を通風路における空気の流れ方向と一致させるので、吐出ノズル２３と吸引ノズル２４との各先端を近づけて配置することができる。このため、液体１９が基板１０Ａ上を移動する距離が短くなる。したがって、残存液体を減らすことができ、より確実に吸引できる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、対物レンズ２２の先端５１が長方形状である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、長方形状の角部に面取りを施してもよいし、図８(ａ)に示すような楕円形状としてもよい。また、先端５１の中心部に先球２Ａを配置する例に限らず、図８(ｂ)に示すように先球２Ａを偏心させても構わない。図８(ｂ)では先端５１を円形状としたが、これに代えて長方形状や楕円形状としてもよく、正方形状としてもよい。

さらに、上記した実施形態では、吐出ノズル２３の先端を、対物レンズ２２の先端５１の近傍に配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８(ｃ)に示す通り、対物レンズ２２の先端５１の中に小さな凹部を設け、そこに吐出ノズル２３の先端を配置し、先端５１の中に突出させてもよい。図８(ｃ)では先端５１を正方形状としたが、これに代えて円形状や楕円形状や長方形状としてもよい。

また、上記した実施形態では、対物レンズ２２の先端５１の周囲に傾斜面５２を設け、その外側部分を扇形状としたが、本発明はこれに限定されない。傾斜面５２の幅は、内側部分と外側部分とに拘わらず、先端５１から側面までの全体において略一定幅としてもよい。この場合でも、上記通路の開口部５５の断面積を先端５１での断面積より大きく確保でき、効率的な吸引を行える。

さらに、上記した実施形態では、液体１９を吸引する際の上記通路以外での（周囲からの）空気抵抗を大きくするために、突出部５４を対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂に対して略垂直な平面形状としたが、本発明はこれに限定されない。この突出部５４が傾きを持つ場合でも、その傾き角度が傾斜面５２,５３の角度θ（図４）より緩やかな場合には、上記と同様の効果を得ることができる。突出部５４の傾き角度の基準を対物レンズ２２の光軸Ｏ₂₂に垂直な面とする場合、その角度は例えば０度から１度までの範囲の任意の角度に設定することが好ましく、限りなく０度に近づけることがより好ましい。

液浸顕微鏡装置１０の全体構成図である。 吐出ノズル２３に接続された液体吐出装置(３１〜３５)と吸引ノズル２４に接続された液体吸引装置(４１〜４４)の構成を示す図である。 対物レンズ２２の先端５１の周辺構成を説明する拡大図である。 傾斜面５２,５３の傾斜を誇張して示す図である。 傾斜面５２,５３に対する突出部５４の段差を説明する図である。 基板１０Ａを対向させたときに形成される開口部５５を説明する図である。 吐出直後の液体１９の概略形状を説明する図である。 対物レンズ２２の先端５１の変形例を説明する図である。

符号の説明

１０液浸顕微鏡装置 ; １０Ａ基板 ; １９液体 ; ２１ステージ部 ; ２２対物レンズ ;
２３吐出ノズル ; ２４吸引ノズル ; ２５アダプタ ; ３１〜３５液体吐出装置 ;
４１〜４４液体吸引装置 ; ５１先端 ; ５２,５３傾斜面 ; ５４突出部 ; ５５開口部

Claims (7)

1. 液浸系の対物レンズ部材と、
   前記対物レンズ部材の先端と観察対象の基板とを対向させた状態で、前記先端と前記基板との間の光路に対して略垂直な第１方向に空気を流すと共に、該第１方向と前記光路との双方に略垂直な第２方向に関して前記空気の流れ幅を制限する溝形状の通風路と、
   前記通風路の上流側に配置され、該上流側の前記通風路よりも幅が狭い管状部材を用いて、前記対物レンズ部材の前記先端と前記基板との間に液体を吐出する吐出手段と、
   前記通風路の下流側に配置され、前記通風路の上流側から前記空気を取り込み、該空気と共に前記液体を吸引する吸引手段とを備え、
   前記吐出手段の先端から前記光路までの距離Ｘと、前記光路の近傍における前記通風路の幅Ｙとは、条件式 Ｘ＜(Ｙ/２) を満足する
   ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
2. 請求項１に記載の液浸顕微鏡装置において、
   前記通風路は、前記対物レンズ部材の先端と該先端に隣接する傾斜面とに沿って形成され、
   前記対物レンズ部材の先端は、前記光路に対して略垂直な平面であり、
   前記傾斜面は、前記先端から離れるほど前記対物レンズ部材の像側に近づく方向に傾斜した面である
   ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
3. 請求項２に記載の液浸顕微鏡装置において、
   前記対物レンズ部材の先端である前記平面は、前記光路を横切って前記第１方向と略平行な方向の長さが、前記光路の近傍における前記通風路の幅Ｙよりも小さく成形され、
   前記管状部材の先端は、前記対物レンズ部材の先端の近傍に配置される
   ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
4. 請求項３に記載の液浸顕微鏡装置において、
   前記対物レンズ部材の先端である前記平面は、長方形状に成形され、
   前記長方形状の短辺は、前記第１方向と平行であり、
   前記長方形状の長辺は、前記第２方向と平行であり、該長辺の長さが前記光路の近傍における前記通風路の幅Ｙと一致する
   ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
5. 請求項２に記載の液浸顕微鏡装置において、
   前記管状部材の先端は、前記対物レンズ部材の先端の近傍に突出して配置される
   ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
6. 請求項１から請求項５の何れか１項に記載の液浸顕微鏡装置において、
   前記吸引手段は、前記通風路の下流側と略等しい幅の管状部材を用いて、前記空気と共に前記液体を吸引する
   ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
7. 請求項１から請求項６の何れか１項に記載の液浸顕微鏡装置において、
   前記対物レンズ部材の先端側に装着され、前記光路に対して垂直で且つ前記基板に最も近接する平坦部を、前記通風路の周囲に配置するアダプタを備えた
   ことを特徴とする液浸顕微鏡装置。
   

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